KR102189079B1 - 선박의 가스 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 제1 수요처로 공급하는 제1 라인; 상기 액화가스 공급라인 상에 분기되어 제2 수요처와 연결되는 제2 라인; 및 상기 제2 라인 상에 구비되며 상기 제1 라인으로부터 공급되는 기화된 액화가스를 통해 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 흡입하는 흡입 장치를 포함하고, 상기 제2 수요처는, 상기 흡입 장치로부터 공급되는 연료를 소비하여 전기적 에너지를 생성 또는 저장하는 연료전지인 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 가스 처리 시스템{A Treatment System of Gas for Vessel}

본 발명은 선박의 가스 처리 시스템에 관한 것이다.

선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.

이러한 선박은 엔진을 구동함으로써, 추력을 발생시키는데, 이때, 엔진은 가솔린 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 함으로써, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.

그러나 최근에는, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급방식이 사용되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.

일반적으로, LNG는 청정 연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이러한 LNG는 주성분인 메탄을 1기압 하에서 -162도 이하로 온도를 내려서 액체 상태로 보관하는 것이 일반적인데, 액화된 메탄의 부피는 표준상태인 기체상태의 메탄 부피의 600분의 1정도이고, 비중은 0.42로 원유 비중의 약 2분의 1이 된다.

그러나 엔진이 구동되기 위해 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 LNG의 상태와는 다를 수 있다. 따라서 최근에는 액체 상태로 저장되는 LNG의 온도 및 압력 등을 제어하여 엔진에 공급하는 다양한 기술에 대하여, 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.

본 발명은 종래의 기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 증발가스 처리 장치를 단순화하여 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 선박의 가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 선박의 가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 제1 수요처로 공급하는 제1 라인; 상기 액화가스 공급라인 상에 분기되어 제2 수요처와 연결되는 제2 라인; 및 상기 제2 라인 상에 구비되며 상기 제1 라인으로부터 공급되는 기화된 액화가스를 통해 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 흡입하는 흡입 장치를 포함하고, 상기 제2 수요처는, 상기 흡입 장치로부터 공급되는 연료를 소비하여 전기적 에너지를 생성 또는 저장하는 연료전지인 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 제1 수요처는, ME-GI 엔진이고, 상기 제2 수요처는, 비가압식 연료전지이며, 상기 흡입장치는, 상기 기화된 액화가스를 100 내지 300bar의 상태로 공급받아, 흡입되는 상기 증발가스와 혼합시켜 1 내지 3 bar의 압력으로 상기 비가압식 연료전지로 공급시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 수요처는, ME-GI 엔진이고, 상기 제2 수요처는, 가압식 연료전지이며, 상기 액화가스 저장탱크는, BOR이 0.1 미만이고, 상기 흡입장치는, 상기 기화된 액화가스를 100 내지 300bar의 상태로 공급받아, 흡입되는 상기 증발가스와 혼합시켜 3 내지 10 bar의 압력으로 상기 가압식 연료전지로 공급시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 연료전지에서 배출되는 폐열을 흡수하는 폐열회수장치; 및 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 흡입장치로 유입되는 상기 기화된 액화가스를 가열하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 폐열회수장치는, 상기 연료전지로부터 600 내지 1000도의 폐열을 공급받으며, 상기 열교환기는, 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 흡입 장치로 유입되는 상기 기화된 액화가스를 200 내지 300도로 가열할 수 있다.

구체적으로, 상기 연료전지에서 배출되는 폐열을 흡수하는 폐열회수장치; 상기 제1 라인 상에 구비되며 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하는 펌프; 및 상기 펌프로부터 가압된 액화가스를 공급받아 기화시키는 기화기를 더 포함하고, 상기 기화기는, 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 가압된 액화가스를 기화시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 폐열회수장치는, 상기 연료전지로부터 600 내지 1000도의 폐열을 공급받으며, 상기 기화기는, 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 흡입 장치로 유입되는 상기 기화된 액화가스를 40 내지 50도로 가열할 수 있다.

구체적으로, 상기 흡입 장치는, 토출되는 가스의 압력을 가변시키는 가변형 흡입 장치일 수 있다.

구체적으로, 상기 가변형 흡입 장치는, 유입되는 상기 기화된 액화가스와 흡입되는 상기 증발가스가 혼합되는 공간인 챔버; 상기 유입되는 상기 기화된 액화가스를 감압시켜 상기 챔버로 공급하며, 상기 챔버에 흡입 압력을 형성시키는 노즐; 및 상기 챔버에서 혼합된 상기 액화가스와 상기 증발가스를 상기 제2 수요처로 토출시키는 디퓨져를 포함하고, 상기 노즐의 단면적을 변경시키거나 또는 상기 디퓨져의 각도를 변경하여 상기 토출되는 가스의 압력을 가변시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 수요처는 주 동력기관으로 가압형 연료전지이며, 상기 제2 수요처는 보조 동력기관으로 비가압형 연료전지이고, 상기 제1 수요처는, 상기 3 내지 10bar의 압력으로 가압된 액화가스를 소비할 수 있다.

본 발명에 따른 선박의 가스 처리 시스템은, 증발가스를 처리하는 장치로 압축기 대신 이젝터를 사용함으로써, 증발가스 처리 장치를 단순화할 수 있게되어 시스템 구축비용이 절감되고 증발가스 처리 장치의 구동 신뢰성이 향상되는 효과가 있으며, 증발가스의 사용처로 연료전지를 선택함으로써, 증발가스 활용을 통한 시스템의 에너지 절감이 증대되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제2 수요처의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흡입 장치의 개념도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 명세서에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한, LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제2 수요처의 개념도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 제1 수요처(20), 부스팅 펌프(31), 고압 펌프(32), 기화기(33), 흡입 장치(40), 제2 수요처(50), 폐열회수장치(51) 및 열교환기(60)를 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)을 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에서는, 액화가스 공급라인(L1), 증발가스 공급라인(L2), 작동유체 공급라인(L3), 혼합유체 공급라인(L4), 고압공기 공급라인(L6)을 더 포함한다.

액화가스 공급라인(L1)은, 액화가스 저장탱크(10)와 수요처(20)를 연결하며, 부스팅 펌프(31), 고압 펌프(32) 및 기화기(33)를 구비할 수 있고, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 부스팅 펌프(31) 및 고압 펌프(32)를 통해 가압하여 기화기(33)로 기화시킨 후 수요처(40)로 공급할 수 있다.

증발가스 공급라인(L2)은, 흡입 장치(40)와 액화가스 저장탱크(10)를 연결하며, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 흡입 장치(40)로 공급할 수 있다.

작동유체 공급라인(L3)은, 액화가스 공급라인(L1)과 흡입장치(40)를 연결하며, 액화가스 공급라인(L1) 상의 기화기(33)와 제1 수요처(20) 사이에서 분기되어 기화된 액화가스 중 적어도 일부를 흡입장치(40)로 공급할 수 있으며, 열교환기(60)를 포함할 수 있다.

혼합유체 공급라인(L4)은, 흡입장치(40)와 제2 수요처(50)를 연결하며, 흡입장치(40)에서 혼합된 가스를 제2 수요처(50)로 공급할 수 있다.

고압공기 공급라인(L6)은, 고압공기 저장탱크(501)와 제2 수요처(50)를 연결하며, 고압공기 저장탱크(501)에 저장된 고압의 공기를 제2 수요처(50)로 공급할 수 있다.

여기서 각각의 라인(L1~L4,L6)에는, 개도 조절이 가능한 조절밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 조절밸브의 개도 조절에 따라 액화가스, 증발가스 또는 고압공기의 공급량이 제어될 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)는, 제1 수요처(20) 또는 제2 수요처(50)에 공급될 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 압력탱크형태를 가질 수 있다.

또한, 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스 저장물을 외부의 열원으로부터 충분한 단열을 수행하도록 하여, 기존의 액화가스 저장탱크보다 BOR이 더 낮은 예를 들어 BOR(Boiled Off Rate)이 0.1 미만(바람직하게는 BOR이 0.75 내지 0.8)인 액화가스 저장탱크(Low BOR 형 액화가스 저장탱크)일 수 있다.

여기서 액화가스 저장탱크(10)는, 다양한 형태로 그 종류를 한정하지는 않는다.

제1 수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 액화가스를 소비할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스 또한 소비할 수 있다.

제1 수요처(20)는, 예를 들어 ME-GI엔진일 수 있고 초임계 상태(온도조건: 30도 내지 60도, 압력조건: 200bar 내지 400bar)의 액화가스 또는 증발가스를 공급받아 동력을 발생시킬 수 있다.

물론 본 실시예에서 제1 수요처(20)는 프로펠러(도시하지 않음)를 구동하기 위한 엔진일 수 있으나, 발전을 위한 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있고, 액화가스 또는 증발가스의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.

부스팅 펌프(31)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 구비되고, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 또는 외부에 설치되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 고압 펌프(32)로 공급함으로써, 고압 펌프(32)에 충분한 양의 액화가스가 공급되도록 하여 고압 펌프(32)의 공동현상(Cavitation)을 방지할 수 있다.

부스팅 펌프(31)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 액화가스를 빼내어 수 내지 수십 bar 이내로 가압할 수 있으며, 부스팅 펌프(31)를 거친 액화가스는 1bar 내지 25bar로 가압될 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 저장된 액화가스는 액체상태로 놓여있다. 이때 부스팅 펌프(31)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 가압하여 압력 및 온도를 다소 높일 수 있으며, 부스팅 펌프(31)에 의해 가압된 액화가스는 여전히 액체상태일 수 있다.

고압 펌프(32)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출된 액화가스를 고압으로 가압하여 제1 수요처(20)에 공급되도록 한다. 액화가스는 액화가스 저장탱크(10)로부터 약 10bar 정도의 압력으로 배출된 후 부스팅 펌프(31)에 의해 1차로 가압되는데, 고압 펌프(32)는, 부스팅 펌프(31)에 의해 가압된 액체상태의 액화가스를 2차로 가압하여, 기화기(33)에 공급한다.

이때, 고압 펌프(32)는 액화가스를 제1 수요처(20)가 요구하는 압력, 예를 들어 200bar 내지 400bar까지 가압하여 제1 수요처(20)로 공급할 수 있다.

고압 펌프(32)는, 부스팅 펌프(31)로부터 배출되는 액체상태의 액화가스를 고압으로 가압하되, 액화가스가 초임계점(Critical Point)보다 높은 온도 및 높은 압력을 갖는 초임계 상태가 되도록 상변화시킬 수 있다. 이때 초임계 상태인 액화가스의 온도는 임계 온도보다 상대적으로 높은 영하 20도 이하일 수 있다.

또는 고압 펌프(32)는, 액체 상태의 액화가스를 고압으로 가압하여 과냉액체 상태로 변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태란 액화가스의 압력이 임계압력보다 높고, 온도가 임계온도보다 낮은 상태를 의미한다.

구체적으로 고압 펌프(32)는, 부스팅 펌프(31)로부터 배출되는 액체상태의 액화가스를 200bar 내지 400bar 까지 고압으로 가압하되, 액화가스의 온도가 임계 온도보다 낮은 온도가 되도록 하여, 액화가스를 과냉액체 상태로 상변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태인 액화가스의 온도는 임계온도보다 상대적으로 낮은 영하 140도 내지 영하 60도일 수 있다.

기화기(33)는, 제1 수요처(20)와 고압 펌프(32) 사이의 액화가스 공급라인(L1) 상에 마련되며, 고압 펌프(32)로부터 공급되는 액화가스를 기화시킨다. 기화기(33)는 과냉액체 상태 또는 초임계상태의 액화가스를 고압 펌프(32)에서 배출되는 200bar 내지 400bar 의 압력을 유지하면서 가열하여 30도 내지 60도의 초임계 상태의 액화가스로 변환한 후 제1 수요처(20)로 공급할 수 있다.

이때, 기화기(33)는, 글리콜 워터(Glycol Water)를 사용하여 액화가스를 기화시킬 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는, 액화가스를 기화시키는 기화열원으로 폐열회수장치(51)에서 공급되는 열전달 매체를 이용할 수 있다.

구체적으로, 기화기(33)는, 액화가스 공급라인(L1) 상 제1 수요처(20)와 고압 펌프(32) 사이에 구비되며, 액화가스 공급라인(L1)으로부터 기화된 액화가스를 공급받고 a2로 연결되는 라인(도 1에 도시된)을 통해 폐열회수장치(51)로부터 폐열과 열교환된 열전달 유체를 공급받아 기화된 액화가스와 열전달 유체가 서로 열교환하며, 이를 통해 기화된 액화가스가 가열되고 열전달 유체는 냉각되어, 열전달 유체를 다시 b로 연결되는 라인(도 1에 도시된)을 통해 폐열회수장치(51)로 복귀시킨다.

따라서, 본 발명에서는, 기화기(33)로 공급할 기화열원을 폐열회수장치(51)의 폐열을 이용함으로써, 제2 수요처(50)에서 발생하는 폐열을 버리지 않고 효과적으로 이용할 수 있어 시스템 내의 에너지 사용의 최적화를 이룰 수 있다.

흡입 장치(40)는, 고압 펌프(32)를 거쳐 기화기(33)에서 고압으로 기화된 액화가스를 작동유체(Driving Fluid)로 하여, 기화기(33)로부터 기상의 액화가스를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 흡입한 후 제2 수요처(50)로 공급할 수 있다.

구체적으로, 흡입 장치(40)는, 작동유체 공급라인(L3)을 통해 공급되는 작동유체인 기화된 액화가스를 이용하여 증발가스 공급라인(L2)에 의해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스(흡입가스)를 흡입하고, 기화된 액화가스와 흡입된 증발가스를 혼합유체 공급라인(L4)을 통해 제2 수요처(50)로 공급한다.

여기서 흡입 장치(40)는, 액화가스 저장탱크(10) 내부에 발생된 증발가스를 일정량 흡입하기 위해서 일정량의 증발가스를 흡입하기 위한 작동 유체량 또는 압력 및 토출 유체량 및 압력을 계산하여 변경할 수 있으며, 계산된 구동 유체량 또는 구동 유체압력만큼을 작동유체 공급라인(L3)을 통해서 공급받아 계산된 토출 유체량 및 압력만큼을 혼합유체 공급라인(L4)을 통해 토출시킬 수 있다.

상세하게 설명하면, 흡입 장치(40)는, 구동 유체로 기상의 액화가스를 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 흡입하여 구동유체인 기상의 액화가스와 혼합되며, 이때, 구동유체가 가지고 있던 운동에너지는 혼합 유체 전체의 운동에너지로 변환되고, 이어서 흡입 장치(40)의 디퓨져(43)의 단면이 확대되는 말단 부분에서 혼합 유체의 속도가 저하됨에 따라 혼합 유체의 운동에너지는 다시 압력으로 변환하게 된다. 이로 인해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스는 약 1 내지 2bar 또는 3 내지 10bar의 압력을 얻게된다.

즉, 본 발명에서는, 기화기(30)로부터 공급되는 액화가스의 압력이 약 100 내지 300bar의 압력(바람직하게는 약 300bar)이나 흡입 장치(40)로 유입된 후의 구동유체는 압력이 상대적으로 떨어지고, 압력하강*구동유체유량인 압력전달용량을 흡입유체(액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스)로 공급함으로써 1 내지 1.03bar에 불과한 흡입 유체의 압력을 약 1 내지 2bar 또는 3 내지 10bar의 압력만큼 상승시킬 수 있다.

일례로, 흡입 장치(40)는, 작동유체의 압력을 100 내지 300bar로 하고 토출유체의 압력을 3 내지 10bar로 선택하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 흡입할 수 있으며, 작동유체의 압력을 100 내지 300bar로 하고 토출유체의 압력을 1 내지 2bar로 선택하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 흡입할 수 있다.

흡입 장치(40)는, 전자의 경우 토출 압력이 후자보다 높아, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스의 흡입량이 후자보다 작게 된다. 이때 흡입장치(40)는 전자의 경우 작동유체량과 흡입유체량의 비는 약 1.5:1일 수 있으며, 후자의 경우 작동유체량과 흡입류체량의 비는 약 1:1일 수 있다.

따라서, 액화가스 저장탱크(10)가 Low BOR 형 액화가스 저장탱크(10)인 경우, 기존 액화가스 저장탱크보다 BOR이 0.1 미만으로 낮아 증발가스의 발생량이 적으므로, 흡입 장치(40)가 흡입하는 증발가스량이 적은 전자의 경우와 같이 흡입장치(40)를 토출 압력이 높도록 선택하고, 액화가스 저장탱크(10)가 기존의 액화가스 저장탱크(10)인 경우에는 Low BOR 형 액화가스 저장탱크(10)보다 증발가스 발생량이 많으므로, 흡입 장치(40)가 흡입하는 증발가스량이 많은 후자의 경우와 같이 흡입 장치(40)를 토출 압력이 낮도록 선택할 수 있다.

이를 통해서 흡입 장치(40)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스의 양에 따라 토출압력을 선택하여, 효과적으로 액화가스 저장탱크(10)에 발생되는 증발가스를 처리할 수 있다.

또한, 전자의 경우에는 토출압력이 높으므로 흡입장치(40)가 공급하는 제2 수요처(50)를 가압형 연료전지를 사용할 수 있으며, 후자의 경우에는 토출압력이 낮으므로 흡입장치(40)가 공급하는 제2 수요처(50)를 비가압형 연료전지로 사용할 수 있다.

이 경우, 전자의 구성은 흡입하는 증발가스량이 적어 제2 수요처(50)로 공급되는 유량이 적게된다. 이때, 제2 수요처(50)가 비가압형 연료전지일 경우 공급되는 유량이 적어 생산하는 전력의 양(출력)이 적게되나, 이를 해결하기 위해 제2 수요처(50)의 종류를 가압형 연료전지로 선택하여 비가압형 연료전지 대비 부족한 연료공급유량을 해결할 수 있다. 물론 후자의 구성은 흡입하는 증발가스량이 많아 제2 수요처(50)로 공급되는 유량이 많으므로 연료전지가 생산하는 전력의 양(출력)은 많게된다.

이와 같이 본 발명에서는, 전자의 구성을 가지는 실시예는, 액화가스 저장탱크(10)가 Low BOR 형 액화가스 저장탱크(10)이고, 흡입 장치(40)의 토출압력은 3 내지 10bar이며 제2 수요처(50)는 가압형 연료전지로 구성하고 후자의 구성을 가지는 실시예는, 액화가스 저장탱크(10)가 기존의 저장탱크이고, 흡입 장치(40)의 토출압력은 1 내지 2 bar이며 제2 수요처(50)는 비가압형 연료전지로 구성하여, 액화가스 저장탱크(10)와 제2 수요처(50)의 종류에 맞춰 흡입 장치(40)의 압력을 최적화 선택하였고, 이를 통해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 매우 효율적으로 처리하게 되는 현저한 효과가 발생하고 에너지 낭비 절감 및 시스템 구축 비용의 감소의 추가적인 효과가 발생한다.

흡입 장치(40)는, 그 종류가 이젝터(Ejector), 이덕터(Eductor), 제트 펌프(Jet-pump)일 수 있다. 흡입 장치(40)를 형성하는 구체적인 구성들은 하기에 도 4를 참고로 설명하도록 한다. 물론 하기의 설명은 흡입 장치(40)의 쉬운 설명을 위해 이젝터로 예를 든 것일 뿐, 이에 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흡입 장치의 개념도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 흡입 장치(40; 이젝터)는, 챔버(41), 노즐(42), 디퓨져(43)를 포함하여 구성될 수 있다.

챔버(41)는, 일측부분이 노즐(42)과 연결되고 타측부분이 디퓨져(43)와 연결되며 또다른 부분이 증발가스 공급라인(L2)과 연결되도록 구성된다. 챔버(41)는, 노즐(42)을 통해 유입되는 작동유체(기화된 액화가스)와 증발가스 공급라인(L2)을 통해 공급되는 증발가스를 혼합시키는 공간을 가지며, 혼합된 유체들을 디퓨져(43)로 공급한다. 챔버(41)의 공간은 원형, 각형 등 다양한 형상일 수 있다.

노즐(42)은, 유입부가 작동유체 공급라인(L3)과 연결되고 유출부가 챔버와 연결되어, 유입되는 기화된 액화가스를 챔버(41)로 공급하며, 챔버(41)로 갈수록 단면이 좁게 형성되어 작동유체가 챔버(41)로 공급시 속도가 증가하고 압력이 저하되도록 한다.

디퓨져(43)는, 유입부에 챔버(41)와 연결되고 유출부에 혼합유체 공급라인(L4)과 연결되어, 챔버(41)에서 유입되는 혼합유체를 제2 수요처(50)로 공급하며, 유입부에서 갈수록 단면적이 작아지다 중간부분에서 단면적이 최소가 되고 유출부로 갈수록 단면적이 커지는 형상을 가진다.

흡입 장치(40)는, 토출되는 가스의 압력을 가변시키는 가변형 흡입 장치(40)일 수 있다.

일례로 흡입 장치(40)는, 노즐(42)의 위치를 변경시키거나 노즐(42)의 단면적을 감소시켜 혼합유체의 토출압력을 가변시키는 노즐 이동형 가변흡입장치이거나 또는 디퓨져(43)의 각도를 변경시켜 혼합유체의 토출압력을 가변시키는 디퓨져 이동형 가변 흡입장치일 수 있다.

이를 통해 본 발명의 실시예에서는, 흡입장치(40)가 제2 수요처(50)의 종류 또는 액화가스 저장탱크(10)의 종류에 따라 다양한 작동영역을 가질 수 있어, 시스템의 탄력적인 적용이 가능한 효과가 있다.

제2 수요처(50)는, 혼합유체 공급라인(L4)과 연결되어 흡입 장치(40)로부터 공급되는 기화된 액화가스와 증발가스의 혼합 유체를 공급받아 소비할 수 있다. 이때, 제2 수요처(50)는, 흡입 장치(40)로부터 공급되는 기화된 액화가스와 증발가스의 혼합 유체(이하에서는 혼합유체라 한다.)를 공급받아 전기적 에너지를 생성 및 저장하는 연료전지일 수 있으며, 비가압형 또는 가압형의 연료전지일 수 있다.

제2 수요처(50)가 비가압형 연료전지인 경우, 제2 수요처(50)로 공급되는 혼합유체는 약 1 내지 2bar의 압력상태를 가지며, 가압형 연료전지인 경우, 제2 수요처(50)로 공급되는 혼합유체는 약 3 내지 10bar의 압력상태를 가질 수 있다.

여기서 제2 수요처(50)는, 생성 및 저장한 전기적 에너지를 선박(도시하지 않음) 내의 다양한 전력 소비처로 공급될 수 있다.

이하에서는 제2 수요처(50)가 일례로 연료전지임을 토대로 설명하도록 한다.

연료 전지(50)는 혼합유체 공급라인(L4)과 연결되어 혼합유체를 공급받고, 고압공기 공급라인(L6)과 연결되어 고압의 공기를 공급받을 수 있다. 이때 본 발명에서는 고압의 공기를 저장하는 고압공기 저장탱크(501)를 더 포함할 수 있으며, 고압공기 저장탱크(501)는 고압공기 공급라인(L6)을 통해 연료전지(50)와 연결되어 고압의 공기를 연료전지(50)로 공급할 수 있다.

구체적으로, 연료전지(50)는, 혼합 유체를 혼합유체 공급라인(L4)을 통해 흡입 장치(40)로부터 공급받아 혼합유체가 유동하는 공간(도시하지 않음), 전해액이 존재하는 공간(도시하지 않음), 그리고 고압공기를 고압공기 공급라인(L6)을 통해 고압공기 저장탱크(501)로부터 공급받아 고압공기가 유동하는 공간(도시하지 않음)을 내부에 형성하고 있으며, 혼합유체가 유동하는 공간과 고압공기가 존재하는 공간 사이에 전해액이 존재하는 공간을 위치시키고, 혼합 유체인 액화가스 또는 증발가스에 포함되어 있는 탄화수소계열의 원소들에서의 수소와 고압 공기에서의 산소를 전해액을 통해서 이온을 주고 받음으로서 전력을 생산한다. 이때 연료 전지(50)에서는 반응열로 인해 고온이 발생하며 약 600 내지 1000도의 온도를 가질 수 있다.

연료전지(50)에서 사용되고 남은 고압 공기는 다시 고압공기 저장탱크(501)로 복귀할 수 있으며, 연료전지(50)에서 사용되고 남은 혼합유체는 별도의 소비수단(도시하지 않음)으로 공급될 수 있다. 또한, 연료전지(50)에서 발생되는 반응열은 후술할 폐열회수장치(51)로 공급될 수 있다.

폐열회수장치(51)는, 제2 수요처(50)로부터 폐열인 반응열을 공급받을 수 있으며, 열전달 유체가 유동하는 별도의 라인(부호 도시하지 않음; 도 1에 도시된 b로부터 연결되는 라인)과 연결되어 열전달 유체를 공급받고 이어 별도의 라인(부호도시하지 않음; 도 1에 도시된 a1 및 a2로 연결되는 라인)을 통해 열전달 유체를 후술할 열교환기(60) 또는 기화기(33)에 공급할 수 있다.

구체적으로, 폐열회수장치(51)는, 제2 수요처(50)로부터 발생된 반응열인 폐열을 공급받고 b로부터 연결되는 라인(도 1에 도시된)을 통해 열전달 유체를 공급받아, 폐열과 열전달 유체를 열교환시킨다.

이때 열전달 유체는 폐열에 의해 가열되어 열원을 공급받게 되며, 열원을 공급받은 열전달 유체는 a1로 연결되는 라인(도 1에 도시된)을 통해 열교환기(60)로 공급되거나 또는 a2로 연결되는 라인을 통해 기화기(33)에 공급할 수 있다.

이를 통해서 본 발명의 실시예에서는, 제2 수요처(50) 즉 연료전지(50)에서 발생되는 폐열을 낭비하지 않고 재사용할 수 있어 에너지 소비 효율을 증가시킬 수 있다.

열교환기(60)는, 작동유체 공급라인(L3) 상에 흡입 장치(40)의 유입측에 구비되어 흡입 장치(40)로 공급되는 기화된 액화가스를 가열한다.

구체적으로, 열교환기(60)는, 작동유체 공급라인(L3) 상 흡입장치(40)와 액화가스 공급라인(L1)의 분기점 사이에 구비되며, 작동유체 공급라인(L3)으로부터 기화된 액화가스를 공급받고 a1으로 연결되는 라인(도 1에 도시된)을 통해 폐열회수장치(51)로부터 폐열과 열교환된 열전달 유체를 공급받아 기화된 액화가스와 열전달 유체가 서로 열교환하며, 이를 통해 기화된 액화가스가 가열되고 열전달 유체는 냉각되어, 열전달 유체를 다시 b로 연결되는 라인(도 1에 도시된)을 통해 폐열회수장치(51)로 복귀시킨다.

여기서 열교환기(60)는, 공급되는 열전달 유체를 통해서 작동유체 공급라인(L3)을 통해 공급되는 액화가스를 약 200 내지 300도로 가열하고, 이를 흡입장치(40)로 공급할 수 있다.

흡입 장치(40)는, 작동유체가 액화가스로서 메탄을 함유하고 있고 기화기(33)에서 대략 45도의 온도를 가지고 유입된다. 유입된 작동유체는 노즐(42)을 통과하여 챔버(41)로 토출되며 이때 메탄가스의 냉각작용에 의해 챔버(41) 내에 아이싱(icing)을 일으킬 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 흡입 장치(40)의 유입단에 열교환기(60)를 구축하고 열교환기(60)로 공급할 열원을 제2 수요처(50)의 폐열을 이용함으로써, 흡입장치(40) 내의 아이싱을 방지함과 동시에 폐열회수장치(51)의 폐열을 효과적으로 이용할 수 있어 시스템 내의 에너지 사용의 최적화를 이룰 수 있다.

게다가 흡입장치(40)의 유입단 온도를 200 내지 300도로 상승시킬 수 있어 흡입장치(40)로 유입되는 작동유체의 압력 범위를 늘릴 수 있어, 흡입장치(40)의 작동 범위가 늘어나는 효과가 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 증발가스를 처리하는 장치로 압축기 대신 흡입 장치(40)를 사용함으로써, 증발가스 처리 장치를 단순화할 수 있게 되어 시스템 구축비용이 절감되고 증발가스 처리 장치의 구동 신뢰성이 향상되는 효과가 있으며, 증발가스의 사용처로 연료전지(50)를 선택함으로써, 증발가스 활용을 통한 시스템의 에너지 절감이 증대되는 효과가 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 제1 수요처(20), 부스팅 펌프(31), 기화기(33), 흡입 장치(40), 제2 수요처(50), 제어부(70)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 본 발명의 일 실시예에서와 달리 제1 수요처(20)가 변경되고 분기라인(L5)이 추가되며, 고압 펌프(32), 폐열회수장치(51) 및 열교환기(60)가 생략되어 있으나, 이는 실시예의 설명을 편리하게 하기 위한 것일 뿐 두 실시예에서의 생략 및 변경된 구성들의 조합은 동일 명세서상에 존재하는 바 가능하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10), 부스팅 펌프(31), 기화기(33), 흡입 장치(40), 제2 수요처(50) 등은 본 발명의 일 실시예에서의 가스 처리 시스템(1)에서의 각 구성과 편의상 동일한 도면부호를 사용하나, 반드시 동일한 구성을 지칭하는 것은 아니다.

이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)을 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)에서 분기라인(L5)이 더 추가 포함한다.

분기라인(L5)은, 액화가스 공급라인(L1)과 혼합유체 공급라인(L4)을 연결하며, 구체적으로, 액화가스 공급라인(L1) 상의 기화기(33)와 제1 수요처(20) 사이에서 분기되어 혼합유체 공급라인(L4) 상의 흡입 장치(40)와 제2 수요처(50) 사이에 연결될 수 있다.

여기서 분기라인(L5)에는, 개도 조절이 가능한 분기라인 조절밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 분기라인 조절밸브의 개도 조절에 따라 액화가스 또는 증발가스의 공급량이 제어될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는, 제1 수요처(20)가 가압형 연료전지일 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 부스팅 펌프(31)와 고압 펌프(32)가 둘 다 구비되지 않고 부스팅 펌프(31)만 구비하여, 제1 및 제2 수요처(20,50)에서 사용되는 액화가스의 압력을 저압(1 내지 10bar)으로 설정할 수 있다. 따라서, 제1 수요처(20)에서는 가압형 연료전지일 수 있으며 이때 제1 수요처(20)는 3 내지 10 bar의 압력을 가진 기화된 액화가스를 소비할 수 있고, 제2 수요처(50)는 1 내지 2 bar의 압력을 가진 혼합 유체를 소비할 수 있다.

가압형 연료전지에 대해서는 상기 기술한 제2 수요처(50)에 서술된 연료전지(50)의 내용과 대동소이하므로 이에 갈음하도록 한다.

제어부(70)는, 제1 수요처(20)의 연료 요구량과 제2 수요처(50)의 연료 요구량을 비교하여 분기라인(L5) 상에 유동하는 가스의 흐름을 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(70)는, 제1 수요처(20)의 연료 요구량이 제2 수요처(50)의 연료 요구량보다 많은 경우, 분기라인(L5) 내에 유동하는 가스의 흐름을 혼합유체 공급라인(L4) 방향에서 액화가스 공급라인(L1) 방향으로 흐르도록 제어하고, 제1 수요처(20)의 연료 요구량이 제2 수요처(50)의 연료 요구량보다 적은 경우, 분기라인(L5) 내에 유동하는 가스의 흐름을 액화가스 공급라인(L1) 방향에서 혼합유체 공급라인(L4) 방향으로 흐르도록 제어할 수 있다.

또한, 제어부(70)는, 혼합유체 공급라인(L4)과 분기라인(L5)의 접점에 제1 조절밸브(71)를 구성하고, 액화가스 공급라인(L1)과 분기라인(L5)의 접점에 제2 조절밸브(72)를 구성하여, 제1 조절밸브(71)와 제2 조절밸브(72)를 유선 또는 무선으로 개도조절을 지시할 수 있다.

구체적으로, 제어부(70)는, 제1 수요처(20)의 연료 요구량이 제2 수요처(50)의 연료 요구량보다 많은 경우, 제1 조절밸브(71)에서 제2 수요처(50) 방향의 개도크기를 줄이고 분기라인(L5)방향의 개도 크기를 늘림으로써, 분기라인(L5) 내에 유동하는 가스의 흐름을 혼합유체 공급라인(L4) 방향에서 액화가스 공급라인(L1) 방향으로 흐르도록 제어할 수 있고, 제1 수요처(20)의 연료 요구량이 제2 수요처(50)의 연료 요구량보다 적은 경우, 제2 조절밸브(72)에서 제1 수요처(20) 방향의 개도크기를 줄이고 분기라인(L5)방향의 개도 크기를 늘림으로써, 분기라인(L5) 내에 유동하는 가스의 흐름을 액화가스 공급라인(L1) 방향에서 혼합유체 공급라인(L4) 방향으로 흐르도록 제어할 수 있다.

이를 통해서 본 발명의 실시예에서는, 제1 수요처(20) 또는 제2 수요처(50)에서 요구하는 연료량에 따라 탄력적으로 연료를 공급할 수 있으며, 무엇보다도 제1 수요처(20)를 주 동력으로 그리고 제2 수요처(50)를 보조동력으로 사용하면서 이 둘의 압력 범위가 크게 차이가 없어 시스템 구축 비용이 절감되는 효과가 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 선박의 가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
20: 제1 수요처 31: 부스팅 펌프
32: 고압 펌프 33: 기화기
40: 흡입장치 41: 챔버
42: 노즐 43: 디퓨져
50: 제2 수요처 501: 고압공기 저장탱크
51: 폐열회수장치 60: 열교환기
70: 제어부 71: 제1 조절밸브
72: 제2 조절밸브
L1: 액화가스 공급라인 L2: 증발가스 공급라인
L3: 작동유체 공급라인 L4: 혼합유체 공급라인
L5: 분기라인 L6: 고압공기 공급라인

Claims (10)

1. 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 제1 수요처로 공급하는 제1 라인;
   상기 제1 라인 상에 분기되어 제2 수요처와 연결되는 제2 라인;
   상기 제2 라인 상에 구비되며 상기 제1 라인으로부터 공급되는 기화된 액화가스를 통해 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 흡입하는 흡입 장치;
   연료전지에서 배출되는 폐열을 흡수하는 폐열회수장치;
   상기 제1 라인 상에 구비되며 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하는 펌프;
   상기 제1 라인 상에 구비되며 상기 펌프로부터 가압된 액화가스를 공급받아 상기 폐열회수장치로부터 공급받는 열원을 이용하여 액화가스를 기화시키는 기화기; 및
   상기 제2 라인 상에 구비되며 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 흡입장치로 유입되는 상기 기화된 액화가스 및 상기 흡입장치의 유입단을 가열하는 열교환기를 포함하고,
   상기 제1 수요처는,
   ME-GI 엔진이며,
   상기 제2 수요처는,
   상기 흡입 장치로부터 공급되는 연료를 소비하여 전기적 에너지를 생성 또는 저장하는 연료전지이며,
   상기 흡입 장치는,
   상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스량에 따라 토출되는 가스의 압력을 가변시키는 가변형 흡입 장치인 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 수요처는, ME-GI 엔진이고, 상기 제2 수요처는, 비가압식 연료전지이며,
   상기 흡입장치는,
   상기 기화된 액화가스를 100 내지 300bar의 상태로 공급받아, 흡입되는 상기 증발가스와 혼합시켜 1 내지 3 bar의 압력으로 상기 비가압식 연료전지로 공급시키는 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 수요처는, ME-GI 엔진이고, 상기 제2 수요처는, 가압식 연료전지이며, 상기 액화가스 저장탱크는, BOR이 0.1 미만이고,
   상기 흡입장치는,
   상기 기화된 액화가스를 100 내지 300bar의 상태로 공급받아, 흡입되는 상기 증발가스와 혼합시켜 3 내지 10 bar의 압력으로 상기 가압식 연료전지로 공급시키는 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 폐열회수장치는, 상기 연료전지로부터 600 내지 1000도의 폐열을 공급받으며,
   상기 열교환기는, 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 흡입 장치로 유입되는 상기 기화된 액화가스를 200 내지 300도로 가열하는 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 폐열회수장치는, 상기 연료전지로부터 600 내지 1000도의 폐열을 공급받으며,
   상기 기화기는, 상기 폐열회수장치로부터 열원을 공급받아 상기 흡입 장치로 유입되는 상기 기화된 액화가스를 40 내지 50도로 가열하는 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서, 상기 가변형 흡입 장치는,
   유입되는 상기 기화된 액화가스와 흡입되는 상기 증발가스가 혼합되는 공간인 챔버;
   상기 유입되는 상기 기화된 액화가스를 감압시켜 상기 챔버로 공급하며, 상기 챔버에 흡입 압력을 형성시키는 노즐; 및
   상기 챔버에서 혼합된 상기 액화가스와 상기 증발가스를 상기 제2 수요처로 토출시키는 디퓨져를 포함하고,
   상기 노즐의 단면적을 변경시키거나 또는 상기 디퓨져의 각도를 변경하여 상기 토출되는 가스의 압력을 가변시키는 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 수요처는 주 동력기관으로 가압형 연료전지이며, 상기 제2 수요처는 보조 동력기관으로 비가압형 연료전지이고,
    상기 제1 수요처는,
    3 내지 10bar의 압력으로 가압된 액화가스를 소비하는 것을 특징으로 하는 선박의 가스 처리 시스템.
    
    

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