KR102189743B1 - 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

선박의 연료가스 공급 시스템이 개시된다. 개시된 선박의 연료가스 공급 시스템은 선박의 저장탱크에 연결되어 저장탱크의 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1유로와, 저장탱크의 액화천연가스를 펌핑 및 증발시켜 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2유로와, 제1유로에 마련되어 증발가스를 압축하는 다단압축기와, 제1유로 및 제2유로 중 적어도 어느 하나의 퍼징시 그 내부의 연료가스를 저장하는 보조저장탱크와, 보조저장탱크로 연료가스를 안내하는 분기관을 선택적으로 개폐하는 개폐유닛을 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM AND METHOD FOR SHIP}

본 발명은 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.

선박이 액화연료를 수송하는 과정에서, 저장 탱크 내 저장된 액화연료는 자연기화되어 증발 가스가 발생할 수 있다. 이때 발생되는 증발 가스의 양은 액화연료 수송효율, 저장 탱크 내의 압력 제어 등에 중요한 요소가 된다. 따라서, 이러한 증발 가스의 활용에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다.

선박은 엔진의 동력에 의해 추진력을 얻는다. 선박의 엔진으로는 액화연료, 예를 들어 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)를 연료로 사용하는 고압가스 분사 엔진(예를 들어 MAN B&W Diesel社의 ME-GI 엔진)이 적용될 수 있다.

선박은 엔진과, 액화연료를 저장하는 저장 탱크와, 저장 탱크 내부의 액화연료 또는 액화연료로부터 기화된 증발가스(boil-off gas, BOG)로부터 엔진이 요구하는 압력의 연료가스를 생성하는 연료가스 공급 시스템과, 이들을 연결하는 배관 및 제어 장치들을 포함한다.

선박의 운행 과정에서 긴급 상황이 발생하거나 엔진으로 공급되는 연료를 가스에서 오일로 바꾸고자 하는 경우, 배관에 채워져 있던 연료가스를 모두 빼내야 한다. 통상의 경우 배관 내부의 연료가스를 대기 중으로 배출하고 있다.

그런데 이 경우 연료가스의 주성분인 메탄은 매우 강력한 온실가스이므로 환경 오염을 유발하며, 연료가 낭비되는 문제가 있다. 따라서, 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

본 발명의 일측은 배관 내부의 연료가스를 제거해야 하는 경우 연료가스를 대기 중으로 배출하지 않고 선박 내부에서 재사용할 수 있도록 함으로써 환경 오염과 연료 낭비를 줄이고, 소음 발생과 화재 발생의 위험을 제거할 수 있는 연료가스 공급 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 재액화 장비를 사용하지 않으면서 저비용으로 저장 탱크의 증발가스를 효율적으로 처리 및 재사용할 수 있는 연료가스 공급 시스템과 이를 구비한 선박을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료가스 공급 시스템은 상기 선박의 저장탱크에 연결되어 상기 저장탱크의 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 상기 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1유로와, 상기 저장탱크의 액화천연가스를 펌핑 및 증발시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2유로와, 상기 제1유로에 마련되어 상기 증발가스를 압축하는 다단압축기와, 상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 어느 하나의 퍼징시 그 내부의 연료가스를 저장하는 보조저장탱크와, 상기 보조저장탱크로 연료가스를 안내하는 분기관을 선택적으로 개폐하는 개폐유닛을 포함할 수 있다.

상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 고압가스 분사엔진에서 필요로 하는 연료 필요량에 보다 많은 경우, 개폐유닛을 개방하여 상기 고압가스 분사엔진으로 공급되는 연료가스의 일부를 상기 보조저장탱크에 공급할 수 있다.

상기 저장탱크와 상기 다단 압축기사이의 상기 제1유로에 마련되어 상기 다단압축기로 유입되는 증발가스를 승온시키는 히터를 더 포함할 수 있다.

상기 제2유로상에 고압펌프가 마련되고, 상기 고압펌프에 이상이 발생하는 경우 상기 제1유로를 통해 상기 고압가스분사엔진으로 증발가스를 공급받을 수 있다.

상기 보조저장탱크는 상기 고압가스 분사엔진이 아닌 다른 연료수요처에 연료가스가 공급가능하게 연결되고, 상기 다른 연료수요처는 발전기, 보일러 및 DFDE 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 다단압축기 중 어느 일부의 압축기를 거친 상기 제1유로에서 분기되어 상기 고압가스 분사엔진이 아닌 다른 연료 수요처에 증발가스를 공급하는 제3유로를 더 포함할 수 있다.

상기 제2유로상에 고압펌프가 마련되고, 상기 고압펌프에 이상이 발생하는 경우 상기 제1유로를 통해 상기 고압가스분사엔진으로 증발가스를 공급받을 수 있다.

상기 제2유로상에 증발부가 마련되고, 상기 제3유로상의 증발가스를 이용하여 상기 증발부에 열원을 공급할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 압축시켜 생성된 연료가스를 고압가스 분사엔진에 공급하거나, 상기 액화천연가스를 펌핑 및 증발시켜 생성된 연료가스를 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하여 상기 증발가스 또는 액화천연가스를 선택적으로 상기 고압가스 분사엔진에 공급하되, 상기 고압가스 분사엔진에 상기 연료가스를 공급하기 위한 유로 중 적어도 어느 하나의 퍼징시 그 내부의 연료가스를 보조저장탱크에 공급할 수 있다.

상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 고압가스 분사엔진에서 필요로 하는 연료 필요량에 보다 많은 경우 상기 고압가스 분사엔진으로 공급되는 연료가스의 일부를 상기 보조저장탱크에 공급할 수 있다.

본 실시예의 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법은 종래에 대기 중으로 배출하였던 연료가스를 저장 탱크에 저장함에 따라, 온실가스 방출에 따른 환경오염을 막을 수 있고, 소음 발생과 화재 발생의 위험을 제거할 수 있다. 또한, 본 실시예의 연료가스 공급 시스템을 구비한 선박은 저장 탱크의 연료가스를 엔진 이외의 다른 기계장치의 연료로 재사용함으로써 연료 낭비를 줄이고, 선박 전체의 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 실시예의 연료가스 공급 시스템 및 방법은 고가의 재액화 설비를 생략할 수 있으며, 재액화 설비 대비 증발가스 처리에 소모되는 전력을 크게 낮출 수 있다.

또한, 증발가스를 압축시켜 제2 압력의 연료가스를 생성하고 이를 보일러와 발전기의 연료로 공급함에 따라, 선박의 연료 사용량을 줄일 수 있으며, 선박 전체의 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료가스 공급 시스템을 구비한 선박의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료가스 공급 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박의 개략적인 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료가스 공급 시스템을 포함하는 선박의 개략적인 구성도이다.

액화연료는 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 및 디메틸에테르(dimethylether) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다만, 아래에서는 설명의 편의상 액화연료가 LNG인 것으로 가정하고 설명한다.

도 1을 참고하면, 선박(100)은 엔진(10)과, 액화천연가스(LNG)를 저장하는 LNG저장탱크(20)와, LNG저장탱크(20) 내부의 LNG 또는 LNG로부터 기화된 증발가스(BOG)를 엔진에 요구되는 압력의 연료가스로 변환시키는 연료가스 공급 시스템(30)을 포함한다. 또한, 선박(100)은 선박(100)에 필요한 전기를 생산하는 발전기(40)와, 선박(100)에 필요한 증기 또는 온수를 만드는 보일러(50)를 포함한다.

LNG저장탱크(20)는 LNG 화물선에 구비된 복수의 LNG 저장 탱크 중 어느 하나이거나 LNG를 엔진(10)의 연료로 사용하는 다른 선박의 연료 저장 탱크일 수 있다. 즉 선박(100)은 LNG 화물선이거나 LNG를 엔진(10)의 연료로 사용하는 다른 선박일 수 있다.

LNG는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 대략 -162℃로 냉각해 그 부피를 1/600으로 줄인 무색 투명한 액체이다. LNG를 저장하는 LNG저장탱크(20)는 통상 이중의 단열 구조를 가지고 있으나, 실제로 외부의 열 유입이나 해상 환경에 의한 선박의 유동에 의해 증발가스가 발생한다.

LNG저장탱크(20)에 증발가스가 다량 발생하여 축적되면 내부 압력이 증가하여 탱크 파열의 위험이 있으므로 증발가스가 발생할 때마다 이를 뽑아내어 압력 증가를 막아야 한다. 본 실시예에 따른 선박(100)은 증발가스를 가압하여 연료가스로 사용하거나, LNG를 압축시킨 후 기화시켜 연료가스로 사용한다. 또한, 경우에 따라서는 증발가스를 가압한 양 또는 LNG를 압축시킨 후 기화시킨 양 중 어느 하나가 엔진에서 요구하는 양보다 적은 경우, 다른 하나를 보충적으로 사용할 수도 있다.

엔진(10)은 고압가스 분사 엔진(예를 들어 MAN B&W Diesel社의 ME-GI 엔진)이며, 연료가스 공급 시스템(30)은 고압 펌프(31), 증발기(32), 다단 압축기(33), 연료가스 배관(34), 및 보조저장탱크(35)를 포함한다. 여기서, 고압 펌프(31)와 증발기(32) 및 다단 압축기(33)가 연료가스 공급부(310)를 구성한다.

고압 펌프(31)와 증발기(32)는 LNG로부터 고압의 연료가스를 만들기 위한 구성이고, 다단 압축기(33)는 증발가스로부터 고압의 연료가스를 만들기 위한 구성이다. 증발기(32)와 다단 압축기(33)는 연료가스 배관(34)을 통해 엔진(10)과 연결되어 엔진(10)으로 연료가스를 공급한다.

고압 펌프(31)는 액화연료 배관(L10)을 통해 LNG저장탱크(20) 내부 또는 외부의 부스팅 펌프(36)와 연결될 수 있다. 고압 펌프(31)는 부스팅 펌프(36)의 작동으로 LNG를 제공받으며, 제공받은 LNG를 엔진(10)에서 사용 가능한 압력, 예를 들어 300bar로 가압시킨다. 증발기(32)는 가압된 LNG를 기화시킴으로써 LNG의 압력을 그대로 유지한 채 LNG를 기체로 상변화시키고, 엔진(10)의 요구 온도에 맞도록 가열하여 엔진(10)으로 공급한다.

다단 압축기(33)는 직렬로 연결된 복수의 압축기(331, 332, 333, 334, 335)를 포함한다. 다단 압축기(33)는 증발가스 배관(L20)을 통해 LNG저장탱크(20)로부터 증발가스를 제공받아, 엔진의 요구압력까지, 예를 들어 대략 300bar까지 가압한다. 도 1에서는 5개의 압축기(331~335)로 구성된 다단 압축기(33)를 도시하였으나, 압축기의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다.

다단 압축기(33) 중 제1단의 압축기(331) 전단에는 영하(대략 -140℃)의 증발가스를 압축기 주입이 가능한 온도(대략 40℃)로 상승시키는 히터(37)가 설치될 수 있다. 그리고 직렬로 연결된 각 압축기(331~335) 사이와 제5단의 압축기(335) 후단에는 압축에 의해 고온(대략 100℃ 내지 180℃)으로 가열된 증발가스를 다음 압축기 또는 엔진(10)에 사용 가능한 온도(대략 40℃)로 낮춰주는 냉각기(381, 382, 383, 384, 385)가 설치될 수 있다.

이하, 본 명세서에서 다단 압축기(33)는 복수의 압축기(331, 332, 333, 334, 335)와 복수의 냉각기(381, 382, 383, 384, 385)를 포함하는 개념으로 정의하여 설명한다. 그러나, 복수의 압축기(331, 332, 333, 334, 335)의 개수 및 복수의 냉각기(381, 382, 383, 384, 385)의 개수는 본 명세서의 다단 압축기(33)를 한정하지 아니하며, 적거나 또는 추가적으로 많을 수 있다.

증발기(32)에서 배출되는 연료가스와, 다단 압축기(33)에서 배출되는 연료가스는 대략 40℃의 온도와 대략 300bar의 압력을 가질 수 있다.

연료가스 공급 시스템(30)은 LNG로부터 연료가스를 생성하거나, 증발가스로부터 연료가스를 생성한다.

예를 들어, 선박이 만선 항해(laden voyage)시에는 LNG저장탱크(20)에 서 발행하는 증발가스의 양이 많다. 이 경우, 연료가스 공급시스템(30)은 증발가스를 가압하여 연료가스로 사용할 수 있다. 여기서, 만선 항해(laden voyage)는 LNG저장탱크(20)가 가득 채워진 때를 말하며, 보통 LNG 저장탱크 부피의 98% 내외로 LNG가 적재된 경우를 말한다.

예를 들어, 선박이 공선 항해(ballast voyage)시에는, LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스의 양이 적다. 이 경우, 연료가스 공급 시스템(30)은 저장탱크(20)에서 잔존하는 LNG를 압축시킨 후 기화시켜 연료가스를 사용한다. 여기서, 공선 항해는 선박이 LNG를 언로딩(unloading)한 후, LNG저장탱크(20)에 저장된 LNG가 적은 때를 말한다.

또한, 본 실시예에 따른 연료가스 공급 시스템(30)은 LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스를 가압한 양 또는 LNG저장탱크(20) 내의 LNG를 압축시킨 후 기화시킨 양 중 어느 하나가 엔진(10)에서 요구하는 양보다 적은 경우, 다른 하나를 보충적으로 사용할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 연료가스 공급 시스템(30)은 공선 항해(ballast voyage)시에도 고압 펌프(31)에 이상이 생긴 경우 증발가스로부터 연료가스를 생성할 수 있다.

연료가스 배관(34)은 다단 압축기(33) 및/또는 증발기(32)와 엔진(10)을 연결한다.

예를 들어, 연료가스 배관(34)은 다단 압축기(33)와 엔진(10) 및 증발기(32)와 엔진(10)을 따로 연결하지 않고 서로 연결된 배관 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 연료가스 배관(34)은 증발기(32)와 엔진(10)을 연결하는 제1 배관(L30)과, 다단 압축기(33)와 제1 배관(L30)을 연결하는 제2 배관(L40)으로 구성될 수 있다.

예를 들어, 연료가스 배관(34)은 증발기(32)와 엔진(10)을 연결하는 제1 배관(L30)과, 다단 압축기(33)과 엔진(10)을 연결하는 제3 배관(미도시)로 구성될 수 있으며, 이 경우 연료가스 배관(34)는 제1 배관(L40)과 제3 배관(미도시) 중 어느 하나를 택일적으로 엔진에 연결하는 구성으로 될 수 있다.

또한, 추가적으로 상술한 제1 배관(LNG)과 제3 배관(미도시)에 유량 조절밸브(미도시)가 각각 구비될 수 있다. 이 경우, 앞서 연료 공급 시스템(30)에서 설명한 바와 같이 증발가스를 가압한 것과 LNG를 압축시켜 기화시킨 것 중 어느 하나를 연료가스로 사용하되, 보충적으로 다른 하나를 사용할 수 있다.

이하, 본 실시예를 설명함에 있어서 LNG 저장 탱크(20)내의 증발가스를 압축하여 엔진(10)에 공급하는 유로를 제1 유로로 칭하고, LNG 저장 탱크(20)의 LNG를 가압, 기화시켜 엔진(10)에 공급하는 유로를 제2 유로라 칭한다.

예를 들어, 제1 유로는 증발가스 배관(L20), 다단 압축기(33) 및 제3 배관(미도시)을 포함하거나, 증발가스 배관(L20), 다단 압축기(33), 제2 배관(L40) 및 제1 배관(L30)의 일부를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제2 유로는 액화연료배관(L10), 고압펌프(31), 증발기(32) 및 제1 배관(L30)을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 선박(100)은 운행 과정에서 긴급 상황 발생 시 안전을 위해 연료가스 배관(34) 내부의 연료가스를 모두 빼내야 하는 경우가 생길 수 있다. 연료가스 공급 시스템(30)은 연료가스 배관(34)에 선택적으로 연결되는 보조저장탱크(35)를 구비하며, 종래에 대기 중으로 배출하였던 연료가스를 보조저장탱크(35)에 이송 및 저장한다. 보다 상세하게는, 예를 들어 선박(100)의 운항 중 긴급 상황 발생 등으로 인해 연료가스 배관을 퍼징(purging)해야 하는 경우에도 연료가스를 외부로 배출하지 아니하고, 보조저장탱크(35)에 연료가스를 저장함으로써 연료수요처에 연료가스를 공급할 수 있게 된다.

보조저장탱크(35)는 개폐 밸브(39)가 설치된 분기관(L50)에 의해 연료가스 배관(34)에 연결 설치될 수 있다. 도 1에는 분기관(L50)이 제2 배관(L40)에 연결되는 것으로 예시되어 있으나, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 제1 배관(L30) 및 제3 배관(미도시)에 각각 연결될 수 있으며, 이 경우 개폐 밸브(39)도 또한 각각 연결된 분기관(L50)에 구비될 수 있다.

개폐 밸브(39)는 정상적인 연료가스 생성 과정, 즉 다단 압축기(33) 또는 고압 펌프(31)와 증발기(32)가 작동할 때에는 폐쇄되고, 연료가스 배관(34) 내부의 연료가스를 모두 빼내야 하는 긴급 상황 발생 시 개방되어 보조저장탱크(35)를 연료가스 배관(34)과 연통시킨다.

본 실시예에서는 분기관(L50)의 개폐를 위한 유닛으로 개폐 밸브(39)를 일 예로 하고 있으나, 분기관(L50)을 온/오프 하거나, 개도를 조절할 수 있는 다양한 종류의 개폐유닛이 이용될 수 있다.

긴급 상황 발생 시 개폐 밸브(39)를 개방시키면 연료가스 배관(34)에 채워져 있던 연료가스는 보조저장탱크(35)로 이송 및 저장된다. 보조저장탱크(35)는 대략 300bar의 연료가스를 제공받아 150bar 내지 200bar의 내부 압력을 가질 수 있다. 보조저장탱크(35)는 연료가스의 압력에 견디는 밀폐 구조로 제작된다.

연료가스 공급 시스템(30)은 종래에 대기 중으로 배출하였던 연료가스를 보조저장탱크(35)에 저장함에 따라, 온실가스 방출에 따른 환경오염을 막을 수 있고, 소음 발생과 화재 발생의 위험을 제거할 수 있다. 또한, 선박(100)은 보조저장탱크(35)의 연료가스를 선박(100) 내에서 재사용할 수 있다.

전술한 발전기(40)는 이중연료 발전기일 수 있고, 전술한 보일러(50)는 이중연료 보일러일 수 있다. 발전기(40)는 오일과 가스 중 어느 하나를 연료로 사용하는 발전기로서 선박(100)에 필요한 전기를 생산한다. 보일러(50)는 오일과 가스 중 어느 하나를 연료로 사용하는 보일러로서 선박(100)에 필요한 증기 또는 온수를 생산한다.

발전기(40)와 보일러(50)는 각각의 오일 탱크(41, 51)와 연결되며, 통상의 경우 오일 탱크(41, 51)로부터 오일을 공급받아 작동한다.보조저장탱크(35)는 제1 압력조절 밸브(42)가 설치된 배관을 통해 발전기(40)와 연결될 수 있고, 제2 압력조절 밸브(52)가 설치된 배관을 통해 보일러(50)와 연결될 수 있다. 제1 및 제2 압력조절 밸브(42, 52)는 보조저장탱크(35)에서 배출되는 연료가스의 압력을 발전기(40) 및 보일러(50)에 주입 가능한 압력(대략 5bar)으로 낮추는 기능을 한다.

도 1의 실시예에서는 발전기(40)와 보일러(50)를 도시하고 있으나, 이외에도 DFDE(Dual Fuel Diesel Engine: 미도시)일 수도 있다. DFDE는 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하거나 선택적으로 연료로 사용할 수 있는 엔진으로써, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적다.

연료가스 배관(34) 내부의 연료가스를 모두 빼내야 하는 긴급 상황 발생 시 개방되어 보조저장탱크(35)를 연료가스 배관(34)과 연통시킨다.

본 실시예에 따른 보조저장탱크(35)는 그 외에도 연료가스를 저장할 수 있다.

예를 들어, 선박(100)이 만선 항해시(Laden voyage) LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스의 양이 엔진(10)에서 필요로 하는 연료 필요량에 보다 많을 수 있으며, 이 경우 연료 공급 시스템(30)은 분기관(L50)에 설치된 개폐밸브(39)를 개방하여 연료가스 배관(34)을 통해 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 일부를 보조저장탱크(35)로 공급할 수도 있다.

예를 들어, 연료 공급 시스템(30)은 LNG 저장 탱크(20)의 LNG를 가압후 기화시켜 연료가스로서 엔진(10)으로 공급하되, LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스를 소정의 압력으로 가압하여 보조저장탱크(35)에 저장할 수 있다. 여기서, 소정의 압력은 보조저장탱크(35)에 저장하기 위한 압력, 다단 압축기(33)에 포함된 복수의 압축기 중 일부를 구동하기 위해 소모되는 에너지량, 및 발전기(40), 보일러(50) 등에 사용되기 위해 필요한 최소한의 압력 등을 고려하여 설정될 수 있다.

보조저장탱크(35)에 일정량의 연료가스가 모이면, 제1 압력조절 밸브(42)를 개방시켜 연료가스를 발전기(40)로 공급하거나, 제2 압력조절 밸브(52)를 개방시켜 연료가스를 보일러(50)로 공급거나, 제3 압력조절 밸브(미도시)를 개방시켜 연료가스를 DFDE로 공급한다. 또한, 제1 내지 제3 압력조절 밸브(42, 52, 미도시)를 동시에 개방시켜 연료가스를 발전기(40)와 보일러(50)와 DFDE에 동시에 공급할 수도 있으며, 제1 내지 제3 압력조절 밸브(42, 52, 미도시) 중 어느 2개의 압력조절뱁브를 개방시켜 발전기(40)와 보일러(50) 및 DFDE 중 어느 2곳에 연료가스를 공급할 수도 있다. 이와 같이 선박(100)은 보조저장탱크(35)의 연료가스를 엔진(10) 이외의 다른 기계장치의 연료로 재사용함으로써 연료 낭비를 줄이고, 선박(100) 전체의 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료가스 공급 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 연료가스 공급 방법은 LNG저장탱크(20)에 저장된 LNG 또는 LNG로부터 기화된 증발가스를 이용하여 연료가스를 생성하는 제1 단계(S10)와, 제1 단계(S10)의 연료가스를 연료가스 배관(34)을 통해 엔진(10)으로 공급하는 제2 단계(S20)와, 보조저장탱크(35)를 연료가스 배관(34)에 연결하여 연료가스 배관(34) 내부의 연료가스를 보조저장탱크(35)로 이송 및 저장하는 제3 단계(S30)를 포함한다.

제1 단계(S10)에서, 고압 펌프(31)와 증발기(32)를 작동시켜 LNG로부터 연료가스를 생성하거나, 다단 압축기(33)를 작동시켜 증발가스로부터 연료가스를 생성한다.

제1단계에서는 LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스가 엔진(10)의 연료 필요량을 충족하면 증발가스 배관(L20)을 통해 다단압축기(33)로 증발가스를 공급하고, 증발가스의 발생량이 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 증발된 액화천연가스를 엔진(10)으로 공급하거나, 증발가스를 공급하면서 부족한 연료 필요량만큼 펌핑 및 증발된 액화천연가스로 보충하여 공급할 수 있다.

선박의 LNG저장탱크(20)에서 다량의 증발가스가 발생할 때, 예를 들어 선박의 만선 항해시(Laden voyage)에서는 증발가스를 압축하여 엔진(10)의 연료로 공급하고, 증발가스의 발생량이 적은 때, 예를 들어 공선 항해시(Ballast voyage)에서는 액화천연가스를 엔진(10)을 공급할 수 있다.

또한, 제1단계에서는 만선 항해(Laden Voyage)시 또는 공선 항해시(Ballast voyage)에 관계없이 선박의 고압 펌프(31)와 증발부(32)를 작동시켜 LNG저장탱크(20)의 LNG로부터 연료가스를 생성할 수 있으며, 고압 펌프(31)에 이상이 생겨 LNG저장탱크(20)의 LNG로부터 연료가스를 생성할 수 없는 경우 다단압축기(33)를 작동시켜 LNG저장탱크(20)의 증발가스로부터 연료가스를 생성할 수도 있다.

제2 단계(S20)와 제3 단계(S30)에서, 연료가스 배관(34)은 다단 압축기(33) 및 증발기(32)와 엔진(10)을 연결하며, 보조저장탱크(35)는 개폐 밸브(39)가 설치된 분기관(L50)에 의해 연료가스 배관(34)에 연결 설치된다. 정상적인 연료가스 생성 과정(제2 단계)에서는 개폐 밸브(39)는 폐쇄되고, 연료가스 배관(34)을 통해 연료가스를 엔진(10)으로 공급한다.

한편 긴급 상황 발생 시(제3 단계)에는 다단 압축기(33)와 고압 펌프(31) 및 증발기(32)의 작동을 정지시키고, 개폐 밸브(39)를 개방시켜 연료가스 배관(34) 내부의 연료가스를 보조저장탱크(35)로 이송 및 저장한다.

또한, 만선 항해시(Laden voyage) LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스의 양이 엔진(10)에서 필요로 하는 연료 필요량에 보다 많은 경우, 분기관(L50)에 설치된 개폐밸브(39)를 개방하여 다단압축기(33)를 거쳐 연료가스 배관(34)을 통해 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 일부를 보조저장탱크(35)로 이송 및 저장할 수도 있다.

또한, 본실시예가 적용되는 환경에 따라, LNG저장탱크(20)의 LNG를 가압하여 기화시켜 엔진(10)에 공급하는 경우에, 필요한 경우 LNG저장탱크(20)에 발생하는 증발가스를 소정의 압력으로 가압하여 보조저장탱크(35)에 저장할 수 있음은 앞서 도1을 참조하여 설명하였다.

긴급 상황이 해제되거나, 공선 항해시(Ballast voyage) LNG저장탱크(20)에서 발생하는 증발가스의 양이 엔진(10)에서 필요로 하는 연료 필요량 이하의 경우 다시 제1 단계(S10)와 제2 단계(S20)를 실행하여 엔진(10)으로 연료가스를 공급함으로써 선박(100) 추진에 필요한 동력을 얻는다.

보조저장탱크(35)에 일정량의 연료가스가 모이면, 발전기(40) 또는 보일러(50)에 연료가스를 제공하여 선박(100)에 필요한 전기를 생산하거나 증기 또는 온수를 만드는데 사용한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 개략적인 구성도이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예의 선박(150)은 고압가스 분사엔진(110)과, LNG를 저장하는 LNG저장탱크(200)와, LNG저장탱크(200) 내부의 LNG 또는 LNG로부터 기화된 증발가스(BOG)로부터 고압가스 분사엔진(110)에 요구되는 제1 압력의 연료가스를 생성하는 연료가스 공급 시스템(300)을 포함한다. 또한, 선박(150)은 보일러(500)와 발전기(600)를 포함한다. 보일러(500)와 발전기(600)는 각각 이중연료 보일러와 이중연료 발전기일 수 있다.

고압가스 분사엔진(110)은 고압가스 분사 엔진(예를 들어 MAN B&W Diesel社의 ME-GI 엔진)이며, 연료가스 공급 시스템(300)은 고압 펌프(311)와 증발부(312), 다단 압축기(400) 및 증발가스 배출관(L1)을 포함한다. 다단 압축기(400)와 증발가스 배출관(L1)이 제1 연료 공급부(710)를 구성하고, 고압 펌프(311)와 증발부(312)가 제2 연료 공급부(320)를 구성한다. 고압가스 분사엔진(110)에 요구되는 연료가스의 압력(제1 압력)은 대략 300bar로 설정될 수 있으나, 고압가스 분사엔진(110)의 사양에 따라 그 값은 변할 수 있다.

고압 펌프(311)와 증발부(312)는 LNG로부터 제1 압력의 연료가스를 생성하기 위한 구성이고, 다단 압축기(400)는 증발가스로부터 제1 압력의 연료가스를 생성하기 위한 구성이다. 증발부(312)와 다단 압축기(400)는 연료가스 배출관(L2)을 통해 고압가스 분사엔진(110)과 연결되어 고압가스 분사엔진(110)으로 연료가스를 공급한다.

고압 펌프(311)는 LNG 공급관(L3)을 통해 LNG저장탱크(200) 내부 또는 외부의 부스팅 펌프(330)와 연결될 수 있으며, 부스팅 펌프(330)의 작동으로 LNG를 공급받아 이를 제1 압력으로 가압시킨다. 증발부(312)는 수증기를 열원으로 하여 LNG를 기화시킨다. 증발부(312)는 LNG의 압력을 그대로 유지한 채 LNG를 기체로 상변화시키고, 엔진(10)의 요구 온도에 맞도록 가열하여 고압가스 분사엔진(110)으로 공급한다.

다단 압축기(400)는 직렬로 연결된 복수의 압축기, 예를 들어 제1 내지 제5 압축기(411, 412, 413, 414, 415)를 포함한다. 여기서 직렬 연결이란 이전 압축기의 출구와 다음 압축기의 입구가 연결되어 증발가스가 연속으로 압축되는 구성을 의미한다. 다단 압축기(400)는 증발가스 공급관(L4)을 통해 LNG저장탱크(200)로부터 증발가스를 공급받아 이를 제1 압력에 이르기까지 연속으로 가압한다.

제1 압축기(411)는 증발가스 공급관(L4)과 연결되어 LNG저장탱크(200)로부터 증발가스를 가장 먼저 제공받으며, 제5 압축기(415)는 제1 압력의 연료가스를 배출하여 고압가스 분사엔진(110)으로 공급한다. 제2 내지 제4 압축기(412, 413, 414)는 제1 압축기(411)와 제5 압축기(415) 사이에 순서대로 위치한다.

이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명함에 있어서, 증발가스 공급관(L4)과 연료가스배출관(L2)의 일부를 연결하여 선박의 LNG저장탱크(200)의 증발가스를 압축하여 고압가스 분사엔진(110)으로 공급하는 유로를 제1유로로 하고, LNG 공급관(L3)과 연료가스배출관(L2)의 일부를 연결하여 선박의 LNG저장탱크(200)의 액화천연가스를 펌핑 및 증발시켜 고압가스 분사엔진(110)으로 공급하는 유로를 제2유로라 하고, 증발가스 공급관(L4)과 다단압축기 중 어느 일부의 압축기를 거친 후 제1유로에서 분기되어 고압가스 분사엔진이 아닌 다른 연료 수요처에 증발가스를 공급하는 유로를 제3유로라 한다.

도 3에서는 다섯 개의 압축기로 구성된 다단 압축기(400)를 도시하였으나, 압축기의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다.

제1 압축기(411)의 전단에는 영하(대략 -140℃)의 증발가스를 압축기 주입이 가능한 온도(대략 40℃)로 상승시키는 히터(460)가 설치될 수 있다. 그리고 제1 내지 제5 압축기(411, 412, 413, 414, 415) 각각의 사이와 제5 압축기(415)의 후단에는 압축에 의해 고온(대략 100℃ 내지 180℃)으로 가열된 증발가스를 다음 압축기 또는 고압가스 분사엔진(110)에 사용 가능한 온도(대략 40℃)로 낮춰주는 냉각기(471, 472, 473, 474, 475)가 설치될 수 있다.

다단 압축기(400)로 공급된 증발가스는 제1 내지 제5 압축기(411~415)를 순서대로 통과하면서 대략 2bar, 대략 5bar, 대략 20bar, 대략 80bar, 및 대략 300.5bar로 가압될 수 있다. 그리고 각 압축기(411~415)에서 배출된 증발가스는 냉각기(471~472)를 통과하면서 압력이 0.5bar 정도 낮아진다. 증발부(312) 및 다단 압축기(400)에서 배출되는 연료가스는 대략 40℃의 온도와 300bar의 압력을 가질 수 있다.

연료가스 공급 시스템(300)은 주로 고압 펌프(311)와 증발부(312)를 작동시켜 LNG로부터 연료가스를 생성하며, 고압 펌프(311)에 이상이 생긴 경우 다단 압축기(400)를 작동시켜 증발가스로부터 연료가스를 생성한다.

LNG로부터 연료가스를 생성하는 정상 작동 상황에서도 LNG저장탱크(200) 내부에는 외부의 열 유입이나 선박의 유동에 의해 증발가스가 지속적으로 발생한다. 이때, LNG저장탱크(200)에서 발생된 증발가스를 다단압축기(400)로 안내하여 연료가스를 생성하고 연료가스배출관(L2)을 통해 엔진(10)으로 공급할 수 있다. 즉, LNG저장탱크(200)의 LNG 및 증발가스를 동시에 이용하여 연료가스를 생성할 수 있다.

LNG저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스의 양이 고압가스 분사엔진(110)의 연료 필요량을 충족하면 제1유로를 통해 공급받은 연료가스 만으로 고압가스 분사엔진(110)을 작동시킬 수 있다. 증발가스의 양이 고압가스 분사엔진(110)의 연료 필요량보다 작으면 부족분만큼 LNG저장탱크(200)의 LNG로부터 연료가스를 생성시킬 수 있다.

고압가스 분사엔진(110)은, 예를 들어 선박(150)이 만선 항해(Laden voyage)시에는 다단압축기(400)로 압축된 증발가스를 압축하여 공급받고, 선박(150)이 공선 항해(Ballast voyage)시에는 LNG저장탱크(200)에 저장된 LNG를 펌핑 및 증발시켜 공급받아 구동될 수 있다.

증발가스 배출관(L1)은 제1 내지 제5 압축기(411~415) 중 최후단 압축기(제5 압축기(415))를 제외한 어느 한 압축기의 배출구, 구체적으로 제1 내지 제5 압축기(411~415) 사이의 냉각기(471~474) 중 어느 하나와 연결되어 제1 압력보다 낮은 제2 압력의 증발가스(제2 압력의 연료가스)를 배출한다. 제2 압력은 대략 5bar일 수 있으며, 증발가스 배출관(L1)은 제2 압축기(412)의 배출구와 연결될 수 있다.

예를 들어, 증발가스 배출관(L1)은 제2 압축기(412)와 제3 압축기(413) 사이의 냉각기(472)와 연결될 수 있다. 이 경우 증발가스 배출관(L1)으로 배출되는 증발가스는 대략 40℃의 온도와 대략 5.5bar의 압력을 가진다.

연료가스 공급 시스템(300)은 LNG로부터 연료가스를 생성하는 과정에서 LNG저장탱크(200) 내부의 압력이 과도하게 상승하는 경우, 제1 압축기(411)와 제2 압축기(412)만 선택적으로 작동시킨다. 따라서 고압 펌프(311)와 증발부(312)의 작동으로 연료가스를 생성하는 것과 동시에 증발가스를 빼내어 제2 압력으로 압축시키고, 제2 압력으로 압축된 증발가스를 증발가스 배출관(L1)을 통해 배출시킨다.

증발가스 배출관(L1)은 보일러(500)와 연결되어 제2 압력의 증발가스를 보일러(500)에 공급할 수 있다. 보일러(500)는 오일과 가스 중 어느 하나를 연료로 사용하는 보일러로서 선박에 필요한 증기 또는 온수를 생산한다. 보일러(500)는 주로 오일 탱크(620)로부터 오일을 공급받으며, 제1 및 제2 압축기(411, 412) 작동 시 제2 압력의 증발가스를 연료로 공급받아 작동한다.

보일러(500)는 스팀 공급관(L5)을 통해 증발부(312)와 연결될 수 있다. 따라서 증발부(312)는 보일러(500)에서 만들어진 수증기를 제공받아 이를 열원으로 사용하여 LNG를 기화시킬 수 있다.

증발가스 배출관(L1)은 또한 발전기(600)와 연결되어 제2 압력의 증발가스를 연료가스로서 발전기(600)에 공급할 수 있다. 발전기(600)는 오일과 가스 중 어느 하나를 연로로 사용하는 발전기로서 선박에 필요한 전기를 생산한다. 발전기(600)는 주로 오일 탱크(610)로부터 오일을 공급받고, 제1 및 제2 압축기(411, 412) 작동 시 제2 압력의 증발가스를 연료로 공급받아 작동한다.

발전기(600)는 제1 또는 제2 연료 공급부(710, 720)로 전력을 공급할 수 있다. 즉 제1 연료 공급부(710)에 구비된 복수의 압축기(411~415)는 발전기(600)의 전력에 의해 구동할 수 있고, 제2 연료 공급부(720)에 구비된 고압 펌프(311) 또한 발전기(600)의 전력에 의해 구동할 수 있다.

도 3의 실시예에서는 발전기6000)와 보일러(500)를 도시하고 있으나, 이외에도 DFDE(Dual Fuel Diesel Engine: 미도시)일 수도 있다.

이와 같이 본 실시예의 선박(150)은 다단 압축기(400) 중 일부의 압축기(도 1의 경우 제1 및 제2 압축기(411, 412))만을 구동하여 증발가스로부터 제2 압력의 연료가스를 생성한다. 따라서 고가의 재액화 설비를 생략할 수 있으며, 재액화 설비 대비 증발가스 처리에 소모되는 전력을 크게 낮출 수 있다.

또한, 본 실시예의 선박(150)은 제2 압력의 연료가스를 보일러(500)와 발전기(600)의 연료로 공급함에 따라, 선박(150)의 전기와 온수 및 스팀 생산에 필요한 오일 사용량을 줄여 연료를 절감할 수 있으며, 선박(150) 전체의 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박의 개략적인 구성도이다.

도 4을 참고하면, 도3의 실시예와 비교하여 도 1의 실시예의 보조저장탱크가 추가되는 구성이다.

도 3의 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 그 설명을 생략하고, 이하에서는 차이가 있는 구성에 대해 설명하도록 한다.

또 다른 실시예에 따르면, 연료가스 공급 시스템(300)은 고압 펌프(311), 증발기(312), 다단 압축기(400), 연료가스 배출관(L2) 및 보조저장탱크(350)를 포함한다. 여기서, 고압 펌프(311)와 증발기(312) 및 다단 압축기(400)가 제 1 및 제2 연료가스 공급부(710, 720)를 구성한다

연료가스 공급 시스템(300)은 연료가스 배출관(L2)에 선택적으로 연결되는 보조저장탱크(350)를 구비하며, 종래에 대기 중으로 배출하였던 연료가스를 보조저장탱크(350)에 이송 및 저장한다. 즉, 선박(150)의 운항 중 긴급 상황 발생 등으로 인해 연료가스 배관을 퍼징(purging)해야 하는 경우에도 연료가스를 외부로 배출하지 아니하고, 보조저장탱크(350)에 연료가스를 저장함으로써 연료수요처에 연료가스를 공급할 수 있게 된다.

보조저장탱크(350)는 개폐 밸브(390)가 설치된 분기관(L60)에 의해 연료가스 배출관(L2)에 연결 설치될 수 있다. 개폐 밸브(390)는 정상적인 연료가스 생성 과정, 즉 다단 압축기(400) 또는 고압 펌프(311)와 증발기(312)가 작동할 때에는 폐쇄되고, 연료가스 배출관(L2) 내부의 연료가스를 모두 빼내야 하는 긴급 상황 발생 시 개방되어 보조저장탱크(350)를 연료가스 배출관(L2)과 연통시킨다.

상기에서는 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 선박 10: 고압가스 분사엔진
20: 연료가스 탱크 30: 연료가스 공급 시스템
31: 고압 펌프 32: 증발기
33: 다단 압축기 34: 연료가스 배관
35: 보조저장탱크 40: 발전기
50: 보일러

Claims (11)

1. 선박의 연료가스 공급 시스템에 있어서,
   상기 선박의 저장탱크에 연결되어 상기 저장탱크의 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 상기 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1유로와,
   상기 저장탱크의 액화천연가스를 펌핑 및 증발시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2유로와,
   상기 제1유로에 마련되어 상기 증발가스를 압축하는 다단압축기와,
   상기 제1유로 및 제2유로 중 적어도 어느 하나의 퍼징시 그 내부의 연료가스를 저장하는 보조저장탱크와,
   상기 보조저장탱크로 연료가스를 안내하는 분기관을 선택적으로 개폐하는 개폐유닛을 포함하며,
   상기 보조저장탱크는 상기 고압가스 분사엔진이 아닌 다른 연료수요처에 연료가스를 공급 가능하게 연결되는 선박의 연료가스 공급 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 고압가스 분사엔진에서 필요로 하는 연료 필요량에 보다 많은 경우, 상기 개폐유닛을 개방하여 상기 고압가스 분사엔진으로 공급되는 연료가스의 일부를 상기 보조저장탱크에 공급하는 선박의 연료가스 공급 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다른 연료수요처는 발전기, 보일러 및 DFDE 중 적어도 어느 하나를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,
   선박의 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 압축시켜 생성된 연료가스를 고압가스 분사엔진에 공급하거나, 상기 액화천연가스를 펌핑 및 증발시켜 생성된 연료가스를 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하여 상기 증발가스 또는 액화천연가스를 선택적으로 상기 고압가스 분사엔진에 공급하되,
   상기 고압가스 분사엔진에 상기 연료가스를 공급하기 위한 유로 중 적어도 어느 하나의 퍼징시 그 내부의 연료가스를 보조저장탱크에 공급하고,
   상기 보조저장탱크는 상기 고압가스 분사엔진이 아닌 다른 연료수요처에 연료가스를 공급하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 고압가스 분사엔진에서 필요로 하는 연료 필요량에 보다 많은 경우 상기 고압가스 분사엔진으로 공급되는 연료가스의 일부를 상기 보조저장탱크에 공급하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 다른 연료수요처는 발전기, 보일러 및 DFDE 중 적어도 어느 하나를 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.

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