KR102189782B1 - 액화가스 운반선의 연료공급시스템 - Google Patents

Abstract

액화가스 운반선의 연료공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 액화가스 운반선의 연료공급시스템은 액화가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 액화가스를 공급받아 저장하고, 저장된 액화가스 일부를 기화시켜 내부압력을 조절하는 압력조절부를 포함하는 보조탱크; 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축하여 제1엔진으로 공급하는 제1연료공급라인; 보조탱크의 액화가스를 처리하여 제1엔진으로 공급하는 제2연료공급라인; 및 제1연료공급라인의 압축기 하류 증발가스를 압축기 상류의 증발가스와 열교환시킨 후, 보조탱크로 공급하는 제1재액화라인을 포함한다.

Description

액화가스 운반선의 연료공급시스템{FUEL SUPPLY SYSTEM OF LIQUEFIED GAS CARRIER}

본 발명은 저장탱크의 증발가스 발생량 변화에 대응하여 안정적인 연료공급을 구현할 수 있는 액화가스 운반선의 연료공급시스템에 관한 것이다.

온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.

연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변화시켜 저장 및 운반을 하고 있다.

액화가스 운반선은 액화가스를 저장할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크를 구비한다. 이러한 선박의 엔진은 저장탱크의 액화가스를 강제 기화하여 연료로 이용하거나, 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스(Boiled Off Gas)를 연료로 이용한다. 물론 이러한 액화가스 운반선은 이종연료의 이용이 가능한 엔진을 채용하기 때문에 운송화물이 아닌 연료가스나 연료유를 별도로 저장하는 저장탱크를 보유할 수 있다.

또 액화가스 운반선은 저장탱크에 액화가스를 가득 실은 상태로 운항하는 만선항해(Laden Voyage)를 하거나, 액화가스를 하역한 후 저장탱크에 액화가스를 최소량만 실은 상태로 운항하는 공선항해(Ballast Voyage)를 할 수 있다.

액화가스 운반선이 만선항해를 할 때는 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스 양이 많기 때문에 이를 엔진의 연료로 이용하는데 무리함이 없지만, 공선항해를 할 때는 저장탱크에 액화가스를 최소량만 보유하는 관계로 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스 양이 적기 때문에 이를 엔진의 연료로 이용하는데 무리함이 있다.

따라서 액화가스 운반선은 저장탱크에 실은 액화가스를 연료로 이용할 경우 저장탱크의 증발가스 발생량 변화에 대응할 수 있는 연료공급시스템이 필요하다.

본 발명의 실시 예는 저장탱크의 증발가스 발생량 변화에 대응하여 안정적인 연료공급을 구현할 수 있는 액화가스 운반선의 연료공급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 액화가스를 공급받아 저장하고, 상기 저장된 액화가스 일부를 기화시켜 내부압력을 조절하는 압력조절부를 포함하는 보조탱크: 상기 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축하여 제1엔진으로 공급하는 제1연료공급라인; 상기 보조탱크의 액화가스를 처리하여 상기 제1엔진으로 공급하는 제2연료공급라인; 및 상기 제1연료공급라인의 상기 압축기 하류 증발가스를 상기 압축기 상류의 증발가스와 열교환시킨 후, 상기 보조탱크로 공급하는 제1재액화라인을 포함하는 액화가스 운반선의 연료공급시스템이 제공될 수 있다.

상기 제2연료공급라인은 액화가스를 기화하는 제1기화기를 포함하고, 상기 제1연료공급라인은 상기 제1기화기 상류의 상기 제2연료공급라인에 연결될 수 있다.

상기 연료공급시스템은 상기 보조탱크의 증발가스를 제2엔진으로 감압하여 공급하는 제3연료공급라인; 상기 보조탱크의 액화가스를 처리하여 상기 제2엔진으로 공급하는 제4연료공급라인; 및 상기 제1연료공급라인의 증발가스를 상기 제3연료공급하거나 상기 제3연료공급라인의 증발가스를 상기 제1연료공급라인으로 공급하는 제5연료공급라인을 더 포함할 수 있다.

상기 압축기는 단계적인 압력상승을 구현하는 다단 압축기이고, 상기 제5연료공급라인은 상기 다단 압축기의 중간단계에 연결될 수 있다.

상기 제3연료공급라인은 감압장치와 제2기화기를 포함하고, 상기 제4 및 제5연료공급라인은 상기 감압장치와 상기 제2기화기 상류의 상기 제3연료공급라인에 연결될 수 있다.

상기 제1재액화라인은 상기 제1연료공급라인의 증발가스와 열교환시키는 제1열교환부와, 상기 보조탱크 내부의 액화가스와 열교환시키는 제2열교환부를 포함할 수 있다.

상기 연료공급시스템은 상기 보조탱크의 증발가스를 상기 저장탱크로 공급해 상기 저장탱크의 액화가스와 열교환을 통해 액화시키는 제2재액화라인을 더 포함할 수 있다.

상기 제2재액화라인은 상기 저장탱크의 액화가스와 열교환시키는 제3열교환부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 액화가스 운반선의 연료공급시스템은 만선항해 시 저장탱크의 증발가스를 연료로 이용할 수 있고, 공선항해 시 보조탱크의 액화가스를 연료로 이용할 수 있기 때문에 저장탱크의 증발가스 발생량에 무관하게 안정적인 연료공급을 구현할 수 있다. 즉 저장탱크의 증발가스 발생량 변화에 대응하여 연료공급경로를 다양한 방식으로 변경할 수 있기 때문에 안정적인 연료공급을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 액화가스 운반선의 연료공급시스템을 나타낸다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 액화가스 운반선의 연료공급시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 액화가스를 저장하는 저장탱크(1)와, 저장탱크(1)로부터 액화가스를 공급받아 저장하며 저장탱크(1)보다 높은 압력을 유지하는 보조탱크(2)를 구비한다. 이를 위해 저장탱크(1)와 보조탱크(2)는 저장탱크(1)의 액화가스를 보조탱크(2) 내부로 공급하는 액화가스공급라인(3)에 의해 연결되고, 저장탱크(1) 내부에는 액화가스를 액화가스공급라인(3)을 통하여 보조탱크(2)로 압송하는 압송펌프(4)가 설치된다.

또 이 연료공급시스템은 저장탱크(1)의 증발가스를 압축기(11)로 압축하여 제1엔진(5)으로 공급하는 제1연료공급라인(10), 보조탱크(2)의 액화가스를 처리하여 제1엔진(5)으로 공급하는 제2연료공급라인(20), 보조탱크(2)의 증발가스를 제2엔진(6)으로 감압하여 공급하는 제3연료공급라인(30), 보조탱크(2)의 액화가스를 처리하여 제2엔진(6)으로 공급하는 제4연료공급라인(40), 제1연료공급라인(10)의 증발가스를 제3연료공급라인(30)으로 공급하거나 제3연료공급라인(30)의 증발가스를 제1연료공급라인(10)으로 공급하는 제5연료공급라인(50)을 포함한다.

저장탱크(1)에 저장되는 액화가스는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG, LPG, DME(Dimethylether), 에탄(Ethane) 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 저장탱크(1)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 탱크다. 예를 들어, 저장탱크(1)는 액화가스가 LNG일 경우 내부압력이 1bar를 유지하거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지할 수 있고, 액화상태 유지를 위해 내부온도가 -163도 정도를 유지할 수 있다.

제1엔진(5)은 대략 16bar 내외의 연료가스를 공급받아 동작하는 중압가스엔진일 수 있고, 제2엔진(6)은 대략 5 ~ 6bar의 연료가스를 공급받는 저압가스엔진 일 수 있다. 물론, 엔진들(5,6)은 다양한 방식이 채용될 수 있을 것이므로 엔진의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.

보조탱크(2)는 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 분류에 따른 압력식 C형 탱크일 수 있고, 그 내부의 압력이 제1엔진(5)의 연료공급조건에 부합하도록 16bar 내외로 유지될 수 있다. 이를 위해 보조탱크(2)에는 내부를 설정한 압력으로 유지할 수 있는 압력조절부(2a)가 설치될 수 있다. 압력조절부(2a)는 보조탱크(2) 내부의 액화가스를 가열하여 기화시킨 후 보조탱크(2) 내부로 공급함으로써 보조탱크(2)의 압력을 상승시키는 방식이다.

제2연료공급라인(20)은 보조탱크(2)의 액화가스를 기화하여 제1엔진(5)으로 공급하기 위한 제1기화기(21)를 구비하고, 제1연료공급라인(10)은 제1기화기(21) 상류의 제2연료공급라인(20)에 연결될 수 있다. 제1연료공급라인(10)에 설치되는 압축기(11)는 증발가스의 단계적인 압력상승을 통하여 제1엔진(5)의 공급압력을 구현하는 다단 압축기로 구성된다.

제3연료공급라인(30)은 보조탱크(2)에서 발생하는 증발가스를 제2엔진(6)으로 공급할 수 있도록 보조탱크(2)와 제2엔진(6)을 연결한다. 제3연료공급라인(30)에는 연료가스의 공급과정에서 보조탱크(2)의 증발가스를 제2엔진(6)의 공급압력에 부합하도록 감압하는 감압장치(31)가 설치된다.

제4연료공급라인(40)은 제2연료공급라인(20)으로부터 분기되어 제3연료공급라인(30)의 감압장치(31) 상류 쪽에 연결될 수 있다. 제4연료공급라인(40)은 보조탱크(2)에서 발생하는 증발가스의 양이 제2엔진(6)을 구동하는데 부족할 경우 제2연료공급라인(20)의 액화가스를 제3연료공급라인(30)으로 공급하여 제2엔진(6)의 연료로 이용할 수 있도록 한다. 이를 위해 제3연료공급라인(30)의 감압장치(31) 하류에는 액화가스를 기화하여 제2엔진(6)으로 공급할 수 있는 제2기화기(32)가 설치된다. 이러한 제2기화기(32)는 제4연료공급라인(40)에 설치될 수도 있다.

제5연료공급라인(50)은 감압장치(31) 상류의 제3연료공급라인(30)과 제1연료공급라인(10)에 설치된 다단 압축기(11)의 중간단계를 연결한다. 제5연료공급라인(50)은 보조탱크(2)에서 발생하는 증발가스의 양이 제2엔진(6)을 구동하는데 부족할 경우 다단 압축기(11)에서 제2엔진(6)의 공급압력으로 압축된 저장탱크(1)의 증발가스를 제2엔진(6) 쪽으로 공급할 수 있다. 또 보조탱크(2)에서 잉여 증발가스가 발생할 경우 이를 통하여 제1연료공급라인(10)으로 공급해 연료로 이용하도록 할 수 있다.

이처럼 본 실시 예의 연료공급시스템은 저장탱크(1)에서 발생하는 증발가스를 제1엔진(5)이나 제2엔진(6)의 연료로 이용할 수 있고, 보조탱크(2)의 액화가스를 처리하여 제1엔진(5)이나 제2엔진(6)의 연료로 이용할 수 있으며, 보조탱크(2)의 증발가스를 역시 제1엔진(5)이나 제2엔진(6)의 연료로 이용할 수 있다. 즉 화물의 적재상태나 운항상황을 고려해 다양한 방식으로 연료의 공급을 구현할 수 있다.

또 본 실시 예의 연료공급시스템은 저장탱크(1)에서 발생하는 증발가스의 양이 제1엔진(5) 및 제2엔진(6)의 사용량을 초과할 경우 이를 액화하여 보조탱크(2)로 공급하는 제1재액화라인(60)과, 보조탱크(2) 내부의 잉여 증발가스를 액화하여 저장탱크(1)로 공급하는 제2재액화라인(70)을 포함한다.

제1재액화라인(60)은 제1연료공급라인(10)의 다단 압축기(11) 하류 증발가스를 다단 압축기(11) 상류의 증발가스와 열교환시켜 냉각한 후, 보조탱크(2)로 공급해 보조탱크(2)의 액화가스와 열교환을 통해 액화시킨다. 이를 위해 제1재액화라인(60)은 제1연료공급라인(10)의 다단 압축기(11) 하류의 증발가스(상대적으로 고온)와 다단 압축기(11) 상류의 증발가스(상대적으로 저온)를 열교환시키는 제1열교환부(61)와, 보조탱크(2) 내부의 액화가스에 잠긴 상태로 설치되어 보조탱크(2)의 액화가스와 증발가스의 열교환을 통해 증발가스를 액화시키는 제2열교환부(62)를 포함한다. 제2열교환부(62)에서 액화된 액화가스는 보조탱크(2) 내부로 배출된다.

제2재액화라인(70)은 보조탱크(2)의 증발가스를 저장탱크(1) 내부로 공급하도록 연장되며, 이 증발가스를 저장탱크(1)의 액화가스와 열교환시켜 액화하기 위한 제3열교환부(71)를 포함한다. 제3열교환부(71)는 저장탱크(1) 내측 하부의 액화가스에 잠긴 상태로 설치된다. 또 제2재액화라인(70)에는 보조탱크(2)의 증발가스를 연소시켜 소진할 수 있는 가스연소장치(80)가 연결될 수 있다.

다음은 이러한 액화가스 운반선의 연료공급시스템의 운용방법에 대하여 설명한다.

액화가스 운반선이 만선항해(Laden Voyage)를 할 때는 저장탱크(1)에 액화가스가 많기 때문에 자연적으로 발생하는 증발가스 양이 많다. 따라서 이때는 저장탱크(1)에서 자연적으로 발생하는 증발가스를 제1엔진(5)과 제2엔진(6)의 연료로 이용할 수 있다. 즉 저장탱크(1)의 증발가스를 제1연료공급라인(10)을 통하여 제1엔진(5)으로 공급할 수 있다. 또 제1연료공급라인(10)의 다단 압축기(11) 중간단계의 증발가스를 제5연료공급라인(50)을 통하여 제2엔진(6)으로 공급할 수 있다. 저장탱크(1)의 증발가스 발생량이 제1엔진(5)과 제2엔진(6)의 소모량을 초과할 경우에는 제1연료공급라인(10)의 잉여 증발가스를 제1재액화라인(60)을 통해 액화하여 보조탱크(2)로 공급할 수 있다.

액화가스 운반선이 공선항해(Ballast Voyage)를 할 때는 저장탱크(1)에 액화가스를 최소량만 보유하기 때문에 저장탱크(1)에서 자연적으로 발생하는 증발가스 양이 적다. 따라서 이때는 보조탱크(2)의 액화가스를 처리해 제1엔진(5)과 제2엔진(6)의 연료로 공급할 수 있다. 보조탱크(2)는 제1엔진(5)의 연료공급압력으로 유지되므로, 보조탱크(2)의 액화가스를 제2연료공급라인(20)을 통해 제1엔진(5)으로 공급할 수 있고, 공급과정에서 제1기화기(21)에서 기화시킬 수 있다. 또 보조탱크(2)의 액화가스를 제4연료공급라인(40), 제3연료공급라인(30)의 감압장치(31)와 제2기화기(32)를 통하여 제2엔진(6)으로 공급할 수 있다. 이때 액화가스는 감압장치(31) 통과하면서 제2엔진(6)의 공급압력으로 변환될 수 있고, 제2기화기(32)를 통화하면서 기화될 수 있다.

보조탱크(2)에서 발생하는 증발가스가 많을 경우에는 이를 제3연료공급라인(30)을 통하여 제2엔진(6)으로 공급해 연료로 이용할 수 있고, 선택적으로 이를 제5연료공급라인(50)과 제1연료공급라인(10)을 통하여 제1엔진(5)으로 공급해 연료로 이용할 수 있다. 또 보조탱크(2)의 증발가스는 재2액화라인(70)을 통하여 액화한 후 저장탱크(1)로 공급하거나, 가스연소장치(80)로 연소시켜 소진시킬 수 있다.

1: 저장탱크, 2: 보조탱크,
5: 제1엔진, 6: 제2엔진,
10: 제1연료공급라인, 11: 다단 압축기,
20: 제2연료공급라인, 21: 제1기화기,
30: 제3연료공급라인, 31: 감압장치,
32: 제2기화기, 40: 제4연료공급라인,
50: 제5연료공급라인, 60: 제1재액화라인,
61: 제1열교환부, 62: 제2열교환부,
70: 제2재액화라인, 71: 제3열교환부,
80: 가스연소장치.

Claims (8)

1. 액화가스를 저장하는 저장탱크;
   상기 저장탱크로부터 액화가스를 공급받아 저장하고, 상기 저장된 액화가스 일부를 기화시켜 내부압력을 조절하는 압력조절부를 포함하는 보조탱크;
   상기 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축하여 제1엔진으로 공급하는 제1연료공급라인;
   상기 보조탱크의 액화가스를 처리하여 상기 제1엔진으로 공급하는 제2연료공급라인; 및
   상기 제1연료공급라인의 상기 압축기 하류 증발가스를 상기 압축기 상류의 증발가스와 열교환시킨 후, 상기 보조탱크로 공급하는 제1재액화라인을 포함하며,
   상기 보조탱크의 증발가스를 상기 저장탱크로 공급해 상기 저장탱크의 액화가스와 열교환을 통해 액화시키는 제2재액화라인을 더 포함하는 액화가스 운반선의 연료공급시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2연료공급라인은 액화가스를 기화하는 제1기화기를 포함하고,
   상기 제1연료공급라인은 상기 제1기화기 상류의 상기 제2연료공급라인에 연결되는 액화가스 운반선의 연료공급시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 보조탱크의 증발가스를 제2엔진으로 감압하여 공급하는 제3연료공급라인;
   상기 보조탱크의 액화가스를 처리하여 상기 제2엔진으로 공급하는 제4연료공급라인; 및
   상기 제1연료공급라인의 증발가스를 상기 제3연료공급라인으로 공급하거나 상기 제3연료공급라인의 증발가스를 상기 제1연료공급라인으로 공급하는 제5연료공급라인을 더 포함하는 액화가스 운반선의 연료공급시스템.
   
   
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