KR102273457B1 - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 압축부; 압축된 증발가스를 저장하는 압력탱크; 열교환부; 저장탱크, 열교환부 및 엔진을 연결하며, 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 열교환부를 거쳐 엔진 쪽으로 공급하는 연료공급라인; 압축부, 압력탱크, 열교환부 및 저장탱크를 연결하는 메탄가충족라인; 메탄가충족라인의 압력탱크 후단에 마련된 제어밸브; 및 제어밸브의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하되, 제어부는 엔진에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 연료공급라인을 통해 엔진으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 제어밸브를 개방시켜, 압력탱크에 저장된 압축된 증발가스가 열교환부로 공급되도록 하고, 열교환부는 제어밸브 개방에 따라 압력탱크로부터 공급된 압축된 증발가스를 저장탱크로부터 공급받은 액화가스와 열교환시켜 액화시키고, 액화된 증발가스는 메탄가충족라인을 통해 저장탱크에 저장된다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}

본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.

온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)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 변환시켜 저장 및 운반을 하고 있다.

이러한 액화가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 여기서, 증발가스는 저장탱크 내부에 수용된 액화가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 자연증발가스 및 액화가스를 강제적으로 기화시켜 생산한 강제증발가스를 포함한다. 액화가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.

한편, 천연가스는 메탄 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane) 등을 포함하며, 생산지에 따라 조성이 달라지는데 액화가스 또는 기화된 증발가스를 연료가스로서 엔진에 공급하기 위해서는 엔진에서 요구하는 메탄가(Methane Number)의 조건에 맞추어 공급해야 한다. 엔진으로 공급되는 연료가스가 적정 메탄가보다 낮은 경우에는 엔진의 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 폭발 및 연소가 이루어져 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹(Knocking) 등의 문제가 야기될 수 있다.

따라서, 종래에는 통상적으로 메탄성분 함유량이 높은 저장탱크 내부의 증발가스를 엔진의 연료로 공급하였다. 그러나, 엔진의 연료로 메탄성분 함유량이 높은 증발가스의 소비가 이루어짐에 따라, 저장탱크의 액화가스에 함유된 중탄화수소의 양이 높아지게 된다. 따라서, 이후 액화가스를 기화시켜 엔진으로 공급한다고 하여도 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 맞출 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.

관련된 종래기술로서, 한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)를 참조하기 바란다.

한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)

본 발명의 실시 예는 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 상기 증발가스를 공급받아 압축하는 압축부; 상기 압축된 증발가스를 저장하는 압력탱크; 열교환부; 상기 저장탱크, 열교환부 및 엔진을 연결하며, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 열교환부를 거쳐 상기 엔진 쪽으로 공급하는 연료공급라인; 상기 압축부, 압력탱크, 열교환부 및 저장탱크를 연결하는 메탄가충족라인; 상기 메탄가충족라인의 상기 압력탱크 후단에 마련된 제어밸브; 및 상기 제어밸브의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제어부는 상기 엔진에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 상기 연료공급라인을 통해 상기 엔진으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 상기 제어밸브를 개방시켜, 상기 압력탱크에 저장된 상기 압축된 증발가스가 상기 열교환부로 공급되도록 하고, 상기 열교환부는 상기 제어밸브 개방에 따라 상기 압력탱크로부터 공급된 상기 압축된 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스와 열교환시켜 액화시키고, 상기 액화된 증발가스는 상기 메탄가충족라인을 통해 상기 저장탱크에 저장되는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.

상기 엔진의 출력 또는 상기 연료공급라인의 상기 엔진 전단의 압력값을 측정하는 센서부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 측정된 값을 기초로 상기 제어밸브의 개폐를 제어할 수 있다.

상기 메탄가충족라인의 상기 열교환부 후단에 마련되며, 상기 열교환부를 거친 상기 액화된 증발가스를 감압시키는 감압밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템을 도시한 것이다.

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.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 선박 엔진이 요구하는 메탄가에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다. 연료가스 공급시스템(100)은 예컨대 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 각종 선박에 구비될 수 있다.

연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(10)와, 저장탱크(10)로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 압축부(20)와, 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스를 저장하는 압력탱크(25)와, 열교환부(30)와, 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스를 열교환부(30)로 전달하며, 열교환부(30), 기화기(40), 기액분리기(50), 히터(55) 및 엔진(E)을 연결하는 연료공급라인(L1)과, 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스의 증발가스를 압축부(20)로 전달하며, 압축부(20), 압력탱크(25), 열교환부(30) 및 저장탱크(10)를 연결하는 메탄가충족라인(L2)과, 메탄가충족라인(L2)의 압력탱크(25) 후단에 마련된 제어밸브(60)와, 제어밸브(60)의 개폐를 제어하는 제어부(80)를 포함한다.

여기서, 제어부(80)는 엔진(E)에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 연료공급라인(L1)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 제어밸브(60)를 개방시켜, 압력탱크(25)에 저장된 상술한 압축된 증발가스가 열교환부(30)로 공급되도록 한다.

그리고, 열교환부(30)는 제어밸브(60) 개방에 따라 압력탱크(25)로부터 공급된 압축된 증발가스를 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스와 열교환시켜 액화시킨다.

이후, 열교환부(30)에 의해 액화된 증발가스는 메탄가충족라인(L2)을 통해 저장탱크(10)에 저장된다.

이하, 연료가스 공급시스템(100)의 각 구성요소에 대해서 설명한다.

저장탱크(10)는 예컨대 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장할 수 있으며, 다른 예에서는 엔진(E)의 연료로 사용되며, 액화 가능한 다른 물질을 저장할 수도 있다. 저장탱크(10)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 상술한 엔진(E)은 예컨대, DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진, 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진 등을 포함할 수 있다.

저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 증발가스는 메탄가충족라인(L2)을 통해 압축부(20)로 공급된다. 메탄가충족라인(L2)은 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 증발가스를 압축부(20)로 보내며, 압축부(20), 압력탱크(25), 열교환부(30) 및 저장탱크(10)를 연결한다.

압축부(20)는 다단의 압축기(21)와 냉각기(22)를 포함할 수 있으며, 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스의 증발가스를 설정된 압력에 따라 압축시킨다.

압력탱크(25)는 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스를 저장한다. 압력탱크(25)에 저장된 압축된 증발가스는 제어밸브(60) 개방 시 설정된 압력으로 열교환부(30)로 공급될 수 있다.

한편, 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 연료공급라인(L1)을 통해 열교환부(30)로 거쳐 엔진(E) 쪽으로 공급된다.

연료공급라인(L1)는 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 열교환부(30)로 전달하며, 열교환부(30), 기화기(40), 기액분리기(50), 히터(55) 및 엔진(E)을 연결한다.

평상 시, 메탄성분 함유량이 높은 저장탱크(10)의 증발가스는 엔진(E)의 연료로 소비되지 않고, 압력탱크(25)에 저장된다.

따라서, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스는 별도의 열교환을 수행하지 않고 열교환부(30)를 통과하여 기화기(40)로 이동한다.

기화기(40)는 열교환부(30)를 통과하여 공급된 상술한 액화가스를 공급받아 기화시킨다.

기액분리기(50)는 기화기(40)에 의해 기화된 액화가스를 액체성분과 기체성분으로 분리시킨다. 여기서, 기액분리기(50)에 의해 분리된 액체성분은 회수라인(L3)을 통해 저장탱크(10)에 저장되고, 기체성분은 연료공급라인(L1)을 통해 히터(55)로 공급된다.

히터(55)는 기액분리기(40)에 의해 분리된 기체성분을 엔진(E)의 연료공급조건에 맞게 가열시킨다.

이와 같은 구성을 통해, 메탄성분 함유량이 높은 저장탱크(10)의 증발가스는 엔진(E)의 연료로 소비되지 않고, 압력탱크(25)에 지속적으로 저장된 상태에서, 액화가스를 엔진(E)의 연료로 공급할 수 있다.

한편, 연료가스 공급시스템(100)은 엔진(E)의 출력 또는 연료공급라인(L1)의 엔진(E) 전단의 압력값을 측정하는 센서부(70)를 마련할 수 있다.

제어부(80)는 센서부(70)에 의해 측정된 값을 기초로, 엔진(E)에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 연료공급라인(L1)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 제어밸브(60)를 개방시킨다.

이 경우, 압력탱크(25)에 저장된 압축된 증발가스는 열교환부(30)로 공급되며, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스와 열교환을 수행하여 액화된다.

열교환부(30)를 거쳐 액화된 증발가스는 메탄가충족라인(L2)을 통해 저장탱크(10)로 저장되고, 열교환부(30)를 거쳐 열교환된 액화가스는 상술한 기화기(40)로 흘러간다.

여기서, 메탄가충족라인(L2)의 열교환부(30) 후단에는 감압밸브(90)가 마련되어, 열교환부(30)를 거쳐 액화된 증발가스를 감압시킬 수 있다. 열교환부(30)를 거쳐 액화된 증발가스는 감압밸브(90)에 의해 온도가 내려간 상태에서 저장탱크(10)로 주입되며, 이를 통해 저장탱크(10) 내의 전체적인 메탄성분 함유량을 맞추는 동시에 메탄 증발을 억제하여 메탄가를 일정하게 유지시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 구성을 통해 엔진(E)이 요구하는 적정 메탄가를 효과적으로 맞출 수 있어, 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹 등의 문제를 사전에 방지할 수 있다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 저장탱크 20: 압축부
25: 압력탱크 30: 열교환부
60: 제어밸브 70: 센서부
80: 제어부 90: 감압밸브
L1: 연료공급라인 L2: 메탄가충족라인

Claims (3)

1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
   상기 저장탱크로부터 상기 증발가스를 공급받아 압축하는 압축부;
   상기 압축된 증발가스를 저장하는 압력탱크;
   열교환부;
   상기 저장탱크, 열교환부 및 엔진을 연결하며, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 열교환부를 거쳐 상기 엔진 쪽으로 공급하는 연료공급라인;
   상기 압축부, 압력탱크, 열교환부 및 저장탱크를 연결하는 메탄가충족라인;
   상기 메탄가충족라인의 상기 압력탱크 후단에 마련된 제어밸브; 및
   상기 제어밸브의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하되,
   평상 시, 상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스는 상기 엔진의 연료로 소비되지 않고 상기 메탄가충족라인을 통해 이동하여 상기 압축부에 의해 압축된 후 상기 압력탱크에 저장되고, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스는 별도의 열교환을 수행하지 않고 상기 연료공급라인을 통해 상기 열교환부를 통과하여 상기 엔진의 연료로 공급되며,
   상기 제어부는 상기 엔진에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 상기 연료공급라인을 통해 상기 엔진으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 상기 제어밸브를 개방시켜, 상기 압력탱크에 저장된 상기 압축된 증발가스가 상기 열교환부로 공급되도록 하고,
   상기 열교환부는 상기 제어밸브 개방에 따라 상기 압력탱크로부터 공급된 상기 압축된 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스와 열교환시켜 액화시키고,
   상기 액화된 증발가스는 상기 메탄가충족라인을 통해 상기 저장탱크에 저장되는 연료가스 공급시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 엔진의 출력 또는 상기 연료공급라인의 상기 엔진 전단의 압력값을 측정하는 센서부를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 측정된 값을 기초로 상기 제어밸브의 개폐를 제어하는 연료가스 공급시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 메탄가충족라인의 상기 열교환부 후단에 마련되며, 상기 열교환부를 거친 상기 액화된 증발가스를 감압시키는 감압밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.

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