KR102297872B1 - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료가스를 사용하여 구동이 가능한 엔진을 구비하는 선박에 있어서, 연료가스가 저장되는 연료탱크; 연료탱크에 저장된 연료가스를 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급하는 연료공급부; 연료공급부에서 압축된 연료가스의 압력 및 유량을 최종적으로 제어하여 엔진으로 공급하는 가스밸브유닛(Gas Valve Unit); 연료탱크로부터 연료공급부로 연료가스를 공급하는 제1 연료공급라인; 연료공급부로부터 가스밸브유닛으로 압축된 연료가스를 이송하는 제2 연료공급라인; 및 가스밸브유닛에서 최종적으로 제어된 연료가스를 엔진으로 공급하는 제3 연료공급라인을 포함하고, 제1 연료공급라인 및 제3 연료공급라인 중에서 이중관으로 마련되는 라인은, 내부관에서 누출 발생시 외부관을 불활성가스로 빠르게 치환시킬 수 있도록 외부관이 진공으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 연료가스 공급시스템을 제공한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템 {FUEL GAS SUPPLY SYSTEM OF SHIP}
본 발명은 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 연료탱크를 두어 운용되는 LFS에 적합하게 적용될 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
일반적으로 각종 선박에 설치되는 엔진 등의 연소장치들은 MDO(Marine Diesel Oil), HFO(Heavy Fuel Oil) 등의 오일을 연료로서 사용하였다. 그런데 이러한 연료오일은 연소시 발생하는 온실가스와 각종 유해물질로 인하여 환경오염을 초래하는 주범이 되어 왔다. 또한, 화석연료의 고갈이나 국제정세 불안 등의 요인으로 유가가 상승하는 경우에는 연료비가 급등하는 등 선박 운영상의 문제도 발생하게 된다.
최근 대기오염 규제가 점차 강화되면서, 연료오일을 대체할 에너지원으로서 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)의 함유량이 낮은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG') 등의 청정연료가 각광받고 있으며, 연료오일과 연료가스를 모두 사용할 수 있는 DF 엔진(Dual Fuel Engine)이 개발되어 선박에 사용되고 있다.
한편, LNG를 대량으로 운송하는 LNGC(LNG Carrier)에서는 이미 저장탱크 내에 저장된 LNG를 엔진의 연료로 사용하는 기술이 적용된 바 있는데, 최근에는 LNG 연료의 사용을 LNGC 이외의 선박에도 점차 확대 적용하고 있는 추세이며, 특히 초대형 원유운반선(VLCC: Very Large Crude-Oil Carrier)이나 컨테이너선(Container Ship)에의 적용이 고려되고 있다.
LNG를 직접 화물로 싣고 다니면서 연료로 사용하는 LNGC와는 달리, 일반 선박에서는 LNG를 연료로 사용하기 위하여 별도의 LNG 연료탱크를 두어야 한다. 이와 같이 별도의 LNG 연료탱크를 두어 운용되는 선박을 LFS(LNG Fueled Ship)라 한다.
그런데 LFS의 경우에는 기존 LNGC와는 다르게 연료 공급을 위한 시스템이 복잡하게 구성되어 이를 해결하기 위한 기술이 필요하다.
이에 본 발명은 LFS에 적합하게 적용될 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하는 것을 목적으로 하며, 특히 선급 요구사항을 만족시키면서 안정성을 확보하는 것이 가능하고 전력 소모량을 절감시킬 수 있는 시스템을 구성하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료가스를 사용하여 구동이 가능한 엔진을 구비하는 선박에 있어서, 상기 연료가스가 저장되는 연료탱크; 상기 연료탱크에 저장된 연료가스를 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급하는 연료공급부; 상기 연료공급부에서 압축된 상기 연료가스의 압력 및 유량을 최종적으로 제어하여 상기 엔진으로 공급하는 가스밸브유닛(Gas Valve Unit); 상기 연료탱크로부터 상기 연료공급부로 연료가스를 공급하는 제1 연료공급라인; 상기 연료공급부로부터 상기 가스밸브유닛으로 압축된 상기 연료가스를 이송하는 제2 연료공급라인; 및 상기 가스밸브유닛에서 최종적으로 제어된 상기 연료가스를 상기 엔진으로 공급하는 제3 연료공급라인을 포함하고, 상기 제1 연료공급라인 및 상기 제3 연료공급라인 중에서 이중관으로 마련되는 라인은, 내부관에서 누출 발생시 외부관을 불활성가스로 빠르게 치환시킬 수 있도록 외부관이 진공으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 외부관 내에 존재하는 기체를 빨아들여 진공을 형성하는 이젝터(Ejector); 및 상기 이젝터의 구동유체로서 압축된 불활성가스를 공급하는 질소공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 외부관 내부의 기체를 상기 이젝터 측으로 흡인하는 진공흡인라인; 상기 진공흡인라인을 통해 상기 이젝터로 흡인된 기체를 선외 배출시키는 진공사출라인; 및 상기 질소공급부로부터 상기 압축된 불활성가스를 상기 이젝터로 공급하는 제2 질소공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 진공흡인라인 상에 설치되는 진공제어밸브; 및 상기 진공사출라인 상에 설치되는 삼방밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 외부관의 진공 형성이 완료된 후에는 상기 진공제어밸브가 차단될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 삼방밸브가 설치되는 지점의 상기 진공사출라인으로부터 분기되어 상기 외부관으로 연결되는 질소충전라인을 더 포함할 수 있고, 상기 내부관의 누출 발생시에는 상기 삼방밸브를 상기 질소충전라인을 향한 방향으로 전환하여 상기 질소공급부로부터 상기 이젝터로 공급되는 불활성가스를 상기 외부관으로 충전시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 질소충전라인 상에 설치되는 질소충전밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 질소충전밸브는 평상시에는 닫혀 있어 상기 외부관의 진공도를 유지하며, 상기 외부관을 불활성가스로 치환시키는 경우에 개방될 수 있다.
상기 연료탱크는 가압식 탱크이며, 상기 질소공급부로부터 불활성가스를 공급받아 상기 연료탱크를 가압함으로써 상기 연료탱크의 내부압력을 제어하는 가압부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 질소공급부로부터 상기 가압부로 불활성가스를 공급하는 제1 질소공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 질소공급부는 상기 엔진의 퍼징을 위한 퍼징가스로서 불활성가스를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 질소공급부로부터 상기 엔진의 퍼징 목적으로 불활성가스를 공급하는 제3 질소공급라인을 더 포함할 수 있고, 상기 제3 질소공급라인으로 공급되는 불활성가스는, 상기 엔진으로 직접 공급되어 상기 엔진의 내부 및 상기 제3 연료공급라인을 퍼징시킨 후, 상기 가스밸브유닛을 통해 외기로 배출될 수 있다.
상기 가스밸브유닛은 엔진룸(Engine Room)과는 격리되도록 구성되는 가스밸브유닛룸(GVU Room) 내에 배치되고, 상기 가스밸브유닛룸은 주기적으로 벤틸레이션(Ventilation)이 이루어지는 구역이며 가스위험구역(Gas Hazardous Zone)일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 엔진의 퍼징시 배출되는 잔류가스를 외기로 배출시키기 위하여 상기 가스밸브유닛에 연결되는 벤트라인을 더 포함할 수 있고, 상기 벤트라인은 상기 가스밸브유닛룸을 통해 외기로 연장되며, 상기 가스밸브유닛룸에 설치되는 배기 팬의 압력을 이용하여 벤팅(venting)을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 벤트라인을 통한 더욱 신속한 벤팅이 가능하도록 상기 벤트라인 상에 설치되는 이덕터(Eductor)를 더 포함할 수 있고, 상기 이덕터는 상기 배기 팬의 압력을 제공받아 가동될 수 있다.
상기 이덕터와 상기 배기 팬 사이에는 역류방지밸브가 설치되어, 상기 이덕터의 가동시 상기 배기 팬 측으로 압력이 손실되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 상기 이덕터의 가동시 압력을 제공하기 위하여 상기 질소공급부로부터 불활성가스를 상기 이덕터로 공급하는 제4 질소공급라인을 더 포함할 수 있고, 상기 이덕터는 상기 배기팬의 압력과 상기 제4 질소공급라인을 통해 공급되는 불활성가스의 압력을 선택적으로 또는 동시에 공급받아 가동될 수 있다.
상기 제4 질소공급라인을 통해 공급되는 불활성가스의 압력만을 이용하여 상기 이덕터를 가동하는 경우에는, 상기 배기 팬을 삭제하는 것이 가능할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료가스를 사용하여 구동이 가능한 엔진을 구비하는 선박에 있어서, 상기 연료가스를 저장하는 연료탱크를 가압식 탱크로 구비하며, 상기 연료탱크로부터 상기 엔진으로 상기 연료가스가 공급되는 라인 중에서 이중관으로 마련되는 라인은 이중관으로 구성하되, 상기 연료가스가 직접 유동하는 내부관에서 누출 발생시 외부관을 불활성가스로 빠르게 치환시킬 수 있도록 외부관을 진공으로 형성하는 것을 특징으로 하는, 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 연료탱크는 질소공급부에서 공급되는 불활성가스에 의한 압력을 전달받아 내부압력이 제어되고, 상기 내부관의 누출시 상기 외부관은 상기 질소공급부에서 공급되는 불활성가스에 의해 진공상태에서 불활성가스로 치환될 수 있다.
상기 엔진은 상기 질소공급부에서 공급되는 불활성가스를 퍼징가스로서 공급받아 퍼징이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 가압 방식의 연료탱크를 사용하며, 엔진으로 연료가스가 공급되는 라인을 진공 이중관으로 구성함으로써, 선급 요구사항을 만족시키면서 시스템의 안정성이 현저하게 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 이중관으로 구성되는 연료공급라인 상에서 누출이 발생하였을 때, 누출된 가스를 신속하게 배출시키는 것이 가능하여 비상시 엔진의 빠른 재가동이 가능하다는 점에서 운영상 이점이 있으며, 압력을 이용하여 누출된 가스를 원하는 구역으로 배출시키는 것이 가능하여 배관 설계상의 이점도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 가스밸브유닛룸에 마련되는 배기 팬의 전력소모를 줄이는 것이 가능하고, 경우에 따라서는 배기 팬을 삭제하는 것도 가능하여, OPEX 및 CAPEX 절감의 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 명세서에서 선박의 연료로 사용되는 '연료가스'는, LNG를 비롯하여 LPG(Liquefied Petroleum Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같이, 저온으로 액화시켜 저장이 가능하고 기화된 상태에서 엔진의 연료로 공급될 수 있는 모든 종류의 액화가스를 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 대표적인 액화가스인 LNG를 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 명세서에서 '선박'은 연료가스를 엔진의 연료로 사용할 수 있는 모든 종류의 선박을 포함하는 개념으로 해석될 수 있다. 대표적으로 LNG를 연료로 사용하여 추진하는 LFS와 같이 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료가스 공급시스템은, LNG를 연료로 사용하는 엔진(100); 엔진(100)의 연료로서 공급되는 LNG를 저장하는 연료탱크(200); 연료탱크(200)에 저장된 LNG를 엔진(100)이 요구하는 조건에 맞추어 공급하는 연료공급부(300); 연료탱크(200)를 가압하여 내부압력을 제어하기 위한 목적과, 엔진(100) 및 엔진(100)으로 LNG를 공급하는 라인을 퍼징시키기 위한 목적으로 질소가스를 공급하는 질소공급부(400)를 포함할 수 있다.
엔진(100)은 LNG를 연료로 사용하여 구동이 가능한 엔진일 수 있다. 따라서 중유와 천연가스를 모두 연료로 사용할 수 있는 DF 엔진(Dual Fuel Engine)도 포함되며, 예컨대 ME-GI 엔진이나 X-DF(eXtreme Dual Fuel) 엔진과 같은 추진엔진이나 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator) 등과 같은 일반적인 발전기엔진에 모두 적용이 가능하다.
또한, 본 발명은 엔진(100) 외에도 LNG를 연료로 공급받아 구동될 수 있는 보일러(Boiler) 등 기타 다른 연소기관에도 적용이 가능하다. 다만, 이하에서는 대표적인 연소기관으로서 엔진(100)을 예로 들어 설명한다.
엔진(100)은 선미에 마련되는 엔진룸(Engine Room)에 배치된다. 엔진룸은 가스안전구역(Gas Safe Zone)으로 분류되며, 가스위험구역(Gas Hazardous Zone)으로부터의 안전이 확보되어야 하는 구역이다. 예컨대, 가스위험구역으로부터 가스안전구역으로의 직접적인 출입은 금지되며(필요시 Air Lock 설치), 가스안전구역을 통과하는 연료공급관은 이중관 또는 덕트에 의해 완전히 폐위되어야 한다.
연료탱크(200)는 엔진(100)의 연료로서 공급되는 LNG를 액화 상태로 저장하며, 항시 일정 압력 이상을 유지하는 가압식(압력식) 탱크로 마련될 수 있다.
연료탱크(200)는, 내부압력을 유지하기 위하여, 질소공급부(400)로부터 제1 질소공급라인(410)을 통해 공급되는 질소가스에 의해 가압이 이루어지는 가압부(210)를 포함할 수 있다.
가압부(210)는 연료탱크(200)의 일부를 구성하며, 질소공급부(400)로부터 공급되는 질소가스에 의한 압력 에너지를 연료탱크(200) 측으로 전달하여 연료탱크(200)의 압력을 제어할 수 있다.
일례로, 연료탱크(200)와 가압부(210)는 일체의 탱크로 제작되되, 수축 팽창이 가능하거나 피스톤(piston)에 의해 왕복 운동이 가능한 격막으로 공간이 구획되어 있을 수 있으며, 따라서 가압부(210)의 내부 공간으로 공급되는 질소가스의 양을 조절하여 연료탱크(200)의 압력을 제어할 수 있다.
제1 질소공급라인(410) 상에는 질소공급부(400)로부터 가압부(210)로 질소가스의 공급을 제어하는 제1 질소제어밸브(411)가 설치될 수 있다.
연료탱크(200)에는 탱크의 내부압력을 측정하는 탱크압력센서(201)가 설치될 수 있다. 탱크압력센서(201)에서 측정되는 값이 일정치 이하로 떨어지는 경우, 질소공급부(400)에서 가압부(210)로 질소가스를 공급하여, 연료탱크(200)가 일정 압력 이상을 유지할 수 있도록 하고, 연료탱크(200) 내부의 LNG가 기화되는 것을 방지할 수 있다.
연료탱크(200)는 엔진(100)에 가깝도록 선미측 메인데크(Main Deck) 상부에 배치될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 최근 컨테이너선에서는 시야 확보를 위해 거주구(Accommodation)를 선박의 중앙부에 배치하는 추세인데, 이러한 컨테이너선에 본 발명이 적용되는 경우에는 컨테이너의 적재가 어려운 거주구 하부 공간에 연료탱크(200)를 배치할 수도 있다(이 경우에는 거주구와 연료탱크(200) 사이를 코퍼댐(cofferdam) 등으로 이격시킴).
또한, 본 발명의 연료탱크(200)는, 탑재가 가능한 독립형 탱크(Independent Type Tank)로서 가압식 탱크로 마련될 수도 있지만, 선체 내벽을 이용하여 제작되는 멤브레인형 탱크(Membrane Type Tank)로 마련될 수 있음은 물론이다.
연료공급부(300)는 연료탱크(200)에 저장된 LNG를 엔진(100)이 요구하는 조건에 맞추어 공급하기 위한 구성으로서, 연료탱크(200) 내에 저장된 LNG를 강제로 기화 및 압축시켜 엔진(100)으로 공급하거나 또는 연료탱크(200) 내에서 LNG가 자연 기화되어 발생하는 BOG(증발가스)를 압축하여 엔진(100)으로 공급할 수 있다.
연료공급부(300)는, LNG를 강제 기화시키기 위한 기화기(Vaporizer), 기화된 LNG 가스를 엔진이 요구하는 압력으로 압축하기 위한 압축기(Compressor), 히터(Heater) 등을 포함할 수 있으며, 통상적으로 카고컴프레서룸(Cargo Compressor Room) 내에 배치된다.
본 발명에서 카고컴프레스룸은 엔진(100)과 가깝도록 선미측 메인데크 상부에 별도의 공간을 마련하여 배치될 수 있다. 또는, 본 발명이 전술한 바와 같이 컨테이너선에 적용되는 경우에는 연료탱크(200)와 마찬가지로 거주구의 하부에 카고컴프레서룸을 배치할 수도 있다.
연료공급부(300)에서 기화 및/또는 압축된 LNG 가스는 가스밸브유닛(GVU: Gas Valve Unit)(310)을 통해 최종적으로 압력 및 유량이 제어되어 엔진(100)으로 공급될 수 있다.
가스밸브유닛(310)은 엔진(100)으로 공급되는 LNG 가스를 제어하는 밸브들을 그룹화한 장비로서, LNG 가스를 엔진(100)의 부하에 대응되는 압력으로 공급하며, 여과필터, 가스공급밸브 및 가스유량계 등을 포함할 수 있다.
가스밸브유닛(310)은 가스밸브유닛룸(GVU Room) 내에 배치될 수 있다. 가스밸브유닛룸은 가스위험구역으로 분류되는 공간으로서 엔진룸과는 별도로 격리된 구역에 배치되어야 한다. 본 발명에서는 가스밸브유닛룸을 엔진룸의 선미 측 후방에 배치시킬 수 있다.
또한, 가스밸브유닛룸은 기화된 LNG 가스를 다루는 공간이기에 안전상의 이유로 주기적인 벤틸레이션(ventilation)이 이루어져야 하며, 통상 건조된 공기를 시간당 30번 교환될 수 있도록 하여 가스의 누출에 대비한다. 따라서 가스밸브유닛룸에는 항시 벤틸레이션이 가능하도록 배기 팬(Ventilation Fan)(311)이 구비될 수 있다. 배기 팬(311)은 엔진(100)이 LNG를 연료로 사용하는 가스모드(Gas Mode)에서는 항시 가동되어야 한다.
한편, 본 발명에서 연료탱크(200)에 저장된 LNG는 제1 연료공급라인(L1)을 통해 연료공급부(300)로 공급될 수 있으며, 연료공급부(300)에서 기화 및/또는 압축된 LNG 가스는 제2 연료공급라인(L2)을 통해 가스밸브유닛(310)으로 전달되며, 가스밸브유닛(310)에서 최종적으로 압력이 제어된 LNG 가스는 제3 연료공급라인(L3)을 통해 엔진(100)으로 공급될 수 있다.
이때, 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)은 이중관(Double Pipe)으로 마련될 수 있다. 이는 선급 요구사항을 만족시키기 위한 설계로서, 제1 연료공급라인(L1)의 경우에는 연료탱크(200)가 압력을 가지고 있기 때문에 이중관으로 구성하는 것이다.
즉, 본 발명은 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)을 이중관 구조로 마련함에 따라, 내부관에서 LNG 가스가 누출되는 경우에도 내부관을 둘러싸는 외부관에 의해 안전이 이중으로 확보될 수 있다.
제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)에는 내부관의 누출을 감지할 수 있도록 제1 가스센서(G1) 및 제2 가스센서(G2)가 각각 설치될 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관을 진공 상태로 형성하여, 내부관에서 LNG 가스가 누출되는 경우 외부관을 빠르게 질소가스로 치환시킬 수 있도록 시스템을 구성한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관을 진공 상태로 형성시키기 위해 설치되는 이젝터(Ejector)(500)를 더 포함할 수 있다.
이젝터(500)는 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관과 내부관 사이에 있는 기체를 빨아들여 진공을 형성한다.
구체적으로 살펴보면, 제1 연료공급라인(L1)의 외부관은 제1 진공흡인라인(510)을 통해 이젝터(500)와 연결될 수 있으며, 제3 연료공급라인(L3)의 외부관은 제2 진공흡인라인(520)을 통해 이젝터(500)와 연결될 수 있다. 이때, 제1 진공흡인라인(510)과 제2 진공흡인라인(520)은 하나의 라인으로 통합되어 이젝터(500)의 흡입구로 연결될 수 있다.
제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관 내에 존재하는 공기는 이젝터(500)로 흡인되어 진공사출라인(530)을 통해 외부(선외)로 배출되며, 이에 따라 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관에서 진공이 형성될 수 있다.
이때, 이젝터(500)의 구동유체(driving fluid)로는 질소공급부(400)에서 공급되는 질소가스가 이용될 수 있다. 질소공급부(400)는 압축된 질소가스를 제2 질소공급라인(420)을 통해 이젝터(500)의 구동유체로 공급하여, 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관 내에 존재하는 공기를 빨아들이는 압력을 제공한다.
제1 연료공급라인(L1)의 외부관과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관에는 각각 진공도를 측정하기 위한 목적으로 제1 압력센서(P1)와 제2 압력센서(P2)가 설치될 수 있다.
제1 진공흡인라인(510)과 제2 진공흡인라인(520) 상에는 각각 제1 진공제어밸브(511)와 제2 진공제어밸브(521)가 설치될 수 있다. 제1 진공제어밸브(511)와 제2 진공제어밸브(521)는 제1 연료공급라인(L1) 및 제3 연료공급라인(L3)의 외부관의 진공이 완벽하게 형성되는 경우에 차단될 수 있다.
또한, 제2 질소공급라인(420) 상에는 질소공급부(400)로부터 이젝터(500) 측으로 질소가스의 공급을 제어하는 제2 질소제어밸브(421)가 설치될 수 있으며, 진공 형성이 완료됨에 따라 제1 진공제어밸브(511) 및 제2 진공제어밸브(521)가 차단되는 경우, 제2 질소제어밸브(421)도 함께 차단하여 질소가스의 소모를 중단시킴으로써 에너지를 절감할 수 있다.
진공사출라인(530) 상에는 삼방밸브(3-way valve)(531)가 설치될 수 있다. 제1 연료공급라인(L1) 및 제3 연료공급라인(L3)의 진공 형성시, 삼방밸브(531)는 이젝터(500)로 흡인된 유체를 외부(선외)로 배출시키는 쪽으로 개방된다.
한편, 본 발명은 진공사출라인(530)으로 배출되는 질소가스를 제1 연료공급라인(L1) 및 제3 연료공급라인(L3)의 외부관으로 충전시키기 위한 질소충전라인(540, 550)을 더 포함할 수 있다.
질소충전라인(540, 550)은 진공사출라인(530) 상에서 삼방밸브(531)가 설치되는 지점으로부터 분기되어, 각각 제1 연료공급라인(L1) 및 제3 연료공급라인(L3)의 외부관과 연결된다.
제1 연료공급라인(L1) 및/또는 제3 연료공급라인(L3)에서 내부관의 누출이 발생하는 경우, 질소공급부(400)에 의해 이젝터(500)로 공급되는 질소가스는, 진공사출라인(530)을 통해 외부(선외)로 배출되는 것이 아니라, 질소충전라인(540/ 550)을 통해 누출이 발생한 라인의 외부관으로 공급된다.
이때, 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관은 진공이 형성되어 있기 때문에 진공 상태에서 질소가스로 빠르게 치환될 수 있다. 또한, 여기서 이젝터(500)는 누출이 발생한 라인의 외부관이 질소가스로 더욱 빠르게 치환될 수 있도록 도와주는 역할을 할 수 있다.
제1 질소충전라인(540)과 제2 질소충전라인(550) 상에는 각각 제1 질소충전밸브(541)와 제2 질소충전밸브(551)가 설치될 수 있다. 제1 질소충전밸브(541)와 제2 질소충전밸브(551)는 평상시에는 닫혀 있어 제1 연료공급라인(L1) 및 제3 연료공급라인(L3)의 외부관의 진공도를 유지할 수 있도록 하며, 외부관을 질소가스로 치환시키는 경우에만 개방된다.
제1 연료공급라인(L1) 및/또는 제3 연료공급라인(L3)의 내부관에서 누출이 발생하는 경우에 외부관을 질소가스로 치환시키는 동작은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
우선, 누출이 발생한 라인 측의 진공제어밸브(511/521)를 개방하고, 질소공급부(400)로부터 제2 질소공급라인(420)으로 압축된 질소가스를 공급하여 이젝터(500)를 가동시킨다. 이에 따라, 누출된 가스는 진공흡인라인(510/520)을 통해 이젝터(500)로 흡인된 후 진공사출라인(530)을 통해 외부(선외)로 배출된다
누출된 가스의 배출이 완료되었다고 판단되면, 누출이 발생한 라인 측의 질소충전밸브(541/551)를 개방하여, 누출이 발생한 라인의 외부관으로 질소가스를 일정 압력 이상 채워 넣는다.
이후, 삼방밸브(531)를 누출이 발생한 라인 측의 질소충전라인(540/550)을 향한 방향으로 전환하여 누출이 발생한 라인의 외부관을 질소가스로 빠르게 치환시킨다. 이때, 삼방밸브(531)는 누출이 발생한 라인의 외부관 내의 기체를 모두 빼낼 수 있는 만큼 열리다가 질소충전라인(540/550) 측으로 방향이 전환된다.
누출이 발생한 라인의 외부관을 질소가스로 치환하는 작업이 완료되면, 진공제어밸브(511/521) 및 질소충전밸브(541/551)는 차단된다. 해당 라인의 치환 작업이 완료되었음은, 각각의 라인(L1, L3)에 설치되는 압력센서(P1, P2)를 통해 확인할 수 있다.
한편, 본 발명에서 엔진(100)이 고압엔진인 경우에는 제2 연료공급라인(L2) 또한 이중관으로 구성해주어야 할 수도 있는데, 이때에도 상술한 개념, 즉 이중관의 외부관을 진공 상태로 형성하고 누출시 빠르게 질소가스로 치환시키는 개념은 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 가스위험구역으로 분류되어 항시 벤틸레이션이 이루어지는 가스밸브유닛룸 내에 배치되는 라인은 이중관으로 구성할 필요가 없다.
상기와 같이 LNG 가스의 누출이 발생하면, 엔진(100)은 가스모드로는 더 이상 동작할 수 없다. 이 경우, 연료공급부(300)에 의한 LNG 가스의 공급을 중단하고 엔진(100)을 퍼징(purging)시키는 작업이 실시되어야 한다.
본 발명에서 엔진(100)의 퍼징 작업은 질소공급부(400)로부터 제3 질소공급라인(430)을 통해 공급되는 질소가스에 의해 실시될 수 있다.
구체적으로, 질소공급부(400)는 제3 질소공급라인(430)을 통해 엔진(100)과 연결되며, 엔진(100)을 퍼징시킬 필요가 있는 경우 엔진(100)으로 질소가스를 직접 공급한다. 제3 질소공급라인(430) 상에는 질소공급부(400)로부터 엔진(100)의 퍼징가스로서 질소가스의 공급을 제어하는 제3 질소제어밸브(431)가 설치될 수 있다.
제3 질소공급라인(430)을 통해 엔진(100)으로 공급되는 질소가스는 엔진(100) 내부의 잔류가스를 밀어내고, 질소가스에 의해 밀려 엔진(100)으로부터 배출되는 잔류가스는 제2 연료공급라인(L2)을 거쳐 가스밸브유닛(310)을 통해 안전한 구역(예컨대, 외기)으로 배출될 수 있다.
가스밸브유닛(310)에는 엔진(100)으로부터 배출되는 잔류가스 및 질소가스를 안전한 구역으로 배출시키기 위한 벤트라인(320)이 연결될 수 있으며, 벤트라인(320) 상에는 라인을 개폐시키는 퍼징밸브(321)가 설치될 수 있다.
종래에는 LNG 연료를 사용하는 엔진의 내부를 퍼징시키기 위하여 LNG 가스가 공급되는 배관 측으로 퍼징가스(예컨대, 질소가스)를 공급하였고, 엔진으로부터 배출되는 잔류가스는 배기가스가 배출되는 배기라인을 경유하여 벤트 마스트(Vent Mast)를 통해 배출되었다.
따라서 종래에는 엔진의 퍼징이 연료공급라인 → 엔진 → Safe Area 방향으로 이루어졌는데, 이러한 종래기술에 따르면, 엔진으로부터 잔류가스를 배출시키는 배기라인이 엔진룸 내부에 배치되어 위험도가 증가하고, 가스안전구역으로 분류되는 엔진룸을 통과하는 가스배관은 이중관으로 구성하거나 덕트로 폐위시켜야 하기에 비용적인 측면에서도 불리함이 있었다.
그러나, 본 발명에서는 질소공급부(400)로부터 엔진(100)으로 질소가스를 직접 공급함으로써, 엔진(100)의 퍼징이 엔진(100) → 가스밸브유닛(310) → Safe Area 방향으로 이루어지는 것을 알 수 있다. 즉 종래와는 반대 방향으로 엔진(100)의 퍼징을 실시하는 것이다.
이러한 본 발명에 따르면, 엔진(100)으로부터 부터 배출되는 잔류가스를 이미 이중관으로 구성되어 있는 제3 연료공급라인(L3)을 이용하여 배출시키는 것이 가능하여 기존 설비의 활용도가 높아지고, 엔진룸 내부에 잔류가스를 배출시키기 위한 별도의 가스배관을 구비할 필요가 없으므로 물량 감소에 따른 비용 절감이 가능하다.
또한, 전기장비나 오일류를 다루는 장비, 점화장비 등이 많이 배치되는 엔진룸 내부에 배치되는 가스배관을 대폭 줄일 수 있어 안정성이 극대화되는 효과가 있으며, 가스위험구역으로 분류되는 가스밸브유닛룸은 시간당 30번의 공기 교환이 항시 실시되고 있으므로 해당 구역을 이용하여 엔진(100)의 잔류가스를 배출시키는 것이 벤틸레이션에 매우 유리하다.
상기와 같은 엔진(100)의 퍼징 작업은, LNG 가스의 누출이 발생한 경우 뿐만 아니라, 엔진(100)의 가동을 장시간 중지하거나 내부 시스템을 정비하고자 하는 경우, 또는 엔진의 사용연료를 LNG에서 연료오일로 교체하고자 하는 경우에도 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 가스밸브유닛(310)으로부터 연장되는 벤트라인(320) 상에 이덕터(Eductor)(600)를 설치하여, 엔진(100)의 퍼징 작업이 더욱 신속하게 이루어지도록 할 수 있다.
이덕터(600)는 전술한 배기 팬(311)에 의해 형성되는 양압을 제공받아 가동될 수 있으며, 벤트라인(320)을 통해 배출되는 가스를 더욱 신속하게 배출시키는 역할을 한다. 이때, 이덕터(600)와 배기 팬(311) 사이에 역류방지밸브(601)를 설치하여, 이덕트(600)의 가동시 배기 팬(311) 측으로 압력이 손실되는 것을 방지함으로써 이덕터(600)의 효율을 높일 수 있다.
또한, 이덕터(600)는 질소공급부(400)로부터 공급되는 질소가스의 압력을 제공받아 가동될 수도 있다. 이를 위해 질소공급부(400)로부터 압축된 질소가스가 공급되는 제4 질소공급라인(440)이 이덕터(600)로 연결될 수 있다. 제4 질소공급라인(440) 상에는 질소공급부(400)로부터 이덕터(600)로 질소가스의 공급을 제어하는 제4 질소제어밸브(441)가 설치될 수 있다.
이덕터(600)의 가동원으로서 구비되는 배기 팬(311)과 제4 질소제어밸브(441)는 리던던시(redundancy)를 구성할 수 있으며, 어느 하나를 메인으로 하고 어느 하나는 백업용으로 둘 수 있다. 물론, 배기 팬(311)과 제4 질소제어밸브(441)를 모두 사용하여 이덕터(600)를 가동할 수도 있다.
이와 같이, 벤트라인(320) 상에 이덕터(600)를 설치하고, 질소공급부(400)로부터 공급되는 질소가스의 압력 및/또는 가스밸브유닛룸에 설치되는 배기 팬(311)의 압력을 이용하여 이덕터(600)를 가동하도록 구성하면, 벤트라인(320)을 통한 가스의 배출이 더욱 신속하게 이루어지는 효과가 있다.
또한, 통상적으로 배기 팬(311)을 이용하여 가스밸브유닛룸의 벤틸레이션을 수행하는 경우 전력소모가 매우 크다는 문제가 있다. 그러나, 본 발명에서는 이덕터(600)를 설치함으로써 가스밸브유닛룸의 벤틸레이션 효율을 높임으로써 배기 팬(311)의 전력소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.
특히, 질소공급부(400)로부터 공급되는 질소가스의 압력을 이용하여 이덕터(600)를 가동하는 경우에는, 배기 팬(311)의 전력소모를 종래 대비 현저하게 줄일 수 있어 OPEX 절감의 효과가 있으며, 또는 배기 팬(311)을 아예 삭제하는 것도 가능하여 CAPEX 절감의 효과를 도모할 수 있다.
더불어, 본 발명은 이덕터(600)에서 형성되는 압력을 이용하여 잔류가스 및 질소가스를 원하는 구역으로 배출시키는 것이 가능하다. 기존 설계에 따르면, 가스배관의 벤트 파이프(Vent Pipe)의 위치를 높게 배치해야 하고, 압력강하(Pressure Drop)를 고려하여 대형 관을 사용해야 하는 제약이 존재하였지만, 본 발명의 적용시에는 벤트라인(320)을 안전한 구역이라면 어느 위치에든 배치하는 것이 가능하여 배관 설계상의 이점이 있으며 원가 절감의 효과도 기대된다.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 질소공급부(400)는 다음과 같은 네 가지 역할을 가질 수 있다.
1) 연료탱크(100)의 내부압력을 제어하기 위하여 가압부(210)로 질소가스를 공급하는 역할.
2) 제1 연료공급라인(L1)과 제3 연료공급라인(L3)의 외부관을 진공상태로 형성시키기 위하여 이젝터(500)의 구동유체로서 질소가스를 공급하는 역할; 및 제1 연료공급라인(L1) 및/또는 제3 연료공급라인(L3)의 누출시 외부관을 충전시키기 위하여 질소가스를 공급하는 역할.
3) 엔진(100)의 퍼징가스로서 질소가스를 공급하는 역할.
4) 가스밸브유닛룸에 배치되는 벤트라인(320) 상에 설치되는 이덕터(600)에 압력을 제공하기 위하여 질소가스를 공급하는 역할.
상기의 역할들을 위해, 본 발명의 질소공급부(400)는, 질소를 생성하는 질소 발생기(N2 Generator), 질소 발생기에 의해 발생된 질소를 임시적으로 저장하여 공급을 조절하는 질소버퍼탱크(N2 Buffer Tank), 질소가스를 압축하는 질소 압축기(N2 Compressor) 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 안전한 시스템을 구성하기 위하여 대표적인 불활성가스인 질소가스를 예로 들어 설명하고 있지만, 질소가스 외에도 화학 작용이 거의 없는 다른 불활성가스를 사용하는 것도 물론 가능하다.
본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 엔진
200 : 연료탱크
210 : 가압부
300 : 연료공급부
310 : 가스밸브유닛
311 : 배기 팬
320 : 벤트라인
400 : 질소공급부
410 : 제1 질소공급라인
420 : 제2 질소공급라인
430 : 제3 질소공급라인
440 : 제4 질소공급라인
500 : 이젝터
510 : 제1 진공흡인라인
520 : 제2 진공흡인라인
530 : 진공사출라인
540 : 제1 질소충전라인
550 : 제2 질소충전라인
600 : 이덕터

Claims (19)

  1. 연료가스를 사용하여 구동이 가능한 엔진을 구비하는 선박에 있어서,
    상기 연료가스가 저장되는 연료탱크;
    상기 연료탱크에 저장된 연료가스를 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급하는 연료공급부;
    상기 연료공급부에서 압축된 상기 연료가스의 압력 및 유량을 최종적으로 제어하여 상기 엔진으로 공급하는 가스밸브유닛(Gas Valve Unit);
    상기 연료탱크로부터 상기 연료공급부로 연료가스를 공급하는 제1 연료공급라인;
    상기 연료공급부로부터 상기 가스밸브유닛으로 압축된 상기 연료가스를 이송하는 제2 연료공급라인; 및
    상기 가스밸브유닛에서 최종적으로 제어된 상기 연료가스를 상기 엔진으로 공급하는 제3 연료공급라인을 포함하고,
    상기 제1 연료공급라인 및 상기 제3 연료공급라인 중에서 이중관으로 마련되는 라인은, 내부관에서 누출 발생시 외부관을 불활성가스로 빠르게 치환시킬 수 있도록 외부관이 진공으로 형성되며,
    상기 외부관을 진공으로 형성하기 위한 진공 형성 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공 형성 수단은 상기 외부관 내에 존재하는 기체를 빨아들여 진공을 형성하는 이젝터(Ejector)이고,
    상기 이젝터의 구동유체로서 압축된 불활성가스를 공급하는 질소공급부를 더 포함하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 외부관 내부의 기체를 상기 이젝터 측으로 흡인하는 진공흡인라인;
    상기 진공흡인라인을 통해 상기 이젝터로 흡인된 기체를 선외 배출시키는 진공사출라인; 및
    상기 질소공급부로부터 상기 압축된 불활성가스를 상기 이젝터로 공급하는 제2 질소공급라인을 더 포함하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 진공흡인라인 상에 설치되는 진공제어밸브; 및
    상기 진공사출라인 상에 설치되는 삼방밸브를 더 포함하고,
    상기 외부관의 진공 형성이 완료된 후에는 상기 진공제어밸브가 차단되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 삼방밸브가 설치되는 지점의 상기 진공사출라인으로부터 분기되어 상기 외부관으로 연결되는 질소충전라인을 더 포함하고,
    상기 내부관의 누출 발생시에는 상기 삼방밸브를 상기 질소충전라인을 향한 방향으로 전환하여, 상기 질소공급부로부터 상기 이젝터로 공급되는 불활성가스를 상기 외부관으로 충전시키는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 질소충전라인 상에 설치되는 질소충전밸브를 더 포함하고,
    상기 질소충전밸브는 평상시에는 닫혀 있어 상기 외부관의 진공도를 유지하며, 상기 외부관을 불활성가스로 치환시키는 경우에 개방되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료탱크는 가압식 탱크이며, 상기 질소공급부로부터 불활성가스를 공급받아 상기 연료탱크를 가압함으로써 상기 연료탱크의 내부압력을 제어하는 가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 질소공급부로부터 상기 가압부로 불활성가스를 공급하는 제1 질소공급라인을 더 포함하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 질소공급부는 상기 엔진의 퍼징을 위한 퍼징가스로서 불활성가스를 공급하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 질소공급부로부터 상기 엔진의 퍼징 목적으로 불활성가스를 공급하는 제3 질소공급라인을 더 포함하고,
    상기 제3 질소공급라인으로 공급되는 불활성가스는, 상기 엔진으로 직접 공급되어 상기 엔진의 내부 및 상기 제3 연료공급라인을 퍼징시킨 후, 상기 가스밸브유닛을 통해 외기로 배출되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 가스밸브유닛은 엔진룸(Engine Room)과는 격리되도록 구성되는 가스밸브유닛룸(GVU Room) 내에 배치되고,
    상기 가스밸브유닛룸은 주기적으로 벤틸레이션(Ventilation)이 이루어지는 구역이며 가스위험구역(Gas Hazardous Zone)인 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 엔진의 퍼징시 배출되는 잔류가스를 외기로 배출시키기 위하여 상기 가스밸브유닛에 연결되는 벤트라인을 더 포함하고,
    상기 벤트라인은 상기 가스밸브유닛룸을 통해 외기로 연장되며, 상기 가스밸브유닛룸에 설치되는 배기 팬의 압력을 이용하여 벤팅(venting)을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 벤트라인을 통한 더욱 신속한 벤팅이 가능하도록 상기 벤트라인 상에 설치되는 이덕터(Eductor)를 더 포함하고,
    상기 이덕터는 상기 배기 팬의 압력을 제공받아 가동되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 이덕터와 상기 배기 팬 사이에는 역류방지밸브가 설치되어, 상기 이덕터의 가동시 상기 배기 팬 측으로 압력이 손실되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 이덕터의 가동시 압력을 제공하기 위하여 상기 질소공급부로부터 불활성가스를 상기 이덕터로 공급하는 제4 질소공급라인을 더 포함하고,
    상기 이덕터는 상기 배기팬의 압력과 상기 제4 질소공급라인을 통해 공급되는 불활성가스의 압력을 선택적으로 또는 동시에 공급받아 가동되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제4 질소공급라인을 통해 공급되는 불활성가스의 압력만을 이용하여 상기 이덕터를 가동하는 경우에는, 상기 배기 팬을 삭제하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  17. 연료가스를 사용하여 구동이 가능한 엔진을 구비하는 선박에 있어서,
    상기 연료가스를 저장하는 연료탱크는 가압식 탱크로 구비되고,
    상기 연료탱크로부터 상기 엔진으로 상기 연료가스가 공급되는 라인 중에서 이중관으로 마련되는 라인은 이중관으로 구성되되, 상기 연료가스가 직접 유동하는 내부관에서 누출 발생시 외부관을 불활성가스로 빠르게 치환시킬 수 있도록 외부관이 진공으로 형성되며,
    상기 외부관을 진공으로 형성하기 위한 진공 형성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 연료탱크는 질소공급부에서 공급되는 불활성가스에 의한 압력을 전달받아 내부압력이 제어되고,
    상기 내부관의 누출시 상기 외부관은 상기 질소공급부에서 공급되는 불활성가스에 의해 진공상태에서 불활성가스로 치환되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 엔진은 상기 질소공급부에서 공급되는 불활성가스를 퍼징가스로서 공급받아 퍼징이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    선박의 연료가스 공급시스템.
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