KR102334642B1 - 연료공급시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

에탄을 추진연료로 사용하면서 BOG(boil off gas)에 포함된 메탄을 효율적으로 사용할 수 있는 연료공급시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공한다. 상기 연료공급시스템은 액화 에탄을 저장하고, 상기 액화 에탄은 제1 비율의 메탄을 포함하는 연료저장탱크; 상기 연료저장탱크로부터 제공받은 액화 에탄을 재냉각하는 냉각기; 상기 연료저장탱크에서 발생된 BOG(boil off gas)를 제공받되, 상기 제공받은 BOG에는 상기 제1 비율보다 높은 제2 비율의 메탄을 포함하고, 상기 제공받은 BOG를 상기 재냉각된 액화 에탄과 열교환시켜 상기 제공받은 BOG로부터 기화 메탄을 따로 분리해 내는 세퍼레이터; 및 상기 분리된 기화 메탄을 압축하여 제1 수요처에 메탄연료로 제공하는 컴프레서를 포함한다.

Description

연료공급시스템 및 이를 포함하는 선박{Fuel Supply system and ship comprising the same}
본 발명은 연료공급시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG)를 운반하는 LNG 운반선의 경우, LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급시스템을 사용하고 있다. 이러한 LNG 연료공급시스템은 LNG 운반선 이외의 다른 선박에서도 적용되어왔다.
한국등록특허 제10-2008830 B1호 (공고일: 2019.08.08.)
한편, 천연가스에는 메탄이 다량 함유되어 있고 에탄은 적게 함유되어 있다. 따라서, 에탄을 연료로 하는 경우에는 LNG에서 에탄을 따로 정제하여 분별해내야 하며 소량의 에탄은 공급이 적어 메탄에 비해 그 가격이 상당히 고가로 책정되었었다. 따라서, 에탄을 운반하는 에탄 케리어에서 에탄을 추진연료로 사용하지 않고, 상대적으로 가격이 저렴한 LNG를 추진 연료로 사용하여 왔다.
이러한 시장상황에서 최근 미국발 셰일 가스가 대량 생산되면서, 셰일 가스에 다량 함유되어 있는 에탄의 공급이 증가하게 되었다. 이로 인해 에탄의 가격은 LNG의 가격과 동등하게 책정되기 시작하였으며 그에 따라 에탄을 추진연료로 하기 위한 연구가 진행되기 시작했다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 에탄을 추진연료로 사용하면서 BOG(boil off gas)에 포함된 메탄을 효율적으로 사용할 수 있는 연료공급시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 연료공급시스템을 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연료공급시스템의 일 면은, 액화 에탄을 저장하고, 상기 액화 에탄은 제1 비율의 메탄을 포함하는 연료저장탱크; 상기 연료저장탱크로부터 제공받은 액화 에탄을 재냉각하는 냉각기; 상기 연료저장탱크에서 발생된 BOG(boil off gas)를 제공받되, 상기 제공받은 BOG에는 상기 제1 비율보다 높은 제2 비율의 메탄을 포함하고, 상기 제공받은 BOG를 상기 재냉각된 액화 에탄과 열교환시켜 상기 제공받은 BOG로부터 기화 메탄을 따로 분리해 내는 세퍼레이터; 및 상기 분리된 기화 메탄을 압축하여 제1 수요처에 메탄연료로 제공하는 컴프레서를 포함한다.
상기 BOG는 상기 재냉각된 액화 에탄과 열교환되어, 기화 메탄과 액화 에탄으로 분리되고, 상기 BOG로부터 분리된 액화 에탄은 상기 연료저장탱크 내로 주입되어 BOG의 발생을 억제할 수 있다.
여기서, 상기 냉각기는 터보 브레이튼(Turbo-Brayton) 사이클을 이용할 수 있다.
상기 연료저장탱크로부터 제공받은 액화 에탄을 가압하는 메인 펌프와, 상기 메인 펌프에 의해 가압된 액화 에탄을 기화시켜 에탄연료를 생성하여 제2 수요처에 제공하는 기화기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 수요처는 메탄 버닝 제너레이터이고, 상기 제2 수요처는 에탄 버닝 고압가스분사엔진(ME-GIE)일 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 선박의 일 면은, 전술한 연료공급시스템 중 적어도 하나를 이용하되, 예를 들어, 연료공급시스템은 액화 에탄을 저장하고, 상기 액화 에탄은 제1 비율의 메탄을 포함하는 연료저장탱크; 상기 연료저장탱크로부터 제공받은 액화 에탄을 재냉각하는 냉각기; 상기 연료저장탱크에서 발생된 BOG(boil off gas)를 제공받되, 상기 제공받은 BOG에는 상기 제1 비율보다 높은 제2 비율의 메탄을 포함하고, 상기 제공받은 BOG를 상기 재냉각된 액화 에탄과 열교환시켜 상기 제공받은 BOG로부터 기화 메탄을 따로 분리해 내는 세퍼레이터; 및 상기 분리된 기화 메탄을 압축하여 제1 수요처에 메탄연료로 제공하는 컴프레서를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 세퍼레이터를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템은, 에탄을 추진연료로 사용하는 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, 에탄(즉, 액화 에탄)을 수송하는 선박(에탄 케리어)에 적용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 세퍼레이터를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
우선 도 1을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템(101)은, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14), 제1 펌프(21, 22), 제2 펌프(21a, 22a), 컴프레서(50), 메인펌프(20a, 20b), 기화기(60), 제1 수요처(110), 제2 수요처(120), 냉각기(210), 세퍼레이터(220) 등을 포함할 수 있다.
연료저장탱크(11, 12, 13, 14)는 액화 에탄을 저장하기 위한 탱크로서, 선체 내부에 적어도 하나 설치될 수 있다. 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)는 액화 에탄을 액체상태로 유지하기 위한 단열구조를 포함한다. 또한, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)가 다수 개 설치되는 경우, 선체의 길이 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 도 1에서는 4개의 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 각각에는, 액화 에탄을 1차로 가압하여 메인펌프(20a, 20b)로 전달하기 위한 제1 펌프(21, 22)가 설치된다. 제1 펌프(21, 22)는 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 저장된 액화 에탄의 수위보다 낮은 위치에 구비될 수 있으며, 잠형 또는 왕복동형일 수도 있다. 도 1에서는 제1 펌프(21, 22)가 도시의 편의상 일부의 연료저장탱크(13, 14)에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 펌프(21, 22)는 예를 들어, 모든 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 설치될 수 있다.
또한, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 각각에는, 액화 에탄을 1차로 가압하여 냉각기(210)로 전달하기 위한 제2 펌프(21a, 22a)가 설치된다. 제2 펌프(21a, 22a)는 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 저장된 액화 에탄의 수위보다 낮은 위치에 구비될 수 있으며, 잠형 또는 왕복동형일 수도 있다. 도 1에서는 제2 펌프(21a, 22a)가 도시의 편의상 일부의 연료저장탱크(13, 14)에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제2 펌프(21a, 22a)는 예를 들어, 모든 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 설치될 수 있다.
한편, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 저장된 액화 에탄은 낮은 비율의 메탄을 포함한다. 예를 들어, 저장되는 액화 에탄이 커머셜 에탄(commercial ethane)일 경우, 저장된 액화 에탄 내에서 메탄 비율은 약 5% 미만(예를 들어, 약 2% 정도)일 수 있다. 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에서 BOG(boil off gas)가 발생될 수 있는데, BOG 내의 메탄 비율은 상당히 높을 수 있다(예를 들어, 약 50% 정도).
구체적으로 설명하면, 탄소수가 많아질수록 끓는점이 높아지기 때문에, 메탄의 끓는점은 에탄의 끓는점보다 낮다. 메탄의 끓는점은 약 -162 ℃이고, 에탄의 끓는점은 약 -89℃ 이다. 따라서, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내에서 에탄보다 메탄이 더 쉽게 기화될 수 있다. 그 결과, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내의 액화 에탄 내에는 낮은 비율(제1 비율)의 메탄이 포함되지만, BOG 내에는 상당히 높은 비율(제2 비율)의 메탄이 포함되게 된다.
이와 같이 높은 메탄 비율을 갖는 BOG는, 에탄을 주 가스 연료(primary gas fuel)로 사용하는 수요처(이하, "에탄 버닝 수요처"라 함)(예를 들어, 에탄 버닝 고압가스분사엔진)에서 직접 사용될 수 없다. 에탄 버닝 수요처에서 사용되려면, 에탄 연료의 에탄비율이 기설정된 값(예를 들어, 85%) 이상이어야 한다. 에탄비율이 기설정된 값보다 작으면, 에탄 버닝 수요처는 고장을 일으키거나, 목표된 효율이 발생되지 않기 때문이다.
유사하게, 이와 같이 높은 메탄 비율을 갖는 BOG는, 메탄을 주 가스 연료로 사용하는 수요처(이하, "메탄 버닝 수요처"라 함)(예를 들어, 메탄 버닝 제너레이터)에서도 직접 사용될 수 없다. 메탄 버닝 수요처에서 사용되려면, 연료의 메탄비율이 기설정된 값(예를 들어, 82%) 이상이어야 한다. 메탄비율이 기설정된 값보다 작으면, 메탄 버닝 수요처도 고장을 일으키거나, 목표된 효율이 발생되지 않기 때문이다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템(101)에서는, 제1 수요처(110)는 메탄을 주 가스 연료로 사용하고, 제2 수요처(120)는 에탄을 주 가스 연료로 사용하는 경우로 가정한다. 제1 수요처(110)는 예를 들어, 메탄 버닝 제너레이터이고, 제2 수요처(120)는 예를 들어, 에탄 버닝 고압가스분사엔진(ME-GIE)일 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템(101)은, 높은 메탄 비율을 갖는 BOG를 다음과 같은 방식으로 사용한다.
구체적으로 설명하면, 제2 펌프(21a, 22a)는 연료저장탱크(21a, 22a)에 저장된 액화 에탄을 가압하여 공급라인(83)을 통해서 냉각기(210)로 전달한다.
냉각기(210)는 전달받은 액화 에탄을 재냉각한다. 전달받은 액화 에탄은 예를 들어, -90℃이고, 냉각기(210)에 의해서 냉각된 액화에탄은 예를 들어, -95℃ 내지 -105℃ 일 수 있다. 냉각기(210)는 터보 브레이튼(Turbo-Brayton) 사이클을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에서 발생된 BOG는 공급라인(82)을 통해서 세퍼레이터(220)에 전달된다.
세퍼레이터(220)는 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에서 발생된 BOG(boil off gas)를 제공받고, 제공받은 BOG를 냉각기(210)에 의해 재냉각된 액화 에탄과 열교환시켜, 상기 제공받은 BOG로부터 기화 메탄을 따로 분리해 낸다.
구체적으로, 전술한 것과 같이, BOG 내에서 메탄의 비율(예를 들어, 약 50% 정도)은 상당히 높을 수 있다. 즉, BOG 내에는, 메탄과 에탄이 거의 1:1 비율로 포함될 수 있다.
여기에서, 냉각기(210)에 의해 재냉각된 액화 에탄의 온도는 BOG의 온도에 비해 낮기 때문에, 냉각기(210)에 의해 재냉각된 액화 에탄과 BOG가 열교환을 하면, BOG의 온도가 낮아지게 된다. 그런데, 메탄의 끓는점(약 -162 ℃)은 에탄의 끓는점(약 -89℃)보다 낮다. 따라서, 열교환에 의해 BOG 내의 에탄은 다시 액화되고, 메탄은 기체 상태로 남게 된다. 이와 같은 방법으로 BOG로부터 기화 메탄과 액화 에탄을 분리할 수 있다.
여기서 도 2를 참조하면, 세퍼레이터(220)는 제1 인렛(inlet)(IN1), 제2 인렛(IN2), 제1 아웃렛(outlet)(OUT1), 제2 아웃렛(OUT2), 제3 아웃렛(OUT3)을 포함한다.
제1 인렛(IN1)을 통해서 냉각기(210)에 의해 재냉각된 액화 에탄이 인입된다.
제2 인렛(IN2)을 통해서 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에서 발생된 BOG가 인입된다.
세퍼레이터(220)의 몸체(221) 내에서, 냉각기(210)에 의해 재냉각된 액화 에탄과 BOG가 서로 열교환을 한다.
제1 아웃렛(OUT1)을 통해서 BOG로부터 분리된 기화 메탄이 빠져나간다.
제3 아웃렛(OUT3)을 통해서 BOG로부터 분리된 액화 에탄이 빠져나간다.
제2 아웃렛(OUT2)을 통해서, 냉각기(210)로부터 제공되었고 열교환을 수행한 액화 에탄이 빠져나간다.
제2 아웃렛(OUT2)에서 나온 액화 에탄과, 제3 아웃렛(OUT3)을 통해서 나온 액화 에탄은 서로 합쳐져서, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)로 제공된다.
다시 도 1을 참조하면, 세퍼레이터(220)에서 제공된 액화 에탄은 공급라인(84)을 통해서, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 제공된다. 분리된 액화 에탄은 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내에 주입된다. 예를 들어, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내의 상부 공간에서 스프레이 형태로 분사되어, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내의 상부 공간에 위치하는 BOG를 재냉각시키거나, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)의 내부 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내의 BOG 발생을 억제할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(220)에서 분리된 기화 메탄은 공급라인(85)을 통해서 컴프레서(50)로 제공된다. 컴프레서(50)는 기화 메탄을 가압하여 메탄연료를 생성하여 제1 수요처(110)로 제공한다. 예를 들어, 메탄연료는 5bar 내지 10bar, 바람직하게는 6.5bar의 고압으로 가압된 형태일 수 있다. 즉, BOG로부터 분리된 기화 메탄으로부터 메탄연료가 생성되고, 메탄연료는 제1 수요처(110)에서 사용된다.
한편, 가스 연소 장치(GCU, Gas Combustion Unit)(130)은 제1 수요처(110)와 연결되고, 제1 수요처(110)에서 사용되지 않고 남은 메탄연료를 소각한다.
또한, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에서 발생된 BOG의 양이 많으면, 발생된 BOG 모두가 메탄연료 생산에 사용되지 않을 수 있다. 사용되지 않은 BOG는 공급라인(82), 밸브(95)를 거쳐 제1 벤트 마스트(vent mast)(150)를 통해서 외기로 배출될 수 있다.
한편, 액화 에탄이 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 로딩된 직후에 발생되는 BOG는 상당히 높은 메탄 비율을 가질 수 있다. 하지만, 전술한 방법으로, BOG에서 기화 메탄을 따로 분리하여 계속 사용하게 되면, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14) 내에서 메탄의 양은 계속 줄어들게 된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 제1 시점(t1)에서 BOG의 메탄 비율은 Q1이지만, 제1 시점(t1)보다 일정시간 지난 제2 시점(t2)에서 BOG의 메탄비율은 Q1보다 작은 Q2가 된다. 예를 들어, 제1 시점(t1)에서 BOG의 메탄비율이 45%이고, 제2 시점(t2)에서 BOG의 메탄비율은 25%가 될 수 있다. 도면으로 별도로 표시하지 않았으나, BOG에서 분리할 수 있는 기화 메탄의 양이 충분히 줄어들면, 제1 수요처(110)는 별도로 저장된 오일 탱크(미도시)로부터 오일을 제공받아 사용할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 설치된 제1 펌프(21, 22)는 액화 에탄을 1차로 가압하여 공급라인(81)을 통해서 메인펌프(20a, 20b)로 전달한다.
메인펌프(20a, 20b)는 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)로부터 제공받은 액화 에탄을 2차로 가압한다. 동작의 안정성 확보를 위해서, 메인펌프(20a, 20b)는 병렬로 다수개(예를 들어, 2개) 설치될 수 있다. 하나의 메인펌프(예를 들어, 20a)가 고장나면, 다른 메인펌프(예를 들어, 20b)가 동작함으로써, 메인펌프(20a,20b)의 동작의 끊김을 방지한다.
기화기(60)는 메인펌프(20a, 20b)에서 가압된 액화 에탄을 기화시켜 제2 에탄연료를 생성한다. 제2 에탄연료는 예를 들어, 350bar 내지 450bar, 바람직하게는 380bar의 고압으로 가압된 형태일 수 있다. 이와 같이 생성된 에탄연료는 밸브(91)를 통해서 제2 수요처(120)에 제공된다. 제2 수요처(120)는 에탄 버닝 고압가스분사엔진(ME-GIE)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 제2 벤트 마스트(140)는 제2 수요처(120)와 연결되고, 제2 수요처(120)에서 사용되지 않고 남은 제2 에탄연료를 외기로 배출하는 데 사용된다.
정리하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 연료공급시스템에 따르면, 높은 메탄 비율을 갖는 BOG로부터 액화 에탄과 기화 메탄을 따로 분리할 수 있다. 분리된 기화 메탄을 이용하여 메탄연료를 생산하여 메탄 버닝 제너레이터 등에 사용할 수 있고, 분리된 액화 에탄을 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 다시 분사하여 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에서의 BOG 생성을 줄일 수 있다. 이와 같이 함으로써, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)에 저장된 액화 에탄을 이용하여 에탄연료를 생산하여 추진연료로 사용하면서, 연료저장탱크(11, 12, 13, 14)로부터 발생된 BOG에 포함된 메탄을 효율적으로 사용할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
11, 12, 13, 14: 연료저장탱크 20a, 20b: 메인펌프
50: 컴프레서 60: 기화기
110: 제1 수요처 120: 제2 수요처
130: 가스 연소 장치 140: 제2 벤트 마스트
150: 제1 벤트 마스트 210: 냉각기
220: 세퍼레이터

Claims (3)

  1. 액화 에탄을 저장하고, 상기 액화 에탄은 제1 비율의 메탄을 포함하는 연료저장탱크;
    상기 연료저장탱크로부터 제공받은 액화 에탄을 재냉각하는 냉각기;
    상기 연료저장탱크에서 발생된 BOG(boil off gas)를 제공받되, 상기 제공받은 BOG에는 상기 제1 비율보다 높은 제2 비율의 메탄을 포함하고, 상기 제공받은 BOG를 상기 재냉각된 액화 에탄과 열교환시켜 상기 제공받은 BOG로부터 기화 메탄을 따로 분리해 내는 세퍼레이터; 및
    상기 분리된 기화 메탄을 압축하여 제1 수요처에 메탄연료로 제공하는 컴프레서를 포함하며,
    상기 BOG는 상기 재냉각된 액화 에탄과 열교환되어, 기화 메탄과 액화 에탄으로 분리되고,
    상기 BOG로부터 분리된 액화 에탄은 상기 연료저장탱크 내로 주입되는, 연료공급시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료저장탱크로부터 제공받은 액화 에탄을 가압하는 메인 펌프와,
    상기 메인 펌프에 의해 가압된 액화 에탄을 기화시켜 에탄연료를 생성하여 제2 수요처에 제공하는 기화기를 더 포함하는, 연료공급시스템.
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