KR102340144B1 - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 중탄화수소를 주성분으로 하는 액화가스를 화물로 저장하는 카고탱크; 상기 카고탱크의 액화가스를 추진엔진으로 전달하는 이송펌프; 상기 이송펌프의 하류에 마련되어 액화가스의 온도를 변화시키는 열교환기; 상기 열교환기와 상기 추진엔진 사이에 마련되는 고압펌프; 및 상기 고압펌프의 상류에 마련되어 액화가스에서 생성되는 하이드레이트를 걸러내는 필터를 더 포함하고, 상기 필터는, 액화가스에서 분리된 하이드레이트를 가열해 제거하도록 가열부를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Gas treatment system and ship having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로, 액화석유가스 즉, LPG(Liquefied petroleum gas)는 석유 성분 중 프로판 및 부탄 등 비등점이 낮은 탄화수소를 주성분으로 가스를 상온에서 가압하여 액화한 것이다. 이러한 액화석유가스를 소형의 가벼운 압력용기(봄베)에 충전해서 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 이용하게 된다.
액화석유가스는 생산지에서 기체 상태로 추출되며, 액화석유가스 처리 설비를 통해 액화되어 저장되었다가, 액화석유가스 운반선에 의해 액상을 유지하면서 육상으로 수송된 후, 기체 등의 다양한 형태로 수요처에 공급된다.
이러한 액화석유가스의 비등점은 약 -50℃ 내외이므로, 액화석유가스를 운반하기 위한 액화석유가스 운반선은 이보다 낮은 온도를 유지해야 한다. 따라서 액화석유가스를 보관하는 저장탱크는 저온에 강한 저온강(Low Temperature Carbon Steel 및 Nickel Steel)을 사용하며, 액화석유가스 운반선에는 재액화설비도 마련된다.
이러한 액화석유가스 운반선은, 종래의 경우 디젤유를 사용하여 엔진을 가동함으로써 추진력을 발생시켰다. 그런데 디젤유는 선박 추진용 엔진에서 연소하는 과정에서 유해성분인 질소산화물(NOx), 유황산화물(SOx), 이산화탄소(CO2)가 발생하게 되고, 이러한 유해성분이 대기로 방출됨으로써 환경을 오염시키는 문제가 있다.
따라서 최근에는 디젤유를 사용하는 경우와 대비할 때 배기의 오염도를 대폭 낮출 수 있도록, 액화석유가스를 이용하여 가동하는 엔진의 개발 및 액화석유가스를 엔진에 공급하는 제반 시스템의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액화석유가스를 이용하여 추진력을 발생시킬 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 중탄화수소를 주성분으로 하는 액화가스를 화물로 저장하는 카고탱크; 상기 카고탱크의 액화가스를 추진엔진으로 전달하는 이송펌프; 상기 이송펌프의 하류에 마련되어 액화가스의 온도를 변화시키는 열교환기; 상기 열교환기와 상기 추진엔진 사이에 마련되는 고압펌프; 및 상기 고압펌프의 상류에 마련되어 액화가스에서 생성되는 하이드레이트를 걸러내는 필터를 더 포함하고, 상기 필터는, 액화가스에서 분리된 하이드레이트를 가열해 제거하도록 가열부를 갖는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 필터는, 상기 이송펌프와 상기 열교환기 사이에 마련되며, 상기 가열부는, 상기 필터에 내장되는 트레이싱일 수 있다.
구체적으로, 상기 카고탱크에서 상기 추진엔진으로 액화가스를 공급하며 상기 필터, 상기 열교환기 및 상기 고압펌프가 마련되는 액화가스 공급라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 공급라인은, 액화가스의 흐름을 기준으로 부분적으로 병렬로 마련되며,
상기 필터는, 상기 액화가스 공급라인에서 병렬인 부분에 각각 마련되어 복수 개로 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 공급라인은, 복수 개의 상기 필터 중 어느 하나가 상기 가열부를 통해 하이드레이트를 제거하는 경우, 다른 하나의 상기 필터를 경유해 액화가스를 상기 추진엔진으로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 공급라인 또는 상기 필터에는, 상기 필터에 대해 상기 가열부를 통한 하이드레이트 제거 후 상기 필터에 잔류한 액화가스 벤트, 상기 필터의 퍼징, 또는 수분 드레인을 위한 필터 처리라인이 마련될 수 있다.
구체적으로, 액화가스를 추진엔진에 공급할 연료로 저장하는 연료탱크; 및 상기 연료탱크의 액화가스를 상기 열교환기로 전달하는 저압펌프를 더 포함하며, 상기 이송펌프는, 상기 카고탱크의 액화가스를 상기 연료탱크로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 필터는, 상기 저압펌프의 상류에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 카고탱크에서 상기 연료탱크로 액화가스를 전달하는 액화가스 전달라인; 및 상기 연료탱크에서 상기 추진엔진으로 액화가스를 공급하며 상기 필터, 상기 저압펌프, 상기 열교환기 및 상기 고압펌프가 마련되는 액화가스 공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는 액화가스 운반선인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 디젤유만을 사용하던 종래의 시스템을 벗어나서, 액화석유가스를 추진 연료로 사용할 수 있도록 하여 환경 오염을 저감하고 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 명세서에서 액화가스는 중탄화수소로서 LPG(프로판, 부탄 등)일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니며, 비등점이 상온보다 낮아 저장을 위해 강제로 액화되며 발열량을 갖는 모든 물질(프로필렌 등)을 포괄할 수 있다.
또한 본 명세서에서 액화가스/증발가스는 탱크 내부에서의 상태를 기준으로 구분되는 것이고, 명칭으로 인하여 액상 또는 기상으로 반드시 한정되는 것은 아님을 알려둔다.
본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템(1)이 구비되는 선박을 포함한다. 이때 선박은 가스 운반선, 가스가 아닌 화물이나 사람을 운반하는 상선, FSRU, FPSO, Bunkering vessel, 해양플랜트 등을 모두 포함하는 개념이며, 다만 예시로서 액화석유가스 운반선일 수 있음을 알려둔다.
본 발명의 도면에 도시하지 않았으나, 압력센서(PT), 온도센서(TT) 등이 제한 없이 적절한 위치에 구비될 수 있음은 물론이며, 각 센서에 의한 측정값은 이하에서 설명하는 구성들의 운영에 제한 없이 다양하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스를 저장하는 구성으로서 카고탱크(10), 연료탱크(20)를 포함하며, 이러한 구성들은 액화가스 저장부로 통칭될 수 있다.
또한 본 실시예는 액화가스를 공급하는 구성으로서 열교환기(30), 고압펌프(40)를 포함하는데, 이 구성들은 액화가스 공급부로 통칭될 수 있다. 추가로 본 실시예는 액화가스 회수부로 통칭될 수 있는 포집탱크(50), 벤트마스트(60) 등을 포함한다.
카고탱크(10)는, 액화가스 운반선인 선박의 선내에 마련되는 복수 개의 카고탱크(10)이다. 물론 선박이 가스 운반선 외의 선종일 경우에는 선내 또는 선외 등에 별도로 추가되는 탱크나 용기 등일 수 있다.
카고탱크(10)는 대기압에서 액화가스를 저온 액상으로 저장하는 탱크이며, 액화가스의 기화를 방지하기 위하여 벽체에 다양한 단열 구조가 부가될 수 있다. 또한 카고탱크(10)는 멤브레인형 탱크이거나 독립형 탱크 등일 수 있으며, 그 형태나 제원 등은 한정되지 않는다.
카고탱크(10)의 액화가스를 외부로 배출하기 위해 이송펌프(11)가 마련될 수 있다. 이송펌프(11)는 카고탱크(10)의 내부에 마련될 수 있으며, 액화가스에 잠겨있는 submerged type으로 마련될 수 있다.
다만 이송펌프(11)는, 복수 개의 카고탱크(10) 중 일부에만 마련될 수 있다. 카고탱크(10)는 기본적으로 화물 운송을 목적으로 하는 것으로서 화물의 언로딩(unloading)을 위한 카고펌프(하역펌프, 스트리핑펌프 등, 도시하지 않음)가 각 카고탱크(10)마다 2개씩 마련되는데, 적어도 어느 하나의 카고탱크(10)는 내부에 저장된 액화가스를 추진엔진(E)(ME-LGI) 또는 발전엔진(DFDE, 도시하지 않음) 등의 연료로도 사용하기 위해, 카고펌프에 더하여 이송펌프(11)가 추가될 수 있다.
일례로 카고탱크(10)가 4개일 때, 추진엔진(E)이 수용된 엔진룸에 근접한 4번 카고탱크(10)에 저장된 액화가스가 추진엔진(E)의 연료로 사용될 수 있고, 이를 위해 4번 카고탱크(10)에만 이송펌프(11)가 마련될 수 있다.
복수 개의 카고탱크(10)에는 기상 액화가스를 전달하기 위한 라인인 vapour main과 액상 액화가스를 전달하기 위한 라인인 liquid main이 마련될 수 있다. 이때 vapour main과 liquid main은, 카고탱크(10) 중에서 적어도 둘 이상을 서로 연결하도록 마련될 수 있다.
참고로 vapour main과 liquid main은 카고탱크(10)에 마련된 돔(부호 도시하지 않음)을 관통하는 라인들에 연결되는 것으로서, 돔을 관통하는 라인들은 액화가스나 증발가스를 배출/회수하는 라인일 수 있다.
따라서 vapour main/liquid main에서의 유동 방향은 카고탱크(10) 내부에서 외부를 향하는 방향이거나, 또는 카고탱크(10) 외부에서 내부를 향하는 방향이 모두 가능하다.
카고탱크(10)에 저장된 액화가스는 액화가스 전달라인(L1)을 통해 연료탱크(20)로 전달된다. 액화가스 전달라인(L1)은 복수의 카고탱크(10)를 상호 연결하는 liquid main으로부터 연장되도록 마련될 수 있다.
카고탱크(10)와 후술할 연료탱크(20) 사이에는, 히터(12)가 마련될 수 있다. 히터(12)는 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)로 액화가스 전달라인(L1)을 따라 유동하는 액화가스를 기설정 온도 이상으로 조절할 수 있다.
액화가스에는 미량의 수분이 존재할 수 있는데(일례로 약 80ppm), 이송펌프(11)에 의해 전달되는 액화가스는 하이드레이트(hydrates)를 생성할 우려가 있다.
따라서 히터(12)는, 이송펌프(11) 후단의 압력(일례로 10bar 내외)을 고려하여 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)로 전달되는 액화가스에 대해 하이드레이트 생성이 억제될 수 있는 기설정 온도를 세팅하고(일례로 -4도씨 이상), 그에 따라 액화가스를 가열해 연료탱크(20)로 전달함으로써 연료탱크(20) 및 그 하류에 하이드레이트가 발생하지 않도록 할 수 있다. 이러한 히터(12)는 이하에서 설명하는 열교환기(30)와 유사하게 제한되지 않는 다양한 열교환 매체를 사용할 수 있다.
또한 카고탱크(10)에 저장된 액화가스의 상태(온도, 압력 등)에 따라, 히터(12)에 의한 가열이 불필요할 수 있다. 따라서 히터(12)가 마련되는 액화가스 전달라인(L1)에는, 히터(12)를 우회할 수 있도록 하는 바이패스 라인(L11)이 구비될 수 있다.
즉 카고탱크(10)에 저장된 액화가스의 상태에 따라, 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)로 전달되는 액화가스가 히터(12)를 우회하도록 바이패스 라인(L11)이 사용될 수 있다.
연료탱크(20)는, 액화가스를 추진엔진(E)에 공급할 연료로 저장한다. 연료탱크(20)는 대기압으로 액화가스를 대량 저장하는 독립형(SPB타입, MOSS타입)이나 멤브레인형인 카고탱크(10)와 달리, 고압으로 액화가스를 저장하는 독립형(Type C, 압력용기타입)일 수 있다.
이때 연료탱크(20)는 액화가스를 임계압력 이상으로 저장하거나(일례로 18bar 내외), 또는 임계압력 미만으로 저장할 수 있으며(일례로 8bar 내외), 액화가스의 기화 방지를 위해 벽체의 내부 또는 외부 중 적어도 일측에 단열구조가 마련될 수 있다.
연료탱크(20)는 선박에서 상갑판 상에 탑재될 수 있고, 새들(saddle)을 통해 상갑판에 지지되도록 마련된다. 연료탱크(20)는 상갑판에서 카고탱크(10)의 액화가스 로딩/언로딩을 위한 구성들(매니폴드 등)과 간섭되지 않으면서, 선박의 항해 시 시야(visibility)를 가리지 않는 위치에 배치될 수 있다. 일례로 연료탱크(20)는 상갑판에서 선수 측의 좌현 또는 우현에 마련될 수 있다. 이 경우 연료탱크(20)는 데크탱크(deck tank)로 지칭될 수 있다.
연료탱크(20)는 카고탱크(10)와 추진엔진(E) 사이에서 액화가스를 임시로 저장해두는 구성일 수 있으며, 또한 연료탱크(20)는 내부에 저장된 액화가스를 이용하여, 카고탱크(10)에서 발생한 증발가스를 응축시키는 액화 기능의 구성일 수 있다.
즉 연료탱크(20)는, 내부에 저장된 액화가스를 이용하여 카고탱크(10)에서 발생한 증발가스를 전달받아 응축시킬 수 있다. 이를 위해 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)까지는 증발가스 전달라인(부호 도시하지 않음)이 마련될 수 있고, 연료탱크(20)에서 카고탱크(10)로는 응축된 액화가스를 리턴하는 회수라인(도시하지 않음)이 마련될 수 있다.
카고탱크(10)에서 연료탱크(20)로는 앞서 설명한 액화가스 전달라인(L1)이 마련되며, 카고탱크(10) 내에 침지된 이송펌프(11)에 의해 액화가스가 연료탱크(20)로 전달될 수 있다. 연료탱크(20)에 저장된 액화가스는 선박의 운항 상태 등을 고려하여 적정한 레벨/압력으로 관리될 수 있다.
연료탱크(20)에 저장된 액화가스는 저압펌프(21)를 통해 연료탱크(20)로부터 추진엔진(E)으로 전달될 수 있다. 이때 저압펌프(21)는 연료탱크(20) 내부 또는 외부에 마련될 수 있으며, 추진엔진(E)의 요구압력보다 낮은 압력으로 액화가스를 가압할 수 있다.
연료탱크(20)에서 추진엔진(E)까지 액화가스 공급라인(L2)이 마련될 수 있으며, 저압펌프(21)는 액화가스 공급라인(L2)에 구비될 수 있다. 즉 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)까지는 액화가스 전달라인(L1)이 구비되고, 연료탱크(20)에서 추진엔진(E)까지는 액화가스 공급라인(L2)이 구비된다.
다만 이하 다른 실시예에서 설명하는 내용과 같이, 연료탱크(20)가 생략될 수 있으며 이 경우 카고탱크(10)와 추진엔진(E)이 액화가스 공급라인(L2)에 의해 바로 연결될 수 있다.
액화가스 전달라인(L1)에는, 연료탱크(20)의 상류로부터 분기되어 카고탱크(10)의 액화가스를 연료탱크(20) 및 저압펌프(21)를 우회하여 후술할 열교환기(30)로 전달하는 액화가스 우회라인(L12)이 마련될 수 있다.
이 경우 카고탱크(10)에 마련된 이송펌프(11)가 직접 액화가스를 펌핑하여 액화가스 공급라인(L2)에 마련된 열교환기(30) 및 고압펌프(40)로 전달할 수 있다. 즉 액화가스 우회라인(L12)을 이용할 경우에는, 연료탱크(20) 및 저압펌프(21)가 생략된 형태와 유사하게 카고탱크(10)로부터 추진엔진(E)으로 바로 액화가스가 공급될 수 있다.
연료탱크(20)를 우회하는 것은 카고탱크(10) 내 증발가스량에 따라 달라질 수 있다. 즉 증발가스량이 많은 경우 연료탱크(20)는 액화가스를 추진엔진(E)으로 전달하지 않고 충분한 양을 저장하면서 카고탱크(10)의 증발가스를 응축시킬 수 있으며, 추진엔진(E)에는 카고탱크(10)에서 배출된 액화가스가 연료탱크(20)를 우회하여 직접 유입될 수 있다.
반면 카고탱크(10)의 증발가스량이 많지 않은 경우에는, 연료탱크(20)의 액화가스를 저압펌프(21) 등을 통해 추진엔진(E)으로 우선 공급하여, 카고탱크(10)의 적재량을 유지할 수 있다.
열교환기(30)는, 저압펌프(21)의 하류에 마련되어 액화가스의 온도를 변화시킨다. 열교환기(30)는 액화가스의 온도를 상승시킬 수 있고 또는 낮출 수도 있으므로, fuel conditioner로 지칭될 수도 있다.
일례로 본 실시예의 초기 가동 시에는, 추진엔진(E)으로부터 회수되는 고온 액화가스의 유량이 많기 때문에, 열교환기(30)는 액화가스의 온도를 낮출 수 있으며, 안정 가동에 접어들 경우 열교환기(30)는 액화가스의 온도를 높일 수 있다.
또한 열교환기(30)는 고압펌프(40)의 상류에 마련됨에 따라, 열교환기(30)의 하류에 마련된 고압펌프(40)에 기상 액화가스가 유입되지 않도록, 액화가스의 비등점 이하로 액화가스의 온도를 조절할 수 있다.
또한 열교환기(30)는, 추진엔진(E)으로부터 액화가스 회수라인(L3)을 통해 리턴되는 액화가스에는 추진엔진(E)에서 사용된 윤활유가 혼입되는 점을 고려, 고압펌프(40)에 유입되는 액화가스에서 윤활유가 결빙되지 않는 온도 이상으로 액화가스의 온도를 조절할 수 있다.
즉 열교환기(30)는 연료탱크(20)로부터 고압펌프(40)로 전달되는 액화가스와 추진엔진(E)에서 회수되어 고압펌프(40)로 전달되는 액화가스가 혼합되었을 때, 액화가스의 비등점 이하 및 윤활유의 결빙점 이상이 되도록, 액화가스의 온도를 제어하게 된다.
열교환기(30)는, 다양한 열교환 매체를 이용하여 액화가스와의 열교환을 구현할 수 있으며, 일례로 열교환 매체는 해수, 청수, 글리콜워터, 배기 등일 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다.
열교환기(30)가 가열하는 액화가스의 온도는 추진엔진(E)의 요구온도와 다를 수 있는데, 이는 열교환기(30) 하류에 마련된 고압펌프(40)에 의한 가압 시, 액화가스의 온도가 다소 증가할 수 있기 때문이다. 따라서 열교환기(30)는 고압펌프(40)의 가압 과정에서 액화가스의 온도 상승을 고려하여, 추진엔진(E)에 유입되는 액화가스의 온도가 적정해지도록 액화가스의 가열 또는 냉각을 제어할 수 있다.
고압펌프(40)는, 열교환기(30)와 추진엔진(E) 사이에서 액화가스 공급라인(L2) 상에 마련된다. 고압펌프(40)는 열교환기(30)에 의해 온도가 조절된 액화가스를 추진엔진(E)이 요구하는 압력으로 가압한다. 추진엔진(E)이 요구하는 압력은 20 내지 50bar일 수 있지만, 추진엔진(E)의 제원에 따라 달라질 수 있다.
고압펌프(40)의 타입은 특별히 한정하지 않으며, 또한 고압펌프(40)는 도면에 나타난 것과 같이 복수 개가 서로 백업 가능하게 병렬로 마련될 수 있다.
고압펌프(40)는, 가압 과정에서 캐비테이션(cavitation)의 발생을 억제하기 위해, 액화가스가 액상으로 유입될 수 있다. 이를 위해 열교환기(30)가 액화가스의 온도를 제어할 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
고압펌프(40)에 흡입되는 액화가스의 압력은, 저압펌프(21)에 의하여 토출되는 액화가스의 압력에 대응될 수 있다. 또한 추진엔진(E)에서 회수되는 액화가스의 압력에도 대응될 수 있다.
고압펌프(40)의 하류에는 불순물을 걸러내기 위한 스트레이너(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있는데, 스트레이너는 후술하는 필터(70)와 유사한 구성으로서 유사한 기능을 구현할 수 있다.
또한 액화가스 공급라인(L2)에서 고압펌프(40)의 하류에는 연료공급밸브(도시하지 않음)가 마련될 수 있으며, 이때 연료공급밸브와, 액화가스 회수라인(L3)에 구비된 감압밸브(부호 도시하지 않음)는, 하나의 트레인으로 구성되어 FVT(fuel valve train)로 지칭될 수 있다.
포집탱크(50)는, 추진엔진(E)에서 리턴되는 액화가스 중 일부를 포집한다. LNG를 기상으로 공급받아 소비하는 상용 엔진(ME-GI, XDF 등)과 달리, 본 발명에서의 추진엔진(E)(ME-LGI 등)은 LPG 등을 액상으로 공급받아 소비하면서 잉여분의 액상 연료를 배출하는 구조를 갖는다.
이는 기상의 경우와 달리 액상의 경우 연료공급량의 미세 제어가 용이하지 않아, 추진엔진(E)이 충분한 양의 액상 연료를 공급받음에 따라 잉여분의 연료가 발생하기 때문이다.
다만 추진엔진(E)에서 회수되는 액화가스는 추진엔진(E)에 유입되기 전의 액화가스가 아니라, 추진엔진(E)의 내부를 거친 액화가스로서, 추진엔진(E)의 요구압력에 대응되는 온도/압력을 갖는 상태이면서(일례로 45bar 내외, 50도씨 이상), 액화가스 내부에는 추진엔진(E)에서 사용되는 윤활유가 혼입될 수 있다.
따라서 추진엔진(E)으로부터 회수되는 잉여분의 액화가스에는 윤활유가 섞여 있게 되므로, 화물 오염을 방지하기 위해, 회수된 액화가스를 카고탱크(10)로 전달하지 않는 것이 바람직하다.
따라서 추진엔진(E)에 연결되어 잉여분의 액화가스가 회수되도록 하는 액화가스 회수라인(L3)은, 추진엔진(E)에서 리턴되는 잉여 액화가스를 카고탱크(10)가 아닌 고압펌프(40)로 전달하여 추진엔진(E)에 재유입되도록 할 수 있다.
액화가스 회수라인(L3)에는 감압밸브(부호 도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 감압밸브는 액상 액화가스를 감압한다. 감압밸브는 줄-톰슨 밸브일 수 있고, 앞서 설명한 바와 같이 연료공급밸브와 함께 연료공급트레인(FVT)을 구성하도록 마련될 수 있다. 이러한 감압밸브는 추진엔진(E)에서 회수되는 고압(약 30 내지 50bar 내외)의 액화가스를 감압하여 고압펌프(40)의 흡입압력에 맞출 수 있다.
포집탱크(50)는 추진엔진(E)으로부터 고압펌프(40) 상류의 액화가스 공급라인(L2)까지 연결되는 액화가스 회수라인(L3)에서 분기되어 구비될 수 있으며, 액화가스 회수라인(L3)에서 포집탱크(50)로 액화가스 포집라인(L31)이 연장될 수 있다.
이때 액화가스 포집라인(L31)은, 액화가스 회수라인(L3)에서 감압밸브와 후술할 쿨러(52) 사이로부터 연장되어 포집탱크(50)로 연결되며, 또한 포집탱크(50)로부터 쿨러(52) 상류의 액화가스 회수라인(L3)으로 합류될 수 있다. 즉 액화가스 포집라인(L31)은, 액화가스 회수라인(L3)과 부분적으로 병렬로 구비되며 포집탱크(50)가 구비되도록 마련될 수 있다.
포집탱크(50)는, 회수되는 액화가스를 기액분리한다. 고압펌프(40)로 기상의 액화가스가 유입되면 캐비테이션 문제가 발생할 수 있으므로, 본 발명은 액화가스 회수라인(L3)을 따라 유동하는 액화가스가 필요에 따라 포집탱크(50)를 경유하면서 기액분리되어, 기상 액화가스의 고압펌프(40) 유입을 차단할 수 있다.
즉 포집탱크(50)는 액화가스 회수라인(L3)의 액화가스를 포집하여 액상 액화가스만을 고압펌프(40)로 전달해, 고압펌프(40)의 안정적인 가동을 보장할 수 있다.
포집탱크(50)에서 분기된 기상의 액화가스 등은, 녹아웃 드럼(51)으로 전달될 수 있다. 녹아웃 드럼(51)은 추진엔진(E)에서 회수되는 액화가스를 포집탱크(50)로부터 전달받아, 액화가스에 포함된 불순물(윤활유 등)을 걸러낼 수 있다.
포집탱크(50)에서 녹아웃 드럼(51)으로는 액화가스 처리라인(L32)이 연결될 수 있으며, 액화가스 처리라인(L32)은 포집탱크(50)에서 분리된 기상의 액화가스 외에도, 포집탱크(50)에서 액화가스 회수라인(L3)으로 전달되는 액상의 액화가스를 녹아웃 드럼(51)으로 전달할 수 있다.
녹아웃 드럼(51)은 내부에 유입된 액화가스를 가열하여, 액화가스는 기상으로 배출하고 윤활유는 액상으로 배출한다. 즉 녹아웃 드럼(51)은 포집탱크(50)와 유사하게 기액분리 기능을 구현한다.
다만 녹아웃 드럼(51)은 액화가스의 기화를 구현하기 위해, 내부에 가열부(511)가 마련될 수 있다. 가열부(511)는 트레이싱(tracing) 등으로서, 스팀이나 해수 등과 같은 매체를 열원으로 사용하는 것이거나 또는 전기를 이용해 가열하는 구성일 수 있다.
녹아웃 드럼(51)은 윤활유가 섞인 액화가스를 가열부(511)로 가열하여, 액화가스는 벤트마스트(60) 등으로 배출하고, 윤활유는 하부에서 드레인하여 처리(재활용)할 수 있다.
액화가스 회수라인(L3)에는 쿨러(52)가 마련될 수 있다. 쿨러(52)는 액화가스 회수라인(L3)에서 액화가스 포집라인(L31)이 합류되는 지점의 하류에 구비될 수 있으며, 감압밸브에서 감압된 액화가스를 냉각해 고압펌프(40)에 액상으로 유입되도록 한다. 쿨러(52)는 제한되지 않는 다양한 냉매를 활용할 수 있으며, 감압된 액화가스의 비등점 이하로 액화가스를 냉각할 수 있다.
쿨러(52)에 의한 냉각은, 연료탱크(20)로부터 고압펌프(40)로 전달되는 액화가스와의 혼합을 고려하여 이루어질 수 있으므로, 쿨러(52)는 감압된 액화가스의 비등점보다 다소 높은 온도로 액화가스를 냉각하는 제어도 가능하다.
쿨러(52)에 의해 냉각된 액상(또는 액상에 근접한 상태) 액화가스는, 액화가스 회수라인(L3)을 통해 액화가스 공급라인(L2)에서 고압펌프(40)의 상류에 혼입되며, 액화가스 회수라인(L3)이 액화가스 공급라인(L2)에 연결되는 지점에는 믹서(도시하지 않음)가 마련될 수 있다.
벤트마스트(60)는, 카고탱크(10)로부터 추진엔진(E) 사이에서 외부로 벤트되어야 하는 물질을 대기 중에 방출한다. 벤트마스트(60)는 선박에서 갑판 상에 마련되며 일정한 높이를 가져서 갑판 상의 승선원을 보호할 수 있다.
벤트마스트(60)는 포집탱크(50)나 녹아웃 드럼(51)으로부터 연결될 수 있음은 물론이고, 액화가스 공급라인(L2), 연료탱크(20) 등에도 연결될 수 있다. 이를 통해 벤트마스트(60)는 정상 운전 또는 추진엔진(E)의 가동 중단 등과 같은 긴급 상황 등에서 외부 방출을 구현해 시스템을 보호한다.
벤트마스트(60)는 액화가스 공급라인(L2) 등의 퍼징 시 퍼징가스를 외부로 배출할 수 있다. 이때 퍼징가스는 질소가스 또는 불활성가스 등일 수 있다.
퍼징부(80)는, 액화가스가 유동하는 부분에 대하여 퍼징을 구현한다. 퍼징부(80)는 액화가스 전달라인(L1), 액화가스 공급라인(L2), 연료탱크(20), 포집탱크(50), 녹아웃 드럼(51) 등에 퍼장가스를 공급하기 위하여 퍼징라인(L4)을 포함할 수 있다.
퍼징부(80)는 퍼징가스로서 질소가스를 사용할 수 있는데, 이 경우 퍼징부(80)는 공기로부터 질소를 생성하는 질소 생성기(N2 generator)를 포함할 수 있다. 또는 퍼징가스가 불활성가스인 경우, 퍼징부(80)는 연료를 연소하면서 불활성가스를 생성하는 IGG(Inert gas generator) 등을 포함할 수 있을 것이다.
참고로 도면에는 도시하지 않았으나, 카고탱크(10)에서 발생한 증발가스를 별도의 냉매와 열교환하여 재액화한 뒤 카고탱크(10)나 연료탱크(20)로 리턴시키기 위한 재액화장치(도시하지 않음)가 사용될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 본 실시예는, 카고탱크(10)와 연료탱크(20)를 통해 중탄화수소를 주성분으로 하는 액화가스를 추진엔진(E)에 공급하되, 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)를 우회하여 액화가스의 공급이 가능하도록 하거나, 카고탱크(10)에서 연료탱크(20)로 전달되는 액화가스를 가열해 하이드레이트를 제거하여, 안정적인 추진엔진(E)의 가동을 보장할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 연료탱크(20)를 생략할 수 있다. 연료탱크(20)를 생략하는 경우 카고탱크(10)에 마련된 이송펌프(11)가 직접 액화가스를 추진엔진(E)에 전달할 수 있다.
이 경우, 카고탱크(10)의 이송펌프(11)로부터 추진엔진(E)까지 액화가스 공급라인(L2)이 마련될 수 있으며, 액화가스 전달라인(L1)은 생략될 수 있다.
본 실시예는, 앞선 실시예 대비 필터(70)를 더 포함할 수 있다. 필터(70)는 고압펌프(40)의 상류에 마련되어, 액화가스에서 생성되는 하이드레이트를 걸러낼 수 있다.
구체적으로 필터(70)는 이송펌프(11)와 열교환기(30) 사이에 마련되며, 액화가스 공급라인(L2) 상에 구비될 수 있다. 즉 카고탱크(10)에서 추진엔진(E)으로 액화가스를 공급하는 액화가스 공급라인(L2) 상에, 필터(70), 열교환기(30), 고압펌프(40)가 구비될 수 있다.
액화가스 공급라인(L2)은, 액화가스의 흐름을 기준으로 부분적으로 병렬로 마련된다. 이때 필터(70)는 액화가스 공급라인(L2)에서 병렬인 부분에 각각 마련되어, 복수 개로 구비될 수 있다.
따라서 복수 개의 필터(70)는 상호 백업 가능하게 구비될 수 있으며, 이때 액화가스의 공급은 복수 개의 필터(70) 중 일부를 경유하면서 이루어질 수 있다.
이를 위해 액화가스 공급라인(L2)은, 복수 개의 필터(70)를 향해 분기되는 지점에 밸브(도시하지 않음)를 구비하고, 정상적으로 하이드레이트의 제거가 가능한 필터(70)를 향해 액화가스의 흐름이 조절되도록 할 수 있다.
필터(70)는, 액화가스에서 분리된 하이드레이트를 가열해 제거하도록 가열부(도시하지 않음)를 갖는다. 가열부는 필터(70)에 내장되는 트레이싱일 수 있으며, 앞서 녹아웃 드럼(51)에서 설명한 것과 유사하게, 필터(70)의 가열부는 전기나 스팀 등을 이용할 수 있다.
즉 필터(70)는 액화가스가 유동하면서 액화가스에 포함된 하이드레이트를 제거하도록 작동하며, 필터(70)에 적층된 하이드레이트가 일정 수준을 넘어서는 경우, 해당 필터(70)의 가열부가 하이드레이트를 가열해 제거할 수 있다. 따라서 필터(70)는 가열부에 의해 재생된다.
다만 가열부를 작동하는 필터(70)에 액화가스가 지속적으로 유동하는 것은 바람직하지 않으므로, 복수 개의 필터(70) 중 어느 하나가 가열부를 통해 하이드레이트를 제거하는 경우에는, 다른 하나의 필터(70)를 경유해 액화가스가 추진엔진(E)으로 전달될 수 있다.
이를 위해 액화가스 공급라인(L2)은 복수 개의 필터(70) 중, 가열부를 작동하지 않는 필터(70)로 액화가스가 유동하도록 액화가스의 흐름을 밸브 등으로 조절할 수 있다.
필터(70)는 가열부를 통해 하이드레이트가 제거된 후, 다시 액화가스에 포함된 하이드레이트를 제거하는 용도로 사용하기 위하여 몇 가지 처리를 거칠 수 있다. 일례로 필터(70)는 하이드레이트를 제거한 뒤 필터(70)에 남아있는 액화가스를 벤트하고, 필터(70)를 퍼징한 뒤, 하이드레이트로부터 발생한 수분을 드레인시킬 수 있다.
이를 위해 필터(70)에는, 필터 처리라인(L21)이 마련된다. 필터 처리라인(L21)은 액화가스 공급라인(L2)에서 필터(70)가 구비되는 병렬 부분에 마련되어, 각 필터(70)마다 독립적으로 구비될 수 있다.
필터 처리라인(L21)은, 필터(70)에 대해 가열부를 통한 하이드레이트 제거 후 필터(70)에 잔류한 액화가스 벤트, 필터(70)의 퍼징 및/또는 수분 드레인을 위하여 사용될 수 있다.
물론 필터 처리라인(L21)은, 액화가스를 벤트하는 부분과 퍼징가스를 필터(70)에 주입하는 부분 및 수분을 드레인하는 부분이, 도면과 달리 유동하는 물질의 종류에 따라 개별적으로 마련될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 추진엔진(E)으로 공급되는 중탄화수소 위주의 액화가스에서 하이드레이트가 발생할 경우를 대비하여 필터(70)를 이용해 하이드레이트를 흡착하되, 필터(70)를 재생하기 위하여 가열부를 사용함으로써 하이드레이트를 효과적으로 걸러낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 도 1과 대비할 때 필터(70)를 더 포함한다는 점에서 상이하며, 도 2와 대비할 때 연료탱크(20)를 이용한다는 점에서 상이하다.
즉 도 3에 나타난 본 발명의 제3 실시예는, 제1 실시예의 연료 공급 구성과 제2 실시예의 필터(70)를 조합한 것이다.
이 경우 필터(70)는, 연료탱크(20)의 액화가스를 추진엔진(E)으로 전달하는 저압펌프(21)의 상류에 마련될 수 있다. 따라서 연료탱크(20)와 추진엔진(E) 사이에 마련되는 액화가스 공급라인(L2)에는, 필터(70), 저압펌프(21), 열교환기(30), 고압펌프(40)가 순차적으로 마련될 수 있다.
이외에 설명을 생략하는 부분은 앞선 설명으로 갈음한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 도 1 등과 대비할 때 퍼징부(80)의 구성에서 변경이 있다. 이외의 구성은 앞선 설명으로 갈음하며, 이하에서는 본 실시예가 갖는 퍼징부(80)의 특징 위주로 설명하도록 한다.
퍼징부(80)는, 액화가스가 유동하는 부분에 대해 퍼징(purging)을 구현한다. 퍼징부(80)는 질소가스를 퍼징가스로 이용할 수 있는데, 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이 질소가스를 이용하는 경우 퍼징부(80)는 질소 생성기를 구비할 수 있다.
특히 본 실시예는, 질소 생성기를 대체하여 또는 질소 생성기와 함께, 퍼징가스 탱크(81)를 구비한다. 퍼징가스 탱크(81)는 퍼징을 위한 퍼징가스를 저장해두는 구성일 수 있으며, 퍼징부(80)가 질소 생성기를 포함하는 경우 퍼징가스 탱크(81)는 질소 생성기에서 생성된 질소가스를 전달받아 저장할 수 있다.
퍼징부(80)는, 가열부(811)를 더 포함할 수 있다. 가열부(811)는 퍼징가스 탱크(81)에 저장된 퍼징가스를, 액화가스에 포함된 중탄화수소의 비등점보다 높은 기설정 온도 이상으로 유지하기 위해 퍼징가스를 가열한다.
가열부(811)는 퍼징가스 탱크(81) 내 퍼징가스의 온도를 기설정 온도 이상으로 유지하기 위해, 퍼징가스 탱크(81)에 내장되는 트레이싱일 수 있으며, 이는 필터(70)에서 설명한 것과 유사하다.
본 발명은 중탄화수소를 주성분으로 하는 액화가스를 추진엔진(E)에 공급하는데, 이 경우 액화가스에 포함된 부탄 등은 상압에서 기화점이 -0.5도씨로 매우 높다.
그런데 겨울철과 같이 외부 온도가 매우 낮은 환경에서는(일례로 -10도씨 이하), 퍼징가스 탱크(81)에 저장된 퍼징가스가 외기 온도로 인해 냉각된 후 퍼징에 사용될 수 있다. 이 경우 저온의 퍼징가스로 퍼징하는 과정에서, 부탄 등이 액화되어 버리는 문제가 발생할 수 있다.
특히 퍼징가스 탱크(81)는 비록 보온재 등에 의해 단열처리되어 있다 하더라도, 갑판이나 엔진 케이싱 등에 설치될 수 있어서 외기 온도에 의한 영향을 피하지 못하므로, 본 실시예는 퍼징가스로 인한 퍼징 시 퍼징이 아닌 액화가 발생하지 않도록, 가열부(811)를 적용해 퍼징가스 탱크(81)의 저장 온도를 기설정 온도 이상으로 맞출 수 있다.
이 경우 퍼징부(80)는, 외기 온도를 감지하는 센서(도시하지 않음)를 포함하고, 센서의 측정값에 따라 가열부(811)가 퍼징가스를 가열해 기설정 온도 이상으로 퍼징가스가 유지되도록 할 수 있다.
따라서 본 실시예는 일정 온도 이상으로 저장된 퍼징가스를 퍼징 시 공급하게 되므로, 액화가스에 포함된 중탄화수소의 액화를 방지할 수 있다. 또한 본 실시예는, 녹아웃 드럼(51)에 대해 퍼징가스를 주입하여, 녹아웃 드럼(51)이 가열부(811)에 의해 가열된 기설정 온도 이상의 퍼징가스를 전달받아 액화가스를 기화시켜, 별도의 추가 가열 없이 액화가스와 불순물을 기액 분리하도록 할 수 있다.
즉 본 실시예는, 가열부(811)가 적용된 퍼징가스 탱크(81)가 퍼징가스를 일정 온도 이상으로 저장했다가 퍼징라인(L4)을 통해 퍼징이 필요한 각 구성에 공급하면서, 녹아웃 드럼(51)에 있어서 트레이싱 등이 생략되도록 할 수 있다.
더욱이 본 실시예의 퍼징부(80)가 앞선 제2 실시예 등에도 적용될 수 있을 것이며, 따라서 필터(70)는 가열부 없이도, 하이드레이트 제거와 퍼징이 한꺼번에 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 퍼징가스를 액화가스에 포함된 중탄화수소의 기설정 온도 이상으로 저장하였다가 퍼징 시 공급함으로써, 퍼징 과정에서 불필요하게 부탄 등이 액화하는 것을 방지할 수 있고, 녹아웃 드럼(51)에 대해 트레이싱이 생략되도록 할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들 중 적어도 둘 이상의 조합 또는 적어도 하나 이상의 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 가스 처리 시스템 10: 카고탱크
11: 이송펌프 12: 히터
20: 연료탱크 21: 저압펌프
30: 열교환기 40: 고압펌프
50: 포집탱크 51: 녹아웃 드럼
511: 가열부 52: 쿨러
60: 벤트마스트 70: 필터
80: 퍼징부 81: 퍼징가스 탱크
811: 가열부 L1: 액화가스 전달라인
L11: 바이패스 라인 L12: 액화가스 우회라인
L2: 액화가스 공급라인 L21: 필터 처리라인
L3: 액화가스 회수라인 L31: 액화가스 포집라인
L32: 액화가스 처리라인 L4: 퍼징라인
E: 추진엔진

Claims (10)

  1. 중탄화수소인 액화가스를 화물로 저장하는 카고탱크;
    상기 카고탱크의 액화가스를 추진엔진으로 전달하는 이송펌프;
    상기 이송펌프의 하류에 마련되어 액화가스의 온도를 변화시키는 열교환기;
    상기 열교환기와 상기 추진엔진 사이에 마련되는 고압펌프; 및
    상기 고압펌프의 상류에 마련되어 액화가스에서 생성되는 하이드레이트를 걸러내는 필터를 더 포함하고,
    상기 필터는, 액화가스에서 분리된 하이드레이트를 가열해 제거하도록 가열부를 가지며,
    상기 필터에 적층된 하이드레이트가 일정 수준을 넘어서는 경우, 상기 가열부가 하이드레이트를 가열하고, 가열된 하이드레이트로부터 발생한 수분이 상기 필터에 마련되는 필터 처리라인을 통해 드레인되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터는,
    상기 이송펌프와 상기 열교환기 사이에 마련되며,
    상기 가열부는, 상기 필터에 내장되는 트레이싱인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 카고탱크에서 상기 추진엔진으로 액화가스를 공급하며 상기 필터, 상기 열교환기 및 상기 고압펌프가 마련되는 액화가스 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 액화가스 공급라인은, 액화가스의 흐름을 기준으로 부분적으로 병렬로 마련되며,
    상기 필터는, 상기 액화가스 공급라인에서 병렬인 부분에 각각 마련되어 복수 개로 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 액화가스 공급라인은,
    복수 개의 상기 필터 중 어느 하나가 상기 가열부를 통해 하이드레이트를 제거하는 경우, 다른 하나의 상기 필터를 경유해 액화가스를 상기 추진엔진으로 전달하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 액화가스 공급라인 또는 상기 필터에는,
    상기 필터에 대해 상기 가열부를 통한 하이드레이트 제거 후 상기 필터에 잔류한 액화가스 벤트, 상기 필터의 퍼징, 또는 수분 드레인을 위한 상기 필터 처리라인이 마련되며,
    상기 필터 처리라인은,
    액화가스를 벤트하는 부분, 퍼징가스를 상기 필터에 주입하는 부분 및 하이드레이트에서 발생한 수분을 드레인하는 부분이 상호 독립적으로 마련되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    액화가스를 추진엔진에 공급할 연료로 저장하는 연료탱크; 및
    상기 연료탱크의 액화가스를 상기 열교환기로 전달하는 저압펌프를 더 포함하며,
    상기 이송펌프는, 상기 카고탱크의 액화가스를 상기 연료탱크로 전달하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 필터는,
    상기 저압펌프의 상류에 마련되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 카고탱크에서 상기 연료탱크로 액화가스를 전달하는 액화가스 전달라인; 및
    상기 연료탱크에서 상기 추진엔진으로 액화가스를 공급하며 상기 필터, 상기 저압펌프, 상기 열교환기 및 상기 고압펌프가 마련되는 액화가스 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 액화가스 운반선인 것을 특징으로 하는 선박.
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KR101924778B1 (ko) * 2014-05-20 2018-12-05 현대중공업 주식회사 해양플랜트
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