KR102343895B1

KR102343895B1 - 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, bog 및 스팀 열교환방법

Info

Publication number: KR102343895B1
Application number: KR1020210039173A
Authority: KR
Inventors: 박말용; 박승훈
Original assignee: (주)마이텍; 박말용; 박승훈
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2021-12-27

Abstract

본발명은 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법에 관한 것으로, 엘엔지와 BOG가 열교환기 내부에 엘엔지인입구와 BOG 인입구를 통해 인입되어, 스팀유입구로 유입된 스팀과 열교환된후 엘엔지유출구와 BOG 유출구를 통해 유출되며 스팀은 스팀유출관으로 배출되는 것으로, 본발명은 하나의 열교환기내에서 엘엔지와 BOG가 스팀과 열교환되므로 열교환기가 차지하는 부피가 적고 열교환효율이 증가되는 현저한 효과가 있다.

Description

엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법{Heat exchange method of LNG, BOG and steam of LNG fuel propulsion ship}

본발명은 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 열교환기내에서 엘엔지와 BOG가 스팀과 열교환되므로 열교환기가 차지하는 부피가 적고 열교환효율이 증가되는 엘엔지선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법에 관한 것이다.

일반적으로 엘엔지(LNG) 운반선은 엘엔지 저장탱크 내의 엘엔지가 운송중에 증발하여 저장탱크내에 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다. 위 엘엔지와 증발가스는 연료로서 사용하거나 재액화하여 저장탱크로 회수하여 연료로서 사용하는 등의 종래 관리방법이 있으며 일례로서 등록특허공보 등록번호 10-1521571호에는 LNG를 저장하고 있는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장되어 있는 LNG를 연료로서 사용하는 주 엔진 및 부 엔진을 갖춘 선박의 액화가스 처리 시스템에 의해 액화가스를 처리하는 방법으로서, 상기 액화가스 처리 시스템은, 상기 저장탱크에서 발생된 BOG를 압축기에 의해 150 ~ 400 bara로 압축하여 상기 주 엔진 및 상기 부 엔진에 연료로서 공급하는 압축기 라인과, 상기 저장탱크에 수용된 LNG를 펌프에 의해 압축하여 상기 주 엔진 및 상기 부 엔진에 연료로서 공급하는 펌프 라인을 포함하며,

밸러스트 상태에 비해 상기 저장탱크에 저장된 LNG의 양이 많은 레이든 상태에서, 상기 저장탱크에서 발생하는 BOG는 상기 압축기 라인을 통하여 상기 주 엔진 및 상기 부 엔진 중 적어도 하나에 연료로서 공급되며, 상기 압축기는 복수개의 압축수단을 포함하는 다단압축기이며, 상기 압축기의 모든 단을 통과하여 압축된 BOG 중에서 상기 주 엔진 및 상기 부 엔진에 연료로서 공급되지 않은 BOG를, 상기 저장탱크로부터 배출되어 상기 압축기로 이송되고 있는 BOG와 열교환시키며, 150 ~ 400 bara로 압축된 BOG를, 압축되기 전의 BOG와 열교환시켜 냉각시킴으로써, 별도의 냉동사이클을 갖는 재액화장치 없이, 액화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 액화가스 처리 방법이 공개되어 있다.

또한 공개특허공보 공개번호 10-2016-0096311호에는 엘엔지를 저장한 저압 연료탱크 내에 설치된 부스터 펌프;

상기 부스터 펌프와 엔진을 연결하는 메인 라인에 차례로 설치된 고압펌프와, 주 기화기; 및

상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 초과이면 상기 저압 연료탱크 내 증발가스를 버퍼탱크에 저장하고, 상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 미만이면 상기 버퍼탱크 내 증발가스를 상기 저압 연료탱크로 공급하는 압력 보상 수단;을 포함하는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래기술들은 엘엔지 열교환기와 BOG열교환기를 각각 따로 구비하여 열교환하므로 장치가 차지하는 부피가 크며, 열교환효율이 저하하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본발명은 하나의 열교환기내에서 엘엔지와 BOG가 스팀과 열교환되므로 열교환기가 차지하는 부피가 적고 열교환효율이 증가되는 엘엔지선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법을 제공하고자 하는 것이다.

본발명은 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법에 관한 것으로, 엘엔지와 BOG가 열교환기 내부에 엘엔지인입구와 BOG 인입구를 통해 인입되어, 스팀유입구로 유입된 스팀과 열교환된후 엘엔지유출구와 BOG 유출구를 통해 유출되며 스팀은 스팀유출관으로 배출되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본발명은 하나의 열교환기내에서 엘엔지와 BOG가 스팀과 열교환되므로 열교환기가 차지하는 부피가 적고 열교환효율이 증가되는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본발명의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환기 정면 단면도
도 2는 도 1의 측면 단면도
도 3은 도 1의 측면도
도 4는 본발명의 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환시스템 계통도
도 5는 본발명의 패럴 제작공정도

또한, 상기 열교환기 내부에는 엘엔지관과 BOG관이 각각 별개로 설치되어 스팀과 열교환되는 것을 특징으로 한다.

본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본발명의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환기 정면 단면도, 도 2는 도 1의 측면 단면도, 도 3은 도 1의 측면도, 도 4는 본발명의 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환시스템 계통도, 도 5는 본발명의 패럴 제작공정도이다.

본발명은 엘엔지와 BOG가 열교환기 내부에 엘엔지인입구와 BOG 인입구를 통해 인입된다. 상기 엘엔지는 엘엔지관을 통해 흐르며 스팀과 열교환되어 가열되며, 상기 BOG는 BOG관을 통해 흐르며 스팀과 열교환되어 가열된다. 곧 엘엔지와 BOG는 각각 열교환기 상부의 스팀유입관으로 유입된 스팀과 열교환된후 각각 엘엔지유출구와 BOG 유출구를 통해 유출된다. 스팀은 하부의 스팀유출관으로 배출된다.

상기 엘엔지의 인입시 유량 400 ~ 5000KG/H, 압력 1~ 20 BAR, 온도는 -150℃ ~ 165℃, 출구온도는 45℃이다.

상기 BOG의 인입시 온도는 90 ~ 1500KG/H,0.05 ~ 5 BAR, -150℃ ~ 165℃, 출구온도는 45℃이다.

상기 스팀의 인입시 유량은 150 ~ 5000KG/H, 압력은 6 ~ 10 BAR, 온도는 165~ 185℃이며, 출구온도는 스팀이 잠열을 내뿜고 물로 바뀌므로 인입온도와 동일하다.

곧 스팀이 엘엔지와 비오지를 각각 가열하고 열을 뺏기며 물로 변환된다.

그리고 본발명에 사용되는 패럴은 도 4에 도시된 바와 같이, 튜브를 금형에 넣고 가압하여 표면에 돌기부를 형성하고, 확관기구를 좌측 구멍에 삽입하여 확관하여 플랜지를 형성한후, 슬리팅기에 의해 우측구멍에 길이방향으로 절개부를 형성한 후 열교환기에 우측부분부터 삽입하는 것이다.

본발명의 3-Stream Forcing Vaporizer & BOG Heater의 Assembly Drawing에서 보는바와 같이Shell & U-Tube Type으로Channel 측에 LNG와BOG가 별도로 들어가서, Shell 측의 Steam에 의하여 Heating 되는 구조로 되어있다.

Shop Test(Mytec)는시험여건을 고려하여 LNG 및 BOG를 대신하여LN2 및 N2 Gas를 사용한다.

좌측에LN2 Tank가 설치되어3-Stream Forcing Vaporizer & BOG Heater의Channel 측과 LN2 및N2 Line이 연결되어 있다.

LN2 Tank는압력16 barg, 8 m3정도로 하부에 N2증발기가 설치되어 있다.

그리고 필요에따라서 N2증발기가 별도로 설치될 수도 있다.

BOG Heater의 경우는 FGSS(Fuel Gas Supply System)의 LNG Tank C Type의경우 Tank 압력이약4.5 barg정도임을 고려하여, LN2 Tank의 N2 Gas 출구Line에 PRV(Pressure Regulating Valve, @5 bar g)가 설치되어 있다.

3-Stream Forcing Vaporizer & BOG Heater 의 Channel 측N2 Gas 입구측에는 유량조절용 Manual Valve(Globe Type)와 Pressure 및 Temperature Indicator가 설치되어있고, Channel 측 N2 Gas 출구측에는 System 압력조절용 Needle Valve와Flowmeter,Pressure 및 Temperature Indicator가 설치되어 있다.

Forcing Vaporizer의 LN2입구측에는 FGSS의 LNG운전압력이16 bar g임을 고려하여BOG Heater와달리PRV가 설치되지 않고, 단지 유량조절용Manual Valve(Globe Type)와 Pressure 및 Temperature Indicator만 설치되어 있다.

Forcing Vaporizer N2 Gas 출구측에는 System을 조정하기 위하여 압력조절용Needle Valve와 감압용Orifice가 설치되어 있다.

Shell 측에는 시스템 설치여건을 감안하여 입구측에 2~2.5 bar g정도의Steam을공급하고 Condensate측에Steam Trap 및 Flowmeter를 설치한다.

3-stream Forcing Vaporizer & BOG Heater의 LN2 Shop Test는 BOG Heater단독운전과Forcing Vaporizer 단독운전 및 Forcing Vaporizer & BOG Heater의 병행운전으로 수행한다.

이는 먼저 BOG Heater 와 Forcing Vaporizer의 단독운전으로 각각의 성능을 확인하기 위함이다.

BOG Heater의 경우는 유량400kg/hr에서N2 Gas 출구온도가47℃이상, Forcing Vaporizer의 경우는 유량3900kg.hr에서 출구온도가 50℃이상이 되면 설계상성능에 이상이 없다.

Shop Test에서 계측된 N2 Gas 출구온도가Data Sheet에 제시된 계산값, BOG Heater출구온도 52.5oC, Forcing Vaporizer의 출구온도 59.7℃비교하여 이를 반영한다.

참고로 Forcing Vaporizer의 LNG의 경우Actual / Service Heat Transfer Rate 470 / 410 W/m2℃ = 1.15이고,BOG Heater는Actual / Service Heat Transfer Rate 110 / 106 W/m2℃ = 1.04이고, Forcing Vaporizer의 LN2의경우Actual / Service Heat Transfer Rate 244 / 208 W/m2℃ = 1.17이며,BOG Heater는Actual / Service Heat Transfer Rate 76 / 66 W/m2℃ = 1.15이다.

LNG와 LN2 및 BOG와 N2의 물성 및 MTD등을 고려하면, LNG대신에 LN2를 사용하여 Forcing Vaporizer와 BOG Heater 의 열적성능을 직접적인 비교를 한다. 그리고 Heat Transfer Rate를 비교하여 열적성능을 추정할 수도 있다.

Test Report for BOG Heater N2(독립운전)
NO.		BOG Inlet		BOG Outlet			BOG Flow	Steam Flow	Remarks
NO.		Press. bar g	Temp. oC	Press. bar g	Cal. Temp. oC	Min. Temp. oC	kg/hr	kg/hr
1	Cal.	4.5	-160	4.47	89.2	85	100	10
1	Test
2	Cal.	4.5	-160	4.45	72.6	66	200	20
2	Test
3	Cal.	4.5	-160	4.4	61.3	55	300	30
3	Test
4	Cal.	4.5	-160	4.35	52.5	47	400	40
4	Test
5	Cal.	4.5	-160	4.3	45	40	500	50
5	Test

Test Report for Forcing Vaporizer LN2(독립운전)
NO.		Vaporizer Inlet		Vaporizer Outlet			LN2 Flow	Steam Flow	Remarks
NO.		Press. bar g	Temp. oC	Press. bar g	Cal. Temp. oC	Min. Temp. oC	kg/hr	kg/hr
1	Cal.	16	-185	15.95	126.2	125	200	40
1	Test
2	Cal.	16	-185	15.9	116.8	115	450	88
2	Test
3	Cal.	16	-185	15.88	84.7	80	2000	372
3	Test
4	Cal.	16	-185	15.85	70.7	60	3000	588
4	Test
5	Cal.	16	-185	15.8	59.7	50	3900	764
5	Test

Test Report for Forcing Vaporizer & BOG Heater(LN2)
NO.		Vaporizer Inlet		Vaporizer Outlet			LN2 Flow	BOG Inlet			BOG Outlet		N2 Flow	Steam Flow	Remarks
NO.		Press. bar g	Temp. oC	Press. bar g	Cal. Temp. oC	Min. Temp. oC	kg/hr	Press. bar g	Cal. Temp. oC	Min. Temp. oC	Press. bar g	Temp. oC	kg/hr	kg/hr
1	Cal.	16	-185	15.95	126.2	125	200	4.5	89.2	85	4.35	52.5	400	80
1	Test
2	Cal.	16	-185	15.9	116.8	115	450	4.5	72.6	66	4.35	52.5	400	128
2	Test
3	Cal.	16	-185	15.88	84.7	80	2000	4.5	61.3	55	4.35	52.5	400	412
3	Test
4	Cal.	16	-185	15.85	70.7	60	3000	4.5	52.5	47	4.35	52.5	400	628
4	Test
5	Cal.	16	-185	15.8	59.7	50	3900	4.5	45	40	4.35	52.5	400	804
5	Test

10 : 엘엔지 인입구 11 : 엘엔지 유출구
12 : 엘엔지관 20 : BOG 인입구
21 : BOG 유출구 22 : BOG관 유출구
30 : 스팀유입구 31 : 스팀유출관
1 : 튜브 2 : 금형
3 : 확관기구

Claims

엘엔지와 BOG가 열교환기 내부에 엘엔지인입구(10)와 BOG 인입구(20)를 통해 인입되어, 스팀유입구(30)로 유입된 스팀과 열교환된후 엘엔지유출구(11)와 BOG 유출구(21)를 통해 유출되며 스팀은 스팀유출관(31)으로 배출되는 것으로, 상기 열교환기 내부에는 엘엔지관(12)과 BOG관(22)이 각각 별개로 설치되어 스팀과 열교환되되 상기 열교환기 내부에는 엘엔지관과 BOG관이 각각 별개로 설치되어 스팀과 열교환되되, 상기 스팀이 엘엔지와 비오지를 각각 가열하고 열을 뺏기며 물로 변환되는 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법에 있어서,
상기 엘엔지의 인입시 유량 400 ~ 5000KG/H, 압력 1~ 20 BAR, 온도는 -150℃ ~ 165℃, 출구온도는 45℃이며, 상기 BOG의 인입시 온도는 90 ~ 1500KG/H,0.05 ~ 5 BAR, -150℃ ~ 165℃, 출구온도는 45℃이며, 상기 스팀의 인입시 유량은 150 ~ 5000KG/H, 압력은 6 ~ 10 BAR, 온도는 165~ 185℃이며, 출구온도는 인입온도와 동일한 것으로, 스팀이 엘엔지와 BOG 를 각각 가열하고 열을 뺏기며 물로 변환되며,
패럴은 튜브를 금형에 넣고 가압하여 표면에 돌기부를 형성하고, 확관기구를 좌측 구멍에 삽입하여 확관하여 플랜지를 형성한후, 슬리팅기에 의해 우측구멍에 길이방향으로 절개부를 형성한 후 열교환기에 우측부분부터 삽입하는 것이며, 테스트는 LNG 및 BOG를 대신하여 LN2 및 N2 Gas를 사용하여 테스트하는 것을 특징으로 하는 엘엔지 연료 추진선의 엘엔지, BOG 및 스팀 열교환방법
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