KR102369064B1 - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크, 증발가스를 가압하여 엔진 및 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 증발가스 공급라인, 액화가스를 가압 및 기화하여 엔진 및 GCU로 공급하는 액화가스 공급라인 및 증발가스 공급라인 및 액화가스 공급라인을 통한 연료가스의 공급을 조절하는 제어부를 포함하고, 제어부는 저장탱크의 액화가스 수용량 또는 저장탱크의 증발가스 발생량에 근거하여 연료가스 공급을 제어하도록 제공될 수 있다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLYING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진으로 연료가스를 안정적으로 공급하고 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 있는 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)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 중요한 자원으로 여겨지는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해 천연가스를 약 섭씨 -162도로 냉각해 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)로 상변화하여 관리 및 운용를 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화천연가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 여기서 증발가스는 저장탱크 내부에 수용된 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 자연증발가스 및 강제적으로 기화하여 발생되는 강제증발가스를 포함한다. 액화천연가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.
오늘날에는 선박의 추진용 또는 선박의 발전용으로 이종연료 엔진이 널리 이용되고 있으며, 특히 최근에는 중압 수준의 연료가스로 연소가 가능한 X-DF 엔진이 개발되어 이용되고 있다. 이러한 X-DF 엔진은 기체 상의 증발가스를 연료가스로 공급받아 출력을 발생시키게 된다.
한편, 액화천연가스를 저장탱크에 가득 실은 만선항해(Laden Voyage) 시에는 증발가스 발생량이 많으므로 X-DF 엔진으로 연료가스를 용이하게 공급하여 출력을 발생시킬 수 있으나, 액화천연가스를 하역한 이후 등 저장탱크에 액화천연가스가 많이 수용되지 않은 공선항해(Ballast Voyage) 시에는 증발가스 발생량이 대폭 감소하여 X-DF 엔진의 출력을 일정하게 발생시키기 어려운 문제점이 있다.
이에 액화천연가스 수용량과 무관하게 X-DF 엔진의 출력을 안정적으로 발생시키면서 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있는 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)
본 발명의 실시 예는 엔진의 출력을 안정적으로 발생시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 저장탱크의 액화천연가스의 수용량과 무관하게 연료가스의 안정적인 공급을 구현할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 단순한 구조로서 효율적인 운용을 도모할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크, 상기 증발가스를 가압하여 엔진 및 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 증발가스 공급라인, 상기 액화가스를 가압 및 기화하여 상기 엔진 및 상기 GCU로 공급하는 액화가스 공급라인 및 상기 증발가스 공급라인 및 상기 액화가스 공급라인을 통한 연료가스의 공급을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 저장탱크의 액화가스 수용량 또는 상기 저장탱크의 증발가스 발생량에 근거하여 연료가스 공급을 제어하도록 제공될 수 있다.
상기 증발가스 공급라인은 상기 증발가스를 가압하는 컴프레서 및 상기 컴프레서에 의해 가압된 증발가스를 냉각시키는 쿨러를 포함하는 압축부를 구비하여 제공될 수 있다.
상기 액화가스 공급라인은 상기 저장탱크로부터 액화가스를 송출 및 가압하는 펌프 및 상기 펌프에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기를 구비하여 제공될 수 있다.
상기 GCU의 전단에는 공급되는 연료가스의 압력을 상기 GCU가 요구하는 압력조건에 상응하도록 감압시켜주는 감압기가 마련되어 제공될 수 있다.
상기 증발가스 공급라인은 입구 측 단부가 상기 압축부의 전단에 연결되고, 출구 측 단부가 상기 압축부의 후단에 연결되는 바이패스라인을 포함하고, 상기 바이패스라인은 상기 증발가스를 예비적으로 가압하는 예비압축부를 구비하여 제공될 수 있다.
상기 엔진은 X-DF 엔진으로 이루어져 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 저장탱크의 액화천연가스 수용량과 무관하게 연료가스의 안정적인 공급을 구현할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 엔진의 출력을 안정적으로 유지할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 단순한 구조로서 효율적인 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
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 1은 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 증발가스를 가압하여 엔진 및 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 증발가스 공급라인(120), 저장탱크(110)의 액화가스를 엔진 및 GCU로 공급하는 액화가스 공급라인(130) 및 증발가스 공급라인(120)과 액화가스 공급라인(130)을 통한 연료가스의 공급을 조절하는 제어부를 포함하여 마련될 수 있다.
이하 실시 예에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일 예로서, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액화에탄가스, 액화탄화수소가스 등 다양한 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스가 적용되는 경우에도 동일한 기술적 사상으로 동일하게 이해되어야 한다.
저장탱크(110)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용 및 저장하도록 마련된다. 저장탱크(110)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 저장탱크(110)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 및 저장하여, 목적지에 이르러 하역하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관한다. 저장탱크(110)에 저장되는 액화천연가스 및 증발가스는 후술하는 바와 같이 선박의 추진용 엔진, 발전용 엔진 및 GCU 등의 연료가스로 이용되도록 마련될 수 있다.
저장탱크(110)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(110) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 증발가스는 저장탱크(110)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(110)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 증발가스를 저장탱크(110)로부터 제거할 필요성이 있다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에 발생된 증발가스는 후술하는 증발가스 공급라인(120)을 통해 엔진 및 GCU에 연료가스로 이용될 수 있다. 또한 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(110)에는 벤트마스트(미도시)가 마련되어 과도한 증발가스를 처리 또는 소모할 수도 있다.
도 1에서는 저장탱크(110)가 4개 배열된 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서, 액화천연가스 수송선의 크기 및 저장탱크(110)의 규격에 따라 그 수는 다양하게 변경될 수 있다.
엔진은 후술하는 증발가스 공급라인(120) 및 액화가스 공급라인(130)을 통해, 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스 또는 증발가스 등으로 이루어지는 기체 상태의 연료가스를 공급받아 선박의 추진력 및 선박의 설비용 전력을 발생시킬 수 있다. 일 예로 엔진은 중압의 연료가스, 구체적으로 약 15 내지 17 bar 수준의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시킬 수 있는 X-DF 엔진이 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 기체 상태의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시킬 수 있다면 다양한 형식의 엔진으로 이루어지는 경우를 포함한다.
GCU(Gas Combustion Unit)은 후술하는 증발가스 공급라인(120) 및 액화가스 공급라인(130)을 통해 공급되는 연료가스 중 엔진에 공급되지 않은 여분의 연료가스를 공급받아 소비할 수 있다. GCU는 통상적으로 약 6.5 bar 수준의 연료가스를 공급받아 강제 소각시킬 수 있다. GCU의 전단에는 감압기(140)가 마련될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
증발가스 공급라인(120)은 저장탱크(110)에 자연적으로 기화되어 발생된 증발가스를 엔진 및 GCU에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 증발가스 공급라인(120)은 일단이 각 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 타단이 엔진 및 GCU에 연결되어 마련될 수 있다. 증발가스 공급라인(120)은 저장탱크(110) 내부의 증발가스를 용이하게 공급받을 수 있도록 입구 측 단부가 각 저장탱크(110)의 내부 상측에 배치될 수 있으며, 출구 측 단부는 분기되어 엔진 및 GCU에 각각 연결되어 마련될 수 있다. 증발가스 공급라인(120)에는 증발가스를 엔진이 요구하는 압력 및 온도조건에 맞추어 공급할 수 있도록 복수 단의 컴프레서(121a)를 구비하는 압축부(121)가 마련될 수 있다.
압축부(121)는 증발가스를 압축하는 컴프레서(121a)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(121b)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 압축부(121)가 5단의 컴프레서(121a)와 5단의 쿨러(121b)를 포함하는 다단 압축기인 것으로 도시되어 있으나, 컴프레서(121a) 및 쿨러(121b)의 수는 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한편 연료가스 공급시스템(100)을 운용 중에 증발가스 공급라인(120)의 압축부(121)에 과도한 부하가 가해지거나 고장이 발생하는 등 유지보수가 필요한 경우가 발생할 수 있다. 이 때 압축부(121)의 유지보수를 수행하기 위해 연료가스 공급시스템(100) 전체의 운용을 중단하는 것은 운용의 비효율을 초래하며, 엔진 및 GCU의 작동이 지속적으로 유지되어야 하는 경우에는 운용의 불편을 초래하는 문제점이 있다. 이에 증발가스 공급라인(120)은 압축부(121)의 유지보수를 수행하는 경우 등, 압축부(121)의 구동이 불가능한 경우 증발가스를 예비적으로 가압하도록 예비압축부(126)를 구비하는 바이패스라인(125)을 포함하여 마련될 수 있다.
바이패스라인(125)은 바이패스라인(125)은 입구 측 단부가 압축부(121)의 전단에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부가 압축부(121)의 후단에 연결되어 마련되어 압축부(121)와 병렬구조로 연결되어 마련될 수 있다. 예비압축부(126)는 압축부(121)와 마찬가지로 증발가스를 압축하는 컴프레서(126a)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(126b)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 예비압축부(126)가 5단의 컴프레서(126a)와 5단의 쿨러(126b)를 포함하는 다단 압축기인 것으로 도시되어 있으나, 컴프레서(126a)와 쿨러(126b)의 수는 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 또한 도 1에는 도시하지 않았으나, 바이패스라인(125)이 증발가스 공급라인(120)으로부터 분기되는 지점에는 삼방밸브(3-Way Valve)가 마련되어, 압축부(121) 및 예비압축부(126)로 공급되는 증발가스의 흐름을 조절하도록 마련될 수 있다.
액화가스 공급라인(130)은 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스를 엔진 및 GCU에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 액화가스 공급라인(130)은 일단이 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 타단은 증발가스 공급라인(120)과 합류하여 엔진 및 GCU로 연결된다. 액화가스 공급라인(130)은 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 송출 및 가압하는 펌프(131)가 마련될 수 있으며, 펌프(131)에 의해 송출 및 가압된 액화천연가스를 기화시키는 기화기(132)를 구비할 수 있다.
펌프(131)는 저장탱크(110) 내부의 액화가스 공급라인(130)의 입구 측 단부에 마련되되 작동 효율성을 향상시킬 수 있도록 저장탱크(110) 내측의 저면에 인접하게 마련될 수 있다. 펌프(131)는 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스를 액화가스 공급라인(130)으로 송출시킴과 동시에, 엔진이 요구하는 연료가스의 압력조건에 상응하는 압력수준으로 액화천연가스를 가압할 수 있다. 일 예로 엔진이 X-DF 엔진으로 이루어지는 경우, 펌프(131)는 액화천연가스를 약 15 내지 17 bar로 가압하여 기화기(132) 측으로 송출할 수 있다.
기화기(132)는 펌프(131)에 의해 공급된 가압된 액화천연가스를 강제 기화시켜 엔진 및 GCU에 연료가스로 공급하도록 마련된다. 기화기(132)는 글리콜 워터 등과 열교환을 수행하여 가압된 액화천연가스를 가열 및 기화시키는 열교환기로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 가압된 액화천연가스를 기화시킬 수 있다면 다양한 방식의 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
한편 GCU가 작동되기 위한 연료가스의 압력조건이 엔진의 연료가스 압력조건보다 낮은 경우가 발생할 수 있다. 일 예로, 엔진이 X-DF 엔진으로 이루어지는 경우, X-DF 엔진이 정상적인 출력을 발생시키기 위해 요구하는 연료가스의 압력조건은 약 15 ~ 17 bar 이나, GCU가 요구하는 연료가스 압력조건은 약 6.5 bar에 해당하여, GCU의 연료가스 요구압력이 X-DF 엔진의 연료가스 요구압력보다 작을 수 있다. 이를 위해 GCU의 전단에는 GCU로 공급되는 연료가스의 압력을 GCU가 요구하는 연료가스 압력조건에 상응하는 수준으로 감압시켜주는 감압기(140)가 마련될 수 있다. 감압기(140)는 증발가스 공급라인(120) 또는 액화가스 공급라인(130)의 GCU 전단에 마련되되, 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve) 등의 감압밸브로 이루어질 수 있다.
제어부는 저장탱크(110)의 액화천연가스 수용량 또는 저장탱크(110)의 증발가스 수용량에 근거하여 증발가스 공급라인(120) 및 액화가스 공급라인(130)을 통한 연료가스의 공급을 조절하도록 마련될 수 있다.
제어부는 도면에는 도시하지 않았으나, 저장탱크(110)의 액화천연가스 수용량을 감지하는 레벨센서 또는 저장탱크(110)의 증발가스 발생량을 감지하는 압력센서를 포함할 수 있다. 이에 따라 저장탱크(110)의 액화천연가스 수용량 또는 저장탱크(110)의 증발가스 발생량 중 어느 하나를 감지 및 측정하여 이에 근거하여 증발가스 공급라인(120)을 통한 연료가스의 공급 또는 액화가스 공급라인(130)을 통한 연료가스의 공급을 선택적으로 구현할 수 있다.
구체적으로, 저장탱크(110)에 액화천연가스 수용량이 충분한 만선항해(Laden Voyage) 시에는 증발가스 발생량 역시 충분하다. 이에 근거하여 레벨센서가 저장탱크(110)의 액화가스 수용량이 일정범위 이상인 것으로 감지하거나 압력센서가 저장탱크(110)의 증발가스 발생량이 일정범위 이상인 것으로 감지한 때에는 증발가스의 수용량이 충분한 상태이므로 증발가스 공급라인(120)을 통한 엔진 및 GCU의 연료가스 공급을 증대시킴과 동시에, 액화가스 공급라인(130)을 통한 연료가스의 공급은 감소시키거나 중지하여 액화천연가스의 비효율적인 소비를 억제할 수 있다.
이와는 반대로 액화천연가스를 하역한 이후 등 저장탱크(110)에 액화천연가스가 많이 수용되지 않은 공선항해(Ballast Voyage) 시에는 증발가스 발생량이 대폭 감소한다. 이에 근거하여 레벨센서가 저장탱크(110)의 액화가스 수용량이 일정범위 이하인 것으로 감지하거나 압력센서가 저장탱크(110)의 증발가스 발생량이 일정범위 이하인 것으로 감지한 때에는 증발가스 수용량이 부족한 상태이므로, 액화가스 공급라인(130)을 통한 연료가스의 공급을 증대하여 부족한 연료가스의 공급을 보충해줄 수 있다.
이와 같이 제어부를 통해 엔진 및 GCU로 공급되는 연료가스의 종류 및 장비의 구동을 제어할 수 있으므로 효율적인 연료가스 운용을 수행할 수 있으며, 불필요한 연료가스 소비를 억제하여 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 연료가스 공급시스템 110: 저장탱크
120: 증발가스 공급라인 121: 압축부
125: 바이패스라인 126: 예비압축부
130: 액화가스 공급라인 131: 펌프
132: 기화기 140: 감압기

Claims (6)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크;
    상기 증발가스를 가압하여 엔진 및 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 증발가스 공급라인;
    상기 액화가스를 가압 및 기화하여 상기 엔진 및 상기 GCU로 공급하는 액화가스 공급라인; 및
    상기 증발가스 공급라인 및 상기 액화가스 공급라인을 통한 연료가스의 공급을 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 저장탱크의 액화가스 수용량을 감지하는 레벨센서를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 레벨센서가 감지한 액화가스 수용량이 일정범위 보다 높은 경우 상기 증발가스 공급라인을 통한 연료가스 공급을 증대시키되, 상기 액화가스 공급라인을 통한 연료가스 공급은 감소시키거나 중지하며,
    상기 레벨센서가 감지한 액화가스 수용량이 일정범위 보다 낮은 경우 상기 액화가스 공급라인을 통한 연료가스 공급을 증대시켜 연료가스의 공급을 보충하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인은
    상기 증발가스를 가압하는 컴프레서 및 상기 컴프레서에 의해 가압된 증발가스를 냉각시키는 쿨러를 포함하는 압축부를 구비하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 액화가스 공급라인은
    상기 저장탱크로부터 액화가스를 송출 및 가압하는 펌프 및 상기 펌프에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기를 구비하고,
    상기 GCU의 전단에는
    공급되는 연료가스의 압력을 상기 GCU가 요구하는 압력조건에 상응하도록 감압시켜주는 감압기가 마련되는 연료가스 공급시스템.
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