KR102397721B1 - 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진에 가스 연료를 공급하는 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로, 질소산화물 등 배기가스 중의 대기오염 물질의 양을 줄일 수 있는 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 연료 공급 시스템은, 증발 액화가스와 증발 수소가스의 열교환에 의해 증발 액화가스를 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환에 의해 냉각된 증발 액화가스와 열교환에 의해 온도가 상승한 증발 수소가스를 혼합하는 혼합용기; 및 액화가스와 수소가스를 혼합한 연료가스를 혼소할 수 있는 엔진;을 포함하여, 상기 혼합용기에서 증발 액화가스와 증발 수소가스를 혼합한 연료가스가 상기 엔진의 연료로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 {Fuel Gas Supply System and Ship Having the Same}
본 발명은 엔진에 가스 연료를 공급하는 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로, 질소산화물 등 배기가스 중의 대기오염 물질의 양을 줄일 수 있는 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
세계적으로 선박 배출가스 및 온실가스 규제가 강화되고 있다. 일례로, 최근 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization) 산하 해양환경보호위원회(MEPC; Marine Environment Protection Committee)의 대기오염 규제 협약에 의하면, 배기가스 중의 질소산화물(NOx) 배출량이 약 14.4g/kWh를 만족시키도록 규제하는 Tier Ⅱ가 지난 2011년부터 발효되었고, 이보다 더 엄격하게 강화된 Tier Ⅲ가 2016년 1월 1일부터 제한적으로 적용되었다.
즉, 2016년 이후에 건조되어 북미 및 캐리비안 해역을 포함하는 미국의 ECA(Emission Control Area) 지역을 운항하는 선박은 Tier Ⅲ 규제를 만족해야 하며, NOx 배출량을 기존 14.4g/kWh에서 3.4g/kWh로 줄여야 한다. 또한, 향후 ECA 지역의 지정은 지속적으로 확대될 예정이며, 그 규제치 역시 강화될 것으로 전망된다.
선박의 질소산화물 배출 규제를 만족시키기 위한 방법으로는, 대표적으로, SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템을 설치하여 엔진에서 배출되는 배기가스에 요소수(urea)를 공급하여 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 전환시키는 방법이나, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템을 설치하여 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 냉각 및 정제한 뒤, 연소공기와 혼합하여 다시 엔진으로 공급하여 연소시킴으로써 질소산화물의 생성을 억제하는 방법이 있다.
한편, 이와 같은 청정기술을 적용하더라도, 청정연료인 천연가스(NG; Natural Gas)를 연료로 사용하는 것보다는 효과가 저조한 것으로 알려져있다. 천연가스를 선박의 추진연료로 사용하는 경우, HFO(Heavy Fuel Oil)과 같은 디젤 연료를 사용하는 것에 비해, 미세먼지와 황산화물(SOx)의 배출은 거의 없고, 질소산화물과 이산화탄소 등 온실가스의 배출량은 대폭 감소시킬 수 있다.
질소산화물(NOx)은 주로 엔진의 연소실 내 고온고압하의 연소과정에서 질소(N2)와 산소(O2)의 화학반응에 의해 생성된다. EGR 시스템은 이러한 질소산화물의 생성을 억제하기 위해 연료의 연소에 필요한 만큼의 산소만을 엔진의 연소실 내로 공급하여, 질소산화물 생성에 사용되는 산소의 양을 최소화시킴으로써 질소산화물의 생성량을 줄이는 방법이다. 연소 후 이산화탄소가 다량 포함된 배기가스를 냉각(Cooling) 및 세정(Cleaning)하여 연소용 공기와 혼합하고, 엔진으로 공급하여 연소용 공기 내 이산화탄소 농도는 높이고 산소의 농도는 낮춤으로써 질소산화물의 생성을 억제하는 것이다.
이와 같이 배기가스의 일부를 엔진의 연소용 공기로 재순환시키는 EGR 시스템은, 엔진에 추가되는 부가적인 장비가 많아 초기투자비용이 높고, 배기가스를 재연소시키기 때문에 엔진의 출력이 저하되며, 연료소모량이 기존 엔진에 비해 높아진다는 단점이 있다. 또한, EGR 시스템을 운전하는 동안 중화제(NaOH) 공급이 필요하며, 슬러지(Sludge)와 같은 잔여물질이 생성되어 이를 처리해야 하는 문제점이 있다.
한편, 천연가스를 엔진의 연료로 사용할 때에도 마찬가지로, 질소산화물은 다량 발생하며, 배출 규제치를 만족하기 위해서는 추가 장비를 함께 설치해야 한다. 이에 따라, LNG를 엔진의 연료로 사용하는 선박에서도 질소산화물의 배출량을 저감시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것을 목적으로 하며, 선박용 엔진의 배기가스 중 질소산화물, 이산화탄소 등 대기오염 물질의 양을 줄일 수 있는 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발 액화가스와 증발 수소가스의 열교환에 의해 증발 액화가스를 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환에 의해 냉각된 증발 액화가스와 열교환에 의해 온도가 상승한 증발 수소가스를 혼합하는 혼합용기; 및 액화가스와 수소가스를 혼합한 연료가스를 혼소할 수 있는 엔진;을 포함하여, 상기 혼합용기에서 증발 액화가스와 증발 수소가스를 혼합한 연료가스가 상기 엔진의 연료로 공급되는, 연료 공급 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 열교환기로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 조절하는 수소가스 유량밸브; 상기 열교환기로 공급되는 증발 액화가스의 유량을 조절하는 액화가스 유량밸브; 및 상기 수소가스 유량밸브 및 액화가스 유량밸브를 제어하여 상기 혼합용기에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율을 조절하는 제어부;를 더 포함하여, 설정된 혼합비율에 따라 상기 혼합용기에서 균일하게 혼합된 연료가스가 상기 혼합용기로부터 상기 엔진으로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환기에서 열교환하면서, 증발 수소가스의 냉열에 의해 재액화된 증발 액화가스를 기액분리하여 액체 상태의 재액화 증발 액화가스를 액화가스 저장탱크로 회수하는 기액분리기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합용기에서 응축된 액체 상태의 증발 액화가스는, 액화가스 저장탱크로 회수할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진은, 저압가스 엔진을 포함하고, 상기 증발 액화가스를 상기 저압가스 엔진에서 요구하는 저압으로 압축하는 액화가스 압축기; 및 상기 증발 수소가스를 상기 저압가스 엔진에서 요구하는 저압으로 압축하는 수소가스 압축기;를 더 포함하여, 상기 저압으로 압축된 액화가스 및 수소가스가 상기 열교환기로 도입될 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진은, 고압가스 엔진을 포함하고, 상기 열교환기로 공급할 증발 액화가스를 저압으로 압축하는 액화가스 압축기; 상기 열교환기로 공급할 증발 수소가스를 저압으로 압축하는 수소가스 압축기; 및 상기 혼합용기에서 혼합된 연료가스를 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 고압으로 압축하는 연료가스 압축기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료가스 압축기의 후단에서 분기되며, 상기 고압가스 엔진으로 공급되는 연료가스의 일부가 상기 혼합용기로 공급되도록, 상기 혼합용기로 연결되는 연료 조절 라인;을 더 포함하여, 상기 압축에 의해 온도가 상승한 연료가스에 의해 상기 혼합용기 내의 응축물이 기화될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 액체수소를 저장하는 액체수소 저장탱크; 상기 액화가스와 수소가스를 혼소하는 선박용 엔진; 및 상기 선박용 엔진으로 연료가스를 공급하는 연료 공급 시스템;을 포함하고, 상기 연료 공급 시스템은, 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발 액화가스와 상기 액체수소 저장탱크에서 생성된 증발 수소가스를 열교환시켜 상기 증발 액화가스를 냉각시키는 열교환기; 및 상기 증발 액화가스와 증발 수소가스를 일정비율로 혼합하여 연료가스를 생성하는 혼합용기;를 포함하여, 상기 혼합용기에서 생성된 연료가스를 상기 선박용 엔진의 연료로 공급하는, 연료 공급 시스템을 포함하는 선박이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료 공급 시스템은, 상기 열교환기로 공급되는 증발 액화가스를 압축시키는 액화가스 압축기; 및 상기 열교환기로 공급되는 증발 수소가스를 압축시키는 수소가스 압축기;를 포함하고, 상기 액화가스 압축기 및 수소가스 압축기에서 압축된 압축 액화가스와 압축 수소가스가 상기 열교환기에서 열교환하고, 상기 열교환에 의해 냉각된 증발 액화가스와 상기 열교환에 의해 온도가 상승한 증발 수소가스가 상기 혼합용기에서 혼합될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료 공급 시스템은, 상기 액화가스 압축기에서 압축되어 상기 열교환기로 공급되는 증발 액화가스의 유량을 조절하는 액화가스 유량밸브; 상기 수소가스 압축기에서 압축되어 상기 열교환기로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 조절하는 수소가스 유량밸브; 및 상기 액화가스 유량밸브 및 수소가스 유량밸브를 제어하여 상기 혼합용기에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박용 엔진은, 상기 선박의 발전용 엔진이고, 상기 액화가스 압축기 및 수소가스 압축기는, 상기 선박의 발전용 엔진에서 요구하는 압력으로 상기 증발 액화가스 및 증발 수소가스를 압축할 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박용 엔진은, 상기 선박의 추진용 엔진이고, 상기 연료 공급 시스템은, 상기 혼합용기에서 생성된 연료가스를 상기 선박의 추진용 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 연료가스 압축기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료 공급 시스템은, 상기 열교환기에서 증발 수소가스의 냉열에 의해 재액화된 액체 상태의 재액화 증발 액화가스를 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하고, 상기 기액분리기에서 분리된 재액화되지 않은 기체 상태의 증발 액화가스는 상기 혼합용기로 공급되고, 상기 기액분리기에서 분리된 재액화된 액체 상태의 재액화 증발 액화가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수될 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박은, 액체수소 운반선일 수 있다.
본 발명에 따른 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 천연가스를 선박용 엔진의 연료로 사용할 수 있고, 특히, 천연가스에 수소가스를 일정비율로 혼합한 연료가스를 사용함으로써, 배기가스 중의 질소산화물 및 이산화탄소의 양을 저감시킬 수 있다.
또한, 천연가스와 수소가스의 혼합비율을 제어하고, 천연가스와 수소를 균일하게 혼합함으로써, 엔진의 연소 안전성을 높일 수 있다.
또한, 증발 천연가스를 재액화시켜 회수할 수 있으므로, 증발 천연가스를 낭비하지 않고 모두 활용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다.
또한, 증발 천연가스는 증발 수소가스의 냉열을 이용하여 재액화시키므로, 증발 천연가스를 액화시키는데 필요한 에너지를 최소화할 수 있다.
또한, 증발 수소가스가 다량으로 발생할 때에는 잉여의 증발 수소가스를 저장해둠으로써, 증발 수소가스를 낭비하지 않고 모두 활용할 수 있고, 필요할 때 엔진의 연료로 재사용할 수 있어 경제적이고 친환경적이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 이용하여 제1 동작모드에 따른 유체 흐름도를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 이용하여 제2 동작모드에 따른 유체 흐름도를 도시한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 이용하여 제3 동작모드에 따른 유체 흐름도를 도시한 도면이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
후술하는 본 발명의 일 실시예들에 따른 연료 공급 시스템은, 선박용 엔진에 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니고, 본 발명의 일 실시예들에 따른 연료 공급 시스템은 육상용 엔진에 적용될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예들에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박일 수 있다. 또한, 액화가스를 연료로 사용하는 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 액화가스 운반선 또는 액체수소 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예들에서 엔진은, 액화가스 및 수소가스를 혼소할 수 있는 엔진일 수 있다.
또한, 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
즉, 후술하는 본 발명의 일 실시예들에서 액화가스 연료는, LNG인 것을 예로 들어 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예들에 따른 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 동작모드에 따라 연료의 흐름도를 도시한 도면이다. 이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박을 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 설명하기로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); 액체수소(Liquid Hydrogen, LH2)를 저장하는 액체수소 저장탱크(200); LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG가 자연기화하여 생성된 증발 천연가스와 액체수소 저장탱크(200)에 저장된 액체수소가 자연기화하여 생성된 증발 수소가스를 균일하게 혼합하는 혼합용기(300); 혼합용기(300)에서 혼합된 연료를 엔진(400)에서 요구하는 압력으로 압축시키는 연료가스 압축기(310); 및 천연가스를 연료로 사용하고, 천연가스와 수소가스를 혼소할 수 있는 고압가스 엔진(400);을 포함한다.
도 1에서는, LNG 저장탱크(100)와 액체수소 저장탱크(200)가 각각 하나씩 구비되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 본 실시예의 LNG 저장탱크(100) 및 액체수소 저장탱크(200)는 각각 하나 이상씩 구비될 수 있다.
또한, 도 1에서는, LNG 저장탱크(100)와 액체수소 저장탱크(200)가 동일한 형태, 동일한 크기(용량)의 것으로 구비되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 본 실시예의 LNG 저장탱크(100) 및 액체수소 저장탱크(200)는 서로 다른 형태, 서로 다른 크기(용량)의 것으로 구비될 수도 있다.
본 실시예의 LNG 저장탱크(100)는, 선박이 운항하는 동안 LNG가 액체상태를 유지하면서 저장될 수 있도록 단열처리되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 LNG는, LNG 저장탱크(100)에 약 1.1 bar에서 약 -163℃로 저장되어 있을 수 있다.
또한, 본 실시예의 LNG 저장탱크(100)는, LNG를 운반하기 위해 화물로서 저장하는 화물용 저장탱크일 수도 있고, 엔진의 연료 저장용으로 따로 구비된 것일 수도 있다.
또한, LNG 저장탱크(100)는 LNG 저장탱크(100) 내에서 외부의 열 침입 등에 의해 자연기화하여 생성된 증발가스에 의한 압력 상승을 설정압력까지 견딜 수 있도록 제작된 것일 수 있으며, 저장탱크의 내압이 설정압력을 초과하면 안전밸브가 개방되어 저장탱크 내 증발가스를 배출시키도록 설계되어 있을 수 있다. 본 실시예에서 LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발 천연가스는 증발 천연가스 라인(NL)을 따라 유동하며 엔진의 연료로 공급되거나 액체 상태로 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.
본 실시예의 액체수소 저장탱크(200)는, 선박이 운항하는 동안 액체수소가 액체 상태를 유지하면서 저장될 수 있도록 단열처리된 것일 수 있다. 또한, 액체수소 저장탱크(200)는 수소를 고압으로 저장하는 고압 압력용기일 수 있다.
또한, 액체수소 저장탱크(200)는 액체수소 저장탱크(200) 내에서 외부의 열 침입 등에 의해 자연기화하여 생성된 증발가스에 의한 압력 상승을 설정압력까지 견딜 수 있도록 제작된 것일 수 있으며, 저장탱크의 내압이 설정압력을 초과하면 안전밸브가 개방되어 저장탱크 내 증발가스를 배출시키도록 설계되어 있을 수 있다. 본 실시예에서 액체수소 저장탱크(200)로부터 배출된 증발 수소가스는 증발 수소가스 라인(HL)을 따라 유동하며 엔진의 연료로 공급될 수 있다.
본 실시예의 혼합용기(300)는, LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발 천연가스와 액체수소 저장탱크(200)로부터 배출된 증발 수소가스를 수용하며 두 기체를 균일하게 혼합하는 압력용기(vessel)일 수 있다. 혼합용기(300)는, 증발 천연가스와 증발 수소가스를 균일하게 혼합(mixing)한 기체 상태의 연료가스를 엔진(400)의 연료로 공급할 수 있다.
또한, 혼합용기(300)는, LNG 저장탱크(100)로부터 연결되며 LNG 저장탱크(100)로부터 증발 천연가스가 혼합용기(300)로 유동하는 증발 천연가스 라인(NL); 및 액체수소 저장탱크(200)로부터 연결되며 액체수소 저장탱크(200)로부터 증발 수소가스가 혼합용기(300)로 유동하는 증발 수소가스 라인(HL);이 연결된다.
증발 천연가스 라인(NL)에는, LNG 저장탱크(100)로부터 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 조절하는 천연가스 유량밸브(120); 및 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 측정하는 천연가스 유량 트랜스미터(121);가 구비된다.
증발 수소가스 라인(HL)에는, 액체수소 저장탱크(200)로부터 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 조절하는 수소가스 유량밸브(220); 및 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 측정하는 수소가스 유량 트랜스미터(221);가 구비된다.
도시하지 않은 제어부에서는, 천연가스 유량 트랜스미터(121)에서 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 측정하고, 측정값에 따라 천연가스 유량밸브(120)의 개폐를 조절함으로써, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 제어부는, 수소가스 유량 트랜스미터(221)에서 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 측정하고, 측정값에 따라 수소가스 유량밸브(220)의 개폐를 조절함으로써, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 제어할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스 및 증발 수소가스의 유량을 제어하여 엔진(400)의 연료로 공급할 연료가스의 천연가스 및 수소 혼합비율을 조절할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예의 엔진(400)은 천연가스와 수소가스의 혼소가 가능하고, 천연가스와 수소가스를 적정 비율로 혼합한 연료가스를 연소시키면, 천연가스만 연소시키는 것에 비해 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO2)의 발생량이 줄어든다. 그러나, 연료가스 중에 수소가스의 혼합비율이 너무 높으면, 불완전연소가 일어나 오히려 일산화탄소(CO) 등 환경오염 물질이 배출될 수 있다. 따라서, 제어부에서는, 혼합용기(300)로 공급되는 천연가스와 수소가스의 유량을 조절함으로써 혼합용기(300)에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율을 조절할 수 있다.
혼합용기(300)에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율은 미리 설정된 값일 수 있고 또는 엔진(400)의 부하에 따라 실시간으로 변경될 수도 있다.
또한, 본 실시예의 혼합용기(300)는, 엔진(400)과 연결되며 혼합용기(300)에서 혼합된 연료가스가 혼합용기(300)로부터 엔진(400)으로 유동하는 고압 연료가스 라인(FL1); 및 혼합용기(300)에서 응축된 응축물(drain)이 혼합용기(300)로부터 배출되어 유동하는 제2 회수 라인(RL2);이 연결된다.
혼합용기(300)로부터 고압 연료가스 라인(FL1)을 따라 엔진(400)으로 공급되는 연료가스의 유량은, 엔진(400)에서 요구하는 연료가스의 양에 따라 조절될 수 있다.
혼합용기(300)로부터 배출되고 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스 중 일부는 혼합용기(300) 내 수위레벨을 조절하기 위해, 또는 천연가스와 수소가스의 혼합비율을 조절하기 위해 연료 조절 라인(PL1)을 따라 혼합용기(300)로 재공급될 수도 있다.
예를 들어, 제어부는, 연료 조절 라인(PL1)을 개방하여 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급함으로써, 연료가스 압축기(310)에서 압축에 의해 온도가 상승한 연료가스에 의해 혼합용기(300) 내 응축물을 기화시킬 수도 있다.
동일한 압력조건에서 수소의 끓는점이 천연가스(메탄)의 끓는점보다 낮기 때문에, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 온도가 증발 천연가스의 온도보다 낮을 수 있다. 따라서, 혼합용기(300) 내에서는 증발 수소가스의 냉열에 의해 증발 천연가스의 일부가 응축될 수 있다. 혼합용기(300) 내에서 응축된 증발 천연가스는 제2 회수 라인(RL2)을 따라 혼합용기(300)로부터 배출될 수 있다.
본 실시예의 제2 회수 라인(RL2)은 혼합용기(300)로부터 LNG 저장탱크(100)로 연결될 수 있다. 즉, 혼합용기(300)로부터 배출되는 응축물은 응축된 증발 천연가스일 수 있고, 응축된 증발 천연가스는 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.
제2 회수 라인(RL2)에는 제어부에 의해 개폐가 제어되는 밸브가 구비될 수 있는데, 제2 회수 라인(RL2)의 개폐는, 혼합용기(300) 내 수위레벨(liquid level)에 따라 제어될 수 있다. 즉, 혼합용기(300) 내 수위가 설정값보다 높으면 제어부는 밸브를 개방하여 응축 증발가스가 혼합용기(300)로부터 배출되도록 할 수 있다.
본 실시예의 고압 연료가스 라인(FL1)에는, 혼합용기(300)로부터 엔진(400)으로 공급되는 연료가스를 엔진(400)에서 요구하는 압력으로 압축하는 연료가스 압축기(310);가 구비된다.
본 실시예의 엔진(400)은 천연가스와 수소가스를 혼소할 수 있고, 고압가스 엔진(400)일 수 있다. 고압가스 엔진(400)은 예를 들어, ME-GI 엔진(MAN Electronic Gas Injection Engine)일 수 있다. ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 약 300 bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하는 고압가스 분사엔진이다. ME-GI 엔진은 그 부하에 따라 대략 200 ∼ 400 bara(절대압력) 정도의 고압의 연료가스 공급 압력이 요구된다. ME-GI 엔진은 선박의 추진용 엔진으로 구비될 수 있다.
따라서, 본 실시예의 연료가스 압축기(310)는, 혼합용기(300)로부터 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스를 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 고압으로 압축할 수 있다. 본 실시예에서 연료가스 압축기(310)는, 연료가스를 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 150 bar 내지 300 bar로 압축할 수 있다.
본 실시예에서 고압가스 엔진(400)의 연소실로 천연가스와 함께 공급된 수소에 의해, 연소실 내 산소와 반응하는 천연가스의 농도를 상대적으로 감소시킴으로써, 연소실 내부의 비열을 증가시킴과 동시에 연소에너지를 흡수하여, 연소실 내부의 최고(Peak)온도, 즉 연소온도를 낮추게 되며, 따라서 질소산화물이 생성되는 화학반응을 약화시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 고압 연료가스 라인(FL1)으로부터 분기되며, 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스의 일부를 혼합용기(300)로 재공급하는 연료 조절 라인(PL1);이 구비된다.
연료 조절 라인(PL1)으로 분기시키는 연료가스의 양은, 연료 조절 라인(PL1)에 구비되는 밸브를 제어하는 제어부에 의해 조절될 수 있다. 제어부는, 연료 조절 라인(PL1)의 밸브를 제어함으로써, 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 연료가스 압축기(310)에서 압축되어 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스의 유량이 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 양보다 많으면, 제어부는, 연료 조절 라인(PL1)의 밸브를 개방하고 개도량을 조절하여, 연료가스 압축기(310)에서 압축되어 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스의 일부를 혼합용기(300)로 재공급할 수 있다. 또는, 연료 조절 라인(PL1)의 밸브는 고압가스 엔진(400)이 셧다운되는 등 연료를 사용할 수 없을 때 개방될 수도 있다.
또한, 제어부는, 연료 조절 라인(PL1)의 밸브를 제어함으로써, 상술한 바와 같이 응축 증발 천연가스를 기화시키고, 혼합용기(300)로 재공급되는 연료가스의 유량을 조절할 수도 있다. 제어부는 연료 조절 라인(PL1)의 밸브를 제어하여, 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급하도록 하고, 혼합용기(300)에서는, 연료가스 압축기(310)에서 압축되면서 온도가 상승한 연료가스에 의해 응축 증발 천연가스가 기화된다.
예를 들어, 혼합용기(300)로부터 더 많은 양의 연료가스를 공급하고자 할 때, 또는, 혼합용기(300)로부터 고압 연료가스 라인(FL1)을 따라 고압가스 엔진(400)의 연료로 공급되는 연료가스 중의 천연가스 비율을 높이고자 할 때에는, 연료 조절 라인(PL1)을 개방하여 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 공급하여 응축 증발 천연가스를 기화시킴으로써, 고압 연료가스 라인(FL1)을 통해 혼합용기(300)로부터 배출되는 연료가스 중의 천연가스의 비율을 높일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 증발 천연가스 라인(NL)에 구비되며 LNG 저장탱크(100)로부터 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스를 저압으로 압축하는 천연가스 압축기(110); 및 증발 수소가스 라인(HL)에 구비되며 액체수소 저장탱크(200)로부터 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스를 저압으로 압축하는 수소가스 압축기(210);를 더 포함한다.
또한, 본 실시예에 따르면, 천연가스 압축기(110)에서 저압으로 압축된 증발 천연가스와, 수소가스 압축기(210)에서 저압으로 압축된 증발 수소가스가 열교환하는 열교환기(130);를 더 포함한다.
본 실시예의 열교환기(130)에서는, 저압으로 압축된 증발 천연가스와 저압으로 압축된 증발 수소가스가 열교환하여, 저압으로 압축된 증발 천연가스가, 저압으로 압축된 증발 수소가스의 냉열에 의해 냉각되어 혼합용기(300)로 공급된다. 또한, 열교환기(130)에서 저압으로 압축된 증발 천연가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 저압 압축 수소가스는 혼합용기(300)로 공급된다.
열교환기(130)에서 열교환 후 배출되는 증발 천연가스 및 증발 수소가스의 온도는, 제어부에 의해 상술한 천연가스 유량밸브(120) 및 수소가스 유량밸브(220)를 제어함으로써 조절할 수 있다.
예를 들어, 열교환기(130)로부터 배출되는 저압 증발 천연가스의 냉각온도를 더 낮추고자 할 때에는, 수소가스 유량밸브(220)를 제어하여, 더 많은 양의 수소가스가 열교환기(130)로 공급되도록 조절할 수 있다.
또는, 열교환기(130)로 공급되는 증발 천연가스의 양이 증가하면, 제어부는, 수소가스 유량밸브(220)를 제어하여, 더 많은 양의 수소가스가 열교환기(130)로 공급되어, 열교환기(130)를 통과하여 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 온도를 항상 일정하게 유지시킬 수도 있다.
상술한 수소가스 유량밸브(220)는 열교환기(130)의 전단에 구비되고, 수소가스 유량 트랜스미터(221)는 열교환기(130)의 후단, 혼합용기(300)의 전단에 구비될 수 있다.
또한, 상술한 천연가스 유량밸브(120)는 열교환기(130)의 전단에 구비되고, 천연가스 유량 트랜스미터(121)는 열교환기(130)의 후단, 혼합용기(300)의 전단에 구비될 수 있다. 더 구체적으로, 천연가스 유량 트랜스미터(121)는, 후술하는 기액분리기(140)의 후단, 혼합용기(300)의 전단에 구비될 수 있다.
본 실시예의 증발 천연가스 라인(NL)에는, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스를 기액분리하는 기액분리기(140);가 더 구비될 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(140)에서 분리된 기체 상태의 증발 천연가스는 혼합용기(300)로 공급된다. 또한, 기액분리기(140)에서 분리된 액체 상태의 증발 천연가스는 기액분리기(140)로부터 LNG 저장탱크(100)로 연결되는 제1 회수 라인(RL)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 회수될 수 있다.
LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발 천연가스는, 천연가스 압축기(110)에서 저압으로 압축되고, 열교환기(130)에서 저압 증발 수소가스와 열교환에 의해 냉각된다. 저압 증발 천연가스는 열교환기(130)에서 저압 증발 수소가스와의 열교환에 의해 냉각되면서 일부가 재액화될 수 있다. 따라서, 기액분리기(140)로는 기액혼합의 저압 증발 천연가스가 공급될 수 있고, 저압 증발 수소가스의 냉열에 의해 재액화된 증발 천연가스는 제1 회수 라인(RL1)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.
제어부는, 제1 회수 라인(RL1)의 밸브의 개폐를 제어하여, 재액화된 증발 천연가스가 기액분리기(140)로부터 LNG 저장탱크(100)로 회수되도록 할 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 기액분리기(140)의 수위레벨이 설정값 이상에 도달하게 되면 제1 회수 라인(RL1)의 밸브를 개방하여 재액화된 증발 천연가스가 LNG 저장탱크(100)로 회수되도록 할 수 있다.
또한, 제어부는, 증발 천연가스의 양이 엔진(400)에서 요구하는 양 보다 많으면, 제어부는, 더 많은 양의 증발 천연가스가 재액화되도록 제어하여 기액분리기(140)로부터 LNG 저장탱크(100)로 회수되는 재액화 증발가스의 양을 증가시키도록 제어할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 천연가스 압축기(110) 후단에서 증발 천연가스 라인(NL)으로부터 분기되며, 열교환기(130)로 공급되는 저압 증발 천연가스 중 일부가 열교환기(130)를 우회하여 열교환기(130) 후단 흐름으로 도입되도록 하는 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1);이 더 구비될 수 있다.
제어부는, 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)의 밸브를 제어하여, 저압 증발 천연가스 중에 열교환기(130)로 공급되지 않는 저압 증발 천연가스의 유량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 열교환기(130) 후단에서의 증발 천연가스의 온도가 설정값보다 낮으면, 제어부는 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)의 밸브를 개방하여 증발 천연가스가 열교환기(130)에서 열교환하지 않고 열교환기(130) 후단 흐름으로 합류하도록 함으로써, 열교환기(130) 후단의 증발 천연가스의 온도를 높일 수 있다.
또한, 제어부는, 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)의 밸브를 제어하여, 열교환에 의해 재액화되는 증발 천연가스의 양을 조절할 수도 있고, 기액분리기(140)로부터 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 조절할 수도 있다.
예를 들어, 기액분리기(140)로부터 혼합용기(300)로 더 많은 양의 증발 천연가스를 공급하고자 할 때에, 제어부는 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)의 밸브를 개방하여, 더 많은 양의 증발 천연가스가 열교환기(130)에서 냉각되지 않고 기액분리기(140)로 공급되도록 함으로써, 기존에 액체 상태로 기액분리기(140)에 체류하고 있던 재액화 증발 천연가스를 기화시켜 기체 상태의 증발 천연가스가 혼합용기(300)로 공급되도록 할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료 공급 시스템을 이용하여 선박용 고압가스 엔진(400)으로 천연가스와 수소가스를 적정 혼합비율로 혼합한 연료가스를 공급하는 방법을 설명하기로 한다.
LNG 저장탱크(100)로부터 증발 천연가스는 증발 천연가스 라인(NL)을 따라 배출시키고, 천연가스 압축기(110)에서 저압으로 압축한다. 또한, 액체수소 저장탱크(200)로부터 증발 수소가스는 증발 수소가스 라인(HL)을 따라 배출시키고, 수소가스 압축기(210)에서 저압으로 압축한다.
천연가스 압축기(110)에서 압축된 저압 증발 천연가스와 수소가스 압축기(210)에서 압축된 저압 증발 수소가스는 열교환기(130)에서 열교환시킨다. 열교환기(130)에서는 열교환에 의해 저압 증발 천연가스는 냉각되고 저압 증발 수소가스는 온도가 상승된다.
제어부는, 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 연료가스의 유량, 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스의 혼합비율, 열교환기(130) 후단에서의 증발 천연가스 또는 증발 수소가스의 온도 또는 유량, 재액화시키고자 하는 증발 천연가스의 유량 등의 인자에 따라 수소가스 유량밸브(220) 및 천연가스 유량밸브(120)의 개폐, 개도량을 제어한다. 수소가스 유량밸브(220) 및 천연가스 유량밸브(120)를 제어함으로써, 열교환기(130)로 공급되는 저압 증발 천연가스 및 저압 증발 수소가스의 유량을 조절할 수 있다.
열교환기(130)에서 열교환 후 온도가 상승한 증발 수소가스는 혼합용기(300)로 공급한다.
열교환기(130)에서 열교환에 의해 냉각된 저압 증발 천연가스는 기액분리기(140)로 공급되어 재액화된 증발 천연가스와 재액화되지 않은 증발 천연가스를 분리시킨다. 기액분리기(140)에서 분리된 재액화 증발 천연가스는 LNG 저장탱크(100)로 회수하고, 재액화되지 않은 증발 천연가스는 혼합용기(300)로 공급한다.
혼합용기(300)에서는, 혼합용기(300)로 공급된 증발 천연가스 및 증발 수소가스를 균일하게 혼합한다. 이때, 제어부는 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스와 증발 수소가스의 유량을 조절함으로써 증발 천연가스와 증발 수소가스의 혼합비율을 일정하게 유지시키거나 또는 필요에 따라 혼합비율을 조절할 수도 있다.
혼합용기(300)에서 혼합비율에 따라 증발 천연가스와 증발 수소가스가 균일하게 혼합된 연료가스는 고압 연료가스 라인(FL1)을 따라 혼합용기(300)로부터 배출시키고, 연료가스 압축기(310)에서 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 압력, 즉 고압으로 압축시켜 고압가스 엔진(400)의 연료로 공급한다.
혼합용기(300)에서는 기체 상태의 연료가스만 연료가스 압축기(310)로 공급하고, 응축된 액체 상태의 응축 증발 천연가스는 따로 배출시켜 LNG 저장탱크(100)로 회수한다.
제어부는, LNG 저장탱크(100)로 회수할 증발 천연가스의 유량과 고압가스 엔진(400)으로 공급할 연료가스의 양 또는 혼합비율 등에 따라 연료가스 압축기(310)에서 압축된 고압 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급하도록 제어할 수 있다.
연료가스 압축기(310)에서 압축에 의해 온도가 상승한 고압 연료가스를 혼합용기(300)로 재공급함으로써, 혼합용기(300) 내에서 액체 상태로 체류하고 있는 응축 증발 천연가스를 기화시켜, 고압 연료가스 압축기(310)로 공급하는 연료가스의 혼합비율 및 LNG 저장탱크(100)로 회수하는 응축 증발 천연가스의 유량을 조절할 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예는, 제1 실시예의 변형예로서, 저압가스 엔진(500)으로 연료를 공급한다는 점에서 차이가 있다. 이하, 제1 실시예와의 차이점을 중점적으로 본 발명의 제2 실시예를 설명하기로 한다. 그 설명을 생략하더라도 동일한 도면부호에 대해서는 제1 실시예와 동일하게 적용될 수 있으며, 설계 변경 범위 내에서 변형될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, LNG 저장탱크(100); 액체수소 저장탱크(200); 및 혼합용기(300);를 포함한다. LNG 저장탱크(100)와 혼합용기(300)는 증발 천연가스 라인(NL)에 의해 연결되고, 액체수소 저장탱크(300)와 혼합용기(300)는 증발 수소가스 라인(HL)에 의해 연결된다.
또한, 본 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 천연가스를 연료로 사용하고, 천연가스와 수소가스를 혼소할 수 있는 저압가스 엔진(500);을 포함한다.
본 실시예의 저압가스 엔진(500)은 예를 들어 DFDE 엔진(Dual Fuel Diesel Electric Engine)일 수 있다. DFDE 엔진은, 4행정으로 구성되며, 약 6.5bar 정도의 저압 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하는 저압가스 분사엔진이다. DFDE 엔진은, 선박의 발전용 엔진으로 구비될 수 있다.
또한, 증발 천연가스 라인(NL)에는 증발 천연가스를 저압으로 압축시키는 천연가스 압축기(110);가 구비되고, 증발 수소가스 라인(HL)에는 증발 수소가스를 저압으로 압축시키는 수소가스 압축기(210);가 구비된다.
본 실시예의 천연가스 압축기(110)에서 천연가스를 압축시키는 압력과 수소가스 압축기(210)에서 수소가스를 압축시키는 압력은, 본 실시예의 저압가스 엔진(400)에서 요구하는 연료가스의 압력일 수 있고, 또는, 후단에서의 압력손실을 고려하여 그보다 약간 높은 압력일 수 있다.
즉, 본 실시예의 천연가스 압축기(100) 및 수소가스 압축기(210)에서는 각각 천연가스 및 수소가스를 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 압력, 약 3 bar 내지 8 bar, 또는 약 4 bar 내지 6.5 bar로 압축시킨다.
또한, 본 실시예에 따르면, 저압 증발 천연가스와 저압 증발 수소가스를 열교환시켜 저압 증발 수소가스의 냉열에 의해 저압 증발 천연가스를 냉각시키는 열교환기(130);가 구비된다.
증발 천연가스 라인(NL)에는 열교환기(130)로 도입되는 저압 증발 천연가스의 유량을 조절하는 천연가스 유량밸브(120); 및 혼합용기(300)로 도입되는 증발 천연가스의 유량을 측정하는 천연가스 유량 트랜스미터(121);가 구비된다.
또한, 증발 수소가스 라인(HL)에는 열교환기(130)로 도입되는 저압 증발 수소가스의 유량을 조절하는 수소가스 유량밸브(220); 및 혼합용기(300)로 도입되는 증발 수소가스의 유량을 측정하는 수소가스 유량 트랜스미터(221);가 구비된다.
증발 천연가스 라인(NL)에는, 증발 천연가스 라인(NL)으로부터 분기되며 증발 천연가스가 열교환기(130)를 우회하도록 하는 제1 증발 천연가스 분기라인;이 더 구비된다.
또한, 증발 천연가스 라인(NL)에는, 열교환기(130)에서 증발 수소가스의 냉열에 의해 재액화된 증발 천연가스를 분리하는 기액분리기(140);가 구비된다. 기액분리기(140)에서 분리된 기체 상태의 증발 천연가스는 혼합용기(300)로 공급되고, 분리된 액체 상태의 증발 천연가스는 제1 회수 라인(RL1)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.
혼합용기(300)에서는, 혼합용기(300)로 도입된 증발 수소가스와 증발 천연가스를 혼합비율에 따라 균일하게 혼합한다. 혼합용기(300)에서 혼합된 연료가스는 저압 연료가스 라인(FL2)을 따라 저압가스 엔진(500)으로 공급된다. 또한, 혼합용기(300)에서 응축된 증발 천연가스는 제2 회수 라인(RL2)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.
또한, 저압 연료가스 라인(FL2)에는, 저압 연료가스 라인(FL2)으로부터 분기되며 연료가스의 일부가 혼합용기(300)로 재공급되도록 하는 연료 조절 라인(PL2);이 더 구비된다. 연료 조절 라인(PL2)은 저압가스 엔진(500)으로 공급되는 연료가스의 유량을 조절하거나, 혼합용기(300)에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율을 조절하거나 혼합용기(300) 내 압력조절을 위한 목적으로 활용될 수 있다. 또는, 저압가스 엔진(500)에서 연료가스를 공급받을 수 없는 비상상황일 때 연료가스를 처리하기 위한 목적으로 활용될 수도 있다.
또한, 저압 연료가스 라인(FL2)에는, 혼합용기(300)로부터 저압가스 엔진(500)으로 공급되는 연료가스의 온도를, 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 온도로 가열하는 연료가스 히터(320);가 더 구비될 수 있다.
도 2에는 연료 조절 라인(PL2)이 연료가스 히터(320)의 전단에서 분기되는 것을 예로 들어 도시하였다. 그러나, 상술한 연료 조절 라인(PL2)은 연료가스 히터(320)의 후단에서 분기될 수도 있다. 이와 같이 연료가스 히터(320)에서 가열된 연료가스를 혼합용기(300)로 공급하면, 혼합용기(300) 내 응축 증발 천연가스를 기화시켜 연료가스의 혼합비율을 조절할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 이용하여 저압가스 엔진(500)으로 천연가스와 수소가스를 일정비율로 혼합한 연료가스를 공급하는 방법을 설명하기로 한다.
LNG 저장탱크(100)로부터 증발 천연가스는 증발 천연가스 라인(NL)을 따라 배출시키고, 천연가스 압축기(110)에서 저압, 즉, 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 압력으로 압축한다. 또한, 액체수소 저장탱크(200)로부터 증발 수소가스는 증발 수소가스 라인(HL)을 따라 배출시키고, 수소가스 압축기(210)에서 저압, 즉 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 압력으로 압축한다.
천연가스 압축기(110)에서 압축된 저압 증발 천연가스와 수소가스 압축기(210)에서 압축된 저압 증발 수소가스는 열교환기(130)에서 열교환시킨다. 열교환기(130)에서는 열교환에 의해 저압 증발 천연가스는 냉각되고, 저압 증발 수소가스는 온도가 상승한다.
제어부는, 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 연료가스의 유량, 저압가스 엔진(500)으로 공급되는 연료가스의 혼합비율, 열교환기(130) 후단에서의 증발 천연가스 또는 증발 수소가스의 온도 또는 유량, 재액화시키고자 하는 증발 천연가스의 유량 등의 인자에 따라 수소가스 유량밸브(220) 및 천연가스 유량밸브(120)의 개폐 및 개도량을 제어한다. 수소가스 유량밸브(220) 및 천연가스 유량밸브(120)를 제어함으로써, 열교환기(130)로 공급되는 저압 증발 천연가스 및 저압 증발 수소가스의 유량을 조절할 수 있다.
열교환기(130)에서 열교환 후 온도가 상승한 증발 수소가스는 혼합용기(300)로 공급한다.
열교환기(130)에서 열교환에 의해 냉각된 저압 증발 천연가스는 기액분리기(140)로 공급하여, 재액화된 증발 천연가스와 재액화되지 않은 증발 천연가스를 분리시킨다. 기액분리기(140)에서 분리된 액체 상태의 재액화 증발 천연가스는 LNG 저장탱크(100)로 회수하고, 재액화되지 않은 기체 상태의 증발 천연가스는 혼합용기(300)로 공급한다.
혼합용기(300)에서는, 혼합용기(300)로 공급된 증발 천연가스 및 증발 수소가스를 균일하게 혼합한다. 이때, 제어부는 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스와 증발 수소가스의 유량을 조절함으로써 증발 천연가스와 증발 수소가스의 혼합비율을 일정하게 유지시키거나 또는 필요에 따라 혼합비율을 조절할 수도 있다.
혼합용기(300)에서 혼합비율에 따라 증발 천연가스와 증발 수소가스가 균일하게 혼합된 연료가스는 저압 연료가스 라인(FL2)을 따라 혼합용기(300)로부터 배출시키고, 연료가스 히터(320)에서 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 온도로 가열하여 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급한다.
혼합용기(300)에서는 기체 상태의 연료가스만 연료가스 히터(320)로 공급하고, 응축된 액체 상태의 응축 증발 천연가스는 따로 배출시켜 LNG 저장탱크(100)로 회수한다.
제어부는, LNG 저장탱크(100)로 회수할 증발 천연가스의 유량과 저압가스 엔진(500)으로 공급할 연료가스의 양 또는 혼합비율 등에 따라 혼합용기(300)로부터 저압가스 엔진(500)으로 공급되는 연료가스의 일부를 혼합용기(300)로 재공급할 수 있다.
혼합용기(300)로부터 저압가스 엔진(500)으로 공급되는, 또는 연료가스 히터(320)에서 가열된 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급함으로써, 혼합용기(300) 내에서 액체 상태로 체류하고 있는 응축 증발 천연가스를 기화시켜, 저압가스 엔진(500)으로 공급하는 연료가스의 혼합비율 및 LNG 저장탱크(100)로 회수하는 응축 증발 천연가스의 유량을 조절할 수 있다.
도 1에는 고압가스 엔진(400)으로 연료를 공급하는 연료 공급 시스템이 도시되어 있고, 도 2에는 저압가스 엔진(500)으로 연료를 공급하는 연료 공급 시스템이 도시되어 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 연료 공급 시스템은 고압가스 엔진(400) 또는 저압가스 엔진(500)으로 연료를 각각 공급할 수 있다. 그러나, 도면에 도시하지는 않았지만, 고압가스 엔진(400)과 저압가스 엔진(500)을 모두 구비하여, 필요에 따라 연료를 고압가스 엔진(400) 및 저압가스 엔진(500)으로 동시에 또는 선택적으로 공급할 수도 있을 것이다.
즉, 또 다른 실시예로서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 혼합용기(300)로부터 고압 연료가스 라인(FL1) 및 저압 연료가스 라인(FL2)이 모두 연결되고, 고압 연료가스 라인(FL1)에는 연료가스 압축기(310)가 구비되고, 저압 연료가스 라인(FL2)에는 연료가스 히터(320)가 구비되어, 각각 혼합용기(300)로부터 고압 연료가스 라인(FL1)을 통해 고압가스 엔진(400)으로 연료가스를 공급하고, 저압 연료가스 라인(FL2)을 통해 저압가스 엔진(500)을 연료가스를 공급할 수도 있을 것이다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 설명하기로 한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 상술한 제1 또는 제2 실시예와, 고압가스 엔진(400) 및 저압가스 엔진(500)이 모두 구비되고, 고압가스 엔진(400) 및 저압가스 엔진(500)으로 동시에 또는 선택적으로 연료가스를 공급할 수 있으며, 압축 수소 탱크(140)가 구비된다는 점에서 차이가 있다.
이하, 제1 및 제2 실시예와의 차이점을 중점적으로 본 발명의 제3 실시예를 설명하기로 한다. 각 구성요소나 그 작용에 있어 구체적인 설명을 생략하더라도 동일한 도면부호에 대해서는 제1 실시예 또는 제2 실시예와 동일하게 적용될 수 있으며, 설계 변경 가능한 범위 내에서 변형될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, LNG 저장탱크(100); 액체수소 저장탱크(200); 열교환기(130); 혼합용기(300); 고압가스 엔진(400); 및 저압가스 엔진(500);을 포함한다.
본 실시예의 LNG 저장탱크(100), 열교환기(130) 및 혼합용기(300)는 증발 천연가스 라인(NL)에 의해 연결되고, 액체수소 저장탱크(200), 열교환기(130) 및 혼합용기(300)는 증발 수소가스 라인(HL)에 의해 연결된다.
증발 천연가스 라인(NL) 및 증발 수소가스 라인(HL)에는 각각 개폐밸브가 구비될 수 있다. 도시하지 않은 제어부는, 증발 천연가스 라인(NL)의 개폐밸브 및 증발 수소가스 라인(HL)의 개폐밸브를 제어할 수 있다.
본 실시예의 증발 천연가스 라인(NL)은, 증발 천연가스를 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 압력, 또는 후단에서의 압력 손실을 고려하여 그보다 약간 높은 압력으로 압축하는 천연가스 압축기(110);와 연결된다.
또한, 증발 수소가스 라인(HL)은, 증발 수소가스를 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 압력, 또는 후단에서의 압력 손실을 고려하여 그보다 약간 높은 압력으로 압축하는 수소가스 압축기(210);와 연결된다.
본 실시예의 저압가스 엔진(500)은, DFDE 엔진일 수 있다. 따라서, 천연가스 압축기(110)는 증발 천연가스를 DFDE 엔진(500)에서 요구하는 압력, 즉, 약 2 bar 내지 8 bar 또는 약 4 bar 내지 6.5 bar로 압축한다. 또한, 수소가스 압축기(210)는 증발 수소가스를 DFDE 엔진(500)에서 요구하는 압력, 즉, 약 2 bar 내지 8 bar, 또는 약 4 bar 내지 6.5 bar로 압축한다.
본 실시예의 열교환기(130)에서는, 천연가스 압축기(110)에서 저압으로 압축된 증발 천연가스와, 수소가스 압축기(210)에서 저압으로 압축된 증발 수소가스가 열교환하여, 증발 수소가스의 냉열에 의해 증발 천연가스가 냉각된다.
열교환기(130)에서 냉각된 저압 증발 천연가스와, 열교환기(130)에서 저압 증발 천연가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 저압 증발 수소가스는 혼합용기(300)로 도입되며, 혼합용기(300)에서는 적정 혼합비율로 저압 증발 천연가스와 저압 증발 수소가스가 균일하게 혼합된다.
도면에 도시되지는 않았지만, 열교환기(130) 전단에는, 열교환기(130)로 도입되는 증발 천연가스의 유량을 조절하는 증발 천연가스 유량 조절 밸브와, 열교환기(130)로 도입되는 천연 수소가스의 유량을 조절하는 증발 수소가스 유량 조절 밸브가 구비될 수 있다. 도시하지 않은 제어부는, 증발 천연가스 유량 조절 밸브와 증발 수소가스 유량 조절 밸브를 제어하여, 열교환기(130)로 도입되는 증발 천연가스 및 증발 수소가스의 유량을 조절한다.
그에 따라 열교환기(130)로부터 열교환 후 배출되는 증발 천연가스 및 증발 수소가스의 온도를 제어할 수 있고, 혼합용기(300)에서 혼합되는 증발 천연가스와 증발 수소가스의 혼합비율을 제어할 수 있으며, 재액화시켜 회수되는 증발 천연가스의 양을 제어할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 열교환기(130)에서 증발 수소가스의 냉열에 의해 냉각된 증발 천연가스 중 재액화된 증발 천연가스와 재액화되지 않은 증발 천연가스를 기액분리하는 기액분리기(140);가 더 구비된다.
증발 천연가스 라인(NL)은 기액분리기(140)로부터 혼합용기(300)로 연결되며, 기액분리기(140)에서 분리된 기체 상태의 증발 천연가스는 증발 천연가스 라인(NL)을 따라 혼합용기(300)로 공급된다.
또한, 기액분리기(140)는 기액분리기(140)로부터 LNG 저장탱크(100)로 연결되는 제1 회수 라인(RL1);과 연결된다. 기액분리기(140)에서 분리된 액체 상태의 재액화 천연가스는 제1 회수 라인(RL1)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.
제1 회수 라인(RL)에는 개폐밸브가 구비될 수 있다. 제어부는 제1 회수 라인(RL1)의 개폐밸브를 제어하여, 기액분리기(140)로부터 재액화 천연가스가 LNG 저장탱크(100)로 회수되도록 할 수 있다.
예를 들어, 기액분리기(140) 내에 수위레벨이 설정값에 도달하면, 제어부는 동작모드에 따라 제1 회수 라인(RL1)의 개폐밸브를 개방하여 기액분리기(140)로부터 LNG 저장탱크(100)로 재액화 천연가스가 유동하도록 할 수 있다.
또한, 제어부는, 엔진(400, 500)에서 요구하는 연료가스의 양에 비해 증발 천연가스의 양이 많거나, 혼합용기(300)에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율 중에 증발 천연가스의 비율을 낮추기 위해, 더 많은 양의 증발 천연가스를 응축시키도록, 열교환기(130)로 도입되는 증발 수소가스 및 증발 천연가스의 유량을 제어하여 기액분리기(140)에서 더 많은 양의 증발 천연가스가 재액화되도록 제어할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 천연가스 압축기(110)에서 압축된 저압 증발가스가 열교환기(130)를 우회하여 혼합용기(300)로 도입되도록 증발 천연가스 라인(NL)으로부터 분기되는 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1);이 더 구비될 수 있다.
제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)은 열교환기(130)의 전단에서 증발 천연가스 라인(NL)으로부터 분기되어 혼합용기(300) 전단, 더 구체적으로는 기액분리기(140) 전단 흐름으로 연결될 수 있다.
제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)에는 개폐밸브가 구비될 수 있다. 제어부는 개폐밸브를 제어하여, 천연가스 압축기(110)에서 압축된 저압 증발 천연가스 중 일부를 제1 증발 천연가스 분기라인(NL1)으로 도입시켜 열교환기(130)를 우회시킬 수 있다.
본 실시예의 혼합용기(300)는 LNG 저장탱크(100)로부터 연결되며 LNG 저장탱크(100)로부터 증발 천연가스가 혼합용기(300)로 유동하는 증발 천연가스 라인(NL); 및 액체수소 저장탱크(200)로부터 연결되며 액체수소 저장탱크(200)로부터 증발 수소가스가 혼합용기(300)로 유동하는 증발 수소가스 라인(HL);이 연결된다. 혼합용기(300)는, 증발 천연가스와 증발 수소가스를 균일하게 혼합(mixing)한 연료가스를 엔진(400, 500)의 연료로 공급한다.
제어부에서는, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 측정하여 천연가스 유량밸브의 개폐를 조절함으로써, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 제어부는, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 측정하여 수소가스 유량밸브의 개폐를 조절함으로써, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 제어할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 천연가스 및 증발 수소가스의 유량을 제어하여 엔진(400, 500)의 연료로 공급할 연료가스의 천연가스 및 수소가스 혼합비율을 조절할 수 있다.
혼합용기(300)에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율을 미리 설정된 값일 수 있고 또는 선박의 운항상태에 따라 실시간으로 변경될 수도 있다.
또한, 본 실시예의 혼합용기(300)는, 고압가스 엔진(400)과 연결되며 혼합용기(300)에서 혼합된 연료가스가 혼합용기(300)로부터 고압가스 엔진(400)으로 유동하는 고압 연료가스 라인(FL1); 저압가스 엔진(500)과 연결되며 혼합용기(300)에서 혼합된 연료가스가 혼합용기(300)로부터 저압가스 엔진(500)으로 유동하는 저압 연료가스 라인(FL2); 및 LNG 저장탱크(100)와 연결되며 혼합용기(300)에서 응축된 응축물이 혼합용기(300)로부터 LNG 저장탱크(100)로 유동하는 제2 회수 라인(RL2);이 연결된다.
혼합용기(300)로부터 고압 연료가스 라인(FL1)을 따라 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스의 유량은, 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 연료가스의 양에 따라 조절될 수 있다.
또한, 혼합용기(300)로부터 저압 연료가스 라인(FL2)을 따라 저압가스 엔진(500)으로 공급되는 연료가스의 유량은, 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 연료가스의 양에 따라 조절될 수 있다.
본 실시예의 고압 연료가스 라인(FL1)에는, 혼합용기(300)로부터 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 연료가스를 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 고압으로 압축하는 연료가스 압축기(310);가 구비된다.
본 실시예의 고압가스 엔진(400)은 천연가스와 수소가스를 혼소할 수 있으며, 예를 들어, ME-GI 엔진(MAN Electronic Gas Injection Engine)일 수 있다. 따라서, 본 실시예의 연료가스 압축기(310)는 연료가스를 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 150 bar 내지 300 bar로 압축할 수 있다.
또한, 본 실시예의 저압 연료가스 라인(FL2)은, 혼합용기(300)로부터 저압가스 엔진(500)으로 연결된다. 저압 연료가스 라인(FL2)을 통해 저압가스 엔진(500)으로 공급되는 연료가스는, 혼합용기(300)로부터 배출되어 추가 압축 없이, 저압가스 엔진(500)으로 공급된다.
도 3 내지 도 6에서는 저압 연료가스 라인(FL2)이 고압 연료가스 라인(FL1)으로부터 분기되며, 저압 연료가스 라인(FL2)을 따라 유동하는 연료가스가 연료가스 압축기(310)를 우회하도록 연결되어 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 저압 연료가스 라인(FL2)은 혼합용기(300)로부터 저압가스 엔진(500)까지 별도로 연결될 수도 있을 것이다.
또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 저압 연료가스 라인(FL2)에는, 연료가스를 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 온도로 가열하는 연료가스 히터가 더 구비될 수 있다.
실시예에 따르면, 고압 연료가스 라인(FL1) 또는 저압 연료가스 라인(FL2)을 따라 혼합용기(300)로부터 엔진(400, 500)으로 공급되는 연료가스 중 일부가 혼합용기(300)로 재공급되도록 고압 연료가스 라인(FL1) 또는 저압 연료가스 라인(FL2)으로부터 분기되는 연료 조절 라인(PL);이 더 구비될 수 있다.
연료 조절 라인(PL)에는 개폐밸브가 구비되고, 제어부는 개폐밸브를 제어하여 혼합용기(300)로부터 엔진(400, 500)으로 공급되는 연료가스 중 일부가 다시 혼합용기(300)로 공급되도록 할 수 있다.
제어부는, 혼합용기(300) 내 수위레벨 또는 압력을 조절하기 위해, 또는 천연가스와 수소가스의 혼합비율을 조절하기 위해, 또는 엔진(400, 500)으로 공급되는 연료가스의 유량을 조절하기 위해, 연료 조절 라인(PL)의 개폐밸브를 제어하여 고압 연료가스 라인(FL1) 또는 저압 연료가스 라인(FL2)을 따라 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급할 수 있다.
또한, 제어부는, 엔진(400, 500)으로 공급되는 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급함으로써, 혼합용기(300) 내 응축물을 기화시킬 수도 있다.
예를 들어, 제어부는, 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스 중 일부를 혼합용기(300)로 재공급함으로써, 연료가스 압축기(310)에서 압축에 의해 온도가 상승한 연료가스에 의해 혼합용기(300) 내 응축물을 기화시킬 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스의 일부 또는 전부가 연료가스 압축기(310)로 공급되도록 증발 수소가스 라인(HL)으로부터 분기되는 제1 증발 수소가스 분기라인(HL1); 및 연료가스 압축기(310)에서 고압으로 압축된 압축 수소가스를 저장하는 압축 수소 탱크(240);를 더 포함할 수 있다.
제1 증발 수소가스 분기라인(HL1)은 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 열교환기(130)의 후단에서 분기되어 연료가스 압축기(310)의 전단으로 연결될 수 있다. 즉, 수소가스 압축기(210)에서 저압으로 압축되고, 열교환기(130)에서 열교환 후 연료가스 압축기(310)에서 압축된 고압 증발 수소가스가 압축 수소 탱크(240)에 저장될 수 있다.
그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 예를 들어 증발 수소가스는, 열교환기(130)에서 열교환하지 않고 바로 연료가스 압축기(310)로 도입될 수도 있다.
제1 증발 수소가스 분기라인(HL1)에는 개폐밸브가 구비되고, 제어부는, 제1 증발 수소가스 분기라인(HL1)의 개폐밸브를 제어하여 증발 수소가스가 연료가스 압축기(310)로 공급되도록 할 수 있다.
예를 들어, 제어부는, 설정된 혼합용기(300)에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율보다 증발 수소가스의 양이 많을 때, 제1 증발 수소가스 분기라인(HL1)의 개폐밸브를 개방하여, 증발 수소가스의 일부 또는 전부가 연료가스 압축기(310)로 공급되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료가스 압축기(310)는 기체를 약 100 bar 내지 400 bar까지 압축시킬 수 있다. 연료가스 압축기(310)에서 압축된 증발 수소가스는, 연료가스 압축기(310) 후단에서 고압 연료가스 라인(FL1)으로부터 분기되며 압축 수소 탱크(240)로 연결되는 수소 저장 라인(SL)을 따라 유동하여 압축 수소 탱크(240)로 공급된다.
압축 수소 탱크(240)는 고압으로 압축된 증발 수소가스를 저장할 수 있는 압축용기일 수 있다. 본 실시예에 따르면, 압축 수소 탱크(240)에 저장되는 증발 수소가스는 연료가스 압축기(310)에서 고압으로 압축시켜 저장하므로, 압축 수소 탱크(240)는 증발 수소가스의 압력을 견딜 수 있는 구조를 가질 수 있다.
도 3에서는 압축 수소 탱크(240)가 3개 구비되는 것을 예로 들어 도시하였다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.
압축 수소 탱크(240)에 저장된 고압 증발 수소가스는, 동작모드에 따라 압축 수소 탱크(240)로부터 고압 연료가스 라인(FL1) 또는 저압 연료가스 라인(FL2)으로 연결되는 수소 저장 라인(SL)을 따라 유동하여 엔진(400, 500)으로 공급되는 연료가스에 혼합되어 엔진(400, 500)의 연료로 공급될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 운용 방법을 설명하기로 한다. 후술하는 연료 공급 시스템의 운용 방법에서는 3가지 동작모드로 구분하여 운용하는 것을 실시예로서 설명하기로 하나, 이에 한정하는 것은 아니고, 설계 변경 범위 내에서 변경될 수 있음은 자명하다.
도 4 내지 도 6에서는, 유체의 흐름을 굵은 실선과 굵은 점선 등으로 표시하였다. 이는 설명의 편의를 위하여 유체의 주된 흐름만을 나타낸 것으로 반드시 해당 동작모드에서 유체가 도면에 도시된 것과 같은 방식으로만 유동하는 것은 아니다. 예를 들어, 도 4에서 제2 회수 라인(RL2)이 실선으로 도시되어 있지만, 이것이 반드시 제1 동작모드에서는 증발 천연가스를 재액화시켜 회수하지 않는다는 것을 의미하는 것은 아닐 수 있다.
또한, 고압가스 엔진(400)은, ME-GI 엔진으로, 선박의 추진엔진으로 사용될 수 있고, 저압가스 엔진(500)은, DFDE 엔진으로, 선박의 발전용 엔진으로 사용될 수 있다.
먼저, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 제1 동작모드의 운용 방법을 설명하기로 한다.
본 실시예의 제1 동작모드는, LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발 천연가스와, 액체수소 저장탱크(100)에서 생성된 증발 수소가스를 일정 비율로 균일하게 혼합하여 고압가스 엔진(400)의 연료로 공급한다. 제1 동작모드는, 선박의 일반 항해 시에 사용될 수 있다.
제1 동작모드에서, 액체수소 저장탱크(200)로부터 배출된 증발 수소가스는, 수소가스 압축기(120)에서 저압으로 압축하고, 압축된 저압 증발 수소가스는 열교환기(130)에서 저압 증발 천연가스와 열교환시킨다. 열교환기(130)에서 저압 증발 천연가스와의 열교환에 의해 온도가 상승한 저압 증발 수소가스는 혼합용기(300)로 공급한다.
LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발 천연가스는, 천연가스 압축기(110)에서 저압으로 압축하고, 압축된 저압 증발 천연가스는 열교환기(130)에서 저압 증발 수소가스의 냉열을 이용하여 냉각시킨다.
열교환기(130)에서 저압 증발 수소가스와의 열교환에 의해 냉각된 저압 증발 수소가스는, 일부가 열교환에 의해 액화될 수 있다.
열교환에 의해 액화된 재액화 증발가스는 기액분리기(140)에서 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스를 LNG 저장탱크(100)로 회수하고, 재액화되지 않고 냉각된 기체 상태의 저압 증발 천연가스는 혼합용기(300)로 공급한다.
이때, 제어부는, 열교환기(130)로 공급하는 증발 수소가스와 증발 천연가스의 유량을 조절함으로써, 재액화되는 증발 천연가스의 양을 조절할 수 있다. 예를 들면, 증발 천연가스의 양이 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 연료가스의 양보다 많거나, 증발 수소가스의 양에 비해 증발 천연가스의 양이 많아 그대로 혼합용기(300)에서 혼합하면 적정 혼합비율을 충족시킬 수 없는 경우, 제어부는, 재액화되는 증발 천연가스의 양이 많도록 유량을 조절할 수 있다.
혼합용기(300)에서는, 증발 수소가스와 증발 천연가스가 균일하게 혼합되고, 제어부에 의해 설정된 혼합비율에 맞추어 혼합된 연료가스는 연료가스 압축기(310)에서 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 고압으로 압축시켜 고압가스 엔진(400)의 연료로 공급한다.
고압가스 엔진(400)에서는 증발 천연가스와 증발 수소가스가 일정 비율로 혼합된 연료가스를 연소시켜 선박의 추진에너지를 생성하고, 증발 천연가스와 증발 수소가스가 일정 비율로 혼합된 연료가스를 연료로 사용함으로써 배기가스 중의 질소산화물과 이산화탄소의 생성량이 감소한다.
이때, 제어부는, 혼합용기(300)로 공급되는 증발 수소가스와 증발 천연가스의 유량을 제어함으로써, 혼합비율을 맞출 수 있다. 또는, 연료가스 압축기(310)에서 압축된 연료가스 중 일부를 다시 혼합용기(300)로 공급하여, 혼합용기(300) 내 응축물을 기화시킴으로써, 혼합비율을 맞추어 주도록 제어할 수도 있다.
혼합용기(300) 내에서 응축된 응축물은, 증발 수소가스보다 끓는점이 높은 증발 천연가스이며, 필요에 따라 혼합용기(300) 내 응축물을 LNG 저장탱크(100)로 회수할 수도 있다.
저압가스 엔진(500)에서 연료가스의 수요가 발생하면, 혼합용기(300)로부터 고압가스 엔진(400)으로 공급하고 남은 연료가스 중 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 연료가스의 양만큼은 연료가스 압축기(310)를 우회하여 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급할 수도 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 제2 동작모드의 운용 방법을 설명하기로 한다.
본 실시예의 제2 동작모드는, 선박의 액체화물 하역 시에 사용될 수 있다. 특히, 제2 동작모드는, 선박의 액체수소 하역 시에 사용될 수 있다. 액체수소를 하역할 때에는, 대량의 증발 수소가스가 발생하며, 본 실시예에 따른 제2 동작모드는, 이러한 대량의 증발 수소가스를 효과적으로 처리할 수 있다.
제2 동작모드에서는, LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발 천연가스는 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급하고, 액체수소 저장탱크(200)에서 생성된 증발 수소가스는 압축 수소 탱크(240)에 저장한다.
선박의 액체화물 하역 시에는, 추진엔진, 즉 고압가스 엔진(400)은 가동하지 않고, 발전엔진, 즉 저압가스 엔진(500)만 가동하며, 제2 동작모드에서는, 증발 천연가스를 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급한다.
또한, 본 실시예에서 증발 수소가스는, 압축 수소 탱크(240)에 저장하는 것을 예로 들어 설명하지만, 증발 수소가스 중 일부는 혼합용기(300)로 공급하여 증발 천연가스와 일정 비율로 균일하게 혼합한 후 저압가스 엔진(500)으로 공급하고, 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급하고 남은 나머지 증발 수소가스를 압축 수소 탱크(240)에 저장할 수도 있다.
액체수소 저장탱크(200)로부터 배출된 증발 수소가스는, 수소가스 압축기(120)에서 저압으로 압축하고, 압축된 저압 증발 수소가스는 열교환기(130)에서 저압 증발 천연가스와 열교환시킨다. 열교환기(130)에서 저압 증발 천연가스와의 열교환에 의해 저압 증발 수소가스는 온도가 상승한다.
열교환기(130)에서 열교환 후 배출되는 증발 수소가스는 연료가스 압축기(310)에서 고압으로 압축하여 압축 수소 탱크(240)에 저장한다.
LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발 천연가스는, 천연가스 압축기(110)에서 저압가스 엔진(500)에서 요구하는 저압으로 압축하고, 압축된 저압 증발 천연가스는 열교환기(130)에서 저압 증발 수소가스의 냉열을 이용하여 냉각시킨다.
열교환기(130)에서 저압 증발 수소가스와의 열교환에 의해 냉각된 저압 증발 수소가스는, 일부가 열교환에 의해 액화될 수 있다.
열교환에 의해 액화된 재액화 증발가스는 기액분리기(140)에서 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스를 LNG 저장탱크(100)로 회수하고, 재액화되지 않고 냉각된 기체 상태의 저압 증발 천연가스는 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급한다.
기체 상태의 저압 증발 천연가스는 혼합용기(300)를 통과하여 저압가스 엔진(500)으로 공급할 수도 있고, 도면에 도시하지는 않았지만, 혼합용기(300)를 우회하는 별도의 배관라인을 더 구비하여 저압가스 엔진(500)으로 공급할 수도 있다. 저압 증발 천연가스가 혼합용기(300)를 통과하여 저압가스 엔진(500)으로 공급하는 경우에는, 혼합용기(300)가 버퍼탱크의 역할을 할 수도 있다.
도면에서는, 열교환기(130)에서 열교환 후 배출되는 저압 증발 수소가스 전부를 압축 수소 탱크(240)에 저장하는 것을 예로 들어 도시하였지만, 증발 수소가스 중 일부는 혼합용기(300)로 공급하고, 혼합용기(300)로 공급하고 남은 나머지 저압 증발 수소가스를 연료가스 압축기(310)에서 고압으로 압축하여 압축 수소 탱크(240)에 저장할 수도 있을 것이다.
이때에는, 혼합용기(300)에서 저압 증발 수소가스와 저압 증발 천연가스를 적정 혼합비율로 균일하게 혼합하여 저압가스 엔진(500)의 연료로 공급한다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 제3 동작모드의 운용 방법을 설명하기로 한다.
본 실시예의 제3 동작모드는, 선박이 액체화물을 하역하고 액체화물 저장탱크가 비어 있거나 최소 수위 이하를 유지하고 있을 때 사용될 수 있다. 특히, 액체수소 운반선이 액체수소를 하역지에 하역하고 공급지로 다시 돌아갈 때에 사용될 수 있다. 이때에는, 선박의 운항을 위해 고압가스 엔진(400)이 가동되지만 액체수소 저장탱크(200)에서 생성되는 증발 수소가스가 없거나 거의 없다. 따라서, 본 실시예의 제3 동작모드에 의하면, 이러한 경우에도 고압가스 엔진(400)으로 증발 천연가스와 증발 수소가스를 혼합한 연료가스를 연료로 공급할 수 있다.
본 실시예에 따르면, LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발 천연가스와 제2 동작모드에서 압축 수소 탱크(240)에 저장한 수소가스를 혼합하여 고압가스 엔진(400)의 연료로 공급한다.
LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발 천연가스는, 천연가스 압축기(110)에서 저압으로 압축하고, 압축된 저압 증발 천연가스는 연료가스 압축기(310)에서 고압가스 엔진(400)에서 요구하는 고압으로 압축시켜 고압가스 엔진(400)의 연료로 공급한다.
이때, 고압가스 엔진(400)으로 공급되는 고압 증발 천연가스에, 압축 수소 탱크(240)에 저장된 압축 수소가스를 혼합하여, 고압 증발 천연가스와 압축 수소가스를 혼합한 연료가스를 고압가스 엔진(400)으로 공급한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 천연가스와 수소가스의 혼소 엔진으로, 천연가스와 수소가스를 혼합하여 엔진의 연료로 공급함으로써, 질소산화물 및 이산화탄소의 생성량을 감소시킬 수 있다. 특히, 혼합용기에서 천연가스와 수소가스를 적정 혼합비율로 균일하게 혼합하여 연료로 공급함으로써 엔진의 연소안전성을 높일 수 있다.
또한, 수소가스의 냉열로 증발 천연가스의 일부를 재액화시킬 수 있어 과잉의 증발 천연가스가 발생하더라도 LNG 저장탱크로 액체 상태로 회수할 수 있다.
또한, 증발 수소가스가 과잉으로 발생하는 경우, 수소는 끓는점이 매우 낮아 재액화시키기가 어려우며, 수소 재액화 시스템은 설치비용과 운영비용이 매우 높다. 그러나, 본 발명에 따르면, 과잉의 증발 수소가스를 연료가스 압축기를 이용하여 압축하고, 압축 수소 탱크에 저장해둠으로써 수소가스가 필요할 때에 사용할 수 있어 수소의 불필요한 낭비를 줄일 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : LNG 저장탱크
200 : 액체수소 저장탱크
300 : 혼합용기(mixing vessel)
240 : 압축 수소 탱크
400 : 고압가스 엔진
500 : 저압가스 엔진
110 : 천연가스 압축기
210 : 수소가스 압축기
130 : 열교환기
140 : 기액분리기
310 : 연료가스 압축기
120 : 천연가스 유량밸브
220 : 수소가스 유량밸브
NL : 증발 천연가스 라인
HL : 증발 수소가스 라인
HL1 : 제1 증발 수소가스 분기라인
RL1 : 제1 회수 라인
RL2 : 제2 회수 라인
PL : 연료 조절 라인
FL1 : 고압 연료가스 라인
FL2 : 저압 연료가스 라인

Claims (14)

  1. 증발 액화가스와 증발 수소가스의 열교환에 의해 증발 액화가스를 냉각시키는 열교환기;
    상기 열교환에 의해 냉각된 증발 액화가스와 열교환에 의해 온도가 상승한 증발 수소가스를 혼합하는 혼합용기; 및
    액화가스와 수소가스를 혼합한 연료가스를 혼소할 수 있는 엔진;을 포함하여,
    상기 혼합용기에서 증발 액화가스와 증발 수소가스를 혼합한 연료가스가 상기 엔진의 연료로 공급되며,
    상기 혼합용기에서 응축된 액체 상태의 증발 액화가스는, 액화가스 저장탱크로 회수하는, 연료 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기로 공급되는 증발 수소가스의 유량을 조절하는 수소가스 유량밸브;
    상기 열교환기로 공급되는 증발 액화가스의 유량을 조절하는 액화가스 유량밸브; 및
    상기 수소가스 유량밸브 및 액화가스 유량밸브를 제어하여 상기 혼합용기에서 혼합되는 연료가스의 혼합비율을 조절하는 제어부;를 더 포함하여,
    설정된 혼합비율에 따라 상기 혼합용기에서 균일하게 혼합된 연료가스가 상기 혼합용기로부터 상기 엔진으로 공급되는, 연료 공급 시스템.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 열교환기에서 열교환하면서, 증발 수소가스의 냉열에 의해 재액화된 증발 액화가스를 기액분리하여 액체 상태의 재액화 증발 액화가스를 액화가스 저장탱크로 회수하는 기액분리기;를 더 포함하는, 연료 공급 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 엔진은, 저압가스 엔진을 포함하고,
    상기 증발 액화가스를 상기 저압가스 엔진에서 요구하는 저압으로 압축하는 액화가스 압축기; 및
    상기 증발 수소가스를 상기 저압가스 엔진에서 요구하는 저압으로 압축하는 수소가스 압축기;를 더 포함하여,
    상기 저압으로 압축된 액화가스 및 수소가스가 상기 열교환기로 도입되는, 연료 공급 시스템.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 엔진은, 고압가스 엔진을 포함하고,
    상기 열교환기로 공급할 증발 액화가스를 저압으로 압축하는 액화가스 압축기;
    상기 열교환기로 공급할 증발 수소가스를 저압으로 압축하는 수소가스 압축기; 및
    상기 혼합용기에서 혼합된 연료가스를 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 고압으로 압축하는 연료가스 압축기;를 더 포함하는, 연료 공급 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료가스 압축기의 후단에서 분기되며, 상기 고압가스 엔진으로 공급되는 연료가스의 일부가 상기 혼합용기로 공급되도록, 상기 혼합용기로 연결되는 연료 조절 라인;을 더 포함하여,
    상기 압축에 의해 온도가 상승한 연료가스에 의해 상기 혼합용기 내의 응축물이 기화되는, 연료 공급 시스템.
  8. 삭제
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