KR102445864B1 - 액화수소 운송용 선박 - Google Patents

Abstract

운송 중 발생하는 액화수소 증발가스를 효율적으로 처리할 수 있는 액화수소 운송용 선박이 제공된다. 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박은, 선체, 선체에 설치되어 액화천연가스를 저장하는 액화천연가스 저장탱크, 선체에 설치되어 액화수소를 저장하는 적어도 하나의 액화수소 저장탱크, 액화천연가스를 공급받아 동력을 발생시키는 연소기관, 액화천연가스를 액화천연가스 저장탱크에서 연소기관으로 공급하는 연료공급라인, 액화수소 저장탱크로부터 액화수소가 자연 증발하여 생성된 액화수소 증발가스를 공급받아 재액화 과정을 거친 후 액화수소를 액화수소 저장탱크로 회수하는 제1 재액화라인, 제1 재액화라인에 설치되어 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기, 압축기 후단의 제1 재액화라인에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛, 냉각유닛 후단의 제1 재액화라인에 설치되어 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기, 팽창기 후단의 제1 재액화라인에 설치되어 액화수소와 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기, 기액분리기로부터 분기되어 액화수소 증발가스를 공급받아 추가로 재액화 과정을 거친 후 액화수소를 액화수소 저장탱크로 공급하는 제2 재액화라인을 포함한다.

Description

액화수소 운송용 선박{Vessel For Liquefied Hydrogen Transport}

본 발명은 액화수소 운송용 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 운송 중 발생하는 액화수소 증발가스를 효율적으로 처리할 수 있는 액화수소 운송용 선박에 관한 것이다.

최근 천연가스(Natural Gas)에 대한 수요가 가파르게 증가하고 있다. 천연가스 수요의 증가와 함께 탄소 배출량도 증가하여 탄소배출에 대한 규제가 강화되고 있으며, 천연가스를 대체할 친환경 연료들이 주목받고 있다. 대표적인 예로, 탄소가 배출되지 않는 수소가 주목받고 있다.

수소 연료는 연소하는 경우 공기 중에 산소와 결합하여 물이 되기 때문에 배기가스와 같은 공해물질이 거의 생성되지 않는 특징이 있다. 이러한 특징으로 인해 수소 연료의 수요량이 향후 대폭 증가할 것으로 전망되어 수소 연료 사용을 위한 인프라 구축이 필요한 실정이다.

특히, 수소 연료를 대량으로 운송할 수 있는 선박에 대한 개발이 필수적이다. 대용량의 수소를 장거리 운송하는 경우, 수소를 극저온의 액체로 상변화 시켜 액화수소 상태로 운송하게 된다. 수소를 액체 상태로 운송하기 위해, 외부로부터 저장탱크로의 열 유입을 방지하는 단열구조가 사용되지만, 외부열을 100% 차단하기는 어렵다. 이로 인해 운송 중에 액화수소가 증발하게 되며, 이러한 증발가스를 BOG(Boil-Off Gas)라 한다. BOG의 발생량이 많아지면, 액화수소가 손실되고 저장탱크의 내부 압력이 높아지는 문제가 발생한다. 더 나아가, 연료를 저장하는 연료 저장탱크에서도 BOG가 발생하여 내부 압력이 높아지는 문제가 발생하며, 이에 따라 연료탱크의 내부 압력도 조절이 필요하다.

즉, 액화수소 저장탱크와 연료 저장탱크 모두 BOG 처리를 통해 내부 압력을 조절할 필요가 있다. 압력 조절을 위해 BOG를 외부로 방출하게 되면 경제적 손실로 이어지는 문제가 있어, 발생되는 BOG를 손실없이 처리하기 위한 다양한 방법이 고안되고 있다. 그 중 하나의 방법은, 증발된 BOG를 재액화시켜 탱크로 회수하는 것이다. 다만, 액화수소 BOG와 연료 BOG는 재액화 온도가 상이하여 각각의 냉각 장치를 따로 구비해야 하는 문제가 있었다. 또한, 액화수소 BOG의 경우 재액화 온도가 매우 낮아, 한번의 냉각 과정으로 BOG를 완전히 재액화 시키기는 어렵다는 문제가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-2084993호(2020.02.28)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 운송 중 발생하는 액화수소 증발가스를 효율적으로 처리할 수 있는 액화수소 운송용 선박을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박은, 선체, 상기 선체에 설치되어 액화천연가스를 저장하는 액화천연가스 저장탱크, 상기 선체에 설치되어 액화수소를 저장하는 적어도 하나의 액화수소 저장탱크, 상기 액화천연가스를 공급받아 동력을 발생시키는 연소기관, 상기 액화천연가스를 상기 액화천연가스 저장탱크에서 상기 연소기관으로 공급하는 연료공급라인, 상기 액화수소 저장탱크로부터 상기 액화수소가 자연 증발하여 생성된 액화수소 증발가스를 공급받아 재액화 과정을 거친 후 상기 액화수소를 상기 액화수소 저장탱크로 회수하는 제1 재액화라인, 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기, 상기 압축기 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛, 상기 냉각유닛 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기, 상기 팽창기 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소와 상기 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기, 상기 기액분리기로부터 분기되어 상기 액화수소 증발가스를 공급받아 추가로 재액화 과정을 거친 후 상기 액화수소를 상기 액화수소 저장탱크로 공급하는 제2 재액화라인을 포함한다.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 압축기 전단의 상기 제1 재액화라인과 상기 연료공급라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스와 상기 액화천연가스 사이에 열교환하는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인으로부터 분기되고 상기 액화천연가스 저장탱크로 연결되어 상기 액화천연가스를 회수하는 회수라인을 더 포함할 수 있다.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인과 상기 압축기 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화천연가스와 상기 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각유닛은, 상기 팽창기 전단의 상기 제1 재액화라인에 연결되어 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 재액화라인은, 상기 제3 열교환기를 통하여 상기 액화수소 증발가스를 냉각시킬 수 있다.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 제3 열교환기 후단의 상기 제2 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각유닛은, 상기 제3 열교환기에 헬륨을 냉매로 순환시키는 헬륨냉각라인을 더포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 액화수소를 운송하는 경우 간단한 구조로 액화수소의 증발가스를 재액화시켜 운송 중 발생하는 액화수소 증발가스를 효율적으로 처리할 수 있다. 특히, 액화수소 증발가스의 냉열을 이용하여 연료로 사용되는 액화천연가스를 극저온으로 냉각시켜 액화천연가스 저장탱크의 내부 압력을 조절할 수 있다. 또한, 액화수소 증발가스의 온열을 이용하여 액화천연가스를 기화시켜 상변화를 제어할 수 있다. 즉, 별도의 액화천연가스의 냉각장치를 구비할 필요 없이 액화수소 증발가스를 이용해 액화천연가스를 냉각시키거나 기화시키는 것이 가능하다. 사용된 액화수소 증발가스는 모두 재액화시켜 액화수소 상태로 보관이 가능하다. 더 나아가, 액화수소 증발가스는 재액화 사이클을 통과하였으나 액화되지 않은 액화수소 증발가스만을 분기하여 추가로 재액화 사이클을 거쳐 모든 액화수소 증발가스를 액화수소로 재액화시킬 수 있다. 즉, 한번의 사이클 구동 만으로 모든 액화수소 증발가스를 액화수소로 재액화시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박의 개략도이다.
도 2는 액화천연가스를 연소기관에 공급하는 상태의 작동도이다.
도 3은 액화천연가스를 회수하여 액화천연가스 저장탱크의 압력을 조절하는 상태의 작동도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 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 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박(1)은, 선체(10)와, 선체(10)에 설치되어 액화천연가스를 저장하는 액화천연가스 저장탱크(20)와, 선체(10)에 설치되어 액화수소를 저장하는 적어도 하나의 액화수소 저장탱크(30)와, 액화천연가스를 공급받아 동력을 발생시키는 연소기관(100)과, 액화천연가스를 액화천연가스 저장탱크(20)에서 연소기관(100)으로 공급하는 연료공급라인(21)과, 액화수소 저장탱크(30)로부터 액화수소가 자연 증발하여 생성된 액화수소 증발가스를 공급받아 재액화 과정을 거친 후 액화수소를 액화수소 저장탱크(30)로 회수하는 제1 재액화라인(31)과, 제1 재액화라인(31)에 설치되어 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기(32)와, 압축기(32) 후단의 제1 재액화라인(31)에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛(40)과, 냉각유닛(40) 후단의 제1 재액화라인(31)에 설치되어 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기(34)와, 팽창기(34) 후단의 제1 재액화라인(31)에 설치되어 액화수소와 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기(35)와, 기액분리기(35)로부터 분기되어 액화수소 증발가스를 공급받아 추가로 재액화 과정을 거친 후 액화수소를 액화수소 저장탱크(30)로 공급하는 제2 재액화라인(36)을 포함한다.

액화수소 운송용 선박(1)은 대량의 수소를 장거리 운송하기 위한 선박이다. 액화수소 운송용 선박(1)은 대량의 수소를 운송하기 위해 기체 상태의 수소를 기체 상태 대비 800분의 1로 부피를 줄인 후 -253℃의 극저온 상태로 액화시킨 상태로 액화수소를 운송한다. 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박(1)은 수소를 운반하기 위한 목적에 맞게 적어도 하나의 액화수소 저장탱크(30)를 구비하며, 복수 개의 액화수소 저장탱크(30)도 충분히 구비할 수 있다. 액화수소 저장탱크(30)는 액화수소를 극저온의 액체 상태로 유지하기 위해 표면이 단열처리 된 상태이나, 외부와의 열교환을 완벽히 차단하기는 어려워, 불가피하게 액화수소의 일부가 기화되어 증발가스(BOG)가 발생될 수 있다. 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박(1)은 이러한 액화수소 저장탱크(30)에서 자연 증발된 액화수소 증발가스를 재액화하여 액화수소 저장탱크(30)로 재공급할 수 있는 선박이다. 특히, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박(1)은 단 한번의 사이클 구동만으로 거의 모든 액화수소 증발가스를 재액화시킬 수 있는 특징이 있다.

선체(10)는 액화수소 운송용 선박(1)의 몸체 기능을 하는 것으로, 액화수소 저장탱크(30)와 액화수소를 재액화시키기 위한 사이클에 포함되는 다양한 장치들을 수용할 수 있다. 또한, 선체(10)는 액화수소 운송용 선박(1)에 구동력을 제공하기 위한 액화천연가스를 저장하는 액화천연가스 저장탱크(20) 및 연소기관(100)도 수용할 수 있다. 즉, 선체(10)는 일측에 액화천연가스 저장탱크(20)와 액화수소 저장탱크(30)를 구비한다. 선체(10)의 크기나 형상은 어느 하나에 한정되는 것이 아니며, 액화수소를 운송하기 위한 목적에 맞게 다양하게 변형이 가능하다.

액화수소 저장탱크(30)는 선체(10)에 설치되어 운송하기 위한 대량의 수소를 저장하는 기능을 하는 것으로, 대량의 극저온의 액화수소를 수용하고 보관할 수 있다. 액화수소 저장탱크(30)는 통상 복수 개를 구비하여 선체(10)의 선수부에 위치할 수 있다. 복수 개의 액화수소 저장탱크(30)는 동일 간격으로 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 본 발명에서는 3개의 액화수소 저장탱크(30)를 구비하는 구조로 예시하였다. 액화수소 저장탱크(30)의 개수 및 형상은 다양하게 변형 가능한 사항으로, 액화수소를 저장할 수 있다면 다양하게 변형이 가능하다.

액화천연가스 저장탱크(20)는 액화수소 운송용 선박(1)의 구동력을 제공하기 위한 액화천연가스 연료를 저장하는 기능을 한다. 액화천연가스 저장탱크(20)는 단일 탱크로 선체(10)의 선미부에 위치할 수 있다. 또한, 액화천연가스 저장탱크(20)는 액화수소 저장탱크(30)보다 작은 크기로 형성되어 운송에 필요한 적정량의 액화천연가스를 저장할 수 있다. 이러한 액화천연가스 저장탱크(20)는 기체 상태의 천연가스를 -162℃로 냉각하여 액화시킨 상태로 수용할 수 있다. 액화천연가스 역시 온도가 매우 낮기 때문에 액화수소와 동일하게 증발가스가 발생될 수 있다. 다만, 액화수소의 끓는점이 액화천연가스의 끓는점보다 현저히 낮기 때문에, 액화천연가스 증발가스보다 액화수소의 증발가스가 더욱 많이 발생할 수 있다.

연료펌프(22)는 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부에 구비되어 액화천연가스를 액화천연가스 저장탱크(20)에서 연료공급라인(21)으로 공급하는 기능을 한다. 연료펌프(22)는 액화천연가스 저장탱크(20)에 수용된 액화천연가스에 잠길 수 있는 높이에 형성될 수 있으며, 연료펌프의 개수나 위치는 다양하게 변형 가능하다.

제1 열교환기(23)는 액화천연가스와 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 기능을 한다. 제1 열교환기(23)는 액화천연가스 저장탱크(20)로부터 연료공급라인(21)을 통해 공급되는 액화천연가스와 액화수소 저장탱크(30)로부터 제1 재액화라인(31)을 통해 공급되는 액화수소 증발가스 사이에 열교환을 할 수 있다. 제1 열교환기(23)는 보다 온도가 낮은 액화수소 증발가스의 냉열을 액화천연가스로 전달할 수 있으며, 이에 따라 액화천연가스는 과냉각(subcooling)될 수 있다. 즉, 액화천연가스는 제1 열교환기(23)를 통해 액화수소 증발가스의 냉열을 전달받아 과냉각될 수 있다. 액화천연가스는 과냉각된 상태로 연료공급라인(21)을 따라 제2 열교환기(24)로 공급되거나 회수라인(28)으로 분기되어 액화천연가스 저장탱크(20)로 회수될 수 있다. 회수라인(28)의 구조에 대해서는 후술하여 보다 상세히 설명한다.

제2 열교환기(24)는 과냉각된 액화천연가스와 압축된 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 기능을 하는 것으로, 제1 열교환기(23) 후단의 연료공급라인(21)에 위치할 수 있다. 제2 열교환기(24)는 제1 열교환기(23)를 통과하여 과냉각된 액화천연가스와 제1 열교환기(23)를 통과한 후 압축기(32)를 통해 고온 고압으로 압축된 액화수소 증발가스 사이에 열교환을 할 수 있다. 즉, 제2 열교환기(24)는 액화천연가스의 냉열을 액화수소 증발가스 측으로 전달할 수 있으며, 이에 따라 액화수소 증발가스를 냉각시킬 수 있다. 액화천연가스는 제2 열교환기(24)를 통과하여 상온 상태로 연료공급라인(21)을 따라 연소기관(100)으로 공급될 수 있다. 즉, 제2 열교환기(24)는 액화천연가스를 상온의 기체 상태로 기화시킬 수 있다. 액화천연가스는 기화되어 연료공급라인(21)을 따라 연소기관(100)으로 공급되어 액화수소 운송용 선박(1)의 구동력을 제공할 수 있다. 제2 열교환기(24)와 연소기관(100) 사이의 연료공급라인(21)에는 해수열교환기(25)가 위치하여 액화천연가스를 연소기관(100)의 연료공급온도에 맞게 조절할 수 있다.

해수열교환기(25)는 기화된 액화천연가스와 해수 사이에 열교환하는 기능을 한다. 해수열교환기(25)는 제2 열교환기(24) 후단의 연료공급라인(21)에 위치하여, 기화된 액화천연가스의 온도를 연소기관(100)의 연료공급온도에 맞게 조절할 수 있다. 특히, 해수열교환기(25)는 기화된 액화천연가스와 해수 사이에 열교환을 하여, 액화천연가스의 온도를 조절할 수 있다. 이때, 액화천연가스는 제2 열교환기(24)를 통과하여 상온의 기체상태로 해수열교환기(25)에 공급될 수 있으며, 열교환하는 해수의 온도에 맞게 온도가 높아지거나 낮아질 수 있다. 다시 말해, 액화천연가스는 해수의 온도와 비교하여 보다 낮은 온도 혹은 보다 높은 온도의 상태로 해수열교환기(25)에 공급될 수 있다. 액화천연가스의 공급 온도는 제2 열교환기(24)에서 열교환되는 액화천연가스와 액화수소 증발가스의 유량에 따라 다르게 형성될 수 있다.

연소기관(100)은 해수열교환기(25) 후단에 위치하여, 기화된 액화천연가스를 공급받아 액화수소 운송용 선박(1)의 구동력을 발생시키는 기능을 한다. 연소기관(100)은 예를 들어, DF 발전기와 같은 발전 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않고 선체(10)에 구동력을 제공할 수 있는 다양한 발전장치일 수도 있다. 연소기관(100)은 사용되는 발전장치의 종류에 따라 적정 연료공급온도가 다르게 형성될 수 있으며, 이러한 연료공급온도는 해수열교환기(25)에서 열교환되는 해수의 유량을 이용하여 조절이 가능하다.

한편, 회수라인(28)은 극저온 상태의 액화천연가스를 액화천연가스 저장탱크(20)에 공급하여 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부 압력을 낮춰주는 기능을 한다. 회수라인(28)은 연료공급라인(21)으로부터 분기되어 극저온 상태의 액화천연가스를 액화천연가스 저장탱크(20)로 공급할 수 있다. 회수라인(28)은 제1 열교환기(23)와 제2 열교환기(24) 사이의 연료공급라인(21)으로부터 분기된다. 다시 말해, 회수라인(28)은 제1 열교환기(23) 후단의 극저온의 액화천연가스만을 액화천연가스 저장탱크(20)로 공급할 수 있다. 회수라인(28)은 끝단에 분사유닛(29)이 형성된다.

분사유닛(29)은 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부에 과냉각된 액화천연가스를 분사힌다. 분사유닛(29)은 스프레이 형식으로 극저온의 액화천연가스를 분사하여 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부 압력을 낮춰줄 수 있다. 또한, 분사유닛(29)은 극저온의 액화천연가스를 액화천연가스의 상단부에서 분사하는 것으로, 액화천연가스가 자연증발하여 발생되는 액화천연가스 증발가스의 온도를 낮춰 액화천연가스 증발가스를 재액화시킬 수도 있다. 분사유닛(29)은 복수 개의 분사노즐로 구성될 수 있으며, 분사노즐의 액체분사 방향 및 각도는 자유롭게 조절 가능하다.

다시 말해, 액화천연가스는 기화되어 연소기관(100)으로 공급되거나 냉각되어 액화천연가스 저장탱크(20)로 회수될 수 있다. 액화천연가스는 연료공급라인(21)을 따라 연소기관(100)에 공급되거나 회수라인(28)을 따라 회수될 수 있다. 제1 유량조절밸브(26)와 제2 유량조절밸브(27)는 액화천연가스의 이러한 흐름을 조절한다. 제1 유량조절밸브(26)는 제1 열교환기(23)와 제2 열교환기(24) 사이에 연료공급라인(21)에 위치하여, 액화천연가스의 흐름을 조절한다. 또한, 제2 유량조절밸브(27)는 회수라인(28)의 일 구간에 위치하여, 연료공급라인(21)에서 회수라인(28)으로 분기되는 액화천연가스의 흐름을 조절한다. 즉, 액화천연가스를 연료로 사용하는 경우에는 제1 유량조절밸브(26)를 열고 제2 유량조절밸브(27)를 닫을 수 있으며, 액화천연가스를 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부압력 조절용도로 사용하는 경우에는 제1 유량조절밸브(26)를 닫고 제2 유량조절밸브(27)를 열 수 있다.

한편, 압축기(32)는 제1 열교환기(23) 후단의 제1 재액화라인(31)에 위치하여, 액화수소 증발가스를 고압으로 압축시키는 기능을 한다. 압축기(32)는 제1 열교환기(23)를 통과한 액화수소 증발가스를 고온 고압으로 압축하여 제2 열교환기(24)에 공급한다. 냉각기(33)는 이러한 압축기(32)의 후단에 제1 재액화라인(31)에 위치하여 압축기(32)에 의해 고온으로 형성된 액화수소 증발가스의 온도를 낮춰주는 기능을 한다. 통상 냉각기(33)는 해수를 냉매로 활용하여 액화수소 증발가스를 냉각할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 냉각기(33)의 종류는 다양하게 변형 가능하다.

제2 열교환기(24)는 냉각기(33) 후단의 제1 재액화라인(31)에 위치하여 고온 고압의 액화수소 증발가스의 온도를 낮춰줄 수 있다. 제2 열교환기(24)는 극저온의 액화천연가스의 냉열을 고온 고압의 액화수소 증발가스로 전달한다. 즉, 액화수소 증발가스는 제2 열교환기(24)를 통과하여 저온 고압의 상태로 냉각유닛(40)의 제3 열교환기(42)에 공급된다.

냉각유닛(40)은 제2 열교환기(24)의 후단의 제1 재액화라인(31)에 위치하여, 액화수소 증발가스를 냉각시키는 기능을 한다. 냉각유닛(40)은 별도의 독립 냉각 사이클을 순환하는 헬륨 냉매를 이용하여 액화수소 증발가스를 극저온으로 냉각시킬 수 있다. 냉각유닛(40)는 제3 열교환기(42)를 통해 헬륨 냉매의 냉열을 제1 재액화라인(31)의 액화수소 증발가스로 전달한다. 즉, 냉각유닛(40)은 제2 열교환기(24) 후단의 액화수소 증발가스를 극저온으로 냉각시킬 수 있다.

이러한 냉각유닛(40)은 제3 열교환기(42)와, 냉매압축기(43)와, 냉매냉각기(44)와, 제4 열교환기(45)와, 냉매팽창기(46)와, 헬륨냉각라인(41)을 포함한다. 전술한 독립 냉각 사이클은, 헬륨냉각라인(41)을 따라 순차적으로 위치하는 냉매압축기(43)와, 냉매냉각기(44)와, 제4 열교환기(45)와, 냉매팽창기(46)를 포함한다. 냉매압축기(43)는 헬륨 냉매를 고온 고압으로 압축시키는 기능을 하며, 냉매냉각기(44)은 이러한 냉매압축기(43)의 후단에 위치하여 헬륨 냉매의 온도를 낮춰 조절하는 기능을 한다. 제4 열교환기(45)는 냉매압축기(43) 전단의 헬륨 냉매와 냉매냉각기(44) 후단의 헬륨 냉매 사이에 열교환하는 기능을 한다. 제4 열교환기(45)는 냉매압축기(43) 전단의 헬륨 냉매에서 냉매냉각기(44) 후단의 헬륨 냉매로 냉열을 전달할 수 있다. 냉매팽창기(46)는 이러한 냉매냉각기(44) 후단에 위치하여 냉열을 전달받아 온도가 낮아진 헬륨 냉매를 단열 팽창시켜 온도를 극저온으로 낮춰 액화시키는 기능을 한다. 이에 따라, 헬륨 냉매는 극저온의 액화 상태로 제3 열교환기(42)를 통과하여 액화수소 증발가스에 냉열을 전달할 수 있다. 제3 열교환기(42)를 통과한 헬륨 냉매는 액화수소 증발가스에 냉열을 전달하여 온도가 상승하며, 다시 기화될 수 있다.

한편, 팽창기(34)는 제3 열교환기(42)를 통과한 액화수소 증발가스를 액화시키는 역할을 한다. 팽창기(34)는 제3 열교환기(42)를 거쳐 냉각된 액화수소 증발가스를 단열 팽창하여 온도를 낮추고 액화시킬 수 있다. 팽창기(34)는 액화수소 증발가스를 액화시킬 수 있는 다양한 종류의 팽창 장치로 사용이 가능하다.

기액분리기(35)는 이러한 팽창기(34)를 통과한 액화수소 증발가스를 액체와 기체, 다시 말해, 액화수소와 액화수소 증발가스로 분리하는 기능을 한다. 기액분리기(35)는 제1 재액화라인(31)의 팽창기(34) 후단에 위치한다. 기액분리기(35)는 액체 상태의 액화수소 증발가스는 제1 재액화라인(31)으로 분기하고, 기체 상태의 액화수소 증발가스는 제2 재액화라인(36)으로 분기한다. 즉, 기액분리기(35)는 팽창기(34)에서 액화되지 못한 액화수소 증발가스를 제2 재액화라인(36)으로 분기하며, 액화된 액화수소는 제1 재액화라인(31)을 따라 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다.

제2 재액화라인(36)은 기액분리기(35)와 액화수소 저장탱크(30)를 우회하여 연결하는 라인으로, 액화되지 못한 기체 상태의 액화수소 증발가스를 재액화시키는 기능을 한다. 특히, 제2 재액화라인(36)은 중저압축기(32)와, 제3 열교환기(42)와, 팽창밸브(38)를 순차적으로 통과하여 액화수소 증발가스를 완전히 액화시킬 수 있다.

중저압압축기(37)는 기액분리기(35) 후단의 제2 재액화라인(36)에 설치되어, 기액분리기(35)로부터 분기되는 액화수소 증발가스의 압력을 높여주는 기능을 한다. 중저압압축기(37)는 액화수소 증발가스를 제3 열교환기(42)에 적정 압력으로 공급하기 위한 것이다. 즉, 중저압압축기(37)는 고압 보다는 제3 열교환기(42)의 공급 압력에 맞게 적절히 중저압으로 압력을 맞춰줄 수 있다. 다시 말해, 액화수소 증발가스는 기액분리기(35)에서 분기되어 중저압압축기(37)를 통해 적정 압력을 갖는 상태로 제3 열교환기(42)에 공급된다. 액화수소 증발가스는 제3 열교환기(42)에서 냉각유닛(40)을 흐르는 헬륨 냉매로부터 냉열을 전달받아 저온의 상태로 팽창밸브(38)에 공급된다.

팽창밸브(38)는 제3 열교환기(42) 후단의 제2 재액화라인(36)에 설치되어 액화수소 증발가스를 단열 팽창하고 액화시키는 기능을 한다. 팽창밸브(38)는 제3 열교환기(42)에서 극저온으로 냉각된 상태의 액화수소 증발가스를 단열한 상태로 팽창시켜 압력과 온도를 낮춰 액화시킬 수 있다. 특히, 팽창밸브(38)는 제2 재액화라인(36)에 위치하는 것으로, 앞서 제1 재액화라인(31)을 통해 제3 열교환기(42)와 팽창기(34)를 1차적으로 거쳐 온 액화수소 증발가스를 다시 한번 단열팽창시킬 수 있다. 이에 따라, 팽창밸브(38)는 팽창기(34)에서 액화되지 못한 액화수소 증발가스의 대부분을 액화시킬 수 있다. 더 나아가, 팽창밸브(38)는 액화수소 증발가스의 압력을 낮춘 상태로 액화수소 저장탱크(30)로 공급하여, 액화수소 저장탱크(30)의 내부 압력이 높아지는 것을 방지할 수도 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박의 작동과정에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2는 액화천연가스를 연소기관에 공급하는 상태의 작동도이고, 도 3은 액화천연가스를 회수하여 액화천연가스 저장탱크의 압력을 조절하는 상태의 작동도이다.

도 2를 참조하면, 액화천연가스는 연소기관(100)에 연료로 공급되고 액화수소 증발가스는 재액화되어 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다.

액화천연가스는, 전술한 바와 같이 연료공급라인(21)을 따라 액화천연가스 저장탱크(20)로부터 연소기관(100)에 공급된다. 액화천연가스는 액화천연가스 저장탱크(20)에 수용된 상태에서 연료펌프(22)에 의해 연료공급라인(21)으로 공급된다. 먼저, 액화천연가스는 제1 열교환기(23)에 공급되어 액화수소 증발가스로부터 냉열을 전달받아 극저온 상태로 냉각된다. 냉각된 액화천연가스는 제2 열교환기(24)로 공급되어 압축된 액화수소 증발가스로부터 온열을 전달받아 대략 상온 정도의 온도로 가열된다. 이때, 액화천연가스는 상온 상태로 기화된다. 즉, 액화천연가스는 제2 열교환기(24) 후단의 연료공급라인(21)에서 기체 상태로 연소기관(100)으로 공급된다. 액화천연가스는 연소기관(100)으로 공급되기 이전에, 해수열교환기(25)를 통과하여 적정선의 연료공급온도로 조절될 수 있다. 해수열교환기(25)는 기화된 액화천연가스의 온도에 따라 액화천연가스를 냉각하거나 가열할 수 있다. 즉, 액화천연가스는 적정 온도의 기체 상태로 연소기관(100)에 공급되어 동력을 발생시킨다. 이때, 제1 유량조절밸브(26)는 열린 상태이고 제2 유량조절밸브(27)는 닫힌 상태이다. 액화천연가스는 열린 상태의 제1 유량조절밸브(26)를 통과하여 연료공급라인(21)을 따라 이동한다. 제2 유량조절밸브(27)는 닫은 상태로, 액화천연가스가 회수라인(28)으로 공급되는 것을 차단한다.

액화수소 증발가스는, 액화수소 저장탱크(30)에서 자연 기화되어 생성되며 재액화라인(31)을 따라 액화수소 저장탱크(30)로부터 배출되고 모두 재액화되어 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다. 액화수소 증발가스는 극저온 상태로 제1 열교환기(23)에 공급되어 액화천연가스에 냉열을 전달한다. 액화수소 증발가스는 제1 열교환기(23)를 통과하여 온도가 일부 상승된 상태로 압축기(32)로 공급된다. 액화수소 증발가스는 압축기(32)를 통해 고온 고압으로 압축될 수 있다. 액화수소 증발가스는 압축기(32)와 냉각기(33)를 거쳐 고온 고압의 상태로 제2 열교환기(24)에 공급된다. 액화수소 증발가스는 제2 열교환기(24)에서 액화천연가스로부터 냉열을 전달받아 영하의 온도로 냉각된다. 또한, 액화수소 증발가스는 제2 열교환기(24)뿐만 아니라 극저온으로 냉각 가능한 냉각유닛(40)으로부터 냉열을 전달받아 극저온 상태로 팽창기(34)에 공급된다. 액화수소 증발가스는 극저온 상태로 팽창기(34)에 공급되며, 팽창기(34)에서 단열 팽창되어 액화된다. 팽창기(34)에서 액화되지 못한 액화수소 증발가스는 기액분리기(35)를 통해 제2 재액화라인(36)으로 분기되어 추가적인 재액화 과정을 통해 완전히 재액화될 수 있다.

액화수소 증발가스는 기액분리기(35)에서 제2 재액화라인(36)으로 분기되어 중저압압축기(37)로 공급된다. 액화수소 증발가스는 중저압압축기(37)를 통해 압축되어 압력이 상승한다. 이때, 액화수소 증발가스는 기액분리기(35) 전단의 팽창기(34)에서 낮아진 압력을 회복하여 제3 열교환기(42)로 공급될 수 있다. 액화수소 증발가스는 제3 열교환기(42)에서 헬륨 냉매의 냉열에 의해 저온으로 냉각된다. 제3 열교환기(42)는 제1 재액화라인(31)의 액화수소 증발가스와 제2 재액화라인(36)의 액화수소 증발가스와 냉각유닛(40)의 헬륨 냉매 사이를 열교환 하는 것으로, 모두 동시에 열교환되거나 순차적으로 쌍을 이뤄 열교환할 수도 있다. 이러한 냉각된 액화수소 증발가스는 제3 열교환기(42) 후단의 제2 재액화라인(36)에 위치하는 팽창밸브(38)로 공급된다. 액화수소 증발가스는 팽창밸브(38)에서 단열 팽창되어 온도와 압력이 모두 낮아지고, 이에 따라 모두 액화되어 저온 저압의 상태로 액화수소 저장탱크(30)에 공급된다. 즉, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박(1)은 액화수소 증발가스를 제1 재액화라인(31)과 제2 재액화라인(36)을 순차적으로 통과시켜 모두 재액화시켜 액화수소 저장탱크(30)로 회수할 수 있다.

한편, 헬륨 냉매는 냉각유닛(40)의 독립 냉각 사이클을 순환하며 액체 상태로 제3 열교환기(42)에 공급되어 냉열을 액화수소 증발가스에 전달하고 기화되며, 기체 상태로 다시 독립 냉각 사이클을 통해 액화되어 제3 열교환기(42)를 통과한다. 헬륨 냉매는 제3 열교환기(42)에서 냉열을 빼앗겨 온도가 상승하며 기화된다. 헬륨 냉매는 기체 상태로 헬륨냉각라인(41)을 따라 냉매압축기(43)에 공급되며 고온 고압으로 압축된다. 또한, 헬륨 냉매는 액화수소 증발가스와 같이 과도하게 가열되면 문제가 발생하여 냉매냉각기(44)를 통해 일부 온도가 낮아질 수 있으나 냉매냉각기(44)를 통과한 이후에도 고온 고압 상태를 유지할 수 있다. 이러한 헬륨 냉매는 고온 고압의 상태로 제4 열교환기(45)에 공급되며, 제3 열교환기(42)와 냉매압축기(43) 사이의 헬륨냉각라인(41)을 따라 흐르는 헬륨 냉매로부터 냉열을 전달받는다. 제4 열교환기(45) 후단의 헬륨 냉매는 온도가 낮아진 상태로 냉매팽창기(46)에 공급된다. 헬륨 냉매는 냉매팽창기(46)에서 단열 팽창되어 극저온의 액체 상태로 액화되어 제3 열교환기(42)로 공급된다. 즉, 헬륨 냉매는 극저온의 액체 상태로 제3 열교환기(42)를 통해 제1 재액화라인(31)과 제2 재액화라인(36)을 흐르는 액화수소 증발가스를 냉각시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 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.

1: 액화수소 운송용 선박 10: 선체
20: 액화천연가스 저장탱크 21: 연료공급라인
22: 연료펌프 23: 제1 열교환기
24: 제2 열교환기 25: 해수열교환기
26: 제1 유량조절밸브 27: 제2 유량조절밸브
28: 회수라인 29: 분사유닛
30: 액화수소 저장탱크 31: 제1 재액화라인
32: 압축기 33: 냉각기
34: 팽창기 35: 기액분리기
36: 제2 재액화라인 37: 중저압압축기
38: 팽창밸브 40: 냉각유닛
41: 헬륨냉각라인 42: 제3 열교환기
43: 냉매압축기 44; 냉매냉각기
45: 제4 열교환기 46: 냉매팽창기
100: 연소기관

Claims (8)

1. 선체;
   상기 선체에 설치되어 액화천연가스를 저장하는 액화천연가스 저장탱크;
   상기 선체에 설치되어 액화수소를 저장하는 적어도 하나의 액화수소 저장탱크;
   상기 액화천연가스를 공급받아 동력을 발생시키는 연소기관;
   상기 액화천연가스를 상기 액화천연가스 저장탱크에서 상기 연소기관으로 공급하는 연료공급라인;
   상기 액화수소 저장탱크로부터 상기 액화수소가 자연 증발하여 생성된 액화수소 증발가스를 공급받아 재액화 과정을 거친 후 상기 액화수소를 상기 액화수소 저장탱크로 회수하는 제1 재액화라인;
   상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기;
   상기 압축기 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛;
   상기 냉각유닛 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기;
   상기 팽창기 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소와 상기 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기;
   상기 기액분리기로부터 분기되어 상기 액화수소 증발가스를 공급받아 추가로 재액화 과정을 거친 후 상기 액화수소를 상기 액화수소 저장탱크로 공급하는 제2 재액화라인을 포함하는 액화수소 운송용 선박.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 압축기 전단의 상기 제1 재액화라인과 상기 연료공급라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스와 상기 액화천연가스 사이에 열교환하는 제1 열교환기를 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인으로부터 분기되고 상기 액화천연가스 저장탱크로 연결되어 상기 액화천연가스를 회수하는 회수라인을 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인과 상기 압축기 후단의 상기 제1 재액화라인에 설치되어 상기 액화천연가스와 상기 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 제2 열교환기를 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각유닛은,
   상기 팽창기 전단의 상기 제1 재액화라인에 연결되어 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제2 재액화라인은, 상기 제3 열교환기를 통하여 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 액화수소 운송용 선박.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 제3 열교환기 후단의 상기 제2 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창밸브를 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.
8. 제 5항에 있어서,
   상기 냉각유닛은, 상기 제3 열교환기에 헬륨을 냉매로 순환시키는 헬륨냉각라인을 더포함하는 액화수소 운송용 선박.

Images