KR102460398B1 - 선박용 엔진의 연소공기 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 엔진에서 연료의 연소에 필요한 공기의 온도가 낮으면 엔진 효율이 향상되는 원리에 따라 엔진의 연소공기를 냉각시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템은, 엔진의 연소공기를 냉각시키는 연소공기 쿨러; 선박에서 필요로 하는 청수를 제1 냉매로 냉각시켜 순환시키는 적어도 하나 이상의 제1 쿨러; 상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 연소공기 쿨러에서 필요로 하는 만큼 펌핑하여 공급하는 연소공기 냉각용 펌프; 상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 연소공기 쿨러를 제외한 선박 내 다른 청수 수요처에서 필요로 하는 만큼 펌핑하여 공급하는 수요처용 펌프; 및 상기 청수를 제2 냉매로 냉각시키는 제2 쿨러;를 더 포함하여, 상기 연소공기 쿨러에서 연소공기를 냉각시키고 배출되는 청수는, 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러 중 어느 하나에서 냉각되고, 상기 연소공기 냉각용 펌프에 의해 순환하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 엔진의 연소공기 냉각 시스템 및 방법 {Scavenge Air Cooling System and Method for Ship}

본 발명은 선박의 엔진에서 연료의 연소에 필요한 공기의 온도가 낮으면 엔진 효율이 향상되는 원리에 따라 엔진의 연소공기를 냉각시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

선박에는 추진엔진(Main Engine), 발전엔진(Generator Engine) 등이 마련되는데, 이러한 엔진은 실린더 내로 일정수준 낮은 온도의 연소공기를 공급할수록 실린더 내부의 부식(Cold Corrosion)을 개선할 수 있고, 연료 소모량(SFOC; Specific Fuel Oil Consumption)을 절감할 수 있어 연료비를 절감할 수 있고 엔진 효율을 향상시킬 수 있다.

이를 위해, 종래에는 일반적으로, 선박에서 활용되는 청수를 냉각 및 순환시키는 중앙 청수 냉각 시스템(Central Fresh Water Cooling System)을 갖추고, 중앙 냉각 시스템에서 냉각된 청수를 이용하여 연소공기를 냉각시킨다.

중앙 청수 냉각 시스템은, 통상적으로 청수를 순환시키는 청수펌프(Cooling Fresh Water Pump)와 해수를 흡입하여 청수를 냉각시키는 해수펌프(Cooling Seawater Pump) 및 청수와 해수가 열 교환하는 열교환기를 마련하여, 열교환기를 기준으로 크게 2개의 냉각 순환 라인(Cooling Circuit)으로 구분된다.

이러한 중앙 청수 냉각 시스템은, 냉각된 청수의 온도가 약 36℃로 설계되어 있고, 엔진 연소공기의 온도는 청수 온도와의 열교환에 의해 결정되므로, 청수의 냉각 온도를 더 낮게 설정하여야 연소공기의 냉각 온도를 더 낮출 수 있으며, 청수의 냉각 온도는 청수를 냉각시키는 해수의 온도 및 열 교환량에 따라 결정되는데, 중앙 청수 냉각 시스템에서 냉각되는 청수는 연소공기를 냉각시키는 냉각수로만 활용되는 것이 아니라 선박 내 다른 청수 수요처로도 공급되기 때문에, 냉각 시스템 전체의 청수 냉각 설계 온도를 낮추는 것은 비효율적이다.

즉, 해수의 온도가 높은 곳을 운항하거나, 해수의 온도가 높은 해상에 부유하여 작업하는 선박이나 해상구조물의 경우에는 중앙 청수 냉각 시스템에서 냉각되는 청수의 온도, 엔진 연소공기의 온도를 낮추는데 한계가 있고, 이를 위해 선박이라는 특수한 한정된 공간 내에, 연소공기를 냉각시키기 위한 별도의 냉각수 시스템을 마련한다는 것은 공간, 비용적 측면에서 불리하므로 선호되는 사항은 아니다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로, 기존의 선박 내 중앙 청수 냉각 시스템의 설계 변경을 최소화하면서도 해수의 온도가 높더라도 엔진의 연소공기를 더 낮은 온도로 냉각시킬 수 있어 연료비를 절감하고 엔진 효율을 향상시킬 수 있는 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진의 연소공기를 냉각시키는 연소공기 쿨러; 선박에서 필요로 하는 청수를 제1 냉매로 냉각시켜 순환시키는 적어도 하나 이상의 제1 쿨러; 상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 연소공기 쿨러에서 필요로 하는 만큼 펌핑하여 공급하는 연소공기 냉각용 펌프; 상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 연소공기 쿨러를 제외한 선박 내 다른 청수 수요처에서 필요로 하는 만큼 펌핑하여 공급하는 수요처용 펌프; 및 상기 연소공기 쿨러에서 배출되는 청수를 제2 냉매로 냉각시키는 제2 쿨러;를 더 포함하여, 상기 연소공기 쿨러에서 연소공기를 냉각시키고 배출되는 청수는, 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러 중 어느 하나에서 냉각되고, 상기 연소공기 냉각용 펌프에 의해 순환하는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 제1 쿨러가 마련되는 제1 순환라인; 상기 제2 쿨러가 마련되는 제2 순환라인; 및 상기 수요처용 펌프가 마련되는 제3 순환라인;을 더 포함하여, 상기 연소공기 냉각용 펌프가 흡입하는 청수의 온도는 상기 수요처용 펌프가 흡입하는 청수의 온도보다 낮거나 같을 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 순환라인은, 상기 연소공기 쿨러의 후단으로부터 상기 연소공기 냉각용 펌프의 전단으로 연결되어, 상기 청수가 제2 순환라인으로 순환하면, 상기 적어도 하나의 제1 쿨러의 운전을 중단할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 순환라인 및 제3 순환라인은, 상기 제1 쿨러 후단에서 분기될 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소공기 쿨러로부터 배출되는 청수가 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러로 공급되도록 유로를 전환하는 제1 전환밸브; 및 상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수 또는 상기 제2 쿨러에서 냉각된 청수가 상기 연소공기 냉각용 펌프로 흡입되도록 유로를 전환하는 제2 전환밸브;를 더 포함할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 제1 쿨러에서 냉각수를 냉각시키는 단계; 상기 제1 쿨러에서 냉각된 냉각수를 연소공기 냉각용 펌프로 펌핑하여 연소공기 쿨러의 냉매로 공급하는 단계; 및 상기 연소공기 쿨러에서 엔진 연소공기를 냉각시킨 후의 냉각수를 상기 제1 쿨러로 또는 제2 쿨러로 순환시키는 단계;를 포함하고, 상기 제2 쿨러로 공급하는 냉매의 온도는 상기 제1 쿨러로 공급하는 냉매의 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 운용 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 제1 쿨러에서 냉각된 냉각수 중 연소공기 쿨러로 공급되고 남은 나머지를 수요처용 펌프로 펌핑하여 청수 수요처로 공급하는 단계; 및 상기 청수 수요처로부터 회수되는 냉각수는 제1 쿨러로 순환시키는 단계;를 더 포함하여, 선박의 중앙 청수 냉각 시스템을 순환하는 냉각수의 온도를 수요처에 따라 서로 다르게 공급할 수 있다.

바람직하게는, 제1 전환밸브의 개방 방향을 제어하여 상기 연소공기 쿨러에서 배출되는 냉각수의 유로를 전환하는 단계; 및 제2 전환밸브의 개방 방향을 제어하여 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러에서 냉각된 냉각수 중 어느 하나를 상기 연소공기 쿨러로 공급하는 단계;를 더 포함하여, 제1 냉각모드 또는 제2 냉각모드로 전환할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법에 의하면, 엔진의 연소공기를 엔진의 연소효율 향상을 위한 최소 온도로 냉각시킬 수 있고, 따라서 엔진 효율을 향상시킬 수 있고, 연료 소비를 절감할 수 있으며, 엔진의 실린더 부식 등을 개선하여 실린더 내부 상태(condition)를 향상시킬 수 있다.

또한, 종래의 중앙 청수 냉각 시스템의 최소한의 설계 변경으로 운영할 수 있으며, 청수펌프의 운전 대수 조합, 용량(capacity) 및 부하(load)를 운전 모드(mode) 별로 최적화하여 실시할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 엔진 연소공기를 냉각시키기 위해 공급하는 냉각수의 온도와 선박 내 다른 청수 수요처로 공급하는 청수의 온도를 독립적으로 제어할 수 있어 운전 부하를 낮출 수 있고 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 선박의 액화가스 저장탱크 내압을 조절할 수 있고, 액화가스의 낭비를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 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. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 본 명세서에서, 청수란 용어 그대로의 청수, 즉 해수를 담수화하여 정화한 청수를 선박 내 공정에서 필요한 물, 공정수(process water)로써 수요처로 공급하는 청수를 의미할 수 있고, 장치 또는 중간매체를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수(cooling water)를 의미할 수도 있으나, 본 발명에 따른 실시예들을 설명하기 위해, 편의상 냉각수라고 서술한 경우에도 반드시 장치 또는 매체를 냉각시키기 위한 목적으로 공급하는 냉각수로 한정하지는 않는다. 이하, 서술될 본 발명의 일 실시예에서는, 용어를 구별하기 위해 엔진 연소공기를 냉각시키기 위해 공급되는 청수는 '냉각수'라 하기로 하고, 엔진 연소공기의 냉각수 외에 다른 수요처로 공급되는 청수는 '청수'라 하기로 하며, 그 용어를 구별할 필요가 없는 경우에 따라서는 '청수'로 통일하여 지칭하기로 한다. 단, 앞서 설명한 바와 같이, 다른 수요처로 공급되는 청수 역시 냉각을 목적으로 공급되는 냉각수일 수 있다.

또한, 본 명세서에서, 엔진 연소공기를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수 및 청수 수요처로 공급되는 청수는 앞서 설명한 바와 같은 해수를 담수화한 청수일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 후술할 연소공기 쿨러 및 청수 수요처를 순환하는 글리콜 워터(Glycol Water) 등의 중간 매체로 활용되는 다른 유체일 수도 있으나 이하, 이러한 순환 유체를 앞서 설명한 바와 같이 '청수' 또는 '냉각수'라 하기로 한다. 단, 엔진 연소공기를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수와 청수 수요처로 공급되는 청수는 본 발명의 일 실시예들에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 순환하는 동일한 유체이며, 그 냉각시켜 공급하는 온도는 같을 수도 다를 수도 있다.

또한, 본 명세서에서, 제1 냉매는 해수일 수 있고, 제2 냉매는 BOG인 것을 바람직한 실시예로써 설명하기로 하나, 이에 한정하는 것은 아니고, 제2 냉매는 해수보다 낮은 온도이면서 선박에 엔진 연소공기를 냉각시키기 위해 별도로 더 마련되는 냉매가 아닌, 선박의 다른 냉매 수요처, 예를 들어 천연가스 액화시스템에서 천연가스를 액화시키는 액화질소와 같은 냉열원을 활용할 수도 있다.

또한, 본 명세서에서, 선박은 자항 능력을 갖춘 FPSO, LNG 운반선, 여객선, 화물선, 유조선 등일 수도 있고, 해상에 일정기간 부유 또는 정박하는 해양 시추 구조물 등의 해양구조물일 수도 있으며, 엔진(내연기관)이 구비되고, 엔진의 연소공기를 냉각시킬 필요가 있는 선박이라면 어디든 적용할 수 있다. 단, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas) 등 극저온의 액화가스를 엔진의 연료로써 또는 화물로써 저장하는 액화가스 저장탱크를 갖추고, 액화가스 저장탱크로부터 자연 기화하여 발생하는 BOG(Boil Off Gas) 또는 선박 내 공정에 활용되는 냉매를 얻을 수 있는 선박에 한정된다. 이하, 본 발명의 일 실시예들을 설명하기 위해 액화가스는 LNG, 즉 BOG는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서에서, 엔진(Engine)은, 연료를 연소시켜 동력을 얻을 수 있는 내연기관을 의미하며, 2행정 또는 4행정 기관일 수 있고, 디젤 엔진 등과 같이 오일을 연료로 할 수도 있으며, ME-GI 엔진 및 DFDE 등 LNG와 같은 액화가스를 기화시켜 가스 연료로 공급받을 수 있는 이중연료 엔진일 수도 있고, 주 추진 엔진 또는 발전 엔진일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 냉각시킨 연소공기를 필요로 하는 엔진이라면 어디든 적용될 수 있다. 그러나, 액화가스를 연료로 공급받을 수 있는 이중연료 엔진인 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이며, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예들에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

먼저, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 제1 내지 3 실시예에 공통적으로 해당되는 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템은, 도 1 내지 3에 도시한 바와 같이, 엔진(미도시)의 연소공기를 냉각시키는 연소공기 쿨러(400)를 포함하고, 연소공기 쿨러(400)에서는 엔진으로 공급할 연소공기와 냉각수를 열교환시킴으로써 냉각수에 의해 냉각된 연소공기를 엔진으로 공급할 수 있다.

또한, 연소공기 쿨러(400)로 연소공기를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수를 제1 냉매를 이용하여 냉각시키는 제1 쿨러(200)와, 제1 냉매, 즉, 해수를 흡입하여 제1 쿨러(200)로 공급하는 해수펌프(100) 및 해수 공급라인(SL)을 더 포함한다.

해수펌프(100)는 다수 개 마련될 수 있으며, 필요한 해수 공급량에 따라 작동시키는 해수펌프(100)의 대수 또는 적어도 하나의 운전속도(rpm), 부하를 조절하여 필요한 유량만큼의 해수를 제1 쿨러(200)로 공급할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 해수펌프(100)는 제1 해수펌프(100a), 제2 해수펌프(100b) 및 제3 해수펌프(100c)를 포함하여 3대가 마련될 수 있으며, 제3 해수펌프(100c)는 리던던시(redundancy)로 마련되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 해수펌프(100)에는 각각 VFD(Variable Frequency Drive) 제어가 가능하도록 VFD 모터가 장착될 수 있다. 또한 후술할 제2 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각시키는 제2 냉각모드에서는, 제1 냉매를 이용하여 냉각수를 냉각시키는 제1 냉각모드와 비교하여 적어도 한 대 이상의 해수펌프(100b)를 운전하지 않거나, 적어도 한 대 이상의 해수펌프(100a)의 부하를 낮춰서 운전할 수 있다.

예를 들어, 후술할 제2 냉각모드를 실시할 때, 청수 수요처에서 요구하는 온도에 따라 제1 쿨러(200)의 열 부하를 낮추고, 그에 따라 VFD 모터를 제어하여 해수펌프(100) 및 청수펌프(300)의 운전 부하를 낮추어 필요한 해수 유량만큼만 펌핑하도록 함으로써 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 쿨러(200)는 적어도 2대 이상 마련될 수 있으며, 냉각시킬 청수의 유량에 따라 2대를 동시에 운전하거나 1대만 운전할 수 있다. 예를 들어, 후술할 제1 냉각모드에서는 2대의 제1 쿨러(200a, 200b)를 모두 작동시켜 운전할 수 있고, 제2 냉각모드에서는 1대의 제1 쿨러(200b)만을 작동시켜 운전할 수 있다.

제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각된 청수는 청수 공급라인(FL)을 통해 연소공기 쿨러(400) 또는 청수 수요처로 공급되며, 제1 쿨러(200)에서 냉각된 냉각수는 후술할 제1 내지 제3 실시예에 따른 청수펌프(300)에 의해 흡입되며, 청수펌프(300)에 의해 흡입된 청수는 제1 순환라인(FLb)을 통해 연소공기 쿨러(400)로 공급되거나, 제3 순환라인(FLa)을 통해 청수 수요처로 공급된다.

제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각되어 청수 공급라인(FL)을 통해 공급되는 청수의 온도는, 약 36℃일 수 있다. 이는 후술할 제2 쿨러(700)에서 제2 냉매에 의해 냉각되는 냉각수의 온도보다 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 청수펌프(300) 또한 다수 대가 마련될 수 있고, 청수펌프(300) 각각에는 VFD 모터가 마련되어 냉각모드에 따라 그 운전속도 및 부하를 VFD 제어하여 에너지를 절감할 수 있고, 후술할 제1 및 제2 냉각모드에 따라 운전하는 청수펌프(300)의 대수가 달라질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 청수 수요처는 공기 응축기(Air Condenser), 공기 압축기(Air Compressor), 연료유 쿨러(Fuel Oil Cooler), 윤활유 쿨러(Lubrication Oil Cooler), 발전 엔진 쿨러(Generator-Engine Cooler) 등 선박 내에서 청수를 사용하는 각종 장비일 수 있다.

또한, 연소공기 쿨러(400)에서 사용 후 회수되는 냉각수 및 청수 수요처에서 사용 후 회수되는 냉각수는 회수라인(FLc)을 통해 제1 쿨러(200)에서 다시 냉각시켜 순환하거나, 회수라인(FLc)으로부터 분기되어 제1 쿨러(200)를 우회하는 분기라인(FLd)을 포함하여, 청수 공급라인(FL)을 통해 순환하는 청수의 온도를 조절할 수 있다. 단, 연소공기 쿨러(400)에서 사용 후 회수되는 냉각수는 후술할 제2 냉각모드에서는 회수라인(FLc)을 통해 제1 쿨러(200)로 공급되지 않고, 후술할 제2 순환라인(FR)을 통해 제2 쿨러(700)로 공급될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수는, 연소공기 쿨러(400)에서 냉각시킬 연소공기의 온도, 제1 쿨러(200)에서 냉각되어 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도 등에 따라 제1 쿨러(200)로 순환하는 제1 순환라인(FLb) 및 회수라인(FLc) 또는 제2 쿨러(700)로 순환하는 제2 순환라인(FR)으로 그 유로가 결정될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수를 제2 냉매를 이용하여 제2 쿨러(700)에서 냉각시키는 제2 순환라인(FR)을 포함할 수 있고, 제2 냉매는 선박의 LNG 저장탱크(미도시)에서 자연발생하는 BOG(Boil Off Gas) 또는 선박의 다른 냉각 또는 응축 내지는 액화 공정에서 활용되는 냉매일 수 있다. 따라서, 제2 쿨러(700)에는 BOG 또는 냉매를 제2 쿨러(700)로 공급하고, 제2 쿨러(700)에서 열교환 후 배출되는 BOG 또는 냉매를 회수하는 BOG 또는 냉매 공급라인(RL)이 연결된다. 단, 제2 쿨러(700)로 공급할 제2 냉매는 별도로 마련되는 구성은 아니다.

즉, 제2 쿨러(700)에서는 연소공기 냉각수와 BOG 또는 연소공기 냉각수와 냉매가 열교환하고, 제2 쿨러(700)에서 냉각된 냉각수는 연소공기 쿨러(400)로 공급되며 순환하는데, 제2 쿨러(700)에서 냉각시켜 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수는, 제1 쿨러(200)에서 냉각되어 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다.

제2 쿨러(700)로 공급되는 BOG의 온도는 약 -40℃ 내지는 -146℃일 수 있고, 제2 쿨러(700)로 공급되는 제2 냉매, 즉 BOG 또는 냉매의 온도는 제1 쿨러(200)로 공급되는 제1 냉매의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다.

예를 들어 LNG는 상압 하에서, 약 -162℃에서 액화되고, 그 근방 온도에서 액체상태로 단열된 저장탱크에 엔진 연료 또는 화물로써 저장되는데, 저장탱크가 단열되어 있더라도 이 극저온의 액화가스는 지속적으로 자연기화하여 BOG를 발생시킨다. 저장탱크 내에서 발생한 BOG는 저장탱크의 내압을 상승시키는 원인이 되므로 이를 처리할 다양한 수단, 장치들이 선박에 마련되는데, 본 발명에 따르면, 제2 쿨러(700)는 LNG 저장탱크로부터 BOG 공급라인(RL)이 연결되어, BOG를 공급받아 냉각수를 냉각시키는 냉열원으로 활용할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 제1 순환라인(FLb)의 제1 열교환기(200)에서 제1 냉매, 즉 해수의 온도가 너무 높아, 해수에 의해 냉각되는 냉각수의 온도가 연소공기 쿨러(400)에서 냉각되는 연소공기의 온도를 충분히 낮추지 못하게 되는 경우에는, 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수를, 저장탱크 내에 저장되어 있는 LNG보다 약간 높은 정도의 온도로 LNG 저장탱크로부터 배출되는 BOG를 이용하여 냉각수를 냉각시킬 수 있으므로, 해수의 온도에 상관없이, 연소공기 쿨러(400)에서 설계 최소 온도로 연소공기를 냉각시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선박의 냉매 수요처는, 선박의 공기 정화 유닛(Air Condition Unit), 불활성 가스 쿨링 유닛(Inert Gas Cooling Unit), 천연가스 액화 유닛 등 냉매를 사용하는 장비일 수 있고, 즉, 본 명세서에서 제2 냉매는 이러한 냉매를 사용하는 장비를 순환하는 냉매일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수를 제1 순환라인(FLb) 및 회수라인(FLc)으로 순환시킬지, 제2 순환라인(FR)으로 순환시킬지 그 유로를 전환하는 제1 전환밸브(500)가 연소공기 쿨러(400)의 후단에 마련되고, 연소공기 쿨러(400)로 연소공기를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수를, 제1 쿨러(200)에서 냉각시킨 냉각수를 공급할지, 제2 쿨러(700)에서 냉각시킨 냉각수를 공급할지 그 유로를 전환하는 제2 전환밸브(800)가 연소공기 쿨러(400) 전단에 마련된다.

제1 전환밸브(500) 및 제2 전환밸브(800)는 삼방밸브(3 way valve)로 마련될 수 있으며, 제1 전환밸브(500)는 연소공기 쿨러(400) 후단으로부터 이어지는 제1 순환라인(FLb)과 회수라인(FLc) 및 제2 쿨러(700)의 전단으로 이어지는 제2 순환라인(FR)이 만나는 지점에 마련될 수 있고, 따라서, 제1 순환라인(FLb), 제2 순환라인(FR) 및 회수라인(FLc)과 연결될 수 있으며, 제2 전환밸브(800)는 제2 쿨러(700)의 후단으로부터 연장되는 제2 회수라인(FR), 연소공기 쿨러(400)의 전단으로 이어지는 제1 순환라인(FLb) 또는 청수 공급라인(FL)이 만나는 지점에 마련될 수 있고, 따라서 제2 순환라인(FR) 및 제1 순환라인(FLb) 또는 제2 순환라인(FR) 및 청수 공급라인(FL)과 연결될 수 있다. 제1 전환밸브(500) 및 제2 전환밸브(800)의 개방 방향의 전환은 도시되지 않은 제어부에 의해 제어될 수 있다.

본 실시예에서, 회수라인(FLc)은 연소공기 쿨러(400)의 후단, 제1 전환밸브(500)의 후단으로부터 제1 쿨러(200)의 전단으로 이어지는 구간으로, 1 순환라인(FLb)으로써, 제1 순환라인(FLb)의 일부 구간을 의미하지만, 본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 편의상 회수라인(FLc)이라 칭하기로 한다.

이하, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 순환라인(FLb)의 연소공기 쿨러(400), 제3 순환라인(FLa)의 청수 수요처로부터 사용 후 배출되는 냉각수 및 청수는 하나의 회수라인(FLc)으로 통합되어 연결될 수도 있고, 제1 순환라인(FLb) 및 제3 순환라인(FLa)이 각각 제1 쿨러(200)와 연결될 수도 있으나, 하나의 회수라인(FLc)으로 통합하여 연결되는 것을 예로 들기로 한다. 즉, 회수라인(FLc)은 제1 순환라인(FLb) 및 제3 순환라인(FLc)의 일부 구간, 연소공기 쿨러(400) 및 청수 수요처의 후단으로부터 제1 쿨러(200)로 연결되는 구간을 의미한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법의 제1 내지 제3 실시예를 각각 설명하기로 한다. 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법은 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킬 냉각수를 제1 냉매를 이용하여 제1 쿨러(200)에서 냉각시키는 제1 냉각모드와, 제2 냉매를 이용하여 제2 쿨러(700)에서 냉각시키는 제2 냉각모드를 포함한다. 또한, 이하, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 해수펌프(100), 제1 쿨러(200) 및 청수펌프(300)는 다수 대가 마련될 수 있으나, 그 대수는 별도로 한정하는 바는 없고, 필요로하는 청수 또는 냉각수의 유량 등에 따라 그 마련되는 대수 및 운전되는 대수가 변경될 수 있다. 단, 이하 서술할 제1 내지 제3 실시예에서는, 3대의 해수펌프(100), 2대의 제1 쿨러(200) 및 3대의 청수펌프(300) 또는 2대의 연소공기 냉각용 펌프(300A) 및 2대의 수요처용 펌프(300B)가 마련되는 것을 예로 들어 설명하기로 하고, 후술할 냉각모드에 따른 운전 대수의 변화 역시 상황에 따라 변경될 수 있으나, 제2 냉각모드에서 운전되는 해수펌프(100) 및 제1 쿨러(200)의 운전 대수는 제1 냉각모드에서 운전되는 대수보다 적은 것을 특징으로 한다. 또한, 3대의 해수펌프(100)중 적어도 한 대의 해수펌프(100c), 3대의 청수펌프(300) 중 적어도 한 대의 청수펌프(300c) 및 2대의 연소공기 냉각용 펌프(300A) 중 적어도 한 대의 펌프와 2대의 수요처용 펌프(300B) 중 적어도 한 대의 펌프는 나머지 다른 하나 이상의 펌프가 작동 불가일 때 등 비상상황에서 운전할 수 있는 리던던시 펌프로 마련되는 것일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상술한 실시예에 따른 구성은 제1 내지 제3 실시예에 동일하게 적용될 수 있다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각된 청수를 연소공기 쿨러(400) 및 청수 수요처에서 필요로하는 유량만큼 청수펌프(300)에서 펌핑한 후, 청수펌프(300)에 의해 펌핑된 청수가, 청수펌프(300) 후단에서, 연소공기 쿨러(400)에서 필요로하는 유량만큼 제1 순환라인(FLb)으로, 청수 수요처에서 필요로하는 유량만큼 제3 순환라인(FLa)으로 분기되어 공급된다. 또한, 제2 전환밸브(800)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 청수펌프(300) 후단에서 연소공기 쿨러(400)의 전단으로 연결되는 제1 순환라인(FLb) 및 제2 쿨러(700) 후단으로부터 연소공기 쿨러(400)의 전단으로 연결되는 제2 순환라인(FR)의 분기지점에 마련되어, 제1 순환라인(FLb) 및 제2 순환라인(FR)과 연결된다. 즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 기존의 중앙 청수 냉각 시스템의 구성을 그대로 적용하되, 제2 순환라인(FR)을 추가하여 설계 변경을 최소화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 제2 순환라인(FR)에는 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수를 제2 쿨러(700)로 순환시키는 순환펌프(600)가 적어도 하나 이상 마련될 수 있다.

<제1 냉각모드>

제1 냉각모드로 운전할 때에는, 2대의 해수펌프(100a, 100b), 2대의 제1 쿨러(200a, 200b) 및 2대의 청수펌프(300a, 300b)가 운전되며, 제2 쿨러(700) 및 순환펌프(600)는 운전되지 않는다. 또한, 제1 전환밸브(500)는 연소공기 쿨러(400) 및 회수라인(FLc) 측으로 개방되고, 제2 전환밸브(800)는 청수펌프(300) 및 연소공기 쿨러(400) 측으로 개방되어, 제1 냉각모드에서는 냉각수가, 제1 쿨러(200), 청수펌프(300) 및 연소공기 쿨러(400)를 순환한다.

제1 냉각모드로 운전할 때에는, 제1 쿨러(200)에서 청수와 제1 냉매가 열교환하여 연소공기를 원하는 온도로 냉각시키기 위한 냉열을 얻은 청수가 연소공기 쿨러(400)로 공급된다. 해수펌프(100)에 의해 흡입된 제1 냉매, 즉 해수는, 해수 공급라인(SL)을 통해 제1 쿨러(200)로 공급되고, 제1 쿨러(200)에서 냉각수를 냉각시킨 후 배출된다.

제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각된 냉각수는, 적어도 2개의 청수펌프(200a, 200b)를 작동시켜 연소공기 쿨러(400) 및 청수 수요처에서 필요로 하는 유량만큼 청수펌프(300)에 의해 펌핑되어, 연소공기 쿨러(400)에서 필요로 하는 유량만큼은 제1 순환라인(FLb)을 흐르면서 연소공기 쿨러(400)로 유입되거나, 나머지 유량은 제3 순환라인(FLa)으로 분기되어 적어도 일부는 제1 순환라인(FLb)으로부터 분기되는 제3 순환라인(FLa)으로 유입되어 제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각된 청수를 필요로 청수 수요처(Other Machinery Group)로 공급된다. 이때, 제1 냉각모드에서 청수펌프(300)에 의해 흡입되는 냉각된 청수 중 제1 순환라인(FLb)으로 공급되는 연소공기 냉각수와, 제3 순환라인(FLa)로 공급되는 청수의 온도는 동일하다.

이때, 제2 전환밸브(800)는 청수펌프(300)에 의해 흡입된 청수가 연소공기 쿨러(400)로 흐르도록 제1 순환라인(FLb) 및 연소공기 쿨러(400) 측으로 개방된다.

연소공기 쿨러(400)로 공급된 냉각수는 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킨 후 배출되고, 회수라인(FLc)을 따라 다시 제1 쿨러(200)에서 해수와 열교환하여 냉각된다.

이때, 제1 전환밸브(500)는 연소공기 쿨러(400)에서 배출되는 냉각수가 제1 순환라인(FLb)의 회수라인(FLc)을 따라 제1 쿨러(200)로 공급되도록, 연소공기 쿨러(400) 및 제1 순환라인(FLb)의 회수라인(FLc) 측으로 개방된다.

제1 쿨러(200)로 공급되는 연소공기를 냉각시킨 후 냉각수 및 청수 수요처로부터 회수되는 청수는 전량이 회수라인(FLc)을 통해 제1 쿨러(200)로 공급되어 전량이 제1 냉매에 의해 냉각되어 청수펌프(300)로 흡입될 수 있고, 또는 적어도 일부를 분기시키는 분기라인(FLd)을 통해 적어도 일부의 유량이 제1 쿨러(200)를 우회하여 청수펌프(300)로 흡입됨으로써 냉각수의 냉각온도를 조절할 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 순환라인(FLb) 및 제3 순환라인(FLa)을 흐르는 청수는 제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각되는 순환 사이클을 형성할 수 있다.

<제2 냉각모드>

또는, 도 1에 도시된 바와 같이, 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수는 제2 순환라인(FR)으로 도입될 수도 있는데, 제1 냉매, 즉 해수와의 열교환으로는 엔진 연소공기를 냉각시키기에 충분하지 않은 경우, 작업자는 제2 순환라인(FR)의 제2 쿨러(700)에서 냉각수를 냉각시켜 연소공기를 냉각시킬 수 있다. 제2 순환라인(FR)을 흐르는 냉각수는 제2 쿨러(700)에서 제2 냉매에 의해 냉각되고, 제2 쿨러(700)에서 냉각된 후 연소공기 쿨러(400)로 재공급되는 순환 사이클을 형성할 수 있다.

제2 냉각모드로 운전할 때에는, 1대의 해수펌프(100a), 1대의 제1 쿨러(200a), 1대의 청수펌프(300a) 및 제2 쿨러(700), 순환펌프(600)가 운전된다. 또한, 제1 전환밸브(500)는 연소공기 쿨러(400) 및 제2 순환라인(FR) 측으로 개방되고, 제2 전환밸브(800)는 제2 쿨러(700) 및 연소공기 쿨러(400) 측으로 개방되어, 제2 냉각모드에서는 냉각수가 연소공기 쿨러(400), 순환펌프(600) 및 제2 쿨러(700)를 순환하여, 제1 냉매의 온도가 충분히 낮지 않을 때에도, 더 낮은 온도의 연소공기를 엔진으로 공급할 수 있다.

도시하지 않은 제어부는, 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도가 제1 냉매로의 냉각만으로 충분하지 않다고 판단되면, 연소공기 쿨러(400)로부터 배출되는 냉각수가 제2 순환라인(FR)으로 흐르도록 제1 전환밸브(500)를 제2 순환라인(FR) 측으로 개방하도록 한다. 이때, 제1 전환밸브(500)는 제2 순환라인(FR) 측으로 100% 개방하여 연소공기 쿨러(600)로부터 배출되는 냉각수 전부가 제2 순환라인(FR)으로 유입되도록 할 수도 있고, 서서히 제2 순환라인(FR) 측으로 개방하여 연소공기 쿨러(600)로부터 배출되는 냉각수의 일부는 제1 순환라인(FLb)을 흐르고, 나머지 일부는 제2 순환라인(FR)으로 흐르도록 하는 과도기를 거칠 수 있다.

제2 순환라인(FR)에 마련되는 순환펌프(600)는 연소공기 쿨러(400)로부터 제2 쿨러(700)로 냉각수가 유입되도록 연소공기 쿨러(400)로부터 배출된 후 제1 전환밸브(FR)의 유로전환으로 제2 순환라인(FR)으로 유입된 냉각수를 펌핑한다.

제2 쿨러(700)로 순환펌프(600)에 공급된 냉각수는 냉매 공급라인(RL)으로 공급되는 제2 냉매와 열교환하여 상기 제1 쿨러(200)에서 냉각되어 배출되는 냉각수보다 더 낮은 온도로 냉각되어 배출된다.

순환펌프(600)에 의해 펌핑된 냉각수는, 전량이 제2 쿨러(700)로 공급될 수도 있고, 일부만을 제2 쿨러(700)에서 냉각시키고 나머지는 제2 쿨러(700)를 우회하도록 제1 밸브(V1)를 제어하여, 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 온도를 조절할 수 있다.

단, 제2 순환라인(FR)을 통과하여 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도는, 제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각된 냉각수의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다.

즉, 해수, 즉 제1 냉매의 온도가 연소공기를 냉각시킬 만큼 충분히 낮아질 때까지, 작업자는 제2 냉각모드를 실시하여 냉각수가 제2 순환라인(FR)을 순환하면서 연소공기를 냉각시키도록 할 수 있다.

냉각수가 제2 순환라인(FR)을 흐를 때, 제어부는 연소공기 쿨러(400)의 전단에 마련되는 제2 전환밸브(800)의 제1 순환라인(FLb) 측으로 개방되어 있던 개방방향을 제2 순환라인(FLb) 측으로 개방되도록 개방 방향을 전환한다. 제1 전환밸브(500)와 마찬가지로 제2 순환라인(FLb) 측으로 100% 개방할 수도 있고, 서서히 개방을 전환하는 과도기를 거칠 수 있다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 냉각수를 제2 순환라인(FR)로 흐르도록 하여 제2 쿨러(700)에서 냉각시킬 때에는, 제어부는 순환펌프(600) 및 제2 쿨러(700)를 작동시키고, BOG가 냉매 공급라인(RL)으로 공급되도록 냉매 공급라인(RL)을 개방할 수 있으며, 제1 전환밸브(500) 및 제2 전환밸브(700)가 제2 순환라인(FR)을 측으로 개방되도록 제어할 수 있다.

또한, 연소공기 냉각수를 제2 순환라인(FR)에서 제2 쿨러(700)로 냉각시킬 때, 제어부는 청수펌프(300a, 300b, 300c) 중 적어도 하나 이상의 작동을 중단시키거나 운전속도를 낮추어 냉각수를 제1 순환라인(FLb)에서 제1 쿨러(200)로 냉각시킬 때보다 더 적은 유량의 청수를 펌핑할 수 있다.

즉, 제2 냉각모드에서는 연소공기 쿨러(400)를 순환하는 냉각수가 순환펌프(600)에 의해 제2 순환라인(FR)을 순환하게 되므로, 청수펌프(300)는 청수 수요처로 공급할 청수만을 제1 냉각모드에서 연소공기 쿨러(400)로 냉각수를 공급하기 위해 작동하던 다수 개의 청수펌프(300) 중에서 적어도 하나의 청수펌프(300a)는 작동을 하지 않을 수 있다. 뿐만아니라, 제1 쿨러(200) 역시 청수 공급라인(FL)으로 공급할 청수의 양, 즉 연소공기 쿨러(400)로 공급할 냉각수의 양 만큼은 냉각시키지 않아도 되므로, 적어도 하나의 제1 쿨러(200a)는 작동하지 않을 수 있고, 해수펌프(100) 역시 마찬가지이다.

제2 냉각모드에서는 작동하는 해수펌프(100a, 100b, 100c), 제1 쿨러(200a, 200b) 및 청수펌프(300a, 300b, 300c)의 대수가 제1 냉각모드에서 작동하는 대수보다 적어도 하나 이상 적은 것을 특징으로 한다.

제2 냉각모드를 실시할 때에는, 청수펌프(300)가 연소공기 쿨러(400)로 공급할 냉각수를 흡입하지 않아도 되므로, 해수펌프(100), 제1 쿨러(200) 및 청수펌프(300)에서는 제3 순환라인(FLa) 즉, 청수 수요처로 공급할 청수의 유량에 상응하는 대수만을 작동시키면 되는 것이다.

통상적으로, 청수펌프(300a) 보다는 순환펌프(600)가 더 작은 용량의 것으로 마련되고, 소비 전력 또한 적기 때문에 운영비용 및 에너지를 훨씬 절감할 수 있다. 한편, 청수 수요처로 공급할 청수는 엔진의 연소공기를 냉각시키는 냉각수 만큼 온도가 낮지 않아도 되므로, 중앙 청수 냉각 시스템에서 연소공기 쿨러(400)용 냉각수와 청수 수요처용 청수의 온도를 이원적으로 관리 및 제어할 수 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. 제2 실시예는, 제1 실시예의 변형예로써, 이하, 제1 실시예로부터 변형되는 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 순환라인(FR)은 연소공기 쿨러(401) 후단에서 제1 전환밸브(501)에 의해 제1 순환라인(FLb)으로부터 분기되어, 제2 쿨러(700) 후단으로부터 제2 전환밸브(800)에 의해 청수펌프(300)의 전단으로 연결된다.

제2 순환라인(FR)에는, 연소공기 쿨러(400)로부터 배출된 냉각수가 제2 쿨러(700)로 공급되도록 가압하는 부스팅펌프(601)가 마련된다.

이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템의 작동에 관해 설명하기로 한다. 단, 제1 냉각모드의 경우, 제1 실시예와 동일하게 적용되므로, 그 설명을 생략하고, 제2 냉각모드의 경우만을 설명하기로 한다.

<제2 냉각모드>

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 제2 냉각모드로 운전할 때에는, 1대의 해수펌프(100a), 1대의 제1 쿨러(200a), 2대의 청수펌프(300a) 및 제2 쿨러(700), 부스팅펌프(601)가 운전된다. 또한, 제1 전환밸브(500)는 연소공기 쿨러(400) 및 제2 순환라인(FR) 측으로 개방되고, 제2 전환밸브(800)는 제2 쿨러(700) 및 청수펌프(300) 측으로 개방되어, 제2 냉각모드에서는 냉각수가 연소공기 쿨러(400), 부스팅펌프(601), 제2 쿨러(700) 및 청수펌프(300a)를 순환하여, 제1 냉매의 온도가 충분히 낮지 않을 때에도, 더 낮은 온도의 연소공기를 엔진으로 공급할 수 있다.

제1 냉매, 즉 해수를 이용하여 제1 쿨러(200)에서 연소공기 냉각수를 냉각시키는 것으로는 충분하지 않은 경우, 작업자는 제2 순환라인(FR)의 제2 쿨러(700)에서 연소공기 냉각수를 냉각시켜 연소공기를 냉각시키는 제2 냉각모드를 실시할 수 있다.

제어부는, 제2 냉각모드에서 부스팅펌프(601) 및 제2 쿨러(700)를 작동시키고, 제1 전환밸브(500) 및 제2 전환밸브(800)의 개방 방향을 전환시킨다.

연소공기 쿨러(400)를 통과한 냉각수를 제2 쿨러(700)에서 냉각시키기 위해, 제어부는 제1 전환밸브(500)를 연소공기 쿨러(400) 및 제2 순환라인(FR) 측으로 개방한다.

또한, 제어부는 부스팅펌프(601)를 작동시켜, 부스팅펌프(601)가 연소공기 쿨러(400)를 통과한 냉각수를 흡입하여 제2 쿨러(701)로 펌핑하도록 하고, 냉매 공급라인(RL)을 개방하여, BOG가 제2 쿨러(700)로 공급되도록 한다.

이 때, 부스팅펌프(601)에 의해 흡입되는 냉각수는, 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기와 냉각한 후 온도가 상승한 냉각수 일 수 있고, 연소공기 쿨러(400)를 우회하는 라인(미도시)을 더 마련하여 연소공기 쿨러(400)를 통과하지 않고, 직접 제2 쿨러(700)로 공급될 수도 있다.

부스팅펌프(601)에 의해 제2 쿨러(700)로 공급된 냉각수는 제2 쿨러(700)에서 제2 냉매와 열교환하여 냉각되고, 제2 쿨러(700)에서 제2 냉매와 열교환하여 냉각된 냉각수는 제2 쿨러(700)에서 배출된 후, 청수펌프(300a)에 의해 펌핑되어 연소공기 쿨러(400)로 공급된다.

이때 제어부는, 제2 전환밸브(801)를 제2 순환라인(FR) 및 청수펌프(300)의 전단 측으로 개방시키고, 제2 쿨러(700)에서 냉각된 냉각수가 청수펌프(300)에 의해 펌핑되어 연소공기 쿨러(400)로 공급되도록 할 수 있다.

제2 순환라인(FR)을 통과하여 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도는 제1 쿨러(200)에서 제1 냉매에 의해 냉각된 냉각수의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다. 즉, 해수, 즉 제1 냉매의 온도가 연소공기를 냉각시킬 만큼 충분히 낮아질 때까지, 작업자는 제2 냉각모드를 실시하여 냉각수가 제2 순환라인(FR)을 순환하면서 연소공기를 냉각시키도록 할 수 있다.

제2 실시예에 따른 제2 냉각모드에서 작동하는 해수펌프(100a, 100b, 100c) 및 제1 쿨러(200a, 200b)의 운전 대수는 제1 냉각모드에서 작동하는 대수보다 적어도 하나 이상 적은 것을 특징으로 한다.

해수펌프(100a, 100b, 100c) 및 청수펌프(300a, 300b, 300c)에는 VFD(Variable Frequency Drive) 모터를 장착하여, 제2 냉각모드를 실시할 때, 청수 수요처에서 요구하는 온도에 따라 제1 쿨러(200)의 열 부하를 낮추고, 그에 따라 VFD 모터를 제어하여 해수펌프(100) 및 청수펌프(300)의 운전 부하를 낮추어 필요한 해수 유량만큼만 펌핑하도록 함으로써 에너지를 절감할 수 있다.

또한, 제2 실시예에 따르면, 제2 냉각모드에서 부스팅펌프(601)에 작동에 의해 운전 중이던 청수펌프(300a, 300b, 300c) 중 어느 하나의 청수펌프(300a)의 수두(head)를 감소시킬 수 있으며, 따라서 청수펌프(300a)의 부하를 감소시킬 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. 제3 실시예는 제1 실시예의 변형예로써, 이하, 제1 실시예로부터 변형되는 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명의 제3 실시예에 의한 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템은, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 쿨러(200) 또는 제2 쿨러(700)에서 냉각된 냉각수를 흡입하여 연소공기 쿨러(400)로 공급하는 연소공기 냉각용 펌프(300A), 제1 쿨러(200)에서 냉각된 청수를 청수 수요처로 공급하는 수요처용 펌프(300B)가 각각 마련되는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 연소공기 냉각용 냉각수와 청수 수요처로 공급할 청수의 온도를, 독립적으로 이원화시켜 제어하고 운영할 수 있다.

<제1 냉각모드>

예를 들어, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 냉각모드는, 적어도 2대의 해수펌프(100a, 100b)를 가동시켜 해수를 흡입하고, 해수 공급라인(SL)을 통해 제1 쿨러(200)로 공급하며, 적어도 2대의 제1 쿨러(200a, 200b)를 가동시켜, 해수와 청수를 열교환시키고, 제1 쿨러(200a, 200b)에서 해수에 의해 냉각된 청수는 청수 공급라인(FL)을 통해 이송된다.

청수 공급라인(FL)으로 이송되는 냉각된 청수는, 필요한 유량에 따라 제1 순환라인(FLb) 및 제3 순환라인(FLa)으로 공급되는데, 이 때, 제1 순환라인(FLb)에서는 적어도 한 대의 연소공기 냉각용 펌프(300A)를 가동시켜 냉각수를 흡입하고, 흡입한 냉각수는 연소공기 쿨러(400)로 펌핑한다. 연소공기 쿨러(400)로 공급된 냉각수는 엔진 연소공기와 열교환하여 엔진 연소공기를 냉각시킨다. 엔진 연소공기를 냉각시킨 후 연소공기 쿨러(400)로부터 배출되는 냉각수는 회수라인(FLc)을 따라 제1 쿨러(200)로 회수되며, 제1 쿨러(200)에서 해수에 의해 냉각되며 순환한다.

이때, 제2 전환밸브(800)는 청수펌프(200)에 의해 제1 순환라인(FLb)으로 펌핑된 냉각수가 연소공기 쿨러(400)로 공급되도록, 청수펌프(200) 및 연소공기 쿨러(400) 측으로 개방되어 있도록 제어하고, 제1 전환밸브(800)는 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시키고 배출되는 냉각수가 회수라인(FLc)을 따라 제1 쿨러(200)로 공급되도록, 연소공기 쿨러(400) 및 회수라인(FLc) 측으로 개방되어 있도록 제어한다.

또한, 제3 순환라인(FLa)에서는 제1 쿨러(200)에서 냉각된 청수를 적어도 한 대의 수요처용 펌프(300B)를 가동시켜 흡입하고, 흡입한 청수는 청수 수요처로 펌핑하여 공급해준다. 청수 수요처에서 사용 후 배출되는 청수는 회수라인(FLc)을 따라 다시 제1 쿨러(200)로 회수되며, 제1 쿨러(200)에서 해수에 의해 냉각되며 순환한다. 회수라인(FLc)으로 회수되는 청수는, 분기라인(FLd)을 따라 적어도 일부가 제1 쿨러(200)를 우회하도록 하여 청수 수요처로 공급되는 청수의 온도를 조절할 수 있다. 반면, 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도는 후술할 제2 냉각모드 등에 의해 조절할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 냉각모드에서는, 제2 쿨러(700)는 가동되지 않으며, 후술할 제2 냉각모드에서 가동되는 제1 쿨러(200) 및 해수펌프(100)의 대수보다 각각 적어도 하나가 더 가동된다.

<제2 냉각모드>

예를 들어, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 냉각모드는, 연소공기 쿨러(400)에서 배출되는 냉각수를 제2 쿨러(700)에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는데, 이 때 제어부는, 제2 쿨러(700)를 가동시키고, 제2 쿨러(700)로 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 냉매, 예를 들어 BOG를 공급하는 BOG 공급라인(RL)을 개방시킨다. 또한, 제어부는 제1 전환밸브(500)가 연소공기 쿨러(400)에서 배출되는 냉각수가 제2 순환라인(FR)을 통해 제2 쿨러(700)로 공급되도록 연소공기 쿨러(400) 및 제2 순환라인(FR)의 제2 쿨러(700) 측으로 개방되도록 제어하고, 제2 쿨러(400)에서 제2 냉매에 의해 냉각되어 배출되는 냉각수가 연소공기 쿨러(400)로 공급될 수 있도록, 제2 전환밸브(800)가 제2 순환라인(FR)의 제2 쿨러(700) 및 연소공기 냉각용 펌프(300A) 측으로 개방되도록 제어한다. 즉, 연소공기 쿨러(400)에서 연소공기를 냉각시키는 냉각수는, 제2 쿨러(700)를 포함하는 제2 순환라인(FR)을 순환하는 사이클이 형성된다.

또한, 청수 수요처로는, 제1 쿨러(200)에서 냉각된 청수를 공급하며, 적어도 1대의 해수펌프(100a)를 가동시켜 해수를 흡입하고, 해수라인(SL)을 통해 제1 쿨러(200)로 공급하며, 적어도 1대의 제2 쿨러(200a)를 가동시켜, 해수와 청수를 열교환시키고, 제1 쿨러(200a)에서 해수에 의해 냉각된 청수는 청수 공급라인(FL)을 통해 이송된다.

청수 공급라인(FL)으로 이송되는 냉각된 청수는, 제3 순환라인(FLa)으로 공급되는데, 적어도 1대의 수요처용 펌프(300B)를 가동시켜 청수를 흡입하고, 청수 수요처로 펌핑하여 공급해준다. 청수 수요처에서 사용 후 배출되는 청수는 회수라인(FLc)을 따라 다시 제1 쿨러(200a)로 회수되며, 제1 쿨러(200a)에서 해수에 의해 냉각되며 순환한다. 회수라인(FLc)으로 회수되는 청수는, 분기라인(FLd)을 따라 적어도 일부가 제1 쿨러(200a)를 우회하도록 하여 청수 수요처로 공급되는 청수의 온도를 조절할 수 있다.

제2 냉각모드에서 제2 순환라인을 순환하며 연소공기 쿨러(400)로 공급되는 냉각수의 온도는 제3 순환라인을 순환하며 청수 수요처로 공급되는 청수의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하고, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 냉각모드에서는 상술한 제1 냉각모드와 비교하여 적어도 한 대의 해수펌프(100) 및 적어도 한 대의 제1 쿨러(200)를 덜 가동시킨다.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 중앙 청수 시스템을 사용하는 선박에서, 상대적으로 더 낮은 온도로의 냉각을 요구하는 연소공기 쿨러(400)로 공급하는 냉각수의 온도와, 상대적으로 더 높은 온도의 청수를 필요로하는 청수 수요처로 공급하는 청수의 온도를 이원화하여 관리할 수 있고, 모드별로 가동시키는 장치의 대수나 부하 등을 적합하게 조합하여 사용할 수 있으므로 에너지를 절감할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진 연소공기를 BOG를 이용하여 최소온도로 냉각시킬 수 있고, 해수의 온도가 높아도 엔진 연소공기를 충분히 냉각시킬 수 있어 엔진 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 청수 냉각 시스템에서 제2 순환라인(FR) 추가 등 설계 변경을 최소화하여 펌프, 쿨러 등의 운전 조합 및 용량을 모드별로 최적화하여 에너지를 절감할 수 있다. 또한, BOG를 냉열원으로 활용함으로써 시스템에서 소비되는 에너지를 절약할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100 : 해수펌프
200 : 제1 쿨러
300 : 청수펌프
400 : 연소공기 쿨러
600 : 제1 전환밸브
700 : 제2 쿨러
800 : 제2 전환밸브
FLb : 제1 순환라인
FR : 제2 순환라인

Claims (8)

1. 엔진의 연소공기를 냉각시키는 연소공기 쿨러;
   선박에서 필요로 하는 청수를 제1 냉매로 냉각시켜 순환시키는 적어도 하나 이상의 제1 쿨러;
   상기 제1 쿨러로 제1 냉매로서 해수를 공급하는 하나 이상의 해수펌프;
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 연소공기 쿨러에서 필요로 하는 만큼 펌핑하여 공급하는 연소공기 냉각용 펌프;
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 연소공기 쿨러를 제외한 선박 내 다른 청수 수요처에서 필요로 하는 만큼 펌핑하여 공급하는 수요처용 펌프; 및
   상기 연소공기 쿨러에서 배출되는 청수를 제2 냉매로 냉각시키는 제2 쿨러;를 더 포함하여,
   상기 연소공기 쿨러에서 연소공기를 냉각시키고 배출되는 청수는, 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러 중 어느 하나에서 냉각되고, 상기 연소공기 냉각용 펌프에 의해 순환하며,
   상기 연소공기 쿨러는,
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 냉각수를 공급받아 연소공기를 냉각시키는 제1 냉각모드; 및
   상기 제2 쿨러에서 냉각된 냉각수를 공급받아 연소공기를 냉각시키는 제2 냉각모드; 중 어느 하나의 모드로 운전되며,
   상기 제1 냉각모드와 제2 냉각모드로 운전될 때 가동되는 해수펌프 및 제1 쿨러의 대수는 상이하고,
   상기 제1 냉각모드에서 가동되는 해수펌프 및 제1 쿨러의 대수보다 제2 냉각모드에서 가동되는 해수펌프 및 제1 쿨러의 대수가 더 적은, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 쿨러가 마련되는 제1 순환라인;
   상기 제2 쿨러가 마련되는 제2 순환라인; 및
   상기 수요처용 펌프가 마련되는 제3 순환라인;을 더 포함하여,
   상기 연소공기 냉각용 펌프가 흡입하는 청수의 온도는 상기 수요처용 펌프가 흡입하는 청수의 온도보다 낮거나 같은 것을 특징으로 하는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2 순환라인은,
   상기 연소공기 쿨러의 후단으로부터 상기 연소공기 냉각용 펌프의 전단으로 연결되어,
   상기 청수가 제2 순환라인으로 순환하면,
   상기 적어도 하나의 제1 쿨러의 운전을 중단할 수 있는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 순환라인 및 제3 순환라인은,
   상기 제1 쿨러 후단에서 분기되는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 연소공기 쿨러로부터 배출되는 청수가 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러로 공급되도록 유로를 전환하는 제1 전환밸브; 및
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 청수 또는 상기 제2 쿨러에서 냉각된 청수가 상기 연소공기 냉각용 펌프로 흡입되도록 유로를 전환하는 제2 전환밸브;를 더 포함하는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템.
6. 제1 쿨러에서 냉각수를 냉각시키는 단계;
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 냉각수를 연소공기 냉각용 펌프로 펌핑하여 연소공기 쿨러의 냉매로 공급하는 단계;
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 냉각수 중 연소공기 쿨러로 공급되고 남은 나머지를 수요처용 펌프로 펌핑하여 청수 수요처로 공급하는 단계; 및
   상기 연소공기 쿨러에서 엔진 연소공기를 냉각시킨 후의 냉각수를 상기 제1 쿨러로 또는 제2 쿨러로 순환시키는 단계;를 포함하고,
   상기 제2 쿨러로 공급하는 냉매의 온도는 상기 제1 쿨러로 공급하는 냉매의 온도보다 더 낮으며,
   상기 연소공기 쿨러는,
   상기 제1 쿨러에서 냉각된 냉각수를 공급받아 연소공기를 냉각시키는 제1 냉각모드; 및 상기 제2 쿨러에서 냉각된 냉각수를 공급받아 연소공기를 냉각시키는 제2 냉각모드; 중 어느 하나의 모드로 운전되고,
   상기 제1 쿨러로 냉각수를 순환시킬 때와, 제2 쿨러로 냉각수를 순환시킬 때 운전되는 제1 냉매를 공급하는 해수펌프와, 상기 제1 쿨러의 대수가 상이하며,
   상기 제1 쿨러로 냉각수를 순환시킬 때 운전되는 해수펌프 및 제1 쿨러의 대수보다 상기 제2 쿨러로 냉각수를 순환시킬 때 운전되는 해수펌프 및 제1 쿨러의 대수가 더 적은, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 운용 방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 청수 수요처로부터 회수되는 냉각수는 제1 쿨러로 순환시키는 단계;를 더 포함하여,
   선박의 중앙 청수 냉각 시스템을 순환하는 냉각수의 온도를 수요처에 따라 서로 다르게 공급할 수 있는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 운용 방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   제1 전환밸브의 개방 방향을 제어하여 상기 연소공기 쿨러에서 배출되는 냉각수의 유로를 전환하는 단계; 및
   제2 전환밸브의 개방 방향을 제어하여 상기 제1 쿨러 또는 제2 쿨러에서 냉각된 냉각수 중 어느 하나를 상기 연소공기 쿨러로 공급하는 단계;를 더 포함하여,
   제1 냉각모드 또는 제2 냉각모드로 전환하는, 선박용 엔진 연소공기 냉각 시스템 운용 방법.

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