KR102461340B1 - Vessel For Liquefied Hydrogen Transport - Google Patents

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KR102461340B1
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정승재
곽기곤
성용욱
하대승
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

The present invention provides a vessel for liquefied hydrogen transport, which can efficiently process liquefied hydrogen boil-off gas created during transport. According to the present invention, the vessel for liquefied hydrogen transport comprises: a hull; a liquefied natural gas storage tank installed on the hull to store liquefied natural gas; at least one liquefied hydrogen storage tank installed on the hull to store liquefied hydrogen; a combustion engine receiving the liquefied natural gas to generate power; a fuel supply line supplying the liquefied natural gas from the liquefied natural gas storage tank to the combustion engine; a reliquefaction line receiving liquefied hydrogen boil-off gas created as the liquefied hydrogen evaporates naturally from the liquefied hydrogen storage tank to collect the liquefied hydrogen into the liquefied hydrogen storage tank after undergoing a reliquefaction process; a compressor installed on the reliquefaction line to compress the liquefied hydrogen boil-off gas; a cooling unit installed on the reliquefaction line at the rear end of the compressor and cooling the liquefied hydrogen boil-off gas through an independent cooling cycle; an expander installed on the reliquefaction line at the rear end of the cooling unit to insulate and expand the liquefied hydrogen boil-off gas; a gas-liquid separator installed on the reliquefaction line at the rear end of the expander to separate the liquefied hydrogen and the liquefied hydrogen boil-off gas; a fuel supply line supplying the liquefied natural gas from the liquefied natural gas storage tank to the combustion engine; and a circulation line branching from the gas-liquid separator to supply the liquefied hydrogen boil-off gas to the reliquefaction line at the front end of the compressor.

Description

액화수소 운송용 선박{Vessel For Liquefied Hydrogen Transport}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.The present invention relates to a ship for transporting liquid hydrogen, and more particularly, to a ship for transporting liquid hydrogen that can efficiently process liquid hydrogen boil-off gas generated during transportation.

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.Recently, the demand for natural gas is rapidly increasing. As the demand for natural gas increases and carbon emission increases, regulations on carbon emission are being strengthened, and eco-friendly fuels that can replace natural gas are attracting attention. As a representative example, hydrogen, which does not emit carbon, is attracting attention.

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.When hydrogen fuel is combusted, it combines with oxygen in the air to become water, so pollutants such as exhaust gas are hardly generated. Due to these characteristics, the demand for hydrogen fuel is expected to increase significantly in the future, so it is necessary to build an infrastructure for the use of hydrogen fuel.

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.In particular, it is essential to develop a ship capable of transporting hydrogen fuel in large quantities. When large-capacity hydrogen is transported over long distances, it is transported as liquid hydrogen by changing the phase to cryogenic liquid. In order to transport hydrogen in a liquid state, an insulating structure that prevents heat inflow from the outside into the storage tank is used, but it is difficult to block 100% of external heat. This causes liquid hydrogen to evaporate during transportation, and this boil-off gas is called BOG (Boil-Off Gas). If the amount of BOG generated increases, liquid hydrogen is lost and the internal pressure of the storage tank increases. Furthermore, there is a problem in that BOG is generated in the fuel storage tank that stores the fuel and the internal pressure is increased, and accordingly, the internal pressure of the fuel tank needs to be adjusted.

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. That is, both the liquid hydrogen storage tank and the fuel storage tank need to adjust the internal pressure through BOG treatment. When BOG is discharged to the outside for pressure control, there is a problem that leads to economic loss, and various methods have been devised to process the generated BOG without loss. One method is to reliquefy the evaporated BOG and recover it to a tank. However, since the liquid hydrogen BOG and the fuel BOG have different reliquefaction temperatures, there is a problem in that each cooling device must be separately provided. In addition, in the case of liquid hydrogen BOG, the reliquefaction temperature is very low, so there was a problem in that it is difficult to completely reliquefy the BOG by one cooling process.

대한민국 공개특허 제10-2020-0109054호(2020.09.22)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0109054 (2020.09.22)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 운송 중 발생하는 액화수소 증발가스를 효율적으로 처리할 수 있는 액화수소 운송용 선박을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a ship for transporting liquefied hydrogen that can efficiently process liquefied hydrogen boil-off gas generated during transport.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

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 재액화라인, 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기, 상기 압축기 후단의 상기 재액화라인에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛, 상기 냉각유닛 후단의 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기, 상기 팽창기 후단의 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소와 상기 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기, 상기 기액분리기로부터 분기되어 상기 액화수소 증발가스를 상기 압축기 전단의 상기 재액화라인으로 공급하는 순환라인을 포함한다.A ship for transporting liquid hydrogen according to the present invention includes a hull, a liquefied natural gas storage tank installed on the hull to store liquefied natural gas, at least one liquid hydrogen storage tank installed on the hull to store liquefied hydrogen, the liquefied natural gas A combustion engine for generating power by receiving gas, a fuel supply line for supplying the liquefied natural gas from the liquefied natural gas storage tank to the combustion engine, and liquefied hydrogen generated by natural evaporation of the liquefied hydrogen from the liquefied hydrogen storage tank A re-liquefaction line for receiving boil-off gas and recovering the liquid hydrogen to the liquid hydrogen storage tank after undergoing a re-liquefaction process, a compressor installed in the re-liquefaction line to compress the liquid hydrogen boil-off gas, and the ash at the rear end of the compressor A cooling unit installed in a liquefaction line and cooling the liquefied hydrogen boil-off gas through an independent cooling cycle, an expander installed in the re-liquefaction line at the rear end of the cooling unit to adiabically expand the liquid hydrogen boil-off gas, the ash at the rear end of the expander A gas-liquid separator installed in a liquefaction line to separate the liquefied hydrogen and the liquefied hydrogen boil-off gas, and a circulation line branching from the gas-liquid separator to supply the liquid hydrogen boil-off gas to the re-liquefaction line in front of the compressor.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 압축기 전단의 상기 재액화라인과 상기 연료공급라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스와 상기 액화천연가스 사이에 열교환하는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다. The liquefied hydrogen transport vessel may further include a first heat exchanger installed in the re-liquefaction line and the fuel supply line in front of the compressor to exchange heat between the liquefied hydrogen boil-off gas and the liquefied natural gas.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인으로부터 분기되고 상기 액화천연가스 저장탱크로 연결되어 상기 액화천연가스를 회수하는 회수라인을 더 포함할 수 있다.The liquefied hydrogen transport vessel may further include a recovery line branched from the fuel supply line at the rear end of the first heat exchanger and connected to the liquefied natural gas storage tank to recover the liquefied natural gas.

상기 액화수소 운송용 선박은, 상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인과 상기 압축기 후단의 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화천연가스와 상기 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.The liquid hydrogen transportation vessel is installed in the fuel supply line at the rear end of the first heat exchanger and the re-liquefaction line at the rear end of the compressor to exchange heat between the liquefied natural gas and the liquid hydrogen boil-off gas further comprising a second heat exchanger can do.

상기 냉각유닛은, 상기 팽창기 전단의 상기 재액화라인에 연결되어 헬륨 냉매로 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.The cooling unit may further include a third heat exchanger connected to the re-liquefaction line at the front end of the expander to cool the liquefied hydrogen boil-off gas with a helium refrigerant.

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 다시 재액화 사이클로 순환시켜 재액화가 될 때까지 반복해서 구동이 가능하다.According to the present invention, when liquid hydrogen is transported, it is possible to efficiently process the liquid hydrogen boil-off gas generated during transportation by re-liquefying the boil-off gas of the liquid hydrogen with a simple structure. In particular, it is possible to adjust the internal pressure of the liquefied natural gas storage tank by using the cooling heat of liquefied hydrogen boil-off gas to cryogenically cool liquefied natural gas used as fuel. In addition, it is possible to control the phase change by vaporizing the liquefied natural gas using the heat of the liquid hydrogen boil-off gas. That is, it is possible to cool or vaporize the liquefied natural gas using liquefied hydrogen boil-off gas without the need for a separate cooling device for liquefied natural gas. All used liquid hydrogen boil-off gas can be re-liquefied and stored in liquid hydrogen state. Furthermore, it is possible to repeatedly drive the liquefied hydrogen boil-off gas through the re-liquefaction cycle until it is re-liquefied by branching only the liquid hydrogen boil-off gas that has not been liquefied and circulating it again into the re-liquefaction cycle.

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.1 is a schematic view of a vessel for transporting liquid hydrogen according to the present invention.
2 is an operational diagram of a state in which liquefied natural gas is supplied to a combustion engine.
Figure 3 is an operational view of the state of adjusting the pressure of the liquefied natural gas storage tank by recovering the liquefied natural gas.

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.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 3, a vessel for transporting liquid hydrogen according to the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박의 개략도이다.1 is a schematic view of a vessel for transporting liquid hydrogen according to the present invention.

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 재액화라인(31)과, 재액화라인(31)에 설치되어 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기(32)와, 압축기(32) 후단의 재액화라인(31)에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛(40)과, 냉각유닛(40) 후단의 재액화라인(31)에 설치되어 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기(34)와, 팽창기(34) 후단의 재액화라인(31)에 설치되어 액화수소와 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기(35)와, 기액분리기(35)로부터 분기되어 액화수소 증발가스를 압축기 전단의 재액화라인(31)으로 공급하는 순환라인(36)을 포함한다.1, the ship 1 for transporting liquefied hydrogen according to the present invention includes a hull 10, a liquefied natural gas storage tank 20 installed on the hull 10 to store liquefied natural gas, and a hull ( At least one liquefied hydrogen storage tank 30 installed in 10) to store liquefied hydrogen, a combustion engine 100 that generates power by receiving liquefied natural gas, and a liquefied natural gas storage tank 20 ) from the fuel supply line 21 supplied to the combustion engine 100 and the liquefied hydrogen storage tank 30 to receive liquefied hydrogen boil-off gas generated by natural evaporation of liquefied hydrogen, undergo a re-liquefaction process, and then produce liquefied hydrogen. A reliquefaction line 31 for recovering the liquid hydrogen storage tank 30, a compressor 32 installed in the reliquefaction line 31 to compress liquid hydrogen boil-off gas, and a reliquefaction line at the rear end of the compressor 32 ( 31) installed in the cooling unit 40 for cooling the liquefied hydrogen boil-off gas through an independent cooling cycle, and an expander ( 34), a gas-liquid separator 35 installed in the reliquefaction line 31 at the rear end of the expander 34 to separate liquefied hydrogen and liquefied hydrogen boil-off gas, and the liquid hydrogen boil-off gas branched from the gas-liquid separator 35 by a compressor It includes a circulation line 36 for supplying to the reliquefaction line 31 of the previous stage.

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 액화수소 증발가스가 재액화가 될 때까지 순환시킬 수 있는 특징이 있다.The vessel 1 for transporting liquid hydrogen is a vessel for transporting a large amount of hydrogen over long distances. The liquid hydrogen transportation vessel 1 reduces the volume of gaseous hydrogen to 1/800 compared to the gaseous state in order to transport a large amount of hydrogen, and then transports liquid hydrogen in a state liquefied at a cryogenic temperature of -253°C. The ship 1 for transporting liquid hydrogen according to the present invention includes at least one liquid hydrogen storage tank 30 for the purpose of transporting hydrogen, and a plurality of liquid hydrogen storage tanks 30 may be sufficiently provided. The liquid hydrogen storage tank 30 has a surface insulated to keep the liquid hydrogen in a cryogenic liquid state, but it is difficult to completely block heat exchange with the outside, and inevitably a part of the liquid hydrogen is vaporized and boil off gas ( BOG) may occur. The ship 1 for transporting liquid hydrogen according to the present invention is a ship capable of re-liquefying the liquid hydrogen boil-off gas naturally evaporated in the liquid hydrogen storage tank 30 and re-supplying it to the liquid hydrogen storage tank 30 . In particular, the ship 1 for transporting liquid hydrogen according to the present invention has a feature that can be circulated until the liquid hydrogen boil-off gas is re-liquefied.

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.The hull 10 functions as a body of the ship 1 for transporting liquid hydrogen, and can accommodate various devices included in the cycle for re-liquefying the liquid hydrogen storage tank 30 and liquid hydrogen. In addition, the hull 10 may also accommodate a liquefied natural gas storage tank 20 and a combustion engine 100 for storing liquefied natural gas for providing a driving force to the ship 1 for transporting liquid hydrogen. That is, the hull 10 is provided with a liquefied natural gas storage tank 20 and a liquefied hydrogen storage tank 30 on one side. The size or shape of the hull 10 is not limited to any one, and various modifications are possible for the purpose of transporting liquid hydrogen.

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. The liquid hydrogen storage tank 30 is installed on the hull 10 to store a large amount of hydrogen for transportation, and can accommodate and store a large amount of cryogenic liquid hydrogen. The liquid hydrogen storage tank 30 is usually provided with a plurality and may be located in the bow portion of the hull 10 . A plurality of liquid hydrogen storage tanks 30 may be spaced apart from each other at the same interval, and in the present invention, the structure including three liquid hydrogen storage tanks 30 is exemplified. The number and shape of the liquid hydrogen storage tank 30 are variously deformable, and various modifications are possible if liquid hydrogen can be stored.

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.The liquefied natural gas storage tank 20 functions to store liquefied natural gas fuel for providing the driving force of the ship 1 for transporting liquefied hydrogen. The liquefied natural gas storage tank 20 may be located in the stern of the hull 10 as a single tank. In addition, the liquefied natural gas storage tank 20 is formed in a smaller size than the liquefied hydrogen storage tank 30 to store an appropriate amount of liquefied natural gas required for transportation. The liquefied natural gas storage tank 20 can accommodate gaseous natural gas in a liquefied state by cooling it to -162°C. Since liquefied natural gas has a very low temperature, boil-off gas may be generated in the same way as liquefied hydrogen. However, since the boiling point of liquefied hydrogen is significantly lower than the boiling point of liquefied natural gas, the boil-off gas of liquefied hydrogen may be generated more than the boil-off gas of liquefied natural gas.

본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박(1)은 이러한 액화수소 저장탱크(30)에서 자연 증발된 액화수소 증발가스를 재액화하여 액화수소 저장탱크(30)로 회수할 수 있는 선박으로, 폐루프를 형성하여 재액화가 될 때까지 액화수소 증발가스를 순환시킬 수 있다. 특히, 독립적으로 냉각 사이클을 형성하는 냉각유닛(40)을 통해 액화수소 증발가스를 극저온으로 냉각시킬 수 있는 특징이 있다.The ship (1) for transporting liquid hydrogen according to the present invention is a ship capable of re-liquefying the liquid hydrogen boil-off gas naturally evaporated in the liquid hydrogen storage tank 30 and recovering it to the liquid hydrogen storage tank 30, and has a closed loop. It is possible to circulate liquid hydrogen boil-off gas until it is formed and re-liquefied. In particular, it is characterized in that the liquid hydrogen boil-off gas can be cooled to a cryogenic temperature through the cooling unit 40 independently forming a cooling cycle.

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. The fuel pump 22 is provided in the liquefied natural gas storage tank 20 and functions to supply the liquefied natural gas from the liquefied natural gas storage tank 20 to the fuel supply line 21 . The fuel pump 22 may be formed at a height that can be submerged in the liquefied natural gas accommodated in the liquefied natural gas storage tank 20 , and the number and position of the fuel pumps can be variously modified.

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 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.The first heat exchanger 23 functions to exchange heat between liquefied natural gas and liquefied hydrogen boil-off gas. The first heat exchanger 23 is the liquefied natural gas supplied from the liquefied natural gas storage tank 20 through the fuel supply line 21 and the liquefied natural gas supplied from the liquefied hydrogen storage tank 30 through the re-liquefaction line 31 . Heat exchange between hydrogen boil-off gas is possible. The first heat exchanger 23 may transfer the cooling heat of the liquefied hydrogen boil-off gas having a lower temperature to the liquefied natural gas, and thus the liquefied natural gas may be subcooled. That is, the liquefied natural gas may be supercooled by receiving the cooling heat of the liquefied hydrogen boil-off gas through the first heat exchanger 23 . The liquefied natural gas may be supplied to the second heat exchanger 24 along the fuel supply line 21 in a supercooled state or may be branched to the recovery line 28 and recovered to the liquefied natural gas storage tank 20 . The structure of the recovery line 28 will be described later in more detail.

제2 열교환기(24)는 과냉각된 액화천연가스와 압축된 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 기능을 한다. 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.The second heat exchanger 24 functions to exchange heat between the supercooled liquefied natural gas and the compressed liquefied hydrogen boil-off gas. The second heat exchanger 24 passes through the first heat exchanger 23 and supercooled liquefied natural gas, and after passing through the first heat exchanger 23 , the liquefied hydrogen boil-off gas compressed to high temperature and high pressure through the compressor 32 . heat exchange between them. That is, the second heat exchanger 24 may transfer the cooling heat of the liquefied natural gas to the liquid hydrogen boil-off gas side, thereby cooling the liquid hydrogen boil-off gas. The liquefied natural gas may be supplied to the combustion engine 100 along the fuel supply line 21 at room temperature through the second heat exchanger 24 . That is, the second heat exchanger 24 may vaporize the liquefied natural gas into a gaseous state at room temperature. The liquefied natural gas is vaporized and supplied to the combustion engine 100 along the fuel supply line 21 to provide a driving force of the vessel 1 for transporting liquid hydrogen. A seawater heat exchanger 25 is positioned in the fuel supply line 21 between the second heat exchanger 24 and the combustion engine 100 to adjust the liquefied natural gas to the fuel supply temperature of the combustion engine 100 .

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.The seawater heat exchanger 25 functions to exchange heat between the vaporized liquefied natural gas and seawater. The seawater heat exchanger 25 is located in the fuel supply line 21 at the rear end of the second heat exchanger 24 , and can adjust the temperature of the vaporized liquefied natural gas to the fuel supply temperature of the combustion engine 100 . In particular, the seawater heat exchanger 25 may heat exchange between the vaporized liquefied natural gas and seawater to control the temperature of the liquefied natural gas. At this time, the liquefied natural gas may be supplied to the seawater heat exchanger 25 in a gaseous state at room temperature through the second heat exchanger 24, and the temperature may be increased or decreased according to the temperature of the seawater to be heat exchanged. In other words, the liquefied natural gas may be supplied to the seawater heat exchanger 25 in a state of a lower temperature or a higher temperature compared to the temperature of the seawater. The supply temperature of the liquefied natural gas may be formed differently depending on the flow rate of the liquefied natural gas and liquefied hydrogen boil-off gas exchanged heat in the second heat exchanger 24 .

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. The combustion engine 100 is located at the rear end of the seawater heat exchanger 25, and functions to receive the vaporized liquefied natural gas and generate a driving force of the liquefied hydrogen transport vessel (1). The combustion engine 100 may be, for example, a power generation device such as a DF generator, but is not limited thereto, and may be a variety of power generation devices capable of providing a driving force to the hull 10 . The combustion engine 100 may have a different appropriate fuel supply temperature depending on the type of power generation device used, and this fuel supply temperature can be adjusted using the flow rate of seawater heat-exchanged in the seawater heat exchanger 25 .

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. On the other hand, the recovery line 28 serves to supply the liquefied natural gas in a cryogenic state to the liquefied natural gas storage tank 20 to lower the internal pressure of the liquefied natural gas storage tank 20 . The recovery line 28 is branched from the fuel supply line 21 to supply the liquefied natural gas in a cryogenic state to the liquefied natural gas storage tank 20 . The recovery line 28 is branched from the fuel supply line 21 between the first heat exchanger 23 and the second heat exchanger 24 . In other words, the recovery line 28 may supply only cryogenic liquefied natural gas at the rear end of the first heat exchanger 23 to the liquefied natural gas storage tank 20 . The recovery line 28 has an injection unit 29 formed at its end.

분사유닛(29)은 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부에 과냉각된 액화천연가스를 분사한다. 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. The injection unit 29 injects supercooled liquefied natural gas into the liquefied natural gas storage tank 20 . The injection unit 29 may lower the internal pressure of the liquefied natural gas storage tank 20 by injecting cryogenic liquefied natural gas in a spray form. In addition, the injection unit 29 injects cryogenic liquefied natural gas from the upper end of the liquefied natural gas, and lowers the temperature of the liquefied natural gas BOG generated by the natural evaporation of the liquefied natural gas to re-liquefy the liquefied natural gas BOG may do it The injection unit 29 may be composed of a plurality of injection nozzles, and the liquid injection direction and angle of the injection nozzles are freely adjustable.

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.In other words, the liquefied natural gas may be vaporized and supplied to the combustion engine 100 or may be cooled and recovered to the liquefied natural gas storage tank 20 . The liquefied natural gas may be supplied to the combustion engine 100 along the fuel supply line 21 or may be recovered along the recovery line 28 . The first flow control valve 26 and the second flow control valve 27 control this flow of liquefied natural gas. The first flow rate control valve 26 is located in the fuel supply line 21 between the first heat exchanger 23 and the second heat exchanger 24 to control the flow of liquefied natural gas. In addition, the second flow rate control valve 27 is located in one section of the recovery line 28 to control the flow of liquefied natural gas branching from the fuel supply line 21 to the recovery line 28 . That is, when liquefied natural gas is used as fuel, the first flow rate control valve 26 may be opened and the second flow rate control valve 27 may be closed, and the liquefied natural gas is converted into the liquefied natural gas storage tank 20 by the internal pressure of the tank 20 . When used for control purposes, the first flow control valve 26 may be closed and the second flow control valve 27 may be opened.

한편, 압축기(32)는 제1 열교환기(23) 후단의 재액화라인(31)에 위치하여, 액화수소 증발가스를 고압으로 압축시키는 기능을 한다. 압축기(32)는 제1 열교환기(23)를 통과한 액화수소 증발가스를 고압으로 압축하여 제2 열교환기(24)에 공급한다. 냉각기(33)는 이러한 압축기(32)의 후단에 재액화라인(31)에 위치하여 압축기(32)에 의해 고온으로 형성된 액화수소 증발가스의 온도를 낮춰주는 기능을 한다. On the other hand, the compressor 32 is located in the re-liquefaction line 31 at the rear end of the first heat exchanger 23, and functions to compress the liquefied hydrogen boil-off gas to a high pressure. The compressor 32 compresses the liquid hydrogen boil-off gas that has passed through the first heat exchanger 23 to a high pressure and supplies it to the second heat exchanger 24 . The cooler 33 is located in the reliquefaction line 31 at the rear end of the compressor 32 and functions to lower the temperature of the liquefied hydrogen boil-off gas formed at a high temperature by the compressor 32 .

제2 열교환기(24)는 냉각기(33) 후단의 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.The second heat exchanger 24 may be located in the re-liquefaction line 31 at the rear end of the cooler 33 to lower the temperature of high-temperature and high-pressure liquefied hydrogen boil-off gas. The second heat exchanger 24 transfers the cooling heat of cryogenic liquefied natural gas to high temperature and high pressure liquefied hydrogen boil-off gas. That is, the liquid hydrogen boil-off gas passes through the second heat exchanger 24 and is supplied to the third heat exchanger 42 of the cooling unit 40 in a low-temperature and high-pressure state.

냉각유닛(40)은 제2 열교환기(24)의 후단의 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 재액화라인(31)의 액화수소 증발가스로 전달한다. 즉, 냉각유닛(40)은 제2 열교환기(24) 후단의 액화수소 증발가스를 극저온으로 냉각시킬 수 있다.The cooling unit 40 is located in the re-liquefaction line 31 of the rear end of the second heat exchanger 24, and functions to cool the liquid hydrogen boil-off gas. The cooling unit 40 may use a helium refrigerant circulating a separate independent cooling cycle to cool the liquid hydrogen boil-off gas to a cryogenic temperature. The cooling unit 40 transfers the cooling heat of the helium refrigerant to the liquid hydrogen boil-off gas of the reliquefaction line 31 through the third heat exchanger 42 . That is, the cooling unit 40 may cryogenically cool the liquid hydrogen boil-off gas at the rear end of the second heat exchanger 24 .

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.The cooling unit 40 includes a third heat exchanger 42, a refrigerant compressor 43, a refrigerant cooler 44, a fourth heat exchanger 45, a refrigerant expander 46, and a helium cooling line ( 41). The above-described independent cooling cycle includes a refrigerant compressor 43 sequentially positioned along the helium cooling line 41 , a refrigerant cooler 44 , a fourth heat exchanger 45 , and a refrigerant expander 46 . .

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.The refrigerant compressor 43 functions to compress the helium refrigerant at high temperature and high pressure, and the refrigerant cooler 44 is located at the rear end of the refrigerant compressor 43 to lower and adjust the temperature of the helium refrigerant. The fourth heat exchanger 45 functions to exchange heat between the helium refrigerant at the front end of the refrigerant compressor 43 and the helium refrigerant at the rear end of the refrigerant cooler 44 . The fourth heat exchanger 45 may transfer cooling heat from the helium refrigerant at the front end of the refrigerant compressor 43 to the helium refrigerant at the rear end of the refrigerant cooler 44 . The refrigerant expander 46 is located at the rear end of the refrigerant cooler 44 and adiabatically expands the helium refrigerant whose temperature has been lowered by receiving cooling heat, thereby lowering the temperature to cryogenic temperature and liquefying it. Accordingly, the helium refrigerant may pass through the third heat exchanger 42 in a cryogenic liquefied state to transfer cooling heat to the liquefied hydrogen boil-off gas. The helium refrigerant that has passed through the third heat exchanger 42 transfers cooling heat to the liquid hydrogen boil-off gas to increase the temperature, and may be vaporized again.

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.On the other hand, the expander 34 serves to liquefy the liquid hydrogen boil-off gas that has passed through the third heat exchanger 42 . The expander 34 adiabatically expands the liquid hydrogen boil-off gas cooled through the third heat exchanger 42 to lower the temperature and liquefy it. The expander 34 can be used as various types of expansion devices capable of liquefying liquid hydrogen boil-off gas.

기액분리기(35)는 이러한 팽창기(34)를 통과한 액화수소 증발가스를 액체와 기체, 다시 말해, 액화수소와 액화수소 증발가스로 분리하는 기능을 한다. 기액분리기(35)는 재액화라인(31)의 팽창기(34) 후단에 위치한다. 기액분리기(35)는 액체 상태의 액화수소 증발가스는 재액화라인(31)으로 분기하고, 기체 상태의 액화수소 증발가스는 순환라인(36)으로 분기한다. 즉, 기액분리기(35)는 팽창기(34)에서 액화되지 못한 액화수소 증발가스를 순환라인(36)으로 분기하며, 액화된 액화수소는 재액화라인(31)을 따라 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다.The gas-liquid separator 35 functions to separate the liquid hydrogen boil-off gas that has passed through the expander 34 into liquid and gas, that is, liquid hydrogen and liquid hydrogen boil-off gas. The gas-liquid separator 35 is located at the rear end of the expander 34 of the reliquefaction line 31 . In the gas-liquid separator 35 , the liquid hydrogen boil-off gas in the liquid state branches to the re-liquefaction line 31 , and the liquid hydrogen boil-off gas in the gas state branches to the circulation line 36 . That is, the gas-liquid separator 35 branches the liquefied hydrogen boil-off gas that is not liquefied in the expander 34 to the circulation line 36, and the liquefied liquefied hydrogen flows along the re-liquefaction line 31 to the liquid hydrogen storage tank 30. is recovered with

순환라인(36)은 기액분리기(35)와 재액화라인(31)을 연결하는 라인으로, 액화되지 못한 기체 상태의 액화수소 증발가스를 재액화라인(31)으로 재순환시키는 기능을 한다. 특히, 기액분리기(35)와 재액화라인(31)의 제1 열교환기(23) 전단을 연결하여, 액화수소 증발가스를 재액화라인(31)의 제1 열교환기(23) 전단으로 전달할 수 있다. 순환라인(36)은 증기헤더(37)를 통해 재액화라인(31)에 합류된다. 증기헤더(37)는 액화수소 저장탱크(30)에서 제1 열교환기(23)로 공급되는 액화수소 증발가스의 흐름에 기액분리기(35)에서 분기되는 액화수소 증발가스를 합류시키는 기능을 한다. The circulation line 36 is a line connecting the gas-liquid separator 35 and the reliquefaction line 31 , and functions to recirculate the liquefied hydrogen boil-off gas in a gaseous state that has not been liquefied to the reliquefaction line 31 . In particular, by connecting the gas-liquid separator 35 and the front end of the first heat exchanger 23 of the reliquefaction line 31, the liquid hydrogen boil-off gas can be delivered to the front end of the first heat exchanger 23 of the reliquefaction line 31. have. The circulation line 36 is joined to the reliquefaction line 31 through the vapor header 37 . The vapor header 37 serves to join the liquid hydrogen boil-off gas branched from the gas-liquid separator 35 with the flow of the liquid hydrogen boil-off gas supplied from the liquid hydrogen storage tank 30 to the first heat exchanger 23 .

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 의한 액화수소 운송용 선박의 작동과정에 대해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 2 and 3, the operation process of the vessel for transporting liquid hydrogen according to the present invention will be described in more detail.

도 2는 액화천연가스를 연소기관에 공급하는 상태의 작동도이고, 도 3은 액화천연가스를 회수하여 액화천연가스 저장탱크의 압력을 조절하는 상태의 작동도이다.2 is an operational diagram of a state of supplying liquefied natural gas to a combustion engine, and FIG. 3 is an operational diagram of a state of adjusting the pressure of the liquefied natural gas storage tank by recovering the liquefied natural gas.

도 2를 참조하면, 액화천연가스는 연소기관(100)에 연료로 공급되고 액화수소 증발가스는 재액화되어 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다.Referring to FIG. 2 , the liquefied natural gas is supplied as fuel to the combustion engine 100 , and the liquid hydrogen boil-off gas is re-liquefied and recovered to the liquid hydrogen storage tank 30 .

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.The liquefied natural gas is supplied to the combustion engine 100 from the liquefied natural gas storage tank 20 along the fuel supply line 21 as described above. The liquefied natural gas is supplied to the fuel supply line 21 by the fuel pump 22 in a state accommodated in the liquefied natural gas storage tank 20 . First, the liquefied natural gas is supplied to the first heat exchanger 23 to receive cooling heat from the liquefied hydrogen boil-off gas and is cooled to a cryogenic state. The cooled liquefied natural gas is supplied to the second heat exchanger 24, receives heat from the compressed liquefied hydrogen boil-off gas, and is heated to a temperature of about room temperature. At this time, the liquefied natural gas is vaporized at room temperature. That is, the liquefied natural gas is supplied to the combustion engine 100 in a gaseous state from the fuel supply line 21 at the rear end of the second heat exchanger 24 . Before being supplied to the combustion engine 100 , the liquefied natural gas may pass through the seawater heat exchanger 25 and be adjusted to an appropriate fuel supply temperature. The seawater heat exchanger 25 may cool or heat the liquefied natural gas according to the temperature of the vaporized liquefied natural gas. That is, the liquefied natural gas is supplied to the combustion engine 100 in a gaseous state of an appropriate temperature to generate power. At this time, the first flow control valve 26 is in an open state and the second flow control valve 27 is in a closed state. The liquefied natural gas passes through the first flow rate control valve 26 in an open state and moves along the fuel supply line 21 . The second flow control valve 27 is closed, and blocks the supply of the liquefied natural gas to the recovery line 28 .

액화수소 증발가스는, 액화수소 저장탱크(30)에서 자연 기화되어 생성되며 재액화라인(31)을 따라 액화수소 저장탱크(30)로부터 배출되고 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 순환라인(36)으로 분기되어 재액화 과정으로 재순환된다. 즉, 기체 상태의 액화수소 증발가스는 재액화라인(31)에서 제1 열교환기(23)부터 기액분리기(35)까지 과정을 순환하며 액화될 때까지 순환될 수 있다. 액화된 액화수소 증발가스는 기액분리기(35)와 액화수소 저장탱크(30)를 연결하는 재액화라인(31)을 통해 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다. Liquefied hydrogen boil-off gas is naturally vaporized in the liquid hydrogen storage tank 30 , and is discharged from the liquid hydrogen storage tank 30 along the reliquefaction line 31 and is recovered to the liquid hydrogen storage tank 30 . Liquefied hydrogen boil-off gas is supplied to the first heat exchanger 23 in a cryogenic state to transfer cooling heat to the liquefied natural gas. The liquid hydrogen boil-off gas passes through the first heat exchanger 23 and is supplied to the compressor 32 in a state in which the temperature is partially increased. The liquid hydrogen boil-off gas may be compressed at high temperature and high pressure through the compressor 32 . The liquid hydrogen boil-off gas is supplied to the second heat exchanger 24 in a high temperature and high pressure state through the compressor 32 and the cooler 33 . The liquid hydrogen boil-off gas is cooled to a sub-zero temperature by receiving cooling heat from the liquefied natural gas in the second heat exchanger 24 . In addition, the liquid hydrogen boil-off gas is supplied to the expander 34 in a cryogenic state by receiving cooling heat from the cooling unit 40 capable of being cooled to a cryogenic temperature as well as the second heat exchanger 24 . The liquid hydrogen boil-off gas is supplied to the expander 34 in a cryogenic state, and is adiabatically expanded and liquefied in the expander 34 . The liquefied hydrogen boil-off gas that has not been liquefied in the expander 34 is branched into the circulation line 36 through the gas-liquid separator 35 and recirculated in the re-liquefaction process. That is, liquefied hydrogen boil-off gas in gaseous state may be circulated from the first heat exchanger 23 to the gas-liquid separator 35 in the re-liquefaction line 31 until it is liquefied. The liquefied liquefied hydrogen boil-off gas is recovered to the liquefied hydrogen storage tank 30 through the re-liquefaction line 31 connecting the gas-liquid separator 35 and the liquefied hydrogen storage tank 30 .

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 액화수소 증발가스를 냉각시킬 수 있다.On the other hand, the helium refrigerant circulates through the independent cooling cycle of the cooling unit 40 and is supplied to the third heat exchanger 42 in a liquid state to transfer cooling heat to the liquid hydrogen boil-off gas and vaporize it, and to perform an independent cooling cycle again in a gaseous state It is liquefied through and passes through the third heat exchanger (42). The helium refrigerant is vaporized as the temperature rises as cooling heat is taken away from the third heat exchanger 42 . The helium refrigerant is supplied to the refrigerant compressor 43 along the helium cooling line 41 in a gaseous state and compressed at high temperature and high pressure. In addition, when the helium refrigerant is excessively heated, such as liquid hydrogen boil-off gas, a problem may occur, and some temperature may be lowered through the refrigerant cooler 44 , but the high temperature and high pressure state may be maintained even after passing through the refrigerant cooler 44 . This helium refrigerant is supplied to the fourth heat exchanger 45 in a high temperature and high pressure state, and transfers cooling heat from the helium refrigerant flowing along the helium cooling line 41 between the third heat exchanger 42 and the refrigerant compressor 43 . receive The helium refrigerant at the rear end of the fourth heat exchanger 45 is supplied to the refrigerant expander 46 in a state in which the temperature is lowered. The helium refrigerant is adiabatically expanded in the refrigerant expander 46 , is liquefied into a cryogenic liquid state, and is supplied to the third heat exchanger 42 . That is, the helium refrigerant may cool the liquid hydrogen boil-off gas through the third heat exchanger 42 in a cryogenic liquid state.

도 3을 참조하면, 액화천연가스는 과냉각되어 액화천연가스 저장탱크(20)로 회수되고, 액화수소 증발가스는 재액화되어 액화수소 저장탱크(30)로 회수된다.Referring to FIG. 3 , the liquefied natural gas is supercooled and recovered to the liquefied natural gas storage tank 20 , and the liquefied hydrogen boil-off gas is re-liquefied and recovered to the liquefied hydrogen storage tank 30 .

액화천연가스는, 제1 열교환기(23)에서 액화수소 증발가스의 냉열에 의해 과냉각되어 액화천연가스 저장탱크(20)로 회수된다. 액화천연가스는 액화천연가스 저장탱크(20)로부터 연료펌프(22)에 의해 제1 열교환기(23)로 공급된다. 액화천연가스는 제1 열교환기(23)에서 액화수소 증발가스의 냉열을 받아 과냉각된다. 액화천여가스는 과냉각된 상태로 제2 유량조절밸브(27)를 통과하여 회수라인(28)을 따라 액화천연가스 저장탱크(20)로 회수된다. 이러한 액화천연가스는 과냉각된 상태로 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부에 분사되어 압력을 낮춰주는 기능을 한다. 또한, 과냉각된 액화천연가스는 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부 온도를 낮춰줄 뿐만 아니라 액화천연가스가 자연 증발하여 발생된 액화천연가스 증발가스의 온도를 낮춰 재액화시킬 수도 있다. 다시 말해, 과냉각되어 회수되는 액화천연가스는 액화천연가스 저장탱크(20)의 내부 온도를 낮추고 액화천연가스 증발가스를 액화시켜 내부 압력을 낮춰줄 수 있다. 이때, 제1 유량조절밸브(26)는 닫힌상태이고 제2 유량조절밸브(27)는 열린 상태로, 제1 열교환기(23)와 제2 열교환기(24) 사이의 연료공급라인(21)은 차단하고 회수라인(28)을 개방하여 과냉각된 액화천연가스를 회수할 수 있다. 한편, 액화수소 증발가스의 순환구조는 도 2에서 전술한 바와 동일하다.The liquefied natural gas is supercooled by the cooling heat of liquefied hydrogen boil-off gas in the first heat exchanger 23 and is recovered to the liquefied natural gas storage tank 20 . The liquefied natural gas is supplied from the liquefied natural gas storage tank 20 to the first heat exchanger 23 by the fuel pump 22 . The liquefied natural gas is supercooled by receiving the cooling heat of the liquefied hydrogen boil-off gas in the first heat exchanger 23 . The liquefied natural gas is recovered to the liquefied natural gas storage tank 20 along the recovery line 28 through the second flow rate control valve 27 in a supercooled state. The liquefied natural gas is sprayed into the liquefied natural gas storage tank 20 in a supercooled state to lower the pressure. In addition, the supercooled liquefied natural gas not only lowers the internal temperature of the liquefied natural gas storage tank 20, but also lowers the temperature of the liquefied natural gas boil-off gas generated by natural evaporation of the liquefied natural gas to be re-liquefied. In other words, the liquefied natural gas recovered by supercooling may lower the internal temperature of the liquefied natural gas storage tank 20 and liquefy the liquefied natural gas boil-off gas to lower the internal pressure. At this time, the first flow control valve 26 is in a closed state and the second flow control valve 27 is in an open state, and the fuel supply line 21 between the first heat exchanger 23 and the second heat exchanger 24 is is blocked and the recovery line 28 is opened to recover the supercooled liquefied natural gas. On the other hand, the circulation structure of the liquid hydrogen boil-off gas is the same as described above in FIG.

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.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can realize that the present invention can be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

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: 재액화라인
32: 압축기 33: 냉각기
34: 팽창기 35: 기액분리기
36: 순환라인 37: 증기헤더
40: 냉각유닛 41: 헬륨냉각라인
42: 제3 열교환기 43: 냉매압축기
44; 냉매냉각기 45: 제4 열교환기
46: 냉매팽창기 100: 연소기관1: Vessel for transporting liquid hydrogen 10: Hull
20: liquefied natural gas storage tank 21: fuel supply line
22: fuel pump 23: first heat exchanger
24: second heat exchanger 25: sea water heat exchanger
26: first flow control valve 27: second flow control valve
28: recovery line 29: injection unit
30: liquid hydrogen storage tank 31: re-liquefaction line
32: compressor 33: cooler
34: expander 35: gas-liquid separator
36: circulation line 37: steam header
40: cooling unit 41: helium cooling line
42: third heat exchanger 43: refrigerant compressor
44; Refrigerant cooler 45: fourth heat exchanger
46: refrigerant expander 100: combustion engine

Claims (5)

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 재액화라인;
상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기;
상기 압축기 후단의 상기 재액화라인에 설치되며 독립 냉각 사이클을 통하여 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 냉각유닛;
상기 냉각유닛 후단의 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스를 단열 팽창시키는 팽창기;
상기 팽창기 후단의 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화수소와 상기 액화수소 증발가스를 분리하는 기액분리기;
상기 기액분리기로부터 분기되어 상기 액화수소 증발가스를 상기 압축기 전단의 상기 재액화라인으로 공급하는 순환라인;
상기 압축기 전단의 상기 재액화라인과 상기 연료공급라인에 설치되어 상기 액화수소 증발가스와 상기 액화천연가스 사이에 열교환하는 제1 열교환기, 및
제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인과 상기 압축기 후단의 상기 재액화라인에 설치되어 상기 액화천연가스와 상기 액화수소 증발가스 사이에 열교환하는 제2 열교환기를 포함하는 액화수소 운송용 선박.hull;
a liquefied natural gas storage tank installed on the hull to store liquefied natural gas;
at least one liquid hydrogen storage tank installed on the hull to store liquid hydrogen;
a combustion engine receiving the liquefied natural gas to generate power;
a fuel supply line for supplying the liquefied natural gas from the liquefied natural gas storage tank to the combustion engine;
a reliquefaction line for receiving liquefied hydrogen boil-off gas generated by natural evaporation of the liquefied hydrogen from the liquefied hydrogen storage tank and recovering the liquefied hydrogen to the liquefied hydrogen storage tank after undergoing a reliquefaction process;
a compressor installed in the re-liquefaction line to compress the liquefied hydrogen boil-off gas;
a cooling unit installed in the reliquefaction line at the rear end of the compressor and cooling the liquid hydrogen boil-off gas through an independent cooling cycle;
an expander installed in the re-liquefaction line at the rear end of the cooling unit to thermally expand the liquid hydrogen boil-off gas;
a gas-liquid separator installed in the re-liquefaction line at the rear end of the expander to separate the liquid hydrogen and the liquid hydrogen boil-off gas;
a circulation line branched from the gas-liquid separator to supply the liquefied hydrogen boil-off gas to the re-liquefaction line in front of the compressor;
A first heat exchanger installed in the reliquefaction line and the fuel supply line in front of the compressor to exchange heat between the liquefied hydrogen boil-off gas and the liquefied natural gas, and
A ship for transporting liquefied hydrogen comprising a second heat exchanger installed in the fuel supply line at the rear end of the first heat exchanger and the re-liquefaction line at the rear end of the compressor to exchange heat between the liquefied natural gas and the liquefied hydrogen boil-off gas. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 제1 열교환기 후단의 상기 연료공급라인으로부터 분기되고 상기 액화천연가스 저장탱크로 연결되어 상기 액화천연가스를 회수하는 회수라인을 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.The method of claim 1,
The vessel for transporting liquid hydrogen further comprising a recovery line branched from the fuel supply line at the rear end of the first heat exchanger and connected to the liquefied natural gas storage tank to recover the liquefied natural gas. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 냉각유닛은, 상기 팽창기 전단의 상기 재액화라인에 연결되어 헬륨 냉매로 상기 액화수소 증발가스를 냉각시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 액화수소 운송용 선박.The method of claim 1,
The cooling unit may further include a third heat exchanger connected to the re-liquefaction line at the front end of the expander to cool the liquid hydrogen boil-off gas with a helium refrigerant.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6021430B2 (en) * 2012-05-22 2016-11-09 川崎重工業株式会社 Reliquefaction method of boil-off gas generated from liquid hydrogen storage tank

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