KR102535970B1 - Hydrogen-Enriched Compressed Natural Gas Fuel Supply System and Method for Low Pressure Gas Engine of a Ship - Google Patents
Hydrogen-Enriched Compressed Natural Gas Fuel Supply System and Method for Low Pressure Gas Engine of a Ship Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 선박용 저압가스 엔진으로 가스 연료를 공급하는 데 있어서, 엔진의 연료로 공급되는 천연가스에 수소를 혼합하여 공급함으로써, 메탄 슬립을 저감시킬 수 있는 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법은, 액화가스를 연료로 사용하는 선박용 저압가스 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 메탄 슬립을 분석하고, 배기가스에 포함된 메탄 슬립의 정도에 따라 상기 선박용 저압가스 엔진으로 공급하는 가스 연료에 혼합할 수소 첨가량을 제어함으로써 선박용 저압가스 엔진의 메탄 슬립을 방지하며, 상기 액화가스와 혼합하는 수소는, 선내 수소 저장탱크에 압축하여 저장하고, 상기 수소 저장탱크로는 육상의 수소 공급 인프라를 이용하여 수소를 공급할 수 있다.In the present invention, in supplying gas fuel to a marine low-pressure gas engine, a hydrogen mixture fuel supply system for a marine low-pressure gas engine capable of reducing methane slip by supplying a mixture of hydrogen to natural gas supplied as fuel of the engine and methods.
A method for supplying hydrogen mixed fuel to a marine low-pressure gas engine according to the present invention analyzes methane slip of exhaust gas discharged from a marine low-pressure gas engine using liquefied gas as fuel, and according to the degree of methane slip included in the exhaust gas Methane slip of the marine low-pressure gas engine is prevented by controlling the amount of hydrogen added to the gas fuel supplied to the marine low-pressure gas engine, and the hydrogen mixed with the liquefied gas is compressed and stored in a hydrogen storage tank on board, and the hydrogen As a storage tank, hydrogen can be supplied using an onshore hydrogen supply infrastructure.
Description
본 발명은, 선박용 저압가스 엔진으로 가스 연료를 공급하는 데 있어서, 엔진의 연료로 공급되는 천연가스에 수소를 혼합하여 공급함으로써, 저압가스 엔진의 메탄 슬립을 저감시킬 수 있는 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention, in supplying gas fuel to a marine low-pressure gas engine, hydrogen of a marine low-pressure gas engine capable of reducing methane slip of the low-pressure gas engine by supplying a mixture of hydrogen to natural gas supplied as fuel of the engine It relates to a mixed fuel supply method and system.
세계적으로 선박 배출가스 및 온실가스 규제가 강화되고 있다. 일례로, 최근 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization) 산하 해양환경보호위원회(MEPC; Marine Environment Protection Committee)의 대기오염 규제 협약에 의하면, 배기가스 중의 질소산화물(NOx) 배출량을 약 14.4g/kWh로 만족시키도록 규제하는 Tier Ⅱ가 지난 2011년부터 발효되었고, 이보다 더 엄격하게 강화된 Tier Ⅲ가 2016년 1월 1일부터 제한적으로 적용되었다. Ship emission and greenhouse gas regulations are being strengthened worldwide. For example, according to the recent air pollution control agreement of the Marine Environment Protection Committee (MEPC) under the International Maritime Organization (IMO), the emission of nitrogen oxides (NO x ) in exhaust gas is about 14.4g/ Tier II, which regulates to be satisfied with kWh, went into effect from 2011, and more stringent Tier III was applied on a limited basis from January 1, 2016.
즉, 2016년 이후에 건조되어 북미 및 캐리비안 해역을 포함하는 미국의 ECA(Emission Control Area) 지역을 운항하는 선박은 Tier Ⅲ 규제를 만족해야 하며, NOx 배출량을 기존 14.4g/kWh에서 3.4g/kWh로 줄여야 한다. 또한, 향후 ECA 지역의 지정은 지속적으로 확대될 예정이며, 그 규제치 역시 강화될 것으로 전망된다.In other words, ships built after 2016 and operating in the US ECA (Emission Control Area) including North America and Caribbean waters must satisfy Tier Ⅲ regulations and reduce NO x emissions from the existing 14.4g/kWh to 3.4g/kWh. reduced to kWh. In addition, the designation of ECA areas will continue to expand in the future, and the regulation is expected to be strengthened as well.
해양 대기 오염을 방지하기 위한 국제적인 관심이 증가하면서, 친환경 선박(Green-ship)으로서, 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)를 연료로 사용하는 선박(LFS; Liquefied Gas Fueled Ship)이 개발되어, 각국의 선급으로부터 공식인증(AIP; Approval In Principle)을 승인받아, 환경 규제로 인한 청정에너지로의 전환 요구를 충족시키고 있다. 이러한 LFS는, LNG 저장탱크가 구비되고 LNG 화물을 운반하는 LNG 운반선뿐만 아니라, 컨테이너선, 탱커선 등을 비롯한 일반 상선에도 적용할 수 있는 기술이 개발되고 있다. As international interest in preventing marine air pollution increases, as a green-ship, a ship using liquefied natural gas (LNG) as fuel (LFS; Liquefied Gas Fueled Ship) has been developed, Approval In Principle (AIP) has been approved by the classification society of each country, and it is meeting the demand for conversion to clean energy due to environmental regulations. Such an LFS has been developed a technology that can be applied not only to LNG carriers equipped with LNG storage tanks and transporting LNG cargoes, but also to general merchant ships including container ships and tanker ships.
천연가스는 황 함유량이 적어 연소시에 황화합물 및 검댕 물질을 생성하지 않아 비교적 친환경적이다. 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진(Dual Fuel Engine)으로는, 대표적으로, ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진 등이 있다. Natural gas is relatively environmentally friendly because it does not produce sulfur compounds and soot when burned due to its low sulfur content. Among the engines used in ships, dual fuel engines that can use natural gas as fuel include ME-GI (MAN Electronic Gas Injection) engines and X-DF (eXtra long stroke Dual Fuel) engines. , DFDE (Dual Fuel Diesel Electric) engine, etc.
ME-GI 엔진은, 2-행정(2-stroke) 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용된다. 또한, ME-GI 엔진은 약 300 bar 정도의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(diesel cycle)을 채택하고 있다.The ME-GI engine uses a 2-stroke cycle and is mainly used for propulsion. In addition, the ME-GI engine adopts a diesel cycle in which high-pressure natural gas of about 300 bar is directly injected into the combustion chamber near the top dead center of the piston.
한편, X-DF 엔진은, 2-행정 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용되고, ME-GI 엔진과 마찬가지로 선박의 추진을 위해 프로펠러를 직접 구동하는 방식이다. 또한, X-DF 엔진은, 약 16 bar 정도의 중압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클(otto cycle)을 채택하고 있다.On the other hand, the X-DF engine uses a 2-stroke cycle, is mainly used for propulsion, and, like the ME-GI engine, directly drives a propeller for propulsion of a ship. In addition, the X-DF engine uses medium-pressure natural gas at about 16 bar as fuel and adopts an otto cycle.
DFDE 엔진은, 4-행정(4-stroke) 사이클을 사용하며, 발전용으로 주로 사용된다. 또한, DFDE 엔진은 약 6.5 bar 정도의 저압 천연가스를 연소용 공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축시키는 오토 사이클을 채택하고 있다. The DFDE engine uses a 4-stroke cycle and is mainly used for power generation. In addition, the DFDE engine adopts an Otto cycle in which low-pressure natural gas of about 6.5 bar is injected into the combustion air inlet and compressed as the piston rises.
오토 사이클은, 상사점 부근에서 연소가 일어날 때의 부피가 일정한 정적 공정을 따르는데, 연료와 연소용 공기의 혼합기가 상승 행정 이전에 실린더 내로 유입되어 함께 압축된다. 실린더 내로 유입된 혼합기가 단열압축되며 온도가 상승하는데, 혼합기가 너무 높은 온도에 이르면 조기 착화가 일어날 수 있다. 따라서, 오토 사이클의 압축비는 디젤 사이클에 비하여 낮게 설정된다.The Otto cycle follows a static process in which the volume of combustion occurs near top dead center, where a mixture of fuel and combustion air is introduced into the cylinder prior to the upstroke and compressed together. The mixture introduced into the cylinder is adiabatically compressed and the temperature rises. If the mixture reaches too high a temperature, premature ignition may occur. Therefore, the compression ratio of the Otto cycle is set lower than that of the diesel cycle.
디젤 사이클을 따르는 고압가스 엔진, 즉 ME-GI 엔진은, 효율은 높지만 질소산화물 배출 규제를 만족시키기 위해, SCR(Selective Catalytic Reduction)이나 EGR(Exhaust Gas Recirculation)과 같은 질소산화물 처리 시스템을 추가로 설치하여야만 한다. A high-pressure gas engine that follows a diesel cycle, that is, an ME-GI engine, has high efficiency, but in order to satisfy nitrogen oxide emission regulations, a nitrogen oxide treatment system such as SCR (Selective Catalytic Reduction) or EGR (Exhaust Gas Recirculation) is additionally installed. It has to be done.
한편, 오토 사이클을 따르는 저압가스 엔진, 즉 X-DF 엔진이나 DFDE의 경우, ME-GI 엔진에 비해 효율은 낮으나, 연료의 연소 온도가 높지 않아 고열로 인해 발생하는 질소산화물(NOx)의 양이 적기 때문에, SCR이나 EGR과 같은 별도의 질소산화물 처리 시스템을 추가로 설치하지 않아도 현재 발효 중인 질소산화물 규제인 IMO Tier Ⅲ을 만족시킨다는 장점이 있다.On the other hand, in the case of a low-pressure gas engine following the Otto cycle, that is, an X-DF engine or a DFDE, the efficiency is lower than that of the ME-GI engine, but the combustion temperature of the fuel is not high, so the amount of nitrogen oxides (NO x ) generated due to high heat Since this is small, there is an advantage in that it satisfies IMO Tier III, the currently in effect nitrogen oxide regulation, without additionally installing a separate nitrogen oxide treatment system such as SCR or EGR.
그러나, 오토 사이클을 사용하는 저압가스 엔진은, 고압가스 엔진과는 달리, 실린더 중간에 연료를 주입하므로, 연료폭발 전 가스가 새어 나가는 메탄슬립(methane slip) 현상이 일어난다는 단점이 있다. 저압가스 엔진의 메탄슬립의 양은, 약 2g/kWh로, 고압가스 엔진에서 발생하는 메탄슬립의 양(약 0.2g/kWh) 보다 약 10배이상 많다.However, since the low-pressure gas engine using the Otto cycle injects fuel into the middle of the cylinder, unlike the high-pressure gas engine, there is a disadvantage in that a methane slip phenomenon in which gas leaks before fuel explosion occurs. The amount of methane slip in the low-pressure gas engine is about 2 g/kWh, which is about 10 times more than the amount of methane slip (about 0.2 g/kWh) generated in the high-pressure gas engine.
메탄슬립, 즉, 미연소된 메탄(CH4)이 배기가스로 배출됨으로써, 저압가스 엔진 배기가스의 지구온난화지수(GWP; Global Warming Potential)를 급증시키는 요인이 된다.As methane slip, that is, unburned methane (CH 4 ) is discharged as exhaust gas, it becomes a factor in rapidly increasing the Global Warming Potential (GWP) of low-pressure gas engine exhaust gas.
따라서, 본 발명은, 선박용 저압가스 엔진의 메탄슬립을 저감시키고, 연소효율을 증가시킬 수 있도록 하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법 및 수소 혼합 연료 공급 시스템을 제공하고자 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen fuel mixture supply method and a hydrogen mixture fuel supply system for a marine low pressure gas engine, which can reduce methane slip and increase combustion efficiency of the marine low pressure gas engine.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 연료로 사용하는 선박용 저압가스 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 메탄 슬립을 분석하고, 배기가스에 포함된 메탄 슬립의 정도에 따라 상기 선박용 저압가스 엔진으로 공급하는 가스 연료에 혼합할 수소 첨가량을 제어함으로써 선박용 저압가스 엔진의 메탄 슬립을 방지하며, 상기 액화가스와 혼합할 수소는, 육상으로부터 공급받은 수소를 수소 압축기를 이용하여 압축하여 선내 수소 저장탱크에 저장하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법이 제공된다. According to one aspect of the present invention for achieving the above object, methane slip of exhaust gas discharged from a marine low-pressure gas engine using liquefied gas as fuel is analyzed, and according to the degree of methane slip included in the exhaust gas, the methane slip Methane slip of the marine low-pressure gas engine is prevented by controlling the amount of hydrogen added to the gas fuel supplied to the marine low-pressure gas engine, and the hydrogen to be mixed with the liquefied gas is obtained by compressing the hydrogen supplied from the land using a hydrogen compressor. Provided is a method for supplying hydrogen mixed fuel to a low-pressure gas engine for a ship, which is stored in a hydrogen storage tank on board.
바람직하게는, 상기 수소 저장탱크는 다수개 설치하고, 상기 수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 압력이 상기 액화가스와 혼합하기 위해 필요한 압력 또는 상기 선박용 저압가스 엔진이 요구하는 압력보다 낮은 경우, 상기 낮은 압력의 수소를 수소 임시 저장탱크에 저장한 후, 상기 수소 압축기로 압축하여 상기 수소 저장탱크로 재공급할 수 있다.Preferably, a plurality of hydrogen storage tanks are installed, and when the pressure of hydrogen discharged from the hydrogen storage tank is lower than the pressure required for mixing with the liquefied gas or the pressure required by the marine low-pressure gas engine, the low After storing pressure hydrogen in the hydrogen temporary storage tank, it can be compressed by the hydrogen compressor and re-supplied to the hydrogen storage tank.
바람직하게는, 상기 선박에는 액화가스 저장탱크가 구비되고, 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 제2 연료 압축기를 이용하여 압축한 후, 압축 수소와 혼합하여 상기 선박용 저압가스 엔진의 연료로 공급할 수 있다.Preferably, the ship is provided with a liquefied gas storage tank, and after compressing boil-off gas generated in the liquefied gas storage tank using a second fuel compressor, it is mixed with compressed hydrogen to be used as fuel for the low-pressure gas engine for ships. can supply
바람직하게는, 상기 제2 연료 압축기를 이용하여 압축시킨 증발가스 중 상기 선박용 저압가스 엔진의 연료로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스는, 상기 제2 연료 압축기와 별도로 구비되는 제1 연료 압축기를 이용하여 압축한 후 냉각 및 팽창시킨 증발가스 냉매의 냉열에 의해 재액화시켜 액화가스 저장탱크로 회수할 수 있다. Preferably, among the boil-off gas compressed using the second fuel compressor, the remaining compressed boil-off gas supplied as fuel for the marine low-pressure gas engine is supplied by using a first fuel compressor provided separately from the second fuel compressor. After compression, the evaporated gas cooled and expanded can be re-liquefied by the cooling heat of the refrigerant and recovered to the liquefied gas storage tank.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스를 선박용 저압가스 엔진의 연료로 공급하는 연료 공급 장치; 압축수소를 저장하는 수소 저장탱크; 상기 액화가스 및 수소 저장탱크에 저장된 수소를 혼합하는 수소 혼합 장치; 상기 액화가스를 연료로 사용하는 선박용 저압가스 엔진; 상기 선박용 저압가스 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 메탄 슬립을 분석하는 메탄 슬립 분석장치; 및 상기 메탄 슬립 분석장치에서 측정한 측정값을 이용하여 상기 수소 저장탱크로부터 수소 혼합 장치로 공급되는 수소의 양을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 선박용 저압가스 엔진은, 상기 액화가스와 혼합되는 수소의 양이 제어된 혼합 가스 연료를 연료로 사용함으로써 메탄 슬립이 제어되고, 상기 수소 저장탱크는 육상의 수소 인프라와 탈부착되는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention for achieving the above object, a fuel supply device for supplying liquefied gas to the fuel of the low-pressure gas engine for ships; A hydrogen storage tank for storing compressed hydrogen; a hydrogen mixing device for mixing the liquefied gas and hydrogen stored in the hydrogen storage tank; a low-pressure gas engine for ships using the liquefied gas as fuel; a methane slip analyzer for analyzing methane slip of exhaust gas discharged from the marine low-pressure gas engine; And a controller for controlling the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank to the hydrogen mixing device by using the measured value measured by the methane slip analyzer, wherein the marine low-pressure gas engine is mixed with the liquefied gas. Provided is a hydrogen mixture fuel supply system for a low-pressure gas engine for ships in which methane slip is controlled by using mixed gas fuel with a controlled amount of hydrogen as fuel, and the hydrogen storage tank is detachable from the hydrogen infrastructure on land.
바람직하게는, 상기 수소 저장탱크는 다수개 설치되고, 상기 육상으로부터 공급받은 수소를 압축하여 상기 수소 저장탱크로 공급하는 수소 압축기; 상기 수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 압력을 측정하는 압력계; 상기 수소 저장탱크로부터 배출된 수소의 압력이 상기 수소 혼합 장치 또는 선박용 저압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮으면 수소가 상기 수소 압축기로 공급되도록 하는 수소 재순환 밸브; 및 상기 수소 압축기로 공급되는 수소를 저장하는 수소 임시 저장탱크;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 압력계의 측정값에 따라 상기 수소 압축기 및 수소 재순환 밸브를 제어하며, 상기 낮은 압력의 수소를 압축하여 상기 수소 저장탱크로 재공급할 수 있다.Preferably, a plurality of hydrogen storage tanks are installed, and a hydrogen compressor for compressing and supplying the hydrogen supplied from the land to the hydrogen storage tank; a pressure gauge for measuring the pressure of hydrogen discharged from the hydrogen storage tank; a hydrogen recirculation valve for supplying hydrogen to the hydrogen compressor when the pressure of the hydrogen discharged from the hydrogen storage tank is lower than the pressure required by the hydrogen mixing device or the marine low-pressure gas engine; and a hydrogen temporary storage tank for storing hydrogen supplied to the hydrogen compressor, wherein the control unit controls the hydrogen compressor and a hydrogen recirculation valve according to the measured value of the pressure gauge and compresses the low-pressure hydrogen. It can be re-supplied to the hydrogen storage tank.
바람직하게는, 상기 연료 공급 장치는, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 상기 선박용 저압가스 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시켜 상기 수소 혼합 장치로 공급하는 제2 연료 압축기; 상기 제2 연료 압축기에 의해 압축된 압축 증발가스 중에서 상기 수소 혼합 장치로 공급하고 남은 압축 증발가스를 재액화시켜 액화가스 저장탱크로 회수하는 재액화 장치; 및 상기 증발가스를 압축시켜 상기 재액화 장치에서 증발가스를 액화시키는 냉매로 공급하는 제1 연료 압축기;를 포함할 수 있다.Preferably, the fuel supply device includes a second fuel compressor for compressing boil-off gas generated by natural vaporization of liquefied gas to a pressure required by the marine low-pressure gas engine and supplying the compressed gas to the hydrogen mixing device; a re-liquefaction device for re-liquefying the remaining compressed boil-off gas supplied to the hydrogen mixing device among the compressed boil-off gas compressed by the second fuel compressor and recovering the compressed boil-off gas into a liquefied gas storage tank; and a first fuel compressor for compressing the boil-off gas and supplying it as a refrigerant for liquefying the boil-off gas in the re-liquefaction device.
바람직하게는, 상기 재액화 장치는, 상기 제2 연료 압축기에서 압축된 압축 증발가스를 재액화에 필요한 압력으로 더 압축시키는 부스트 압축기; 상기 부스트 압축기에서 압축된 증발가스를, 상기 제1 연료 압축기에서 압축된 후 팽창에 의해 온도가 낮아진 증발가스 냉매의 냉열로 액화시키는 콜드박스;를 포함할 수 있다.Preferably, the re-liquefaction device includes a boost compressor further compressing the compressed boil-off gas compressed by the second fuel compressor to a pressure required for re-liquefaction; A cold box for liquefying the boil-off gas compressed by the boost compressor with cooling heat of the boil-off gas refrigerant whose temperature is lowered by expansion after being compressed by the first fuel compressor.
본 발명에 따른 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법 및 시스템은, 별도의 배기가스 처리 시스템을 추가로 설치하지 않고도, 선박의 배출규제를 만족시킬 수 있으며, 선박용 저압가스 엔진의 메탄슬립을 저감시킬 수 있어 친환경적이다.The method and system for supplying hydrogen mixed fuel to a low-pressure gas engine for ships according to the present invention can satisfy the emission regulations of ships without additionally installing a separate exhaust gas treatment system, and reduce methane slip of low-pressure gas engines for ships It can be done so it is eco-friendly.
또한, 메탄슬립을 저감시킴으로써, 선박 배기가스의 지구온난화지수를 낮출 수 있다. In addition, by reducing methane slip, the global warming potential of ship exhaust gas can be lowered.
또한, 선박용 저압가스 엔진으로 공급하는 연료로서, 천연가스와 수소를 혼합하여 사용함으로써, 천연가스만을 연료로 사용하는 것에 비해, 연소 속도와 연소 안정성을 개선할 수 있다. In addition, by using a mixture of natural gas and hydrogen as a fuel supplied to a low-pressure gas engine for ships, it is possible to improve combustion speed and combustion stability compared to using only natural gas as fuel.
또한, 연료의 연소 속도 및 연소 안정성을 개선함으로써, 엔진의 연소 효율을 증가시킬 수 있다.In addition, the combustion efficiency of the engine can be increased by improving the combustion speed and combustion stability of the fuel.
또한, 미검증 단계인 고가의 수소 인프라를 별도로 구축하지 않고도, 육상에서 상용화된 수소 저장탱크 및 수소 공급 제어 시스템을 곧바로 적용할 수 있어 효과적이다. In addition, it is effective because it is possible to directly apply commercially available hydrogen storage tanks and hydrogen supply control systems on land without separately building expensive hydrogen infrastructure, which is an unverified stage.
또한, 별도의 선박용 수소 혼합 연료용 엔진을 사용하지 않아도, 수소 혼합 가스 연료를 저압가스 엔진의 연료로 사용할 수 있다. In addition, the hydrogen mixture gas fuel can be used as the fuel of the low-pressure gas engine without using a separate marine hydrogen mixture fuel engine.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 1 is a block diagram schematically showing a hydrogen fuel mixture supply system for a low-pressure gas engine for ships according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are marked with the same numerals as much as possible, even if they are displayed on different drawings.
후술하는 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박일 수 있다. 또한, 액화가스를 연료로 사용하는 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 액화가스 운반선 또는 액체수소 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.In one embodiment of the present invention described later, the vessel may be any type of vessel equipped with an engine capable of using liquefied gas as a fuel for a propulsion engine or a fuel for a power generation engine. In addition, any ship using liquefied gas as fuel can be applied to a ship according to an embodiment of the present invention regardless of its shape. For example, ships with self-propelled capabilities such as LNG carriers, liquid hydrogen carriers, and LNG RVs (Regasification Vessel), LNG FPSOs (Floating Production Storage Offloading), LNG FSRUs (Floating Storage Regasification Units) and It may include offshore structures that do not have the same propulsion capability but are floating on the sea. However, in an embodiment to be described later, a liquefied gas carrier or a liquid hydrogen carrier will be described as an example.
또한, 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. In addition, the liquefied gas may be a liquefied gas that can be transported by liquefying the gas at a low temperature, for example, LNG (Liquefied Natural Gas), LEG (Liquefied Ethane Gas), LPG (Liquefied Petroleum Gas), liquefied ethylene gas It may be a liquefied petrochemical gas such as (Liquefied Ethylene Gas) or liquefied propylene gas (Liquefied Propylene Gas). However, in the embodiment to be described later, it will be described as an example in which LNG, which is a representative liquefied gas, is applied.
즉, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 연료는, LNG인 것을 예로 들어 설명하기로 하고, 선박은 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.That is, in an embodiment of the present invention to be described later, the liquefied gas fuel will be described by taking LNG as an example, and the ship will be described by taking an LNG carrier as an example.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법 및 수소 혼합 연료 공급 시스템을 설명하기로 한다. 1 is a block diagram schematically showing a hydrogen fuel mixture supply system for a low-pressure gas engine for ships according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a hydrogen mixture fuel supply method and a hydrogen mixture fuel supply system for a low pressure marine low pressure gas engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 혼합 연료 공급 시스템은, LNG 운반선에 설치되며, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)로부터 LNG 연료를 엔진의 연료로 공급하는 연료 공급 장치; 및 저압가스 엔진(410);을 포함한다. A hydrogen mixed fuel supply system according to an embodiment of the present invention is installed in an LNG carrier and includes an
본 실시예의 LNG 저장탱크(100)는 화물로서 LNG를 저장하는 LNG 화물탱크(cargo tank)일 수도 있고, 연료로서 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크일 수도 있으며, 도면에는 하나의 LNG 저장탱크만을 도시하였으나, LNG 저장탱크(100)는 하나 이상이 설치될 수 있다. The
또한, LNG 저장탱크(100)는 극저온의 LNG가 액체 상태를 유지하도록 단열처리되어 있을 수 있다. 그러나 LNG 저장탱크(100)가 단열처리되더라도, 외부로부터의 열 침입을 완벽히 차단할 수는 없으므로, LNG 저장탱크(100) 내에서는 LNG가 자연기화하여 BOG(Boil-Off Gas)가 생성된다. BOG가 지속적으로 생성되면 결국 LNG 저장탱크(100)의 내압이 상승하게 된다. LNG 저장탱크(100)에는 LNG 저장탱크(100)의 내압이 설정값을 초과하면 자동으로 BOG를 배출시켜 LNG 저장탱크(100)의 내압을 조절하도록 안전밸브(미도시)가 설치될 수 있다.In addition, the
또한, LNG 저장탱크(100)에는 LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 가압하여 외부로 배출시키는 LNG 펌프(110);가 설치될 수 있다. LNG 펌프(110)는 LNG 저장탱크(100)가 LNG 화물탱크일 경우, LNG를 하역하기 위하여 설치되는 카고 펌프일 수도 있다. 또는, 연료로 공급할 LNG를 LNG 저장탱크(100)로부터 배출시키기 위하여 카고 펌프와는 별도로 설치되는 연료용 펌프(미도시)일 수도 있다. 이하, LNG 펌프(110)는 카고 펌프인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.In addition, an
본 실시예에서 엔진의 연료로 공급되는 연료는, LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 강제기화시킨 천연가스와 수소의 혼합가스 또는 LNG 저장탱크(100)에서 생성된 BOG와 수소의 혼합가스를 포함하는 개념이며, 천연가스, BOG 및 수소의 혼합가스일 수도 있다. In this embodiment, the fuel supplied as fuel for the engine is a mixed gas of natural gas and hydrogen forcibly vaporized from LNG stored in the
본 실시예의 엔진(410)은, 저압가스 엔진으로서, 천연가스와 같은 가스 연료와 디젤과 같은 오일 연료를 모두 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진일 수 있고, 선박에 추진용 또는 발전용 엔진으로서 설치된 것일 수 있다. The
엔진(410)은, 오토 사이클에 의해 작동될 수 있고, 예를 들어, X-DF 엔진, LNG와 디젤을 연료로 사용하는 DFDE 또는 LPG와 디젤을 연료로 사용하는 DFDE일 수 있다. 본 실시예에서는 엔진(410)은, 추진용 엔진이며 X-DF 엔진이 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. The
X-DF 엔진(410)은, 2-행정 사이클을 사용하며, 선박의 추진을 위해 프로펠러(412)를 직접 구동하는 추진용 엔진이다. 또한, 약 16 bar 정도의 중압 가스연료를 연료로 사용한다. The
오토 사이클을 사용하는 엔진은, 연료와 연소용 공기의 혼합기를 상승 행정 이전에 실린더 내로 유입시키므로, 점화원에 의해 점화가 되기 전에 조기 착화가 일어날 수 있어, 노킹 현상이 일어날 수 있다.Since an engine using an Otto cycle introduces a mixture of fuel and combustion air into a cylinder before an upstroke, premature ignition may occur before ignition by an ignition source, resulting in a knocking phenomenon.
오토 사이클을 사용하는 엔진에 사용되는 연료가 조기 착화되지 않는 성능, 즉 안티 노킹(anti-knocking)은, 액체 연료의 경우에는 옥탄가(octane number)에 의해, 가스 연료의 경우에는 메탄가(methane number)에 의해 규정되며, 예를 들어, X-DF 엔진(410)의 경우, 메탄가 80 이상을 요구한다.The performance of the fuel used in engines using the Otto cycle to prevent premature ignition, i.e. anti-knocking, is determined by the octane number in the case of liquid fuel and the methane number in the case of gas fuel. , and, for example, in the case of the
LNG는 몰 분율(mole fraction)을 기준으로, 약 95% 정도의 메탄(methane, CH4) 약 2% 이하의 에탄(ehtane, C2H6) 및 프로판(propane, C3H8), 약 1% 이하의 질소 등 불활성 가스를 포함하는 것이 전형적이다. 즉, BOG는 LNG를 구성하는 성분 중에서 끓는점이 가장 높은 메탄을 주성분으로 한다. LNG is about 95% methane (CH 4 ), about 2% or less ethane (C 2 H 6 ) and propane (C 3 H 8 ), about 95%, based on mole fraction. It is typical to include an inert gas such as nitrogen at 1% or less. That is, BOG has methane, which has the highest boiling point, as its main component among the components constituting LNG.
따라서, 본 실시예의 X-DF 엔진(410)으로는, 메탄가가 높은 BOG를 연료로서 우선적으로 사용하고, BOG의 양이 부족한 경우 LNG를 강제기화시켜 연료로 사용할 수 있다.Therefore, in the
본 실시예의 X-DF 엔진(410)은, 디젤유, LNG를 강제기화시킨 천연가스 또는 LNG 저장탱크(100)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 BOG를 연료로 사용할 수 있고, 천연가스와 수소의 혼합 가스 및 BOG와 수소의 혼합 가스를 모두 연료로 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 BOG 또는 BOG와 수소의 혼합가스를 우선적으로 연료로서 사용하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.The
또한, 하기 실시예에서, 천연가스와 BOG를 특별히 구별하여 지칭하지는 않기로하며, 천연가스 또는 BOG라 함은, LNG 저장탱크(100)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 BOG와 LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 강제기화시킨 천연가스를 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, 천연가스 또는 BOG는, LNG의 선적 및 하역 작업이나 BOG의 재액화 과정에서 생성된 플래시 가스를 포함하는 개념일 수 있다.In addition, in the following embodiments, natural gas and BOG will not be specifically referred to, and natural gas or BOG refers to BOG and
본 실시예의 연료 공급 장치는, BOG 또는 천연가스를 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 압력까지 압축시키는 연료 압축기(210a, 210b); 수소를 저장하는 수소 저장탱크(750); 및 연료 압축기(210a, 210b)에서 압축된 BOG 또는 천연가스를 수소와 혼합시키는 수소 혼합 장치(300);를 포함할 수 있다.The fuel supply device of this embodiment includes a fuel compressor (210a, 210b) for compressing BOG or natural gas to a pressure required by the X-DF engine (410); a
본 실시예의 연료 압축기(210a, 210b)는, 스크류 타입의 압축기일 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 병렬로 설치되며 각각 100%의 부하 또는 그 이하로 운전되는 제1 연료 압축기(210a); 및 제2 연료 압축기(210b);를 포함할 수 있다.The
본 실시예에서는 2개의 연료 압축기가 병렬로 설치되는 것을 예로 들어 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 연료 압축기(210a, 210b)는 2개 이상이 병렬로 설치될 수 있고, 또는 2개 이상이 직렬로 설치되는 한 세트의 연료 압축기가 병렬로 2세트 이상 설치될 수도 있을 것이다. In the present embodiment, two fuel compressors are installed in parallel as an example, but it is not limited thereto, and two or
단, 병렬로 설치되는 연료 압축기 중에서, 적어도 하나의 연료 압축기는 X-DF 엔진(410)의 연료로 공급할 BOG 또는 천연가스를 압축하기 위해 사용되고, 적어도 하나의 연료 압축기는 후술하는 BOG를 재액화시키기 위한 냉매 사이클의 작동 유체로서 BOG 또는 천연가스를 압축하기 위해 사용될 수 있다.However, among the fuel compressors installed in parallel, at least one fuel compressor is used to compress BOG or natural gas to be supplied as fuel for the
본 실시예의 제1 연료 압축기(210a)는 BOG를 재액화시키기 위한 냉매로서의 BOG 또는 천연가스를 압축시킬 수 있고, 제2 연료 압축기(210b)는 X-DF 엔진(410)의 연료로 공급할 BOG 또는 천연가스를 압축시킬 수 있다.The
제1 연료 압축기(210a) 및 제2 연료 압축기(210b)는 서로 같은 용량의 것으로 구비될 수도 있고 서로 다른 용량의 것으로 구비될 수도 있으며, 각각 서로 다른 압력으로 BOG 또는 천연가스를 압축시킬 수 있다. The
본 실시예의 LNG 저장탱크(100), 제2 연료 압축기(210b) 및 수소 혼합 장치(300)는 BOG 라인(BL1);에 의해 연결될 수 있으며, BOG는 LNG 저장탱크(100)로부터 BOG 라인(BL1)을 따라 유동하며 수소 혼합 장치(300)로 공급된다. The
BOG 라인(BL1)에는, 제2 연료 압축기(210b)의 상류 및 하류에 각각 하나 이상씩, BOG 라인(BL1)을 따라 유동하는 BOG의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브(도면부호 미부여)가 설치될 수 있다. 특히 제2 연료 압축기(210b)의 하류에 설치되는 유량 조절 밸브는 BOG의 역류를 방지하는 체크 밸브(도면부호 미부여)와 함께 설치될 수 있다. 유량 조절 밸브와 체크 밸브를 함께 설치함으로써, 유량 조절 밸브의 개폐 또는 개도량 제어에 의해, 압축된 BOG가 다시 제2 연료 압축기(210b) 측으로 역류하지 않도록 방지할 수 있다. In the BOG line BL1, one or more flow control valves (not given reference numerals) are installed upstream and downstream of the
또한, BOG 라인(BL1)에는, 수소 혼합 장치(300)의 상류에도 유량 조절 밸브(도면부호 미부여)가 설치될 수 있다. 수소 혼합 장치(300)의 상류에 설치되는 유량 조절 밸브도 수소 혼합 장치(300)로 공급되는 BOG 또는 천연가스의 역류를 방지하는 체크 밸브(도면부호 미부여)가 함께 설치될 수 있다. In addition, in the BOG line BL1, a flow control valve (not given a reference numeral) may be installed upstream of the
본 실시예의 수소 혼합 장치(300)는, BOG 라인(BL1)을 통해 제2 연료 압축기(210b)와 연결되고, 수소 라인(HL)을 통해 수소 저장탱크(750)와 연결된다. The
수소 저장탱크(750)는 압축 수소를 저장하는 압축 탱크일 수 있다. 도 1에는 4개의 수소 저장탱크(750)가 설치되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 수소 저장탱크(750)는 하나 이상 설치될 수 있다. The
수소 저장탱크(750)에 저장되는 압축 수소의 압력은 특별히 한정하지는 않지만, 본 실시예의 수소 저장탱크(750)는 상용화되어 있는 육상용 압축 수소탱크를 그대로 적용하여도 무방하다. 예를 들어, 수소 저장탱크(750)에 저장되는 압축 수소는 약 700 bar일 수 있다.Although the pressure of the compressed hydrogen stored in the
수소 저장탱크(750)에 저장된 압축 수소는 수소 라인(HL)을 따라 유동하여 수소 혼합 장치(300)로 이송된다. The compressed hydrogen stored in the
수소 혼합 장치(300)에서는, LNG 저장탱크(100)로부터 BOG 라인(BL1)을 통해 이송된 압축 BOG와, 수소 저장 탱크(750)로부터 수소 라인(HL)을 통해 이송된 압축 수소가 혼합되어 HCNG(Hydrgen-enriched Compressed Natural Gas) 연료가 생성된다. 수소 혼합 장치(300)에서 생성된 HCNG 연료는, 수소 혼합 장치(300)와 X-DF 엔진(410)을 연결하는 혼합 연료 라인(FL)을 따라 X-DF 엔진(410)의 연료로 공급된다. In the
혼합 연료 라인(FL)에서 생성되는 HCNG 연료의 수소 함량은, 수소 함량이 높을수록 수소를 첨가하지 않았을 때보다, 탄화수소 배출량, 즉 메탄 슬립의 양과 일산화탄소, 이산화탄소 등 탄소 배출량이 줄어들기 때문에, 수소 함유량이 높을수록 좋다고 할 수 있지만, 엔진(410)으로 공급되는 연료를 연소시키기 위한 초과 공기(산소)량에 따라서는 수소 함량이 높을수록 질소산화물의 배출량이 수소를 첨가하지 않았을 때보다 높은 구간이 존재할 수 있다. 따라서, 혼합 연료 라인(FL)에서 생성되는 HCNG 연료의 수소 함량은 이러한 요소들을 고려하여 선정할 수 있다.The hydrogen content of the HCNG fuel generated in the mixed fuel line (FL) is higher than when hydrogen is not added, because hydrocarbon emissions, that is, the amount of methane slip and carbon emissions such as carbon monoxide and carbon dioxide, are reduced. The higher the value, the better, but depending on the amount of excess air (oxygen) for burning the fuel supplied to the
수소는, 반응성이 크고 화염전파속도가 빠르기 때문에, 연소 지속시간이 짧다. 따라서, X-DF 엔진(410)과 같은 저압가스 엔진으로 공급하는 천연가스 또는 BOG 연료에, 수소를 미량만 첨가하더라도 연료의 연소가 촉진되므로, 연소의 안정성이 증대되어 메탄 슬립을 감소시킬 수 있다. Since hydrogen is highly reactive and has a high flame propagation speed, the burning duration is short. Therefore, even if a small amount of hydrogen is added to the natural gas or BOG fuel supplied to the low-pressure gas engine such as the
HCNG(Hydrogen-enriched Compressed Natural Gas) 연료는 청정 대체 연료로서, 천연가스 연료와 수소 연료의 이점을 복합적으로 가진다. 수소를 첨가함으로써, 천연가스의 연료의 연소 속도(burning velocity)와 연소 불안정성(poor combustion stability)을 개선할 수 있다. 천연가스 연료는 미립자(particulate matters)와 탄화수소 등 오염물질의 배출이 적다는 장점 때문에 대체 연료로서 많은 관심을 받아왔다. HCNG 연료는 엔진의 효율 및 출력을 증가시키고, 엔진 제어 개선을 통해 오염물질의 배출량은 저감시킨다는 점에서 천연가스의 이점을 넘어서는 청정연료로서의 가치가 있다.Hydrogen-enriched Compressed Natural Gas (HCNG) fuel is a clean alternative fuel and has the advantages of both natural gas fuel and hydrogen fuel. By adding hydrogen, the burning velocity and poor combustion stability of natural gas fuel can be improved. Natural gas fuel has received a lot of attention as an alternative fuel because of its low emission of pollutants such as particulate matters and hydrocarbons. HCNG fuel has value as a clean fuel that exceeds the benefits of natural gas in that it increases engine efficiency and power and reduces pollutant emissions through improved engine control.
수소는 공기 중에 풍부한 원소이고, 이상적인 대체 연료로서 고려되고 있다. 그러나, 현재는 수소 생산, 분배 공급 및 저장 등 수소 인프라가 부족하고, 광범위한 수요를 충족시키기 위한 인프라 구축에 소요되는 비용 또한 높기 때문에 경제성은 낮은 것으로 평가되고 있다. Hydrogen is an abundant element in the air and is considered an ideal alternative fuel. However, at present, hydrogen infrastructure such as hydrogen production, distribution, supply, and storage is insufficient, and the cost required to build infrastructure to meet a wide range of demand is also high, so the economic feasibility is evaluated as low.
본 실시예에 따르면, X-DF 엔진(410), 연료 공급 장치 등 기존의 선박용 연료 공급 인프라와, 압축 수소 저장탱크(750), 압축 수소 공급 시스템 등 육상용 수소 공급 인프라를 이용하여, 별도의 HCNG용 엔진 등 새로운 시스템을 적용하지 않더라도, 수소 혼합 연료를 선박용 저압가스 엔진의 연료로 사용할 수 있으므로, 비용, 효율, 안전성과 관련된 문제들을 극복할 수 있다. According to the present embodiment, by using the existing marine fuel supply infrastructure such as the
본 실시예에서, X-DF 엔진(410)으로 공급되는 혼합 가스 연료에 미량의 수소만을 첨가하여도 메탄 슬립의 저감효과를 기대할 수 있으며, 육상의 수소 인프라를 그대로 적용할 수 있다.In this embodiment, even if only a small amount of hydrogen is added to the mixed gas fuel supplied to the
예를 들어, 저압가스 엔진에 천연가스 또는 BOG 연료만을 공급했을 경우, 배기가스에 포함된 미연소 탄화수소, 즉 메탄 슬립의 양이 약 960ppm인 것을 기준으로, 동일한 조건에서 약 0.34%의 수소가 첨가된 혼합 가스 연료를 저압가스 엔진으로 공급하면, 배기가스에 포함된 메탄 슬립의 양은 약 120ppm 이하이며, 메탄 슬립을 약 91% 저감시킬 수 있다. For example, when only natural gas or BOG fuel is supplied to a low-pressure gas engine, about 0.34% of hydrogen is added under the same conditions, based on the amount of unburned hydrocarbons in the exhaust gas, that is, methane slip, which is about 960 ppm. When the mixed gas fuel is supplied to the low-pressure gas engine, the amount of methane slip contained in the exhaust gas is about 120 ppm or less, and the methane slip can be reduced by about 91%.
한편, 저압가스 엔진에 천연가스 또는 BOG 연료만을 공급했을 경우, 배기가스에 포함된 불완전 연소 부산물, 즉 일산화탄소(CO)의 양이 약 720ppm인 것을 기준으로 하여, 동일한 조건에서 약 0.34%의 수소가 첨가된 혼합 가스 연료를 저압가스 엔진으로 공급하면, 배기가스에 포함된 일산화탄소의 양은 약 92%가 저감되고, 약 1.2%의 수소가 첨가된 혼합 가스 연료를 저압가스 엔진으로 공급했을 때 배기가스에 포함된 일산화탄소의 양은 수소 첨가량이 0%일 때와 비교하여 약 97%의 저감효과가 있다. On the other hand, when only natural gas or BOG fuel is supplied to the low-pressure gas engine, about 0.34% of hydrogen under the same conditions is based on the amount of carbon monoxide (CO), which is a by-product of incomplete combustion, contained in the exhaust gas of about 720 ppm. When the added mixed gas fuel is supplied to the low-pressure gas engine, the amount of carbon monoxide contained in the exhaust gas is reduced by about 92%, and when the mixed gas fuel with about 1.2% of hydrogen added to the low-pressure gas engine is supplied to the low-pressure gas engine, the amount of carbon monoxide is reduced by about 92%. The amount of carbon monoxide included has a reduction effect of about 97% compared to when the hydrogen addition amount is 0%.
즉, 본 실시예에 따르면, 수소를 천연가스 또는 BOG 연료와 혼합한 수소 혼합 연료 가스를 저압가스 엔진(410)의 연료로 공급함으로써, 메탄 슬립을 저감시키고, 연료의 불완전 연소를 감소시켜, 배기가스 중의 오염물질 배출량을 현저히 저감시킬 수 있다. That is, according to the present embodiment, by supplying a hydrogen mixed fuel gas in which hydrogen is mixed with natural gas or BOG fuel as the fuel of the low
본 실시예에 따르면, X-DF 엔진(410)으로부터 배출되는 배기가스는 배기가스 라인(EL)을 따라 X-DF 엔진(410)으로부터 외부로 배출되는데, 배기가스 라인(EL)에는 배기가스 중의 메탄 슬립량을 분석하는 메탄 슬립 분석장치(411);가 설치될 수 있다. According to this embodiment, the exhaust gas discharged from the
메탄 슬립 분석장치(411)에 의해 측정 또는 분석된 메탄 슬립 또는 일산화탄소의 양에 따라 X-DF 엔진(410)의 연소 상태를 파악하고, 그에 따라 제어부(800)에서는 수소 저장탱크(750)로부터 수소 혼합 장치(300)로 공급되는 수소의 유량, 압력 또는 수소 저장탱크(750)에 저장되는 수소의 유량, 압력 등을 조절할 수 있다. The combustion state of the
본 실시예의 수소 저장탱크(750)는, 육상의 수소 인프라(700)와 탈부착될 수 있다. 육상의 수소 인프라(700)는, 육상에 설치되는 수소 저장 수단, 수소 공급 수단 등을 포함할 수 있다. The
육상의 수소 인프라(700)와 수소 저장탱크(750)는 수소 라인(HL)에 의해 연결되고, 수소 라인(HL)에는, 수소 라인(HL)을 유동하는 수소의 유로, 수소의 유량 등을 제어하는 수소 공급밸브(710); 및 수소 분배밸브(740);가 각각 하나 이상씩 설치될 수 있다. The
수소 분배밸브(740)는 도 1에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 수소 저장탱크(750)의 상류에 각각 하나 이상씩 설치될 수 있다. As shown in FIG. 1 , one or more
또한 육상의 수소 인프라(700)와 수소 저장탱크(750)를 연결하는 수소 라인(HL)에는 육상의 수소 인프라(700)로부터 수소 저장탱크(750)로 이송되는 수소를 압축하는 수소 압축기(720); 및 수소 압축기(720)에서 압축된 수소를 냉각시키는 수소 냉각기(730);를 포함할 수 있다. In addition, in the hydrogen line (HL) connecting the
본 실시예의 수소 압축기(720)는 제어부(800)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어 제어부(800)는, 수소 저장탱크(760)로부터 수소 혼합 장치(300)로 공급되는 수소의 압력, 메탄 슬립 분석장치(411)의 측정 또는 분석값 등을 이용하여, 가동 여부 및 압축시키는 수소의 토출압력 등을 제어할 수 있다.The
수소 압축기(720)에서 압축되는 수소의 압력은 수소 저장탱크(750)의 운용 압력 또는 수소 혼합 장치(300)에서 요구하는 수소 압력일 수 있으며, 예를 들어 수소 압축기(720)는 수소를 약 700 bar까지 압축시킬 수 있다. The pressure of hydrogen compressed in the
본 실시예의 수소 냉각기(730)는, 수소 압축기(720)에서 압축에 의해 온도가 상승한 압축 수소를, 수소 저장탱크(750)에서 요구하는 온도까지 냉각시킬 수 있다. The
본 실시예의 수소 냉각기(730)에서 압축 수소를 냉각시키는 냉매로는 물(water) 또는 해수(seawater)가 사용될 수 있다. Water or seawater may be used as a refrigerant for cooling the compressed hydrogen in the
수소 저장탱크(750)와 수소 혼합 장치(300)를 연결하는 수소 라인(HL)에는 수소 저장탱크(750)로부터 수소 혼합 장치(300)로 공급되는 수소의 압력 또는 유량을 측정하는 압력계(760);가 하나 이상의 수소 저장탱크(750)의 하류에 각각 설치될 수 있다. In the hydrogen line HL connecting the
압력계(760)에서 측정된 측정값에 의해, 제어부(800)는, 수소 공급밸브(710), 수소 압축기(720) 및 하나 이상의 수소 분배밸브(740) 중 어느 하나 이상; 후술할 하나 이상의 수소 재순환 밸브(770) 중 어느 하나 이상;을 제어할 수 있다.Based on the measured value measured by the
본 실시예에 따르면, 수소 임시 저장탱크(780); 및 수소 저장탱크(750)의 하류에서 수소 라인(HL)으로부터 분기되어 수소 압축기(720) 상류의 수소 라인(HL)으로 연결되는 수소 분기 라인(HL1);을 더 포함한다.According to this embodiment, the hydrogen
수소 임시 저장탱크(780)는 수소 저장탱크(750)와는 별도로 구비되는 것으로, 수소 저장탱크(750)의 리던던시로 활용될 수도 있고, 수소 라인(HL)을 유동하는 수소의 압력 또는 유량, 수소 저장탱크(750)의 압력을 제어하기 위한 안전 수단으로 활용될 수도 있으며, 수소 라인(HL)을 유동하는 수소의 압력 또는 유량 변화에 따라 수소를 안정화시키는 버퍼 수단으로 활용될 수도 있다. The hydrogen
본 실시예의 수소 임시 저장탱크(780)는, 수소 혼합 장치(300)로 수소를 공급하는 다수개의 수소 저장탱크(750) 중 수소 혼합 장치(300) 또는 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 압력보다 내압이 낮아진 수소 저장탱크(750)로부터 배출된 수소를 저장한다. The hydrogen
수소 저장탱크(750)로 수소를 충전할 때에는 고압으로 압축된 수소, 예를 들어, 700 bar의 압축 수소를 저장하므로, 수소 저장탱크(750)의 내압은 약 700 bar의 고압이지만, 수소 저장탱크(750)로부터 수소 혼합 장치(300)로 수소를 공급함에 따라, 수소 저장탱크(750)의 내압은 점차 감소하게 된다.When hydrogen is filled with the
수소 저장탱크(750)로부터 배출되는 수소의 압력이 수소 혼합 장치(300) 또는 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 압력보다 낮으면, 수소를 X-DF 엔진(410)의 연료로 공급할 수 없다. If the pressure of hydrogen discharged from the
본 실시예에 따르면, 압력계(750)를 이용하여 수소 저장탱크(750)의 내압 또는 수소 저장탱크(750)의 하류에서 수소 저장탱크(750)로부터 배출된 수소의 압력을 측정하고, 측정값을 이용하여 수소의 유로를 제어한다. According to the present embodiment, the internal pressure of the
제어부(800)는, 압력 측정값이, 수소 혼합 장치(300) 또는 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 압력보다 낮으면, 수소 재순환 밸브(770)를 제어하여, 수소가 수소 분기 라인(HL1)으로 분기되도록 유로를 제어하며, 수소 분기 라인(HL1)으로 분기된 수소는 수소 임시 저장탱크(780)에 저장된다. If the pressure measurement value is lower than the pressure required by the
수소 재순환 밸브(770)는 하나 이상의 수소 저장탱크(750) 하류에 각각 설치되며, 수소 재순환 밸브(770)가 개방되면 수소는 수소 분기라인(HL1)으로 유동하고, 수소 재순환 밸브(770)가 폐쇄되면 수소는 수소 라인(HL)을 따라 수소 혼합 장치(300)로 공급되도록 하는 위치에 설치된다.The
또한, 수소 분기라인(HL1)에는, 안전밸브(도면부호 미부여)가 설치될 수 잇다. 수소 분기라인(HL1)에 안전밸브를 설치함으로써, 수소 저장탱크(750) 하류의 압력이 설정값을 초과하면 안전밸브가 자동으로 개방되어, 수소 저장탱크(750) 하류의 수소 라인(HL)을 유동하는 수소가 수소 분기라인(HL1)으로 자동 유입되도록 제어될 수 있다. In addition, a safety valve (reference numeral not given) may be installed in the hydrogen branch line HL1. By installing a safety valve in the hydrogen branch line (HL1), when the pressure downstream of the
수소 임시 저장탱크(780)에 임시로 저장된 수소는, 수소 압축기(720)로 재순환되며, 수소 압축기(720)에서 압축되어 다수개의 수소 저장탱크(750) 중에서 내압이 수소 혼합 장치(300) 또는 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 압력보다 낮은 수소 저장탱크(750)로 회수될 수 있다.The hydrogen temporarily stored in the hydrogen
이와 같이, 압력이 낮아 X-DF 엔진(410)으로 공급할 혼합 가스 연료로서 수소 혼합 장치(300)에 공급할 수 없는 수소까지도 전량 X-DF 엔진(410)의 연료로 활용할 수 있다. As such, even hydrogen that cannot be supplied to the
또한, 본 실시예에 따르면, 수소 저장탱크(750)와 수소 혼합 장치(300) 사이에 설치되며, 수소 라인(HL)을 따라 수소 저장탱크(750)로부터 수소 혼합 장치(300)로 공급되는 수소를, X-DF 엔진(410)에서 요구하는 온도로 조절하는 수소 히터(790);를 더 포함할 수 있다. In addition, according to the present embodiment, hydrogen is installed between the
본 실시예의 수소 히터(790)는, 수소 혼합 장치(300)로 공급되는 수소 기체의 온도를 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 온도까지 조절할 수도 있고, 수소 혼합 장치(300)에서 생성된 HCNG 연료의 온도가 X-DF 엔진(410)에서 요구하는 온도가 되도록 조절할 수도 있다.The
본 실시예의 연료 공급 장치는, X-DF 엔진(410)으로 공급되고 남은 BOG 또는 천연가스를 재액화시켜 LNG 저장탱크(100)로 회수하는 재액화 장치; 및 재액화 장치에서 BOG 또는 천연가스를 재액화시키기 위해 BOG 또는 천연가스를 냉매로서 순환시키는 냉매 사이클;을 포함할 수 있다. The fuel supply device of the present embodiment includes a re-liquefaction device for re-liquefying BOG or natural gas remaining after being supplied to the
본 실시예의 재액화 장치는, 제2 연료 압축기(210b)에서 압축된 압축 BOG를 가압하는 부스트 압축기(610); 부스트 압축기(610)에서 압축된 압축 BOG를 연료 압축기(210a, 210b)로 공급되는 압축 전 BOG의 냉열을 회수하여 액화시키는 열교환 유닛(620); 및 열교환 유닛(620)에서 액화된 BOG를 냉매 사이클을 순환하는 메탄 냉매와의 열교환에 의해 더 냉각시키는 콜드박스(510); 콜드박스(510)에서 냉각된 재액화 BOG를 LNG 저장탱크(100)의 저장압력으로 감압시키는 줄-톰슨 밸브(630); 및 줄-톰슨 밸브(630)에서 재액화 BOG를 감압시키면서 생성된 플래시 가스를 기액분리시켜 액체 상태의 재액화 BOG만을 LNG 저장탱크(100)로 공급하는 기액분리기(640);를 포함한다.The re-liquefaction apparatus of this embodiment includes a
부스트 압축기(610)는, 제2 연료 압축기(210b)에서 압축된 압축 BOG 중, X-DF 엔진(410)의 연료로 공급되고 남은 나머지 압축 BOG를 가압하여, 열교환 유닛(620)으로 이송한다. 부스트 압축기(610)에 의해 압축 BOG는 재액화하기에 적합한 압력으로 압축되고, 부스트 압축기(610)에서 압축된 압축 BOG는 열교환 유닛(620)을 통과하면서 액화될 수 있다. Among the compressed BOG compressed by the
열교환 유닛(620)은, 부스트 압축기(610)에 의해 이송된 압축 BOG를, 연료 압축기(210)로 공급되는 압축 전 BOG의 냉열을 회수하여 액화시킨다. The
즉, 연료 압축기(210a, 210b)로 공급되는 BOG는 연료 압축기(210a, 210b)로 도입되기 전에, 열교환 유닛(620)에서 재액화시킬 압축 BOG를 냉각시키면서 온도가 상승한다. 본 실시예에 따르면, BOG를 연료 압축기(210a, 210b)에서 압축시키기 전에 냉열을 회수함으로써, 연료 압축기(210a, 210b)를 고가의 극저온용으로 구비하지 않아도 되고, 압축기 도입온도를 상승시킴으로써 압축 효율을 증대시킬 수 있다. That is, before the BOG supplied to the
본 실시예의 열교환 유닛(620)은, 확산 접합형 열교환기(DCHE; Diffusion-bonded Compact Heat Exchanger)일 수 있다. 확산 접합형 열교환기는, 다수의 열교환 플레이트를 적층(stacking)하여 확산 접합함으로써, 플레이트와 플레이트 사이의 용접을 배제한 구조의 열교환기이다. 용접을 배제한 열교환기를 사용함으로써, 다양한 온도 및 압력에 적용이 가능하고, 단위면적 대비 열교환 성능이 우수하여, 고압으로 압축된 BOG를 저온으로 냉각시킬 수 있다.The
콜드박스(510)는, BOG 라인(BL)을 유동하는 BOG 또는 천연가스 중 일부를 분기시킨, 메탄 냉매의 냉열을 이용하여 열교환 유닛(620)에서 액화된 BOG를 더 냉각시킨다. The
본 실시예에서 메탄 냉매는, 후술하는 냉매 사이클을 순환하며, 제1 연료 압축기(210a)에서 압축된 BOG, 천연가스 또는 BOG와 천연가스의 혼합물일 수 있다. In this embodiment, the methane refrigerant circulates through a refrigerant cycle to be described later, and may be BOG compressed in the
열교환 유닛(620)에서 액화되지 않은 성분들이 있다면, 콜드박스(510)에서 열교환에 의해 전량이 액화될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면 부스트 압축기(610)에 의해 이송된 압축 BOG가, 열교환 유닛(620) 또는 열교환 유닛(620)과 콜드박스(510)를 통과하면서, 전량이 재액화될 수 있다.If there are components that are not liquefied in the
본 실시예의 줄-톰슨 밸브(630)는, 콜드박스(510)에서 냉각된 재액화 BOG를 LNG 저장탱크(100)의 저장압력까지 감압시킨다. 줄-톰슨 밸브(630)를 통과하면서 재액화 BOG는 단열팽창되며, 줄-톰슨 효과에 의해 유체의 온도는 더 낮아질 수 있다. The Joule-
또한, 줄-톰슨 밸브(630)에 의한 감압과정에서 재액화 BOG 중 일부가 플래시(flash)될 수 있으며, 따라서 기액혼합물이 형성될 수 있다. 감압과정에서 생성된 플래시 가스는 기액분리기(650)에서 기액 분리될 수 있다. 기액분리기(650)에서 분리된 기체 상태의 플래시 가스는, 기액분리기(650)와 BOG 라인(BL)을 연결하는 BOG 회수라인(BL3)을 통해, 연료 압축기(210a, 210b)로 공급되는 BOG 가스 흐름에 합류될 수 있다. In addition, during the depressurization process by the Joule-
본 실시예에 따르면, 제2 연료 압축기(210b)의 하류에서 BOG 라인(BL)으로부터 분기되어, 부스트 압축기(610), 열교환 유닛(620), 콜드박스(510), 줄-톰슨 밸브(630), 기액분리기(640) 및 LNG 저장탱크(100)를 연결하는 재액화 라인(RL);을 포함한다. 즉, 제2 연료 압축기(210b)에서 압축된 압축 BOG 중, 수소 혼합 장치(300)로 공급되고 남은 압축 BOG는 재액화 라인(RL)으로 유입시킬 수 있고, 재액화 라인(RL)으로 유입된 압축 BOG는, 부스트 압축기(610), 열교환 유닛(620) 및 콜드박스(510)를 통과하면서 전량이 액화되며, 줄-톰슨 밸브(630)를 통과하면서 감압된 후 기액분리기(640)에서 기액분리되고, 기액분리기(640)에서 분리된 액체 상태의 재액화 BOG가 LNG 저장탱크(100)로 회수될 수 있다.According to this embodiment, branched off from the BOG line BL downstream of the
본 실시예의 재액화는, 항상 실시간으로 공정이 진행되지 않을 수도 있으므로, 본 실시예에 따르면, 부스트 압축기(610)의 상류의 재액화 라인(RL)에 어큐물레이터(도면부호 미부여)를 구비하여, 압축 BOG를 축적하고, 압축 BOG가 일정량 모이면 재액화를 실시할 수도 있다. Since the re-liquefaction process of the present embodiment may not always proceed in real time, according to the present embodiment, an accumulator (reference numeral not given) is provided in the re-liquefaction line RL upstream of the
본 실시예에 따르면, LNG 저장탱크(100)에서 생성된 BOG 또는 천연가스를, BOG를 재액화시키기 위한 냉매로 사용할 수 있다.According to this embodiment, BOG or natural gas generated in the
즉, 본 실시예의 콜드박스(510)에서 BOG를 재액화시키기 위한 냉매로 사용되는 메탄 냉매는, 제1 연료 압축기(210a)를 포함하는 냉매 사이클을 순환하는 BOG 또는 천연가스(이하, 'BOG 냉매'라 함.)이다. That is, the methane refrigerant used as a refrigerant for re-liquefying BOG in the
냉매로 사용할 BOG 또는 천연가스는, 연료 압축기(210a, 210b)의 상류에서 BOG 라인(BL)으로부터 분기된 제2 BOG 라인(BL2)을 통해 제1 연료 압축기(210a)로 유입된다. 제1 연료 압축기(210a)는, 제2 BOG 라인(BL2)을 통해 유입된 압축 BOG를 냉매 사이클을 순환시키기에 적합한 압력으로 압축시킨다. BOG or natural gas to be used as a refrigerant is introduced into the
본 실시예의 제1 연료 압축기(210a)는 냉매 사이클로 BOG 냉매를 공급, 보충 또는 순환시킬 필요가 있을 때에만 가동시킬 수 있다.The
먼저, 제1 연료 압축기(210a)에서 압축된 BOG 냉매는, 콜드박스(510)로 유입되며, 콜드박스(510)에서 열교환에 의해 냉각된다. First, the BOG refrigerant compressed in the
본 실시예의 냉매 사이클은, 제1 연료 압축기(210a)에서 압축되고, 콜드박스(510)에서 냉각된 압축 BOG 냉매를 팽창시키는 익스팬더(520);를 더 포함한다. The refrigerant cycle of this embodiment further includes an
익스팬더(520)를 통과하면서 팽창된 압축 BOG 냉매는 온도가 낮아지게 되고, 일부 또는 전량이 응축될 수 있다. 익스팬더(520)를 통과하면서 온도가 낮아진 BOG 냉매는 제1 연료 압축기(210a)로 재순환된다.The compressed BOG refrigerant expanded while passing through the
본 실시예의 콜드박스(510)에서는, 익스팬더(520)를 통과하면서 온도가 낮아진 BOG 냉매의 냉열에 의해, 압축 BOG 냉매 및 열교환 유닛(620)에서 냉각된 후 재액화 라인(RL)을 따라 콜드박스(510)로 유입된, 재액화 BOG가 냉각된다. In the
본 실시예의 냉매 사이클은, 항상 실시간으로 가동되지 않을 수도 있으므로, 본 실시예에 따르면, 제1 연료 압축기(210a)와 콜드박스(510) 사이에 어큐뮬레이터(도면부호 미부여)를 구비하여, 압축 BOG 냉매를 축적하고, 압축 BOG 냉매가 일정량 모이면, 또는 콜드박스(510)에서 수요가 발생하면, 압축 BOG 냉매를 콜드박스(510)로 공급할 수 있다. Since the refrigerant cycle of the present embodiment may not always operate in real time, according to the present embodiment, an accumulator (no reference numeral is given) is provided between the
본 실시예의 연료 공급 장치는, 제2 연료 압축기(210b) 하류의 BOG 라인(BL1)으로부터 분기되며 수소 혼합 장치(300)로 공급되고 남은 압축 BOG를 필요로 하는 연료 수요처(420); 및 제2 연료 압축기(210b) 하류의 BOG 라인(BL1)으로부터 분기되어 연료 수요처(420)를 연결하고, 수소 혼합 장치(300)로 공급되고 남은 압축 BOG가 연료 수요처(420)로 공급되는 유로를 제공하는 제3 BOG 라인(BL4);를 더 포함할 수 있다. The fuel supply device of the present embodiment is branched from the BOG line BL1 downstream of the
본 실시예의 연료 수요처는, 통합형 IGG/GCU, 발전용 엔진, 보조 보일러 등을 포함할 수 있다. The fuel demand place of this embodiment may include an integrated IGG/GCU, a power generation engine, an auxiliary boiler, and the like.
통합형 IGG/GCU(Combined Inert Gas Generator/Gas Combustion Unit)은, 압축 BOG를 연소시켜 불활성 가스를 생성하거나, 압축 BOG를 연소시켜 연소열을 생성한다. The combined inert gas generator/gas combustion unit (IGG/GCU) burns compressed BOG to generate inert gas or burns compressed BOG to generate combustion heat.
또한, 발전용 엔진은, 압축 BOG를 연료로 하여 전력을 생산하며, 예를 들어, 터빈-발전기, DFDE 등을 포함할 수 있다. In addition, the engine for power generation generates electric power using compressed BOG as fuel, and may include, for example, a turbine-generator, a DFDE, and the like.
또한, 보조 보일러는, 압축 BOG를 연소시켜 그 연소열로 스팀을 생성하거나 고온의 물을 생성하며, 생성된 스팀이나 고온의 물은 선내 스팀 수요처 또는 고온수 수요처로 공급할 수 있다. In addition, the auxiliary boiler burns the compressed BOG to generate steam or high-temperature water with the heat of combustion, and the generated steam or high-temperature water can be supplied to a steam customer or a hot water customer on board.
본 실시예에 따르면, 선내에서 생성된 BOG를 이용하여 X-DF 엔진(410)으로 공급할 혼합 가스 연료로 생성하거나, 재액화시켜 회수할 수도 있고, BOG 재액화에 필요한 냉매로 사용할 수도 있으며, 연료 수요처의 연료로 공급할 수도 있다. 따라서, 메탄이 주성분인 BOG를 대기중으로 방출하거나 버리는 일 없이, 선내에서 효율적으로 활용할 수 있다. According to this embodiment, BOG generated on board can be used to generate mixed gas fuel to be supplied to the
또한, 본 실시예의 연료 공급 장치는, X-DF 엔진(410)으로 공급할 BOG의 양이 부족하거나, BOG 재액화의 운영상 천연가스가 추가로 더 필요하거나 또는 냉매로서 필요한 BOG의 양이 부족하거나, 연료 수요처의 연료로 공급할 양이 부족한 경우, LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 강제기화시키는 기화기(120); 및 LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 가압하여 기화기(120)로 공급하는 LNG 펌프(110);를 포함할 수 있다.In addition, in the fuel supply device of this embodiment, the amount of BOG to be supplied to the
본 실시예의 기화기(120)에서 강제기화된 천연가스는, BOG 라인(BL)으로 합류시켜 연료 압축기(210a, 210b)로 공급될 수 있다. The natural gas forcedly vaporized in the
또한, 본 실시예의 연료 공급 장치는, 기화기(120)에서 강제기화된 천연가스 중의 액체 성분을 제거하는 미스트 세퍼레이터(130);를 더 포함할 수 있다. In addition, the fuel supply device of the present embodiment may further include a
본 실시예의 미스트 세퍼레이터(130)에서 액체 성분이 분리제거된 기체 성분만이 연료 압축기(210)로 공급될 수 있다. Only gas components from which liquid components are separated and removed in the
본 실시예의 미스트 세퍼레이터(130)에 의해, 액적 등 연료 압축기(210)로 공급되는 천연가스 중의 액체 성분을 분리제거함으로써, 연료 압축기(210)로 액체 성분이 혼입되어 연료 압축기(210)의 고장을 일으키는 등의 문제를 방지할 수 있다. By separating and removing liquid components in the natural gas supplied to the fuel compressor 210, such as droplets, by the
또한, 본 실시예의 미스트 세퍼레이터(130)는, 연료 압축기(210a, 210b), 특히 제2 연료 압축기(210b)로 공급되는 천연가스의 메탄가를 조절하는 메탄가 조절 수단일 수 있다. In addition, the
상술한 바와 같이, 본 실시예의 X-DF 엔진(410), 즉, 저압가스 엔진은, 연료의 메탄가 제한이 있다. BOG는 메탄이 주성분이므로 메탄가 조절이 필요하지 않을 수 있지만, 기화기(120)에서 기화된 천연가스는 저압가스 엔진에서 요구하는 조건보다 메탄가가 낮을 수 있다. As described above, the
따라서, 본 실시예에 따르면, 미스트 세퍼레이터(130)에서 기화기(120)에서 기화된 천연가스 중 메탄가를 낮추는 성분인 프로판 등의 중탄화수소를 응축시키고, 응축된 중탄화수소를 기액분리하여, 메탄을 주성분으로 하는, 메탄가가 높은 기체 상태의 천연가스만을 제2 연료 압축기(210b)로 공급하고, 액체 상태로 분리된 중탄화수소는 따로 배출시킬 수 있다. 미스트 세퍼레이터(130)에서 기액분리된 중탄화수소는 퍼징유닛(140)으로 공급되고, 퍼징유닛(140)에서 퍼징시킨 후, 액체 회수라인(LL)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 공급할 수 있다. Therefore, according to the present embodiment, in the
상술한 바와 같이, 선박용 저압가스 엔진에, 수소가 혼합된 가스 연료를 연료로서 공급함으로써, 엔진의 메탄 슬립을 저감시킬 수 있고, 불완전 연소가 일어나지 않는 등 연소 안정성과 연소효율을 개선할 수 있다. 또한, 별도의 수소 인프라를 구비하는 일 없이, 검증된 상용화 기술을 그대로 적용할 수 있다. As described above, by supplying hydrogen-mixed gas fuel as fuel to the marine low-pressure gas engine, methane slip of the engine can be reduced, and combustion stability and combustion efficiency can be improved, such as preventing incomplete combustion. In addition, the proven commercialization technology can be applied as it is without having a separate hydrogen infrastructure.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다. It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be variously modified or modified without departing from the technical gist of the present invention. it did
100 : LNG 저장탱크
210 : 연료 압축기
300 : 수소 혼합 장치
410 : 저압가스 엔진
411 : 메탄 슬립 분석장치
700 : 육상 수소 인프라
720 : 수소 압축기
730 : 수소 냉각기
750 : 수소 저장탱크
780 : 수소 임시 저장탱크
790 : 수소 히터
610 : 부스트 압축기
620 : 열교환 유닛
630 : 줄-톰슨 밸브
640 : 기액분리기
510 : 콜드박스
520 : 익스팬더100: LNG storage tank
210: fuel compressor
300: hydrogen mixing device
410: low pressure gas engine
411: methane slip analyzer
700: onshore hydrogen infrastructure
720: hydrogen compressor
730: hydrogen cooler
750: hydrogen storage tank
780: hydrogen temporary storage tank
790: hydrogen heater
610: boost compressor
620: heat exchange unit
630: Joule-Thompson valve
640: gas-liquid separator
510: cold box
520: expander
Claims (8)
배기가스에 포함된 메탄 슬립의 정도에 따라 상기 선박용 저압가스 엔진으로 공급하는 가스 연료에 혼합할 수소 첨가량을 제어함으로써 선박용 저압가스 엔진의 메탄 슬립을 방지하며,
상기 액화가스와 혼합할 수소는, 육상으로부터 공급받은 수소를 수소 압축기를 이용하여 압축하여 선내 수소 저장탱크에 저장하고,
상기 수소 저장탱크는 다수개 설치되며,
상기 수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 압력이 상기 액화가스와 혼합하기 위해 필요한 압력 또는 상기 선박용 저압가스 엔진이 요구하는 압력보다 낮은 경우,
상기 낮은 압력의 수소를 수소 임시 저장탱크에 저장한 후, 상기 수소 압축기로 압축하여 상기 수소 저장탱크로 재공급하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법.Analyze the methane slip of the exhaust gas discharged from the low-pressure gas engine for ships using liquefied gas as fuel,
Preventing methane slip of the marine low-pressure gas engine by controlling the amount of hydrogen added to the gas fuel supplied to the marine low-pressure gas engine according to the degree of methane slip included in the exhaust gas,
The hydrogen to be mixed with the liquefied gas is compressed using a hydrogen compressor and stored in a hydrogen storage tank on board,
A plurality of hydrogen storage tanks are installed,
When the pressure of hydrogen discharged from the hydrogen storage tank is lower than the pressure required for mixing with the liquefied gas or the pressure required by the marine low-pressure gas engine,
After storing the low-pressure hydrogen in a hydrogen temporary storage tank, compressing the hydrogen with the hydrogen compressor and resupplying it to the hydrogen storage tank.
상기 선박에는 액화가스 저장탱크가 구비되고,
상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 제2 연료 압축기를 이용하여 압축한 후, 압축 수소와 혼합하여 상기 선박용 저압가스 엔진의 연료로 공급하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법.The method of claim 1,
The vessel is provided with a liquefied gas storage tank,
After compressing the boil-off gas generated in the liquefied gas storage tank using a second fuel compressor, mixing it with compressed hydrogen and supplying it as fuel for the marine low-pressure gas engine, a method for supplying hydrogen mixed fuel to a marine low-pressure gas engine.
상기 제2 연료 압축기를 이용하여 압축시킨 증발가스 중 상기 선박용 저압가스 엔진의 연료로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스는, 상기 제2 연료 압축기와 별도로 구비되는 제1 연료 압축기를 이용하여 압축한 후 냉각 및 팽창시킨 증발가스 냉매의 냉열에 의해 재액화시켜 액화가스 저장탱크로 회수하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 방법.The method of claim 3,
Of the boil-off gas compressed using the second fuel compressor, the compressed boil-off gas remaining after being supplied as fuel for the marine low-pressure gas engine is compressed using a first fuel compressor provided separately from the second fuel compressor, and then cooled. and reliquefying the expanded boil-off gas refrigerant by cooling heat and recovering it to a liquefied gas storage tank.
압축수소를 저장하는 수소 저장탱크;
상기 액화가스 및 수소 저장탱크에 저장된 수소를 혼합하는 수소 혼합 장치;
상기 액화가스를 연료로 사용하는 선박용 저압가스 엔진;
상기 선박용 저압가스 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 메탄 슬립을 분석하는 메탄 슬립 분석장치; 및
상기 메탄 슬립 분석장치에서 측정한 측정값을 이용하여 상기 수소 저장탱크로부터 수소 혼합 장치로 공급되는 수소의 양을 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 선박용 저압가스 엔진은, 상기 액화가스와 혼합되는 수소의 양이 제어된 혼합 가스 연료를 연료로 사용함으로써 메탄 슬립이 제어되고,
상기 수소 저장탱크는 육상의 수소 인프라와 탈부착되며,
상기 수소 저장탱크는 다수개 설치되고,
상기 육상으로부터 공급받은 수소를 압축하여 상기 수소 저장탱크로 공급하는 수소 압축기;
상기 수소 저장탱크로부터 배출되는 수소의 압력을 측정하는 압력계;
상기 수소 저장탱크로부터 배출된 수소의 압력이 상기 수소 혼합 장치 또는 선박용 저압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮으면 수소가 상기 수소 압축기로 공급되도록 하는 수소 재순환 밸브; 및
상기 수소 압축기로 공급되는 수소를 저장하는 수소 임시 저장탱크;를 더 포함하며,
상기 제어부는, 상기 압력계의 측정값에 따라 상기 수소 압축기 및 수소 재순환 밸브를 제어하며, 상기 낮은 압력의 수소를 압축하여 상기 수소 저장탱크로 재공급하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템.A fuel supply device for supplying liquefied gas as fuel to a marine low-pressure gas engine;
A hydrogen storage tank for storing compressed hydrogen;
a hydrogen mixing device for mixing the liquefied gas and hydrogen stored in the hydrogen storage tank;
a low-pressure gas engine for ships using the liquefied gas as fuel;
a methane slip analyzer for analyzing methane slip of exhaust gas discharged from the marine low-pressure gas engine; and
A controller for controlling the amount of hydrogen supplied from the hydrogen storage tank to the hydrogen mixing device using the measured value measured by the methane slip analyzer; includes,
In the marine low-pressure gas engine, methane slip is controlled by using a mixed gas fuel in which the amount of hydrogen mixed with the liquefied gas is controlled as fuel,
The hydrogen storage tank is detachable from the onshore hydrogen infrastructure,
A plurality of hydrogen storage tanks are installed,
a hydrogen compressor that compresses the hydrogen supplied from the land and supplies it to the hydrogen storage tank;
a pressure gauge for measuring the pressure of hydrogen discharged from the hydrogen storage tank;
a hydrogen recirculation valve for supplying hydrogen to the hydrogen compressor when the pressure of the hydrogen discharged from the hydrogen storage tank is lower than the pressure required by the hydrogen mixing device or the marine low-pressure gas engine; and
Further comprising a hydrogen temporary storage tank for storing hydrogen supplied to the hydrogen compressor,
The control unit controls the hydrogen compressor and the hydrogen recirculation valve according to the measured value of the pressure gauge, and compresses the low pressure hydrogen and resupplies it to the hydrogen storage tank.
상기 연료 공급 장치는,
액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 상기 선박용 저압가스 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시켜 상기 수소 혼합 장치로 공급하는 제2 연료 압축기;
상기 제2 연료 압축기에 의해 압축된 압축 증발가스 중에서 상기 수소 혼합 장치로 공급하고 남은 압축 증발가스를 재액화시켜 액화가스 저장탱크로 회수하는 재액화 장치; 및
상기 증발가스를 압축시켜 상기 재액화 장치에서 증발가스를 액화시키는 냉매로 공급하는 제1 연료 압축기;를 포함하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템.The method of claim 5,
The fuel supply device,
a second fuel compressor for compressing boil-off gas generated by natural vaporization of liquefied gas to a pressure required by the marine low-pressure gas engine and supplying the compressed gas to the hydrogen mixing device;
a re-liquefaction device for re-liquefying the remaining compressed boil-off gas supplied to the hydrogen mixing device among the compressed boil-off gas compressed by the second fuel compressor and recovering the compressed boil-off gas into a liquefied gas storage tank; and
A hydrogen mixture fuel supply system for a marine low-pressure gas engine comprising a; first fuel compressor for compressing the boil-off gas and supplying it as a refrigerant for liquefying the boil-off gas in the re-liquefaction device.
상기 재액화 장치는,
상기 제2 연료 압축기에서 압축된 압축 증발가스를 재액화에 필요한 압력으로 더 압축시키는 부스트 압축기;
상기 부스트 압축기에서 압축된 증발가스를, 상기 제1 연료 압축기에서 압축된 후 팽창에 의해 온도가 낮아진 증발가스 냉매의 냉열로 액화시키는 콜드박스;를 포함하는, 선박용 저압가스 엔진의 수소 혼합 연료 공급 시스템.The method of claim 7,
The re-liquefaction device,
a boost compressor further compressing the compressed boil-off gas compressed in the second fuel compressor to a pressure required for re-liquefaction;
A hydrogen mixture fuel supply system for a marine low-pressure gas engine comprising a; cold box for liquefying the boil-off gas compressed in the boost compressor with the cold heat of the boil-off gas refrigerant whose temperature is lowered by expansion after being compressed in the first fuel compressor. .
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