KR102562100B1 - 선박의 연료가스 관리시스템 및 이의 초기 작동방법 - Google Patents

선박의 연료가스 관리시스템 및 이의 초기 작동방법 Download PDF

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Abstract

선박의 연료가스 관리시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 관리시스템은 액화가스를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크로의 증발가스를 제1 컴프레서와 제1 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하는 제1 압축부와, 저장탱크로의 증발가스를 제2 컴프레서와 제2 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하는 제2 압축부 및 제1 컴프레서의 초기 가동 시, 저장탱크의 증발가스를 제2 쿨러를 거친 후 제1 압축부의 제1 컴프레서로 공급하는 초기 가동라인을 포함한다.

Description

선박의 연료가스 관리시스템 및 이의 초기 작동방법{FUEL GAS TREATING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 선박의 연료가스 관리시스템 및 이의 초기 작동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료가스 관리시스템의 초기 작동 시 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모할 수 있는 선박의 연료가스 관리시스템 및 이의 초기 작동방법에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
천연가스(Natural Gas)는 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해, 천연가스를 약 섭씨 -162도로 냉각해 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)로 상 변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송된다. 그러나 액화천연가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 증발가스가 저장탱크의 내부에 축적되게 된다. 증발가스는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 증발가스를 처리 및 제거할 필요가 있다.
이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 증발가스를 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 증발가스를 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하므로 증발가스를 액화천연가스와 함께 또는 각각 선박의 엔진에 연료가스로 공급하거나, 냉동 사이클 등으로 이루어지는 재액화장치를 이용해 증발가스를 재액화시켜 활용하는 방안이 이용되고 있다.
한편, 증발가스를 공급받아 엔진이 요구하는 압력으로 가압하는 컴프레서는 극저온 기준으로 제작하면 고가이기 때문에 Pre-heater를 설치하여 증발가스를 가열하여 컴프레서에서 사용하여야 한다. 하지만, 초기 가동 시 고온 가스가 있지 않기 때문에 고온의 질소를 이용하여 컴프레서 내부를 순환시킨 후 증발가스를 서서히 인입시킨다. 하지만, 해당의 경우 시간이 과도하게 소요되고 엔진에서 사용할 수 없는 질소를 전량 벤트(vent)시켜야 하기 때문에 실적용이 어려운 문제가 발생한다.
공개특허공보 제10-2014-0027233호(2014. 03. 06. 공개)
본 발명의 실시 예들은 초기 가동 시 효율적인 설비운용을 도모할 수 있는 선박의 연료가스 관리시스템 및 이의 초기 작동방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크의 증발가스를 제1 컴프레서와 제1 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하는 제1 압축부와, 상기 저장탱크의 증발가스를 제2 컴프레서와 제2 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하는 제2 압축부 및 상기 제1 컴프레서의 초기 가동 시, 상기 저장탱크의 증발가스를 상기 제2 쿨러를 거친 후 상기 제1 압축부의 상기 제1 컴프레서로 공급하는 초기 가동라인을 포함하는 선박의 연료가스 관리시스템이 제공될 수 있다.
또한 상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부 전단의 증발가스 공급라인에는 각각 상기 초기 가동라인의 작동 시 대응하는 압축부의 증발가스 흐름을 제어하는 유량제어밸브가 설치될 수 있다.
또한 상기 초기 가동라인은 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 제2 압축부의 상기 제2 쿨러를 경유한 후 상기 제1 압축부의 상류측 상기 증발가스 공급라인에 연결되는 제1 초기 가동라인과, 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 제1 압축부의 상기 제1 쿨러를 경유한 후 상기 제2 압축부의 상류측 상기 증발 가스공급라인에 연결되는 제2 초기 가동라인을 포함한다.
또한 상기 증발가스 공급라인상에서 상기 제1 초기 가동라인과 상기 제2 초기 가동라인이 분기되는 지점에는 방향전환밸브가 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 저장탱크의 증발가스를 병렬 연결된 복수의 압축부를 통해 가압하여 수요처에 공급하는 선박의 연료가스 관리시스템의 초기 작동방법에 있어서, 상기 복수의 압축부에 공급되는 증발가스를 상기 복수의 압축부 중 하나의 쿨러를 통해 열교환시킨 후 상기 복수의 압축부 중 다른 하나에 공급하여 상기 상기 다른 하나의 압축부를 예열하는 선박의 연료가스 관리시스템의 초기 작동방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 선박의 연료가스 관리시스템의 초기 가동 시 압축부의 예열을 위한 질소가스의 순환 및 배기를 필요치 않음으로써 초기 가동 시 소요되는 작업시간을 줄여 효율적인 설비운용을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 압축부의 초기 가동 시 예열 작업을 수행하는 증발가스 흐름을 도시한 상태도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템(10)은 저장탱크(20), 저장탱크(20)에서 발생된 증발가스를 제공받아 가압하는 복수의 압축부(40,50)가 병렬 연결되며 복수의 압축부(40,50)에 의해 가압된 증발가스를 수요처(60)에 공급하는 증발가스 공급라인(30)과, 복수의 압축부(40,50)의 초기 가동 시 복수의 압축부(40,50)에 예열된 증발가스를 공급하는 초기 가동라인(70,80)을 포함한다.
저장탱크(20)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용 또는 저장하도록 마련될 수 있다.
저장탱크(20)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다.
저장탱크(20)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 또는 저장하여 목적지에 이르러 하역하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관하되 후술하는 바와 같이 선박의 추진용 엔진 또는 선박의 발전용 엔진 등의 연료가스로 이용되도록 마련될 수 있다.
저장탱크(20)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(20) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다.
이러한 증발가스는 저장탱크(20)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(20)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 증발가스를 저장탱크(20)로부터 제거 또는 처리할 필요성이 있다.
이에 저장탱크(20)의 내부에 발생된 증발가스는 본 실시 예와 같이 증발가스 공급라인(30)에 의해 엔진의 연료가스로 이용되거나, 필요에 따라서는 재액화되어 저장탱크(20)로 재공급될 수도 있다. 또는 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(20)의 상부에 마련되는 벤트 마스트로 공급하여 증발가스를 처리 또는 소모시킬 수도 있다.
수요처(60)는 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 X-DF 엔진으로 이루어지거나, 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진, GCU(Gas Combustion Unit), 보일러 등으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수의 엔진 및 다양한 종류의 엔진이 이용되는 경우에도 동일하게 이해되어야 할 것이다.
압축부(40,50)는 병렬 연결된 제1 압축부(40)와 제2 압축부(50)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서는 2개의 압축부가 병렬 연결된 구성을 도시하나, 압축부는 수요처(60)의 필요에 따라서 2개 이상이 구비될 수도 있다.
제1 압축부(40)와 제2 압축부(50)는 각각 증발가스를 단계적으로 압축하는 다단의 컴프레서(41,51)와, 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(42,52)를 포함한다.
제1 압축부(40)와 제2 압축부(50)에 구비된 다단의 컴프레서(41,51)와 쿨러(42,52)는 엔진의 요구 압력조건 및 온도에 따라 그 수는 변경될 수 있다.
제1 압축부(40)와 제2 압축부(50)에 구비된 컴프레서(41,51)는 기존에는 초기 가동 시 증발가스 공급라인(30)을 통해 공급되는 극저온의 증발가스에 의한 손상을 방지할 수 있도록 미리 예열을 수행하였다. 이러한 예열 작업을 위하여 압축부(40,50)에는 별도의 질소순환라인을 구비하고, 고온의 질소가스를 질소순환라인을 통해 순환시켜 컴프레서를 예열시킨 후 증발가스 공급라인(30)을 통해 공급되는 증발가스를 천천히 인입시켰다. 그러나, 이 경우 컴프레서의 예열을 위한 시간이 과도하게 소요되고, 수요처인 엔진에서 사용할 수 없는 질소가스를 전량 배기시켜야 하는 문제가 발생한다.
이에 본 실시 예에서는 초기 가동라인(70,80)을 통해 압축부(40,50)의 초기 가동 시 저장탱크(20)에서 공급되는 증발가스를 이용하여 압축부(40,50)의 예열을 수행할 수 있도록 구성할 수 있다.
초기 가동라인(70,80)은 병렬 연결된 복수의 압축부 중 하나를 초기 가동하는 경우, 증발가스 공급라인에서 공급되는 증발가스를 복수의 압축부 중 다른 하나의 쿨러를 이용하여 열교환시킨 후 가열된 증발가스를 하나의 압축부에 공급하도록 구성할 수 있다.
예로서, 병렬 연결된 두 압축부(40,50)가 구비된 경우, 초기 가동라인(70,80)은 증발가스 공급라인(30)에서 분기되어 제2 압축부(50)의 쿨러(52)를 경유한 후 제1 압축부(40)의 상류측 증발가스 공급라인(30)에 연결되는 제1 초기 가동라인(70)과, 증발가스 공급라인(30)에서 분기되어 제1 압축부(40)의 쿨러(42)를 경유한 후 제2 압축부(50)의 상류측 증발가스 공급라인(30)에 연결되는 제2 초기 가동라인(80)을 포함한다.
제1 초기 가동라인(70)과 제2 초기 가동라인(80)이 분기되는 증발가스 공급라인(30)에는 방향전환밸브(90)가 설치될 수 있고, 방향전환밸브(90)는 증발가스 공급라인(30)을 통해 공급된 증발가스를 제1 초기 가동라인(70) 또는 제2 초기 가동라인(80) 쪽으로 공급하도록 제어될 수 있다.
또한, 제1 압축부(40)의 상류측 증발가스 공급라인(30)에는 제1 압축부(40)로 공급되는 증발가스의 유량을 조절하는 제1 유량제어밸브(43)가 설치되고, 제2 압축부(50)의 상류측 증발가스 공급라인(30)에는 제2 압축부(50)로 공급되는 증발가스의 유량을 조절하는 제2 유량제어밸브(53)가 설치될 수 있다.
제1 유량제어밸브(43)와 제2 유량제어밸브(53)는 압축부(40,50)의 초기 가동 시 방향전환밸브(90)와 함께 압축부(40,50)로 공급되는 증발가스의 유량을 제어할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 관리시스템의 초기 작동방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 압축부의 초기 가동 시 예열 작업을 수행하는 증발가스 흐름을 도시한 상태도이다.
도 2를 참조하면, 제1 압축부(40)의 초기 가동 시 예열 작업을 수행하는 경우, 방향전환밸브(90)는 저장탱크(20)로부터 제공되는 증발가스를 제1 초기 가동라인(70) 쪽으로 흐르도록 유도한다. 이때, 제1 유량제어밸브(43)와 제2 유량제어밸브(53)는 닫힌 상태이다.
제1 초기 가동라인(70)을 따라 이송하는 증발가스는 제2 압축부(50)의 쿨러(52)를 경유하는 동안 쿨러(52) 내부에 흐르는 열교환매체와 열교환을 수행하여 가열되고, 가열된 증발가스는 제1 압축부(40)의 상류측 증발가스 공급라인(30)으로 제공된다. 열교환매체는 청수 일수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
그리고, 제1 초기 가동라인(70)을 통해 제1 압축부(40)에 공급되는 증발가스는 제1 압축부(40)의 컴프레서(41)에 대하여 예열을 수행한다. 제1 압축부(40)의 예열이 완료되면, 제1 유량제어밸브(43)를 서서히 열어 증발가스를 제1 압축부(40)로 제공하여 제1 압축부(40)의 정상운전을 수행한다.
또한, 제2 압축부(50)의 초기 가동 시에도 동일한 과정을 통하여 제2 초기 가동라인(80)을 통해 가열된 증발가스를 제2 압축부(50)로 공급하여 예열을 수행한 후 제2 압축부(50)의 정상운전을 수행할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 제1 초기 가동라인(70)과 제2 초기 가동라인(80)이 각각 제1 압축부(40)와 제2 압축부(50)의 하나의 쿨러(42,52)를 경유하도록 구성하였으나, 필요에 따라서는 도 3과 같이 제1 압축부(40)와 제2 압축부(50)에 설치된 모든 쿨러(42,52)를 각각 경유하도록 구성할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 연료가스 관리시스템, 20: 저장탱크,
30: 증발가스 공급라인, 40: 제1 압축부,
43: 제1 유량제어밸브, 50: 제2 압축부,
53: 제2 유량제어밸브, 60: 수요처,
70: 제1 초기 가동라인, 80: 제2 초기 가동라인,
90: 방향전환밸브.

Claims (5)

  1. 액화가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 증발가스를 제1 컴프레서와 제1 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하는 제1 압축부;
    상기 저장탱크의 증발가스를 제2 컴프레서와 제2 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하고, 상기 제1 압축부와 병렬 연결되는 제2 압축부; 및
    상기 제1 컴프레서의 초기 가동 시, 상기 저장탱크의 증발가스를 상기 제2 쿨러를 거친 후 상기 제1 압축부의 상기 제1 컴프레서로 공급하는 초기 가동라인;을 포함하고,
    상기 초기 가동라인은
    상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부 전단의 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 제2 압축부의 상기 제2 쿨러를 경유한 후 상기 제1 압축부의 상류측 상기 증발가스 공급라인에 연결되는 제1 초기 가동라인과, 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 제1 압축부의 상기 제1 쿨러를 경유한 후 상기 제2 압축부의 상류측 상기 증발가스 공급라인에 연결되는 제2 초기 가동라인을 포함하여,
    병렬 연결된 상기 제1 압축부 및 제2 압축부 중 하나를 초기 가동하는 경우, 상기 증발가스 공급라인에서 공급되는 증발가스를 상기 제1 압축부 및 제2 압축부 중 다른 하나의 쿨러를 이용하여 열교환시킨 후 가열된 상기 증발가스를 상기 제1 압축부 및 제2 압축부 중 하나의 압축부에 공급하는 선박의 연료가스 관리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인에는 각각 상기 초기 가동라인의 작동 시 대응하는 압축부의 증발가스 흐름을 제어하는 유량제어밸브가 설치되는 선박의 연료가스 관리시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인상에서 상기 제1 초기 가동라인과 상기 제2 초기 가동라인이 분기되는 지점에는 방향전환밸브가 설치되는 선박의 연료가스 관리시스템.
  5. 저장탱크의 증발가스를 제1 컴프레서와 제1 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하는 제1 압축부와, 상기 저장탱크의 증발가스를 제2 컴프레서와 제2 쿨러를 거쳐 수요처로 공급하고 상기 제1 압축부와 병렬 연결되는 제2 압축부를 포함하는 선박의 연료가스 관리시스템의 초기 작동방법에 있어서,
    병렬 연결된 상기 제1 압축부 및 제2 압축부 중 하나를 초기 가동하는 경우, 상기 증발가스 공급라인에서 공급되는 증발가스를 상기 제1 압축부 및 제2 압축부 중 다른 하나의 쿨러를 이용하여 열교환시킨 후 가열된 상기 증발가스를 상기 제1 압축부 및 제2 압축부 중 하나의 압축부에 공급하는 선박의 연료가스 관리시스템의 초기 작동방법.
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