KR102570185B1 - 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 lng 연료 공급 시스템 - Google Patents

잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 lng 연료 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은 액체연료 및 기체연료를 수용하고, 상기 액체연료 내에 잠수식 펌프가 구비되는 LNG 연료탱크; 제1 내부유로, 상기 제1 내부유로와 인접하는 제2 내부유로 및 상기 제1, 2 내부유로와 대향되게 배치되어 상호 순차적으로 열교환하는 제3 내부유로가 형성되는 통합형 열교환기; 상기 LNG 연료탱크의 액체연료를 상기 잠수식 펌프로부터 일정 압력으로 공급받아 상기 제1 내부유로로 안내하여 엔진이 요구하는 온도의 기체연료로 기화시켜 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 LNG 연료탱크의 액체연료를 공급받아 상기 제2 내부유로로 안내하여 일정 온도로 가열시켜 프리가스로 상기 LNG 연료탱크 상부로 공급하고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제1 압력제어밸브가 설치된 압력생성라인; 상기 엔진의 자켓워터에 의해 가열되는 글리콜워터 히터로부터 열원을 공급받아 상기 제3 내부유로로 공급하는 글리콜워터 공급라인; 및 액체연료가 통과하는 상기 압력생성라인으로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인과 연결되고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제2 압력제어밸브가 설치되는 분기라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템{LNG Fuel Supply System for Small Scale Vessel with Submerged Pump and Integrated Heat Exchanger}
본 발명은 LNG 연료 추진 선박 중에서도, 특히 소형 선박에 최적화되어 연료 공급 시스템이 차지하는 공간을 집약할 수 있는 소형 선박용 공간집약적 LNG 연료공급시스템에 관한 것이다.
소형 선박의 LNG 연료공급시스템(FGSS)의 경우 LNG를 연료로 공급하기 위해 펌프 및 열교환기를 거쳐 엔진에서 요구하는 일정 온도 및 압력을 충족시킨 후 기체상태의 천연가스로 엔진에 공급된다.
이와 같은, 소형 선박의 경우 연료로 공급될 천연가스의 일정 압력을 충족시키기 위해 LNG 연료탱크 내부에 LNG FEED PUMP인 잠수식 펌프(Submerged Pump)를 설치하여 엔진에 필요한 압력을 공급하는 펌프 가압 방식과, 펌프 없이 탱크 내부의 LNG를 엔진이 요구하는 압력으로 증가시킨 후 열교환기를 거쳐 엔진에 공급하는 방식이 사용되고 있다.
그러나, 소형 선박의 경우 경제성과 운용의 편리성을 목적으로 비펌프식으로 구성하고 있으나, 비펌프식의 경우 펌프 가압 방식을 사용할 경우 엔진 부하(load)에 따른 압력추정을 원활하게 하여 엔진에 안정적인 연료공급이 가능한 이점을 얻을 수가 없으며, 또한 가열용 열교환기가 차지하는 공간을 상대적으로 크게 확보하여야 하므로, 그 결과 화물적재 공간 확보가 용이하지 않게 될 뿐아니라, 배관 등 기자재 수량도 늘게되어 전체적으로 제작비용이 대폭 증가하게 된다.
이에, 소형 선박에 있어서 펌프식으로 구성하더라도 엔진 부하에 따른 압력추정을 원활하게 하여 엔진에 안정적인 연료공급이 가능하면서 보다 정교한 유량 및 압력제어가 가능하고, 나아가 운항도중 발생할 수 있는 펌프 고장시에도 안정적인 연료공급이 가능하도록 하는 기술 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2016-0090935호(공개일자: 2016.08.02) 대한민국 등록특허공보 제10-1995464호(등록일자: 2019.06.26) 대한민국 등록특허공보 제10-2141086호(등록일자: 2020.07.29)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 엔진에 안정적으로 연료공급이 가능하면서 통합형 열교환기를 통하여 선박의 공간활용도를 극대화시킬 수 있는 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템을 제공하는데 그 목적 있다.
이와 함께, 항해 중 펌프 고장시에도 통합형 열교환기를 통해 LNG 연료탱크를 가압하는 시스템으로 신속히 전환하여 안정적인 연료공급이 가능하도록 하는 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템을 제공하는데도 그 목적 있다.
이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템은, 액체연료 및 기체연료를 수용하고, 상기 액체연료 내에 잠수식 펌프가 구비되는 LNG 연료탱크; 제1 내부유로, 상기 제1 내부유로와 인접하는 제2 내부유로 및 상기 제1, 2 내부유로와 대향되게 배치되어 상호 순차적으로 열교환하는 제3 내부유로가 형성되는 통합형 열교환기; 상기 LNG 연료탱크의 액체연료를 상기 잠수식 펌프로부터 일정 압력으로 공급받아 상기 제1 내부유로로 안내하여 엔진이 요구하는 온도의 기체연료로 기화시켜 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 LNG 연료탱크의 액체연료를 공급받아 상기 제2 내부유로로 안내하여 일정 온도로 가열시켜 프리가스로 상기 LNG 연료탱크 상부로 공급하고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제1 압력제어밸브가 설치된 압력생성라인; 상기 엔진의 자켓워터에 의해 가열되는 글리콜워터 히터로부터 열원을 공급받아 상기 제3 내부유로로 공급하는 글리콜워터 공급라인; 액체연료가 통과하는 상기 압력생성라인으로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인과 연결되고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제2 압력제어밸브가 설치되는 분기라인: 및 상기 프리가스가 통과하는 압력생성라인으로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인과 연결되고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제3 압력제어밸브가 설치되는 바이패스라인;을 포함하여 구성되되, 상기 제1 및 제3 압력제어밸브는 상기 LNG 연료탱크에 구비된 압력감지센서에 의해 제어되며, 상기 LNG 연료탱크로부터 액체연료를 상기 잠수식 펌프로부터 일정 압력으로 공급받아 상기 연료공급라인을 통하여 제1 내부유로로 안내된 다음, 엔진으로 공급되는 펌프식 모드가 상기 잠수식 펌프 고장시에는 LNG 연료탱크로부터 액체연료가 상기 분기라인 및 연료공급라인을 통하여 제1 내부유로로 안내된 다음, 엔진으로 공급되는 가압식 모드로 전환됨으로써 지속적으로 연료공급이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
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상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
LNG 추진 소형 선박의 연료공급시스템에 최적화되어 안정적인 연료 공급과 운용의 편리성 및 공간집약성 모두를 충족시킬 수 있으며, 통합형 열교환기를 통하여 연료공급시스템이 차지하는 공간을 집약적으로 활용할 수 있는 이점과 더불어 제작비 또한 줄어드는 효과가 있다.
또한, 항해 중 펌프 고장시에도 통합형 열교환기를 통해 LNG 연료탱크를 가압하는 시스템으로 신속히 전환하여 안정적인 연료공급이 가능하게 되어 운항에 따른 안정성이 확보되는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.
이하 본 발명을 도면에 기초하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 보다 자세히 설명을 하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 LNG 연료탱크(100), 통합형 열교환기(200), 연료공급라인(300), 압력생성라인(400), 글리콜워터 공급라인(500) 및 분기라인(600)을 포함하여 구성된다.
먼저, LNG 연료탱크(100)는 상부 증발공간의 증발가스(이하, '기체연료'로 함)와 하부에 저장된 LNG(이하, '액체연료'라 함)를 포함하며, 상기 액체연료 내에는 엔진에 일정 압력으로 액체연료를 공급하기 위한 잠수식 펌프(Submerged Pump)가 구비된다.
다음으로, 통합형 열교환기(200)는 액체연료를 공급받아 엔진이 요구하는 온도의 기체연료로 기화시키기나, 일정 온도의 프리가스로 가열시키기 위한 것으로, 제1 내부유로(20), 상기 제1 내부유로와 인접하는 제2 내부유로(30) 및 상기 제1, 2 내부유로와 대향되게 배치되어 상호 순차적으로 열교환하는 제3 내부유로(40)가 하나의 열교환기 형태로 형성된다.
보다 구체적으로, 도시된 바와 같이, 상기 제3 내부유로(40)에 상기 제1 및 제2 내부유로(20, 30)가 연이어 배치되는 형태로 이루어져 순차적으로 열교환이 가능하도록 구성된다.
다음으로, 연료공급라인(300)은 LNG 연료탱크(100)의 하부에 저장된 액체연료를 엔진(25)으로 공급할 수 있도록 안내하는 라인이다.
즉, 도시된 바와 같이 상기 연료공급라인(300)은 상기 LNG 연료탱크(100)의 액체연료를 상기 잠수식 펌프(10)로부터 일정 압력으로 공급받아 라인 ①을 따라 상기 제1 내부유로(20)로 안내하고, 상기 제1 내부유로(20)를 통과하는 액체연료가 후술할 제3 내부유로(40)를 통과하는 글리콜워터와 열교환되어 엔진이 요구하는 온도의 기체연료로 기화된 다음, 상기 기체연료를 라인 ②를 따라 최종 엔진(25)으로 공급되도록 하기 위한 구성이다.
다음으로, 상기 압력생성라인(400)은 LNG 연료탱크(100)의 하부에 저장된 액체연료를 일정 온도로 가열시켜, 보다 구체적으로 약 영하 130~50℃ 저온가스 상태인 프리가스(Pre-Gas)로 상기 LNG 연료탱크(100) 상부로 공급할 수 있도록 안내하는 라인이다.
즉, 도시된 바와 같이 상기 압력생성라인(400)은 상기 LNG 연료탱크(100)의 액체연료를 액면높이에 따른 압력으로 공급받아 라인 ④를 따라 상기 제2 내부유로(30)로 안내하고, 상기 제2 내부유로(30)를 통과하는 액체연료가 후술할 제3 내부유로(40)를 통과하는 글리콜워터와 열교환되어 일정 온도로 가열된 프리가스로 된 다음, 상기 프리가스를 라인 ⑤를 따라 최종 상기 LNG 연료탱크(100) 상부로 공급되도록 하기 위한 구성이다.
그리고, 상기 압력생성라인(400)에는 상기 LNG 연료탱크(100)의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제1 압력제어밸브(50)가 설치되며, 이때 상기 제1 압력제어밸브(50)는 상기 제2 내부유로(30)와 LNG 연료탱크(100) 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
다음으로, 글리콜워터 공급라인(500)은 엔진(25)의 자켓워터(35, Jacket Water))에 의해 가열되는 글리콜워터 히터(45)로부터 열원을 공급받아 라인 ⑧을 따라 상기 제3 내부유로(40)로 가열된 글리콜워터를 공급할 수 있도록 안내하는 라인이다.
여기서, 제3 내부유로(40)를 통과한 글리콜워터는 다시 라인 ⑨를 따라 글리콜워터 탱크(55)에 수용되고, 이는 다시 글리콜워터 펌프(65)를 통해 상기 글리콜워터 히터(45)로 공급되도록 하여 순환구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 분기라인(600)은 상기 잠수식 펌프(10) 고장시에도 상기 LNG 연료탱크(100)의 액체연료를 엔진으로 공급되도록 하기 위한 라인으로, 이를 위하여 액체연료가 통과하는 상기 압력생성라인(400)으로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인(300)과 연결되게 된다.
즉, 보다 구체적으로, 상기 분기라인(600)에 의해 상기 LNG 연료탱크(100)에서 공급받은 액체연료는 라인 ④에서 분기하여 라인 ①로 연결되며, 상기 분기라인(600)에는 상기 LNG 연료탱크(100)의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제2 압력제어밸브(60)가 설치된다.
따라서, 상기 잠수식 펌프(10) 고장시 연료공급라인(300)으로 액체연료의 공급이 중단되더라도, 상기 분기라인(600)을 통하여 상기 LNG 연료탱크(100)의 압력 및 제2 압력제어밸브(60)에 의해 적절한 압력으로 액체연료가 원활하게 공급되게 되며, 이렇게 공급된 액체연료는 앞서 상술한 바와 같이 제1 내부유로(20)를 통과하면서 상기 제3 내부유로(40)를 통과하는 글리콜워터와 열교환된 다음, 엔진이 요구하는 온도의 기체연료로 기화되어 최종 엔진(25)으로 공급되는 과정은 동일하다.
한편, 상기 압력생성라인(400)에서 상기 분기라인(600)으로 공급되지 아니하는 나머지 액체연료는 앞서 상술한 바와 같이 상기 제2 내부유로(30)를 통과하면서 상기 제3 내부유로(40)를 통과하는 글리콜워터와 열교환되어 일정 온도로 가열된 프리가스로 된 다음, 라인 ⑤를 따라 최종 LNG 연료탱크(100) 상부로 공급되는 과정은 동일하다.
이렇게 하여, 잠수식 펌프(10)가 고장이 발생되더라도 압력생성라인(400)에 의해 프리가스가 LNG 연료탱크(100) 상부로 공급되면서 LNG 연료탱크(100) 내부를 가압하게 되므로, 그 결과 하부 액체연료가 원활하게 압력생성라인(400)을 통해 액체연료의 일부는 분기라인(600)을 통해 지속적으로 공급가능하게 되고, 나머지 액체연료는 통합형 열교환기(200)을 거쳐 프리가스로 되어 다시 LNG 연료탱크(100) 상부로 유입되게 되는 것이다.
앞서 잠수식 펌프(10)에 의해 액체연료가 공급되는 방식(이를 소위 '펌프식 모드'라 함)으로 연료를 공급하다가, 잠수식 펌프(10)가 고장이 발생되더라도 LNG 연료탱크 내부을 일정 압력으로 가압(이를 소위 '가압식 모드'라 함)시켜 원활한 연료공급이 가능하게 되어 소형 선박에 안정적인 연료공급과 함께 운용편리성을 도모할 수가 있게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압력생성라인(400)과 연료공급라인(300)사이에는 바이패스라인(700)이 더 포함될 수가 있다.
상기 바이패스라인(700)은 상기 프리가스가 통과하는 압력생성라인(400), 보다 구체적으로 라인 ⑤로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인(300), 보다 구체적으로는 라인 ①과 연결되며, 상기 바이패스라인(700)에는 상기 LNG 연료탱크(100)의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제3 압력제어밸브(70)가 설치된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 LNG 연료탱크(100)에는 내부 압력을 감지하는 압력감지센서(80)가 더 구비될 수가 있다.
상기 압력감지센서(80)를 통하여 상기 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력을 실시간 입력받고, 이와 연동되어 상기 제1 및 제3 압력제어밸브(50, 70)가 제어되도록 함으로써 상기 LNG 연료탱크(100)에는 내부 압력를 일정하게 유지가능하게 된다.
즉, 상기 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력이 일정값 이하로 떨어질 경우에 그 값을 상기 압력감지센서(80)가 입력받아 즉시 상기 제1 압력제어밸브(50)를 제어하면, 상기 압력생성라인(400)을 통해 공급되는 프리가스 량이 늘어나게 되고, 그 결과 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력이 상승하게 된다.
반대로, 상기 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력이 일정값 이상로 높아질 경우에 그 값을 상기 압력감지센서(80)가 입력받아 즉시 상기 제3 압력제어밸브(70)를 제어하면, 프리가스의 일부가 바이패스라인(700)을 따라 바이패스(By-pass)되어 연료공급라인(300)으로 공급되게 되어 통합형 열교환기(200)를 거쳐 최종 엔진(25)으로 공급되게 되고, 그 결과 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력은 하강하게 된다.
그리고, 상기 LNG 연료탱크(100)의 액체연료가 압력생성라인(400)을 통해 액체연료의 일부는 분기라인(600)을 통해 지속적으로 공급되고, 나머지 액체연료는 통합형 열교환기(200)을 거쳐 프리가스로 다시 LNG 연료탱크(100) 상부로 유입되게 되어 LNG 연료탱크(100) 내부의 액체연료를 가압하게 되며, 이때 압력생성라인(400)에 설치된 제1 압력제어밸브(50)는 상기 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력에 의해 연동되어 제어된다.
이와 같이, 본 발명의 경우 상기 LNG 연료탱크(100)의 내부 압력에 연동하여 제1 내지 3 압력제어밸브를 각각 제어하도록 구성되어 있으므로 연료공급시 정교한 유량 및 압력제어가 가능하게 되며, 그 결과 안정적인 연료 공급과 운용의 편리성이 도모될 수 있다.
또한, 소형 선박임에도 잠수식 펌프를 사용하도록 하여 엔진부하(load)에 따른 압력추정을 원활하게 하여 엔진에 안정적인 연료공급도 가능하게 되며, 무엇보다 잠수식 펌프 고장시에도 즉시 '가압식 모드'로 전환이 가능하게 되어 연료공급을 계속 유지할 수가 있게 된다.
한편, 액체가 공급되는 연료공급라인(300)에 압력감지센서(90)를 설치하고, 또한 잠수식 펌프(10)는 별도 가변 주판수 드라이브(VFD)와 같은 제어기(95)에 의해 제어되도록 할 경우, 상기 압력감지센서(90)로부터 신호를 상기 제어기(95)가 입력받아 상기 잠수식 펌프(10) 구동을 적절히 제어하게 할 수가 있으며, 그 결과 액체연료의 공급량도 적절히 가변할 수도 있게 된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 잠수식 펌프 고장시에도 즉시 '가압식 모드'로 전환이 가능함은 물론이고, 나아가 여러 가지 선박 운항조건에 따라 '펌프식 모드'와 '가압식 모드'를 필요에 따라 전환하여 사용할 수도 있어 엔진에 안정적인 연료공급 및 운용의 편리성을 도모할 수가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경및 치환이 가능함은 물론이다.
100.....LNG 연료탱크 200.....통합형 열교환기
300.....연료공급라인 400.....압력생성라인
500.....글리콜워터 공급라인 600.....분리라인
700.....바이패스라인

Claims (3)

  1. 액체연료 및 기체연료를 수용하고, 상기 액체연료 내에 잠수식 펌프가 구비되는 LNG 연료탱크;
    제1 내부유로, 상기 제1 내부유로와 인접하는 제2 내부유로 및 상기 제1, 2 내부유로와 대향되게 배치되어 상호 순차적으로 열교환하는 제3 내부유로가 형성되는 통합형 열교환기;
    상기 LNG 연료탱크의 액체연료를 상기 잠수식 펌프로부터 일정 압력으로 공급받아 상기 제1 내부유로로 안내하여 엔진이 요구하는 온도의 기체연료로 기화시켜 엔진으로 공급하는 연료공급라인;
    상기 LNG 연료탱크의 액체연료를 공급받아 상기 제2 내부유로로 안내하여 일정 온도로 가열시켜 프리가스로 상기 LNG 연료탱크 상부로 공급하고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제1 압력제어밸브가 설치된 압력생성라인;
    상기 엔진의 자켓워터에 의해 가열되는 글리콜워터 히터로부터 열원을 공급받아 상기 제3 내부유로로 공급하는 글리콜워터 공급라인;
    액체연료가 통과하는 상기 압력생성라인으로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인과 연결되고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제2 압력제어밸브가 설치되는 분기라인: 및
    상기 프리가스가 통과하는 압력생성라인으로부터 분기되어 액체연료가 통과하는 상기 연료공급라인과 연결되고, 상기 LNG 연료탱크의 압력을 일정하게 유지시키기 위한 제3 압력제어밸브가 설치되는 바이패스라인;을 포함하여 구성되되,
    상기 제1 및 제3 압력제어밸브는 상기 LNG 연료탱크에 구비된 압력감지센서에 의해 제어되며,
    상기 LNG 연료탱크로부터 액체연료를 상기 잠수식 펌프로부터 일정 압력으로 공급받아 상기 연료공급라인을 통하여 제1 내부유로로 안내된 다음, 엔진으로 공급되는 펌프식 모드가 상기 잠수식 펌프 고장시에는 LNG 연료탱크로부터 액체연료가 상기 분기라인 및 연료공급라인을 통하여 제1 내부유로로 안내된 다음, 엔진으로 공급되는 가압식 모드로 전환됨으로써 지속적으로 연료공급이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 잠수식 펌프와 통합형 열교환기를 구비한 소형선박용 LNG 연료 공급 시스템.
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