KR102592518B1 - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서,
메인엔진으로 연료를 공급하는 제1 연료공급라인; 상기 제1 연료공급라인에서 분기되어 보조엔진으로 연료를 공급하는 제2 연료공급라인; 상기 제1 연료공급라인에 마련되어 연료를 가열하는 열교환기; 및 상기 열교환기에 열원을 공급하도록 마련되는 상기 메인엔진의 냉각수 순환라인을 포함하며, 상기 냉각수 순환라인은, 상기 열교환기를 순환하는 제1 냉각수 순환라인과, 상기 메인엔진을 순환하는 제2 냉각수 순환라인으로 분리 가능하게 마련된다..

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Gas treatment system and ship having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.
이러한 선박은 엔진이나 가스 터빈 등을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤 등의 오일 연료를 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 하고, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하며, 반면 가스 터빈은 압축 공기와 함께 연료를 연소시키고, 연소 공기의 온도/압력을 통해 터빈 날개를 회전시킴으로써 발전하여 프로펠러에 동력을 전달하는 방식을 사용한다.
그러나 최근에는, 액화가스의 일종인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진이나 터빈 등의 수요처를 구동하는 LNG 연료공급 방식이 사용되고 있으며, LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하기 때문에, 수요처의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.
그러나 아직까지는 디젤과 같은 오일 연료를 이용하는 종래의 경우와 대비할 때, 가스 연료인 LNG를 이용하는 경우에서 해결해야 하는 문제들이 다수 존재하는 상황이어서, 청정연료인 LNG를 이용하여 선박 내의 수요처에 공급하는 기술에 대해 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 엔진에서 가열된 냉각수의 폐열을 엔진으로 유입되는 액화가스의 가열에 활용함으로써 에너지 사용을 절감할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 메인엔진으로 연료를 공급하는 제1 연료공급라인; 상기 제1 연료공급라인에서 분기되어 보조엔진으로 연료를 공급하는 제2 연료공급라인; 상기 제1 연료공급라인에 마련되어 연료를 가열하는 열교환기; 및 상기 열교환기에 열원을 공급하도록 마련되는 상기 메인엔진의 냉각수 순환라인을 포함하며, 상기 냉각수 순환라인은, 상기 열교환기를 순환하는 제1 냉각수 순환라인과, 상기 메인엔진을 순환하는 제2 냉각수 순환라인으로 분리 가능하게 마련된다.
구체적으로, 상기 제1 냉각수 순환라인의 양단을 연결하여, 냉각수가 상기 메인엔진을 우회하면서 상기 열교환기를 순환하도록 하는 제1 분기라인; 및 상기 제2 냉각수 순환라인의 양단을 연결하여, 냉각수가 상기 열교환기를 우회하면서 상기 메인엔진을 순환하도록 하는 제2 분기라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 냉각수 순환라인 또는 상기 제1 분기라인에 마련되는 백업 히터를 포함하며, 상기 백업 히터는, 상기 메인엔진의 부하가 기설정값 미만이거나 냉각수가 상기 제1 분기라인에 의해 상기 메인엔진을 우회할 경우, 냉각수를 가열하여 상기 열교환기로 공급할 수 있다.
구체적으로, 냉각수가 상기 냉각수 순환라인을 통해 상기 메인엔진을 경유하여 상기 열교환기로 공급될 경우, 상기 백업 히터를 우회하도록 마련되는 우회라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 분기라인은, 상기 메인엔진이 정지될 경우, 냉각수가 상기 메인엔진을 우회하면서 상기 열교환기를 순환하도록 할 수 있다.
구체적으로, 냉각수는, 상기 냉각수 순환라인 전체를 따라 순환하면서 상기 열교환기 및 상기 메인엔진을 경유하거나, 상기 제1 냉각수 순환라인과 상기 제1 분기라인을 따라 순환하면서 상기 메인엔진을 우회하고 상기 열교환기를 경유하거나, 상기 제2 냉각수 순환라인과 상기 제2 분기라인을 따라 순환하면서 상기 열교환기를 우회하고 상기 메인엔진을 경유할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 냉각수 순환라인과 상기 제1 분기라인에 의해 이루어지는 제1 폐루프는, 상기 제2 냉각수 순환라인과 상기 제2 분기라인에 의해 이루어지는 제2 폐루프와 독립적으로 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 폐루프 또는 상기 제2 폐루브를 따라 유동하는 냉각수의 압력 조절을 위해 마련되는 팽창 탱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 메인엔진에 사용되는 냉각수를 이용해 액화가스를 가열하여 효율적인 액화가스 기화를 구현할 수 있으며, 메인엔진이 정지해 있거나 냉각수의 열량이 불충분하더라도 액화가스의 안정적인 가열을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 연료는 액화가스일 수 있고, 액화가스는 LPG, LNG, 에탄 등일 수 있으며, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있고, 증발가스는 자연 기화된 LNG 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다. 또한 이하에서 액화가스는, 액체 상태 또는 자연기화되거나 강제기화된 기체 상태 등을 모두 포괄하는 용어로 사용될 수 있으며, 다만 증발가스는 액화가스 저장탱크 내에서 자연기화된 가스를 의미하는 용어로 사용될 수 있음을 알려둔다.
참고로 본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템을 구비하는 선박을 포함한다. 이때 선박은 일반 상선이거나 또는 FLNG, FSRU 등과 같은 해양플랜트를 포괄하는 표현이며, 더 나아가 육상에 설치되어 있는 플랜트 등으로 치환될 수도 있음을 알려둔다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
참고로 도 1은 메인엔진(E1)의 부하가 기설정값 이상인 상태를 나타낸 것이고, 도 2는 메인엔진(E1)의 부하가 기설정값 미만이거나 메인엔진(E1)이 가동하지 않는 상태를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 냉각수 펌프(21), 냉각수 쿨러(22), 청수 생성기(23), 열교환기(30), 부스터 펌프(41), 백업 히터(42), 가스 세퍼레이터(43)를 포함한다.
이때 냉각수 펌프(21), 냉각수 쿨러(22), 청수 생성기(23), 열교환기(30), 부스터 펌프(41), 백업 히터(42), 가스 세퍼레이터(43)는 냉각수 순환라인(L20)을 따라 마련될 수 있으며, 후술하겠으나 냉각수 펌프(21)와 냉각수 쿨러(22) 및 청수 생성기(23)는 제1 폐루프에 마련되고, 열교환기(30), 부스터 펌프(41), 백업 히터(42) 및 가스 세퍼레이터(43)는 제2 폐루프에 마련될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 IMO 규정에 따른 독립형 탱크로서 Type A, B, C 등일 수 있으며, 또는 멤브레인형 탱크일 수도 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 극저온으로 액화가스를 저장할 수 있으며, 다만 외부로부터 열이 침투함에 따라 액화가스가 자연 증발하게 되어 증발가스가 발생한다. 이때 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)의 내압 상승을 야기하게 되므로, 액화가스 저장탱크(10)의 내압을 안정적으로 유지하기 위해 증발가스를 외부로 배출할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10) 내에 수용된 액화가스(및/또는 증발가스)는, 수요처인 엔진(E1, E2) 등에 공급되어 사용될 수 있다. 이때 엔진(E1, E2)은 선박의 추진을 위한 메인엔진(E1)(ME-GI, X-DF, ME-LGI, ME-GIE 등)과, 선내 전력 부하를 커버하기 위한 발전엔진으로서의 보조엔진(E2) 등을 포함할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장되어 있는 액화가스를 엔진(E1, E2)에 공급하기 위해 연료공급라인(L30)이 마련될 수 있으며, 구체적으로 연료공급라인(L30)은, 메인엔진(E1)으로 액화가스를 공급하기 위한 제1 연료공급라인(L31)과, 보조엔진(E2)으로 액화가스를 공급하기 위한 제2 연료공급라인(L32)을 포함할 수 있다. 이때 제1 연료공급라인(L31)에는 열교환기(30)가 마련되며, 제2 연료공급라인(L32)은 제1 연료공급라인(L31)에서 열교환기(30)의 하류로부터 분기되어 보조엔진(E2)으로 연결될 수 있다. 또한 제1, 2 연료공급라인(L31, L32)에는 액화가스 유량을 제어하는 밸브(부호 도시하지 않음)나 가스밸브유닛(부호 도시하지 않음) 등이 구비될 수 있다.
냉각수 순환라인(L20)은 열교환기(30)를 순환하는 제1 냉각수 순환라인(L20a)과, 메인엔진(E1)을 순환하는 제2 냉각수 순환라인(L20b)을 포함할 수 있고, 제1 냉각수 순환라인(L20a)과 제2 냉각수 순환라인(L20b)은 상호 연결되어 하나의 폐루프를 이룰 수 있다. 또한 제1, 2 냉각수 순환라인(L20a, L20b)은 냉각수의 흐름이 상호 분리 가능하게 마련될 수 있다.
이하에서는 냉각수 순환라인(L20) 상에서 메인엔진(E1) 측(제2 냉각수 순환라인(L20b))에 마련되는 냉각수 펌프(21), 냉각수 쿨러(22), 청수 생성기(23)에 대해 먼저 설명한다.
냉각수 펌프(21)는 냉각수를 펌핑하여 냉각수가 냉각수 순환라인(L20)을 따라 순환하도록 할 수 있다. 냉각수 펌프(21)가 마련되는 냉각수 순환라인(L20)은 액화가스를 연료로 사용하는 메인엔진(E1) 및 후술할 열교환기(30)에 냉각수를 순환 공급하도록 폐루프를 이룰 수 있다. 다만 본 명세서에서 설명하는 냉각수는 메인엔진(E1) 외에 보조엔진(E2)에도 사용되는 것일 수 있다.
냉각수 펌프(21)는 냉각수 순환라인(L20)에서 메인엔진(E1)의 상류에 배치될 수 있으며, 복수 개가 병렬로 마련되어 상호 백업 가능하도록 구비될 수 있다.
냉각수 펌프(21)는 후술할 냉각수 쿨러(22)에 의해 냉각된 냉각수를 메인엔진(E1)에 공급하도록 할 수 있으며, 냉각수 펌프(21)는 도면에서와 같이 냉각수 쿨러(22)의 하류에 마련될 수 있다. 또는 냉각수 펌프(21)는 도면과 달리 냉각수 순환라인(L20)에서 냉각수 쿨러(22)의 상류에 마련되는 것도 가능하다.
냉각수 쿨러(22)는, 메인엔진(E1)을 경유하면서 가열된 냉각수를 냉각한다. 냉각수 쿨러(22)는 해수, 청수, 공기 등의 다양한 냉매를 사용하여 냉각수를 냉각할 수 있으며, 냉각수 순환라인(L20)에서 냉각수 펌프(21)의 상류 등에 배치될 수 있다.
냉각수 순환라인(L20)은 적어도 일부의 냉각수가 냉각수 쿨러(22)를 우회할 수 있도록 마련되며, 이를 통해 냉각수 쿨러(22)의 하류에서 냉각수의 온도가 조절될 수 있다. 즉 냉각수 쿨러(22)의 상류에서 유동하는 냉각수 중 냉각수 쿨러(22)를 우회하는 냉각수의 양이 많아지면 냉각수 쿨러(22) 하류의 온도가 높아지며, 반대로 냉각수 쿨러(22)를 우회하는 냉각수의 양이 줄어들면 냉각수 쿨러(22) 하류의 온도가 낮아진다.
냉각수 쿨러(22)를 우회하는 냉각수의 양은, 냉각수 쿨러(22)로 전달되는 냉각수의 온도에 따라 결정될 수 있으며, 냉각수 온도를 좌우하는 메인엔진(E1)의 부하에 따라 결정될 수도 있다.
청수 생성기(23)는, 냉각수의 폐열을 이용하여 청수를 생성한다. 청수 생성기(23)는 메인엔진(E1)에서 배출된 고온의 냉각수를 이용하여 해수 등을 가열하여 증기를 생성하고, 증기로부터 청수를 생성하는 것일 수 있다. 물론 이외에도 청수 생성기(23)는 냉각수를 이용해 청수를 가열할 수 있는 모든 방식이 사용될 수 있다.
청수 생성기(23)는 청수탱크(도시하지 않음)로 청수를 전달할 수 있으며, 청수탱크의 저장량이 충분할 경우 또는 청수의 추가적인 생성이 불필요한 경우에, 냉각수는 청수 생성기(23)를 우회할 수 있다.
즉 냉각수 쿨러(22)에서 설명한 것과 마찬가지로, 냉각수 순환라인(L20)은 청수 생성기(23)를 우회하도록 마련될 수 있다. 또한 냉각수는 청수 생성기(23)를 경유하면서 온도가 낮아질 수 있는 바, 냉각수 순환라인(L20)에서 청수 생성기(23)를 우회하는 냉각수의 양을 조절함으로써, 청수 생성기(23) 하류의 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
청수 생성기(23)는 냉각수 순환라인(L20)에서 냉각수 쿨러(22)의 상류에 구비되어, 메인엔진(E1)에서 배출된 고온의 냉각수가 청수 생성기(23)를 거쳐 1차로 냉각된 후, 냉각수 쿨러(22)에서 2차로 냉각되도록 할 수 있다.
냉각수 순환라인(L20)에는 제1, 2 분기라인(L21, L22)이 마련되어, 냉각수는 냉각수 순환라인(L20)에 의해 형성되는 폐루프에서 순환하거나, 제1, 2 분기라인(L21, L22)을 통해 형성되는 제1, 2 폐루프에서 순환할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 자세히 설명한다.
열교환기(30)는, 액화가스를 가열하여 메인엔진(E1) 또는 보조엔진(E2) 등에 공급한다. 열교환기(30)는 열매를 액화가스와 열교환하는 구성으로서 쉘&튜브, bath type, PCHE 등의 타입으로 마련될 수 있으나, 그 타입이 제한되는 것은 아니다.
열교환기(30)는 제1 연료공급라인(L31) 상에 마련되며, 액화가스가 흐르는 유로와 열매가 흐르는 유로를 구비할 수 있다. 액화가스는 열교환기(30)에서 엔진(E1, E2)이 요구하는 온도에 대응되도록 가열된 후 엔진(E1, E2)으로 전달되며, 열매는 고온으로 열교환기(30)에 유입된 후 액화가스에 의해 냉각된 뒤 열교환기(30)를 빠져나간다.
본 실시예에서 열매는, 엔진(E1, E2)에서 사용되는 냉각수일 수 있다. 열교환기(30)는 액화가스를 냉각수로 직접 열교환시키는 타입으로 마련될 수 있으며, 냉각수는 엔진(E1, E2) 중 메인엔진(E1)에서 사용되는 것일 수 있다. 따라서 열교환기(30)는 일측이 제1 연료공급라인(L31)과 연결될 수 있고, 타측이 냉각수가 유동하는 냉각수 순환라인(L20)과 연결될 수 있다.
물론 본 발명은, 열교환기(30)에 냉각수가 직접 유동하는 직접 열교환 방식이 아닌, 열교환기(30)의 열매가 냉각수에 의해 가열되는 간접 열교환 방식도 포함할 수 있다.
열교환기(30)는 도면에서와 같이 1개로 마련될 수 있고, 또는 2개 이상으로 마련될 수 있다. 열교환기(30)가 복수로 구성되는 경우 복수의 열교환기(30)는 직렬 및/또는 병렬로 구비될 수 있으며, 메인엔진(E1)과 보조엔진(E2)에 각각 별도의 열교환기(30)가 할당될 수도 있다.
이하에서는 냉각수 순환라인(L20) 상에서 열교환기(30) 측(제1 냉각수 순환라인(L20a))에 마련되는 부스터 펌프(41), 백업 히터(42), 가스 세퍼레이터(43)에 대해 설명한다.
부스터 펌프(41)는, 메인엔진(E1)에서 배출된 고온의 냉각수를 열교환기(30)로 펌핑한다. 부스터 펌프(41)는 냉각수 순환라인(L20)에서 열교환기(30) 상류에 배치될 수 있으며, 앞서 설명한 냉각수 펌프(21)와 유사한 기능을 가질 수 있다.
부스터 펌프(41)는 열교환기(30)에서 액화가스와 냉각수의 압력차를 최소화하기 위해, 열교환기(30)로 유입되는 액화가스의 압력에 대응해 냉각수를 가압할 수 있다. 이 경우 부스터 펌프(41)의 배출압력은 냉각수 펌프(21)의 배출압력보다 상대적으로 높을 수 있다.
부스터 펌프(41)는 냉각수 펌프(21)와 마찬가지로 복수 개가 병렬 또는 직렬로 구비될 수 있으며, 부스터 펌프(41)가 병렬로 구비되는 경우 냉각수는 복수 개의 부스터 펌프(41)에 의해 동시에 펌핑됨으로써, 각 부스터 펌프(41)의 부하가 분할될 수 있다.
백업 히터(42)는, 열교환기(30)로 전달되는 냉각수 중 적어도 일부를 가열한다. 백업 히터(42)는 별도의 열원을 이용해 냉각수를 가열하여, 냉각수가 열교환기(30)에서 액화가스를 가열하는데 충분한 온도를 갖도록 할 수 있다. 이때 열원은 해수, 청수, 스팀 등일 수 있지만, 제한되지 않는다.
백업 히터(42)는 메인엔진(E1)의 부하가 낮아지면서 냉각수의 온도가 떨어져 열교환기(30)에서 액화가스를 충분히 가열할 열이 부족하게 된 경우나, 외기 온도로 인해 냉각수의 온도가 저하되는 경우, 그리고 메인엔진(E1)이 정지되어 냉각수의 가열이 이루어지지 못하는 경우 등을 대비하기 위해 사용될 수 있다.
백업 히터(42)는 냉각수 순환라인(L20)에서 부스터 펌프(41)의 하류에 배치될 수 있지만, 백업 히터(42)의 위치를 이로 한정하는 것은 아니며, 후술할 제1 분기라인(L21) 상에 마련되는 것도 가능하다.
가스 세퍼레이터(43)는, 열교환기(30)에서 배출된 저온의 냉각수에 포함될 수 있는 가스를 분리한다. 가스 세퍼레이터(43)는 냉각수 순환라인(L20)에서 열교환기(30) 하류에 마련될 수 있으며, 혹여 열교환기(30)에서 가스가 누출되어 냉각수에 혼입되었을 경우 이를 감지 및 분리할 수 있다. 이를 위해 가스 세퍼레이터(43)에는 가스 감지기(도시하지 않음)가 구비될 수 있으며, 가스 세퍼레이터(43)에 분리된 가스는 폭발성이 있으므로, 벤트라인(L25)을 통해 안전하게 외부로 방출될 수 있다.
가스 세퍼레이터(43)가 냉각수에 가스가 혼입된 것을 감지한 경우, 액화가스의 추가적인 누출을 방지하기 위해 열교환기(30)로의 액화가스 공급이 차단될 수 있고, 엔진(E1, E2)은 가동이 정지되거나 액화가스가 아닌 오일연료 등을 소비하는 모드로 전환될 수 있다. 후자의 경우를 위해 엔진(E1, E2)은 가스연료 및/또는 오일연료를 모두 사용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
가스 세퍼레이터(43)는 냉각수 순환라인(L20)에서 열교환기(30)와 부스터 펌프(41) 사이에 배치될 수 있으며, 냉각수를 저장하는 용기 형태를 가질 수 있다. 이를 통해 가스 세퍼레이터(43)는 냉각수 순환라인(L20)에서 부분적인 팽창 기능을 가질 수 있다.
이하에서는 냉각수 순환라인(L20) 및 제1, 2 분기라인(L21, L22)에 대해 설명한다.
냉각수 순환라인(L20)은 메인엔진(E1)과 열교환기(30)에 냉각수를 순환 공급하도록 마련되며, 냉각수는 메인엔진(E1)에서 고온으로 배출된 뒤, 열교환기(30)에서 액화가스와 열교환하면서 저온으로 냉각되고, 다시 메인엔진(E1)으로 순환될 수 있다.
이때 냉각수 순환라인(L20)에는 제1 냉각수 순환라인(L20a)의 양단을 연결함에 따라 열교환기(30)의 상류 및 하류 사이를 연결하여, 냉각수가 메인엔진(E1)을 우회하면서 열교환기(30)를 순환하도록 하는 제1 분기라인(L21)이 마련된다.
또한 냉각수 순환라인(L20)에는, 냉각수 순환라인(L20)에서 제2 냉각수 순환라인(L20b)의 양단을 연결함에 따라 메인엔진(E1)의 상류 및 하류를 연결하여, 냉각수가 열교환기(30)를 우회하면서 메인엔진(E1)을 순환하도록 하는 제2 분기라인(L22)이 마련된다.
이때 제1, 2 분기라인(L21, L22)은, 제1, 2 냉각수 순환라인(L20a, L20b)과 함께 서로 독립적으로 마련되는 제1, 2 폐루프를 구성할 수 있다. 이와 같이 구성함에 따라, 냉각수는 총 3가지의 폐루프를 따라 순환할 수 있다.
구체적으로 냉각수는 냉각수 순환라인(L20) 전체를 따라 순환하면서 열교환기(30) 및 메인엔진(E1)을 경유하거나, 제1 냉각수 순환라인(L20a)과 제1 분기라인(L21)을 따라 순환하면서 메인엔진(E1)을 우회하고 열교환기(30)를 경유하거나, 제2 냉각수 순환라인(L20b)과 제2 분기라인(L22)을 따라 순환하면서 열교환기(30)를 우회하고 메인엔진(E1)을 경유할 수 있다.
메인엔진(E1) 및 열교환기(30)의 작동에 문제가 없는 경우, 제1, 2 분기라인(L21, L22)은 모두 폐쇄될 수 있고, 냉각수는 냉각수 순환라인(L20) 전체를 따라 크게 순환한다. 따라서 냉각수는 메인엔진(E1)에서 가열되고 열교환기(30)에서 냉각되는 과정을 반복한다.
특히 이 경우 냉각수는 정상 부하로 가동하는 메인엔진(E1)에 의하여 충분한 온도로 가열될 수 있으므로, 백업 히터(42)에 의한 추가 가열이 불필요할 수 있다. 따라서 냉각수 순환라인(L20)에는 냉각수가 냉각수 순환라인(L20)을 통해 메인엔진(E1)을 경유하여 열교환기(30)로 공급될 경우 백업 히터(42)를 우회하도록 하는 히터 우회라인(L23)이 마련될 수 있다.
다만 메인엔진(E1)의 부하가 기설정값 이하로 떨어지는 경우, 메인엔진(E1)에서 냉각수의 가열이 충분히 이루어지지 못할 수 있는 바, 이 경우에는 히터 우회라인(L23)이 차단되고 백업 히터(42)가 사용될 수 있다.
반면 메인엔진(E1)이 정지되었을 때와 같이 냉각수가 메인엔진(E1)을 순환할 수 없거나 순환할 필요성이 낮은 경우, 본 발명은 제1 분기라인(L21)을 개방하여, 냉각수가 제1 냉각수 순환라인(L20a) 및 제1 분기라인(L21)을 따라 형성되는 제1 폐루프에서 순환되도록 한다.
이때 냉각수 순환라인(L20)에서 제1 분기라인(L21)이 분기되는 지점의 하류와 제1 분기라인(L21)이 합류되는 지점의 상류에는 냉각수의 흐름을 차단할 수 있는 밸브(부호 도시하지 않음)가 마련됨에 따라, 냉각수가 제1 폐루프 내에서 순환하도록 할 수 있다.
제1 폐루프 상에는 부스터 펌프(41), 백업 히터(42), 열교환기(30), 가스 세퍼레이터(43)가 마련되며, 냉각수는 백업 히터(43)에서 가열된 후 열교환기(30)로 공급된다. 따라서 본 발명은 냉각수가 메인엔진(E1)을 순환하지 않거나 못하는 경우에도, 열교환기(30)에서의 안정적인 액화가스 가열을 보장할 수 있다.
이를 통해 본 발명은 메인엔진(E1)과 보조엔진(E2)이 하나의 열교환기(30)를 공유하는 시스템에 있어서, 메인엔진(E1)에 의한 냉각수의 가열에 문제가 발생하더라도 보조엔진(E2)의 가동이 안정적으로 이루어지도록 한다.
반면 가스 세퍼레이터(43)에서 가스의 누출이 감지된 경우나 엔진(E1, E2)이 액화가스 외의 연료로 공급되는 경우 등과 같이 열교환기(30)의 사용이 바람직하지 않은 경우, 본 발명은 제2 분기라인(L22)을 개방하여, 냉각수가 제2 냉각수 순환라인(L20b) 및 제2 분기라인(L22)을 따라 형성되는 제2 폐루프에서 순환되도록 한다.
이때 앞서 언급한 바와 같이 냉각수 순환라인(L20)에서 제2 분기라인(L22)이 분기되는 지점의 상류 및 제2 분기라인(L22)이 합류되는 지점의 상류에 마련되는 밸브의 조작에 의해, 냉각수가 제2 폐루프 내에서 순환하도록 할 수 있다.
참고로 냉각수 순환라인(L20)에서 제1 분기라인(L21)이 분기되는 지점의 하류에 마련되는 밸브는, 냉각수 순환라인(L20)에서 제2 분기라인(L22)이 합류되는 지점의 상류에 마련되는 밸브일 수 있고, 냉각수 순환라인(L20)에서 제1 분기라인(L21)이 합류되는 지점의 상류에 마련되는 밸브는, 냉각수 순환라인(L20)에서 제2 분기라인(L22)이 분기되는 지점의 하류에 마련되는 밸브일 수 있다.
물론 본 발명은 상기와 같은 밸브의 배치로 한정 해석되지 않으며, 2-way 밸브 및/또는 3-way 밸브 등을 적절히 활용할 수 있다.
제2 폐루프 상에는 냉각수 펌프(21), 냉각수 쿨러(22), 청수 생성기(23)가 마련되며, 냉각수는 메인엔진(E1)에서 가열된 후 냉각수 쿨러(22)에서 냉각될 수 있다. 따라서 본 발명은 냉각수가 열교환기(30)로 전달되지 않거나 못하는 경우 메인엔진(E1)에 대한 냉각수 공급을 보장하여 메인엔진(E1)의 가동을 안정적으로 유지할 수 있다.
냉각수 순환라인(L20)에는, 팽창탱크(44a, 44b)가 연결된다. 팽창탱크(44a, 44b)는, 냉각수 순환라인(L20) 전체를 따라 유동하는 냉각수의 압력 조절을 위해 마련될 수 있다.
팽창탱크(44a, 44b)는 복수로 마련되어, 제1, 2 분기라인(L21, L22)에 의해 형성되는 제1 폐루프 및 제2 폐루프 각각에 연결됨에 따라 제1, 2 폐루프에서의 냉각수 압력 조절을 구현해 제1, 2 폐루프에서의 과압을 방지할 수 있다. 또는 이와 달리 하나의 팽창탱크(44a, 44b)가 제1, 2 폐루프에 통합적으로 연결되는 것도 가능하다.
전자의 경우, 팽창탱크(44a, 44b)는 제1, 2 냉각수 순환라인(L20a, L20b)에 각각 연결되도록 마련될 수 있다. 이때 제1 냉각수 순환라인(L20a)에 연결되는 팽창탱크(44a)는 냉각수 순환라인(L20)에서 가스 세퍼레이터(43)의 하류에 마련될 수 있으며, 냉각수 순환라인(L20)으로부터 분기 연결됨에 따라, 가스 세퍼레이터(43)를 거친 냉각수는 팽창탱크(44a)를 경유하지 않고 유동할 수 있다. 다만 가스 세퍼레이터(43) 하류에서 냉각수의 압력이 높아지면 팽창탱크(44a)를 향해 냉각수가 자연스럽게 전달되도록 함으로써, 팽창탱크(44a)를 통하여 압력을 낮출 수 있다.
반면 제2 냉각수 순환라인(L20b)에 연결되는 팽창탱크(44b)는, 냉각수 쿨러(22)와 냉각수 펌프(21) 사이에 연결되도록 마련될 수 있으며, 냉각수 순환라인(L20)으로부터 분기 연결됨으로써, 냉각수 쿨러(22)에서 냉각된 냉각수는 팽창탱크(44b)를 우회하여 냉각수 펌프(21)로 유입될 수 있다. 다만 제2 폐루프에서 과압이 발생하면 냉각수는 팽창탱크(44b)로 전달되어 냉각수 펌프(21)의 유입 압력이 적정 수준을 유지할 수 있다.
팽창탱크(44a, 44b)는 냉각수 순환라인(L20)이나 제1, 2 분기라인(L21, L22)으로부터 분지 연결되거나, 냉각수 순환라인(L20) 또는 제1, 2 분기라인(L21, L22) 상에 마련될 수도 있다. 또한 팽창탱크(44a, 44b)는 반드시 용기의 형태인 것으로 제한되지 않으며, 라인의 일부가 확관된 형태 등과 같이 버퍼 기능을 구현하는 모든 형태를 포괄할 수 있다.
이와 같은 팽창탱크(44a, 44b)의 구비를 통하여, 본 발명은 냉각수가 제1 폐루프에서만 순환하거나 제2 폐루프에서만 순환하는 경우 모두에 대해, 냉각수 흐름에서의 과압 방지 기능을 확보할 수 있다.
추가로 열교환기(30) 상류의 냉각수 순환라인(L20)에는 열교환기(30)를 우회하는 열교환기 우회라인(L24)이 마련될 수 있다. 따라서 냉각수 중 적어도 일부는 열교환기(30)를 우회하면서 액화가스에 의해 냉각되지 않을 수 있으므로, 열교환기(30) 하류에서 냉각수의 온도를 조절하는데 사용될 수 있다.
열교환기 우회라인(L24)으로의 흐름은 액화가스의 유량이나 온도, 냉각수의 유량, 온도 등의 변수에 따라 제어될 수 있다. 일례로 액화가스의 온도가 비교적 높을 경우 액화가스가 과도하게 가열되는 것을 방지하고자, 냉각수의 일부가 열교환기 우회라인(L24)을 통해 우회될 수 있다. 반면 액화가스의 온도가 낮은 것으로 감지되면, 열교환기 우회라인(L24)의 냉각수 흐름이 차단될 수 있다.
이하에서는 본 실시예에서 나타나는 다양한 냉각수의 흐름에 대해 설명하도록 하며, 먼저 도 1에서와 같이 냉각수 순환라인(L20)을 따라 냉각수가 유동하는 경우에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이 냉각수 순환라인(L20)은 메인엔진(E1)과 열교환기(30)를 모두 연결하는 폐루프를 구성함에 따라, 메인엔진(E1)으로부터 배출된 고온의 냉각수가 냉각수 순환라인(L20)을 통해 열교환기(30)로 전달될 수 있다. 이후 열교환기(30)에서 배출되는 저온의 냉각수는, 냉각수 순환라인(L20)을 따라 가스 세퍼레이터(43) 등을 경유한 뒤 냉각수 쿨러(22)로 유입될 수 있다.
이러한 흐름에 따르면, 냉각수는 냉각수 순환라인(L20)을 따라 냉각수 쿨러(22), 냉각수 펌프(21), 메인엔진(E1)으로 유입되면서도, 메인엔진(E1) 하류에서 적어도 일부의 냉각수가 냉각수 순환라인(L20)을 따라 부스터 펌프(41), 백업 히터(42)(필요한 경우), 열교환기(30), 가스 세퍼레이터(43)를 따라 흐른 뒤, 다시 냉각수 쿨러(22)로 전달될 수 있다.
이와 같은 흐름은 메인엔진(E1)이 정상 작동함에 따라 냉각수가 메인엔진(E1)에서 충분히 가열되는 경우에 이루어질 수 있다. 즉 본 실시예는 메인엔진(E1)을 경유하면서 가열된 고온의 냉각수가 냉각수 순환라인(L20)을 따라 열교환기(30)로 전달되도록 함으로써, 냉각수의 폐열을 열교환기(30)의 액화가스로 전달하는 것이다.
냉각수가 충분히 가열되기 위해서는 메인엔진(E1)의 부하가 기설정값 이상으로 높아야 한다. 즉 메인엔진(E1)의 부하가 기설정값 이상일 경우(또는 선박의 선속이 기설정속도 이상), 냉각수는 냉각수 순환라인(L20) 전체를 따라 순환할 수 있다. 이 경우 냉각수가 메인엔진(E1)에서 충분히 가열될 것이므로, 냉각수 순환라인(L20)에서 냉각수는 히터 우회라인(L23)을 통해 백업 히터(42)를 적어도 부분적으로 우회하여 열교환기(30)로 유입될 수 있다.
반면 메인엔진(E1)의 부하가 기설정값 미만일 경우(선속이 기설정속도 미만), 냉각수는 메인엔진(E1)을 경유하더라도 충분히 가열되지 못할 수 있다. 따라서 이 경우 냉각수가 냉각수 순환라인(L20)을 따라 순환하는 것은 앞서 설명한 경우와 유사하나, 냉각수 순환라인(L20)에서 유동하는 냉각수는 백업 히터(42)를 거쳐 추가 가열된 후 열교환기(30)로 유입될 수 있다.
이하에서는 도 2에서와 같이 냉각수 순환라인(L20) 및 제1 분기라인(L21)에 의해 형성되는 제1 폐루프를 따라 냉각수가 유동하는 경우에 대해 설명한다.
도 2를 참조하면, 선박의 정박 등을 위해 메인엔진(E1)이 정지되는 경우, 냉각수 순환라인(L20)에는 냉각수가 유동하지 않을 수 있다. 이때 제1 분기라인(L21)이 밸브의 조절에 의해 개방되면서 냉각수가 제1 냉각수 순환라인(L20a) 및 제1 분기라인(L21)에 의해 형성되는 제1 폐루프를 따라 흐르게 된다.
다만 이러한 경우 냉각수는 메인엔진(E1)에 의해 가열되지 못하므로, 백업 히터(42)가 사용될 수 있다. 즉 냉각수는 제1 냉각수 순환라인(L20a)과 제1 분기라인(L21)을 따라 순환하면서, 백업 히터(42)를 거쳐 가열된 후 열교환기(30)로 유입될 수 있다.
또한 이 경우 앞서 설명한 바와 같이, 냉각수 순환라인(L20)에서 가스 세퍼레이터(43)의 하류 등에 마련되는 팽창탱크(44a, 44b)를 통해 냉각수의 압력이 조절될 수 있으므로, 메인엔진(E1)의 폐열을 이용하지 않으면서 열교환기(30)가 냉각수를 통해 안정적으로 액화가스를 가열할 수 있게 된다.
이와 같이 본 실시예는, 메인엔진(E1)의 냉각수를 활용해 엔진(E1, E2)에 공급되는 액화가스를 가열하되, 메인엔진(E1)의 부하, 작동 여부에 따라 냉각수의 흐름을 제어하고 백업 히터(42)를 적절히 활용함으로써, 액화가스의 안정적인 가열을 통해 발전엔진의 가동 안정성을 확보할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
21: 냉각수 펌프 22: 냉각수 쿨러
23: 청수 생성기 30: 열교환기
41: 부스터 펌프 42: 백업 히터
43: 가스 세퍼레이터 44a, 44b: 팽창탱크
L20: 냉각수 순환라인 L21: 제1 분기라인
L22: 제2 분기라인 L23: 히터 우회라인
L24: 열교환기 우회라인 L25: 벤트라인
L30: 연료공급라인 L31: 제1 연료공급라인
L32: 제2 연료공급라인 E1: 메인엔진
E2: 보조엔진

Claims (9)

  1. 메인엔진으로 연료를 공급하는 제1 연료공급라인;
    상기 제1 연료공급라인에서 분기되어 보조엔진으로 연료를 공급하는 제2 연료공급라인;
    상기 제1 연료공급라인에 마련되어 연료를 가열하는 열교환기; 및
    상기 메인엔진의 냉각수가 순환하는 냉각수 순환루프를 포함하며,
    상기 냉각수 순환루프는,
    상기 열교환기 및 상기 메인엔진을 직렬로 연결하여 상기 메인엔진에서 가열된 냉각수를 상기 열교환기에서 연료에 의해 냉각되도록 하는 제0 폐루프;
    상기 제0 폐루프에서 상기 열교환기를 경유하는 제1 부분을 포함하는 제1 폐루프; 및
    상기 제0 폐루프에서 상기 메인엔진을 경유하는 제2 부분을 포함하며 상기 제1 폐루프와 독립적으로 마련되는 제2 폐루프를 포함하고,
    상기 냉각수는,
    상기 제0 폐루프를 따라 순환하거나, 또는 상기 제1, 2 폐루프 중 적어도 어느 하나를 따라 순환하는, 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기에 열원을 공급하도록 마련되는 상기 메인엔진의 냉각수 순환라인을 더 포함하며,
    상기 냉각수 순환라인은,
    상기 열교환기를 순환하는 제1 냉각수 순환라인과, 상기 메인엔진을 순환하는 제2 냉각수 순환라인으로 분리 가능하게 마련되고,
    상기 제1 냉각수 순환라인의 양단을 연결하여, 냉각수가 상기 메인엔진을 우회하면서 상기 열교환기를 순환하도록 하는 제1 분기라인; 및
    상기 제2 냉각수 순환라인의 양단을 연결하여, 냉각수가 상기 열교환기를 우회하면서 상기 메인엔진을 순환하도록 하는 제2 분기라인을 더 포함하는, 가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 순환라인 또는 상기 제1 분기라인에 마련되는 백업 히터를 포함하며,
    상기 백업 히터는,
    상기 메인엔진의 부하가 기설정값 미만이거나 냉각수가 상기 제1 분기라인에 의해 상기 메인엔진을 우회할 경우, 냉각수를 가열하여 상기 열교환기로 공급하는, 가스 처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    냉각수가 상기 냉각수 순환라인을 통해 상기 메인엔진을 경유하여 상기 열교환기로 공급될 경우, 상기 백업 히터를 우회하도록 마련되는 우회라인을 더 포함하는, 가스 처리 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 분기라인은,
    상기 메인엔진이 정지될 경우, 냉각수가 상기 메인엔진을 우회하면서 상기 열교환기를 순환하도록 하는, 가스 처리 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 냉각수는,
    상기 냉각수 순환라인 전체를 따라 순환하면서 상기 열교환기 및 상기 메인엔진을 경유하거나,
    상기 제1 냉각수 순환라인과 상기 제1 분기라인을 따라 순환하면서 상기 메인엔진을 우회하고 상기 열교환기를 경유하거나,
    상기 제2 냉각수 순환라인과 상기 제2 분기라인을 따라 순환하면서 상기 열교환기를 우회하고 상기 메인엔진을 경유하는, 가스 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 냉각수 순환라인과 상기 제1 분기라인에 의해 이루어지는 상기 제1 폐루프는,
    상기 제2 냉각수 순환라인과 상기 제2 분기라인에 의해 이루어지는 상기 제2 폐루프와 독립적으로 마련되는, 가스 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 폐루프 또는 상기 제2 폐루브를 따라 유동하는 냉각수의 압력 조절을 위해 마련되는 팽창 탱크를 더 포함하는, 가스 처리 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는, 선박.
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