KR102603751B1 - 연료 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 공급 시스템이 개시된다.
상기 연료 공급 시스템은, 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시켜 엔진의 연료로 공급하는, 급유 윤활 방식의 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부를 감압시켜 상기 저장탱크로 되돌려 보내는 제어밸브; 및 상기 제어밸브에 의해 감압된 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제3 필터;를 포함하고, 상기 증발가스에 포함된 윤활유가 상기 제어밸브에 의해 감압되며 상변화되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 공급 시스템{Fuel Supply System}
본 발명은 급유 윤활 방식의 압축기를 포함하는 연료 공급 시스템을 개량한 것이다.
근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -163 ℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.
증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.
또한, 천연가스를 연료로 사용하는 추진엔진으로는 ME-GI 엔진 등이 있으며, ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되고, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
한편, 압축기의 종류로는, 실린더에 윤활유를 공급하지 않는 무급유 윤활(oil-free lubricated) 방식과, 실린더에 윤활유를 공급하는 급유 윤활(oil lubricated) 방식이 있는데, 특히, 압축기에 의해 압축된 증발가스를 고압 엔진의 연료로 사용하기 위해서나, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화 시스템을 사용하는 경우에 재액화 효율을 높이기 위해, 급유 윤활 방식의 압축기를 사용하게 된다.
본 발명은, 급유 윤활 방식의 압축기를 사용하는 경우에도 윤활유가 저장탱크로 유입되지 않도록 방지하는, 연료 공급 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시켜 엔진의 연료로 공급하는, 급유 윤활 방식의 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부를 감압시켜 상기 저장탱크로 되돌려 보내는 제어밸브; 및 상기 제어밸브에 의해 감압된 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제3 필터;를 포함하고, 상기 증발가스에 포함된 윤활유가 상기 제어밸브에 의해 감압되며 상변화되는 것을 특징으로 하는, 연료 공급 시스템이 제공된다.
상기 연료 공급 시스템은, 무급유 윤활 방식의 제1 압축기를 더 포함할 수 있고, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 상기 제1 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 압축기에 의해 추가로 압축될 수 있다.
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부는 재액화시스템으로 보내질 수 있다.
상기 재액화시스템은 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시킬 수 있다.
상기 연료 공급 시스템은, 상기 제2 압축기 상류에 설치되어 역류를 방지하는 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 공급 시스템은, 상기 제2 압축기 상류에 설치되어 윤활유를 걸러내는 제1 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 공급 시스템은, 상기 제2 압축기 하류에 설치되어 윤활유를 걸러내는 제2 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 공급 시스템은, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부 또는 전부를 상기 제2 압축기 상류로 보내는 재순환라인을 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 엔진에 연료를 공급하는 라인의 압력을 일정하게 유지하기 위해, 상기 엔진의 요구 압력으로 압축된 증발가스의 일부를 감압시킨 후 저장탱크로 되돌려 보내는 연료 공급 시스템에 있어서, 증발가스에 섞인 기체상의 윤활유가 감압 과정에서 안개(Mist) 상태나 고체 상태로 변하고, 감압 과정에서 안개 상태 또는 고체 상태로 상변화 된 윤활유를 걸러낸 후 상기 저장탱크로 보내는 것을 특징으로 하는, 연료 공급 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면, 제3 필터의 간단한 설치만으로도 효율적으로 저장탱크로 유입되는 윤활유를 제거할 수 있다.
또한, 본 발명과 같이 윤활유를 안개(Mist) 상태나 고체 상태로 상변화 시킨 후 제3 필터에 의해 윤활유를 걸러내면, 제3 필터가 걸러내게 될 것으로 예상되는 윤활유의 양을 정확하게 계산할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 연료 공급 시스템은, 급유 윤활 방식의 제2 압축기(220), 제어밸브(V2) 및 제3 필터(330)를 포함한다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 엔진(E)의 연료로 사용되고, 엔진(E)에 연료를 공급하는 라인의 압력을 일정하게 유지하기 위해, 제어밸브(V2)의 개폐 및 개도를 조절하여 증발가스의 일부를 저장탱크(T)로 되돌려 보낸다.
저장탱크(T)에는 극저온의 액화가스가 저장되며, 본 발명은 특히 액화천연가스(LNG)가 자연 기화되어 발생한 증발가스를 재액화시키는 시스템에 바람직하게 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
엔진(E)은 선박 추진용 엔진일 수 있으며, ME-GI 엔진일 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스의 일부 또는 전부를 제2 압축기(220) 상류로 보내는 재순환라인(L)을 포함할 수 있다. 재순환라인(L)은, 제2 압축기(220)가 요구하는 흡입 압력 조건이 만족되지 않는 경우, 증발가스의 일부 또는 전부를 재순환시켜 제2 압축기(220)를 보호하는 역할을 한다.
또한, 도 1에는 제2 압축기(220)가 1단으로 구성된 것이 도시되어 있으나, 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 제2 압축기(220)는 2단 이상으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스 중 제어밸브(V2)에 의해 저장탱크(T)로 되돌려 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 제3 필터(330)에 의해 걸러낸다. 제3 필터(330)는 코얼레싱(Coalescing) 필터일 수 있다.
제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 제어밸브(V2)에 의해 감압된 후에 저장탱크(T)로 보내지게 되는데, 제어밸브(V2)에 의해 증발가스가 감압되며 온도도 낮아지게 된다. 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 제어밸브(V2)에 의해 감압되어 온도가 낮아지면, 급유 윤활 방식의 제2 압축기(220)에 의해 압축되며 증발가스에 섞인 기체상의 윤활유가 안개(Mist) 상태나 고체 상태로 변하게 되므로, 제3 필터(330)에 의해 효과적으로 윤활유를 제거할 수 있다.
본 발명은, 엔진(E)의 요구 압력을 맞추기 위해 압축된 증발가스를 저장탱크(T)로 되돌려 보내기 위해서는 필연적으로 감압 과정이 필요하고, 감압 과정에서 온도 저하가 발생하면 증발가스에 섞인 윤활유가 응축 또는 응고된다는 사실을 활용하여, 제3 필터(330)의 간단한 설치만으로 효율적으로 저장탱크(T)로 유입되는 윤활유를 제거한다.
대부분의 필터 제작 업체에서는 이상기체 방정식을 적용하여 필터 성능을 계산하는데, 기체상의 윤활유의 경우에는 정확한 양을 계산하는 것이 거의 불가능하며, 일반적으로 필터 제작 업체에서 제공한 계산값보다 더 많은 양의 윤활유가 발생되는 경향이 있었다.
본 발명과 같이 윤활유를 안개(Mist) 상태나 고체 상태로 상변화 시킨 후 제3 필터(330)에 의해 윤활유를 걸러내면, 제3 필터(330)가 걸러내게 될 것으로 예상되는 윤활유의 양을 정확하게 계산할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예는 무급유 윤활 방식의 제1 압축기(210)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예가 제1 압축기(210)를 더 포함하는 경우, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제2 압축기(220)에 의해 추가로 압축된다.
본 실시예가 제1 압축기(210)를 더 포함하는 경우, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스의 압력은 대략 300barg일 수 있고, 대략 300barg의 증발가스가 제어밸브(V2)에 의해 감압되어 대략 3barg, -40℃ 상태가 될 수 있다.
도 1에는 제1 압축기(210)가 5단으로 구성된 것이 도시되어 있으나, 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 제2 압축기(220)는 4단 이하로 구성될 수도 있고 6단 이상으로 구성될 수 있다.
본 실시예가 제1 압축기(210)를 더 포함하는 경우, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스의 일부는 재액화시스템(R)으로 보내고, 재액화시스템(R)으로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 제2 압축기(220)에 의해 추가적으로 압축시켜 엔진(E)에 공급할 수 있다.
재액화시스템(R)은, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화 시키는 방식의 시스템일 수 있으며, 보다 구체적으로, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환시켜 냉각시킨 후 감압시켜 재액화시키는 시스템일 수 있다.
본 실시예는 제2 압축기(220) 상류에 설치되어 역류를 방지하는 체크밸브(V1)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예가 재순환라인(L)을 포함하는 경우, 제2 압축기(220) 하류에서 분기한 재순환라인(L)은 도 1에 도시된 바와 같이 체크밸브(V1) 상류로 합류되는 것이 바람직하다.
본 실시예는 제2 압축기(220) 상류에 설치되는 제1 필터(310)를 더 포함할 수 있다. 제1 필터(310)는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스의 일부가 역류한 경우에, 역류한 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 역할을 한다. 제1 필터(310)는 코얼레싱(Coalescing) 필터일 수 있으며, 본 실시예가 재순환라인(L)을 포함하는 경우, 제2 압축기(220) 하류에서 분기한 재순환라인(L)은 도 1에 도시된 바와 같이 제1 필터(310) 하류로 합류되는 것이 바람직하다.
본 실시예는 제2 압축기(220) 하류에 설치되는 제2 필터(320)를 더 포함할 수 있다. 제2 필터(320)는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스에 포함된 윤활유를 1차적으로 걸러내는 역할을 한다. 제2 필터(320)는 코얼레싱(Coalescing) 필터일 수 있으며, 본 실시예가 재순환라인(L)을 포함하는 경우, 재순환라인(L)은 도 1에 도시된 바와 같이 제2 필터(310) 하류에서 분기되는 것이 바람직하다.
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 자에 있어서 자명한 것이다.
T : 저장탱크 R : 재액화시스템
L : 재순환라인 E : 엔진
V1 : 체크밸브 V2 : 제어밸브
210 : 제1 압축기 220 : 제2 압축기
310 : 제1 필터 320 : 제2 필터
330 : 제3 필터

Claims (9)

  1. 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시켜 엔진의 연료로 공급하는, 급유 윤활 방식의 제2 압축기;
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부를 감압시켜 상기 저장탱크로 되돌려 보내는 제어밸브;
    상기 제어밸브에 의해 감압된 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제3 필터;
    상기 제2 압축기 상류에 설치되어 상기 제2 압축기로부터 역류한 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제1 필터; 및
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부 또는 전부를 상기 제2 압축기 상류로 보내는 재순환라인을 포함하고,
    상기 증발가스에 포함된 윤활유가 상기 제어밸브에 의해 감압되며 상변화되고,
    상기 재순환라인은 상기 제1 필터 하류로 합류되는 것을 특징으로 하는, 연료 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    무급유 윤활 방식의 제1 압축기를 더 포함하고,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 상기 제1 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 압축기에 의해 추가로 압축되며,
    상기 제1 필터는 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기 사이에 설치되는, 연료 공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부는 재액화시스템으로 보내지는, 연료 공급 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 재액화시스템은 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는, 연료 공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 압축기 상류에 설치되어 역류를 방지하는 체크밸브를 더 포함하고,
    상기 체크밸브는 상기 제1 필터와 상기 제2 압축기 사이에 설치되는, 연료 공급 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 압축기 하류에 설치되어 윤활유를 걸러내는 제2 필터를 더 포함하고,
    상기 재순환라인은 상기 제2 필터 하류로부터 분기하는, 연료 공급 시스템.
  8. 삭제
  9. 엔진에 연료를 공급하는 라인의 압력을 일정하게 유지하기 위해, 상기 엔진의 요구 압력으로 압축된 증발가스의 일부를 감압시킨 후 저장탱크로 되돌려 보내는 연료 공급 시스템에 있어서,
    급유 윤활 방식의 제2 압축기에 의해 압축되며 증발가스에 섞인 기체상의 윤활유가 감압 과정에서 안개(Mist) 상태나 고체 상태로 변하고,
    감압 과정에서 안개 상태 또는 고체 상태로 상변화 된 윤활유를 걸러낸 후 상기 저장탱크로 보내며,
    상기 제2 압축기로부터 역류한 증발가스에 포함된 윤활유를 제1 필터에 의해 걸러내고,
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부 또는 전부를 상기 제2 압축기 상류로 보내는 재순환라인이 상기 제1 필터 하류로 합류하는 것을 특징으로 하는, 연료 공급 시스템.
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