KR102626179B1 - 연료가스 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

연료가스 공급 방법이 개시된다.
상기 연료가스 공급 방법은, 저장탱크 내부의 액화가스를 펌프에 의해 가압시켜 상기 저장탱크로부터 배출시키고, 상기 저장탱크로부터 배출된 액화가스를 두 흐름으로 분기시켜, 한 흐름은 제2 기화기에 의해 기화시킨 후 제1 엔진으로 공급하고, 나머지 흐름은 제1 기화기에 의해 기화시킨 후 분리기를 거쳐 제2 엔진으로 공급하고, 상기 분리기는 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트 상태의 액화가스를 분리하며, 상기 분리기에 의해 분리된 기체 상태의 가스가 상기 제2 엔진으로 보내진다.

Description

연료가스 공급 시스템 및 방법{Fuel Gas Supply System and Method}
본 발명은 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 액화가스를 엔진의 연료로 공급하는 시스템 및 방법에 관한 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.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF 엔진, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF 엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 5.5barg 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 16 barg 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300barg 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
본 발명은 종래 기술을 개량하여 에너지 효율을 높인 연료가스 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크 내부의 액화가스를 펌프에 의해 가압시켜 상기 저장탱크로부터 배출시키고, 상기 저장탱크로부터 배출된 액화가스를 두 흐름으로 분기시켜, 한 흐름은 제2 기화기에 의해 기화시킨 후 제1 엔진으로 공급하고, 나머지 흐름은 제1 기화기에 의해 기화시킨 후 분리기를 거쳐 제2 엔진으로 공급하고, 상기 분리기는 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트 상태의 액화가스를 분리하며, 상기 분리기에 의해 분리된 기체 상태의 가스가 상기 제2 엔진으로 보내지는, 연료가스 공급 방법이 제공된다.
상기 제2 기화기에 의해 기화된 가스는 제2 인라인믹서에 의해 냉각된 후 상기 제1 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 제1 기화기에 의해 기화된 가스는 제1 인라인믹서에 의해 냉각된 후 상기 분리기로 공급될 수 있다.
상기 분리기에 의해 분리된 가스는 제2 가열기에 의해 상기 제2 엔진의 요구 온도로 가열된 후 상기 제2 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 제1 가열기에 의해 가열된 후 상기 압축기로 보내질 수 있다.
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 냉각기에 의해 상기 제2 엔진의 요구 온도로 냉각된 후 상기 제2 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 제1 엔진은 추진용 엔진이고, 상기 제2 엔진은 발전용 엔진일 수 있다.
상기 제2 엔진으로 보내지는 가스의 일부를 상기 제2 엔진 상류에서 분기시켜 보일러로 공급할 수 있다.
상기 저장탱크로부터 배출된 후 분기되어 상기 제1 기화기로 공급되는 액화가스를 감압장치에 의해 감압시킨 후 상기 제1 기화기로 공급할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 저장탱크 내부에 설치되는 펌프; 상기 펌프에 의해 가압되어 상기 저장탱크 외부로 배출된 액화가스의 일부를 기화시키는 제1 기화기; 상기 제1 기화기에 의해 기화된 유체에 섞인 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트 상태의 액화가스를 분리하는 분리기; 및 상기 저장탱크로부터 배출된 액화가스 중 상기 제1 기화기로 보내지지 않은 나머지 액화가스를 기화시키는 제2 기화기;를 포함하는, 연료가스 공급 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면, 특히 X-DF 엔진 등의 저압의 추진용 엔진에 연료를 공급하는 경우에, 기존에 ME-GI 엔진 등의 고압 추진용 엔진에 연료를 공급하는 시스템에 비하여 장비가 간단하면서도, 메탄가 조절에 의해 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있고, 오토 사이클을 따르는 엔진의 부하(Load)를 극대화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 엔진이 요구하는 압력의 연료를 안정적으로 공급할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료가스 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 연료가스 공급 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 저장탱크(T) 내부에 저장된 액화가스는 펌프(400)에 의해 가압되어 저장탱크(T)로부터 배출된다. 저장탱크(T) 내부에는 두 개의 펌프(400)가 병렬로 설치될 수 있으며, 두 개의 펌프(400) 중 하나는 리던던시(Redundancy)용으로 사용될 수 있다.
저장탱크(T)로부터 배출된 액화가스는 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 제2 기화기(520)에 의해 기화된 후 제1 엔진(E1)으로 공급되고, 나머지 흐름은 제1 기화기(510)에 의해 기화된 후 분리기(700)를 거쳐 제2 엔진(E2)으로 공급된다.
즉, 제1 기화기(510)는 펌프(400)에 의해 가압되어 저장탱크(T) 외부로 배출된 액화가스의 일부를 기화시키고, 제2 기화기(520)는 저장탱크(T)로부터 배출된 액화가스 중 제1 기화기(510)로 보내지지 않은 나머지 액화가스를 기화시킨다.
제1 엔진(E1)은 추진용 엔진일 수 있으며, X-DF 엔진일 수 있다. 본 발명은 ME-GI 엔진 등 300 barg 내외의 고압의 가스를 연료로 사용하는 엔진보다는, X-DF 엔진 등 16 barg 내외의 저압의 가스를 연료로 사용하는 엔진에 최적화되어 있다.
특히, 저압의 가스를 연료로 사용하는 추진용 엔진에 적용되는 경우, 저장탱크(T) 내부에 설치된 펌프(400)에 의해 액화가스를 가압시키는 것으로 추진용 엔진의 요구 압력을 만족시킬 수 있으므로, 추가로 펌프나 압축기를 설치할 필요가 없다는 장점이 있다.
제2 엔진(E2)은 발전용 엔진일 수 있으며, DF 엔진일 수 있다. 또한, 제2 엔진(E2)으로 보내지는 가스의 일부를 제2 엔진(E2) 상류에서 분기시켜 보일러로 공급할 수도 있다.
본 발명은 제1 기화기(510) 상류에 설치되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 분기되어 제1 기화기(510)로 공급되는 액화가스를 감압시키는 감압장치(800)를 더 포함할 수 있다. 감압장치(800)는, 제2 엔진(E2)의 요구 압력이 제1 엔진(E1)의 요구 압력보다 낮을 경우에, 펌프(400)에 의해 제1 엔진(E1)의 요구 압력으로 가압된 액화가스를, 제2 엔진(E2)의 요구 압력으로 감압시키는 역할을 한다.
제1 엔진(E1)이 X-DF 엔진이고 제2 엔진(E2)이 DF 엔진인 경우, 펌프(400)에 의해 가압된 액화가스는 대략 16 barg일 수 있고, 감압장치(800)에 의해 감압된 액화가스는 대략 5.5 barg일 수 있다.
제2 기화기(520)에 의해 기화된 가스는 제2 인라인믹서(620)에 의해 냉각된 후 제1 엔진(E1)으로 공급될 수 있고, 제1 기화기(510)에 의해 기화된 가스는 제1 인라인믹서(610)에 의해 분리기(700)에서 요구하는 온도로 냉각된 후 분리기(700)로 보내질 수 있다.
제2 인라인믹서(620)에서는 제2 기화기(520) 상류에서 분기된 액화가스가 분사될 수 있고, 제1 인라인믹서(610)에서는 제1 기화기(510) 상류에서 분기된 액화가스가 분사될 수 있다.
분리기(Separator, 700)에서는 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트(Mist) 상태의 액화가스가 분리되며, 기체 상태의 가스는 제2 엔진(E2)으로 보내지고, 액체 또는 미스트 상태의 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있다.
분리기(700)에 의해 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트(Mist) 상태의 액화가스가 분리시키면, 중탄화수소 성분을 제거한 연료를 제2 엔진(E2)에 공급하여, 제2 엔진(E2)에서 요구하는 연료의 가스 성상(Gas Composition) 조건을 만족시킬 수 있다(일명,‘메탄가 조절’).
분리기(700) 하류에는 가스를 제2 엔진(E2)의 요구 온도로 가열시키는 제2 가열기(120)가 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 압축기(200)에 의해 압축시켜 제2 엔진(E2)으로 공급할 수 있다. 압축기(200)는 두 개가 병렬로 설치될 수 있으며, 두 개의 압축기(200) 중 하나는 리던던시(Redundancy)용으로 사용될 수 있다.
압축기(200) 상류에는 제1 가열기(110)가 설치되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 제1 가열기(110)에 의해 가열된 후 압축기(200)로 보내질 수 있다.
증발가스를 처리할 수 있는 방법은 크게 육상 시설로 보내는 방법, 가스를 액화시켜 탱크로 되돌리는 방법, 연료가스로 활용하는 방법 등이 있는데, 특히 LNG Fueled Ship(LFS)의 경우, 증발가스의 발생량이 발전용 엔진에서 요구하는 연료량보다 작은 경우가 많기 때문에, 증발가스를 엔진으로 공급하여 연료가스로 활용하는 것이 효율적이다.
또한, 압축기(200) 하류에는 냉각기(300)가 설치되어, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 냉각기(300)에 의해 제2 엔진(E2)의 요구 온도로 냉각된 후 제2 엔진(E2)으로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1 인라인믹서(610), 제2 인라인믹서(620) 및 분리기(700)에 의해 메탄가 조절을 하여, 고탄소가 성분(부탄, 펜탄 등)의 액적이 포함되지 않는 연료를 제2 엔진(E2)에 안정적이고 효율적으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 특히 X-DF 엔진 등의 저압의 추진용 엔진에 연료를 공급하는 경우에, 기존에 ME-GI 엔진 등의 고압 추진용 엔진에 연료를 공급하는 시스템에 비하여 장비가 간단하다는 장점이 있다.
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 E1 : 제1 엔진
E2 : 제2 엔진 110 : 제1 가열기
120 : 제2 가열기 200 : 압축기
300 : 냉각기 400 : 펌프
510 : 제1 기화기 520 : 제2 기화기
610 : 제1 인라인믹서 620 : 제2 인라인믹서
700 : 분리기 800 : 감압장치

Claims (11)

  1. 저장탱크 내부의 액화가스를 펌프에 의해 가압시켜 상기 저장탱크로부터 배출시키고,
    상기 저장탱크로부터 배출된 액화가스를 두 흐름으로 분기시켜, 한 흐름은 제2 기화기에 의해 기화시키고 제2 인라인믹서에 의해 냉각시킨 후 제1 엔진으로 공급하고, 나머지 흐름은 제1 기화기에 의해 기화시키고 제1 인라인믹서에 의해 냉각시킨 후 분리기를 거쳐 제2 엔진으로 공급하고,
    상기 분리기는 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트 상태의 액화가스를 분리하며,
    상기 분리기에 의해 분리된 기체 상태의 가스가 상기 제2 엔진으로 보내지고,
    상기 제1 인라인믹서에서는 상기 제1 기화기 상류에서 분기된 액화가스가 분사되고,
    상기 제2 인라인믹서에서는 상기 제2 기화기 상류에서 분기된 액화가스가 분사되는, 연료가스 공급 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리기에 의해 분리된 가스는 제2 가열기에 의해 상기 제2 엔진의 요구 온도로 가열된 후 상기 제2 엔진으로 공급되는, 연료가스 공급 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 엔진으로 공급되는, 연료가스 공급 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 제1 가열기에 의해 가열된 후 상기 압축기로 보내지는, 연료가스 공급 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 냉각기에 의해 상기 제2 엔진의 요구 온도로 냉각된 후 상기 제2 엔진으로 공급되는, 연료가스 공급 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 엔진은 추진용 엔진이고, 상기 제2 엔진은 발전용 엔진인, 연료가스 공급 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 엔진으로 보내지는 가스의 일부를 상기 제2 엔진 상류에서 분기시켜 보일러로 공급하는, 연료가스 공급 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 후 분기되어 상기 제1 기화기로 공급되는 액화가스를 감압장치에 의해 감압시킨 후 상기 제1 기화기로 공급하는, 연료가스 공급 방법.
  11. 저장탱크 내부에 설치되는 펌프;
    상기 펌프에 의해 가압되어 상기 저장탱크 외부로 배출된 액화가스의 일부를 기화시키는 제1 기화기;
    상기 제1 기화기에 의해 기화된 가스를 냉각시키는 제1 인라인믹서;
    상기 제1 기화기에 의해 기화되고 상기 제1 인라인믹서에 의해 냉각된 유체에 섞인 기체 상태의 가스와 액체 또는 미스트 상태의 액화가스를 분리하는 분리기;
    상기 저장탱크로부터 배출된 액화가스 중 상기 제1 기화기로 보내지지 않은 나머지 액화가스를 기화시키는 제2 기화기; 및
    상기 제2 기화기에 의해 기화된 가스를 냉각시키는 제2 인라인믹서;를 포함하고,
    상기 제1 인라인믹서에서는 상기 제1 기화기 상류에서 분기된 액화가스가 분사되고,
    상기 제2 인라인믹서에서는 상기 제2 기화기 상류에서 분기된 액화가스가 분사되는, 연료가스 공급 시스템.
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