KR102661208B1 - 선박의 연료공급시스템 - Google Patents

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Abstract

선박의 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료공급시스템은 냉매의 압축, 냉각, 팽창 및 냉열 전달을 위해 압축기, 열교환기, 팽창기 및 과냉각기로 냉매를 순차적으로 순환 공급하는 냉매순환라인; 저장탱크에 저장된 액화가스를 제1수요처로 공급하는 제1연료공급라인; 저장탱크에 저장된 액화가스를 제1수요처보다 낮은 압력을 요구하는 제2수요처로 공급하는 제2연료공급라인; 제1연료공급라인으로부터 분기되며, 액화가스 중 적어도 일부를 과냉각기로 보내어 냉매와의 열교환에 의해 과냉각시켜 저장탱크 내부로 공급하는 과냉각라인; 제1연료공급라인으로부터 분기되며, 액화가스 중 적어도 일부를 열교환기를 거쳐 제2연료공급라인으로 합류시키는 액화가스공급라인;을 포함한다.

Description

선박의 연료공급시스템{FUEL PROVIDING SYSTEM OF SHIP}
본 발명은 선박의 연료공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변환되어 저장탱크에 저장된다. 이러한 액화가스(예컨대 LNG)가 저장된 저장탱크 내부에서는 외부의 열 유입에 따라 증발가스가 발생하고 저장탱크 내부의 압력이 상승하게 된다.
종래에는 저장탱크 내부의 압력 조절을 위해, 냉매를 압축시키고, 압축된 냉매를 냉각수와 열교환시켜 냉각시킨 후 팽창시키고, 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 상술한 팽창된 냉매와 열교환시켜 액화시킨 후 저장탱크로 회수함으로써 저장탱크 내부의 압력 조절에 이용하였다.
그러나, 저장탱크로부터 수요처로 공급되는 액화가스 중 적어도 일부의 냉열을 활용하여 저장탱크 내부 압력 조절의 효율성을 높일 필요성이 제기된다.
종래의 관련 기술로서, 한국공개특허 제2016-0086554호(2016.07.20. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제2016-0086554호(2016.07.20. 공개)
본 발명의 실시 예는 액화가스의 냉열을 이용하여 냉매의 온도를 낮추어 냉매 사이클의 효율성을 높이고, 냉매와 열교환된 액화가스를 이용하여 저장탱크 내부의 압력을 효과적으로 조절할 수 있는 선박의 연료공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 냉매의 압축, 냉각, 팽창 및 냉열 전달을 위해 압축기, 열교환기, 팽창기 및 과냉각기로 상기 냉매를 순차적으로 순환 공급하는 냉매순환라인; 상기 저장탱크에 저장된 액화가스를 제1수요처로 공급하는 제1연료공급라인; 상기 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 제1수요처보다 낮은 압력을 요구하는 제2수요처로 공급하는 제2연료공급라인; 상기 제1연료공급라인으로부터 분기되며, 상기 액화가스 중 적어도 일부를 상기 과냉각기로 보내어 상기 냉매와의 열교환에 의해 과냉각시켜 상기 저장탱크 내부로 공급하는 과냉각라인; 상기 제1연료공급라인으로부터 분기되며, 상기 액화가스 중 적어도 일부를 상기 열교환기를 거쳐 상기 제2연료공급라인으로 합류시키는 액화가스공급라인;을 포함하는 선박의 연료공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 저장탱크 내부의 압력을 측정하는 압력측정기와, 상기 과냉각라인의 과냉각기 전단에 마련되며, 상기 압력측정기에 의해 측정된 압력을 기초로 개방 정도가 조절되는 제1조절밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 냉매순환라인의 열교환기 후단에 마련되어 상기 열교환기를 통과한 냉매의 온도를 측정하는 제1온도측정기와, 상기 액화가스공급라인의 열교환기 전단에 마련되며, 상기 제1온도측정기에 의해 측정된 온도를 기초로 개방 정도가 조절되는 제2조절밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1연료공급라인에 마련되며, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 가압펌프와, 상기 제1연료공급라인의 가압펌프 후단에 마련되며, 상기 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 유체를 기화시키는 제1기화기와, 상기 제1연료공급라인의 가압펌프 전단에 마련되어 유체의 온도를 측정하는 제2온도측정기와, 상기 액화가스공급라인의 열교환기 후단으로부터 분기되어 상기 제1연료공급라인의 가압펌프 전단으로 연결되며, 제3조절밸브를 마련한 연료분기라인을 더 포함하되, 상기 제2온도측정기에 의해 측정된 온도를 기초로 상기 제3조절밸브의 개방 정도가 조절될 수 있다.
상기 제2연료공급라인에 마련되며, 상기 액화가스공급라인을 통해 공급받은 액화가스를 상기 제2수요처의 연료공급조건에 맞게 기화시키는 제2기화기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료공급시스템은 액화가스의 냉열을 이용하여 냉매의 온도를 낮추어 냉매 사이클의 효율성을 높이고, 냉매와 열교환된 액화가스를 이용하여 저장탱크 내부의 압력을 효과적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료공급시스템을 도시한다.
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 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료공급시스템을 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료공급시스템(100)은 냉매의 압축, 냉각, 팽창 및 냉열 전달을 위해 압축기(110), 열교환기(120), 팽창기(130) 및 과냉각기(140)로 냉매를 순차적으로 순환 공급하는 냉매순환라인(L11)과, 저장탱크(102)에 저장된 액화가스를 제1수요처(E1)로 공급하는 제1연료공급라인(L12)과, 저장탱크(102)에 저장된 액화가스를 제1수요처(E1)보다 낮은 압력을 요구하는 제2수요처(E2)로 공급하는 제2연료공급라인(L13)과, 제1연료공급라인(L12)으로부터 분기되며, 액화가스 중 적어도 일부를 과냉각기(140)로 보내어 냉매와의 열교환에 의해 과냉각시켜 저장탱크(102) 내부로 공급하는 과냉각라인(L14)과, 제1연료공급라인(L12)으로부터 분기되며, 액화가스 중 적어도 일부를 열교환기(120)를 거쳐 제2연료공급라인(L13)으로 합류시키는 액화가스공급라인(L15)을 포함한다.
또, 연료공급시스템(100)은 저장탱크(102) 내부의 압력을 측정하는 압력측정기(150)와, 과냉각라인(L14)의 과냉각기(140) 전단에 마련되며, 압력측정기(150)에 의해 측정된 압력을 기초로 개방 정도가 조절되는 제1조절밸브(155)를 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 냉매순환라인(L11)의 열교환기(120) 후단에 마련되어 열교환기(120)를 통과한 냉매의 온도를 측정하는 제1온도측정기(160)와, 액화가스공급라인(L15)의 열교환기(120) 전단에 마련되며, 제1온도측정기(160)에 의해 측정된 온도를 기초로 개방 정도가 조절되는 제2조절밸브(165)를 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 제1연료공급라인(L12)에 마련되며, 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 가압펌프(180)와, 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 후단에 마련되며, 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 유체를 기화시키는 제1기화기(185)와, 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단에 마련되어 유체의 온도를 측정하는 제2온도측정기(170)와, 액화가스공급라인(L15)의 열교환기(120) 후단으로부터 분기되어 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단으로 연결되며, 제3조절밸브(175)를 마련한 연료분기라인(L16)을 포함할 수 있다.
여기서, 제2온도측정기(170)에 의해 측정된 온도를 기초로 제3조절밸브(175)의 개방 정도가 조절된다.
또, 연료공급시스템(100)은 제2연료공급라인(L13)에 마련되며, 액화가스공급라인(L15)을 통해 공급받은 액화가스를 제2수요처(E2)의 연료공급조건에 맞게 기화시키는 제2기화기(190)를 포함할 수 있다.
이하, 연료공급시스템(100)의 각 구성요소와 함께 동작 과정에 대해서 구체적으로 설명한다.
연료공급시스템(100)은 예컨대 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 각종 선박에 구비될 수 있다.
저장탱크(102)는 예컨대 액화가스로서 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장할 수 있으며, 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다.
저장탱크(102)에 저장된 액화가스는 내부펌프(P)에 의해 펌핑되어, 제1연료공급라인(L12)을 통해 제1수요처(E1) 쪽으로 공급된다.
여기서, 제1수요처(E1)는 예컨대 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~700bar)의 분사엔진 및 X-DF 엔진인 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진을 포함할 수 있다.
제1연료공급라인(L12)에 마련된 가압펌프(180)는 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스를 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 가압한다.
제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 후단에 마련된 제1기화기(185)는 가압펌프(180)에 의해 가압된 유체를 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 기화시킨다.
여기서 액화가스공급라인(L15)을 통해 열교환기(120)를 거친 액화가스 중 적어도 일부가 연료분기라인(L16)을 통해 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단으로 합류될 수 있으며, 제1기화기(185)는 제1연료공급라인(L12)을 통해 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스와 상술한 합류된 액화가스의 혼합물을 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 기화시킬 수 있다.
연료분기라인(L16)은 액화가스공급라인(L15)의 열교환기(120) 후단으로부터 분기되어 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단으로 연결되며, 제3조절밸브(175)를 마련한다.
연료분기라인(L16)의 제3조절밸브(175)의 개방 정도는 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단에 마련되어 상술한 혼합물의 온도를 측정하는 제2온도측정기(170)에 의해 측정된 온도를 기초로 조절될 수 있다.
제1연료공급라인(L12)을 통해 공급되는 액화가스 중 적어도 일부는 제1연료공급라인(L12)으로부터 분기된 과냉각라인(L14)과 액화가스공급라인(L15)을 통해 각각 흘러갈 수 있다.
과냉각라인(L14)은 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단으로부터 분기되며, 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스 중 적어도 일부를 과냉각기(140)로 공급하여 과냉각시키고, 과냉각된 유체를 저장탱크(102) 내부로 공급하여 저장탱크(102) 내부의 압력 조절에 이용되도록 한다.
이를 위해 과냉각라인(L14)을 통해 공급된 액화가스는 과냉각기(140)에서 냉매순환라인(L11)을 통해 순환되는 냉매와 열교환되어 과냉각된다.
과냉각라인(L14)의 과냉각기(140) 전단에는 제1조절밸브(155)가 마련될 수 있으며, 제1조절밸브(155)는 저장탱크(102) 내부의 압력을 측정하는 압력측정기(150)에 의해 측정된 압력을 기초로 개방 정도가 제어될 수 있다.
예컨대, 저장탱크(102) 내부의 압력이 설정값을 초과하는 경우, 제1조절밸브(155)의 개방 정도를 크게 하여 저장탱크(102) 내부로 공급되는 과냉각된 액화가스의 양을 늘릴 수 있다. 과냉각된 액화가스는 도시하지는 않았으나 노즐에 의해 저장탱크(102) 내부의 상측에서 분사되거나 저장탱크(102)의 바닥 부위로 공급되어 저장탱크(102) 내부에서 발생하는 가스의 양을 줄일 수 있다.
냉매순환라인(L11)은 압축기(110), 열교환기(120), 팽창기(130) 및 과냉각기(140)로 냉매를 순환 공급한다. 냉매는 예컨대 질소, 헬륨 등을 포함할 수 있다.
여기서, 압축기(110)는 냉매를 압축시키고, 열교환기(120)는 압축기(110)에 의해 압축된 냉매를 냉각시킨다. 또, 팽창기(130)는 열교환기(120)에 의해 냉각된 냉매를 팽창시키고, 과냉각기(140)는 과냉각라인(L14)을 통해 공급된 액화가스를 팽창기(130)에 의해 팽창된 냉매와 열교환시킨다.
저장탱크(102)로부터 공급된 액화가스는 액화가스공급라인(L15)을 통해 열교환기(120)로 흘러가 냉매에 냉열을 전달한다.
액화가스공급라인(L15)은 제1연료공급라인(L12)의 과냉각라인(L14)이 분기된 지점 후단으로부터 분기되며, 열교환기(120)를 거쳐 제2연료공급라인(L13)의 제2기화기(190) 전단으로 연결될 수 있다.
액화가스공급라인(L15)의 열교환기(120) 전단에는 제2조절밸브(165)가 마련되며, 냉매순환라인(L11)의 열교환기(120)를 통과한 냉매의 온도를 측정하는 온도측정기(160)에 의해 측정된 온도를 기초로 개방 정도가 제어될 수 있다.
예컨대 냉매순환라인(L11)의 열교환기(120)를 통과한 냉매의 온도가 설정값에 도달하지 못한 경우, 제2조절밸브(165)의 개방 정도를 조절하여 열교환기(120)로 공급되는 액화가스의 양을 증가시킬 수 있다.
이를 통해 액화가스의 냉열을 보다 효과적으로 활용하여 냉매 순환량 감소와 함께 냉매의 냉각 온도를 낮추어 냉매 사이클의 효율성을 높일 수 있다. 또 액화가스(LNG)의 과냉점을 더 낮출 수 있어 저장탱크 내부의 압력 조절을 효과적으로 수행할 수 있다.
열교환기(120)에서 액화가스와의 열교환에 의해 냉각된 냉매는 팽창기(130)에서 팽창된 후, 과냉각기(140)로 흘러간다.
냉매는 과냉각기(140)에서 과냉각라인(L14)을 통해 공급된 액화가스와 열교환되어 액화가스를 과냉각시킨다. 예컨대, 액화가스는 과냉각기(140)를 통과한 후 대략 -170℃ 정도로 온도가 낮아질 수 있다.
이후, 과냉각된 액화가스는 저장탱크(102) 내부로 흘러가 저장탱크(102) 내부 압력 조절에 이용될 수 있다.
한편, 제2연료공급라인(L13)은 제1연료공급라인(L12)으로부터 분기되며, 저장탱크(102)에 저장된 액화가스 중 적어도 일부를 공급받아 제1수요처(E1)보다 낮은 압력을 요구하는 제2수요처(E2)로 공급한다.
그리고, 제2연료공급라인(L13)에 마련된 제2기화기(190)는 제1연료공급라인(L12)을 통해 공급받은 액화가스와 액화가스공급라인(L15)을 통해 공급받은 액화가스의 혼합물을 제2수요처(E2)의 연료공급조건에 맞게 기화시킨다.
제2수요처(E2)는 발전용 엔진, 보일러 등을 포함할 수 있으며, 액화가스 연료 추진 선박의 경우, 보일러나 발전용 엔진에 상당량의 연료가 소모되므로, 저장탱크(102)에 저장된 액화가스 중 적어도 일부를 제2연료공급라인(L13)을 통해 제2수요처(E2)로 공급할 수 있다.
또, 상술한 액화가스공급라인(L15)을 통해 열교환기(120)를 통과한 액화가스를 제2수요처(E2)의 연료로 공급할 수 있다.
또, 저압의 발전기와 보일러 사용량이 많고 주 추진 엔진의 사용량이 적은 경우, 고압 연료를 필요로 하는 제1수요처(E1) 및 저압 연료를 필요로 하는 제2수요처(E2)의 연료 사용량에 따라 액화가스공급라인(L15) 및 연료분기라인(L16)을 통해 흘러가는 연료의 양을 조절할 수 있다.
이때 연료분기라인(L16)의 제3조절밸브(175)의 개방 정도는 상술한 바와 같이 제1연료공급라인(L12)의 가압펌프(180) 전단에 마련되어 유체의 온도를 측정하는 제2온도측정기(170)에 의해 측정된 온도를 기초로 조절될 수 있다. 즉, 주 엔진인 제1수요처(E1)로 가압펌프(180)에 의해 고압으로 연료를 공급하기 위해서는 가압펌프(180)의 사용조건에 맞게 액상의 연료로 공급되어야 하므로, 이를 만족시키기 위해 연료분기라인(L16)의 제3조절밸브(175)의 개방 정도는 제1연료공급라인(L12)의 연료분기라인(L16)이 합류되는 지점 후단에 마련된 제2온도측정기(170)에 의해 측정된 온도를 기초로 조절될 수 있다.
이와 같이, 다양한 항해 조건 및 선박 특성을 고려하면 주 엔진과 전기 생산을 위한 보조엔진 사이에 연료 소모량이 일정치 않고 다양한 케이스가 발생하게 되는데 상술한 본 발명의 실시 예를 통해 제1수요처(E1) 및 제2수요처(E2)로 공급되는 연료량을 탄력적으로 조절하여 시스템 효율을 증대시킬 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 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.
110: 압축기 120: 열교환기
130: 팽창기 140: 과냉각기
150: 압력측정기 155: 제1조절밸브
160: 온도측정기 165: 제2조절밸브
170: 제2온도측정기 175: 제3조절밸브
180: 가압펌프 185: 제1기화기
190: 제2기화기 L11: 냉매순환라인
L12: 제1연료공급라인 L13: 제2연료공급라인
L14: 과냉각라인 L15: 액화가스공급라인
L16: 연료분기라인

Claims (5)

  1. 냉매의 압축, 냉각, 팽창 및 냉열 전달을 위해 압축기, 열교환기, 팽창기 및 과냉각기로 상기 냉매를 순차적으로 순환 공급하는 냉매순환라인;
    저장탱크에 저장된 액화가스를 제1수요처로 공급하는 제1연료공급라인;
    상기 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 제1수요처보다 낮은 압력을 요구하는 제2수요처로 공급하는 제2연료공급라인;
    상기 제1연료공급라인으로부터 분기되며, 상기 액화가스 중 적어도 일부를 상기 과냉각기로 보내어 상기 냉매와의 열교환에 의해 과냉각시켜 상기 저장탱크 내부로 공급하는 과냉각라인;
    상기 제1연료공급라인으로부터 분기되며, 상기 액화가스 중 적어도 일부를 상기 열교환기를 거쳐 상기 제2연료공급라인으로 합류시키는 액화가스공급라인;을 포함하며,
    상기 제1연료공급라인에 마련되며, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 가압펌프와,
    상기 제1연료공급라인의 가압펌프 후단에 마련되며, 상기 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 유체를 기화시키는 제1기화기와,
    상기 제1연료공급라인의 가압펌프 전단에 마련되어 유체의 온도를 측정하는 제2온도측정기와,
    상기 액화가스공급라인의 열교환기 후단으로부터 분기되어 상기 제1연료공급라인의 가압펌프 전단으로 연결되며, 제3조절밸브를 마련한 연료분기라인을 더 포함하되,
    상기 제1연료공급라인의 연료분기라인이 합류되는 지점 후단에 마련된 상기 제2온도측정기에 의해 측정된 온도를 기초로 상기 제3조절밸브의 개방 정도가 조절되는 선박의 연료공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크 내부의 압력을 측정하는 압력측정기와,
    상기 과냉각라인의 과냉각기 전단에 마련되며, 상기 압력측정기에 의해 측정된 압력을 기초로 개방 정도가 조절되는 제1조절밸브를 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉매순환라인의 열교환기 후단에 마련되어 상기 열교환기를 통과한 냉매의 온도를 측정하는 제1온도측정기와,
    상기 액화가스공급라인의 열교환기 전단에 마련되며, 상기 제1온도측정기에 의해 측정된 온도를 기초로 개방 정도가 조절되는 제2조절밸브를 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2연료공급라인에 마련되며, 상기 액화가스공급라인을 통해 공급받은 액화가스를 상기 제2수요처의 연료공급조건에 맞게 기화시키는 제2기화기를 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
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