KR102670763B1 - 재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화가스를 재기화시켜 수요처에 송출하고, 액화가스 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 처리하는 재기화 선박에 있어서, 엔진의 부하 변동에 따라 시스템의 압력 변화를 효과적으로 제어할 수 있는 재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 재기화 선박의 압력 제어 시스템은, 하나 이상 마련되며 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스를 기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하는 제1 기화기; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 연료로 사용하는 엔진;을 포함하는 재기화 선박에 있어서, 상기 재기화 선박과 탈부착이 가능한 연결부를 가지며, 상기 증발가스를 개질하여 수소를 생성하는 이동식 개질부;를 포함하고, 상기 이동식 개질부는, 상기 증발가스를 개질반응시켜 수소를 생성하는 개질기; 및 상기 개질기에서 생성된 수소와 상기 액화가스를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키며 상기 수소는 냉각시키는 제2 기화기;를 포함한다.

Description

재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법 {System and Method for Controlling Pressure of Floating Liquefied Gas Regasification Unit}
본 발명은 액화가스를 재기화시켜 수요처에 송출하고, 액화가스 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 처리하는 재기화 선박에 있어서, 엔진의 부하 변동에 따라 시스템의 압력 변화를 효과적으로 제어할 수 있는 재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
육상의 재기화 시스템의 단점을 보완하기 위하여, 해상에 부유한 채로 저장탱크에 저장된 LNG를 재기화시켜 육상의 수요처에 송출할 수 있도록 저장탱크 및 재기화 장치가 탑재되는 부유식 LNG(Liquefied Natural Gas) 재기화 선박(LNG FSRU; Floating, Storage and Regasification Unit)가 활용되고 있다.
LNG FSRU에는 LNG를 저장하는 다수의 LNG 저장탱크가 구비된다. LNG 저장탱크에 저장된 LNG는 외부 열침입에 의해 자연기화하여 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 지속적으로 생성된다. 생성된 BOG가 누적되면 저장탱크의 압력을 상승시키는 요인이 되므로, 저장탱크의 압력 제어를 위해서는 BOG를 배출시켜야 한다.
BOG는 메탄을 주성분으로 하므로, 종래에는 BOG를 발전용 엔진(DFGE; Dual Fuel Generator Engine)의 연료로 공급하고, 나머지는 재기화 장치에 의해 LNG가 재기화하여 생성된 천연가스와 함께 육상 수요처로 송출한다.
한편, LNG FSRU는 주로 재기화 가스 수요처 근방 해상에 정박 또는 계류하여 해수 또는 글리콜 워터를 사용하여 LNG를 기화시킨 후, 천연가스를 육상의 터미널에 송출한다. 극저온의 LNG를 기화시키면서 냉각된 해수는 그대로 해상에 버려지게 되어 주변 해수 온도를 변화시켜 생태계 파괴나 환경 오염 등의 우려가 있고, LNG의 기화열(냉열)은 회수되지 못한 채 낭비되고 있다.
또한, 기존의 LNG FSRU는 단순히 저장된 LNG를 재기화시켜 얻은 천연가스를 재기화 가스 수요처에 송출해주는 것이 주 목적이었으며, 그 외의 기능은 가지지 못하였다.
본 발명은, 해상에 장기간 정박 또는 계류하는 FSRU의 특성을 활용하여, 액화가스를 재기화시켜 수요처에 송출하는 기능 외에도 부가가치가 높은 친환경 에너지원으로서 수소를 생산할 수 있는 해상 부유체로서 다양한 기능을 구현할 수 있는 재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 하나 이상 마련되며 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스를 기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하는 제1 기화기; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 연료로 사용하는 엔진;을 포함하는 재기화 선박에 있어서, 상기 재기화 선박과 탈부착이 가능한 연결부를 가지며, 상기 증발가스를 개질하여 수소를 생성하는 이동식 개질부;를 포함하고, 상기 이동식 개질부는, 상기 증발가스를 개질반응시켜 수소를 생성하는 개질기; 및 상기 개질기에서 생성된 수소와 상기 액화가스를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키며 상기 수소는 냉각시키는 제2 기화기;를 포함하는, 재기화 선박의 압력 제어 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 이동식 개질부는, 상기 제2 기화기에서 냉각된 수소를 저장하는 수소 저장용기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 재기화 선박은, 상기 엔진으로부터 배기가스를 대기중으로 배출시키는 배기가스 라인; 상기 배기가스 라인으로부터 분기되며 타단에는 상기 이동식 개질부와 탈부착이 가능한 연결부가 마련되는 배기가스 분기라인;을 포함하고, 상기 이동식 개질부는, 일단이 상기 개질기와 연결되어 있고 타단은 상기 배기가스 분기라인의 연결부와 탈부착이 가능한 연결부가 마련되는 제1 열원라인;을 포함하여, 상기 배기가스의 폐열이 상기 개질기의 개질반응에 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 이동식 개질부는, 상기 제2 기화기에서 기화된 재기화 가스를 공급받아 연소반응에 의해 연소가스를 생성하는 연소기; 및 상기 연소기에서 생성된 연소가스를 상기 개질기에 공급하는 제2 열원라인;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 엔진으로 공급되는 증발가스의 압력 변화를 측정하는 압력 측정부; 상기 제2 기화기로부터 연소기에 공급되는 재기화 가스의 유량을 조절하기 위한 연소 유량 조절밸브; 및 상기 온도 측정부에서 측정한 배기가스 온도와, 상기 압력 측정부에서 측정한 증발가스의 압력 변화를 기준으로, 상기 개질기에 공급할 연소가스를 생성하기 위해 필요한 재기화 가스량을 산출하여, 상기 연소 유량 조절밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진으로 공급되는 증발가스의 압력 변화를 측정하는 압력 측정부; 상기 개질기로 공급하는 증발가스의 유량을 조절하기 위한 개질 유량 조절밸브; 및 상기 압력 측정부의 측정값에 따라 상기 개질기에 공급 가능한 증발가스 유량을 산출하여, 상기 개질 유량 조절밸브를 제어하는 제2 신호부;를 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스를 제1 기화기에서 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하고, 상기 액화가스의 증발가스는 엔진의 연료로 공급하여 전력을 생산하고, 수소 생산 수요가 발생하면, 상기 증발가스의 일부는 개질반응시켜 수소를 생성하며, 상기 액화가스를 제1 기화기를 우회하여 제2 기화기로 공급하여, 상기 개질반응에 의해 생성된 수소를 제2 기화기에서 상기 액화가스와 열교환시켜 상기 수소는 냉각시키고 상기 액화가스는 기화시키는, 재기화 선박의 압력 제어 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제2 기화기에서 액화가스와의 열교환에 의해 냉각되어 밀도가 높아진 수소를 저장할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 상기 개질반응에 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하고, 상기 측정한 배기가스의 온도가 상기 개질반응에 공급하기에 충분하지 않다고 판단되면, 상기 제2 기화기에서 기화된 재기화 가스 중 일부를 연소시켜 연소열을 생성하고, 상기 생성된 연소열을 상기 개질반응에 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진으로 공급하는 증발가스의 압력 변화를 측정하여 상기 개질반응에 공급할 수 있는 증발가스의 유량을 산출하고, 상기 개질반응에 공급할 수 있는 증발가스의 유량에 따라 상기 개질반응에 필요한 열량을 산출하고, 상기 산출된 열량과 상기 배기가스의 온도를 비교하여 상기 연소시킬 재기화 가스의 유량을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법은, 재기화 선박이 정박 또는 계류하는 재기화 가스 수요처에 이동식 개질장치 유닛(mobile reforming system unit)을 구비해두거나, 또는 정박지 근처에 이동식 개질장치를 탑재한 개질 전용 바지선을 정박해두고, 재기화 선박에 연결하여 증발가스를 개질하여 수소를 생성할 수 있다.
종래의 이동식 개질장치는, 엔진의 부하 변동에 대해, 개질기 연소 챔버의 온도에 따라 연소기(버너)가 수직으로 이동하는 장치를 포함하여, 버너의 이동을 통해 개질기에 공급되는 열량을 제어하는 것만이 가능하였다.
본 발명에 따르면, 엔진의 부하 변동에 따라 개질장치로 공급되는 증발가스의 유량 변동(즉, 부하 변동(load variation))이 발생하더라도, 시스템 전체의 압력을 안정적으로 제어할 수 있으며, 개질장치(이동식 개질부)로 공급되는 증발가스의 유량을 최적화할 수 있다.
특히, 엔진 상류의 압력을 고려하여 최적 유량의 증발가스가 개질장치에 공급되도록 하여 엔진의 초기 가동이나 엔진의 트립, 부하 변동이 발생하는 비정상 상태에서도 안정적으로 시스템을 운전할 수 있다.
또한, 개질장치에서 요구하는 열량이 배기가스의 열량만으로 부족한 경우에는, 재기화 가스를 연소시켜 부족한 열량을 보충해줄 수 있다.
또한, 부족한 열량을 생성하기 위하여, 엔진의 배기가스 온도와 엔진 상류의 압력을 기준으로 최적 유량의 재기화 가스가 연소열 생성에 사용될 수 있도록 하여, 시스템 압력을 안정적으로 제어할 수 있으며 재기화 선박과 개질장치 간의 연계성을 강화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 재기화 선박의 압력 제어 시스템의 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스는, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등 탄화수소계열일 수 있고 또한 수소를 포함하는 화합물, 예를 들어 암모니아(NH3) 등의 액화가스일 수 있다. 후술하는 실시예에서 액화가스는 LNG인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 후술하는 본 발명의 실시예들에서 선박은, 해상에 일정 기간 정박 또는 계류하며, 액화가스를 저장하는 저장탱크가 마련되는 모든 종류의 선박일 수 있다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 선박이란, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 의미할 수 있으나, 본 발명은 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박에도 적용될 수 있다.
또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에 있어서 선박은, 액화가스를 재기화시켜 얻은 재기화 가스 및 액화가스가 기화하여 생성된 증발가스를 재기화 가스 수요처에 송출해줄 수 있는 재기화 선박일 수 있다.
이하, 본 발명을 설명하는데 있어서 선박은, 해상 정박지에 정박하여 LNG를 재기화시켜 정박지 근처의 재기화 가스 수요처에 천연가스를 송출해줄 수 있는 LNG FSRU인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 후술하는 본 발명의 실시예들에 있어서, 선박에는 선내 전력 수요처에 필요한 전력을 공급해줄 수 있는 발전용 엔진이 마련될 수 있다. 여기서 엔진은, MGO(Marine Gas Oil)와 같은 연료유와, LNG를 기화시켜 얻은 천연가스 또는 증발가스를 선택적으로 연료로서 사용할 수 있고, 필요에 따라서는 연료유와 천연가스 또는 증발가스를 혼합하여 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진일 수 있다.
이중연료 엔진은, 고압가스 분사엔진, 중압가스 분사엔진 및 저압가스 분사엔진 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 후술하는 본 발명의 실시예들에 있어서, 발전용 엔진은 저압가스 분사엔진으로서, 약 5 bar 내지 10 bar, 바람직하게는 약 6.5 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 DF 엔진이나 DFDG 엔진, 또는 DFGE 엔진이 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 재기화 선박의 압력 제어 시스템 및 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 재기화 선박의 압력 제어 시스템은, 하나 이상 마련되며 LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100)와, LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하는 재기화부와, LNG 및 LNG의 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 엔진(120)과, 엔진(120)으로부터 배기가스를 대기 중으로 방출시키는 배기가스 라인(EL)과, LNG 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스를 유효 에너지로 회수하는 증발가스 처리부를 포함한다.
본 실시예의 재기화부는, LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG를 배출시키는 LNG 펌프(도면부호 미부여)와, LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 LNG를 압축하는 고압펌프(220)와, 고압펌프(220)에 의해 압축된 LNG를 기화시키는 제1 기화기(230)와, 재기화부에서 LNG를 재기화시켜 얻은 재기화 가스 즉, 천연가스를 재기화 가스 수요처로 송출하는 송출라인(LL)을 포함한다.
고압펌프(220)의 상류에는, 액체 상태의 LNG만 고압펌프(220)로 유입되도록 고압펌프(220)로 공급되는 LNG에 섞여 있는 기체를 분리하는 분리기(210)가 구비될 수 있다.
고압펌프(220)는, 송출라인(LL)을 통해 재기화 가스 수요처로 송출되는 재기화 가스의 압력이 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력을 만족하도록 LNG를 기화시키기 전에 압축시킬 수 있다.
제1 기화기(230)에서 LNG를 기화시키는 열원은 해수, 글리콜 워터 또는 스팀 일 수 있다.
본 실시예의 증발가스 처리부는, 증발가스를 엔진(120)에서 요구하는 압력으로 압축하여 엔진(120)에 공급하는 압축기(110)와, 증발가스를 개질하여 수소를 생성하는 이동식 개질부(500)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 LNG 저장탱크(100), 엔진(120), 압축기(110), 재기화부 및 후술하는 제어수단들은 본 실시예에 따른 재기화 선박에 탑재되는 것일 수 있고, 이동식 개질부(500)는 재기화 선박이 정박하는 터미널에 구비되거나, 또는 재기화 선박이 계류하는 해상이나 터미널 근처로 이동가능한 바지선에 구비된 것일 수 있다.
즉, 이동식 개질부(500)는, 본 실시예에 따른 재기화 선박과 연결할 수 있는 다수의 연결부를 가지고, 본 실시예에 따른 재기화 선박은 이동식 개질부(500)와 연결할 수 있는 다수의 연결부를 가지며, 재기화 선박이 해상에 계류 또는 정박할 때 재기화 선박의 연결부와 이동식 개질부(500)의 연결부가 상호 연결되어 재기화 선박에서 발생하는 증발가스의 처리를 이동식 개질부(500)에서 지원해줄 수 있다.
본 실시예는 재기화 선박과 이동식 개질부(500)가 연결된 상태를 기준으로 설명하기로 한다.
본 실시예에 따르면 재기화 선박이 이동식 개질부(500)와 연결되어 연계제어하는 경우와, 이동식 개질부(500)와 연결되지 않는 경우에 재기화 가스를 재기화 가스 수요처에 공급하는 방식에 있어서 차이가 있다.
재기화 선박이 이동식 개질부(500)와 연결되어 있는 경우에는, 재기화 선박은 재기화 가스를 송출하는 FSRU 본래의 기능에 더해, 수소를 생성하는 수소 생산 플랜트의 기능을 가지고, 또한, 이 때에는 재기화 가스가 이동식 개질부(500)에서 재기화되어 재기화 가스 수요처에 송출된다.
또한, 재기화 선박이 이동식 개질부(500)와 연결되어 있지 않는 경우에는, 재기화 선박은 재기화 가스를 송출하는 FSRU 본래의 기능만 가지며, 재기화 가스는 재기화부에서 재기화되어 재기화 가스 수요처에 송출된다.
본 실시예에 따른 재기화 선박은, LNG 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스가 압축기(110)로 공급되도록 LNG 저장탱크(100)와 압축기(110)를 연결하는 증발가스 라인(BL)과, 압축기(110)에서 압축된 압축 증발가스가 엔진(120)으로 공급되도록 압축기(110)와 엔진(120)을 연결하는 연료 공급라인(FL)과, 압축기(110)에서 압축된 압축 증발가스가 이동식 개질부(500)로 공급되도록 압축기(110)와 이동식 개질부(500)를 연결하는 개질라인(RL)을 포함한다.
본 실시예에서 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 통해 LNG 저장탱크(100)로부터 배출되어 압축기(110)로 공급되고, 압축기(110)에서 압축된 후, 연료 공급라인(FL) 및 개질라인(RL) 중 어느 하나 이상의 라인으로 분기되어 공급되며, 각 라인으로 분기되어 공급되는 증발가스의 유량은 후술하는 제어수단에 의해 제어된다.
본 실시예의 이동식 개질부(500)는, 일단에 재기화 선박의 개질라인(RL)과 탈부착이 가능한 연결부가 마련되는 수소라인(HL)과, 수소라인(HL)의 타단과 연결되며 수소라인(HL)을 통해 이송받은 증발가스를 개질(reforming)하여 개질반응에 의해 수소를 생성하는 개질기(510)와, 개질기(510)에서 생성된 개질반응의 생성물의 온도를 조절하는 냉각기(515)와, 냉각기(515)에서 냉각된 개질반응의 생성물로부터 수소 기체만을 선택적으로 분리하는 흡착기(520)와, 흡착기(520)에서 분리된 수소를 냉각하여 밀도를 높이는 제2 기화기(525)와, 제2 기화기(525)에서 냉각된 고밀도 수소를 저장하는 수소 저장용기(530)와, 개질기(510)로 개질반응에 필요한 열에너지를 보충 공급해주는 연소기(540)를 포함한다.
또한, 이동식 개질부(500)는, 일단에 재기화 선박의 배기가스 라인(EL)으로부터 분기되는 배기가스 분기라인(EL1)과 탈부착이 가능한 연결부가 마련되고 타단은 개질기(510)와 연결되어, 배기가스 분기라인(EL1)을 통해 이송받은 배기가스의 폐열을 개질기(510)로 공급하는 제1 열원라인(ML1)을 더 포함한다.
즉, 개질기(510)에서는 엔진(120)의 배기가스 폐열을 회수하여 개질반응에 필요한 열에너지로 활용할 수 있다.
본 실시예의 흡착기(520)는, PSA(Pressure Swing Adsoprtion) 방식 또는 TSA(Temperature Swing Adsorption) 방식으로 개질반응의 생성물로부터 수소 기체를 분리하는 장치일 수 있다.
본 실시예의 제2 기화기(525)는, 흡착기(520)에서 분리된 수소를, 수소 저장용기(530)에 저장하기 전에 냉각시킴으로써, 수소의 밀도를 증가시켜 수소 저장용기(530)에 더 많은 양의 수소를 저장할 수 있게 한다.
본 실시예에 따른 재기화 선박에는, 고압펌프(220)에 의해 압축된 LNG가 제1 기화기(230)를 우회하는 경로를 제공하는 제1 송출라인(LL1)과, 송출라인(LL)으로부터 분기되어 일단은 송출라인(LL)과 연결되어 있고 타단은 이동식 개질부(500)와 탈부착 가능하도록 구비되는 연결부를 가지는 제2 송출라인(LL2)을 포함한다.
또한, 이동식 개질부(500)는, 일단이 제2 기화기(525)와 연결되고 타단은 재기화 선박의 제2 송출라인(LL)과 탈부착 가능하도록 구비되는 연결부를 가지는 제3 열원라인(ML3)을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 재기화 선박과 이동식 개질부(500)가 연결되지 않은 경우에는, 고압펌프(220)에 의해 압축된 LNG가 송출라인(LL)을 통해 제1 기화기(230)로 이송되어 제1 기화기(230)에서 기화된 후 송출라인(LL)을 통해 재기화 가스 수요처로 송출될 수 있다.
또한, 재기화 선박과 이동식 개질부(500)가 연결된 경우에는, 고압펌프(220)에 의해 압축된 LNG가 제1 송출라인(LL1)을 통해 제1 기화기(230)를 우회한 후 제2 송출라인(LL2) 및 제3 열원라인(ML3)을 통해 제2 기화기(525)로 이송되어 제2 기화기(525)에서 수소를 냉각시키면서 기화된 후 제2 송출라인(LL2)을 통해 재기화 가스 수요처로 송출될 수 있다.
즉, 제2 기화기(525)에서는 흡착기(520)에서 분리된 고온의 수소 기체와, 기화시킬 LNG가 열교환하여, LNG는 기화되고 LNG의 기화열에 의해 수소 기체는 냉각될 수 있다.
제2 기화기(525)에서 수소와의 열교환에 의해 LNG가 충분히 기화되지 못할 것으로 예측되면, 고압펌프(220)에 의해 압축된 LNG는 제1 기화기(230)에서 1차 가열되고, 제2 기화기(525)에서 2차 열교환한 후, 제2 기화기(525)의 하류에서 재기화 가스 수요처로 연결되는 제2 송출라인(LL2)을 통해 재기화 가스 수요처로 송출될 수도 있을 것이다.
이 때, 제2 기화기(525)를 우선적으로 활용하고, 제1 기화기(230)는 제2 기화기(525)의 보조적인 수단으로 활용한다.
한편, 엔진(120)의 부하가 감소하는 등 엔진(120)의 배기가스 폐열이 개질기(510)에서 요구하는 열에너지보다 부족한 경우에는, 연소기(540)에서 재기화 가스를 연소시켜 연소가스를 생성함으로써, 연소가스의 연소열을 개질기(510)에서 부족한 열에너지로 보충해줄 수 있다.
본 실시예에 따른 재기화 선박에는, 일단은 제2 기화기(525) 하류에서 재기화 가스 수요처로 연결되는 제2 송출라인(LL2)과 연결되고, 타단은 이동식 개질부(500)와 탈부착 가능한 연결부를 가지는 연소라인(LL3)을 더 포함한다.
또한, 본 실시예의 이동식 개질부(500)는, 일단은 연소기(540)와 연결되고 타단은 연소라인(LL3)과 탈부착 가능한 연결부를 가지는 제2 열원라인(ML2)을 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 연소기(540)에서는, 공기라인(AL)을 통해 공급받은 공기와, 연료로서 재기화 선박으로부터 공급받은 재기화 가스의 연소반응에 의해 연소가스를 생성하여 개질기(510)에 공급할 수 있다.
본 실시예의 개질기(510)는, 연소기(540)에서 생성된 연소가스의 연소열 및 엔진(120)의 배기가스 폐열 중 어느 하나 이상의 열에너지를 공급받아 개질반응에 사용할 수 있다.
개질기(510)는, 제1 열원라인(ML1)을 통해 공급받은 배기가스의 폐열을 우선적으로 사용하되, 엔진(120)의 부하가 낮은 경우 등 배기가스의 폐열이 개질반응에서 필요한 열량에 비해 충분하지 않을 경우, 연소기(540)로부터 연소가스를 공급받을 수 있으며, 연소가스가 배기가스의 부족한 열에너지를 보충할 수 있다.
본 실시예의 연소기(540)는 개질기(510)에 열에너지를 공급하는 엔진(120)의 보조적인 수단으로서, 개질반응의 열에너지가 엔진(120)의 배기가스 폐열만으로 부족한 경우에만 작동할 수 있다.
개질기(510)에서 개질반응에 필요한 열에너지로 사용되면서 온도가 낮아진 배기가스 또는 연소가스는 대기 중으로 방출될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 재기화 선박이 정박 또는 계류하는 위치에서 수요처의 상황에 따라 수소 생산이 필요할 경우, 재기화 선박에 이동식 개질부(500)를 연결하여 재기화 선박을 재기화 가스 송출 기능 및 수소 생산, 저장 및 송출 기능을 가지는 다용도 선박으로 활용할 수 있다.
또한, 재기화 선박에서 발생하는 증발가스는 엔진(120)의 연료로 공급하여 재기화 선박에서 필요로 하는 전력을 생산하게 하고, 엔진(120)의 수요량을 초과하는 양의 증발가스는 재기화 가스와 함께 재기화 가스 수요처에 송출하거나, 수소 생산 수요량에 해당하는 양 만큼의 증발가스는 개질기(510)에 공급하여 수소를 생산함으로써 LNG 저장탱크(100)의 압력을 안정적으로 제어할 수 있다.
또한, 재기화 가스 수요처로 공급할 LNG를 이동식 개질부(500)에서 생산된 수소와 열교환시켜 재기화시키고 수소는 기화열에 의해 냉각시켜 저장함으로써, 수소의 저장밀도를 높일 수 있고, LNG를 기화시키는데 필요한 열에너지 공급 비용을 줄일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 재기화 선박의 재기화부, 증발가스 처리부 및 이동식 개질부(500)로의 LNG 및 증발가스의 공급이 상호 연계되어 있다.
따라서, 엔진(120)의 부하가 변동하면 개질기(510)로 공급할 수 있는 증발가스의 양이 변화하게 되는데, 이때 개질기(510)로 공급하는 증발가스의 양을 적절하게 제어하지 못하게 되면 시스템 전체 트립이 발생할 수 있다.
또한, 엔진(120)의 부하가 변동하면 개질기(510)에 공급 가능한 배기가스의 폐열도 달라지게 되므로 연소기(540)의 부하도 변동하게 되며, 따라서 연소기(540)에 공급할 재기화 가스의 유량도 달라지게 되는데, 이때 연소기(540)에 공급하는 재기화 가스의 유량을 적절히 제어할 필요가 있다.
본 실시예에 따른 재기화 선박에는, 시스템 부하 변동 따른 증발가스 및 재기화 가스의 유량(압력) 변동을 안정적으로 제어하기 위한 제어수단이 구비된다.
본 실시예의 제어수단은, 개질라인(RL)에 마련되며 개폐제어에 의해 개질기(510)로 공급되는 증발가스의 유량을 조절할 수 있는 개질 유량 조절밸브(330)와, 연소라인(LL3)에 마련되며 연소기(540)로 공급되는 재기화 가스의 유량을 조절할 수 있는 연소 유량 조절밸브(340)를 포함한다.
또한, 본 실시예의 제어수단은, 연료 공급라인(FL)에 마련되며 엔진(120)으로 공급되는 증발가스의 압력 또는 압력 변화를 측정하는 압력 측정부(310)와, 배기가스 라인(EL)에 마련되며 엔진(120)으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도 측정부(320)를 더 포함한다.
본 실시예에 따르면, 압력 측정부(310)에서 측정한 측정값에 따라 엔진(120)에서 소모되는 증발가스의 유량 변동(압력 변동)을 계측하고, 엔진(120)으로 공급되는 증발가스의 유량 변동에 따라 개질 유량 조절밸브(330) 및 연소 유량 조절밸브(340)를 제어하여, 개질기(510)로 공급하는 증발가스의 유량과 연소기(540)로 공급하는 재기화 가스의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 제어수단은, 압력 측정부(310)의 측정값에 따라 연소기(540)로 공급할 수 있는 재기화 가스량을 연산하여 연소 유량 조절밸브(340)의 개도율 제어 신호를 생성하는 제1 신호부(410)와, 압력 측정부(310)의 압력 측정값에 따라 개질기(510)로 공급할 수 있는 증발가스의 유량을 연산하여 개질 유량 조절밸브(330)의 개도율 제어 신호를 연산하는 제2 신호부(420)와, 온도 측정부(320)의 온도 측정값에 따라 연소기(540)로 공급해야 할 재기화 가스량을 연산하여 연소 유량 조절밸브(340)의 개도율 제어 신호를 생성하는 제3 신호부(430)와, 제1 신호부(410) 및 제3 신호부(430)의 제어 신호를 수신하고 연소기(540)로 공급해야 하는 재기화 가스의 최적량을 연산하여 연소 유량 조절밸브(340)의 개도율을 제어하는 제어부(400)를 포함한다.
본 실시예의 제어부(400)는, 압력 측정부(310)에 의해 계측된 엔진(120)의 증발가스 소모량 변화를 기준으로 연소기(540)에 공급할 수 있는 증발가스 유량을 도출하고, 온도 측정부(320)에 의해 측정한 배기가스의 온도값을 기준으로 개질기(510)에서 부족한 열량을 추산하고, 연소기(540)에서 생산해야 할 열량에 따라 연소기(540)에 공급할 최적의 가스 유량을 계산하여 연소 유량 조절밸브(340)를 제어한다.
본 실시예에 따른 재기화 선박이 이동식 개질부(500)와 연결되지 않은 상태에서는, 증발가스를 엔진(120)의 연료로 공급하거나 재기화 가스 수요처로 송출한다. 이 때에는, LNG가 고압펌프(220)에 의해 압축된 후 제1 기화기(230)에서 기화된 후 송출라인(LL)을 통해 재기화 가스 수요처로 이송된다.
한편, 본 실시예에 따른 재기화 선박이 이동식 개질부(500)와 연결되어 있고 상호 연계하여 제어될 때에는, 증발가스를 엔진(120)의 연료로 공급하거나 재기화 가스 수요처로 송출하거나, 개질기(510)에 공급하여 수소를 생산한다. 이 때에는 LNG가 고압펌프(220)에 의해 압축된 후, 제1 송출라인(LL1)을 통해 제1 기화기(230)를 우회하여 제2 송출라인(LL2) 및 제3 열원라인(ML3)을 통해 제2 기화기(525)로 공급되며, 제2 기화기(525)에서 수소 기체와의 열교환에 의해 기화되어 제2 송출라인(LL2)을 통해 재기화 가스 수요처로 이송된다. 제2 기화기(525)에서 기화된 재기화 가스 중 일부는 연소 유량 조절밸브(340)의 개도율 제어에 의해 연소기(540)에 공급될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 재기화 선박의 계류 또는 정박지에 따라 수소의 공급이 필요한 경우 이동식 개질부(500)와 연계하여, 엔진(120)에서 처리할 수 있는 증발가스량을 초과하는 양만큼의 증발가스를 이용하여 수소를 생성할 수 있으므로, 증발가스를 고부가가치의 친환경 유효 에너지원으로 전환할 수 있을 뿐 아니라, 재기화 선박의 LNG 저장탱크(100)의 압력을 안정적으로 제어할 수 있다.
또한, 흡착기(520)에서 분리된 고온의 수소 기체를, LNG를 재기화시키는 열원으로 활용함으로써 기화 에너지 비용을 절약하는 등 기화 효율을 향상시킬 수 있으며, LNG를 기화시키면서 LNG의 냉열을 회수한 수소 기체는 냉각되어 밀도가 높아지므로 수소 저장용기(530)에 더 많은 양의 수소를 저장할 수 있게 한다.
수소 저장용기(530)에 저장하는 수소의 온도는 낮을수록 저장 가능한 유량이 증가하기 때문에, 재기화시킬 LNG는 별도의 온도 제어없이 전량 수소와 열교환시켜 기화시키는 것이 바람직하다.
또한, 엔진(120)에서 증발가스를 연료로 사용하여 재기화 선박 내 전력 수요처에 공급하고, 엔진(120)의 배기가스 폐열을 이동식 개질부(500)의 개질기(510)에서 회수하여 사용하고, 개질반응에 필요한 열에너지를 배기가스 폐열로는 충족시킬 수 없는 경우에는, 부족한 열에너지를 보충할 수 있을 만큼의 열에너지를 생성할 수 있는 유량의 재기화 가스가 연소기(540)에 공급되어 연소가스를 생성하고 생성된 연소가스의 연소열을 개질기(510)에 공급해줄 수 있다.
한편, 증발가스를 엔진(120)의 연료로 사용하고 나머지는 개질기(510)에 공급하여 수소를 생산하는 과정에서, 엔진(120)과 개질기(510)로 공급하는 증발가스의 유량은 엔진(120)의 부하에 따라 조정된다.
따라서, 엔진(120)의 부하가 변동되면 엔진(120)에 유입되는 증발가스량이 변동되며, 그에 따라 개질기(510)에 공급되는 증발가스량을 적절히 제어해주지 못하면 시스템 전체의 트립이 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명에 따르면, 제어수단을 이용하여 개질기(510)에 공급하는 증발가스의 유량 및 연소기(540)에 공급하는 재기화 가스의 유량을 최적화함으로써, 시스템 유량을 최적으로 제어하고 시스템 전체의 압력을 안정적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 재기화 선박은, 증발가스를 엔진(120)의 연료로 사용하거나, 재기화 가스 수요처에 송출하거나, 이동식 개질부(500)와 연결하여 개질반응하여 수소를 생성할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 재기화 선박은, LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하는 재기화 선박 고유의 기능은 물론이고 수소를 생성하여 저장하거나 수소 수요처에 공급할 수 있는 부가 기능을 가질 수 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.
100 : LNG 저장탱크 BL : 증발가스 라인
110 : 압축기 FL : 연료 공급라인
120 : 엔진 LL : 송출라인
210 : 분리기 LL1 : 제1 송출라인
220 : 고압펌프 LL2 : 제2 송출라인
230 : 제1 기화기 LL3 : 연소라인
310 : 압력 측정부 RL : 개질라인
320 : 온도 측정부 EL : 배기가스 라인
330 : 개질 유량 조절밸브 EL1 : 배기가스 분기라인
340 : 연소 유량 조절밸브 HL : 수소 라인
400 : 제어부 ML1 : 제1 열원라인
410 : 제1 신호부 ML2 : 제2 열원라인
420 : 제2 신호부 ML3 : 제3 열원라인
430 : 제3 신호부 AL : 공기 라인
500 : 이동식 개질부
510 : 개질기
510 : 냉각기
520 : 흡착기
525 : 제2 기화기
530 : 수소 저장용기
540 : 연소기(버너)

Claims (11)

  1. 하나 이상 마련되며 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크;
    상기 액화가스를 기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하는 제1 기화기; 및
    상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 연료로 사용하는 엔진;을 포함하는 재기화 선박에 있어서,
    상기 재기화 선박과 탈부착이 가능한 연결부를 가지며, 상기 증발가스를 개질하여 수소를 생성하는 이동식 개질부;를 포함하고,
    상기 이동식 개질부는,
    상기 증발가스를 개질반응시켜 수소를 생성하는 개질기; 및
    상기 개질기에서 생성된 수소와 상기 액화가스를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키며 상기 수소는 냉각시키는 제2 기화기;를 포함하며,
    상기 재기화 선박은,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    상기 엔진으로 공급되는 증발가스의 압력 변화를 측정하는 압력 측정부;
    상기 제2 기화기로부터 연소기에 공급되는 재기화 가스의 유량을 조절하기 위한 연소 유량 조절밸브; 및
    상기 온도 측정부에서 측정한 배기가스 온도와, 상기 압력 측정부에서 측정한 증발가스의 압력 변화를 기준으로, 상기 개질기에 공급할 연소가스를 생성하기 위해 필요한 재기화 가스량을 산출하여, 상기 연소 유량 조절밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함하는, 재기화 선박의 압력 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동식 개질부는,
    상기 제2 기화기에서 냉각된 수소를 저장하는 수소 저장용기;를 더 포함하는, 재기화 선박의 압력 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 재기화 선박은,
    상기 엔진으로부터 배기가스를 대기중으로 배출시키는 배기가스 라인;
    상기 배기가스 라인으로부터 분기되며 타단에는 상기 이동식 개질부와 탈부착이 가능한 연결부가 마련되는 배기가스 분기라인;을 포함하고,
    상기 이동식 개질부는,
    일단이 상기 개질기와 연결되어 있고 타단은 상기 배기가스 분기라인의 연결부와 탈부착이 가능한 연결부가 마련되는 제1 열원라인;을 포함하여,
    상기 배기가스의 폐열이 상기 개질기의 개질반응에 사용되는, 재기화 선박의 압력 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이동식 개질부는,
    상기 제2 기화기에서 기화된 재기화 가스를 공급받아 연소반응에 의해 연소가스를 생성하는 연소기; 및
    상기 연소기에서 생성된 연소가스를 상기 개질기에 공급하는 제2 열원라인;을 더 포함하는, 재기화 선박의 압력 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질기로 공급하는 증발가스의 유량을 조절하기 위한 개질 유량 조절밸브; 및
    상기 압력 측정부의 측정값에 따라 상기 개질기에 공급 가능한 증발가스 유량을 산출하여, 상기 개질 유량 조절밸브를 제어하는 제2 신호부;를 더 포함하는, 재기화 선박의 압력 제어 시스템.
  7. 액화가스를 제1 기화기에서 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 송출하고, 상기 액화가스의 증발가스는 엔진의 연료로 공급하여 전력을 생산하고,
    수소 생산 수요가 발생하면,
    상기 증발가스의 일부는 개질반응시켜 수소를 생성하며,
    상기 액화가스를 제1 기화기를 우회하여 제2 기화기로 공급하여, 상기 개질반응에 의해 생성된 수소를 제2 기화기에서 상기 액화가스와 열교환시켜 상기 수소는 냉각시키고 상기 액화가스는 기화시키고,
    상기 엔진으로 공급하는 증발가스의 압력 변화를 측정하여 상기 개질반응에 공급할 수 있는 증발가스의 유량을 산출하고,
    상기 개질반응에 공급할 수 있는 증발가스의 유량에 따라 상기 개질반응에 필요한 열량을 산출하고,
    상기 산출된 열량과 상기 엔진의 배기가스의 온도를 비교하여 연소시킬 재기화 가스의 유량을 결정하는, 재기화 선박의 압력 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 기화기에서 액화가스와의 열교환에 의해 냉각되어 밀도가 높아진 수소를 저장하는, 재기화 선박의 압력 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 상기 개질반응에 사용하는, 재기화 선박의 압력 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 측정하고,
    상기 측정한 배기가스의 온도가 상기 개질반응에 공급하기에 충분하지 않다고 판단되면, 상기 제2 기화기에서 기화된 재기화 가스 중 일부를 연소시켜 연소열을 생성하고, 상기 생성된 연소열을 상기 개질반응에 공급하는, 재기화 선박의 압력 제어 방법.
  11. 삭제
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