KR200394721Y1 - 보그 활용 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안의 일 측면에 따르면, 가스 터빈에 고압의 보그(BOG:Boil Off Gas)를 공급하기 위한 스크류 보그 컴프레서, 선박의 저부하 상태에서 가스 터빈에 공급해야 하는 보그량이 적을 때 잉여 자연 발생 가스를 소각시키는 GCU(Gas Combustion Unit), 선박의 고부하 상태에서 가스 터빈에 고급해야 하는 자연 발생 가스가 부족시 추가로 가스를 발생시키는 강제 기화기, 카고 탱크로부터 발생하는 보그나 MGO(Marine Gas Oil)을 사용하여 발전기를 구동시키는 가스 터빈 및 상기 가스 터빈을 이용하여 생산한 전기를 이용하여 선박의 추진력을 얻는 전기 추진 장치(Electric Propulsion Equipment)장치를 포함하는 보그 활용 장치를 제공할 수 있다.

Description

보그 활용 장치{The appratus about BOG utilization}

본 고안은 보그 활용 장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 스팀 터빈 LNG 선박의 시스템을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 스팀 터빈 LNG 선박의 스팀 터빈 시스템은 카고탱크(10)와 상기 카고 탱크로부터 가스를 공급하기 위한 압축기(11)와, 연료 오일 펌프(12)와, 고온, 고압의 증기를 생성시키는 메인 보일러(13)와 상기 메인 보일러로부터 생성된 고온 고압의 증기를 이용하여 동력을 생성하는 메인 터빈(14)과, 터빈 제너레이터(15) 및 워터 펌프 터빈(16)이 포함된다.

종래 LNG 선박의 주 추진 시스템은 스팀을 이용한 터빈 선박(turbine ship) 이었다. 스팀 터빈 선박에서는 메인 보일러(14)에서 고온, 고압의 증기를 생성시켜 메인 터빈(14)을 구동시키는 데 여기에 이용되는 연료유는 HFO(Heavy Fuel Oil)와 카고 탱크(10)에서 자연 증발되는 가스와 필요시 강제로 기화시키는 강제 기화 가스가 있다.

상기 카고 탱크(10)으로부터 가스를 공급하기 위해서는 압축기(11)가 요구되며, 상기 스팀을 이용한 터빈 선박에서는 Centrifugal 컴프레서가 적용되어 왔다. 이 때 자연 발생 가스가 선박에서 요구되는 스팀량보다 많을 때는 메인 보일러(13)에서 연소시킨 후 덤핑 컨덴서(Dumping Condenser)를 통해 다시 응축수로 회수함으로서 발생 가스를 모두 소진시킬 수 있다.

상기 압축기(11)로 사용되는 Centrifugal 컴프레서는 저압(약 1~2 BAR)의 가스를 처리하기 위해 Centrifugal 타입을 적용하여 메인 보일러(13)에 가스를 공급한다. 상기 Centrifugal 컴프레서의 단점은 임펠러의 보호를 위해서는 MIST가 사전에 걸러져야 하고 급격한 압력 강하에 따른 서징(Serging)이 발생할 수 있으며, 용량 조절의 제약으로 인하여 모터 속도 제어(Motor Speed Control) 방식이 요구되기도 한다는 점이다.

또한, 상기 덤핑 컨덴서는 LNG 선박에서의 초과 보그를 메인 보일러(13)에서 모두 연소시킨 후 발생된 잉여 스팀을 응축시켜 응축수를 회수하면서 에너지를 방출하는 장치로 스팀을 이용한 터빈 선박에서는 필수적인 장치이다.

또한 상기 메인 보일러(13)는 스팀 터빈 LNG 선박에서 요구되는 고온, 고압의 증기를 생산하기 위한 장치로 카고 탱크(10)로부터 발생하는 보그나 HFO를 연료유로 사용할 수 있다. 상기 LNG 선박은 자연 발생 가스를 연료로 사용할 수 있는 특징 때문에 지금까지도 적용되고 있으나 낮은 효율과 고온 고압의 위험성으로 점차 사용 빈도가 낮아지고 있다.

또한 상기 스팀 터빈은 메인 보일러(13)에서 생산된 고온, 고압의 증기를 이용하여 회전력을 얻고 상기 회전력을 축에 전달하여 선박의 추진력을 발생시키는 장치이다. 상기 스팀 터빈은 효율이 낮은 이유로 LNG 선박에만 적용되고 있으나, LNG 선박의 보그 활용 기술의 발달로 점차 전기 추진 방식이나 저속 2 스트로크 엔진(Stroke Engine) 추진 방식으로 대체가 이루어지고 있다.

상기 스팀 터빈의 구동 방식은 아래와 같다.

컴프레서(2)를 이용하여 보일러(3)로 보그를 공급함으로써 보일러(3)를 가열하여 발생하는 증기로 증기 터빈(6)을 돌려 추진에 필요한 에너지 뿐 아니라 사용되는 전력에 필요한 에너지를 얻는다. 추진에 필요한 에너지가 필요 없을 경우에는 보일러(3)에서 발생된 증기를 메인 덤프 시스템(7)를 통하여 응축기(5)로 보내 액화시켜 펌프(4)가 다시 보일러(3)로 물을 공급한다.

이와 같이 계속해서 발생되는 보그(Boil-off Gas)를 추진할 때는 추진 에너지로 사용하지만 추진을 하지 않을 때는 메인 덤프시스템(7)과 응축기(5)와 펌프(4)를 순환시켜 수증기의 액화 기화를 반복하면서 보그의 에너지를 소진시켜 카고탱크(1) 내의 압력을 유지시켜 준다.

이와 같은 시스템은 보일러와 스팀 터빈을 이용한 기존의 내연기관에서 사용하고 있는 보그 처리 시스템이지만, 다른 내연기관을 사용할 경우는 그에 맞는 보그 처리 시스템을 사용하여야 한다. 보그를 처리하지 않으면 LNG 선박의 카고 탱크(10)의 압력 조절이 불가능하기 때문에 내연기관에 맞게 보그를 처리하는 시스템을 개발하여야 한다.

본 고안은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래 LNG 선박의 주 추진 시스템으로 이용되는 스팀 터빈 대신 고효율의 가스 터빈 추진 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 일 측면에 따르면, 가스 터빈에 고압의 보그를 공급하기 위한 스크류 보그 컴프레서, 선박의 저부하 상태에서 가스 터빈에 공급해야 하는 보그량이 적을 때 잉여 자연 발생 가스를 소각시키는 GCU(Gas Combustion Unit), 선박의 고부하 상태에서 가스 터빈에 고급해야 하는 자연 발생 가스가 부족시 추가로 가스를 발생시키는 강제 기화기, 카고 탱크로부터 발생하는 보그나 MGO(Marine Gas Oil)을 사용하여 발전기를 구동시키는 가스 터빈 및 상기 가스 터빈을 이용하여 생산한 전기를 이용하여 선박의 추진력을 얻는 전기 추진 장치(Electric Propulsion Equipment)를 포함하는 보그 활용 장치를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 전기 추진 장치는 추진 모터(Propulsion Motor), 트랜스포머(Transformer)와 컨버터(Converter)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 실시 예를 상세히 설명한다. 본 고안은 이하 제시되는 실시예에 한정되지 않으며 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위 내에서 구성요소의 부가, 한정, 삭제, 추가 등에 의하여 동일 범위의 고안이 제시 될 수 있을 것이다.

도 2는 본 고안의 사상에 따른 가스 터빈 LNG 선박의 시스템을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 카고 탱크(100)와, 가스 터빈에 고압의 보그를 공급하기 위한 보그 컴프레서(110)와, 선박의 저부하 상태에서 가스 터빈에 공급해야 하는 보그량이 적을 때 잉여 자연 발생 가스를 소각시키는 GCU(Gas Combustion Unit)(120), 카고 탱크로부터 발생하는 보그나 MGO(Marine Gas Oil)을 사용하여 발전기를 구동시키는 가스 터빈(140)과, 스팀 터빈(130)을 포함한다.

가스 터빈 전기 추진 방식의 LNG 선박의 연료 공급 방법은 고압을 생산할 수 있는 스크류(Screw) 타입의 압축기와 또는 과다 보그(Boil-Off Gas)를 소각시키는 GCU(Gas Conbustion Unit)(120)를 설치하여 가스 터빈(140)에서 요구되는 고압의 연료 가스를 안정적으로 공급할 수 있다.

상기 스크류 보그 컴프레서는 가스 터빈(140)에 고압의 보그를 공급하기 위한 필수 장비로 종래 Centrifugal 방식과는 전혀 다른 방식의 압축기이다. 보다 상세히, 종래 LNG 선박에서는 2~6.5 BAR의 저압 가스가 요구되어 Centrifugal 방식의 컴프레서가 요구되어 왔지만 가스 터빈 LNG 선에는 고압의 연료용 압축가스가 요구되며(약 26~40 BAR), 이는 가스 터빈(140)의 연소 효율을 높이기 위해 요구되며, 이를 만족시키기 위해서는 종래 LNG 선박에 적용했던 Centrifugal 방식을 적용할 수 없고, 육상에서 사용되는 스크류 방식의 컴프레서를 사용해야 한다. 상기 스크류 방식은 종래 스팀 터빈을 이용하는 선박에서 사용됐던 Centrifugal 컴프레서와 비교하여 고압임에도 불구하고 송출 압축 가스의 온도 조절이 용이하며 서지(Serge)의 우려가 없고 용량 조절이 비교적 자유롭다.

또한 GCU(Gas Combustion Unit)(120)은 선박의 저부하 상태에서 가스 터빈(140)에 공급해야 하는 보그량이 적을 때 잉여 자연 발생 가스를 소각시키는 장치로 잉여 가스를 대기 방출할 때 발생할 수 있는 위험으로부터 선박과 승무원을 보호하는 역할을 담당한다.

또한 상기 가스 터빈(140)은 LNG 선박에서 요구되는 전기를 생산할 목적으로 카고 탱크(100)로부터 발생하는 보그나 MGO(Marine Gas Oil)을 사용하여 발전기를 구동시키는 장치로 종래 스팀 터빈을 이용한 선박과 비교하여 기기의 무게가 적고, 크기가 작은 장점이 있다. 상기 장점으로 인하여 가스 터빈(140)의 설치 공간 제약이 적고 엔진룸이나 캐싱(Casing) 어디라도 설치가 가능하다.

또한 전기 추진 장치(Electric Propulsion Equipment)는 가스 터빈을 이용하여 생산한 전기를 이용하여 선박의 추진력을 얻는 장치이다. 상기 전기 추진 장치는 추진 모터(Propulsion Motor), 트랜스포머(Transformer)와 컨버터(Converter)로 구성되는 시스템으로 주로 여객선에 많이 사용된다.

즉, 본 고안은 LNG 가스 운반선에서 카고 탱크(100)에 보관되어 운송중인 액체 LNG에서 자연적으로 증발되는 LNG 가스를 뽑아내어 처리하는 보그 처리 시스템을 제안한다. 상세하게는 덕트 버너를 이용하여 보그(BOG; boil-off gas)를 태워 카고 탱크(100)의 압력을 유지하는 내연기관 추진시스템을 적용한 LNG 선박의 보그 처리 시스템을 제안한다.

상기 LNG 선박의 카고 탱크(100)에서 발생하는 보그(boil-off gas)는 도 2에 도시된 바와 같이 스팀 터빈과 보일러를 사용하는 내연기관과 다른 내연기관을 사용할 경우 잉여 보그를 처리해야하는 보그 처리 시스템을 구성한다.

상기 내연기관으로 가스 터빈(140)이 사용될 수 있다. 상기 가스 터빈을 사용한 추진 시스템을 예로들어 설명하면 아래와 같다. 상기 카고 탱크(100)에서 증발되는 보그는 상기 카고 탱크(100)의 상부에 통상적으로 형성되는 보그홀(BOG hole)(미도시)을 통하여 나오게 되고, 이러한 보그홀은 연료가스 컴프레서를 통하여 덕트 버너와 가스 터빈(140)으로 연결된다. 상기 연료가스 컴프레서를 통하여 이송되는 보그는 LNG선의 추진시 컨트롤러에 의하여 가스터빈(140)으로 보내져 추진력을 발생시키고, 추진을 하지 않을 경우에는 덕트 버너로 보내진다.

상기 덕트 버너에 폐열 회수 보일러를 설치하여 스팀 터빈(130)을 연결하고, 상기 스팀 터빈(130)의 증기 배출구를 응축기에 연결하여 증기를 액화시키고, 상기 응축기에서 배출된 액체 배출구를 펌프를 통하여 다시 폐열 회수 보일러로 순환 연결시킨다.

위와 같이 덕트 버너로 보내진 초과 보그는 태워져 폐열 회수 보일러로 열이 흡수되어 증기를 발생시킨다. 상기 폐열 회수 보일러는 상기 스팀 터빈(130)으로 보내 전기를 발생시켜 선내의 에너지로 사용된다. 상기 스팀 터빈(130)에서 나온 수증기는 응축기에서 액체로 변환되고 펌프를 통하여 폐열 회수 보일러로 보내어진다. 그리고 전기를 발전하지 않을때는 종래와 같이 메인 덤프 시스템을 통하여 응축기로 보내지고 펌프를 통하여 다시 폐열 회수 보일러로 보내져 에너지 순환이 이루어진다.

또한 추진 시스템에서 요구되는 보그량이 자연 발생분을 초과하면 강제기화시켜 부족분을 보충해 준다.

본 고안은 종래 LNG 선박의 주 추진 시스템으로 이용되는 스팀 터빈 대신 고효율의 가스 터빈 추진 시스템을 제공하는 효과가 있다.

상기 본 고안의 스크류(screw) 방식은 종래 사용되었던 Centrifugal 컴프레서에 비하여 고압임에도 송출 압축 가스의 온도 조절이 용이하며, 서지(serge)의 우려가 없고 용량 조절이 자유로운 효과가 있다.

도 1은 종래 스팀 터빈 LNG 선박의 시스템을 도시한 도면.

도 2는 본 고안의 사상에 따른 가스 터빈 LNG 선박의 시스템을 도시한 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10,100 : 카고 탱크 12 : 오일 펌프

13 : 메인 보일러 14 : 메인 터빈

15 : 터빈 제너레이터 16 : 워터 펌프 터빈

110 : 보그 컴프레서 120 : GCU

130 : 스팀 터빈 140 : 가스 터빈

Claims (2)

1. 가스 터빈에 고압의 보그를 공급하기 위한 스크류 보그 컴프레서;

   선박의 저부하 상태에서 가스 터빈에 공급해야 하는 보그량이 적을 때 잉여 자연 발생 가스를 소각시키는 GCU(Gas Combustion Unit);

   선박의 고부하 상태에서 가스 터빈에 고급해야 하는 자연 발생 가스가 부족시 추가로 가스를 발생시키는 강제 기화기;

   카고 탱크로부터 발생하는 보그나 MGO(Marine Gas Oil)을 사용하여 발전기를 구동시키는 가스 터빈; 및

   상기 가스 터빈을 이용하여 생산한 전기를 이용하여 선박의 추진력을 얻는 전기 추진 장치(Electric Propulsion Equipment)장치

   를 포함하는 보그 활용 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전기 추진 장치는 추진 모터(Propulsion Motor), 트랜스포머(Transformer)와 컨버터(Converter)로 구성되는 것을 특징으로 하는 보그 활용 장치.