KR20100111363A - 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 가스연료를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 선박의 내부에 설치된 각종 냉매 회로에서의 폐열을 회수하여 사용하는 가스연료 공급장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 액화가스를 수용하기 위한 저장탱크와 가스연료를 연료로서 사용하는 엔진을 구비한 부유식 해상 구조물에서 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 장치로서, 상기 저장탱크와 상기 엔진 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키기 위한 기화기와; 상기 기화기에서 액화가스의 기화에 필요한 열을 공급하기 위해서 상기 기화기에 냉매를 순환시키기 위한 냉매회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치가 제공된다.
가스연료, 냉매회로, MEGI 엔진, 기화기, 보일러

Description

가스연료를 엔진에 공급하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SUPPLYING GAS FUEL TO A MEGI ENGINE}
본 발명은 천연가스 등의 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 가스연료를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 선박의 내부에 설치된 각종 냉매 회로에서의 폐열을 회수하여 사용하는 가스연료 공급장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 수송된다.
천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.
종래의 LNG 운반선은 증발가스를 포집하여 보일러에서 연소시켜 스팀 터빈을 구동시키는 스팀 터빈 추진 시스템을 사용하였다. 그러나, 이러한 스팀 터빈 추진 시스템은 추진 효율이 낮은 단점이 있다.
다른 한편, 증발가스를 연료로 사용하지 않는 경우 회수하여 경제적인 가치를 높일 수 있다. 이를 위해, 증발가스 재액화 장치를 LNG 운반선에 설치하여 증발가스를 회수하고 추진 효율이 높은 디젤 엔진을 주 추진동력으로 채택한 디젤 엔진 추진 시스템이 개발되었다.
그러나, 고도의 신뢰성이 요구되는 LNG 운반선에서는 디젤 엔진 추진 시스템의 메인 디젤 엔진의 고장시 비상 대처 방안이 요구되는데, 이를 위해 종래에는 메인 디젤 엔진을 통상 3 내지 5개 설치해야만 했으므로 선박의 구조가 복잡해지고 제조 비용 및 유지 보수 경비가 증가하는 문제점이 있다.
최근에는 연료로서 천연가스와 디젤유를 선택적으로 사용할 수 있는 MEGI 엔진(MAN B&W Diesel사 제품)이 LNG 운반선의 추진기관으로서 고려되고 있다.
이 MEGI 엔진은 주로 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스를 가스 연료로서 사용하지만, 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스의 양이 MEGI 엔진에서의 필요량보다 적은 경우나 의도적으로 천연가스를 가스 연료로서 사용할 필요가 있는 경우에는 저장탱크에 수용된 LNG를 기화시켜 사용해야 한다.
기화기에서 LNG를 기화시키기 위해서는 보일러에서 발생하는 스팀 등의 외부 열매체와 LNG를 열교환시켜 LNG에 열을 공급하여야 하므로, LNG의 효율적인 기화를 위해 지속적인 연구 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 가스연료를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 선박의 내부에 설치된 각종 냉매 회로에서의 폐열을 회수하여 사용하는 가스연료 공급장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 수용하기 위한 저장탱크와 가스연료를 연료로서 사용하는 엔진을 구비한 부유식 해상 구조물에서 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 장치로서, 상기 저장탱크와 상기 엔진 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키기 위한 기화기와; 상기 기화기에서 액화가스의 기화에 필요한 열을 공급하기 위해서 상기 기화기에 냉매를 순환시키기 위한 냉매회로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치가 제공된다.
상기 냉매회로는 상기 엔진을 냉각시키기 위한 엔진 냉각 시스템인 것이 바람직하다.
상기 부유식 해상 구조물은 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시켜 상기 저장탱크로 복귀시키기 위한 재액화 설비를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 냉매회로는 상기 재액화 설비에서 사용되는 질소 컴팬더 냉각 시스템인 것이 바람직하다.
상기 냉매회로와 상기 기화기 사이에는, 상기 냉매회로에서 냉각되어야 할 냉매를 상기 기화기에 이송하기 위한 냉매 순환용 펌프가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 저장탱크와 상기 기화기 사이에는, 상기 저장탱크에 수용된 액화가스를 상기 기화기에 압축시켜 이송하기 위한 펌프가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 가스연료 공급장치는, 상기 냉매회로와 협력하여 상기 기화기에서 액화가스를 기화시키기 위한 열원을 공급하기 위한 보일러를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 냉매회로의 열을 상기 기화기에 간접적으로 전달하기 위해서, 상기 냉매회로와 상기 기화기 사이에는 중간 열매체 회로가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 부유식 해상 구조물 내에 상기 냉매회로가 복수개 설치되며, 복수의 상기 냉매회로는 상기 중간 열매체 회로와 순차적으로 열교환함으로써 상기 중간 열매체 회로의 중간 열매체를 가열하는 것이 바람직하다.
상기 부유식 해상 구조물 내에 상기 냉매회로가 복수개 설치되며, 복수의 상기 냉매회로의 냉매 중 어느 하나의 냉매가 선택적으로 상기 기화기에 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 액화가스를 수용하기 위한 저장탱크와 가스연료를 연료로서 사용하는 엔진을 구비한 부유식 해상 구조물에서 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 방법으로서, 상기 저장탱크와 상기 엔진 사이에 설치되는 기화기에서 액화가스를 기화시킬 수 있도록, 상기 부유식 해상 구조물 내에 설치된 냉매회로에서의 폐열을 회수하여 상기 기화기에 공급하는 것을 특징으로 하는 가스연 료 공급방법이 제공된다.
상기 부유식 해상 구조물 내에 설치된 보일러에서 발생한 스팀을 상기 기화기에 공급하여 액화가스를 기화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 가스연료를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 선박의 내부에 설치된 각종 냉매 회로에서의 폐열을 회수하여 사용하는 가스연료 공급장치 및 방법이 제공될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 가스연료 공급장치 및 방법에 의하면, 선박의 내부에 설치된 냉매 회로에서 냉각될 필요가 있는 냉매로부터 열을 빼앗아 액화가스의 기화에 이용함으로써 보일러 운영시간을 감소시켜 보일러에서 사용하는 연료를 절감할 수 있게 되고 장비 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 냉각될 필요가 있는 냉매를 액화가스와의 열교환을 통하여 냉각시킴으로써 냉매 회로의 효율적인 운용이 가능하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 가스연료 공급장치 및 방법을 상세히 설명한다.
본 명세서에서 부유식 해상 구조물이란, LNG와 같이 극저온 상태로 적재되는 액체 화물을 저장하는 저장탱크와 추진기관을 가지면서 해상에서 부유된 채 사용되는 구조물과 선박을 모두 포함하는 개념으로, LNG, LPG 등의 액화가스를 운반하기 위한 액화가스 운반선이나 LNG RV(LNG Regasification Vessel)와 같은 선박을 비롯하여, 예를 들어 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 구조물을 모두 포함하는 것이다.
LNG RV는 자력 항해 및 부유가 가능한 액화가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화 천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화 천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다. 그리고, LNG FPSO는 채굴된 천연가스를 해상에서 정제한 후 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료가스 공급장치의 개념도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료가스 공급장치는, LNG 등의 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크(1)와, 이 저장탱크(1) 내에 수용된 액화가스를 압축시켜 이송하기 위한 펌프(2)와, 이 펌프(2)에 의해 압축되어 이송되어 온 액화가스를 기화시키기 위한 기화기(3)와, 이 기화기(3)에서 기화된 천연가스를 공급받아 연료로서 사용하는 엔진(5)을 포함한다.
엔진(5)으로서는 저장탱크(1)에 수용된 액화가스를 연료로서 사용할 수 있는 것이라면 어떤 것이라도 좋으며, 예를 들어 MEGI 엔진 등이 사용될 수 있다.
기화기(3)에서 극저온 상태의 액화가스를 기화시키기 위한 열원으로서는 보일러(도시생략)로부터 공급되는 스팀을 이용하는 것이 일반적이지만, 본 발명에 따르면 부유식 해상 구조물의 내부에 설치되는 각종 냉매 회로(7)의 냉매를 이용하여 액화가스를 기화시킨다.
냉매 회로(7)의 냉매는 냉매 순환용 펌프(8)를 통해 기화기(3)에 공급될 수 있다.
부유식 해상 구조물에 설치되는 냉매 회로(7)로서는 Main Engine Scavenge Air Cooler system, 및 ME jacket cooling water system 등의 엔진 냉각 시스템이나, 재액화 설비에 사용되는 질소 컴팬더 냉각 시스템(N2 Compander Cooling System) 등을 들 수 있다.
엔진을 냉각시키기 위한 엔진 냉각 시스템에서 순환하는 담수 등의 냉매는 엔진에 의해 가열되므로, 냉매를 순환하여 재활용하기 위해서는 엔진으로부터 열을 공급받아 가열된 냉매를 냉각시킬 필요가 있다.
엔진 냉각 시스템에서 냉각될 필요가 있는 냉매는 기화기(3)로 공급되어, 펌프(2)에 의해 이송되어 온 액화가스와 열교환함으로써 액화가스를 기화시킬 수 있다.
마찬가지로, 저장탱크(1)에서 자연적으로 발생하는 증발가스를 재액화시켜 다시 저장탱크(1)에 복귀시키기 위한 재액화 설비에서는 증발가스의 재액화를 위해 질소 컴팬더를 사용하는데, 증발가스로부터 열을 빼앗아 가열된 질소 냉매를 순환하여 재활용하기 위해서는 증발가스로부터 열을 공급받아 가열된 질소 냉매를 냉각 시킬 필요가 있다.
질소 컴팬더 냉각 시스템에서 냉각될 필요가 있는 냉매는 기화기(3)로 공급되어 펌프(2)에 의해 이송되어 온 액화가스와 열교환함으로써 액화가스를 기화시킬 수 있다.
상술한 엔진 냉각 시스템의 냉매와 질소 컴팬더 냉각 시스템의 냉매는 이들 중 어느 하나의 냉매만 선택적으로 기화기(3)에 직접 공급되도록 구성될 수도 있고, 기화기(3)에 공급되는 액화가스가 기화기(3)에 공급되기 전에 예열할 수 있도록 구성될 수도 있다. 또는, 중간 열매체를 통하여 기화기(3)에 간접적으로 열을 전달하도록 구성될 수도 있다. 이와 같이, 중간 열매체 회로를 이용할 경우에는 상술한 각종 냉각 시스템의 냉매가 각각의 온도에 따라 중간 열매체와 순차적으로 열교환함으로써 중간 열매체를 가열하고, 가열된 중간 열매체가 기화기(3)에 공급되어 액화가스에 열을 전달함으로써 액화가스를 기화시키도록 한다.
또한, 상술한 각종 냉각 시스템의 냉매로부터 전달되는 열만으로 액화가스를 기화시킬 수 없는 경우에는 보일러를 가동시켜, 이 보일러로부터 공급되는 스팀을 이용하여 기화기(3)에서 액화가스를 기화시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 부유식 해상 구조물의 내부에 설치되는 각종 냉각 시스템에 있어서 냉각되어야 할 냉매의 열을 액화가스의 기화에 활용할 수 있어, 보일러에서 발생하는 스팀의 사용량을 감소시켜 보일러의 연료를 절감함으로써 에너지를 절약할 수 있다. 또한, 보일러의 운전 시간을 감소시킬 수 있어 보일러 설비의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 부유식 해상 구조물의 내부에 설치된 각종 냉각 시스템의 냉매를 냉각시키기 위한 별도의 수단이 불필요하게 되므로, 이들 냉각 시스템의 운용을 더욱 효율적으로 할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명을, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 연료가스 공급장치의 개념도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 저장탱크 2 : 펌프
3 : 기화기 5 : 엔진
7 : 냉매회로 8 : 냉매 순환용 펌프

Claims (12)

  1. 액화가스를 수용하기 위한 저장탱크와 가스연료를 연료로서 사용하는 엔진을 구비한 부유식 해상 구조물에서 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 장치로서,
    상기 저장탱크와 상기 엔진 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키기 위한 기화기와;
    상기 기화기에서 액화가스의 기화에 필요한 열을 공급하기 위해서 상기 기화기에 냉매를 순환시키기 위한 냉매회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매회로는 상기 엔진을 냉각시키기 위한 엔진 냉각 시스템인 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부유식 해상 구조물은 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시켜 상기 저장탱크로 복귀시키기 위한 재액화 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉매회로는 상기 재액화 설비에서 사용되는 질소 컴팬더 냉각 시스템인 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매회로와 상기 기화기 사이에는, 상기 냉매회로에서 냉각되어야 할 냉매를 상기 기화기에 이송하기 위한 냉매 순환용 펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장탱크와 상기 기화기 사이에는, 상기 저장탱크에 수용된 액화가스를 상기 기화기에 압축시켜 이송하기 위한 펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매회로와 협력하여 상기 기화기에서 액화가스를 기화시키기 위한 열원을 공급하기 위한 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매회로의 열을 상기 기화기에 간접적으로 전달하기 위해서, 상기 냉매회로와 상기 기화기 사이에는 중간 열매체 회로가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 부유식 해상 구조물 내에 상기 냉매회로가 복수개 설치되며, 복수의 상기 냉매회로는 상기 중간 열매체 회로와 순차적으로 열교환함으로써 상기 중간 열매체 회로의 중간 열매체를 가열하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 부유식 해상 구조물 내에 상기 냉매회로가 복수개 설치되며, 복수의 상기 냉매회로의 냉매 중 어느 하나의 냉매가 선택적으로 상기 기화기에 공급되는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급장치.
  11. 액화가스를 수용하기 위한 저장탱크와 가스연료를 연료로서 사용하는 엔진을 구비한 부유식 해상 구조물에서 가스연료를 엔진에 공급하기 위한 방법으로서,
    상기 저장탱크와 상기 엔진 사이에 설치되는 기화기에서 액화가스를 기화시킬 수 있도록, 상기 부유식 해상 구조물 내에 설치된 냉매회로에서의 폐열을 회수하여 상기 기화기에 공급하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 부유식 해상 구조물 내에 설치된 보일러에서 발생한 스팀을 상기 기화 기에 공급하여 액화가스를 기화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스연료 공급방법.
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