KR20120125122A

KR20120125122A - 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템

Info

Publication number: KR20120125122A
Application number: KR1020110046435A
Authority: KR
Inventors: 류승각; 안재완; 김동찬; 손수정
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-11-14
Also published as: KR20120125124A; KR20120125128A; KR101245641B1; KR101245642B1; KR20120125123A; KR101751832B1; KR20130019444A; KR101300703B1; KR101276123B1

Abstract

본 발명은 LNG 연료탱크에서 배출된 LNG 또는 증발가스를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, LNG 연료탱크, 고압펌프, 기화기 및 고압가스 분사엔진을 갖는 선박의 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템으로서, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 증가시, 사전에 연료가스를 기화기로부터 공급받아 저장하고 있는 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 추가 공급하여, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 변동에 추종할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템이 제공된다.

Description

고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 {FUEL GAS SUPPLY SYSTEM FOR HIGH PRESSURE GAS INJECTION ENGINE}

본 발명은 LNG 연료탱크에서 배출된 LNG 또는 증발가스를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템에 관한 것으로서, 연료 공급라인의 도중에 버퍼 탱크를 장착하여 급변하는 고압가스 분사엔진의 부하를 원활하게 추종할 수 있도록 하는 연료가스 공급 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에서 배출되는 폐기가스 중 국제 해사 기구(International Maritime Organization)의 규제를 받고 있는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이며, 이산화탄소(CO₂)의 배출도 규제하려 하고 있다. 특히, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 경우, 1997년 해상오염 방지협약(MARPOL; The Prevention of Marine Pollution from Ships) 의정서를 통하여 제기되고, 8년이라는 긴 시간이 소요된 후 2005년 5월에 발효요건을 만족하여 현재 강제규정으로 이행되고 있다.

따라서, 이러한 규정을 충족시키기 위하여 질소산화물(NOx) 배출량을 저감하기 위하여 다양한 방법들이 소개되고 있는데, 이러한 방법 중에서 LNG 운반선을 위하여 고압 천연가스 분사 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진이 개발되어 사용되고 있다.

이와 같은 ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물(본 명세서에서 해상 구조물이란, LNG 운반선, LNG RV, 일반상선 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.)에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 그 부하에 따라 대략 150 ? 300 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.

LNG 저장탱크가 설치되지 않은 일반상선 등에 ME-GI 엔진을 적용하기 위해서는 연료로서의 LNG를 수용할 수 있는 LNG 연료탱크가 설치된다.

ME-GI 엔진은 필요시 재액화(liquefaction) 장치가 추가로 설치될 경우, 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 연료로 사용할 것인지, 아니면 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 보내고 중유(Heavy Fuel Oil; HFO)를 사용할 것인지 선택할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 환경오염과 관련한 특정규제를 받는 해역을 통과시 간편하게 LNG를 기화시켜서 연료로 사용할 수 있으며, 차세대 친환경적인 엔진으로서 효율이 50%에 육박하여 향후에는 LNG 운반선의 메인 엔진으로서 사용될 수 있다.

LNG 저장탱크(혹은 LNG 연료탱크)에 수용되어 있는 LNG(혹은 증발가스)를 연료로서 ME-GI 엔진에 공급하기 위해, 연료가스 공급 시스템(fuel gas supply system)이 구비되어야 한다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호 및 제 WO 2009/136793 호 등에는 이러한 연료가스 공급 시스템의 예가 개시되어 있다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 기화기에서 기화시킨 후 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 상기 기화기에서 LNG와 열교환하여 액화시키는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/136793 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 고압 펌프에서 압축한 후 증발기에서 증발시켜 ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 증발가스 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압 펌프에 공급되는 LNG와 혼합해서 가스 엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.

이와 같은 연료가스 공급 시스템은 엔진에서 요구하는 상태, 즉 엔진에서 요구하는 온도 및 압력의 연료가스를 공급하기 위하여 필수적인 요소이다. ME-GI 엔진의 운전시, 엔진에 요구되는 출력에 따라 부하를 변화시키기 되는데, 시간에 따라 엔진 부하를 원활하게 추종할 수 있도록 연료가스 공급 시스템을 구성하는 각종 구성품들의 사양이 정해진다. 즉, 엔진 부하를 원활하게 추종하기 위해서는 각종 구성품들의 크기 및 용량이 커질 필요가 있고, 그에 따라 연료가스 공급 시스템을 구성하기 위해 소요되는 비용이 증가하는 문제가 있었다.

한편, 연료가스 공급 시스템에는 LNG의 이송을 위한 수단으로서 일반적으로 왕복동식 펌프와 같은 이송수단이 구비된다. LNG의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, 연료가스 공급 시스템에 사용되는 펌프는 극저온 조건에서 작동할 수 있어야 한다. 이러한 선박용 극저온 왕복동식 펌프는 피스톤 또는 플런저가 실린더 내에서 왕복운동 함으로써 액체, 즉 LNG를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하도록 구성된다. 다른 종류의 펌프에 비해 왕복동식 펌프는 높은 압력을 비교적 간단하게 얻을 수 있고, 유량 정도가 좋으며, 별도의 유량제어 장치를 설치하지 않아도 되는 등의 이점이 있다. 그러나 높은 압력을 얻기 위한 계속적인 왕복운동은 커넥팅 로드와 크랭크 샤프트 사이의 윤활을 목적으로 펌프 내에 주입되어 있는 윤활유의 온도 상승을 초래하게 되며, 이러한 현상은 장시간 구동시 문제가 될 수 있다.

이와 같이 왕복동식 펌프의 구동부 측에서는 윤활유의 온도 상승으로 인한 문제가 야기될 수 있는 반면에, LNG를 흡입하여 토출하는 토출부와 이 토출부를 구동시키는 구동부 사이의 연결부 측에는 결빙(icing) 현상이 발생하는 문제가 있다. 즉, LNG는 상압에서 대략 -163℃의 극저온 상태의 유체이므로 토출부가 LNG에 의해 냉각되며, 이 냉열이 연결부에 전달되면서 시간이 흐름에 따라 연결부에 결빙이 생성된다. 그에 따라 펌프의 효율이 저하될 수 있을 뿐만 아니라 펌프 내부 부품이 파손될 우려가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, ME-GI 엔진의 운전시 엔진 부하를 원활하게 추종할 수 있도록, ME-GI 엔진의 상류측에 소정량의 고압가스를 저장할 수 있는 버퍼 탱크를 설치하여 엔진 부하가 증가할 경우 버터 탱크 내의 고압가스를 엔진에 공급하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급하기 위한 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템으로서, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 증가시, 사전에 연료가스를 상기 기화기로부터 공급받아 저장하고 있는 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하여, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 변동에 추종할 수 있는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템이 제공된다.

연료가스 공급 시스템의 고압가스 분사엔진 상류측에 상기 버퍼 탱크와 컨트롤 밸브 등의 개폐수단을 설치함으로써, 버퍼 탱크 충전 모드, 직접 가스 공급 모드, 버퍼 탱크 사용 모드 등을 갖는 시스템을 구성하여 급격하게 변화하는 부하에 추종한다.

버퍼 탱크는 단열되지 않아 이 버퍼 탱크의 내부에 수용된 연료가스는 외부로부터의 열에 의해 가열될 수 있다. 버퍼 탱크의 하류측에는 가스 히터가 설치되어 버퍼 탱크로부터 연료가스가 배출됨에 따라서 감압에 동반한 온도 하강이 발생할 경우 연료가스를 엔진에서 요구하는 적정 온도까지 가열할 수 있다.

상기 버퍼 탱크는 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 연료 공급라인과 병렬적으로 배치되는 것이 바람직하다.

상기 버퍼 탱크는, 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 연료 공급라인으로부터 분기되어 상기 버퍼 탱크에 연결되는 충전라인과, 상기 버퍼 탱크로부터 연장되어 상기 연료 공급라인에 합류되는 사용라인을 통해 상기 연료 공급라인과 병렬적으로 배치될 수 있다.

상기 충전라인에는 연료가스를 상기 버퍼 탱크에 공급할 때 개방되는 체크밸브가 설치되고, 상기 사용라인에는 상기 버퍼 탱크에 저장된 연료가스를 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 때 개방되는 바이패스 밸브가 설치될 수 있다. 상기 연료 공급라인에는, 엔진 조건에 부합하는 연료의 양을 제어하도록 유량조절을 위한 컨트롤 밸브와, 셧 오프(shut off) 기능을 갖는 마스터 밸브로서의 개폐 밸브가 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급하기 위한 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템으로서, 상기 LNG 저장탱크에서 배출된 LNG를 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 고압 펌프와; 상기 고압 펌프에서 압축된 LNG를 기화시키는 기화기와; 상기 기화기에서 기화된 LNG를 상기 기화기로부터 공급받아 저장하고 있는 버퍼 탱크; 를 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진의 부하가 증가하여 상기 고압 펌프 또는 상기 기화기의 용량을 넘어 변동하는 경우에는 상기 버퍼 탱크 내에 저장되어 있던 기화된 LNG를 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급하기 위한 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법으로서, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 증가시, 연료가스를 저장하고 있는 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하여, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 변동에 추종할 수 있는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법이 제공된다.

상기 연료가스 공급 방법은, 기화된 LNG를 상기 버퍼 탱크에 공급하여 상기 버퍼 탱크를 연료가스로서의 기화된 LNG로 충전하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료가스 공급 방법은, 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 부하가 연료 공급라인에 설치되어 있는 펌프 및 기화기의 용량을 넘지 않는 경우에는, 상기 기화기에서 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스로서의 기화된 LNG를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 연료가스 공급 방법은, 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 부하가 연료 공급라인에 설치되어 있는 펌프 또는 기화기의 용량을 넘어 변동하는 경우에는, 상기 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스로서의 기화된 LNG를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, ME-GI 엔진의 운전시 엔진 부하를 원활하게 추종할 수 있도록, ME-GI 엔진의 상류측에 소정량의 고압가스를 저장할 수 있는 버퍼 탱크를 설치하여 엔진 부하가 증가할 경우 버터 탱크 내의 고압가스를 엔진에 공급하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 연료가스 공급 시스템에 의하면, 많은 시설 투자비용 없이 단지 버퍼 탱크와 컨트롤 밸브, 히터 등의 구성만으로 사용의 편리성, 효율성 및 최적의 운전 환경을 제공할 수 있으며, 부하 추종성 역시 매우 우수하다.

도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 버퍼 탱크 충전 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 직접 가스 공급 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 버퍼 탱크 사용 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 왕복동식 펌프의 다양한 실시형태에 따른 냉각장치를 설명하기 위한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진, 예컨대 ME-GI 엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 본 발명의 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템은 액화천연가스를 고압가스 분사엔진의 연료로 사용할 수 있는 모든 종류의 해상 구조물, 즉 LNG 운반선, LNG RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.

LNG 운반선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 구비되어 있는 해상 구조물의 경우에는 이 LNG 저장탱크 내의 LNG를 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급한다. 또한, 컨테이너선이나 일반상선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 별도로 구비되어 있지 않은 해상 구조물의 경우에는 연료로서의 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크로부터 LNG를 배출시켜 고압가스 분사엔진에 공급한다. 다만, 본 명세서에 있어서, LNG 저장탱크는 LNG 연료탱크를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 고압가스 분사엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템에 따르면, LNG 저장탱크(또는 LNG 연료탱크)(도시생략)에서 배출된 LNG(또는 증발가스)는, 연료 공급 라인(L1)을 통하여 이송되면서 펌프(20)에서 고압으로 압축되고 기화기(5)에서 기화된 후 ME-GI 엔진 등의 고압가스 분사엔진(1)에 연료로서 공급된다. 증발가스의 경우에는 재액화된 후 이송되는 LNG와 혼합되어 함께 고압가스 분사엔진을 향하여 이송될 수 있다.

기화기(5)의 상류측에는, 극저온 장비로서 액면상의 맥동을 흡수 및 감소시키기 위한 맥동 댐퍼(3)가 설치된다. 펌프(20)는 극저온에 적용하여 LNG를 가압할 수 있는 왕복동식 펌프인 것이 바람직하다. 펌프(20)는 LNG를 대략 150 내지 300 bara 정도의 고압으로 압축할 수 있는 고압 펌프이다. 본 명세서에서 "고압" 이라는 용어는, ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에서 요구하는 연료가스의 압력범위, 예를 들어 대략 150 내지 300 bara 정도의 범위의 압력을 의미한다.

기화기(5)는 고압 기화기로서 액체 상태의 LNG를 열매체와 열교환시킴으로써 가열하여 기화시킨다.

초기 시동시, 연료 공급라인(L1)에는 시스템 냉각을 위해 액체질소(LN2)가 주입될 수 있으며, 연료 공급라인(L1)에 주입된 액체질소는 기화기(5)의 하류측에서 액체질소 배출라인(L2)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 액체질소 배출라인(L2)에는 소음기(도시생략)가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료 공급라인(L1)의 기화기(5)와 고압가스 분사엔진(1) 사이에 일정량의 연료가스를 고압 상태로 수용할 수 있는 버퍼 탱크(11)가 설치된다. 버퍼 탱크(11)는 단열되지 않아 외부 환경에 영향을 받을 수 있다. 버퍼 탱크(11)의 외부 온도가 버퍼 탱크(11) 내에 수용된 연료가스의 온도보다 높을 경우, 버퍼 탱크(11)에 수용된 연료가스는 외부로부터 공급되는 열에 의해 가열될 수 있다. 버퍼 탱크(11)는 대략 300바의 압력에 견딜 수 있는 구조를 가지며, CNG용 저장탱크와 같은 구조를 가질 수 있다.

버퍼 탱크(11)는 충전라인(L3) 및 사용라인(L4)을 통해 연료 공급라인(L1)과 병렬적으로 연결된다. 충전라인(L3)에는 체크밸브(12)가 설치되고, 사용라인(L4)에는 바이패스 밸브(13)가 설치된다. 연료 공급라인(L1)에는, 엔진 조건에 부합하는 연료의 양을 제어하도록 유량조절을 위한 컨트롤 밸브(14), 셧 오프(shut off) 기능을 갖는 마스터 밸브로서의 개폐 밸브(15), 그리고 엔진 조건에 부합하는 연료의 온도를 맞춰주기 위한 가스 히터(16)가 상류측에서 하류측 방향으로 순차 설치된다. 컨트롤 밸브(14)는 연료 공급라인(L1)에서 충전라인(L3)이 분기되는 지점의 하류측, 그리고 사용라인(L4)이 연결되는 지점의 상류측에 설치된다. 개폐 밸브(15) 및 가스 히터(16)는 연료 공급라인(L1)에서 사용라인(L4)이 연결되는 지점의 하류측에 순서대로 설치된다.

버퍼 탱크를 가지는 연료가스 공급 시스템은, 필요에 따라 버퍼 탱크 충전 모드, 직접 가스 공급 모드, 그리고 버퍼 탱크 사용 모드 등으로 운전될 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 각 모드를 상세하게 설명한다. 도 2 내지 도 4에서, 밸브의 내부에 빗금을 그은 것은 밸브가 개방된 상태임을 의미하며, 밸브의 내부에 빗금이 없는 것은 밸브가 폐쇄된 상태임을 의미한다.

도 2를 참조하여 버퍼 탱크 충전 모드를 설명한다. 버퍼 탱크(11)에 연료가스를 충전하기 위해서는 체크 밸브(12)를 열고, 바이패스 밸브(13), 컨트롤 밸브(14) 및 개폐 밸브(15)를 닫는다. 체크 밸브(12)가 개방되면 충전라인(L3)을 통해 대략 300바 정도의 고압으로 압축된 연료가스(즉, 천연가스)가 버퍼 탱크(11)에 공급된다. 버퍼 탱크(11)에 대한 가스연료의 충전이 완료되면, 체크 밸브(12)를 닫는다.

도 3을 참조하여 직접 가스 공급 모드를 설명한다. 고압가스 분사엔진(1)이 운전될 때, 요구되는 부하가 급격하게 변동하지 않는 경우에는 기화기(5)로부터 연료 공급라인(L1)을 통하여 연료가스를 공급받는다. 이때에는 체크 밸브(12) 및 바이패스 밸브(13)를 닫고, 컨트롤 밸브(14) 및 개폐 밸브(15)를 연다. 직접 가스 공급 모드에 있을 때, 체크 밸브(12)의 개방정도를 조절하면 버퍼 탱크(11)의 충전을 동시에 진행할 수 있다.

도 4를 참조하여 버퍼 탱크 사용 모드를 설명한다. 고압가스 분사엔진(1)이 운전될 때, 초기 시동시나 출력 급상승시와 같이 요구되는 부하가 급격하게 변동하는 경우에는 기화기(5)로부터의 연료 공급만으로는 고압가스 분사엔진(1)에 충분한 연료를 공급할 수 없다. 이때에는 체크 밸브(12) 및 컨트롤 밸브(14)를 닫고, 바이패스 밸브(13) 및 개폐 밸브(15)를 열어, 버퍼 탱크(11) 내에 저장된 연료가스를 고압가스 분사엔진(1)에 공급한다.

이와 같이 고압가스 분사엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하는 경우에는 버퍼 탱크에 저장되어 있던 연료가스를 사용하여 부하 변동에 대응한다. 본 명세서에서 "고압가스 분사엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하는 경우" 란, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 부하가 연료 공급라인(L1)에 설치되어 있는 펌프(20) 또는 기화기(5) 등의 장비의 용량을 넘어 변동하는 경우를 의미한다.

본 발명에 따르면, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 부하가 연료 공급라인(L1)에 설치되어 있는 펌프(20) 또는 기화기(5) 등의 장비의 용량을 넘어 변동하더라도, 버퍼 탱크(11)에 의해 급격하게 변동하는 부하에 대처할 수 있게 된다. 그에 따라 각종 구성품들의 크기 및 용량이 급격하게 변동하는 고압가스 분사엔진(1)의 부하 최대치를 만족시킬 필요가 없어, 각종 구성품들의 크기 및 용량이 지나치게 커질 필요가 없고, 연료가스 공급 시스템을 구성하기 위해 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

버퍼 탱크(11)에서 연료가스가 배출됨에 따라 버퍼 탱크의 내부압력이 감압되면 배출되는 연료가스의 온도가 하강할 수 있다. 이때 연료가스의 온도가 엔진에서 요구하는 온도 이하로 하강할 경우, 가스 히터(16)에 의해 연료가스를 가열한 후 엔진에 공급할 수 있다.

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 왕복동식 펌프의 다양한 실시형태에 따른 냉각장치를 설명한다.

왕복동식 펌프(20)는, 모터(22)에 의해 구동하는 구동부(21)와, 이 구동부(21)에 의해 동작하면서 유체, 즉 LNG를 흡입하여 소정의 압력으로 압축하여 배출하는 토출부(25)를 포함한다. 모터(22)의 회전력은 풀리(23)를 통해 구동부(21)에 전달될 수 있다. 구동부(21)의 크랭크 샤프트가 회전함에 따라 커넥팅 로드 등의 연결부를 통하여 토출부(25)의 피스톤 또는 플런저가 실린더 내에서 왕복운동하면서 유체를 압축하여 배출한다.

펌프(20)의 유입구와 연료 공급라인(L1) 사이에는 가요성 호스(60)가 설치될 수 있으며, 그에 따라 연료 공급라인(L1)을 구성하는 파이프와 펌프(20)의 유입구가 정확하게 정렬되지 않더라도 그 연결작업을 용이하게 수행할 수 있다.

구동부(21)에는 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드의 동작을 윤활하기 위한 윤활유가 주입되어 있는데, 펌프(20)의 동작이 계속됨에 따라 윤활유의 온도가 상승하므로 윤활유를 냉각시킬 필요가 있다.

도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치는 윤활유를 펌프(20)의 내외로 순환시키는 윤활유 순환라인(L5)과, 이 윤활유 순환라인(L5)에 설치되어 윤활유를 냉각시키는 라디에이터(31)와, 윤활유를 순환시키기 위한 윤활유 펌프(33)를 포함한다. 윤활유 순환라인(L5)에는 복수의 밸브(35, 36, 37)가 설치될 수 있다. 윤활유 순환라인(L5)은 폐루프를 구성한다.

도 6에 도시된 제2 실시예의 냉각장치는 도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치에 비해 라디에이터 대신 열교환기(41)를 사용한다는 점에서 상이하다. 열교환기(41)에는 펌프(20)에서 압축되어 배출되는 LNG가 우회라인(L6)을 통해 부분적으로 우회되어 공급된다. LNG의 온도는 윤활유에 비해 상대적으로 저온이므로 윤활유를 냉각시킬 수 있다.

도 7에 도시된 제3 실시예의 냉각장치는 도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치에 비해 라디에이터 대신 열교환기(45)를 사용한다는 점에서 상이하다. 열교환기(45)에는 해수(또는 청수) 혹은 공기가 윤활유와의 열교환을 위해 공급될 수 있다.

도 8에 도시된 제4 실시예의 냉각장치는 개방형 루프를 이룬다는 점에서 폐쇄형 루프를 이루는 상술한 제1 내지 제3 실시예의 냉각장치와 상이하다. 제4 실시예의 냉각장치는 액체질소 탱크(51)로부터 질소 공급라인(L7)을 통해 공급되는 질소에 의해 펌프(20)의 구동부(21)를 냉각한다. 액체질소의 공급량은 개폐 밸브(52)에 의해 조절될 수 있으며, 액체질소는 히터(53)에 의해 가열되어 기화된 후 펌프(20)에 공급되는 것이 바람직하다.

펌프(20)에 공급되어 펌프의 구동부(21)를 냉각시키고 자신은 가열된 질소는 펌프(20)의 외부로 배출된 후 다시 펌프의 연결부(27)에 공급될 수 있다. 연결부(27)에 공급되는 질소의 양은 밸브(55)에 의해 조절될 수 있다. 연결부(27)는 토출부(25)와 구동부(21) 사이에 위치되어 구동부의 구동력을 커넥팅 로드(28) 등에 의해 토출부에 전달한다.

커넥팅 로드(28) 등이 배치되는 펌프의 연결부(27)는 토출부(25)로부터 지속적으로 냉열을 공급받아 냉각되며, 결빙이 발생할 수 있다. 그러나, 구동부(21)에서 가열된 질소를 연결부(27)에 공급함으로써 연결부(27)의 온도를 상승시킬 수 있다.

또한, 토출부(25)에서 LNG의 누출이 발생하더라도, 연결부(27)를 통과하는 질소에 의해 누출된 가스가 구동부(21) 측으로 전달되지 않아 폭발 사고를 미연에 방지할 수 있다. 이때 연결부(27)에 공급되는 질소 가스는 토출부(25)와 구동부(21) 사이를 서로 격리시키는 실 가스(seal gas)로서 기능한다.

연결부(27)에서 배출되는 질소는, 그대로 대기중에 배출될 수도 있고, 필요시 질소 공급라인(L7)을 통해 질소 저장탱크(57)에 저장되어 재사용될 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법이 LNG 운반선 등의 해상 구조물에 적용된 것을 예로 들어 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법은 육상에서의 고압가스 분사 엔진에 대한 연료 공급에 적용될 수 있음은 물론이다.

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.

1 : 고압가스 분사엔진 5 : 기화기
11 : 버퍼 탱크 16 : 가스 히터
20 : 펌프

Claims

LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급하기 위한 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템으로서,
상기 고압가스 분사엔진의 부하 증가시, 사전에 연료가스를 상기 기화기로부터 공급받아 저장하고 있는 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하여, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 변동에 추종할 수 있는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 버퍼 탱크는 단열되지 않아 외부 환경의 온도에 의해 영향을 받을 수 있는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 버퍼 탱크에서 배출되는 연료가스의 온도가 엔진에서 요구하는 온도 이하인 경우, 연료가스를 가열한 후 엔진에 공급할 수 있도록 상기 버퍼 탱크의 하류측에 설치되는 가스 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 버퍼 탱크는 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 연료 공급라인과 병렬적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 버퍼 탱크는, 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 연료 공급라인으로부터 분기되어 상기 버퍼 탱크에 연결되는 충전라인과, 상기 버퍼 탱크로부터 연장되어 상기 연료 공급라인에 합류되는 사용라인을 통해 상기 연료 공급라인과 병렬적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 충전라인에는 연료가스를 상기 버퍼 탱크에 공급할 때 개방되는 체크밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 사용라인에는 상기 버퍼 탱크에 저장된 연료가스를 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 때 개방되는 바이패스 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 연료 공급라인에는, 엔진 조건에 부합하는 연료의 양을 제어하도록 유량조절을 위한 컨트롤 밸브와, 셧 오프(shut off) 기능을 갖는 마스터 밸브로서의 개폐 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급하기 위한 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템으로서,
상기 LNG 저장탱크에서 배출된 LNG를 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 고압 펌프와;
상기 고압 펌프에서 압축된 LNG를 기화시키는 기화기와;
상기 기화기에서 기화된 LNG를 상기 기화기로부터 공급받아 저장하고 있는 버퍼 탱크; 를 포함하며,
상기 고압가스 분사엔진의 부하가 증가하여 상기 고압 펌프 또는 상기 기화기의 용량을 넘어 변동하는 경우에는 상기 버퍼 탱크 내에 저장되어 있던 기화된 LNG를 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급하기 위한 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법으로서,
상기 고압가스 분사엔진의 부하 증가시, 연료가스를 저장하고 있는 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하여, 상기 고압가스 분사엔진의 부하 변동에 추종할 수 있는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
청구항 10에 있어서,
기화된 LNG를 상기 버퍼 탱크에 공급하여 상기 버퍼 탱크를 연료가스로서의 기화된 LNG로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 부하가 연료 공급라인에 설치되어 있는 펌프 및 기화기의 용량을 넘지 않는 경우에는, 상기 기화기에서 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스로서의 기화된 LNG를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 부하가 연료 공급라인에 설치되어 있는 펌프 또는 기화기의 용량을 넘어 변동하는 경우에는, 상기 버퍼 탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진에 연료가스로서의 기화된 LNG를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.