KR20140084575A

KR20140084575A - 재액화 장치 및 고압 천연가스 분사 엔진을 탑재한 해상 구조물의 연료 공급 시스템

Info

Publication number: KR20140084575A
Application number: KR1020120154178A
Authority: KR
Inventors: 정승교; 차원심; 김신형; 이원준
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

본 발명은 재액화 장치에서의 냉매 압축시 발생된 열을 버리지 않고 LNG를 고압 천연가스 분사 엔진에 연료로서 공급하기 위해 기화시킬 때 활용할 수 있도록 하여, 에너지의 효율적인 사용이 가능하도록 하는 연료 공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 저장탱크 내에서 발생한 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급받아 압축하는 증발가스 압축부, 상기 증발가스 압축부에서 압축된 증발가스를 공급받아 액화시키는 재액화 장치, 상기 재액화 장치에서 액화된 액화증발가스를 압축시키는 고압 펌프, 상기 고압 펌프에서 압축된 액화증발가스를 기화시키기 위한 고압 기화기, 그리고 상기 고압 기화기에서 기화된 천연가스를 연료로서 공급받는 고압 천연가스 분사 엔진을 포함하는 해상 구조물의 연료 공급 시스템으로서, 상기 재액화 장치에서 냉매를 압축시킨 후 냉각시킴에 따라 버려지는 폐열을 상기 고압 기화기에 공급하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템이 제공된다.

Description

재액화 장치 및 고압 천연가스 분사 엔진을 탑재한 해상 구조물의 연료 공급 시스템 {SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL FOR A MARINE STRUCTURE HAVING A RELIQUEFACTION APPARATUS AND A HIGH PRESSURE NATURAL GAS INJECTION ENGINE}

본 발명은 재액화 장치 및 고압 천연가스 분사 엔진을 탑재한 해상 구조물의 연료 공급 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 재액화 장치에서의 냉매 압축시 발생된 열을 버리지 않고 LNG를 고압 천연가스 분사 엔진에 연료로서 공급하기 위해 기화시킬 때 활용할 수 있도록 하여, 에너지의 효율적인 사용이 가능하도록 하는 연료 공급 시스템에 관한 것이다.

근래, LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 액화가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는, 액화된 상태로 액화가스 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. LNG나 LPG 등의 액화가스는 천연가스 혹은 석유가스를 극저온(LNG의 경우 대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

액화가스 운반선은, 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 이 액화가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 포함한다.

이와 같이 극저온 상태의 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 마련된 해상 구조물의 예로서는 액화가스 운반선 이외에도 LNG RV (Regasification Vessel)와 같은 선박이나 LNG FSRU (Floating Storage and Regasification Unit), LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading)와 같은 구조물 등을 들 수 있다.

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 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 해상 구조물이다. 본 명세서에서 해상 구조물이란, 액화가스 운반선, LNG RV 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 구조물까지도 모두 포함하는 개념이다.

천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. 종래의 LNG 운반선의 경우를 예를 들어 설명하면, LNG 운반선의 LNG 저장탱크는 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(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

발생된 증발가스는 저장탱크 내의 압력을 증가시키며 선박의 요동에 따라 액화가스의 유동을 가속시켜 구조적인 문제를 야기시킬 수 있기 때문에, 증발가스의 발생을 억제할 필요가 있다.

종래, 액화가스 운반선의 저장탱크 내에서의 증발가스를 억제하기 위해, 증발가스를 저장탱크의 외부로 배출시켜 소각해 버리는 방법, 증발가스를 저장탱크의 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시킨 후 다시 저장탱크로 복귀시키는 방법, 선박의 추진기관에서 사용되는 연료로서 증발가스를 사용하는 방법, 저장탱크의 내부압력을 높게 유지함으로써 증발가스의 발생을 억제하는 방법 등이 단독으로 혹은 복합적으로 사용되고 있었다.

증발가스 재액화 장치가 탑재된 종래의 해상 구조물의 경우, 저장탱크의 적정 압력 유지를 위해 저장탱크 내부의 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시키게 된다. 배출된 증발가스는 냉동 사이클을 포함하는 재액화 장치에서 초저온으로 냉각된 냉매, 예를 들어 질소, 혼합냉매 등과의 열교환을 통해 재액화된 후 저장탱크로 복귀된다.

재액화 장치의 냉동 사이클은 기본적으로 증발기, 압축기, 냉각기, 및 팽창기 등을 포함하여 이루어지며, 증발기에서 열을 흡수하면서 증발된 냉매는 압축기에서 압축되고 냉각기에서 냉각된 후 팽창기에서 압력 강하하여 증발기로 보내진다.

냉동 사이클, 즉 재액화 장치의 효율을 향상시키기 위해서는, 압축기에서 냉매를 압축한 후에, 압축에 의해 발생된 열을 방출시킴으로써 압축일을 최소화하는 것이 유리하다. 그런데, 종래에는 압축에 의해 발생된 열을 그대로 방출시켜 버리고 있었기 때문에, 에너지 절약의 측면에서 개선의 여지가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 재액화 장치에서의 냉매 압축시 발생된 열을 버리지 않고 LNG를 고압 천연가스 분사 엔진에 연료로서 공급하기 위해 기화시킬 때 활용할 수 있도록 하여, 에너지의 효율적인 사용이 가능하도록 하는 연료 공급 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크 내에서 발생한 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급받아 압축하는 증발가스 압축부, 상기 증발가스 압축부에서 압축된 증발가스를 공급받아 액화시키는 재액화 장치, 상기 재액화 장치에서 액화된 액화증발가스를 압축시키는 고압 펌프, 상기 고압 펌프에서 압축된 액화증발가스를 기화시키기 위한 고압 기화기, 그리고 상기 고압 기화기에서 기화된 천연가스를 연료로서 공급받는 고압 천연가스 분사 엔진을 포함하는 해상 구조물의 연료 공급 시스템으로서, 상기 재액화 장치에서 냉매를 압축시킨 후 냉각시킴에 따라 버려지는 폐열을 상기 고압 기화기에 공급하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템이 제공된다.

상기 재액화 장치는 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉매 냉각기를 포함하며, 상기 재액화 장치에서 냉매를 압축시킨 후 냉각시킴에 따라 버려지는 폐열을 상기 고압 기화기에 전달하기 위해, 상기 고압 기화기와 상기 냉매 냉각기 사이에는 열매체가 순환하는 열매체 순환라인이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 연료 공급 시스템은, 상기 증발가스 압축부와 상기 재액화 장치 사이에 설치되며, 상기 고압 펌프에서 압축된 액화증발가스와 상기 재액화 장치로 공급되는 압축증발가스와의 열교환을 통해 상기 고압 기화기에 공급되는 액화증발가스를 예열하기 위한 예열기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 연료 공급 시스템은, 상기 고압 펌프의 상류측에 설치되며, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스나 상기 재액화 장치에 의해 재액화된 액화증발가스를 이용하여, 상기 저장탱크에서 발생된 증발가스 중 일부 혹은 전부를 재응축시키는 재응축기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크로부터 상기 재액화 장치에 공급되는 증발가스 중 일부 혹은 전부를 상기 재응축기로 우회시킬 수 있도록 상기 증발가스 압축부와 상기 재액화 장치 사이에서 분기하여 상기 재응축기에 연결되는 증발가스 우회라인을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 연료 공급 시스템은, 상기 증발가스 압축부에서 압축된 증발가스를 증발가스 분기라인을 통하여 분기시켜 증발가스 소비수단에서 사용할 수 있다.

상기 고압가스 분사 엔진은 ME-GI 엔진인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 증발가스의 재액화 장치 및 고압 천연가스 분사 엔진, 예컨대 ME-GI 엔진을 탑재한 LNG 운반선과 같은 해상 구조물에 있어서, 재액화 장치에서의 냉매 압축시 발생된 열을 버리지 않고 LNG를 고압 천연가스 분사 엔진에 연료로서 공급하기 위해 기화시킬 때 활용할 수 있는 연료 공급 시스템이 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명의 연료 공급 시스템에 의하면, 버려지던 열을 재활용할 수 있어 에너지의 낭비를 막고 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른, 고압 천연가스 분사 엔진을 위한 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도이다.

일반적으로, 선박에서 배출되는 폐기가스 중 국제 해사 기구(International Maritime Organization)의 규제를 받고 있는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이며, 최근에는 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 위한 다양한 방법들이 소개되고 있는데, 이러한 방법 중에서 LNG 운반선과 같은 해상 구조물을 위한 고압 천연가스 분사 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진이 개발되어 사용되고 있다.

이와 같은 ME-GI 엔진은 LNG를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물(본 명세서에서 해상 구조물이란, LNG 운반선, LNG RV 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 엔진에 대하여 대략 150 ∼ 300 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.

ME-GI 엔진은 추진을 위해 프로펠러에 직결되어 사용될 수 있으며, 이를 위해 ME-GI 엔진은 저속으로 회전하는 2행정 엔진으로 이루어진다. 즉, ME-GI 엔진은 저속 2행정 고압 천연가스 분사 엔진이다.

ME-GI 엔진과 같은 고압 천연가스 분사 엔진을 탑재한 해상 구조물의 경우에도, 천연가스를 연료로 사용하지 않은 해상 구조물에 비해 처리용량이 상대적으로 작아질 수는 있지만, LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 처리하기 위해서 재액화(Reliquefaction) 장치가 여전히 좋은 해결방안이 될 수 있다. ME-GI 엔진과 같은 고압 천연가스 분사 엔진과, 증발가스를 처리하기 위한 재액화 장치를 모두 탑재한 해상 구조물의 경우, 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 증발가스를 연료로 사용할 것인지, 아니면 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 보내고 중유(Heavy Fuel Oil; HFO)를 사용할 것인지 선택할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 특정규제를 받는 해역을 통과시 간편하게 LNG를 기화시켜서 연료로 사용할 수 있다는 장점이 있다.

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 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 고압 천연가스 분사 엔진을 위한 연료 공급 시스템의 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 1에는, 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 고압 천연가스 분사 엔진, 즉 ME-GI 엔진을 설치한 LNG 운반선에 본 발명의 연료 공급 시스템이 적용된 예가 도시되어 있지만, 본 발명의 연료 공급 시스템은 액화가스 저장탱크가 설치된 모든 종류의 해상 구조물, 즉 LNG 운반선, LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른, 재액화 장치 및 고압 천연가스 분사 엔진을 갖는 해상 구조물의 연료 공급 시스템에 따르면, 액화가스 저장탱크(11)에서 발생되어 배출된 증발가스(NBOG)는, 증발가스 압축부(13)에서 압축된 후 재액화 장치(20)의 메인 열교환기(21)에 공급된다. 재액화 장치(20)의 메인 열교환기(21)에서 액화에너지, 즉 냉열을 공급받아 재액화된 액화증발가스(LBOG)는 고압 펌프(33)에 의해 대략 150 내지 300 bara 정도의 고압으로 압축된 후 고압 기화기(37)에 공급된다. 고압 기화기(37)에서 기화된 천연가스는 계속해서 고압 천연가스 분사 엔진, 예컨대 ME-GI 엔진에 연료로서 공급된다.

고압 펌프(33)에 의해 고압으로 압축된 액화증발가스(즉, 액화천연가스)는 초임계압 상태이므로 사실상 액상과 기상을 구별할 수 없다. 그렇지만 본 명세서에서는 고압 상태에서 액화증발가스를 주위온도(혹은 고압 천연가스 분사 엔진에서 요구하는 온도)까지 가열하는 것을 기화시킨다고 표현하고 있으며, 고압 상태에서 액화증발가스를 주위온도까지 가열하는 장치를 고압 기화기라고 표현한다.

저장탱크는 LNG 등의 액화가스를 극저온 상태로 저장할 수 있도록 밀봉 및 단열 방벽을 갖추고 있지만, 외부로부터 전달되는 열을 완벽하게 차단할 수는 없다. 그에 따라 저장탱크(11) 내에서는 액화가스의 증발이 지속적으로 이루어지며, 증발가스의 압력을 적정한 수준으로 유지하기 위해 증발가스 배출라인(L1)을 통하여 저장탱크(11) 내부의 증발가스를 배출시킨다.

배출된 증발가스는 증발가스 배출라인(L1)을 통해 증발가스 압축부(13)에 공급된다. 증발가스 압축부(13)는 하나 이상의 증발가스 압축기(14)와, 이 증발가스 압축기(14)에서 압축되면서 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키기 위한 하나 이상의 중간 냉각기(도시생략)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 3개의 증발가스 압축기(14)를 포함하는 다단 압축의 증발가스 압축부(13)가 예시되어 있다.

증발가스 압축부(13)에서 압축된 증발가스는 증발가스 공급라인(L2)을 통하여 재액화 장치(20)에 공급된다. 재액화 장치(20)에 공급된 증발가스는 재액화 장치(20)의 메인 열교환기(Main Cryogenic Heat Exchanger)(21)를 통과하면서 냉매에 의해 냉각되어 재액화된다.

재액화 장치(20)로서는, LNG 등의 액화가스로부터 발생하는 증발가스 등을 액화시킬 수 있는 것이라면 어떠한 구성의 것이라도 사용될 수 있다. 즉, 혼합냉매를 활용한 재액화 시스템이 사용될 수도 있고, 종래 공지되어 있는 바와 같이 질소냉매를 활용한 재액화 시스템이 사용될 수도 있다. 질소냉매를 활용한 종래의 재액화 시스템은, 예를 들어 국제특허공개 WO 2007/117148 호 공보 및 WO 2009/136793 호 공보 등에 개시되어 있다.

메인 열교환기(21)에서의 열교환을 통해 재액화된 증발가스(LBOG)는, 연료 공급라인(L3)을 따라 재응축기(31), 고압 펌프(33) 및 고압 기화기(37)를 거쳐 고압 천연가스 분사 엔진으로 공급된다.

재응축기(31)는 펌프의 상류측에 설치되는 버퍼 탱크로서의 기능을 수행할 수 있으며, 필요시 단순한 버퍼 탱크로 교체될 수 있다. 재응축기(31)에 공급된 액화증발가스는 기체와 액체가 서로 분리되며, 액체 상태의 액화증발가스만이 연료 공급라인(L3)을 통해 고압 펌프(33)에 공급된다. 고압 펌프(33)는 복수개, 예를 들어 2개가 병렬로 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 재액화된 액화증발가스와, 액화가스 저장탱크(11)에서 직접 공급되는 액화가스, 즉 LNG를 재응축기(31)에 임시 저장하고, 액화가스 저장탱크(11)로부터 재액화 장치(20)에 공급되는 증발가스 중 일부 혹은 전체를 증발가스 우회라인(L7)을 통해 재응축기(31)로 우회시켜 응축시킴으로써 재액화 장치(20)로 유입되는 증발가스의 양을 감소시키거나 없애 전체적인 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 재응축기(31)는, 재액화 장치(20)에서 재액화된 후 재응축기(31)에 공급되어 임시 저장되는 액화증발가스 및 저장탱크(11)에서 직접 재응축기(31)에 공급된 액화가스(즉, LNG) 중 적어도 하나로부터의 냉열을 이용하여, 발생된 증발가스 중 일부 혹은 전부를 재응축시킬 수 있다.

이를 위해 저장탱크(11)와 재응축기(31) 사이에는 LNG 공급라인(L5)이 형성되어 있으며, 저장탱크(11)에 수용된 LNG를 직접 재응축기(31)에 공급할 수 있도록, LNG 공급라인(L5)의 일단, 즉 액화가스 저장탱크(11) 내부에 위치하는 LNG 공급라인(L5)의 시작지점에는 잠수식 펌프(15)가 설치된다.

고압 펌프(33)에서는 액화가스를 고압 천연가스 분사 엔진(예컨대 ME-GI 엔진)에서 요구하는 연료 공급 압력까지 가압하여 송출한다. 고압 펌프(33)에서 송출되는 액화가스는 대략 150 ∼ 300 bara(절대압력) 정도의 고압을 갖는다.

고압 펌프(33)에서의 충분한 유효 흡인 수두(NPSH; Net Positive Suction Head)를 보장할 수 있도록, 필요시, 연료 공급라인(L3)의 재응축기(31)와 고압 펌프(33) 사이에는 부스터 펌프(32)가 설치될 수 있다.

또한, 고압 펌프(33)에서 고압으로 압축된 액화가스는, 고압 기화기(37)에 공급되기 전에, 재액화 장치(20)에 공급되는 증발가스와 예열기(35)에서 열교환되도록 시스템을 구성하여도 좋다. 고압 기화기(37)에 공급되는 액화가스는 재액화 장치(20)에 공급되는 증발가스에 비해 상대적으로 저온이므로, 예열기(35)를 통과하면서 재액화 장치(20)에 공급되는 증발가스의 온도를 낮출 수 있어 재액화 장치(20)에서의 재액화 에너지를 절감할 수 있다. 그와 함께, 고압 기화기(37)에 공급되는 액화가스는 예열기(35)를 통과하면서 가열(예열)되어 고압 기화기(37)에서의 기화 에너지를 절감할 수 있다.

재응축기(31)에 재응축되어 임시 저장된 액화증발가스는, 필요시, LBOG 복귀라인(L4)을 통해 액화가스 저장탱크(11)에 복귀될 수 있다. 도 1에 도시하지는 않았지만, LBOG 복귀라인(L4)에는, 플래시 가스의 발생을 억제하고 발생된 플래시 가스를 처리하기 위해 팽창밸브, 기액분리기 등이 설치될 수 있다.

그러나, 본 발명에 따른 연료 공급 시스템에 의하면, 해상 구조물의 운항 중 대부분의 기간 동안, 저장탱크에서 발생된 증발가스를 액화시켜 모두 고압 천연가스 분사 엔진에서 연료로서 사용할 수 있으며, 그에 따라 LBOG 복귀라인(L4)을 통하여 저장탱크(11)에 복귀하는 액화가스를 없앨 수 있다. LBOG 복귀라인(L4)은, 해상 구조물을 항구 내에 접안하기 위해 예인하는 경우, 운하를 통과하는 경우, 혹은 저속 운항중인 경우와 같이 고압 천연가스 분사 엔진의 연료 소모량이 저장탱크에서 발생된 증발가스의 양보다 적은 극히 예외적인 경우에만, LBOG를 재응축기(31)로부터 저장탱크(11)에 복귀시키는 용도로 사용될 수 있다. 또한, 재응축기의 고장이나 유지보수시 재응축기(31) 내에 남아있는 LBOG를 저장탱크(11)에 복귀시키는 용도로 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 해상 구조물의 운항시 대부분의 기간 동안 LBOG를 저장탱크로 복귀시키지 않고 전량 엔진에서 사용할 수 있으므로, 그 기간 동안에는 복귀하는 LBOG 자체를 없앨 수 있고, 그에 따라 LBOG의 복귀 도중에 압력 차이로 인하여 발생할 수 있는 플래시 가스를 원천적으로 제거할 수 있다. 본 명세서에서 "플래시 가스를 제거한다"는 표현은, 발생된 플래시 가스를 소모함으로써 플래시 가스가 저장탱크(11)의 내부에 공급되지 않도록 하는 것과, 재액화된 증발가스가 저장탱크(11)에 되돌아가는 것을 방지하여 복귀 도중의 플래시 가스 발생을 원천적으로 차단함으로써 플래시 가스의 발생 자체를 방지하는 것을 모두 포함하는 개념이다.

또한, 본 명세서에서의 "고압 천연가스 분사 엔진의 연료 소모량이 저장탱크에서 발생된 증발가스의 양보다 많다거나 적다"는 표현 중에서 '고압 천연가스 분사 엔진의 연료 소모량' 은, 고압 천연가스 분사 엔진 이외에도 해상 구조물 내에 증발가스를 연료로서 사용하는 엔진, 예컨대 DFDE, 가스 터빈 등이 존재할 경우, 이들 엔진에서의 연료 소모량과 고압 천연가스 분사 엔진의 연료 소모량이 더해진 것으로 간주되어야 한다. 물론, 증발가스를 연료로서 사용하는 엔진이 고압 천연가스 분사 엔진뿐이라면, 고압 천연가스 분사 엔진의 연료 소모량만을 의미하는 것이다.

액화가스 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스의 양이 고압 천연가스 분사 엔진에서 요구하는 연료량보다 적은 경우 등에는, LNG 공급라인(L5)을 통해 저장탱크(11)에 수용된 LNG를 직접 재응축기(31)에 공급할 수 있다.

액화가스 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스의 양이 고압 천연가스 분사 엔진에서 요구하는 연료량보다 많아 잉여의 액화증발가스(LBOG)가 발생할 것으로 예상되는 경우에는, 증발가스 압축부(13)에서 압축된 혹은 단계적으로 압축되고 있는 도중의 증발가스를, 증발가스 분기라인(L6)을 통하여 분기시켜 증발가스 소비수단에서 사용한다. 증발가스 소비수단으로서는 ME-GI 엔진에 비해 상대적으로 낮은 압력의 천연가스를 연료로서 사용할 수 있는 가스 터빈이나 DFDE 등이 사용될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 재액화 장치(20)의 부하를 감소시키거나 재액화 장치의 운전을 완전히 중단시켜 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록, 본 발명에 따른 연료 공급 시스템은, 증발가스 공급라인(L2)으로부터 분기하여 증발가스 압축부(13)에서 압축된 증발가스 중 일부 혹은 전체를 재액화 장치를 우회하여 직접 재응축기(31)에 공급할 수 있는 증발가스 우회라인(L7)을 포함할 수 있다. 증발가스 우회라인(L7)은 증발가스 공급라인(L2)의 예열기(35) 하류측에서 분기하여 재응축기(31)에 연결되는 것이 바람직하다.

도 1에 예시된 재액화 장치(20)는, 냉매와 증발가스의 열교환에 의해 증발가스를 재액화시키기 위한 메인 열교환기(21)와, 이 메인 열교환기(21)에서의 열교환에 의해 가열되어 기화된 냉매를 압축하기 위한 냉매 압축기(23)와, 이 냉매 압축기(23)에서 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉매 냉각기(25)와, 냉매 압축기(23)에서 압축된 후 냉매 냉각기(25)에서 냉각된 냉매를 팽창시켜 온도를 낮추는 냉매 팽창기(27)를 포함한다. 메인 열교환기(21), 냉매 압축기(23), 냉매 냉각기(25) 및 냉매 팽창기(27)는 냉매 순환라인(L11)을 통해 서로 연결될 수 있다.

도 1에 도시되어 있는 재액화 장치(20)는 예시일 뿐이며, 재액화 장치(20)는 본 발명을 한정하지 않으며 설계시 필요에 따라 도 1에 도시된 것 이외의 구성을 가질 수 있다.

다만, 냉매가 가지는 열을 방출시킴으로써 압축일을 최소화하기 위해서, 냉매 압축기(23)에서 압축되면서 온도가 상승한 냉매를 냉매 냉각기(25)에서 냉각시킬 필요가 있는데, 본 발명에 따르며, 이때 냉매 냉각기(25)에서 냉매로부터 방출되는 열을 버리지 않고, 열매체 순환라인(L13)을 통해 순환하는 열매체를 가열하기 위해 활용한다.

열매체 순환라인(L13)은 고압 기화기(37)와 냉매 냉각기(25) 사이에서 열매체가 순환하도록 형성되며, 이 열매체 순환라인(L13)을 통해 열매체는 냉매가 가지는 열을 액화증발가스에 전달한다. 이와 같이 냉매 냉각기(25)에서 냉매를 냉각시키는 동시에 자신은 가열된 열매체는, 고압 기화기(37)에서 액화증발가스에 열을 빼앗겨 액화증발가스가 기화되도록 하는 동시에 자신은 냉각된다. 종래에는 그대로 버려지던 폐열을 본 발명의 연료 공급 시스템의 의하면 고압 기화기에서 재사용할 수 있어 고압 기화기에서 요구하는 열에너지를 절감할 수 있게 된다.

예를 들어, 운반용량이 159.8K에 해당하는 LNG 운반선에 있어서, 정상적인 항해시(NCR 운항시) MEGI 엔진의 구동에 필요한 가스 연료를 공급하기 위해서는 약 530kW의 열량이 필요하며 재액화 장치의 냉매 냉각기에 의해 버려지는 열량은 약 800kW이다. 이 경우에, 예를 들어, 재액화 장치의 냉매 냉각기에서의 냉각수 출구 온도가 약 42℃이므로, Minimum Approach 10℃를 고려하였을 때 상기 냉각수로 고압의 액화천연가스(즉, NBOG)를 약 32℃까지 가열할 수 있다. 따라서 MEGI 엔진의 연료가스 온도 45℃를 만족하기 위해서는 약 37kW의 열량만이 추가되면 된다. 결국, 냉매 냉각기에서 버려지는 폐열을 재사용하지 않았다면 고압 기화기에서 필요했었을 530kW의 열량에 비해, 본 발명에 따라 냉매 냉각기에서 버려지는 폐열을 재사용함으로써 530kW의 불과 14%에 해당하는 열량(약 37kW)만으로 가스연료 공급이 가능케 되는 것이다.

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

상기 해상 구조물의 예로서는 액화가스 운반선 이외에도 LNG RV와 같은 선박이나 LNG FSRU, LNG FPSO와 같은 구조물 등을 들 수 있다.

상기 연료 공급 방법은, 상기 연료 공급 중에 상기 액화증발가스는 모두 상기 고압 천연가스 분사 엔진에 공급하는 시기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 해상 구조물의 운항 중에는 고압 천연가스 분사 엔진이 필요로 하는 연료의 양은 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양보다 더 많은 시기가 상당 기간 존재하고 이 시기에는 액화증발가스를 모두 고압 천연가스 분사 엔진에 공급함으로써 액화증발가스를 LNG 저장탱크에 회송함에 따른 플래시 가스의 발생 문제를 해결할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서 상기 해상 구조물의 운항 중에는 고압 천연가스 분사 엔진이 필요로 하는 연료의 양이 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양 이상일 때에는 상기 액화증발가스 전부 또는 상당부분을 상기 고압 천연가스 분사 엔진에 공급하는 것을 특징으로 한다. 이때 부족한 연료는 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 연료로 사용할 수도 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.

11 : 저장탱크 13 : 증발가스 압축부
14 : 증발가스 압축기 15 : 잠수식 펌프
20 : 재액화 장치 21 : 메인 열교환기
23 : 냉매 압축기 25 : 냉매 냉각기
27 : 냉매 팽창기 31 : 재응축기
32 : 부스터 펌프 33 : 고압 펌프
35 : 예열기 37 : 고압 기화기
L1 : 증발가스 배출라인 L2 : 증발가스 공급라인
L3 : 연료 공급라인 L4 : LBOG 복귀라인
L5 : LNG 공급라인 L6 : 증발가스 분기라인
L7 : 증발가스 우회라인 L11 : 냉매 순환라인
L13 : 열매체 순환라인

Claims

저장탱크 내에서 발생한 증발가스를 상기 저장탱크로부터 공급받아 압축하는 증발가스 압축부,
상기 증발가스 압축부에서 압축된 증발가스를 공급받아 액화시키는 재액화 장치,
상기 재액화 장치에서 액화된 액화증발가스를 압축시키는 고압 펌프,
상기 고압 펌프에서 압축된 액화증발가스를 기화시키기 위한 고압 기화기, 그리고
상기 고압 기화기에서 기화된 천연가스를 연료로서 공급받는 고압 천연가스 분사 엔진
을 포함하는 해상 구조물의 연료 공급 시스템으로서,
상기 재액화 장치에서 냉매를 압축시킨 후 냉각시킴에 따라 버려지는 폐열을 상기 고압 기화기에 공급하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 재액화 장치는 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 냉각시키기 위한 냉매 냉각기를 포함하며,
상기 재액화 장치에서 냉매를 압축시킨 후 냉각시킴에 따라 버려지는 폐열을 상기 고압 기화기에 전달하기 위해, 상기 고압 기화기와 상기 냉매 냉각기 사이에는 열매체가 순환하는 열매체 순환라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 증발가스 압축부와 상기 재액화 장치 사이에 설치되며, 상기 고압 펌프에서 압축된 액화증발가스와 상기 재액화 장치로 공급되는 압축증발가스와의 열교환을 통해 상기 고압 기화기에 공급되는 액화증발가스를 예열하기 위한 예열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 고압 펌프의 상류측에 설치되며, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스나 상기 재액화 장치에 의해 재액화된 액화증발가스를 이용하여, 상기 저장탱크에서 발생된 증발가스 중 일부 혹은 전부를 재응축시키는 재응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 저장탱크로부터 상기 재액화 장치에 공급되는 증발가스 중 일부 혹은 전부를 상기 재응축기로 우회시킬 수 있도록 상기 증발가스 압축부와 상기 재액화 장치 사이에서 분기하여 상기 재응축기에 연결되는 증발가스 우회라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 증발가스 압축부에서 압축된 증발가스를 증발가스 분기라인을 통하여 분기시켜 증발가스 소비수단에서 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 고압가스 분사 엔진은 ME-GI 엔진인 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.