KR20140137730A

KR20140137730A - 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140137730A
Application number: KR1020130058588A
Authority: KR
Inventors: 김동찬; 최동규; 문영식; 김경민
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-12-03
Also published as: KR102019269B1

Abstract

선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 시스템은, 액화천연가스를 저장하는 내압성 탱크; 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 선박용 엔진으로 공급하는 제1 유로; 및 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박용 엔진으로 공급하는 제2 유로를 포함하되, 내압성 탱크의 설계 압력은 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되어, 내압성 탱크의 내부 압력이 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법{Fuel Supply System And Method For Ship Engine}

본 발명은 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스를 저장하는 내압성 탱크와, 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스 및 BOG를 각각 선박용 엔진으로 공급하는 제1 유로 및 제2 유로를 포함하되, 내압성 탱크의 설계 압력을 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계하여, 내압성 탱크의 내부 압력이 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 펌핑이나 압축 없이 선박용 엔진으로 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 공급되는 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.

근래, LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.

특히, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다. 액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

선박에 대한 국제기구와 각 국가의 규제 기준도 점차 까다로워지고 있어, 선박의 친환경 고효율의 연료에 대한 관심도 늘고 있는데, 그 중 하나로 LNG에서 자연 기화 또는 강제 기화된 기화가스를 디젤 연료와 함께 연료로 사용할 수 있는 이종연료 엔진인 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진이 개발되어 사용되고 있다.

공개특허 공보 제10-2008-0057421호 (공개일 2008년6월25일)

액화천연가스는 메탄 외에도 에탄, 프로판 등을 포함하며 생산지에 따라 조성이 달라지는데, 액화천연가스를 강제 기화시켜 엔진 등의 추진 시스템에 연료를 공급하기 위해서는 추진 장치가 요구하는 메탄가(methane number)와 온도 조건에 맞추어 공급해야만 한다.

메탄가를 조절하기 위해서는 액화천연가스를 강제 기화시킨 후, 온도를 낮추어 메탄보다 액화점이 높은 중탄화수소(heavy hydrocarbon)를 액화시켜 제거할 수 있다. 메탄가를 조절한 후 컴프레서로 압축하고, 추진 장치의 온도 조건에 맞추어 연료를 공급할 수 있다.

본 발명은 생산지에 따라 조성이 다른 액화천연가스의 메탄가를 조절하여 연료를 공급할 수 있는 개선된 시스템을 제공하고자 하며, 탱크에서 발생하는 BOG를 운항 중 연소시키거나 재액화 등의 처리를 하지 않고 보유하도록 탱크의 설계압력을 설정하여 탱크의 내부 압력만으로 압축기 없이 액화천연가스 또는 BOG를 엔진의 운전압력으로 공급할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,

액화천연가스를 저장하는 내압성 탱크;

상기 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 제1 유로; 및

상기 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박용 엔진으로 공급하는 제2 유로를 포함하되,

상기 내압성 탱크의 설계 압력은 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되어, 상기 내압성 탱크의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 상기 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나는 압축기에 의한 압축 없이 상기 내압성 탱크의 내부 압력에 의해 상기 선박용 엔진의 운전압력으로 상기 선박용 엔진에 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 유로에는 상기 선박용 엔진에 공급되는 상기 액화천연가스를 기화시키는 강제 기화기가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 강제 기화기에서 기화된 상기 액화천연가스가 공급되는 제1 유로 및 상기 BOG가 공급되는 제2 유로가 합류되어 상기 선박용 엔진으로 연결되는 제3 유로를 더 포함하되, 기화된 상기 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나에 포함된 HHC(Heavy Hydro Carbon)는 세퍼레이터를 통과하며 제거되어 상기 액화천연가스 또는 BOG의 메탄가(methane number)가 조절되어 상기 선박용 엔진으로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제3 유로에는 상기 세퍼레이터를 통과한 기화된 상기 액화천연가스 또는 BOG가 상기 선박용 엔진에서 필요로 하는 온도 조건에 맞추어 가열되는 가열기가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 유로에는 상기 제2 유로를 개폐하여 상기 내압성 탱크의 내부 압력을 낮추는 안전 밸브가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 내압성 탱크는 독립형 IMO C type 탱크이며, 상기 선박의 항해 기간 동안 상기 내압성 탱크에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유할 수 있도록 상기 내압성 탱크의 설계 압력이 설정될 수 있다.

바람직하게는 상기 선박용 엔진은 DF(Dual Fuel) 엔진일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,

내압 용기에 액화천연가스를 저장하고, 상기 내압 용기에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하거나, 상기 내압 용기에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박용 엔진으로 공급하되,

상기 내압 용기의 설계 압력은 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되어, 상기 내압 용기의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 압축 없이 상기 액화천연가스 또는 상기 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법이 제공된다.

본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법은, 생산지에 따라 조성이 다른 액화천연가스의 메탄가를 조절하여 연료를 공급할 수 있고, 내압성 탱크의 설계 압력을 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계하여, 액화천연가스로부터 발생하는 플래쉬 가스에 의해 내압성 탱크의 내부 압력이 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 펌핑 및 압축 없이 내부 압력에 의해 연료를 선박용 엔진으로 공급할 수 있어, 연료소비를 절감하고 펌프 및 압축기 등의 구성 및 운전비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 엔진의 이원 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이 제1 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템은, 액화천연가스가 저장되는 내압성 탱크(FT)와, 내압성 탱크(FT)에 저장된 액화천연가스를 펌핑하여 승압시키는 펌프(100)와, 펌프(100)로부터 액화천연가스를 공급받아 기화시켜 선박용 엔진(E)으로 공급하는 강제 기화기(200)를 포함하되, 액화천연가스의 조성에 따라 강제 기화기(200)에서의 액화천연가스의 가열 온도를 변화시켜 기화된 액화천연가스에 포함된 HHC 제거량을 제어할 수 있다.

본 실시예의 선박용 엔진(E)은 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator) 또는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine)와 같은 DF 엔진일 수 있다. DF 엔진은 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하여 연료로 사용하는 엔진으로써, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적어, 선박에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 기준들을 충족할 수 있다. DFDE 및 DFDG의 연료공급 시스템은 천연가스 연료가 공급되는 gas fuel system과 디젤 연료가 공급되는 oil fuel system의 두 가지 연료공급 시스템을 포함할 수 있고, 본 실시예는 그 중 gas fuel system 부분에 관한 것이다. oil fuel system은 DFDE에 관해 공지된 기술이 적용될 수 있다.

DFDG 또는 DFDE에는 이처럼 연료로서 천연가스가 공급되는데, 본 실시예에서는 천연가스보다 부피가 작아 운반 및 저장시 공간 효율성이 우수한 액화천연가스를 내압성 탱크(FT)에 저장하고, 이를 기화시켜 이들 엔진으로 공급하게 된다.

엔진으로의 연료 공급을 위해 강제 기화기(200)에서는 내압성 탱크(FT)로부터 공급받은 액화천연가스를 스팀과 열교환으로 가열하거나, 액화천연가스를 직접 스팀과 열교환시키지 않고 열 매체를 스팀으로 가열한 후 가열된 열 매체를 통해 액화천연가스를 간접 가열하여 기화시킬 수도 있다. 특히 DFDG의 경우 연료로 공급되는 액화천연가스의 양이 적으므로 스팀과 직접 액화천연가스를 열교환시킬 경우 필요 이상의 과다한 열에너지가 공급되어, 가열된 후 공정의 제어가 어려워질 수 있으므로, GW(Glycol water) 등의 열 매체를 이용하여 액화천연가스를 기화시키는 것이 바람직할 수 있다.

본 실시예는 강제 기화기(200)에서 기화된 액화천연가스에 포함된 액체 상태의 HHC(Heavy Hydro Carbon)를 제거하여 액화천연가스를 선박용 엔진(E)에서 요구하는 메탄가(methane number)로 조절하는 세퍼레이터(300)와, 세퍼레이터(300)를 통과한 액화천연가스가 선박용 엔진(E)에서 필요로 하는 온도 조건에 맞추어 추가로 가열되는 가열기(400)를 더 포함할 수 있다. 세퍼레이터(300)에서 분리된 HHC는 내압성 탱크(FT)로 복귀될 수 있다. 이를 위해 세퍼레이터(300)에서 내압성 탱크(FT)로 연결되는 복귀 유로(RL)가 마련될 수 있다.

천연가스에는 메탄 외에도 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등 복수의 탄화수소를 가진 탄화수소 성분들과 질소, 이산화탄소 등의 불활성 가스 성분들이 포함되어 있으며, 그 조성비는 생산지에 따라 다르다. 메탄가(methane number)란 천연가스 중 메탄의 조성비를 나타내는 것으로서, 엔진에서 요구하는 메탄가를 충족하지 못하는 연료가 공급될 경우, 엔진에서 녹킹(knocking) 현상이나 피스톤이 상사점 이전에서 폭발, 연소되는 등의 이상연소 현상이 발생할 수 있다. 이러한 이상연소 현상은 엔진 피스톤의 마모를 초래할 수 있고, 엔진 효율 저하, 장치 고장 등의 문제를 야기할 수 있다. 본 실시예는 이러한 이상연소 현상을 방지할 수 있도록 엔진으로 공급될 연료의 메탄가를 엔진이 필요로 하는 정도로 높일 수 있다. 본 실시예의 선박용 엔진(E)인 DF 엔진은 일반적으로 80 이상의 메탄가를 요구하는데, 생산지에 따라 액화천연가스의 메탄가는 70 내외의 범위를 나타내기도 한다.

강제 기화된 액화천연가스에 포함되는 에탄, 프로판, 부탄 등은 메탄보다 액화점이 높다. 따라서 세퍼레이터(300)에서는, 메탄은 기체 상태를 유지하면서 프로판, 부탄 등의 중탄화수소(HHC)는 액화될 수 있는 온도에서 액화된 중탄화수소를 제거함으로써 액화천연가스의 메탄가를 엔진에서 요구하는 수준으로 높이게 된다.

특히 액화천연가스에 포함된 여러 중탄화수소들은 각기 다른 액화점을 지니므로, 액화천연가스의 조성과 엔진이 요구하는 메탄가를 고려하여 강제 기화기(200)에서의 액화천연가스의 가열 온도를 제어함으로써 세퍼레이터(300)에서의 중탄화수소 제거량을 제어할 수 있다. 강제 기화기(200)에서 가열되는 액화천연가스의 기화 온도는 -80 내지 -120℃이며, 액화천연가스의 생산지에 따라 서로 다른 조성을 고려하여 상기 범위 내에서 기화 온도를 조절할 수 있다.

세퍼레이터(300)에서는 기화된 액화천연가스에 포함된 액적(mist) 상태의 중탄화수소 성분들을 세퍼레이터(300) 상부의 패킹 부분(미도시)에서 분리하여 제거할 수 있다. 분리된 중탄화수소 액적은 복귀 유로(RL)를 통해 내압성 탱크(FT)로 복귀된다.

기화된 액화천연가스는 70 내외의 메탄가에서 세퍼레이터(300)를 거치면서 80 이상, 바람직하게는 90 이상, 더욱 바람직하게는 95 이상으로 메탄가가 조절될 수 있다. 메탄가가 조절됨에 따라 세퍼레이터를 거치기 전보다 저위발열량(LHV, Lower Heating Value)이 높아진다.

예를 들어 General LNG(C1:89.6%, N2:0.6%)의 경우 분리하기 이전의 메탄가는 71.3이며, 그때의 LHV(lower heating value)는 48,872.8 kJ/kg(1 atm, saturated vapor기준)인데, 7 bara로 가압된 상태에서 -120도로 가열하여 기화시키고 세퍼레이터(300)를 통해 기/액을 분리하면, 메탄가는 95.5, LHV는 49,265.6 kJ/kg으로 변화한다.

기화된 액화천연가스는 세퍼레이터(300)를 거친 후 가열기(400)에서 추가로 가열되어 -30 내지 80 ℃, 바람직하게는 0 내지 60 ℃의 온도로 DF 엔진에 공급될 수 있다.

내압성 탱크(FT)의 설계 압력은 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높게 설계되어, 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높으면 펌프(100)에 의한 펌핑없이 내부 압력에 의해 액화천연가스가 선박용 엔진(E)으로 공급될 수 있다.

본 실시예의 내압성 탱크(FT)는 독립형 IMO C type 탱크이며, 선박의 항해 기간 동안 내압성 탱크(FT)에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스(flash gas)를 보유할 수 있도록 내압성 탱크(FT)의 설계 압력이 설정될 수 있다.

선박의 항해 기간 동안 액화천연가스로부터 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유할 수 있는 설계 압력으로 설정된 내압성 탱크(FT)에 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유함으로써, 내압상승으로 인한 탱크 균열을 막기 위해 BOG를 연소시키거나 배출하는 등의 연료 낭비를 막을 수 있다. 또한 내압성 탱크(FT)의 내부압력이 점차 높아져 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높은 압력에 이르게 되면, 액화천연가스는 펌프(100)에 의한 펌핑없이 바로 강제 기화기(200)로 공급할 수도 있고, 세퍼레이터(300)를 거친 후 가열하여 엔진에 공급할 수 있다. 이러한 경우 BOG 또는 플래쉬 가스에 의해 엔진의 운전압력보다 높은 압력에 이른 상태이므로, 본 실시예에서는 별도의 컴프레서 등을 시스템에 구성할 필요가 없게 되는데, 하기 실시예에서 구체적으로 기술된다.

도 2 및 3에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템이 개략적으로 도시된다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른, 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템은, 액화천연가스를 저장하는 내압성 탱크(FT)와, 내압성 탱크(FT)에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 상기 선박용 엔진(E)으로 공급하는 제1 유로(L1)와, 내압성 탱크(FT)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박용 엔진(E)으로 공급하는 제2 유로(L2)를 포함하되, 내압성 탱크(FT)의 설계 압력은 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높게 설계되어, 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높아지면 선박용 엔진(E)으로 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 공급된다.

액화천연가스 또는 BOG는 내압성 탱크(FT)의 내부 압력에 의해 압축기에 의한 압축 없이 선박용 엔진(E)의 운전압력으로 선박용 엔진(E)에 공급될 수 있으며, 제1 유로(L1)에는 선박용 엔진(E)에 공급되는 액화천연가스를 기화시키는 강제 기화기(200a)가 마련될 수 있다.

전술한 제1 실시예와 같이 본 실시예에서도 선박용 엔진(E)은 DF(Dual Fuel) 엔진일 수 있는데, DF 엔진의 운전압력은 licensor 및 size에 따라 가변적이지만, 대체로 2.5 내지 9 bara, 바람직하게는 5 내지 7 bara의 천연가스 공급을 요하므로, 이러한 운전압력보다 높은 압력까지 액화천연가스에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스(flash gas)를 내압성 용기가 수용할 수 있도록 설계한다. 그에 따라 내압성 탱크(FT)의 설계 압력은 2 bar이상, 바람직하게는 3 bar 내지 30 bar, 좀더 바람직하게는 7 내지 15 bar의 게이지압으로 설계하여 DFDE 또는 DFDG와 같은 DF 엔진이 필요로 하는 운전압력으로 연료를 공급할 수 있다.

BOG 또는 플래쉬 가스를 수용함으로써 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 높아지면, 펌프에 의한 펌핑 없이 내압성 탱크(FT)에서 액화천연가스를 강제 기화기(200a)까지 공급하고, 기화된 액화천연가스는 압축기에 의한 압축 없이도 DF 엔진의 운전압력을 충족하도록 시스템을 구성한다.

제1 내지 제3 실시예의 시스템들에는 액화천연가스를 연료로 사용하는 고압가스 추진 엔진의 연료공급 시스템(미도시)이 추가로 구성될 수 있다. 즉, ME-GI 엔진과 같은 고압가스 추진 엔진을 선박의 주 추진 엔진으로 구성하고, 이러한 추진 엔진용 연료공급 시스템에 본 실시예의 연료공급 시스템을 추가할 수 있다. ME-GI 엔진과 같은 고압가스 추진 엔진의 연료공급 시스템에서는 150 내지 400 bar의 압력까지 액화천연가스의 압력을 높이기 위한 고압 펌프와 압축된 액화천연가스를 기화시키는 기화기가 구성된다. 이때 고압 펌프의 운전시 발생하는 vapor와 액화천연가스 중 일부가 내압성 탱크(FT)로 복귀되기도 하며 고압가스 추진 엔진의 trip시에는 공급되던 고압 LNG 전량이 탱크로 복귀되기도 하므로, 내압성 탱크(FT)에는 플래쉬 가스 외에도 여러 가지 내압 상승의 요인이 있게 된다. 또한 후술하는 세퍼레이터(300a)에서 분리된 액적도 제3 유로(L3)를 통해 내압성 탱크(FT)로 복귀되어 내부 압력을 높이는 요인이 될 수 있다. 이와 같은 요인들에 의해 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 DF 엔진의 운전압력까지 높아지면, 펌프나 압축기를 구성하지 않고도 DF 엔진에 연료를 공급할 수 있다.

강제 기화기(200a)에서 기화된 액화천연가스가 공급되는 제1 유로(L1) 및 BOG가 공급되는 제2 유로(L2)는 합류되어 제3 유로(L3)를 이루며 선박용 엔진(E)으로 연결되고, 제1 유로(L1) 또는 제3 유로(L3)에는 기화된 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나에 포함된 HHC(Heavy Hydro Carbon)을 제거하여 액화천연가스를 선박용 엔진(E)에서 요구하는 메탄가(methane number)로 조절하는 세퍼레이터(300a)가 마련될 수 있다.

세퍼레이터는 도 2에서와 같이 제1 유로(L1)에 마련될 수도 있고(300a), 도 2에서와 같이 제1 및 제2 유로가 합류되는 제3 유로(L3)에 마련될 수도 있다(300a'). 세퍼레이터를 도 2에서와 같이 제1 유로(L1)에 마련할 수 있는 것은, BOG는 주로 메탄으로 이루어지므로 메탄가를 조절하지 않고도 선박용 엔진(E)에 공급할 수 있기 때문이다.

세퍼레이터(300a)에서 분리된 HHC의 액적은 복귀 유로(RL)를 통해 내압성 탱크(FT)로 복귀되는데, 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 높아 분리된 액적의 압력만으로 복귀시킬 수 없는 경우에는 액적을 모아두었다가 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 낮아지면 복귀되도록 한다.

제3 유로(L3)에는 세퍼레이터(300a)를 통과한 기화된 액화천연가스 또는 BOG가 선박용 엔진(E)에서 필요로 하는 온도 조건에 맞추어 가열되는 가열기(400a)가 더 마련될 수 있고, 제2 유로(L2)에는 제2 유로(L2)를 개폐하여 내압성 탱크(FT)의 내부 압력을 낮추는 안전 밸브(500a)가 마련될 수 있다.

본 실시예에서 내압성 탱크(FT)는 독립형 IMO C type 탱크이며, 선박의 항해 기간 동안 내압성 탱크(FT)에서 발생하는 플래쉬 가스를 보유할 수 있도록 내압성 탱크(FT)의 설계 압력이 설정될 수 있다.

제1 실시예에 기재된 내용과 중복되는 설명은 생략한다.

도 4 및 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 이원 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이 제2 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 이원 연료공급 시스템은, 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템에 있어서, 액화천연가스를 저장하는 내압성 탱크(FT)와, 내압성 탱크(FT)에 저장된 액화천연가스를 펌핑하거나 펌핑하지 않고 기화시켜 선박용 엔진(E)으로 공급하는 제1 유로(L1)와, 내압성 탱크(FT)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박용 엔진(E)으로 공급하는 제2 유로(L2)를 포함하되, 내압성 탱크(FT)의 설계 압력은 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높게 설계되어, 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높으면 펌핑없이 내부 압력에 의해 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 선박용 엔진(E)으로 공급될 수 있다.

제1 유로(L1)에는 선박용 엔진(E)에 공급되는 액화천연가스를 기화시키는 강제 기화기(200b. 200c)가 마련되고, 본 실시예는 액화천연가스를 펌핑하여 제1 유로(L1)로 공급하는 연료 펌프(100b, 100c)를 더 포함할 수 있다.

연료 펌프(100)는 내압성 탱크(FT)의 내부에 마련되는 액(液)중 펌프일 수 있으며, 내압성 탱크(FT)의 외부에 마련될 수도 있다.

본 실시예의 선박용 엔진(E) 역시 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator) 또는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine)와 같은 DF 엔진일 수 있다. DFDG 및 DFDE는 제1 실시예에 기술된 내용으로 대체한다.

내압성 탱크(FT)에 저장된 액화천연가스는, 탱크의 내부 압력이 낮은 경우 연료 펌프(100b, 100c)에 의한 펌핑으로 승압시켜 강제 기화기(200b. 200c)로 도입되고, 탱크의 내부 압력이 엔진의 운전압력보다 높은 경우에는 연료 펌프(100b, 100c)를 이용하지 않고 탱크 자체의 내압만으로 강제 기화기(200)로 공급될 수 있다. 연료 펌프(100b, 100c)에 의한 펌핑으로 승압되거나 내압성 탱크의 내부 압력에 의해 승압된 액화천연가스는 추가적인 압축과정 없이 선박용 엔진(E)의 운전압력을 충족하여 엔진에 공급될 수 있다.

제1 유로(L1)에 마련되는 강제 기화기(200b, 200c)에서는 내압성 탱크(FT)로부터 공급받은 액화천연가스를 스팀과 열교환으로 가열하거나, 액화천연가스를 직접 스팀과 열교환시키지 않고 열 매체를 스팀으로 가열한 후 가열된 열 매체를 통해 액화천연가스를 간접 가열하여 기화시킬 수도 있다.

강제 기화기(200b, 200c)에서 기화된 액화천연가스가 공급되는 제1 유로(L1) 및 상기 BOG가 공급되는 제2 유로(L2)가 합류되어 선박용 엔진(E)으로 연결되며(L3), 기화된 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나에 포함된 HHC(Heavy Hydro Carbon)는 세퍼레이터(300b, 300c)를 통과하며 제거되어 액화천연가스 또는 BOG의 메탄가(methane number)가 조절되어 선박용 엔진(E)으로 공급될 수 있다.

BOG는 강제 기화기(200b, 200c)를 거칠 필요가 없으므로, 탱크 자체의 내압이 엔진의 운전압력보다 크면 제2 유로(L2)를 통해 강제 기화기(200b, 200c)를 거치지 않고 세퍼레이터로 도입될 수 있다.

다만 전술한 실시예와 마찬가지로 본 실시예에서도, 도 5와 같이 제1 및 제2 유로의 합류 지점에 세퍼레이터(300c)를 마련하여 BOG를 세퍼레이터(300c)로 도입시킬 수도 있으나, 내압성 탱크(FT)에서 발생하는 BOG는 대부분 메탄으로 이루어지므로 메탄가를 조절할 필요성이 크지 않으므로 도 4에서와 같이 세퍼레이터(300b)는 액화천연가스를 기화시켜 공급하는 제1 유로(L1)에 마련하고, 세퍼레이터(300b)의 후단으로 제2 유로(L2)가 합류되도록 구성할 수도 있다.

제1 실시예에 기술한 바와 같이, 천연가스에는 메탄 외에도 에탄, 프로판, 부탄 등 복수의 탄화수소를 가진 탄화수소 성분들과 질소, 이산화탄소 등의 불활성 가스 성분들이 포함되어 있으며, 그 조성비는 생산지에 따라 다르다. 엔진에서 요구하는 메탄가를 충족하지 못하는 연료가 공급될 경우 발생할 수 있는, 엔진에서의 녹킹(knocking) 현상이나 피스톤이 상사점 이전에서 폭발, 연소되는 등의 이상연소 현상을 방지할 수 있도록 본 실시예를 통해 엔진으로 공급될 연료의 메탄가를 높일 수 있다.

강제 기화된 액화천연가스에 포함되는 에탄, 프로판, 부탄 등은 메탄보다 액화점이 높으므로, 세퍼레이터(300b, 300c)에서는, 메탄은 기체 상태를 유지하면서 프로판, 부탄 등의 중탄화수소(HHC)는 액화되는 온도로 액화된 중탄화수소를 제거함으로써 액화천연가스의 메탄가를 엔진에서 요구하는 수준으로 높이게 된다.

한편 세퍼레이터(300b, 300c)에서 분리된 액체 상태의 중탄화수소 성분은 복귀 유로(RL)를 통해 내압성 탱크(FT)로 재저장할 수 있다.

상기 제1 및 제2 유로가 합류된 유로(L3)에는 세퍼레이터(300b, 300c)를 통과한 기화된 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 선박용 엔진(E)에서 필요로 하는 온도 조건에 맞추어 가열되는 가열기(400)가 더 마련될 수 있다.

내압성 탱크(FT)는 독립형 IMO C type 탱크이며, 선박의 항해 기간 동안 내압성 탱크(FT)에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유할 수 있도록 내압성 탱크(FT)의 설계 압력이 설정될 수 있다.

선박의 항해 기간 동안 액화천연가스로부터 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유할 수 있는 설계 압력으로 설정된 내압성 탱크(FT)에 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유함으로써, 내압성 탱크(FT)의 내부압력이 점차 높아져 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높은 압력에 이르게 되면, 액화천연가스는 연료 펌프(100b, 100c)에 의한 펌핑없이 바로 강제 기화기(200b, 100c)로 공급할 수 있고, 세퍼레이터(300b, 300c)를 거친 후 가열하여 엔진에 공급할 수 있다. 내압성 탱크(FT)의 내부압력이 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 낮은 때에는 연료 펌프에 의한 펌핑으로 선박용 엔진(E)의 운전압력까지 승압되어 강제 기화기(200b, 200c) 및 세퍼레이터(300b, 300c)를 거쳐 추가 압축 없이 엔진에 공급된다.

전술한 제1 실시예와 같이 본 실시예에서도 선박용 엔진(E)은 DF(Dual Fuel) 엔진일 수 있는데, DFDG 또는 DFDE와 같은 DF 엔진의 운전압력은 licensor 및 size에 따라 가변적이지만, 대체로 2.5 내지 9 bara, 바람직하게는 5 내지 7 bara의 천연가스 공급을 요하므로, 이러한 운전압력보다 높은 압력까지 액화천연가스에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스를 내압성 용기는 수용할 수 있도록 설계한다. 그에 따라 내압성 탱크(FT)의 설계 압력은 2 bar이상, 바람직하게는 3 bar 내지 30 bar, 좀더 바람직하게는 7 내지 15 bar의 게이지압으로 설계하여 DFDE 또는 DFDG와 같은 DF 엔진이 필요로 하는 운전압력으로 연료를 공급할 수 있다.

이처럼 BOG 또는 플래쉬 가스에 의해 엔진의 운전압력보다 높은 압력에 이른 상태로 내압성 탱크(FT)로부터 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 공급되므로, 본 실시예에서는 별도의 컴프레서 등을 시스템에 구성할 필요가 없게 된다.

내압 용기에 액화천연가스를 저장하고, 내압 용기에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 선박용 엔진으로 공급하거나, 내압 용기에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박용 엔진으로 공급하되,

내압 용기의 설계 압력은 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되어, 내압 용기의 내부 압력이 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 압축 없이 액화천연가스 또는 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법이 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예들의 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템은 내압성 탱크(FT)로부터 제1 유로(L1) 및 제2 유로(L2)를 통해 액화천연가스를 펌핑하거나 펌핑하지 않고 기화시켜 세퍼레이터(300)로 메탄가를 높여 선박용 엔진(E)으로 공급한다. 이때 내압성 탱크(FT)의 설계 압력을 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높게 설계하여, 액화천연가스로부터 발생하는 플래쉬 가스를 배출시키거나 연소시키는 처리를 하지않고 내압성 탱크(FT)에 보유함으로써, 내압성 탱크(FT)의 내부 압력이 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높아지면 펌핑이나 압축하지 않고 내부 압력에 의해 액화천연가스 또는 BOG가 선박용 엔진(E)으로 공급될 수 있도록 한다.

본 실시예를 통해 생산지에 따라 조성이 다른 액화천연가스의 메탄가를 조절하여 연료를 공급할 수 있고, 내압성 탱크(FT)의 내부 압력만으로 펌프 및 압축기 없이 연료를 선박용 엔진(E)의 운전압력으로 공급할 수 있어, BOG 배출 또는 연소로 인한 연료낭비를 방지하고 펌프 및 압축기의 구성 및 운전비용을 절감할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

FT: 내압성 탱크
E: 선박용 엔진
L1: 제1 유로
L2: 제2 유로
L3: 제1 유로 및 제2 유로의 합류부분, 제3 유로
RL: 복귀 유로
100, 100b, 100c: 연료 펌프
200, 200a, 200a', 200b, 200c: 강제 기화기
300, 300a, 300a', 300b, 300c: 세퍼레이터
400, 400a, 400a', 400b, 400c: 가열기
500a, 500a': 안전 밸브

Claims

선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,
액화천연가스를 저장하는 내압성 탱크;
상기 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 제1 유로; 및
상기 내압성 탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박용 엔진으로 공급하는 제2 유로를 포함하되,
상기 내압성 탱크의 설계 압력은 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되어, 상기 내압성 탱크의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 상기 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나가 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나는 압축기에 의한 압축 없이 상기 내압성 탱크의 내부 압력에 의해 상기 선박용 엔진의 운전압력으로 상기 선박용 엔진에 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 유로에는 상기 선박용 엔진에 공급되는 상기 액화천연가스를 기화시키는 강제 기화기가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 강제 기화기에서 기화된 상기 액화천연가스가 공급되는 제1 유로 및 상기 BOG가 공급되는 제2 유로가 합류되어 상기 선박용 엔진으로 연결되는 제3 유로를 더 포함하되,
기화된 상기 액화천연가스 및 BOG 중 적어도 하나에 포함된 HHC(Heavy Hydro Carbon)는 세퍼레이터를 통과하며 제거되어 상기 액화천연가스 또는 BOG의 메탄가(methane number)가 조절되어 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 제3 유로에는 상기 세퍼레이터를 통과한 기화된 상기 액화천연가스 또는 BOG가 상기 선박용 엔진에서 필요로 하는 온도 조건에 맞추어 가열되는 가열기가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제2 유로에는 상기 제2 유로를 개폐하여 상기 내압성 탱크의 내부 압력을 낮추는 안전 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 내압성 탱크는 독립형 IMO C type 탱크이며, 상기 선박의 항해 기간 동안 상기 내압성 탱크에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스를 보유할 수 있도록 상기 내압성 탱크의 설계 압력이 설정되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 선박용 엔진은 DF(Dual Fuel) 엔진인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,
내압 용기에 액화천연가스를 저장하고, 상기 내압 용기에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하거나, 상기 내압 용기에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박용 엔진으로 공급하되,
상기 내압 용기의 설계 압력은 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되어, 상기 내압 용기의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높아지면 압축 없이 상기 액화천연가스 또는 상기 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.