KR20140138017A - 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

액화천연가스를 저장하고 있는 저장탱크와, 상기 액화천연가스를 연료로서 사용하는 엔진을 갖춘 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템이 개시된다.
상기 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크에서 발생된 증발가스를 압축기에 의해 압축하여 상기 엔진에 연료로서 공급하는 압축기 라인과; 상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 펌프에 의해 압축하여 상기 엔진에 연료로서 공급하는 고압펌프 라인과; 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 재액화시켜 상기 저장탱크에 복귀시키는 재액화 장치와; 상기 펌프에 의해 압축된 후 상기 제2 라인을 따라 유동하는 액화천연가스로부터 냉열을 회수하기 위한 냉열 회수수단을 포함한다.

Description

선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템 및 방법 {HYBRID FUEL SUPPLY SYSTEM AND METHOD FOR A SHIP ENGINE}

본 발명은 선박 엔진에 대한 연료 공급 시스템 및 방법으로서, 펌프에 의해 액체 상태의 연료를 가압하여 엔진에 공급하는 연료 공급 시스템과 압축기에 의해 기체 상태의 연료를 가압하여 엔진에 공급하는 연료 공급 시스템을 함께 포함하는 하이브리드 연료 공급 시스템 및 이를 이용하여 연료를 공급하는 하이브리드 연료 공급 방법에 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.

LNG 운반선 등의 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.

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.

또한, 증발가스는 LNG의 손실이므로 LNG의 수송효율에 있어서 증발가스의 억제 혹은 재액화는 중요한 문제이다.

종래, 액화가스 운반선의 저장탱크 내에서의 증발가스를 억제 및 처리하기 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 선박의 경우, 저장탱크의 적정 압력 유지를 위해 저장탱크 내부의 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시키게 된다. 이때, 배출된 증발가스는 냉동 사이클을 포함하는 재액화 장치에서 초저온으로 냉각된 냉매, 예를 들어 질소, 혼합냉매 등과의 열교환을 통해 재액화된 후 저장탱크로 복귀된다.

종래 DFDE 추진시스템을 탑재한 LNG 운반선의 경우, 재액화 설비를 설치하지 않고 증발가스 압축기와 가열만을 통해 증발가스를 처리한 후 DFDE에 연료로서 공급하여 증발가스를 소비하였기 때문에 엔진의 연료 필요량이 증발가스의 발생량보다 적을 때는 증발가스를 가스연소기(GCU; Gas Combustion Unit)에서 연소시켜 버리거나 대기중으로 버릴(venting) 수밖에 없는 문제가 있었다.

그리고 종래 재액화 설비와 저속 디젤 엔진을 탑재한 LNG 운반선은 재액화 설비를 통해 BOG를 처리할 수 있음에도 불구하고 질소가스를 이용한 재액화 장치 운전의 복잡성으로 인해 전체 시스템의 제어가 복잡하고 상당한 양의 동력이 소모되는 문제가 있었다.

선박의 추진장치로서 DFDE 추진시스템에 포함되는 DF 엔진이나 고압가스를 분사시켜 동력을 얻는 고압가스 분사엔진 등이 개발되고 있으며, 추진장치에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 시스템도 추진장치와 함께 개발되고 있다.

LNG 운반선 등에서 고압가스 분사엔진으로 추진시스템을 구성하고, LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 연료로서 사용하기 위해서는, 엔진에서 요구하는 압력까지 증발가스를 고압으로 가압할 수 있는 고압 압축기가 필요하게 된다.

그런데, 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력까지 증발가스를 압축할 수 있는 고압 압축기는 매우 고가의 장비이며, 부피가 크고 진동이 심하게 발생할 뿐만 아니라, 기체를 고압으로 압축시키기 위해 많은 에너지를 소모하는 문제가 있다. 특히, 해상에서 고장 발생시 즉각적인 수리나 교체가 불가능한 선박의 경우, 중요한 장비들, 특히 펌프나 압축기 등의 고장에 대비하여 이들 장비에 대한 이원화(redundancy)가 요구되고 있다. 이원화 조건을 만족시키기 위해서는 2 세트의 압축기를 설치하여야 하는데, 특히 부피가 크고 고가인 고압 압축기의 이원화를 위해 평소에 사용하지도 않는 여분의 고압 압축기를 설치하는 것은 비효율적이다.

또, LNG 운반선에 화물로서의 LNG를 가득 채우고 LNG 수요처로 이동하는 레이든(laden) 상태에서는 증발가스의 발생량이 상대적으로 많아 고압가스 분사엔진에서 필요로 하는 연료로서의 증발가스를 충분히 확보할 수 있지만, LNG를 하역하고 저장탱크가 빈 상태로 LNG 생산지로 되돌아가는 밸러스트(ballast) 상태에서는 증발가스의 발생량이 상대적으로 적어 LNG를 강제기화시켜 강제적으로 증발가스를 발생시켜야 하는 문제가 있다.

한편, LNG 운반선 등에서 고압가스 분사엔진으로 추진시스템을 구성하고, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 연료로서 사용하기 위해서는, 엔진에서 요구하는 압력까지 증발가스를 고압으로 가압할 수 있는 고압 펌프가 필요하게 된다. 고압 펌프는 고압 압축기에 비해 가격이 저렴하고 부피가 작으며, 액체를 압축시키기 때문에 기체를 압축시키는 것에 비해 에너지를 적게 소모한다. 또, 밸러스트 상태에서도 극저온 유지를 위해 저장탱크에 약간의 LNG를 남겨두기 때문에 안정적인 연료 공급이 가능하다.

하지만, 증발가스를 연료로서 활용하지 못하므로, 계속해서 발생하는 증발가스를 처리하기 위해 별도의 재액화 시스템을 설치해야 할 필요가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, LNG로부터 발생하는 증발가스를 충분히 활용할 수 있는 동시에 증발가스의 양이 적은 경우에도 안정적인 연료 공급이 가능하도록, 고압가스 분사엔진에 대하여 LNG 저장탱크 내에 수용된 LNG와 증발가스를 연료로서 공급할 수 있는 하이브리드 연료 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템으로서, 액화천연가스를 저장하는 저장탱크와; 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 연료로서 사용하는 고압가스 분사엔진과; 상기 저장탱크에서 액화천연가스로부터 발생되는 증발가스를 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제1 라인과; 상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제2 라인과; 상기 제1 라인에 설치되어 증발가스를 압축하는 압축기와; 상기 제2 라인에 설치되어 액화천연가스를 압축하는 펌프와; 상기 제1 라인으로부터 분기하여 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 재액화 장치에 공급하는 제3 라인과; 상기 펌프에 의해 압축된 후 상기 제2 라인을 따라 유동하는 액화천연가스로부터 냉열을 회수하기 위한 냉열 회수수단; 을 포함하며, 상기 재액화 장치는 냉매 사이클을 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템이 제공된다.

상기 냉열 회수수단은, 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스와 상기 재액화 장치의 냉매 사이클 내에서 순환하는 냉매와의 열교환을 위해 설치되는 제1 열교환기를 포함할 수 있다.

상기 제1 열교환기는, 상기 제2 라인의 상기 펌프 하류측에서 분기하여 상기 재액화 장치를 거쳐 상기 제2 라인으로 복귀하는 제1 냉열 회수라인에 설치될 수 있다.

상기 제1 냉열 회수라인은, 상기 제2 라인으로 복귀할 때, 상기 제2 라인에 설치되어 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 온도까지 가열하는 히터의 상류측 혹은 하류측에서 상기 제2 라인에 연결될 수 있다.

상기 냉열 회수수단은, 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스와 상기 압축기에서 압축된 후 상기 재액화 장치로 유동하는 증발가스와의 열교환을 위해 설치되는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.

상기 제2 열교환기는 상기 제3 라인에 설치되며, 상기 제2 열교환기에 액화천연가스를 공급하는 제2 냉열 회수라인은 상기 제2 라인의 상기 펌프 하류측에서 분기하여 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제2 라인으로 복귀하도록 설치될 수 있다.

상기 제2 냉열 회수라인은, 상기 제2 라인으로 복귀할 때, 상기 제2 라인에 설치되어 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 온도까지 가열하는 히터의 상류측 혹은 하류측에서 상기 제2 라인에 연결될 수 있다.

상기 압축기는 복수의 압축 실린더를 포함하는 다단 압축기일 수 있다.

상기 제3 라인은 상기 복수의 압축 실린더 중 일부 또는 전부를 통해 압축된 증발가스를 상기 재액화 장치에 공급할 수 있도록 상기 제1 라인으로부터 분기할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진과; 상기 제1 라인으로부터 분기하여 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 DF 엔진에 공급하는 제4 라인; 을 더 포함할 수 있다.

상기 제4 라인은 상기 복수의 압축 실린더 중 일부 또는 전부를 통해 압축된 증발가스를 상기 DF 엔진에 공급할 수 있도록 상기 제1 라인으로부터 분기할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진과; 상기 제2 라인으로부터 분기하여 상기 펌프에서 압축된 액화천연가스를 상기 DF 엔진에 공급하는 제5 라인; 을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 강제로 기화시켜 상기 압축기에 공급하는 강제기화기를 더 포함할 수 있다.

상기 재액화 장치의 냉매 사이클에서 순환하는 냉매는 질소를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크 내에서 상기 제2 라인에 설치되어, 상기 저장탱크 내의 액화천연가스를 압축하여 상기 저장탱크의 외부로 배출시키는 배출 펌프를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템으로서, 상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 재액화시키는 재액화 장치와; 상기 증발가스를 압축하여 상기 고압가스 분사엔진 또는 상기 재액화 장치에 공급하는 압축기와; 상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 압축하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 펌프와; 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스로부터 냉열을 회수하기 위한 냉열 회수수단; 을 포함하며, 상기 재액화 장치는 냉매 사이클을 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법으로서, 저장탱크에서 액화천연가스로부터 발생되는 증발가스를 압축하여 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제1 단계와; 상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 압축하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제2 단계와; 상기 증발가스를 냉매 사이클이 포함된 재액화 장치에 공급하여 재액화하는 제3 단계; 압축된 후 상기 고압가스 분사엔진에 공급되기 전의 액화천연가스로부터 냉열을 회수하는 냉열 회수단계; 를 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bara로 압축된 연료를 공급받고, 상기 제1 내지 제3 단계는 어느 하나의 단계가 선택적으로 수행되거나 둘 이상의 단계가 동시에 수행되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법이 제공된다.

상기 냉열 회수단계에서 상기 액화천연가스의 냉열은, 상기 냉매 사이클의 냉매를 냉각시키기 위해 사용되거나, 압축된 후 상기 냉매 사이클에 공급되는 증발가스를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다.

증발가스의 발생량이 밸러스트 상태에 비해 많은 레이든 상태에서는 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위해 상기 제1 단계가 수행될 수 있다.

증발가스의 발생량이 레이든 상태에 비해 적은 밸러스트 상태에서는 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위해 상기 제2 단계가 수행될 수 있다.

본 발명의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템 및 방법에서는, 고압가스 분사엔진이 마련된 선박에서, 제1 라인 및 제2 라인을 구비하여, 사용되지 않는 여분의 장비 없이 연료 공급이 이원화될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 증발가스와 액화천연가스를 선택적으로 고압가스 분사엔진에 연료로 공급할 수 있으므로, 선박의 밸러스트 조건에서 증발가스 발생량이 부족하여 고압가스 분사엔진에 대한 연료 공급을 위해 강제로 증발가스를 발생시켜야 하는 문제를 해결할 수 있고, 레이든 조건에서 발생하는 다량의 증발가스를 재액화시키는 비용도 절감할 수 있다.

또한 선박의 LNG 저장탱크에서 발생하는 다량의 증발가스를 압축하여 고압가스 분사엔진의 연료로 공급함으로써, 낭비되는 증발가스의 양을 줄여 효과적으로 증발가스를 활용할 수 있으며, 증발가스의 발생량이 적은 때에는 액화천연가스를 고압가스 분사엔진을 공급하도록 시스템을 구성함으로써 안정적으로 연료를 공급할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, LNG 운반선의 화물(즉, LNG) 운반시 발생되는 모든 증발가스를, 엔진의 연료로서 사용하거나 재액화시켜 다시 저장탱크로 복귀시켜 저장할 수 있기 때문에, GCU 등에서 소모하여 버려지는 증발가스의 양을 감소시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예의 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 6은 본 발명의 바람직한 제4 실시예의 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 7은 본 발명의 바람직한 제5 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 8은 본 발명의 바람직한 제5 실시예의 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 9는 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도,
도 10은 본 발명의 바람직한 제6 실시예의 제1 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도, 그리고
도 11은 본 발명의 바람직한 제6 실시예의 제2 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 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 선박을 위한 고압 천연가스 분사 엔진, 예를 들어 MEGI 엔진이 개발되어 사용되고 있다. ME-GI 엔진은, 동급출력의 디젤엔진에 비해 오염물질 배출량을 이산화탄소는 23%, 질소화합물은 80%, 황화합물은 95% 이상 줄일 수 있는 친환경적인 차세대 엔진으로서 각광받고 있다.

이와 같은 MEGI 엔진은 LNG를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 선박에 설치될 수 있으며, 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 그 부하에 따라 엔진에 대하여 대략 150 ~ 400 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.

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

또한, 질소산화물 배출량을 저감하기 위해, 디젤유와 천연가스를 혼합하여 연료로서 사용하는 DF 엔진(예컨대 DFDG; Dual Fuel Diesel Generator)이 개발되어, 추진이나 발전용으로 사용되고 있다. DF 엔진은 오일과 천연가스를 혼합연소하거나 오일과 천연가스 중 선택된 하나만을 연료로 사용할 수 있는 엔진으로서, 오일만을 연료로 사용하는 경우보다 연료에 포함된 황화합물이 적어 배기가스 중 황산화물의 함량이 적다.

DF 엔진은 MEGI 엔진과 같은 고압으로 연료가스를 공급할 필요가 없으며, 대략 수 내지 수십 bara 정도로 연료가스를 압축하여 공급하면 된다. DF 엔진은 엔진의 구동력에 의해 발전기를 구동시켜 전력을 얻고, 이 전력을 이용하여 추진용 모터를 구동시키거나 각종 장치나 설비를 운전한다.

천연가스를 연료로서 공급할 때 MEGI 엔진의 경우에는 메탄가를 맞출 필요가 없지만, DF 엔진의 경우에는 메탄가를 맞출 필요가 있다.

LNG가 가열되면 액화온도가 상대적으로 낮은 메탄 성분이 우선적으로 기화되기 때문에, 증발가스의 경우에는 메탄 함유량이 높아 그대로 DF 엔진에 연료로서 공급될 수 있다. 하지만, LNG의 경우에는, 메탄 함유량이 상대적으로 낮아 DF 엔진에서 요구하는 메탄가보다 낮고, 산지에 따라 LNG를 구성하는 탄화수소 성분(메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등)들의 비율이 다르기 때문에, 그대로 기화시켜 DF 엔진에 연료로서 공급하기에 적절하지 않다.

메탄가를 조절하기 위해서는 액화천연가스를 강제 기화시킨 후, 온도를 낮추어 메탄보다 액화점이 높은 중탄화수소(HHC; heavy hydrocarbon) 성분을 액화시켜 제거할 수 있다. 메탄가를 조절한 후 엔진에서 요구하는 온도 조건에 맞추어 메탄가가 조절된 천연가스를 추가로 가열할 수도 있다.

이와 같이 천연가스를 연료로 사용하는 선박엔진이 개발되어 선박에 장착됨에 따라, 연료로서의 액화천연가스를 저장하기 위한 저장탱크를 선박 내에 설치할 필요가 있다.

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 FRU (Floating and Regasification Unit), LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading), FSPP (Floating Storage Power Plant), BMPP (Barge Mounted Power Plant)와 같은 구조물 등을 들 수 있다.

LNG RV는 자력 항해 및 부유가 가능한 액화천연가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 구조물이고, LNG FRU는 저장기능이 생략된 채 별도의 저장탱크와 협력하여 사용되면서 해상에서 액화천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 구조물이고, LNG FPSO는 채굴된 천연가스를 해상에서 정제한 후 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 구조물이다. 그리고 FSPP는 해상에 부유된 선체에 LNG 저장탱크와 발전설비를 탑재하여 해상에서 전기를 생산하기 위해 사용되는 구조물이고, BMPP는 바지선에 발전설비를 탑재하여 해상에서 전기를 생산하기 위해 사용되는 구조물이다.

본 명세서에서 선박이란, LNG 운반선과 같은 액화가스 운반선, LNG RV 등을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU, LNG FRU, FSPP, BMPP 등의 구조물까지도 모두 포함하는 개념이다.

한편, 효율은 높지만 요구압력이 높아 시스템 구성이 어렵고 설치비 및 공간이 많이 소요되는 MEGI 엔진의 단점을 극복하고자, 환경오염 배출기준을 만족시키면서도 저압으로 연료를 공급(즉, 고압의 펌프나 압축기, 극저온용 펌프 등 배제 가능)할 수 있고 LNG와 HFO(Heavy Fuel Oil)을 필요에 따라 선택적 혹은 복합적으로 연료로서 사용(즉, 이중연료 적용 가능)할 수 있는 2행정 저속 해양 엔진이 개발되었다.

이 엔진은, 전술한 MEGI 엔진에 비해 저압으로 가스를 압축시켜 연료로서 공급할 수 있는 저압 엔진이다. 본 명세서에서 "고압"이란 MEGI 엔진(저속 2행정 고압가스 분사 엔진)에서 요구하는 연료공급압력, 예컨대 150 ~ 400 bara(절대압력) 정도의 압력을 의미하는 것이고, "저압"이란 저속 2행정 저압 엔진에서 요구하는 연료공급압력, 예컨대 5 ~ 40 bara 정도의 압력을 의미하는 것으로 간주되어야 한다.

이 엔진, 즉 저속 2행정 저압 엔진은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 액화가스 처리 시스템을 통하여 액화가스를 연료로서 공급받아 사용하는 엔진으로서 사용될 수 있다.

이 저속 2행정 저압 엔진은 엔진 내에 연료를 고압으로 가압하는 가압수단이 설치된 것일 수 있다. 그에 따라 고압펌프에 의해 연료를 고압으로 압축시켜 공급받을 필요가 없으므로, 연료 공급라인에 고압펌프를 설치할 필요가 없다. 가압수단은, 대략 5 ~ 40 bara 정도로 연료를 공급받아 대략 150 ~ 400 bara 정도로 가압하여 실린더 내에 분사시키도록 할 수 있다.

또한, 이 가압수단에 의해 고압으로 가압된 연료를 가열하는 가열수단이 엔진 내에 설치될 수 있다. 이 경우, 고압펌프에 의해 연료를 고압으로 압축시켜 공급받을 필요가 없을 뿐만 아니라, 고압기화기에 의해 연료를 가열하여 공급받을 필요도 없으므로, 연료 공급라인에 고압펌프와 고압기화기를 설치할 필요가 없다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 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.

본 발명의 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 추진용 메인 엔진(즉, LNG를 단독으로 혹은 복합적으로 연료로서 사용하는 추진수단)으로서 예컨대 저속 2행정 고압가스 분사 엔진(MEGI 엔진)이나 저속 2행정 저압 엔진을 장착하여 사용하는 선박에 적용될 수 있다.

(제1 실시예)

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템(100)은, 저장탱크(1)(본 명세서에서 저장탱크란, 연료로서의 LNG를 저장하고 있는 탱크만을 의미하는 것은 아니고, 내부에 저장되어 있는 LNG를 엔진에 공급하는 경우에는 화물로서의 LNG를 저장하고 있는 탱크까지도 포함하는 것이다.)로부터 LNG를 추진 시스템으로서의 메인 엔진(main engine; 3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하는 연료 공급라인(110)과, 저장탱크(1)로부터 발생되는 BOG(Boil Off Gas)를 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하는 BOG 라인(140)을 포함한다. 또한, 본 실시예에 따른 BOG를 이용한 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템(100)은, 연료 공급라인(110)을 통해서 LNG를 LNG 펌프(LNG pump; 120) 및 LNG 기화기(LNG vaporizer; 130)에 의해 연료로서 메인 엔진(3)에 공급하고, BOG 라인(140)을 통해서 BOG를 BOG 압축기(BOG compressor; 150)에 의해 압축시켜서 연료로서 메인 엔진(3)에 공급하며, BOG 압축기(150)로부터 잉여의 BOG를 통합형 IGG/GCU 시스템(200)으로 공급한다.

메인 엔진(3)으로 사용될 수 있는 저속 2행정 고압가스 분사 엔진은 예를 들어 대략 150 ~ 400 bara(절대압력) 정도의 고압으로 연료를 공급받을 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 LNG 펌프(120)와 BOG 압축기(150)로서는 메인 엔진(3)에서 요구하는 압력으로 LNG와 BOG를 각각 압축시킬 수 있는 펌프와 압축기가 사용된다.

연료 공급라인(110)은 예컨대 LNG 운반선의 저장탱크(1)로부터 이송 펌프(2)의 구동에 의해 공급되는 LNG를 연료로서 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하고, LNG 펌프(120)와 LNG 기화기(130)가 설치된다.

LNG 펌프(120)는 연료 공급라인(110)에 LNG의 이송에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되고, 본 실시예에서처럼 다수로 이루어져서 병렬되도록 설치될 수 있다.

LNG 기화기(130)는 연료 공급라인(110)에서 LNG 펌프(120)의 후단에 설치됨으로써 LNG 펌프(120)에 의해 이송되는 LNG를 기화시키도록 하는데, LNG의 기화를 위해 일례로, LNG가 열매순환라인(131)을 통해서 순환 공급되는 열매와의 열교환에 의해 기화되도록 하며, 다른 예로서 히터를 비롯하여 LNG의 기화열을 제공하기 위한 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다. 한편, 열매순환라인(131)에 순환 공급되는 열매는 일례로, 보일러 등으로부터 발생되는 스팀이 사용될 수 있다.

메인 엔진(3)으로서 예컨대 저속 2행정 고압가스 분사 엔진인 MEGI 엔진을 사용하는 경우, 엔진에 공급되는 천연가스는 초임계 상태, 즉 기체도 아니고 액체도 아닌 상태일 수 있다. 따라서, LNG 기화기(130)에서 고압으로 압축된 LNG를 기화시킨다는 표현은, 초임계 상태인 LNG의 온도를 MEGI 엔진에서 요구하는 온도까지 상승시킨다는 의미로 간주되어야 한다.

BOG 라인(140)은 저장탱크(1)로부터 자연적으로 발생되는 BOG를 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하고, 본 실시예에서처럼 연료 공급라인(110)에 연결됨으로써 BOG를 연료로서 메인 엔진(3)으로 공급되도록 할 수 있으며, 이와 달리, BOG를 직접 메인 엔진(3)으로 공급하기 위한 경로를 제공할 수도 있다.

BOG 압축기(150)는 BOG 라인(140)에 설치되어 BOG 라인(140)을 통과하는 BOG를 압축시킨다. 도 1에는 하나의 BOG 압축기(150)만이 도시되어 있지만, BOG 압축기는 종래의 일반적인 연료 공급 시스템에서와 같이 이원화설계(redundancy) 요구사항을 만족시키기 위해 동일한 사양의 압축기 2대가 병렬로 연결되도록 시스템이 구성될 수 있다. 다만, 압축기가 1대만 설치되더라도 압축기의 고장시 LNG 펌프(120)에 의해 메인 엔진(3)에 계속해서 연료를 공급할 수 있어 이원화 요구사항이 만족될 수 있으므로, 본 실시예에서처럼 BOG 라인(140)에서 잉여 BOG 라인(160)의 분기 부분에 단지 하나의 BOG 압축기(150)가 설치될 경우에는, 고가의 BOG 압축기(150)의 설치에 따른 경제적 부담과 유지 및 보수에 대한 부담을 줄일 수 있다는 추가적인 효과를 거둘 수 있다.

잉여 BOG 라인(160)은 BOG 압축기(150)로부터 잉여의 BOG를 통합형 IGG/GCU 시스템(200)으로 공급하는 경로를 제공하는데, 통합형 IGG/GCU 시스템(200)뿐만 아니라, 예컨대 DF 엔진과 같은 보조 엔진 등으로 잉여 BOG를 연료로서 공급할 수 있다.

통합형 IGG/GCU 시스템(200)은 IGG(Inert Gas Generator)와 GCU(Gas Combustion Unit)가 통합된 시스템이다.

한편, 잉여 BOG 라인(160)과 연료 공급라인(110)은 연결라인(170)에 의해 서로 연결될 수 있다. 따라서, 연결라인(170)에 의해 잉여 BOG를 메인 엔진(3)의 연료로 사용하도록 하거나, 기화된 LNG를 통합형 IGG/GCU 시스템(200)에 연료로서 사용하도록 할 수 있다. 이러한 연결라인(170)에는 통과하는 BOG나 기화된 LNG의 가열을 위하여 히터(180)가 설치될 수 있고, BOG나 기화된 LNG에 의한 압력을 조절함으로써 과도한 압력을 저감시키는 압력감소밸브(Pressure Reduction Valve; PRV)(190)가 설치될 수 있다. 한편, 히터(180)는 가스의 연소열을 이용한 가스히터이거나, 그 밖에도 열매의 순환에 의해 가열을 위한 열원을 제공하는 열매 순환 공급부를 비롯하여, 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

저장탱크(1) 내의 압력이 정해진 압력 이상이거나 BOG의 발생량이 많으면, BOG 압축기(150)의 구동에 의해 BOG를 압축하여 메인 엔진(3)에 연료로서 공급한다. 또한, 저장탱크(1) 내의 압력이 정해진 압력 미만이거나 BOG 발생량이 적으면, LNG 펌프(120)와 LNG 기화기(130)의 구동에 의해 LNG를 이송 및 기화시켜서 메인 엔진(3)에 연료로서 공급될 수 있도록 한다.

한편, BOG 압축기(150)로부터 잉여의 BOG는 잉여 BOG 라인(160)을 통해서 통합형 IGG/GCU 시스템(200) 또는 DF 엔진 등의 보조 엔진으로 공급되도록 하여, BOG의 소모 또는 저장탱크(1)로 공급되기 위한 불활성가스의 생성 목적으로 사용되도록 하고, 나아가서, 보조 엔진 등의 연료로서 사용될 수 있도록 한다.

BOG가 공급되는 통합형 IGG/GCU 시스템(200)은 본체(210) 내의 BOG 연소에 의해서, 저장탱크(1)로부터 지속적으로 발생되는 BOG를 소모할 수 있고, 필요에 따라 저장탱크(1)에 공급하기 위한 불활성가스로서 연소가스를 생성할 수도 있다.

(제2 실시예)

도 2에는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템의 개략 구성도가 도시되어 있다.

예를 들어, 본 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템이 적용된 선박은 130000 내지 350000㎥ 급의 LNG 운반선일 수 있다.

도 2에는, 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진(또는, LNG를 연료로 사용하는 추진수단)으로, 예컨대 MEGI 엔진을 설치한 LNG 운반선에 본 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템이 적용된 예가 도시되어 있지만, 본 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은 액화가스 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박, 즉 LNG 운반선, LNG RV 등을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FRU, LNG FSRU, FSPP, BMPP와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.

도 2에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 메인 엔진(3)으로서 저속 2행정 고압가스 분사 엔진, 예컨대 MEGI 엔진을 포함하고 있으며, 보조 엔진(5)으로서 DF 엔진(DF Generator; DFDG)을 포함하고 있다. 통상, 메인 엔진은 선박의 운항을 위해 추진용으로 사용되고, 보조 엔진은 선박 내부에 설치된 각종 장치 및 설비에 전력을 공급하기 위해 발전용으로 사용되지만, 본 발명은 메인 엔진과 보조 엔진의 용도에 의해 한정되는 것은 아니다. 메인 엔진과 보조 엔진은 각각 하나 이상 설치될 수 있다.

본 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 엔진들(즉, 메인 엔진(3)과 보조 엔진(5))에 대해 저장탱크(11)에 수용되어 있는 천연가스(즉, 기체 상태의 BOG와 액체 상태의 LNG)를 연료로서 공급할 수 있도록 구성된다.

기체 상태의 BOG를 연료가스로서 공급하기 위해 본 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 저장탱크(11)에 수용되어 있는 BOG를 메인 엔진(3)에 공급하는 증발가스 공급라인으로서의 BOG 주 공급라인(L1)과, 이 BOG 주 공급라인(L1)으로부터 분기하여 BOG를 보조 엔진(5)에 공급하는 BOG 부 공급라인(L8)을 포함한다.

또, 액체 상태의 LNG를 연료가스로서 공급하기 위해 본 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 저장탱크(11)에 수용되어 있는 LNG를 메인 엔진(3)에 공급하는 LNG 주 공급라인(L23)과, 이 LNG 주 공급라인(L23)으로부터 분기하여 LNG를 보조 엔진(5)에 공급하는 LNG 부 공급라인(L24)을 포함한다.

본 실시예에 따르면, BOG 주 공급라인(L1)에는 BOG를 압축하기 위한 압축기(13)가 설치되고, LNG 주 공급라인(L23)에는 LNG를 압축하기 위한 펌프(43)가 설치된다.

액화가스를 저장하는 저장탱크(11)에서 발생되어 BOG 배출밸브(41)를 통해 배출된 증발가스(NBOG)는, BOG 주 공급라인(L1)을 따라 이송되어 압축기(13)에서 압축된 후 메인 엔진(3), 예컨대 MEGI 엔진에 공급된다. 증발가스는 압축기(13)에 의해 대략 150 내지 401 bara 정도의 고압으로 압축된 후 메인 엔진(3)에 공급된다.

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 저장탱크(11) 내부의 증발가스를 배출시킨다.

압축기(13)는, 하나 이상의 압축 실린더(14)와, 압축되면서 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키기 위한 하나 이상의 중간 냉각기(15)를 포함할 수 있다. 도 2에서는 5개의 압축 실린더(14)와 5개의 중간 냉각기(15)를 포함하는 다단 압축의 압축기(13)가 예시되어 있지만, 압축 실린더와 중간 냉각기의 개수는 필요에 따라 변경될 수 있다. 또한, 하나의 압축기 내에 복수개의 압축 실린더가 배열된 구조 이외에, 복수개의 압축기를 직렬로 연결한 구조를 가지도록 변경될 수도 있다.

도 2에는 하나의 압축기(13)만이 도시되어 있지만, 필요에 따라 복수의 압축기가 병렬로 배치되도록 시스템을 변경할 수도 있다.

압축기(13)에서 압축된 증발가스는 BOG 주 공급라인(L1)을 통하여 메인 엔진(3)에 공급되는데, 메인 엔진에서 필요로 하는 연료의 필요량에 따라 압축된 증발가스 전부를 메인 엔진(3)에 공급할 수도 있고, 압축된 증발가스 중 일부만을 메인 엔진(3)에 공급할 수도 있다.

보조 엔진(5)인 DF 엔진에 연료가스를 공급하기 위한 부 BOG 공급라인(L8)은 주 BOG 공급라인(L1)으로부터 분기된다. 더욱 상세하게는, 부 BOG 공급라인(L8)은 압축기(13)에서 다단-압축되고 있는 도중의 증발가스를 분기해 낼 수 있도록 주 BOG 공급라인(L1)으로부터 분기된다. 도 2에는 2단 압축된 BOG를 분기시켜 그 일부를 부 BOG 공급라인(L8)을 통해 보조 엔진(5)으로 공급하는 것으로 도시하고 있지만, 이는 예시일 뿐이며, 1단 혹은 3 내지 5단 중 어느 하나까지 압축된 BOG를 분기시켜 부 BOG 공급라인을 통해 보조 엔진 등으로 공급할 수 있도록 시스템을 구성할 수도 있다. 이때 압축기(13)의 중간, 즉 2단째에서 분기하는 증발가스의 압력은 대략 5 ~ 10 bara 정도일 수 있다.

특히, 5개의 압축 실린더를 포함하되 전단 3개의 압축 실린더는 무급유 윤활(oil-free) 방식으로 동작하고 후단 2개의 압축 실린더는 급유 윤활(oil-lubricated) 방식으로 동작하는 부카르트 사의 압축기를 사용할 경우, 압축기 후단이나 4단 이상에서 BOG를 분기시킬 때는 오일 필터를 거쳐 BOG가 이송되도록 구성할 필요가 있으나 3단 이하에서 분기시킬 때는 오일 필터를 사용할 필요가 없다는 점에서 유리할 수 있다.

전술한 바와 같이, LNG가 가열되면 액화온도가 상대적으로 낮은 메탄 성분이 우선적으로 기화되기 때문에, 증발가스의 경우에는 메탄 함유량이 높아 그대로 DF 엔진에 연료로서 공급될 수 있다. 따라서, BOG 주 공급라인 및 BOG 부 공급라인에는 메탄가 조절을 위한 장치가 별도로 설치될 필요가 없다.

한편, 저장탱크(11)에서 발생하는 증발가스의 양이 메인 엔진과 보조 엔진에서 요구하는 연료량보다 많아 잉여의 증발가스가 발생할 것으로 예상되는 경우에는, 본 발명의 재액화 장치(20)를 통하여 증발가스를 재액화시켜 저장탱크에 복귀시킬 수 있다.

재액화 장치(20)의 재액화용량을 초과하는 증발가스가 발생하는 경우에는, 압축기(13)에서 압축된 혹은 단계적으로 압축되고 있는 도중의 증발가스를, 증발가스 분기라인(L7)을 통하여 분기시켜 BOG 소비수단에서 사용할 수 있다. 증발가스 소비수단으로서는 상대적으로 낮은 압력의 천연가스를 연료로서 사용할 수 있는 GCU(7), 가스 터빈 등이 사용될 수 있다. 증발가스 분기라인(L7)은, 도 2에 도시된 바와 같이, BOG 부 공급라인(L8)에서 분기될 수 있다.

압축기(13)에서 다단 압축된, 또는 다단 압축되고 있는 도중에, 증발가스 공급라인(L1)을 통하여 메인 엔진(3)에 공급되는 증발가스 중 적어도 일부를 증발가스 복귀라인(L3)을 통해 분기시킨 후, 재액화시켜 저장탱크(11)로 복귀시키기 위해, 재액화 장치(20)가 사용될 수 있다. 재액화 장치(20)는, 질소를 냉매로 사용하는 질소 냉동 사이클을 포함할 수 있다. 질소 냉동 사이클로서는, 예를 들어, 브레이튼 사이클, 역브레이튼 사이클, 클라우드 사이클 등과 같이 증발가스를 재액화시키기 위해 통상적으로 사용될 수 있는 냉동 사이클이 활용될 수 있다.

이러한 냉동 사이클에 의해 질소 냉매를 압축, 냉각 및 팽창시켜 발생하는 냉열을 활용함으로써 증발가스를 재액화시키는 재액화 장치로서는 일반적으로 알려져 있는 어떠한 종류의 것이라도 사용할 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

한편, 재액화 장치(20)는, 질소 냉매를 이용하는 질소 사이클 대신에, 폭발성 혼합냉매 혹은 비폭발성 혼합냉매를 사용하는 냉동 사이클을 포함할 수 있다.

증발가스를 재액화 장치(20)에 공급하기 위한 증발가스 복귀라인(L3)은, 예를 들어 압축기(13)에서 3단 압축된 증발가스를 재액화 장치(20)에 공급하도록 분기될 수 있다. 압축기(13)에서 3단 압축된 증발가스는 대략 10 내지 40 bara 정도의 압력을 가질 수 있다.

LNG 주 공급라인(L23)에는, 저장탱크(11)의 내부에 설치되어 LNG를 저장탱크(11)의 외부로 배출시키기 위한 배출펌프(12)와, 이 배출펌프(12)에서 1차적으로 압축된 LNG를 MEGI 엔진에서 요구하는 압력까지 2차적으로 압축시키기 위한 펌프(43)(고압펌프)가 설치되어 있다. 배출펌프(12)는 각 저장탱크(11)마다 내부에 하나씩 설치될 수 있다. 펌프(43)는 도 2에서 하나만 도시되어 있으나, 필요에 따라 복수의 펌프가 병렬로 연결되어 사용될 수 있다. 또한, LNG 주 공급라인(L23)에는, LNG의 원활한 공급을 위해, 배출펌프(12)와 펌프(43) 사이에 부스터 펌프(도시생략)가 설치될 수 있다.

액화가스를 저장하는 저장탱크(11)에서 배출펌프(12)를 통해 배출된 LNG는, LNG 주 공급라인(L23)을 따라 이송되어 펌프(43)에 공급된다. 계속해서 LNG는 펌프(43)에서 고압으로 압축된 후 히터(44)에 공급되어 기화, 즉 가열된다. 가열된 LNG는 연료로서 메인 엔진(3), 예컨대 MEGI 엔진에 공급된다.

보조 엔진(5)인 DF 엔진에 연료가스를 공급하기 위한 부 LNG 공급라인(L24)은 주 LNG 공급라인(L23)으로부터 분기된다. 예를 들면, 부 LNG 공급라인(L24)은 펌프(43)에서 압축되기 전의 LNG를 분기해 낼 수 있도록 주 LNG 공급라인(L23)으로부터 분기될 수 있다.

한편, 도 2에서는 부 LNG 공급라인(L24)이 펌프(43)의 상류측에서 주 LNG 공급라인(L23)으로부터 분기하는 것으로 도시되어 있지만, 부 LNG 공급라인(L24)이 펌프(43)의 하류측에서 주 LNG 공급라인(L23)으로부터 분기하는 것으로 변형될 수 있다. 다만, LNG 공급라인(L24)이 펌프(43)의 하류측에서 분기하는 경우에는, LNG가 펌프(43)에 의해 추가적으로 가압된 상태이므로 보조 엔진에 연료로서의 LNG를 공급하기 전에 감압수단에 의해 보조 엔진에서 요구하는 압력으로 LNG의 압력을 하강시킬 필요가 있을 수도 있다. 도 2에 도시된 실시예에서와 같이 부 LNG 공급라인(L24)이 펌프(43)의 상류측에서 분기하는 경우에는 추가의 감압수단을 설치할 필요가 없다는 점에서 유리하다.

부 LNG 공급라인(L24)에는 히터(45), 기액분리기(46), 및 히터(47)가 설치되어, 연료로서 공급되는 LNG의 메탄가 및 온도를 DF 엔진에서 요구하는 값으로 조절할 수 있다. 도 2에는, 보조 엔진(5)에 공급되는 연료에 대해서만 메탄가를 조절하고, 메인 엔진(3)에 공급되는 연료에 대해서는 메탄가를 조절할 필요가 없는 경우가 예시되어 있다.

전술한 바와 같이, LNG의 경우에는, 메탄 함유량이 증발가스에 비해 상대적으로 낮아 DF 엔진에서 요구하는 메탄가보다 낮고, 산지에 따라 LNG를 구성하는 탄화수소 성분(메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등)들의 비율이 다르기 때문에, 그대로 기화시켜 연료로서 DF 엔진에 공급하기에 적절하지 않다.

메탄가를 조절하기 위해, LNG는 히터(45)에서 가열되어 부분적으로만 기화된다. 부분적으로 기화되어 기체 상태(즉, 천연가스)와 액체 상태(즉, LNG)가 혼합된 상태인 연료가스는 기액분리기(46)에 공급되어, 기체와 액체로 분리된다. 발열량이 높은 중탄화수소(HHC) 성분의 기화온도가 상대적으로 높기 때문에, 부분적으로 기화된 연료가스에서 기화되지 않고 남아있는 액체 상태의 LNG에는 중탄화수소 성분의 비율이 상대적으로 높아진다. 따라서, 기액분리기(46)에서 액체 성분을 분리해 냄으로써, 즉 중탄화수소 성분을 분리해 냄으로써, 연료가스의 메탄가는 높아질 수 있다.

LNG에 함유된 탄화수소 성분의 비율과, 엔진에서 요구하는 메탄가 등을 감안하여, 적절한 메탄가를 얻기 위해서 히터(45)에서의 가열 온도가 조절될 수 있다. 히터(45)에서의 가열 온도는 대략 섭씨 -80 내지 -120도의 범위 내에서 정해질 수 있다. 기액분리기(46)에서 연료가스로부터 분리된 액체 성분은 액체성분 복귀라인(L25)을 통해 저장탱크(11)에 복귀될 수 있다. 액체성분 복귀라인(L25)은 증발가스 복귀라인(L3)과 합류된 후 저장탱크(11)까지 연장될 수 있다.

메탄가가 조절된 연료가스는 LNG 부 공급라인(L24)을 통해 히터(47)에 공급되며, 보조 엔진(5)에서 요구하는 온도까지 더욱 가열된 후 보조 엔진에 연료로서 공급된다. 보조 엔진(5)이 예를 들어 DFDG인 경우, 요구되는 메탄가는 일반적으로 80 이상이다. 예를 들어, General LNG(통상, 메탄: 89.6%, 질소: 0.6%)의 경우, 중탄화수소 성분을 분리해 내기 전의 메탄가는 71.3이며, 그때의 LHV(lower heating value)는 48,872.8 kJ/kg(1 atm, saturated vapor 기준)이다. 이 General LNG를 7 bara로 가압한 후 섭씨 -120 도까지 가열하여 중탄화수소 성분을 제거하면, 메탄가는 95.5로 높아지며, 그때의 LHV는 49,265.6 kJ/kg 이다.

본 실시예에 따르면, 엔진(즉, 메인 엔진(3) 및 보조 엔진(5))에 연료가스를 공급하는 경로가 2개(더욱 상세하게는 메인 엔진과 보조 엔진 각각에 대해 2개)로 이루어진다. 즉, 연료가스는 압축기(13)를 통해(즉, 압축기 라인을 통해) 압축된 후 엔진에 공급될 수도 있고, 펌프(43)를 통해(즉, 펌프 라인을 통해) 압축된 후 엔진에 공급될 수도 있다.

특히 LNG 운반선, LNG RV 등과 같은 선박은, LNG를 생산지로부터 소비지로 수송하기 위해 사용되므로, 생산지에서 소비지로 운항할 때에는 저장탱크에 LNG를 가득 적재한 레이든(Laden) 상태로 운항하고, LNG를 하역한 후 다시 생산지로 돌아갈 때에는 저장탱크가 거의 비어있는 밸러스트(Ballast) 상태로 운항한다. 레이든 상태에서는 LNG의 양이 많아 상대적으로 증발가스 발생량도 많고, 밸러스트 상태에서는 LNG의 양이 적어 상대적으로 증발가스 발생량도 적다.

저장탱크의 용량, 외부 온도 등의 조건에 따라 다소 차이가 있으나, 예를 들어, LNG의 저장탱크 용량이 대략 130,000 내지 350,000 인 경우에 발생되는 증발가스의 양은, 레이든시 대략 3 내지 4 ton/h 이고, 밸러스트시 대략 0.3 내지 0.4 ton/h 이다. 또한, 엔진들에서 요구하는 연료가스의 양은, 메인 엔진의 경우에는 대략 1 내지 4 ton/h (평균 약 1.5 ton/h) 정도일 수 있고, 보조 엔진인 DF 엔진(DFDG)의 경우에는 대략 0.5 ton/h 이다. 한편, 최근에는 저장탱크의 단열성능이 향상됨에 따라 BOR(Boil Off Rate)이 점차 낮아지고 있는 추세이므로, BOG의 발생량도 감소하는 추세이다.

따라서, 본 실시예의 연료가스 공급 시스템과 같이 압축기 라인(즉, 도 2에서의 L1 및 L8)과 펌프 라인(즉, 도 2에서의 L23 및 L24)이 함께 갖춰진 경우, 증발가스의 발생량이 많은 레이든 상태에서는 압축기 라인을 통해 엔진들에 연료가스를 공급하고, 증발가스의 발생량이 적은 밸러스트 상태에서는 펌프 라인을 통해 엔진들에 연료가스를 공급하는 것이 유리할 수도 있다.

이와 같이 증발가스 발생량이 엔진에서의 연료 필요량보다 적은 밸러스트 상태에서, 증발가스는 보조 엔진(5)과 재액화 장치(20)를 통해 모두 처리하도록 시스템을 운용할 수 있다. 혹은, 밸러스트 상태에서 증발가스는 모두 재액화 장치(20)를 통해 재액화되어 저장탱크로 복귀하도록 시스템을 운용할 수도 있다.

통상, 압축기에 의하여 기체(BOG)를 압축하기 위해 필요한 에너지는 펌프에 의해 액체(LNG)를 압축하기 위해 필요한 에너지보다 상당히 많은 에너지가 요구되고, 기체를 압축하기 위한 압축기는 상당히 고가이고 부피 역시 많이 차지하므로, 압축기 라인 없이 펌프 라인만을 사용하는 것이 경제적일 것으로 생각될 수 있다. 예를 들어, 다단으로 구성된 한 세트의 압축기를 구동시켜 엔진에 연료를 공급하기 위해서는 2MW의 전력이 소비되는데, 펌프를 사용하면 100kW의 전력만이 소비된다. 그러나, 레이든 상태에서 펌프 라인만을 사용하여 엔진들에 연료가스를 공급할 경우, 저장탱크에서 지속적으로 발생하는 BOG를 처리하기 위해 BOG를 재액화시키기 위한 재액화 장치가 반드시 필요하며, 이 재액화 장치에서 소모하는 에너지를 함께 고려할 경우, 압축기 라인과 펌프 라인을 함께 설치하여 레이든 상태에서는 압축기 라인을 통해 연료가스를 공급하고 밸러스트 상태에서는 펌프 라인을 통해 연료가스를 공급하는 것이 유리할 수도 있다.

한편, 밸러스트 상태와 같이, 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 엔진에서 요구하는 연료량에 미치지 못하는 경우, 다단 압축기에서 증발가스를 엔진에서 요구하는 압력까지 압축시키기 않고, 다단 압축되는 도중에 부 BOG 공급라인(L8)을 통해 증발가스를 분기시켜 DF 엔진에서 연료로서 사용하는 것이 효율적일 수 있다. 즉, 5단 압축기 중 2단째의 압축 실린더만을 거쳐 증발가스를 DF 엔진에 공급한다면, 나머지 단의 압축 실린더는 공회전된다. 예를 들어, 압축기 전체를 구동시켜 증발가스를 압축시킬 경우 요구되는 전력이 2MW인 반면, 2단까지만 사용하고 나머지 단을 공회전시킬 경우 요구되는 전력은 600kW이고, 펌프를 통해 엔진에 연료를 공급할 경우 요구되는 전력은 100kW이다. 그러므로, 밸러스트 상태와 같이 BOG 발생량이 엔진에서의 연료 필요량보다 적은 경우에는 BOG는 DF 엔진 등에서 전량 소비하고 펌프를 통해 LNG를 연료로서 공급하는 것이 에너지 효율 측면에서 유리할 수 있다.

그러나, 필요에 따라서는, BOG 발생량이 엔진에서의 연료 필요량보다 적은 경우에도 압축기를 통해 BOG를 엔진에 연료로서 공급하면서 부족한 양만큼 LNG를 강제기화시켜 공급할 수도 있다. 한편, 밸러스트 상태에서는 BOG의 발생량이 적으므로, BOG를 발생할 때마다 배출시켜 소비하는 대신, 저장탱크가 일정한 압력에 도달할 때까지 BOG를 배출시키지 않고 모아두었다가 간헐적으로 배출시켜 보조 엔진 혹은 메인 엔진에 연료로서 공급할 수도 있다.

밸러스트 상태에서 선박의 엔진(메인 엔진 혹은 보조 엔진)은, 압축기(13)에 의해 압축된 BOG와 펌프(43)에 의해 압축된 LNG를, 동시에 연료로서 공급받을 수도 있다. 또한, 밸러스트 상태에서 선박의 엔진은, 압축기(13)에 의해 압축된 BOG와 펌프(43)에 의해 압축된 LNG 중 어느 하나를, 번갈아 교대로 연료로서 공급받을 수도 있다.

또한, 장비의 수리 및 교체가 용이하지 않은 선박에서는 비상시를 감안하여 중요한 설비를 2개씩 설치할 것이 요구된다(redundancy; 즉, 이원화 설계). 즉, 선박에서는, 주 설비와 동일한 기능을 수행할 수 있는 여분의 설비를 설치하여, 주 설비의 정상동작시에는 여분의 설비를 대기상태로 두고, 주 구성 장비의 고장시 그 기능을 인계받아 수행할 수 있도록 중요한 설비를 중복 설계할 것이 요구된다. 이원화 설계가 요구되는 설비로서는 주로 회전구동되는 설비, 예를 들어 압축기나 펌프 등을 들 수 있다.

이와 같이, 선박에는, 평소에는 사용되지 않으면서 오로지 이원화 요구조건만을 만족시키기 위해 각종 설비가 이중으로 설치될 필요가 있는데, 2개의 압축기 라인을 사용하는 연료가스 공급 시스템은 압축기의 설치에 많은 비용과 공간이 소요되고 사용시에 많은 에너지가 소모되는 문제가 있고, 2개의 펌프 라인을 사용하는 연료가스 공급 시스템은 증발가스의 처리(즉, 재액화)에 많은 에너지가 소모되는 문제가 있을 수 있다. 그에 비해 압축기 라인과 펌프 라인을 함께 설치한 본 발명의 연료가스 공급 시스템은 어느 한쪽의 공급라인에 문제가 발생하더라도 다른 쪽 공급라인을 통해 정상적인 운항을 계속할 수 있고, 압축기 라인을 한 개만 설치한다면 고가의 압축기를 적게 사용하면서 증발가스의 발생량에 따라 최적의 연료가스 공급 방식을 적절하게 선택하여 운용할 수 있어 최초 건조시 비용은 물론 운용비용도 절감할 수 있게 된다는 추가적인 효과를 거둘 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 사용하는 경우, LNG 운반선의 화물(즉, LNG) 운반시 발생되는 증발가스를, 엔진의 연료로서 사용하거나 질소 등의 냉매를 사용하는 재액화 장치(20)를 통하여 증발가스를 재액화시켜 다시 저장탱크로 복귀시켜 저장할 수 있기 때문에, GCU 등에서 소모하여 버려지는 증발가스의 양을 감소시키거나 없게 할 수 있게 된다.

본 실시예에 따르면, 저장탱크의 용량이 커져 증발가스의 발생량은 많아지고 엔진의 성능이 개선되어 필요한 연료량은 감소하는 최근의 추세에도 불구하고, 엔진의 연료로서 사용하고 남는 증발가스는 재액화시켜 다시 저장탱크로 복귀시킬 수 있기 때문에 증발가스의 낭비를 막을 수 있게 된다.

도 3에는 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 제2 실시예에서는 BOG를 재액화 장치(20)에 공급하기 위한 증발가스 복귀라인(L3)이 전술한 BOG 부 공급라인(L8)과 마찬가지로 압축기(13)에서 단계적으로 압축되고 있는 도중에서 분기(즉, 3단 압축된 후 분기)되는 것으로 예시하고 있지만, 도 3에 도시된 제2 실시예의 변형예에서와 같이 증발가스 복귀라인(L3)이 압축기(13)의 후단에서 분기되도록 변형될 수 있다.

도 3에 도시된 제2 실시예의 변형예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 압축된 BOG를 재액화 장치(20)에 공급하기 위한 증발가스 복귀라인(L3)이 압축기(13)의 후단에서 분기된다는 점을 제외하면 도 2를 참조하여 설명한 제2 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과 동일하므로, 동일한 구성요소에는 동일한 부재번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

전술한 제2 실시예 및 제2 실시예의 변형예에 따르면, 메인 엔진(3)으로서 고압의 연료공급이 필요한 MEGI 엔진을 사용하는 경우를 예를 들어 설명하였으며, 연료를 고압으로 압축하기 위해 2개의 펌프, 즉 저장탱크(1)의 내부에 설치된 배출펌프(12)와, 저장탱크(1)의 외부에 설치된 펌프(43)에 의해, 연료를 1차 및 2차에 걸쳐 가압하도록 구성되어 있다. 그러나, 메인 엔진(3)으로서 상대적으로 저압(예컨대 대략 5 내지 40 bara 정도의 압력)으로 연료를 공급할 수 있는 저속 2행정 저압 엔진을 사용하는 경우에, 하나의 펌프만으로 메인 엔진(3)에서 요구하는 압력까지 LNG를 가압할 수 있다면, 이송 펌프(2) 및 LNG 펌프(120) 중에서 어느 하나의 펌프만이 설치될 수도 있다.

저속 2행정 저압 엔진은 예를 들어 엔진 내에 연료를 고압으로 가압하는 가압수단을 가져, 연료를 고압으로 압축시켜 공급받을 필요가 없을 수 있다.

나아가서, 저속 2행정 저압 엔진이 예를 들어 가압수단에 의해 고압으로 가압된 연료를 가열하는 가열수단을 가질 경우에는, 고압펌프에 의해 연료를 고압으로 압축시켜 공급받을 필요가 없을 뿐만 아니라, 기화기(즉, 히터)에 의해 연료를 가열하여 공급받을 필요도 없으므로, 연료 공급라인에 고압펌프와 기화기(즉, 히터)를 설치할 필요가 없다. 따라서, 가압수단과 가열수단이 엔진에 일체로 장착된 저속 2행정 저압 엔진을 메인 엔진(3)으로서 사용하는 경우, 도 1에 도시된 LNG 기화기(130)나, 도 2 및 도 3에 도시된 히터(44)는 시스템으로부터 제거되도록 변경될 수 있다.

(제3 실시예)

도 4에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템의 개략 구성도가 도시되어 있다.

제3 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 메인 엔진(3)이나 보조 엔진(5) 등에서 요구하는 증발가스의 양이 자연적으로 발생하는 증발가스의 양보다 많을 경우, LNG를 강제로 기화시켜 사용할 수 있도록 구성된다는 점에서 제2 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과 상이하다. 이하에서는 제2 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과의 차이점만을 더욱 상세하게 설명한다. 또한 제2 실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부재번호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템에 따르면, 액화가스를 저장하는 저장탱크(11)에서 발생되어 배출된 증발가스(NBOG)는, 증발가스 공급라인(L1)을 따라 이송되어 압축기(13)에서 압축된 후 메인 엔진(3), 예컨대 MEGI 엔진에 공급되거나, 압축기(13)에서 압축된 후 또는 다단-압축되는 도중에 보조 엔진(5), 예컨대 DF 엔진(DF Generator)에 공급되어 연료로서 사용된다는 점에 있어서는 제2 실시예와 마찬가지이다.

다만, 제3 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 메인 엔진(3)과 보조 엔진(5)에서 요구하는 연료로서의 증발가스의 양이 저장탱크(11)에서 자연적으로 발생하는 증발가스의 양보다 많을 경우, 저장탱크(11)에 저장된 LNG를 강제기화기(31)에서 기화시켜 압축기(13)에 공급할 수 있도록 강제기화 라인(L11)을 구비한다.

제3 실시예에서와 같이 강제기화 라인(L11)을 구비하면, 저장탱크에 저장되어 있는 LNG의 양이 적어 증발가스의 발생량이 적거나, 각종 엔진에서 요구하는 연료로서의 증발가스의 양이 자연적으로 발생하는 증발가스의 양보다 많은 경우에도 안정적으로 연료를 공급할 수 있게 된다.

(제4 실시예)

도 5에는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템의 개략 구성도가 도시되어 있다.

제4 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 펌프(43)에서 압축된 LNG를 재액화 장치(20)로 보내어 제1 열교환기(21)에서 냉매와 열교환시킴으로써, LNG가 가지는 냉열, 즉 차가운 에너지(cold energy)를 재액화 장치의 냉매 사이클, 예컨대 질소 냉동 사이클의 냉매에 전달하도록 펌프(43)의 하류측에서 분기하는 제1 냉열 회수라인(L31)을 포함한다는 점에서 제2 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과 상이하다.

이하에서는 제2 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과의 차이점만을 더욱 상세하게 설명한다. 또한 제2 실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부재번호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제4 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템에 따르면, 펌프(43)에서 압축된 LNG와, 재액화 장치(20)의 냉매 사이클 내에서 순환하는 냉매를, 제1 열교환기(21)에서 열교환시킴으로써, 펌프(43)에서 압축된 후 히터(44)에서 엔진이 요구하는 온도까지 가열되어야 하는 LNG를 예열할 수 있어 히터(44)에서의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있는 동시에, 재액화 장치(20)에서 증발가스를 재액화시키면서 열을 흡수하여 온도가 상승한 냉매를 냉각시킬 수 있어 재액화 장치(20)의 효율을 높일 수 있게 된다.

이때, 제1 냉열 회수라인(L31)을 통하여 재액화 장치(20)에 공급되는 LNG의 양은 밸브에 의해 적절히 조절될 수 있다.

도 5를 참조하면, LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이에서 분기하는 제1 냉열 회수라인(L31)은, 재액화 장치(20)에 포함된 제1 열교환기(21)를 거쳐 다시 LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이로 연결되는 것으로 도시되어 있다.

도 6에는 본 발명의 제4 실시예의 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 제4 실시예에는, LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이에서 분기하는 제1 냉열 회수라인(L31)이, 재액화 장치(20)에 포함된 제1 열교환기(21)를 거쳐 다시 LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이로 복귀하는 것으로 예시하고 있다. 하지만, 도 6에 도시된 바와 같은 제4 실시예의 변형예에 따르면, 제1 냉열 회수라인(L33)은, 재액화 장치(20)에 포함된 제1 열교환기(21)를 거쳐 LNG 주 공급라인(L23)의 히터(44) 하류측으로 복귀하도록 설치된다.

즉, 펌프(43)에서 압축된 LNG가 재액화 장치(20)의 제1 열교환기(21)에서 냉매와의 열교환에 의해 충분히 가열될 수 있다면, 히터(44)를 거치지 않고 메인 엔진(3)에 곧바로 공급될 수 있다. 이때, 제1 냉열 회수라인(L33)을 통하여 재액화 장치(20)에 공급되는 LNG의 양은 밸브에 의해 적절히 조절될 수 있다.

(제5 실시예)

도 7에는 본 발명의 제5 실시예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템의 개략 구성도가 도시되어 있다.

제5 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 펌프(43)에서 압축된 LNG를 증발가스 복귀라인(L3)에 설치된 제2 열교환기(30)로 보내어 증발가스와 열교환시킴으로써, LNG가 가지는 냉열, 즉 차가운 에너지(cold energy)를 재액화 장치(20)에 공급되기 전의 증발가스에 전달하도록 펌프(43)의 하류측에서 분기하는 제2 냉열 회수라인(L35)을 포함한다는 점에서 제2 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과 상이하다.

이하에서는 제2 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템과의 차이점만을 더욱 상세하게 설명한다. 또한 제2 실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부재번호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제5 실시예의 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템에 따르면, 펌프(43)에서 압축된 LNG와, 압축된 후 재액화 장치(20)에 공급되는 증발가스를, 제2 열교환기(30)에서 열교환시킴으로써, 펌프(43)에서 압축된 후 히터(44)에서 엔진이 요구하는 온도까지 가열되어야 하는 LNG를 예열할 수 있어 히터(44)에서의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있는 동시에, 재액화 장치(20)에서 냉각되어 재액화되어야 하는 증발가스를 예냉할 수 있어 재액화 장치(20)의 효율을 높일 수 있게 된다.

이때, 제2 열교환기(30)는 증발가스 복귀라인(L3)에 설치되며, 제2 냉열 회수라인(L35)을 통하여 제2 열교환기(30)에 공급되는 LNG의 양은 밸브에 의해 적절히 조절될 수 있다.

도 7을 참조하면, LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이에서 분기하는 제2 냉열 회수라인(L35)은, 증발가스 복귀라인(L3)에 설치된 제2 열교환기(30)를 거쳐 다시 LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이로 연결되는 것으로 도시되어 있다.

도 8에는 본 발명의 제5 실시예의 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 7에 도시된 제5 실시예에는, LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이에서 분기하는 제2 냉열 회수라인(L35)이, 증발가스 복귀라인(L3)에 설치된 제2 열교환기(30)를 거쳐 다시 LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43)와 히터(44) 사이로 복귀하는 것으로 예시하고 있다. 하지만, 도 8에 도시된 바와 같은 제5 실시예의 변형예에 따르면, 제2 냉열 회수라인(L37)은, 증발가스 복귀라인(L3)에 설치된 제2 열교환기(30)를 거쳐 LNG 주 공급라인(L23)의 히터(44) 하류측으로 복귀하도록 설치된다.

즉, 펌프(43)에서 압축된 LNG가 제2 열교환기(30)에서 증발가스와의 열교환에 의해 충분히 가열될 수 있다면, 히터(44)를 거치지 않고 메인 엔진(3)에 곧바로 공급될 수 있다. 이때, 제2 냉열 회수라인(L37)을 통하여 제2 열교환기(30)에 공급되는 LNG의 양은 밸브에 의해 적절히 조절될 수 있다.

(제6 실시예)

도 9에는 본 발명의 제6 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템이 도시되어 있다.

도 9에 도시된 본 발명의 제6 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 도 2에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템에, 도 4에 도시한 본 발명의 제3 실시예에서의 강제기화 라인(L11) 및 강제기화기(31)의 구성과, 도 5에 도시한 본 발명의 제4 실시예에서의 제1 냉열 회수라인(L31) 및 제1 열교환기(21)의 구성과, 도 7에 도시한 본 발명의 제5 실시예에서의 제2 냉열 회수라인(L35) 및 제2 열교환기(30)의 구성이 통합되어 이루어진다.

제6 실시예에서와 같이, 강제기화기(31), 제1 열교환기(21) 및 제2 열교환기(30) 등이 함께 통합되어 시스템을 구성할 경우, 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 9에서는 제2 냉열 회수라인(L35)이 제1 냉열 회수라인(L31)으로부터 분기하여 제2 열교환기(30)를 거친 후 다시 제1 냉열 회수라인(L31)에 연결되는 것으로 도시하고 있지만, 이는 예시일 뿐이며, 제2 냉열 회수라인(L35)이 LNG 주 공급라인(L23)으로부터 분기하여 다시 LNG 주 공급라인(L23)에 연결되도록 구성될 수 있음은 물론이다.

도 9에 도시된 본 발명의 제6 실시예에 따른 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템은, 재액화 장치(20)에서 재액화된 증발가스(Liquefied BOG; LBOG)를, 저장탱크(11)로 복귀시키거나 메인 엔진(3)에 연료로서 공급할 수 있도록 구성된다.

즉, 제6 실시예에 따르면, 재액화 장치(20)에서 재액화된 증발가스는, 재액화 장치(20)를 거쳐 저장탱크(11)까지 연장하는 증발가스 복귀라인(L3)을 통하여 저장탱크(11)로 복귀될 수도 있고, 또는 재액화 장치(20)의 하류측에서 증발가스 복귀라인(L3)으로부터 분기하여 펌프(43) 상류측의 LNG 주 공급라인(L23)에 연결되는 LBOG 공급라인(L14)을 통하여 메인 엔진(3)에 공급될 수도 있다.

LBOG 공급라인(L14)은, 증발가스 복귀라인(L3)의 재액화 장치(20) 하류측에서 분기하여, LNG 주 공급라인(L233)의 펌프(43) 상류측에 연결될 수 있다. 필요시 LBOG 공급라인(L14)에는 펌프(도시생략)가 설치될 수 있다.

한편, 도 9에서는 제2 냉열 회수라인(L35)이 제1 냉열 회수라인(L31)으로부터 분기하고 제1 냉열 회수라인(L31)으로 복귀하는 것으로 도시하고 있지만, 이는 예시일 뿐이다.

또한, 도 9에 도시하지는 않았지만, 제1 냉열 회수라인(L31) 및 제2 냉열 회수라인(L35)은, 도 6에 도시한 제1 냉열 회수라인(L33) 및 제2 냉열 회수라인(L37)과 같이, 히터(44)의 하류측으로 복귀하도록 구성될 수 있다.

도 10에는 본 발명의 제6 실시예의 제1 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있고, 도 11에는 본 발명의 제6 실시예의 제2 변형예에 따른, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 9에 도시된 제6 실시예에는, 보조 엔진(5)에 공급되는 연료로서의 LNG의 메탄가를 조절하기 위해 부 LNG 공급라인(L24)에 설치되어 있는 기액분리기(46)에서 분리된 액체 성분, 즉 중탄화수소 성분을 저장탱크(11)로 보내어 저장하는 것으로 도시되어 있다.

하지만, 도 10에 도시된 제6 실시예의 제1 변형예에서는, 기액분리기(46)에서 분리된 액체 성분, 즉 중탄화수소 성분을 별도의 탱크(34)로 보내어 저장한다. 위에서 설명한 바와 같이, 보조 엔진(5)에 공급되는 LNG의 메탄가를 높이기 위해 LNG로부터 분리된 중탄화수소 성분을 계속해서 LNG가 저장되어 있는 저장탱크(11)에 복귀시킬 경우, 저장탱크(11)에 저장된 LNG의 메탄가가 점진적으로 낮아지게 되는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 도 10에 도시된 제6 실시예의 제1 변형예에서와 같이, 기액분리기(46)에서 분리된 중탄화수소 성분을 별도의 탱크(34)로 보내어 저장할 경우, 저장탱크(11)에 저장된 액화천연가스의 메탄가에 영향을 미치지 않을 수 있고, 탱크(34)에 수집된 중탄화수소 성분을 별도로 사용하거나 처리(즉, 에탄, 프로판, 부탄 등 성분별로 분류)하여 판매할 수 있게 된다.

도 10에서, 액화천연가스가 저장되어 있는 저장탱크(11)는 멤브레인형 탱크이고, 기액분리기(46)에서 분리된 중탄화수소 성분을 저장하는 탱크(34)는 독립형 탱크(압력용기)인 것으로 예시하고 있지만, 필요에 따라 탱크의 종류는 변경될 수 있다.

또한, 도 11에 도시된 제6 실시예의 제2 변형예에서는, 기액분리기(46)로부터 연장하는 액체성분 복귀라인(L25)이 LNG 주 공급라인(L23)의 펌프(43) 상류측으로 연결되도록 하여, 기액분리기(46)에서 분리된 액체 성분, 즉 중탄화수소 성분을 메인 엔진(3)에 연료로서 공급한다. 위에서 설명한 바와 같이, 메인 엔진(3)으로서 예컨대 MEGI 엔진을 사용하는 경우, MEGI 엔진은 연료의 메탄가를 조절할 필요가 없으므로, 부 엔진(5)인 DF 엔진으로 공급되는 LNG로부터 분리된 중탄화수소 성분을 메인 엔진(3)에 공급할 수 있다.

한편, 기액분리기(46)로부터 연장하는 액체성분 복귀라인(L25)이, 도 9에는 저장탱크(11)로 연결되고, 도 10에서는 별도의 탱크(34)로 연결되고, 도 11에서는 LNG 주 공급라인(L23)으로 연결되는 것으로 각각 예시되어 있지만, 각각의 경우를 모두 통합하여 액체성분 복귀라인(L25)이 구성될 수 있다. 이와 같이, 액체성분 복귀라인(L25)이 그 말단에서 분기하여 저장탱크(11), 별도의 탱크(34) 및 LNG 주 공급라인(L23)에 동시에 연결되도록 구성될 경우, 기액분리기(46)에서 분리된 중탄화수소 성분을 필요에 따라 적절히 처리할 수 있게 된다.

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.

3: 메인 엔진 5: 보조 엔진
11: 저장탱크 12: 배출펌프
13: 압축기 14: 압축 실린더
15: 중간 냉각기 20: 재액화 장치
21: (냉열 회수수단으로서의) 제1 열교환기
30: (냉열 회수수단으로서의) 제2 열교환기
31: 강제기화기 34: (저장탱크(11) 이외의) 탱크
41: BOG 배출밸브 43: (고압)펌프
44, 45, 47: 히터 46: 기액분리기
L1: BOG 주 공급라인 L3: 증발가스 복귀라인
L7: 증발가스 분기라인 L8: BOG 부 공급라인
L11: 강제기화 라인 L14: LBOG 공급라인
L23: LNG 주 공급라인 L24: LNG 부 공급라인
L25: 액체성분 복귀라인 L31, L33: 제1 냉열 회수라인
L35, L37: 제2 냉열 회수라인

Claims (19)

1. 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템으로서,
   액화천연가스를 저장하는 저장탱크와;
   상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 연료로서 사용하는 고압가스 분사엔진과;
   상기 저장탱크에서 액화천연가스로부터 발생되는 증발가스를 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제1 라인과;
   상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제2 라인과;
   상기 제1 라인에 설치되어 증발가스를 압축하는 압축기와;
   상기 제2 라인에 설치되어 액화천연가스를 압축하는 펌프와;
   상기 제1 라인으로부터 분기하여 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 재액화 장치에 공급하는 제3 라인과;
   상기 펌프에 의해 압축된 후 상기 제2 라인을 따라 유동하는 액화천연가스로부터 냉열을 회수하기 위한 냉열 회수수단;
   을 포함하며,
   상기 재액화 장치는 냉매 사이클을 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉열 회수수단은, 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스와 상기 재액화 장치의 냉매 사이클 내에서 순환하는 냉매와의 열교환을 위해 설치되는 제1 열교환기를 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 열교환기는, 상기 제2 라인의 상기 펌프 하류측에서 분기하여 상기 재액화 장치를 거쳐 상기 제2 라인으로 복귀하는 제1 냉열 회수라인에 설치되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 냉열 회수라인은, 상기 제2 라인으로 복귀할 때, 상기 제2 라인에 설치되어 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 온도까지 가열하는 히터의 상류측 혹은 하류측에서 상기 제2 라인에 연결되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉열 회수수단은, 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스와 상기 압축기에서 압축된 후 상기 재액화 장치로 유동하는 증발가스와의 열교환을 위해 설치되는 제2 열교환기를 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 열교환기는 상기 제3 라인에 설치되며, 상기 제2 열교환기에 액화천연가스를 공급하는 제2 냉열 회수라인은 상기 제2 라인의 상기 펌프 하류측에서 분기하여 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 제2 라인으로 복귀하도록 설치되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제2 냉열 회수라인은, 상기 제2 라인으로 복귀할 때, 상기 제2 라인에 설치되어 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 온도까지 가열하는 히터의 상류측 혹은 하류측에서 상기 제2 라인에 연결되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축기는 복수의 압축 실린더를 포함하는 다단 압축기이며,
   상기 제3 라인은 상기 복수의 압축 실린더 중 일부 또는 전부를 통해 압축된 증발가스를 상기 재액화 장치에 공급할 수 있도록 상기 제1 라인으로부터 분기하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진과;
   상기 제1 라인으로부터 분기하여 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 DF 엔진에 공급하는 제4 라인;
   을 더 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 압축기는 복수의 압축 실린더를 포함하는 다단 압축기이며,
    상기 제4 라인은 상기 복수의 압축 실린더 중 일부 또는 전부를 통해 압축된 증발가스를 상기 DF 엔진에 공급할 수 있도록 상기 제1 라인으로부터 분기하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진과;
    상기 제2 라인으로부터 분기하여 상기 펌프에서 압축된 액화천연가스를 상기 DF 엔진에 공급하는 제5 라인;
    을 더 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 강제로 기화시켜 상기 압축기에 공급하는 강제기화기를 더 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 재액화 장치의 냉매 사이클에서 순환하는 냉매는 질소를 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장탱크 내에서 상기 제2 라인에 설치되어, 상기 저장탱크 내의 액화천연가스를 압축하여 상기 저장탱크의 외부로 배출시키는 배출 펌프를 더 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
15. 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템으로서,
    상기 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 재액화시키는 재액화 장치와;
    상기 증발가스를 압축하여 상기 고압가스 분사엔진 또는 상기 재액화 장치에 공급하는 압축기와;
    상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 압축하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 펌프와;
    상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스로부터 냉열을 회수하기 위한 냉열 회수수단;
    을 포함하며,
    상기 재액화 장치는 냉매 사이클을 포함하는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 시스템.
16. 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법으로서,
    저장탱크에서 액화천연가스로부터 발생되는 증발가스를 압축하여 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제1 단계와;
    상기 저장탱크에 수용된 액화천연가스를 압축하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급하는 제2 단계와;
    상기 증발가스를 냉매 사이클이 포함된 재액화 장치에 공급하여 재액화하는 제3 단계;
    압축된 후 상기 고압가스 분사엔진에 공급되기 전의 액화천연가스로부터 냉열을 회수하는 냉열 회수단계;
    를 포함하며,
    상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bara로 압축된 연료를 공급받고, 상기 제1 내지 제3 단계는 어느 하나의 단계가 선택적으로 수행되거나 둘 이상의 단계가 동시에 수행되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 냉열 회수단계에서 상기 액화천연가스의 냉열은, 상기 냉매 사이클의 냉매를 냉각시키기 위해 사용되거나, 압축된 후 상기 냉매 사이클에 공급되는 증발가스를 냉각시키기 위해 사용되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법.
18. 청구항 16에 있어서,
    증발가스의 발생량이 밸러스트 상태에 비해 많은 레이든 상태에서는 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위해 상기 제1 단계가 수행되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법.
19. 청구항 16에 있어서,
    증발가스의 발생량이 레이든 상태에 비해 적은 밸러스트 상태에서는 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위해 상기 제2 단계가 수행되는, 선박 엔진용 하이브리드 연료 공급 방법.

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