KR20150062382A - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

선박의 연료가스 공급시스템 Download PDF

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Abstract

선박의 연료가스 공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 액화연료를 저장하는 저장탱크; 저장탱크의 액화연료를 설정압력으로 가압하여 송출하는 고압펌프; 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기; 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기; 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 액화시키는 재액화장치; 및 재액화장치와 고압기화기 간의 상호 열교환을 구현하는 열교환장치를 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}
본 발명은 재액화장치와 고압기화기 간의 상호 열교환을 구현하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 심해짐에 따라 조선?해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유를 사용하는 대신 청정한 에너지원인 천연가스를 선박의 연료로 사용하는 경우가 많아지고 있다.
천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)를 연료로 사용하는 선박은 NG를 액화한 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크에 저장된 증발가스(BOG) 또는 LNG를 연료로 이용 가능하게 처리(압력, 온도, 상태 등을 변환)하여 엔진으로 공급하는 연료가스 공급시스템을 구비한다. 여기서 저장탱크란 LNG 연료탱크 또는 LNG 화물탱크일 수 있다.
연료가스 공급시스템으로는 저장탱크의 증발가스를 다단의 압축기에서 공급조건에 맞도록 압축한 후 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크에서 직접 LNG를 빼내어 고압펌프를 이용해 높은 압력으로 상승시킨 후 고압기화기에서 기화한 다음 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압펌프 쪽으로 공급하는 방식 등이 알려져 있다. 또 이러한 연료가스 공급시스템은 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축하여 재액화장치에서 액화한 후 다시 저장탱크에 저장하기도 한다.
한편, 최근 MAN Diesel&Turbo 社에서 개발한 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진은 효율 등에서 우수하기 때문에 각광받고 있는데, 이러한 고압가스 분사엔진은 가스연료를 300bar에 가까운 압력으로 공급해야 하는 특징이 있다. 따라서 최근 관련 업계에서는 이러한 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하기 위한 시스템에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)는 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 연료를 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제시한 바 있다. 이 시스템은 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어 고압으로 압축한 후 이를 기화시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급한다.
또 대한민국 공개특허공보 10-2012-0103421호(2012. 09. 19. 공개)는 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축기에서 압축한 후 재액화장치에서 액화시키고, 이를 고압펌프로 공급하거나 저장탱크로 되돌릴 수 있는 시스템을 제시한 바 있다.
이러한 연료가스 공급시스템에서 고압기화기는 LNG를 가스상태로 기화시켜야 하기 때문에 외부로부터 열에너지 공급이 필요하고, 재액화장치는 작동과정에서 발생하는 열을 식히기 위해 냉각수의 공급이 필요하였다. 그러나 이러한 연료가스 공급시스템는 재액화장치의 냉각과 고압기화기의 열에너지 공급이 별도의 수단에 의해 각각 이루어지기 때문에 에너지 손실이 컸다.
대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개) 대한민국 공개특허공보 10-2012-0103421호(2012. 09. 19. 공개)
본 발명의 실시 예는 재액화장치와 고압기화기 간의 상호 열교환을 구현하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크의 액화연료를 설정압력으로 가압하여 송출하는 고압펌프; 상기 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기; 상기 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 액화시키는 재액화장치; 및 상기 재액화장치와 상기 고압기화기 간의 상호 열교환을 구현하는 열교환장치를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 열교환장치는 상기 재액화장치와 열교환하는 제1열교환부; 상기 고압기화기와 열교환하는 제2열교환부; 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 거쳐 열매체가 순환할 수 있도록 하는 순환라인; 및 상기 순환라인에 설치되어 상기 열매체를 순환시키는 순환펌프를 포함할 수 있다.
상기 열교환장치는 상기 제2열교환부로 유입되는 상기 열매체를 가열할 수 있도록 상기 순환라인에 설치된 보조가열기를 더 포함할 수 있다.
상기 보조가열기는 상기 제2열교환부로 유입되는 상기 열매체의 온도가 설정온도 미만이면 열매체를 가열할 수 있다.
상기 재액화장치는 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스와 열교환하는 냉각열교환부와, 상기 냉각열교환부에서 열교환된 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매와 상기 제1열교환부로 유입되는 상기 열매체의 열교환을 통해 냉매를 응축시키면서 상기 열매체를 가열하는 응축열교환부와, 상기 응축열교환부로부터 상기 냉각열교환부로 공급되는 냉매를 팽창시키는 팽창장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 열교환장치에 의해 고압기화기와 재액화장치 응축열교환부의 상호 열교환을 구현하기 때문에 냉각이 필요한 재액화장치의 응축열교환부로부터 열을 회수할 수 있고 이 열을 고압기화기의 공급열원으로 이용할 수 있다. 따라서 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 액화연료를 저장하는 저장탱크(10), 저장탱크(10)의 액화연료를 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 연료로서 공급하기 위한 제1연료공급라인(11), 액화연료를 가압하여 송출하는 고압펌프(30), 가압된 액화연료를 기화시키는 고압기화기(40)를 구비한다.
여기서 액화연료는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG, LPG, DME(Dimethylether) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 이하의 설명은 편의를 위해 액화연료가 LNG인 경우를 예로 한다.
또 선박의 연료가스 공급시스템은 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스(BOG)를 저압가스 분사엔진(60) 쪽으로 연료로서 공급하기 위한 제2연료공급라인(12), 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기(70), 증발가스의 재액화를 위한 재액화장치(80), 재액화장치(80)와 고압기화기(40) 간의 상호 열교환을 구현하는 열교환장치(100)를 포함할 수 있다.
본 실시 예의 연료가스 공급시스템이 적용되는 선박이란 고압가스 분사엔진(20)을 채용한 액화연료 운반선, 액화연료 RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박 뿐아니라, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 부유식 해상플랜트를 포함하는 개념이다.
고압가스 분사엔진(20)은 ME-GI엔진처럼 대략 150 ~ 300 bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진을 의미한다. 본 명세서에서 고압이라는 용어는 이러한 고압가스 분사엔진(20)으로 연료가스를 공급하는 압력범위, 즉 150 ~ 300bar 정도의 압력을 의미한다. 또 고압가스 분사엔진(20)은 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil: HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저압가스 분사엔진(60)은 고압가스 분사엔진(20)에 비해 상대적으로 낮은 압력으로 연료가스의 공급이 요구되는 엔진이다. 예를 들면, 대략 5 ~ 7bar 정도의 연료가스를 이용하는 것으로 DFDE 엔진과 같은 발전용 엔진일 수 있다. 저압가스 분사엔진(60)도 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil: HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저장탱크(10)는 LNG 등의 액화연료를 연료로 이용하기 위해 저장하는 연료탱크이거나, 액화연료 운반선에 마련된 화물탱크일 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선에서는 화물탱크에 저장된 LNG를 연료로서 이용할 수 있다. 이러한 저장탱크(10)는 내부의 압력이 대략 1bar 정도로 유지될 수 있고, 내부의 LNG가 약 -163℃(상압에서 액화온도)로 유지될 수 있다.
고압펌프(30)는 제1연료공급라인(11)에 설치된다. 고압펌프(30)는 저장탱크(10)로부터 LNG를 공급받아 고압가스 분사엔진(20)의 연료가스의 공급압력인 150 ~ 300bar로 상승시킨 후, 고압기화기(40) 쪽으로 송출한다. 고압펌프(30)는 저장탱크(10)의 LNG를 150 ~ 300bar의 고압으로 상승시키기 용이한 왕복동식 펌프일 수 있다.
고압기화기(40)는 고압펌프(30)로부터 송출된 고압의 LNG를 기화하여 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 보낸다. 이때 고압기화기(40)로부터 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 공급되는 NG는 고압가스 분사엔진(20)의 연료가스 공급조건(압력, 온도)에 부합하도록 조절될 수 있다. 이를 위해 도면에 나타내지는 않았지만, 고압기화기(40)와 고압가스 분사엔진(20) 사이의 제1연료공급라인(11)에는 가열 등을 통해 온도를 조절할 수 있는 수단과, 버퍼탱크나 압력조절용 밸브처럼 압력을 조절할 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
제2연료공급라인(12)에 설치된 증발가스 압축기(70)는 저장탱크(10)의 증발가스를 저압가스 분사엔진(60)의 연료가스 공급압력인 5 ~ 7bar의 압력으로 압축하여 저압가스 분사엔진(60)으로 공급함으로써 저장탱크(10)의 증발가스를 연료로서 이용할 수 있도록 한다.
저압가스 분사엔진(60)이 동작하지 않는 상태에서 저장탱크(10) 내부에 증발가스의 발생이 많을 경우에는 증발가스 압축기(70)가 증발가스를 압축한 후 재액화장치(80)에서 액화하여 다시 저장탱크(10)로 공급되도록 할 수 있다.
재액화장치(80)는 냉매로서 질소가스(N2)를 사용하는 것으로, 증발가스 압축기(70)에서 압축된 증발가스와 열교환하는 냉각열교환부(81)와, 냉각열교환부(81)에서 열교환된 냉매를 고온 고압으로 압축하는 압축기(82)와, 압축기(82)에서 압축된 냉매와 후술할 열교환장치(100)의 제1열교환부(110)와 열교환을 통해 냉매를 응축시키면서 제1열교환부(110)를 가열하는 응축열교환부(83)와, 응축열교환부(83)로부터 냉각열교환부(81)로 공급되는 냉매를 감압 팽창시키는 팽창장치(84)를 포함한다.
또 본 실시 예의 연료가스 공급시스템은 고압기화기(40)에서 기화된 고압의 연료가스를 증발가스 압축기(70) 하류의 제2연료공급라인(12)으로 공급하기 위한 제3연료공급라인(13)과, 제3연료공급라인(13)에 설치된 감압밸브(90)를 포함할 수 있다. 감압밸브(90)는 고압의 연료가스를 저압가스 분사엔진(60)의 공급압력으로 감압하여 저압가스 분사엔진(60)으로 공급할 수 있도록 한다. 따라서 저압가스 분사엔진(60)의 동작이 필요한 상황에서 저장탱크(10) 내부의 증발가스가 부족한 경우에도 감압밸브(90)의 개방을 통해 저압가스 분사엔진(60) 쪽으로 저압의 연료가스를 공급할 수 있다.
한편, 재액화장치(80)에서 응축열교환부(83)는 압축기(82)에서 압축된 고온의 냉매가 유입되므로 고온상태를 유지한다. 이러한 응축열교환부(83)는 열교환을 통해 냉매를 액체상태로 응축시켜야 하므로 냉각이 필요하다. 또 고압기화기(40)는 LNG를 가스상태로 기화시켜야 하기 때문에 외부로부터 열에너지의 공급이 필요하다.
이러한 점을 고려해 본 실시 예의 열교환장치(100)는 냉각이 필요한 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)로부터 열을 흡수한 후, 이 열을 고압기화기(40)에서 LNG를 기화시키는 에너지원으로 이용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1을 참조하면, 열교환장치(100)는 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)와 열교환을 하는 제1열교환부(110)와, 고압기화기(40)에 설치되어 고압기화기(40)를 거치는 LNG와 열교환을 하는 제2열교환부(120)와, 제1열교환부(110)와 제2열교환부(120)를 거쳐 열매체가 순환할 수 있도록 유로를 형성하는 순환라인(130)과, 순환라인(130)에 설치되어 열매체를 순환시키는 적어도 하나의 순환펌프(140)를 포함한다.
순환라인(130)은 열매체가 제1열교환부(110)와 제2열교환부(120)를 거쳐 연속적인 순환을 할 수 있도록 유로를 형성하는 배관으로 구성될 수 있고, 이를 따라 순환하는 열매체는 글리콜 워터(Glycol Water)일 수 있다. 글리콜 워터는 에틸렌과 폴리글리콜 같은 부동액을 30~60%의 물과 혼합한 것일 수 있고, 어는 점이 -60도 정도 일 수 있다.
고압기화기(40)는 원통형 용기와, 이 용기 내에 설치된 다수의 전열관을 구비하는 다관식 열교환기 일 수 있다. 이러한 고압기화기(40)는 용기 내부의 공간에 의해 마련되는 제1유로와, 제1유로와 구분되도록 전열관에 의해 마련되는 제2유로를 포함할 수 있고, 제2열교환부(52)는 제1유로와 제2유로 중 어느 하나에 의해 구현될 수 있다.
이러한 열교환장치(100)는 제1열교환부(110)를 거쳐 제2열교환부(120)로 유입되는 열매체를 가열할 수 있도록 순환라인(130)에 설치된 전기히터 등의 보조가열기(150)를 포함할 수 있다. 보조가열기(150)는 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)와 열교환을 통해 열매체의 온도가 상승하였더라도 이 열매체의 온도가 고압기화기(40)의 열원으로 이용되기에 충분하지 않을 경우 열매체를 가열하여 고압기화기(40)에서 필요한 설정온도에 이르도록 할 수 있다. 이때 보조가열기(150)는 순환라인(130)에 설치된 온도센서(151)를 통해 열매체의 온도를 감지한 후 열매체의 온도가 설정온도 미만이면 열매체를 가열할 수 있다.
이러한 열교환장치(100)의 동작은 다음과 같이 이루어질 수 있다.
순환하는 열매체는 제1열교환부(110)를 지날 때 열교환을 통해 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)를 냉각시키면서 재액화장치(80)의 냉매를 응축시킴과 동시에 자체의 온도가 상승한다. 제1열교환부(110)를 거치면서 온도가 상승한 열매체는 고압기화기(40)의 제2열교환부(120)를 지나면서 LNG와 열교환을 통해 LNG를 기화시키고 자체의 온도는 하강한다. 제2열교환부(120)를 거치면서 다시 온도가 내려간 열매체는 제1열교환부(110)로 유입되면서 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)와 열교환을 하는 순환을 반복한다. 이때 제2열교환부(120)로 유입되는 열매체의 온도가 설정온도 미만이면 보조가열기(150)가 열매체를 가열하여 고압기화기(40)에서 LNG의 기화에 충분한 온도로 상승되도록 한다.
이처럼 본 실시 예의 연료가스 공급시스템은 열교환장치(100)에 의해 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)와 고압기화기(40)의 상호 열교환을 구현하기 때문에 냉각이 필요한 재액화장치(80)의 응축열교환부(83)로부터 열을 회수할 수 있고, 이 열을 고압기화기(40)의 공급열원으로 이용할 수 있다. 따라서 에너지 효율을 높일 수 있다. 종래에는 재액화장치에 별도로 냉각장치를 설치하고, 고압기화기에 별도의 열공급원을 마련해야 했기 때문에 시스템의 구성이 복잡할 뿐 아니라 에너지의 손실이 컸다.
10: 저장탱크, 11: 제1연료공급라인,
12: 제2연료공급라인, 13: 제3연료공급라인,
20: 고압가스 분사엔진, 30: 고압펌프,
40: 고압기화기, 60: 저압가스 분사엔진,
70: 증발가스 압축기, 80: 재액화장치,
81: 냉각열교환부, 83: 응축열교환부,
90: 감압밸브, 100: 열교환장치,
110: 제1열교환부, 120: 제2열교환부,
140: 순환펌프, 150: 보조가열기.

Claims (5)

  1. 액화연료를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 액화연료를 설정압력으로 가압하여 송출하는 고압펌프;
    상기 고압펌프에서 가압된 액화연료를 기화하여 고압가스 분사엔진 쪽으로 보내는 고압기화기;
    상기 저장탱크로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 액화시키는 재액화장치; 및
    상기 재액화장치와 상기 고압기화기 간의 상호 열교환을 구현하는 열교환장치를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환장치는
    상기 재액화장치와 열교환하는 제1열교환부;
    상기 고압기화기와 열교환하는 제2열교환부;
    상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 거쳐 열매체가 순환할 수 있도록 하는 순환라인; 및
    상기 순환라인에 설치되어 상기 열매체를 순환시키는 순환펌프를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환장치는 상기 제2열교환부로 유입되는 상기 열매체를 가열할 수 있도록 상기 순환라인에 설치된 보조가열기를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보조가열기는 상기 제2열교환부로 유입되는 상기 열매체의 온도가 설정온도 미만이면 열매체를 가열하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 재액화장치는 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스와 열교환하는 냉각열교환부와, 상기 냉각열교환부에서 열교환된 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매와 상기 제1열교환부로 유입되는 상기 열매체의 열교환을 통해 냉매를 응축시키면서 상기 열매체를 가열하는 응축열교환부와, 상기 응축열교환부로부터 상기 냉각열교환부로 공급되는 냉매를 팽창시키는 팽창장치를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
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