KR20150069150A - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

Abstract

선박의 연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크의 하부로부터 액화연료를 빼내어 고압가스 분사엔진의 요구 압력에 맞게 압축하는 고압펌프 및 고압펌프에 의해 압축된 액화연료를 공급받아 기화시키는 기화장치를 포함하고, 기화장치는 선박에서 발생하는 배기가스의 폐열을 흡수하는 제1열교환부와, 제1열교환부를 통해 가열된 열전달매체와 열교환을 통해 고압펌프를 통과하여 압축된 액화연료를 기화시키는 제2열교환부와, 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 서로 연결하여 열전달매체가 순환하는 순환라인을 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}

본 발명은 선박의 액화연료 저장탱크에 저장된 액화연료를 연료로 사용 가능한 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 고압 기화기에서 기화한 다음 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압펌프 쪽으로 공급하는 방식 등이 알려져 있다.

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.

일 예로 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.

이러한 연료가스 공급시스템은 고압펌프가 LNG의 압력을 약 300bar정도로 상승시켜야 하는 관계로 높은 부하가 걸리고, 이로 인해 고압펌프의 구동부에서 높은 열이 발생하기 때문에 고압펌프의 냉각이 필요하다. 또 고압기화기는 LNG를 가스상태로 기화시켜야 하기 때문에 외부로부터 열에너지 공급이 필요하다. 그러나 이러한 연료가스 공급시스템은 고압펌프의 냉각과 고압기화기의 열에너지 공급이 별도의 수단에 의해 각각 이루어지기 때문에 에너지 손실이 컸다.

대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)

본 발명의 실시 예들은 에너지 소모를 줄일 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 빼내어 고압가스 분사엔진의 요구 압력에 맞게 압축하는 고압펌프 및 상기 고압펌프에 의해 압축된 상기 액화연료를 공급받아 기화시키는 기화장치를 포함하고, 상기 기화장치는 선박에서 발생하는 배기가스의 폐열을 흡수하는 제1열교환부와, 상기 제1열교환부를 통해 가열된 열전달매체와 열교환을 통해 상기 고압펌프를 통과하여 압축된 액화연료를 기화시키는 제2열교환부와, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 서로 연결하여 상기 열전달매체가 순환하는 순환라인을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.

또한 상기 제1열교환부는 상기 배기가스가 배기되는 배기관의 길이방향을 따라 상기 배기관의 외면에 권선되는 코일형태의 관을 포함한다.

또한 상기 순환라인에는 상기 제2열교환부로 유입되는 상기 열전달매체를 가열하는 보조가열기를 더 포함한다.

또한 상기 순환라인에 설치되어 상기 열전달매체를 순환시키는 순환펌프를 더 포함한다.

또한 상기 고압가스 분사엔진은 ME-GI인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예들은 선박에서 발생하는 배기가스의 폐열을 이용하여 액화연료를 기화하는 에너지로 사용함으로써 고압가스 분사엔진의 에너지 소모를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 선박 엔진의 동력원인 액화연료를 저장하기 위한 연료탱크(10)와, 연료탱크(10)에 저장된 액화연료를 선박 엔진공급에 적합한 기체상태의 가스로 전환하기 위한 고압펌프(20), 기화장치(30), 온도조절장치(40), 고압가스 분사엔진(50)으로 연결되는 연료가스공급라인(60)을 포함한다.

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.

또한 본 실시 예에서 적용되는 선박 엔진은 고압가스 분사엔진(250 내지 300bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진), 예를 들어 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 최소의 연료유(5%)와 가스(95%)로 운전하는 최소 액체연료유 운전모드, 가스의 공급이 부족할 경우 연료유와 가스 공급량의 비율을 적절하게 조절하여 운전하는 가스/연료유비 조절운전모드, 연료유를 100% 공급하여 운전하는 연료유 단독 운전모드를 갖는 ME-GI 엔진일 수 있다. 이러한 ME-GI 엔진이 장착된 선박은 LNG 운반선, LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU 등을 포함한다.

연료탱크(10)는 LNG 운반선용으로 일반적으로 사용되는 LNG 저장탱크를 사용하는 것이 바람직하며, LNG 저장탱크의 일 예로 MOSS형과 Membrane형 등 공지된 다양한 형태의 LNG 저장탱크를 포함할 수 있다.

연료가스공급라인(60)은 연료탱크(10)의 하부로부터 LNG를 공급받고, 공급받은 LNG를 고압가스 분사엔진(50)에 적합한 가스 압력으로 공급하기 위한 배관으로서, 연료가스공급라인(60) 상에는 고압펌프(20), 기화장치(30), 온도조절장치(40)가 순차적으로 연결될 수 있다.

고압펌프(20)는 연료탱크(10) 하부의 LNG를 연료가스공급라인(60)으로 송출함과 아울러 LNG를 고압으로 압축하여 고압가스 분사엔진(50)에 공급한다. 여기서 고압펌프(20)는 LNG를 고압가스 분사엔진(50)에서 요구하는 압력(250~300bar)으로 상승시킨 후 기화장치(30) 쪽으로 송출한다.

고압펌프(20)의 하류 쪽 연료가스공급라인(60)에는 기화장치(30)가 설치되고, 기화장치(30)는 고압으로 압축된 LNG를 기화시켜서 고압가스 분사엔진(50)에 공급한다.

기화장치(30)는 선박에서 발생하는 배기가스의 폐열을 이용하기 위한 것으로서, 고압펌프(20)의 하류 쪽 연료가스공급라인(60)은 배기가스를 배출하는 굴뚝(funnel)(70)을 관통하여 배기가스가 배기되는 배기관(71) 외면을 길이방향을 따라 코일 형태로 감기도록 설치되어 배기관(71)을 통해 배기되는 배기가스의 폐열을 이용하여 고압으로 압축된 LNG를 기화시킬 수 있다. 여기서 배기관(71)은 선박의 추진용 엔진, 발전용 엔진, 보일러, 소각기 등의 연소설비에 의해 발생되는 배기가스가 외부로 배기되는 관을 포함한다. 또한 배기관(71)의 길이방향을 따라 코일 형태로 권선된 연료가스공급라인(60)은 밀폐된 공간을 갖는 케이스(73) 내부에 설치될 수 있다.

기화장치(30)의 하류 쪽 연료가스공급라인(60)에는 기화장치(30)를 거친 연료가스를 고압가스 분사엔진(50)에서 요구하는 온도로 조절하기 위한 온도조절장치(40)가 설치될 수 있다. 온도조절장치(40)는 통상의 히터 또는 냉각기를 포함한다.

이러한 구성을 통하여, 기존 LNG를 고압가스 분사엔진(50)에 공급 시 고압펌프 및 고압기화기를 이용하여 고압가스 분사엔진(50)에서 요구하는 압력까지 올리는 경우 별도의 열 공급원이 필요한 고압기화기를 이용함에 따른 과도한 에너지 소모를 줄일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템을 도시한 것이다. 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템의 기화장치(30)는 굴뚝(70)에서 발생하는 배기가스의 폐열을 열전달매체로 흡수한 후 열전달매체의 열을 LNG를 기화시키는 에너지원으로 이용함에 의해 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예의 기화장치(80)는 배기관(71)을 통과하는 배기가스로부터 폐열을 흡수하는 제1열교환부(81)와, 고압펌프(20)를 통과하여 압축된 LNG와 열 교환을 통해 LNG를 기화시키는 제2열교환부(83)와, 제1열교환부(81)와 제2열교환부(83)를 거쳐 열전달매체가 순환하는 폐쇄회로를 형성하는 순환라인(85)과, 순환라인(85)에 설치되어 열전달매체를 순환시키는 순환펌프(87)를 포함한다.

순환라인(85)은 열전달매체가 제1열교환부(81)와 제2열교환부(83)를 거쳐 연속적인 순환을 할 수 있도록 유로를 형성하는 배관으로 구성될 수 있고, 이를 따라 순환하는 열전달매체는 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.

제1열교환부(81)는 순환라인(85)의 배관이 배기가스를 배출하는 굴뚝(70)을 관통하여 배기가스가 배기되는 배기관(71) 외면을 길이방향을 따라 코일 형태로 감기도록 설치되어 열전달매체가 배기관(71)을 통해 배기되는 배기가스의 폐열을 흡수할 수 있다. 여기서 배기관(71)은 선박의 추진용 엔진, 발전용 엔진, 보일러, 소각기 등의 연소설비에 의해 발생되는 배기가스가 외부로 배기되는 관을 포함한다. 또한 배기관(71)의 길이방향을 따라 코일 형태로 권선된 순환라인(85)은 밀폐된 공간을 갖는 케이스(73) 내부에 설치될 수 있다.

제2열교환부(83)는 원통형 용기와, 이 용기 내에 설치된 다수의 전열관을 구비하는 다관식 열교환기 일 수 있다. 이러한 제2열교환부(83)는 용기 내부의 공간에 의해 마련되는 제1유로와, 제1유로와 구분되도록 전열관에 의해 마련되는 제2유로를 포함할 수 있고, 제1유로와 제2유로는 연료가스공급라인(60)과 순환라인(85)에 의해 구현되어 서로 열교환할 수 있다. 또한 제1유로와 제2유로 중 어느 하나가 다른 하나를 통과하는 형태로 구성되어 전도에 의한 열전달이 이루어지도록 형성될 수 있다.

순환라인(85)에는 제1열교환부(81)를 거쳐 제2열교환부(83)로 유입되는 열전달매체를 가열할 수 있도록 순환라인(85)에 설치된 전기히터 등의 보조가열기(88)가 설치될 수 있다. 보조가열기(88)는 배기가스와 열교환을 통해 열전달매체의 온도가 상승하였더라도 이 열전달매체의 온도가 LNG를 기화시키는 열원으로 이용되기에 충분하지 않은 경우 열전달매체를 가열할 수 있다. 이때 보조가열기(88)는 순환라인(85)에 설치된 온도센서(89)를 통해 열전달매체의 온도를 감지한 후 열전달매체의 온도가 설정온도 미만이면 열전달매체를 가열할 수 있다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 연료탱크, 20: 고압펌프,
30: 기화장치, 40: 온도조절장치,
50: 고압가스 분사엔진, 60: 연료가스공급라인,
70: 굴뚝, 71: 배기관,
81: 제1열교환부, 83: 제2열교환부,
85: 순환라인, 87: 순환펌프,
88: 보조가열기, 89: 온도센서.

Claims (5)

1. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 빼내어 고압가스 분사엔진의 요구 압력에 맞게 압축하는 고압펌프; 및
   상기 고압펌프에 의해 압축된 상기 액화연료를 공급받아 기화시키는 기화장치;를 포함하고,
   상기 기화장치는 선박에서 발생하는 배기가스의 폐열을 흡수하는 제1열교환부와, 상기 제1열교환부를 통해 가열된 열전달매체와 열교환을 통해 상기 고압펌프를 통과하여 압축된 액화연료를 기화시키는 제2열교환부와, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 서로 연결하여 상기 열전달매체가 순환하는 순환라인을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1열교환부는 상기 배기가스가 배기되는 배기관의 길이방향을 따라 상기 배기관의 외면에 권선되는 코일형태의 관을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 순환라인에는 상기 제2열교환부로 유입되는 상기 열전달매체를 가열하는 보조가열기를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 순환라인에 설치되어 상기 열전달매체를 순환시키는 순환펌프를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고압가스 분사엔진은 ME-GI인 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 공급시스템.

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