KR20150075399A - 선박의 연료가스 공급 시스템 - Google Patents

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KR20150075399A
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gas
fuel tank
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KR1020150082435A
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최동규
박현기
이정한
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은 선박의 연료가스 공급 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템은, 선박의 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 시스템으로서, LNG를 연료로서 저장하는 LNG 연료탱크를 포함하고, 상기 선박의 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어서 고압으로 압축하고 기화시켜서 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 연료가스 공급 시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}
본 발명은 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 선박에서 LNG 연료탱크로부터 고압가스 분사엔진에 연료가스를 효율적으로 공급할 수 있도록 구성된 선박의 연료가스 공급 시스템에 관한 것이다.
일반 선박은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)를 연료로 사용하여 추진될 수 있다.
따라서, 일반 선박에는 연료용 LNG를 저장하기 위한 LNG 연료탱크가 설치된다.
천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. 선박의 LNG 연료탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, 선박의 운항중에 LNG가 LNG 연료탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 연료탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.
선박에서는, LNG 연료탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 연료탱크 내의 압력이 과도하게 상승하는 문제점이 있다.
또한, 선박의 선박 추진 엔진으로서 고압가스 분사엔진(예를 들어, MEGI 엔진(MAN B&W Diesel사 제품)이 사용되는 경우, 종래의 연료가스 공급 시스템은 LNG 연료탱크로부터 고압가스 분사엔진으로 고압의 연료가스를 공급하기 위한 구성이 매우 복잡하고 LNG 연료탱크로부터 고압가스 분사엔진으로 고압의 연료가스를 공급하기 위해 과도한 동력이 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은, 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 선박에서 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급함에 있어 구성이 간단하면서도 소요되는 동력을 절감함과 동시에 LNG 연료탱크 내의 증발가스 축적에 따른 과도한 압력 상승을 방지할 수 있도록 구성된 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템은, 선박의 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 시스템으로서, LNG를 연료로서 저장하는 LNG 연료탱크를 포함하고, 상기 선박의 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어서 고압으로 압축하고 기화시켜서 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 방법은, 선박의 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 방법으로서, LNG를 연료로서 저장하는 LNG 연료탱크를 포함하는 상기 선박의 상기 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어서 상기 고압가스 분사엔진의 요구 압력에 맞게 압축하고 기화시켜서 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법에 의하면, LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어서 고압으로 압축하고 기화시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급하므로, 선박에서 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급함에 있어 구성이 간단하면서도 소요되는 동력을 절감함과 동시에 LNG 연료탱크 내의 증발가스 축적에 따른 과도한 압력 상승을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 선박의 연료가스 공급 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 선박의 연료가스 공급 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 선박의 연료가스 공급 시스템의 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 연료가스 공급 시스템의 개략적인 구성도이다. 도시된 바와 같이, 선박의 연료가스 공급 시스템은 선박의 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하는 것이다.
본 발명의 연료가스 공급 시스템은, 선박의 LNG 연료탱크(1)로부터 LNG를 빼내어서 고압가스 분사엔진으로 공급하는 연료가스 공급라인(L1)을 설치하고, 이 연료가스 공급라인(L1)의 도중에, LNG를 LNG 연료탱크(1)로부터 빼내어지는 증발가스와 열교환시키는 열교환기(3)를 설치한 것이다.
LNG 연료탱크로서는 LNG 운반선용으로 일반적으로 사용되는 LNG 저장탱크를 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 LNG 저장탱크는 이하에 기술된 바와 같이 다양하게 알려져 있다.
먼저, 선박의 내부에 설치되는 LNG 저장탱크는 독립탱크형(Independent Type)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 나눌 수 있다. 그 구체적 내용은 아래와 같다.
*하기 [표 1]에서 일명 GTT NO 96-2형과 GTT Mark Ⅲ형은 1995년 Gaz Transport(GT)사와 Technigaz(TGZ)사가 GTT(Gaztransport & Technigaz)사로 명칭이 변경되면서 각각 GT형은 GTT NO 96-2형으로, TGZ형은 GTT Mark Ⅲ형로 개칭되어 사용되고 있다.
Figure pat00001
전술된 GT형 및 TGZ형 탱크구조는 미합중국특허 US6,035,795, US6,378,722, US5,586,513, 미합중국특허공개US2003-0000949와, 대한민국특허공개KR2000-0011347호, KR2000-0011346호 등에 기재되어 있다.
한국특허 제499710호 및 제0644217호에는 다른 개념으로서 단열벽이 개시되어 있다.
다양한 형태의 단열벽을 가지는 LNG 운반선용 LNG 저장탱크가 기존에 개시되어 있는데 이들은 가능한 LNG의 기화를 억제하기 위한 것이다.
또한, LNG 연료탱크로서, 2 바(게이지압) 이상의 고압에 견디도록 설계된 고압의 LNG 저장탱크를 사용하는 것도 가능하다.
열교환기(3)의 상류의 연료가스 공급라인(L1)에는 LNG를 고압가스 분사엔진의 요구 압력에 맞게 압축시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급하기 위한 1차 펌프(2)가 설치되어 있다. 본 실시예에서는 1차 펌프(2)가 LNG 연료탱크(1) 내에 설치된 것으로 도시하였으나, LNG 연료탱크(1)의 외부의 열교환기(3)의 상류의 연료가스 공급라인(L1)에도 설치될 수도 있다. 또한, 1차 펌프(2)를 1개의 펌프로 구성할 수도 있고, 2개의 펌프로 구성할 수도 있다.
열교환기(3)에는 LNG 연료탱크(1)의 상부로부터 증발가스를 빼내어서 LNG 연료탱크(1)의 일측으로 복귀시키는 증발가스 액화라인(L2)이 통과한다.
열교환기(3)에서, LNG는 증발가스와의 열교환에 의해 온도가 상승되어 고압가스 분사엔진으로 공급되고, 증발가스는 LNG와의 열교환에 의해 액화되어 LNG 연료탱크(1)로 복귀된다. 이렇게 LNG 연료탱크(1)의 상부의 증발가스를 액화시켜서 LNG 연료탱크(1)의 하부로 복귀시키면, LNG 연료탱크(1) 내에 증발가스가 축적됨으로 인해 과도하게 상승하는 것을 방지할 수 있다.
열교환기(3)의 하류의 연료가스 공급라인(L1)에는 LNG가 열교환기(3)에서 증발가스와 열교환된 LNG를 고압가스 분사엔진의 요구 압력에 맞게 압축시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급하기 위한 2차 펌프(4)가 설치되어 있다.
2차 펌프(4)의 하류의 연료가스 공급라인(L1)에는 열교환기(3)에서 열교환된 LNG를 가열하여 고압가스 분사엔진으로 공급하기 위한 히터(5)가 설치되어 있다.
열교환기(3)의 상류의 증발가스 액화라인(L2)에는 LNG 연료탱크의 빼내어지는 증발가스를 압축 및 냉각시킨 다음 LNG와 열교환시키기 위하여 증발가스용 압축기(6) 및 냉각기(7)가 차례로 설치되어 있다.
고압가스 분사엔진이, 예를 들어, MAN B&W Diesel사에서 제조하여 판매하는 MEGI 엔진인 경우, MEGI 엔진에서 요구하는 연료가스의 압력은 200 바(게이지압) 내지 300 바(게이지압), 바람직하게는, 250 바(게이지압)인데, 1차 펌프(2)에서 LNG를 27 바(게이지압)로 압축한 다음 LNG가 열교환기(3)를 거치면서 온도가 약 -163℃에서 약 -100℃로 상승된 후 액체 상태로 2차 펌프(4)로 공급되어 2차 펌프(4)에서 약 250 바(게이지압)로 압축된(초임계 상태이므로 액체, 기체 구분이 없음) 다음, 히터(5)에서 가열되면서 기화되어 고압가스 분사엔진으로 공급된다. 이 경우, 열교환기(3)로 공급되는 LNG의 압력이 높으므로 열교환기(3)를 거치면서 LNG의 온도가 상승하여도 LNG가 기화되지 않는다.
1차 펌프(2)의 전후의 연료가스 공급라인(L1)과, 2차 펌프(4)의 전후의 연료가스 공급라인(L1)과, 증발가스용 압축기(6) 및 냉각기(7)의 전후의 증발가스 액화라인(L2)에는 통과하는 유체의 압력을 조절하기 위하여 유량 조절형 압력 조절 밸브(11)가 병렬로 설치되어 있다.
또한, 히터(5)의 전후의 연료가스 공급라인(L1)에는 통과하는 유체의 온도를 조절하기 위하여 유량 조절형 온도 조절 밸브(12)가 병렬로 설치되어 있다.
1차 펌프(2)의 후단의 연료가스 공급라인(L1)과, 2차 펌프(4)의 후단의 연료가스 공급라인(L1)과, 증발가스용 압축기(6) 및 냉각기(7)의 후단의 증발가스 액화라인(L2)과, 각각의 압력 조절 밸브(11)들 사이에는 압력 센서(13)가 연결되어 있다. 또한, 히터(5)의 후단의 연료가스 공급라인(L1)과 온도 조절 밸브(12) 사이에는 온도 센서(15)가 연결되어 있다.
유량 조절형 압력 조절 밸브(11)와 온도 조절 밸브(12)는 유량을 조절함으로써 통과하는 유체의 압력 또는 온도를 조절한다.
또한, 열교환기(3)의 하류의 증발가스 액화라인(L2)의 도중에는 통과하는 유체의 압력을 제어하기 위하여 팽창형 압력 조절 밸브(12a)가 설치되어 있다.
열교환기(3)의 하류의 증발가스 액화라인(L2)에 설치된 압력 조절 밸브(12a)의 전단의 증발가스 액화라인(L2)과 압력 조절 밸브(12a) 사이에도 압력 센서(13)가 연결되어 있다.
열교환기(3)의 하류의 증발가스 액화라인(L2)에 설치된 압력 조절 밸브(12a)는 통과하는 유체를 LNG 연료탱크(1)의 압력과 LNG 연료탱크(1) 내의 LNG의 수두에 의한 압력을 더한 값의 압력에 대응하도록 팽창시킴으로써 압력을 조절하는 팽창 밸브이며 팽창에 의해 LNG의 온도는 하강한다.
한편, 도 2에 예시된 바와 같이, 증발가스 액화라인(L2)을 LNG 연료탱크(1)의 상부로부터 열교환기(3)를 거쳐 연료가스 공급라인(L1)의 도중에서 열교환기(3)와 히터(5)의 사이에 연결되게 구성할 수도 있다. 이에 의하면, 증발가스는 열교환기(3)에서 LNG와의 열교환에 의해 액화되어 액체 상태로 압축된 후 기화되어 고압가스 분사엔진의 연료가스로서 사용된다.
다른 한편, 전술한 실시예에서는 연료가스 공급라인(L1)의 도중에, LNG를 LNG 연료탱크(1)로부터 빼내어지는 증발가스와 열교환시키는 열교환기를 설치하였으나, 열교환기 대신에 LNG와 증발가스를 직접 혼합하는 재응축기를 설치할 수도 있다. 도 3에 예시된 실시예는, 연료가스 공급라인(L1)에 열교환기 대신에 재응축기를 설치하고 있다. 재응축기(103)는 LNG 연료탱크(1)의 하부로부터 빼낸 LNG와 LNG 연료탱크(1)의 상부로부터 빼낸 증발가스를 혼합/액화시켜 응축된 LNG를 발생시킨다. 재응축기(103)에서 응축된 LNG는 연료가스 공급라인(L1)을 통해 고압가스 분사엔진으로 공급된다.
또한, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템에서는, LNG 연료탱크의 내부에 발생된 증발가스를 기체 상태로 고압으로 압축하여 고압가스 분사엔진의 연료가스로서 사용하지 않는다.
또한, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템에 사용되는 LNG 연료탱크는, 선박의 운항 기간 동안에 내부에서 발생되는 증발가스에 의한 압력 상승을 허용하기 위해 증발가스에 의한 압력 상승분을 견딜 수 있는 강도를 가지도록 설계된 LNG 연료탱크일 수도 있다.
또한, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템은, 콜드박스와 냉동시스템으로 이루어진 증발가스 재액화 장치를 포함할 수도 있는데, 본 발명에서는 LNG 연료탱크 내의 LNG를 압축 및 기화시켜 연료가스로서 고압가스 분사엔진으로 보내는 연료가스 공급라인의 도중에 열교환기를 설치하고, LNG 연료탱크에서 발생된 증발가스를 연료가스 공급라인의 도중의 LNG와 열교환시켜 증발가스를 액화시키거나, 연료가스 공급라인의 도중에 재응축기를 설치하고, LNG 연료탱크에서 발생된 증발가스를 LNG 연료탱크의 하부로부터 빼낸 LNG와 혼합시켜 연료가스 공급라인을 통해 고압가스 분사엔진으로 공급하므로, 별도로 설치되는 증발가스 재액화 장치의 용량을 작게 구성할 수 있다.
또한, 본 발명의 선박의 연료가스 공급 시스템은, LNG 연료탱크와 별개로 중유, 디젤유 등의 오일을 연료로서 저장하는 오일 연료탱크를 더 포함한다. MEGI 엔진 등의 고압가스 분사엔진은 이중 연료를 사용하므로 선박의 운항 상태에 따라 사용되는 연료를 LNG와 오일 중에서 적절히 선택하면 된다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
1: LNG 연료탱크
2: 1차 펌프
3: 열교환기
4: 2차 펌프
5: 히터
6: 압축기
7: 냉각기
11, 12a: 압력 조절 밸브
12: 온도 조절 밸브
13: 압력 센서
15: 온도 센서
103: 재응축기
L1: 연료가스 공급라인
L2: 증발가스 액화라인

Claims (1)

  1. LNG를 연료로서 저장하는 LNG 연료탱크로부터 선박 추진용 엔진에 연료를 공급하는 연료가스 공급 시스템으로서,
    상기 LNG 연료탱크에서 뽑아낸 LNG를 연료로서 상기 엔진에 공급하는 연료가스 공급라인과;
    상기 연료가스 공급라인에 설치되어, LNG를 상기 엔진의 요구압력에 맞게 200 바(게이지압) 내지 300 바(게이지압)로 압축하는 고압펌프와;
    상기 고압펌프에서 압축된 LNG를 가열하는 히터;
    를 포함하는 연료가스 공급 시스템.
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