KR20150101619A - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

선박의 연료가스 공급시스템 Download PDF

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Abstract

선박의 연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 액화연료를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크에 저장된 액화연료를 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1연료공급라인 및 저장탱크에 축적된 증발가스를 추출하여 저압가스 분사엔진으로 공급하는 제2연료공급라인을 포함하고, 제1연료공급라인은 저장탱크로부터 공급받은 액화연료를 일시 저장하되 일정한 압력으로 가압시키는 석션드럼과, 석션드럼에 저장된 액화연료를 공급받아 고압으로 승압시키는 가압펌프와, 가압펌프에 의해 승압된 액화연료를 기화시키는 고압기화기 및 고압기화기를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 계측하여 연료가스의 압력을 일정범위 내로 유지하는 압력제어라인을 포함하여 제공될 수 있다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}
본 발명은 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진에 연료가스를 안정적으로 공급할 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)를 연료로 이용하는 선박은 NG를 액화시킨 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크에 저장된 증발가스(Boil Off Gas, 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 압축기를 통해 공급조건에 맞도록 압축한 후 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크에서 직접 LNG를 빼내어 고압펌프를 이용해 높은 압력으로 압축시킨 후 고압기화기에서 기화한 다음 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압펌프에 공급하는 방식 등이 이용되고 있다. 또한 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축하여 재액화장치를 통해 다시 LNG로 액화시킨 후 저장탱크로 보내는 방식도 이용되고 있다.
최근에는 MAN Diesel&Turbo 사에서 개발한 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진은 효율 면에서 우수하여 각광받고 있는데, 이러한 고압가스 분사엔진은 연료가스를 300bar에 가까운 높은 압력으로 공급해야 하는 특징이 있다. 따라서 최근 관련 업계에서는 이러한 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하기 위한 시스템에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
한편, 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하기 위해 연료가스를 300bar에 가까운 높은 압력으로 압축하여 공급하는 과정에서 큰 맥동압이 발생하여 각종 밸브 및 주변 장치들에 부하가 갈 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 별도의 탱크 또는 부가적인 장치가 요구되나, 이로 인해 연료가스 공급시스템의 부피가 매우 커지고, 값 비싼 장치를 설치해야 하므로 많은 비용이 소모되는 문제점이 존재하였다.
대한민국 등록특허공보 10-1168299호(2012. 07. 25. 공고)
본 발명의 실시 예는 고압으로 압축된 연료가스를 안정적으로 고압가스 분사엔진으로 공급할 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 별도의 탱크 또는 장비 없이도 고압의 연료가스에 의한 맥동압을 최소화시킬 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 고압의 연료가스에 의한 맥동압을 최소화하여 각종 밸브 및 장치들의 훼손을 방지하고 내구연한을 증가시킬 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 저장탱크, 상기 저장탱크에 저장된 액화연료를 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1연료공급라인 및 상기 저장탱크에 축적된 증발가스를 추출하여 저압가스 분사엔진으로 공급하는 제2연료공급라인;을 포함하고,
상기 제1연료공급라인은 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화연료를 일시 저장하되 일정한 압력으로 가압시키는 석션드럼과, 상기 석션드럼에 저장된 액화연료를 공급받아 고압으로 승압시키는 가압펌프와, 상기 가압펌프에 의해 승압된 액화연료를 기화시키는 고압기화기 및 상기 고압기화기를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 계측하여 연료가스의 압력을 일정범위 내로 유지하는 압력제어라인을 포함하여 제공될 수 있다.
상기 압력제어라인은 상기 고압기화기의 상류측에 마련되어 상기 고압기화기로 공급되는 액화연료의 공급량을 조절하는 압력제어밸브와, 상기 고압기화기를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 계측하는 압력제어장치를 포함하고, 상기 압력제어장치는 계측된 연료가스의 압력을 일정범위 내로 유지하도록 상기 압력제어밸브의 개폐를 제어하도록 마련될 수 있다.
상기 제2연료공급라인은 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 가압펌프에 의해 승압되는 압력보다 낮은 압력으로 가압시키는 증발가스컴프레서와, 상기 증발가스컴프레서의 하류에 마련되어 상기 증발가스컴프레서에 의해 압축된 증발가스를 기화시키는 저압기화기를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제1연료공급라인은 상기 저장탱크에 마련되어 상기 저장탱크에 저장된 액화연료를 상기 석션드럼으로 송출하는 송출펌프를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 송출펌프로부터 공급받은 액화연료를 상기 저압기화기로 공급하는 제3연료공급라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제1연료공급라인은 상기 석션드럼 내의 압력을 유지하도록 상기 제2펌프의 하류와 상기 석션드럼을 연결하되, 개폐를 조절하는 밸브를 구비하는 드럼압력조절라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 고압의 연료가스를 안정적으로 고압가스 분사엔진으로 공급할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 단순한 구조로서 고압의 연료가스에 의해 발생하는 맥동압을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 고압의 연료가스에 의한 맥동압을 최소화하여 각종 밸브 및 주변 장치들의 훼손을 방지하고 내구연한을 증가시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
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.
여기서 액화연료는 액화상태로 저장할 수 있고 이를 연료로 이용할 수 있는 LNG, LPG, DME(Dimethylether) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 이하의 설명에서는 편의를 위해 액화연료가 LNG인 경우를 예로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)을 나타낸다. 선박의 연료가스 공급시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, LNG를 저장하는 저장탱크(1), 저장탱크(1)에 저장된 LNG를 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1연료공급라인(10)과, 저장탱크(1)에 축적된 증발가스를 추출하여 저압가스 분사엔진으로 공급하는 제2연료공급라인(20)을 포함한다.
여기서 연료가스 공급시스템(100)이 적용되는 선박이란 고압가스 분사엔진을 채용한 LNG 운반선, LNG RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박뿐만 아니라, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 부유식 해상플랜트를 포함하는 개념이다.
고압가스 분사엔진은 ME-GI 엔진처럼 대략 150 ~ 300bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진을 의미한다. 본 실시 예에서 고압이라는 용어는 이러한 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하는 압력범위, 즉 150 ~ 300bar 정도의 압력을 의미한다. 또한 고압가스 분사엔진은 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil: HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저압가스 분사엔진은 고압가스 분사엔진에 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 분사엔진도 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil: HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저장탱크(1)는 LNG를 연로로서 이용하기 위해 저장하는 LNG 연료탱크이거나, LNG 운반선에 마련된 LNG 화물탱크일 수 있다. LNG 운반선에서는 화물탱크에 저장된 LNG를 연료로서 이용할 수 있다. 이러한 저장탱크(1)는 내부의 압력이 대략 1bar 정도로 유지될 수 있으며, 내부의 LNG가 약 -163도(섭씨, 상압에서의 액화온도)로 유지될 수 있다.
제1연료공급라인(10)은 저장탱크(1)로부터 공급받은 LNG를 일시적으로 저장하는 석션드럼(11)과, 석션드럼(11)에 저장된 LNG를 공급받아 고압으로 승압시키는 가압펌프(12)와, 승압된 LNG를 기화시키는 고압기화기(13)와 고압기화기(13)를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 일정범위 내로 유지하는 압력제어라인(15) 및 저장탱크(1)에 저장된 LNG를 석션드럼(11)으로 송출하는 송출펌프(17)와, 석션드럼(11) 내의 압력을 유지하는 드럼압력조절라인(18)을 포함할 수 있다.
석션드럼(11)은 저장탱크(1) 내부의 하측에 마련된 송출펌프(17)에 의해 저장탱크(1)로부터 LNG를 공급받아 일시 저장하며, 후술하는 가압펌프(12)가 요구하는 일정압력으로 LNG를 공급할 수 있도록 LNG를 일정한 압력으로 가압시킨 상태로 저장한다.
가압펌프(12)는 석션드럼(11) 내의 가압된 LNG를 빼내어 고압가스 분사엔진의 연료가스 공급압력인 150 ~ 300bar로 상승시킨 후, 고압기화기(13)로 송출한다. 가압펌프(12)는 석션드럼(11)의 LNG를 150 ~ 300bar의 고압으로 상승시키기 용이한 왕복동식 펌프로 마련될 수 있다.
한편 석션드럼(11)에 저장된 LNG가 일정한 압력으로 가압펌프(12)로 공급될 수 있도록 석션드럼(11)의 내부압력 역시 일정범위 내로 유지할 필요성이 있다. 이를 위해 제1연료공급라인(10)의 가압펌프(12) 하류와 석션드럼(11)을 연결하는 드럼압력조절라인(18)이 마련될 수 있다.
드럼압력조절라인(18)에는 LNG의 통과 또는 차단을 조절하는 밸브(5)가 마련되어, 석션드럼(11)의 내부압력이 일정범위보다 떨어지는 때에 밸브(5)가 개방되어 고압으로 압축된 LNG를 석션드럼(11)으로 송출하여 석션드럼(11)의 내부압력을 일정범위 내로 유지할 수 있게 된다. 석션드럼(11)의 내부압력이 일정범위보다 높은 때에는 밸브(5)를 폐쇄하고 제1연료공급라인(10)을 통해 LNG를 가압펌프(12)로 공급함으로써 석션드럼(11)의 내부압력을 낮출 수 있다.
고압기화기(13)는 제1연료공급라인(10)의 가압펌프(12) 하류측에 마련되어, 가압펌프(12)로부터 송출된 고압의 LNG를 기화하여 고압가스 분사엔진으로 공급한다. 이 때 고압기화기(13)를 통과하여 고압가스 분사엔진으로 공급되는 연료가스는 고압가스 분사엔진의 연료가스 공급조건(압력, 온도 등)에 부합하도록 조절될 수 있다. 이를 위해 도면에는 도시하지 않았으나, 고압기화기(13)와 저압가스 분사엔진 사이의 제1연료공급라인(10)에는 가열 등을 통해 온도를 조절할 수 있는 수단과, 버퍼탱크나 압력조절용 밸브처럼 압력을 조절할 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
고압으로 압축된 LNG가 고압기화기(13)를 거쳐 기화되게 되면 그 압력이 순간적으로 급격히 상승하고, 큰 맥동압이 발생하여 제1연료공급라인(10) 또는 주변 장치들에 큰 부하를 가하게 된다. 따라서 연료가스의 급격한 압력상승을 방지하고, 맥동압을 최소화시켜주기 위해 제1연료공급라인(10)에는 압력제어라인(15)이 마련된다.
압력제어라인(15)은 고압기화기(13)의 상류측 제1연료공급라인(10) 상에 마련되어 고압기화기(13)로 공급되는 LNG의 공급량을 개방 및 폐쇄에 의해 조절하는 압력제어밸브(15b)와, 고압기화기(13)를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 계측하는 압력제어장치(15a)를 포함한다.
압력제어장치(15a)는 고압기화기(13)를 통과한 연료가스의 압력을 계측하여 연료가스의 압력이 일정범위 이상으로 상승한 때에는 압력제어밸브(15b)의 개폐정도를 조절하여 고압기화기(13)로의 LNG 공급량을 제어할 수 있다. 이로 인해 고압의 LNG가 기화되는 과정에서 급격한 압력상승을 방지할 수 있으므로 주변 장치의 훼손을 방지할 수 있으며, 맥동압을 최소화하여 연료가스를 안정적으로 고압가스 분사엔진으로 공급할 수 있게 된다.
제2연료공급라인(20)은 증발가스를 저압으로 가압시키는 증발가스컴프레서(21)와, 가압된 증발가스를 기화시키는 저압기화기(22)를 포함할 수 있다. 증발가스컴프레서(21)는 저장탱크(1) 내부에 저장 또는 축적된 증발가스를 빼내어 저압가스 분사엔진의 연료가스 공급압력인 5 ~ 7bar의 압력으로 압축한다. 증발가스컴프레서(21)에 의해 압축된 증발가스는 하류측에 마련된 저압기화기(22)를 통해 기화되어 저압가스 분사엔진으로 공급된다. 이 때 저압기화기(22)로부터 저압가스 분사엔진으로 공급되는 연료가스는 저압가스 분사엔진의 연료가스 공급조건(압력, 온도 등)에 부합하도록 조절될 수 있다. 이를 위해 도면에는 도시하지 않았으나, 저압기화기(22)와 저압가스 분사엔진 사이의 제2연료공급라인(20)에는 가열 등을 통해 온도를 조절할 수 있는 수단과, 버퍼탱크나 압력조절용 밸브처럼 압력을 조절할 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(1)에 저장된 LNG를 곧바로 저압기화기(22)로 공급하여 저압가스 분사엔진으로 공급하는 제3연료공급라인(30)을 더 포함할 수 있다.
제3연료공급라인(30)은 저장탱크(1) 내의 LNG를 제2연료공급라인(20)에 마련된 저압기화기(22) 또는 별도의 저압기화기(22)로 공급하여 저압으로 기화시켜 저압가스 분사엔진에 연료가스로서 공급할 수 있다. 도 1에서는 제3연료공급라인(30)의 일단이 제1연료공급라인(10)의 송출펌프(17) 하류측에 연결되고, 타단이 제2연료공급라인(20)의 증발가스컴프레서(21) 하류측에 연결된 경우에 적용하여 설시하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, LNG를 직접 저압으로 기화시켜 저압가스 분사엔진의 공급조건에 부합하도록 처리하여 공급한다면 다양한 구조로 이루어지는 경우에도 동일하게 접목되어 이해되어야 한다. 제3연료공급라인(30)에는 LNG의 통과 또는 차단을 조절할 수 있도록 밸브(5)가 마련될 수 있다.
이러한 구성을 포함하는 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)은 고압가스 분사엔진으로 공급하는 고압으로 기화된 연료가스의 압력을 계측하고 이에 대응하여 연료가스의 압력의 급격한 상승을 방지하고, 맥동압을 최소화하여 고압의 연료가스를 안정적으로 공급할 수 있는 효과를 가진다. 뿐만 아니라, 각종 밸브 또는 주변 설비들에 가해질 수 있는 부하를 미연에 방지할 수 있으므로 설비의 내구연한을 증가시키고 각종 안전사고를 예방하는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
1: 저장탱크 5: 밸브
10: 제1연료공급라인 11: 석션드럼
12: 가압펌프 13: 고압기확기
15: 압력제어라인 15a: 압력제어장치
15b: 압력제어밸브 17: 송출펌프
18: 드럼압력조절라인 20: 제2연료공급라인
21: 증발가스컴프레서 22: 저압기화기
30: 제3연료공급라인 100: 연료가스 공급시스템

Claims (6)

  1. 액화연료를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크에 저장된 액화연료를 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1연료공급라인; 및
    상기 저장탱크에 축적된 증발가스를 추출하여 저압가스 분사엔진으로 공급하는 제2연료공급라인;을 포함하고,
    상기 제1연료공급라인은
    상기 저장탱크로부터 공급받은 액화연료를 일시 저장하되 일정한 압력으로 가압시키는 석션드럼과, 상기 석션드럼에 저장된 액화연료를 공급받아 고압으로 승압시키는 가압펌프와, 상기 가압펌프에 의해 승압된 액화연료를 기화시키는 고압기화기 및 상기 고압기화기를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 계측하여 연료가스의 압력을 일정범위 내로 유지하는 압력제어라인을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력제어라인은
    상기 고압기화기의 상류측에 마련되어 상기 고압기화기로 공급되는 액화연료의 공급량을 조절하는 압력제어밸브와,
    상기 고압기화기를 통과하여 기화된 연료가스의 압력을 계측하는 압력제어장치를 포함하고,
    상기 압력제어장치는 계측된 연료가스의 압력을 일정범위 내로 유지하도록 상기 압력제어밸브의 개폐를 제어하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2연료공급라인은
    상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 가압펌프에 의해 승압되는 압력보다 낮은 압력으로 가압시키는 증발가스컴프레서와,
    상기 증발가스컴프레서의 하류에 마련되어 상기 증발가스컴프레서에 의해 압축된 증발가스를 기화시키는 저압기화기를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1연료공급라인은
    상기 저장탱크에 마련되어 상기 저장탱크에 저장된 액화연료를 상기 석션드럼으로 송출하는 송출펌프를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 송출펌프로부터 공급받은 액화연료를 상기 저압기화기로 공급하는 제3연료공급라인을 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1연료공급라인은
    상기 석션드럼 내의 압력을 유지하도록 상기 제2펌프의 하류와 상기 석션드럼을 연결하되, 개폐를 조절하는 밸브를 구비하는 드럼압력조절라인을 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
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