KR20160003474A - 터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 및 방법에 관한 것으로, LNG 저장탱크로부터 LNG를 엔진에 공급함에 있어서 엔진의 배기가스로 구동하는 터보차저(Turbo Charger)를 이용하여 LNG를 고압으로 압축한 후, 기화기를 통해서 기화된 연료가스를 엔진에 공급할 수 있으므로 LNG를 고압으로 압축하기 위한 별도의 동력원을 필요로 하지 않아 연료가스 운전비용절감은 물론 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 및 방법{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM AND METHOD USING TURBO CHARGER}

본 발명은 터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 및 방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 엔진에 공급함에 있어서 엔진의 배기가스로 구동하는 터보차저(Turbo Charger)를 이용하여 LNG를 고압으로 압축하고, 기화기를 통해서 기화된 연료가스를 엔진에 공급할 수 있는, 터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 및 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, 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 감소하므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

액화가스 운반선은, 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 이 액화가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크를 포함한다.

이와 같이 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 FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading)와 같은 구조물 등을 들 수 있다.

LNG RV는 자력 항해 및 부유 가능한 액화가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화 천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화 천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 해상 구조물이다.

그리고, LNG FPSO는 채굴된 천연가스를 해상에서 정제한 후 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요 시 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 해상 구조물이다.

본 명세서에서 해상 구조물이란, 액화가스 운반선, LNG RV 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 구조물까지도 모두 포함하는 개념이다.

한편, 선박에서 배출되는 폐기가스 중 국제 해사 기구(International Maritime Organization)의 규제를 받고 있는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이며, 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 위하여 다양한 방법들이 소개되고 있는데, 이러한 방법 중에서 LNG 운반선을 위하여 ME-GI 엔진이 개발되어 사용되고 있다.

이와 같은 ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 그 부하에 따라 대략 150 ∼250 bara(절대압력)의 가스 공급 압력이 요구된다.

종래의 ME-GI 엔진은 필요 시 재액화(liquefaction) 장치가 추가로 설치될 경우, 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 연료로 사용할 것인지, 아니면 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 보내고 중유(Heavy Fuel Oil; HFO)를 사용할 것인지 선택할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 특정규제를 받는 해역을 통과시 간편하게 LNG를 기화시켜서 연료로 사용할 수 있으며, 차세대 친환경적인 엔진으로서 효율이 50%에 육박하여 향후에는 LNG 운반선의 메인 엔진으로서 사용될 수 있다.

그러나, 종래의 ME-GI 엔진은 구동을 위하여 낮은 엔진 로드에서 연료가스의 공급 압력을 높여야 함으로써 많은 에너지를 필요로 하고, 연료가스의 온도 변화로 인해 엔진의 효율이 저하되므로, 이를 해결하기 위하여 ME-GI 엔진의 동작에 필요한 압력과 온도를 가진 연료가스를 안정적으로 공급하도록 하는 연료가스 공급시스템의 개발이 필요하게 되었다.

한국 공개특허공보 제2013-0062006호 한국 등록특허공보 제1153103호 한국 등록특허공보 제1309963호

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 LNG 저장탱크로부터 LNG를 엔진에 공급함에 있어서 엔진의 배기가스로 구동하는 터보차저(Turbo Charger)를 이용하여 LNG를 고압으로 압축한 후, 기화기를 통해서 기화된 연료가스를 엔진에 공급할 수 있으므로 LNG를 고압으로 압축하기 위한 별도의 동력원을 필요로 하지 않아 연료가스 운전비용절감은 물론 에너지 효율을 높일 수 있는 터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엔진에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급 시스템으로서, LNG 저장탱크의 LNG를 상기 엔진으로 공급하기 위한 연료가스 공급라인; 상기 엔진의 배기가스에 의해 구동하며 LNG를 압축하여 공급하도록 상기 연료가스 공급라인에 설치되는 터보차저; 및 상기 터보차저에 의해 압축된 LNG를 기화시키도록 상기 연료가스 공급라인에 설치되는 기화기를 포함한다.

상기 터보차저는 상기 엔진에 배기하는 배기가스에 의해 구동하는 터빈; 및 상기 터빈에 의해 회전하면서 LNG를 압축하는 고압 컴프레셔를 포함한다.

상기 엔진은 ME-GI 엔진 또는 DF 엔진 중 어느 하나일 수 있다.

상기 터빈은 터빈 하우징 안에 설치되고, 상기 고압 컴프레셔는 컴프레셔 하우징 안에 설치되며, 상기 터빈과 상기 고압 컴프레셔는 동일 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구성되고, 상기 엔진에서 배기되는 배기가스는 상기 터빈 하우징을 거쳐서 배기 라인으로 배출되며, 상기 LNG 저장탱크의 LNG는 상기 컴프레셔 하우징을 거쳐서 압축된 후 상기 기화기로 유입되도록 구성한다.

한편, 본 발명은 엔진에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급방법으로서, 터보차저에서 상기 엔진의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하는 단계; 상기 터빈과 동축으로 구성된 고압 컴프레셔에서 LNG 저장탱크의 LNG를 압축하는 단계; 및 상기 터보차저에 의해 압축된 LNG를 기화기에서 기화시켜서 상기 엔진에 연료가스로 공급하는 단계를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 LNG 저장탱크의 LNG를 엔진의 연료가스로 공급하기 위하여 엔진의 배기가스로 구동하는 터보차저를 이용하여 압축한 후 터보차저에 의해서 압축된 LNG를 기화시켜서 엔진에 연료가스로 공급함으로써, LNG를 고압으로 압축하기 위한 별도의 동력원을 필요로 하지 않으므로, 연료가스 운전비용절감은 물론 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터보차저를 이용한 연료가스 공급 시스템을 보인 구성도
도 2는 터보차저를 보인 단면도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터보차저를 이용한 연료가스 공급방법을 설명하는 블록도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터보차저를 이용한 연료가스 공급시스템 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

주지하는 바와 같이, 터보차저(Turbo Charger)는 과급기라고도 하며, 내연기관의 출력을 증가시키기 위해 압축기를 통하여 압축된 외기를 엔진 실린더에 밀어넣는 장치이다. 이를 사용하면 출력이 높아지므로 비행기나 선박 등의 출력이 증가한다.

터보차저는 배기가스가 터빈 하우징 내부를 흐르면서 터빈 휠을 회전시키고 동일축에 연결된 컴프레셔 휠이 회전하면서 에어 클리너를 통해 들어오는 공기를 압축하여 연소실로 보내게 된다.

터보차저는 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고 터빈은 흡기 매니폴드와 에어 클리너 사이에 위치하는 컴프레셔와 연결되어 엔진 실린더로 들어가는 공기를 압축하게 된다.

터보차저를 사용하면, 엔진의 출력이 증가하여 연비가 향상되고 엔진의 소형경량화가 가능해진다.

또한, 자연 흡기식 엔진 대비 흡입 공기량이 많아지므로 불연소로 인한 배기 유해 물질 배출이 감소한다.

한편, 본 발명은 터보차저(100)를 이용하여 엔진에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급 시스템으로, LNG 저장탱크(T)의 LNG를 상기 엔진(E)으로 공급하기 위한 연료가스 공급라인(L 1)과, 상기 엔진(E)의 배기가스에 의해 구동하며 LNG를 압축하여 공급하도록 상기 연료가스 공급라인(L 1)에 설치되는 터보차저(100)와, 상기 터보차저(100)에 의해 압축된 LNG를 기화시키도록 상기 연료가스 공급라인(L 1)에 설치되는 기화기(200)를 포함한다.

본 발명에 따른 엔진의 연료가스 공급시스템은, LNG 저장탱크(T)로부터 LNG가 엔진(E)으로 공급되도록 하는 연료가스 공급라인(L 1)에 LNG의 압축을 위한 터버차저(100)와 LNG의 기화를 위하여 기화기(vaporizer)(200)가 각각 설치된다.

상기 엔진은 ME-GI 엔진 또는 DF 엔진 중 어느 하나일 수 있다.

연료가스 공급라인(L 1)에는 기화기(200) 하류 측의 어느 지점을 기준으로 나누어지는 전단과 후단의 압력 차이를 일정하게 유지하도록 하는 압력 유지부(300)를 더 포함하며, LNG 운반선뿐만 아니라, 엔진(E)을 사용하는 선박이나 부유식 해양 구조물 등에 적용될 수 있다.

상기 터보차저(100)는 상기 엔진(E)에 배기하는 배기가스에 의해 구동하는 터빈(110)과, 상기 터빈(110)에 의해 회전하면서 LNG를 압축하는 고압 컴프레셔(120)를 포함한다.

상기 터빈(110)은 엔진(E)에 배기하는 배기가스에 의해 구동하는데, 상기 고압 컴프레셔(120)와 동일 회전축(S)으로 구성되어 터빈(110)과 상기 고압 컴프레셔(120)가 함께 회전하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 터빈(110)은 터빈 하우징(111) 안에 설치되고, 상기 고압 컴프레셔(120)는 컴프레셔 하우징(121) 안에 설치되며, 상기 터빈(110)과 상기 고압 컴프레셔(120)는 동일 회전축(S)을 중심으로 회전 가능하게 구성된다.

상기 엔진(E)에서 배출되는 배기가스는 상기 터빈 하우징(111)을 거쳐서 배기 라인(L 2)으로 배출되며, 상기 LNG 저장탱크(T)의 LNG는 상기 컴프레셔 하우징(121)을 거쳐서 압축된 후 상기 기화기(200)로 유입되도록 구성한다.

도면에는 도시하지 않았으나, LNG를 고압으로 압축하기 위하여 가속기어부를 설치하여 터빈 회전속도와 상기 고압 컴프레셔 회전속도를 조절할 수도 있다.

상기 고압 컴프레셔(120)는 연료가스 공급라인(L 1)에 LNG 저장탱크(T)로부터 공급되는 LNG를 대략, 250barg 정도로 압축하여 공급하도록 설치되고, LNG의 압력이나 용량에 따라 단일 또는 다수로 이루어질 수 있다.

상기 기화기(200)는 열매체 공급부(210)를 통해서 공급되는 스팀이나 열수 등의 열매체에 의해 연료가스를 가열하도록 할 수 있다. 열매체 공급부(210)는 연료가스가 엔진(E)에 필요한 온도 이상으로 가열되도록 기화기(200)에 열매체를 과잉공급할 수도 있다.

한편, 본 발명은 엔진에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급방법으로서, 터보차저(100)에서 상기 엔진(E)의 배기가스를 이용하여 터빈(110)을 구동하는 단계(S 10); 상기 터빈(110)과 동축(S)으로 구성된 고압 컴프레셔(120)에서 LNG 저장탱크(T)의 LNG를 압축하는 단계(S 20); 및 상기 터보차저(100)에 의해 압축된 LNG를 기화기(200)에서 기화시켜서 상기 엔진(E)에 연료가스로 공급하는 단계(S 30)를 포함한다.

즉, 본 발명은 터보차저(100)를 이용한 연료가스 공급방법으로, 상기 엔진(E) 가동시 발생하는 배기가스를 이용하여 터빈(110)을 구동하면, 터빈(110)과 동축(S)으로 구성된 고압 컴프레셔(120)가 연동하여 회전하며, 이때 고압 컴프레셔(120)가 LNG 저장탱크(T)의 LNG를 압축한다. 그 다음, 상기 터보차저(100)에 의해 압축된 LNG를 기화기(200)에서 기화시켜서 상기 엔진(E)에 연료가스로 공급한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 LNG 저장탱크의 LNG를 엔진의 연료가스로 공급하기 위하여 엔진의 배기가스로 구동하는 터보차저를 이용하여 압축한 후 터보차저에 의해서 압축된 LNG를 기화시켜서 엔진에 연료가스로 공급함으로써, LNG를 고압으로 압축하기 위한 별도의 동력원을 필요로 하지 않으므로, 연료가스 운전비용 절감은 물론 에너지 효율을 높일 수 있다.

그리고, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100: 터보차저
110: 터빈
111: 터빈 하우징
120: 고압 컴프레셔
121: 컴프레셔 하우징
200: 기화기
300: 압력 유지부
E: 엔진
L 1: 연료가스 공급라인
L 2: 배기 라인
S: 동일 회전축
T: LNG 저장탱크

Claims (5)

1. 엔진에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급 시스템에 있어서,
   LNG 저장탱크의 LNG를 상기 엔진으로 공급하기 위한 연료가스 공급라인;
   상기 엔진의 배기가스에 의해 구동하며 LNG를 압축하여 공급하도록 상기 연료가스 공급라인에 설치되는 터보차저; 및
   상기 터보차저에 의해 압축된 LNG를 기화시키도록 상기 연료가스 공급라인에 설치되는 기화기;를 포함하는, 터보차저를 이용한 연료가스 공급 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 터보차저는
   상기 엔진에 배기하는 배기가스에 의해 구동하는 터빈; 및
   상기 터빈에 의해 회전하면서 LNG를 압축하는 고압 컴프레셔;를 포함하는, 터보차저를 이용한 연료가스 공급 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 엔진은 ME-GI 엔진 또는 DF 엔진 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 터보차저를 이용한 연료가스 공급 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 터빈은 터빈 하우징 안에 설치되고, 상기 고압 컴프레셔는 컴프레셔 하우징 안에 설치되며, 상기 터빈과 상기 고압 컴프레셔는 동일 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구성되고, 상기 엔진에서 배기되는 배기가스는 상기 터빈 하우징을 거쳐서 배기 라인으로 배출되며, 상기 LNG 저장탱크의 LNG는 상기 컴프레셔 하우징을 거쳐서 압축된 후 상기 기화기로 유입되는 것을 특징으로 하는, 터보차저를 이용한 연료가스 공급 시스템.
5. 엔진에 연료가스를 공급하는 연료가스 공급방법에 있어서,
   터보차저에서 상기 엔진의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동하는 단계;
   상기 터빈과 동축으로 구성된 고압 컴프레셔에서 LNG 저장탱크의 LNG를 압축하는 단계;
   상기 터보차저에 의해 압축된 LNG를 기화기에서 기화시켜서 상기 엔진에 연료가스로 공급하는 단계;를 포함하는, 터보차저를 이용한 연료가스 공급방법.

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