KR20160008806A - 선박의 연료공급 시스템 - Google Patents

Abstract

선박의 연료공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 연료공급 시스템은, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하고 가열하여 3 내지 15 bar의 천연가스로 상기 선박의 제1 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 연료공급라인에 마련되며 펌핑된 상기 LNG로부터 탄소수 2 이상인 중탄화수소 성분을 분리하여 상기 제1 엔진으로 공급될 상기 LNG의 메탄가를 높이는 세퍼레이터; 및 상기 세퍼레이터의 하류에서 상기 연료공급라인으로부터 분기되어 상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 중탄화수소 성분(Heavy Hydro Carbon)을 상기 선박의 내연기관으로 공급하는 HHC 공급라인을 포함한다.

Description

선박의 연료공급 시스템{Fuel Gas Supply System For Ship}

본 발명은 선박의 연료공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하고 가열하여 3 내지 15 bar의 천연가스로 선박의 제1 엔진으로 공급하는 연료공급라인과, 연료공급라인에 마련되며 펌핑된 LNG로부터 탄소수 2 이상인 중탄화수소 성분을 분리하여 제1 엔진으로 공급될 LNG의 메탄가를 높이는 세퍼레이터와, 세퍼레이터의 하류에서 연료공급라인으로부터 분기되어 세퍼레이터에서 분리된 중탄화수소 성분(Heavy Hydro Carbon)을 선박의 내연기관으로 공급하는 HHC 공급라인을 포함하는 선박의 연료공급 시스템에 관한 것이다.

근래, LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.

특히, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다. 액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

선박에 대한 국제기구와 각 국가의 규제 기준도 점차 까다로워지고 있어, 선박의 친환경 고효율의 연료에 대한 관심도 늘고 있는데, 그 중 하나로 LNG에서 자연 기화 또는 강제 기화된 기화가스를 디젤 연료에 혼합하여 연료로 사용하는 이종연료 엔진인 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine)이 개발되어 사용되고 있다.

공개특허 공보 제10-2008-0057421호 (공개일 2008년6월25일)

액화천연가스는 메탄 외에도 에탄, 프로판 등을 포함하며 생산지에 따라 조성이 달라지는데, 액화천연가스를 강제 기화시켜 엔진 등의 추진 시스템에 연료를 공급하기 위해서는 추진 시스템이 요구하는 메탄가(methane number)와 온도 조건에 맞추어 공급해야만 한다.

메탄가를 조절하기 위해서는 액화천연가스를 강제 기화시킨 후, 온도를 낮추어 메탄보다 액화점이 높은 중탄화수소(heavy hydrocarbon)를 액화시켜 제거할 수 있다. 메탄가를 조절한 후 추진 시스템의 온도 조건에 맞추어 추가 가열할 수 있다.

이때 액화천연가스로부터 분리된 중탄화수소 성분들을 액화천연가스가 저장된 저장탱크에 수용하게 되면, 연료 공급이 진행됨에 따라 저장탱크 내의 액화천연가스는 점차 감소하고 중탄화수소 성분이 계속해서 유입되면서, 저장탱크 내의 액화천연가스 메탄가가 점점 낮아지게 되는 문제가 발생한다. 저장탱크 내의 액화천연가스 메탄가가 지속적으로 변화하면 연료 공급 공정의 제어가 어려울 뿐만 아니라, 저장탱크로 유입되는 중탄화수소의 온도가 높을 경우 저장탱크 내의 BOG 발생량이 늘어 탱크 내부 압력이 과도하게 높아질 위험도 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 생산지에 따라 조성이 다른 액화천연가스의 메탄가를 효과적으로 조절하여 엔진에 연료를 공급하면서, 액화천연가스로부터 분리된 중탄화수소를 효과적으로 처리할 수 있는 연료 공급 시스템을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하고 가열하여 3 내지 15 bar의 천연가스로 상기 선박의 제1 엔진으로 공급하는 연료공급라인;

상기 연료공급라인에 마련되며 펌핑된 상기 LNG로부터 탄소수 2 이상인 중탄화수소 성분을 분리하여 상기 제1 엔진으로 공급될 상기 LNG의 메탄가를 높이는 세퍼레이터; 및

상기 세퍼레이터의 하류에서 상기 연료공급라인으로부터 분기되어 상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 중탄화수소 성분(Heavy Hydro Carbon, HHC)을 상기 선박의 내연기관으로 공급하는 HHC 공급라인을 포함하는 선박의 연료공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 제1 엔진은 메탄가 80 이상의 천연가스를 공급받는 DF 엔진을 포함하고, 상기 내연기관은 연료의 메탄가 조절을 요하지 않는 ME-GI 엔진을 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 연료공급라인에는, 상기 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하는 공급펌프와, 상기 공급펌프로부터 펌핑된 LNG를 기화시키는 기화기가 마련되고, 상기 세퍼레이터는 상기 기화기의 하류에 마련되어 기화된 천연가스로부터 액상의 상기 중탄화수소 성분을 기액분리할 수 있다.

바람직하게는, 상기 저장탱크로부터 상기 공급펌프 및 기화기를 바이패스하여 상기 세퍼레이터의 상류 또는 하류로 연결되는 증발가스 공급라인을 더 포함하여, 상기 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas) 또는 플래쉬 가스는 상기 증발가스 공급라인을 통해 상기 제1 엔진으로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 연료공급라인에서 상기 세퍼레이터의 하류에는 히터가 마련되어, 상기 세퍼레이터에서 메탄가가 조절된 천연가스, 또는 상기 증발가스 공급라인을 통해 공급되는 BOG 또는 플래쉬 가스를 상기 제1 엔진의 필요 온도로 가열할 수 있다.

바람직하게는, 상기 HHC 공급라인에는 상기 세퍼레이터로부터 분리된 중탄화수소 성분을 저장하고 상기 내연기관으로 공급하는 HHC 저장탱크가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박은 LNGC(LNG Carrier) 및 RV(Regasification Vessel)를 포함하는 선박, LNG-FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)를 포함하는 특수선박 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명 선박의 연료공급 시스템에서는, 연료공급라인, 세퍼레이터 및 HHC 공급라인을 마련하여, 연료의 메탄가 조절이 필요한 엔진에는 세퍼레이터를 거쳐 메탄가를 조절하여 공급하면서, 세퍼레이터를 통해 LNG로부터 분리된 중탄화수소 성분은 메탄가 조절을 필요로 하지 않는 선내 내연기관의 연료로 공급하여 처리한다.

이를 통해 생산지에 따라 다양한 조성비를 지닌 액화천연가스를 적절히 메탄가를 조절하여 연료로 공급함으로써 메탄가 조절이 필요한 DF 엔진의 이상연소 현상을 방지할 수 있다. 또한 분리된 중탄화수소 성분은 ME-GI 엔진과 같이 메탄가 조절이 필요치 않은 선내 다른 내연기관의 연료로 공급함으로써 에너지 낭비를 막고, 분리된 중탄화수소를 저장탱크에 재저장할 경우 저장탱크 내 액화천연가스의 메탄가가 지속적으로 낮아지게 되는 문제를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시하였다.

우선 본 실시예의 선박이라 함은, LNGC(LNG Carrier) 및 RV(Regasification Vessel)를 포함하는 선박, LNG-FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)를 포함하는 해양 구조물 등의 특수선박 중 어느 하나일 수 있으며, 본 실시예는 LNG를 연료로 소비할 수 있는 엔진이 마련되는 선박의 연료공급을 위한 시스템으로 적용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박의 연료공급 시스템은, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크(FT)로부터 LNG를 펌핑하고 가열하여 3 내지 15 bar의 천연가스로 선박의 제1 엔진(E1)으로 공급하는 연료공급라인(SL)과, 연료공급라인(SL)에 마련되며 펌핑된 LNG로부터 탄소수 2 이상인 중탄화수소 성분을 분리하여 제1 엔진(E1)으로 공급될 LNG의 메탄가를 높이는 세퍼레이터(100)와, 세퍼레이터(100)의 하류에서 연료공급라인(SL)으로부터 분기되어 세퍼레이터(100)에서 분리된 중탄화수소 성분(Heavy Hydro Carbon)을 선박의 내연기관(E2)으로 공급하는 HHC 공급라인(HL)을 포함한다.

예를 들어 이와 같은 본 실시예의 제1 엔진(E1)으로는 메탄가 80 이상의 천연가스를 공급받는 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator) 또는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine) 같은 DF 엔진이 적용될 수 있고, 내연기관(E2)으로는 연료의 메탄가 조절을 요하지 않는 ME-GI 엔진이 적용될 수 있다. 내연기관(E2)은 선박의 보조 엔진이나 보일러 등일 수도 있다.

DF 엔진은 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하여 연료로 사용하는 엔진으로써, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적어, 선박에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 기준들을 충족할 수 있다. DFDE 및 DFDG의 연료공급 시스템은 천연가스 연료가 공급되는 gas fuel system과 디젤 연료가 공급되는 oil fuel system의 두 가지 연료공급 시스템을 포함할 수 있고, 본 실시예는 그 중 gas fuel system 부분에 적용된다. oil fuel system은 DFDE에 관해 공지된 기술이 적용될 수 있다.

천연가스에는 메탄 외에도 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등 복수의 탄화수소를 가진 탄화수소 성분들과 질소, 이산화탄소 등의 불활성 가스 성분들이 포함되어 있으며, 그 조성비는 생산지에 따라 다르다. 메탄가(methane number)란 천연가스 중 메탄의 조성비를 나타내는 것으로서, 엔진에서 요구하는 메탄가를 충족하지 못하는 연료가 공급될 경우, 엔진에서 녹킹(knocking) 현상이나 피스톤이 상사점 이전에서 폭발, 연소되는 등의 이상연소 현상이 발생할 수 있다. 이러한 이상연소 현상은 엔진 피스톤의 마모를 초래할 수 있고, 엔진 효율 저하, 장치 고장 등의 문제를 야기할 수 있다.

본 실시예의 제1 엔진(E1)으로 적용되는 DF 엔진은 일반적으로 80 이상의 메탄가를 요구하는데, 생산지에 따라 액화천연가스의 메탄가는 70 내외의 범위를 나타내기도 하므로, 이러한 경우 엔진의 이상연소 현상 방지를 위해 DF 엔진이 필요로 하는 정도로 메탄가를 높여야 한다.

이와 같이 DF 엔진으로 공급될 천연가스의 메탄가를 조절하기 위해 연료공급라인(SL)에는 세퍼레이터(100)가 마련된다.

그에 앞서 LNG 저장탱크(FT)로부터 LNG를 펌핑하는 공급펌프(200)와, 공급펌프(200)로부터 펌핑된 LNG를 기화시키는 기화기(300)(vaporizer)가 연료공급라인(SL)에 마련된다.

공급펌프(200)는 LNG 저장탱크(FT) 내에서 LNG에 잠길 수 있는 액(液)중 펌프 타입으로 마련될 수 있고, 기화기(300)에서는 스팀 또는 스팀과의 열교환으로 가열된 GW(Glycol water) 등의 열 매체를 액화천연가스와 열교환시켜 이를 기화시킬 수 있다.

세퍼레이터(100)는 기화기(300)의 하류에 마련되어 기화된 천연가스로부터 액상의 중탄화수소 성분을 기액분리할 수 있다. LNG에 포함된 에탄, 프로판, 부탄 등의 중탄화수소 성분들은 메탄보다 액화점이 높다. 따라서 메탄은 기체 상태이면서 프로판, 부탄 등의 중탄화수소(HHC)는 액화될 수 있는 온도로 조절하면, 메탄 기체에 포함된 액적 상태의 중탄화수소를 분리할 수 있다. 세퍼레이터(100)에서는 이와 같이 기화된 천연가스로부터 중탄화수소를 분리함으로써 DF 엔진에서 요구하는 수준으로 메탄가를 높일 수 있다.

세퍼레이터(100)를 거치면서 천연가스의 메탄가는 80 이상, 바람직하게는 90 이상, 더욱 바람직하게는 95 이상으로 조절될 수 있다. 메탄가가 조절됨에 따라 세퍼레이터(100)를 거치기 전보다 저위발열량(LHV, Lower Heating Value)이 높아진다.

예를 들어 General LNG(C1: 89.6%, N2: 0.6%)의 경우 분리하기 이전의 메탄가는 71.3이며, 그때의 LHV(lower heating value)는 48,872.8 kJ/kg(1 atm, saturated vapor 기준)인데, 7 bara로 가압된 상태에서 -120도로 가열하여 기화시키고 세퍼레이터(100)를 통해 기/액을 분리하면, 메탄가는 95.5, LHV는 49,265.6 kJ/kg으로 변화한다.

한편, 본 실시예는 저장탱크로부터 공급펌프(200) 및 기화기(300)를 바이패스하여 세퍼레이터(100)의 상류 또는 하류로 연결되는 증발가스 공급라인(BL)을 더 포함함으로써, 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas) 또는 플래쉬 가스는 증발가스 공급라인(BL)을 통해 제1 엔진(E1)으로 공급될 수 있도록 한다.

기화기(300)에서 강제 기화시킨 천연가스와는 달리 LNG 저장탱크(FT)에서 자연기화된 BOG 등의 성분은 대부분 메탄으로 이루어지므로 메탄가를 조절할 필요 없이 DF 엔진으로 공급할 수 있다.

또한 연료공급라인(SL)에서 세퍼레이터(100)의 하류에는 히터(heater, 400)가 마련되는데, 히터(400)에서는 세퍼레이터(100)에서 메탄가가 조절된 천연가스, 또는 증발가스 공급라인(BL)을 통해 공급되는 BOG 또는 플래쉬 가스를 제1 엔진(E1)의 필요 온도로 가열할 수 있다. 히터(400)를 거치면서 가스 연료는 -30 내지 80 ℃, 바람직하게는 0 내지 60 ℃의 온도로 DF 엔진에 공급될 수 있다.

HHC 공급라인(HL)에는 세퍼레이터(100)로부터 분리된 중탄화수소 성분을 저장하고 내연기관(E2)으로 공급하는 HHC 저장탱크(HT)가 마련되어, 내연기관(E2)으로 공급되기에 앞서 임시로 HHC 저장탱크(HT)에 저장될 수 있다. HHC 저장탱크(HT)에 저장된 중탄화수소 성분은 내연기관(E2)의 연료로 공급될 수도 있고, 그대로 저장되었다가 육상에서 별도로 처리될 수도 있다.

HHC 공급라인(HL)에는 중탄화수소 성분을 내연기관(E2)으로 공급하기 위한 펌프(미도시), 가열기(미도시) 등의 장치가 추가로 마련될 수 있으며, HHC 공급라인(HL)에 마련되는 장치들의 구동 조건은 중탄화수소를 공급받을 내연기관(E2)의 연료 필요 조건에 따라 달라질 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 연료공급 시스템에서는 연료공급라인(SL), 세퍼레이터(100) 및 HHC 공급라인(HL)을 마련하여, 연료의 메탄가 조절이 필요한 엔진에는 강제기화시킨 천연가스를 세퍼레이터(100)를 통해 메탄가를 조절하여 공급하면서, 세퍼레이터(100)를 통해 LNG로부터 분리된 중탄화수소 성분은 메탄가 조절을 필요로 하지 않는 선내 내연기관(E2)의 연료로 공급하여 처리한다.

연료공급라인(SL)에 마련된 세퍼레이터(100)를 통해, 생산지에 따라 다양한 조성비를 지닌 액화천연가스를 적절히 메탄가를 조절하여 제1 엔진(E1)에 공급함으로써, 메탄가 조절을 필요로 하는 엔진에서의 이상연소 현상을 방지할 수 있고, 세퍼레이터(100)에서 천연가스로부터 분리된 중탄화수소 성분들은 선내 내연기관(E2)의 연료로 공급될 수 있도록 하여 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

FT: LNG 저장탱크
E1: 제1 엔진
E2: 내연기관
SL: 연료공급라인
HL: HHC 공급라인
BL: 증발가스 공급라인
100: 세퍼레이터
200: 공급펌프
300: 기화기
400: 히터
HT: HHC 저장탱크

Claims (7)

1. 선박에 마련되는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하고 가열하여 3 내지 15 bar의 천연가스로 상기 선박의 제1 엔진으로 공급하는 연료공급라인;
   상기 연료공급라인에 마련되며 펌핑된 상기 LNG로부터 탄소수 2 이상인 중탄화수소 성분을 분리하여 상기 제1 엔진으로 공급될 상기 LNG의 메탄가를 높이는 세퍼레이터; 및
   상기 세퍼레이터의 하류에서 상기 연료공급라인으로부터 분기되어 상기 세퍼레이터에서 분리된 상기 중탄화수소 성분(Heavy Hydro Carbon, HHC)을 상기 선박의 내연기관으로 공급하는 HHC 공급라인을 포함하는 선박의 연료공급 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 엔진은 메탄가 80 이상의 천연가스를 공급받는 DF 엔진을 포함하고,
   상기 내연기관은 연료의 메탄가 조절을 요하지 않는 ME-GI 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 연료공급라인에는
   상기 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하는 공급펌프; 및
   상기 공급펌프로부터 펌핑된 LNG를 기화시키는 기화기가 마련되고,
   상기 세퍼레이터는 상기 기화기의 하류에 마련되어 기화된 천연가스로부터 액상의 상기 중탄화수소 성분을 기액분리하는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급 시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 저장탱크로부터 상기 공급펌프 및 기화기를 바이패스하여 상기 세퍼레이터의 상류 또는 하류로 연결되는 증발가스 공급라인을 더 포함하여,
   상기 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas) 또는 플래쉬 가스는 상기 증발가스 공급라인을 통해 상기 제1 엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급 시스템.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 연료공급라인에서 상기 세퍼레이터의 하류에는 히터가 마련되어,
   상기 세퍼레이터에서 메탄가가 조절된 천연가스, 또는 상기 증발가스 공급라인을 통해 공급되는 BOG 또는 플래쉬 가스를 상기 제1 엔진의 필요 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급 시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 HHC 공급라인에는 상기 세퍼레이터로부터 분리된 중탄화수소 성분을 저장하고 상기 내연기관으로 공급하는 HHC 저장탱크가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급 시스템.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 선박은 LNGC(LNG Carrier) 및 RV(Regasification Vessel)를 포함하는 선박, LNG-FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)를 포함하는 특수선박 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선박의 연료공급 시스템.

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