KR20160015699A

KR20160015699A - 연료 공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160015699A
Application number: KR1020140098294A
Authority: KR
Inventors: 김동찬
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-02-15
Also published as: CN106573670A; EP3176071A1; RU2017106168A; EP3176071A4; RU2017106168A3; US20170217555A1; WO2016017973A1

Abstract

본 발명은 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG를 펌핑하여 선박용 엔진으로 공급하면서, 내압성 탱크의 내부 압력이 선박용 엔진의 필요 압력보다 높아지면 BOG를 선박용 엔진으로 공급하여 내압성 탱크의 내부 압력을 제어하되, 선박용 엔진의 상류에서 LNG 및 BOG를 공급하는 라인의 합류되는 지점에 이덕터(eductor)를 마련하여, LNG 및 BOG의 공급 라인을 동시에 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

연료 공급 시스템 및 방법{Fuel Supply System And Method}

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.

그러나 천연가스의 액화온도는 상압 -162 ℃의 극저온이므로, LNG는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.

BOG는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.

최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다. 그리고 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(gas combustion unit, GCU)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

최근에는 LNG 운반선 자체에서 추진 장치나 발전 장치에서 자연 기화 또는 강제 기화된 가스와 디젤 연료를 연료로 사용하는 이종연료 엔진인 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine)나 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)가 개발되어 사용되고 있어, BOG가 선내 연료로 공급되기도 한다.

저장탱크에 저장된 LNG의 양이나 탱크 내압 등에 따라서 BOG의 발생량이 가변적이므로, 가스를 연료로 사용하는 엔진의 경우 LNG도 공급받을 수 있도록 하는 것이 연료 공급의 안정성을 위해 효과적이다.

본 발명은 탱크에서 발생하는 BOG를 선내 엔진의 연료로 공급하여 처리함으로써 탱크의 내부 압력을 유지할 수 있으면서도 LNG와 BOG의 연료 공급을 동시에 제어할 수 있는 효율적인 연료 공급 시스템을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 또는 해상 구조물에 마련되며 LNG가 저장되는 내압성 탱크;

상기 내압성 탱크로부터 상기 LNG를 펌핑하여 상기 선박 또는 해상 구조물에 마련되는 선박용 엔진으로 공급하는 LNG 공급 라인;

상기 내압성 탱크로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박용 엔진으로 공급하는 BOG 벤트 라인; 및

상기 선박용 엔진의 상류에서 상기 BOG 벤트 라인이 상기 LNG 공급 라인과 합류되는 지점에 마련되는 이덕터(eductor)를 포함하되,

상기 내압성 탱크의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 필요 압력보다 높아지면 상기 BOG 벤트 라인을 통해 상기 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급하여 상기 내압성 탱크의 내부 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는 상기 LNG 공급 라인은 상기 이덕터의 석션(suction) 유체 연결부에 연결되고, 상기 BOG 벤트 라인은 상기 이덕터의 모티브(motive) 유체 연결부에 연결될 수 있다.

바람직하게는 상기 LNG 공급 라인에는, 상기 LNG를 펌핑하여 상기 선박용 엔진의 필요 압력으로 승압시키는 연료 공급 펌프와, 상기 LNG 공급 라인을 개폐하는 차단 밸브가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 BOG 벤트 라인에는 상기 BOG 벤트 라인을 개폐하는 압력 조절 밸브가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 이덕터의 하류에 마련되어 상기 선박용 엔진의 필요 온도에 맞추어 상기 LNG 또는 BOG를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박용 엔진은 3 내지 15 bar의 가스를 공급받는 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 내압성 탱크는 설계압력이 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되며, 독립형 IMO C type 탱크를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료 공급 방법에 있어서,

상기 내압성 탱크로부터 LNG를 펌핑하여 상기 선박용 엔진으로 공급하되,

상기 내압성 탱크의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 필요 압력보다 높아지면 상기 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급하여 상기 내압성 탱크의 내부 압력을 제어하되,

상기 선박용 엔진의 상류에서 LNG 및 BOG를 공급하는 라인의 합류되는 지점에 이덕터(eductor)를 마련하여, 상기 LNG 및 BOG의 공급 라인을 동시에 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 내압성 탱크로부터 상기 LNG의 공급 라인은 상기 이덕터의 석션(suction) 유체 연결부에 연결되고, 상기 BOG의 공급 라인은 상기 이덕터의 모티브(motive) 유체 연결부에 연결될 수 있다.

본 발명의 연료 공급 시스템에서는 LNG를 펌핑하여 선박용 엔진으로 공급하면서, 내압성 탱크의 내부 압력이 선박용 엔진의 필요 압력보다 높아지면 BOG를 선박용 엔진으로 공급하여 내압성 탱크의 내부 압력을 제어하되, BOG 벤트 라인이 LNG 공급 라인과 합류되는 지점에 이덕터(eductor)를 마련하여, LNG 및 BOG의 공급 라인을 동시에 제어할 수 있도록 한다.

이와 같은 시스템을 통해 선박의 운항 중 발생하는 탱크의 내부 압력을 유지하여 선박의 안전성을 확보할 수 있도록 하고, LNG와 BOG의 연료 공급을 동시에 효과적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에서 이덕터를 보다 상세하게 도시하였다.

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 연료 공급 시스템을 개략적으로 도시하였다.

본 실시예가 적용되는 선박 또는 해상 구조물은 LNG를 연료로 사용하는 선박 및 특수 선박 등을 의미하는 것으로, 본 실시예는 선박의 발전용 또는 추진용 엔진 등의 연료로 LNG를 공급받는 선박용 엔진이 마련된 선박들에 적용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 선박 또는 해상 구조물에 마련되는 선박용 엔진(E)으로 연료를 공급하기 위한 시스템으로서, LNG가 저장되는 내압성 탱크(T)와, 내압성 탱크(T)로부터 LNG를 펌핑하여 선박용 엔진(E)으로 공급하는 LNG 공급 라인(SL)과, 내압성 탱크(T)로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박용 엔진(E)으로 공급하는 BOG 벤트 라인(VL)을 포함하되, 선박용 엔진(E)의 상류에서 BOG 벤트 라인(VL)이 LNG 공급 라인(SL)과 합류되는 지점에 이덕터(100)(eductor)를 마련한다.

도 2에는 본 실시예에서의 이덕터(100)를 보다 상세히 도시하였다.

특히 본 실시예에서 LNG 공급 라인(SL)은 이덕터(100)의 석션(suction) 유체 연결부(120)에 연결하고, BOG 벤트 라인(VL)은 이덕터(100)의 모티브(motive) 유체 연결부(110)에 연결하여, 이덕터(100)를 통해 LNG 공급 라인(SL)과 BOG 벤트 라인(VL)을 동시에 제어할 수 있도록 하였다. 이덕터는 도 2에 도시된 바와 같이 모티브 유체가 분사되는 노즐(nozzle, 130)과, 모티브 유체 및 석션 유체가 혼합되는 믹싱부(Mixing section, 140)와, 분사부(diffuser, 150)를 포함한다.

본 실시예에서는 평소에는 LNG 공급 라인(SL)을 통해 탱크로부터 LNG를 펌핑하여 선박용 엔진(E)으로 공급하고 탱크 내에서 발생하는 BOG는 탱크에 그대로 보유하다가, 내압성 탱크(T)의 내부 압력이 선박용 엔진(E)의 필요 압력보다 높아지게 되면 BOG 벤트 라인(VL)을 통해 BOG를 선박용 엔진(E)으로 공급하여 내압성 탱크(T)의 내부 압력을 제어하게 된다. BOG 벤트 라인(VL)을 통해 선박용 엔진(E)으로의 연료 공급을 하는 동시에, 내압성 탱크(T)의 압력을 낮추어 항해 시 탱크의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

만약 이덕터가 없는 상태에서 LNG 공급 라인(SL)과 BOG 벤트 라인(VL)을 동시에 열게 되면 연료를 공급하는 액체가 BOG 벤트 라인(VL)으로 역류할 위험이 있으므로 동시에 운전될 수 없다. 예를 들어, 탱크의 압력은 5bar로 BOG 벤트 라인(VL)과 동일하고, LNG 공급 라인(SL)은 5bar에 펌프의 수두압력까지 더해져, 이덕터가 없는 상태에서 LNG 공급 라인(SL)과 BOG 벤트 라인(VL)을 동시에 열게 되면 연료로 공급하는 액체가 탱크로 역류할 수도 있다.

그러나, 본 실시예에서는 LNG가 공급되는 언제라도 탱크의 압력을 이덕터를 통해 제어 가능하므로, LNG 공급 라인(SL)과 BOG 벤트 라인(VL)을 동시에 열어 연료를 공급할 수 있다.

본 실시예의 선박용 엔진(E)은 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator) 또는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine)와 같은 DF 엔진일 수 있다. DF 엔진은 중유와 천연가스를 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. DF 엔진의 운전압력은 licensor 및 size에 따라 가변적이지만, 대체로 2.5 내지 15 bara, 바람직하게는 5 내지 8 bara의 천연가스를 공급받는데, 특히 바람직하게는 본 실시예의 선박용 엔진(E)은 6 내지 8 bara의 가스를 공급받는 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)이다.

선박용 엔진(E)으로의 연료 공급을 위하여 LNG 공급 라인(SL)에는, LNG를 펌핑하여 선박용 엔진(E)의 필요 압력으로 승압시키는 연료 공급 펌프(200)와, LNG 공급 라인(SL)을 개폐하는 차단 밸브(250)가 마련되며, 내압성 탱크(T)의 내부 압력이 엔진의 필요 압력보다 낮은 평상시에는 연료 공급 펌프(200)에서 펌핑된 LNG가 LNG 공급 라인(SL)을 통해 선박용 엔진(E)의 연료로 공급된다.

이덕터(100)의 하류에는 선박용 엔진(E)의 필요 온도에 맞추어 LNG 또는 BOG를 가열하는 히터(400)가 마련되어, 펌핑된 LNG는 히터(400)를 거쳐 선박용 엔진(E)으로 공급된다.

히터(400)에서는 스팀이나, 글리콜 워터(Glycol water) 등의 열 매체를 이용하여 -30 내지 80 ℃, 바람직하게는 0 내지 60 ℃의 온도로 액화천연가스를 가열한다.

한편, 내압성 탱크(T)의 설계압력은 선박용 엔진(E)의 운전압력보다 높게 설계하는데, 특히 소형 선박인 경우에는, 예를 들어 선박의 항해 기간 동안 내압성 탱크(T)에서 발생하는 BOG 또는 플래쉬 가스(flash gas)를 보유할 수 있도록 설계 압력이 설정된 독립형 IMO C type 탱크를 마련하는 것이 경쟁력이 있을 수 있다. 선박용 엔진(E)이 DFDE 또는 DFDG와 같은 DF 엔진이라면, 내압성 탱크(T)의 설계 압력은 2 bar이상, 바람직하게는 3 bar 내지 30 bar, 좀더 바람직하게는 7 내지 15 bar의 게이지압으로 설계하여 탱크에서 발생하는 BOG를 보유하다가 선박용 엔진(E)이 필요로 하는 운전압력으로 연료를 공급하면서, 탱크의 압력을 유지할 수 있다.

선박용 엔진(E)으로 BOG를 공급하면서 탱크의 압력을 유지할 수 있도록 BOG 벤트 라인(VL)에는 BOG 벤트 라인(VL)을 개폐하는 압력 조절 밸브(300)를 마련한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예는 선박용 엔진(E)의 연료 공급을 위하여, 평소에는 내압성 탱크(T)로부터 LNG를 펌핑하여 DFDG와 같은 선박용 엔진(E)으로 공급하되, 내압성 탱크(T)의 내부 압력이 선박용 엔진(E)의 필요 압력보다 높아지면 BOG를 선박용 엔진(E)으로 공급하여 내압성 탱크(T)의 내부 압력을 제어하여 탱크의 안전성을 확보하고 엔진의 연료도 공급할 수 있도록 한다.

특히 선박용 엔진(E)의 상류에서 LNG 및 BOG를 공급하는 라인의 합류되는 지점에 이덕터(100)(eductor)를 마련함으로써, LNG 및 BOG의 공급 라인을 동시에 제어할 수 있도록 하며, 연료 공급을 시스템 운전 영역과 공급 운전 영역으로 나누어 운전할 수 있으므로 밸브 등 장치의 수명을 길게 할 수 있다. 또한 LNG와 BOG의 연속적인 연료 공급이 가능해진다.

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.

T: 내압성 탱크
E: 선박용 엔진
SL: LNG 공급 라인
VL: BOG 벤트 라인
100: 이덕터
200: 연료 공급 펌프
250: 차단 밸브
300: 압력 조절 밸브
400: 히터

Claims

선박 또는 해상 구조물에 마련되며 LNG가 저장되는 내압성 탱크;
상기 내압성 탱크로부터 상기 LNG를 펌핑하여 상기 선박 또는 해상 구조물에 마련되는 선박용 엔진으로 공급하는 LNG 공급 라인;
상기 내압성 탱크로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박용 엔진으로 공급하는 BOG 벤트 라인; 및
상기 선박용 엔진의 상류에서 상기 BOG 벤트 라인이 상기 LNG 공급 라인과 합류되는 지점에 마련되는 이덕터(eductor)를 포함하되,
상기 내압성 탱크의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 필요 압력보다 높아지면 상기 BOG 벤트 라인을 통해 상기 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급하여 상기 내압성 탱크의 내부 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 LNG 공급 라인은 상기 이덕터의 석션(suction) 유체 연결부에 연결되고, 상기 BOG 벤트 라인은 상기 이덕터의 모티브(motive) 유체 연결부에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 LNG 공급 라인에는
상기 LNG를 펌핑하여 상기 선박용 엔진의 필요 압력으로 승압시키는 연료 공급 펌프; 및
상기 LNG 공급 라인을 개폐하는 차단 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 BOG 벤트 라인에는 상기 BOG 벤트 라인을 개폐하는 압력 조절 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 이덕터의 하류에 마련되어 상기 선박용 엔진의 필요 온도에 맞추어 상기 LNG 또는 BOG를 가열하는 히터를 더 포함하는 연료 공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 선박용 엔진은 3 내지 15 bar의 가스를 공급받는 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 내압성 탱크는 설계압력이 상기 선박용 엔진의 운전압력보다 높게 설계되며, 독립형 IMO C type 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
선박용 엔진의 연료 공급 방법에 있어서,
상기 내압성 탱크로부터 LNG를 펌핑하여 상기 선박용 엔진으로 공급하되,
상기 내압성 탱크의 내부 압력이 상기 선박용 엔진의 필요 압력보다 높아지면 상기 BOG를 상기 선박용 엔진으로 공급하여 상기 내압성 탱크의 내부 압력을 제어하되,
상기 선박용 엔진의 상류에서 LNG 및 BOG를 공급하는 라인의 합류되는 지점에 이덕터(eductor)를 마련하여, 상기 LNG 및 BOG의 공급 라인을 동시에 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법.
제 8항에 있어서,
상기 내압성 탱크로부터 상기 LNG의 공급 라인은 상기 이덕터의 석션(suction) 유체 연결부에 연결되고, 상기 BOG의 공급 라인은 상기 이덕터의 모티브(motive) 유체 연결부에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 방법.