KR20160068780A - 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템 - Google Patents

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다카시 와타나베
시게유키 시바타
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미쯔이 죠센 가부시키가이샤
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Abstract

카고 탱크(11) 내의 증발 가스(BOG)를, 고압 가스 컴프레서(13)를 통해서 주기관(12)에 연료 가스로서 공급하는 제 1 연료 가스 공급 라인(14)을 시설한다. 탱크(11)내의 액화 가스를 펌프(27)로 빨아올려, 고압액 펌프(29), 가스 히터(30)를 사용해서 고압 가스를 생성하는 제 2 연료 가스 공급 라인(26)을 시설한다. 액화 가스 적재시의 운항에 있어서, BOG만으로 연료 가스가 충분할 때에는 제 1 연료 가스 공급 라인(14)만을 사용하고, 부족할 때에는 제 2 연료 가스 공급 라인(26)을 병용한다. 액화 가스 공하시의 운항에 있어서, 스프레이 작업을 행할 때에는 제 1 연료 가스 공급 라인(14)만을 사용하고, 스프레이 작업을 행하지 않을 때에는 제 2 연료 가스 공급 라인(26)만을 사용한다.

Description

액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM FOR LIQUID GAS TRANSPORTATION VESSEL}
본 발명은 가스 연소가 가능한 저속 디젤 기관을 주기관으로서 탑재한 액화 가스 운반선에 적용되는 연료 가스 공급 시스템에 관한 것이다.
환경 부하의 저감이나 에너지 소비 개선의 관점에서, 최근에는 LNG운반선의 주기관에 가스 연소 저속 디젤 기관을 채용하고, LNG 탱크 내에서 자연스럽게 발생하는 증발 가스(NATURAL BOG)를 주기관의 연료로서 이용하는 구성이 알려져 있다. 하지만 가스 연소 저속 디젤 기관으로 30ＭＰa 정도의 압력을 갖는 연료 가스를 공급할 필요가 있다. 그 때문에, 증발 가스를 연료에 사용할 경우, 이 증발 가스를 고압 가스 컴프레서에 의해 30ＭＰa 정도까지 압축할 필요가 있지만, 고압 가스 컴프레서를 사용한 방식은 소비 전력이 크다는 문제가 있다. 한편, 낮은 소비 전력으로 고압 연료 가스를 생성하는 방법으로서, 액화 천연 가스를 고압액 펌프로 가압하고, 이것을 가열해서 30ＭＰa 정도의 고압 가스로 하는 구성이 알려져 있다(특허문헌 1).
일본공개특허공보 특개2012-177333호
고압액 펌프를 통해서 탱크 내의 액화 가스를 고압 가스로 할 경우, 증발 가스가 연료로서 소비되지 않기 때문에, 증발 가스에 의한 화물 탱크의 압력 상승을 방지하기 위해서는, 증발 가스를 강제적으로 연소하는 가스 연소 장치나 증발 가스를 액체로 되돌리기 위한 재액화 장치를 준비할 필요가 있다. 하지만, 증발 가스를 연소시키면 환경 부하를 증대시켜, 운반선 전체의 에너지 효율도 저하시킨다. 또한 재액화 장치의 운전에는 일반적으로 고압 가스 컴프레서의 운전보다도 큰 에너지를 필요로 한다.
본 발명은 액화 가스 운반선에 있어서, 고압 가스 컴프레서 및 고압액 펌프를 병용하고, 액화 가스 운반선의 운항 상태에 맞추어, 증발 가스의 처리, 에너지 소비를 최적화하는 동시에 환경에 대한 부하를 보다 저감하는 연료 가스 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템은, 주기관으로서 사용되는 가스 연소 가능한 저속 디젤 기관과, 액화 가스를 저장하는 탱크와, 탱크 내에서 발생하는 증발 가스를 압축하는 고압 가스 컴프레서와, 탱크 내의 액화 가스를 가압하는 고압액 펌프와, 고압 가스 컴프레서를 통해서 탱크로부터 저속 디젤 기관에 연료 가스를 공급하는 제 1 연료 가스 공급 라인과, 고압액 펌프를 통해서 탱크로부터 저속 디젤 기관에 연료 가스를 공급하는 제 2 연료 가스 공급 라인을 구비하고, 액화 가스 적재시의 운항에 있어서 주기관의 연료 소비량이 증발 가스 발생량 이하일 때 및 액화 가스 공하(空荷)시의 운항에 있어서 스프레이 작업(액화 가스를 탱크에 받아 들일 때에, 급격한 온도차에 의한 탱크의 파손을 방지하기 위해서, 탱크 내에 남긴 액화 가스를 탱크 내에 분무하고 액화 가스의 기화열에 의해 화물 탱크를 예냉하는 작업)을 행할 때는, 제 1 연료 가스 공급 라인만을 통해서 연료 가스를 저속 디젤 기관에 공급하고, 액화 가스 공하의 운항시에 있어서 스프레이 작업을 행하지 않을 때에는 제 2 연료 가스 공급 라인만을 통해서 연료가스를 저속 디젤 기관에 공급하는 것을 특징으로 하고 있다. 다만, 상기의 스프레이 작업에 있어서는, 분무에 의해 탱크 내의 압력이 규정의 압력까지 상승하면 분무를 일단 중단하고, 탱크 내의 가스를 연료로서 소비해서 탱크압을 내린 후, 다시 스프레이 작업을 개시하고, 탱크의 온도가 규정의 온도로 떨어질 때까지 복수회 같은 작업을 반복하는데, 분무 중단으로 카고 탱크 내의 가스를 우선적으로 연료로서 사용하고 있는 기간도 그 일련의 스프레이 작업 중에 포함한다. 또한, 공하 상태라도 액화 가스를 탱크 냉각용의 스프레이액으로서, 또한 주기관의 연료로서 사용하기 위해서, 약간의 액화 가스가 저장되어 있고, 탱크 안이 완전하게 비게 되는 것은 아니다.
또한, 액화 가스 적재시의 운항에 있어서, 주기관의 연료 소비량이 증발 가스 발생량을 상회할 때에는 제 1 및 제 2 연료 가스 공급 라인을 사용해서 저속 디젤 기관에 연료 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 고압 가스 컴프레서에서 압축된 연료 가스를 재액화해서 탱크로 되돌리는 가스 회수 라인과, 이 가스 회수 라인과 제 1 연료 가스 공급 라인에서의 탱크와 고압 가스 컴프레서를 잇는 부분과의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 구비하고, 연료 가스의 재액화를 이 열교환기를 통해서 행하는 구성이어도 좋다. 또한 이때, 가스 회수 라인의 열교환기와 탱크 사이에 존재하는 증발 가스를 제 1 연료 가스 공급 라인의 열교환기보다도 상류측으로 되돌리는 연결 라인을 추가로 시설해도 좋다.
본 발명의 액화 가스 운반선은 상기 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의하면, 액화 가스 운반선에 있어서, 고압 가스 컴프레서 및 고압액 펌프를 병용하고, 액화 가스 운반선의 운항 상태에 맞추어, 증발 가스의 처리, 에너지 소비를 최적화하는 동시에 환경에 대한 부하를 보다 저감하는 연료 가스 공급 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태인 연료 가스 공급 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 제 1 실시형태에서의 (a) 액화 가스 적재시, (b) 액화 가스 공하시(스프레이 작업 있음), (c) 액화 가스 공하시(스프레이 작업 없음)의 운항 형태에 서의 운항 속도와 사용 연료 소비량의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시형태인 연료 가스 공급 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 제 2 실시형태에서의 액화 가스 적재시의 운항 속도와 사용 연료 소비량의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 첨부 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태인 연료 가스 공급 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
본 실시형태의 연료 가스 공급 시스템(10)은 천연 가스 등의 액화 가스를 운반하는 선박에 적용되고, 액화 가스(본 실시형태에서는 LNG)는 카고 탱크(11)에 적재된다. 주기관(12)은 가스 연소 가능한 저속 디젤 기관이고, 주기관(12)에는 고압 가스 컴프레서(13)를 포함하는 제 1 연료 가스 공급 라인(14)을 통해서 탱크(11) 내에서 자연 발생하는 증발 가스(NATURAL BOG)를 공급하는 것이 가능하다. 즉, 탱크(11)와 고압 가스 컴프레서(13)는 상류 라인(14A)에서 접속되고, 고압 가스 컴프레서(13)와 주기관(12)은 하류 라인(14B)에 의해 접속된다.
즉, 탱크(11) 내에서 발생하는 증발 가스는 상류 라인(14A)을 통해서 고압가스 컴프레서(13)로 보내지고, 예를 들면 대략 30MPa까지 압축되어,「고압 가스」로서 하류 라인(14B)에 송출되고, 하류 라인(14B)에 시설된 역지 밸브(15), 유량 조정 밸브(16)를 통해서 주기관(12)으로 보내진다. 또한, 본 실시형태에 있어서 고압 가스 컴프레서(13)에는 저압 연료 가스 공급 라인(17)도 접속되어 있고, 상대적으로 압력이 낮은「저압 가스」가 송출된다.
저압 연료가스 공급 라인(17)에는 예를 들면 역지 밸브(18), 유량 조정 밸브(19)를 통해서 2원 연료 연소 보일러(20)가 접속되는 동시에, 예를 들면 역지 밸브(21), 유량 조정 밸브(22)를 통해서 2원 연료 연소 디젤 발전 기관(D/G)(23) 등이 접속된다. 보일러(20) 및 디젤 발전 기관(23)에서는 연료 가스와 오일을 혼합 연소할 수 있고, 잉여 증발 가스가 존재할 때에는 고압 가스 컴프레서(13)로부터 공급되는 저압 가스가 연료로서 사용된다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 1 연료 가스 공급 라인(14)의 하류 라인(14B)에서의, 역지 밸브(15)와 유량 조정 밸브(16)의 사이와, 디젤 발전 기관(23)에 접속되는 라인의 역지 밸브(21)와 유량 조정 밸브(22)의 사이가 연결 라인(24)에 의해 연통되고, 연결 라인(24)에는 압력 조정 기능이 부착된 역지 밸브(25)가 시설된다. 즉, 하류 라인(14B)에 공급된 고압 가스를 필요에 따라 압력 조정 기능이 부착된 역지 밸브(25)를 통해서 2원 연료 연소 디젤 발전 기관(23)에도 공급 가능하다.
또한, 본 실시형태의 연료 가스 공급 시스템(10)에는 또한 제 2 연료 가스 공급 라인(26)이 시설된다. 제 2 연료 가스 공급 라인(26)은 탱크(11) 내의 바닥 부근에 배치되는 펌프(27)를 구비하고, 탱크(11) 내의 액화 가스는 펌프(27)에 의해 퍼올려져, 일시적으로 흡입 드럼(28)에 저장된다. 흡입 드럼(28)에는 고압액 펌프(29)가 접속되고, 흡입 드럼(28)으로부터 액화 가스가 가압된다. 고압액 펌프(29)에 의해 가압된 액화 가스는 가스 히터(30)에서 가열·기화되고, 고압 가스가 된다. 생성된 고압 가스는 역지 밸브(31)를 통해서, 제 1 연료 가스 공급 라인(14)의 하류 라인(14B)에서의 역지 밸브(15)와 유량 조정 밸브(16)의 사이의 구간에 공급된다.
다음에, 도 2를 참조해서, 운항 상황에 따른 연료 가스 공급 시스템(10)의 주기관(12)으로 연료 가스 공급 상태에 대하여 설명한다. 도 2의 (a) 내지 (c)는 각각 (a) 액화 가스 적재시의 운항 속도와 사용 연료 소비량의 관계, (b) 액화 가스 공하시의 운항에 있어서 스프레이 작업을 행할 때 운항 속도와 사용 연료 소비량의 관계, (c) 액화 가스 공하시의 운항에 있어서 스프레이 작업을 행하지 않을 때의 운항 속도와 속도 연료 소비량의 관계를 도시한 그래프이다. 또한 도 2의 (a) 내지 (c)에 있어서 가로축은 배의 운항 속도, 세로축은 연료 소비량이다.
도 2의 (a) 내지 (c)에 있어서 곡선(S)은 선속과 연료 소비량(연료 가스 공급량/단위시)의 관계를 도시한 곡선이고, 연료 소비량은 대략 선속의 3승에 비례한다. 도 2의 (a)의 직선(L)(NATURAL BOG)은 탱크(11) 내의 액화 가스(천연 가스)가 자연 증발하여, 증발 가스가 되는 단위 시간당의 양이다.
즉, 도 2의 (a)에 있어서, 증발 가스만이, 또한 그 전부를 주기관(12)의 연료로서 이용하면, 곡선(S)과 직선(L)의 교점(P)에 대응하는 선속을 얻을 수 있다. 한편, 운전점(P)보다도 저속측에서는 직선(L)과 곡선(S)의 차가 잉여 증발 가스가 되고, 운전점(P)보다도 고속측에서는 곡선(S)과 직선(L)의 차가, 추가할 필요가 있는 연료량이 된다.
따라서, 액화 가스 적재시의 운항에 있어서는, 운전점(P)(NATURAL BOG 100% 속도), 및 운전점(P)보다도 저속측(감속 운전 영역)에서는 제 1 연료 가스 공급 라인(14)만이 사용되고, 증발 가스만을 사용해서 주기관(12)의 운전이 행해진다. 그리고 잉여 가스는 보일러(20)나 디젤 발전 기관(23)의 연료로서 이용되고, 그래도 소비할 수 없는 것은 연소된다. 또한 운전점(P)보다도 고속측(고속 운전 영역)에서는 부족한 분의 연료가 제 2 연료 가스 공급 라인(26)을 통해서 공급된다. 즉, 펌프(27), 고압액 펌프(29), 및 가스 히터(30)를 구동해서 탱크(11) 내의 액화 가스로부터 고압 가스를 생성하고, 고압 가스 컴프레서(13)에서 압축된 고압 가스와 함께 주기관(12)에 공급된다. 또한, 배의 순항 속도는 운전점(P), 또는 그것보다도 약간 낮은 속도로 설정된다.
도 2의 (b)는 액화 가스 공하시의 운항에 있어서 스프레이 작업이 행해질 때의 운항 형태를 도시한 그래프이다. 동(同) 운항 형태에서는 제 1 연료 가스 공급라인(14)만이 사용된다. 즉, 탱크(11) 내에서는 스프레이 작업이 행해져, 스프레이 작업에 의해 발생한 증발 가스가 주기관(12)으로 연료 가스로서 공급된다. 또한, 액화 가스 공하시의 운항이라도, 액화 가스를 탱크 냉각용의 스프레이액으로서, 또한 주기관의 연료로서 사용하기 위해서, 약간의 액화 가스가 저장되어 있고, 모든 탱크(11)가 완전히 비어 있지는 않다.
한편, 도 2의 (c)는 액화 가스 공하시의 운항에 있어서 스프레이 작업이 행해지지 않을 때의 운항 형태에 대응하는 그래프이다. 이 운항형태에서는 제 1 연료 가스 공급 라인(14)은 사용되지 않고, 고압 가스 컴프레서(13)는 오프된다. 그리고 제 2 연료 가스 공급 라인만이 사용되고, 펌프(27), 고압액 펌프(29), 및 가스 히터(30)가 구동되는 탱크(11) 내의 액화 가스로부터 고압 가스가 생성되어 주기관(12)에 공급된다.
선박은 대부분의 시간을 순항 속도로 운행하므로, 예를 들면 도 2의 (a)의 운전점(P) 부근에서 운전된다. 즉, 제 1 실시형태에 의하면, 액화 가스 적재시에는 대략 고압 가스 컴프레서만이 구동되고, 증발 가스의 대부분이 주기관의 연료로서 소비된다. 그리고 고속 운전 영역에서의 운전이 필요한 경우에만, 고압액 펌프가 구동되어 액화 가스로부터 직접적으로 고압 가스가 생성된다. 또한, 액화 가스 공하시의 운항에 있어서 대부분의 시간은 스프레이 작업이 행해지는 것은 아니므로, 대부분 도 2의 (c)의 운항 형태가 취해지고, 고압 가스 컴프레서를 운전할 것 없이, 고압액 펌프에 의해 연료 가스 공급이 이루어진다. 한편, 스프레이 작업이 행해져, 증발 가스가 발생할 때에는 고압 가스 컴프레서가 구동되고, 증발 가스는 대략 모든 주기관의 연료로서 이용되어, 증발 가스 처리의 문제는 발생하지 않는다. 그 때문에 재액화 장치의 설치를 생략할 수 있다.
다음에 도 3, 도 4를 참조해서 본 발명의 제 2 실시형태의 연료 가스 공급 시스템에 대하여 설명한다. 제 2 실시형태의 연료 가스 공급 시스템은 제 1 실시형태의 연료 가스 공급 시스템에 가스 회수 시스템을 추가로 시설한 것이고, 그 외의 구성은 제 1 실시형태와 대략 동일하다. 따라서, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 관해서는 동일 참조 부호를 사용하고 그 설명을 생략한다.
제 2 실시형태의 연료 가스 공급 시스템(40)은 고압 가스 컴프레서(13)와 하류라인(14B)의 역지 밸브(15) 사이에 가스 회수 라인(41)이 접속된다. 가스 회수 라인(41)은 고압 가스 컴프레서(13)로부터 토출되는 증발 가스 유래의 고압 가스를 제 1 연료 가스 공급 라인(14)의 상류 라인(14A)에 연결된 열교환기(42)를 통해서 액화한다. 그리고 액화된 액화 가스는 기액 분리기(43)에 저장된다. 기액 분리기(43)에 저장된 액화 가스(LNG)는 펌프(44) 또는 기액 분리기(43)의 자압(自壓)에 의해 탱크(11)로 되돌아간다. 또한, 기액 분리기(43)에 존재하는 증발 가스는 연락 라인(45)을 통해서 제 1 연료 가스 공급 라인(14)의 상류 라인(14A)에 서의 열교환기(42)의 상류측으로 되돌아간다.
이상과 같이, 제 2 실시형태에 의하면, 제 1 실시형태와 동일한 효과가 얻어지는 동시에 액화 가스 적재 운항시의 저속 운전 영역에 있어서, 잉여 증발 가스를 보다 유효하게 처리할 수 있다. 그리고 제 2 실시형태에서는 고압 가스 컴프레서에서 압축된 가스를 열교환기를 통해서 액화하므로, 보다 효율적으로 재액화 처리를 할 수 있다.
또한, 제 2 실시형태에서는 가스 회수 시스템이 있으므로, 증발 가스의 단위시간당의 발생량이 실질적으로 저하된다. 즉, 도 4에 있어서 가스 회수 시스템 기동 전의 증발 가스의 단위시간당의 발생량이 직선(L1)이었다고 하면, 가스 회수 시스템의 기동 후에는 발생량이 직선(L2)으로 내려가고, 곡선(S)과의 교점은 P1에서 P2로 이동한다. 그 때문에, 순항 속도를 내려서 감속 운항하는 경우 등에, 잉여 증발 가스의 발생을 더 억제할 수 있다.
또한, 주기관은 가스 전연(專燃)의 저속 디젤 기관이어도 좋지만, 오일 연료와의 2원 연료 연소 저속 디젤 기관이어도 좋고, 그 경우에는, 예를 들면 고속 운전 영역에 있어서 오일을 추가 연료로서 이용해도 좋다.
10 : 연료 가스 공급 시스템(제 1 실시형태)
11 : 카고 탱크
12 : 주기관
13 : 고압 가스 컴프레서
14 : 제 1 연료 가스 공급 라인
14A : 상류 라인
14B : 하류 라인
20 : 2원 연료 연소 보일러
23 : 2원 연료 연소 디젤 발전 기관
26 : 제 2 연료 가스 공급 라인
27 : 펌프
28 : 흡입 드럼
29 : 고압액 펌프
30 : 가스 히터
40 : 연료 가스 공급 시스템(제 2 실시형태)
41 : 가스 회수 라인
42 : 열교환기
43 : 기액 분리기
44 : 펌프

Claims (5)

  1. 주기관으로서 사용되는 가스 연소 가능한 저속 디젤 기관과,
    액화 가스를 저장하는 탱크와,
    상기 탱크 내에서 발생하는 증발 가스를 압축하는 고압 가스 컴프레서와,
    상기 탱크 내의 액화 가스를 가압하는 고압액 펌프와,
    상기 고압 가스 컴프레서를 통해서 상기 탱크로부터 상기 저속 디젤 기관으로 연료 가스를 공급하는 제 1 연료 가스 공급 라인과,
    상기 고압액 펌프를 통해서 상기 탱크로부터 상기 저속 디젤 기관으로 연료 가스를 공급하는 제 2 연료 가스 공급 라인을 구비하고,
    액화 가스 적재시의 운항에 있어서, 상기 저속 디젤 기관의 연료 소비량이 증발 가스 발생량 이하일 때, 및 액화 가스 공하시의 운항에 있어서, 스프레이 작업을 행할 때에는 상기 제 1 연료 가스 공급 라인만을 통해서 연료 가스를 상기 저속 디젤 기관으로 공급하고, 액화 가스 공하시의 운항에 있어서, 스프레이 작업을 행하지 않을 때에는 상기 제 2 연료 가스 공급 라인만을 통해서 연료 가스를 상기 저속 디젤 기관으로 공급하는 것을 특징으로 하는 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 액화 가스 적재시의 운항에 있어서, 연료 소비량이 증발 가스 발생량을 상회할 때에는 상기 제 1 및 제 2 연료 가스 공급 라인을 사용하여 상기 저속 디젤 기관으로 연료 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고압 가스 컴프레서에서 압축된 가스를 재액화하여 상기 탱크로 되돌리는 가스 회수 라인과, 상기 가스 회수 라인과 상기 제 1 연료 가스 공급 라인에서의 상기 탱크와 상기 고압 가스 컴프레서를 잇는 부분과의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기를 추가로 구비하고, 상기 가스의 재액화가 상기 열교환기를 통해서 행해지는 것을 특징으로 하는 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 가스 회수 라인의 상기 열교환기와 상기 탱크와의 사이에 존재하는 증발 가스를 상기 제 1 연료 가스 공급 라인의 상기 열교환기보다도 상류측으로 되돌리는 연결 라인을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 액화 가스 운반선용 연료 가스 공급 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는 액화 가스 운반선.
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