KR20160074956A - 선박의 연료공급 시스템 - Google Patents

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KR20160074956A
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피석훈
이호기
이동길
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

선박의 연료공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급 시스템은 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크에 저장된 액화연료를 엔진에 공급하는 연료공급라인과, 연료공급라인에 설치되며 엔진의 요구압력에 맞게 액화연료를 가압 송출하는 압축펌프와, 연료공급라인에 설치되며, 압축펌프에 의해 압축된 액화연료를 기화시켜 엔진에 제공하는 기화장치 및 엔진의 배출가스 압력을 이용하여 엔진에 압축된 과급공기를 공급하는 터보차저를 포함하고, 기화장치는 과급공기의 열에너지를 이용하여 액화연료를 기화시키도록 구성된다.

Description

선박의 연료공급 시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}
본 발명은 선박의 액화연료 저장탱크에 저장된 액화연료를 연료로 사용 가능한 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
셰일가스(Shale Gas) 및 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 ‘LNG’라 함) 등으로부터 추출된 에탄(Ethane)은 석유화학제품의 원료로 사용되며, 최근에는 그 경제성이 부각되고 있다. 1기압에서 에탄은 대략 ―88.6℃, LNG의 주요 구성 성분인 메탄은 대략 ―161.5℃의 끊는점을 갖는다. 이러한 에탄과 LNG는 액화된 상태로 선박에 의해 수송될 수 있다.
선박은 저장탱크로부터 공급받은 LNG 증발가스(BOG, Boil-Off Gas) 또는 LNG의 압력, 온도, 상태 등을 변환하여 엔진으로 공급하는 연료가스 공급시스템을 구비할 수 있다. 여기서, 선박은 둘 이상의 이종연료를 연료로서 사용하는 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진과 같은 저압가스 분사엔진과 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압가스 분사엔진 등을 포함할 수 있다.
예컨대, 한국공개특허 제10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)는 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 연료를 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제시한 바 있다. 이 시스템은 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어 고압으로 압축한 후 이를 기화시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급한다. 이외에도 저장탱크로부터 공급받은 LNG 증발가스를 다단의 압축기에서 공급조건에 맞도록 압축한 후 엔진으로 공급하거나 재액화하여 저장하는 등의 다양한 연료가스 공급시스템이 공지된 바 있다.
한국공개특허 제10-2008-0103500호(2008.11.27. 공개)
본 발명의 실시 예들은 에너지 소모를 줄일 수 있는 선박용 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크에 저장된 상기 액화연료를 엔진에 공급하는 연료공급라인과, 상기 연료공급라인에 설치되며, 상기 엔진의 요구압력에 맞게 상기 액화연료를 가압 송출하는 압축펌프와, 상기 연료공급라인에 설치되며, 상기 압축펌프에 의해 압축된 상기 액화연료를 기화시켜 상기 엔진에 제공하는 기화장치 및 상기 엔진의 배출가스 압력을 이용하여 상기 엔진에 압축된 과급공기를 공급하는 터보차저를 포함하고, 상기 기화장치는 상기 과급공기의 열에너지를 이용하여 상기 액화연료를 기화시키는 선박의 연료공급 시스템이 제공될 수 있다.
또한 상기 과급공기는 상기 액화연료의 열에너지를 이용하여 냉각된 후 상기 엔진에 공급될 수 있다.
상기 기화장치는, 상기 연료공급라인에 설치되어 상기 액화연료가 기화되는 제1열교환부와, 상기 터보차저와 상기 엔진을 연결하는 과급공기공급라인에 설치되어 상기 과급공기가 냉각되는 제2열교환부 및 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 서로 연결하며 상기 액화연료와 상기 과급공기의 열교환을 위한 열전달매체가 순환하는 순환라인을 포함한다.
또한 상기 기화장치는 상기 순환라인에 설치되어 상기 열전달매체를 순환시키는 순환펌프를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 선박 엔진에서 터보차저로부터 엔진으로 공급되는 과급공기와 연료탱크로부터 엔진에 공급되는 액화연료의 열교환을 통해 과급공기의 냉각 및 액화연료의 기화를 동시에 수행함에 의해 엔진의 에너지 소모를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
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.
또한 “제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원서 에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 발명을 제한 및 한정하려는 의도는 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원서 에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 선박 엔진의 동력원인 액화연료를 저장하는 연료탱크(10)와, 연료탱크(10)에 저장된 액화연료를 엔진(20)에 공급하는 연료공급라인(30)과, 엔진(20)에서 배기되는 배출가스의 압력을 이용하여 엔진(20)에 압축된 과급공기를 공급하는 터보차저(Turbocharger, 40)와, 연료공급라인(30)에 흐르는 액화연료를 엔진(20)의 요구압력에 맞도록 가압 송출하는 압축펌프(50)와, 압축펌프(50)에 의해 압축된 액화연료를 기화시켜 엔진(20)에 공급하는 기화장치(60)를 포함한다.
여기서, 선박은 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)등을 포함하고, 액화연료는 액화상태로 저장할 수 있는 액화에탄, LNG, 액화에틸렌, LPG, 액화프로판, 액화부탄을 포함할 수 있다.
연료탱크(10)는 액화연료를 저장하여 수송하기 위한 적절한 단열구조를 가질 수 있고, 예로서, MOSS형과 Membrane형 등 공지된 다양한 형태의 단열탱크로 구성될 수 있다. 연료탱크(10)의 내부에는 연료탱크(10) 내부에 저장된 액화연료를 연료공급라인(30)으로 공급하기 위한 공급펌프(P)가 마련될 수 있다.
연료공급라인(30)은 연료탱크(10)의 하부로부터 액화연료를 공급받고, 공급받는 액화연료를 엔진(20)에 적합한 가스 압력으로 공급하기 위한 배관으로서, 연료공급라인(30) 상에는 순차적으로 압축펌프(50)와 기화장치(60)가 연결될 수 있다. 연료탱크(10)로부터 연료공급라인(30)으로의 액화연료의 공급은 공급펌프(P) 및/또는 압축펌프(50)의 송출력에 의해 이루어질 수 있다.
압축펌프(50)는 연료탱크(10) 하부의 액화연료를 연료공급라인(30)으로 송출함과 아울러 액화연료를 엔진(20)의 요구압력에 맞도록 압축할 수 있다.
일 예로, 엔진(20)은 저압, 중압 또는 고압가스 분사엔진 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 압축펌프(50)는 엔진(20)의 종류에 대응하는 요구압력에 맞도록 연료공급라인(30)에 흐르는 액화연료를 압축할 수 있다.
여기서, 저압가스 분사엔진은 대략 5 내지 7bar 정도의 연료가스를 이용하는 것으로 DFDE 엔진과 같은 발전용 엔진을 포함한다. 또한 저압가스 분사엔진은 천연가스뿐 아니라 중유(HFO, Heavy Fuel Oil) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다. 중압가스 분사엔진은 대략 16 내지 45bar 정도의 연료가스를 이용한다. 고압가스 분사엔진은 대략 150 내지 300bar 정도의 연료가스를 이용하는 것으로 ME-GI 엔진을 포함할 수 있다.
기화장치(60)는 연료공급라인(30)에서 압축펌프(50)의 하류에 설치되며 압축펌프(50)에 의해 압축된 액화연료를 기화시켜 엔진(20)에 공급한다.
여기서, 기화장치(60)는 연료공급 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 액화연료를 기화시키는데 필요한 열에너지를 터보차저(40)에서 엔진(20)에 공급되는 압축된 과급공기로부터 제공받도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 터보차저(40)는 엔진(20)에서 발생하는 배출가스의 압력을 이용하여 한쪽 터빈(41)을 회전시킨 후, 이 회전력을 이용하여 한쪽 터빈(41)과 연결된 다른 쪽 터빈(42)이 회전하여 유입된 외부공기를 압축함에 의해 엔진(20)의 연소실에 압축된 과급공기를 공급하는 장치이다. 즉 엔진(20)의 연소 시 배출되는 배기가스는 배기라인(45)을 통해 터보차저(40)에 공급되어 터보차저(40)의 한쪽 터빈(41)을 회전시킨 후 외부로 배기되고, 공기공급라인(46)을 통해 공급되는 엔진(20)의 연소에 필요한 공기는 터보차저(40)의 다른 쪽 터빈(42)을 경유하여 과급공기공급라인(47)을 통해 엔진(20)의 연소실에 공급되게 된다. 이때 공기공급라인(46)을 통해 터보차저(40)에 유입된 공기는 회전하는 터빈(42)에 의해 가압된 상태로 과급공기공급라인(47)에 공급되게 되므로 과급공기공급라인(47)에 유동하는 압축된 과급공기는 온도가 높은 상태이다.
따라서 기화장치(60)는 이러한 과급공기공급라인(47)에 유동하는 과급공기의 열에너지를 이용하여 액화연료를 기화시키도록 마련될 수 있다. 또한 기화장치(60)는 온도가 높은 과급공기가 엔진(20)에 공급되는 경우에는 엔진(20)의 효율을 저하시킬 수 있는 바, 연료공급라인(30)에 유동하는 액화연료의 열에너지를 이용하여 과급공기공급라인(47)을 통해 엔진(20)에 공급되는 과급공기의 온도를 낮추는 데에도 기여할 수 있다. 따라서 엔진(20)에 공급하는 과급공기를 냉각하기 위한 별도의 냉각장치는 필요하지 않게 된다.
이러한 기화장치(60)는 연료공급라인(30)에 설치되어 액화연료가 기화되는 제1열교환부(61)와, 과급공기공급라인(47)에 설치되어 과급공기가 냉각되는 제2열교환부(62)와, 제1열교환부(61)와 제2열교환부(62)를 서로 연결하며 열전달매체가 순환하는 폐쇄회로를 형성하는 순환라인(63)과, 순환라인(63)에 설치되어 열전달매체를 순환시키는 순환펌프(64)를 포함한다.
여기서, 열전달매체는 비열, 열전도도 및 잠열이 크고, 점도 및 유동점이 낮으며, 증기압이 낮고 비점이 높으며, 인화점 및 자연발화점이 높고, 화학적 및 열적으로 안정하고 부식성이 없어야 하며, 실시예에 따라서는 공기 또는 물을 비롯하여 염화칼슘용액, 메탄올, 글리콜수용액(에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜) 등 다양한 열전달매체가 선별적으로 사용될 수 있다.
제1열교환부(61)는 연료공급라인(30)에 흐르는 액화연료를 과급공기의 열에너지를 이용하여 기화시키기 위한 구성으로서, 용기 내에 설치된 다수의 전열관을 구비하는 다관식 열교환기로 구성될 수 있다. 이러한 제1열교환부(61)는 용기 내부의 공간에 의해 마련되는 제1유로와, 제1유로와 구분되도록 전열관에 의해 마련되는 제2유로를 포함할 수 있고, 제1유로와 제2유로는 연료공급라인(30)과 순환라인(63)에 의해 구현되어 서로 열교환할 수 있다. 또한 제1유로와 제2유로 중 어느 하나가 다른 하나를 통과하는 형태로 구성되어 전도에 의한 열전달이 이루어지도록 형성될 수도 있다.
제2열교환부(62)는 과급공기공급라인(47)에 흐르는 과급공기를 액화연료의 열에너지를 이용하여 냉각시키기 위한 구성으로서, 용기 내에 설치된 다수의 전열관을 구비하는 다관식 열교환기로 구성될 수 있다. 이러한 제2열교환부(62)는 용기 내부의 공간에 의해 마련되는 제1유로와, 제1유로와 구분되도록 전열관에 의해 마련되는 제2유로를 포함할 수 있고, 제1유로와 제2유로는 과급공기공급라인(47)과 순환라인(63)에 의해 구현되어 서로 열교환할 수 있다. 또한 제1유로와 제2유로 중 어느 하나가 다른 하나를 통과하는 형태로 구성되어 전도에 의한 열전달이 이루어지도록 형성될 수도 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 연료탱크, 20: 엔진,
30: 연료공급라인, 40: 터보차저,
45: 배기라인, 50: 압축펌프,
60: 기화장치, 61: 제1열교환부,
62: 제2열교환부, 63: 순환라인,
64: 순환펌프.

Claims (4)

  1. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
    상기 연료탱크에 저장된 상기 액화연료를 엔진에 공급하는 연료공급라인;
    상기 연료공급라인에 설치되며, 상기 엔진의 요구압력에 맞게 상기 액화연료를 가압 송출하는 압축펌프;
    상기 연료공급라인에 설치되며, 상기 압축펌프에 의해 압축된 상기 액화연료를 기화시켜 상기 엔진에 제공하는 기화장치; 및
    상기 엔진의 배출가스 압력을 이용하여 상기 엔진에 압축된 과급공기를 공급하는 터보차저;를 포함하고,
    상기 기화장치는 상기 과급공기의 열에너지를 이용하여 상기 액화연료를 기화시키는 선박의 연료공급 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 과급공기는 상기 액화연료의 열에너지를 이용하여 냉각된 후 상기 엔진에 공급되는 선박의 연료공급 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기화장치는,
    상기 연료공급라인에 설치되어 상기 액화연료가 기화되는 제1열교환부;
    상기 터보차저와 상기 엔진을 연결하는 과급공기 공급라인에 설치되어 상기 과급공기가 냉각되는 제2열교환부; 및
    상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 서로 연결하며 상기 액화연료와 상기 과급공기의 열교환을 위한 열전달매체가 순환하는 순환라인을 포함하는 선박의 연료공급 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기화장치는 상기 순환라인에 설치되어 상기 열전달매체를 순환시키는 순환펌프를 더 포함하는 선박의 연료공급 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20080103500A (ko) 2007-05-08 2008-11-27 대우조선해양 주식회사 선박의 연료가스 공급 시스템 및 방법

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