KR20160074965A - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

선박의 연료가스 공급시스템 Download PDF

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Abstract

선박의 연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크에 저장된 액화연료의 증발가스를 엔진에 공급하는 제1연료공급라인과, 제1연료공급라인에 설치되며, 엔진의 요구압력에 맞게 증발가스를 가압 송출하는 다단압축기와, 다단압축기에서 엔진으로 공급되는 압축된 증발가스의 일부를 회수하는 증발가스회수라인과, 증발가스회수라인을 통해 증발가스를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기 및 기액분리기에서 분리된 기체성분이 제1연료공급라인에 공급되도록 기액분리기로부터 다단압축기의 마지막 단의 압축기를 제외한 나머지 압축기들 중 어느 하나의 출력단과 연결되는 제2연료공급라인을 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{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, 공개특허공보 제2008-0103500호 및 공개특허공보 제2013-0139150호는 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) 한국공개특허 제10-2013-0139150호(2013,12,20. 공개)
본 발명의 실시 예들은 다단압축기의 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 액화연료의 증발가스를 엔진에 공급하는 제1연료공급라인과, 상기 제1연료공급라인에 설치되며, 상기 엔진의 요구압력에 맞게 상기 증발가스를 가압 송출하는 다단압축기와, 상기 다단압축기에서 상기 엔진으로 공급되는 압축된 상기 증발가스의 일부를 회수하는 증발가스회수라인과, 상기 증발가스회수라인을 통해 상기 증발가스를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기 및 상기 기액분리기에서 분리된 상기 기체성분이 상기 제1연료공급라인에 공급되도록 상기 기액분리기로부터 상기 다단압축기에서 마지막 단의 압축기를 제외한 나머지 압축기들 중 어느 하나의 출력단과 연결되는 제2연료공급라인을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
또한 상기 기액분리기에 저장된 증발가스의 압력은 상기 엔진의 요구압력보다는 상대적으로 낮고 상기 연료탱크 내부의 증발가스의 압력보다는 상대적으로 큰 압력을 가질 수 있다.
또한 상기 증발가스회수라인을 통해 상기 기액분리기로 공급되는 압축된 증발가스를 냉각하기 위한 열교환기를 더 포함한다.
또한 상기 제1연료공급라인, 상기 증발가스회수라인 및 상기 제2연료공급라인은 상기 열교환기를 통과하여 지나도록 마련되고, 상기 증발가스회수라인을 통해 상기 기액분리기로 공급되는 압축된 증발가스는 상기 제1연료공급라인과 상기 제2연료공급라인에 유동하는 증발가스와의 열교환을 통해 냉각될 수 있다.
또한 상기 열교환기와 상기 기액분리기 사이의 상기 증발가스회수라인에 설치된 제1감압밸브를 더 포함한다.
또한 상기 기액분리기에서 분리된 상기 액체성분을 상기 연료탱크에 공급하기 위한 복귀라인을 더 포함한다.
또한 상기 복귀라인에는 상기 연료탱크로 공급되는 상기 액체성분의 압력을 상압으로 감압하기 위한 제2감압밸브가 마련될 수 있다.
또한 상기 제2연료공급라인에서 분기되어, 상기 제2연료공급라인이 연결된 압축기의 출력단을 제외한 나머지 압축기들의 출력단에 연결될 수 있는 적어도 하나의 분기라인과, 상기 제2연료공급라인으로부터 상기 적어도 하나의 분기라인으로의 증발가스 공급을 각각 제어하는 제어밸브를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 엔진에 공급되는 액화연료의 증발가스를 회수하여 중간단 압축기의 출력단에 공급하도록 마련됨에 따라 연료탱크의 증발가스를 엔진의 요구압력까지 승압하기 위한 다단압축기의 에너지 소모를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 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 액화연료의 증발가스를 엔진(20)에 공급하는 제1연료공급라인(30)과, 연료공급라인(30)에 흐르는 액화연료 증발가스를 엔진(20)의 요구압력에 맞도록 가압 송출하는 다단압축기(40)와, 다단압축기 (40)에 의해 압축되어 엔진(20)에 공급되는 액화연료 증발가스의 일부를 회수하여 회수된 액화연료 증발가스를 액화 및 감압하는 증발가스회수라인(50)과, 증발가스회수라인(50)을 통해 공급된 액화연료 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기(70)와, 기액분리기(70)에서 분리된 액화연료 증발가스를 중간단 압축기들(40b~40d) 중 어느 하나의 출력단과 연결된 제1연료공급라인(30)의 토출가스유로에 공급하는 제2연료공급라인(80)과, 기액분리기(70)에서 분리된 액화연료를 감압하여 연료탱크(10)에 재저장하는 복귀라인(90)을 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)는 내부에 저장된 액화연료를 극저온 상태로 저장할 수 있는 단열구조를 가지나, 연료탱크(10) 내부에는 액화연료의 증발에 의한 증발가스(BOG)가 지속적으로 발생한다.
연료공급라인(30)은 연료탱크(10)내부의 액화연료 증발가스를 공급받고, 공급받는 액화연료 증발가스를 엔진(20)에 적합한 가스 압력으로 공급하기 위한 배관으로서, 연료공급라인(30) 상에는 연료탱크(10)로부터 공급되는 액화연료 증발가스를 엔진(20)에서 요구하는 압력으로 가압하는 다단압축기(40)가 연결될 수 있다.
다단압축기(40)는 연료탱크(10)에서 공급되는 액화연료 증발가스를 연료공급라인(30)으로 송출함과 아울러 액화연료 증발가스를 엔진(20)의 요구압력에 맞도록 다단 압축할 수 있다.
일 예로, 엔진(20)은 저압, 중압 또는 고압가스 분사엔진 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 다단압축기 (40)는 엔진(20)의 종류에 대응하는 요구압력에 맞도록 연료공급라인(30)에 흐르는 액화연료 증발가스를 다단 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.
일 예로, 엔진(20)이 고압가스 분사엔진으로 이루어진 경우 다단압축기(40)는 5단의 압축기(41a~41e)와 각 단의 출력단에 연결되는 5개의 냉각기(42a~42e)를 포함하고, 5단의 압축기(41a~41e)는 단계적으로 액화연료 증발가스를 엔진(20)의 요구압력(예를 들면, 150~300bar)에 맞도록 압축할 수 있다. 이때 압축효율 향상을 위해 각 단 사이에 연결된 냉각기(42a~42e)는 각 단 토출가스를 중간 냉각해서 압축에 의한 액화연료 증발가스의 온도 상승을 방지한다. 이와 달리, 엔진(20)이 저압가스 또는 중압가스 분사엔진인 경우에는 각 단의 압력을 적절히 조절함에 의해 엔진(20)의 요구압력을 맞출 수 있을 것이다.
다단압축기(40)에 의해 엔진(20)의 요구압력에 맞도록 압축된 액화연료 증발가스는 제1연료공급라인(30)을 통해 엔진(20)에 공급된다. 이때 엔진(20)에서 필요로 하는 액화연료 증발가스의 양보다 많은 양이 공급되는 경우에는 제1연료공급라인(30)에서 분기된 증발가스회수라인(50)을 통해 회수될 수 있다.
증발가스회수라인(50)은 다단압축기(40)에 의해 엔진(20)의 요구압력으로 가압된 액화연료 증발가스를 회수하여 액화 및 감압한 후 기액분리기(70)에 공급할 수 있다.
증발가스회수라인(50)에는 액화연료 증발가스를 냉각하여 액화시키기 위한 열교환기(60)와, 열교환기(60)를 거친 후 액화된 액화연료 증발가스를 감압하기 위한 제1감압밸브(55)가 설치될 수 있다.
증발가스회수라인(50)을 따라 기액분리기(70)로 공급되는 압축된 액화연료 증발가스는 연료탱크(10)에서 다단압축기(40)로 공급되는 제1연료공급라인(30)에 유동하는 액화연료 증발가스와 증발가스회수라인(50)을 통해 회수되는 압축된 액화연료 증발가스와의 열교환을 수행하는 열교환기(60)를 거쳐 액화된 후 제1감압밸브(55)를 통과하면서 엔진(20)의 요구압력보다 낮은 압력으로 감압되어 기액분리기(70)에 공급된다. 여기서, 제1감압밸브(55)에 의해 감압되는 액화연료 증발가스의 압력은 대략 100bar 정도로 설정될 수 있다. 즉 제1감압밸브(55)는 본 실시 예의 5단의 압축기(41a~41e)에서 중간단 압축기(41b~41d) 중 어느 하나의 출력단에서 토출되는 증발가스의 압력과 대응하는 압력으로 감압할 수 있다.
증발가스회수라인(50)을 통해 기액분리기(70)로 공급되는 액화연료 증발가스는 열교환기(60)와 제1감압밸브(55)를 통과하면서 부분적 액화 및 감압되어 기액 혼합상태로 기액분리기(70)에 공급될 수 있다.
기액분리기(70)에 공급된 액화연료 증발가스는 기체와 액체 성분이 분리될 수 있다. 기액분리기(70)에서 분리된 액화연료는 복귀라인(90)을 통해 연료탱크(10)에 저장될 수 있고, 기액분리기(70)에서 분리된 액화연료 증발가스는 제2연료공급라인(80)을 통해 중간단 압축기(41b~41d) 중 어느 하나의 출력단에 공급될 수 있다.
제2연료공급라인(80)은 기액분리기(70)의 상단과 다단압축기(40)에서 중간단 압축기(41b~41d) 중 어느 하나의 출력단 토출가스가 유동하는 제1연료공급라인(30)을 연결하도록 마련될 수 있고, 기액분리기(70)에서 분리된 압축된 액화연료 증발가스를 중간단 압축기(41b~41d) 중 어느 하나의 출력단 과 연결된 제1연료공급라인(30)에 공급함에 의해 엔진(20)의 요구압력에 맞도록 액화연료 증발가스를 승압하는데 필요한 다단압축기(40)의 에너지 소모를 줄이도록 한다.
또 제2연료공급라인(80)은 증발가스회수라인(50)을 통해 기액분리기(70)로 공급되는 압축된 액화연료 증발가스의 액화효율을 높일 수 있도록 열교환기(60)를 통과하도록 마련될 수 있다. 열교환기(60)에서는 기액분리기(70)에서 분리되어 제2연료공급라인(80)을 따라 유동하는 액화연료 증발가스와 증발가스회수라인(50)을 통해 기액분리기(70)로 공급되는 압축된 액화연료 증발가스의 열교환이 수행될 수 있다.
기액분리기(70)에서 분리된 액화연료는 복귀라인(90)을 통해 연료탱크(10)에 다시 저장된다. 이때 복귀라인(90)에는 연료탱크(10)로 공급되는 액화연료를 상압으로 감압하기 위한 제2감압밸브(95)가 마련될 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에서는 도시하지는 않았으나, 제1연료공급라인(30), 증발가스회수라인(50), 제2연료공급라인(80) 및 복귀라인(90)에는 유체의 흐름을 유도하기 위한 이송펌프가 설치될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 이하에서는 동일한 기능을 가지는 구성요소에 대하여는 동일한 도면번호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 선박의 연료가스 공급시스템은 제2연료공급라인(80)에서 분기되어 각 중간단 압축기(41b~41d)의 출력단 토출가스가 유동하는 제1연료공급라인(30)을 연결하는 복수의 분기라인(81,82,83)이 설치된 구성을 제외하고는 전술한 실시 예와 동일하다.
제1연료공급라인(30)과 복수의 분기라인(81,82)의 연결부에는 복수의 분기라인(81,82,83)으로의 증발가스 공급을 제어하기 위한 복수의 제어밸브(84,85)가 설치되어, 제어밸브(84,85)의 개폐동작에 따라 복수의 분기라인(81,82,83)을 통해 선택적으로 중간단 압축기(41b~41d) 중 어느 하나의 출력단과 연결된 제1연료공급라인(30)으로 증발가스를 공급할 수 있다.
이는 엔진(20)의 요구압력 또는 제1감압밸브(55)의 감압 조건에 따라 가변되는 기액분리기(70)에서 분리된 액화연료 증발가스의 압력에 대응하는 중간단 압축기에 압축된 증발가스를 선택적으로 보내기 위함이다.
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: 제1연료공급라인, 40: 다단압축기,
50: 증발가스회수라인, 60: 열교환기,
70: 기액분리기, 80: 제2연료공급라인,
90: 복귀라인.

Claims (8)

  1. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
    상기 연료탱크에 저장된 상기 액화연료의 증발가스를 엔진에 공급하는 제1연료공급라인;
    상기 제1연료공급라인에 설치되며, 상기 엔진의 요구압력에 맞게 상기 증발가스를 가압 송출하는 다단압축기;
    상기 다단압축기에서 상기 엔진으로 공급되는 압축된 상기 증발가스의 일부를 회수하는 증발가스회수라인;
    상기 증발가스회수라인을 통해 상기 증발가스를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기; 및
    상기 기액분리기에서 분리된 상기 기체성분이 상기 제1연료공급라인에 공급되도록 상기 기액분리기로부터 상기 다단압축기에서 마지막 단의 압축기를 제외한 나머지 압축기들 중 어느 하나의 출력단과 연결되는 제2연료공급라인;을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기액분리기에 저장된 증발가스의 압력은 상기 엔진의 요구압력보다는 상대적으로 낮고 상기 연료탱크 내부의 증발가스의 압력보다는 상대적으로 큰 압력을 가지는 선박의 연료가스 공급시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 증발가스회수라인을 통해 상기 기액분리기로 공급되는 압축된 증발가스를 냉각하기 위한 열교환기를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1연료공급라인, 상기 증발가스회수라인 및 상기 제2연료공급라인은 상기 열교환기를 통과하여 지나도록 마련되고,
    상기 증발가스회수라인을 통해 상기 기액분리기로 공급되는 압축된 증발가스는 상기 제1연료공급라인과 상기 제2연료공급라인에 유동하는 증발가스와의 열교환을 통해 냉각되는 선박의 연료공급 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 열교환기와 상기 기액분리기 사이의 상기 증발가스회수라인에 설치된 제1감압밸브를 더 포함하는 선박의 연료공급 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 분리된 상기 액체성분을 상기 연료탱크에 공급하기 위한 복귀라인을 더 포함하는 선박의 연료공급 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 복귀라인에는 상기 연료탱크로 공급되는 상기 액체성분의 압력을 상압으로 감압하기 위한 제2감압밸브가 마련되는 선박의 연료공급 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제2연료공급라인에서 분기되어, 상기 제2연료공급라인이 연결된 압축기의 출력단을 제외한 나머지 압축기들의 출력단에 연결될 수 있는 적어도 하나의 분기라인과, 상기 제2연료공급라인으로부터 상기 적어도 하나의 분기라인으로의 증발가스 공급을 각각 제어하는 제어밸브를 더 포함하는 선박의 연료공급 시스템.
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