KR20160084444A

KR20160084444A - 액화 연료 가스 증발 촉진 장치 및 선박용 연료 가스 공급 시스템

Info

Publication number: KR20160084444A
Application number: KR1020167015343A
Authority: KR
Inventors: 카즈노리 아오키; 타쿠미 노자키; 카즈오 우에다
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-07-13
Also published as: JP2015124807A; EP3088792A1; CN105829793A; WO2015098092A1; EP3088792A4

Abstract

액화 연료 가스 증발 촉진 장치(4)는 액화 연료 가스를 가열하는 가열기(42), 액화 연료 가스가 저장된 탱크(1) 내의 액화 연료 가스를 가열기(42)에 보내는 취출 배관(41), 액화 연료 가스를 가열기(42)에 압송하는 펌프(43) 및 가열기(42)로 데워진 액화 연료 가스를 액체 상태 그대로 탱크(1) 내의 액화 연료 가스 액체층 안으로 보내는 되돌림 배관(44)을 포함한다. 연료 가스 공급 시스템(10)은 탱크(1), 상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치(4) 및 탱크(1) 내의 액화 연료 가스에서 발생한 증발 가스를 가스 연료 기관(2)에 보내는 연료 가스 공급 배관(9)을 포함한다.

Description

액화 연료 가스 증발 촉진 장치 및 선박용 연료 가스 공급 시스템{LIQUEFIED FUEL GAS EVAPORATION PROMOTING DEVICE AND FUEL GAS SUPPLY SYSTEM FOR SHIPS}

본 발명은 선박에 탑재된 탱크에 저장된 액화 연료 가스의 증발을 촉진하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치 및 선박에 탑재된 가스 연료 기관에 연료 가스를 공급하는 시스템에 관한 것이다.

LNG 운반선 등 액화 연료 가스 운반선 및 액화 연료 가스를 연료로 사용하는 선박에서는 항해 중에, 탱크 내에 저장되어 있는 액화 연료 가스, 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas; 액화 천연 가스)의 일부가 자연 증발하여 NBOG(Natural Boil-off Gas; 자연 증발 가스)가 발생한다. 발생된 NBOG는 LNG 운반선에서 주기의 터빈을 돌리는 보일러나 발전용 엔진 등 기관의 연료로 사용되어 왔다. 최근에는 LNG 등 가스 연료를 사용하는 선박용 가스 연소 엔진이 개발되고 있다. 본 명세서 및 청구 범위에 있어서, 상기 터빈·보일러 플랜트, 발전기용 엔진, 및 가스 연소 엔진을 총칭하여 가스 연료 기관이라고 한다.

가스 연료 기관에는 연료 가스만을 연료로 하는 가스 기관과 연료 가스와 중유 등 연료유 중 어느 것도 연료로 하는 이원 연료 기관이 있다. 이 가스 연료 기관에서는 가압된 연료 가스가 연료로 사용된다. 또한, 가스 연료 기관에는 연료 가스를 15 ~ 30㎫ 정도의 고압으로 실린더 내에 직접 분사하여 점화·연소하는 2사이클 엔진과 연료 가스를 0.5㎫ 정도로 실린더 내에 흡입하여 압축한 후에 점화·연소하는 4사이클 엔진이 있다.

가스 연료 기관이 LNG 운반선 및 LNG를 연료로 사용하는 선박에 탑재되는 경우, 카고 탱크 또는 연료 탱크에서 자연 발생한 NBOG의 양으로는 가스 연료 기관이 필요로 하는 연료가스량을 충당할 수 없는 경우도 있다. 이 경우에는 탱크 내의 LNG를 기화기에서 강제로 기화시킨 FBOG(Forced Boil-off Gas; 강제 증발 가스)로 부족한 연료 가스가 보충된다.

하지만, NBOG와 FBOG는 성분이 다르다. NBOG는 LNG 중 비등점이 낮은 성분인 메탄을 주성분으로 하고 잔여 성분은 불순물로서 질소이다. 반면, FBOG는 LNG 조성과 동일한 성분이며, 일반적으로 메탄 및 질소뿐만 아니라 에탄이나 프로판과 같은 탄소 수가 많은 중질 성분을 많이 포함하고 있다. 가스 연소 엔진 중 특히 4사이클 엔진에서는 연료 가스의 중질 성분 함유율이 증가하면 연료 가스를 흡입한 후의 압축 공정에서 노킹이 유발되므로 출력을 낮춰서 운전해야만 하는 경우가 있다. 또한, NBOG와 FBOG를 혼합하여 사용하는 경우에는 그 혼합비에 따라, 복잡한 출력 조절이 필요하다. 또한, 선박의 운항 측면에서도 그 해역에 따라 빈번한 출력 조절이 요구될 수도 있다. 이에 맞도록 추가 연료로서 FBOG를 그때마다 과부족 없이 공급하는 것은 쉽지 않다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 특허문헌 1에서는 중질 성분을 거의 포함하지 않은 연료 가스를 가스 연소 엔진에 공급하는 시스템이 제안되어 있다.

도 6은 종래 기술인 특허문헌 1에 기재된 LNG 운반선용 엔진의 연료 가스 공급 시스템의 일부분의 개략 구성을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 특허문헌 1의 연료 가스 공급 시스템(110)은 탱크(11)에서 배관(141)을 통해 취출된 LNG를 기화기(140)에서 강제로 기화시켜 FBOG를 생성하고, 생성된 FBOG를 배관(144)을 통해 탱크(11)로 보내고, FBOG를 탱크(11)의 저부에서 LNG 액체층 안으로 도입하도록 구성되어 있다. 탱크(11) 내의 LNG 액체층 안으로 도입된 FBOG는 LNG 액체층 안을 상승하는 동안에 LNG에 용해되어 다시 액화된다. 여기서 FBOG가 기화기(140)에서 얻은 열에너지가 탱크(11) 내의 LNG에 흡수된다. 이 열에너지에 의해 탱크(11) 내의 LNG 증발이 촉진되어서 메탄 비율이 높은 NBOG의 생성이 촉진된다.

일본 공개특허공보 특개2006-063817호

선박에 탑재되는 LNG 기화기는 보일러에서 생성된 증기와의 열교환에 의해 LNG를 기화시키는 열교환기가 일반적이다. 이러한 LNG 기화기는 출력 범위를 벗어난 저출력만을 얻는 것이 어렵다. 예를 들어, 필요한 FBOG량(출력)에 해당하는 LNG량이 기화기의 정격용량의 10%를 밑도는 경우, 그 LNG량만을 기화하는 것이 어려워서 LNG를 과도하게 기화시키기 때문에 여분의 열에너지가 탱크 안으로 공급된다. 이와 같이, 특허문헌 1에 기재된 종래 기술의 연료 가스 공급 시스템은 주로 에너지 절약의 관점에서 개선의 여지가 남아 있다.

이러한 점에 비추어 볼 때, 본 발명은 선박에 탑재된 탱크에 저장된 액화 연료 가스의 증발을 촉진하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에 관한 것으로서, 액화 연료 가스의 증발량 증가를 에너지 절약으로 실현하는 것을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 가스 연료 기관을 탑재한 선박의 연료 가스 공급 시스템에 관한 것으로서, 중질 성분을 거의 포함하지 않은 양질의 연료 가스를 안정적으로 공급함과 동시에 에너지 절약을 도모할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 연료 가스 증발 촉진 장치는 탱크에 저장된 액화 연료 가스의 증발을 촉진하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치로서,

상기 액화 연료 가스를 가열하는 가열기와,

상기 탱크 내의 상기 액화 연료 가스를 상기 가열기에 압송하는 펌프와,

상기 액화 연료 가스를 상기 펌프로부터 상기 가열기로 보내는 취출 배관과,

상기 가열기에서 데워진 상기 액화 연료 가스를 액체 상태 그대로 상기 탱크 안으로 보내는 되돌림 배관을 포함한 것이다.

이러한 구성의 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에서는 가열기에서 데워진 액화 연료 가스가 탱크 안으로 되돌려짐으로써 탱크 내의 액화 연료 가스에 열에너지가 부여된다. 이 열에너지에 의해 탱크 내의 액화 연료 가스의 자연 증발이 촉진되어 NBOG 생성량을 증가시킬 수 있다. 이 NBOG는 중질 성분을 거의 포함하지 않은 양질의 연료 가스이다. 그리고 가열기에서 액화 연료 가스를 데울 뿐 기화시키지 않기 때문에 액화 연료 가스를 기화시키는 경우에 비하여 액화 연료 가스를 가열하는데 필요한 에너지를 줄일 수 있다. 또한, 가열기에서는 액화 연료 가스를 기화시키지 않기 때문에 기화기가 갖는 저출력 때의 제어 곤란성으로 인한 최저 출력 범위의 제한에서 해방된다. 즉, 가열기에서는 기화기의 출력 범위에 비하여 낮은 출력이 가능하기 때문에 탱크에 여분의 열에너지를 공급하는 것을 억제할 수가 있다.

상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에 있어서, 상기 가열기는 대기로부터 상기 액화 연료 가스로 열을 이동시키는 열교환기인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 가열기는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 1개 이상의 가열관을 구비하며, 상기 가열관은 주위가 대기에 노출된 미피복 배관인 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면 액화 연료 가스의 가열 매체가 대기이기 때문에 가열 매체를 가열하기 위한 에너지를 줄일 수 있다. 그리고 가열관으로서 미피복 배관을 사용함으로써 가열기의 구조를 단순하게 할 수 있다.

상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에 있어서, 상기 가열관은 관 길이 방향으로 복수의 가열 영역을 가지며, 상기 가열기에는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 상기 가열 영역의 수를 선택 가능한 액화 연료 가스 유로가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또는, 상기 가열기는 복수의 상기 가열관을 구비하며, 상기 가열기에는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 상기 가열관의 수를 선택 가능한 액화 연료 가스 유로가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따르면 가열기에 의한 액화 연료 가스의 가열 정도, 다시 말하면, 가열기에 있어서 액화 연료 가스에 부여되는 열에너지를 조절하는 것이 가능해진다.

상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에 있어서, 상기 펌프는 상기 되돌림 배관 내의 상기 액화 연료 가스가 기화하지 않도록 상기 액화 연료 가스를 가압하는 것이 바람직하다.

상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에 있어서, 상기 되돌림 배관의 종단부가 상기 탱크의 저부에 위치할 수 있다.

상기 구성에 따르면 탱크 내의 액화 연료 가스 저장량이 감소하여도 데워진 액화 연료 가스를 액화 연료 가스 액체층 안으로 보낼 수 있다.

상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치에 있어서, 상기 가열기는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 1개 이상의 가열관과, 상기 가열관의 표면에 살수하는 살수 장치를 구비할 수 있다.

가열관의 표면에는 대기 중의 습기로 인해 서리가 부착되어 열교환이 억제되는 경우도 있다. 따라서 상기 살수 장치에서 미리 배관 표면에 살수하여 가열관의 주위를 빙결시킴으로써 가열관의 서리 부착을 억제하여 해당 가열관의 열교환을 촉진할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 선박용 연료 가스 공급 시스템은 선박에 탑재된 가스 연료 기관에 연료 가스를 공급하는 선박용 연료 가스 공급 시스템으로서,

액화 연료 가스가 저장된 탱크와,

상기 액화 연료 가스 증발 촉진 장치와,

상기 탱크 내의 액화 연료 가스로부터 발생한 증발 가스를 상기 가스 연료 기관에 보내는 연료 가스 공급 배관을 포함한 것이다.

상기 구성의 선박용 연료 가스 공급 시스템에서는 가열기에서 데워진 액화 연료 가스가 탱크 안으로 되돌려짐으로써 탱크 내의 액화 연료 가스에 열에너지가 부여된다. 이 열에너지에 의해 탱크 내의 액화 연료 가스의 자연 증발이 촉진되어 NBOG 생성량을 증가시킬 수 있다. 상기한 바와 같이, 탱크에 있어서 NBOG 생성이 촉진되므로 중질 성분을 거의 포함하지 않은 양질의 연료 가스를 안정적으로 가스 연료 기관에 공급할 수 있다. 그리고 가열기에서 액화 연료 가스를 데울 뿐 기화시키지 않기 때문에 액화 연료 가스를 기화시키는 경우에 비해 액화 연료 가스를 가열하는 데 필요한 에너지를 줄일 수 있다. 또한, 가열기에서는 액화 연료 가스를 기화시키지 않기 때문에 기화기가 갖는 저출력 때의 제어 곤란성으로 인한 최저 출력 범위의 제한에서 해방된다. 즉, 가열기에서는 기화기의 출력 범위에 비해 낮은 출력이 가능하기 때문에 탱크에 여분의 열에너지를 공급하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 큰 열용량을 갖는 탱크 내의 액화 연료 가스 전체에 열에너지를 추가하기 때문에 큰 버퍼 효과를 얻을 수 있어 운항 면에서 빈번한 출력 조절에 대응하여 NBOG를 공급해도 탱크 내의 압력 변동은 작기 때문에 빈번하게 가열기 출력을 조절할 필요는 없다.

상기 선박용 연료 가스 공급 시스템에 있어서, 상기 가열기는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 1개 이상의 가열관을 구비하며, 상기 가열관은 상기 선박의 선박 길이 방향으로 연장되는 배관일 수 있다.

상기 구성에 따르면 선박의 선박 길이 방향의 길이를 이용함으로써 액화 연료 가스를 가열하는데 필요한 입열을 얻는 열교환 면적을 갖도록 가열관을 배치하는 것이 쉬워진다.

상기 선박용 연료 가스 공급 시스템에 있어서, 상기 선박은 상기 탱크 내의 상기 액화 연료 가스를 취출하여 해당 탱크 내의 상부로부터 분출하는 스프레이 라인과, 상기 스프레이 라인에 상기 액화 연료 가스를 압송하는 스프레이 펌프를 구비하며, 상기 취출 배관 및 상기 되돌림 배관으로서 상기 스프레이 라인을 이용하고, 상기 펌프로서 상기 스프레이 펌프를 이용할 수도 있다.

또한, 상기 선박용 연료 가스 공급 시스템에 있어서, 상기 선박은 상기 탱크 안을 승압하기 위해 사용되는 압력 빌드업 라인을 구비하며, 상기 가열기로서 상기 압력 빌드업 라인을 이용할 수도 있다.

상기 구성에 따르면 현재의 액화 연료 가스 운반선 등에 장착되는 설비를 이용하여 본 발명의 시스템을 구축하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따르면 액화 연료 가스가 저장된 탱크 내에서의 액화 연료 가스의 증발을 에너지 절약으로 촉진할 수 있다. 그리고 중질 성분을 거의 포함하지 않은 양질의 연료 가스를 가스 연료 기관 등에 안정적으로 공급함과 동시에 에너지 절약을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 가스 연료 기관의 연료 가스 공급 시스템의 전체적인 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 가열기의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 액화 연료 가스 운반선에 설치된 가열관을 나타내는 도면이다.
도 4는 액화 연료 가스 운반선 이외의 일반적인 선박에 설치된 가열관을 나타내는 도면이다.
도 5는 가열기의 변형 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래 기술에 따른 LNG 운반선용 가스 연소 엔진의 연료 가스 공급 시스템의 일부분의 개략 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1에서는 본 발명을 카고 탱크를 갖춘 LNG 운반선에 적용한 실시 예가 도시되어 있다. 본 실시 예에 따른 선박용 가스 연료 기관의 연료 가스 공급 시스템(10)은 탱크(1)로서 카고 탱크 내에서 자연 발생하는 NBOG를 연료 가스로서 가스 연료 기관(2)에 공급하는 것이다. 또한, 본 실시 예에 따른 액화 연료 가스 증발 촉진 장치(이하, 간단히 "증발 촉진 장치(4)"라고 한다)는 탱크(1) 내에 저장된 액화 연료 가스의 증발을 촉진하여 NBOG 생성량을 증가시키는 것이다.

가스 연료 기관(2)은 가스 연료를 연료로 사용하는 기관이다. 가스 연료 기관(2)은 예를 들어, 선박의 추진용 주기로 사용되는 가스 연료 기관, 선박의 보기인 발전용 가스 연료 기관 등일 수도 있다. 또한, 가스 연료 기관(2)은 가스 연료만을 연료로 사용하는 가스 연료 기관 및 가스 연료와 중유 양쪽 모두를 연료로 사용 가능한 이원 연료 기관 중 어느 하나일 수도 있다. 또한, 가스 연료 기관(2)은 2사이클 엔진 및 4사이클 엔진 중 어느 하나일 수도 있다.

연료 가스 공급 시스템(10)은 LNG가 저장된 탱크(1), 증발 촉진 장치(4), 탱크(1)와 가스 연료 기관(2)을 연결하는 연료 가스 공급 배관(9), 및 연료 가스 공급 배관(9)에 설치된 압축기(5)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 예에 따른 액화 연료 가스는 LNG이지만, 액화 연료 가스는 LNG 외에 LPG 등 액화된 연료 가스일 수도 있다.

탱크(1)는 내부의 LNG 온도를 -160℃ 정도로 유지하는 단열 처리가 이루어진 저장조이다. 본 실시 예와 같이 선박이 LNG 운반선인 경우 카고 탱크가 탱크(1)로 이용된다. 탱크(1) 내에서는 저장된 LNG의 일부가 외부의 침입 열 등으로 인해 자연 증발하여 NBOG가 되고, 이 NBOG가 탱크(1)의 상부에 모여 있다.

연료 가스 공급 배관(9)에 의해, 탱크(1)에서 발생한 NBOG를 연료 가스로서 가스 연료 기관(2)에 보내는 연료 가스 공급 유로가 형성되어 있다. 연료 가스 공급 배관(9)의 기단은 NBOG가 모여 있는 탱크(1)의 상부에 설치되어 있다. 탱크(1) 내의 압력은 탱크(1)의 설계 압력이나 선박의 운항 상태에 따라 다르지만, 탱크(1) 내에서 발생한 NBOG를 가스 연료 기관(2)의 연료 가스로 사용하기 위해서는 일반적으로 NBOG의 승압이 필요하다. NBOG를 승압하기 위해 압축기(5)가 설치되어 있다. 압축기(5)가 가동되면 탱크(1)의 NBOG는 연료 가스 공급 배관(9)으로 흡입되고, 압축기(5)에서 가스 연료 기관(2)이 요구하는 압력으로 승압되어 연료 가스로서 가스 연료 기관(2)에 공급된다. 또한, 도시되지 않지만, 연료 가스 공급 배관(9)에 가스 연료 기관(2)이 요구하는 온도가 되도록 연료 가스의 온도를 조절하기 위한 가스 히터, 연료 가스의 압력 변동을 흡수하기 위한 버퍼 탱크 등이 설치될 수도 있다.

증발 촉진 장치(4)는 LNG를 가열하는 가열기(42), 탱크(1) 내의 LNG를 가열기(42)에 보내는 취출 배관(41), LNG를 가열기에 압송하는 펌프(43), 가열기(42)에서 데워진 LNG를 액체 상태 그대로 탱크(1)의 LNG 액체층 안으로 보내는 되돌림 배관(44)을 구비하고 있다.

가열기(42)에서는 LNG가 기화하지 않을 정도까지 가열되어 데워진다. 본 실시 예에 따른 가열기(42)는 대기에서 LNG로 열을 이동시키는 열교환기이다. 또한, 가열기(42)에서는 LNG를 적극적으로 기화시키는 것은 하지 않지만, LNG의 일부가 기화하는 것은 허용된다. 가열기(42)의 구체적인 구성은 나중에 자세히 설명한다.

탱크(1) 내부와 가열기(42)는 취출 배관(41)으로 연결되어 있으며, 이 취출 배관(41)에 의해 탱크(1)에서 가열기(42)로 LNG를 보내는 유로가 형성되어 있다. 본 실시 예에 있어서는, 취출 배관(41)의 시단부에 펌프(43)가 설치되어 있다. 펌프(43)는 탱크(1) 내의 LNG 저장량이 감소하여도 LNG를 가열기(42)에 보낼 수 있도록 탱크(1)의 저부에 배치되어 있다. 펌프(43)의 가동에 따라, 탱크(1)에 저장된 LNG가 가압된 상태로 가열기(42)에 보내진다.

가열기(42)와 탱크(1) 내부가 되돌림 배관(44)으로 연결되어 있으며, 이 되돌림 배관(44)에 의해 가열기(42)에서 가열되어 데워진 LNG를 액체 상태 그대로 탱크(1)의 LNG 액체층 안으로 보내는 유로가 형성되어 있다. 되돌림 배관(44) 내의 데워진 LNG는 펌프(43)에 의해 기화하지 않도록 가압되어 있다. 되돌림 배관(44)의 종단부는 밸러스트 항해 도중 등에 탱크(1) 내의 LNG 저장량이 감소하여도 데워진 LNG를 LNG 액체층 안으로 보낼 수 있도록 탱크(1)의 저부에 위치하고 있다. 데워진 LNG를 탱크(1)의 저부에 되돌리는 것은, 데워진 LNG의 도입에 의해 LNG 액체층의 저부에서 상승 흐름이 발생하기 때문에 바람직하다. 다만, 되돌림 배관(44)의 종단부는 탱크(1) 상부의 기체층 안이나 탱크(1) 상하 중도부의 LNG 액체층 안에 배치될 수도 있다.

탱크(1)의 LNG 액체층 안으로 도입된 데워진 LNG는 탱크(1) 내의 LNG와 혼합된다. 가열기(42)에 의해 데워진 LNG에 부여된 열에너지는 탱크(1) 내의 LNG에 흡수된다. LNG에 흡수된 열에너지는 LNG 중 비등점이 낮은 메탄이나 질소의 증발을 촉진시킨다. 이에 따라 탱크(1) 내에서 LNG 증발이 촉진되어 탱크(1)에서의 NBOG 생성량을 증가시킬 수 있다. 또한, 큰 열용량을 갖는 탱크 내의 LNG 전체에 열에너지를 추가하기 때문에 큰 버퍼 효과를 얻을 수 있어 운항 면에서의 빈번한 출력 조절에 대응하여 NBOG을 공급하여도 탱크 내의 압력 변동은 작기 때문에 가열기 출력을 빈번하게 조정할 필요는 없다.

외부의 침입 열 및 상기 추가 열로 인해 발생한 NBOG는 탱크(1)의 상부에 모인다. 이 NBOG는 전술한 바와 같이 가스 연료 기관(2)에 연료 가스로서 보내지거나 탱크(1) 안을 가압하기 위해 이용되거나 한다. NBOG는 LNG를 기화기에서 기화하여 얻은 FBOG와는 달리, 비등점이 낮은 메탄을 주성분으로 하는 가스이다. 즉, 노킹의 원인이 되는 중질 성분을 거의 포함하지 않기 때문에 가스 연료 기관(2)에 있어서 이상적인 성분으로 이루어진 좋은 연료 가스이다. 이와 같이, 연료 가스 공급 시스템(10)에서는 탱크(1)에 있어서 NBOG의 생성이 촉진되므로 중질 성분을 거의 포함하지 않은 양질의 연료 가스를 안정적으로 가스 연료 기관(2)에 공급할 수 있다.

여기서, 가열기(42)의 구체적인 구조의 일례를 설명한다. 도 2는 본 실시 예에 따른 가열기(42)의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 가열기(42)는 취출 배관(41) 및 되돌림 배관(44) 각각과 연결된 공급 헤더(37)와, 공급 헤더(37)와 연결관(34)에 의해 연결된 가열관(31)을 구비하고 있다.

본 실시 예와 같이 탱크(1)가 LNG 운반선의 카고 탱크인 경우는 카고 탱크에 설치된 스프레이 라인을 취출 배관(41) 및 되돌림 배관(44)으로 이용하고 카고 탱크에 설치된 스프레이 펌프를 펌프(43)로 이용할 수 있다. 또한, 스프레이 라인은 카고 탱크 내의 LNG를 취출하여 해당 카고 탱크 내의 상부에서 분출하는 배관이고, 스프레이 펌프는 스프레이 라인에 LNG를 압송하는 펌프이다. 또한, 선박에 압력 빌드업 라인이 설치되어 있는 경우는 이 압력 빌드업 라인을 가열관(31)으로 이용할 수 있다. 압력 빌드업 라인은 일부 LNG 운반선에서 하역용 펌프가 고장 났을 때 대체 조치로 카고 탱크 안을 가압하여 하역을 하기 위해 이용되는 배관이다. 카고 탱크 내의 LNG가 스프레이 펌프에 의해 도시되지 않은 기화기에 강제로 보내지고(압송되고), 기화기에서 기화된 FBOG가 압력 빌드업 라인을 통해 가압 대상인 카고 탱크에 보내져 해당 카고 탱크 안이 가압된다. 상기와 같이 선박에 이미 장착되어 있는 설비를 이용하여 증발 촉진 장치(4)를 구축하는 것도 가능하다.

가열관(31)은 단열처리가 되어 있지 않고, 주위가 외기에 노출된 이른바 미피복 배관이다. 가열관(31)으로서 미피복 배관을 사용함으로써 가열기(42)의 구조를 단순하게 할 수 있다. LNG가 가열관(31)을 통과하는 동안에 외부로부터 가열관(31)에 침입하는 열이 LNG로 이동한다. 바꾸어 말하면, LNG는 가열관(31)을 통과하는 동안에 대기와 열교환함으로써 가열된다. 이와 같이 가열기(42)는 가열 매체가 대기이며 대기의 열을 LNG로 부여하는 것이다. 따라서 가열기(42)에서 LNG를 가열하기 위해 별도로 투입되는 에너지가 불필요하다.

가열관(31)은 LNG를 가열하는데 필요한 에너지 입열을 대기로부터 얻기 위해 선박의 장대한 형상을 이용하여 더 큰 열교환 면적을 확보할 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 가열관(31)은 선박의 선박 길이 방향의 길이를 이용함으로써 실현이 쉬워진다. 도 3은 LNG 운반선(100)에 설치된 가열관(31)의 일례를 나타내고 있다. 이 LNG 운반선(100)에는 선박 길이 방향으로 늘어놓은 복수의 카고 탱크(탱크(1)) 위에 걸쳐져 있으며, 걸쳐 선박 길이 방향으로 연장되는 적어도 1개의 가열관(31)이 설치되어 있다. 또한, 도 4는 일반적인 선박(101)에 설치된 가열관(31)의 일례를 나타내고 있다. 이 선박(101)에는 가열관(31)이 복수 병설되어 있다.

선박의 장대한 형상을 이용한 가열관(31)의 일례로서 길이가 50m인 100A 배관(외경이 약 114㎜인 배관)을 가열관(31)으로 이용했을 경우, 대기가 상온이며, 선박의 선속이 18kts(풍속 9m/sec)이고, 가열관(31)의 외주면에 20㎜ 두께의 얼음이 부착되어 있다고 하면 가열관(31) 내의 LNG는 약 100000㎉/h의 열에너지를 얻을 수 있다. 이는 약 820㎏/h의 NBOG을 발생시키는 에너지에 해당한다. 또한, 다른 예로서 길이가 50m인 50A 배관(외경이 약 60㎜인 배관)을 가열관(31)으로 이용했을 경우, 대기가 상온이며, 선박의 선속이 18kts(풍속 9m/sec)이고, 가열관(31)의 외주면에 20㎜ 두께의 얼음이 부착되어 있다고 하면 가열관(31) 내의 LNG는 약 74000㎉/h의 열에너지를 얻을 수 있다. 이는 약 610㎏/h의 NBOG을 발생시키는 에너지에 해당한다.

가열기(42)의 LNG 가열 정도, 즉 가열기(42)에서 LNG에 부여되는 열에너지의 양은 LNG가 통과하는 가열관(31)의 길이에 따라 조절된다. 이를 위해 가열관(31)은 관 길이 방향으로 복수의 가열 영역(31a)을 가지고 있다. 복수의 가열 영역(31a)은 적어도 1개의 개폐 밸브(32)에 의해 가열관(31)을 구획함으로써 형성되어 있다. 연결관(34)은 각 가열 영역(31a) 당 적어도 1개 설치되어 있다. 본 실시 예에 따른 가열관(31)은 3개의 가열 영역(31a)을 가지며, 최상류의 가열 영역(31a)에 2개의 연결관(34)이 설치되고, 그보다 하류 측의 가열 영역(31a) 각각에 1개의 연결관(34)이 설치되어 있다. 또한, 연결관(34)과 공급 헤더(37)의 적절한 위치에는 개폐 밸브(35,36)가 설치되어 있다. 각 개폐 밸브(32,35,36)는 가열 제어 장치(45)에 의해 개폐 제어될 수도 있다.

상기 가열기(42)의 배관 구성에 의해, LNG가 통과하는 가열 영역(31a)의 수를 선택 가능한 LNG 유로가 형성되어 있다. 그리고 개폐 밸브(32,35,36)를 선택적으로 개폐시킴으로써 LNG가 통과하는 가열 영역(31a)의 수를 증감할 수 있다. LNG가 통과하는 가열 영역(31a)의 수를 증가시킴으로써 가열기(42)에서 LNG에 부여되는 열에너지를 증가시킬 수 있다. 마찬가지로 LNG가 통과하는 가열 영역(31a)의 수를 줄임으로써 가열기(42)에서 LNG에 부여되는 열에너지를 줄일 수 있다. 또한, 가열관(31)이 길이가 다른 복수의 가열 영역(31a)을 구비할 수도 있다. 이러한 경우에, 선택하는 가열 영역(31a)의 조합을 변화시킴으로써 LNG에 부여되는 열에너지량이 변화하기 때문에 가열기(42)에서 LNG에 부여되는 열에너지량의 자유도를 높일 수 있다.

항해 중에 자연 발생하는 NBOG량이 부족할 경우에는 증발 촉진 장치(4)의 펌프(43)를 가동시켜 NBOG의 생성을 촉진시킨다. 가열기(42)에서 LNG에 부여되는 열에너지는 일정할 수도 있지만, 선박의 운항 계획에 맞춰 증감시킬 수도 있다. 선박의 운항 계획에서 가스 연료 기관(2)의 연료 소비가 증가하는 시기를 추정하는 것이 가능하다. 따라서 예를 들면, 가스 연료 기관(2)의 연료 소비가 증가하는 시기에 맞춰 가열기(42)에서 LNG에 부여되는 열에너지를 증가시키도록 가열기(42)를 조절하면, 가스 연료 기관(2)의 연료 소비가 증가했을 때 이에 대응할 수 있는 NBOG가 탱크(1)에 저장된다.

대기 중에 배치된 단열처리가 되어 있지 않은 미피복 배관에 LNG와 같은 저온 액체를 유통시켰을 경우, 맑을 때에는 대기 중의 습기로 인해 배관 표면에 서리가 부착된다. 그 후 시간 경과와 동시에 그 서리가 빙결하여 얼음층이 배관 표면에 형성된다. 반면, 비가 올 경우에는 처음부터 얼음층이 배관 표면에 형성된다. 서리의 열전도율은 얼음의 1/10 정도이기 때문에 서리가 부착되어 있는 경우의 열교환량은 얼음 경우에 비해 감소한다. 따라서 가열기(42)의 운전 초기부터 열교환 효율을 높이기 위해 가열관(31)에 살수하여 배관 표면에 얼음층을 형성시키는 것도 효과적이다. 이를 위해 가열기(42)에, 가열관(31)에 살수하도록 구성된 살수 장치(38)를 구비할 수도 있다. 살수 장치(38)는 예를 들어, 복수의 노즐이 설치된 노즐관과, 노즐관에 물(해수)을 공급하는 수원으로 구성할 수 있다. 이 수원으로서, 선박에 구비된 소화전을 이용할 수 있다. 또한, 노즐관 대신에, 스프링클러나 호스 등이 이용될 수도 있다.

이어, 본 발명과 특허문헌 1에 기재된 종래 기술을 대비하여 본 발명의 장점을 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 가스 공급 시스템(10)에서는 탱크(1) 내의 LNG 액체층에 보내는 유체는 데워진 LNG이다. 반면, 특허문헌 1에 기재된 종래 기술(도 6 참조)에서는 탱크(1) 내의 LNG 액체층에 보내는 유체는 FBOG이다. 본 발명에서는 탱크(1) 내의 LNG 액체층에 보내는 유체가 FBOG가 아니라 데워진 LNG(액체)이므로 종래 기술에 비해 아래와 같은 장점이 있다.

데워진 LNG는 FBOG에 비해 밀도가 크고 또한 탱크(1) 내의 LNG 액체층과의 온도차가 작기 때문에 LNG 액체층에 도입되었을 때 주위의 LNG와 혼합되기 쉽다.

본 발명에서는 LNG가 취출 배관(41)을 통과하고, 데워진 LNG가 되돌림 배관(44)을 통과하기 때문에 데워진 LNG는 부피가 증가하지만 동일한 액체에서 그 부피 증가는 작기 때문에 되돌림 배관(44)의 관 직경을 취출 배관(41)의 관 직경보다 크게 할 필요는 없다. 한편, 종래 기술(도 6 참조)에서는 기화기(140)에서 액체로부터 기체로 변화하기 때문에 FBOG를 탱크(1) 안으로 되돌리는 배관(144)은 탱크(1) 안에서 LNG를 취출하는 배관(141)에 비해 큰 직경의 것이 채용된다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료 가스 공급 시스템(10)에서는 LNG를 가열하기 위해 가열기(42)를 이용하고 있다. 이 가열기(42)는 대량의 LNG를 대기와 열교환시킴으로써 LNG의 온도를 상승시키도록 구성되어 있다. 이와 달리, 특허문헌 1에 기재된 종래 기술(도 6 참조)에서는 LNG를 가열하기 위해 기화기(140)가 사용된다. 이 기화기(140)는 일반적으로는 LNG와 보일러에서 생성된 증기의 열교환에 의해 LNG를 기화시키도록 구성되어 있다. 본 발명은 LNG를 가열하기 위해 기화기(140)가 아니라 가열기(42)를 사용함으로써 종래 기술에 비해 아래에 나타내는 장점이 있다.

가열기(42)의 가열 매체는 대기이기 때문에, 가열 매체를 가열하기 위한 에너지는 불필요하다. 한편, 기화기(140)의 가열 매체는 수증기이기 때문에 보일러에서 수증기를 생성하기 위한 에너지가 필요하다. 따라서 가열기(42)는 기화기(140)에 비해 초기 비용 및 작동 비용을 줄일 수 있다.

가열기(42)에서는 LNG(액체)와 대기(기체)의 열교환이 이루어진다. 한편, 기화기(140)에서는 LNG가 기화하고 난 후에 LNG(기체)와 증기(기체)의 열교환이 이루어진다. 액체-기체 열교환은 기체-기체 열교환에 비해 열전달율이 높다. 따라서 가열기(42)는 기화기(140)에 비하여 열교환율이 높다.

가열기(42)에서는 가열 매체(대기)의 온도 관리는 하지 않고 단순히 유로 선택을 위한 밸브의 개폐를 하는 것만으로 충분하므로 기본적으로 가열기(42)의 섬세한 제어가 불필요하다. 또한, 큰 열용량을 갖는 탱크(1) 안의 액화 연료 가스 전체에 열에너지를 추가할 수 있기 때문에 큰 버퍼 효과를 얻을 수 있다. 따라서 운항 면에서 빈번한 출력 조절에 대응하여 NBOG을 공급해도 탱크(1) 안의 압력 변동은 작기 때문에 빈번하게 가열기(42)의 출력을 조절할 필요는 없다. 한편, 기화기(140)에서는 LNG를 일부의 중질 성분을 제외한 전량 기화시키기 위해 LNG의 공급량과 공급 압력, 증기의 공급량 및 LNG 기화 가스의 온도 관리 등의 제어가 이루어진다.

기화기(140)에서는 LNG를 전량 기화시킨다는 제약으로 출력 범위에 최저 출력이 있으며, 최저 출력 이하에서는 운전을 하는 것이 어렵다. 이와 달리, 가열기(42)의 출력 범위는 LNG가 통과하는 배관 길이를 설계, 선택함으로써 조절할 수 있으며, 특히 저출력 측의 제한은 없다. 이와 같이 가열기(42)에서는 기화기(140)의 출력 범위에 비해 낮은 출력이 가능하기 때문에 연료 가스 공급 시스템(10)의 탱크(1)에 여분의 열에너지를 공급하는 것을 억제할 수 있다.

가열기(42)에서는 되돌림 배관(44)으로 송출되는 것은 액체이기 때문에 가열기(42)에 LNG의 중질 성분만이 잔류하지 않고 모두가 되돌림 배관(44)으로 보내진다. 한편, 기화기(140)에서는 LNG의 일부 중질 성분이 기화하지 않고 잔류할 수 있으며, 이 잔류한 중질 성분의 정기적인 제거 작업이 필요하다.

[변형 예]

이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였지만 상기 연료 가스 공급 시스템(10)은 예를 들어 아래와 같이 변경할 수 있다.

예를 들어, 위의 실시 예에서는 연료 가스 공급 시스템(10)이 1개의 탱크(1)를 구비하고 있지만 연료 가스 공급 시스템(10)이 복수의 탱크(1)를 구비할 수도 있다. 연료 가스 공급 시스템(10)이 복수의 탱크(1)를 구비하는 경우에는 연료가 복수의 탱크(1)에서 가스 연료 기관(2)으로 공급된다. 여기서 복수의 탱크(1) 중 적어도 1개의 증발 촉진 장치(4)가 연결될 수도 있다.

또한, 예를 들어, 위의 실시 예의 연료 가스 공급 시스템(10)은 가스 연료 기관(2)에 연료 가스를 공급하도록 구성되어 있지만 가스 연료 기관(2) 및/또는 보일러 등 연료 가스를 사용하는 기기에 연료 가스를 공급하는 시스템으로 구성될 수도 있다.

또한, 예를 들어, 가열기(42)의 가열관(31)에서는 LNG의 통과 길이를 조절하기 위해 LNG를 통과하는 가열 영역(31a)의 수를 선택할 수 있도록 하고 있지만 LNG가 통과하는 가열관(31)의 수를 선택할 수도 있다. 도 5는 가열기(42)의 변형 예1을 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 가열기(42)는 평행하게 늘어선 복수의 가열관(31), 가열관(31)과 취출 배관(41)을 연결하는 연결관(34a), 및 가열관(31)과 되돌림 배관(44)을 연결하는 연결관(34b)을 구비하고 있다. 각 연결관(34a, 34b)에는 개폐 밸브(35a, 35b)가 설치되어 있다. 가열관(31)은 단열처리가 되어 있지 않은 미피복 배관이다. 또한, 이와 같이 가열기가 복수의 가열관(31)을 구비하는 경우 1개의 가열관(31)을 복수의 가열 영역으로 구획하여 사용하는 위의 실시 예에 비하여 작은 직경의 배관을 가열관(31)으로 이용할 수 있다.

위의 구성의 가열기(42)에는 LNG가 통과하는 가열관(31)의 수를 선택 가능한 LNG 유로가 형성되어 있다. 그리고 각 연결관(34a, 34b)에 설치된 개폐 밸브(35a, 35b)를 선택적으로 개폐함으로써 LNG가 통과하는 가열관(31)의 수를 변경할 수 있다. 이처럼 LNG가 통과하는 가열관(31)의 수를 변경함으로써 LNG에 부여되는 열에너지를 증감시킬 수 있다.

그 밖의 가열기(42)의 변형 예로서 1개의 패널에 복수의 튜브가 배치된 배관을 가열관(31)으로 이용하거나 수열 면적을 증가시키기 위해 튜브에 플레이트형 핀이 설치된 배관을 가열관(31)으로 이용하거나 열교환 면적을 증가시키기 위해 코일형 배관을 가열관(31)으로 이용할 수 있다.

위의 설명으로부터 당업자는 본 발명의 많은 개량이나 본 발명의 다른 실시 예를 개발할 수 있다. 따라서 위의 설명은 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실시하는 최선의 실시 예를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않는다면 그 구조 및/또는 기능의 세부 사항을 실질적으로 변경할 수 있다.

1: 탱크
2: 가스 연료 기관
4: 증발 촉진 장치(액화 연료 가스 증발 촉진 장치)
41: 취출 배관
42: 가열기
43: 펌프
44: 되돌림 배관
45: 가열 제어 장치
5: 압축기
9: 연료 가스 공급 배관
10: 연료 가스 공급 시스템
31: 가열관
32, 35, 36: 개폐 밸브
34: 연결관
37: 공급 헤더

Claims

탱크에 저장된 액화 연료 가스의 증발을 촉진하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치로서,
상기 액화 연료 가스를 가열하는 가열기;
상기 탱크 내의 상기 액화 연료 가스를 상기 가열기에 압송하는 펌프;
상기 액화 연료 가스를 상기 펌프로부터 상기 가열기로 보내는 취출 배관; 및
상기 가열기에서 데워진 상기 액화 연료 가스를 액체 상태 그대로 상기 탱크 안으로 보내는 되돌림 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제1 항에 있어서,
상기 가열기는 대기로부터 상기 액화 연료 가스로 열을 이동시키는 열교환기인 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제2 항에 있어서,
상기 가열기는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 1개 이상의 가열관을 구비하고,
상기 가열관은 주위가 대기에 노출된 미피복 배관인 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제3 항에 있어서,
상기 가열관은 관 길이 방향으로 복수의 가열 영역을 가지며,
상기 가열기에는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 상기 가열 영역의 수를 선택 가능한 액화 연료 가스 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제3 항에 있어서,
상기 가열기는 복수의 상기 가열관을 구비하며,
상기 가열기에는, 상기 액화 연료 가스가 통과하는 상기 가열관의 수를 선택 가능한 액화 연료 가스 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펌프는 상기 되돌림 배관 내의 상기 액화 연료 가스가 기화하지 않도록 상기 액화 연료 가스를 가압하는 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 되돌림 배관의 종단부가 상기 탱크의 저부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열기는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 1개 이상의 가열관과, 상기 가열관의 표면에 살수하는 살수 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 액화 연료 가스 증발 촉진 장치.
선박에 탑재된 가스 연료 기관에 연료 가스를 공급하는 선박용 연료 가스 공급 시스템으로서,
액화 연료 가스가 저장된 탱크;
청구항 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 액화 연료 가스 증발 촉진 장치; 및
상기 탱크 내의 액화 연료 가스로부터 발생한 증발 가스를 상기 가스 연료 기관에 보내는 연료 가스 공급 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 연료 가스 공급 시스템.
제9 항에 있어서,
상기 가열기는 상기 액화 연료 가스가 통과하는 1개 이상의 가열관을 구비하고, 상기 가열관은 상기 선박의 선박 길이 방향으로 연장되는 배관인 것을 특징으로 하는 선박용 연료 가스 공급 시스템.
제9 항 또는 제10 항에 있어서,
상기 선박은 상기 탱크 내의 상기 액화 연료 가스를 취출하여 해당 탱크 내의 상부로부터 분출하는 스프레이 라인과, 상기 스프레이 라인에 상기 액화 연료 가스를 압송하는 스프레이 펌프를 구비하고,
상기 취출 배관 및 상기 되돌림 배관으로서 상기 스프레이 라인을 이용하고, 상기 펌프로서 상기 스프레이 펌프를 이용한 것을 특징으로 하는 선박용 연료 가스 공급 시스템.
제9 항 또는 제10 항에 있어서,
상기 선박은 상기 탱크 안을 승압하기 위해 사용되는 압력 빌드업 라인을 구비하고,
가열기로서 상기 압력 빌드업 라인을 이용한 것을 특징으로 하는 선박용 연료 가스 공급 시스템.