KR20160086440A - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

선박의 연료가스 공급시스템 Download PDF

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강호숙
윤호병
이종철
황예림
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

선박의 연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 증발가스로 이루어지는 연료가스를 수용하는 저장탱크, 액화가스를 기화시켜 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인, 증발가스를 압축하여 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인 및 엔진이 요구하는 연료가스의 조건 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급할 수 있도록 증발가스 일부를 저장하는 버퍼탱크를 구비하는 메탄가 조절부를 포함하여 제공될 수 있다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLYING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박의 엔진이 요구하는 연료가스의 조건 메탄가(Methane number)에 맞추어 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있는 선박용 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
연료가스 중에서 널리 이용되고 중요한 자원으로 여겨지는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해 천연가스를 약 섭씨 -162도로 냉각해 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)로 상변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화천연가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 여기서 증발가스는 저장탱크 내부에 수용된 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 자연증발가스 및 강제적으로 기화하여 발생되는 강제증발가스를 포함한다. 액화천연가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.
한편 오늘날에는 선박의 추진용 또는 선박의 발전용으로 DFDE 엔진 등과 같은 이종연료 엔진이 널리 이용되고 있으며, 특히 최근에는 중압의 연료가스로 연소가 가능한 X-DF 엔진이 개발되어 이용되고 있다.
천연가스는 메탄 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane) 등을 포함하며, 생산지에 따라 조성이 달라지는데 액화천연가스 또는 기화된 증발가스를 X-DF 엔진 등에 연료가스로서 공급하기 위해서는 엔진에서 요구하는 조건 메탄가(methane number)의 조건에 맞추어 공급해야 한다. 엔진으로 공급되는 연료가스가 적정 메탄가보다 낮은 경우에는 엔진의 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 폭발 및 연소가 이루어져 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹(Knocking) 등의 문제가 야기될 수 있으며, 엔진이 요구하는 적정 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급해야 엔진이 정상적인 출력을 낼 수 있기 때문이다.
한편 메탄의 끓는 점은 섭씨 -161.5도로써, 천연가스의 기타 성분인 에탄(끓는 점 섭씨 -89도), 프로판(끓는 점 섭씨 -45도) 등에 비해 낮다. 이에 따라 저장탱크 내부에서 자연적으로 기화되는 자연증발가스는 높은 메탄가를 가지게 되고, 저장탱크에 액화천연가스를 가득 실은 만선항해(Laden Voyage) 시에는 자연증발가스 발생량이 많으므로 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 용이하게 맞출 수 있다.
그러나 액화천연가스를 하역한 이후 등 저장탱크에 액화천연가스가 많이 수용되지 않은 공선항해(Ballast Voyage) 시에는 자연증발가스 발생량이 대폭 감소하므로 액화천연가스를 기화시켜 연료가스로 이용하게 된다. 이 때는 액화천연가스에 포함되는 에탄, 프로판 등의 성분이 메탄과 함께 기화되어 연료가스로 공급되므로 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 맞추기 어려운 문제점이 발생한다.
따라서 공선항해 시에도 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가가 감소하는 것을 방지하고, 연료가스의 메탄가를 효과적으로 유지시킬 수 있는 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)
본 발명의 실시 예는 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 효과적으로 조절할 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 증발가스를 효과적으로 처리 또는 이용할 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 단순한 구조로서 효율적인 운용을 도모할 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 엔진의 효율을 향상시키고 엔진에 가해지는 부하를 최소화할 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 증발가스로 이루어지는 연료가스를 수용하는 저장탱크, 상기 액화가스를 기화시켜 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인, 상기 증발가스를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인 및 상기 엔진이 요구하는 연료가스의 조건 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급할 수 있도록 상기 증발가스 일부를 저장하는 버퍼탱크를 구비하는 메탄가 조절부를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 메탄가 조절부는 상기 증발가스 공급라인으로부터 분기되어 마련되는 메탄가 조절라인을 더 포함하고, 상기 버퍼탱크는 상기 메탄가 조절라인 상에 마련되어 제공될 수 있다.
상기 증발가스 공급라인 상에 마련되어 상기 증발가스를 압축하는 압축부를 더 포함하고, 상기 버퍼탱크의 입구 측은 상기 메탄가 조절라인에 의해 상기 압축부의 후단 또는 중앙부와 연결되고, 상기 버퍼탱크의 출구 측은 상기 메탄가 조절라인에 의해 상기 압축부의 전단과 연결되어 제공될 수 있다.
상기 메탄가 조절부는 상기 버퍼탱크의 입구 측 상기 메탄가 조절라인에 마련되는 제1개폐밸브 및 상기 버퍼탱크의 출구 측 상기 메탄가 조절라인에 마련되는 제2개폐밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 메탄가 조절부는 상기 엔진으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 가스 애널라이져로부터 분석된 메탄가를 전송 받아 기 입력된 조건 메탄가와 비교하여 상기 제1개폐밸브 및 상기 제2개폐밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 버퍼탱크는 상기 증발가스 공급라인 상의 압축부의 후단에 마련되고, 상기 메탄가 조절부는 입구 측 단부가 상기 버퍼탱크에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부가 상기 압축부의 전단에 연결되어 마련되는 메탄가 조절라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 메탄가 조절부는 상기 액화가스 공급라인과 상기 버퍼탱크의 전단의 상기 증발가스 공급라인을 연결하는 연결라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 버퍼탱크는 상기 액화가스 공급라인 및 상기 증발가스 공급라인이 합류하는 지점에 마련되어 제공될 수 있다.
만선항해 시에는 상기 저장탱크로부터 증발가스를 상기 버퍼탱크에 저장 및 상기 엔진으로 공급하고, 공선항해 시에는 상기 버퍼탱크에 저장된 증발가스가 상기 액화가스 공급라인을 통해 공급되는 강제 기화된 액화천연가스와 혼합하여 엔진으로 공급됨으로써 연료가스의 메탄가가 감소하는 것을 상쇄하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 적정 수준으로 효과적으로 조절하여 공급할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 엔진의 효율을 향상시키고 엔진의 노킹, 피스톤의 마모 등 엔진에 가해지는 부하를 최소화하여 엔진의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 액화천연가스를 수용하는 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 효과적으로 처리 또는 이용할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템은 단순한 구조로서 효율적인 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템을 나타내는 개념도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 액화천연가스를 엔진(10)으로 공급하는 액화가스 공급라인(120), 저장탱크(110)의 증발가스를 엔진(10)으로 공급하는 증발가스 공급라인(130) 및 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 조절하는 메탄가 조절부를 포함할 수 있다.
저장탱크(110)는 액화천연가스를 수용 또는 저장하도록 마련된다. 저장탱크(110)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 저장탱크(110)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 또는 저장하여 목적지에 이르러 하역하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관하되 후술하는 바와 같이 선박의 추진용 엔진 또는 선박의 발전용 엔진 등의 연료가스로 이용되도록 마련될 수 있다.
저장탱크(110)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(110) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 증발가스는 저장탱크(110)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(110)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 증발가스를 저장탱크(110)로부터 제거할 필요성이 있다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에 발생된 증발가스는 본 발명의 실시 예와 같이 증발가스 공급라인(130)에 의해 엔진(10)의 연료가스로 이용될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(110)의 상부에 마련되는 벤트마스트(미도시) 또는 GCU(Gas Combustion Unit, 미도시)로 공급하여 증발가스를 처리 또는 소모시킬 수도 있다.
엔진(10)은 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스 및 증발가스 등의 연료가스를 공급받아 선박의 추진력을 발생시키거나 선박의 내부 설비 등의 발전용 전원을 발생시킬 수 있다. 일 예로 엔진(10)은 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진이나, 중압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 X-DF 엔진 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 연료가스의 메탄가에 영향을 받는 엔진이라면 다양한 엔진으로 이루어지는 경우를 모두 포함한다.
엔진(10)에 공급되는 연료가스가 천연가스인 경우에, 연료가스의 메탄가(Methane number)를 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가로 맞추어 공급해 주어야 한다. 천연가스는 주성분이 메탄(Methane)으로서, 메탄 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane) 등을 포함하는데 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급해야 노킹(Knocking), 엔진 효율 저하, 엔진 피스톤의 마모를 방지할 수 있으며, 엔진(10)이 정상적인 출력을 발휘할 수 있기 때문이다.
액화가스 공급라인(120)은 저장탱크(110)에 수용 또는 저장된 액화천연가스를 엔진(10)에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 액화가스 공급라인(120)은 그 일단이 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 타단은 후술하는 증발가스 공급라인(130)과 합류하여 엔진(10)에 연결되어 마련된다. 액화가스 공급라인(120)의 일단은 저장탱크(110) 내부의 하측에 배치될 수 있으며, 액화천연가스를 엔진(10) 측으로 공급하기 위해 송출펌프(123)가 마련될 수 있다. 이와는 달리, 송출펌프(123) 대신 저장탱크(110)에 압력생성장치(Pressure Build-up Unit, PBU)가 설치되어 저장탱크(110) 내부압력을 상승시켜 액화천연가스를 액화가스 공급라인(120)으로 공급하도록 마련될 수도 있다.
액화가스 공급라인(120) 상에는 액화천연가스를 엔진(10)이 요구하는 조건에 맞추어 처리할 수 있도록 액화천연가스를 가압시키는 가압펌프(121) 및 가압된 액화천연가스를 기화시키는 기화기(122) 등을 구비한다. 또한 도면에는 도시하지 않았으나 액화천연가스 및 증발가스의 처리를 위해 열교환기, 재액화장치 등 다양한 설비 등이 마련될 수 있다.
증발가스 공급라인(130)은 저장탱크(110)에 발생된 증발가스를 엔진(10)에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 증발가스 공급라인(130)은 그 일단이 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고 타단은 액화가스 공급라인(120)과 합류하여 엔진(10)에 연결되어 마련된다. 증발가스 공급라인(130)의 일단은 저장탱크(110) 내부의 상측에 배치될 수 있으며, 증발가스를 엔진(10)이 요구하는 조건에 맞추어 처리할 수 있도록 압축부(131)를 구비할 수 있다.
압축부(131)는 증발가스를 압축하는 하나 이상의 컴프레서(131a)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 하나 이상의 쿨러(131b)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 2개의 컴프레서(131a)와 2개의 쿨러(131b)를 포함하는 다단 압축기의 경우로 도시되어 있으나, 컴프레서(131a)와 쿨러(131b)의 수는 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한편 액화천연가스의 주성분인 메탄의 끓는 점은 섭씨 -161.5도로써, 천연가스의 기타 성분인 에탄(끓는 점 섭씨 -89도), 프로판(끓는 점 섭씨 -45도) 등에 비해 낮다. 따라서 저장탱크(110) 내부에서 액화천연가스가 자연적으로 기화되는 증발가스에는 상대적으로 메탄의 함유량이 많아지게 되고 이로써, 증발가스는 높은 메탄가를 가진다. 이에 따라 저장탱크(110)에 액화천연가스를 가득 실은 만선항해(Laden Voyage) 시에는 자연적으로 발생하는 증발가스의 발생량도 많아지므로 엔진(10)이 요구하는 적정 메탄가를 용이하게 맞출 수 있다.
그러나 반대로 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 모두 소비한 이후 또는 하역한 이후인 공선항해(Ballast Voyage) 시에는 저장탱크(110) 내부에 액화천연가스의 저장량이 적으므로 자연적으로 발생하는 증발가스의 발생량 역시 감소하므로 액화천연가스를 기화시켜 연료로 공급하게 된다. 이 때 액화천연가스는 메탄 외에도 에탄, 프로판 등을 포함하므로 연료가스의 메탄가가 감소하여 엔진(10)이 요구하는 적정 메탄가를 맞추기 어려운 문제점이 있다.
본 실시 예에서 설명하는 만선항해 및 공선항해는 각각 저장탱크(110)에 액화천연가스의 수용량에 기인하는 의미와 더불어, 별도의 장치 없이 액화천연가스와 증발가스를 혼합하여 엔진(10)에 공급하더라도 연료가스의 메탄가를 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가로 용이하게 맞출 수 있는 상태와, 별도의 장치 없이 액화천연가스와 증발가스를 엔진(10)에 공급할 경우 연료가스의 메탄가가 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가보다 낮은 경우를 각각 포함하는 포괄적인 개념으로 보아야 한다.
메탄가 조절부는 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스를 저장하는 버퍼탱크(141), 증발가스 공급라인(130)으로부터 분기되어 마련되는 메탄가 조절라인(140), 메탄가 조절라인(140) 상에 마련되는 제1개폐밸브(142a) 및 제2개폐밸브(142b), 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져(143), 개폐밸브(142)의 작동을 제어하는 제어부(150)를 포함하여 마련될 수 있다.
버퍼탱크(141)는 만선항해 시 발생하는 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장하도록 메탄가 조절라인(140) 상에 마련된다. 메탄가 조절라인(140)은 압축부(131)의 후단 또는 압축부(131)를 통과하는 중의 증발가스를 버퍼탱크(141) 측으로 공급하며, 버퍼탱크(141)에 저장된 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 압축부(131)의 전단으로 공급한다. 이를 위해 버퍼탱크(141)의 입구 측은 메탄가 조절라인(140)에 의해 압축부(131)의 후단 또는 중앙부와 연결되어 마련되고, 버퍼탱크(141)의 출구 측은 메탄가 조절라인(140)에 의해 압축부(131)의 전단과 연결되어 마련될 수 있다. 버퍼탱크(141)는 기체상태의 증발가스를 효과적으로 저장할 수 있도록, 가압식 탱크로 이루어질 수 있다.
도 1에서는 버퍼탱크(141)의 입구 측이 메탄가 조절라인(140)에 의해 1개의 컴프레서(131a) 및 1개의 쿨러(131b)를 통과한 상태의 증발가스를 공급받는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서, 필요에 따라 연결위치가 압축부(131)의 후단 또는 압축부(131)를 통과하는 중의 중앙부위와 연결되어 마련될 수 있음은 자명하다 할 것이다.
제1개폐밸브(142a)는 버퍼탱크(141) 입구 측 메탄가 조절라인(140)에 마련될 수 있으며, 제2개폐밸브(142b)는 버퍼탱크(141) 출구 측 메탄가 조절라인(140)에 마련될 수 있다. 제1개폐밸브(142a) 및 제2개폐밸브(142b)는 작업자에 의해 수동적으로 작동되거나, 후술하는 제어부(150)에 의해 자동적으로 개폐 작동되어 메탄가 조절라인(140)을 통과하는 증발가스의 흐름을 제어할 수 있다.
구체적으로 만선항해 시에는 저장탱크(110)의 증발가스 발생량이 증가함에 따라 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가로 용이하게 맞출 수 있음과 동시에, 엔진(10)에 공급되는 증발가스 외의 저장 가능한 여유분이 발생하게 된다. 따라서 만선항해 시에는 제1개폐밸브(142a)를 개방하고 제2개폐밸브(142b)를 폐쇄하여 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스를 버퍼탱크(141)에 저장하도록 한다. 또한 공선항해 시에는 제2개폐밸브(142b)를 개방하고 제1개폐밸브(142a)를 폐쇄하여 버퍼탱크(141)에 저장된 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스를 압축부(131)의 전단으로 공급함으로써, 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 조절할 수 있다.
가스 애널라이져(143)는 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하도록 마련된다. 가스 애널라이져(143)는 연료가스의 메탄 함유량을 분석할 수 있도록 메탄 검지기로 이루어질 수 있으며, 정확한 분석을 위해 엔진(10)으로 공급되기 직전의 라인 상에 마련될 수 있다. 가스 애널라이져(143)는 연료가스의 메탄가를 일정 주기로 또는 연속적으로 분석하여 메탄가 데이터를 선박의 탑승자 또는 제어부(150)로 송출할 수 있다.
제어부(150)는 제1개폐밸브(142a) 및 제2개폐밸브(142b)의 개폐 작동을 조절하도록 마련될 수 있다. 제어부(150)는 가스 애널라이져(143)로부터 수신된 메탄가 데이터를 기 입력된 조건 메탄가와 비교한 후 제1개폐밸브(142a) 또는 제2개폐밸브(142b)의 개폐 작동을 제어할 수 있다. 제어부(150)는 이외에도 압축부(131)의 작동 및 가압펌프(121)와 기화기(122)의 작동을 총괄적으로 제어하는 시스템으로 이루어질 수 있으며, 자동화시스템에 의해 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 공급량 및 메탄가를 종합적으로 분석 및 제어하도록 마련될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)의 작동에 대해 설명한다.
만선항해 시에는 저장탱크(110) 내부에 액화천연가스의 수용량이 많으므로 증발가스의 발생량도 많은 상태이다. 이에 따라 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스에 의해 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가는 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가에 용이하게 맞출 수 있으며, 엔진(10)에 공급되는 증발가스 외에 저장 가능한 여유분이 발생하게 된다. 이 때 버퍼탱크(141)의 입구 측에 마련되는 제1개폐밸브(142a)를 개방하여 증발가스 공급라인(130)을 통과하는 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스의 일부를 메탄가 조절라인(140)을 통해 버퍼탱크(141)에 저장한다. 이 때 버퍼탱크(141)로의 증발가스 저장을 효과적으로 구현할 수 있도록 버퍼탱크(141)의 출구 측에 마련되는 제2개폐밸브(142b)는 폐쇄하도록 한다.
저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 하역하거나 모두 소비하여 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스의 수용량이 적어지는 공선항해의 경우에는 증발가스 발생량 역시 감소한다. 이에 따라 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가는 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가 보다 낮아지게 된다. 이 때는 제1개폐밸브(142a)는 폐쇄하고 제2개폐밸브(142b)는 개방하여, 버퍼탱크(141)에 저장해 놓은 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 증발가스 공급라인(130)의 압축부(131) 전단으로 공급함과 동시에 액화가스 공급라인(120)을 통과하는 액화천연가스의 공급량을 감소시켜 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 상승시켜준다. 가스 애널라이져(143)는 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하고, 분석된 메탄가 데이터를 제어부(150)로 송출한다. 제어부(150)는 수신받은 메탄가 데이터와 엔진(10)이 요구하는 기 입력된 조건 메탄가를 비교하여 제1개폐밸브(142a) 및 제2개폐밸브(142b)의 개폐 작동을 제어하여 연료가스의 메탄가를 조절할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)은 연료가스의 메탄가를 엔진(10)이 요구하는 적정 수준으로 효과적으로 조절할 수 있는 효과를 가진다.
나아가, 엔진(10)의 효율을 향상시키고 엔진(10)의 노킹, 피스톤의 마모 등 엔진(10)에 가해지는 부하를 최소화하여 엔진(10)의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 가지며, 효율적인 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(200)에 대해 설명한다. 본 발명의 제2 실시 예에 대한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 구성 외에는 전술한 제1 실시 예에서 설명한 바와 같으므로, 내용의 중복을 방지하기 위해 반복적인 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(200)을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(200)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 액화천연가스를 엔진(10)으로 공급하는 액화가스 공급라인(120), 저장탱크(110)의 증발가스를 엔진(10)으로 공급하는 증발가스 공급라인(130) 및 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 조절하는 메탄가 조절부를 포함할 수 있다.
메탄가 조절부는 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장하는 버퍼탱크(241), 입구 측 단부가 버퍼탱크(241)에 연결되고 출구 측 단부가 압축부(131) 전단에 연결되는 메탄가 조절라인(240), 액화가스 공급라인(120)과 증발가스 공급라인(130)을 연결하는 연결라인(244), 메탄가 조절라인(240) 상에 마련되는 제1개폐밸브(242a)와 연결라인(244)에 마련되는 제2개폐밸브(242b) 및 버퍼탱크(241)의 후단 측 증발가스 공급라인(130)에 마련되는 제3개폐밸브(242c), 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져(243), 개폐밸브(242)의 작동을 제어하는 제어부(250)를 포함하여 마련될 수 있다.
버퍼탱크(241)는 만선항해 시 발생하는 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장하도록 증발가스 공급라인(130) 상의 압축부(131) 후단에 마련될 수 있다. 버퍼탱크(241)는 압축부(131)를 통과한 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장함과 동시에, 증발가스 공급라인(130)으로 공급한다. 메탄가 조절라인(240)은 버퍼탱크(241)에 저장된 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 압축부(131)의 전단으로 공급한다. 이를 위해 메탄가 조절라인(240)의 입구 측 단부는 버퍼탱크(241)에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 압축부(131) 전단의 증발가스 공급라인(130)에 연결되어 마련될 수 있다. 버퍼탱크(241)는 기체상태의 증발가스를 효과적으로 저장할 수 있도록, 가압식 탱크로 이루어질 수 있다.
연결라인(244)은 버퍼탱크(241) 전단의 증발가스 공급라인(130)과 액화가스 공급라인(120)을 연결하도록 마련된다. 연결라인(244)의 입구 측 단부는 버퍼탱크(241) 전단의 증발가스 공급라인(130)에 연결되고, 출구 측 단부는 액화가스 공급라인(120)의 기화기(122) 후단에 연결되어 마련될 수 있다. 연결라인(244)은 만선항해 시에는 후술하는 제2개폐밸브(242b)에 의해 폐쇄되어 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스가 버퍼탱크(241)를 통과하도록 하고, 공선항해 시에는 개방되어 버퍼탱크(241)에 저장된 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스가 압축부(131)를 거쳐 액화가스 공급라인(120)으로 합류하여 액화가스와 함께 엔진(10)으로 공급되도록 한다.
제1개폐밸브(242a)는 메탄가 조절라인(240)에 마련될 수 있으며, 제2개폐밸브(242b)는 연결라인(244)에 마련될 수 있다. 또 제3개폐밸브(242c)는 증발가스 공급라인(130) 상의 버퍼탱크(241) 후단 측에 마련될 수 있다. 제1개폐밸브(242a), 제2개폐밸브(242b) 및 제3개폐밸브(242c)는 작업자에 의해 수동적으로 작동되거나, 후술하는 제어부(250)에 의해 자동적으로 개폐 작동되어 증발가스 공급라인(130), 메탄가 조절라인(240) 및 연결라인(244)을 통과하는 증발가스의 흐름을 제어할 수 있다.
구체적으로 만선항해 시에는 저장탱크(110)의 증발가스 발생량이 증가함에 따라 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가로 용이하게 맞출 수 있음과 동시에, 엔진(10)에 공급되는 증발가스 외의 저장 가능한 여유분이 발생하게 된다. 따라서 만선항해 시에는 제3개폐밸브(242c)를 개방하고 제1개폐밸브(242a) 및 제2개폐밸브(242b)를 폐쇄하여 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스를 버퍼탱크(241)에 저장함과 동시에 액화천연가스와 혼합하여 엔진(10)에 공급하도록 한다. 또한 공선항해 시에는 제1개폐밸브(242a) 및 제2개폐밸브(242b)를 개방하고 제3개폐밸브(242c)를 폐쇄하여 버퍼탱크(241) 내부에 저장된 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스를 압축부(131)의 전단으로 공급하고, 압축부(131)를 통과한 증발가스가 연결라인(244)을 따라 액화가스 공급라인(120)과 합류하여 강제 기화된 액화천연가스와 증발가스가 혼합하여 엔진(10)으로 공급함으로써, 연료가스의 메탄가를 조절할 수 있다.
가스 애널라이져(243)는 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하도록 마련된다. 가스 애널라이져(243)는 연료가스의 메탄 함유량을 분석할 수 있도록 메탄 검지기로 이루어질 수 있으며, 정확한 분석을 위해 엔진(10)으로 공급되기 직전의 라인 상에 마련될 수 있다. 가스 애널라이져(243)는 연료가스의 메탄가를 일정 주기로 또는 연속적으로 분석하여 메탄가 데이터를 선박의 탑승자 또는 제어부(250)로 송출할 수 있다.
제어부(250)는 제1개폐밸브(242a), 제2개폐밸브(242b) 및 제3개폐밸브(242c)의 개폐 작동을 조절하도록 마련될 수 있다. 제어부(250)는 가스 애널라이져(243)로부터 수신된 메탄가 데이터를 기 입력된 조건 메탄가와 비교한 후 제1개폐밸브(242a), 제2개폐밸브(242b) 또는 제3개폐밸브(242c)의 개폐 작동을 제어할 수 있다. 제어부(250)는 이외에도 압축부(131)의 작동 및 가압펌프(121)와 기화기(122)의 작동을 총괄적으로 제어하는 시스템으로 이루어질 수 있으며, 자동화시스템에 의해 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 공급량 및 메탄가를 종합적으로 분석 및 제어하도록 마련될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(200)의 작동에 대해 설명한다.
만선항해 시에는 저장탱크(110) 내부에 액화천연가스의 수용량이 많으므로 증발가스의 발생량도 많은 상태이다. 이에 따라 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스에 의해 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가는 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가에 용이하게 맞출 수 있는 상태이다. 이 때 버퍼탱크(241)의 출구 측에 마련되는 제3개폐밸브(242c)는 개방하고, 메탄가 조절라인(240)에 마련되는 제1개폐밸브(242a) 및 연결라인(244)에 마련되는 제2개폐밸브(242b)는 폐쇄하여, 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스가 버퍼탱크(241)에 우선적으로 저장함과 동시에, 버퍼탱크(241)의 저장 가능량 이상의 증발가스가 공급되는 순간부터 증발가스가 버퍼탱크(241)로부터 내보내어져 강제 기화된 액화천연가스와 혼합하여 엔진(10)으로 공급된다.
저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 하역하거나 모두 소비하여 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스의 수용량이 적어지는 공선항해의 경우에는 증발가스 발생량 역시 감소한다. 이에 따라 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가는 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가 보다 낮아지게 된다. 이 때는 제3개폐밸브(242c)는 폐쇄하고 제1개폐밸브(242a) 및 제2개폐밸브(242b)는 개방하여, 버퍼탱크(241)에 저장해 놓은 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 증발가스 공급라인(130)의 압축부(131) 전단으로 공급한다. 압축부(131)를 통과한 증발가스는 연결라인(244)을 통해 액화가스 공급라인(120)과 합류하여 엔진(10)으로 공급됨과 동시에 액화가스 공급라인(120)을 통과하는 액화천연가스 공급량을 감소시킴으로써, 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 상승시켜준다. 가스 애널라이져(243)는 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하고 메탄가 데이터를 제어부(250)로 송출하고, 제어부(250)는 수신받은 메탄가 데이터와 엔진(10)이 요구하는 기 입력된 조건 메탄가를 비교하여 제1개폐밸브(242a), 제2개폐밸브(242b) 및 제3개폐밸브(242c)의 개폐 작동을 제어할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(200)은 연료가스의 메탄가를 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가에 맞추어 효과적으로 조절할 수 있는 효과를 가진다.
나아가, 엔진(10)의 효율을 향상시키고 엔진(10)의 노킹, 피스톤의 마모 등 엔진(10)에 가해지는 부하를 최소화하여 엔진(10)의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 가지며, 효율적인 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(300)에 대해 설명한다. 본 발명의 제3 실시 예에 대한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 구성 외에는 전술한 제1 실시 예 및 제2 실시 예에서 설명한 바와 같으므로, 내용의 중복을 방지하기 위해 반복적인 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(300)을 나타내는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(300)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 액화천연가스를 엔진(10)으로 공급하는 액화가스 공급라인(120), 저장탱크(110)의 증발가스를 엔진(10)으로 공급하는 증발가스 공급라인(130) 및 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 조절하는 메탄가 조절부를 포함할 수 있다.
메탄가 조절부는 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장하는 버퍼탱크(341) 및 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져(343)를 포함할 수 있다.
버퍼탱크(341)는 만선항해 시 발생하는 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장하도록 액화가스 공급라인(120) 및 증발가스 공급라인(130)이 합류하는 지점에 마련될 수 있다. 버퍼탱크(341)는 압축부(131)를 통과한 상대적으로 높은 메탄가의 증발가스를 저장함과 동시에, 증발가스와 강제 기화된 액화천연가스를 혼합하여 엔진(10)에 연료가스를 공급한다. 버퍼탱크(341)는 기체상태의 증발가스를 효과적으로 저장할 수 있도록, 가압식 탱크로 이루어질 수 있다.
가스 애널라이져(343)는 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하도록 마련된다. 가스 애널라이져(343)는 연료가스의 메탄 함유량을 분석할 수 있도록 메탄 검지기로 이루어질 수 있으며, 정확한 분석을 위해 엔진(10)으로 공급되기 직전의 라인 상에 마련될 수 있다. 가스 애널라이져(343)는 연료가스의 메탄가를 일정 주기로 또는 연속적으로 분석하여 메탄가 데이터를 선박의 탑승자에게 송출할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(300)의 작동에 대해 설명한다.
만선항해 시에는 저장탱크(110) 내부에 액화천연가스의 수용량이 많으므로 증발가스의 발생량도 많은 상태이다. 이에 따라 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스에 의해 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가는 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가에 용이하게 맞출 수 있는 상태이다. 압축부(131)를 통과한 상대적으로 높은 메탄가를 갖는 증발가스가 버퍼탱크(341)에 저장됨과 동시에, 액화가스 공급라인(120)을 통과한 강제 기화된 액화천연가스와 버퍼탱크(341) 내부에서 혼합하여 엔진(10)으로 공급된다.
저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 하역하거나 모두 소비하여 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스의 수용량이 적어지는 공선항해의 경우에는 증발가스 발생량 역시 감소한다. 이에 따라 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가는 엔진(10)이 요구하는 조건 메탄가 보다 낮아질 우려가 있다. 그러나 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(300)은 버퍼탱크(341)가 증발가스 공급라인(130)과 액화가스 공급라인(120)이 합류하는 지점에 설치되어 있으므로, 만선항해 시 버퍼탱크(341) 내부에 저장된 증발가스가 액화가스 공급라인(120)을 통과한 강제 기화된 액화천연가스와 혼합하여 엔진(10)에 공급됨으로써, 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가의 급격한 저하를 상쇄시켜줄 수 있다. 가스 애널라이져(343)는 엔진(10)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하고 메탄가 데이터를 선박의 탑승자에게 알려주어 연료가스 메탄가 저하로 인한 엔진(10)의 부하를 사전에 미리 인지하고 예방 조치를 취할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(300)은 별도의 복잡한 구조물 없이 엔진(10)에 공급되는 연료가스의 메탄가 저하를 효과적으로 상쇄시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한 단순한 구조로 연료가스의 메탄가 조절이 가능해지므로 설비의 유지보수가 용이하고, 설비 구축을 위한 비용을 저감할 수 있으므로 효율적인 운용이 가능해지는 효과를 가진다.
이상 실시 예에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일 예로서, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액화에탄 등이 적용되는 경우에도 동일한 기술적 사상으로 동일하게 이해되어야 한다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 엔진 100, 200, 300: 연료가스 공급시스템
110: 저장탱크 120: 액화가스 공급라인
121: 가압펌프 122: 기화기
130: 증발가스 공급라인 131: 압축부
140, 240: 메탄가 조절라인 141, 241. 341: 버퍼탱크
142, 242: 개폐밸브 143, 243, 343: 가스 애널라이져
244: 연결라인 150, 250: 제어부

Claims (10)

  1. 액화가스 및 증발가스로 이루어지는 연료가스를 수용하는 저장탱크;
    상기 액화가스를 기화시켜 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인;
    상기 증발가스를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인; 및
    상기 엔진이 요구하는 연료가스의 조건 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급할 수 있도록 상기 증발가스 일부를 저장하는 버퍼탱크를 구비하는 메탄가 조절부를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탄가 조절부는
    상기 증발가스 공급라인으로부터 분기되어 마련되는 메탄가 조절라인을 더 포함하고,
    상기 버퍼탱크는 상기 메탄가 조절라인 상에 마련되는 선박의 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인 상에 마련되어 상기 증발가스를 압축하는 압축부를 더 포함하고,
    상기 버퍼탱크의 입구 측은 상기 메탄가 조절라인에 의해 상기 압축부의 후단 또는 중앙부와 연결되고,
    상기 버퍼탱크의 출구 측은 상기 메탄가 조절라인에 의해 상기 압축부의 전단과 연결되는 선박의 연료가스 공급시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 메탄가 조절부는
    상기 버퍼탱크의 입구 측 상기 메탄가 조절라인에 마련되는 제1개폐밸브 및
    상기 버퍼탱크의 출구 측 상기 메탄가 조절라인에 마련되는 제2개폐밸브를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메탄가 조절부는
    상기 엔진으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 애널라이져로부터 분석된 메탄가를 전송 받아 기 입력된 조건 메탄가와 비교하여 상기 제1개폐밸브 및 상기 제2개폐밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼탱크는 상기 증발가스 공급라인 상의 압축부의 후단에 마련되고,
    상기 메탄가 조절부는
    입구 측 단부가 상기 버퍼탱크에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부가 상기 압축부의 전단에 연결되어 마련되는 메탄가 조절라인을 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메탄가 조절부는
    상기 액화가스 공급라인과 상기 버퍼탱크의 전단의 상기 증발가스 공급라인을 연결하는 연결라인을 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼탱크는
    상기 액화가스 공급라인 및 상기 증발가스 공급라인이 합류하는 지점에 마련되는 선박의 연료가스 공급시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    만선항해 시에는 상기 저장탱크로부터 증발가스를 상기 버퍼탱크에 저장 및 상기 엔진으로 공급하고,
    공선항해 시에는 상기 버퍼탱크에 저장된 증발가스가 상기 액화가스 공급라인을 통해 공급되는 강제 기화된 액화천연가스와 혼합하여 엔진으로 공급됨으로써 연료가스의 메탄가가 감소하는 것을 상쇄하는 선박의 연료가스 공급시스템.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100035223A (ko) 2008-09-26 2010-04-05 현대중공업 주식회사 이종연료 디젤엔진 추진기관을 사용하는 액화천연가스 운반선을 위한 연료공급시스템

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