KR20160095475A - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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KR20160095475A
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Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 증발가스로 이루어지는 연료가스를 수용하는 저장탱크, 저장탱크의 액화가스를 엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인, 저장탱크의 증발가스를 가압하여 엔진으로 공급하는 제2연료가스 공급라인 및 제2연료가스 공급라인에서 분기되고, 가압된 증발가스의 일부를 재액화 과정을 통하여 저장탱크로 공급하는 재액화 조절부를 포함하여 제공될 수 있다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLYING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발가스를 효율적으로 관리하고, 선박의 엔진이 요구하는 연료가스의 조건 메탄가(Methane number)에 맞추어 연료가스를 효과적으로 공급하고, 저장탱크에 발생하는 증발가스를 효율적으로 관리할 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 저압(약 4.5 ~ 5.5 barg)의 이종연료 엔진이 널리 이용되고 있으며, 또한 중압(약 16 barg)의 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 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 맞추기 어려운 문제점이 있으며, 이에 따라 공선항해 시에도 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 수준으로 맞추어 공급할 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 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가가 감소하는 것을 효과적으로 억제할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 증발가스를 효과적으로 처리 또는 이용할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 단순한 구조로서 효율적인 운용을 도모할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 엔진의 효율을 향상시키고 엔진에 가해지는 부하를 최소화할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 증발가스로 이루어지는 연료가스를 수용하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 액화가스를 엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인, 상기 저장탱크의 증발가스를 가압하여 엔진으로 공급하는 제2연료가스 공급라인 및 상기 제2연료가스 공급라인에서 분기되고, 상기 가압된 증발가스의 일부를 재액화 과정을 통하여 상기 저장탱크로 공급하는 재액화 조절부를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화 조절부는 상기 가압된 증발가스의 일부를 기 설정된 압력범위로 가압하는 조절 압축부를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상시 재액화 조절부는 상기 제2연료가스 공급라인으로부터 분기되어 마련되는 재액화 조절라인과, 상기 재액화 조절라인을 통과하는 증발가스를 열교환시키는 열교환장치와, 상기 열교환장치를 통과한 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기, 및 상기 증발가스의 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 회수라인을 포함하여 제공될 수 있다.
상기 열교환장치는 상기 재액화 조절라인을 통과하는 증발가스와 상기 제2연료가스 공급라인을 통과하되 가압되기 전의 증발가스를 서로 열교환하는 제1열교환부 및 상기 제1열교환부를 통과한 증발가스와 상기 제1연료가스 공급라인을 통과하는 액화가스를 서로 열교환하는 제2열교환부를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화 조절부는 상기 재액화 조절라인 상의 상기 열교환장치의 후단에 마련되는 감압밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 회수라인의 출구 측 단부에는 상기 저장탱크의 증발가스 측으로 액체성분의 증발가스를 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐, 및 상기 저장탱크의 액화가스 측으로 액체성분의 증발가스를 주입하는 주입관이 마련되어 제공될 수 있다.
상기 재액화 조절부는 상기 제2연료가스 공급라인 상의 상기 재액화 조절라인이 분기된 지점 이후에 마련되는 개폐밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화 조절부는 상기 엔진으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져를 더 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 적정 수준으로 효과적으로 조절하여 공급할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 공선항해 시 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가가 감소하는 것을 효과적으로 억제할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화천연가스를 수용하는 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 효과적으로 처리 또는 이용할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 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 연료가스 공급시스템은 단순한 구조로서 효율적인 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 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 일 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 액화천연가스를 엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인(120), 저장탱크(110)의 증발가스를 엔진으로 공급하는 제2연료가스 공급라인(130), 제2연료가스 공급라인(130)을 통과하는 증발가스의 일부를 냉각하여 저장탱크(110)로 재공급하는 재액화 조절부를 포함할 수 있다.
저장탱크(110)는 액화천연가스 및 증발가스를 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 제2연료가스 공급라인(130)에 의해 엔진의 연료가스로 이용될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(110)의 상부에 마련되는 벤트마스트(미도시) 또는 재액화 조절부로부터 분기되어 마련되는 GCU(Gas Combustion Unit, 미도시)로 공급하여 증발가스를 처리 또는 소모시킬 수도 있다.
엔진은 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스 및 증발가스 등의 연료가스를 공급받아 선박의 추진력을 발생시키거나 선박의 내부 설비 등의 발전용 전원을 발생시킬 수 있다. 엔진은 일 예로 저압(4.5 ~ 5.5 barg)의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진 또는 중압(16 barg)의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 X-DF 엔진으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 연료가스의 메탄가에 영향을 받는 엔진이라면 선박의 규모 등 필요에 따라 다양한 수로 이루어질 수 있으며, 다양한 방식의 엔진으로 이루어지는 경우를 모두 포함한다.
엔진에 공급되는 연료가스가 천연가스인 경우에, 연료가스의 메탄가(Methane number)를 엔진이 요구하는 조건 메탄가로 맞추어 공급해 주어야 한다. 천연가스는 주성분이 메탄(Methane)으로서, 메탄 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane) 등을 포함하는데 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 맞추어 연료가스를 공급해야 엔진의 노킹(Knocking), 엔진 효율 저하, 엔진 피스톤의 마모를 방지할 수 있으며, 엔진이 정상적인 출력을 발휘할 수 있기 때문이다.
제1연료가스 공급라인(120)은 저장탱크(110)에 수용 또는 저장된 액화천연가스를 엔진에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 제1연료가스 공급라인(120)은 그 일단이 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 타단은 후술하는 제2연료가스 공급라인(130)과 합류하여 엔진에 연결되어 마련된다. 제1연료가스 공급라인(120)의 일단은 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 공급받을 수 있도록 저장탱크(110) 내부의 하측에 배치될 수 있으며, 액화천연가스를 엔진 측으로 공급하기 위한 송출펌프(122)가 마련될 수 있다.
제1연료가스 공급라인(120)은 후술하는 재액화 조절부의 열교환장치(141)의 제2열교환부(141b)가 마련될 수 있으며, 엔진이 요구하는 연료가스의 조건에 부합하도록 액화천연가스를 기화시키는 기화기(121)를 구비할 수 있다. 또한 도면에는 도시하지 않았으나 송출펌프(122) 외에 액화천연가스를 추가적으로 가압하는 가압펌프(미도시)를 구비할 수 있으며, 엔진이 요구하는 연료가스의 조건에 따라 다양한 사양 또는 성능을 갖는 가압펌프 또는 기화기가 설치될 수 있음은 자명하다 할 것이다.
제2연료가스 공급라인(130)은 저장탱크(110)에 발생된 증발가스를 엔진에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 제2연료가스 공급라인(130)은 그 일단이 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 타단은 후술하는 제1연료가스 공급라인(120)과 합류하여 엔진에 연결되어 마련된다. 제2연료가스 공급라인(130)의 일단은 저장탱크(110) 내부의 증발가스를 공급받을 수 있도록 저장탱크(110) 내부의 상측에 배치될 수 있으며, 증발가스를 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 처리할 수 있도록 적어도 하나의 압축부(131)를 구비할 수 있다.
압축부(131)는 증발가스를 압축하는 컴프레서(131a)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(131b)를 포함할 수 있다. 압축부(131)는 제2연료가스 공급라인(130) 상에 후술하는 재액화 조절라인(140)이 분기되는 지점의 전단에 마련되어 증발가스를 압축 및 냉각시켜줄 수 있다. 또한 엔진이 서로 다른 압력조건을 갖는 복수개의 엔진으로 이루어지는 경우에는 각 엔진이 요구하는 연료가스의 압력조건에 맞추어 압축부(131)를 추가로 구비할 수 있다.
도 1에서는 압축부(131)가 제2연료가스 공급라인(130) 상에 한 개 마련된 것으로 도시되어 있으나, 압축부(131)에 포함되는 컴프레서(131a) 및 쿨러(131b)의 성능과 엔진의 요구 압력조건 등에 따라 압축부(131)의 수는 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, 이와는 반대로 액화천연가스는 증발가스가 발생될수록 메탄을 잃게 되어, 증발가스가 높은 메탄가를 갖는 반면, 액화천연가스의 메탄가는 점점 감소하게 된다. 저장탱크(110)에 액화천연가스를 가득 실은 만선항해(Laden Voyage) 시에는 자연적으로 발생하는 증발가스의 발생량도 많아지므로 엔진이 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 상대적으로 적다. 따라서 자연적으로 발생하는 증발가스의 발생량 역시 감소하여 연료가스의 메탄가가 감소하므로 엔진이 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 증발가스 및 액화천연가스로 이루어지는 연료가스를 엔진에 공급하더라도 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 조건 메탄가로 용이하게 맞출 수 있는 상태와, 별도의 장치 없이 액화천연가스와 증발가스를 엔진에 공급할 경우 연료가스의 메탄가가 엔진이 요구하는 조건 메탄가보다 낮은 경우를 각각 포함하는 포괄적인 개념으로 보아야 한다.
재액화 조절부는 제2연료가스 공급라인(130)으로부터 분기되어 마련되는 재액화 조절라인(140), 재액화 조절라인(140)으로 공급된 증발가스를 추가적으로 압축하는 조절 압축부(149), 재액화 조절라인(140)을 통과하는 증발가스를 냉각시키는 냉각장치, 냉각장치를 통과하여 냉각된 증발가스를 감압시키는 감압밸브(143), 냉각장치를 통과하여 냉각된 증발가스를 수용하는 기액분리기(142), 기액분리기(142) 내 액체성분의 증발가스를 저장탱크(110)로 재공급하는 회수라인(145), 기액분리기(142) 내 기체성분의 증발가스를 저장탱크(110) 또는 제2연료가스 공급라인(130)으로 재공급하는 재순환라인(147), 제2연료가스 공급라인(130) 상의 재액화 조절라인(140)이 분기된 지점 이후에 마련되는 개폐밸브(144), 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져(146)를 포함하여 마련될 수 있다.
재액화 조절라인(140)은 제2연료가스 공급라인(130)을 흐르는 증발가스의 일부를 공급받을 수 있도록 입구 측이 제2연료가스 공급라인(130)으로부터 분기되어 마련되고, 타단이 기액분리기(142)에 연결되어 마련된다. 재액화 조절라인(140)에는 증발가스가 후술하는 냉각장치에 의한 재액화 공정이 원활하게 이루어질 수 있도록 증발가스를 추가적으로 압축하는 조절 압축부(149)가 마련될 수 있으며, 조절 압축부(149)의 후단에는 증발가스의 재액화 공정을 수행하도록 후술하는 냉각장치 및 감압밸브(143)가 마련될 수 있다.
냉각장치는 재액화 조절라인(140) 상에 마련된다. 냉각장치는 도 1에 도시된 바와 같이 열교환장치(141)로 이루어질 수 있다. 열교환장치(141)는 재액화 조절라인(140)을 통과하는 증발가스와 제2연료가스 공급라인(130)을 통과하되 압축부(131)를 통과하기 전의 증발가스를 서로 열교환하는 제1열교환부(141a) 및 제1열교환부(141a)를 통과한 증발가스와 제1연료가스 공급라인(120)을 통과하는 액화천연가스를 서로 열교환하는 제2열교환부(141b)를 포함할 수 있다.
재액화 조절라인(140)에 마련되는 조절 압축부(149)에 의해 추가적으로 압축된 증발가스는 제1열교환부(141a)에서 제2연료가스 공급라인(130) 상 압축부(131) 전단을 통과하는 증발가스와 열교환하여 일차적으로 냉각된 후, 제2열교환부(141b)에서 제1연료가스 공급라인(120)을 통과하는 액화가스와 이차적으로 냉각됨으로써, 재액화 공정을 효과적으로 수행할 수 있게 된다. 또한 별도의 질소 냉매 등을 이용한 냉매순환장치 없이 증발가스의 냉각 및 재액화 공정을 원활하게 수행함으로써, 추가적인 냉매라인의 설치 비용을 절감할 수 있으며, 구조의 단순화를 이룰 수 있다.
열교환장치(141)의 후단에는 감압밸브(143)가 마련되어 열교환장치(141)를 통과한 증발가스를 감압하여 추가적으로 냉각 및 팽창시켜 증발가스를 재액화시킬 수 있다. 일 예로 감압밸브(143)는 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있다.
기액분리기(142)는 열교환장치(141) 및 감압밸브(143)를 통과하여 냉각 및 감압된 증발가스를 수용하여 냉각된 증발가스의 액체성분과 기체성분을 분리한다. 기액분리기(142)는 냉각되어 재액화된 증발가스의 액체성분은 후술하는 회수라인(145)에 의해 저장탱크(110)로 재공급하고, 재액화되지 않은 기체성분은 후술하는 재순환라인(147)에 의해 저장탱크(110) 또는 제2연료가스 공급라인(130)으로 공급한다. 이를 위해 회수라인(145)은 기액분리기(142)의 하측에 연결되어 마련될 수 있으며, 재순환라인(147)은 기액분리기(142)의 상측에 연결되어 마련될 수 있다.
회수라인(145)은 기액분리기(142)에 의해 분리된 증발가스의 액체성분을 저장탱크(110)로 재공급하도록 입구 측이 기액분리기(142)의 하측에 연결되어 마련되고, 출구 측이 저장탱크(110) 내부에 연결되어 마련될 수 있다. 회수라인(145)에는 저장탱크(110)로 회수되는 재액화된 증발가스의 공급량을 조절하는 개폐밸브(145c)가 마련될 수 있다.
회수라인(145)의 출구 측 단부에는 액체성분의 증발가스를 저장탱크(110) 내부의 증발가스와 용이하게 혼합될 수 있도록 증발가스 측으로 분사되는 적어도 하나의 분사 노즐(145a)이 마련될 수 있다. 또한 액체성분의 증발가스를 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스와 용이하게 혼합될 수 있도록 액화천연가스로 직접 주입시키는 주입관(145b)이 추가적으로 분기되어 마련될 수 있다.
전술한 바와 같이, 저장탱크(110)에서 자연적으로 발생하는 증발가스는 높은 메탄가를 갖게 되고, 이와는 반대로 액화천연가스는 메탄이 증발가스와 함께 증발되어 낮은 메탄가를 갖게 된다. 이에 따라 열교환장치(141) 및 감압밸브(143)를 이용하여 메탄가가 높은 증발가스의 일부를 냉각하여 재액화시키고, 액체성분의 증발가스를 회수라인(145)을 통해 저장탱크(110)의 내부로 회수하여 저장탱크(110) 내부의 증발가스 또는 액화천연가스와 혼합시킴으로써, 저장탱크(110) 내부의 증발가스의 메탄가와 액화천연가스의 메탄가를 조절할 수 있게 된다.
회수라인(145)의 분사 노즐(145a)을 통해 액체성분의 증발가스를 저장탱크(110) 내부의 증발가스와 혼합시켜줌으로써, 저장탱크(110) 내부의 증발가스의 저장량을 보충해주거나, 저장탱크(110) 내부의 증발가스를 재액화시켜 액화천연가스의 메탄가 상승을 유도할 수 있다. 이와 동시에, 회수라인(145)의 주입관(145b)을 통해 액체성분의 증발가스를 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스 측으로 직접 주입하여 혼합시켜줌으로써, 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스의 메탄가를 상승시켜줄 수 있다. 이와 같이 증발가스의 저장량 보충 및 액화천연가스의 메탄가 상승 유도를 통해 저장탱크(110)의 연료가스 메탄가를 적정 수준으로 조절하여, 만선항해와 공선항해 시 발생하는 연료가스의 메탄가 차이를 상쇄시키고, 공선항해 시 유발될 수 있는 연료가스 메탄가의 급격한 감소를 예방할 수 있게 된다.
재순환라인(147)은 기액분리기(142)에 의해 분리된 증발가스의 기체성분을 저장탱크(110) 또는 제2연료가스 공급라인(130)으로 재공급하도록 입구 측이 기액분리기(142) 상측에 연결되어 마련될 수 있다. 도 1에서는 재순환라인(147)이 기체성분의 증발가스를 기액분리기(142)로부터 제2연료가스 공급라인(130)으로 재공급하는 구성을 나타내는 것으로 도시되어 있으나, 이 외에도 재순환라인(147)은 기체성분의 증발가스를 기액분리기(142)로부터 저장탱크(110)로 재공급하거나 제2연료가스 공급라인(130) 및 저장탱크(110)로 함께 재공급하는 경우를 포함한다.
개폐밸브(144)는 제2연료가스 공급라인(130)을 통과하여 엔진으로 공급되는 증발가스의 공급량을 조절하도록 제2연료가스 공급라인(130)에 마련된다. 구체적으로 개폐밸브(144)는 제2연료가스 공급라인(130) 상의 재액화 조절라인(140)이 분기되는 지점 후단에 마련될 수 있다. 개폐밸브(144)는 작업자에 의해 수동적으로 작동되거나, 후술하는 제어부에 의해 자동적으로 개폐 작동되어 제2연료가스 공급라인(130) 및 재액화 조절라인(140)을 통과하는 증발가스의 흐름을 조절할 수 있다.
만선항해 시에는 저장탱크(110)의 증발가스 발생량이 증가함에 따라 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 조건 메탄가로 용이하게 맞출 수 있으며, 증발가스의 발생량이 풍부한 상태이다. 따라서 제1연료가스 공급라인(120)을 통해 액화천연가스를 엔진의 주요한 연료가스로 이용하되, 만선항해 시에는 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 연료가스를 공급하도록 개폐밸브(144)를 일부 개방하고 제2연료가스 공급라인(130)을 통과하는 높은 메탄가를 갖는 증발가스의 일부를 제1연료가스 공급라인(120)을 통과하는 액화천연가스와 함께 엔진에 공급한다. 이와 동시에 제2연료가스 공급라인(130)을 통과하는 증발가스의 일부를 재액화 조절라인(140) 상의 열교환장치(141), 감압밸브(143) 및 기액분리기(142)로 공급하여, 냉각된 증발가스의 액체성분을 저장탱크(110)로 회수한다. 이로써 저장탱크(110) 내부의 증발가스의 저장량을 보충함과 동시에, 증발가스 내부의 액화천연가스의 메탄가는 상승시켜줌으로써 공선항해 시의 연료가스 메탄가의 급격한 저하를 예방한다.
공선항해 시에는 저장탱크(110) 내부에 액화천연가스 수용량이 적은 상태이며 이에 따라 증발가스의 수용량 역시 적은 상태이다. 따라서 공선항해 시에는 개폐밸브(144)를 완전 개방하여 엔진으로 공급되는 증발가스의 공급량을 증가시킴으로써 엔진으로 공급되는 연료가스의 공급량을 보전해줌과 동시에, 만선항해 시부터 재액화 조절부에 의해 조절된 메탄가를 갖는 증발가스가 엔진에 공급됨으로써, 공선항해로 접어들면서 발생할 수 있는 연료가스의 메탄가 저하를 예방 및 상쇄시켜줄 수 있다.
가스 애널라이져(146)는 엔진으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하도록 마련된다. 가스 애널라이져(146)는 연료가스의 메탄 함유량을 분석할 수 있도록 메탄 검지기로 이루어질 수 있으며, 정확한 분석을 위해 엔진으로 공급되기 직전의 제1연료가스 공급라인(120)과 제2연료가스 공급라인(130)이 합류하는 지점의 후단에 마련될 수 있다. 가스 애널라이져(146)는 연료가스의 메탄가를 일정 주기로 또는 연속적으로 분석하여 메탄가 데이터를 선박의 탑승자 또는 제어부(미도시)로 송출할 수 있다.
제어부(미도시)는 개폐밸브(144)의 개폐 작동을 조절하도록 마련될 수 있다. 제어부는 가스 애널라이져(146)로부터 수신된 메탄가 데이터를 기 입력된 조건 메탄가와 비교한 후 개폐밸브(144)의 개폐 작동을 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부는 가스 애널라이져(146)로부터 수신된 메탄가 데이터가 기 입력된 조건 메탄가보다 큰 경우에는 개폐밸브(144)를 폐쇄하여, 제2연료가스 공급라인(130)을 통해 엔진으로 공급되는 증발가스의 공급량을 감소시킨다. 제1연료가스 공급라인(120)을 통해 엔진으로 공급되는 액화천연가스의 공급량은 일정하므로, 개폐밸브(144)를 폐쇄함으로써 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 연료가스의 메탄가를 낮추어 줄 수 있다. 이와 동시에, 재액화 조절부로 공급되는 증발가스의 공급량은 상대적으로 증가하여 재액화 조절부를 통과한 증발가스가 저장탱크(110) 내부의 증발가스 수용량을 보충해주거나, 저장탱크(110) 내 액화천연가스의 메탄가를 상승시켜줄 수 있다.
이와는 반대로, 제어부는 가스 애널라이져(146)로부터 수신된 메탄가 데이터가 기 입력된 조건 메탄가보다 작은 경우에는 개폐밸브(144)를 개방하여 엔진으로 공급되는 증발가스의 공급량을 증가시킨다. 제1연료가스 공급라인(120)을 통해 엔진으로 공급되는 액화천연가스의 공급량은 일정하므로, 개폐밸브(144)를 개방함으로써 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 연료가스의 메탄가를 상승시켜 줄 수 있다. 이와 동시에, 저장탱크(110)에 액화천연가스의 수용량이 적은 경우에는 제2연료가스 공급라인(130)을 통해 엔진으로 공급되는 증발가스의 공급량을 증가시킴으로써, 엔진으로 공급되는 연료가스의 공급량을 유지 및 보전할 수 있다.
제어부는 이외에도 압축부(131) 및 송출펌프(122) 등 각종 구성요소의 작동 등을 총괄적으로 제어하는 시스템으로 이루어질 수 있으며, 자동화시스템에 의해 엔진에 공급되는 연료가스의 공급량 및 메탄가를 종합적으로 분석 및 제어하도록 마련될 수도 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 조건 메탄가에 상응하는 수준으로 효과적으로 조절할 수 있는 효과를 가진다.
나아가, 증발가스의 효율적인 관리 및 처리를 수행할 수 있으며, 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 연료가스의 메탄가를 효과적으로 조절함에 따라 엔진의 효율을 향상시키고 엔진의 노킹, 피스톤의 마모 등 엔진에 가해지는 부하를 최소화하여 엔진의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
이상 실시 예에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일 예로서, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액화에탄가스, 액화탄화수소가스 등 다양한 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스가 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.
100: 연료가스 공급시스템 110: 저장탱크
120: 제1연료가스 공급라인 121: 기화기
122: 송출펌프 130: 제2연료가스 공급라인
131: 압축부 140: 재액화 조절라인
141: 열교환장치 141a: 제1열교환부
141b: 제2열교환부 142: 기액분리기
143: 감압밸브 144: 개폐밸브
145: 회수라인 146: 가스 애널라이져
147: 재순환라인 149: 조절 압축부

Claims (8)

  1. 액화가스 및 증발가스로 이루어지는 연료가스를 수용하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 액화가스를 엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인;
    상기 저장탱크의 증발가스를 가압하여 엔진으로 공급하는 제2연료가스 공급라인; 및
    상기 제2연료가스 공급라인에서 분기되고, 상기 가압된 증발가스의 일부를 재액화 과정을 통하여 상기 저장탱크로 공급하는 재액화 조절부를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재액화 조절부는
    상기 가압된 증발가스의 일부를 기 설정된 압력범위로 가압하는 조절 압축부를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상시 재액화 조절부는
    상기 제2연료가스 공급라인으로부터 분기되어 마련되는 재액화 조절라인과,
    상기 재액화 조절라인을 통과하는 증발가스를 열교환시키는 열교환장치와,
    상기 열교환장치를 통과한 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기, 및
    상기 증발가스의 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 회수라인을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열교환장치는
    상기 재액화 조절라인을 통과하는 증발가스와 상기 제2연료가스 공급라인을 통과하되 가압되기 전의 증발가스를 서로 열교환하는 제1열교환부 및
    상기 제1열교환부를 통과한 증발가스와 상기 제1연료가스 공급라인을 통과하는 액화가스를 서로 열교환하는 제2열교환부를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재액화 조절부는
    상기 재액화 조절라인 상의 상기 열교환장치의 후단에 마련되는 감압밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 회수라인의 출구 측 단부에는
    상기 저장탱크의 증발가스 측으로 액체성분의 증발가스를 분사하는 적어도 하나의 분사 노즐, 및
    상기 저장탱크의 액화가스 측으로 액체성분의 증발가스를 주입하는 주입관이 마련되는 연료가스 공급시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 재액화 조절부는
    상기 제2연료가스 공급라인 상의 상기 재액화 조절라인이 분기된 지점 이후에 마련되는 개폐밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 재액화 조절부는 상기 엔진으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 분석하는 가스 애널라이져를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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