KR20160096311A - 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템 및 이를 갖는 선박 - Google Patents

저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템 및 이를 갖는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 엘엔지를 저장한 저압 연료탱크 내에 설치된 부스터 펌프; 상기 부스터 펌프와 엔진을 연결하는 메인 라인에 차례로 설치된 고압펌프와, 주 기화기; 및 상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 초과이면 상기 저압 연료탱크 내 증발가스를 버퍼탱크에 저장하고, 상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 미만이면 상기 버퍼탱크 내 증발가스를 상기 저압 연료탱크로 공급하는 압력 보상 수단;을 포함하는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 제공한다.

Description

저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템 및 이를 갖는 선박{LNG FUEL SUPPLYING SYSTEM FOR IMO TYPE B FUEL TANK AND SHIP WITH THE SYSTEM}
본 발명은 엘엔지 연료 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IMO type B와 같은 저압 연료탱크에 저장된 엘엔지(LNG, Liquefied Natural Gas)를 엔진의 연료로 공급하기 위한 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 구비한 선박에 관한 것이다.
근래에 엘엔지(Liquefied Natural Gas)를 엔진의 연료로 공급하기 위한 엘엔지 연료 공급 시스템이 선박에 적용되고 있다. 엘엔지는 천연가스(Natural Gas)를 극저온(약 -163℃)으로 냉각시킨 것으로서, 천연가스 부피의 1/600에 해당하는 부피를 갖기 때문에 보관 및 운반에 매우 적합하다. 또한, 엘엔지는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있다. 따라서 엘엔지가 선박의 추진 장치인 엔진의 연료로 사용되는 사례가 증가하고 있다.
일반적으로 엘엔지 연료 공급 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 연료탱크(10)와, 엔진(20)과, 펌프 모듈(30)과, 열교환기(40)를 포함한다.
펌프 모듈(30)은 부스터 펌프(31)와, 고압 펌프(32)로 구성된다. 연료탱크(10)로부터 배출되는 엘엔지는 부스터 펌프(31)에서 수 바(bar)로 가압되고, 이후 고압 펌프(32)에서 엔진(20)의 요구 압력으로 재차 가압된다. 고압 펌프(32)로부터 토출된 엘엔지는 기화기(40)에서 천연가스로 기화되어 엔진(20)으로 공급된다.
이러한 엘엔지 연료 공급 시스템에서 연료탱크(10)의 내부 압력은 크게 변하게 된다. 즉, 연료탱크(10) 내에서는 엘엔지가 엔진(20)의 연료로 공급되어 감소하는 현상, 엘엔지가 증발하여 증발 가스(Boil Off Gas)로 되는 현상 등이 발생하게 되고, 이 때문에 연료탱크(10)의 내부 압력이 수시로 변하게 되는 것이다. 따라서 상기 연료탱크(10)로는 IMO type C에 해당하는 독립형 탱크가 주로 사용된다. IMO type C에 해당하는 독립형 탱크는 약 10 bar 정도의 압력도 견딜 수 있게 설계된 고압 탱크이므로, 내부 압력의 변화가 큰 엘엔지 연료탱크로 사용되기에 좋다.
그러나 IMO type C에 해당하는 독립형 탱크와 같은 고압 탱크는 구형 또는 원통형으로 이루어진다. 그리고 구형이나 원통형 탱크는 활용할 수 없는 공간을 초래하므로 공간 활용도를 낮추는 문제를 발생시킨다. 또한, 고압 탱크가 노화되면, 높은 내압으로 인한 leakage 초래, 이로 인한 높은 폭발 가능성 등과 같은 문제를 일으킨다.
본 발명은 종래의 고압 탱크 대신에 IMO type B에 해당하는 독립형 탱크와 같은 저압 탱크를 엘엔지 연료탱크로 사용함으로써 위와 같은 문제들을 해결하는 엘엔지 연료 공급 시스템을 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 상기 엘엔지 연로 공급 시스템을 갖는 선박을 제공하고자 한다.
본 발명은, 엘엔지를 저장한 저압 연료탱크 내에 설치된 부스터 펌프; 상기 부스터 펌프와 엔진을 연결하는 메인 라인에 차례로 설치된 고압펌프와, 주 기화기; 및 상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 초과이면 상기 저압 연료탱크 내 증발가스를 버퍼탱크에 저장하고, 상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 미만이면 상기 버퍼탱크 내 증발가스를 상기 저압 연료탱크로 공급하는 압력 보상 수단;을 포함하는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 제공한다.
상기 압력 보상 수단은, 상기 저압 연료탱크 내부의 증발가스를 상기 버퍼탱크로 공급하기 위한 컴프레서; 상기 버퍼탱크 내 증발가스가 상기 저압 연료탱크로 이동하는 것을 허용하거나 차단하는 밸브; 상기 저압 연료탱크의 내압을 감지하는 압력 센서; 및 상기 압력 센서가 감지한 압력이 기준치 초과이면 상기 컴프레서를 작동시키면서 상기 밸브를 닫고, 기준치 미만이면 상기 밸브를 열면서 상기 컴프레서를 정지시키는 제어기;를 포함한다.
상기 메인 라인에는 상기 고압펌프와 상기 주 기화기 사이에 위치하도록 보조 기화기가 설치되고, 상기 컴프레서로부터 토출된 증발가스는 상기 보조 기화기를 통과하는 엘엔지를 기화시킨 후 상기 버퍼탱크로 유입된다.
상기 버퍼탱크와 저압 연료탱크는 상기 버퍼탱크 내 증발가스의 액화로 인해 생긴 엘엔지를 상기 저압 연료탱크로 회귀시키기 위한 엘엔지 회귀 라인으로 연결된다.
상기 메인 라인에는 상기 고압펌프로 공급되는 엘엔지로부터 증발가스를 분리하는 세퍼레이터가 설치되고, 상기 세퍼레이터에 의해 분리된 증발가스는 상기 컴프레서의 작동시 상기 버퍼탱크로 공급된다.
본 발명은 상기 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 갖는 선박을 제공한다.
본 발명에 의하면, 저압 연료탱크의 높은 내압을 낮추기 위해 상기 저압 연료탱크로부터 배출된 증발가스가 상기 저압 연료탱크의 낮은 내압을 보상할 때 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 고압펌프로 유입되는 엘엔지로부터 분리된 증발가스도 상기 저압 연료탱크의 낮은 내압을 보상할 때 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 저압 연료탱크의 높은 내압을 낮추기 위해 상기 저압 연료탱크로부터 배출된 증발가스가 메인 라인의 보조 기화기에서 엘엔지를 1차로 기화시키기 때문에 주 기화기에서 엘엔지를 기화시키는 글리콜 워터에 가해야 할 열량이 절약된다.
또한, 본 발명에 의하면, 저압 연료탱크의 높은 내압을 낮추기 위해 상기 저압 연료탱크로부터 배출된 증발가스가 상기 보조 기화기에서 열을 빼앗긴 후 버퍼탱크 내 높은 압력 환경에 노출되기 때문에 상기 버퍼탱크 내에서 엘엔지로 재액화될 수 있다. 그리고 재액화된 엘엔지는 저압 연료탱크로 회귀할 수 있다.
도 1은 일반적인 엘엔지 연료 공급 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템 및 이를 갖는 선박의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
<제1실시예>
본 발명의 제1실시예에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(100)은 저압 연료탱크(110)의 엘엔지(LNG)를 엔진(800)의 연료로 공급하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 부스터 펌프(200)와, 고압펌프(400)와, 주 기화기(500)와, 압력 보상 수단을 포함한다.
상기 부스터 펌프(200)는 저압 연료탱크(110) 내 엘엔지를 저압 펌핑하기 위한 것으로서, 저압 연료탱크(110)의 바닥에 설치된다. 이러한 부스터 펌프(200)는 메인 라인(10)을 통해 엔진(800)과 연결되어 있다. 상기 고압펌프(400)는 부스터 펌프(200)로부터 토출된 엘엔지를 고압으로 가압하여 기화기(140)로 토출하기 위한 것으로서, 메인 라인(10)에 장착된다. 상기 주 기화기(500)는 열교환을 통해 엘엔지를 엔지(NG)로 기화시키는 장치로서, 메인 라인(10)에 장착된다. 상기 주 기화기(500)에서 엘엔지와 열교환을 하는 작동 유체로는 글리콜 워터가 사용된다. 주 기화기(500)로부터 유출된 엔지는 엔진(800)으로 공급되어 연료로 사용된다.
상기 저압 연료탱크(110)로는 IMO type B에 해당하는 독립형 탱크가 사용된다. 이러한 저압 연료탱크(110)는 IMO type C에 해당하는 고압 연료탱크와 달리 각형으로 이루어지므로, 선박 내 좁은 공간에 효율적으로 설치될 수 있다. 또한, 상기 저압 연료탱크(110)에서는 고압 연료탱크에서와 달리 내압이 낮기 때문에 상대적으로 leakage 발생 가능성 및 폭발 가능성이 작다.
그러나 이러한 저압 연료탱크(110)는 내압에 대한 강성이 고압 연료탱크보다 낮다. 따라서 저압 연료탱크(110)의 내압과 대기압 간 차이가 크면 저압 연료탱크(110)가 파손될 우려가 있고, 이를 방지하기 위해 상기 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(100)은 압력 보상 수단을 갖는다.
상기 압력 보상 수단은 저압 연료탱크(110)의 내압이 미리 설정된 기준치(하한과 상한을 갖는 범위로 주어짐) 초과이면 저압 연료탱크(110) 내 증발가스(BOG)를 버퍼탱크(620)에 저장한다. 그리고 저압 연료탱크(110)의 내압이 상기 기준치 미만이면 버퍼탱크(620) 내 증발가스를 저압 연료탱크(110)로 공급한다. 이러한 압력 보상 수단이 마련되면, 저압 연료탱크(110)의 높은 내압을 낮추기 위해 저압 연료탱크(110)로부터 빼낸 증발가스가 저압 연료탱크(110)의 낮은 내압을 보상할 때 사용될 수 있는 장점이 발생하게 된다. 이하, 압력 보상 수단을 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.
상기 압력 보상 수단은 증발가스 순환 라인(660)에 장착된 컴프레서(610) 및 밸브(630)를 포함한다. 또한, 압력 보상 수단은 저압 연료탱크(110) 내에 설치된 압력 센서(미도시)를 포함하고, 상기 압력 센서의 출력에 따라 상기 컴프레서(610) 및 밸브(630)를 제어하는 제어기(630)도 포함한다.
상기 증발가스 순환 라인(660)은 배기 라인(20)으로부터 분기하여 연장하다가 버퍼탱크(620)를 거친 후, 다시 배기 라인(20)과 합지한다. 이때, 증발가스 순환 라인(660)의 분기점은 합지점보다 저압 연료탱크(110)에 더 가깝게 위치한다.
상기 컴프레서(610)는 상기 분기점과 버퍼탱크(620) 사이에 위치하도록 증발가스 순환 라인(660)에 장착된다. 따라서 밸브(630)가 닫힌 상태에서 컴프레서(610)가 작동하면, 저압 연료탱크(110) 내 증발가스는 배기 라인(20)을 거쳐 증발가스 순환 라인(660)을 따라 이동하다가 버퍼탱크(620)에 압축 상태로 저장된다.
상기 밸브(630)는 상기 버퍼탱크(620)와 상기 합지점 사이에 위치하도록 증발가스 순환 라인(660)에 장착된다. 따라서 컴프레서(610)가 정지한 상태에서 상기 밸브(630)가 열리면, 버퍼탱크(620) 내 증발가스는 증발가스 순환 라인(660)을 거쳐 배기 라인(20)을 따라 이동하다가 저압 연료탱크(110)로 이동한다(버퍼탱크(620)의 내압이 저압 연료탱크(110)의 내압보다 높기 때문). 이때, 배기 라인(20)의 단부는 당연히 밀폐될 것이다.
상기 압력 센서(미도시)는 저압 연료탱크(110)의 내부에 설치되어, 저압 연료탱크(110)의 내압을 감지한다. 압력 센서가 감지한 압력은 저압 연료탱크(110)의 외부에 설치된 압력 게이지(640)로 전송된다. 그러면 압력 게이지(640)는 수신한 압력을 시각적으로 표시하고, 제어기(650)로 전송한다.
상기 제어기(650)는 압력 게이지(640)로부터 수신한 압력값(저압 연료탱크(110)의 내압)과 상기 기준치를 비교한다. 그리고 상기 압력값이 기준치 초과이면 제어기(650)는 컴프레서(610)를 작동시키면서 밸브(630)를 닫는다. 그러면, 저압 연료탱크(110)로부터 버퍼탱크(620)로 증발가스가 이동하고, 이 때문에 저압 연료탱크(110)의 내압은 기준치로 낮아지고 버퍼탱크(620)의 내압은 높아지게 된다. 반면, 상기 압력값이 기준치 미만이면 제어기(650)는 밸브(630)를 열면서 컴프레서(610)를 정지시킨다. 그러면, 버퍼탱크(620)와 저압 연료탱크(110)의 내압 차이로 인해 버퍼탱크(620)의 증발가스는 저압 연료탱크(110)로 이동하고, 이 때문에 저압 연료탱크(110)의 내압은 기준치로 상승하고 버퍼탱크(620)의 내압은 낮아지게 된다. 한편, 상기 압력값과 기준치가 같으면 제어기(650)는 컴프레서(610)를 정지시키고 밸브(630)를 닫는다.
이상과 같은 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(100)에서는 증발가스가 엘엔지와 함께 고압펌프(610)로 유입될 수 있는데, 그러면 고압펌프(610)의 성능저하 내지 고장이 초래될 수 있다. 이에 상기 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(100)은 세퍼레이터(300)를 포함하는 것이 좋다.
상기 세퍼레이터(300)는 고압펌프(400) 이전에 위치하도록 메인 라인(10)에 설치되어, 고압펌프(400)로 유입되는 엘엔지로부터 증발가스를 분리한다. 그리고 세퍼레이터(300)의 증발가스 유출단은 증발가스 순환 라인(660)의 부위 중 상기 분기점과 컴프레서(610) 사이의 부위에 연결된다. 이러한 경우, 세퍼레이터(300)에서 분리된 증발가스가 컴프레서(610)의 작동시 버퍼탱크(620)에 저장되었다가, 상기 밸브(630)가 열리면 저압 연료탱크(110)의 압력 보상에 사용될 수 있다.
<제2실시예>
본 발명의 제2실시예에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(1000)은 제1실시예에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(100)의 모든 구성을 포함하고, 보조 기화기(510) 및 엘엔지 회귀 라인(670)을 더 포함한다. 이하, 본 실시예에 따른 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템(1000)을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 3에 도시된 구성요소들 중 제1실시예의 구성요소들과 동일한 것들에는 도 2의 도면부호를 그대로 인용하였다.
상기 보조 기화기(510)는 고압펌프(400)와 주 기화기(500) 사이에 위치하도록 메인 라인(10)에 설치된다. 그리고 컴프레서(610)로부터 연장하는 증발가스 순환 라인(660)은 보조 기화기(510)를 거친 후 버퍼탱크(620)까지 연장한다. 따라서 컴프레서(610)로부터 토출된 증발가스는 보조 기화기(510)를 거치면서 메인 라인(10)의 엘엔지를 기화시킨 후 버퍼탱크(620)로 유입된다.
이러한 보조 기화기(510)가 마련되면, 고압펌프(400)로부터 토출된 엘엔지가 보조 기화기(510)에서 1차로 기화된 후 주 기화기(500)에서 2차로 기화된다. 따라서 주 기화기(500)를 거치면서 메인 라인(10)의 엘엔지를 기화시키는 글리콜 워터에 가해져야 할 열량이 절약될 수 있다.
한편, 컴프레서(610)로부터 토출된 증발가스는 보조 기화기(510)를 거치면서 메인 라인(10)의 엘엔지에 열을 빼앗기고, 그 이후 버퍼탱크(620)로 유입된다. 이때, 버퍼탱크(620)에서는 높은 내압으로 인해 증발가스 중 일부가 엘엔지로 재액화하는 현상이 발생하게 되는데, 상기 엘엔지 회귀 라인(670)은 이 재액화 엘엔지를 저압 연료탱크(110)로 안내하기 위한 것이다.
상기 엘엔지 회귀 라인(670)은 버퍼탱크(620)로부터 저압 연료탱크(110)까지 연장한다. 버퍼탱크(620) 내에서 재액화된 엘엔지는 버퍼탱크(620)의 내압과 저압 연료탱크(110) 간 내압 차이로 인해 버퍼탱크(620)로부터 엘엔지 회귀 라인(670)을 따라 저압 연료탱크(110)로 회귀한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100, 1000 : 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템
110 : 저압 연료탱크 200 : 부스터 펌프
300 : 세퍼레이터 400 : 고압펌프
500 : 주 기화기 510 : 보조 기화기
610 : 컴프레서 620 : 버퍼탱크
630 : 밸브 640 : 압력 게이지
650 : 제어기 660 : 증발가스 순환 라인
670 : 엘엔지 회귀 라인 800 : 엔진
10 : 메인 라인 20 : 배기 라인

Claims (6)

  1. 엘엔지를 저장한 저압 연료탱크 내에 설치된 부스터 펌프;
    상기 부스터 펌프와 엔진을 연결하는 메인 라인에 차례로 설치된 고압펌프와, 주 기화기; 및
    상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 초과이면 상기 저압 연료탱크 내 증발가스를 버퍼탱크에 저장하고, 상기 저압 연료탱크의 내압이 기준치 미만이면 상기 버퍼탱크 내 증발가스를 상기 저압 연료탱크로 공급하는 압력 보상 수단;을 포함하는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 보상 수단은,
    상기 저압 연료탱크 내부의 증발가스를 상기 버퍼탱크로 공급하기 위한 컴프레서;
    상기 버퍼탱크 내 증발가스가 상기 저압 연료탱크로 이동하는 것을 허용하거나 차단하는 밸브;
    상기 저압 연료탱크의 내압을 감지하는 압력 센서; 및
    상기 압력 센서가 감지한 압력이 기준치 초과이면 상기 컴프레서를 작동시키면서 상기 밸브를 닫고, 기준치 미만이면 상기 밸브를 열면서 상기 컴프레서를 정지시키는 제어기;를 포함하는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인 라인에는 상기 고압펌프와 상기 주 기화기 사이에 위치하도록 보조 기화기가 설치되고, 상기 컴프레서로부터 토출된 증발가스는 상기 보조 기화기를 통과하는 엘엔지를 기화시킨 후 상기 버퍼탱크로 유입되는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버퍼탱크와 저압 연료탱크는 상기 버퍼탱크 내 증발가스의 액화로 인해 생긴 엘엔지를 상기 저압 연료탱크로 회귀시키기 위한 엘엔지 회귀 라인으로 연결된 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 메인 라인에는 상기 고압펌프로 공급되는 엘엔지로부터 증발가스를 분리하는 세퍼레이터가 설치되고, 상기 세퍼레이터에 의해 분리된 증발가스는 상기 컴프레서의 작동시 상기 버퍼탱크로 공급되는 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 저압 연료탱크용 엘엔지 연료 공급 시스템을 갖는 선박.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112596553A (zh) * 2020-11-13 2021-04-02 河南晶锐冷却技术股份有限公司 一种用于海上柔性直流输电的阀冷氮气稳压系统
EP4056460A4 (en) * 2019-12-27 2023-01-25 Mitsubishi Shipbuilding Co., Ltd. CARGO TANK UNIT AND SHIP

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