KR20160136825A - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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강호숙
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이원두
이효은
한준희
황예림
윤호병
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Abstract

연료가스 공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 고압압축부; 고압압축부를 통과한 고압으로 압축된 증발가스가 통과하고, 팽창기와 압축기를 포함하는 컴팬더; 컴팬더의 팽창기에 의해 팽창된 증발가스를 액화시키는 열교환부; 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기; 및 기체 성분을 상대적으로 고농도의 질소를 함유하는 제1가스와, 저농도의 질소를 함유하는 제2가스로 분리시키는 여과기;를 포함한다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 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 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변화되어 저장 및 운반되고 있다.
액화가스를 운반하는 선박은 액화가스를 저장할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크를 구비한다. 또, 이러한 선박은 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스(Boiled Off Gas) 또는 저장탱크의 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로 공급하는 연료가스 공급시스템을 마련할 수 있다. 선박의 엔진에는 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진, ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~400bar)의 분사엔진 및 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 이용될 수 있다.
상술한 연료가스 공급시스템은 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 고압압축부에 의해 압축시켜 ME-GI 엔진의 연료로 공급할 수 있다. 이때, 해당 엔진이 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 증발가스가 공급된 경우, 잉여분의 증발가스는 열교환부에 의해 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 열교환되어 액화된 후, 기액분리기로 공급된다. 기액분리기는 열교환이 수행된 잉여분의 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리한다. 기액분리기에 의해 분리된 액체 성분은 저장탱크에 저장되고, 기체 성분은 저장탱크로부터 공급된 증발가스와 혼합된 후 다시 순환된다.
그러나, 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분에는 질소 성분이 다량 함유되어 있어 고압압축부의 처리 용량 및 그에 따른 에너지 소비를 증가시킬 수 있고, 열교환부의 액화 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 이와 관련된 기술로서 한국공개특허 제10-2014-0052898호(2014.05.07. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2014-0052898호(2014.05.07. 공개)
본 발명의 실시 예는 운용 및 액화 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 공급된 상기 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 고압압축부; 상기 고압압축부를 통과한 고압으로 압축된 상기 증발가스가 통과하고, 팽창기와 압축기를 포함하는 컴팬더; 상기 컴팬더의 팽창기에 의해 팽창된 상기 증발가스를 액화시키는 열교환부; 상기 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기; 및 상기 기체 성분을 상대적으로 고농도의 질소를 함유하는 제1가스와, 저농도의 질소를 함유하는 제2가스로 분리시키는 여과기;를 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 기액분리기에서 분리된 상기 기체 성분은 상기 여과기에 도달하기 전에 상기 컴팬더의 상기 압축기에 의해 압축될 수 있다.
상기 기체 성분은 상기 컴팬더의 압축기에 의해 압축되되 상기 제1엔진과 다른 제2엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축될 수 있다.
상기 압축기는 상기 팽창기에서 팽창되는 상기 증발가스의 압력에 의해 구동될 수 있다.
상기 제1가스는 상기 제2엔진으로 공급될 수 있다.
상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 상기 열교환부 및 상기 고압압축부를 거쳐 상기 제1엔진으로 공급하는 제1연료공급라인과, 상기 제1연료공급라인의 상기 고압압축부 후단으로부터 분기되어 상기 컴팬더의 팽창기, 상기 열교환부 및 상기 기액분리기를 연결하는 재액화라인과, 상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 컴팬더의 압축기를 거쳐 상기 여과기로 공급하는 연결라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1가스를 제2엔진으로 공급하는 제2연료공급라인과, 상기 제2가스를 상기 열교환부를 거쳐 상기 제1연료공급라인의 상기 고압압축부 전단으로 공급하거나, 상기 열교환부 전단으로 공급하는 합류라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제2엔진이 필요로 하는 연료 소모량에 따라 상기 제2엔진으로 압축된 증발가스가 추가로 공급되도록, 상기 제1연료공급라인의 상기 고압압축부 후단과 상기 제2연료공급라인을 연결하는 보충라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제2엔진이 필요로 하는 연료 소모량을 제외한 잉여분의 상기 제1가스를 공급하도록, 상기 제2연료공급라인으로부터 분기되어 상기 합류라인에 연결된 분기라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 운용 및 액화 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1의 연료가스 공급시스템에서 합류라인이 제1연료공급라인의 열교환부 전단에 연결되는 다른 예를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1의 연료가스 공급시스템에 여과기에 의해 분리된 질소 성분의 양이 엔진이 필요로 하는 양보다 많은 경우 잉여분의 질소 성분을 합류라인으로 공급하는 구성이 추가된 예를 나타낸 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.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템(100)은 엔진으로 연료가스를 공급하며, 각종 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 선박에 적용될 수 있다.
구체적으로 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(101)와, 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스를 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 고압압축부(110)와, 고압압축부(110)에 의해 압축된 증발가스를 팽창시키는 팽창기(121)와 기액분리기(140)로부터 기체 성분을 공급받아 압축시키는 압축기(122)를 포함하는 컴팬더(120, Compander)와, 팽창기(121)에 의해 팽창된 압축된 증발가스를 액화시키는 열교환부(130)와, 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기(140)와, 압축기(122)에 의해 압축된 상술한 분리된 기체 성분을 상대적으로 고농도의 질소를 함유하는 제1가스와, 저농도의 질소를 함유하는 제2가스로 분리시키는 여과기(150)를 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스를 열교환부(130) 및 고압압축부(110)를 거쳐 제1엔진(E1)으로 공급하는 제1연료공급라인(L1)과, 압축된 증발가스를 공급하기 위해, 제1연료공급라인(L1)의 고압압축부(110) 후단으로부터 분기되어 팽창기(121), 열교환부(130) 및 기액분리기(140)를 연결하는 재액화라인(L2)과, 기액분리기(140)로부터 공급된 기체 성분을 압축기(122)를 거쳐 여과기(150)로 공급하는 연결라인(L3)을 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 여과기(150)에 의해 분리된 제1가스를 제2엔진(E2)으로 공급하는 제2연료공급라인(L4)과, 여과기(150)에 의해 분리된 제2가스를 열교환부(130)를 거쳐 제1연료공급라인(L1)의 고압압축부(110) 전단으로 공급하는 합류라인(L5)을 포함한다.
저장탱크(101)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(101)에 저장된 액화가스는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), DME(Dimethylether), 에탄(Ethane) 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 이하 LNG를 예로 설명한다.
저장탱크(101) 내부압력은 저장하는 액화가스가 LNG일 경우 1bar로 유지되거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지될 수 있다. 저장탱크(101) 내부온도는 LNG의 액화상태 유지를 위해 ―163℃도 정도로 유지될 수 있다. 저장탱크(101)에 저장된 액화가스의 증발가스는 제1연료공급라인(L1)을 통해 열교환부(130)를 거쳐 고압압축부(110)로 공급된다.
고압압축부(110)는 도시하지는 않았으나 교대로 배치된 복수의 압축기와 냉각기를 포함하도록 구성될 수 있으며, 저장탱크(101)로부터 공급된 액화가스의 증발가스를 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 압축시킨다. 제1엔진(E1)은 예컨대 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압가스 분사엔진일 수 있다. 제1엔진(E1)에서 필요로 하는 연료 소모량보다 많은 압축된 증발가스가 공급된 경우, 잉여분의 압축된 증발가스는 재액화라인(L2)으로 흘러 들어간다.
컴팬더(120)는 팽창기(121)와 압축기(122)로 구성되고, 팽창기(121)에서 팽창되는 증발가스의 압력에 의해 압축기(122)가 구동될 수 있다.
열교환부(130)는 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스, 재액화라인(L2)을 통해 컴팬더(120)의 팽창기(121)를 거친 압축된 증발가스, 및 연결라인(L3)을 통해 컴팬더(120)의 압축기(122) 및 여과기(150)를 거친 기액분리기(140)의 기체 성분 간 열교환이 수행되도록 한다. 예컨대 컴팬더(120)의 팽창기(121)를 거친 압축된 증발가스는 저장탱크(101)로부터 공급된 증발가스 및 연결라인(L3)을 통해 공급된 상술한 기체 성분 중 하나 이상과 열교환을 수행하여 액화될 수 있다.
기액분리기(140)에 의해 분리된 액체 성분은 회수라인(L6)을 통해 저장탱크(101)에 저장될 수 있으며, 기액분리기(140)에 의해 분리된 기체 성분(플래시 가스)은 연결라인(L3)을 통해 컴팬더(120)의 압축기(122)를 거쳐 여과기(150)로 공급된다. 이때, 기체 성분은 질소를 다량 함유하고 있다.
여과기(150)는 예컨대 멤브레인 필터를 포함할 수 있다. 멤브레인 필터는 질소 성분과의 친화도가 높은 물질을 구비한다. 컴팬더(120)의 압축기(122)에 의해 가압된 상태에서 멤브레인 필터를 거치는 기액분리기(140)의 기체 성분은 제1가스와 제2가스 성분으로 분리될 수 있다. 여기서, 제1가스는 상대적으로 고농도의 질소를 함유하고 있고, 제2가스는 그에 비해 저농도의 질소를 함유하고 있다. 여과기(150)에 의해 분리된 제1가스는 제2연료공급라인(L4)을 통해 제2엔진(E2)으로 공급된다. 제2엔진(E2)은 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진일 수 있다.
여과기(150)에 의해 분리된 제2가스는 합류라인(L5)을 통해 열교환부(130)를 거쳐 제1연료공급라인(L1)의 고압압축부(110) 전단으로 공급된다. 합류라인(L5)을 통해 열교환부(130)로 공급된 상술한 제2가스에는 질소 함유량이 적으므로, 열교환부(130)의 액화 효율이 향상될 수 있다.
다른 예로서, 도 2를 참조하면, 도 1에서 상술한 합류라인(L5)은 여과기(150)에 의해 분리된 제2가스를 열교환부(130) 전단으로 공급할 수도 있다. 열교환부(130) 전단으로 공급된 제2가스에는 질소 함유량이 적으므로, 열교환부(130)의 액화 효율이 향상될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제2연료공급라인(L4)에는 제2엔진(E2)으로 공급되는 유체의 압력 또는 유량을 측정하는 측정부(160) 및 측정부(160)에 의해 측정된 값을 기초로 제2엔진(E2)이 필요로 하는 연료 소모량에 따라 보충라인(L11)을 통해 제2엔진(E2)으로 압축된 증발가스를 추가로 공급시키는 제어부(170)가 마련될 수 있다. 보충라인(L11)은 제1연료공급라인(L1)의 고압압축부(110) 후단과 제2연료공급라인(L4)을 연결한다.
예컨대 제2엔진(E2)의 부하량이 커질수록 제2엔진(E2)이 필요로 하는 연료 소모량은 늘어난다. 이때, 제2엔진(E2)이 제2연료공급라인(L4)을 통해 공급되는 유체를 많이 끌어다 쓰는 경우, 제2엔진(E2)으로 공급되는 유체의 압력은 측정부(160)에 의해 낮게 측정된다. 이 경우, 제어부(170)는 측정된 값이 기준치보다 작은 경우, 제1밸브(V1)를 개방시키고, 보충라인(L11)을 통해 제2엔진(E2)으로 압축된 증발가스를 추가로 공급할 수 있다. 이때, 보충라인(L11)에 마련된 감압밸브(180)에 의해 제2엔진(E2)의 연료가스 공급조건에 맞게 증발가스의 압력이 감압될 수 있다.
다른 방법으로 측정부(160)는 제2엔진(E2)으로 공급되는 유량을 측정하고, 제어부(170)는 측정된 유량이 제2엔진(E2)이 필요로 하는 연료 소모량보다 적은 경우, 제1밸브(V1)를 개방시키고, 보충라인(L11)을 통해 제2엔진(E2)으로 압축된 증발가스를 추가로 공급할 수 있다.
또, 제어부(170)는 측정부(160)에 의해 측정된 값을 기초로, 제2밸브(V2)를 개방시켜 제2엔진(E2)이 필요로 하는 연료 소모량을 제외한 잉여분의 제2가스를 분기라인(L12)을 통해 합류라인(L5)으로 공급할 수 있다. 이를 위해 분기라인(L12)은 제2연료공급라인(L4)으로부터 분기되어 합류라인(L5)에 연결된다. 제2연료공급라인(L4)으로부터 분기되는 지점은 보충라인(L11)과 제2연료공급라인(L4)의 연결 지점 전단일 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 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.
101: 저장탱크 110: 고압압축부
120: 컴팬더 130: 열교환부
140: 기액분리기 150: 여과기
160: 측정부 170: 제어부
180: 감압밸브 L1: 제1연료공급라인
L2: 재액화라인 L3: 연결라인
L4: 제2연료공급라인 L5: 합류라인
L11: 보충라인 L12: 분기라인

Claims (9)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 공급된 상기 증발가스를 제1엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축하는 고압압축부;
    상기 고압압축부를 통과한 고압으로 압축된 상기 증발가스가 통과하고, 팽창기와 압축기를 포함하는 컴팬더;
    상기 컴팬더의 팽창기에 의해 팽창된 상기 증발가스를 액화시키는 열교환부;
    상기 액화된 증발가스를 기체 및 액체 성분으로 분리시키는 기액분리기; 및상기 기체 성분을 상대적으로 고농도의 질소를 함유하는 제1가스와, 저농도의 질소를 함유하는 제2가스로 분리시키는 여과기;를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 분리된 상기 기체 성분은,
    상기 여과기에 도달하기 전에 상기 컴팬더의 상기 압축기에 의해 압축되는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기체 성분은 상기 컴팬더의 압축기에 의해 압축되되,
    상기 제1엔진과 다른 제2엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 압축되는 연료가스 공급시스템.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 팽창기에서 팽창되는 상기 증발가스의 압력에 의해 구동되는 연료가스 공급시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1가스는 상기 제2엔진으로 공급되는 연료가스 공급시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 상기 열교환부 및 상기 고압압축부를 거쳐 상기 제1엔진으로 공급하는 제1연료공급라인과,
    상기 제1연료공급라인의 상기 고압압축부 후단으로부터 분기되어 상기 컴팬더의 팽창기, 상기 열교환부 및 상기 기액분리기를 연결하는 재액화라인과,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 성분을 상기 컴팬더의 압축기를 거쳐 상기 여과기로 공급하는 연결라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1가스를 제2엔진으로 공급하는 제2연료공급라인과,
    상기 제2가스를 상기 열교환부를 거쳐 상기 제1연료공급라인의 상기 고압압축부 전단으로 공급하거나, 상기 열교환부 전단으로 공급하는 합류라인을 더 연료가스 공급시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2엔진이 필요로 하는 연료 소모량에 따라 상기 제2엔진으로 압축된 증발가스가 추가로 공급되도록, 상기 제1연료공급라인의 상기 고압압축부 후단과 상기 제2연료공급라인을 연결하는 보충라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2엔진이 필요로 하는 연료 소모량을 제외한 잉여분의 상기 제1가스를 공급하도록, 상기 제2연료공급라인으로부터 분기되어 상기 합류라인에 연결된 분기라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200050481A (ko) * 2018-10-31 2020-05-12 삼성중공업 주식회사 선박의 연료가스 관리시스템

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