KR20160145321A - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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KR20160145321A
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이효은
강호숙
박수율
이원두
이종철
한준희
황예림
윤호병
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 증발가스를 수용하는 저장탱크, 저장탱크의 증발가스를 가압하는 압축부를 구비하고 압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인 및 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인을 포함하고, 재액화라인은 가압된 증발가스의 일부를 1차적으로 감압시키는 제1팽창밸브와, 제1팽창밸브를 통과하여 감압된 증발가스를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기 및 제1가스흐름을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인을 포함하여 제공될 수 있다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLYING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모할 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.
천연가스(Natural Gas)는 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 상 변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송된다. 그러나 액화천연가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 증발가스가 저장탱크의 내부에 축적되게 된다. 증발가스는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 증발가스를 처리 및 제거할 필요가 있다.
이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 증발가스를 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 증발가스를 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하므로 증발가스를 액화천연가스와 함께 또는 각각 선박의 엔진에 연료가스로 공급하거나, 냉동 사이클 등으로 이루어지는 재액화장치를 이용해 증발가스를 재액화시켜 활용하는 방안이 이용되고 있다.
한편 천연가스는 메탄(Methane) 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane), 질소(Nitrogen) 등을 포함하는 혼합물이다. 이 중에서 질소의 끓는 점은 섭씨 약 -195.8도로서, 그 외의 성분인 메탄(끓는 점 섭씨 -161.5도), 에탄(끓는 점 섭씨 -89도) 등에 비해 매우 낮다.
이로 인해 저장탱크 내부에서 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스는 상대적으로 끓는 점이 낮은 질소성분을 많이 함유하게 되고, 이는 증발가스의 재액화 효율을 저하시키는 원인이 되어 증발가스의 활용 및 처리에 영향을 미치게 된다.
또한 증발가스를 선박의 엔진 등에 연료가스로 공급하는 경우에는 증발가스의 질소성분이 연료가스의 발열량 저하에 영향을 미치는 바, 증발가스의 재액화 효율 및 연료가스 발열량을 향상시키되, 연료가스의 효율적인 인용 및 관리를 도모할 수 있는 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)
본 발명의 실시 예는 증발가스의 재액화 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 연료가스를 효율적으로 이용 및 관리할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 증발가스에 함유된 질소성분을 효율적으로 이용 및 소모할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 엔진에 공급되는 연료가스의 발열량을 효과적으로 조절 및 유지할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 증발가스를 수용하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 증발가스를 가압하는 압축부를 구비하고 상기 압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인 및 상기 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인을 포함하고, 상기 재액화라인은 상기 가압된 증발가스의 일부를 1차적으로 감압시키는 제1팽창밸브와, 상기 제1팽창밸브를 통과하여 감압된 증발가스를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기 및 상기 제1가스흐름을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인을 포함하여 제공될 수 있다.
상기 질소분리기는 멤브레인 필터를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 제2가스흐름을 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부를 통과하여 냉각된 제2가스흐름을 2차적으로 감압시키는 제2팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브를 통과하여 기액 혼합상태의 증발가스를 기체 성분과 액체 성분으로 분리하는 기액분리기를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 질소소모라인은 상기 제1가스흐름을 상기 제2엔진이 요구하는 연료가스 압력조건에 상응하는 수준으로 감압시켜주는 감압장치 및 상기 제2엔진이 요구하는 연료가스 온도조건에 상응하는 수준으로 승온시켜주는 히터를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 기액분리기에서 분리된 액체 성분을 상기 저장탱크로 공급하는 액화가스 회수라인 및 상기 기액분리기에서 분리된 기체 성분을 상기 저장탱크 또는 상기 제1연료가스 공급라인 상의 상기 압축부 전단으로 공급하는 증발가스 회수라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 압축부의 중단부로부터 분기되어 상기 압축부에 의해 일부 가압된 증발가스를 제2엔진 또는 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 제2연료가스 공급라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 질소소모라인을 따라 이송되는 상기 제1가스흐름의 일부를 상기 냉각부 전단의 상기 제2가스흐름 측으로 순환시키는 유량조절라인 및 상기 유량조절라인에 마련되는 유량조절밸브를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정 및 조절하는 발열량 조절부를 더 포함하고, 상기 발열량 조절부는 상기 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정하는 발열량 측정기 및 상기 제2연료가스 공급라인과 상기 질소소모라인에 각각 마련되는 유량조절밸브를 포함하고, 각각의 상기 유량조절밸브는 상기 발열량 측정기에 의해 측정된 연료가스의 발열량 정보에 따라 제어되도록 마련될 수 있다.
상기 냉각부는 가압된 증발가스를 상기 압축부 전단의 증발가스와 열교환하는 열교환기를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 제1농도의 질소성분은 상기 제2농도의 질소성분보다 고농도로 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 증발가스의 재액화 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 증발가스의 함유된 질소성분을 효율적으로 이용 및 소모할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 연료가스를 효율적으로 이용 및 관리할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 연료가스의 발열량을 효과적으로 조절 및 유지할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 단순한 구조로서 효율적인 설비 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 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 증발가스를 가압하는 압축부(121)를 구비하고 압축부(121)를 통과하여 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인(120), 압축부(121)에 의해 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(130), 압축부(121) 중단으로부터 분기되어 압축부(121)에 의해 일부 가압된 증발가스를 제2엔진 또는 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 제2연료가스 공급라인(140), 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정 및 조절하는 발열량 조절부를 포함할 수 있다.
이하 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.
저장탱크(110)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 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 제거 또는 처리할 필요성이 있다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에 발생된 증발가스는 본 발명의 실시 예와 같이 제1연료가스 공급라인(120) 또는 제2연료가스 공급라인(140)에 의해 엔진의 연료가스로 이용되거나 재액화라인(130)에 의해 재액화되어 저장탱크(110)로 재공급될 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았으나 저장탱크(110)의 상부에 마련되는 벤트 마스트(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 상대적으로 고압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제1엔진과, 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제2엔진으로 이루어질 수 있다. 일 예로 제1엔진은 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진으로 이루어지고, 제2엔진은 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진 등으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수의 엔진 및 다양한 종류의 엔진이 이용되는 경우에도 동일하게 이해되어야 할 것이다.
제1연료가스 공급라인(120)은 저장탱크(110)에 존재하는 증발가스를 가압하여 제1엔진에 연료가스로서 공급하거나, 증발가스의 재액화를 위해 재액화라인(130)으로 공급하도록 마련될 수 있다. 제1연료가스 공급라인(120)은 입구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 제1엔진에 연결되되, 중단부에는 제2연료가스 공급라인(140) 및 재액화라인(130)이 분기되어 마련될 수 있다. 제1연료가스 공급라인(120)에는 증발가스를 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 처리할 수 있도록 복수단의 컴프레서(121a)를 구비하는 압축부(121)가 마련된다.
압축부(121)는 증발가스를 압축하는 컴프레서(121a)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 쿨러(121b)를 포함할 수 있다. 엔진이 서로 다른 압력조건을 갖는 복수개의 엔진으로 이루어지는 경우에는 압축부(121)의 중단부로부터 후술하는 제2연료가스 공급라인(140)이 분기되어 제2엔진 또는 GCU로 일부 가압된 증발가스를 공급하도록 마련될 수 있다.
도 1에서는 압축부(121)가 5단의 컴프레서(121a) 및 쿨러(121b)로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 엔진의 요구 압력조건 및 온도에 따라 압축부(121)는 다양한 수의 컴프레서(121a) 및 쿨러(121b)로 이루어질 수 있다. 또한 제1연료가스 공급라인(120) 상의 압축부(121) 전단에는 후술하는 재액화라인(130)의 냉각부(134)가 설치될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
재액화라인(130)은 제1연료가스 공급라인(120)의 압축부(121)를 통과하여 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
재액화라인(130)은 가압된 증발가스의 일부를 1차적으로 감압시키는 제1팽창밸브(131), 제1팽창밸브(131)를 통과하여 감압된 증발가스에 함유된 질소성분을 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기(132), 제1가스흐름을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인(133), 제2가스흐름을 냉각시키는 냉각부(134), 냉각부(134)를 통과한 제2가스흐름을 2차적으로 감압시키는 제2팽창밸브(135), 제2팽창밸브(135)를 통과하여 기액 혼합상태의 증발가스를 기체 성분 및 액체 성분으로 분리하는 기액분리기(136), 기액분리기(136)에서 분리된 액체 성분을 저장탱크(110)로 재공급하는 액화가스 회수라인(137), 기액분리기(136)에서 분리된 기체 성분을 저장탱크(110) 또는 제1연료가스 공급라인(120) 측으로 재공급하는 증발가스 회수라인(138) 및 질소소모라인(133)을 따라 이송되는 제1가스흐름의 일부를 제2가스흐름 측으로 순환시키는 유량조절라인(139)을 포함할 수 있다.
제1팽창밸브(131)는 재액화라인(130)으로 공급되는 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 1차적으로 감압시키도록 마련된다. 제1팽창밸브(131)는 가압된 증발가스를 미리 감압 및 냉각시킨 후 질소분리기(132) 및 냉각부(134)로 공급함으로써 재액화 효율을 증대시킬 수 있다. 일 예로 증발가스가 압축부(121)에 의해 약 300 bar 수준으로 가압된 경우, 제1팽창밸브(131)는 가압된 증발가스를 140 bar 내지 160 bar 이하로 감압하여 질소분리기(132) 및 냉각부(134)로 공급할 수 있다. 그러나 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일 예로서, 압축부(121)에 의해 증발가스가 가압되는 정도에 따라 제1팽창밸브(131)의 감압 정도는 다양하게 구현될 수 있다. 제1팽창밸브(131)는 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으며, 다만 가압된 증발가스를 감압시킬 수 있다면 팽창기(Expander) 등 다양한 장치로 이루어질 수 있다.
질소분리기(132)는 제1팽창밸브(131)를 통과한 증발가스를 공급받아 증발가스에 함유된 질소성분을 분리하도록 마련된다.
천연가스는 주성분인 메탄(Methane) 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane), 질소(Nitrogen) 등을 포함하는 혼합물이다. 이 중 질소의 끓는 점은 섭씨 약 -195.8도로서, 그 외의 성분인 메탄(끓는 점 섭씨 -161.5도), 에탄(끓는 점 섭씨 -89도) 등에 비해 매우 낮다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에서 자연적으로 기화하여 발생하는 자연증발가스는 끓는 점이 낮은 질소성분이 상대적으로 많이 기화되어 질소성분을 많이 함유하게 된다. 이러한 증발가스를 재액화하고자 하는 경우 질소성분은 끓는 점이 낮아 재액화가 매우 어려우므로, 증발가스의 질소성분의 농도가 증가할수록 재액화 효율이 떨어지게 된다.
이에 질소분리기(132)가 재액화라인(130) 상의 제1팽창밸브(131)를 통과한 증발가스를 공급받고 이에 함유된 질소성분을 분리하여, 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름은 제2엔진의 연료가스로 공급하되, 제2농도의 질소성분을 후술하는 냉각부(134), 제2팽창밸브(135)로 공급하여 재액화시킴으로써, 재액화라인(130)의 증발가스 재액화 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시 예에서 설명하는 제1농도의 질소성분 및 제2농도의 질소성분은 각각 고농도의 질소성분 및 저농도의 질소성분을 의미하는 것으로서, 제1농도의 질소성분은 제2농도의 질소성분과 비교하여 상대적으로 고농도의 질소성분을 가지며, 제2농도의 질소성분은 제1농도의 질소성분과 비교하여 상대적으로 저농도의 질소성분을 갖는다. 제1농도 및 제2농도는 특정 수치에 한정되는 것은 아니며 제1농도와 제2농도 간의 농도 차이에 따른 상대적인 의미로 이해되어야 할 것이다.
질소분리기(132)는 멤브레인 필터로 이루어질 수 있다. 멤브레인 필터는 질소성분과의 친화도가 높은 물질을 구비하고, 가압된 증발가스가 그 압력에 의해 멤브레인 필터를 통과함으로써, 질소성분은 멤브레인 필터에 의해 걸러져 질소소모라인(133)으로 공급되고, 메탄 등 질소 외의 성분은 그대로 통과하여 냉각부(134) 측으로 공급될 수 있다.
질소분리기(132)에 의해 분리된 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름은 질소소모라인(133)을 통해 제2엔진에 연료가스로서 공급될 수 있다. 질소소모라인(133)은 입구 측 단부가 질소분리기(132)에 연결되고, 출구 측 단부가 제2엔진 또는 후술하는 제2연료가스 공급라인으로 합류하도록 마련되어 제1가스흐름을 연료가스로 이용 및 소비하도록 마련된다.
질소소모라인(133)에는 제1가스흐름의 압력을 제2엔진이 요구하는 압력조건에 상응하는 수준으로 감압시켜주는 팽창밸브(133a) 및 제1가스흐름의 온도를 제2엔진이 요구하는 압력조건에 상응하는 수준으로 승온시켜주는 히터(133b)가 마련될 수 있다. 제2엔진은 전술한 바와 같이, 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시키도록 마련될 수 있으므로, 압축부(121)를 거쳐 재액화라인(130)으로 공급되는 증발가스의 압력이 제2엔진이 요구하는 압력보다 높을 수 있다. 이에 팽창밸브(133a)가 제1가스흐름을 제2엔진이 요구하는 압력 수준으로 감압시켜줄 수 있으며, 감압하는 과정에서 제1가스흐름의 온도가 냉각될 수 있으므로, 히터(133b)가 팽창밸브(133a)를 통과한 증발가스를 제2엔진이 요구하는 온도 수준으로 승온시켜 줄 수 있다.
이와 같이 질소분리기(132)에 의해 분리된 가스흐름 중 상대적으로 질소성분을 많이 함유하는 제1가스흐름을 질소소모라인(133)을 통해 연료가스로서 이용 및 소비함으로써 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있으며, 제2가스흐름의 재액화 효율을 증대시킬 수 있다. 질소소모라인(133)에는 제2엔진에 공급되는 연료가스의 발열량을 측정 및 조절하는 발열량 조절부의 유량조절밸브가 마련될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.
냉각부(134)는 제1팽창밸브(131) 및 질소분리기(132)를 통과하여 1차적으로 감압된 제2가스흐름을 냉각시키도록 마련된다. 냉각부(134)는 제2가스흐름을 제1연료가스 공급라인(120)을 따라 이송되는 압축부(121) 전단의 증발가스와 열교환하는 열교환기로 이루어질 수 있다. 제2가스흐름은 압축부(121)에 의해 가압되어 온도 및 압력이 상승한 상태이므로, 제1연료가스 공급라인(120) 상의 압축부(121)를 통과하기 전의 저온의 증발가스와 열교환함으로써 제2가스흐름을 냉각시킬 수 있다. 이와 같이 냉각부(134)를 열교환기로 마련함으로써, 별도의 냉각장치 없이도 가압된 증발가스를 냉각시킬 수 있으므로, 불필요한 전원의 낭비를 방지하고 설비가 단순화되어, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
제2팽창밸브(135)는 냉각부(134)의 후단에 마련될 수 있다. 제2팽창밸브(135)는 냉각부(134)를 통과한 제2가스흐름을 2차적으로 감압하여 제2가스흐름을 재액화를 구현할 수 있다. 제2팽창밸브(135)는 저장탱크(110)의 내부 압력에 상응하는 압력 수준으로 제2가스흐름을 감압시킬 수 있다. 제2팽창밸브(135)는 일 예로 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으나, 팽창기(Expander) 등 다양한 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
기액분리기(136)는 제2팽창밸브(135)를 통과하면서 냉각 및 감압되어 기액 혼합상태의 제2가스흐름을 수용하되 액체 성분 및 기체 성분을 분리하도록 마련된다. 제2가스흐름은 제2팽창밸브(135)를 통과 시 대부분 재액화가 이루어지기는 하나, 감압하는 과정에서 플래쉬 가스(Flash Gas)가 발생함으로써 기체 성분이 발생할 수 있다. 이에 따라 제1팽창밸브(131), 질소분리기(132), 냉각부(134) 및 제2팽창밸브(135)를 순차적으로 통과하여 기액분리기(136)로 공급된 제2가스흐름 중 분리된 액체 성분은 후술하는 액화가스 회수라인(137)을 통해 저장탱크(110)로 재공급하고, 분리된 기체 성분은 후술하는 증발가스 회수라인(138)에 의해 저장탱크(110) 또는 제1연료가스 공급라인(120)으로 재공급하도록 마련될 수 있다.
액화가스 회수라인(137)은 기액분리기(136)에 의해 분리된 액체 성분을 저장탱크(110)로 재공급하도록 기액분리기(136)와 저장탱크를 연결하도록 마련될 수 있다. 액화가스 회수라인(137)은 그 입구 측 단부가 기액분리기(136)의 하측에 연통되어 마련되고, 출구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연통되어 마련될 수 있다. 액화가스 회수라인(137)에는 저장탱크(110)로 회수되는 재액화된 제2가스흐름의 공급량을 조절하는 개폐밸브(미도시)가 마련될 수 있다.
증발가스 회수라인(138)은 기액분리기(136)에 의해 분리된 기체 성분을 저장탱크(110) 또는 제1연료가스 공급라인(120)으로 재공급하도록 기액분리기(136)와 저장탱크(110) 또는 기액분리기(136)와 제1연료가스 공급라인(120) 사이에 마련될 수 있다. 도 1에서는 증발가스 회수라인(138)이 기액분리기(136) 내부의 기체 성분이 제1연료가스 공급라인(120) 상의 압축부(121) 전단으로 재공급하는 것으로 도시되어 있으나, 이 외에도 기액분리기(136)로부터 저장탱크(110)로 재공급하거나, 제1연료가스 공급라인(120) 및 저장탱크(110)로 함께 재공급하는 경우를 모두 포함한다.
유량조절라인(139)은 질소소모라인(133)을 따라 이송되는 제1가스흐름의 일부를 냉각부(134)로 공급되는 제2가스흐름 측으로 순환시키도록 마련된다. 제2엔진은 후술하는 제2연료가스 공급라인(140)을 통해 일부 가압된 증발가스를 연료가스로서 공급받을 뿐만 아니라, 질소소모라인(133)을 통해 제1가스흐름도 함께 연료가스로서 공급받게 된다. 이 때 제1가스흐름은 증발가스에 함유된 질소성분의 함량에 따라 그 공급량이 변동하게 되므로, 제2엔진이 요구하는 연료가스 공급량에 비해, 제2연료가스 공급라인(140) 및 질소소모라인(133)을 통한 연료가스 공급량이 더 많을 수 있다. 이에 유량조절라인(139)이 질소소모라인(133)을 따라 이송되는 제1가스흐름 중 여분의 연료가스를 제2가스흐름 측으로 순환시켜, 연료가스 공급량의 변동에 안정적으로 대응할 수 있다. 유량조절라인(139)에는 이송되는 제1가스흐름의 공급량을 조절하는 유량조절밸브(139a)가 마련될 수 있다. 유량조절밸브(139a)는 작업자에 의해 수동적으로 작동될 수 있으며, 이와는 달리 도면에는 도시하지 않았으나, 제2엔진에 설치되는 유량감지부(미도시)에 의해 측정된 연료가스 공급량 정보에 근거하여 그 개폐가 자동적으로 제어될 수 있다.
제2연료가스 공급라인(140)은 제1연료가스 공급라인(120)의 압축부(121)의 중단부로부터 분기되어 마련되어 일부 가압된 증발가스를 제2엔진 또는 GCU로 공급하도록 마련된다. 제2연료가스 공급라인(140)은 입구 측 단부가 압축부(121)의 중단부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 분기되어 일측은 제2엔진, 타측은 GCU에 연결되어 마련될 수 있다.
제2엔진은 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키므로, 증발가스를 압축하는 압축부(121)의 중단부로부터 분기되어 마련됨으로써, 일부 가압된 증발가스를 연료가스로 공급받아 작동될 수 있다. GCU는 제2엔진이 요구하는 연료가스의 공급량보다 제2연료가스 공급라인(140)을 통해 공급되는 일부 가압된 증발가스의 공급량이 더 많은 경우, 잉여의 일부 가압된 증발가스를 공급받아 소모시키도록 마련된다.
발열량 조절부는 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정 및 조절하도록 마련된다.
발열량(Heating Value)이란 단위질량의 연료가스가 완전 연소 했을 때 방출하는 열량을 의미한다. 천연가스는 중의 메탄, 부탄 및 프로판은 상대적으로 발열량이 높아 연료가스의 발열량을 상승시키는 성분(메탄의 발열량: 약 12,000kcal/kg, 부탄의 발열량: 약 11,863 kcal/kg, 프로판의 발열량: 약 2,000kcal/kg)인 반면, 질소의 발열량은 매우 낮아(질소의 발열량: 약 60kcal/kg), 질소성분의 절대적인 함량 또는 농도가 높을수록 연료가스의 총 발열량은 낮아지게 된다. 이 때 엔진으로 공급되는 연료가스의 총 발열량이 과도하게 낮아 엔진이 요구하는 최소 조건 발열량을 충족시키지 못하는 경우에는 엔진의 출력에 영향을 미치고, 엔진에 불필요한 부하를 발생시키는 원인이 된다.
전술한 바와 같이, 증발가스의 재액화 효율 상승을 위해 질소분리기(132)에 의해 분리된 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름은 질소소모라인(133)을 통해 제2엔진으로 공급하는 바, 제1가스흐름에 포함되는 고농도의 질소성분에 의해 제1가스흐름의 발열량이 제2엔진이 요구하는 조건 발열량보다 낮아질 우려가 있다.
발열량 조절부는 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정 또는 산출하는 발열량 측정기(160) 및 제2연료가스 공급라인(140)과 질소소모라인(133)에 각각 마련되는 유량조절밸브(161, 162)를 포함할 수 있다.
발열량 측정기(160)는 제2엔진으로 공급되는 제1가스흐름 및 제2연료가스 공급라인(140)을 통해 공급되는 일부 가압된 증발가스를 포함한 연료가스의 발열량을 실시간으로 측정할 수 있다. 발열량 측정기(160)는 디스플레이 등으로 이루어지는 표시부(미도시)로 측정된 연료가스의 발열량 정보를 전송하여 선박의 탑승자에게 이를 알리거나, 측정된 연료가스의 발열량 정보를 제어부(미도시)로 전송하고, 제어부는 기 입력된 제2엔진의 조건 발열량과 발열량 측정기(160)로부터 전송된 연료가스의 발열량 정보를 비교 분석하여 후술하는 유량조절밸브(161, 162)의 개폐 정도를 제어할 수 있다.
도 1에서는 발열량 측정기(160)가 제2연료가스 공급라인(140) 상에 마련되어 연료가스의 발열량을 측정하는 것으로 도시되어 있으나, 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정할 수 있다면 그 위치는 다양하게 변형될 수 있다.
유량조절밸브(161, 162)는 각각 제2연료가스 공급라인(140) 및 질소소모라인(133)에 마련되어, 제2연료가스 공급라인(140)을 따라 이송되는 일부 가압된 증발가스의 공급량 및 질소소모라인(133)을 따라 이송되는 제1가스흐름의 공급량을 조절하도록 마련될 수 있다. 각 유량조절밸브(161, 162)는 발열량 측정기(160)에 의해 측정된 연료가스 발열량 정보 및 제2엔진의 조건 발열량 정보에 근거하여 작업자에 의한 수동 또는 제어부(미도시)에 의해 자동적으로 개폐정도가 조절되어 일부 가압된 증발가스 또는 제1가스흐름의 공급량을 제어할 수 있다.
일 예로, 발열량 측정기(160)가 측정한 연료가스의 발열량이 제2엔진의 요구 발열량보다 작은 경우에는 제2연료가스 공급라인(140) 상에 마련된 유량조절밸브(161)는 개방시키고, 질소소모라인(133) 상에 마련된 유량조절밸브(162)는 전부 폐쇄 또는 일부 폐쇄하여, 제2엔진에 공급되는 연료가스의 발열량을 상승시킬 수 있다. 반대로 발열량 측정기(160)가 측정한 연료가스의 발열량이 제2엔진의 요구 발열량보다 큰 경우에는 질소소모라인(133) 상에 마련된 유량조절밸브(162)는 전부 개방시키고, 제2연료가스 공급라인(140)에 상에 마련되는 유량조절밸브(161)는 일부 폐쇄 또는 전부 폐쇄하여, 증발가스에 함유된 질소성분을 우선적으로 연료가스로 소비하여, 연료가스 공급시스템(100) 내의 총 질소 함량을 저감하고, 재액화 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 재액화라인(130)으로 공급되는 가압된 증발가스의 일부를 질소분리기(132)에 의해 가압된 증발가스의 일부를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분류하고, 재액화가 용이한 제2가스흐름을 재액화 공정에 유지시킴으로써, 증발가스의 재액화 효율을 향상시키는 효과를 가진다.
이와 더불어 재액화 효율이 떨어지는 제1가스흐름은 질소소모라인(133)을 통해 제2엔진의 연료가스로 이용 및 소모하도록 마련됨으로써, 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모하고, 연료가스 공급시스템(100) 내의 총 질소 함량의 지속적인 저감을 통해 재액화 효율의 증대 및 설비의 효율적인 운용이 가능해지는 효과를 가진다.
또한 발열량 조절부에 의해 연료가스의 발열량을 측정 및 조절함으로써 엔진이 요구하는 조건 발열량에 대응하여 연료가스의 발열량을 제어함으로써 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모할 수 있는 효과를 갖는다.
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: 압축부
130: 재액화라인 131: 제1팽창밸브
132: 질소분리기 133: 질소소모라인
134: 냉각부 135: 제2팽창밸브
136: 기액분리기 137: 액화가스 회수라인
138: 증발가스 회수라인 139: 유량조절라인
140: 제2연료가스 공급라인 160: 발열량 측정기

Claims (10)

  1. 액화가스 및 증발가스를 수용하는 저장탱크;
    상기 저장탱크의 증발가스를 가압하는 압축부를 구비하고 상기 압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 제1연료가스 공급라인; 및
    상기 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인을 포함하고,
    상기 재액화라인은
    상기 가압된 증발가스의 일부를 1차적으로 감압시키는 제1팽창밸브와, 상기 제1팽창밸브를 통과하여 감압된 증발가스를 제1농도의 질소성분을 함유하는 제1가스흐름과 제2농도의 질소성분을 함유하는 제2가스흐름으로 분리하는 질소분리기 및 상기 제1가스흐름을 제2엔진으로 공급하는 질소소모라인을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질소분리기는
    멤브레인 필터를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    상기 제2가스흐름을 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부를 통과하여 냉각된 제2가스흐름을 2차적으로 감압시키는 제2팽창밸브 및 상기 제2팽창밸브를 통과하여 기액 혼합상태의 증발가스를 기체 성분과 액체 성분으로 분리하는 기액분리기를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 질소소모라인은
    상기 제1가스흐름을 상기 제2엔진이 요구하는 연료가스 압력조건에 상응하는 수준으로 감압시켜주는 감압장치 및 상기 제2엔진이 요구하는 연료가스 온도조건에 상응하는 수준으로 승온시켜주는 히터를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    상기 기액분리기에서 분리된 액체 성분을 상기 저장탱크로 공급하는 액화가스 회수라인 및 상기 기액분리기에서 분리된 기체 성분을 상기 저장탱크 또는 상기 제1연료가스 공급라인 상의 상기 압축부 전단으로 공급하는 증발가스 회수라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압축부의 중단부로부터 분기되어 상기 압축부에 의해 일부 가압된 증발가스를 제2엔진 또는 GCU(Gas Combustion Unit)로 공급하는 제2연료가스 공급라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    상기 질소소모라인을 따라 이송되는 상기 제1가스흐름의 일부를 상기 냉각부 전단의 상기 제2가스흐름 측으로 순환시키는 유량조절라인 및 상기 유량조절라인에 마련되는 유량조절밸브를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정 및 조절하는 발열량 조절부를 더 포함하고,
    상기 발열량 조절부는
    상기 제2엔진으로 공급되는 연료가스의 발열량을 측정하는 발열량 측정기 및 상기 제2연료가스 공급라인과 상기 질소소모라인에 각각 마련되는 유량조절밸브를 포함하고,
    각각의 상기 유량조절밸브는 상기 발열량 측정기에 의해 측정된 연료가스의 발열량 정보 따라 제어되는 연료가스 공급시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 냉각부는
    가압된 증발가스를 상기 압축부 전단의 증발가스와 열교환하는 열교환기를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1농도의 질소성분은
    상기 제2농도의 질소성분보다 고농도인 연료가스 공급시스템.


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100035223A (ko) 2008-09-26 2010-04-05 현대중공업 주식회사 이종연료 디젤엔진 추진기관을 사용하는 액화천연가스 운반선을 위한 연료공급시스템

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