KR20170041411A - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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KR20170041411A
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이원두
윤호병
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삼성중공업 주식회사
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    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 수용하는 저장탱크, 액화가스를 냉각시키는 액화가스 냉각부를 구비하는 액화가스 냉각라인 및 냉매를 가압하는 컴프레서 및 컴프레서를 통과한 냉매를 냉각하는 쿨러를 구비하는 압축기와, 압축기에 의해 가압된 냉매를 감압시키는 팽창기 및 팽창기에 의해 감압된 냉매를 액화가스 냉각부에통과시켜 액화가스와 열교환하는 냉매라인을 포함하여 제공될 수 있다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLYING SYSTEM IN SHIPS}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발가스를 효율적으로 처리 및 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.
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 액화천연가스의 수요처로 수송되거나, 연료탱크에 수용되어 선박의 엔진에 연료가스로서 공급될 수 있다. 그러나 액화천연가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 증발가스가 저장탱크의 내부에 축적되게 된다.
이러한 증발가스는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으며, 액화천연가스를 수송하는 과정에서 선박의 진동에 의해 저장탱크 및 선박의 구조적인 문제를 야기할 우려가 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 못하며, 증발가스를 태우는 과정에서 화재 및 폭발의 위험이 존재하는 문제점이 있었다.
따라서 증발가스를 효율적으로 처리 및 관리함과 동시에, 증발가스를 포함하는 연료가스를 효율적으로 이용할 수 있는 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0103412호(2012. 09. 19. 공개)
본 발명의 실시 예는 증발가스를 효과적으로 처리 또는 이용할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 증발가스를 효과적으로 재액화하여 이용할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 증발가스의 재액화 효율을 향상시킬 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 시스템의 구조 안정성을 기할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 수용하는 저장탱크. 상기 액화가스를 냉각시키는 액화가스 냉각부를 구비하는 액화가스 냉각라인 및 냉매를 가압하는 컴프레서 및 상기 컴프레서를 통과한 냉매를 냉각하는 쿨러를 구비하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 가압된 냉매를 감압시키는 팽창기 및 상기 팽창기에 의해 감압된 냉매를 상기 액화가스 냉각부에 통과시켜 상기 액화가스와 열교환하는 냉매라인을 포함하여 제공될 수 있다.
상기 증발가스를 가압하는 압축부를 구비하고, 상기 압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인, 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어, 상기 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 냉각시키는 증발가스 냉각부와, 상기 증발가스 냉각부에 의해 냉각된 증발가스를 감압하는 팽창밸브 및 상기 팽창밸브를 통과하여 감압된 증발가스를 기체성분 및 액체성분으로 분리하는 기액분리기를 포함하는 재액화라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 증발가스 공급라인의 압축부 전단으로 공급하는 증발가스 순환라인 및 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 액화가스 순환라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 압축부 도중의 일부 가압된 증발가스를 제2엔진으로 공급하는 증발가스 보조공급라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 저장탱크의 액화가스를 가압하는 가압펌프 및 상기 가압펌프에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기를 구비하고, 상기 가압펌프 및 상기 기화기에 의해 가압 및 기화된 액화가스를 제1엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 가압 및 기화된 액화가스의 일부를 공급받아 감압시키는 감압밸브 및 상기 감압밸브에 의해 감압된 액화가스를 수용하는 서지드럼을 구비하고 상기 서지드럼의 기체성분을 상기 제2엔진으로 공급하는 액화가스 보조공급라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 증발가스를 효과적으로 처리 또는 이용할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 증발가스의 재액화 효율을 향상시킬 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 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 구조의 안정성을 기할 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)에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인(120), 압축부(121) 도중의 일부 가압된 증발가스를 제2엔진으로 공급하는 증발가스 보조공급라인(130), 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(140), 재액화라인(140)을 따라 이송되는 증발가스에 냉열을 공급하는 냉매라인(150), 저장탱크(110)의 액화가스를 가압하는 가압펌프(162) 및 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기(163)를 구비하고 가압 및 기화된 액화가스를 제1엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인(160), 가압 및 기화된 액화가스의 일부를 제2엔진으로 공급하는 액화가스 보조공급라인(180), 저장탱크(110)의 액화가스를 냉각시키는 액화가스 냉각라인(170) 및 증발가스 공급라인(120)을 따라 이송되는 증발가스를 보조적으로 가압하여 제2엔진 및 GCU로 공급하는 증발가스 보조가압라인(190)을 포함하여 제공될 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 증발가스 공급라인(120) 또는 증발가스 보조공급라인(130)에 의해 엔진의 연료가스로 이용되거나 재액화라인(140)에 의해 재액화되어 회수될 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.
증발가스 공급라인(120)은 저장탱크(110)에 존재하는 증발가스를 가압하여 제1엔진에 연료가스로서 공급하거나, 증발가스의 재액화를 위해 재액화라인(140)으로 공급하도록 마련될 수 있다. 증발가스 공급라인(120)은 입구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 제1엔진에 연결되되, 중단부에는 후술하는 증발가스 보조공급라인(130) 및 재액화라인(140)이 분기되어 마련될 수 있다. 증발가스 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. 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 및 쿨러로 이루어질 수 있다. 엔진이 서로 다른 연료가스 압력조건을 갖는 복수개의 엔진으로 이루어지는 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이, 압축부(121)의 중단부로부터 후술하는 증발가스 보조공급라인(130)이 분기되어 일부 가압된 증발가스를 제2엔진 또는 GCU로 공급하도록 마련될 수 있다.
증발가스 공급라인(120) 상의 압축부(121) 전단에는 후술하는 냉매라인(150)의 냉매와 열교환하는 냉각기(152)가 설치될 수 있으며, 증발가스 공급라인(120)을 따라 이송되는 증발가스를 냉매라인(150)의 압축기(151)로 공급하여 증발가스를 보조적으로 가압하여 제2엔진 및 GCU로 공급하는 증발가스 보조가압라인(190)이 분기되어 마련될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
증발가스 보조공급라인(130)은 증발가스 공급라인(120)의 압축부(121) 중단부로부터 분기되어 마련되어 일부 가압된 증발가스를 제2엔진 또는 GCU로 공급하도록 마련된다. 증발가스 보조공급라인(130)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, 증발가스 보조공급라인(130)이 압축부(121)의 중단부로부터 분기되어 마련됨으로써, 일부 가압된 증발가스를 연료가스로 공급받아 작동될 수 있다. GCU는 제2엔진이 요구하는 연료가스의 공급량보다 증발가스 보조공급라인(130)을 통해 공급되는 일부 가압된 증발가스의 공급량이 더 많은 경우, 잉여의 일부 가압된 증발가스를 공급받아 소모시키도록 마련될 수 있다.
재액화라인(140)은 압축부(121)를 통과하여 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
재액화라인(140)은 가압된 증발가스의 일부를 냉각시키는 증발가스 냉각부(142), 증발가스 냉각부(142)에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 팽창밸브(143), 팽창밸브(143)를 통과하여 기액 혼합상태의 증발가스를 기체성분 및 액체성분으로 분리하는 기액분리기(144), 기액분리기(144)에서 분리된 기체성분을 증발가스 공급라인(120) 측으로 공급하는 증발가스 순환라인(145) 및 기액분리기(144)에서 분리된 액체성분을 저장탱크(110)로 재공급하는 액화가스 순환라인(146)을 포함할 수 있다.
증발가스 냉각부(142)는 재액화라인(140)으로 유입되는 가압된 증발가스의 일부를 냉각시키도록 마련된다. 증발가스 냉각부(142)는 후술하는 냉매라인(150)을 따라 순환하는 극저온의 냉매와 열교환하여 증발가스를 냉각시킬 수 있다. 가압된 증발가스는 압축부(121)에 의해 가압되어 온도 및 압력이 상승한 상태이므로, 냉매라인(150)을 따라 순환하는 극저온의 냉매와 열교환함으로써 가압된 증발가스를 냉각시킬 수 있다. 증발가스 냉각부(142)에서의 냉매와의 열교환공정에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
팽창밸브(143)는 재액화라인(140) 상의 증발가스 냉각부(142) 후단에 마련될 수 있다. 팽창밸브(143)는 증발가스 냉각부(142)를 통과하여 냉각된 증발가스를 감압하여 증발가스의 재액화를 구현할 수 있다. 팽창밸브(143)는 증발가스를 저장탱크(110)의 내부 압력에 상응하는 압력 수준으로 감압시킬 수 있다. 팽창밸브(143)는 일 예로 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으나, 팽창기(Expander) 등 다양한 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
기액분리기(144)는 팽창밸브(143)를 통과하면서 냉각 및 감압되어 기액 혼합상태의 증발가스를 수용하되 액체성분 및 기체성분을 분리하도록 마련된다. 증발가스는 팽창밸브(143)를 통과 시 대부분 재액화가 이루어지기는 하나, 감압하는 과정에서 플래쉬 가스(Flash Gas)가 발생함으로써 기체성분이 존재할 수 있다. 이에 증발가스 냉각부(142) 및 팽창밸브(143)를 순차적으로 통과하여 기액 혼합상태의 증발가스를 기액분리기(144)가 수용함과 동시에, 기체성분 및 액체성분으로 분리하여 재액화 공정의 신뢰성을 도모하고, 각 성분을 별도로 취급할 수 있다.
증발가스 순환라인(145)은 기액분리기(144)에서 분리된 기체성분을 증발가스 공급라인(120) 측으로 순환시키도록 마련된다. 증발가스 순환라인(145)은 그 입구 측 단부가 기액분리기(144)의 상측에 연통되어 마련되고, 출구 측 단부가 증발가스 공급라인(120) 상의 압축부(121) 전단에 합류하도록 마련될 수 있다. 한편 기액분리기(144)에서 분리된 기체성분에는 상대적으로 끓는 점이 매우 낮은 질소성분이 고농도로 함유되게 되는데, 이로 인해 기액분리기(144)에서 분리된 기체성분은 극저온의 성질을 가진다. 이러한 기체성분의 냉열을 이용하여 후술하는 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매의 냉각공정을 수행하도록 증발가스 순환라인(145)에는 냉매라인(150)의 냉각기(152)와 열교환하는 열교환부가 마련될 수 있다.
또한 기액분리기(144)의 상측에는 기액분리기(144)에서 분리된 기체성분을 냉매라인(150)으로 공급하여, 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매를 보충하는 냉매보충라인(156)이 마련될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
액화가스 순환라인(146)은 기액분리기(144)에 의해 분리된 액체성분, 즉 재액화된 증발가스를 저장탱크(110)로 재공급하도록 기액분리기(144)와 저장탱크(110)를 연결하도록 마련될 수 있다. 액화가스 순환라인(146)은 입구 측 단부가 기액분리기(144)의 하측에 연통되어 마련되고, 출구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연통되어 마련될 수 있다. 액화가스 순환라인(146)에는 저장탱크(110)로 회수되는 재액화된 액체성분의 공급량을 조절하는 개폐밸브(미도시)가 마련될 수 있다.
냉매라인(150)은 재액화라인(140)의 증발가스 냉각부(142)에 냉열을 제공하여 재액화라인(140)을 따라 이송되는 증발가스의 냉각을 수행하도록 마련된다.
냉매라인(150)은 냉매를 가압하는 압축기(151), 압축기(151)에 의해 가압된 냉매를 냉각시키는 냉각기(152), 냉각기(152)에 의해 냉각된 냉매를 감압시키는 팽창기(153), 팽창기(153)에 의해 감압된 극저온의 냉매를 증발가스 냉각부(142) 및 후술하는 액화가스 냉각부(171)에서 열교환하는 열교환기(154), 열교환기(154)에 의한 증발가스 냉각부(142) 또는 액화가스 냉각부(171)에서의 냉각 정도를 조절하는 온도조절라인(155), 증발가스 순환라인(145)을 따라 이송되는 기체성분을 냉매라인(150)의 냉매로 공급하는 냉매보충라인(156) 및 냉매의 일부를 증발가스 공급라인(120)으로 공급하는 냉매조절라인(157)을 포함할 수 있다.
냉매라인(150)은 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매를 가압공정, 냉각공정 및 감압공정을 순차적으로 수행하여, 냉매를 극저온으로 형성하도록 마련된다. 냉매의 성분은 질소 및 탄화수소 등을 포함하는 혼합냉매로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 후술하는 냉매보충라인(156)을 통해 기액분리기(144)의 기체성분을 냉매로 보충 받을 수 있도록 기액분리기(144)의 기체성분과 유사한 성분 및 함량으로 이루어 질 수 있다.
압축기(151)는 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매의 가압공정을 수행하도록 마련된다. 압축기(151)는 복수단의 컴프레서(151a) 및 쿨러(151b)로 이루어질 수 있으며, 도 1에서는 압축기(151)가 2단의 컴프레서(151a) 및 쿨러(151b)로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 컴프레서 및 쿨러의 수는 다양하게 변경될 수 있다. 압축기(151)는 증발가스 보조가압라인(190)을 따라 이송되는 증발가스를 공급받아 보조적으로 가압할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
냉각기(152)는 압축기(151)를 통과하여 가압된 냉매의 냉각공정을 수행하도록 마련된다. 냉각기(152)는 증발가스 공급라인(120)을 따라 이송되는 압축부(121) 전단의 증발가스 및 증발가스 순환라인(145)을 따라 이송되는 기액분리기(144)의 기체성분 중 적어도 어느 하나로부터 냉열을 공급받아 냉매의 열교환을 수행하는 열교환장치로 이루어질 수 있다. 증발가스 공급라인(120)을 따라 이송되는 증발가스는 온도가 낮고, 특히 증발가스 순환라인(145)을 따라 이송되는 기체성분은 질소성분이 상대적으로 고농도로 함유되어 그 온도가 매우 낮다. 이에 냉각기(152)가 압축기(151)에 의한 냉매의 가압공정 이후, 가압된 냉매를 증발가스 및 기체성분 중 적어도 어느 하나로부터 냉열을 공급받아 냉각시킨 후, 후술하는 팽창기(153)에 의한 냉매의 감압공정 거치도록 함으로써, 냉매가 극저온으로 열교환기(154)로 공급되도록 한다.
냉각기(152)는 일반적인 상황에서는 압축부(121) 전단의 증발가스 및 증발가스 순환라인(145)의 기체성분으로부터 함께 냉열을 공급받아 냉매의 냉각을 수행하되, 엔진이 요구하는 연료가스의 공급량이 증가하여 증발가스 순환라인(145)을 따라 이송되는 기체성분이 감소하는 경우 또는 저장탱크(110)의 증발가스 발생량이 적어 증발가스 공급라인(120)을 따라 이송되는 압축부(121) 전단의 증발가스의 공급량이 감소하는 경우에는 증발가스 및 기체성분 중 공급량이 상대적으로 충분한 어느 일측으로부터 냉열을 공급받아 냉매의 냉각공정을 수행할 수 있으므로 효율적인 설비 운용이 가능해지고, 다양한 운용 상황에 능동적으로 대처할 수 있게 된다.
팽창기(153)는 냉각기(152)를 통과하여 냉각된 냉매의 감압공정을 수행하도록 마련된다. 팽창기(153)는 압축기(151) 및 냉각기(152)를 거쳐 가압 및 냉각된 냉매를 감압 또는 팽창시킴으로써 냉매를 극저온으로 형성할 수 있다. 팽창기(153)는 일 예로 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
열교환기(154)는 팽창기(153)를 통과하여 감압된 극저온의 냉매를 재액화라인(140)의 증발가스 냉각부(142) 및 후술하는 액화가스 냉각라인(170)의 액화가스 냉각부(171)에서 열교환하도록 마련된다. 이를 위해 열교환기(154)는 재액화라인(140)의 증발가스 냉각부(142)에서 열교환하는 제1열교환기(154a) 및 액화가스 냉각라인(170)의 액화가스 냉각부(171)에서 열교환하는 제2열교환기(154b)를 포함할 수 있다. 도 1에서는 제1열교환기(154a)가 제2열교환기(154b)보다 상류측에 마련된 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 그 위치 및 냉매의 통과순서는 다양하게 변경될 수 있다.
온도조절라인(155)은 열교환기(154)에 의한 증발가스 냉각부(142) 또는 액화가스 냉각부(171)에서의 냉각 정도를 조절하도록 마련된다. 온도조절라인(155)은 입구 측 단부가 제1열교환기(154a)의 전단에 연결되고, 출구 측 단부가 제1열교환기(154a)의 후단과 연결됨으로써 제1열교환기(154a)와 병렬로 연결될 수 있으며, 온도조절라인(155)을 따라 이송되는 냉매의 공급량을 조절하도록 개폐밸브(155a)가 마련될 수 있다. 온도조절라인(155)의 개폐밸브(155a)는 재액화라인(140)의 증발가스 냉각부(142) 후단에 마련되는 온도센서(T)가 감지한 증발가스 온도 정보에 근거하여 개폐작동이 제어될 수 있다.
일 예로, 온도센서(T)가 감지한 증발가스 냉각부(142) 후단의 증발가스의 온도가 증발가스의 재액화를 위해 요구되는 온도보다 낮은 경우, 극저온의 냉매를 계속해서 제1열교환기(154a)로 공급하여 증발가스 냉각부(142)와 열교환하는 것은 비효율적인 공정일 뿐만 아니라, 제1열교환기(154a)의 하류 측의 제2열교환기(154b)에서의 액화가스 냉각부(171)에서의 냉각 효율이 저하될 수 있다. 이 경우에는 온도조절라인(155)의 개폐밸브(155a)를 개방하여 온도조절라인(155)을 따라 이송되는 냉매의 유량을 증가시킴으로써, 제1열교환기(154a)를 통과하는 냉매의 유량을 상대적으로 감소시킬 수 있다.
이와는 반대로 온도센서(T)가 감지한 증발가스 냉각부(142) 후단의 증발가스 온도가 증발가스의 재액화를 위해 요구되는 온도보다 높은 경우, 재액화라인(140)을 통한 증발가스의 재액화 효율이 저하될 우려가 있으므로 이 때에는 온도조절라인(155)의 개폐밸브(155a)를 폐쇄하여 온도조절라인(155)을 따라 이송되는 냉매의 유량을 감소시킴으로써, 제1열교환기(154a)를 통과하는 냉매의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있다.
이와 같이 재액화라인(140)의 증발가스 냉각부(142) 후단에 마련되는 온도센서(T)와 온도조절라인(155)에 마련되는 개폐밸브(155a)를 연동하여 작동되도록 구현함으로써, 증발가스의 재액화 효율을 일정 수준이상 유지할 수 있으므로 재액화 공정의 신뢰성을 도모할 수 있으며, 제1열교환기(154a) 및 제2열교환기(154b)를 통한 증발가스의 냉각 및 액화가스의 냉각을 적절하게 조절할 수 있으므로 시스템(100)의 효율적인 운용을 도모할 수 있게 된다.
냉매보충라인(156)은 재액화라인(140)의 기액분리기(144)에서 분리된 기체성분을 냉매라인(150)으로 공급하여 냉매를 보충하도록 마련된다.
재액화라인(140)을 따라 이송되는 가압된 증발가스는 증발가스 냉각부(142) 및 팽창밸브(143)를 거치면서 재액화가 이루어지되, 일부는 감압하는 과정에서 플래쉬 가스(Flash Gas) 등의 기체성분으로 존재하게 된다. 이러한 기체성분은 기액분리기(144)에서 분리되는데, 기체성분에는 상대적으로 끓는 점이 낮은 질소성분이 고농도로 함유되게 된다. 이러한 기체성분은 고농도의 질소성분으로 인해 냉매라인(150)을 따라 순환하며 가압공정, 냉각공정 및 감압공정을 통해 극저온의 냉매 역할을 수행할 수 있는 바, 기체성분을 냉매보충라인(156)을 통해 냉매라인(150)으로 공급합으로써, 냉매라인(150)의 냉매 유량 및 성분 조성을 유지할 수 있으며 이를 통해 냉매의 냉각 기능을 유지할 수 있다. 이로써 별도의 냉매보충장치를 구비할 필요가 없으므로 설비의 구축 비용이 절감될 수 있으며, 단순한 구조로서 냉매의 순환을 안정적으로 유지할 수 있다.
도 1에서는 냉매보충라인(156)의 입구 측 단부가 기액분리기(144)의 상측에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부가 냉매라인(150)의 냉각기(152)와 팽창기(153) 사이에 연결된 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 냉매보충라인(156)의 출구 측 단부, 즉 기체성분이 냉매라인(150)으로 합류하는 지점은 설계 상 필요에 따라 다양하게 위치될 수 있다.
냉매조절라인(157)은 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매의 일부를 증발가스 공급라인(120)으로 공급하도록 마련된다.
냉매라인(150)을 따라 순환하며 가압공정, 냉각공정 및 감압공정을 반복적으로 수행하는 냉매는 시간이 지날수록 유량 및 질소성분의 함량이 변화할 수 있다. 이에 냉매보충라인(156)을 통해 기체성분을 냉매로서 보충 받되, 냉매의 유량 및 성분 조성을 유지하기 위해 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매의 일부를 냉매라인(150)으로부터 제거 및 처리할 필요가 있다. 구체적으로, 냉매의 질소성분 함량이 감소할 경우, 냉매보충라인(156)을 통해 고농도의 질소성분을 함유하는 기체성분을 냉매로서 공급받아 냉매의 냉각효율을 유지하되, 냉매보충라인(156)을 통해 공급된 기체성분의 유량에 상응하는 냉매의 유량을 냉매라인(150)으로부터 제거 및 처리하여야 냉매라인(150)의 운용을 안정적으로 수행할 수 있으며, 냉매라인(150)에 마련되는 압축기(151) 등의 설비에 가해지는 부하를 방지할 수 있다.
이에 냉매조절라인(157)이 냉매보충라인(156)을 통해 공급된 기체성분의 공급량에 상응하는 유량의 냉매를 냉매라인(150)으로부터 증발가스 공급라인(120)으로 공급하여 냉매라인(150)을 따라 순환하는 냉매의 유량 및 성분 조성을 유지할 수 있다. 이를 위해 냉매조절라인(157)은 입구 측 단부가 냉매라인(150)으로부터 분기되어 마련되고, 출구 측 단부가 증발가스 공급라인(120)으로 합류하도록 마련될 수 있으며, 냉매조절라인(157)을 따라 이송되는 냉매의 유량을 조절하는 개폐밸브를 구비할 수 있다.
냉매조절라인(157)은 도 1에 도시된 바와 같이, 입구 측 단부가 냉매라인(150)의 팽창기(153)의 후단으로부터 분기되고, 출구 측 단부가 증발가스 공급라인(120)의 압축부(121) 전단으로 합류하도록 마련될 수 있다. 그러나 이는 일 예로서, 입구 측 단부 및 출구 측 단부는 냉매의 가압정도에 따라 다양한 위치에 연결될 수 있다.
액화가스 공급라인(160)은 저장탱크(110)에 수용 또는 저장된 액화천연가스를 제1엔진에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 액화가스 공급라인(160)은 입구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 증발가스 공급라인(120)과 합류하여 제1엔진으로 연결되도록 마련될 수 있다. 액화가스 공급라인(160)의 입구 측 단부에는 저장탱크(110) 내부의 액화천연가스를 제1엔진 측으로 공급하기 위한 송출펌프(161)가 마련될 수 있다.
액화가스 공급라인(160)은 액화천연가스를 고압으로 가압하는 가압펌프(162) 및 가압펌프(162)에 의해 가압된 액화천연가스를 기화시키는 기화기(163)를 구비할 수 있다. 가압펌프(162)는 액화가스 공급라인(160)으로 공급된 액화천연가스를 제1엔진이 요구하는 연료가스의 압력조건에 상응하는 수준으로 가압할 수 있으며, 일 예로 제1엔진이 ME-GI 엔진으로 이루어지는 경우에는 가압펌프(162)는 액화천연가스를 약 300 bar의 압력조건으로 가압하여 공급할 수 있다. 가압펌프(162)에 의해 가압된 액화천연가스는 기화기(163)를 통과하며 강제 기화된 후, 제1엔진으로 직접 연료가스로서 공급되거나, 증발가스 공급라인(120)과 합류하여 제1엔진에 연료가스로서 공급될 수 있다.
한편 가압펌프(162)의 유지 보수가 요구되거나, 가압펌프(162)에 부하가 가중되어 전원을 차단해야 하는 경우에, 가압펌프(162)의 전원을 일시에 차단하게 되면 가압된 액화천연가스가 가압펌프(162) 또는 기타 구성에 영향을 미쳐 가압펌프(162)의 고장 또는 안전사고 등이 발생할 우려가 있다. 또한 가압펌프(162)의 유지 보수가 요구되거나 가압펌프(162)가 부하가 가중되어 전원을 차단해야 하나, 제1엔진의 지속적인 작동이 요구되는 경우가 있을 수 있다.
이를 위해 액화가스 공급라인(160)에는 바이패스라인(165)이 마련될 수 있다. 바이패스라인(165)의 입구 측 단부는 액화가스 공급라인(160) 상의 가압펌프(162) 전단에 연결되고, 출구 측 단부는 액화가스 공급라인(160) 상의 가압펌프(162) 후단에 연결되되, 별도의 가압펌프(162)를 추가적으로 구비하여, 가압펌프(162)가 병렬로 연결되도록 마련될 수 있다. 이로써 어느 일측의 가압펌프(162)의 유지 보수가 요구되는 경우 또는 어느 일측의 가압펌프(162)에 큰 부하가 가해져 전원을 차단해야 하는 경우에도 엔진으로 연료가스를 안정적으로 공급할 수 있으며, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
액화가스 보조공급라인(180)은 저장탱크(110)에 수용 또는 저장된 액화천연가스를 제2엔진에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 액화가스 보조공급라인(180)은 그 입구 측 단부가 액화가스 공급라인(160) 상의 기화기(163) 후단으로부터 분기되어 마련되고, 출구 측 단부는 증발가스 보조공급라인(130)과 합류하여 제2엔진 및 GCU에 연결되도록 마련될 수 있다.
액화가스 보조공급라인(180)은 액화가스 보조공급라인(180)으로 공급된 액화천연가스를 제2엔진이 요구하는 압력조건에 상응하는 수준으로 감압시켜주는 감압밸브(181)와, 감압밸브(181)를 통과하여 감압된 액화천연가스를 수용하는 서지드럼(182)과, 서지드럼(182)에 수용된 액체성분을 저장탱크(110)로 회수하는 액화가스 회수라인(183) 및 서지드럼(182)에서 분리된 기체상태의 연료가스를 가열하는 히터(184)를 구비할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2엔진은 제1엔진에 비해 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 작동되므로, 액화가스 공급라인(160) 상의 가압펌프(162) 및 기화기(163)를 통과하여 가압 및 기화된 액화천연가스의 압력수준은 제2엔진이 요구하는 연료가스 압력조건보다 높다. 이에 가압밸브가 액화가스 보조공급라인(180)으로 공급된 가압 및 기화된 액화천연가스의 일부를 제2엔진의 연료가스 압력조건에 상응하는 수준으로 감압시켜 줄 수 있다.
감압밸브(181)의 후단에는 서지드럼(182)이 마련될 수 있다. 제2엔진이 DFDE 엔진으로 이루어지는 경우에는 연료가스가 기체상태로 공급되어야 정상적인 출력을 발생시킬 수 있으며 엔진의 고장을 방지할 수 있다. 가압 및 기화된 액화천연가스가 감압밸브(181)를 통과하여 감압하는 과정에서 액화천연가스의 일부가 액화될 수 있으므로, 감압밸브(181)를 통과하여 감압된 액화천연가스를 서지드럼(182)으로 공급함과 동시에, 서지드럼(182)에서 분리된 기체상태의 연료가스만을 제2엔진으로 공급함으로써, 연료가스 공급시스템(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이 때 서지드럼(182)에서 분리된 기체상태의 연료가스는 감압밸브(181)에 의해 감압하는 과정에서 냉각되어 연료가스의 온도조건이 제2엔진이 요구하는 연료가스 온도조건보다 낮을 수 있다. 이에 서지드럼(182)의 후단과 액화가스 보조공급라인(180)의 출구 측 단부 사이에는 서지드럼(182)에서 분리된 기체상태의 연료가스를 제2엔진이 요구하는 연료가스 온도조건에 상응하는 수준으로 가열시켜주는 히터(184)가 마련될 수 있다. 히터(184)는 해수와의 열교환에 의해 연료가스를 가열시키는 열교환기 등으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 가열기 등 다양한 방식의 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
감압밸브(181)를 거치면서 일부 액화된 액화천연가스는 서지드럼(182)에서 분리되고, 서지드럼(182)에서 분리된 액체성분은 액화가스 회수라인(183)을 통해 저장탱크(110)로 재공급될 수 있다. 이를 위해 액화가스 회수라인(183)은 입구 측 단부가 서지드럼(182)의 내부와 연통되어 연결되고, 출구 측 단부가 저장탱크(110)와 연결되어 마련될 수 있다. 액화가스 회수라인(183)에는 개폐밸브(미도시)가 마련되어 액화가스 회수라인(183)을 따라 이송되는 액체성분 즉, 액화천연가스의 공급량을 공급량을 조절할 수 있다.
액화가스 냉각라인(170)은 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스를 냉각 시켜주도록 마련될 수 있다.
전술한 바와 같이, 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스는 지속적인 열 침입에 의해 기화됨으로써 증발가스가 발생하게 된다. 이 때 저장탱크(110)의 온도 조건 또는 선박의 운항 환경에 따라 저장탱크(110) 내부에서 발생하는 증발가스의 발생량이 증발가스 공급라인(120)을 통한 증발가스 소비량 보다 많아 저장탱크(110)의 내부압력이 과도하게 상승하는 경우가 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해 액화가스 냉각라인(170)은 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스를 냉매라인(150)과 열교환시켜 냉각시킴으로써, 저장탱크(110)에 수용된 액화천연가스의 온도를 하강시켜 증발가스의 발생량을 조절할 수 있다.
액화가스 냉각라인(170)은 냉매라인(150)의 제2열교환기(154b)와 열교환하는 액화가스 냉각부(171)를 구비한다. 액화가스 냉각부(171)는 냉매라인(150)의 제2열교환기(154b)로 유입되는 극저온의 냉매와 열교환함으로써, 액화가스 냉각라인(170)으로 유입된 액화천연가스의 온도를 낮추어 줄 수 있다. 액화가스 냉각라인(170)은 도 1에 도시된 바와 같이, 별도의 송출펌프(161)를 구비하지 않고 액화가스 공급라인(160)의 가압펌프(162) 전단으로부터 분기되어 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 입구 측 단부에 별도의 송출펌프를 구비하여 액화가스 공급라인(160)과 독립적으로 운용되도록 마련될 수도 있다.
또한 도면에는 도시하지 않았으나, 액화가스 냉각라인(170)에는 이를 따라 이송되는 액화천연가스의 유량을 조절하는 개폐밸브(미도시)가 마련되고, 당해 개폐밸브는 저장탱크(110)의 내부 온도 또는 내부 압력을 감지하는 감지수단(미도시)과 연동하여 그 개폐작동이 제어될 수 있다.
증발가스 보조가압라인(190)은 저장탱크(110)에 수용된 증발가스를 공급받아 증발가스를 보조적으로 가압하여 제2엔진 및 GCU로 공급하도록 마련된다.
증발가스 공급라인(120)의 압축부(121)의 유지 보수가 요구되거나, 제2엔진의 출력변화에 의한 연료가스 요구량이 급격히 증가하는 경우 증발가스 보조가압라인(190)은 증발가스를 냉매라인(150)의 압축기(151)로 공급하여 보조적으로 가압된 증발가스를 제2엔진 및 GCU로 공급하여 증발가스가 저장탱크(110)에 축적되는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해 증발가스 보조가압라인(190)의 입구 측 단부는 증발가스 공급라인(120)의 압축부(121) 전단으로부터 분기되어 마련될 수 있으며, 출구 측 단부는 제2엔진 및 GCU에 직접 연결되거나 증발가스 보조공급라인(130) 또는 액화가스 보조공급라인(180)과 합류하여 제2엔진 및 GCU에 연결될 수 있다.
증발가스 보조가압라인(190)에는 개폐밸브가 마련되어 증발가스 보조가압라인(190)으로 공급되는 증발가스의 공급량을 조절할 수 있으며, 도 1에는 도시하지 않았으나 냉매라인(150)의 압축기(151)가 가압하는 대상을 선택할 수 있도록 냉매라인(150)을 따라 이송되는 냉매 또는 증발가스 보조가압라인(190)을 따라 이송되는 증발가스 중 어느 하나를 선택적으로 압축기(151)로 공급하는 밸브(미도시)가 추가적으로 마련될 수 있다.
이로써 압축부(121)의 유지 보수가 요구되는 경우 또는 제2엔진이 요구하는 연료가스의 공급량이 급격히 증가하는 경우에도 증발가스 보조가압라인(190)에 의해 연료가스의 안정적인 공급을 구현할 수 있으며, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 증발가스를 효과적으로 재액화 및 관리할 수 있으며, 증발가스 및 액화천연가스의 효율적인 이용을 도모하는 효과를 가질 수 있다.
특히 증발가스 또는 재액화 과정에서 발생하는 기체성분의 잉여의 냉열을 이용하여 냉매의 추가적인 냉각을 수행함으로써, 증발가스의 재액화에 필요한 극저온의 냉매을 얻을 수 있으므로 증발가스의 재액화 효율이 향상됨과 동시에 효율적인 설비 운용이 가능해지는 효과를 가진다.+
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: 증발가스 공급라인 121: 압축부
130: 증발가스 보조공급라인 140: 재액화라인
142: 증발가스 냉각부 143: 팽창밸브
144: 기액분리기 145: 증발가스 순환라인
146: 액화가스 순환라인 150: 냉매라인
151: 압축기 152: 냉각기
153: 팽 창기 154a: 제1열교환기
154b: 제2열교환기 155: 온도조절라인
156: 냉매보충라인 160: 액화가스 공급라인
161: 송출펌프 162: 가압펌프
163: 기화기 170: 액화가스 냉각라인
171: 액화가스 냉각부 180: 액화가스 보조공급라인
181: 감압밸브 182: 서지드럼
183: 액화가스 회수라인 184: 히터
190: 증발가스 보조가압라인

Claims (6)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 수용하는 저장탱크;
    상기 액화가스를 냉각시키는 액화가스 냉각부를 구비하는 액화가스 냉각라인; 및
    냉매를 가압하는 컴프레서 및 상기 컴프레서를 통과한 냉매를 냉각하는 쿨러를 구비하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 가압된 냉매를 감압시키는 팽창기 및 상기 팽창기에 의해 감압된 냉매를 상기 액화가스 냉각부에 통과시켜 상기 액화가스와 열교환하는 냉매라인을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발가스를 가압하는 압축부를 구비하고, 상기 압축부에 의해 가압된 증발가스를 제1엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인;
    상기 증발가스 공급라인에서 분기되어, 상기 가압된 증발가스의 일부를 공급받아 냉각시키는 증발가스 냉각부와, 상기 증발가스 냉각부에 의해 냉각된 증발가스를 감압하는 팽창밸브 및 상기 팽창밸브를 통과하여 감압된 증발가스를 기체성분 및 액체성분으로 분리하는 기액분리기를 포함하는 재액화라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 증발가스 공급라인의 압축부 전단으로 공급하는 증발가스 순환라인 및 상기 기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 액화가스 순환라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축부 도중의 일부 가압된 증발가스를 제2엔진으로 공급하는 증발가스 보조공급라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저장탱크의 액화가스를 가압하는 가압펌프 및 상기 가압펌프에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기를 구비하고, 상기 가압펌프 및 상기 기화기에 의해 가압 및 기화된 액화가스를 상기 제1엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가압 및 기화된 액화가스의 일부를 공급받아 감압시키는 감압밸브 및 상기 감압밸브에 의해 감압된 액화가스를 수용하는 서지드럼을 구비하고 상기 서지드럼의 기체성분을 상기 제2엔진으로 공급하는 액화가스 보조공급라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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