KR20180054146A - Bog 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, LNG 연료탱크에 저장된 LNG를 엔진의 연료로 공급하는 제1 LNG 공급라인에 차례로 마련된 부스터 펌프와, 고압 펌프와, 열교환기; 상기 LNG 연료탱크에서 발생한 BOG를 상기 엔진의 연료로 공급하는 BOG 공급라인; 상기 BOG 공급라인에 마련되어 BOG를 압축하는 복수의 압축기; 상기 BOG 공급라인에 차례로 마련되어 BOG의 온도를 높이는 제2 열교환기 및 제3 열교환기; 상기 BOG 공급라인을 통해 이송된 BOG를 반송시켜 상기 BOG 공급라인과 순환라인을 형성하는 BOG 반송라인; 및 상기 BOG 반송라인에 마련되어 BOG를 재액화시키는 재액화부;를 포함하는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템을 제공한다.

Description

BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM HAVING BOG TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 연료가스 공급 시스템으로서, 더욱 상세하게는 LNG 연료탱크에 저장된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)에서 발생한 증발가스(Boil Off Gas, 이하 "BOG"라 함)를 효율적으로 처리할 수 있는 연료가스 공급 시스템에 관한 것이다.
근래에 LNG를 엔진의 연료로 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템이 선박에 적용되고 있다. LNG는 천연가스(Natural Gas, 이하 "NG"라 함)를 극저온(약 -163℃)으로 냉각시킨 것으로서, NG 부피의 1/600에 해당하는 부피를 갖기 때문에 보관 및 운반에 매우 적합하다. 또한, LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있다. 따라서 LNG가 선박의 추진 장치인 엔진의 연료로 사용되는 사례가 증가하고 있다.
일반적으로 연료가스 공급 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 LNG 연료탱크(10), 엔진(12), 부스터 펌프(14), 고압 펌프(16) 및 열교환기(18)를 포함한다. LNG 연료탱크(10)로부터 배출되는 LNG는 부스터 펌프(14)에서 수 바(bar)로 가압된다. 고압 펌프(16)로부터 토출된 LNG는 열교환기(18)에서 NG로 기화되어 엔진(12)으로 공급된다.
이러한 LNG는 LNG 연료탱크(10)로 열침투가 발생하거나 LNG를 엔진(12)으로 공급하는 과정에서 일부 기화되어 BOG를 생성하게 된다. LNG 연료탱크(10) 내에 BOG가 발생하면, LNG 연료탱크(10) 내의 압력이 상승하여 폭발 가능성 등과 같은 문제를 일으킨다.
종래에는 LNG 연료탱크(10) 내에서 발생한 BOG를 억제하기 위해 LNG 연료탱크(10) 외부로 BOG를 배출시키는 방법, 배출시킨 BOG를 소각시키는 방법 등이 사용되고 있었다. 그러나 이러한 방법은 에너지 낭비 및 환경오염의 문제를 발생시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위한 기술이 한국공개특허 제10-2016-0015495호(연료 공급 시스템), 한국공개특허 제10-2015-0057780호(BOG 처리 시스템 및 방법)에 개시되어 있다. 한국공개특허 제10-2016-0015494호에서는 LNG 저장탱크에서 발생한 BOG를 고압 또는 저압으로 압축하여 제1 엔진 또는 제2 엔진으로 공급하고 있다. 한편, 한국공개특허 제10-2015-0057780호에서는 카고탱크에서 발생한 BOG를 저온의 LNG와 열교환시켜 재액화된 BOG를 카고탱크로 회수하고 있다.
한국공개특허 제10-2016-0015494호(연료 공급 시스템) 한국공개특허 제10-2015-0057780호(BOG 처리 시스템 및 방법)
그러나 위 한국공개특허 제10-2016-0015494호에서는 엔진에서 요구되는 연료의 양을 초과한 잉여의 BOG를 소각시키고 있으므로 에너지 낭비를 초래한다. 또한, 위 한국공개특허 제10-2015-0057780호에서는 BOG를 재액화시키는데 사용된 LNG가 기화된 경우 그 기화된 LNG를 재액화시키기 위해 별도의 처리장치가 필요하므로 BOG 처리가 복잡해지는 문제가 있다.
이에 본 발명은 엔진에서 요구되는 연료의 양을 초과한 잉여의 BOG를 간편하게 재액화시킬 수 있는 BOG 처리장치를 갖는 연료가스 공급 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은, LNG 연료탱크에 저장된 LNG를 엔진의 연료로 공급하는 제1 LNG 공급라인에 차례로 마련된 부스터 펌프와, 고압 펌프와, 열교환기; 상기 LNG 연료탱크에서 발생한 BOG를 상기 엔진의 연료로 공급하는 BOG 공급라인; 상기 BOG 공급라인에 마련되어 BOG를 압축하는 복수의 압축기; 상기 BOG 공급라인에 차례로 마련되어 BOG를 가열하는 제2 열교환기 및 제3 열교환기; 상기 BOG 공급라인을 통해 이송된 BOG를 반송시켜 상기 BOG 공급라인과 순환라인을 형성하는 BOG 반송라인; 및 상기 BOG 반송라인에 마련되어 BOG를 재액화시키는 재액화부;를 포함하는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템을 제공한다.
상기 재액화부는, 상기 BOG 반송라인을 통해 이송된 BOG를 냉각하는 복수의 열교환기; BOG를 감압하는 감압 밸브; 및 상기 복수의 열교환기 와 상기 감압 밸브를 경유한 BOG를 기체와 액체로 분리하는 제1 기액분리기;를 포함한다.
상기 BOG 반송라인에 마련된 복수의 열교환기 중 하나는 상기 부스터 펌프로부터 토출된 LNG를 이송하는 제2 LNG 공급라인과 연결되어 열을 교환하는 제4 열교환기인 것을 특징으로 한다.
상기 BOG 반송라인에 마련된 복수의 열교환기 중 하나는 상기 BOG 공급라인과 연결되어 열을 교환하는 제2 열교환기인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 LNG 공급라인에는 기체와 액체로 분리하는 제2 기액분리기가 마련되고, 상기 제2 기액분리기로부터 분리된 BOG는 상기 BOG 공급라인으로 이송된다.
본 발명에 따르면, BOG를 엔진에 공급하는 BOG 공급라인과 재액화부를 구비한 BOG 반송라인이 순환라인을 형성함으로써 BOG 처리가 일원화되어 있다.
또한, 본 발명에 따르면, BOG를 재액화시키기 위해 사용된 LNG는 BOG 공급라인을 통해 BOG 반송라인으로 이송될 수 있으므로 기화된 LNG를 재액화시키기 위한 별도의 처리장치가 불필요하다.
도 1은 종래의 연료가스 공급 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료가스 공급 시스템을 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명에 따른 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템의 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 해석되어야 할 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템은 LNG 연료탱크(110)에 저장된 LNG를 엔진의 연료로 공급하는 제1 LNG 공급라인(111a)과, LNG 연료탱크(110)에서 발생한 BOG를 엔진의 연료로 공급하는 BOG 공급라인(121)과, BOG를 재액화하기 위해 재액화부를 구비한 BOG 반송라인(131)을 포함한다.
상기 제1 LNG 공급라인(111a)은 일단이 LNG 연료탱크(110)에 연결되고, 타단이 엔진(112)에 연결된다. 상기 제1 LNG 공급라인(111a)에는 부스터 펌프(114), 고압 펌프(116), 제1 열교환기(118)가 차례로 마련된다.
상기 부스터 펌프(114)는 LNG 연료탱크(110)로부터 이송된 LNG를 약 5 bar 정도로 가압하여 고압 펌프(116)로 배출한다. 상기 부스터 펌프(114)로는 LNG를 수용할 수 있는 용기에 탑재된 원심 펌프가 사용될 수 있다.
상기 고압 펌프(116)는 부스터 펌프(114)로부터 토출된 LNG를 엔진(112)에서 요구되는 압력인 약 350 bar 정도로 가압하여 상기 제1 열교환기(118)로 공급한다. 상기 고압 펌프(116)로는 왕복동 펌프가 사용될 수 있다.
부스터 펌프(114)와 고압 펌프(116) 사이의 제1 LNG 공급라인(111a)에는 밸브(도면부호 미도시)가 마련될 수 있다. 상기 밸브(도면부호 미도시)는 부스터 펌프(114)에서 고압 펌프(116)로 유입되는 LNG의 유량을 조절할 수 있다.
부스터 펌프(114)나 고압 펌프(116)로 유입되는 LNG에 기체인 BOG가 포함되어 있으면 Cavitation 및 Hammering Effect 등을 일으켜서 장비의 오작동으로 인해 연료가스 공급 시스템의 가동이 불가능한 위험한 상태가 될 수 있다.
이에 본 발명에 포함된 부스터 펌프(114)는 기체가 펌프 내부에 머무는 타입이 아니라 외부로 흐를 수 있는 구조를 가진 원심 펌프 타입이 사용된다. 상기 부스터 펌프(114)에는 LNG 연료탱크(110)로 연결되는 BOG 회수라인(115)이 설치된다. 따라서 부스터 펌프(114)에서 발생한 BOG가 상기 BOG 회수라인(115)을 따라 자연스럽게 LNG 연료탱크(110)로 흘러들어갈 수 있으므로 부스터 펌프(114)나 고압 펌프(116) 내부로 BOG가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 BOG 회수라인(115)에는 LNG 연료탱크(110)로 유입되는 BOG의 유량을 제어하는 밸브가 설치되어 있지 않다. 부스터 펌프(114)가 탑재된 용기의 LNG 수위는 부스터 펌프(114)의 사용량에 따라 변하게 되고, 그에 따라 발생하는 BOG의 양도 변하게 된다. BOG 회수라인(115)에 밸브가 설치되면 BOG 유량 변화에 따라 지속적으로 밸브를 관리해야 하는 문제가 발생한다. 따라서 상술한 바와 같이 부스터 펌프(114)에서 발생한 BOG는 BOG 회수라인(115)을 따라 LNG 연료탱크(110)로 자연스럽게 유입되므로 밸브의 유지보수에 대한 부담은 없게 된다.
상기 부스터 펌프(114)는 LNG 연료탱크(110)로부터 저온의 LNG가 용기 안으로 유입되므로 쿨다운(Cool Down) 동작이 가능하지만, 고압 펌프(116)는 용기에 탑재되어 있지 않으므로 고압 펌프(116)의 쿨다운 동작을 위해 부스터 펌프(114)를 다시 구동시켜야 한다. 이때, 부스터 펌프(114)를 구동시킴으로써 발생되는 열손실을 최소화하기 위한 개선책이 요구된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 포함된 부스터 펌프(114)는 기체가 외부로 흐를 수 있는 타입이므로 부스터 펌프(114)에서 발생한 BOG는 제1 LNG 공급라인(111a)을 따라 자연스럽게 고압 펌프(116)로 이동할 수 있다. 따라서 부스터 펌프(114)에서 고압 펌프(116)로 저온의 BOG가 유입되어 고압 펌프(116)를 냉각시키므로 고압 펌프(116)의 쿨다운 동작시 부스터 펌프(114)는 최소한으로 구동될 수 있다. 고압 펌프(116) 내로 유입된 BOG는 별도의 배기장치(미도시)나 회수라인(미도시)을 통해 LNG 연료탱크(110)로 회수될 수 있다.
고압 펌프(116)의 쿨다운 동작이 진행되는 과정에서 고압 펌프(116) 내로 유입된 LNG는 엔진(112)에서 요구되는 온도와 압력 조건을 가지고 있지 않으므로 엔진(112)으로 유입되지 않도록 할 필요가 있다. 본 발명에서는 고압 펌프(116)와 LNG 연료탱크(110)를 연결하는 제1 LNG 회수라인(117)이 마련된다. 따라서 고압 펌프(116)의 쿨다운 동작 중 고압 펌프(116) 내로 유입된 LNG는 상기 제1 LNG 회수라인(117)을 따라 LNG 연료탱크(110)로 회수되므로 엔진(112)에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제1 LNG 회수라인(117)에는 LNG가 LNG 연료탱크(110)에서 고압 펌프(116) 방향으로 역류하는 것을 방지하기 위해 단방향 밸브(도면부호 미도시)가 설치될 수 있다.
상기 제1 LNG 공급라인(111a)에는 제2 LNG 회수라인(119)이 마련된다. 상기 제2 LNG 회수라인(119)은 일단이 고압 펌프(116)와 제1 열교환기(118) 사이의 제1 LNG 공급라인(111a)에 연결되고, 타단이 LNG 연료탱크(110)에 연결된다. 상기 제2 LNG 회수라인(119)에는 감압 밸브(도면부호 미도시)가 마련될 수 있다. 엔진(112)에서 요구되는 연료의 양을 초과한 잉여의 LNG는 제2 LNG 회수라인(119)을 통해 LNG 연료탱크(110)로 회수될 수 있다. 이때, 상기 제1 열교환기(118)를 통과하지 않은 LNG는 감압 밸브(도면부호 미도시)에 의해 감압되므로 LNG 연료탱크(110)에 저온저압의 상태로 회수된다.
상기 제1 열교환기(118)는 고압 펌프(116)로부터 공급받은 LNG를 가열하게 된다. 제1 열교환기(118)의 열교환 방식에는 제한이 없다. 예를 들어, 글리콜 히터로부터 공급되는 글리콜 워터 등이 이용될 수 있다.
제1 열교환기(118)와 엔진(112) 사이의 제1 LNG 공급라인(111a)에는 단방향 밸브(도면부호 미도시)가 마련될 수 있다. 이는 후술할 BOG 공급라인(121)으로 부터 공급된 BOG가 엔진(112)으로 공급되지 않고 제1 열교환기(118) 방향으로 이송되는 것을 방지하기 위함이다.
상기 BOG 공급라인(121)의 일단은 LNG 연료탱크(110)에 연결되고, 타단은 제1 열교환기(118)와 엔진(112) 사이의 제1 LNG 공급라인(111a)에 연결된다. BOG 공급라인(121)에는 제2 열교환기(122), 제3 열교환기(124), 복수의 압축기, 밸브(도면부호 미도시)가 마련된다.
BOG 공급라인(121)의 상류와 하류에 각각 제2 열교환기(120)와 제3 열교환기(122)가 마련된다. 제2 열교환기(120)와 제3 열교환기(122)는 BOG 공급라인(121)을 통해 이송된 BOG의 온도를 엔진(112)에서 요구되는 온도까지 높이게 된다.
상기 복수의 압축기는 저압 압축기(124)와 고압 압축기(126)로 구성될 수 있다. 이러한 복수의 압축기는 제2 열교환기(120)와 제3 열교환기(122) 사이의 BOG 공급라인(121)에 마련된다. 복수의 압축기는 BOG 공급라인(121)을 통해 이송된 BOG를 엔진(112)에서 요구되는 압력까지 압축하게 된다.
상기 제3 열교환기(122)를 기준으로 BOG 공급라인(121)의 하류에는 밸브(도면부호 미도시)가 마련되어 있다. 상기 밸브(도면부호 미도시)는 BOG 공급라인(121)을 통해 엔진(112)으로 공급되는 BOG의 유량을 조절하게 된다. 즉, 제1 LNG 공급라인(111a)을 통해 엔진(112)으로 연료를 공급할 수 없는 경우(예를 들어 스탠바이 모드시)에 상기 밸브(도면부호 미도시)를 개방함으로써 BOG는 엔진(112)으로 공급될 수 있다. 반면, 엔진(121)에서 요구되는 연료의 양을 초과한 경우에 상기 B밸브(도면부호 미도시)를 폐쇄함으로써 BOG는 엔진(112)으로 공급될 수 없게 된다.
상기 BOG 반송라인(131)은 BOG 공급라인(121)을 통해 엔진(112)으로 공급되는 BOG를 반송시켜 LNG 연료탱크(110)로 회수하거나 BOG 공급라인(121)으로 재이송하기 위해 마련된다. 이 경우 상기 BOG 반송라인(131)은 상기 BOG 공급라인(121)과 순환라인을 형성할 수 있다. 상기 BOG 반송라인(131)에는 BOG 반송밸브(132), 재액화부가 마련된다.
상기 BOG 반송밸브(132)는 BOG 공급라인(121)에서 BOG 반송라인(131)으로 유입되는 BOG의 유량을 조절하게 된다. 즉, 상기 BOG 반송밸브(132)를 개방하면 BOG 공급라인(121)을 통해 이송된 BOG는 BOG 반송라인(131)으로 이동할 수 있게 된다.
상기 BOG 반송라인(131)을 통해 이송된 BOG는 재액화부를 거쳐 재액화하게 된다. 상기 재액화부는 BOG의 온도를 낮추는 복수의 열교환기, 감압 밸브(136), 제1 기액분리기(138)를 포함한다.
상기 복수의 열교환기 중 어느 하나는 제2 LNG 공급라인(111b)과 연결되는 제4 열교환기(134)이다. 상기 제2 LNG 공급라인(111b)은 부스터 펌프(114)로부터 토출된 LNG를 이송한다. 따라서 BOG 반송라인(131)을 통해 이송된 BOG는 상기 제2 LNG 공급라인(111b)을 통해 이송된 저온의 LNG로부터 열을 빼앗기게 되므로 온도가 낮아지게 된다. 한편, 상기 제2 LNG 공급라인(111b)을 통해 이송된 LNG는 열을 얻어 온도가 높아지게 된다.
상기 제2 LNG 공급라인의 일단은 부스터 펌프(114)에 연결되고, 타단은 BOG 공급라인(121)에 연결된다. 상기 제2 LNG 공급라인(111b)에는 제2 기액분리기(140)가 마련된다. 상기 제2 기액분리기(140)는 제4 열교환기(134)를 경유하여 온도가 높아진 LNG에서 기체인 BOG와 액체인 LNG를 분리하게 된다. 상기 제2 기액 분리기(140)에서 분리된 BOG는 BOG 공급라인(121)으로 이송되고, 상기 제2 기액분리기(140)에서 분리된 LNG는 회수라인(도면부호 미도시)을 따라 LNG 연료탱크(110)로 이송된다.
상기 복수의 열교환기 중 나머지 하나는 BOG 공급라인과 연결되는 제2 열교환기(120)이다. 상기 BOG 반송라인(131)을 통해 이송된 BOG는 BOG 공급라인(121)을 통해 이송된 BOG보다 상대적으로 고온이므로 열을 빼앗기게 되어 온도가 낮아지게 된다.
상기 감압 밸브(136)는 복수의 열교환기를 경유한 BOG를 감압하게 된다. 이 경우 BOG는 팽창하면서 온도가 낮아지므로 재액화하게 된다.
상기 제1 기액분리기(138)는 감압 밸브(136)를 경유하여 온도가 낮아진 BOG에서 기체인 BOG와 액체인 LNG를 분리하게 된다. 상기 제1 기액분리기(138)에서 분리된 BOG는 BOG 공급라인(121)으로 이송되고, 상기 제1 기액분리기(138)에서 분리된 LNG는 회수라인(도면부호 미도시)을 따라 LNG 연료탱크(110)로 이송된다. 이 경우 기체상태의 BOG는 부스터 펌프(114)에 의해 저압 압축된 상태이므로 BOG 공급라인(121)에 마련된 복수의 압축기 사이에 이송되는 것이 바람직하다.
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.
110 : LNG 연료탱크 111a : 제1 LNG 공급라인
111b : 제2 LNG 공급라인 112 : 엔진
114 : 부스터 펌프 115 : BOG 회수라인
116 : 고압 펌프 117 : 제1 LNG 회수라인
118 : 제1 열교환기 119 : 제2 LNG 회수라인
120 : 제2 열교환기 121 : BOG 공급라인
122 : 제3 열교환기 124 : 저압 압축기
126 : 고압 압축기 131 : BOG 반송라인
132 : BOG 반송밸브 134 : 제4 열교환기
136 : 감압 밸브 138 : 제1 기액분리기
140 : 제2 기액분리기

Claims (5)

  1. LNG 연료탱크에 저장된 LNG를 엔진의 연료로 공급하는 제1 LNG 공급라인에 차례로 마련된 부스터 펌프와, 고압 펌프와, 제1 열교환기;
    상기 LNG 연료탱크에서 발생한 BOG를 상기 엔진의 연료로 공급하는 BOG 공급라인;
    상기 BOG 공급라인에 마련되어 BOG를 압축하는 복수의 압축기;
    상기 BOG 공급라인에 차례로 마련되어 BOG를 가열하는 제2 열교환기 및 제3 열교환기;
    상기 BOG 공급라인을 통해 이송된 BOG를 반송시켜 상기 BOG 공급라인과 순환라인을 형성하는 BOG 반송라인; 및
    상기 BOG 반송라인에 마련되어 BOG를 재액화시키는 재액화부;를 포함하는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재액화부는,
    상기 BOG 반송라인을 통해 이송된 BOG를 냉각하는 복수의 열교환기;
    BOG를 감압하는 감압 밸브; 및
    상기 복수의 열교환기와 상기 감압 밸브를 경유한 BOG를 기체와 액체로 분리하는 제1 기액분리기;를 포함하는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BOG 반송라인에 마련된 복수의 열교환기 중 하나는 상기 부스터 펌프로부터 토출된 LNG를 이송하는 제2 LNG 공급라인과 연결된 제4 열교환기인 것을 특징으로 하는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 BOG 반송라인에 마련된 복수의 열교환기 중 하나는 상기 BOG 공급라인과 연결된 제2 열교환기인 것을 특징으로 하는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 LNG 공급라인에는 기체와 액체로 분리하는 제2 기액분리기가 마련되고, 상기 제2 기액분리기로부터 분리된 BOG는 상기 BOG 공급라인으로 이송되는 BOG 처리 장치를 갖는 연료가스 공급 시스템.
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