KR20180087019A - 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화천연가스를 연료로 하는 엔진이 적용된 선박에서, 컴프레서(Compressor)를 활용하지 않고 펌프와 재기화 설비를 이용하여 엔진의 연료 공급 조건에 맞추어 액화천연가스 연료를 공급할 수 있도록 하는 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템은, 액화천연가스를 연료로 하며 오토 사이클(Otto Cycle)에 따라 작동하는 오토 사이클 엔진; 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화된 천연가스로 동력을 발생시키고 감압된 천연가스를 배출시키는 팽창기(Expander); 및 상기 팽창기와 축으로 연결되며 상기 저장탱크에서 자연기화하여 발생한 증발가스를 압축하는 컴프레서;를 포함하여, 상기 기화기 및 팽창기를 통과한 천연가스 및 상기 컴프레서에서 압축된 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진의 연료로써 공급할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법 {Fuel Supply System and Method for LNG Fueled Vessel}
본 발명은 액화천연가스를 연료로 하는 엔진이 적용된 선박에서, 컴프레서(Compressor)를 활용하지 않고 펌프와 재기화 설비를 이용하여 엔진의 연료 공급 조건에 맞추어 액화천연가스 연료를 공급할 수 있도록 하는 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선박은 연료의 연소에 의해 동력을 발생시키는 엔진에 의해 추진력을 가지게 되는데, 선박의 연료로서 사용되는 경유, 중유, MDO(Marine Diesel Oil) 등의 연료유는 연소 과정에서 발생하는 다량의 유해물질로 인하여 환경오염을 유발하는 원인이 되고 있다. 최근 대기환경오염을 방지하기 위한 국제적인 규제가 강화되면서, 선박의 연료가 연료유에서 천연가스로 변경되는 추세이다. 천연가스는 황 함유량이 적어 연소시에 황화합물 및 검댕 물질을 생성하지 않아 비교적 친환경적이다. 이러한 추세에 맞추어 연료유와 함께 천연가스를 사용할 수 있는 이중연료 엔진이 개발되었다.
한편, 천연가스는 상온, 상압에서는 기체 상태로 그 부피가 너무 크기 때문에 저장을 위한 공간의 제약이 심하기 때문에, 통상 상압에서 약 -163℃의 극저온에서 액체 상태를 유지하는 특성을 이용하여 단열재로 처리된 특수 저장탱크에 극저온의 LNG를 상압의 액체 상태로 저장할 수 있다.
또한, 친환경 선박(Green-ship)으로 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)를 연료로 사용하는 선박(LFS; Liquefied Fueled Ship)이 개발되어 각국의 선급으로부터 공식인증(AIP; Approval In Principle)을 승인받아 환경 규제로 인한 청정에너지로의 전환 요구를 충족시키고 있다. 이러한 LFS는 LNG를 화물로써 운반하는 LNG 운반선뿐만 아니라, 컨테이너선, 탱커선 등을 비롯한 일반 상선에도 적용할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진은 MEGI엔진 및 DF(Dual Fuel)엔진이 있다.
ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
디젤 사이클은, 상사점 부근에서 연소가 일어날 때의 압력이 일정한 정압 공정을 따르는데, 상승 행정시 연소 공기만을 실린더에 흡입하여, 흡입한 연소 공기를 높은 압축비로 단열 압축한다. 상사점에 이르러서는 압축 행정시의 단열 압축으로 인해 연소 공기가 상당히 높은 온도에 이르게 되며, 단열 압축된 연소 공기에 연료를 분사하면 높은 온도로 인해 자연 발화하게 된다.
디젤 사이클에서 상사점에 이른 연소 공기가 이미 높은 압력임에도 불구하고 연료 분사에 의한 폭발로 압력이 더 높아지는 것을 방지하기 위해, 연료의 분사 압력을 적절하게 조절하여 상사점에서의 연료의 연소 압력을 일정하게 유지한다.
디젤 기관은 연료의 압축비가 높을수록 연소 효율이 증가하나, 폭발 압력을 고려하여 일반적으로 15 ~ 22 : 1 정도의 압축비로 연료를 압축시킨다.
또한, 디젤 기관은, 압축 행정에서 공기만이 압축되기 때문에, 피스톤이 상사점에 이르기 전에 조기 착화가 일어나는 현상인 노킹(Knocking)은 원천적으로 발생하지 않는다.
DF엔진은, 4행정 또는 2행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 또는 18bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
오토 사이클은, 상사점 부근에서 연소가 일어날 때의 부피가 일정한 정적 공정을 따르는데, 연료와 연소공기의 혼합기가 상승 행정 이전에 실린더 내로 유입되어 함께 압축된다. 실린더 내로 유입된 혼합기가 단열압축되며 온도가 상승되는데, 혼합기가 너무 높은 온도에 이르면 조기 착화가 일어날 수 있다. 따라서, 오토 사이클의 압축비는 디젤 사이클에 비하여 낮게 설정된다.
오토 사이클의 압축비가 비교적 낮게 설정되므로, 상사점에서 점화원에 의해 연료가 폭발할 때 높은 압력에 이르게 할 필요가 있으며, 연료를 최대한 짧은 시간 내에 폭발시키는 것이 기관의 효율을 높이는 데 도움이 된다.
오토 사이클을 따르는 엔진은, 연료와 연소공기의 혼합기를 상승 행정 이전에 실린더 내로 유입시키므로, 점화원에 의해 점화가 되기 전에 조기 착화가 일어날 수 있고, 노킹 현상이 일어날 수 있다.
노킹 현상이 일어나면 기관의 효율이 낮아지고 엔진에 손상이 가해질 수도 있으므로, 오토 사이클을 따르는 엔진은 노킹 현상을 방지하도록 운전하는 것이 중요하다.
오토 사이클을 따르는 엔진에 사용되는 연료가 조기 착화되지 않는 성능, 즉 안티노킹(Anti-Knocking)은, 액체 연료의 경우에는 옥탄가(Octane Number)에 의해, 가스 연료의 경우에는 메탄가(Methane Number)에 의해 규정되며, DF 엔진의 경우에는 메탄가 80 이상을 요구한다.
오토 사이클을 따르는 DF 엔진의 경우, 디젤 사이클을 따르는 ME-GI 엔진에 비해 효율은 더 낮으나, 연료의 연소 온도가 높지 않아 고열로 인해 발생하는 질소산화물(NOx)의 양이 적기 때문에, 현재 발효 중인 질소산화물 규제인 IMO Tier Ⅲ을 만족시킨다는 장점이 있다.
이와 같이, 저장탱크에 저장된 LNG를 엔진에서 요구하는 사양에 맞추어 공급하기 위해서는 LNG 및 각 엔진의 특성을 고려한 각종 장비들과 연료 공급 시스템이 구성되어야 할 필요가 있다.
도 1은 종래의 LNG 운반선의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 연료 공급 시스템은, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 증발가스 공급 시스템과 엔진(E1, E2)의 연료로 사용하고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템 및 저장탱크(T) 내부의 액화천연가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 액화천연가스 공급 시스템을 포함할 수 있다.
증발가스 공급 시스템은 다단압축기(200)를 포함하고, 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 펌프(610), 제2 펌프(620), 기화기(700), 제1 가열기(810), 및 제2 감압장치(420)를 포함하며, 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 제1 감압장치(410), 및 기액분리기(500)를 포함한다.
다단압축기(200)는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키며, 다수개의 압축부(210, 220, 230, 240, 250) 및 압축부 후단에 압축부와 교대로 설치되는 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함하는데, 일반적으로 5개의 압축부 및 5개의 냉각기에 의해 5단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기가 사용된다.
또한, 다단압축기(200)는 하나 또는 다수개의 분기라인을 포함할 수 있으며, 분기라인은 압축부를 통과하여 압축된 증발가스를 다시 압축부로 재공급함으로써 다단압축기(200)를 통과하는 증발가스의 압력과 유량을 조절하도록 한다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 분기라인은 제1 압축부(210) 후단에서 증발가스를 분기시켜 제1 압축부(210) 전단으로 공급하도록 하는 제1 분기라인(L1) 및 제5 압축부(250) 후단에서 증발가스를 분기시켜 제4 압축부(240) 전단으로 공급하도록 하는 제2 분기라인(L2)을 포함할 수 있다.
다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내지고, 다단압축기(200)의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어(L3 라인) 제2 엔진(E2)으로 보내진다. 제1 엔진(E1)은 ME-GI엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 발전용 DF엔진일 수 있다.
제1 펌프(610)는, 저장탱크(T) 내부에 설치되어, 저장탱크(T)에 저장된 액화천연가스를 배출시키며, 제2 펌프(620)는, 제1 펌프(610)에 의해 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스를 제1 엔진(E1)의 요구 압력까지 압축시킨다.
기화기(700)는, 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 강제 기화시킨다. 기화기(700)에 의해 강제 기화된 천연가스는, 일부는 제1 엔진(E1)으로 공급되고, 나머지는 제1 가열기(810)로 공급된다.
제1 가열기(810)는, 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도로 가열하며, 제2 감압장치(420)는, 제1 가열기(810)에 의해 가열된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력으로 감압시킨다.
도 1에는 기화기(700) 후단에 제1 가열기(810)가 설치되고, 제1 가열기(810) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치된 것이 도시되어 있지만, 제1 가열기(810)와 제2 감압장치(420)와 설치 순서는 바뀔 수 있고, 기화기(700) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치되고, 제2 감압장치(420) 후단에 제1 가열기(810)가 설치될 수도 있다.
제1 열교환기(110)는, 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 후 일부 분기된 증발가스(L5 라인)를, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 열교환시켜 냉각시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스 중, 제1 엔진(E1)이나 제2 엔진(E2)으로 공급되지 않고 남은 잉여 증발가스가, 제1 열교환기(110)로 공급되어 재액화 과정을 거치는 것이다.
제1 감압장치(410)는, 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체(L5 라인)를 팽창시킨다. 다단압축기(200)에 의한 압축 과정과, 제1 열교환기(110)에 의한 냉각 과정과, 제1 감압장치(410)에 의한 팽창 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
기액분리기(500)는, 다단압축기(200), 제1 열교환기(110), 및 제1 감압장치(410)를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리한다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀되고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된다.
제2 엔진(E2)이 DF 엔진 등 오토 사이클을 따르는 엔진인 경우, 노킹이 발생하지 않도록 하기 위해 제2 엔진(E2)으로 공급되는 천연가스의 메탄가를 맞춰야 하는데, 액화천연가스 공급 시스템에 의해 강제 기화되는 천연가스의 경우, 증발가스 공급 시스템의 의해 공급되는 자연 기화된 증발가스보다 메탄가가 낮다.
액화천연가스 공급 시스템에 의하면, 저장탱크(T) 하부에 설치된 제1 펌프(610)에 의해 저장탱크(T) 하부의 액화천연가스를 배출시켜 강제 기화시키므로, 비교적 비중이 큰 성분의 비율이 높기 때문이다.
따라서, 특히 액화천연가스 공급 시스템의 기화기 등 재기화 설비에 의해 강제 기화되는 천연가스의 메탄가를 조절할 필요가 있으며, 본 발명은, 엔진의 연료로 공급되는 천연가스의 메탄가 등 오토 사이클 엔진이 요구하는 연료 가스의 사양을 만족할 수 있는 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화천연가스를 연료로 하며 오토 사이클(Otto Cycle)에 따라 작동하는 오토 사이클 엔진; 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화된 천연가스로 동력을 발생시키고 감압된 천연가스를 배출시키는 팽창기(Expander); 및 상기 팽창기와 축으로 연결되며 상기 저장탱크에서 자연기화하여 발생한 증발가스를 압축하는 컴프레서;를 포함하여, 상기 기화기 및 팽창기를 통과한 천연가스 및 상기 컴프레서에서 압축된 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진의 연료로써 공급할 수 있는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 팽창기를 통과하면서 상기 기화된 천연가스는 기액혼합물을 형성하고, 상기 기액혼합물을 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하여, 상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 저장탱크로 회수하고, 상기 기액분리기에서 분리된 기체는 상기 오토 사이클 엔진의 연료로 공급하여, 상기 오토 사이클 엔진으로 공급되는 천연가스 연료의 메탄가를 조절할 수 있다.
바람직하게는, 상기 저장탱크로부터 액화천연가스를 배출시키는 연료 공급펌프; 및 상기 연료 공급펌프에 의해 배출된 액화천연가스를 압축하는 고압펌프;를 더 포함하여, 상기 고압펌프에서 압축된 천연가스를 상기 기화기로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 온도로 가열하는 연료가스 히터; 및 상기 컴프레서에서 압축된 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 온도로 냉각시키는 애프터 쿨러;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 저장탱크로부터 액화천연가스가 상기 엔진으로 공급되도록 경로를 제공하는 액화천연가스 연료라인; 및 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 엔진의 연료로써 공급되도록 경로를 제공하는 증발가스 연료라인;를 포함하고, 상기 증발가스 연료라인은 상기 연료가스 히터 후단에서 상기 액화천연가스 연료라인에 합류될 수 있다.
바람직하게는, 상기 기화기로 공급되는 압축 액화천연가스와 상기 기액분리기에서 분리되어 저장탱크로 회수되는 액체를 열교환시켜 상기 저장탱크로 회수되는 재액화 천연가스를 냉각시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 오토 사이클 엔진은, 상기 선박의 추진용 엔진으로써 2-스트로크 엔진(2-Stroke Engine)인 X-DF 엔진; 및 상기 선박의 보조전력 생산용 엔진으로써 4-스트로크 엔진(4-Stroke Engine)인 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator Engine);을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 DFDG로 공급할 천연가스 연료를 감압시키는 감압 밸브;를 더 포함하여, 상기 연료가스 히터 및 감압 밸브를 통과한 천연가스 연료는 상기 DFDG에서 필요로 하는 압력을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 팽창기는 하나 이상 마련되고, 상기 하나 이상의 팽창기 중 어느 하나의 팽창기와 축으로 연결되며 상기 팽창기의 동력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기; 또는 상기 하나 이상의 팽창기 중 어느 하나의 팽창기와 축으로 연결되며 상기 팽창기의 잉여 동력을 소모시키는 브레이크 레지스터;를 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 1) 연료 공급펌프를 이용하여 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 저장탱크 외부로 배출시키고 고압펌프를 이용하여 압축시키는 단계; 2) 상기 압축 액화천연가스를 기화기를 이용하여 기화시키는 단계; 3) 상기 기화된 천연가스를 팽창기로 공급하여 감압시킴과 동시에 동력을 생산하고, 상기 팽창기와 연결된 컴프레서를 이용하여 상기 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축시키는 단계; 및 4) 상기 기화 및 감압된 천연가스와 압축된 증발가스를, 액화천연가스를 연료로 하고 오토 사이클에 따라 작동하는 오토 사이클 엔진의 연료로 공급하는 단계;를 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 4)단계는, 상기 감압에 의해 기액혼합물이 형성된 기화 천연가스를 기액분리기로 공급하여 기액분리하는 단계;를 더 포함하여, 상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 천연가스는 상기 오토 사이클 엔진의 연료로 공급하고, 상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 재액화 천연가스는 상기 저장탱크로 회수할 수 있다.
바람직하게는, 상기 4)단계는, 상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 천연가스를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 가스 연료 온도 조건으로 가열시키는 단계; 및 상기 압축 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 가스 연료 온도 조건으로 냉각시키는 단계;를 더 포함하여, 상기 가열된 천연가스와 냉각된 증발가스는 동일한 온도 및 압력을 갖는 상태로 상기 오토 사이클 엔진으로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기화기로 공급하는 압축 액화천연가스와 상기 저장탱크로 회수되는 재액화 천연가스를 열교환시켜, 상기 재액화 천연가스를 냉각시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 오토 사이클 엔진은, 서로 다른 가스 연료 압력 조건을 갖는 2종의 엔진을 포함하고, 상기 오토 사이클 엔진의 연료로 공급되는 천연가스 및 압축 증발가스를 상기 2종의 엔진 중 어느 하나의 엔진에서 요구하는 가스 연료 압력 조건으로 감압시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 컴프레서로 증발가스를 공급할 수 없을 때에는, 상기 팽창기에서 생산된 동력을 이용하여 전력을 생산하고, 상기 오토 사이클 엔진으로는 상기 가열된 천연가스만을 연료로 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 오토 사이클 엔진이 요구하는 연료 가스 사양을 만족하는 연료를 공급할 수 있으며 특히, 종래에 BOG 컴프레서를 사용하던 방식에 비해 고압펌프 및 재기화 설비를 사용함으로써 운전비용을 줄일 수 있고, 고압펌프와 재기화 설비는 BOG 컴프레서를 적용하는 것보다 장비의 설치 면적 및 설치되는 장비의 가격을 낮출 수 있다.
또한, 종래에는 고압펌프와 재기화 설비를 사용하더라도 오토 사이클 엔진의 경우에는 메탄가를 요구 수준 이상으로 맞출 수 없었으나, 엔진에서 요구하는 메탄가를 확보할 수 있다.
또한, 일부의 가스를 재액화하여 저장탱크에 재공급하므로 자연기화되는 BOG의 양을 최소화할 수 있다.
또한, 선박의 운항 중에는 엔진의 부하가 항상 변하는데 본 발명에 따르면, 이러한 변화에 맞게 연료 가스의 요구 유량을 온도, 압력을 유지하면서 공급할 수 있고, 특히, 고압펌프의 유량 제어 및 장비별 온도, 압력제어를 통하여 엔진 부하에 대해 유연한 대응으로 엔진 연료 요구 온도 및 압력을 일정하게 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 LNG 운반선의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
하기 실시예에서는 액화천연가스의 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 다양한 액화가스에 적용될 수 있으며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예에서 각 유로를 흐르는 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 기체상태, 기액혼합상태, 액체상태, 또는 초임계 유체 상태일 수 있다.
또한, 하기 실시예에서 선박은 액화천연가스를 화물로써 운반하는 액화천연가스 운반선(LNG Carrier)일 수 있고, 또는 액화천연가스를 저장하는 저장탱크를 갖춘 일반 상선일 수도 있으며, 따라서 본 실시예는 액화천연가스를 연료로써 공급받는 엔진이 마련되고 엔진에 의해 추진력을 갖거나 엔진을 구동하여 전력을 생산하여 사용할 수 있는 모든 선박에 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템은 도 2에 도시한 바와 같이, 액화천연가스를 저장하는 저장탱크(10) 내부에 저장된 액화천연가스를 엔진(ME, GE)으로 공급하는 액화천연가스 연료라인(LL)을 포함하고, 저장탱크(10)에서 자연기화하여 발생하는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 엔진(ME, GE)으로 공급하는 증발가스 연료라인(GL)을 더 포함한다.
본 실시예의 액화천연가스를 저장하는 저장탱크(10)는, 상압에서 극저온의 액화천연가스를 저장하도록 설계·제작되는 멤브레인(Membrane) 탱크 또는 상대적으로 고압에서 극저온의 액화천연가스를 저장하도록 설계·제작되는 Type C 탱크일 수 있으며, 설치 위치, 용량 등에 따라 선택할 수 있다. 단, 본 실시예의 저장탱크(10)는, 멤브레인 탱크인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에서 액화천연가스 연료라인(LL), 증발가스 연료라인(GL)을 따라 액화천연가스 연료를 공급받는 엔진은, 오토 사이클(Otto Cycle)을 적용하는 오토 사이클 엔진(ME, GE)일 수 있다.
본 실시예에서, 오토 사이클 엔진은, 2-스트로크 DFME(2-Stroke Dual Fuel Main Engine)으로써 선박의 주 추진용 엔진인 X-DF 엔진(ME) 및 4-스트로크 DFDG(4-Stroke Dual Fuel Diesel Generator Engine)으로써 선박의 보조 전력 생산용 엔진(GE)을 포함할 수 있고, X-DF 엔진(ME)과 전력 생산용 엔진(GE)은 연료로써 공급받는 천연가스의 사양이 서로 상이하다.
예를 들어, 본 실시예에서 X-DF 엔진(ME)은 약 18barg 내외, 약 0~60℃ 및 약 80 이상의 메탄가(Methane Number)를 갖는 천연가스 연료를 필요로 하고, 전력 생산용 엔진(GE)은 약 5barg 내외, 약 0~60℃ 및 약 80 이상의 메탄가를 갖는 천연가스 연료를 필요로 한다.
따라서, 이와 같은 엔진(ME, GE)의 연료 가스 요구 조건을 만족하면서 엔진(ME, GE)으로 액화천연가스 연료를 공급하기 위해서는, 저장탱크(10)에 극저온으로 상압 또는 고압으로 저장된, 본 실시예에서는 극저온으로 상압에서 액체 상태로 저장되어 있는 액화천연가스를 가열 및 기화시키고, 압축하고, 메탄가를 조절해야만 한다.
본 실시예의 액화천연가스 연료라인(LL) 상에는, 저장탱크(10)에 저장된 액화천연가스를 오토 사이클 엔진(ME, GE)이 필요로 하는 연료의 압력, 온도, 메탄가 등의 조건을 만족하는 연료 가스를 공급하기 위하여, 저장탱크(10)로부터 액화천연가스를 배출시키는 연료 공급펌프(11), 연료 공급펌프(11)에 의해 배출된 액화천연가스를 압축하는 고압펌프(20), 고압펌프(20)에 의해 압축된 액화천연가스를 기화시키는 기화기(30), 기화기(30)에서 기화된 천연가스를 팽창시키는 팽창기(EXP) 및 팽창기(EXP)에서 팽창에 의해 형성된 기액혼합물을 기액분리하는 기액분리기(50)가 마련된다.
본 실시예의 연료 공급펌프(11)는 저장탱크(10) 내부에 마련되는 것일 수 있고, 바람직하게는, 저장탱크(10) 내부에 하부, 저장탱크(10)의 바닥면 가까이에 설치될 수 있으며, 즉, 연료 공급펌프(11)는 저장탱크(10)의 가장 하부에 저장되어 있는 액화천연가스를 펌핑하여 고압펌프(20)로 공급한다.
또한, 연료 공급펌프(11)는 저장탱크(10)에 저장된 액화천연가스를 저장탱크(10) 내부에서 고압펌프(20)까지 이송하며, 저장탱크(10)의 크기, 연료 공급펌프(11)와 고압펌프(20)를 연결하는 배관의 압력 강하, 엔진(ME, GE)으로 공급해야 하는 연료 가스의 양 등에 따라 토출압력과 유량이 결정될 수 있다.
본 실시예의 고압펌프(20)는 연료 공급펌프(11)로부터 토출된 극저온의 액화천연가스를 고압으로 압축할 수 있다. 고압펌프(20)에 의해 액화천연가스는 고압으로 압축되면서 압축에 의해 온도가 상승하게 되며, 바람직하게는, 온도가 상승하더라도 액화천연가스는 액체 상태를 유지한다.
예를 들어, 고압펌프(20)는 저장탱크(10)로부터 배출된 약 1.2bar, -163℃의 액화천연가스를 약 300bar의 압력으로 압축시키며, 고압펌프(20)에 의해 압축된 액화천연가스는 약 300bar, -154℃의 액체 상태일 수 있다.
또한, 본 실시예의 고압펌프(20)는, 피스톤(Piston) 타입일 수 있으며, 회전수를 조절하는 방식으로 유량을 조절할 수 있다.
본 실시예의 기화기(30)는 고압펌프(20)에서 고압으로 압축된 액화천연가스를 열원을 이용하여 가열시키는 일종의 열교환기로써, 기화기(30)에서 압축 액화천연가스는 열에너지를 얻어 적어도 일부 또는 전량이 가스 상태로 기화될 수 있다.
예를 들어, 기화기(30)는 압축 액화천연가스를 약 0 ~ 50℃까지 가열시키며, 기화기(30)에서 기화된 천연가스는 예를 들어, 약 300bar, 0℃의 상태일 수 있다.
기화기(30)에서 배출되는 천연가스의 온도는 후술할 압축 증발가스의 유량에 따라 도시하지 않은 제어부에 의해 제어될 수 있으며, 후술할 컴프레서(COM)에서 압축시킬 증발가스의 양을 1차적으로 조절할 수 있다. 즉, 연료 가스의 소모가 작을 경우에는 더 낮은 온도로 가열되도록 하여, 팽창기(EXP)에서 발생시킬 동력을 감소시키고, 연료 가스의 소모가 클 경우에는 더 높은 온도로 가열되도록 하여, 팽창기(EXP)에서 발생시킬 동력을 증가시킬 수 있다.
기화기(30)에서 압축 액화천연가스를 가열하는 열원으로는, 스팀(Steam) 또는 글리콜 워터(Glycol Water)일 수 있고, 글리콜 워터는 해수 또는 선박 내 연소장치의 폐열(Waste Heat)을 회수하여 가열시킨 것일 수 있으나, 기화기(30)의 열원을 이에 한정하는 것은 아니다.
본 실시예의 팽창기(Expander, EXP)는 기화기(30)에서 기화된 고압 천연가스를 동력원으로 하여 동력을 발생시키고, 팽창기(EXP)를 통과한 고압 천연가스는 온도 및 압력이 낮아진다.
상술한 기화기(30)에서 고압의 천연가스가 더 높은 온도로 가열되어 팽창기(EXP)로 공급될수록 팽창기(EXP)에서는 더 많은 동력을 얻을 수 있으며, 도시하지 않은 제어부에 의해 기화기(30)에서 배출되는 고압의 천연가스의 온도를 제어할 수 있다. 그러나 기화기(30)로부터 가열되어 배출되는 고압의 천연가스의 온도가 너무 높으면, 후술할 기액분리기(50) 내의 온도가 높아져 엔진(ME, GE)의 연료로써 부적합한 온도가 되거나 또는 기액분리기(50)에서의 기액 성능이 떨어질 수 있으므로, 상술한 바와 같이 기화기(30)로부터 배출된 고압의 천연가스는 약 0℃의 온도로 배출되어 팽창기(EXP)로 공급되도록 제어될 수 있다.
또한, 팽창기(EXP)에서 저압, 저온으로 배출되는 천연가스는 기액혼합물 상태일 수 있으며 기액분리기(50)로 공급된다.
본 실시예에서, 팽창기(EXP)로부터 배출되는 기액혼합물은 도시하지 않은 제어부에 의해 오토 사이클 엔진(ME, GE)에서 요구하는 압력까지 팽창되도록 제어되며, 예를 들어 팽창기(EXP)로부터 배출되는 기액혼합물은 약 17bar가 되도록 제어될 수 있다.
팽창기(EXP)는 터빈(Turbine)과 동일하게 유체의 에너지로 동력을 발생시키는 장치로써, 고온, 고압의 유체가 팽창기의 임펠러(Impeller)를 회전시켜 동력을 발생시키면서 저온, 저압의 유체로 배출된다. 팽창기는 이와 같이 동력을 발생시킬 수 있으므로, 팽창기의 축(Shaft)에 컴프레서(Compressor), 발전기(Generator) 또는 브레이킹 레지스터(Breaking Resister)를 연결하여 팽창기(EXP)에서 고압의 천연가스를 동력원으로 발생시킨 동력을 활용할 수 있다.
본 실시예에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 팽창기(EXP)의 축에 컴프레서(COM)가 연결된 것을 예로 들었으며, 하나의 팽창기(EXP)와 하나의 컴프레서(COM)가 마련되는 것을 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 필요에 따라 하나의 팽창기와 하나의 컴프레서를 하나의 세트로 하여, 두 세트 이상이 마련될 수 있고, 또는 팽창기와 컴프레서 한 세트와 팽창기와 발전기 한 세트와 같이 하나 이상의 팽창기가 마련되고 각각의 팽창기에 컴프레서, 발전기, 브레이킹 레지스터가 연결될 수도 있다.
본 실시예에서 컴프레서(COM)는, 증발가스 연료라인(GL)에 마련되며 팽창기(EXP)에서 고압의 천연가스에 의해 발생한 동력을 이용하여 저장탱크(10)에서 자연기화하여 발생한 증발가스(BOG)를 압축시킬 수 있다.
증발가스 연료라인(GL)은 저장탱크(10)에서 생성된 증발가스를 오토 사이클 엔진(ME, GE)의 연료로 공급할 수 있도록, 저장탱크(10)로부터 후술할 연료가스 히터(60) 후단에서 액화천연가스 연료라인(LL)에 연결된다.
또한, 증발가스 연료라인(GL)에는, 컴프레서(COM) 후단에 컴프레서(COM)에서 압축에 의해 온도가 상승한 증발가스를 오토 사이클 엔진(ME, GE)에서 연료 가스 조건으로 요구하는 온도까지 냉각시키는 애프터 쿨러(GHX)가 더 마련될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따르면, 저장탱크(10)로부터 증발가스를 오토 사이클 엔진(ME, GE)의 연료로써, 기화기(30)에서 기화된 천연가스를 동력원으로 하여 압축하고, 압축 증발가스를 애프터 쿨러(GHX)에서 냉각시킴으로써 오토 사이클 엔진(ME, GE)의 연료 조건에 맞도록 온도 및 압력을 조절하여 연료로 공급할 수 있다.
본 실시예에서, 팽창기와 컴프레서를 하나의 세트로 하여 두 세트 이상이 마련되는 경우, 증발가스는 2단계에 걸쳐 압축될 수 있고, 또 다른 실시예로써 팽창기와 컴프레서 한 세트와, 팽창기와 발전기 한 세트가 마련되는 경우, 증발가스는 1단계에 걸쳐 압축되고 증발가스를 압축할 필요가 없거나 증발가스를 엔진(ME, GE)의 연료로 공급하지 않을 때 팽창기에서 발생하는 잉여의 동력으로 발전기를 구동시켜 전력을 추가로 생산할 수도 있으며, 또 다른 실시예로써 팽창기와 브레이킹 레지스터 한 세트가 더 마련될 경우에는 팽창기에서 발생하는 잉여의 동력을 브레이킹 레지스터로 소비시킬 수도 있다.
즉, 컴프레서(COM)에서 압축되는 증발가스의 압력과 애프터 쿨러(GHX)에서 냉각되는 압축 증발가스의 온도는, 기액분리기(50)로부터 배출되는 기체 상태의 천연가스와 동일한 압력 및 온도, 즉 컴프레서(COM)에서는 증발가스가 약 17bar로 압축되도록 운전되어야 하며, 애프터 쿨러(GHX)에서는 증발가스가 약 -100 ~ -130℃로 냉각되도록 운전되어야 한다.
또한, 컴프레서(COM)는 본 실시예에서, 고압펌프(20)의 고장 등으로 고압펌프(20)를 사용할 수 없을 경우를 대비하여, 모터(Moter)에 의해서도 구동될 수 있도록 마련되는 것이 바람직하다.
또는, 증발가스 연료라인(GL) 상에 기액분리기(50) 전단에 팽창밸브를 더 마련하여, 기액분리기(50)로 공급되는 압축 증발가스를 기액혼합물과 동일한 압력까지 팽창시켜 공급할 수도 있다.
마찬가지로, 액화천연가스 연료라인(LL)에도 팽창기(EXP)와 기액분리기(50) 사이에 팽창밸브(40)를 더 마련하여, 필요한 경우 기액분리기(50)로 공급되는 기액혼합물의 압력이 엔진(ME, GE)에서 요구하는 압력, 바람직하게는 X-DF 엔진(ME)에서 요구하는 압력까지 추가로 팽창되도록 제어될 수도 있다.
본 실시예의 팽창밸브는 기화기(30)를 통과한 고압의 천연가스 또는 컴프레서(COM)에서 압축된 증발가스를 단열팽창시키는 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)일 수 있고, 팽창밸브를 통과하면서 유체는 팽창에 의해 냉각될 수 있으며, 유체의 온도 감소는 팽창밸브를 통과하기 전과 통과한 후의 차이가 클수록 더 크게 감소한다.
본 실시예에서 팽창밸브는 고압의 천연가스 또는 압축 증발가스를 약 17bar까지 단열팽창시킬 수 있는 것일 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(50)는 팽창기(EXP)를 통과하면서 형성된 기액혼합물을 기액분리하며, 분리된 액체는 기액분리기(50)의 하부로부터 저장탱크(10) 내부로 연결된 액화천연가스 회수라인(RL)을 통해 저장탱크(10)로 회수되고, 분리된 기체는 기액분리기(50)의 상부로 연결되는 액화천연가스 연료라인(LL)을 따라 오토 사이클 엔진(ME, GE)으로 연료로써 공급된다.
즉, 본 실시예에서 기액분리기(50)는 엔진(ME, GE)으로 공급되는 연료 가스의 메탄가를 조절하는 수단이다.
메탄가(Methane Number)란 노킹(Knocking) 현상에 대한 저항성을 수치로 나타낸 것으로, 노킹 현상이란, 연료와 연소공기가 혼합된 혼합기가 엔진의 실린더 내에서 피스톤의 상승 행정 시 압축되면서 비정상적으로 이른 시점에 자연발화 온도에 도달하여 폭발하는 현상을 말하며, 강한 소음과 충격을 동반하여 엔진의 수명을 단축하고 엔진 출력의 저하를 가져온다. 따라서, 엔진으로 공급되는 연료는, 엔진에서 요구하는 메탄가를 가지도록 조절하여 공급해주어야 한다.
메탄가는 연료의 탄소수가 작을수록, 수소/탄소의 비가 클수록 증가하며, 메탄가가 크다는 것은 노킹 현상에 대한 저항성이 커진다고 할 수 있다.
본 실시예에서, 기액분리기(50)에서 분리되어 엔진(ME, GE)으로 연료로써 공급되는 기체 성분은 주로 메탄(CH4)으로 소량의 중탄화수소 성분을 포함할 수 있으며, 기액분리기(50)에서 분리되어 저장탱크(10)로 회수되는 액체 성분은 주로 에탄, 프로판, 부탄 등 중탄화수소 성분이다.
따라서, 본 실시예의 기액분리기(50)는 연료로 공급되는 성분이 주로 탄소수가 작은 메탄이 되도록 하기 때문에 메탄가가 높은 연료 가스를 엔진(ME, GE)으로 공급할 수 있다.
본 실시예에서는, 기액분리기(50)로 공급되는 기액혼합물, 기액분리기(50)에서 분리되어 액화천연가스 연료라인(LL)으로 배출되는 기체 성분 및 기액분리기(50)에서 분리되어 액화천연가스 회수라인(RL)으로 배출되는 액체 성분의 조성은 아래 표 1에 나타낸 바와 같이 운전될 수 있다.
표 1에 나타낸 유체의 조성은 HYSYS 시뮬레이션에 의한 것이며, 연료 공급펌프(11)를 이용하여 공급된 약 1.2bar, -163℃, 500kg/hr의 액화천연가스임을 가정하여 시뮬레이션한 것이다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 기액분리기(50)로부터 분리배출되는 기체 성분에는 메탄의 농도가 높고 중탄화수소의 분율은 작으며, 액체 성분에는 중탄화수소의 분율이 높다.
또한, 표 1에 나타낸 조성은 주요 성분만을 표시하였고, 극소량 더 포함될 수 있는 노르말 부탄(n-Butane), 이소 펜탄(i-Pentane), 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 등의 분율은 생략하였으며, 따라서 표 1에 표시한 조성의 합이 반드시 1.0000이 되지 않을 수도 있다.
기액혼합물(Inlet) 기체 성분(Outlet) 액체 성분(Outlet)
Methane 0.8709 0.9876 0.6880
Ethane 0.0854 0.0119 0.2006
Propane 0.0311 0.0005 0.0792
i-Butane 0.0116 0.0000 0.0296
메탄가는 공급되는 연료 가스의 조성에 의해 결정되며, 액화천연가스는 메탄이 주성분이나, 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 질소, 이산화탄소 등도 소량 포함되어 있기 때문에, 연료 가스 공급 시스템의 특성에 따라 공급되는 연료 가스의 조성이 달라질 수 있으며 그에 따라 메탄가도 달라진다..
본 실시예에 따르면, 연료 공급펌프(11)를 이용하여 저장탱크(10)의 가장 하부에 저장되어 있는 액화천연가스를 연료로써 이송하여 기화시키고 공급하므로, 상대적으로 저장탱크(10)에서 자연기화하여 발생하며 에탄, 프로판 등 중탄화수소의 몰 비율이 높은 증발가스보다 메탄가가 높기 때문에 더욱 적합한 연료를 공급할 수 있고, 고압펌프(20) 및 기화기(30)를 이용하여 액체 상태의 천연가스를 기화시켜, 상대적으로 고압의 연료를 필요로 하는 디젤 사이클 엔진이 아닌, 중압 또는 저압의 연료를 필요로 하는 오토 사이클 엔진의 연료로써 공급하더라도, 기액분리기(50)를 이용하여 메탄가를 조절하여 공급할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 도 2에 도시한 바와 같이, 기액분리기(50)에서 분리된 기체 성분이 연료 가스로써 엔진(ME, GE)으로 공급될 수 있으며, 기액분리기(50) 후단의 액화천연가스 연료라인(LL)에는 기액분리기(50)에서 분리되어 엔진(ME, GE)으로 공급되는 연료 가스를 엔진(ME, GE)에서 요구하는 온도로 가열하는 연료가스 히터(60)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 엔진(ME, GE)으로 공급되는 연료가스는 연료가스 히터(60)에서 약 45℃로 가열될 수 있다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서 액화천연가스 연료라인(LL)은 저장탱크(10)로부터 오토 사이클 엔진으로 연결되나, X-DF 엔진(ME)과 전력 생산용 엔진(GE)의 전단, 연료가스 히터(60)의 후단에서 각각의 엔진으로 분기되어 연결될 수 있고, 각 엔진에서 요구하는 조건에 맞는 연료 가스를 공급해줄 수 있다. 그러나 그 분기점은 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
본 실시예에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 액화천연가스 연료라인(LL)이 저장탱크(10)로부터 X-DF 엔진(ME)으로 연결되고, 액화천연가스 연료라인(LL)으로부터 X-DF 엔진(ME)의 전단에서 분기되는 연료가스 분기라인(LB)이 더 연결되어, 액화천연가스 연료를 전력 생산용 엔진(GE)으로 공급할 수 있으며, 연료가스 분기라인(LB)에는 액화천연가스 연료라인(LL)으로부터 연료가스 분기라인(LB)으로 유입된 연료 가스의 압력을 전력 생산용 엔진(GE)의 연료 조건에 맞도록 감압시키는 감압밸브(70)가 더 마련될 수 있다.
즉, 저장탱크(10)에 저장된 액화천연가스를 액화천연가스 연료라인(LL)을 통해 압축, 기화, 팽창시켜 엔진(ME, GE)으로 공급하는데, 액화천연가스 연료라인(LL)이 저장탱크(10)로부터 오토 사이클 엔진(ME, GE)으로 연결되며, 오토 사이클 엔진의 X-DF 엔진(ME)으로만 액화천연가스 연료를 공급하거나, X-DF 엔진(ME) 및 전력 생산용 엔진(GE)으로 연료 가스를 동시에 공급할 때에는, 고압펌프(20), 기화기(30), 팽창기(EXP) 등을 제어하여 연료 가스의 압력 및 온도가 X-DF 엔진(ME)의 연료 조건을 만족하도록 제어하고, 감압밸브(70)를 이용하여 전력 생산용 엔진(GE)으로 공급되는 연료 가스의 압력을 전력 생산용 엔진(GE)의 연료 조건에 맞도록 제어해줄 수 있다.
본 실시예에서, 액화천연가스 연료라인(LL)을 통하여 X-DF 엔진(ME)으로 공급되는 연료 가스는 약 17bar, 45℃일 수 있고, 액화천연가스 연료라인(LL)으로부터 연료가스 분기라인(LB)으로 분기되어 감압밸브(70)를 통과하여 전력 생산용 엔진(GE)으로 공급되는 연료가스는 약 6.5bar, 45℃일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 도 2에 도시한 바와 같이, 액화천연가스 연료공급라인(LL)에는 고압펌프(20)와 기화기(30) 사이에, 고압펌프(20)에서 압축된 액화천연가스와 기액분리기(50)에서 분리되어 액화천연가스 회수라인(RL)을 따라 저장탱크(10)로 회수되는 액체 성분을 열교환시키는 액화천연가스 쿨러(31)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 액화천연가스 쿨러(31)에서는 고압펌프(20)에서 압축된 약 300bar, -154℃의 압축 액화천연가스와, 기액분리기(50)에서 분리되어 저장탱크(10)로 회수되는 액체 성분이 열교환하여, 압축 액화천연가스는 기화기(40)로 공급되기 전에 예열되고, 액체 성분은 저장탱크(10)로 회수되기 전에 냉각된다. 액화천연가스 쿨러(31)에서 열교환 후 배출되어 기화기(30)로 공급되는 압축 액화천연가스는 약 300bar, -121℃일 수 있고, 액화천연가스 쿨러(31)에서 열교환 후 배출되어 저장탱크(10)로 회수되는 액체 성분은 약 -140 내지 -152℃일 수 있다.
액화천연가스 회수라인(RL)에는 저장탱크(10)로 회수되는 재액화 천연가스를 저장탱크(10)에 저장된 액화천연가스와 유사한 또는 동일한 압력까지 감압시키는 감압밸브(미도시)가 더 마련될 수 있고, 액화천연가스 쿨러(31) 및 감압밸브를 통과하여 저장탱크(10)로 회수되는 재액화 천연가스는 예를 들어 약 1.5bar, -151.6℃일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템 및 방법은, LFS, 특히 저압 2행정 이중연료유 엔진(2SDFME)과 이중 연료유 발전 엔진(DFDG)과 같은 오토 사이클 엔진이 적용된 선박에서 상기 엔진으로 연료가스를 공급하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 액화천연가스를 액체 상태에서 고압으로 압축하는 고압펌프(20)와 압축 액화천연가스를 기화시키는 기화기(30), 기화된 고압 천연가스를 이용하여 동력을 생산하고 저압 저온의 천연가스를 배출하는 팽창기(EXP) 및 팽창기(EXP)를 통과하면서 형성된 기액혼합물을 기액분리하는 기액분리기(50)를 이용하여, 저압의 오토 사이클 엔진이 요구하는 연료 가스의 조건을 만족시켜 연료를 공급할 수 있고, 종래 증발가스 컴프레서를 활용하던 방식에 비해 고압펌프를 활용하므로 운전 비용 및 특히 전력 에너지 비용을 절약할 수 있고, 설치 면적과 설치 장비 비용을 절감할 수 있다.
또한, 팽창기(EXP)와 연결된 컴프레서(COM)를 이용하여 추가 전력을 필요로하지 않고 증발가스 또한 연료로써 활용할 수 있고, 컴프레서(COM)에서 압축된 압축 증발가스로 기화기(30)로 공급되는 압축 액화천연가스를 추가로 가열시킬 수도 있다.
또한, 고압펌프(20)와 기화기(30)를 이용하여 저압의 오토 사이클 엔진으로 연료를 공급하더라도 메탄가를 조절할 수 있고, 기화시킨 일부의 가스는 재액화시켜 저장탱크(10)로 회수하므로 저장탱크(10)에서 자연기화되는 증발가스의 양을 최소화할 수 있다.
또한, 선박의 운항 중에는 엔진의 부하가 항상 변하게 되는데, 본 발명에 따르면, 도시하지 않은 제어부에 의해 고압펌프(20)의 유량을 제어하고, 시스템을 구성하는 각종 장치들의 온도 및 압력을 제어함으로써 엔진의 부하 변동에 맞추어 연료 가스의 요구 유량을 온도 및 압력을 쉽게 유지하면서 연료를 공급할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 저장탱크
11 : 연료 공급펌프
20 : 고압펌프
30 : 기화기
EXP : 팽창기(Expander)
COM : 컴프레서(Compressor)
GHX : 애프터 쿨러(After Cooler)
50 : 기액분리기
60 : 연료가스 히터
70 : 감압밸브
ME : 저압 2행정 이중연료유 엔진
GE : 이중연료유 발전엔진
LL : 액화천연가스 연료라인
RL : 액화천연가스 회수라인
GL : 증발가스 연료라인
31 : 액화천연가스 쿨러

Claims (15)

  1. 액화천연가스를 연료로 하며 오토 사이클(Otto Cycle)에 따라 작동하는 오토 사이클 엔진;
    저장탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시키는 기화기;
    상기 기화기에서 기화된 천연가스로 동력을 발생시키고 감압된 천연가스를 배출시키는 팽창기(Expander); 및
    상기 팽창기와 축으로 연결되며 상기 저장탱크에서 자연기화하여 발생한 증발가스를 압축하는 컴프레서;를 포함하여,
    상기 기화기 및 팽창기를 통과한 천연가스 및 상기 컴프레서에서 압축된 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진의 연료로써 공급할 수 있는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창기를 통과하면서 상기 기화된 천연가스는 기액혼합물을 형성하고,
    상기 기액혼합물을 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하여,
    상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 저장탱크로 회수하고, 상기 기액분리기에서 분리된 기체는 상기 오토 사이클 엔진의 연료로 공급하여, 상기 오토 사이클 엔진으로 공급되는 천연가스 연료의 메탄가를 조절하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 액화천연가스를 배출시키는 연료 공급펌프; 및
    상기 연료 공급펌프에 의해 배출된 액화천연가스를 압축하는 고압펌프;를 더 포함하여,
    상기 고압펌프에서 압축된 천연가스를 상기 기화기로 공급하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 온도로 가열하는 연료가스 히터; 및
    상기 컴프레서에서 압축된 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 온도로 냉각시키는 애프터 쿨러;를 더 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 액화천연가스가 상기 엔진으로 공급되도록 경로를 제공하는 액화천연가스 연료라인; 및
    상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 엔진의 연료로써 공급되도록 경로를 제공하는 증발가스 연료라인;를 포함하고,
    상기 증발가스 연료라인은 상기 연료가스 히터 후단에서 상기 액화천연가스 연료라인에 합류되는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기화기로 공급되는 압축 액화천연가스와 상기 기액분리기에서 분리되어 저장탱크로 회수되는 액체를 열교환시켜 상기 저장탱크로 회수되는 재액화 천연가스를 냉각시키는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 오토 사이클 엔진은,
    상기 선박의 추진용 엔진으로써 2-스트로크 엔진(2-Stroke Engine)인 X-DF 엔진; 및
    상기 선박의 보조전력 생산용 엔진으로써 4-스트로크 엔진(4-Stroke Engine)인 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator Engine);을 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 DFDG로 공급할 천연가스 연료를 감압시키는 감압 밸브;를 더 포함하여,
    상기 연료가스 히터 및 감압 밸브를 통과한 천연가스 연료는 상기 DFDG에서 필요로 하는 압력을 갖는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기는 하나 이상 마련되고,
    상기 하나 이상의 팽창기 중 어느 하나의 팽창기와 축으로 연결되며 상기 팽창기의 동력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기; 또는
    상기 하나 이상의 팽창기 중 어느 하나의 팽창기와 축으로 연결되며 상기 팽창기의 잉여 동력을 소모시키는 브레이크 레지스터;를 더 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 시스템.
  10. 1) 저장탱크로부터 배출시킨 액화천연가스를 고압펌프를 이용하여 압축시키는 단계;
    2) 상기 압축 액화천연가스를 기화기를 이용하여 기화시키는 단계;
    3) 상기 기화된 천연가스를 팽창기로 공급하여 감압시킴과 동시에 동력을 생산하고, 상기 팽창기와 연결된 컴프레서를 이용하여 상기 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축시키는 단계; 및
    4) 상기 기화 및 감압된 천연가스와 압축된 증발가스를, 액화천연가스를 연료로 하고 오토 사이클에 따라 작동하는 오토 사이클 엔진의 연료로 공급하는 단계;를 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 4)단계는,
    상기 감압에 의해 기액혼합물이 형성된 기화 천연가스를 기액분리기로 공급하여 기액분리하는 단계;를 더 포함하여,
    상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 천연가스는 상기 오토 사이클 엔진의 연료로 공급하고,
    상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 재액화 천연가스는 상기 저장탱크로 회수하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 4)단계는,
    상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 천연가스를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 가스 연료 온도 조건으로 가열시키는 단계; 및
    상기 압축 증발가스를 상기 오토 사이클 엔진에서 요구하는 가스 연료 온도 조건으로 냉각시키는 단계;를 더 포함하여,
    상기 가열된 천연가스와 냉각된 증발가스는 동일한 온도 및 압력을 갖는 상태로 상기 오토 사이클 엔진으로 공급하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 기화기로 공급하는 압축 액화천연가스와 상기 저장탱크로 회수되는 재액화 천연가스를 열교환시켜, 상기 재액화 천연가스를 냉각시키는 단계;를 더 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법.
  14. 청구항 12 또는 13에 있어서,
    상기 오토 사이클 엔진은,
    서로 다른 가스 연료 압력 조건을 갖는 2종의 엔진을 포함하고,
    상기 오토 사이클 엔진의 연료로 공급되는 천연가스 및 압축 증발가스를 상기 2종의 엔진 중 어느 하나의 엔진에서 요구하는 가스 연료 압력 조건으로 감압시키는 단계;를 더 포함하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 컴프레서로 증발가스를 공급할 수 없을 때에는,
    상기 팽창기에서 생산된 동력을 이용하여 전력을 생산하고,
    상기 오토 사이클 엔진으로는 상기 가열된 천연가스만을 연료로 공급하는, 액화천연가스 연료 선박의 연료 공급 방법.
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