KR20180117750A - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

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KR20180117750A
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강호숙
문성재
유호연
이동길
이재무
이호기
장태린
정일웅
조정관
최병윤
최성훈
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Abstract

본 발명에 따른 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크; 압축기를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되어 상기 증발가스를 상기 수요처로 공급하는 제1연결라인; 펌프를 구비하고 상기 저장탱크에서 기화기로 연장되는 제2연결라인; 상기 기화기에서 상기 수요처로 연장되는 제3연결라인; 상기 압축기 전단에서 상기 기화기로 연장되는 제4연결라인; 및 상기 기화기 후단에서 상기 압축기 전단으로 연장되는 제5연결라인;을 포함한다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화가스를 기화 또는 처리하여 수요처로 공급하는 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 중요한 자원으로 여겨지는 천연가스(Natural Gas)는, 메탄(methane)을 주성분으로 하며 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해 약 섭씨 -162도로 냉각해 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 액화가스(Liquefied Natural Gas)로 상변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 이때, 액화가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.
오늘날에는 선박의 추진용 또는 선박의 발전용으로 이종연료 엔진이 널리 이용되고 있으며, 특히 최근에는 중압 수준의 연료가스로 연소가 가능한 X-DF엔진이 개발되어 이용되고 있다. 하지만, 이러한 연료가스 공급시스템은, 설비를 갖추는데 과다한 비용이 소요되고, 유지보수가 어려우며, 연료를 공급하는데 많은 노력과 에너지를 필요로 한다. 이에 이러한 문제를 해결하고, 연료가스의 효율적인 이용을 도모할 수 있는 방안이 요구된다.
특허문헌 1 한국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27.공개)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명은 설비투자비용 및 운용비용을 저감하고, 안정적으로 연료를 공급함과 동시에 향상된 성능효율을 가지는 선박의 연료가스 공급시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크; 압축기를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되어 상기 증발가스를 상기 수요처로 공급하는 제1연결라인; 펌프를 구비하고 상기 저장탱크에서 기화기로 연장되는 제2연결라인; 상기 기화기에서 상기 수요처로 연장되는 제3연결라인; 상기 압축기 전단에서 상기 기화기로 연장되는 제4연결라인; 및 상기 기화기 후단에서 상기 압축기 전단으로 연장되는 제5연결라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
제1모드에서 상기 기화기는 제4연결라인과 제5연결라인을 거쳐 상기 압축기로 투입되는 증발가스의 온도를 조절하고, 제2모드에서 상기 기화기는 상기 제2연결라인과 제3연결라인을 거쳐 상기 수요처로 투입되는 액화가스를 기화시킬 수 있다.
상기 제2연결라인 내지 제5연결라인에는 각각 밸브가 마련되고, 상기 제1모드에서는 상기 제2연결라인과 제3연결라인에 마련된 밸브를 폐쇄하고 상기 제4연결라인과 제5연결라인에 마련된 밸브를 개방하며, 상기 제2모드에서는 상기 제4연결라인과 제5연결라인에 마련된 밸브를 폐쇄하고 상기 제2연결라인과 제3연결라인에 마련된 밸브를 개방할 수 있다.
상기 압축기는 가동 개시 단계에서 상기 저장탱크로부터 상기 제4연결라인과 상기 기화기와 상기 제5연결라인을 거쳐 투입되는 증발가스에 의해 입구 온도가 조절되고, 가동 개시 이후 단계에서는 상기 압축기 후단으로부터 상기 제3연결라인과 제5연결라인을 거쳐 투입되는 압축가스에 의해 입구 온도가 조절될 수 있다.
상기 압축기는 다단으로 복수개 마련될 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 제1연결라인에서 압축기 전단에 별도의 예열기를 마련하는 대신 기화기를 이용하여 예열을 수행하므로, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
또, 압축기가 별도의 예열기를 필요치 않으면서도 압축기의 가동 개시 이후에 기화기의 작동을 중단할 수 있어 효율적인 에너지 이용을 도모할 수 있다. 압축기가 가동 개시 단계에서는 저장탱크로부터 제4연결라인과 기화기와 제5연결라인을 거쳐 투입되는 증발가스에 의해 입구 온도가 조절되되, 가동 개시 이후 단계에서는 압축기 후단으로부터 제3연결라인과 제5연결라인을 거쳐 투입되는 압축가스에 의해 입구 온도가 조절될 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 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.
이하 실시 예에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일례로서, 액화천연가스 및 이로부터 재기화된 천연가스를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액화에탄가스, 액화탄화수소가스 등 다양한 액화가스 및 이로부터 재기화된 기화가스가 적용되는 경우에도 동일한 기술적 사상으로 동일하게 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연료가스 공급시스템(100)을 나타내는 개념도이다. 이를 참조하면, 일실시예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크(1), 압축기(10)를 구비하고 저장탱크(1)에서 수요처(2)로 연장되어 증발가스를 수요처(2)로 공급하는 제1연결라인(L1), 펌프(20)를 구비하고 저장탱크(1)에서 기화기(30)로 연장되는 제2연결라인(L2), 기화기(30)에서 수요처(2)로 연장되는 제3연결라인(L3), 압축기(10) 전단에서 기화기(30)로 연장되는 제4연결라인(L4), 및 기화기(30) 후단에서 압축기(10) 전단으로 연장되는 제5연결라인(L5)을 포함할 수 있다.
여기서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스도 이와 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
저장탱크(1)는 부유식 해상구조물에 설치되어 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용 및 저장하도록 마련된다. 저장탱크(1)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있으며, 저장탱크(1)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 또는 저장하여 수요처(2)로 공급하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관한다.
저장탱크(1)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어렵다. 이 때문에 저장탱크(1) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 증발가스는 저장탱크(1)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(1)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 저장탱크(1)로부터 제거 또는 처리될 필요성이 있다. 이를 위해, 저장탱크(1) 내부에서 발생된 증발가스는 제1연결라인(L1)을 통해 수요처(2)가 요구하는 천연가스의 압력조건 및 온도조건으로 공급될 수 있다.
수요처(2)는 육상의 가정, 공업단지 등 천연가스를 소비하고자 하는 소비처 또는 천연가스를 연료가스로 사용하는 각종 엔진 등의 소비수단으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 구조 및 방식의 설비로 이루어지는 경우를 포함한다. 수요처(2)는 일례로 X-DF엔진처럼 대략 10 bar 이상의 압력으로 연료가스의 공급이 요구되는 엔진일 수 있다. 또 수요처(2)는 NG뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil: HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
제1연결라인(L1)은 저장탱크(1)에 수용된 증발가스를 공급받아 가압 및 승온하여 수요처(2)로 공급하도록 마련된다. 이를 위해 제1연결라인(L1)은 증발가스를 가압하는 복수단의 압축기(10)를 구비할 수 있으며, 각각의 압축기(10) 후단에는 열교환기(미도시)가 순차적으로 배치될 수 있다. 이때, 열교환기(미도시)는 압축기(10)를 통과한 증발가스를 냉각하기 위하여 마련될 수 있다.
압축기(10)는 제1연결라인(L1)을 따라 이송되는 증발가스를 단계적으로 가압하여 증발가스를 수요처(2)가 요구하는 천연가스의 압력수준으로 만들 수 있다. 압축기(10)는 컴프레서(compressor) 등의 장치로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제1연결라인(L1)을 따라 이송되는 증발가스를 가압할 수 있다면 다양한 장치로 이루어지는 경우를 포함한다.
제2연결라인(L2) 및 제3연결라인(L3)은 저장탱크(1)에 수용된 액화가스를 공급받아 천연가스로 재기화하여 수요처(2)로 공급한다. 제2연결라인(L2) 및 제3연결라인(L3)은 액화가스가 수용된 저장탱크(1)로부터 펌프(20)에 의해 액화가스를 공급받은 후, 액화가스를 기화기(30)로 기화시켜 수요처(2)로 공급할 수 있다. 이를 위해 제2연결라인(L2) 및 제3연결라인(L3)의 입구 측 단부는 액화가스를 수용하는 저장탱크(1)에 연결되고, 출구 측 단부는 연료가스를 필요로 하는 수요처(2)에 연결되되, 후술하는 제1연결라인(L1)과 합류하여 수요처(2)로 연결될 수 있다.
펌프(20)는 저장탱크(1) 내부의 제2연결라인(L2)의 입구측 단부에 마련되되 작동 효율성을 향상시킬 수 있도록 저장탱크(1) 내측의 저면에 인접하게 마련될 수 있다. 펌프(20)는 저장탱크(1)에 수용된 액화가스를 제2연결라인(L2)으로 송출시킴과 동시에, 수요처(2)가 요구하는 연료가스의 압력 조건에 상응하는 압력수준으로 액화가스를 가압할 수 있다. 일례로 수요처(2)가 X-DF엔진으로 이루어지는 경우, 펌프(20)는 액화가스를 약 15 내지 17 bar로 가압하여 기화기(30) 측으로 송출할 수 있다.
한편, 펌프(20)는 후술하는 제1연결라인(L1)의 압축기(10)에 의해 가압된 증발가스의 압력에 상응하는 압력수준으로 액화가스를 가압할 수 있다. 제2연결라인(L2) 및 제3연결라인(L3)에 의해 공급되는 기화된 액화가스와 제1연결라인(L1)에 의해 공급되는 증발가스는 함께 수요처(2)로 공급되는 바, 가스흐름의 역류를 방지하고 설비의 안정적인 운용을 위해 제2연결라인(L2) 및 제3연결라인(L3)에 의해 공급되는 천연가스의 압력과 제1연결라인(L1)에 의해 공급되는 증발가스의 압력이 서로 상응하는 수준으로 맞추어질 필요가 있기 때문이다.
기화기(30)는, 저장탱크(1)로부터 액화가스를 공급받아 기화시킨다. 또 기화기(30)는 저장탱크(1)와 수요처(2) 사이에 위치하여, 펌프(20)로부터 저장탱크(1)의 액화가스를 공급받을 수 있다. 또 기화기(30)는 수요처(2)에서 요구하는 증발가스의 양보다 저장탱크(1)에서 발생하는 증발가스의 양이 부족한 경우 작동되어, 수요처(2)로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
제4연결라인(L4)과 제5연결라인(L5)은 압축기(10)의 예열과정에서 기화기(30)가 이용될 수 있다. 일반적으로 증발가스(BOG)가 부족할 때 사용되는 기화기(30)를 영하 40도의 입구 온도를 요구하는 압축기(10)의 가동 개시 단계에서 온도를 제어하는 장비로도 사용될 수 있도록 하는 것이다.
그리고 제2연결라인(L2)에는 제2밸브(V2)가, 제3연결라인(L3)에는 제3밸브(V3)가, 제4연결라인(L4)에는 제4밸브(V4)가, 제5연결라인(L5)에는 제5밸브(V5)가 각각 마련되어 개폐를 구현할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 작동 모드에 따라 제1모드와 제2모드로 나뉘어 작동될 수 있다. 먼저, 제1모드는 저장탱크(1) 내의 증발가스(BOG)가 충분한 상태에 적용될 수 있다. 반대로, 제2모드는 저장탱크(1) 내의 증발가스가 부족한 상태에 적용될 수 있다.
제1모드에서는 증발가스가 제4연결라인(L4)과 기화기(30)와 제5연결라인(L5)을 거쳐 압축기(10)로 투입되고, 제2모드에서는 증발가스가 제2연결라인(L2)과 기화기(30)와 제3연결라인(L3)을 거쳐 수요처(2)로 투입될 수 있다. 다시 말해, 제1모드에서 기화기(30)는 제4연결라인(L4)과 제5연결라인(L5)을 거쳐 압축기(10)로 투입되는 증발가스의 온도를 조절하고, 제2모드에서 기화기(30)는 제2연결라인(L2)과 제3연결라인(L3)을 거쳐 수요처(2)로 투입되는 액화가스를 기화시킬 수 있다.
이때, 제2연결라인(L2) 내지 제5연결라인(L5)에 각각 밸브가 마련됨으로써, 제1모드에서는 제2연결라인(L2)과 제3연결라인(L3)에 마련된 밸브를 폐쇄하고 제4연결라인(L4)과 제5연결라인(L5)에 마련된 밸브를 개방하며, 제2모드에서는 제4연결라인(L4)과 제5연결라인(L5)에 마련된 밸브를 폐쇄하고 제2연결라인(L2)과 제3연결라인(L3)에 마련된 밸브를 개방할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은, 제1연결라인(L1)에서 압축기(10) 전단에 별도의 예열기를 마련하는 대신 기화기(30)를 이용하여 예열을 수행하므로, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
이 뿐만 아니라, 압축기(10)는 제1모드, 즉 가동 개시 단계에서 저장탱크(1)로부터 제4연결라인(L4)과 기화기(30)와 제5연결라인(L5)을 거쳐 공급되는 증발가스에 의해 입구 온도가 조절되되, 가동 개시 이후에는 압축기(10) 후단으로부터 제3연결라인(L3)과 제5연결라인(L5)을 거쳐 투입되는 압축가스에 의해 입구 온도가 조절될 수 있다. 이는 압축기(10)가 별도의 예열기를 필요치 않으면서도 압축기(10)의 가동 개시 이후에 기화기(30)의 작동을 중단시킬 수 있어 효율적인 에너지 이용을 도모할 수 있다.
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.
L1: 제1연결라인 L2: 제2연결라인
L3: 제3연결라인 L4: 제4연결라인
L5: 제5연결라인 V2: 제2밸브
V3: 제3밸브 V4: 제4밸브
V5: 제5밸브 1: 저장탱크
2: 수요처 10: 압축기
20: 펌프 30: 기화기

Claims (5)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크;
    압축기를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되어 상기 증발가스를 상기 수요처로 공급하는 제1연결라인;
    펌프를 구비하고 상기 저장탱크에서 기화기로 연장되는 제2연결라인;
    상기 기화기에서 상기 수요처로 연장되는 제3연결라인;
    상기 압축기 전단에서 상기 기화기로 연장되는 제4연결라인; 및
    상기 기화기 후단에서 상기 압축기 전단으로 연장되는 제5연결라인;을 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1모드에서 상기 기화기는 제4연결라인과 제5연결라인을 거쳐 상기 압축기로 투입되는 증발가스의 온도를 조절하고,
    제2모드에서 상기 기화기는 상기 제2연결라인과 제3연결라인을 거쳐 상기 수요처로 투입되는 액화가스를 기화시키는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2연결라인 내지 제5연결라인에는 각각 밸브가 마련되고,
    상기 제1모드에서는 상기 제2연결라인과 제3연결라인에 마련된 밸브를 폐쇄하고 상기 제4연결라인과 제5연결라인에 마련된 밸브를 개방하며,
    상기 제2모드에서는 상기 제4연결라인과 제5연결라인에 마련된 밸브를 폐쇄하고 상기 제2연결라인과 제3연결라인에 마련된 밸브를 개방하는 연료가스 공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는
    가동 개시 단계에서 상기 저장탱크로부터 상기 제4연결라인과 상기 기화기와 상기 제5연결라인을 거쳐 투입되는 증발가스에 의해 입구 온도가 조절되고, 가동 개시 이후 단계에서는 상기 압축기 후단으로부터 상기 제3연결라인과 제5연결라인을 거쳐 투입되는 압축가스에 의해 입구 온도가 조절되는 연료가스 공급시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는 다단으로 복수개 마련되는 연료가스 공급시스템.
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