KR20180123605A - 연료공급시스템 - Google Patents

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KR20180123605A
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전준우
최병윤
문성재
유호연
이호기
최성훈
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 액화가스를 가압하는 고압펌프; 가압된 액화가스를 기화시키는 고압기화기; 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 기화된 액화가스와 혼합하여 압축 및 토출시키는 이젝터; 및 토출된 혼합 유체를 기체 성분과 액체 성분으로 분리시키는 세퍼레이터;를 포함하되, 기체 성분은 수요처의 연료로 공급된다.

Description

연료공급시스템{FUEL SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 연료공급시스템에 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 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변화되어 저장 및 운반되고 있다.
액화가스를 운반하는 선박은 액화가스를 저장할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크를 구비한다. 이러한 선박은 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스(Boiled Off Gas) 또는 저장탱크의 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로 공급하는 연료공급시스템을 마련할 수 있다. 선박의 엔진에는 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진, ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~700bar)의 분사엔진 및 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 이용될 수 있다.
상술한 연료공급시스템은 저장탱크로부터 공급된 증발가스를 압축부에 의해 압축시켜 엔진의 연료로 공급할 수 있다.
그러나, 이러한 압축부는 에너지 소비가 높아 시간이 지날수록 가동효율이 떨어지는 문제점이 있다. 관련 기술로서, 한국공개특허 제10-2014-0052898호(2014.05.07. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2014-0052898호(2014.05.07. 공개)
본 발명의 실시 예는 종래의 압축부 대신 이젝터를 이용하여 유체를 효과적으로 압축하여 수요처의 연료로 공급하는 연료공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 액화가스를 가압하는 고압펌프; 상기 가압된 액화가스를 기화시키는 고압기화기; 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 기화된 액화가스와 혼합하여 압축 및 토출시키는 이젝터; 및 상기 토출된 혼합 유체를 기체 성분과 액체 성분으로 분리시키는 세퍼레이터;를 포함하되, 기체 성분은 수요처의 연료로 공급되는 연료공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 수요처가 요구하는 메탄가를 고려하여 상기 토출된 혼합 유체를 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 이용하여 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
상기 이젝터는 유체를 흡입하는 제1입구와 제2입구를 포함하는 흡인실, 상기 흡입된 유체의 압력을 증가시키는 병목부 및 상기 압력이 증가된 유체를 토출시키는 토출부를 포함하고, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 상기 고압펌프 및 상기 고압기화기를 거쳐 상기 흡인실의 제1입구로 공급하는 제1공급라인과, 상기 흡인실의 제2입구와 연결되며, 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 제2입구로 공급하는 제2공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1공급라인의 상기 고압펌프 전단에서 분기되며, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 상기 냉각부로 공급하는 제3공급라인을 더 포함하되, 상기 냉각부는 상기 액화가스를 분사시키는 방법으로 상기 토출된 혼합 유체에 대한 냉각 작업을 수행할 수 있다.
상기 세퍼레이터는 상기 냉각된 혼합 유체로부터 액체 성분의 중탄화수소를 분리시키고, 상기 분리된 중탄화수소를 상기 저장탱크로 회수시키는 회수라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템은 종래의 압축부 대신 이젝터를 이용하여 유체를 효과적으로 압축하여 수요처의 연료로 공급할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1의 연료공급시스템에 포함된 이젝터의 내부 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템(100)은 분사엔진, 보일러 등을 포함하는 수요처(180)로 연료를 공급하며, 각종 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 선박에 적용될 수 있다.
구체적으로 연료공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(110)와, 저장탱크(110)로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 고압펌프(120)와, 고압펌프(120)에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 고압기화기(130)와, 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스를 상술한 고압기화기(130)에 의해 기화된 액화가스와 혼합하여 압축 및 토출시키는 이젝터(140)와, 이젝터(140)를 통해 토출된 혼합 유체를 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스를 이용하여 냉각시키는 냉각부(150)와, 냉각부(150)를 통해 냉각된 혼합 유체를 기체 성분과 액체 성분으로 분리하는 세퍼레이터(160)를 포함한다.
여기서, 연료공급시스템(100)은 제1공급라인(L1)을 통해 저장탱크(110)로부터 공급받은 액화가스를 고압펌프(120) 및 고압기화기(130)를 거쳐 이젝터(140) 쪽으로 공급할 수 있다. 또, 연료공급시스템(100)은 제2공급라인(L2)을 통해 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스를 이젝터(140)로 공급할 수 있다.
이하, 상술한 각 구성 요소에 대해 구체적으로 설명한다.
상술한 저장탱크(110)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(110)에 저장된 액화가스는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), DME(Dimethylether), 에탄(Ethane) 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
저장탱크(110) 내부압력은 저장하는 액화가스가 LNG일 경우 대략 1bar로 유지되거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지될 수 있다. 저장탱크(110) 내부온도는 LNG의 액화상태 유지를 위해 대략 ―163℃도 정도로 유지될 수 있다.
저장탱크(110)로부터 공급된 액화가스는 제1공급라인(L1)을 통해 고압펌프(120) 쪽으로 공급된다. 제1공급라인(L1)은 저장탱크(100), 고압펌프(120), 고압기화기(130), 이젝터(140), 냉각부(150), 세퍼레이터(160), 히터(170) 및 수요처(180)를 연결한다.
고압펌프(120)는 수요처(180)의 연료공급조건에 맞게 설정된 압력으로 저장탱크(110)로부터 공급받은 액화가스를 가압할 수 있다.
고압기화기(130)는 고압펌프(120)에 의해 가압된 액화가스를 기체 상태로 변환시킨다.
이젝터(140)는 유체를 흡입하는 제1입구(141a)와 제2입구(141b)를 포함하는 흡인실(141), 흡인실(141)에 흡입된 유체의 압력을 증가시키는 병목부(142) 및 병목부(142)를 거쳐 압력이 증가된 유체를 토출시키는 토출부(143)를 포함할 수 있다.
저장탱크(110)로부터 공급받은 액화가스는 제1공급라인(L1)을 통해 고압펌프(120) 및 고압기화기(130)를 거쳐 흡인실(141)의 제1입구(141a)로 공급된다.
또, 저장탱크(110)로부터 공급받은 증발가스는 제2공급라인(L2)을 통해 흡인실(141)의 제2입구(141b)로 공급된다.
여기서, 제1입구(141a)를 통해 흡입된 유체가 병목부(142)를 향해 분출되면, 제2입구(141b)를 통해 흡입된 유체는 병목부(142)를 향해 분출되는 유체에 혼합되어 함께 토출된다. 제1입구(141a)는 흡인실(141) 내측으로 일정 길이 내삽된 상태로 마련되되, 승압을 위해 직경(D1)이 중심부위까지 점점 줄어들다가 다시 커지는 형태로 마련될 수 있다.
병목부(142)는 흡인실(141)과 토출부(143) 사이에 배치되며, 병목부(142)를 통과하는 유체의 압력을 증가시킨다. 이때, 흡인실(141)로부터 병목부(142)에 이르기까지 직경이 점점 줄어들다가, 설정된 일정 직경(D2)을 갖는 병목부(142)를 거친 후, 토출부(143) 끝단으로 갈수록 직경이 점점 커질 수 있다.
토출부(143)는 흡인실(141)과 병목부(142)를 거치면서 승압된 혼합 유체를 토출시킨다.
한편, 연료공급시스템(100)은 제1공급라인(L1)의 고압펌프(120) 전단에서 분기되며, 냉각부(150)와 연결되는 제3공급라인(L3)을 마련할 수 있다. 저장탱크(110)로부터 공급된 액화가스 중 그 일부는 제3공급라인(L3)을 통해 냉각부(150)로 공급된다.
냉각부(150)는 상술한 이젝터(140)를 통해 토출된 혼합 유체를 제3공급라인(L3)을 통해 저장탱크(110)로부터 공급받은 액화가스를 이용하여 냉각시킨다. 이때, 냉각부(150)는 스프레이장치(미도시)를 포함할 수 있으며, 스프레이장치를 통해 액화가스를 분사시키는 방법으로 이젝터(140)를 통과한 혼합 유체를 설정된 온도에 따라 냉각시킬 수 있다.
종래의 압축부에는 다수의 압축기와 냉각기가 교차 배열되어 있었으며, 시간이 지날수록 가동효율이 떨어졌으나, 상술한 이젝터(140), 냉각부(140)를 포함하는 관련 구성을 통해 이러한 종래의 문제점을 효과적으로 해소시킬 수 있다.
세퍼레이터(160)는 상술한 냉각된 혼합 유체로부터 중탄화수소(HHC; Heavy Hydro Carbon)를 분리 및 제거하여 수요처(180)가 요구하는 메탄가를 맞출 수 있다. 세퍼레이터(160)에 의해 분리된 중탄화수소는 회수라인(L4)을 통해 저장탱크(110)로 회수될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상술한 혼합 유체에는 메탄 외에도 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등 복수의 탄화수소를 가진 탄화수소성분들과 질소, 이산화탄소 등의 불활성가스성분들이 포함되어 있다. 이때, 메탄가는 상술한 혼합 유체 중 메탄의 조성비로 정의될 수 있다.
예컨대 수요처(180)가 저압분사엔진일 경우, 메탄가를 충족하지 못하는 연료가 저압분사엔진으로 공급되면, 해당 엔진의 녹킹(Knocking) 및 엔진 피스톤이 상사점 이전에서 폭발, 연소되는 등의 이상현상이 발생할 수 있다. 이러한 이상현상은 엔진 피스톤의 마모를 초래할 수 있고, 엔진 효율 저하, 장치고장 등의 문제를 야기할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 상술한 이상현상을 방지할 수 있도록 연료의 메탄가를 수요처(180) 즉, 저압분사엔진이 필요로 하는 정도로 높일 수 있다. 고압분사엔진의 경우, 메탄가 조절을 필요로 하지 않는 반면, 저압분사엔진은 일반적으로 80 이상의 메탄가를 요구한다. 생산지에 따라 액화가스의 메탄가는 70 내외의 범위를 나타내기도 하므로 저압분사엔진으로 공급되는 액화가스는 메탄가의 조절이 필요하다.
상술한 혼합 유체에 포함된 에탄, 프로판, 부탄 등의 중탄화수소는 메탄보다 액화점이 높다. 여기서, 냉각부(150)는 수요처(180) 즉, 저압분사엔진이 요구하는 메탄가를 고려하여 혼합 유체의 냉각 온도를 제어할 수 있다.
다른 예에서는 냉각부(150)를 생략할 수 있다. 이 경우, 고압기화기(130)는 수요처(180)에서 요구하는 메탄가를 고려하여 고압펌프(120)를 거친 액화가스에 대한 가열 온도를 제어할 수 있다.
이후, 세퍼레이터(160)는 기체 성분의 메탄과 액체 성분의 중탄화수소를 분리시킬 수 있다. 액체 성분의 중탄화수소는 회수라인(L4)을 통해 저장탱크(110)로 회수될 수 있다. 이를 통해 메탄가를 수요처(180)에서 요구하는 수준으로 높일 수 있다. 기체 성분의 메탄은 수요처(180)의 연료로 공급된다.
세퍼레이터(160)에 의해 메탄가가 조절된 연료는 히터(170)에 의해 연료공급조건에 맞게 가열된 후, 수요처(180)로 공급될 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
110: 저장탱크 120: 고압펌프
130: 기화가 140: 이젝터
150: 냉각부 160: 세퍼레이터
170: 히터 180: 수요처
L1~L3: 공급라인 L4: 회수라인

Claims (5)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 액화가스를 가압하는 고압펌프;
    상기 가압된 액화가스를 기화시키는 고압기화기;
    상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 기화된 액화가스와 혼합하여 압축 및 토출시키는 이젝터; 및
    상기 토출된 혼합 유체를 기체 성분과 액체 성분으로 분리시키는 세퍼레이터;를 포함하되,
    상기 기체 성분은 수요처의 연료로 공급되는 연료공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수요처가 요구하는 메탄가를 고려하여 상기 토출된 혼합 유체를 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 이용하여 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 연료공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이젝터는 유체를 흡입하는 제1입구와 제2입구를 포함하는 흡인실, 상기 흡입된 유체의 압력을 증가시키는 병목부 및 상기 압력이 증가된 유체를 토출시키는 토출부를 포함하고,
    상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 상기 고압펌프 및 상기 고압기화기를 거쳐 상기 흡인실의 제1입구로 공급하는 제1공급라인과,
    상기 흡인실의 제2입구와 연결되며, 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 상기 제2입구로 공급하는 제2공급라인을 더 포함하는 연료공급시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1공급라인의 상기 고압펌프 전단에서 분기되며, 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 상기 냉각부로 공급하는 제3공급라인을 더 포함하되,
    상기 냉각부는 상기 액화가스를 분사시키는 방법으로 상기 토출된 혼합 유체에 대한 냉각 작업을 수행하는 연료공급시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 냉각된 혼합 유체로부터 액체 성분의 중탄화수소를 분리시키고,
    상기 분리된 중탄화수소를 상기 저장탱크로 회수시키는 회수라인을 더 포함하는 연료공급시스템.
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