KR20200033504A - 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

선박용 화물탱크 압력 제어 시스템이 개시된다.
상기 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템은, 연료탱크로부터 배출되는 액체연료를 가압시키는 제1 펌프; 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 기화시키는 기화기; 및 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로부터 분기하여 화물탱크 내부로 연장되었다가, 다시 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 합류되는 순환배관;을 포함하고, 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료가 상기 순환배관을 따라 상기 화물탱크 내부의 액체화물과 열교환되고, 상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 화물탱크 압력 제어 시스템 및 방법{System and Method of Controlling Pressure in Cargo Tank for Vessels}
본 발명은, 화물탱크에 저장된 화물과 다른 종류의 유체를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박에 적용되는, 화물탱크의 내부 압력을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기존 상선 시장에서는 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 운반선, 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 운반선, 액화에틸렌가스(LEG; Liquefied Ethylene Gas) 운반선 등 각 화물에 따라 목적을 분명히 하고, 해당 화물 전용 선박을 운용하였다.
그러나, 최근 다변화하는 시장 상황에 따라, 선주들로부터 다양한 종류의 화물을 수용할 수 있는 운반선(Multi-Gas Carrier)에 대한 기술 검토가 요청되고 있으며, 특히, 액화천연가스를 연료로 사용하는 추진용 엔진을 적용하는 선박에 대한 검토가 이어지고 있다.
액화천연가스는 프로판(Propane), 부탄(Butane), 액화석유가스, 에탄(Ethane), 에틸렌(Ethylene) 등의 화물에 비해 온도가 낮으며, 대략 -162℃의 극저온 상태이다.
연료탱크(Fuel Tank)에 저장된 액화천연가스 등의 액체연료를 엔진으로 공급하기 위해서는 액체연료를 가압 및 기화시켜야 하며, 액체연료를 기화시키기 위하여 가열 시스템(Heating System)이 필요하다. 또한, 가열 시스템에서는 액체연료를 기화시키기 위해 상당한 양의 스팀(Steam)이 소비된다.
화물탱크(Cargo Tank)에 내부에서는, 외부로부터 침입하는 열에 의해 액체 화물이 자연 기화하여 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생하므로, 화물탱크 내부 압력 및 온도를 조절하기 위한 증발가스 관리 시스템(BOG management system)이 필요하다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF 엔진(DFDE(Dual Fuel Diesel Electric), DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)), ME-GI 엔진, X-DF 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF 엔진(DFDE, DFDG)은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI 엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
X-DF 엔진은, 추진용으로 사용되며, 2행정으로 구성된다. 16 bar 정도의 중압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
본 발명은 연료탱크에 저장된 액체연료를 가압 및 기화시켜 엔진으로 공급하는 시스템과, 화물탱크 내부 압력 및 온도를 조절하는 시스템을 연계시켜 운용하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료탱크로부터 배출되는 액체연료를 가압시키는 제1 펌프; 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 기화시키는 기화기; 및 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로부터 분기하여 화물탱크 내부로 연장되었다가, 다시 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 합류되는 순환배관;을 포함하고, 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료가 상기 순환배관을 따라 상기 화물탱크 내부의 액체화물과 열교환되고, 상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템이 제공된다.
상기 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템은, 상기 연료탱크 내부에 설치되어, 상기 연료탱크 내부의 액체연료를 가압하여 외부로 배출시키는 제2 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 펌프는 액체연료를 추진용엔진의 요구 압력으로 가압시키고, 상기 제1 펌프에 의해 가압되고 상기 기화기에 의해 기화된 연료가스는 상기 추진용엔진으로 보내질 수 있다.
상기 추진용엔진으로 보내지는 연료가스의 일부는 발전용엔진 및 보조기계류 중 하나 이상으로 보내질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료탱크 내부에 설치되어, 상기 연료탱크 내부의 액체연료를 가압하여 외부로 배출시키는 제2 펌프; 상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료를 기화시키는 기화기; 및 상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로부터 분기하여 화물탱크 내부로 연장되었다가, 다시 상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 합류되는 순환배관;을 포함하고, 상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료가 상기 순환배관을 따라 상기 화물탱크 내부의 액체화물과 열교환되고, 상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템이 제공된다.
상기 화물탱크에 저장된 액체화물은, 상기 연료탱크에 저장된 액체연료보다 끓는점이 더 높은 유체일 수 있다.
상기 연료탱크에 저장된 액체연료는 액화천연가스일 수 있다.
상기 화물탱크에 저장된 액체화물은, 프로판, 부탄, 액화석유가스, 에탄, 에틸렌, 프로필렌, 뷰틸렌 및 부타디엔 중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
선박에 다수개의 화물탱크가 탑재될 수 있고, 상기 화물탱크의 개수만큼의 다수개의 순환배관을 포함할 수 있으며, 상기 다수개의 순환배관은, 상기 다수개의 화물탱크 내부로 각각 연장되었다가, 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 각각 합류될 수 있다.
상기 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템은, 상기 연료탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 연료탱크로부터 배출된 후 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 발전용엔진 및 보조기계류 중 하나 이상으로 공급될 수 있다.
상기 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템은, 상기 화물탱크에서 배출되는 증발가스를 재액화시켜 다시 상기 화물탱크로 복귀시키는 재액화장치를 더 포함할 수 있다.
상기 화물탱크의 내부 압력 및 온도는 상기 순환배관에 의해 우선적으로 제어되고, 상기 재액화장치는 보조적으로 사용될 수 있다.
상기 재액화장치는 자가 열교환 방식일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연료탱크에 저장된 액체연료를 가압 및 기화시켜 엔진으로 공급하는 시스템과, 화물탱크 내부 압력 및 온도를 조절하는 시스템을 연계시켜 운용하고, 상기 연료탱크로부터 배출된 액체연료를, 상기 화물탱크 내부로 연장되는 순환배관에 의해 상기 화물탱크 내부에 저장된 액체연료와 열교환시키며, 상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 순환배관에 의해 화물탱크 내부의 온도 및/또는 압력을 낮추는 동시에, 기화기로 보내질 액체연료를 예열(Pre-heating)시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 화물탱크 내부 압력을 제어하기 위해 화물탱크 내부의 증발가스를 가스연소장치로 보내 태울 필요가 없고, 추진용엔진에 연료를 공급하는 시스템을 활용하여, 별도의 재액화 장비 등의 복잡한 설치 또는 별도의 재액화 장비에서의 추가적인 전력 소모 없이 효율적인 방법으로 화물탱크 내부 압력 및 온도를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 각종 액체화물탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템은, 제1 펌프(110), 기화기(300) 및 순환배관(CL)을 포함한다.
제1 펌프(110)는, 연료탱크(FT)로부터 배출되는 액체연료를 가압시키며, 액체연료를 추진용엔진(E1)의 요구 압력으로 가압시킬 수 있다.
기화기(300)는, 제1 펌프(110)에 의해 가압된 액체연료를 기화시킨다.
제1 펌프(110)에 의해 가압된 후 기화기(300)에 의해 기화된 연료가스는 추진용엔진(E1)으로 보내질 수 있다. 추진용엔진(E1)으로 보내지는 연료가스의 일부는 발전용엔진(E2)으로 보내질 수 있고, 추진용엔진(E1)의 요구 압력으로 가압된 연료를 감압장치(700)에 의해 발전용엔진(E2)의 요구 압력으로 감압시킨 후에 발전용엔진(E2)으로 공급할 수 있다. 또한, 추진용엔진(E1)으로 보내지는 연료가스의 일부를 보일러 등의 보조기계류(A)에 보낼 수도 있다.
순환배관(CL)은, 제1 펌프(110)에 의해 가압된 액체연료를 기화기(300)로 보내는 라인으로부터 분기하여 화물탱크(CT) 내부로 연장되었다가, 다시 제1 펌프(110)에 의해 가압된 액체연료를 기화기(300)로 보내는 라인으로 합류된다.
제1 펌프(110)에 의해 가압된 액체연료는, 화물탱크(CT) 내부로 연장되는 순환배관(CL)을 따라 화물탱크(CT) 내부의 액체화물과 열교환된 후, 기화기(300)에 의해 기화된다.
제1 펌프(110)에 의해 가압된 액체연료가 순환배관(CL)을 따라 화물탱크(CT) 내부의 액체화물과 열교환되면서, 화물탱크(CT) 내부의 액체화물의 온도는 낮아지고, 순환배관(CL)을 따라 흐르는 액체연료의 온도는 높아지게 된다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 순환배관(CL)에 의해 화물탱크(CT) 내부의 온도 및/또는 압력을 낮추는 동시에, 기화기(300)로 보내질 액체연료를 예열(Pre-heating)시킬 수 있다는 장점이 있다. 액체연료를 예열시킨 후 기화기(300)로 보내면, 기화기(300)에서 액체연료를 기화시키기 위해 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.
한편, 연료탱크(FT) 내부에는 제2 펌프(120)가 설치되어, 연료탱크(FT) 내부의 액체연료를 가압하여 외부로 배출시킬 수 있다.
추진용엔진(E1)이 ME-GI 엔진 등 고압의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진인 경우에는, 제2 펌프(120)에 의해 가압된 액체연료를 제1 펌프(110)에 의해 추가로 압축시킬 필요가 있지만, 추진용엔진(E1)이 X-DF 엔진 등 비교적 낮은 압력의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진인 경우에는, 제2 펌프(120)에 의해 가압된 액체연료를 제1 펌프(110)에 의해 추가로 압축시킬 필요 없이, 바로 순환배관(CL) 및 기화기(300)를 거쳐 추진용엔진(E1)으로 공급할 수도 있다.
본 실시예는, 연료탱크(FT)에 저장된 액체연료와 화물탱크(CT)에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 화물탱크(CT)에 저장된 액체화물은, 연료탱크(FT)에 저장된 액체연료보다 끓는점이 더 높은 유체일 수 있다. 일례로, 연료탱크(FT)에 저장된 액체연료는 액화천연가스일 수 있고, 화물탱크(CT)에 저장된 액체화물은 프로판(Propane), 부탄(Butane), 액화석유가스, 에탄(Ethane), 에틸렌(Ethylene), 프로필렌(Propylene), 뷰틸렌(Butylene) 및 부타디엔(Butadiene) 중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
화물탱크(CT)에 저장된 액체화물의 끓는점이 연료탱크(FT)에 저장된 액체연료의 끓는점보다 더 높으므로, 화물탱크(CT) 내부의 액체화물은 연료탱크(FT)로부터 배출된 액체연료와의 열교환으로 효율적인 냉각이 가능하다.
선박이 다수개의 화물탱크(CT)를 탑재하는 경우, 본 실시예는 화물탱크(CT)의 개수만큼의 순환배관(CL)을 포함하며, 다수개의 순환배관(CL)은 다수개의 화물탱크(CT) 내부로 각각 연장되었다가, 다시 제1 펌프(110)에 의해 가압된 액체연료를 기화기(300)로 보내는 라인으로 각각 합류된다.
본 실시예는, 연료탱크(FT)로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기(510)를 더 포함할 수 있다. 연료탱크(FT)로부터 배출된 후 압축기(510)에 의해 압축된 증발가스는 발전용엔진(E2) 및/또는 보일러 등의 보조기계류(A)로 공급될 수 있다. 압축기(510)는 발전용엔진(E2)이나 보일러 등의 보조기계류(A)가 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있는 작은 크기(추진용엔진(E1)의 요구 압력으로 증발가스를 압축시키는 것에 비해)인 것이 바람직하다.
본 실시예는, 화물탱크(CT)에서 배출되는 증발가스를 재액화시켜 다시 화물탱크(CT)로 복귀시키는 재액화장치(400)를 더 포함할 수 있다.
화물탱크(CT)의 내부 압력 및/또는 온도는 순환배관(CL)에 의해 우선적으로 제어되고, 순환배관(CL)을 사용할 수 없거나, 화물탱크(CT)의 내부 압력 및/또는 온도를 추가적으로 낮출 필요가 있는 경우 등에 재액화장치(400)를 보조적으로 사용하게 된다.
재액화장치(400)는, 화물탱크(CT)에서 배출되는 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 화물탱크(CT)에서 배출되는 증발가스를 재액화시키는, 자가 열교환 방식일 수 있다.
본 실시예에 의하면, 화물탱크(CT) 내부 압력을 제어하기 위해 화물탱크(CT) 내부의 증발가스를 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 태울 필요가 없고, 추진용엔진(E1)에 연료를 공급하는 시스템을 활용하여, 별도의 재액화 장비 등의 복잡한 설치 또는 별도의 재액화 장비에서의 추가적인 전력 소모 없이 효율적인 방법으로 화물탱크(CT) 내부 압력 및 온도를 제어할 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.
FT : 연료탱크 CT : 화물탱크
E1 : 추진용엔진 E2 : 발전용엔진
A : 보조기계류 CL : 순환배관
110 : 제1 펌프 120 : 제2 펌프
300 : 기화기 400 : 재액화장치
510 : 압축기 700 : 감압장치

Claims (15)

  1. 연료탱크로부터 배출되는 액체연료를 가압시키는 제1 펌프;
    상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 기화시키는 기화기; 및
    상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로부터 분기하여 화물탱크 내부로 연장되었다가, 다시 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 합류되는 순환배관;을 포함하고,
    상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료가 상기 순환배관을 따라 상기 화물탱크 내부의 액체화물과 열교환되고,
    상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료탱크 내부에 설치되어, 상기 연료탱크 내부의 액체연료를 가압하여 외부로 배출시키는 제2 펌프를 더 포함하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 펌프는 액체연료를 추진용엔진의 요구 압력으로 가압시키고,
    상기 제1 펌프에 의해 가압되고 상기 기화기에 의해 기화된 연료가스는 상기 추진용엔진으로 보내지는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 추진용엔진으로 보내지는 연료가스의 일부는 발전용엔진 및 보조기계류 중 하나 이상으로 보내지는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  5. 연료탱크 내부에 설치되어, 상기 연료탱크 내부의 액체연료를 가압하여 외부로 배출시키는 제2 펌프;
    상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료를 기화시키는 기화기; 및
    상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로부터 분기하여 화물탱크 내부로 연장되었다가, 다시 상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 합류되는 순환배관;을 포함하고,
    상기 제2 펌프에 의해 가압된 액체연료가 상기 순환배관을 따라 상기 화물탱크 내부의 액체화물과 열교환되고,
    상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화물탱크에 저장된 액체화물은, 상기 연료탱크에 저장된 액체연료보다 끓는점이 더 높은 유체인, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연료탱크에 저장된 액체연료는 액화천연가스인, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 화물탱크에 저장된 액체화물은, 프로판, 부탄, 액화석유가스, 에탄, 에틸렌, 프로필렌, 뷰틸렌 및 부타디엔 중 어느 하나 또는 둘 이상인, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  9. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    선박에 다수개의 화물탱크가 탑재되고,
    상기 화물탱크의 개수만큼의 다수개의 순환배관을 포함하며,
    상기 다수개의 순환배관은, 상기 다수개의 화물탱크 내부로 각각 연장되었다가, 상기 제1 펌프에 의해 가압된 액체연료를 상기 기화기로 보내는 라인으로 각각 합류되는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기를 더 포함하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료탱크로부터 배출된 후 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 발전용엔진 및 보조기계류 중 하나 이상으로 공급되는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  12. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화물탱크에서 배출되는 증발가스를 재액화시켜 다시 상기 화물탱크로 복귀시키는 재액화장치를 더 포함하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 화물탱크의 내부 압력 및 온도는 상기 순환배관에 의해 우선적으로 제어되고, 상기 재액화장치는 보조적으로 사용되는, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 재액화장치는 자가 열교환 방식인, 선박용 화물탱크 압력 제어 시스템.
  15. 연료탱크에 저장된 액체연료를 가압 및 기화시켜 엔진으로 공급하는 시스템과, 화물탱크 내부 압력 및 온도를 조절하는 시스템을 연계시켜 운용하고,
    상기 연료탱크로부터 배출된 액체연료를, 상기 화물탱크 내부로 연장되는 순환배관에 의해 상기 화물탱크 내부에 저장된 액체연료와 열교환시키며,
    상기 연료탱크에 저장된 액체연료와 상기 화물탱크에 저장된 액체화물이 서로 다른 종류의 유체인 것을 특징으로 하는, 선박용 화물탱크 압력 제어 방법.
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