KR20200108378A - 연료공급시스템 - Google Patents

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KR20200108378A
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engine
vaporizer
condenser
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KR1020190027054A
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정승재
박건일
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료공급시스템은 선박의 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 기화시키는 제1기화기; 기화된 유체를 응축시키는 응축기; 응축된 유체를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기; 분리된 기상의 유체를 가열시켜 높은 메탄가를 요구하는 제1엔진으로 공급하는 가열기; 저장탱크, 제1기화기, 응축기, 기액분리기, 가열기 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인; 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 저장탱크 내부의 증발가스를 흡입하는 제1이젝터; 및 제1이젝터를 통해 토출된 혼합유체를 제1공급라인의 제1기화기 전단으로 공급하는 증발가스공급라인;을 포함한다.

Description

연료공급시스템{FUEL SUPPLY SYSTEM FOR SHIP}
본 발명은 연료공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)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 변환시켜 저장 및 운반되고 있다.
선박의 엔진은 이러한 액화가스 또는 액화가스의 증발가스(Boiled Off Gas)를 연료가스로 공급받아 구동된다. 선박의 엔진으로는 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진 및 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~400bar)의 분사엔진이 널리 이용되고 있다. 또한 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 개발되어 이용되고 있다.
이러한 엔진의 연료로 사용되는 천연가스는 메탄(C1)뿐 아니라 에탄(C2), 프로판(C3), 부탄(C4), 펜탄(C5) 및 헥산(C6)과 같은 중탄화수소(HHC, Heavy Hydrocarbon)를 포함하며, 생산지에 따라 조성이 달라질 수 있다.
한편, 액화가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송된다. 그러나 액화가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화가스가 기화하여 발생되는 증발가스가 저장탱크의 내부에 축적되게 된다.
이러한 증발가스는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으며, 액화가스를 수송하는 과정에서 선박의 진동에 의해 저장탱크 및 선박의 구조적인 문제를 야기할 수 있으므로, 증발가스의 발생을 억제하거나 증발가스를 처리 및 제거할 필요가 있다.
이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 증발가스를 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 증발가스를 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하며, 증발가스를 태우는 과정에서 화재 및 폭발의 위험이 존재하는 문제점이 있었다.
또, 선박의 연료공급시스템은 엔진에서 요구하는 메탄가(Methane Number)의 조건에 맞추어 저장탱크에 저장된 액화가스 또는 증발가스를 엔진의 연료로 공급해야 한다. 특히, DFDE 엔진의 경우 해당 엔진이 요구하는 메탄가에 맞게 연료공급이 이루어져야 한다. 엔진으로 공급되는 연료가스가 적정 메탄가보다 낮은 경우에는 엔진의 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 폭발 및 연소가 이루어져 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹(Knocking) 등의 문제가 야기될 수 있다.
이러한 문제점을 해소시키기 위해, 종래에는 통상적으로 메탄성분 함유량이 높은 저장탱크 내부의 증발가스를 엔진의 연료로 공급하였다. 그러나, 엔진의 연료로 메탄성분 함유량이 높은 증발가스의 소비가 이루어짐에 따라, 저장탱크의 액화가스에 함유된 메탄의 양은 줄고, 중탄화수소의 양이 높아지게 된다. 따라서, 이후 액화가스를 기화시켜 엔진으로 공급한다고 하여도 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 맞출 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
관련된 종래기술로서, 한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)
본 발명의 실시 예는 저장탱크 내부의 압력을 조절하고 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료를 효과적으로 공급할 수 있는 연료공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 기화시키는 제1기화기; 상기 기화된 유체를 응축시키는 응축기; 상기 응축된 유체를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기; 상기 분리된 기상의 유체를 가열시켜 높은 메탄가를 요구하는 제1엔진으로 공급하는 가열기; 상기 저장탱크, 제1기화기, 응축기, 기액분리기, 가열기 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인; 상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 상기 저장탱크 내부의 증발가스를 흡입하는 제1이젝터; 및 상기 제1이젝터를 통해 토출된 혼합유체를 상기 제1공급라인의 상기 제1기화기 전단으로 공급하는 증발가스공급라인;을 포함하는 연료공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 제1공급라인의 상기 제1기화기 전단에 마련된 제1개폐밸브와, 상기 증발가스공급라인의 상기 제1이젝터 전단에 마련된 제2개폐밸브와, 상기 저장탱크 내부의 압력에 따라 상기 제1개폐밸브 및 상기 제2개폐밸브의 개방 정도를 제어하는 밸브 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1공급라인의 상기 제1기화기 전단으로부터 분기되어 상기 응축기와 연결되며, 상기 저장탱크 내의 액화가스를 상기 응축기로 공급하여 상기 기화된 유체가 응축되도록 하는 응축라인과, 상기 제1공급라인의 상기 응축기 후단에 마련되어 상기 응축된 유체의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 응축라인에 마련된 조절밸브와, 상기 측정된 온도 값을 기초로, 상기 응축라인을 통해 상기 응축기로 공급되는 액화가스의 양을 상기 조절밸브에 의해 조절하여 상기 제1기화기에 의해 기화된 유체에 포함된 중탄화수소 성분이 설정된 양에 따라 상기 응축기에서 액화되도록 함으로써 메탄가가 조절되도록 하는 메탄가 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 상기 분리된 액상의 유체를 흡입하는 제2이젝터와, 상기 제2이젝터로부터 토출된 혼합유체를 기화시켜 상기 제1엔진보다 낮은 메탄가를 요구하는 제2엔진으로 공급하는 제2기화기와, 상기 저장탱크, 제2이젝터, 제2기화기 및 제2엔진을 연결하는 제2공급라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료공급시스템은 저장탱크 내부의 압력을 조절하고 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료를 효과적으로 공급할 수 있다.
또, 시간이 지남에 따라 저장탱크에 남게 되는 액화가스에 포함된 중탄화수소 성분을 연료로 효과적으로 활용할 수 있다.
또, 응축 시 기화된 액화가스에 분사되는 액화가스의 양을 조절하여, 메탄가를 조절함으로써 발전 엔진이 필요로 하는 메탄가를 만족시킬 수 있다.
또, 제2이젝터를 활용하여 일정량이 채워진 액상의 중탄화수소 성분을 흡입하여 메인 엔진의 요구조건에 맞게 연료로 제공하여 시스템의 효율성을 향상시키고, 시스템 구성을 단순화시킬 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 도시한 것이다.
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.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료공급시스템(100)은 선박 엔진이 요구하는 메탄가에 맞게 연료를 처리하여 효과적으로 공급할 수 있다. 또, 높은 메탄가를 요구하는 엔진과 상대적으로 메탄가에 큰 영향을 받지 않는 엔진을 구별하여 연료를 공급할 수 있다. 또, 액화가스를 저장하는 저장탱크 내부의 압력을 효과적으로 조절할 수 있다.
이러한 연료공급시스템(100)은 예컨대 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 각종 선박에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료공급시스템(100)은 선박의 저장탱크(101)로부터 공급받은 액화가스를 기화시키는 제1기화기(110)와, 제1기화기(110)에 의해 기화된 유체를 응축시키는 응축기(120)와, 응축기(120)에 의해 응축된 유체를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기(130)와, 기액분리기(130)에 의해 분리된 기상의 유체를 가열시켜 높은 메탄가를 요구하는 제1엔진(E1)으로 공급하는 가열기(140)와, 저장탱크(101), 제1기화기(110), 응축기(120), 기액분리기(130), 가열기(140) 및 제1엔진(E1)을 연결하는 제1공급라인(L1)과, 저장탱크(101)로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 저장탱크(101) 내부의 증발가스를 흡입하는 제1이젝터(150)와, 제1이젝터(150)를 통해 토출된 혼합유체를 제1공급라인(L1)의 제1기화기(110) 전단으로 공급하는 증발가스공급라인(L2)을 포함한다.
또, 연료공급시스템(100)은 제1공급라인(L1)의 제1기화기(110) 전단에 마련된 제1개폐밸브(V1)와, 증발가스공급라인(L2)의 제1이젝터(150) 전단에 마련된 제2개폐밸브(V2)와, 저장탱크(101) 내부의 압력에 따라 제1개폐밸브(V1) 및 제2개폐밸브(V2)의 개방 정도를 제어하는 밸브 제어부(160)를 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 제1공급라인(L1)의 제1기화기(110) 전단으로부터 분기되어 응축기(120)와 연결되며, 저장탱크(101) 내의 액화가스를 응축기(120)로 공급하여 기화된 유체가 응축되도록 하는 응축라인(L3)을 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 제1공급라인(L1)의 응축기(120) 후단에 마련되어 응축기(120)에 의해 응축된 유체의 온도를 측정하는 온도센서(T1)와, 응축라인(L3)에 마련된 조절밸브(V3)와, 온도센서(T1)에 의해 측정된 온도 값을 기초로, 응축라인(L3)을 통해 응축기(120)로 공급되는 액화가스의 양을 조절밸브(V3)에 의해 조절하여 제1기화기(110)에 의해 기화된 유체에 포함된 중탄화수소 성분이 설정된 양에 따라 응축기(120)에서 액화되도록 함으로써 메탄가가 조절되도록 하는 메탄가 조절부(170)를 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 저장탱크(101)로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 기액분리기(130)에 의해 분리된 액상의 유체를 흡입하는 제2이젝터(180)와, 제2이젝터(180)로부터 토출된 혼합된 유체를 기화시켜 제1엔진(E1)보다 낮은 메탄가를 요구하는 제2엔진(E2)으로 공급하는 제2기화기(190)와, 저장탱크(101), 제2이젝터(180), 제2기화기(190) 및 제2엔진(E2)을 연결하는 제2공급라인(L4)을 포함할 수 있다.
이하, 연료공급시스템(100)의 각 구성 및 동작에 대해서 설명한다.
저장탱크(101)는 예컨대 LNG(Liquefied Natural Gas)와 같은 액화가스를 저장할 수 있으며, 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다.
저장탱크(101)에 저장된 액화가스는 제1공급라인(L1)을 통해 제1엔진(E1) 쪽으로 공급된다. 이때, 액화가스 중 일부는 증발가스공급라인(L2)을 통해 제1이젝터(150)로 공급되거나, 응축라인(L3)을 통해 응축기(120)로 공급될 수 있다. 또, 저장탱크(101)에 저장된 액화가스 중 일부는 제2공급라인(L4)을 통해 제2엔진(E2)으로 공급될 수 있다.
여기서, 제1엔진(E1)은 예컨대, 높은 메탄가를 요구하는 발전 엔진을 포함할 수 있고, 제2엔진(E2)은 제1엔진(E1)에 비해 상대적으로 낮은 메탄가를 요구하는 메인 엔진을 포함할 수 있다.
제1기화기(110)는 제1공급라인(L1)을 통해 공급된 액화가스를 기화시키며, 기화된 유체는 응축기(120)로 보내진다.
응축기(120)는 응축라인(L3)을 통해 저장탱크(101)로부터 액화가스를 공급받아 제1기화기(110)에 의해 기화된 유체를 응축시킨다. 도시하지는 않았으나, 응축기(120)에 구비된 스프레이 수단은 제1기화기(110)에 의해 기화된 유체에 액화가스를 분사하여 응축시킬 수 있다. 이때, 중탄화수소(HHC) 성분은 액상으로 남게 되고, 메탄 성분은 기체 상태로 남게 된다.
응축기(120) 후단에 마련된 온도센서(S1)는 응축기(120) 후단의 온도를 측정하고, 메탄가 조절부(170)는 온도센서(S1)에 의해 측정된 온도 값을 기초로, 응축라인(L3)을 통해 응축기(120)로 공급되는 액화가스의 양을 조절밸브(V1)에 의해 조절하여 제1기화기(110)에 의해 기화된 유체에 포함된 기화점이 낮은 중탄화수소 성분이 설정된 양에 따라 응축기(120)에서 액화되도록 함으로써 메탄가가 조절되도록 한다.
메탄가 조절부(170)는 온도센서(S1)에 의해 측정된 온도 값을 기초로, 중탄화수소 성분(C2, C3, C4 등)이 액화될 수 있는 온도로 유지하도록 조절밸브(V1)를 조절할 수 있다. 예컨대 중탄화수소 성분 C2의 기화점은 ―89℃도이며, C3, C4로 갈수록 기화점은 높아진다. 조절밸브(V1)가 많이 열리게 되면 액화는 더 잘 될 수 있으나, 응축기(120) 후단에 배치된 기액분리기(130)의 액상의 레벨 컨트롤, 그리고 기액분리기(130)에서 분리된 기체의 온도, 해당 기체를 가열해야 하는 가열기(140)의 설계점에 모두 영향을 미치기 때문에, 메탄가 조절부(170)는 대략 ―100℃를 기준으로 조절밸브(V1)를 제어할 수 있다.
기액분리기(130)는 응축기(120)에 의해 응축된 유체를 기상과 액상으로 분리시킨다. 기액분리기(130)에 의해 분리된 기체성분은 상대적으로 높은 메탄가를 갖고 있으며, 제1엔진(E1)의 연료공급조건에 맞게 가열시키는 가열기(140)를 거쳐 제1엔진(E1)의 연료로 공급된다. 기액분리기(130)에 의해 분리된 액체성분은 중탄화수소 성분을 함유하며, 제2엔진(E2)의 연료로 사용될 수 있다.
제1이젝터(150)는 저장탱크(101)로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 저장탱크(101) 내부의 증발가스를 제1흡입라인(L2-1)을 통해 흡입한다. 제1이젝터(150)를 통해 고속으로 분출된 액화가스와 이에 의해 흡입된 증발가스는 서로 혼합되어 혼합유체로 생성되고, 제1이젝터(150)로부터 토출된 혼합유체는 증발가스공급라인(L2)을 통해 제1공급라인(L1)의 제1기화기(110) 전단으로 공급된다.
밸브 제어부(160)는 저장탱크(101) 내부의 압력에 따라 제1공급라인(L1)의 제1기화기(110) 전단에 마련된 제1개폐밸브(V1)와 증발가스공급라인(L2)의 제1이젝터(150) 전단에 마련된 제2개폐밸브(V2)를 제어한다.
예컨대, 저장탱크(101) 내부의 압력을 측정하는 압력측정기(P1)에 의해 측정된 값이 설정값 미만인 경우, 밸브 제어부(160)는 제2개폐밸브(V2)를 차단한 상태로 유지할 수 있다. 반면, 압력측정기(P1)에 의해 측정된 저장탱크(101) 내부의 압력이 설정값을 초과한 경우, 밸브 제어부(160)는 제2개폐밸브(V2)를 개방하여, 제1흡입라인(L2-1)을 통해 저장탱크(101) 내부의 증발가스를 흡입함으로써, 저장탱크(101) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
한편, 상술한 기액분리기(130)에 의해 분리된 액체성분이 설정량을 초과한 경우, 제2공급라인(L4) 및 액체토출라인(L5) 상의 제1 및 제2공급밸브(V4,V5)가 각각 개방되어, 제2엔진(E2) 쪽으로 연료가 공급될 수 있다.
여기서, 제2이젝터(180)로 과다한 기액분리기(130) 내의 액체성분 즉, 중탄화수소 성분을 포함하는 액상의 유체가 흡입되지 않도록 액체토출라인(L5) 상의 제2공급밸브(V5)의 개방 정도가 공급 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 이를 통해 제2엔진(E2)이 요구하는 메탄가에 맞게 연료가 공급될 수 있다.
제2이젝터(180)는 제2공급라인(L4)을 통해 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 기액분리기(130)에 의해 분리된 액상의 유체를 흡입하여 상술한 분출되는 액화가스와 혼합시킨 후, 제2기화기(160)로 보낸다. 제2기화기(160)를 통해 기화된 유체는 제1엔진(E1)보다 낮은 메탄가를 요구하는 제2엔진(E2)으로 공급될 수 있다.
이와 같이, 연료공급시스템은 각 엔진(E1,E2)이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료를 효과적으로 공급할 수 있다.
또, 시간이 지남에 따라 저장탱크에 남게 되는 액화가스에 포함된 중탄화수소 성분을 효과적으로 메인 엔진의 연료로 사용하여 제거할 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: 제1기화기 120: 응축기
130: 기액분리기 140: 가열기
150: 제1이젝터 160: 밸브 제어부
170: 메탄가 조절부 180: 제2이젝터
190: 제2기화기

Claims (4)

  1. 선박의 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 기화시키는 제1기화기;
    상기 기화된 유체를 응축시키는 응축기;
    상기 응축된 유체를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기;
    상기 분리된 기상의 유체를 가열시켜 높은 메탄가를 요구하는 제1엔진으로 공급하는 가열기;
    상기 저장탱크, 제1기화기, 응축기, 기액분리기, 가열기 및 제1엔진을 연결하는 제1공급라인;
    상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 상기 저장탱크 내부의 증발가스를 흡입하는 제1이젝터; 및
    상기 제1이젝터를 통해 토출된 혼합유체를 상기 제1공급라인의 상기 제1기화기 전단으로 공급하는 증발가스공급라인;을 포함하는 연료공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1공급라인의 상기 제1기화기 전단에 마련된 제1개폐밸브와,
    상기 증발가스공급라인의 상기 제1이젝터 전단에 마련된 제2개폐밸브와,
    상기 저장탱크 내부의 압력에 따라 상기 제1개폐밸브 및 상기 제2개폐밸브의 개방 정도를 제어하는 밸브 제어부를 더 포함하는 연료공급시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1공급라인의 상기 제1기화기 전단으로부터 분기되어 상기 응축기와 연결되며, 상기 저장탱크 내의 액화가스를 상기 응축기로 공급하여 상기 기화된 유체가 응축되도록 하는 응축라인과,
    상기 제1공급라인의 상기 응축기 후단에 마련되어 상기 응축된 유체의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 응축라인에 마련된 조절밸브와,
    상기 측정된 온도 값을 기초로, 상기 응축라인을 통해 상기 응축기로 공급되는 액화가스의 양을 상기 조절밸브에 의해 조절하여 상기 제1기화기에 의해 기화된 유체에 포함된 중탄화수소 성분이 설정된 양에 따라 상기 응축기에서 액화되도록 함으로써 메탄가가 조절되도록 하는 메탄가 조절부를 더 포함하는 연료공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 고속으로 분출시켜, 상기 분리된 액상의 유체를 흡입하는 제2이젝터와,
    상기 제2이젝터로부터 토출된 혼합유체를 기화시켜 상기 제1엔진보다 낮은 메탄가를 요구하는 제2엔진으로 공급하는 제2기화기와,
    상기 저장탱크, 제2이젝터, 제2기화기 및 제2엔진을 연결하는 제2공급라인을 더 포함하는 연료공급시스템.
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