KR20210072185A - 선박의 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 추진 동력을 생성하는 메인엔진; 선내 필요한 전력을 생산하는 복수의 발전기엔진; 메인엔진과 프로펠러를 연결하는 샤프트에 연결되어 샤프트의 회전력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기; 발전기엔진 및 샤프트 발전기에서 생산되는 전력을 공급받아 저장하는 배터리를 포함하는 선박의 운전 방법에 있어서, 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 메인엔진의 연료로 공급하여 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 선내 전력수요처로 공급하는 제1 운전모드; LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 메인엔진의 연료로 공급하여 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 선내 전력수요처로 공급하고, 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 배터리에 저장시키는 제2 운전모드; LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 메인엔진의 연료로 공급하여 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 선내 전력수요처로 공급하고, 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화시키는 제3 운전모드; LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 메인엔진의 연료로 공급하여 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 선내 전력수요처로 공급하고, 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화시키는 동시에 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 배터리에 저장시키는 제4 운전모드; 중 어느 하나의 모드로 운전되는 것을 특징으로 하는, 선박의 운전 방법을 제공한다.

Description

선박의 운전 방법 {Method of Operating a Ship}
본 발명은 선박의 운전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 액화가스 운반선과 같이 액화가스를 연료로 공급받아 추진하는 선박의 운항시 발생하는 증발가스를 효율적으로 활용하여 연료 소비량을 최적화하고, 선박에서 배출되는 메탄 가스량을 저감하여 지속적으로 강화되는 환경 관련 규제에 대응할 수 있는, 선박의 운전 방법에 관한 것이다.
최근 들어 선박의 디젤 엔진이 환경에 미치는 영향이 관심사로 대두됨에 따라, 선박에 보다 환경 친화적인 동력 시스템을 적용하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구들 중 하나로서, 선박용 엔진의 연료로서 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas)와 같은 액화가스를 사용하는 시도가 활발히 진행되어 왔다.
특히, 최근 연소시 대기 오염 물질의 배출이 적은 친환경 연료로서 각광받고 있는 LNG는, 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시켜 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 가스 상태의 천연가스일 때보다 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
이러한 LNG를 에너지원으로 사용하기 위해서는 LNG를 생산지로부터 수요지까지 대량으로 수송하기 위한 LNG 운반선이 필요하게 되었는데, LNG 운반선은 천연가스의 생산지인 로딩(loading) 항구에서 기체 상태인 천연가스를 초저온 상태로 액화시켜 화물창(cargo tank)에 저장시키고, 수요지인 언로딩(unloading) 항구에 도착해서는 LNG를 기화시켜 다시 천연가스로 변환한 후, 육지에 설치된 배관 등을 통해 수요자에게 공급한다.
그런데, 천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. LNG 운반선에 구비되는 화물창이 단열처리 되어 있더라도, 외부의 열이 화물창으로 지속적으로 전달됨에 따라 LNG 수송 과정에서 LNG가 지속적으로 기화되어 화물창 내에 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)가 발생하게 된다.
증발가스는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송 효율에 있어서 중요한 문제이며, 화물창 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 화물창이 파손될 위험이 있으므로, 화물창 내에서 발생하는 증발가스를 효율적으로 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
증발가스의 처리 방법으로는, 증발가스를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법, 증발가스를 재액화하여 화물창으로 복귀시키는 방법 등이 사용되고 있다. 그리고 잉여의 증발가스에 대해서는 가스연소유닛(GCU: Gas Combustion Unit)에서 연소시키거나 대기 중으로 방출(venting)한다.
이때, 재액화 시스템을 가동할 시에는 추가적인 연료가 소모되므로, 증발가스를 엔진의 연료로서 공급하는 것이 가장 최적의 방법이라고 할 수 있는데, 엔진의 연료 필요량이 증발가스의 발생량보다 적을 때는 증발가스를 가스연소유닛에서 연소시키거나 대기 중으로 버릴 수 밖에 없다. 이는 증발가스를 달리 활용할 데가 없는 경우 화물창 내부의 압력 조절을 위해 불가피하게 잉여 증발가스를 버리는 것으로서 에너지원의 낭비를 초래한다는 문제가 있다.
한편, 통상적으로 선박 분야에서 추진을 담당하는 추진기관(메인엔진)으로는 2행정 엔진(2-stroke Engine)을 사용하고, 보조기관(보조엔진, 발전기엔진)으로는 4행정 엔진(4-stroke Engine)을 사용하는 것이 일반화된 법칙과 같이 적용되어 왔다.
전술한 LNG 운반선의 경우, 운항시 추력을 발생하기 위한 메인엔진으로서 ME-GI와 같은 2행정 고압가스 분사엔진을 사용하고, 선내 필요한 전력을 생산하기 위한 발전기엔진으로서는 DFDE와 같은 4행정 저압가스 분사엔진을 사용한다. 발전기엔진은 LNG 화물의 하역시 고장을 대비하여 통상적으로 총 4대가 설치되고 있다.
이때, 4행정 기관인 발전기엔진의 특성상 연소 중 메탄이 완전하게 연소되지 못하여 대기중으로 배출되어 환경 오염을 야기하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 선주 입장에서는 발전기엔진의 운전을 위한 연료비 및 유지비 등이 소요되므로 수주 경쟁력을 약화시키는 요인이 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, LNG 운반선의 다양한 운항경로 및 운전모드를 고려하여 화물창 내에서 발생하는 증발가스를 효율적으로 활용함으로써 연료 소비량을 최적화함과 더불어, 선박의 운항 중 발생하는 메탄 가스량을 최소화시킴으로써 지속적으로 강화되는 환경 관련 규제에 대응이 가능하며, 시장의 요구사항을 고려한 방안으로서 선주 입장에서 수주 경쟁력을 강화시킬 수 있는, 선박의 운전 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 추진 동력을 생성하는 메인엔진; 전력을 생산하는 복수의 발전기엔진; 상기 메인엔진과 프로펠러를 연결하는 샤프트에 연결되어 상기 샤프트의 회전력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기; 상기 발전기엔진 및 상기 샤프트 발전기에서 생산되는 전력을 공급받아 저장하는 배터리를 포함하는 선박의 운전 방법에 있어서, 상기 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 선내 전력수요처로 공급하는 제1 운전모드; 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하고, 상기 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 상기 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 상기 배터리에 저장시키는 제2 운전모드; 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하고, 상기 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화시키는 제3 운전모드; 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하고, 상기 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화시키는 동시에 상기 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 상기 배터리에 저장시키는 제4 운전모드; 중 어느 하나의 모드로 운전되는 것을 특징으로 하는, 선박의 운전 방법이 제공될 수 있다.
상기 제1 운전모드는 상기 선박이 정속 운항시에 적용되고, 상기 제2 및 제3 운전모드는 상기 선박이 저속 운항하여 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 메인엔진에서 필요로하는 연료 소비량보다 많은 경우에 적용되며, 상기 제4 운전모드는 상기선박이 상기 제2 및 제3 운전모드에서보다 더 저속으로 운항하여 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 제2 및 제3 운전모드의 동작에 의해서도 모두 소비될 수 없는 경우에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 운전 방법은, 상기 선박의 계류시 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 처리가 필요한 경우에는 재액화시키는 방법 및 상기 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 상기 배터리에 저장시키는 방법 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 처리하는 제5 운전모드를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 운전 방법은, 상기 배터리에 충전된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하는 제6 운전모드를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 내지 제5 운전모드는 선택적으로 적용되는 반면, 상기 제6 운전모드는 상기 제1 내지 제5 운전모드 중 어느 하나와 함께 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 운전 방법은, 상기 선박이 항구에 정박하여 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 하역이 이루어질 시 상기 발전기엔진을 가동하되 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 발전기엔진의 예비 전력으로 활용하는 제7 운전모드를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 운전 방법은, 상기 제1 내지 제7 운전모드를 선택할 수 있는 제어시스템을 더 포함할 수 있고, 상기 제어시스템은 스마트십 플랫폼(Smartship platform)에 설치되는 경제운항시스템(Economic Ship Routing System)에 장착될 수 있다.
상기 제어시스템은 사용자가 이동통신 단말기에서 상기 선박의 운전모드를 선택할 수 있도록 연계될 수 있다.
상기 제어시스템은 사용자가 상기 선박의 운전모드를 선택할 수 있도록 하거나 또는 선박의 운항 환경에 따라 자동으로 상기 운전모드가 전환될 수 있도록 구축될 수 있다.
상기 선박의 운항 속도 및 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양을 토대로 상기 제1 내지 제7 운전모드의 적용 범위를 구분하는 지침이 제공될 수 있다.
상기 지침은 상기 선박의 운항 속도에 따른 상기 메인엔진의 연료 소비량, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템의 처리용량 및 상기 발전기엔진의 발전용량을 고려하여 기준값을 제시할 수 있다.
본 발명의 의하면, LNG 운반선의 다양한 운항경로 및 운전모드를 고려하여 화물창 내에서 발생하는 증발가스를 효율적으로 활용함으로써 연료 소비량을 최적화함과 더불어, 선박의 운항 중 발생하는 메탄 가스량을 최소화시킴으로써 지속적으로 강화되는 환경 관련 규제에 대응이 가능하며, 시장의 요구사항을 고려한 방안으로서 선주 입장에서 수주 경쟁력을 강화시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명은, 사용자의 선택에 따라 선박의 운전모드가 자동으로 전환될 수 있게 제어시스템을 구성함으로써 선박의 최적 운항이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템을 도시한 개략도
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하 본 명세서에서 선박은 액화가스를 추진용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 모든 종류의 선박을 포함하는 개념으로 해석될 수 있다. 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier, LNGC)를 예로 들어 설명하고 있지만, 이외에도 LNG 추진선박(LNG Fueled Ship, LFS)이나 LNG RV(Regasification Vessel)와 같이 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 모두 포함할 수 있다.
또한, 이하 명세서에서는 대표적인 액화가스인 LNG를 예로 들어 설명하고 있지만, 이외에도 LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같이 저온으로 액화시켜 저장 및 수송될 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하여 엔진의 연료로 공급될 수 있는 모든 종류의 액화가스가 본 발명에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 선박은, LNG가 저장되는 LNG 저장탱크(10), LNG 저장탱크(10) 내부에 저장된 LNG가 기화하여 발생하는 증발가스(BOG)를 엔진(ME, GE)의 연료로서 공급하는 연료공급부(20), LNG 저장탱크(10) 내부에서 발생하는 증발가스(BOG)를 재액화하여 LNG 저장탱크(10)로 복귀시키는 재액화 시스템(30), 선박의 추진 동력을 생성하는 메인엔진(ME), 선박 내 전력수요처에 필요한 전력을 생산하는 발전기엔진(GE), 메인엔진(ME)의 샤프트(shaft)에 설치되어 전력을 생산하는 샤프트 발전기(SG), 그리고 발전기엔진(GE) 및 샤프트 발전기(SG)에서 생산되는 전력을 공급받아 저장하는 배터리(40)를 포함한다.
LNG 저장탱크(10)는 내부에 LNG를 수용하여 저장하는 탱크로서 단열처리된 것일 수 있다. 또한, LNG 저장탱크(10)의 내부에는 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양을 측정하는 측정장치(미도시)가 설치될 수 있다. 이러한 측정장치는 LNG 저장탱크(10)의 내부 압력을 감지하는 압력계로 구성되거나, 또는 압력계와 LNG의 수위를 측정하는 레벨게이지의 조합으로 구성될 수 있다.
연료공급부(20)는, LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 메인엔진(ME) 또는 발전기엔진(GE)의 연료로서 공급하는 시스템으로서, 증발가스를 각각의 엔진(ME)에서 요구하는 압력으로 가압하여 공급하기 위해 압축기(compressor)를 포함할 수 있다. 일례로, 연료공급부(20)는 증발가스를 메인엔진(ME)이 요구하는 고압으로 압축시킬 수 있도록 다단 압축기(21)로 구성될 수 있으며, 다단 압축기의 일부를 거친 증발가스가 분기되어 발전기엔진(GE)으로 공급되도록 구성할 수 있다.
재액화 시스템(30)은, 연료공급부(20)의 압축기에 의해 압축된 증발가스를 환수하여 열교환시키는 열교환기(31)와, 열교환된 유체에서 기상의 NG와 액상의 LNG를 분리시키는 기액분리기(32)를 포함할 수 있다.
메인엔진(ME)은 샤프트를 통하여 선박의 추진체인 프로펠러를 구동하는 추진 기관이다. 본 발명에서 메인엔진(ME)은, 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진, 예컨대 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진과 같은 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)으로 마련될 수 있다.
발전기엔진(GE)은 선내 각종 전력수요처에서 필요로 하는 전력을 생산하는 엔진으로서, 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진, 예컨대 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진과 같은 4행정 DF 엔진(4-stroke Dual Fuel Engine)으로 마련될 수 있다.
본 발명에서 발전기엔진(GE)은 총 3대가 설치될 수 있으며, 각각의 발전기엔진(GE)마다 대응하여 발전기(G)가 구비될 수 있다.
샤프트 발전기(SG)는 메인엔진(ME)의 샤프트에 설치되어 샤프트의 회전력을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 즉, 선박의 항해 중에 메인엔진(ME)의 동력 중에서 프로펠러의 추진에 소모되고 남는 잉여 동력이 전력 생산에 이용될 수 있다.
배터리(40)는 발전기엔진(GE) 및 샤프트 발전기(SG)에서 생산되는 전력 중 잉여되는 전력을 공급받아 저장하고, 필요시 저장된 전력을 선내 전력수요처에 공급할 수 있다.
즉, 본 발명에서 선내 전력수요처는, 발전기엔진(GE)으로부터 생산되는 전력과 배터리(40)에 저장된 전력 중 어느 하나를 선택적으로 공급받거나 또는 둘 모두를 동시에 공급받을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 기본적 사상은, 기존에 총 4대로 설치되던 발전기엔진(GE) 중 하나를 배터리(40)로 교체하고, 배터리(40)에 잉여 전력분을 저장함으로써 생산된 전력의 활용도를 높이고자 하는 것이다.
본 발명에서 발전기엔진(GE)과 배터리(40)의 대수가 각각 3대와 1대로 한정되는 것은 아니며, 선박의 용도나 예측되는 전력 수요에 따라 대수가 증감될 수 있음은 물론이다. 다만, 다수의 발전기엔진(GE)에 대응하여 배터리(40)는 적어도 하나 이상 마련되는 것이 바람직하다. 따라서 만약 기존에 다수의 발전기엔진(GE)이 구비된 선박을 개조하는 경우에는 적어도 하나의 발전기엔진(GE)이 배터리(40)로 교체되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 선박에서 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 메인엔진(ME)의 연료로서 사용하여 운전시, 샤프트 발전기(SG)를 이용하여 추가적인 동력 생산이 가능하므로 발전기엔진(GE)의 가동 대수를 줄일 수 있고, 이에 따라 발전기엔진(GE)의 운전을 위한 연료비, 유지비 등을 절감할 수 있다. 또한, 4행정 기관인 발전기엔진(GE)에서 발생하는 메탄가스 배출량을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양이 메인엔진(ME)의 연료 필요량보다 많은 경우, 남는 증발가스를 발전기엔진(GE)의 연료로 공급하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 배터리(40)에 저장한 후 필요시 선박 운전에 소요되는 전기를 충당할 수 있다. 따라서 배터리(40)에 저장된 전력만으로 전력 수요를 충당할 수 있는 경우에는 배기가스를 전혀 배출하지 않고도 선내 전력 공급이 가능하다.
이와 같이 본 발명은 증발가스의 가스 에너지원을 전기 에너지원으로 변환하여 저장하는 방식을 통해 에너지를 최대한 효율적으로 이용할 수 있다. 따라서 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 다시 LNG로 환원시키기 위한 재액화 시스템(30)의 가동을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 추가적인 전기의 절감을 도모함과 더불어, 메인엔진(ME) 및 재액화 시스템(30)의 종류에 따라 추가로 설치해야 하는 줄톰슨 밸브나 부스팅 컴프레셔 혹은 연료가스 컴프레셔 등의 설치를 생략할 수 있다는 경제적 이점이 있다.
이하에서는, 상술한 바를 기본 사상으로 하는 본 발명에 따른 선박의 운전 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 선박은, 선박의 운전모드에 따라 연료 소비량 및 메탄가스 발생량 저감을 고려한 자동운전이 가능하도록 제어시스템을 구축한다.
본 발명에서 제어시스템에 구축되는 운전모드는 다음과 같이 구성될 수 있으며, 제어시스템을 통하여 어느 하나의 운전모드를 선택하면 선택된 모드로 자동으로 전환하여 선박이 운항될 수 있다.
제1 운전모드
제1 운전모드는, 선박의 운항시 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 메인엔진(ME)의 연료로서 공급하고, 메인엔진(ME)에 연결된 샤프트 발전기(SG)에서 전력을 생산하여 선내 전력수요처에 공급하는 동작모드이다.
제1 운전모드는 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양이 충분하여 메인엔진(ME)의 연료로서 공급되며 선박이 정속 운항하는 경우에 적용될 수 있다.
선박의 운항시에는 LNG의 육상 공급을 위해 재기화시키는 경우와는 달리 선내에서 필요로하는 전력 수요가 크지 않다. 따라서 선박의 운항시에는 샤프트 발전기(SG)에서 생산되는 전력으로 선내에 필요한 전력을 충당할 수 있다.
샤프트발전기(SG)에서 생산된 전력이 남는 경우에는, 선내 전력수요처에 공급되고 남는 잉여 전력이 자동으로 배터리(40)에 저장되도록 할 수 있다.
제1 운전모드로 동작시, 선박에서는 발전기엔진(GE)의 가동에 따라 발생되는 메탄가스의 배출을 방지하고, 발전기엔진(GE)의 가동에 소요되는 연료비 및 유지비 등을 절감할 수 있는 효과가 있다.
제2 운전모드
제2 운전모드는, 선박의 운항시 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 메인엔진(ME) 및 발전기엔진(GE)의 연료로 공급하여, 메인엔진(ME)에 연결된 샤프트 발전기(SG)에서 생산된 전력을 선내 전력수요처에 공급하고, 발전기엔진(GE)을 가동하여 생산된 전력은 배터리(40)에 저장시키는 동작모드이다.
제2 운전모드는 선박이 저속으로 운항하여 LNG 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스가 메인엔진(ME)의 연료로 소모되고도 남는 잉여분이 발생하는 경우에 적용될 수 있다.
제2 운전모드로 동작시, 메인엔진(ME)에서 연료로서 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화 시스템(30)을 이용하지 않고 전기 에너지원으로 전환하므로, 재액화 시스템(30)의 가동을 최소화할 수 있다. 다만, 제2 운전모드에서는 발전기엔진(GE)의 가동에 따라 메탄가스가 배출될 수 있다.
제3 운전모드
제3 운전모드는, 선박의 운항시 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 메인엔진(ME)의 연료로 공급하여 샤프트 발전기(SG)에서 생산된 전력을 선내 전력수요처에 공급하고, 이와 동시에 재액화 시스템(30)을 가동하여 증발가스를 재액화시키는 동작모드이다.
제3 운전모드는 선박이 저속으로 운항하여 LNG 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스가 메인엔진(ME)의 연료로 소모되고도 남는 잉여분이 발생하는 경우에 적용될 수 있다. 즉, 제3 운전모드의 가동 조건은 제2 운전모드에서와 동일하다.
동일한 조건에서 제2 운전모드 또는 제3 운전모드의 선택은 사용자에 의해 결정될 수 있는데, 이때 LNG의 가격 등 시장 환경이 고려될 수 있다. 보다 구체적으로는, LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는데 드는 비용보다 재액화하여 판매하는 것이 경제적으로 더 유리한 경우에 본 모드가 적용될 수 있고, 반대의 경우에는 제2 운전모드가 적용될 수 있을 것이다.
제4 운전모드
제4 운전모드는, 선박의 저속 운항시 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 메인엔진(ME) 및 발전기엔진(GE)의 연료로 공급하여, 메인엔진(ME)에 연결된 샤프트 발전기(SG)에서 생산된 전력을 선내 전력수요처에 공급하고, 발전기엔진(GE)을 가동하여 생산된 전력은 배터리(40)에 저장시키며, 이와 동시에 재액화 시스템(30)을 가동하여 증발가스를 재액화시키는 동작모드이다.
제4 운전모드는 제2 및 제3 운전모드에서보다 선박이 더 저속으로 운항하는 상황에서, 제2 운전모드의 동작(메인엔진과 발전기엔진의 연료로서 공급) 또는 제3 운전모드의 동작(메인엔진의 연료로서 공급 + 재액화)에 의해서도 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 모도 소모시킬 수 없는 경우에 적용될 수 있다.
본 모드에서 메인엔진(ME)의 연료로서 소모되고 남는 잉여의 증발가스의 처리에 대하여, 재액화 시스템(30)에 의한 재액화가 우선시될 것인지 또는 발전기엔진(GE)의 연료로서의 공급이 우선시될 것인지는 사용자가 선택할 수 있으며, 이때 전술한 모드에서와 같이 시장 환경이 고려될 수 있다.
제4 운전모드로 동작시, 잉여 증발가스를 대기중으로 배출하지 않고 재액화 또는 전기 에너지로 변환하여 저장하므로, 불필요한 에너지원의 낭비를 방지할 수 있다.
제5 운전모드
제5 운전모드는, 선박의 계류시 재액화 시스템(30)을 가동하여 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 재액화시키고, 이와 동시에 증발가스를 발전기엔진(GE)의 연료로 공급하여 발전기엔진(GE)에서 생산된 전력을 배터리(40)에 저장시키는 동작모드이다. 이때 선내에 필요한 소량의 전기는 배터리(40)에 충전된 전력을 이용하여 공급할 수 있다.
본 모드에서도 증발가스의 재액화가 우선시될 것인지 또는 발전기엔진(GE)의 연료로서의 공급이 우선시 될 것인지는 전술한 모드에서와 같이 사용자에 의해 선택될 수 있다.
한편, 본 모드에서 선박의 계류시 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양이 많지 않은 경우에는, 재액화 시스템(30)과 발전기엔진(GE) 중 어느 하나만 가동되거나 또는 둘 다 가동되지 않을 수도 있다.
제5 운전모드로 동작시, 잉여 증발가스를 대기중으로 배출하지 않고 재액화 또는 전기 에너지로 변환하여 저장하므로, 불필요한 에너지원의 낭비를 방지할 수 있다.
제6 운전모드
제6 운전모드는, 선박의 운항시 배터리(40)에 충전된 전력을 선내 전력수요처에 공급하는 동작모드이다.
제6 운전모드는 상술한 제1 내지 제5 운전모드와 선택적으로 적용되는 모드가 아니다. 즉, 제6 운전모드는 제1 내지 제5 운전모드 중 어느 하나와 동시에 동작할 수 있다.
더 구체적으로는, 제1 내지 제4 운전모드에서 선박의 운항 목적으로 가동되는 장비가 필요로 하는 전력이 샤프트 발전기(SG)에서 생산되는 전력만으로는 부족한 경우, 제6 운전모드가 함께 선택되어 부족한 전력을 배터리(40)에 충전된 전력으로 충당할 수 있다. 이때 샤프트 발전기(SG)에서 생산되는 전력이 부족하지 않더라도 배터리(40)의 완충시에는 배터리(40)에 충전된 전력을 우선적으로 사용하고, 샤프트 발전기(SG)에서 생산된 전력을 배터리(40)에 충전할 수도 있다. 이 경우에는 배터리(40)의 충방전이 동시에 이루어질 수 있다.
그리고 제5 운전모드에서 계류 중인 선박이 필요로하는 소량의 전기가 배터리(40)에 의해 공급될 수 있다.
한편, 샤프트 발전기(SG)의 생산 전력과 배터리(40)의 충전 전력으로도 선박의 운항시 필요한 전력 수요를 모두 충당할 수 없는 경우에는, 발전기엔진(GE)을 추가 가동할 수도 있음은 물론이다.
제7 운전모드
제7 운전모드는, 선박의 운항시 배터리(40)에 저장된 전력을 LNG의 하역시 예비 전력으로 활용하는 동작모드이다.
제1 내지 제6 운전모드가 선박의 항해시 선택될 수 있는 동작모드라면, 제7 운전모드는 선박이 목적지에 도착한 이후에 동작되는 모드이다.
선박이 항구에 정박하여 LNG 저장탱크(10) 내부의 LNG를 하역하는 과정에서 재기화가 이루어지는데, LNG의 재기화를 위해서는 3대의 발전기엔진(GE)이 모두 가동되어야 한다. 발전기엔진(GE)의 고장시에는 LNG의 하역에 소요되는 시간이 예상보다 늘어나게 되는데, 배터리(40)를 예비 전력으로 활용하면 터미널에서의 추가 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
제7 운전모드의 동작을 위해서, 선박은 LNG를 하역할 터미널에 도착하기 전에 배터리(40)가 완충될 수 있게 해야 한다. 즉, 배터리(40)의 충전 시간을 고려하여 터미널의 예상 도착 시간보다 일정 시간 이전부터 배터리(40)에 의한 전력 공급을 중단할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은, 상기와 같은 7가지 운전모드를 운항 선사, 선적 항구 등의 요구에 따라 선택할 수 있도록 제어시스템을 구성하고, 제어시스템을 스마트십 플랫폼(Smartship Platform)과 연계할 수 있다. 구체적으로는, 스마트십 플랫폼에 설치되는 경제운항시스템(Economic Ship Routing System)에 본 제어시스템을 장착하여, 사용자가 이동통신 단말기를 이용하여 마치 스마트폰의 어플리케이션을 이용하듯이 최적의 운전모드를 선택할 수 있게 구성할 수 있다. 즉, 사용자의 선택에 따라 운전모드가 자동으로 전환되어 선박의 최적 운항이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 선박은, 선박의 운항 속도와 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양을 토대로, 사용자에게 상술한 운전모드 중 어떠한 운전모드를 선택할 것인지에 대한 지침을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 지침은 선박의 운항 속도 및 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양을 특정 범위로 구분하여 각각의 범위에서 가장 적합한 운전모드를 분류해놓은 것일 수 있다. 그리고 이러한 지침은 선박의 운항 속도에 따른 메인엔진(ME)의 연료 소비량, 재액화 시스템(30)의 처리용량 및 발전기엔진(GE)의 발전용량 등을 고려하여 기준값을 제시할 수 있다.
따라서 사용자는 선박의 실제 운항 속도 및 측정된 증발가스의 양을 확인하고, 제공되는 지침을 참고하여 해당 상황에 적합한 운전모드를 선택할 수 있다. 또한, 본 발명은 상술한 운전모드들을 포함하는 제어시스템에 상기 지침을 설정값으로 입력하여, 선박의 운항 속도 및 증발가스 양의 변화에 따라 선박의 운전모드가 자동으로 전환되게 구성할 수도 있다.
본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : LNG 저장탱크
20 : 연료공급부
30 : 재액화 시스템
40 : 배터리
ME : 메인엔진
GE : 발전기엔진
SG : 샤프트 발전기

Claims (10)

  1. 추진 동력을 생성하는 메인엔진; 전력을 생산하는 복수의 발전기엔진; 상기 메인엔진과 프로펠러를 연결하는 샤프트에 연결되어 상기 샤프트의 회전력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기; 상기 발전기엔진 및 상기 샤프트 발전기에서 생산되는 전력을 공급받아 저장하는 배터리를 포함하는 선박의 운전 방법에 있어서,
    상기 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 선내 전력수요처로 공급하는 제1 운전모드;
    상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하고, 상기 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 상기 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 상기 배터리에 저장시키는 제2 운전모드;
    상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하고, 상기 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화시키는 제3 운전모드;
    상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 메인엔진의 연료로 공급하여 상기 샤프트 발전기에서 생산된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하고, 상기 메인엔진의 연료로 소모되고 남는 잉여의 증발가스를 재액화시키는 동시에 상기 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 상기 배터리에 저장시키는 제4 운전모드; 중 어느 하나의 모드로 운전되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 운전모드는, 상기 선박이 정속 운항시에 적용되고,
    상기 제2 및 제3 운전모드는, 상기 선박이 저속 운항하여 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 메인엔진에서 필요로하는 연료 소비량보다 많은 경우에 적용되며,
    상기 제4 운전모드는, 상기선박이 상기 제2 및 제3 운전모드에서보다 더 저속으로 운항하여 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 제2 및 제3 운전모드의 동작에 의해서도 모두 소비될 수 없는 경우에 적용되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 선박의 계류시, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 처리가 필요한 경우에는, 재액화시키는 방법 및 상기 발전기엔진의 연료로 공급하여 생산된 전력을 상기 배터리에 저장시키는 방법 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 처리하는 제5 운전모드를 더 포함하는,
    선박의 운전 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리에 충전된 전력을 상기 선내 전력수요처로 공급하는 제6 운전모드를 더 포함하고,
    상기 제1 내지 제5 운전모드는 선택적으로 적용되는 반면, 상기 제6 운전모드는 상기 제1 내지 제5 운전모드 중 어느 하나와 함께 적용될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 선박이 항구에 정박하여 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 하역이 이루어질 시, 상기 발전기엔진을 가동하되 상기 배터리에 저장된 전력을 상기 발전기엔진의 예비 전력으로 활용하는 제7 운전모드를 더 포함하는,
    선박의 운전 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 내지 제7 운전모드를 선택할 수 있는 제어시스템을 더 포함하고,
    상기 제어시스템은 스마트십 플랫폼(Smartship platform)에 설치되는 경제운항시스템(Economic Ship Routing System)에 장착되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어시스템은, 사용자가 이동통신 단말기에서 상기 선박의 운전모드를 선택할 수 있도록 연계되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어시스템은, 사용자가 상기 선박의 운전모드를 선택할 수 있도록 하거나 또는 선박의 운항 환경에 따라 자동으로 상기 운전모드가 전환될 수 있도록 구축되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 선박의 운항 속도 및 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양을 토대로 상기 제1 내지 제7 운전모드의 적용 범위를 구분하는 지침이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 지침은 상기 선박의 운항 속도에 따른 상기 메인엔진의 연료 소비량, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템의 처리용량 및 상기 발전기엔진의 발전용량을 고려하여 기준값을 제시하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 운전 방법.
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