KR20210131865A - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 액화가스를 화물로서 적재하는 복수의 카고탱크; 액화가스를 연료로 사용하기 위해 저장하며 상기 화물탱크로부터 액화가스를 전달받는 연료탱크; 상기 연료탱크의 액화가스를 추진엔진에 공급하는 연료 공급부; 상기 카고탱크에서 발생한 증발가스를 액화시키는 재액화부; 및 상기 추진엔진에서 배출되는 액상의 잉여 액화가스를 회수하는 연료 회수부를 포함하며, 상기 재액화부는, 액화된 증발가스를 상기 연료탱크로 전달하되, 상기 연료탱크를 향해 유동하는 증발가스 중 일부를 상기 연료 공급부와 독립적으로 보조 수요처로 공급하도록 마련된다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Gas treatment system and ship having the same}

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

일반적으로, 액화석유가스 즉, LPG(Liquefied petroleum gas)는 석유 성분 중 프로판 및 부탄 등 비등점이 낮은 탄화수소를 주성분으로 가스를 상온에서 가압하여 액화한 것이다. 이러한 액화석유가스를 소형의 가벼운 압력용기(봄베)에 충전해서 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 이용하게 된다.

액화석유가스는 생산지에서 기체 상태로 추출되며, 액화석유가스 처리 설비를 통해 액화되어 저장되었다가, 액화석유가스 운반선에 의해 액상을 유지하면서 육상으로 수송된 후, 기체 등의 다양한 형태로 수요처에 공급된다.

이러한 액화석유가스의 비등점은 약 -50℃ 내외이므로, 액화석유가스를 운반하기 위한 액화석유가스 운반선은 이보다 낮은 온도를 유지해야 한다. 따라서 액화석유가스를 보관하는 저장탱크는 저온에 강한 저온강(Low Temperature Carbon Steel 및 Nickel Steel)을 사용하며, 액화석유가스 운반선에는 재액화설비도 마련된다.

이러한 액화석유가스 운반선은, 종래의 경우 디젤유를 사용하여 엔진을 가동함으로써 추진력을 발생시켰다. 그런데 디젤유는 선박 추진용 엔진에서 연소하는 과정에서 유해성분인 질소산화물(NOx), 유황산화물(SOx), 이산화탄소(CO2)가 발생하게 되고, 이러한 유해성분이 대기로 방출됨으로써 환경을 오염시키는 문제가 있다.

따라서 최근에는 디젤유를 사용하는 경우와 대비할 때 배기의 오염도를 대폭 낮출 수 있도록, 액화석유가스를 이용하여 가동하는 엔진의 개발 및 액화석유가스를 엔진에 공급하는 제반 시스템의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액화석유가스를 이용하여 추진력을 발생시킬 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 액화가스를 화물로서 적재하는 복수의 카고탱크; 액화가스를 연료로 사용하기 위해 저장하며 상기 화물탱크로부터 액화가스를 전달받는 연료탱크; 상기 연료탱크의 액화가스를 추진엔진에 공급하는 연료 공급부; 상기 카고탱크에서 발생한 증발가스를 액화시키는 재액화부; 및 상기 추진엔진에서 배출되는 액상의 잉여 액화가스를 회수하는 연료 회수부를 포함하며, 상기 재액화부는, 액화된 증발가스를 상기 연료탱크로 전달하되, 상기 연료탱크를 향해 유동하는 증발가스 중 일부를 상기 연료 공급부와 독립적으로 보조 수요처로 공급하도록 마련된다.

구체적으로, 상기 보조 수요처는, 증발가스를 연소하는 보일러, 가스연소장치 또는 발전기 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

구체적으로, 상기 재액화부는, 증발가스를 다단으로 압축하는 압축기와, 압축된 증발가스를 액화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 액화된 증발가스를 나누어 상호 열교환시키며 열교환된 증발가스 중 기상을 상기 압축기의 중간단 중 일부에 전달하는 인터쿨러와, 상기 압축기의 중간단 중 나머지에 마련되며 증발가스와 별도로 마련되는 냉매를 이용해 증발가스를 냉각하는 애프터쿨러를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 재액화부는, 상기 응축기의 하류의 증발가스를 상기 연료탱크 및 상기 연료 공급부로 분배하며, 상기 응축기의 하류의 증발가스는 상기 연료탱크 또는 상기 연료 공급부로 분배되기 이전의 지점에서 상기 보조 수요처로 분기 공급될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는다.

본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 디젤유만을 사용하던 종래의 시스템을 벗어나서, 액화석유가스를 추진 연료로 사용할 수 있도록 하여 환경 오염을 저감하고 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 명세서에서 액화가스는 중탄화수소로서 LPG(프로판, 부탄 등)일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니며, 비등점이 상온보다 낮아 저장을 위해 강제로 액화되며 발열량을 갖는 모든 물질(프로필렌, 암모니아, 수소 등)을 포괄할 수 있다.

또한 본 명세서에서 액화가스/증발가스는 탱크 내부에서의 상태를 기준으로 구분되는 것이고, 명칭으로 인하여 액상 또는 기상으로 반드시 한정되는 것은 아님을 알려둔다.

본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템이 구비되는 선박을 포함한다. 이때 선박은 가스 운반선, 가스가 아닌 화물이나 사람을 운반하는 상선, FSRU, FPSO, Bunkering vessel, 해양플랜트 등을 모두 포함하는 개념이며, 다만 예시로서 액화석유가스 운반선일 수 있음을 알려둔다.

본 발명의 도면에 도시하지 않았으나, 압력센서(PT), 온도센서(TT) 등이 제한 없이 적절한 위치에 구비될 수 있음은 물론이며, 각 센서에 의한 측정값은 이하에서 설명하는 구성들의 운영에 제한 없이 다양하게 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 저장탱크, 연료 공급부(20), 재액화부(30), 연료 회수부(40)를 포함한다.

저장탱크는, 액화가스를 저장한다. 저장탱크는 카고탱크(10)와 연료탱크(11)를 포함할 수 있다.

카고탱크(10)는, 액화가스 운반선인 선박의 선내에 마련되는 복수 개의 카고탱크(10)일 수 있다. 카고탱크(10)는 대기압에서 액화가스를 저온 액상으로 저장하는 탱크일 수 있고, 벽체에 다양한 단열 구조가 부가될 수 있다. 또한 카고탱크(10)는 멤브레인형 탱크이거나 독립형 탱크 등일 수 있으며, 그 형태나 제원 등은 한정되지 않는다.

카고탱크(10)의 액화가스를 외부로 배출하기 위해 카고펌프(도시하지 않음)가 마련될 수 있다. 카고펌프는 카고탱크(10)의 내부에 마련될 수 있으며, 액화가스에 잠겨있는 submerged type으로 마련될 수 있다.

카고펌프는 액화가스를 화물로서 처리하기 위한 하역펌프, 스트리핑펌프, 스프레이펌프 등이거나, 액화가스를 연료로서 연료탱크(11)나 연료 공급부(20)에 전달하기 위한 연료펌프 등일 수 있다.

카고탱크(10)에 저장된 액화가스는 외부 열침투에 의하여 자연 증발하게 되므로, 카고탱크(10)에는 증발가스가 발생한다. 증발가스는 추진엔진(E)의 연료로 사용되거나 재액화될 수 있으며, 카고탱크(10)에는 증발가스를 배출하는 증발가스 배출라인(L10)이 마련될 수 있다.

카고탱크(10)는, 중탄화수소를 주성분으로 하는 액화가스들(프로판, 부탄, 프로필렌 등) 중에서 적어도 2종의 액화가스를 각각 저장하기 위하여 복수 개로 마련될 수 있다. 일례로 제1 카고탱크(10)는 프로판, 제2 카고탱크(10)는 부탄 등을 저장할 수 있다.

카고탱크(10)의 증발가스는 후술하는 재액화부(30)에 의하여 액화되는데, 액화된 증발가스가 카고탱크(10)로 리턴되도록 구성할 경우, 재액화부(30)는 액화가스의 조성이 섞이는 것을 방지하고자, 카고탱크(10)에 저장되는 액화가스의 종류의 수에 더하여 추가 백업을 고려해 마련될 수 있다. 즉 카고탱크(10)가 n종의 액화가스를 저장하는 경우, 재액화부(30)는 적어도 n+1개가 마련되는 것이 일반적이다.

그러나 본 실시예는, 재액화부(30)에 의해 액화된 증발가스를 카고탱크(10)로 리턴하지 않고 연료탱크(11)나 연료 공급부(20) 등으로 전달함으로써, 카고탱크(10)가 n종의 액화가스를 저장하도록 마련되더라도 재액화부(30)의 수를 n+1개에서 n개로 줄일 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 자세히 설명한다. 물론 액화가스의 조성 혼합이 우려되지 않는 상황이라면, 재액화부(30)에서 카고탱크(10)로 증발가스가 리턴되는 것도 가능할 것이다.

연료탱크(11)는, 액화가스를 연료로 사용하기 위해 저장하며 카고탱크(10)로부터 액화가스를 전달받는다. 연료탱크(11)는 카고탱크(10)와 대비할 때 액화가스의 저장 목적이 상이하다. 연료탱크(11)는 카고탱크(10) 대비 저장 용량이 상대적으로 작을 수 있다.

연료탱크(11)는 카고탱크(10)와 마찬가지로 액화가스를 저온 액상으로 저장하며, 그 타입을 한정하지 않는다. 다만 연료탱크(11)는 카고탱크(10) 대비 설계압력 및 액화가스 저장압력이 상대적으로 높을 수 있다.

연료탱크(11)는 압력용기 형태로서 Type C 탱크일 수 있으며, 선체 내부에 탑재되는 카고탱크(10)와 달리 갑판 상에 배치될 수 있다. 물론 연료탱크(11)의 배치 위치나 타입은 제한되지 않는다.

연료탱크(11)는 카고탱크(10)로부터 액화가스를 전달받아 연료로서 공급하기 위해 임시 저장한다. 또한 화물의 조성 혼합이 우려되지 않는 경우라면, 연료탱크(11)에서 카고탱크(10)로 액화가스의 리턴이 가능할 수도 있다.

연료탱크(11)에는 재액화부(30)에서 액화된 액상 증발가스가 전달될 수 있다. 또한 재액화부(30)에서 압축 후 응축 전의 고압 증발가스가 연료탱크(11)로 주입되는 것도 가능한데, 이에 대해서는 후술한다.

연료 공급부(20)는, 저장탱크의 액화가스를 추진엔진(E)에 공급한다. 특히 연료 공급부(20)는 연료탱크(11)의 액화가스, 카고탱크(10)의 증발가스 등을 추진엔진(E)에 공급할 수 있다.

본 명세서에서 추진엔진(E)은 선박을 추진하기 위한 구성이며, 엔진이 아닌 터빈, 연료전지 등과 같이 액화가스를 소비하여 직간접적으로 추진력을 발생시킬 수 있는 모든 구성으로 해석 가능하다.

연료탱크(11)의 액화가스는 연료탱크(11)로부터 연장되는 액화가스 공급라인(L20)에 의하여 추진엔진(E)으로 전달되며, 연료 공급부(20)는 액화가스 공급라인(L20) 상에 마련되는 고압펌프(21)와 열교환기(22)를 포함한다.

고압펌프(21)는, 액화가스를 추진엔진(E)의 요구압력에 따라 가압한다. 고압펌프(21)는 복수로 마련되어 상호 백업 가능하게 구비될 수 있고, 원심형, 왕복동형, 스크류형 등일 수 있다.

다만 본 실시예에서 고압펌프(21)는 왕복동형으로 마련될 수 있으며, side channel type이 아닌 membrane type일 수 있다. 이때 고압펌프(21)의 흡입 압력은 8bar 내외일 수 있다. 이러한 고압펌프(21)의 흡입 압력은 액화가스의 임계압력보다는 낮은 수치로서, 후술하는 연료 회수부(40)에 의해 회수되는 액화가스의 온도 기준으로 기화가 발생할 수도 있는 압력일 수 있다. 그러나 연료 회수부(40)에는 쿨러(41)가 마련되므로 고압펌프(21) 내에서의 기화는 충분히 방지될 수 있다.

고압펌프(21)의 흡입 압력을 액화가스의 임계압력 이상 또는 시스템 내에서 액화가스가 도달하는 최고 온도(약 50도씨 내외)에서도 기화되지 않는 압력(일례로 20bar 내외) 이상으로 할 경우, 고압펌프(21)에서의 캐비테이션이 차단된다는 장점이 있다.

그러나 이 경우 연료펌프로부터 고압펌프(21)로 액화가스를 가압하여 전달해주기 위한 부스팅 펌프가 구비되어야 하고, 또한 고압펌프(21) 전단에서 액화가스가 고압 상태에서 유동하게 되므로, 라인 및 제어 등의 구성이 고압용으로 구비되어야 한다. 따라서 제조 비용 및 유지보수 비용 등이 증가하게 되는 문제가 있다.

이에 반해 본 실시예는, 고압펌프(21)를 흡입압력이 8bar 내외인 것으로 마련하되, 연료탱크(11)의 내압을 고압펌프(21)의 내압에 대응하여 높게 제어함으로써, 연료탱크(11)와 고압펌프(21) 사이에서 별도의 가압 수단이 마련될 필요가 없도록 한다.

구체적으로 연료탱크(11)는, 액화가스를 제1 압력 이상으로 유지한다. 제1 압력은 연료탱크(11)의 설계압력(일례로 18bar 내외) 보다 낮으며 고압펌프(21)의 흡입압력과 대응하는 수치일 수 있고, 연료 회수부(40)에서 회수되는 액화가스의 온도에서 기화가 발생하지 않는 기준압력(일례로 15bar 내외) 보다는 낮은 압력일 수 있다. 일례로 제1 압력은 5bar 내지 10bar일 수 있다.

연료탱크(11)는 내압 유지를 위하여, 재액화부(30)에서 압축된 증발가스를 이용할 수 있다. 즉 재액화부(30)에서 압축된 고압 증발가스가 연료탱크(11)에 주입됨으로써, 연료탱크(11)의 내압을 고압펌프(21)의 흡입압력인 제1 압력 이상으로 유지할 수 있다. 이를 통해 본 실시예는 연료탱크(11)의 액화가스가 별도의 가압 없이 고압펌프(21)로 전달되도록 할 수 있다.

열교환기(22)는, 액화가스의 온도를 추진엔진(E)의 요구온도에 따라 조절한다. 열교환기(22)는 도면과 같이 고압펌프(21)의 하류에 마련될 수 있지만, 고압펌프(21)의 상류에 마련되는 것도 가능하다.

열교환기(22)는 액화가스의 온도를 상승시킬 수 있고 또는 낮출 수도 있으므로, fuel conditioner로 지칭될 수도 있다. 일례로 본 실시예의 초기 가동 시에는, 추진엔진(E)으로부터 회수되는 고온 액화가스의 유량이 많기 때문에, 열교환기(22)는 액화가스의 온도를 낮출 수 있으며, 안정 가동에 접어들 경우 열교환기(22)는 액화가스의 온도를 높일 수 있다.

열교환기(22)는, 다양한 열교환 매체를 이용하여 액화가스와의 열교환을 구현할 수 있으며, 일례로 열교환 매체는 해수, 청수, 글리콜워터, 배기 등일 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다.

재액화부(30)는, 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축 및 액화시킨다. 특히 재액화부(30)는 카고탱크(10)에서 배출되는 증발가스를 전달받아 응축시킬 수 있으며, 이를 위해 카고탱크(10)에는 재액화부(30)로 증발가스를 전달하는 증발가스 배출라인(L10)이 마련될 수 있다.

재액화부(30)는 압축기(31), 응축기(32), 인터쿨러(33)를 포함한다. 압축기(31)는 증발가스를 다단으로 압축한다. 압축기(31)는 일례로 3단으로 구성되는 다단 압축기(31)일 수 있지만, 단 수를 3단으로 한정하는 것은 아니다. 이하 설명을 위해 편의상 각 압축단 사이는 중간단으로 지칭된다.

응축기(32)는, 압축된 증발가스를 액화시킨다. 압축기(31)에 의해 압력이 상승한 증발가스는 비등점이 상승하게 되므로, 응축기(32)는 대기압에서의 증발가스 비등점보다는 낮은 온도로 냉각하더라도 증발가스를 액화시킬 수 있다.

응축기(32)는 압축된 증발가스를 해수 등의 냉매로 액화시킨다. 응축기(32)는 압축기(31)에서 압축된 증발가스가 유입되는 증발가스 스트림과, 증발가스와 열교환하기 위한 냉매가 유동하는 냉매 스트림 등을 포함하는 적어도 2 stream 이상의 구조를 가질 수 있다. 이러한 응축기(32)는 Shell&Tube, PCHE 등 그 타입이 제한되지 않으며, bath type도 가능하다.

인터쿨러(33)는, 응축기(32)에서 액화된 증발가스를 나누어 상호 열교환시킨다. 인터쿨러(33)는 응축기(32) 하류에 마련되는 세퍼레이터(부호 도시하지 않음)로부터 전달되는 액상 증발가스를 전달받을 수 있으며, 액상 증발가스의 흐름을 분할하여 일부는 인터쿨러(33) 내에 유입되도록 하고, 나머지는 인터쿨러(33) 내부를 지나면서 혼합 없이 열교환하도록 할 수 있다.

이때 인터쿨러(33) 내부로 유입되는 증발가스는, 인터쿨러(33)로 유입되기 전에 감압될 수 있으며, 인터쿨러(33)를 경유하는 증발가스는, 인터쿨러(33) 내에 저장된 증발가스에 의해 냉각될 수 있다. 인터쿨러(33)를 경유하면서 냉각된 증발가스는 카고탱크(10)나 연료탱크(11) 등으로 전달될 수 있다.

인터쿨러(33) 내부에 유입된 증발가스는 기액분리될 수 있으며, 기상 증발가스는 압축기(31)의 중간단에 합류된다. 따라서 인터쿨러(33)로부터 증발가스가 합류되는 중간단 하류의 압축단은, 압축기(31)의 1단보다 유입 유량이 많게 된다.

압축기(31)가 3단으로 마련되어 2개의 중간단이 형성될 때, 인터쿨러(33)는 각 중간단으로 기상을 전달할 수 있도록 2개로 마련될 수 있다. 즉 압축기(31)의 중간단 마다 인터쿨러(33)가 배치될 수 있다.

그런데 이 경우, 앞서 설명한 바와 같이 인터쿨러(33)에 의해 기상 증발가스가 중간단으로 합류됨에 따라, 각 압축단의 유입유량은 점차 증가하게 된다. 따라서 압축기(31)는 최종 압축단의 유입유량을 기준으로 압축기(31)의 유입유량이 제한될 수 있으며, 이는 곧 재액화부(30) 자체의 증발가스 처리량이 제한될 수 있음을 의미한다.

이러한 문제를 해소하고자 본 실시예는, 인터쿨러(33)가 중간단 중 일부에만 할당되도록 하고, 중간단 중 나머지에는 인터쿨러(33)를 대신하여 애프터쿨러(34)를 구비할 수 있다.

즉 인터쿨러(33)는 기상을 압축기(31)의 중간단 중 일부에만 전달하고, 압축기(31)의 중간단 중 나머지에는 애프터쿨러(34)를 배치하여 증발가스와 별도로 마련되는 냉매를 이용해 증발가스를 직접 냉각할 수 있다.

따라서 본 실시예의 압축기(31)는, 인터쿨러(33)에 의해 기상이 합류되는 중간단이 전체 중간단들 중 일부가 되도록 함으로써, 압축기(31)의 유입 유량을 충분히 확보할 수 있으며, 재액화부(30)의 증발가스 처리량을 확대할 수 있다.

더 나아가 본 실시예는 재액화부(30)를 복수로 마련할 때, 재액화부(30)의 수를 최소화할 수 있다. 일례로 3단 압축기(31) 및 각 중간단마다 인터쿨러(33)를 설치하는 재액화부(30)가 400 만큼의 용량을 처리할 수 있다면, 본 실시예는 어느 한 인터쿨러(33)를 애프터쿨러(34)로 대체함으로써, 재액화부(30) 하나의 증발가스 처리 용량을 600으로 증대할 수 있다. 따라서 기존에 3개의 재액화부(30)를 설치하던 경우와 대비할 때 재액화부(30)를 2개로 줄일 수 있다.

이와 같이 본 실시예는 재액화부(30) 각각의 용량을 증대할 수 있으며, 또한 재액화부(30)에 의해 액화된 증발가스를 연료탱크(11)로 전달함으로써 액화가스 조성 오염이 방지되므로, n종의 액화가스를 저장할 때 n개만의 재액화부(30) 설치가 가능하다.

일례로 2종의 액화가스를 저장하는 시스템에서, 증발가스 처리 용량이 400인 재액화부(30) 3개를 설치하던 것 대비, 본 실시예는 증발가스 처리 용량이 600인 재액화부(30)를 2개만 설치할 수 있다.

참고로 하나 이상의 재액화부(30)에는 하나의 연료탱크(11)가 할당될 수 있다. 즉 연료탱크(11)는 재액화부(30)보다 적은 수로 마련될 수 있으며, 일례로 1개의 연료탱크(11)에 2개의 재액화부(30)가 연결될 수 있다.

재액화부(30)에서 액화된 증발가스는 증발가스 공급라인(L11)을 따라 연료 공급부(20)로 전달될 수 있으며, 연료탱크(11)에서 고압펌프(21)로 전달되는 액화가스와 함께 고압펌프(21)로 공급될 수 있다.

즉 증발가스 공급라인(L11)은 액화가스 공급라인(L20)에서 연료탱크(11)와 고압펌프(21)의 사이에 합류되도록 마련될 수 있다. 또한 증발가스 공급라인(L11)은, 후술할 액화가스 회수라인(L30)이 액화가스 공급라인(L20)에 합류되는 지점보다 상류에서 액화가스 공급라인(L20)에 연결될 수 있다.

증발가스 공급라인(L11)에는 증발가스 전달라인(L12)이 분기될 수 있다. 증발가스 전달라인(L12)은 재액화부(30)에서 액화된 액상 증발가스를 연료탱크(11)로 전달한다. 즉 재액화부(30)가 액화한 증발가스는 카고탱크(10)가 아닌, 연료 공급부(20)의 고압펌프(21) 또는 연료탱크(11)로 전달됨으로써, 서로 다른 조성의 액화가스가 동시에 재액화되더라도 카고탱크(10)에서 액화가스 조성이 오염되는 것을 차단할 수 있다.

재액화부(30)에는 증발가스 회수라인(L13)이 마련된다. 증발가스 회수라인(L13)은 재액화부(30)에서 압축된 고압 증발가스를 연료탱크(11)로 전달하기 위해, 응축기(32) 상류에서 연료탱크(11)로 연결될 수 있다.

증발가스 회수라인(L13)은 다단으로 구성되는 압축기(31)에서 최종단의 하류로부터 연장될 수 있으며, 또는 중간단으로부터 연장되는 것도 가능하다. 다만 증발가스 회수라인(L13)은 연료탱크(11)의 내압이 제1 압력 이상으로 유지되도록 하기 위한 것으로서, 압축기(31)의 중간단에서 분기될 경우 애프터쿨러(34)의 상류 또는 인터쿨러(33)로부터 증발가스가 전달되는 지점의 상류로부터 연료탱크(11)로 연장될 수 있다.

본 실시예는 증발가스 회수라인(L13)을 활용하여, 재액화부(30)의 압축기(31) 중 적어도 1단에서 압축된 고압 증발가스를 연료탱크(11)에 주입함으로써, 연료탱크(11)의 내압을 고압펌프(21)의 흡입압력인 제1 압력 이상으로 유지한다. 따라서 본 실시예는 연료탱크(11)의 액화가스가 별도의 부스팅 없이 고압펌프(21)로 전달되도록 할 수 있다.

연료 회수부(40)는, 추진엔진(E)에서 배출되는 액상의 잉여 액화가스를 회수한다. 본 실시예의 추진엔진(E)은 액화가스를 액상으로 공급받는 엔진(ME-LGI 등)일 수 있으며, 액화가스를 기상으로 공급받는 엔진(ME-GI, X-DF 등)과 대비할 때 유량의 미세 조정이 어렵다. 따라서 추진엔진(E)은 액화가스를 요구유량 이상으로 공급받고 잉여 액화가스를 배출하는 구조로 이루어질 수 있다.

이때 추진엔진(E)에서 배출되는 액화가스는, 추진엔진(E)의 내부를 거친 액화가스로서, 추진엔진(E)의 요구압력에 대응되는 온도/압력을 갖는 상태이면서(일례로 45bar 내외, 50도씨 이상), 추진엔진(E)에서 사용되는 윤활유가 혼입되었을 수 있다. 이 경우 화물 오염을 방지하기 위해, 회수된 액화가스를 카고탱크(10)로 전달하지 않는 것이 바람직하다.

따라서 추진엔진(E)에 연결되어 잉여분의 액화가스가 회수되도록 하는 액화가스 회수라인(L30)은, 추진엔진(E)에서 리턴되는 잉여 액화가스를 카고탱크(10)가 아닌 연료 공급부(20)의 고압펌프(21) 등으로 전달하여 추진엔진(E)에 재유입되도록 할 수 있다.

연료 회수부(40)는 액화가스 회수라인(L30)에 마련되는 쿨러(41), 포집탱크(42), 녹아웃 드럼(43)을 포함한다. 또한 연료 회수부(40)는 액화가스 회수라인(L30)에 마련되는 감압밸브(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.

감압밸브는 액상 액화가스를 감압한다. 감압밸브는 줄-톰슨 밸브일 수 있고, 액화가스 공급라인(L20)에 구비되는 연료공급밸브와 함께 연료공급트레인(FVT)을 구성할 수 있다. 이러한 감압밸브는 추진엔진(E)에서 회수되는 고압(약 30 내지 50bar 내외)의 액화가스를 감압하여 고압펌프(21)의 흡입압력에 맞출 수 있다.

쿨러(41)는, 감압밸브에서 감압된 액화가스를 냉각해 고압펌프(21)에 전달한다. 쿨러(41)는 제한되지 않는 다양한 냉매를 활용할 수 있으며, 감압된 액화가스의 비등점 이하로 액화가스를 냉각할 수 있다.

쿨러(41)에 의해 냉각된 액화가스는, 액화가스 회수라인(L30)을 통해 액화가스 공급라인(L20)에서 고압펌프(21)의 상류에 혼입되며, 액화가스 회수라인(L30)이 액화가스 공급라인(L20)에 연결되는 지점에는 믹서(도시하지 않음)가 마련될 수 있다.

고압펌프(21)의 하류에는, 액화가스 회수라인(L30)으로 연결되는 액화가스 순환라인(부호 도시하지 않음)이 마련될 수 있다. 고압펌프(21)에서 토출된 액화가스는 액화가스 순환라인을 따라 액화가스 회수라인(L30)으로 전달되어 다시 고압펌프(21)로 순환될 수 있다. 이를 통해 추진엔진(E)이 저부하인 경우에도 고압펌프(21)의 최소 요구유량을 충족시킬 수 있다.

포집탱크(42)는, 추진엔진(E)으로부터 회수되는 액화가스를 기액분리한다. 고압펌프(21)로 기상의 액화가스가 유입되면 캐비테이션 문제가 발생할 수 있으므로, 본 발명은 액화가스 회수라인(L30)을 따라 유동하는 액화가스가 필요에 따라 포집탱크(42)를 경유하면서 기액분리되도록 하여, 기상 액화가스의 고압펌프(21) 유입을 차단할 수 있다.

즉 포집탱크(42)는 액화가스 회수라인(L30)의 액화가스 중 적어도 일부를 포집하여 액상 액화가스만을 고압펌프(21)로 전달해, 고압펌프(21)의 안정적인 가동을 보장할 수 있다.

포집탱크(42)에서 분기된 기상의 액화가스 등은, 녹아웃 드럼(43)으로 전달될 수 있다. 녹아웃 드럼(43)은 추진엔진(E)에서 회수되는 액화가스를 포집탱크(42)로부터 전달받아, 액화가스에 포함된 불순물(윤활유 등)을 걸러낼 수 있다.

녹아웃 드럼(43)은 내부에 유입된 액화가스에서 윤활유를 분리한다. 구체적으로 녹아웃 드럼(43)은 액화가스는 기상으로 배출하고 윤활유는 액상으로 배출한다. 즉 녹아웃 드럼(43)은 포집탱크(42)와 유사하게 기액분리 기능을 구현한다.

녹아웃 드럼(43)은 액화가스의 기화를 촉진하기 위해 트레이싱(tracing) 등의 가열부를 사용할 수 있고, 트레이싱은 스팀이나 해수 등과 같은 매체를 열원으로 사용하는 것이거나 또는 전기를 이용해 가열하는 구성일 수 있다.

녹아웃 드럼(43)은 윤활유가 섞인 액화가스를 가열부로 가열하여, 액화가스는 벤트마스트(도시하지 않음) 등으로 배출하고, 윤활유는 하부에서 드레인하여 처리(재활용)할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 고압펌프(21)의 흡입압력을 액화가스의 임계압력 이하로 하되, 고압 증발가스를 활용하여 연료탱크(11)의 내압을 고압펌프(21)의 흡입압력에 맞춰 유지함으로써, 연료탱크(11)와 고압펌프(21) 사이에서 별도의 펌핑 수단을 생략할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 다른 실시예에도 마찬가지임을 알려둔다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 앞선 실시예와 마찬가지로 연료탱크(11)의 내압을 제1 압력 이상으로 유지하되, 이를 위한 수단을 앞선 실시예와 달리 한다.

본 실시예는 연료탱크(11) 자체적으로 내압 상승을 구현할 수 있다. 즉 연료탱크(11)에는 내부에 저장된 액화가스를 가열하는 구성이 마련된다. 구체적으로 연료탱크(11)에는 액화가스를 연료탱크(11)의 내부에서 가열하는 인탱크 히터(13)가 마련될 수 있다.

또는 연료탱크(11)에 저장된 액화가스를 연료탱크(11)의 외부에서 가열 후 연료탱크(11)로 순환시키는 압력상승유닛(14)이 마련될 수 있다. 압력상승유닛(14)은 PBU(Pressure Build-up Unit) 등일 수 있고, 액화가스의 순환을 위한 펌프와 히터 등을 포함할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 앞선 실시예와 마찬가지로 연료탱크(11)에서 고압펌프(21)로 별도의 가압 없이 액화가스가 공급되도록 하기 위해, 연료탱크(11)에 저장된 액화가스를 연료탱크(11)의 내부/외부에서 가열함으로써 연료탱크(11)의 내압을 충분한 수준으로 유지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 복수로 마련되는 재액화부(30) 중 적어도 어느 하나의 작동에 문제가 발생한 경우(fail)를 대비할 수 있다.

참고로 도 3의 경우 연료탱크(11)에서 고압펌프(21)로 액화가스를 전달하기 위해 이송펌프(12)를 구비하는 것으로 도시되어 있지만, 앞선 실시예에서와 같이 이송펌프(12)를 생략하는 것도 가능하다.

본 실시예는 보조 수요처(D)를 포함한다. 보조 수요처(D)는 증발가스를 연소하는 보일러, 가스연소장치 또는 발전기(발전엔진이나 발전용 터빈 등) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한 보조 수요처(D)는 복수 개가 병렬로 구비될 수도 있다.

보조 수요처(D)로는 증발가스 분기라인(L40)이 연결되어 증발가스가 공급될 수 있으며, 증발가스 분기라인(L40)은 증발가스 배출라인(L10)이나 재액화부(30)로부터 분기되어 보조 수요처(D)로 연장된다.

보조 수요처(D)는 복수의 재액화부(30) 중 어느 하나의 재액화부(30)가 fail 될 경우에, 카고탱크(10)에서 배출된 후 재액화부(30)로 처리되지 못한 증발가스를 소비한다.

구체적으로, 카고탱크(10)가 n종의 액화가스를 각각 저장하도록 마련되고, n개의 재액화부(30)가 구비될 때, 어느 하나의 재액화부(30)의 작동에 문제가 발생한 경우, 증발가스 중 일부는 정상 작동되는 재액화부(30)로 처리되며, 나머지는 보조 수요처(D)로 공급되어 처리된다.

이를 위해 증발가스 분기라인(L40)은 재액화부(30)에서 압축기(31)의 상류 또는 중간단이나 압축기(31)의 하류 등으로부터 보조 수요처(D)로 연결될 수 있으며, 이 경우 보조 수요처(D)는 재액화부(30)의 압축기(31) 중 어느 한 압축단에 의해 압축된 증발가스를 소비할 수 있다.

즉 복수의 재액화부(30)는, 어느 하나의 재액화부(30)의 응축기(32) 작동에 문제가 발생한 경우(압축기(31)는 정상 작동), 증발가스 중 일부를 정상 작동되는 재액화부(30)로 처리하고, 나머지는 작동에 문제가 발생한 재액화부(30)의 상류 또는 중간(중간단, 압축기(31)와 응축기(32) 사이 등)에서 보조 수요처(D)로 공급할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 앞선 제1 실시예에서 언급한 바와 같이 재액화부(30)의 설치 대수를 줄이면서도, 증발가스의 처리 안정성을 확보할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 연료탱크(11) 및 관련되는 구성을 컴팩트화할 수 있다.

구체적으로 본 실시예는, 연료탱크(11)의 증발가스를 연료 공급부(20)와 독립적으로 보조 수요처(D)로 공급하도록 마련된다. 이때 연료탱크(11)에서 보조 수요처(D)로는 증발가스를 전달하기 위한 증발가스 분기라인(L40)이 마련될 수 있다.

연료탱크(11)는 연료로 공급하기 위한 액화가스를 저장하면서도 재액화부(30)에서 액화된 증발가스 등을 수용하는 구성이므로, 재액화부(30)의 증발가스 처리 용량에 대응하여 연료탱크(11)의 용량이 결정될 수 있다.

즉 재액화부(30)의 증발가스 처리 용량이 증대되면 연료탱크(11)의 용량 역시 커지게 되는데, 이 경우 선체 내에서 연료탱크(11)의 점유 공간이 증가하여 공간 활용성이 저하되고, 설치/운영 비용 등이 문제된다.

따라서 본 실시예는, 연료탱크(11)의 용량을 확대하지 않더라도 재액화부(30)의 처리 용량 증가를 커버할 수 있도록, 보조 수요처(D)를 활용한다. 구체적으로 재액화부(30)는 응축기(32)의 상류 또는 하류의 증발가스를 연료탱크(11)로 전달하는데, 응축기(32)의 하류에서 연료탱크(11)로 전달된 증발가스 또는 응축기(32)의 상류에서 연료탱크(11)를 향해 유동하는 증발가스는, 증발가스 분기라인(L40)을 통해 보조 수요처(D)로 공급될 수 있다.

이를 통해 본 실시예는 시스템에서 재액화부(30) 하류 부분이 소화할 수 있는 증발가스량을 높일 수 있게 되므로, 재액화부(30)의 처리량 증대에도 불구하고 연료탱크(11)가 확장되는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예에서 보조 수요처(D)는 연료탱크(11) 내의 증발가스 및 재액화부(30)에서 응축되기 전에 연료탱크(11)로 전달되는 증발가스를 공급받을 수 있으며, 또는 이와 달리 보조 수요처(D)는 재액화부(30)에서 응축된 후 연료탱크(11)로 전달된 액상 증발가스 또는 연료탱크(11)에서 연료 공급부(20)로 공급되는 액상 증발가스 등을 소비할 수도 있다.

즉 증발가스 분기라인(L40)은, 재액화부(30) 하류에서 연료탱크(11)의 저장 부하를 줄일 수 있다면 다양한 변형이 가능하다.

도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 제4 실시예와 유사하게 연료탱크(11)의 저장 용량을 축소하기 위한 것으로서, 다만 증발가스 분기라인(L40)의 연결 지점이 도 4 대비 달라질 수 있다.

구체적으로 본 실시예는, 재액화부(30)가 액화된 증발가스를 연료탱크(11)로 전달하되, 연료탱크(11)를 향해 유동하는 증발가스 중 일부가 연료 공급부(20)와 독립적으로 보조 수요처(D)로 공급될 수 있다.

이때 보조 수요처(D)의 요구 압력과 요구 온도 등을 충족시키기 위하여, 증발가스 분기라인(L40)에는 압력조절밸브(부호 도시하지 않음)와 기화기(부호 도시하지 않음) 등이 구비될 수 있다. 일례로 재액화부(30)에서 액화된 증발가스(20bar, 35도씨 내외로 액상)는 압력조절밸브에 의해 약 5bar 내외로 감압된 후(감압 시 온도 저하가 발생), 기화기에서 30도씨 내외로 가열되어 보조 수요처(D)로 공급될 수 있다.

물론 보조 수요처(D)의 요구 제원에 따라 위 구성은 변경 가능하며, 더 나아가 보조 수요처(D)가 액상의 액화가스를 소비하는 경우에는, 기화기 등이 생략될 수도 있다.

재액화부(30)는 응축기(32) 하류의 증발가스를 연료탱크(11) 및 연료 공급부(20)로 분배할 수 있는데, 응축기(32) 하류의 증발가스가 연료탱크(11) 및 연료 공급부(20)로 분배되기 이전의 지점인 증발가스 공급라인(L11) 상에서 보조 수요처(D)로 분기 공급될 수 있다.

또는 증발가스 공급라인(L11)에서 연료탱크(11)를 향해 분기된 증발가스 전달라인(L12) 상에서 보조 수요처(D)로 증발가스 분기라인(L40)이 연장되는 것도 가능하다.

이와 같이 본 실시예 및 제4 실시예는, 재액화부(30)에서 연료탱크(11)로 전달되는 증발가스 중 적어도 일부를 소비하는 보조 수요처(D)를 구비함으로써, 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 재액화부(30)의 처리 용량을 높이고 재액화부(30)의 설치 대수를 줄이더라도, 안정적인 증발가스 처리를 보장할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 연료 회수부(40)에서 보조 수요처(D)로 액화가스가 분기될 수 있다.

구체적으로 연료 회수부(40)는, 추진엔진(E)에서 배출되는 고온 액화가스를 고압펌프(21)로 전달하되, 고압펌프(21)를 향해 유동하는 액화가스 중 일부를 연료 공급부(20)와 독립적으로 보조 수요처(D)로 공급하도록 마련된다. 이를 위해 액화가스 회수라인(L30)에는 액화가스 분기라인(L50)이 분기되어 보조 수요처(D)로 연장될 수 있다.

본 실시예의 보조 수요처(D)는 앞선 실시예에서 설명한 바와 같으며, 다만 본 실시예의 보조 수요처(D)는 앞선 실시예와 달리 윤활유가 혼입된 액화가스를 처리하도록 마련될 수 있다.

연료 회수부(40)는 추진엔진(E)에서 배출되는 고온 액화가스를 냉각하여 고압펌프(21)로 전달하는 쿨러(41)를 포함하는데, 액화가스 분기라인(L50)은 쿨러(41)의 상류에서 분기될 수 있다.

즉 액화가스 분기라인(L50)은, 쿨러(41)의 상류에서 고압펌프(21)를 향해 유동하는 액화가스가 보조 수요처(D)로 분기 공급되도록 한다. 이는 보조 수요처(D)의 요구 온도를 충족시키기 위해 액화가스를 가열해야 하는 부하를 생략 또는 최소화 하기 위함이다.

또한 액화가스 분기라인(L50)에는 압력조절밸브(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있다. 압력조절밸브는 추진엔진(E)에서 배출되고 감압밸브에 의해 감압된 액화가스를 보조 수요처(D)의 요구 압력에 맞게 감압시킬 수 있다. 물론 연료 회수부(40)에 마련된 감압밸브의 감압 정도가 보조 수요처(D)의 요구압력에 대응될 경우, 압력조절밸브는 생략 가능하다.

연료 회수부(40)는 추진엔진(E)에서 배출되는 고온 액화가스 중 적어도 일부를 보조 수요처(D)로 공급하고, 나머지를 별도의 냉각 없이 고압펌프(21)로 전달할 수 있다. 즉 본 실시예의 연료 회수부(40)는 쿨러(41)를 생략할 수 있다. 이는 회수되는 액화가스 대부분이 보조 수요처(D)에 의해 소비됨에 따라, 잔여량은 냉각하지 않더라도 연료 공급부(20)의 액화가스와 혼합되면서 기화 우려가 해소될 수 있기 때문이다.

더 나아가, 연료 회수부(40)는 회수되는 액화가스를 모두 보조 수요처(D)로 전달할 수 있고, 고압펌프(21)로는 액화가스를 전달하지 않는 것도 가능하다. 이 경우 액화가스 회수라인(L30)은 연료 공급부(20)로 연결되지 않을 수도 있다.

이와 같이 본 실시예는, 추진엔진(E)에서 회수되는 잉여 액화가스 중 적어도 일부를 보조 수요처(D)에서 소비하도록 함으로써, 회수되는 액화가스의 관리를 위한 provision을 최소화 또는 생략할 수 있고, 시스템 전체 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들 중 적어도 둘 이상의 조합 또는 적어도 하나 이상의 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 가스 처리 시스템 10: 카고탱크
11: 연료탱크 12: 이송펌프
13: 인탱크 히터 14: 압력상승유닛
20: 연료 공급부 21: 고압펌프
22: 열교환기 30: 재액화부
31: 압축기 32: 응축기
33: 인터쿨러 34: 애프터쿨러
40: 연료 회수부 41: 쿨러
42: 포집탱크 43: 녹아웃 드럼
L10: 증발가스 배출라인 L11: 증발가스 공급라인
L12: 증발가스 전달라인 L13: 증발가스 회수라인
L20: 액화가스 공급라인 L30: 액화가스 회수라인
L40: 증발가스 분기라인 L50: 액화가스 분기라인
E: 추진엔진 D: 보조 수요처

Claims (5)

1. 액화가스를 화물로서 적재하는 복수의 카고탱크;
   액화가스를 연료로 사용하기 위해 저장하며 상기 화물탱크로부터 액화가스를 전달받는 연료탱크;
   상기 연료탱크의 액화가스를 추진엔진에 공급하는 연료 공급부;
   상기 카고탱크에서 발생한 증발가스를 액화시키는 재액화부; 및
   상기 추진엔진에서 배출되는 액상의 잉여 액화가스를 회수하는 연료 회수부를 포함하며,
   상기 재액화부는,
   액화된 증발가스를 상기 연료탱크로 전달하되, 상기 연료탱크를 향해 유동하는 증발가스 중 일부를 상기 연료 공급부와 독립적으로 보조 수요처로 공급하도록 마련되는, 가스 처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 수요처는,
   증발가스를 연소하는 보일러, 가스연소장치 또는 발전기 중 적어도 어느 하나인, 가스 처리 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 재액화부는,
   증발가스를 다단으로 압축하는 압축기와, 압축된 증발가스를 액화시키는 응축기와, 상기 응축기에서 액화된 증발가스를 나누어 상호 열교환시키며 열교환된 증발가스 중 기상을 상기 압축기의 중간단 중 일부에 전달하는 인터쿨러와, 상기 압축기의 중간단 중 나머지에 마련되며 증발가스와 별도로 마련되는 냉매를 이용해 증발가스를 냉각하는 애프터쿨러를 포함하는, 가스 처리 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 재액화부는, 상기 응축기의 하류의 증발가스를 상기 연료탱크 및 상기 연료 공급부로 분배하며,
   상기 응축기의 하류의 증발가스는 상기 연료탱크 또는 상기 연료 공급부로 분배되기 이전의 지점에서 상기 보조 수요처로 분기 공급되는, 가스 처리 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는, 선박.

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