KR20210137319A - 암모니아 연료 공급 장치 - Google Patents

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KR20210137319A
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KR
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ammonia
fuel supply
storage tank
compressor
pipe
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KR1020200055068A
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최성훈
윤상웅
이호기
Original Assignee
삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 암모니아 연료 공급 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 공급 장치는, 액상암모니아를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크로부터 액상암모니아를 연소기관으로 공급하는 연료공급관과, 연료공급관에 연결되어 저장탱크로부터 공급되는 액상암모니아의 공급 압력을 높이는 승압펌프와, 저장탱크와 연결되어 액상암모니아가 자연 기화되어 생성된 암모니아를 배출하는 BOG배출관, 및 BOG배출관에 연결되어 연소기관에서 요구하는 압력으로 암모니아를 압축하는 압축기를 포함하되, 압축기 후단의 BOG배출관은 승압펌프 후단의 연료공급관으로 연결될 수 있다.

Description

암모니아 연료 공급 장치{Ammonia fuel supply apparatus}
본 발명은 암모니아 연료 공급 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탱크의 압력 상승을 효과적으로 방지할 수 있는 암모니아 연료 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등을 포함하고 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 질소산화물과 황산화물뿐만 아니라 이산화탄소도 유엔 산화기관인 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있다. 실제, 국제해사기구는 이산화탄소의 배출량을 2030년까지 2008년 대비 40% 줄이고, 2050년까지 2008년 대비 70% 줄이는 것을 추진 중에 있다. 이에 따라, 저탄소 또는 탈탄소 연료를 이용하여 동력을 생성하는 친환경 선박의 개발이 요구되고 있으며, 차세대 친환경 연료 중 하나로 연소 시 이산화탄소의 배출이 없는 암모니아가 대두되고 있다.
한편, 암모니아를 연료로 하는 종래의 선박은, 엔진이 트립(trip, 차단기 자동 개방)되거나 엔진의 이상 시, 암모니아를 공급하는 배관 및 엔진 사이드 쪽에 있는 연료 잔여물을 퍼징하고, 퍼징된 연료를 한데 모아 대기로 방출하였다. 그러나, 암모니아는 독성물질이고, 대기로 방출 시 신속하게 흩어져 퍼지는 것이 아니므로, 암모니아를 대기로 방출하는 것은 안전 상의 문제가 있다. 또한, 암모니아는 액상으로 탱크에 저장되는데, 탱크의 압력 상승은 암모니아의 기화를 유발할 뿐만 아니라 안전성을 저하시키는 요인이 된다.
이에, 엔진이 트립되거나 엔진 이상 시 배관 및 엔진 사이드 쪽에 있는 연료를 효과적으로 처리할 수 있고, 탱크의 압력 상승을 방지할 수 있는 장치가 필요하게 되었다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0059032호 (2015. 05. 29.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 탱크의 압력 상승을 효과적으로 방지할 수 있는 암모니아 연료 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 공급 장치는, 액상암모니아를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 상기 액상암모니아를 연소기관으로 공급하는 연료공급관과, 상기 연료공급관에 연결되어 상기 저장탱크로부터 공급되는 상기 액상암모니아의 공급 압력을 높이는 승압펌프와, 상기 저장탱크와 연결되어 상기 액상암모니아가 자연 기화되어 생성된 암모니아를 배출하는 BOG배출관, 및 상기 BOG배출관에 연결되어 상기 연소기관에서 요구하는 압력으로 상기 암모니아를 압축하는 압축기를 포함하되, 상기 압축기 후단의 상기 BOG배출관은 상기 승압펌프 후단의 상기 연료공급관으로 연결된다.
상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 저장탱크의 내부 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 압력센서와 연동하여 상기 압축기를 구동하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 압력센서에서 측정된 측정값이 기준압력 이상이면 상기 압축기를 구동할 수 있다.
상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 저장탱크 내부에 저장된 상기 액상암모니아를 가압하여 상기 연료공급관으로 공급하는 가압펌프를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 연소기관의 엔진로드정보를 분석하여 상기 압축기와 상기 가압펌프에 공급되는 유량을 분배할 수 있다.
상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 BOG배출관 후단의 상기 연료공급관에 설치되어 상기 액상암모니아의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 압축기 후단의 상기 BOG배출관에 설치되는 BOG제어밸브를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 온도센서에서 측정된 측정값이 기준온도 이상이면 상기 BOG제어밸브를 폐쇄할 수 있다.
상기 압축기는 다단 압축기로 형성되고, 상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 압축기에서 분기되며 감압밸브를 포함하여 상기 저장탱크로 연결되는 BOG회수관을 더 포함할 수 있다.
상기 암모니아 연료 공급 장치는, 상기 BOG배출관 후단의 상기 연료공급관에 연결되어 상기 연료공급관 내부의 상기 액상암모니아를 배출하는 분기관과, 상기 분기관에 연결되어 상기 액상암모니아를 저장하는 녹아웃드럼을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 저장탱크에 저장된 액상암모니아가 연소기관에 공급되어 연료로 사용되므로, 연소기관의 연소 시 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 배출규제를 만족시킬 수 있다.
또한, 연소기관이 트립되거나 연소기관의 이상 시 배관 및 연소기관에 있는 액상암모니아 또는 기상암모니아를 배출하여 별도로 저장하고 순환시켜 재사용하므로, 독성물질인 암모니아를 보다 안전하고 효율적으로 처리할 수 있다.
또한, 저장탱크에서 발생된 암모니아를 배출하여 압축한 후 저장탱크로 순환시키거나 액상암모니아에 혼합하여 연료로 사용하므로, 저장탱크의 압력 상승을 방지하면서 장치 효율을 높일 수 있다. 특히, 압축기에서 압축된 암모니아가 승압펌프에서 가압된 액상암모니아에 혼합되며 액화되므로, 압축기 후단에 암모니아의 액화를 위한 별도의 냉각기를 설치할 필요가 없으며, 이로 인해, 냉각기에 연결되는 청수공급라인도 생략될 수 있어 장치 구성이 간단해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 공급 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 암모니아 연료 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 공급 장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 공급 장치는 암모니아를 연료로 사용하는 연소기관에 암모니아를 공급하는 장치로, 예를 들어, 선박과 같은 해양구조물에 설치될 수 있다.
암모니아 연료 공급 장치는 저장탱크에 저장된 액상암모니아가 연소기관에 공급되어 연료로 사용되므로, 연소기관의 연소 시 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 배출규제를 만족시킬 수 있다. 또한, 연소기관이 트립되거나 연소기관의 이상 시 배관 및 연소기관에 있는 액상암모니아 또는 기상암모니아를 배출하여 별도로 저장하고 순환시켜 재사용하므로, 독성물질인 암모니아를 보다 안전하고 효율적으로 처리할 수 있다. 또한, 저장탱크에서 발생된 암모니아를 배출하여 압축한 후 저장탱크로 순환시키거나 액상암모니아에 혼합하여 연료로 사용하므로, 저장탱크의 압력 상승을 방지하면서 장치 효율을 높일 수 있다. 특히, 압축기에서 압축된 암모니아가 승압펌프에서 가압된 액상암모니아에 혼합되며 액화되므로, 압축기 후단에 암모니아의 액화를 위한 별도의 냉각기를 설치할 필요가 없으며, 이로 인해, 냉각기에 연결되는 청수공급라인도 생략될 수 있어 장치 구성이 간단해질 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 암모니아 연료 공급 장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 공급 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 암모니아 연료 공급 장치(1)는 저장탱크(10)와, 연료공급관(20)과, 승압펌프(30)와, BOG배출관(40), 및 압축기(41)를 포함한다.
저장탱크(10)는 내부가 일정한 압력으로 유지되어 액상암모니아를 저장하는 탱크로, 내부 압력이 1barg 이하인 멤브레인 타입의 상압탱크로 형성되거나, 내부 압력이 1barg를 초과하되 10barg 미만인 C타입의 가압탱크로 형성될 수 있다. 저장탱크(10)가 멤브레인 타입의 상압탱크인 경우, 내부에 저장된 액상암모니아의 온도는 -18.3℃ 이하일 수 있으며, 저장탱크(10)가 C타입의 가압탱크인 경우, 내부에 저장된 액상암모니아의 온도는 -18.3℃를 초과하되 28℃ 미만일 수 있다. 저장탱크(10)가 1barg 이하인 상압탱크로 형성되거나 10barg 미만인 가압탱크로 형성됨으로써, 고압의 탱크를 사용하는 종래의 경우보다 탱크 설계 비용을 절감할 수 있고 탱크 중량도 줄일 수 있어 선박의 운항 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이러한 저장탱크(10)에 저장된 액상암모니아는 연료공급관(20)을 통해 배출된다.
연료공급관(20)은 저장탱크(10)로부터 액상암모니아를 연소기관(100)으로 공급하는 관으로, 일단이 저장탱크(10)에 연결되고 타단이 연소기관(100)에 연결된다. 여기서, 연소기관(100)이라 함은, 액상암모니아를 연소하여 동력을 발생시키는 장치를 통칭하며, 예를 들어, 암모니아 엔진일 수 있다. 연료공급관(20)은 일단이 저장탱크(10)를 관통하여 저장탱크(10) 내부에 설치된 가압펌프(11)에 연결되며, 타단은 저장탱크(10) 외부로 연장되어 연소기관(100)에 연결될 수 있다. 연료공급관(20)의 일단이 가압펌프(11)에 연결됨에 따라, 저장탱크(10) 내부에 저장된 액상암모니아는 가압펌프(11)에 의해 가압되어 연료공급관(20)으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 저장탱크(10)가 멤브레인 타입의 상압탱크인 경우, 액상암모니아는 가압펌프(11)에 의해 펌핑되어 약 20barg, -30.91℃의 상태가 되고, 저장탱크(10)가 C타입의 가압탱크인 경우, 액상암모니아는 가압펌프(11)에 의해 펌핑되어 약 20barg, -5.93℃의 상태가 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 저장탱크(10)는 1barg 이하인 상압탱크로 형성되거나 10barg 미만인 가압탱크로 형성되어 탱크 설계 비용과 탱크 중량을 줄일 수 있는 장점이 있으나, 내부 압력이 높지 않아 액상암모니아가 쉽게 자연 기화될 수 있다. 또는, 슬로싱(sloshing) 등의 원인으로 액상암모니아가 자연 기화될 수도 있다. 액상암모니아가 자연 기화되어 생성된 암모니아는 탱크 내부 압력을 증가시켜 여러 가지 문제를 유발하므로, 저장탱크(10)의 상단에 BOG배출관(40)을 연결하여 액상암모니아가 자연 기화되어 생성된 암모니아를 배출할 수 있다. BOG배출관(40)에는 압축기(41)가 연결될 수 있으며, 압축기(41)는 다단 압축기로 형성되어 연소기관(100)에서 요구하는 압력으로 암모니아를 압축할 수 있다. 예를 들어, 저장탱크(10)가 멤브레인 타입의 상압탱크인 경우, BOG배출관(40)으로 배출된 암모니아는 약 0.09barg, 45℃의 상태일 수 있으며, 압축기(41)에서 다단으로 압축된 후 약 65barg, 100℃의 상태가 될 수 있다. 또한, 저장탱크(10)가 C타입의 가압탱크인 경우, BOG배출관(40)으로 배출된 암모니아는 약 8barg, 45℃의 상태일 수 있으며, 압축기(41)에서 다단으로 압축된 후 약 65barg, 100℃의 상태가 될 수 있다.
압축기(41) 후단의 BOG배출관(40)은 후술할 승압펌프(30) 후단의 연료공급관(20)에 연결되며, BOG배출관(40)에 직렬로 연결된 다단 압축기의 중간단에서는 BOG회수관(60)이 분기될 수 있다. 예를 들어, 저장탱크(10)가 멤브레인 타입의 상압탱크인 경우, 다단 압축기의 중간단에서 분기된 암모니아는 약 20barg, 90℃의 상태일 수 있으며, 저장탱크(10)가 C타입의 가압탱크인 경우, 다단 압축기의 중간단에서 분기된 암모니아는 약 20barg, 115.2℃의 상태일 수 있다. BOG회수관(60)은 압축된 암모니아 중 일부를 저장탱크(10)로 회수하는 것으로, 감압밸브(60a)를 포함하여 저장탱크(10)로 연결될 수 있다. 감압밸브(60a)는 팽창밸브로 형성되어 압축된 암모니아를 약 1barg로 감압하여 약 -18℃로 냉각시키며, 이로 인해, 암모니아가 적어도 일부 액화된 후 저장탱크(10)로 회수될 수 있다. 감압되어 냉각된 암모니아 또는 액화암모니아가 저장탱크(10)로 회수됨으로써, 저장탱크(10)의 내부 압력을 낮추면서 동시에 폐기되는 암모니아를 연료로 재활용할 수 있어 장치 효율이 증대될 수 있다. 특히, 연소기관(100)이 무부하로 운전 중일 때에도 BOG회수관(60)을 통해 암모니아 또는 액상암모니아를 회수 가능하므로, 저장탱크(10)의 압력을 효과적으로 낮출 수 있다. 한편, 압축기(41) 후단의 BOG배출관(40) 상에는 BOG제어밸브(42)가 설치될 수 있으며, BOG제어밸브(42)는 승압펌프(30) 후단으로 공급되는 암모니아의 유동을 제어할 수 있다. 즉, BOG제어밸브(42)가 개방되면, 압축기(41)에서 압축된 암모니아가 연료공급관(20)으로 공급되고, BOG제어밸브(42)가 폐쇄되면, 압축기(41)에서 압축된 암모니아가 연료공급관(20)으로 공급되지 않는다.
승압펌프(30)는 저장탱크(10)로부터 공급되는 액상암모니아의 공급압력을 높이는 것으로, 연료공급관(20) 상에 적어도 하나가 연결될 수 있다. 승압펌프(30)는 연소기관(100)에서 요구하는 압력 이상으로 액상암모니아를 가압할 수 있다. 예를 들어, 액상암모니아는 승압펌프(30)에서 가압되어 약 65barg, -30℃의 상태가 될 수 있다. 승압펌프(30)에 의해 가압된 액상암모니아는 일부가 후술할 회수관(23)을 통해 저장탱크(10)로 이동하고, 나머지 일부가 연료공급관(20)을 통해 연소기관(100)으로 이동할 수 있다. 이 때, BOG배출관(40)으로부터 암모니아가 연료공급관(20)으로 공급되는 경우, 압축된 암모니아는 액상암모니아와 혼합되어 상온으로 되면서 액화되고, 이로 인해, 액상암모니아는 약 65barg, 35℃의 상태로 연소기관(100)에 공급되어 연료로 사용될 수 있다. 연소기관(100)이 액상암모니아를 연소하여 동력을 생성함으로써, 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 이산화탄소 배출규제를 만족시킬 수 있다. 연소기관(100)은 통상, 전압과 주파수를 가변시켜 모터의 회전 속도를 제어하는 가변주파수드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)에 의해 연료의 유량이 조절되는데, 가변주파수드라이브만으로는 연료의 유량을 정밀하게 조절하는데 한계가 있다. 따라서, 연료공급관(20) 상에는 연료의 유량을 정밀하게 조절하기 위한 회수관(23)과 보조회수관(25)이 분기될 수 있다. 회수관(23)은 승압펌프(30)와 BOG배출관(40) 사이의 연료공급관(20)으로부터 분기되어 저장탱크(10)로 연결되며, 승압펌프(30)에서 승압된 액상암모니아 중 일부를 저장탱크(10)로 회수할 수 있다. 보조회수관(25)은 승압펌프(30) 전단의 연료공급관(20)으로부터 분기되어 저장탱크(10)로 연결되며, 가압펌프(11)에서 펌핑된 액상암모니아 중 일부를 저장탱크(10)로 회수할 수 있다. 이러한 회수관(23)과 보조회수관(25) 상에는 각각 제1 유량조절밸브(23a)와 제2 유량조절밸브(25a)가 설치되어 저장탱크(10)로 회수되는 액상암모니아의 유량이 조절될 수 있다.
또한, BOG배출관(40) 후단의 연료공급관(20)에는 분기관(21)이 연결될 수 있다. 분기관(21)은 연료공급관(20) 내부의 액상암모니아를 배출하는 것으로, 연소기관(100)이 트립되거나 연소기관(100)의 이상 시 개방될 수 있다. 분기관(21) 상에는 액상암모니아의 유동을 제어하는 분기관밸브(21a)가 설치되며, 분기관(21)을 사이에 두고 연료공급관(20)의 양단에는 각각 제1 개폐밸브(22a)와 제2 개폐밸브(22b)가 설치될 수 있다. 예를 들어, 연소기관(100)의 작동 시, 제1 개폐밸브(22a)와 제2 개폐밸브(22b)가 모두 개방되고 분기관밸브(21a)는 폐쇄될 수 있다. 또한, 연소기관(100)이 트립되거나 연소기관(100)의 이상 시, 분기관(21)이 연결되는 지점 전단에 위치한 제1 개폐밸브(22a)와, 분기관(21)이 연결되는 지점 후단에 위치한 제2 개폐밸브(22b)는 선택적으로 개폐되고 분기관밸브(21a)는 개방될 수 있다. 보다 구체적으로, 연료공급관(20) 상의 액상암모니아를 분기관(21)으로 배출하는 경우, 제1 개폐밸브(22a)는 개방되고 제2 개폐밸브(22b)는 폐쇄될 수 있다. 또한, 연소기관(100) 내부의 액상암모니아 또는 기상암모니아를 분기관(21)으로 배출하는 경우, 제1 개폐밸브(22b)는 개방되고 제2 개폐밸브(22a)는 폐쇄될 수 있다. 이 때, 액상암모니아가 분기관(21)으로 원활하게 배출될 수 있도록 회수관(23)과 BOG배출관(40) 사이의 연료공급관(20)에는 불활성가스주입유닛(80)이 연결될 수 있다. 불활성가스주입유닛(80)은 연료공급관(20)에 질소와 같은 불활성가스를 주입하며, 이로 인해, 연료공급관(20) 상에 수용된 액상암모니아가 불활성가스에 밀려 용이하게 분기관(21)으로 배출될 수 있다. 불활성가스주입유닛(80) 전단의 연료공급관(20)에는 유동제어밸브(24)가 설치될 수 있으며, 유동제어밸브(24)는 불활성가스주입유닛(80)이 동작할 때 연료공급관(20)을 폐쇄하여 액상암모니아의 추가 유입을 방지할 수 있다. 유동제어밸브(24)와, 전술한 분기관밸브(21a), 제1 개폐밸브(22a), 제2 개폐밸브(22b), 제1 유량조절밸브(23a), 제2 유량조절밸브(25a), 감압밸브(60a), 및 BOG제어밸브(42)는 각각 제어부(70)에 의해 개폐될 수 있으며, 제어부(70)는 연소기관(100)의 가변주파수드라이브, 로드컨트롤시스템(PMS), 후술할 압력센서(12), 및 온도센서(26) 등과 연동되어 압축기(41)와 펌프를 비롯한 각종 밸브를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(70)는 저장탱크(10)에 설치된 압력센서(12)와 연동되어 압력센서(12)에서 측정된 저장탱크(10)의 내부압력에 따라 압축기(41)를 구동할 수 있다. 예를 들어, 압력센서(12)에서 측정된 측정값이 기준압력 이상인 경우, 제어부(70)는 압축기(41)를 구동하고, 압력센서(12)에서 측정된 측정값이 기준압력 미만인 경우, 제어부(70)는 압축기(41)의 구동을 중단할 수 있다. 저장탱크(10)의 내부압력이 기준압력 이상일 때 압축기(41)가 구동됨으로써, 저장탱크(10)의 내부압력 상승을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 제어부(70)는 로드컨트롤시스템으로부터 연소기관(100)의 엔진로드정보를 제공받고, 엔진로드정보를 분석하여 압축기(41)와 가압펌프(11)에 공급되는 유량을 조절할 수 있다. 이 때, 압축기(41)에서 다단으로 압축된 암모니아는 온도가 약 100℃로 높은 편이고, 유량이 가압펌프(11)에서 가압되는 액상암모니아의 유량보다 작으므로, 제어부(70)는 이를 토대로 압축기(41)로 공급되는 암모니아의 유량과, 가압펌프(11)로 공급되는 액상암모니아의 유량을 적절히 분배할 수 있다. 또한, 제어부(70)는 BOG배출관(40) 후단의 연료공급관(20)에 설치된 온도센서(26)와 연동되어 온도센서(26)에서 측정된 액상암모니아의 온도에 따라 BOG제어밸브(42)를 개폐할 수 있다. 예를 들어, 온도센서(26)에서 측정된 측정값이 기준온도 이상인 경우, 제어부(70)는 BOG제어밸브(42)를 폐쇄하고, 온도센서(26)에서 측정된 측정값이 기준온도 미만인 경우, 제어부(70)는 BOG제어밸브(42)를 개방할 수 있다. 연소기관(100)으로 공급되는 액상암모니아의 온도가 기준온도 이상일 때 BOG제어밸브(42)가 폐쇄됨으로써, 압축기(41)에서 다단으로 압축되어 고온인 암모니아에 의해 액상암모니아의 온도가 과도하게 상승되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 전술한 분기관(21)에는 녹아웃드럼(50)이 연결될 수 있다. 녹아웃드럼(50)은 분기관(21)으로 배출된 액상암모니아를 저장하며, 저장된 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 BOG배출관(40)으로 순환시킬 수 있다. 도면 상에 도시되진 않았으나, 필요에 따라, 연소기관(100)과 녹아웃드럼(50)을 연결하는 배관을 추가하여, 연소기관(100) 내부의 액상암모니아 또는 기상암모니아를 녹아웃드럼(50)에 배출할 수도 있다. 연소기관(100)이 트립되거나 연소기관(100)의 이상 시 연료공급관(20) 및 연소기관(100) 내부의 액상암모니아 또는 기상암모니아가 녹아웃드럼(50)으로 배출되어 연료로 재사용됨에 따라, 독성물질인 암모니아를 보다 안전하고 효과적으로 처리할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 암모니아 연료 공급 장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 6은 암모니아 연료 공급 장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 암모니아 연료 공급 장치(1)는 저장탱크(10)에 저장된 액상암모니아가 연소기관(100)에 공급되어 연료로 사용되므로, 연소기관(100)의 연소 시 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 배출규제를 만족시킬 수 있다. 또한, 연소기관(100)이 트립되거나 연소기관(100)의 이상 시 배관 및 연소기관(100)에 있는 액상암모니아 또는 기상암모니아를 배출하여 별도로 저장하고 순환시켜 재사용하므로, 독성물질인 암모니아를 보다 안전하고 효율적으로 처리할 수 있다. 또한, 저장탱크(10)에서 발생된 암모니아를 배출하여 압축한 후 저장탱크(10)로 순환시키거나 액상암모니아에 혼합하여 연료로 사용하므로, 저장탱크(10)의 압력 상승을 방지하면서 장치 효율을 높일 수 있다. 특히, 압축기(41)에서 압축된 암모니아가 승압펌프(30)에서 가압된 액상암모니아에 혼합되며 액화되므로, 압축기(41) 후단에 암모니아의 액화를 위한 별도의 냉각기를 설치할 필요가 없으며, 이로 인해, 냉각기에 연결되는 청수공급라인도 생략될 수 있어 장치 구성이 간단해질 수 있다.
도 2는 저장탱크 내부압력이 기준압력 미만이면서 연소기관이 정상 작동하는 경우의 동작을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 압력센서(12)에서 측정된 저장탱크(10)의 내부압력이 기준압력 미만인 경우, 압축기(41)는 구동되지 않고 가압펌프(11)만 구동될 수 있다. 저장탱크(10)에 저장된 액상암모니아는 가압펌프(11)에 의해 펌핑되어 일부가 연료공급관(20)으로 이동하며, 나머지 일부가 보조회수관(25)을 통해 저장탱크(10)로 회수될 수 있다. 연료공급관(20)을 이동하는 액상암모니아는 승압펌프(30)에서 가압되며, 가압된 액상암모니아는 일부가 회수관(23)을 통해 저장탱크(10)로 회수되고 나머지 일부가 연료공급관(20)을 통해 연소기관(100)으로 공급될 수 있다. 이 때, 제1 개폐밸브(22a)와 제2 개폐밸브(22b)는 개방되고, 분기관밸브(21a)는 폐쇄될 수 있다. 연소기관(100)이 액상암모니아를 연소하여 동력을 생성함으로써, 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 이산화탄소 배출규제를 만족시킬 수 있다.
도 3과 도 4는 저장탱크 내부압력이 기준압력 이상이면서 연소기관이 정상 작동하는 경우의 동작을 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 압력센서(12)에서 측정된 저장탱크(10)의 내부압력이 기준압력 이상인 경우, 압축기(41)와 가압펌프(11)가 모두 구동될 수 있다. 압축기(41)가 구동됨에 따라 저장탱크(10)에 저장된 액상암모니아가 자연 기화되어 생성된 암모니아가 BOG배출관(40)으로 배출되어 압축기(41)에서 다단으로 압축될 수 있다. 이 때, 암모니아는 일부가 압축기(41)의 중간단에서 분기된 BOG회수관(60)으로 유동하고, 나머지 일부가 압축기(41)에서 다단으로 압축된 후 BOG배출관(40)으로 유동할 수 있다. BOG회수관(60)을 유동하는 암모니아는 감압밸브(60a)를 통과하며 감압 및 냉각되어 적어도 일부가 액화된 후 저장탱크(10)로 회수될 수 있다. 감압되어 냉각된 암모니아 또는 액화암모니아가 저장탱크(10)로 회수됨으로써, 저장탱크(10)의 내부 압력을 낮추면서 동시에 폐기되는 암모니아를 연료로 재활용할 수 있어 장치 효율이 증대될 수 있다.
한편, 다단으로 압축된 후 BOG배출관(40)을 유동하는 암모니아는 승압펌프(30) 후단에서 액상암모니아에 혼합된다. 다단으로 압축되어 고온인 암모니아가 액상암모니아에 혼합됨에 따라, 암모니아는 상온으로 되면서 액화되고 액상암모니아는 온도가 일부 상승되어 연소기관(100)에 공급될 수 있다. 이 때, 온도센서(26)에서 측정된 액상암모니아의 온도가 기준온도 미만인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, BOG제어밸브(42)가 개방된 상태로 유지되고, 이로 인해, 암모니아가 액상암모니아에 계속 혼합될 수 있다. 반대로, 온도센서(26)에서 측정된 액상암모니아의 온도가 기준온도 이상인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, BOG제어밸브(42)가 폐쇄되고, 이로 인해, 암모니아는 저장탱크(10)로 회수될 수 있다. 연소기관(100)으로 공급되는 액상암모니아의 온도가 기준온도 이상일 때 BOG제어밸브(42)가 폐쇄됨으로써, 압축기(41)에서 다단으로 압축되어 고온인 암모니아에 의해 액상암모니아의 온도가 과도하게 상승되는 것을 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6은 연소기관이 트립되거나 연소기관의 이상이 발생한 경우의 동작을 도시한 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 연소기관(100)이 트립되거나 연소기관(100)의 이상이 발생한 경우, 유동제어밸브(24)와 BOG제어밸브(42)가 폐쇄되고 가압펌프(11)와 승압펌프(30)의 동작이 중단될 수 있다. 또한, 제1 개폐밸브(22a)와 분기관밸브(21a)가 개방되고, 제2 개폐밸브(22b)는 폐쇄될 수 있다. 유동제어밸브(24)가 폐쇄되고 가압펌프(11)와 승압펌프(30)의 동작이 중단됨에 따라 유동제어밸브(24) 전단의 연료공급관(20) 상에 수용된 액상암모니아는 연료공급관(20) 내에 그대로 머무르거나, 회수관(23) 또는 보조회수관(25)을 통해 저장탱크(10)로 회수될 수 있다. 이 때, 압력센서(12)에서 측정된 저장탱크(10)의 내부압력이 기준압력 이상인 경우, 압축기(41)가 구동되며, 이로 인해, 저장탱크(10)에서 생성된 암모니아가 BOG배출관(40)으로 배출되어 압축될 수 있다. 압축된 암모니아는 BOG회수관(60)으로 유동하여 감압밸브(60a)에서 감압 및 냉각된 후 저장탱크(10)로 회수될 수 있다. 유동제어밸브(24)가 폐쇄됨과 동시에 또는 순차적으로 불활성가스주입유닛(80)이 연료공급관(20)에 불활성가스를 주입하며, 이로 인해, 유동제어밸브(24) 후단의 연료공급관(20) 상에 수용된 액상암모니아가 불활성가스에 밀려 용이하게 분기관(21)으로 배출될 수 있다. 분기관(21)으로 배출된 액상암모니아는 녹아웃드럼(50)에 저장될 수 있다.
유동제어밸브(24) 후단의 연료공급관(20) 상에 수용된 액상암모니아가 모두 녹아웃드럼(50)에 저장되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 개폐밸브(22a)가 폐쇄되고, 제2 개폐밸브(22b)가 개방될 수 있다. 제2 개폐밸브(22b)가 개방됨에 따라 연소기관(100) 내부의 액상암모니아 또는 기상암모니아가 연료공급관(20) 및 분기관(21)을 통해 녹아웃드럼(50)에 저장될 수 있다. 녹아웃드럼(50)에 저장된 액상암모니아 또는 기상암모니아는 별도의 처리과정을 거쳐 기화된 후 BOG배출관(40)으로 순환되어 연료로 사용될 수 있다. 연소기관(100)이 트립되거나 연소기관(100)의 이상 시 녹아웃드럼(50)으로 배출된 액상암모니아 또는 기상암모니아가 연료로 재사용됨에 따라, 독성물질인 암모니아를 보다 안전하고 효과적으로 처리할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 암모니아 연료 공급 장치
10: 저장탱크 11: 가압펌프
12: 압력센서 20: 연료공급관
21: 분기관 21a: 분기관밸브
22a: 제1 개폐밸브 22b: 제2 개폐밸브
23: 회수관 23a: 제1 유량조절밸브
24: 유동제어밸브 25: 보조회수관
25a: 제2 유량조절밸브 26: 온도센서
30: 승압펌프 40: BOG배출관
41: 압축기 42: BOG제어밸브
50: 녹아웃드럼 60: BOG회수관
60a: 감압밸브 70: 제어부
80: 불활성가스주입유닛
100: 연소기관

Claims (6)

  1. 액상암모니아를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 상기 액상암모니아를 연소기관으로 공급하는 연료공급관;
    상기 연료공급관에 연결되어 상기 저장탱크로부터 공급되는 상기 액상암모니아의 공급 압력을 높이는 승압펌프;
    상기 저장탱크와 연결되어 상기 액상암모니아가 자연 기화되어 생성된 암모니아를 배출하는 BOG배출관, 및
    상기 BOG배출관에 연결되어 상기 연소기관에서 요구하는 압력으로 상기 암모니아를 압축하는 압축기를 포함하되,
    상기 압축기 후단의 상기 BOG배출관은 상기 승압펌프 후단의 상기 연료공급관으로 연결되는 암모니아 연료 공급 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 저장탱크의 내부 압력을 측정하는 압력센서와,
    상기 압력센서와 연동하여 상기 압축기를 구동하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 압력센서에서 측정된 측정값이 기준압력 이상이면 상기 압축기를 구동하는 암모니아 연료 공급 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 저장탱크 내부에 저장된 상기 액상암모니아를 가압하여 상기 연료공급관으로 공급하는 가압펌프를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 연소기관의 엔진로드정보를 분석하여 상기 압축기와 상기 가압펌프에 공급되는 유량을 분배하는 암모니아 연료 공급 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 BOG배출관 후단의 상기 연료공급관에 설치되어 상기 액상암모니아의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 압축기 후단의 상기 BOG배출관에 설치되는 BOG제어밸브를 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 온도센서에서 측정된 측정값이 기준온도 이상이면 상기 BOG제어밸브를 폐쇄하는 암모니아 연료 공급 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 압축기는 다단 압축기로 형성되고,
    상기 압축기에서 분기되며 감압밸브를 포함하여 상기 저장탱크로 연결되는 BOG회수관을 더 포함하는 암모니아 연료 공급 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 BOG배출관 후단의 상기 연료공급관에 연결되어 상기 연료공급관 내부의 상기 액상암모니아를 배출하는 분기관과,
    상기 분기관에 연결되어 상기 액상암모니아를 저장하는 녹아웃드럼을 더 포함하는 암모니아 연료 공급 장치.
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