KR20220024400A - Lng 운반선 - Google Patents

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KR20220024400A
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Abstract

본 발명에 따른 LNG 운반선은, 프로펠러에 직접 동력을 전달하는 엔진을 탑재한 LNG 운반선에 있어서, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하는 증발가스 압축기를 포함하고, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 엔진에서 요구하는 증발가스량보다 많은 경우, 상기 액화가스 저장탱크 내에서 증발가스를 축압하여, 상기 증발가스를 액화시키는 재액화장치를 구비하지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

LNG 운반선{A LNG Carrier}
본 발명은 LNG 운반선에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.
이러한 선박은 엔진을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 함으로써, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.
그러나, 최근에는 선박의 연료로서, 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 사용하여 LNG 운반선 및 컨테이너 운반선 등 다양한 선박의 추진에 사용되고 있다.
액화가스가 액상으로 보관될 때 액화가스 저장탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 액화가스는 기화되어 증발가스(Boiled off Gas)가 생성되는데, 이러한 증발가스는 자연증발가스(Natural Boiled off Gas; NBOG)로 액화가스 처리 시스템에 문제를 일으킬 수 있어, 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비시켜 문제를 해결하고자 하였다.
그러나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다. 따라서, 이러한 문제를 원초적으로 해결하기 위해, 액화가스가 액화가스 저장탱크에서 자연적으로 증발가스를 생성해내는 비율인 기화율(Boil-Off Rate; BOR)을 저감하는 기술에 대해서 수많은 연구 및 개발이 진행되고 있는 실정이다.
본 발명은 종래의 기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 기화율(BOR)이 낮은 액화가스 저장탱크를 적용하여 액화가스를 처리하는 LNG 운반선을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 LNG 운반선은, 프로펠러에 직접 동력을 전달하는 엔진을 탑재한 LNG 운반선에 있어서, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하는 증발가스 압축기를 포함하고, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 엔진에서 요구하는 증발가스량보다 많은 경우, 상기 액화가스 저장탱크 내에서 증발가스를 축압하여, 상기 증발가스를 액화시키는 재액화장치를 구비하지 않는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크는, 액화가스를 저장하며, 0.7% 내지 0.9%의 저기화율(LowBOR)을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진이 소비하는 증발가스의 양은, 상기 LNG 운반선이 16.5Knots 내지 17.5Knots로 추진되기 위해 필요한 증발가스의 양일 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크는, 내부 압력이 0.20bar 내지 0.25bar가 될 때까지 상기 증발가스를 축압할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크는, 고단열부재를 가지는 Mark V일 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 소비하는 가스연소장치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진은, 고압가스 분사엔진(MEGI)일 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인; 및 상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하는 부스팅 펌프; 상기 액화가스 공급라인 상에 구비되며 상기 부스팅 펌프로부터 공급받은 액화가스를 고압으로 가압하는 고압 펌프; 및 상기 고압 펌프로부터 공급받은 액화가스를 가열하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진은, 저압가스 분사엔진(XDF)일 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인; 및 상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하는 부스팅 펌프; 및 상기 부스팅 펌프로부터 공급받은 액화가스를 기화시키는 강제기화기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 LNG 운반선은, 기화율이 낮은 액화가스 저장탱크를 LNG 운반선에 최적으로 적용함으로써, 액화가스 또는 증발가스의 처리가 용이해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 운반선의 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 있으며, 각 실시예들은 서로 조합이 가능함에 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 운반선의 개념도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 부스팅 펌프(20), 고압 펌프(21), 강제기화기(30), 열교환기(40), 증발가스 압축기(50), 추진엔진(70), 가스연소장치(71), 발전엔진(72), 샤프트 제너레이터(80)를 포함한다.
이하 본 명세서에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)을 설명하도록 한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 추진엔진(70), 가스연소장치(71), 발전엔진(72) 등에 공급될 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 외부의 열원으로부터 충분한 단열을 수행하도록 하여, 기존의 액화가스 저장탱크보다 기화율(Boil off Rate; BOR)이 비약적으로 낮은 예를 들어 BOR이 0.7% 내지 0.8%(바람직하게는 0.75%)인 저기화율 액화가스 저장탱크(Low BOR 액화가스 저장탱크)이다.
바람직하게 액화가스 저장탱크(10)는, GTT사(GazTransport & Technigaz)와 본 출원인이 공동 개발한 GTT Mark V 또는 Low BOR Mark 5일 수 있다.
본 발명에 대한 기술에서, 기화율(BOR)이란 일일기화율을 말하는 것으로, BOR이 0.7% 내지 0.8%이란 의미는 BOR이 0.070%/day 내지 0.080%/day인 것을 말하며, 이하에서 언급하는 BOR의 경우도 동일하게 해석될 수 있다.
부스팅 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 또는 외부에 설치되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 고압 펌프(21)로 공급함으로써, 고압 펌프(21)에 충분한 양의 액화가스가 공급되도록 하여 고압 펌프(21)의 공동현상(Cavitation)을 방지할 수 있다.
부스팅 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 액화가스를 빼내어 수 내지 수십 bar 이내로 가압할 수 있으며, 부스팅 펌프(20)를 거친 액화가스는 1bar 내지 25bar로 가압될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 저장된 액화가스는 액체상태로 놓여있다. 이때 부스팅 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 가압하여 압력 및 온도를 다소 높일 수 있으며, 부스팅 펌프(20)에 의해 가압된 액화가스는 여전히 액체상태일 수 있다.
고압 펌프(21)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출된 액화가스를 고압으로 가압하여 추진엔진(70) 등에 공급되도록 한다. 액화가스는 액화가스 저장탱크(10)로부터 약 10bar 정도의 압력으로 배출된 후 부스팅 펌프(20)에 의해 1차로 가압되는데, 고압 펌프(21)는, 부스팅 펌프(20)에 의해 가압된 액체상태의 액화가스를 2차로 가압하여, 열교환기(40)에 공급한다.
이때, 고압 펌프(21)는 액화가스를 추진엔진(70)이 요구하는 압력, 예를 들어 200bar 내지 400bar까지 가압하여 공급할 수 있다.
고압 펌프(21)는, 부스팅 펌프(20)로부터 배출되는 액체상태의 액화가스를 고압으로 가압하되, 액화가스가 초임계점(Critical Point)보다 높은 온도 및 높은 압력을 갖는 초임계 상태가 되도록 상변화시킬 수 있다. 이때 초임계 상태인 액화가스의 온도는 임계 온도보다 상대적으로 높은 영하 20도 이하일 수 있다.
또는 고압 펌프(21)는, 액체 상태의 액화가스를 고압으로 가압하여 과냉액체 상태로 변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태란 액화가스의 압력이 임계압력보다 높고, 온도가 임계온도보다 낮은 상태를 의미한다.
구체적으로 고압 펌프(21)는, 부스팅 펌프(20)로부터 배출되는 액체상태의 액화가스를 200bar 내지 400bar 까지 고압으로 가압하되, 액화가스의 온도가 임계 온도보다 낮은 온도가 되도록 하여, 액화가스를 과냉액체 상태로 상변화시킬 수 있다. 여기서 과냉액체 상태인 액화가스의 온도는 임계온도보다 상대적으로 낮은 영하 140도 내지 영하 60도일 수 있다.
강제 기화기(30)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 부스팅 펌프(20)로부터 공급받아 강제 기화시킬 수 있다. 강제 기화기(30)는, 증발가스의 유량이 부족한 경우 작동되어 추진엔진(70) 또는 발전엔진(72)으로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
강제 기화기(30)는, 추진엔진(70) 또는 발전엔진(72)으로 공급되는 액화가스의 메탄가를 높이기 위해 가열온도를 조절하여 액화가스를 부분 기화시킬 수 있으며, 이 경우 가열 온도는 약 -80 ~ -120도의 범위로 가열될 수 있다. 부분 기화된 액화가스는 강제 기화기(30)의 후단에 구비되는 임시저장탱크(도시하지않음)를 통해 순수 기상만 추진엔진(70) 또는 발전엔진(72)으로 공급하고 액상은 액화가스 저장탱크(10)로 복귀시킬 수 있다.
열교환기(40)는, 추진엔진(70)과 고압 펌프(21)사이에 마련되며, 고압 펌프(21)로부터 공급되는 액화가스를 기화시킨다. 열교환기(40)는 과냉액체 상태 또는 초임계상태의 액화가스를 고압 펌프(21)에서 배출되는 200bar 내지 400bar 의 압력을 유지하면서 가열하여 30도 내지 60도의 초임계 상태의 액화가스로 변환한 후 추진엔진(70)으로 공급할 수 있다.
이때, 열교환기(40)는, 글리콜 워터(Glycol Water)를 사용하여 액화가스를 간접열교환 방식으로 기화시킬 수 있으며, 이에 한정되지 않고 스팀(Steam), 해수(Sea water), 청수(Fresh water)등이 사용되는 직접열교환 방식으로도 사용 가능하다.
*
증발가스 압축기(50)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압할 수 있다. 증발가스 압축기(50)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되어 약 1bar 내외의 압력으로 배출되는 증발가스를 200bar 내지 400bar로 가압하여 추진엔진(70)으로 공급할 수 있다. 이때, 증발가스 압축기(50)는, 왕복동형 증발가스 압축기(50a)일 수 있으며, 추진엔진(70)은, MEGI엔진(70a)일 수 있다.
증발가스 압축기(50)는 복수 개 구비되어 증발가스를 다단 가압시킬 수 있다. 일례로 증발가스 압축기(50)는 증발가스의 흐름을 기준으로 상류측부터 증발가스 제1 단 압축기, 증발가스 제2 단 압축기, 증발가스 제3 단 압축기, 증발가스 제4 단 압축기, 증발가스 제5 단 압축기인 5 개로 구성되어 증발가스가 5단 가압되도록 할 수 있다.
구체적으로, 증발가스 압축기(50)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 약 1.05bar로 유입되어 증발가스 제1 단 압축기에서 약 5bar 내외로 가압되고, 증발가스 제2 단 압축기에서 약 15bar 내외로, 증발가스 제3 단 압축기에서 약 90bar 내외로, 증발가스 제4 단 압축기에서 약 150bar 내외로, 증발가스 제5 단 압축기에서 약 300bar 내외로 가압될 수 있다.
다만, 상기에서 기술한 각 단에서 토출되는 증발가스의 압력은 일례로서 한정되지 않으며 별도의 작업을 통해서 변경가능하다.
증발가스 제2 단 압축기에서 가압된 증발가스는, 증발가스 제1 및 제2 분기라인(L3,L4)을 통해 가스연소장치(71) 또는 발전엔진(72)으로 공급되거나, 다시 증발가스 공급라인(L1)을 통해 증발가스 제3 단 압축기로 유입되어 다단 압축될 수 있고, 증발가스 제5 단 압축기에서 가압된 증발가스는, 증발가스 공급라인(L1)에 의해서 추진엔진(70)으로 공급될 수 있다.
또한, 증발가스 압축기(50)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압할 수 있다. 증발가스 압축기(50)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되어 약 1bar 내외의 압력으로 배출되는 증발가스를 20bar 내지 40bar로(바람직하게는 25bar) 가압하여 추진엔진(70)으로 공급할 수 있다. 이때, 증발가스 압축기(50)는, 원심형 증발가스 압축기(50b)일 수 있으며, 추진엔진(70)은, XDF엔진(70b)일 수 있다.
여기서 증발가스 공급라인(L1)으로 공급되는 증발가스와 액화가스 공급라인(L2)으로 공급되는 액화가스를 혼합시켜 추진엔진(70)으로 공급할 수 있다. 이를 위해 추진엔진(70)의 상류에는 혼합기(도시하지 않음)가 구비될 수 있다.
각 단의 증발가스 압축기 사이에는, 증발가스 냉각기(도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 증발가스 압축기(50)에 의하여 증발가스가 가압되면, 압력 상승에 따라 온도 역시 상승될 수 있기 때문에, 본 실시예에서는 증발가스 냉각기를 사용하여 증발가스의 온도를 다시 낮춰줄 수 있다.
증발가스 냉각기는 증발가스 압축기(50)와 동일한 수로 설치될 수 있으며, 각 증발가스 냉각기는 각 증발가스 압축기의 하류에 마련될 수 있다.
추진엔진(70)은, 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 증발가스 또는 액화가스를 연료로 사용한다. 이때, 추진엔진(70)은, 고압가스분사엔진(일례로 MEGI;70a) 또는 저압가스분사엔진(일례로 XDF; 70b)일 수 있다. MEGI엔진(70a)의 경우 약 200 내지 400bar의 고압으로 가압된 증발가스를 연료로 사용하며, XDF엔진(70b)의 경우 약 1 내지 25bar의 저압으로 가압된 증발가스를 연료로 사용할 수 있다.
엔진은 액화가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 프로펠러 축(91)이 회전될 수 있다. 따라서 추진엔진(70) 구동 시 프로펠러 축(91)에 연결된 프로펠러(90)가 회전함에 따라, 선체(2)가 전진 또는 후진할 수 있다.
추진엔진(70)은, 통상 디젤 사이클로 구동되는 2행정 엔진(2-stroke DF engine)이며 저속엔진일 수 있다. 이러한 디젤 사이클은 기본적으로, 공기가 피스톤에 의해 압축되고, 압축된 고온의 공기는 점화연료(Pilot Fuel)에 의해서 점화가 이루어지며, 나머지 고압의 가스가 분사되어 폭발이 이루어진다.
이때, 점화연료는 HFO(Heavy Fuel Oil) 또는 MDO(Marine Diesel Oil)를 사용하게 되며, 보통 점화연료와 고압 가스의 비율은 약 5:95이고, 점화연료의 분사량은 5~100%까지 조정이 가능하다. 따라서 점화연료는 엔진의 구동 연료로도 이용가능하다.
즉, 점화연료의 분사량이 약 5%정도인 경우 엔진 구동 연료로 증발가스(또는 가열된 액화가스; 약 95%)가 주로 사용되며, 점화 연료의 분사량이 100%인 경우에는 엔진 구동 연료로 점화연료(오일)가 전부 사용된다.
이때, 점화연료의 분사량 약 50%인 경우(와 증발가스 약 50%)에는, 점화연료와 증발가스가 혼합되어 엔진으로 유입되는 것이 아닌 점화연료가 먼저 발화하여 발열량을 생산하고, 이후, 나머지 증발가스가 유입되어 폭발하여 발열량을 생산하여 엔진 구동에 필요한 발열량을 생산한다.
가스연소장치(Gas Combustion Unit; 71)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 공급받아 연소함으로써 소비한다. 구체적으로 가스연소장치(71)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 증발가스 압축기(50)를 통해 가압하여 공급받아 소비하거나, 기액분리기(61)에서 발생한 플래시가스를 공급받아 소비할 수 있으며 약 1 내지 50bar의 압력으로 가압된 증발가스를 공급받아 처리할 수 있다.
가스연소장치(71)는 그 종류에 따라 공급받는 압력이 변경될 수 있으며, 또한 사용자에 의해 그 연소압력은 자유롭게 조정될 수 있다.
발전엔진(72)은, 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 증발가스 또는 액화가스를 연료로 사용한다. 이때, 발전엔진(72)은, 이종연료추진엔진으로 DFDE 또는 DFDG일 수 있다.
발전엔진(72)은, 약 7~10bar 정도인 저압 증발가스를 사용하며, 액화가스 뿐만 아니라 오일을 연료로 사용할 수 있다. 여기서 발전엔진(72)은 증발가스 압축기(50)의 중간 단에서 분기되어 배출되는 증발가스를 공급받아 구동되거나, 증발가스 압축기(50)에 의해 저압으로 5단 압축된 증발가스를 공급받아 구동될 수 있다.
이러한 발전엔진(72)은, 통상 4행정 엔진(4-stroke engine)이며 중속엔진일 수 있다.
샤프트 제너레이터(80)는, 추진엔진(70)에 의해 구동되는 프로펠러 축(91)에 설치되며, 추진엔진(70)과 결합되어 연동될 수 있으며, 추진엔진(70)으로부터 동력을 얻어 전력을 발생시키고, 전력을 전기설비(도시하지 않음)에 공급할 수 있다.
샤프트 제너레이터(80)는, 추진엔진(70)의 구동에 대해 저항을 주게 되는데, 이 저항으로 선체(2)는 추진엔진(70)에 출력을 증가시키더라도 추진속도가 증가하지 않고 추가로 증발가스(바람직하게는 잉여 증발가스)를 소모할 수 있다.
이와 같은 샤프트 제너레이터(80)에 의해 증발가스가 소모되고 그로 인해 전력이 생산되는 과정을 통해서, 증발가스 소각으로 인한 환경문제의 해결과 잉여 자원의 효율적인 활용이 가능하게 되어 경제적인 선박운용이 가능할 수 있다.
상기 기술한 각 구성들을 바탕으로 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)의 제어를 상세히 설명하도록 한다.
최근에는 선박의 연료로서, 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 사용하여 LNG 운반선 및 컨테이너 운반선 등 다양한 선박의 추진에 사용되고 있다.
액화가스가 액상으로 보관될 때 액화가스 저장탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 액화가스는 기화되어 증발가스(Boiled off Gas)가 생성되는데, 이러한 증발가스는 자연증발가스(Natural Boiled off Gas; NBOG)로 액화가스 처리 시스템에 문제를 일으킬 수 있어, 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비시켜 문제를 해결하고자 하였다.
그러나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있어 이를 해결하기 위해 자연증발가스(NBOG)를 직접 선박 엔진의 구동 연료로 사용하는 방법을 강구하게 되었다.
액화가스가 액화가스 저장탱크에서 자연적으로 증발가스를 생성해내는 비율을 기화율(Boil-Off Rate; BOR)이라하는데, 최초 액화가스 저장탱크는 단열성능이 좋지 않아 BOR이 0.15%에 육박하고 있었고 그에 따라 발생되는 자연증발가스의 양이 상당히 많았다. 이러한 자연증발가스를 선박의 추진연료로 소모시키기 위해서 선박용 엔진으로 스팀엔진(Steam Engine)이 선택되어 사용되어왔다.
이후 점차 선박의 엔진에 대한 기술이 발달함에 따라 고효율의 이종연료추진엔진(DFDE)이 개발되었으며, 이에 저효율의 스팀엔진의 자리에 이종연료추진엔진이 자리잡게 되었다.
이종연료추진엔진은 적은 양의 자연증발가스로도 스팀엔진과 동일한 추진력을 발생시켰고, 이러한 고효율의 연비를 가지는 엔진능력에 비해 기존의 액화가스 저장탱크(BOR 0.15%)에서 발생되는 자연증발가스가 너무 많아 잉여 증발가스를 추진엔진의 연료로도 처리하지 못하게 되었고, 이에 잉여 증발가스는 재액화장치 또는 가스연소장치 등의 장비를 통해 처리하는 등 부가적인 장비가 추가되어 선박의 제조비용 측면에서는 바람직하지 못한 결과를 낳았다.
이에 다시 액화가스 저장탱크의 단열성능에 대한 연구를 진행하여 액화가스 저장탱크의 기화율(BOR)이 0.9%~0.11%까지 줄여 잉여 증발가스의 발생 자체를 줄임으로써 문제를 해결하였다.
선박 엔진의 기술개발은 이종연료추진엔진에서 멈추지 않았다. 지속적인 연구개발로 인해 이종연료추진엔진보다 더 나은 성능의 엔진이 개발되었고 이에 고압가스분사엔진(ME-GI)과 XDF가 탄생하게 되었다.
이러한 고압가스분사엔진과 XDF는 이종연료추진엔진과 같이 고효율의 연비를 가짐과 동시에 선박의 추진속도 또한 증가시켰다. 이는 선박의 성능측면에서는 비약적인 성과를 거두었으나 다시 액화가스 저장탱크의 잉여 증발가스 처리에 대한 과제를 발생시키게 되었다.
이에 GTT사(GazTransport & Technigaz)와 본 출원인은 액화가스 저장탱크의 기화율(BOR)을 약 0.7% 내지 0.8%로 대폭 낮춘 GTT Mark V를 공동 개발함으로써 상기 과제해결의 초석을 다지게 되었다.
이하에서는, 이러한 저기화율을 가지는 액화가스 저장탱크를 액화가스 처리 시스템에 적용함과 동시에 각종 제어 기술에 대해서 기술하도록 한다.
<기본구동>
본 발명의 실시예에서는 저기화율 액화가스 저장탱크(10)를 바탕으로 가스 처리 시스템(1)을 구축하고 있다. 액화가스 저장탱크가 저기화율 액화가스 저장탱크(10)로 구축되므로 자연증발가스(NBOG)의 발생량이 기존대비 적게 발생하며, 이러한 자연 증발가스를 통해 선박이 구현할 수 있는 설계속도를 만선상태의 액화가스에서 발생되는 증발가스를 모두 추진엔진(70)이 소비할 경우 선박의 추진속도이며 약 16Knots일 수 있다. 그러나 이러한 저기화율의 액화가스 저장탱크(10)가 구축된 가스 처리 시스템(1)에서도 선박이 상기 선박의 설계속도로 진행하고 있음에도 NBOG가 더욱 발생하게 되어 잉여 증발가스가 발생할 수 있다. 이에 본 발명에서는, 선박의 최고속도(Design Speed; 보통 19.5Knots)를 통해 이를 소모시키도록 하고 있다. 이와 같은 본 발명의 가스 처리 시스템(1)은, 선박의 최고속도와 약 3.5knot의 마진(margine; 선속을 통한 잉여 증발가스의 관리 용이 척도)을 생산할 수 있다. 즉, 마진이 클수록 별도의 증발가스 처리장치가 없이도 잉여 증발가스를 처리 할 수 있는 능력이 커진다는 것을 의미한다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)의 구동 매커니즘을 예를 들어 설명하자면, 먼저, 기본적으로 저기화율 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스를 증발가스 압축기(50)를 통해서 가압하여 추진엔진(70) 또는 발전엔진(72)으로 공급하여 소비함으로써 선박이 설계속도를 실현하도록 구동된다.
이후 선박이 설계속도를 넘어 추가적인 속도의 발현이 필요한 경우, 본 발명에서는 저기화율 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 부스팅 펌프(20)를 통해 1 내지 25bar 로 가압한 후 강제기화기(30)로 기화하여 추진엔진(70)으로 공급할 수 있으며(추진엔진(70)이 XDF엔진인 경우), 또는 부스팅 펌프(20)를 통해 가압된 액화가스를 고압 펌프(21)로 추가 가압하여 200 내지 400bar로 가압한 후 열교환기(40)로 가열하여 추진엔진(70)으로 공급(추진엔진(70)이 MEGI엔진인 경우)할 수 있다.
<축압제어>
상기와 같은 기본 구동에서, 저기화율 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스에 잉여 증발가스가 존재하는 경우, 본 발명에서는, 저기화율 액화가스 저장탱크(10) 내에 그대로 축압하도록 제어할 수 있다. 이때, 저기화율 액화가스 저장탱크(10)는 탱크의 내압이 약 0.25bar 가 될 때까지 축압이 가능하다.
<선속제어>
또는, 상기와 같은 기본 구동에서, 저기화율 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스에 잉여 증발가스가 존재하는 경우, 본 발명에서는, 최고속도(Design Speed)까지 선속을 높여 처리하는 구동으로 제어할 수 있다.
본 발명에서는, 저기화율 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스에 잉여 증발가스가 존재하는 경우, 상기와 같이 축압 제어 또는 선속제어 각각 개별적으로 잉여 증발가스를 처리할 수 있으나, 외부적인 상황이 변동됨에 따라 추가적인 열유입으로 잉여 증발가스가 예측불가능할 정도로 증가하는 경우에는 두 제어를 조합하여 사용할 수 있음은 물론이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에서는, 축압제어 또는 선속제어를 통해서 잉여 증발가스를 처리하기 위해, 별도의 재액화장치 또는 가스연소장치가 불필요하게됨으로써, 시스템 구축비용이 절감되고 선박의 공간활용도가 비약적으로 향상하는 효과가 있다.
상기 기술한 선속 제어에서 부가적으로 선속 상한선을 설정하여 제어할 수 있다. 이 경우에는 가스 처리 시스템(1)에 가스연소장치(71) 및 샤프트 제너레이터(80)가 추가적으로 구축된다.
구체적으로, 본 발명에서는, 먼저 선박의 항해 시스템(Navigating System)에서 선속 상한선을 설정한다. 이후 선박은 기본 구동을 통해 가스 처리 시스템(1)을 구현하며, 이후 잉여 증발가스가 발생시 설계속도이상 선속 상한선 이하로 선속을 가변시켜 잉여 증발가스를 통제할 수 있다.
다만, 선속 상한선 이상의 잉여 증발가스가 발생하는 경우에는 선박의 속도를 더이상 증가시키지 않고 가스연소장치(71)를 통해 잉여 증발가스를 소비하거나, 샤프트 제너레이터(80)를 가동하여 잉여 증발가스를 소비하도록 제어할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에서는, 잉여 증발가스를 선속의 가변으로 통제함과 동시에 선속이 지나치게 높아져 발생할 수 있는 충돌, 경로이탈 등의 문제를 해소할 수있는 효과가 있다.
<발전엔진(72)제어>
상기 기술한 항해제어에서 샤프트 제너레이터(80)를 제어하는 경우, 발전엔진(72)을 추가 제어할 수 있다.
발전엔진(72)은 저기화율 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스 또는 저장된 액화가스를 공급받아 소비하게 된다. 발전엔진(72)에 추가적인 연료의 공급이 필요한 경우에 액화가스가 공급되는 것은 문제되지 않으나, 상기 항해 제어에서와 같이 샤프트 제너레이터(80)가 가동되는 경우에도 발전엔진(72)에 액화가스가 공급되는 것은 액화가스의 불필요한 투입이 발생하게된다.
따라서, 본 발명에서는, 샤프트 제너레이터(80)가 가동되는 경우에는 샤프트 제너레이터(80)를 통해서 전력의 공급이 이루어지므로, 샤프트 제너레이터(80)가 작동시 4개의 발전엔진(72) 중 적어도 일부(바람직하게는 발전엔진(72)이 2 개만 구동)의 구동을 중단할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는, 발전엔진(72)의 제어를 통해 잉여 증발가스의 효율적인 사용을 최적화할 수 있으며, 이를 통해 최초 발전엔진(72) 탑재시 2개만 선박에 장착할 수 있어 선박 건조 비용을 최소화할 수 있어 비용 절감의 효과가 발생한다.
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.
또한, 상기 기술한 제어를 위해 본 발명에서는 별도의 제어부가 구비될 수 있으며, 상기 제어부는 각 라인들(L1~L4) 상에 구비되는 밸브(도시하지 않음) 또는 액화가스 저장탱크(10)에 구비되는 밸브 또는 각종 장치들과 연결되어 조작함으로써 상기 제어를 구현할 수 있다.
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 2: 선체
10: 액화가스 저장탱크 20: 부스팅 펌프
21: 고압 펌프 30: 강제기화기
40: 열교환기 50: 증발가스 압축기
50a: 왕복동형 증발가스 압축기 50b: 원심형 증발가스 압축기
70: 추진엔진 70a: MEGI 엔진
70b: XDF 엔진 71: 가스연소장치(GCU)
72: 발전엔진 80: 샤프트 제너레이터
90: 프로펠러 91: 프로펠러 축
L1: 증발가스 공급라인 L2: 액화가스 공급라인
L3: 증발가스 제1 분기라인 L4: 증발가스 제2 분기라인

Claims (5)

  1. 프로펠러에 직접 동력을 전달하는 엔진을 탑재한 LNG 운반선에 있어서,
    액화가스를 저장하며 일일기화율(BOR)이 0.08%/day 이하를 갖도록 단열이 이루어지는 액화가스 저장탱크; 및
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하는 증발가스 압축기를 포함하고,
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 상기 엔진에서 요구하는 증발가스량보다 많은 경우, 상기 액화가스 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크의 외부로 배출하지 않고 축적함으로써 축압하여, 상기 증발가스를 액화시키는 재액화장치를 구비하지 않으며,
    상기 액화가스 저장탱크는, 내압이 설계압력인 0.25bar가 될 때까지 증발가스를 상기 증발가스의 외부로 배출하지 않고 축압하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 엔진이 소비하는 증발가스의 양은,
    상기 LNG 운반선이 16.5Knots 내지 17.5Knots로 추진되기 위해 필요한 증발가스의 양인 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 소비하는 가스연소장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진은, 고압가스 분사엔진(MEGI)이며,
    상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인;
    상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인;
    상기 액화가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하는 부스팅 펌프;
    상기 액화가스 공급라인 상에 구비되며 상기 부스팅 펌프로부터 공급받은 액화가스를 고압으로 가압하는 고압 펌프; 및
    상기 고압 펌프로부터 공급받은 액화가스를 가열하는 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진은, 저압가스 분사엔진(XDF)이며,
    상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인;
    상기 액화가스 저장탱크와 상기 엔진을 연결하며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인;
    상기 액화가스 공급라인 상에 구비되며, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하는 부스팅 펌프; 및
    상기 부스팅 펌프로부터 공급받은 액화가스를 기화시키는 강제기화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
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