KR20220045595A - 액체화물 운반선의 연료공급시스템 및 방법 - Google Patents

액체화물 운반선의 연료공급시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

액체화물 운반선의 연료공급시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 액체화물 운반선의 연료공급시스템은, 선박의 데크에 마련된 연료공급탱크로부터 선내 엔진으로 액화가스가 공급되는 연료공급라인; 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 액화가스를 압축하여 공급하는 압축부; 상기 연료공급라인에서 상기 압축부의 후단에 마련되며 압축된 상기 액화가스를 상기 엔진에서 필요한 연료 공급 온도로 가열하는 히터: 및 상기 선박으로 운송될 액체화물을 저장하는 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시켜 상기 엔진으로 공급하는 휘발성유기화합물공급라인:을 포함하되, 상기 휘발성유기화합물은 상기 히터로부터 상기 압축부에서 압축된 액화가스의 냉열을 공급받아 냉각되어 액화되는 것을 특징으로 한다.

Description

액체화물 운반선의 연료공급시스템 및 방법{Fuel Supplying System And Method For Liquefied Cargo Carrier}
본 발명은 액체화물 운반선의 연료공급시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LPG와 같은 액화가스를 연료로 사용하는 선박에서 엔진으로 초과공급되어 남은 액화가스를 회수하여 재순환시키면서, 엔진으로 효과적으로 연료를 공급할 수 있는 액체화물 운반선의 연료공급시스템 및 방법에 관한 것이다.
LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있다. 액화가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는, 액화된 상태로 액화가스 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. LNG나 LPG 등의 액화가스는 천연가스 혹은 석유가스를 극저온(LNG의 경우 대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭 감소하므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
석유가스의 액화 온도는 상압 약 -42℃의 저온이고, 18 bar에서는 약 45℃의 온도까지, 7 bar에서는 20℃까지 액체 상태로 저장가능하다. LPG는 상압 -42℃보다 높으면 증발되므로, 선박의 LPG 저장탱크에는 단열처리가 되어있다. 그러나 외부의 열이 지속적으로 LPG에 전달되므로, LPG 수송 과정에서 LPG 저장탱크 내에서 지속적으로 LPG가 기화되어 LPG 저장탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.
LPG 운반선에서는 LPG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LPG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하므로, LPG 저장탱크에 내압구조를 갖추는 한편 탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위해 증발가스 재액화 장치를 사용한다.
한편, 종래의 LPG 운반선 등에는 선박의 추진 연료로서 상대적으로 가격이 저렴한 벙커C유 등의 중유를 사용하는 연료 공급 시스템을 채용하고 있는데, 이러한 중유 연료 공급 시스템은 중유 연료 사용에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 강화로 황 성분이 적은 중유 연료 탱크(LSHFO tank)를 별도로 설치해야 했고, 국제적인 환경규제 기준에 적합한 친환경적인 연료 공급 시스템의 요구가 커졌다.
최근에는 LPG 또는 LNG 운반선에서 LPG 또는 LNG 및 그로부터 발생하는 증발가스를 추진 연료로 사용하는 연료공급시스템의 적용이 늘어나고 있고, 국제적인 배기가스 배출규제 강화에 따라 LPG 또는 LNG 운반선 외에 일반 선박에서도 LNG 등을 추진 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있다.
특히 LPG는 극저온에서 액화되는 LNG보다 저장이 용이하고 기존 HFO에 견주어 SPECIFIC ENERGY와 ENERGY DENSITY에서 크게 떨어지지 않으면서 기존 HFO 대비 SOX, NOX, CO2, PM등의 절감 효과가 탁월한 장점이 있다.
LPG를 연료로 사용하는 선박에서 엔진에 연료로 공급될 LPG는 연료공급탱크로부터 압축용 펌프, 히터 등을 포함하는 연료공급부(Fuel Supply System)를 거치면서 엔진의 연료공급조건에 맞추어 선박의 엔진에 공급된다.
비압축성 유체인 LPG는 엔진의 로드 변화에 즉각 대응할 수 있도록 엔진에서 필요로 하는 연료보다 초과공급될 수 있으며, 초과공급되어 연료로 소비되고 남는 LPG나 엔진 로드 변화에 따른 연료소모율 변화로 남는 LPG, 엔진 정지 시 엔진 및 배관에 잔류하는 LPG는 엔진의 상류로 회수된다.
그런데, 회수되는 LPG를 그대로 배출시켜 태워 없애면 연료를 낭비하는 문제가 있고, 이를 카고 탱크로 보내면 엔진에서 유입된 윤활유(sealing oil)로 인한 LPG 화물의 오염 우려가 있다. 또한, 회수되는 LPG를 엔진의 연료공급조건에 맞추어 압축 및 가열되어 고온 고압 상태이므로 이를 연료공급탱크로 보내면 탱크 내 압력 및 온도를 높이는 문제가 있다.
한편, 초대형원유운반선(Very Large Crude-Oil Carrier, VLCC)과 같은 선박에서는 운항 시 액체화물로부터 계속해서 다량의 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)이 발생한다. 이러한 VOC는 대기중에서 질소산화물과 광화학 반응하여 오존 등 광화학스모그의 원인이 되는 물질을 생성할 수 있고, 벤젠 등과 같이 인체에 유해한 발암 물질을 포함하고 있어, 이를 처리할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 이러한 문제들을 해결하여, 선박에서 발생하는 VOC와 엔진에서 회수되는 LPG를 효과적으로 처리하면서 엔진에 연료를 공급할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 데크에 마련된 연료공급탱크로부터 선내 엔진으로 액화가스가 공급되는 연료공급라인;
상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 액화가스를 압축하여 공급하는 압축부;
상기 연료공급라인에서 상기 압축부의 후단에 마련되며 압축된 상기 액화가스를 상기 엔진에서 필요한 연료 공급 온도로 가열하는 히터: 및
상기 선박으로 운송될 액체화물을 저장하는 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시켜 상기 엔진으로 공급하는 휘발성유기화합물공급라인:을 포함하되,
상기 휘발성유기화합물은 상기 히터로부터 상기 압축부에서 압축된 액화가스의 냉열을 공급받아 냉각되어 액화되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템이 제공된다.
바람직하게는 상기 휘발성유기화합물공급라인에는, 상기 카고탱크로부터 발생하는 상기 휘발성유기화합물을 이송하는 이송장치; 상기 이송장치에서 이송된 상기 휘발성유기화합물을 냉각하여 액화하는 액화기; 및 상기 액화기에서 액화된 휘발성유기화합물(Liquified Volatile Organic Compounds, LVOC)을 펌핑하여 상기 연료공급라인의 히터 하류로 공급하는 압축장치:가 마련될 수 있다.
바람직하게는, 상기 히터에서 상기 액화가스를 가열하고 배출된 냉매는 상기 액화기로 공급되어 상기 휘발성유기화합물에 냉열을 전달하며 가열된 후 상기 히터로 순환될 수 있다.
바람직하게는 상기 압축부는, 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 공급될 액화가스를 이송하는 이송펌프; 및 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 액화가스를 상기 엔진에 필요한 압력으로 압축하는 압축펌프;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 액화가스 중 엔진에서 소비되지 않은 액화가스를 상기 엔진의 상류로 재순환시키는 리턴라인; 상기 리턴라인에 마련되며 재순환되는 상기 액화가스를 공급받아 기액분리하는 세퍼레이터; 및 상기 세퍼레이터에서 분리된 액상의 액화가스를 상기 이송펌프와 압축펌프 사이의 상기 연료공급라인으로 공급하는 리퀴드라인;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 리턴라인은, 상기 엔진으로부터 상기 세퍼레이터로 연결되는 제1 리턴라인; 및 상기 압축펌프 후단의 연료공급라인으로부터 상기 세퍼레이터로 연결되는 제2 리턴라인:을 포함하고, 상기 제1 리턴라인에 마련되어 상기 엔진으로부터 회수되는 액화가스를 감압하는 제1 감압장치; 및 상기 제2 리턴라인에 마련되는 제2 감압장치:를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 세퍼레이터에서 분리된 기체를 상기 연료공급탱크로 회수하는 베이퍼라인:을 더 포함하며, 상기 베이퍼라인을 통해 상기 연료공급탱크로 배출되는 기체의 양을 조절하여, 상기 세퍼레이터의 압력을 상기 이송펌프의 후단 압력보다 높게 유지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급탱크로 공급될 액화가스를 저장하는 연료탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 재액화하는 재액화부; 및 상기 재액화부로부터 상기 연료공급탱크로 연결되는 냉각라인:을 더 포함하며, 상기 재액화부에서 재액화된 액화가스는 상기 냉각라인을 따라 상기 연료공급탱크를 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 데크에 마련된 연료공급탱크로부터 연료공급라인을 따라 액화가스를 압축부로 압축하고 선내 엔진에서 필요한 연료 공급 온도로 히터에서 가열하여 연료로 공급하고,
상기 선박으로 운송될 액체화물을 저장하는 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시켜 상기 엔진으로 공급하되,
상기 휘발성유기화합물은 상기 히터로부터 상기 압축부에서 압축된 액화가스의 냉열을 공급받아 냉각되어 액화되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 히터에서 상기 액화가스를 가열하고 배출된 냉매는 상기 휘발성유기화합물에 냉열을 전달하며 가열된 후 상기 히터로 순환될 수 있다.
바람직하게는 상기 압축부는, 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 공급될 액화가스를 이송하는 이송펌프; 및 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 액화가스를 상기 엔진에 필요한 압력으로 압축하는 압축펌프:를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진에서 소비되지 않은 액화가스를 리턴라인을 따라 상기 엔진의 상류로 재순환시키되, 리턴라인에 세퍼레이터를 마련하여 재순환 액화가스를 기액분리하고, 상기 세퍼레이터에서 분리된 액상의 액화가스를 상기 이송펌프 후단의 연료공급라인으로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진에서 소비되지 않고 상기 리턴라인을 따라 재순환될 액화가스는 감압으로 냉각된 후 상기 세퍼레이터에서 기액분리될 수 있다.
본 발명에서는 엔진으로 연료 공급을 위해 압축된 액화가스 중 엔진에서 소비되지 않은 액화가스를 리턴라인을 통해 재순환시키되, 리턴라인에 세퍼레이터를 구비하여 리턴라인을 통해 회수되는 액화가스를 기액분리하고, 세퍼레이터의 압력을 조절하여 세퍼레이터로부터 액상의 액화가스만을 연료공급라인으로 재순환시킨다. 이와 같이 엔진으로 초과공급되어 연료로 소비되고 남은 액화가스를 적절히 연료공급라인으로 재순환시키면서, 연료에 윤활유가 혼입되는 것을 방지하여 엔진의 불완전 연소 및 그로 인한 배기 내 오염 물질 생성을 방지할 수 있고, 윤활유(sealing oil)로 인한 연료공급탱크 내 LPG 오염 및 윤활유의 결정화를 막을 수 있다.
또한, 리턴라인에 감압부를 마련하여 재순환되는 액화가스를 냉각시키고 기액분리하여, 연료공급탱크로부터 이송펌프를 거쳐 공급되는 과냉각(subcooled) LPG와 함께 압축펌프로 도입시킴으로써, 압축펌프 흡입부(suction)에서 베이퍼(vapor) 발생 위험을 낮추어 이를 제거하기 위한 별도의 장비를 설치하지 않고도 펌프의 장치 이상을 방지할 수 있다.
특히, 카고탱크에서 발생하는 휘발성유기화합물을, 엔진의 연료로 공급되는 액화가스의 냉열로 액화하고, 액화된 휘발성유기화합물(LVOC)을 액화가스와 함께 엔진의 연료로 공급하여 처리함으로써, VOC를 효과적으로 처리하면서 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 기본 실시예에 따른 액체화물 운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 기본 실시예를 개선한 본 발명의 확장 실시예에 따른 액체화물 운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
후술하는 본 발명의 실시예에서 선박은, 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 액화가스를 사용할 수 있는 엔진이 설치되고 선적된 액체화물로부터 VOC(Volatile Organic Compounds, 휘발성유기화합물)가 발생하는 모든 종류의 선박일 수 있다. 대표적으로 원유운반선, 초대형원유운반선(Very Large Crude-Oil Carrier, VLCC)을 예로 들 수 있다.
또한, 본 실시예는 저온으로 액화시켜 수송될 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하며 엔진의 연료로 공급될 수 있는 모든 종류의 액화가스의 연료공급시스템에 적용될 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스 및 암모니아 등일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스 중 하나인 LPG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 기본 실시예에 따른 액체화물 운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 2에는 기본 실시예를 개선한 본 발명의 확장 실시예에 따른 액체화물 운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예들의 연료공급시스템은, 선박의 데크에 마련된 연료공급탱크(DT)로부터 선내 엔진(E)으로 액화가스가 공급되는 연료공급라인(SL)과, 연료공급라인에 마련되며 엔진으로 액화가스를 압축하여 공급하는 압축부(100)를 포함하고, 압축부(100)는 연료공급탱크로부터 엔진으로 공급될 액화가스를 이송하는 이송펌프(100a), 연료공급라인에 마련되며 액화가스를 엔진에 필요한 압력으로 압축하는 압축펌프(100b)를 포함하여 구성된다.
액화가스 중 엔진에서 소비되지 않은 액화가스를 엔진의 상류로 재순환시키는 리턴라인(RL1, RL2)이 마련되며, 리턴라인에는 재순환되는 액화가스를 공급받아 기액분리하는 세퍼레이터(200)가 마련된다. 세퍼레이터에서 분리된 액상의 액화가스는 리퀴드라인(LL)을 따라 연료공급라인의 이송펌프 후단으로 공급되고, 세퍼레이터에서 분리된 기체는 베이퍼라인(GL)을 통해 연료공급탱크(DT)로 회수될 수 있다.
리턴라인에서 세퍼레이터의 상류에는 재순환되는 액화가스를 감압하는 감압부가 마련되고, 세퍼레이터로부터 연료공급탱크로 연결된 베이퍼라인에는 연료공급탱크(DT)로 이송되는 기체를 조절하기 위한 밸브가 마련된다. 세퍼레이터에서 분리되어 재순환될 액화가스가 공급되는 연료공급라인의 이송펌프 후단 압력을 감지하여, 감지된 압력에 따라 베이퍼라인의 밸브를 제어하여, 세퍼레이터의 압력을 연료공급라인에서 감지된 압력보다 높게 유지할 수 있다.
본 실시예 시스템에서 엔진으로의 연료 공급 과정을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같이 이루어진다.
연료공급탱크로부터 엔진으로의 연료 공급은, 액화가스를 펌핑하여 이송하는 이송펌프(100a)와, 이송된 액화가스를 펌핑하여 상기 엔진에서 필요한 압력으로 승압하는 압축펌프(100b)를 포함하는 두 개의 펌프에 의해 이루어진다.
이송펌프(100a)는 액화가스를 이송하기 위한 저압 펌프이고, 압축펌프(100b)는 엔진에서 요구하는 연료공급압력으로 압축하는 고압 펌프이며, 이송펌프 및 압축펌프를 거친 액화가스는 압축펌프 후단에 마련된 히터(110)에서 엔진에서 필요로 하는 온도로 가열되어 엔진으로 공급된다.
연료공급라인에서 압축펌프 및 히터를 거쳐 압축 및 가열된 액화가스는 연료 중의 이물질을 걸러주는 필터(120)와 서비스밸브부(SVT)를 거쳐 엔진(E)으로 공급된다. 서비스밸브부에서는 엔진으로 LPG를 공급하면서 엔진의 연료유 전환이나 LPG 모드 정지, 트립 등으로 LPG 연료 공급이 중단될 때 밸브를 통해 각 배관을 이중 차단하며 배관 내 압력을 해소한다.
이러한 압축 및 가열된 LPG를 연료로 공급받는 엔진은 일 예로 MAN Diesel & Turbo사(社)의 ME-LGIP 엔진일 수 있다. 이 경우 LPG는 압축부 및 히터를 거쳐 50±2 bar, 35℃ 내외의 고압 액체 상태로 엔진에 공급되며, 엔진에서 유압으로 600 내지 700 bar의 압력으로 노즐에 분사되어 엔진이 가동된다.
즉, 본 실시예의 엔진에서는 압축 및 가열된 연료가 액체 상태로 엔진으로 공급되는데, 압력 변화에 따라 부피변화가 큰 압축성 유체, 즉 가스 연료가 공급되는 엔진과는 달리, 압력을 가하여도 부피의 변화가 없거나 적은 비압축성 유체, 액체 상태의 LPG가 엔진 연료로 공급되는 경우 엔진의 부하 변동에도 충분한 연료를 공급하여 즉각적으로 대응하며 캐비테이션을 방지하기 위해서 과잉의 LPG를 엔진으로 공급한다. 엔진에 공급된 LPG 중 연료로 소비되고 남은 LPG는 엔진에서 리턴라인을 통해 배출하여 재순환시키는데, 압축 및 가열된 LPG를 그대로 재순환시키거나 연료공급탱크로 보내면 압축펌프 흡입부(suction)에서 베이퍼(vapor) 발생 위험이 있고, 연료공급탱크 내 압력 및 온도를 상승시켜 탱크 및 선박 안전에 위협이 될 수 있다.
본 실시예에서는 이러한 문제의 해결을 위해 리턴라인에 액화가스를 감압하는 감압부(210a, 210b)를 마련하여, 엔진으로부터 배출되는 액화가스를 감압하여 재순환될 수 있도록 구성한다. 압축된 액화가스는 감압 과정에서 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창하면서 줄-톰슨 효과에 의해 냉각된다.
엔진(E)으로부터 리턴라인(RL1)을 통해 재순환되는 압축된 액화가스는 감압부(210a)를 거쳐 감압되며 냉각되어 세퍼레이터(200)로 도입되어 기액분리되고, 세퍼레이터에서 분리된 액상의 액화가스는 리퀴드라인(LL)을 통해 이송펌프(100a)와 압축펌프(100b) 사이의 연료공급라인(SL)으로 공급되어 재순환되며, 세퍼레이터에서 분리된 기체는 베이퍼라인(GL)을 통해 연료공급탱크(DT)로 회수된다.
본 실시예에서는 감압을 통해 냉각된 액화가스가 세퍼레이터로 도입되고, 기액분리 후 액상의 액화가스가 연료공급탱크로부터 이송펌프를 거쳐 공급되는 과냉각(subcooled) LPG와 함께 압축펌프(100b)로 도입되므로, 압축펌프 흡입부에서의 베이퍼 발생 위험을 낮춰 베이퍼 제거를 위한 별도의 장치를 구성하지 않을 수 있다.
또한, 재순환되는 액화가스의 온도가 높은 경우에는 엔진의 연료 요구 조건에 맞추기 위해 가열장치와 함께 냉각장치도 갖추어야 하지만, 본 실시예에서는 감압부를 거쳐 재순환 액화가스가 냉각되고, 세퍼레이터를 통해 감압된 재순환 액화가스 중의 기체는 연료공급탱크로 회수되어, 압축펌프로 흡입되는 고온의 재순환 액화가스의 질량유량(mass flow)를 줄여, 추가 냉각없이도 적절한 온도의 연료를 엔진으로 공급할 수 있어, 가열기능을 갖춘 히터만 구비되어도 되므로 장치 비용을 절감할 수 있고, 운전이 용이하다.
한편 리턴라인은, 엔진(E)으로부터 세퍼레이터(200)로 연결되는 제1 리턴라인(RL1)과, 상기 압축펌프(100b)와 히터(110) 사이의 연료공급라인(SL)으로부터 세퍼레이터(200)로 연결되는 제2 리턴라인(RL2)을 포함한다. 또한 감압부는, 제1 리턴라인에 마련되는 제1 감압장치(210a)와, 제2 리턴라인에 마련되는 제2 감압장치(210b)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 및 제2 감압장치는 압축된 액화가스를 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창시켜 냉각하는 팽창기 또는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브로 구성될 수 있다.
제1 리턴라인의 제1 감압장치 상류에는 리턴밸브부(RVT) 및 필터(220)가 마련되어, 엔진으로부터 배출되는 액화가스는 리턴밸브부 및 필터를 거쳐 제1 감압장치로 도입된다. 필터에서는 엔진에서 배출되는 액화가스에 혼입된 윤활유 등을 걸러낼 수 있다.
제1 리턴라인 및 제1 감압장치는 엔진에서 배출되는 액화가스를, 제2 리턴라인 및 제2 감압장치는 압축펌프에서 엔진의 연료 공급 압력으로 압축된 액화가스를 히터 상류로부터 감압하여 세퍼레이터로 이송한다.
이를 통해 엔진의 LPG 모드 정지 시나 트립 등 LPG 연료 공급이 중단될 때 엔진 및 연료공급라인에 잔존하는 LPG도 감압으로 냉각하여 세퍼레이터로 이송할 수 있다. LPG 연료 공급 중단 시에는 세퍼레이터로부터 LPG를 연료공급라인으로 재순환시킬 필요가 없으므로 이를 연료공급탱크로 보낼 수 있고, 이를 위해 세퍼레이터로부터 연료공급탱크로 이송라인(미도시)이 마련될 수 있다.
세퍼레이터(200)에서 분리된 액체는 리퀴드라인(LL)을 따라 압축펌프 전단으로 공급되어, 연료공급탱크에서 이송펌프를 거쳐 공급되는 액화가스와 함께 압축펌프에서 펌핑되어 엔진으로 재순환된다.
세퍼레이터에서 분리된 액상의 재순환가스를 이송펌프 후단, 압축펌프 전단으로 원활하게 이송하기 위해 세퍼레이터의 압력을 조절할 수 있다. 연료공급탱크의 운전압력 범위는 1 내지 8 barg인데, 운전압력을 4 barg로 가정하면, 이송펌프의 디퍼렌셜(Differential) 압력은 약 2 bar, 이송펌프 후단 압력은 6 barg 내외이고, 세퍼레이터(200)의 운전압력은 이송펌프 후단 압력보다 약 0.5 내지 2 bar, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1 bar 높게 유지할 수 있다. 이송펌프 후단의 압력을 감지하고, 감지된 압력에 따라 베이퍼라인(GL)의 밸브를 제어하여 세퍼레이터의 압력을 이송펌프 후단의 압력보다 높게 유지함으로써, 세퍼레이터에서 분리된 액상의 재순환가스가 이송펌프 후단으로 원활하게 이송될 수 있다.
엔진에서의 로드 변화로 연료 소모량이 변화하여 압축펌프의 후단 압력이 변할 때는 압축펌프의 VFD를 조절하여 펌프 스피드를 낮추거나, 제2 리턴라인의 제2 감압장치(210b)를 열어 압력을 낮출 수 있다.
본 실시예의 선박에는 데크에 마련된 연료공급탱크(DT)로 연료를 추가 공급할 수 있는 연료탱크(FT)가 마련된다. 또한, 연료탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 재액화시킬 수 있는 재액화부(RS)가 마련될 수 있다.
재액화부(RS)로부터 연료공급탱크(DT)로 연결되는 냉각라인(CL)이 마련되어, 재액화부에서 재액화된 액화가스는 상기 냉각라인을 따라 연료공급탱크를 냉각시킬 수 있다. 연료공급탱크를 냉각시킨 재액화가스는 다시 재액화부(RS)를 거친 후 연료탱크로 이송되거나 그대로 연료탱크로 이송되어 재저장된다.
즉, 연료공급탱크는 LPG를 8barg 이하 압력으로 저장하면서 선내 엔진으로 연료를 공급하는데, 선박에서 데크(deck) 상에 마련되므로 외기에 의해서나, 세퍼레이터로부터 도입되는 가스 등에 의해 탱크 내 온도가 높아지고 압력이 상승할 수 있는데, 본 실시예에서는 연료탱크에서 발생한 증발가스를 재액화부(RS)에서 재액화시킨 후 이를 연료공급탱크(DT)를 거쳐 회수되도록 함으로써, 재액화된 액화가스의 냉열을 이용해 연료공급탱크를 냉각하여 이러한 문제를 해결할 수 있다.
도 2에는 기본 실시예를 개선한 본 발명의 확장 실시예에 따른 액체화물 운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 2에 도시된 확장 실시예의 연료공급시스템은, 선박이 원유운반선이나 초대형원유운반선(Very Large Crude-Oil Carrier, VLCC)과 같이, 카고탱크에 저장된 액체화물로부터 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)이 발생하는 선박인 경우에, VOC를 처리할 수 있도록 일부 구성을 추가한 것이다.
특히, 도 2에 도시된 바와 같이 선박으로 운송될 액체화물이 저장된 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(VOC)을 액화시켜 엔진으로 공급하는 휘발성유기화합물공급라인(VL)을 마련하고, 엔진에 연료로 공급하여 처리할 수 있도록 한 것이 특징이며, 휘발성유기화합물을 액화시키기 위한 냉열은 연료공급라인의 액화가스로부터 공급받을 수 있도록 하였다.
이를 위해, 휘발성유기화합물공급라인에는, 카고탱크로부터 발생하는 상기 휘발성유기화합물을 이송하는 이송장치(300), 이송장치에서 이송된 상기 휘발성유기화합물을 냉각하여 액화하는 액화기(310), 액화기에서 액화된 휘발성유기화합물(Liquified Volatile Organic Compounds, LVOC)을 펌핑하여 상기 연료공급라인의 히터 하류로 공급하는 압축장치(330)가 마련된다.
연료공급라인의 히터에서 액화가스를 가열하고 배출된 냉매를 액화기로 공급하여 휘발성유기화합물에 냉열을 전달한 후 히터로 순환시키기 위해, 히터(110)와 액화기(310)를 순환하는 냉매순환라인(ML)이 마련된다.
카고탱크(CT)에서 발생하는 VOC는 30 ℃, 0.5 barg 내외의 기체 상태이다. 운전압력이 8 barg 이하인 연료공급탱크로부터 발생하는 저온의 LPG는 압축부 및 히터를 거쳐 50±2 bar, 35℃ 내외의 고압 액체 상태로 엔진에 공급된다. 본 확장 실시예에서는, 냉매순환라인(ML)을 구성하여 히터(110)에서 LPG와 열교환된 냉매를 액화기(310)로 공급하여 VOC와 열교환하게 한 후 다시 히터(110)로 순환시켜, 히터에서 연료로 공급될 LPG를 가열하기 위한 열원을 카고탱크에서 발생하는 VOC로부터 전부 또는 일부를 공급받을 수 있도록 한다.
VOC는 액화기(310)로 공급된 냉매로부터 LPG의 냉열을 흡수하여 15℃ 내외로 냉각되며 상변화하여 액화되고, 필터(320)를 거쳐 압축장치(330)에서 압축된 후 연료공급라인(SL)의 필터(120) 후단으로 합류되어 압축 및 가열된 LPG와 함께 엔진에 연료로 공급된다. 이처럼 냉매순환라인을 통해 히터와 액화기에 냉매를 순환시킴으로써, VOC의 열에너지와 LPG의 냉열을 효과적으로 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있다.
본 실시예의 엔진은 LVOC와 LPG를 연료로 공급받을 수 있는 엔진으로, 예를 들어 ME-LGIP 엔진일 수 있다. 이와 같이 액체화물에서 발생하는 VOC를 연료로 활용함으로써, 선박에서 필요한 LPG 연료의 양을 줄여 비용을 절감할 수 있으며, 광화학 스모그를 유발시키고 인체에 유해한 성분을 포함하는 VOC를 효과적으로 처리하여 대기 중에 그대로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
E: 엔진
DT: 연료공급탱크
FT: 연료탱크
CT: 카고탱크
SL: 연료공급라인
VL: 휘발성유기화합물공급라인
RL1: 제1 리턴라인
RL2: 제2 리턴라인
SVT: 서비스밸브부
RVT: 리턴밸브부
RS: 재액화부
CL: 냉각라인
100a: 이송펌프
100b: 압축펌프
110: 히터
120, 220: 필터
200: 세퍼레이터
210a: 제1 감압장치
210b: 제2 감압장치
300: 이송장치
310: 액화기
320: 필터
330: 압축장치

Claims (13)

  1. 선박의 데크에 마련된 연료공급탱크로부터 선내 엔진으로 액화가스가 공급되는 연료공급라인;
    상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 액화가스를 압축하여 공급하는 압축부;
    상기 연료공급라인에서 상기 압축부의 후단에 마련되며 압축된 상기 액화가스를 상기 엔진에서 필요한 연료 공급 온도로 가열하는 히터: 및
    상기 선박으로 운송될 액체화물을 저장하는 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시켜 상기 엔진으로 공급하는 휘발성유기화합물공급라인:을 포함하되,
    상기 휘발성유기화합물은 상기 히터로부터 상기 압축부에서 압축된 액화가스의 냉열을 공급받아 냉각되어 액화되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 휘발성유기화합물공급라인에는
    상기 카고탱크로부터 발생하는 상기 휘발성유기화합물을 이송하는 이송장치;
    상기 이송장치에서 이송된 상기 휘발성유기화합물을 냉각하여 액화하는 액화기; 및
    상기 액화기에서 액화된 휘발성유기화합물(Liquified Volatile Organic Compounds, LVOC)을 펌핑하여 상기 연료공급라인의 히터 하류로 공급하는 압축장치:가 마련되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 히터에서 상기 액화가스를 가열하고 배출된 냉매는 상기 액화기로 공급되어 상기 휘발성유기화합물에 냉열을 전달하며 가열된 후 상기 히터로 순환되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 압축부는
    상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 공급될 액화가스를 이송하는 이송펌프; 및
    상기 연료공급라인에 마련되며 상기 액화가스를 상기 엔진에 필요한 압력으로 압축하는 압축펌프;를 포함하는, 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 액화가스 중 엔진에서 소비되지 않은 액화가스를 상기 엔진의 상류로 재순환시키는 리턴라인;
    상기 리턴라인에 마련되며 재순환되는 상기 액화가스를 공급받아 기액분리하는 세퍼레이터; 및
    상기 세퍼레이터에서 분리된 액상의 액화가스를 상기 이송펌프와 압축펌프 사이의 상기 연료공급라인으로 공급하는 리퀴드라인;을 더 포함하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  6. 제 5항에 있어서
    상기 리턴라인은, 상기 엔진으로부터 상기 세퍼레이터로 연결되는 제1 리턴라인; 및 상기 압축펌프 후단의 연료공급라인으로부터 상기 세퍼레이터로 연결되는 제2 리턴라인:을 포함하고,
    상기 제1 리턴라인에 마련되어 상기 엔진으로부터 회수되는 액화가스를 감압하는 제1 감압장치; 및
    상기 제2 리턴라인에 마련되는 제2 감압장치:를 더 포함하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에서 분리된 기체를 상기 연료공급탱크로 회수하는 베이퍼라인:을 더 포함하며,
    상기 베이퍼라인을 통해 상기 연료공급탱크로 배출되는 기체의 양을 조절하여, 상기 세퍼레이터의 압력을 상기 이송펌프의 후단 압력보다 높게 유지하는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료공급탱크로 공급될 액화가스를 저장하는 연료탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 재액화하는 재액화부; 및
    상기 재액화부로부터 상기 연료공급탱크로 연결되는 냉각라인:을 더 포함하며,
    상기 재액화부에서 재액화된 액화가스는 상기 냉각라인을 따라 상기 연료공급탱크를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급시스템.
  9. 선박의 데크에 마련된 연료공급탱크로부터 연료공급라인을 따라 액화가스를 압축부로 압축하고 선내 엔진에서 필요한 연료 공급 온도로 히터에서 가열하여 연료로 공급하고,
    상기 선박으로 운송될 액체화물을 저장하는 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시켜 상기 엔진으로 공급하되,
    상기 휘발성유기화합물은 상기 히터로부터 상기 압축부에서 압축된 액화가스의 냉열을 공급받아 냉각되어 액화되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 히터에서 상기 액화가스를 가열하고 배출된 냉매는 상기 휘발성유기화합물에 냉열을 전달하며 가열된 후 상기 히터로 순환되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 압축부는, 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 연료공급탱크로부터 상기 엔진으로 공급될 액화가스를 이송하는 이송펌프; 및 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 액화가스를 상기 엔진에 필요한 압력으로 압축하는 압축펌프:를 포함하는 액체화물 운반선의 연료공급방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 엔진에서 소비되지 않은 액화가스를 리턴라인을 따라 상기 엔진의 상류로 재순환시키되, 리턴라인에 세퍼레이터를 마련하여 재순환 액화가스를 기액분리하고, 상기 세퍼레이터에서 분리된 액상의 액화가스를 상기 이송펌프 후단의 연료공급라인으로 공급하는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 엔진에서 소비되지 않고 상기 리턴라인을 따라 재순환될 액화가스는 감압으로 냉각된 후 상기 세퍼레이터에서 기액분리되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 연료공급방법.
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