KR20220143194A - 선박의 연료공급시스템 - Google Patents

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KR20220143194A
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류시진
전준우
최병윤
이호기
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

선박의 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료공급시스템은 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 압축시키는 저압압축부; 압축된 증발가스 중 제1수요처의 연료공급량을 초과한 유량을 액화시키는 열교환부; 열교환부를 통과한 액화된 유체를 팽창시키는 팽창기; 팽창된 유체를 기액 분리시키는 제1기액분리기; 저장탱크, 저압압축부, 열교환부, 팽창기, 제1기액분리기를 연결하며, 제1기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 열교환부를 거쳐 저압압축부 의 전단으로 공급하여, 기체성분에 의해 압축된 증발가스가 예냉되도록 하는 증발가스공급라인; 및 저장탱크로부터 공급된 액화가스 중 적어도 일부를 열교환부로 공급하여, 예냉된 유체를 액화시키는 액화가스공급라인;을 포함한다.

Description

선박의 연료공급시스템{FUEL PROVIDING SYSTEM OF SHIP}
본 발명은 선박의 연료공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변환되어 저장탱크에 저장된다. 액화가스가 저장된 저장탱크 내부에서는 외부의 열 유입에 따라 증발가스가 발생하며, 증발가스는 5단 내외의 다단 압축기를 포함하는 압축부를 거쳐 고압(대략 300barg)으로 압축된 후, 고압 분사엔진의 연료로 공급될 수 있다.
이때, 고압의 압축부와 연관된 배관 등의 설비 또한 고압에 견딜 수 있도록 그에 맞게 설계되어야 하며, 운전 정시 시 내부 정지 압력(Settle-out Pressure)을 낮추기 위해 별도의 대용량 가스 탱크가 적용될 수 있다.
또, 압축부를 거쳐 고압으로 압축된 증발가스 중 적어도 일부는 발전기 및 보일러와 같은 저압 수요처로도 공급될 수 있다. 이를 위해 고압으로 압축된 증발가스를 팽창시켜 8barg 내외의 저압 가스로 변환시켜야 하며, 대량 감압으로 인해 가스 온도가 급격하게 강하하는 것을 보상하기 위해 가열기가 사용될 수 있다.
이와 같이, 종래에는 고압으로 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 저압 수요처의 연료로 공급하기 위해 대량의 감압을 수행하는 등 전체 연료공급시스템 운영에 있어서 비효율적인 문제점이 있다.
관련 기술로서, 종래의 한국등록특허 제10-1613236호(2016.04.11 등록)를 참조하기 바란다.
한국등록특허 제10-1613236호(2016.04.11 등록)
본 발명의 실시 예는 저장탱크 내부에서 발생한 증발가스를 저압으로 압축하여 저압 수요처로 공급함으로써 운용 효율성을 높일 수 있는 선박의 연료공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 압축시키는 저압압축부; 상기 압축된 증발가스 중 상기 제1수요처의 연료공급량을 초과한 유량을 액화시키는 열교환부; 상기 열교환부를 통과한 상기 액화된 유체를 팽창시키는 팽창기; 상기 팽창된 유체를 기액 분리시키는 제1기액분리기; 상기 저장탱크, 저압압축부, 열교환부, 팽창기, 제1기액분리기를 연결하며, 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 열교환부를 거쳐 상기 저압압축부 의 전단으로 공급하여, 상기 기체성분에 의해 상기 압축된 증발가스가 예냉되도록 하는 증발가스공급라인; 및 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스 중 적어도 일부를 상기 열교환부로 공급하여, 상기 예냉된 유체를 액화시키는 액화가스공급라인;을 포함하는 선박의 연료공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 저압압축부는 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 가열시키는 제1가열기와, 상기 혼합된 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축된 유체를 냉각시키는 냉각기를 포함하고, 상기 증발가스공급라인의 상기 압축기와 냉각기 사이로부터 분기되어, 상기 압축기에 의해 압축된 유체를 상기 제1수요처로 공급하는 제1연료공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 가압펌프와, 상기 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기와, 상기 저장탱크, 가압펌프 및 기화기를 연결하며, 상기 기화기에 의해 기화된 유체를 상기 제1수요처보다 큰 압력의 연료를 필요로 하는 제2수요처로 공급하는 제2연료공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 액화가스공급라인은 상기 제2연료공급라인의 가압펌프 전단으로부터 분기되어 상기 열교환부 및 상기 열교환부를 통과한 유체를 기액 분리시키는 제2기액분리기와 연결되고, 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 제1연료공급라인으로 합류시키는 기체성분공급라인과, 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 제2연료공급라인의 가압펌프 전단으로 합류시키는 액체성분공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1연료공급라인에 마련되며, 상기 압축기에 의해 압축된 유체와 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체성분의 혼합물을 상기 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 가열시키는 제2가열기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료공급시스템은 저장탱크 내부에서 발생한 증발가스를 저압으로 압축하여 저압 수요처로 공급함으로써 운용 효율성을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료공급시스템을 도시한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 연료공급시스템을 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료공급시스템(100)은 저장탱크(102)로부터 공급받은 증발가스를 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 압축시키는 저압압축부(110)와, 저압압축부(110)에 의해 압축된 증발가스 중 제1수요처(E1)의 연료공급량을 초과한 유량을 액화시키는 열교환부(120)와, 열교환부(120)를 통과한 액화된 유체를 팽창시키는 팽창기(130)와, 팽창기(130)에 의해 팽창된 유체를 기액 분리시키는 제1기액분리기(140)와, 저장탱크(102), 저압압축부(110), 열교환부(120), 팽창기(130), 제1기액분리기(140)를 연결하며, 제1기액분리기(140)에 의해 분리된 기체성분을 열교환부(120)를 거쳐 저압압축부(110)의 전단으로 공급하여, 기체성분에 의해 압축된 증발가스가 예냉되도록 하는 증발가스공급라인(L11)과, 저장탱크(102)로부터 공급된 액화가스 중 적어도 일부를 열교환부(120)로 공급하여, 예냉된 유체를 액화시키는 액화가스공급라인(L12)을 포함한다.
또, 연료공급시스템(100)은 저압압축부(110)는 저장탱크(102)로부터 공급받은 증발가스를 가열시키는 제1가열기(111)와, 제1가열기(111)에 의해 가열된 유체를 압축시키는 압축기(112)와, 압축기(112)에 의해 압축된 유체를 냉각시키는 냉각기(113)를 포함하고, 증발가스공급라인(L11)의 압축기(112)와 냉각기(113) 사이로부터 분기되어, 압축기(112)에 의해 압축된 유체를 제1수요처(E1)로 공급하는 제1연료공급라인(L13)을 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 가압펌프(150)와, 가압펌프(150)에 의해 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기(160)와, 저장탱크(102), 가압펌프(150) 및 기화기(160)를 연결하며, 기화기(160)에 의해 기화된 유체를 제1수요처(E1)보다 큰 압력의 연료를 필요로 하는 제2수요처(E2)로 공급하는 제2연료공급라인(L14)을 포함할 수 있다.
또, 상술한 액화가스공급라인(L12)은 제2연료공급라인(L14)의 가압펌프(150) 전단으로부터 분기되어 열교환부(120) 및 열교환부(120)를 통과한 유체를 기액 분리시키는 제2기액분리기(170)와 연결되며, 연료공급시스템(100)은 제2기액분리기(170)에 의해 분리된 기체성분을 제1연료공급라인(L13)으로 합류시키는 기체성분공급라인(L15)과, 제2기액분리기(170)에 의해 분리된 액체성분을 제2연료공급라인(L14)의 가압펌프(150) 전단으로 합류시키는 액체성분공급라인(L16)을 포함할 수 있다.
또, 연료공급시스템(100)은 제1연료공급라인(L13)에 마련되며, 압축기(112)에 의해 압축된 유체와 제2기액분리기(170)에 의해 분리된 기체성분의 혼합물을 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 가열시키는 제2가열기(115)를 포함할 수 있다.
이하, 연료공급시스템(100)의 각 구성요소와 함께 동작 과정에 대해서 구체적으로 설명한다.
연료공급시스템(100)은 예컨대 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 각종 선박에 구비될 수 있다.
저장탱크(102)는 예컨대 액화가스로서 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장할 수 있으며, 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다.
저장탱크(102)에 저장된 액화가스의 증발가스는 증발가스공급라인(L11)을 통해 저압압축부(110) 쪽으로 공급되고, 저장탱크(102)에 저장된 액화가스는 저장탱크(102) 내부에 마련된 펌프(P)에 의해 펌핑되어, 액화가스공급라인(L12) 및 제2연료공급라인(L14) 쪽으로 공급된다.
저압압축부(110)는 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 증발가스를 압축시킬 수 있다. 제1수요처(E1)는 발전용 엔진 등을 포함할 수 있다.
저압압축부(110)에 포함된 제1가열기(111)는 저장탱크(102)로부터 공급받은 증발가스를 압축기(112)의 공급조건에 맞게 가열시킬 수 있다.
저압압축부(110)에 포함된 압축기(112)는 1단으로 마련될 수 있으며, 제1가열기(111)에 의해 가열된 유체를 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 압축시킬 수 있다. 압축기(112)는 예컨대 제1가열기(111)에 의해 가열된 유체를 대략 9barg로 압축시킬 수 있다.
종래에는 다단의 압축기를 포함하는 압축부를 통해 고압으로 증발가스를 압축시킨 후 저압 수요처의 연료로 공급하기 위해 대량의 감압을 수행해야 했으나, 본 발명의 실시 예를 통해 1단의 압축기(112)에 의해 해당 유체를 저압으로 압축시킨 후 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처(E1)로 바로 공급할 수 있다.
저압압축부(110)에 포함된 냉각기(113)는 압축기(112)에 의해 압축된 유체를 냉각시킨다. 압축기(112)에 의해 압축된 유체는 설정 수치의 온도에 맞게 냉각기(113)에 의해 온도가 제어될 수 있다.
그리고, 압축기(112)에 의해 압축된 증발가스 중 제1수요처(E1)의 연료공급량을 초과한 유량은 열교환부(120)로 공급되어 액화된다.
팽창기(130)는 열교환부(120)를 통과한 액화된 유체를 팽창시키고, 제1기액분리기(140)는 팽창기(130)에 의해 팽창된 유체를 기액 분리시킨다.
제1기액분리기(140)에 의해 분리된 액체성분은 회수라인(L17)을 통해 저장탱크(102)로 회수되고, 제1기액분리기(140)에 의해 분리된 기체성분은 증발가스공급라인(L11)을 통해 열교환부(120)를 거친 후, 증발가스공급라인(L11)의 저압압축부(110) 전단으로 공급된다.
여기서, 제1기액분리기(140)에 의해 분리된 기체성분은 열교환부(120)에서 저압압축부(110)를 통과한 유체와 열교환되어 저압압축부(110)를 통과한 유체를 예냉시키고 자신은 가열된 상태에서 저압압축부(110)에 포함된 제1가열기(111) 전단으로 공급되므로, 제1가열기(111)의 에너지 소모량을 줄일 수 있다.
제1기액분리기(140)에 의해 분리된 기체성분과 열교환되어 예냉이 이루어진 저압압축부(110)를 통과한 유체는 열교환부(120)에 의해 액화가스공급라인(L12)을 통해 공급된 액화가스와 열교환이 이루어져 액화된다. 여기서, 열교환부(120)는 도시하지는 않았으나 2개로 분리되어, 저압압축부(110)를 통과한 유체가 제1기액분리기(140)에 의해 분리된 기체성분과 열교환되는 제1열교환부와, 다음으로 액화가스공급라인(L12)을 통해 공급된 액화가스와 열교환되는 제2열교환부로 구성될 수 있다.
제1연료공급라인(L13)은 증발가스공급라인(L11)의 압축기(112)와 냉각기(113) 사이로부터 분기되어, 압축기(112)에 의해 압축된 유체를 제1수요처(E1)로 공급한다.
본 발명의 실시 예에서는 종래와 달리 상술한 압축기(112)를 통과한 유체를 냉각기(113)를 거치지 않고, 제1연료공급라인(L13)를 통해 제1수요처(E1)로 바로 공급할 수 있다.
이를 통해 제1연료공급라인(L13)에 마련된 제2가열기(115)의 에너지 사용량을 줄여 효율적인 시스템 운영이 이루어질 수 있다.
구체적으로 제2가열기(115)는 제1연료공급라인(L13)에 마련되며, 압축기(112)에 의해 압축된 유체와 후술할 제2기액분리기(170)에 의해 분리된 기체성분의 혼합물을 제1수요처(E1)의 연료공급조건에 맞게 가열시킨다.
한편, 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스는 제2연료공급라인(L14)을 통해 제1수요처(E1)보다 큰 압력의 연료를 필요로 하는 제2수요처(E2)의 연료로 공급될 수 있다. 제2수요처(E2)는 예컨대 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~700bar)의 분사엔진 및 X-DF 엔진인 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진을 포함할 수 있다.
제2연료공급라인(L14)은 저장탱크(102), 가압펌프(150) 및 기화기(160)를 연결한다.
이를 위해, 제2연료공급라인(L14)에 마련된 가압펌프(150)는 제2수요처(E2)의 연료공급조건에 맞게 저장탱크(102)로부터 공급받은 액화가스를 가압시킨다.
그리고, 기화기(160)는 가압펌프(150)에 의해 가압된 액화가스를 기화시킨다.
제2연료공급라인(L14)의 가압펌프(150) 전단으로부터 분기된 액화가스공급라인(L12)은 저장탱크(102)로부터 공급된 액화가스 중 적어도 일부를 열교환부(120)로 공급하여, 예냉된 유체를 액화시킨다.
이러한 액화가스공급라인(L12)은 저장탱크(102), 열교환부(120) 및 제2기액분리기(170)를 연결시킨다.
제2기액분리기(170)는 액화가스공급라인(L12)에 마련되며, 저장탱크(102)로부터 공급된 액화가스 중 적어도 일부가 열교환부(120)를 통과하면 이를 기액 분리시킨다.
이때, 제2기액분리기(170)에 의해 분리된 기체성분은 기체성분공급라인(L15)을 통해 제1연료공급라인(L13)의 제2가열기(115) 전단으로 합류되고, 제2기액분리기(170)에 의해 분리된 액체성분은 액체성분공급라인(L16)의 가압펌프(150) 전단으로 공급될 수 있다.
이를 통해 제1수요처(E1) 및 제2수요처(E2)의 연료를 보충할 수 있으며, 시스템 효율성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예를 통해 냉각기(113)를 거치지 않고 압축기(112)에 의해 압축된 증발가스를 제1수요처(E1)로 공급함으로써, 제2가열기(115)의 용량을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 압축기(112)는 종래의 고압 다단 압축기와 달리 1단의 저압 압축기를 적용하여 초기 투자비 및 운전 비용을 최소화할 수 있으며, 운전 편의성 증대 및 고압 위험 구역 최소화로 안전성을 향상시킬 수 있다.
또, 저장탱크(102)로부터 공급된 액화가스가 열교환부(120)에서 증발가스로부터 에너지를 흡수하여 가압펌프(150)에 적합한 상태로 변환되어, 결과적으로 기화기(160)의 용량을 줄일 수 있다.
일반적인 증발가스의 몰리에르 선도(Molier Diagram, Pressure-Enthalpy Diagram)를 살펴보면, 종래에는 증발가스의 액화에 소모되는 에너지를 줄이고자 임계점(Critical Point) 이상의 고압 영역에서 냉각을 수행하였다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템(100)의 경우, 증발가스를 액화시키는 데에 소요되는 에너지를 줄이고자 증발가스를 고압까지 승압하는 과정이 불필요하며, 저압에서도 액화 효율성을 향상시킬 수 있다.
또, 열교환부(120)에 의해 액화된 증발 가스를 저장탱크(102)의 압력까지 팽창기(130)에 의해 팽창시킬 경우, 액체 영역에서 몰리에르 선도의 등온 곡선 기울기가 양수이므로 열교환부(120) 출구 온도가 동일할 경우 저압에서 증발가스의 액화량이 증가할 수 있다.
본 발명은 실시 예에서 열교환부(120)를 통해 액화가스의 냉열을 회수하여 증발가스를 액화시킬 수 있도록 하여, 각 부분의 냉열과 현열을 조화시켜 외부로부터 가져와야 하는 에너지를 줄일 수 있다.
또, 증발가스 사용을 최소화하여 가벼운 탄화수소 성분을 효과적으로 보존할 수 있어 저장탱크(102) 내 연료 성분을 양호하게 유지할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
110: 저압압축부 120: 열교환부
130: 팽창기 140: 제1기액분리기
150: 가압펌프 160: 기화기
170: 제2기액분리기 180: 제2가열기
L11: 증발가스공급라인 L12: 액화가스공급라인
L13: 제1연료공급라인 L14: 제2연료공급라인
L15: 기체성분공급라인 L16: 액체성분공급라인

Claims (5)

  1. 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 저압 연료를 필요로 하는 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 압축시키는 저압압축부;
    상기 압축된 증발가스 중 상기 제1수요처의 연료공급량을 초과한 유량을 액화시키는 열교환부;
    상기 열교환부를 통과한 상기 액화된 유체를 팽창시키는 팽창기;
    상기 팽창된 유체를 기액 분리시키는 제1기액분리기;
    상기 저장탱크, 저압압축부, 열교환부, 팽창기, 제1기액분리기를 연결하며, 상기 제1기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 열교환부를 거쳐 상기 저압압축부 의 전단으로 공급하여, 상기 기체성분에 의해 상기 압축된 증발가스가 예냉되도록 하는 증발가스공급라인; 및
    상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스 중 적어도 일부를 상기 열교환부로 공급하여, 상기 예냉된 유체를 액화시키는 액화가스공급라인;을 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저압압축부는 상기 저장탱크로부터 공급받은 증발가스를 가열시키는 제1가열기와,
    상기 가열된 유체를 압축시키는 압축기와,
    상기 가열된 유체를 냉각시키는 냉각기를 포함하고,
    상기 증발가스공급라인의 상기 압축기와 냉각기 사이로부터 분기되어, 상기 압축기에 의해 압축된 유체를 상기 제1수요처로 공급하는 제1연료공급라인을 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 공급받은 액화가스를 가압하는 가압펌프와,
    상기 가압된 액화가스를 기화시키는 기화기와,
    상기 저장탱크, 가압펌프 및 기화기를 연결하며, 상기 기화기에 의해 기화된 유체를 상기 제1수요처보다 큰 압력의 연료를 필요로 하는 제2수요처로 공급하는 제2연료공급라인을 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액화가스공급라인은 상기 제2연료공급라인의 가압펌프 전단으로부터 분기되어 상기 열교환부 및 상기 열교환부를 통과한 유체를 기액 분리시키는 제2기액분리기와 연결되고,
    상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체성분을 상기 제1연료공급라인으로 합류시키는 기체성분공급라인과,
    상기 제2기액분리기에 의해 분리된 액체성분을 상기 제2연료공급라인의 가압펌프 전단으로 합류시키는 액체성분공급라인을 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1연료공급라인에 마련되며, 상기 압축기에 의해 압축된 유체와 상기 제2기액분리기에 의해 분리된 기체성분의 혼합물을 상기 제1수요처의 연료공급조건에 맞게 가열시키는 제2가열기를 더 포함하는 선박의 연료공급시스템.
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