KR20230031128A - 선박의 암모니아 연료공급시스템 - Google Patents

Abstract

선박의 암모니아 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 암모니아 연료공급시스템은 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 연료탱크; 상기 연료탱크로부터 상기 엔진으로 연결되어 연료 공급 조건에 맞추어 암모니아를 상기 엔진으로 공급하는 연료공급라인; 상기 엔진으로 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 연료리턴라인; 및 상기 연료공급라인에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하는 암모니아열교환기:를 포함하고, 상기 연료리턴라인을 따라 상기 엔진에서 회수되는 연료는 상기 암모니아열교환기에서 상기 엔진으로 공급될 암모니아와 열교환되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 암모니아 연료공급시스템{Ammonia Fuel Supply System For Ship}

본 발명은 선박의 암모니아 연료공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 연료탱크로부터 연료 공급 조건에 맞추어 고압 액체 상태의 암모니아를 선내 엔진에 연료로 공급하고, 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 회수하는 선박의 암모니아 연료공급시스템에 관한 것이다.

지구온난화 현상의 심화에 따라 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있고, 선진국들의 온실가스 감축 의무를 담았던 1997년 교토의정서가 2020년 만료됨에 따라, 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약에서 채택되고 2016년 11월 발효된 파리기후변화협약(Paris Climate Change Accord)에 의해 협정에 참여한 195개 당사국들은 온실가스 감축을 목표로 다양한 노력을 기울이고 있다.

이러한 세계적인 추세와 함께 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.

액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소 시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다. 그에 따라 근래 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

액화석유가스는 조성에 따라 액화 온도의 차이는 있으나 프로판을 주성분으로 하는 석유가스의 경우 상압 약 -42℃의 저온에서 액화되고, 18 bar에서는 약 45℃의 온도까지, 7 bar에서는 20℃까지 액체 상태로 저장가능하다.

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.

LNG나 LPG는 기존에 선박 연료로 사용되던 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받지만 연소 시 여전히 이산화탄소가 발생하며, 이를 연료로 사용하는 선박에서는 여전히 운항 중 이산화탄소를 배출하게 된다.

선박의 항로, 교통규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구인 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구) 역시 온실가스에 대해 '08년과 대비하여 2050년 50% 저감, 2100년 100% 저감(GHG Zero Emission)을 목표로 제시하고, 그에 따라 각 국가 및 지역의 규제가 강화될 것으로 예상된다.

IMO가 신조 선박에 적용하는 강제성 있는 이산화탄소 저감 규정인 EEDI(Energy Efficiency Design Index, 에너지효율설계지수)에 따르면, 초기 EEDI 발표에서는 2013 내지 2015년의 이산화탄소 배출량을 기준으로 2015년 이산화탄소 배출량을 10% 저감하는 EEDI Phase 1이 적용되고, 5년 마다 1 단계씩 강화·적용하여 2025년 Phase 3를 적용하도록 예정되어 있었으나, LPG 운반선에 대해서는 EEDI Phase 2 적용 후 2년만인 2022년부터 EEDI Phase 3를 조기 적용하도록 하고 있다. 이와 같이 이산화탄소 배출에 대한 규제가 급격히 강화되고 있으며, 15,000 DWT 이상인 LPG 운반선의 경우 향후 Phase 4 (이산화탄소 배출량 40% 저감) 이상의 기준이 적용되면 현재의 LPG를 연료로 사용하는 LPGC로는 이산화탄소 배출 규정 달성이 어려울 수 있다.

그에 따라 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 선박 연료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있고, 최근에는 LNG나 LPG 등의 연료와 함께 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 선박 엔진에 관한 기술이 개발되고 있다.

암모니아(NH₃)는 1개의 질소에 3개의 수소가 결합된 물질로, 분자 사이에 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 액화가 용이하며, 상압에서 끓는점 -33.34℃, 녹는점 -77.73℃이다.

이러한 암모니아는 LNG보다 저장이 용이하면서, 기존 HFO와 비교해 SPECIFIC ENERGY와 ENERGY DENSITY에서는 조금 떨어지지만 이산화탄소가 전혀 배출되지 않아 국제적인 온실가스 배출기준의 강화 추세에 대응할 수 있는 친환경 선박 연료로 주목받고 있다.

본 발명은 선박 엔진의 연료로 효과적으로 암모니아를 공급할 수 있는 방법과, 연료로 공급될 암모니아를 저장할 때 발생하는 증발가스의 처리 방법 등을 구비하여 친환경 연료인 암모니아를 선박용 엔진의 연료로 사용하기 위한 연료 공급 시스템을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 연료탱크;

상기 연료탱크로부터 상기 엔진으로 연결되어 연료 공급 조건에 맞추어 암모니아를 상기 엔진으로 공급하는 연료공급라인;

상기 엔진으로 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 연료리턴라인; 및

상기 연료공급라인에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하는 암모니아열교환기:를 포함하고,

상기 연료리턴라인을 따라 상기 엔진에서 회수되는 연료는 상기 암모니아열교환기에서 상기 엔진으로 공급될 암모니아와 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 암모니아열교환기로부터 암모니아를 공급받아 상기 엔진에서 필요한 압력으로 압축하는 연료압축펌프; 및 상기 연료리턴라인에 마련되며 상기 엔진에서 회수되어 상기 암모니아열교환기를 거친 연료를 공급받아 기액 분리하는 기액분리기:를 더 포함하고, 상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 암모니아는 상기 연료공급라인의 상기 암모니아열교환기 전단으로 이송되고, 기체 상태의 암모니아는 상기 연료탱크로 회수될 수 있다.

바람직하게는, 상기 연료탱크에 마련되어 상기 연료탱크로부터 암모니아를 펌핑하여 상기 암모니아열교환기로 이송하는 암모니아공급펌프:를 더 포함하고, 상기 엔진은 선박의 추진용 엔진이며, 상기 암모니아열교환기에는 선내 기관실의 청수냉각시스템의 청수가 상기 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하기 위한 열원으로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 암모니아가 합류되는 지점 전단의 연료공급라인으로부터 상기 연료탱크로 연결되는 회수라인; 및 상기 회수라인에 마련되는 회수밸브:를 더 포함하고, 상기 엔진의 시동 후 정상구동되기 전이나 엔진의 부하(load)가 없는 공회전 시, 상기 암모니아공급펌프에서 펌핑된 암모니아는 상기 회수라인을 통해 상기 연료탱크로 회수될 수 있다.

바람직하게는, 상기 엔진의 시동 후 정상구동되기 전이나 엔진의 부하(load)가 없는 공회전 시, 상기 연료공급라인을 통해 상기 암모니아열교환기 및 연료압축펌프를 거쳐 상기 엔진으로 공급된 암모니아는 상기 연료리턴라인을 따라 상기 기액분리기로 회수된 후 상기 암모니아열교환기로 이송되어 폐루프(closed loop)를 이루되, 상기 폐루프를 순환하며 암모니아가 온도 상승으로 기체로 상 변화되면 상기 암모니아열교환기에서 상기 청수와 열교환으로 암모니아를 냉각하여 액체 상태로 상기 연료압축펌프로 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 연료탱크로부터 선내 발전엔진으로 연결되어 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스를 상기 발전엔진으로 공급하는 발전연료공급라인; 및 상기 발전연료공급라인에 마련되며 상기 암모니아 증발가스를 압축하는 암모니아압축기:를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 연료탱크의 암모니아를 기화시켜 상기 연료탱크로 회수하는 기화라인; 및 상기 기화라인에 마련되는 암모니아기화기:를 더 포함하되, 상기 암모니아기화기에서는 상기 암모니아압축기에서 압축되어 상기 발전엔진으로 공급될 암모니아 증발가스와 열교환으로 상기 암모니아가 기화될 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 상기 암모니아압축기로 공급되어 상기 발전연료공급라인을 따라 상기 발전엔진으로 공급될 수 있다.

본 발명에서는 선박용 엔진의 연료로 친환경 연료인 암모니아를 공급하여 선박 운항 시 온실가스 배출량을 감축하고 국제협약이 정하는 규제기준을 충족하도록 한다.

특히, 추진용 엔진과 함께 발전엔진 또한 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 연료공급시스템을 통해 LNG 등 다른 에너지로는 달성하기 어려운 IMO 2050 요구 조건을 만족시킬 수 있고, 온실가스 배출이 없는 친환경 선박을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 암모니아 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.

이하 본 발명에서의 선박은 암모니아를 선내 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되는 모든 종류의 선박을 가리키며, 대표적으로 LPG 운반선(LNG Carrier), LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, 액체수소운반선, 암모니아운반선, 컨테이너운반선, 원유운반선, 광물이나 곡물 등의 벌크운반선, Ro-Ro(Roll on/Roll off) 선 등과 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 풍력운반선 및 풍력설치선 등의 해상 구조물도 포함될 수 있다.

엔진의 연료로 암모니아를 공급받는 엔진이라 함은 LNG, LPG, HFO, Diesel Oil 등의 다른 선박용 연료와 함께 연료로 공급받는 것과 암모니아를 단독으로 연료로 공급받는 것을 포함하는 의미이고, 선박의 추진용 엔진 및 발전용 엔진을 모두 포함한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 암모니아 연료공급시스템은, 암모니아를 연료로 공급받는 엔진(E)이 마련된 선박에서 암모니아를 엔진 연료로 공급하면서, 연료탱크나 연료 공급 중 발생하는 암모니아 가스를 재액화하여 회수하는 것으로, 선박에 마련되는 연료탱크(FT)의 암모니아를 연료 공급 조건에 맞추어 상기 엔진(E)으로 공급하는 연료공급부와, 연료탱크로부터 증발가스를 배출하여 재액화하는 재액화부를 포함한다.

암모니아는 연료공급부를 거쳐 고압 액체 상태로 엔진에 공급되며, 연료공급부로부터 분리된 기체 상태의 암모니아는 재액화부로 공급된다.

연료공급부는, 연료탱크로부터 엔진으로 연결되는 연료공급라인(FSL), 연료공급라인에 마련되며 연료탱크로부터 암모니아를 이송하는 부스터펌프(100), 부스터펌프에서 이송된 암모니아를 열교환으로 가열하는 제1 열교환기(110), 제1 열교환기에서 가열된 암모니아로부터 기액 분리하는 기액분리기(120)를 포함하며, 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 암모니아는 계속해서 연료공급라인을 따라 엔진 연료로 공급되고, 기액분리기에서 분리된 기체는 재액화부로 공급될 수 있다.

연료공급부는, 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 암모니아를 공급받아 엔진에서 필요한 압력으로 추가 압축하는 연료공급펌프(130)와, 연료공급펌프에서 압축된 암모니아를 엔진에서 필요한 온도로 가열하여 엔진으로 공급하는 제2 열교환기(140)를 더 포함한다.

제1 및 제2 열교환기에서의 암모니아 가열은 분리되어 이루어질 수도 있고, 도 1에 도시된 바와 같이 공통의 열매체에 의해 이루어질 수도 있다. 도 1에 도시된 시스템에서는 엔진으로 공급될 고압의 암모니아를 제2 열교환기(140)에서 열교환으로 가열한 열매체가 열매체라인(HML)을 따라 다시 제1 열교환기(110)로 도입되어 부스터펌프에서 이송된 보다 저압의 암모니아와 순차로 열교환된다.

이처럼 연료탱크(FT)에서 공급된 암모니아는 부스터펌프(100)를 거쳐 가압되고 제1 열교환기(110)에서 열교환을 통해 가열된 후 기액분리기(120)로 공급된다. 기액분리기에서 액체 상태의 암모니아만을 분리하여 연료공급펌프(130)의 흡입구(suction)로 이송하고, 연료공급펌프에서 엔진에서 필요로 하는 압력까지 가압한 후 제2 열교환기(140)에서 엔진의 필요 온도로 맞추어 가열하여 엔진(E)에 공급한다. 예를 들어 각 펌프와 열교환기들을 거쳐 암모니아는 45℃, 70 내지 85 barg의 고압 액체 상태로 엔진에 공급될 수 있다.

한편 재액화부는, 연료탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기(210), 압축기에서 압축된 증발가스를 열교환으로 냉각하는 증발가스 열교환기(200), 증발가스 열교환기를 거쳐 냉각된 암모니아를 공급받아 기액 분리하는 재액화가스 분리기(220)를 포함할 수 있다.

연료탱크(FT)로부터 압축기로 공급될 미압축 암모니아 증발가스는 증발가스 열교환기를 거쳐 냉열 회수 후 압축기로 공급될 수 있으며, 그에 따라 압축기에서 압축된 증발가스는, 압축기로 도입될 미압축 암모니아 증발가스 및 냉각 매체(CM)와 증발가스 열교환기에서 열교환되며 이들로부터 냉열을 공급받아 냉각되어 재액화될 수 있다.

압축기(210)에서 압축 후 증발가스 열교환기(200)에서 냉각되며 재액화된 암모니아는 재액화가스 분리기(220)를 거쳐 연료탱크(FT)로 회수될 수도 있고, 연료공급부의 연료공급라인(FSL)으로 보내져 엔진의 연료로 공급될 수 있다. 이를 위해 증발가스를 재액화하여 회수하기 위한 재액화라인(RL)은 연료탱크로부터 증발가스 열교환기, 압축기, 다시 증발가스 열교환기로 연결되고, 증발가스 열교환기에서 분기되어 재액화가스 분리기와 부스터펌프 후단으로 연결된다.

증발가스 열교환기(200)에서 재액화된 암모니아는 저압의 재액화가스 분리기(220)로 도입되면서 일부 기화될 수 있다(flash gas). 재액화가스 분리기에서는 액체 상태인 암모니아를 분리하여 연료탱크로 회수하고, 기체는 증발가스 열교환기로 도입되는 미압축 암모니아 증발가스에 합류시켜 다시 재액화 과정을 거치게 된다.

증발가스 열교환기(200)를 거쳐 냉각된 암모니아를 바로 연료공급라인(FSL)으로 보내는 경우 부스터펌프(100) 후단으로 공급되어, 연료탱크로부터 부스터펌프를 거쳐 이송된 액체 상태의 암모니아와 함께 제1 열교환기(110)로 도입된다.

한편, 엔진으로 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 연료리턴라인(FRL)을 더 포함한다. 연료리턴라인을 통해 회수된 연료 역시 연료공급라인의 부스터펌프 후단으로 합류될 수 있다. 본 실시예 시스템에서는 암모니아가 고압 액체 상태로 엔진 연료로 공급되는데, 압력 변화에 따라 부피변화가 큰 압축성 유체, 즉 가스 연료가 공급되는 때와는 달리, 압력을 가하여도 부피의 변화가 없거나 적은 비압축성 유체, 액체 상태의 연료가 엔진에 공급되는 경우 엔진의 부하 변동에도 충분한 연료를 공급하여 즉각적으로 대응하며 캐비테이션을 방지하기 위해서 과잉의 연료를 엔진으로 공급할 수 있다. 이처럼 엔진에 과잉 공급된 연료 중 엔진에서 소비되고 남은 연료를 연료리턴라인을 통해 엔진에서 배출하여 재순환시키되, 본 실시예에서는 부스터펌프 후단으로 합류시켜 제1 열교환기로 도입되도록 구성한다. 엔진에서 회수되는 연료는 압축 및 가열된 상태이므로 이를 그대로 연료탱크로 보내면 탱크 내 압력 및 온도가 상승하여 증발가스 발생이 늘어날 수 있고, 부스터펌프 흡입부(suction)로 보내면 베이퍼(vapor) 발생으로 장치 이상을 초래할 위험이 있으므로 본 실시예에서는 이를 부스터펌프 후단으로 보내어 재순환시킨다. 필요한 경우 연료리턴라인에는 압축 및 가열된 연료를 감압하여 냉각할 수 있는 장치가 추가로 마련될 수 있다.

한편, 본 실시예 시스템은, 연료탱크, 연료공급부 및 재액화부로부터 누출되는 암모니아를 중화하는 암모니아 중화장치를 더 포함할 수 있다.

이러한 암모니아 중화장치는, 연료탱크, 연료공급부 및 재액화부의 압력, 온도, 과압방지 등을 위한 각 밸브들에서 누출된 암모니아가 회수되며 암모니아수를 생성하여 저장하는 암모니아수 저장탱크(300)와, 암모니아수 저장탱크에 암모니아수의 생성을 위한 청수를 공급하는 청수공급라인(WL)을 포함하며, 연료탱크, 연료공급부 및 재액화부로부터의 암모니아 가스 누출을 감지하는 암모니아 가스 감지기(310)가 선내에 마련된다.

또한 연료탱크, 연료공급부 및 재액화부가 마련된 선내에는 암모니아 가스 중화를 위한 청수를 분사하는 복수의 중화수분사부(320)가 마련된다.

암모니아 가스 감지기(310)를 통해 암모니아 가스 누출을 상기 모니터링하면서 가스 누출이 감지되면 가스 누출 부위의 중화수분사부(320)를 통해 청수를 분사하여 암모니아 가스를 중화한다.

중화로 생성된 암모니아수는 암모니아수 저장탱크로 회수하여 암모니아수가 외부 유출되는 것을 방지할 수 있다.

암모니아 중화장치는, 암모니아수 저장탱크에 저장된 암모니아수의 농도를 감지하는 농도감지센서(330)를 포함한다. 농도감지센서에서 감지된 암모니아수의 농도에 따라 암모니아수 저장탱크에 청수를 보충하여 암모니아수 저장탱크 내 암모니아수의 농도를 일정 농도 이하로 유지한다. 이를 통해 암모니아수 저장탱크 내 암모니아수의 농도를 외부 유출이 가능한 최대 농도 범위 이하로 유지하고, 암모니아수 저장탱크의 수위가 설정된 값에 도달하면 암모니아수를 선외 배출할 수 있다. 선외 배출은 별도의 장치 없이 암모니아수의 자중에 의해 이루어질 수도 있고, 암모니아수 배출을 위한 이송펌프(340)를 마련하여 이루어질 수도 있다. 암모니아수 저장탱크의 암모니아수는 필요에 따라 SCR이나 EGR 장치 등에 공급하여 선내에서 활용할 수도 있다.

도 2에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였다.

본 제2 실시예의 연료공급시스템은, 선박의 추진용 엔진(E1)과 함께 선내에서 필요한 전력을 생산하는 발전엔진(E2) 역시 암모니아를 연료로 공급받을 수 있는 것으로 마련한 것이다. 이러한 추진용 엔진 및 발전엔진은 암모니아를 단독으로 공급받는 엔진일 수도 있고 오일, LNG나 LPG 등 다른 연료를 함께 공급받거나 교차 사용할 수 있는 혼소엔진 또는 이중연료(dual fuel)엔진일 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 암모니아 연료공급시스템은, 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 연료탱크(FT), 연료탱크로부터 엔진(E1)으로 연결되어 연료 공급 조건에 맞추어 암모니아를 엔진으로 공급하는 연료공급라인(FSLa), 엔진으로 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 연료리턴라인(FRL), 연료공급라인에 마련되어 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하는 암모니아열교환기(1000)를 포함한다.

본 실시예에서는 연료리턴라인(FRL)을 따라 엔진에서 회수되는 연료를 암모니아열교환기에서 열원으로 이용하여 엔진으로 공급될 암모니아와 열교환시켜 엔진에 공급될 연료를 가열하고, 엔진에서 회수되는 암모니아는 냉각시킨다.

연료공급라인(FSLa)에는 암모니아열교환기(1000)로부터 암모니아를 공급받아 엔진에서 필요한 압력으로 압축하는 연료압축펌프(1100)가 마련되며, 연료리턴라인(FRL)에는 엔진에서 회수되어 암모니아열교환기를 거친 연료를 공급받아 기액 분리하는 기액분리기(1200)가 마련된다. 연료공급라인을 통해 액체 상태의 암모니아를 연료로 공급받는 엔진은 선박의 추진용 엔진(E1)일 수 있다.

추진용 엔진(E1)으로의 연료 공급 과정을 살펴보면, 연료탱크(FT)에 설치된 암모니아공급펌프(FP)에서 암모니아를 펌핑하여 연료공급라인(FSL)을 따라 암모니아열교환기로 암모니아가 공급된다. 암모니아열교환기(1000)에서 열교환을 통해 추진용 엔진이 요구하는 온도로 가열된 암모니아는 연료압축펌프(1100)로 공급된다. 연료압축펌프는 추진용 엔진에서 요구하는 압력 조건으로 암모니아를 가압하여 추진용 엔진(E1)으로 암모니아 연료를 공급한다.

비압축성 유체, 액체 상태의 연료가 엔진에 공급되는 경우 엔진의 부하 변동에도 충분한 연료를 공급하여 즉각적으로 대응하며 캐비테이션을 방지하기 위해서 과잉의 연료를 엔진으로 공급할 수 있는데, 추진용 엔진(E1)에서는 과잉 공급된 암모니아 연료를 엔진 부하(출력)에 필요한 연료량만큼 사용하고, 공급된 연료 중 사용되지 않은 나머지 잉여 연료는 연료리턴라인(FRL)을 통해 기액분리기(1200)로 이송된다.

기액분리기(1200)에서 분리된 액체 상태의 암모니아는 연료공급라인(FSLa)의 암모니아열교환기(1000) 전단으로 이송되어 암모니아공급펌프(FP)에 의해 연료탱크(FT)로부터 공급되는 암모니아에 합류되어 암모니아열교환기(1000)에 공급되고, 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 연료탱크(FT)로 회수된다.

추진용 엔진(E1)으로부터 연료리턴라인(FRL)을 통해 엔진에서 회수되는 암모니아는 암모니아열교환기를 거쳐 기액분리기로 이송된다.

본 제2 실시예 시스템에서 암모니아열교환기(1000)는 추진용 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하는데, 암모니아열교환기(1000)에서는 암모니아 온도 조절을 위한 열원으로 선내 기관실의 청수냉각시스템(미도시)의 청수와, 추진용 엔진에서 연료리턴라인(FRLa)을 따라 회수되는 암모니아를 사용할 수 있다.

암모니아열교환기는 암모니아의 가열과 냉각, 두 가지 역할을 수행할 수 있다.

이를 위해, 기액분리기(1200)에서 분리된 액체 상태의 암모니아가 합류되는 지점 전단의 연료공급라인(FSLa)으로부터 연료탱크(FT)로 연결되어 암모니아공급펌프(FP)에서 펌핑된 암모니아를 연료탱크로 회수하는 회수라인(RL)이 마련되며, 회수라인에는 배관을 개폐하는 회수밸브(RV)가 마련된다.

먼저, 암모니아열교환기(1000)에 의해 암모니아가 가열되는 경우는 전술한 바와 같이 암모니아를 추진용 엔진에서 필요한 온도에 맞추어 연료로 공급하는 경우이다.

예를 들어, 연료탱크(FT)에 저장된 암모니아의 온도는 대략 -33 내지 20℃이고, 추진용 엔진에서 필요한 공급 온도는 25 내지 45℃일 수 있다. 이 경우, 연료탱크로부터 암모니아공급펌프를 통해 공급되는 암모니아의 온도는 추진용 엔진에서 필요한 공급 온도보다 낮으므로, 추진용 엔진의 연료 공급 온도로 맞추기 위해 암모니아열교환기에서 가열할 수 있다.

기관실의 청수냉각시스템(Fresh Water Cooling System)에 사용되는 청수의 온도는 약 36℃ 내외이고, 연료리턴라인을 따라 추진용 엔진에서 기액분리기로 이송되는 리턴 암모니아는 엔진 내부를 순환하며 가열되어 약 45℃ 내외이므로, 이러한 청수와 연료리턴라인의 리턴 암모니아를 암모니아열교환기로 공급하여 암모니아 가열을 위한 열매체로 사용할 수 있다.

연료리턴라인(FRL)을 따라 추진용 엔진에서 기액분리기로 회수되는 암모니아의 유량과 온도는 엔진 부하에 따라 변화된다. 엔진의 부하가 작으면 회수되는 리턴 암모니아 유량이 늘어나고, 반대로 엔진의 부하가 커지면 회수되는 암모니아 유량이 줄어든다.

따라서, 연료리턴라인을 따라 회수되는 암모니아의 유량 및 온도가 암모니아열교환기로 공급된 암모니아를 추진용 엔진에서 요구하는 온도까지 가열하기 위한 열원으로 충분하면 암모니아열교환기에 추가로 기관실 냉각시스템의 청수를 공급할 필요가 없고, 리턴 암모니아가 추진용 엔진에 공급될 암모니아를 가열하기에 충분하지 못한 경우에는 암모니아열교환기에 기관실 냉각시스템으로부터 청수를 추가 공급하여 필요한 온도까지 가열한다.

다음으로, 암모니아열교환기(1000)가 암모니아를 냉각하는 역할을 수행할 수도 있는데, 이는 추진용 엔진의 시동 후 정상구동되기 전까지의 초기 가동 시나 엔진의 로드(부하, load)가 없어 공회전 상태일 때를 예로 들 수 있다.

이러한 때에는, 암모니아공급펌프(FP)에서 펌핑된 암모니아는 암모니아열교환기로 공급되지 않고, 회수밸브(RV)를 열어 회수라인(RL)을 통해 연료탱크(FT)로 전량 회수된다.

연료압축펌프(1100)는 추진용 엔진으로 암모니아 연료를 공급하지만 엔진 출력용(엔진은 공회전)으로 사용되는 암모니아가 없기 때문에, 추진용 엔진에 공급된 암모니아는 기액분리기(1200)로 대부분 회수된다. 이때 연료리턴라인(FRL)을 따라 기액분리기로 회수되는 암모니아는 연료 공급을 위해 압축 및 가열된 상태로 엔진으로부터 재순환되는 것이다.

연료리턴라인(FRL)을 통해 회수되는 암모니아는 암모니아열교환기(1000)를 거쳐 기액분리기(1200)로 들어간 후, 기액분리기(1200)에서 다시 암모니아열교환기(1000)를 거쳐 연료압축펌프(1100), 추진용 엔진(E1)으로 순차 공급되어 하나의 폐루프(closed loop)를 형성하게 된다.

이러한 폐루프를 통해 암모니아가 재순환되면서 암모니아의 온도가 계속 상승하게 되고, 나중에는 액체 상태에서 기체 상태로 변할 수 있다. 추진용 엔진에는 액체 상태의 암모니아를 공급해야 하므로, 재순환된 암모니아의 온도 상승으로 기체로 상변화하지 않도록 암모니아열교환기(1000)에서는 청수에 의해 추진용 엔진으로 이송될 암모니아를 냉각하게 된다.

한편, 본 제2 실시예에서는 선내 전력 공급을 위한 발전엔진(E2) 역시 암모니아를 연료로 공급받을 수 있는데, 이를 위해 연료탱크(FT)로부터 선내 발전엔진으로 발전연료공급라인(FSLb)이 연결되어 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스를 발전엔진 연료로 공급한다. 즉 발전엔진은 기체 상태의 암모니아를 연료로 공급받을 수 있다.

발전연료공급라인(FSLb)에는 암모니아 증발가스를 압축하는 암모니아압축기(1300)가 마련된다.

또한, 연료탱크의 암모니아를 기화시켜 연료탱크로 회수하는 기화라인(CL)이 마련되고, 기화라인에는 액체 상태의 암모니아를 기체 상태로 기화시키는 암모니아기화기(1400)가 마련된다. 암모니아기화기에서는 암모니아압축기에서 압축되어 발전엔진 연료로 공급될 암모니아 증발가스를 열원으로 액체 상태의 암모니아를 기화시킬 수 있다.

연료탱크(FT)의 정압(Static Pressure)에 따른 구동력에 의해 액체 암모니아가 암모니아기화기(1400)로 흘러 들어가고, 증발가스압축기(1300)에서 압축된 고온의 암모니아 증발가스와 암모니아기화기(1400)에서 열교환을 통해 기체로 상변화된 후 기화라인(CL)을 따라 연료탱크로 회수된다. 증발가스압축기(1300)에서 압축 후 암모니아기화기(1400)에서 열교환되어 냉각된 암모니아 증발가스는 발전연료공급라인(FSLb)을 따라 발전엔진(E2)에 연료로 공급된다.

기액분리기(1200)에서 분리된 기체 상태의 암모니아 역시 필요한 경우 연료탱크 대신 암모니아압축기 및 암모니아기화기를 거쳐 발전연료공급라인을 따라 발전엔진 연료로 공급될 수 있다.

이와 같이 본 실시예 시스템을 통해 추진용 엔진과 함께 발전엔진에도 친환경 연료인 암모니아를 효과적으로 연료로 공급할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 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.

E1: 추진용 엔진
E2: 발전엔진
FT: 연료탱크
FSLa: 연료공급라인
FSLb: 발전연료공급라인
FRL: 연료리턴라인
FP: 암모니아공급펌프
1000: 암모니아열교환기
1100: 연료압축펌프
1200: 기액분리기
1300: 암모니아압축기
1400: 암모니아기화기
RL: 회수라인
RV: 회수밸브
CL: 기화라인

Claims (8)

1. 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크로부터 상기 엔진으로 연결되어 연료 공급 조건에 맞추어 암모니아를 상기 엔진으로 공급하는 연료공급라인;
   상기 엔진으로 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 연료를 회수하는 연료리턴라인; 및
   상기 연료공급라인에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하는 암모니아열교환기:를 포함하고,
   상기 연료리턴라인을 따라 상기 엔진에서 회수되는 연료는 상기 암모니아열교환기에서 상기 엔진으로 공급될 암모니아와 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연료공급라인에 마련되며 상기 암모니아열교환기로부터 암모니아를 공급받아 상기 엔진에서 필요한 압력으로 압축하는 연료압축펌프; 및
   상기 연료리턴라인에 마련되며 상기 엔진에서 회수되어 상기 암모니아열교환기를 거친 연료를 공급받아 기액 분리하는 기액분리기:를 더 포함하고,
   상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 암모니아는 상기 연료공급라인의 상기 암모니아열교환기 전단으로 이송되고, 기체 상태의 암모니아는 상기 연료탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 연료탱크에 마련되어 상기 연료탱크로부터 암모니아를 펌핑하여 상기 암모니아열교환기로 이송하는 암모니아공급펌프:를 더 포함하고,
   상기 엔진은 선박의 추진용 엔진이며,
   상기 암모니아열교환기에는 선내 기관실의 청수냉각시스템의 청수가 상기 엔진으로 공급될 암모니아의 온도를 조절하기 위한 열원으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 암모니아가 합류되는 지점 전단의 연료공급라인으로부터 상기 연료탱크로 연결되는 회수라인; 및
   상기 회수라인에 마련되는 회수밸브:를 더 포함하고,
   상기 엔진의 시동 후 정상구동되기 전이나 엔진의 부하(load)가 없는 공회전 시, 상기 암모니아공급펌프에서 펌핑된 암모니아는 상기 회수라인을 통해 상기 연료탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 엔진의 시동 후 정상구동되기 전이나 엔진의 부하(load)가 없는 공회전 시,
   상기 연료공급라인을 통해 상기 암모니아열교환기 및 연료압축펌프를 거쳐 상기 엔진으로 공급된 암모니아는 상기 연료리턴라인을 따라 상기 기액분리기로 회수된 후 상기 암모니아열교환기로 이송되어 폐루프(closed loop)를 이루되,
   상기 폐루프를 순환하며 암모니아가 온도 상승으로 기체로 상 변화되면 상기 암모니아열교환기에서 상기 청수와 열교환으로 암모니아를 냉각하여 액체 상태로 상기 연료압축펌프로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
6. 제 3항에 있어서,
   상기 연료탱크로부터 선내 발전엔진으로 연결되어 연료탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스를 상기 발전엔진으로 공급하는 발전연료공급라인; 및
   상기 발전연료공급라인에 마련되며 상기 암모니아 증발가스를 압축하는 암모니아압축기:를 더 포함하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 연료탱크의 암모니아를 기화시켜 상기 연료탱크로 회수하는 기화라인; 및
   상기 기화라인에 마련되는 암모니아기화기:를 더 포함하되,
   상기 암모니아기화기에서는 상기 암모니아압축기에서 압축되어 상기 발전엔진으로 공급될 암모니아 증발가스와 열교환으로 상기 암모니아가 기화되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
   상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 상기 암모니아압축기로 공급되어 상기 발전연료공급라인을 따라 상기 발전엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.

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