KR20230162858A - 원유운반선의 연료공급시스템 - Google Patents

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Abstract

원유운반선의 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 원유운반선의 연료공급시스템은, 원유(Crude oil)를 운반하며 LNG를 연료로 공급받는 엔진이 마련된 선박에서, 원유에서 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시킨 LVOC(Liquefied Volatile Organic Compounds)를 저장하는 LVOC 탱크; 상기 LVOC 탱크로부터 LVOC를 공급받아 기화시키고 LNG로부터 강제기화 또는 자연기화된 천연가스에 혼합하여 상기 엔진으로 공급하는 연료공급부; 및 상기 연료공급부로부터 상기 엔진으로 가스 연료를 공급하는 가스공급배관:을 포함하되, 상기 가스공급배관은 이중배관을 포함하여 상기 엔진으로 공급되는 가스 연료의 열손실로 인한 컨덴세이트(condensate) 생성을 방지하는 것을 특징으로 한다.

Description

원유운반선의 연료공급시스템{Fuel Supply System For Shuttle Tanker}
본 발명은 원유운반선의 연료공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔진으로 가스 연료를 공급하는 가스공급배관에 이중배관을 포함하여 엔진으로 공급되는 가스 연료의 열손실로 인한 컨덴세이트(condensate) 생성을 방지하는 원유운반선의 연료공급시스템에 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 -162℃)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.
한편, 셔틀 탱커(Shuttle Tanker)나 초대형원유운반선(Very Large Crude-Oil Carrier, VLCC)과 같이 대량의 원유를 수송하는 선박에서는 선적 및 운항 시 원유로부터 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.
그에 따라 원유운반선에서 발생하는 VOC를 액화하여 선내에 저장하거나, 액화시킨 LVOC를 선내 연료로 공급하는 방법이 일부 호선에 적용되고 있다. LNG를 연료로 사용하는 엔진으로 LVOC를 공급하는 경우에는 가스 상태로 만들어 LNG에 섞어 연료로 공급할 수 있다.
그러나 메탄이 주성분으로 끓는점이 -162℃ 내외여서 기체 상태를 유지하기 쉬운 LNG와 달리, 벤젠, 포름알데히드, 톨루엔, 스티렌 등 끓는점이 높은 물질이 주성분인 VOC는 20℃ 내외의 상온에서도 응축되므로, 연료 공급 과정 중에 열손실이 있으면 쉽게 컨덴세이트가 형성되고, 이러한 컨덴세이트가 가스 연료를 공급받는 엔진으로 유입되면 엔진의 고장을 초래할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 원유운반선에서 발생하는 VOC를 액화시켜 선내 엔진 연료로 공급하여 처리하면서, 연료 공급 과정 중에 컨덴세이트 생성으로 인한 엔진 고장을 방지할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 원유(Crude oil)를 운반하며 LNG를 연료로 공급받는 엔진이 마련된 선박에서,
원유에서 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시킨 LVOC(Liquefied Volatile Organic Compounds)를 저장하는 LVOC 탱크;
상기 LVOC 탱크로부터 LVOC를 공급받아 기화시키고 LNG로부터 강제기화 또는 자연기화된 천연가스에 혼합하여 상기 엔진으로 공급하는 연료공급부; 및
상기 연료공급부로부터 상기 엔진으로 가스 연료를 공급하는 가스공급배관:을 포함하되,
상기 가스공급배관은 이중배관을 포함하여 상기 엔진으로 공급되는 가스 연료의 열손실로 인한 컨덴세이트(condensate) 생성을 방지하는 것을 특징으로 하는 원유운반선의 연료공급시스템이 제공된다.
바람직하게는 상기 이중배관은, 상기 연료공급부로부터 상기 엔진으로 공급되는 상기 가스 연료가 흐르는 내관; 및 상기 내관 외측을 감싸되 이격하여 마련되는 외관:을 포함하고, 상기 내관과 외관 사이에는 이격 공간이 형성될 수 있다.
바람직하게는, 공기를 가열하여 상기 이격 공간으로 공급하는 에어히터; 및 상기 이중배관에서 배출되는 공기의 온도를 감지하는 온도센서:를 더 포함하며, 상기 에어히터에서 가열된 공기는 상기 이격 공간을 통과한 후 상기 이중배관 외부로 배출될 수 있다.
바람직하게는, 상기 온도센서에서 감지된 공기 온도가 35 내지 45℃의 일정값을 유지하도록 상기 에어히터를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이격 공간을 진공 상태로 유지하여 상기 내관으로의 외부 열 유입 및 내부 열 유출을 차단할 수 있다.
바람직하게는 상기 연료공급부는, 선내 연료탱크로부터 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 강제기화기; 상기 연료탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 증발가스를 공급받아 가열하는 히터; 상기 LVOC 탱크로부터 LVOC를 펌핑하여 이송하는 LVOC 펌프; 상기 LVOC 펌프에서 펌핑된 LVOC를 공급받아 기화시키는 LVOC 기화기; 및 상기 강제기화기 또는 히터를 거친 천연가스에 상기 LVOC 기화기에서 기화된 LVOC를 혼합하는 연료믹서:를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 VOC를 액화시켜 저장해두고 이를 연료로 공급하여 처리함으로써, 선박에서 필요한 LNG나 오일 등 타연료의 양을 줄여 비용을 절감할 수 있고, 광화학 스모그를 유발시키고 인체에 유해한 성분을 포함하는 VOC를 효과적으로 처리하여 대기 중에 그대로 배출되는 것을 방지할 수 있다.
특히 선내 엔진 연료로 공급하면서 가스공급배관에 이격 공간이 형성된 이중배관을 마련하고, 이격 공간을 통해 내관 내부를 흐르는 혼합 가스 연료의 온도를 일정하게 유지함으로써, 연료 공급 과정 중 열손실로 컨덴세이트가 생성되는 것을 방지하고, 컨덴세이트 유입으로 인한 엔진 고장을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 연료공급시스템에서 가스공급배관의 이중배관 부분을 보다 상세히 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(Shuttle Tanker), 초대형원유운반선(Very Large Crude-Oil Carrier, VLCC)을 예로 들 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 원유운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 2에는 도 1에 도시된 연료공급시스템에서 가스공급배관의 이중배관 부분을 보다 상세히 도시하였다.
선박이 원유운반선(Shuttle Tanker)이나 초대형원유운반선(VLCC)과 같이, 카고탱크에 저장된 원유(Crude oil)로부터 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)이 발생하는 선박인 경우, 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물(VOC)을 액화시켜 액화된 휘발성유기화합물(Liquified Volatile Organic Compounds, LVOC)을 LVOC 탱크(DT)에 저장하고, 엔진에 연료로 공급하여 처리할 수 있다.
카고탱크에서 발생하는 VOC는 30 ℃, 0.5 barg 내외의 기체 상태일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예 시스템에서 선박에는 VOC를 액화하기 위한 VOC 액화유닛(VRS)이 마련된다. VOC 액화유닛(VRS)은 카고탱크로부터 발생하는 휘발성유기화합물을 공급받아 이물질을 제거하는 클리닝장치, 이물질이 제거된 VOC를 공급받아 압축하는 압축장치, 압축된 VOC를 냉각하여 액체로 응축시키는 응축장치 등을 포함할 수 있다.
VOC 액화유닛에서 액화된 LVOC는 LVOC 탱크(DT)에 저장된 후, 엔진으로 공급될 가스연료에 혼합되어 엔진 연료로 공급된다.
본 실시예에서 선박에는 LNG, 즉 천연가스를 연료로 공급받는 엔진(E)이 마련된다. 이러한 엔진은 추진용 엔진뿐만 아니라 발전용 엔진일 수도 있으며, 천연가스와 함께 HFO(Heavy fuel oil), MGO(Marine Gas Oil), LSMGO(Low Sulfur Marine Gas Oil), VLSFO(Very Low Sulfur Fuel Oil) 등의 다른 선박용 연료를 공급받을 수 있는 이중연료엔진으로 마련된다.
예를 들면, 16 bar 정도의 천연가스를 연료로 공급받는 오토 사이클의 2행정 엔진인 X-DF 엔진이나, 2행정으로 구성되며 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택한 ME-GI 엔진일 수 있다.
엔진으로의 천연가스 연료를 공급하기 위한 연료공급부(FHS)는, 선내 연료탱크(FT)로부터 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 강제기화기(10), 연료탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 증발가스를 공급받아 가열하는 히터(20), LVOC 탱크로부터 LVOC를 펌핑하여 이송하는 LVOC 펌프(40), LVOC 펌프에서 펌핑된 LVOC를 공급받아 기화시키는 LVOC 기화기(50), 강제기화기 또는 히터를 거친 천연가스에 LVOC 기화기에서 기화된 LVOC를 혼합하는 연료믹서(60)를 포함한다.
가스 모드에서는 연료탱크로부터 LNG를 펌핑하여 강제기화기를 거쳐 기화시켜 공급하거나, LNG에서 발생하는 증발가스, 즉 자연기화된 천연가스를 히터를 거쳐 엔진으로 공급할 수 있다. 엔진에서 필요한 연료공급 압력에 따라 부스팅 컴프레서(30)를 포함하여, 추가로 강제기화 또는 자연기화된 천연가스를 압축할 수 있는 압축기를 거쳐 엔진으로 공급될 수 있다.
이때, 연료공급부에서는 LVOC 탱크에 저장된 LVOC를 LVOC 펌프를 거쳐 펌핑하고, LVOC 기화기에서 LVOC를 기화시킨 후, 연료믹서에서 LNG로부터 강제기화 또는 자연기화된 천연가스에 일부 혼합하여 엔진 연료로 공급할 수 있다.
연료공급부(FHS)에서 강제기화기, 히터 및 LVOC 기화기에는 열원 공급을 위한 열매체(Heating medium)로 스팀이 공급될 수 있고, 강제기화기 및 히터로 열매체를 공급하는 열원공급부(HMS)는 하나의 스키드(skid)에 마련될 수 있다.
연료공급부의 연료믹서(60)로부터 가스공급배관(FSL)을 따라 VOC와 천연가스를 혼합한 가스 연료가 엔진(E)으로 공급된다.
그런데, 벤젠, 포름알데히드, 톨루엔, 스티렌 등 끓는점이 높은 물질이 주성분인 VOC는 20℃ 내외의 상온에서도 응축되므로, 연료 공급 과정 중에 열손실이 있으면 쉽게 컨덴세이트가 형성되며, 가스 모드에서 엔진으로 컨덴세이트가 유입되면 장치 이상을 일으킬 수 있다.
본 실시예에서는 가스공급배관에 이중배관(double wall pipe)을 포함하여, 엔진으로 공급되는 가스 연료의 열손실로 인한 컨덴세이트(condensate) 생성을 방지할 수 있도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이 이중배관(DP)은, 연료공급부로부터 엔진으로 공급되는 가스 연료가 흐르는 내관(IP)과, 내관 외측을 감싸되 이격하여 마련되는 외관(EP)을 포함하는 구조로, 내관과 외관 사이에는 이격 공간(DS)이 형성된다.
이중배관을 지나는 가스 연료의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 방법으로, 우선 공기를 가열하여 이격 공간으로 공급하는 에어히터(100)와, 이중배관에서 배출되는 공기의 온도를 감지하는 온도센서(TT)를 구비하고, 에어히터(100)에서 가열된 공기를 이격 공간(DS)을 통과시킨 후 이중배관(DP) 외부로 배출함으로써, 이중배관 내부 온도를 일정하게 유지하고, 내관 내부를 지나는 혼합 가스 연료의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
온도센서(TT)에서 감지된, 이중배관에서 배출되는 공기 온도는 35 내지 45℃의 일정값을 유지하도록 에어히터(100)를 제어할 수 있다.
예를 들어 온도센서로 감지된 배출 공기 온도가 45℃에 달하면 에어히터가 OFF로, 40℃로 유지되면 에어히터를 ON으로 작동되도록 설정하고, 35℃로 떨어지면 저온알람(Temperature Alarm Low, TAL)과 함께 VOC가 혼합된 가스 연료 대신 컨덴세이트 생성 위험이 없는 천연가스만 엔진 연료로 공급될 수 있도록 LNG only Mode로 작동되도록 설정할 수 있다.
한편, 이중배관을 지나는 가스 연료의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 다른 방법으로, 내관과 외관 사이의 이격 공간을 진공 상태로 유지하여 내관으로의 외부 열 유입 및 내부 열 유출을 차단하는 방법도 고려할 수 있다.
연료믹서에서 천연가스와 혼합된 VOC는 엔진 외에도 선내 IGG(Inert Gas Generator)나 Gasturbine, Aux. Boiler 등의 연료로 공급될 수도 있다.
이와 같이 본 실시예는 원유운반선의 원유에서 발생하는 VOC를 액화시켜 저장해두고 엔진 연료로 공급함으로써, 선박에서 필요한 LNG나 오일 등 타연료의 사용량을 줄여 비용을 절감할 수 있고, 대기배출제한을 받는 VOC를 선내에서 효과적으로 처리하면서, 연료 공급 과정 중 열손실로 컨덴세이트가 생성되는 것을 방지하여, 그로 인한 엔진 고장을 방지할 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.
FT: 연료탱크
DT: LVOC 탱크
FHS: 연료공급부
FSL: 가스공급배관
100: 에어히터
TT: 온도센서
DP: 이중배관
IP: 내관
EP: 외관
DS: 이격 공간

Claims (6)

  1. 원유(Crude oil)를 운반하며 LNG를 연료로 공급받는 엔진이 마련된 선박에서,
    원유에서 발생하는 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOC)을 액화시킨 LVOC(Liquefied Volatile Organic Compounds)를 저장하는 LVOC 탱크;
    상기 LVOC 탱크로부터 LVOC를 공급받아 기화시키고 LNG로부터 강제기화 또는 자연기화된 천연가스에 혼합하여 상기 엔진으로 공급하는 연료공급부; 및
    상기 연료공급부로부터 상기 엔진으로 가스 연료를 공급하는 가스공급배관:을 포함하되,
    상기 가스공급배관은 이중배관을 포함하여 상기 엔진으로 공급되는 가스 연료의 열손실로 인한 컨덴세이트(condensate) 생성을 방지하는 것을 특징으로 하는 원유운반선의 연료공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이중배관은
    상기 연료공급부로부터 상기 엔진으로 공급되는 상기 가스 연료가 흐르는 내관; 및
    상기 내관 외측을 감싸되 이격하여 마련되는 외관:을 포함하고,
    상기 내관과 외관 사이에는 이격 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 원유운반선의 연료공급시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    공기를 가열하여 상기 이격 공간으로 공급하는 에어히터; 및
    상기 이중배관에서 배출되는 공기의 온도를 감지하는 온도센서:를 더 포함하며,
    상기 에어히터에서 가열된 공기는 상기 이격 공간을 통과한 후 상기 이중배관 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 원유운반선의 연료공급시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 온도센서에서 감지된 공기 온도가 35 내지 45℃의 일정값을 유지하도록 상기 에어히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 원유운반선의 연료공급시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 이격 공간을 진공 상태로 유지하여 상기 내관으로의 외부 열 유입 및 내부 열 유출을 차단하는 것을 특징으로 하는 원유운반선의 연료공급시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료공급부는
    선내 연료탱크로부터 이송된 LNG를 공급받아 기화시키는 강제기화기;
    상기 연료탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 증발가스를 공급받아 가열하는 히터;
    상기 LVOC 탱크로부터 LVOC를 펌핑하여 이송하는 LVOC 펌프;
    상기 LVOC 펌프에서 펌핑된 LVOC를 공급받아 기화시키는 LVOC 기화기; 및
    상기 강제기화기 또는 히터를 거친 천연가스에 상기 LVOC 기화기에서 기화된 LVOC를 혼합하는 연료믹서:를 포함하는 원유운반선의 연료공급시스템.
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