WO2012150741A1 - 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법 - Google Patents

고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법 Download PDF

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lng
pressure pump
high pressure
low pressure
injection engine
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류승각
안재완
김동찬
손수정
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대우조선해양 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel gas supply system and a supply method for a high pressure gas injection engine for supplying LNG or evaporated gas discharged from an LNG fuel tank to a high pressure gas injection engine, and smoothly supplying fuel gas to the high pressure gas injection engine.
  • the present invention relates to a fuel gas supply system and a supply method for a high-pressure gas injection engine capable of pre-cooling and maintaining a cooling state of various equipment included in the system before the system is driven.
  • Such a ME-GI engine is an offshore structure such as an LNG carrier for storing and transporting LNG (Liquefied Natural Gas) in a cryogenic storage tank (in the present specification, the offshore structure is a vessel such as an LNG carrier, an LNG RV, or a commercial vessel). , LNG FPSO, LNG FSRU, and even offshore plants.)
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • the offshore structure is a vessel such as an LNG carrier, an LNG RV, or a commercial vessel.
  • LNG FPSO LNG FPSO
  • LNG FSRU and even offshore plants.
  • natural gas is used as fuel
  • the load is approximately 150 to 300 bara (absolute pressure). High pressure gas supply pressure is required.
  • the ME-GI engine will use Boil Off Gas (BOG) as a fuel if additional liquefaction equipment is installed if necessary, depending on changes in gas and fuel oil prices and the degree of regulation of emissions.
  • BOG Boil Off Gas
  • HFO heavy fuel oil
  • LNG can be easily vaporized when passing through a sea area subject to specific regulations related to environmental pollution. It can be used as a next-generation environmentally friendly engine, which is nearly 50% efficient and can be used as the main engine of LNG carriers in the future.
  • a natural gas that is, a fuel gas supply system must be provided.
  • WO 2009/136793 discloses that LNG discharged from an LNG storage tank is compressed by a high pressure pump and then evaporated in an evaporator to be supplied to a gas engine such as an ME-GI engine, and at the same time evaporated from the LNG storage tank.
  • a fuel gas supply system is disclosed in which a gas is compressed in an evaporative gas compressor and then liquefied in a cryogenic heat exchanger, mixed with LNG supplied to a high pressure pump, and supplied to a gas engine.
  • Such a fuel gas supply system is essential for supplying fuel gas in a state required by the engine, that is, a temperature and pressure required by the engine.
  • the fuel gas supply system is generally provided with a transfer means such as a reciprocating pump as a means for transfer of LNG.
  • a transfer means such as a reciprocating pump as a means for transfer of LNG. Since the liquefaction temperature of LNG is cryogenic at about -163 ° C at ambient pressure, the pump used in the fuel gas supply system must be able to operate in cryogenic conditions.
  • the cryogenic reciprocating pump for ships is configured to suck the liquid, that is, LNG, by the piston or plunger reciprocating in the cylinder, and discharge at the required pressure.
  • reciprocating pumps have advantages such as relatively high pressure gain, good flow rate, and no need for a separate flow control device.
  • the present invention is to solve the conventional problems as described above, in order to perform the pre-cooling process quickly and smoothly, at the beginning of the pre-cooling process using a liquid nitrogen to cool the various equipment to drive the system and In order to maintain the cooling state of various equipments after the system is driven, it is to provide a fuel gas supply system and a supply method for a high-pressure gas injection engine that can maintain a cooling state using LNG.
  • a method for supplying the LNG to the high-pressure gas injection engine using a fuel gas supply system for supplying the LNG as a fuel from the LNG storage tank to the high-pressure gas injection engine, the fuel gas supply High-pressure gas injection, characterized in that to cool the at least one of the equipment included in the system to pass the LNG at the supply of fuel gas using liquid nitrogen, and to maintain the cooling state of the at least one equipment using LNG A fuel gas supply method for an engine is provided.
  • the liquid nitrogen contained in the LN2 tank is supplied to the equipment to pre-cool the equipment, and the liquid nitrogen used for the pre-cooling of the equipment is vaporized. It is preferred to be vented.
  • the LNG is supplied to the equipment cooled by liquefied nitrogen to maintain the cooling state of the equipment, and the boil-off gas generated from the LNG is returned to the LNG storage tank.
  • the equipment is a high pressure pump for compressing LNG at a pressure required by the high pressure gas injection engine, a suction drum installed between the LNG storage tank and the high pressure pump to stably supply LNG to the high pressure pump, and the LNG It is preferable to include a low pressure pump for supplying the LNG stored in the storage tank to the suction drum.
  • the liquid nitrogen from the LN2 tank to the low pressure pump through the LN2 supply line, and to flow the liquid nitrogen passed through the low pressure pump through the vent line provided with the vent valve.
  • the liquefied nitrogen passing through the low pressure pump flows through a vent line provided with a vent valve and is supplied to the suction drum disposed downstream of the low pressure pump.
  • the liquid nitrogen supplied to the high pressure pump is preferably supplied to a high pressure vaporizer disposed downstream of the high pressure pump to cool and discharge the high pressure vaporizer.
  • the liquid nitrogen in the LN2 supply line is preferably vented.
  • the low pressure pump supplies the LNG contained in the LNG storage tank to the suction drum, whereby the low pressure pump and the suction drum to maintain the cooling state by the LNG It is preferable.
  • the low pressure When the supply of LNG to the suction drum by the low pressure pump is completed, the low pressure by circulating the LNG while returning the boil-off gas toward the LNG storage tank through an evaporation gas return line branched between the low pressure pump and the suction drum. It is desirable to keep the pump cool.
  • a fuel gas supply system for supplying LNG as a fuel from a LNG storage tank to a high pressure gas injection engine, comprising: a high pressure pump for compressing LNG to a pressure required by the high pressure gas injection engine; A suction drum installed between the LNG storage tank and the high pressure pump; A low pressure pump for supplying the LNG stored in the LNG storage tank to the suction drum; An LN2 tank containing liquefied nitrogen for cooling the high pressure pump, the suction drum, and the low pressure pump before driving the fuel gas supply system;
  • a fuel gas supply system for a high-pressure gas injection engine comprising a.
  • An LN2 supply line extending from the LN2 tank to the low pressure pump to supply liquefied nitrogen from the LN2 tank to the low pressure pump, wherein the suction drum and the high pressure pump are disposed downstream of the low pressure pump to provide the low pressure.
  • the liquid nitrogen passing through the pump is preferably able to be supplied to the suction drum and the high pressure pump.
  • An evaporation gas return line branched between the low pressure pump and the suction drum to return the evaporated gas to the LNG storage tank;
  • suction drum bypass line installed to supply the LNG stored in the LNG storage tank directly to the high pressure pump after pressurized by the low pressure pump without passing through the suction drum.
  • a fuel gas supply system and supply method for a high pressure gas injection engine may be provided.
  • the pre-cooling process can be performed quickly and smoothly.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram from a high pressure pump to an engine of a fuel gas supply system for a high pressure gas injection engine according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the buffer tank filling mode of the fuel gas supply system for a high-pressure gas injection engine according to the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a direct gas supply mode of the fuel gas supply system for a high-pressure gas injection engine according to the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining a buffer tank use mode of the fuel gas supply system for a high-pressure gas injection engine according to the present invention.
  • 5 to 8 are views for explaining a cooling apparatus according to various embodiments of the reciprocating pump of the fuel gas supply system for a high-pressure gas injection engine according to the present invention.
  • 9 to 12 is a schematic configuration diagram from a storage tank to a high pressure pump of a fuel gas supply system for a high pressure gas injection engine according to the present invention, illustrating a process of cooling down the system for smooth supply of LNG. .
  • FIG. 13 is a view showing an LNG carrier having a fuel gas supply system for a high pressure gas injection engine according to the present invention.
  • 14A and 14B are views for explaining an arrangement position of a fuel gas supply system in an LNG carrier.
  • the fuel gas supply system (ie, natural gas) for the high pressure gas injection engine of the present invention can use all kinds of offshore structures, ie, LNG carriers, LNG RVs, container ships, and general vessels, in which liquefied natural gas can be used as a fuel of the high pressure gas injection engine. It can be applied to marine plants such as LNG FPSO, LNG FSRU, as well as ships such as merchant ships.
  • the LNG in the LNG storage tank is supplied as a fuel to the high-pressure gas injection engine.
  • LNG is discharged from the LNG fuel tank that stores LNG as fuel and supplied to the high-pressure gas injection engine. do.
  • the LNG storage tank should be understood as a concept including an LNG fuel tank.
  • the high-pressure gas injection engine 1 such as ME-GI engine.
  • the boil-off gas may be mixed with the LNG to be liquefied and then transported to the high-pressure gas injection engine.
  • carburetor 5 is provided with the pulsation damper 3 for absorbing and reducing pulsation on a liquid surface as cryogenic equipment.
  • the pump 20 is preferably a reciprocating pump capable of pressurizing LNG by applying to cryogenic temperatures.
  • the pump 20 is a high pressure pump capable of compressing LNG to a high pressure of about 150 to 300 bara.
  • high pressure means a pressure range of a fuel gas required by a gas engine such as a ME-GI engine, for example, a pressure in the range of about 150 to 300 bara.
  • carburetor 5 is a high pressure vaporizer, and heats and vaporizes liquid LNG by heat-exchanging with a heat medium.
  • the fuel supply line L1 may be injected with liquid nitrogen (ie, liquid nitrogen; LN2) for cooling the system, and the liquid nitrogen injected into the fuel supply line L1 is downstream of the vaporizer 5. From the liquid nitrogen discharge line (L2) can be discharged to the outside. Liquid nitrogen discharge line (L2) may be provided with a silencer (not shown).
  • a buffer tank (11) capable of receiving a predetermined amount of fuel gas at a high pressure.
  • the buffer tank 11 is not insulated and may be affected by the external environment. When the external temperature of the buffer tank 11 is higher than the temperature of the fuel gas contained in the buffer tank 11, the fuel gas contained in the buffer tank 11 may be heated by heat supplied from the outside.
  • the buffer tank 11 has a structure capable of withstanding a pressure of approximately 300 bar, and may have a structure such as a storage tank for CNG.
  • the buffer tank 11 is connected in parallel with the fuel supply line L1 through the filling line L3 and the use line L4.
  • the check valve 12 is installed in the filling line L3, and the bypass valve 13 is installed in the use line L4.
  • a control valve 14 for adjusting the flow rate to control the amount of fuel corresponding to the engine condition, an on / off valve 15 as a master valve having a shut off function, and the engine condition Gas heaters 16 for adjusting the temperature of the fuel in accordance with are sequentially installed from the upstream side to the downstream side.
  • the control valve 14 is installed downstream of the point where the filling line L3 branches in the fuel supply line L1 and upstream of the point where the use line L4 is connected.
  • the on-off valve 15 and the gas heater 16 are installed in the downstream side of the point where the use line L4 is connected in the fuel supply line L1.
  • the fuel gas supply system having a buffer tank can be operated in a buffer tank filling mode, a direct gas supply mode, a buffer tank use mode, and the like, as necessary. Each mode will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4. 2 to 4, hatching the inside of the valve means that the valve is open, and no hatching inside the valve means that the valve is closed.
  • the buffer tank filling mode will be described with reference to FIG. 2.
  • the check valve 12 is opened, and the bypass valve 13, the control valve 14, and the open / close valve 15 are closed.
  • the check valve 12 is opened, the fuel gas (that is, natural gas) compressed to a high pressure of about 300 bar is supplied to the buffer tank 11 through the filling line L3.
  • the check valve 12 is closed.
  • a direct gas supply mode will be described with reference to FIG. 3.
  • the fuel gas is supplied from the vaporizer 5 through the fuel supply line L1.
  • the check valve 12 and the bypass valve 13 are closed, and the control valve 14 and the open / close valve 15 are opened.
  • the filling of the buffer tank 11 can proceed simultaneously.
  • a buffer tank use mode will be described with reference to FIG. 4.
  • the high pressure gas injection engine 1 When the high pressure gas injection engine 1 is operated, when the required load suddenly changes, such as during initial start-up or output sudden increase, sufficient fuel is supplied to the high pressure gas injection engine 1 only by supplying fuel from the vaporizer 5. Can't supply At this time, the check valve 12 and the control valve 14 are closed, the bypass valve 13 and the opening / closing valve 15 are opened, and the fuel gas stored in the buffer tank 11 is supplied to the high pressure gas injection engine 1. do.
  • the term "when the load of the high pressure gas injection engine 1 fluctuates rapidly” means that the pump 20 or the carburetor in which the load required by the high pressure gas injection engine 1 is installed in the fuel supply line L1. (5) It means the case of fluctuating beyond the capacity of equipment.
  • the buffer tank 11 It is possible to cope with a suddenly changing load. Accordingly, it is not necessary to satisfy the load maximum value of the high-pressure gas injection engine 1 in which the size and capacity of the various components change rapidly, and the size and capacity of the various components do not need to be excessively large, and to configure the fuel gas supply system. To reduce the cost.
  • the temperature of the discharged fuel gas may decrease.
  • the fuel gas may be heated by the gas heater 16 and then supplied to the engine.
  • the reciprocating pump 20 includes a drive unit 21 driven by a motor 22 and a discharge unit 25 that operates by the drive unit 21 and sucks fluid, that is, LNG, compresses and discharges the fluid to a predetermined pressure. ).
  • the rotational force of the motor 22 may be transmitted to the driver 21 through the pulley 23.
  • the piston or plunger of the discharge unit 25 compresses and discharges the fluid while reciprocating in the cylinder through a connecting unit such as a connecting rod.
  • a flexible hose 60 may be installed between the inlet of the pump 20 and the fuel supply line L1, so that the pipe constituting the fuel supply line L1 and the inlet of the pump 20 are not aligned correctly. If not, the connection can be easily performed.
  • Lubricating oil is injected into the driving unit 21 to lubricate the operation of the crankshaft and the connecting rod. As the operation of the pump 20 continues, the temperature of the lubricating oil rises, so it is necessary to cool the lubricating oil.
  • the cryogenic reciprocating pump for ships is a pump in which a piston or a plunger reciprocates in a cylinder to inhale liquid and discharge the liquid at a required pressure.
  • a reciprocating pump has characteristics such that high pressure can be obtained relatively simply, the flow rate is good, and there is no need to install another flow control device.
  • the pump using the cryogenic fluid is easily vaporized due to the heat inflow at room temperature, the suction is not properly due to the generated vapor (Vapor).
  • there are limitations in terms of layout compared to onshore so it is necessary to examine the suction and discharge areas when installing the pump.
  • the cryogenic flexible hose 60 in the suction device of the reciprocating pump for cryogenic ultra-high pressure natural gas supply device for ships, the cryogenic flexible hose 60, rather than using a pipe that does not allow a relatively margin to the suction line (60)
  • the movement is relatively free and is not restricted by the arrangement, and the suction tube of the pump can be efficiently suctioned by applying a sufficiently large size, that is, a large diameter flexible hose, to the suction line of the pump.
  • the diameter of the flexible hose needs to be large enough to facilitate suction by the pump, and is preferably equal to or larger than the diameter of the conveying pipe.
  • the flexible hose 60 As the flexible hose 60, a product such as JEIL F-A to F-R of Jeil Industrial Co., Ltd., or a product such as DS 01 to 08 of Dae Sung Engineering Co. can be used.
  • the flexible hose 60 needs to be made of a material capable of maintaining rigidity even if the liquefied natural gas in a cryogenic state passes inside, for example, SUS material, and can be wrapped by an insulation material if necessary.
  • a SUS material having flanges integrally formed at both ends can be used, and the flexible hose can be installed by fastening the flanges at both ends to the flange at the pipe end and the suction port of the pump, respectively.
  • the flexible hose 60 is installed only between the natural gas transfer pipe upstream of the pump and the suction port of the pump, the flexible hose may be installed between the discharge port of the pump and the natural gas transfer pipe downstream of the pump, if necessary. Can be.
  • the discharge port of the pump may be connected to the pipe bent to have a Hangul dejaja or a consonant form as the impact mitigating means, and thus the vibration of the pump may not be transmitted to the discharge side pipe by the impact mitigating means.
  • the shock mitigating means 65 is by a pipe bent to prevent the vibration and shock generated by the fluid discharged during the operation of the pump 20 to be transmitted to the pump downstream of the fuel supply line (L1). Is done.
  • the pipe is bent a plurality of times, and may preferably have a number of bends of about 3 to 5 times.
  • the impact mitigating means may be bent three times in the case of a depressed type, and five times in the case of a treble form.
  • an impact mitigating means 65 is provided on the discharge side of the pump 20 used in the fuel (natural gas) supply system.
  • the impact mitigating means 65 disclosed in FIG. 5 is illustrated as being made by a pipe bent in a roughly amic shape, the form of the impact mitigating means is not limited to that shown in FIG.
  • Fig. 5 discloses a two-dimensional bent, i.e., an impact mitigating means extending in a plane, according to the present invention, a three-dimensional bent impact mitigating means may be provided.
  • the present invention by applying a banding to the discharge side of the pump 20 in the fuel supply line L1 in the same direction as the driving direction of the pump, shock mitigation that can cushion vibration and shock generated when the pump is driven.
  • the means 65 As the means 65 is installed, vibration and shock generated when the pump is driven can be buffered.
  • the impact mitigating means 65 has a considerable advantage that the connection work can be easily performed even when the connection portion is fastened as long as the bending is free.
  • Typical methods for transmitting power to the pump include belts, gears, and chain drives.
  • the V-belt driving method transmits the rotating power by friction between the belt and the belt pulley (Pulley). If there is no constant tension of the belt between the pump pulley and the motor pulley, the belt slippage occurs. When the slip of the belt occurs, the efficiency of the pump is lowered, noise is generated, and the belt is damaged due to heat generated by friction.
  • a belt slip monitoring apparatus and method of a pump for measuring whether the pump slips using the belt.
  • the pump 20 of the natural gas supply system includes a motor 22 providing a driving force, the driving force of the motor 22 being transmitted to the driving unit 21 of the pump 20. Is passed through.
  • the transmission means includes a motor side pulley 22a installed on the rotating shaft of the motor 22 and rotating, a pump side pulley 23 provided on the drive unit 21 of the pump 20, and these two. And a belt 24 connecting the pulleys 22a and 23.
  • Each pulley 22a, 23 is fitted with a sensor, for example a proximity sensor, to calculate the rotational speed.
  • the proximity sensor can detect the rotational speed of the pulley, and in the controller (not shown), the motor-side pulley 22a and the pump-side pulley (through the rotational speed of each pulley calculated from information transmitted from the proximity sensor) Calculate the actual rotation ratio between 23).
  • the monitoring method using the belt slip monitoring apparatus of the pump according to the present invention calculates the ratio of the diameter between the pulley 22a of the motor and the pulley 23 of the pump, and the pump side pulley when the motor pulley 22a rotates once.
  • the slippage of the belt can be determined by comparing the theoretical rotational ratio calculated by how much the 23 rotates and the actual rotational ratio calculated using the information obtained through the proximity sensor as described above.
  • a sensor for example, a proximity sensor (not shown) is attached to the pulley of the pump and the pulley of the motor (and, if necessary, the driving part and the motor of the pump), respectively. Compare with. If the belt slips while the pump is running, the ratio of the rotational speed (rpm) measured by the proximity sensor causes an error in the diameter ratio between the pulleys, that is, the actual rotational ratio produces an error with respect to the theoretical rotational ratio. It is possible to determine whether the belt slip due to the occurrence of the error.
  • Proximity sensor is a device for measuring the rotational speed of each pulley of the pump and motor, any sensor of any configuration can be used if the rotational speed of the pulley can be measured.
  • the cooling apparatus of the first embodiment shown in FIG. 5 includes a lubricating oil circulation line L5 for circulating lubricating oil into and out of the pump 20, and a radiator 31 installed in the lubricating oil circulation line L5 to cool the lubricating oil. And a lubricating oil pump 33 for circulating the lubricating oil.
  • a plurality of valves 35, 36, and 37 may be installed in the lubricating oil circulation line L5.
  • Lubricating oil circulation line (L5) constitutes a closed loop.
  • the cooling device of the second embodiment shown in FIG. 6 differs in that it uses a heat exchanger 41 instead of a radiator as compared to the cooling device of the first embodiment shown in FIG.
  • the LNG which is compressed and discharged from the pump 20, is partially bypassed and supplied to the heat exchanger 41 through the bypass line L6. Since the temperature of the LNG is relatively low compared to the lubricant, it is possible to cool the lubricant.
  • the cooling device of the third embodiment shown in FIG. 7 is different in that it uses a heat exchanger 45 instead of a radiator as compared to the cooling device of the first embodiment shown in FIG.
  • the heat exchanger 45 may be supplied with sea water (or fresh water) or air for heat exchange with the lubricating oil.
  • the cooling device of the fourth embodiment shown in FIG. 8 is different from the cooling devices of the above-described first to third embodiments forming a closed loop in that the cooling device of the fourth embodiment is an open loop.
  • the cooling apparatus of the fourth embodiment cools the drive unit 21 of the pump 20 by nitrogen supplied from the liquid nitrogen tank 51 through the nitrogen supply line L7.
  • the supply amount of the liquid nitrogen can be adjusted by the on-off valve 52, the liquid nitrogen is preferably heated by the heater 53 is vaporized and then supplied to the pump 20.
  • connection portion 27 of the pump It is supplied to the pump 20 to cool the driving unit 21 of the pump and the heated nitrogen itself is discharged to the outside of the pump 20 may be supplied to the connection portion 27 of the pump again.
  • the amount of nitrogen supplied to the connection 27 can be controlled by the valve 55.
  • the connection part 27 is positioned between the discharge part 25 and the drive part 21 to transmit the driving force of the drive part to the discharge part by the connecting rod 28 or the like.
  • the connecting portion 27 of the pump in which the connecting rod 28 or the like is disposed is cooled by continuously receiving cold heat from the discharge portion 25, and freezing may occur.
  • the temperature of the connection portion 27 can be increased by supplying nitrogen heated in the drive portion 21 to the connection portion 27.
  • the nitrogen gas supplied to the connecting portion 27 functions as a seal gas that isolates the discharge portion 25 and the driving portion 21 from each other.
  • Nitrogen discharged from the connection portion 27 may be discharged to the atmosphere as it is, or may be stored and reused in the nitrogen storage tank 57 through the nitrogen supply line (L7) if necessary.
  • FIGS. 9 to 12 show a schematic configuration from a storage tank to a high pressure pump of a fuel gas supply system for a high pressure gas injection engine according to the present invention.
  • a suction drum In the high-pressure pump and high-pressure carburetor system, which is a method of supplying fuel in the most optimal way for an engine fueled by LNG, a suction drum is required to smoothly supply LNG to the high-pressure pump without interruption.
  • a low pressure pump ie a transfer pump
  • fuel ie LNG
  • These low pressure pumps, suction drums, and high pressure pumps require cool down, or pre-cooling, before operation, with a suction drum and a line bypassing the low pressure pump to quickly and smoothly perform this cool down operation. Make sure to supply liquefied nitrogen (LN2) well when cooling down high pressure pumps.
  • LN2 liquefied nitrogen
  • a pump is added to the vent valve and a storage tank to send evaporation gas to the low pressure pump discharge line. If present, the valve of the vapor return line is opened to maintain the cool down continuously. Before operation, the vent valve is opened to perform additional cool down work if necessary.
  • liquid nitrogen (LN2) is used in the initial cool down.
  • liquid nitrogen (LN2) is poured into a vent line or suction drum to cool down the low pressure pump, and after the low pressure pump cools down, a bypass valve is used. Cool down the suction drum and high pressure pump in earnest.
  • the LNG is supplied to the suction drum using LNG, and when the supply is completed, the boil-off valve is opened to maintain the low pressure pump cool down state.
  • LN2 Liquefied Nitrogen
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a high pressure pump downstream side of a fuel gas supply system for a high pressure gas injection engine according to the present invention
  • FIG. 9 is a high pressure pump upstream of a fuel gas supply system for a high pressure gas injection engine according to the present invention.
  • a schematic configuration diagram of the side is shown.
  • the high pressure pump 107 of FIGS. 9 to 12 has the same configuration as the reciprocating pump 20 of FIG. 1, but has been given a member number separately for convenience.
  • FIG. 10 schematically illustrates a cool down process using LN2.
  • the LN2 from the LN2 tank 109 flows along the line indicated by the dashed line in the drawing, and various valves 111, 112, 115, 119, 120, a low pressure pump 103, a suction drum 105, and the like. Cool equipment and piping.
  • the liquid nitrogen flows through the vent line in which the vent valve 117 is installed, and the low pressure pump (ie, the transfer pump) 103 is cooled while flowing the liquid nitrogen to the suction drum 105.
  • the liquid nitrogen contained in the LN2 tank 109 flows toward the low pressure pump 103 through the LN2 supply line in which the valves 111 and 112 are installed, and then the evaporation gas vent in which the vent valve 117 is installed. It flows toward the suction drum 105 through some sections of the LNG supply line, that is, the fuel gas supply line, which is vented through the line or installed with the valves 119 and 120.
  • the liquid nitrogen is directly supplied to the suction drum 105 through the low pressure pump bypass line where the valve 115 is installed to more efficiently cool the suction drum 105. Also good.
  • the liquefied nitrogen supplied to the suction drum 105 is supplied toward the high pressure pump 107 through the valve 120 if necessary to cool and vent the high pressure pump 107, and thus the high pressure vaporizer 5 (see FIG. 1). Can be.
  • FIG. 11 schematically illustrates a cool down process performed using LNG as necessary after the initial cool down operation using the LN 2 is completed or during operation of the system.
  • the LNG from the LNG storage tank 101 cools various equipment and pipes such as the valves 114, 116, 119, the low pressure pump 103, the suction drum 105, and flows along the line indicated by the dotted line in the figure. Meanwhile, the liquid nitrogen accumulated in the pipe between the valve 111 and the valve 112 may be vented through the valve 113 after being vaporized.
  • the boil-off gas may be returned to the LNG storage tank 101 through the valve 116 and the boil-off gas return line.
  • valves 111 and 112 installed in the LN2 supply line are closed and the nitrogen gas vaporized in the pipe between these valves 111 and 112 opens the vent valve 113 to open the LN2. Can be discharged through the vent line.
  • the low pressure pump 103 of which cool down is completed can continue to maintain a low temperature, supplying LNG as fuel contained in the LNG tank 101 toward suction drum 105.
  • the valve 115 may be closed to restrict the flow of LNG through the low pressure pump bypass line.
  • the valve 116 is opened and the boil-off gas is passed through the boil-off gas return line where the valve 116 is installed.
  • the cooling state of the low pressure pump 103 can be maintained continuously.
  • FIG. 12 schematically shows a method of utilizing a low pressure pump, ie a feed pump 103 as a booster pump.
  • the LNG of the LNG tank 101 stored at a pressure of about 2.5 bar or less is pressurized by about 5 to 10 bar by the low pressure pump 103 and then supplied to the high pressure pump 107.
  • the suction drum 105 is a container for smoothly supplying LNG to the high pressure pump 107, and the low pressure pump 103 may be used for supplying and filling LNG to the suction drum.
  • the suction drum 105 may not be used.
  • the valve 115 provided in the low pressure pump bypass line and the valves 119 and 120 provided in the LNG supply line are closed and installed in the suction drum bypass line.
  • the valve 121 is opened to allow LNG from the LNG tank 101 to be supplied directly to the high pressure pump 107 through the low pressure pump 103.
  • valve 118 when necessary, can be opened to return the LNG in the liquid state to the LNG tank 101 through the liquid return line provided with the valve 118.
  • the LNG used as fuel is the second to the third (tank 4) from the bow for reasons of ballast. Dogs), or from the second to fourth tanks (five tanks).
  • the LNG to be used as fuel is discharged from only one LNG storage tank, it may cause a problem that can not supply the fuel when fixing the valves, pumps, etc. of the pipe, it is possible to discharge the LNG from at least two LNG storage tanks It is desirable to configure the system for use as fuel.
  • LNG is discharged from an LNG storage tank located at the third to fourth (tank 3 and 4) from the bow, and the LNG storage tank is 5
  • the LNG storage tank located in the fourth to fifth (tanks 4 and 5) from the bow as shown in FIG.
  • the fuel gas supply system (FGS) S includes a high pressure pump 20 or 107 for compressing LNG discharged from the LNG storage tank 101 to a pressure required by the engine, and the high pressure pump.
  • the high pressure vaporizer 5 which vaporizes the compressed LNG by the gas supply and supplies it to the high pressure gas injection engine 1, and various piping and valves from the LNG storage tank 101 to the engine 1, etc. are included.
  • the fuel gas supply system S of the present invention receives fuel gas from the vaporizer 5 in advance, and stores the fuel gas in advance of the high pressure gas injection engine 1. It may further include a buffer tank 11 for supplying the stored fuel gas to the high pressure gas injection engine 1 when the load increases, to follow the load variation of the high pressure gas injection engine 1.
  • a part of piping from the LNG storage tank 101 to the engine 1 and a fuel discharge pump 101a located inside the LNG storage tank 101 are located outside the fuel gas supply system S.
  • the fuel gas supply system in a broad range includes all of a series of equipment for supplying LNG as fuel to the engine, and all the pipes from the fuel discharge pump 101a or the LNG storage tank 101 to the engine 1 are used.
  • the negotiated fuel gas supply system S may be considered not to include some of the pipes from the fuel discharge pump 101a or the LNG storage tank 101 to the engine 1,
  • the fuel gas supply system S should be considered to mean the fuel gas supply system in the above-described discussion.
  • the fuel gas supply system S thus constructed is preferably disposed at a position as close to the high pressure gas injection engine 1 and the LNG storage tank 101 as possible. Since the high pressure gas injection engine 1 is located in the engine chamber 150 of the ship, the fuel gas supply system S is preferably disposed adjacent to the engine chamber 150 and the LNG storage tank 101. Since the engine chamber 150 has a high internal temperature, it may not be preferable that the fuel gas supply system S in which the cryogenic fluid flows is installed inside the engine chamber 150.
  • the fuel gas supply system (S), as shown in Figure 14a, in the longitudinal direction of the hull, in the position closest to the engine chamber 150 disposed on the stern side and the engine chamber It may be disposed between the LNG storage tank 101 disposed.
  • the fuel gas supply system S may be disposed up and down between the engine chamber 150 and the living space 160.
  • the residential space 160 is a space required for sailors to live or adjust vessels and control various equipment and systems, the residential space 160 needs to be isolated from the fuel gas supply system S in which LNG, which is explosive fluid, is transferred.
  • at least one of protection means such as A60 bulkhead, trunk space, etc. is installed between the fuel gas supply system S and the living space 160.
  • the fuel gas supply system and method of the present invention has been described as an example applied to an offshore structure such as an LNG carrier, but the fuel gas supply system and method of the present invention is used to supply fuel to a high-pressure gas injection engine on land. Of course, it can be applied.

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Abstract

본 발명은 연료가스를 고압가스 분사엔진에 원활하게 공급할 수 있도록 시스템의 구동 이전에 시스템에 포함된 각종 장비를 사전 냉각시키고 그 냉각 상태를 유지할 수 있는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 연료로서의 LNG를 LNG 저장탱크로부터 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템을 활용하여 LNG를 고압가스 분사엔진에 공급하는 시스템 및 방법으로서, 상기 연료가스 공급 시스템에 포함되어 연료가스 공급시 LNG가 통과하는 장비들 중 적어도 하나의 장비를 액화질소를 사용하여 냉각시키고, LNG를 사용하여 상기 적어도 하나의 장비의 냉각 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법
본 발명은 LNG 연료탱크에서 배출된 LNG 또는 증발가스를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법에 관한 것으로서, 연료가스를 고압가스 분사엔진에 원활하게 공급할 수 있도록 시스템의 구동 이전에 시스템에 포함된 각종 장비를 사전 냉각시키고 그 냉각 상태를 유지할 수 있는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에서 배출되는 폐기가스 중 국제 해사 기구(International Maritime Organization)의 규제를 받고 있는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이며, 이산화탄소(CO2)의 배출도 규제하려 하고 있다. 특히, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 경우, 1997년 해상오염 방지협약(MARPOL; The Prevention of Marine Pollution from Ships) 의정서를 통하여 제기되고, 8년이라는 긴 시간이 소요된 후 2005년 5월에 발효요건을 만족하여 현재 강제규정으로 이행되고 있다.
따라서, 이러한 규정을 충족시키기 위하여 질소산화물(NOx) 배출량을 저감하기 위하여 다양한 방법들이 소개되고 있는데, 이러한 방법 중에서 LNG 운반선을 위하여 고압 천연가스 분사 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진이 개발되어 사용되고 있다.
이와 같은 ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물(본 명세서에서 해상 구조물이란, LNG 운반선, LNG RV, 일반상선 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.)에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 그 부하에 따라 대략 150 ∼ 300 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.
LNG 저장탱크가 설치되지 않은 일반상선 등에 ME-GI 엔진을 적용하기 위해서는 연료로서의 LNG를 수용할 수 있는 LNG 연료탱크가 설치된다.
ME-GI 엔진은 필요시 재액화(liquefaction) 장치가 추가로 설치될 경우, 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 연료로 사용할 것인지, 아니면 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 보내고 중유(Heavy Fuel Oil; HFO)를 사용할 것인지 선택할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 환경오염과 관련한 특정규제를 받는 해역을 통과시 간편하게 LNG를 기화시켜서 연료로 사용할 수 있으며, 차세대 친환경적인 엔진으로서 효율이 50%에 육박하여 향후에는 LNG 운반선의 메인 엔진으로서 사용될 수 있다.
LNG 저장탱크(혹은 LNG 연료탱크)에 수용되어 있는 LNG(혹은 증발가스)를 연료로서 ME-GI 엔진에 공급하기 위해, 천연가스, 즉 연료가스 공급 시스템(fuel gas supply system)이 구비되어야 한다.
국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호 및 제 WO 2009/136793 호 등에는 이러한 연료가스 공급 시스템의 예가 개시되어 있다.
국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 기화기에서 기화시킨 후 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 상기 기화기에서 LNG와 열교환하여 액화시키는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.
국제특허공개공보 제 WO 2009/136793 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 고압펌프에서 압축한 후 증발기에서 증발시켜 ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 증발가스 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압펌프에 공급되는 LNG와 혼합해서 가스 엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.
이와 같은 연료가스 공급 시스템은 엔진에서 요구하는 상태, 즉 엔진에서 요구하는 온도 및 압력의 연료가스를 공급하기 위하여 필수적인 요소이다.
한편, 연료가스 공급 시스템에는 LNG의 이송을 위한 수단으로서 일반적으로 왕복동식 펌프와 같은 이송수단이 구비된다. LNG의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, 연료가스 공급 시스템에 사용되는 펌프는 극저온 조건에서 작동할 수 있어야 한다. 이러한 선박용 극저온 왕복동식 펌프는 피스톤 또는 플런저가 실린더 내에서 왕복운동 함으로써 액체, 즉 LNG를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하도록 구성된다. 다른 종류의 펌프에 비해 왕복동식 펌프는 높은 압력을 비교적 간단하게 얻을 수 있고, 유량 정도가 좋으며, 별도의 유량제어 장치를 설치하지 않아도 되는 등의 이점이 있다.
그런데, 고압펌프를 비롯하여 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템에 설치되어 있는 각종 장비는 시스템의 운전 전에 일정온도 이하로 냉각시키는 과정(사전 냉각과정; cool down)이 필요한데, 이 사전 냉각과정을 안전하고 신속하게 수행하기 위한 연구가 계속될 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사전 냉각과정을 신속하고 원활하게 수행할 수 있도록, 사전 냉각과정의 초기에는 액체질소를 이용하여 각종 장비를 냉각시킨 후 시스템을 구동시키고, 시스템이 구동된 이후에 각종 장비의 냉각 상태를 유지하기 위해서는 LNG를 이용하여 냉각 상태를 유지할 수 있는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 연료로서의 LNG를 LNG 저장탱크로부터 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템을 활용하여 LNG를 고압가스 분사엔진에 공급하는 방법으로서, 상기 연료가스 공급 시스템에 포함되어 연료가스 공급시 LNG가 통과하는 장비들 중 적어도 하나의 장비를 액화질소를 사용하여 냉각시키고, LNG를 사용하여 상기 적어도 하나의 장비의 냉각 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법이 제공된다.
상기 장비를 구동시켜 LNG를 상기 고압가스 분사엔진에 공급하기 전에, LN2 탱크에 수용된 액화질소를 상기 장비에 공급하여 상기 장비를 사전 냉각시키고, 상기 장비의 사전 냉각에 사용된 액화질소는 기화된 후 벤트되는 것이 바람직하다.
액화질소에 의하여 냉각된 상기 장비에 LNG를 공급하여 상기 장비의 냉각 상태를 유지하고, LNG로부터 발생하는 증발가스는 상기 LNG 저장탱크에 복귀되는 것이 바람직하다.
상기 장비는, 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프, 상기 고압펌프에 LNG를 안정적으로 공급하기 위해 상기 LNG 저장탱크와 상기 고압펌프 사이에 설치되는 석션 드럼, 및 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 석션 드럼에 공급하는 저압펌프를 포함하는 것이 바람직하다.
사전 냉각작업의 초기에는 LN2 탱크로부터의 액화질소를 LN2 공급라인을 통하여 상기 저압펌프에 공급하고, 상기 저압펌프를 통과한 액화질소를 벤트 밸브가 설치된 벤트 라인을 통해 유동시키는 것이 바람직하다.
상기 저압펌프를 통과한 액화질소를, 벤트 밸브가 설치된 벤트 라인을 통해 유동시키는 동시에 상기 저압펌프의 하류측에 배치된 상기 석션 드럼에 공급하는 것이 바람직하다.
액화질소에 의한 상기 저압펌프의 냉각이 완료되면, 상기 저압펌프를 우회하도록 저압펌프 바이패스 라인을 통해 액화질소를 상기 석션 드럼 쪽으로 직접 공급하여 상기 석션 드럼을 냉각시키는 것이 바람직하다.
상기 석션 드럼에 공급된 액화질소를, 상기 석션 밸브의 하류측에 배치되는 상기 고압펌프에 공급하여 상기 고압펌프를 냉각시키는 것이 바람직하다.
상기 고압펌프에 공급된 액화질소를, 상기 고압펌프의 하류측에 배치되는 고압 기화기에 공급하여 상기 고압 기화기를 냉각시키고 배출시키는 것이 바람직하다.
액화질소를 이용한 사전 냉각작업이 완료된 후, 상기 LN2 공급라인 내의 액화질소는 벤트되는 것이 바람직하다.
액화질소를 이용한 사전 냉각작업이 완료된 후, 상기 저압펌프는 상기 LNG 저장탱크에 수용된 LNG를 상기 석션 드럼에 공급하며, 그에 따라 상기 저압펌프 및 상기 석션 드럼은 LNG에 의해 냉각 상태를 계속해서 유지하는 것이 바람직하다.
상기 저압펌프에 의한 상기 석션 드럼 쪽으로의 LNG의 공급이 완료되면, 상기 저압펌프와 상기 석션 드럼 사이에서 분기되는 증발가스 복귀라인을 통해 증발가스를 상기 LNG 저장탱크 쪽으로 복귀시키면서 LNG를 순환시킴으로써 상기 저압펌프의 냉각 상태를 계속해서 유지하는 것이 바람직하다.
액화질소에 의한 사전 냉각작업이 완료된 후, 상기 LNG 저장탱크의 LNG를 상기 저압펌프에 의해 가압한 후 상기 석션 드럼을 통하지 않고 석션 드럼 바이패스 라인을 통해 상기 고압펌프에 직접 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료로서의 LNG를 LNG 저장탱크로부터 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서, 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프와; 상기 LNG 저장탱크와 상기 고압펌프 사이에 설치되는 석션 드럼과; 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 석션 드럼에 공급하는 저압펌프와; 상기 연료가스 공급 시스템의 구동 이전에 상기 고압펌프, 상기 석션 드럼, 및 상기 저압펌프를 냉각시키기 위한 액화질소를 수용하고 있는 LN2 탱크; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템이 제공된다.
상기 LN2 탱크로부터 상기 저압펌프까지 연장되어 상기 LN2 탱크로부터 액화질소를 상기 저압펌프까지 공급하기 위한 LN2 공급라인을 포함하며, 상기 석션 드럼 및 상기 고압펌프는 상기 저압펌프의 하류측에 배치되어 상기 저압펌프를 통과한 액화질소는 상기 석션 드럼 및 상기 고압펌프까지 공급될 수 있는 것이 바람직하다.
상기 저압펌프와 상기 석션 드럼 사이에서 분기되어 증발가스를 상기 LNG 저장탱크에 복귀시키는 증발가스 복귀라인과; 상기 저압펌프와 상기 석션 드럼 사이에서 분기되어 액체를 상기 LNG 저장탱크에 복귀시키는 액체 복귀라인; 을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 LN2 탱크로부터 액화질소가 상기 저압펌프를 통하지 않고 상기 석션 드럼에 공급될 수 있도록 상기 저압펌프를 우회하는 저압펌프 바이패스 라인을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 석션 드럼을 통하지 않고 상기 저압펌프에 의해 가압한 후 상기 고압펌프에 직접 공급할 수 있도록 설치되는 석션 드럼 바이패스 라인을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 사전 냉각과정의 초기에는 액체질소를 이용하여 각종 장비를 냉각시킨 후 시스템을 구동시키고, 시스템이 구동된 이후에 각종 장비의 냉각 상태를 유지하기 위해서는 LNG를 이용하여 냉각 상태를 유지할 수 있는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템 및 공급 방법이 제공될 수 있다.
그에 따라 본 발명에 의하면, 사전 냉각과정을 신속하고 원활하게 수행할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 고압펌프에서 엔진까지의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 버퍼 탱크 충전 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 직접 가스 공급 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 버퍼 탱크 사용 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 왕복동식 펌프의 다양한 실시형태에 따른 냉각장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 저장탱크에서 고압펌프까지의 개략 구성도로서, LNG의 원활한 공급을 위해 시스템을 쿨 다운시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템을 구비한 LNG 운반선을 나타낸 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 LNG 운반선에서의 연료가스 공급 시스템의 배치 위치를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진, 예컨대 ME-GI 엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 본 발명의 고압가스 분사엔진용 연료가스(즉, 천연가스) 공급 시스템은 액화천연가스를 고압가스 분사엔진의 연료로 사용할 수 있는 모든 종류의 해상 구조물, 즉 LNG 운반선, LNG RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.
LNG 운반선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 구비되어 있는 해상 구조물의 경우에는 이 LNG 저장탱크 내의 LNG를 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급한다. 또한, 컨테이너선이나 일반상선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 별도로 구비되어 있지 않은 해상 구조물의 경우에는 연료로서의 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크로부터 LNG를 배출시켜 고압가스 분사엔진에 공급한다. 다만, 본 명세서에 있어서, LNG 저장탱크는 LNG 연료탱크를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 고압가스 분사엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템에 따르면, LNG 저장탱크(또는 LNG 연료탱크)(도시생략)에서 배출된 LNG(또는 증발가스)는, 연료 공급 라인(L1)을 통하여 이송되면서 펌프(20)에서 고압으로 압축되고 기화기(5)에서 기화된 후 ME-GI 엔진 등의 고압가스 분사엔진(1)에 연료로서 공급된다. 증발가스의 경우에는 재액화된 후 이송되는 LNG와 혼합되어 함께 고압가스 분사엔진을 향하여 이송될 수 있다.
기화기(5)의 상류측에는, 극저온 장비로서 액면상의 맥동을 흡수 및 감소시키기 위한 맥동 댐퍼(3)가 설치된다. 펌프(20)는 극저온에 적용하여 LNG를 가압할 수 있는 왕복동식 펌프인 것이 바람직하다. 펌프(20)는 LNG를 대략 150 내지 300 bara 정도의 고압으로 압축할 수 있는 고압펌프이다. 본 명세서에서 "고압" 이라는 용어는, ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에서 요구하는 연료가스의 압력범위, 예를 들어 대략 150 내지 300 bara 정도의 범위의 압력을 의미한다.
기화기(5)는 고압 기화기로서 액체 상태의 LNG를 열매체와 열교환시킴으로써 가열하여 기화시킨다.
초기 시동시, 연료 공급라인(L1)에는 시스템 냉각을 위해 액체질소(즉, 액화질소; LN2)가 주입될 수 있으며, 연료 공급라인(L1)에 주입된 액체질소는 기화기(5)의 하류측에서 액체질소 배출라인(L2)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 액체질소 배출라인(L2)에는 소음기(도시생략)가 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료 공급라인(L1)의 기화기(5)와 고압가스 분사엔진(1) 사이에 일정량의 연료가스를 고압 상태로 수용할 수 있는 버퍼 탱크(11)가 설치된다. 버퍼 탱크(11)는 단열되지 않아 외부 환경에 영향을 받을 수 있다. 버퍼 탱크(11)의 외부 온도가 버퍼 탱크(11) 내에 수용된 연료가스의 온도보다 높을 경우, 버퍼 탱크(11)에 수용된 연료가스는 외부로부터 공급되는 열에 의해 가열될 수 있다. 버퍼 탱크(11)는 대략 300바의 압력에 견딜 수 있는 구조를 가지며, CNG용 저장탱크와 같은 구조를 가질 수 있다.
버퍼 탱크(11)는 충전라인(L3) 및 사용라인(L4)을 통해 연료 공급라인(L1)과 병렬적으로 연결된다. 충전라인(L3)에는 체크밸브(12)가 설치되고, 사용라인(L4)에는 바이패스 밸브(13)가 설치된다. 연료 공급라인(L1)에는, 엔진 조건에 부합하는 연료의 양을 제어하도록 유량조절을 위한 컨트롤 밸브(14), 셧 오프(shut off) 기능을 갖는 마스터 밸브로서의 개폐 밸브(15), 그리고 엔진 조건에 부합하는 연료의 온도를 맞춰주기 위한 가스 히터(16)가 상류측에서 하류측 방향으로 순차 설치된다. 컨트롤 밸브(14)는 연료 공급라인(L1)에서 충전라인(L3)이 분기되는 지점의 하류측, 그리고 사용라인(L4)이 연결되는 지점의 상류측에 설치된다. 개폐 밸브(15) 및 가스 히터(16)는 연료 공급라인(L1)에서 사용라인(L4)이 연결되는 지점의 하류측에 순서대로 설치된다.
버퍼 탱크를 가지는 연료가스 공급 시스템은, 필요에 따라 버퍼 탱크 충전 모드, 직접 가스 공급 모드, 그리고 버퍼 탱크 사용 모드 등으로 운전될 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 각 모드를 상세하게 설명한다. 도 2 내지 도 4에서, 밸브의 내부에 빗금을 그은 것은 밸브가 개방된 상태임을 의미하며, 밸브의 내부에 빗금이 없는 것은 밸브가 폐쇄된 상태임을 의미한다.
도 2를 참조하여 버퍼 탱크 충전 모드를 설명한다. 버퍼 탱크(11)에 연료가스를 충전하기 위해서는 체크 밸브(12)를 열고, 바이패스 밸브(13), 컨트롤 밸브(14) 및 개폐 밸브(15)를 닫는다. 체크 밸브(12)가 개방되면 충전라인(L3)을 통해 대략 300바 정도의 고압으로 압축된 연료가스(즉, 천연가스)가 버퍼 탱크(11)에 공급된다. 버퍼 탱크(11)에 대한 가스연료의 충전이 완료되면, 체크 밸브(12)를 닫는다.
도 3을 참조하여 직접 가스 공급 모드를 설명한다. 고압가스 분사엔진(1)이 운전될 때, 요구되는 부하가 급격하게 변동하지 않는 경우에는 기화기(5)로부터 연료 공급라인(L1)을 통하여 연료가스를 공급받는다. 이때에는 체크 밸브(12) 및 바이패스 밸브(13)를 닫고, 컨트롤 밸브(14) 및 개폐 밸브(15)를 연다. 직접 가스 공급 모드에 있을 때, 체크 밸브(12)의 개방정도를 조절하면 버퍼 탱크(11)의 충전을 동시에 진행할 수 있다.
도 4를 참조하여 버퍼 탱크 사용 모드를 설명한다. 고압가스 분사엔진(1)이 운전될 때, 초기 시동시나 출력 급상승시와 같이 요구되는 부하가 급격하게 변동하는 경우에는 기화기(5)로부터의 연료 공급만으로는 고압가스 분사엔진(1)에 충분한 연료를 공급할 수 없다. 이때에는 체크 밸브(12) 및 컨트롤 밸브(14)를 닫고, 바이패스 밸브(13) 및 개폐 밸브(15)를 열어, 버퍼 탱크(11) 내에 저장된 연료가스를 고압가스 분사엔진(1)에 공급한다.
이와 같이 고압가스 분사엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하는 경우에는 버퍼 탱크에 저장되어 있던 연료가스를 사용하여 부하 변동에 대응한다. 본 명세서에서 "고압가스 분사엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하는 경우" 란, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 부하가 연료 공급라인(L1)에 설치되어 있는 펌프(20) 또는 기화기(5) 등의 장비의 용량을 넘어 변동하는 경우를 의미한다.
본 발명에 따르면, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 부하가 연료 공급라인(L1)에 설치되어 있는 펌프(20) 또는 기화기(5) 등의 장비의 용량을 넘어 변동하더라도, 버퍼 탱크(11)에 의해 급격하게 변동하는 부하에 대처할 수 있게 된다. 그에 따라 각종 구성품들의 크기 및 용량이 급격하게 변동하는 고압가스 분사엔진(1)의 부하 최대치를 만족시킬 필요가 없어, 각종 구성품들의 크기 및 용량이 지나치게 커질 필요가 없고, 연료가스 공급 시스템을 구성하기 위해 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
버퍼 탱크(11)에서 연료가스가 배출됨에 따라 버퍼 탱크의 내부압력이 감압되면 배출되는 연료가스의 온도가 하강할 수 있다. 이때 연료가스의 온도가 엔진에서 요구하는 온도 이하로 하강할 경우, 가스 히터(16)에 의해 연료가스를 가열한 후 엔진에 공급할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 왕복동식 펌프의 다양한 실시형태에 따른 냉각장치를 설명한다.
왕복동식 펌프(20)는, 모터(22)에 의해 구동하는 구동부(21)와, 이 구동부(21)에 의해 동작하면서 유체, 즉 LNG를 흡입하여 소정의 압력으로 압축하여 배출하는 토출부(25)를 포함한다. 모터(22)의 회전력은 풀리(23)를 통해 구동부(21)에 전달될 수 있다. 구동부(21)의 크랭크 샤프트가 회전함에 따라 커넥팅 로드 등의 연결부를 통하여 토출부(25)의 피스톤 또는 플런저가 실린더 내에서 왕복운동하면서 유체를 압축하여 배출한다.
펌프(20)의 유입구와 연료 공급라인(L1) 사이에는 가요성 호스(60)가 설치될 수 있으며, 그에 따라 연료 공급라인(L1)을 구성하는 파이프와 펌프(20)의 유입구가 정확하게 정렬되지 않더라도 그 연결작업을 용이하게 수행할 수 있다.
구동부(21)에는 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드의 동작을 윤활하기 위한 윤활유가 주입되어 있는데, 펌프(20)의 동작이 계속됨에 따라 윤활유의 온도가 상승하므로 윤활유를 냉각시킬 필요가 있다.
선박용 극저온 왕복동식 펌프는 피스톤(Piston) 또는 플린저(Plunge)가 실린더 내를 왕복운동 함으로써 액체를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하는 펌프이다. 이러한 왕복동 펌프는 높은 압력을 비교적 간단하게 얻을 수 있고, 유량 정도가 좋으며 다른 유량제어 장치를 설치하지 않아도 되는 등의 특징이 있다. 그러나 극저온 유체를 사용하는 펌프는 상온에 의한 열 유입으로 인해 쉽게 기화되고, 발생하는 증기(Vapor)로 인해 제대로 흡입(Suction)이 되지 않는 현상이 발생하게 된다. 또한 선박의 경우 육상과 비교하여 배치에 따른 제약 사항이 있기 때문에 펌프설치 시에 흡입 및 배출 영역에 따른 검토가 필수적이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 극저온 초고압 천연가스 공급 장치용 왕복동식 펌프의 흡입 장치에 있어서, 흡입(Suction) 라인에 비교적 여유를 허용하지 않는 배관을 사용하는 것이 아니라 극저온 가요성 호스(60)를 사용함으로써 움직임이 상대적으로 자유로워 배치에 따른 제약을 받지 않게 되며 펌프의 흡입(Suction) 라인에 충분히 큰 사이즈, 즉 대직경의 가요성 호스를 적용하여 효율적인 흡입이 가능하게 할 수 있다.
일반적인 배관(Pipe)을 사용하여 연료 공급라인(L1), 즉 천연가스 이송 파이프와 펌프의 흡입구 사이를 연결하게 되면, 배관은 여유를 허용하지 않기 때문에 이송 파이프와 펌프의 흡입구가 정확하게 일직선상에 정렬되어야 한다. 그런데, 이송 파이프와 펌프의 흡입구 사이를 가요성 호스(60)에 의해 연결할 경우, 약간의 오차가 발생하여도 이 오차를 가요성 호스(60)에 의해 상쇄할 수 있어 이송 파이프 및 펌프의 배치 작업이 용이해 질 수 있다.
또한, 펌프에 의한 흡입이 용이하도록 가요성 호스의 직경은 충분히 클 필요가 있으며, 이송 파이프의 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
가요성 호스(60)로서는 제일산업(Jeil Industrial co., ltd.)의 JEIL F-A 내지 F-R과 같은 제품이나, 대성이엔지(Dae Sung Engineering co.)의 DS 01 내지 08과 같은 제품을 사용할 수 있다. 가요성 호스(60)는 극저온 상태의 액화천연가스가 내부로 통과하더라도 강성을 유지할 수 있는 소재, 예컨대 SUS 소재로 만들어질 필요가 있으며, 필요시 외부를 단열재에 의해 감쌀 수 있다.
가요성 호스(60)로서는 양단에 플랜지가 일체로 형성된 SUS 소재의 것을 사용할 수 있으며, 양단의 플랜지를 각각 배관 말단의 플랜지 및 펌프의 흡입구에 체결함으로써 가요성 호스를 설치할 수 있다.
도면에는 펌프 상류측의 천연가스 이송 파이프와 펌프의 흡입구 사이에만 가요성 호스(60)가 설치된 것으로 도시하였지만, 필요시 펌프의 토출구와 펌프 하류측의 천연가스 이송 파이프 사이에도 가요성 호스가 설치될 수 있다.
한편, 펌프의 토출구에는 충격완화수단으로서 한글 디귿자 혹은 미음자 형태를 가지도록 굴곡된 파이프가 연결될 수 있으며, 그에 따라 펌프의 진동을 이 충격완화수단에 의해 토출측 배관에 전달하지 않을 수 있다.
즉, 충격완화수단(65)은, 펌프(20)의 작동시 토출되는 유체에 의해 발생하는 진동과 충격이 연료 공급라인(L1)의 펌프 하류측으로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 굴곡된 파이프에 의해 이루어진다. 파이프는 복수회 굴곡되며, 바람직하게는 3 내지 5회 정도의 굴곡 횟수를 가질 수 있다. 예컨대, 충격완화수단이 디귿자 형태의 경우 3회, 미음자 형태의 경우 5회 굴곡이 이루어질 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연료(천연가스) 공급 시스템에서 사용되고 있는 펌프(20)의 토출측에는 충격완화수단(65)이 설치되어 있다. 도 5에 개시된 충격완화수단(65)은 대략 미음자 형태로 굴곡된 파이프에 의해 이루어진 것으로 도시되어 있지만, 충격완화수단의 형태가 도 5에 도시된 것만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 5에는 2차원적으로 굴곡된, 즉 평면상에서 연장되는 충격완화수단이 개시되어 있지만, 본 발명에 따르면 3차원적으로 굴곡된 충격완화수단이 제공될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 연료 공급라인(L1)에 있어서 펌프(20)의 토출측에, 펌프의 구동 방향과 동일한 방향에 밴딩을 줌으로써 펌프의 구동시에 발생하는 진동 및 충격을 완충할 수 있는 충격완화수단(65)이 설치됨에 따라, 펌프의 구동시에 발생하는 진동 및 충격을 완충할 수 있다. 또한 충격완화수단(65)은 구부러짐이 자유로운 만큼 연결 부위를 체결할 때에도 연결 작업을 용이하게 수행할 수 있다는 상당한 이점을 가진다.
펌프에 동력을 전달하기 위한 대표적인 방법으로는 벨트, 기어, 체인 구동 방식 등이 있다. 이 중 V-벨트 구동 방식은 벨트와 벨트 풀리(Pulley)와의 마찰에 의해 회전하는 동력을 전달하게 되는데, 펌프쪽 풀리와 모터쪽 풀리간 벨트의 일정한 장력이 없으면 벨트의 슬립 현상이 발생하게 된다. 벨트의 슬립이 발생하게 되면 펌프의 효율이 저하되며 소음이 발생하고, 마찰에 의한 발열로 인하여 벨트의 손상 위험이 따르게 된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 벨트를 이용하는 펌프의 슬립 여부를 측정하기 위한 펌프의 벨트 슬립 감시장치 및 방법이 제공된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 천연가스 공급 시스템의 펌프(20)는 구동력을 제공하는 모터(22)를 포함하며, 이 모터(22)의 구동력은 펌프(20)의 구동부(21)에 전동수단을 통해 전달된다. 본 실시형태에서 전동수단은, 모터(22)의 회전축에 설치되어 회전하는 모터측 풀리(22a)와, 펌프(20)의 구동부(21)에 설치되는 펌프측 풀리(23)와, 이들 2개의 풀리(22a, 23) 사이를 연결하는 벨트(24)를 포함한다.
각각의 풀리(22a, 23)에는 회전속도를 산출하기 위하여 센서, 예컨대 근접 센서를 부착시킨다. 풀리가 회전함에 따라 근접 센서는 풀리의 회전수를 검출할 수 있으며, 도시하지 않은 컨트롤러에서는 근접 센서로부터 전달되는 정보로부터 산출된 각 풀리의 회전수를 통해 모터측 풀리(22a)와 펌프측 풀리(23) 사이의 실제 회전비를 계산해 낼 수 있다.
본 발명에 따른 펌프의 벨트 슬립 감시장치를 이용한 감시방법은, 모터의 풀리(22a)와 펌프의 풀리(23) 사이의 직경비를 계산하여 모터의 풀리(22a)가 1회전할 때 펌프측 풀리(23)가 얼마나 회전하는지를 계산한 이론 회전비와, 상술한 바와 같이 근접 센서를 통해 얻어진 정보를 이용하여 계산한 실제 회전비를 비교함으로써 벨트의 슬립 여부를 판단할 수 있다.
즉, 우선 벨트로 연결되는 펌프의 풀리(23)와 모터의 풀리(22a)의 지름(Diameter = D1 : d1)을 비교하여 이 비율(ratio)을 기준으로 설정한다. 그리고 펌프의 풀리 및 모터의 풀리(그리고, 필요시 펌프의 구동부 및 모터)에 각각 센서, 예컨대 근접 센서(Proximity sensor)(도시 생략)를 장착하여 회전 속도(rpm)에 대한 비율을 풀리간의 지름 비율과 상호 비교한다. 만약 펌프 구동 중 벨트에 슬립이 발생하게 되면, 근접 센서로 측정된 회전 속도(rpm)에 대한 비율(ratio)이 풀리간의 지름 비율에 대하여 오차를 발생, 즉 실제 회전비가 이론 회전비에 대하여 오차를 발생하게 될 것이며 그 오차의 발생 여부로 인하여 벨트의 슬립 여부를 판단할 수 있다.
근접 센서는 펌프 및 모터의 각 풀리의 회전속도를 측정하기 위한 장치로서, 풀리의 회전속도를 측정할 수 있다면 어떠한 구성의 센서라도 사용할 수 있다.
도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치는 윤활유를 펌프(20)의 내외로 순환시키는 윤활유 순환라인(L5)과, 이 윤활유 순환라인(L5)에 설치되어 윤활유를 냉각시키는 라디에이터(31)와, 윤활유를 순환시키기 위한 윤활유 펌프(33)를 포함한다. 윤활유 순환라인(L5)에는 복수의 밸브(35, 36, 37)가 설치될 수 있다. 윤활유 순환라인(L5)은 폐루프를 구성한다.
도 6에 도시된 제2 실시예의 냉각장치는 도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치에 비해 라디에이터 대신 열교환기(41)를 사용한다는 점에서 상이하다. 열교환기(41)에는 펌프(20)에서 압축되어 배출되는 LNG가 우회라인(L6)을 통해 부분적으로 우회되어 공급된다. LNG의 온도는 윤활유에 비해 상대적으로 저온이므로 윤활유를 냉각시킬 수 있다.
도 7에 도시된 제3 실시예의 냉각장치는 도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치에 비해 라디에이터 대신 열교환기(45)를 사용한다는 점에서 상이하다. 열교환기(45)에는 해수(또는 청수) 혹은 공기가 윤활유와의 열교환을 위해 공급될 수 있다.
도 8에 도시된 제4 실시예의 냉각장치는 개방형 루프를 이룬다는 점에서 폐쇄형 루프를 이루는 상술한 제1 내지 제3 실시예의 냉각장치와 상이하다. 제4 실시예의 냉각장치는 액체질소 탱크(51)로부터 질소 공급라인(L7)을 통해 공급되는 질소에 의해 펌프(20)의 구동부(21)를 냉각한다. 액체질소의 공급량은 개폐 밸브(52)에 의해 조절될 수 있으며, 액체질소는 히터(53)에 의해 가열되어 기화된 후 펌프(20)에 공급되는 것이 바람직하다.
펌프(20)에 공급되어 펌프의 구동부(21)를 냉각시키고 자신은 가열된 질소는 펌프(20)의 외부로 배출된 후 다시 펌프의 연결부(27)에 공급될 수 있다. 연결부(27)에 공급되는 질소의 양은 밸브(55)에 의해 조절될 수 있다. 연결부(27)는 토출부(25)와 구동부(21) 사이에 위치되어 구동부의 구동력을 커넥팅 로드(28) 등에 의해 토출부에 전달한다.
커넥팅 로드(28) 등이 배치되는 펌프의 연결부(27)는 토출부(25)로부터 지속적으로 냉열을 공급받아 냉각되며, 결빙이 발생할 수 있다. 그러나, 구동부(21)에서 가열된 질소를 연결부(27)에 공급함으로써 연결부(27)의 온도를 상승시킬 수 있다.
또한, 토출부(25)에서 LNG의 누출이 발생하더라도, 연결부(27)를 통과하는 질소에 의해 누출된 가스가 구동부(21) 측으로 전달되지 않아 폭발 사고를 미연에 방지할 수 있다. 이때 연결부(27)에 공급되는 질소 가스는 토출부(25)와 구동부(21) 사이를 서로 격리시키는 실 가스(seal gas)로서 기능한다.
연결부(27)에서 배출되는 질소는, 그대로 대기중에 배출될 수도 있고, 필요시 질소 공급라인(L7)을 통해 질소 저장탱크(57)에 저장되어 재사용될 수도 있다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참조하여, LNG의 원활한 공급을 위해 연료가스(천연가스) 공급 시스템을 쿨 다운시키는 과정을 설명한다. 도 9 내지 도 12에는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 저장탱크에서 고압펌프까지의 개략 구성도가 도시되어 있다.
LNG을 연료로 하는 엔진에 있어서 가장 최적의 방법으로 연료를 공급하는 방법인 고압펌프와 고압 기화기 시스템에 있어서 고압펌프에 LNG를 중단없이 원활하게 공급하기 위해 석션 드럼(Suction drum)이 필요하고, 석션 드럼에 연료(즉, LNG)를 공급하기 위해 저압펌프(즉, 이송 펌프)가 필요하게 된다. 이 저압펌프, 석션 드럼, 및 고압펌프는 운전하기 전에 쿨 다운(Cool down), 즉 사전 냉각이 필요한데, 이러한 쿨 다운 작업을 신속하고 원활하게 하기 위해 저압펌프를 바이패스하는 라인을 두어 석션 드럼 및 고압펌프에 대한 쿨 다운 작업시 액화질소(LN2)를 잘 공급할 수 있도록 한다.
또한, 저압펌프의 쿨 다운 작업을 양호하게 실시하기 위해 저압펌프 배출라인(Discharge line) 상에 벤트 밸브(vent valve) 및 저장탱크로 증발가스(vapor)을 보내는 라인을 추가하여, 펌프가 정지되어 있을 때에는 증발가스 복귀 라인(vapor return line)의 밸브를 개방하여 연속적으로 쿨 다운 상태를 유지할 수 있도록 하며, 운전 전에는 필요시 벤트 밸브를 개방하여 추가의 쿨 다운 작업을 실시한 후에 운전한다.
초기 쿨 다운은 액화질소(LN2)를 이용하고, 이 경우에는 벤트 라인, 석션 드럼 등에 액화질소(LN2)를 흘려 저압펌프의 쿨 다운을 실시하고, 저압펌프 쿨 다운 후에는 바이패스 밸브를 이용하여 본격적으로 석션 드럼 및 고압펌프의 쿨 다운을 실시한다.
쿨 다운이 완료된 후에는 LNG을 이용하여 석션 드럼에 LNG를 공급하고, 공급이 완료되면 증발가스 복귀 밸브를 개방하여 저압펌프 쿨 다운 상태를 지속시켜 준다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 극저온 유체 중에서도 LNG(Liquefied Natural Gas)를 사용하는데 있어서 연료인 LNG를 사용하기 이전에 LN2(액화질소; Liquefied Nitrogen) 및 상호 밸브(Remote valves)들 간의 최적화된 내부 로직을 구성함으로써 효율적이면서도 안전하게 쿨 다운을 실시하고 LNG을 원활하게 공급하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
도 1에는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 고압펌프 하류측의 개략 구성도가 도시되어 있으며, 도 9에는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 고압펌프 상류측의 개략 구성도가 도시되어 있다. 도 9 내지 도 12의 고압펌프(107)는 도 1의 왕복동식 펌프(20)와 동일한 구성이나, 편의상 부재번호를 따로 부여하였다.
도 10에는 LN2를 이용한 쿨 다운 작업과정이 개략적으로 도시되어 있다. LN2 탱크(109)로부터의 LN2는 도면에서 점선으로 표시된 라인을 따라 유동하면서 밸브(111, 112, 115, 119, 120), 저압펌프(feed pump)(103), 석션 드럼(105) 등의 각종 장비 및 배관을 냉각시킨다.
쿨 다운 초기에는 벤트 밸브(117)가 설치된 벤트 라인을 통해 액화질소를 유동시키는 동시에 석션 드럼(105)에 액화질소를 유동시키면서 저압펌프(즉, 이송 펌프)(103)를 냉각시킨다. 이때 LN2 탱크(109)에 수용된 액화질소는, 밸브(111, 112)가 설치되어 있는 LN2 공급라인을 통해 저압펌프(103) 쪽으로 유동하며, 그 다음 벤트 밸브(117)가 설치되어 있는 증발가스 벤트 라인을 통해 벤트되거나 밸브(119, 120)가 설치되어 있는 LNG 공급라인, 즉 연료가스 공급라인 중 일부 구간을 통해 석션 드럼(105) 쪽으로 유동한다.
저압펌프(103)의 냉각이 완료되면 밸브(115)가 설치되어 있는 저압펌프 바이패스 라인을 통해 액화질소를 석션 드럼(105) 쪽으로 직접 공급하여 석션 드럼(105)의 냉각을 더욱 효율적으로 실시하여도 좋다. 석션 드럼(105)에 공급된 액화질소는 필요시 밸브(120)를 통해 고압펌프(107) 쪽으로 공급되어 고압펌프(107), 나아가서는 고압 기화기(5)(도 1 참조)를 냉각시키고 벤트될 수 있다.
도 11에는 LN2를 이용한 초기 쿨 다운 작업이 완료된 후 혹은 시스템의 작동 중에, 필요에 따라 LNG를 이용하여 실시되는 쿨 다운 작업과정이 개략적으로 도시되어 있다. LNG 저장탱크(101)로부터의 LNG는 도면에서 점선으로 표시된 라인을 따라 유동하면서 밸브(114, 116, 119), 저압펌프(103), 석션 드럼(105) 등의 각종 장비 및 배관을 냉각시킨다. 한편, 밸브(111)와 밸브(112) 사이의 배관에 고여 있는 액화질소는 기화된 후 밸브(113)를 통해 벤트될 수 있다. 증발가스는 밸브(116) 및 증발가스 복귀라인을 통해 LNG 저장탱크(101)에 복귀될 수 있다.
액화질소를 이용한 쿨 다운이 완료된 후, LN2 공급라인에 설치된 밸브(111, 112)는 폐쇄되고 이들 밸브(111, 112) 사이의 배관 내에서 기화되는 질소가스는 벤트 밸브(113)를 개방하여 LN2 벤트 라인을 통하여 배출시킬 수 있다.
한편, 쿨 다운이 완료된 저압펌프(103)는 LNG 탱크(101)에 수용된 연료로서의 LNG를 석션 드럼(105) 쪽으로 공급하면서 저온 상태를 계속해서 유지할 수 있다. 이때 밸브(115)는 폐쇄되어 저압펌프 바이패스 라인을 통한 LNG의 유동이 제한될 수 있다.
저압펌프(103)에 의한 석션 드럼(105) 쪽으로의 LNG의 공급이 완료되면, 밸브(116)를 개방하여 이 밸브(116)가 설치되어 있는 증발가스 복귀라인을 통해 증발가스를 LNG 탱크(101) 쪽으로 복귀시키면서 LNG를 순환시킴으로써 저압펌프(103)의 냉각 상태를 계속해서 유지시킬 수 있다.
도 12에는 저압펌프, 즉 이송펌프(feed pump)(103)를 부스터 펌프로서 활용하는 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 대략 2.5bar 이하의 압력으로 저장된 LNG 탱크(101)의 LNG는 저압펌프(103)에 의해 대략 5 내지 10bar 정도로 가압된 후 고압펌프(107)에 공급된다.
석션 드럼(105)은 고압펌프(107)에 LNG를 원활하게 공급하기 위한 용기이고, 저압펌프(103)는 이 석션 드럼에 LNG를 공급하여 채우기 위한 용도로 사용될 수 있다. 그런데, 저압펌프(103)를 부스터 펌프로서 활용할 경우, 고압펌프(107)에 대한 LNG의 공급이 원활하게 이루어질 수 있기 때문에, 석션 드럼(105)은 사용하지 않을 수 있다.
저압펌프(103)를 부스터 펌프로서 활용할 때에는, 저압펌프 바이패스 라인에 설치되어 있는 밸브(115)와 LNG 공급라인에 설치되어 있는 밸브(119, 120)를 폐쇄하고 석션 드럼 바이패스 라인에 설치되어 있는 밸브(121)를 개방하여, LNG 탱크(101)로부터의 LNG가 저압펌프(103)를 통해 직접 고압펌프(107) 쪽으로 공급되도록 한다.
또한, 본 시스템에 의하면, 필요시 밸브(118)를 개방하여 이 밸브(118)가 설치되어 있는 액체 복귀라인을 통해 액체상태의 LNG를 LNG 탱크(101)에 복귀시킬 수 있다.
본 발명의 연료가스 공급 시스템이 LNG 저장탱크가 다수개, 즉 4개 혹은 5개 구비된 LNG 운반선에 적용될 경우, 연료로서 사용되는 LNG는 밸러스트 등의 이유로, 선수로부터 2번째 내지 3번째(탱크 4개의 경우), 혹은 2번째 내지 4번째(탱크 5개의 경우) 탱크에서 배출될 수 있다.
다만, LNG의 이송 경로가 길어질수록 증발가스의 발생량이 많아질 수 있으며 전체 시스템의 효율을 감안할 때, 엔진에서 가장 가까운 곳에 위치하는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 연료로서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 연료로서 사용할 LNG를 하나의 LNG 저장탱크로부터만 배출시켜 사용할 경우, 배관의 밸브나 펌프 등의 고정시 연료를 공급하지 못하는 문제가 발생할 수 있으므로, 적어도 2개의 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 연료로서 사용할 수 있도록 시스템을 구성하는 것이 바람직하다.
예를 들어, LNG 저장탱크가 4개 설치된 LNG 운반선의 경우에는 선수로부터 3번째 내지 4번째(3번 및 4번 탱크)에 위치된 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 사용하고, LNG 저장탱크가 5개 설치된 LNG 운반선의 경우에는 도 13에 도시된 바와 같이 선수로부터 4번째 내지 5번째(4번 및 5번 탱크)에 위치된 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 도 13, 도 14a 및 도 14b를 참조하여, 5개의 LNG 저장탱크(101)를 구비한 LNG 운반선에 본 발명의 연료가스 공급 시스템(S)이 설치된 실시예를 설명한다.
연료가스 공급 시스템(Fuel Gas Supply system; FGS)(S)은, LNG 저장탱크(101)에서 배출된 LNG를 엔진에서 요구하는 정도의 압력으로 압축시키는 고압펌프(20 또는 107)와, 이 고압펌프에서 압축된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진(1)에 공급하는 고압 기화기(5)와, LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 각종 배관 및 밸브 등을 포함한다.
또한, 본 발명의 연료가스 공급 시스템(S)은, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 사전에 연료가스를 기화기(5)로부터 공급받아 저장하고 있다가 고압가스 분사엔진(1)의 부하 증가시 저장된 연료가스를 고압가스 분사엔진(1)에 공급하여, 고압가스 분사엔진(1)의 부하 변동에 추종할 수 있도록 하는 버퍼 탱크(11)를 더 포함할 수 있다.
도 13에는, LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 배관 중 일부와, LNG 저장탱크(101)의 내부에 위치된 연료 배출 펌프(101a)가 연료가스 공급 시스템(S)의 외부에 도시되어, 연료가스 공급 시스템에 포함되지 않는 것처럼 도시되었지만, 이는 도시의 편의를 위한 것이다. 즉, 광의의 연료가스 공급 시스템은 연료로서의 LNG를 엔진에 공급하는 일련의 장비들을 모두 포함하는 것으로서 상기한 연료 배출 펌프(101a)나 LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 배관을 모두 포함한다. 다만 협의의 연료가스 공급 시스템(S)은 상기한 연료 배출 펌프(101a)나 LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 배관 중 일부를 포함하지 않는 것으로 생각될 수 있으며, 본 명세서에서의 설명 중 도 13 내지 도 14b를 참조하여 이루어진 설명에 있어서 연료가스 공급 시스템(S)이란 상술한 협의의 연료가스 공급 시스템을 의미하는 것으로 고려되어야 한다.
이와 같이 이루어진 연료가스 공급 시스템(S)은 가능한 한 고압가스 분사엔진(1)과 LNG 저장탱크(101)에 인접한 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 고압가스 분사엔진(1)은 선박의 엔진실(150) 내에 위치되므로, 결국, 연료가스 공급 시스템(S)은 엔진실(150)과 LNG 저장탱크(101)에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 엔진실(150)은 내부온도가 높기 때문에 극저온 유체가 유동하는 연료가스 공급 시스템(S)이 엔진실(150)의 내부에 설치되는 것은 바람직하지 않을 수 있다.
이를 위해 본 발명에 따르면, 연료가스 공급 시스템(S)은, 도 14a에 도시된 바와 같이, 선체의 길이방향에 있어서, 선미측에 배치되는 엔진실(150)과 이 엔진실에서 가장 가까운 위치에 배치된 LNG 저장탱크(101)와의 사이에 배치될 수 있다.
또는, 도 14b에 도시된 바와 같이, 연료가스 공급 시스템(S)은 엔진실(150)과 주거공간(160) 사이에 상하로 배치될 수 있다. 주거공간(160)은 선원들이 생활하거나 선박을 조정하고 각종 장비, 시스템 등을 제어하기 위해 필요한 공간이므로, 폭발성 유체인 LNG가 이송되는 연료가스 공급 시스템(S)과는 격리될 필요가 있다. 주거공간(160)의 안전성을 확보하기 위해서, 연료가스 공급 시스템(S)과 주거공간(160) 사이에는 A60 격벽, 트렁크 스페이스 등과 같은 보호 수단 중 하나 이상이 설치되는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법이 LNG 운반선 등의 해상 구조물에 적용된 것을 예로 들어 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법은 육상에서의 고압가스 분사 엔진에 대한 연료 공급에 적용될 수 있음은 물론이다.

Claims (18)

  1. 연료로서의 LNG를 LNG 저장탱크로부터 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템을 활용하여 LNG를 고압가스 분사엔진에 공급하는 방법으로서,
    상기 연료가스 공급 시스템에 포함되어 연료가스 공급시 LNG가 통과하는 장비들 중 적어도 하나의 장비를 액화질소를 사용하여 냉각시키고, LNG를 사용하여 상기 적어도 하나의 장비의 냉각 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 장비를 구동시켜 LNG를 상기 고압가스 분사엔진에 공급하기 전에, LN2 탱크에 수용된 액화질소를 상기 장비에 공급하여 상기 장비를 사전 냉각시키고, 상기 장비의 사전 냉각에 사용된 액화질소는 기화된 후 벤트되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    액화질소에 의하여 냉각된 상기 장비에 LNG를 공급하여 상기 장비의 냉각 상태를 유지하고, LNG로부터 발생하는 증발가스는 상기 LNG 저장탱크에 복귀되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 장비는, 상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프, 상기 고압펌프에 LNG를 안정적으로 공급하기 위해 상기 LNG 저장탱크와 상기 고압펌프 사이에 설치되는 석션 드럼, 및 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 석션 드럼에 공급하는 저압펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    사전 냉각작업의 초기에는 LN2 탱크로부터의 액화질소를 LN2 공급라인을 통하여 상기 저압펌프에 공급하고, 상기 저압펌프를 통과한 액화질소를 벤트 밸브가 설치된 벤트 라인을 통해 유동시키는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 저압펌프를 통과한 액화질소를, 벤트 밸브가 설치된 벤트 라인을 통해 유동시키는 동시에 상기 저압펌프의 하류측에 배치된 상기 석션 드럼에 공급하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    액화질소에 의한 상기 저압펌프의 냉각이 완료되면, 상기 저압펌프를 우회하도록 저압펌프 바이패스 라인을 통해 액화질소를 상기 석션 드럼 쪽으로 직접 공급하여 상기 석션 드럼을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 석션 드럼에 공급된 액화질소를, 상기 석션 밸브의 하류측에 배치되는 상기 고압펌프에 공급하여 상기 고압펌프를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 고압펌프에 공급된 액화질소를, 상기 고압펌프의 하류측에 배치되는 고압 기화기에 공급하여 상기 고압 기화기를 냉각시키고 배출시키는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    액화질소를 이용한 사전 냉각작업이 완료된 후, 상기 LN2 공급라인 내의 액화질소는 벤트되는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  11. 청구항 4에 있어서,
    액화질소를 이용한 사전 냉각작업이 완료된 후, 상기 저압펌프는 상기 LNG 저장탱크에 수용된 LNG를 상기 석션 드럼에 공급하며, 그에 따라 상기 저압펌프 및 상기 석션 드럼은 LNG에 의해 냉각 상태를 계속해서 유지하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 저압펌프에 의한 상기 석션 드럼 쪽으로의 LNG의 공급이 완료되면, 상기 저압펌프와 상기 석션 드럼 사이에서 분기되는 증발가스 복귀라인을 통해 증발가스를 상기 LNG 저장탱크 쪽으로 복귀시키면서 LNG를 순환시킴으로써 상기 저압펌프의 냉각 상태를 계속해서 유지하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  13. 청구항 4에 있어서,
    액화질소에 의한 사전 냉각작업이 완료된 후, 상기 LNG 저장탱크의 LNG를 상기 저압펌프에 의해 가압한 후 상기 석션 드럼을 통하지 않고 석션 드럼 바이패스 라인을 통해 상기 고압펌프에 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 방법.
  14. 연료로서의 LNG를 LNG 저장탱크로부터 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서,
    상기 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프와;
    상기 LNG 저장탱크와 상기 고압펌프 사이에 설치되는 석션 드럼과;
    상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 석션 드럼에 공급하는 저압펌프와;
    상기 연료가스 공급 시스템의 구동 이전에 상기 고압펌프, 상기 석션 드럼, 및 상기 저압펌프를 냉각시키기 위한 액화질소를 수용하고 있는 LN2 탱크;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 LN2 탱크로부터 상기 저압펌프까지 연장되어 상기 LN2 탱크로부터 액화질소를 상기 저압펌프까지 공급하기 위한 LN2 공급라인을 포함하며,
    상기 석션 드럼 및 상기 고압펌프는 상기 저압펌프의 하류측에 배치되어 상기 저압펌프를 통과한 액화질소는 상기 석션 드럼 및 상기 고압펌프까지 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 저압펌프와 상기 석션 드럼 사이에서 분기되어 증발가스를 상기 LNG 저장탱크에 복귀시키는 증발가스 복귀라인과;
    상기 저압펌프와 상기 석션 드럼 사이에서 분기되어 액체를 상기 LNG 저장탱크에 복귀시키는 액체 복귀라인;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 LN2 탱크로부터 액화질소가 상기 저압펌프를 통하지 않고 상기 석션 드럼에 공급될 수 있도록 상기 저압펌프를 우회하는 저압펌프 바이패스 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 석션 드럼을 통하지 않고 상기 저압펌프에 의해 가압한 후 상기 고압펌프에 직접 공급할 수 있도록 설치되는 석션 드럼 바이패스 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템.
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