WO2022149860A1 - 액화가스 연료공급 시스템 - Google Patents

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WO2022149860A1
WO2022149860A1 PCT/KR2022/000192 KR2022000192W WO2022149860A1 WO 2022149860 A1 WO2022149860 A1 WO 2022149860A1 KR 2022000192 W KR2022000192 W KR 2022000192W WO 2022149860 A1 WO2022149860 A1 WO 2022149860A1
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liquefied gas
fuel supply
fuel
liquefied
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최재웅
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최재웅
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    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
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    • F02M25/08—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding fuel vapours drawn from engine fuel reservoir
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    • F17C13/04—Arrangement or mounting of valves
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    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
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    • F17C9/00—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure

Definitions

  • the present invention relates to a liquefied gas fuel supply system, and more particularly, it is applied to a ship or a marine or land plant using liquefied gas as fuel, and a liquefied gas fuel storage tank module and a fuel that converts the pressure/temperature required by the customer
  • a liquefied gas fuel supply system comprising a supply module and a module for processing boil-off gas generated from a fuel tank, and an operating method thereof.
  • Liquefied natural gas which is the most widely used recently, is being applied to a low-speed propulsion engine fuel for ships transporting containers and general cargo as well as LNG carriers.
  • LNG Liquefied natural gas
  • a fuel storage tank and a fuel supply device are essential components.
  • the liquefied natural gas stored in the liquefied natural gas storage tank is liquefied and its volume is reduced to 1/600 of that of natural gas, and it is necessary to maintain the saturation temperature below -160C.
  • Boil Off Gas should be controlled.
  • BOG control methods can be broadly divided into two types: a method of accommodating BOG in the tank for a certain period using a pressurized tank, and a method of re-liquefying BOG. Accordingly, various product groups have been commercialized and applied.
  • One method of supplying liquefied natural gas to the engine as a fuel is to pressurize the liquefied gas to the engine required pressure using a cryogenic pump, and then pass the pressurized liquefied gas through a vaporization heat exchanger (Vaporizer) to the pressure and It is a method of supplying under temperature conditions.
  • the advantage of this method is that the components are simple, and the disadvantage is that a separate BOG treatment compressor or BOG reliquefaction device is required because it is impossible to process BOG in the fuel tank.
  • Another method of supplying liquefied natural gas to the engine as a fuel is to construct a multi-stage compressor so that the boil-off gas in the fuel tank can be used as fuel for the engine for propulsion and power generation.
  • boil-off gas is easily used as fuel, and the disadvantages include high cost and difficulty in maintaining the compressor compared to the pump due to the use of a multi-stage compressor.
  • marine propulsion engines that can use LPG fuel have been commercialized, and engines that can use hydrogen and ammonia as fuels for zero-emission are being developed.
  • liquefied gases such as liquefied natural gas (LNG), liquefied hydrogen gas (LH2, liquefied hydrogen gas), liquefied petroleum gas (LPG, Liquefied Petroleum Gas), and ammonia, which are eco-friendly gases, is expanding.
  • LNG liquefied natural gas
  • H2 liquefied hydrogen gas
  • LPG liquefied petroleum gas
  • ammonia ammonia
  • An embodiment of the present invention is to provide a liquefied gas fuel supply system comprising a pump and an ejector to use liquefied gas as fuel.
  • An embodiment of the present invention is to provide a liquefied gas fuel supply system that replaces a boil-off gas compressor or a boil-off gas re-liquefaction system in order to treat boil-off gas generated in a tank for storing liquefied gas.
  • a liquefied gas fuel supply system of a ship or land transportation means or plant using liquefied gas as fuel which is an aspect of the present invention, includes a storage tank module for accommodating liquefied gas and boil-off gas generated therefrom, liquefied gas as fuel and It is composed of a fuel supply module supplied for the purpose of BOG treatment and a BOG treatment module that partially reliquefies BOG and recovers it to a storage tank, and partially supplies BOG to a consumer.
  • the storage tank module is configured to include a storage tank for accommodating liquefied gas and boil-off gas generated therefrom, a cryogenic pump and a control device for supplying or unloading the liquefied gas to a consumer.
  • the fuel supply module consists of a supply line for supplying liquefied gas at a pressure that meets the demand pressure, a control valve that controls to match the demand supply amount, and a vaporization heat exchanger that controls to meet the temperature requirement of the consumer.
  • the BOG treatment module is an ejector configured for BOG treatment of the storage tank
  • the motive of the ejector is a supply line that is supplied in a liquefied gas state from a pump
  • the suction unit of the ejector is supplied in a gaseous state from the BOG of the storage tank. It is composed of a motive flow control system for line and BOG throughput control. It is a gas-liquid gas-liquid mixture to separate the gas-liquid mixed fluid obtained by mixing the cryogenic liquid of the motif and the BOG at the suction part while passing through the ejector into a gaseous and liquid state.
  • the separator is composed of a supply line for recovering liquefied gas to the storage tank in a liquid state and a supply line for supplying gaseous gas to the generator engine in a gaseous state. It is a liquefied gas fuel supply system that is simultaneously supplied with
  • the liquefied gas pump system may consist of a cryogenic pump existing inside the storage tank and a boosting pump existing outside the storage tank, and the pressure increase is within a range higher than the demand supply pressure by up to 100 bar. It can also be provided as a liquefied gas fuel supply system that can increase the effect of BOG treatment by increasing the motive pressure of the ejector operated in the BOG treatment module.
  • a supply line that integrates a part of the liquid component separated from the gas-liquid separator with the gas component may be provided, and in this way, a liquefied gas fuel supply system for supplying the generator engine can also be configured.
  • the supply flow control valve and controller of the fuel supply module for controlling the supply amount required by the demander, and the supply flow control valve and the controller for controlling the motive supply amount for the ejector of the BOG treatment module may be configured, and the two It may also be provided as a liquefied gas fuel supply system configured to control the total operating flow rate of the pump system based on the supply flow rate information.
  • the liquefied gas fuel supply system for a low-pressure or high-pressure engine of the present invention when the pressure is raised within the maximum range of 100 bar higher than the demand pressure in the boost pump, an ejector is added between the supply flow control valve of the fuel supply module and the vaporization heat exchanger, , the suction part of the ejector is the gas gas supply line of the gas-liquid separator in the boil-off gas treatment module, the motive is the fuel supply line of the fuel supply module, and the ejector outlet is set to the required fuel supply pressure and supplied to the vaporization heat exchanger.
  • a fuel supply system may be provided.
  • a gas-liquid mixed fluid is formed at the outlet end of the ejector installed between the supply flow control valve of the fuel supply module and the vaporization heat exchanger, that is, at the inlet end of the vaporization heat exchanger.
  • It can also be provided as a liquefied gas fuel supply system configured to have a supply line that separates gas and gas and supplies a part of the liquefied gas to the vaporization heat exchanger by integrating a portion of the liquefied gas with the gaseous gas to match the fuel supply amount.
  • the liquefied gas fuel supply system has the effect of not only solving the tank pressure increase due to the generation of BOG without a compressor for BOG fuel supply or a BOG reliquefaction device, but also using low pressure BOG as fuel.
  • the liquefied gas fuel supply system according to this embodiment has the effect that maintenance is very convenient through the combination of the pump and the ejector.
  • 1 is an embodiment of a liquefied gas fuel supply system for a low-pressure or high-pressure engine according to this embodiment.
  • FIG. 2 is another example of a liquefied gas fuel supply system for a low-pressure or high-pressure engine according to this embodiment.
  • 3 is an example of application of the gas-liquid mixed fluid present at the rear end of the ejector as a cryogenic liquid is used as a motif when applied according to this embodiment.
  • the liquefied gas fuel supply system can use liquefied gas as fuel not only for liquefied gas carriers, but also for liquefied gas-based propulsion ships, power plants, floating offshore terminals, floating production facilities, etc. If there is, it is included in the scope of the present embodiment regardless of its form. It also includes onshore installations using liquefied gas in the same spirit.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a liquefied gas fuel supply system according to this embodiment.
  • the liquefied gas fuel supply system is a liquefied gas and boil-off gas storage tank module 100 for accommodating liquefied gas and boil-off gas, and a fuel supply module 200 through pressurization and temperature increase of the liquefied gas.
  • a portion of the boil-off gas may be re-liquefied and a portion of the boil-off gas may have a configuration of the boil-off gas processing module 300 to be converted into fuel gas. If this configuration is applied to the existing LNG fuel supply system, it means that the BOG treatment compressor or BOG reliquefaction system is not required.
  • the liquefied gas and boil-off gas storage tank module 100 is a membrane-type fuel tank 110 maintained at a pressure slightly higher than atmospheric pressure, or a pressurized (C-type) fuel that is typically designed to withstand a pressure of about 10 bar.
  • the tank 110 and the cryogenic pump 120 installed for fuel supply or unloading of liquefied gas, and additional systems including the circulation flow rate considered in pump engineering for the stable operation of the pump, which is a category of general knowledge for pump system designers, and It may have the configuration of the related controller 170 .
  • the fuel supply module 200 by raising the pressure and temperature of the liquefied natural gas includes a pump 210 for boosting the liquefied natural gas and a vaporization heat exchanger 230 for vaporizing and raising the temperature of the liquefied natural gas to the temperature condition of the customer.
  • the boosting pump the boosting specification can be determined according to the pressure required for low-pressure engines such as Wartsila's X-DF engine operated within the range of 10-20 bar and high-pressure applications such as MAN B&W's MEGI engine operated at 150-300 bar.
  • the vaporization heat exchanger 230 supplies heat energy of latent heat of liquefied natural gas and sensible heat that raises the temperature to the temperature required by the demanding party, and may be implemented using various heating media such as glycol and seawater.
  • the generator engine is usually operated within the range of 5 to 10 bar, and although not shown in FIG. 1, it is common in this field to provide a heat exchanger in addition to the front end of the generator engine to adjust the temperature of the fuel gas required by the generator engine. It is a category of knowledge.
  • the liquefied natural gas supplied to the BOG treatment module 300 is branched 212 from the fuel supply line 211 and supplied through the flow control valve 310, and is sub-cooled at the corresponding pressure due to the booster pump. is supplied to the ejector 320 as a motive liquid, and absorbs the boil-off gas 122 of the liquefied natural gas storage tank 110 to become a gas-liquid mixed fluid.
  • the pressure of the outlet end 321 of the ejector 320 may be configured to satisfy the required pressure range of the generator engine, and accordingly, the pressure of the gas-liquid separator 340 is the generator It becomes the required pressure of the engine 242, and is divided into a liquid component 341 and a gas component 342 at the pressure.
  • the liquid component of the gas-liquid separator 340 passes through the pressure control valve 350 considering the pressure of the liquefied natural gas storage tank 110 and is recovered to the liquefied natural gas storage tank 110, and the gas component is the generator engine 242. supplied as fuel.
  • the liquefied natural gas is LNG
  • the nitrogen component ratio is relatively high in the boil-off gas
  • the gas component 342 separated by the gas-liquid separator 340 is ) has a relatively higher nitrogen component ratio compared to the liquid component 341, and in the case of the liquefied natural gas fuel supply system illustrated in FIG. 1, a nitrogen component with no calorific value is continuously discharged through the gas line 342 of the gas-liquid separator.
  • the gas gas 342 supplied to the generator engine may be insufficient depending on the generator operating conditions, and this insufficient flow rate is supplied through the fuel supply line 233 or as shown in FIG. 3(a) of the gas-liquid separator 340. It can also be supplied at the required flow rate of the generator including a part of the liquid component.
  • a heater may be added to the generator engine supply line 242 to increase the temperature to the required temperature condition of the generator engine, which corresponds to common knowledge in this field.
  • the total operating flow rate of the pump system is configured by interlocking the flow control system 270 of the fuel supply module and the flow control system 370 of the boil-off gas processing module. It can be configured to be controlled by the integrated control system 170 . These requirements are general to those of ordinary skill in the art, and although not shown in FIG. 1, a bypass line, a valve, a sensor, and the like, may be implemented including such a configuration.
  • the boosting pressure of the boosting pump 210 is set higher than the required fuel supply pressure within a maximum range of 100 bar
  • the ejector 320 outlet pressure of the BOG treatment module 300 is set to be higher than the BOG pressure
  • the vaporization heat exchanger 230 This is a method of adding an ejector 250 to the front end.
  • the motif 221 of the ejector 250 becomes the sum of the fuel supply required pressure and the additionally increased pressure
  • the suction part 342 becomes the outlet pressure of the ejector 320
  • the outlet end 229 is the fuel
  • the liquefied gas fuel supply system may be configured in such a way that it operates at a supply pressure.
  • a gas-liquid separator 260 between the ejector 250 and the vaporization heat exchanger 230, the gas-liquid mixed fluid component at the outlet 259 of the ejector 250 is separated.
  • liquid component 261 is combined with the gas component 262 and supplied 229 to the vaporization heat exchanger 230, and the remaining liquid component 281 is liquefied to recover the liquefied gas storage tank 110.
  • It may consist of a gas fuel supply system.
  • the present invention can be used in the engine fuel supply system of ships and offshore structures and land facilities using liquefied gas such as natural gas, natural petroleum gas, hydrogen, ammonia, etc. as fuel, and such a ship has a storage tank for storing liquefied gas It may include a liquefied gas carrier, a liquefied gas fuel propulsion ship, and the like, and the liquefied gas production facility may include an offshore structure such as an LNG FPSO and an LNG FSU. It may also include a fuel supply system having a similar liquefied gas storage facility, etc. applied on land.
  • liquefied gas such as natural gas, natural petroleum gas, hydrogen, ammonia, etc.

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Abstract

천연가스, 천연석유가스, 수소, 암모니아 등의 액화가스를 연료로 사용하는 선박 또는 육상운송수단 또는 플랜트의 액화가스 연료공급 시스템이 개시된다. 본 실시 예에 의한 액화가스 연료 공급 시스템은, 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 액화가스 저장탱크 모듈, 액화가스를 연료로 공급하는 연료공급 모듈 및 증발가스를 일부는 재액화하여 저장탱크로 회수되고 일부는 수요처에 공급하는 증발가스 처리 모듈로 구성된다. 증발가스 처리 모듈에는 저장탱크의 증발가스 처리를 위해 이젝터를 두어, 모티브 측은 승압펌프로를 이용한 과냉된 액화가스를 이용하고, 흡입부는 저장탱크의 증발가스 공급라인으로 구성된다. 이젝터를 통과한 유체는 모티브로 공급되는 과냉된 액화가스와 저온의 증발가스가 혼합되어 기.액 혼합유체를 형성하게 돠며, 이를 기체상태 및 액체상태로 분리하기 위한 기액분리기를 두어, 액체상태인 액화가스는 저장탱크로 회수하고 기체상태인 기체가스는 발전기 엔진으로 공급하는 구성을 갖게 되며,발전기 엔진에서 요구하는 연료공급량을 맞추기 위해 연료공급모듈로부터 연료가스를 함께 공급받도록 구성되는 액화가스 연료 공급 시스템이다.

Description

액화가스 연료공급 시스템
본 발명은 액화가스 연료공급 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 액화가스를 연료로 사용하는 선박이나 해상 또는 육상 플랜트에 적용되며, 액화가스 연료저장 탱크 모듈과 수요처 요구 압력/온도로 변환하는 연료공급 모듈과 연료탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하는 모듈로 구성되는 액화가스 연료공급 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
최근 환경오염 저감을 위한 국제기구의 파리협약을 통한 CO2 배출규제 및 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 CO2배출 규제 강제화 노력이 계속되고 있다. 이러한 노력의 일환으로 전통적인 화석연료인 벙커C유나 디젤 등의 황 함유량과 탄소함유량이 높은 연료로부터 황 함유량이 거의 없고 탄소 함유량이 적은 천연가스(Natural Gas), 황과 탄소 함유량이 없는 수소가스(H2, Hydrogen gas) 등 친환경 가스연료로의 전환이 급격히 이루어지고 있다.
최근 가장 널리 사용되고 있는 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)는, LNG 운반선 뿐만 아니라 컨테이너 및 일반 화물을 운송하는 선박의 저속추진엔진 연료로 적용범위가 확대되고 있다. 엔진에 액화천연가스를 연료로 공급하기 위해서는 연료저장탱크와 연료공급장치가 필수 구성요소이다. 액화천연가스 저장 탱크에 저장된 액화 천연가스는 액화하여 부피가 천연가스 대비 600분의 1로 감소하고 -160C 이하의 포화온도 유지를 필요로하여, 외부 환경으로부터의 열유입으로 인해 발생하는 증발가스(Boil Off Gas)를 제어하여야 한다. 증발가스 제어법을 크게 2가지로 대별하면, 가압형 탱크를 이용하여 일정기간 동안 증발가스를 탱크 내에 수용하는 방법과 증발가스를 재액화 하는 방법으로 구분할 수 있으며, 재액화 방법에는 별도의 냉매 사용 유무에 따라 다양한 제품군들이 상품화 되어 적용되고 있다.
액화천연가스를 연료로 엔진에 공급하는 한가지 방법은 액화 가스를 엔진요구 압력으로 극저온 펌프(Cryogenic pump)를 이용하여 가압하고, 가압된 액화가스를 기화열교환기(Vaporizer)를 거쳐 엔진에서 요구하는 압력 및 온도조건으로 공급하는 방법이다. 이 방법은 장점은 구성요소가 간단하다는 것이고, 단점은 연료탱크의 증발가스 처리가 불가하여 별도의 증발가스 처리용 압축기 또는 증발가스 재액화 장치를 필요로 한다는 것이다. 액화천연가스를 연료로 엔진에 공급하는 다른 방법은 연료탱크의 증발가스를 추진용 엔진 및 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있도록 다단 압축기를 구성하는 것이고, 부족한 연료량은 저압펌프와 기화열교환기의 조합으로 다단 압축기에 증발가스와 함께 공급하는 방식이다. 이 방식의 장점은 증발가스를 연료로 손쉽게 사용한다는 것이고, 단점은 다단 압축기 사용에 따른 펌프 대비 고비용 및 컴프레서 유지보수의 어려움을 들 수 있다.
이외에도 LPG 연료를 사용할 수 있는 선박 추진용 엔진이 상품화 되었고, zero-emission을 위해 수소 및 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 엔진개발이 추진되고 있어 친환경가스의 연료화가 확대되고 있는 상황이다.
요약하면, 친환경가스인 액화 천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas), 액화 수소가스 (LH2, Liquefied Hydrogen gas), 액화석유가스(LPG, Liquefied Petroleum Gas), 암모니아 등의 액화가스 사용이 확대되고 있으며, 이를 가속화하기 위한 저장 탱크와 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 고려한 연료공급시스템의 최적화 기술이 지속개발되어 왔고, 향후에도 지속 개발이 필요함을 알 수 있다.
관련된 종래기술로서, 미국등록특허 6,659,730 B2 (등록 2003년12월 09일)와 한국등록특허 10-0804971 (등록 2008년 2월 12일) 및 10-1271041 (등록 2013년 5월 29일)를 참조하기 바란다.
본 발명의 실시 예는 액화가스를 연료로 사용하기 위해 펌프와 이젝터로 구성되는 액화가스 연료공급 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 액화가스를 저장하는 탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위해 증발가스 컴프레서 또는 증발가스 재액화 시스템을 대체하는 액화가스 연료공급 시스템을 제공 하고자 한다.
본 발명에의 일 측면인 액화가스를 연료로 사용하는 선박 또는 육상 운송수단 또는 플랜트의 액화가스 연료공급 시스템은, 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크 모듈, 액화가스를 연료 및 증발가스 처리 목적으로 공급하는 연료공급 모듈 및 증발가스를 일부는 재액화하여 저장탱크로 회수하고 일부는 수요처에 공급하는 증발가스 처리 모듈로 구성된다.
저장탱크 모듈은 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크, 액화가스의 수요처 공급 또는 하역을 위한 극저온 펌프 및 제어장치를 포함하여 구성된다.
연료공급 모듈은 액화가스를 수요처의 요구 압력에 부합한 압력으로 공급하는 공급라인과 수요처의 요구 공급량을 맞추도록 제어하는 제어밸브 및 수요처의 요구 온도 조건을 맞추도록 제어하는 기화열교환기로 구성된다.
증발가스 처리 모듈은 저장탱크의 증발가스 처리를 위해 구성하는 이젝터, 상기 이젝터의 모티브는 펌프로부터 액화가스 상태로 공급되는 공급라인, 상기 이젝터의 흡입부는 저장탱크의 증발가스로부터 기체 상태로 공급되는 공급라인 및 증발가스 처리량 제어를 위한 모티브 유량제어 시스템으로 구성되며, 이젝터를 통과하면서 모티브의 극저온 액체와 흡입부의 증발가스가 혼합되어 얻게되는 기.액 혼합유체를 기체상태 및 액체상태로 분리하기 위한 기액분리기를 두어, 액화가스는 액체 상태로 저장탱크로 회수하는 공급라인과 기체가스는 기체상태로 발전기 엔진으로 공급하는 공급라인으로 구성되며, 발전기의 요구되는 연료 공급량을 맞추기 위해 연료공급 모듈로부터 연료가스를 동시에 공급받는 액화가스 연료공급 시스템이다.
본 실시 예에서, 액화가스 펌프 시스템은 저장탱크 내부에 존재하는 극저온 펌프 및 저장탱크 외부에 존재하는 승압펌프의 구성으로 이루어질 수 있으며, 승압은 수요처의 요구 공급압력보다 최대 100바 까지 높은 범위 한도 내에서 운영하여 증발가스 처리 모듈에 설치된 이젝터의 모티브 압력을 높이는 방법으로 증발가스 처리 효과를 증가시킬 수 있는 액화가스 연료 공급 시스템으로도 제공할 수 있다.
본 실시 예에서, 발전기 엔진의 연료공급 요구량 만족을 위해 기액 분리기에서 분리된 액체성분의 일부를 기체성분과 통합하는 공급라인을 둘 수 있으며, 이러한 방식으로 발전기 엔진으로 공급하는 액화가스 연료공급 시스템으로도 구성할 수 있다.
본 실시 예에서, 수요처에 요구되는 공급량 제어을 위한 연료공급 모듈의 공급유량 제어밸브 및 제어기와, 증발가스 처리 모듈의 이젝터용 모티브 공급량 제어를 위한 공급유량 제어밸브 및 제어기가 구성될 수 있으며, 이둘의 공급 유량 정보를 기반으로 펌프 시스템의 총 운전 유량을 제어하도록 구성되는 액화가스 연료공급 시스템으로도 제공할 수 있다.
본 발명의 저압 또는 고압 엔진용 액화가스 연료공급 시스템의 다른 예로 승압 펌프에서 수요처 요구 압력보다 최대 100바 범위 한도 내로 승압하는 경우, 연료공급 모듈의 공급유량제어밸브와 기화열교환기 사이에 이젝터를 추가하고, 이젝터의 흡입부는 증발가스 처리모듈에 있는 기액분리기의 기체가스 공급라인으로 하고, 모티브는 연료공급모듈의 연료공급라인으로 하며, 이젝터 출구를 연료공급 요구 압력으로 설정하여 기화열교환기로 공급하는 액화가스 연료공급 시스템을 제공할 수 있다.
이러한 구성에 있어 연료공급 모듈의 공급유량제어밸브와 기화열교환기 사이에 설치된 이젝터의 출구단, 즉 기화열교환기 입구단에는 기.액 혼합유체가 형성되므로 이젝터와 기화열교환기 사이에 기액분리기를 설치하여 액화가스와기체가스를 분리하고, 연료공급량을 맞추기 위해 액화가스의 일부는 기체가스와 통합하여 기화열교환기로 공급하는 공급라인을 갖도록 구성하는 액화가스 연료공급 시스템으로도 제공할 수 있다.
본 실시 예에 의한 액화가스 연료공급 시스템은 증발가스 연료공급용 컴프레서 또는 증발가스 재액화 장치 없이 증발가스 발생에 따른 탱크 압력 증가를 해결할뿐만 아니라 저압의 증발가스를 연료로 사용할 수 있는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 액화가스 연료 공급 시스템은 펌프와 이젝터의 조합을 통해 유지보수가 매우 편리한 효과를 가진다.
도 1은 본 실시 예에 의한 저압 또는 고압 엔진을 위한 액화가스 연료공급 시스템의 실시 예이다.
도 2는 본 실시 예에 의한 저압 또는 고압 엔진을 위한 액화가스 연료 공급 시스템의 다른 예이다.
도 3은 본 실시 예에 의한 적용시 극저온 액체를 모티브로 사용함에 따라 이젝터 후단에 존재하는 기.액 혼합유체의 활용 예이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 발명과 관계 없는 액화가스 펌프의 형식, 배관상에 배치되는 밸브 및 계측기 등의 자명한 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 실시 예에 의한 액화가스 연료공급 시스템은 액화가스 운반선뿐만 아니라, 액화가스 기반의 추진선, 발전선, 부유식 해양 터미널, 부유식 생산시설 등을 포함하는 전 영역의 액화가스를 연료로 사용할 수 있는 것이라면 그 형태를 불문하고 본 실시 예의 범주에 포함된다. 또한 동일한 사상으로 액화 가스를 사용하는 육상 설비를 포함한다.
도 1은 본 실시 예에 의한 액화가스 연료공급 시스템의 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시 예에 의한 액화가스 연료공급 시스템은 액화가스와 증발가스를 수용하는 액화가스 및 증발가스 저장탱크 모듈(100), 액화가스의 가압 및 승온을 통한 연료공급 모듈(200) 및 증발가스의 일부는 재액화하고 일부는 연료가스화 하는 증발가스 처리 모듈(300)의 구성을 가질 수 있다. 이러한 구성을 기존 LNG 연료공급 시스템에 적용하면 증발가스 처리용 컴프레서나 증발가스 재액화 시스템을 필요로 하지 않는 구성이 됨을 의미한다.
액화가스 및 증발가스 저장탱크 모듈(100)은 대기압 보다 약간 높은 압력으로 유지되는 멤브레인형 연료탱크(110) 또는 10바 전후의 압력을 견딜 수 있도록 통상적으로 설계하는 가압형(C-type)의 연료 탱크(110)와 액화가스 연료공급 또는 하역을 위해 설치되는 극저온 펌프(120) 및 펌프시스템 설계자들에게는 통상적인 지식의 범주인 펌프의 안정적 운전을 위해 펌프 엔지니어링에서 고려되는 순환유량을 포함한 부가 시스템과 관련 제어기(170)의 구성을 가질 수 있다.
액화천연가스의 승압 및 승온을 통한 연료공급 모듈(200)에는 액화천연가스 승압용 펌프(210)와 액화천연가스를 수요처의 온도 조건으로 기화 및 승온시키는 기화열교환기(230)로 구성된다. 승압펌프는 10~20바 범위내에서 운전되는 Wartsila 사의 X-DF 엔진과 같은 저압용 엔진과 150 ~ 300바 에서 운전되는 MAN B&W사의 MEGI 엔진과 같은 고압용에서 요구되는 압력에 따라 승압 사양이 결정될 수 있다. 기화열교환기(230)는 액화천연가스의 잠열과 수요처가 요구하는 온도까지 승온하는 현열의 열에너지를 공급하는 것으로 글리콜, 해수 등 다양한 열매체를 이용하여 구현될 수 있다. 발전기 엔진은 통상 5~10바 범위내에서 운전되며, 도 1에 도시하지는 않았지만, 발전기 엔진 전단에 추가로 열교환기를 구비하여 발전기 엔진에서 요구하는 연료가스의 온도로 조절할 수 있음은 이 분야의 통상적인 지식의 범주이다.
증발가스 처리 모듈(300)로 공급되는 액화천연가스는 연료공급라인(211)으로부터 분기(212)되어 유량제어밸브(310)을 통해 공급되며, 승압펌프로 인해 해당압력에서 과냉상태(sub cooled)가 되어 이젝터(320)에 모티브 액체로 공급되며, 액화천연가스 저장 탱크(110)의 증발가스(122)를 흡수하여 기.액이 혼합된 혼합유체가 된다. 도 1에서 예시한 액화천연가스 연료공급 시스템의 경우, 이젝터(320) 출구단(321)의 압력은 발전기 엔진의 요구 압력 범위를 만족하도록 구성할 수 있으며, 이에따라 기액분리기(340)의 압력은 발전기 엔진(242)의 요구압력이 되고, 해당 압력에서 액체성분(341)과 기체성분(342)으로 구분된다. 상기 기액분리기(340)의 액체성분은 액화천연가스 저장탱크(110) 압력을 고려한 압력제어밸브(350)을 통과하여 액화천연가스 저장 탱크(110)로 회수되며, 기체성분은 발전기 엔진(242)의 연료로 공급된다. 액화천연가스가 LNG인 경우는, LNG의 조성에 포함되어 있는 미량의 질소 성분이 존재하며, 증발가스에는 질소성분 비율이 상대적으로 높게 분포하게 되는데, 기액분리기(340)에서 분리되는 기체 성분(342)에는 액체 성분(341)에 비해 질소 성분비가 상대적으로 더 높으며, 도 1에 예시한 액화천연가스 연료공급 시스템의 경우, 기액분리기의 기체라인(342)를 통해 지속적으로 발열량이 없는 질소성분이 배출되는 장점이 있다.
발전기 엔진으로 공급되는 기체가스(342)는 발전기 운전조건에 따라 부족할 수 있으며, 이 부족 유량은 연료공급라인(233)을 통해 공급하거나, 도 3(a)에 표현한 바와 같이 기액분리기(340)의 액체성분 일부를 포함하여 발전기 필요 유량으로 공급할 수도 있다. 도 1에 도시하지는 않았지만 발전기 엔진 공급라인(242)에는 발전기 엔진의 요구 온도 조건으로 승온하는 히터를 추가할 수 있으며, 이는 이 분야의 통상의 지식에 해당된다.
펌프시스템의 총 운전 유량은 상기 연료 공급 모듈의 유량제어 시스템(270)과 증발가스 처리 모듈의 유량제어 시스템(370)을 연동하여 구성하며, 통상적인 극저온 액화가스 펌프 운전에 필요한 요구조건을 고려하여 통합 제어시스템(170)으로 제어되도록 구성할 수 있다. 이러한 요구조건은 이 분야의 통상적인 지식을 가진 자들에게는 일반적인 것으로 도 1에 도시하지는 않았지만 바이패스 라인, 밸브 및 센서 등이며, 이러한 구성을 포함하여 실시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 변형된 실시 예로서 저압 또는 고압 엔진에 적용 가능한 다른 예이다. 승압펌프(210)의 승압 압력을 필요한 연료공급압력보다 최대 100바 범위 이내로 높게하고, 증발가스 처리 모듈(300)의 이젝터(320) 출구 압력을 증발가스 압력 이상으로 설정하며, 기화열교환기(230) 전단에 이젝터(250)을 추가하는 방식이다. 이러한 구성에서 이젝터(250)의 모티브(221)는 연료공급 필요압력과 추가 승압된 압력의 합이 되고, 흡입부(342)은 이젝터(320)의 출구 압력이 되며, 출구단(229)은 연료공급 압력이 되도록 운전하는 방식으로 액화가스 연료공급 시스템이 구성될 수 있다. 또한 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 이젝터(250)와 기화열교환기(230) 사이에 기액분리기(260)을 추가하여, 이젝터(250) 출구(259)의 기.액 혼합유체 성분을 분리하고, 액체성분(261)의 일부(282)는 기체성분(262)과 합하여 기화열교환기(230)으로 공급(229)하고, 잔여 액체성분(281)은 액화가스 저장탱크(110)으로 회수하는 액화가스 연료공급 시스템으로 구성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명은 천연가스, 천연석유가스, 수소, 암모니아 등의 액화가스를 연료로 사용하는 선박 및 해양 구조물 및 육상설비의 엔진 연료 공급 시스템에 이용할 수 있으며, 이러한 선박은 액화가스를 저장하는 저장탱크를 보유하는 액화가스운반선, 액화가스 연료 추진선 등을 포함할 수 있고, 이러한 액화가스 생산설비는 LNG FPSO, LNG FSU 등의 해양 구조물 등을 포함할 수 있다. 또한 육상에 적용되는 유사한 액화가스 저장설비 등을 갖는 연료공급시스템도 포함할 수 있다.

Claims (6)

  1. 액화가스를 연료가스로 이용하는 저압 또는 고압엔진을 사용하는 선박 또는 육상 운송수단 또는 플랜트에 있어서
    액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 액화가스 저장탱크 모듈;
    액화가스를 수요처에 연료로 공급하는 연료공급 모듈; 및
    증발가스를 일부는 저장 탱크로 일부는 수요처에 공급하는 증발가스 처리 모듈; 로 구성되며,
    상기 액화가스 저장탱크 모듈은
    액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용하는 저장탱크;
    액화가스의 수요처 공급 또는 하역을 위한 극저온 펌프; 및 펌프 유량제어장치를 포함하여 구성되며, 상기 연료공급 모듈은
    액화가스를 수요처의 요구 압력에 부합한 압력으로 공급하는 공급라인;과
    수요처의 요구 공급량을 맞추도록 제어하는 제어밸브; 및 제어시스템과
    수요처의 요구 온도 조건을 맞추도록 극저온 유체의 잠열 및 현열을 공급 하는 기화열교환기; 로 구성되며,
    상기 증발가스 처리 모듈은
    저장탱크의 증발가스 처리를 위해 구성되는 이젝터;
    이젝터의 모티브는 극저온 펌프의 승압에 따라 해당압력에서 과냉된 극저온 액화가스 상태로 공급되는 공급라인;
    모티브 유량공급을 제어할 수 있는 밸브; 및 제어시스템,
    이젝터의 흡입부는 저장탱크의 증발가스로부터 기체 상태로 공급되는 공급라인; 으로 구성되며,
    이젝터를 통과한 기.액 혼합유체를 기체상태 및 액체상태로 분리하기 위한 기액분리기; 를 두어,
    액체상태인 액화가스는 저장탱크로 회수하는 회수라인;과
    기체상태인 기체가스는 발전기 엔진의 연료로 공급하는 공급라인;으로 구성되며,
    발전기의 요구되는 연료 공급량을 맞추기 위해 연료공급 모듈로부터 연료가스를 동시에 공급받도록 구성되는 액화가스 연료공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    액화가스 펌프 시스템은 저장탱크 내부 또는 외부에 존재하는 제1 극저온 펌프; 및
    저장탱크 외부에 존재하는 승압펌프인 제2 극저온 펌프; 의 구성으로 이루어지며
    승압은 수요처의 요구 공급압력보다 높은 범위로 운영하여 증발가스 처리 모듈에 설치된 이젝터의 모티브 압력을 높이는 방법으로 증발가스 처리 효과를 증가시키는 액화가스 연료공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    발전기 엔진의 연료공급 요구량 만족을 위해 기액분리기에서 분리된 액체성분의 액화가스 일부를 기체성분의 기체가스와 병합하는 공급라인; 을 추가하여
    발전기 엔진으로 공급하는 액화가스 연료공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    수요처에 요구되는 연료량에 따라 연료공급 모듈의 공급유량을 제어하는 제어밸브 및 제어기;와, 증발가스 처리 모듈의 이젝터용 모티브 유량 제어를 위한 공급유량 제어밸브 및 제어기;가 구성되며,
    이둘의 공급유량 정보를 기반으로 극저온 펌프 시스템의 총 운전 유량을 제어하도록 구성되는 제어기;를 포함하는
    액화가스 연료공급 시스템.
  5. 제1항의 저압 또는 고압 엔진 적용 예에 있어서,
    승압펌프에서 수요처 요구 압력보다 높게 승압하는 경우,
    연료공급 모듈의 유량제어밸브와 기화열교환기 사이에 이젝터;를 추가하고
    이젝터의 흡입부는 증발가스 처리 모듈 내에 존재하는 기액분리기의 기체가스 공급라인;으로 하고
    모티브는 연료공급 모듈의 연료공급라인;으로 하여
    이젝터 출구를 연료공급 요구 압력으로 설정하여 기화열교환기로 공급하는 액화가스 연료공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    연료공급 모듈의 공급유량제어밸브와 기화열교환기 사이에 설치된 이젝터의 출구단은 극저온 펌프를 통과한 과냉액체와 증발가스 처리 모듈의 포화기체가 혼합된 상태가 되어 기.액 혼합유체가 형성되므로
    이젝터와 기화열교환기 사이에 기액분리기;를 설치하여 액화가스와 기체가스를 분리하고,
    연료공급량을 맞추기 위해 액화가스의 일부는 기체가스와 통합하여 기화열교환기로 공급하는 공급라인;을 갖고
    잔여 액화가스는 액화가스 저장탱크로 회수하는 회수라인;을
    갖도록 구성하는 액화가스 연료공급 시스템.
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