KR101229620B1 - 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템에 관한 것으로서, 연료용 LNG를 가압하여 저장하고 LNG 배출구가 최저위치에 있는 LNG 연료 탱크와, 연료탱크에서 발생하는 가스를 가압하여 송출하는 가스압축기가 없이 분사된 LNG와 직접 열교환을 통해 응축되는 가스응축기, LNG를 고압가스분사엔진의 요구압력으로 압축하는 고압펌프와, 압축된 LNG를 기화시키는 고압 기화기와, 상기 기화된 연료가스를 고압연료가스용기에 저장하여 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하고, 상기 고압가스 분사엔진의 부하변동에 따른 연료가스의 압력변화에 대응하여 상기 고압연료가스 용기에서 설정압력 이하로 유지될 수 있도록 고압연료가스용기 압력조절밸브를 통해 압력을 조절하는 것을 특징으로 하며, 본 발명은 고압 기화기의 열원으로 담수를 이용하되, 담수를 엔진 냉각수나 엔진 폐열과 열교환하여 가열하게 하며, 엔진 냉각수와 함게 해수에 의한 열교환을 함께 구현하여 복합 열교환이 이루어지게 하고, 열교환된 담수중 일부를 폐열회수장치를 통해서 가열하여 순환시키도록 함으로써, 에너지절감효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

Description

선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템{Liquefied Natural Gas Supply System for Marine Vessel or Offshore Plant}

선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가압형 LNG연료탱크 혹은 LNG연료 출구가 아래로 향하는 저압형 LNG 연료탱크를 사용하고, LNG를 압축, 기화 후에 가스용기 혹은 체적이 큰 배관에 저장하여 고압가스 분사엔진의 연료가스로서 공급하면서 가스용기의 압력을 자동 조절하게 하여 부하변동에서도 원활한 연료가스 공급이 이루어지도록 하며, 기화기의 열원으로 사용되는 담수를 엔진 냉각수, 엔진 폐열 및 해수를 이용한 복합 열교환방식으로 열교환하게 하여 에너지를 절감할 수 있도록 하며 탱크에서 자연 발생한 가스를 고압의 LNG 분사 등을 이용하여 응축시킴으로써 연료탱크의 압력을 유지할 수 있도록 한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템에 관한 것이다.

선박에서 LNG를 연료로 사용하는 경우가 LNG운반선을 제외하고는 전무하였으나 근래 이산화탄소 배출(Emission) 제한 규정 등 배출가스 환경 규제에 의해 친환경 연료로 각광을 받고 있는 천연액화가스(LNG)를 연료로 사용하는 선박이 등장하였으며 계속 늘어나는 추세에 있다.

현재 근해를 운항하는 여객 및 화물 운반선이나 플랫폼 서플라이 베셀(Platform Supply Vessel)등 짧은 구간 운행하는 선박에 LNG를 연료로 사용하는 선박이 있으며, 현재 압력 용기형 저장 탱크에 LNG를 저장(약 5bar)하고 잠수형(Submerged Type)을 이용하여 중간 버퍼 탱크(Buffer Tank)로 이송한 뒤 다시 고압의 펌프(Pump)를 이용하여 기화기를 거쳐 직접 구동 엔진이나 발전기 엔진으로 이송한다.

직접 구동 엔진의 경우 약 200 ~ 250bar의 고압이 사용되며 선박의 크기나 요구하는 추력에 따라 4 ~ 6ton/h의 연료가 사용되는데 이때 사용되는 연료 가스는 LNG저장 탱크 내부의 LNG를 가압하여 강제 기화시켜서 사용한다.

발전기 엔진을 사용하는 경우 약 5~6bar의 비교적 낮은 압력의 Gas가 사용되며 이때 사용되는 연료가스는 저압펌프를 사용하여 기화시켜 이용하거나 LNG를 저장하는 가압용기로부터 발생하는 가스를 그대로 이용하는 방식을 사용한다.

종래의 선박의 연료가스 공급 시스템으로서, 10-2008-0020356호가 알려져 있다.(이하, '종래기술' 이라 칭함)

도 1은 종래기술에 의한 선박의 연료가스 공급 시스템의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 선박의 연료가스 공급 시스템은 선박의 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하기 위한 것이다.

종래 기술의 연료가스 공급 시스템은, 선박의 LNG 연료탱크(1)로부터 LNG를 빼내어서 고압가스 분사엔진으로 공급하는 연료가스 공급라인(L1)을 설치하고, 상기 연료가스 공급라인(L1)에는 상기 LNG탱크(1) 내부에 설치되는 1차펌프(2), 1차 펌프(2)의 후단에 설치되는 압력조절밸브(11), 상기 연료가스 공급라인(L1)의 도중에, LNG를 LNG 연료탱크(1)로부터 빼내어지는 증발가스와 열교환시키는 열교환기(3), 상기 열교환기(3)의 후단에 설치되어 고압으로 가압하는 2차펌프(4), 2차펌프(4) 후단에 설치되어 LNG를 재기화시키는 히터(5), 2차펌프의 양단 압력조절을 위한 압력조절밸브(11) 및 압력계(13), 상기 히터(5)의 양단 압력을 조절하는 온도조절밸브(12) 및 온도계(15)로 구성된다.

그리고, 상기 LNG 탱크(1)의 상부로부터 증발가스를 빼내어서 LNG 연료탱크(1)의 일측으로 복귀시키는 증발가스 액화라인(L2)이 설치된다. 상기 증발가스 액화라인(L2)에는 증발가스 압축기(6), 압축기(6) 후단에 설치되는 냉각기(7), 냉각기(7)의 후단과 압축기(6)의 전단 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브(11) 및 압력계(13), 상기 냉각기(7)에서 출력되는 냉각된 증발가스를 상기 열교환기(3)를 통과시키고 열교환기(3)에서 열교환된 가스를 팽창시켜 액화시킨후 LNG탱크로로 복귀시키는 팽창밸브(12a) 및 압력계(13)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래기술은, 열교환기(3)에서, LNG는 증발가스와의 열교환에 의해 온도가 상승되어 고압가스 분사엔진으로 공급되고, 증발가스는 LNG와의 열교환에 의해 액화되어 LNG 연료탱크(1)로 복귀된다.

LNG탱크(1) 내의 LNG는 1차펌프(2)에 의해 펌핑되어 열교환기(3)에 공급되고, 열교환기(3)에서는 증발가스 액화라인(L2)을 통과하는 증발가스와 연료공급라인(L1)의 LNG가 열교환되어 연료공급라인(L1)의 LNG는 온도가 상승되고, 증발가스는 온도가 내려가게 되며, 증발가스는 팽창밸브(12a)를 통과하면서 액화되어 복귀된다. 연료공급라인(L1)의 LNG는 2차펌프(4)에서 고압으로 가압되고, 재기화장치의 히터(5)를 통화하여 가스로 재기화되어 연료가스 추진수단인 고압가스 분사엔진으로 공급된다.

그런데, 상기 종래기술(특허출원번호 '10-2008-0020356'호)은 LNG연료 탱크 내부에 1차펌프 즉, 저압 펌프를 설치하고 이를 다시 가압하는 2차 펌프를 설치하면서 설치 비용이 증가하고, 아울러 펌프의 직렬 운전을 수행하면서 1차 측 펌프의 오작동에 의하여 2차 측 펌프에 손상을 줄 수 있는 위험을 내포하고 있다.

또한, 상기 종래기술은, 연료 탱크 내부에서 발생하는 증발 가스를 압축기를 통하여 압축하고 압축되면서 고온이 된 가스를 다시 냉각수로 냉각한 뒤 1차 측 펌프에서 토출한 LNG와 열교환기에서 간접적으로 열교환함으로써 재액화를 시키는 방식을 이용하여 증발가스를 처리하고자 함으로써 설치 비용이 증가하고 운전에 어려움이 크다.

또한, 상기 종래기술은, 2차 펌프에 의해 가압된 LNG를 기화하기 위한 수단으로 히터(5)를 설치한 것으로 재기화를 위한 히터 구동에 따른 에너지 소비로 인하여 운전비용이 증가되는 단점이 있다.

또한, 상기 종래기술은, 이중연료를 사용하는 발전기 즉 저압의 가스를 연료로 사용하는 발전기에서는 고압가스를 사용할 수 없으며, 이를 위해서는 별도의 감압 설비를 구성해야 한다.

또한, 상기 종래기술은, 히터(5)에서 재기화된 가스를 연료가스 추진수단인 고압가스 분사엔진으로 직접 공급하는 것으로 구성되어 있고, 고압가스 분사엔진의 부하변동에 따른 압력변동을 유지하기 위한 설비나 방법이 없어 부하 변동에 따른 압력이나 유량 조절이 문제점이 있다.

또한, 상기 종래기술에서 LNG탱크(1)를 기존 가압형(5bar ~ 10bar) 연료탱크로 사용하는 경우에도, 열교환기(3)를 통과하여야 하기 때문에 열교환기(3)의 전단에서 고압으로 가압할 수 없으므로, 열교환기(3)의 앞뒤에 저압의 1차펌프와, 고압의 2차펌프를 별도로 설치하여 운영하는데 1차 저압 펌프를 LNG 연료 탱크 내부에 잠수형으로 설치함으로써 설비 비용의 증가와 더불어 고장 수리에 어려움이 많다.

본 발명의 목적은, LNG탱크를 가압형 탱크를 사용하거나 혹은 LNG 연료 출구가 아래로 향하는 저압형 LNG 연료탱크를 사용하여 탱크 내부에 잠수되는 저압 펌프를 없애고, 하나의 고압 펌프만으로 가압하여 분사엔진 측으로 연료를 공급할 수 있도록 한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은, 고압 재기화 장치와 고압가스 분사엔진 사이에 기화된 가스를 저장하여 고압가스 분사엔진으로 보내면서 버퍼기능을 하도록 고압연료가스용기나 체적이 큰 배관을 설치하여 고압가스 분사엔진의 부하변동에 따른 압력변동을 유지하여 안전운전이 가능하도록 한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 기존에는 고압의 가스분사엔진의 부하 변동으로 남는 가스를 대기 중으로 방출하거나, 소각해야 하지만 본 발명에서는 고압펌프에서 토출되는 LNG에 의해서, 연료탱크에서 자연 발생하는 가스와 고압가스 분사엔진의 부하변동으로 인해 남는 가스를 고압텀트에서 송출되어 분사된 LNG와 직접 열교환하여 온도를 낮추어 재액화시키는 방법을 사용함으로써 연료 낭비를 막을 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한 본 발명은, 고압펌프에서 토출된 LNG를 재기화하는데 사용되는 열원으로써 담수를 사용하여 엔진의 냉각수 및 엔진의 폐열과 열교환됨으로써 초기 엔진 구동 및 엔진의 부하변동에 있어서의 운전을 용이하게 함과 동시에 초기 재기화 열원 설계를 쉽게 하고 부수적인 추가 설비를 감소시키기 위한 것이다.

본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템은,

4 ~ 10bar 가스압력에서 연료용 LNG를 저장하고 단열기능을 구비하거나, 0.7bar 보다 낮은 저압에서 연료용 LNG를 저장하고 단열기능을 구비하여 LNG 배출구가 최저 위치가 되게 설치되는 LNG 연료탱크와;

상기 LNG연료 탱크보다 낮은 위치에 설치되어 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어서 고압가스 분사엔진에서 요구되는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프와;

상기 고압펌프에서 압축된 LNG를 기화시키는 고압 기화기와;

상기 고압 기화기에서 기화된 가스를 저장하여 고압가스 분사엔진으로 보내는 고압연료가스 용기 및

상기 고압연료가스 용기의 압력을 조절하기 위한 가스압력조절밸브를 포함하고 가스압축기를 포함하지 않도록 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 LNG연료탱크의 상부에서 발생되는 증발가스와, 상기 고압연료가스 용기의 가스압력조절밸브로부터 배기되는 가스를 유입받아 상기 고압펌프로부터 공급되는 LNG를 분사하여 열교환을 통하여 응축시켜 상기 LNG연료 탱크로 복귀시키는 가스응축기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 고압형 LNG 연료 탱크의 상부에서 발생되는 증발가스의 일부를 이중연료보일러(DF Boiler)로 가스량을 조절하여 공급하는 보일러 가스 유량 제어밸브와 온도를 높이기 위한 히터를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 고압 기화기의 열원으로 담수를 사용하고, 고압 기화기를 통과하여 냉각된 담수를 고압가스 분사엔진의 엔진냉각수와 해수에 의해 열교환하는 복합 열교환기와; 상기 복합 열교환기를 통과한 담수와 엔진 냉각수를 혼합하는 담수 혼합탱크와; 상기 담수혼합 탱크에서 혼합된 담수를 분기시켜 상기 고압가스 분사엔진의 엔진냉각수로 공급하여 상기 복합열교환기로 순환시키는 엔진냉각수 펌프 및 상기 담수혼합 탱크에서 혼합된 담수를 상기 고압 기화기로 순환시키는 담수 펌프를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 복합 열교환기는, 상기 고압 기화기에서 냉각된 담수를 통과시키는 담수라인과, 상기 고압가스 분사엔진의 냉각수를 통과시키는 엔진 냉각수 라인과, 외부로부터 해수를 유입되는 해수를 통과시켜 상기 담수라인의 냉각된 담수와 열교환시키는 해수라인이 포함되어 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 담수혼합탱크에서 출력되는 담수를 상기 고압가스 분사엔진의 배기가스에 의해 가열하는 배기가스 폐열 회수장치와, 상기 배기가스 폐열 회수장치를 통과한 담수를 상기 담수혼합탱크에서 출력되는 담수와 혼합하여 상기 담수 펌프로 공급하는 제2담수혼합탱크를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 고압가스 분사엔진의 배기가스에 의해 담수를 가열하여 증기를 생성하는 폐열회수장치와, 상기 폐열회수장치에서 발생된 증기에 의해 구동되어 전기를 생산하는 증기 발전기와, 상기 증기발전기를 통과한 증기를 응축시키는 응축기와, 응축기에서 응축된 담수를 저장하는 저장탱크 및 저장탱크의 담수를 상기 폐열회수장치로 순환하는 순환펌프와, 상기 고압 기화기에서 냉각되어 상기 복합 열교환기로 보내지는 냉각된 담수중 일부를 분기시켜 상기 응축기를 통과시켜 증기를 응축시켜 열교환하고 상기 담수혼합탱크로 공급하는 증기 응축기 냉각수 유량 제어밸브를 더 포함시켜 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 해수를 이용하여 복합 열교환기를 통과하는 재기화용 담수 및 엔진의 냉각수 온도를 제어함으로써 해수 온도가 많이 변하더라도 전체 열 용량의 밸런스를 쉽게 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래기술과는 달리 LNG연료 탱크를 가압형으로 쓰거나 탱크의 배치를 고압펌프 보다 높게 유지함으로써 1차 저압펌프를 없앨 수 있는 효과가 있다.

또한 고압의 연료가스탱크를 설치하여 가스분사엔진의 부하 변동에 따라 원할 히 연료를 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래기술과는 달리 가압형 LNG연료 탱크에서 발생하는 자연 발생가스(Boil-off Gas, BOG)를 탱크의 내부 압력으로 밀어서 열교환기를 거쳐 가스를 연료로 사용하는 발전기의 엔진으로 보내는 방법을 택함으로써 압축기와 냉각기를 대신할 수 있는 효과가 있다.

또한 기존에는 고압의 가스분사엔진의 부하 변동으로 남는 가스를 대기 중으로 방출하거나 소각해야 하지만 본 발명에서는 고압펌프에서 토출되는 LNG를 이용하여 LNG연료탱크에서 자연 발생하는 가스와 직접 열교환하여 재액화시키는 방법을 사용함으로써 연료 낭비를 막을 수 있는 효과가 있다.

또한, 고압펌프에서 토출된 LNG를 재기화하는데 사용되는 열원으로써 담수를 사용하되, 이 담수는 해수 및 엔진의 냉각수와 혼합하여 열 교환하는 복합 열교환을 통하여 온도조절이 됨으로써 초기 엔진 구동 및 엔진의 부하변동에 있어서의 운전을 용이하게 함과 동시에 초기 재기화 열원 설계를 쉽게 하고 추가 설비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 선박의 연료가스 공급 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템의 폐열회수 시스템을 이용하는 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템의 폐열 회수 시스템을 이용하는 다른 실시예 구성도.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템 구성도이고, 도 3은 본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템의 폐열회수 시스템을 이용하는 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이,

내부 또는 외부에 단열수단을 구비하고, LNG배출구가 최저위치가 되게 구성된 형태로 설치된 LNG 연료탱크(100)와;

상기 LNG연료 탱크(100)보다 낮은 위치에 설치되어 LNG 연료탱크(100)로부터 LNG를 빼내어서 고압가스 분사엔진(140)에서 요구되는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프(110)와;

상기 고압펌프(110)에서 압축된 LNG를 기화시키는 고압 기화기(120)와;

상기 고압 기화기(120)에서 기화된 가스를 저장하여 고압가스 분사엔진(140)으로 보내는 고압연료가스 용기(130) 및

상기 고압연료가스 용기(130)의 압력을 조절하기 위한 가스압력조절밸브(131)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 LNG 연료탱크(100)는, LNG를 4 ~ 10bar의 압력으로 저장하는 가압형 연료 탱크 또는 0.7bar 이하의 압력으로 LNG를 저장하는 저압형 연료탱크중 어느것을 사용하여도 되나, LNG 연료 배출구가 최하부에 위치되어 내부에 펌프를 사용하지 않고 LNG를 배출시킬 수 있는 구성이면 된다.

이와 같은 본 발명은 LNG 연료탱크(100)내에 저장된 LNG를 고압가스 고압펌프(110)에 의해 고압가스 분사엔진(140)에서 요구되는 압력 예를 들어 100 ~ 300bar(게이지압)로 압축한다. 압축된 LNG는 고압 기화기(120)를 통하여 기화되고, 기화된 가스는 고압 연료가스 용기(130)에 저장되면서 고압가스 분사엔진(140)으로 가스 연료를 공급하게 된다.

본 발명에서의 가장 큰 특징으로 고압 기화기(120)와 고압가스 분사엔진(140) 사이에 고압 연료가스 용기(130)를 설치하고, 고압 연료가스 용기(130)에는 가스압력조절밸브(131)를 설치하였다는 점에서 큰 특징이 있다.

여기서 고압 연료가스 용기(130)는 별도의 용기 형태의 용기를 사용할 수도 있고, 기화기와 고압가스 분사엔진(140) 사이의 배관을 체적이 큰 배관으로 설치하여 가스 완충기능을 할 수 있는 완충 배관으로 구성될 수도 있다.

가스연료를 공급받아 구동되는 고압가스 분사엔진(140)은 부하량에 따라 공급받는 가스량이 달라질 수도 있으며, 이 경우 기화기에서 직접 엔진으로 가스를 공급한다면, 엔진 부하량에 의해 변동되는 가스 소모량이 달라지기 때문에 가스 압력변화가 발생되어 기화기나 엔진측에 무리를 줄 수 있고 극단적으로는 안전사고 위험도 존재한다.

이에 따라 본 발명에서는 고압 기화기(120)와 고압가스 분사엔진(140) 사이에 고압 연료가스 용기(130)(혹은 큰 체적을 갖는 배관)를 설치하고 가스압력조절밸브(131)를 설치함으로써, 고압가스 분사엔진(140)의 부하변동에 따라 가스 압력이 변동되어도 고압 연료가스 용기(130)에서 완충기능을 수행하게 되고, 압력이 설정된 압력 이상으로 높아지면, 압력계에 의해 상기 가스압력조절밸브(131)가 작동되어 설정압력 이하로 유지될 수 있도록 가스를 배기시키는 기능을 한다.

여기서 상기 가스압력조절밸브(131)를 통해서 배기되는 과잉 가스는 대기중으로 배기시킬 수도 있지만 본 발명에서는 가스 응축기를 통해서 회수하는 방법을 사용한다.

따라서, 가스 완충기능으로 안전운전이 확보될 수 있는 것이다.

상기 고압 기화기(130)는 통상의 기화장치를 이용할 수 있으며, LNG기화를 위한 열원으로서, 담수 또는 해수를 히터나 다른 열원으로 가열시켜 기화기로 순환시키는 방식을 이용한다. 본 발명에서는 담수를 이용하여 기화시키는 방식을 실시예로서 제시한다.

한편, 상기 LNG 연료탱크(100)는, 가압형 탱크로서, 4 ~ 10bar의 압력으로 LNG를 저장하거나, 저압형으로 0.7bar 이항의 압력으로 저장하고, 내부 또는 외부에 단열수단을 설치하여 액화 상태를 유지시키는 LNG 연료탱크를 설치한다. 그리고, LNG 배출구가 최저 위치가 되게 구성하고, LNG 연료탱크(100)보다 낮은 위치에 상기 고압펌프(110)를 설치함으로써, LNG 연료탱크(100)의 액화 상태의 LNG가 고압 펌프(110)로 자연스럽게 유입되고, 고압펌프(110)에서 압축될 수 있도록 구성한 것이다. LNG 연료 탱크(100)는 4 ~ 10bar의 압력으로 LNG를 저장할 수 있는 가압형 LNG 연료 탱크를 사용하는데, 고압 펌프(110)에서 고압가스 분사엔진(140)에서 요구되는 200 ~ 250bar의 가스 압력으로 압축시킬때 빠르게 압축시킬 수 있도록 LNG 연료 탱크(100)를 사용한다. 즉, 별도의 1차 펌프를 사용하지 않고서도 LNG 연료 탱크(100) 로부터 액화 LNG를 배출시켜 고압펌프(110)에서 압축할 수 있게 되는 것이다.

결국, 본 발명은 종래기술과는 달리 LNG연료 탱크를 가압형을 쓰거나 탱크의 배치를 고압펌프 보다 높게 유지함으로써 1차 저압펌프를 없앨 수 있는 효과가 있다. 또한 고압의 연료가스탱크를 설치하여 가스분사엔진의 부하 변동에 따라 원할 히 연료를 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는, 상기 LNG 연료 탱크(100)의 상부에서 발생되는 가스를 응축시켜 LNG 연료탱크(100) 내로 복귀시키도록 가스 응축수단이 더 포함되어 구성된다.

상기 가스 응축수단은, 상기 LNG연료탱크(100)의 상부에서 발생되는 증발가스와, 상기 고압연료가스 용기(130)의 가스압력조절밸브(131)로부터 배기되는 가스를 유입받아 상기 고압펌프(110)로부터 공급되는 압축된 LNG가스에 의한 열교환을 통하여 응축시켜 상기 LNG연료 탱크(100)로 복귀시키는 가스응축기(150)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 LNG 연료탱크(100)와 상기 가스 응축기(150) 사이에는 LNG 연료탱크(100)의 압력을 조절하기 위한 LNG 연료 탱크 압력조절밸브(101)가 설치되고, LNG 연료 탱크 압력조절밸브(101)는 LNG 연료 탱크(100)의 압력에 의해 자동조절되도록 구성된다.

가스 응축기(150)는 상기 LNG 연료탱크 압력조절밸브(101) 및 상기 고압연료가스 용기(130)의 가스압력조절밸브(131)를 통해서 유입되는 가스를 고압펌프(110)에서 가스 응축기 LNG유량제어밸브(111)를 통해서 유입받는 압축된 LNG에 의해 열교환하여 응축시킨다.

가스 응축기(150)와 상기 LNG 연료탱크(100)와의 사이에는 가스 응축 순환펌프(151)가 설치되어 가스 응축기에서 생성된 LNG를 상기 LNG 연료탱크(100)로 순환시킨다.

그러므로, 본 발명에서는 상기 LNG 연료탱크(100)에서 발생되는 가스를 응축기를 통해 응축시켜 회수하고, 또한 상기 고압 연료가스 용기(130)의 가스압력조절밸브(131)에서 배기되는 가스를 응축기를 통해 응축시켜 회수할 수 있으므로, 연료 낭비를 줄이고, 상기 LNG 연료탱크(100)의 압력 변동에 자동으로 대응할 수 있으며, 상기 고압 연료가스 용기(130)의 압력 변동에도 자동 대응할 수 있게 된다.

또한 기존에는 고압의 가스분사엔진의 부하 변동으로 남는 가스를 대기 중으로 방출하지만 본 발명에서는 고압펌프에서 토출되는 LNG와 LNG연료탱크에서 자연 발생하는 가스와 열교환하여 재액화시키는 방법을 사용함으로써 연료 낭비를 막을 수 있는 효과가 있다.

또한, LNG 연료 탱크(100)의 증발가스를 응축하기 위한 라인을 설치하지 않고 증발가스를 처리하는 방법으로, 본 발명은, 상기 LNG 연료탱크(100)에서 발생되는 가스를 이중연료 보일러(160)로 공급하도록 보일러 가스 유량 제어밸브(161)를 포함하여 설치한다. 이와 같이 이중연료 보일러(160)를 사용하는 경우에 상기 LNG 연료탱크(100)에서 발생된 가스를 연료로서 공급할 수 있도록 한 것이다.

이는 종래기술과는 달리 가압형 LNG연료 탱크에서 발생하는 자연 발생가스(Boil-off Gas, BOG)를 탱크의 내부 압력으로 밀어서 열교환기를 거쳐 가스를 연료로 사용하는 발전기의 엔진으로 보내는 방법을 택함으로써 가스 응축기를 별도로 구성하지 않아도 된다.

본 발명에서는 고압 기화기(120)의 열원으로서 담수 열교환수단(200)을 이용한다. 담수 열교환수단(200)은 다양한 실시 형태를 가질 수 있으나,본 발명에서는 폐열 회수 시스템과 연동시켜 담수를 가열하는 방법 및 해수를 이용하여 담수를 가열하는 방법을 병합하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 고압 기화기(120)의 열원으로 담수를 사용하고, 고압 기화기(120)를 통과하여 냉각된 담수를 고압가스 분사엔진(140)의 엔진냉각수와 해수에 의해 열교환하는 복합 열교환기(210)와;

상기 복합 열교환기(210)를 통과한 담수와 엔진 냉각수를 혼합하는 담수 혼합탱크(220)와;

상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 분기시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진냉각수로 공급하여 상기 복합열교환기(210)로 순환시키는 엔진냉각수 펌프(250) 및

상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 상기 고압 기화기(120)로 순환시키는 담수 펌프(240)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같은 담수 열교환수단(200)은,

복합 열교환기(210)에서 상기 고압기화기(120)를 거쳐 냉각된 담수와 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진 냉각수가 열교환이 이루어지고, 복합 열교환기(210)를 통과한 담수와 엔진 냉각수는 담수 혼합탱크(220)에서 혼합된다. 즉, 복합 열교환기(210)에서 열교환되면서 온도차를 줄인 담수와 엔진 냉각수는 담수 혼합탱크(220)에서 혼합된다.

상기 담수 혼합탱크(220)의 출수구에서 분기된 담수는 엔진 냉각수 펌프(250)를 통해 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진 냉각수로 공급되어 엔진을 거친후, 상기 복합 열교환기(210)로 순환된다.

그리고, 상기 담수 혼합탱크(220)에서 출수된 담수는 LNG 가열을 위한 담수펌프(240)를 통해 펌핑되어 상기 고압 기화기(210)로 순환된다.

따라서, 고압 기화기(120)의 열원으로서 사용되는 담수는, 복합교환기(210)를 거치면서 엔진냉각수와 열교환 된 후, 담수 혼합탱크(220)에서 혼합되면서 가열되어 고압 기회기(120)로 순환되고, 엔진 냉각수는 복합 열교환기(210), 담수 혼합탱크(220)를 거쳐 냉각된 후 엔진으로 순환된다.

또한, 상기 복합 열교환기(210)는, 상기 고압 기화기(120)에서 냉각된 담수를 통과시키는 담수라인과, 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진 냉각수를 통과시키는 엔진 냉각수 라인과, 외부로부터 유입되는 해수를 통과시켜 상기 담수라인의 냉각된 담수와 열교환시키는 해수라인이 더 포함되어 구성됨을 특징으로 한다.

복합 열교환기(210)에서 냉각된 담수를 이용하여 엔진의 냉각수를 냉각하고 그 열을 이용하여 LNG를 기화시키는데 사용한다. 만약 기화에 사용되는 LNG량이 작은 경우, 엔진의 냉각수를 충분히 냉각시킬 수 없으므로 이때 해수를 이용하여 엔진 냉각수를 냉각시키고, 반대로 기화에 사용되는 LNG량이 많아서 엔진의 냉각수로 기화에 사용되는 담수를 데우지 못하는 경우 해수를 이용하여 담수를 가열하도록 함으로서 복합 가열이 이루어지도록 한 것이다.

이는 해수를 이용하여 복합 열교환기를 통과하는 재기화용 담수 및 엔진의 냉각수 온도를 제어함으로써 해수 온도가 많이 변하더라도 전체 열 용량의 밸런스를 쉽게 조절할 수 있도록 한 것이다.

또한, 상기 담수혼합탱크(220)에서 출력되는 담수를 분기시켜 펌핑하는 폐열회수 담수 펌프(260)와;

상기 폐열회수 담수 펌프(260)에 의해 펌핑된 담수를 상기 고압가스 분사엔진(140)의 배기가스에 의해 가열하는 배기가스 폐열 회수장치(270)와;

상기 배기가스 폐열 회수장치(270)를 통과하면서 가열된 담수를 상기 담수혼합탱크(220)에서 출력되는 담수와 혼합하여 상기 담수 펌프(240)로 공급하는 제2담수혼합탱크(230)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 폐열 회수 시스템을 이용하여 담수를 가열하여 LNG 기화용 담수를 순환 시킴으로써, 폐열 회수에 의한 에너지 절약 효과가 있으며, 엔진 냉각수만으로 LNG 기화에 필요한 열원을 확보하기 어려운 경우 폐열회수 시스템을 활용함으로써 더욱 효과적으로 LNG 기화에 필요한 열원을 확보할 수 있게 된다.

이와 같이 고압펌프에서 토출된 LNG를 재기화하는데 사용되는 열원으로써 담수를 사용하되, 이 담수는 해수 및 엔진의 냉각수와 혼합하여 열 교환하는 복합 열교환을 통하여 온도조절이 됨으로써 초기 엔진 구동 및 엔진의 부하변동에 있어서의 운전을 용이하게 함과 동시에 초기 재기화 열원 설계를 쉽게 하고 추가 설비를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 폐열 회수 시스템을 이용하는 다른 실시예로서, 도 4는 본 발명에 의한 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템의 폐열 회수 시스템을 이용하는 다른 실시예 구성도이다.

상기 고압 기화기(120)의 열원으로 담수를 사용하고, 고압 기화기(120)를 통과하여 냉각된 담수를 고압가스 분사엔진(140)의 엔진냉각수에 의해 열교환하는 복합 열교환기(210)와;

상기 복합 열교환기(210)를 통과한 담수와 엔진 냉각수를 혼합하는 담수 혼합탱크(220)와;

상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 분기시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진냉각수로 공급하여 상기 복합열교환기(210)로 순환시키는 엔진냉각수 펌프(250) 및

상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 상기 고압 기화기(120)로 순환시키는 담수 펌프(240)와;

상기 고압가스 분사엔진(140)의 배기가스에 의해 담수를 가열하여 증기를 생성하는 폐열회수장치(270)와;

상기 폐열회수장치(270)에서 발생된 증기에 의해 구동되어 전기를 생산하는 증기 발전기(280)와;

상기 증기발전기(280)를 통과한 증기를 응축시키는 응축기(290)와;

응축기(290)에서 응축된 담수를 저장하는 응축수 저장탱크(300)와;

상기 응축수 저장탱크(300)의 담수를 상기 폐열회수장치(270)로 순환하는 순환펌프(310)와;

상기 고압 기화기(120)를 통과하면서 냉각되어 상기 복합 열교환기(210)로 보내지는 냉각된 담수중 일부를 분기시켜 상기 응축기(290)를 통과시켜 열교환하고 상기 담수혼합탱크(220)로 공급하는 증기 응축기 냉각수 유량 제어밸브(320)를 더 포함시켜 구성됨을 특징으로 한다.

상기 복합 열교환기(210)는, 상기 고압 기화기(120)에서 냉각된 담수를 통과시키는 담수라인과, 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진 냉각수를 통과시키는 엔진 냉각수 라인과, 외부로부터 유입되는 해수를 통과시켜 상기 담수라인의 냉각된 담수와 열교환시키는 해수라인이 더 포함되어 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같은 폐열 회수시스템을 이용하는 다른 실시예는, 담수를 폐열 회수장치(270)에 의해 가열하여 증기를 발생하고 증기에 의해 터빈을 돌려 발전하는 증기 발전기(280)를 구동시키고, 증기 발전기(280)를 통과한 증기를 응축기(290)에서 응축시켜 응축수 저장탱크(300)를 통한 후 순환 펌프(310)에 의해 상기 폐열 회수장치(270)로 순환되도록 구성되는 폐열 회수 시스템을 이용하여 LNG 기화에 필요한 열원을 보충하기 위한 것이다.

이러한 폐열 회수시스템의 응축기(290)에 상기 고압 기화기(120)에서 LNG를 기화시키면서 냉각된 담수를 증기 응축기 냉각수 유량 제어밸브(320)를 통해서 응축기(290)로 공급하고, 응축기(290)에서 열교환으로 증기 발전기(280)를 통과한 증기는 응축시키고, 증기 응축기 냉각수 유량 제어밸브(320)를 통해 공급된 담수는 가열하여 담수 혼합탱크(220)로 회수 시킨다.

따라서, 고압 기화기(120)에서 LNG 기화에 다른 열교환으로 냉각된 담수는, 복합 열교환기(210)에서 엔진 냉각수와 열교환된 후, 담수 혼합 탱크(220)에서 엔진 냉각수와 혼합된다. 이때 상기 증기 응축기 냉각수 유량 제어밸브(320)를 통해서 증기 발전기(280)를 구동시키기 위한 폐열 회수 시스템의 응축기(290)로 공급되어 열교환되고 가열된 담수가 상기 담수 혼합탱크(220)에 공급되어 혼합된다.

그러므로, 엔진냉각수와 폐열회수시스템에 의해 냉각된 담수를 가열하여 냉진 냉각수와 혼합시킴으로써 에너지를 절약할 수 있으며, 복합 열교환기(210)에는 해수 라인을 더 포함시켜 기화시키는 LNG량에 의해 변동되는 가열 열원을 해수를 통해 보충하도록 구성함으로써 더욱 효과적이고 안정적인 LNG기화 열원을 확보할 수 있게 되는 것이다.

100 : LNG 연료 탱크 101 : LNG 연료 탱크 압력조절밸브
110 : 고압 펌프 111 : 가스 응축기 LNG유량 제어밸브
120 : 고압 기화기 130 : 고압연료 가스용기
131 : 가스압력조절밸브 140 : 고압가스 분사엔진
150 : 가스 응축기 151 : 가스 응축 순환펌프
160 : 이중연료 보일러 161 : 보일러 가스 유량제어밸브
200 : 담수 열교환수단 210 : 복합 열교환기
220 : 담수 혼합탱크 230 : 제2담수 혼합탱크
240 : 담수 펌프 250 : 엔진 냉각수 펌프
260 : 폐열회수 담수 펌프 270 : 폐열 회수장치
280 : 증기 발전기 290 : 응축기
300 : 응축수 저장탱크 310 : 담수 순환 펌프
320 : 증기 응축기 냉각수 유량 제어밸브

Claims (3)

1. 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템에 있어서,
   연료용 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크(100)와;
   상기 LNG연료 탱크(100)의 LNG를 빼내어서 고압가스 분사엔진(140)에서 요구되는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프(110)와;
   상기 고압펌프(110)에서 압축된 LNG를 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)으로 연료가스를 공급하는 고압 기화기(120)와;
   상기 고압가스 분사엔진(140)의 가스압력 변동시 가스 완충기능을 수행할 수 있도록 고압 기화기(120)에서 기화된 완충시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)으로 공급하는 고압연료가스 용기(130)와;
   상기 고압연료가스 용기(130)의 압력을 조절하기 위한 가스압력조절밸브(131)와;
   상기 LNG연료탱크(100)의 상부에서 발생되는 증발가스와, 상기 고압연료가스 용기(130)의 가스압력조절밸브(131)로부터 배기되는 가스를 유입받아 상기 고압펌프(110)로부터 공급되는 압축된 LNG를 분사하여 직접적인 열교환을 통하여 응축시켜 상기 LNG연료 탱크(100)로 복귀시키는 가스응축기(150)를 포함하여 구성되며,
   상기 LNG 연료탱크(100)는,
   내부 또는 외부에 단열수단을 구비하고, LNG 연료 배출구가 최저위치가 되게 설치되어 4 ~ 10bar의 압력으로 LNG를 저장하는 가압형 LNG 연료탱크로 구성되고,
   상기 고압 기화기(120)는, 담수를 열원으로 이용하여 고압펌프(110)에서 압축된 LNG를 기화시키도록 구성되고,
   상기 고압 기화기(120)를 통과하면서 냉각된 담수를 가열하여 상기 고압 기화기(120)로 순환시키는 담수 열교환수단(200)을 더 포함하여 구성되되
   상기 담수 열교환수단(200)은 상기 고압 기화기(120)에서 LNG와의 열교환을 위한 열원으로 담수를 사용하고, 상기 고압 기화기(120)에서 냉각된 담수를 통과시키는 담수라인과, 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진 냉각수를 통과시키는 엔진 냉각수 라인과, 외부로부터 유입되는 해수를 통과시켜 상기 담수라인의 냉각된 담수와 열교환시키는 해수라인이 포함되어 상기 냉각된 담수를 열교환에 의해 가열하는 복합 열교환기(210)와, 상기 복합 열교환기(210)를 통과한 담수와 엔진 냉각수를 혼합하는 담수 혼합탱크(220)와, 상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 분기시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진냉각수로 공급하여 상기 복합열교환기(210)로 순환시키는 엔진냉각수 펌프(250)와, 상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 상기 고압 기화기(120)로 순환시키는 담수 펌프(240)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템
   
2. 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템에 있어서,
   연료용 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크(100)와;
   상기 LNG연료 탱크(100)의 LNG를 빼내어서 고압가스 분사엔진(140)에서 요구되는 압력으로 LNG를 압축하는 고압펌프(110)와;
   상기 고압펌프(110)에서 압축된 LNG를 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)으로 연료가스를 공급하는 고압 기화기(120)와;
   상기 고압가스 분사엔진(140)의 가스압력 변동시 가스 완충기능을 수행할 수 있도록 고압 기화기(120)에서 기화된 완충시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)으로 공급하는 고압연료가스 용기(130)와;
   상기 고압연료가스 용기(130)의 압력을 조절하기 위한 가스압력조절밸브(131)와;
   상기 LNG연료탱크(100)의 상부에서 발생되는 증발가스와, 상기 고압연료가스 용기(130)의 가스압력조절밸브(131)로부터 배기되는 가스를 유입받아 상기 고압펌프(110)로부터 공급되는 압축된 LNG를 분사하여 직접적인 열교환을 통하여 응축시켜 상기 LNG연료 탱크(100)로 복귀시키는 가스응축기(150)를 포함하여 구성되며,
   상기 LNG 연료탱크(100)는
   내부 또는 외부에 단열수단을 구비하고, LNG 연료 배출구가 최저위치가 되게 설치되어 0.7bar 이하의 압력으로 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크로 구성되고,
   상기 고압 기화기(120)는, 담수를 열원으로 이용하여 고압펌프(110)에서 압축된 LNG를 기화시키도록 구성되고,
   상기 고압 기화기(120)를 통과하면서 냉각된 담수를 가열하여 상기 고압 기화기(120)로 순환시키는 담수 열교환수단(200)을 더 포함하여 구성되되, 상기 담수 열교환수단(200)은, 상기 고압 기화기(120)에서 LNG와의 열교환을 위한 열원으로 담수를 사용하고, 상기 고압 기화기(120)에서 냉각된 담수를 통과시키는 담수라인과, 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진 냉각수를 통과시키는 엔진 냉각수 라인과, 외부로부터 유입되는 해수를 통과시켜 상기 담수라인의 냉각된 담수와 열교환시키는 해수라인이 포함되어 상기 냉각된 담수를 열교환에 의해 가열하는 복합 열교환기(210)와, 상기 복합 열교환기(210)를 통과한 담수와 엔진 냉각수를 혼합하는 담수 혼합탱크(220)와, 상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 분기시켜 상기 고압가스 분사엔진(140)의 엔진냉각수로 공급하여 상기 복합열교환기(210)로 순환시키는 엔진냉각수 펌프(250)와, 상기 담수혼합 탱크(220)에서 혼합된 담수를 상기 고압 기화기(120)로 순환시키는 담수 펌프(240)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선박의 액화천연가스 연료 공급 시스템.
   
   
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