KR101670872B1

KR101670872B1 - 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101670872B1
Application number: KR1020140088992A
Authority: KR
Inventors: 김남수
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-10-31
Also published as: KR20160008809A

Abstract

선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 시스템은, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크; 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 선박용 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인; 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 강제기화가스 공급라인; 및 상기 증발가스 공급라인의 하류에서 분기되며, 압축된 상기 BOG를 추가로 압축하고 냉각하여 액화시키는 가스 액화 라인을 포함하되,상기 선박용 엔진은 압축된 천연가스를 연료로 공급받을 수 있는 엔진인 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법{Fuel Gas Supply System And Method For Ship Engine}

본 발명은 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 선박용 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인과, LNG를 강제기화시켜 선박용 엔진으로 공급하는 강제기화가스 공급라인과, 증발가스 공급라인의 하류에서 분기되며, 압축된 BOG를 추가로 압축하고 냉각하여 액화시키는 가스 액화 라인을 포함하여 천연가스를 연료로 공급받는 선박용 엔진을 위한 연료공급 시스템 및 연료공급 방법에 관한 것이다.

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있으며, 일 예로 LNG를 해상으로 수송(운반)할 수 있는 LNG 운반선이 사용되고 있다.

천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.

BOG는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.

최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다. 그리고 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(Gas Combustion Unit, GCU)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

가스연소유닛은 BOG를 달리 활용할 데가 없는 경우 저장탱크의 압력 조절을 위하여 불가피하게 잉여의 BOG를 연소하는 것으로서, BOG가 가지고 있는 화학 에너지가 연소에 의해 낭비되는 결과를 초래한다는 문제가 있다.

LNG 운반선의 추진 시스템에서 메인 추진 장치로서 이중 연료 연소(Dual Fuel, DF) 엔진을 적용하는 경우, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 DF 엔진의 연료로서 사용하여 증발가스를 처리할 수 있는데, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스의 양이 DF 엔진에서 선박의 추진에 사용되는 연료의 양을 초과하는 경우에, LNG 저장탱크를 보호하기 위해 증발가스를 가스 연소기로 보내어서 소각시키기도 한다.

선박의 추진 시스템으로 DF 엔진이 사용되고 있으며 고압가스를 분사하여 이용하는 엔진 등도 개발되고 있다. 이러한 선박의 추진 시스템에서는 장치 고장에서의 운항 중단에 대비하여 선급 규정상 엔진의 연료공급 장치가 이원화(redundancy)되어야 한다.

도 1에 도시된 것과 같이, LNG carrier 등에서 고압가스 분사엔진을 추진 시스템에 구성하여 LNG 운반시 발생하는 BOG를 선박용 엔진의 연료로 공급하는 경우, 두 세트의 압축기(10, 20)를 구비하여야 한다. 그러나 이원화 규정을 위해 사용되지 않는 여분의 장비를 보유하는 것은 비용면에서 매우 큰 부담이 되고, 압축기는 전기 소모도 매우 크므로 시스템 운용 비용도 높다. 또한, 카고 탱크에 LNG가 가득 찬 상태에서는 발생하는 BOG가 많으므로 압축하여 연료로 공급할 수 있지만, LNG를 하역하여 카고 탱크에 적재된 LNG의 양이 적은 경우 발생하는 BOG가 적으므로 BOG만으로는 원활한 연료 공급이 어렵게 된다.

도 2에 도시된 것과 같이, BOG 대신 LNG를 펌핑 및 기화시켜 연료로 공급받는 고압가스 분사엔진을 구성하는 경우, 두 세트의 펌프(30, 40)를 구비해야 하지만, 펌프의 가격은 압축기에 비해 상대적으로 낮으므로 장비 보유 비용 부담을 줄일 수 있고, 카고 탱크에 저장된 LNG를 소비하게 되므로 안정적인 연료공급은 가능하다. 반면, LNG의 full loading 상태에서 발생하는 다량의 BOG는 활용하지 못하고 낭비하게 되는 문제가 있다.

따라서 비용면에서 합리적이며, 발생하는 BOG를 충분히 활용하면서, BOG의 발생량이 적은 때에도 안정적으로 연료를 공급받아 선박을 추진할 수 있는 연료공급 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크;

상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 선박용 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인;

상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 강제기화가스 공급라인; 및

상기 증발가스 공급라인의 하류에서 분기되며, 압축된 상기 BOG를 추가로 압축하고 냉각하여 액화시키는 가스 액화 라인을 포함하되,

상기 선박용 엔진은 압축된 천연가스를 연료로 공급받을 수 있는 엔진인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 선박의 Laden condition에서는 상기 증발가스 공급라인으로 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 압축하여 상기 선박용 엔진으로 공급하고, 압축된 상기 BOG 중 적어도 일부는 상기 가스 액화 라인으로 공급하여 액화시켜 상기 LNG 저장탱크로 재저장할 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박의 Ballast condition에서는 상기 강제기화가스 공급라인으로 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 기화시켜 상기 선박용 엔진에 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 증발가스 공급라인에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 제1 컴프레서와, 상기 가스 액화 라인에 마련되어 상기 컴프레서에서 압축된 상기 BOG를 추가로 압축하는 제2 컴프레서와, 상기 제2 컴프레서에서 추가 압축된 상기 BOG가, 상기 증발가스 공급라인을 통해 상기 제1 컴프레서로 도입될 상기 BOG와 열교환으로 냉각되는 열교환기를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 가스 액화 라인에는, 상기 열교환기의 하류에 마련되어 추가 압축 후 냉각된 상기 BOG를 단열팽창시키는 팽창수단과, 상기 팽창수단에서 단열팽창된 상기 BOG로부터 기액분리하여 액상의 LNG는 상기 LNG 저장탱크로 재저장시키는 기액분리기가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 기상의 BOG는 열교환기의 상류에서 상기 증발가스 공급라인으로 공급되어, 상기 제1 컴프레서로 도입될 상기 BOG에 합류될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2 컴프레서는 다단 압축기일 수 있다.

바람직하게는 상기 강제기화가스 공급라인에는, 상기 LNG 저장탱크로부터 LNG를 펌핑하는 공급펌프와, 상기 공급펌프로부터 펌핑된 상기 LNG를 공급받아 강제기화시키는 기화기와, 상기 기화기에서 기화된 천연가스에 포함된 중탄화수소 성분을 분리하는 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터로부터 중탄화수소 성분이 분리된 상기 천연가스를 공급받아 상기 선박용 엔진이 필요로 하는 온도로 가열하는 히터가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 세퍼레이터의 하류에서 상기 강제기화가스 공급라인으로부터 상기 증발가스 공급라인의 상기 제1 컴프레서 상류로 연결되는 강제기화가스 압축라인을 더 포함하여, 상기 증발가스 공급라인 또는 강제기화가스 압축라인을 통해 제 1 및 제2 컴프레서 중 적어도 하나를 거쳐 압축된 천연가스로 상기 세퍼레이터로부터 분리된 중탄화수소 성분을 퍼징(Purging)할 수 있다.

바람직하게는, 상기 세퍼레이터로부터 퍼징된 상기 중탄화수소 성분은 상기 LNG 저장탱크로 회수될 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박용 엔진은 3 내지 15 bar로 압축된 천연가스를 공급받는 2-stroke 엔진 및 4-stroke 엔진 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,

선박의 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 선박용 엔진으로 공급하거나, LNG를 강제기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하되,

상기 선박의 Laden condition에서는 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 압축하여 상기 선박용 엔진으로 공급하고, 압축된 상기 BOG 중 적어도 일부는 추가로 압축하고 냉각시켜 액화하여 상기 LNG 저장탱크로 재저장하고,

상기 선박의 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 강제기화시켜 상기 선박용 엔진에 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법이 제공된다.

바람직하게는, 강제기화된 천연가스는 세퍼레이터를 거쳐 중탄화수소 성분은 분리하고 가열하여 상기 선박용 엔진으로 공급하되, 압축된 천연가스로 상기 세퍼레이터로부터 분리된 중탄화수소 성분을 퍼징(Purging)할 수 있다.

본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 시스템에서는, 천연가스를 연료로 공급받는 엔진이 마련된 선박에서, 연료 공급을 이원화하여 NBOG와 강제기화된 FBOG를 연료로 공급할 수 있다.

본 발명은 독립된 공급라인을 통해 laden과 ballast condition 각각에서 BOG와 LNG를 선박용 엔진에 연료로 공급할 수 있게 됨으로써, 연료 공급을 원활하게 하고, 시스템의 전기 소비량을 줄여 연료 공급 시스템을 경제적으로 운용할 수 있게 한다. 또한 사용되지 않는 별도의 여분 장비 없이도 리던던시(redundancy)를 충족시킬 수 있는 효과도 기대된다.

Laden condition에서 선박의 LNG 저장탱크에서 발생하는 다량의 BOG를 압축하여 선박용 엔진의 연료로 공급하면서, 남는 BOG는 추가로 압축하여 BOG 자체의 냉열을 이용하여 액화함으로써, GCU에서 연소되어 낭비되는 BOG의 양을 줄이고 효과적으로 BOG를 활용할 수 있도록 한다. 또한 Ballast condition에서는 강제기화된 FBOG를 연료로 공급함으로써 컴프레서에 의해 가스 압축시의 전기 소비를 줄일 수 있다. 컴프레서를 통해 압축된 연료 가스로 퍼징(purging)함으로써 세퍼레이터에서 분리된 중탄화수소를 효과적으로 제거함으로써 Heating value를 일정하게 유지할 수 있도록 하고, 퍼징을 위한 별도의 N₂시스템을 사용하지 않으므로 해당 시스템 구축 및 운용 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 두 세트의 압축기가 마련되어 BOG를 선박용 엔진에 연료로 공급하는 시스템을 도시한다.
도 2는 두 세트의 펌프가 마련되어 LNG를 선박용 엔진에 연료로 공급하는 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템은, 천연가스를 연료로 공급받을 수 있는 선박용 엔진(E)에 가스 연료를 공급하기 위한 시스템으로써, 선박에 마련되는 LNG 저장탱크(T)와, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 선박용 엔진(E)으로 공급하는 증발가스 공급라인(NBL)과, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG를 강제기화시켜 선박용 엔진(E)으로 공급하는 강제기화가스 공급라인(FBL)을 포함한다. 또한 증발가스 공급라인(NBL)의 하류에서는 압축된 BOG를 추가로 압축하고 냉각하여 액화시키는 가스 액화 라인(LL)이 분기된다.

선박용 엔진(E)은 압축된 천연가스를 연료로 공급받을 수 있는 엔진으로써, 특히 3 내지 15 bar로 압축된 천연가스를 공급받는 2-stroke 엔진 및 4-stroke 엔진일 수 있으며, 예를 들어 선박의 추진용 또는 발전용으로 마련되는 DFDE(Dual Fuel Diesel Engine) 등의 DF(Dual Fuel) 엔진일 수 있다.

본 실시예에서는 Laden과 ballast condition에서 적절히 BOG 또는 LNG를 선박용 엔진(E)에 연료로 공급할 수 있도록 독립된 공급라인을 구비한다. 여기서 선박의 Laden condition 또는 Laden voyage란, LNG 운반용 선박에서 LNG 저장탱크(T)에 LNG가 Full Loading된 때, 보통 탱크 부피의 98% 내외로 LNG가 적재된 때를 말하는데, 이때는 LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG의 양도 많다.

반면 Ballast condition 또는 Ballast voyage란, 목적지에서 LNG를 Unloading하여 LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG가 적은 때를 의미하며, 이때에는 BOG의 발생량도 적다. 본 실시예는 선박, 특히 LNG carrier의 LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 다량의 BOG를 효과적으로 활용할 수 있도록 BOG를 선박용 엔진(E), 즉 추진용 또는 발전용 엔진 등에 공급하면서, 이러한 점을 고려하여 Laden condition 및 Ballast condition에 따라 효과적으로 연료를 공급할 수 있도록 시스템을 구성하였다.

선박에 설치된 저장탱크의 용량 및 외부 온도 등의 조건에 따라 차이가 있으나, 일 예를 들어 LNG 저장탱크(T)에서의 BOG 발생량은 150000㎥ 용량의 선박인 경우 Laden condition에서 3 내지 4 ton/h, Ballast condition에서는 0.3 내지 0.4 ton/h으로 알려진다. 최근에는 선박의 단열성능 향상에 따라 BOR(Boil Off Rate)이 낮아지고 있는 추세이므로 BOG의 발생량도 감소하는 경향이기는 하나, Laden condition에서는 BOG만으로도 충분한 연료 공급이 이루어질 수 있으므로 본 실시예에서는 증발가스 공급라인(NBL)을 통해 선박용 엔진(E)으로 압축된 가스연료를 공급하고, BOG 발생이 적은 ballast condition에서는 LNG를 강제기화시켜 공급할 수 있도록 강제기화가스 공급라인(FBL)을 마련하였다.

이를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 본 실시예의 선박에서 Laden condition에서는 증발가스 공급라인(NBL)으로 LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 압축하여 선박용 엔진(E)으로 공급하고, 압축된 BOG 중 적어도 일부는 가스 액화 라인(LL)으로 공급하여 액화시켜 LNG 저장탱크(T)로 재저장할 수 있다. 선박의 Ballast condition에서는 강제기화가스 공급라인(FBL)으로 LNG 저장탱크(T)에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 선박용 엔진(E)에 공급할 수 있다.

BOG의 연료 공급을 위해, 증발가스 공급라인(NBL)에는 BOG를 압축하는 제1 컴프레서(100)가 마련된다. 이러한 제1 컴프레서(100)는 복수의 압축부와 냉각부(intercooler)가 마련되는 다단 압축기일 수 있다.

증발가스 공급라인(NBL)에서는 BOG 잔량을 액화할 수 있도록 가스 액화 라인(LL)이 분기되는데, 제1 컴프레서(100)에서 압축된 BOG를 추가로 압축하는 제2 컴프레서(200)와, 제2 컴프레서(200)에서 추가 압축된 BOG가, 증발가스 공급라인(NBL)을 통해 제1 컴프레서(100)로 도입될 BOG와 열교환으로 냉각되는 열교환기(300), 열교환기(300)의 하류에서 추가 압축 후 냉각된 BOG를 단열팽창시키는 팽창수단(400)과, 팽창수단(400)에서 단열팽창된 BOG로부터 기액분리하여 액상의 LNG는 LNG 저장탱크(T)로 재저장시키는 기액분리기(500) 등이 가스 액화 라인(LL)에 마련될 수 있다. 기액분리기(500)에서 분리된 기상의 BOG는 열교환기(300)의 상류에서 증발가스 공급라인(NBL)으로 공급되어, 제1 컴프레서(100)로 도입될 BOG에 합류될 수 있다.

압축 후 냉각된 BOG를 단열팽창시키는 팽창수단(400)은 예를 들어 줄-톰슨 밸브 또는 팽창기(expander)일 수 있다.

제1 컴프레서(100)와 제2 컴프레서(200)는 서로 같은 type 또는 다른 type으로 마련할 수 있는데, 예를 들어 제1 컴프레서(100)는 원심압축기(centrifugal compressor)로, 제2 컴프레서(200)는 왕복압축기(reciprocating compressor)로 마련할 수 있다.

제1 및 제2 컴프레서(100, 200)에서의 압축을 거치면서 증발가스는 온도가 높아지는데, 이를 LNG 저장탱크(T)에서 발생하여 제1 컴프레서(100)로 도입될 증발가스와 열교환기(300)에서 열교환시킴으로써 압축된 증발가스에 냉열을 전달한다. 열교환기(300)는 예를 들어 DCHE(Difussion bonded Compact Heat Exchanger)일 수 있으며 LNG 저장탱크(T)에서 발생하여 제1 컴프레서(100)로 도입될 저온의 BOG와의 열교환을 통해 압축된 증발가스가 냉각된다. 여기서 열교환기(300)는 설명의 편의상 가스 액화 라인(LL)에 마련되는 것으로 설명하였으나, 증발가스 공급라인(NBL)에 마련된 것이기도 하다.

한편, Ballast condition에서의 연료 공급을 위해 마련되는 강제기화가스 공급라인(FBL)에는, LNG 저장탱크(T)로부터 LNG를 펌핑하는 공급펌프(P)와, 공급펌프(P)로부터 펌핑된 LNG를 공급받아 강제기화시키는 기화기(600)(forcing vaporizer)와, 기화기(600)에서 기화된 천연가스에 포함된 탄소수 2 이상의 중탄화수소(heavier hydrocarbon) 성분을 분리하는 세퍼레이터(700)와, 세퍼레이터(700)로부터 중탄화수소 성분이 분리된 천연가스를 공급받아 선박용 엔진(E)이 필요로 하는 온도로 가열하는 히터(800)가 마련될 수 있다.

메탄(CH₄)이 대부분인 BOG에 비해, 강제기화된 가스에는 LNG에 포함되어있던 중탄화수소 성분이 상당량 포함될 수 있다.

천연가스에는 메탄 외에도 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등 복수의 탄화수소를 가진 탄화수소 성분들과 질소, 이산화탄소 등의 불활성 가스 성분들이 포함되어 있으며, 그 조성비는 생산지에 따라 다르다. 메탄가(methane number)란 천연가스 중 메탄의 조성비를 나타내는 것으로서, 엔진에서 요구하는 메탄가를 충족하지 못하는 연료가 공급될 경우, 엔진에서 녹킹(knocking) 현상이나 피스톤이 상사점 이전에서 폭발, 연소되는 등의 이상연소 현상이 발생할 수 있다. 이러한 이상연소 현상은 엔진 피스톤의 마모를 초래할 수 있고, 엔진 효율 저하, 장치 고장 등의 문제를 야기할 수 있다. 본 실시예는 이러한 이상연소 현상을 방지할 수 있도록 엔진으로 공급될 연료의 메탄가를 엔진이 필요로 하는 정도로 높일 수 있다. 본 실시예의 선박용 엔진(E)으로 적용될 수 있는 DF 엔진은 일반적으로 80 이상의 메탄가를 요구하는데, 생산지에 따라 액화천연가스의 메탄가는 70 내외의 범위를 나타내기도 한다. 따라서 BOG를 연료로 공급할 때와는 달리 강제기화된 천연가스(FBOG)를 공급하는 경우에는 메탄가의 조절이 필요하고, 이를 위해 본 실시예는 세퍼레이터(700)를 마련한다.

중탄화수소 성분인 에탄, 프로판, 부탄 등은 메탄보다 액화점이 높다. 따라서 세퍼레이터(700)에서는, 메탄은 기체 상태를 유지하면서 프로판, 부탄 등의 중탄화수소 성분들은 액체 상태가 되는 온도에서 액화된 중탄화수소를 제거함으로써 액화천연가스의 메탄가를 엔진에서 요구하는 수준으로 높이게 된다.

LNG 저장탱크(T)에서 펌핑되어 기화기(600)에서 가열되는 액화천연가스의 기화 온도는 -80 내지 -120℃이며, 액화천연가스의 생산지에 따라 서로 다른 조성을 고려하여 기화 온도 또는 세퍼레이터(700)의 온도 등을 조절하여 FBOG의 메탄가를 조절할 수 있다.

한편, 본 실시예는 세퍼레이터(700)의 하류에서 강제기화가스 공급라인(FBL)으로부터 증발가스 공급라인(NBL)의 제1 컴프레서(100) 상류로 연결되는 강제기화가스 압축라인(PL)을 더 포함한다. 증발가스 공급라인(NBL) 또는 강제기화가스 압축라인(PL)을 통해 제 1 및 제2 컴프레서(100, 200) 중 적어도 하나를 거쳐 압축된 천연가스로 세퍼레이터(700)로부터 분리된 중탄화수소 성분을 퍼징(Purging)함으로써, heating value를 적정한 수준에서 유지할 수 있다.

세퍼레이터(700)로부터 퍼징된 중탄화수소 성분은 LNG 저장탱크(T)로 회수하여 저장하거나, 별도의 탱크에 모아 처리할 수 있다.

한편, 연료 공급 후 남는 BOG는 액화하지만, ballast condition에서 발생하는 BOG를 처리하기 위해 불활성가스를 생성하고 가스를 연소시켜 제거하는 combined IGG(Inert Gas Generator)/GCU(Gas Combustion Unit)(900)를 마련할 수 있다. ballast condition에서도 발생하는 BOG를 압축하여 액화시킬 수도 있으나, 가스를 압축하는 컴프레서의 전기 소비량이 매우 크므로 ballast condition에서 발생하는 소량의 BOG를 액화시키는 것보다는 연소시켜 제거하거나 선내에 필요한 불활성가스를 생성하여 소비하는 편이 경제적일 수 있다. 따라서 본 실시예는 이를 위해 combined IGG/GCU(900)를 마련한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 선박용 엔진(E)의 연료공급 시스템에서는, 연료 공급을 이원화하여 NBOG와 강제기화된 FBOG를 연료로 공급할 수 있도록 한다.

즉, 독립된 공급라인을 통해 laden과 ballast condition 각각에서 BOG와 LNG를 선박용 엔진(E)에 연료로 공급할 수 있게 됨으로써, 연료 공급을 원활하게 하고, 시스템의 전기 소비량을 줄여 연료 공급 시스템을 경제적으로 운용할 수 있게 된다.

또한 컴프레서를 통해 압축된 연료 가스로 퍼징(purging)함으로써 세퍼레이터(700)에서 분리된 중탄화수소를 효과적으로 제거함으로써 Heating value를 일정하게 유지할 수 있도록 하고, 퍼징을 위한 별도의 N₂시스템을 사용하지 않으므로 해당 시스템 구축 및 운용 비용을 절감할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

T: LNG 저장탱크
E: 선박용 엔진
P: 공급펌프
NBL: 증발가스 공급라인
FBL: 강제기화가스 공급라인
LL: 가스 액화 라인
PL: 강제기화가스 압축라인
100: 제1 컴프레서
200: 제2 컴프레서
300: 열교환기
400: 팽창수단
500: 기액분리기
600: 기화기
700: 세퍼레이터
800: 히터
900: combined IGG/GCU

Claims

LNG 저장탱크가 탑재된 선박에 적용되는 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,
상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인;
상기 증발가스 공급라인에 설치되어 BOG를 압축하는 제1 컴프레서;
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제기화시켜 상기 엔진으로 공급하는 강제기화가스 공급라인;
상기 제1 컴프레서 후단의 상기 증발가스 공급라인으로부터 분기되어, 상기 제1 컴프레서에 의해 압축된 유체를 재액화시키는 가스 액화 라인;
상기 가스 액화 라인에 설치되어, 상기 제1 컴프레서에 의해 압축된 BOG를 추가로 압축하는 제2 컴프레서;
상기 제2 컴프레서 후단의 상기 가스 액화 라인에 설치되어, 상기 제2 컴프레서에 의해 추가 압축된 BOG를, 상기 LNG 저장탱크에서 배출되어 상기 제1 컴프레서로 공급되기 전의 BOG와 열교환하여 냉각시키는 열교환기; 및
상기 열교환기 후단의 상기 가스 액화 라인에 설치되어, 상기 제2 컴프레서에 의해 압축된 후 상기 열교환기에 의해 냉각된 BOG를 단열팽창시키는 팽창수단;을 포함하고,
상기 강제기화가스 공급라인을 따라 상기 엔진으로 공급되는 강제기화된 LNG의 일부는 분기되어 상기 제1 컴프레서에 의해 압축되며,
상기 엔진은 3 내지 15 bar로 압축된 천연가스를 연료로 사용하고,
상기 제1 컴프레서는 상기 엔진의 요구압력으로 천연가스를 압축시키고,
상기 제2 컴프레서는, 상기 열교환기 및 상기 팽창수단을 통과한 증발가스가 액화할 수 있는 압력으로 증발가스를 압축시키는, 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 선박의 레이든 상태(Laden condition)에서는 상기 증발가스 공급라인으로 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 압축하여 상기 엔진으로 공급하고, 압축된 상기 BOG 중 적어도 일부는 상기 가스 액화 라인으로 공급하여 액화시켜 상기 LNG 저장탱크로 재저장하는, 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 선박의 발라스트 상태(Ballast condition)에서는 상기 강제기화가스 공급라인으로 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 기화시켜 상기 엔진에 공급하는, 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 팽창수단 후단의 상기 가스 액화 라인에 설치되어, 상기 제2 컴프레서, 상기 열교환기, 및 상기 팽창수단을 통과하며 일부 재액화된 LNG와 기체 상태로 남아있는 BOG를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 기액분리기에서 분리된 기상의 BOG는 열교환기의 상류에서 상기 증발가스 공급라인으로 공급되어, 상기 제1 컴프레서로 도입될 상기 BOG에 합류되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 컴프레서는 다단 압축기인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항 내지 제 3항 및 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강제기화가스 공급라인에 설치되어, 상기 LNG 저장탱크로부터 배출된 LNG를 강제기화시키는 기화기;
상기 기화기 후단의 상기 강제기화가스 공급라인에 설치되어, 상기 기화기에서 기화된 천연가스에 포함된 중탄화수소 성분을 분리하는 세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터 후단의 상기 강제기화가스 공급라인에 설치되어, 상기 세퍼레이터에 의해 중탄화수소 성분이 분리된 유체를 상기 엔진이 필요로 하는 온도로 가열하는 히터;를 포함하고,
상기 히터는 상기 제1 컴프레서와 병렬로 설치되는, 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 제 1 및 제2 컴프레서 중 적어도 하나를 거쳐 압축된 천연가스로 상기 세퍼레이터로부터 분리된 중탄화수소 성분을 퍼징(Purging)할 수 있는 것을 특징으로 하는, 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 세퍼레이터로부터 퍼징된 상기 중탄화수소 성분은 상기 LNG 저장탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
삭제
LNG 저장탱크가 탑재된 선박에 적용되는 엔진의 연료공급 방법에 있어서,
1) 상기 LNG 저장탱크 내부의 BOG를 제1 컴프레서에 의해 압축시키고,
2) 상기 1)단계에서 상기 제1 컴프레서에 의해 압축된 증발가스의 일부는 상기 엔진으로 보내고, 다른 일부는 재액화시키고,
3) 상기 LNG 저장탱크 내부의 LNG를 기화시킨 후 중탄화수소 성분을 분리하고,
4) 상기 3)단계에서 기화된 후 중탄화수소 성분이 분리된 기체의 일부는 히터에 의해 가열시킨 후 상기 엔진으로 보내고, 다른 일부는 상기 제1 컴프레서에 의해 압축시키며,
상기 엔진은 3 내지 15 bar로 압축된 천연가스를 연료로 사용하고,
상기 제1 컴프레서는 상기 엔진의 요구압력으로 천연가스를 압축시키고,
상기 2)단계에서 재액화되는 다른 일부의 증발가스는, 제2 컴프레서에 의해 압축된 후 상기 LNG 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환기에서 열교환되어 냉각되고 팽창수단에 의해 팽창되어 재액화되며,
상기 제2 컴프레서는, 상기 열교환기 및 상기 팽창수단을 통과한 증발가스가 액화될 수 있는 압력으로 증발가스를 압축시키는, 선박용 엔진의 연료공급 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제1 컴프레서와 상기 히터를 병렬로 설치하는, 선박용 엔진의 연료공급 방법.