KR20150076484A - 선박의 연료가스 공급시스템 - Google Patents

Abstract

선박의 연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료가스 공급시스템은 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크의 하부로부터 액화연료를 빼내어 제1설정압력으로 가압 송출하는 펌프와, 펌프에 의해 송출된 액화연료를 저장하고, 가열에 의해 액화연료를 제1설정압력보다 상대적으로 큰 제2설정압력으로 가압하는 압력용기와, 압력용기에 의해 가압된 액화연료를 기화시키는 고압기화를 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{SYSTEM FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}

본 발명은 선박의 액화연료 저장탱크에 저장된 액화연료를 연료로 사용 가능한 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.

온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 심해짐에 따라 조선?해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유를 사용하는 대신 청정한 에너지원인 천연가스를 선박의 연료로 사용하는 경우가 많아지고 있다.

천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)를 연료로 사용하는 선박은 NG를 액화한 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크에 저장된 증발가스(BOG) 또는 LNG를 연료로 이용 가능하게 처리(압력, 온도, 상태 등을 변환)하여 엔진으로 공급하는 연료가스 공급시스템을 구비한다. 여기서 저장탱크란 LNG 연료탱크 또는 LNG 화물탱크일 수 있다.

연료가스 공급시스템으로는 저장탱크의 증발가스를 다단의 압축기에서 공급조건에 맞도록 압축한 후 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크에서 직접 LNG를 빼내어 고압펌프를 이용해 높은 압력으로 상승시킨 후 고압기화기에서 기화한 다음 엔진으로 공급하는 방식, 저장탱크의 증발가스를 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압펌프 쪽으로 공급하는 방식 등이 알려져 있다.

한편, 최근 MAN Diesel&Turbo 社에서 개발한 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진은 효율 등에서 우수하기 때문에 각광받고 있는데, 이러한 고압가스 분사엔진은 가스연료를 300bar에 가까운 압력으로 공급해야 하는 특징이 있다. 따라서 최근 관련 업계에서는 이러한 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하기 위한 시스템에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

일 예로 대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)는 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 연료를 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제시한 바 있다. 이 시스템은 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어 고압으로 압축한 후 이를 기화시켜서 고압가스 분사엔진으로 공급한다.

이러한 연료가스 공급시스템은 고압펌프가 LNG의 압력을 약 300bar정도로 상승시켜야 하는 관계로 높은 부하가 걸리고, 이로 인해 고압펌프의 구동부에서 높은 열이 발생하기 때문에 고압펌프의 냉각이 필요하다. 또 고압기화기는 LNG를 가스상태로 기화시켜야 하기 때문에 외부로부터 열에너지 공급이 필요하다. 그러나 이러한 연료가스 공급시스템은 고압펌프의 냉각과 고압기화기의 열에너지 공급이 별도의 수단에 의해 각각 이루어지기 때문에 에너지 손실이 컸다.

대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)

본 발명의 실시 예들은 고압펌프의 부하를 줄임과 동시에 액화연료를 보다 효율적으로 가압할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화연료를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 빼내어 제1설정압력으로 가압 송출하는 펌프와, 상기 펌프에 의해 송출된 상기 액화연료를 저장하고, 가열에 의해 상기 액화연료를 상기 제1설정압력보다 상대적으로 큰 제2설정압력으로 가압하는 압력용기와, 상기 압력용기에 의해 가압된 상기 액화연료를 기화시키는 고압기화기를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.

또한 상기 고압기화기에 의해 기화된 액화연료를 저장한 후 고압가스 분사엔진으로 공급하는 완충탱크를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 압력용기는 병렬 배치되는 적어도 2개 이상을 포함한다.

또한 상기 제1설정압력은 적어도 100bar 이내이고, 상기 제2설정압력은 상기 고압가스 분사엔진의 요구압력인 250 내지 300bar일 수 있다.

또한 상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 송출하여 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스공급라인을 포함하고, 상기 펌프, 상기 압력용기, 상기 고압기화기 및 상기 완충탱크는 상기 연료가스공급라인에 순차적으로 연결될 수 있다.

또한 상기 압력용기 양측의 연료가스공급라인에는 각각 유량조절을 위한 유량조절밸브가 마련될 수 있다.

또한 상기 고압가스 분사엔진은 ME-GI일 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 펌프의 1차 가압과 압력용기의 가열에 의한 2차 가압에 의해 액화연료를 안정적으로 고압가스 분사엔진의 요구 압력까지 올릴 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템을 개략적으로 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급시스템은 선박 엔진의 동력원인 액화연료를 저장하기 위한 연료탱크(10)와, 연료탱크(10)에 저장된 액화연료를 선박 엔진공급에 적합한 기체상태의 가스로 전환하기 위한 펌프(20), 압력용기(30), 고압기화기(40), 완충탱크(50), 고압가스 분사엔진(60)으로 연결되는 연료가스공급라인(70)을 포함한다.

여기서 액화연료는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG, LPG, DME(Dimethylether) 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다 다만, 이하의 설명은 편의를 위해 액화연료가 LNG인 경우를 예로 한다.

또한 본 실시 예에서 적용되는 선박 엔진은 고압가스 분사엔진(60)(250 내지 300bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진), 예를 들어 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 최소의 연료유(5%)와 가스(95%)로 운전하는 최소 액체연료유 운전모드, 가스의 공급이 부족할 경우 연료유와 가스 공급량의 비율을 적절하게 조절하여 운전하는 가스/연료유비 조절운전모드, 연료유를 100% 공급하여 운전하는 연료유 단독 운전모드를 갖는 ME-GI 엔진일 수 있다. 이러한 ME-GI 엔진이 장착된 선박은 LNG 운반선, LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU 등을 포함한다.

연료탱크(10)는 LNG 운반선용으로 일반적으로 사용되는 LNG 저장탱크를 사용하는 것이 바람직하며, LNG 저장탱크의 일 예로 MOSS형과 Membrane형 등 공지된 다양한 형태의 LNG 저장탱크를 포함할 수 있다.

연료가스공급라인(70)은 연료탱크(10)의 하부로부터 LNG를 공급받고, 공급받은 LNG를 고압가스 분사엔진(60)에 적합한 가스 압력으로 공급하기 위한 배관으로서, 연료가스공급라인(70) 상에는 펌프(20), 압력용기(30), 고압기화기(40) 및 완충탱크(50)가 순차적으로 연결될 수 있고, 연료가스공급라인(70)을 따라 유동하는 연료의 유량을 조절하는 다수의 유량조절밸브가 설치될 수 있다.

펌프(20)는 연료탱크(10) 하부의 LNG를 연료가스공급라인(70)으로 송출함과 아울러 1차적으로 LNG를 가압한다. 여기서 펌프(20)는 고압가스 분사엔진(60)에서 요구되는 압력까지 올리기에는 펌프(20)에 가해지는 부하가 크고, 또 요구되는 큰 압력을 얻기 위하여는 회전체가 큰 중량을 가져야 하므로 차지하는 공간 및 비용이 증가하게 된다. 따라서 펌프(20)는 고압가스 분사엔진(60)에서 요구하는 압력보다 낮은 제1설정압력, 예로서 100bar 이내로 LNG를 1차 압축한다.

압력용기(30)는 고압가스 분사엔진(60)에서 요구되는 가스의 압력을 견디도록 설계된 탱크로서, 펌프(20)에 의해 1차적으로 가압된 LNG를 전달받아 수용한 상태에서 가열에 의하여 LNG를 고압가스 분사엔진(60)에서 요구하는 제2설정압력(250~300bar)으로 가압시킨다.

이러한 압력용기(30)는 펌프(20)의 하류 쪽 연료가스공급라인(70)에서 분기된 라인에 각각 병렬 배치되는 한 쌍을 구비할 수 있고, 각 압력용기(30)의 좌우 양측의 연료가스공급라인(70)에는 압력용기(30)에 펌프(20)에 의해 제1설정압력으로 가압된 LNG 및 압력용기의 가열에 의하여 제2설정압력으로 가압된 LNG의 공급을 제어하는 유량조절밸브(71)가 구비될 수 있다.

본 실시 예에서는 압력용기(30)가 병렬 배치된 한 쌍이 구비된 구성을 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 압력용기(30)의 개수는 필요에 따라 변경 가능하다. 한 쌍의 압력용기(30)는 각각 유량조절밸브(71)의 개폐로 인하여 교대로 펌프(20)에 의해 제1설정압력으로 가압된 LNG를 공급받아 저장하고, 압력용기(30)에 저장된 LNG는 한정된 공간 안에서 히터(33)의 열에 의해 가열됨에 따라 고압가스 분사엔진(60)에서 요구되는 제2설정압력(250~300bar)까지 증가될 수 있다. 즉 병렬 배치된 한 쌍의 압력용기(30) 중 하나에 제1설정압력으로 가압된 일정량의 LNG를 이송시켜 저장한 후 저장된 LNG가 고압가스 분사엔진(60)에서 요구하는 제2설정압력에 도달할 때까지 히터(33)의 열에 의해 가열하고, 제2설정압력에 도달한 때에는 하나의 압력용기(30) 후단의 연료가스공급라인(70)에 설치된 유량조절밸브(71)를 개방하여 고압기화기(40)로 이송시킨다. 그리고 다른 하나의 압력용기(30)도 동일한 과정을 수행하여 교대로 제2설정압력에 도달한 LNG를 고압기화기(40)로 이송시킨다. 고압기화기(40)는 압력용기(30)에 의해 제2설정압력에 도달한 LNG를 기화하여 완충탱크(50)로 공급하고, 완충탱크(50)는 가스압력의 맥동(±2bar이내)을 최소화하여 고압가스 분사엔진(60)으로 공급한다. 즉 완충탱크(50)는 한 쌍의 압력용기(30) 및 고압기화기(40)에 의해 번갈아 가면서 공급되는 일정치 않은 가스 공급을 제어하여 고압가스 분사엔진(60)에 공급한다. 여기서 도시하지는 않았으나 고압기화기(40)는 고압의 LNG를 히터의 열에 의해 기화시키거나, 보일러를 통해 공급되는 스팀 또는 순환유로를 흐르는 열전달매체 또는 선박의 배기관에서 발생하는 폐열의 에너지를 공급받아 기화시킬 수 있는 장치로 구성될 수 있다.

이러한 구성을 통하여, 기존 LNG를 고압가스 분사엔진(60)에 공급 시 고압 펌프 및 고압 기화기를 이용하여 고압가스 분사엔진(60)에서 요구하는 압력까지 올리는 경우 발생될 수 있는 고압 펌프의 부하 증가 및 설치 공간 증가에 따른 안정성 및 공간 효율 저하를 줄일 수 있게 된다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 연료탱크, 20: 펌프,
30: 압력용기, 40: 고압기화기,
50: 완충탱크, 60: 고압가스 분사엔진,
70: 연료가스공급라인.

Claims (7)

1. 액화연료를 저장하는 연료탱크;
   상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 빼내어 제1설정압력으로 가압 송출하는 펌프;
   상기 펌프에 의해 송출된 상기 액화연료를 저장하고, 가열에 의해 상기 액화연료를 상기 제1설정압력보다 상대적으로 큰 제2설정압력으로 가압하는 압력용기; 및
   상기 압력용기에 의해 가압된 상기 액화연료를 기화시키는 고압기화기;를 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 고압기화기에 의해 기화된 액화연료를 저장한 후 고압가스 분사엔진으로 공급하는 완충탱크;를 더 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 압력용기는 병렬 배치되는 적어도 2개 이상을 포함하는 선박의 연료가스 공급시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1설정압력은 적어도 100bar 이내이고, 상기 제2설정압력은 상기 고압가스 분사엔진의 요구압력인 250 내지 300bar인 선박의 연료가스 공급시스템.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 연료탱크로부터 상기 액화연료를 송출하여 상기 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스공급라인을 포함하고,
   상기 펌프, 상기 압력용기, 상기 고압기화기 및 상기 완충탱크는 상기 연료가스공급라인에 순차적으로 연결되는 선박의 연료가스 공급시스템.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 압력용기 양측의 상기 연료가스공급라인에는 각각 유량조절을 위한 유량조절밸브가 마련되는 선박의 연료가스 공급시스템.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고압가스 분사엔진은 ME-GI인 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 공급시스템.

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