KR20150109700A - 선박의 연료가스 공급장치 - Google Patents

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Abstract

선박의 연료가스 공급장치를 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급장치는 엔진으로 연료가스를 공급하는 공급관; 공급관 외측을 커버하며 적어도 한쪽에 공기가 유입되는 입구가 형성되고 다른 쪽에 그 내부 기체가 배출되는 출구가 형성된 보호관; 보호관의 입구를 개폐하는 개폐밸브; 보호관의 출구 쪽에 설치되며 보호관과 공급관 외면 사이의 기체를 배출시키는 배출팬; 보호관 내부로 연료가스가 누설되는지 여부를 감지하는 누설감지센서; 및 누설감지센서에 의해 연료가스가 누설되는 것으로 감지되면 보호관 입구를 폐쇄하도록 개폐밸브를 동작시키는 제어부를 포함한다.

Description

선박의 연료가스 공급장치{DEVICE FOR SUPPLYING FUEL GAS IN SHIPS}
본 발명은 연료가스가 누설되는 경우에도 이를 외부공간으로 원활히 배출시킬 수 있는 선박의 연료가스 공급장치에 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 공급장치를 구비한다. 저장탱크란 LNG 연료탱크 또는 LNG 화물탱크일 수 있다.
연료가스 공급장치로는저장탱크의 증발가스를 다단의 압축기에서 공급조건에 맞도록 압축한 후엔진으로 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.
최근 MAN Diesel&Turbo 社에서 개발한 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진은 효율 등에서 우수하기 때문에주목받고 있다. 그러나 이러한고압가스 분사엔진은 가스연료를 300bar에 가까운 압력으로 공급해야 하므로, 관련 업계에서는 고압가스 분사엔진으로 연료가스를 공급하기 위한 장치에 대하여 다양한 연구가 이루어지고 있다.
일 예로 대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)는 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진을 위한 연료가스 공급장치를제시한 바 있다. 이장치는 LNG 연료탱크로부터 LNG를 빼내어 고압으로 압축한 후 기화시켜서 엔진으로 공급한다.
한편, 이러한 연료가스 공급장치에서 엔진에 연결되는 가스의 공급관은 누설에 따른 위험을 고려해 이중관로시스템을 채용하고 있다. 즉 가스 연료가 공급되는 공급관 외측에 이를 커버하는 보호관이 설치됨으로써 공급관에서 가스의 누설이 생길 경우 위험을 줄일 수 있도록 하고 있다. 보호관은 통상 공기가 유입되는 입구와, 그 내부의 공기를 외부로 배출시키기 위한 출구와, 출구 쪽으로 공기를 송풍하는 송풍팬을 갖추고 있다.
그러나 통상의 이중관로시스템은 약 300bar에 이르는 연료가스가 공급관으로부터 누설될 경우 보호관 내부의 압력이 급격하게 상승하면서 연료가스가 입구 쪽으로 역류하여 위험을 초래할 수 있었다.
대한민국 공개특허공보 10-2008-0103500호(2008. 11. 27. 공개)
본 발명의 실시 예는 연료가스가 누설되는 경우에도 이를 외부공간으로 원활히 배출시킬 수 있는 선박의 연료가스 공급장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진으로 연료가스를 공급하는 공급관; 상기 공급관 외측을 커버하며 적어도 한쪽에 공기가 유입되는 입구가 형성되고 다른 쪽에 그 내부 기체가 배출되는 출구가 형성된 보호관; 상기 보호관의 입구를 개폐하는 개폐밸브; 상기 보호관의 출구 쪽에 설치되며 상기 보호관과 상기 공급관 외면 사이의 기체를 배출시키는 배출팬; 상기 보호관 내부로 연료가스가 누설되는지 여부를 감지하는 누설감지센서; 및 상기 누설감지센서에 의해 연료가스가 누설되는 것으로 감지되면 상기 보호관 입구를 폐쇄하도록 상기 개폐밸브를 동작시키는 제어부를 포함하는 선박의 연료가스 공급장치가 제공될 수 있다.
상기 누설감지센서는 상기 보호관 내부의 압력변화를 감지하는 압력센서일 수 있다.
상기 제어부는 상기 누설감지센서의 감지정보에 따라 상기 개폐밸브와 상기 배출팬의 동작을 제어하되, 연료가스가 누설되는 것으로 판단되면 상기 개폐밸브가 상기 보호관 입구를 폐쇄한 상태에서 상기 배출팬이 동작하도록 제어하고, 연료가스가 누설되지 않는 것으로 판단되면 상기 개폐밸브가 상기 보호관 입구를 개방한 상태에서 상기 배출팬이 동작하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 엔진으로 연료가스를 공급하는 공급관; 상기 공급관 외측을 커버하며 적어도 한쪽에 공기가 유입되는 입구가 형성되고 다른 쪽에 그 내부 기체가 배출되는 출구가 형성된 보호관; 상기 보호관의 출구 쪽에 설치되며 상기 보호관과 상기 공급관 외면 사이의 기체를 배출시키는 배출팬; 및 상기 보호관의 입구로 유입되는 공기의 역류방지를 위해 상기 보호관 입구 쪽에 설치된 역류방지장치를 포함하는 선박의 연료가스 공급장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료가스 공급장치는엔진으로 연료가스 공급을 안내하는 공급관의 누설이 생겨 보호관 내부의 압력이 상승하는 경우에도 개폐밸브 또는 역류방지장치가 보호관의 입구를 폐쇄하여 보호관 내부의 누설된 연료가스가 보호관 입구 쪽으로 역류하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 누설된 연료가스를 외부공간으로 원활히 배출시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박 연료가스 공급장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 선박 연료가스 공급장치의 이중관로시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 선박 연료가스 공급장치에 적용될 수 있는 이중관로시스템의 변형 예를 나타낸다.
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 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 선박 연료가스 공급장치를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 연료가스 공급장치는 LNG를 저장하는 저장탱크(10), 저장탱크(10)의 LNG를 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 연료로서 공급하기 위한 제1연료공급라인(11), LNG를 가압하여 송출하는 고압펌프(30), 가압된 LNG를 기화시키는 고압기화기(40)를 구비한다.
아울러 연료가스 공급장치는 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스(BOG)를 저압가스 분사엔진(60) 쪽으로 연료로서 공급하기 위한 제2연료공급라인(12), 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기(70), 증발가스의 재액화를 위한 재액화장치(80)를 포함할 수 있다.
이러한연료가스 공급장치가 적용되는 선박이란 고압가스 분사엔진(20)을 채용한 LNG 운반선, LNG RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박 뿐아니라, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 부유식 해상플랜트를 포함하는 개념이다.
고압가스 분사엔진(20)은 ME-GI엔진처럼 대략 150 ~ 300 bar의 압력으로 연료가스 공급이 요구되는 엔진을 의미한다. 본 명세서에서 고압이라는 용어는 이러한 고압가스 분사엔진(20)으로 연료가스를 공급하는 압력범위, 즉 150 ~ 300bar 정도의 압력을 의미한다. 고압가스 분사엔진(20)은 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil: HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저압가스 분사엔진(60)은 고압가스 분사엔진(20)에 비해 상대적으로 낮은 압력으로 연료가스의 공급이 요구되는 엔진이다. 예를 들면, 대략 5 ~ 7bar 정도의 연료가스를 이용하는 것으로 DFDE 엔진과 같은 발전용 엔진일 수 있다. 저압가스 분사엔진(60)도 천연가스뿐 아니라 중유(Heavy Fuel Oil:HFO) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다.
저장탱크(10)는 LNG를 연료로 이용하기 위해 저장하는 LNG 연료탱크이거나, LNG 운반선에 마련된 LNG 화물탱크일 수 있다. LNG 운반선에서는 화물탱크에 저장된 LNG를 연료로서 이용할 수 있다. 이러한 저장탱크(10)는 내부의 압력이 대략 1bar 정도로 유지될 수 있고, 내부의 LNG가 약 -163℃(상압에서 액화온도)로 유지될 수 있다.
고압펌프(30)는 제1연료공급라인(11)에 설치된다. 고압펌프(30)는 저장탱크(10)의 LNG를 빼내어 고압가스 분사엔진(20)의 연료가스의 공급압력인 150 ~ 300bar로 상승시킨 후, 고압기화기(40) 쪽으로 송출한다. 고압펌프(30)는 저장탱크(10)의 LNG를 150 ~ 300bar의 고압으로 상승시키기 용이한 왕복동식 펌프일 수 있다.
고압기화기(40)는 고압펌프(30)로부터 송출된 고압의 LNG를 기화하여 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 보낸다. 고압기화기(40)는 LNG를 가스상태로 기화시켜야 하므로 열에너지를 제공하는 가열원(50)을 구비한다. 가열원(50)은 고온의 스팀이 순환하는 열교환기 이거나 전기히터 등일 수 있다.
고압기화기(40)로부터 고압가스 분사엔진(20) 쪽으로 공급되는 NG는 고압가스 분사엔진(20)의 연료가스 공급조건(압력, 온도)에 부합하도록 조절될 수 있다. 이를 위해 도면에 나타내지는 않았지만, 고압기화기(40)와 고압가스 분사엔진(20) 사이의 제1연료공급라인(11)에는 가열 등을 통해 온도를 조절할 수 있는 수단과, 버퍼탱크나 압력조절용 밸브처럼 압력을 조절할 수 있는 수단이 마련될 수 있다.
제2연료공급라인(12)의 증발가스 압축기(70)는 저장탱크(10)의 증발가스를 저압가스 분사엔진(60)의 연료가스 공급압력인 5 ~ 7bar의 압력으로 압축하여 저압가스 분사엔진(60)으로 공급함으로써 저장탱크(10)의 증발가스를 연료로서 이용할 수 있도록 한다.
저압가스 분사엔진(60)이 동작하지 않는 상태에서 저장탱크(10) 내부에 증발가스의 발생이 많을 경우에는 증발가스 압축기(70)가 증발가스를 압축한 후 재액화장치(80)에서 액화하여 다시 저장탱크(10)로 공급되도록 할수도 있다. 재액화장치(80)는 냉매로서 질소가스(N2)를 사용하는 것으로 압축기, 응축기, 팽창장치, 증발기를 갖춘 냉각장치를 포함할 수 있다.
또 연료가스 공급장치는 고압기화기(40)에서 기화된 고압의 연료가스를 증발가스 압축기(70) 하류의 제2연료공급라인(12)으로 공급하기 위한 제3연료공급라인(13)과, 제3연료공급라인(13)에 설치된 감압밸브(90)를 포함할 수 있다. 감압밸브(90)는 고압의 연료가스를 저압가스 분사엔진(60)의 공급압력으로 감압하여 저압가스 분사엔진(60)으로 공급할 수 있도록 한다. 따라서 저압가스 분사엔진(60)의 동작이 필요한 상황에서 저장탱크(10) 내부의 증발가스가 부족한 경우에도 감압밸브(90)의 개방을 통해 저압가스 분사엔진(60) 쪽으로 저압의 연료가스를 공급할 수 있다.
한편, 고압가스 분사엔진(20)과 저압가스 분사엔진(60)는 선박 내에 별도의 공간으로 구획된 엔진실(15)에 수용될 수 있고, 제1연료공급라인(11)과 제2연료공급라인(12)은 엔진실(15) 내부로 진입하여 각각 고압가스 분사엔진(20)과 저압가스 분사엔진(60)에 각각 연결될 수 있다. 그런데 엔진룸(15)처럼 구획된 공간에서는 공급라인의 파손 등으로 연료가스의 누설이 생길 경우 큰 위험을 초래할 수 있다. 따라서 이처럼 구획된 공간에 위치하는 제1연료공급라인(11)과 제2연료공급라인(12)에는 누설되는 연료가스를 외부공간으로 배출시킬 수 있는 이중관로시스템(100)이 적용된다.
도 2는 엔진실(15) 내부로 연장되어 고압가스 분사엔진(20)에 연결되는 제1연료공급라인(11)이 이중관로시스템(100)으로 구성된 예를 보여준다. 도 2는 제1연료공급라인(11)에 이중관로시스템(100)이 적용된 경우를 나타내지만, 저압가스 분사엔진(60)과 연결되는 제2연료공급라인(12)도 동일하게 구성될 수 있다. 또 여기서는 이중관로시스템(100)이 엔진실(15) 내부의 연료가스 공급라인에 적용된 경우를 예시하지만, 이러한 이중관로시스템(100)의 적용이 이러한 곳에 한정되는 것은 아니다. 연료가스의 공급을 안내하는 다른 라인에도 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 이중관로시스템(100)은 고압가스 분사엔진(20)으로 연료가스를 공급하는 공급관(110)과, 이 공급관(110)의 외측을 커버하도록 설치된 보호관(120)을 구비한다. 보호관(120)은 그 내면과 공급관(110) 외면 사이에 기체가 흐르는 유로가 형성될 수 있도록 그 내경이 공급관(110)의 외경보다 크게 마련된다. 또 보호관(120)은 공급관(110)에 연료가스의 공급을 제어하는 가스밸브유닛(111)이 설치된 경우 가스밸브유닛(111)의 외측을 함께 커버할 수 있도록 내경이 확장되는 확장부(121)를 포함할 수 있다.
보호관(120)에는 그 내측으로 공기가 유입될 수 있도록 하나 이상의 입구(122)가 형성되고, 입구(122)와 이격된 위치에 그 내부의 기체가 배출되는 출구(123)가 형성된다. 도 2의 예처럼 입구(122)가 두개일 경우에는 두 입구(122)가 상호 멀리 이격된 위치에 마련됨이 바람직하고, 출구(123)는 이러한 두 입구(123)와 이격된 위치에 마련됨이 바람직하다. 출구(123)에는 엔진룸(15) 외부공간까지 연장되는 연장관(125)이 연결될 수 있다. 이러한 구성은 두 입구(122)를 통하여 유입되는 공기가 보호관(120) 내부를 통하여 출구(123) 쪽으로 배출되도록 함으로써 보호관(120) 내부의 공급관(110)으로부터 연료가스의 누설이 생길 경우, 누설된 연료가스가 보호관(120) 내부를 흐르는 공기와 함께 외부로 배출될 수 있도록 한 것이다.
또 이중관로시스템(100)은 보호관(120)의 입구(122)에 설치되어 보호관의 입구(122)를 개폐할 수 있는 개폐밸브(130)와, 보호관(120)의 출구(123) 쪽에 설치되며 보호관(120)과 공급관(110) 외면 사이의 기체를 배출시키는 배출팬(140)과, 공급관(110)으로부터 보호관(120) 내부로 연료가스가 누설되었는지 여부를 감지하는 누설감지센서(150)와, 개폐밸브(130)와 배출팬(140)의 동작을 제어하는 제어부(160)를 구비한다.
누설감지센서(150)는 보호관(120) 내부의 압력변화를 감지하여 연료가스의 누설여부를 탐지할 수 있는 압력센서일 수 있고, 이러한 압력센서가 필요한 위치에 하나 이상 설치될 수 있다. 따라서 누설감지센서(150)는 공급관(110)으로부터 연료가스가 누설되어 보호관(120) 내부의 압력이 급격히 상승할 경우 이를 감지함으로써 연료가스의 누설을 감지할 수 있다. 고압가스 분사엔진(20)으로 공급되는 연료가스는 약 150 ~ 300bar의 압력이기 때문에 공급관(110)의 누설이 생길 경우 보호관(120) 내부의 압력이 급격하게 상승할 수 있고, 누설감지센서(150)는 이러한 압력변화를 감지하여 연료가스의 누설여부를 탐지할 수 있다.
개폐밸브(130)는 제어부(160)의 지령에 의해 입구(122)를 폐쇄하거나 개방할 수 있는 전동식 개폐밸브로 구성될 수 있다. 그리고 제어부(160)는 누설감지센서(150)의 감지정보에 기초하여 개폐밸브(130)의 동작을 제어할 수 있다. 물론 제어부(160)는 배출팬(140)의 가동여부 및 그 동작속도도 제어할 수 있다.
다음은 이러한 이중관로시스템의 동작에 관하여 설명한다.
누설감지센서(150)의 정보에 의해 공급관(110)으로부터 연료가스가 누설되는 것으로 감지되면(보호관 내부의 압력이 설정압력 이상으로 급격하게 상승하면), 제어부(160)는 개폐밸브(130)가 보호관(120) 입구를 폐쇄하도록 함과 동시에 배출팬(140)이 동작하도록 제어한다.
이처럼 개폐밸브(130)가 보호관(120) 입구(122)를 폐쇄하면, 공급관(110)으로부터 고압의 연료가스가 누설되어 보호관(120) 내부압력이 급격히 상승하는 경우에도 연료가스가 입구(122) 쪽으로 역류하는 현상을 방지할 수 있다. 따라서 연료가스가 입구(122)를 통하여 엔진실(15) 내로 누설되는 것을 막아 위험을 방지할 수 있고, 보호관(120) 내 연료가스는 출구(123)를 통하여 외부공간으로 배출될 수 있다.
누설감지센서(150)의 정보에 의해 연료가스가 누설되지 않는 것으로 판단되면, 제어부(160)는 평시처럼 개폐밸브(130)가 보호관 입구(122)를 개방하도록 한 상태에서 배출팬(140)이 동작하도록 제어한다. 이때는 엔진실(15) 내부의 공기가 보호관(120)의 입구(122)로 유입되어 보호관(120) 내부를 경유한 후 출구(123) 쪽으로 배출된다. 따라서 공급관(110)으로부터 미량의 연료가스가 누설될 경우(누설감지센서가 감지하기 어려운 양)에는 이 연료가스가 보호관(120) 내부를 흐르는 공기와 함께 외부로 배출되도록 하여 엔진실(15) 내부를 안전하게 보호할 수 있다.
도 3은 이중관로시스템의 변형 예를 나타낸다. 도 3의 이중관로시스템(100a)은 보호관(120)의 입구(122)에 공기 흐름의 역류를 방지하는 역류방지장치(180)가 설치된 것이다. 역류방지장치(180)로는 통상의 역류방지댐퍼나 역류방지판이 채용될 수 있다.
도 3의 예는 배출팬(140)이 가동되는 상태이므로, 보호관(120) 내에 연료가스의 누설이 없을 경우 보호관(120)의 입구(122)로 유입된 공기가 보호관(120) 내부를 경우하여 출구(123) 쪽으로 흘러 배출된다. 따라서 공급관(110)으로부터 미량의 연료가스가 배출될 경우 이 연료가스가 보호관(120) 내부를 흐르는 공기와 함께 외부로 배출될 수 있다.
또 도 3의 예는 공급관(110)으로부터 연료가스의 누설이 생겨 보호관(120)내부의 압력이 급격하게 상승할 경우에도 역류방지장치(180)에 의해 보호관(120) 내부의 기체가 입구(122) 쪽으로 역류할 수 없기 때문에 연료가스가 엔진실(15)로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
10: 저장탱크, 11: 제1연료공급라인,
12: 제2연료공급라인, 13: 제3연료공급라인,
20: 고압가스 분사엔진, 30: 고압펌프,
40: 고압기화기, 60: 저압가스 분사엔진,
70: 증발가스 압축기, 80: 재액화장치,
90: 감압밸브, 100: 이중관로시스템,
110: 공급관, 120: 보호관,
130: 개폐밸브, 140: 배출팬,
150: 누설감지센서, 160: 제어부,
180: 역류방지장치.

Claims (5)

  1. 연료가스를 공급하는 공급관;
    상기 공급관 외측을 커버하며 적어도 한쪽에 공기가 유입되는 입구가 형성되고 다른 쪽에 그 내부 기체가 배출되는 출구가 형성된 보호관;
    상기 보호관의 입구를 개폐하는 개폐밸브;
    상기 보호관의 출구 쪽에 설치되며 상기 보호관과 상기 공급관 외면 사이의 기체를 배출시키는 배출팬을 포함하는 선박의 연료가스 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보호관 내부로 연료가스가 누설되는지 여부를 감지하는 누설감지센서; 및
    상기 누설감지센서에 의해 연료가스가 누설되는 것으로 감지되면 상기 보호관 입구를 폐쇄하도록 상기 개폐밸브를 동작시키는 제어부를 포함하는 선박의 연료가스 공급장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 누설감지센서는 상기 보호관 내부의 압력변화를 감지하는 압력센서인 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 공급장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 누설감지센서의 감지정보에 따라 상기 개폐밸브와 상기 배출팬의 동작을 제어하되, 연료가스가 누설되는 것으로 판단되면 상기 개폐밸브가 상기 보호관 입구를 폐쇄한 상태에서 상기 배출팬이 동작하도록 제어하고, 연료가스가 누설되지 않는 것으로 판단되면 상기 개폐밸브가 상기 보호관 입구를 개방한 상태에서 상기 배출팬이 동작하도록 제어하는 선박의 연료가스 공급장치.
  5. 연료가스를 공급하는 공급관;
    상기 공급관 외측을 커버하며 적어도 한쪽에 공기가 유입되는 입구가 형성되고 다른 쪽에 그 내부 기체가 배출되는 출구가 형성된 보호관;
    상기 보호관의 출구 쪽에 설치되며 상기 보호관과 상기 공급관 외면 사이의 기체를 배출시키는 배출팬; 및
    상기 보호관의 입구로 유입되는 공기의 역류방지를 위해 상기 보호관 입구 쪽에 설치된 역류방지장치를 포함하는 선박의 연료가스 공급장치.
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