KR100655863B1 - 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화천연가스의 저장탱크 내에서 발생된 기화가스를 선박의 이중연료 엔진(퓨얼 오일(fuel oil) 및 가스(gas)를 연료로 사용할 수 있는 엔진)에 공급하기 위한 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치에 관한 것으로, 탱크 내부의 액화가스를 강제로 기화시키는 강제기화기; 상기 강제기화기와 연결되어 상기 강제기화기에 액화가스를 공급하며 저장탱크 내부에 위치하는 펌프; 상기 강제기화기 및 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크 내부에서 자연 기화된 가스와 상기 강제기화기로 인해 기화된 가스가 유입되며, 상기 자연기화가스와 강제기화가스가 혼합될 때 발생하는 미스트를 분리하는 미스트분리기; 상기 미스트분리기를 통과한 가스의 온도를 높여주는 히터; 상기 히터 및 미스트분리기를 통과한 가스를 가압하고, 가압에 의해 온도가 상승한 가스를 냉각시키는 컴프레서; 및 상기 컴프레서를 통과한 가스의 온도를 낮추는 쿨러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 자연기화가스와 강제기화가스가 하나의 루트로 엔진에 공급되어 그 제어가 간편하고, 고양정 펌프가 아닌 일반 펌프를 사용할 수 있고, 하나의 미스트 분리기를 사용하고, 일정 속도의 모터를 사용할 수 있어 비용이 감소되며 반복컴프레서의 반복순환 과정을 통해 가스의 활용율을 높일 수 있다.

미스트분리기, 컴프레서, 히터, 쿨러, 액화천연가스,이중연료 엔진, 강제기화기

Description

전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치{Fuel supplying device for electric driven LNG carrier}

도 1은 종래의 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치를 도시한 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 연료공급장치에 의해 액화가스가 저장탱크에서 이중연료 엔진으로 공급되는 과정을 도시한 순서도이다.

도 3은 본 발명에 따른 연료공급장치의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예에 의해 액화가스가 저장탱크에서 이중연료 엔진으로 공급되는 과정을 도시한 순서도이다.

도 5는 도 3에 도시된 실시예의 컴프레서를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200 : 저장탱크 201 : 펌프

202 : 강제기화기 204 : 미스트분리기

206 : 히터 208 : 컴프레서

210 : 쿨러

본 발명은 액화천연가스의 저장탱크 내에서 발생된 기화가스를 선박의 이중연료 엔진(퓨얼 오일(fuel oil) 및 가스(gas)를 연료로 사용할 수 있는 엔진)에 공급하기 위한 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치에 관한 것이다.

액화천연가스는 통상적으로 액화천연가스 운반선의 극저온 탱크 내에서 액체상태로 저장되어 운반되는데, 이는 기체상태로 운반하는 경우 보다 많은 양의 가스를 한번에 운반할 수 있기 때문이다. 그러나, 액화천연가스가 극저온 상태로 보관되더라도 기화현상이 발생하게 되고, 많은 양의 가스가 기화되면 탱크의 압력이 높아져 탱크가 파손될 위험이 높아지게 된다. 탱크가 파손되는 것을 방지하기 위해 기화된 가스를 다시 액화시키는 방법을 고려할 수 있으나, 이 경우에는 비용이 상당히 소요된다. 따라서, 저장탱크에서 기화된 가스를 선박 추진을 위한 연료로 사용한다.

도 1은 종래의 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료공급장치에 의해 액화가스가 저장탱크에서 이중연료 엔진으로 공급되는 과정을 도시한 순서도이다.

일반적으로 전기추진 선박이란 프로펠러가 엔진과 축으로 연결되어 직접 구동되는 방식과는 달리 먼저 엔진으로 전기를 발생시킨 후 전기모터를 구동시켜 추진되는 선박을 말한다. 종래의 전기추진 연료공급장치는 자연기화가스와 강제기화가스를 각각 다른 루트로 엔진에 공급한다. 강제기화가스가 엔진에 공급되는 루트를 먼저 설명한다.

종래의 전기추진 연료공급장치는 강제기화기(102)를 포함하고 있다. 상기 강제기화기(102)는 저장탱크(100) 내에서 발생된 자연기화가스로 엔진의 요구량을 만족시킬 수 없을 경우 강제로 액화가스를 기화시킨다. 상기 강제기화기(102) 사용 시 저장탱크(100) 내부에 있는 펌프(101)를 구동하여 상기 저장탱크(100) 내부의 액화가스를 상기 강제기화기(102)로 공급한다. 이 경우, 상기 펌프(101)로 고양정의 펌프가 사용되는데, 이는 이중연료 엔진(120)의 작동에 요구되는 압력(6.5 bar)을 만족시키기 위함이다. 상기 강제기화기(102)의 아웃렛부는 -40℃의 온도, 6.5 bar의 압력을 갖는다.

상기 강제기화기(102)를 거친 가스는 제 1미스트분리기(104)로 유입된다. 상기 제 1미스트분리기(104)는 상기 강제기화기(102)의 아웃렛부에서 발생된 미스트를 제거하는데, 이는 상기 미스트가 이중연료 엔진(120)으로 유입되는 경우 엔진의 작동에 문제가 생기기 때문이다. 상기 강제기화기(102)의 아웃렛부의 온도와 압력을 기준으로 만재항해의 경우 미스트 발생의 가능성이 없으나, 공선항해의 경우에는 미스트의 발생가능성이 있기 때문에 강제기화기(102)를 거친 가스가 상기 제 1미스트분리기를 거치게 한다.

상기 제 1미스트분리기(104)를 거친 가스는 히터(106)로 유입된다. 상기 히터(106)는 상기 제 1미스트분리기(104)를 거친 가스의 온도를 엔진의 작동에 요구되는 온도(0℃~50℃)까지 높여준다. 즉, 상기 제 1미스트분리기(104)를 거친 가스의 온도는 -40℃인데, 이 상태로 가스가 이중연료 엔진(120)에 유입되면 이중연료 엔진(120)이 작동하지 않게 되므로 상기 히터(106)가 가스의 온도를 0℃~50℃사이의 온도로 높여 준다. 상기 히터(106)를 거친 가스는 엔진으로 공급된다.

이하, 저장탱크(100) 내에서 자연 기화된 가스가 이중연료 엔진(120)으로 공급되는 루트를 설명한다.

상기 저장탱크(100)내에서 자연 기화된 가스는 컴프레서(114) 또는 쿨러(110)로 유입된다. 저장탱크(100) 내에서 자연 기화된 가스의 온도는 만선상태일 때 -140℃, 공선상태일 때 -100℃~-70℃이다. 만선상태일 경우 컴프레서(114)에 의해 가스의 온도가 상승하더라도 저장탱크(100) 내에서 자연 기화된 가스의 온도가 충분히 낮아 가스의 온도가 이중연료 엔진(120)의 작동에 요구되는 온도를 만족할 수 있다. 따라서, 이 경우에는 자연 기화된 가스는 바로 컴프레서(114)로 유입된다.

그러나, 공선상태일 경우에는 저장탱크(100) 내에서 자연 기화된 가스의 온도가 높기 때문에 컴프레서(114)에 의해 가스의 온도가 상승하면 이중연료 엔진(120)의 작동에 요구되는 최대의 온도인 50℃를 초과할 수 있다. 따라서, 컴프레서(114)로 유입되기 전 미리 가스의 온도를 낮춰줄 필요가 있는데, 쿨러(110)가 이러한 역할을 한다. 상기 쿨러(110)는 상기 펌프(101)에 의해 공급되는 LNG를 자연기화가스에 분사시켜 상기 가스의 온도를 만선상태에서 자연 기화된 가스의 온도 정도로 낮추어 준다.

상기 쿨러(110)를 통과한 가스는 제 2미스트분리기(112)를 거치는데, 상기 제 2미스트분리기(112)는 상기 쿨러(110)에서 LNG가 분사되므로써 발생한 미스트를 제거하는데 사용된다.

상기 제 2미스트분리기(112)를 통과한 가스와 저장탱크(100)에서 자연 기화된 가스는 컴프레서(114)로 유입된다. 상기 컴프레서(114)는 가스를 6.5 bar로 압축하며, 이를 위해 2단계 원심형태(two stage centrifugal type)가 적용된다. 즉, 1단계에서 가스를 회전시켜 압축시킨 후, 상기 압축가스를 2단계에서 다시 회전시켜 압축시킨다. 상기 2단계 원심형태의 컴프레서(114)는 2개의 스피드로 구동되는 모터에 의해 작동한다. 상기 모터는 노멀상태에서는 빠른 속도로 구동되나, 테스트 및 스타팅 모드에서는 저속으로 구동된다. 테스트 및 스타팅 모드 시에는 상기 컴프레서의 아웃렛부나 아웃렛부에 위치하는 배관이 상온의 상태에 있는데, 이러한 상태에서 빠른 속도로 구동하면 컴프레서의 아웃렛부의 온도가 급격하게 상승하여 엔진의 작동에 요구되는 최고온도를 초과하게 되어 이중연료 엔진(120)을 작동시킬 수가 없기 때문이다. 그러나, 테스트나 스타팅 모드에서 엔진의 작동에 요구되는 온도를 맞추기 위해 낮은 속도로 모터를 구동하는 경우에는 원심력이 부족해 가스가 6.5 bar로 압축되지 아니한다. 따라서, 이 경우에 가스는 엔진으로 유입되지 아니하고 상기 히터(106)에서 0℃이상으로 온도를 높인 후 가스소각기(116)로 유입되어 소각된다.

상기 모터가 노멀상태에서 빠른 속도로 구동되는 경우에는 상기 컴프레서(114)를 통과한 가스는 온도가 0℃이상인 경우에는 히터(106)를 거치지 아니하고 이중연료 엔진(120)으로 유입되며, 온도가 0℃이하인 경우에는 히터(106)를 거쳐 0℃이상으로 된 후 이중연료 엔진(120)으로 유입된다.
이후, 엔진룸(118) 내에서는 상기 이중연료 엔진(120)의 가동에 의해 제너레이터(122)가 작동되어 전기가 생성되며, 이렇게 생성된 전기에 의해 전기모터(124)를 동작시켜 리덕션기어(126)를 통해 프로펠러(128)를 회전시킨다.
그러나, 상기와 같은 연료공급장치는 자연기화가스와 강제기화가스를 별도로 제어하여 그 제어가 복잡하며, 고양정의 펌프를 사용하므로 상기 고양정 펌프를 별도로 제작해야 하고, 2개의 미스트 분리기가 설치되어 비용면에서 비효율 적이다. 또한 두 개의 속도로 구동하는 모터가 저속으로 구동될 경우에는- 가스가 소각되므로 가스의 활용률이 떨어지는 문제가 있다.

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본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 자연기화가스와 강제기화가스를 하나의 루트로 이중연료 엔진에 공급하여 그 제어를 간편하게 하며, 고양정의 펌프가 아닌 일반 펌프, 하나의 미스트 분리기 및 일정속도의 모터를 사용하여 비용의 효율을 높이는 것을 기술적 과제로 삼고 있다. 또한, 2단계 원심형태의 컴프레서 사용을 배제하여 가스의 활용률을 높이는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 탱크 내부의 액화가스를 강제로 기화시키는 강제기화기; 상기 강제기화기와 연결되어 상기 강제기화기에 액화가스를 공급하며 저장탱크 내부에 위치하는 펌프; 상기 강제기화기 및 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크 내부에서 자연 기화된 가스와 상기 강제기화기로 인해 기화된 가스가 유입되며, 상기 자연기화가스와 강제기화가스가 혼합될 때 발생하는 미스트를 분리하는 미스트분리기; 상기 미스트분리기를 통과한 가스의 온도를 높여주는 히터; 상기 히터 및 미스트분리기를 통과한 가스를 가압하고, 가압에 의해 온도가 상승한 가스를 냉각시키는 컴프레서; 및 상기 컴프레서를 통과한 가스의 온도를 낮추는 쿨러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치를 제공한다.

바람직하게는 상기 컴프레서는 스크류 컴프레서로서, 가스를 가압시키고 윤활유를 분사하여 가스를 냉각시키는 가압부; 상기 가압부를 통과한 가스로부터 윤 활유를 분리하는 혼합탱크 및 가스분리기를 포함한다. 상기 윤활유의 어는점은 -60℃이하이어야 한다. 이는 컴프레서로 유입되는 가스의 온도는 약 -60℃이므로 상기 윤활유의 어는점이 이보다 낮으면 상기 윤활유가 얼게 되어 압축된 가스와 혼합될 수 없기 때문이다.

바람직하게는 상기 가스분리기를 통과한 가스가 다시 상기 가압부로 유입되어 가스가 순환한다. 테스트나 스타팅 모드시 상기 가스가 반복 순환하기 때문에 테스트나 스타팅 모드 시에도 가스가 가스소각기가 아닌 엔진으로 유입되어 가스 활용율을 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 연료공급장치의 일 실시예를 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 도시된 실시예에 의해 액화가스가 저장탱크에서 이중연료 엔진으로 공급되는 과정을 도시한 순서도이다.

본 실시예는 자연기화된 가스와 강제기화된 가스를 동일한 루트로 저장탱크(200)에서 이중연료 엔진(120)으로 공급한다.

본 실시예는 강제기화기(202)를 포함하고 있다. 상기 강제기화기(202)는 저장탱크(200) 내에서 발생된 자연기화가스로 이중연료 엔진(120)이 요구하는 연료의 양을 만족시킬 수 없을 경우 강제로 액화가스를 기화시킨다. 상기 강제기화기(202)의 일측은 상기 저장탱크(200)의 내부에 위치하는 펌프(201)와 관으로 연결되어 있다. 상기 펌프(201)는 상기 저장탱크(200)에 액체상태로 있는 천연가스를 연료로 사용 시 상기 저장탱크(200) 내부의 액화가스를 상기 강제기화기(202)로 공급한다. 이 경우, 상기 펌프(201)로 일반 펌프가 사용되는데, 이는 상기 강제기화기(202)에 의해 기화된 가스도 컴프레서(208)에 의해 가압 되기 때문에 상기 펌프(201)가 가스를 가압할 필요가 없기 때문이다. 상기 강제기화기(202)의 아웃렛부는 -40℃의 온도를 갖는다.

상기 강제기화기(202)의 일측은 미스트분리기(204)의 일측과 관으로 연결되어 있고, 상기 미스트분리기(204)의 타측은 상기 저장탱크(200)와 관으로 연결되어 있다. 따라서, 상기 저장탱크(200)에서 자연적으로 기화된 가스와 상기 강제기화기(202)에 의해 강제적으로 기화된 가스는 상기 미스트분리기(204)에서 혼합되게 된다. 상기 자연기화가스는 만선 시에는 -140℃, 공선시에는 -100℃~-70℃의 온도를 가지고, 상기 강제기화가스는 -40℃의 온도를 갖는데, 상기 두 기화가스가 혼합되는 경우 미스트가 발생하게 된다. 상기 미스트가 이중연료 엔진(120)으로 유입될 경우 엔진의 작동에 문제가 발생하므로 상기 미스트분리기(204)는 상기 미스트를 상기 기화가스로부터 분리시킨다.

상기 미스트분리기(204)의 일측은 히터(206) 및 컴프레서(208)와 관으로 연결되어 있다. 상기 미스트분리기(204)를 통과한 기화가스의 온도는 자연기화가스 및 강제기화가스의 비율에 따라 달라지는데, 상기 기화가스의 온도가 -60℃이상이면 상기 기화가스가 상기 컴프레서(208)로 바로 유입되고, -60℃이하이면 상기 기화가스는 상기 히터(206)로 유입된다. 상기 히터(206)는 상기 미스트분리기(204)를 거친 -60℃이하의 기화가스의 온도를 -60℃로 유지시켜 준다. 따라서, 상기 컴프레서(208)로 유입되는 기화가스의 온도는 적어도 -60℃이다. 상기 컴프레서(208)로 유입되는 기화가스의 온도를 -60℃정도로 유지시키는 이유는 하기할 윤활유가 그 이하의 온도에서는 얼게 되어 가스와 혼합될 수 없기 때문이다.

상기 히터(206)의 일측은 컴프레서(208)와 관으로 연결되어 있다. 도 5는 도 3에 도시된 실시예의 컴프레서를 도시한 것이다.

상기 컴프레서(208)는 유입된 기화가스를 6.5 bar로 가압하는 가압부(207)를 포함하고 있다. 상기 기화가스를 6.5 bar로 가압하는 이유는 엔진이 작동하기 위해 요구되는 압력이 6.5 bar이기 때문이다. 상기 가압가스는 상기 가압부(207)에서 윤활유(lubrication oil)와 혼합된다. 상기 가압가스는 가압에 의해 온도가 매우 높은 상태인데, 상기 윤활유와 혼합되므로써 온도가 약 60℃정도로 감소된다. 상기 윤활유와 혼합된 가스는 혼합탱크(209)에서 일차적으로 윤활유와 가스로 분리된다. 즉, 윤활유는 밀도가 높아 아래로 가라앉고, 가스는 위로 뜬다. 가라앉은 윤활유는 다시 상기 가압부(207)로 회수되고 상기 가스는 가스분리기(211)로 유입된다. 상기 가스분리기(211)는 상기 가스를 이차적으로 윤활유와 분리한다. 상기 가스분리기(211)를 통과한 가스는 상기 컴프레서(208)의 아웃렛부로 유출된다.

상기 컴프레서(208)는 일정 속도로 구동되는 모터에 의해 작동한다. 테스트 및 스타팅 모드 시에는 상기 컴프레서(208)의 아웃렛부의 온도가 급격하게 상승하여 엔진의 작동에 요구되는 최고온도를 초과하게 되어 엔진을 작동시킬 수가 없는 문제가 발생한다. 이 경우, 상기 가스의 온도가 이중연료 엔진(120)의 작동에 요구되는 온도가 될 때까지 윤활유와 혼합시키고, 다시 분리시키는 과정을 반복순환하여 상기 가스의 온도를 낮춘다. 따라서, 본 실시예에서는 테스트나 스타팅 모드에서도 엔진의 작동에 요구되는 압력과 온도를 가지는 가스가 상기 컴프레서(208)로부터 유출되어 가스소각기에 의해 소각되지 아니하고 컴프레서(208)에서의 반복순환을 통해 이중연료 엔진(120)으로의 유입이 가능하다.

상기 컴프레서(208)의 일측은 쿨러(210)와 연결되어 있다. 상기 컴프레서(208)로부터 유출된 기화가스의 온도는 약 60℃인데, 이는 이중연료 엔진(120)의 작동에 요구되는 최고 온도인 50℃보다 높기 때문에 기화가스의 온도를 낮추어 주어야 한다. 상기 쿨러(210)는 상기 컴프레서(208)로부터 유출된 기화가스의 온도를 0℃~50℃로 낮추어 준다.

상기 쿨러(210)의 일측은 엔진룸(118)내의 이중연료 엔진(120)과 관으로 연결되어 있어, 상기 쿨러(210)로부터 유출된 기화가스는 상기 이중연료 엔진(120)으로 공급된다.
이후, 엔진룸(118) 내의 상기 이중연료 엔진(120)의 가동에 의해 제너레이터(122)가 작동되어 전기가 생성되며, 이렇게 생성된 전기는 전기모터(124)를 동작시켜 리덕션기어(126)를 통해 프로펠러(128)를 큰 토크로 회전시킬 수 있게 된다. 따라서, 전기추진 선박은 추진되어 진다.

본 실시예에 의하면 자연기화가스와 강제기화가스가 하나의 루트로 엔진에 공급되어 그 제어가 간편하고, 강제기화된 가스도 컴프레서에서 가압이 되기 때문에 고양정 펌프가 아닌 일반 펌프를 사용할 수 있고 하나의 미스트 분리기를 사용하고 일정 속도의 모터를 사용할 수 있어 비용이 감소되며, 2단계 원심형태의 컴프레서 사용을 배제하여 테스트나 스타팅 모드 시에도 기화가스가 가스소각기에서 소각되지 아니하고 엔진에서 연료로 사용될 수 있어 가스의 활용률을 높일 수 있다.

본 실시예에서는 컴프레서(208)에서 기화가스의 냉각을 위해 상기 기화가스와 혼합되는 유체로 윤활유를 사용하였으나, 다른 실시예에서는 -60℃이하에서 어는점을 가지는 다른 유체를 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면 자연기화가스와 강제기화가스가 하나의 루트로 엔진에 공 급되어 그 제어가 간편하고, 고양정 펌프가 아닌 일반 펌프를 사용할 수 있고, 하나의 미스트 분리기를 사용하고, 일정 속도의 모터를 사용할 수 있어 비용이 감소되며 반복컴프레서의 반복순환 과정을 통해 가스의 활용율을 높일 수 있다.

Claims (3)

1. 탱크 내부의 액화가스를 강제로 기화시키는 강제기화기;

   상기 강제기화기와 연결되어 상기 강제기화기에 액화가스를 공급하며 저장탱크 내부에 위치하는 펌프;

   상기 강제기화기 및 저장탱크와 연결되어 상기 저장탱크 내부에서 자연 기화된 가스와 상기 강제기화기로 인해 기화된 가스가 유입되며, 상기 자연기화가스와 강제기화가스가 혼합될 때 발생하는 미스트를 분리하는 미스트분리기;

   상기 미스트분리기를 통과한 가스의 온도를 높여주는 히터;

   상기 히터 및 미스트분리기를 통과한 가스를 가압하고, 가압에 의해 온도가 상승한 가스를 윤활유로 냉각시키는 컴프레서; 및

   상기 컴프레서를 통과한 가스의 온도를 낮춰 이중연료 엔진에 공급하는 쿨러;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 컴프레서는 스크류 컴프레서로서, 가스를 가압시키고 윤활유를 분사하여 가스를 냉각시키는 가압부; 상기 가압부를 통과한 가스로부터 윤활유를 분리하는 혼합탱크 및 가스분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 가스분리기를 통과한 가스가 다시 상기 가압부로 유입되어 가스가 순환할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기추진 액화천연가스 수송선의 연료공급장치.

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