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KR101701713B1 - 연료공급시스템 - Google Patents

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KR101701713B1
KR101701713B1 KR1020140177209A KR20140177209A KR101701713B1 KR 101701713 B1 KR101701713 B1 KR 101701713B1 KR 1020140177209 A KR1020140177209 A KR 1020140177209A KR 20140177209 A KR20140177209 A KR 20140177209A KR 101701713 B1 KR101701713 B1 KR 101701713B1
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heat exchanger
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liquefied
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문성재
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전춘식
정일웅
조민규
조정관
최병윤
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료공급시스템을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템은 제1액화가스를 저장하는 제1저장탱크; 제1액화가스보다 액화점이 낮은 제2액화가스를 저장하는 제2저장탱크; 제2저장탱크의 제2액화가스를 처리하여 엔진으로 공급하는 제1연료공급라인; 제2저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축기에서 압축하여 엔진으로 공급하는 제2연료공급라인; 압축기 하류의 고압 증발가스를 제1연료공급라인에 설치된 제1열교환부, 제2열교환부, 제1팽창장치, 제3열교환부, 제2열교환부, 제3열교환부 순으로 통과시켜 액화한 후 제2저장탱크로 복귀시키는 제1재액화라인; 및 제1저장탱크의 증발가스를 제1열교환부와 열교환을 통해 액화한 후 제1저장탱크로 복귀시키는 제2재액화라인을 포함한다.

Description

연료공급시스템{FUEL SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 상대적으로 액화점이 높은 액화가스에서 발생하는 증발가스를 상대적으로 액화점이 낮은 액화가스를 이용해 쉽게 액화시킬 수 있는 연료공급시스템에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG) 운송선 또는 액화연료 추진선박은 액화가스 연료 또는 액화화물을 저장하는 저장탱크에서 증발가스가 발생하기 때문에 이 증발가스를 재액화하기 위한 재액화장치를 갖추고 있다.
일 예로 대한민국 공개특허공보 10-2008-0104110호(2008. 12. 01. 공개)에 개시된 선박의 연료가스 공급시스템은 증발가스를 재액화시키는 재액화장치를 제시한 바 있다. 이 재액화장치는 연료탱크에서 발생하는 증발가스를 압축기로 압축한 상태에서 연료탱크로부터 엔진으로 공급 중인 액화연료와 열교환시켜 액화하는 방식이다.
한편, 최근에는 셰일가스(shale gas)의 생산이 늘어나게 되면서 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas) 등을 운송하는 액화가스운송선의 수요가 늘고 있다. 액화가스운송선은 LNG운송선처럼 연료와 운송하는 화물이 동일한 경우도 있지만, 에탄(Ethane)운송선의 경우처럼 연료와 운송하는 화물이 다른 경우도 있다. 즉 액화화물은 상대적으로 액화점이 높은 LEG이고, 연료는 상대적으로 액화점이 낮은 액화천연가스(LNG)인 경우가 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2008-0104110호(2008. 12. 01. 공개)
본 발명의 실시 예는 액화점이 높은 액화가스에서 발생하는 증발가스를 상대적으로 액화점이 낮은 액화가스를 이용해 쉽게 액화시킬 수 있고, 상대적으로 액화점이 낮은 액화가스에서 발생하는 증발가스도 쉽게 액화시킬 수 있는 연료공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1액화가스를 저장하는 제1저장탱크; 상기 제1액화가스보다 액화점이 낮은 제2액화가스를 저장하는 제2저장탱크; 상기 제2저장탱크의 제2액화가스를 처리하여 엔진으로 공급하는 제1연료공급라인; 상기 제2저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축기에서 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 제2연료공급라인; 상기 압축기 하류의 고압 증발가스를 상기 제1연료공급라인에 설치된 제1열교환부, 제2열교환부, 제1팽창장치, 제3열교환부, 상기 제2열교환부, 상기 제3열교환부 순으로 통과시켜 액화한 후 상기 제2저장탱크로 복귀시키는 제1재액화라인; 및 상기 제1저장탱크의 증발가스를 상기 제1열교환부와 열교환을 통해 액화한 후 상기 제1저장탱크로 복귀시키는 제2재액화라인을 포함하는 연료공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 제2재액화라인은 상기 제1열교환부에서 상기 제1연료공급라인의 제2액화가스와 압축된 증발가스의 열교환을 하고, 상기 제2열교환부에서 상기 제1열교환부를 통과한 유체와 상기 제3열교환부를 통과한 유체의 열교환을 하며, 상기 제3열교환부에서 상기 제2열교환부와 상기 제1팽창장치를 통과한 유체와 상기 제2열교환부 통과 후 상기 제2저장탱크 쪽으로 복귀하는 유체의 열교환을 할 수 있다.
상기 제2재액화라인은 상기 제1열교환부를 거쳐 상기 제2열교환부 쪽으로 흐르는 유체의 일부를 분기시켜 상기 제3열교환부를 거쳐 상기 제2열교환부 쪽으로 흐르는 유체에 합류시키는 우회라인과, 상기 우회라인의 유체를 감압 팽창시키는 제2팽창장치를 더 포함할 수 있다.
상기 제2재액화라인은 상기 제3열교환부를 거쳐 상기 제2저장탱크로 복귀하는 유체를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기에서 분리된 액체를 상기 제2저장탱크로 복귀시키는 액화가스복귀라인과, 상기 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 제2연료공급라인의 상기 압축기 상류로 공급하는 증발가스복귀라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1액화가스를 저장하는 제1저장탱크; 상기 제1액화가스보다 액화점이 낮은 제2액화가스를 저장하는 제2저장탱크; 상기 제2저장탱크의 제2액화가스를 처리하여 엔진으로 공급하는 제1연료공급라인; 상기 제2저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축기에서 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 제2연료공급라인; 상기 압축기 하류의 고압 증발가스를 상기 제1연료공급라인에 설치된 열교환부에서 상기 제2액화가스와 열교환시키고, 팽창장치에서 액화한 후 상기 제2저장탱크로 복귀시키는 제1재액화라인; 및 상기 제1저장탱크의 증발가스를 상기 열교환부에서 열교환을 통해 액화한 후 상기 제1저장탱크로 복귀시키는 제2재액화라인을 포함하는 연료공급시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템은 상대적으로 액화점이 높은 제1저장탱크의 제1액화가스에서 발생하는 증발가스를 상대적으로 액화점이 낮은 제2액화가스와 열교환시켜 액화하기 때문에 별도의 재액화 장비가 없이도 제1저장탱크의 증발가스를 쉽게 액화시킬 수 있다.
또 본 발명의 실시 예에 따른 연료공급시스템은 압축기에서 압축된 제2액화가스의 증발가스가 제1열교환부를 거치며 제2저장탱크로부터 배출되는 제2액화가스와 열교환할 뿐 아니라, 제1 및 제2팽창장치에서 감압 팽창에 의한 액화 및 제2열교환부와 제3열교환부에서 열교환에 의한 추가 액화가 이루어지기 때문에 상대적으로 액화점이 낮은 제2액화가스에서 발생하는 증발가스도 쉽게 액화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 액화가스 운송선의 연료공급시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 액화가스 운송선의 연료공급시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 액화가스 운송선의 연료공급시스템을 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 액화가스 운송선의 연료공급시스템을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 액화가스 운송선은 운송 화물인 제1액화가스를 저장하는 제1저장탱크(1)와, 연료로 이용하는 제2액화가스를 저장하는 제2저장탱크(2)를 구비한다. 제1액화가스는 1기압에서 액화점이 대략 ―88.6℃ 정도인 액화에탄(Ethane)일 수 있고, 제2액화가스는 메탄을 주성분으로 하며 1기압에서 액화점이 대략 ―161.5℃ 정도인 액화천연가스(LNG)일 수 있다. 도 1에는 설명의 편의를 위해 제1저장탱크(1)와 제2저장탱크(2)를 각각 하나씩만 도시하였으나, 제1저장탱크(1)와 제2저장탱크(2)는 각각 복수일 수 있다.
또 이 선박의 연료계통은 제2저장탱크(2)의 제2액화가스를 처리하여 고압가스엔진(3)으로 공급하는 제1연료공급라인(10)과, 제2저장탱크(2)의 증발가스(제2액화가스의 증발가스)를 다단 압축기(21)로 압축해 고압가스엔진(3)으로 공급하는 제2연료공급라인(20)과, 제2저장탱크(2)의 증발가스를 저압가스분사엔진(4)으로 공급하는 제3연료공급라인(30)과, 제1연료공급라인(10)에서 기화된 연료가스를 감압하여 저압가스분사엔진(4)으로 공급하기 위한 제4연료공급라인(40)을 포함할 수 있다.
저압가스엔진(4)은 대략 5 ~ 6bar의 연료가스를 공급받는 엔진 일 수 있고, 고압가스엔진(3)은 대략 300~400bar의 연료가스를 공급받는 엔진일 수 있다. 물론, 엔진들(3,4)은 다양한 방식이 채용될 수 있을 것이므로 엔진들의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
제1연료공급라인(10)에는 제2저장탱크(2)에 저장된 제2액화가스를 고압가스엔진(3)의 공급압력으로 압축해 송출하는 고압펌프(11)와, 고압펌프(11)로부터 송출된 고압의 제2액화가스를 기화하여 고압가스엔진(3) 쪽으로 보내는 고압기화기(12)가 설치된다. 제2저장탱크(2)의 내부의 제1연료공급라인(10) 입구에도 고압펌프(11)로 제2액화가스를 송출하는 압송펌프(13)가 설치될 수 있다. 고압기화기(12)로부터 고압가스엔진(3) 쪽으로 공급되는 연료는 고압가스엔진(3)의 공급조건(압력, 온도)에 부합하도록 조절될 수 있다. 이를 위해 고압기화기(12)와 고압가스엔진(3) 사이에는 온도 조절을 위한 열교환기(14)와, 압력을 조절할 수 있는 수단(미도시)이 마련될 수 있다.
제2연료공급라인(20)에는 다단 압축기(21)가 설치된다. 따라서 제2저장탱크(2)에서 발생한 증발가스를 고압가스엔진(3)의 공급조건에 부합하도록 가압한 상태에서 고압가스엔진(3)으로 공급함으로써 제2저장탱크(2)의 증발가스를 고압가스엔진(3)의 연료로 이용할 수 있다. 제2연료공급라인(20)은 제1연료공급라인(10)의 열교환기(14) 상류 쪽에 연결될 수 있다.
제3연료공급라인(30)은 저압가스엔진(4)의 공급조건에 부압하는 압력으로 연료를 공급할 수 있도록 다단 압축기(21)의 중간단계에서 분기된 후 저압가스엔진(4)에 연결된다. 제3연료공급라인(30)에도 저압가스엔진(4)으로 공급되는 증발가스의 온도조절을 위한 열교환기(31)가 설치될 수 있다.
제4연료공급라인(40)은 제1연료공급라인(10)의 고압기화기(12)에서 기화된 연료를 저압가스엔진(4)으로 공급할 수 있도록 고압기화기(12) 하류로부터 제3연료공급라인(30)의 열교환기(31) 상류 쪽으로 연결될 수 있다. 제4연료공급라인(40)에는 저압가스엔진(4)의 공급조건에 부합하도록 감압시키는 감압밸브(41)가 설치된다. 이는 제2저장탱크(2)에서 발생하는 증발가스가 저압가스엔진(4)의 연료소모량에 미달하는 문제가 발생할 경우 제1연료공급라인(10)의 기화된 연료를 저압가스엔진(4)으로 공급하기 위함이다.
이처럼 제1실시 예는 제2저장탱크(2)에서 발생하는 증발가스를 처리하여 고압가스엔진(3)이나 저압가스엔진(4)의 연료로 이용할 수 있다. 또 제2저장탱크(2)의 증발가스 양이 연료로 이용하기에 부족할 경우에는 제2저장탱크(2)의 제2액화가스를 처리하여 고압가스엔진(3)이나 저압가스엔진(4)의 연료로 이용할 수 있다.
또 본 실시 예는 제2저장탱크(2)에서 발생하는 증발가스의 양이 저압가스엔진(4) 및 고압가스엔진(3)의 사용량을 초과할 경우 이를 액화하여 다시 제2저장탱크(2)로 공급할 수 있는 재액화시스템을 구비한다.
재액화시스템은 다단 압축기(21) 하류의 고압 증발가스가 제1연료공급라인(10)에 설치된 제1열교환부(51), 별도로 설치된 제2열교환부(52), 제1팽창장치(54), 제3열교환부(53), 다시 제2열교환부(52), 다시 제3열교환부(53)를 순차적으로 통과하면서 액화된 후 제2저장탱크(2)로 복귀하도록 하는 제1재액화라인(50)를 포함한다.
제1열교환부(51)는 제1연료공급라인(10)의 제2액화가스와 제2연료공급라인(20)에서 압축된 증발가스의 열교환을 구현하여 압축된 증발가스가 1차 액화되도록 한다. 제2열교환부(52)는 제1열교환부(51)를 통과하면서 1차 액화된 유체와 제3열교환부(53)를 통과하여 역으로 흐르는 유체의 열교환을 구현하며, 제3열교환부(53)는 제2열교환부(52)와 제1팽창장치(54)를 통과하여 액화된 유체와 제2열교환부(52) 통과 후 최종적으로 제2저장탱크(2) 쪽으로 복귀하는 유체의 열교환을 구현한다.
또 재액화시스템은 제1열교환부(51)를 거쳐 제2열교환부(52) 쪽으로 흐르는 유체의 일부를 분기시켜 제3열교환부(53)를 거쳐 제2열교환부(52) 쪽으로 흐르는 유체에 합류시키기 위한 우회라인(55)과, 우회라인(55)의 유체를 감압 팽창시켜 액화시키는 제2팽창장치(56)를 포함한다.
이러한 재액화시스템은 다단 압축기(21)에서 고압으로 압축된 제2액화가스의 증발가스가 제1열교환부(51)에서 제2액화가스와 열교환하여 1차 액화된 후, 제2열교환부(52)에서 2차 열교환을 통해 추가 액화되고, 제1팽창장치(54)를 통과하면서 감압 팽창되면서 액화되도록 한다.
또 제1열교환부(51)를 거친 유체의 일부는 우회라인(55)으로 흘러 제2팽창장치(56)에서 감압 팽창되면서 액화된 후 제3열교환부(53)를 거쳐 제2열교환부(52) 쪽으로 흐르는 유체에 합류한다. 따라서 제3열교환부(53) 쪽으로부터 제2열교환부(52)로 흐르는 유체의 온도가 제1열교환부(51)로부터 제2열교환부(52)로 흐르는 유체의 온도보다 낮기 때문에 제2열교환부(52)에서는 제1열교환부(51)로부터 제2열교환부(52)로 유입되는 유체가 냉각된다.
또 제1팽창장치(54)를 거쳐 제3열교환부(53)로 유입되는 유체는 제2열교환부(52)를 거치면서 냉각된 후 제1팽창장치(54)에 의해 팽창되기 때문에 제2팽창장치(56)를 거친 유체보다 온도가 낮다. 즉 제1팽창장치(54)를 거쳐 제3열교환부(53)로 유입되는 유체의 온도가 가장 낮은 상태가 된다. 그리고 제2열교환부(52)를 거쳐 제3열교환부(53)로 유입되는 유체는 제1팽창장치(54)를 거쳐 제3열교환부(53)로 유입되는 유체(가장 온도가 낮은 유체)와 열교환을 하기 때문에 대부분 액화된 상태에서 제2저장탱크(2)로 복귀한다.
이처럼 연료공급시스템은 다단 압축기(21)에서 압축된 증발가스가 제1열교환부(51)를 거치며 제2저장탱크(2)로부터 연료로 공급중인 제2액화가스와 열교환할 뿐 아니라, 제1 및 제2팽창장치(54,56)에서 감압 팽창에 의한 액화 및 제2열교환부(52)와 제3열교환부(53)에서 열교환에 의한 액화가 이루어지기 때문에 증발가스의 액화효율을 높일 수 있다.
또 연료공급시스템은 제1저장탱크(1)에서 발생한 제1액화가스의 증발가스가 제1열교환부(51)를 통과하면서 액화된 후 액화된 후 제1저장탱크(1)로 복귀하도록 하는 제2재액화라인(70)을 포함한다. 이는 제2저장탱크(2)에 저장된 제2액화가스를 연료로 공급하는 과정에서, 상대적으로 액화점이 낮은 제2액화가스를 이용해 제1저장탱크(1)에서 발생하는 증발가스(제1액화가스의 증발가스)를 액화시킬 수 있도록 한 것이다.
이처럼 제1실시 예에 따른 연료공급시스템은 상대적으로 액화점이 높은 제1액화가스와 상대적으로 액화점이 낮은 제2액화가스를 제1열교환부(51)에서 열교환시켜 제1액화가스의 증발가스 액화를 구현할 수 있기 때문에 추가적인 장비나 에너지의 투입이 없이도 제2액화가스를 연료로 공급하는 과정에서 제1저장탱크(1)에서 발생하는 제1액화가스의 증발가스를 쉽게 액화시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 액화가스 운송선의 연료공급시스템을 나타낸다. 제2실시 예에서 제1재액화라인(50)은 제3열교환부(53)를 거쳐 제2저장탱크(2)로 복귀하는 유체를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기(61)와, 기액분리기(61)에서 분리된 액체를 제2저장탱크(2)로 복귀시키는 액화가스복귀라인(62)과, 기액분리기(61)에서 분리된 기체를 제2연료공급라인(20)의 다단 압축기(21) 상류로 공급하는 증발가스복귀라인(63)을 포함한다. 나머지 구성은 제1실시 예와 동일하게 구성될 수 있다.
제2실시 예에서 액화가스복귀라인(62)은 제2저장탱크(2)와 연결되면서 제1관(62a)과 제2관(62b)으로 분기될 수 있다. 제1관(62a)은 제2저장탱크(2) 내부 하측으로 연장되고, 제2관(62b)은 제2저장탱크(2) 내측 상부에 마련되는 분사헤드(62c)에 연결될 수 있다. 제2관(62b) 및 분사헤드(62c)를 통해 스프레이방식으로 공급되는 제2액화가스가 제2저장탱크(2) 내측 상부의 증발가스를 냉각시켜 액화시킬 수 있도록 한 것이다. 이러한 액화가스복귀라인의 구성은 제1실시 예에서 언급한 제1재액화라인(50)과 제2제액화라인(70)에 동일한 방식으로 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 액화가스 운송선의 연료공급시스템을 나타낸다. 제3실시 예에서 제1재액화라인(150)은 제2연료공급라인(20)의 다단 압축기(21) 하류 고압 증발가스가 제1연료공급라인(10)에 설치된 제1열교환부(51)에서 제2액화가스와 열교환을 하고, 이후 팽창장치(154)를 통과하면서 액화된 후 제2저장탱크(2)로 복귀하도록 구성될 수 있다.
제1열교환부(51)에서는 제1 및 제2실시 예와 마찬가지로 제1연료공급라인(10)을 흐르는 제2액화가스와 제2재액화라인(70)을 흐르는 제1저장탱크(1)의 증발가스가 열교환을 하여 제1저장탱크(1)에서 발생한 증발가스의 액화가 이루어진다.
아울러, 제2저장탱크(2)에서 발생한 증발가스는 다단 압축기(21)에서 압축된 상태에서 제1열교환부(51)와 열교환을 하여 냉각되고, 이 후 팽창밸브(154)에서 감압 팽창됨으로써 액화된 후 제2저장탱크(2)로 복귀한다. 물론, 팽창장치(154)를 거친 유체는 온전히 액화될 수 없기에 일부 기체를 포함하지만, 이러한 기체는 제2연료공급라인(20) 및 제1재액화라인(150)을 통한 재순환에 의해 액화될 수 있다.
1: 제1저장탱크, 2: 제2저장탱크,
3: 고압가스엔진, 4: 저압가스엔진,
10: 제1연료공급라인, 11: 고압펌프,
12: 고압기화기, 14: 열교환기,
20: 제2연료공급라인, 21: 다단 압축기,
30: 제3연료공급라인, 40: 제4연료공급라인,
50,150: 제1재액화라인, 51: 제1열교환부,
52: 제2열교환부, 53: 제3열교환부,
54: 제1팽창장치, 56: 제2팽창장치,
61: 기액분리기, 154: 팽창장치.

Claims (5)

  1. 제1액화가스를 저장하는 제1저장탱크;
    상기 제1액화가스보다 액화점이 낮은 제2액화가스를 저장하는 제2저장탱크;
    상기 제2저장탱크의 제2액화가스를 처리하여 엔진으로 공급하는 제1연료공급라인;
    상기 제2저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축기에서 압축하여 상기 엔진으로 공급하는 제2연료공급라인;
    상기 압축기 하류의 고압 증발가스를 상기 제1연료공급라인에 설치된 제1열교환부, 제2열교환부, 제1팽창장치, 제3열교환부, 상기 제2열교환부, 상기 제3열교환부 순으로 통과시켜 액화한 후 상기 제2저장탱크로 복귀시키는 제1재액화라인; 및
    상기 제1저장탱크의 증발가스를 상기 제1열교환부와 열교환을 통해 액화한 후 상기 제1저장탱크로 복귀시키는 제2재액화라인을 포함하는 연료공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2재액화라인은 상기 제1열교환부에서 상기 제1연료공급라인의 제2액화가스와 압축된 증발가스의 열교환을 하고, 상기 제2열교환부에서 상기 제1열교환부를 통과한 유체와 상기 제3열교환부를 통과한 유체의 열교환을 하며, 상기 제3열교환부에서 상기 제2열교환부와 상기 제1팽창장치를 통과한 유체와 상기 제2열교환부 통과 후 상기 제2저장탱크 쪽으로 복귀하는 유체의 열교환을 하는 연료공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2재액화라인은 상기 제1열교환부를 거쳐 상기 제2열교환부 쪽으로 흐르는 유체의 일부를 분기시켜 상기 제3열교환부를 거쳐 상기 제2열교환부 쪽으로 흐르는 유체에 합류시키는 우회라인과, 상기 우회라인의 유체를 감압 팽창시키는 제2팽창장치를 더 포함하는 연료공급시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2재액화라인은 상기 제3열교환부를 거쳐 상기 제2저장탱크로 복귀하는 유체를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기에서 분리된 액체를 상기 제2저장탱크로 복귀시키는 액화가스복귀라인과, 상기 기액분리기에서 분리된 기체를 상기 제2연료공급라인의 상기 압축기 상류로 공급하는 증발가스복귀라인을 포함하는 연료공급시스템.
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