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KR102189756B1 - 연료가스 공급시스템 - Google Patents

연료가스 공급시스템 Download PDF

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KR102189756B1
KR102189756B1 KR1020150038196A KR20150038196A KR102189756B1 KR 102189756 B1 KR102189756 B1 KR 102189756B1 KR 1020150038196 A KR1020150038196 A KR 1020150038196A KR 20150038196 A KR20150038196 A KR 20150038196A KR 102189756 B1 KR102189756 B1 KR 102189756B1
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이효은
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 가압하여 송출하는 압력펌프; 압력펌프를 거친 액화가스를 기화시키는 기화기; 기화된 액화가스를 공급받아 감압시키는 감압밸브; 및 압력펌프, 기화기 및 감압밸브를 거쳐 공급된 저장탱크의 액화가스와 압력펌프 전단의 저장탱크로부터 공급된 액화가스의 혼합물을 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 기액분리기;를 포함한다.

Description

연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변환시켜 저장 및 운반을 하고 있다.
이러한 액화가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 여기서 증발가스는 저장탱크 내부에 수용된 액화가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 자연증발가스 및 강제적으로 기화하여 발생되는 강제증발가스를 포함한다. 액화가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.
한편 최근에는 선박의 추진용 또는 선박의 발전용으로 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진 및 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압(약 150~400bar)의 분사엔진이 널리 이용되고 있다. 또한 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진이 개발되어 이용되고 있다.
천연가스는 메탄 외에도 에탄(Ethane), 프로판(Propane), 부탄(Butane) 등을 포함하며, 생산지에 따라 조성이 달라지는데 액화가스 또는 기화된 증발가스를 상술한 엔진에 연료가스로서 공급하기 위해서는 엔진에서 요구하는 메탄가(Methane Number)의 조건에 맞추어 공급해야 한다. 엔진으로 공급되는 연료가스가 적정 메탄가보다 낮은 경우에는 엔진의 피스톤이 상사점에 도달하기 이전에 폭발 및 연소가 이루어져 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹(Knocking) 등의 문제가 야기될 수 있다.
여기서, 메탄의 끓는점은 ―161.5℃이며, 천연가스의 기타 성분인 에탄(끓는점 ―89℃), 프로판(끓는점 ―45℃) 등에 비해 낮다. 이에 따라 저장탱크 내부에서 자연적으로 기화되는 자연증발가스는 높은 메탄가를 가지게 되고, 저장탱크에 액화가스를 가득 실은 만선항해(Laden Voyage) 시에는 자연증발가스 발생량이 많으므로 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 용이하게 맞출 수 있다.
그러나 액화가스를 하역한 이후 등 저장탱크에 액화가스가 많이 수용되지 않은 공선항해(Ballast Voyage) 시에는 자연증발가스 발생량이 대폭 감소하므로 엔진이 요구하는 적정 메탄가를 맞추기 어려운 문제점이 있으며, 이에 따라 공선항해 시에도 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 엔진이 요구하는 수준으로 맞추어 공급할 수 있는 방안이 요구된다. 이와 관련된 종래기술로서, 한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개)
본 발명의 실시 예는 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크; 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 가압하여 송출하는 압력펌프; 상기 압력펌프를 거친 액화가스를 기화시키는 기화기; 상기 기화된 액화가스를 공급받아 감압시키는 감압밸브; 및 상기 압력펌프, 상기 기화기 및 상기 감압밸브를 거쳐 공급된 상기 저장탱크의 액화가스와 상기 압력펌프 전단의 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스의 혼합물을 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 기액분리기;를 포함하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.
상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 압력펌프 및 상기 기화기를 거쳐 제1엔진 쪽으로 보내는 제1공급라인과, 상기 기화기 후단의 상기 제1공급라인으로부터 분기되고, 상기 기화된 액화가스를 상기 감압밸브를 거쳐 상기 기액분리기 쪽으로 공급하는 제2공급라인과, 상기 압력펌프 전단의 상기 제1공급라인으로부터 분기되고, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 기액분리기로 보내는 제3공급라인과, 상기 기액분리기에 의해 분리된 상기 기체성분을 상기 제1엔진보다 운용압력이 낮은 제2엔진의 연료가스로 공급하는 제4공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제4공급라인에 설치되고, 상기 제2엔진이 요구하는 온도조건에 맞게 상기 기액분리기로부터 공급된 기체성분을 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 제4공급라인에 설치되어 상기 제2엔진으로 공급되는 상기 연료가스의 메탄가를 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 측정부는 상기 연료가스의 온도를 감지하는 방법으로 상기 연료가스의 메탄가를 측정할 수 있다.
상기 제3공급라인에 설치된 개폐밸브와, 상기 측정부에 의해 측정된 메탄가와 미리 설정된 메탄가를 비교하여, 상기 제2엔진의 요구조건에 맞게 메탄가를 조절하기 위해 상기 개폐밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기의 내측으로 연장된 상기 제3공급라인의 출구 측 단부에 설치되어, 상기 제3공급라인을 통해 공급된 액화가스를 상기 기액분리기의 내측으로 분사하는 분사장치를 더 포함할 수 있다.
상기 저장탱크 내부에 설치되고, 미리 설정된 압력에 따라 상기 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 제1공급라인을 통해 송출하는 송출펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템은 엔진이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 기액분리기 내에 분사장치가 마련된 예를 도시한 것이다.
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 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료가스 공급시스템(100)은 만선항해 및 공선항해 시 엔진이 요구하는 메탄가에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다. 이러한 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스를 수송하는 선박에 설치될 수 있다. 예컨대 선박은 각종 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함할 수 있다.
연료가스 공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(10), 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 가압하여 송출하는 압력펌프(20), 압력펌프(20)를 거친 액화가스를 기화시키는 기화기(30), 기화된 액화가스를 공급받아 감압시키는 감압밸브(35) 및 압력펌프(20), 기화기(30) 및 감압밸브(35)를 거쳐 공급된 저장탱크(10)의 액화가스와 압력펌프(20) 전단의 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스의 혼합물을 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 기액분리기(40)를 포함한다.
또, 연료가스 공급시스템(100)은 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 압력펌프(20) 및 기화기(30)를 거쳐 제1엔진(E1) 쪽으로 보내는 제1공급라인(L1), 기화기(30) 후단의 제1공급라인(L1)으로부터 분기되고, 기화된 액화가스를 감압밸브(35)를 거쳐 기액분리기(40)로 공급하는 제2공급라인(L2), 압력펌프(20) 전단의 제1공급라인(L1)으로부터 분기되고, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 기액분리기(40)로 보내는 제3공급라인(L3), 및 기액분리기(40)에 의해 분리된 기체성분을 제1엔진(E1)보다 운용압력이 낮은 제2엔진(E2)의 연료가스로 공급하는 제4공급라인(L4)을 포함한다. 여기서, 제1엔진(E1)은 일 예로 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진일 수 있으며, 제2엔진(E2)은 DFDE 엔진 등과 같은 저압가스 분사엔진일 수 있다.
저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 액화상태로 저장할 수 있는 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), DME(Dimethylether), 에탄(Ethane) 중 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 저장탱크(10)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 저장탱크(10)는 액화가스가 LNG일 경우 내부압력이 1bar를 유지하거나 연료공급조건을 고려해 그보다 높은 압력으로 유지할 수 있고, 액화상태 유지를 위해 내부온도가 ―163℃도 정도를 유지할 수 있다.
저장탱크(10) 내부에는 송출펌프(15)가 설치되어, 미리 설정된 압력에 따라 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 제1공급라인(L1)을 통해 송출할 수 있다.
제1공급라인(L1)에 설치된 압력펌프(20)와 기화기(30)는 제1엔진(E1)의 연료가스 공급조건에 맞게 저장탱크(10)로부터 제1공급라인(L1)을 통해 공급되는 액화가스의 압력, 상태, 온도 등을 변환시킨다.
제2공급라인(L2)은 기화기(30) 후단의 제1공급라인(L1)으로부터 분기되어 감압밸브(35) 및 기액분리기(40)와 연결된다. 기화기(30)를 거친 기화된 액화가스는 제2공급라인(L2)에 설치된 감압밸브(35)에 의해 온도가 떨어진 상태에서 기액분리기(40)로 공급된다.
여기서, 압력펌프(20) 전단의 제1공급라인(L1)으로부터 분기된 제3공급라인(L3)을 통해 저장탱크(10)로부터 기액분리기(40)로 액화가스가 공급되어 상술한 제2공급라인(L2)를 통해 기액분리기(40)로 공급된 감압된 액화가스와 혼합된다. 제3공급라인(L3)에는 저장탱크(10)로부터 기액분리기(40)로 공급되는 액화가스의 양을 조절하기 위한 개폐밸브(V1)가 마련된다.
기액분리기(40)는 상술한 바와 같이 제2공급라인(L2)과 제3공급라인(L3)을 통해 각각 공급된 액화가스의 혼합물을 기체성분과 액체성분으로 분리시킨다. 기액분리기(40)의 액체성분은 회수라인(L5)을 통해 저장탱크(10)로 보내질 수 있다.
기액분리기(40)에 의해 분리된 기체성분은 제4공급라인(L4)을 통해 제2엔진(E2)의 연료가스로 공급된다.
여기서, 제4공급라인(L4)에 설치된 측정부(50)는 제2엔진(E2)으로 공급되는 연료가스의 메탄가를 측정한다. 이때, 측정부(50)는 예컨대 제2엔진(E2)으로 공급되는 연료가스의 온도를 감지하는 방법으로 메탄가를 측정할 수 있다. 이를 위해, 도시하지는 않았으나, 측정부(50)는 온도 감지센서, 메탄가 측정센서 등을 포함할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, LNG의 기체상과 액체상의 공존은 온도와 압력에 의하여 결정되며, 액체상에는 LNG중 끓는점이 높은 고탄화수소물(에탄, 프로판, 부탄 등)이 고농도로 존재한다. 그리고 기체상에는 LNG 중 끓는점이 낮은 저탄화수소물(메탄) 및 질소가 고농도로 존재한다. 기체상과 액체상의 공존에 있어, 온도와 압력은 기체 및 액체 공존상 유지에 주요조건이나 이 중 한가지가 결정되면 나머지는 기체 및 액체상 결정에 종속요소가 된다. 상술한 제2공급라인(L2)에 설치된 감압밸브(35)는 제2엔진(E2)에서 요구하는 압력으로 조절하므로 제4공급라인(L4)의 압력은 제2공급라인(L2)의 감압밸브(35)에 의하여 결정된다. 이렇게 압력이 결정된 상태에서의 기체. 액체 각각의 조성의 결정은 온도에 의존하게 되므로 측정부(50)는 측정부(50)는 제2엔진(E2)으로 공급되는 연료가스의 온도를 감지하는 방법으로 메탄가를 측정할 수 있게 된다.
상술한 측정부(50)에 의해 측정된 메탄가 정보는 제어부(60)로 전송된다.
제어부(60)는 측정부(50)에 의해 측정된 메탄가를 기초로 제2엔진(E2)의 요구조건에 맞게 메탄가를 조절하기 위해, 상술한 개폐밸브(V1)의 작동을 제어한다.
예컨대, 개폐밸브(V1)가 폐쇄된 상태에서, 측정부(50)에 의해 측정된 메탄가가 제2엔진(E2)이 요구하는 메탄가보다 낮다고 판단되면, 측정부(50)는 메탄가 정보를 제어부(60)로 전송한다.
다음으로, 제어부(60)는 개폐밸브(V1)를 개방시켜 제3공급라인(L3)을 통해 기액분리기(40)로 저장탱크(10)의 액화가스를 공급하는 방법으로 제2엔진(E2)이 요구하는 메탄가 조건을 맞출 수 있다. 개폐밸브(V1)의 개방되는 정도는 미리 설정된 기준에 따라 달라질 수 있다.
즉, 제어부(60)에 의해 개폐밸브(V1)가 개방되면, 제3공급라인(L3)을 통해 저장탱크(10)로부터 기액분리기(40)로 액화가스가 공급되어, 제2공급라인(L2)를 통해 기액분리기(40)로 공급되는 액화가스와 혼합된다. 이때, 압력펌프(20) 전단의 제1공급라인(L1)으로부터 분기된 제3공급라인(L3)을 통해 공급되는 액화가스에 의해 제2공급라인(L2)을 통해 공급되는 액화가스의 성분 중 끓는점이 높은 성분은 액화되어 기액분리기(40)에 액체성분으로 저장되고, 상대적으로 끓는점이 낮은 성분은 기체성분으로 기액분리기(40)에 저장된다. 끓는점이 낮은 성분은 메탄가가 높은 메탄성분을 포함한다.
다음으로, 기액분리기(40)에 저장된 메탄가가 높은 기체성분은 제4공급라인(L4)을 통해 제2엔진(E2)의 연료가스로 공급되어, 제2엔진(E2)이 요구하는 메탄가 조건에 맞게 연료가스가 효과적으로 공급될 수 있다.
여기서, 히터(70)가 제4공급라인(L4)에 설치되어, 제2엔진(E2)이 요구하는 온도조건에 맞게 제2엔진(E2)으로 공급되는 연료가스를 가열할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 상술한 기액분리기(40)의 내측으로 연장된 제3공급라인(L3)의 출구 측 단부에 분사장치(80)가 마련될 수 있다. 분사장치(80)는 제3공급라인(L3)을 통해 공급된 액화가스를 기액분리기(40)의 내측으로 분사하는 노즐(81)을 가진다. 분사 노즐(81)을 통해 제2공급라인(L2) 및 제3공급라인(L3)을 통해 공급된 액화가스가 용이하게 혼합될 수 있으며, 효과적으로 기액분리기(40) 내부의 메탄가 상승을 유도할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 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: 저장탱크 20: 압력펌프
30: 기화기 35: 감압밸브
40: 기액분리기 50: 측정부
60: 제어부 70: 히터
80: 분사장치 100: 연료가스 공급시스템
E1,E2: 엔진 L1~L4: 공급라인
L5: 회수라인 V1: 개폐밸브

Claims (8)

  1. 액화가스 및 상기 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 가압하여 송출하는 압력펌프;
    상기 압력펌프를 거친 액화가스를 기화시키는 기화기;
    상기 기화된 액화가스를 공급받아 감압시키는 감압밸브; 및
    상기 압력펌프, 상기 기화기 및 상기 감압밸브를 거쳐 공급된 상기 저장탱크의 액화가스와 상기 압력펌프 전단의 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스의 혼합물을 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 기액분리기;를 포함하는 연료가스 공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 압력펌프 및 상기 기화기를 거쳐 제1엔진 쪽으로 보내는 제1공급라인과,
    상기 기화기 후단의 상기 제1공급라인으로부터 분기되고, 상기 기화된 액화가스를 상기 감압밸브를 거쳐 상기 기액분리기 쪽으로 공급하는 제2공급라인과,
    상기 압력펌프 전단의 상기 제1공급라인으로부터 분기되고, 상기 저장탱크로부터 공급된 액화가스를 상기 기액분리기로 보내는 제3공급라인과,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 상기 기체성분을 상기 제1엔진보다 운용압력이 낮은 제2엔진의 연료가스로 공급하는 제4공급라인을 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제4공급라인에 설치되고, 상기 제2엔진이 요구하는 온도조건에 맞게 상기 기액분리기로부터 공급된 기체성분을 가열하는 히터를 더 포함하는 연료가스 공급시스템.
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