KR102234667B1

KR102234667B1 - 선박의 고압 연료 공급장치

Info

Publication number: KR102234667B1
Application number: KR1020140164551A
Authority: KR
Inventors: 진종운; 장해기; 송상준
Original assignee: 삼성중공업(주)
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2021-04-05
Anticipated expiration: 2034-11-24
Also published as: KR20160062300A

Abstract

본 발명은 선박의 고압 연료 공급장치를 제공한다. 본 발명의 선박의 고압 연료 공급장치는 액화가스가 구비된 저장탱크; 상기 저장탱크에서 발생되는 기화가스(Boil off Gas)를 MEGI 엔진으로 공급하는 기화가스 공급라인; 상기 기화가스 공급라인상에 설치되고, 기화가스를 상기 MEGI 엔진에서 요구하는 고압으로 압축하는 압축부; 상기 압축부에서 압축된 고압의 기화가스를 공급받아 액화시키는 재액화부; 상기 저장탱크 내부에 설치되는 공급펌프; 상기 공급펌프로부터 공급받은 액화가스를 상기 MEGI 엔진으로 공급하는 그리고 액화가스를 고압으로 압축하는 고압 펌프가 구비된 다이렉트 공급라인; 상기 다이렉트 공급라인상에 설치되고, 고압으로 압축된 액화가스를 상기 MEGI 엔진에서 사용할 수 있는 기화가스로 증발시키는 제1 기화기를 포함하되; 상기 재액화부는 고압의 기화가스에 의해 터빈 러너가 회전되면서 기화가스의 압력이 줄어들고, 상기 터빈 러너의 회전에 의해 전기를 생성하는 전기적 유도 발전기를 갖는 익스펜더를 포함한다.

Description

선박의 고압 연료 공급장치{APPARATUS FOR SUPPLYING HIGH-PRESSURE FUEL GAS IN SHIP}

본 발명은 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스인 LNG(liquified natural gas) 저장탱크를 구비한 선박에서의 고압 연료 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색 투명한 액체이다. LNG는 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있으며, 일 예로 LNG를 해상으로 수송(운반)할 수 있는 LNG 운반선이 사용되고 있다.

최근에는 LNG 운반선을 위하여 MEGI 엔진이 개발되어 사용되고 있다. MEGI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, MEGI 엔진은 10bar수준의 저압가스를 연료로 사용하는 DFDE 엔진에 비해 300bar 이상의 고압가스가 추진연료로 사용된다.

종래 MEGI 엔진의 연료가스 공급 시스템은 잉여 기화가스를 J/T(줄-톰슨)형 밸브에 의해서 재액화하고 있으나, 문제는 J/T(줄-톰슨)형 밸브의 효율이 낮기 때문에 재액화되고 남은 가스(Flash gas)량이 상당하고, 이 가스를 계속적으로 내부 순환을 시켜야하므로 이는 곧 압축기의 용량증가를 초래하고, 압축기를 돌리는데 추가 전기가 요구되는 등의 문제점이 있다.

또한, 밸러스트 항해시 탱크로부터 LNG를 제공받아 DF 엔진이나 MEGI 엔진으로 공급하는데, 만약 DF 엔진에서 가스가 필요한 경우 HP 펌프를 통해 고압으로 상승된 가스를 다시 DF 엔진에서 요구하는 저압으로 낮춰야하므로 에너지 낭비를 초래하게 된다.

본 발명의 실시예는 재액화 효율 및 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 선박의 고압 연료 공급장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 전기에너지 소비를 줄일 수 있는 선박의 고압 연료 공급장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예은 액화가스 및 기화가스를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 선박의 고압 연료 공급장치를 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스가 구비된 저장탱크; 상기 저장탱크에서 발생되는 기화가스(Boil off Gas)를 MEGI 엔진으로 공급하는 기화가스 공급라인; 상기 기화가스 공급라인상에 설치되고, 기화가스를 상기 MEGI 엔진에서 요구하는 고압으로 압축하는 압축부; 상기 압축부에서 압축된 고압의 기화가스를 공급받아 액화시키는 재액화부; 상기 저장탱크 내부에 설치되는 공급펌프; 상기 공급펌프로부터 공급받은 액화가스를 상기 MEGI 엔진으로 공급하는 그리고 액화가스를 고압으로 가압하는 고압 펌프가 구비된 다이렉트 공급라인; 상기 다이렉트 공급라인상에 설치되고, 고압으로 압축된 액화가스를 상기 MEGI 엔진에서 사용할 수 있는 기화가스로 증발시키는 제1 기화기를 포함하되; 상기 재액화부는 고압의 기화가스에 의해 터빈 러너가 회전되면서 기화가스의 압력이 줄어들고, 상기 터빈 러너의 회전에 의해 전기를 생성하는 전기적 유도 발전기를 갖는 익스펜더를 포함하는 선박의 고압 연료 공급장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 공급펌프로부터 공급받은 액화가스를 상기 DF 엔진으로 공급하는 그리고 액화가스를 기화가스로 증발시키는 제2기화기를 설치된 서브 공급라인을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 재액화부는 고압의 기화가스가 상기 익스펜더로 공급되기 전에 상기 기화가스 공급라인을 통과하는 기화가스와 열교환하기 위한 열교환기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 재액화 효율이 높고 추가적으로 전기까지 생성시킬 수 있어 전체 시스템의 효율을 높일 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예들은 DF 엔진 전용의 기화기를 설치함으로써 에너지 낭비를 최소화할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 선박의 고압 연료 공급장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 익스펜더의 개략적인 구조를 보여주는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 선박의 고압 연료 공급장치를 도시한 구성도이다.

본 실시예의 주요 특징은 고압으로 압축된 기화가스에 의해 터빈 러너가 회전되면서 압력을 떨어뜨리고, 터빈 러너의 회전에 의해 전기 에너지를 생성하는 익스펜더를 이용한 재액화부를 갖는 것을 주요 특징으로 한다.

본 명세서에서 "고압"이란 MEGI 엔진(저속 2행정 고압가스 분사 엔진)에서 요구하는 연료공급압력, 예컨대 300 ~ 400 bara 정도의 압력을 의미하는 것이고, "저압"이란 DF 엔진에서 요구하는 연료공급압력, 예컨대 5 ~ 40 bara 정도의 압력을 의미하는 것으로 간주되어야 한다.

도 1을 참조하면, 선박의 고압 연료 공급장치(10)는 저장탱크(100), 기화가스 공급라인(200), 압축부(300), 공급펌프(400), 다이렉트 공급라인(500), 서브 공급라인(600), 서브 기화가스 공급라인(900) 그리고 재액화부(700)를 포함한다.

본 실시예의 선박의 고압 연료 공급장치(10)는 저온 액화 상태의 가스가 구비된 저장탱크(100)가 LNG 운송선에 마련된다. 본 실시예들에서는 LNG 운송선(LNG Carrier)을 예로 들어 설명을 하고 있으나, 본 발명의 핵심 사상은 이에 한정되지 않으며 LNG 저장탱크를 구비한 선박 및 부유식 해상 구조물 즉, LNG-FPSO(Floating Production Storage and Offloading), LNG-RV(Regasification Vessel), LNG-FSRU(Floating Storage Regasification Unit)등에도 적용될 수 있다.

저장탱크(100)는 다수개가 구비될 수 있으며, 본 실시예에서는 하나의 탱크(102)가 구비되는 것으로 설명한다. 탱크(102)는 내부에 저온(-163℃) 상태의 LNG가 저장될 수 있다. 탱크(102)의 개수는 가변 가능하며 도 1에 도시된 개수에 한정하지 않는다. 탱크(102)는 본 실시예처럼 독립된 저장 탱크방식 이외에도 멤브레인형 저장 탱크일 수 있다. 탱크(102)의 바닥에는 액화 천연 가스(LNG)를 외부로 배출하기 위한 공급 펌프(400)가 설치되어 있다.

저장탱크(100)는 내부에 자연적으로 기화가스(BOG)가 발생되고, 기화가스는 탱크(102)에 연결된 기화가스 공급라인(200)으로 공급될 수 있다.

저장탱크(100)는 소정의 크기 및 형상을 가질 수 있으며, 내부에 LNG가 채워질 수 있다. 기화가스는 MEGI 엔진(20) 및 DF 엔진(30)의 작동을 위한 연료로 공급될 수 있다. MEGI 엔진(20)은 작동 가능한 연료로 기화가스, 액화가스를 강제 기화시킨 강제기화가스 및 중유를 공급받아 작동될 수 있다.

저장탱크(100)에서 발생되는 기화가스는 기화가스 공급라인(200)을 통해 EGI 엔진(20)으로 공급될 수 있다. 기화가스 공급라인(200) 상에는 압축부(300)가 설치된다.

또한, 저장탱크(100)에서 발생되는 기화가스는 서브 기화가스 공급라인(900)을 통해 가스 연소 유닛(40)(GCU; gas combustion unit)으로 공급될 수 있다. 즉, 저장 탱크(100)로부터 기화된 기화 가스는 전환 밸브(미도시됨)를 전환시키는 것에 의하여 MEGI 엔진(20) 또는 가스 연소 유닛(40)으로 선택적 공급이 가능하다.

압축부(300)는 저장 탱크(100)로부터 발생한 기화 가스를 MEGI 엔진(20)에서 요구하는 고압으로 기화가스를 압축하는 장치이다. 압축부(300)는 기화된 가스의 온도 및 가스량에 따라 적어도 2단 이상으로 압축가능한 다단 압축기를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 5단 압축기가 구비될 수 있으며 직렬로 서로 간에 연결 배치될 수 있다. 압축부(300)가 다단으로 배치된 5단 압축기를 구비한 이유는 MEGI 엔진(20)으로 공급되는 기화 가스의 압력을 MEGI 엔진(20)에서 안정적인 작동을 위한 요구 압력(예를 들면 300bara)까지 상승시켜 공급하기 위해서이다.

MEGI 엔진(20)은 다단 압축기들 통과하여 소망하는 압력(300bara) 및 온도를 가지는 기화 가스를 기화가스 공급라인(200)을 통해 공급받는다. MEGI 엔진(20)은 저장 탱크(100)로부터 기화된 가스를 이용하여 액화 천연 가스 운반선을 추진하기 위한 에너지원을 제공한다.

MEGI 엔진(20)은, 동급출력의 디젤엔진에 비해 오염물질 배출량을 이산화탄소는 23%, 질소화합물은 80%, 황화합물은 95% 이상 줄일 수 있는 친환경적인 엔진이다. MEGI 엔진(20)은 LNG를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 선박(본 명세서에서 선박이란, LNG 운반선, LNG RV 등을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.)에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 300bara 이상의 고압가스를 추진연료로 사용한다. MEGI 엔진(20)은 추진을 위해 프로펠러에 직결되어 사용될 수 있으며, 이를 위해 MEGI 엔진은 저속으로 회전하는 2 행정 엔진으로 이루어진다. 즉, MEGI 엔진(20)은 저속 2행정 고압 천연가스 분사 엔진이다.

기화가스 분기라인(290)은 기화가스 공급라인(200)상에 설치된 압축부(300)로부터 분기되어 DF 엔진(30)으로 기화가스를 공급한다.

DF 엔진(30)(예컨대 DFDG; Dual Fuel Diesel Generator)은 오일과 천연 가스를 혼합연소하거나 오일과 천연가스 중 선택된 하나만을 연료로 사용할 수 있는 엔진으로서, 오일만을 연료로 사용하는 경우보다 연료에 포함된 황화합물이 적어 배기가스 중 황산화물의 함량이 적다. DF 엔진(30)은 MEGI 엔진(20)과 같은 고압으로 연료가스를 공급할 필요가 없으며, 대략 수 내지 수십 bara 정도로 연료가스를 사용한다. DF 엔진(20)은 엔진의 구동력에 의해 발전기를 구동시켜 전력을 얻고, 이 전력을 이용하여 추진용 모터를 구동시키거나 각종 장치나 설비를 운전한다.

다이렉트 공급라인(500)은 액체 상태의 액화가스(LNG)를 MEGI 엔진(20)에서 필요로 하는 연료가스로 공급하기 위해 제공된다. 다이렉트 공급라인(500)은 공급펌프(400)로부터 공급받은 액화가스를 MEGI 엔진(20)으로 공급하는 라인이다. 다이렉트 공급라인(500) 상에는 고압 펌프(510)와 제1기화기(520)가 순차적으로 설치된다. 액화가스는 고압 펌프(510)에서 MEGI 엔진(20)에서 요구하는 압력으로 압축되고, 계속해서 압축된 상태의 액화가스는 제1기화기(520)에서 강제 기화되어 MEGI 엔진(20)으로 공급된다.

서브 공급라인(600) 액체 상태의 액화가스(LNG)를 DF 엔진(30)에서 필요로 하는 연료가스로 공급하기 위해 제공된다. 서브 공급라인(600)은 공급펌프(400)로부터 공급받은 액화가스를 DF 엔진(30)으로 공급하는 라인이다. 서브 공급라인(600) 상에는 제2기화기(610)와 히터(620)가 순차적으로 설치된다.

참고로, LNG 운반선, LNG RV 등과 같은 선박은, LNG를 생산지로부터 소비지로 수송하기 위해 사용되므로, 생산지에서 소비지로 운항할 때에는 저장탱크에 LNG를 가득 적재한 레이든(Laden) 상태로 운항하고, LNG를 하역한 후 다시 생산지로 돌아갈 때에는 저장탱크가 거의 비어있는 밸러스트(Ballast) 상태로 운항한다. 레이든 상태에서는 LNG의 양이 많아 상대적으로 증발가스 발생량도 많고, 밸러스트 상태에서는 LNG의 양이 적어 상대적으로 증발가스 발생량도 적다.

본 발명에서와 같이, 기화가스의 발생량이 적은 밸러스트 상태에서 DF 엔진(30)에 연료가스를 공급하기 위해서는 DF 엔진 전용인 제2기화기(610)가 설치된 서브 공급라인(600)을 통해 연료가스를 공급할 수 있어, 기존 방식에 비해 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.

한편, 압축부(300)에서 압축된 기화가스는 재액화 라인(800)을 통하여 재액화부(700)로 공급된다.

재액화부(700)는 압축부(300)에서 압축된 고압의 기화가스를 공급받아 액화시키기 위한 것으로, 열교환기(Cryogenic Heat Exchanger)(710)와 익스펜더(720) 그리고 상분리기(790)를 포함한다. 고압의 기화가스는 익스펜더(720)로 공급되기 전에 열교환기(710)에서 기화가스 공급라인을 통과하는 기화가스와 열교환이 이루어진다.

익스펜더(720)는 고압의 기화가스에 의해 터빈 러너가 회전되면서 기화가스의 압력이 줄어들고, 터빈 러너의 회전에 의해 전기를 생성할 수 있다. 익스펜더(720)로 공급되는 고압의 기화가스는 열교환기를 통과하면서 일부 재액화된 상태일 수 있다.

도 2에는 익스펜더의 개략적인 구조가 개시되어 있다.

도 2를 참조하면, 익스펜더(720)는 열교환기(710)를 통과한 고압의 기화가스가 유입되는 유입구(712a)와, 상단에 유출구(712b)를 갖는 용기(712)를 갖는다. 용기(712) 내부에는 터빈 러너(714)와, 전기적 유도 발전기(716) 그리고 구동 샤프트(718)가 제공된다. 구동 샤프트(718)는 터빈 러너(714)에서 전기적 유도 발전기(716)까지 회전 토크 에너지를 제공한다. 터빈 러너(714)는 회전 토크 에너지를 구동 샤프트(718)에게 제공하고, 고압의 기화가스를 익스튜서(exducer;719)로 향하게 한다. 익스튜서(719)는 구동 샤프트(718) 단부에 설치된다. 익스튜서(719)는 회전 토크 에너지를 구동 샤프트(718)에게 제공하고, 용기(712)의 유출구(712b)로 변형된 기화 가스(압력이 낮아진 기화가스)를 안내한다.

즉, 익스펜더(720)는 300bara의 가스가 유입구(712a)에 들어가서 터빈 러너(714)를 돌리고, 이 터빈 러너(714)의 회전으로 압력이 줄어들고, 동시에 이 터빈 러너(714)를 돌림으로써 발전기 로터(generator rotor)(716a)를 돌리게 된다. 발전기 로터(716a)의 회전에 의해 주위 스테이터(Stator;716b)를 통해 전기가 생성된다. 이처럼, 재액화부(700)는 익스펜더(720)를 통해서 감압의 효과와 전기 생산이라는 2가지 효과를 기대할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 저장 탱크 200 : 기화가스 공급라인
300 : 압축부 400 : 공급 펌프
500 : 다이렉트 공급라인 600 : 서브 공급라인
700 : 재액화부

Claims

선박의 고압 연료 공급장치에 있어서:
액화가스가 구비된 저장탱크;
상기 저장탱크에서 발생되는 기화가스(Boil off Gas)를 MEGI 엔진으로 공급하는 기화가스 공급라인;
상기 기화가스 공급라인상에 설치되고, 기화가스를 상기 MEGI 엔진에서 요구하는 고압으로 압축하는 압축부;
상기 압축부에서 압축된 고압의 기화가스를 공급받아 액화시키는 재액화부;
상기 저장탱크 내부에 설치되는 공급펌프;
상기 공급펌프로부터 공급받은 액화가스를 상기 MEGI 엔진으로 공급하는 그리고 액화가스를 고압으로 가압하는 고압 펌프가 구비된 다이렉트 공급라인;
상기 다이렉트 공급라인상에 설치되고, 고압으로 압축된 액화가스를 상기 MEGI 엔진에서 사용할 수 있는 기화가스로 증발시키는 제1 기화기를 포함하되;
상기 재액화부는
고압의 기화가스에 의해 터빈 러너가 회전되면서 기화가스의 압력이 줄어들고, 상기 터빈 러너의 회전에 의해 전기를 생성하는 전기적 유도 발전기를 갖는 익스펜더; 및
고압의 기화가스가 상기 익스펜더로 공급되기 전에 상기 기화가스 공급라인을 통과하는 기화가스와 열교환하기 위한 열교환기를 포함하되;
상기 익스펜더는
상기 열교환기를 통과한 고압의 기화가스가 유입되는 유입구와, 상단에 유출구를 갖는 용기;
상기 용기 내부에 제공되고 고압의 기화가스에 의해 회전되는 터빈 러너;
상기 터빈 러너와는 구동 샤프트에 의해 연결되고 상기 터빈 러너의 회전 토크 에너지를 제공받아 회전되어 전기를 생성하는 발전기 로터; 및
상기 구동 샤프트의 단부에 설치되고, 상기 유출구와 대향되게 제공되며 상기 유출구를 향해 압력이 낮아진 기화 가스를 안내하는 익스듀서를 포함하는 선박의 고압 연료 공급장치.
제 1 항에 있어서,
상기 공급펌프로부터 공급받은 액화가스를 DF 엔진으로 공급하는 그리고 액화가스를 기화가스로 증발시키는 제2기화기를 설치된 서브 공급라인을 더 포함하는 선박의 고압 연료 공급장치.
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