KR102542459B1 - 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 액화가스를 연료로 하는 선박용 엔진에 연소용 공기를 공급하는데 있어서, 연소용 공기를 충분히 낮은 온도로 냉각시켜 공급함으로써, 엔진의 연비를 향상시킬 수 있도록 하는, 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템은, 액화가스 연료 선박의 엔진에 공급되는 연소용 공기의 냉각 시스템에 있어서, 냉매와의 열교환으로 상기 엔진에 공급될 상기 연소용 공기를 냉각하는 연소용 공기 쿨러; 및 상기 연소용 공기 쿨러의 전단에 구비되며, 상기 연소용 공기 쿨러로 공급할 냉매를 냉각하는 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법 {Scavenge Air Cooling System and Method for a Ship}

본 발명은, 액화가스를 연료로 하는 선박용 엔진에 연소용 공기를 공급하는데 있어서, 연소용 공기를 충분히 낮은 온도로 냉각시켜 공급함으로써, 엔진의 연비를 향상시킬 수 있도록 하는, 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다.

세계적으로 선박 배출가스 및 온실가스 규제가 강화되고 있다. 일례로, 최근 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization) 산하 해양환경보호위원회(MEPC; Marine Environment Protection Committee)의 대기오염 규제 협약에 의하면, 배기가스 중의 질소산화물(NO_x) 배출량이 약 14.4g/kWh를 만족시키도록 규제하는 Tier Ⅱ가 지난 2011년부터 발효되었고, 이보다 더 엄격하게 강화된 Tier Ⅲ가 2016년 1월 1일부터 제한적으로 적용되었다.

즉, 2016년 이후에 건조되어 북미 및 캐리비안 해역을 포함하는 ECA(Emission Control Area) 지역을 운항하는 선박은 Tier Ⅲ 규제를 만족해야 하며, NO_x 배출량을 기존 14.4g/kWh에서 3.4g/kWh로 줄여야 한다. 또한, 향후 ECA 지역의 지정은 지속적으로 확대될 예정이며, 그 규제치 역시 강화될 것으로 전망된다.

선박의 질소산화물 배출 규제를 만족시키기 위한 방법으로는, 대표적으로, SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템을 설치하여, 엔진에서 배출되는 배기가스에 요소수(urea)를 공급하여 질소산화물을 질소(N₂)와 물(H₂O)로 전환시키는 방법이나, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템을 설치하여 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 냉각 및 정제한 뒤, 연소공기와 혼합하여 다시 엔진으로 공급하여 연소시킴으로써 질소산화물의 생성을 억제하는 방법이 있다.

한편, 이와 같은 청정기술을 적용하더라도, 청정연료인 천연가스(NG; Natural Gas)를 연료로 사용하는 것보다는 효과가 저조한 것으로 알려져있다. 천연가스를 선박의 추진연료로 사용하는 경우, HFO(Heavy Fuel Oil)과 같은 디젤 연료를 사용하는 것에 비해, 미세먼지와 황산화물(SO_x)의 배출은 거의 없고, 질소산화물과 이산화탄소 등 온실가스의 배출량은 대폭 감소시킬 수 있다.

해양 대기 오염을 방지하기 위한 국제적인 관심이 증가하면서, 친환경 선박(Green-ship)으로서, 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)를 연료로 사용하는 선박(LFS; Liquefied Gas Fueled Ship)이 개발되어, 각국의 선급으로부터 공식인증(AIP; Approval In Principle)을 승인받아, 환경 규제로 인한 청정에너지로의 전환 요구를 충족시키고 있다. 이러한 LFS는, LNG 저장탱크가 구비되어 LNG 화물을 운반하는 LNG 운반선뿐만 아니라, 컨테이너선, 탱커선 등을 비롯한 일반 상선에도 적용할 수 있는 기술이 개발되고 있다.

천연가스는 황 함유량이 적어 연소시에 황화합물 및 검댕 물질을 생성하지 않아 비교적 친환경적이다. 최근 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization)와 각국의 배기가스 배출기준이 강화되고, 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 연료로서의 LNG의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있으며, 추진용 연료로서 LNG를 사용하는 선박의 운항도 늘어나고 있다.

선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진(Dual Fuel Engine)으로는, 대표적으로, ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진 등이 있다.

이러한 선박용 이중연료 엔진은 청정연료인 천연가스를 연료로 활용할 수 있는 장점이 있고, 최근에는 연소 효율 또한 개선되고 있어 점차 강화되고 있는 이산화탄소 배출 규제 등에 따라 선박에 필수적으로 적용되고 있다.

한편, 선박용 엔진의 효율을 높이기 위해 고압으로 압축된 흡입공기를 선박용 엔진의 연소용 공기(소기, scavenge air)로 공급하는 기술도 개발되어 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 특히 선박용 엔진(10)에서 배출되는 고온, 고압의 배기가스를 이용하여 터빈을 구동시키고, 터빈에 의해 흡입공기를 압축하여 소기를 생성하여 엔진으로 공급함으로써, 엔진 효율과 에너지 효율을 높일 수 있는 터보 차저(TC)(turbo charger)가 개발되어 적용되고 있다.

엔진의 효율을 높이기 위해 엔진에 공급되는 소기는 고압으로 압축되면서 온도도 높아진다. 이러한 소기는 열교환기(20)에서 청수를 이용하여 냉각시킨 후 엔진으로 공급하게 된다.

상술한 LNG를 연료로 사용할 수 있는 선박용 엔진은, 선박에 추진용 엔진(main engine) 및 발전용 엔진(generator engine)으로 사용될 수 있다. 이러한 선박용 엔진은, 실린더 내로 일정 수준보다 낮은 온도의 연소용 공기를 공급할수록 실린더 내부의 부식(cold corrosion)을 개선할 수 있고, 연료 소모량(SFOC; Specific Fuel Oil Consumption)을 절감할 수 있어 연료비를 절감할 수 있으며, 엔진 효율을 향상시킬 수 있다.

일반적으로, 선박에는 엔진 등 각종 발열 설비를 냉각시키기 위한 냉각수로서, 청수(fresh water)를 냉각 및 순환시키는 중앙 청수 냉각 시스템(central fresh water cooling system)이 구비된다. 중앙 청수 냉각 시스템에서 냉각된 청수를 이용하여 연소용 공기를 냉각시킬 수 있다.

이러한 기존의 중앙 청수 냉각 시스템은, 청수의 냉각 온도가 약 36℃로 설계되어 있고, 엔진의 연소용 공기의 냉각 온도는 청수 온도와의 열교환에 의해 결정된다. 따라서, 청수의 냉각 온도를 더 낮게 설정하여야 연소용 공기의 냉각 온도를 더 낮출 수 있으며, 청수의 냉각 온도는 청수를 냉각시키는 해수의 온도 및 열 교환량에 따라 결정된다.

그러나, 중앙 청수 냉각 시스템에서 냉각되는 청수는 연소용 공기를 냉각시키는 냉각수로만 활용되는 것이 아니라 선박 내 다른 청수 수요처로도 공급되며, 청수 냉각 설계 온도가 너무 낮으면, 장치의 부품이 파손되는 등 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 냉각 시스템 전체의 청수 냉각 설계 온도를 낮추는 것은 비효율적이다.

한편, 해수의 온도가 높은 곳을 운항하거나, 해수의 온도가 높은 해상에 부유하여 작업하는 선박이나 해상 구조물의 경우에는 중앙 청수 냉각 시스템에서 냉각되는 청수의 온도, 엔진의 연소용 공기의 온도를 낮추는데 한계가 있다. 또한, 이를 위해 선박이라는 한정된 공간 내에서, 연소용 공기를 냉각시키기 위한 별도의 냉각수 시스템을 마련한다는 것은 공간, 비용적 측면에서 불리하므로 선호되는 사항은 아니다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하고자 안출된 것으로, 기존의 선박 내 중앙 청수 냉각 시스템의 설계 변경을 최소화하면서도 엔진의 연소용 공기를 더 낮은 온도로 냉각시킬 수 있어 연료비를 절감하고 엔진 효율을 향상시킬 수 있는 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 연료 선박의 엔진에 공급되는 연소용 공기의 냉각 시스템에 있어서, 냉매와의 열교환으로 상기 엔진에 공급될 상기 연소용 공기를 냉각하는 연소용 공기 쿨러; 및 상기 연소용 공기 쿨러의 전단에 구비되며, 상기 연소용 공기 쿨러로 공급할 냉매를 냉각하는 열교환기;를 포함하는, 선박의 연소용 공기 냉각 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 엔진으로 공급할 액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키는 기화기;를 더 포함하고, 상기 열교환기는 상기 기화기이며, 상기 기화기와 상기 연소용 공기 쿨러를 연결하고, 상기 열전달 매체가 상기 기화기 및 연소용 공기 쿨러를 순환하도록 경로를 제공하는 열전달 매체 라인;을 더 포함하여, 상기 연소용 공기 쿨러에서는, 상기 기화기에서 액화가스를 기화시키면서 냉각된 열전달 매체를 통해 상기 액화가스와 상기 연소용 공기가 간접 열교환하여 상기 연소용 공기가 냉각될 수 있다.

바람직하게는, 씨체스트 및 해수 펌프에 의해 흡입된 해수와 청수를 열교환시켜 청수를 냉각시키는 중앙 청수 쿨러; 상기 중앙 청수 쿨러에서 냉각된 청수를 상기 선박 내 냉각장치로 공급하는 청수 펌프; 및 상기 청수 펌프와 상기 연소용 공기 쿨러를 연결하며, 상기 중앙 청수 쿨러에서 냉각된 청수가 상기 연소용 공기 쿨러의 냉매로서 순환하도록 경로를 제공하는 청수 라인;을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 중앙 청수 쿨러에서 냉각된 청수를 열교환에 의해 더 냉각시키는 프리쿨러; 및 상기 연소용 공기 쿨러와 상기 프리쿨러를 연결하며, 상기 중앙 청수 쿨러에서 1차 냉각되고, 상기 프리쿨러에서 2차 냉각된 청수가 상기 연소용 공기 쿨러의 냉매로서 공급되도록 경로를 제공하는 냉매 공급 라인;을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 엔진으로 공급할 액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 기화기와 상기 프리쿨러를 연결하며, 상기 열전달 매체가 상기 기화기 및 프리쿨러를 순환하도록 경로를 제공하는 열전달 매체 라인;을 더 포함하고, 상기 연소용 공기 쿨러에서는, 상기 프리쿨러에서 상기 열전달 매체와의 열교환에 의해 더 냉각된 청수와 상기 연소용 공기가 열교환하여 상기 연소용 공기가 냉각될 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박의 선속에 의해 펌프 없이 해수를 흡입하는 스쿱 시스템; 및 상기 스쿱 시스템과 프리쿨러를 연결하며, 상기 스쿱 시스템을 통해 흡입된 해수가 상기 프리쿨러에서 청수를 냉각시키는 냉매로서 공급되도록 경로를 제공하는 스쿱 냉각 라인;을 더 포함할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스 연료 선박의 엔진에 공급되는 연소용 공기의 냉각 방법에 있어서, 상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 냉각된 냉매와 상기 연소용 공기를 열교환시켜 상기 연소용 공기를 냉각시켜 상기 엔진으로 냉각된 연소용 공기를 공급하는, 선박의 연소용 공기 냉각 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계는, 상기 엔진의 연료로 공급할 액화가스와 상기 냉매를 열교환시켜, 상기 열교환에 의해 액화가스를 기화시키고, 상기 액화가스를 기화시키면서 냉각된 냉매를 상기 연소용 공기를 냉각시키는 냉매로서 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계는, 상기 선박의 씨체스트 및 해수 펌프를 이용하여 흡입한 해수와 청수를 열교환시켜 청수를 냉각시키고, 상기 해수와의 열교환에 의해 냉각된 청수 및 상기 엔진의 연료로 공급할 액화가스를 기화시키면서 냉각된 열전달 매체를 열교환시켜, 상기 청수를 더 냉각시키고, 상기 해수 및 열전달 매체에 의해 냉각된 청수를 상기 연소용 공기 쿨러로 공급하여 연소용 공기를 냉각시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계는, 상기 선박의 씨체스트 및 해수 펌프를 이용하여 흡입한 해수와 청수를 열교환시켜 청수를 냉각시키고, 상기 해수와의 열교환에 의해 냉각된 청수 및 상기 선박의 선속에 의해 펌프를 이용하지 않고 흡입한 해수를 열교환시켜, 상기 청수를 더 냉각시키고, 상기 해수 펌프를 이용하여 흡입한 해수 및 상기 펌프를 이용하지 않고 흡입한 해수에 의해 냉각된 청수를 상기 연소용 공기 쿨러로 공급하여 연소용 공기를 냉각시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 엔진으로 공급할 액화가스와 상기 연소용 공기 쿨러에서 상기 연소용 공기를 냉각시키면서 가열된 냉매를 열교환시켜, 상기 엔진으로 공급할 액화가스를 기화시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 엔진으로 공급할 액화가스와 상기 청수를 냉각시키면서 가열된 열전달 매체를 열교환시켜, 상기 엔진으로 공급할 액화가스를 기화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법에 의하면, 엔진의 연소용 공기의 냉각 효율을 향상시킴으로써, 엔진의 연소효율 향상을 위한 최소 온도로 연소용 공기를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 엔진에 충분히 냉각된 고밀도의 연소용 공기를 공급할 수 있어 엔진의 연비를 향상시키고, 선박의 연료 소비량을 줄일 수 있다.

또한, 액화가스를 연료로 사용하는 선박에서 액화가스의 냉열을 활용하여 연소용 공기의 냉각 효율을 향상시키는 동시에, 선박의 엔진에 연료로 공급하기 위한 액화가스는 연소용 공기로부터 열에너지를 공급받아 기화시킬 수 있으므로, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.

이와 같이, 엔진의 연비를 향상시켜 선박의 연료 소비량을 줄이고, 선박의 에너지 효율을 높임으로써 선박의 경제성 및 경쟁력을 높일 수 있다.

또한, 낮은 온도의 연소용 공기를 엔진으로 공급함으로써, 엔진의 실린더 부식 등을 개선하여 실린더 내부 상태(condition)를 향상시킬 수 있다.

또한, 엔진의 연소용 공기를 냉각시키기 위해 공급하는 냉각수의 온도와 선박 내 다른 청수 수요처로 공급하는 청수의 온도를 독립적으로 제어할 수 있어 운전 부하를 낮출 수 있고 에너지를 절감할 수 있다.

도 1은 종래의 연소용 공기 공급 시스템을 간략히 도시한 도면이다.
도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소용 공기 냉각 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 3에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소용 공기 냉각 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 4에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소용 공기 냉각 시스템을 개략적으로 도시하였다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법은, 선박용 엔진에 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박일 수 있다.

또한, 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구비된 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선(LNG Carrier), LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 액화가스 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스 또는 액화질소, 액화이산화탄소, 액화수소 등일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

즉, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 연료는, LNG이고, 엔진은 LNG를 연료로 사용할 수 있는 엔진이며, 본 실시예에 따른 선박은 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서에서, 청수란, 용어 그대로의 청수, 즉 해수를 담수화하여 정화한 청수를 선박 내 공정에서 필요한 물, 공정수(process water)로서 청수 수요처로 공급하는 청수를 의미할 수 있고, 장치 또는 중간매체를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수(cooling water)를 의미할 수 있다.

또한, 본 명세서에서, 엔진의 연소용 공기를 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수 및 청수 수요처로 공급되는 청수는 앞서 설명한 바와 같은 해수를 담수화한 청수일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 후술할 연소용 공기 쿨러 및 청수 수요처를 순환하는 글리콜 워터(Glycol Water) 등의 중간 매체로 활용되는 다른 유체일 수도 있다. 그러나, 본 실시예에서는 청수인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서에서, 엔진(Engine)은, 연료를 연소시켜 동력을 얻을 수 있는 내연기관을 의미하며, 2행정 또는 4행정 엔진이며, 디젤 사이클 또는 오토 사이클이 적용되는 엔진일 수 있다. 또한, 강제기화가스 및 자연기화가스를 연료로 사용할 수 있는 가스연료 엔진일 수 있고, 연료유 등 오일연료도 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진일 수 있다. 또한, 선박의 추진용 엔진 또는 발전용 엔진일 수 있으며, 후술하는 실시예들에서는 추진용 엔진인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

후술하는 실시예들에서, 엔진은, 추진용 엔진으로서, 2행정 디젤 사이클 엔진, 예를 들어 ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소용 공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연소용 공기 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소용 공기 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다. 이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예들에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4 에서는, 해수, 청수 및 열전달 매체의 유로는 도시되어 있지만, 엔진으로 공급하는 연소용 공기 및 가스 연료의 유로는 도시되어 있지 않으며, 서로 다른 유체의 유로는 서로 다른 종류의 선으로 구별하여 도시되어 있다.

먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, LNG를 연료로 사용하는 엔진(100); 엔진(100)으로 공급할 연소용 공기(scavenge air)를 냉각시키는 연소용 공기 쿨러(200a); 선박 내 각종 냉각장치로 공급할 청수를 순환시키는 중앙 청수 시스템;을 포함한다.

본 실시예에서 엔진(100)은, LNG를 후술할 기화기(300a)에서 기화시킨 강제기화가스를 가스 연료 또는 LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(미도시)에서 외부 열 침입에 의해 LNG가 자연기화하여 발생한 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)와 연소용 공기 쿨러(200a)에서 냉각된 연소용 공기를 공급받아 구동된다.

엔진(100)은, 가스 연료의 연소에 의해 추진 에너지를 생성하는 발열 장치이므로, 엔진(100)을 구성하는 자켓(jacket), 베어링(bearing), 샤프트(shaft) 등의 냉각이 필요하다. 선박 내 각종 냉각장치는 상술한 냉각이 필요한 엔진(100)의 구성요소를 포함할 수 있고, 엔진(100)의 냉각은 중앙 청수 시스템으로부터 순환하는 냉각된 청수, 냉각수에 의해 실시될 수 있다.

본 실시예의 중앙 청수 시스템은, 냉각수로 공급할 청수를 냉각시키는 중앙 청수 쿨러(530); 중앙 청수 쿨러(530)와 선박 내 각종 냉각장치를 연결하며 청수가 중앙 청수 쿨러(530)와 각종 냉각장치를 순환하도록 경로를 제공하는 청수 라인(FL); 및 청수 라인(FL)을 따라 청수가 순환하도록 청수를 가압하는 청수 펌프(540);을 포함한다.

또한, 중앙 청수 시스템은, 순환하는 청수를 냉각시키기 위한 냉매로서, 중앙 청수 쿨러(530)로 공급할 해수를 중앙 청수 쿨러(530)로 공급하는 해수 펌프(530); 및 선박의 씨체스트(510)를 통해 흡입된 해수가 중앙 청수 쿨러(530) 측으로 유동하고, 중앙 청수 쿨러(530)에서 열교환을 마친 해수가 해상으로 배출(overboard)되도록 경로를 제공하는 해수 라인(SL);을 포함한다.

본 실시예의 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 청수는, 청수 라인(FL)을 따라 선박 내 각종 냉각장치(210, 220)로 공급되고, 선박 내 각종 냉각장치(210, 220)를 냉각시키면서 온도가 상승한 청수는, 청수 라인(FL)을 따라 청수 펌프(540)에 의해 가압되어 중앙 청수 쿨러(530)로 순환된다.

이 과정에서, 청수 라인(FL)을 따라 순환하는 청수 중 일부는, 도시하지 않은 제어부의 제어에 의해, 중앙 청수 쿨러(530)를 통과하지 않고 재순환될 수 있고, 순환하는 청수 중 일부는 청수 라인(FL)을 따라 순환하는 사이클로부터 배출될 수 있으며, 청수 공급 장치 또는 청수 제너레이터(generator) 등에 의해 생성된 청수가 청수 라인(FL)으로 보충 공급될 수도 있다. 제어부는, 청수 라인(FL)을 따라 유동하는 청수의 온도나 오염도 등을 고려하여 상술한 바와 같은 청수의 순환 흐름을 제어할 수 있다.

선박 내 각종 냉각장치(210, 220)는, 청수에 의해 직접 냉각될 수도 있고, 청수에 의해 냉각된 별도의 열전달 매체에 의해 간접 냉각될 수도 있다.

본 실시예에서, 선박 내 각종 냉각장치(210, 220)는, 메인 엔진(100) 및 발전 엔진(미도시)의 자켓 쿨러, 베어링, 샤프트, 윤활유 쿨러, 윤활유 튜브 쿨러 등을 포함할 수 있다. 또한, 선박 내 거주구 및 기계실의 공기 조화기, 에어 컨디셔닝 시스템, 선박 내 플랜트, 컴프레서, 컨덴서 등을 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 연소용 공기 쿨러(200a)에서는, 제1 냉매와 엔진(100)으로 공급할 연소용 공기를 열교환시켜, 제1 냉매의 냉열에 의해 연소용 공기가 냉각된다.

본 실시예에서 제1 냉매는 엔진(100)으로 공급할 LNG를 기화시키면서 냉각된 열전달 매체일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 엔진(100)의 가스 연료로 공급하기 위해 LNG를 천연가스(NG; Natural Gas)로 기화시키는 기화기(300a); 기화기(300a)와 연소용 공기 쿨러(200a)를 연결하며, 기화기(300a)에서 LNG와 열교환에 의해 냉각된 열전달 매체가 연소용 공기 쿨러(200a) 측으로 유동하고, 연소용 공기 쿨러(200a)에서 연소용 공기를 냉각시키면서 온도가 상승한 열전달 매체가 기화기(300a) 측으로 유동하는 순환 경로인 열전달 매체 라인(GLa); 및 열전달 매체가 기화기(300a)로부터 연소용 공기 쿨러(200a)로 공급되도록 열전달 매체를 가압하는 열전달 매체 펌프(301);를 더 포함한다.

본 실시예에서 기화기(300a)와 연소용 공기 쿨러(200a)를 순환하는 열전달 매체는 글리콜 워터(glycol water)와 같은 부동액일 수 있다.

LNG는 -163℃의 극저온이므로 LNG와의 열교환에 의해 글리콜 워터는 충분히 냉각될 수 있다. 기화기(300a)에서 LNG의 열교환 효율을 향상시키기 위해, LNG 기화기(300a)로 공급하기 전 LNG를 고압, 보다 구체적으로는 임계압력이상으로 압축시킬 수 있는데, LNG를 고압, 예를 들어 100 bar 이상으로 압축시켜 압축에 의해 온도가 상승하더라도 압축 LNG의 온도는 -160℃ ~ -150℃ 또는 -155℃ 내외일 수 있으므로, LNG와 열교환 후 냉각된 글리콜 워터는 연소용 공기에 충분한 냉열을 제공할 수 있다.

본 실시예에서, 기화기(300a)에서 냉각된 글리콜 워터는 열전달 매체 펌프(301)에 의해 열전달 매체 라인(GL1)을 따라 연소용 공기 쿨러(200a)로 공급되어 연소용 공기를 냉각시킨 후 기화기(300a)로 순환될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 연소용 공기를 글리콜 워터를 매개체로 하여 LNG와 간접 열교환시켜 LNG의 냉열로 연소용 공기를 냉각시킴으로써, 연소용 공기의 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 충분히 냉각된 고밀도의 연소용 공기를 엔진(100)에 공급할 수 있어 엔진(100)의 연비를 향상시킬 수 있으며, 연료 소비량을 줄일 수 있다.

또한, 선내 엔진(100)에 연료로 공급하기 위한 LNG는 연소용 공기로부터 열에너지를 공급받아 기화시킬 수 있게 된다. LNG를 연료로 사용하는 경우 LNG에 직접 가열하는 기화 방식은 급격한 온도 변화 등으로 안정성이 떨어질 수 있으므로, LNG 기화를 위해서 글리콜 워터와 같은 열전달 매체를 통해 LNG를 간접적으로 가열시키는 방법이 보다 안정적이다.

이러한 글리콜 워터의 가열을 위해서는 열원이 필요하고, 본 실시예와 같이 선내에서 발생하는 열 에너지를 이용하면 선박 또는 해상 구조물에서의 에너지 효율을 높일 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법은, 상술한 제1 실시예의 변형예로서, 제1 실시예와 연소용 공기 쿨러(200b)에서 연소용 공기를 냉각시키는 냉매 또는 연소용 공기에 냉열을 제공하는 냉열원이 다르다는 점에서 차이점이 있다.

이하, 제1 실시예와의 차이점을 중점으로 하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. 그 설명이 생략되더라도, 동일한 부재 번호를 가지는 구성 요소에 대해서는 제1 실시예와 동일하게 적용되므로 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진(100); 엔진(100)으로 공급할 연소용 공기(scavenge air)를 냉각시키는 연소용 공기 쿨러(200b); 연소용 공기 쿨러(200b)를 포함하는 선박 내 각종 냉각장치로 공급할 청수를 순환시키는 중앙 청수 시스템;을 포함한다.

또한, 중앙 청수 시스템은, 중앙 청수 쿨러(530); 청수 라인(FL); 청수 펌프(540); 해수 펌프(530); 및 해수 라인(SL);을 포함한다.

본 실시예의 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 청수는, 청수 라인(FL, FL1)을 따라 선박 내 각종 냉각장치(210, 220)로 공급되고, 선박 내 각종 냉각장치(210, 220)를 냉각시키면서 온도가 상승한 청수는, 청수 라인(FL)을 따라 청수 펌프(540)에 의해 가압되어 중앙 청수 쿨러(530)로 순환된다.

제1 실시예와 마찬가지로, 제어부는, 청수 라인(FL)을 따라 유동하는 청수의 온도나 오염도 등을 고려하여 청수의 순환 흐름을 제어할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 중앙 청수 쿨러(530)에서 냉각된 청수를 연소용 공기 쿨러(200b)의 냉매로서 공급하기 위해 청수를 더 냉각시키는 프리쿨러(310a); 및 중앙 청수 쿨러(530), 프리쿨러(310a) 및 연소용 공기 쿨러(200b)를 연결하며, 중앙 청수 쿨러(530)에서 냉각된 청수가 프리쿨러(310a) 측으로 유동하고, 프리쿨러(310a)에서 더 냉각된 청수가 연소용 공기 쿨러(200b) 측으로 유동하도록 경로를 제공하는 청수 분기라인(FL1);을 더 포함한다.

또한, 본 실시예에 따르면, 엔진(100)의 가스 연료로 공급하기 위해 LNG를 천연가스(NG; Natural Gas)로 기화시키는 기화기(300b); 기화기(300b)와 프리 쿨러(310a)를 연결하며, 기화기(300b)에서 LNG와 열교환에 의해 냉각된 열전달 매체가 프리 쿨러(310a) 측으로 유동하고, 프리 쿨러(310a)에서 청수를 더 냉각시키면서 온도가 상승한 열전달 매체가 기화기(300b) 측으로 유동하는 순환 경로를 제공하는 열전달 매체 라인(GLb); 및 열전달 매체가 기화기(300b)로부터 프리 쿨러(310a)로 공급되도록 열전달 매체를 가압하는 열전달 매체 펌프(301b);를 더 포함한다.

본 실시예에의 연소용 공기 쿨러(200b)에서는, 중앙 청수 쿨러(530)로부터 청수 라인(FL)을 따라 흐르는 냉각된 청수와 엔진(100)으로 공급할 연소용 공기를 열교환시켜, 청수의 냉열에 의해 연소용 공기가 냉각된다.

또한, 연소용 공기 쿨러(200b)로 공급되는 청수는, 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 후, 프리 쿨러(310a)에서 기화기(300b)로부터 유동하는 열전달 매체에 의해 더 냉각되며, 중앙 청수 쿨러(530)의 청수 출구 온도보다 더 낮은 온도로 공급된다.

본 실시예에서 기화기(300b)와 프리 쿨러(310a)를 순환하는 열전달 매체는 글리콜 워터(glycol water)와 같은 부동액일 수 있다.

즉, 기화기(300b)에서 엔진(100)으로 공급할 LNG를 기화시키면서 냉각된 글리콜 워터는, 프리쿨러(310a)로 공급되어 중앙 청수 쿨러(530)에서 냉각된 청수를 열교환에 의해 냉각된다. 프리쿨러(310a)에서 청수를 냉각시키면서 온도가 상승한 글리콜 워터는 기화기(300b)로 순환될 수 있다.

또한, 청수는, 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 후, 프리쿨러(310a)로 공급되어 기화기(300b)에서 LNG를 기화시키면서 냉각된 글리콜 워터와의 열교환에 의해 냉각된다. 프리쿨러(310a)에서 냉각된 글리콜 워터를 가열시키면서 냉각된 청수는 연소용 공기 쿨러(200b)로 공급되어 연소용 공기를 냉각시킨다. 연소용 공기 쿨러(200b)에서 연소용 공기를 냉각시키면서 온도가 상승한 청수는 청수 라인(FL)을 따라 중앙 청수 쿨러(530)로 순환될 수 있다.

또한, 연소용 공기는, 연소용 공기 쿨러(200b)에서, 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 1차 냉각되고, 프리쿨러(310a)에서 LNG를 기화시키면서 냉각된 글리콜 워터와의 열교환에 의해 2차 냉각된 청수와의 열교환에 의해 냉각된 후, 엔진(100)으로 공급된다.

즉, 본 실시예에 따르면, 연소용 공기를 글리콜 워터를 매개체로 하여 LNG와 간접 열교환시켜 LNG의 냉열로 청수를 더 냉각시킴으로써, 연소용 공기를 중앙 청수 시스템의 설정값 이하로 냉각시킬 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법은, 상술한 제1 및 제2 실시예의 변형예로서, 제1 및 제2 실시예와 연소용 공기 쿨러(200c)에서 연소용 공기를 냉각시키는 냉매 또는 연소용 공기에 냉열을 제공하는 냉열원이 다르다는 점, 프리쿨러(310b)에서 청수에 냉열을 제공하는 냉열원이 다르다는 점, 기화기(300a, 300b)를 포함하지 않는다는 점에서 차이점이 있다.

이하, 제1 및 2 실시예와의 차이점을 중점으로 하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. 그 설명이 생략되더라도, 동일한 부재 번호를 가지는 구성 요소에 대해서는 제1 및 제2 실시예와 동일하게 적용되므로 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 연소용 공기 냉각 시스템은, 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진(100); 엔진(100)으로 공급할 연소용 공기(scavenge air)를 냉각시키는 연소용 공기 쿨러(200c); 연소용 공기 쿨러(200c)를 포함하는 선박 내 각종 냉각장치로 공급할 청수를 순환시키는 중앙 청수 시스템;을 포함한다.

또한, 중앙 청수 시스템은, 중앙 청수 쿨러(530); 청수 라인(FL); 청수 펌프(540); 해수 펌프(530); 및 해수 라인(SL);을 포함한다.

본 실시예의 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 청수는, 청수 라인(FL, FL1)을 따라 선박 내 각종 냉각장치(200c, 210, 220)로 공급되고, 선박 내 각종 냉각장치(200c, 210, 220)를 냉각시키면서 온도가 상승한 청수는, 청수 라인(FL)을 따라 청수 펌프(540)에 의해 가압되어 중앙 청수 쿨러(530)로 순환된다.

제1 및 제2 실시예와 마찬가지로, 제어부는, 청수 라인(FL)을 따라 유동하는 청수의 온도나 오염도 등을 고려하여 청수의 순환 흐름을 제어할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 중앙 청수 쿨러(530)에서 냉각된 청수를 연소용 공기 쿨러(200c)의 냉매로서 공급하기 위해 청수를 더 냉각시키는 프리쿨러(310b); 및 중앙 청수 쿨러(530), 프리쿨러(310b) 및 연소용 공기 쿨러(200c)를 연결하며, 중앙 청수 쿨러(530)에서 냉각된 청수가 프리쿨러(310b) 측으로 유동하고, 프리쿨러(310b)에서 더 냉각된 청수가 연소용 공기 쿨러(200c) 측으로 유동하도록 경로를 제공하는 청수 분기라인(FL1);을 더 포함한다.

또한, 본 실시예에 따르면, 선박의 정상 항해 중에, 배의 속도에 의해 선체 주위를 흐르는 해수를 펌프를 사용하지 않고 파이프 및 밸브를 통해 유입시키는 스쿱 시스템(scoop system)(600); 및 스쿱 시스템(600)과 프리쿨러(310b)를 연결하며, 스쿱 시스템(600)을 통해 유입된 해수가 프리쿨러(310b) 측으로 유동하고, 프리쿨러(310b)로부터 열교환 후 배출되는 해수가 스쿱 시스템(600) 측으로 유동하는 스쿱 냉각 라인(CL);을 더 포함한다.

스쿱 시스템(600)은, 선박의 우현(starboard) 측에서 해수를 흡입하고 선박의 좌현(port) 측에서 해수를 배출하도록 설계되어 있을 수 있다. 스쿱 시스템(600)을 통해 유입된 해수는, 프리쿨러(310b) 뿐 아니라 선박 내 응축기, 윤활유 쿨러 등의 냉각수로도 활용될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 연소용 공기 쿨러(200b)에서는, 중앙 청수 쿨러(530)에서 1차로 냉각되고, 프리쿨러(310b)에서 스쿱 시스템(600)을 통해 유입된 해수에 의해 2차로 냉각된 청수와, 엔진(100)으로 공급할 연소용 공기를 열교환시켜, 청수의 냉열에 의해 연소용 공기가 냉각된다.

또한, 연소용 공기 쿨러(200c)로 공급되는 청수는, 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 후, 프리 쿨러(310b)에서 스쿱 시스템(600)을 통해 유입된 해수에 의해 더 냉각되며, 중앙 청수 쿨러(530)의 청수 출구 온도보다 더 낮은 온도로 공급된다.

또한, 청수는, 중앙 청수 쿨러(530)에서 해수와의 열교환에 의해 냉각된 후, 프리쿨러(310b)로 공급되어 스쿱 시스템(600)을 통해 유입된 해수와의 열교환에 의해 냉각된다. 프리쿨러(310b)에서 해수에 의해 냉각된 청수는 연소용 공기 쿨러(200c)로 공급되어 연소용 공기를 냉각시킨다. 연소용 공기 쿨러(200c)에서 연소용 공기를 냉각시키면서 온도가 상승한 청수는 청수 라인(FL)을 따라 중앙 청수 쿨러(530)로 순환될 수 있다.

따라서, 본 발명 따르면, 연소용 공기를 글리콜 워터를 매개체로 하여 LNG와 간접 열교환시켜 LNG의 냉열 또는 펌프의 작동없이 흡입한 해수를 이용하여 연소용 공기를 중앙 청수 시스템에서 냉각된 청수보다 더 낮은 온도의 냉매(청수)로 냉각시킴으로써, 연소용 공기의 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 충분히 냉각된 고밀도의 연소용 공기를 엔진에 공급할 수 있어 엔진의 연비를 향상시킬 수 있으며, 연료 소비량을 줄일 수 있다.

또한, 제1 및 제2 실시예에 따르면, 선내 엔진에 연료로 공급하기 위한 LNG는 연소용 공기로부터 열에너지를 공급받아 기화시킬 수 있게 된다. LNG를 연료로 사용하는 경우 LNG에 직접 가열하는 기화 방식은 급격한 온도 변화 등으로 안정성이 떨어질 수 있으므로, LNG 기화를 위해서 글리콜 워터와 같은 열전달 매체를 통해 LNG를 간접적으로 가열시키는 방법이 보다 안정적이다.

이러한 글리콜 워터의 가열을 위해서는 열원이 필요하고, 선내에서 발생하는 열 에너지를 이용하면 선박 또는 해상 구조물에서의 에너지 효율을 높일 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

100 : 엔진
200a, 200b, 200c : 연소용 공기 쿨러
300a, 300b : 기화기
310a, 310b : 프리쿨러
210, 220 : 기타 냉각장치
510 : 씨체스트
520 : 해수 펌프
530 : 중앙 청수 쿨러
540 : 청수 펌프
SL : 해수 라인
FL : 청수 라인
GLa, GLb : 열전달 매체 라인
CL : 스쿱 냉각 라인

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 액화가스 연료 선박의 엔진에 공급되는 연소용 공기의 냉각 방법에 있어서,
   상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜, 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계; 및
   상기 냉각된 냉매와 상기 연소용 공기를 열교환시킴으로써 상기 연소용 공기를 냉각시키고, 냉각된 연소용 공기를 상기 엔진으로 공급하는 단계;를 포함하는 것으로,
   상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜, 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계는,
   상기 냉매를 선박의 씨체스트 및 해수 펌프를 이용하여 흡인한 해수와 열교환시켜 냉각하는 제1 냉각 단계; 및
   상기 제1 냉각단계를 통해 냉각된 냉매를 열전달 매체와 열교환시켜 냉각하는 제2 냉각 단계; 를 포함하고,
   상기 연소용 공기를 상기 엔진으로 공급하는 단계는 상기 제2 냉각 단계를 통해 냉각된 냉매를 연소용 공기 쿨러로 공급하여 연소용 공기를 냉각시키며,
   상기 제2 냉각 단계는 상기 엔진의 연료로 공급할 액화가스와 상기 열전달 매체를 열교환시켜, 상기 열교환에 의해 액화가스를 기화시키고, 상기 액화가스를 기화시키면서 냉각된 열전달 매체를 상기 연소용 공기를 냉각시키는 냉매로서 공급하는 것인,
   선박의 연소용 공기 냉각 방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 연소용 공기를 냉각시킬 냉매를 냉각시켜 연소용 공기 쿨러로 공급하는 단계는,
    상기 선박의 씨체스트 및 해수 펌프를 이용하여 흡입한 해수와 청수를 열교환시켜 청수를 냉각시키고,
    상기 해수와의 열교환에 의해 냉각된 청수 및 상기 선박의 선속에 의해 펌프를 이용하지 않고 흡입한 해수를 열교환시켜, 상기 청수를 더 냉각시키고,
    상기 해수 펌프를 이용하여 흡입한 해수 및 상기 펌프를 이용하지 않고 흡입한 해수에 의해 냉각된 청수를 상기 연소용 공기 쿨러로 공급하여 연소용 공기를 냉각시키는, 선박의 연소용 공기 냉각 방법.
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 엔진으로 공급할 액화가스와 상기 연소용 공기 쿨러에서 상기 연소용 공기를 냉각시키면서 가열된 냉매를 열교환시켜, 상기 엔진으로 공급할 액화가스를 기화시키는, 선박의 연소용 공기 냉각 방법.
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 엔진으로 공급할 액화가스와 상기 청수를 냉각시키면서 가열된 열전달 매체를 열교환시켜, 상기 엔진으로 공급할 액화가스를 기화시키는, 선박의 연소용 공기 냉각 방법.

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