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KR102665820B1 - 선박용 엔진의 연료 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 엔진의 연료 공급 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102665820B1
KR102665820B1 KR1020170019862A KR20170019862A KR102665820B1 KR 102665820 B1 KR102665820 B1 KR 102665820B1 KR 1020170019862 A KR1020170019862 A KR 1020170019862A KR 20170019862 A KR20170019862 A KR 20170019862A KR 102665820 B1 KR102665820 B1 KR 102665820B1
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정인돈
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한화오션 주식회사
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Abstract

선박용 엔진의 연료 공급 시스템이 개시된다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기; 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 압축시키는 제2 펌프; 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 냉매로, 상기 저장탱크로 복귀되는 액화천연가스를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 냉매로, 천연가스를 열교환시켜 냉각시키는 제3 열교환기; 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 천연가스와 액화천연가스를 분리시키는 기액분리기;를 포함하고, 상기 기화기에 의해 기화된 천연가스는, 상기 제3 열교환기로 공급되어 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는 제2 엔진으로 공급되고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 저장탱크로 복귀되고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 기액분리기로 공급되는 유체에 비해 메탄의 함량이 높아지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는, 상기 기액분리기로 공급되는 유체에 비해 중탄화수소의 함량이 높아지며, 상기 제2 엔진은 일정값 이상의 메탄가를 요구하는 엔진이다.

Description

선박용 엔진의 연료 공급 시스템 및 방법{Fuel Supply System and Method of Engine for Vessel}
본 발명은 액화천연가스를 연료로 사용하는 선박용 엔진에 연료를 공급하는 시스템 및 방법에 있어서, 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 기화시켜 엔진에 연료로 공급하거나, 저장탱크 내부에서 발생한 증발가스를 엔진에 연료로 공급하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 액화천연가스는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화천연가스 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단시키는데에는 한계가 있고, 액화천연가스 내부로 전달되는 열에 의해 액화천연가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화천연가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.
증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 압력 이상이 되면, 증발가스는 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 엔진의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내진다.
통상 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 증발가스를 재액화시킨다. 증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 시키는데, 증발가스를 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 ME-GI엔진 및 DF(Dual Fuel)엔진이 있다.
최근 대기환경오염을 방지하기 위한 국제적인 규제가 강화되면서, 선박의 연료가 연료유에서 천연가스로 변경되는 추세이다. 천연가스는 황 함유량이 적어 연소시에 황화합물 및 검댕 물질을 생성하지 않아 비교적 친환경적이다. 최근 추세에 맞추어 연료유와 함께 천연가스를 사용할 수 있는 ME-GI엔진이 개발되었다.
ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
디젤 사이클은, 상사점 부근에서 연소가 일어날 때의 압력이 일정한 정압 공정을 따르는데, 상승 행정시 연소 공기만을 실린더에 흡입하여, 흡입한 연소 공기를 높은 압축비로 단열 압축한다. 상사점에 이르러서는 압축 행정시의 단열 압축으로 인해 연소 공기가 상당히 높은 온도에 이르게 되며, 단열 압축된 연소 공기에 연료를 분사하면 높은 온도로 인해 자연 발화하게 된다.
디젤 사이클에서 상사점에 이른 연소 공기가 이미 높은 압력임에도 불구하고 연료 분사에 의한 폭발로 압력이 더 높아지는 것을 방지하기 위해, 연료의 분사 압력을 적절하게 조절하여 상사점에서의 연료의 연소 압력을 일정하게 유지한다.
디젤 기관은 연료의 압축비가 높을수록 연소 효율이 증가하나, 폭발 압력을 고려하여 일반적으로 15 ~ 22 : 1 정도의 압축비로 연료를 압축시킨다.
또한, 디젤 기관은, 압축 행정에서 공기만이 압축되기 때문에, 피스톤이 상사점에 이르기 전에 조기 착화가 일어나는 현상인 노킹(Knocking)은 원천적으로 발생하지 않는다.
DF엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
오토 사이클은, 상사점 부근에서 연소가 일어날 때의 부피가 일정한 정적 공정을 따르는데, 연료와 연소공기의 혼합기가 상승 행정 이전에 실린더 내로 유입되어 함께 압축된다. 실린더 내로 유입된 혼합기가 단열압축되며 온도가 상승되는데, 혼합기가 너무 높은 온도에 이르면 조기 착화가 일어날 수 있다. 따라서, 오토 사이클의 압축비는 디젤 사이클에 비하여 낮게 설정된다.
오토 사이클의 압축비가 비교적 낮게 설정되므로, 상사점에서 점화원에 의해 연료가 폭발할 때 높은 압력에 이르게 할 필요가 있으며, 연료를 최대한 짧은 시간 내에 폭발시키는 것이 기관의 효율을 높이는 데 도움이 된다.
오토 사이클을 따르는 엔진은, 연료와 연소공기의 혼합기를 상승 행정 이전에 실린더 내로 유입시키므로, 점화원에 의해 점화가 되기 전에 조기 착화가 일어날 수 있고, 노킹 현상이 일어날 수 있다.
노킹 현상이 일어나면 기관의 효율이 낮아지고 엔진에 손상이 가해질 수도 있으므로, 오토 사이클을 따르는 엔진은 노킹 현상을 방지하도록 운전하는 것이 중요하다.
오토 사이클을 따르는 엔진에 사용되는 연료가 조기 착화되지 않는 성능(Anti-Knocking)은, 액체 연료의 경우에는 옥탄가(Octane Number)에 의해, 가스 연료의 경우에는 메탄가(Methane Number)에 의해 규정되며, DF 엔진의 경우에는 메탄가 80 이상을 요구한다.
오토 사이클을 따르는 DF 엔진의 경우, 디젤 사이클을 따르는 ME-GI 엔진에 비해 효율은 더 낮으나, 연료의 연소 온도가 높지 않아 고열로 인해 발생하는 질소산화물(NOx)의 양이 적기 때문에, 현재 발효 중인 질소산화물 규제인 IMO Tier Ⅲ을 만족시킨다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 증발가스 공급 시스템과, 저장탱크(T) 내부의 액화천연가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 액화천연가스 공급 시스템을 포함한다. 또한, 종래의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 엔진(E1, E2)의 연료로 사용하고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템을 더 포함할 수 있다.
증발가스 공급 시스템은 다단압축기(200)를 포함하고, 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 펌프(610), 제2 펌프(620), 기화기(700), 제1 가열기(810), 및 제2 감압장치(420)를 포함하며, 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 제1 감압장치(410), 및 기액분리기(500)를 포함한다.
다단압축기(200)는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키며, 다수개의 압축기(210, 220, 230, 240, 250) 및 압축기 후단에 압축기와 교대로 설치되는 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함하는데, 일반적으로 5개의 압축기 및 5개의 냉각기에 의해 5단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기가 사용된다.
또한, 다단압축기(200)는 하나 또는 다수개의 재순환라인을 포함할 수 있으며, 다단압축기(200)가 5단인 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 냉각기(310) 후단에서 분기하여 제1 압축기(210) 전단으로 합류되는 제1 재순환라인(L1)과, 제5 냉각기(350) 후단에서 분기하여 제3 냉각기(330)와 제4 압축기(240) 사이로 합류되는 제2 재순환라인(L2)을 포함할 수 있다.
다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내지고, 다단압축기(200)의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어(L3 라인) 제2 엔진(E2)으로 보내진다. 제1 엔진(E1)은 ME-GI엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 DF엔진일 수 있다.
제1 펌프(610)는, 저장탱크(T) 내부에 설치되어, 저장탱크(T)에 저장된 액화천연가스를 배출시키며, 제2 펌프(620)는, 제1 펌프(610)에 의해 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스를 제1 엔진(E1)의 요구 압력까지 압축시킨다.
기화기(700)는, 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 강제 기화시킨다. 기화기(700)에 의해 강제 기화된 천연가스는, 일부는 제1 엔진(E1)으로 공급되고, 나머지는 제1 가열기(810)로 공급된다.
제1 가열기(810)는, 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도로 가열하며, 제2 감압장치(420)는, 제1 가열기(810)에 의해 가열된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력으로 감압시킨다.
도 1에는 기화기(700) 후단에 제1 가열기(810)가 설치되고, 제1 가열기(810) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치된 것이 도시되어 있지만, 제1 가열기(810)와 제2 감압장치(420)와 설치 순서는 바뀔 수 있고, 기화기(700) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치되고, 제2 감압장치(420) 후단에 제1 가열기(810)가 설치될 수도 있다.
제1 열교환기(110)는, 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 후 일부 분기된 증발가스(L5 라인)를, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 열교환시켜 냉각시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스 중, 제1 엔진(E1)이나 제2 엔진(E2)으로 공급되지 않고 남은 잉여 증발가스가, 제1 열교환기(110)로 공급되어 재액화 과정을 거치는 것이다.
제1 감압장치(410)는, 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체(L5 라인)를 팽창시킨다. 다단압축기(200)에 의한 압축 과정과, 제1 열교환기(110)에 의한 냉각 과정과, 제1 감압장치(410)에 의한 팽창 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
기액분리기(500)는, 다단압축기(200), 제1 열교환기(110), 및 제1 감압장치(410)를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리한다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀되고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된다.
제2 엔진(E2)이 DF 엔진 등 오토 사이클을 따르는 엔진인 경우, 노킹이 발생하지 않도록 하기 위해 제2 엔진(E2)으로 공급되는 천연가스의 메탄가를 맞춰야 하는데, 액화천연가스 공급 시스템에 의해 강제 기화되는 천연가스의 경우, 증발가스 공급 시스템의 의해 공급되는 자연 기화된 증발가스보다 메탄가가 낮다.
액화천연가스 공급 시스템에 의하면, 저장탱크(T) 하부에 설치된 제1 펌프(610)에 의해 저장탱크(T) 하부의 액화천연가스를 배출시켜 강제 기화시키므로, 비교적 비중이 큰 성분의 비율이 높기 때문이다.
따라서, 특히 액화천연가스 공급 시스템의 의해 강제 기화되는 천연가스의 메탄가를 조절할 필요가 있으며, 본 발명은, 엔진의 연료로 공급되는 천연가스의 메탄가를 조절할 수 있는 선박용 엔진의 연료 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기; 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 압축시키는 제2 펌프; 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 냉매로, 상기 저장탱크로 복귀되는 액화천연가스를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 냉매로, 천연가스를 열교환시켜 냉각시키는 제3 열교환기; 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 천연가스와 액화천연가스를 분리시키는 기액분리기;를 포함하고, 상기 기화기에 의해 기화된 천연가스는, 상기 제3 열교환기로 공급되어 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는 제2 엔진으로 공급되고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 저장탱크로 복귀되고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 기액분리기로 공급되는 유체에 비해 메탄의 함량이 높아지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는, 상기 기액분리기로 공급되는 유체에 비해 중탄화수소의 함량이 높아지며, 상기 제2 엔진은 일정값 이상의 메탄가를 요구하는 엔진인, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템이 제공된다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스를 제2 엔진이 요구하는 온도까지 가열시키는 제2 가열기를 더 포함할 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 제2 가열기에 의해 가열된 후 상기 제2 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스를 상기 제2 엔진이 요구하는 압력까지 감압시키는 제2 감압장치를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 감압장치는, 상기 기액분리기와 상기 제2 가열기 사이에 설치되거나, 상기 제2 가열기와 상기 제2 엔진 사이에 설치될 수 있다.
상기 제2 엔진은 DF엔진일 수 있고, 상기 제2 가열기는 천연가스를 0℃ 내지 45℃로 가열하고, 상기 제2 감압장치는 천연가스를 6.5 bar로 감압시킬 수 있다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 상기 저장탱크 내부에 설치되어 액화천연가스를 배출시키는 제1 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 열교환기는, 상기 제2 펌프 후단에 설치되어, 상기 제2 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로 사용할 수 있다.
상기 제2 펌프는, 상기 제2 열교환기 후단에 설치되어, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스를 압축시킬 수 있다.
상기 다단압축기의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진으로 보내질 수 있고, 상기 다단압축기의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어 상기 제2 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 기화기에 의해 기화된 천연가스의 일부는 제1 엔진으로 공급될 수 있고, 상기 제2 펌프는, 상기 제1 엔진의 요구 압력까지 액화천연가스를 압축시킬 수 있다.
상기 제1 펌프는 상기 저장탱크의 하부에 설치될 수 있다.
상기 제1 엔진은 ME-GI엔진일 수 있고, 상기 제2 펌프는 액화천연가스를 300 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 다단압축기는, 다수개의 압축기 및 다수개의 냉각기를 포함할 수 있고, 상기 다수개의 냉각기는 상기 다수개의 압축기 후단에 각각 설치되어, 상기 다수개의 압축기와 상기 다수개의 냉각기가 교대로 설치될 수 있다.
상기 다단압축기는, 5개의 압축기 및 5개의 냉각기를 포함하여, 5단으로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 1) 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 제2 열교환기의 냉매로 사용하는 단계; 2) 상기 1)단계에서 상기 제2 열교환기의 냉매로 사용된 유체를 제3 열교환기의 냉매로 사용하는 단계; 3) 상기 2)단계에서 상기 제3 열교환기의 냉매로 사용된 유체를 기화시키는 단계; 4) 상기 3)단계에서 기화된 천연가스를 상기 2)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각시키는 단계; 및 5) 상기 4)단계에서 냉각된 유체를 천연가스와 액화천연가스로 분리하는 단계; 6) 상기 5)단계에서 분리된 천연가스를 제2 엔진으로 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 5)단계에서 분리된 천연가스는, 기액분리되기 전의 유체보다 메탄의 함량이 높아지고, 상기 5)단계에서 분리된 액화천연가스는, 기액분리되기 전의 유체보다 중탄화수소의 함량이 높아지며, 상기 제2 엔진은 일정값 이상의 메탄가를 요구하는 엔진인, 선박용 엔진의 연료 공급 방법이 제공된다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 방법은, 상기 제2 열교환기 전단 또는 후단에서, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 제1 엔진이 요구하는 압력으로 압축시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3)단계에서 기화된 천연가스의 일부는 상기 제1 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 방법은, 상기 5)단계에서 분리된 천연가스를, 제2 가열기에 의해 상기 제2 엔진이 요구하는 온도로 가열시킨 후, 상기 제2 엔진으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 엔진의 연료 공급 방법은, 상기 5)단계에서 분리된 천연가스를, 상기 제2 가열기 전단 또는 후단에서, 상기 제2 엔진이 요구하는 압력으로 감압시킨 후 상기 제2 엔진으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 가열한 후 냉각시켜 기액분리하고, 기액분리되어 메탄가가 높아진 천연가스는 DF엔진으로 공급하고, 기액분리된 액화천연가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 냉매로 열교환시켜 냉각시킨 후 상기 저장탱크로 복귀시키는, 선박용 엔진의 연료 공급 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 엔진의 부하 변동에 따른 연료의 온도와 압력 등의 요구사항을 종래와 동일하게 만족시킬 수 있고, 종래에 비해 추가되는 장비의 수를 최소화하면서도, 효과적으로 노킹을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 저장탱크로 복귀되는 액화천연가스를, 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스와 열교환시켜 냉각시킨 후 저장탱크로 보내므로, 저장탱크 내부의 온도 증가를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예에서는 액화천연가스의 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 다양한 액화가스에 적용될 수 있으며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예에서 각 유로를 흐르는 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 기체상태, 기액혼합상태, 액체상태, 또는 초임계 유체 상태일 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 증발가스 공급 시스템과, 저장탱크(T) 내부의 액화천연가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 액화천연가스 공급 시스템을 포함한다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 증발가스 및 액화천연가스를 공급하는 저장탱크(T)는, 멤브레인(Membrane) 탱크 또는 Type C 탱크일 수 있으며, 설치 위치, 용량에 따라 선택이 가능하다. 단, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 증발가스 및 액화천연가스를 공급하는 저장탱크(T)는, 멤브레인 탱크인 것이 바람직하다.
본 실시예의 증발가스 공급 시스템은 다단압축기(200)를 포함하고, 본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제2 펌프(620), 제2 열교환기(120), 기화기(700), 제1 가열기(810), 기액분리기(500), 제2 가열기(820), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다.
본 실시예의 다단압축기(200)는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키며, 다수개의 압축기(210, 220, 230, 240, 250) 및 압축기 후단에 압축기와 교대로 설치되는 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함한다. 도 2에는, 5개의 압축기 및 5개의 냉각기에 의해 5단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기를 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시하지는 않았으나, 본 실시예의 다단압축기(200)는, 종래와 동일 또는 유사하게 하나 이상의 재순환라인을 포함할 수 있다.
본 실시예의 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내지고, 다단압축기(200)의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어(L3 라인) 제2 엔진(E2)으로 보내진다.
도 2에는, 5개의 압축기 중 3개의 압축기(210, 220, 230)에 의해 압축된 증발가스가 일부 분기되어 제2 엔진(E2)으로 보내지는 것을 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 엔진(E1)은 ME-GI엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 DF엔진일 수 있다.
본 실시예의 제2 펌프(620)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스를 제1 엔진(E1)의 요구 압력까지 압축시킨다. 제1 엔진(E1)이 ME-GI엔진인 경우, 제2 펌프(620)는 대략 300 bar의 압력으로 액화천연가스를 압축시키며, 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스는, 대략 -154℃, 300 bar 상태가 될 수 있다. 또한, 본 실시예의 제2 펌프(620)는, 피스톤(Piston) 타입일 수 있으며, 회전수를 조절하는 방식으로 유량을 조절할 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 액화천연가스는, 대략 -150℃일 수 있으며, 저장탱크(T)로 복귀된다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 저장탱크(T)로 복귀되는 액화천연가스를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시킬 수 있으므로, 저장탱크(T) 내부의 온도 상승을 방지할 수 있고, 저장탱크(T) 내부에서의 증발가스 발생을 억제할 수 있다.
또한, 저장탱크(T)로부터 배출되고 제2 펌프(620)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 액화천연가스는, 제2 열교환기(120)에 의해 가열된 후 제1 가열기(810) 또는 기화기(700)로 보내지므로, 바로 제1 가열기(810) 또는 기화기(700)로 보내지는 것보다 더 적은 열원에 의하여 가열 또는 기화될 수 있어 효율적이다.
도 2에는 제2 펌프(620) 후단에 제2 열교환기(120)가 설치된 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제2 펌프(620)가 제2 열교환기(120) 후단에 설치되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스가 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축될 수도 있다.
본 실시예의 기화기(700)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축되고 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 액화천연가스의 일부(L6 라인)를 기화시킨다. 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스는 제1 엔진(E1)에 연료로 공급된다.
본 실시예의 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스는 대략 -50℃일 수 있으며, 열매로 스팀(Steam), 해수나 회수된 폐열에 의해 가열된 글리콜 워터(Glycol Water) 등을 사용할 수 있다. 또한, 본 실시예의 기화기(700)는, 기액분리기(500)에서 액화되는 양과, 제2 엔진(E2)에서 소모되는 천연가스의 양을 합한 양을 기화시킨다.
본 실시예의 제1 가열기(810)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축되고 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 액화천연가스 중, 기화기(700)로 보내지지 않은 나머지 액화천연가스를 가열시킨다.
본 실시예의 기액분리기(500)는, 제1 가열기(810)에 의해 가열되며 일부 기화된 천연가스와 액체 상태로 남아있는 액화천연가스를 분리시킨다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스 및 천연가스는 대략 -122.3℃일 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스는 제2 가열기(820)로 보내지고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 제2 열교환기(120)로 보내진다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 후 제2 열교환기(120)로 보내진 액화천연가스는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 저장탱크(T)로 복귀된다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 중탄화수소의 함량이 높고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스는 메탄의 함량이 높다. 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 기액분리기(500)에 의해 분리된 메탄의 함량이 높은 천연가스를 제2 엔진(E2)에 공급할 수 있으므로, 제2 엔진(E2)의 노킹 현상을 방지할 수 있다.
HYSYS에 의한 시뮬레이션 결과, 본 실시예의 기액분리기(500)로 공급되는 유체는 86.74%의 메탄과, 12.25%의 에탄과 1.01%의 프로판으로 구성되고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스의 성분은 99.18%의 메탄과 0.82%의 에탄으로 구성됨을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 제2 가열기(820)는, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도까지 가열시킨다. 제2 엔진(E2)이 DF엔진인 경우, 제2 가열기(820)는 대략 0℃ 내지 45℃로 천연가스를 가열한다. 제2 가열기(820)의 열매로는 해수, 청수, 스팀 등이 사용될 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(420)는, 제2 가열기(820)에 의해 가열된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압시킨다. 제2 엔진(E2)이 DF엔진인 경우, 본 실시예의 제2 감압장치(420)는 천연가스를 대략 6.5 bar의 압력으로 감압시킬 수 있다. 제2 가열기(820)에 의해 가열되고 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 천연가스는 제2 엔진(E2)에 연료로 공급된다.
도 2에는, 기액분리기(500) 후단에 제2 가열기(820)가 설치되고, 제2 가열기(820) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치된 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 기액분리기(500) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치되고, 제2 감압장치(420) 후단에 제2 가열기(820)가 설치되어, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스가, 제2 감압장치(420)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압된 후, 제2 가열기(820)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도까지 가열될 수도 있다.
본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 저장탱크(T) 내부에 설치되어 저장탱크(T)에 저장된 액화천연가스를 배출시키는 제1 펌프(610)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제1 펌프(610)는, 저장탱크(T)의 바닥 근처의 하부에 설치되며, 저장탱크(T)의 크기, 배관의 압력 강하, 공급해야 하는 액화천연가스의 유량 등에 따라 토출 압력과 배출 유량이 결정된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 증발가스 공급 시스템과, 저장탱크(T) 내부의 액화천연가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 액화천연가스 공급 시스템을 포함한다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 증발가스 및 액화천연가스를 공급하는 저장탱크(T)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 멤브레인(Membrane) 탱크 또는 Type C 탱크일 수 있고, 설치 위치, 용량에 따라 선택이 가능하며, 멤브레인 탱크인 것이 바람직하다.
본 실시예의 증발가스 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 다단압축기(200)를 포함하고, 본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 펌프(620), 제2 열교환기(120), 기화기(700), 기액분리기(500), 제2 가열기(820), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다.
단, 본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 실시예와는 달리, 제3 열교환기(130)를 더 포함하고, 제1 가열기(810)를 포함하지 않는다.
본 실시예의 다단압축기(200)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키며, 다수개의 압축기(210, 220, 230, 240, 250) 및 압축기 후단에 압축기와 교대로 설치되는 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함한다. 도 3에는, 5개의 압축기 및 5개의 냉각기에 의해 5단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기를 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예의 다단압축기(200)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 하나 이상의 재순환라인을 포함할 수 있다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내지고, 다단압축기(200)의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어(L3 라인) 제2 엔진(E2)으로 보내진다.
도 3에는, 5개의 압축기 중 3개의 압축기(210, 220, 230)에 의해 압축된 증발가스가 일부 분기되어 제2 엔진(E2)으로 보내지는 것을 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 엔진(E1)은 ME-GI엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 DF엔진일 수 있다.
본 실시예의 제2 펌프(620)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스를 제1 엔진(E1)의 요구 압력까지 압축시킨다. 제1 엔진(E1)이 ME-GI엔진인 경우, 제2 펌프(620)는 대략 300 bar의 압력으로 액화천연가스를 압축시키며, 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스는, 대략 -154℃, 300 bar 상태가 될 수 있다. 또한, 본 실시예의 제2 펌프(620)는, 피스톤(Piston) 타입일 수 있으며, 회전수를 조절하는 방식으로 유량을 조절할 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 액화천연가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 대략 -150℃일 수 있으며, 저장탱크(T)로 복귀된다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로 복귀되는 액화천연가스를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시킬 수 있으므로, 저장탱크(T) 내부의 온도 상승을 방지할 수 있고, 저장탱크(T) 내부에서의 증발가스 발생을 억제할 수 있다.
또한, 저장탱크(T)로부터 배출되고 제2 펌프(620)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 액화천연가스는, 제2 열교환기(120)에 의해 가열된 후 기화기(700)로 보내지므로, 바로 기화기(700)로 보내지는 것보다 더 적은 열원에 의하여 기화될 수 있어 효율적이다.
도 3에는 제2 펌프(620) 후단에 제2 열교환기(120)가 설치된 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 펌프(620)가 제2 열교환기(120) 후단에 설치되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스가 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축될 수도 있다.
본 실시예의 제3 열교환기(130)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620) 및 제2 열교환기(120)를 통과한 유체(L7 라인)를 냉매로, 기화기(700)에 의해 기화된 후 일부 분기된 천연가스(L8 라인)를 냉각시킨다.
천연가스로부터 중탄화수소를 분리하여 메탄가를 높이기 위해서는, 천연가스를 대략 -120℃ 이하로 냉각시켜야 하므로, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제3 열교환기(130)에 의해 천연가스를 -120℃ 이하로 냉각시킨 후 기액분리기(500)로 공급한다.
또한, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 제3 열교환기(130)로 보내진 유체는, 제3 열교환기(120)에 의해 추가로 가열된 후 기화기(700)로 보내지므로, 바로 기화기(700)로 보내지거나 제2 열교환기(120)만 통과한 후 기화기(700)로 보내지는 것보다, 더 적은 열원에 의하여 기화될 수 있어 효율적이다.
본 실시예의 기화기(700)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620), 제2 열교환기(120) 및 제3 열교환기(120)를 통과한 유체를 기화시킨다. 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스는, 일부는 제1 엔진(E1)에 연료로 공급되고(L9 라인), 나머지(L8 라인)는 제3 열교환기(130)로 공급된다.
본 실시예의 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스는 대략 -45℃일 수 있으며, 제1 실시예와 마찬가지로, 열매로 스팀(Steam), 해수나 회수된 폐열에 의해 가열된 글리콜 워터(Glycol Water) 등을 사용할 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(500)는, 기화기(700)에 의해 기화된 후 제3 열교환기(130)에 의해 냉각된 유체(L8 라인) 중 기체상태의 천연가스와 액체 상태의 액화천연가스를 분리시킨다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스 및 천연가스는 대략 -121.4℃일 수 있다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스는 제2 가열기(820)로 보내지고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 제2 열교환기(120)로 보내진다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 후 제2 열교환기(120)로 보내진 액화천연가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 저장탱크(T)로 복귀된다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 중탄화수소의 함량이 높고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스는 메탄의 함량이 높다. 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 메탄의 함량이 높은 천연가스를 제2 엔진(E2)에 공급할 수 있으므로, 제2 엔진(E2)의 노킹 현상을 방지할 수 있다.
HYSYS에 의한 시뮬레이션 결과, 본 실시예의 기액분리기(500)로 공급되는 유체는 86.74%의 메탄과, 12.25%의 에탄과 1.01%의 프로판으로 구성되고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스의 성분은 98.93%의 메탄과 1.07%의 에탄으로 구성되며, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스의 성분은 55.15%의 메탄과 41.23%의 에탄과 3.62%의 프로판으로 구성됨을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 제2 가열기(820)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도까지 가열시킨다. 제2 엔진(E2)이 DF엔진인 경우, 제2 가열기(820)는 대략 0℃ 내지 45℃로 천연가스를 가열한다. 제2 가열기(820)의 열매로는 해수, 청수, 스팀 등이 사용될 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(420)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 가열기(820)에 의해 가열된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압시킨다. 제2 엔진(E2)이 DF엔진인 경우, 본 실시예의 제2 감압장치(420)는 천연가스를 대략 6.5 bar의 압력으로 감압시킬 수 있다. 제2 가열기(820)에 의해 가열되고 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 천연가스는 제2 엔진(E2)에 연료로 공급된다.
도 3에는, 기액분리기(500) 후단에 제2 가열기(820)가 설치되고, 제2 가열기(820) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치된 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치되고, 제2 감압장치(420) 후단에 제2 가열기(820)가 설치되어, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스가, 제2 감압장치(420)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압된 후, 제2 가열기(820)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도까지 가열될 수도 있다.
본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T) 내부에 설치되어 저장탱크(T)에 저장된 액화천연가스를 배출시키는 제1 펌프(610)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제1 펌프(610)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)의 바닥 근처의 하부에 설치되며, 저장탱크(T)의 크기, 배관의 압력 강하, 공급해야 하는 액화천연가스의 유량 등에 따라 토출 압력과 배출 유량이 결정된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 증발가스 공급 시스템과, 저장탱크(T) 내부의 액화천연가스를 엔진(E1, E2)으로 공급하는 액화천연가스 공급 시스템을 포함한다.
단, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템은, 제1 실시예와는 달리, 엔진(E1, E2)의 연료로 사용하고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템을 더 포함한다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 증발가스 및 액화천연가스를 공급하는 저장탱크(T)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 멤브레인(Membrane) 탱크 또는 Type C 탱크일 수 있고, 설치 위치, 용량에 따라 선택이 가능하며, 멤브레인 탱크인 것이 바람직하다.
본 실시예의 증발가스 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 다단압축기(200)를 포함하고, 본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 펌프(620), 제2 열교환기(120), 기화기(700), 기액분리기(500), 제2 가열기(820), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다.
또한, 본 실시예의 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110) 및 제1 감압장치(410)를 포함한다.
단, 본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 실시예와는 달리, 제3 열교환기(130)를 더 포함하고, 제1 가열기(810)를 포함하지 않는다.
편의상 다단압축기(200)를 증발가스 공급 시스템에 속하는 구성으로 설명하고, 기액분리기(500)를 액화천연가스 공급 시스템에 속하는 구성으로 설명하나, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 다단압축기(200), 제1 열교환기(110), 및 제1 감압장치(410)를 통과하며 일부 또는 전부가 재액화되고, 재액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 증발가스는 기액분리기(500)에 의해 분리되므로, 다단압축기(200)와 기액분리기(500)는 재액화 시스템에도 속하는 구성으로 이해할 수 있다.
본 실시예의 다단압축기(200)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키며, 다수개의 압축기(210, 220, 230, 240, 250) 및 압축기 후단에 압축기와 교대로 설치되는 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함한다. 도 4에는, 5개의 압축기 및 5개의 냉각기에 의해 5단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기를 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예의 다단압축기(200)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 하나 이상의 재순환라인을 포함할 수 있다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내지고, 다단압축기(200)의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어(L3 라인) 제2 엔진(E2)으로 보내진다.
도 4에는, 5개의 압축기 중 3개의 압축기(210, 220, 230)에 의해 압축된 증발가스가 일부 분기되어 제2 엔진(E2)으로 보내지는 것을 예로 들어 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 엔진(E1)은 ME-GI엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 DF엔진일 수 있다.
본 실시예의 제2 펌프(620)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스를 제1 엔진(E1)의 요구 압력까지 압축시킨다. 제1 엔진(E1)이 ME-GI엔진인 경우, 제2 펌프(620)는 대략 300 bar의 압력으로 액화천연가스를 압축시키며, 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스는, 대략 -154℃, 300 bar 상태가 될 수 있다. 또한, 본 실시예의 제2 펌프(620)는, 피스톤(Piston) 타입일 수 있으며, 회전수를 조절하는 방식으로 유량을 조절할 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 액화천연가스는, 대략 -154℃일 수 있으며, 저장탱크(T)로 복귀된다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로 복귀되는 액화천연가스를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시킬 수 있으므로, 저장탱크(T) 내부의 온도 상승을 방지할 수 있고, 저장탱크(T) 내부에서의 증발가스 발생을 억제할 수 있다.
또한, 저장탱크(T)로부터 배출되고 제2 펌프(620)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 액화천연가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 열교환기(120)에 의해 가열된 후 기화기(700)로 보내지므로, 바로 기화기(700)로 보내지는 것보다 더 적은 열원에 의하여 기화될 수 있어 효율적이다.
도 4에는 제2 펌프(620) 후단에 제2 열교환기(120)가 설치된 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 펌프(620)가 제2 열교환기(120) 후단에 설치되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 액화천연가스가 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 제2 펌프(620)에 의해 압축될 수도 있다.
본 실시예의 제3 열교환기(130)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620) 및 제2 열교환기(120)를 통과한 유체(L7 라인)를 냉매로, 기화기(700)에 의해 기화된 후 일부 분기된 천연가스(L8 라인)를 냉각시킨다.
천연가스로부터 중탄화수소를 분리하여 메탄가를 높이기 위해서는, 천연가스를 대략 -120℃ 이하로 냉각시켜야 하므로, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제3 열교환기(130)에 의해 천연가스를 -120℃ 이하로 냉각시킨 후 기액분리기(500)로 공급한다.
또한, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 제3 열교환기(130)로 보내진 유체는, 제3 열교환기(120)에 의해 추가로 가열된 후 기화기(700)로 보내지므로, 바로 기화기(700)로 보내지거나 제2 열교환기(120)만 통과한 후 기화기(700)로 보내지는 것보다, 더 적은 열원에 의하여 기화될 수 있어 효율적이다.
본 실시예의 기화기(700)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제2 펌프(620), 제2 열교환기(120) 및 제3 열교환기(120)를 통과한 유체를 기화시킨다. 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스는, 일부는 제1 엔진(E1)에 연료로 공급되고(L9 라인), 나머지(L8 라인)는 제3 열교환기(130)로 공급된다.
본 실시예의 기화기(700)에 의해 기화된 천연가스는 대략 -45℃일 수 있으며, 제1 실시예와 마찬가지로, 열매로 스팀(Steam), 해수나 회수된 폐열에 의해 가열된 글리콜 워터(Glycol Water) 등을 사용할 수 있다.
본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 후 일부 분기된 증발가스(L5 라인)를, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 열교환시켜 냉각시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스 중, 제1 엔진(E1)이나 제2 엔진(E2)으로 공급되지 않고 남은 잉여 증발가스가, 제1 열교환기(110)로 공급되어 재액화 과정을 거치는 것이다.
본 실시예의 제1 감압장치(410)는, 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체(L5 라인)를 팽창시킨다.
다단압축기(200)에 의한 압축 과정과, 제1 열교환기(110)에 의한 냉각 과정과, 제1 감압장치(410)에 의한 팽창 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 다단압축기(200)의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 대략 300 bar, 45℃ 상태일 수 있고, 대략 300 bar, 45℃ 상태의 증발가스는 제1 열교환기(110)에 의해 냉각되어 대략 -120℃로 냉각될 수 있으며, 대략 -120℃의 유체는 제1 감압장치(410)에 의해 팽창되어 대략 -129℃로 냉각될 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(500)는, 기화기(700)에 의해 기화된 후 제3 열교환기(130)에 의해 냉각된 유체(L8 라인) 중 기체상태의 천연가스와 액체 상태의 액화천연가스를 분리시킨다.
또한, 본 실시예의 기액분리기(500)는, 다단압축기(200), 제1 열교환기(110), 및 제1 감압장치(410)를 통과한 유체(L5 라인)를, 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스로 분리한다.
즉, 기화기(700)에 의해 기화된 후 제3 열교환기(130)에 의해 냉각된 유체(L8 라인)와, 다단압축기(200), 제1 열교환기(110), 및 제1 감압장치(410)를 통과한 유체(L5 라인)가, 기액분리기(500)에서 혼합된 후, 혼합된 유체가 액화천연가스와 천연가스로 분리된다. 기액분리기(500) 내부 압력은 대략 2.1 bar일 수 있고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스 및 천연가스는 대략 -129℃일 수 있다.
본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 저장탱크(T)로 복귀된다.
단, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와는 달리, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스가 전부 제2 가열기(820)로 보내지는 것이 아니라, 일부는 제2 가열기(820)로 보내지고, 나머지는 제1 열교환기(110)와 다단압축기(200) 사이로 보내진다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 후 제1 열교환기(110)와 다단압축기(200) 사이로 보내진 천연가스는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스와 합류되어, 다단압축기(200)로 공급된다.
도 4에는, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스의 일부가 제1 열교환기(110)와 다단압축기(200) 사이로 보내지는 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스의 일부가 저장탱크(T)와 제1 열교환기(110) 사이로 보내질 수도 있다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스의 일부가 저장탱크(T)와 제1 열교환기(110) 사이로 보내지는 경우, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 후 다단압축기(200)로 공급된다.
본 실시예의 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 중탄화수소의 함량이 높고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스는 메탄의 함량이 높다. 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 메탄의 함량이 높은 천연가스를 제2 엔진(E2)에 공급할 수 있으므로, 제2 엔진(E2)의 노킹 현상을 방지할 수 있다.
HYSYS에 의한 시뮬레이션 결과, 본 실시예의 기액분리기(500)로 공급되는 유체는 86.74%의 메탄과, 12.25%의 에탄과 1.01%의 프로판으로 구성되고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 천연가스의 성분은 99.76%의 메탄과 0.24%의 에탄으로 구성되며, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스의 성분은 84.43%의 메탄과 14.38%의 에탄과 1.19%의 프로판으로 구성됨을 확인할 수 있었다.
본 실시예의 제2 가열기(820)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도까지 가열시킨다. 제2 엔진(E2)이 DF엔진인 경우, 제2 가열기(820)는 대략 0℃ 내지 45℃로 천연가스를 가열한다. 제2 가열기(820)의 열매로는 해수, 청수, 스팀 등이 사용될 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(420)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 가열기(820)에 의해 가열된 천연가스를 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압시킨다. 제2 엔진(E2)이 DF엔진인 경우, 본 실시예의 제2 감압장치(420)는 천연가스를 대략 6.5 bar의 압력으로 감압시킬 수 있다. 제2 가열기(820)에 의해 가열되고 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 천연가스는 제2 엔진(E2)에 연료로 공급된다.
도 4에는, 기액분리기(500) 후단에 제2 가열기(820)가 설치되고, 제2 가열기(820) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치된 것이 도시되어 있으나, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료 공급 시스템에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500) 후단에 제2 감압장치(420)가 설치되고, 제2 감압장치(420) 후단에 제2 가열기(820)가 설치되어, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스가, 제2 감압장치(420)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압된 후, 제2 가열기(820)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 온도까지 가열될 수도 있다.
본 실시예의 액화천연가스 공급 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T) 내부에 설치되어 저장탱크(T)에 저장된 액화천연가스를 배출시키는 제1 펌프(610)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제1 펌프(610)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)의 바닥 근처의 하부에 설치되며, 저장탱크(T)의 크기, 배관의 압력 강하, 공급해야 하는 액화천연가스의 유량 등에 따라 토출 압력과 배출 유량이 결정된다.
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.
T : 저장탱크 L1, L2 : 재순환라인
E1, E2 : 엔진 110, 120, 130 : 열교환기
200 : 다단압축기 210, 220, 230, 240, 250 : 압축기
310, 320, 330, 340, 350 : 냉각기 410, 420 : 감압장치
500 : 기액분리기 610, 620 : 펌프
700 : 기화기 810, 820 : 가열기

Claims (19)

  1. 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기;
    상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 압축시키는 제2 펌프;
    상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 냉매로, 상기 저장탱크로 복귀되는 액화천연가스를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 냉매로, 천연가스를 열교환시켜 냉각시키는 제3 열교환기;
    상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 및
    상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 천연가스와 액화천연가스를 분리시키는 기액분리기;를 포함하고,
    상기 기화기에 의해 기화된 천연가스는, 상기 제3 열교환기로 공급되어 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각되고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는 제2 엔진으로 공급되고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 저장탱크로 복귀되고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 기액분리기로 공급되는 유체에 비해 메탄의 함량이 높아지고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는, 상기 기액분리기로 공급되는 유체에 비해 중탄화수소의 함량이 높아지며,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스를 제2 엔진이 요구하는 온도까지 가열시키는 제2 가열기 및 제2 엔진이 요구하는 압력까지 감압시키는 제2 감압장치를 더 포함하고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 제2 가열기에 의해 가열된 후 상기 제2 엔진으로 공급되며,
    상기 제2 감압장치는, 상기 기액분리기와 상기 제2 가열기 사이에 설치되거나, 상기 제2 가열기와 상기 제2 엔진 사이에 설치되고,
    상기 제2 엔진은 일정값 이상의 메탄가를 요구하는 엔진인, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 엔진은 DF엔진이고,
    상기 제2 가열기는 천연가스를 0℃ 내지 45℃로 가열하고,
    상기 제2 감압장치는 천연가스를 6.5 bar로 감압시키는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저장탱크 내부에 설치되어 액화천연가스를 배출시키는 제1 펌프를 더 포함하는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열교환기는, 상기 제2 펌프 후단에 설치되어, 상기 제2 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 냉매로 사용하는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 펌프는, 상기 제2 열교환기 후단에 설치되어, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스를 압축시키는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다단압축기의 모든 단계를 거쳐 압축된 증발가스는 제1 엔진으로 보내지고, 상기 다단압축기의 일부 단계만을 거쳐 압축된 증발가스는 중간에 분기되어 상기 제2 엔진으로 보내지는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화기에 의해 기화된 천연가스의 일부는 제1 엔진으로 공급되고,
    상기 제2 펌프는, 상기 제1 엔진의 요구 압력까지 액화천연가스를 압축시키는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 펌프는 상기 저장탱크의 하부에 설치되는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 엔진은 ME-GI엔진이고,
    상기 제2 펌프는 액화천연가스를 300 bar로 압축시키는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  12. 청구항 1 , 청구항 4 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단압축기는, 다수개의 압축기 및 다수개의 냉각기를 포함하고,
    상기 다수개의 냉각기는 상기 다수개의 압축기 후단에 각각 설치되어, 상기 다수개의 압축기와 상기 다수개의 냉각기가 교대로 설치되는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 다단압축기는, 5개의 압축기 및 5개의 냉각기를 포함하여, 5단으로 증발가스를 압축시키는, 선박용 엔진의 연료 공급 시스템.
  14. 1) 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 제2 열교환기의 냉매로 사용하는 단계;
    2) 상기 1)단계에서 상기 제2 열교환기의 냉매로 사용된 유체를 제3 열교환기의 냉매로 사용하는 단계;
    3) 상기 2)단계에서 상기 제3 열교환기의 냉매로 사용된 유체를 기화시키는 단계;
    4) 상기 3)단계에서 기화된 천연가스를 상기 2)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각시키는 단계; 및
    5) 상기 4)단계에서 냉각된 유체를 천연가스와 액화천연가스로 분리하는 단계;
    6) 상기 5)단계에서 분리된 천연가스를 제2 엔진으로 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 5)단계에서 분리된 천연가스는, 기액분리되기 전의 유체보다 메탄의 함량이 높아지고,
    상기 5)단계에서 분리된 액화천연가스는, 기액분리되기 전의 유체보다 중탄화수소의 함량이 높아지며,
    상기 5)단계에서 분리된 천연가스를 제2 가열기에 의해 상기 제2 엔진이 요구하는 온도로 가열시킨 후 상기 제2 엔진으로 공급하는 단계; 및
    상기 5)단계에서 분리된 천연가스를, 상기 제2 가열기 전단 또는 후단에서 상기 제2 엔진이 요구하는 압력으로 감압시킨 후 상기 제2 엔진으로 공급하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 엔진은 일정값 이상의 메탄가를 요구하는 엔진인, 선박용 엔진의 연료 공급 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 열교환기 전단 또는 후단에서, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 제1 엔진이 요구하는 압력으로 압축시키는 단계를 더 포함하는, 선박용 엔진의 연료 공급 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 3)단계에서 기화된 천연가스의 일부는 상기 제1 엔진으로 공급되는, 선박용 엔진의 연료 공급 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 가열한 후 냉각시켜 기액분리하고,
    기액분리되어 메탄가가 높아진 천연가스는 DF엔진으로 공급하고,
    기액분리된 액화천연가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 냉매로 열교환시켜 냉각시킨 후 상기 저장탱크로 복귀시키는 것으로,
    상기 기액 분리되어 메탄가가 높아진 천연가스는 제2 가열기를 통해 2차 가열하고,
    상기 제2 가열기 전단 또는 후단에서 상기 DF엔진이 요구하는 압력으로 감압 시킨 후 DF엔진으로 공급하는 것인, 선박용 엔진의 연료 공급 방법.
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