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KR20130075021A - 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20130075021A
KR20130075021A KR1020110143199A KR20110143199A KR20130075021A KR 20130075021 A KR20130075021 A KR 20130075021A KR 1020110143199 A KR1020110143199 A KR 1020110143199A KR 20110143199 A KR20110143199 A KR 20110143199A KR 20130075021 A KR20130075021 A KR 20130075021A
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KR
South Korea
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heat
fuel gas
cooling water
heat exchanger
heat medium
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Ceased
Application number
KR1020110143199A
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Inventor
나지훈
조은엽
Original Assignee
대우조선해양 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로서 공급함에 있어서 폐열을 활용하도록 구성되는, 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서, 액화가스를 연료가스의 형태로 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 수 있도록 기화시키는 고압 기화기와; 상기 고압 기화기에 열매체를 통하여 열을 공급하기 위한 열전달 회로와; 상기 고압 기화기를 통과하면서 냉각된 열매체를 공급받아 가열하기 위한 열매체 열교환기와; 엔진류와 주 냉각장치 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각 회로; 를 포함하며, 상기 냉각 회로를 순환하는 냉각수 전체 혹은 일부를 상기 열매체 열교환기에 공급하여 열매체를 가열함으로써 냉각수로부터 폐열을 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템 및 이를 이용한 연료가스 공급 방법이 제공된다.

Description

폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SUPPLYING FUEL GAS HAVING A HEAT EXCHANGER FOR RECYCLING WASTE HEAT}
본 발명은 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로서 공급함에 있어서 폐열을 활용하도록 구성되는, 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.
근래, LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 액화가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는, 액화된 상태로 액화가스 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. LNG나 LPG 등의 액화가스는 천연가스 혹은 석유가스를 극저온(LNG의 경우 대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화가스 운반선은, 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 이 액화가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 포함한다.
이와 같이 극저온 상태의 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 마련된 해상 구조물의 예로서는 액화가스 운반선 이외에도 LNG RV (Regasification Vessel)와 같은 선박이나 LNG FSRU (Floating Storage and Regasification Unit), LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading)와 같은 구조물 등을 들 수 있다.
LNG RV는 자력 항해 및 부유가 가능한 액화가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화 천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화 천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 해상 구조물이다. 그리고, LNG FPSO는 채굴된 천연가스를 해상에서 정제한 후 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 해상 구조물이다. 본 명세서에서 해상 구조물이란, 액화가스 운반선, LNG RV 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 구조물까지도 모두 포함하는 개념이다.
천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. 종래의 LNG 운반선의 경우를 예를 들어 설명하면, LNG 운반선의 LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.
발생된 증발가스는 저장탱크 내의 압력을 증가시키며 선박의 요동에 따라 액화가스의 유동을 가속시켜 구조적인 문제를 야기시킬 수 있기 때문에, 증발가스의 발생을 억제할 필요가 있다.
종래, 액화가스 운반선의 저장탱크 내에서의 증발가스를 억제하기 위해, 증발가스를 저장탱크의 외부로 배출시켜 소각해 버리는 방법, 증발가스를 저장탱크의 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시킨 후 다시 저장탱크로 복귀시키는 방법, 선박의 추진기관에서 사용되는 연료로서 증발가스를 사용하는 방법, 저장탱크의 내부압력을 높게 유지함으로써 증발가스의 발생을 억제하는 방법 등이 단독으로 혹은 복합적으로 사용되고 있었다.
한편, 일반적으로 선박에서 배출되는 폐기가스 중 국제 해사 기구 (International Maritime Organization)의 규제를 받고 있는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이며, 이산화탄소(CO2)의 배출도 규제하려 하고 있다. 특히, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 경우, 1997년 해상오염 방지협약(MARPOL; The Prevention of Marine Pollution from Ships) 의정서를 통하여 제기되고, 8년이라는 긴 시간이 소요된 후 2005년 5월에 발효요건을 만족하여 현재 강제규정으로 이행되고 있다.
따라서, 이러한 규정을 충족시키기 위하여 질소산화물(NOx) 배출량을 저감하기 위하여 다양한 방법들이 소개되고 있는데, 이러한 방법 중 하나로서 연소시 오염물질이 다량 발생하는 HFO 등의 연료유를 연료로서 사용하지 않거나 소량만 사용하고 청정연료인 LNG를 연료로서 사용하는 고압 천연가스 분사 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진이 개발되어 사용되고 있다.
이와 같은 ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물(본 명세서에서 해상 구조물이란, LNG 운반선, LNG RV 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.)에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 그 부하에 따라 대략 150 ∼ 400 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.
ME-GI 엔진과 같은 고압 천연가스 분사 엔진을 탑재한 해상 구조물의 경우에는, LNG를 저장하고 있는 저장탱크로부터 LNG 및/또는 증발가스를 뽑아내어 연료로서 엔진에 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템이 설치된다. ME-GI 엔진과 같은 고압 천연가스 분사 엔진은 LNG를 고압의 가스 상태로 공급해야 하기 때문에, 연료가스 공급 시스템은 저장탱크로부터의 LNG를 기화시키기 위한 고압 기화기를 포함한다.
그런데, 고압 기화기에는 LNG의 기화를 위해 지속적으로 열을 공급하여야 하므로, 지금까지는 보일러에서 발생하는 스팀이 가지는 열을 직접 혹은 간접적으로 고압 기화기에 전달함으로써 LNG를 기화시키는 시스템을 활용하는 방법이 제안되어 있을 뿐이었으며, 고압 기화기에서의 LNG 기화에 소요되는 에너지를 절약할 수 있는 방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어질 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로서 공급함에 있어서 액화가스 기화에 필요한 열을 각종 엔진의 냉각수로부터 폐열을 회수하여 활용하도록 구성하여 에너지를 절약할 수 있는, 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서, 액화가스를 연료가스의 형태로 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 수 있도록 기화시키는 고압 기화기와; 상기 고압 기화기에 열매체를 통하여 열을 공급하기 위한 열전달 회로와; 상기 고압 기화기를 통과하면서 냉각된 열매체를 공급받아 가열하기 위한 열매체 열교환기와; 엔진류와 주 냉각장치 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각 회로; 를 포함하며, 상기 냉각 회로를 순환하는 냉각수 전체 혹은 일부를 상기 열매체 열교환기에 공급하여 열매체를 가열함으로써 냉각수로부터 폐열을 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템이 제공된다.
상기 연료가스 공급 시스템은, 냉각수를 상기 열매체 열교환기에 공급하기 위해 상기 엔진류 하류측의 상기 냉각 회로에서 분기하는 분기 라인과; 상기 열매체 열교환기에서 가열된 냉각수를 상기 주 냉각장치 상류측의 상기 냉각 회로에 복귀시키기 위한 복귀 라인; 을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분기 라인에는 냉각수의 순환을 위해 냉각수 순환펌프가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 분기 라인과 상기 복귀 라인에는 상기 열매체 열교환기에 공급되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 각각 설치되는 것이 바람직하다.
상기 연료가스 공급 시스템에는, 상기 열매체 열교환기를 향하는 냉각수의 흐름을 중단시킬 수 있는 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
상기 연료가스 공급 시스템은, 상기 열매체 열교환기에 공급되는 냉각수를 가열하기 위한 히터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분기 라인에는 상기 열매체 열교환기에 공급되는 냉각수를 가열하기 위한 히터가 상기 분기 라인과 병렬로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템을 이용한 연료가스 공급 방법으로서, 엔진류와 주 냉각장치 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각 회로 내에서 상기 주 냉각장치로 공급되는 냉각수를, 고압 기화기를 통과하면서 냉각된 열매체를 공급받아 가열하기 위한 열매체 열교환기에 공급하여 상기 열매체를 가열함으로써 냉각수로부터 폐열을 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로서 공급함에 있어서 액화가스 기화에 필요한 열을 각종 엔진의 냉각수로부터 폐열을 회수하여 활용하도록 구성되는, 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.
그에 따라 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법에 의하면, 고압 기화기에서 액화가스를 기화시키기 위해 필요한 열 중에서 적어도 일부를, 각종 엔진으로부터의 폐열로 충당할 수 있어 고압 기화기에서 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법에 의하면, 각종 엔진의 냉각수로부터 폐열을 회수함에 따라 냉각수의 온도가 낮아져, 각종 엔진의 냉각수를 냉각시키기 위해 설치되는 주 냉각기의 용량을 낮출 수 있어 주 냉각기에서 소요되는 에너지를 절약할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른, 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템의 개념도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 연료가스 공급 시스템은, LNG를 저장하고 있는 저장탱크로부터 LNG를 뽑아내어 고압 펌프를 사용해 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력까지 LNG를 압축한 후, 고압 기화기에서 LNG를 기화시키고, 기화된 연료가스를 고압가스 분사엔진, 예컨대 ME-GI 엔진에 공급한다. 이러한 연료가스 공급 시스템은 대한민국 등록특허 제 10-835090 호 등에 개시되어 있다.
도 1에는 본 발명에 따른, 폐열 재활용을 위한 열교환기를 갖는 연료가스 공급 시스템의 개념도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료가스 공급 시스템은, 액화가스, 예컨대 LNG를 연료가스의 형태로 고압가스 분사엔진, 예컨대 ME-GI 엔진에 공급할 수 있도록 기화시키는 고압 기화기(10)와, 이 고압 기화기(10)에 열매체를 통하여 열을 공급하기 위한 열전달 회로(20)를 포함한다.
열전달 회로(20)는, 고압 기화기(10)를 통과하면서 액화가스, 즉 LNG와의 열교환을 통하여 LNG를 기화시키고, 즉 LNG의 온도를 상승시키고 자신은 냉각된 열매체를 공급받아, 이 열매체를 가열하여 온도를 상승시키기 위한 열매체 열교환기(21)를 포함한다.
이 열매체 열교환기(21)에 열을 공급하기 위해서, 종래에는 보일러(도시생략)로부터의 스팀만을 열매체 열교환기(21)에 공급하였기 때문에, 스팀 생성을 위해 많은 에너지가 소모되었다. 그러나, 본 발명에 따른 연료가스 공급 시스템은, 보일러로부터의 스팀뿐만 아니라, 각종 엔진류로부터의 냉각수를 열매체 열교환기(21)에 공급함으로써 냉각수가 가진 폐열을 회수하여 활용하는 것이 가능하기 때문에, 종래에 비해 스팀 생성에 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 연료가스 공급 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 각종 엔진류(31)와 주 냉각장치(32) 사이를 순환하는 냉각수 전체 혹은 일부를 열매체 열교환기(21)에 공급한다. 더욱 상세하게는, 엔진류(31)와 주 냉각장치(32) 사이에는 냉각수의 순환을 위한 냉각 회로(30)가 설치되며, 이 냉각 회로(30)는, 냉각수 전체 혹은 일부를 열매체 열교환기(21)에 공급하기 위해 엔진류(31) 하류측의 냉각 회로(30)에서 분기하는 분기 라인(34)과, 열매체 열교환기(21)에서 가열된 냉각수를 주 냉각장치(32) 상류측의 냉각 회로(30)에 복귀시키기 위한 복귀 라인(35)을 포함한다.
본 명세서에서 "엔진류"라는 표현은, 예를 들어, 주 추진용의 ME-GI 엔진뿐만 아니라, DFDE 등의 발전기 엔진 등과 같이 냉각수에 의해 냉각시킬 필요가 있는 모든 기계장치를 의미한다.
분기 라인(34)에는 냉각수의 순환을 위해 냉각수 순환펌프(37)가 설치될 수 있다. 냉각수 순환펌프(37)는, 고장 혹은 유지보수를 대비하여 2개를 병렬로 배치하여 사용하는 것이 바람직하다.
고압 기화기(10)에서 기화되는 연료가스의 양을 일정하게 유지할 수 있도록 고압 기화기(10)에 공급되는 열매체의 온도와 유량은 일정하게 제어될 필요가 있다. 이를 위해서는 열매체를 가열하기 위해 열매체 열교환기(21)에 공급되는 열원, 즉 냉각수의 온도 역시 일정하게 제어될 필요가 있다.
열매체 열교환기(21)에 공급되는 냉각수를 일정하게 그리고 안정적으로 유지할 수 있도록, 냉각수를 가열할 수 있는 히터(36)가 분기 라인(34)에 설치되는 것이 바람직하다. 히터(36)는 필요시에만 사용할 수 있도록 분기 라인(34)과 병렬로 설치되는 것이 바람직하다. 히터(36)로서는 보일러에서 발생한 스팀을 열원으로 사용하거나 전기 발열체를 열원으로 사용하도록 구성된 것이 채택될 수 있다.
분기 라인(34)과 복귀 라인(35)에는 열매체 열교환기(21)에 공급되는 냉각수의 온도를 측정하여 냉각수의 공급량을 조절하거나 열매체 열교환기에 설계된 만큼의 열량이 공급되는지 여부를 확인하기 위한 온도 센서(Temperature Transmitter) (38a, 38b, 38c)가 설치될 수 있다. 온도 센서(38a, 38b, 38c)는 열매체 열교환기(21)의 냉각수의 유입부와 토출부에 각각 설치될 수 있다. 더욱 상세하게는, 온도 센서는 분기 라인(34)과 병렬로 배치되는 히터(36)의 상류측에 하나(부재번호 38a로 표시), 열매체 열교환기(21)의 유입부, 즉 히터(36)와 열매체 열교환기(21)의 사이에 하나(부재번호 38b로 표시), 그리고 열매체 열교환기(21)의 토출부에 하나(부재번호 38c로 표시)가 각각 설치되는 것이 바람직하다.
열매체 열교환기(21)에서 열매체를 가열하고 자신은 냉각된 냉각수는 복귀 라인(35)을 따라 냉각 회로(30)에 복귀하여 냉각 회로(30) 내의 냉각수와 합류한 후, 계속해서 주 냉각장치(32)에 공급된다. 이때, 열매체 열교환기(21)를 통과한 냉각수는 열매체 열교환기를 통과하지 않은 냉각수에 비해 온도가 낮으므로, 합류 후의 전체적인 냉각수 온도 역시 낮아질 수 있다. 그에 따라 냉각수의 적어도 일부가 열매체 열교환기(21)를 거치지 않는 경우에 비해 주 냉각장치(32)에서의 냉각효율이 높아질 수 있으며, 에너지 절감이 가능해진다.
열매체 열교환기(21)에 대한 냉각수의 공급은 고압 기화기(10)가 작동하고 있을 때, 즉 ME-GI 엔진이 작동하고 있을 때 이루어져야 하므로, 본 발명은 해상 구조물의 항해 중에 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명이 적용되지 않을 때, 혹은 유지보수를 위해 열매체 열교환기(21)를 향하는 냉각수의 흐름을 중단시킬 수 있는 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 LNG 운반선을 비롯하여 연료가스 공급 시스템이 설치되어 있는 모든 종류의 선박에 적용될 수 있다. 특히 통상적으로 보일러의 용량이 작은 건조화물 화물선(Dry Cargo Ship)에 본 발명이 적용될 경우 그 효과가 극대화될 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.
10 : 고압 기화기 20 : 열전달 회로
21 : 열매체 열교환기 30 : 냉각 회로
31 : 엔진류 32 : 주 냉각장치
34 : 분기 라인 35 : 복귀 라인
36 : 히터 37 : 냉각수 순환펌프
38a, 38b, 38c : 온도 센서

Claims (8)

  1. 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서,
    액화가스를 연료가스의 형태로 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 수 있도록 기화시키는 고압 기화기와;
    상기 고압 기화기에 열매체를 통하여 열을 공급하기 위한 열전달 회로와;
    상기 고압 기화기를 통과하면서 냉각된 열매체를 공급받아 가열하기 위한 열매체 열교환기와;
    엔진류와 주 냉각장치 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각 회로; 를 포함하며,
    상기 냉각 회로를 순환하는 냉각수 전체 혹은 일부를 상기 열매체 열교환기에 공급하여 열매체를 가열함으로써 냉각수로부터 폐열을 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스 공급 시스템은, 냉각수를 상기 열매체 열교환기에 공급하기 위해 상기 엔진류 하류측의 상기 냉각 회로에서 분기하는 분기 라인과; 상기 열매체 열교환기에서 가열된 냉각수를 상기 주 냉각장치 상류측의 상기 냉각 회로에 복귀시키기 위한 복귀 라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분기 라인에는 냉각수의 순환을 위해 냉각수 순환펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 분기 라인과 상기 복귀 라인에는 상기 열매체 열교환기에 공급되는 냉각수의 온도를 측정하기 위한 온도 센서가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열매체 열교환기를 향하는 냉각수의 흐름을 중단시킬 수 있는 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 열매체 열교환기에 공급되는 냉각수를 가열하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 분기 라인에는 상기 열매체 열교환기에 공급되는 냉각수를 가열하기 위한 히터가 상기 분기 라인과 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
  8. 고압가스 분사엔진에 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템을 이용한 연료가스 공급 방법으로서,
    엔진류와 주 냉각장치 사이에서 냉각수를 순환시키는 냉각 회로 내에서 상기 주 냉각장치로 공급되는 냉각수를, 고압 기화기를 통과하면서 냉각된 열매체를 공급받아 가열하기 위한 열매체 열교환기에 공급하여 상기 열매체를 가열함으로써 냉각수로부터 폐열을 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 방법.
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