KR20140052886A

KR20140052886A - 선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140052886A
Application number: KR1020130127051A
Authority: KR
Inventors: 제창호
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2014-05-07
Also published as: IN2015KN00268A; RU2015104779A; KR20140052885A; NO2913509T3; US9447751B2; PL2913509T3; JP2015500759A; EP2913509B1; RU2602714C2; EP2913509A1; ES2647465T3; CN104024619B; CN104024619A; SG11201402386VA; WO2014065617A1; EP2913509A4; KR101350807B1; HRP20171732T1; US20150285189A1; DK2913509T3

Abstract

선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 시스템은, 주 엔진과 부 엔진을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 상기 선박용 엔진으로 공급하는 고압 압축부; 및 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 고압 기화부를 포함하여,
상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지를 기준으로 상기 주 엔진은 상기 고압 압축부 및 고압 기화부 중 어느 하나로부터 연료가스를 공급받고, 상기 고압 압축부와 고압 기화부를 동시 가동가능한 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 엔진의 연료공급 시스템 및 방법{Fuel Supply System And Method For Ship Engines}

본 발명은 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주 엔진과 부 엔진을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG를 압축하여 선박용 엔진으로 공급하는 고압 압축부와, LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 선박용 엔진으로 공급하는 고압 기화부를 포함하되, BOG의 발생량이 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지를 기준으로 주 엔진은 고압 압축부 및 고압 기화부 중 어느 하나로부터 연료가스를 공급받고, 고압 압축부와 고압 기화부를 동시 가동가능한 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 관한 것이다.

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 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.

천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.

BOG는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.

최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다. 그리고 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(Gas Combustion Unit, GCU)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

가스연소유닛은 BOG를 달리 활용할 데가 없는 경우 저장탱크의 압력 조절을 위하여 불가피하게 잉여의 BOG를 연소하는 것으로서, BOG가 가지고 있는 화학 에너지가 연소에 의해 낭비되는 결과를 초래한다는 문제가 있다.

LNG 운반선의 추진 시스템에서 메인 추진 장치로서 이중 연료 연소(Dual Fuel, DF) 엔진을 적용하는 경우, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 DF 엔진의 연료로서 사용하여 증발가스를 처리할 수 있는데, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스의 양이 DF 엔진에서 선박의 추진에 사용되는 연료의 양을 초과하는 경우에, LNG 저장탱크를 보호하기 위해 증발가스를 가스 연소기로 보내어서 소각시키기도 한다.

출원번호 제10-2010-0116987호

선박의 추진 시스템으로 DF 엔진이 사용되고 있으며 고압가스를 분사하여 이용하는 엔진 등도 개발되고 있다. 이러한 선박의 추진 시스템에서는 장치 고장에서의 운항 중단에 대비하여 선급 규정상 엔진의 연료공급 장치가 이원화(redundancy)되어야 한다.

도 1에 도시된 것과 같이, LNG carrier 등에서 고압가스 분사엔진을 추진 시스템에 구성하여 LNG 운반시 발생하는 BOG를 선박용 엔진의 연료로 공급하는 경우, 두 세트의 압축기(10, 20)를 구비하여야 한다. 그러나 이원화 규정을 위해 사용되지 않는 여분의 장비를 보유하는 것은 비용면에서 매우 큰 부담이 된다. 특히 BOG를 고압으로 압축하는 압축기는 고가의 장비이므로 비용 부담이 크다. 또한, 카고 탱크에 LNG가 가득 찬 상태에서는 발생하는 BOG가 많으므로 압축하여 연료로 공급할 수 있지만, LNG를 하역하여 카고 탱크에 적재된 LNG의 양이 적은 경우 발생하는 BOG가 적으므로 강제적으로 BOG를 발생시켜야만 한다.

도 2에 도시된 것과 같이, BOG 대신 LNG를 펌핑 및 기화시켜 연료로 공급받는 고압가스 분사엔진을 구성하는 경우, 두 세트의 펌프(30, 40)를 구비해야 하지만, 펌프의 가격은 압축기에 비해 상대적으로 낮으므로 장비 보유 비용 부담을 줄일 수 있고, 카고 탱크에 저장된 LNG를 소비하게 되므로 안정적인 연료공급은 가능하다. 반면, LNG의 full loading 상태에서 발생하는 다량의 BOG는 활용하지 못하고 낭비하게 되는 문제가 있다.

따라서 비용면에서 합리적이며, 발생하는 BOG를 충분히 활용하면서, BOG의 발생량이 적은 때에도 안정적으로 연료를 공급받아 선박을 추진할 수 있는 연료공급 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 주 엔진과 부 엔진을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,

선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 상기 선박용 엔진으로 공급하는 고압 압축부; 및

상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 고압 기화부를 포함하여,

상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지를 기준으로 상기 주 엔진은 상기 고압 압축부 및 고압 기화부 중 어느 하나로부터 연료가스를 공급받고,

상기 고압 압축부와 고압 기화부를 동시 가동가능한 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하면, 상기 주 엔진은 상기 고압 압축부로부터 연료가스를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 고압 기화부로부터 연료가스를 공급받고,

상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량보다 적으면, 상기 주 엔진은 상기 고압 기화부로부터 연료가스를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 고압 압축부로부터 연료가스를 공급받는다.

바람직하게는, 상기 주 엔진 및 부 엔진으로 도입되는 연료가스의 구성성분을 분석하는 가스 분석기를 더 포함하여, 상기 가스 분석기에서 분석된 상기 연료가스의 구성성분을 기준으로, 상기 주 엔진 및 부 엔진 중 부하가 높은 쪽으로 상기 고압 압축부와 상기 고압 기화부 중에서 상기 구성성분의 메탄가가 높은 연료가스를 공급할 수 있다.

바람직하게는 상기 고압 압축부는, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 상기 주 엔진으로 공급하는 제1 유로와, 상기 제1 유로에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 다단 압축기와, 상기 다단 압축기 중 적어도 일부를 거친 상기 BOG가 분기되도록 상기 제1 유로에서 분기되어 상기 부 엔진으로 연결되는 제2 유로를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 고압 기화부는, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 상기 주 엔진으로 공급하는 제3 유로와, 상기 제3 유로에 마련되어 상기 액화천연가스를 고압으로 펌핑하는 고압 펌프와, 상기 고압 펌프에서 펌핑된 액화천연가스를 기화시키는 기화기와, 상기 기화기의 하류에서 상기 제3 유로로부터 분기되어 상기 부 엔진으로 연결되는 제4 유로와, 상기 제4 유로에 마련되어 펌핑 및 기화된 상기 액화천연가스를 감압하여 상기 부 엔진으로 공급하는 팽창수단을 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 고압 기화부는, 상기 제4 유로에 마련되어 상기 팽창수단으로 감압된 상기 액화천연가스를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 선박의 레이든(Laden) 운항시, 상기 주 엔진은 상기 제1 유로로 상기 BOG를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 제4 유로로 상기 액화천연가스를 공급받고, 상기 선박의 밸러스트(Ballast) 운항시, 상기 주 엔진은 상기 제3 유로로 상기 액화천연가스를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 제2 유로로 상기 BOG를 공급받을 수 있다.

바람직하게는, 상기 주 엔진은 150 내지 400 bar의 연료가스를 공급받는 ME-GI 엔진이고, 상기 부 엔진은 3 내지 10 bar의 연료가스를 공급받는 DF 엔진일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 주 엔진과 부 엔진을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,

선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지 여부에 따라 주 엔진은 압축된 상기 BOG 및, 펌핑 및 기화된 액화천연가스 중 어느 하나를 공급받고,

압축된 BOG와 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 동시에 상기 선박용 엔진의 연료로 공급가능한 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하면, 상기 주 엔진은 상기 BOG를 압축하여 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 공급받고,

상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량보다 적으면, 상기 주 엔진은 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 BOG를 압축하여 공급받을 수 있다.

본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 시스템에서는, 주 엔진과 부 엔진이 마련된 선박에서, BOG와 액화천연가스를 선택적으로 주 엔진으로 공급할 수 있도록 하여, 사용되지 않는 별도의 여분 장비 없이 연료 공급이 이원화될 수 있고, BOG의 발생량이 적은 때에도 주 엔진에 안정적인 연료공급이 이루어질 수 있다.

BOG 발생량이 주 엔진에 공급하기에 부족한 경우에, 부 엔진으로 공급함으로써, 부 엔진에 필요한 연료를 효과적으로 공급하면서 저장탱크에서 발생하는 BOG를 적절히 처리할 수 있어, 별도의 냉매 시스템을 이용한 재액화를 요하지 않아 BOG 처리 비용을 절감하고 연소로 에너지가 낭비되는 것을 막을 수 있다.

또한, 가스 분석기를 통해 가스 성분을 분석하고, 분석된 연료가스 중 메탄가가 높은 쪽을 주 엔진과 부 엔진 중 부하가 큰 엔진으로 공급하도록 하여 부하에 따라 적절히 BOG와 LNG를 연료로 공급하여 엔진 출력을 높일 수 있다.

도 1은 연료공급 장치의 이원화(redundancy)를 위해 두 세트의 압축기가 마련되어 BOG를 고압가스 분사엔진에 연료로 공급하는 시스템을 도시한다.
도 2는 연료공급 장치의 이원화(redundancy)를 위해 두 세트의 펌프가 마련되어 LNG를 고압가스 분사엔진에 연료로 공급하는 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 3는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료공급 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4 및 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료공급 시스템의 개략적인 구성과 운용 방법을 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 본 발명의 연료 공급 시스템은 추진용 메인 엔진으로서 예컨대 MEGI 엔진이 장착된 LNG 운반선 등에 적용될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템(1000)은, 저장탱크(cargo tank; 1)로부터 LNG를 메인 엔진(main engine; 3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하는 연료공급라인(1110)과, 저장탱크(1)로부터 발생되는 BOG(Boil Off Gas)를 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하는 BOG 라인(1140)을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 BOG를 이용한 연료 공급 시스템(1000)은, 연료공급라인(1110)을 통해서 LNG를 LNG 펌프(LNG pump; 1120) 및 LNG 기화기(LNG vaporizer; 1130)에 의해 연료로서 메인 엔진(1)에 공급하고, BOG 라인(1140)을 통해서 BOG를 BOG 압축기(BOG compressor; 1150)에 의해 압축시켜서 연료로서 메인 엔진(1)에 공급하며, BOG 압축기(1150)로부터 잉여의 BOG를 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)으로 공급한다.

연료공급라인(1110)은 예컨대 LNGC의 저장탱크(1)로부터 이송 펌프(2)의 구동에 의해 공급되는 LNG를 연료로서 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하고, LNG 펌프(1120)와 LNG 기화기(1130)가 설치된다.

LNG 펌프(1120)는 연료공급라인(1110)에 LNG의 이송에 필요한 펌핑력을 제공하도록 설치되고, 일례로 LNG HP 펌프(LNG High Pressure pump)가 사용될 수 있으며, 본 실시예에서처럼 다수로 이루어져서 병렬되도록 설치될 수 있다.

LNG 기화기(1130)는 연료공급라인(1110)에서 LNG 펌프(1120)의 후단에 설치됨으로써 LNG 펌프(1120)에 의해 이송되는 LNG를 기화시키도록 하는데, LNG의 기화를 위해 일례로, LNG가 열매순환라인(1131)을 통해서 순환 공급되는 열매와의 열교환에 의해 기화되도록 하며, 다른 예로서 히터를 비롯하여 LNG의 기화열을 제공하기 위한 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다. 또한, LNG 기화기(1130)는 LNG의 기화를 위하여 고압에서 사용될 수 있는 HP 기화기(High Pressure vaporizer)가 사용될 수 있다. 한편, 열매순환라인(1131)에 순환 공급되는 열매는 일례로, 보일러 등으로부터 발생되는 스팀이 사용될 수 있다.

BOG 라인(1140)은 저장탱크(1)로부터 자연적으로 발생되는 BOG를 메인 엔진(3)으로 이송시키기 위한 경로를 제공하고, 본 실시예에서처럼 연료공급라인(1110)에 연결됨으로써 BOG를 연료로서 메인 엔진(3)으로 공급되도록 할 수 있으며, 이와 달리, BOG를 직접 메인 엔진(3)으로 공급하기 위한 경로를 제공할 수도 있다.

BOG 압축기(1150)는 BOG 라인(1140)에 설치되어 BOG 라인(1140)을 통과하는 BOG를 압축시키게 되고, 본 실시예에서처럼 BOG 라인(1140)에서 잉여 BOG 라인(1160)의 분기 부분에 단일로 설치됨으로써, 고가의 BOG 압축기(1150)의 설치에 따른 경제적 부담과 유지 및 보수에 대한 부담을 줄일 수 있다.

잉여 BOG 라인(1160)은 BOG 압축기(1150)로부터 잉여의 BOG를 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)으로 공급하는 경로를 제공하는데, 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)뿐만 아니라, 보조 엔진 등으로 잉여 BOG를 연료로서 공급할 수 있다.

통합형 IGG/GCU 시스템(1200)은 IGG(Inert Gas Generator)와 GCU(Gas Combustion Unit)가 통합된 시스템이다.

한편, 잉여 BOG 라인(1160)과 연료공급라인(1110)은 연결라인(1170)에 의해 서로 연결될 수 있다. 따라서, 연결라인(1170)에 의해 잉여 BOG를 메인 엔진(1)의 연료로 사용하도록 하거나, 기화된 LNG를 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)에 연료로서 사용하도록 할 수 있다. 이러한 연결라인(1170)에는 통과하는 BOG나 기화된 LNG의 가열을 위하여 히터(1180)가 설치될 수 있고, BOG나 기화된 LNG에 의한 압력을 조절함으로써 과도한 압력을 저감시키는 압력감소밸브(Pressure Reduction Valve; PRV)(1190)가 설치될 수 있다. 한편, 히터(1180)는 가스의 연소열을 이용한 가스히터이거나, 그 밖에도 열매의 순환에 의해 가열을 위한 열원을 제공하는 열매 순환 공급부를 비롯하여, 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다.

이와 같은 본 실시예의 연료 공급 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

저장탱크(1) 내의 압력이 정해진 압력 이상이면, BOG 압축기(1150)의 구동에 의해 BOG를 압축하여 메인 엔진(1)에 연료로서 공급될 수 있도록 하여 저장탱크(1) 내의 압력을 조절할 수 있도록 한다. 또한, 저장탱크(1) 내의 압력이 정해진 압력 미만이면, LNG 펌프(1120)와 LNG 기화기(1130)의 구동에 의해 LNG를 이송 및 기화시켜서 메인 엔진(1)에 연료로서 공급될 수 있도록 하여 저장탱크(1) 내의 압력을 조절할 수 있도록 한다.

한편, BOG 압축기(1150)로부터 잉여의 BOG는 잉여 BOG 라인(1160)을 통해서 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)으로 공급되도록 하여, BOG의 소모 또는 저장탱크(1)로 공급되기 위한 불활성가스의 생성 목적으로 사용되도록 하고, 나아가서, 보조 엔진 등의 연료로서 사용될 수 있도록 한다.

BOG가 공급되는 통합형 IGG/GCU 시스템(1200)은 본체(미도시) 내의 BOG 연소에 의해서, 저장탱크(1)로부터 지속적으로 발생되는 BOG를 소모할 수 있고, 필요에 따라 저장탱크(1)에 공급하기 위한 불활성가스로서 연소가스를 생성할 수도 있다.

도 4 및 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료공급 시스템의 구성과 운용 방법을 개략적으로 도시한다.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박용 엔진의 연료공급 시스템은, 주 엔진(110)과 부 엔진(120)을 포함하는 선박용 엔진(100)의 연료공급 시스템에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크(CT)에 연결되어 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 선박용 엔진(100)으로 공급하는 고압 압축부(200)와, LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 선박용 엔진으로 공급하는 고압 기화부(300)를 포함하되, BOG의 발생량이 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지를 기준으로 주 엔진은 고압 압축부 및 고압 기화부 중 어느 하나로부터 연료가스를 공급받고, 부 엔진은 다른 하나로부터 연료가스를 공급받아, 고압 압축부와 고압 기화부를 동시 가동가능한 것을 특징으로 한다.

즉, BOG의 발생량이 주 엔진의 연료필요량을 충족하면, 주 엔진은 고압 압축부로부터, 부 엔진은 고압 기화부로부터 각각 연료가스를 공급받고, BOG의 발생량이 주 엔진의 연료필요량보다 적으면, 주 엔진은 고압 기화부로부터, 부 엔진은 고압 압축부로부터 연료가스를 공급받도록 하여, 고압 압축부와 고압 기화부가 동시 가동될 수 있도록 운용하는 것이다.

다만 고압 압축부와 고압 기화부는 동시 가동될 수도 있다는 의미로 동시 가동이 필수는 아니다. BOG의 발생량이 많아 주 엔진과 부 엔진 모두에 공급될 수 있다면 고압 압축부만을 가동할 수도 있고, 반대의 경우에는 고압 기화부만으로 연료공급이 이루어질 수도 있으며, BOG를 모아두고 간헐적으로 고압 압축부와 고압 기화부를 동시가동하는 등으로 다양하게 시스템을 운용할 수 있다.

이러한 고압 압축부는, LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 주 엔진(110)으로 공급하는 제1 유로(L1)와, 제1 유로로부터 분기되어 부 엔진(120)으로 연결되는 제2 유로(L2)와, 제1 유로에 마련되어 BOG를 압축하는 다단 압축기(220)를 포함한다. 제2 유로를 통해, 다단 압축기 중 적어도 일부를 거친 BOG가 분기되어 부 엔진으로 공급될 수 있도록 복수의 컴프레서(221)와 복수의 인터쿨러(222)를 포함하여 다단으로 구성된 다단 압축기의 중간에서 제2 유로를 분기시킨다.

한편, 고압 기화부는, LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 주 엔진(110)으로 공급하는 제3 유로(L3)와, 제3 유로에 마련되어 액화천연가스를 고압으로 펌핑하는 고압 펌프(310)와, 고압 펌프에서 펌핑된 액화천연가스를 기화시키는 기화기(320)와, 기화기의 하류에서 제3 유로로부터 분기되어 부 엔진(120)으로 연결되는 제4 유로(L4)와, 제4 유로에 마련되어 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 감압하여 부 엔진으로 공급하는 팽창수단(340)을 포함하며, 제4 유로에는 팽창수단을 거쳐 감압된 액화천연가스를 가열하는 히터(350)가 마련된다.

이와 같은 구성을 통해, 저장탱크에 액화천연가스가 만재되어 BOG의 발생량이 많은 선박의 레이든(Laden) 운항시에는 도 4에 도시된 것과 같이 주 엔진은 제1 유로로 BOG를 공급받고, 부 엔진은 제4 유로로 액화천연가스를 공급받아 구동되고, 액화천연가스의 저장량이 적어 BOG 발생량이 적은 선박의 밸러스트(Ballast) 운항시에는, 도 5에 도시된 것과 같이 주 엔진은 제3 유로로 액화천연가스를 공급받고, 부 엔진은 제2 유로로 상기 BOG를 공급받을 수 있다.

본 발명에 따르면, 엔진들(주 엔진 및 부 엔진)에 연료가스를 공급하는 경로가 2개로 이루어진다. 즉, 연료가스는 다단압축기(220)를 통해 압축된 후 엔진에 공급될 수도 있고, 고압펌프(310)를 통해 압축된 후 엔진에 공급될 수도 있다.

본 실시예는 이와 같이 BOG와 LNG를 연료로 공급받을 수 있도록, 이원화된 연료공급 유로를 구성함으로써, 평소에는 사용되지 않으면서 오로지 redundancy를 충족하기 위해 구비되는 여분의 장비, 예컨대 추가 압축기를 구성하지 않는다.

Redundancy는, 여분의 장비를 구성하여 요구 기능을 수행하기 위한 주 구성 장비의 동작시에는 대기상태에 두고, 주 구성 장비가 고장 등으로 작동되지 않을 때 기능을 인계받아 그 기능을 수행할 수 있도록 중복 설계되는 것을 말하는데, 주로 rotating이 이루어지는 장비에 대해 이러한 redundancy 충족을 위한 여분의 장비가 중복 설계된다.

선박의 Laden 운항시란, LNG 운반용 선박에서 LNG 저장탱크(CT)에 액화천연가스(LNG)가 Full Loading된 때, 보통 탱크 부피의 98% 내외로 LNG가 적재된 때를 말하고, Ballast condition이란 LNG를 Unloading하여 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 LNG가 적은 때를 의미한다.

특히 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.

저장탱크의 용량, 외부 온도 등의 조건에 따라 다소 차이가 있으나, 예를 들어 150000㎥의 저장용량을 갖는 LNG 운반선의 경우에, 레이든 상태에서 BOG 발생량은 3 내지 4 ton/h이고, 밸러스트 상태에서 BOG 발생량은 0.3 내지 0.4 ton/h 이다. ME-GI 엔진에서는 부하에 따라 1 내지 4 ton/h의 천연가스를 연료로서 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 최근에는 저장탱크의 단열성능이 향상됨에 따라 BOR(Boil Off Rate)이 점차 낮아지고 있는 추세이므로, BOG의 발생량도 감소하는 추세이다.

따라서, 본 발명의 연료가스 공급 시스템과 같이 고압 압축부(200)와 고압 기화부(300)가 함께 갖춰진 경우, 증발가스의 발생량이 많은 레이든 상태에서는 연료소비가 상대적으로 많은 주 엔진으로 고압 압축부를 통해 압축된 BOG를 연료가스로 공급하고, 증발가스의 발생량이 적은 밸러스트 상태에서는 고압 기화부를 통해 주 엔진에 연료가스를 공급한다.

본 실시예에서 주 엔진(110)은 예를 들어, 150 내지 400bar로 압축된 고압가스를 연료로 공급받는 ME-GI(Main Engine Gas Injection) 엔진일 수 있다.

ME-GI 엔진은, 선박에 사용될 수 있는 엔진으로서, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 배출량을 저감하기 위하여 개발된, 가스와 오일을 연료로 사용할 수 있는 2-stroke의 고압 천연가스 분사 엔진이다. ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물에 설치될 수 있으며, 천연가스 또는 오일을 연료로 사용하며, 그 부하에 따라 대략 150 - 400 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구되는데, 동급출력의 디젤엔진에 비해 오염물질 배출량을 이산화탄소는 23%, 질소화합물은 80%, 황화합물은 95%이상 줄일 수 있는 차세대 친환경적인 엔진으로서 각광받고 있다.

다단으로 구성된 한 세트의 압축기(220)를 구동시켜 ME-GI 엔진에 압축된 연료를 공급하기 위해서는 약 2 ㎿의 전력이 소비되는데, 고압 펌프(310)의 경우에는 약 100 ㎾의 전력이 소비된다. 연료공급시 소비되는 전력 소비만을 고려하면 고압 펌프(310)만을 구성하는 것이 유리하다. 그러나 전술한 바와 같이 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 다량의 BOG를 재액화하거나 연소해야 하는 문제가 있으므로, 본 실시예에서는 BOG의 효율적인 활용, 전력 소비, 시스템 구성 비용, redundancy 등을 고려하여, BOG를 연료로 공급할 수 있는 한 세트의 압축기(220)와, LNG를 펌핑 및 기화시켜 공급할 수 있는 고압 펌프(310)와 기화기(320)를 두고, 주 엔진과 부 엔진을 구성하여 BOG 발생량에 따라 주 엔진과 부 엔진에 적절한 연료공급이 이루어질 수 있도록 하였다.

본 실시예는 이원화된 연료 공급 유로를 구비하므로 압축기(220)는 한 세트만 구성하는 것이 바람직하지만, LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG를 보다 안정적으로 엔진 연료로 공급하여 BOG를 소비시키기 위하여 추가 압축기(미도시)를 구성할 수도 있다.

본 실시예의 선박에는 ME-GI 엔진이 단수 또는 복수로 구비될 수 있다.

본 실시예는 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 양에 따라 다음과 같이 작동할 수 있다.

우선, Laden condition과 같이 BOG의 발생량이 많아, 주 엔진(110)의 연료 필요량을 충족하는 경우, 제1 유로(L1)의 밸브(210)를 거쳐 다단압축기(220)로 BOG를 엔진(110)이 필요로 하는 압력까지 압축한 후 공급하게 된다.

다단압축기(220)는 전술한 바와 같이 복수의 컴프레서(221)와 복수의 인터쿨러(222)(중간냉각기, intercooler)가 교대로 배치된 다단 구성일 수 있으며, 이는 주 엔진(110)에서 필요로 하는 천연가스의 온도 및 압력 조건에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 부 엔진(120)은 저장탱크에서 펌프(330)로 배출되어, 고압펌프(310)와 기화기(320)를 거친 액화천연가스를 팽창수단(340)과 히터(350)를 거친 후 제3 유로를 통해 공급받게 된다.

다음으로, LNG 저장탱크(CT)에서 BOG의 발생량이 적은 Ballast condition에는, 고압 펌프(310)에서 주 엔진(110)에서 요구하는 압력, 예를 들어 ME-GI 엔진인 경우 150 내지 400 bara로 압축하고, 기화기(320)를 거쳐 강제기화시킨 액화천연가스를 주 엔진(110)으로 공급한다. 장비의 신뢰성, redundancy 충족을 위해 기화기(320) 전단에 복수의 고압 펌프(310)를 병렬로 마련할 수 있다.

이때, 고압 펌프(310)에서 압축된 액화천연가스는 임계 압력(critical pressure)이상의 초임계 상태이므로 기화기(320)에서 기화된다는 것이 반드시 액체에서 기체로 상 변화가 일어난다는 것을 의미하는 것은 아니며 압축된 액화천연가스에 열 에너지를 공급한다는 의미이다.

본 실시예에서의 부 엔진은 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)와 같은 DF 엔진일 수 있다. DF 엔진은 3 내지 10 bar, 바람직하게는 5 내지 7 bar의 압력과 30 내지 70 ℃, 바람직하게는 40 내지 50 ℃의 연료가스 공급을 요하므로, 팽창수단(340)과 히터(350)를 통해 이러한 연료공급 조건에 맞추어 연료를 공급한다. 팽창수단(340)은 예를 들어 줄-톰슨 밸브 또는 팽창기(expander)일 수 있다.

Ballast condition에서는 BOG의 발생량이 적으므로, BOG를 모아두었다가 간헐적으로 DFDE에 공급시킬 수도 있다.

한편, 본 실시예에서는 고압 압축부(200)와 고압 기화부(300)를 거쳐 주 엔진(110) 및 부 엔진(120)으로 도입되는 연료가스의 구성성분을 분석하는 가스 분석기(400)를 더 구성해 두고, 가스 분석기에서 분석된 연료가스의 구성성분을 기준으로, 주 엔진 및 부 엔진 중 부하가 높은 쪽으로 고압 압축부와 고압 기화부 중에서 구성성분의 메탄가가 높은 연료가스가 공급되도록 할 수 있다.

선박의 레이든과 밸러스트 운항시뿐만 아니라, 공급받은 액화천연가스의 산지, 연료가스의 공급진행 등의 다양한 요소에 따라 연료가스의 구성 성분은 지속적으로 변화할 수 있는데, 메탄가가 높은 연료가스를 공급받을수록 엔진은 고출력을 나타낼 수 있으므로, 가스 성분의 분석을 통해 엔진 부하가 높은 쪽으로 고압 압축부를 거친 BOG와 고압 기화부를 거친 액화천연가스 중 메탄가가 높은 연료가스가 공급되도록 조정할 수 있다. 고압 압축부와 고압 기화부 중 메탄가가 낮은 연료가스는 엔진 부하가 낮은 쪽으로 공급하여, 고압 압축부와 고압 기화부를 동시가동하도록 운용할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 선박용 엔진의 연료공급 시스템은, 주 엔진(110)과 부 엔진이 마련된 선박에서, 고압 압축부와 고압 기화부를 구성하고, BOG의 발생량이 연료 필요량을 충족하는지 여부를 기준으로 BOG와 LNG를 적절히 주 엔진과 부 엔진으로 공급되도록 하여, 고압 압축부와 고압 기화부를 동시 가동시키게 된다.

이와 같은 시스템을 통해 선박의 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 발생량에 따라 적절히 BOG를 처리하면서도 주 엔진과 부 엔진에 안정적인 연료 공급이 이루어질 수 있고, 효과적으로 BOG를 활용하여 낭비되거나 재액화되는 BOG를 줄일 수 있다.

또한 Redundancy를 충족하면서도 필요한 장비의 수를 줄임으로써 컴팩트한 시스템을 구성하고, 시스템의 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

L1: 제1 유로 L2: 제2 유로
L3: 제3 유로 L4: 제4 유로
CT: LNG 저장탱크
100: 선박용 엔진 110: 주 엔진
120: 부 엔진
200: 고압 압축부 210: 밸브
220: 다단압축기
300: 고압 기화부 310: 고압 펌프
320: 기화기 340: 감압수단
350: 히터
400: 가스 분석기

Claims

주 엔진과 부 엔진을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서,
선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 압축하여 상기 선박용 엔진으로 공급하는 고압 압축부; 및
상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하는 고압 기화부를 포함하여,
상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지를 기준으로 상기 주 엔진은 상기 고압 압축부 및 고압 기화부 중 어느 하나로부터 연료가스를 공급받고,
상기 고압 압축부와 고압 기화부를 동시 가동가능한 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하면, 상기 주 엔진은 상기 고압 압축부로부터 연료가스를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 고압 기화부로부터 연료가스를 공급받고,
상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량보다 적으면, 상기 주 엔진은 상기 고압 기화부로부터 연료가스를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 고압 압축부로부터 연료가스를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 주 엔진 및 부 엔진으로 도입되는 연료가스의 구성성분을 분석하는 가스 분석기를 더 포함하여,
상기 가스 분석기에서 분석된 상기 연료가스의 구성성분을 기준으로, 상기 주 엔진 및 부 엔진 중 부하가 높은 쪽으로 상기 고압 압축부와 상기 고압 기화부 중에서 상기 구성성분의 메탄가가 높은 연료가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 고압 압축부는
상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 상기 주 엔진으로 공급하는 제1 유로;
상기 제1 유로에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 다단 압축기;
상기 다단 압축기 중 적어도 일부를 거친 상기 BOG가 분기되도록 상기 제1 유로에서 분기되어 상기 부 엔진으로 연결되는 제2 유로를 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 4항에 있어서, 상기 고압 기화부는
상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 상기 주 엔진으로 공급하는 제3 유로;
상기 제3 유로에 마련되어 상기 액화천연가스를 고압으로 펌핑하는 고압 펌프;
상기 고압 펌프에서 펌핑된 액화천연가스를 기화시키는 기화기;
상기 기화기의 하류에서 상기 제3 유로로부터 분기되어 상기 부 엔진으로 연결되는 제4 유로; 및
상기 제4 유로에 마련되어 펌핑 및 기화된 상기 액화천연가스를 감압하여 상기 부 엔진으로 공급하는 팽창수단을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 5항에 있어서, 상기 고압 기화부는
상기 제4 유로에 마련되어 상기 팽창수단으로 감압된 상기 액화천연가스를 가열하는 히터를 더 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 선박의 레이든(Laden) 운항시, 상기 주 엔진은 상기 제1 유로로 상기 BOG를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 제4 유로로 상기 액화천연가스를 공급받고,
상기 선박의 밸러스트(Ballast) 운항시, 상기 주 엔진은 상기 제3 유로로 상기 액화천연가스를 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 제2 유로로 상기 BOG를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 주 엔진은 150 내지 400 bar의 연료가스를 공급받는 ME-GI 엔진이고, 상기 부 엔진은 3 내지 10 bar의 연료가스를 공급받는 DF 엔진인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 시스템.
주 엔진과 부 엔진을 포함하는 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서,
선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하는지 여부에 따라 주 엔진은 압축된 상기 BOG 및, 펌핑 및 기화된 액화천연가스 중 어느 하나를 공급받고,
압축된 BOG와 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 동시에 상기 선박용 엔진의 연료로 공급가능한 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.
제 9항에 있어서,
상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량을 충족하면, 상기 주 엔진은 상기 BOG를 압축하여 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 공급받고,
상기 BOG의 발생량이 상기 주 엔진의 연료필요량보다 적으면, 상기 주 엔진은 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 공급받고, 상기 부 엔진은 상기 BOG를 압축하여 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.
제 9항에 있어서,
상기 주 엔진은 150 내지 400 bar의 연료가스를 공급받는 ME-GI 엔진이고, 상기 부 엔진은 3 내지 10 bar의 연료가스를 공급받는 DF 엔진인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 연료공급 방법.