WO2014065617A1 - 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템 및 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid fuel supply system for a marine engine, and more particularly, to a hybrid fuel supply system for a marine engine capable of supplying BOG or LNG in a LNG storage tank as fuel to a high-pressure gas injection engine, that is, a propulsion means. It is about.
  • Liquefied Natural Gas (hereinafter referred to as "LNG”) is a colorless and transparent liquid obtained by liquefying natural gas containing methane as its main component at about -162 °C. It has a volume of about / 600. Therefore, when liquefied and transported with LNG when transporting natural gas, it can be transported very efficiently.
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • an LNG carrier that can transport (transport) LNG to sea is used.
  • BOG is a kind of LNG loss, which is an important problem in the transportation efficiency of LNG, and if boil-off gas accumulates in the LNG storage tank, the pressure in the LNG storage tank may be excessively increased and the tank may be damaged.
  • Various ways to deal with this have been studied.
  • Gas combustion unit inevitably burns the excess BOG for pressure control of the storage tank when there is no other way to use the BOG, there is a problem that the chemical energy possessed by the BOG is wasted by combustion.
  • the boil-off gas generated in the LNG storage tank can be used as the fuel of the DF engine to process the boil-off gas.
  • the boil-off gas may be sent to a gas combustor for incineration to protect the LNG storage tank.
  • a DF engine is used as a propulsion system for ships, and an engine using high pressure gas is being developed.
  • the engine fueling system is to be redundancy in accordance with the requirements of the Society.
  • a fuel supply system for a marine engine comprising: a compression device for compressing BOG generated from LNG stored in an LNG storage tank; A high pressure pump receiving and compressing LNG stored in the LNG storage tank; A vaporizer for vaporizing the LNG compressed by the high pressure pump; A dual fuel (DF) engine supplied with the BOG compressed through the compression device as fuel; It includes, the marine engine is a high-pressure gas compressed to 150 to 400 bar as a fuel, the fuel is supplied by driving at least one of the BOG and the LNG compressed in the high-pressure pump compressed in the compression device is driven There is provided a hybrid fuel supply system of a marine engine, characterized in that.
  • the compression device may be a multistage compressor including a plurality of compressors and a plurality of intercoolers.
  • the DF engine may receive the compressed BOG through at least a portion of the plurality of compressors included in the multistage compressor.
  • the hybrid fuel supply system of a marine engine may further include a gas compression unit (GCU) for burning the BOG remaining after being supplied with fuel of the marine engine and the DF engine.
  • GCU gas compression unit
  • the hybrid fuel supply system of a marine engine may further include a fuel pump provided in the LNG storage tank and supplying the LNG stored in the LNG storage tank to the high pressure pump.
  • the hybrid fuel supply system of a marine engine according to an embodiment of the present invention does not have a reliquefaction system using a separate refrigerant cycle for reliquefaction of the BOG.
  • the marine engine may be supplied as fuel the BOG compressed by the compression device.
  • the marine engine may be supplied as fuel as the LNG compressed by the high pressure pump.
  • the ship engine may be supplied with fuel as at least one of the BOG compressed by the compression device and the LNG compressed by the high pressure pump.
  • the vessel may be an LNG carrier of 130000 to 350000m3 class.
  • the BOG generated in the LNG stored in the LNG storage tank of the vessel meets the fuel requirement of the marine engine, the BOG is compressed and supplied, When the amount generated is less than the fuel required, the LNG is compressed and forced vaporized and supplied to the marine engine, wherein the marine engine uses high pressure gas compressed at a high pressure of 150 to 400 bar as a fuel, and is compressed at least in multiple stages.
  • the BOG compressed through a part of the compression step may be provided to the hybrid fuel supply method of the marine engine, characterized in that is supplied to the DF engine provided in the vessel.
  • the high pressure gas injection of the vessel off the BOG (Boil Off Gas) generated from liquefied natural gas stored in the LNG storage tank connected to the LNG storage tank of the vessel A first flow path supplied to the engine; A second flow path for pumping and vaporizing the liquefied natural gas stored in the LNG storage tank of the ship to the high-pressure gas injection engine; A compressor provided in the first flow path to compress the BOG;
  • the high-pressure gas injection engine includes a high-pressure gas compressed to a high pressure of 150 to 400 bar as a fuel, and further includes a third flow passage branched from the first flow passage, wherein the BOG includes the BOG.
  • a hybrid fuel supply system of a marine engine may be provided, wherein the supplied DFDE is provided.
  • the BOG generated in the LNG storage tank meets the fuel requirement of the high-pressure gas injection engine
  • the BOG is supplied to the first flow path
  • the generation amount of the BOG is less than the fuel required amount
  • the liquefied natural gas may be supplied with the pumped and vaporized gas.
  • the compressor may be configured in multiple stages including a plurality of compressors and a plurality of intercoolers.
  • the DFDE may be supplied with the compressed BOG via at least a portion of the compressor.
  • the compressor may be provided with only one set consisting of multiple stages.
  • the second flow path the high pressure pump for receiving the liquefied natural gas of the LNG storage tank pumped at a high pressure; And a vaporizer for vaporizing the liquefied natural gas pumped from the high pressure pump and supplying the liquefied natural gas to the high pressure gas injection engine.
  • the hybrid fuel supply system of a marine engine may further include an FG pump provided in the LNG storage tank to supply the liquefied natural gas to the high pressure pump.
  • the high pressure pump may be provided in plurality, and the plurality of high pressure pumps may be provided in parallel.
  • the hybrid fuel supply system of a marine engine according to an embodiment of the present invention does not have a reliquefaction system using a separate refrigerant cycle for reliquefaction of the BOG.
  • the high pressure gas injection engine may be driven by compressing the BOG compressed by the compressor in a laden condition of the vessel.
  • the liquefied natural gas stored in the LNG storage tank may be pumped and vaporized and supplied to the high pressure gas injection engine.
  • the BOG generated in the LNG storage tank may be compressed and supplied to the DFDE or the high pressure gas injection engine.
  • the fuel supply method of the marine engine by compressing the BOG generated from the liquefied natural gas stored in the LNG storage tank of the vessel to supply to the high-pressure gas injection engine, or pumping the liquefied natural gas and Forced vaporization is supplied to the high-pressure gas injection engine to selectively supply the BOG or liquefied natural gas to the high-pressure gas injection engine, wherein the high-pressure gas injection engine uses a high-pressure gas compressed to a high pressure of 150 to 400 bar as fuel.
  • the BOG may be provided with a hybrid fuel supply method of the marine engine, characterized in that for supplying branched DFDE.
  • the compressor for compressing the BOG may be provided with only one set composed of multiple stages including a plurality of compressors and a plurality of intercoolers.
  • the fuel supply in a vessel provided with a high-pressure gas injection engine, the fuel supply may be dualized without the extra equipment not used, having a first flow path and a second flow path.
  • the present invention solves the problem that the BOG and liquefied natural gas is selectively supplied to the high-pressure gas injection engine as a fuel, so that the BOG generation amount is insufficient in the ballast condition of the ship and the BOG is forcibly generated for the fuel supply to the high-pressure gas injection engine.
  • the cost of reliquefying a large amount of BOG generated in a laden condition can be reduced.
  • FIG. 1 shows a system in which two sets of compressors are provided for supplying BOG as a fuel to a high-pressure gas injection engine for redundancy of a fuel supply device.
  • FIG. 2 schematically shows a system in which two sets of pumps are provided to supply LNG to a high pressure gas injection engine for redundancy of a fuel supply device.
  • FIG. 3 schematically shows a configuration of a hybrid fuel supply system of a marine engine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates a hybrid fuel supply system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows a configuration of a hybrid fuel supply system of a marine engine according to a first embodiment of the present invention.
  • the hybrid fuel supply system of the marine engine of the present embodiment is a liquefied natural gas stored in the LNG storage tank CT connected to the LNG storage tank CT of the marine engine in the fuel supply system of the marine engine.
  • High pressure gas by pumping and vaporizing liquefied natural gas stored in the first flow path L1 supplying BOG (Boil Off Gas) generated from the vessel to the high pressure gas injection engine 100 of the vessel and the LNG storage tank (CT) of the vessel.
  • BOG Bit Off Gas
  • a second flow path L2 supplied to the injection engine 100 and a compressor 200 provided in the first flow path L1 to compress the BOG, and the high pressure gas injection engine 100 has a high pressure of 150 to 400 bar. Compressed gas is used as fuel.
  • the present embodiment when the BOG generated in the LNG storage tank CT satisfies the fuel requirement of the high-pressure gas injection engine 100, the BOG is supplied to the first flow path L1, and when the BOG generation amount is smaller than the fuel requirement, pumping is performed. And while receiving only the vaporized liquefied natural gas or BOG is supplied by the insufficient amount of fuel can be supplied with the liquefied natural gas.
  • the present embodiment constitutes a fuel supply flow path that is dualized into the first flow path L1 and the second flow path L2, thereby providing extra equipment, such as an additional compressor, which is not normally used to satisfy redundancy. Do not configure.
  • Redundancy is placed in the standby state when the main component equipment is configured to perform redundant functions and performs the required functions, and redundancy is performed to perform the function when the main component equipment is not operated due to a malfunction. It is designed to be redundant, with redundant equipment designed to meet this redundancy, mainly for rotating equipment. In the fuel supply system according to the present embodiment, a compressor or a pump for pumping corresponds to this.
  • the high-pressure gas injection engine 100 receives, for example, compressed BOG compressed by the compressor 200 in a laden condition of a ship, and pumps liquefied natural gas stored in an LNG storage tank (CT) in a ballast condition of a ship. It can be driven by being supplied by vaporization.
  • compressed BOG compressed by the compressor 200 in a laden condition of a ship
  • LNG storage tank LNG storage tank
  • the Laden condition refers to when LNG is loaded to around 98% of the tank volume when LNG is fully loaded in the LNG storage tank (CT) in an LNG transport vessel.
  • CT LNG storage tank
  • the ballast condition refers to a time when there is less LNG stored in the LNG storage tank (CT) by unloading the LNG.
  • the amount of BOG is also small.
  • the BOG is supplied to the ship's propulsion engine so as to effectively utilize a large amount of BOG generated from the LNG storage tank (CT) of the LNG carrier, in particular, in consideration of this point, according to the laden condition and the ballast condition.
  • the system is configured to effectively fuel the propulsion engine.
  • the amount of BOG generated in the LNG storage tank (CT) is 3 to 4 ton / h in the laden condition in a vessel of 150000 capacity, ballast conditions 0.3 to 0.4 ton / h.
  • the ME-GI engine which is a kind of the high-pressure gas injection engine 100, it is known that fuel of 1 to 4 ton / h is required depending on the load.
  • the BOR Bit Off Rate
  • the compressor 200 may include a plurality of compressors 201 and a plurality of intercoolers 202, and the compressor 200 may be provided with only one set composed of multiple stages. .
  • the second flow path (L2) is supplied with the liquefied natural gas of the LNG storage tank (CT), the high pressure pump 300 for pumping at high pressure, and the high pressure gas injection by vaporizing the liquefied natural gas pumped from the high pressure pump 300
  • a vaporizer 310 may be provided to supply the engine 100, and an LNG storage tank CT may be provided with a FG (Fuel Gas) pump 320 for supplying liquefied natural gas to the high pressure pump 300.
  • the high pressure gas injection engine 100 may be, for example, a main engine gas injection (ME-GI) engine that receives a high pressure gas compressed to 150 to 400 bar as a fuel.
  • ME-GI main engine gas injection
  • ME-GI engines which can be used in ships, are two-stroke high-pressure natural gas injections that use gas and oil as fuels, developed to reduce NOx and SOx emissions.
  • ME-GI engines can be installed on offshore structures, such as LNG carriers, which store and transport LNG (Liquefied Natural Gas) in cryogenic storage tanks, using natural gas or oil as fuel, depending on the load
  • LNG carriers which store and transport LNG (Liquefied Natural Gas) in cryogenic storage tanks, using natural gas or oil as fuel, depending on the load
  • High pressure gas supply pressure of 150-400 bara absolute pressure
  • pollutant emissions by 23% for carbon dioxide, 80% for nitrogen compounds, and 95% for sulfur compounds, compared to diesel engines of equivalent output. It is spotlighted as an eco-friendly engine.
  • the system consists of a set of compressors 200 capable of supplying BOG as fuel, and a high pressure pump 300 and a vaporizer 310 capable of pumping and vaporizing and supplying LNG.
  • the present embodiment has a dual fuel supply flow path, it is preferable to configure only one set of the compressor 200.
  • the BOG generated in the LNG storage tank CT is more stably supplied to the high-pressure gas injection engine 100 as a fuel.
  • Additional compressors may be configured to feed and consume BOG.
  • the present embodiment reconfigures a hybrid fuel supply system that selectively supplies BOG and LNG as fuel according to conditions. The amount of BOG liquefied or burned can be reduced.
  • the ship of this embodiment may be provided with a single or a plurality of ME-GI engine.
  • This embodiment may operate as follows according to the amount of BOG generated in the LNG storage tank (CT).
  • the high pressure gas injection engine 100 is required by the compressor 200 provided in the first flow path L1. It is supplied after compressing it to a pressure.
  • the compressor 200 may be a multi-stage configuration in which a plurality of compressors 201 and a plurality of intercoolers 202 (intercoolers, intercoolers) are alternately arranged, which is required in the high pressure gas injection engine 100. It may be variously configured according to the temperature and pressure conditions of the natural gas.
  • the high pressure pump 300 requests the high pressure gas injection engine 100.
  • Pressure for example, in the case of a ME-GI engine, is compressed to 150 to 400 bara, and is supplied to the high-pressure gas injection engine 100 by liquefied natural gas that is forcibly vaporized through the vaporizer 310.
  • the high pressure pump 300 is provided on the upper deck, the liquefied natural gas stored in the LNG storage tank CT is transferred to the high pressure pump 300 by the FG pump 320.
  • a plurality of high pressure pumps 300 may be provided in parallel in front of the vaporizer 310.
  • the vaporization in the vaporizer 310 does not mean that a phase change occurs from liquid to gas, and the compressed liquefied gas is not. It means supplying heat energy to natural gas.
  • the BOG branched from the first flow path L1 and exceeding the fuel required amount of the high-pressure gas injection engine 100 is transferred to the DFDE 400 (Dual Fuel Diesel Engine) or the GCU 410 (Gas Combustion Unit). It may further include a third flow path (L3) for supplying.
  • the DFDE 400 is an engine that can mix heavy oil and natural gas or selectively use fuel as fuel.
  • the DFDE 400 has a lower sulfur content than the case where only heavy oil is used as a fuel, so the content of sulfur oxide in the exhaust gas is low.
  • the third flow path L3 is the first flow path at the point where the BOG is compressed to the pressure required by the DFDE 400 among the parts of the compressor 200 in which the compressor 201 and the intercooler 202 are configured in multiple stages. It may be provided branched from (L1).
  • the amount of BOG generated in the LNG storage tank (CT), such as ballast conditions, does not meet the fuel requirement required by the ME-GI engine, it may be supplied to the DFDE 400 via a part of the compressor 200 which is multistage. . If two of the compressors 200 including five compressors 201 are supplied to the DFDE, the other three compressors 201 are idle. However, while the power required by the compressor 200 to supply BOG to the ME-GI engine is about 2MW, the power required to idle some of the compressor 200 to supply BOG to DFDE is about 600 kW and pumps LNG. When the gas is supplied to the ME-GI engine and consumed by the high-pressure pump 300, the power consumption is about 100 kW.
  • the BOG when the BOG generation amount is smaller than the fuel requirement of the high-pressure gas injection engine 100, such as ballast condition, the BOG is DFDE (400). ) Is advantageous in terms of power consumption.
  • the BOG may be supplied to the high pressure gas injection engine 100 by pumping and forcibly vaporizing LNG by a deficiency of the fuel amount, while supplying the high pressure gas injection engine 100 even when the amount of BOG is less than the required fuel.
  • a marine engine that is, the high pressure gas injection engine 100
  • the marine engine ie, the high pressure gas injection engine 100
  • the fuel supply method of the marine engine by compressing the BOG generated from the liquefied natural gas stored in the LNG storage tank (CT) of the vessel to supply to the high-pressure gas injection engine 100, or liquefied natural
  • the gas is pumped and forced vaporized to be supplied to the high pressure gas injection engine to selectively supply BOG or liquefied natural gas to the high pressure gas injection engine 100, but the high pressure gas injection engine supplies the high pressure gas compressed to a high pressure of 150 to 400 bar.
  • CT LNG storage tank
  • the compressor 200 may be provided with only one set having a plurality of stages including a plurality of compressors 201 and a plurality of intercoolers 202.
  • the hybrid fuel supply system of the marine engine of the present embodiment in a vessel provided with a high-pressure gas injection engine 100, having a first flow path (L1) and the second flow path (L2) LNG storage tank ( CT) BOG when the BOG meets the fuel requirement of the high-pressure gas injection engine 100, BOG to the first flow path (L1), and when the amount of BOG is less than the fuel requirement, pumped and vaporized liquefied natural gas high-pressure gas injection
  • the amount of fuel that is insufficient while supplying to the engine 100 or BOG is supplemented and supplied with pumped and vaporized liquefied natural gas.
  • the system is configured to supply liquefied natural gas to the high-pressure gas injection engine 100, thereby satisfying redundancy and supplying fuel stably to the engine, and burning the waste gas of the BOG. Reduce the volume and effectively use BOG.
  • FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a hybrid fuel supply system according to a second embodiment of the present invention.
  • the hybrid fuel supply system of the present invention can be applied to, for example, an LNG carrier equipped with a MEGI engine as a main engine for propulsion.
  • a hybrid fuel supply system 1000 provides a path for transferring LNG from a cargo tank 1 to a main engine 3.
  • a fuel supply line 1110 and a BOG line 1140 providing a path for transferring BOG (Boil Off Gas) generated from the storage tank 1 to the main engine 3.
  • BOG Bit Off Gas
  • the hybrid fuel supply system 1000 using the BOG according to an embodiment of the present invention LNG through the fuel supply line 1110 to the LNG pump (LNG pump) 1120 and LNG vaporizer (LNG vaporizer; 1130)
  • LNG pump LNG pump
  • LNG vaporizer LNG vaporizer
  • Surplus BOG is fed to the integrated IGG / GCU system 1200.
  • the fuel supply line 1110 provides a path for transferring LNG supplied by the driving of the transfer pump 2 from the storage tank 1 of the LNGC to the main engine 3 as fuel, for example, and the LNG pump 1120. And LNG vaporizer 1130 is installed.
  • the LNG pump 1120 is installed to provide a pumping force necessary for the transfer of LNG to the fuel supply line 1110, and for example, an LNG HP pump (LNG High Pressure pump) may be used. Can be installed as possible.
  • LNG HP pump LNG High Pressure pump
  • the LNG vaporizer 1130 is installed at the rear end of the LNG pump 1120 in the fuel supply line 1110 to vaporize the LNG transported by the LNG pump 1120.
  • LNG is a fruit for the vaporization of LNG.
  • Various heating means may be used to vaporize by heat exchange with the fruit circulated and supplied through the circulation line 1131, and to provide vaporization heat of LNG, as another example.
  • the LNG vaporizer 1130 may be used HP vaporizer (High Pressure vaporizer) that can be used at high pressure for the vaporization of LNG.
  • the fruit circulated and supplied to the fruit circulation line (1131) for example, steam generated from the boiler may be used.
  • the BOG line 1140 provides a path for transferring the naturally occurring BOG from the storage tank 1 to the main engine 3, and is connected to the fuel supply line 1110 as in this embodiment, thereby making the BOG the main fuel. It can be supplied to the engine 3, alternatively, it can also provide a path for supplying the BOG directly to the main engine (3).
  • the BOG compressor 1150 is installed in the BOG line 1140 to compress the BOG passing through the BOG line 1140, and as in this embodiment, the BOG line 1140 in a single branch of the excess BOG line 1160 in the BOG line 1140 By being installed, it is possible to reduce the burden on the economic burden and maintenance and repair according to the installation of the expensive BOG compressor 1150.
  • the surplus BOG line 1160 provides a path for supplying the surplus BOG from the BOG compressor 1150 to the integrated IGG / GCU system 1200.
  • the integrated IGG / GCU system 1200 is a system in which an Inert Gas Generator (IGG) and a Gas Combustion Unit (GCU) are integrated.
  • IGG Inert Gas Generator
  • GCU Gas Combustion Unit
  • connection line 1170 may be used to use the excess BOG as the fuel of the main engine 1, or vaporized LNG may be used as the fuel in the integrated IGG / GCU system 1200.
  • the connection line 1170 may be provided with a heater 1180 for heating the BOG or vaporized LNG passing through, the pressure reduction valve for reducing excessive pressure by adjusting the pressure by the BOG or vaporized LNG (Pressure Reduction) Valve (PRV) 1190 may be installed.
  • the heater 1180 is a gas heater using the heat of combustion of the gas, or other heating means, including a fruit circulation supply for providing a heat source for heating by the circulation of the fruit may be used.
  • the pressure in the storage tank 1 When the pressure in the storage tank 1 is equal to or greater than a predetermined pressure, the pressure in the storage tank 1 can be adjusted by compressing the BOG by the driving of the BOG compressor 1150 to supply the fuel to the main engine 1. do. In addition, when the pressure in the storage tank 1 is less than the predetermined pressure, the LNG is transported and vaporized by driving the LNG pump 1120 and the LNG vaporizer 1130 to be supplied as fuel to the main engine 1 to be stored. It is possible to adjust the pressure in the tank (1).
  • the excess BOG from the BOG compressor 1150 is supplied to the integrated IGG / GCU system 1200 through the excess BOG line 1160, the consumption of BOG or the generation of inert gas to be supplied to the storage tank (1) It is intended to be used for the purpose, and furthermore, to be used as fuel for an auxiliary engine or the like.
  • the integrated IGG / GCU system 1200 to which BOG is supplied can consume BOG continuously generated from the storage tank 1 by BOG combustion in a body (not shown), and if necessary, to the storage tank 1.
  • Combustion gas may be generated as an inert gas for supplying.

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Abstract

선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템이 개시된다. 본 발명의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, LNG 저장탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 BOG를 압축하는 압축장치와; 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 공급받아 압축시키는 고압펌프와; 상기 고압펌프에서 압축된 상기 LNG를 기화시키는 기화기와; 상기 압축장치를 거쳐 압축된 상기 BOG를 연료로 공급받는 DF(Dual Fuel) 엔진; 을 포함한다. 상기 선박용 엔진은 150 내지 400 bar로 압축된 고압가스를 연료로 사용하되, 상기 압축장치에서 압축된 상기 BOG 및 상기 고압펌프에서 압축된 상기 LNG 중 적어도 하나를 연료로 공급받아 구동된다.

Description

선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템 및 방법
본 발명은 선박용 엔진에 대한 하이브리드 연료공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압가스 분사엔진, 즉 추진수단에 대하여 LNG 저장탱크 내의 BOG 또는 LNG를 연료로서 공급할 수 있는 선박용 엔진의 하이브리드 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.
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 못할 우려가 있고, BOG를 재액화하시키기 위한 장치가 요구된다.
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, 선박용 엔진의 연료공급 시스템으로서, LNG 저장탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 BOG를 압축하는 압축장치와; 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 공급받아 압축시키는 고압펌프와; 상기 고압펌프에서 압축된 상기 LNG를 기화시키는 기화기와; 상기 압축장치를 거쳐 압축된 상기 BOG를 연료로 공급받는 DF(Dual Fuel) 엔진; 을 포함하며, 상기 선박용 엔진은 150 내지 400 bar로 압축된 고압가스를 연료로 사용하되, 상기 압축장치에서 압축된 상기 BOG 및 상기 고압펌프에서 압축된 상기 LNG 중 적어도 하나를 연료로 공급받아 구동되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템이 제공된다.
상기 압축장치는 복수의 컴프레서 및 복수의 인터쿨러를 포함하는 다단압축기일 수 있다.
상기 DF 엔진은 상기 다단압축기에 포함되는 복수의 컴프레서 중 적어도 일부를 거쳐 압축된 상기 BOG를 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 상기 선박용 엔진 및 상기 DF 엔진의 연료로 공급되고 남은 상기 BOG를 연소시키는 GCU(Gas Combustion Unit)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 상기 LNG 저장탱크에 마련되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 LNG를 상기 고압펌프에 공급하는 연료펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 상기 BOG의 재액화를 위한, 별도의 냉매 사이클을 이용한 재액화 시스템을 가지지 않는다.
상기 선박의 Laden condition에서, 상기 선박용 엔진은 상기 압축장치에 의해 압축된 상기 BOG를 연료로서 공급받을 수 있다.
상기 선박의 Ballast condition에서, 상기 선박용 엔진은 상기 고압펌프에 의해 압축된 상기 LNG를 연료로서 공급받을 수 있다.
또는, 상기 선박의 Ballast condition에서, 상기 선박용 엔진은, 상기 압축장치에 의해 압축된 상기 BOG와, 상기 고압펌프에 의해 압축된 상기 LNG 중 적어도 하나를 연료로서 공급받을 수 있다.
상기 선박은 130000 내지 350000㎥ 급의 LNG carrier일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 BOG가 상기 선박용 엔진의 연료 필요량을 충족하면 상기 BOG를 압축시켜 공급하고, 상기 BOG의 발생량이 상기 연료 필요량보다 적으면 상기 LNG를 압축 및 강제기화시켜 상기 선박용 엔진으로 공급하되, 상기 선박용 엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하며, 다단으로 압축되는 중 적어도 일부의 압축단계를 거쳐 압축된 상기 BOG는 상기 선박에 마련된 DF 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 시스템으로서, 선박의 LNG 저장탱크에 연결되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 상기 선박의 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제1 유로와; 선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 제2 유로와; 상기 제1 유로에 마련되어 상기 BOG를 압축하는 압축기; 를 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하고, 상기 제1 유로에서 분기되는 제3 유로를 더 포함하며, 상기 제3 유로에는 상기 BOG를 공급받는 DFDE가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템에 의하면, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 상기 BOG가 상기 고압가스 분사엔진의 연료 필요량을 충족하면 상기 제1 유로로 상기 BOG를 공급받고, 상기 BOG의 발생량이 상기 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 상기 액화천연가스를 공급받을 수 있다.
상기 압축기는 복수의 컴프레서와 복수의 인터쿨러를 포함하여 다단으로 구성될 수 있다.
상기 DFDE는 상기 압축기 중 적어도 일부를 거쳐 압축된 BOG를 공급받을 수 있다.
상기 압축기는 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.
상기 제2 유로에는, 상기 LNG 저장탱크의 액화천연가스를 공급받아 고압으로 펌핑하는 고압 펌프; 및 상기 고압 펌프에서 펌핑된 상기 액화천연가스를 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하는 기화기가 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 상기 LNG 저장탱크에 마련되어 상기 고압 펌프로 상기 액화천연가스를 공급하는 FG 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 고압 펌프는 복수로 마련되되, 복수의 상기 고압 펌프는 병렬로 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 상기 BOG의 재액화를 위한, 별도의 냉매 사이클을 이용한 재액화 시스템을 가지지 않는다.
상기 고압가스 분사엔진은, 상기 선박의 Laden condition에서는 상기 압축기로 압축된 상기 BOG를 압축하여 공급받아 구동될 수 있다.
상기 선박의 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 상기 고압가스 분사엔진에 공급할 수 있다.
상기 Ballast condition에서는 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG는 압축되어 DFDE 또는 상기 고압가스 분사엔진으로 공급될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG를 압축시켜 고압가스 분사엔진에 공급하거나, 상기 액화천연가스를 펌핑 및 강제기화시켜 상기 고압가스 분사엔진으로 공급하여 상기 BOG 또는 액화천연가스를 선택적으로 상기 고압가스 분사엔진에 공급하되, 상기 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하고, BOG는 분기하여 DFDE로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법이 제공될 수 있다.
상기 BOG를 압축시키는 압축기는 복수의 컴프레서 및 복수의 인터쿨러를 포함하여 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.
본 발명의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템에서는, 고압가스 분사엔진이 마련된 선박에서, 제1 유로 및 제2 유로를 구비하여, 사용되지 않는 별도의 여분 장비 없이 연료 공급이 이원화될 수 있다.
본 발명은 BOG와 액화천연가스를 선택적으로 고압가스 분사엔진에 연료로 공급함으로써, 선박의 Ballast condition에서 BOG 발생량이 부족하여 고압가스 분사엔진에 연료 공급을 위해 강제로 BOG를 발생해야 하는 문제를 해결할 수 있고, Laden condition에서 발생하는 다량의 BOG를 재액화시키는 비용도 절감할 수 있다.
또한 선박의 LNG 저장탱크에서 발생하는 다량의 BOG를 압축하여 고압가스 분사엔진의 연료로 공급함으로써, GCU에서 연소되어 낭비되는 BOG의 양을 줄이고 효과적으로 BOG를 활용할 수 있으며, BOG의 발생량이 적은 때에는 액화천연가스를 고압가스 분사엔진을 공급하도록 시스템을 구성함으로써 안정적으로 연료를 공급할 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 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 연료공급 시스템을 개략적으로 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 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 선박용 엔진의 연료공급 시스템에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크(CT)에 연결되어 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 선박의 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하는 제1 유로(L1)와, 선박의 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하는 제2 유로(L2)와, 제1 유로(L1)에 마련되어 BOG를 압축하는 압축기(200)를 포함하며, 고압가스 분사엔진(100)은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용한다.
본 실시예에서 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG가 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 충족하면 제1 유로(L1)로 BOG를 공급받고, BOG의 발생량이 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 액화천연가스만을 공급받거나 BOG를 공급받으면서 연료의 부족분만큼 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 공급받을 수 있다. 이처럼 본 실시예는 제1 유로(L1)와 제2 유로(L2)로 상호 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. 본 실시예에서의 연료 공급 시스템에서는 압축기나 펌핑을 위한 펌프 등이 이에 해당한다.
고압가스 분사엔진(100)은, 예를 들어 선박의 Laden condition에서는 압축기(200)로 압축된 BOG를 압축하여 공급받고, 선박의 Ballast condition에서는 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스를 펌핑 및 기화시켜 공급받아 구동될 수 있다.
Laden condition이란, LNG 운반용 선박에서 LNG 저장탱크(CT)에 액화천연가스(LNG)가 Full Loading된 때, 보통 탱크 부피의 98% 내외로 LNG가 적재된 때를 말하는데, 이때는 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 양도 많다. Ballast condition이란 LNG를 Unloading하여 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 LNG가 적은 때를 의미하며, 이때에는 BOG의 발생량도 적다. 본 실시예는 선박, 특히 LNG carrier의 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 다량의 BOG를 효과적으로 활용할 수 있도록 BOG를 선박의 추진용 엔진에 공급하면서, 이러한 점을 고려하여 Laden condition 및 Ballast condition에 따라 효과적으로 추진용 엔진에 연료를 공급할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
저장탱크의 용량 및 외부 온도 등의 조건에 따라 차이가 있으나, 일 예를 들어 LNG 저장탱크(CT)에서의 BOG 발생량은 150000 용량의 선박인 경우 Laden condition에서 3 내지 4 ton/h, Ballast condition에서는 0.3 내지 0.4 ton/h이다. 고압가스 분사엔진(100)의 일종인 ME-GI 엔진에서는 Load에 따라 1 내지 4 ton/h의 연료가 필요한 것으로 알려진다. 한편 최근에는 선박의 단열성능 향상에 따라 BOR(Boil Off Rate)이 낮아지고 있는 추세이므로 BOG의 발생량도 감소하는 경향이다.
본 실시예에서 압축기(200)는 복수의 컴프레서(201)와 복수의 인터쿨러(202)를 포함하여 다단으로 구성될 수 있으며, 압축기(200)는 이와 같이 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.
한편, 제2 유로(L2)에는 LNG 저장탱크(CT)의 액화천연가스를 공급받아 고압으로 펌핑하는 고압 펌프(300)와, 고압 펌프(300)에서 펌핑된 액화천연가스를 기화시켜 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하는 기화기(310)가 마련될 수 있고, LNG 저장탱크(CT)에는 고압 펌프(300)로 액화천연가스를 공급하는 FG(Fuel Gas) 펌프(320)가 마련될 수 있다.
고압가스 분사엔진(100)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(200)를 구동시켜 ME-GI 엔진에 압축된 연료를 공급하기 위해서는 약 2MW의 전력이 소비되는데, 고압 펌프(300)의 경우에는 약 100kW의 전력이 소비된다. 연료공급시 소비되는 전력 소비만을 고려하면 고압 펌프(300)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(200)와, LNG를 펌핑 및 기화시켜 공급할 수 있는 고압 펌프(300)와 기화기(310)로 시스템을 구성하였다.
본 실시예는 이원화된 연료 공급 유로를 구비하므로 압축기(200)를 한 세트만 구성하는 것이 바람직하지만, LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG를 보다 안정적으로 고압가스 분사엔진(100)에 연료로 공급하여 BOG를 소비시키기 위하여 추가 압축기(미도시)를 구성할 수도 있다.
LNG를 펌핑하고 강제기화시켜 연료로 소비하는 ME-GI 엔진을 탑재한 해상 구조물이나 선박의 경우에도, LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 처리하기 위해서는 재액화(Reliquefaction) 장치, GCU(410)(Gas Combustion Unit) 등의 BOG 처리 장치를 여전히 필요로 하나, 본 실시예는 BOG와 LNG를 조건에 따라 선택적으로 연료로 공급하는 하이브리드 연료공급 시스템을 구성함으로써 재액화하거나 연소되는 BOG의 양을 줄일 수 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, 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 충족하는 경우, 제1 유로(L1)에 마련된 압축기(200)로 고압가스 분사엔진(100)이 필요로 하는 압력까지 압축한 후 공급하게 된다.
압축기(200)는 전술한 바와 같이 복수의 컴프레서(201)와 복수의 인터쿨러(202)(중간냉각기, intercooler)가 교대로 배치된 다단 구성일 수 있으며, 이는 고압가스 분사엔진(100)에서 필요로 하는 천연가스의 온도 및 압력 조건에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
다음으로, LNG 저장탱크(CT)에서 BOG의 발생량이 적은 Ballast condition이나 제1 유로(L1)에서 장치 이상이 발생하는 경우 등에는, 고압 펌프(300)에서 고압가스 분사엔진(100)에서 요구하는 압력, 예를 들어 ME-GI 엔진인 경우 150 내지 400 bara로 압축하고, 기화기(310)를 거쳐 강제기화시킨 액화천연가스를 고압가스 분사엔진(100)으로 공급한다. 이때 고압 펌프(300)는 상부 갑판에 마련되는데 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스는 FG 펌프(320)에 의해 고압 펌프(300)까지 이송된다. 장비의 신뢰성, redundancy 충족을 위해 기화기(310) 전단에 복수의 고압 펌프(300)를 병렬로 마련할 수 있다.
다만, 고압 펌프(300)에서 압축된 액화천연가스는 임계 압력(critical pressure)이상의 초임계 상태이므로 기화기(310)에서 기화된다는 것이 액체에서 기체로 상 변화가 일어난다는 것을 의미하는 것은 아니며 압축된 액화천연가스에 열 에너지를 공급한다는 의미이다.
본 실시예는, 제1 유로(L1)에서 분기되어 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 초과하는 BOG를 DFDE(400)(Dual Fuel Diesel Engine) 또는 GCU(410)(Gas Combustion Unit)로 공급하는 제3 유로(L3)를 더 포함할 수 있다.
DFDE(400)는 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하거나 선택적으로 연료로 사용할 수 있는 엔진으로써, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적다.
본 실시예에서 제3 유로(L3)는 컴프레서(201)와 인터쿨러(202)가 다단으로 구성된 압축기(200) 부분 중, DFDE(400)가 필요로 하는 압력으로 BOG가 압축된 지점에서 제1 유로(L1)로부터 분기되어 마련될 수 있다.
Ballast condition 등 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG의 양이 ME-GI 엔진에서 필요로 하는 연료 필요량에 미치지 못하는 경우, 이를 다단인 압축기(200)의 일부를 거쳐 DFDE(400)로 공급할 수 있다. 5개의 컴프레서(201)를 포함하는 압축기(200) 중 2개를 거쳐 DFDE로 공급하게 된다면, 다른 3개의 컴프레서(201)는 공회전하게 된다. 그러나 BOG를 ME-GI 엔진으로 공급하기 위해 압축기(200)에서 필요한 전력이 약 2MW인 반면, BOG를 DFDE로 공급하기 위해 압축기(200) 일부를 공회전시킬 때 필요한 전력은 약 600kW이고, LNG를 펌핑 및 기화시켜 ME-GI 엔진으로 공급할 때 고압 펌프(300)에서 소비되는 전력이 약 100kW이므로, Ballast condition과 같이 BOG 발생량이 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량보다 적은 경우에는 BOG를 DFDE(400)로 공급하는 것이 전력 소비 면에서 유리하다. 그러나 필요에 따라 BOG 발생량이 연료 필요량보다 적은 때에도 고압가스 분사엔진(100)에 공급하면서, 연료 필요량의 부족분만큼 LNG를 펌핑 및 강제기화시켜 고압가스 분사엔진(100)으로 공급할 수도 있다.
한편, Ballast condition에서는 BOG의 발생량이 적으므로, BOG를 모아두었다가 간헐적으로 DFDE에 공급할 수도 있다.
Ballast condition에서 선박용 엔진(즉, 고압가스 분사엔진(100))은, 압축기(200)에 의해 압축된 BOG와 고압펌프(300)에 의해 압축된 LNG를, 동시에 연료로서 공급받을 수도 있다. 또한, Ballast condition에서 선박용 엔진(즉, 고압가스 분사엔진(100))은, 압축기(200)에 의해 압축된 BOG와 고압펌프(300)에 의해 압축된 LNG 중 어느 하나를, 번갈아 교대로 연료로서 공급받을 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 엔진의 연료공급 방법에 있어서, 선박의 LNG 저장탱크(CT)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 BOG를 압축시켜 고압가스 분사엔진(100)에 공급하거나, 액화천연가스를 펌핑 및 강제기화시켜 고압가스 분사엔진으로 공급하여 BOG 또는 액화천연가스를 선택적으로 고압가스 분사엔진(100)에 공급하되, 고압가스 분사엔진은 150 내지 400 bar의 고압으로 압축된 고압가스를 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 방법이 제공된다. BOG 압축 장비와 LNG 펌핑 및 기화 장비를 별도의 여분 없이 각각 한 세트씩만 구성된다.
압축기(200)는 복수의 컴프레서(201) 및 복수의 인터쿨러(202)를 포함하여 다단으로 구성된 하나의 세트만 마련될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템은, 고압가스 분사엔진(100)이 마련된 선박에서, 제1 유로(L1) 및 제2 유로(L2)를 구비하여 LNG 저장탱크(CT)에서 발생하는 BOG가 고압가스 분사엔진(100)의 연료 필요량을 충족하면 제1 유로(L1)로 BOG를, BOG의 발생량이 연료 필요량보다 적으면 펌핑 및 기화된 액화천연가스를 고압가스 분사엔진(100)으로 공급하거나, BOG를 공급하면서 부족한 연료 필요량은 펌핑 및 기화된 액화천연가스로 보충하여 공급한다.
이와 같이 선박의 LNG 저장탱크(CT)에서 다량의 BOG가 발생할 때, 예를 들어 선박의 Laden Condition에서는 BOG를 압축하여 고압가스 분사엔진(100)의 연료로 공급하고, BOG의 발생량이 적은 때, 예를 들어 Ballast condition에서는 액화천연가스를 고압가스 분사엔진(100)을 공급할 수 있도록 시스템을 구성함으로써, Redundancy를 충족하며 엔진에 안정적으로 연료를 공급하고, GCU(410)에서 연소되어 낭비되는 BOG의 양을 줄이며 효과적으로 BOG를 활용할 수 있다.
또한 제1 및 제2 유로(L1, L2)를 구성하여 Redundancy를 충족하면서도 한 세트의 압축기(200)만 구성하여 압축기의 수를 줄임으로써 컴팩트한 시스템을 구성하고, 시스템의 설치 및 관리 비용을 절감할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 연료 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 본 발명의 하이브리드 연료 공급 시스템은 추진용 메인 엔진으로서 예컨대 MEGI 엔진이 장착된 LNG 운반선 등에 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 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 하이브리드 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 발명에 따른 하이브리드 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.
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.

Claims (10)

  1. 선박용 엔진의 연료공급 시스템으로서,
    LNG 저장탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 BOG를 압축하는 압축장치와;
    상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 공급받아 압축시키는 고압펌프와;
    상기 고압펌프에서 압축된 상기 LNG를 기화시키는 기화기와;
    상기 압축장치를 거쳐 압축된 상기 BOG를 연료로 공급받는 DF(Dual Fuel) 엔진;
    을 포함하며,
    상기 선박용 엔진은 150 내지 400 bar로 압축된 고압가스를 연료로 사용하되, 상기 압축장치에서 압축된 상기 BOG 및 상기 고압펌프에서 압축된 상기 LNG 중 적어도 하나를 연료로 공급받아 구동되는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축장치는 복수의 컴프레서 및 복수의 인터쿨러를 포함하는 다단압축기인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 DF 엔진은 상기 다단압축기에 포함되는 복수의 컴프레서 중 적어도 일부를 거쳐 압축된 상기 BOG를 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박용 엔진 및 상기 DF 엔진의 연료로 공급되고 남은 상기 BOG를 연소시키는 GCU(Gas Combustion Unit)를 더 포함하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 LNG 저장탱크에 마련되어 상기 LNG 저장탱크에 저장된 상기 LNG를 상기 고압펌프에 공급하는 연료펌프를 더 포함하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 BOG의 재액화를 위한, 별도의 냉매 사이클을 이용한 재액화 시스템이 마련되지 않는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박의 Laden condition에서, 상기 선박용 엔진은 상기 압축장치에 의해 압축된 상기 BOG를 연료로서 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박의 Ballast condition에서, 상기 선박용 엔진은 상기 고압펌프에 의해 압축된 상기 LNG를 연료로서 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박의 Ballast condition에서, 상기 선박용 엔진은, 상기 압축장치에 의해 압축된 상기 BOG와, 상기 고압펌프에 의해 압축된 상기 LNG 중 적어도 하나를 연료로서 공급받는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박은 130000 내지 350000㎥ 급의 LNG carrier인 것을 특징으로 하는 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템.
PCT/KR2013/009539 2012-10-24 2013-10-24 선박용 엔진의 하이브리드 연료공급 시스템 및 방법 Ceased WO2014065617A1 (ko)

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