KR101245644B1 - 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG 연료탱크에서 배출된 LNG 또는 증발가스를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템을 갖는 LNG 운반선에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, LNG를 저장하여 운반하기 위한 LNG 운반선으로서, LNG를 수용하도록 설치되는 복수의 LNG 저장탱크와; 상기 LNG 저장탱크에 저장되어 있는 LNG를 연료로서 사용하여 추진력을 발생시키기 위한 고압가스 분사엔진과; 연료로서 사용하기 위한 LNG를 상기 LNG 저장탱크에서 상기 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템; 을 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 LNG는, 이송되는 도중에 외부로부터의 열공급으로 인한 증발가스 발생을 감소시킬 수 있도록, 복수의 상기 LNG 저장탱크 중에서 상기 고압가스 분사엔진이 설치된 엔진실에 인접한 LNG 저장탱크로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선이 제공된다.

Description

해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조 {PUMP CONNECTING STRUCTURE OF A NATURAL GAS SUPPLY SYSTEM FOR A MARINE STRUCTURE}

본 발명은 LNG 연료탱크에서 배출된 LNG 또는 증발가스를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조에 관한 것으로서, 가요성 호스를 활용함으로써 공간이 제한된 해상 구조물에서 자유로운 펌프의 배치를 허용할 수 있는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조에 관한 것이다.

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 중에서 LNG 운반선을 위하여 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, 일반상선 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 ∼ 300 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.

LNG 저장탱크가 설치되지 않은 일반상선 등에 ME-GI 엔진을 적용하기 위해서는 연료로서의 LNG를 수용할 수 있는 LNG 연료탱크가 설치된다.

ME-GI 엔진은 필요시 재액화(liquefaction) 장치가 추가로 설치될 경우, 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 연료로 사용할 것인지, 아니면 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 보내고 중유(Heavy Fuel Oil; HFO)를 사용할 것인지 선택할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 환경오염과 관련한 특정규제를 받는 해역을 통과시 간편하게 LNG를 기화시켜서 연료로 사용할 수 있으며, 차세대 친환경적인 엔진으로서 효율이 50%에 육박하여 향후에는 LNG 운반선의 메인 엔진으로서 사용될 수 있다.

LNG 저장탱크(혹은 LNG 연료탱크)에 수용되어 있는 LNG(혹은 증발가스)를 연료로서 ME-GI 엔진에 공급하기 위해, 천연가스, 즉 연료가스 공급 시스템(fuel gas supply system)이 구비되어야 한다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호 및 제 WO 2009/136793 호 등에는 이러한 연료가스 공급 시스템의 예가 개시되어 있다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 기화기에서 기화시킨 후 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 상기 기화기에서 LNG와 열교환하여 액화시키는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/136793 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 고압 펌프에서 압축한 후 증발기에서 증발시켜 ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 증발가스 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압 펌프에 공급되는 LNG와 혼합해서 가스 엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.

이와 같은 연료가스 공급 시스템은 엔진에서 요구하는 상태, 즉 엔진에서 요구하는 온도 및 압력의 연료가스를 공급하기 위하여 필수적인 요소이다.

한편, 연료가스 공급 시스템에는 LNG의 이송을 위한 수단으로서 일반적으로 왕복동식 펌프와 같은 이송수단이 구비된다. LNG의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, 연료가스 공급 시스템에 사용되는 펌프는 극저온 조건에서 작동할 수 있어야 한다. 이러한 선박용 극저온 왕복동식 펌프는 피스톤 또는 플런저가 실린더 내에서 왕복운동 함으로써 액체, 즉 LNG를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하도록 구성된다. 다른 종류의 펌프에 비해 왕복동식 펌프는 높은 압력을 비교적 간단하게 얻을 수 있고, 유량 정도가 좋으며, 별도의 유량제어 장치를 설치하지 않아도 되는 등의 이점이 있다.

그런데, 선박과 같은 해상 구조물의 경우 육상과는 달리 펌프의 설치 공간이 제한되어 있기 때문에, 배치가 어렵고, 펌프에 천연가스를 공급하는 쪽의 파이프와 펌프로부터 토출되는 쪽의 파이프 등의 정렬이 쉽지 않은 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공간이 제한된 해상 구조물에서 자유로운 펌프의 배치를 허용할 수 있도록, 가요성 호스를 활용하여 천연가스의 이송 파이프와 펌프를 연결하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, LNG를 수용하는 LNG 저장탱크와, 추진력을 발생시키기 위한 고압가스 분사엔진을 가지는 해상 구조물에서, 연료로서의 LNG를 상기 LNG 저장탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 천연가스 공급 시스템에 포함되는 펌프를 연결하기 위한 펌프 연결구조로서, 상기 LNG 저장탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진까지 LNG가 이송되는 통로로서의 이송 파이프와; 상기 이송 파이프를 통하여 LNG가 이송되도록 LNG를 압축하여 토출하는 펌프와; 상기 이송 파이프와 상기 펌프 사이에 배치되는 가요성 호스; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조가 제공된다.

상기 가요성 호스는 상기 펌프의 상류측에 연장되는 상기 이송 파이프와 상기 펌프의 흡입구 사이에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 가요성 호스의 양단에는 플랜지가 일체로 형성되어, 상기 양단의 플랜지를 각각 상기 이송 파이프 말단에 형성되는 플랜지 및 상기 펌프의 흡입구에 체결함으로써 상기 가요성 호스가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 가요성 호스는 LNG의 극저온을 견딜 수 있는 SUS 소재로 만들어지는 것이 바람직하다.

상기 가요성 호스의 외부는 단열재에 의해 감싸지는 것이 바람직하다.

상기 펌프는 피스톤 또는 플린저가 실린더 내를 왕복운동 함으로써 액체를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하는 선박용 극저온 왕복동식 펌프인 것이 바람직하다.

상기 펌프는, 모터에 의해 구동하는 구동부와, 상기 구동부에 의해 동작하면서 유체를 흡입하여 소정의 압력으로 압축하여 배출하는 토출부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 해상 구조물 내에 설치되는 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조로서, 천연가스를 압축하여 토출하는 상기 펌프와 천연가스가 이송되는 이송 파이프 사이를 가요성 호스에 의해 연결하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조가 제공된다.

본 발명에 따르면, 가요성 호스를 활용하여 천연가스의 이송 파이프와 펌프를 연결하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조가 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명에 의하면, 가요성 호스에 의해 펌프에 천연가스를 공급하는 이송 파이프와 펌프를 용이하게 정렬시킬 수 있어, 공간이 제한된 해상 구조물에서 자유로운 펌프의 배치가 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 고압 펌프에서 엔진까지의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 버퍼 탱크 충전 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 직접 가스 공급 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 버퍼 탱크 사용 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 왕복동식 펌프의 다양한 실시형태에 따른 냉각장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 저장탱크에서 고압 펌프까지의 개략 구성도로서, LNG의 원활한 공급을 위해 시스템을 쿨 다운시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템을 구비한 LNG 운반선을 나타낸 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 LNG 운반선에서의 연료가스 공급 시스템의 배치 위치를 설명하기 위한 도면이다.

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.

도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진, 예컨대 ME-GI 엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템을 도시한 구성도이다. 본 발명의 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템은 액화천연가스를 고압가스 분사엔진의 연료로 사용할 수 있는 모든 종류의 해상 구조물, 즉 LNG 운반선, LNG RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.

LNG 운반선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 구비되어 있는 해상 구조물의 경우에는 이 LNG 저장탱크 내의 LNG를 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급한다. 또한, 컨테이너선이나 일반상선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 별도로 구비되어 있지 않은 해상 구조물의 경우에는 연료로서의 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크로부터 LNG를 배출시켜 고압가스 분사엔진에 공급한다. 다만, 본 명세서에 있어서, LNG 저장탱크는 LNG 연료탱크를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 고압가스 분사엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템에 따르면, LNG 저장탱크(또는 LNG 연료탱크)(도시생략)에서 배출된 LNG(또는 증발가스)는, 연료 공급 라인(L1)을 통하여 이송되면서 펌프(20)에서 고압으로 압축되고 기화기(5)에서 기화된 후 ME-GI 엔진 등의 고압가스 분사엔진(1)에 연료로서 공급된다. 증발가스의 경우에는 재액화된 후 이송되는 LNG와 혼합되어 함께 고압가스 분사엔진을 향하여 이송될 수 있다.

기화기(5)의 상류측에는, 극저온 장비로서 액면상의 맥동을 흡수 및 감소시키기 위한 맥동 댐퍼(3)가 설치된다. 펌프(20)는 극저온에 적용하여 LNG를 가압할 수 있는 왕복동식 펌프인 것이 바람직하다. 펌프(20)는 LNG를 대략 150 내지 300 bara 정도의 고압으로 압축할 수 있는 고압 펌프이다. 본 명세서에서 "고압" 이라는 용어는, ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에서 요구하는 연료가스의 압력범위, 예를 들어 대략 150 내지 300 bara 정도의 범위의 압력을 의미한다.

기화기(5)는 고압 기화기로서 액체 상태의 LNG를 열매체와 열교환시킴으로써 가열하여 기화시킨다.

초기 시동시, 연료 공급라인(L1)에는 시스템 냉각을 위해 액체질소(즉, 액화질소; LN2)가 주입될 수 있으며, 연료 공급라인(L1)에 주입된 액체질소는 기화기(5)의 하류측에서 액체질소 배출라인(L2)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 액체질소 배출라인(L2)에는 소음기(도시생략)가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료 공급라인(L1)의 기화기(5)와 고압가스 분사엔진(1) 사이에 일정량의 연료가스를 고압 상태로 수용할 수 있는 버퍼 탱크(11)가 설치된다. 버퍼 탱크(11)는 단열되지 않아 외부 환경에 영향을 받을 수 있다. 버퍼 탱크(11)의 외부 온도가 버퍼 탱크(11) 내에 수용된 연료가스의 온도보다 높을 경우, 버퍼 탱크(11)에 수용된 연료가스는 외부로부터 공급되는 열에 의해 가열될 수 있다. 버퍼 탱크(11)는 대략 300바의 압력에 견딜 수 있는 구조를 가지며, CNG용 저장탱크와 같은 구조를 가질 수 있다.

버퍼 탱크(11)는 충전라인(L3) 및 사용라인(L4)을 통해 연료 공급라인(L1)과 병렬적으로 연결된다. 충전라인(L3)에는 체크밸브(12)가 설치되고, 사용라인(L4)에는 바이패스 밸브(13)가 설치된다. 연료 공급라인(L1)에는, 엔진 조건에 부합하는 연료의 양을 제어하도록 유량조절을 위한 컨트롤 밸브(14), 셧 오프(shut off) 기능을 갖는 마스터 밸브로서의 개폐 밸브(15), 그리고 엔진 조건에 부합하는 연료의 온도를 맞춰주기 위한 가스 히터(16)가 상류측에서 하류측 방향으로 순차 설치된다. 컨트롤 밸브(14)는 연료 공급라인(L1)에서 충전라인(L3)이 분기되는 지점의 하류측, 그리고 사용라인(L4)이 연결되는 지점의 상류측에 설치된다. 개폐 밸브(15) 및 가스 히터(16)는 연료 공급라인(L1)에서 사용라인(L4)이 연결되는 지점의 하류측에 순서대로 설치된다.

버퍼 탱크를 가지는 연료가스 공급 시스템은, 필요에 따라 버퍼 탱크 충전 모드, 직접 가스 공급 모드, 그리고 버퍼 탱크 사용 모드 등으로 운전될 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 각 모드를 상세하게 설명한다. 도 2 내지 도 4에서, 밸브의 내부에 빗금을 그은 것은 밸브가 개방된 상태임을 의미하며, 밸브의 내부에 빗금이 없는 것은 밸브가 폐쇄된 상태임을 의미한다.

도 2를 참조하여 버퍼 탱크 충전 모드를 설명한다. 버퍼 탱크(11)에 연료가스를 충전하기 위해서는 체크 밸브(12)를 열고, 바이패스 밸브(13), 컨트롤 밸브(14) 및 개폐 밸브(15)를 닫는다. 체크 밸브(12)가 개방되면 충전라인(L3)을 통해 대략 300바 정도의 고압으로 압축된 연료가스(즉, 천연가스)가 버퍼 탱크(11)에 공급된다. 버퍼 탱크(11)에 대한 가스연료의 충전이 완료되면, 체크 밸브(12)를 닫는다.

도 3을 참조하여 직접 가스 공급 모드를 설명한다. 고압가스 분사엔진(1)이 운전될 때, 요구되는 부하가 급격하게 변동하지 않는 경우에는 기화기(5)로부터 연료 공급라인(L1)을 통하여 연료가스를 공급받는다. 이때에는 체크 밸브(12) 및 바이패스 밸브(13)를 닫고, 컨트롤 밸브(14) 및 개폐 밸브(15)를 연다. 직접 가스 공급 모드에 있을 때, 체크 밸브(12)의 개방정도를 조절하면 버퍼 탱크(11)의 충전을 동시에 진행할 수 있다.

도 4를 참조하여 버퍼 탱크 사용 모드를 설명한다. 고압가스 분사엔진(1)이 운전될 때, 초기 시동시나 출력 급상승시와 같이 요구되는 부하가 급격하게 변동하는 경우에는 기화기(5)로부터의 연료 공급만으로는 고압가스 분사엔진(1)에 충분한 연료를 공급할 수 없다. 이때에는 체크 밸브(12) 및 컨트롤 밸브(14)를 닫고, 바이패스 밸브(13) 및 개폐 밸브(15)를 열어, 버퍼 탱크(11) 내에 저장된 연료가스를 고압가스 분사엔진(1)에 공급한다.

이와 같이 고압가스 분사엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하는 경우에는 버퍼 탱크에 저장되어 있던 연료가스를 사용하여 부하 변동에 대응한다. 본 명세서에서 "고압가스 분사엔진(1)의 부하가 급격하게 변동하는 경우" 란, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 부하가 연료 공급라인(L1)에 설치되어 있는 펌프(20) 또는 기화기(5) 등의 장비의 용량을 넘어 변동하는 경우를 의미한다.

본 발명에 따르면, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 부하가 연료 공급라인(L1)에 설치되어 있는 펌프(20) 또는 기화기(5) 등의 장비의 용량을 넘어 변동하더라도, 버퍼 탱크(11)에 의해 급격하게 변동하는 부하에 대처할 수 있게 된다. 그에 따라 각종 구성품들의 크기 및 용량이 급격하게 변동하는 고압가스 분사엔진(1)의 부하 최대치를 만족시킬 필요가 없어, 각종 구성품들의 크기 및 용량이 지나치게 커질 필요가 없고, 연료가스 공급 시스템을 구성하기 위해 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

버퍼 탱크(11)에서 연료가스가 배출됨에 따라 버퍼 탱크의 내부압력이 감압되면 배출되는 연료가스의 온도가 하강할 수 있다. 이때 연료가스의 온도가 엔진에서 요구하는 온도 이하로 하강할 경우, 가스 히터(16)에 의해 연료가스를 가열한 후 엔진에 공급할 수 있다.

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 왕복동식 펌프의 다양한 실시형태에 따른 냉각장치를 설명한다.

왕복동식 펌프(20)는, 모터(22)에 의해 구동하는 구동부(21)와, 이 구동부(21)에 의해 동작하면서 유체, 즉 LNG를 흡입하여 소정의 압력으로 압축하여 배출하는 토출부(25)를 포함한다. 모터(22)의 회전력은 풀리(23)를 통해 구동부(21)에 전달될 수 있다. 구동부(21)의 크랭크 샤프트가 회전함에 따라 커넥팅 로드 등의 연결부를 통하여 토출부(25)의 피스톤 또는 플런저가 실린더 내에서 왕복운동하면서 유체를 압축하여 배출한다.

펌프(20)의 유입구와 연료 공급라인(L1) 사이에는 가요성 호스(60)가 설치될 수 있으며, 그에 따라 연료 공급라인(L1)을 구성하는 파이프와 펌프(20)의 유입구가 정확하게 정렬되지 않더라도 그 연결작업을 용이하게 수행할 수 있다.

구동부(21)에는 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드의 동작을 윤활하기 위한 윤활유가 주입되어 있는데, 펌프(20)의 동작이 계속됨에 따라 윤활유의 온도가 상승하므로 윤활유를 냉각시킬 필요가 있다.

선박용 극저온 왕복동식 펌프는 피스톤(Piston) 또는 플린저(Plunge)가 실린더 내를 왕복운동 함으로써 액체를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하는 펌프이다. 이러한 왕복동 펌프는 높은 압력을 비교적 간단하게 얻을 수 있고, 유량 정도가 좋으며 다른 유량제어 장치를 설치하지 않아도 되는 등의 특징이 있다. 그러나 극저온 유체를 사용하는 펌프는 상온에 의한 열 유입으로 인해 쉽게 기화되고, 발생하는 증기(Vapor)로 인해 제대로 흡입(Suction)이 되지 않는 현상이 발생하게 된다. 또한 선박의 경우 육상과 비교하여 배치에 따른 제약 사항이 있기 때문에 펌프설치 시에 흡입 및 배출 영역에 따른 검토가 필수적이다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 극저온 초고압 천연가스 공급 장치용 왕복동식 펌프의 흡입 장치에 있어서, 흡입(Suction) 라인에 비교적 여유를 허용하지 않는 배관을 사용하는 것이 아니라 극저온 가요성 호스(60)를 사용함으로써 움직임이 상대적으로 자유로워 배치에 따른 제약을 받지 않게 되며 펌프의 흡입(Suction) 라인에 충분히 큰 사이즈, 즉 대직경의 가요성 호스를 적용하여 효율적인 흡입이 가능하게 할 수 있다.

일반적인 배관(Pipe)을 사용하여 연료 공급라인(L1), 즉 천연가스 이송 파이프와 펌프의 흡입구 사이를 연결하게 되면, 배관은 여유를 허용하지 않기 때문에 이송 파이프와 펌프의 흡입구가 정확하게 일직선상에 정렬되어야 한다. 그런데, 이송 파이프와 펌프의 흡입구 사이를 가요성 호스(60)에 의해 연결할 경우, 약간의 오차가 발생하여도 이 오차를 가요성 호스(60)에 의해 상쇄할 수 있어 이송 파이프 및 펌프의 배치 작업이 용이해 질 수 있다.

또한, 펌프에 의한 흡입이 용이하도록 가요성 호스의 직경은 충분히 클 필요가 있으며, 이송 파이프의 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하다.

가요성 호스(60)로서는 제일산업(Jeil Industrial co., ltd.)의 JEIL F-A 내지 F-R과 같은 제품이나, 대성이엔지(Dae Sung Engineering co.)의 DS 01 내지 08과 같은 제품을 사용할 수 있다. 가요성 호스(60)는 극저온 상태의 액화천연가스가 내부로 통과하더라도 강성을 유지할 수 있는 소재, 예컨대 SUS 소재로 만들어질 필요가 있으며, 필요시 외부를 단열재에 의해 감쌀 수 있다.

가요성 호스(60)로서는 양단에 플랜지가 일체로 형성된 SUS 소재의 것을 사용할 수 있으며, 양단의 플랜지를 각각 배관 말단의 플랜지 및 펌프의 흡입구에 체결함으로써 가요성 호스를 설치할 수 있다.

도면에는 펌프 상류측의 천연가스 이송 파이프와 펌프의 흡입구 사이에만 가요성 호스(60)가 설치된 것으로 도시하였지만, 필요시 펌프의 토출구와 펌프 하류측의 천연가스 이송 파이프 사이에도 가요성 호스가 설치될 수 있다.

한편, 펌프의 토출구에는 충격완화수단으로서 한글 디귿자 혹은 미음자 형태를 가지도록 굴곡된 파이프가 연결될 수 있으며, 그에 따라 펌프의 진동을 이 충격완화수단에 의해 토출측 배관에 전달하지 않을 수 있다.

펌프에 동력을 전달하기 위한 대표적인 방법으로는 벨트, 기어, 체인 구동 방식 등이 있다. 이 중 V-벨트 구동 방식은 벨트와 벨트 풀리(Pulley)와의 마찰에 의해 회전하는 동력을 전달하게 되는데, 펌프쪽 풀리와 모터쪽 풀리간 벨트의 일정한 장력이 없으면 벨트의 슬립 현상이 발생하게 된다. 벨트의 슬립이 발생하게 되면 펌프의 효율이 저하되며 소음이 발생하고, 마찰에 의한 발열로 인하여 벨트의 손상 위험이 따르게 된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 벨트를 이용하는 펌프의 슬립 여부를 측정하기 위한 방법 및 구조가 제공된다.

우선 벨트로 연결되는 펌프와 모터의 풀리간의 지름(Diameter = D1 : d1)을 비교하여 이 비율(ratio)을 기준으로 설정한다. 그리고 펌프와 모터의 회전 구동부에 각각의 근접 센서(Proximity sensor)를 장착하여 회전 속도(rpm)에 대한 비율을 풀리간의 지름 비율과 상호 비교한다. 만약 펌프 구동 중 벨트에 슬립이 발생하게 되면, 근접 센서로 측정된 회전 속도(rpm)에 대한 비율(ratio)이 풀리간의 지름 비율에 대하여 오차를 발생하게 될 것이며 그 오차로 인하여 벨트의 슬립 여부를 판단할 수 있다.

근접 센서는 펌프 및 모터의 각 풀리의 회전속도를 측정하기 위한 장치로서, 풀리의 회전속도를 측정할 수 있다면 어떠한 구성의 센서라도 사용할 수 있다.

도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치는 윤활유를 펌프(20)의 내외로 순환시키는 윤활유 순환라인(L5)과, 이 윤활유 순환라인(L5)에 설치되어 윤활유를 냉각시키는 라디에이터(31)와, 윤활유를 순환시키기 위한 윤활유 펌프(33)를 포함한다. 윤활유 순환라인(L5)에는 복수의 밸브(35, 36, 37)가 설치될 수 있다. 윤활유 순환라인(L5)은 폐루프를 구성한다.

도 6에 도시된 제2 실시예의 냉각장치는 도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치에 비해 라디에이터 대신 열교환기(41)를 사용한다는 점에서 상이하다. 열교환기(41)에는 펌프(20)에서 압축되어 배출되는 LNG가 우회라인(L6)을 통해 부분적으로 우회되어 공급된다. LNG의 온도는 윤활유에 비해 상대적으로 저온이므로 윤활유를 냉각시킬 수 있다.

도 7에 도시된 제3 실시예의 냉각장치는 도 5에 도시된 제1 실시예의 냉각장치에 비해 라디에이터 대신 열교환기(45)를 사용한다는 점에서 상이하다. 열교환기(45)에는 해수(또는 청수) 혹은 공기가 윤활유와의 열교환을 위해 공급될 수 있다.

도 8에 도시된 제4 실시예의 냉각장치는 개방형 루프를 이룬다는 점에서 폐쇄형 루프를 이루는 상술한 제1 내지 제3 실시예의 냉각장치와 상이하다. 제4 실시예의 냉각장치는 액체질소 탱크(51)로부터 질소 공급라인(L7)을 통해 공급되는 질소에 의해 펌프(20)의 구동부(21)를 냉각한다. 액체질소의 공급량은 개폐 밸브(52)에 의해 조절될 수 있으며, 액체질소는 히터(53)에 의해 가열되어 기화된 후 펌프(20)에 공급되는 것이 바람직하다.

펌프(20)에 공급되어 펌프의 구동부(21)를 냉각시키고 자신은 가열된 질소는 펌프(20)의 외부로 배출된 후 다시 펌프의 연결부(27)에 공급될 수 있다. 연결부(27)에 공급되는 질소의 양은 밸브(55)에 의해 조절될 수 있다. 연결부(27)는 토출부(25)와 구동부(21) 사이에 위치되어 구동부의 구동력을 커넥팅 로드(28) 등에 의해 토출부에 전달한다.

커넥팅 로드(28) 등이 배치되는 펌프의 연결부(27)는 토출부(25)로부터 지속적으로 냉열을 공급받아 냉각되며, 결빙이 발생할 수 있다. 그러나, 구동부(21)에서 가열된 질소를 연결부(27)에 공급함으로써 연결부(27)의 온도를 상승시킬 수 있다.

또한, 토출부(25)에서 LNG의 누출이 발생하더라도, 연결부(27)를 통과하는 질소에 의해 누출된 가스가 구동부(21) 측으로 전달되지 않아 폭발 사고를 미연에 방지할 수 있다. 이때 연결부(27)에 공급되는 질소 가스는 토출부(25)와 구동부(21) 사이를 서로 격리시키는 실 가스(seal gas)로서 기능한다.

연결부(27)에서 배출되는 질소는, 그대로 대기중에 배출될 수도 있고, 필요시 질소 공급라인(L7)을 통해 질소 저장탱크(57)에 저장되어 재사용될 수도 있다.

LNG을 연료로 하는 엔진에 있어서 가장 최적의 방법으로 연료를 공급하는 방법인 고압 펌프와 고압 기화기 시스템에 있어서 고압 펌프에 LNG를 원활하게 공급하기 위해 석션 드럼(Suction drum)이 필요하고, 석션 드럼에 연료를 공급하기 위해 저압 펌프가 필요하게 된다. 이 저압 펌프, 석션 드럼, 및 고압 펌프는 운전하기 전에 쿨 다운(Cool down)이 필요한데, 이러한 쿨 다운 작업을 신속하고 원활하게 하기 위해 저압 펌프를 바이패스하는 라인을 두어 석션 드럼 및 고압펌프에 대한 쿨 다운 작업시 액화질소(LN2)를 잘 공급할 수 있도록 한다.

또한, 저압펌프의 쿨 다운 작업을 양호하게 실시하기 위해 저압펌프 배출라인(Discharge line) 상에 벤트 밸브(vent valve) 및 저장탱크로 증발가스(vapor)을 보내는 라인을 추가하여, 펌프가 정지되어 있을 때에는 증발가스 복귀 라인(vapor return line)의 밸브를 개방하여 연속적으로 쿨 다운 상태를 유지할 수 있도록 하며, 운전 전에는 필요시 벤트 밸브를 개방하여 추가의 쿨 다운 작업을 실시한 후에 운전한다.

초기 쿨 다운은 액화질소(LN2)를 이용하고, 이 경우에는 벤트 라인, 석션 드럼 등에 액화질소(LN2)를 흘려 저압펌프의 쿨 다운을 실시하고, 저압펌프 쿨 다운 후에는 바이패스 밸브를 이용하여 본격적으로 석션 드럼 및 고압펌프의 쿨 다운을 실시한다.

쿨 다운이 완료된 후에는 LNG을 이용하여 석션 드럼에 LNG를 공급하고, 공급이 완료되면 증발가스 복귀 밸브를 개방하여 저압펌프 쿨 다운 상태를 지속시켜 준다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 극저온 유체 중에서도 LNG(Liquefied Natural Gas)를 사용하는데 있어서 연료인 LNG를 사용하기 이전에 LN2(액화질소; Liquefied Nitrogen) 및 상호 밸브(Remote valves)들 간의 최적화된 내부 로직을 구성함으로써 효율적이면서도 안전하게 쿨 다운을 실시하고 LNG을 원활하게 공급하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.

도 1에는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 고압 펌프 하류측의 개략 구성도가 도시되어 있으며, 도 9에는 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 고압 펌프 상류측의 개략 구성도가 도시되어 있다.

도 10에는 LN2를 이용한 쿨 다운 작업과정이 개략적으로 도시되어 있다. LN2 탱크(109)로부터의 LN2는 도면에서 점선으로 표시된 라인을 따라 유동하면서 밸브(111, 112, 115, 119, 120), 저압펌프(feed pump)(103), 석션 드럼(105) 등의 각종 장비 및 배관을 냉각시킨다.

도 11에는 LN2를 이용한 쿨 다운 작업이 완료된 후 시스템의 작동 중에 필요에 따라 LNG를 이용한 쿨 다운 작업과정이 개략적으로 도시되어 있다. LNG 저장탱크(101)로부터의 LNG는 도면에서 점선으로 표시된 라인을 따라 유동하면서 밸브(114, 115, 116, 119), 저압펌프(103), 석션 드럼(105) 등의 각종 장비 및 배관을 냉각시킨다. 한편, 밸브(111)와 밸브(112) 사이의 배관에 고여 있는 액화질소는 기화된 후 밸브(113)를 통해 벤트될 수 있다. 증발가스는 밸브(116) 및 증발가스 복귀라인을 통해 LNG 저장탱크(101)에 복귀될 수 있다.

도 12에는 저압펌프 즉 이송펌프(feed pump)(103)를 부스터 펌프로서 활용하는 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 대략 2.5bar 이하의 압력으로 저장된 LNG 탱크(101)의 LNG는 저압펌프(103)에 의해 대략 5 내지 10bar 정도로 가압된 후 고압펌프(107)에 공급된다.

저압펌프(103)를 부스터 펌프로서 활용할 경우, 석션 드럼(105)은 사용하지 않을 수 있다. 석션 드럼(105)은 고압펌프(107)에 LNG를 원활하게 공급하기 위한 용기이고, 저압펌프(103)는 이 석션 드럼에 LNG를 공급하여 채우기 위한 용도로 사용될 수 있다. 도 9 내지 도 12의 고압펌프(107)는 도 1의 왕복동식 펌프(20)와 동일한 구성이나, 편의상 부재번호를 따로 부여하였다.

본 발명의 연료가스 공급 시스템이 LNG 저장탱크가 다수개, 즉 4개 혹은 5개 구비된 LNG 운반선에 적용될 경우, 연료로서 사용되는 LNG는 밸러스트 등의 이유로, 선수로부터 2번째 내지 3번째(탱크 4개의 경우), 혹은 2번째 내지 4번째(탱크 5개의 경우) 탱크에서 배출될 수 있다.

다만, LNG의 이송 경로가 길어질수록 증발가스의 발생량이 많아질 수 있으며 전체 시스템의 효율을 감안할 때, 엔진에서 가장 가까운 곳에 위치하는 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 연료로서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 연료로서 사용할 LNG를 하나의 LNG 저장탱크로부터만 배출시켜 사용할 경우, 배관의 밸브나 펌프 등의 고정시 연료를 공급하지 못하는 문제가 발생할 수 있으므로, 적어도 2개의 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 연료로서 사용할 수 있도록 시스템을 구성하는 것이 바람직하다.

예를 들어, LNG 저장탱크가 4개 설치된 LNG 운반선의 경우에는 선수로부터 3번째 내지 4번째(3번 및 4번 탱크)에 위치된 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 사용하고, LNG 저장탱크가 5개 설치된 LNG 운반선의 경우에는 도 13에 도시된 바와 같이 선수로부터 4번째 내지 5번째(4번 및 5번 탱크)에 위치된 LNG 저장탱크로부터 LNG를 배출시켜 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 도 13, 도 14a 및 도 14b를 참조하여, 5개의 LNG 저장탱크(101)를 구비한 LNG 운반선에 본 발명의 연료가스 공급 시스템(S)이 설치된 실시예를 설명한다.

연료가스 공급 시스템(Fuel Gas Supply system; FGS)(S)은, LNG 저장탱크(101)에서 배출된 LNG를 엔진에서 요구하는 정도의 압력으로 압축시키는 고압 펌프(20 또는 107)와, 이 고압 펌프에서 압축된 LNG를 기화시켜 고압가스 분사엔진(1)에 공급하는 고압 기화기(5)와, LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 각종 배관 및 밸브 등을 포함한다.

또한, 본 발명의 연료가스 공급 시스템(S)은, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 사전에 연료가스를 기화기(5)로부터 공급받아 저장하고 있다가 고압가스 분사엔진(1)의 부하 증가시 저장된 연료가스를 고압가스 분사엔진(1)에 공급하여, 고압가스 분사엔진(1)의 부하 변동에 추종할 수 있도록 하는 버퍼 탱크(11)를 더 포함할 수 있다.

도 13에는, LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 배관 중 일부와, LNG 저장탱크(101)의 내부에 위치된 연료 배출 펌프(101a)가 연료가스 공급 시스템(S)의 외부에 도시되어, 연료가스 공급 시스템에 포함되지 않는 것처럼 도시되었지만, 이는 도시의 편의를 위한 것이다. 즉, 광의의 연료가스 공급 시스템은 연료로서의 LNG를 엔진에 공급하는 일련의 장비들을 모두 포함하는 것으로서 상기한 연료 배출 펌프(101a)나 LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 배관을 모두 포함한다. 다만 협의의 연료가스 공급 시스템(S)은 상기한 연료 배출 펌프(101a)나 LNG 저장탱크(101)로부터 엔진(1)에 이르는 배관 중 일부를 포함하지 않는 것으로 생각될 수 있으며, 본 명세서에서의 설명 중 도 13 내지 도 14b를 참조하여 이루어진 설명에 있어서 연료가스 공급 시스템(S)이란 상술한 협의의 연료가스 공급 시스템을 의미하는 것으로 고려되어야 한다.

이와 같이 이루어진 연료가스 공급 시스템(S)은 가능한 한 고압가스 분사엔진(1)과 LNG 저장탱크(101)에 인접한 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 고압가스 분사엔진(1)은 선박의 엔진실(150) 내에 위치되므로, 결국, 연료가스 공급 시스템(S)은 엔진실(150)과 LNG 저장탱크(101)에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 엔진실(150)은 내부온도가 높기 때문에 극저온 유체가 유동하는 연료가스 공급 시스템(S)이 엔진실(150)의 내부에 설치되는 것은 바람직하지 않을 수 있다.

이를 위해 본 발명에 따르면, 연료가스 공급 시스템(S)은, 도 14a에 도시된 바와 같이, 선체의 길이방향에 있어서, 선미측에 배치되는 엔진실(150)과 이 엔진실에서 가장 가까운 위치에 배치된 LNG 저장탱크(101)와의 사이에 배치될 수 있다.

또는, 도 14b에 도시된 바와 같이, 연료가스 공급 시스템(S)은 엔진실(150)과 주거공간(160) 사이에 상하로 배치될 수 있다. 주거공간(160)은 선원들이 생활하거나 선박을 조정하고 각종 장비, 시스템 등을 제어하기 위해 필요한 공간이므로, 폭발성 유체인 LNG가 이송되는 연료가스 공급 시스템(S)과는 격리될 필요가 있다. 주거공간(160)의 안전성을 확보하기 위해서, 연료가스 공급 시스템(S)과 주거공간(160) 사이에는 A60 격벽, 트렁크 스페이스 등과 같은 보호 수단 중 하나 이상이 설치되는 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법이 LNG 운반선 등의 해상 구조물에 적용된 것을 예로 들어 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법은 육상에서의 고압가스 분사 엔진에 대한 연료 공급에 적용될 수 있음은 물론이다.

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.

1 : 고압가스 분사엔진 5 : 기화기
11 : 버퍼 탱크 16 : 가스 히터
20, 107 : 고압 펌프 21 : 구동부
22 : 모터 23 : 풀리
25 : 토출부 60 : 가요성 호스

Claims (8)

1. LNG를 수용하는 LNG 저장탱크와, 추진력을 발생시키기 위한 고압가스 분사엔진을 가지는 해상 구조물에서, 연료로서의 LNG를 상기 LNG 저장탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진까지 공급하기 위한 천연가스 공급 시스템에 포함되는 펌프를 연결하기 위한 펌프 연결구조로서,
   상기 LNG 저장탱크로부터 상기 고압가스 분사엔진까지 LNG가 이송되는 통로로서의 이송 파이프와;
   상기 이송 파이프를 통하여 LNG가 이송되도록 LNG를 압축하여 토출하는 펌프와;
   상기 이송 파이프와 상기 펌프 사이에 배치되는 가요성 호스;
   를 포함하며,
   상기 가요성 호스의 양단에는 플랜지가 일체로 형성되어, 상기 양단의 플랜지를 각각 상기 이송 파이프 말단에 형성되는 플랜지 및 상기 펌프의 흡입구에 체결함으로써 상기 가요성 호스가 설치되는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가요성 호스는 상기 펌프의 상류측에 연장되는 상기 이송 파이프와 상기 펌프의 흡입구 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가요성 호스는 LNG의 극저온을 견딜 수 있는 SUS 소재로 만들어지는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가요성 호스의 외부는 단열재에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 펌프는 피스톤 또는 플린저가 실린더 내를 왕복운동 함으로써 액체를 흡입하여 소요의 압력으로 토출하는 선박용 극저온 왕복동식 펌프인 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 펌프는, 모터에 의해 구동하는 구동부와, 상기 구동부에 의해 동작하면서 유체를 흡입하여 소정의 압력으로 압축하여 배출하는 토출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.
8. 해상 구조물 내에 설치되는 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조로서,
   천연가스를 압축하여 토출하는 상기 펌프와 천연가스가 이송되는 이송 파이프 사이를 가요성 호스에 의해 연결하며,
   상기 가요성 호스의 양단에는 플랜지가 일체로 형성되어, 상기 양단의 플랜지를 각각 상기 이송 파이프 말단에 형성되는 플랜지 및 상기 펌프의 흡입구에 체결함으로써 상기 가요성 호스가 설치되는 것을 특징으로 하는 해상 구조물용 천연가스 공급 시스템의 펌프 연결구조.

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