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KR20230154381A - 가스 처리 시스템을 포함하는 선박 - Google Patents

가스 처리 시스템을 포함하는 선박 Download PDF

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KR20230154381A
KR20230154381A KR1020220053851A KR20220053851A KR20230154381A KR 20230154381 A KR20230154381 A KR 20230154381A KR 1020220053851 A KR1020220053851 A KR 1020220053851A KR 20220053851 A KR20220053851 A KR 20220053851A KR 20230154381 A KR20230154381 A KR 20230154381A
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KR
South Korea
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gas
boil
liquefied gas
refrigerant
main compressor
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Application number
KR1020220053851A
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English (en)
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장현민
박종완
남기일
김주일
이재준
강태형
신동후
Original Assignee
에이치디한국조선해양 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은 선박에 관한 것으로, 상기 선박은, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 수요처에 공급하는 메인 압축기; 상기 메인 압축기로부터 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 증발가스를 냉각하는 제2 열교환기; 상기 액화가스 저장탱크로부터 상기 메인 압축기로 공급되는 증발가스의 냉열을 회수하는 제3 열교환기; 상기 메인 압축기 전단의 증발가스에 액화가스를 공급하는 제1 액화가스 공급부; 및 상기 메인 압축기 후단의 증발가스에 액화가스를 공급하는 제2 액화가스 공급부;를 포함할 수 있다.

Description

가스 처리 시스템을 포함하는 선박{Ship having gas treatment system}
본 발명은 가스 처리 시스템을 포함하는 선박에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.
이러한 선박은 엔진을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 함으로써, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.
그러나, 추진 연료로서 HFO 또는 MFO와 같은 중유를 사용하는 경우, 배기가스에 포함된 각종 유해물질로 인한 환경오염이 심각하기 때문에, 중유를 연료유로 사용하는 경우에 대한 규제가 강화되고 있고, 이러한 규제를 만족 시키기 위한 비용이 점차 증가하고 있다.
이에 따라 선박의 연료로서, 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 사용하는 기술의 개발이 이루어지고 있다.
이와 같은 액화가스는 액상으로 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다.
그러나 이러한 액화가스는 -50도씨 이하의 극저온으로 저장되므로, 외부 열침투에 의해 증발가스가 발생하는 등의 문제가 있는 바, 액화가스를 안정적으로 저장하고 처리하기 위한 기술이 지속적으로 연구 개발되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액화가스 추진 선박에서 수요처로 증발가스를 공급하는 과정에서 메인 압축기로 공급되는 증발가스의 온도를 고려하여 증발가스를 이용하여 냉매를 냉각함으로써 냉매 열교환부에 부하가 집중되는 것을 방지하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 수요처에 공급하는 메인 압축기; 상기 메인 압축기로부터 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 증발가스를 냉각하는 제2 열교환기; 상기 액화가스 저장탱크로부터 상기 메인 압축기로 공급되는 증발가스의 냉열을 회수하는 제3 열교환기; 상기 메인 압축기 전단의 증발가스에 액화가스를 공급하는 제1 액화가스 공급부; 및 상기 메인 압축기 후단의 증발가스에 액화가스를 공급하는 제2 액화가스 공급부;를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 메인 압축기 전단에 공급되는 증발가스의 온도가 미리 설정된 온도 보다 높은지에 따라 상기 액화가스 저장탱크에 구비된 펌프의 가동 여부가 결정될 수 있다.
구체적으로, 상기 미리 설정된 온도는 -70℃ 내지 -50℃에서 결정될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 메인 압축기 전단에 공급되는 증발가스의 온도가 미리 설정된 온도 이상인 경우에, 상기 펌프를 가동하여 상기 제1 액화가스 공급부로 액화가스를 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 액화가스 공급부로 공급되는 액화가스의 일부가 상기 제2 액화가스 공급부로 공급될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 메인 압축기 전단에 공급되는 증발가스의 온도가 미리 설정된 온도 미만인 경우에, 상기 펌프를 가동하지 않고 상기 제2 열교환기에서 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 액화가스의 일부를 상기 제1 액화가스 공급부로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 제3 열교환기는, 상기 액화가스 저장탱크에서 상기 메인 압축기로 공급되는 증발가스와, 상기 메인 압축기로부터 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 증발가스를 열교환시킬 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 증발가스가 적절한 온도로 수요처로 공급되며, 특정 열교환기 또는 특정 압축기에 과도하게 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
이하에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 “구비”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
이하에서, 액화가스는 액화천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG), 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 천연가스(NG)를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하에서, 고압(HP: High pressure), 저압(LP: Low pressure), 고온 및 저온은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
이하에서, 제1, 제2 등과 같은 표현은 본 발명에서 특정 구성이 복수 개로 마련되는 것을 지칭하기 위한 것으로, 각각의 표현은 복수 개의 구성 중 어느 하나를 지칭하는 것일 수 있다. 제1, 제2 등의 표현이 부가되지 않은 경우, 해당 구성은 제1, 제2 등의 표현이 부가된 구성을 모두 포괄하는 개념일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하여 보면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30), 메인 압축기(40) 및 수요처(50)를 포함할 수 있다.
선박(1)은 정박하거나, 운항하는 경우일 수 있고, 선박(1)이 정박하는 경우에는 발전용 엔진(51)이 가동될 수 있고, 선박(1)이 운항하는 경우에는 발전용 엔진(51)과 추진용 엔진이 가동될 수 있다.
선박(1)이 정박하는 경우에 메인 압축기(40)에 요구되는 압력은 6 내지 10 bar이고, 메인 압축기(40)의 입구 온도는 -50℃일 수 있다. 선박(1)이 운항하는 경우에 메인 압축기(40)에 요구되는 압력은 약 13 bar이고, 메인 압축기(40)의 입구 온도는 -70℃일 수 있다. 액화가스 저장탱크(10)는, 수요처(50)에 공급될 액화가스를 저장한다. 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 액체상태의 액화가스를 보관할 수 있고, 압력 탱크 형태를 가질 수 있다. 액화가스 저장탱크(10)는 복수 개로 마련될 수 있으며, 복수 개 이상이 나란히 배치될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 단열 구조로 되어 있지만, 외부로부터 액화가스 저장탱크(10)로 열이 들어가면 액화가스 저장탱크(10) 내에 저장되어 있는 액화가스가 따뜻해져 그 일부가 증발한다. 이 증발된 액화가스는, 증발가스(BOG; Boil off gas)로서 액화가스 저장탱크(10) 내에 저장되어 있는 액상의 액화가스의 액면의 상부 공간에 저장된다.
액화가스 저장탱크(10)에는, 액화가스 저장탱크(10) 내의 상부 공간에 저장되어 있는 증발가스를 액화가스 저장탱크(10) 외부로 빼낼 수 있는 증발가스 공급라인(L1)이 액화가스 저장탱크(10)의 상부에 구비될 수 있다. 증발가스는 증발가스 공급라인(L1)을 통해 수요처(50)로 전달될 수 있다.
증발가스가 증발가스 공급라인(L1)을 통해 수요처(50)로 전달될 때 증발가스는 메인 압축기(40)를 통과할 수 있다. 증발가스는 메인 압축기(40)를 통과하며 압력이 상승하여 수요처(50)에서 요구하는 압력 상태가 될 수 있다.
수요처(50)는 메인 추진 장치로서 이중 연료 연소(Dual Fuel, DF) 엔진일 수 있다. 본 명세서에서 액화가스가 수요처(50)로 전달된다고 기재한 경우, 이는 액화가스가 선박 내에서 필요한 전기를 생성하는 발전용 엔진(51) 또는 증발가스를 태우는 GCU(Gas Combustion Unit, 52)로 전달되는 것을 포함할 수 있다.
상기 증발가스 공급라인(L1)에는 제1 열교환기(20)가 구비될 수 있다. 증발가스가 제1 열교환기(20)를 통과하는 경우 증발가스 냉열회수라인(L31) 내 냉매는 냉각될 수 있으며, 이 과정에서 수요처(50)로 전달되는 증발가스는 가열될 수 있다.
냉매 압축기(60) 후단에서 증발가스 냉열회수라인(L31)과 제1 냉매라인(L32)으로 분기될 수 있으며, 제어부(미도시)는, 증발가스 냉열회수라인(L31)에 구비된 제1 제어밸브(V1)와 제1 냉매라인(L32)에 구비된 제2 제어밸브(V2)의 개도를 조절하여 제1 열교환기(20) 또는 제2 열교환기(30)로 공급되는 냉매의 양을 조절할 수 있다.
냉매 압축기(60)에서 배출되는 냉매의 일부가 상기 증발가스 냉열회수라인(L31)을 통해 제1 열교환기(20)로 공급되므로, 제2 열교환기(30)로 공급되는 냉매의 유량이 상대적으로 줄어들어, 제2 열교환기(30)에서 냉매의 냉각을 위해 걸리는 부하가 줄어들 수 있다. 즉, 제1 열교환기(20)가 냉매 압축기(60)에서 배출되는 냉매의 일부를 냉각해주어, 제2 열교환기(30)에서 냉각되는 냉매의 유량이 줄어들고 이에 따라 제2 열교환기(30)에서 냉매의 냉각에 필요한 부하가 줄어든다.
상기 증발가스 공급라인(L1)에는 증발가스가 제1 열교환기(20)를 우회하는 라인이 구비되어, 메인 압축기(40) 전단에서 증발가스의 온도가 일정 수준 이상이 되기 전에 증발가스가 제1 열교환기(20)를 우회하도록 제어할 수 있다.
메인 압축기(40)의 후단에서 증발가스 공급라인(L1)이 일부 분기되어, 증발가스가 증발가스 순환라인(L2)을 통해 액화가스 저장탱크(10)로 순환될 수 있다.
메인 압축기(40)의 후단에서 액화가스 저장탱크(10)로 순환되는 증발가스는 제2 열교환기(30)를 통과할 수 있다. 메인 압축기(40)를 통과하며 온도가 상승한 증발가스는 제2 열교환기(30)에서 냉매와 열교환하고 그 과정에서 냉각되고, 액화될 수 있다.
제2 열교환기(30)는 3개 이상의 열교환부를 포함할 수 있다. 상기 제2 열교환기(30)는 제1 증발가스 열교환부(31), 제2 증발가스 열교환부(32) 및 냉매 열교환부(33)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 제2 열교환기(30) 내에 구비되는 제1 증발가스 열교환부(31), 제2 증발가스 열교환부(32) 및 냉매 열교환부(33)는 제2 열교환기(30)라는 하나의 장치 내 구비된 영역 또는 제2 열교환기(30)에 구비된 유로를 의미할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 증발가스 열교환부(31) 및 제2 증발가스 열교환부(32)는 팽창기(70)를 통과한 냉매와 메인 압축기(40)에서 액화가스 저장탱크(10)로 순환되는 증발가스를 열교환하며, 상기 냉매 열교환부(33)는 팽창기(70)를 통과한 냉매와 냉매 압축기(60)를 통과한 냉매를 열교환할 수 있다.
이때 냉매는 질소, 혼합냉매 등일 수 있으며, 선박(1)에는 냉매의 성분 등에 따라서 냉매 공급부(80), 부스팅 펌프(81) 및 팽창탱크(82) 등의 구성이 다양하게 포함될 수 있다.
도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1) 내에 구비되는 가스 처리 시스템을 설명한다. 도 1을 참고하여 보면, 냉매는 냉매 압축기(60)를 통과하며, 온도가 비교적 상승하게 된다. 이때 냉매는 제1 열교환기(20) 또는 제2 열교환기(30)로 전달된다. 제1 열교환기(20)에서는 냉매가 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스와 열교환하고, 제2 열교환기(30)에서는 팽창기(70)에서 배출되는 냉매와 열교환한다.
즉, 상기 제1 열교환기(20)에서 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스와 냉매 압축기(60)로부터 배출된 냉매가 열교환하여 냉매 압축기(60)로부터 배출된 냉매가 냉각될 수 있다. 또한, 상기 제2 열교환기(30) 내 냉매 열교환부(33)에서 팽창기(70)를 통과한 냉매와 냉매 압축기(60)를 통과한 냉매가 서로 열교환하여 냉매 압축기(60)를 통과한 냉매가 냉각될 수 있다.
메인 압축기(40)를 통해 수요처(50)로 전달되는 증발가스는 온도가 높을수록 부피가 커지고 증발가스의 부피가 커짐에 따라 메인 압축기(40)에 걸리게 되는 부하가 커진다. 따라서, 메인 압축기(40)에 전달되는 증발가스의 부피를 줄이고, 메인 압축기(40)에 걸리는 부하를 줄이기 위해서, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스는 온도가 -50℃ 미만인 것이 바람직하다.
다만, 냉매는 압축과 팽창을 반복하면서 냉각되고 이때 발생된 냉열로 증발가스를 냉각시키는데, 냉매의 냉각에 부하가 크게 걸리므로, 냉매의 냉각에 걸리는 부하를 줄이기 위해 메인 압축기(40)로 전달되는 증발가스를 이용하여 냉매를 예냉할 필요가 있다.
그에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1)에서는, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도를 -50℃ 미만으로 유지하는 범위 내에서 냉매 압축기(60)를 통과한 냉매가 제1 열교환기(20)로 전달되도록 하여 메인 압축기(40)에 걸리는 부하를 줄이면서, 증발가스의 냉열을 최대로 이용하여 냉매를 냉각할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1)은, 선박의 수요처(50)의 요구 압력 또는 온도 조건을 충족시키기 위해 메인 압축기(40)를 통해 수요처(50)로 증발가스를 공급하는 한편, 증발가스의 냉열을 최대로 이용하여 증발가스를 재액화하기 위해 냉매 압축기(60) 후단에서 제1 열교환기(20)로 냉매가 전달되는 라인과 제2 열교환기(30)로 냉매가 전달되는 라인이 분기된다.
증발가스 냉열회수라인(L31) 및 제1 냉매라인(L32)은 팽창기라인(L4)에서 통합되어, 증발가스 냉열회수라인(L31) 및 제1 냉매라인(L32)의 냉매는 팽창기(70)에서 팽창되며 냉각된다.
상기 팽창기(70)에서 배출되는 냉매는 비교적 온도가 낮은 냉매로, 냉매가 흐르는 라인은 제2 열교환기(30) 내 제1 증발가스 열교환부(31) 후단에서 분기된다. 냉매 중 일부는 제2 증발가스 열교환부(32)에서, 메인 압축기(40) 후단으로부터 액화가스 저장탱크(10)로 순환하는 증발가스와 열교환하고, 냉매 중 나머지 일부는 냉매 열교환부(33)에서 냉매 압축기(60)로부터 배출되는 냉매와 열교환할 수 있다.
메인 압축기(40) 후단에서 액화가스 저장탱크(10)로 순환되는 증발가스의 온도, 또는 냉매 열교환부(33)에서 배출되는 냉매의 온도에 따라서 제1 증발가스 열교환부(31)에서 제2 증발가스 열교환부(32)로 흐르는 냉매 및 제1 증발가스 열교환부(31)에서 냉매 열교환부(33)로 흐르는 냉매의 양을 조절할 수 있다.
제2 증발가스 열교환부(32)에서는, 액화가스 저장탱크(10)로 순환되는 증발가스를 1차적으로 냉각할 수 있다. 제1 증발가스 열교환부(31) 후단에서 제2 증발가스 열교환부(32)로 전달되는 냉매는 팽창기(70)의 전단의 온도보다 낮을 수 있다. 제2 증발가스 열교환부(32)에서 냉매는 액화가스 저장탱크(10)로 순환되는 증발가스의 온도를 낮춰, 제1 증발가스 열교환부(31)에서 증발가스를 액화하기 위해 가해지는 부하를 낮출 수 있다.
제1 증발가스 열교환부(31)에서는, 제2 증발가스 열교환부(32)에서 배출되는 증발가스를 2차적으로 냉각할 수 있다. 상기 제2 증발가스 열교환부(32)에서 1차적으로 증발가스가 냉각되므로 증발가스를 액화하기 위해 제1 증발가스 열교환부(31)에 가해지는 부하가 줄어들 수 있다.
냉매 열교환부(33)에서는, 제1 증발가스 열교환부(31)에서 배출되는 냉매를 이용하여 냉매 압축기(60)로부터 배출되는 냉매를 냉각시킬 수 있다. 제2 증발가스 열교환부(32)가 제1 증발가스 열교환부(31)의 증발가스 냉각을 일부 분담하므로, 제2 증발가스 열교환부(32)가 구비되지 않는 것 대비 제1 증발가스 열교환부(31)를 통과하는 냉매는 상대적으로 온도가 낮을 수 있다. 따라서, 냉매 압축기(60)로부터 배출되는 냉매를 냉각시키기 위해 냉매 열교환부(33)로 전달하는 냉매의 온도를 낮춰 냉매 열교환부(33)에서 냉각 효율을 높일 수 있고, 냉매 열교환부(33)로 전달되는 냉매의 양도 줄일 수 있으므로 냉매 열교환부(33)의 크기를 줄일 수 있어 선박 내 시스템 구성에 필요한 비용과 공간을 줄일 수 있다.
즉, 제2 증발가스 열교환부(32)에서 증발가스를 1차적으로 냉각한 후 제1 증발가스 열교환부(31)에서 증발가스를 2차적으로 냉각하므로, 제1 증발가스 열교환부(31)에서 증발가스의 냉각이 일어날 때 제2 증발가스 열교환부(32)가 구비되지 않은 경우보다 제1 증발가스 열교환부(31)에서 냉매의 온도 저하가 줄어들 수 있다. 이에 따라, 제1 증발가스 열교환부(31)에서 배출되는 냉매를 이용하여 냉매 열교환부(33)에서 냉매 압축기(60)로부터 배출되는 냉매를 냉각하는 경우 냉매의 냉각 효율이 상승하고, 냉매 열교환부(33)의 크기를 줄일 수 있다.
메인 압축기(40)로 주입되는 증발가스의 온도를 조절하기 위해서 제1 액화가스 공급부(S1) 또는 제2 액화가스 공급부(S2)로 액화가스가 공급될 수 있으며, 이와 관련된 자세한 내용은 아래에서 도 2를 참고하여 설명한다.
본 명세서에서는 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃인 것을 기준으로 가스 처리 시스템이 운용되는 것을 설명하였으나, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스 온도의 기준을 -50℃로 하는 경우는, 선박(1)에서 발전용 엔진(51)이 가동되고 추진용 엔진이 가동되지 않아 메인 압축기(40)에 요구되는 압력이 낮고 메인 압축기(40)의 입구 온도가 높은 경우이며, 추진용 엔진이 가동되어 메인 압축기(40)에 요구되는 압력이 상대적으로 높아지는 경우에는 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도의 기준은 더 낮아져 -70℃가 될 수 있다.
이와 같이 선박(1)의 운항 여부에 따라서 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스 온도의 기준은 달라질 수 있으며, 증발가스 온도의 기준은 약 -70℃ 내지 -50℃에서 정해질 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 1에서 설명한 부분과 공통되는 구성에 대해서는 이하 설명을 생략할 수 있다.
도 2를 참고하여 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 제1 열교환기(20), 제2 열교환기(30), 메인 압축기(40) 및 수요처(50)를 포함할 수 있다. 상기 제1 열교환기(20)에서는 증발가스 공급라인(L1) 내 증발가스와 증발가스 냉열회수라인(L31) 내 냉매 간의 열교환이 일어날 수 있다. 상기 제2 열교환기(30)에서는 팽창기라인(L4) 내 냉매와 제1 냉매라인(L32) 내 냉매 간의 열교환이 일어날 수 있고, 팽창기라인(L4) 내 냉매와 증발가스 순환라인(L2) 내 액화가스 또는 증발가스 간의 열교환이 일어날 수 있다.
제1 열교환기(20)에서는, 액화가스 저장탱크(10) 내 증발가스의 냉열을 회수할 수 있다. 증발가스 냉열회수라인(L31)을 따라 제1 열교환기(20)를 통과한 냉매는 예냉되고, 팽창기(70)를 거치면서 더욱 냉각된다.
팽창기(70)를 통과한 냉매는 제2 열교환기(30)로 공급되고, 상기 팽창기(70)를 통과한 냉매는 제1 냉매라인(L32)의 냉매와 증발가스 순환라인(L2) 내 액화가스 또는 증발가스를 냉각할 수 있다.
증발가스 순환라인(L2)을 따라 순환되는 액화가스 또는 증발가스는 제2 열교환기(30)에서 완전히 재액화될 수 있다.
한편, 도 1에서 설명한 바와 같이, 메인 압축기(40)를 통해 수요처(50)로 전달되는 증발가스는 온도가 높을수록 부피가 커지고 증발가스의 부피가 커짐에 따라 메인 압축기(40)에 걸리게 되는 부하가 커질 수 있다. 또한, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 높을수록 제1 열교환기(20)에서 회수되는 냉열이 부족하고, 제2 열교환기(30)에서 증발가스의 재액화 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 메인 압축기(40)에 걸리는 부하를 줄이고 재액화 효율을 높이기 위해서, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스는 온도가 -50℃ 미만인 것이 바람직하다.
메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃ 이상 경우, 액화가스 저장탱크(10) 내에 구비된 펌프를 이용하여 액화가스 저장탱크(10) 내 액화가스를 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급할 수 있다. 상기 제1 액화가스 공급부(S1)로 저온의 액화가스가 공급되어 증발가스 공급라인(L1)의 증발가스는 냉각될 수 있다.
다만, 액화가스 저장탱크(1)에서 제1 액화가스 공급부(S1)로 액화가스가 공급되고, 상기 액화가스가 액화가스 저장탱크(1)로 순환되기만 하면, 액화가스 저장탱크(1) 내에 열이 주입되어 증발가스 재액화 효율이 떨어질 수 있다. 이를 방지하고자, 액화가스 저장탱크(10) 내 액화가스는, 제1 액화가스 공급라인(L5)에서 분기되어 제2 액화가스 공급부(S2)로 연결되는 제2 액화가스 공급라인(L6)을 따라 제2 액화가스 공급부(S2)로 전달될 수 있다. 제2 액화가스 공급부(S2)로 액화가스를 공급함으로써 증발가스의 재액화 효율을 약 7% 상승시킬 수 있다.
이때 메인 압축기(40)로 공급되는 증발가스의 온도에 따라 제3 제어밸브(V3)를 개방하여 제2 액화가스 공급부(S2)로 액화가스를 전달할 수 있다. 제2 액화가스 공급부(S2)에 저온의 액화가스가 공급되어, 제2 열교환기(30)에서 재액화 효율을 높일 수 있다.
한편, 메인 압축기(40)로 공급되는 증발가스의 온도가 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 충분히 낮은 상태인 경우에는, 증발가스의 온도를 낮추기 위해 제1 액화가스 공급부(S1)로 액화가스의 공급이 필요하나, 증발가스에 온도 변화가 생기더라도 증발가스의 발생량이 급격하게 증가하지 않고 재액화 효율이 급격하게 떨어지지 않는다.
오히려, 메인 압축기(40)로 공급되는 증발가스의 온도가 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 충분히 낮은 상태인 경우에는, 액화가스 저장탱크(10) 내의 액화가스를 공급하는 과정에서 펌프를 사용할 때 액화가스 저장탱크(10) 내에 주입되는 열로 인해 재액화 효율이 떨어질 수 있다.
액화가스 저장탱크(10) 내의 액화가스를 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급할 때 펌프를 가동하게 되는데 펌프에서 사용되는 전력이 낭비되는 문제와, 액화가스가 흐르는 배관을 따라 열이 침투하여 액화가스 저장탱크에서 증발가스의 발생량이 증가하는 문제가 있으며, 증발가스의 온도에 따라 펌프를 정지하고 가동하는 과정을 자주 반복하게 되면, 배관을 쿨다운하는 등 펌프 가동에 준비과정에서 전력이 낭비되고 준비 과정에 시간이 추가로 소요되는 문제가 있다.
즉, 증발가스의 온도가 충분히 낮은 경우라면, 액화가스 저장탱크(10)에 구비된 펌프를 가동하여 제1 액화가스 공급부(S1)로 액화가스를 공급하여 증발가스를 냉각하면 재액화 효율이 떨어지고 재액화 과정에서 에너지 소비가 늘어날 수 있다.
그럼에도 불구하고, 수요처(50)로 연료를 원활하게 공급하고, 메인 압축기(40)에 가해지는 부하를 줄이기 위해 메인 압축기(40)로 전달되는 증발가스의 온도를 조절할 필요가 있으므로, 펌프를 가동하지 않으면서, 제2 열교환기(30)를 통과한 저온의 액화가스를 액화가스 분기라인(L7)을 따라서 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달하여 증발가스를 냉각할 수 있다. 이때 재액화 효율은 펌프를 가동하여 액화가스를 공급하는 것 대비 약 9% 상승될 수 있다.
이와 같이 메인 압축기(40) 전단에 공급되는 증발가스의 온도에 따라서 액화가스 저장탱크(10)에 구비된 펌프의 가동 여부가 결정될 수 있다.
펌프의 가동 여부가 결정되는 메인 압축기(40) 전단의 증발가스의 온도는 -50℃인 것이 바람직하고, 상기 증발가스의 온도가 -50℃ 이상인 경우에는, 펌프를 가동하여 증발가스를 빠르게 냉각할 필요가 있으며, 재액화 효율을 높이기 위해 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달되는 액화가스 중 일부가 제2 액화가스 공급부(S2)로 공급될 수 있다.
반면, 상기 증발가스의 온도가 -50℃ 미만인 경우에는 펌프의 가동이 중단될 수 있으며, 제2 열교환기(30)를 통과한 저온의 액화가스의 일부가 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급될 수 있다. 이와 같이 액화가스 저장탱크(10)에 구비된 펌프를 가동하지 않으면서, 증발가스 순환라인(L2)을 통해 공급되는 저온의 액화가스를 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급하여 증발가스의 온도를 조절할 수 있다. 여기서 펌프의 가동이 중단될 수 있는 증발가스의 온도는 -90℃ 이상 -50℃ 미만일 수 있다.
메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃ 이상인 경우에는 펌프가 가동되고, 이때 제3 제어밸브(V3)를 개방하여 제2 액화가스 공급부(S2)로 액화가스를 전달할 수 있고, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃ 미만인 경우에는, 펌프의 가동이 중단되고 이때 제4 제어밸브(V4)를 개방하여 제2 열교환기에서 액화가스 저장탱크로 순환되는 액화가스의 일부를 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달할 수 있다.
위에서 증발가스의 온도가 -50℃인 것을 기준으로 펌프의 가동 여부가 결정되었으나, 이는 선박(1)에서 추진용 엔진이 가동되지 않는 선박(1)이 정박한 경우이며, 선박(1)에서 추진용 엔진이 가동되어 선박(1)이 운항 중인 경우에는 증발가스의 온도가 -70℃인 것을 기준으로 펌프의 가동 여부가 결정될 수 있다.
즉, 선박(1)이 운항 중인 경우에는, 상기 증발가스의 온도가 -70℃ 이상인 경우에, 펌프를 가동하여 제1 액화가스 공급부(S1)로 액화가스를 전달하고, 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달되는 액화가스 중 일부가 제2 액화가스 공급부(S2)로 공급될 수 있다.
반면, 선박(1)이 운항 중인 경우에는, 증발가스의 온도가 -70℃ 미만인 경우에 펌프의 가동이 중단될 수 있으며, 제2 열교환기(30)를 통과한 저온의 액화가스의 일부가 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급될 수 있다. 여기서 펌프의 가동이 중단될 수 있는 증발가스의 온도는 -90℃ 이상 -70℃ 미만일 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2에서 설명한 부분과 공통되는 구성에 대해서는 이하 설명을 생략할 수 있다.
도 3을 참고하여 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 제2 열교환기(30), 메인 압축기(40), 수요처(50) 및 제3 열교환기(90)를 포함할 수 있다.
상기 제2 열교환기(30)에서는 제1 냉매라인(L32)의 라인이 교차하여 지나가게 되므로, 팽창기라인(L4) 내 냉매와 제1 냉매라인(L32) 내 냉매 간의 열교환이 일어날 수 있고, 팽창기라인(L4) 내 냉매와 증발가스 순환라인(L2) 내 액화가스 또는 증발가스 간의 열교환이 일어날 수 있다.
상기 제3 열교환기(90)에서는 증발가스 공급라인(L1) 내 증발가스와 증발가스 순환라인(L2) 내 액화가스 또는 증발가스 사이에서 열교환이 일어날 수 있다. 제3 열교환기(90)는 증발가스 공급라인(L1) 내 증발가스로부터 냉열을 회수할 수 있다. 이때 증발가스 공급라인(L1) 내 증발가스는 예열되어 메인 압축기(40)로 공급될 수 있고, 반대로 증발가스 순환라인(L2) 내 증발가스는 예냉되어 제2 열교환기(30)로 공급될 수 있다.
메인 압축기(40)를 통과한 증발가스는 제3 열교환기(90)에서 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스와 열교환한 후, 제2 열교환기(90)에서 팽창기라인(L4) 내 냉매와 열교환하여 전부 재액화될 수 있다.
도 2에서 제1 액화가스 공급부(S1) 또는 제2 액화가스 공급부(S2)와 관련하여 설명한 바와 같이, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50 이상인 경우, 액화가스 저장탱크(10) 내에 구비된 펌프를 이용하여 액화가스 저장탱크(10) 내 액화가스를 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급할 수 있다. 상기 제1 액화가스 공급부(S1)로 저온의 액화가스가 공급되어 증발가스 공급라인(L1)의 증발가스는 냉각될 수 있다.
이때 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달되는 액화가스 중 일부가 제1 액화가스 공급라인(L5)에서 분기되어 제2 액화가스 공급부(S2)로 연결되는 제2 액화가스 공급라인(L6)을 따라 제2 액화가스 공급부(S2)로 전달될 수 있다. 제3 열교환기(90)로 공급되는 증발가스 순환라인(L2) 내 증발가스의 온도를 낮춰 제3 열교환기(90)에서의 재액화 효율을 높일 수 있다.
반면, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃ 미만인 경우에는 액화가스 저장탱크(10) 내에 구비된 펌프의 가동이 중단되고, 제3 열교환기(90)를 통과한 저온의 액화가스의 일부를 액화가스 분기라인(L7)을 따라서 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급하여 증발가스의 온도를 제어할 수 있다.
메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃ 이상인 경우에는 펌프가 가동되고, 이때 제5 제어밸브(V5)를 개방하여 제2 액화가스 공급부(S2)로 액화가스를 전달할 수 있고, 메인 압축기(40)를 통과하는 증발가스의 온도가 -50℃ 미만인 경우에는, 펌프의 가동이 중단되고 이때 제6 제어밸브(V6)를 개방하여 제2 열교환기에서 액화가스 저장탱크로 순환되는 액화가스의 일부를 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달할 수 있다.
위에서 증발가스의 온도가 -50℃인 것을 기준으로 펌프의 가동 여부가 결정되었으나, 이는 선박(1)에서 추진용 엔진이 가동되지 않는 선박(1)이 정박한 경우이며, 선박(1)에서 추진용 엔진이 가동되어 선박(1)이 운항 중인 경우에는 증발가스의 온도가 -70℃인 것을 기준으로 펌프의 가동 여부가 결정될 수 있다.
즉, 선박(1)이 운항 중인 경우에는, 상기 증발가스의 온도가 -70℃ 이상인 경우에, 펌프를 가동하여 제1 액화가스 공급부(S1)로 액화가스를 전달하고, 제1 액화가스 공급부(S1)로 전달되는 액화가스 중 일부가 제2 액화가스 공급부(S2)로 공급될 수 있다.
반면, 선박(1)이 운항 중인 경우에는, 증발가스의 온도가 -70℃ 미만인 경우에 펌프의 가동이 중단될 수 있으며, 제2 열교환기(30)를 통과한 저온의 액화가스의 일부가 제1 액화가스 공급부(S1)로 공급될 수 있다. 여기서 펌프의 가동이 중단될 수 있는 증발가스의 온도는 -90℃ 이상 -70℃ 미만일 수 있다.
도 3에서와 같이, 제2 액화가스 공급부(S2)는 제3 열교환기(90)의 전단에 구비될 수 있고, 도 4에서와 같이, 제2 액화가스 공급부(S2)는 제3 열교환기(90)의 후단에 구비될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 선박(1)은, 액화가스 추진 선박에서 수요처(50)로 증발가스를 공급하는 과정에서 메인 압축기(40)로 공급되는 증발가스의 온도를 고려하여 증발가스를 이용하여 냉매를 냉각함으로써 냉매 열교환부(33)에 부하가 집중되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박(1)은, 제1 증발가스 열교환부(31)와 제2 증발가스 열교환부(32)를 나누어 증발가스를 냉각하고, 제1 증발가스 열교환부(31) 후단에 냉매 열교환부(33)를 배치하여 냉매 열교환부(33)에서의 냉각 효율을 높이고 냉매 열교환부(33)의 크기를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박(1)은, 펌프를 가동하여 메인 압축기(40) 전단으로 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스를 공급하여 증발가스의 온도를 제어하거나, 메인 압축기(40)에서 순환되는 액화가스를 재액화시켜 메인 압축기(40) 전단으로 공급하여 메인 압축기(40) 전단의 증발가스의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박(1)은, 메인 압축기(40) 전단의 증발가스의 온도를 조절하여 상기 메인 압축기(40)에 가해지는 부하를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박(1)은, 메인 압축기(40)로 전달되는 증발가스와 냉매 압축기(60)에서 배출되는 냉매를 열교환하여 냉매를 예냉시킬 수 있고, 메인 압축기(40)로 전달되는 증발가스와 메인 압축기(40)로부터 순환되는 증발가스를 열교환하여 메인 압축기(40)로부터 순환되는 증발가스를 예냉시킬 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 선박 10: 액화가스 저장탱크
20: 제1 열교환기 30: 제2 열교환기
31: 제1 증발가스 열교환부 32: 제2 증발가스 열교환부
33: 냉매 열교환부
40: 메인 압축기 50: 수요처
51: 발전용 엔진 52: GCU
60: 냉매 압축기 70: 팽창기
80: 냉매 공급부 81: 부스팅 펌프
82: 팽창탱크 90: 제3 열교환기
L1: 증발가스 공급라인 L2: 증발가스 순환라인
L31: 증발가스 냉열회수라인 L32: 제1 냉매라인
L4: 팽창기라인 L41: 증발가스 냉각라인
L42: 제2 냉매라인 L5: 제1 액화가스 공급라인
L6: 제2 액화가스 공급라인 L7: 액화가스 분기라인
S1: 제1 액화가스 공급부 S2: 제2 액화가스 공급부
V1: 제1 제어밸브 V2: 제2 제어밸브
V3: 제3 제어밸브 V4: 제4 제어밸브
V5: 제5 제어밸브 V6: 제6 제어밸브

Claims (7)

  1. 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크;
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 수요처에 공급하는 메인 압축기;
    상기 메인 압축기로부터 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 증발가스를 냉각하는 제2 열교환기;
    상기 액화가스 저장탱크로부터 상기 메인 압축기로 공급되는 증발가스의 냉열을 회수하는 제3 열교환기;
    상기 메인 압축기 전단의 증발가스에 액화가스를 공급하는 제1 액화가스 공급부; 및
    상기 메인 압축기 후단의 증발가스에 액화가스를 공급하는 제2 액화가스 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 압축기 전단에 공급되는 증발가스의 온도가 미리 설정된 온도 보다 높은지에 따라 상기 액화가스 저장탱크에 구비된 펌프의 가동 여부가 결정되는 것을 특징으로 하는 선박.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 온도는 -70℃ 내지 -50℃에서 결정되는 것을 특징으로 하는 선박.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 압축기 전단에 공급되는 증발가스의 온도가 미리 설정된 온도 이상인 경우에, 상기 펌프를 가동하여 상기 제1 액화가스 공급부로 액화가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 액화가스 공급부로 공급되는 액화가스의 일부가 상기 제2 액화가스 공급부로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 압축기 전단에 공급되는 증발가스의 온도가 미리 설정된 온도 미만인 경우에, 상기 펌프를 가동하지 않고 상기 제2 열교환기에서 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 액화가스의 일부를 상기 제1 액화가스 공급부로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는,
    상기 액화가스 저장탱크에서 상기 메인 압축기로 공급되는 증발가스와, 상기 메인 압축기로부터 상기 액화가스 저장탱크로 순환되는 증발가스를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 선박.
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