KR100674163B1 - Ｂｏｇ 재액화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, BOG 재액화 장치에서 저온부를 구성하는 단위요소들을 단열된 콜드박스 모듈로 제작함으로써 LNG 재액화 장치의 크기를 줄일 수 있으며 질소가스의 극저온 영역을 냉열의 손실 없이 안정적 관리로 할 수 있고 질소 열교환기의 간편한 설계 및 제작이 가능하다. 또한, 질소열교환기와 팽창터빈 입구간의 연결파이프가 짧아지기 때문에 팽창터빈 입구의 상태나 온도에 민감한 영향을 받는 팽창터빈의 출구의 극저온 상태가 안정될 수 있다. 또한 팽창터빈 출구와 BOG 응축기 사이의 연결파이프가 짧아지므로 극저온 질소가스 이송시에 발행하는 온도상승을 최소화시킬 수 있다.
BOG, 재액화, 콜드박스, 모듈

Description

ＢＯＧ 재액화 장치{BOG RELIQUEFACTION APPARATUS}
도 1은 종래기술에 의한 LNG 재액화 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 LNG 재액화 장치의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 LNG 재액화 방법의 흐름도를 나타낸다.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
10: 저장탱크 11: 안전밸브
20: 재순환 밸브 30: 온도조절기
40, 41: BOG 압축기 50: BOG 응축기
60: 질소가스열교환기 70, 71, 72: 질소 압축기
80, 81, 82: 중간냉각기 90: 팽창터빈
100: 순환펌프 110: 질소 버퍼(buffer) 탱크
200: 콜드박스
본 발명은 극저온의 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 칭함)를 운송하는 운반선의 저장탱크나 육상용 저장탱크에서 발생하는 증발가스(BOG, boiled-off gas, 이하 BOG라 칭함)의 재액화 장치에 관한 것이다.
LNG는 통상적으로 액화상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 예를 들어, LNG가 액화되는 제 1 위치에서 증기화되어 가스 분배 시스템으로 보내지는 제 2 위치로 액화 LNG를 이송하는 데에는 원양 유조선이 사용된다. LNG가 초저온, 즉 상압 -163℃ 근처의 온도에서 액화되므로, LNG운반선의 저장탱크가 외부의 열전달을 받음으로 인하여 저장탱크의 LNG는 지속적으로 기화하는데 저장탱크의 압력이 설정된 안전 압력 이상이 되면 BOG는 안전밸브를 통하여 외부로 배출된다. 배출된 BOG는 재액화하여 다시 저장 탱크로 돌려보내거나 선박의 연료로 사용한다.
종래의 LNG운반선은 스팀터빈 추진방식이므로 BOG를 보일러에서 연소시킴으로서 선박의 추진 연료로 활용되었다. 근래 들어 저장탱크의 단열 기술 발전으로 BOG 발생량이 줄어들면서 스팀터빈 선박의 추진에 필요한 BOG 양의 확보가 어려울 뿐만 아니라 보다 고효율의 디젤엔진에 의한 선박 추진이 선호되고 있다. 이에 따라 BOG의 처리와 저장탱크의 안정성 확보를 위한 새로운 기술이 요구되고 있다.
재액화 장치에 있어서, 냉각 사이클은 작동 유체를 복수의 압축기에서 압축하는 단계와, 압축된 작동 유체를 간접 열 교환에 의해 냉각시키는 단계와, 상기 작동유체를 팽창시키는 단계와, 팽창된 작동유체를 압축된 작동유체와의 간접 열 교환에 의해 가열하는 단계, 및 가열된 작동유체를 압축기 중의 하나에 복귀시키는 단계에 의해 수행된다. 압축 단계 이후의 LNG 증기는 가열될 작동 유체와의 간접 열 교환에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 이러한 냉각 방법을 수행하기 위한 장치의 일예가 미국 특허 제 3,857,245 호에 기재되어 있다.
미국 특허 제 3,857,245 호에 따라서, 작동 유체는 LNG 자체로부터 유도되므로 개방 냉각 사이클에 의해 작동된다. 작동유체의 팽창은 밸브에 의해 수행되어 부분 응축된 LNG가 얻어진다. 부분 응축된 LNG는 저장조로 복귀되는 액상 및 연소 버너로 보낼 질 천연 가스와 혼합되는 기상으로 분리된다. 작동유체는 동일한 열 교환기 내에서 가열 및 냉각되므로 단지 하나의 열 교환기만이 사용된다. 열 교환기는 제 1 스키드-장착 플랫폼 상에 위치되고 작동 유체 압축기는 제 2 스키드-장착 플랫폼 상에 장착된다.
현재, 작동유체로서 불연성 가스를 사용하는 것이 선호된다. 또한, 외부에서 공급되는 작동 유체의 압축을 감소시키기 위해서는 작동 유체를 팽창시키기 위한 밸브보다도 팽창 터빈이 선호된다.
상기 두 장점을 개선을 장치의 일예가 WO98/43029 호에 기재되어 있다. 상기 문헌의 장치에는 2개의 열 교환기가 사용되는데, 이중 하나는 압축된 천연 가스 증기를 부분적으로 응축시키면서 열 교환기에서 작동 유체를 가온하는 것이고, 다른 하나는 압축된 작동 유체를 냉각시키는 것이다. 더구나, 작동 유체는 2개의 다른 압축기에서 압축되는데, 하나는 팽창 터빈과 연결된다. 국제 특허 공개공보 제 WO98/43029 호에 개시되어 있지는 않으나, 이러한 통상적인 장치는 보드형 선박에 설치되어 팽창 터빈에 연결된 압축기 및 열교환기가 배의 화물 기계실에 위치하고 다른 압축기는 엔진실 내에 위치한다. 이런 장치의 기계 배치를 단순화하고자 하는 필요성이 대두되고 있다. WO2005/047761호도 이와 유사한 구조를 가지고 있으며 이 출원은 BOG의 예냉에 특징이 있다.
한국특허공개 2001-0088406호 및 2001-0089142호에는 압축된 증기를 재액화시키기 위해 보드형 선박에 사용하기 위한 장치에 관한 것으로서 구성요소들을 사전 조립체로 제작하여 사용하고 있다. 이 재액화 장치를 도시하고 있는 도 1을 참조하여 설명하면, 재액화는 폐쇄 사이클에서 수행되며, 여기서 작동 유체는 적어도 하나의 압축기(22, 24 및 26)에서 압축되고 제 1 열 교환기(140)에서 냉각되고 터빈(128)에서 팽창되고 제 2 열 교환기에서 가온되고, 여기서 압축된 증기는 적어도 부분적으로 응축된다. 이 장치는 제 2 열 교환기(140)를 포함하는 제 1 사전 조립체(172), 및 제 1 열 교환기(146), 압축기(122, 124 및 126) 및 팽창 터빈(128)이 위치하는 제 2 사전 조립체(182)를 포함한다. 사전 조립체(172 및 182)는 각각의 플랫폼(170 및 180)에 위치한다.
상기와 같은 재액화 장치는 나름대로 구조의 단순화, 선박에의 장착의 용이성, 열손실의 저감 등의 측면에서 개선이 있어 왔으나, 아직까지 개선의 필요성이 있어왔다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술들을 구조의 단순화, 선박에의 장착의 용이성, 열손실의 저감 등의 측면에서 개선한 BOG 재액화 장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, LNG의 저장 탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발 증기를 적어도 부분적으로 응축시키기 위한 응축기: 상기 응축기에 냉열을 공급하는 질소 사이클 장치로 구성되는 BOG의 재액화 장치에 있어서, 상기 질소 사이클 장치는 상기 BOG 응축기에 연결된 질소 열교환기, 상기 질소 열교환기에 연결된 하나 이상의 압축기와 중간 냉각기, 및 상기 질소 열교환기에 연결된 팽창터빈로 구성되며, 상기 BOG 응축기와 질소 열교환기, 팽창터빈을 하나의 모듈로 구성하는 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치를 제공한다.
이와 같이 BOG 재액화 장치에서 저온부를 구성하는 단위요소들을 단열된 콜드박스 모듈로 제작함으로써 LNG 재액화 장치의 크기를 줄일 수 있으며 질소가스의 극저온 영역을 냉열의 손실 없이 안정적 관리로 할 수 있고 질소 열교환기의 간편한 설계 및 제작이 가능하다. 또한, 질소열교환기와 팽창터빈 입구간의 연결파이프가 짧아지기 때문에 팽창터빈 입구의 상태나 온도에 민감한 영향을 받는 팽창터빈의 출구의 극저온 상태가 안정될 수 있다. 또한 팽창터빈 출구와 BOG 응축기 사이의 연결파이프가 짧아지므로 극저온 질소가스 이송시에 발행하는 온도상승을 최소화시킬 수 있다. 상기 모듈은 예비조립체로 제작하여 LNG의 저장 탱크에 설치하면 그 설치가 더욱 간편해진다.
상기 모듈의 입력은 BOG와 저온 고압의 질소가스이고 출력은 응축되어 재액화된 BOG와 극저온 저압의 질소가스가 된다.
상기 팽창터빈에는 발전기를 설치하여 상기 발전기로부터 생산된 전력은 BOG 압축기나 질소가스 압축기 등의 동력원으로 이용될 수 있다.
또한, BOG 압축기나 응축기 등에 부하를 줄이고 안정적인 재액화를 위해서, 상기 압축기의 전단계 또는 후단계에 재액화된 BOG 또는 LNG 탱크로부터의 LNG를 공급하여 온도조절을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 BOG 재액화 장치는 LNG 선박 또는 육상용 LNG 탱크에서 발생하는 BOG 재액화 장치로 사용될 수 있다.
이하에서는 첨부한 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과한 것이다 본 발명은 이 실시예에 당연히 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 구성도이다. 본 장치는 BOG 사이클 장치, 질소 사이클 장치, 그리고 상기 두 장치를 인터페이스하는 냉각박스(cold box) 장치로 구성될 수 있는데 설명의 편의를 위하여 상기 3가지 구성 관점에서 설명한다.
1) BOG 사이클 장치
기체상태의 천연가스(Natural Gas)는 극저온으로 액화되어 대기압(1.013bar)의 탱크(10)에 저장된다. 하지만 LNG 수송 중 지속되는 외부로부터의 열전달로 인하여 BOG가 발생하며 이는 저장탱크(10)의 압력 상승 요인으로 작용한다. 따라서 저장탱크(10)를 대기압 수준으로 일정하게 유지되도록 하기 위하여 저장탱크 압력이 1.03bar에 도달하면 안전밸브(11)가 열리고 BOG는 2단 압축기(40)(41)에 의해 저장탱크(10) 밖으로 배출되어 재액화 과정을 거치게 된다. 이때, 펌프(P)를 이용하여 BOG를 펌핑할 수도 있다.
상기 배출되는 고온의 BOG는 온도센서(12)에 의해 온도가 감지되며 온도조절 기(30)를 거쳐 일정온도로 조절된 후 2단 압축기(40)(41)로 유입된다. 온도조절기(30)를 통과한 BOG는 1.03 bar, -120℃의 과열증기상태로 유지된다.
상기 온도조절기(30)의 작동을 설명하면, 저장탱크에서 배출된 고온의 BOG에 재액화 과정을 거쳐서 응축된 BOG, 즉 극저온 LNG를 재순환시켜 혼합하면 온도조절이 가능하며 재순환 양의 제어는 재순환밸브(20) 개도를 조절하여 수행한다. 또한, 온도조절기(30)에는 재액화된 BOG 뿐만 아니라 LNG 탱크로부터의 LNG를 펌프(미도시)로 공급하는 것도 가능하다. 온도조절은 통상 재액화 장치가 정상상태에 도달할 때까지만 작동하며 이후 재순환밸브(20)는 닫히고 극저온의 LNG는 저장탱크(10)로 유도된다.
상기 온도조절기를 통과한 BOG는 모터(M)에 의하여 구동되는 2단 압축기(40)(41)를 거치면 2.5bar, -73℃의 과열증기 상태로 토출된다.
상기 2단 압축기(40)(41)에서 토출된 BOG는 BOG응축기(50)를 통과하면서 2.4bar, -155℃의 과냉 액체 상태로 변한 후 저장탱크(10)로 재유입되거나 또는 온도조절기(30)로 재순환된다. BOG응축기(50)의 자세한 설명은 하기 냉각박스 장치에서 자세히 설명된다.
BOG응축기(50)를 통해 BOG 전체를 액화시킬 수 있지만 완전 액화가 용이하지 않는 질소 성분 등의 영향으로 70 - 99% 정도가 액화된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 응축된 BOG는 상기 2단 압축기(40)(41)를 거친 가압된 BOG에 분무공급하여 BOG 응축기에 공급되는 가압 BOG의 온도를 조절할 수도 있다.
응축된 BOG는 펌프(P, 100)에 의하여 저장탱크(10)로 재유입된다. 저장탱크(10)으로의 BOG의 재유입 방법은 탱크 상부에서 분무헤드를 통하여 살포하거나 탱크 바닥으로 공급하는 방법이 있다. 탱크의 바닥으로 유입되면 응축된 BOG에 포함된 미응축 기체 속에 포함된 질소성분이 LNG 내부에 용해되어 가스상 내의 질소 비율이 낮게 유지된다. 질소는 액화점이 LNG의 주성분인 메탄보다 낮기 때문에 BOG내에 질소 함량이 증가하면 2단 압축기(40)(41) 또는 BOG응축기(50)에 부하를 줄일 수 있다.
2) 질소사이클 장치
BOG 응축기(50)에서는 작동 유체인 극저온의 질소가스에 의해 BOG의 재액화가 이루어지는데 하기 설명은 BOG 재액화에 필요한 극저온의 질소가스를 얻기 위한 사이클 장치에 관한 것이다.
10bar, 40℃의 질소 가스는 3단 압축기(70)(71)(72)와 중간냉각기(80)(81)(82)를 통과한 후 압력이 상승되어 59bar, 43℃의 가스로 토출된다. 상기 질소가스는 콜드박스로 이송된 후 질소 열교환기(60)에서 BOG 응축기에서 BOG를 응축시키면서 온도가 다소 상승된 저온부 질소와 내부 열교환을 통하여 58.9bar, -105℃의 가스 상태로 예냉된다. 중간냉각기(80)(81)(82)는 작동유체로 작용하는 질소냉매를 가압단계에서 냉각하는 것으로 상기 종래기술들에도 알려진 종래의 방법을 사용할 수 있는데 해수를 냉매로 사용하여 냉각하는 방법이 바람직하다.
상기 질소 열교환기(60)를 통과한 저온, 고압의 질소가스는 팽창터빈(90)을 지나면서 10.5bar, -167℃의 극저온, 저압가스로 변하여 상기 BOG 응축기(50)로 이 동하여 BOG 재액화 과정을 수행한 후 10.3bar, -134℃ 상태가 된다. 이후 상기 질소 열교환기(60)의 고온부 질소와 내부 열교환으로 10bar, 40℃에 도달하여 사이클을 완성한다. 질소 버퍼탱크(buffer tank, 110)는 BOG 재액화량의 변동, 즉 질소 사이클의 냉각 부하의 변동에 대응하여 질소 사이클의 질량유량 조절 기능을 수행한다. 질소의 양이 줄어들 경우를 대비하여 보충 작동 유체의 공급원을 추가로 포함할 수도 있다.
3) 콜드박스 장치
콜드박스(200)는 BOG의 재액화를 수행하는 BOG응축기(50) 과정, 질소 사이클의 고온부와 저온부간 내부 열교환이 이뤄지는 질소 열교환기(60) 과정, 그리고 극저온 질소가스를 얻는 팽창터빈(90) 과정과 이로부터 파생되는 발전기를 이용한 전력 생산과정으로 구성된다. 상기 과정의 장치들을 콜드박스 모듈(200)에 포함시킴으로써 각 장치 간 연결 파이프를 짧게 할 수 있으며 이는 BOG 재액화에 필요한 극저온 질소를 안정적으로 확보할 수 있게 한다. 즉, 질소열교환기(60)와 팽창터빈(90) 입구간의 연결파이프가 짧아지기 때문에 팽창터빈(90) 입구의 상태나 온도에 민감할 수 있는 팽창터빈의 출구의 극저온 상태가 안정될 수 있다. 또한 팽창터빈 출구와 BOG 응축기사이의 연결파이프가 짧아지므로 질소가스 이송에 따른 온도증가의 최소화를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 BOG 재액화 장치의 구성에서 저온상태의 장치인 BOG응축기(50), 질소 열교환기(60), 및 팽창터빈(90)을 하나의 콜드박스로 구성하고, 이들을 하나의 모듈로 단열하는 것이 바람직하다. 단열은 일반적으로 알려진 단열재 를 사용하여 단열한다. 이와 같은 구성에 의하여 질소가스의 극저온 영역을 안정적 관리로 할 수 있고 질소 열교환기의 간편한 설계 및 제작이 가능하다. 또한 콜드박스는 예비조립체로 제조함으로써 선박에 장착을 용이하게 할 수 있다.
상기와 같이 질소 사이클의 극저온 부위가 안정적으로 관리됨으로 인하여 BOG 사이클에서 BOG 재액화 온도 -155℃, 최대온도 -72.6℃의 작동이 가능하며 BOG 응축기(50)의 입출구 온도차를 통상의 경우보다 낮은 80℃ 이하로 줄일 수 있다. 따라서 예냉(pre-cooling)이 필요 없는 간단한 BOG 응축기의 설계가 가능하다.
또한, 본 발명에서는 팽창터빈에는 발전기(G)를 설치할 수 있고 상기 발전기(G)로부터 생산된 전력은 BOG 압축기(40)(41)나 질소가스 압축기(70)(71)(72)의 동력원으로 이용될 수 있다.
본 발명의 구성에 의한 재액화 장치의 작동을 도 3을 참조하면서 살펴보면, 극저온의 LNG 운반선의 저장탱크 내에서 외부 열전달로 인하여 발생하는 BOG 재액화 방법에 있어서, 설정 압력에서 밸브가 열린 후 배출된 BOG가 온도조절기를 거쳐서 2단 압축기 입구 상태가 일정하게 1.03bar, -120℃로 유지되는 단계(ST 10), 상기 BOG가 2단 압축기에서 2.5bar, -73℃의 고온 고압의 상태가 되는 단계(ST 20), 상기 압축기에서 토출된 BOG가 BOG 응축기에서 2.3bar, -155℃의 과냉액체로 재액화되는 단계(ST 30), 상기 재액화된 BOG가 펌프에 의해 가압되는 단계(ST 40), 상기 가압된 재액화 BOG의 일부가 온도조절밸브를 통해 재순환되는 단계(ST 50), 나머지는 저장탱크로 회수되어 저장되는 단계(ST 60), 10bar, 40℃의 질소 가스가 3 단 압축기과 중간냉각기를 통과한 후 압력이 상승되어 59bar, 43℃로 승압되는 단계(ST 70), 상기 고압 질소가 질소 열교환기에서 저온부 질소와 내부 열교환을 통하여 58.9bar, -105℃의 저온 상태로 변하는 단계(ST 80), 상기 고압 질소가 팽창터빈을 지나면서 10.5bar, -167℃의 저온, 저압 가스로 변하는 단계 (ST 90), 상기 저온 저압 질소가 BOG 재액화를 수행한 후 10.3bar, -134℃ 상태로 되는 단계(ST 100), 상기 질소가스가 재차 열교환기를 통과하면서 10bar, 40℃로 고온으로 상태변화를 하는 단계(ST 110)로 구성된다.
상기 각 단계에서 압력, 온도 등은 특정의 숫자로 기재하고 있으나 BOG의 양, 제어방법 등에 따라 변경가능한 것은 당연하다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명은 LNG 운반선의 운항 중 저장된 LNG의 손실이 없이 저장탱크의 압력을 안정적으로 관리할 수 있다. 특히, 간단한 콜드박스 모듈의 도입으로 LNG 재액화 장치의 크기를 줄일 수 있으며 질소가스의 극저온 영역을 안정적 관리로 할 수 있고 질소 열교환기의 간편한 설계 및 제작이 가능하다. 구체적으로는 질소열교환기(60)와 팽창터빈(90) 입구간의 연결파이프가 짧아지기 때문에 팽창터빈(90) 입구의 상태나 온도에 민감한 영향을 받는 팽창터빈의 출구의 극저온 상태가 안정될 수 있다. 또한 팽창터빈 출구와 BOG 응축기 사이의 연결파이프가 짧아지므로 극저온 질소가스 이송시에 발행하는 온도상승을 최소화시킬 수 있으며, BOG 재액화 장치에서 저온부를 구성하는 단위요소들을 콜드박스로 모아 관리함으로써 냉열의 손실도 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. LNG의 저장 탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발 증기를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에 냉열을 공급하는 질소 사이클 장치로 구성되는 BOG의 재액화 장치에 있어서, 상기 질소 사이클 장치는 상기 BOG 응축기에 연결된 질소 열교환기, 상기 질소 열교환기에 연결된 하나 이상의 압축기와 중간 냉각기, 및 상기 질소 열교환기에 연결된 팽창터빈로 구성되며, 상기 BOG 응축기와 질소 열교환기, 팽창터빈을 하나의 모듈로 구성하는 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 모듈의 입력은 BOG와 저온 고압의 질소가스이고 출력은 응축되어 재액화된 BOG와 극저온 저압의 질소가스인 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서 상기 팽창터빈에는 발전기가 설치된 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 모듈은 단열되는 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈은 예비조립체로 제조되는 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 BOG를 압축하는 압축기에 공급되는 BOG에 상기 재액화된 BOG 또는 LNG 탱크로부터의 LNG를 공급하는 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 압축기에 의해 압축된 BOG에 상기 재액화된 BOG 또는 LNG 탱크로부터의 LNG를 공급하는 것을 특징으로 하는 BOG의 재액화 장치.
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