KR100681319B1

KR100681319B1 - Ｂｏｇ 재액화 장치

Info

Publication number: KR100681319B1
Application number: KR1020060001271A
Authority: KR
Inventors: 홍의석; 이윤표
Original assignee: 신영중공업주식회사
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2007-02-15

Abstract

본 발명은, LNG 저장탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발증기를 적어도 부분적으로 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에 냉열을 공급하는 질소 사이클 장치로 구성되어 상기 응축기에 의하여 재액화된 BOG를 상기 저장탱크로 돌려보내는 BOG 재액화 장치에 있어서, BOG를 응축기 전단에서 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, 응축기의 입구에서 BOG의 온도를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

BOG, 재액화, 콜드박스, 모듈, 예냉

Description

ＢＯＧ 재액화 장치{BOG RELIQUEFACTION APPARATUS}

도 1은 종래기술에 의한 LNG 재액화 장치의 개략도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 BOG 재액화 장치의 개략도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 BOG 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, 61, 62: 제3, 1, 2 질소 열교환기 70, 71, 72: 질소 압축기

80, 81, 82: 중간냉각기 90: 팽창터빈

91: 팽창밸브 92: 기액 분리기

100: 순환펌프 110: 질소 버퍼(buffer) 탱크

200: 콜드박스

본 발명은 극저온의 액화 천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 칭함)를 운송하는 운반선의 저장탱크에서 발생하는 증발가스(BOG, boil-off gas, 이하 BOG라 칭함) 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 LNG 운반선이 사용된다. LNG가 초저온, 즉 상압 -163℃ 근처의 온도에서 액화되므로, LNG 운반선의 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 저장탱크로 돌려보내거나 선박의 연료로 사용한다.

종래의 LNG 운반선은 스팀터빈 추진방식이므로 BOG를 보일러에서 연소시켜서 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 작동유체를 복수의 압축기에서 압축하는 단계와, 압축된 작동유체를 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 작동유체와의 간접 열 교환에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 이러한 냉각 방법을 수행하기 위한 장치의 일예가 미국특허 제3,857,245호에 기재되어 있다.

미국특허 제3,857,245호에 따라서, 작동유체는 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 작동유체 압축기는 제 2 스키드-장착 플랫폼 상에 장착된다.

현재, 작동유체로서 불연성 가스를 사용하는 것이 선호된다. 또한, 외부에서 공급되는 작동유체의 압축을 감소시키기 위해서는 작동유체를 팽창시키기 위한 밸브보다도 팽창 터빈이 선호된다.

상기 두 장점을 개선한 장치의 일예가 국제특허 공개공보 제WO98/43029호에 기재되어 있다. 상기 문헌의 장치에는 2개의 열 교환기가 사용되는데, 이중 하나는 압축된 천연 가스 증기를 부분적으로 응축시키면서 열 교환기에서 작동유체를 가온하는 것이고, 다른 하나는 압축된 작동유체를 냉각시키는 것이다. 더구나, 작동유체는 2개의 다른 압축기에서 압축되는데, 하나는 팽창 터빈과 연결된다. 국제특허 공개공보 제WO98/43029호에 개시되어 있지는 않으나, 이러한 통상적인 장치는 보드형 선박에 설치되어 팽창 터빈에 연결된 압축기 및 열교환기가 배의 화물 기계실에 위치하고 다른 압축기는 엔진실 내에 위치한다. 국제특허 공개공보 제 WO2005/047761호도 이와 유사한 구조를 가지고 있으며 이 출원은 BOG의 예냉에 특징이 있다.

한국특허공개 제2001-0088406호 및 제2001-0089142호에는 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 작동유체는 적어도 하나의 압축기(122, 124, 126)에서 압축되고 제 1 열교환기(140)에서 냉각되고 터빈(128)에서 팽창되고 제 2 열 교환기(146)에서 가온되고, 여기서 압축된 증기는 적어도 부분적으로 응축된다. 이 장치는 제 2 열 교환기(146)를 포함하는 제 1 사전 조립체(172), 및 제 1 열 교환기(140), 압축기(122, 124, 126) 및 팽창 터빈(128)이 위치하는 제 2 사전 조립체(182)를 포함한다. 상기 사전 조립체(172, 182)는 각각의 플랫폼(170, 180)에 위치한다.

한편, 종래 작동유체와 BOG와의 열교환과 관련하여, 한국특허공고 제1993-0008299호, 국제특허공보 제WO2005/71333호 등에서는 3개의 열교환기를 사용하여 BOG의 안정적인 응축을 도모하고 있다.

상기와 같은 재액화 장치는 나름대로 구조의 단순화, 선박에의 장착의 용이성, 열손실의 저감 등의 측면에서 개선이 있어 왔으나, 아직까지 개선의 필요성이 있다.

특히, 종래의 기술은 BOG 액화를 위한 냉열 발생기구인 질소 사이클 장치에 서 작동유체인 질소의 역브레이튼 사이클을 사용하였는데 배의 운전상황에 따라 BOG의 발생량, 온도 등이 변할 경우 신속히 대처하지 못하는 단점이 있다. 또한 팽창터빈에 의해 질소 온도를 지나치게 낮추면 질소의 액화점에 도달함으로써 발생한 액적이 터빈 블레이드에 손상을 가져오게 된다. 따라서 발생하는 BOG의 양이나 온도 변화에 민감하게 대처할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같이 배의 운전상황에 따라 BOG의 발생량, 온도 등이 변할 경우 신속히 대처하지 못하는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG 운반선에서 운항 중 저장탱크에서 발생하여 안전밸브를 통하여 유출되는 BOG를 재액화한 후 저장탱크로 회수시키는 재액화 시스템에 있어서, 발생된 BOG를 응축기 전단에서 외부 작동유체(질소가스)와의 열교환에 의한 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, 응축기의 내부에서 BOG와 질소가스 간의 온도차를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있는 BOG 재액화 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

더 나아가, 본 발명은 LNG 운반선에서 운항 중 저장탱크에서 발생하여 안전밸브를 통하여 유출되는 BOG를 재액화한 후 저장탱크로 회수시키는 재액화 시스템에 있어서 팽창터빈 뿐만 아니라 팽창밸브를 사용하여 좀 더 낮은 온도까지 자유롭게 질소온도를 낮춤으로써 여하한 경우에도 저장탱크내의 압력과 온도를 안정적 상태로 확보함과 동시에 LNG 손실을 제거하는 BOG 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, LNG의 저장탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발 증기를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에 냉열을 공급하는 질소 사이클 장치로 구성되어 상기 응축기에 의하여 재액화된 BOG를 상기 저장탱크로 돌려보내는 BOG의 재액화 장치에 있어서, 상기 질소 사이클 장치는 질소를 가압 및 냉각하는 질소 가압냉각수단; 상기 질소 가압냉각수단을 통과한 고압 질소가스를 냉각하는 제 1 질소 열교환기; 상기 제 1 질소 열교환기를 통과한 고압 질소가스를 더 냉각하는 제 2 질소 열교환기; 및 상기 제 2 질소 열교환기를 통과한 고압 질소가스를 팽창시켜 초저온 저압의 질소가스를 생성하는 제 1 팽창수단으로 구성되고, 상기 제 1 팽창수단에서 팽창한 초저온 저압의 질소 가스는 상기 응축기에서 냉열을 빼앗긴 후 상기 제 2 질소 열교환기와 제 1 질소 열교환기를 거쳐서 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오도록 구성되고, 상기 BOG를 압축하는 압축기에 의해 압축된 BOG는 응축되기 전에 상기 제 1 질소 열교환기에서 열교환되어 예냉되는 것을 특징으로 한다.

상기 질소 가압냉각수단으로부터 상기 제 1 질소 열교환기로 유입되는 고압질소가스 중 일부는 제 2 팽창수단에 의하여 팽창되어 저온 저압 질소가스로 냉각된 후, 상기 응축기 및 제 2 질소 열교환기를 통과한 저압 질소가스와 합해져서 상기 제 1 질소 열교환기로 유입되어 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오는 것이 바람직하다.

또한, 상기 질소 가압냉각수단과 상기 제 1 질소열교환기 사이에 제 3 질소 열교환기가 더 구비되고, 상기 제 2 팽창수단으로 유입되는 고압 질소가스는 상기 제 1 팽창수단에 의하여 팽창되어 상기 응축기, 상기 제 2 질소열교환기 및 상기 제 1 질소열교환기를 거쳐서 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오는 저압 가스에 의해 상기 제 3 질소 열교환기에서 냉각된 것임을 특징으로 한다. 또한, 상기 제 1 또는 제 2 팽창수단은 팽창밸브 또는 팽창터빈인 것이 바람직하고, 상기 팽창터빈에는 발전기가 설치될 수 있다.

또한, 상기 응축기, 질소 열교환기, 및 팽창수단을 하나의 모듈로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압축기에 공급되는 BOG 또는 압출된 BOG에 상기 재액화된 BOG 또는 LNG 저장탱크로부터의 LNG를 공급하여 상기 응축기에 공급하는 BOG의 온도를 냉각하도록 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이하에서 기재하는 온도, 압력은 하나의 예를 도시하는 것으로 본 발명은 이들의 수치로 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 개략도이다. 본 장치는BOG 사이클 장치, 질소 사이클 장치, 그리고 상기 두 장치를 인터페이스하는 콜드박스 장치로 구성된다.

1) BOG 사이클 장치

기체상태의 천연가스(Natural Gas)는 극저온으로 액화되어 대기압(1.013bar) 상태로 저장탱크에 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(10) 압력이 1.03bar 정도에 도달하면 안전밸브(11)가 열리고 BOG는 저장탱크(10) 밖으로 배출되어 2단의 BOG 압축기(40, 41)를 지나 재액화 과정을 거치게 된다.

상기 저장탱크(10) 밖으로 배출되는 고온의 BOG는 온도센서(12)에 의해 온도가 감지되며 온도조절기(30)를 거쳐 일정온도로 조절된 후 2단의 BOG 압축기(40, 41)로 유입되는 것이 바람직하다. 상기 온도조절기(30)를 통과한 BOG는 1.03 bar, -120℃의 과열증기상태로 유지된다.

상기 온도조절기(30)의 작동을 좀더 구체적으로 살펴보면, 상기 저장탱크(10)에서 배출된 고온의 BOG에 재액화 과정을 거친 극저온 BOG(LNG)를 재순환시켜 혼합하면 온도조절이 가능하며 재순환 양의 제어는 재순환 밸브(20)의 개도를 조절하여 수행한다. 또한, 상기 온도조절기(30)에는 상기 재액화된 BOG 뿐만 아니라 LNG 저장탱크의 LNG를 펌프(미도시)로 공급하는 것도 가능하다. 온도조절은 통상 재액화 장치가 정상상태에 도달할 때까지만 작동하며 이후 재순환 밸브(20)는 닫히고 극저온의 재액화된 BOG는 저장탱크(10)로 유도된다.

상기 온도조절기(30)를 통과한 BOG는 2단의 BOG 압축기(40, 41)를 거치면 3.2bar, -50.83℃의 과열증기 상태로 토출된다.

상기 2단의 BOG 압축기(40, 41)에서 토출된 BOG는 3 경로가 형성된 제 1 질소 열교환기(61)를 통과하며 예냉되어 3.1bar, -130℃의 과열증기 상태가 된다. 이때, 상기 BOG 예냉은 제 1 질소 열교환기(61)에서, 하기에서 상술하는 BOG 응축기(50)로부터 토출되는 저압 저온의 저온부 질소가스와 팽창터빈(90)에 의하여 극저온화된 질소가스가 혼합된 질소가스에 의하여 열교환된다. 이어서 상기 예냉된 BOG는 BOG 응축기(50)를 통과하면서 3.0 bar, -154.7℃의 과냉 액체 상태로 변한 후 저장탱크(10)로 재유입되거나 또는 온도조절기(30)로 재순환된다. 상기 BOG 응축기(50)의 자세한 설명은 하기 콜드박스 장치 부분에서 자세히 설명된다. 이와 같이 BOG가 외부의 작동유체(질소)에 의하여 예냉됨으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, BOG 응축기(50)의 내에서 BOG와 질소가스의 온도차를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

상기 BOG 응축기(50)를 통해 BOG 전체를 액화시킬 수 있지만 완전 액화가 용이하지 않는 질소 성분 등의 영향으로 70 내지 99% 정도가 액화된다. 이와 같은 기액 혼합물은 기액 분리기(92)에서 기체와 액체가 분리되어 액체는 순환펌프(100)에 의하여 저장탱크(10)로 재유입되거나 또는 온도조절기(30)로 재순환되고, 기체는 일반적으로 외부로 배출된다.

응축된 BOG는 순환펌프(100)에 의하여 저장탱크(10)로 재유입된다. 상기 저장탱크(10)로의 BOG의 재유입 방법은 저장탱크 상부에서 분무헤드를 통하여 살포하거나 저장탱크 바닥으로 공급하는 방법이 있다. 저장탱크의 바닥으로 유입되면 응축된 BOG에 포함된 미응축 기체 중 질소성분이 LNG 내부에 용해되어 가스상 내의 질소 비율이 낮게 유지된다. 질소는 액화점이 LNG의 주성분인 메탄보다 낮기 때문에 BOG내에 질소 함량이 증가하면 2단의 BOG 압축기(40, 41) 또는 BOG 응축기(50) 의 부하를 줄일 수 있다.

2) 질소 사이클 장치

상기 BOG 응축기(50)에서는 극저온의 질소가스와의 열교환에 의해 BOG의 재액화가 이루어지는데 하기 설명은 BOG 재액화에 필요한 극저온의 질소가스를 얻기 위한 사이클 장치에 관한 것이다.

14.3bar, 36.08℃의 질소 가스는 3단의 질소 압축기(70, 71, 72)와 중간냉각기(80, 81, 82)를 통과한 후 압력이 상승되어 58bar, 43℃의 가스로 토출된다. 상기 질소 가스는 콜드박스(200)로 이송된 후, BOG 응축기(50) 및 제 2 질소 열교환기(62)와 제 1 질소 열교환기(61)를 거쳐 돌아오는 저압의 저온부 질소와, 제 3 질소 열교환기(60)에서 내부 열교환을 통하여 57.9bar, -77℃로 냉각된다.

이때, 상기 제 3 질소 열교환기(60)를 통과하여 냉각된 질소 가스 중 일부는 팽창터빈(90)을 통과시켜 온도를 낮춘 후, 온도가 낮아진 질소는 상기 BOG 응축기(50)와 제 2 질소 열교환기(62)를 거쳐서 되돌아오는 질소와 합쳐져서 상기 제 1 질소 열교환기(61)로 유입되는데, 이때 상기 제 1 질소 열교환기(61)에서는 상기 제 3 질소 열교환기(60)에서 부분 냉각된 고압의 질소가스와 내부 열교환을 통하여 고압의 질소가스를 더욱 냉각시켜 57.8bar, -134℃의 가스로 토출된다. 상기 제 1 질소 열교환기(61)를 통과한 질소가스는 제 2 질소 열교환기(62)에서 상기 BOG 응축기(50)를 통과한 유동과 열교환하여 57.7bar, -137℃의 가스로 토출된다. 이와 같은 냉각에 의하여 상기 고압의 질소는 팽창밸브(91) 입구에서의 필요한 설정온도 까지 질소 온도를 낮추어지는 효과가 있다. 제 2 질소 열교환기(62)에서 온도가 낮아진 고압의 질소가스는 팽창밸브(91)를 지나면서 최종적으로 -163.3℃까지 냉각되어 BOG 액화에 필요한 극저온 이상유동으로 변화한다. 이 극저온 질소가스는 BOG 응축기(50)에서 BOG와 열교환하여 BOG를 액화시키면서 온도가 상승한다. 이와 같이, 제 2 질소 열교환기(62)가 구비됨에 의하여 제 1 질소 열교환기(61)만 구비한 경우에 비하여, 팽창밸브(91) 입구에서 질소의 온도를 더욱 안정적으로 관리할 수 있을 뿐만 아니라, 각 질소 열교환기들의 크기를 대폭적으로 줄일 수 있어, 결과적으로 콜드박스의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

상기 고압 질소 가스의 일부를 팽창터빈(90)을 이용하여 저온의 질소를 얻어 제 1 질소 열교환기(61)기에 유입시키는 이유는, 상기 BOG 응축기(50)와 제 2 질소 열교환기(62)를 통과하여 돌아오는 저압의 질소가 비열이 낮으므로 고압의 질소를 냉각하기에는 부족하므로 질소의 일부를 미리 팽창터빈(90)을 이용하여 온도를 낮추고 이를 이용하여 고압의 질소가스가 팽창밸브(91) 입구에 필요한 온도까지 냉각되는 것을 돕는다. 이후 잔여 냉열은 제 3 질소 열교환기(60)에서 고압의 질소를 냉각하며 온도가 상승하여 14.2bar, 35.46℃ 에 도달함으로써 질소 사이클을 완성한다. 질소 버퍼탱크(110)는 BOG 재액화량의 변동, 즉 질소 사이클의 냉각 부하의 변동에 대응하여 질소 사이클의 질량유량 조절 기능을 수행한다. 또한, 질소의 양이 줄어들 경우를 대비하여 보충 작동유체(질소)의 공급원을 추가로 포함할 수도 있다.

3) 콜드박스(Cold box) 장치

콜드박스(200)는 BOG의 재액화를 수행하는 BOG 응축기(50), 질소 사이클의 고온부와 저온부간 내부 열교환 및 BOG 예냉이 이루어지는 질소 열교환기(60, 61, 62), 그리고 극저온 질소가스를 얻는 팽창밸브(91)와 내부 열교환에 필요한 저온의 질소를 얻기 위한 팽창터빈(90)으로 구성된다. 비록 본 발명의 필수 구성요소는 아니지만 상기 팽창터빈(90)에 발전기(G)를 연결하여 전력을 생산한 후 이를 BOG 압축기(40, 41) 또는 질소 압축기(70, 71, 72) 등의 보조 동력원으로 사용하는 것도 가능하다.

상기 과정의 장치들을 콜드박스(200)에 하나의 모듈로 포함시킴으로써 각 장치 간 연결 파이프를 짧게 할 수 있으며 이는 BOG 재액화에 필요한 극저온 질소를 안정적으로 확보할 수 있게 한다. 즉, 제 3 질소 열교환기(60)와 팽창터빈(90) 입구간과 제 2 질소 열교환기(62)의 출구와 팽창밸브(91) 입구간의 연결파이프가 각각 짧아짐으로써 팽창터빈(90) 또는 팽창밸브(91)의 입구에서 질소의 온도 상태에 따라 민감하게 나타날 수 있는 팽창터빈(90) 또는 팽창밸브(91)의 출구에서의 질소의 극저온 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 또한 팽창밸브(91) 출구와 BOG 응축기(50)사이의 연결파이프가 짧아지므로 질소가스 이송에 따른 온도 증가의 최소화를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 BOG 재액화 장치의 구성에서 저온상태의 장치인 BOG 응축기(50), 질소 열교환기(60, 61, 62), 및 팽창수단(90, 91)을 하나의 콜드박스(200)로 구성하고, 이들을 하나의 모듈로 단열하는 것이 바람직하다. 단열은 일반 적으로 알려진 단열재를 사용하여 단열한다. 이와 같은 구성에 의하여 질소가스의 극저온 영역을 안정적 관리로 할 수 있고 질소 열교환기(60, 61, 62)의 간편한 설계 및 제작이 가능하다. 또한 콜드박스(200)는 예비조립체로 제조함으로써 선박에 장착을 용이하게 할 수 있다.

상기 팽창터빈(90)에 발전기(G)가 연결될 경우 상기 발전기(G)로부터 생산된 전력은 BOG 압축기(40, 41)나 질소 압축기(70, 71, 72)의 동력원으로 이용될 수 있다.

본 발명의 구성에 의한 재액화 장치의 작동은 기본적으로는 종래에 공지된 방법과 유사하여 LNG의 저장탱크(10)에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 단계; 상기 압축된 BOG를 응축시키기 위한 냉열을 제공하기 위하여 작동유체인 질소가스를 가압 냉각하고, 상기 가압 냉각된 질소가스를 팽창시켜 초저온 질소가스를 생성하는 단계; 상기 초저온 질소가스와 열교환하여 상기 압축된 BOG를 응축시키는 단계; 상기 응축에 의하여 재액화된 BOG를 상기 저장탱크(10)로 돌려보내는 단계로 이루어지는데, 다만, 상기 LNG 저장탱크(10)에서 발생하는 BOG를 BOG 응축기(50) 전단의 제 1 질소 열교환기(61)에서 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, BOG 응축기(50) 내부에서 BOG와 질소가스간의 온도 차를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 상기 가압 냉각된 질소가스 모두를 팽창시키는 것이 아니라 그중에 일부를 추출하여 상기 팽창과 다른 경로로 팽창시켜 저온가스를 생성한 후에, 이를 상기 압축된 BOG의 응축으로 온도가 다소 상승된 질소가스와 합하여 제 1 질소 열 교환기(61)와 제 2 질소 열교환기(62)를 거쳐서 팽창밸브(91)로 유입되는 가압 냉각된 질소가스를 팽창 전에 예냉하는 단계를 포함할 수 있다.

이를 첨부된 도 3을 참조하여 살펴보면, 극저온의 LNG 운반선의 저장탱크(10) 내에서 외부 열전달로 인하여 발생하는 BOG 재액화 방법에 있어서,

먼저 BOG의 순환은, 설정 압력에서 밸브가 열린 후 배출된 BOG가 온도조절기(30)를 거쳐서 2단의 BOG 압축기(40, 41) 입구 상태가 일정하게 1.03bar, -120 ℃로 유지되는 단계(ST 10), 상기 BOG가 2단의 BOG 압축기(40, 41)에서 3.2bar, -50.83℃로 압축되어 고온 고압의 과열 상태가 되는 단계(ST 20), 3경로가 형성된 예냉 열교환기로서 제 1 질소 열교환기(61)를 통과하여 3.1bar, -130℃로 온도가 낮아지는(예냉되는) 단계 (ST 30), 상기 예냉된 BOG가 BOG 응축기(50)에서 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 재액화되는 단계(ST 40), 상기 재액화된 BOG가 저장탱크(10)로 회수되어 저장되는 단계(ST 80)로 이루어지고,

상기 BOG의 재액화를 위한 냉열공급을 위한 질소가스의 순환은, 14.2 bar, 35.46℃의 질소 가스가 3단의 질소 압축기(70, 71, 72)와 중간냉각기(80, 81, 82)를 통과한 후 압력이 상승되어 58 bar, 43℃로 승압되는 단계(ST 90), 상기 고압 질소가 제 2 질소 열교환기(60)에서 저온부 질소와 내부 열교환기를 통하여 57.9bar, -77℃의 저온 상태로 냉각되는 단계(ST 100), 상기 고압 질소의 일부가 팽창터빈(90)을 지나면서 14.5bar, -136.9℃의 저온, 저압 가스로 변하는 단계(ST 110), 팽창터빈(90)으로 보내지지 않은 질소가 제 1 질소 열교환기(61)에서 상기 팽창터빈(90)에서 저온화된 질소와 합쳐진 저온부 질소에 의하여 내부 열교환되어 57.8 bar, -134℃로 냉각되는 단계(ST 120), 제 2 질소 열교환기(62)에서 BOG 응축기(50)를 통과한 저온부 질소와 내부 열교환하여 57.7 bar, -137℃로 냉각되는 단계(ST 130), 제 2 질소 열교환기(62)를 통과한 고압의 질소가 팽창밸브(91)를 통과하면서 14.6bar, -163.3 ℃ 상태로 감압 냉각되는 단계(ST 140), 저온 저압 질소가 BOG 응축기(50)에서 BOG 재액화를 수행한 후 14.5 bar, -150.7℃의 저온부 질소가스로 가열되는 단계(ST 150), 상기 저온부 질소가스가 제 2 질소 열교환기(62)를 통과하면서 14.4 bar, -140℃의 상태로 가열되는 단계(ST 160), 상기 제 2 질소 열교환기(62)를 통과한 저온부 질소가스는 팽창터빈(90)에 의해 온도가 낮아진 질소가스와 합쳐지고 제 1 질소 열교환기(61)를 통과하면서 14.3 bar, -98.88℃로 가열되는 단계(ST 170), 제 3 질소 열교환기(60)을 통과하면서 14.2 bar, 35.46 ℃로 가열되는 단계(ST 180)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 예냉된 BOG가 BOG 응축기(50)에서 재액화되는 단계(ST 40) 다음에는 재액화된 BOG 중 함유된 불응축 가스가 분리되는 단계(ST 50)가 추가될 수 있으며, 재액화된 BOG는 순환펌프(100)에 의해 가압되는 단계(ST 60)에 의하여 저장탱크(10)로 이송될 수 있다. 더 나아가, 상기 재액화된 BOG의 일부는 재순환 밸브(20)를 통해 온도조절기(30)를 거쳐서 재순환되어(ST 70) BOG가 압축(ST 20)되기 전단계 또는 압축된 다음 단계로 공급되어 BOG를 예냉할 수도 있다.

상기 각 단계에서 압력, 온도 등은 특정의 숫자로 기재하고 있으나 BOG의 양, 제어방법 등에 따라 변경 가능한 것은 당연하다.

본 발명은 BOG를 BOG 응축기 전단에서 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, 응축기의 입구에서 BOG의 온도를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 질소의 역브레이튼 사이클을 이용한 BOG 액화 시스템의 팽창터빈을 이용하여 질소의 온도를 낮출 경우 질소의 일부가 액화함으로써 팽창터빈의 블레이드를 손상시키는 문제가 발생할 수 있는 종래기술의 문제점을 해결한 것으로서, 본 방법은 가압된 질소의 일부만을 추출하여 팽창터빈을 이용 팽창하고 나머지는 질소의 온도를 더 낮춘 후 팽창밸브를 통하여 온도를 강하시킴으로써 액적 발생의 우려 없이 질소의 온도를 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 추출 질소량을 변화시킴으로써 질소 사이클의 운전을 다양하게 할 수 있어 BOG의 동적변화에 쉽게 대응할 수 있다.

또한, 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 질소 열교환기와 팽창터빈 입구간의 연결파이프가 짧아지기 때문에 팽창터빈 입구의 상태나 온도에 민감한 영향을 받는 팽창터빈의 출구의 극저온 상태가 안정될 수 있다. 또한 팽창밸브 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

LNG의 저장탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발 증기를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기에 냉열을 공급하는 질소 사이클 장치로 구성되어 상기 응축기에 의하여 재액화된 BOG를 상기 저장탱크로 돌려보내는 BOG의 재액화 장치에 있어서, 상기 질소 사이클 장치는 질소를 가압 및 냉각하는 질소 가압냉각수단; 상기 질소 가압냉각수단을 통과한 고압 질소가스를 냉각하는 제 1 질소 열교환기; 상기 제 1 질소 열교환기를 통과한 고압 질소가스를 더 냉각하는 제 2 질소 열교환기; 및 상기 제 2 질소 열교환기를 통과한 고압 질소가스를 팽창시켜 초저온 저압의 질소가스를 생성하는 제 1 팽창수단으로 구성되고, 상기 제 1 팽창수단에서 팽창한 초저온 저압의 질소 가스는 상기 응축기에서 냉열을 빼앗긴 후 상기 제 2 질소 열교환기와 제 1 질소 열교환기를 거쳐서 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오도록 구성되고, 상기 BOG를 압축하는 압축기에 의해 압축된 BOG는 응축되기 전에 상기 제 1 질소 열교환기에서 열교환되어 예냉되는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 질소 가압냉각수단으로부터 상기 제 1 질소 열교환기로 유입되는 고압질소가스 중 일부는 제 2 팽창수단에 의하여 팽창되어 저온 저압 질소가스로 냉각된 후, 상기 응축기 및 제 2 질소 열교환기를 통과한 저압 질소가스와 합해져서 상기 제 1 질소 열교환기로 유입되어 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 질소 가압냉각수단과 상기 제 1 질소열교환기 사이에 제 3 질소 열교환기가 더 구비되고, 상기 제 2 팽창수단으로 유입되는 고압 질소가스는 제 1 팽창수단에 의하여 팽창되어 상기 응축기, 상기 제 2 질소 열교환기 및 상기 제 1 질소열교환기를 거쳐서 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오는 저압 가스에 의해 상기 제 3 질소 열교환기에서 냉각된 것임을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 팽창수단은 팽창밸브 또는 팽창터빈인 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 4에 있어서, 상기 팽창터빈에는 발전기가 설치된 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응축기, 질소 열교환기, 및 팽창수단을 하나의 모듈로 구성하는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 모듈은 단열되는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 6에 있어서, 상기 모듈은 예비조립체로 제조되는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기에 공급되는 BOG에 상기 재액화된 BOG 또는 LNG 저장탱크로부터의 LNG를 공급하여 상기 응축기에 공급하는 BOG의 온도를 냉각하도록 하는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기에 의해 압축된 BOG에 상기 재액화된 BOG 또는 LNG 저장탱크로부터의 LNG를 공급하여 상기 응축기에 공급하는 BOG의 온도를 냉각하도록 하는 것을 특징으로 하는 BOG 재액화 장치.