KR100681603B1 - 압축 증기 재액화 장치 - Google Patents

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Abstract

압축된 증기를 재액화시키기 위해 보드형 선박에 사용하기 위한 장치는 구성요소의 사전 조립체를 사용한다. 재액화는 폐쇄 사이클에서 수행되며, 여기서 작동 유체는 적어도 하나의 압축기(22, 24 및 26)에서 압축되고 제 1 열 교환기(40)에서 냉각되고 터빈(28)에서 팽창되고 제 2 열 교환기에서 가온되고, 여기서 압축된 증기는 적어도 부분적으로 응축된다. 이 장치는 제 2 열 교환기(40)를 포함하는 제 1 사전 조립체(72), 및 제 1 열 교환기(46), 압축기(22, 24 및 26) 및 팽창 터빈(28)이 위치하는 제 2 사전 조립체(82)를 포함한다. 사전 조립체(72 및 82)는 각각의 플랫폼(70 및 80)에 위치한다.

Description

압축 증기 재액화 장치{APPARATUS FOR RELIQUEFYING COMPRESSED VAPOUR}
도 1은 본 발명의 압축 증기 재액화 장치를 도시한 것이다.
본 발명은 조립시 압축 증기의 재액화를 수행할 수 있는 장치, 특히 보드형 선박에서 천연 가스 증기의 재액화를 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
천연 가스는 통상적으로 액화 상태에서 장거리 수송된다. 예를 들면, 액화 천연 가스는 대양 항해용 유조선을 사용하여 천연 가스가 액화되는 제 1 위치로부터 천연 가스가 증기화되어 가스 분배 시스템에 보내지는 제 2 위치로 운반된다. 천연 가스는 극저온, 즉 -100℃ 미만의 온도에서 액화되기 때문에, 실제 저장 시스템에서 액화 천연 가스의 연속적인 기화가 일어난다. 따라서, 비등 증기를 재액화시키기 위한 장치가 제공될 필요가 있다. 이런 장치에서, 다수의 압축기에서 작동 유체를 압축시키는 것, 간접적인 열 교환에 의해 압축된 작동 유체를 냉각시키는 것, 작동 유체를 팽창시키는 것, 간접적인 열 교환에서 팽창된 작동 유체를 가온시 키는 것 및 가온된 작동 유체를 하나의 압축기로 복귀시키는 것을 포함하는 냉각 사이클이 수행된다. 압축 단계의 다운스트림인 천연 가스 증기는 작동 유체가 가온되면서 간접적인 열 교환에 의해 적어도 부분적으로 응축된다. 상기 냉각 방법을 수행하기 위한 장치의 한 예가 미국 특허 제 3 857 245 호에 개시되어 있다.
미국 특허 제 3 857 245 호에 따르면, 작동 유체는 천연 가스 자체로부터 유래되고, 따라서 개방 냉각 사이클이 조작된다. 작동 유체의 팽창은 밸브에 의해 수행된다. 부분적으로 응축된 천연 가스가 얻어진다. 부분적으로 응축된 천연 가스는 저장고로 복귀되는 액상 및 천연 가스와 혼합되어 연소용 버너로 보내지는 증기상으로 분리된다. 작동 유체는 동일한 열 교환기에서 가온되고 냉각되므로 단지 하나의 열 교환기가 요구된다. 열 교환기는 제 1 스키드 장착 플랫폼에 위치하고, 작동 유체 압축기는 제 2 스키드 장착 플랫폼에 위치한다.
최근에, 작동 유체로서 비연소성 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 더구나, 외부에서 공급될 필요가 있는 압축 일을 감소시키기 위해, 팽창 터빈을 사용하는 것이 작동 유체를 팽창시키기 위해 밸브를 사용하는 것보다는 바람직하다.
이러한 두 가지 개선태를 포함하는 장치의 예는 국제 특허 공개공보 제 WO-A-98/43029 호에 개시되어 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 WO-A-98/43029 호에 개시되어 있지는 않으 나, 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.
본 발명의 목적은 장치의 기계 배치를 단순화하는 것이다.
본 발명에 따르면, 제 2 열 교환기를 포함하는 제 1 사전 조립체가 위치하는 제 1 지지 플랫폼 및 제 2 사전 조립체가 위치하는 제 2 지지 플랫폼을 포함하는 장치로서, 작동 유체를 하나 이상의 압축기에서 압축시키고, 상기 압축된 작동 유체를 제 1 열 교환기에서 간접적인 열 교환에 의해 냉각시키고, 상기 냉각된 작동 유체를 하나 이상의 팽창 터빈에서 팽창시키고, 상기 팽창된 작동 유체를 제 2 열 교환기에서 간접적인 열 교환에 의해 가온시키고, 상기 가온된 팽창 작동 유체를 제 1 열 교환기를 통해 상기 압축기로 복귀시키는 것을 포함하는 본질적으로 폐쇄된 냉각 사이클을 수행하는 것, 및 압축된 증기를 제 2 열 교환기에서 적어도 부분적으로 응축시키는 것을 포함하는 방법에 의해, 조립시 압축 증기를 재액화시키도록 작동 가능한 장치에 있어서, 상기 압축기, 팽창 터빈 및 제 1 열 교환기가 모두 제 2 사전 조립체 내에 포함됨을 특징으로 하는 장치가 제공된다.
상기 압축기 및 상기 팽창 터빈을 동일한 플랫폼에 장착시킴으로써, 이들은 장치가 사용되는 대양 항해용 선박의 엔진실, 또는 갑판실에서 특정 통기 화물 모 터실에 모두 위치할 수 있다. 이들 위치에서, 압축기 및 팽창 터빈이 만족되어야 하는 안전 요구사항은 선박의 다른 부분, 예를 들면 비통기 화물 기계실에서와 같이 크지 않다. 따라서, 장치의 유용한 단순화가 제공된다. 더구나, 동일한 플랫폼에서 압축기 및 팽창 터빈을 위치시킴으로써, 이들은 단일 기계 장치로 결합될 수 있다. 경우에 따라, 상기 압축기 및 상기 팽창 터빈은 동일한 샤프트에 장착될 수 있거나, 다르게는 이들은 모두 동일한 기어 박스와 작동적으로 연결될 수 있다. 단일 압축/팽창기를 사용하여 장치를 단순화시킬 뿐만 아니라 이것은 또한 보드형 선박에서 본 발명에 따라 장치를 조립하기 전에 기계의 시험을 용이하게 한다.
바람직하게는, 상기 압축기와 연결된 모든 중간 및 후부 냉각기는 제 2 플랫폼에 위치한다. 이것은 압축기들이 이러한 두 부분에 냉각수의 공급을 요구하는 선박의 다른 부분에 위치하는 공지된 장치보다 추가된 단순화를 제공한다.
압축/팽창기는 바람직하게는 3단계 이하의 압축 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 압축기 및 상기 팽창 터빈은 작동 유체가 작동 유체 사이클로부터 누출하는 것을 최소화하는 일종의 밀봉재를 사용한다. 따라서, 통상적인 미로형(labyrinthine) 밀봉재 대신에, 건조 가스 밀봉재 또는 부유 탄소 고리(floating carbon ring) 밀봉재가 대신 사용된다. 또한, 장치는 보충 작동 유체의 공급원을 포함한다. 작동 유체의 손실을 최소화시킴으로써, 요구되는 보충 작동 유체의 양은 유사하게 최소화된다. 작동 유체가 사이클의 저압부에서 전형적으로 10 내지 20바(1000 내지 2000 kPa)의 압력인 것을 요구하기 때문에, 이것은 요구되는 임의의 보충 작동 유체 압축기의 크기를 억제하는데 도움을 준다. 질소가 작동 유체로 선택되면, 다르게는 이미 필요한 압력인 질소의 공급원을 사용하는 가능하게 되어 임의의 보충 작동 유체에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 예를 들면, 보충 질소의 공급원은 일련의 압축된 질소 실린더일 수 있거나, 선박에 액체 질소의 공급원이 제공되면 10 내지 20바의 선택된 압력의 기상 질소를 제공할 수 있는 일종의 액체 질소 기화기일 수 있다. 이런 액체 질소 기화기는 공지되어 있다.
바람직하게는, 제 3 플랫폼에 보충 작동 유체 공급 수단을 포함하는 제 3 사전 조립체가 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 장치에서 사용되는 플랫폼은 스키드-장착된다.
바람직하게는, 제 1 열 교환기는 제 1 밀봉된 하우징에 위치하고, 제 2 열 교환기는 제 2 밀봉된 하우징에 위치한다.
본 발명에 따른 장치는 특히 천연 가스 재액화에 사용하기에 적합하지만, 이것은 보드형 선박의 탱크 또는 탱크들에서 운송되거나 육상 또는 해상 설비의 부분을 형성하는 탱크 또는 탱크들에서 저장되는 다른 휘발성 액체 또는 유기 화합물의 증기를 재액화시키는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 본원에서 장치 및 이를 통한 유체의 유동에 사용되는 상이한 사전 조립체를 예시하는 도식도인 첨부된 도면을 참조한 예에 의해 기술될 것이다.
도면은 일정한 비율로 나타내지 않는다.
도면을 참조하면, 선박(2)은 그의 배밑에 액화 천연 가스(LNG)의 저장을 위 한 단열된 탱크(4)를 갖는다. 선박(2)은 또한 엔진실(6), 및 특정하게 통기되지 않는 화물 기계실(8A) 및 특정한 통기에 의해 안전성을 유지하는 화물 모터실(8B)로 나누어진 갑판실(8)을 갖는다.
LNG가 극저온에서 비등하기 때문에, 저장 탱크(4)로부터 소량의 LNG의 연속적인 기화를 방지하는 것은 실제적으로 가능하지 않다. 대부분의 생성된 증기는 전형적으로 화물 기계실(8A)에 위치하고 그의 모터가 모터실(8B)에 위치하는 비등 압축기(14)로 유동하고, 압축기(14)의 샤프트에 연결된 벌크헤드 밀봉 배치(도시되지 않음)가 있다. 압축기(14)는 작동 유체를 이용한 간접적인 열 교환에 의해 과량의 천연 가스 증기의 압력을 그의 부분 또는 전체 응축에 적합한 압력으로 상승시킨다. (통상적으로, 즉 증기 재액화 장치가 없으면 비등 가스는 스팀 터빈 추진 시스템과 연결된 보일러 또는 보일러들을 가열하는데 사용되거나 디젤 또는 가스 엔진에서 사용된다. 전형적으로, 본 발명에 따른 장치에서, 과량의 증기가 이렇게 사용될 수 있다.) 전형적으로 질소인 작동 유체는 본원에 기술되는 필수적으로 폐쇄된 사이클에서 유동한다.
사이클에서 최저압인 질소 작동 유체는 직렬로 3단계의 압축 단계(22, 24 및 26)를 갖는 단일 압축/팽창기(20)(종종 "컴팬더(compander)"로 지칭됨)의 제 1 압축 단계(22)로의 유입구 및 압축 단계(26)의 다운스트림인 단일 터보팽창기(28)에서 받는다. 3단계의 압축 단계 및 터보팽창기는 모두 전기 모터(32) 또는 다른 적합한 구동 수단에 의해 구동되는 동일한 구동 샤프트(30)에 장착된다. 다른 배치에서, 압축 단계(22, 24 및 26) 및 터보팽창기(28)는 모두 기어 박스(도시되지 않 음)에 작동적으로 연결될 수 있고, 독립 구동 샤프트(도시되지 않음)를 갖는다. 그러나, 배치가 무엇이든지 모터(32)를 포함하는 압축/팽창기(20)는 엔진실(6) 또는 화물 모터실(8B)에 위치한다. 작동시, 질소는 압축/팽창기(20)의 압축 단계(22, 24 및 26)를 통해 순서대로 유동한다. 단계(22)와 단계(24) 사이에서 질소는 제 1 중간단계 냉각기(34)에서 거의 주위 온도로 냉각되고, 압축 단계(24)와 압축 단계(26) 사이에서 압축된 질소는 제 2 중간단계 냉각기(36)에서 냉각된다. 더구나, 최종 압축 단계(26)를 빠져나온 압축된 질소는 후부 냉각기(38)에서 냉각된다. 냉각기(34, 36 및 38)용 물은 선박의 정수 회로(도시되지 않음)로부터 제공될 수 있고, 이들 냉각기로부터 소비된 물은 보드형 선박(2)에서 이 회로의 정수 시스템(도시되지 않음)으로 복귀될 수 있다.
후부 냉각기(38)의 다운스트림에서, 압축된 질소는 제 1 열 교환기를 통해 유동하고, 여기서 복귀 질소 스트림으로 간접적인 열 교환에 의해 추가로 냉각된다. 열 교환기는 종종 "냉각 박스"로 지칭되는 단열 콘테이너(42)에 위치한다. 열 교환기(40) 및 그의 단열 콘테이너(42)는 압축/팽창기(20)와 같이 선박의 엔진실(6) 또는 화물 모터실(8B)에 위치한다.
생성된 압축 냉각된 질소 스트림은 터보팽창기(28)로 유동하고, 여기서 이 스트림은 외부 일의 작용으로 팽창된다. 외부 일은 압축 단계(22, 24 및 26)에서 질소를 압축시키는데 필요한 에너지의 일부를 제공한다. 따라서, 터보팽창기(28)는 모터(32)에 대한 부하를 감소시킨다. 질소 작동 유체의 팽창은 그의 온도를 추가로 감소시키는 효과를 갖는다. 결과로서, 이것은 압축된 천연 가스 증기의 부분 적이거나 전체적인 응축에 적합한 온도이다. 팽창된 질소 작동 유체는 단열 콘테이너("냉각 박스")에 위치한 제 2 열 교환기(46)로 유동하고, 압축기(14)로부터 이를 통해 역류하여 통과하는 압축된 천연 가스 증기를 부분적이거나 전체적으로 응축시킨다. 열 교환기(46) 및 그의 콘테이너(48)는 화물 기계실(8A)에 위치한다.
이때 천연 가스 증기를 응축시켜 그의 열 교환의 결과로서 가열되는 질소 작동 유체는 제 1 열 교환기(40)를 통해 다시 유동하여 이 열 교환기 및 이로부터 제 1 압축 단계(22)의 유입구에 필요한 냉각을 제공하여 작동 유체 사이클을 완성한다.
도면으로부터 추론될 수 있는 바와 같이 열 교환기(46)를 통한 천연 가스의 전체 유동을 액화하는 것이 가능하지만, 단지 일부(전형적으로 80 내지 99 %) 천연 가스는 실제로 응축된다. 열역학의 오랫동안 정립되고 공지되어 있는 원리에 따르면, 응축물 수율은 응축이 일어나는 압력과 온도에 따른다. 응축물과 잔여 증기의 혼합물은 상 분리기(50)(냉각 박스(48)에 위치함)로 유동하고, 여기서 액상은 증기상으로부터 분리된다. 액체는 상 분리기(50)으로부터 탱크(4)로 복귀된다. 잔여 증기는 그의 조성에 따라 임의의 보조 보일러로 보내지거나 대기 중으로 배출될 수 있다.
도면에 도시된 장치의 작동시, 비등된 천연 가스는 그의 조성 및 응축되는 비율에 따라 전형적으로 4.5바의 압력 및 -70℃의 온도에서 압축기(14)를 빠져나가고 -140℃ 내지 -150℃의 온도에서 열 교환기(46)를 빠져나간다. 순환 질소 작동 유체는 전형적으로 20 내지 40℃의 온도 및 12 내지 16바의 압력의 제 1 압축 단계(22)로 들어간다. 질소는 전형적으로 25 내지 50℃의 온도 내지 40 내지 50바의 압력의 후부 냉각기(38)를 빠져나간다. 질소는 전형적으로 제 1 열 교환기(40)에서 약 -110 내지 -120℃의 온도로 냉각된다. 질소는 제 2 열 교환기(46)에서 천연 가스의 목적하는 응축을 수행하기에 충분하게 낮은 온도 및 12 내지 16바의 압력으로 터보팽창기(28)에서 팽창된다.
질소 작동 유체 사이클은 필수적으로 폐쇄되어 있지만, 전형적으로 압축/팽창기(20)의 여러 압축 및 팽창 단계의 밀봉재를 통한 적은 질소의 손실이 존재한다. 상기 언급한 바와 같이, 이러한 손실은 밀봉재의 적당한 선택에 의해 최소화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 폐쇄 회로에 보충 질소를 제공하는 것이 바람직하다. 이것은 바람직하게는 회로에서 가장 낮은 질소 압력으로 수행된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 장치는 바람직하게는 보충 질소의 공급부(60)를 포함한다. 공급부(60)는 예를 들면 일련의 질소 실린더를 포함할 수 있다. 또한, 공급부가 최소의 탄화수소를 함유하면 상기 목적을 위해 상 분리기(50)에서 증기 상으로서 수득된 질소를 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 이것이 수행되면 작은 보충 압축기(도시되지 않음)는 질소를 제 1 압축 단계(22)의 유입구 압력으로 상승시키기 위해 필요할 것이다.
본 발명에 따르면, 질소 작동 유체 사이클을 포함하는 장치는 각각의 스키드 장착 플랫폼에 위치한 2개의 사전 조립체에서 함께 놓여진다. 따라서, 제 2 열 교환기(46), 그의 단열 콘테이너(48), 바람직하게는 열 교환기(46)와 동일한 단열 콘테이너에 위치하는 상 분리기(50) 및 모든 필요한 배관은 사전에 조립되어 제 1 사 전 조립체(72)를 형성한다. 제 1 사전 조립체는 제 1 스키드 장착 플랫폼(70)에 장착된다. 압축/팽창기(20), 열 교환기(40), 그의 단열 콘테이너(42) 및 모든 필요한 배관은 사전에 조립되어 제 2 스키드 장착 플랫폼(80)에서 제 2 사전 조립체(82)를 형성한다. 경우에 따라, 보충 질소 공급 수단(60)은 제 3 스키드 장착 플랫폼(90)에 제공될 수 있다. 또한, 화물 기계실(8A)에 위치한 제 4 스키드 장착 플랫폼(100)에 비등 압축기를 위치시키는 것이 가능하다. 사전 조립체는 바람직하게는 사전 조립체의 부위에서 시험되고, 선박 또는 다른 선박에 수송되고, 여기서 이들은 장치가 본 발명에 따라 작용할 수 있게 하기 위해 단열된 배관 또는 도관을 사용하여 적당한 방법으로 위치되고 이어서 함께 연결된다.
여러 변화 및 부가는 본 발명에 따른 장체에 이루어질 수 있다. 예를 들면, 이전에 서술한 바와 같이, 제 2 열 교환기(44)로 들어가는 모든 천연 가스 증기는 여기서 응축되어 상 분리기(50)를 생략할 수 있게 할 수 있다. 더구나, 경우에 따라, 작동 유체 사이클은 천연 가스 증기의 부분 또는 전체 응축에 요구되는 것 이상의 과량의 냉각을 발생시키는데 사용될 수 있다. 상기 경우라면, 이러한 추가의 냉각은 다른 냉각 기능에 사용될 수 있고, 추가의 열 교환기가 이러한 기능을 수행하기 위해 제공될 수 있다.
본 발명의 장치는 장치의 기계 배치를 단순화시킨다.

Claims (10)

  1. 제 2 열 교환기를 포함하는 제 1 사전 조립체가 위치하는 제 1 지지 플랫폼 및 제 2 사전 조립체가 위치하는 제 2 지지 플랫폼을 포함하는 장치로서,
    작동 유체를 하나 이상의 압축기에서 압축시키고, 상기 압축된 작동 유체를 제 1 열 교환기에서 간접적인 열 교환에 의해 냉각시키고, 상기 냉각된 작동 유체를 하나 이상의 팽창 터빈에서 팽창시키고, 상기 팽창된 작동 유체를 제 2 열 교환기에서 간접적인 열 교환에 의해 가온시키고, 상기 가온된 팽창 작동 유체를 제 1 열 교환기를 통해 상기 압축기로 복귀시키는 것을 포함하는 본질적으로 폐쇄된 냉각 사이클을 수행하는 것, 및 압축된 증기를 제 2 열 교환기에서 적어도 부분적으로 응축시키는 것을 포함하는 방법에 의해, 조립시 압축 증기를 재액화시키도록 작동 가능한 장치에 있어서,
    상기 압축기, 팽창 터빈 및 제 1 열 교환기가 모두 제 2 사전 조립체 내에 포함됨을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    압축기 및 팽창 터빈이 단일 기계 장치로 결합되어 있는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    압축기와 연결된 모든 중간 및 후부 냉각기가 제 2 플랫폼에 위치하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    압축기 및 팽창 터빈이 작동시 작동 유체 사이클로부터 작동 유체의 누출을 최소화하기 위해 건조 가스 밀봉재 또는 부유 탄소 고리(floating carbon ring) 밀봉재를 사용하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    보충 작동 유체의 공급원을 추가로 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 3 플랫폼에서 보충 작동 유체 공급 수단을 포함하는 제 3 사전 조립체를 추가로 포함하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 플랫폼이 스키드(skid)-장착되어 있는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    재액화될 증기가 방출되는 저장 탱크로 액화되지 않은 증기를 복귀시키는 수단을 추가로 포함하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    액화되지 않은 증기를 가스 터빈 또는 디젤 엔진의 흡입부로 수송하는 수단을 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 장치가 결합되어 있는 선박 또는 대양 항해용 선박.
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