KR100699163B1 - Reliquefaction apparatus of lng bog and reliquefaction method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래기술에 의한 LNG BOG의 재액화 장치의 개략도를 나타낸다.1 shows a schematic view of a reliquefaction apparatus of LNG BOG according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 LNG BOG의 재액화 장치의 개략도를 나타낸다.2 shows a schematic diagram of a reliquefaction apparatus of LNG BOG according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 LNG BOG의 재액화 방법의 흐름도를 나타낸다.3 shows a flowchart of a reliquefaction method of LNG BOG according to an embodiment of the present invention.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
10: 저장탱크 11: 안전밸브10: storage tank 11: safety valve
20: 재순환 밸브 30: 온도조절기20: recirculation valve 30: thermostat
40, 41: BOG 압축기 50: BOG 응축기40, 41: BOG compressor 50: BOG condenser
60, 61: 제1, 2 질소 열교환기 70, 71, 72: 질소 압축기60, 61: first and second
80, 81, 82: 중간냉각기 90: 팽창터빈80, 81, 82: intermediate cooler 90: expansion turbine
91: 팽창밸브 92: 기액 분리기91: expansion valve 92: gas-liquid separator
100: 순환펌프 110: 질소 버퍼(buffer) 탱크100: circulation pump 110: nitrogen buffer tank
200: 콜드박스200: coldbox
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)의 재액화 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a reliquefaction system of boil-off gas (BOG) generated from a storage tank of a carrier transporting cryogenic liquefied natural gas (LNG). It is about.
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.LNG is typically transported over long distances in a liquefied state. For example, an offshore tanker is used to transfer liquefied LNG to a second location where it is vaporized at the first location where LNG is liquefied and sent to a gas distribution system. Since LNG is liquefied at very low temperatures, that is, around -163 ° C at atmospheric pressure, LNG in storage tanks is continuously vaporized due to external heat transfer from the LNG carriers.When the pressure in the storage tanks exceeds the set safety pressure, BOG Is discharged to the outside through the safety valve. The discharged BOG is liquefied and returned to the storage tank or used as fuel for ships.
종래의 LNG운반선은 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. Since the conventional LNG carrier is a steam turbine propulsion method, BOG was burned in a boiler and used as a propulsion fuel of a ship. Recently, as the generation of BOG is reduced due to the insulation technology of storage tanks, it is difficult to secure the amount of BOG required for the propulsion of steam turbine vessels and ship propulsion by more efficient diesel engines is preferred. Accordingly, new technologies are required for the treatment of BOG and securing the stability of storage tanks.
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.In a reliquefaction apparatus, a cooling cycle comprises the steps of compressing a working fluid in a plurality of compressors, cooling the compressed working fluid by indirect heat exchange, expanding the working fluid, and expanding the expanded working fluid. Heating by indirect heat exchange with the compressed working fluid, and returning the heated working fluid to one of the compressors. The LNG vapor after the compression step is at least partially condensed by indirect heat exchange with the working fluid to be heated. One example of an apparatus for performing this cooling method is described in US Pat. No. 3,857,245.
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.According to US Pat. No. 3,857,245, the working fluid is derived from the LNG itself and is therefore operated by an open cooling cycle. Expansion of the working fluid is carried out by a valve to obtain partially condensed LNG. Partially condensed LNG is separated into a gaseous phase mixed with the liquid natural gas returned to the reservoir and the natural gas to be sent to the combustion burner. The working fluid is heated and cooled in the same heat exchanger so only one heat exchanger is used. The heat exchanger is located on the first skid-mounted platform and the working fluid compressor is mounted on the second skid-mounted platform.
현재, 작동유체로서 불연성 가스를 사용하는 것이 선호된다. 또한, 외부에서 공급되는 작동 유체의 압축을 감소시키기 위해서는 작동 유체를 팽창시키기 위한 밸브보다도 팽창 터빈이 선호된다.At present, it is preferred to use incombustible gases as working fluids. Furthermore, in order to reduce the compression of the working fluid supplied from the outside, an expansion turbine is preferred over a valve for expanding the working fluid.
상기 두 장점을 개선한 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. WO2005/047761호도 이와 유사한 구조를 가지고 있으며 이 출원은 BOG의 예냉에 특징이 있다. An example of an apparatus which improves these two advantages is described in WO98 / 43029. Two heat exchangers are used in the apparatus of this document, one of which is to warm the working fluid in the heat exchanger while partially condensing the compressed natural gas vapor, and the other is to cool the compressed working fluid. Moreover, the working fluid is compressed in two different compressors, one connected to the expansion turbine. Although not disclosed in WO98 / 43029, such a conventional device is installed in a board-shaped vessel, and a compressor and heat exchanger connected to an expansion turbine are located in the ship's cargo machinery room and the other compressor is located in the engine compartment. WO2005 / 047761 has a similar structure and this application is characterized by the precooling of BOG.
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(122, 124 및 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 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.Korean Patent Laid-Open Publication Nos. 2001-0088406 and 2001-0089142 relate to an apparatus for use in a board type vessel for reliquefaction of compressed steam, and the components are manufactured and used in a pre-assembly. Referring to FIG. 1, which shows this reliquefaction apparatus, reliquefaction is performed in a closed cycle, where the working fluid is compressed in at least one compressor 122, 124, and 126 and the
상기와 같은 재액화 장치는 나름대로 구조의 단순화, 선박에의 장착의 용이성, 열손실의 저감 등의 측면에서 개선이 있어 왔으나, 아직까지 개선의 필요성이 있다.The reliquefaction apparatus as described above has been improved in terms of simplification of structure, ease of mounting on a ship, and reduction of heat loss, but there is still a need for improvement.
특히, 종래의 기술은 BOG 액화를 위한 냉열 발생기구인 질소사이클 장치에서 작동유체인 질소의 역 브레이튼 사이클을 사용하였는데 배의 운전상황에 따라 BOG의 발생량, 온도 등이 변할 경우 신속히 대처하지 못하는 단점이 있다. 또한 팽창 터빈에 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.In particular, the conventional technique used a reverse Brayton cycle of nitrogen as a working fluid in a nitrogen cycle apparatus, which is a cold heat generating mechanism for BOG liquefaction, and has a disadvantage in that it cannot quickly cope with changes in the generation amount, temperature, etc. of the BOG depending on the ship's operating conditions. . In addition, when the nitrogen temperature is lowered too much by the expansion turbine, droplets generated by reaching the liquefaction point of nitrogen may damage the turbine blades. Therefore, new technologies are needed that can cope with the amount of BOG and temperature changes that occur.
따라서, 본 발명은 이와 같이 배의 운전상황에 따라 BOG의 발생량, 온도 등이 변할 경우 신속히 대처하지 못하는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG운반선에서 운항 중 저장탱크에서 발생하여 안전밸브를 통하여 유출되는 BOG를 재액화한 후 저장탱크로 회수시키는 재액화 시스템에 있어서, 발생된 BOG를 응축기 전단에서 외부 작동유체와의 열교환에 의한 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, 응축기의 입구에서 BOG의 온도를 설정된 범위내에서 일정하게 유지할 수 있는 LNG BOG의 재액화 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the problem that can not be quickly dealt with when the generation amount, temperature, etc. of the BOG changes according to the operation conditions of the ship, the BOG generated in the storage tank during operation in the LNG carrier and outflow through the safety valve In a reliquefaction system in which the liquid is recovered into a storage tank after reliquefaction, the generated BOG is subjected to a precooling process by exchanging heat with an external working fluid at the front of the condenser, so that the BOG at the inlet of the condenser is changed even if there is a change in the amount or temperature An object of the present invention is to provide an LNG BOG reliquefaction apparatus and a method capable of maintaining a constant temperature within a set range.
더 나아가, 본 발명은 LNG운반선에서 운항 중 저장탱크에서 발생하여 안전밸브를 통하여 유출되는 BOG를 재액화한 후 저장탱크로 회수시키는 재액화 시스템에 있어서 팽창터빈 뿐만 아니라 팽창밸브를 사용함으로써 좀더 낮은 온도까지 질소온도를 낮춤으로써 여하한 경우에도 저장탱크내의 압력과 온도를 안정적 상태로 확보함과 동시에 LNG 손실을 제거하는 LNG BOG의 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, the present invention provides a lower temperature by using an expansion valve as well as an expansion turbine in a reliquefaction system that reliquefies a BOG generated in a storage tank and flows out through a safety valve during operation in an LNG carrier. It is an object of the present invention to provide an LNG BOG reliquefaction apparatus and method for securing a stable pressure and temperature in a storage tank while eliminating LNG loss in any case.
이와 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 구성되어 상기 응축기에 의하여 재액화된 BOG를 상기 탱크로 돌려보내는 LNG 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; 및 상기 제 1 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 1 질소 열교환기를 거쳐서 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오도록 구성되고, 상기 압축기에 의해 압축된 증발 증기는 응축되기 전에 상기 제 1 질소 열교환기에서 열교환되어 예냉되는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a compressor for compressing evaporated vapor (BOG) generated in a storage tank of LNG; A condenser for at least partially condensing the evaporated vapor compressed by the compressor: a LNG BOG reliquefaction apparatus comprising a nitrogen cycle device for supplying cold heat to the condenser to return the BOG reliquefied by the condenser to the tank The nitrogen cycle apparatus comprises: nitrogen pressurizing means for pressurizing and cooling nitrogen; A first nitrogen heat exchanger for cooling the high pressure nitrogen gas passing through the nitrogen pressurized cooling means; And first expansion means for expanding the high pressure nitrogen gas passing through the first nitrogen heat exchanger to generate ultra low temperature nitrogen gas, wherein the ultra low temperature nitrogen gas expanded by the first expansion means receives cold heat from the condenser. It is configured to return to the nitrogen pressurized cooling means via the first nitrogen heat exchanger after being deprived, and the evaporated vapor compressed by the compressor is heat exchanged in the first nitrogen heat exchanger and precooled before being condensed.
상기 질소 가압냉각수단으로부터 상기 제 1 질소 열교환기로 유입되는 고압질소가스 중 일부는 제 2 팽창수단에 의하여 팽창되어 저온 저압 질소가스로 냉각된 후, 상기 응축기를 통과한 저압 질소가스와 합해져서 상기 제 1 질소 열교환기로 유입되어 상기 질소 가압냉각수단으로 돌아오는 것이 바람직하다.Some of the high pressure nitrogen gas flowing into the first nitrogen heat exchanger from the nitrogen pressurized cooling means is expanded by the second expansion means, cooled to low temperature low pressure nitrogen gas, and then combined with the low pressure nitrogen gas passed through the condenser to form the first nitrogen heat exchanger. 1 is preferably introduced into the nitrogen heat exchanger and returned to the nitrogen pressurized cooling means.
또한, 상기 질소 가압냉각수단과 상기 제 1 팽창수단 사이에 제 2 질소 열교환기가 더 구비되고 상기 제 2 팽창수단으로 유입되는 고압 질소가스는 상기 제 2 질소 열교환기에서 1차 냉각되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 또는 제 2 팽창수단은 팽창밸브 또는 팽창터빈인 것이 바람직하고, 상기 팽창터빈에는 발전기가 설치될 수 있다. In addition, a second nitrogen heat exchanger is further provided between the nitrogen pressurized cooling means and the first expansion means, and the high pressure nitrogen gas introduced into the second expansion means is primarily cooled in the second nitrogen heat exchanger. In addition, the first or second expansion means is preferably an expansion valve or an expansion turbine, the generator may be installed in the expansion turbine.
또한, 상기 응축기, 질소 열교환기, 및 팽창수단을 하나의 모듈로 구성하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to configure the condenser, the nitrogen heat exchanger, and the expansion means as one module.
또한, 상기 압축기에 공급되는 BOG 또는 압축된 BOG에 상기 재액화된 BOG 또는 LNG 탱크로부터의 LNG를 공급하여 상기 응축기에 공급하는 BOG의 온도를 냉각하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to supply the LNG from the reliquefied BOG or LNG tank to the BOG or the compressed BOG supplied to the compressor to cool the temperature of the BOG supplied to the condenser.
또 다른 관점에서 본 발명은 , LNG의 저장 탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 단계; 상기 압축된 BOG를 응축시키기 위한 냉열을 제공하기 위하여 작동유체인 질소가스를 가압냉각하고, 상기 가압냉각된 질소가스를 팽창시켜 초저온 질소가스를 생성하는 단계; 상기 초저온 질소가스와 열교환하여 상기 압축된 BOG를 적어도 부분적으로 응축시키는 단계; 상기 응축에 의하여 재액화된 BOG를 상기 탱크로 돌려보내는 단계로 이루어진 BOG의 재액화 방법에 있어서, 상기 LNG의 저장 탱크에서 발생하는 BOG를 BOG응축기 전단에서 제 1 질소 열교환기에서 예냉과정을 거치도록 하는 것을 특징으로 한다.In yet another aspect, the present invention comprises the steps of compressing evaporative vapor (BOG) generated in the storage tank of LNG; Pressurizing and cooling the nitrogen gas which is a working fluid to provide cooling heat for condensing the compressed BOG, and expanding the pressurized nitrogen gas to generate cryogenic nitrogen gas; Heat exchange with the cryogenic nitrogen gas to at least partially condense the compressed BOG; In the BOG reliquefaction method comprising the step of returning the BOG liquefied by the condensation to the tank, the BOG generated in the LNG storage tank is subjected to a pre-cooling process in the first nitrogen heat exchanger in front of the BOG condenser Characterized in that.
또한, 상기 가압냉각된 질소가스의 일부는 상기 팽창과 다른 경로로 팽창되어 저온가스로 되고, 상기 압축된 BOG의 응축으로 온도가 상승된 질소가스와 합해져서 상기 가압냉각된 질소가스의 팽창단계 전에 질소가스간의 열교환에 의하여 예냉하는 것이 바람직하다.In addition, a portion of the pressure-cooled nitrogen gas is expanded in a different path from the expansion to become a low-temperature gas, combined with the nitrogen gas whose temperature is increased by the condensation of the compressed BOG before the expansion step of the pressure-cooled nitrogen gas. It is preferable to precool by heat exchange between nitrogen gas.
또한, 상기 예냉을 위하여 다른 경로로 추출되는 가압냉각된 질소가스의 일부는 그 추출양이 조절 가능한 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the extraction amount of the portion of pressurized nitrogen gas extracted in another path for the precooling is adjustable.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세 하게 설명한다. 이하에서 기재하는 온도, 압력은 하나의 예를 도시하는 것으로 본 발명은 이들의 수치로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. The temperature and pressure described below show one example, and the present invention is not limited to these numerical values.
도 2는 본 발명에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 개략도이다. 본 장치는 BOG 사이클 장치, 질소 사이클 장치, 그리고 상기 두 장치를 인터페이스하는 콜드박스 장치로 구성된다.2 is a schematic diagram of a LNG BOG reliquefaction apparatus according to the present invention. The device consists of a BOG cycle device, a nitrogen cycle device, and a cold box device that interfaces the two devices.
1) BOG 사이클 장치1) BOG cycle device
기체상태의 천연가스(Natural Gas)는 극저온으로 액화되어 대기압(1.013bar)의 탱크에 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 1.03bar 정도에 도달하면 안전밸브(11)가 열리고 BOG는 저장탱크(10) 밖으로 배출되어 2단의 BOG 압축기(40)(41)를 지나 재액화 과정을 거치게 된다.Natural gas is liquefied to cryogenic temperatures and stored in a tank at atmospheric pressure (1.013 bar). However, BOG is generated due to heat transfer from the outside during LNG transportation, which acts as a pressure increase factor of the
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. The high temperature BOG discharged out of the
상기 온도조절기(30)의 작동을 좀더 구체적으로 살펴보면, 상기 저장탱크(10)에서 배출된 고온의 BOG에 재액화 과정을 거친 극저온 LNG를 재순환시켜 혼합하면 온도조절이 가능하며 재순환 양의 제어는 재순환밸브(20)의 개도를 조절하여 수행한다. 또한, 상기 온도조절기(30)에는 상기 재액화된 BOG 뿐만 아니라 LNG 탱 크로부터의 LNG를 펌프(미도시)로 공급하는 것도 가능하다. 온도조절은 통상 재액화 장치가 정상상태에 도달할 때까지만 작동하며 이후 재순환밸브(20)는 닫히고 극저온의 재액화된 BOG는 저장탱크(10)로 유도된다. Looking at the operation of the
상기 온도조절기(30)를 통과한 BOG는 2단의 BOG 압축기(40)(41)를 거치면 3.6bar, -41.98℃의 과열증기 상태로 토출된다.The BOG passing through the
상기 2단의 BOG 압축기(40)(41)에서 토출된 BOG는 제 3 경로로서 제 1 질소 열교환기(60)를 통과하며 예냉되어 3.3bar, -134℃의 과열증기 상태가 된다. 이때, 상기 BOG의 예냉은 제 1 질소 열교환기(60)에서, 하기에서 상술하는 BOG 응축기(50)로부터 토출되는 저압 저온의 저온부 질소가스와 팽창터빈(90)에 의하여 극저온화된 질소가스가 혼합된 질소 가스에 의하여 열교환된다. 이어서 상기 예냉된 BOG는 BOG응축기(50)를 통과하면서 3.0 bar, -154.7℃의 과냉액체 상태로 변한 후 저장탱크(10)로 재유입되거나 또는 온도조절기(30)로 재순환된다. 상기 BOG응축기(50)의 자세한 설명은 하기 콜드박스 과정에서 자세히 설명된다. 이와 같이 BOG가 외부의 작동유체(질소)에 의하여 예냉됨으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, BOG 응축기(50)의 입구에서 BOG의 온도를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한 상기 2단의 BOG 압축기(40)(41)에서 토출된 과열증기 상태의 BOG가 BOG 응축기로 유입되면 BOG 응축기 내 스트림(stream) 간의 온도차가 증가되어 열응력에 의해 열교환기의 내구성에 문제가 발생될 수 있기 때문에 상기 BOG 예냉과정은 BOG 응축기 내 스트림(stream) 간 온도차를 줄일 수 있는 장점이 있다. The BOG discharged from the two
상기 BOG응축기(50)를 통해 BOG 전체를 액화시킬 수 있지만 완전 액화가 용이하지 않는 질소 성분 등의 영향으로 70 - 99% 정도가 액화된다. 이와 같은 기액 혼합물은 기액분리기(92)에서 기체와 액체가 분리되어 액체는 순환 펌프(100)에 의하여 저장탱크(10)로 재유입되거나 또는 온도조절기(30)로 재순환되고, 기체는 일반적으로 외부로 배출된다.Through the
응축된 BOG는 순환 펌프(100)에 의하여 저장탱크(10)로 재유입된다. 상기 저장탱크(10)로의 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 감소되면 2단의 BOG 압축기(40)(41) 또는 BOG응축기(50)의 부하를 줄일 수 있다.The condensed BOG is reintroduced into the
2) 질소사이클 장치2) Nitrogen cycle device
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. In the
14.3bar, 36.08℃의 질소 가스는 3단의 질소 압축기(70)(71)(72)와 중간냉각기(80)(81)(82)를 통과한 후 압력이 상승되어 58bar, 40℃의 가스로 토출된다. 상기 질소가스는 콜드박스로 이송된 후, BOG 응축기(50) 및 제 1 질소 열교환기(60)를 거쳐 돌아오는 저압의 저온부 질소와, 제 2 질소 열교환기(61)에서 내부 열교환 을 통하여 57.7bar, -70℃로 냉각된다. Nitrogen gas at 14.3 bar and 36.08 ° C passes through three stages of
이때, 상기 제 2 질소 열교환기(61)를 통과하여 냉각된 질소 가스 중 일부는 팽창터빈(90)을 통과하면서 온도가 낮아진 후, 온도가 낮아진 질소는 상기 BOG 응축기(50)를 거쳐서 되돌아오는 질소와 합쳐져서 상기 제 1 질소 열교환기(60)로 유입되는데, 이때 상기 제 1 질소 열교환기(60)에서는 상기 제 2 질소 열교환기(61)에서 부분 냉각된 고압의 질소가스와 내부 열교환을 통하여 고압의 질소가스를 더욱 냉각시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 냉각에 의하여 상기 고압의 질소는 팽창밸브(91) 입구에서의 필요한 설정온도까지 질소 온도를 낮추어지는 효과가 있다. 제 1 질소 열교환기(60)에서 온도가 낮아진 고압의 질소가스는 팽창밸브(91)를 지나면서 최종적으로 -162.6℃의 BOG 액화에 필요한 극저온 가스로 변화한다. 이 극저온 질소가스는 BOG 응축기(50)에서 BOG와 열교환하여 BOG를 액화시키면서 온도가 상승한다. At this time, some of the nitrogen gas cooled through the second
상기 고압 질소가스의 일부를 팽창터빈을 이용하여 저온의 질소를 얻어 제 1 질소 열교환기(60)기에 유입시키는 이유는, 상기 BOG 응축기(50)로부터 돌아오는 저압의 질소가 비열이 낮으므로 고압의 질소를 냉각하기에는 부족하므로 질소의 일부를 미리 팽창터빈을 이용하여 온도를 낮추고 이를 이용하여 고압의 질소가스가 팽창밸브(91) 입구에 필요한 온도까지 냉각되는 것을 돕는다. 이후 잔여 냉열은 제 2 질소 열교환기(61)에서 고압의 질소를 냉각하며 온도가 상승하여 14 bar, 36.08℃ 에 도달함으로써 질소사이클을 완성한다. 질소 버퍼탱크(110)는 BOG 재액화량의 변동, 즉 질소 사이클의 냉각 부하의 변동에 대응하여 질소 사이클의 질량 유량 조절 기능을 수행한다. 또한, 질소의 양이 줄어들 경우를 대비하여 보충 작동 유체(질소)의 공급원을 추가로 포함할 수도 있다.Part of the high-pressure nitrogen gas to obtain a low-temperature nitrogen using an expansion turbine to flow into the first
3) 콜드박스(Cold box) 장치3) Cold box device
콜드박스는 BOG의 재액화를 수행하는 BOG응축기(50), 질소 사이클의 고온부와 저온부간 내부 열교환 및 BOG 예냉이 이루어지는 제 1 및 제 2 질소 열교환기(60),(61), 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.The cold box includes a
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 2 질소 열교환기(61)와 팽창터빈(90) 입구간의 연결파이프 또는 제 1 질소 열교환기(60)와 팽창밸브(91) 입구간의 연결파이프가 짧아짐으로써 팽창터빈(90) 또는 팽창밸브(91)의 입구에서 질소의 온도 상태에 민감할 수 있는 팽창터빈(90) 또는 팽창밸브(91)의 출구에서의 질소의 극저온 상태가 안정될 수 있다. 또한 팽창밸브(91) 출구와 BOG 응축기(50)사이의 연결파이프가 짧아지므로 질소가스 이송에 따른 온도증가의 최소화를 기대할 수 있다. By including the devices of the above process as a single module in the
또한, 본 발명에서는 BOG 재액화 장치의 구성에서 저온상태의 장치인 BOG응축기(50), 제 1 및 제 2 질소 열교환기(60, 61), 및 팽창수단(90, 91)을 하나의 콜드박스(200)로 구성하고, 이들을 하나의 모듈로 단열하는 것이 바람직하다. 단열은 일반적으로 알려진 단열재를 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.In the present invention, in the configuration of the BOG reliquefaction apparatus, the cold
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. When the generator G is connected to the
본 발명의 구성에 의한 재액화 장치의 작동은 기본적으로는 종래에 공지된 방법과 유사하여 LNG의 저장 탱크에서 발생하는 증발증기(BOG)를 압축하는 단계; 상기 압축된 BOG를 응축시키기 위한 냉열을 제공하기 위하여 작동유체인 질소가스를 가압냉각하고, 상기 가압냉각된 질소가스를 팽창시켜 초저온 질소가스를 생성하는 단계; 상기 초저온 질소가스와 열교환하여 상기 압축된 BOG를 적어도 일부를 응축시키는 단계; 상기 응축에 의하여 재액화된 BOG를 상기 탱크로 돌려보내는 단계로 이루어지는데, 다만, 상기 LNG의 저장탱크에서 발생하는 BOG를 BOG응축기 전단의 제 1 질소 열교환기에서 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, BOG 응축기의 입구에서의 BOG의 온도를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있다.Operation of the reliquefaction apparatus according to the configuration of the present invention is basically similar to the method known in the prior art by the step of compressing evaporated steam (BOG) generated in the storage tank of LNG; Pressurizing and cooling the nitrogen gas which is a working fluid to provide cooling heat for condensing the compressed BOG, and expanding the pressurized nitrogen gas to generate cryogenic nitrogen gas; Condensing at least a portion of the compressed BOG by heat exchange with the cryogenic nitrogen gas; And returning the BOG re-liquefied by the condensation to the tank, except that the BOG generated in the LNG storage tank is subjected to a pre-cooling process in a first nitrogen heat exchanger in front of the BOG condenser. Even if there is a temperature change, the temperature of the BOG at the inlet of the BOG condenser can be kept constant within the set range.
또한, 상기 가압냉각된 질소가스 모두를 팽창시키는 것이 아니라 그중에 일부를 추출하여 상기 팽창과 다른 경로로 팽창시켜 저온가스를 생성한 후에, 상기 압축된 BOG의 응축으로 온도가 다소 상승된 질소가스와 합하여 상기 가압냉각된 질소가스의 팽창전에 열교환에 의하여 예냉하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, instead of expanding all of the pressurized nitrogen gas, a portion of the pressurized nitrogen gas is extracted and expanded in a path different from the expansion to generate a low temperature gas, and then combined with the nitrogen gas whose temperature is slightly increased by condensation of the compressed BOG. It may include the step of pre-cooling by heat exchange before the expansion of the pressure-cooled nitrogen gas.
이를 첨부된 도 3을 참조하여 살펴보면, 극저온의 LNG 운반선의 저장탱크 내에서 외부 열전달로 인하여 발생하는 BOG 재액화 방법에 있어서, Referring to this attached to Figure 3, in the storage tank of the cryogenic LNG carrier in the BOG reliquefaction method generated by the external heat transfer,
먼저 BOG의 순환은, 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 3.6bar, -41.98℃의 고온 고압의 과열 상태가 되는 단계(ST 20), 제3경로의 예냉냉열교환기로서 제 1 질소 열교환기(60)를 통과하여 3.3bar, -134℃로 온도가 낮아지는 단계 (ST 30), 상기 예냉된 BOG가 BOG 응축기에서 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 재액화되는 단계(ST 40), 상기 재액화된 BOG가 저장탱크로 회수되어 저장되는 단계(ST 80)로 이루어지고,First, the circulation of BOG is a step in which the BOG discharged after opening the valve at the set pressure is maintained at 1.03bar and -120 ° C at a constant state of the two-stage compressor through the temperature controller (ST 10), and the BOG is the two-stage compressor. In the step of becoming a superheated state of high temperature and high pressure of 3.6 bar and -41.98 ° C. (ST 20), the precooling heat exchanger of the third path passes through the first
상기 BOG의 재액화를 위한 냉열공급을 위한 질소가스의 순환은, 14.3 bar, 36.08℃의 질소 가스가 3단 압축기와 중간냉각기를 통과한 후 압력이 상승되어 58 bar, 40℃로 승압되는 단계(ST 90), 상기 고압 질소가 제 2 질소 열교환기(61)에서 저온부 질소와 내부 열교환기를 통하여 57.7bar, -70℃의 저온 상태로 변하는 단계(ST 100), 상기 고압 질소의 일부가 팽창터빈을 지나면서 15.2bar, -129.3℃의 저온, 저압 가스로 변하는 단계(ST 110), 팽창터빈으로 보내지지 않은 질소가 제 1 질소 열교환기(60)에서 상기 팽창터빈에서 저온화된 질소와 합쳐진 저온부 질소에 의하여 내부 열교환되어 57.4 bar, -132℃가 되는 단계(ST 120), 고압의 질소가 팽창밸브를 통과하면서 15.2bar, -162.6 ℃ 상태로 되는 단계(ST 130), 저온 저압 질소가 BOG 응축기(50)에서 BOG 재액화를 수행한 후 14.9 bar, -145℃의 저온부 질소가스로 되는 단계(ST 140), 상기 저온부 질소가스가 제 1 질소 열교환기(60)를 통과하면서 14.6 bar, -86.42℃의 상태로 변하는 단계(ST 150), 팽창터빈에 의해 온도가 낮아진 질소가 합쳐지고 제 2 질소 열교환기(60)를 통과하면서 14.3 bar, 36.08 ℃의 고온으로 상태변화를 하는 단계(ST 160)로 구성되는 것을 특징으로 한다.Nitrogen gas circulation for cold heat supply for reliquefaction of the BOG, the pressure is raised to 58 bar, 40 ℃ after the nitrogen gas of 14.3 bar, 36.08 ℃ passes through the three-stage compressor and the intermediate cooler ( ST 90), the high pressure nitrogen is changed to a low temperature of 57.7 bar, -70 ° C through the low temperature nitrogen and the internal heat exchanger in the second nitrogen heat exchanger (ST 100), a portion of the high pressure nitrogen is expanded turbine Step of changing to a low temperature, low pressure gas of 15.2 bar, -129.3 ° C (ST 110), the cold nitrogen that is not sent to the expansion turbine combined with the nitrogen lowered in the expansion turbine in the first nitrogen heat exchanger (60) The internal heat exchange by the step 57.4 bar, -132 ℃ step (ST 120), the high pressure nitrogen passes through the expansion valve to 15.2 bar, -162.6 ℃ step (ST 130), low temperature low pressure nitrogen BOG condenser ( BOG reliquefaction at 50) followed by 14.9 bar, -145 ° C. Step to become a warm nitrogen gas (ST 140), the low temperature nitrogen gas passes through the first nitrogen heat exchanger (60) to change to a state of 14.6 bar, -86.42 ℃ (ST 150), the temperature is lowered by the expansion turbine Nitrogen is combined and passed through the second nitrogen heat exchanger (60) is characterized in that the step (ST 160) for changing the state to a high temperature of 14.3 bar, 36.08 ℃.
상기 예냉된 BOG가 BOG 응축기에서 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 재액화 BOG의 일부는 온도조절밸브(20)를 통해 재순환되어(ST 70) BOG가 압축(ST 20)되기 전단계 또는 압축된 다음 단계로 공급되어 BOG를 예냉할 수도 있다.After the pre-cooled BOG is re-liquefied in the BOG condenser (ST 40), a step (ST 50) of separating the non-condensed gas contained in the re-liquefied BOG may be added, the re-liquefied BOG is a circulation pump ( It may be transferred to the
상기 각 단계에서 압력, 온도 등은 특정의 숫자로 기재하고 있으나 BOG의 양, 제어방법 등에 따라 변경 가능한 것은 당연하다.Pressure, temperature, etc. in each of the above steps is described by a specific number, but it is obvious that it can be changed depending on the amount of BOG, control method, and the like.
본 발명은 BOG를 BOG응축기 전단에서 예냉과정을 거치도록 함으로써 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, 응축기의 입구에서 BOG의 온도를 설정된 범위내에서 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.The present invention has the advantage of maintaining a constant temperature within the set range of the BOG at the inlet of the condenser, even if there is a change in the amount of BOG generation or temperature by passing the BOG pre-cooling process in front of the BOG condenser.
또한, 본 발명은 기존의 질소의 역브레이튼 싸이클을 이용한 BOG 액화 시스템에서 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 팽창 하고 나머지는 질소의 온도를 더 낮춘 후 팽창밸브를 통하여 온도를 강하시킴으로써 액적 발생의 우려없이 질소의 온도를 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 추출 질소량을 변화시킴으로써 질소싸이클의 운전을 다양하게 할 수 있어 BOG의 동적변화에 쉽게 대응할 수 있다. In addition, the present invention is a conventional art of the prior art that can damage the blade of the expansion turbine by a part of the nitrogen liquefied when lowering the temperature of the nitrogen using the expansion turbine in the BOG liquefaction system using the reverse braton cycle of nitrogen As a solution to the problem, the method extracts only a portion of pressurized nitrogen, expands it using an expansion turbine, and lowers the temperature of the nitrogen further through a expansion valve to lower the temperature of nitrogen without fear of droplet generation. There are advantages to it. In addition, it is possible to vary the operation of the nitrogen cycle by changing the amount of extracted nitrogen can easily cope with the dynamic change of the BOG.
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. In addition, the present invention can stably manage the pressure of the storage tank without the loss of LNG stored during operation of the LNG carrier. In particular, the introduction of a simple cold box module can reduce the size of the LNG reliquefaction apparatus, make stable management of the cryogenic region of nitrogen gas, and simplify the design and manufacture of the nitrogen heat exchanger. Specifically, since the connection pipe between the nitrogen heat exchanger and the expansion turbine inlet is shortened, the cryogenic state of the expansion turbine inlet or the outlet of the expansion turbine, which is sensitive to temperature, may be stabilized. In addition, since the connection pipe between the expansion valve outlet and the BOG condenser is shortened, it is possible to minimize the temperature rise issued during the cryogenic nitrogen gas transfer. Losses can also be prevented.
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