KR100804953B1 - 냉동 부하 가변 운전이 가능한 증발가스 재액화 장치 및방법 - Google Patents

냉동 부하 가변 운전이 가능한 증발가스 재액화 장치 및방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 냉동 부하 가변 운전이 가능한 증발가스 재액화 장치 및 방법에 관한 것으로, 증발가스 재액화 장치의 재액화 부하 변동시에 냉동 시스템의 냉동 부하를 가변할 수 있도록 구성된 증발가스 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 증발가스 배출라인을 통해 극저온 열교환기를 통하게 하여 과냉 액화시킨 다음 상기 극저온 열교환기의 후단에 설치된 기액분리기를 통하게 하여 상기 LNG 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화 장치에 있어서, 상기 극저온 열교환기에는 냉매를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템이 연결되고, 상기 냉동 시스템은 다단 압축기와 팽창기와 모터를 포함하고, 상기 모터에는 인버터가 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.
냉동 시스템, 모터, 인버터

Description

냉동 부하 가변 운전이 가능한 증발가스 재액화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RELIQUEFYING BOIL-OFF GAS CAPABLE OF REFRIGERATION LOAD VARIABLE OPERATION}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발가스 재액화 장치의 개략도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : LNG 저장탱크 10 : 콜드 박스
11 : 극저온 열교환기 13 : 기액분리기
20 : 냉동 시스템 40 : 질소 발생기
50 : 질소 처리부 51 : 질소 완충 탱크
53 : 질소 압축기 60 : 인버터
70 : 가스 연소기 71 : 방향 전환 밸브
L1 : 증발가스 배출라인 L2 : 재액화 증발가스 복귀라인
L3 : 플래쉬가스 배출라인 L4 : 질소가스 공급라인
본 발명은, 증발가스 재액화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 천연가스를 액체 상태로 저장하는 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화함에 있어서 냉동 속도 가변 운전이 가능한 증발가스 재액화 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 수송된다.
천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.
증발가스 재액화 장치가 설치된 LNG 운반선에서는, LNG 저장탱크 내에서 발생된 증발가스가 증발가스 재액화 장치에 의해 재액화되어 다시 LNG 저장탱크로 복귀됨으로써 저장탱크 압력이 안전한 상태로 유지된다. 그러나 이와 같은 증발가스 처리 시스템에 문제가 발생하게 될 경우, LNG 저장탱크의 압력이 상승하게 되고, 결국 설정된 안전압력 이상이 되면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 LNG 저장탱크의 외부로 방출된다.
이러한 증발가스 재액화 장치는 콜드 박스를 포함하며, LNG 저장탱크로부터 배출된 증발가스가 극저온 열교환기를 거치면서 재액화된다. 극저온 열교환기에는 냉매인 질소가스를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템이 연결되어 있다. 냉동 시스템은 다단 압축기와 팽창기와 모터를 포함한다.
그런데, 종래의 증발가스 재액화 장치는, 냉동 시스템의 냉동 부하가 고정적이어서, LNG 저장탱크 내의 LNG을 일부 하역하여 LNG 저장탱크 내의 LNG 양이 감소됨으로 인해 증발가스가 적게 발생되는 증발가스 재액화 장치의 저 재액화 부하 운전시에도 냉동 시스템의 냉동 부하가 증발가스 재액화 장치의 고 재액화 부하 운전시와 동일하므로, 증발가스 재액화 장치의 저 재액화 부하 운전시에 대기로 버려지는 질소가스의 양이 많은 문제점이 있다. 여기에서, 잉여 질소가스는 벤트 마스터(vent master)를 통해 대기로 방출된다.
또한, 종래의 증발가스 재액화 장치는, 냉동 시스템의 냉동 부하가 고정적이어서, 공회전(idle operation)시 전기 소모량이 많은 문제점이 있다. 여기에서, 공회전이란, 증발가스 재액화 장치로 증발가스가 유입되지 않고, 즉, 증발가스를 재액화시키지 않고 냉동 사이클만 외부에서 침투하는 열을 제거할 정도의 냉동 부하로 운전되는 상태를 말합니다.
따라서, 본 발명은, 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 증발가스 재액화 장치의 재액화 부하 변동시에 냉동 시스템의 냉동 부하를 가변할 수 있도록 구성된 증발가스 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 증발가스 재액화 장치는, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 증발가스 배출라인을 통해 극저온 열교환기를 통하게 하여 과냉 액화시킨 다음 상기 극저온 열교환기의 후단에 설치된 기액분리기를 통하게 하여 상기 LNG 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화 장치에 있어서, 상기 극저온 열교환기에는 냉매를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템이 연결되고, 상기 냉동 시스템은 다단 압축기와 팽창기와 모터를 포함하고, 상기 모터에는 인버터가 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 증발가스 재액화 방법은, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 증발가스 배출라인을 통해 극저온 열교환기를 통하게 하여 과냉 액화시킨 다음 상기 극저온 열교환기의 후단에 설치된 기액분리기를 통하게 하여 상기 LNG 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화 방법에 있어서, 증발가스 재액화 장치의 재액화 부하 변동시에, 상기 극저온 열교환기에 연결되어 냉매를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템의 모터의 회전 속도를 가변시킴으로써 상기 냉동 시스템의 냉동 부하를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다. 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 장치는 콜드 박스(cold box, 10)를 포함하며, LNG 저장탱크(1)로부터 배출된 증발가스가 증발가스 배출라인(L1)을 통해 콜드 박스(10)를 거치면서 재액화된다. 콜드 박스(10)는 극저온 열 교환기(11)와 이 극저온 열교환기(11)의 후단에 설치되는 기액분리기(13)를 포함한다. 극저온 열교환기(11)에는 냉매인 질소가스를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템(20)이 연결되어 있다. 냉동 시스템(20)은 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계 압축기(21a, 21b, 21c)와 제1 단계, 제2 단계 및 제3 단계 중간냉각기(22a, 22b, 22c)로 이루어진 다단 압축기와 팽창기(23)와 모터(M)를 포함하는 것으로 예시되어 있다. 증발가스는 극저온 열교환기(11)를 통하면서 과냉 액화된 다음 기액분리기(13)를 통하면서 액화된 액체와 액화되지 않은 기체로 분리된 다음 재액화 증발가스 복귀라인(L2)을 통해 액화된 액체만 LNG 저장탱크(1)로 복귀된다.
냉동 시스템(20)의 다단 압축기 중 제1 단계 압축기(21a)를 거친 냉매는 상대적으로 저압 상태가 되고, 제2 단계 압축기(21b)를 거친 냉매는 상대적으로 중압 상태가 되고, 제3 단계 압축기(21c)를 거친 냉매는 상대적으로 고압 상태가 된다.
도시하지는 않았지만, 증발가스 배출라인(L1)과 재액화 증발가스 복귀라인(L2)의 도중에는 이송 펌프가 설치됨을 알 수 있을 것이다. 여기에서, LNG 저장탱크(1)의 상부에서부터 극저온 열교환기(11)까지 연결되어 그 내부에 증기화된 증발가스가 흐르도록 구성된 라인을 증발가스 배출라인이라고 하고, 극저온 열교환기(11)에서부터 LNG 저장탱크(1)의 하부까지 연결되어 그 내부에 재액화된 증발가스가 흐르도록 구성된 라인을 재액화 증발가스 복귀라인이라고 하기로 한다.
냉동 시스템(20)의 모터(M)에는 인버터(60)가 연결 설치되어 있다. 이 인버터(60)는 모터(M)의 회전 속도를 가변시키는 역할을 한다.
또한, 냉동 시스템(20)의 다단 압축기의 전후의 냉매 회로에는 냉동 시스 템(20) 내로 질소가스를 공급하는 질소가스 공급라인(L4)의 일단이 연결되어 있다.
질소가스 공급라인(L4)의 타단에는 질소 발생기(40)가 설치되어 있다. 질소 발생기(40)는 기관실(3)에 설치되는 것이 바람직하다.
질소가스 공급라인(L4)은 질소 처리부(50)를 통해 냉동 시스템(20)의 다단 압축기의 전후의 냉매 회로에 연결되는데, 질소 처리부(50)는 질소 완충 탱크(51)와 유량 제어 밸브(52a, 52b)와 질소 압축기(53)로 구성되어 있다.
질소 완충 탱크(51)는, 냉동 부하 조절을 용이하게 할 수 있도록 냉매인 질소를 저장하는 용기로서, 냉매가 저압 상태인 제1 단계 압축기(21a)의 전단과 냉매가 고압 상태인 제3 단계 압축기(21c)의 후단 사이에 연결되어 있다. 그리고, 질소 완충 탱크(51)와 제1 단계 압축기(21a)의 사이에는 유량 제어 밸브(52a)가 설치되어 있고, 질소 완충 탱크(51)와 제3 단계 압축기(21c) 사이에는 유량 제어 밸브(52b)가 설치되어 있다.
냉동 시스템(20)의 냉동 부하를 높이고자 하는 경우에는, 질소 완충 탱크(51)와 저압의 제1 단계 압축기(21a) 사이의 유량 제어 밸브(52a)를 개방하면, 질소 완충 탱크(51)와 제1 단계 압축기(21a) 사이의 압력차로 인해, 질소 완충 탱크(51)의 질소가 제1 단계 압축기(21a)의 전단으로 주입된다.
또한, 냉동 시스템(20)의 냉동 부하를 낮추고자 하는 경우에는, 질소 완충 탱크(51)와 고압의 제3 단계 압축기(21c) 사이의 유량 제어 밸브(52b)를 개방하면, 질소 완충 탱크(51)와 제3 단계 압축기(21c) 사이의 압력차로 인해, 제3 단계 압축기(21c)로부터 질소가 일부 질소 완충 탱크(51)로 빠져나간다.
질소 압축기(53)는 질소 발생기(40)에 발생된 질소를 가압하여 질소 완충 탱크(51)로 주입할 수 있게 한다. 질소 압축기(53)가 작동함으로써 질소 압축기(53)와 질소 완충 탱크(51) 사이의 압력차에 의해 질소가 질소 완충 탱크(51)로 주입된다.
한편, 증발가스가 극저온 열교환기(11)를 거치면서 과냉 액화되는 과정에서 응축된 액체가 과냉이 덜 되어 그 일부가 기체로 된 플래쉬가스가 발생되는데, 기액분리기(13)에서 액화된 액체와 액화되지 않은 기체인 플래쉬가스를 분리하여 액화된 액체는 재액화 증발가스 복귀라인(L2)을 통해 LNG 저장탱크(1)로 보내고, 플래쉬가스는 플래쉬가스 배출라인(L3)을 통해 LNG 저장탱크(1)로 보내거나 가스 연소기(70)으로 보낸다.
플래쉬가스 배출라인(L3)은 그 일단이 기액분리기(13)의 상부에 연결되어 있고 그 타단이 LNG 저장탱크(1)의 상부 또는 가스 연소기(70)에 연결되어 있다.
여기에서, LNG 저장탱크(1)와 기액분리기(13)의 사이에는, 즉 플래쉬가스 배출라인(L3)의 도중에는 기액분리기(13)의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 기액분리기(13)에서 발생되어 LNG 저장탱크(1) 또는 가스 연소기(70)으로 공급되는 플래쉬가스의 유량을 조절하는 유량 제어 밸브(15)가 설치되어 있다.
또한, LNG 저장탱크(1)와 기액분리기(13)의 사이에는, 즉 플래쉬가스 배출라인(L3)의 도중에는 LNG 저장탱크(1) 또는 가스 연소기(70)의 비정상적인 압력 상승으로 인한 LNG 저장탱크(1) 또는 가스 연소기(70)로부터 기액분리기(13)로의 역류를 방지하는 역류 방지 밸브(17)가 설치되어 있다.
플래쉬가스의 양이 적을 때에는 플래쉬가스를 LNG 저장탱크(1)로 보내어서 다시 재액화시키고, 플래쉬가스의 양이 많을 때에는 플래쉬가스를 가스 연소기(70)로 보내어서 소각처리한다.
플래쉬가스 배출라인(L3)의 도중에는 예를 들어, 3방 밸브인 방향 전환 밸브(71)가 설치되어 있는데, 이 방향 전환 밸브(71)의 3방 중 1방은 기액분리기(13) 쪽에 항시 개방되게 연결되어 있고, 나머지 2방은 LNG 저장탱크(1)와 가스 연소기(70)에 각각 개폐가능하게 연결되어 있다. 따라서, 방향 전환 밸브(71)에서, LNG 저장탱크(1) 방향을 개방하고 가스 연소기(70) 방향을 폐쇄하면 기액분리기(13)의 플래쉬가스가 LNG 저장탱크(1) 쪽으로 공급되고, LNG 저장탱크(1) 방향을 폐쇄하고 가스 연소기(70) 방향을 개방하면 기액분리기(13)의 플래쉬가스가 가스 연소기(70) 쪽으로 공급된다.
가스 연소기(70)는 LNG 선박의 후미 상단에 설치되는 것이 바람직하다.
이상과 같은 냉동 부하 가변 운전이 가능한 증발가스 재액화 장치를 이용하여 증발가스를 재액화하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 증발가스 재액화 방법에 의하면, 증발가스 재액화 장치의 재액화 부하 변동시에, 극저온 열교환기(11)에 연결되어 냉매를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템(20)의 모터(M)의 회전 속도를 인버터(60)로 가변시킴으로써 냉동 시스템(20)의 냉동 부하를 가변시킨다.
그리고, 냉동 시스템(20)의 냉매 회로에 질소가스를 공급하되 압축 및 완충 단계를 거쳐 공급함으로써 냉동 부하 조절을 용이하게 한다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 증발가스 재액화 장치의 재액화 부하 변동시에 냉동 시스템의 냉동 부하를 가변할 수 있도록 구성되어 있으므로, 증발가스 재액화 장치의 저 재액화 부하 운전시에 대기로 버려지는 질소가스의 양을 최소화할 수 있으며, 공회전시 전기 소모량을 절감할 수 있다.

Claims (12)

  1. LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 증발가스 배출라인을 통해 극저온 열교환기를 통하게 하여 과냉 액화시킨 다음 상기 극저온 열교환기의 후단에 설치된 기액분리기를 통하게 하여 상기 LNG 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화 장치에 있어서,
    상기 극저온 열교환기에는 냉매를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템이 연결되고,
    상기 냉동 시스템은 다단 압축기와 팽창기와 모터를 포함하고,
    상기 모터에는 인버터가 연결 설치되고,
    여기에서, 상기 냉동 시스템은 냉매로서 질소를 사용하고, 상기 냉동 시스템의 다단 압축기의 전후의 냉매 회로에는 상기 냉동 시스템 내로 질소가스를 공급하는 질소가스 공급라인의 일단이 연결된 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 질소가스 공급라인의 타단에는 질소 발생기가 설치된 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 질소가스 공급라인은 질소 압축기 및 질소 완충 탱크를 통해 상기 냉동 시스템의 다단 압축기의 전후의 냉매 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 기액분리기에는 상기 기액분리기에서 발생하는 플래쉬가스를 배출하는 플래쉬가스 배출라인의 일단이 연결된 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 플래쉬가스 배출라인의 타단은 상기 LNG 저장탱크와 가스 연소기 중 어느 하나만에 연결되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 플래쉬가스 배출라인의 타단과 상기 LNG 저장탱크와 가스 연소기는 방향 전환 밸브에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 플래쉬가스 배출라인의 도중에는 상기 기액분리기의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 상기 기액분리기에서 발생되어 상기 LNG 저장탱크 또는 상기 가스 연소기로 공급되는 플래쉬가스의 유량을 조절하는 유량 제어 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 플래쉬가스 배출라인의 도중에는 상기 LNG 저장탱크 또는 상기 가스 연소기의 비정상적인 압력 상승으로 인한 상기 LNG 저장탱크 또는 상기 가스 연소기로부터 상기 기액분리기로의 역류를 방지하는 역류 방지 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치.
  10. LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 증발가스 배출라인을 통해 극저온 열교환기를 통하게 하여 과냉 액화시킨 다음 상기 극저온 열교환기의 후단에 설치된 기액분리기를 통하게 하여 상기 LNG 저장탱크로 복귀시키는 증발가스 재액화 방법에 있어서,
    증발가스 재액화 장치의 재액화 부하 변동시에, 상기 극저온 열교환기에 연결되어 냉매를 압축 및 팽창시키는 냉동 시스템의 모터의 회전 속도를 가변시킴으로써 상기 냉동 시스템의 냉동 부하를 가변시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 냉동 시스템의 냉매 회로에는 질소가스가 공급되되 압축 및 완충 단계를 거쳐 공급되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 냉동 시스템의 냉매 회로로부터 질소가스가 일부 빠져나가는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 방법.
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