KR101043425B1 - 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템 - Google Patents

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Abstract

액화천연가스 운반선의 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 재액화하는 과정에서 재액화되지 않고 배출되는 벤트 가스를 가스연소장치에서 연소시킬 수 있는 온도까지 가열시키는 장치에 관한 것으로, 액화천연가스 저장탱크로부터 발생되는 증발가스를 압축 및 냉각시키는 압축장치와, 압축장치를 통과한 증발가스를 응축시키는 응축기를 포함하는 냉각사이클과, 압축장치를 통과한 증발가스가 응축기를 통과하며 생성되는 재액화 가스 및 벤트 가스를 분리하는 기액분리기와, 벤트 가스를 응축기로 유입되기 전의 압축장치를 통과한 증발가스와 열교환 시키는 열교환기를 포함하는 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템을 제공함으로써, 벤트 가스를 가열시키기 위한 별도의 가열장치를 설치하지 않아도 되므로, 가열장치를 운용, 유지 및 보수하는 데 소요되는 시간 및 비용이 절약되고, 증발가스 재액화 장치의 구성의 단순화가 가능해진다.
Figure R1020080105706
액화천연가스, 재액화, 벤트 가스, 가스연소장치

Description

증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템{SYSTEM FOR HEATING VENT GAS OF BOIL OFF GAS RELIQUEFACTION SYSTEM}
본 발명은 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스 운반선의 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 재액화하는 과정에서 재액화되지 않고 배출되는 벤트 가스를 가스연소장치에서 연소시킬 수 있는 온도까지 가열시키는 장치에 관한 것이다.
현재 천연가스(natural gas)는 도시가스로서 가정용 연료로 사용되거나, 대중교통의 연료, 발전용 또는 산업용 가스 보일러의 연료로 사용되는 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
그런데, 우리나라는 근거리에 존재하는 천연가스전이 거의 없거나 개발되지 않은 상황이므로, 인도네시아, 말레이시아, 카타르, 오만, 브루나이, 호주 등의 천연가스 생산국으로부터 천연가스를 수입하여 사용하고 있다(2008년 10월 현재, 한국가스공사). 따라서, 생산국으로부터 우리나라까지 천연가스의 원거리 수송이 불가피한 실정이다.
천연가스를 약 영하 162도로 냉각시키면 부피가 600분의 1 정도로 감소되면서 액화되는데, 운송의 효율을 향상시키기 위하여 천연가스를 이와 같이 극저온의 액체상태인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)로 만들어 운송한다. 액화천연가스의 장거리 운송에는 액화천연가스 저장탱크가 설치된 액화천연가스 운반선이 사용되고 있다.
그런데, 액화천연가스의 끓는점은 대기압 하에서 영하 162도 정도이고, 현재 기술로는 액화천연가스 운반선의 액화천연가스 저장탱크의 내부와 외부의 열전달을 완벽히 차단할 수 없으므로, 저장탱크 내에 보관된 액화천연가스의 일부분은 운송 도중 기화되어 증발가스(Boil Off Gas, BOG)가 발생된다.
증발가스는 액화천연가스 운반선이 지나고 있는 지역, 일교차 등에 의한 기온차에 의해 발생량에 극심한 편차가 나타난다. 그러나, 저장탱크는 밀폐된 구조물이므로, 매우 적은 양의 증발가스도 그대로 방치하면 저장탱크가 손상되는 등의 사고가 발생될 수 있다. 따라서, 저장탱크 내의 압력이 일정 수준 이상으로 증가되면 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시키도록 하고 있다.
종래에는 증발가스를 가스연소장치(Gas Combustion Unit, GCU)를 이용하여 연소 처리하였으나, 현재 액화천연가스 운반선에는 이러한 증발가스를 재활용하는 방식이 적용되고 있다. 통상 증기 보일러 및 터빈이 설치된 액화천연가스 운반선, 이중연료(Dual Fuel) 엔진이 설치된 액화천연가스 운반선과 같이 증발가스를 추진력으로 활용하는 방식과, 증발가스 재액화 장치가 설치된 액화천연가스 운반선과 같이 증발가스를 액화하여 다시 저장탱크로 돌려보내는 방식이 있다.
이 중, 증발가스 재액화 장치가 설치된 액화천연가스 운반선의 경우, 증발가스를 100% 재액화하기 위해서는 많은 양의 에너지가 소모되어 오히려 경제성이 떨어지므로, 재액화 과정에서 재액화되지 않은 일부의 증발가스는 액화된 증발가스와 분리하여 벤트 가스(vent gas)로서 가스연소장치 등을 이용하여 처리한다.
이때, 액화된 증발가스와 분리된 벤트 가스는 극저온이므로, 가스연소장치 등에서 처리되기 위해서는 상온에 가까운 온도로 가열되어야 한다. 따라서, 종래의 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템에서는 벤트 가스를 가열하기 위한 히터를 추가로 설치 및 운용하였다.
도 1에는 종래의 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템이 도시되어 있다.
액화천연가스가 저장되어 있는 저장탱크(101)로부터 배출된 증발가스는 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 냉각기(130, 131, 132)에 의해 압축 및 냉각된다. 이후 응축기(140)를 거치며 응축되는데, 응축 과정에서 일부는 완전히 재액화되지 않고 극저온의 기체상태로 남아있을 수 있다. 따라서, 응축기(140)를 통과한 증발가스는 기액분리기(109)에 의해 분리되어 재액화된 증발가스는 저장탱크(101)로 이동되어 다시 저장되고, 여전히 기체상태로 남아있는 증발가스는 운항 조건에 따라 벤트 가스로서 히터(150)에 의해 가열되어 가스연소장치(102)로 이송되어 연소된다.
이때, 벤트 가스는 극저온으로서, 가스연소장치(102)에서 연소시키기 위해서는 상온 수준으로 가열되어야 하므로, 벤트 가스에 높은 열량을 가할 수 있는 히터(150)가 별도로 필요하다. 따라서, 히터(150)로는 통상 증기 열교환기(steam heated plate & shell heat exchanger)가 사용되고, 이 증기 열교환기를 작동시키기 위하여 증기를 항상 공급시킬 수 있는 보일러 등의 장치가 구비되어야 한다.
그러므로, 종래의 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템은 벤트 가스를 가열하기 위한 별도의 시설이 필요하고, 또한 이를 위한 유지보수에 별도의 시간 및 비용이 소요되는 단점이 있다.
여기서, 미설명 부호는 구동축(103, 105), 압력조절밸브(107), 프리 히터(110), 복수의 압축기(160, 161, 162), 복수의 냉각기(170, 171, 172), 팽창터빈(180) 및 전환밸브(190)로서, 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 증발가스 재액화 장치 자체에서 발생되는 열을 이용하여 재액화되지 않은 증발가스를 가스연소장치에서 안정적으로 연소시킬 수 있는 온도까지 가열할 수 있도록 하면서도, 전체적인 시스템은 단순화 시키는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 액화천연가스 저장탱크로부터 발생되는 증발가스를 압축 및 냉각시키는 압축장치와, 압축장치를 통과한 증발가스를 응축시키는 응축기를 포함하는 냉각사이클과, 압축장치를 통과한 증발가스가 응축기 를 통과하며 생성되는 재액화 가스 및 벤트 가스를 분리하는 기액분리기와, 벤트 가스를 응축기로 유입되기 전의 압축장치를 통과한 증발가스와 열교환 시키는 열교환기를 포함하는 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템이 제공된다.
이때, 열교환기의 유입 배관 및 유출 배관 사이에 개폐조절밸브를 설치하여, 개폐조절밸브의 개폐에 따라 열교환기를 통과한 벤트 가스에 기액분리기로부터 분리된 벤트 가스가 혼합되는 양이 조절되도록 할 수 있다.
본 발명은 액화천연가스 저장탱크로부터 발생되는 증발가스를 재액화시키는 과정에서 액화되지 않고 배출되는 벤트 가스를 가열하되, 별도의 가열장치를 설치하지 않고 증발가스를 재액화시키는 과정에서 발생되는 열을 이용하게 함으로써, 가열장치를 운용, 유지 및 보수하는 데 소요되는 시간 및 비용을 절약할 수 있고, 증발가스 재액화 장치의 구성의 단순화가 가능해진다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 의한 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템이 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템은 저장탱크(101), 복수의 압축기(120, 121, 122), 복수의 냉각기(130, 131, 132), 열교환기(250), 응축기(140), 기액분리기(109), 개폐조절밸브(251)가 포함되는 증발가스 재액화 사이클 및 복수의 압축기(160, 161, 162), 복수의 냉각기(170, 171, 172), 프리 히터(110), 응축기(140), 팽창터빈(180)이 포함되는 냉각사이클로 대별된다.
여기서, 냉각사이클은 복수의 압축기(160, 161, 162), 복수의 냉각기(170, 171, 172), 응축기(140) 및 팽창터빈(180)으로 이루어진 순환구조에 작동유체를 순환시켜, 응축기(140)내에 형성된 관로를 따라 이동하는 증발가스의 열을 작동유체가 흡수하여 증발가스가 응축되도록 한 것이다.
따라서, 냉각사이클은 증발가스를 응축시킬 수 있어야 하므로, 응축기(140)는 증발가스의 끓는점인 영하 162도 보다 낮은 온도까지 도달할 수 있어야 한다. 그러므로, 작동유체로는 끓는점이 액화천연가스 보다 낮은 질소, 네온, 헬륨 등을 사용할 수 있는데, 이 중 독성, 폭발성, 재주입성, 압축 효율성 등을 고려하여 질소를 가장 널리 사용하고 있다.
한편, 저장탱크(101)에는 안전밸브(도시되지 않음)가 설치된다. 저장탱크(101) 내에서 발생된 증발가스에 의해 저장탱크(101) 내부의 압력이 설정한 압력 보다 높아지게 되면 안전밸브(도시되지 않음)가 개방되어 증발가스를 저장탱크(101) 외부로 배출시킨다. 안전밸브(도시되지 않음)를 거쳐 배출되는 증발가스의 온도는 매우 낮으며, 압력은 안전밸브(도시되지 않음)의 설정에 따라 다르나, 통상 대기압 보다 조금 높다.
저장탱크(101)로부터 배출되는 증발가스는 프리 히터(110)에서 냉각사이클의 작동유체와 열교환을 하게 된다. 이때, 증발가스의 온도는 매우 낮은 상태이므로, 작동유체의 온도는 급격히 강하되고 증발가스의 온도는 다소 상승하게 된다.
프리 히터(110)에서 냉각된 작동유체는 응축기(140)로 유입되었다가 팽창터빈(180)을 거치게 된다. 작동유체는 팽창터빈(180)을 거치면서 온도 및 압력이 하강된 후, 다시 응축기(140)로 유입되어 증발가스와 다시 열교환 된 다음, 복수의 압축기(160, 161, 162) 및 복수의 냉각기(170, 171, 172)를 거치게 된다.
여기서, 복수의 압축기(160, 161, 162) 및 복수의 냉각기(170, 171, 172)는 여러 단계를 거쳐 기체를 압축하고, 압축저항을 감소시키기 위해 냉각하는 과정을 반복하는 다단압축장치(多段壓縮裝置)이다. 그리고, 복수의 압축기(160, 161, 162)는 하나의 구동축(105)에 연결되어 작동되도록 할 수 있으며, 구동축(105)을 회전시키는 구동장치(도시되지 않음)로는 전동기(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.
이때, 작동유체의 팽창수단으로는 팽창터빈(180) 외에도 팽창밸브(도시되지 않음)를 사용할 수도 있다. 팽창수단으로 팽창터빈(180)을 이용하는 경우에는, 도시된 바와 같이 팽창터빈(180) 및 복수의 압축기(160, 161, 162)를 하나의 구동축(105)으로 연결하여 팽창터빈(180)의 회전력을 복수의 압축기(160, 161, 162)로 전달되도록 할 수 있다. 또는, 팽창터빈(180)의 회전축(도시되지 않음)에 발전기(도시되지 않음)를 설치하여, 발전기(도시되지 않음)로부터 생산되는 전력을 구동축(103, 105)을 회전시키는 전동기(도시되지 않음)에 이용할 수도 있다.
복수의 냉각기(170, 171, 172)로는 통상 수랭식 냉각기가 사용되며, 냉각수로는 해수 또는 담수 등이 사용될 수 있다. 특히, 저장탱크(101)가 설치된 장소가 액화천연가스 운반선(도시되지 않음)일 경우에는 비교적 용이하게 구할 수 있는 해수 및 해수에 의해 냉각된 담수를 사용할 수도 있다.
복수의 압축기(160, 161, 162) 및 복수의 냉각기(170, 171, 172)를 통과한 작동유체는 전환밸브(190)를 거쳐 프리 히터(110)로 유입되어 저장탱크(101)로부터 배출되는 극저온의 증발가스에 의해 다시 냉각된다.
냉각사이클이 소정의 시간 동안 작동되어 냉각유체가 응축기(140)를 통과하는 증발가스를 응축시킬 수 있는 상태에 도달되면, 전환밸브(190)를 작동시켜 작동유체가 프리 히터(110)를 거치지 않고 응축기(140)로 유입되도록 한다.
즉, 프리 히터(110)는 냉각사이클의 작동 초기에 작동유체를 극저온으로 만들어, 냉각사이클의 응축기(140)가 신속하게 증발가스를 응축시킬 수 있는 상태로 만들어 주는 것이 그 목적이다. 그러므로, 작동유체가 냉각사이클을 순환하면서 응축기(140)로 유입되는 증발가스를 충분히 응축시킬 수 있는 상태가 된 후에는 프리 히터(110)를 이용한 작동유체의 냉각 현상을 이용하지 않을 수도 있다.
한편, 저장탱크(101)로부터 배출되는 증발가스는 우선 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)를 거치게 된다.
복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)는 냉각시스템에서 설명한 바와 같은 다단압축장치이다. 본 명세서에서는 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)를 통칭하여 압축장치라고 칭하기로 한 다.
복수의 압축기(120, 121, 122)는 하나의 구동축(103)에 연결되어 작동되도록 할 수 있으며, 구동축(103)을 회전시키는 구동장치(도시되지 않음)로는 전동기(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 그리고, 복수의 냉각기(130, 131, 132)는 냉각시스템의 복수의 냉각기(170, 171, 172)와 같이 통상적으로 수랭식 냉각기가 사용된다.
압축장치, 즉 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)를 통과한 증발가스는 온도 및 압력이 상승되어 응축기(140)로 유입된다. 응축기(140)에서는 증발가스와 작동유체간에 열교환이 일어나는데, 응축기(140)를 통과하는 작동유체의 온도는 매우 낮고, 특히 팽창터빈(180)을 통과한 후 다시 응축기(140)를 통과하는 작동유체는 극저온이므로, 응축기(140)를 통과하는 증발가스가 응축된다.
응축기(140)를 통과한 증발가스는 상당량이 응축되어 재액화되는데, 증발가스에는 메탄(methane) 또는 에탄(ethane) 등의 탄화수소 외에도 질소 등의 성분이 포함되어, 증발가스 전체가 용이하게 응축되지는 않고, 일부분의 증발가스는 기체상태로 잔류하게 된다. 이때, 재액화 된 증발가스는 재액화 가스라 칭하고, 기체 상태로 잔류하는 증발가스는 벤트 가스라 칭하기로 한다.
이후, 응축기(140)를 통과한 재액화 가스 및 벤트 가스는 기액분리기(109)로 유입된다. 기액분리기(109)는 재액화 가스 및 벤트 가스를 분리하는데, 벤트 가스는 기액분리기(109)의 상단부에 모이게 된다.
기액분리기(109)에 의해 분리된 재액화 가스는 저장탱크(101)로 다시 유입되고, 벤트 가스는 열교환기(250)로 유입된다. 열교환기(250)는 기액분리기(109)에 의해 분리된 벤트 가스를, 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)를 통과한 증발가스와 열교환 시킨다.
이때, 기액분리기(109)에 의해 분리된 벤트 가스는 극저온이고, 압축장치, 즉 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)를 통과한 증발가스는 상술한 바와 같이 온도 및 압력이 상승되어 있다.
그러므로, 압축장치, 즉 복수의 압축기(120, 121, 122) 및 복수의 냉각기(130, 131, 132)를 통과한 증발가스는 열교환기(250)를 통과하면서 온도가 하강되어 응축이 더욱 용이해진 상태로 응축기(140)로 유입되며, 기액분리기(109)에 의해 분리된 벤트 가스는 열교환기(250)를 거치면서 온도가 상승되어 가스연소장치(102)에서 용이하게 연소될 수 있는 온도로 상승된다.
따라서, 열교환기(250)는 증발가스 재액화 사이클 자체에서 발생되는 열을 이용하여 벤트 가스를 안정적으로 연소시킬 수 있는 온도까지 상승시킬 수 있다. 즉, 벤트 가스를 가열시키기 위하여 증기 열교환기와 같은 별도의 히터(도 1의 150 참조)를 추가로 설치할 필요가 없게 되므로, 히터(도 1의 150 참조)를 운용, 유지 및 보수하기 위해 소요되는 시간 및 비용이 절약된다.
한편, 기액분리기(109)로부터 분리되어 배출되는 벤트 가스가 열교환기(250)로 유입되는 유입 배관 및 열교환기를 통과한 벤트 가스가 가스연소장치(102)로 이송되는 유출 배관 사이에는 바이패스(bypass) 배관이 설치되고, 상기 바이패스 배 관에는 개폐조절밸브(251)가 설치된다.
개폐조절밸브(251)를 개방하면 기액분리기(109)로부터 분리되어 배출되는 극저온의 벤트 가스가 가스연소장치(102)에 유입되고, 개폐조절밸브(251)를 폐쇄하면 열교환기(250)를 거쳐 온도가 상승된 벤트 가스가 가스연소장치(102)에 유입된다. 즉, 개폐조절밸브(251)가 개방되면 가스연소장치(102)로 공급되는 벤트 가스의 온도가 하강되고, 개폐조절밸브(251)가 폐쇄되면 가스연소장치(102)로 공급되는 벤트 가스의 온도가 상승된다.
따라서, 개폐조절밸브(251)의 개폐 여부를 조절함에 따라 가스연소장치(102)로 유입되는 벤트 가스의 온도를 조절하여, 가스연소장치(102)에서 벤트 가스가 안정적으로 연소되도록 할 수 있다.
그리고, 가스연소장치(102)로 벤트 가스가 유입되는 배관에 벤트 가스의 온도를 측정할 수 있는 온도센서(도시되지 않음)를 설치하고, 온도센서에 감지되는 벤트 가스의 온도에 따라 개폐조절밸브(251)의 개폐를 제어할 수 있는 장치(도시되지 않음)를 설치하면, 가스연소장치(102)로 유입되는 벤트 가스의 온도를 자동으로 제어하는 것도 가능하다.
한편, 도시되지 않은 기호는 압력조절밸브(107)로서, 응축기(140) 및 기액분리기(109)의 사이에 설치되어, 응축기(140)를 통과한 극저온 고압 상태의 증발가스의 압력을 조절하여 벤트 가스가 가스연소장치(102)에서 연소되기 적절한 압력을 갖도록 조절한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 의한 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가 열 시스템에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 의한 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템은 액화천연가스 운반선뿐만 아니라 지상에 설치된 액화천연가스 저장소에 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템의 계통도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템의 계통도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101 : 저장탱크 102 : 가스연소장치
109 : 기액분리기 110 : 프리 히터
120, 121, 122 : 압축기 130, 131, 132 : 냉각기
140 : 응축기 160, 161, 162 : 압축기
170, 171, 172 : 냉각기 180 : 팽창터빈
250 : 열교환기 251 : 개폐조절밸브

Claims (2)

  1. 액화천연가스 저장탱크로부터 발생되는 증발가스를 압축 및 냉각시키는 압축장치;
    상기 압축장치를 통과한 증발가스를 응축시키는 응축기를 포함하는 냉각사이클;
    상기 압축장치를 통과한 증발가스가 상기 응축기를 통과하며 생성되는 재액화 가스 및 벤트 가스를 분리하는 기액분리기;
    상기 벤트 가스를 상기 응축기로 유입되기 전의 상기 압축장치를 통과한 증발가스와 열교환 시키는 열교환기;
    상기 열교환기를 통과한 상기 벤트 가스를 연소하는 가스연소장치; 및
    상기 열교환기의 유입 배관 및 유출 배관 사이에 설치되는 개폐조절밸브를 포함하며,
    상기 개폐조절밸브의 개폐에 따라 상기 열교환기를 통과한 벤트 가스에 상기 기액분리기로부터 분리된 상기 벤트 가스가 혼합되는 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 장치의 벤트 가스 가열 시스템.
  2. 삭제
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