KR101075195B1 - 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템 - Google Patents

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Abstract

열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크는, 액체천연가스를 내부에 포함한 저장탱크에 있어서, 내부 상측에 열교환기(400)가 형성되되, 열교환기(400)에는, 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와, 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함한다.

Description

열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템{RESERVOIR TANK INCLUDING HEAT EXCHANGER AND LIQUEFIED NATURAL GAS FUEL SUPPLYING SYSTEM INCLUDING THE RESERVOIR TANK}
본 발명은 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저장탱크 내부의 천연가스증기(Boiled Off Gas, BOG)를 재액화가 가능한 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템에 관한 것이다.
일반적으로 액체천연가스(LNG) 운반선 및 터미널의 천연가스(NG)를 연료로 사용하는 기화 설비에서는 추진력 발생 또는 전력 생산을 위하여 화물창에서 자연 발생되는 저온의 천연 증발가스(NBOG) 및 열교환기에서 강제로 기화시킨 저온의 강제기화증발가스(FBOG)를 엔진 혹은 보일러의 연료로서 사용한다.
액체천연가스(LNG)는 저장탱크에서 액체 상태로 저장 및 운반되는데 이는 기체 상태보다 많은 양을 한꺼번에 보관 할 수 있기 때문이다. 일반적으로 액체천연가스는 저장탱크 내에서 초저온의 액체상태로 보관되며, 이를 고압펌프로 가압한 후 기화기에서 기화되며, 기화된 가스가 가스히터에서 가열되어 배관을 통해 일정한 온도의 고압 가스상태로 소비체에 공급된다.
그러나 액체천연가스가 초저온 상태로 보관되더라도 자연기화 현상이 발생되며, 기화 후에는 저장탱크 벽면에 가해지는 압력이 점차 높아져서 탱크가 파손될 위험이 높아지게 된다.
따라서, 안전밸브를 통하여 대기중으로 방출되어 장기간 보관하거나, 기화되는 가스가 많아짐에 따라 저장탱크내 높은 기체 압력이 발생되는 것을 막기 위해서는 기화된 가스를 액화시키는 시스템이 필요하게 된다.
하지만, 종래 기술에 따른 천연가스공급시스템은 BOG를 재액화 할 수 없는 경우가 많으며, BOG를 재액화하는 경우에 있어서도, 실질적으로 액화시켜야 할 BOG 단위량에 대하여 순환시켜야 할 액체천연가스(LNG)가 과다하게 공급되어야 하거나, 열교환을 위한 다량의 동력이 제공되어야 하는 문제점이 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 천연가스공급시스템은 재액화된 BOG를 저장탱크에 보관할 수 없었으며, 이를 강제적으로 소비시켜야 하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 액체 천연가스를 보관하는 저장탱크 내부에서 발생된 천연가스증기를 저장탱크 내부에서 액화시킬 수 있는 열교환기를 구비함으로써, 천연가스증기를 재액화하기 위한 별도의 시설물(배관, 용기 등)을 설치하지 않아도 되는 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 냉매 물질이 필요없이, 액체 천연가스 자체를 냉매로 사용하게 되므로 환경보호를 실현할 수 있는 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 천연가스증기를 재액화시키기 위한 효율을 높이기 위하여, 접촉 면적을 대폭 증가시킨 열교환기를 이용함으로써, 효과적으로 BOG에 대한 재액화가 가능한 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크는, 액체천연가스를 내부에 포함한 저장탱크에 있어서, 내부 상측에 열교환기(400)가 형성되되, 열교환기(400)에는, 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와, 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함한다.
본 발명의 다른 면에 따른 천연가스연료공급시스템은 액체천연가스(530) 및 그 상층부에 BOG(520)가 저장되며, 내측 상부 공간에 열교환기(400)가 형성된 저장탱크(500)와, 저장탱크(500) 내부의 액체천연가스가 배출될 수 있도록, 저장탱크(500) 일측에 연결된 펌프(200)와, 펌프(200) 출구측에 연결되어 펌프(200)에 의해 이송된 액체천연가스의 압력을 상승시키는 가압기(300)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 천연가스연료공급시스템은 액체천연가스(530) 및 그 상층부에 BOG(520)가 저장되며, 내측 상부에 열교환기(400)가 형성된 저장탱크(500) 및 저장탱크(500) 출구측에 연결되어 이송된 액체천연가스의 압력을 상승시키는 가압기(300)를 포함하되, 열교환기(400)는, 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와, 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함한다.
기타 본 발명에 대한 구체적인 설명은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 상술하도록 한다.
본 발명에 의하여 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명은 저장 탱크 내부의 천연증발가스와 강제 기화증발가스를 재액화할 수 있는 기술로서, LNG 를 연료로 하는 선박이나 터미널의 천연가스를 연료로 하는 기화 설비에 이용될 수 있다. 저장탱크 내부의 압력을 조절하여 파손 위험을 방지하고 연료의 재액화에 따른 별도의 용기나 배관이 필요 없는 장점이 있다.
그리고, 저장탱크 내부에서의 효과적인 열교환에 의하여, 전체적인 천연가스 연료공급시스템의 운전 비용의 절감 효과를 발휘할 수 있다.
또한 통상적인 냉매 사용에 따른 운전 비용 절감 및 환경 오염 폐해를 차단할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
상술된 바와 같이, 액체천연가스는 저장 탱크 내에서 액체상태로 보관되며, 초저온 상태로 보관되더라도 자연기화 현상이 발생하여, 기화 후에는 저장탱크 벽면에 가해지는 압력이 점차 높아져서 탱크가 파손될 위험이 높아지게 된다.
본 발명의 실시예들에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템에서는 이러한 액체천연가스 저장탱크 내부의 높은 기체 압력이 발생되는 것을 막기 위해서는 저장탱크(500) 자체 내부에 열교환기(400)를 설치하여, 기화되어 있는 BOG(520)를 강제적으로 액화시키는 기술을 제시하고자 한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 열교환기가 포함된 저장탱크(500)는, 액체천연가스를 내부에 포함한 저장탱크에 있어서, 내부 상측에 열교환기(400)가 형성되되, 열교환기(400)에는, 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와, 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함한다.
또한, 저장탱크(500)는 열교환기 배관 주위에 형성되어 BOG와의 열교환 면적을 증가시키기 위한 냉각핀 또는 냉각판을 포함할 수 있다.
한편, 저장탱크(500)를 포함하는 천연가스연료공급시스템은 액체천연가스(530) 및 그 상층부에 BOG(520)가 저장되며, 내측 상부 공간에 열교환기(400)가 형성된 저장탱크(500)와, 저장탱크(500) 내부의 액체천연가스가 배출될 수 있도록, 저장탱크(500) 일측에 연결된 펌프(200)와, 펌프(200) 출구측에 연결되어 펌프(200)에 의해 이송된 액체천연가스의 압력을 상승시키는 가압기(300)를 포함한다.
여기서, 열교환기(400)는, 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와, 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창 하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함할 수 있다.
또한, 열교환기(400)는 열교환면적을 증가시키기 위하여, 배관 주위에 형성되어 BOG와의 열교환 면적을 증가시키기 위한 냉각핀 또는 냉각판을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템의 작동 원리를 설명한다.
도 1에서 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 저장탱크(500)에는 액체천연가스(530) 및 액체천연가스 상부 위치에 BOG(520)가 저장될 수 있다.
그리고 액체천연가스(530)가 배출될 수 있도록, 저장탱크(500)의 일측에는 배관 및 밸브가 구비되어 있으며, 상기 밸브의 타 단부에는 펌프(200)가 연결되어 액체천연가스를 펌핑함과 동시에 가압하게 된다.
펌프(200)의 출구측에는 가압기(300)가 연결되어 있는데, 이러한 가압기 (300)는 펌프(200)로부터 이송된 액체천연가스를 더욱 가압하게 된다.
가압기(300)를 거친 고압의 액체천연가스는 컨트롤밸브(600)을 지나 다시 저장탱크(500) 내부로 복귀를 하게 되며, 팽창밸브(410)로부터 시작되는 열교환기(400) 내부에서 팽창 과정을 거친다.
이러한 팽창 과정시 액체천연가스는 압력이 낮아지게 되며, 열교환기 외부로부터 증발열을 공급받아서, 기체 상태로 상 변화 (phase change) 과정을 겪는데, 이러한 현상을 줄톰슨 현상이라고 한다.
즉 높은 압력의 유체가 고속으로 팽창밸브를 통과하도록 하면 액체가 기체로 상 변화를 일으키게 되고 이 과정에서 많은 기화열을 필요로 하기 때문에 주위의 열을 흡수하게 되는 것이 줄톰슨효과 이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크에서 가장 큰 특징이 이러한 줄톰슨효과를 이용하여, 저장탱크 내부 자체에 열교환기를 설치한다는 점인데, 저장탱크(500) 내부에서 탱크 벽면을 가압함으로써 위험을 초래할 수도 있는 기체상태의 BOG(520) 에 함유된 에너지가, 열교환기(400) 내에서 고속, 저압 상태로 유동하면서 액체 상태에서 기체상태로 변화하는 액체천연가스의 기화열로 사용된다는 점에 착안한 것이다.
한편, 열교환기(400)는 외부에는 많은 수의 냉각핀 또는 냉각판이 형성될 수 있어서, 열교환 효율이 최대화 될 수 있도록 한다.
저장탱크 내의 BOG(520)는 비록 기체 상태로 있지만, 저장탱크 내부의 압력이 높고, 그 압력하의 끓는점 보다 약간 높은 온도 상태로 있기 때문에, 열교환기(400) 에서 용이하게 응결(condensation)이 될 수 있으며, 응결된 후에는 저장탱크 하부의 액체천연가스(530) 저장부 쪽으로 낙하하게 된다.
한편, 열교환기(400)내에서 액체천연가스는 기화 또는 포화액 상태('기화천연가스' 라고 칭함)가 된 후, 가온기(800) 측으로 이동하게 된다.
가온기(800)에서는 저온 상태의 기화천연가스에 열원(810)으로부터 공급된 에너지를 가하게 되는데, 열에너지를 공급받은 기화천연가스는 고압, 고온의 상태가 된 후, 사용처 쪽으로 이동하게 된다.
압력계(700)에서는 열교환기(400)로부터 가온기(800)로 이동되는 기화천연가스의 압력을 측정하며, 측정된 압력 신호에 기초하여 컨트롤 밸브(600)가 제어될 수 있다.
예를 들어, 고압의 압력 신호가 송신되면 컨트롤 밸브(600)의 밸브 개구가 소정의 양 만큼 닫히고, 저압일 경우에는 밸브 개폐구가 다소 열려져 열교환기(400)로 공급되는 액체천연가스의 양을 조절할 수 있다.
본 발명에서의 일 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크에서의 열 교환은 열교환기(400) 관 내부에서 유동되는 액체천연가스(냉각열원)와 관 외부의 BOG(520)가, 표면적인 넓은 핀을 통해서 열교환이 이루어지게 되므로 효율적으로 BOG 재액화가 이루어지게 되는 효과가 있다.
한편, BOG 방출부(100)는 BOG를 대기로 방출할 수 있다. 더욱 상세하게는, BOG 방출부(100)는, 저장탱크(500) 내의 BOG 압력이 지나치게 높을 경우 이를 대기중으로 배출하거나 또는 안전밸브로부터 나오는 가스를 배출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템을 설명하기 위한 도면으로서, 저장탱크 내의 BOG(520) 압력이 높을 경우에는 도 1과는 달리 펌프가 불필요하며, 저장탱크(500)로부터 직접 가압기(300)가 연결되어 액체천연가스가 이동하게 되는 실시예를 도시하고 있다.
기타 구성은 도 1의 실시예와 동일하므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템의 이점을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템은 저장 탱크 내부의 천연증발가스와 강제 기화증발가스를 재액화할 수 있는 기술로서, LNG 를 연료로 하는 선박이나 터미널의 천연가스를 연료로 하는 기화 설비에 이용될 수 있고, 천연가스를 저장하며 고압의 가스상태로 사용되는 L.CNG 충전소에도 이용될 수 있으며, 저장탱크 내부의 압력을 조절하여 파손 위험을 방지하고 연료의 재액화에 따른 별도의 용기나 배관이 필요 없는 장점이 있다.(여기서 L.CNG 충전소란 액체의 LNG를 저장하여 액체상태로 충전하거나 압축가스 상태로 버스나 이를 연료로 사용하는 장치나 수송기계로 충전하는 스테이션이다.)
둘째, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템은 저장탱크 내부에서의 효과적인 열교환에 의하여, 전체적인 천연가스 연료공급시스템의 운전 비용의 절감 효과를 발휘할 수 있다.
셋째, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기가 포함된 저장탱크 및 그 저장탱크를 포함하는 천연가스연료공급시스템은 통상적인 냉매 사용에 따른 비용 절감 및 환경 오염 폐해를 차단할 수 있는 장점도 있으며, 매우 간단한 구조에 의하여 효율적인 BOG 재액화가 가능한 이점이 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100:BOG 방출부
200:펌프
300:가압기
400:열교환기 410:팽창밸브
500:저장탱크
520:BOG 530:액화천연가스
600:콘트롤밸브
700:압력계
800:가온기 810:열원

Claims (5)

  1. 액체천연가스를 내부에 포함하며 상기 액체천연가스의 상층부에 BOG가 저장되는 저장탱크에 있어서,
    상기 저장탱크의 내부에 형성되어, 상기 저장탱크 내부의 상기 액체천연가스를 가압한 고압상태의 액체천연가스를 제공받으며, 상기 고압상태의 액체천연가스의 급속한 팽창에 따른 기화열을 이용하여 상기 BOG를 액화하는 열교환기(400)를 포함하는 것이되,
    상기 열교환기(400)는,
    상기 저장탱크와 일단이 연결된 가압기(300)의 타단과 연결되어, 상기 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와,
    상기 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함하는 것
    인 저장탱크.
  2. 액체천연가스 및 그 상층부에 BOG가 저장되는 저장탱크(500);
    상기 저장탱크(500) 내부의 상기 액체천연가스가 배출될 수 있도록, 상기 저장탱크(500) 일측에 연결된 펌프(200);
    상기 펌프(200) 출구측에 연결되어 상기 펌프(200)에 의해 이송된 액체천연가스의 압력을 상승시키는 가압기(300); 및
    상기 저장탱크(500)의 내부에 형성되는 것이며, 상기 가압기(300)와 연결되어 고압상태의 액체천연가스를 제공받으며, 상기 고압상태의 액체천연가스의 급속한 팽창에 따른 기화열을 이용하여 상기 BOG를 액화하는 열교환기(400);
    를 포함하는 천연가스연료공급시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열교환기(400)는,
    상기 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410); 및
    상기 열교환기(400) 내부에서 상기 액체천연가스를 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함하는 것
    인 천연가스연료공급시스템.
  4. 액체천연가스(530) 및 그 상층부에 BOG(520)가 저장되는 저장탱크(500);
    상기 저장탱크(500)의 내부에 형성되는 것이며, 상기 저장탱크(500)의 내부의 상기 액체천연가스를 가압한 고압상태의 액체천연가스를 제공받으며, 상기 고압상태의 액체천연가스의 급속한 팽창에 따른 기화열을 이용하여 상기 BOG를 액화하는 열교환기(400); 및
    상기 저장탱크(500) 출구측에 연결되어 이송된 액체천연가스의 압력을 상승시키는 가압기(300)를 포함하되,
    상기 열교환기(400)는,
    상기 가압기(300)와 연결되어, 상기 가압기(300)에 의해서 고압상태가 된 액체천연가스가 유입되는 팽창밸브(410)와,
    상기 액체천연가스가 열교환기(400) 내부에서 팽창하도록 안내하는 열교환기 배관을 포함하는 것
    인 천연가스연료공급시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환기(400)에서 열교환과정에 의해 생성된 기화천연가스가 지나가는 배관 일측에 형성되는 압력계(700)를 더 포함하고,
    상기 가압기(300) 출구측 배관 일측에는 컨트롤밸브(600)가 더 형성되되,
    상기 압력계(700)에 의해 측정된 압력에 따라 상기 컨트롤밸브(600)의 개폐 정도가 조절되는 것
    인 천연가스연료공급시스템.
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