KR101080235B1 - 액화천연가스 기화 시스템 - Google Patents

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고득용
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Abstract

본 발명은 액화천연가스 기화 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 액화천연가스 기화 시스템은 작동유체를 압축시키는 압축기; 작동유체를 팽창시킴으로써, 에너지를 생산하는 동시에 상기 압축기를 구동시키는 팽창기; 액화천연가스(LNG) 저장부로부터 공급되는 액화천연가스를 상기 팽창기로부터 팽창되어 배출되는 작동유체와 열교환함으로써 기화시키는 기화부; 상기 압축기로부터 압축된 작동유체를 소정의 온도까지 냉각시키는 냉각기; 액화천연가스와 열교환이 끝난 작동유체를 상기 기화부로부터 제공받아 상기 압축기에 제공하는 제1라인과, 상기 냉각기로부터 제공되는 작동유체를 재공급받아 상기 팽창기에 제공하는 제2라인을 포함하되, 상기 제2라인 내를 유동하는 작동유체와 상기 제1라인 내를 유동하는 작동유체를 상호 열교환시키는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 지역적 특색 또는 계절에 영향을 받지 않는 동시에 환경오염을 방지하며 액화천연가스를 기화할 수 있는 액화천연가스 기화 시스템이 제공된다.

Description

액화천연가스 기화 시스템{SYSTEM FOR VAPORIZING LIQUEFIED NATURAL GAS}
본 발명은 액화천연가스 기화 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기화에 필요한 열을 공급하는 동시에 에너지를 회수할 수 있는 액화천연가스 기화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 액화천연가스(LNG:Liquefied Natural Gas)는 천연가스를 수송 및 저장을 위하여 산지로부터 냉각하여 부피를 1/600으로 줄인 무색, 무취의 투명한 초저온(-162℃)액화가스로서, 액화천연가스 수송선에 의해 산지에서 액화천연가스 인수기지에 수송되어 특수하게 제작된 액화천연가스 저장탱크에 저장되며, 저장된 액화천연가스는 공급을 위해 액화천연가스 기화기에서 기화시켜 수요처에 공급한다.
액화천연가스는 1kg당 총 200Kcal의 냉열에너지를 가지고 있으며, 가스 수요처로의 공급을 위하여 기화공정이 필요하다.
도 1은 종래의 액화천연가스 기화 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 액화천연가스 기화 시스템(10)은 공기 혹은 해수를 열원으로 사용하거나, 연료를 연소하여 기화한다.
그러나, 기존의 공기 또는 해수를 열원으로 사용하여 액화천연가스를 기화하는 방법을 사용하는 경우에는 겨울철 저온의 공기 또는 해수를 열원으로 이용하기가 곤란하며, 해수 오염이 유발의 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지역적 특색 또는 계절에 영향을 받지 않는 동시에 환경오염을 방지하며 액화천연가스를 기화할 수 있는 액화천연가스 기화 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 작동유체를 압축시키는 압축기; 작동유체를 팽창시킴으로써, 에너지를 생산하는 동시에 상기 압축기를 구동시키는 팽창기; 액화천연가스(LNG) 저장부로부터 공급되는 액화천연가스를 상기 팽창기로부터 팽창되어 배출되는 작동유체와 열교환함으로써 기화시키는 기화부; 상기 압축기로부터 압축된 작동유체를 소정의 온도까지 냉각시키는 냉각기; 액화천연가스와 열교환이 끝난 작동유체를 상기 기화부로부터 제공받아 상기 압축기에 제공하는 제1라인과, 상기 냉각기로부터 제공되는 작동유체를 재공급받아 상기 팽창기에 제공하는 제2라인을 포함하되, 상기 제2라인 내를 유동하는 작동유체와 상기 제1라인 내를 유동하는 작동유체를 상호 열교환시키는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템에 의해 달성된다.
또한, 상기 냉각기의 냉각용량을 조절함으로써, 상기 제2라인을 통하여 상기 팽창기 측으로 배출되는 작동유체의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 상기 열교환부는 상기 제1라인을 통해 배출되는 작동유체의 온도가 상온이 되도록 상기 제1라인 내부의 작동유체와 상기 제2라인 내부의 작동유체를 열교환시킬 수 있다.
또한, 상기 열교환부는 상기 제2라인을 통해 배출되는 작동유체의 온도가 상온이 되도록 상기 제1라인 내부의 작동유체와 상기 제2라인 내부의 작동유체를 열교환시킬 수 있다.
또한, 상기 작동유체가 배출되는 측의 제2라인 상에 마련되되, 상기 팽창기 측으로 유동하는 상기 제2라인 내의 작동유체의 온도가 상온 이하인 경우에 작동하여 주위의 열을 흡열함으로써 상기 작동유체의 온도를 상승시키는 흡열부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡열부에 의하여 상기 작동유체와 열교환하는 주위의 온도는 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 액화천연가스를 기화하는 열을 제공하고, 에너지를 회수하여 이용할 수 있는 액화천연가스 기화 시스템이 제공된다.
또한, 열원으로서 공기 또는 해수를 이용하지 않으므로, 주위환경에 대한 제약이 없고, 오염없이 환경을 보존할 수 있다.
또한, 냉각기의 냉각용량을 제어하여, 작동유체가 상온으로 팽창기에 유입되도록 함으로써, 기존의 브레이튼 사이클 시스템과 동일한 장비를 이용하여 시스템을 용이하게 구축할 수 있다.
또한, 흡열부를 이용하여, 작동유체가 상온의 상태로 팽창기에 유입되도록 하는 동시에, 주위의 열을 흡열함으로써 부수적으로 냉방장치로 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템을 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 2의 액화천연가스 기화 시스템에 따른 온도(T) - 엔트로피(s) 선도이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템을 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 4의 액화천연가스 기화 시스템에 따른 온도(T) - 엔트로피(s) 선도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템(100)은 압축기(110)와 팽창기(120)와 기화부(130)와 냉각기(140)와 열교환부(150)를 포함한다.
먼저, 본 실시예의 기화 시스템(100)을 구성하는 각 구성요소에 대하여 설명한 후에, 구성간의 결합 및 연결관에 대하여 후술하도록 한다.
상기 압축기(110)는 작동유체를 압축시키기 위한 것으로서, 구동축이 후술하는 팽창기(120)와 연결되어, 팽창기(120)로부터 생산되는 에너지를 제공받아 구동될 수 있도록 구성된다.
상기 팽창기(120)는 압축된 작동유체를 팽창시켜 전기 에너지를 생산하기 위한 부재이다. 팽창기(120)로부터 생산된 에너지 중 일부는 구동축을 회전시킴으로써 압축기(110)를 구동시키고, 나머지 에너지는 외부로 제공하여 필요한 곳에 사용되도록 한다.
상기 기화부(130)는 액화천연가스(LNG)가 저장된 액화천연가스 저장부(50)로부터 제공되는 액화천연가스와 상기 작동유체간의 상호 열교환을 유도함으로써, 액화천연가스를 기화시키는 부재이다.
상기 냉각기(140)는 압축기(110)로부터 압축되어 배출되는 작동유체를 냉각시키기 위한 부재이다.
상기 열교환부(150)는 기화부(130)로부터 액화천연가스와의 열교환이 끝난 작동유체가 압축기(110)로 유입되기 위한 유로인 제1라인(L1)의 내부를 유동하는 작동유체와, 냉각기(140)로부터 냉각된 작동유체를 팽창기(120)에 제공하기 위한 유로인 제2라인(L2)의 내부를 유동하는 작동유체의 상호 열교환을 유도하기 위한 부재이다.
다음으로 상술한 본 실시예의 액화천연가스 기화 시스템(100)의 각 구성요소간의 연결 및 결합관계에 대해서 설명한다.
압축기(110)는 팽창기(120)로부터 생산되는 에너지를 제공받을 수 있도록 동일한 구동축에 의하여 상호 연결된다. 팽창기(120)의 배출구는 기화부(130)와 연결되어, 팽창기(120)로부터 팽창된 상태로 배출되는 작동유체가 기화부(130)에 제공된다. 한편, 기화부(130)는 압축기(110)의 유입구와 제1라인(L1)을 통하여 상호 연결되며, 제1라인(L1)의 내부에는 작동유체가 유동하게 된다.
또한, 압축기(110)의 배출구와 냉각기(140)는 상호 연결되며, 냉각기(140)의 배출구와 팽창기(120)는 내부에 작동유체가 유동할 수 있는 관형태의 제2라인(L2)을 통하여 상호 연결된다.
한편, 제1라인(L1)과 제2라인(L2)의 작동유체가 유동하는 경로 상에는 열교환부(150)가 설치됨으로써, 제1라인(L1)과 제2라인(L2) 내부를 유동하는 작동유체간의 상호 열교환을 유도한다.
지금부터는 상술한 액화천연가스 기화 시스템(100)의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 3은 도 2의 액화천연가스 기화 시스템에 따른 온도(T) - 엔트로피(s) 선도이고, 이하, 도 3을 참조하여, 각 단계에서 본 실시예의 액화천연가스 기화 시스템(100)의 작동에 대해서 설명한다.
① -> ② : 먼저, 팽창기(120) 내로 흘러들어가는 고압, 상온 상태의 작동유체는 팽창하면서 축일을 수행하여 전기 에너지를 생산하며, 생산된 전기 에너지 중 일부는 구동축을 회전시켜 압축기(110)를 구동하는데 이용되고, 나머지 전기 에너지는 외부로 반출되어 필요한 곳에 이용된다.
② -> ③ : 팽창기(120)에서 팽창된 작동유체는 기화부(130) 내로 유입되고, 기화부(130) 내에서 작동유체는 액화천연가스 저장부(50)로부터 공급되는 액화천연가스와 열교환함으로써 액체 상태의 액화천연가스를 기화시킨다.
이때, 작동유체는 액화천연가스와의 열교환을 통하여 약 120K 까지 냉각되고, 액화천연가스는 온도가 O ℃의 상태로 기화되어 외부로 배출된다.
③ -> ④ : 작동유체는 제1라인(L1) 내를 유동하며, 열교환부(150) 내에서 냉각기(140)로부터 배출되어 제2라인(L2) 내를 유동하는 작동유체와 열교환한다. 즉, 제1라인(L1) 내를 유동하는 작동유체는 후술하는 ⑥ -> ① 과정에서 제2라인(L2) 내의 고온, 고압 상태의 작동유체와 열교환을 함으로써 300K 까지 가열된 상태로 압축기에 유입된다.
④ -> ⑤ : 열교환부(150) 내에서 열교환 작용이 완료되어 약 300K 정도의 온도로 가열된 작동유체는 압축기로 유입되고, 압축기(110)는 팽창기(120)로부터 생산된 에너지에 의하여 구동됨으로써 유입된 작동유체를 압축시켜 배출한다.
⑤ -> ⑥ : 압축된 작동유체는 냉각기(140)를 지나면서, 대기로 열을 방출하며 일정량 냉각된다. 이때, 냉각기(140)의 냉각용량을 조절함으로써, 작동유체의 냉각량을 조절할 수 있다. 또한, 냉각량 조절에 의하여 후술하는 ⑥ -> ① 과정을 지난 후의 작동유체, 즉, 팽창기(120)에 유입되는 작동유체가 상온 상태를 유지함으로써, 상온 작동유체에서 작동하도록 구성되는 팽창기(120)를 그대로 이용하고, 시스템 설계를 용이하게 할 수 있다.
⑥ -> ① : 상술환 과정에서 일정량 냉각된 작동유체는 제2라인(L2)의 내부를 유동하여 팽창기(120)로 유입되며, 이 과정에서 상술한 제1라인(L1) 내의 작동유체와의 열교환이 유도된다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 해수 또는 공기를 오염시키지 않고, 전기에너지를 생산하는 동시에 액화천연가스를 기화시킬 수 있는 시스템이 제공된다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템(200)에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템을 개략적으로 도시한 것이고, 도 5는 도 4의 액화천연가스 기화 시스템에 따른 온도(T) - 엔트로피(s) 선도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템(200)은 압축기(110)와 팽창기(120)와 기화부(130)와 냉각기(140)와 열교환부(150)와 흡열부(260)를 포함한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템(200)의 압축기(110)와 팽창(120)기와 기화부(130)와 냉각기(140)와 열교환부(150)는 상술한 제1실시예에에 따른 액화천연가스 기화 시스템(100)과 동일한 구성이므로 중복설명은 생략한다.
상기 흡열부(260)는 열교환부(150)와 팽창기(120)를 상호 연결하는 제2라인의 작동유체의 경로 상에 마련되어, 주위의 열을 흡수하여 냉각하고 작동유체의 온도를 상승시키기 위한 부재이다.
즉, 도 5를 참조하면, 본 실시예의 액화천연가스 기화 시스템(100)은 제1실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템(100)에서 ⑦ -> ① 과정이 추가되며, 본 과정에서는 흡열부(260)에서 주위로부터 열을 흡수하여 과냉각된 작동유체에 공급함으로써, 작동유체가 상온 상태로 팽창기(120)에 주입되도록 한다. 또한, 흡열과정을 통하여 주위의 온도를 낮춤으로써, 냉방장치로서의 부수적인 효과를 획득할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서 흡열부의(260) 흡열을 통한 냉방기능은 ⑤ -> ⑥ 과정에서의 냉각기(140)의 냉각용량 등의 냉각성능을 조절하여 ⑦ 지점에서의 작동유체의 온도, 즉, 흡열부(260)에 주입되기 전의 작동유체의 온도를 조절함으로써 제어할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 제1실시예에 따른 액화천연가스 기화 시스템
110 : 압축기 140 : 냉각기
120 : 팽창기 150 : 열교환부
130 : 기화부

Claims (6)

  1. 작동유체를 압축시키는 압축기;
    작동유체를 팽창시킴으로써, 에너지를 생산하는 동시에 상기 압축기를 구동시키는 팽창기;
    액화천연가스(LNG) 저장부로부터 공급되는 액화천연가스를 상기 팽창기로부터 팽창되어 배출되는 작동유체와 열교환함으로써 기화시키는 기화부;
    상기 압축기로부터 압축된 작동유체를 소정의 온도까지 냉각시키는 냉각기;
    액화천연가스와 열교환이 끝난 작동유체를 상기 기화부로부터 제공받아 상기 압축기에 제공하는 제1라인과, 상기 냉각기로부터 제공되는 작동유체를 재공급받아 상기 팽창기에 제공하는 제2라인을 포함하되, 상기 제2라인 내를 유동하는 작동유체와 상기 제1라인 내를 유동하는 작동유체를 상호 열교환시키는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각기의 냉각용량을 조절함으로써, 상기 제2라인을 통하여 상기 팽창기 측으로 배출되는 작동유체의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 제1라인을 통해 배출되는 작동유체의 온도가 상온이 되도록 상기 제1라인 내부의 작동유체와 상기 제2라인 내부의 작동유체를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 제2라인을 통해 배출되는 작동유체의 온도가 상온이 되도록 상기 제1라인 내부의 작동유체와 상기 제2라인 내부의 작동유체를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체가 배출되는 측의 제2라인 상에 마련되되, 상기 팽창기 측으로 유동하는 상기 제2라인 내의 작동유체의 온도가 상온 이하인 경우에 작동하여 주위의 열을 흡열함으로써 상기 작동유체의 온도를 상승시키는 흡열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡열부에 의하여 상기 작동유체와 열교환하는 주위의 온도는 냉각시키는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 기화 시스템.
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CN103362579A (zh) * 2013-08-08 2013-10-23 华北科技学院 一种回收液化天然气冷能的两级膨胀发电装置及方法
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