KR101102426B1

KR101102426B1 - Ｌｎｇ 생산기지의 ｂｏｇ 처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101102426B1
Application number: KR1020100022671A
Authority: KR
Inventors: 김동혁; 손영순; 양영명; 최성희
Original assignee: 한국가스공사
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2012-01-05
Also published as: KR20110103552A

Abstract

여기에서는 LNG 생산기지에서 LNG 비수기 또는 하절기의 BOG 처리에 적합한 BOG 처리 시스템이 개시된다. 개시된 BOG 처리 시스템은, 재액화기와, 상기 재액화기에 BOG를 공급하는 BOG 공급라인과, 상기 재액화기에 저압 LNG를 공급하는 LNG 공급라인과, 상기 재액화기로부터 토출된 LNG를 고압으로 압축하는 고압펌프와, 상기 고압펌프로부터 토출된 고압 LNG의 냉열을 이용해 상기 BOG 공급라인 내의 BOG를 열교환 방식으로 예냉하는 프리쿨러(precooler)를 포함한다.

Description

ＬＮＧ 생산기지의 ＢＯＧ 처리 시스템 및 방법{ＢＯＧ TREATMENT SYSTEM AND METHOD IN LNG PRODUCTION STATION}

본 발명은 LNG(Liquefied Natural Gas) 생산기지의 BOG(Boiled Off Gas) 처리 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, LNG 생산기지에서 LNG 비수기에 BOG의 재액화 처리 물량을 증가시키는 운영에 적합한 BOG 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

연중 천연가스의 수요는 일정하지 않은 것이 일반적이다. 천연가스의 수요가 명확한 동고하저 현상을 보이는 나라가 많다. 하절기 천연가스 수요 감소는 많은 BOG 미액화 물량을 유발할 수 있기 때문에 기존의 LNG 생산기지의 운영 방식은, BOG 재액화 시스템에서 처리할 수 있는 BOG 발생량을 초과할 경우 이를 고압가스 압축기를 이용하여 직접 고압으로 압축하여 주배관망으로 공급하는 방식을 택하고 있다. 그러나 고압가스 압축기는 대당 20Ton/h의 BOG를 처리할 경우 그 소모 동력량이 약 2MW에 이르며 원동기의 특성상 지속적인 운전이 필요하나 연중 하절기 일정 시점만 가동함으로 인해 기기 운영에 따른 안전성 및 유지성에 관점에서 불리한 요소로 작용한다.

도 1은 LNG 생산기지에서 채택되어 운영 중에 있는 종래 BOG 재액화 시스템의 한 예를 보여준다. 도 1을 참조하면, 종래의 BOG 재액화 시스템은 BOG 재액화기(7)와 LNG 고압 펌프(8) 포함한다. BOG 라인(2)과 저압 LNG 라인(3)은 하류의 BOG 재액화기(7)에 접속되며, BOG 재액화기(7)는 재액화 토출라인(4)에 의해 LNG 고압펌프(8)와 연결된다. LNG 고압펌프(8)는 재액화 토출라인(4)을 통해 받은 LNG를 압축하여 고압 LNG 라인(9)을 통해 LNG를 고압으로 내보낸다. BOG 라인(2)에는 '디슈퍼 히터(Desuper heater)'로 칭해지는 혼합기(5)가 존재하며, 이 혼합기(5)는 고압 LNG 라인(9)으로부터 분기된 고압 LNG 분기라인(9a)을 통해 고압 LNG를 끌어와, 혼합기(5) 내에서 고압 LNG와 BOG를 혼합한다. 혼합기(5), 즉, 디슈퍼 히터는 재액화기(7)로 공급되는 BOG의 온도를 낮추기 위한 장치이다. 앞에서 언급한 바와 같이 LNG 고압펌프(8)로부터 토출된 고압 LNG의 일부분이 혼합기(5) 내에서 BOG와 혼합되어, 재액화기(7)로 공급되는 BOG의 온도를 낮출 수 있다.

위와 같이, 종래의 시스템은 BOG 재액화기(7)의 사양에 맞게 재액화기 인입 BOG 온도를 조절할 수 있다. 또한, 종래의 시스템이 재액화기(7) 입구 측에서의 온도를 낮춤으로써, BOG 재액화 혼합율, 즉, 재액화기로 공급되는 LNG에 대한 BOG의 질량 비율을 감소시킬 것으로 기대된 적도 있었다. 그러나, 실제로는 종래의 BOG 시스템은 BOG 재액화 혼합율을 낮추지 못했고, 따라서, BOG의 처리물량 증가에는 실질적인 도움을 주지 못하였다. 그와 같이 되는 이유에 대해서는 이제부터 충분히 설명될 것이다.

종래 시스템에 있어서, 혼합기(5), 즉, 디슈퍼 히터(5)로 공급되는 고압 LNG의 유량에 의해 변화되는 BOG의 온도 조건이 전체적으로 BOG 재액화 시스템에 미치는 영향을 분석하였다.

도 2는, 도 1에 도시된 시스템 이용시에, 혼합기(5)에 공급되는 고압 LNG 유량을 0∼8.2Ton/h까지 0.1Ton/h씩 증가시킬 경우에 대해 혼합기(5)로부터 토출되는 BOG의 유량을 분석한 그래프이고, 도 3은 동일 조건에서 혼합기(5)로부터 토출되는 BOG의 온도, 즉, 재액화기(7)로 인입되는 BOG의 온도를 분석한 그래프이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 예측했던 대로, 혼합기(5) 내로의 고압 LNG 유량 증가에 따라, 혼합기(5)로부터 토출되는, 즉, 재액화기(7)로 인입되기 직전의, BOG 유량은 증가하고, BOG의 온도는 낮아진다.

도 2에서, 혼합기(5)에 공급되는 고압 LNG가 0Ton/h인 경우, 혼합기(5)의 토출 온도는 혼합기(5) 상류측 온도, 즉, BOG 압축기(미도시됨)의 토출 온도인 85℃와 동일하다. 이는 혼합기(5)가 BOG 라인(2)에 없을 때와 마찬가지이다. 혼합기(5)로 공급되는 고압 LNG의 유량이 8.2Ton/h일 때, 혼합기(5)에서 토출되는 BOG 유량은 BOG 압축기에서 토출된 원래의 양인 12.6Ton/h에 고압 LNG의 유량인 8.2Ton/h을 더한 총 20.8Ton/h에 달한다. 이때, 혼합기(5)에서 토출된 BOG의 온도는 -74.64℃이다. 그 이상 추가적으로 고압 LNG를 공급하면 혼합기(5) 내 온도가 더 낮아져 액체 상태인 LNG가 존재하게 된다. 즉 혼합기(5) 내에서 LNG는 기액 상평형 상태로 존재하게 된다. 도 1에 도시된 시스템을 포함하는 기지 운영 상황에서, 혼합기(5)에서 토출된 BOG의 온도는 -22℃ 였고, 혼합기(5)로 공급된 고압 LNG는 4.65Ton/h였으며, 재액화기(7)로 공급되는 BOG는 총 17.25Ton/h 였다.

도 4는 혼합기(5)로의 고압 LNG의 유량이 증가하고, 재액화기(7)로 공급되는 BOG의 온도가 낮아질 때, 재액화기(7)의 토출온도를 분석한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 혼합기(5) 내로의 LNG 공급 유량이 증가함에도 불구하고, 재액화기(7)의 토출 온도는 거의 일정함을 알 수 있다. 그러한 이유는, 재액화기(7)로 공급되는 BOG의 온도 조건은 낮아지지만 혼합기(5)로 공급되는 고압 LNG 또한 BOG화되기 때문에 전체적으로 재액화기(7)로 공급되는 BOG의 유량이 증가하기 때문이다. 이는 전체적인 에너지-물질 수지식 관점에서 볼 때 결국 혼합기(5)로 공급되는 고압 LNG 유량 변화가 재액화기(7)의 토출 온도 조건에 영향을 끼치지 못한다는 것을 잘 보여준다. 실제로 혼합기(5)에 대한 고압 LNG의 공급 유량이 증가할수록 재액화기(7)의 토출 온도는 오히려 약간 증가하는 경향을 보인다. 그러한 이유는 고압 LNG는 고압 LNG 펌프(8)에서 가압되면서 온도 상승 되고, 가압과 온도 상승의 원인인 에너지(Enthalpy)가 재액화기(7)의 LNG 토출온도를 약간 상승시키는 역할을 하기 때문이다.

위와 같은 분석으로부터, 도 1에 도시된 시스템에서 혼합기(5)로 공급되는 고압 LNG의 유량 증가가 재액화기(7)의 LNG 토출 온도 조건을 낮추지 못한다는 것을 알았다. 이는 혼합기(5)로의 고압 LNG 유량 증가가 BOG 재액화 혼합율을 감소시키지 못한다는 의미한다. 즉, 이 상태에서 더 이상의 재액화기(7) 내로의 추가적인 BOG 공급은 불가능하며, 도 1에 도시된 시스템의 경우, BOG 공급량 12.6Ton/h를 초과할 수 없다. 이에 따라, 도 1에 도시된 시스템에서, 추가적인 BOG 공급은 재액화기(7) 토출 LNG의 온도 상승을 야기하여, LNG 고압펌프(8)의 공동화(Cavitation) 현상을 일으키고, 이에 의해, 고압펌프(8)에 치명적인 손상을 일으킬 수 있다.

결론적으로, 도 1에 도시된 종래의 시스템으로는 비수기(특히, 하절기) BOG 처리에 대해서 혼합기(5)등 어떠한 장치의 운전 조건을 변화시키더라도, 재액화 혼합율을 줄일 수는 없다. 따라서, 종래에는 재액화기(7)에서 처리할 수 있는 BOG 발생량이 증가할 경우 고압가스 압축기에 의존할 수밖에 없는 상황이다.

따라서, 본 발명은, 종래 LNG 생산기지의 운영방식에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하절기와 같은 LNG 비수기의 BOG 처리에 있어서, 고압가스 압축기 운영 방식 대신에 LNG 냉열을 이용하여 BOG를 효율적으로 처리하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. LNG 내열은 HP ORV에 의해 공급되는 해수에 의해 버려지는 것을 이용할 수 있다.

본 발명의 일측면에 따라, LNG 생산기지에서 LNG 비수기 또는 하절기의 BOG(Boiled Off Gas) 처리에 적합한 BOG 처리 시스템이 제공된다. 상기 BOG 처리 시스템은, 재액화기와, 상기 재액화기에 BOG를 공급하는 BOG 공급라인과, 상기 재액화기에 저압 LNG를 공급하는 LNG 공급라인과, 상기 재액화기로부터 토출된 LNG를 고압으로 압축하는 고압펌프와, 상기 고압펌프로부터 토출된 고압 LNG의 냉열을 이용해 상기 BOG 공급라인 내의 BOG를 열교환 방식으로 예냉하는 프리쿨러(precooler)를 포함한다. 여기에서, '고압 LNG의 냉열을 이용한 BOG의 예냉'은 고압 LNG와 BOG의 직접적인 열교환에 의한 예냉은 물론이고, 고압 LNG를 이용한 열교환에 의해 임의의 중간 열교환 매체를 냉각하고, 그 중간 열교환 매체와 BOG 사이의 열교환에 의해 BOG를 예냉시키는 것도 포함되어야 할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 프리쿨러는 상기 BOG 공급라인이 상기 고압 LNG 순환라인과 교차하는 위치에 있고, 상기 고압 LNG 순환라인은 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인으로부터 나와 상기 프리쿨러를 거쳐 상기 고압 LNG 토출라인으로 회귀하도록 배치된다.

본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 프리쿨러는 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인이 상기 BOG 공급라인과 교차하는 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따라 중간 열교환 매체가 흐르는 중간 열교환 라인이 고압 LNG 토출라인과 열교환기에서 교차하도록 배치되고, 상기 프리쿨러는 상기 BOG 공급라인이 상기 중간 열교환 라인과 교차하는 위치에 배치된다.

바람직하게는, 상기 프리쿨러는 상기 BOG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG를 예냉한다. 바람직하게는, 상기 프리쿨러는 상기 고압 LNG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG를 예냉한다. 더 바람직하게는, 상기 프리쿨러는 상기 BOG와 상기 고압 LNG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG를 예냉한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, LNG 생산기지에서 LNG 비수기 또는 하절기의 BOG 처리에 적합한 BOG 처리 방법이 제공된다. 상기 BOG 처리 방법은, BOG 공급라인과 LNG 공급라인을 통해 BOG와 저압 LNG를 재액화기에 공급하고, 고압펌프를 이용해 상기 재액화기로부터 나온 LNG를 고압으로 압축하고, 상기 고압펌프에 의해 압축된 고압 LNG의 냉열을 이용하는 열교환 방식으로 상기 BOG 공급라인 내의 BOG를 예냉한다.

일 실시예에 따라, 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인으로부터 나와 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인으로 회귀하는 고압 LNG 순환라인을 상기 BOG 공급라인과 열교환 방식으로 교차시켜 상기 BOG를 예냉한다.

다른 실시예에 따라, 상기 BOG 공급라인을 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인과 열교환 방식으로 교차시켜 상기 BOG를 예냉한다.

바람직하게는, 상기 BOG의 예냉은 상기 BOG와 상기 고압 LNG 각각의 상변화 없는 온도로 수행된다.

본 발명에 따르면, BOG 재액화기로 BOG를 공급하는 BOG 공급라인에 열교환 방식의 프리쿨러를 설치하고, 재액화기로부터 나와 고압펌프에 의해 압축된 고압 LNG의 냉열을 프리쿨러에서 BOG의 예냉에 이용함으로써, 재액화기로 인입되는 BOG의 온도를 낮춤과 동시에, 재액화기로 공급되는 LNG의 유량도 적게 줄여주어, 재액화기 토출 온도가 재액화기의 인입 온도와 거의 동일하게 낮춘다. 이는 재액화기 내의 LNG : BOG의 혼합비를 낮추며, 그러할 경우, 동일 LNG 공급 유량조건에서 재액화기로 공급되는 BOG 처리물량을 종래의 방식보다 더 증가시키거나, 또는, 동일 BOG 공급 유량 조건에서 재액화기로 공급되는 LNG 유량을 종래의 방식에 비해 더 감소시킬 수 있다.

또한, BOG 공급라인에 프리쿨러를 설치하는 본 발명에 따른 BOG 처리 시스템 및 방법은, 고압가스 압축기 방식과 달리, 원동기 방식이 아닌 열교환기 방식이므로, 운영에 따른 동력 소모량을 발생시키지 않으며, 기기 안전성 및 유지성 차원에서도 유리하다. 또한 LNG 고압라인의 버려지는 냉열을 이용한다는 측면이 있으며 ,따라서, HP ORV로 공급되는 LNG의 온도가 높아짐으로 인한 해수 공급량을 기존보다 더 줄일 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 것과 같은 본원발명의 구성에 의해, 재액화기로 공급되는 BOG량(12.6T/H)을 고정한 상태에서 재액화기로 공급되는 LNG 유량을 감소(187.4T/H → 107T/H)시킴으로써, 하절기 천연가스 수요감소가 되는 시점에서 유연하게 고압가스 압축기의 추가가동 없이 그 수요감소에 효율적으로 대처할 수 있게 LNG 유량을 줄일 수 있는 이점이 있다. 이는 재액화기를 통해 고압펌프에서 토출되는 LNG가 주배관망을 통해 송출되는 천연가스 이기 때문에 가능한 것이다.

또한, 도 5에 도시된 것과 같은 본원발명의 구성에 의해, 재액화기로 공급되는 LNG량을 고정한 상태에서 재액화기로 공급되는 BOG 유량을 증가(12.6T/H → 22T/H)할 수 있으므로, 하절기 온도상승 등으로 인해 BOG 발생량이 증가하는 시점에서 고압가스 압축기의 추가 가동없이, BOG의 처리용량을 증가시킬 수 있다. 이는 하절기 천연가스 수요감소에 대처할 수 있도록 해준다. 이는 BOG가 추가적으로 발생될 경우, 이를 처리하기 위하여 필요한 재액화기로 공급되는 LNG 유량을 줄일 수 있기 때문이다.

도 1은 기존 LNG 생산기지에 이용되어 왔던 종래의 BOG 처리 시스템을 도시한 구성도이고,
도 2는 도 1에 도시된 BOG 처리 시스템 이용시 혼합기(또는, 디슈퍼 히터)에 공급되는 LNG 유량 대비 혼합기로부터 토출되는 BOG 유량을 분석한 그래프이고,
도 3은 도 2와 동일한 조건에서 혼합기로부터 토출되는 BOG의 온도를 분석한 그래프이고,
도 4는 혼합기로 고압 LNG의 유량이 증가하고, 재액화기로 공급되는 BOG의 온도가 낮아질 때, 재액화기의 토출온도를 분석한 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템을 도시한 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위해 온도에 따른 BOG의 증기분율 상태를 나타낸 분석 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위해 온도에 따른 고압 LNG의 증기분율을 상태를 나타낸 분석 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템에서 재액화기에 공급되는 저압 LNG의 유량에 따른 재액화기 토출 LNG의 온도 변화를 나타낸 그래프이고,
도 9는 프리쿨러에 공급되는 BOG 유량에 따른 재액화기 토출 LNG의 온도 변화를 나타낸 그래프이며,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템을 도시한 구성도이며,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템을 도시한 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG(Boiled Off Gas) 처리 시스템을 도시한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 BOG 처리 시스템은, BOG 재액화기(70)와 LNG 고압 펌프(80) 포함한다. 또한, 본 실시예의 BOG 처리 시스템은 BOG 공급라인(20)과 LNG 공급라인(30)을 포함하며, 이 BOG 공급라인(20)과 LNG 공급라인(30) 각각은 하류의 BOG 재액화기(70)에 접속된다. BOG 재액화기(70)는 재액화 토출라인(40)에 의해 고압펌프(80)와 연결된다. 고압펌프(80)는 재액화 토출라인(40)을 통해 받은 LNG를 압축하여 고압 LNG 토출라인(90)을 통해 LNG를 고압으로 내보낸다.

또한, 본 실시예에 따른 BOG 처리 시스템은 BOG 공급라인(20)에 설치된 프리쿨러(50)를 포함한다. 이 프리쿨러(50)는 내부에서 BOG의 증감 없이 BOG를 예냉하는 역할을 하며, 이를 위해, 그 예냉은 열교환 방식으로 이루어진다. 상기 프리쿨러(50)를 이용한 열교환을 위해, 상기 BOG 처리 시스템은 상기 고압펌프(80)의 고압 LNG 토출라인(90)으로부터 나와 상기 프리쿨러(50)를 거쳐 상기 고압 LNG 토출라인(90)으로 다시 회귀하는 고압 LNG 순환라인(91)을 포함하며, 상기 고압 LNG 순환라인(91)은 상기 프리쿨러(50)에서 상기 BOG 공급라인(20)과 열교환 방식으로 교차한다. 상기 고압 LNG 토출라인(90)과 상기 고압 LNG 순환라인(91)에는 상기 고압펌프(80)에 의해 압축된 고압의 LNG가 흐른다.

이하에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 상기 프리쿨러(50)는 상기 BOG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG를 예냉하며, 더 나아가, 고압 LNG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG의 예냉을 수행한다.

도 5에 도시된 BOG 처리 시스템은, LNG 비수기, 특히, 하절기의 BOG 처리에 적합한 구조로서, 재액화기(70)로 인입되는 BOG 및 LNG의 상태 및 유량 조건이 동일한 상태에서 종래의 LNG-BOG 혼합 방식인 디슈퍼 히터 대신 열교환기 타입의 프리쿨러(50)를 이용하여 BOG의 온도를 낮춘다. 고압펌프(80)에서 토출되는 고압 LNG는 고압 LNG 순환라인(91)을 통해 일정량 프리쿨러(50)로 보내져 재액화기(70)로 공급되는 BOG의 온도 조건을 낮춘다. LNG 자체가 혼합기 또는 디슈퍼 히터에서 BOG화되는 종래 시스템 또는 종래 방식과 다르게, 본 실시예의 시스템은, 고압 LNG 순환라인(91)을 통해 프리쿨러(50)에 제공된 LNG는 상변화 없이 냉열만 제공하고 다시 고압의 LNG 토출라인(90)으로 회귀한다. 이에 따라, 재액화기(70)로 향하는 BOG는 온도만 낮아질 뿐 그 유량은 증가하지 않는다. 여기에서, 프리쿨러(50)에서 냉열을 주고받고 나오는 BOG와 고압 LNG 각각은 상변화 없이 증기 상태와 액체 상태를 그대로 유지한다.

고압의 LNG라인을 BOG 공급라인쪽으로 향하도록 배치한 도 5에 도시된 시스템 외에도 반대로 BOG 공급라인을 고압 LNG 라인쪽으로 끌어와서 이 부근에서 냉각시킬 수도 있다. 또한, 열교환기를 BOG라인과 고압 LNG라인에 각각 설치하고 열교환 매체를 BOG나 고압 LNG가 아닌 제3의 중간 열교환 매체를 사용하여 고압 LNG 라인과 BOG 라인의 배관이동 없이 냉각시킬 수 도 있다. 그러한 문제는 기술적인 관점에서의 문제일 뿐 중요한 것은 고압 LNG 라인의 냉열을 이용하여 재액화기로 공급되는 BOG의 온도를 감소시킨다는 것이다.

냉각되는 BOG의 온도조건은 낮으면 낮을수록 유리하다. 본 실시예의 시스템 및 방법은, 도 5에 도시된 바와 같이, 프리쿨러(50)에서 나오는 BOG의 온도 조건을 -90℃로 하고, 냉열을 공급한 후 회송되는 고압 LNG의 온도 조건은 -100℃ 로 하였다. 이에 대한 설명은 다음과 같다.

도 6 및 도 7은 각각 온도에 따른 BOG 및 고압 LNG에 대한 증기분율을 나타낸 상태 분석 그래프이다.

도 6을 참조하면, BOG가 0.86MPa,g 압력상태에서 온도에 따른 증기분율을 보인다. -140℃인 경우는 증기분율이 0, 즉, 액체상태를 의미한다. 0.86MPa,g 압력을 유지한 상태에서 온도를 증가시킬 경우 -125℃ ~ -124℃ 부근에서는 증기분율이 0 ∼ 1을 가리킨다. 이 범위에서 BOG는 액체에서 증기상태로 바뀌는 기액평형상태로 존재한다. -124℃보다 온도를 더 증가시킬 경우 BOG의 증기분율은 지속적으로 1을 가리키며 이것이 의미하는 바는 증기상태를 유지한다는 의미이다.

도 7은 8.18 MPa,g에 대한 고압 LNG의 증기분율을 보인다. 이를 참조하면, 액체에서 기체로 변환되는 온도범위는 -69℃ ~ -68℃를 보이고 있다. 도 7의 고압 LNG의 조성은 전형적인 LNG : BOG의 질량혼합비가 5:1인 조성을 적용하였다. 그러한 이유는 프리쿨러(50; 도 5 참조)로 공급되는 고압 LNG의 조성은 LNG 자체일 뿐만 아니라 BOG와 혼합된 LNG 조성이기 때문이고 일반적으로 BOG가 더 많이 혼합될 경우 순수한 LNG 조성(전형저인 조성)보다도 액체에서 기체로 변환되는 온도가 더 낮게 형성되기 때문이다. 순수한 LNG 조성일 경우 액체에서 기체로 변환되는 온도범위는 -61℃ ~ -60℃로 분석된다. 즉 현실적인 분석을 위해서 LNG와 BOG를 혼합한 형태의 조성을 적용하였고, 전형적인 LNG : BOG의 질량혼합비가 5:1로 적용한 것은 현실적으로 이정도로 혼합비가 낮아지지는 않지만 최대한 낮은 액체에서 기체로 변환되는 온도를 기준점으로 고려하기 위함이었다. 고압 LNG에서 냉열을 회수 할 때 액체에서 액체상태로의 현열을 이용하는 것이고 따라서 적용되는 온도범위가 낮을수록 그 이용범위는 줄어든다. 즉 분석에서 주어진 조건을 좀 더 열악한 상태로 만들기 위함이다. 그러한 상황에서 만족할 만한 결과를 얻는다면 당연히 호전된 상황(온도범위가 높아져서 고압 LNG의 냉열을 이용할 범위가 더 넓어지는 상황)에서도 그 결과를 얻을 수 있기 때문이다.

도 6 및 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 프리쿨러(50; 도 5 참조)에서 나오는 BOG와 고압 LNG의 출구 온도조건을 각각 -90℃, -100℃ 조건을 분석에서 적용하였다. 이 정도 온도 조건에서 각각의 유체는 상변화를 거치지 않은 조건으로서 충분한 온도 여유조건이 주어진다고 판단된다.

본 실시예에 적용한 BOG 냉각온도는 이전 관련 연구자료(저압가스 처리 타당성 조사, 한국가스공사 연구개발원, 한국가스엔지니어링(주), 1998)에서 적용한 수치와 비슷한 결과를 보인다. 독일의 Linde AG사가 한국의 평택 LNG 생산기지 BOG 재액화기에 대한 헬리컬 코일 열교환기(Helical coil heat exchanger) 적용 분석 자료를 이용하여 정한 온도로서 -88℃이다. 따라서, 이 온도를 적용하는 것은 기술적으로 문제가 없을 것이다.

이제 도 5에 도시된 본 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템 및 그에 의한 BOG 처리 공정이 도 1에 도시된 종래 시스템 및 그에 의한 종래 공정보다 BOG 처리에 있어 어떻게 유리한지에 대해 설명하고자 한다. 우선 종래 공정에서 디슈퍼 히터, 즉 혼합기(5; 도 1 참조)에 의해 토출된 BOG 온도는 -22℃ 였고 BOG의 유량은 혼합기(5; 도 1 참조)의 전단과 토출단에서 각각 12.6Ton/h, 17.25Ton/h 였다. 즉 BOG로 변환된 고압 LNG의 유량이 4.65Ton/h이다. 이때, 재액화기(7; 도 1 참조)에서 토출되는 재액화 LNG의 온도는 -136.6℃ 였다. 기지 운전 상황에서 더 이상 재액화기에서 토출되는 LNG의 온도를 높이기에는 중대한 문제가 따른다. 즉 높아진 LNG 온도로 말미암아 고압펌프(8; 도 1 참조) 운전시 공동화(Cavitation) 현상을 야기하여 고압펌프(8; 도 1 참조)의 치명적인 손상을 유발할 수 있다. 이러한 조건에서는, 혼합기(5; 도 1 참조)로 공급되는 BOG의 유량을 증가시키거나 또는 재액화기(7; 도 1 참조)로 공급되는 저압 LNG의 유량을 감소시킬 수가 없다. 다시 말하면, 추가적인 BOG가 발생된다거나 LNG 송출유량을 감소시켜야 할 경우 고압가스 압축기에 의존해야 한다.

동일한 운전상황에서 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 채택한 공정을 분석하여 보면, 재액화기(70; 도 5 참조)에서 토출되는 재액화 토출온도는 -144.25℃로 분석된다. 동일한 LNG 및 BOG 처리량인 각각 187.4Ton/h, 12.6Ton/h를 처리함에 있어서 본 실시예의 공정은 종래 공정보다 월등히 재액화기(70; 도 5 참조)의 LNG 토출 온도 조건을 낮출 수 있다. 이것이 의미하는 바는 본 실시예의 공정이 종래 공정에 비해 재액화기(70; 도 5 참조)로 공급되는 동일한 저압 LNG 송출 유량 조건에서 BOG를 재액화기에 더 많은 유량을 공급할 수 있다는 것이며, 또한, 동일한 BOG 공급량 조건에서 재액화기(70; 도 5 참조)에 더 적게 저압 LNG를 공급해도 된다는 것이다.

도 8은 도 5에 도시된 시스템의 프리쿨러(50) 출구 측 온도를 BOG 라인 온도-90℃ 및 고압 LNG 라인 온도 -100℃로 유지하고, BOG 공급량을 12.6Ton/h를 유지한 상태에서, 재액화기(70)로 공급되는 저압 LNG 유량을 93 ~ 187.4Ton/h까지 변화시킬 때 재액화기(70) 토출 LNG 온도를 분석한 그림이다. 도 9로부터 알 수 있듯이, 재액화기(70)에 공급되는 저압 LNG의 유량이 187.4Ton/h일 때, 재액화기(70)의 토출온도는 약 -144.25℃이며 이때, 라인을 통해 프리쿨러(70)에는 고압 LNG 39Ton/h 정도가 소요된다. 재액화기(70)에 공급되는 저압 LNG 유량을 감소시킬수록 재액화 토출온도는 증가되며, 재액화 토출온도 증가에 기인하여 프리쿨러(50)에 제공되는 고압 LNG 유량도 증가한다. 재액화 토출온도 -136.6℃를 보이는 조건은 도 9에서 재액화기(70)에 공급되는 저압 LNG 유량은 107Ton/h이며, 이때 프리쿨러(50)에 제공되는 고압 LNG 유량은 49Ton/h로 분석된다. -136.6℃는 도 1에 도시된 종래 시스템 및 공정에서 보여주는 재액화 토출온도 조건이다. 즉 종래 공정에서 동일한 BOG 유량 12.6Ton/h를 재액화 처리하기 위하여 공급되는 저압 LNG 유량이 187.4Ton/h가 필요할 때 프리쿨러(50)를 이용하는 본 실시예에 따른 개선된 공정에서는 107Ton/h만 필요로 한다. 따라서, 본 실시예에 따른 개선된 공정은 종래 공정보다 동일한 BOG재액화 방식으로 처리할 때 BOG 재액화 혼합율(재액화기로 공급되는 LNG : BOG의 질량비율)을 14.87 : 1(187.4 : 12.6)에서 8.49 : 1(107 : 12.6)으로 크게 감소시킨다.

이것이 의미하는 바는 동일 BOG 공급조건(12.6Ton/h)에서 종래 공정에서는 이를 재액화하기 위하여 LNG 고압펌프는 2기가 가동되어야 한다. 즉 고압펌프 송출조건이 200Ton/h(187.4Ton/h(LNG) +12.6Ton/h(BOG))이다. 그러나 본 실시예에 따른 공정에서는 LNG 고압펌프 송출량은 119.6Ton/h(107Ton/h(LNG) +12.6Ton/h(BOG))으로 이는 LNG 고압펌프 1기 송출량에 근접한다는 것으로 동일 BOG 부하 조건에서도 LNG 송출량을 더 줄일 수 있음을 의미한다.

이번에는 반대로 재액화기 공급 저압 LNG 유량(187.4Ton/h)을 고정한 상태에서 프리쿨러(50; 도 5 참조)로 공급되는 BOG 유량을 증가시킬 경우 종래 공정보다 본 실시예의 공정이 얼마나 많은 추가적인 BOG 처리능력을 갖는지 알아본다.

도 9는 도 5에 도시된 시스템에서 프리쿨러(50) 출구 측 온도를 BOG 공급라인 -90℃ 고압 LNG 라인 -100℃로 유지하고, 재액화기(70)에 공급되는 저압 LNG 유량인 187.4Ton/h를 유지한 상태에서 프리쿨러(50)에 공급되는 BOG의 유량을 12.6 ~ 24Ton/h까지 증가시킬 때 재액화 토출 LNG 온도를 분석한 것이다. BOG 유량이 증가할 때 재액화기(70)의 LNG 토출온도는 증가하며, 재액화기 토출온도 증가 및 BOG 유량증가에 기인하여 프리쿨러(50)로 공급되는 고압 LNG 유량도 증가하게 된다. BOG 공급량이 12.6Ton/h인 경우는 -144.25℃이다. 이때, 프리쿨러(50)에는 고39Ton/h 정도의 고압 LNG 유량이 소요된다. 재액화기(70) 토출온도가 도 1에 도시된 시스템 및 공정에서와 같이 -136.6℃를 보이는 조건은, 도 9에서 BOG 공급량이 22Ton/h일 때며 이때 프리쿨러(70)에 제공되는 고압 LNG 유량은 81.5Ton/h로 분석된다.

즉 재액화기 토출온도가 -136.6℃, 재액화기 공급 저압 LNG 유량 187.4Ton/h인 조건에서 기존공정에서 처리되는 BOG 유량은 12.6Ton/h이나 개선공정은 22Ton/h를 처리한다는 것이다.

이것이 의미하는 바는 기존공정에서 처리된 12.6Ton/h는 앞에 언급하였듯이 BOG 압축기 2기(75% 부하조건 ㅧ 2기)이었으나 개선공정으로 전환시 추가적으로 BOG 9.4Ton/h를 추가적으로 더 처리할 수 있다는 것이고 이는 100% 부하조건의 BOG 압축기 1기 운전에 해당하는 유량이다.

결론적으로 개선공정과 같이 고압 LNG 냉열을 이용하는 프리쿨러 운전방안은 종래 공정 운영방안에 비교하여 하절기 BOG 처리에 있어서 고압가스 압축기의 의존성을 감소시킬 수 있다. 고압가스 압축기가 설치되어 있는 LNG 생산기지(들)와 통합망으로 구성되어 운영될 신규 LNG 생산 기지의 경우 프리쿨러의 운영으로 고압가스 압축기 자체가 불필요 하다고 예측된다.

이제 도 5에 도시된 BOG 처리 시스템과 같거나 유사한 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 변형된 실시예의 BOG 처리 시스템에 대해 도 10과 도 11을 참조하여 설명한다. 이미 설명된 도 5 실시예의 BOG 처리 시스템과 동일한 구성요소들에 대해서는 자세한 설명이 생략될 것이며, 동일 또는 유사한 구성요소들에서는 동일한 부재번호가 그대로 사용되었다.

도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템은, 도 5에 도시된 고압 LNG의 순환라인(91)이 생략되는 대신 고압 LNG 토출라인(90)을 향해 BOG 공급라인(20)이 더 시프트되어, BOG 공급라인(20)과 고압 LNG 토출라인(90)이 열교환식으로 교차하며, 이에 의해, 교차되는 위치에는 프리쿨러(50)가 형성된다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템은, 중간 열교환 매체가 흐르는 중간 열교환 라인(100)을 포함한다. 중간 열교환 라인(100)과 고압 LNG 토출라인(90)의 교차 위치에 열교환부(102)가 마련되어, 그 열교환부(102)에서, 고압 LNG 토출라인(90) 내 고압 LNG의 냉열이 중간 열교환 매체에 전달되어 냉각된다. 중간 열교환 라인(100)은 BOG 공급라인(20)과 교차되도록 배치되며, 그 교차 배치에 의해, 다른 열교환부, 즉, 프리쿨러(50)가 상기 중가 열교환 라인(100)과 상기 BOG 공급 라인(20)이 교차되는 위치에 형성된다. 프리쿨러(50)는 BOG 공급라인(20) 내 BOG를 상변화 없는 온도로 예냉시킨다. 또한, 상기 열교환부(102)에서도 고압 LNG의 상변화가 없도록 한다.

20: BOG 공급라인 30: LNG 공급라인
40: 재액화 토출라인 50: 프리쿨러
70: 재액화기 80: 고압펌프
90: LNG 토출라인

Claims

LNG 생산기지의 BOG(Boiled Off Gas) 처리 시스템에 있어서,
재액화기;
상기 재액화기에 BOG를 공급하는 BOG 공급라인;
상기 재액화기에 저압 LNG를 공급하는 LNG 공급라인;
상기 재액화기로부터 토출된 LNG를 고압으로 압축하는 고압펌프; 및
상기 고압펌프로부터 토출된 고압 LNG의 냉열을 이용해 상기 BOG 공급라인 내의 BOG를 열교환 방식으로 예냉하는 프리쿨러를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 프리쿨러는 상기 BOG 공급라인이 고압 LNG 순환라인과 교차하는 위치에 있고, 상기 고압 LNG 순환라인은 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인으로부터 나와 상기 프리쿨러를 거쳐 상기 고압 LNG 토출라인으로 회귀하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 프리쿨러는 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인이 상기 BOG 공급라인과 직접 교차하는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템.
청구항 1에 있어서, 중간 열교환 매체가 흐르는 중간 열교환 라인이 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인과 열교환기에서 교차하고, 상기 프리쿨러는 상기 BOG 공급라인이 상기 중간 열교환 라인과 교차하는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 프리쿨러는 상기 BOG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG를 예냉하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 프리쿨러는 상기 고압 LNG의 상변화 없는 온도로 상기 BOG를 예냉하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템.
BOG 공급라인과 LNG 공급라인을 통해 BOG와 저압 LNG를 재액화기에 공급하고,
고압펌프를 이용해 상기 재액화기로부터 나온 LNG를 고압으로 압축하고,
상기 고압펌프에 의해 압축된 고압 LNG의 냉열을 이용하는 열교환 방식으로 상기 BOG 공급라인 내의 BOG를 예냉하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인으로부터 나와 상기 고압 LNG 토출라인으로 회귀하는 고압 LNG 순환라인을 상기 BOG 공급라인과 열교환 방식으로 교차시켜 상기 BOG를 예냉하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 BOG 공급라인을 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인과 열교환 방식으로 교차시켜 상기 BOG를 예냉하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 방법.
청구항 7에 있어서, 중간 열교환 매체가 흐르는 중간 열교환 라인을 상기 고압펌프의 고압 LNG 토출라인과 열교환 방식으로 교차시키고 상기 중간 열교환 라인을 상기 BOG 공급라인과 열교환 방식으로 교차시켜 상기 BOG를 예냉하는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리방법.
청구항 7에 있어서, 상기 BOG의 예냉은 상기 BOG의 상변화 없는 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 방법.
청구항 11에, 상기 BOG의 예냉은 상기 고압 LNG의 상변화 없는 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 LNG 생산기지의 BOG 처리 방법.