KR101123977B1 - 천연가스 액화공정 및 이를 이용한 천연가스 액화시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 냉매를 응축하는 단계, 응축된 냉매를 주 냉매와 부 냉매로 분배하는 단계, 분배된 부 냉매를 팽창하는 단계, 팽창된 부 냉매를 주 냉매와 간접적으로 열교환시켜 주 냉매를 과냉각하는 단계, 과냉각된 주 냉매를 팽창하는 단계, 팽창된 주 냉매를 천연가스와 간접적으로 열교환시켜 천연가스를 냉각하는 단계, 및 천연가스와의 열교환에 의해 증발된 주 냉매를 압축수단에 의해 압축하는 단계를 각각 포함하는 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클을 통해 천연가스를 액화시킨다.

Description

천연가스 액화공정 및 이를 이용한 천연가스 액화시스템 {NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS AND SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 천연가스 액화공정 및 이를 이용한 천연가스 액화시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 냉매를 압축하는 압축수단의 소요동력을 감소시켜 보다 뛰어난 효율을 가질 수 있는 천연가스 액화공정 및 이를 이용한 천연가스 액화시스템에 관한 것이다.
천연가스를 액화시키는 대표적인 천연가스 액화공정 중 하나는 세 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 단계적으로 냉각시켜 액화시키는 캐스케이드 공정(Cascade process)이다. 이러한 캐스케이드 공정은 통상 서로 다른 세 개의 단일 냉매를 채용하는 세 개의 폐 루프 냉동 사이클을 통해 천연 가스를 순차적으로 냉각시킨다. 즉, 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 종래의 캐스케이드 공정은 프로판 냉매, 에틸렌 냉매(또는 에탄 냉매), 그리고 메탄 냉매를 각각 채용하고 있는 세 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 순차적으로 냉각시키며, 각각의 냉동 사이클은 일반적인 냉동 사이클과 동일하게 기본적으로 증발기(evaporator), 압축기(compressor), 응축 기(condenser) 및 팽창밸브(expansion valve)를 포함한다.
또한 이러한 종래의 캐스케이드 공정의 효율을 향상시키기 위해 개발된 공정이 도 7에서 도시하고 있는 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정(Phillips Optimized Cascade Process)이다. 이러한 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정은 도 6 및 도 7을 통해 확인할 수 있듯이 각 냉동 사이클에서 천연가스를 다단으로 냉각시킨다는 점에서 종래의 캐스케이드 공정과 기본적으로 차이가 있다. 이러한 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정과 같이, 기본적으로는 세 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키되, 그 액화효율을 향상시키기 위해서 현재 다양한 시도들이 이루어지고 있다.
한편, 일반적인 냉동 사이클에 있어서 응축기 출구의 액상 냉매를 과냉각시키면 액화시스템의 효율이 향상된다는 점은 이미 알려져 있는 기술이기는 하나, 종래에는 증발기 출구의 저온 기상 냉매를 이용하여 응축기 출구의 고온 액상 냉매를 과냉각시켰기 때문에 증발기 출구 냉매의 과열도가 증가되어 압축기의 소요동력이 증가된다는 문제점이 있었다.
본 발명의 과제는 천연가스를 액화시키는 액화공정 및 액화시스템에 있어서 냉매를 압축시키는 압축수단의 소요동력을 감소시켜 액화공정 또는 액화시스템 전체의 효율을 증대시킬 수 있는 천연가스 액화공정 및 액화시스템을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 천연가스 액화공정은 냉매를 응축하는 단계, 응축된 냉매를 주 냉매와 부 냉매로 분배하는 단계, 분배된 부 냉매를 팽창하는 단계, 팽창된 부 냉매를 주 냉매와 간접적으로 열교환시켜 주 냉매를 과냉각하는 단계, 과냉각된 주 냉매를 팽창하는 단계, 팽창된 주 냉매를 천연가스와 간접적으로 열교환시켜 천연가스를 냉각하는 단계, 및 천연가스와의 열교환에 의해 증발된 주 냉매를 압축수단에 의해 압축하는 단계를 각각 포함하는 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시킨다.
여기서, 상기 주 냉매를 팽창하는 단계는 직렬로 연결되는 복수 개의 팽창수단에 의해 상기 주 냉매를 순차적으로 팽창할 수 있다. 이때, 상기 폐 루프 냉동 사이클은 상기 팽창수단에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 상기 주 냉매로부터 분리하는 단계, 및 분리된 주 냉매의 기상 부분을 상기 압축수단으로 유입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 주 냉매를 압축하는 단계는 직렬로 연결되는 복수 개의 압축수단에 의해 상기 주 냉매를 순차적으로 압축할 수 있다. 또한 상기 폐 루프 냉동 사이클은 상기 주 냉매와의 열교환에 의해 증발된 부 냉매를 상기 압축수단으로 유입시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 분배하는 단계는 주 냉매의 과냉각에 따른 냉동효과의 증가와 주 냉매의 유랑 감소에 따른 냉동능력의 감소를 함께 고려하여 분배될 부 냉매의 유량을 결정할 수 있다. 그리고 상기 부 냉매를 팽창하는 단계는 팽창 이후의 부 냉매의 건도를 최소화하고 상기 주 냉매의 과냉도를 최대화할 수 있도록 팽창에 따른 부 냉매의 압력 강하 정도를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 냉매를 응축시키기 위한 응축수단을 각각 포함하는 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화시스템은, 응축수단에 의해 응축된 냉매를 천연가스를 냉각시키기 위한 주 냉매와 주 냉매를 과냉각시키기 위한 부 냉매로 분배시키는 분배수단, 분배수단에 의해 분배된 부 냉매를 팽창시키는 부 냉매 팽창수단, 및 분배수단에 의해 분배된 주 냉매를 부 냉매 팽창수단에 의해 팽창된 부 냉매와 간접적으로 열교환시켜 주 냉매를 과냉각시키는 과냉수단을 포함한다.
여기서, 상기 천연가스 액화시스템은 상기 과냉수단에 의해 과냉각된 주 냉매를 팽창시키는 제1 팽창수단, 및 상기 제1 팽창수단에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 상기 주 냉매로부터 분리하는 제1 기액 분리수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 기액 분리수단에 의해 분리된 주 냉매의 기상 부분은 냉매를 압축시 키는 압축수단으로 유입될 수 있고, 상기 주 냉매의 나머지 부분은 제2 팽창수단으로 유입될 수 있다.
또한 상기 천연가스 액화시스템은 상기 과냉수단에 의해 과냉각된 주 냉매를 순차적으로 팽창시키는 복수 개의 팽창수단, 및 상기 복수 개의 팽창수단 사이에 구비되어 상기 팽창수단에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 상기 주 냉매로부터 분리하는 적어도 하나의 기액 분리수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 기액 분리수단에 의해 분리된 주 냉매의 기상 부분은 냉매를 압축시키는 압축수단으로 유입될 수 있다.
한편, 상기 과냉수단을 통과한 부 냉매는 냉매를 압축시키는 압축수단으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 응축수단으로 유입되는 냉매는 직렬로 연결되는 복수 단(stage)의 압축수단에 의해 순차적으로 압축된 것일 수 있다.
상기 폐 루프 냉동 사이클은, 프로판 냉매를 통해 천연가스를 냉각시키는 프로판 사이클, 에틸렌 냉매를 통해 천연가스를 냉각시키는 에틸렌 사이클, 및 메탄 냉매를 통해 천연가스를 냉각시키는 메탄 사이클을 포함할 수 있다, 이때 상기 응축수단으로 유입되는 냉매는 직렬로 연결되는 복수 단의 압축수단에 의해 순차적으로 압축될 수 있으며, 상기 프로판 사이클은 4단의 압축수단을 포함하고, 상기 에틸렌 사이클은 4단의 압축수단으로 포함하며, 상기 메탄 사이클은 5단의 압축수단을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정과 천연가스 액화시스템은 응축수단 출 구의 액상 냉매 일부를 바이패스 시켜 팽창시킨 후 이를 이용하여 주 냉매를 과냉각시킴으로써 필요 냉매 유량을 감소시킬 수 있기 때문에 압축수단의 소요동력을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 천연가스 액화공정과 천연가스 액화시스템은 복수 개의 팽창수단을 사용하되 팽창 직후의 냉매를 기액 분리수단을 통해 기상과 액상의 냉매로 분리하고, 분리된 기상 냉매를 압축수단으로 유입시킴으로써 압축수단으로 유입되는 냉매의 온도를 낮출 수 있기 때문에 압축수단의 소요동력을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 건도가 낮은 냉매를 증발수단으로 유입시킬 수 있다는 효과가 있다.
더욱이 본 발명에 따른 천연가스 액화공정과 천연가스 액화시스템은 복수 개의 압축수단을 직렬로 연결하여 냉매를 단계적으로 압축시키기 때문에 압축수단의 소요동력을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이며, 도 2는 도 1의 액화공정 중 프로판 사이클을 도시하고 있는 흐름도이고, 도 3은 도 1의 액화공정 중 에틸렌 사이클을 도시하고 있는 흐름도이며, 도 4는 도 1의 액화공정 중 메탄 사이클을 도시하고 있는 흐름도이다.
본 발명에 따른 액화공정은 천연가스를 액화 온도까지 냉각시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 공정에 적용될 수 있다. 특히 상이한 조성의 냉매를 각각 채용하는 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 순차적으로 냉각시키는 캐스케이드 공정(Cascade process)에 적용될 수 있다. 이러한 캐스케이드 공정에서는 제1, 제2, 제3 냉매를 각각 채용하는 제1, 제2 및 제3 냉동 사이클을 통해 천연가스를 순차적으로 냉각시킬 수 있다.
캐스케이드 공정에 따른 천연가스의 액화공정은 우선 가장 높은 끓는점을 가지는 제1 냉매를 채용한 제1 냉동 사이클을 통해 천연가스를 예냉(pre-cooling)시키고, 중간 끓는점을 가지는 제2 냉매를 채용한 제2 냉동 사이클을 통해 예냉된 천연가스를 냉각(또는 액화)시키며, 가장 낮은 끓는점을 가지는 제3 냉매를 채용한 제3 냉동 사이클을 통해 냉각(또는 액화)된 천연가스를 액화(또는 과냉각)시킨다. 이러한 순차적 냉각을 위해 통상 제1 냉매로는 프로판 냉매(또는 프로판 주성분 냉매), 제2 냉매로는 에탄 또는 에틸렌 냉매(또는 에탄 또는 에틸렌 주성분 냉매), 그리고 제3 냉매로는 메탄 냉매(또는 메탄 주성분 냉매)가 사용될 수 있다.
이하에서는 위와 같이 세 개의 냉동 사이클을 채용한 천연가스 액화공정에 적용되는 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 설명하도록 한다. 그리고 이하에서는 프로판 냉매를 채용한 제1 냉동 사이클을 프로판 사이클, 에틸렌 냉매를 채용한 제2 냉동 사이클을 에틸렌 사이클, 그리고 메탄 냉매를 채용한 제3 냉동 사이클을 메탄 사이클로 칭하도록 한다. 또한 이해의 편의를 위해 각 냉매의 압력 또는 온도 상태를 괄호 안의 도면 부호 다음에 병기하도록 한다. 그리고 각각의 냉동 사이클은 일반적인 냉동 사이클과 동일하게 기본적으로 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 포함한다. 또한 본 발명에 따른 각각의 냉동 사이클은 과냉기(sub-cooler)와 기액 분리기(vapor-liquid separator)를 포함한다.
참고로, 각 도면에서 'C1'은 메탄 사이클과 관계되는 구성들을, 'C2'는 에틸렌 사이클과 관계되는 구성들을, 'C3'는 프로판 사이클과 관계되는 구성들을 나타낸다. 그리고 각 도면에서 'Eva'는 증발기(Evaporator)를, 'Comp'는 압축기(compressor)를, 'EV'는 팽창밸브(expansion valve)를, 'S.C'는 과냉기(sub-cooler)를, 'Sep'는 기액 분리기(vapor-liquid separator)를 나타낸다.
우선 도 1 및 도 2를 참조하여 프로판 사이클에 대해 설명한다. 프로판 증발기(3010)에서 천연가스 등과의 간접적 열교환에 의해 증발된 기상의 냉매(31, 1.08bar)는 제1 단 압축기(3021)로 유입된다. 제1 단 압축기(3021)에서 압축된 냉매(32, 3bar)는 후술할 제2 기액 분리기(3062)에서 분리된 기상의 냉매(32', 3bar)와 혼합된 후 제2 단 압축기(3022)로 유입된다. 제2 단 압축기(3022)에서 압축된 냉매(34, 5bar)는 제1 기액 분리기(3061)에서 분리된 기상의 냉매(34')와 혼합된 후 제3 단 압축기(3023)로 유입된다. 제3 단 압축기(3023)에서 압축된 냉매(36, 8.5bar)는 제1 냉각기(3031)에 의해 냉각된다. 이러한 냉각기는 해수 등을 이용하는 수랭식 또는 공랭식 냉각기 중 어느 하나일 수 있으나, 본 실시예에서는 공랭식 냉각기인 제1 냉각기(3031)를 예로서 설명한다. 제1 냉각기(3031)에서 냉각된 냉매(37, 8.25bar, 40℃)는 후술할 과냉기(3043)에서 증발된 냉매(37', 8.25bar)와 혼합된 후 제4 단 압축기(3024)로 유입된다. 제4 단 압축기(3024)에서 압축된 냉매(39, 13.98bar)는 제2 냉각기(3032)로 유입된다.
이와 같이 본 실시예에 따른 액화공정에서는 직렬로 연결되는 4 개의 압축수단(3021~3024)에 의해 냉매를 순차적으로 압축한다. 전술한 바와 같이 제1 단 압축기(3021)로 유입되는 냉매의 압력은 대략 1.08bar이고 제4 단 압축기(3024)에서 토출되는 냉매(39)의 압력은 대략 13.98bar이다. 이와 같이 고압으로 냉매를 압축한다는 점을 고려할 때, 본 실시예와 같이 복수 개의 압축기를 직렬로 연결하여 냉매를 다단으로 압축하는 것이 압축기의 소요동력을 감소시킨다는 측면에서 바람직하다.
다만, 액화 플랜트의 설계 시 경제성 또한 하나의 중요한 지표가 되므로(압축기 개수의 증가는 액화 플랜트 건설 비용을 증가시킨다), 소요동력의 감소와 경제성을 함께 고려할 때, 프로판 사이클에 있어 압축기의 단 수는 3단 또는 4단인 것이 바람직하다. 또한 동일한 취지에서 에틸렌 사이클에 있어 압축기의 단 수는 3단 또는 4단인 것이 바람하며, 메탄 사이클에 있어 압축기의 단 수는 4단 또는 5단인 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 프로판 사이클의 경우에는 4단의 압축기를, 에틸렌 사이클의 경우에는 4단의 압축기를, 그리고 메탄 사이클의 경우에는 5단의 압축기를 채용하고 있다.
그리고 압축기로 유입되는 냉매의 온도가 낮아지면 낮아질수록 냉매의 비체적도 감소하기 때문에 압축기의 소요동력이 감소될 수 있다. 이러한 소요동력 감소를 위해 본 실시예에 따른 액화공정에서는 후술할 기액 분리기(3061, 3062)를 통해 저온의 기상 냉매(32', 34')를 저단 압축기 출구의 냉매(32, 34)와 혼합시킨다. 결국, 본 실시예에 따른 액화공정에서는 다단 압축 방식을 통해 압축기의 소요동력을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기액 분리기에 의해 분리된 저온의 기상 냉매를 저단 압축기 출구의 냉매와 혼합시켜 냉매의 온도를 낮춤으로써 결과적으로 압축기의 소요동력을 감소시킬 수 있다. 이러한 효과는 프로판 사이클에서뿐만 아니라 에틸렌 사이클과 메탄 사이클에서도 동일하게 얻어질 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제2 냉각기(3032)에서 냉각된 냉매(391, 13.73bar, 40℃)는 분배기(3041)로 유입된다. 분배기(3041)로 유입된 냉매(391)는 주 냉매(392)와 부 냉매(391')로 분배된다. 이러한 주 냉매는 후술할 바와 같이 복수 개의 팽창밸브(3051~3053)에 의해 순차적으로 팽창된 다음, 증발기(3010)에서 천연가스와의 간접적 열교환을 통해 상기 천연가스를 냉각시킨다. 한편, 분배기(3041)에 의해 분배된 부 냉매(391')는 부 냉매 팽창밸브(3042)에 의해 팽창된다. 이와 같이 팽창된 부 냉매(391'', 8.5bar)는 과냉기(3043)로 유입되어 주 냉매(392)와의 간접적 열교환을 통해 증발된다. 증발된 부 냉매(37')는 전술한 바와 같이 제1 냉각기(3031)에서 냉각된 냉매(37)와 혼합된 후 제4 단 압축기(3024)로 유입된다. 그리고 팽창된 부 냉매(391'')와의 열교환에 의해 과냉각된 주 냉 매(393, 13.48bar, 21.7℃)는 제1 팽창밸브(3051)로 유입된다.
참고로 본 실시예의 프로판 사이클에서는 제2 냉각기(3032)에 의해 냉매가 응축된다. 결국, 본 실시예의 프로판 사이클에서는 제2 냉각기(3032)가 응축수단으로서의 역할을 수행한다. 이를 위해 전술한 압축기들(3021~3024)은 제2 냉각기(3032)에서 냉매가 응축될 수 있는 압력으로 냉매를 압축하는 것이 필요하다. 이때 압축기의 소요동력을 감소시킨다는 측면을 고려할 때 위와 같이 냉매를 응축시킬 수 있는 최소 압력으로 압축기를 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 실시예에 따른 액화공정에서는 응축수단(3032) 출구의 액상 냉매(391)의 일부를 바이패스 시켜 팽창시킨 후 이 냉매(391'')를 이용하여 주 냉매(392)를 과냉각시킴으로써 필요 냉매 유량을 감소시킬 수 있기 때문에(즉, 과냉도의 증가로 냉동효과가 증가하여 결과적으로 필요 냉매 유량을 감소시킬 수 있기 때문에) 압축기의 소요동력을 감소시킬 수 있다. 또한 주 냉매(392)를 과냉각시키는 부 냉매(391'')는 과냉기(3043)에서 증발된 후 저온의 기체 상태(37')로 제4 단 압축기(3024)로 유입되기 때문에 과열도가 감소하여 압축기의 소요동력이 또한 감소될 수 있다. 이러한 효과는 프로판 사이클에서뿐만 아니라 에틸렌 사이클과 메탄 사이클에서도 동일하게 얻어질 수 있다.
한편, 분배기(3041)에 의해 분배될 부 냉매(391')의 유량은 주 냉매의 과냉각에 따른 냉동효과의 증가와 주 냉매의 유랑 감소에 따른 냉동능력의 감소를 함께 고려하여 적절히 설정하여야 한다. 이에 대해 상술하면, 분배기(3041)에 의해 분배될 부 냉매(391')의 유량을 증가시키면 과냉기(3043) 내에서 주 냉매(392)를 과냉각시키는 정도가 증가하므로, 결국 주 냉매의 과냉도 증가로 냉동효과가 증가할 수 있다. 이에 반하여 분배기(3041)에 의해 분배될 부 냉매(391')의 유량을 증가시키면 증발기(3010)로 유입되는 주 냉매의 유량이 감소하기 때문에 증발기(3010)에서의 냉동능력이 감소할 수밖에 없다. 결국, 분배기(3041)에 의해 분배될 부 냉매(391')의 유량은 위 두 가지 사항을 모두 고려하여 적절히 설정하여야 한다. 참고로 분배기에 의해 분배될 부 냉매의 유량과 후술할 부 냉매 팽창밸브에 의한 부 냉매의 압력 강하 정도는 프로판 사이클에서뿐만 아니라 에틸렌 사이클과 메탄 사이클에서도 동일하게 고려되어야 한다.
그리고 분배기(3041)에 의해 분배된 부 냉매(391')가 부 냉매 팽창밸브(3042)를 통과한 이후의 압력(즉, 과냉기 입구에서의 부 냉매 압력)은 다음의 세 가지 사항을 함께 고려하여 설정하여야 한다. 즉, 부 냉매 팽창밸브(3042)를 통과한 이후의 부 냉매(391'')의 압력이 낮아지면 낮아질수록 그만큼 부 냉매(391'')의 온도가 낮아지기 때문에 주 냉매(392)를 보다 더 과냉각시킬 수 있다는 점, 제4 단 압축기(3024)로 유입되는 냉매(38)는 저온의 기체 상태일 때가 바람직하다는 점을 고려할 때 과냉기(3043)를 통과한 이후의 부 냉매(37')의 온도는 낮으면 낮을수록 바람직하다는 점, 및 부 냉매(391'')의 압력이 낮아지면 낮아질수록 부 냉매(391'')의 건도가 증가하여 주 냉매(392)로부터의 열전달 정도가 감소한다는 점을 고려하여 부 냉매 팽창밸브에 의한 부 냉매의 압력 강하 정도를 설정하여야 한다. 결국, 부 냉매(391'')의 건도를 최소화하면서도 주 냉매(393)의 과냉도를 최대화할 수 있는 범위에서 부 냉매 팽창밸브에 의한 부 냉매의 압력 강하 정도를 설정 하여야 한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 과냉기(3043)에서 과냉각된 주 냉매(393, 13.48bar, 21.7℃)는 제1 팽창밸브(3051)로 유입된다. 제1 팽창밸브(3051)에 의해 팽창된 주 냉매(394, 5bar)는 제1 기액 분리기(3061)로 유입되어, 그 기상 부분(34')은 전술한 바와 같이 제2 단 압축기(3022)에 의해 압축된 냉매(34)와 혼합된 후 제3 단 압축기(3023)로 유입되고, 그 나머지 부분(395, 5bar)은 제2 팽창밸브(3052)로 유입된다. 제2 팽창밸브(3052)에 의해 팽창된 주 냉매(396, 3bar)는 다시 제2 기액 분리기(3062)로 유입되어, 그 기상 부분(32')은 전술한 바와 같이 제1 단 압축기(3021)에 의해 압축된 냉매(32)와 혼합된 후 제2 단 압축기(3022)로 유입되고, 그 나머지 부분(397, 3bar)은 제3 팽창밸브(3053)로 유입된다. 제3 팽창밸브(3053)에 의해 팽창된 주 냉매 부분(398, 1.43bar)은 프로판 증발기(3010)에서 천연가스(1), 에틸렌 사이클의 에틸렌 냉매(291) 및 메탄 사이클의 메탄 냉매(191)를 냉각시킨다. 이러한 열교환에 의해 증발된 주 냉매(31)는 다시 제1 단 압축기(3021)로 유입된다.
이와 같이 본 실시예에 따른 액화공정에서는 복수 개의 팽창밸브(3051~3053)를 통해 주 냉매를 순차적으로 팽창시키고, 기액 분리기(3061, 3062)를 통해 상기 팽창밸브에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 주 냉매로부터 분리하여 압축기(3022, 3023)로 유입시킨다. 이러한 과정을 통해 본 실시예에 따른 액화공정은 전술한 바와 같이 기액 분리기에 의해 분리된 저온의 기상 냉매를 저단 압축기 출구의 냉매와 혼합시켜 냉매의 온도를 낮춤으로써 결과적으로 압축기의 소 요동력을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 주 냉매로부터 제거함으로써 최종적으로 증발기에 유입되는 주 냉매는 그 건도가 최소화될 수 있으며, 이의 결과로 천연가스 등으로부터의 열전달 정도가 향상되어 액화공정의 냉동능력이 향상될 수 있다. 이러한 효과는 프로판 사이클에서뿐만 아니라 에틸렌 사이클과 메탄 사이클에서도 동일하게 얻어질 수 있다.
다음으로 도 1 및 도 3을 참조하여, 에틸렌 사이클에 대해 설명한다. 에틸렌 증발기(2010)에서 천연가스 등과의 간접적 열교환에 의해 증발된 기상의 냉매(21, 1.32bar)는 제1 단 압축기(2021)로 유입된다. 제1 단 압축기(2021)에서 압축된 냉매(22, 4bar)는 후술할 제2 기액 분리기(2062)에서 분리된 기상의 냉매(297')와 혼합된 후 제2 단 압축기(2022)로 유입된다. 제2 단 압축기(2022)에서 압축된 냉매(24, 9bar)는 제1 기액 분리기(2061)에서 분리된 기상의 냉매(24')와 혼합된 후 제3 단 압축기(2023)로 유입된다.
제3 단 압축기(2023)에서 압축된 냉매(26, 16bar)는 제1 냉각기(2031)에서 냉각된다. 이러한 냉각기는 해수 등을 이용하는 수랭식 또는 공랭식 냉각기 중 어느 하나일 수 있으나, 본 실시예에서는 공랭식 냉각기인 제1 냉각기(2031)를 예로서 설명한다. 제1 냉각기(2031)에서 냉각된 냉매(27, 15.75bar, 40℃)는 후술할 과냉기(2043)에서 증발된 냉매(26')와 혼합된 후 제4 단 압축기(2024)로 유입된다. 제4 단 압축기(2024)에서 압축된 냉매(29, 20.75bar)는 제2 냉각기(2032)로 유입된다.
제2 냉각기(2032)에서 냉각된 냉매(291, 20.50bar, 40℃)는 프로판 사이클 의 프로판 증발기(3010)로 유입된다. 참고로 에틸렌 사이클에서는 프로판 증발기(3010)에 의해 냉매가 응축된다. 즉, 제4 단 압축기(2024)에 의해 압축된 냉매(29)는 제2 냉각기(2032)를 통해 예냉(pre-cooling)된 후 프로판 증발기(3010)에서 프로판 냉매(398)와의 열교환을 통해 응축된다. 결국, 본 실시예의 에틸렌 사이클에서는 프로판 증발기(3010)가 응축수단으로서의 역할을 수행한다. 이를 위해 전술한 압축기들(2021~2024)은 프로판 증발기(3010)에서 냉매가 응축될 수 있는 압력으로 냉매를 압축하는 것이 바람직하다. 이때 압축기의 소요동력을 감소시킨다는 측면을 고려할 때 위와 같이 냉매를 응축시킬 수 있는 최소 압력으로 압축기를 설정하는 것이 바람직하다.
프로판 증발기(3010)에서 응축된 냉매(292, 20.15bar)는 분배기(2041)로 유입된다. 분배기(2041)로 유입된 냉매(292)는 주 냉매(293)와 부 냉매(292')로 분배된다. 분배기(2041)에 의해 분배된 부 냉매(292')는 부 냉매 팽창밸브(2042)에 의해 팽창된다. 이와 같이 팽창된 부 냉매(292'', 16bar)는 과냉기(2043)로 유입되어 주 냉매(293)와의 간접적 열교환을 통해 증발된다. 증발된 부 냉매(26')는 전술한 바와 같이 제1 냉각기(2031)에서 냉각된 냉매(27)와 혼합된 후 제4 단 압축기(2024)로 유입된다. 그리고 팽창된 부 냉매(292'')와의 열교환에 의해 과냉각된 주 냉매(294, 19.9bar)는 제1 팽창밸브(2051)로 유입된다.
제1 팽창밸브(2051)에 의해 팽창된 주 냉매(295, 9bar)는 제1 기액 분리기(2061)로 유입되어, 그 기상 부분(24')은 전술한 바와 같이 제2 단 압축기(2022)에 의해 압축된 냉매(24)와 혼합된 후 제3 단 압축기(2023)로 유입되고, 그 나머지 부분(296)은 제2 팽창밸브(2052)로 유입된다. 제2 팽창밸브(2052)에 의해 팽창된 주 냉매(297, 4bar)는 다시 제2 기액 분리기(2062)로 유입되어, 그 기상 부분(297')은 전술한 바와 같이 제1 단 압축기(2021)에 의해 압축된 냉매(22)와 혼합된 후 제2 단 압축기(2022)로 유입되고, 그 나머지 부분(298)은 제3 팽창밸브(2053)로 유입된다. 제3 팽창밸브(2053)에 의해 팽창된 주 냉매 부분(299, 1.67bar)은 에틸렌 증발기(2010)에서 천연가스(2), 메탄 사이클의 메탄 냉매(192)를 냉각시킨다. 이러한 열교환에 의해 증발된 주 냉매(21)는 다시 제1 단 압축기(2021)로 유입된다.
마지막으로 도 1 및 도 4를 참조하여, 메탄 사이클에 대해 설명한다. 메탄 증발기(1010)에서 천연가스와의 간접적 열교환에 의해 증발된 기상의 냉매(11, 2.05bar)는 제1 단 압축기(1021)로 유입된다. 제1 단 압축기(1021)에서 압축된 냉매(12, 4bar)는 후술할 제3 기액 분리기(1063)에서 분리된 기상의 냉매(12')와 혼합된 후 제2 단 압축기(1022)로 유입된다. 제2 단 압축기(1022)에서 압축된 냉매(14, 12bar)는 제2 기액 분리기(1062)에서 분리된 기상의 냉매(14')와 혼합된 후 제3 단 압축기(1023)로 유입된다.
제3 단 압축기(1023)에서 압축된 냉매(16, 23bar)는 제1 기액 분리기(1061)에서 분리된 기상의 냉매(16')와 혼합된 후 제4 단 압축기(1024)로 유입된다. 제4 단 압축기(1024)에서 압축된 냉매(18, 30bar)는 과냉기(1043)에서 증발된 냉매(18')와 혼합된 후 제5 단 압축기(1025)로 유입된다. 제5 단 압축기(1025)에서 압축된 냉매(191, 38bar)는 프로판 사이클의 프로판 증발기(3010)로 유입된다. 프 로판 증발기(3010)에서 프로판 냉매(398)와의 열교환을 통해 냉각된 냉매(192, 37.65bar)는 에틸렌 증발기(2010)로 유입된다. 에틸렌 증발기(2010)에서 에틸렌 냉매(299)와의 열교환을 통해 응축된 냉매(193, 37.3bar)는 분배기(1041)로 유입된다. 참고로 메탄 사이클에서는 에틸렌 증발기(2010)에 의해 냉매가 응축된다. 결국, 본 실시예의 메탄 사이클에서는 에틸렌 증발기(2010)가 응축수단으로서의 역할을 수행한다.
분배기(1041)로 유입된 냉매(193)는 주 냉매(194)와 부 냉매(193')로 분배된다. 분배기(1041)에 의해 분배된 부 냉매(193')는 부 냉매 팽창밸브(1042)에 의해 팽창된다. 이와 같이 팽창된 부 냉매(193'', 30bar)는 과냉기(1043)로 유입되어 주 냉매(194)와의 간접적 열교환을 통해 증발된다. 증발된 부 냉매(18', 29.75bar)는 제4 단 압축기(1024)에서 압축된 냉매(18)와 혼합된 후 제5 단 압축기(1025)로 유입된다. 그리고 팽창된 부 냉매(193'')와의 열교환에 의해 과냉각된 주 냉매(195, 37.05bar)는 제1 팽창밸브(1051)로 유입된다.
제1 팽창밸브(1051)에 의해 팽창된 주 냉매(196, 23bar)는 제1 기액 분리기(1061)로 유입되어, 그 기상 부분(16')은 제3 단 압축기(1023)에 의해 압축된 냉매(16)와 혼합된 후 제4 단 압축기(1024)로 유입되고, 그 나머지 부분(197)은 제2 팽창밸브(1052)로 유입된다. 제2 팽창밸브(1052)에 의해 팽창된 주 냉매(198, 12bar)는 다시 제2 기액 분리기(1062)로 유입되어, 그 기상 부분(14')은 제2 단 압축기(1022)에 의해 압축된 냉매(14)와 혼합된 후 제3 단 압축기(1023)로 유입되고, 그 나머지 부분(199)은 제3 팽창밸브(1053)로 유입된다.
제3 팽창밸브(1053)에 의해 팽창된 주 냉매 부분(1991, 4bar)은 다시 제3 기액 분리기(1063)로 유입되어, 그 기상 부분(12')은 제1 단 압축기(1021)에 의해 압축된 냉매(12)와 혼합된 후 제2 단 압축기(1022)로 유입되고, 그 나머지 부분(1992)은 제4 팽창밸브(1054)로 유입된다. 제4 팽창밸브(1054)에 의해 팽창된 주 냉매 부분(1993, 2.4bar)은 메탄 증발기(1010)에서 천연가스(3)를 냉각시킨다. 이러한 열교환에 의해 증발된 주 냉매(11)는 다시 제1 단 압축기(1021)로 유입된다.
이러한 세 개의 폐 루프 냉동 사이클을 통해 천연가스는 액화될 수 있다. 즉, 공급된 천연가스(1, 50bar)는 프로판 증발기(3010)에서 프로판 냉매(398)와의 열교환을 통해 예냉되고, 이렇게 예냉된 천연가스(2, 49.50bar)는 에틸렌 증발기(2010)에서 에틸렌 냉매(299)와의 열교환을 통해 냉각되며, 이렇게 냉각된 천연가스(3, 49.15bar)는 메탄 증발기(1010)에서 메탄 냉매(1993)와의 열교환을 통해 액화된다. 액화된 천연가스(4, 48.80bar)는 팽창밸브(101)에서 대기압 정도로 팽창된다. 팽창된 액화천연가스(5, 1.013bar)는 기액 분리기(102)에서 기상과 액상으로 분리된 후 기상 부분(6')은 연로로 사용되거나 재액화되고, 액상 부분(6)은 탱크로 유입되어 저장된다.
이러한 본 실시예에 따른 액화공정을 도 6을 통해 설명한 기존의 캐스케이드 공정과 동일한 액화 온도 -160.1℃와 동일한 액화율 92%에서 비교해 보았을 때, 프로판 사이클의 경우에는 냉매 유량이 29.9% 감소하였고, 에틸렌 사이클의 경우에는 냉매 유량이 8.2% 감소하였으며, 메탄 사이클의 경우에는 냉매 유량이 17.96% 감소하였다. 또한 총 소요동력은 30.54% 감소하였고, 액화공정 전체의 COP는 29.45% 증가하였으며, 단위 LNG당 소요동력은 30.57% 감소하였다.
또한 본 실시예에 따른 액화공정을 종래의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정(도 7 참조)과 비교해 보면 다음 표와 같다.

구분
실시예 1에 따른 액화공정
종래의 필립스 옵티마이즈드
캐스케이드 공정

소요동력[MW]
231.28
223.65

COP
1.56
1.55

단위 LNG당
소요동력[KJ/KG]
1585.01
1533.31
결국, 기존의 캐스케이드 공정(도 6 참조)의 효율을 향상시키기 위해 개발된 종래의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정(도 7 참조)과 대비하여 보더라도, 본 실시예에 따른 액화공정은, 그 소요동력, COP, 단위 LNG당 소요동력 측면에서 차이가 없다는 것을 알 수 있다.
실시예 2
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 본 발명의 실시예 2에 따른 액화공정은 도 7을 통해 설명한 종래의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정(Phillips Optimized Cascade Process)에 본 발명의 기본 특징을 구현한 것이다. 즉, 각 냉동 사이클에 있어 응축수단 출구의 액상 냉매의 일부를 바이패스 시켜 팽창시킨 후 이를 이용하여 주 냉매를 과냉각시키는 공정(도 5의 점선으로 표시한 박스 참조)을 종래의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정(도 7 참조)에 구현하였다. 그리고 프로판 사이클의 경우에는 4단의 압축기를, 에틸렌 사이클의 경우에는 4단의 압축기를, 그리고 메탄 사이클의 경우에는 5단의 압축기를 채용하였다.
이러한 본 실시예에 따른 액화공정을 도 7을 통해 설명한 기존의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정과 비교해 보면 다음 표와 같다.

구분
실시예 2에 따른 액화공정
종래의 필립스 옵티마이즈드
캐스케이드 공정

소요동력[MW]
213.43
223.65

COP
1.60
1.55

단위 LNG당
소요동력[KJ/KG]
1462.96
1533.31
결국, 기존의 캐스케이드 공정의 효율을 향상시키기 위해 개발된 종래의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정과 대비하여 보더라도, 본 실시예에 따른 액화공정은, 그 소요동력, COP, 단위 LNG당 소요동력 측면에서 보다 뛰어난 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 액화공정 중 프로판 사이클을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 3은 도 1의 액화공정 중 에틸렌 사이클을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 4는 도 1의 액화공정 중 메탄 사이클을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 액화공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 6은 종래의 캐스케이드 공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 7은 종래의 필립스 옵티마이즈드 캐스케이드 공정을 도시하고 있는 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1010, 2010, 3010: 증발기
1021~1025, 2021~2024, 3021~3024: 압축기
2031, 2032, 3031, 3032: 냉각기
1041, 2041, 3041: 분배기
1042, 2042, 3042: 부 냉매 팽창밸브
1043, 2043, 3043: 과냉기
1051~1054, 2051~2053, 3051, 3053: 팽창밸브
1061~1063, 2061, 2062, 3061, 3062: 기액 분리기

Claims (14)

  1. 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서,
    상기 폐 루프 냉동 사이클은,
    냉매를 응축하는 단계;
    응축된 냉매를 주 냉매와 부 냉매로 분배하는 단계;
    분배된 부 냉매를 팽창하는 단계;
    팽창된 부 냉매를 상기 주 냉매와 간접적으로 열교환시켜 상기 주 냉매를 과냉각하는 단계;
    과냉각된 주 냉매를 팽창하는 단계;
    팽창된 주 냉매를 천연가스와 간접적으로 열교환시켜 상기 천연가스를 냉각하는 단계; 및
    상기 천연가스와의 열교환에 의해 증발된 주 냉매를 압축수단에 의해 압축하는 단계를 포함하며,
    상기 주 냉매를 팽창하는 단계는 직렬로 연결된 복수 개의 팽창수단에 의해 상기 주 냉매를 순차적으로 팽창하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창수단에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 상기 주 냉매로부터 분리하는 단계, 및 분리된 주 냉매의 기상 부분을 상기 압축수단으로 유입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 냉매를 압축하는 단계는 직렬로 연결되는 복수 개의 압축수단에 의해 상기 주 냉매를 순차적으로 압축하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 냉매와의 열교환에 의해 증발된 부 냉매를 상기 압축수단으로 유입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분배하는 단계는 주 냉매의 과냉각에 따른 냉동효과의 증가와 주 냉매의 유랑 감소에 따른 냉동능력의 감소를 함께 고려하여 분배될 부 냉매의 유량을 결정하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 부 냉매를 팽창하는 단계는 팽창 이후의 부 냉매의 건도를 최소화하 고 상기 주 냉매의 과냉도를 최대화할 수 있도록 팽창에 따른 부 냉매의 압력 강하 정도를 결정하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  8. 냉매를 응축시키기 위한 응축수단을 각각 포함하는 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화시스템에 있어서,
    상기 응축수단에 의해 응축된 냉매를, 천연가스를 냉각시키기 위한 주 냉매와 주 냉매를 과냉각시키기 위한 부 냉매로 분배시키는 분배수단;
    상기 분배수단에 의해 분배된 부 냉매를 팽창시키는 부 냉매 팽창수단;
    상기 분배수단에 의해 분배된 주 냉매를 상기 부 냉매 팽창수단에 의해 팽창된 부 냉매와 간접적으로 열교환시켜 상기 주 냉매를 과냉각시키는 과냉수단;
    상기 과냉수단에 의해 과냉각된 주 냉매를 순차적으로 팽창시키는 복수 개의 팽창수단; 및
    상기 복수 개의 팽창수단 사이에 구비되어 상기 팽창수단에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 상기 주 냉매로부터 분리하는 적어도 하나의 기액 분리수단을 포함하며,
    상기 기액 분리수단에 의해 분리된 주 냉매의 기상 부분은 냉매를 압축시키는 압축수단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.
  9. 냉매를 응축시키기 위한 응축수단을 각각 포함하는 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화시스템에 있어서,
    상기 응축수단에 의해 응축된 냉매를, 천연가스를 냉각시키기 위한 주 냉매와 주 냉매를 과냉각시키기 위한 부 냉매로 분배시키는 분배수단;
    상기 분배수단에 의해 분배된 부 냉매를 팽창시키는 부 냉매 팽창수단;
    상기 분배수단에 의해 분배된 주 냉매를 상기 부 냉매 팽창수단에 의해 팽창된 부 냉매와 간접적으로 열교환시켜 상기 주 냉매를 과냉각시키는 과냉수단;
    상기 과냉수단에 의해 과냉각된 주 냉매를 팽창시키는 제1 팽창수단; 및
    상기 제1 팽창수단에 의해 팽창된 주 냉매 중 기상 부분을 상기 주 냉매로부터 분리하는 제1 기액 분리수단을 포함하며,
    상기 제1 기액 분리수단에 의해 분리된 주 냉매의 기상 부분은 냉매를 압축시키는 압축수단으로 유입되고, 상기 주 냉매의 나머지 부분은 제2 팽창수단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.
  10. 삭제
  11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 과냉수단을 통과한 부 냉매는 냉매를 압축시키는 압축수단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.
  12. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 응축수단으로 유입되는 냉매는 직렬로 연결되는 복수 단(stage)의 압축수단에 의해 순차적으로 압축된 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.
  13. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 폐 루프 냉동 사이클은, 프로판 냉매를 통해 천연가스를 냉각시키는 프로판 사이클, 에틸렌 냉매를 통해 천연가스를 냉각시키는 에틸렌 사이클, 및 메탄 냉매를 통해 천연가스를 냉각시키는 메탄 사이클을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 응축수단으로 유입되는 냉매는 직렬로 연결되는 복수 단의 압축수단에 의해 순차적으로 압축된 것이며, 상기 프로판 사이클은 4단의 압축수단을 포함하고, 상기 에틸렌 사이클은 4단의 압축수단으로 포함하며, 상기 메탄 사이클은 5단의 압축수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.
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