KR101145303B1 - Ｌｎｇ ｆｐｓｏ용 천연가스 액화방법 및 장치 - Google Patents

Ｌｎｇ ｆｐｓｏ용 천연가스 액화방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스 부유식 원유 생산 저장 설비(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 질소 팽창사이클과 천연가스의 증발잠열을 이용하여 전체 시스템의 구성을 간략화하고 효율을 높인 천연가스(LNG) 부유식 원유 생산 저장 설비(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명인 천연가스(LNG) 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치는, 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클을 이용하여 냉각시켜 액화천연가스로 처리하는 질소 팽창사이클을 이용한 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치에 있어서,
상기 질소 팽창사이클의 질소가스 열교환기에서 액화된 생성물 중 자연 기화된 천연가스를 이용한 다수의 예냉각용 열교환기를 사용하여 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클의 질소가스 열교환기에 공급되기 전에 예냉각을 시키도록 이루어진다.

Description

ＬＮＧ ＦＰＳＯ용 천연가스 액화방법 및 장치{Natural gas liquefaction method and equipment for LNG FPSO}
본 발명은 천연가스 부유식 원유 생산 저장 설비(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 질소 팽창사이클과 천연가스의 증발잠열을 이용하여 전체 시스템의 구성을 간략화하고 효율을 높인 천연가스(LNG) 부유식 원유 생산 저장 설비(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다.
천연가스(NG)는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다.
액화천연가스는 천연가스를 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
종래 사용되고 있는 천연가스의 액화방법은, 천연가스를 하나 이상의 열교환기 내부를 통과시켜 냉각함으로써 이루어지는 것이다.
미국특허 제 3,735,600 호 및 제 3,433,026 호 등에는 천연가스를 하나 내지 수 개의 열교환기에 공급하여 액화하는 액화방법이 개시되어 있다.
본 명세서에서, 천연가스(NG)란, 주성분이 메탄이지만 다른 탄화수소 성분이나 질소를 포함하는 혼합물을 의미하며, 어떤 형태(기상(氣相), 액상(液相) 또는 기상과 액상의 혼합상)의 것도 포함하는 개념이다.
액체상태로 천연가스를 저장 및 운반하기 위해서는, 천연가스가 대략 -151℃ 내지 -163℃ 정도로 냉각되어야 하며, 여기서 LNG는 대기압 정도의 압력을 갖는다.
또한, 종래에는 도 3과 같이 원유생산 설비에서 생산된 천연가스(NG)를 해저배관라인을 통해 지상으로 이송하여 액화시키는 작업(처리)을 하였으나, 최근에는 도 4와 같이 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)에서 생산된 천연가스를 지상으로 이송하여 처리하지 않고 FPSO 내에서 처리하도록 하는 처리방법 등이 개발 및 제공되고 있다.
이와 같이 생산된 천연가스를 액체상태의 천연가스로 액화하는 방법 및 장치의 종래기술에는 공개특허공보 10-2009-109713호의 혼합냉매 사이클을 이용한 천연가스 액화방법 및 장치와, 공개특허공보 10-2009-110964호의 혼합냉매 사이클 및 질소 팽창사이클을 이용한 천연가스 액화방법 및 장치와, 공개특허공보 10-2009-110965호의 메탄 팽창사이클, 혼합냉매 사이클 및 질소 팽창사이클을 이용한 천연가스 액화방법 및 장치와, 공개특허공보 10-2009-086916호의 탄화수소 액화가스를 처리하기 위한 부유식 해상 구조물 및 상기 구조물에서 액화탄화수소 액화가스의 처리방법 등이 제공되어 있다.
본 발명은 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)에서 생산된 천연가스를 배관이나 배를 이용하여 지상으로 이송하지 않고 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO) 내에서 생산된 천연가스를 액화시켜 저장시키는 천연가스 액화장치를 구비할 수 있도록 천연가스 액화장치의 전체 시스템의 구성을 간략화하고 효율을 높인 천연가스 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 질소의 사용을 줄임으로써 질소 팽창사이클의 크기를 줄일 수 있는 천연가스 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하고자 하는 본 발명인 LNG FPSO용 천연가스 액화방법은,
생산된 천연가스를 질소 팽창사이클을 이용하여 냉각시켜 액화천연가스로 처리하는 질소 팽창사이클을 이용한 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화방법에 있어서, 상기 질소 팽창사이클의 질소가스 열교환기에서 액화된 생성물 중 자연 기화된 천연가스를 이용한 다수의 예냉각용 열교환기를 사용하여 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클의 질소가스 열교환기에 공급되기 전에 예냉각을 시키는 것을 특징으로 한다.
상기 다수의 예냉각용 열교환기에 사용된 자연 기화된 천연가스는 압축기와 냉각기를 거쳐 생산된 천연가스와 혼합된다.
상기와 같은 목적을 달성하고자 하는 본 발명인 LNG FPSO용 천연가스 액화장치는, 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클을 이용하여 냉각시켜 액화천연가스로 처리하는 질소 팽창사이클을 이용한 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화장치에 있어서, 상기 생산된 천연가스를 자연 기화된 천연가스를 이용한 예냉각 시키는 1개 이상의 예냉각 열교환기와, 상기 예냉각 열교환기를 통과한 예냉각 시킨 천연가스를 자연 기화된 천연가스와 질소 팽창사이클의 질소가스를 이용한 액화 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 질소 팽창사이클은, 질소가스를 압축시키는 질소가스 압축기와, 상기 질소가스 압축기를 통과한 질소가스를 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기를 통과한 질소가스를 액화 열교환기를 통과한 질소가스와 열교환을 시키는 질소가스 열교환기와, 상기 질소가스 열교환기를 통과한 질소가스를 팽창시키는 팽창기와, 상시 팽창기를 통과한 질소가스를 이용하여 천연가스를 액화시키는 액화열교환기로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 예냉각 열교환기를 통과한 예냉각용 자연 기화된 천연가스를 압축하고 냉각시키는 천연가스 압축기와 천연가스 냉각기를 구비하고, 상기 액화 열교환기를 통과한 천연가스 중 액화된 천연가스를 제외한 자연 기화된 천연가스는 액화 열교환기와, 예냉각 열교환기를 순차적으로 통과한 후 천연가스 압축기와 천연가스 냉각기를 거쳐 생산된 천연가스와 혼합되도록 이루어짐을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명인 LNG FPSO용 천연가스 액화장치 및 방법은 액화된 천연가스를 제외하고 자연 기화된 저온의 기체상태의 천연가스를 이용하여 공급되는 생산된 천연가스를 질소가스를 이용한 액화열교환기에 공급되기 전에 예냉각을 시킴으로써 액화열교환기의 효율을 높일 수 있다.
또한, 액화열교환기의 효율을 높이기 위한 별도의 냉매의 냉각사이클을 구성하지 않아도 됨으로써 구성을 간소할 수 있는 특징과 이로 인한 시스템을 간소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 LNG FPSO용 천연가스 액화장치의 구성 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 LNG FPSO용 천연가스 액화장치의 구성 개략도.
도 3은 종래의 원유생산설비에서 생산된 천연가스를 지상으로 이송하여 처리하는 개략도.
도 4는 본 발명과 같이 부유식 원유 생산 저장 설비에서 생산된 천연가스를 바로 처리하도록 하는 개략도.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1과 도 2를 참조하여 본 발명인 천연가스를 생산하고, 처리(액화)하고, 저장하는 부유식 원유 생산 저장 설비(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)에서 생산된 천연가스(NG)를 처리(액화)시키는 LNG FPSO용 천연가스 액화장치는 크게, 생산된 천연가스(NG)를 자연 기화된 천연가스를 이용하여 예냉각 시키는 1개 이상으로 이루어진 예냉각 열교환기(10)와, 상기 예냉각 열교환기(10)를 통과한 예냉각된 천연가스를 질소가스를 이용하여 액화시키시 위한 질소 냉각사이클(20)과, 상기 질소 냉각사이클(20)의 질소가스를 이용하여 예냉각된 천연가스를 액화시키는 액화열교환기(30)와, 상기 액화열교환기(30)를 통과한 천연가스를 액체 상태와 기체상태로 분리하는 기액분리기(40)와, 상기 예냉각 열교환기(10)에 사용된 자연 기화된 천연가스를 압축하는 천연가스 압축기(50)와, 상기 압축기(50)를 통과한 압축된 천연가스를 냉각시키는 냉각기(60)를 포함하도록 구성된다.
상기 예냉각 열교환기(10)는 적어도 1개 이상으로 형성되며, 본 발명의 실시예에서의 예냉각 열교환기(10)는 제1 예냉각 열교환기(11)와 제2 예냉각 열교환기(12)로 이루어져 있다.
이러한 상기 예냉각 열교환기(10)는 기액분리기(40)에서 분리된 저온의 자연 기화된 천연가스를 이용하여 생산된 천연가스(NG)를 예냉각 시키는 것으로, 도 1과 도 2와 같이 생산되어 공급되는 천연가스(NG)를 질소가스를 이용한 액화열교환기(30)에 공급되기 전에 예냉각 시키게 된다.
이와 같이 생산된 천연가스(NG)를 액화열교환기(30)에 공급되기 전에 예냉각을 시키게 되면, 액화열교환기(30)의 효율을 높일 수 있고, 이로 인하여 질소 냉각사이클(20)의 크기(부피)를 줄일 수 있게 된다.
상기 예냉각 열교환기(10)에 사용된 자연 기화된 천연가스는 버려지지 않고, 다시 천연가스용 압축기(50)에서 압축되고, 냉각기(60)에서 냉각된 후 공급되는 생산된 천연가스(NG)와 혼합하게 되고, 이 혼합된 천연가스는 예냉각 열교환기(10)에 공급되어 예냉각되게 된다.
상기 질소 냉각사이클(20)은 첨부된 도면과 같이 질소가스를 압축시키는 질소가스 압축기(21)와, 상기 질소가스 압축기(21)를 통과한 질소가스를 냉각시키는 냉각기(22)와, 상기 냉각기(22)를 통과한 질소가스를 액화 열교환기(30)에 사용된 질소가스와 열교환을 시키는 질소가스 열교환기(23)와, 상기 질소가스 열교환기(23)를 통과한 질소가스를 팽창시키는 팽창기(24)와, 상시 팽창기(23)를 통과한 질소가스를 이용하여 천연가스를 액화시키는 액화열교환기(30)로 이루어진다.
미설명된 부호 'V'는 밸브이다.
도 1과 도 2에 나타낸 본 발명의 LNG FPSO용 천연가스 액화장치의 차이점은 다음과 같다.
도 1은 기액분리기(40)에 분리된 저온의 자연 기화된 천연가스를 1차적으로 질소가스를 이용한 액화열교환기(30)에 공급하여 질소가스와 함께 기체상태의 천연가스를 액화시키고, 상기 액화열교환기(30)에 사용된 자연 기화된 천연가스를 다시 다수개로 이루어진 예냉각 열교환기(10)에 순차적으로 공급하여 생산된 천연가스(NG)를 예냉각 시키도록 이루어진 것이며,
도 2는 기액분리기(40)에 분리된 저온의 자연 기화된 천연가스를 다수개로 이루어진 예냉각 열교환기(10)에 순차적으로 공급하여 생산된 천연가스(NG)를 예냉각 시키도록 이루어진 것이다.
즉, 도 1은 저온의 자연 기화된 천연가스를 예냉각 열교환기(10)와 액화열교환기(30)에 사용한 것이며, 도 2는 저온의 자연 기화된 천연가스를 예냉각 열교환기(10)에만 사용한 것이다.
상기와 같이 이루어진 본 발명인 LNG FPSO용 천연가스 액화장치를 이용한 액화방법에 대하여 설명하며,
도 1과 도 2와 같이 생산된 천연가스(NG)는 다수개로 이루어진 자연 기화된 저온의 천연가스를 이용한 예냉각 열교환기(10)를 통과하여 예냉각되며,
상기 예냉각 열교환기(10)를 통과한 예냉각된 천연가스는 질소가스를 이용한 액화열교환기(30)를 통과하여 기체상태의 천연가스는 액상의 액화천연가스로 된다.
상기 액화열교환기(30)를 통과하여 액화된 액화천연가스는 기액분리기(40)에서 자연 기화되는 기체상태의 천연가스와 분리되어 액화천연가스는 저장탱크로 이송되어 저장되고, 자연 기화된 기상의 천연가스는 예냉각 열교환기(10)에 공급되어 생산된 천연가스(NG)를 예냉각 시키게 된다.
상기 예냉각 열교환기(10)에 사용된 자연 기화된 기상의 천연가스는 압축기(50)와 냉각기(60)를 거쳐 생산된 천연가스(NG)와 혼합되어 예냉각 열교환기(10)에 공급된다.
상기 자연 기화된 기상의 천연가스는 도 1과 같이 액화열교환기(30)에 공급되어 질소가스와 함께 예냉각된 천연가스를 액화시키거나, 또는 도 2와 같이 예냉각 열교환기(10)에만 공급되어 생산된 천연가스(NG)를 예냉각 시키게 된다.
도 1과 도 2를 참조하여 질소 팽창사이클(20)에 대하여 설명하면, 질소가스를 압축시키는 질소가스 압축기(21)에서 압축되어 액상의 질소가스로 전환되고, 액상의 질소가스는 냉각기(22)를 통과하여 1차 냉각되고, 상기 1차 냉각된 액상의 질소가스는 질소가스 열교환기(23)에서 액화 열교환기(30)에 사용된 질소가스와 열교환하여 2차 냉각된다.
상기 2차 냉각된 액상의 질소가스는 팽창기(24)에서 팽창하여 극저온으로 질소가스로 전환되어 액화열교환기(30)에 공급되어 기상의 천연가스를 액화시키게 된다.
상기 액화열교환기(30)를 통과한 질소가스는 질소가스 열교환기(23)에 공급되어 액상의 질소가스를 2차 냉각시키고, 압축기(21)에 공급되어 압축되게 된다.
10 : 예냉각 열교환기
20 : 질소 팽창사이클
30 : 액화 열교환기
40 : 기액분리기

Claims (6)

  1. 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클을 이용하여 냉각시켜 액화천연가스로 처리하는 질소 팽창사이클을 이용한 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화방법에 있어서,
    상기 질소 팽창사이클의 질소가스 열교환기에서 액화된 생성물 중 자연 기화된 천연가스를 이용한 다수의 예냉각용 열교환기를 사용하여 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클의 질소가스 열교환기에 공급되기 전에 예냉각을 시키며,
    상기 다수의 예냉각용 열교환기에 사용된 자연 기화된 천연가스는 압축기와 냉각기를 거쳐 생산된 천연가스와 혼합됨을 특징으로 하는 LNG FPSO용 천연가스 액화방법.
  2. 생산된 천연가스를 질소 팽창사이클을 이용하여 냉각시켜 액화천연가스로 처리하는 질소 팽창사이클을 이용한 부유식 원유 생산 저장 설비(FPSO)용 천연가스 액화장치에 있어서,
    상기 생산된 천연가스를 자연 기화된 천연가스를 이용한 예냉각 시키는 1개 이상의 예냉각 열교환기(10)와;
    상기 예냉각 열교환기(10)를 통과한 예냉각 시킨 천연가스를 질소 팽창사이클(20)의 질소가스를 이용한 액화 열교환기(30)와;
    상기 예냉각 열교환기(10)를 통과한 예냉각용 자연 기화된 천연가스를 압축하고 냉각시키는 천연가스 압축기(50)와 천연가스 냉각기(60)를 구비하고,
    상기 액화 열교환기(30)를 통과한 천연가스 중 액화된 천연가스를 제외한 자연 기화된 천연가스는 액화 열교환기(30)와, 예냉각 열교환기(10)를 순차적으로 통과한 후 천연가스 압축기(50)와 천연가스 냉각기(60)를 거쳐 생산되어 공급되는 천연가스와 혼합되도록 이루어짐을 특징으로 하는 LNG FPSO용 천연가스 액화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 질소 팽창사이클(20)은,
    질소가스를 압축시키는 질소가스 압축기(21)와, 상기 질소가스 압축기(21)를 통과한 질소가스를 냉각시키는 냉각기(22)와, 상기 냉각기(22)를 통과한 질소가스를 액화 열교환기(30)를 통과한 질소가스와 열교환을 시키는 질소가스 열교환기(23)와, 상기 질소가스 열교환기(23)를 통과한 질소가스를 팽창시키는 팽창기(24)와, 상시 팽창기(23)를 통과한 질소가스를 이용하여 천연가스를 액화시키는 액화 열교환기(30)로 구성됨을 특징으로 하는 LNG FPSO용 천연가스 액화장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 액화 열교환기(30)는 자연 기화된 천연가스와 질소가스를 이용하여 천연가스를 액화시킴을 특징으로 하는 LNG FPSO용 천연가스 액화장치.
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