KR101150657B1 - 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기, 액화 천연 가스 저장 탱크 및 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법 - Google Patents

회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기, 액화 천연 가스 저장 탱크 및 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법 Download PDF

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Abstract

회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기(10)는 일련의 압축 스테이지(12, 14, 16, 18)를 구비한다. 가스 통로(8)는 상기 일련의 압축 스테이지를 통과한다. 상기 가스 통로(8)는 간접 열교환기 형태의 냉각 수단(26, 28, 30)을 통해서 연장되며, 열교환 관계에 있다. 상기 열교환기(26, 28, 30)의 각각은 관로(36)에서 공급되는 LNG에 의해 냉각된다. 열교환기(26, 28, 30) 각각으로의 LNG 유동을 제어하기 위한 유동 제어 밸브(50, 52, 54)가 제공된다. 이들 밸브(50, 52, 54)는 각각 상기 압축 스테이지(14, 16, 18)의 입구 온도를 선택된 주위온도 이하의 온도로 또는 선택된 주위온도 이하의 온도 한계치 사이로 유지하도록 온도 센서(60, 62, 64)에 반응하여 제어된다.

Description

회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기, 액화 천연 가스 저장 탱크 및 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법{COMPRESSOR}
본 발명은 회전식 액화 천연 가스 보일오프(boil-off) 압축기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 보일오프된 천연 가스를 압축하는 방법에 관한 것이다.
액화 천연 가스는 단열 탱크에 저장되어야만 한다. 단열에도 불구하고, 주위로부터 식별가능한 열 유입이 항상 존재하며 이로 인해 액화 천연 가스는 적정 비율로 비등(boil)한다. 그 결과로 발생하는 보일오프된 액화 천연 가스는 압축 및 재액화되거나, 연료로서 사용될 수 있다. 보일오프된 천연 가스를 연료로 사용하려면 통상 그 압축이 필요하다. 예를 들면, 선상 액화 천연 가스 저장탱크로부터의 보일오프 가스를 사용하여 선박의 추진 시스템의 일부를 형성하는 가스 터빈에 연료로 공급하는 것이 제안되어 있다. 그러한 가스 터빈은 통상 보일오프된 천연 가스가 20 내지 40bar 정도의 압력으로 압축될 것을 요구한다. 다른 예에서, 천연 가스는 디젤 연료와 함께 양 연료를 사용하는 엔진에서 사용된다. 이 예에서, 천연 가스는 5 내지 7bar 범위의 압력으로 압축될 수 있다.
종래의 보일오프 압축기는 40bar 정도의 높은 압력을 달성할 필요가 있을 때 여섯 개의 압축 스테이지를 연속적으로 사용한다. 각 스테이지에서의 가스 압축은 열을 발생한다. 따라서, 천연 가스는 각 쌍의 연속 스테이지 사이에서 물을 사용한 간접 열교환에 의해 냉각된다. 이러한 기계는 통상 상당히 큰 모터를 요구하며 전력 소비가 상당하다.
본 발명의 목적은 크기 및 전력 소비량을 감소시킨 액화 천연 가스 보일오프 압축기를 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 적어도 두 개의 압축 스테이지가 연속적으로 마련되며, 연속적인 상기 압축 스테이지를 관통하는 가스 통로를 구비한 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기로서, 상기 가스 통로는 상기 압축 스테이지 사이 또는 각 쌍의 상기 압축 스테이지 사이의 적어도 하나의 냉각 수단을 통해서 연장되고 그와 열교환 관계에 놓이는, 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기에 있어서, 상기 냉각 수단 또는 상기 냉각 수단 중 적어도 하나는 극저온 냉각 수단이며, 상기 극저온 냉각 수단의 하류측의 다음 압축 스테이지의 입구 온도 또는 관련 파라미터에 반응하여 극저온 냉각 수단으로의 극저온 냉매 유동을 제어하기 위한 밸브 수단이 마련되어, 사용시에는 상기 입구 온도를 선택된 주위온도 이하의 온도로 또는 선택된 주위온도 이하의 온도 한계치 사이로 유지시키는 것을 특징으로 하는 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기가 제공된다.
본 발명은 또한, 적어도 두 개의 압축 스테이지가 연속적으로 마련되며, 연속적인 상기 압축 스테이지를 관통하는 가스 통로를 구비한 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기를 작동시키는 방법으로서, 압축 보일오프된 천연 가스를 일방의 압축 스테이지의 하류측 및 타방의 압축 스테이지의 상류측에서 극저온 냉매에 의해 냉각시키는 단계와, 다른 압축 스테이지로의 입구에서 압축 천연 가스의 입구 온도 또는 관련 파라미터를 감시하는 단계와, 상기 입구 온도를 선택된 주위온도 이하의 온도로 또는 선택된 주위온도 이하의 온도 한계치 사이로 유지하도록 극저온 냉매의 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 극저온 냉매를 특히 각 쌍의 연속적인 압축 스테이지 사이에서 사용함으로써, 각 스테이지의 입구 압력에 대한 출구 압력의 비율을 증가시킬 수 있고, 따라서, 일반적으로는 특정 압력을 달성하는데 필요한 압축 스테이지의 수를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 압축기 및 방법에 의하면 4단의 압축 스테이지만을 사용하여 보일오프된 액체 천연 가스의 압력을 1bar 내지 대략 40bar로 상승시킬 수 있는데 비하여, 본 발명에 필적하는 종래의 압축기로서 전형적으로는 수냉식의 비-극저온 냉각을 사용하는 압축기는 그러한 고압에 도달하기 위해 6단의 압축 스테이지를 필요로 한다. 그 결과, 본 발명은 이러한 상황에서 상대적으로 적은 압축 스테이지 및 낮은 전력 소비를 사용하는 소형 기계로 동일한 압력 증가를 달성할 수 있다.
상기 또는 각각의 극저온 냉각 수단은, 간접 냉각 수단, 예를 들어 경로가 분리되어 있는 열교환기일 수도 있고, 직접 냉각 수단, 예를 들어 가스의 통로가 챔버를 통해 연장되고 그 챔버 내부로 극저온 액체가 예컨대 분사 형태로 도입되는 것일 수도 있다. 각 쌍의 압축 스테이지의 중간에 극저온 냉각 수단이 마련되어 있는 것이 바람직하다. 3단 또는 그 이상의 압축 스테이지가 존재할 경우에는 극저온 냉각 수단 중 적어도 하나는 간접 극저온 냉각 수단이고 적어도 다른 하나는 직접 냉각 수단이다. 하나의 바람직한 구성에서 극저온 액체는 간접 극저온 냉각 수단에서 단지 부분적으로만 기화되며, 직접 극저온 냉각 수단의 입구를 간접 극저온 냉각 수단의 출구와 연통하도록 배치하는 통로가 마련된다.
또한, 최종 압축 스테이지의 하류측에는 직접 또는 간접 극저온 냉각 수단이 마련될 수도 있다. 이 극저온 냉각 수단은, 간접 냉각 수단인 경우, 그 상류측의 직접 극저온 냉각 수단으로의 입구와 연통하는 출구를 가질 수도 있다.
극저온 냉매의 공급원은, 보일오프 가스가 방출되는 동일한 액체 천연 가스 저장 탱크 또는 저장 탱크 어레이인 것이 바람직하다. 이러한 탱크는 종래에는 극저온 냉매 수단에 극저온 액체를 공급하기 위해 사용될 수 있는 소위 스트리핑(stripping) 펌프를 구비한다. 선택적으로, 전용 극저온 냉매 공급 펌프가 사용될 수도 있다.
제 1 압축 스테이지의 상류측에 극저온 냉각 수단이 마련될 수도 있다. 이러한 극저온 냉각 수단은 보일오프된 천연 가스가 통상 극저온 상태에 있을 때는 보통 작동되지 않지만, 액화 천연 가스 저장 탱크가 거의 비워져서 보일오프된 가스가 통상 바람직하지 않게 높은 온도에서 수용되는 때에는 필요하게 되며, 이러한 상태는 통상 외항 LNG 탱크선이 그 LNG 적재물을 해안기지 터미널에 하역한 후에 발생한다. 상류측 냉각 수단은 배관이 따뜻해져 있는 경우에는 시동 시에도 사용될 수 있다.
천연 가스가 압축되는 속도를 보충하기 위해서, 본 발명에 따른 압축기는 강제 액화 천연 가스 기화기와 연통되어 있는 중간 입구를 가질 수 있다.
강제 기화기 및 극저온 냉각 수단은 필요할 경우 극저온 액체의 공급을 위해 공통의 펌프를 공유할 수 있다.
압축기의 각 스테이지의 입구 온도는 마이너스 50℃ 내지 마이너스 140℃ 범위의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 각 스테이지를 가로지르는 압력비를 2.15:1 내지 3:1의 범위로, 전형적으로는 2.5:1 내지 3:1의 범위로 달성할 수 있다. 압축기의 임의의 스테이지에 진입하는 천연 가스 중에 액적이 일절 존재하지 못하게 하는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 임의의 직접 극저온 냉각 수단이 사용되는 경우, 결과적으로 발생하는 냉각된 가스는 그 가스로부터 액체 입자를 분리하기 위한 장치를 통과할 수 있다.
이제 본 발명에 따른 압축기 및 그 사용 방법에 대해 첨부도면을 참조하여 예시적으로 설명할 것이다.
도 1 내지 도 5는 개략적인 흐름도,
도 6은 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 압축기의 직접 냉각 스테이지 중 임의의 것에 대한 변형예의 도시도.
도 1을 참조하면, LNG 저장 탱크(2)가 도시되어 있다. 도시를 쉽게 하기 위하여, 탱크(2)와 연관된 각종 파이프 및 밸브, 예를 들면 그 충진 파이프 및 그 LNG 방출 파이프는 도 1 및 기타 도면에서 도시하지 않았다. 이러한 LNG 탱크의 구조 및 작동은 당업계에 공지되어 있다. 탱크(2)는 통상 외항 탱크선(도시되지 않음)의 선상에 설치되어 있다. 탱크(2)는 일정 체적의 LNG(4)를 수용하는 것으로 도시되어 있다. 탱크(2) 내 LNG(4)의 표면 위에는 빈 공간(ullage space: 탱크 최상부와 유면 사이의 공간)(6)이 존재한다. 탱크(2)는 주위 환경으로부터 액체(4)로의 열 유량을 억제하기 위해 진공 절연되거나 또는 그와 연관된 다른 형태의 단열 대책이 실시되어 있다. 탱크(2)의 단열에도 불구하고, LNG는 극저온에서 끓기 때문에, 그 주위로부터 계속 열을 흡수하고 그에 따라 상기 빈 공간 내로 계속 증발한다. 그 결과, 기화된 가스가 탱크(2)에서 통로(8)로 계속 유동한다. 상기 통로(8)는 가스 유동을 다단 원심형 천연 가스 압축기(10)로 제공한다. 압축기(10)의 각 스테이지 하류측에서의 가스 냉각용 장치, 및 압축기의 제 1 스테이지 상류측에서의 가스 냉각용 선택적 장치와는 별도로, 본질적으로는 종래의 형태이지만, 극저온에서 사용하기에 적합한 재료로 제조된다. 질소 압축기와 달리, 천연 가스 압축기(10)는 방폭적(explosion-proof)이도록 제조된다. 천연 가스 압축기(10)의 여러가지 특징은 통상적이므로, 도 1에 도시되어 있지 않다. 따라서, 예를 들면 개별 압축 스테이지에서의 회전 장치는 도시되어 있지 않다.
원심형 압축기(10)는 도시된 바와 같이 4단의 압축 스테이지(12, 14, 16, 18)를 연속적으로 구비한다. 압축 스테이지(12, 14, 16, 18) 각각의 회전 부재(도시되지 않음)는 동일한 구동 샤프트(20)에 장착되어 전기 모터(22)에 의해 구동된다. 그러나, 모든 압축 스테이지가 동일 샤프트에 장착될 필요는 없다. 필요한 경우, 일부 스테이지는 제 1 샤프트에 장착될 수 있고, 다른 스테이지들은 제 2 샤프트에 장착될 수도 있으며, 구동력은 기어 박스를 통해서 하나의 샤프트에서 다른 샤프트로 전달될 수 있다. 마찬가지로, 샤프트(20)를 구동하기 위해 전기 모터(22)가 사용될 필요는 없다. 대신에 다른 종류의 모터가 사용되거나, 또는 증기 터빈과 같은 다른 형태의 구동원이 사용될 수도 있다. 그러나 전기 모터(22)가 사용되는 경우, 이는 단일 속도를 갖는 종류이거나, 또는 회전 속도를 변화시켜서 압축기의 성능을 최적화시킬 수 있는 주파수 변환기를 채용하는 것이 바람직하다.
천연 가스가 각 스테이지(12, 14, 16, 18)에서 압축되면 그 온도가 상승된다. 일반적으로, 온도가 높을수록 열역학적으로 압축 효율은 낮아진다. 각 압축 스테이지에서의 입구 온도가 높을수록 가스를 압축하는데 소비되는 전력이 많이 든다. 또한, 가스의 온도가 높아지면 그 밀도가 낮아진다. 가스의 밀도가 높을수록 주어진 압력 증가를 달성하는데 필요한 압축 스테이지가 작아진다. 이는 저온 또는 고온에서의 엔탈피 변화에 대응한다.
본 발명에 따르면, 제 1 압축 스테이지(12)와 제 2 압축 스테이지(14) 중간에 제 1 극저온 스테이지 간(interstage) 열교환기(26)가 배치되고, 제 2 압축 스테이지(14)와 제 3 압축 스테이지(16) 중간에 제 2 극저온 스테이지 간 열교환기(28)가 배치되며, 제 3 압축 스테이지(16)와 최종 압축 스테이지(18) 중간에 제 3 극저온 스테이지 간 열교환기(30)가 배치된다. 이들 열교환기(26, 28, 30)는 천연 가스가 일련의 압축 스테이지(12, 14, 16, 18)를 통해서 순서대로 유동할 때 천연 가스의 극저온 스테이지 간 냉각을 달성하는데 사용된다. 추가 극저온 열교환기(32)가 최종 압축 스테이지(18) 하류측에 배치되고, 또 다른 추가 극저온 열교환기(24)가 제 1 압축 스테이지(12)의 상류측에 배치된다. 따라서, 통로(8)는 상류측 극저온 열교환기(24), 제 1 압축 스테이지(12), 제 1 극저온 스테이지 간 열교환기(26), 제 2 압축 스테이지(14), 제 2 극저온 스테이지 간 열교환기(28), 제 3 압축 스테이지(16), 제 3 극저온 스테이지 간 열교환기(30), 최종 압축 스테이지(18) 및 하류측 극저온 열교환기(32)를 통해서 순차로 연장된다.
탱크(2) 내 액체(4) 체적으로부터 방출되는 보일오프된 천연 가스의 냉각은 스테이지 간 열교환기(26, 28, 30)의 각각에서 이루어진다. 이 냉각은 순차적으로 다음 압축 스테이지에 진입하는 가스의 온도를 마이너스 50℃ 내지 마이너스 140℃ 범위의 온도로 감소시키기 위해 극저온에서 실행된다. 상류측 열교환기(24)는 가스를 제 1 압축 스테이지(12)의 상류측과 유사한 온도로 냉각하는데 사용될 수 있으나, 통상 가스가 이미 이 온도에 있으므로 정상 작동 중에 열교환기(24)는 바이패스되거나 작동되지 않을 것이다. 그러나, 탱크(2)로부터 LNG를 방출할 때의 통상적인 관행은 귀로 중에 탱크(2)를 유지하기 위해 그 내부에 소량의 액체를 남겨두는 것이다. 따라서, 귀로 중에서는, 보일오프 가스의 온도는 탱크(2)가 만충전일 때에 비해 훨씬 높아지는 경향이 있으므로, 상류측 열교환기(24)를 작동하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 하류측 열교환기는 압축기(10)의 최종 스테이지(18)를 떠나는 가스를 마이너스 50℃ 내지 마이너스 140℃ 범위의 극저온으로 할 필요가 있는 경우에 그 가스를 냉각시키도록 작동될 수 있다. 그러나, 주위온도로 할 필요가 있는 경우에는 극저온 열교환기(32)가 생략될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 극저온 열교환기(24, 26, 28, 30, 32) 전체는 간접 열교환기이다. 후술하는 바와 같이, 일부 또는 전부는 선택적으로 직접 열교환기, 즉 냉각 유체가 냉각될 유체와 혼합되는 열교환기일 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 스테이지 간 열교환기(26, 28, 30) 중 하나 만을 작동할 수 있지만 그러한 작동 모드는 바람직하지 않다는 것에 유의해야 한다. 또한 본 발명에 따르면, 둘 이상의 쌍의 압축 스테이지 중간에서 보일오프된 천연 가스의 극저온 냉각을 제공하는 단일 간접 열교환기를 마련할 수도 있다. 예를 들면, 열교환기(26, 28, 30)는 단일 유닛에 조합될 수 있다. 또한, 필요하다면 그 유닛에 열교환기(24, 32)가 포함될 수도 있다.
열교환기(24, 26, 28, 30, 32)의 냉각을 위한 극저온 유체의 공급원은 저장 탱크(2) 자체이다. 탱크(2) 내에 침지된 펌프(34)는 액화 천연 가스(LNG)를 주 관로(pipeline)(36)로 펌핑한다. 주 관로(36)는 분배 파이프(38, 40, 42, 44, 46) 각각에 의해 열교환기(24, 26, 28, 30, 32) 내의 냉각 통로와 연통한다. 이들 열교환기의 각각에서 냉각은 압축되는 보일오프 가스와 간접 열교환하는 LNG의 부분 또는 전체 기화에 의해 이루어진다. 스테이지 간 열교환기(26, 28, 30) 각각으로의 LNG 유동은, 다음 압축 스테이지로의 입구에서의 보일오프 가스의 온도를 순차로 선택된 수치 또는 선택된 한계치 사이로 유지하도록 제어된다. 제 1 스테이지 간 열교환기(26)는 관련 분배 파이프(40)에 유동 제어 밸브(50)를 가지며, 이 유동 제어 밸브(50)는 열교환기(26)로부터의 압축된 보일오프 가스 출구와 제 2 압축 스테이지(14)로의 입구의 중간 영역에서 통로(8)에 설치되는 온도 센서(60)에 대해 밸브 콘트롤러(70)를 통해서 작동적으로 연관된다. 유동 제어 밸브 분야의 당업자라면, 밸브(50)가 센서(60)에 의해 감지되는 온도를 마이너스 130℃와 같은 선택된 값으로, 또는 마이너스 125℃ 내지 마이너스 135℃ 사이의 온도로 유지하도록 배치될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다. 두 개의 다른 스테이지 간 열교환기(28, 30)와, 상류측 열교환기(24) 및 하류측 열교환기(32)에 대해 본질적으로 동일한 유동 제어 장비가 제공된다. 열교환기(28)로의 LNG 유동의 제어는 분배 파이프(42) 내의 유동 제어 밸브(52)에 의해 제공된다. 통로(8)에서 열교환기(28)의 출구와 다음 압축 스테이지(16)로의 입구의 중간에는 온도 센서(62)가 설치된다. 밸브 콘트롤러(72)는 감지된 온도를 선택된 값으로 또는 선택된 온도 사이로 유지하도록 밸브(52)를 조절하게 되어 있으며, 제 3 스테이지 간 열교환기(30)에 대해서는 유동 제어 밸브(54), 온도 센서(64) 및 밸브 콘트롤러(74)의 본질적으로 동일한 배열이 제공되고, 하류측 열교환기(32)에 대해서는 유동 제어 밸브(56), 온도 센서(66) 및 밸브 콘트롤러(76)의 본질적으로 동일한 배열이 제공되며, 상류측 열교환기(24)에 대해서는 유동 제어 밸브(48), 온도 센서(58) 및 유동 콘트롤러(68)의 본질적으로 동일한 배열이 제공된다.
LNG에 대한 요구가 변동되면, 여분의 LNG는 주 관로(36)에서 분기되는 복귀 관로(78)를 통해서 탱크로 복귀될 수 있다. 관로(78)에는 LNG 공급을 일정한 압력으로 유지하기 위해 분배 파이프(38, 40, 42, 44, 46) 전체의 상류측 영역에서 밸브 콘트롤러(82)를 통해서 주 관로(36) 내의 압력 센서(80)와 작동적으로 연관되는 유동 제어 밸브(79)가 제공되는 것이 바람직하다. 필요할 경우, 탱크(2)로부터 관로(36)로의 LNG 펌핑 속도는 관로(78)를 통한 탱크(2)로의 LNG 복귀가 항상 존재하도록 항상 열교환기(24, 26, 28, 30, 32)에 요구되는 정도를 초과할 수 있다. 그러한 복귀는 탱크(2) 내에서의 LNG의 성층(成層) 효과를 개선하거나 제어하도록 배치될 수 있다.
도 1에 도시된 장치의 작동에 있어서, 열교환기(24, 26, 28, 30, 32)를 통과하는 LNG 냉매는 전체적으로 또는 부분적으로 증발된 형태로 열교환기(24, 26, 28, 30, 32)와 각각 연관된 파이프(86, 88, 90, 92, 94)를 통해서 주 복귀 관로(84)로 유동한다. 관로(84)는 도시된 바와 같이 이들 열교환기로부터의 저온 천연 가스를 탱크(6)의 빈 공간으로 복귀시킨다. 선택적으로, 관로(84)는 LNG 공급 압력이 충분히 높을 경우 통로(8) 중에서, 열교환기(24)의 상류측 또는 심지어는 열교환기(32)의 하류측 영역에서 종료될 수도 있다.
압축된 보일오프 천연 가스는 전술한 바와 같이 마이너스 60℃ 내지 마이너스 140℃ 범위의 온도로 열교환기(32)를 떠나도록 설정될 수 있다. 가스가 재액화되어야 할 경우에는 보다 낮은 온도가 선호된다. 그러나 가스가 외항선에 대한 추진을 제공하는 엔진을 작동시키기 위한 연료로서 사용되어야 하는 경우에는 보다 높은 온도가 허용될 수 있으며, 실제로 필요할 경우 최종 열교환기(32)는 생략되거나 또는 이를 대체하는 종래의 수냉식 열교환기를 구비할 수도 있다.
각 압축 스테이지(12, 14, 16, 18)를 가로지르는 압력비는 필요한 최종 출구 압력에 따라 선택될 수 있다. 40bar의 천연 가스 공급을 필요로 하는 가스 터빈에서 공급되는 보일오프 가스 스트림의 압력이 1bar인 경우, 각각의 압축 스테이지의 압력비는 2.6:1일 수도 있다. 그러나 가스 터빈이 단지 20bar 압력의 천연 가스를 요구할 경우, 각각의 압축 스테이지를 가로지르는 압력비는 2.1:1이 될 수 있다. 본 발명의 한가지 특별한 장점은 종래의 냉각이 사용될 때 천연 가스에 의해서는 2.6:1 정도의 높은 압력비를 달성하기 곤란하다는 점이다. 필요할 경우, 각각의 압축 스테이지를 가로지르는 압력비는 그 스테이지에 대한 입구 온도를 적절하게 설정함으로써 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 압축기의 가능한 대체 실시예 중 일부가 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다. 도 1 내지 도 5에 도시되는 유사한 부분은 동일한 도면부호로 지칭된다.
먼저 도 2를 참조하면, 압축기 및 관련 장비와 그 작동은 도 1의 간접 열교환기(24, 26, 28, 30, 32)가 직접 열교환기(202, 204, 206, 208, 210)로 각각 대체된다는 점을 제외하고는 도 1에 도시된 대응 압축기 및 장비에 대한 것과 본질적으로 동일하다. 직접 열교환기(202, 204, 206, 208, 210)의 각각에서는 LNG가 저장 탱크(2)로부터 보일오프 가스 스트림에 직접 분사되며, 따라서, 그 스트림을 증강시킨다. 그 결과, 기화된 천연 가스가 저장 탱크(2)로 전혀 재순환되지 않는다. 따라서, 도 2에 도시된 장비에서는 파이프(86, 88, 90, 92, 94) 및 복귀 관로(84)가 생략된다. 도 2에 도시된 장치의 통상적인 작동예에서, 압축 스테이지(12, 14, 16, 18)의 출구 압력은 각각 2.6, 6.3, 15.4, 40bar이다.
관로(8)에 진입하는 보일오프된 천연 가스에는 에탄, 프로판 및 부탄과 같은 무거운 탄화수소 불순물이 없지만, 펌프(34)에 의해 공급되는 LNG는 통상 이들 불순물을 함유할 것이다. 그 결과, 보일오프된 천연 가스와 LNG가 직접 열교환기(202, 204, 206, 208, 210)에서 혼합되면 보일오프된 천연 가스의 이슬점이 상승될 것이다. 따라서, 액체 입자가 혼합 챔버로부터 압축 스테이지로 운반되는 것을 방지하도록 확실한 온도 제어가 이루어지는 것이 바람직하다. 필요하다면, 도 2에 도시된 압축기는 임의의 선택된 직접 열교환기와 그 바로 하류측의 압축 스테이지의 중간에서 보일오프된 천연 가스로부터 액체 입자를 분리하기 위한 장치를 구비할 수 있다. 예를 들어, 이제 도 6을 참조하면 혼합 챔버(600)와 그 관련 압축 스테이지(602) 사이에는 상 분리 용기(604)가 구비되고, 이 용기(604)에는 입구(606) 위에 디미스터(demister: 유체 중의 불순물을 분리, 제거하는 필터) 패드(608)가 삽입된다. 천연 가스가 패드(608)를 통과하면 그로부터 임의의 액체 입자가 분리된다. 상 분리 용기(604)는 그 바닥에 분리된 액체용 출구(612)를 갖는다. 상기 출구(612)에는 유동 제어 밸브(614)가 제공되며, 이 밸브는 용기(604) 내 액체 레벨이 레벨 센서(616)의 레벨에 도달하면 항상 개방되도록 배치될 수 있다. 밸브 콘트롤러(618)는 필요한 신호를 밸브(614)에 전송하도록 프로그래밍될 수 있다. LNG는 저장 탱크(2)로 복귀될 수 있다.
도 6과 관련하여 전술한 바와 같은 장치는 도 2에 도시된 하나 이상의 압축 스테이지의 상류측에 사용될 수 있다.
도 3에는 도 1에 도시된 장비의 다른 대안이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 장비는 탱크(2)에 저장된 LNG로부터의 정상 보일오프 속도가 선박의 추진을 위한 충분한 에너지를 생성하기에는 너무 작을 때 사용하기 위한 것이다. 예를 들어, 보일오프는 가스 터빈에서 연소되거나 듀얼 연료 디젤 엔진에 분사될 수 있다. 통상적으로, 추진력의 50% 내지 60%가 천연 보일오프 가스에 의해 커버될 수 있다. 추진력의 나머지는 오일 또는 디젤 연료에 의해 마련된다. 도 3에 도시된 장비는 선박의 추진을 위한 에너지의 상당 부분 또는 전부가 가스의 연소에 의해 생성될 때 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 장비는 LNG의 천연 비등에 추가적으로 강제 비등을 제공하고, 강제 증기는 압축기의 적어도 한쌍의 스테이지 사이에서의 극저온 냉각을 위해 사용된다.
도 3에 도시된 장비는 도 1에 도시된 장비에 강제 기화기(302)를 추가하는데, 이 강제 기화기는 분배기 파이프(38)와의 결합부 상류측에서 관로(36)와 연통하는 LNG용 입구를 가지며, 추가로 제 1 압축 스테이지(12)의 출구와 제 1 스테이지 간 열교환기(26)로의 압축 천연가스 입구 중간의 가스 통로(8) 영역과 연통하는 출구를 갖는다. 강제 기화기(302)는 제 1 압축 스테이지(12)의 출구로부터의 압축된 천연 가스의 유동을 증강하는데 사용된다. 강제 기화기(302)는 저장 탱크(2)로부터의 액화 천연 가스가 물과 글리콜의 고온 혼합물 또는 증기와의 간접 열교환에 의해 기화되는 셸-튜브 열교환기(304), 및 이렇게 기화된 천연 가스가 상기 셸-튜브 열교환기(304)를 바이패스하는 LNG 유동과 혼합되는 혼합 챔버(306)를 구비한다. LNG의 바이패스 유동을 공급하기 위해서, 내부에 유동 제어 밸브(310)가 배치된 바이패스 통로(308)가 제공된다. 유동 제어 밸브(310)는 챔버(306)의 출구로부터 압축 스테이지(12)와 제 1 스테이지 간 열교환기(26)의 중간에 있는 가스 통로(8) 영역으로 연장되는 관로(316)에서 온도 센서(314)로부터 신호를 수신하는 밸브 콘트롤러(312)와 작동적으로 연관된다. 장치는, 바이패스되는 LNG의 양이 가스 통로의 유동의 온도를 선택된 온도로 또는 선택된 온도 한계치 사이로 유지하기 위해 조절될 수 있도록 구성된다. 셸-튜브 열교환기(304)로의 LNG 유동은 열교환기(32) 하류측의 관로(316)에서 압력 센서(322)로부터의 초과 가스에 대한 요구 신호에 반응하여 밸브 콘트롤러(320)와 작동적으로 연관되는 유동 제어 밸브(318)에 의해 제어된다. 장치는 강제 기화기(302)로부터의 기화 천연 가스의 유동이 본질적으로 제 1 압축 스테이지(12)의 출구 압력과 본질적으로 동일한 압력에 있도록 구성된다.
이제 도 4를 참조하면, 간접 및 직접 열교환기의 조합이 사용되는, 도 3에 도시된 장비의 변형예가 도시되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 간접 열교환기(24, 26, 28)는 각각 직접 열교환기(402, 404, 406)로 대체된다. 또한, 파이프(38, 40, 42, 86, 88, 90)는 부분 기화 천연 가스 재생 파이프(408, 410, 412)로 대체되며, 밸브(48, 50, 52)는 각각 이들 파이프에 배치된다. 도 3에 도시된 장치와의 추가적인 차이점은 강제 기화기(302)가 이제 제 2 압축 스테이지(14)의 출구와 직접 스테이지 간 열교환기(406)로의 입구의 중간에 있는 가스 통로(8) 영역과 연통한다는 점이다.
도 4에 도시된 장비의 작동은 도 3에 도시된 것과 유사하다. 열교환기(30, 32)에서, 열교환기(30, 32)에 공급된 LNG는 단지 부분적으로 기화되며, 그 결과로 발생하는 차가운 증기와 액체의 혼합물은 직접 열교환기(402, 404, 406)로 재순환된다. 이 장치는 특히 압축기(10)의 전력 소비를 억제하는데 효과적이다.
이제 도 5를 참조하면, 도시된 장치는 본질적으로 도 2에 도시된 것과 동일하지만, 이에 추가하여 최종 압축 스테이지(18)의 출구의 하류측이면서 직접 열교환기(210)의 상류측에 있는 가스 통로(8) 영역에서 가스 통로(8)와 연통되는 점을 제외하고는 도 3에 도시된 것과 본질적으로 동일한 강제 기화기(302)를 채용한다. 도 5에 도시된 실시예에서, 강제 기화기(302)는 압축기(10)의 최종 스테이지(18)의 출구 압력과 본질적으로 동일한 압력으로 가스 통로(8)에 천연 가스 유동을 제공하도록 작동된다.
따라서, 도 3에 도시된 압축기는 비교적 낮은 압력의 강제 기화기를 채용하는 반면 도 5에 도시된 압축기는 비교적 높은 압력의 강제 기화기를 채용하고, 도 4에 도시된 압축기는 다른 두 압축기의 작동 압력 사이의 압력으로 작동하는 강제 기화기를 채용하는 것을 알 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 압축기는, 직접 냉각된 천연 가스를 수용하는 상 분리 용기를 그 임의 스테이지의 상류측에 구비함으로써 변형될 수 있으며, 상기 상 분리 용기는 도 6에 도시된 것과 본질적으로 동일하고 디미스터와 조립된다.

Claims (16)

  1. 적어도 두 개의 압축 스테이지가 연속적으로 마련되며, 연속적인 상기 압축 스테이지를 관통하는 가스 통로를 구비한 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기로서, 상기 가스 통로는 상기 압축 스테이지 사이 또는 각 쌍의 상기 압축 스테이지 사이의 적어도 하나의 냉각 수단을 통해서 연장되고 그와 열교환 관계에 놓이는, 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기에 있어서,
    상기 냉각 수단 또는 상기 냉각 수단 중 적어도 하나는 극저온 냉각 수단이며,
    상기 극저온 냉각 수단의 하류측의 다음 압축 스테이지의 입구 온도에 반응하여 상기 극저온 냉각 수단으로의 극저온 냉매의 유동을 제어하기 위한 밸브 수단이 마련되어, 사용시에는 상기 입구 온도를 선택된 주위온도 이하의 온도로 또는 선택된 주위온도 이하의 온도 한계치 사이로 유지시키는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 극저온 냉각 수단은 간접 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 극저온 냉각 수단은 직접 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 직접 냉각 수단은 극저온 액체를 도입하기 위한 입구를 갖는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 직접 냉각 수단의 출구는 천연 가스로부터 액체 입자를 분리하도록 구성된 용기와 연통되며, 상기 용기는 상기 다음 압축 스테이지와 연통되는 천연 가스용 출구를 갖는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 쌍의 연속적인 압축 스테이지의 중간에는 극저온 냉각 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    적어도 세 개의 압축 스테이지가 순차로 배치되며,
    적어도 하나의 직접 극저온 냉각 수단 및 적어도 하나의 간접 극저온 냉각 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    직접 냉각 수단의 입구가 간접 냉각 수단의 출구와 연통되는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    최종 압축 스테이지의 하류측에 극저온 냉각 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    제 1 압축 스테이지의 상류측에 극저온 냉각 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기는 강제 액화 천연 가스 기화기와 연통하는 중간 입구를 갖는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 압축기와 연통되는 보일오프된 천연 가스용 출구를 갖는 액화 천연 가스 저장 탱크에 있어서,
    상기 극저온 냉각 수단은 상기 저장 탱크 내의 액화 천연 가스와 연통되는
    액화 천연 가스 저장 탱크.
  13. 적어도 두 개의 압축 스테이지를 연속적으로 구비하며, 연속적인 상기 압축 스테이지를 관통하는 가스 통로를 구비한 회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기를 작동시키는 방법에 있어서,
    압축 보일오프된 천연 가스를 일방의 압축 스테이지의 하류측 및 타방의 압축 스테이지의 상류측에서 극저온 냉매에 의해 냉각시키는 단계와,
    다른 압축 스테이지로의 입구에서 압축 천연 가스의 입구 온도를 감시하는 단계와,
    상기 입구 온도를 선택된 주위온도 이하의 온도로 또는 선택된 주위온도 이하의 온도 한계치 사이로 유지하도록 상기 극저온 냉매의 유량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 압축 스테이지의 입구 온도는 마이너스 50℃ 내지 마이너스 140℃ 범위의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    각각의 압축 스테이지를 가로지르는 압력비는 2.15:1 내지 3:1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    각각의 압축 스테이지를 가로지르는 압력비는 2.5:1 내지 3:1의 범위에 있는 것을 특징으로 하는
    회전식 액화 천연 가스 보일오프 압축기 작동 방법.
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