KR101153055B1 - Natural gas liquefaction system using plate fin heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 천연가스 액화시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 액화 플랜트를 콤팩트하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 해양 플랜트에도 적합한 천연가스 액화시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a natural gas liquefaction system, and more particularly to a natural gas liquefaction system that can be compactly configured liquefaction plant, also suitable for offshore plants.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 포함한 다양한 과제들을 충족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 이러한 요구들을 만족시키기 위해, 즉 액화공정의 효율과 용량을 높이기 위해 서로 다른 냉매를 사용하거나, 또는 서로 다른 사이클을 사용하여 천연가스를 액화시키는 다양한 시도들이 현재까지도 지속적으로 이루어지고 있으나, 실용적으로 사용되고 있는 액화공정의 수는 매우 적다. Thermodynamic processes for liquefying natural gas to produce liquefied natural gas (LNG) have been developed since the 1970s to meet a variety of challenges, including the need for higher efficiency and greater capacity. Various attempts to liquefy natural gas using different refrigerants or using different cycles to satisfy these requirements, that is, to increase the efficiency and capacity of the liquefaction process, continue to be made. The number of liquefaction processes present is very small.
작동 중에 있으면서도 가장 널리 보급된 액화공정 중의 하나는 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process(또는 C3/MR 공정)'이다. 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, C3/MR 공정에서 천연가스(NG)는 우선 프로판(C3) 냉매를 채용한 줄-톰슨(Joule-Thomson) 사이클(또는 프로판 사이클)을 통해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)된다. 이때 천연가스를 액화시키고 과냉시키는 혼합 냉매(MR)도 천연가스와 함께 냉각된다. 그런 다음 천연가스는 혼합 냉매(MR, Mixed Refrigerant 또는 Multi-component Refrigerant)를 채용한 혼합 냉매 사이클을 통해 대략 123 K까지 액화(liquefied)되고 과냉(sub-cooled)된다. One of the most popular liquefaction processes in operation is the 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process' (or C3 / MR process). As shown in FIG. 4, in the C3 / MR process, natural gas (NG) is first precooled to approximately 238 K via a Joule-Thomson cycle (or propane cycle) employing propane (C3) refrigerant. (pre-cooled) At this time, the mixed refrigerant MR for liquefying and subcooling the natural gas is also cooled together with the natural gas. Natural gas is then liquefied and sub-cooled to approximately 123 K through a mixed refrigerant cycle employing a mixed refrigerant (MR, Mixed Refrigerant or Multi-component Refrigerant).
한편, C3/MR 공정의 프로판 사이클은 그 효율의 향상을 위해 통상적으로 압축기(compressor)를 3단으로 사용한다(도 5 참조). 그런데 통상의 C3/MR 공정은 프로판 사이클에 쉘 튜브 열교환기(shell & tube heat exchanger, 도 6 참조)를 사용하기 때문에, C3/MR 공정을 구현하는 액화 플랜트를 콤팩트하게 구성하는 것이나, C3/MR 공정을 구현하는 해양 플랜트를 구성하는 것이 매우 어렵다는 문제가 있다. Meanwhile, the propane cycle of the C3 / MR process typically uses a compressor in three stages to improve its efficiency (see FIG. 5). However, since the conventional C3 / MR process uses a shell & tube heat exchanger (see FIG. 6) in a propane cycle, the C3 / MR process compactly constitutes a liquefaction plant that implements the C3 / MR process. There is a problem that it is very difficult to construct a marine plant to implement the process.
이에 대해 보다 상술하면, 쉘 튜브 열교환기는 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 2개의 흐름만(예를 들어, 1개의 천연가스의 흐름과 1개의 프로판 냉매의 흐름)을 허용한다. 이에 따라 C3/MR 공정에서 프로판 사이클의 압축기를 3단으로 구성하기 위해서는, 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 천연가스를 위해 3개의 열교환기를, 혼합 냉매를 위해 3개의 열교환기를 사용하여야만 한다. 이와 같이 쉘 튜브 열교환기를 6개나 사용하여야 하기 때문에, 통상의 C3/MR 공정을 구현하는 액화 플랜트는 그 무게와 부피가 상당할 수밖에 없으며(쉘 튜브 열교환기 자체의 무게와 부피도 상당한 편이다), 이의 결과로 액화 플랜트를 콤팩트하게 구성하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라, 무게와 부피에 제한이 있는 해양 플랜트를 구성하는 것은 더더욱 어려울 수밖에 없다.More specifically in this regard, the shell tube heat exchanger allows only two flows (eg, one natural gas and one propane refrigerant), as shown in FIG. 6. Accordingly, in order to configure the compressor of the propane cycle in three stages in the C3 / MR process, as shown in FIG. 5, three heat exchangers must be used for natural gas and three heat exchangers for mixed refrigerant. Since six shell tube heat exchangers have to be used, a liquefaction plant that implements a conventional C3 / MR process has a considerable weight and volume (the weight and volume of the shell tube heat exchanger itself are considerable), As a result, it is very difficult to construct a liquefied plant compactly, and it is more difficult to construct an offshore plant with limited weight and volume.
또한 C3/MR 공정을 해양 플랜트에 구현하면, 프로판 사이클을 구성하는 열교환기의 성능이 매우 떨어진다는 문제도 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 예를 들어 액화 플랜트를 선박 위에 구현하면, 파도에 의한 선체의 흔들림으로 인해 열교환기도 함께 기울어지는 상황이 발생한다. 이와 같이 열교환기가 기울어지는 상황이 발생하면, 쉘 튜브 열교환기의 경우, 천연가스(또는 혼합 냉매)가 흐르는 튜브의 일부가 프로판 냉매의 밖으로 노출될 수 있다. 이와 같이 튜브의 일부가 프로판 냉매의 밖으로 노출되면, 그만큼 열교환이 이루어질 수 없기 때문에 열교환기의 성능도 떨어질 수밖에 없다. In addition, when the C3 / MR process is implemented in an offshore plant, there is a problem that the heat exchanger constituting the propane cycle is very poor. In more detail, for example, when the liquefaction plant is implemented on a ship, a situation occurs in which the heat exchanger also tilts due to the shaking of the hull caused by the waves. When the heat exchanger is inclined as described above, in the case of the shell tube heat exchanger, a portion of the tube through which the natural gas (or mixed refrigerant) flows may be exposed out of the propane refrigerant. When a part of the tube is exposed out of the propane refrigerant in this way, since the heat exchange can not be achieved by that much, the performance of the heat exchanger is inevitably deteriorated.
이러한 문제는 Conoco Phillips 사에 의한 캐스케이드 공정(Cascade process)에서도 동일하게 일어날 수 있다. 이에 대해 보다 상술하면, Conoco Phillips 사에 의한 캐스케이드 공정은 메탄(C1), 에틸렌(C2), 및 프로판(C3)을 사용하는 3개의 줄-톰슨 사이클로 구성된다(도 7 참조). 이러한 각각의 사이클도 효율의 향상을 위해 통상적으로 압축기를 3단으로 사용하며, 또한 열교환기로 쉘 튜브 열교환기를 사용한다. 이에 따라 C3/MR 공정의 프로판 사이클에서와 동일한 문제가 Conoco Phillips 사에 의한 캐스케이드 공정에서도 일어날 수 있다. The same problem can occur in the cascade process by Conoco Phillips. More specifically on this, the cascade process by Conoco Phillips consists of three Joule-Thomson cycles using methane (C1), ethylene (C2), and propane (C3) (see FIG. 7). Each of these cycles also typically uses a compressor in three stages to improve efficiency, and also uses a shell tube heat exchanger as the heat exchanger. As such, the same problems as in the propane cycle of the C3 / MR process can occur in the cascade process by Conoco Phillips.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 액화 플랜트를 콤팩트하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 해양 플랜트에도 적합한 천연가스 액화시스템을 제공하는 것이다. Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is to provide a natural gas liquefaction system that can be configured not only compactly liquefied plant, but also suitable for offshore plants.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 서브 냉매를 채용한 하나의 폐 루프 냉동 사이클과 메인 냉매를 채용한 다른 하나의 폐 루프 냉동 사이클을 포함한 적어도 2개의 냉동 사이클을 통해 천연가스를 단계적으로 냉각시켜 액화시키는 천연가스 액화시스템은, 서브 냉매와의 열교환을 통해 메인 냉매와 천연가스를 함께 냉각시키는 제1 플레이트 핀 열교환기(plate fin heat exchanger), 제1 플레이트 핀 열교환기로부터 배출되는 서브 냉매를 저장하는 제1 저장 탱크, 제1 저장 탱크로부터 배출되는 기상의 서브 냉매를 압축하는 제1 압축기, 및 제1 압축기로부터 배출되는 서브 냉매를 냉각하는 냉각기를 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object of the present invention, at least two refrigeration cycles including one closed loop refrigeration cycle employing sub refrigerant and another closed loop refrigeration cycle employing main refrigerant The natural gas liquefaction system for liquefying and liquefying natural gas step by step, the first plate fin heat exchanger, the first plate fin heat exchanger for cooling the main refrigerant and natural gas together through heat exchange with the sub-coolant A first storage tank for storing the sub-coolant discharged from the heat exchanger, a first compressor for compressing the sub-coolant in the gas phase discharged from the first storage tank, and a cooler for cooling the sub-coolant discharged from the first compressor.
본 발명에 따른 천연가스 액화시스템은 폐 루프 냉동 사이클을 구성하는 열교환기로 플레이트 핀 열교환기를 사용함으로써, 액화시스템을 구현하는 액화 플랜트를 콤팩트하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 액화 플랜트를 용이하게 해양 플랜트로 구성할 수 있으며, 플레이트 핀 열교환기로부터 배출되는 냉매를 압축기에 앞서 저장 탱크에 저장하기 때문에 플레이트 핀 열교환기를 사용함으로써 발생하는 여러 문제들을 저장 탱크라는 단순한 구조만으로도 해결할 수 있다는 효과가 있다. In the natural gas liquefaction system according to the present invention, by using a plate fin heat exchanger as a heat exchanger constituting a closed loop refrigeration cycle, the liquefaction plant implementing the liquefaction system can be compactly constructed, and the liquefaction plant can be easily converted into an offshore plant. Since the refrigerant discharged from the plate fin heat exchanger is stored in the storage tank prior to the compressor, various problems caused by using the plate fin heat exchanger can be solved by a simple structure of the storage tank.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 도 1의 천연가스 액화시스템에 적용되는 플레이트 핀 열교환기를 도시하고 있는 부분 절개 사시도
도 3는 본 발명의 실시예 2에 따른 폐 루프 냉동 사이클을 도시하고 있는 흐름도
도 4는 종래의 C3/MR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 5는 도 4의 공정의 프로판 사이클을 보다 자세히 도시하고 있는 흐름도
도 6은 도 4의 공정의 프로판 사이클에 적용되는 쉘 튜브 열교환기를 도시하고 있는 측단면도
도 7은 종래의 캐스케이드 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도1 is a flowchart showing a natural gas liquefaction system according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a partial cutaway perspective view showing a plate fin heat exchanger applied to the natural gas liquefaction system of FIG.
3 is a flow chart illustrating a closed loop refrigeration cycle according to Embodiment 2 of the present invention.
4 conceptually illustrates a conventional C3 / MR process.
5 is a flow chart illustrating the propane cycle in more detail in the process of FIG. 4.
6 is a side cross-sectional view illustrating a shell tube heat exchanger applied to the propane cycle of the process of FIG. 4.
7 is a flowchart conceptually illustrating a conventional cascade process.
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, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments. For reference, in the present description, the same numbers refer to substantially the same elements, and may be described by quoting contents described in other drawings under these rules. And it can be omitted that it is determined or repeated to those skilled in the art to which the present invention pertains.
실시예 1Example 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 천연가스 액화시스템을 도시하고 있는 흐름도이고, 도 2는 도 1의 천연가스 액화시스템에 적용되는 플레이트 핀 열교환기를 도시하고 있는 부분 절개 사시도이다. 본 발명의 실시예 1 에 따른 천연가스 액화시스템은 적어도 2개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 통해 천연가스를 단계적으로 냉각시킨다. 예를 들어, 하나의 냉동 사이클(전술한 C3/MR 공정의 프로판 사이클 참조)은 서브 냉매를 채용하여 천연가스를 예냉시킬 수 있고, 다른 하나의 냉동 사이클(전술한 C3/MR 공정의 혼합 냉매 사이클 참조)은 메인 냉매를 채용하여 천연가스를 액화(또는 액화시키고 과냉)시킬 수 있다. FIG. 1 is a flowchart illustrating a natural gas liquefaction system according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a partially cutaway perspective view illustrating a plate fin heat exchanger applied to the natural gas liquefaction system of FIG. 1. The natural gas liquefaction system according to Embodiment 1 of the present invention gradually cools natural gas through at least two closed loop refrigeration cycles. For example, one refrigeration cycle (see propane cycle of C3 / MR process described above) may employ sub-coolant to precool natural gas, and another refrigeration cycle (mixed refrigerant cycle of C3 / MR process described above). The main refrigerant may be used to liquefy (or liquefy and supercool) natural gas.
다만, 서브 냉매와 메인 냉매의 구분은 절대적이지 않다. 즉, 천연가스를 예냉하는 냉동 사이클의 냉매가 반드시 서브 냉매이고, 천연가스를 액화시키는 냉동 사이클의 냉매가 반드시 메인 냉매일 필요는 없다. 다시 말해, 서브 냉매와 메인 냉매는 단순히 각각의 사이클에 사용되는 냉매를 구분하기 위해 사용한 용어에 불과하다. 예를 들어, 전술한 캐스케이드 공정에서 천연가스를 예냉시키는 프로판(C3) 사이클뿐만 아니라, 천연가스를 액화시키는 에틸렌(C2) 사이클도 서브 냉매를 채용한 냉동 사이클일 수 있다. However, the division between the sub coolant and the main coolant is not absolute. That is, the refrigerant of the refrigeration cycle for precooling natural gas is necessarily a sub refrigerant, and the refrigerant of the refrigeration cycle for liquefying natural gas is not necessarily the main refrigerant. In other words, the sub refrigerant and the main refrigerant are simply terms used to distinguish the refrigerant used in each cycle. For example, in the aforementioned cascade process, not only propane (C3) cycle for precooling natural gas but also ethylene (C2) cycle for liquefying natural gas may be a refrigeration cycle employing a sub refrigerant.
그리고 본 실시예에 따른 천연가스 액화시스템은 전술한 C3/MR 공정과 유사하게 2개의 냉동 사이클을 포함할 수도 있고, 전술한 캐스케이드 공정과 유사하게 3개의 냉동 사이클을 포함할 수도 있다. 그러나 설명의 편의를 위해 이하에서는 서브 냉매(예를 들어, 프로판 냉매)를 채용하여 천연가스를 예냉시키는 하나의 폐 루프 냉동 사이클과, 메인 냉매(예를 들어, 혼합 냉매)를 채용하여 천연가스를 액화시키는 다른 하나의 폐 루프 냉동 사이클을 포함하는 액화시스템을 예로 들어 설명하기로 한다. The natural gas liquefaction system according to the present embodiment may include two refrigeration cycles similar to the aforementioned C3 / MR process, and may include three refrigeration cycles similar to the above-described cascade process. However, for convenience of explanation, hereinafter, a closed loop refrigeration cycle for precooling natural gas by using a sub refrigerant (for example, propane refrigerant) and a main refrigerant (for example, a mixed refrigerant) may be used for natural gas. A liquefaction system including another closed loop refrigeration cycle of liquefaction will be described as an example.
도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화시스템은 플레이트 핀 열교환기(111), 저장 탱크(121), 압축기(131), 냉각기(141), 및 팽창 밸브(151)를 포함한다. 여기서 플레이트 핀 열교환기(111)는 그 명칭대로 플레이트 핀 열교환기(plate fin heat exchanger)를 말한다. 플레이트 핀 열교환기(111)는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 판형 열교환기(plate-type heat exchanger)의 하나로서, 금속 플레이트 사이에 주름진 핀의 층을 쌓아서 만들어진다. 이러한 플레이트 핀 열교환기(111)는 열교환기 내에 여러 개의 흐름을 허용할 수 있다. 즉, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 플레이트 핀 열교환기(111)는 그 내부에 3개(A, B, C 참조), 또는 그 이상의 흐름을 허용할 수 있다. As shown in FIG. 1, the liquefaction system according to the present embodiment includes a plate
이에 따라 플레이트 핀 열교환기(111)를 사용하면, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 하나의 서브 냉매의 흐름만으로도 메인 냉매(MR)와 천연가스(NG)를 함께 냉각시킬 수 있으며, 이의 결과로 종래의 쉘 튜브 열교환기를 사용할 때보다 천연가스 액화시스템에 설치하여야 하는 열교환기의 개수를 절반으로 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 열교환기의 개수가 절반으로 줄어들기 때문에 냉동 사이클을 구현하는 액화 플랜트의 무게나 부피도 종래의 쉘 튜브 열교환기를 사용할 때보다 현저하게 작아질 수 있다. 더욱이 플레이트 핀 열교환기 자체의 무게와 부피도 쉘 튜브 열교환기에 비해 매우 작은 편이다. Accordingly, when the plate
결국, 본 실시예에 따른 액화시스템은, 서브 냉매를 채용한 냉동 사이클에 플레이트 핀 열교환기(111)를 사용함으로써, 액화시스템을 구현하는 액화 플랜트를 콤팩트하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 액화 플랜트를 용이하게 해양 플랜트로 구성할 수 있다. 이러한 장점은 실시예 2에서 설명할 바와 같이 냉동 사이클의 압축기를 다단으로 구성할 때에 더욱 현저하다. As a result, the liquefaction system according to the present embodiment can compactly configure the liquefaction plant that implements the liquefaction plant by using the plate
한편, 서브 냉매는 플레이트 핀 열교환기(111)에서의 열교환을 통해 부분적으로 기상으로 변화한다. 압축기(131)로 액상의 냉매가 유입되면 압축기(131)에 손상이 발생할 수 있기 때문에, 서브 냉매는 열교환을 통해 전부 기상으로 변화하는 것이 바람직하다. 그러나 실제로는 서브 냉매의 일부만 기상으로 변화한다. 따라서 플레이트 핀 열교환기(111)가 전술한 장점을 가지고 있다 하더라도, 그대로 냉동 사이클에 적용하면 압축기(131)에 손상이 발생할 수 있다는 문제가 있다. 본 실시예에 따른 액화시스템은 이러한 문제를 저장 탱크(121)로 해결하고 있다. On the other hand, the sub coolant is partially changed to the gas phase through heat exchange in the plate fin heat exchanger (111). When the liquid refrigerant flows into the
이러한 저장 탱크(121)에 대해 보다 상술하면, 저장 탱크(121)는 전술한 플레이트 핀 열교환기(111)로부터 배출되는 서브 냉매를 저장하는 구성이다. 이때 액상의 서브 냉매는 저장 탱크(121)에 그대로 저장되고 기상의 서브 냉매는 도관을 통해 압축기(131)로 배출된다. 저장 탱크(121)의 상부에 배출구를 형성하면, 액상의 서브 냉매가 저장 탱크(121)로부터 흘러 넘치지 않는 이상, 기상의 서브 냉매만 전술한 배출구를 통해 압축기(131)로 배출될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따른 액화시스템은 플레이트 핀 열교환기(111)를 사용하기 때문에 발생할 수 있는 여러 문제를 저장 탱크(121)라는 단순한 구성만으로 해결하고 있다. More specifically with respect to the
즉, 본 실시예에 따른 액화시스템은 서브 냉매가 플레이트 핀 열교환기(111)를 거친 다음에 구조가 복잡하지도 않으면서 무게나 부피도 크지 않은 저장 탱크(121)를 거치기 때문에, 전체 시스템의 구조를 복잡하게 만들거나, 또는 전체 시스템의 무게나 부피를 크게 증가시키지 않으면서도, 플레이트 핀 열교환기(111)의 장점을 그대로 향유할 수 있을 뿐만 아니라, 압축기(131)의 손상도 방지할 수 있다. That is, in the liquefaction system according to the present embodiment, since the sub-coolant passes through the plate
또한 이와 같이 저장 탱크(121)를 사용하면, 본 실시예에 따른 액화시스템을 해양 플랜트에 구현하더라도 플레이트 핀 열교환기(111)의 성능이 떨어지지 않는다는 장점이 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 종래의 쉘 튜브 열교환기의 경우 전술한 것과 같이, 파도에 의한 선체의 흔들림으로 열교환기가 기울어지면, 천연가스(또는 혼합 냉매)가 흐르는 튜브의 일부가 프로판 냉매의 밖으로 노출될 수 있기 때문에, 열교환기의 성능이 떨어질 수밖에 없었다. 즉, 튜브의 일부가 프로판 냉매의 밖으로 노출되면, 튜브와 프로판 냉매 사이의 열교환 면적이 줄어들기 때문에 열교환기의 성능도 떨어질 수밖에 없었다.In addition, when the
그러나 본 실시예에 따른 액화시스템과 같이 서브 냉매가 플레이트 핀 열교환기(111)를 거친 다음에 저장 탱크(121)를 거치면, 선체의 흔들림으로 열교환기(111)나 저장 탱크(121)가 기울어진다 하더라도, 서브 냉매의 기울어짐은 열교환과는 무관한 저장 탱크(121)에서만 일어난다(서브 냉매는 플레이트 핀 열교환기 내의 매우 작은 공간을 유동한다). 이에 따라 선체에 흔들림이 발생한다고 하더라도 천연가스(또는 메인 냉매)와 서브 냉매 사이의 열교환 면적은 그대로 유지될 수 있으며, 이의 결과로 플레이트 핀 열교환기(111)의 성능도 흔들림에 상관없이 그대로 유지될 수 있다. However, when the sub-coolant passes through the plate
한편, 저장 탱크(121)로부터 배출되는 기상의 서브 냉매는 압축기(131)로 유입되어 압축된다. 그런 다음 서브 냉매는 냉각기(141)로 유입되어 냉각된다. 이러한 냉각기(141)는 통상의 공랭식 또는 수랭식 냉각기 (cooler)일 수 있다. 마지막으로 서브 냉매는 팽창 밸브(151)를 거치면서 팽창된 다음에 다시 플레이트 핀 열교환기(111)로 유입된다. 이와 같이 서브 냉매는 플레이트 핀 열교환기(111), 저장 탱크(121), 압축기(131), 냉각기(141), 및 팽창 밸브(151)를 순차적으로 거친 다음에 다시 플레이트 핀 열교환기(111)로 유입됨으로써 하나의 폐 루프를 형성한다. 그리고 메인 냉매도 하나의 폐 루프를 형성한다. 그러나 그 구체적인 구성은 다양할 수 있기 때문에 하나의 박스(150)로만 표현한다. Meanwhile, the sub-coolant in the gaseous phase discharged from the
그런데 저장 탱크(121)를 사용하면 액화시스템의 제어가 용이해진다는 장점도 생긴다. 이에 대해 보다 상술하면, 저장 탱크(121)에서 평형상태를 유지하고 있는 서브 냉매를 특정 압력으로 유지하면, 그 압력에 따라 서브 냉매의 온도도 특정하게 정해진다. 압력이 정해지면 평형상태의 온도도 정해지기 때문이다. 본 실시예에 따른 액화시스템도 이러한 원리를 이용하여 압축기(131)로 서브 냉매의 압력을 조절하는 것으로 용이하게 서브 냉매의 온도도 조절할 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 액화시스템은 그 온도 제어가 용이하다는 장점이 있다. However, the use of the
그러나 이러한 용이함에도 불구하고, 열교환기(111)에서 요구하는 냉열이 증가하면, 열교환기(111)에서 기상으로 변화하는 서브 냉매의 양도 늘어나기 때문에, 저장 탱크(121) 내의 서브 냉매의 액위(liquid level)가 점차 낮아지며, 이의 결과로 플레이트 핀 열교환기(111)의 성능을 일정하게 유지하는 것이 어려워진다는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에 따른 액화시스템은 팽창 밸브(151)를 이용한다. 즉, 팽창 밸브(151)를 통해 냉각기(141)로부터 배출되어 제1 플레이트 핀 열교환기(111)로 유입되는 서브 냉매의 유량을 조절하면, 결과적으로 저장 탱크(121) 내의 서브 냉매의 액위를 조절할 수 있다. 이러한 액위 조절(Level Control)을 통해 본 실시예에 따른 액화시스템은 열교환기의 성능을 일정하게 유지할 수 있다. Despite this ease, however, if the amount of cold heat required by the
결국, 본 실시예에 따른 액화시스템은 저장 탱크(121)를 사용함으로써, 온도 제어를 용이하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 플레이트 핀 열교환기(111)에 간접적으로 액위 제어를 부여하여 열교환기의 성능을 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 플레이트 핀 열교환기(111)는 통상의 쉘 튜브 열교환기와는 다르게 액위라는 개념을 가지고 있지 않아서 원칙적으로 액위 제어라는 개념을 도입할 수 없으나, 본 실시예에 따른 액화시스템은 전술한 것과 같이 저장 탱크(121)라는 구성을 도입함으로써, 저장 탱크(121)를 통해 간접적으로 액위를 제어하여 열교환기(111)의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.As a result, the liquefaction system according to the present embodiment not only can easily perform temperature control by using the
한편, 플레이트 핀 열교환기(111)의 내부에서 서브 냉매가 수직 상방으로 유동(도 2의 C 참조)하면 서브 냉매의 흐름이 보다 원활해진다는 장점이 있다. 서브 냉매는 열교환을 통해 기상으로 변화하기 때문에 수직 하방으로 유동하는 것보다 수직 상방으로 유동하는 것이 유동의 원활한 흐름에 도움이 된다. 이에 반해 메인 냉매와 천연가스는 효율적인 열교환을 위해 서브 냉매와는 반대로, 즉 수직 하방으로 유동(도 2의 A, B 참조)하는 것이 바람직하다. On the other hand, if the sub coolant flows vertically upward (see FIG. 2C) inside the plate
참고로, 본 실시예에 따른 액화시스템은 3개 이상의 냉동 사이클을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 액화시스템은 서브 냉매를 채용한 1개의 냉동 사이클과, 메인 냉매를 각각 채용한 2개의 냉동 사이클을 포함할 수 있다. 이러한 경우 냉동 사이클을 순환하는 각각의 메인 냉매는 함께 전술한 플레이트 핀 열교환기로 유입될 수 있다. 전술한 캐스케이드 공정(도 7 참조)을 예로 들어 설명하면, 프로판(C3) 냉매(서브 냉매)를 채용한 1개의 냉동 사이클과, 에틸렌(C2) 냉매(메인 냉매), 메탄(C1) 냉매(메인 냉매)를 각각 채용한 2개의 냉동 사이클에 있어, 메탄(C1) 냉매와 에틸렌(C2) 냉매는 함께 동일한 플레이트 핀 열교환기로 유입되어 프로판(C3) 냉매에 의해 냉각될 수 있다. 이와 같이 3개 이상의 냉동 사이클을 포함하는 경우, 어느 것을 서브 냉매로 볼 것인가, 그리고 서브 냉매로 몇 개의 메인 냉매를 냉각할 것인가는 액화공정의 효율 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.
For reference, the liquefaction system according to the present embodiment may include three or more refrigeration cycles. For example, the liquefaction system according to the present embodiment may include one refrigeration cycle employing the sub refrigerant and two refrigeration cycles employing the main refrigerant. In this case, each of the main refrigerants circulating in the refrigeration cycle may be introduced to the plate fin heat exchanger described above. Taking the above described cascade process (see FIG. 7) as an example, one refrigeration cycle employing propane (C3) refrigerant (sub refrigerant), an ethylene (C2) refrigerant (main refrigerant), and a methane (C1) refrigerant (main In each of the two refrigeration cycles employing the refrigerant), the methane (C1) refrigerant and the ethylene (C2) refrigerant may flow together into the same plate fin heat exchanger and be cooled by the propane (C3) refrigerant. As described above, when three or more refrigeration cycles are included, which one is regarded as a sub refrigerant and how many main refrigerants to be cooled by the sub refrigerant can be appropriately selected in consideration of the efficiency of the liquefaction process.
실시예 2Example 2
도 3는 본 발명의 실시예 2에 따른 폐 루프 냉동 사이클을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 3에서 도시하고 있는 냉동 사이클은 실시예 2에 따른 액화시스템을 구성하는 하나의 냉동 사이클을 나타낸다. 메인 냉매를 채용한 폐 루프 냉동 사이클은 실시예 1의 메인 냉매를 채용한 폐 루프 냉동 사이클과 실질적으로 동일하므로 도 3에서는 그 도시를 생략한다. 그리고 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 냉동 사이클은 압축기를 3단으로 구성한다. 이러한 점에서 압축기를 1단으로 구성하는 실시예 1에 따른 냉동 사이클과 차이가 있다. 참고로 전술한 구성과 동일한 (또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한 (또는 상당한) 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 3 is a flowchart illustrating a closed loop refrigeration cycle according to Embodiment 2 of the present invention. The refrigeration cycle shown in FIG. 3 represents one refrigeration cycle constituting the liquefaction system according to the second embodiment. Since the closed loop refrigeration cycle employing the main refrigerant is substantially the same as the closed loop refrigeration cycle employing the main refrigerant of Embodiment 1, its illustration is omitted in FIG. And the refrigeration cycle according to the present embodiment as shown in Figure 3 constitutes a compressor in three stages. In this regard, there is a difference from the refrigeration cycle according to the first embodiment of the compressor in one stage. For reference, the same (or equivalent) parts with the same (or equivalent) parts as those described above will be given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 냉동 사이클은 열교환기(211, 212, 213), 저장 탱크(221, 222, 223), 압축기(231, 232, 233)가 각각 3개씩 구비된다. 각각의 냉매 흐름은 결과적으로 모두 동일하다. 즉, 하나의 흐름에서 서브 냉매가 제1 플레이트 핀 열교환기(211), 제1 저장 탱크(221), 제1 압축기(231)를 순차적으로 거치는 것과 동일하게, 다음 흐름에서 서브 냉매가 제2 플레이트 핀 열교환기(212), 제2 저장 탱크(222), 제2 압축기(232)를 순차적으로 거친다. 다만, 각각의 흐름은 전체적으로 보아 하나의 폐 루프를 구성한다. As shown in FIG. 3, the refrigeration cycle according to the present embodiment includes three
이와 같이 하나의 서브 냉매로 여러 흐름을 만들기 위해 본 실시예에 따른 저장 탱크(221, 222)는 기상 배출구(미도시)와 액상 배출구(미도시)를 구비한다. 기상 배출구는 저장 탱크(221, 222) 내의 서브 냉매 중 기상 부분이 배출되는 배출구이고, 액상 배출구는 저장 탱크(221, 222) 내의 서브 냉매 중 액상 부분이 배출되는 배출구이다. 기상 배출구로 배출되는 기상의 서브 냉매는 전술한 실시예에서와 동일하게 압축기(231, 232)로 유입된다. 참고로, 제3 저장 탱크(223)는 결과적으로 액상 배출구 없이 기상 배출구만 구비하고 있다고 볼 수 있으며, 이러한 기상 배출구로 배출되는 기상의 서브 냉매는 제3 압축기(233)로 유입된다. 그리고 액상 배출구로 배출되는 액상의 서브 냉매는 다음의 플레이트 핀 열교환기(212, 213)로 유입되어 다시 하나의 흐름을 만든다. As described above, the
즉, 제1 저장 탱크(221)의 기상 배출구로부터 배출되는 기상의 서브 냉매는 제1 압축기(231)로 유입되어 기존의 냉매 흐름을 유지하고, 제1 저장 탱크(221)의 액상 배출구로부터 배출되는 액상의 서브 냉매는 제2 플레이트 핀 열교환기(212)로 유입되어 다시 하나의 냉매 흐름을 만든다. 이러한 냉매의 분기는 필요한 단(stage)의 수에 따라 계속적으로 반복될 수 있다. 예를 들어, 3단의 압축기로 구성하고자 할 때에는 액상의 서브 냉매를 다시 제2 저장 탱크(222)의 액상 배출구로부터 제3 플레이트 핀 열교환기(213)로 유입시키면 된다. 각각의 흐름에서 서브 냉매가 플레이트 핀 열교환기, 저장 탱크, 압축기를 순차적으로 거치는 것은 동일하다. 결과적으로 2 세트(즉, 제1과 제2)의 플레이트 핀 열교환기, 저장 탱크, 압축기를 정의하는 것만으로도 모든 경우의 액화시스템을 설명할 수 있다. That is, the sub-coolant in the gas phase discharged from the gas phase outlet of the
한편, 다음 단의 압축기를 거친 서브 냉매는 이전 단의 저장 탱크로부터 배출되는 기상의 서브 냉매와 함께 이전 단의 압축기로 유입되어 다시 압축된다. 예를 들어, 제2 압축기(232)로부터 배출되는 서브 냉매는 제1 저장 탱크(221)의 기상 배출구로부터 배출되는 서브 냉매와 함께 제1 압축기(231)로 유입된다. 그리고 제1 저장 탱크(221)와 제2 플레이트 핀 열교환기(212) 사이, 또는 제2 저장 탱크(222)와 제3 플레이트 핀 열교환기(213) 사이에는 팽창 밸브(252, 253)가 구비된다. 이러한 팽창 밸브(252, 253)도 전술한 실시예에서 설명한 팽창 밸브(151, 251)와 동일한 역할을 수행한다.Meanwhile, the sub refrigerant passing through the compressor of the next stage is introduced into the compressor of the previous stage and compressed again together with the sub refrigerant of the gas phase discharged from the storage tank of the previous stage. For example, the sub coolant discharged from the
참고로, 본 실시예에 따른 냉동 사이클은 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 3개의 냉각기(241, 242, 243)를 구비한다. 이에 따라 압축기(231, 232, 233)를 거친 서브 냉매는 각각의 냉각기(241, 242, 243)를 거치면서 냉각된다. 다만, 제3 압축기(233)와 제2 압축기(232) 사이, 그리고 제2 압축기(232)와 제1 압축기(231) 사이의 냉각기(242, 243)는 필수적인 것은 아니며, 필요에 따라 구비될 수도, 또는 그렇지 않을 수도 있다.
For reference, the refrigeration cycle according to the present embodiment has three
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 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 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but a person of ordinary skill in the art does not depart from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be understood that various modifications and variations can be made in the present invention. Therefore, the spirit of the present invention should be understood by the claims described below, and all equivalent or equivalent modifications thereof will belong to the scope of the present invention.
111: 플레이트 핀 열교환기 121: 저장 탱크
131: 압축기 141: 냉각기
151: 팽창 밸브111: plate fin heat exchanger 121: storage tank
131: compressor 141: cooler
151: expansion valve
Claims (9)
상기 서브 냉매와의 열교환을 통해 상기 메인 냉매와 상기 천연가스를 함께 냉각시키는 제1 플레이트 핀 열교환기(plate fin heat exchanger), 상기 제1 플레이트 핀 열교환기로부터 배출되는 서브 냉매를 저장하는 제1 저장 탱크, 상기 제1 저장 탱크로부터 배출되는 기상의 서브 냉매를 압축하는 제1 압축기, 및 상기 제1 압축기로부터 배출되는 서브 냉매를 냉각하는 냉각기를 포함하는 천연가스 액화시스템.A natural gas liquefaction system for cooling and liquefying natural gas in stages through at least two refrigeration cycles including one closed loop refrigeration cycle employing sub refrigerant and another closed loop refrigeration cycle employing main refrigerant.
A first plate fin heat exchanger for cooling the main refrigerant and the natural gas together through heat exchange with the sub refrigerant, and a first storage for storing the sub refrigerant discharged from the first plate fin heat exchanger And a tank, a first compressor for compressing the sub-coolant in the gaseous phase discharged from the first storage tank, and a cooler for cooling the sub-coolant discharged from the first compressor.
상기 제1 저장 탱크는 상기 서브 냉매 중 기상 부분이 배출되는 기상 배출구와 상기 서브 냉매 중 액상 부분이 배출되는 액상 배출구를 구비하고, 상기 기상 배출구로부터 배출되는 서브 냉매는 상기 제1 압축기로 유입되며, 상기 액상 배출구로부터 배출되는 서브 냉매는 별도로 구비되는 제2 플레이트 핀 열교환기로 유입되고, 상기 메인 냉매와 상기 천연가스는 상기 제1 플레이트 핀 열교환기를 거친 다음에 상기 제2 플레이트 핀 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 1,
The first storage tank includes a gas phase outlet through which the gaseous part of the sub refrigerant is discharged and a liquid phase outlet through which the liquid part of the sub refrigerant is discharged, and the sub refrigerant discharged from the gaseous outlet is introduced into the first compressor. The sub-coolant discharged from the liquid discharge port flows into a second plate fin heat exchanger provided separately, and the main refrigerant and the natural gas flow through the first plate fin heat exchanger and then flow into the second plate fin heat exchanger. Natural gas liquefaction system.
상기 제2 플레이트 핀 열교환기로부터 배출되는 서브 냉매를 저장하는 제2 저장 탱크, 및 상기 제2 저장 탱크로부터 배출되는 기상의 서브 냉매를 압축하는 제2 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 2,
Liquefied natural gas further comprises a second storage tank for storing the sub-coolant discharged from the second plate fin heat exchanger, and a second compressor for compressing the sub-coolant in the gas phase discharged from the second storage tank. system.
상기 제2 압축기로부터 배출되는 서브 냉매는 상기 제1 저장 탱크의 기상 배출구로부터 배출되는 서브 냉매와 함께 상기 제1 압축기로 유입되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 3,
The sub-coolant discharged from the second compressor is introduced into the first compressor together with the sub-coolant discharged from the gas phase outlet of the first storage tank.
상기 냉각기로부터 배출되어 상기 제1 플레이트 핀 열교환기로 유입되는 서브 냉매의 유량을 조절하여 상기 제1 저장 탱크 내의 서브 냉매의 액위를 조절하는 제1 팽창 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 1,
The natural gas liquefaction system further comprises a first expansion valve for controlling the liquid level of the sub-coolant in the first storage tank by adjusting the flow rate of the sub-coolant discharged from the cooler to the first plate fin heat exchanger .
상기 제1 저장 탱크의 액상 배출구로부터 배출되어 상기 제2 플레이트 핀 열교환기로 유입되는 서브 냉매의 유량을 조절하여 상기 제2 저장 탱크 내의 서브 냉매의 액위를 조절하는 제2 팽창 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 3,
And a second expansion valve configured to control the liquid level of the sub coolant in the second storage tank by adjusting a flow rate of the sub coolant discharged from the liquid discharge port of the first storage tank and introduced into the second plate fin heat exchanger. Natural gas liquefaction system.
상기 제1 플레이트 핀 열교환기는 그 내부에서 상기 메인 냉매와 상기 천연가스가 수직 하방으로, 그리고 상기 서브 냉매가 수직 상방으로 유동하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 1,
The first plate fin heat exchanger is a natural gas liquefaction system, characterized in that the main refrigerant and the natural gas flows vertically downward, and the sub-refrigerant flows vertically upward.
상기 제2 플레이트 핀 열교환기는 그 내부에서 상기 메인 냉매와 상기 천연가스가 수직 하방으로, 그리고 상기 서브 냉매가 수직 상방으로 유동하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 2,
The second plate fin heat exchanger is a natural gas liquefaction system, characterized in that the main refrigerant and the natural gas flows vertically downwards, and the sub refrigerant flows vertically upward.
상기 메인 냉매를 채용한 폐 루프 냉동 사이클은 복수 개가 마련되고, 상기 복수 개의 폐 루프 냉동 사이클 중의 적어도 2개의 냉동 사이클의 메인 냉매는 상기 제1 플레이트 핀 열교환기에서 상기 서브 냉매와 함께 열교환을 하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화시스템.The method according to claim 1,
A plurality of closed loop refrigeration cycles employing the main refrigerant is provided, and the main refrigerant of at least two refrigeration cycles of the plurality of closed loop refrigeration cycles performs heat exchange with the sub refrigerant in the first plate fin heat exchanger. Characterized in natural gas liquefaction system.
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KR1020120015479A KR101153055B1 (en) | 2012-02-15 | 2012-02-15 | Natural gas liquefaction system using plate fin heat exchanger |
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KR20160134342A (en) | 2015-05-15 | 2016-11-23 | 대우조선해양 주식회사 | The System and Method for Natural Gas Liquefaction for Arctic Vessel |
KR102252170B1 (en) | 2019-11-20 | 2021-05-14 | (주)동화엔텍 | Plate fin heat exchanger having replaceable catalysts for liquefaction of hydrogen |
-
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- 2012-02-15 KR KR1020120015479A patent/KR101153055B1/en active IP Right Grant
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