KR101290032B1 - 재액화 시스템에서 보일 오프 ｌｎｇ 가스를 압축전 대기온도로 예열시키는 방법 및 장치 - Google Patents

재액화 시스템에서 보일 오프 ｌｎｇ 가스를 압축전 대기온도로 예열시키는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재액화 시스템(reliquefaction system)에서 저장소(reservoir)(74)로부터 배출되는 LNG 보일오프 가스(boil-off gas, BOG) 스트림(stream)을 압축하기(C11, C12, C13) 전에 예열(pre-heating) 시키는 방법 및 장치에 대한 것으로서, 상기 방법은 제 1열교환기(H10)에서 BOG 스트림을 BOG 스트림(1)보다 높은 온도를 지닌 제 2냉각제 스트림(coolant stream)(59)으로 열교환시키는 단계를 포함하며, 상기 제 2냉각제 스트림(59)은, 제 1냉각제 스트림(56)을 제 2냉각제 스트림(59) 및 제 3냉각제 스트림(57)으로 선택적으로 분할(split)함으로써 얻어지며, 상기 제 3냉각제 스트림은 재액화 시스템의 냉각박스(cold box)(H20) 내에 있는 제 1냉각제 경로(coolant passage)로 흘러 들어간다. 이로써, BOG는 압축되기 전에 대기 온도 근처로 올라가고, BOG로부터의 저온의 냉열에너지는 재액화 시스템 내에 충분히 보존되며, 상기 냉각박스(H20) 내의 열응력(thermal stress)이 감소하게 된다. 냉각제는 BOG와 열교환 하기 전에 BOG보다 온도가 높으므로, BOG를 압축단계 이전에 상기 냉각제와 열교환 시킴으로써(H10), BOG는 실질적으로 대기 온도로 예열이 이루어진다.
Figure R1020087024494
LNG, 보일오프 가스(BOG), 재액화, 예열, 냉각제, 냉각박스, 압축기, 후냉각기, 중간냉각기, 열응력

Description

재액화 시스템에서 보일 오프 ＬＮＧ 가스를 압축전 대기온도로 예열시키는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRE-HEATING LNG BOIL-OFF GAS TO AMBIENT TEMPERATURE PRIOR TO COMPRESSION IN A RELIQUEFACTION SYSTEM}
본 발명은 액화 천연가스(LNG)로부터의 보일오프(boil-off) 가스를 재액화(re-liquefaction)하는 분야에 관한 것이며, 특히 재액화 시스템의 저장소(reservoir)로부터 배출되는 LNG 보일오프 가스(LNG boil-off gas, BOG) 스트림(stream)을 압축하기 전에 예열하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 재액화 플랜트에서 LNG 보일오프 가스(BOG) 스트림을 냉각시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
LNG 재액화 시스템(LNG RS)의 도입과 관련하여 신세대의 LNG 선박이 확립되었는데, 이전에는 기본적으로 모든 LNG 선박들이 운송 중인 화물로부터 증발되는 보일오프 가스(BOG)를 연료로 하는 스팀 터빈에 의해 구동되었다. BOG 전체 양이 전체 소요 동력을 커버하지 못하는 동안에는, 추가적으로 LNG가 강제 기화기(forced vaporizer)를 통해 보일러에 공급되어야 했다.
새로운 LNG 재액화시스템(LNG RS)으로 인하여, 적화(laden) 상태 항해시나 발라스트(ballast) 상태 항해시에 모든 BOG를 수집하여 냉각 및 재액화 시키는 것이 가능해졌고, 이로 인해 전체 화물 양을 보존가능하게 되었다. 스팀터빈에 비해 효율이 높은 종래의 저속 디젤엔진이 선박 추진을 위해 사용될 수 있게 되었다.
여러 특허들이 이러한 재액화 플랜트에 대해 다양한 양상을 기술하였으며, 개선이 이루어져 왔다. 기존 기술(예컨대, 노르웨이 특허 출원 번호 20051315)은 기본적으로 질소 브레이톤 시이클(nitrogen Brayton cycle)의 개선과 예냉(pre-cooling)을 위한 냉각 질소의 사용에 초점을 맞추고 있다. 그러나 소요 동력을 줄이기 위해서 시스템을 좀 더 개선해야할 필요가 있다.
근래의 LNG 선박 대부분은 보일러에 공급하기 위해 저온 압축 원심 BOG 압축기(low-temperature centrifugal BOG compressor)를 사용하고 있다. 저온 압축을 선택하는 이유는, 대기 온도에서 압축하는 것에 비해 압축기 크기를 상당히 줄일 수 있기 때문이다. 팬(fan)의 이론이 원심 압축기에 적용될 수 있는데, 흡입 온도가 낮으면 단계당 압력비(pressure ratio per stage)를 더 높일 수 있다. 따라서 가스의 밀도가 증가하고, 유량 부피가 최저 한도로 줄어들며, BOG 압축기의 크기와 효율면에서 보다 더 유리해진다.
BOG 스트림에 있어서 저온 상태를 유지할 필요가 없으므로 압축에 의한 열은 별도의 열 배출 수단 없이 BOG 압축기 하류의 압축가스에 고의적으로 흡수되게 된다.- 실제로 BOG는 보일러에 인입되기 전에 대개 부가적으로 가열되고 있다.-
저온 BOG 압축의 일반적인 관례가 새로운 BOG 압축기 설계에 적용되어 왔고, LNG 재액화시스템을 위한 작동에 전용되어 왔는데, 이는 에너지 관점에서 보면 비 효율적인 작동을 초래하게 된다. 왜냐하면, 화물 컨테인먼트시스템(cargo containment system)에 흡수된 과열(superheating) 및 증발열에 추가하여, BOG 압축기로부터 발생하는 압축열을 제거하기 위해 냉각사이클의 크기가 정해져야 하기 때문이다.
또한 저온 BOG 압축기를 적용하는 경우에는 또 다른 문제점들이 발생하게 된다. 후냉각기들(after coolers) 또는 중간냉각기들(inter coolers)이 사용되지 않으므로, 저용량에서의 리사이클링(recycling)은 BOG 압축기 상류측의 온도 조절에 따라 좌우된다. 이런 목적을 위해 필요한 냉각량을 예측하는 것은 어려울 수 있다. 왜냐하면, 이는 BOG 압축기의 효율에 따라 상당히 좌우되며, 이것은 또한 처리된 스트림의 여러 성질에 따라 좌우되기 때문이다. 또한 냉각을 위해 재응축된 BOG를 사용하는 것은, 탱크로 회송되는 단위 재액화 BOG당 동력(power per unit reliquefied BOG) 측면에서 플랜트의 성능을 감소시키게 된다.
재액화 시스템에서 저장소로부터 배출되는 LNG 보일오프 가스(BOG) 스트림(stream)을 압축하기 전에 예열(pre-heating) 시키는 방법이 제공되는데, 상기 방법은,
제 1열교환기에서 BOG 스트림을 BOG 스트림보다 높은 온도를 지닌 제 2냉각제 스트림(coolant stream)으로 열교환시키는 단계를 포함하며, 상기 방법은 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 제 2냉각제 스트림은, 제 1냉각제 스트림을 상기 제 2냉각제 스트림 및 제 3냉각제 스트림으로 선택적으로 분할(split)함으로써 얻어지고, 상기 제 3냉각제 스트림은 재액화 시스템의 냉각박스(cold box) 내에 있는 제 1냉각제 경로(coolant passage)로 흘러 들어가며, 이로써, 에너지 손실을 최소화하고 냉각박스 내의 열응력(thermal stress)을 감소시키기 위해 상기 제 1열교환기로 가는 냉각제의 분할을 최적화하여 저온의 BOG와 열교환이 이루어지게 하고, 상기 BOG는 압축되기 전에 대기 온도 근처로 올라간다.
또한 재액화 플랜트(reliquefaction plant)에서 저장소로부터 배출되는 LNG 보일오프 가스(BOG) 스트림(stream)을 냉각시키는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 BOG를 압축하는 단계와; 압축된 BOG를 냉각박스 내에서 냉각제와 열교환시키는 단계 및; 상기 냉각박스로부터 실질적으로 재액화된 BOG를 저장소로 흘려보내는 단계를; 포함하며, 상기 방법의 특징은, 상기 BOG를 압축하는 단계 이전에 BOG를 냉각제와 열교환 시킴으로써, BOG를 실질적으로 대기 온도로 예열시키고, 상기 냉각제는 열교환 이전에 상기 BOG보다 높은 온도를 지니고 있다는 것이다.
일실시예에서, 상기 냉각박스와 상기 저장소 사이의 재액화된 BOG의 압력은, BOG 압축기 토출압력 및 상기 저장소 압력과는 상관없이 독립적으로 컨트롤 되어서, 벤트 가스(vent gas)의 발생량 및 벤트 가스의 성분이 컨트롤 될 수 있다.
또한 재액화 시스템에서 LNG 보일오프 가스(BOG)를 냉각시키는 장치가 제공되는데, 상기 장치는, 냉각제와 BOG 사이의 열교환을 위한 폐쇄루프(closed loop)의 냉각제 회로(coolant circuit)와; 입구측이 LNG 저장소와 유체적으로 연결되어 있는 BOG 압축기와; BOG 압축기 출구와 유체적으로 연결된 BOG 입구가 있는 냉각박스를; 포함하며, 상기 BOG 유동경로(flowpath)에는 저장소로 유체적으로 연결된 실질적으로 재액화된 BOG용의 출구가 있으며, 상기 냉각박스는 BOG와 냉각제 사이의 열교환을 위한 냉각제 유동경로를 더 포함하고 있으며, 상기 장치는 다음과 같은 특징을 가지고 있다. 저장소와 BOG 압축기 입구측 사이의 유체 연결부에는 제 1열교환기가 있으며, 상기 제 1열교환기는, 냉각제 회로(coolant circuit)의 컴팬더(compander) 후냉각기에 대해선 하류측이지만 냉각박스 내에 있는 냉각제 유동경로에 대해선 상류측인 한 지점에서, 폐쇄루프 냉각제 회로에 유체적으로 연결된 냉각제 경로(coolant path)를 갖고 있으며, 이로써, 상기 BOG 압축기에 들어오는 BOG는 시스템 대기 온도 또는 그 근처의 온도를 지니게 된다.
일실시예에서, 본 발명은, 냉각박스 출구와 저장소의 유체 연결부에 있는 분리기와, 상기 냉각박스 출구 라인에 있는 제 1밸브 및 저장소로 연결된 라인에 있는 제 2밸브를 제공하며, 또한 상기 분리기는 벤트 라인(vent line)(11)을 포함함으로써, 상기 분리기 내의 압력이 컨트롤 될 수 있으며, 따라서 벤트 가스의 양 및 벤트 가스의 성분이 조절될 수 있다.
도 1은 본 발명을 도시하는 개략적인 프로세스 플로우 다이아그램(process flow diagram)이다.
대기 온도의 BOG를 압축하는 LNG RS(LNG reliquefaction system)의 참신한 특징을 보여주는 도 1을 참조하여, 본 발명에 대해 기술하고자 한다.
도면에는 LNG(72)를 적재하고 있는 화물탱크(74)가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 LNG로부터 증발하는 BOG는 제 1열교환기(H10)에 연결된 라인(line)(1)으로 들어간다. 상기 제 1열교환기(H10)에서 BOG는 대기 온도 근처로 가열되는데, 이는 뒤에 설명될 것이다. BOG는 예열 후에 라인(2)를 거쳐 제 1단 BOG 압축기(first stage BOG compressor)로 들어간다. BOG 압축기는 3단 원심 압축기로 도시되어 있으며, 이 압축기는 도면에 도시된 바와 같이 라인들(3-7)과 중간냉각기들(H11, H12) 및 후냉각기(H13)를 통해 서로 연결되어 있다. 그러나 다른 타입의 압축기도 동등하게 적용될 수 있다. 예열로 인해, 압축에 의해 발생된 열은 중간냉각기들(H11, H12) 및 후냉각기(H13) 내의 냉각수를 통해 배제될 수 있다.
이후 가압된 BOG는 라인(8)을 거쳐 제 2열교환기(또는 냉각박스(cold box))(H20)로 공급된다. 여기서 BOG는 냉각제에 대해 열교환이 일어나는데, 이는 뒤에 설명될 것이다. 냉각제로는 질소(N2)가 바람직하다. 열교환이 일어난 뒤에는 실질적으로 재액화된 BOG가 냉각박스(H20)를 떠나 라인들(9, 10)을 거쳐 분리기(separater)(F10)로 연결된다. 상기 분리기에는 벤트라인(11)이 제공되어 있으며, 냉각박스와 분리기 사이의 라인(9, 10)에는 재액화된 BOG를 팽창시키기 위한 스로틀링 밸브(throttling valve)(V10)가 배치된다. 분리작용 후에 재액화된 BOG는 도 1에 도시된 바와 같이, 라인들(12, 13)을 거쳐 화물탱크(74) 내의 LNG(72)로 들어간다. 분리기(F10)와 화물탱크(74)사이의 라인에는 밸브(V11)가 배치되어 있는데, 이것의 목적은 뒤에 설명될 것이다.
여기서 폐쇄된 질소-브레이톤 냉각 사이클(closed N2 - 브레이톤 cooling cycle)은, 도면에 도시된 바와 같이, 라인들(51-55)을 통해 상호 연결된 중간냉각기들(H21, H22), 후냉각기(H23)를 지닌 3단 압축기(C21, C22, C23) 및 단일의 팽창기단(single expander stage)(E20)으로 표시되고 있다(예컨대 노르웨이 특허 출원 번호 20051315에서 언급된 바와 같은 다른 냉각 사이클 배열도 본 상황에 이용될 수 있음). 가압된 냉각제(N2)는 압축기와 후냉각기(H23)을 떠나 라인(56)을 거쳐 3-웨이 밸브(three-way valve)(V12)에 연결된다. 상기 3-웨이 밸브(V12)는 제어가능하여, 라인(56) 내를 흐르는 고압의 N2 스트림을 선택적으로 분할하여, 2개의 다른 스트림인 각 라인들(57, 59)로 흐르게 할 수 있다. 이는 아래에 좀 더 상세히 설명될 것이다. 상기 3-웨이 밸브(V12)의 제 1출구는 라인(59)를 거쳐 제 1열교환기(H10)의 냉각제 입구에 연결되어 있으며, 상기 제 1열교환기(H10)의 냉각제 출구는 도면에 도시된 바와 같이, 라인(60)에 의해 라인(61)을 거쳐 제 2열교환기(H20)의 중간 부위에 연결되어 있다. 라인(57)은 3-웨이 밸브(V12)의 제 2출구를 제 2열교환기(H20)의 상부 부위에 있는 제 1냉각제 경로(82)의 입구에 연결하고 있다. 상기 제 1냉각제 경로(82)의 출구는 라인(58)을 거쳐 상기 언급된 라인(60)의 입구점(entry point)에 연결되어 있다. 라인(61)은 도면에 도시된 바와 같이, 상기 입구점을 냉각박스 중앙 부위 근처에 있는 냉각박스 내의 제 2 냉각제 경로(84) 입 구에 연결하고 있다. 냉각제는 제 2냉각제 경로(84)를 통해 흘러서 라인(62)를 거쳐 팽창기(E20)로 들어간다. 팽창된 냉각제는 제 3냉각제 경로(86)의 입구와 연결된 라인(63)을 거쳐 제 2열교환기(냉각박스)(H20) 하부 부위로 들어간다. 이후 냉각제는 열교환기를 떠나 라인(50)을 거쳐 다시 압축기(C21, C22, C23)로 흘러들어간다. 위에서 설명한 3-웨이 밸브로 유동을 분할시키는 작용은, 보통의 단일라인 컨트롤밸브(single line control valve), 오리피스(orifice) 등과 같은 여타의 유동 컨트롤 형태로 동등하게 이루어질 수 있다. 중요한 점은, 변화하는 BOG 유동 상태에 대처하기 위해 유동 분할(flow split) 되는 것이 컨트롤 될 수 있다는 것이다.
대체로 본 프로세스에는 이전에 제시된 재액화 설계와는 다른 다음과 같은 새로운 3가지 특징이 포함되어 있다.
1. 열교환기(H10)로 인해, 선박의 증기 헤더라인(vapor header line)(1) 내의 BOG로부터 추출될 수 있는 대부분의 저온의 냉열에너지가 재액화 시스템 내에 보존된다.
2. BOG 압축기(C11, C12, C13)는 대기상태 또는 대기상태와 가까운 상태하에서 작동하고, 압축열은 H11, H12, H13을 통해 대기로 배출된다.
3. 주 열교환기인 냉각박스(H20)로 유입되는 BOG 스트림(8)의 압력이 통상의 BOG 압축기의 토출 압력에 비해 대체로 높기 때문에, 응축이 보다 높은 온도에서 일어날 수 있으며, 동시에 분리기(F10)의 압력을 라인(9)의 냉각박스 출구압력과 화물탱크(74) 내의 저장압력 사이의 레벨로 컨트롤할 수 있게 된다. 이 압력 컨트 롤은 분리기 벤트라인(11)을 통한 유량 컨트롤과 연계하여 고려되어야 한다(도 1에 유량 컨트롤 밸브는 도시되지 않음). 분리기의 압력을 조정함으로써, 탱크(74)로 회수되는 응축액의 성분 및 벤트 유량이 작동자의 선호에 따라 컨트롤 될 수 있다. 벤트 가스 유량을 최소화하면 필요한 재액화 동력이 높아지고, 벤트 가스 유량을 최대화하면 그 반대가 된다. 따라서 분리기의 압력을 조절함으로써, 작동자는 LNG RS이 경제적으로 최적이 되게끔 가장 알맞은 상태를 선택할 수 있게 된다.
1. BOG 압축기 상류측(upstream) 열교환기
탱크(74)로부터 나오는 BOG가 가지고 있는 저온의 냉열에너지를 시스템 내에 보존하기 위해, BOG 압축기(C11, C12, C13)의 상류측에 열교환기(H10)가 설치된다. 상기 BOG 스트림으로부터, 가능한 한 많은 저온의 냉열에너지를 추출하기 위해, BOG의 온도는 대기 온도 근처까지 상승될 수 있어야 한다. 저온의 냉열에너지를 시스템 내에 보존하기 위해서는, 상기 저온의 냉열에너지가, BOG 스트림의 온도보다 높은 재액화 시스템의 다른 스트림에 의해 흡수되어야 한다.
일반적으로 상기 다른 스트림으로는, 도 1에 도시된 바와 같이 따뜻하고 고압인 N2 스트림의 한 지류(fraction)(59)가 될 수 있다. 다른 대안으로는, N2 스트림의 일부가 아닌 전체 스트림을 이용할 수도 있으며, 또는 BOG 압축기의 후냉각기 하류측의 BOG 스트림을 이용할 수도 있다. 그러나 이러한 프로세스에 사용되는 통상적인 장비들의 특성 및 한계점들을 고려하면, 도 1에 도시된 프로세스가 가장 유리할 것이다. 따라서 N2 컴팬더의 후냉각기(H23) 하류측의 고압 N2 스트림(56)에서 두 개의 다른 스트림(57, 59)으로 분할 되는 것을 포함하고 있는 도 1의 프로세스에 대해서만 살펴보기로 한다.
BOG 예열 컨트롤은 이차측(secondary side)의 냉각제(N2) 유량을 컨트롤하는 것에 기초를 두고 있다. 제 1열교환기(예열기)(H10) 내에서, 압축된 N2와 BOG 사이에 전달되는 에너지는 BOG 유동(flow)과 온도에 따라 달라질 것이며, 따라서 BOG 유동이 일정하면 상기 에너지는 다소간 고정의 값(KW)을 갖게 될 것이다. 이는 예열기(H10)를 떠나는 N2 유동의 온도는 N2 유량에 따라 달라질 것임을 의미한다. 상기 예열기(H10)의 열전달 면적이 충분히 크면, 상기 예열기(H10) 상류측 N2 스트림에 있는 3-웨이 밸브(V12)(또는 동등의 유동 분할 장치)가 두가지 다른 목적으로 사용될 수 있다.
A) 전체 프로세스를 열역학적으로 최적화하기 위함
유동 분할(flow split)(3-웨이 밸브(V12))를 자유롭게 활용함으로써, 냉각박스(H20)의 상부 부위에서 매우 효율적인 열교환이 일어나게 할 수 있다(로그평균온도차(LMTD, log mean temp difference)가 작고 따라서 에너지 손실이 적음). 냉각박스 상부 부위(따뜻한 부위)의 임의의 온도에서 가열 및 냉각 커브(heating and cooling curves)는 이론적으로 스트림들 간의 일정한 온도 차이를 갖고 평행하게 설계될 수 있다.
브레이톤 사이클은 고압의 N2 가 저압의 N2 보다 열용량(heat capacity)이더 크다는 개념에 기초하고 있으므로, 고압의 질량유동(mass flow)이 저온 저압의 유동보다 작다면, 가열 커브들은 평행하게 될 수 있다. 따라서 고압의 스트림에서 분할함으로써 냉각박스의 상부 부위에서 열교환이 매우 효율적으로 일어나게 된다. 또한 브랜치 유동(branch flow)은 BOG 예열기에서 독립적으로 냉각되므로, 두 개의 고압 N2 스트림이 저온에서 혼합되는 것과 관련하여 발생하는 에너지 손실이 최소로 된다.
대체로 유동 분할은 BOG 압축기의 흡입 온도를 근거로 컨트롤 된다.
B) 냉각박스에서의 열응력(thermal stress)을 최소로 감소시키기 위함
3-웨이 밸브(V12)(또는 대안의 유동 분할 장치)에 의해 이루어지는 유동 분할 컨트롤의 또 다른 이점은, 예열기(H10)를 떠나 라인(60)을 흐르는 고압 N2 스트림의 온도가 감시될 수 있고, 필요하다면, 라인(61)을 거쳐 냉각박스로 재유입되는 유동에서 급작스런 온도 변동을 피하도록 컨트롤 될 수 있다는 점이다.
상기 냉각박스는 보통 알루미늄으로 만들어지며 이는 열응력에 대해 민감하다. 바람직하지 못한 상태에서 예열기를 통과하는 유량을 조절해줄 수 있는 안전 컨트롤 기능(safety control function)을 적용함으로써, 냉각박스로 유입되는 모든 스트림의 온도를 세심히 컨트롤할 수 있다. 만일 예열기가 저압 BOG 대 고압 BOG 형태의 열교환기인 경우라면 이러한 것이 가능하지 않게 된다. 왜냐하면 고온 BOG의 출구 온도가 유입되는 저압의 BOG 변동에 따라 동기적으로 변화하기 때문이다.
저온의 BOG로부터 가능한 한 많은 저온의 냉열에너지를 추출하기 위해, 보통 스트림(57) 및 스트림(59)의 유량을 결정하는 분할비(split ratio)가 조정될 것이다. 그러나 본 배치에서는 냉각박스 중앙 부위로 유입되는 질소 스트림(61)의 온도에 대해서도 분할비를 컨트롤할 수도 있다. 이렇게 함으로써, 주 열교환기(H20)가 열응력에 의해 손상되는 것을 쉽게 막을 수 있게 된다.
열역학 측면에서 최적의 열 인터그레이션(heat integration)을 달성하기 위해, 열교환기(H10) 및 열교환기(H20)은 멀티패스(multi-pass) 열교환기 하나로 결합될 수 있다. 그러나 주 열교환기(냉각박스)(H20)는 대개 플레이트-핀(plate-fin) 형태의 열교환기이며, 이는 급작스런 온도 변동 및 큰 국부 온도 접근(local temperature approach)에 대해 어느 정도 민감하기 때문에, 도 1의 예열기(H10)와같이 좀 더 튼튼한 형태의 외부 열교환기로 전달되는 열의 일부를 추출하는 것이 적합할 수 있다.
또한 도 1에 도시된 열교환기 형태는 주열교환기(H20)의 중앙 부위로 유입되는 유동 라인(61)의 온도 변동을 감쇠시키기도 한다. 왜냐하면, N2 냉각제 스트림이 BOG 유량에 비해 매우 크기 때문이다. 이로써 냉각박스의 열응력에 관하여 훨씬 더 안전한 작동이 가능해질 것이다.
2. 대기 온도의 BOG 압축기
대기 온도의 BOG 압축을 적용하는 주된 동기는 열을 대기 중으로 배출할 수 있다는 점이다. 요즘의 통상적으로 사용되는 BOG 압축기는 압축열이 BOG 스트림 내 에 보존되는 반면에, 이제 압축열이 대기 온도 또는 대기 온도 근처에서 작동하는 외부 소스(external source)(예컨대 냉각수)로 전달될 수 있다.
대기 온도 압축은 또 다른 이점을 제공하는데, 일반적으로 본 시스템에는 도 1에 도시된 후냉각기(H13)가 연계되어 있으므로, 냉각박스로 유입되는 압축된 스트림(8)의 온도는 열 배출 소스의 온도에 비해 안정되어 있다. 또한 후냉각 및 중간냉각은 리사이클(recycle) 및/또는 안티서지모드(anti surge modes)의 작동에 관하여 주요 장점들을 나타내고 있는데, 외적인 냉각 매체(external cooling media)로 인해 대개 부가적인 온도 컨트롤 없이 안정된 작동이 확보될 수 있다.
대기 온도 BOG 압축은 특히 LNG 선박에 유리한데, LNG 선박에서는 보일오프 비율, 성분, 온도 및 압력들이 항해 형태(발라스트 항해 또는 적화 항해)와 화물 형태에 따라 상당히 변할 수 있다. 대기 상태로 중간냉각 및 후냉각 시키는 것은 압축 상태를 안정화시키고 용량 컨트롤(리사이클링 등)을 용이하게 해준다.
3. 더 높은 압력비 ( higher pressure ratio ) 선택의 이점
본 상황에서, BOG 압축기들(C11, C12, C13)을 거친 압력비가 높을수록 라인(8)의 냉각박스 입구 압력이 높아지는데, 이 압력은 LNG를 화물탱크로 강제 회송시키기 위해 충분한 압력차를 제공하기에 꼭 필요한 압력보다 높아야 한다.
이로 인해, 극저온의 분리기(F10)가 중간 압력 레벨로 설치될 수 있는데, 대개 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 밸브들(V10, V11) 사이의 제한된 영역에 위치하게 된다. 그러면 이 영역의 압력은, BOG 압축기 토출압력 및 화물탱크 내의 압력과 상관없이 독립적으로 컨트롤 될 수 있게 된다. 따라서 이 영역의 압력을 조절함 으로써 전체 시스템의 용량 컨트롤의 일부를 수행할 수 있다. 이리하여 LNG 가격 변동에 따라 가장 경제적으로 유리한 상태로 작동하기 위해, 작동자 또는 자동 컨트롤 시스템이 벤트 가스 성분과 발생하는 벤트 가스의 발생량을 조절하는 것이 가능해진다.
재액화된 BOG가 너무 과냉되어(subcooled), 분리기를 우회(bypass)하지 않으면 분리기 압력이 규정된 최저 압력 밑으로 떨어지게 되므로, 분리기를 우회하기 위한 전용의 라인이 또한 설치될 수 있다.
주열교환기(H20) 및 분리기(F10) 사이의 압력차로 인해, 분리기가 주열교환기와는 보다 더 독립적으로 설치될 수 있게 된다.
BOG 압축기의 토출압력이 높아지면, 탱크 압력으로 낮추는 쓰로틀링(throttling) 프로세스에서 이득이 늘어난다(단열 온도 변화가 더 커지거나 플래시 가스(flashgas) 발생이 감소하는 형태).
마지막으로, 프로세스 압력이 높아지면, 주열교환기(H20)에서의 열전달계수가 증가하며, 이로써 응축이 보다 높은 온도에서 이루어져 에너지 손실을 줄일 수 있게 된다.
당업자들은 상기 3-웨이 밸브(V12)의 목적이 (i) 제 1열교환기(H10)로 연결된 라인(59) 및 (ii) 냉각박스(H20)로 연결된 라인(57) 사이에서, 유동분할을 선택적으로 컨트롤하는 것임을 인정할 것이다. 이를 위해서는 위에서 설명된 3-웨이 밸브 대신에, 예컨대, 컨트롤 가능한 쵸크밸브(controllable chock valve)를 제 1열교환기(H10)의 하류측 라인(60)에 설치하고, 라인(57)에는 고정된 크기의 리스트릭션(fixed-dimension restriction)을 설치할 수도 있다.

Claims (10)

  1. 재액화 시스템(reliquefaction system)에서 저장소(reservoir)(74)로부터 배출되는 LNG 보일오프 가스(boil-off gas, BOG) 스트림(stream)(1)을 압축하기 (C11, C12, C13) 전에 예열(pre-heating) 시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    제 1열교환기(H10)에서 BOG 스트림을 BOG 스트림(1)보다 높은 온도를 지닌 제 2냉각제 스트림(coolant stream)(59)으로 열교환시키는 단계를 포함하며;
    상기 제 2냉각제 스트림(59)은, 제 1냉각제 스트림(56)을 상기 제 2냉각제 스트림(59) 및 제 3냉각제 스트림(57)으로 선택적으로 분할(split)함으로써 얻어지고, 상기 제 3냉각제 스트림은 재액화 시스템의 냉각박스(cold box)(H20) 내에 있는 제 1냉각제 경로(coolant passage)로 흘러 들어가며;
    이로써, BOG는 압축되기 전에 대기 온도 근처로 올라가게 되며, 저온의 BOG와의 열교환은, 에너지 손실을 최소화하기 위해 상기 제 1열교환기로 가는 냉각제의 분할을 최적화함으로써 이루어지고, 냉각박스(H20) 내의 열응력(thermal stress)이 감소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1냉각제 스트림(56)을 선택적으로 분할하는 것은 상기 제 1열교환기(H10)의 상류측에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 재액화 플랜트(reliquefaction plant)에서 저장소(reservoir)(74)로부터 배출되는 LNG 보일오프 가스(boil-off gas, BOG) 스트림(stream)을 냉각시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    - BOG를 압축하는 단계(C11, C12, C13)와;
    - 압축된 BOG를 냉각박스(H20) 내에서 냉각제와 열교환시키는 단계 및;
    - 상기 냉각박스(H20)로부터 재액화된 BOG를 저장소(74)로 흘려보내는 단계를; 포함하며,
    상기 BOG를 압축하는 단계 이전에, BOG를 냉각제와 열교환 시킴으로써, BOG를 대기 온도로 예열시키고, 상기 냉각제는 열교환 이전에 상기 BOG보다 높은 온도를 지니고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 BOG를 압축하기 전에 예열하는 데 필요한 에너지는, 냉각제 컴팬더(compander) 후냉각기(after cooler)(H23)에 대해선 하류측(downstream)이지만 냉각박스(H20)에 대해선 상류측(upstream)인 냉각제 스트림으로부터 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    BOG 예열기로 가는 냉각제 스트림의 일부가, 냉각제 컴팬더와 상기 예열기 사이의 한 지점에서 냉각박스 내의 지정된 유동 경로(flow path)로 유도되고, 그 후에 상기 예열기로부터 흘러오는 냉각제 스트림과 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 냉각박스와 상기 저장소 사이의 재액화된 BOG의 압력이, BOG 압축기 토출압력 및 상기 저장소 압력과는 상관없이 독립적으로 컨트롤 되어서, 벤트 가스(vent gas)의 발생량 및 벤트 가스의 성분이 컨트롤 될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 재액화 시스템(reliquefaction system)에서 LNG 보일오프 가스(boil-off gas, BOG)를 냉각시키는 장치로서, 상기 장치는,
    - 냉각제와 BOG 사이의 열교환을 위한 폐쇄루프(closed loop)의 냉각제 회로(coolant circuit)와;
    - 입구측이 LNG 저장소(74)와 유체적으로 연결되어 있는(fluidly connected) BOG 압축기(C11, C12, C13) 및;
    - BOG 유동경로(flowpath)를 가지고 있으며, BOG와 냉각제 사이의 열교환을 위해 냉각제 유동경로(82, 84, 86)를 더 포함하고 있는 냉각박스(H20)를; 포함하며,
    상기 BOG 유동경로의 입구는 상기 BOG 압축기의 출구측과 유체적으로 연결되어 있고(8), 상기 BOG 유동경로의 출구는 재액화된 BOG용으로서 상기 저장소에 유체적으로 연결되어(9, 10, 12, 13) 있으며; 상기 저장소(74)와 상기 BOG 압축기 입구측 사이의 유체 연결부(fluid connection)에는 제 1열교환기(H10)가 있으며; 상기 제 1열교환기(H10)는, 냉각제 회로(coolant circuit)의 컴팬더 후냉각기(H23)에 대해선 하류측이지만 냉각박스(H20) 내에 있는 냉각제 유동경로에 대해선 상류측인 한 지점에서, 폐쇄루프 냉각제 회로에 유체적으로 연결된(59, 60) 냉각제 경로(coolant path)를 갖고 있으며;
    이로써, 상기 BOG 압축기에는 시스템 대기 온도 또는 그 근처의 온도를 지닌 BOG가 들어오게 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    - 냉각제 회로에서 컴팬더 후냉각기(H23)의 하류측 라인(56)에 있는 선택 밸브(seletor valve)(V12)와;
    - 일단부(one end)는 상기 선택 밸브(V12)의 제 1출구와 연결되고, 타단부(the other end)는 상기 제 1열교환기(H10)의 냉각제 경로 입구와 연결된 냉각제 라인(59) 및;
    - 일단부는 상기 선택 밸브(V12)의 제 2출구와 연결되고, 타단부는 상기 냉각박스(H20) 내의 제 1냉각제 경로(82) 입구와 연결된 냉각제 라인(57)을;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1열교환기(H10)의 냉각제 경로 유체 연결부(59, 60)에는, 일단부는 상기 제 1열교환기(H10)의 냉각제 경로 출구와 연결되고, 타단부는 제 2열교환기(H20)의 제 1냉각제 경로(82) 출구에 유체적으로 연결된 라인(58)과 연결된 냉각제 라인(60)이 더 포함되어 있으며, 상기 라인들(58, 60)은 상기 제 2열교환기(H20) 내의 제 2냉각제 경로(84) 입구로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 냉각박스 출구 및 상기 저장소(74)와의 유체 연결부(9)에 있는 분리기(F10)와;
    상기 냉각박스 출구 라인(9)에 있는 제 1밸브(V10) 및;
    상기 저장소로 연결된 라인(12)에 있는 제 2밸브(V11)를; 포함하며,
    상기 분리기는 또한 벤트 라인(vent line)(11)을 포함하고 있어서, 상기 분 리기 내의 압력이 컨트롤 될 수 있으며, 따라서 벤트 가스의 양 및 벤트 가스의 성분이 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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