KR101393330B1 - 천연가스 액화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매 사이클에 포함된 저온 상 분리기에서 펌프를 사용하지 않고 액상 냉매를 이송할 수 있도록 하는 천연가스 액화 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 냉매를 압축시키는 압축기(1), 압축된 냉매를 냉각시키는 냉각기(2), 압축된 후 냉각된 냉매를 팽창시키는 1차 팽창수단(6), 및 팽창되어 온도가 내려간 냉매를 천연가스와 열교환시켜 천연가스를 냉각시키는 열교환기(5)를 포함하여, 천연가스를 액화하는 천연가스 액화 장치로서, 상기 냉각기에서 1차적으로 냉각된 냉매를 상기 1차 팽창수단에서 팽창시키기 전에 2차적으로 냉각시키는 상기 열교환기와; 상기 열교환기에서 2차적으로 냉각된 후 상기 1차 팽창수단을 통과하면서 부분적으로 기화된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하기 위한 저온 상분리기(7)와; 상기 저온 상분리기로부터 기상 냉매를 상기 열교환기까지 공급하기 위하여 연장되는 기상 냉매 공급관(L2)과; 상기 저온 상분리기로부터 액상 냉매를 상기 열교환기까지 공급하기 위하여 연장되고, 상기 열교환기 내에서 상기 기상 냉매 공급관과 합류되는 액상 냉매 공급관(L1)과; 상기 기상 냉매 공급관에 설치되어 기상 냉매의 압력을 떨어뜨리는 2차 팽창수단(8); 을 포함하는 천연가스 액화 장치가 제공된다.

Description

천연가스 액화 장치 {NATURAL GAS LIQUEFACTION APPARATUS}
본 발명은 천연가스를 액화하는 천연가스 액화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매 사이클에 포함된 저온 상 분리기에서 펌프를 사용하지 않고 액상 냉매를 이송할 수 있도록 하는 천연가스 액화 장치에 관한 것이다.
근래, LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 액화가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는, 액화된 상태로 액화가스 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. LNG나 LPG 등의 액화가스는 천연가스 혹은 석유가스를 극저온(LNG의 경우 대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
생산된 천연가스를 액화시켜 액화천연가스를 얻기 위해서는 냉동 사이클을 가지는 천연가스 액화 장치를 사용한다.
한편, 액화가스 운반선은, 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 이 액화가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 포함한다. 액화가스 운반선의 저장탱크 내에 수용된 액화가스는, 운송되는 도중 자연증발에 의해 기화되므로, 액화가스 저장탱크에는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생하게 된다. 발생된 증발가스는 저장탱크 내의 압력을 증가시키며 선박의 요동에 따라 액화가스의 유동을 가속시켜 구조적인 문제를 야기시킬 수 있기 때문에, 증발가스의 발생을 억제하거나 발생된 증발가스를 처리할 필요가 있다.
천연가스 액화 장치와 마찬가지로 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 재액화한다.
냉동 사이클은, 냉매를 압축기에서 압축하는 단계, 압축된 냉매를 열교환에 의해 냉각시키는 단계, 냉각된 냉매를 팽창시키는 단계, 팽창된 냉매를 증발가스와의 열교환에 의해 가열하는 단계, 그리고 가열된 냉매를 다시 압축기로 복귀시키는 단계에 의해 수행된다. 한편, 증발가스는 압축 단계를 거친 후 냉동 사이클의 냉매와의 열교환에 의해 냉각되어 적어도 부분적으로 응축된다.
도 1에는 종래의 천연가스 액화 장치가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 종래의 천연가스 액화 장치는, 압축기(1)에서 압축된 후 냉각기(2)에서 냉각된 냉매를 팽창 전에 열교환기(5)에 공급하여 추가로 냉각시킴으로써 액화 효율을 향상시키고 있다.
그런데, 열교환기(5)를 통과하면서 추가로 냉각된 냉매가 팽창수단(6), 예컨대 줄-톰슨 밸브(JT 밸브)에 의해 팽창되면, 플래시 가스가 발생하여, 냉매는 기상과 액상의 2상 상태가 된다. 팽창되면서 온도가 낮아진 2상 냉매는 천연가스의 액화를 위해 다시 열교환기(5)에 공급되는데, 이를 위해 냉매는 저온 상 분리기, 즉 세퍼레이터(7)에서 기상 냉매와 액상 냉매로 분리된 후 각각 별도의 배관을 통해 열교환기에 공급되고, 특히 액상 냉매의 공급을 위해 펌프(10)가 필요하게 된다.
이와 같이 종래에는 팽창 후 2상 상태의 냉매를 열교환기(5)에 공급하기 위해 펌프(10)가 필요하므로, 이 펌프에 대한 주기적인 정비가 이루어져야 하며 고장 가능성도 있다는 문제가 있었다.
또한, 펌프 입구에 기상 냉매가 공급될 경우 펌프의 고장이 발생할 수 있으므로, 세퍼레이터(3)의 액상 냉매의 수위를 일정하게 유지할 필요가 있었다.
본 발명은, 이와 같은 종래의 천연가스 액화 장치가 가지는 문제를 개선하여, 냉매 사이클에 포함된 저온 상 분리기에서 펌프를 사용하지 않고 액상 냉매를 이송할 수 있도록 함으로써, 고장 및 정비 요소를 줄일 수 있어 유지보수에 소요되는 비용, 시간 및 노력을 절감할 수 있는 천연가스 액화 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 냉매를 압축시키는 압축기, 압축된 냉매를 냉각시키는 냉각기, 압축된 후 냉각된 냉매를 팽창시키는 1차 팽창수단, 및 팽창되어 온도가 내려간 냉매를 천연가스와 열교환시켜 천연가스를 냉각시키는 열교환기를 포함하여, 천연가스를 액화하는 천연가스 액화 장치로서, 상기 냉각기에서 1차적으로 냉각된 냉매를 상기 1차 팽창수단에서 팽창시키기 전에 2차적으로 냉각시키는 상기 열교환기와; 상기 열교환기에서 2차적으로 냉각된 후 상기 1차 팽창수단을 통과하면서 부분적으로 기화된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하기 위한 저온 상분리기와; 상기 저온 상분리기로부터 기상 냉매를 상기 열교환기까지 공급하기 위하여 연장되는 기상 냉매 공급관과; 상기 저온 상분리기로부터 액상 냉매를 상기 열교환기까지 공급하기 위하여 연장되고, 상기 열교환기 내에서 상기 기상 냉매 공급관과 합류되는 액상 냉매 공급관과; 상기 기상 냉매 공급관에 설치되어 기상 냉매의 압력을 떨어뜨리는 2차 팽창수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 장치가 제공된다.
상기 2차 팽창수단은 줄-톰슨 밸브인 것이 바람직하다.
상기 줄-톰슨 밸브의 개도를 크게 하면 상기 저온 상분리기의 압력이 낮아져 액상 냉매의 이송 속도가 감소하고, 역으로 상기 줄-톰슨 밸브의 개도를 작게 하면 상기 저온 상분리기의 압력이 높아져 액상 냉매의 이송 속도가 증가하여, 상기 저온 상분리기의 액상 냉매의 수위가 조절되는 것이 바람직하다.
상기 냉각기에서 1차적으로 냉각되어 부분적으로 액화된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하기 위한 고온 상분리기를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 1차 팽창수단은 줄-톰슨 밸브나 팽창터빈인 것이 바람직하다.
상기 2차 팽창수단으로서는 오리피스가 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉매 사이클에 포함된 저온 상 분리기에서 펌프를 사용하지 않고 액상 냉매를 이송할 수 있도록 하는 천연가스 액화 장치가 제공된다.
본 발명의 천연가스 액화 장치에 의하면, 펌프를 사용하지 않고도 저온 상 분리기에서 열교환기에 액상 냉매를 공급할 수 있으므로, 고장 및 정비 요소를 줄일 수 있어 유지보수에 소요되는 비용, 시간 및 노력을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 천연가스 액화 장치의 개략 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 천연가스 액화 장치의 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 천연가스 액화 장치를 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2에는 본 발명에 따른 천연가스 액화 장치를 개략적으로 나타내는 도면이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 천연가스 액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 천연가스를 냉각시킴으로써 재액화한다. 냉동 사이클에 사용되는 냉매로서는 질소, 혼합냉매, 비폭발성 혼합냉매 등이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 천연가스 액화 장치는, 냉매를 압축시키는 압축기(1)와, 압축된 냉매를 냉각시키는 냉각기(2)와, 압축된 후 냉각된 냉매를 팽창시키는 1차 팽창수단(6)과, 팽창되어 온도가 내려간 냉매를 천연가스와 열교환시켜 천연가스를 냉각시키는 열교환기(5)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 천연가스 액화 장치는, 압축된 냉매를 1차 팽창수단(6)에서 팽창시키기 전에 열교환기(5)에 공급하여 추가로 냉각시키도록 냉동 사이클을 구성할 수 있다.
이와 같이 열교환기(5)에서 추가로 냉각된 냉매는 1차 팽창수단(6), 예를 들어 줄-톰슨 밸브와 같은 팽창밸브나 팽창터빈을 통과하면서 팽창되어 압력과 온도가 낮아지게 되고, 팽창된 냉매는 부분적으로 기화되어 액상과 기상의 2상 상태가 된다.
2상 냉매는 저온 상분리기(7), 즉 세퍼레이터에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리된 후, 각각 별개의 관로, 즉 액상 냉매 공급관(L1)과 기상 냉매 공급관(L2)을 통하여 열교환기(5)에 공급된다. 액상 냉매 공급관(L1)과 기상 냉매 공급관(L2)은 열교환기(5)에 형성된 별개의 입구를 통해 연결되며, 열교환기(5) 내에서 서로 합류된다.
본 발명에 따르면, 펌프를 사용하지 않으면서 액상 냉매를 액상 냉매 공급관(L1)을 통해 열교환기(5)에 공급하기 위해 2차 팽창수단, 즉 줄-톰슨 밸브(8)를 기상 냉매 공급관(L2)에 설치한다. 2차 팽창수단(8)에 의해 저온 상분리기(7)의 압력은 종래에 비해 높게 유지될 수 있다.
2차 팽창수단(8)의 하류측에서 기상 냉매의 압력이 낮아지므로, 2차 팽창수단(8)의 하류측에서 기상 냉매 공급관(L2)에 연결되어 있는 액상 냉매 공급관(L1) 내의 액상 냉매는 열교환기(5) 내로 빨려들어갈 수 있다.
본 발명에 따르면, 2차 팽창수단(8)이 기상 냉매 공급관(L2)에 설치되어 있기 때문에, 2차 팽창수단(8)의 개도를 제어함으로써 저온 상분리기(7)의 액상 냉매 수위를 조절할 수 있다. 즉, 밸브 개도를 크게 하면 저온 상분리기(7)의 압력이 낮아져 액상 냉매의 이송 속도가 감소하고, 역으로 밸브 개도를 작게 하면 저온 상분리기(7)의 압력이 높아져 액상 냉매의 이송 속도가 증가한다.
한편, 1차 팽창수단(6)을 통과한 냉매와 마찬가지로, 냉각기(2)에서 1차적으로 냉각된 냉매는 부분적으로 액화되어 액상과 기상의 2상 상태가 될 수 있으며, 액상 냉매와 기상 냉매는 고온 상분리기(3), 즉 세퍼레이터에서 서로 분리된 후, 열교환기(5)에 공급된다. 본 명세서에서는 열교환기(5)를 통과하면서 2차적으로 냉각되기 전의 냉매 온도가 열교환기(5)를 통과한 후의 냉매 온도보다 높다는 점을 감안하여, 열교환기(5)의 상류측에 설치된 세퍼레이터를 고온 상분리기(3)라고 하고 열교환기(5)의 하류측에 설치된 세퍼레이터를 저온 상분리기(7)라고 하여 구분하고 있다.
고온 상분리기(3), 즉 세퍼레이터에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리된 2상 냉매는 각각 별개의 관로를 통하여 열교환기(5)에 공급된다. 여기에서 액상 냉매를 열교환기(5)에 공급하는 관로에는 펌프(4)가 설치될 수 있다.
상기된 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 천연가스 액화 장치에 의하면, 팽창되어 2상 상태가 된 냉매 중 액상 냉매를 열교환기(5)에 공급하기 위해 펌프를 사용하지 않을 수 있으므로, 펌프에 대한 정비 및 고장 우려가 감소하고, 유지보수에 소요되는 비용, 시간 및 노력을 절감할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 저온 상분리기(7)에서의 액상 냉매의 수위를 2차 팽창수단(8)의 개도를 조절함으로써 간단하게 제어할 수 있고, 액상 냉매 공급관(L1)에 기상 냉매가 일부 섞여 들어가더라도 고장이 발생할 우려가 없게 된다.
본 발명에 따르면, 저온 상분리기(7)에서 기상 냉매를 열교환기(5)에 공급하는 기상 냉매 공급관(L2)에 줄-톰슨 밸브를 설치하는 대신에, 오리피스를 설치하는 것으로 변경할 수도 있다.
본 발명은, 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키기 위한 증발가스 재액화에 적용될 수도 있고, 생산된 천연가스를 액화시키기 위한 일반 액화에 적용될 수도 있음은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 천연가스 액화 장치를, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1 : 압축기
2 : 냉각기
5 : 열교환기
6 : 1차 팽창수단
7 : 저온 상분리기
8 : 2차 팽창수단
L1 : 액상 냉매 공급관
L2 : 기상 냉매 공급관

Claims (6)

  1. 냉매를 압축시키는 압축기(1), 압축된 냉매를 냉각시키는 냉각기(2), 압축된 후 냉각된 냉매를 팽창시키는 1차 팽창수단(6), 및 팽창되어 온도가 내려간 냉매를 천연가스와 열교환시켜 천연가스를 냉각시키는 열교환기(5)를 포함하여, 천연가스를 액화하는 천연가스 액화 장치로서,
    상기 냉각기에서 1차적으로 냉각된 냉매를 상기 1차 팽창수단에서 팽창시키기 전에 2차적으로 냉각시키는 상기 열교환기와;
    상기 열교환기에서 2차적으로 냉각된 후 상기 1차 팽창수단을 통과하면서 부분적으로 기화된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하기 위한 저온 상분리기(7)와;
    상기 저온 상분리기로부터 기상 냉매를 상기 열교환기까지 공급하기 위하여 연장되는 기상 냉매 공급관(L2)과;
    상기 저온 상분리기로부터 액상 냉매를 상기 열교환기까지 공급하기 위하여 연장되고, 상기 열교환기 내에서 상기 기상 냉매 공급관과 합류되는 액상 냉매 공급관(L1)과;
    상기 기상 냉매 공급관에 설치되어 기상 냉매의 압력을 떨어뜨리는 2차 팽창수단(8);
    을 포함하며,
    상기 1차 팽창수단(6)은 줄-톰슨 밸브나 팽창터빈인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 팽창수단(8)은 줄-톰슨 밸브인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 줄-톰슨 밸브의 개도를 크게 하면 상기 저온 상분리기(7)의 압력이 낮아져 액상 냉매의 이송 속도가 감소하고, 역으로 상기 줄-톰슨 밸브의 개도를 작게 하면 상기 저온 상분리기의 압력이 높아져 액상 냉매의 이송 속도가 증가하여, 상기 저온 상분리기의 액상 냉매의 수위가 조절되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각기(2)에서 1차적으로 냉각되어 부분적으로 액화된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하기 위한 고온 상분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 팽창수단(8)은 오리피스인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 장치.
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