KR101419069B1 - 증기의 재액화 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

기화된 액화 천연 가스는 예를 들어 저장 탱크(10)로부터 흘러 증기 압축 스테이지(40) 및 (42)에서 압축된다. 생성된 압축 증기는 응축기(46)에서 응축되며, 상기 응축물은 탱크(10)로 되돌아간다. 응축기(46)는 브레이튼 사이클(60)에서 흐르는 작동 유체, 예를 들면 질소에 의해 냉각된다. 브레이튼 사이클은 응축기(46)를 통하는 통로의 상기 압축 천연 가스 증기의 상류에 상기 압축된 천연 가스 증기로부터 압축열을 제거하는 열 교환기(86)을 포함한다. 또한, 응축기(46)로부터의 작동 유체 출구와 열 교환기(86)로의 작동 유체 입구를 매개하는 브레이튼 사이클(60)의 영역으로부터 작동 유체의 일부가 회수되고, 그 회수된 작동 유체는 압축 스테이지(40) 및 (42)를 매개하는 천연 가스 증기로부터 압축열을 제거하는 또 다른 열 교환기(88)를 통해 흐른다. 상기 회수된 작동 유체는 브레이튼 사이클(60)로 되돌아간다.

Description

증기의 재액화 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE RELIQUEFACTION OF A VAPOUR}
본 발명은 증기의 재액화 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 천연 가스 증기를 재액화하기 위한 선상(board ship)에서 작동가능한 방법 및 장치에 관한 것이다.
천연 가스는 통상적으로 액화 상태로 장거리 운송된다. 예를 들어, 원양 탱커(tanker)를 사용하여, 천연 가스가 액화되는 제 1 지점으로부터 천연 가스가 증기화되어 가스 분배 시스템으로 보내지는 제 2 지점까지 액화 천연 가스를 운반한다. 천연 가스는 극저온, 즉 -100℃ 미만의 온도에서 액화하기 때문에, 임의의 관용 저장 시스템에서는 액화 천연 가스의 연속적인 기화(boil-off)가 있을 수 있다. 따라서, 기화된 증기를 재액화하기 위한 장치가 제공될 필요가 있다. 이러한 장치에서는, 복수 개의 콤프레서에서 작동 유체를 압축시키는 단계; 상기 압축된 작동 유체를 간접 열교환에 의해 냉각시키는 단계; 상기 작동 유체를 팽창시키는 단계; 상기 팽창된 작동 유체를 상기 압축된 작동 유체와의 간접 열교환에 의해 가온시키 는 단계; 및 상기 가온된 작동 유체를 상기 콤프레서 중의 하나로 되돌리는 단계를 포함하는 냉동 사이클이 수행된다. 압축 스테이지의 하류의 천연 가스 증기는 가온된 작동 유체와의 간접 열교환에 의해 적어도 부분 응축된다. 이러한 냉각 방법을 수행하기 위한 장치의 일례가 미국 특허 제3,857,245호에 개시되어 있다.
미국 특허 제3,857,245호에 따르면, 상기 작동 유체는 천연 가스 자체로부터 유도되므로, 개방형 냉동 사이클이 작동된다. 작동 유체의 팽창은 밸브에 의해 수행된다. 부분 응축된 천연 가스가 수득된다. 부분 응축된 천연 가스는 저장조로 회수되는 액상과 연소용 버너로 보내지는 천연 가스와 혼합되는 증기상으로 분리된다. 작동 유체는 같은 열 교환기에서 가온 및 냉각되므로 하나의 열 교환기만이 필요하다. 상기 열 교환기는 제 1 스키드-탑재형(skid-mounted) 플랫폼 상에 위치되고, 상기 작동 유체 콤프레서는 제 2 스키드-탑재형 플랫폼 상에 위치된다.
요즘에는, 상기 작동 유체로 비-가연성 가스를 사용하는 것이 선호된다. 또한, 외부적으로 공급될 필요가 있는 압축 작업을 줄이기 위해, 밸브보다 오히려 팽창 터빈을 사용하여 상기 작동 유체를 팽창시키는 것이 선호된다.
이러한 개선사항들을 구현한 장치의 예는 WO-A-98/43029에 개시되어 있다. 최근에는, 두 개의 열 교환기가 사용되며, 하나는 열 교환기 내의 작동 유체를 부분 응축될 압축 천연 가스 증기로 가온하기 위한 것이고, 다른 하나는 압축된 작동 유체를 냉각시키기 위한 것이다.
WO-A-98/43029는 천연 가스 증기의 불완전 응축은 (완전 응축과 비교시) 냉각 사이클에서 소비되는 전력을 감소시킨다는 점을 지적하고 있으며, (상대적으로 질소가 풍부한) 잔류 증기는 대기로 배출되어야 한다는 점을 암시하고 있다. 실제로, WO-A-98/43029에 개시된 부분 응축은, 응축물 수율이 단순히 응축이 일어나는 압력 및 온도의 함수임을 나타내는 공지의 열역학 원리를 잘 따른다.
전형적으로, 액화 천연 가스는 대기압보다 약간 높은 압력에서 저장될 수 있으며, 기화 증기는 4바(bar)의 압력에서 부분 응축될 수 있다. 생성되는 부분 응축된 혼합물은 전형적으로 팽창 밸브를 통해 상 분리기 내로 플래싱되어 상기 증기가 대기압에서 배출될 수 있도록 한다. 상기 팽창 밸브로 유입되는 액상은 4바에서 질소를 10 몰%만큼이나 함유하지만, 1바에서 상기 생성되는 증기상은 대략 50 부피%의 메테인을 여전히 함유한다. 따라서, 전형적인 조작에서는, 대략 3000 내지 5000 kg의 메테인이 상 분리기로부터 매일 배출될 필요가 있다. 메테인은 온실 가스로 간주되기 때문에, 이러한 관행은 환경적으로 허용될 수 없을 것이다.
WO-A-98/43029에 따른 장치의 조작과 관련된 또 다른 문제는, 한편으로는 상기 압축된 천연 가스의 온도와 엔탈피 간, 다른 한편으로는 상기 작동 유체의 온도와 엔탈피 간의 부정합에 의해 야기되는 열역학적 비효율이 상당하다는 점이다.
EP-A-1 132 698은 증기가 응축된 천연 가스와 함께 액화 천연 가스(LNG) 저장 탱크로 회수되는 경우에 야기되는 문제들을 완화시키는 방법을 개시하고 있다.
EP-A-1 132 698에 따른 방법에서는, 기화된 증기 및/또는 천연 가스 응축물이 저장조로부터 취한 액화 천연 가스와 혼합된다.
액화 천연 가스 내 질소의 몰분율은 기화된 증기 내 질소의 몰분율보다 적고, 심지어는 응축된 기화 증기의 밸브를 통한 팽창에 의해 형성된 플래시 가스 내 질소의 몰분율보다 적기 때문에, 상기 응축기의 상류 및/또는 하류에서 상기 액화 천연 가스에 의한 상기 기화된 증기의 희석은, 달리 상기 기화된 증기 또는 천연 가스 응축물과 저장조로부터의 상기 액화 천연 가스와의 혼합 없이 발생할 수 있는, 상기 저장 탱크 내 증기상의 조성물 변화(swing)를 감쇄시키는 경향이 있다.
그러나, EP-A-1 132 698에 따른 방법은 총괄 열역학적 효율을 크게 향상시키지는 못한다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 저장 탱크에 보유된 하나 이상의 액화 천연 가스 부피로부터 기화된 증기를 재액화시키는 방법이 제공되며, 이는 상기 증기를 직렬의 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지에서 압축시키는 단계; 상기 압축된 증기를 주(main) 무한 작동 유체 사이클로 흐르는 작동 유체와의 열 교환에 의해 응축기에서 응축시키는 단계; 및 생성되는 응축물의 적어도 일부를 상기 저장 탱크로 회수하는 단계를 포함하며, 이때 상기 주 작동 유체 사이클에서, 상기 작동 유체는, 차례로, 하나 이상의 작동 유체 콤프레서에서 압축되고, 제 1 열 교환기에서 냉각되고, 팽창 터빈에서 팽창되고, 응축기에서 사용되어 상기 천연 가스 증기를 응축시키고, 상기 제 1 열 교환기에서 냉각될 상기 작동 유체와의 열 교환에 의해 가온되어, 다시 상기 작동 유체 콤프레서로 회수되며, 추가로, 상기 응축기를 통하는 상기 작동 유체의 통로와 상기 제 1 열 교환기를 통하는 통로를 매개하는 상기 주 작동 유체 사이클에서는, 상기 작동 유체가 상기 제 2 증기 압축 스테이지 하류이면서 상기 응축기의 상류에서 제 2 열 교환기에서 상기 압축된 천연 가스 증기를 예비-냉각시키는 데 사용되는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 작동 유체의 흐름이, 상기 작동 유체가 상기 응축기로부터 상기 제 2 열 교환기로 흐르는 상기 주 작동 유체 사이클의 영역으로부터 우회하여, 하나 이상의 제 3 열 교환기를 통과하여 상기 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지를 매개하는 상기 천연 가스 증기를 냉각시키며, 상기 우회된 작동 유체는 상기 제 2 열 교환기로부터 상기 제 1 열 교환기로 흐르는 영역에서 상기 주 작동 유체 사이클로 회수됨을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 천연 가스 증기를 재액화시키기 위한 장치를 제공하며, 이는 하나 이상의 액화 천연 가스 부피를 보유하기 위한 하나 이상의 저장 탱크; 상기 저장 탱크 내 하나 이상의 증기 공간과 연통되는 기화된 천연 가스 증기를 압축하기 위한 직렬의 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지; 상기 제 2 증기 압축 스테이지와 연통되는 천연 가스 입구를 갖는, 상기 압축된 증기를 응축시키기 위한 응축기; 및 상기 저장 탱크와 연통되는 출구를 포함하며, 이때 상기 응축기가, 사용 시 작동 유체에 의해 냉각되도록 배치되고, (a) 상기 작동 유체의 흐름을 압축하기 위한 하나 이상의 작동 유체 콤프레서; (b) 상기 작동 유체의 흐름을 냉각시키기 위한 제 1 열 교환기를 통하는 냉각 경로; (c) 상기 작동 유체의 흐름을 팽창시키기 위한 팽창 터빈; (d) 상기 응축기; (e) 상기 작동 유체를 가온시키기 위한 상기 제 1 열 교환기를 통하는 가온 경로; 및 (f) 상기 작동 유체 콤프레서로의 입구를 차례로 포함하는 주 무한 작동 유체 사이클의 일부를 형성하고, 추가로, 상기 주 작동 유체 사이클이, 상기 작동 유체와의 열 교환에 의해 상기 천연 가스를 냉각시키기 위한 상기 제 2 열 교환기를 포함하되, 상기 제 2 열 교환기는, 상기 제 2 증기 압축 스테이지와 상기 응축기를 매개하는 천연 가스 증기 경로 및 상기 응축기로부터의 상기 작동 유체 출구와 상기 제 1 열 교환기를 통하는 상기 가온 경로로의 입구를 매개하는 작동 유체 경로를 가지며, 또한 상기 주 작동 유체 사이클로부터 전환된 작동 유체와의 열 교환에 의해 상기 제 1 및 제 2 천연 가스 증기 압축 스테이지를 매개하는 상기 천연 가스 증기를 냉각시키기 위한 제 3 열 교환기가 제공되되, 상기 제 3 열 교환기는, 그 입구에서, 상기 응축기로부터의 상기 작동 유체 출구와 상기 제 2 열 교환기로의 상기 작동 유체 입구를 매개하는 상기 작동 유체 사이클의 영역과 연통되고, 그 출구에서, 상기 제 2 열 교환기로부터의 상기 작동 유체 출구와 상기 제 1 열 교환기를 통하는 상기 가온 경로로의 상기 입구를 매개하는 상기 작동 유체 사이클의 영역과 연통되는 작동 유체 경로를 가짐을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 앞서 언급된 종래 문헌들에 개시된 대응 방법 및 장치에 비해 개선된 열역학적 작동 효율을 달성할 수 있다. 이러한 개선된 열역학적 효율은 작동 유체의 통합 및 응축기뿐 아니라 제 2 및 제 3 열 교환기에서의 천연 가스 응축 때문인 것으로 본 발명자들은 생각한다. 열역학적 효율 개선은 전력 소비 감소의 수단으로 이용될 수 있다.
바람직하게는, 주 작동 유체 사이클로부터 제 3 열 교환기로 전환되는 작동 유체의 비율은 제 2 증기 압축 스테이지로의 입구 온도에 따라 제어된다.
바람직하게는, 상기 저장 탱크가 액화 천연 가스로 완전히 적재되는 경우, 응축기가 그로부터 과냉각된(sub-cooled) 액화 천연 가스가 유출되도록 한다. 그러나, 때때로 상기 저장 탱크가 비교적 소량의 액화 천연 가스만을 함유하는 경우, 상기 탱크로 회수되는 응축물이 기화된 기체 질소가 풍부해지는 효과를 갖는다. 따라서, 응축을 위해 응축기로 보내진 증기는 과량의 질소를 함유할 수 있으므로, 상기 응축물이 과냉각되지 않을 뿐 아니라 심지어 완전히 응축되지도 않는다. 이러한 상황에서, 또는 저장 탱크가 고함량 질소를 갖는 액화 천연 가스, 예를 들어 20 내지 40 부피%의 질소를 함유하는 기화 가스를 제공하는 액화 천연 가스를 함유하는 경우는, 비응축된 증기를 함유하는 응축물을 상 분리기 내로 플래싱하고, 생성된 액상은 저장 탱크로 회수하고, 생성된 증기상은 배의 엔진으로 보내지거나(천연 가스에 의해 엔진이 운전되는 선상 용도로 사용되는 경우) 연소시켜 대기로 배출한다.
상기 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지는 바람직하게는 단일의 다단 속도 모터에 의해 구동된다.
바람직하게는, 상기 제 1 증기 압축 스테이지 상류의 증기는 상기 응축기로부터 취한 응축된 천연 가스의 스트림과 혼합됨으로써 예비냉각된다. 바람직하게는, 응축된 천연 가스 증기의 스트림의 유속은 상기 제 1 압축 스테이지로의 입구 온도에 따라 제어된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 방법 및 장치를 첨부 도면을 참조하여 실시예에 의해 설명한다.
도 1은 액화 천연 가스(LNG)의 저장을 위한 선상 설치의 개략적인 흐름도이다. 도면은 실제 축척에 따르지 않았다.
도면을 참조하면, 다섯 개의 단열식 저장 탱크(2, 4, 6, 8 및 10)가 배의 선체 또는 다른 원양 용기(도시되지 않음) 내에 제공된다. 저장 탱크(2, 4, 6, 8 및 10) 중 둘 이상에는, 그의 기저부 영역에 위치된, 이를 통해 LNG가 도입되는 잠수형 오리피스 파이프(12)가 제공된다. 도해의 간략화 때문에, 탱크(2, 4 및 6) 내 오리피스 파이프는 도면에서 생략하였다. 저장 탱크 중 일부에만 잠수형 오리피스 파이프가 제공되는 경우, 회수되는 LNG를 그렇게 제공되지 않은 탱크로 재분배하는 것은 액체 펌프(도시되지 않음)의 작동에 의한다. 오리피스 파이프(12)는 LNG의 부피(16)에 잠수되어 정상 작동된다. 탱크(2, 4, 6, 8 및 10) 각각에는, LNG의 부피(16) 위에 증기 공간(18)이 존재한다.
저장 탱크(2, 4, 6, 8 및 10)는 단열식이지만, LNG는 정상 압력에서 실질적으로 주위 온도 미만의 끓는점을 가지기 때문에, 저장 탱크(2, 4, 6, 8 및 10) 각각에서는 상기 LNG의 연속적인 증발이 일어난다. 탱크 각각은 기화된 가스 헤더(header)(24)와 연통되는, 증기를 위한 상부 출구(22)를 갖는다. 상기 기화된 가스를 위한 주 파이프라인(26)은 상기 헤더(24)로부터 연장된다. 혼합기(28)가 파이프라인(26)에 위치되며, 이때, 작동 시, 상기 증기는 상기 장치의 하류 부분으 로부터의 응축(condensed) LNG와 혼합될 수 있다. 작동 시, 상기 응축 LNG는 상기 기화된 가스 내에서 증발함으로써 상기 가스의 온도를 낮춘다. 상기 혼합기의 하류에 센서(27)가 제공되어, 제 1 압축 스테이지(40)의 입구에서의 온도를 나타내는 신호를 발생시키는데, 이 신호는 밸브 제어기(30)로 중계되고, 차례로 상기 혼합기(28) 내의 스프레이 노즐(36)에서 종결되는 LNG 응축물 파이프라인(34)에서의 흐름-제어 밸브(32)의 설정을 제어한다. 따라서, 혼합기(28)는 선택된 본질적으로 일정한 극저온, 예를 들면 -100℃ 미만에서 천연 가스를 제 1 압축 스테이지(40)로 제공하도록 작동될 수 있다.
상기 기화된 가스는 혼합기(28)로부터 상기 제 1 압축 스테이지 내로 흐른다. 제 1 압축 스테이지(40)의 출구는 제 2 압축 스테이지(42)의 입구와 간접적으로 연통된다. 압축 스테이지(40) 및 (42)는 전형적으로, 필요한 경우, 통합 기어박스(gearbox)(45)를 통해 단상 전기 모터(44)에 의해 구동된다.
모터(44)는 전형적으로 상이한 두 속도로 작동될 수 있다.
생성된 압축 가스는 제 2 압축 스테이지(42)로부터, 전형적으로는 플레이트 핀(plate fin) 또는 나선형으로 권취된 열 교환기 형태의 응축기(46)로 공급되며, 여기서 응축되고 일단 응축되면 과냉각된다. 생성된 과냉각된 응축물은 응축기(46)로부터 파이프라인(48)을 따라 탱크(8) 및 (10)의 저부 영역의 오리피스 파이프(12)로 공급되는 응축물 회수 헤더(50)로 흐르거나, 각각의 탱크가 오리피스 파이프(12)를 장착한 경우에는 탱크(2, 4, 6, 8 및 10)로 흐른다.
응축기(46)에서의 냉각은 작동 또는 열 교환기 유체, 예를 들면 브레이 튼(Brayton) 사이클과 같은 본질적으로 밀폐형 냉각 사이클(60) 내 제 1 압력에서의 질소 흐름에 의해 제공된다.
브레이튼 사이클(60)에서는, 응축기(46)를 통과하는 질소가 가스식(gas-to-gas) 열 교환기(62)의 제 1 압력보다 더 높은 제 2 압력에서 회수되는 압축 질소에 의해 열 교환기 내에서 가온된다. 생성된 가온된 질소는, 통합 기어박스(도시되지 않음) 또는 기어박스(75)를 통해 모터(74)에 의해 구동될 수 있는 동일 샤프트(72) 상에 탑재되는 로터(도시되지 않음)를 갖는 세 압축 스테이지(66, 68 및 70)를 전형적으로 포함하는 콤프레서(64)로 흐른다. 제 1 인터쿨러(intercooler)(78)는 제 1 압축 스테이지(66)로부터의 출구의 하류 제 2 압축 스테이지(68)로의 입구의 상류에 위치된다. 제 2 인터쿨러(80)는 제 2 압축 스테이지(68)로부터의 출구의 하류 및 제 3 압축 스테이지(70)로의 입구의 상류에 위치된다. 애프터쿨러(aftercooler)(82)는 제 3 압축 스테이지(70)로부터의 출구의 하류에 위치된다. 인터쿨러(78) 및 (80) 및 애프터쿨러(82)는 모두 전형적으로 물에 의해 냉각되고, 브레이튼 사이클 작동 시의 순환 질소로부터 압축열을 제거하도록 작동된다. 생성된 애프터쿨링된 압축 질소 흐름은 앞서 언급된 회수되는 냉각된 질소 스트림으로서 열 교환기(63)를 통과한다. 이와 같이, 압축된 질소 스트림은 열 교환기(62)에서 보다 저온으로 냉각된다. 압축 냉각된 질소 흐름은 추가의 일(work) 수행으로 팽창되는 팽창 터빈(84)으로 통과한다. 팽창 터빈(84)은 전형적으로 압축 스테이지(66), (68) 및 (70)과 같은 통합 기어박스(도시되지 않음) 또는 같은 샤프트 상에 탑재된다. 이와 같이, 팽창 터빈(84)은 압축 스테이지(66), (68) 및 (70)를 구 동시키는 데 도움이 된다. 터빈(84) 내 질소의 팽창은 응축기(46) 내 천연 가스 증기의 응축에 필요한 냉각을 발생시킨다. 이와 같이, 질소는 무한 회로를 끊임없이 통과한다.
도면에 도시된 브레이튼 사이클(60)의 두드러진 특징은 질소가 응축기(46)으로부터 열 교환기(62)로 직접 통과하지 않는다는 점이다. 대신, 제 2 가스식 역류 열 교환기(86)를 통과한다. 이러한 열 교환기의 목적은 응축기(46)로의 유입부 상류에서 천연 가스를 그의 응축 온도에 가까운 온도로 예비-냉각시키는 것이다. 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10)가 LNG 천연 가스로 완전히 적재되는 전형적인 작동 조건 하에, 천연 가스는 결과적으로 응축기(46)에서 액화될 뿐만 아니라 과냉각된다. 액화 천연 가스의 과냉각은 LNG가 상기 탱크들로 회수되는 경우 플래시 가스의 형성을 억제한다.
도면에 도시된 브레이튼 사이클(60)의 두드러진 추가의 특징은 질소의 일부가 응축기(46)로부터의 출구의 하류 제 2 열 교환기(86)로의 입구의 상류에서 브레이튼 사이클로부터 회수되고, 제 1 천연 가스 압축 스테이지(40)의 하류 제 2 천연 가스 압축 스테이지(42)의 상류에 위치되는 제 3 열 교환기(88)를 통해 흐름으로써, 제 1 압축 스테이지(40)의 작동에 의해 천연 가스에서 발생되는 압축열을 제거하도록 제공된다는 점이다. 그 결과, 제 3 열 교환기(88)를 통과하는 질소가 가온된다. 상기 가온된 질소 흐름은 제 2 열 교환기(86)로부터의 출구의 하류 제 1 열 교환기(62)를 통과하는 가온 통로로의 입구의 상류 영역에 있는 브레이튼 사이클(60)로 회수된다. 전형적으로, 제어 밸브(90)는 제 3 열 교환기를 통과하는 질 소 작동 유체의 유속을 제 2 천연 가스 압축 스테이지(42)로의 입구에 있는 온도 센서(도시되지 않음)에 따라 제어한다. 전형적인 배치에서, 제어 밸브(90)는 제 2 천연 가스 압축 스테이지(42)로의 입구에서 일정한 온도가 유지되도록 작동한다.
응축기(46)에서 액화되는 모든 천연 가스는 전형적으로 파이프라인(50)을 경유하여 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10)로 회수되지는 않는다. 응축물의 일부는 파이프라인(34)을 경유하여 혼합기(28)로 보내져 제 1 압축 스테이지(40)의 상류에서 천연 가스를 예비-냉각시킨다.
작동 시, 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10)에 LNG가 얼마나 적재되어 있는 지에 따라 도면에 도시된 장치를 작동시키는 데는 여러 방식이 있다. 이들 탱크들이 완전히 적재되는 경우, 제 1 천연 가스 압축 스테이지(40)로의 입구에서의 온도는 전형적으로 -100℃ 정도이거나 더 낮다. 입구에서의 압력은 전형적으로 1바를 약간 초과한다. 천연 가스는 전형적으로 -65℃의 온도 및 2바 정도의 압력에서 제 1 압축 스테이지를 떠난다. 상기 가스는 전형적으로 상기 열 교환기에서 -130℃ 정도의 온도로 냉각되어 이 온도에서 제 2 천연 가스 압축 스테이지로 유입된다. 상기 천연 가스는 전형적으로 5바의 압력 및 약 -75℃의 온도에서 제 2 압축 스테이지(42)를 떠난다. 상기 천연 가스는 그의 응축하기 시작하는 온도로 제 2 열 교환기에서 냉각된다. 상기 온도의 정확한 값은 천연 가스의 조성에 따라 다를 것이다. 천연 가스 내 질소의 몰분율이 크면 클수록 천연 가스가 응축하기 시작하는 온도는 더 낮아질 것이다. 응축기(46)는 정상 작동 시 천연 가스의 과열을 저감시키는 데 필요하지 않기 때문에, 천연 가스의 과열을 저감하고 응축하는 데 상응하 는 응축기가 필요했던 이미 공지된 사이클보다 더 효율적인 열 교환이 가능하다. 인터쿨링, 과열-저감, 및 과냉하는 별도의 응축 결과로, 냉각 사이클의 전력 소비가 감소된다.
앞서 언급된 바와 같이, 천연 가스는 과냉각된 유체로 응축기(46)를 떠난다. 전형적으로, 그의 출구 온도는 천연 가스의 조성에 따라 -165℃ 정도이다. 이러한 낮은 출구 온도의 이점 중 하나는, 오리피스 파이프(12)를 통해 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10) 내로 LNG를 재도입할 때 형성되는 플래시 가스가, 있는 경우, 상대적으로 소량이라는 점이다. 더욱이, 탱크가 완전히 적재되는 경우는, 형성되는 임의의 플래시 가스가 액체에 용해되거나 표면에 이르기 전에 응축될 수도 있다.
탱크가 완전히 적재될 때의 정상 작동 중에, 팽창 터빈(84)은 전형적으로 -104℃ 정도의 입구 온도, -168℃ 정도의 출구 온도 및 10바 정도의 출구 압력을 갖는다. 천연 가스의 조성이, 예를 들어 8.5 부피%의 질소 및 91.5 부피%의 메테인인 경우, 상기 온도는 응축기(46)에서 생성되는 응축물이 바람직한 과냉각도를 가질 만큼 충분히 낮다. 그러나, 때때로 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10)가 위치된 배가, 탱크 내 액체 수준이 오리피스 파이프(12)를 통해 회수되는 응축물의 플래싱을 방지하거나 LNG의 부피(16)에 형성되는 플래시 가스의 미세 기포들을 완전 용해시키기에 충분하지 않은, 최대량보다 충분히 작은 양의 LNG를 운송할 필요가 있다. 그 결과, 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10)로부터 제 1 압축 스테이지(40)로 흐르는 증기는 질소가 많아진다. 따라서, 천연 가스 증기 압축 스테이지(42)의 출구 압력에서 응축 온도는 떨어진다. 실제로, 탱크가 비교적 가볍게 LNG로 적재되 는 경우, 질소 풍부도가 매우 커져서 응축기(46)는 더 이상 증기를 완전히 응축시키지 못한다. 이 경우, 응축물과 비응축된 증기의 혼합물은, 도관(50)을 통과하는 대신, 밸브(100)를 통해 상 분리기(102) 내로 선택적으로 유도될 수 있다. 상 분리기(102)의 저부로부터 액체가 회수되어 도관(50)으로 보내진다. 상 분리기(102)로부터의 증기는, 히터(106)를 통해 가스 연소 유닛(108)으로 유도하는 벤트 라인(vent line)(104)으로 통과함으로써, 증기의 천연 가스 성분을 연소시키고 그 생성되는 연소 가스를 대기로 배출시킬 수 있도록 한다.
도면에 도시된 장치의 작동 시, 천연 가스 증기의 최소 및 최대 흐름은 폭 넓게 변할 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 천연 가스 압축 스테이지(40) 및 (42)의 두 세트를 사용하는 것이 전형적으로 선호되며, 이때 상기 두 세트는 서로 병렬식이다. 따라서, 전형적으로 서로 병렬식인 두 개의 제 3 열 교환기(88)가 존재한다. 하나 또는 두 개의 세트 중 어느 것을 사용할 지는 탱크(2), (4), (6), (8) 및 (10) 내 천연 가스의 증발 속도에 따른다. 유사하게, 두 세트 이상의 병렬식 질소 압축 스테이지(66), (68) 및 (70), 및 둘 이상의 병렬식 팽창 터빈(84)이 있을 수 있다.

Claims (11)

  1. 하나 이상의 저장 탱크에 보유된 하나 이상의 액화 천연 가스 부피(16)로부터 기화된 천연 가스 증기를 재액화시키는 방법으로서,
    상기 천연 가스 증기를 직렬의 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지(40, 42)에서 압축시키는 단계;
    압축된 천연 가스 증기를 주(main) 무한 작동 유체 사이클(60)로 흐르는 작동 유체와의 열 교환에 의해 응축기(46)에서 응축시키는 단계; 및
    생성된 응축물의 적어도 일부를 상기 저장 탱크로 회수하는 단계
    를 포함하며, 이때
    상기 주 무한 작동 유체 사이클에서, 상기 작동 유체는, 차례로, 하나 이상의 작동 유체 콤프레서(64)에서 압축되고, 제 1 열 교환기(62)에서 냉각되고, 팽창 터빈(84)에서 팽창되고, 응축기에서 사용되어 상기 천연 가스 증기를 응축시키고, 상기 제 1 열 교환기(62)에서 냉각될 작동 유체와의 열 교환에 의해 가온되고, 다시 상기 작동 유체 콤프레서로 회수되며, 추가로,
    상기 응축기(46)를 통하는 상기 작동 유체의 통로와 상기 제 1 열 교환기(62)를 통하는 통로를 매개하는 상기 주 무한 작동 유체 사이클에서는, 상기 작동 유체가, 상기 제 2 증기 압축 스테이지(42)의 하류이면서 상기 응축기(46)의 상류에서 제 2 열 교환기(86)에서 상기 압축된 천연 가스 증기를 예비-냉각시키는 데 사용되고, 또한
    상기 작동 유체의 흐름이, 상기 작동 유체가 상기 응축기(46)로부터 상기 제 2 열 교환기(86)로 흐르는 상기 주 무한 작동 유체 사이클의 영역으로부터 우회하여, 하나 이상의 제 3 열 교환기(88)를 통과하여 상기 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지(40, 42)를 매개하는 상기 천연 가스 증기를 냉각시키며, 우회된 작동 유체는 상기 제 2 열 교환기(86)로부터 상기 제 1 열 교환기(62)로 흐르는 영역에서 상기 주 무한 작동 유체 사이클로 회수됨을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 무한 작동 유체 사이클(60)로부터 상기 제 3 열 교환기(88)로 우회되는 상기 작동 유체의 비율이 상기 제 2 증기 압축 스테이지(42) 입구에서의 온도에 따라 제어되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크가 액화 천연 가스로 완전히 적재되는 경우, 상기 응축기(46)가 과냉각된 액화 천연 가스를 배출하도록 작동되는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 증기 압축 스테이지(40)의 상류에서 증기가 상기 응축기로부터 취한 응축된 천연 가스의 스트림과 혼합됨으로써 예비-냉각되는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 응축된 천연 가스의 스트림의 유속이 상기 제 1 압축 스테이지(40) 입구에서의 온도에 따라 제어되는, 방법.
  6. 천연 가스 증기를 재액화시키기 위한 장치로서,
    하나 이상의 액화 천연 가스 부피를 보유하기 위한 하나 이상의 저장 탱크(16);
    상기 저장 탱크 내 하나 이상의 증기 공간과 연통되는 기화된 천연 가스 증기를 압축하기 위한 직렬의 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지(40, 42);
    상기 제 2 증기 압축 스테이지(42)와 연통되는 천연 가스 입구를 갖는, 상기 압축된 천연 가스 증기를 응축시키기 위한 응축기(46); 및
    상기 저장 탱크(16)와 연통되는 출구
    를 포함하며, 이때
    상기 응축기가, 사용 시 작동 유체에 의해 냉각되도록 배치되고, (a) 상기 작동 유체의 흐름을 압축하기 위한 하나 이상의 작동 유체 콤프레서(64); (b) 상기 작동 유체 흐름을 냉각시키기 위한 제 1 열 교환기(62)를 통하는 냉각 경로; (c) 상기 작동 유체의 흐름을 팽창시키기 위한 팽창 터빈(84); (d) 상기 응축기(46); (e) 상기 작동 유체를 가온시키기 위한 상기 제 1 열 교환기(62)를 통하는 가온 경로; 및 (f) 상기 작동 유체 콤프레서(64)로의 입구를 차례로 포함하는 주 무한 작동 유체 사이클의 일부를 형성하고, 추가로,
    상기 주 무한 작동 유체 사이클이, 상기 작동 유체와의 열 교환에 의해 상기 천연 가스를 냉각시키기 위한 상기 제 2 열 교환기(86)를 포함하되, 상기 제 2 열 교환기(86)는, 상기 제 2 증기 압축 스테이지(42)와 상기 응축기(46)를 매개하는 천연 가스 증기 경로 및 상기 응축기(46)로부터의 상기 작동 유체 출구와 상기 제 1 열 교환기(62)를 통하는 상기 가온 경로로의 입구를 매개하는 작동 유체 경로를 가지며, 또한
    상기 주 무한 작동 유체 사이클로부터 전환된 작동 유체와의 열 교환에 의해 상기 제 1 및 제 2 천연 가스 증기 압축 스테이지(40, 42)를 매개하는 상기 천연 가스 증기를 냉각시키기 위한 제 3 열 교환기(88)가 제공되되, 상기 제 3 열 교환기(88)는, 그 입구에서, 상기 응축기(46)로부터의 상기 작동 유체 출구와 상기 제 2 열 교환기(86)로의 상기 작동 유체 입구를 매개하는 상기 주 무한 작동 유체 사이클의 영역과 연통되고, 그 출구에서, 상기 제 2 열 교환기(86)로부터의 상기 작동 유체 출구와 상기 제 1 열 교환기(62)를 통하는 상기 가온 경로로의 상기 입구를 매개하는 상기 주 무한 작동 유체 사이클의 영역과 연통되는 작동 유체 경로를 가짐을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 주 무한 작동 유체 사이클로부터 상기 제 3 열 교환기(88)로 전환되는 상기 작동 유체의 비율을 상기 제 2 증기 압축 스테이지(42) 입구에서의 온도에 따라 제어하기 위한 밸브(90)가 제공되어 있는, 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 증기 압축 스테이지(40, 42)가 단일의 다단 속도 모터(single plural speed motor)(45)에 의해 구동되는, 장치.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 증기 압축 스테이지(40)의 상류에, 천연 가스 증기가 냉각될 수 있는, 상기 응축기(46)와 연통되는 응축된 천연 가스를 위한 입구를 갖는 혼합기(28)를 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 혼합기(28)로의 응축물의 흐름을 제어하고, 상기 제 1 압축 스테이지(40) 입구에서 일정한 온도를 유지하도록 작동될 수 있는 밸브(32)를 포함하는, 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 응축기(46)로부터의 응축물을 위한 출구가, 상기 저장 탱크(16)로 액체를 회수하기 위한 출구 및 연소 유닛(unit)(108)으로 증기를 보내기 위한 출구를 갖는 상 분리기(102)와 연통되는 팽창 밸브(100)를 통해 선택적으로 위치될 수 있는, 장치.
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