KR101487629B1 - 증발가스 처리 시스템 - Google Patents

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evaporation gas
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백은성
한주석
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 증발가스 처리 시스템에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기; 상기 압축된 증발가스를 냉각매체와 열교환시켜 냉각하는 응축기; 상기 냉각된 증발가스를 팽창시키는 증발가스 팽창기; 및 상기 냉각매체를 순환시키는 냉각매체 순환부를 포함하고, 상기 냉각매체 순환부는, 상기 냉각매체를 압축하는 매체 압축기; 및 압축된 냉각매체를 팽창시키는 매체 팽창기를 포함하며, 상기 증발가스 팽창기와 상기 매체 팽창기는, 하나의 축으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 증발가스를 팽창시키기 위한 증발가스 팽창기를 증발가스 재액화용 냉각매체를 팽창시키기 위한 매체 팽창기와 하나의 축으로 연결함으로써 시스템 구성을 단순화시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 증발가스 압축기와 매체 압축기를 연결하되, 각 압축기가 팽창기에 의해 생성된 동력을 공급받아 구동되도록 하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 액화된 증발가스에서 기체 성분인 플래시 가스에 의해 냉각매체가 냉각되도록 하며, 플래시 가스로 냉각된 냉각매체가, 냉각 후 팽창된 냉각매체에 의해 추가로 냉각되도록 해 재액화 성능을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 압축된 냉각매체 중에서 플래시 가스에 의해 냉각되는 냉각매체의 유량을 조절할 수 있도록 하여, 증발가스의 유량이 냉각매체의 유량보다 현저히 적을 경우에는 냉각매체가 플래시 가스와의 열교환을 우회하여 응축기에 유입되도록 함으로써, 효과적인 열교환을 구현할 수 있다.

Description

증발가스 처리 시스템{A Boil-off Gas Treatment System}
본 발명은 증발가스 처리 시스템에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다.
그러나 액화가스는 압력을 높이거나 온도를 낮추어 강제로 액화시킨 상태로 보관하기 때문에, 외부 열침투에 의한 상변화가 우려되어 액화가스 저장탱크의 단열성 확보가 중요하다. 다만 액화가스 저장탱크가 완벽한 단열을 구현할 수는 없기 때문에, 액화가스 저장탱크에 저장되어 있는 일부 액화가스는, 외부로부터 전달되는 열에 의하여 기체인 증발가스로 상변화하게 된다.
이때 기체로 상변화한 증발가스는 부피가 대폭 증가하므로 액화가스 저장탱크의 내부 압력을 높이는 요인이 되며, 액화가스 저장탱크의 내압이 액화가스 저장탱크가 견딜 수 있는 압력을 초과하게 되면 액화가스 저장탱크가 파손될 우려가 있다.
따라서 종래에는, 액화가스 저장탱크의 내압을 일정하게 유지하기 위해서, 필요 시 증발가스를 외부로 방출하여 액화가스 저장탱크의 내압을 낮추는 방법을 사용하였다. 또는 증발가스를 액화가스 저장탱크의 외부로 배출한 뒤, 별도로 구비한 재액화장치를 사용하여 액화시킨 후 다시 액화가스 저장탱크로 회수하였다.
그러나 증발가스를 단순히 외부로 방출하는 경우에는 외부 환경의 오염 문제가 발생할 수 있으며, 재액화장치를 사용할 경우에는 재액화장치를 구비하고 운영하기 위해 필요한 비용, 인력 등의 문제가 발생하게 된다. 따라서 외부 열침투에 의해 발생되는 증발가스의 효과적인 처리방법의 개발이 요구되는 실정이다.
이러한 종래 기술은 국내등록공보 10-1043425(2011.06.15.) 등에 공개되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 냉각매체와 열교환시켜 액화하되, 증발가스를 팽창하기 위한 증발가스 팽창기와, 냉각매체를 팽창하기 위한 매체 팽창기를 서로 연결하여 시스템 구성을 단순화시킬 수 있는 증발가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 증발가스를 압축하기 위한 증발가스 압축기와, 냉각매체를 압축하기 위한 매체 압축기를 서로 연결하고 클러치를 이용하여 동력 전달을 효과적으로 조절할 수 있으며, 증발가스 팽창기 및 매체 팽창기에 의해 생성된 동력을 증발가스 압축기와 매체 압축기로 전달함으로써 압축기에 의한 에너지 소모를 절감할 수 있는 증발가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 증발가스를 다단 압축 후 응축하고 팽창시켜 재액화하되, 재액화된 증발가스에서 기체 성분인 플래시 가스를 이용해 압축 전 증발가스 및 압축된 냉각매체를 냉각시키고, 플래시 가스에 의해 냉각된 냉각매체가 매체 팽창기에서 팽창된 후 응축기에서 증발가스를 냉각시킬 수 있도록 하여 에너지 효율을 높일 수 있는 증발가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 압축된 냉각매체를 분리하여, 일부는 플래시 가스에 의해서 냉각되도록 하고, 일부는 플래시 가스와의 열교환을 우회하도록 한 뒤, 각각 응축기에서 매체 팽창기에 의해 팽창된 냉각매체에 의해 냉각된 후 매체 팽창기로 유입될 수 있도록 하여, 냉각매체의 유량과 증발가스의 유량을 감안한 효율적인 열교환 제어를 구현할 수 있는 증발가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기; 상기 압축된 증발가스를 냉각매체와 열교환시켜 냉각하는 응축기; 상기 냉각된 증발가스를 팽창시키는 증발가스 팽창기; 및 상기 냉각매체를 순환시키는 냉각매체 순환부를 포함하고, 상기 냉각매체 순환부는, 상기 냉각매체를 압축하는 매체 압축기; 및 압축된 냉각매체를 팽창시키는 매체 팽창기를 포함하며, 상기 증발가스 팽창기와 상기 매체 팽창기는, 하나의 축으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 증발가스 팽창기와 상기 매체 팽창기는, 하나의 팽창기 축에 의해 연결되고, 상기 증발가스 압축기와 상기 매체 압축기는, 하나의 압축기 축에 의해 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 압축기와 상기 매체 압축기는, 상기 증발가스 팽창기 또는 상기 매체 팽창기에 의해 생산된 동력으로 구동될 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 압축기와 상기 매체 압축기는, 왕복동식 압축기일 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기 축에 상기 팽창기 축을 연결하는 동력 전달부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 동력 전달부는, 기어박스일 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기 축에 구비되며 상기 매체 압축기의 구동 여부를 제어하는 압축기 클러치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기 클러치는, 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스의 유량이 수요처에서 요구하는 유량 이하일 경우, 상기 매체 압축기를 상기 동력 전달부로부터 단락시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 팽창기 축에 구비되며 상기 매체 팽창기의 연결 여부를 제어하는 팽창기 클러치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 팽창기 클러치는, 상기 매체 팽창기가 기설정 속도 이하로 회전되거나 회전이 정지될 경우, 상기 매체 팽창기를 상기 팽창기 축으로부터 단락시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 팽창된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스와 열교환시키는 증발가스 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 팽창된 증발가스를 기체 성분과 액체 성분으로 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 기액분리기는, 기체 성분을 상기 증발가스 열교환기로 공급하고, 액체 성분을 상기 액화가스 저장탱크로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에 연결되어 증발가스가 유동하는 증발가스 라인을 더 포함하며, 상기 증발가스 라인에는, 상기 증발가스 압축기, 상기 응축기, 상기 증발가스 팽창기가 순차적으로 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 기액분리기에서 상기 증발가스 열교환기로 연결되는 증발가스 공급 라인; 및 상기 기액분리기에서 상기 액화가스 저장탱크로 연결되는 증발가스 회수 라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 열교환기는, 상기 팽창된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스 및 압축된 냉각매체와 열교환시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 열교환기는, 상기 팽창된 증발가스로 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스 및 압축된 냉각매체를 냉각시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각매체 순환부는, 상기 매체 압축기, 상기 응축기, 상기 매체 팽창기를 연결하는 냉각매체 순환 라인; 상기 냉각매체 순환 라인 상에서 상기 매체 압축기의 하류에서 분지되어 상기 증발가스 열교환기를 경유하여 상기 응축기의 하류에서 상기 냉각매체 순환 라인에 합류되는 냉각매체 분기 라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각매체 순환부는, 상기 냉각매체 분기 라인이 상기 냉각매체 순환 라인으로부터 분기되는 지점에 구비되는 분리기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 응축기는, 압축된 증발가스가 흐르는 제1 경로, 상기 증발가스 열교환기를 거친 냉각매체가 흐르는 제2 경로, 상기 증발가스 열교환기를 우회한 냉각매체가 흐르는 제3 경로, 상기 매체 팽창기에서 팽창된 냉각매체가 흐르는 제4 경로를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 응축기는, 상기 제4 경로에서 흐르는 상기 냉각매체로 상기 제1 내지 제3 경로에서 흐르는 증발가스 및 냉각매체를 냉각시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각매체 순환부는, 상기 응축기의 하류에서 상기 냉각매체 분기라인이 상기 냉각매체 순환 라인에 합류되는 지점에 구비되는 혼합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 증발가스를 팽창시키기 위한 증발가스 팽창기를 증발가스 재액화용 냉각매체를 팽창시키기 위한 매체 팽창기와 하나의 축으로 연결함으로써 시스템 구성을 단순화시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 증발가스 압축기와 매체 압축기를 연결하되, 각 압축기가 팽창기에 의해 생성된 동력을 공급받아 구동되도록 하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 액화된 증발가스에서 기체 성분인 플래시 가스에 의해 냉각매체가 냉각되도록 하며, 플래시 가스로 냉각된 냉각매체가, 냉각 후 팽창된 냉각매체에 의해 추가로 냉각되도록 해 재액화 성능을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 압축된 냉각매체 중에서 플래시 가스에 의해 냉각되는 냉각매체의 유량을 조절할 수 있도록 하여, 증발가스의 유량이 냉각매체의 유량보다 현저히 적을 경우에는 냉각매체가 플래시 가스와의 열교환을 우회하여 응축기에 유입되도록 함으로써, 효과적인 열교환을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템에서 압축기와 팽창기의 연결 구조를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(20), 응축기(30), 증발가스 팽창기(40), 증발가스 열교환기(50), 기액분리기(60), 회수 펌프(70), 냉각매체 순환부(80)를 포함한다.
이하 본 명세서에서, 액화가스는 LNG를 의미할 수 있고, LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 기체 상태나 과냉 상태, 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는, 외조 탱크(도시하지 않음), 내조 탱크(도시하지 않음), 단열부(도시하지 않음)를 포함한다. 외조 탱크는 액화가스 저장탱크(10)의 외벽을 이루는 구조로서, 스틸로 형성될 수 있으며, 내조 탱크는 스테인레스 재질로 형성될 수 있으며, 1bar 내지 10bar(일례로 6bar)의 압력을 견딜 수 있도록 설계될 수 있다. 그리고 단열부는, 내조 탱크와 외조 탱크의 사이에 구비되며 외부 열에너지가 내조 탱크로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장되어 있는 액화가스는 외부 열침투에 의해서 끓는 점 이상으로 가열될 수 있고, 이로 인해 액화가스 저장탱크(10) 내부에는 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생될 수 있다. 본 실시예는 액화가스 저장탱크(10)에서 자연 발생되어 배출되는 증발가스를 액화시켜서 증발가스 저장탱크로 복귀시킬 수 있으며, 이를 통해 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 필요 이상으로 증가되는 것을 방지할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10) 내부에서 증발가스는 상부에 위치되므로 액화가스 저장탱크(10)의 상부에는 증발가스의 배출을 위한 증발가스 라인(11)이 연결될 수 있다. 증발가스 라인(11)은 후술할 증발가스 열교환기(50), 증발가스 압축기(20), 응축기(30), 증발가스 팽창기(40), 기액분리기(60)가 순차적으로 연결되며 증발가스가 유동한다. 증발가스 라인(11)은 기액분리기(60)에서 증발가스 공급 라인(111)과 증발가스 회수 라인(112)으로 분기될 수 있다.
증발가스 압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스를 압축한다. 이때 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스라 함은 액화가스 저장탱크(10)에서 자연 발생되는 증발가스를 의미할 수 있으며, 물론 이외에도 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 강제로 기화된 액화가스를 의미할 수도 있다.
증발가스 압축기(20)는 왕복동식 압축기일 수 있고, 복수 개로 구비될 수 있으며, 복수 개의 증발가스 압축기(20)는 직렬 또는 병렬로 구비될 수 있다. 증발가스 압축기(20)가 직렬로 구비되는 것은 증발가스를 일정 압력으로 충분히 압축하기 위한 것이고, 증발가스 압축기(20)가 병렬로 구비되는 것은 어느 하나의 증발가스 압축기(20)의 파손을 대비하기 위한 것이다.
증발가스 압축기(20)는 액화가스 저장탱크(10)에서 1 내지 10bar 내외로 배출되는 증발가스를 10bar 이상으로 충분히 압축해서 응축기(30)에 공급하며, 이는 증발가스의 액화 효율을 높이기 위함이다. 증발가스가 NG일 경우 증발가스는 압력이 높아질수록 끓는 점이 높아지므로, 증발가스의 압력을 충분히 높이게 되면 압력이 낮은 경우 대비 증발가스의 액화를 위해 필요한 냉열이 상대적으로 줄어들 수 있기 때문이다.
증발가스 압축기(20)의 각 후단에는 증발가스 냉각기(21)가 구비될 수 있다. 증발가스 압축기(20)는 증발가스의 압력을 상승시키면서 증발가스의 온도를 자연스럽게 높이게 된다. 따라서 이 경우 증발가스의 재액화율이 저하되는 것을 방지하고, 증발가스가 가열됨에 따라 부피가 증가하여 다른 증발가스 압축기(20)에서의 부하가 증가되는 것을 방지하기 위해서, 압축된 증발가스를 각 증발가스 압축기(20)의 후단에서 냉각시킬 수 있다. 이때 증발가스 냉각기(21)는 청수나 해수 등 기타 냉열원을 활용할 수 있다.
증발가스 압축기(20)는 총 3단 내지 5단으로 구비될 수 있으며, 이때 증발가스 라인(11) 상에서 증발가스 압축기(20)의 2단 하류 또는 3단 하류에는 저압 증발가스 공급 라인(도시하지 않음)이 연결될 수 있다. 이때 저압 증발가스 공급 라인은 이종연료엔진(DFDE)(도시하지 않음)에 연결되어 10bar 내외로 압축된 증발가스가 이종연료엔진에 공급되어 동력 또는 전력을 생산하도록 할 수 있다.
증발가스 라인(11) 상에서 저압 증발가스 공급 라인이 연결되는 지점에는 밸브(도시하지 않음)가 구비될 수 있으며, 밸브는 이종연료엔진 또는 응축기(30)로 공급되는 증발가스의 유량을 제어할 수 있고, 3-way 밸브일 수 있다.
응축기(30)는, 압축된 증발가스를 냉각매체와 열교환시켜 냉각한다. 증발가스는 앞서 설명한 바와 같이 압축됨에 따라 끓는 점이 높아져서 액화가 용이해진다. 응축기(30)는 증발가스 압축기(20)에 의해서 압축된 증발가스를 냉각매체로 냉각시켜서 적어도 일부를 액화시킬 수 있다.
이때 응축기(30)는 총 4개의 경로(31,32,33,34)를 구비하며, 압축된 증발가스가 흐르는 제1 경로(31)와, 냉각매체가 흐르는 제2 내지 제4 경로(34)를 구비할 수 있다. 구체적으로 응축기(30)는, 압축된 증발가스가 흐르는 제1 경로(31), 증발가스 열교환기(50)를 거친 냉각매체가 흐르는 제2 경로(32), 증발가스 열교환기(50)를 우회한 냉각매체가 흐르는 제3 경로(33), 매체 팽창기(84)에서 팽창된 냉각매체가 흐르는 제4 경로(34)를 포함한다. 이러한 4개의 경로(31,32,33,34)에 대해서는 냉각매체 순환부(80)를 설명하면서 다시 언급하도록 한다.
증발가스 팽창기(40)는, 냉각된 증발가스를 팽창시킨다. 증발가스는 응축기(30)에 유입되기 전에 증발가스 압축기(20)에 의해서 압축되므로, 압축된 증발가스의 압력을 다시 낮춰줄 필요가 있다. 이는 액화된 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)로 회수될 때 액화가스 저장탱크(10)를 보호하기 위한 것이며, 또한 압력을 낮춤으로써 발생하는 추가적인 냉각 효과를 획득하기 위함이다.
증발가스 팽창기(40)는 압축 및 냉각된 증발가스에 의해 팽창되면서 동력을 생산할 수 있다. 이때 생산된 동력은 증발가스 압축기(20) 또는 후술할 매체 압축기(83)에 전달되며, 증발가스 팽창기(40)에서 증발가스 압축기(20)로의 동력 전달에 대해서는 후술하도록 한다.
증발가스 열교환기(50)는, 팽창된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스와 열교환시킨다. 증발가스 열교환기(50)는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스가 증발가스 압축기(20)에 유입되기 전에 열교환에 의해 냉각되도록 한다.
증발가스 열교환기(50)에는 증발가스 팽창기(40)에서 팽창된 후 후술할 기액분리기(60)에서 분리된 기체 성분인 플래시 가스가 유입될 수 있고, 플래시 가스는 응축기(30)와 증발가스 팽창기(40)를 거치면서 저온으로 냉각된 상태이므로, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스보다 상대적으로 낮은 온도일 수 있다.
따라서 증발가스 열교환기(50)는, 기액분리기(60)로부터 공급되는 플래시 가스를 이용하여 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스를 냉각시켜서, 증발가스 압축기(20)로 유입될 증발가스의 부피를 감소시켜 증발가스 압축기(20)의 부하를 절감할 수 있다.
또한 증발가스 열교환기(50)는, 팽창된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스 및 압축된 냉각매체와 열교환시킬 수 있다. 즉 증발가스 열교환기(50)는 총 3개의 경로를 갖는 열교환기일 수 있으며, 증발가스 열교환기(50)에는 플래시 가스, 증발가스, 냉각매체가 유동할 수 있다.
후술하겠으나, 냉각매체는, 매체 압축기(83)에서 압축됨에 따라 상대적으로 고온인 상태로 증발가스 열교환기(50)에 유입되므로, 증발가스 열교환기(50)는 팽창된 증발가스인 플래시 가스로 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스와 압축된 냉각매체 모두를 냉각시킬 수 있다. 이때 냉각된 냉각매체는 응축기(30)로 유입되어 팽창된 냉각매체에 의해 냉각된다.
또한 증발가스 열교환기(50)에서 증발가스 및 냉각매체에 냉열을 공급하면서 가열된 플래시 가스는, 증발가스 열교환기(50)에서 배출되어 대기로 방출되거나 또는 가스연소장치(GCU;Gas Combustion Unit)(도시하지 않음), 보일러(도시하지 않음), 엔진이나 터빈 등과 같이 증발가스로 동력을 생산하는 장치 등에 공급될 수 있다.
기액분리기(60)는, 팽창된 증발가스를 기체 성분과 액체 성분으로 분리한다. 이때 기액분리기(60)는 기체 성분을 증발가스 열교환기(50)로 공급하고, 액체 성분을 액화가스 저장탱크(10)로 공급할 수 있다.
기액분리기(60)에서 분리된 기체 성분은 앞서 언급한 바와 같이 플래시 가스로서, 냉열을 충분히 갖고 있는 상태이다. 따라서 본 실시예는 플래시 가스의 냉열을 증발가스 압축기(20)에 유입될 증발가스의 냉각 및 응축기(30)에 유입될 냉각매체의 냉각에 활용하여 에너지를 절감할 수 있다.
기액분리기(60)에서 분리된 액체 성분은 액화된 증발가스로서 액화가스 저장탱크(10)에 저장되어 있는 액화가스와 마찬가지로 액체 상태 또는 과냉 상태일 수 있다. 따라서 기액분리기(60)는 액체 성분을 액화가스 저장탱크(10)로 회수하여, 증발가스가 버려지는 것을 방지할 수 있다.
기액분리기(60)에는 증발가스 라인(11)이 연결되어 증발가스 팽창기(40)에서 팽창된 증발가스가 유입되며, 증발가스 공급 라인(111)이 연결되어 플래시 가스가 증발가스 공급 라인(111)을 따라 증발가스 열교환기(50)로 유입되도록 할 수 있다. 또한 기액분리기(60)에는 증발가스 회수 라인(112)이 연결되어 액체 성분이 증발가스 회수 라인(112)을 따라 액화가스 저장탱크(10)로 복귀되도록 할 수 있다. 이때 증발가스 회수 라인(112)에는 회수 펌프(70)가 구비될 수 있다.
회수 펌프(70)는, 증발가스 회수 라인(112)에 구비되어 기액분리기(60)에서 분리된 액체 성분을 액화가스 저장탱크(10)로 공급한다. 다만 증발가스 회수 라인(112)에서 분리된 액체 성분은, 증발가스 압축기(20)에서 압축된 후 응축기(30), 증발가스 팽창기(40)를 거쳐 기액분리기(60)에서 분리된 성분으로서, 액화가스 저장탱크(10)의 내압보다 높은 압력을 가질 수 있으므로, 회수 펌프(70)는 생략 가능하다.
냉각매체 순환부(80)는, 냉각매체를 순환시킨다. 냉각매체는 응축기(30)에서 증발가스를 냉각시키는데 사용되는 물질이며, 질소(N2), 기타 화합물 등을 활용할 수 있고, 냉각매체의 성분은 특별히 한정하지 않는다.
냉각매체 순환부(80)는, 매체 압축기(83), 매체 팽창기(84), 분리기(85), 혼합기(86)를 포함할 수 있다. 이하 각 구성에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
매체 압축기(83)는, 냉각매체를 압축한다. 매체 압축기(83)는 증발가스 압축기(20)와 마찬가지로 다단으로 구비될 수 있으며, 직렬 또는 병렬로 구비되고, 왕복동식 압축기일 수 있다.
매체 압축기(83)는 매체 팽창기(84)를 거쳐서 응축기(30)에서 가열된 후 배출된 냉각매체를 압축할 수 있으며, 매체 압축기(83)에 의해 압축된 냉각매체는 증발가스 압축기(20)에서 설명한 바와 같이 승온될 수 있기 때문에, 매체 압축기(83)의 각 후단에는 매체 냉각기(831)가 추가로 구비될 수 있다.
매체 압축기(83)는 증발가스 압축기(20)와 하나의 압축기 축(90)에 의해 연결될 수 있는데, 이는 도 2를 참조하여 후술하도록 한다.
매체 팽창기(84)는, 압축된 냉각매체를 팽창시킨다. 구체적으로 매체 팽창기(84)는, 압축된 후 응축기(30)에서 냉각된 냉각매체를 팽창시킬 수 있으며, 팽창된 냉각매체는 다시 응축기(30)에 유입되어 응축기(30)에서 가열된 후 매체 압축기(83)로 유입될 수 있다.
매체 팽창기(84)에서 팽창된 냉각매체는 저온 상태로 응축기(30)에 유입되며, 이때 응축기(30)의 제4 경로(34)에 유입될 수 있다. 팽창된 냉각매체는 응축기(30)의 제1 내지 제4 경로(31,32,33,34)로 유입되는 증발가스나 냉각매체 중에서 가장 낮은 온도를 가지며, 따라서 팽창된 냉각매체에 의해서 매체 팽창기(84)에 유입될 냉각매체(제2, 제3 경로(32,33))와, 압축된 후 응축기(30)에 유입된 증발가스(제1 경로(31))가 모두 냉각될 수 있다.
냉각매체 순환부(80)는, 매체 압축기(83), 응축기(30), 매체 팽창기(84)를 연결하는 냉각매체 순환 라인(81)을 구비할 수 있다. 냉각매체 순환 라인(81)을 따라 유동하는 냉각매체는 매체 압축기(83)에서 압축된 후 응축기(30)에서 냉각되고 매체 팽창기(84)에서 팽창된 뒤 다시 응축기(30)에 유입되어 증발된 후 매체 압축기(83)에 재유입될 수 있다.
이때 매체 압축기(83)에서 압축된 냉각매체 중 일부는, 앞서 언급한 바와 같이 증발가스 열교환기(50)를 거쳐 추가로 냉각된 후 응축기(30)에 유입될 수 있다. 이를 위해서 본 실시예는 냉각매체 순환 라인(81) 상에서 매체 압축기(83)의 하류에서 분지되어 증발가스 열교환기(50)를 경유하여 응축기(30)의 하류에서 냉각매체 순환 라인(81)에 합류되는 냉각매체 분기 라인(82)을 더 포함할 수 있다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 플래시 가스의 냉열을 냉각매체에도 전달하기 위함이다.
매체 압축기(83)에 의해 압축된 후 냉각매체 순환 라인(81)을 따라 유입되는 냉각매체는 응축기(30)의 제3 경로(33)로 유입될 수 있고, 매체 팽창기(84)를 거친 뒤 응축기(30)의 제4 경로(34)로 유입된다.
반면 매체 압축기(83)에 의해 압축된 후 냉각매체 순환 라인(81) 및 냉각매체 분기 라인(82)을 따라 증발가스 열교환기(50)를 거친 뒤 유입되는 냉각매체는 응축기(30)의 제2 경로(32)로 유입될 수 있다.
이때 제4 경로(34)로 유입되는 냉각매체는 팽창에 따라 냉각된 뒤 응축기(30)로 유입되는 것으로서 극저온이므로, 제1 경로(31)를 따라 유입된 증발가스와, 증발가스 열교환기(50)를 거쳐 제2 경로(32)를 따라 유입된 냉각매체와, 증발가스 열교환기(50)를 우회하여 제3 경로(33)를 따라 유입된 냉각매체를 모두 냉각시킬 수 있다.
분리기(85)는, 냉각매체 분기 라인(82)이 냉각매체 순환 라인(81)으로부터 분기되는 지점에 구비된다. 분리기(85)는 적어도 일부의 냉각매체가 증발가스 열교환기(50)에서 플래시 가스에 의해 냉각된 후 응축기(30)로 유입되고, 나머지 냉각매체가 증발가스 열교환기(50)를 우회하여 응축기(30)로 유입되도록 할 수 있다.
이와 같이 분리기(85)가 냉각매체의 증발가스 열교환기(50) 유입량을 조절하도록 하는 것은, 증발가스의 유량이 냉각매체의 유량 대비 많지 않기 때문이다. 즉 냉각매체의 유량이 증발가스의 유량보다 현저히 많을 경우 상대적으로 많은 유량의 냉각매체가 증발가스 열교환기(50)로 유입된다면, 냉각매체의 추가적인 냉각 효과나 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스의 냉각 효과를 제대로 얻을 수 없기 때문이다. 따라서 분리기(85)는 증발가스의 유량에 따라서 증발가스 열교환기(50)로 유입되는 냉각매체의 유량을 조절할 수 있다. 이를 위해 분리기(85)는 3-way 밸브 또는 분기 지점의 하류에 각각 구비되는 2개의 2-way 밸브일 수 있다.
혼합기(86)는, 응축기(30)의 하류에서 냉각매체 분기 라인(82)이 냉각매체 순환 라인(81)에 합류되는 지점에 구비된다. 냉각매체 분기 라인(82)은 응축기(30)의 하류에서 냉각매체 순환 라인(81)에 합류되므로, 혼합기(86)는 응축기(30)의 하류에 구비될 수 있다.
물론 본 발명은 이에 한정하지 않고, 냉각매체 분기 라인(82)이 응축기(30)의 상류에서 냉각매체 순환 라인(81)에 합류하도록 하고, 혼합기(86)가 응축기(30)의 상류에 구비되도록 할 수도 있다. 이때 응축기(30)는 3개의 경로만 가질 수 있다.
혼합기(86)에서 혼합된 냉각매체는, 매체 팽창기(84)에 유입되어 팽창됨에 따라 동력을 생산하며, 다시 응축기(30)로 유입된 후 매체 압축기(83)에 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템에서 압축기와 팽창기의 연결 구조를 도시한 도면이다. 이하에서는 본 실시예에서의 압축기(20,83)와 팽창기(40,84)에 대해 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템(1)에서, 증발가스 팽창기(40)와 매체 팽창기(84)는, 하나의 팽창기 축(100)에 의해 연결되고, 증발가스 압축기(20)와 매체 압축기(83)는, 하나의 압축기 축(90)에 의해 연결된다.
증발가스 압축기(20)와 매체 압축기(83)는 왕복동식 압축기일 수 있고, 압축기 축(90)에 커넥팅 로드(부호 도시하지 않음)가 연결되고, 커넥팅 로드에 연결된 피스톤(부호 도시하지 않음)이 실린더(부호 도시하지 않음) 내부를 왕복운동하면서 실린더에 공급된 증발가스 또는 냉각매체를 압축시킬 수 있다.
이때 증발가스 팽창기(40) 또는 매체 팽창기(84)는 증발가스 또는 냉각매체를 팽창시키면서 동력을 생산할 수 있고, 증발가스 압축기(20)와 매체 압축기(83)는, 증발가스 팽창기(40) 또는 매체 팽창기(84)에 의해 생산된 동력으로 구동될 수 있다.
이를 위해서 증발가스 압축기(20) 및 매체 압축기(83)가 구비된 압축기 축(90)은, 증발가스 팽창기(40)와 매체 팽창기(84)가 구비된 팽창기 축(100)과 연결되며, 본 실시예는 압축기 축(90)에 팽창기 축(100)을 연결하는 동력 전달부(110)를 더 포함할 수 있다.
동력 전달부(110)는, 기어박스일 수 있으며, 증발가스 팽창기(40)와 매체 팽창기(84)에 의해 생산된 동력을 압축기 축(90)으로 전달하여 증발가스 압축기(20)와 매체 압축기(83)가 구동되도록 할 수 있다.
다만 증발가스 팽창기(40) 또는 매체 팽창기(84)에 의해서 생성되는 동력은, 증발가스 압축기(20)와 매체 압축기(83)를 구동하는데 부족할 수 있다. 따라서 동력 전달부(110)는 별도의 동력 발생부(120)에 의해 추가적인 동력을 공급받아 압축기 축(90)에 전달할 수 있으며, 동력 발생부(120)는 증발가스를 연소하여 구동되는 엔진이나 터빈, 또는 별도의 발전기 등일 수 있다.
본 실시예는, 압축기 축(90)에 매체 압축기(83)의 구동 여부를 제어하는 압축기 클러치(91)를 구비할 수 있다. 압축기 클러치(91)는 압축기 축(90)으로 전달된 동력이 매체 압축기(83)로 전달되는 것을 제어할 수 있다.
매체 압축기(83)는 증발가스를 액화시킬 필요가 있을 경우에 구동되는데, 증발가스의 유량이 없거나 또는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스의 유량이 증발가스를 소비하는 수요처의 요구 유량 이하일 경우에는, 재액화가 필요한 증발가스의 유량이 없을 수 있다. 이때 매체 압축기(83)는 구동할 필요가 없으므로, 압축기 클러치(91)는 매체 압축기(83)를 동력 전달부(110)로부터 단락시킬 수 있다. 따라서 이 경우 증발가스 팽창기(40)에 의해 생성된 동력은 증발가스 압축기(20)로만 전달될 수 있다.
또한 본 실시예는, 앞서 설명한 바와 같이 냉각매체의 순환이 없을 경우를 대비하여, 팽창기 축(100)에 구비되며 매체 팽창기(84)의 연결 여부를 제어하는 팽창기 클러치(101)를 더 포함할 수 있다.
팽창이 필요한 냉각매체가 거의 없을 경우에는 매체 팽창기(84)의 회전이 거의 일어나지 않는다. 이때 팽창기 축(100)에 매체 팽창기(84)가 연결되어 있다면 매체 팽창기(84)는 부하로 작용될 수 있어 동력 생산에 문제가 된다.
따라서 팽창기 클러치(101)는, 매체 팽창기(84)가 구동될 때에만 매체 팽창기(84)를 팽창기 축(100)에 연결하여, 매체 팽창기(84)로부터 생산되는 동력이 압축기 축(90)으로 전달되도록 할 수 있다.
이때 팽창기 클러치(101)는 일반적으로 상용되는 SSS 클러치(Synchro-Self-Shifting Clutch)일 수 있으며, 매체 팽창기(84)가 기설정 속도 이하로 회전되거나 회전이 정지될 경우, 매체 팽창기(84)를 팽창기 축(100)으로부터 단락시킬 수 있다. 즉 팽창기 클러치(101)는 냉각매체의 팽창이 충분히 이루어짐에 따라 매체 팽창기(84)가 충분한 속도로 회전될 때에만 매체 팽창기(84)가 팽창기 축(100)에 연결되도록 하여 동력 생산 효율을 충분히 확보할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 증발가스 팽창기(40)와 매체 팽창기(84)를 하나의 팽창기 축(100)으로 연결하고, 증발가스 압축기(20)와 매체 압축기(83)를 하나의 압축기 축(90)으로 연결하며, 팽창기 축(100)에서 압축기 축(90)으로 동력이 전달되도록 하여, 압축 시 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.
1: 증발가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
11: 증발가스 라인 111: 증발가스 공급 라인
112: 증발가스 회수 라인 20: 증발가스 압축기
21: 증발가스 냉각기 30: 응축기
31: 제1 경로 32: 제2 경로
33: 제3 경로 34: 제4 경로
40: 증발가스 팽창기 50: 증발가스 열교환기
60: 기액분리기 70: 회수 펌프
80: 냉각매체 순환부 81: 냉각매체 순환 라인
82: 냉각매체 분기 라인 83: 매체 압축기
831: 매체 냉각기 84: 매체 팽창기
85: 분리기 86: 혼합기
90: 압축기 축 91: 압축기 클러치
100: 팽창기 축 101: 팽창기 클러치
110: 동력 전달부 120: 동력 발생부

Claims (22)

  1. 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기;
    상기 압축된 증발가스를 냉각매체와 열교환시켜 냉각하는 응축기;
    상기 냉각된 증발가스를 팽창시키는 증발가스 팽창기; 및
    상기 냉각매체를 순환시키는 냉각매체 순환부를 포함하고,
    상기 냉각매체 순환부는,
    상기 냉각매체를 압축하는 매체 압축기; 및
    압축된 냉각매체를 팽창시키는 매체 팽창기를 포함하며,
    상기 증발가스 팽창기와 상기 매체 팽창기는, 하나의 축으로 연결되는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발가스 팽창기와 상기 매체 팽창기는, 하나의 팽창기 축에 의해 연결되고,
    상기 증발가스 압축기와 상기 매체 압축기는, 하나의 압축기 축에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발가스 압축기와 상기 매체 압축기는, 상기 증발가스 팽창기 또는 상기 매체 팽창기에 의해 생산된 동력으로 구동되는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발가스 압축기와 상기 매체 압축기는, 왕복동식 압축기인 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축기 축에 상기 팽창기 축을 연결하는 동력 전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 동력 전달부는,
    기어박스인 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 압축기 축에 구비되며 상기 매체 압축기의 구동 여부를 제어하는 압축기 클러치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 압축기 클러치는,
    상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스의 유량이 수요처에서 요구하는 유량 이하일 경우, 상기 매체 압축기를 상기 동력 전달부로부터 단락시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 팽창기 축에 구비되며 상기 매체 팽창기의 연결 여부를 제어하는 팽창기 클러치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 팽창기 클러치는,
    상기 매체 팽창기가 기설정 속도 이하로 회전되거나 회전이 정지될 경우, 상기 매체 팽창기를 상기 팽창기 축으로부터 단락시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스와 열교환시키는 증발가스 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 팽창된 증발가스를 기체 성분과 액체 성분으로 분리하는 기액분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 기액분리기는,
    기체 성분을 상기 증발가스 열교환기로 공급하고, 액체 성분을 상기 액화가스 저장탱크로 공급하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에 연결되어 증발가스가 유동하는 증발가스 라인을 더 포함하며,
    상기 증발가스 라인에는, 상기 증발가스 압축기, 상기 응축기, 상기 증발가스 팽창기가 순차적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 상기 증발가스 열교환기로 연결되는 증발가스 공급 라인; 및
    상기 기액분리기에서 상기 액화가스 저장탱크로 연결되는 증발가스 회수 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 증발가스 열교환기는,
    상기 팽창된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스 및 압축된 냉각매체와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 증발가스 열교환기는,
    상기 팽창된 증발가스로 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스 및 압축된 냉각매체를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 냉각매체 순환부는,
    상기 매체 압축기, 상기 응축기, 상기 매체 팽창기를 연결하는 냉각매체 순환 라인;
    상기 냉각매체 순환 라인 상에서 상기 매체 압축기의 하류에서 분지되어 상기 증발가스 열교환기를 경유하여 상기 응축기의 하류에서 상기 냉각매체 순환 라인에 합류되는 냉각매체 분기 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 냉각매체 순환부는,
    상기 냉각매체 분기 라인이 상기 냉각매체 순환 라인으로부터 분기되는 지점에 구비되는 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 응축기는,
    압축된 증발가스가 흐르는 제1 경로, 상기 증발가스 열교환기를 거친 냉각매체가 흐르는 제2 경로, 상기 증발가스 열교환기를 우회한 냉각매체가 흐르는 제3 경로, 상기 매체 팽창기에서 팽창된 냉각매체가 흐르는 제4 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 응축기는,
    상기 제4 경로에서 흐르는 상기 냉각매체로 상기 제1 내지 제3 경로에서 흐르는 증발가스 및 냉각매체를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 냉각매체 순환부는,
    상기 응축기의 하류에서 상기 냉각매체 분기라인이 상기 냉각매체 순환 라인에 합류되는 지점에 구비되는 혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
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