KR101511214B1 - 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 장치가 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축부; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 상기 압축부에서 압축된 증발가스를 열교환시키는 제 1 자가열교환기; 상기 압축부 및 상기 제 1 자가열교환기를 거친 증발가스를 다시 한 번 냉각시키는 냉각부; 및 상기 냉각부에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 제 1 감압장치;를 포함하고, 상기 압축부는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제 1 자가열교환기에서 열교환된 증발가스를 압축시키는 압축기; 및 상기 압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 열교환기;를 포함하고, 상기 냉각부는, 상기 제 1 자가열교환기로부터 상기 냉각부로 보내진 증발가스를 압축시키는 여분압축기; 및 상기 여분압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 여분열교환기;를 포함하며, 상기 여분압축기는 상기 압축기가 고장난 경우에 압축기의 역할을 하고, 상기 여분열교환기는 상기 열교환기가 고장난 경우에 열교환기의 역할을 한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법{BOG Re-liquefaction Apparatus and Method for Vessel}
본 발명은 선박에 적용되는 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 재액화 장치 및 방법에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 액화천연가스는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화천연가스 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단시키는 데에는 한계가 있고, 액화천연가스 내부로 전달되는 열에 의해 액화천연가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화천연가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.
증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 선박의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내진다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진 및 ME-GI엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
통상 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 증발가스를 재액화시킨다. 증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 시키는데, 증발가스를 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 방법인 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 부분 재액화 시스템(1)의 액화천연가스 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스(A라인)는 자가열교환기(40)를 통과한 후 압축기(20) 및 열교환기(30)를 지나면서 압축된다. 증발가스가 압축되면 압력뿐만 아니라 온도도 높아지게 되므로 압축기(20) 후단에 열교환기(30)를 설치하여 온도를 낮추는 것이다.
압축된 증발가스의 일부는 자가열교환기(40)로 보내져서(B라인) 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스(A라인)와 열교환되고, 나머지 압축된 증발가스는 엔진으로 보내져(C라인) 연료로 사용된다. 일반적으로 ME-GI엔진 등의 가스연료엔진은 고압의 증발가스를 연료로 사용하므로, 압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 증발가스를 바로 가스연료엔진으로 보내도 되지만, DF엔진은 저압의 증발가스를 연료로 사용하므로, 가스연료엔진이 DF엔진인 경우, DF엔진 전단에 제 1 감압장치(50)를 설치하여 압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 증발가스를 감압시킨 후에 DF엔진으로 보낸다.
압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 후 자가열교환기(40)로 보내진 증발가스(B라인)는 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스(A라인)와 열교환된 후 제 2 감압장치(60)로 보내져 압력이 낮아진다. 자가열교환기(40)와 제 2 감압장치(60)를 통과한 증발가스의 일부는 재액화되고 나머지는 기체상태로 남아있게 되는데, 기액분리기(70)는 재액화된 증발가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하여, 재액화된 증발가스는 저장탱크(10)로 돌려보내고(D라인), 기체상태로 남아있는 증발가스(E라인)는 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스(A라인)와 함께 다시 자가열교환기(40)로 보낸다.
한편, 종래의 부분 재액화 시스템(1)은 압축기(20)나 열교환기(30)가 고장나는 경우를 대비하여 여분의 압축기(21)와 여분의 열교환기(31)를 포함하였는데, 본 발명은, 여분의 압축기(21)와 여분의 열교환기(31)를 이용하여 폐쇄 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 구성하여 재액화 효율을 높이는, 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 장치에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축부; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 상기 압축부에서 압축된 증발가스를 열교환시키는 제 1 자가열교환기; 상기 압축부 및 상기 제 1 자가열교환기를 거친 증발가스를 다시 한 번 냉각시키는 냉각부; 및 상기 냉각부에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 제 1 감압장치;를 포함하고, 상기 압축부는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제 1 자가열교환기에서 열교환된 증발가스를 압축시키는 압축기; 및 상기 압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 열교환기;를 포함하고, 상기 냉각부는, 상기 제 1 자가열교환기로부터 상기 냉각부로 보내진 증발가스를 압축시키는 여분압축기; 및 상기 여분압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 여분열교환기;를 포함하며, 상기 여분압축기는 상기 압축기가 고장난 경우에 압축기의 역할을 하고, 상기 여분열교환기는 상기 열교환기가 고장난 경우에 열교환기의 역할을 하는, 선박용 증발가스 재액화 장치가 제공된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 기액분리기는 상기 압축부, 상기 제 1 자가열교환기, 상기 냉각부 및 상기 제 1 감압장치를 통과하면서 재액화된 증발가스와 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리시킬 수 있다.
상기 냉각부는 제 2 자가열교환기 및 제 2 감압장치를 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 자가열교환기는, 상기 제 2 감압장치를 통과한 증발가스를, 상기 여분압축기와 상기 여분열교환기를 통과한 증발가스; 및 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제 1 자가열교환기를 통과한 증발가스;와 동시에 열교환시킬 수 있으며, 상기 제 2 감압장치는, 상기 여분압축기, 상기 여분열교환기 및 상기 제 2 자가열교환기를 통과한 증발가스의 압력을 감소시킬 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 여분압축기, 상기 여분열교환기, 상기 제 2 자가열교환기 및 상기 제 2 감압장치를 연결하는 폐쇄 루프 사이클을 구성할 수 있고, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 폐쇄 루프 사이클 내로 들어온 증발가스는 상기 폐쇄 루프 사이클을 순환할 수 있고, 상기 증발가스가 상기 폐쇄 루프 사이클을 순환하는 동안 상기 폐쇄 루프 사이클 내로 공급되는 증발가스는 차단될 수 있다.
상기 폐쇄 루프 사이클은 상기 압축기 또는 상기 열교환기가 고장난 경우 해제될 수 있다.
상기 압축부를 통과한 증발가스의 일부는 엔진으로 보낼 수 있고, 상기 압축부를 통과한 증발가스 중 상기 엔진으로 보내지지 않은 남은 일부는 상기 제 1 자가열교환기로 보낼 수 있다.
상기 엔진은 가스를 연료로 하는 엔진일 수 있다.
상기 엔진은 DF엔진, ME-GI엔진, X-DF엔진 및 가스터빈엔진 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기액분리기로부터 분리된 재액화된 증발가스는 상기 저장탱크로 돌려보낼 수 있고, 상기 기액분리기로부터 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 제 1 자가열교환기로 보낼 수 있다.
상기 제 1 감압장치는 팽창기 및 팽창밸브 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제 2 감압장치는 팽창기 및 팽창밸브 중 어느 하나일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 방법에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 압축되고, 압축된 상기 증발가스의 일부는 엔진으로 보내지고, 상기 압축된 증발가스 중 엔진으로 보내지지 않은 남은 일부는 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 자가열교환되고, 상기 압축된 후 자가열교환된 증발가스는 냉매 증발가스와 다시 한번 열교환되고, 상기 압축된 후 자가열교환되고 상기 냉매 증발가스와 다시 한 번 열교환 된 증발가스는 감압된 후 상기 저장탱크로 보내지며, 상기 냉매 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스가 압축되고 상기 냉매 증발가스와 자가열교환된 후 감압되어 생성되는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 냉매 증발가스는, 상기 압축된 후 자가열교환된 증발가스와 열교환된 후 다시 압축, 열교환 및 감압되는 과정을 반복하여 폐쇄 루프 사이클을 순환할 수 있다.
상기 압축된 후 자가열교환되고 상기 냉매 증발가스와 다시 한 번 열교환 된 후 감압된 증발가스는, 재액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스가 분리되어 상기 재액화된 증발가스는 상기 저장탱크로 보내지고 상기 기체상태의 증발가스는 다시 자가열교환될 수 있다.
본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법에 의하면, 자가열교환기를 통과하면서 온도가 낮아진 압축된 증발가스가 감압장치에 의해 팽창되기 전에, 압축된 증발가스를 폐쇄 루프 사이클을 통해 한 번 더 냉각시키므로, 재액화 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 기존에 이미 설치되어 있던 여분의 압축기와 여분의 열교환기를 이용하여 재액화 효율을 높이므로 추가로 압축기 및 열교환기를 설치하는데 드는 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법은 액화천연가스 화물창이 설치되는 선박 및 육상에서 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 본 발명의 증발가스 재액화 장치가 설치되는 선박은 일반 선박, 바지선, FLNG, 해양플랜트를 포함하고, 바람직하게는 가스를 연료로 사용하는 엔진이 탑재된 액화가스운반선일 수 있다. 가스를 연료로 사용하는 엔진은, DF엔진, ME-GI엔진, X-DF엔진 및 가스터빈엔진 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 처리 장치(100)는, 액화천연가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스(A라인)와 압축부(110)에서 압축된 증발가스(B라인)를 열교환시키는 제 1 자가열교환기(40); 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)를 지난 증발가스를 압축시키는 압축부(110); 압축부(110)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)를 거친 증발가스(F라인)를 다시 한번 냉각시키는 냉각부(120); 냉각부(120)에 의해 한번 더 냉각된 증발가스를 감압시키는 제 2 감압장치(60); 및 제 1 자가열교환기(40)와 제 2 감압장치(60)를 통과하면서 재액화된 증발가스와 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리시키는 기액분리기(70);를 포함한다.
자가열교환기의 자가(Self-)는 저온의 증발가스 자체를 냉각 유체로 이용하여 고온의 증발가스와 열교환 시킨다는 의미를 가진다.
본 실시예의 액화천연가스 저장탱크(10)는, 액화천연가스를 보관하며, 외부에서 전달되는 열에 의해 액화천연가스가 기화되어 생성되는 증발가스를, 일정 압력 이상이 되면 제 1 자가열교환기(40) 쪽으로 배출시킨다.
본 실시예의 제 1 자가열교환기(40)는, 액화천연가스 저장탱크(10)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스를, 압축부(110)를 거쳐 온도와 압력이 높아진 증발가스와 열교환 시킨다.
도 4는 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 메탄은 대략 -80℃ 이상의 온도 및 대략 55bar 이상의 압력 조건이 되면 초임계유체 상태가 된다. 즉, 메탄의 경우, 대략 -80℃, 55bar 상태가 임계점이 된다. 초임계유체 상태는, 액체 상태나 기체상태와는 다른 제 3의 상태이다.
한편, 임계점 이상의 압력에서 임계점보다 낮은 온도를 갖게 되면 일반적인 액체 상태와는 다른, 밀도가 높은 초임계유체 상태와 유사한 상태가 될 수도 있는데, 임계점이상의 압력 및 임계점 이하의 온도를 가지는 증발가스의 상태를, 이하, "고압액체상태"라고 한다.
압축부(110)에 의해 압축된 증발가스는 압축된 정도에 따라 기체상태일 수도 있고, 초임계유체 상태일수도 있다. 가스연료엔진이 ME-GI엔진인 경우, 압축부(110)는 증발가스를 압축하여 대략 40℃, 300bar 상태의 초임계유체로 만들어 ME-GI엔진에 공급하게 되므로, 압축부(110)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)로 보내지는 증발가스(B라인)는 초임계유체 상태가 된다.
증발가스(B라인)가 기체상태인 경우에는, 증발가스는 제 1 자가열교환기(40)를 통과하면서 온도가 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 되고, 증발가스(B라인)가 초임계유체 상태인 경우에는, 증발가스는 제 1 자가열교환기(40)를 통과하면서 온도가 낮아져 "고압액체상태"가 된다.
액체와 기체의 혼합상태 또는 "고압액체상태"인 증발가스는 냉각부(120)의 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 된다.
증발가스(F라인)가 액체와 기체의 혼합상태인 경우에는, 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 더 낮아져 액체의 비율이 더 높은 혼합상태가 되거나 액체상태가 되고, 증발가스(F라인)가 "고압액체상태"인 경우에는, 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 된다.
또한, 증발가스(G라인)가 "고압액체상태"인 경우, 증발가스는 제 2 감압장치(60)를 통과하면서 압력이 낮아져 액체상태가 되거나 액체와 기체의 혼합상태가 된다. "고압액체상태"인 증발가스가 압력이 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 되는 경우, 압력이 같은 정도(도 4의 P)로 낮아진다고 하더라도, 온도가 더 높은 상태에서 감암되는 경우(도 4의 X→X')보다 온도가 더 낮은 상태에서 감압된 경우(도 4의 Y→Y')에 액체의 비율이 더 높은 혼합상태가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 온도를 더 낮출 수 있다면 이론적으로 증발가스를 100% 재액화 시킬 수 있음(도 4의 Z→Z')을 알 수 있다. 따라서, 제 2 감압장치(60)를 통과하기 전에 냉각부(120)를 통해 증발가스를 한 번 더 냉각시키면 재액화 효율이 높아지는 것이다.
본 실시예의 압축부(110)는, 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)에서 열교환된 증발가스를 압축시키는 압축기(20); 및 압축기(20)를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 열교환기(30);를 포함한다. 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)를 지난 증발가스의 일부는 냉각부(120)로 보내지고 나머지 일부는 압축부(110)로 보내진다.
압축부(110)에서 압축된 증발가스의 일부는 제 1 자가열교환기(40)로 보내져서(B라인) 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스(A라인)와 열교환되고, 나머지 압축된 증발가스는 엔진으로 보내져(C라인) 연료로 사용된다.
일반적으로 ME-GI엔진 등의 가스연료엔진은 고압의 증발가스를 연료로 사용하므로, 압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 증발가스를 바로 가스연료엔진으로 보내도 되지만, DF엔진은 저압의 증발가스를 연료로 사용하므로, 가스연료엔진이 DF엔진인 경우, DF엔진 전단에 제 1 감압장치(50)를 설치하여 압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 증발가스를 감압시킨 후에 DF엔진으로 보낸다.
본 실시예의 냉각부(120)는, 제 1 자가열교환기(40)로부터 냉각부(120)로 보내진 증발가스를 압축시키는 여분압축기(21); 및 여분압축기(21)를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 여분열교환기(31); 제 2 자가열교환기(121); 및 제 3 감압장치(122);를 포함한다.
제 2 자가열교환기(121)는, 제 3 감압장치(122)를 통과한 증발가스를(I라인), 여분압축기(21)와 여분열교환기(31)를 통과한 증발가스(H라인) 및 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 증발가스(F라인)와 동시에 열교환시킨다. 또한, 제 3 감압장치(122)는, 여분압축기(21), 여분열교환기(31) 및 제 2 자가열교환기(121)를 통과한 증발가스의 압력을 감소시킨다.
본 실시예의 냉각부(120)는, 여분압축기(21), 여분열교환기(31), 제 2 자가열교환기(121) 및 제 3 감압장치(122)를 통과하여 온도가 낮아진 증발가스를 냉매로 이용하여 압축부(110) 및 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 증발가스를 다시 한번 냉각시키므로 재액화 효율을 높일 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(100)는 처음 구동시킬 때에는 제 1 밸브(131) 및 제 3 밸브(133)는 열린 상태이고 제 2 밸브(132)는 닫힌 상태이다. 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스의 일부가 제 1 자가열교환기(40)를 지나 냉각부(120)로 들어오면, 제 1 밸브(131) 및 제 3 밸브(133)를 닫고 제 2 밸브(132)를 열어, 여분압축기(21), 여분열교환기(31), 제 2 자가열교환기(121) 및 제 3 감압장치(122)를 연결하는 폐쇄 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 구성한다. 냉각부(120)로 들어온 증발가스는, 압축기(20)나 열교환기(30)가 고장나 여분압축기(21)나 여분열교환기(31)가 압축기(20)나 열교환기(30)의 역할을 해야되는 경우를 제외하고는, 폐쇄 루프 사이클을 계속하여 순환하게 된다.
압축기(20)나 열교환기(30)가 고장난 경우에는, 다시 제 1 밸브(131) 및 제 3 밸브(133)를 열고 제 2 밸브(132)를 닫아 여분압축기(21)나 여분열교환기(31)가 압축기(20)나 열교환기(30)의 역할을 할 수 있도록 한다.
저장탱크(10)로부터 배출되어 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 후 냉각부(120)로 들어온 증발가스가 여분압축기(21)와 여분열교환기(31)를 통과하면, 저장탱크(10)로부터 배출되어 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 증발가스가 압축부(110)를 통과한 후와 마찬가지로, 압축된 정도에 따라 기체상태 또는 초임계유체 상태가 된다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 증발가스(H라인)가 기체상태인 경우에는, 증발가스는 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 되거나 액체상태가 되고, 증발가스(H라인)가 초임계유체 상태인 경우에는, 증발가스는 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 낮아져 "고압액체상태"가 된다. 또한, 제 2 자가열교환기(121)를 통과한 증발가스가 "고압액체상태"인 경우, 증발가스는 제 3 감압장치(122)를 통과하면서 압력이 낮아져 액체상태가 될 수 있다.
제 2 자가열교환기(121) 및 제 3 감압장치(122)를 통과하여 온도 및 압력이 낮아진 증발가스(I라인)는 냉매 역할을 하게 되는데(이하, "냉매 증발가스"라고 한다.), 여분압축기(21) 및 여분열교환기(31)를 통과한 증발가스(H라인)는 제 2 자가열교환기(121)에서 "냉매 증발가스"를 냉매로 하여 일차적으로 냉각된 후 제 3 감압장치(122)로 보내지게 된다. 또한, 압축부(110)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)를 통과하여 냉각부(120)의 제 2 자가열교환기(121)로 보내진 증발가스(F라인)는 "냉매 증발가스"를 냉매로 하여 한번 더 냉각되게 된다.
"냉매 증발가스"가 액체상태였다고 하더라도 제 2 자가열교환기(121)를 지나면서, 여분압축기(21) 및 여분열교환기(31)를 통과한 증발가스(H라인)와, 압축부(110)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)를 통과하여 제 2 자가열교환기(121)로 보내진 증발가스(F라인)에게, 냉열을 빼앗겨 다시 기체 또는 초임계유체 상태가 된다. 기체 또는 초임계유체 상태가 된 증발가스는 다시 여분압축기(21)로 보내지게 되고, 위와 같은 과정을 반복하며 폐쇄 루프 사이클을 순환하게 된다.
본 실시예의 기액분리기(70)는, 제 1 자가열교환기(40), 냉각부(120)의 제 2 자가열교환기(121) 및 제 2 감압장치(60)를 통과하면서 일부 재액화된 증발가스와 재액화되지 못하고 남아있는 증발가스를 분리하여, 재액화된 증발가스(D라인)는 저장탱크(10)로 돌려보내고, 기체상태의 증발가스(E라인)는 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스와 함께 다시 제 1 자가열교환기(40)로 보낸다.
본 실시예의 제 1 내지 제 3 감압장치(122)는 증발가스의 압력을 낮추어 주는 역할을 하며, 제 1 내지 제 3 감압장치(50, 60, 122)는 팽창기 및 팽창밸브 중 어느 하나일 수 있다. 감압장치(50, 60, 122)를 통과하기 전의 증발가스가 액체상태인 경우에는 감압장치(50, 60, 122)는 팽창밸브인 것이 바람직하고, 감압장치(50, 60, 122)를 통과하기 전의 증발가스가 기체상태인 경우에는 감압장치(50, 60, 122)는 팽창기인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 처리 장치(200)는, 제 1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(100)와 마찬가지로, 액화천연가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스(A라인)와 압축부(210)에서 압축된 증발가스(B라인)를 열교환시키는 제 1 자가열교환기(40); 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)를 지난 증발가스를 압축시키는 압축부(210); 압축부(210)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)를 거친 증발가스(F라인)를 다시 한번 냉각시키는 냉각부(220); 및 냉각부(220)에 의해 한번 더 냉각된 증발가스를 감압시키는 제 2 감압장치(60);를 포함한다.
단, 본 실시예의 선박용 증발가스 처리 장치(200)는, 제 1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(100)와 달리, 기액분리기(70)를 포함하지 않는다.
본 실시예의 액화천연가스 저장탱크(10)는, 제 1 실시예의 액화천연가스 저장탱크(10)와 마찬가지로, 액화천연가스를 보관하며, 외부에서 전달되는 열에 의해 액화천연가스가 기화되어 생성되는 증발가스를, 일정 압력 이상이 되면 제 1 자가열교환기(40) 쪽으로 배출시킨다.
본 실시예의 제 1 자가열교환기(40)는, 제 1 실시예의 제 1 자가열교환기(40)와 마찬가지로, 액화천연가스 저장탱크(10)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스를, 압축부(210)를 거쳐 온도와 압력이 높아진 증발가스와 열교환 시킨다.
압축부(210)에 의해 압축된 증발가스는 압축된 정도에 따라 기체상태일 수도 있고, 초임계유체 상태일수도 있다. 가스연료엔진이 ME-GI엔진인 경우, 압축부(210)는 증발가스를 압축하여 대략 40℃, 300bar 상태의 초임계유체로 만들어 ME-GI엔진에 공급하게 되므로, 압축부(210)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)로 보내지는 증발가스(B라인)는 초임계유체 상태가 된다.
증발가스(B라인)가 기체상태인 경우에는, 증발가스는 제 1 자가열교환기(40)를 통과하면서 온도가 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 되고, 증발가스(B라인)가 초임계유체 상태인 경우에는, 증발가스는 제 1 자가열교환기(40)를 통과하면서 온도가 낮아져 "고압액체상태"가 된다.
액체와 기체의 혼합상태 또는 "고압액체상태"인 증발가스는 냉각부(220)의 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 된다.
증발가스(F라인)가 액체와 기체의 혼합상태인 경우에는, 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 더 낮아져 액체의 비율이 더 높은 혼합상태가 되거나 액체상태가 되고, 증발가스(F라인)가 "고압액체상태"인 경우에는, 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 된다.
또한, 증발가스(G라인)가 "고압액체상태"인 경우, 증발가스는 제 2 감압장치(60)를 통과하면서 압력이 낮아져 액체상태가 되거나 액체와 기체의 혼합상태가 된다. 본 실시예의 냉각부(220)는, 제 1 실시예의 냉각부(120)와 마찬가지로, 증발가스가 제 2 감압장치(60)를 통과하기 전에 증발가스를 한 번 더 냉각시켜 재액화 효율을 높인다.
본 실시예의 압축부(210)는, 제 1 실시예의 압축부(110)와 마찬가지로, 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)에서 열교환된 증발가스를 압축시키는 압축기(20); 및 압축기(20)를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 열교환기(30);를 포함한다.
저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)를 지난 증발가스의 일부는 냉각부(220)로 보내지고 나머지 일부는 압축부(210)로 보내진다.
압축부(210)에서 압축된 증발가스의 일부는 제 1 자가열교환기(40)로 보내져서(B라인) 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스(A라인)와 열교환되고, 나머지 압축된 증발가스는 엔진으로 보내져(C라인) 연료로 사용된다.
일반적으로 ME-GI엔진 등의 가스연료엔진은 고압의 증발가스를 연료로 사용하므로, 압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 증발가스를 바로 가스연료엔진으로 보내도 되지만, DF엔진은 저압의 증발가스를 연료로 사용하므로, 가스연료엔진이 DF엔진인 경우, DF엔진 전단에 제 1 감압장치(50)를 설치하여 압축기(20) 및 열교환기(30)를 통과한 증발가스를 감압시킨 후에 DF엔진으로 보낸다.
본 실시예의 냉각부(220)는, 제 1 실시예의 냉각부(120)와 마찬가지로, 제 1 자가열교환기(40)로부터 냉각부(220)로 보내진 증발가스를 압축시키는 여분압축기(21); 및 여분압축기(21)를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 여분열교환기(31); 제 2 자가열교환기(121); 및 제 3 감압장치(122);를 포함한다.
본 실시예의 제 2 자가열교환기(121)는, 제 1 실시예의 제 2 자가열교환기(121)와 마찬가지로, 제 3 감압장치(122)를 통과한 증발가스를(I라인), 여분압축기(21)와 여분열교환기(31)를 통과한 증발가스(H라인) 및 저장탱크(10)로부터 배출된 후 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 증발가스(F라인)와 동시에 열교환시킨다. 또한, 본 실시예의 제 3 감압장치(122)는, 제 1 실시예의 제 3 감압장치(122)와 마찬가지로, 여분압축기(21), 여분열교환기(31) 및 제 2 자가열교환기(121)를 통과한 증발가스의 압력을 감소시킨다.
본 실시예의 냉각부(220)는, 제 1 실시예의 냉각부(120)와 마찬가지로, 여분압축기(21), 여분열교환기(31), 제 2 자가열교환기(121) 및 제 3 감압장치(122)를 통과하여 온도가 낮아진 증발가스를 냉매로 이용하여 압축부(210) 및 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 증발가스를 다시 한번 냉각시키므로 재액화 효율을 높일 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(200)는, 제 1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(100)와 마찬가지로, 처음 구동시킬 때에는 제 1 밸브(131) 및 제 3 밸브(133)는 열린 상태이고 제 2 밸브(132)는 닫힌 상태이고, 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스의 일부가 제 1 자가열교환기(40)를 지나 냉각부(220)로 들어오면, 제 1 밸브(131) 및 제 3 밸브(133)를 닫고 제 2 밸브(132)를 열어, 여분압축기(21), 여분열교환기(31), 제 2 자가열교환기(121) 및 제 3 감압장치(122)를 연결하는 폐쇄 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 구성한다. 냉각부(220)로 들어온 증발가스는, 압축기(20)나 열교환기(30)가 고장나 여분압축기(21)나 여분열교환기(31)가 압축기(20)나 열교환기(30)의 역할을 해야되는 경우를 제외하고는, 폐쇄 루프 사이클을 계속하여 순환하게 된다.
압축기(20)나 열교환기(30)가 고장난 경우에는, 다시 제 1 밸브(131) 및 제 3 밸브(133)를 열고 제 2 밸브(132)를 닫아 여분압축기(21)나 여분열교환기(31)가 압축기(20)나 열교환기(30)의 역할을 할 수 있도록 한다.
저장탱크(10)로부터 배출되어 제 1 자가열교환기(40)를 통과한 후 냉각부(220)로 들어온 증발가스가 여분압축기(21)와 여분열교환기(31)를 통과하면, 압축된 정도에 따라 기체상태 또는 초임계유체 상태가 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 증발가스(H라인)가 기체상태인 경우에는, 증발가스는 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 되거나 액체상태가 되고, 증발가스(H라인)가 초임계유체 상태인 경우에는, 증발가스는 제 2 자가열교환기(121)를 통과하면서 온도가 낮아져 "고압액체상태"가 된다. 또한, 제 2 자가열교환기(121)를 통과한 증발가스가 "고압액체상태"인 경우, 증발가스는 제 3 감압장치(122)를 통과하면서 압력이 낮아져 액체상태가 될 수 있다.
여분압축기(21) 및 여분열교환기(31)를 통과한 증발가스(H라인)는 제 2 자가열교환기(121)에서 "냉매 증발가스"를 냉매로 하여 일차적으로 냉각된 후 제 3 감압장치(122)로 보내지게 된다. 또한, 압축부(210)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)를 통과하여 냉각부(220)의 제 2 자가열교환기(121)로 보내진 증발가스(F라인)는 "냉매 증발가스"를 냉매로 하여 한번 더 냉각되게 된다.
"냉매 증발가스"가 액체상태였다고 하더라도 제 2 자가열교환기(121)를 지나면서, 여분압축기(21) 및 여분열교환기(31)를 통과한 증발가스(H라인)와, 압축부(210)에 의해 압축된 후 제 1 자가열교환기(40)를 통과하여 제 2 자가열교환기(121)로 보내진 증발가스(F라인)에게, 냉열을 빼앗겨 다시 기체 또는 초임계유체 상태가 된다. 기체 또는 초임계유체 상태가 된 증발가스는 다시 여분압축기(21)로 보내지게 되고, 위와 같은 과정을 반복하며 폐쇄 루프 사이클을 순환하게 된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(200)는, 제 1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치(100)와 달리, 기액분리기(70)를 포함하지 않는다. 따라서, 압축부(210)에서 압축된 후 제 1 자가열교환기(40), 제 2 자가열교환기(121) 및 제 2 감압장치(60)를 통과하면서 일부 재액화된 증발가스와 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스가 섞인 상태로 함께(D'라인) 저장탱크(10)로 보내지게 된다. 재액화된 증발가스는 저장탱크(10)에 저장되고, 기체상태의 증발가스는 저장탱크 내부의 증발가스와 함께 다시 자가열교환기(40)로 배출되게 된다. 기체상태의 증발가스가 저장탱크(10) 내부로 들어가 저장탱크(10) 내부의 압력이 높아지면, 펌프를 사용하지 않거나 펌프를 적게 사용하고도 저장탱크(10) 내부의 증발가스를 배출시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예의 제 1 내지 제 3 감압장치(50, 60, 122)는, 제 1 실시예의 제 1 내지 제 3 감압장치(50, 60, 122)와 마찬가지로, 증발가스의 압력을 낮추어 주는 역할을 하며, 제 1 내지 제 3 감압장치(50, 60, 122)는 팽창기 및 팽창밸브 중 어느 하나일 수 있다. 감압장치(50, 60, 122)를 통과하기 전의 증발가스가 액체상태인 경우에는 감압장치(50, 60, 122)는 팽창밸브인 것이 바람직하고, 감압장치(50, 60, 122)를 통과하기 전의 증발가스가 기체상태인 경우에는 감압장치(50, 60, 122)는 팽창기인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 하나의 압축기와 하나의 열교환기가 설치된 경우를 예를 들어 설명하지만, 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 다수개의 압축기와 다수개의 열교환기를 포함할 수 있고, 일반적으로는 다섯 개의 압축기와 다섯 개의 열교환기가 설치되어 다섯 단계의 압축 과정을 거친다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1 : 부분 재액화 시스템 10 : 액화천연가스 저장탱크
20 : 압축기 21 : 여분압축기
30 : 열교환기 31 : 여분열교환기
40, 121 : 자가열교환기 50, 60, 122 : 감압장치
70 : 기액분리기 100, 200 : 선박용 증발가스 재액화 장치
110, 210 : 압축부 120, 220 : 냉각부
131, 132, 133 : 밸브

Claims (14)

  1. 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 장치에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축부;
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 상기 압축부에서 압축된 증발가스를 열교환시키는 제 1 자가열교환기;
    상기 압축부 및 상기 제 1 자가열교환기를 거친 증발가스를 다시 한 번 냉각시키는 냉각부; 및
    상기 냉각부에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 제 1 감압장치;를 포함하고,
    상기 압축부는,
    상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제 1 자가열교환기에서 열교환된 증발가스를 압축시키는 압축기; 및
    상기 압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 열교환기;를 포함하고,
    상기 냉각부는,
    상기 제 1 자가열교환기로부터 상기 냉각부로 보내진 증발가스를 압축시키는 여분압축기; 및
    상기 여분압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮춰주는 여분열교환기;를 포함하며,
    상기 여분압축기는 상기 압축기가 고장난 경우에 압축기의 역할을 하고,
    상기 여분열교환기는 상기 열교환기가 고장난 경우에 열교환기의 역할을 하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박용 증발가스 재액화 장치는 기액분리기를 더 포함하고,
    상기 기액분리기는 상기 압축부, 상기 제 1 자가열교환기, 상기 냉각부 및 상기 제 1 감압장치를 통과하면서 재액화된 증발가스와 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리시키는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각부는 제 2 자가열교환기 및 제 2 감압장치를 더 포함하고,
    상기 제 2 자가열교환기는,
    상기 제 2 감압장치를 통과한 증발가스를,
    상기 여분압축기와 상기 여분열교환기를 통과한 증발가스; 및
    상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제 1 자가열교환기를 통과한 증발가스;와 동시에 열교환시키며,
    상기 제 2 감압장치는,
    상기 여분압축기, 상기 여분열교환기 및 상기 제 2 자가열교환기를 통과한 증발가스의 압력을 감소시키는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 여분압축기, 상기 여분열교환기, 상기 제 2 자가열교환기 및 상기 제 2 감압장치를 연결하는 폐쇄 루프 사이클을 구성하고,
    상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 폐쇄 루프 사이클 내로 들어온 증발가스는 상기 폐쇄 루프 사이클을 순환하고,
    상기 증발가스가 상기 폐쇄 루프 사이클을 순환하는 동안 상기 폐쇄 루프 사이클 내로 공급되는 증발가스는 차단되는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 폐쇄 루프 사이클은 상기 압축기 또는 상기 열교환기가 고장난 경우 해제되는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 압축부를 통과한 증발가스의 일부는 엔진으로 보내고,
    상기 압축부를 통과한 증발가스 중 상기 엔진으로 보내지지 않은 남은 일부는 상기 제 1 자가열교환기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진은 가스를 연료로 하는 엔진인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 엔진은 DF엔진, ME-GI엔진, X-DF엔진 및 가스터빈엔진 중 어느 하나인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 기액분리기로부터 분리된 재액화된 증발가스는 상기 저장탱크로 돌려보내고,
    상기 기액분리기로부터 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 제 1 자가열교환기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 감압장치는 팽창기 및 팽창밸브 중 어느 하나인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  11. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 2 감압장치는 팽창기 및 팽창밸브 중 어느 하나인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  12. 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 방법에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 압축되고,
    압축된 상기 증발가스의 일부는 엔진으로 보내지고,
    상기 압축된 증발가스 중 엔진으로 보내지지 않은 남은 일부는 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 자가열교환되고,
    상기 압축된 후 자가열교환된 증발가스는 냉매 증발가스와 다시 한번 열교환되고,
    상기 압축된 후 자가열교환되고 상기 냉매 증발가스와 다시 한 번 열교환 된 증발가스는 감압된 후 상기 저장탱크로 보내지며,
    상기 냉매 증발가스는,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스가 압축되고 상기 냉매 증발가스와 자가열교환된 후 감압되어 생성되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉매 증발가스는,
    상기 압축된 후 자가열교환된 증발가스와 열교환된 후 다시 압축, 열교환 및 감압되는 과정을 반복하여 폐쇄 루프 사이클을 순환하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 압축된 후 자가열교환되고 상기 냉매 증발가스와 다시 한 번 열교환 된 후 감압된 증발가스는,
    재액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스가 분리되어 상기 재액화된 증발가스는 상기 저장탱크로 보내지고 상기 기체상태의 증발가스는 다시 자가열교환되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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