KR101527824B1 - 액화 천연 가스(ｌｎｇ) 연료의 공급을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

액화 천연 가스(ｌｎｇ) 연료의 공급을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

LNG 연료를 공급하기 위한 장치는 LNG 저장 탱크(5)로부터 증발 가스(6)를 재순환시키기 위하여 LNG 저장 탱크(5)와 유체 교환가능하게 연결될 수 있는 LNG 흐름(4)을 위한 유입부(3), 및 LNG 공급 라인(8)과 유체 교환가능하게 연결될 수 있는 배출부(7)를 포함한 압축기(2)를 포함한다. 압축기(2)는 제1 압축단(9) 및 이어서 제2 압축단(10)을 포함하며, 상기 제1 압축단(9) 및 상기 제2 압축단(10)은 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12) 또는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15)의 형태를 취하고, 제1 압축단(9)은 제2 압축단(10)보다 더 큰 피스톤 직경을 갖는다. 압축기(2)는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15) 또는 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)의 형태를 취하는 후속하는 1개 이상의 제3 압축단(13, 14)을 포함한다.

Description

액화 천연 가스(ＬＮＧ) 연료의 공급을 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR PREPARING LIQUEFIED NATURAL GAS(LNG) FUEL}
본 발명은 천연 가스 연료의 공급을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
독일어로 "Fluessiges Erdgas"으로 알려져 있으며, 또는 약어로 "LNG"라고 하는 액화 천연 가스는 -162℃의 온도로 냉각되면 액체 상태가 되는 천연 가스이다. 오늘날의 대다수의 천연 가스 공급원은 불행하게도 거리가 최종 소비자들로부터 매우 멀리 떨어져 있는 것으로 알려져 있다. 장 거리에 걸쳐 천연 가스를 운반하는 한가지 비용 효과적인 방법은 천연 가스를 액화시켜 이를 LNG 탱커라고도 하는 유조선으로 운반하는 것이다. 액화 천연 가스는 목적지에서 기체 상태의 천연 가스로 다시 바뀐다.
문헌 WO 2006/077094는 LNG 탱커의 모터를 구동시키기 위한 연료원으로서 LNG 탱커에 의해 운반된 천연 가스를 사용할 수 있게 하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 본 문헌에서 상세히 기술되는 바와 같이, 독일어로 "Abdampfgas"로 알려진 증발 가스가 액화 천연 가스를 저장하는 저장 탱크의 상부 영역에서 발생된다. 이러한 증발 가스는 기체 상태의 천연 가스로서 저장 탱크로부터 추출된 다음, 압축된 후 선박용 기관, 예컨대 연소 기관에 공급된다.
본 발명이 해결하고자 하는 문제는 더 바람직한 장치 뿐만 아니라, 특히 LNG-탱커의 연소 기관에 사용될 수 있는 연료를 액화 천연 가스의 증발 가스로부터 추출할 수 있도록 하는 더 바람직한 방법을 제시하는 것이다.
상기 문제는 독립청구항 제1항의 특징부에 따른 장치에 의해 해결된다. 종속청구항 제2항 내지 제9항은 본 발명에 따른 장치의 또 다른 바람직한 구성예에 관한 것이다. 또한, 상기 문제는 독립청구항 제11항의 특징부에 따른 방법에 의해 해결된다. 종속청구항 제12항 내지 제21항은 본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 구성예에 관한 것이다.
특히, 상기 문제는 천연 가스 연료를 공급하기 위한 장치에 의해 해결되는 바, 본 장치는 LNG 저장 탱크로부터 증발 가스를 공급하기 위하여 LNG 저장 탱크와 유체 교환가능하게 배치될 수 있는 천연 가스의 흐름을 위한 유입부, 및 천연 가스 공급관과 유체 교환가능하게 배치될 수 있는 배출부를 구비한 압축기를 포함하며, 상기 압축기는 제1 압축단과 이어서 제2 압축단을 포함하고, 상기 제1 압축단 및 상기 제2 압축단은 래비린스 시일형 피스톤 압축기(labyrinth-sealed piston-compressors) 또는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(piston-ring-sealed piston-compressors)의 형태를 취하며, 상기 제1 압축단은 상기 제2 압축단보다 더 큰 피스톤 직경을 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 압축기는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기 또는 래비린스 시일형 피스톤 압축기의 형태를 취하는 후속하는 1개 이상의 제3 압축단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또 다른 바람직한 구성예에서는, 제4 압축단이 상기 제3 압축단에 후속한다. 또 다른 바람직한 구성예에서는, 제5 압축단이 상기 제4 압축단에 후속한다. 특히 바람직한 구성예에서는, 상기 제3 압축단은 피스톤 링 시일형 압축단의 형태를 취하며, 만일 존재하는 경우, 제4 압축단 및 제5 압축단도 피스톤 링 시일형 압축단의 형태를 취한다. 또 다른 바람직한 구성예에서는, 상기 제3 압축단은 래비린스 시일형 압축단의 형태를 취하고, 만일 존재하는 경우, 제4 압축단 및 제5 압축단도 래비린스 시일형 압축단의 형태를 취한다. 또 다른 바람직한 구성예에서는, 상기 모든 압축단은 래비린스 시일형 압축단이나 피스톤 링 시일형 압축단 중 어느 하나의 형태를 취한다. 특히 바람직한 구성예에서는, 상기 제1 압축단 및 상기 제2 압축단은 래비린스 시일형 압축단의 형태를 취하고, 이에 후속하는 압축단은 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기의 형태를 취한다.
본 발명에 따른 장치는 100바 내지 500바의 압력, 특히 150바 내지 300바의 압력을 갖는 액화 천연 가스로부터 천연 가스의 흐름이 발생될 수 있어서, 이 천연 가스의 흐름이 디젤 기관과 같이 연소 기관, 바람직하게는 터빈 또는 피스톤 기관의 공급 연료의 역할을 한다는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 장치는 바람직하게 선박, 특히 LNG-탱커에 위치되고, 연소 기관 공급용 연료를 LNG 저장 탱크 내에 저장된 액화 천연 가스로부터 추출할 수 있다. 액화 천연 가스의 증발 가스는 온도가 보통 약 -162℃이고, 압력이 보통 1바이다. 본 발명에 따른 장치는 이 증발 가스를 100바 내지 500바 범위에서 바람직하게 변동될 수 있는 송출 압력, 특히 150바 내지 300바의 송출 압력으로 압축할 수 있다.
래비린스 시일형 피스톤 압축기는 광범위한 온도 범위에 걸쳐, 바람직하게는 -160℃와 +100℃ 사이의 온도 범위에서 천연 가스를 유입 및 압축할 수 있다는 장점을 갖는다. 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기는 천연 가스를 고압으로 압축할 수 있다는 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 래비린스 시일형 피스톤 압축기와 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기의 조합은 증발 가스의 개시점으로부터의 천연 가스를 매우 안전하고 비용 효율적으로 압축할 수 있고, 특히 LNG-탱커의 모터에 운반 중인 LNG 저장 탱크로부터의 연료를 공급할 수 있다는 장점을 갖는다.
바람직한 구성예에서는, 제2 압축단과 제3 압축단 사이에는 역류 방지용 밸브가 있으며, 제1 압축단 및 제2 압축단은 바람직하게 무급유식으로 압축할 수 있다. 이러한 구성예는 제1 압축단 및 제2 압축단에서 압축된 천연 가스가 오염되지 않고, 필요한 경우, LNG 저장 탱크로 다시 공급될 수 있다는 장점을 갖는다. 제2 압축단은 1개의 압축기단 또는 직렬로 연결된 2개의 압축기단으로 구성되거나, 아니면 1개의 피스톤 압축기 또는 직렬로 연결된 2개의 피스톤 압축기로 구성되는 것이 바람직하다.
특히 바람직한 구성예에서는, 모든 압축단은 공동 케이싱(shared casing) 상에 설치되고, 공동 크랭크 구동 기구(shared crank drive mechanism)에 의해 구동된다. 이 결과, 선박에서조차 공간을 확보할 수 있는 초소형 압축기가 형성된다. 바람직한 구성예에서는, 선박에 사용될 때 특히 바람직한 특히 저소음의 작동 압축기를 얻기 위해, 크랭크 구동 기구 상에 보상 추(compensatory weights)가 설치된다.
또 다른 바람직한 구성예에서는, 1개 이상의 압축단은 역류를 제어하여 압축단의 전달량 및/또는 송출 압력을 제어하기 위한 제어가능한 밸브를 포함한 바이패스(bypass)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명이 실시예의 실례를 통해 자세하게 설명될 것이다. 도면에서, 동일한 부품에는 항상 동일한 참조 부호가 표시된다.
도 1은 압축기의 일 실시예의 실례를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 압축기의 또 다른 실시예의 실례를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 압축기의 또 다른 형태의 개략도이다.
도 4는 압축기의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 압축기의 상세도이다.
도 6은 도 4에 도시된 압축기의 또 다른 상세도이다.
도 7은 2개의 디젤 기관에 공급하기 위해 병렬로 배열된 두 압축기를 개략적으로 나타낸다.
도 8은 시간 함수에 따른 천연 가스의 온도 그래프를 나타낸다.
도 9는 압력 및 압축 천연 가스(compressed natural gas)의 질량 유속(mass flux)을 제어하기 위한 피드백 제어 개념을 나타낸다.
도 10은 평형추를 구비한 크로스헤드의 종단면도이다.
도 11은 평형추를 구비한 크로스헤드의 측면도이다.
도 1은 천연 가스 연료의 공급을 위한 장치(1)를 개략적으로 나타내고 있는바, 본 장치(1)는 천연 가스(4)의 흐름을 위한 유입부(3) 및 하류부에 위치된 연소 기관을 위한 천연 가스 공급관(8)과 유체 교환가능하게 연결되는 배출부(7)를 포함한 압축기(2)를 포함한다. 유입부(3)는 천연 가스(Ef)가 보통 1바의 압력과 -162℃의 온도에서 저장되어 있는 LNG 저장 탱크(5)와 유체 교환가능하게 위치될 수 있다. 화물 가스(boil-off gas)(6)라고도 알려져 있는 기체 천연 가스(Eg)가 액화 천연 가스(Ef) 위에 발생한다. 이 화물 가스(6)는 압축기(2)에 의해 흡인 및 압축되어, 바람직하게 150바 내지 300바의 압력을 받는 천연 가스로서 압축기(2)의 배출부(7)에서 배출된다. 바람직하게, 압축기(2)는 압축 천연 가스가 구동 모터용 연료로 사용될 수 있는 LNG-탱커 상에 위치될 수 있다.
압축기(2)는 제1 압축단(9) 및 이어서 제2 압축단(10)을 포함하되, 제1 압축단(9)과 제2 압축단(10)은 래비린스 시일형 피스톤 압축기(labyrinth-sealed piston-compressors)의 형태를 취하며, 제1 압축단(9)은 제2 압축단(10)보다 큰 피스톤 직경을 갖는 것을 특징으로 한다. 이어서, 압축기(2)는 피스톤 링 시일형 피스톤-압축기(piston-ring-sealed piston-compressors)(15)의 형태를 취하는 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14)을 포함한다. 그리고 나면, 압축 천연 가스가 배출부(7)로 공급된다.
바람직한 구성예에 있어서, 제2 압력단(10)과 제3 압력단(13) 사이에는 역류 방지용 밸브(non-return valve)(16)가 위치하므로, 천연 가스는 단지 한 방향으로만 유동할 수 있다. 바람직한 구성예에 있어서, 역류 방지용 밸브(16)의 상류부에 위치되는 모든 압축단(9, 10)은 무급유식(oilless)이므로, 이 부분에서 압축 천연 가스는 불순물에 의해 오염되지 않는다. 이에 따라, 도 1에 도시된 압축기(2)는 직렬 연결된 4개의 피스톤-압축기(11, 12, 15)를 포함한다.
바람직한 구성예에 있어서, 1개 이상의 압축단(9, 10, 13, 14)이, 예를 들면 전선(23a, 24a, 25a)에 의해 제어될 수 있는 제어가능한 밸브(23, 24, 25)를 포함한 바이패스선(bypass)(20, 21, 22)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성예의 장점으로, 배출부(7)에서 또는 이를 통해 유동하는 천연 가스의 압력 및/또는 전달량이 조절될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 따르면, 2개의 압축단(9, 10 또는 13, 14) 각각이 직렬로 연결되어 있다. 물론, 장치(1)는 2개의 압축단(9, 10 또는 13, 14) 각각이 단일 압축단으로 구성되거나, 2개 대신에 3개의 압축단이 직렬로 연결되도록 배열될 수도 있다. 또한, 도 1에 도시된 실시예는 단지 단일의 피스톤-압축기(15)만을 포함하거나, 직렬로 연결된 3개의 피스톤-압축기(15)를 포함할 수도 있다.
도 1에 도시된 구성예와 비교해 볼 때, 도 2에 도시되는 또 다른 바람직한 구성예의 압축기(2)는, 전달 압력을 높이기 위해 직렬로 연결된 추가의 압력단 또는 전달량을 증가시키기 위해 병렬로 연결된 압력단을 형성하거나, 직병렬로 연결된 압축단을 포함하는, 또 다른 유형의 피스톤-압축기(11, 12, 15)를 포함할 수 있다. 따라서, 예컨대 제1 압축단(9)은 전달량을 증가시키기 위하여 2개의 병렬형 피스톤-압축기(11)로 구성될 수 있다. 바람직한 구성예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 압축단(10)은 2개의 압축기단으로 구성되는데, 여기서 2개의 직렬형 피스톤-압축기(12)는 압축 압력을 증가시키기 위하여 연이어 배열된다. 흡인 압력이 비교적 낮은 경우, 제1 압축단(9) 또는 제2 압축단(10) 내에는, 특히 압축기단이 추가될 필요가 있다. 이에 더불어, 천연 가스의 전달 압력을 상승시키기 위하여, 예컨대 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14) 내에는 직렬로 연결된 1개 이상의 피스톤-압축기가 추가될 수도 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 압축기(2)는 유입부(3) 및 배출부(7)에서 요구되거나 원하는 천연 가스의 특성, 특히 천연 가스의 온도, 압력 및 필요한 전달량에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 도 2에 도시된 압축기(2)는 5개의 피스톤-압축기(11, 12, 15)가 직렬로 연결된 상태의 바람직한 실시예를 보여준다.
도 2에 도시된 압축기(2)는 각각의 위치에서 천연 가스의 압력을 측정하기 위한 다수의 압력 센서(42a, 42b, 42c, 42d)를 포함한다. 압축기(2)는 조절 장치(regulating devices)(40a, 40b, 40c)를 추가로 포함한다. 도시된 실시예에서는, 목표 압력값(41)이 조절 장치(40a)에 나타나고, 압력 센서(42d)에서 측정된 현재의 전달 압력값은 배출부(7)의 영역에서 측정된다. 조절 장치(40a)는 현재값과 목표값 사이의 차이에 기초한 밸브(23)의 위치 결정에 영향을 미쳐서, 바이패스(bypass)(20) 내의 역류 흐름에 영향을 미칠 수 있다. 마찬가지로, 조절 장치(40b)는 압력 센서(42a, 42b)에서 측정된 제2 압축단(10) 전후의 압력을 비교하고, 조절 장치(40c)는 압력 센서(42c, 42d)에서 측정된 제3 압축단(13)과 제4 압축단(14) 전후의 압력을 비교하여, 이들 측정값에 기초한 밸브(24, 25) 각각의 위치 결정에 영향을 미쳐, 바이패스(21)와 바이패스(22) 내의 역류 흐름에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 조절 장치(40a, 40b, 40c)는 마스터 레귤레이터(master regulator)에 연결될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 압축 천연 가스를 냉각시키기 위하여 압축단(10, 13, 14) 뒤에 냉각기(31)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 냉각기(31)는, 예컨대 글리콜-물 혼합물로 냉각된다.
도 3은 역류 방지용 밸브(16)의 좌측에 위치한 도2에 이미 도시된 바와 같은 압축기(2)의 부분의 또 다른 바람직한 실시예를 나타내고 있다. 본 실시예는 온도 센서(47) 뿐만 아니라, 제1 압축단(9)과 제2 압축단(10) 사이에 위치한 조절 밸브(45)를 포함한다. 또한, 조절 밸브(45)에 대한 바이패스로서, 조절 밸브(46), 온도 센서(48) 및 냉각기(31)가 있다. 이러한 식으로, 제1 압축단(9)에서 나오는 천연 가스는 온도 변화에 따라 제2 압축단(10)에 바로 공급되거나, 조절 밸브(46) 및 냉각기(31)를 지나 냉각된 천연 가스로서 제2 압축단(10)에 공급될 수 있다. 이와 더불어, 압축기(2)는 또한 차단 밸브(51)에 의해 유동이 제어되는 귀환 파이프(returning pipe)(50)를 포함하는데, 이 경우, 귀환 파이프(50)는 역류 방지용 밸브(16)의 좌측에 위치하는 것(즉, 천연 가스 유동에 대해, 역류 방지용 밸브(16)의 상류측에 위치하는 것)이 바람직할 수 있다. 귀환 파이프(50)는 재액화 설비(reliquefying plant)에 연결되어, 초과의 천연 가스가, 예를 들면 LNG 저장 탱크(5)로 다시 유입될 수 있다. 또한, 귀환 파이프(50)는, 예컨대 초과의 천연 가스가 발화되는 가스 버너에 연결될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 압축기(2)의 실시예의 일 예의 세부 단면도를 나타내고 있다. 압축기(2)는 크랭크 구동 기구(17)와 간격부(spacer part)(18a)를 포함한 공동 케이싱(18)을 포함한다. 크랭크 구동 기구(17)는 베어링 장착된 크랭크샤프트(17a) 뿐만 아니라 크랭크샤프트(17a)의 라인을 따라 종방향으로 이격되어, 푸시 로드(pushrods)(17b)를 매개로 하여 크랭크샤프트(17a)와 연결되는, 6개의 크로스헤드(17c)를 포함하는 동시에, 크로스헤드(17c)가 주행하는 크로스헤드 보어(17d)를 포함하여, 각각의 크로스헤드(17c)는 피스톤 로드(17e)와 연결되고, 각각의 피스톤 로드(17e)는 피스톤(9a, 10a, 13a, 14a)와 연결된다. 크랭크샤프트(17a)는 중량 플라이휠(26)을 통해 구동샤프트(27)와 연결된다. 도시된 실시예에서는, 6개의 피스톤 압축기가 간격부(18a) 상의 베어링 면 상에 설치된다. 피스톤 압축기(11, 12, 15)의 피스톤(9a, 10a, 13a, 14a)은 피스톤 로드(17e)를 매개로 하여 공동 크랭크샤프트(17a)에 의해 구동된다. 도 5 및 도 6은 피스톤 압축기(11, 12, 15)를 상세히 나타내고 있다. 압축기(2)는 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11)의 형태를 취하는 2개의 피스톤 압축기(11)를 포함한 제1 압축단(9)을 포함하며, 제1 압축단(9)의 피스톤 압축기(11)는, 도 5에 상세히 도시된 바와 같이, 피스톤 직경(9b)을 갖는 피스톤(9a)을 포함하고, 피스톤(9a)의 원통형 외측 표면 상에는 래비린스 시일(9c) 또는, 경우에 따라, 실린더 벽(9d)에 대해 비접촉식 래비린스 시일(9c)을 이루는 표면 구조가 위치한다. 또한, 피스톤 압축기(11)는 피스톤 로드(17e) 및 피스톤(9a)의 운동을 안내하기 위해 피스톤 로드 가이드(piston rod guide)(9e)를 포함한다. 좌우측에 배치된 두 피스톤 압축기(11)는 압축하고자 하는 천연 가스에 대해 서로 병렬 또는 직렬로 구성될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 제1 압축단(9)은 피스톤(9a)의 양 측면이 천연 가스를 압축하기 위한 압축 챔버를 형성하는 복동 실린더(double-acting cylinder)를 포함한다. 바람작하게, 제1 압축단(9)은 극저온 작동식으로 되어 있으며, 극저온에 적합한 재료로 제조된다.
압축기(2)는 직렬로 연결된 2개의 피스톤 압축기(12)로 구성되는 제2 압축단(10)을 포함하고, 이들 피스톤 압축기(12) 또한 래비린스 시일형 피스톤 압축기(12)의 형태를 취하며, 제2 압축단(10)의 각각의 피스톤 압축기(12)는, 도 5에 상세히 도시된 바와 같이, 피스톤 직경(10b)을 갖는 피스톤(10a)을 포함하고, 피스톤(10a)의 실린더형 외측 표면 상에는 래비린스 시일(10c) 또는, 경우에 따라, 실린더 벽(10d)에 대해 비접촉식 래비린스 시일(10c)을 이루는 표면 구조가 위치한다. 다른 실시예에 따르면, 래비린스 시일은 실린더 벽(10d) 상에 위치하고, 실린더(10a)는 상대적으로 매끄러운 표면을 갖는 것도 가능할 것이다. 제2 압축단(10) 또한 피스톤 로드(17e) 및 피스톤(10a)의 운동을 안내하기 위해 피스톤 로드 가이드(10e)를 포함한다. 바람직하게는, 이웃하는 두 피스톤 압축기(12)는 압축하고자 하는 천연 가스에 대해 서로 직렬로 구성될 수 있다. 제1 압축단(9a)의 피스톤 직경(9b)은 제2 압축단(10)의 피스톤 직경(10b)보다 더 크다.
압축기(2)는 2개의 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(piston-ring-sealed piston compressors)(15)를 포함하며, 각각의 피스톤 압축기(15)는 복동 실린더의 형태를 취하고, 2개의 압축단, 즉 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14)을 포함하며, 도 6에 상세히 도시되는 바와 같이, 제3 압축단(13)은 다수의 피스톤 링(13b)을 포함한 피스톤(13a) 및 실린더(13c)를 포함하고, 제4 압축단(14)은 다수의 피스톤 링(14b)을 포함한 피스톤(14a) 및 실린더(14c)를 포함한다. 도시된 실시예에 따르면, 제3 압축단(13)은 피스톤 위에 있는 반면, 제4 압축단(14)은 피스톤 아래에 있다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 따르면, 제3 압축단(13)은 피스톤 아래에 있고, 제4 압축단(14)은 피스톤 위에 있을 수 있다. 2개의 피스톤 압축기(15)는 병렬로 연결될 수도 있지만, 바람직하게 서로 직렬로 연결된다.
크로스헤드는 오일 윤활된다. 간격부(18a)에서는, 오일 스크레이퍼(oil scrapers)(17f)가 피스톤 로드(17e)를 둘러싸고 있다. 공동 케이싱(18)에는 오일 공급 배관(28)을 통해 윤활 오일이 공급되며, 공동 케이싱(18)의 하부 아래쪽에는 오일이 오일 배출 배관(29)을 통해 배출되는 배출구가 있다. 이러한 구성예는, 오일이 제거되기 때문에 영구적으로 존재하는 어떠한 오일 섬프(oil sump)도 하우징의 하부에 발생하지 않는다는 장점을 갖는다.
케이싱(18)의 가장 바람직한 실시예에서는, 6개의 크로스헤드(17c)가 대응하는 6개의 피스톤 로드(17e)를 구비하고 있다. 바람직하게는, 크랭크샤프트(17a)의 라인을 따라 종방향으로 이격되고, 푸시 로드(17b)를 매개로 하여 크랭크샤프트(17a)와 연결되는, 6개의 크로스헤드(17c)가 크랭크샤프트(17a)의 회전에 대해 60°의 각도로 오프셋되어 2개씩 쌍을 이루어 연결되어 있다. 바람직한 구성예에서는, 보상 추(compensatory weight)(19)가 크로스헤드(17c) 및/또는 피스톤 로드(17e)와 연결된다. 바람직하게는, 보상 추(19)는 각각의 크로스헤드(17c), 대응하는 피스톤 로드(17e) 및 연결된 피스톤(9a, 10a)이 대응하는 보상 추(19)에 더하여 실질적으로 동일한 질량을 갖도록 선택될 수 있다. 이러한 보상 추(19) 구성은 압축기(2)가 매우 원활하게 작동할 수 있게 한다. 선박에는 크고 무거운 어떠한 토대도 전동력을 전달할 수 있도록 이용될 수 없기 때문에 LNG-탱커와 같은 선박용으로 압축기(2)가 작동되는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 압축기(2)는 가해진 적은 힘 및 모멘트를 나타내도록 바람직하게 배치될 수 있으므로, 압축기(2)는 특히 선박에 사용되는 것이 매우 적합하다. 도 4에 도시된 압축기(4)는 매우 조밀하게 형성되어, 거의 공간을 필요로 하지 않으며, 조밀하게 형성된 단일의 전기 모터에 의해 구동될 수 있다는 장점을 갖는다.
진동력의 최적의 평형이 크랭크샤프트(17a)의 라인을 따라 종방향으로 이격된 6개의 크로스헤드(17c), 푸시 로드(17b) 및 피스톤 로드(17e)를 포함한 도 4에 도시된 구성예에 의해 이루어질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 압축기(2)에, 도 4에 도시된 것보다 적은 수의 피스톤 압축기(11, 12, 15), 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 단지 3개의 피스톤 압축기만을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 좌측에서 우측으로 가면서 본 실시예를 참조하면, 도 4의 압축기(2)는 단지 제1 피스톤 압축기(11), 제2 피스톤 압축기(12) 및 제4 피스톤 압축기(15)를 포함하는 반면, 간격부(18a)는 제3, 제5 및 제6 위치의 베어링 면 상에서 차단판(closing plate)으로 덮여질 수 있는 동시에, 간격부(18a) 아래에 위치한 피스톤 로드(17e)는 차단판에 닿지 않도록 적절히 짧아질 수 있다. 본 실시예에서, 6개의 크로스헤드(17c), 푸시 로드(17b) 및 피스톤 로드(17e) 모두는 바람직하게 여전히 존재할 것이며, 보상 추(19)는 바람직하게 6개의 운동 집합체(moving corpora) 각각이 동일한 질량을 갖도록 선택되어, 진동이 없는 매끄러운 주행을 보장한다. 크랭크샤프트(17a)을 포함한 도 4에 도시된 실시예 및 6개의 크랭크 행정은 가해진 힘이 비교적 최적으로 평형되고, 진동력이 거의 발생되지 않도록 보장한다.
도 10은 피스톤 로드(17e), 크로스헤드 피스톤 핀(crosshead gudgeon pin)(17g), 연결 수단(17h) 및 가이드 표면(17i)를 포함하는 크로스헤드(17c)의 종단면을 나타내고 있다. 다수의 판(19a) 및 체결 수단(19b)으로 구성된 평형 추(19)가 크로스헤드(17c) 및/또는 피스톤 로드(17e)에 단단히 체결되어 있다. 또한, 평형 추(19)는 크로스헤드(17c) 상 어디라도 배치될 수 있으며, 이 경우, 평형 추(19)는 바람직하게 피스톤 로드(17e)에 연결될 수 있다. 도 11은 도 10에 도시된 구성예의 측면도를 나타내고 있으며, 여기서는 푸시 로드(17b)가 크로스헤드 피스톤 핀(17g)을 매개로 하여 크로스헤드(17c)와 결합되어 있다. 평형 추(19)는 일체형일 수 있다. 그러나, 평형 추는 다수의 부분 추(partial weight)(19a), 바람직하게는 기하학적으로 동일하게 형성된 부분 추(19a)로 구성되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서는, 부분 추(19a)는, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 판의 형태로 되어 있다.
도 4에 도시된 압축기(2)에서, 모든 압축단(9, 10, 13, 14) 또는 모든 피스톤 압축기(11, 12, 15)는 동일한 크랭크샤프트(17a)에 의해 구동된다. 그러나, 케이싱(18)을 2개의 개별 케이싱으로 나눌 수도 있는데, 예를 들면, 제1 압축단(9) 및 제2 압축단(10)은 제1 케이싱 상에 배치되고, 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14)은 제2 케이싱에 배치된다. 모든 압축단(9, 10, 13, 14)은 동일한 크랭크샤프트(17a)에 의해 구동될 수 있다. 그러나, 또 다른 실시예에서는, 2개 이상의 개별 크랭크샤프트(17a)가 사용될 수도 있고, 모터와 같은 개별 구동 장치에 의해 구동될 수도 있다.
도 7은 2개의 압축기(2)가 병렬로 배치된 구성을 개략적으로 나타내고 있으며, 이 압축기(2)에 증발 가스(6)로 이루어진 천연 가스(4)의 흐름이 유입부(3)를 통해 공급된다. 압축기(2) 뒤에서, 압축 천연 가스가 2개의 천연 가스 공급관(8)을 지나 차단 밸브(52, 53)를 거쳐 각각의 연소 기관(32)으로 공급되며, 예를 들면, 연소 기관(32)은 선박용 디젤 모터와 같은 피스톤-모터이고, 천연 가스로도 작동될 수 있다. 연소 기관(32)의 레귤레이터(regulator)가 공급된 천연 가스에 대해 목표 압력값(41)을 설정하면, 이 목표 압력값(41)은 목표값으로서 2개의 압축기(2)에 공급된다. 바람직하게는, 연소 기관(32)은 목표 압력값(41)을 통해 일정 수준의 이용가능한 동력에 대해 일정한 압력의 가스를 요구하도록 작동된다. 특히 바람직한 실시예에서, 목표 압력값(41)은 단지 도 1 및 도 2에 도시된 압축기(2)에 대한 제어 입력 신호일 수 있다. 특히, 연소 기관(32)에 의해 요구된 가스량은 알 수 없다. 본 발명에 따른 장치와 본 발명에 따른 방법에 의해, 천연 가스의 가변량이 특정 압력에서 증발 가스(6)로부터 공급될 수 있다.
래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)는 광범위한 온도에 걸쳐, 특히 심지어는 극저온인 경우나 온도 변화가 큰 경우에도 안전하게 가동될 수 있다는 장점을 갖는다. 도 8은 시간 함수에 따라 제1 압축단(9)의 유입측에 상에 유입된 천연 가스의 온도 곡선(TA)을 나타내고 있다. 곡선(TB)은 시간 함수에 따라 제1 압축단(9)의 배출측 상의 천연 가스의 온도를 나타낸다. 곡선(TC)은 시간 함수에 따라 제2 압력단(10)의 배출측 상의 천연 가스의 온도를 나타낸다. 도시된 실시예로부터, 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)가 -150℃와 +100℃ 사이의 온도 범위에 걸쳐 안전하게 작동될 수 있다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 압축기(2)는 또한 상당히 높은 유입측 온도로 작동될 수 있다는 장점을 갖는다.
실시가능한 작동 방법이 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다. 본 발명에 따른 연소 기관을 위한 천연 가스 연료의 공급을 발생시키기 위한 방법에 있어서, 증발 가스(6)가 액화 천연 가스를 저장한 LNG-저장 탱크(5)로부터 얻어진다. 그런 다음, 증발 가스(6)는 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)로 구성된 압축단(9, 10)에서 압축된다. 그 후, 천연 가스는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15) 또는 래비린스 시일형 피스톤 압축기를 포함하는 압축단(13, 14)에서 압축된다. 이 때문에, 천연 가스는 100바 내지 500바의 압력, 바람직하게는 150바 내지 300바의 압력으로 압축된 후, 배출부(7)에서 이용될 수 있다.
바람직하게는, 제1 압축단(9) 및 제2 압축단(10)은 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)로 구성되고, 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14)은 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15)로 구성되어, 바람직하게 천연 가스가 4개 이상의 압축단(9, 10, 13, 14)에서 압축될 수 있는데, 여기서, 제2 압축단에서 2개의 압축단 또는 피스톤 압축기(12)가 직렬로 연결되어 있다면 특히 바람직한 구성일 것이다.
제2 압축단(10) 다음에, 천연 가스를 역류 방지용 밸브(16)를 통해 제3 압축단(13)으로 공급하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 1개 이상의 피스톤 압축기(11, 12, 15)는 바이패스(20, 21, 22)를 포함하고, 천연 가스는 1개 이상의 바이패스(20, 21, 22)를 통해 우회되어, 배출부(7)에서의 천연 가스는 요구된 목표 압력(Psoll) 상태에 있을 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 바이패스(20, 21, 22)를 통한 역류는 제어되어, 배출부(7)에서의 송출 압력은 100바 내지 500바, 바람직하게는 150바 내지 300바의 압력값 범위에 걸쳐 변동될 수 있고, 천연 가스의 요구량은 0% 내지 100%의 값의 범위에 걸쳐 변동될 수 있으며, 압축기(2)는 제어 입력값(41)을 통해 특정될 수 있는 배출부(7)에서의 가변 배출측 송출 압력을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의할 경우, 본 발명에 따른 압축기(2)는, 연소 기관(32)이 다량의 천연 가스를 소비하더라도, 제어 입력값(41)에 의해 특정된 대로 송출 압력을 유지할 수 있다. 밸브(23, 24, 25)의 각각의 위치에 따라, 0% 내지 100%의 전달량이 대응하는 바이패스(20, 21, 22)를 통해 재순환될 수 있다. 바이패스(20, 21, 22)에 의해 전달량이 0% 재순환율로 감소되거나, 100% 재순환율로 될 가능성은 어떠한 천연 가스도 배출부(7)로부터 배출되지 않을 때 압축기가 여전히 구동될 수 있다는 장점을 갖는다. 본 구성예에 따라, 압축기(2)의 크랭크샤프트(17a)를 구동시키는 전기 모터는, 예컨대 단지 단위 시간당 일정한 횟수로 가동시킬 수 있을 뿐이다. 예를 들면, 전기 모터는 단위 시간당 새로운 가동수를 제한하도록 하기 위해 시동 중에 가열될 수 있다. 이러한 식으로, 바이패스(20, 21, 22) 및 밸브(23, 24, 25)는, 배출부(7)로부터 단지 적은 양의 천연 가스가 추출되거나 심지어는 전혀 추출되지 않더라도, 전기 모터를 계속해서 가동시킬 수 있다.
도 9는 압력 및 압축 천연 가스의 질량 유속(mass flux)을 제어하기 위한 피드백 제어 개념을 나타낸다. 구체적으로 말해, 도 9는 150바의 압력(P1) 및 265바의 압력(P2)에서 구동샤프트(27)의 이용가능한 동력의 함수에 따른 질량 유속율(kg/h)을 나타내고 있다. 피드백 제어 개념은 도 2 및 도 9의 곡선(P2)를 참조로 하여 자세하게 설명될 것이다. R1으로 표시된 곡선(P2) 부분은 바이패스(20) 내의 귀환 유량(returning flow rate)을 바꾸는 밸브(23)의 위치를 변경함으로써 얻어진다. 또한, R3로 표시된 곡선(P2) 부분은 바이패스(22) 내의 귀환 유량을 바꾸는 밸브(25)의 위치를 변경함으로써 얻어진다. 또한, R4로 표시된 곡선(P2) 부분은 바이패스(21) 내의 귀환 유량을 바꾸는 밸브(24)의 위치를 변경함으로써 얻어진다. 이렇게 하여, 천연 가스의 질량 유속 또는 공급량은 압력이 배출부에서 일정하게 유지되면서 0%과 100% 사이에서 변경될 수 있다. 이와 동일한 피드백 제어 방법이 다른 압력, 예컨대 150바의 압력에 대한 곡선(P1)에 적용된다. 질량 유속의 변동과 함께, 도 2의 구성예는 압력 변화에 대해 보상할 수도 있다. 바람직하게는, 조절 장치(40a, 40b, 40c)는 PI-제어 장치의 형태를 취한다. 목표 압력값(41)이 조절 장치(40a)에서 주어지고, 압력 센서(42d)에서 측정된 현재 압력값이 주어진 목표 압력값(41)보다 작아지면, 조절 장치(40a)는 밸브(23)를 일부 또는 전부 차단하여, 천연 가스가 바이패스(20)에서 역으로 거의 유동하지 않게 되므로, 보다 많은 양의 천연 가스가 배출부(7)에서 이용될 수 있고, 배출부(7)에서의 천연 가스의 압력이 상승하는 효과를 나타낼 수 있다. 조절 장치(40b)는 압력 센서(42a, 42b)에서 측정된 2개의 현재 압력값, 즉 유입측 현재 압력값과 배출측 현재 압력값을 저장한다.
2개의 목표 압력값(도시되지 않음), 즉 유입측 목표 압력값과 배출측 목표 압력값이 조절 장치(40b)에 주어진다. 만일, 압력 센서(42a)에서 측정된 유입측 현재 압력값이 유입측 목표 압력값보다 작다면, 밸브(24)는 개방된다. 만일, 배출측 목표 압력값이 배출측 현재 압력값보다 작으면, 밸브는 마찬가지로 개방된다. 동일한 피드백 제어 방법이 제어 장치(40c), 대응하는 센서 및 밸브(25)에도 적용된다.
압축기(2) 및 연소 기관(32)은, 연소 기관(32)이 전달하고자 하는 천연 가스에 대한 목표 압력값(Psoll)을 설정하고, 배출부(7)에서의 천연 가스가 주어진 목표 압력값(Psoll) 상태에 있도록 압축기(2)가 제어되기 위해, 바람직하게 작동될 수 있다.
적어도 제1 피스톤 압축기(11) 및 제2 피스톤 압축기(12)에서 무급유식으로 천연 가스를 압축하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 압축단(9, 10, 13, 14) 뒤에서 천연 가스를 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다.
모든 피스톤 압축기(11, 12, 15)는 공동 크랭크샤프트(17a)로부터 구동되는 것이 바람직할 수 있다. 또, 제1 공동 크랭크샤프트로부터 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)를 구동시키고, 제2 공동 크랭크샤프트로부터 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15)를 구동시키는 것이 바람직할 수 있다. 압축 천연 가스의 일부를 발화 또는 재액화시키는 것이 바람직할 수 있다. 제1 압축단과 제2 압축단 사이에 중간 냉각기(31)를 연결 또는 분리하는 것이 바람직할 수 있다.

Claims (21)

  1. 천연 가스 연료를 공급하기 위한 장치(1)로서,
    LNG 저장 탱크(5)로부터 증발 가스(6)를 공급하기 위하여 상기 LNG 저장 탱크(5)와 유체 교환가능하게 배치될 수 있는 천연 가스(4)의 흐름을 위한 유입부(3), 및 천연 가스 공급관(8)과 유체 교환가능하게 배치될 수 있는 배출부(7)를 포함한 압축기(2)
    를 포함하고,
    상기 압축기(2)는 제1 압축단(9) 및 이어서 제2 압축단(10)을 포함하고,
    상기 제1 압축단(9) 및 상기 제2 압축단(10)은 래비린스 시일형 피스톤 압축기(labyrinth-sealed piston-compressors)(11, 12) 또는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(piston-ring-sealed piston-compressors)(15)의 형태를 취하며,
    상기 제1 압축단(9)은 상기 제2 압축단(10)보다 더 큰 피스톤 직경을 가지고,
    상기 압축기(2)는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(11, 12) 또는 래비린스 시일형 피스톤 압축기(15)의 형태를 취하는 후속하는 1개 이상의 제3 압축단(13, 14)을 포함하며,
    상기 압축단들(9, 10, 13, 14) 중 적어도 하나는 제어가능한 밸브(23, 24, 25)를 포함한 바이패스(bypass)(20, 21, 22)를 포함하고,
    상기 제1 압축단(9) 및 상기 제2 압축단(10)은 무급유식인,
    천연 가스 연료 공급용 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 압축단(10)과 상기 제3 압축단(13) 사이에는 역류 방지용 밸브(16)가 설치되는, 천연 가스 연료 공급용 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축단들(9, 10, 13, 14) 전부는 공동 크랭크 구동 기구(shared crank drive mechanism)(17)에 의해 구동되는, 천연 가스 연료 공급용 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축단들(9, 10, 13, 14) 전부는 공동 케이싱(shared casing)(18) 상에 설치된, 천연 가스 연료 공급용 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14)은 공동 실린더(shared cylinder)(15a) 내에 위치한, 천연 가스 연료 공급용 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 압축단(10)은 직렬로 연결된 2개의 압축기단으로 구성된, 천연 가스 연료 공급용 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 LNG 저장 탱크(5)로 천연 가스를 다시 보내기 위해 귀환 파이프(returning pipe)(50)가 상기 유입부(3)와 상기 역류 방지용 밸브(16) 사이에 설치된, 천연 가스 연료 공급용 장치.
  8. 연소 기관(32)에 천연 가스를 공급하기 위하여 제1항 또는 제2항에 따른 천연 가스 연료 공급용 장치를 이용하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연소 기관(32)은 디젤 모터인, 천연 가스 연료 공급용 장치를 이용하는 방법.
  10. 연소 기관용 천연 가스 연료를 공급하기 위한 방법에 있어서,
    액화 천연 가스를 저장한 LNG 저장 탱크(5)로부터 증발 가스(6)를 얻은 다음, 상기 증발 가스(6)를 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12) 또는 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15)로 구성된 압축단(9, 10)에서 압축한 후, 천연 가스를 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15) 또는 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)로 구성된 압축단(13, 14)에서 압축하여, 천연 가스를 100바 내지 500바의 압력으로 압축하고, 천연 가스를 배출부(7)에서 이용할 수 있으며,
    상기 피스톤 압축기들(11, 12, 15) 중 적어도 하나는 바이패스(20, 21, 22)를 포함하고, 상기 배출부(7)에서의 천연 가스가 요구된 목표 압력(Psoll) 상태에 있도록, 천연 가스가 1개 이상의 상기 바이패스(20, 21, 22)를 통해 귀환되고,
    천연 가스는 적어도 제1 피스톤 압축기(11) 및 제2 피스톤 압축기(12)에서 무급유식으로 압축되는,
    연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)는 제1 압축단(9) 및 제2 압축단(10)을 포함하고, 상기 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15)는 제3 압축단(13) 및 제4 압축단(14)을 포함하여, 천연 가스는 4개 이상의 압축단(9, 10, 13, 14)에서 압축되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 압축단(10) 뒤에서, 천연 가스는 역류 방지용 밸브(16)를 통해 상기 제3 압축단(13)에 공급되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출부(7) 뒤에서, 천연 가스는 연소 기관에 공급되고, 상기 목표 압력값(Psoll)은 상기 연소 기관(32)에 의해 요구되는 것과 같은, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    천연 가스는 압축단(9, 10, 13, 14) 뒤에서 냉각되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  15. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 압축기들(11, 12, 15) 전부는 공동 크랭크샤프트(17a)에 의해 구동되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  16. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 래비린스 시일형 피스톤 압축기(11, 12)는 제1 공동 크랭크샤프트(17a)에 의해 구동되며, 상기 피스톤 링 시일형 피스톤 압축기(15)는 제2 공동 크랭크샤프트에 의해 구동되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  17. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축된 천연 가스의 일부가 발화되거나 재액화되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    중간 냉각기(31)가 상기 제1 압축단(9)과 상기 제2 압축단(10) 사이에 연결 또는 분리되는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 천연 가스를 150바 내지 300바의 압력으로 압축하는, 연소 기관용 천연 가스 연료 공급 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
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