KR101599404B1 - 선박 - Google Patents

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KR101599404B1
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valve
compressor
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refrigerant
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신현준
최동규
문영식
안수경
장현민
손재욱
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Abstract

액화가스를 저장하는 저장탱크를 포함하는 선박이 개시된다.
상기 선박은, 상기 저장탱크 하류에 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 하여 압축된 증발가스(이하, ‘제1 유체’라고 한다.)를 열교환시켜 냉각시키는 증발가스 열교환기; 상기 증발가스 열교환기 하류에 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부를 압축시키는 압축기; 상기 증발가스 열교환기 하류에 상기 압축기와 병렬로 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 다른 일부를 압축시키는 여분압축기; 상기 증발가스 열교환기 상류에 설치되어, 상기 증발가스 열교환기로 공급되는 상기 제1 유체를 압축시키는 추진압축기; 상기 증발가스 열교환기에 의해 냉각된 상기 제1 유체를 추가적으로 냉각시키는 냉매열교환기; 상기 냉매열교환기로 보내져(이하, 냉매열교환기로 보내지는 유체를 ‘제2 유체’라고 한다.), 상기 냉매열교환기에 의해 냉각된 상기 제2 유체를, 팽창시킨 후 다시 상기 냉매열교환기로 보내는 냉매감압장치; 및 상기 증발가스 열교환기 및 상기 냉매열교환기에 의해 냉각된 상기 제1 유체를 팽창시키는 제1 감압장치;를 포함하고, 상기 냉매열교환기는, 상기 냉매감압장치를 통과한 증발가스를 냉매로 하여, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 둘 다 열교환시켜 냉각시키며, 상기 제1 유체는, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스; 및 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름; 중 어느 하나이고, 상기 제2 유체는, 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스; 및 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름; 중 어느 하나이다.

Description

선박{Vessel}
본 발명은 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저장탱크 내부에서 생성되는 증발가스 중 엔진의 연료로 사용되고 남은 증발가스를 재액화시키는 시스템을 포함하는, 선박에 관한 것이다.
근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -162 ℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.
증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DFDE 및 ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DFDE은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5 bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300 bar 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-GI 엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
본 발명은 기존의 부분 재액화 시스템에 비해 향상된 증발가스 재액화 성능을 발휘할 수 있는 시스템을 포함하는 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 저장탱크를 포함하는 선박에 있어서, 상기 저장탱크 하류에 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 하여 압축된 증발가스(이하, ‘제1 유체’라고 한다.)를 열교환시켜 냉각시키는 증발가스 열교환기; 상기 증발가스 열교환기 하류에 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부를 압축시키는 압축기; 상기 증발가스 열교환기 하류에 상기 압축기와 병렬로 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 다른 일부를 압축시키는 여분압축기; 상기 증발가스 열교환기 상류에 설치되어, 상기 증발가스 열교환기로 공급되는 상기 제1 유체를 압축시키는 추진압축기; 상기 증발가스 열교환기에 의해 냉각된 상기 제1 유체를 추가적으로 냉각시키는 냉매열교환기; 상기 냉매열교환기로 보내져(이하, 냉매열교환기로 보내지는 유체를 ‘제2 유체’라고 한다.), 상기 냉매열교환기에 의해 냉각된 상기 제2 유체를, 팽창시킨 후 다시 상기 냉매열교환기로 보내는 냉매감압장치; 및 상기 증발가스 열교환기 및 상기 냉매열교환기에 의해 냉각된 상기 제1 유체를 팽창시키는 제1 감압장치;를 포함하고, 상기 냉매열교환기는, 상기 냉매감압장치를 통과한 증발가스를 냉매로 하여, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 둘 다 열교환시켜 냉각시키며, 상기 제1 유체는, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스; 및 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름; 중 어느 하나이고, 상기 제2 유체는, 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스; 및 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름; 중 어느 하나인, 선박이 제공된다.
상기 선박은, 상기 증발가스 열교환기, 상기 냉매열교환기 및 상기 제1 감압장치를 통과하며 일부 재액화된 액화가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화가스는 상기 저장탱크로 보내질 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 증발가스 열교환기로 보내질 수 있다.
상기 추진압축기는 상기 압축기의 1/2의 용량을 가질 수 있다.
상기 제1 유체는 연료수요처 상류에서 두 흐름으로 분기하여, 일부는 상기 추진압축기, 상기 증발가스 열교환기, 상기 냉매열교환기, 및 상기 제1 감압장치를 순차적으로 통과하며 일부 또는 전부가 재액화될 수 있고, 다른 일부는 상기 연료수요처로 보내질 수 있다.
상기 여분압축기에 의해 압축되어 상기 냉매열교환기 및 상기 냉매감압장치를 통과한 후, 상기 냉매열교환기의 냉매로 사용된 상기 제2 유체는, 다시 상기 여분압축기로 보내져, 상기 여분압축기, 상기 냉매열교환기, 상기 냉매감압장치, 다시 상기 냉매열교환기를 연결하는 폐루프의 냉매사이클을 형성할 수 있다.
상기 여분압축기에 의해 압축되어 상기 냉매열교환기 및 상기 냉매감압장치를 통과한 후, 상기 냉매열교환기의 냉매로 사용된 상기 제2 유체는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스와 합류될 수 있다.
상기 선박은, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 연통시키는 라인 상에 설치되는 밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 밸브는, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스를 합류 또는 분리시키도록 개폐될 수 있다.
상기 추진압축기는 상기 증발가스를 임계점 이하의 압력으로 압축시킬 수 있다.
상기 추진압축기는 상기 증발가스를 임계점을 초과하는 압력으로 압축시킬 수 있다.
상기 추진압축기는 상기 증발가스를 300 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스를 저장하는 저장탱크를 포함하는 선박의 증발가스 처리 시스템에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 일부를 압축기에 의해 압축시킨 후 연료수요처로 보내는 제1 공급라인; 상기 제1 공급라인으로부터 분기되어, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 다른 일부를 여분압축기에 의해 압축시키는 제2 공급라인; 상기 제1 공급라인으로부터 분기되어, 압축된 증발가스를 추진압축기, 증발가스 열교환기, 냉매열교환기, 및 제1 감압장치를 통과시켜 재액화시키는 복귀라인; 및 상기 냉매열교환기 및 냉매감압장치를 통과하며 냉각된 증발가스를 다시 상기 냉매열교환기로 보내 냉매로 사용하도록 한 후, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류시키는 재순환라인;을 포함하고, 상기 증발가스 열교환기는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 복귀라인을 따라 공급되는 증발가스를 열교환시켜 냉각시키고, 상기 냉매열교환기는, 상기 냉매감압장치를 통과한 증발가스를 냉매로 하여, 상기 재순환라인을 따라 공급되는 증발가스; 및 상기 복귀라인을 따라 공급되는 증발가스;를 둘 다 열교환시켜 냉각시키는, 선박의 증발가스 처리 시스템이 제공된다.
상기 선박의 증발가스 처리 시스템은, 상기 제1 공급라인 상의 상기 압축기 상류에 설치되는 제1 밸브; 상기 제1 공급라인 상의 상기 압축기 하류에 설치되는 제2 밸브; 상기 제2 공급라인 상의 상기 여분압축기 상류에 설치되는 제3 밸브; 상기 제2 공급라인 상의 상기 여분압축기 하류에 설치되는 제4 밸브; 상기 제1 공급라인으로부터 분기된 증발가스를 상기 냉매열교환기로 보내는 상기 재순환라인의, 상기 제1 공급라인과 상기 제2 공급라인 사이에 설치되는 제6 밸브; 상기 냉매열교환기로부터 상기 제1 공급라인으로 증발가스를 보내는 상기 재순환라인 상에 설치되는 제9 밸브; 상기 제9 밸브와 상기 냉매열교환기 사이의 상기 재순환라인과, 상기 제3 밸브와 상기 여분압축기 사이의 상기 제2 공급라인을 연결하는 제1 추가라인; 및 상기 제1 추가라인 상에 설치되는 제10 밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 상기 제3 밸브, 상기 제4 밸브, 및 상기 제10 밸브는 열고, 상기 제6 밸브 및 상기 제9 밸브는 닫은 상태에서 시스템을 구동시키고, 증발가스가 상기 여분압축기로 공급되면 상기 제3 밸브를 닫아, 증발가스가 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브, 상기 냉매열교환기, 상기 냉매감압장치, 다시 상기 냉매열교환기, 및 상기 제10 밸브를 순환하는, 폐루프의 냉매 사이클을 형성시킬 수 있다.
상기 압축기가 고장난 경우, 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브 및 상기 제10 밸브는 닫고, 상기 제3 밸브 및 상기 제6 밸브는 열어, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스가, 상기 제3 밸브, 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브, 및 상기 제6 밸브를 거쳐 연료수요처로 공급되도록 할 수 있다.
상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 상기 제3 밸브, 상기 제4 밸브, 상기 제6 밸브 및 상기 제9 밸브는 열고, 상기 제10 밸브는 닫아, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류되어 운용될 수 있다.
상기 압축기가 고장난 경우, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 닫아, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스가, 상기 제3 밸브, 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브 및 상기 제6 밸브를 거쳐 연료수요처로 공급되도록 할 수 있다.
상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 상기 제3 밸브, 상기 제4 밸브 및 상기 제9 밸브는 열고, 상기 제6 밸브 및 상기 제10 밸브는 닫아, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 분리되어 운용될 수 있다.
상기 압축기가 고장난 경우, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 닫고, 상기 제6 밸브를 열어, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스가, 상기 제3 밸브, 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브 및 상기 제6 밸브를 거쳐 연료수요처로 공급되도록 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 둘로 분기하여, 상기 분기된 두 흐름의 증발가스를 압축기 또는 여분압축기에 의해 압축시키고, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스 및 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스 중 적어도 하나 이상을, 연료수요처로 보내거나, 재액화시켜 상기 저장탱크로 복귀시키거나, 재순환시키고, 상기 복귀시키는 증발가스는, 압축되고, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된 후, 상기 재순환시킨 증발가스와 열교환되어 추가적으로 냉각되고, 상기 재순환시키는 증발가스는, 압축된 후 냉각 및 팽창되어 상기 복귀시키는 증발가스와 열교환되는, 방법이 제공된다.
상기 압축기 하류 라인과 상기 여분압축기 하류 라인이 연결되어, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스와 합류될 수 있다.
본 발명은, 기존의 부분 재액화 시스템(PRS)에 비하여, 증발가스가 냉매 열교환기에 의한 추가적인 냉각 과정을 거친 후 감압되므로, 재액화 효율 및 재액화량을 증가시킬 수 있다. 특히, 별도의 냉매를 이용하는 냉동 사이클을 사용하지 않고도, 남는 증발가스의 대부분 또는 전부의 재액화가 가능하여 경제적이다.
또한, 본 발명에 따르면, 증발가스의 배출량, 선박의 운항 속도에 따른 엔진 부하 등에 따라 냉매 유량 및 냉열 공급의 유동적인 제어가 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존에 이미 설치되어 있던 여분의 압축기를 이용하여 재액화 효율 및 재액화량을 높이므로, 선내 공간 확보에 기여하고, 추가로 압축기를 설치하는데 드는 비용을 절감할 수 있다. 특히, 여분압축기에 의해 압축된 증발가스뿐만 아니라 압축기에 의해 압축된 증발가스도 냉매열교환기에서 냉매로 사용할 수 있게 되어, 냉매열교환기에서 냉매로 사용하는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있으므로, 재액화 효율 및 재액화량을 증가시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 추진압축기를 더 포함하여, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력을 높일 수 있으므로 재액화 효율 및 재액화량을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 부분 재액화 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6은 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 서로 다른 압력하에서 열류량에 따른 메탄의 온도 값을 각각 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 후술할 증발가스 처리를 위한 시스템들은 저온 액체화물 또는 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박과 해상 구조물, 즉 액화천연가스 운반선, 액화에탄가스(Liquefied Ethane Gas) 운반선, LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 구조물에 적용될 수 있다. 다만 후술하는 실시예들에서는 설명의 편의상 대표적인 저온 액체화물인 액화천연가스를 예로 들어 설명한다.
또한, 본 발명의 각 라인에서의 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계유체 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.
도 1은 종래의 부분 재액화 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 부분 재액화 시스템에서, 액체화물을 저장하는 저장탱크에서 발생하여 배출되는 증발가스는, 배관을 따라 이송되어 증발가스 압축부(10)에서 압축된다.
저장탱크(T)는 액화천연가스 등의 액화가스를 극저온 상태로 저장할 수 있도록 밀봉 및 단열 방벽을 갖추고 있지만, 외부로부터 전달되는 열을 완벽하게 차단할 수는 없고, 탱크 내에서는 액화가스의 증발이 지속적으로 이루어지며 탱크 내압이 상승할 수 있는데, 이러한 증발가스에 의한 탱크 압력의 과도한 상승을 막고, 적정한 수준의 내압을 유지하기 위해 저장탱크 내부의 증발가스를 배출시켜, 증발가스 압축부(10)로 공급한다.
저장탱크로부터 배출되어 증발가스 압축부(10)에서 압축된 증발가스를 제1 스트림이라 할 때, 압축된 증발가스의 제1 스트림을 제2 스트림과 제3 스트림으로 나누어, 제2 스트림은 액화시켜 저장탱크(T)로 복귀시키도록 구성하고, 제3 스트림은 선내의 추진용 엔진이나 발전용 엔진과 같은 가스 연료 소비처로 공급하도록 구성할 수 있다. 이 경우 증발가스 압축부(10)에서는 연료 소비처의 공급 압력까지 증발가스를 압축할 수 있고, 제2 스트림은 필요에 따라 증발가스 압축부의 전부 또는 일부를 거쳐 분기시킬 수 있다. 연료 소비처의 연료 필요량에 따라 제3 스트림으로 압축된 증발가스 전부를 공급할 수도 있고, 제2 스트림으로 전량을 공급하여 압축된 증발가스 전부를 저장탱크로 복귀시킬 수도 있다. 가스 연료 소비처로는 고압가스분사엔진(예를 들어, MDT사가 개발한 ME-GI 엔진 등) 및 저압가스분사엔진(예를 들어, Wartsila社의 X-DF 엔진(Generation X-Dual Fuel engine) 등)을 비롯하여, DF Generator, 가스 터빈, DFDE 등을 예로 들 수 있다.
이때, 압축된 증발가스의 제2 스트림을 액화시킬 수 있도록 열교환기(20)를 설치하는데, 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축된 증발가스의 냉열 공급원으로 이용한다. 열교환기(20)를 거치면서 증발가스 압축부에서의 압축과정에서 온도가 상승한 압축된 증발가스, 즉 제2 스트림은 냉각되고, 저장탱크에서 발생하여 열교환기(20)로 도입된 증발가스는 가열되어 증발가스 압축부(10)로 공급된다.
압축되기 전 증발가스의 유량이 제2 스트림의 유량보다 많기 때문에, 압축된 증발가스의 제2 스트림은 압축되기 전의 증발가스로부터 냉열을 공급받아 적어도 일부가 액화될 수 있다. 이와 같이 열교환기에서는 저장탱크로부터 배출된 직후의 저온 증발가스와 증발가스 압축부에서 압축된 고압 상태의 증발가스를 열교환시켜 고압 증발가스를 액화시킨다.
열교환기(20)를 거친 제2 스트림의 증발가스는 팽창밸브 또는 팽창기와 같은 팽창수단(30)을 통과하면서 감압되면서 추가로 냉각되어, 기액분리기(40)에 공급된다. 액화된 증발가스는 기액분리기에서 기체와 액체 성분이 분리되어, 액체성분, 즉 액화천연가스는 저장탱크로 복귀되고, 기체성분, 즉 증발가스는 저장탱크로부터 배출되어 열교환기(20) 및 증발가스 압축부(10)로 공급되는 증발가스 흐름에 증발가스 흐름에 합류되거나, 다시 열교환기(20)로 공급되어 증발가스 압축부(10)에서 압축된 고압 상태의 증발가스를 열교환시키는 냉열 공급원으로 활용될 수도 있다. 물론, 가스연소장치(Gas Combustion Unit; GCU) 등으로 보내 연소시키거나, 가스 소모처(가스엔진 포함)에 보내 소모시킬 수도 있다. 증발가스 흐름에 합류되기 전 기액분리기에서 분리된 기체를 추가로 감압시키기 위한 또 다른 팽창수단(50)이 더 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 시스템은, 저장탱크에 저장된 저온 액체화물로부터 발생하는 증발가스(Boil Off Gas)를 공급받아 증발가스를 냉매로 순환시키는 냉매순환부(300a)를 구성한 것이 특징이다.
이를 위해 저장탱크로부터 냉매순환부(300a)로 증발가스를 공급하는 냉매공급라인(CSLa)을 포함하며, 냉매공급라인에는 밸브(400a)가 마련되어, 냉매순환부를 순환할 수 있는 충분한 양의 증발가스가 공급되면 냉매공급라인(CSLa)을 차단하여, 냉매순환부(300a)는 폐루프(closed loop)로 운용된다.
전술한 기본 실시예에서와 마찬가지로 본 제1 확장 실시예에서도 저장탱크(T)의 저온 액체화물로부터 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기(100a)가 마련된다. 저장탱크에서 발생한 증발가스는 증발가스공급라인(BLa)을 따라 압축기(100a)로 도입된다.
본 실시예들의 저장탱크(T)는 액체화물의 하중이 단열층에 직접 가해지지 않는 독립탱크형(Independent Type) 탱크, 또는 화물의 하중이 단열층에 직접 가해지는 멤브레인형(Membrane Type) 탱크로 만들어질 수 있다. 독립탱크형 탱크인 경우에는, 2 barg 이상의 압력에 견디도록 설계된 압력용기로 사용하는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예들에서는 증발가스의 재액화를 위한 라인만을 도시하였으나, 압축기에서 압축된 증발가스는 선박 또는 해상 구조물의 추진용 엔진 및 발전용 엔진을 포함하는 연료수요처에 연료로 공급될 수 있고, 연료 소모량이 증발가스 전량을 소비할 수 있을 때에는 재액화되는 증발가스가 없을 수도 있다. 선박이 정박하고 있는 때와 같이 가스 연료의 소모량이 적거나 없는 경우에는, 증발가스의 전량을 재액화라인(RLa)으로 공급할 수도 있다.
압축된 증발가스는 증발가스 재액화라인(RLa)을 따라 증발가스 열교환기(200a)로 공급되는데, 증발가스 열교환기(200a)는 증발가스 재액화라인(RLa)과 증발가스공급라인(BLa)에 걸쳐 마련되어, 압축기(100a)로 도입될 증발가스와 압축기의 적어도 일부를 거쳐 압축된 증발가스를 열교환시킨다. 압축과정에서 온도가 높아진 증발가스는, 저장탱크에서 발생하여 압축기(100a)로 도입될 저온 증발가스와 열교환을 통해 냉각된다.
증발가스 열교환기(200a)의 하류에는 냉매열교환기(500a)가 마련되어, 압축 후 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스는 냉매순환부(300a)를 순환하는 증발가스와 열교환을 통해 추가로 냉각된다.
냉매순환부(300a)는, 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 압축하는 냉매압축기(310a)와, 냉매압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 냉각기(320a)와, 냉각기에서 냉각된 증발가스를 감압시켜 추가냉각하는 냉매감압장치(330a)를 포함한다. 냉매감압장치(330a)는 증발가스를 단열팽창시켜 냉각하는 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
냉매감압장치(330a)를 거쳐 냉각된 증발가스는 냉매순환라인(CCLa)을 따라 냉매로서 냉매열교환기(500a)로 공급되어 냉매열교환기(500a)에서, 증발가스 열교환기(200a)를 거쳐 공급된 증발가스와 열교환을 통해 증발가스를 냉각시키게 된다. 냉매열교환기(500a)를 거친 냉매순환라인(CCLa)의 증발가스는 냉매압축기(310a)로 순환되어, 전술한 압축 및 냉각과정을 거치면서 냉매순환라인을 순환하게 된다.
한편, 냉매열교환기(500a)에서 냉각된 증발가스 재액화라인(RLa)의 증발가스는 제1 감압장치(600a)를 거쳐 감압된다. 제1 감압장치(600a)는 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브 등의 팽창밸브, 또는 팽창기일 수 있다.
갑압된 증발가스는 제1 감압장치(600a)의 하류의 기액분리기(700a)로 공급되어 기액분리되고, 기액분리기(700a)에서 분리된 액체, 즉 액화천연가스는 저장탱크(T)로 공급되어 재저장된다.
기액분리기(700a)에서 분리된 기체, 즉 증발가스는 제2 감압장치(800a)를 거쳐 추가로 감압되고, 저장탱크(T)로부터 증발가스 열교환기(200a)로 도입될 증발가스의 흐름에 증발가스 흐름에 합류되거나, 다시 증발가스 열교환기(200a)로 공급되어 압축기(100a)에서 압축된 고압 상태의 증발가스를 열교환시키는 냉열 공급원으로 활용될 수도 있다. 물론, 가스연소장치(Gas Combustion Unit; GCU) 등으로 보내 연소시키거나, 연료수요처(가스엔진 포함)에 보내 소모시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예는 냉매순환부(300b)에서 냉각기(320b)로부터 냉매감압장치(330b)로 도입될 증발가스를, 냉매감압장치(330b)에서 감압된 증발가스와 열교환으로 냉각시킨 후에 냉매감압장치(330b)로 공급하도록 구성한 것이다.
냉매감압장치(330b)를 거쳐 감압되면서 증발가스는 냉각되므로, 냉매감압장치 하류의 증발가스는 냉매감압장치 상류의 증발가스보다 온도가 낮고, 본 실시예는 이러한 점을 고려하여, 냉매감압장치 상류의 증발가스를 하류의 증발가스와 열교환시켜 냉각한 후 감압장치로 도입시킨다. 이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 냉매열교환기(500b)로 냉매감압장치(330b) 상류의 증발가스를 공급할 수 있다(도 3의 A부분). 필요에 따라 냉매감압장치 상류와 하류의 증발가스가 열교환할 수 있는 별도의 열교환 장치를 추가로 구성할 수도 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예들의 시스템은 저장탱크 액체화물에서 발생하는 증발가스를 재액화하여 저장할 수 있으므로, 액체화물의 수송률을 높일 수 있다. 특히 선내 가스 소비처의 연료 소모량이 적은 경우에도 저장탱크의 압력 상승을 막기 위해 가스연소장치(Gas Combustion Unit; GCU) 등에서 연소시켜 낭비하는 화물의 양을 줄이거나 없앨 수 있어, 에너지가 낭비되는 것을 막을 수 있다.
또한, 증발가스를 냉매로 순환시켜, 증발가스의 재액화를 위한 냉열원으로 활용함으로써 별도의 냉매 사이클을 구성하지 않고도 증발가스를 효과적으로 재액화시킬 수 있으며, 별도의 냉매를 공급할 필요가 없으므로, 선내 공간 확보에 기여하고 경제적이다. 또한, 냉매 사이클에서 냉매가 부족하면 저장탱크로부터 보충할 수 있어 원활한 냉매 보충이 이루어질 수 있고, 냉매 사이클의 운용이 효과적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 증발가스 자체의 냉열을 다단계로 이용하여 증발가스를 재액화할 수 있어, 선내 증발가스 처리를 위한 시스템 구성을 간소화할 수 있고, 복잡한 증발가스 처리를 위한 장치의 설치 및 운용에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 선박은, 저장탱크(T) 하류에 설치되는 증발가스 열교환기(110); 증발가스 열교환기(110) 하류에 설치되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122); 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스의 온도를 낮추는 냉각기(130); 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스의 온도를 낮추는 제1 여분냉각기(132); 압축기(120) 상류에 설치되는 제1 밸브(191); 냉각기(130) 하류에 설치되는 제2 밸브(192); 제1 여분압축기(122) 상류에 설치되는 제3 밸브(193); 제1 여분냉각기(132) 하류에 설치되는 제4 밸브(194); 증발가스 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스를 추가적으로 냉각시키는 냉매열교환기(140); 냉매열교환기(140)를 통과한 증발가스를 팽창시킨 후 다시 냉매열교환기(140)로 보내는 냉매감압장치(160); 및 냉매열교환기(140)에 의해 추가적으로 냉각된 증발가스를 팽창시키는 제1 감압장치(150);를 포함한다.
저장탱크(T)에서 자연적으로 발생된 후 배출된 증발가스는, 제1 공급라인(L1)을 따라 연료수요처(180)에 공급된다. 본 실시예의 선박은, 연료수요처(180) 상류에 설치되어, 연료수요처(180)로 보내지는 증발가스의 유량 및 개폐를 조절하는 제11 밸브(203)를 더 포함할 수 있다.
증발가스 열교환기(110)는 제1 공급라인(L1)에 설치되어 저장탱크(T)에서 배출된 직후의 증발가스로부터 냉열을 회수한다. 증발가스 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 공급받아, 복귀라인(L3)을 따라 증발가스 열교환기(110)로 공급되는 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용한다. 복귀라인(L3) 상에는 증발가스의 유량 및 개폐를 조절하는 제5 밸브(195)가 설치될 수 있다.
압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는 증발가스 열교환기(110)를 통과한 증발가스를 압축시킨다. 압축기(120)는 제1 공급라인(L1) 상에 설치되며, 제1 여분압축기(122)는, 제2 공급라인(L2) 상에 설치된다. 제2 공급라인(L2)은, 압축기(120) 상류의 제1 공급라인(L1)으로부터 분기하여 압축기(120) 하류의 제1 공급라인(L1)에 연결된다. 또한, 압축기(120)와 제1 여분압축기(122)는 병렬로 설치되며, 동일한 성능의 압축기일 수 있다.
일반적으로 선박에는, 압축기(120) 및 냉각기(130)가 고장나는 경우에 대비하여 제1 여분압축기(122) 및 제1 여분냉각기(132)를 추가적으로 설치한다. 종래에는, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나지 않은 평상시에는, 제1 여분압축기(122) 및 제1 여분냉각기(132)를 사용하지 않았다.
즉, 종래에는, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나지 않은 평상시에는, 제1 여분압축기(122) 상류의 제3 밸브(193)와 제1 여분냉각기(132) 하류의 제4 밸브(194)를 닫아, 증발가스가 압축기(120) 및 냉각기(130)를 통과하여 연료수요처(180)로 공급되도록 하였고, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장난 경우에는, 제1 여분압축기(122) 상류의 제3 밸브(193)와 제1 여분냉각기(132) 하류의 제4 밸브(194)는 열고, 압축기(120) 상류의 제1 밸브(191)와 냉각기(130) 하류의 제2 밸브(192)는 닫아, 증발가스가 제1 여분압축기(122) 및 제1 여분냉각기(132)를 통과하여 연료수요처(180)로 공급되도록 하였다.
본 발명은, 종래에 선박에 설치되어 있음에도 사용되지 않던 제1 여분압축기(122) 및 제1 여분냉각기(132)를 사용하여 증발가스의 재액화 효율 및 재액화량을 높이기 위한 것으로서, 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스를, 일부는 연료수요처(180)로 보내고, 다른 일부는 냉매열교환기(140)에서 증발가스를 추가적으로 냉각시키는 냉매로 사용한다.
도 6은 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 메탄은 대략 -80℃ 이상의 온도 및 대략 55 bar 이상의 압력 조건이 되면 초임계유체 상태가 된다. 즉, 메탄의 경우, 대략 -80℃, 55 bar 상태가 임계점이 된다. 초임계유체 상태는, 액체 상태나 기체상태와는 다른 제3의 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.
압축기(120) 또는 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스는 압축된 정도에 따라 기체상태일 수도 있고, 초임계유체 상태일 수도 있다.
복귀라인(L3)를 통해 증발가스 열교환기(110)로 보내지는 증발가스가 기체상태인 경우에는, 증발가스는 증발가스 열교환기(110)를 통과하면서 온도가 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 될 수 있고, 초임계유체 상태인 경우에는, 증발가스 열교환기(110)를 통과하면서 온도가 낮아져 "고압액체상태"가 될 수 있다.
증발가스 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스는, 냉매열교환기(140)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 되는데, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 증발가스가 액체와 기체의 혼합상태인 경우에는, 증발가스는 냉매열교환기(140)를 통과하면서 온도가 더 낮아져 액체의 비율이 더 높은 혼합상태가 되거나 액체상태가 되고, "고압액체상태"인 경우에는, 냉매열교환기(140)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 된다.
또한, 냉매열교환기(140)를 통과한 증발가스가 "고압액체상태"인 경우에도, 증발가스는 제1 감압장치(150)를 통과하면서 압력이 낮아져 액체상태가 되거나 액체와 기체의 혼합상태가 된다.
증발가스가 제1 감압장치(150)에 의해 압력이 같은 정도(도 6의 P)로 낮아진다고 하더라도, 온도가 더 높은 상태에서 감암되는 경우(도 6의 X→X')보다 온도가 더 낮은 상태에서 감압된 경우(도 6의 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 6의 Z→Z')을 알 수 있다. 따라서, 제1 감압장치(150)를 통과하기 전에 냉매열교환기(140)에 의해 증발가스를 한 번 더 냉각시키면 재액화 효율 및 재액화량이 높아질 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 본 실시예는, 제1 실시예 및 제2 실시예에서 증발가스를 추가적으로 냉각시키기 위한 냉매순환부(300a, 300b)을 폐루프로 구성한 것과 비교하여, 냉매 사이클을 개루프로 구성하였다는 차이점이 있다.
제1 실시예 및 제2 실시예에서는 냉매순환부(300a, 300b)를 폐루프로 구성하여, 냉매압축기(310a, 310b)에 의해 압축된 증발가스는 냉매열교환기(500a, 500b)에서 냉매로 사용될 뿐, 연료수요처로 보내지거나, 재액화 과정을 거칠 수는 없다.
반면, 본 실시예에서는 냉매 사이클을 개루프로 구성하여, 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스가 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 합류된 후, 합류된 증발가스의 일부는 연료수요처(180)로 보내지고, 다른 일부는 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140) 냉매로 사용되고, 나머지 일부는 복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치게 된다.
재순환라인(L5)은, 압축기(120) 하류의 제1 공급라인(L1)으로부터 분기하여 압축기(120) 상류의 제1 공급라인(L1)에 연결되는 라인이다. 제1 공급라인(L1)으로부터 분기된 증발가스가 냉매열교환기(140)로 보내지는 재순환라인(L5) 상에는, 증발가스의 유량 및 개폐를 조절하는 제6 밸브(196)가 설치될 수 있다.
냉매 사이클을 개루프로 구성한 본 실시예는, 냉매 사이클을 폐루프로 구성한 제1 실시예 및 제2 실시예에 비하여, 압축기(120) 하류 라인과 제1 여분압축기(122) 하류 라인이 연결된다는 점에서 큰 차이점이 있다. 즉, 본 실시예는, 제1 여분압축기(122) 하류의 제2 공급라인(L2)이 압축기(120) 하류의 제1 공급라인(L1)과 연결되어, 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스가 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 합류된 후, 냉매 열교환기(140), 연료수요처(180), 또는 증발가스 열교환기(110)로 보내진다. 본 실시예는, 압축기(120) 하류 라인과 제1 여분압축기(122) 하류 라인이 연결되는 다른 변형예를 모두 포함한다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 선박의 운항 속도가 증가하는 등 연료수요처(180)에서의 요구량이 증가하는 경우에는, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스뿐만 아니라 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스도 연료수요처(180)로 보낼 수 있다.
그러나 일반적으로, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는 연료수요처(180)에서 요구되는 양의 대략 1.2배 정도의 용량을 가지도록 설계하므로, 압축기(120)의 용량을 초과하여 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스도 연료수요처(180)로 보내야 하는 경우는 거의 발생하지 않는다. 오히려 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 연료수요처(180)에서 모두 소비하지 못하고 재액화하여야 할 증발가스가 증가하여, 많은 양의 증발가스를 재액화시키기 위해 많은 양의 냉매가 필요한 경우가 더 빈번하다.
본 실시예에 의하면, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스뿐만 아니라, 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스도 냉매열교환기(140)에서의 열교환의 냉매로 사용할 수 있으므로, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 증발가스를, 더 많은 냉매를 이용하여 더 낮은 온도로 냉각시킬 수 있고, 전반적인 재액화 효율 및 재액화량을 증가시킬 수 있으며, 이론적으로는 100% 재액화도 가능하다.
일반적으로 선박에 설치되는 압축기(120, 122)의 용량을 결정할 때에는, 연료수요처(180)에 증발가스를 공급하기 위해 필요한 용량과, 연료수요처(180)에서 모두 소비하지 못하고 남은 증발가스를 재액화시키기 위해 필요한 용량을 모두 감안하게 되는데, 본 실시예에 의하면 여분압축기(122)를 사용하여 재액화량을 증가시킬 수 있으므로, 재액화에 필요한 용량을 감소시킬 수 있어, 작은 용량의 압축기(120, 122)를 설치할 수 있게 된다. 압축기의 용량을 감소시키면, 장비 설치 비용과 운용 비용을 모두 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예에서는, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나지 않은 평상시에도, 제1 밸브(191) 및 제2 밸브(192)뿐만 아니라, 제3 밸브(193) 및 제4 밸브(194)도 열어, 압축기(120), 냉각기(130), 제1 여분압축기(122), 및 제1 여분냉각기(132)를 모두 가동시키고, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장난 경우에는, 재액화 효율 및 재액화량을 높이는 것을 포기하고, 제1 밸브(191) 및 제2 밸브(192)를 닫아, 제1 여분압축기(122) 및 제1 여분냉각기(132)를 통과한 증발가스만으로 시스템을 운용한다.
설명의 편의를 위하여, 압축기(120) 및 냉각기(130)가 주된 역할을 하고, 제1 여분압축기(122)와 제1 여분냉각기(132)가 보조적인 역할을 하는 것으로 설명하였으나, 압축기(120)와 제1 여분압축기(122), 냉각기(130)와 제1 여분냉각기(132)는 동일한 역할을 하며, 하나의 선박에 같은 역할을 하는 압축기 및 냉각기를 두 대 이상 구비하여, 어느 하나가 고장나는 경우에 다른 장비로 대체할 수 있다는 점에서 리던던시(Redundancy) 개념을 만족시키는 것이다. 이하, 동일하다.
따라서, 제1 여분압축기(122) 또는 제1 여분냉각기(132)가 고장나는 경우에도, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나는 경우와 마찬가지로, 재액화 효율 및 재액화량을 높이는 것을 포기하고, 제3 밸브(193) 및 제4 밸브(194)를 닫아, 압축기(120) 및 냉각기(130)를 통과한 증발가스만으로 시스템을 운용한다.
한편, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스의 대부분 또는 전부가 연료수요처(180)의 연료로 사용될 수 있을 정도의 빠른 속도로 선박이 운항되는 경우에는, 재액화할 증발가스의 양이 매우 적거나 없게 된다. 따라서, 선박이 빠른 속도로 운항되는 경우에는 압축기(120) 또는 여분압축기(122) 중 어느 하나만 구동시킬 수도 있다.
압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는 연료수요처(180)가 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있는데, 연료수요처(180)는 증발가스를 연료로 구동되는 엔진, 발전기 등일 수 있다. 일례로 연료수요처(180)가 선박 추진용 엔진인 경우, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는, 증발가스를 대략 10 내지 100 bar의 압력으로 압축시킬 수 있다.
또한, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는, 연료수요처(180)가 ME-GI 엔진인 경우, 증발가스를 대략 150 bar 내지 400 bar의 압력까지 압축시킬 수 있고, 연료수요처(180)가 DFDE인 경우, 증발가스를 대략 6.5 bar의 압력으로 압축시킬 수 있으며, 연료수요처(180)가 X-DF 엔진인 경우, 증발가스를 대략 16 bar의 압력으로 압축시킬 수 있다.
연료수요처(180)는 여러 종류의 엔진을 포함할 수도 있는데, 일례로 연료수요처(180)가 X-DF 엔진 및 DFDE을 포함하는 경우, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는 X-DF 엔진이 요구하는 압력까지 증발가스를 압축시키고, DFDE의 상류에는 감압장치를 설치하여, X-DF 엔진이 요구하는 압력까지 압축된 증발가스의 일부를 DFDE가 요구하는 압력까지 낮춘 후에 DFDE로 공급할 수도 있다.
그 밖에도, 증발가스 열교환기(110) 및 냉매열교환기(140)에서의 재액화 효율 및 재액화량을 높이기 위하여, 압축기(120) 또는 제1 여분압축기(122)에 의해, 증발가스의 압력이 연료수요처(180)가 요구하는 압력을 초과하도록 증발가스를 압축시키고, 연료수요처(180) 상류에는 감압장치를 설치하여, 연료수요처(180)가 요구하는 압력을 초과하도록 압축된 증발가스의 압력을 연료수요처(180)가 요구하는 압력까지 낮춘 후에 연료수요처(180)로 공급할 수도 있다.
한편, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)는 각각 다단압축기일 수 있다. 도 4에는 하나의 압축기(120 또는 122)에 의해 증발가스를 연료수요처(180)에서 요구하는 압력까지 압축하는 것으로 도시되어 있으나, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)가 다단압축기인 경우, 증발가스는 복수개의 압축실린더에 의해 연료수요처(180)에서 요구하는 압력까지 여러 번 압축될 수 있다.
압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)가 다단압축기일 경우, 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122) 내부에는 복수개의 압축실린더가 직렬로 설치될 수 있고, 복수개의 압축실린더 하류에는 복수개의 냉각기가 각각 설치될 수 있다.
본 실시예의 냉각기(130)는, 압축기(120) 하류에 설치되어, 압축기(120)에 의해 압축되어 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시키고, 본 실시예의 제1 여분냉각기(132)는, 제1 여분압축기(122) 하류에 설치되어, 제1 여분압축기(122)에 의해 압축되어 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시킨다. 냉각기(130) 및 제1 여분냉각기(132)는 외부로부터 유입된 해수, 청수 또는 공기와의 열교환을 통해 증발가스를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 냉매열교환기(140)는, 증발가스 열교환기(110)에 의해 냉각된 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스를 추가적으로 냉각시키고, 본 실시예의 냉매감압장치(160)는, 냉매열교환기(140)를 통과한 증발가스를 팽창시킨 후 다시 냉매열교환기(140)로 보낸다.
즉, 냉매열교환기(140)는, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 증발가스를, 냉매감압장치(160)에 의해 팽창된 증발가스를 냉매로 열교환시켜, 추가적으로 냉각시킨다.
본 실시예의 냉매감압장치(160)는 유체의 압력을 낮추기 위한 다양한 수단일 수 있고, 냉매감압장치(160)를 통과하기 직전의 유체의 상태 및 통과한 직후의 유체의 상태는 시스템의 운용 조건에 따라 달라질 수 있다. 단, 냉매감압장치(160)가 팽창기인 경우, 냉매감압장치(160)의 물리적 손상을 방지하기 위하여, 냉매감압장치(160)를 통과하기 직전의 유체 및 통과한 직후의 유체는 기체상으로 유지되는 것이 바람직하다. 이하, 동일하다.
냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매열교환기(140)에서 열교환의 냉매로 사용되는 증발가스는, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스가 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스와 합류된 후, 합류된 증발가스의 일부가 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되어, 냉매열교환기(140)에서 냉매감압장치(160)를 통과한 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각된 후 냉매감압장치(160)로 공급된 것이다.
또한, 제1 공급라인(L1)으로부터 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 증발가스는, 냉매열교환기(140)에서 1차로 냉각되고 냉매감압장치(160)에 의해 추가적으로 냉각된 후 다시 냉매열교환기(140)로 보내져 냉매로 사용되는 것이다.
즉, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스가 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스와 합류된 후 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 흐름;과, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 증발가스;는 둘 다, 냉매감압장치(160)를 통과한 증발가스를 냉매로 하여, 열교환되어 냉각된다.
본 실시예의 제1 감압장치(150)는, 복귀라인(L3) 상에 설치되어, 증발가스 열교환기(110) 및 냉매열교환기(140)에 의해 냉각된 증발가스를 팽창시킨다. 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스와 합류된 후 일부 분기하여, 복귀라인(L3)을 따라 증발가스 열교환기(110), 냉매열교환기(140) 및 제1 감압장치(150)를 통과하며 일부 또는 전부가 재액화된다.
제1 감압장치(150)는, 증발가스를 팽창시켜 냉각시킬 수 있는 모든 수단을 포함하며, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브 등의 팽창밸브, 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제1 감압장치(150) 하류의 복귀라인(L3) 상에 설치되며 제1 감압장치(150)으로부터 배출되는 기액 혼합물을 기체와 액체로 분리하는, 기액분리기(170)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하지 않는 경우, 제1 감압장치(150)를 통과한 액체 또는 기액혼합 상태의 증발가스는 바로 저장탱크(T)로 보내진다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우, 제1 감압장치(150)를 통과한 증발가스는 기액분리기(170)로 보내져, 기체상과 액체상이 분리된다. 기액분리기(170)에 의해 분리된 액체는 복귀라인(L3)을 따라 저장탱크(T)로 복귀하고, 기액분리기(170)에 의해 분리된 기체는, 기액분리기(170)로부터 증발가스 열교환기(110) 상류의 제1 공급라인(L1)까지 연장되는 기체배출라인(L4)을 따라, 증발가스 열교환기(110)으로 공급된다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우, 기액분리기(170)에 의해 분리되어 저장탱크(T)로 보내지는 액체의 유량을 조절하는 제7 밸브(197); 및 기액분리기(170)에 의해 분리되어 증발가스 열교환기(110)로 보내지는 기체의 유량을 조절하는 제8 밸브(198);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제1 내지 제8 밸브, 및 제11 밸브는(191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 203)는, 시스템 운용 상황을 사람이 직접 판단하여 수동으로 조절될 수도 있고, 미리 설정된 값에 의해 개폐되도록 자동으로 조절될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화를 위한 장치의 작용을 용이하게 설명하기 위해 증발가스의 주요 흐름을 정의한다. 저장탱크(T)에서 발생하는 증발가스와 기액분리기(170)에서 배출되는 기체가 증발가스 열교환기(110)으로 공급되는 흐름을 제1 흐름(100), 증발가스 열교환기(110)에서 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)로 공급된 후에 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122)로부터 배출되어 연료수요처(180)로 공급되는 흐름을 제2 흐름(102), 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122) 하류에서 제2 흐름(102)으로부터 분기하여 냉매열교환기(140)로 공급되는 흐름을 제3 흐름(104), 압축기(120) 및 제1 여분압축기(122) 하류에서 제2 흐름(102)으로부터 분기하여 증발가스 열교환기(110)으로 공급되는 흐름을 제4 흐름(106), 증발가스 열교환기(110)으로부터 냉매열교환기(140)로 공급되는 흐름을 제5 흐름(108)으로 정의한다. 제1 흐름(100)은 증발가스 열교환기(110)을 통과하면서 제2 흐름(102)이 되고, 제4 흐름(106)은 증발가스 열교환기(110)을 통과하면서 제5 흐름(108)이 된다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화를 위한 장치의 작용을 설명한다. 본 실시예는 특히, 저장탱크에 저장된 액화가스가 액화천연가스이고, 연료수요처가 X-DF인 경우에 적합하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제4 실시예의 경우도 동일하다.
액체 상태의 액화가스를 저장하는 저장탱크(T)에서 생성되는 기체상태의 증발가스는 증발가스 열교환기(110)로 공급된다. 이때, 저장탱크(T)에서 생성되는 기체 상태의 증발가스는, 시스템 작동 후 일정 시간이 경과한 후 기액분리기(170)에서 배출되는 기체 상태의 증발가스와 만나 제1 흐름(100)을 형성하게 된다. 궁극적으로 증발가스 열교환기(110)로 공급되는 증발가스는 제1 흐름(100)이다.
증발가스 열교환기(110)는 제1 흐름(100)이 가지고 있는 냉열을 회수하여 다른 증발가스를 냉각시키는 역할을 한다. 즉, 증발가스 열교환기(110)는, 제1 흐름(100)이 갖고 있는 냉열을 회수하여, 제2 흐름(102) 중 증발가스 열교환기(110)으로 다시 공급되는 흐름, 즉, 제4 흐름(106)에 회수한 냉열을 전달한다.
따라서, 증발가스 열교환기(110)에서는 제1 흐름(100)과 제4 흐름(106) 간의 열교환이 일어나게 되어, 제1 흐름(100)은 가열되고 제4 흐름(106)은 냉각된다. 가열된 제1 흐름(100)은 제2 흐름(102)이 되고, 냉각된 제4 흐름(106)은 제5 흐름(108)이 된다.
증발가스 열교환기(110)에서 배출되는 제2 흐름(102)은, 압축기(120) 또는 제1 여분압축기(122)로 공급되어, 압축기(120) 또는 제1 여분압축기(122)에 의해 압축된다.
압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 제1 여분압축기(122)에서 압축된 증발가스가 합류된 제2 흐름(102)은, 일부는 제3 흐름(104)으로서 냉매열교환기(140)에 냉매로 공급되고, 다른 일부는 제4 흐름(106)으로서 증발가스 열교환기(110)에 공급되어 냉각되고, 나머지 일부는 연료수요처(180)에 공급된다.
냉매열교환기(140)로 공급되는 제3 흐름(104)은, 냉매열교환기(140)로부터 배출되고 냉매감압장치(160)에서 팽창된 후 다시 냉매열교환기(140)로 공급된다. 이 때, 1차로 냉매열교환기(140)로 공급된 제3 흐름(104)은, 냉매감압장치(160)에서 팽창된 후, 다시 냉매열교환기(140)로 공급되는 제3 흐름(104)과 열교환되어 냉각된다. 냉매감압장치(160) 및 냉매열교환기(140)를 통과한 제3 흐름(104)은, 증발가스 열교환기(110)로부터 배출되는 제2 흐름(102)과 합류하여, 압축기(120) 또는 제1 여분압축기(122)로 공급된다.
증발가스 열교환기(110)에서 제1 흐름(100)과 열교환하여 냉각된 제4 흐름(106)은, 제5 흐름(108)이 되어 냉매열교환기(140)로 공급된다. 냉매열교환기(140)로 공급된 제5 흐름(108)은, 냉매감압장치(160)를 통과한 제3 흐름(104)과 열교환되어 냉각된 후, 제1 감압장치(150)을 통과하며 팽창된다. 제1 감압장치(150)을 통과한 제5 흐름(108)은 기체와 액체가 혼합된, 기액 혼합물 상태가 된다.
기액 혼합물 상태의 제5 흐름(108)은, 바로 저장탱크(T)로 보내지거나, 기액분리기(170)를 통과하면서 기체와 액체로 분리된다. 기액분리기(170)에 의해 분리된 액체는 저장탱크(T)로 공급되며, 기액분리기(170)에 의해 분리된 기체는 다시 증발가스 열교환기(110)으로 공급되어 상기 과정들을 반복하게 된다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5에 도시된 제4 실시예의 선박은, 도 4에 도시된 제3 실시예의 선박에 비해, 복귀라인에 설치되는 추진압축기(Boost Compressor, 124); 및 추진압축기(124) 하류에 설치되는 추진냉각기(134);를 더 포함하여, 증발가스 열교환기(110)에서의 재액화 효율 및 재액화량을 증가시켰다는 점과, 제9 밸브(201), 제10 밸브(202) 및 제1 추가라인(L6)을 더 포함하고 증발가스가 흐르는 일부 라인을 수정하여, 제1 실시예 및 제2 실시예와 같이 냉매 사이클을 폐루프로 운용할 수도 있고, 제3 실시예와 같이 냉매 사이클을 개루프로 운용할 수도 있도록 시스템을 구성하였다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제3 실시예의 선박과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 선박은, 제3 실시예와 마찬가지로, 증발가스 열교환기(110), 제1 밸브(191), 압축기(120), 냉각기(130), 제2 밸브(192), 제3 밸브(193), 여분압축기(122), 여분냉각기(132), 제4 밸브(194), 냉매열교환기(140), 냉매감압장치(160), 및 제1 감압장치(150)를 포함한다.
본 실시예의 저장탱크(T)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 내부에 액화천연가스, 액화에탄가스 등의 액화가스를 저장하며, 내부 압력이 일정 압력 이상이 되면 증발가스를 외부로 배출시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스는 증발가스 열교환기(110)로 보내진다.
본 실시예의 증발가스 열교환기(110)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 복귀라인(L3)을 따라 증발가스 열교환기(110)로 보내진 증발가스를 냉각시킨다. 즉, 증발가스 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스의 냉열을 회수하여, 회수한 냉열을 복귀라인(L3)을 따라 증발가스 열교환기(110)로 보내진 증발가스에 공급한다. 복귀라인(L3) 상에는 증발가스의 유량 및 개폐를 조절하는 제5 밸브(195)가 설치될 수 있다.
본 실시예의 압축기(120)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 제1 공급라인(L1) 상에 설치되어 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 압축시키고, 본 실시예의 여분압축기(122)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 제2 공급라인(L2) 상에 압축기(120)와 병렬로 설치되어 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 압축시킨다. 압축기(120)와 여분압축기(122)는, 동일한 성능의 압축기일 수 있고, 각각 다단압축기일 수 있다.
본 실시예의 압축기(120) 및 여분압축기(122)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 연료수요처(180)가 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있다. 또한, 연료수요처(180)가 여러 종류의 엔진을 포함하는 경우에는, 더 높은 압력을 요구하는 엔진(이하, '고압 엔진'이라고 함.)의 요구 압력에 맞추어 증발가스를 압축한 후 일부는 고압 엔진으로 공급하고, 다른 일부는 더 낮은 압력을 요구하는 엔진(이하, '저압 엔진'이라고 함.) 상류에 설치된 감압장치에 의해 감압시킨 후 저압 엔진으로 공급할 수 있다. 그 밖에도, 증발가스 열교환기(110) 및 냉매열교환기(140)에서의 재액화 효율 및 재액화량을 높이기 위하여, 증발가스를 압축기(120) 또는 여분압축기(122)에 의해 연료수요처(180)가 요구하는 압력 이상의 고압으로 압축시키고, 연료수요처(180) 상류에는 감압장치를 설치하여, 고압으로 압축된 증발가스의 압력을 연료수요처(180)가 요구하는 압력까지 낮춘 후에 연료수요처(180)로 공급할 수도 있다.
본 실시예의 선박은, 제3 실시예와 마찬가지로, 연료수요처(180) 상류에 설치되어, 연료수요처(180)로 보내지는 증발가스의 유량 및 개폐를 조절하는 제11 밸브(203)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제3 실시예와 마찬가지로, 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스를 냉매열교환기(140)에서 증발가스를 추가적으로 냉각시키는 냉매로 사용하므로, 재액화 효율 및 재액화량을 높일 수 있다.
본 실시예의 냉각기(130)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 압축기(120) 하류에 설치되어, 압축기(120)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시키며, 본 실시예의 여분냉각기(132)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 여분압축기(122) 하류에 설치되어, 여분압축기(122)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시킨다.
본 실시예의 냉매열교환기(140)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 복귀라인(L3)을 따라 증발가스 열교환기(110)로 공급되어, 증발가스 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스를 추가적으로 냉각시킨다.
본 실시예에 의하면, 제3 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스가 증발가스 열교환기(110)뿐만 아니라 냉매열교환기(140)에서도 추가적으로 냉각되어, 더 온도가 낮은 상태로 제1 감압장치(150)로 공급될 수 있으므로, 재액화 효율 및 재액화량이 높아지게 된다.
본 실시예의 냉매감압장치(160)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 냉매열교환기(140)를 통과한 증발가스를 팽창시킨 후 다시 냉매열교환기(140)로 보낸다.
본 실시예의 제1 감압장치(150)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 복귀라인(L3) 상에 설치되어, 증발가스 열교환기(110) 및 냉매열교환기(140)에 의해 냉각된 증발가스를 팽창시킨다. 본 실시예의 제1 감압장치(150)는, 증발가스를 팽창시켜 냉각시킬 수 있는 모든 수단을 포함하며, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브 등의 팽창밸브, 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제3 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(150) 하류의 복귀라인(L3) 상에 설치되며 제1 감압장치(150)으로부터 배출되는 기액 혼합물을 기체와 액체로 분리하는, 기액분리기(170)를 포함할 수 있다.
제3 실시예와 마찬가지로, 본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하지 않는 경우에는 제1 감압장치(150)를 통과한 액체 또는 기액혼합 상태의 증발가스는 바로 저장탱크(T)로 보내지고, 본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우에는 제1 감압장치(150)를 통과한 증발가스는 기액분리기(170)로 보내져, 기체상과 액체상이 분리된다. 기액분리기(170)에 의해 분리된 액체는 복귀라인(L3)을 따라 저장탱크(T)로 복귀하고, 기액분리기(170)에 의해 분리된 기체는, 기액분리기(170)로부터 증발가스 열교환기(110) 상류의 제1 공급라인(L1)까지 연장되는 기체배출라인(L4)을 따라, 증발가스 열교환기(110)으로 공급된다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우, 제3 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(170)에 의해 분리되어 저장탱크(T)로 보내지는 액체의 유량을 조절하는 제7 밸브(197); 및 기액분리기(170)에 의해 분리되어 증발가스 열교환기(110)로 보내지는 기체의 유량을 조절하는 제8 밸브(198);를 더 포함할 수 있다.
단, 본 실시예의 선박은, 제3 실시예와는 달리, 복귀라인(L3) 상에 설치되는 추진압축기(124); 및 추진압축기(124) 하류의 복귀라인(L3) 상에 설치되는 추진냉각기(134);를 더 포함한다.
본 실시예의 추진압축기(124)는, 제1 공급라인(L1)을 따라 연료수요처(180)로 공급되는 증발가스의 일부를 분기시켜 증발가스 열교환기(110)로 보내는, 복귀라인(L3) 상에 설치되어, 복귀라인(L3)을 따라 증발가스 열교환기(110)로 공급되는 증발가스의 압력을 높인다. 추진압축기(124)는, 증발가스를 임계점(메탄의 경우, 대략 55 bar) 이하의 압력까지 압축시킬 수도 있고, 임계점을 초과하는 압력까지 압축시킬 수도 있으며, 본 실시예의 추진압축기(124)가 증발가스를 임계점 이상까지 압축시키는 경우, 대략 300 bar로 압축시킬 수 있다.
본 실시예의 추진냉각기(134)는, 추진압축기(124) 하류의 복귀라인(L3) 상에 설치되어, 추진압축기(124)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 선박은, 추진압축기(124)를 더 포함하여, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력을 높일 수 있으므로, 재액화량 및 재액화 효율을 높일 수 있다.
도 7은 서로 다른 압력하에서 열류량에 따른 메탄의 온도 값을 각각 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력이 높을수록, 자가열교환의 효율이 높아짐을 확인할 수 있다. 자가열교환의 자가(Self-)는 저온의 증발가스 자체를 냉각 유체로 이용하여 고온의 증발가스와 열교환 시킨다는 의미를 가진다.
도 7의 (a)는, 추진압축기(124) 및 추진냉각기(134)를 포함하지 않은 경우에 냉매열교환기(140)에서의 각 유체의 상태를 나타낸 것이고, 도 7의 (b)는 추진압축기(124) 및 추진냉각기(134)를 포함하는 경우에 냉매열교환기(140)에서의 각 유체의 상태를 나타낸 것이다.
도 7의 (a) 및 (b)의 가장 위쪽의 녹색 그래프는, 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 도 5의 I지점의 유체 상태를 나타낸 것이고, 가장 아래쪽의 파란색 그래프는, 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140) 및 냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매로 사용되기 위하여 냉매열교환기(140)로 다시 공급되는 도 5의 K지점의 유체 상태를 나타낸 것이며, 중간 부분의 빨간색 그래프와 겹쳐져서 그려진 하늘색 그래프는, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 도 5의 F지점의 유체 상태를 나타낸 것이다.
냉매로 사용되는 유체는, 열교환 과정에서 냉열을 빼앗겨 점점 온도가 증가하므로, 파란색 그래프는 시간의 흐름에 따라 왼쪽으로부터 오른쪽으로 진행되고, 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체는, 열교환 과정에서 냉매로부터 냉열을 공급받아 점점 온도가 낮아지므로, 녹색 그래프 및 하늘색 그래프는 시간의 흐름에 따라 오른쪽부터 왼쪽으로 진행된다.
도 7의 (a) 및 (b)의 중간 부분의 빨간색 그래프는, 녹색 그래프와 하늘색 그래프를 결합하여 나타낸 것이다. 즉, 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용되는 유체는 파란색 그래프로 그려지고, 냉매열교환기(140)에서 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체는 빨간색 그래프로 그려진다.
열교환기를 설계할 때에는, 열교환기로 공급되는(즉, 도 5의 I지점, K지점, 및 F지점) 유체의 온도 및 열류량은 고정시키고, 냉매로 사용되는 유체의 온도가 냉각되는 유체의 온도보다 높아지지 않도록(즉, 파란색 그래프와 빨간색 그래프가 교차되어 파란색 그래프가 빨간색 그래프보다 위쪽에 나타나지 않도록) 하면서, 대수평균온도차(LMTD; Logarithmic Mean Temperature Difference)가 최대한 작아질 수 있도록 한다.
대수평균온도차(LMTD)는, 고온 유체와 저온 유체가 서로 반대 방향에서 주입되고 반대쪽에서 배출되는 열교환 방식인 대향류의 경우, 저온 유체가 열교환기를 통과하기 전의 온도를 tc1, 저온 유체가 열교환기를 통과한 후의 온도를 tc2, 고온 유체가 열교환기를 통과하기 전의 온도를 th1, 고온 유체가 열교환기를 통과한 후의 온도를 th2라고 하고, d1= th2-tc1, d2=th1-tc2라고 하였을 때, (d2-d1)/ln(d2/d1)으로 표현되는 값인데, 대수평균온도차가 작을수록 열교환기의 효율은 높아진다.
그래프 상에서 대수평균온도차(LMTD)는, 냉매로 사용되는 저온 유체(도 7의 파란색 그래프)와 냉매와 열교환되어 냉각되는 고온 유체(도 7 의 빨간색 그래프)의 간격으로 나타내어 지는데, 도 7의 (a)보다 도 7의 (b)가 파란색 그래프와 빨간색 그래프의 간격이 더 좁게 나타남을 알 수 있다.
이러한 차이는, 둥근 원으로 표시한 지점인 하늘색 그래프의 초기값, 즉, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급되는 도 5의 F지점의 유체의 압력이, 도 7의 (a)보다 도 7의 (b)가 더 높기 때문에 나타난다.
즉, 시뮬레이션 결과, 추진압축기(124)를 포함하지 않는 도 7의 (a)의 경우에는, 도 5의 F지점에서의 유체는 대략 -111℃, 20bar일 수 있고, 추진압축기(124)를 포함하는 도 7의 (b)의 경우에는, 도 5의 F지점에서의 유체는 대략 -90℃, 50bar일 수 있는데, 이러한 초기 조건 하에서 대수평균온도차(LMTD)가 가장 작아질 수 있도록 열교환기를 설계하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력이 높은 도 7의 (b)의 경우에 열교환기의 효율이 더 높아지고, 결국 시스템 전반의 재액화량 및 재액화 효율이 높아지게 된다.
도 7의 (a)의 경우에는, 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용되는 증발가스의 유량이 대략 6401 kg/h일 때, 냉매로 사용되는 유체(파란색 그래프)로부터 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체(빨간색 그래프)로 전달되는 총 열류량은 대략 585.4 kW이며, 재액화된 증발가스의 유량은 대략 3441 kg/h이다.
도 7의 (b)의 경우에는, 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용되는 증발가스의 유량이 대략 5368 kg/h일 때, 냉매로 사용되는 유체(파란색 그래프)로부터 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체(빨간색 그래프)로 전달되는 총 열류량은 대략 545.2 kW이며, 재액화된 증발가스의 유량은 대략 4325 kg/h이다.
즉, 추진압축기(124)를 포함하여 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력을 높이면 더 적은 냉매를 사용해도 더 많은 양의 증발가스를 재액화시킬 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 선박은, 추진압축기(124)를 포함하므로 재액화량 및 재액화 효율을 높일 수 있고, 재액화량 및 재액화 효율을 높여 여분압축기(122)를 구동시키지 않아도 증발가스를 모두 처리할 수 있는 경우가 증가하므로, 여분압축기(122)의 사용 빈도를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
여분압축기(122)를 이용하여 재액화 효율을 높일 수는 있지만, 여분압축기(122)를 구동시키는 시간이 길수록, 압축기(120)가 고장난 경우를 대비한다는 리던던시(Redundancy)의 개념은 약해지게 된다. 본 실시예의 선박은, 추진압축기(124)를 포함하여 여분압축기(122)의 사용 빈도를 줄일 수 있으므로, 리던던시의 개념을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 추진압축기(124)는, 일반적으로 압축기(120) 또는 여분압축기(122)의 대략 1/2 용량을 가지는 것으로 충분하므로, 여분압축기(122)를 구동시키지 않고 추진압축기(124)와 압축기(120)만을 구동시켜 시스템을 운용하는 경우, 추진압축기(124)를 설치하지 않고 압축기(120)와 여분압축기(122)만으로 시스템을 운용하는 경우에 비해, 운용 비용을 절약할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 본 실시예의 선박은, 제3 실시예와는 달리, 재순환라인(L5)과 제2 공급라인(L2) 사이를 연결하는 제1 추가라인(L6); 재순환라인(L5) 상에 설치되는 제9 밸브(201); 및 제1 추가라인(L6) 상에 설치되는 제10 밸브(202);를 더 포함한다.
본 실시예의 제1 내지 제11 밸브(191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 201, 202, 203)는, 시스템 운용 상황을 사람이 직접 판단하여 수동으로 조절될 수도 있고, 미리 설정된 값에 의해 개폐되도록 자동으로 조절될 수도 있다.
본 실시예의 제1 추가라인(L6)의 일측은, 냉매감압장치(160)에 의해 팽창된 후 냉매열교환기(140)를 통과한 증발가스를 제1 공급라인(L1)으로 보내는, 재순환라인(L5) 상에 연결되고, 타측은, 제3 밸브(193)와 여분압축기(122) 사이의 제2 공급라인(L2) 상에 연결된다.
본 실시예의 제9 밸브(201)는, 재순환라인(L5)이 압축기(120) 및 여분압축기(122) 상류의 제1 공급라인(L1)과 만나는 지점과, 재순환라인(L5)이 제1 추가라인(L6)과 만나는 지점 사이의, 재순환라인(L5) 상에 설치된다.
또한, 본 실시예의 선박은, 제3 실시예와는 달리, 여분압축기(122) 하류 쪽 제2 공급라인(L2)이 제1 공급라인(L1)이 아닌 재순환라인(L5)과 연결된다.
본 실시예의 선박은, 냉매 사이클을 개루프뿐만 아니라 폐루프로도 운용할 수 있도록 하여, 선박의 운항 조건에 따라 재액화 시스템을 더 유연하게 사용할 수 있으며, 이하, 밸브 조절을 통해, 냉매 사이클을 폐루프로 운용하는 방법 및 개루프로 운용하는 방법을 설명한다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클을 폐루프로 운용하기 위해서, 일단, 제1 밸브(191), 제2 밸브(192), 제3 밸브(193), 제4 밸브(194), 및 제10 밸브(202)는 열고, 제6 밸브(196) 및 제9 밸브(201)는 닫은 상태에서 시스템을 구동시킨다.
저장탱크(T)로부터 배출된 후 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스가 재순환라인(L5)으로 공급되면, 제3 밸브(193)를 닫아, 증발가스가 여분압축기(122), 여분냉각기(132), 제4 밸브(194), 냉매열교환기(140), 냉매감압장치(160), 다시 냉매열교환기(140), 및 제10 밸브(202)를 순환하는, 폐루프의 냉매 사이클을 형성시킨다.
냉매 사이클을 폐루프로 구성하는 경우에는, 질소가스를 폐루프를 순환하는 냉매로 사용할 수도 있다. 이 경우, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 저장탱크는, 질소가스를 폐루프의 냉매 사이클 내로 도입시키는 배관을 더 포함할 수 있다.
냉매 사이클이 폐루프로 운용되는 경우, 폐루프를 순환하는 증발가스만이 냉매열교환기(140)에서의 냉매로 사용되며, 압축기(120)를 통과한 증발가스는 냉매 사이클로 도입되지 못하고 연료수요처(180)로 공급되거나, 복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치게 된다. 따라서, 재액화량이나, 연료수요처(180)에서 요구하는 증발가스량에 무관하게 일정한 유량의 증발가스가 냉매열교환기(140)의 냉매로 순환된다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 폐루프로 운용되는 경우의 증발가스의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 압축기(120)에 의해 압축되고 냉각기(130)에 의해 냉각된 후 일부는 연료수요처(180)로 보내지고, 나머지 일부는 복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치게 된다.
복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치는 증발가스는, 추진압축기(124)에 의해 압축되고 추진냉각기(134)에 의해 냉각된 후, 증발가스 열교환기(110)에 의해 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된다. 증발가스 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스는, 냉매열교환기(140)에서 열교환되어 추가적으로 냉각된 후 제1 감압장치(150)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하지 않는 경우에는, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 바로 저장탱크(T)로 보내지고, 본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우에는, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 기액분리기(170)로 보내진다. 기액분리기(170)에 의해 분리된 기체는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 증발가스 열교환기(110)로 보내지고, 기액분리기(170)에 의해 분리된 액체는 저장탱크(T)로 보내진다.
한편, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스는, 여분압축기(122)에 의해 압축되고 여분냉각기(132)에 의해 냉각된 후 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 보내진다. 여분압축기(122) 및 여분냉각기(132)를 통과한 후 냉매열교환기(140)로 보내진 증발가스는, 냉매열교환기(140)에서 1차로 열교환되어 냉각된 후 냉매감압장치(160)로 보내져 2차로 팽창되어 냉각된다. 냉매감압장치(160)를 통과한 증발가스는 다시 냉매열교환기(140)로 보내져, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스; 및 여분압축기(122)에 의해 압축된 후 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스;를 냉각시키는 냉매로 사용된다. 냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용된 증발가스는, 다시 여분압축기(122)로 보내져 상술한 일련의 과정을 반복한다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 폐루프로 운용되는 도중, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나게 되면, 제1 밸브(191), 제2 밸브(192) 및 제10 밸브(202)는 닫고, 제3 밸브(193) 및 제6 밸브(196)는 열어, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 증발가스 열교환기(110)를 통과한 증발가스가, 제3 밸브(193), 여분압축기(122), 여분냉각기(132), 제4 밸브(194) 및 제6 밸브(196)를 거쳐 연료수요처(180)로 공급되도록 한다. 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스를, 냉매열교환기(140)의 냉매로 사용할 필요가 있는 경우에는, 제9 밸브(201)를 열고 시스템을 운용할 수도 있다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클을 개루프로 운용하기 위해서, 제1 밸브(191), 제2 밸브(192), 제3 밸브(193), 제4 밸브(194), 제6 밸브(196) 및 제9 밸브(201)는 열고, 제10 밸브(202)는 닫는다.
냉매 사이클을 폐루프로 운용하면, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스와, 연료수요처(180)로 보내지거나 복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치는 증발가스가 분리된다. 반면, 냉매 사이클을 개루프로 운용하면, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스가 합류되어, 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용되거나, 연료수요처(180)로 보내지거나, 복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치게 된다.
따라서, 냉매 사이클을 개루프로 운용하면, 재액화량 및 연료수요처(180)에서의 증발가스 요구량을 고려하여, 냉매열교환기(140)로 보내는 냉매의 유량을 유동적으로 조절할 수 있다. 특히, 연료수요처(180)에서의 증발가스 요구량이 적은 경우, 냉매열교환기(140)로 보내는 냉매의 유량을 증가시키면 재액화 효율 및 재액화량을 높일 수 있다.
즉, 냉매 사이클이 폐루프로 운용되는 경우에는 여분압축기(122)의 용량 이상의 증발가스를 냉매열교환기(140)로 공급할 수는 없으나, 냉매 사이클이 개루프로 운용되는 경우에는 여분압축기(122)의 용량을 초과하는 유량의 증발가스를 냉매열교환기(140)로 공급할 수 있다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 개루프로 운용되는 경우의 증발가스의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 두 흐름으로 분기하여 일부는 제1 공급라인(L1)으로 보내지고 나머지 일부는 제2 공급라인(L2)으로 보내진다.
제1 공급라인(L1)으로 보내진 증발가스는, 제1 밸브(191), 압축기(120), 냉각기(130) 및 제2 밸브(192) 통과한 후, 일부는 제6 밸브(196)를 지나 냉매열교환기(140)로 보내지고, 다른 일부는 다시 두 흐름으로 분기한다. 두 흐름으로 분기한 증발가스 중 한 흐름은 연료수요처(180)로 보내지고, 나머지는 복귀라인(L3)을 따라 추진압축기(124)로 보내진다.
제2 공급라인(L2)으로 보내진 증발가스는, 제3 밸브(193), 여분압축기(122), 여분냉각기(132) 및 제4 밸브(194)를 통과한 후, 일부는 냉매열교환기(140)로 보내지고, 다른 일부는 제1 공급라인(L1)으로 보내진 후 두 흐름으로 분기한다. 두 흐름으로 분기한 증발가스 중 한 흐름은 연료수요처(180)로 보내지고, 나머지 흐름은 복귀라인(L3)을 따라 추진압축기(124)로 보내진다.
설명의 편의를 위해, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스를 분리하여 설명하였으나, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스 및 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스는, 각각 분리되어 흐르는 것이 아니라, 합류되어 냉매열교환기(140), 연료수요처(180) 또는 추진압축기(124)로 공급되는 것이다. 즉, 냉매열교환기(140)로 증발가스를 보내는 재순환라인(L5), 연료수요처(180)로 증발가스를 보내는 제1 공급라인(L1), 추진압축기(124)로 증발가스를 보내는 복귀라인(L3)에는, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스가 혼합되어 흐른다.
재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 보내진 증발가스는, 냉매열교환기(140)에서 1차로 열교환되어 냉각되고, 냉매감압장치(160)에 의해 2차로 팽창되어 냉각된 후 다시 냉매열교환기(140)로 공급된다. 냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스는, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스와, 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스와 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름을, 둘 다 냉각시키는 냉매로 사용된다.
즉, 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용되는 증발가스는, 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된 후, 냉매열교환기(140)에서 1차로 냉각되고 냉매감압장치(160)에 의해 2차로 냉각된 증발가스이다. 또한, 압축기(120) 또는 여분압축기(122)로부터 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 보내진 증발가스는, 냉매감압장치(160)를 통과한 증발가스를 냉매로 1차로 냉각된다.
냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용된 증발가스는, 제9 밸브(201)를 지나 제1 공급라인(L1)으로 보내져, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 증발가스 열교환기(110)를 지난 증발가스와 합류되어, 상술한 일련의 과정을 반복한다.
복귀라인(L3)을 따라 추진압축기(124)로 보내진 증발가스는, 추진압축기(124)에 의해 압축되고, 추진냉각기(134)에 의해 냉각된 후, 증발가스 열교환기(110)로 보내진다. 증발가스 열교환기(110)로 보내진 증발가스는, 증발가스 열교환기(110)에서 1차로 냉각되고, 냉매열교환기(140)에서 2차로 냉각된 후 제1 감압장치(150)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하지 않는 경우에는, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 바로 저장탱크(T)로 보내지고, 본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우에는, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 기액분리기(170)로 보내진다. 기액분리기(170)에 의해 분리된 기체는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 증발가스 열교환기(110)로 보내지고, 기액분리기(170)에 의해 분리된 액체는 저장탱크(T)로 보내진다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 개루프로 운용되는 도중, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나게 되면, 제1 밸브(191), 제2 밸브(192) 및 제9 밸브(201)를 닫아, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 증발가스 열교환기(110)를 통과한 증발가스가, 제3 밸브(193), 여분압축기(122), 여분냉각기(132), 제4 밸브(194) 및 제6 밸브(196)를 거쳐 연료수요처(180)로 공급되도록 한다. 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스를, 냉매열교환기(140)의 냉매로 사용할 필요가 있는 경우에는, 제9 밸브(201)를 열고 시스템을 운용할 수도 있다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 개루프로 운용되고, 저장탱크(T)에 저장된 액화가스가 액화천연가스이며, 연료수요처(180)가 X-DF 엔진이고, 기액분리기(170)를 포함하는 경우, 각 지점에서의 유체의 온도 및 압력을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 기액분리기(170)에 의해 분리된 증발가스가 합류되어 증발가스 열교환기(110)로 공급되는 A지점에서의 증발가스는, 대략 -123℃, 1.060bara일 수 있고, 대략 -123℃, 1.060bara인 증발가스가, 대략 43℃, 301.1bara의 증발가스와 증발가스 열교환기(110)에서 열교환되고 난 후인 B지점에서의 증발가스는, 대략 40℃, 0.96bara일 수 있다.
또한, 대략 40℃, 0.96bara인 증발가스가, 냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매열교환기(140)를 통과한 대략 37℃, 0.96bara인 증발가스와 합류되고 난 후인 C지점에서의 증발가스는, 대략 38℃, 0.96bara일 수 있다.
대략 38℃, 0.96bara인 증발가스는 둘로 분기되어, 한 흐름은 압축기(120)에 의해 압축된 후 냉각기(130)에 의해 냉각되고, 다른 흐름은 여분압축기(122)에 의해 압축된 후 여분냉각기(132)에 의해 냉각되는데, 압축기(120) 및 냉각기(130)를 통과한 흐름; 및 여분압축기(122) 및 여분냉각기(132)를 통과한 흐름;이 합류된 흐름인, D지점에서의 증발가스와 I지점에서의 증발가스는, 대략 43℃, 17bara일 수 있다.
대략 43℃, 17bara인 증발가스가, 추진압축기(124)에 의해 압축되고 추진냉각기(134)에 의해 냉각된 후인 E지점에서의 증발가스는, 대략 43℃, 301.1bara일 수 있고, 대략 43℃, 301.1bara인 증발가스가, 대략 -123℃, 1.060bara인 증발가스와 증발가스 열교환기(110)에서 열교환되고 난 후인 F지점에서의 증발가스는, 대략 -82℃, 301bara일 수 있다.
또한, 대략 -82℃, 301bara인 증발가스가 냉매열교환기(140)에서 냉각되고 난 후인 G지점에서의 증발가스는, 대략 -153℃, 300.5bara일 수 있으며, 대략 -153℃, 300.5bara의 증발가스가 제1 감압장치(150)에 의해 팽창되고 난 후인 H지점에서의 증발가스는, -155.6℃, 2.1bara일 수 있다.
한편, 대략 43℃, 17bara인 증발가스가 냉매열교환기(140)에 의해 1차로 냉각된 후인 J지점에서의 증발가스는, 대략 -82℃, 16.5bara일 수 있고, 대략 -82℃, 16.5bara의 증발가스가 냉매감압장치(160)에 의해 2차로 냉각된 후인 K지점에서의 증발가스는, 대략 -155℃, 1.56bara일 수 있으며, 대략 -155℃, 1.56bara의 증발가스가 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용되고 난 후인 L지점에서의 증발가스는, 대략 37℃, 0.96bara일 수 있다.
본 실시예의 선박은, 냉매 사이클을 개루프로 운용하면서도, 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스는 냉매열교환기(140)의 냉매로만 사용하고, 압축기(120)에 의해 압축된 증발가스는, 연료수요처(180)로 보내거나 복귀라인(L3)을 따라 재액화 과정을 거치게 하고, 냉매열교환기(140)의 냉매로는 사용하지 않도록, 여분압축기(122)와 압축기(120)를 독립적으로 운용할 수도 있다. 이하, 여분압축기(122)와 압축기(120)를 독립적으로 운용하는 개루프의 냉매 사이클을 '독립 개루프'라고 한다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클을 독립 개루프로 운용하기 위해서, 제1 밸브(191), 제2 밸브(192), 제3 밸브(193), 제4 밸브(194) 및 제9 밸브(201)는 열고, 제6 밸브(196) 및 제10 밸브(202)는 닫는다. 냉매 사이클을 독립 개루프로 운용하면, 개루프로 운용할 때에 비하여 시스템의 운전이 용이해 진다는 장점이 있다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 독립 개루프로 운용되는 경우의 증발가스의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 두 흐름으로 분기하여 일부는 제1 공급라인(L1)으로 보내지고 나머지 일부는 제2 공급라인(L2)으로 보내진다. 제1 공급라인(L1)으로 보내진 증발가스는, 제1 밸브(191), 압축기(120), 냉각기(130) 및 제2 밸브(192)를 통과한 후 일부는 연료수요처(180)로 보내지고, 다른 일부는 복귀라인(L3)을 따라 추진압축기(124)로 보내진다. 제2 공급라인(L2)으로 보내진 증발가스는, 제3 밸브(193), 여분압축기(122), 여분냉각기(132) 및 제4 밸브(194)를 통과한 후 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 보내진다.
여분압축기(122)에 의해 압축된 후 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 보내진 증발가스는, 냉매열교환기(140)에서 1차로 열교환되어 냉각되고, 냉매감압장치(160)에 의해 2차로 팽창되어 냉각된 후 다시 냉매열교환기(140)로 공급되어, 증발가스 열교환기(110)를 통과한 후 복귀라인(L3)을 통해 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스; 및 여분압축기(122)에 의해 압축된 후 재순환라인(L5)을 따라 냉매열교환기(140)로 공급된 증발가스;를 냉각시키는 냉매로 사용된다.
냉매감압장치(160)를 통과한 후 냉매열교환기(140)에서 냉매로 사용된 증발가스는, 제9 밸브(201)를 지나 제1 공급라인(L1)으로 보내져, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 증발가스 열교환기(110)를 지난 증발가스와 합류되어, 상술한 일련을 과정을 반복한다.
압축기(120)에 의해 압축된 후 복귀라인(L3)을 따라 추진압축기(124)로 보내진 증발가스는, 추진압축기(124)에 의해 압축되고, 추진냉각기(134)에 의해 냉각된 후, 증발가스 열교환기(110)로 보내진다. 증발가스 열교환기(110)로 보내진 증발가스는, 증발가스 열교환기(110)에서 1차로 냉각되고, 냉매열교환기(140)에서 2차로 냉각된 후 제1 감압장치(150)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하지 않는 경우에는, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 바로 저장탱크(T)로 보내지고, 본 실시예의 선박이 기액분리기(170)를 포함하는 경우에는, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 기액분리기(170)로 보내진다. 기액분리기(170)에 의해 분리된 기체는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 증발가스 열교환기(110)로 보내지고, 기액분리기(170)에 의해 분리된 액체는 저장탱크(T)로 보내진다.
본 실시예의 선박의 냉매 사이클이 독립 개루프로 운용되는 도중, 압축기(120) 또는 냉각기(130)가 고장나게 되면, 제1 밸브(191), 제2 밸브(192) 및 제9 밸브(201)를 닫고, 제6 밸브(196)를 열어, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 증발가스 열교환기(110)를 통과한 증발가스가, 제3 밸브(193), 여분압축기(122), 여분냉각기(132), 제4 밸브(194) 및 제6 밸브(196)를 거쳐 연료수요처(180)로 공급되도록 한다. 여분압축기(122)에 의해 압축된 증발가스를, 냉매열교환기(140)의 냉매로 사용할 필요가 있는 경우에는, 제9 밸브(201)를 열고 시스템을 운용할 수도 있다.
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.
100a, 100b, 120 : 압축기 200a, 200b, 110 : 증발가스 열교환기
300a, 300b : 냉매순환부 310a, 310b : 냉매압축기
320a, 320b, 130 : 냉각기 330a, 330b, 160 : 냉매감압장치
400a, 400b, 191 ~ 198, 201 ~ 203 : 밸브
500a, 500b, 140 : 냉매열교환기 600a, 600b, 150 : 제1 감압장치
700a, 700b, 170 : 기액분리기 800a, 800b : 제2 감압장치
122 : 여분압축기 124 : 추진압축기
132 : 여분냉각기 134 : 추진냉각기
180 : 연료수요처

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  11. 액화가스를 저장하는 저장탱크를 포함하는 선박의 증발가스 처리 시스템에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 일부를 압축기에 의해 압축시킨 후 연료수요처로 보내는 제1 공급라인;
    상기 제1 공급라인으로부터 분기되어, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 다른 일부를 여분압축기에 의해 압축시키는 제2 공급라인;
    상기 제1 공급라인으로부터 분기되어, 압축된 증발가스를 추진압축기, 증발가스 열교환기, 냉매열교환기, 및 제1 감압장치를 통과시켜 재액화시키는 복귀라인;
    상기 냉매열교환기 및 냉매감압장치를 통과하며 냉각된 증발가스를 다시 상기 냉매열교환기로 보내 냉매로 사용하도록 한 후, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류시키는 재순환라인;
    상기 제1 공급라인 상의 상기 압축기 상류에 설치되는 제1 밸브;
    상기 제1 공급라인 상의 상기 압축기 하류에 설치되는 제2 밸브;
    상기 제2 공급라인 상의 상기 여분압축기 상류에 설치되는 제3 밸브;
    상기 제2 공급라인 상의 상기 여분압축기 하류에 설치되는 제4 밸브;
    상기 제1 공급라인으로부터 분기된 증발가스를 상기 냉매열교환기로 보내는 상기 재순환라인의, 상기 제1 공급라인과 상기 제2 공급라인 사이에 설치되는 제6 밸브;
    상기 냉매열교환기로부터 상기 제1 공급라인으로 증발가스를 보내는 상기 재순환라인 상에 설치되는 제9 밸브;
    상기 제9 밸브와 상기 냉매열교환기 사이의 상기 재순환라인과, 상기 제3 밸브와 상기 여분압축기 사이의 상기 제2 공급라인을 연결하는 제1 추가라인; 및
    상기 제1 추가라인 상에 설치되는 제10 밸브;를 포함하고,
    상기 증발가스 열교환기는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 복귀라인을 따라 공급되는 증발가스를 열교환시켜 냉각시키고,
    상기 냉매열교환기는, 상기 냉매감압장치를 통과한 증발가스를 냉매로 하여, 상기 재순환라인을 따라 공급되는 증발가스; 및 상기 복귀라인을 따라 공급되는 증발가스;를 둘 다 열교환시켜 냉각시키는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
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  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 상기 제3 밸브, 상기 제4 밸브, 및 상기 제10 밸브는 열고, 상기 제6 밸브 및 상기 제9 밸브는 닫은 상태에서 시스템을 구동시키고,
    증발가스가 상기 여분압축기로 공급되면 상기 제3 밸브를 닫아, 증발가스가 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브, 상기 냉매열교환기, 상기 냉매감압장치, 다시 상기 냉매열교환기, 및 상기 제10 밸브를 순환하는, 폐루프의 냉매 사이클을 형성시키는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 압축기가 고장난 경우, 상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브 및 상기 제10 밸브는 닫고, 상기 제3 밸브 및 상기 제6 밸브는 열어, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스가, 상기 제3 밸브, 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브, 및 상기 제6 밸브를 거쳐 연료수요처로 공급되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 상기 제3 밸브, 상기 제4 밸브, 상기 제6 밸브 및 상기 제9 밸브는 열고, 상기 제10 밸브는 닫아,
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류되어 운용되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 압축기가 고장난 경우, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 닫아, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스가, 상기 제3 밸브, 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브 및 상기 제6 밸브를 거쳐 연료수요처로 공급되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 밸브, 상기 제2 밸브, 상기 제3 밸브, 상기 제4 밸브 및 상기 제9 밸브는 열고, 상기 제6 밸브 및 상기 제10 밸브는 닫아, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 여분압축기에 의해 압축된 증발가스가 분리되어 운용되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 압축기가 고장난 경우, 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 닫고, 상기 제6 밸브를 열어, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 증발가스 열교환기를 통과한 증발가스가, 상기 제3 밸브, 상기 여분압축기, 상기 제4 밸브 및 상기 제6 밸브를 거쳐 연료수요처로 공급되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
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