KR101643038B1

KR101643038B1 - 액화가스 처리 시스템

Info

Publication number: KR101643038B1
Application number: KR1020130147826A
Authority: KR
Inventors: 백은성
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-07-26
Also published as: KR20150062808A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 수요처까지 연결되는 공급라인 상에 마련되며, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 연료를 가압하는 가압부; 및 상기 가압부의 구동축에 연결되는 출력축을 포함하며, 액화가스를 소비하여 상기 가압부에 회전력을 전달하는 보조수요처를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액화가스 처리 시스템은, 액화가스의 연소로 인하여 생성된 회전력을 이용하여 가압부의 구동축으로 직접전달하므로 전류/전압변환장치와 같은 부가 전기 제어장치를 사용할 필요가 없어 시스템이 간소화되고 시스템의 효율이 향상될 수 있으며, 오일을 별도로 구비할 필요가 없다.

Description

액화가스 처리 시스템{A Treatment System of Liquefied Gas}

본 발명은 액화가스 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.

이러한 액화가스는 다양한 수요처로 공급되어 사용되는데, 최근에는 액화천연가스를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급 방식이 개발되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.

그러나 엔진 등과 같은 수요처가 요구하는 액화가스의 온도 및 압력 등은, 액화가스 저장탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다. 따라서 최근에는 액체 상태로 저장되는 액화가스의 온도 및 압력 등을 제어하여 수요처에 공급하는 기술에 대하여, 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발전기 및 부가 전기 제어장치를 이용할 필요없이 펌프나 압축기가 구동될 수 있는 액화가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 수요처까지 연결되는 공급라인 상에 마련되며, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 연료를 가압하는 가압부; 및 상기 가압부의 구동축에 연결되는 출력축을 포함하며, 액화가스를 소비하여 상기 가압부에 회전력을 전달하는 보조수요처를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 공급라인을 경유하는 연료는 상기 보조수요처와 상기 수요처로 분배되는 특징으로 한다.

또한, 상기 가압부는, 증발가스 압축기인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 증발가스 압축기는 왕복동식인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보조수요처는, 가스터빈, 가스엔진 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 액화가스 처리 시스템은, 증발가스의 연소로 인하여 생성된 회전력을 이용하여 가압부의 구동축으로 직접 전달하므로 전류/전압변환장치와 같은 부가 전기 제어장치를 사용할 필요가 없어 시스템이 간소화되고 시스템의 효율이 향상될 수 있으며, 오일을 별도로 구비할 필요가 없다.

도 1은 종래의 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 액화가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 증발가스 압축기(31), 펌프(41, 42) 및 열교환기(70)를 포함한다. 이때 수요처(20)는 고압 수요처(21)인 기체연료 엔진과 저압 수요처(22)인 이중연료 엔진을 포함할 수 있고, 펌프(41,42)는 부스팅 펌프(Boosting Pump; 41)와 고압 펌프(High Pressure Pump; 42)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 액화가스 저장탱크(10)에서 증발가스 압축기(31), 고압 수요처(21)까지 공급라인(11)이 연결될 수 있고, 액화가스 저장탱크(10)에서 펌프(41,42), 열교환기(70), 고압 수요처(21)까지 공급 라인(13)으로 연결될 수 있다.

이하 본 명세서에서, 액화가스와 증발가스 및 연료는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

종래의 액화가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 증발가스 압축기(31)를 통해 가압시킨 후 저압 수요처(22)에 공급하거나, 가압된 증발가스를 보조히터(32)에서 가열하여 고압 수요처(21)에 공급하는 방식을 사용하였다.

그러나 이 경우 수요처(20)에서 요구하는 압력으로 연료(증발가스)를 가압하기 위하여 마련되는 압축기나 펌프는 모터(부호도시하지 않음)를 이용하여 동력 및 운전을 하게 된다. 이때, 모터는 오일을 연소하여 회전력을 생성하는 발전기로부터 전기로 변환된 회전력을 받아 압축기나 펌프를 구동하게 된다. 이에 따라, 모터로 전달되는 전기를 변환하기 위해 전압과 전류를 변환하여야 하는 구성이 요구되는 것과 같이 시스템 효율이 저하될 우려가 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 가압부(31), 보조수요처(33), 펌프(41, 42) 및 열교환기(70)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 저장탱크(10), 액화가스 수요처(20) 등은 종래의 액화가스 처리 시스템(1)에서의 각 구성과 편의상 동일한 도면부호를 사용하나, 반드시 동일한 구성을 지칭하는 것은 아니다.

액화가스 저장탱크(10)는, 수요처(20)에 공급될 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), 단열부를 포함한다. 외조 탱크는 액화가스 저장탱크(10)의 외벽을 이루는 구조로서, 스틸로 형성될 수 있다. 그리고 내조 탱크는 외조 탱크의 내부에 구비되고, 외조탱크와 내조 탱크 사이에 단열부가 마련됨으로써 외부 열에너지가 내조 탱크로 전달되는 것을 차단할 수 있다.

수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 증발가스를 통해 구동되어 동력을 발생시킨다. 이때 수요처(20)는 고압 수요처(21)와 저압 수요처(22)를 포함하며, 고압 수요처(21)는 고압엔진으로서 MEGI일 수 있고, 저압 수요처(22)는 저압엔진으로서 이중연료 엔진일 수 있다.

수요처(20)는 액화가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 하여 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다. 따라서 수요처(20) 구동 시 샤프트에 연결된 프로펠러(도시하지 않음)가 회전함에 따라, 선체가 전진 또는 후진할 수 있다. 물론 본 실시예에서 수요처(20)는 프로펠러를 구동하기 위한 엔진일 수 있으나, 발전을 위한 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다. 즉 본 실시예는 수요처(20)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만 수요처(20)는 증발가스와 플래시 가스의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.

수요처(20)는, 가압부(31)에 의하여 가압된 증발가스를 공급받아 구동력을 얻을 수 있다. 수요처(20)에 공급되는 증발가스의 상태는, 수요처(20)가 요구하는 상태에 따라 달라질 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)와 고압 수요처(21) 사이에는 증발가스를 전달하는 증발가스라인(11)이 설치될 수 있고, 증발가스라인(11)에는 가압부(31), 보조히터(32)가 구비되어 증발가스가 수요처(20)에 공급되도록 할 수 있다. 그리고 증발가스라인(11)에서 분기되는 저압 증발가스라인(12)이 마련되어, 3단으로 가압된 증발가스를 저압 수요처(22)로 공급할 수 있다. 이때 증발가스라인(11)에는 연료 공급 밸브(부호 도시하지 않음)가 설치되어, 연료 공급 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스의 공급량이 조절될 수 있다.

여기서, 증발가스라인(11), 저압 증발가스라인(12), 후술되는 액화가스라인(13) 및 분기라인(14)은 공급라인이다.

가압부(31)는 예를 들어 증발가스 압축기로서 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압한다. 가압부(31)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되어 배출되는 증발가스를 가압하여 수요처(20)에 공급할 수 있다.

가압부(31)는, 복수로 구비되어 증발가스를 다단 가압시킬 수 있다. 일례로 가압부(31)는 5개가 구비되어 증발가스가 5단 가압되도록 할 수 있다. 5단 가압된 증발가스는 200bar 내지 400bar로 가압되어, 증발가스 공급 라인(11)을 통해 고압 수요처(21)에 공급될 수 있다.

여기서, 증발가스라인(11)에는 복수의 가압부(31) 사이에 연결되어 저압 수요처(22)까지 연장되는 저압 증발가스라인(12)이 마련된다. 예를 들어, 5개의 가압부(31)가 구비될 때, 증발가스의 흐름을 기준으로 3번째 가압부(31)의 하류에 저압 증발가스라인(12)이 연결될 수 있다. 따라서, 3번째 가압부(31)에서 가압된 증발가스는 저압 수요처(22) 또는 4번째 가압부(31)를 경유하여 고압 수요처(21)로 공급될 수 있다.

이때, 저압 증발가스라인(12)이 연결되는 지점의 증발가스라인(11) 상에는 밸브(부호 도시하지 않음)가 구비될 수 있고, 밸브는 저압 수요처(22)로 공급되는 증발가스의 유량, 4번째 가압부(31)로 공급되는 증발가스의 유량을 제어할 수 있으며, 삼방밸브일 수 있다.

복수의 가압부(31) 사이에는 증발가스 냉각기(부호 도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 가압부(31)에 의하여 증발가스가 가압되면, 압력 상승에 따라 온도 역시 상승될 수 있기 때문에, 본 실시예는 증발가스 냉각기를 사용하여 증발가스의 온도를 다시 낮춰줄 수 있다. 증발가스 냉각기는 가압부(31)와 동일한 수로 설치될 수 있으며, 각 증발가스 냉각기는 각 가압부(31)의 하류에 마련될 수 있다.

이때, 가압부(31)로부터 5단으로 가압된 증발가스는 고압 수요처(21)에서 요구하는 온도로 가열되도록 보조히터(32)로 공급되어 가열된 후 고압 수요처(21) 공급될 수 있다.

보조수요처(33)는 가압부(31)의 구동축(부호도시하지 않음)에 연결되는 출력축(33A)을 포함하여 가압부(31)에 회전력을 전달한다. 여기서, 가압부(31)인 증발가스 압축기의 구동축과 보조수요처(33)의 출력축(33A)은 플랜지(부호 미도시)로 연결될 수 있다.

보조수요처(33)는 액화가스 또는 증발가스를 이용하여 구동되는 장비로서, 예를 들어 가스터빈이나 가스엔진일 수 있다. 이와 같이, 본 실시예는 가압부(31)를 구동하기 위한 장비로서 보조수요처(33)를 이용함으로써 가압부(31)를 구동하기 위한 오일의 사용을 감소시킬 수 있다. 다만, 가압부(31)의 초기 구동시 모터(31A)를 사용할 수 있으나 액화가스 처리 시스템(2)이 구동 중인 경우에는 모터(31A)를 이용할 필요가 없이 본 실시예의 보조수요처(33)에 의해 가압부(31)가 구동될 수 있다.

여기서, 보조수요처(33)로 공급되는 연료인 증발가스가 경유하도록 가압부(31)인 복수의 증발가스 압축기의 각 하류에는 분기라인(14)이 마련될 수 있다. 그리고 분기라인(14)이 마련되는 증발가스라인(11) 상에는 삼방밸브(도시하지 않음)가 마련되어, 보조수요처(33)로 공급되는 연료의 양을 조절할 수 있다. 게다가, 복수의 증발가스 압축기 각각의 하류에 분기라인(14)이 마련되어, 요구되는 가압 정도에 대응하여 증발가스를 보조수요처(33)로 공급할 수 있다.

펌프(41,42)는 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(20)까지 연결되는 공급라인 중 액화가스라인(13) 상에 마련될 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 연료를 가압한다. 펌프(41,42)는 부스팅 펌프(41)나 고압 펌프(42)일 수 있다.

고압 펌프(42)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출된 액화가스를 고압으로 가압하여, 고압 수요처(21)에 공급되도록 한다. 액화가스는 액화가스 저장탱크(10)로부터 약 10bar 정도의 압력으로 배출된 후 부스팅 펌프(41)에 의해 1차로 가압되는데, 고압 펌프(42)는 부스팅 펌프(41)에 의해 가압된 액체상태의 액화가스를 2차로 가압하여, 열교환기(70)에 공급한다. 여기서, 부스팅 펌프(41)는 액화가스라인(13) 상에서 액화가스 저장탱크(10)와 고압 펌프(42) 사이에 마련되어 충분한 양의 액화가스가 고압 펌프(42)로 공급되도록 하여 고압 펌프(42)의 공동현상(cavitation)을 방지한다.

이때 고압 펌프(42)는 액화가스를 고압 수요처(21)에서 요구하는 압력, 예를 들어 200bar 내지 400bar까지 가압하여 고압 수요처(21)에 공급함으로써, 고압 수요처(21)가 액화가스를 통해 동력을 생산하도록 할 수 있다.

열교환기(70)는 액화가스라인(13) 상에 마련되되, 고압 펌프(42)의 하류에 마련되어 고압 펌프(42)에서 가압된 연료를 열교환시킬 수 있다.

열교환기(70)는 과냉액체 상태 또는 초임계 상태의 액화가스를 고압 펌프(42)에서 배출되는 압력인 200bar 내지 400bar를 유지하면서 가열시켜, 30도 내지 60도의 초임계 상태의 액화가스로 변환한 후 고압 수요처(21)에 공급할 수 있다. 열교환기(70)는 히터로 이루어질 수 있고, 전기 에너지를 사용하거나 또는 스팀이나 글리콜 워터를 이용하여 액화가스를 가열할 수 있다.

본 실시예에서는 가압부(31)가 증발가스 압축기인 것으로 설명하였으나, 이와 달리 가압부는 펌프(41,42)일 수 있다. 다만 가압부는 왕복동식 압축기 또는 펌프이고, 가압부(31)로 공급되는 연료는 증발가스일 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 연료의 연소로 인하여 생성된 회전력을 이용하여 가압부의 구동축으로 직접전달하므로 전류/전압변환장치와 같은 부가 전기 제어장치를 사용할 필요가 없어 시스템이 간소화되고 시스템의 효율이 향상될 수 있으며, 오일을 별도로 구비할 필요가 없다.

1,2: 액화가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
11: 증발가스라인 12: 저압 증발가스라인
13: 액화가스라인 14: 분기라인
20: 수요처 31: 가압부
32: 보조히터 33: 보조수요처
41: 부스팅 펌프 42: 고압 펌프
70: 열교환기

Claims

액화가스 저장탱크;
상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 공급하는 압축부;
상기 압축부를 통과한 증발가스가 공급되는 고압엔진;
상기 압축부를 통과한 증발가스가 분기되어 공급되며 발전을 위해 마련되는 저압엔진;
상기 압축부를 구동하는 모터; 및
상기 압축부를 통과하여 상기 고압엔진으로 공급되는 증발가스 중 일부를 연료로 사용하는 보조수요처를 포함하고,
상기 압축부는, 초기 구동 시 상기 모터에 의해 구동되고, 초기 구동 이후 보조수요처에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 액화가스 저장탱크로부터 연료를 공급하는 공급라인을 더 포함하며,
상기 공급라인은,
상기 고압엔진으로 증발가스를 공급하는 증발가스라인;
상기 증발가스라인에서 분기되어 상기 저압엔진으로 연료를 공급하는 저압 증발가스라인;
상기 고압엔진으로 액화가스를 공급하는 액화가스라인; 및
상기 증발가스라인에서 분기되어 상기 보조수요처로 증발가스를 공급하는 분기라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 보조수요처의 회전력은 축 연결로 전달되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 압축부는,
증발가스 압축기인 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제4항에 있어서,
상기 증발가스 압축기는 왕복동식인 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 보조수요처는,
가스터빈, 가스엔진 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제3항에 있어서, 상기 보조수요처의 상기 축연결은,
상기 보조수요처에 출력축이 마련되어 축연결되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제7항에 있어서, 상기 보조수요처의 상기 축연결은,
상기 압축부에 구동축이 마련되어 축연결되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
제8항에 있어서, 상기 보조수요처의 상기 축연결은,
상기 압축부와 상기 보조수요처 간에 플랜지로 결합되어 축연결되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
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