KR101686509B1 - 액체화물 운반선의 재액화 시스템 - Google Patents

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Abstract

액체화물 운반선의 재액화 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 액체화물 운반선의 재액화 시스템은, 액체화물을 운반하는 선박의 재액화 시스템에 있어서, 상기 액체화물이 저장된 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 압축하여 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크에 저장하는 재액화부; 압축된 상기 증발가스를 냉각하도록 상기 재액화부와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부; 및 상기 냉매순환부의 상류에 마련되어 압축된 상기 증발가스를 냉각하는 이코노마이저를 포함하되, 상기 이코노마이저에서는 상기 선박의 엔진으로 공급될 연료(fuel)로서 상기 저장탱크에 저장된 액체화물이 상기 증발가스와 열교환되는 것을 특징으로 한다.

Description

액체화물 운반선의 재액화 시스템{Reliquefaction System For Liquefied Cargo Carrier}
본 발명은 액체화물 운반선의 재액화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉매순환부의 상류에서 증발가스를 냉각하는 이코노마이저를 마련하여, 선박의 엔진으로 공급될 연료(fuel)로서 저장탱크에 저장된 액체화물을 압축된 증발가스와 열교환시켜 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 재액화 시스템에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들게 되므로 해상을 통한 원거리 운반에 적합하고, 최근 가격 안정세가 이어져 연료로서의 가치가 높다. 또한 LNG는 액화 공정에 앞서, 유정 또는 가스정 등에서 시추된 천연가스에 포함된 산성가스나 황 산화물 등을 제거하는 공정을 포함하는 전처리 공정을 거쳐 생산되므로 연료로서 연소시 대기오염 물질의 배출이 다른 화석연료에 비해 낮다.
IMO와 각국의 배기가스 배출기준이 강화되고, 친환경 에너지에 대한 관심이 높아지면서, LNG의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있으며, 추진용 연료로서 LNG를 사용하는 선박의 운항도 늘어나고 있다.
한편, 천연가스를 -163℃에서 액화시킨 LNG 외에도 다양한 가스들이 수송효율을 위해 액화되어 운송된다. 대표적인 예로 DME, 이산화탄소, LPG, 에탄 등을 들 수 있다. 그러나 이러한 액체화물은 온도변화에 민감하여 온도가 높아지면 쉽게 증발된다. 극저온인 LNG를 저장하는 LNG 저장탱크의 경우에 단열처리를 하더라도, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되어, LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생하며, 다른 액체화물의 경우도 마찬가지로 증발가스가 발생한다.
이러한 BOG는 일종의 손실로서 액체화물의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, 탱크 내부에 증발가스가 축적되면 내부 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, 액체화물에서 발생하는 BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다. 그리고 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(Gas Combustion Unit, GCU)에서 연소시키거나 선외로 배출하는(venting) 방법도 사용하고 있다.
가스연소유닛을 통한 연소나 선외 배출은 BOG를 달리 활용할 데가 없는 경우 저장탱크의 압력 조절을 위하여 불가피하게 잉여의 BOG를 처리하기 위한 것으로서, BOG가 가지고 있는 화학 에너지를 낭비하게 된다는 문제가 있다.
도 1에는 액체화물에서 발생하는 증발가스를 재액화시키기 위한 재액화 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탱크에서 발생한 증발가스는 압축기(10)에서 압축되고, 응축기(20)에서 냉매와 열교환을 통해 재액화되어 저장된다. 증발가스의 재액화를 위한 냉매는, 응축기에서 증발가스와 열교환 후 압축되고, 냉각 및 응축되어 다시 응축기로 순환되는 냉매 사이클(30)을 이룬다.
이러한 증발가스의 재액화 시스템은, 증발가스와 냉매의 압축을 위해 많은 전기 에너지가 소모되는 문제가 있다.
본 발명은 액체화물로부터 발생하는 증발가스를, 보다 효과적으로 재액화할 수 있고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있는 재액화 시스템을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액체화물을 운반하는 선박의 재액화 시스템에 있어서, 상기 액체화물이 저장된 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 압축하여 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크에 저장하는 재액화부; 압축된 상기 증발가스를 냉각하도록 상기 재액화부와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부; 및 상기 냉매순환부의 상류에 마련되어 압축된 상기 증발가스를 냉각하는 이코노마이저를 포함하되, 상기 이코노마이저에서는 상기 선박의 엔진으로 공급될 연료(fuel)로서 상기 저장탱크에 저장된 액체화물이 상기 증발가스와 열교환되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 재액화 시스템이 제공된다.
상기 이코노마이저의 상류에 마련되어 상기 이코노마이저로 공급될 연료를 압축하는 펌프를 더 포함하고, 상기 펌프에서 압축된 연료는 상기 이코노마이저에서 상기 증발가스와 열교환으로 가열되어 상기 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 재액화부는, 상기 저장탱크에서 발생하는 상기 증발가스를 압축하는 컴프레서; 및 상기 컴프레서에서 압축된 상기 증발가스가 상기 냉매순환부를 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각되어 응축되는 컨덴서를 포함하되, 상기 컴프레서와 상기 컨덴서의 사이에 상기 이코노마이저가 마련될 수 있다.
상기 재액화부는, 상기 컴프레서와 상기 이코노마이저의 사이에 마련되어 상기 컴프레서에서 압축된 상기 증발가스를 냉각하는 전냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 냉매순환부는, 상기 컨덴서에서 열교환된 상기 냉매가 압축되는 냉매압축기; 상기 냉매압축기에서 압축된 냉매를 냉각하여 응축시키는 냉매응축기; 및 상기 냉매응축기에서 응축된 상기 냉매를 냉각하여 상기 컨덴서로 순환시키는 냉매냉각기를 포함할 수 있다.
상기 냉매순환부는, 상기 냉매응축기와 냉매냉각기 사이에 마련되어 상기 냉매응축기에서 응축된 상기 냉매 중 일부를 공급받아 감압하여 냉각하는 감압밸브를 더 포함하되, 상기 감압밸브에서 감압으로 냉각된 상기 냉매는 상기 냉매냉각기로 도입되어, 상기 감압밸브를 거치지 않고 상기 냉매응축기로부터 상기 냉매냉각기로 도입된 상기 냉매를 열교환으로 냉각할 수 있다.
상기 액체화물은 -110℃ 이상의 끓는점을 가지는 액체화물일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액체화물을 운반하는 선박의 재액화 방법에 있어서, 상기 액체화물이 저장된 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 압축하여, 냉매와 열교환으로 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크에 저장하되, 상기 냉매와의 열교환에 앞서 압축된 상기 증발가스를, 상기 선박의 엔진으로 공급될 연료(fuel)로서 상기 저장탱크에 저장된 액체화물과 열교환시켜 냉각하는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 재액화 방법이 제공된다.
본 발명의 액체화물 운반선의 재액화 시스템 및 방법에서는, 냉매순환부의 상류에 증발가스를 냉각하는 이코노마이저를 마련하여, 선박의 엔진으로 공급될 연료로서 저장탱크에 저장된 액체화물을 압축된 증발가스와 열교환시켜 증발가스를 냉각시킬 수 있다.
이와 같이 냉매순환부의 상류에서 이코노마이저를 통해 증발가스를 냉각함으로써, 증발가스의 액화를 위해 필요한 냉매 사이클 구동을 줄일 수 있어, 냉매순환부에서 냉매압축기 등의 전기 소모를 줄일 수 있어 선내 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
특히 엔진에 연료로 공급될 액체화물의 냉열을 이용하여 증발가스를 냉각하여 액체화물의 냉열을 효과적으로 활용할 수 있는 동시에, 증발가스를 통해 엔진의 연료로 공급되기 위한 액체화물을 가열할 수 있어, 증발가스 재액화 시스템과 연료 공급 시스템을 유기적으로 연계시켜, 선내 에너지를 효과적으로 활용할 수 있도록 하고, 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 액체화물에서 발생하는 증발가스를 재액화시키기 위한 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체화물 운반선의 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체화물 운반선의 재액화 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 액체화물 운반선의 재액화 시스템은 액체화물 저장탱크를 구비한 액체화물 운반선에 적용될 수 있다. 상기 액체화물을 운반하는 선박의 재액화 시스템에 있어서, 액체화물이 저장된 저장탱크(미도시)에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 압축하여 냉각하고 재액화하여 저장탱크에 저장하는 재액화부(100)와, 압축된 증발가스를 냉각하도록 재액화부(100)와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부(200)와, 냉매순환부(200)의 상류에 마련되어 압축된 증발가스를 냉각하는 이코노마이저(300)를 포함하되, 이코노마이저(300)에서는 선박의 엔진(미도시)으로 공급될 연료로서 액체화물을 증발가스와 열교환시켜 증발가스를 냉각하게 된다.
본 실시예에서 액체화물 운반선은 LEG 운반선(Liquefied Ethan, Ethylene Gas Carrier)일 수 있으며, 이에 따라, 상기 LEG 운반선에 의해 운반되는 액체화물은 -110℃ 이상의 끓는점을 가지는 액체화물일 수 있으며, 예컨대, 에틸렌, 에탄, 프로판, 부탄 등일 수 있다. 이때, 상기 액체화물은 저장탱크에 저장되어 연료로서 선박의 엔진으로 공급되는 액체화물일 수 있다. 상대적으로 고온에서 액화되는 에탄과 같은 액체화물은, 이코노마이저(300)에서 더 냉각된 냉매와의 열교환을 통해 용이하게 액화될 수 있다.
한편, 이코노마이저(300)의 상류에는 이코노마이저(300)로 공급될 액체화물을 압축하는 펌프(400)가 마련되고, 펌프(400)에서 압축된 액체화물이 이코노마이저(300)에서 증발가스와 열교환으로 가열되어 엔진으로 공급될 수 있다.
선박에 마련되는 엔진은 예를 들어 ME-GI 엔진일 수 있다. ME-GI 엔진은, 선박에 사용될 수 있는 엔진으로서, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 배출량을 저감하기 위하여 개발된 고압가스 분사 엔진이다. ME-GI 엔진은 LNG, 에탄, 에틸렌 등을 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG, 에탄, 에틸렌 등의 운반선에 설치될 수 있으며, 천연가스, 에탄, 에틸렌 등을 연료로 사용하며, 그 부하에 따라 대략 150 - 400 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구되는데, 동급출력의 디젤엔진에 비해 오염물질 배출량을 이산화탄소는 23%, 질소화합물은 80%, 황화합물은 95%이상 줄일 수 있는 차세대 친환경적인 엔진으로서 각광받고 있다.
ME-GI 엔진이 마련되는 경우, 펌프(400)에서는 400 bar 내외로 연료로서 공급되는 액체화물을 압축하여 이코노마이저(300)로 공급하게 된다. 이코노마이저(300)에서는, 압축된 증발가스와 압축된 액체화물을 열교환함으로써 증발가스를 냉각하고, 액체화물은 가열하게 된다. 따라서 이코노마이저(300)는 엔진 연료공급을 위한 기화기 또는 히터로서의 기능을 하게 된다.
다만, ME-GI 엔진이 마련되는 경우, 펌프(400)에서 400 bar 내외로 압축된 액체화물은 임계 압력(critical pressure)이상의 초임계 상태이므로 기화기나 히터를 통해 액체에서 기체로 상 변화가 일어나지는 않을 수도 있고, 엔진의 연료공급을 위해 필요한 열에너지를 공급받게 된다.
한편 재액화부(100)는, 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 컴프레서(110)와, 컴프레서(110)에서 압축된 증발가스가 냉매순환부(200)를 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각되어 응축되는 컨덴서(120)를 포함하며, 컴프레서(110)와 컨덴서(120)의 사이에 이코노마이저(300)가 마련된다. 컴프레서(110)에서의 압축을 통해 증발가스의 액화점이 높아지게 되므로, 열교환에 앞서 증발가스를 압축함으로써 보다 용이하게 액화시킬 수 있다.
냉매순환부(200)와 열교환되는 컨덴서(120)의 상류에 이코노마이저(300)가 마련됨으로써, 컴프레서(110)에서 압축된 증발가스가 이코노마이저(300)에서 냉각된 후 컨덴서(120)로 도입된다. 이때, 상기 컴프레서(110)에서는 증발가스가 15 ~ 30 bara 로 압축될 수 있다.
컨덴서(120)에서는 증발가스 응축을 위해 필요한 냉매를 줄일 수 있으므로, 냉매 사이클의 구동을 위한 냉매압축기(210)의 전기 에너지 소모를 줄일 수 있다.
이때, 액체화물이 에탄 또는 에틸렌일 경우에 상기 냉매순환부(200)의 냉매에 의해 압축된 증발가스가 이코노마이저(300)에서 냉각될 수 있고, 액체화물이 다른 화물, 예컨대, LPG, 이산화탄소, DME 등일 때에는 냉매순환부(200)의 냉매를 이용하지 않고도 해수에 의해서 충분히 냉각될 수 있으므로, 액체화물이 LPG, 이산화탄소, DME 등일 때에는 냉매순환부(200)가 별도로 구동되지 않을 수 있다.
재액화부(100)에서 컴프레서(110)와 이코노마이저(300)의 사이에는 컴프레서(110)에서 압축된 증발가스를 냉각하는 전냉각기(precooler)(130)가 추가로 마련될 수 있다.
컨덴서(120)를 순환하며 증발가스 응축을 위한 냉열을 공급하는 냉매순환부(200)는, 컨덴서(120)에서 열교환된 냉매가 압축되는 냉매압축기(210)와, 냉매압축기(210)에서 압축된 냉매를 냉각하여 응축시키는 냉매응축기(220)와, 냉매응축기(220)에서 응축된 냉매를 냉각하여 컨덴서(120)로 순환시키는 냉매냉각기(230)를 포함하여 구성된다.
상기 컨덴서(120)에서는 냉매에 의해 액체화물, 예컨대, 에탄 또는 에틸렌이 -40 ~ -10℃로 냉각될 수 있다.
이러한 냉매압축기(210), 냉매응축기(220), 냉매냉각기(230)는 냉매순환부(200)의 냉매순환라인(CL)을 따라 마련된다.
냉매응축기(220)와 냉매냉각기(230)의 사이에서 냉매순환라인(CL)으로부터 냉매분기라인(BL)이 분기되며, 냉매분기라인(BL)에 감압밸브(240)가 마련되어, 냉매응축기(220)에서 응축된 냉매 중 일부를 공급받아 감압을 통해 냉매를 냉각하게 된다. 감압밸브(240)에서 단열팽창되면서 감압으로 냉각된 냉매는 냉매분기라인(BL)을 통해 냉매냉각기(230)로 도입되어, 감압밸브(240)를 거치지 않고 냉매순환라인(CL)을 따라 냉매응축기(220)로부터 냉매냉각기(230)로 도입된 냉매를 열교환으로 냉각하게 된다.
냉매순환라인(CL)을 따라 순환하며 냉매냉각기(230)에서 냉각되고, 줄-톰슨밸브와 같은 감압장치에서 팽창 및 냉각된 냉매는 컨덴서(120)로 공급되어 증발가스와 열교환하게 된다. 냉매분기라인(BL)은 냉매압축기(210)의 중간 단으로 연결되어, 냉매분기라인(BL)을 통해 감압 후 냉매냉각기(230)로 도입되었던 냉매는 냉매압축기(210)의 중간 단으로 냉매순환라인(CL)에 합류된다.
냉매순환라인(CL)을 따라 순환하는 냉매는 공지된 냉매일 수 있으며, 일 예로 프로펜(C3H6)일 수 있다.
한편, 냉매에 의해 냉각된 증발가스는 감압장치에 의해 팽창된 후 저장탱크에 저장될 수 있으며, 상기 감압장치는 줄-톰슨 밸브일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 시스템에서는, 액체화물을 운반 선박의 액체화물이 저장된 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 압축하여, 냉매와 열교환으로 냉각하고 재액화하여 저장탱크에 저장하되, 이코노마이저(300)를 마련하여 냉매와의 열교환에 앞서, 압축된 증발가스를 선박의 엔진으로 공급될 연료로서 액체화물과 열교환시켜 냉각할 수 있도록 한다. 증발가스의 액화를 위해 필요한 냉매 사이클 구동을 줄일 수 있어, 냉매압축기(210) 등의 전기 소모를 줄여, 선내 필요한 에너지를 절감하고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 재액화부
110: 컴프레서
120: 컨덴서
130: 전냉각기
200: 냉매순환부
CL: 냉매순환라인
BL: 냉매분기라인
210: 냉매압축기
220: 냉매응축기
230: 냉매냉각기
240: 감압밸브
300: 이코노마이저
400: 펌프

Claims (8)

  1. 액체화물을 운반하는 선박의 재액화 시스템에 있어서,
    상기 액체화물이 저장된 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 압축하여 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크에 저장하는 재액화부;
    압축된 상기 증발가스를 냉각하도록 상기 재액화부와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부; 및
    상기 냉매순환부의 상류에 마련되어 압축된 상기 증발가스를 냉각하는 이코노마이저를 포함하고,
    상기 재액화부는,
    상기 저장탱크에서 발생하는 상기 증발가스를 압축하는 컴프레서; 및
    상기 컴프레서에서 압축된 상기 증발가스가 상기 냉매순환부를 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각되어 응축되는 컨덴서;를 포함하고,
    상기 냉매순환부는,
    상기 컨덴서에서 열교환된 상기 냉매가 압축되는 냉매압축기;
    상기 냉매압축기에서 압축된 냉매를 냉각하여 응축시키는 냉매응축기;
    상기 냉매응축기에서 응축된 상기 냉매를 냉각하여 상기 컨덴서로 순환시키는 냉매냉각기; 및
    상기 냉매응축기와 냉매냉각기 사이에 마련되어 상기 냉매응축기에서 응축된 상기 냉매 중 일부를 공급받아 감압하여 냉각하는 감압밸브;를 포함하고,
    상기 이코노마이저는, 상기 컴프레서와 상기 컨덴서의 사이에 설치되고,
    상기 이코노마이저에서는 상기 선박의 엔진으로 공급될 연료(fuel)로서 상기 저장탱크에 저장된 액체화물이 상기 증발가스와 열교환되며,
    상기 감압밸브에서 감압으로 냉각된 상기 냉매는 상기 냉매냉각기로 도입되어, 상기 감압밸브를 거치지 않고 상기 냉매응축기로부터 상기 냉매냉각기로 도입된 상기 냉매를 열교환으로 냉각하는, 액체화물 운반선의 재액화 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이코노마이저의 상류에 마련되어 상기 이코노마이저로 공급될 연료를 압축하는 펌프를 더 포함하고,
    상기 펌프에서 압축된 연료는 상기 이코노마이저에서 상기 증발가스와 열교환으로 가열되어 상기 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 재액화 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 재액화부는
    상기 컴프레서와 상기 이코노마이저의 사이에 마련되어 상기 컴프레서에서 압축된 상기 증발가스를 냉각하는 전냉각기를 더 포함하는 액체화물 운반선의 재액화 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 액체화물은 -110℃ 이상의 끓는점을 가지는 액체화물인 것을 특징으로 하는 액체화물 운반선의 재액화 시스템.
  8. 삭제
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