KR101739458B1 - 냉매 순환 시스템 - Google Patents

Abstract

냉매 순환 시스템이 개시된다. 본 발명의 냉매 순환 시스템은 선박 또는 해양 구조물의 냉매 순환 시스템에 있어서, 상기 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하도록 냉매가 순환되는 코퍼댐 가열라인; 및 상기 LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 상기 선박 또는 해양 구조물의 엔진으로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하기 위한 냉매가 순환되는 연료 공급라인을 포함하되, 상기 코퍼댐 가열라인과 연료 공급라인으로 순환되는 상기 냉매는 일원화되어 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉매 순환 시스템{Refrigerant Circulation System}

본 발명은 냉매 순환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하도록 냉매가 순환되는 코퍼댐 가열라인과, LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 선박 또는 해양 구조물의 엔진으로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하기 위한 냉매가 순환되는 연료 공급라인을 포함하되, 코퍼댐 가열라인과 연료 공급라인으로 순환되는 냉매를 일원화하여 공급하는 냉매 순환 시스템에 관한 것이다.

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있으며, 일 예로 LNG를 해상으로 수송(운반)할 수 있는 LNG 운반선이 사용되고 있다.

천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발되므로, LNG 운반선을 비롯하여 LNG를 저장하는 선박 또는 해양 구조물에는 LNG의 극저온을 유지할 수 있는 저장탱크를 마련하게 된다.

저장탱크는 단열재에 화물의 하중이 직접적으로 작용하는지 여부에 따라 독립형(Independent Type)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 분류할 수 있다.

LNG를 저장하기 위한 멤브레인형 탱크의 일 예를 도 1에 개략적으로 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, LNG 등의 액화가스를 저장하는 종래의 멤브레인형 액화가스 저장탱크(10)는, 선체(1)의 내측벽면(2) 또는 코퍼댐 격벽(5)(도 2 참조) 상에 2차 단열벽(13), 2차 밀봉벽(14), 1차 단열벽(15) 및 1차 밀봉벽(16)을 순차적으로 적층한 구조를 가진다. 선체(1)의 내부에는 밸러스트 탱크(3)가 마련되어 선체의 흘수를 안정적으로 유지할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 선체(1)의 내부에 배치되는 액화가스 저장탱크(10)들은 선체의 폭방향으로 연장되는 코퍼댐(20)에 의해 분리된다. 코퍼댐은 내부에 공간부(void space)가 마련되는 격자 형태의 구조물로서, 선체의 내부 공간을 구획하여 각각의 구획에 멤브레인형 저장탱크를 설치할 수 있도록 하는 구조물이다.

내측벽면(2) 및 코퍼댐 격벽(5)이 비록 LNG와 직접적으로 접촉하지는 않지만, 액화가스 저장탱크(10)에 수용된 LNG는 대략 -163℃라는 극저온 상태이므로, LNG의 냉기로 인해 내측벽면(2) 및 코퍼댐 격벽(5)을 이루는 철판의 온도는 극히 낮아져 취성이 약해지게 된다. 따라서, 내측벽면(2) 및 코퍼댐 격벽(5)은 저온에 내성을 가지는 저온강으로 만들어야 한다.

이와 같이 저장탱크(10)의 사이에 위치하게 되는 코퍼댐(20)은 폐쇄된 공간이어서 외부로부터의 열 공급이 이루어지지 않아 내부 온도가 대략 -60℃ 정도까지 떨어질수 있으므로, 코퍼댐(20)의 내부 공간과 코퍼댐 격벽(5)을 가열하여 일정온도 이상을 유지하도록 할 필요가 있다.

출원번호 제10-2009-0039986호

코퍼댐의 가열을 위해 열매체인 냉매를 가열하여 코퍼댐으로 순환시킬 수 있다. 이러한 냉매로는 예를 들어 글리콜 워터가 사용될 수 있다.

한편, 선박 또는 해양 구조물에서 추진 또는 발전 등을 위한 연료로 LNG를 공급하고자 하는 경우, LNG를 기화기에서 열을 공급받아 기화시키게 된다. 이를 위해서는 열원이 필요한데, 이러한 열원으로도 글리콜 워터를 순환시킬 수 있다.

본 발명은 이와 같은 코퍼댐의 가열을 위한 냉매와, 연료로 공급되는 LNG를 기화하기 위한 열원으로서의 냉매를 효율적으로 공급할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 또는 해양 구조물의 냉매 순환 시스템에 있어서,

상기 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하도록 냉매가 순환되는 코퍼댐 가열라인; 및

상기 LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 상기 선박 또는 해양 구조물의 엔진으로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하기 위한 냉매가 순환되는 연료 공급라인을 포함하되,

상기 코퍼댐 가열라인과 연료 공급라인으로 순환되는 상기 냉매는 일원화되어 공급되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 코퍼댐 가열라인과 연료 공급라인에 순환되는 냉매를 공급하는 냉매 보충라인과, 상기 코퍼댐 가열라인에 마련되어 상기 코퍼댐으로 공급되는 상기 냉매를 가열하는 적어도 하나의 코퍼댐 냉매 히터와, 상기 코퍼댐 가열라인에 마련되어 상기 냉매를 상기 냉매 히터로 공급하는 적어도 하나의 코퍼댐 냉매 펌프를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 LNG는 펌프로 압축되고 기화기에서 상기 냉매와 열교환으로 가열되어 상기 엔진으로 공급되며, 상기 BOG는 다단 압축기에서 압축되어 상기 엔진으로 공급될 수 있다.

바람직하게는 상기 연료 공급라인은, 상기 기화기로 공급되는 제1 라인과, 상기 다단 압축기로 공급되는 제2 라인으로 분기될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 라인에는 상기 기화기에 열원으로 공급되는 상기 냉매를 가열하는 연료 냉매 히터가 마련되고, 상기 제2 라인에는 상기 다단 압축기에서 상기 BOG의 중간 냉각을 위해 공급되는 상기 냉매를 냉각하는 냉매 쿨러가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 연료 공급라인에 마련되어 상기 냉매를 상기 제1 및 제2 라인으로 공급하는 적어도 하나의 연료 냉매 펌프를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 보충 라인에 마련되는 냉매 믹싱 펌프와, 상기 냉매 믹싱 펌프에서 펌핑된 상기 냉매를 공급받아 상기 냉매 보충 라인을 거쳐 상기 코퍼댐 가열라인 및 연료 공급라인으로 공급하는 냉매 팽창 탱크를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매는 글리콜 워터(Glycol water)를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하도록 냉매를 순환시키고,

상기 LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 상기 선박 또는 해양 구조물의 엔진의 연료로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하는 열원으로 냉매를 순환시키되,

상기 코퍼댐으로 공급되는 냉매와 상기 연료의 가열 또는 냉각을 위한 냉매는 일원화되어 공급되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 시스템이 제공된다.

본 발명의 냉매 순환 시스템에서는 코퍼댐 가열라인과, LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 선박 또는 해양 구조물의 엔진으로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하기 위한 냉매가 순환되는 연료 공급라인으로 순환되는 냉매를 일원화하여 공급할 수 있다.

이와 같이 일원화된 냉매 공급을 통해 냉매 공급 및 순환을 위한 장비를 공용으로 이용할 수 있도록 함으로써, 장비 설치 비용 및 설치 공간을 줄이면서, 냉매 순환 시스템의 리던던시(redundancy)를 확보할 수 있다.

도 1은 멤브레인형 저장탱크의 일부를 도시하고, 도 2는 멤브레인형 저장탱크와 코퍼댐이 마련된 선박 또는 해양 구조물의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 순환 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 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 순환 시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 냉매 순환 시스템은, 선박 또는 해양 구조물의 냉매 순환 시스템에 있어서, 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크(미도시) 사이에 배치된 코퍼댐(미도시)으로 열을 공급하도록 냉매가 순환되는 코퍼댐 가열라인(CL)과, LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 선박 또는 해양 구조물의 엔진(미도시)으로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하기 위한 냉매가 순환되는 연료 공급라인(FL)과, 코퍼댐 가열라인(CL)과 연료 공급라인(FL)에 순환되는 냉매를 공급하는 냉매 보충라인(GL)을 포함하여, 코퍼댐 가열라인(CL)과 연료 공급라인(FL)으로 순환되는 냉매는 일원화되어 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에서 냉매 공급의 일원화라 함은 코퍼댐 가열을 위한 냉매와 연료의 가열 또는 냉각을 위한 냉매가, 하나의 냉매가 공급 시스템의 적어도 일부를 공유하여 공급되는 것을 의미한다.

본 실시예에서 선박 또는 해양 구조물이란 LNG 저장탱크가 마련되는 LNG carrier, LNG-FSPP(Floating Storage Power Plant)를 포함한 모든 선박 또는 해양 구조물을 의미하는 것으로, 추진용 또는 발전용 등의 용도로 엔진이 마련되어 LNG를 연료로 공급받는 모든 선박 또는 해양 구조물에 본 실시예가 적용될 수 있다. 한편 본 실시예에서의 냉매는 바람직하게는 글리콜 워터(Glycol water)이다.

코퍼댐은 선체 데크 하부의 공간을 구획하여 각각의 구획에 저장탱크를 설치할 수 있도록 하는 구조물로서, 극저온인 LNG가 저장탱크에 수용되면 LNG의 냉열로 인해 코퍼댐의 격벽을 이루는 금속의 취성이 약해질 수 있으므로 냉매를 순환시켜 가열해주게 된다.

본 실시예에서는 코퍼댐 가열라인(CL)이 구성하여 냉매를 코퍼댐(미도시) 부분으로 순환시키는데, 이를 위해 코퍼댐 가열라인(CL)에는 코퍼댐으로 공급되는 냉매를 가열하는 적어도 하나의 코퍼댐 냉매 히터(200)와, 냉매를 냉매 히터(200)로 공급하는 적어도 하나의 코퍼댐 냉매 펌프(100, 110)가 마련된다.

코퍼댐 가열라인(CL)은 코퍼댐으로 냉매를 공급하기 위한 메인 라인(ML)과 스탠바이 라인(SL)을 포함하여 구성될 수 있고, 메인 라인과 스탠바이 라인 각각에 히터(200)가 마련될 수 있다. 코퍼댐 냉매 히터(200)에서의 냉매 가열은 스팀(S)과의 열교환을 통해 이루어질 수 있고, 이를 위한 스팀은 선박 또는 해양 구조물의 엔진 등의 내연기관에서 발생하는 폐열을 회수하기 위해 선박 또는 해양 구조물에 마련되는 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로부터 공급될 수 있다. 후술하는 연료 냉매 히터 역시 폐열회수시스템으로부터 스팀을 공급받도록 구성될 수 있다. 다만, 스팀의 양이 충분치 못한 경우에 대비하여 히터 중 일부는 전기로 구동되는 전기 히터로 마련될 수도 있다.

한편 본 실시예의 선박 또는 해양 구조물에서, LNG는 펌프(미도시)로 압축되고 기화기(500)에서 냉매와 열교환으로 가열되어 엔진으로 공급되며, BOG는 다단 압축기(600)에서 압축되어 엔진으로 공급되며, 상기 연료 공급라인(FL)은 기화기(500)로 공급되는 제1 라인(FL1)과, 다단 압축기(600)로 공급되는 제2 라인(FL2)으로 분기된다.

이와 같이 LNG 또는 BOG를 연료로 공급받는 엔진은, 바람직하게는 ME-GI 엔진일 수 있고, 다른 예로는 DF Generator, 가스 터빈, DFDE 등도 구성될 수 있으며, 추진용 메인 엔진 또는 보조 엔진을 포함하여 발전용 엔진 등도 될 수 있다.

엔진에 LNG를 연료로 공급하기 위해서는 엔진의 연료공급 조건에 맞추어 펌프로 압축되고, 기화기를 통해 열교환으로 가열된다. 이때 기화기(500)에서 압축된 LNG의 가열을 위해서는 열원을 필요로 하는데 본 실시예에서는 이를 위해 가열된 냉매를 제1 라인(FL1)을 통해 공급한다. 또한, LNG가 저장탱크에서 자연기화되면서 발생한 BOG는 엔진의 공급조건에 맞추어 압축되는데, ME-GI 엔진인 경우 다단 압축기를 통해 150 내지 400 bar의 압력으로 압축된다. 이러한 다단 압축기(600)는 피스톤을 포함하는 압축기(미도시)와 중간 냉각기(미도시)가 교대로 마련되는 형태일 수 있는데, 이러한 중간 냉각기에서 압축된 BOG의 냉각을 위해 제2 라인(FL2)을 통해 냉매를 공급할 수 있다.

이를 위해 제1 라인(FL1)에는 기화기(500)에 열원으로 공급되는 냉매를 가열하는 연료 냉매 히터(210)가 마련되고, 제2 라인(FL2)에는 다단 압축기에서 BOG의 중간 냉각을 위해 공급되는 냉매를 냉각하는 냉매 쿨러(220)가 마련될 수 있다.

냉매 쿨러(220)에서는 청수(CW) 또는 해수를 공급하여 냉매를 냉각할 수 있고, 전기로 구동되는 쿨러도 적용될 수 있다.

연료 공급라인(FL)에는 냉매를 제1 및 제2 라인으로 공급하기 위한 적어도 하나의 연료 냉매 펌프(120)가 마련된다.

본 실시예에서 코퍼댐 가열라인(CL)과 연료 공급라인(FL)은 상호 연결되어 구성되며, 각각의 라인에 구성되는 밸브의 개폐를 통해 연료 공급라인(FL)으로 공급되는 냉매가 코퍼댐 냉매 펌프에서 펌핑되어 공급되도록 운용하거나, 코퍼댐 가열라인(CL)으로 공급되는 냉매를 연료 냉매 펌프가 펌핑하여 공급하도록 운용할 수도 있다.

한편, 냉매 보충 라인(GL)에는 냉매 믹싱 펌프(310), 냉매 믹싱 펌프에서 펌핑된 냉매를 공급받아 냉매 보충 라인(GL)을 거쳐 코퍼댐 가열라인(CL) 및 연료 공급라인(FL)으로 공급하는 냉매 팽창 탱크(320), 믹싱 탱크(300), 냉매 저장 탱크(330) 등이 마련될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예는, 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하기 위한 냉매와, LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 선박 또는 해양 구조물의 엔진의 연료로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하는 열원으로 순환되는 냉매, 일원화시켜 공급할 수 있다.

이와 같은 본 실시예의 일원화된 시스템은 LNG나 BOG를 연료로 공급받는 엔진을 선박 또는 해양 구조물에 추가하고자 할 때, 코퍼댐 가열을 위해 설계된 냉매 시스템의 설계를 크게 변경하지 않고도 연료공급을 위한 냉매 순환 시스템을 추가할 수 있다.

또한, 일원화된 냉매 공급을 통해 냉매 공급 및 순환을 위한 장비를 공용으로 이용하도록 함으로써, 장비 설치 비용 및 설치 공간을 줄일 수 있고, 펌프나 히터를 상호 공유할 수 있어 냉매 순환 시스템의 리던던시(redundancy)를 확보할 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.

CL: 코퍼댐 가열라인
ML: 메인 라인
SL: 스탠바이 라인
FL: 연료 공급라인
FL1: 제1 라인
FL2: 제2 라인
GL: 냉매 보충라인
100, 110: 코퍼댐 냉매 펌프
120: 연료 냉매 펌프
200: 코퍼댐 냉매 히터
210: 연료 냉매 히터
220: 냉매 쿨러
300: 믹싱 탱크
310: 냉매 믹싱 펌프
320: 냉매 팽창 탱크
330: 냉매 저장 탱크
500: 기화기
600: 다단 압축기

Claims (9)

1. 선박 또는 해양 구조물의 냉매 순환 시스템에 있어서,
   상기 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하도록 냉매가 순환되는 코퍼댐 가열라인; 및
   상기 LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG(Boil-Off Gas)를 상기 선박 또는 해양 구조물의 엔진으로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하기 위한 냉매가 순환되는 연료 공급라인을 포함하되,
   상기 코퍼댐 가열라인과 연료 공급라인으로 순환되는 상기 냉매는 일원화되어 공급되고,
   상기 코퍼댐 가열라인과 연료 공급라인에 순환되는 냉매를 공급하는 냉매 보충라인;
   상기 코퍼댐 가열라인에 마련되어 상기 코퍼댐으로 공급되는 상기 냉매를 가열하는 적어도 하나의 코퍼댐 냉매 히터; 및
   상기 코퍼댐 가열라인에 마련되어 상기 냉매를 상기 냉매 히터로 공급하는 적어도 하나의 코퍼댐 냉매 펌프를 더 포함하는, 냉매 순환 시스템.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 LNG는 펌프로 압축되고 기화기에서 상기 냉매와 열교환으로 가열되어 상기 엔진으로 공급되며, 상기 BOG는 다단 압축기에서 압축되어 상기 엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 연료 공급라인은, 상기 기화기로 공급되는 제1 라인; 및 상기 다단 압축기로 공급되는 제2 라인으로 분기되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제1 라인에는 상기 기화기에 열원으로 공급되는 상기 냉매를 가열하는 연료 냉매 히터가 마련되고,
   상기 제2 라인에는 상기 다단 압축기에서 상기 BOG의 중간 냉각을 위해 공급되는 상기 냉매를 냉각하는 냉매 쿨러가 마련되는 것을 특징으로 하는 냉매 순환 시스템.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 연료 공급라인에 마련되어 상기 냉매를 상기 제1 및 제2 라인으로 공급하는 적어도 하나의 연료 냉매 펌프를 더 포함하는 냉매 순환 시스템.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 냉매 보충 라인에 마련되는 냉매 믹싱 펌프; 및
   상기 냉매 믹싱 펌프에서 펌핑된 상기 냉매를 공급받아 상기 냉매 보충 라인을 거쳐 상기 코퍼댐 가열라인 및 연료 공급라인으로 공급하는 냉매 팽창 탱크를 더 포함하는 냉매 순환 시스템.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 냉매는 글리콜 워터(Glycol water)를 포함하는 냉매 순환 시스템.
9. 선박 또는 해양 구조물에 마련된 복수의 LNG 저장탱크 사이에 배치된 코퍼댐으로 열을 공급하도록 냉매를 순환시키고,
   상기 LNG 저장탱크 중의 LNG 또는 BOG를 상기 선박 또는 해양 구조물의 엔진의 연료로 공급하기 위해 가열 또는 냉각하는 열원으로 냉매를 순환시키되,
   상기 코퍼댐으로 공급하는 냉매와 상기 연료의 가열 또는 냉각을 위한 냉매는 일원화시켜 공급하고,
   상기 순환시키는 냉매는 냉매 보충라인을 통해 공급하며,
   상기 코퍼댐으로 공급하는 냉매는 상기 코퍼댐으로 냉매를 공급하는 코퍼댐 가열라인에 마련되는 코퍼댐 냉매 히터에서 가열시켜 공급하는, 냉매 순환 시스템.

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