KR101767557B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

엔진에 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 추가적으로 압축시키는 제2 압축기; 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로, '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부'를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 나머지 일부'를 압축시키는 제3 압축기; 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 및 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고, 상기 제1 압축기는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키고, 상기 제1 압축기와 상기 제1 감압장치는 압신기를 형성하며, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 일부는 가스연소장치 및 보일러 중 하나 이상으로 보내지고, 나머지는 상기 제2 압축기로 보내진다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{BOG Reliquefaction System and Method for Vessel}
본 발명은 선박용 엔진에 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는 시스템 및 방법에 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, ME-GI 엔진, X-DF 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DFDE은, 발전용으로 사용되며, 4행정으로 구성된다. 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, 추진용으로 사용되며, 2행정으로 구성된다. 300 bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
X-DF 엔진은, 추진용으로 사용되며, 2행정으로 구성된다. 16 bar 정도의 중압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
본 발명은 기존의 부분 재액화 시스템에 비해 향상된 증발가스 재액화 성능을 발휘할 수 있는 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진에 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템에 있어서, 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 추가적으로 압축시키는 제2 압축기; 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로, '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부'를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 나머지 일부'를 압축시키는 제3 압축기; 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 및 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고, 상기 제1 압축기는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키고, 상기 제1 압축기와 상기 제1 감압장치는 압신기를 형성하며, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 일부는 가스연소장치 및 보일러 중 하나 이상으로 보내지고, 나머지는 상기 제2 압축기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 합류되어 상기 제1 압축기로 보내질 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 압축기 후단에 설치되어, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제1 냉각기; 상기 제2 압축기 후단에 설치되어, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제2 냉각기; 및 상기 제3 압축기 후단에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제3 냉각기; 중 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 냉각기, 상기 제2 냉각기, 및 상기 제3 냉각기는 열교환식 냉각기일 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 열교환기로 보내지는 '상기 제1 압축기 및 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부'를 냉각시키는 제4 냉각기; 및 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기로 보내지는 증발가스를 냉각시키는 제5 냉각기;를 더 포함할 수 있고, 상기 제4 냉각기 및 상기 제5 냉각기는 공냉식 냉각기일 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제2 감압장치 후단에 설치되어, 일부 또는 전부 재액화 된 유체를 액화천연가스와 기체 상태의 증발가스로 분리시키는 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내질 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제2 감압장치 후단에 설치되어, 일부 또는 전부 재액화 된 유체를 액화천연가스와 기체 상태의 증발가스로 분리시키는 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내질 수 있고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류되지 않고 바로 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있다.
'상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부' 중 상기 제1 열교환기로 보내지지 않은 나머지 증발가스는 상기 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 엔진에 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법에 있어서, 1) 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키고, 2) 상기 1)단계에서 압축된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키고, 3) '상기 2)단계에서 분기된 증발가스의 일부'는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 4) 상기 3)단계에서 냉각된 유체는 팽창되고, 5) '상기 2)단계에서 분기된 증발가스의 나머지 일부'는, 추가적으로 압축되고, 6) 상기 5)단계에서 추가적으로 압축된 증발가스는, 상기 4)단계에서 팽창된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 7) 상기 6)단계에서 냉각된 유체는 팽창되고, 상기 4)단계에서 팽창된 후 상기 6)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 유체는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 3)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 유체와 합류되어, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치고, 상기 4)단계에서 유체를 팽창시키며 얻은 에너지는, 상기 1)단계에서 증발가스를 압축시키는 데 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 3)단계에서, '상기 2)단계에서 분기된 증발가스의 일부'는, 외부 공기를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각될 수 있고, 상기 6)단계에서, 상기 5)단계에서 추가적으로 압축된 증발가스는, 외부 공기를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 상기 4)단계에서 팽창된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각될 수 있다.
본 발명에 의하면, 개루프의 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용할 수 있어, 종래에 비해 재액화량 및 재액화 효율을 높일 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, X-DF 엔진 등의 중압 엔진을 추진 엔진으로 사용하면서도, 재액화 과정을 거치는 증발가스를 추가적으로 압축한 후 냉각시키므로, 재액화량 및 재액화 효율을 더욱 높일 수 있다.
본 발명에 의하면 감압장치와 압축기를 압신기로 구성하여, 감압장치가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지를 활용할 수 있으므로, 에너지 절감의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 열교환식 냉각기와 공냉식 냉각기를 병용하므로, 다양한 선박의 운항 환경에서도 시스템을 효율적으로 운용할 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 의하면, 비교적 저압의 증발가스를 보일러 등에서 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법은, 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 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 제3 압축기(230), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(410), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다.
본 실시예의 저장탱크(T)는, 내부에 액화천연가스, 액화에탄가스 등의 액화가스를 저장하며, 내부 압력이 일정 압력 이상이 되면 증발가스를 외부로 배출시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스는 제1 열교환기(110)로 보내진다.
본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시킨다. 즉, 본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시킨다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 압축기(210) 후단에 설치되어, 제1 압축기(210)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시키는 제1 냉각기(310)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 제1 냉각기(310)는, 담수(Fresh Water) 등을 냉매로 사용하는 열교환식 냉각기일 수 있다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 후 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시킨다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제2 압축기(220) 후단에 설치되어, 제2 압축기(220)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시키는 제2 냉각기(320)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 제2 냉각기(320)는, 담수 등을 냉매로 사용하는 열교환식 냉각기일 수 있다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 한 번 더 압축시킨다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제3 압축기(230) 후단에 설치되어, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시키는 제3 냉각기(330)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 제3 냉각기(330)는, 담수 등을 냉매로 사용하는 열교환식 냉각기일 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 제1 감압장치(410)에 의해 팽창된 유체와, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시킨다. 즉, 본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 제1 감압장치(410)에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨다.
본 실시예의 제1 감압장치(410)는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨다. 제1 감압장치(410)에 의해 팽창된 유체는 압력뿐만 아니라 온도도 낮아지며, 제1 감압장치(410)는 팽창기일 수 있다.
또한, 제1 감압장치(410)가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지는 제1 압축기(210)가 증발가스를 압축시키는데 사용될 수 있다. 즉, 제1 압축기(210)와 제1 감압장치(410)는 압신기(Compander, 500)를 형성할 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(420)는, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨다. 제2 감압장치(420)는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 기액분리기(600)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 기액분리기(600)는, 제2 감압장치(420) 후단에 설치되어, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)와 제3 압축기(230)에 의한 압축 과정, 제2 열교환기(120)에 의한 냉각 과정, 및 제2 감압장치(420)에 의한 팽창 과정을 거쳐 일부 또는 전부 재액화 된 유체를, 액화천연가스와 기체 상태의 증발가스로 분리시킨다. 기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)로 보내질 수 있다.
또한, 도 1에는 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스가 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)로 보내지는 것이 도시되어 있으나, 본 실시예에 의하면, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스가 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되지 않고 바로 제1 열교환기(110)로 보내져 냉매로 사용될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 제1 열교환기(110)를 통과한 후, 제1 압축기(210)에 의해 압축된다. 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는, 일부는 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit) 및 보일러 중 하나 이상으로 보내지고, 나머지는 제2 압축기(220)로 보내진다. 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 비교적 저압의 증발가스를 보일러 등에서 활용할 수 있다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제2 압축기(220)에 의해 추가적으로 압축된 증발가스는 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 제3 압축기(230)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)로 보내지고, 나머지 흐름은 다시 두 흐름으로 분기된다.
제2 압축기(220) 후단에서 분기된 후 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스는, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되고 제2 감압장치(420)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 기액분리기(600)를 포함하는 경우, 제2 감압장치(420)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된 증발가스 중, 기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)로 보내질 수 있다. 또한, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되지 않고 바로 제1 열교환기(110)로 보내져 냉매로 사용될 수도 있다.
한편, 제2 압축기(220) 후단에서 분기된 후 제3 압축기(230)로 보내지지 않고 다시 두 흐름으로 분기된 증발가스는, 한 흐름은 엔진(E1, E2)으로 보내지고, 다른 흐름은 제1 열교환기(110)로 보내진다.
본 실시예가 적용되는 선박은 다수개의 엔진을 포함할 수 있고, 다수개의 엔진은 각각 다른 압력의 증발가스를 연료로 요구할 수 있다. 도 1에는 제2 압축기(220) 후단에서 분기된 후 엔진(E1, E2)으로 보내진 증발가스가 다시 두 흐름으로 분기하여, 한 흐름은 상대적으로 고압의 증발가스를 연료로 요구하는 제1 엔진(E1)으로 보내지고, 나머지 흐름은 상대적으로 저압의 증발가스를 연료로 요구하는 제2 엔진(E2)으로 보내지는 것이 도시되어 있다. 이하, 상대적으로 고압의 증발가스를 연료로 요구하는 엔진을 고압 엔진, 상대적으로 저압의 증발가스를 연료로 요구하는 엔진을 저압 엔진이라고 한다.
제2 엔진(E2) 전단에는 제3 감압장치(430)가 설치되어, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 제3 감압장치(430)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압시켜 제2 엔진(E2)으로 공급할 수 있다. 본 실시예의 제1 엔진(E1)은 X-DF 엔진일 수 있고, 제2 엔진(E2)은 DFDE일 수 있다.
제2 압축기(220) 후단에서 분기된 후 제3 압축기(230)로 보내지지 않고 다시 두 흐름으로 분기된 증발가스 중, 제1 열교환기(110)로 보내진 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각된다.
제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축되고 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체는, 제1 감압장치(410)에 의해 팽창되어 온도가 더 낮아진 후 제2 열교환기(120)로 보내진다. 제1 감압장치(410)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(120)로 보내진 유체는, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220) 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용된다.
제1 감압장치(410)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 유체는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스와 합류되어 제1 압축기(210)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 증발가스는 크게, 재액화 과정을 거치는 증발가스와, 냉매로 사용되는 증발가스로 나눌 수 있는데, 재액화 과정을 거치는 증발가스와 냉매로 사용되는 증발가스는 서로 완전히 분리되어 운용되는 것이 아니라, 재액화 과정을 거친 후 재액화되지 못하고 남은 증발가스는 다시 냉매로 사용되고, 냉매로 사용된 증발가스 중 일부는 다시 재액화 과정을 거친다. 즉, 본 실시예의 냉매로 사용되는 증발가스는 개루프 사이클(Open Loop Cycle)을 순환한다. 이를 도 1을 참조하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)를 거쳐 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스 중, 제3 압축기(230)로 보내지는 증발가스는 재액화 과정을 거치고, 제1 열교환기(110)로 보내진 증발가스는 냉매로 사용된다.
재액화 과정을 거치는 증발가스를 제3 압축기(230)에 의해 한 번 더 압축시키는 이유는 재액화량 및 재액화 효율을 높이기 위해서이다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 엔진(E1, E2)의 연료로 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키거나 냉매로 사용하는 것이며, 엔진(E1, E2)에 연료를 공급하는 시스템을 포함하거나, 엔진(E1, E2)에 연료를 공급하는 시스템과 연계되어 있다.
즉, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 엔진(E1, E2)이 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시키기 위한 압축기인, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)를 활용하여 증발가스를 재액화시키는데, 본 실시예의 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)는 고압 엔진인 제1 엔진(E1)이 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시키며, 저압 엔진인 제2 엔진(E2)은, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제3 감압장치(430)에 의해 감압된 증발가스를 연료로 사용할 수 있다.
제1 엔진(E1)이 대략 300 bar 정도의 고압의 증발가스를 연료로 요구하는 ME-GI 엔진인 경우에는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 ME-GI 엔진이 요구하는 압력까지 압축된 증발가스를 바로 재액화시켜도 큰 문제가 없다(ME-GI 엔진을 사용하는 경우에도 재액화 효율을 높이기 위해 추가적인 압축 과정을 거칠 수는 있다.). 그러나, 제1 엔진(E1)이 대략 16 bar 정도의 중압의 증발가스를 연료로 요구하는 X-DF 엔진인 경우에는, X-DF 엔진이 요구하는 압력까지 압축된 증발가스를 바로 재액화시키면, 재액화 효율이 낮아질 수 있다.
열교환기를 설계할 때에는, 열교환기로 공급되는 유체의 온도 및 열류량은 고정시키고, 냉매로 사용되는 유체의 온도가 냉각되는 유체의 온도보다 높아지지 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.
정해진 초기 조건 하에서 대수평균온도차(LMTD)가 가장 작아질 수 있도록 열교환기를 설계하는데, 열교환기로 공급되는 유체의 압력을 높이면 대수평균온도차(LMTD)가 더 작은 열교환기를 설계할 수 있다. 즉, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력이 높아지면 더 효율이 높은 열교환기를 시스템에 적용할 수 있고, 결국 시스템 전반의 재액화량 및 재액화 효율이 높아지게 된다.
본 실시예의 제1 엔진(E1)이 X-DF 엔진인 경우, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 대략 17 bar일 수 있고, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축된 증발가스는 대략 150 bar일 수 있다.
또한, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 엔진(E1, E2)에 연료로 공급되는 증발가스를 압축시키기 위한 압축기(210, 220)를 두 개 포함하는 이유는, 제1 압축기(210)와 제1 감압장치(410)가 압신기(500)를 형성하는 경우, 제1 감압장치가 유체를 팽창시키면서 생성하는 에너지만에 의하여는, 엔진(E1, E2)이 요구하는 압력까지 증발가스를 압축시키기 어렵기 때문이다. 즉, 본 실시예에 의하면, 제1 감압장치(410)로부터 공급되는 에너지를 사용하여 제1 압축기(210)에서 증발가스를 1차로 압축시키고, 부족한 압력은 제2 압축기(220)에 의하여 압축시켜 엔진(E1, E2)의 요구 압력을 만족시킨다.
본 발명은 본 실시예의 경우에 한정되지 않고, 압신기(500)를 형성하는 제1 압축기(210)만에 의하여 엔진(E1, E2)의 요구 압력을 맞출 수도 있고, 압신기(500)를 형성하는 제1 압축기(210)만으로는 부족한 압력을, 제2 압축기(220)에 추가하여 다수개의 압축기에 의하여 충족시킬 수도 있다.
한편, 본 실시예에서 냉매로 사용되는 증발가스는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)로 보내져, 1차로 제1 열교환기(110)에 의해 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 열교환되어 냉각되고, 2차로 제1 감압장치(410)에 의해 팽창되어 냉각된 후, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된다.
즉, 본 실시예에서 냉매로 사용되는 증발가스는, 제2 열교환기(120)에서 재액화 과정을 거치는 증발가스를 냉각시키기 위한 최종 목적을 가지며, 제1 열교환기(110)와 제1 감압장치(410)는, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 증발가스의 온도를 낮춰 재액화 효율 및 재액화량을 증가시키는 역할을 한다. 본 실시예에 의하면, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 증발가스를, 제1 열교환기(110)에 의해 대략 -50 ℃ 이하로 냉각시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다. 도 2에 도시된 제2 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 제4 냉각기(710) 및 제5 냉각기(720)를 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재 및 특징에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 제3 압축기(230), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(410), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다.
본 실시예의 저장탱크(T)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 내부에 액화천연가스, 액화에탄가스 등의 액화가스를 저장하며, 내부 압력이 일정 압력 이상이 되면 증발가스를 외부로 배출시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스는 제1 열교환기(110)로 보내진다.
본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키고, 본 실시예의 제2 압축기(220)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 후 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시키며, 본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 한 번 더 압축시킨다.
또한, 본 실시예의 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스의 일부는, 제1 실시예와 마찬가지로, 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit) 및 보일러 중 하나 이상으로 보내진다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210) 후단에 설치되는 제1 냉각기(310); 제2 압축기(220) 후단에 설치되는 제2 냉각기(320); 및 제3 압축기(230) 후단에 설치되는 제3 냉각기(330);를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 제1 냉각기(310), 제2 냉각기(320), 및 제3 냉각기(330)는, 담수 등을 냉매로 사용하는 열교환식 냉각기일 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(410)에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 제1 감압장치(410)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 팽창시키며, 제1 감압장치(410)는 팽창기일 수 있다.
또한, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(410)가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지는 제1 압축기(210)가 증발가스를 압축시키는데 사용될 수 있다. 즉, 제1 압축기(210)와 제1 감압장치(410)는 압신기(Compander, 500)를 형성할 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(420)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체를 팽창시키며, 제2 감압장치(420)는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 감압장치(420) 후단에 설치되어, 일부 또는 전부 재액화 된 유체를 액화천연가스와 기체 상태의 증발가스로 분리시키는 기액분리기(600)를 더 포함할 수 있다. 기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)로 보내질 수 있다. 또한, 본 실시예의 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되지 않고 바로 제1 열교환기(110)로 보내져 냉매로 사용될 수도 있다.
단, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와는 달리, 제4 냉각기(710) 및 제5 냉각기(720)를 더 포함한다.
본 실시예의 제4 냉각기(710)는, 제2 압축기(220) 후단에 설치되어, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스 중, 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스를 냉각시킨다. 제4 냉각기(710)는, 외부 공기를 냉매로 사용하는 공냉식 냉각기일 수 있다.
본 실시예의 제5 냉각기(720)는, 제3 압축기(230) 후단에 설치되어, 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨 후 제2 열교환기(120)로 보낸다. 제5 냉각기(720)는, 외부 공기를 냉매로 사용하는 공냉식 냉각기일 수 있다.
본 실시예의 제4 냉각기(710) 및 제5 냉각기(720)가 공냉식 냉각기인 경우, 제4 냉각기(710) 및 제5 냉각기(720)는 외부 공기가 가진 냉열을 이용하여 증발가스를 냉각시켜, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 재액화량 및 재액화 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
특히, 본 실시예가 적용되는 선박이 극지방에서 운항되거나, 추운 계절에 운항되어 외부 공기의 온도가 낮은 경우, 공냉식 냉각기는 담수 등을 냉매로 사용하는 열교환식 냉각기에 비해 더 낮은 온도의 외부 공기를 냉매로 사용할 수 있어, 본 실시예의 제4 냉각기(710) 및 제5 냉각기(720)가 공냉식 냉각기인 경우, 선박이 운항되는 다양한 환경에 대비하여 시스템을 효율적으로 운용할 수 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.
T : 저장탱크 E1, E2 : 엔진
110, 120 : 열교환기 210, 220, 230 : 압축기
310, 320, 330, 710, 720 : 냉각기 410, 420, 430 : 감압장치
500 : 압신기 600 : 기액분리기

Claims (9)

  1. 엔진에 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템에 있어서,
    저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 추가적으로 압축시키는 제2 압축기;
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로, '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부'를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
    '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 나머지 일부'를 압축시키는 제3 압축기;
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제1 감압장치;
    상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 및
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고,
    상기 제1 압축기는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키고,
    상기 제1 압축기와 상기 제1 감압장치는 압신기를 형성하며,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 일부는 가스연소장치 및 보일러 중 하나 이상으로 보내지고, 나머지는 상기 제2 압축기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 합류되어 상기 제1 압축기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 압축기 후단에 설치되어, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제1 냉각기;
    상기 제2 압축기 후단에 설치되어, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제2 냉각기; 및
    상기 제3 압축기 후단에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제3 냉각기; 중 하나 이상을 더 포함하고,
    상기 제1 냉각기, 상기 제2 냉각기, 및 상기 제3 냉각기는 열교환식 냉각기인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 열교환기로 보내지는 '상기 제1 압축기 및 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부'를 냉각시키는 제4 냉각기; 및
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기로 보내지는 증발가스를 냉각시키는 제5 냉각기;를 더 포함하고,
    상기 제4 냉각기 및 상기 제5 냉각기는 공냉식 냉각기인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 감압장치 후단에 설치되어, 일부 또는 전부 재액화 된 유체를 액화천연가스와 기체 상태의 증발가스로 분리시키는 기액분리기를 더 포함하고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내지고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 감압장치 후단에 설치되어, 일부 또는 전부 재액화 된 유체를 액화천연가스와 기체 상태의 증발가스로 분리시키는 기액분리기를 더 포함하고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내지고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류되지 않고 바로 상기 제1 열교환기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    '상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부' 중 상기 제1 열교환기로 보내지지 않은 나머지 증발가스는 상기 엔진으로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  8. 엔진에 사용되고 남은 잉여 증발가스를 재액화시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법에 있어서,
    1) 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키고,
    2) 상기 1)단계에서 압축된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키고,
    3) '상기 2)단계에서 분기된 증발가스의 일부'는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고,
    4) 상기 3)단계에서 냉각된 유체는 팽창되고,
    5) '상기 2)단계에서 분기된 증발가스의 나머지 일부'는, 추가적으로 압축되고,
    6) 상기 5)단계에서 추가적으로 압축된 증발가스는, 상기 4)단계에서 팽창된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각되고,
    7) 상기 6)단계에서 냉각된 유체는 팽창되고,
    상기 4)단계에서 팽창된 후 상기 6)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 유체는, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 3)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 유체와 합류되어, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치고,
    상기 4)단계에서 유체를 팽창시키며 얻은 에너지는, 상기 1)단계에서 증발가스를 압축시키는 데 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 3)단계에서,
    '상기 2)단계에서 분기된 증발가스의 일부'는, 외부 공기를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고,
    상기 6)단계에서,
    상기 5)단계에서 추가적으로 압축된 증발가스는, 외부 공기를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 상기 4)단계에서 팽창된 유체를 냉매로 열교환되어 냉각되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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