KR101775048B1 - 엔진을 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

엔진을 포함하는 선박이 개시된다.
상기 엔진을 포함하는 선박은, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기; 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 일부를 팽창시키는 제1 감압장치; 상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 다른 일부를 팽창시키는 제2 감압장치; 및 상기 다단압축기에 의해 압축되고 상기 자가열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창되며 일부 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제1 기액분리기;를 포함하고, 상기 자가열교환기는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨다.

Description

엔진을 포함하는 선박{Vessel Including Engines}
본 발명은 엔진을 포함하는 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 엔진의 연료 등으로 사용하고 남은 증발가스를, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 액화시킨 후 액화된 액화천연가스를 저장탱크로 되돌려보내는, 엔진을 포함하는 선박에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 액화천연가스는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화천연가스 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단시키는데에는 한계가 있고, 액화천연가스 내부로 전달되는 열에 의해 액화천연가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화천연가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.
증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 선박의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내진다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진 및 ME-GI엔진이 있다.
DF엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 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-GI엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
통상 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 증발가스를 재액화시킨다. 증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 시키는데, 증발가스를 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템은, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를, 제 1 밸브(610)를 통과시킨 후 자가열교환기(410)로 보낸다. 자가열교환기(410)에서 냉매로서 열교환된 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스는, 다수개의 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250) 및 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함하는 다단압축기(200)에 의해 다단계의 압축과정을 거친 후, 일부는 고압 엔진으로 보내져 연료로 사용되고, 나머지 일부는 다시 자가열교환기(410)로 보내져, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된다.
다단계의 압축과정을 거친 후 자가열교환기(410)에 의해 냉각된 증발가스는, 감압장치(720)를 거치며 일부가 재액화되고, 기액분리기(500)에 의해 재액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 증발가스가 분리된다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(100)로 보내지고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 제 2 밸브(620)를 지나, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스와 통합되어 자가열교환기(410)로 보내진다.
한편, 저장탱크(100)로부터 배출된 후 자가열교환기(410)를 지난 증발가스 중 일부는, 다단계의 압축과정 중 일부의 압축과정만 거친 후(일례로, 다섯 개의 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250) 및 냉각기(310, 320, 330, 340, 350) 중, 두 개의 압축실린더(210, 220) 및 냉각기(310, 320)를 지난 후) 분기되어 제 3 밸브(630)를 지난 후 발전기로 보내진다. 발전기에서는 고압 엔진에서 필요로하는 압력보다 낮은 압력의 천연가스를 요구하므로, 일부 압축과정만을 거친 증발가스를 발전기에 공급하는 것이다.
도 2는 종래의 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템은, 종래의 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템과 마찬가지로, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를, 제 1 밸브(610)를 통과시킨 후 자가열교환기(410)로 보낸다. 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스는, 도 1에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 다단압축기(201, 202)에 의해 다단계의 압축과정을 거친 후, 다시 자가열교환기(410)로 보내져, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각된다.
다단계의 압축과정을 거친 후 자가열교환기(410)에 의해 냉각된 증발가스는, 도 1에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 감압장치(720)를 거치며 일부가 재액화되고, 기액분리기(500)에 의해 재액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 증발가스가 분리되고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(100)로 보내지며, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 제 2 밸브(620)를 지나, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스와 통합되어 자가열교환기(410)로 보내진다.
단, 종래의 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템에 의하면, 도 1에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와는 달리, 다단계의 압축과정을 전부 거친 증발가스의 일부가 엔진으로 보내지는 것이 아니라, 다단계의 압축과정 중 일부만을 거친 증발가스가 분기되어 발전기 및/또는 엔진으로 보내지고, 다단계의 압축과정을 전부 거친 증발가스는 모두 자가열교환기(410)로 보내진다. 저압 엔진은 발전기에서 필요로 하는 압력과 유사한 압력의 천연가스를 요구하므로, 일부 압축과정만을 거친 증발가스를 저압 엔진 및 발전기에 모두 공급하는 것이다.
종래의 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 경우에는, 다단계의 압축과정을 모두 거친 증발가스의 일부를 고압 엔진으로 보내므로, 고압 엔진이 필요로 하는 용량의 하나의 다단압축기(200)를 설치하면 되었다.
그러나, 종래의 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 경우에는, 일부 압축과정만을 거친 증발가스를 발전기 및/또는 엔진으로 보내고, 다단계의 압축과정을 모두 거친 증발가스는 엔진으로 보내지 않으므로, 모든 압축 단계에서 대용량의 압축실린더를 사용할 필요가 없다.
따라서, 비교적 용량이 큰 제 1 다단압축기(201)에 의해 증발가스를 압축시킨 후 일부를 분기시켜 발전기 및/또는 엔진으로 보내고, 비교적 용량이 작은 제 2 다단압축기(202)에 의해 나머지 증발가스를 추가적으로 압축시킨 후 자가열교환기(410)로 보냈다.
종래의 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템은, 압축기의 용량이 커질수록 비용도 증가하므로, 요구되는 압축량에 따라 압축기의 용량을 최적화시킨 것인데, 두 대의 다단압축기(201, 202)를 설치하다보니 유지 보수가 번거롭다는 단점이 있었다.
본 발명은, 상대적으로 압력이 낮은 증발가스를 일부 분기시켜 발전기로(저압 엔진의 경우에는 발전기 및/또는 엔진으로) 보내게 된다는 점에 착안하여, 다단계의 압축과정을 모두 거친 증발가스를, 자가열교환기(410)로 보내기 전에, 낮은 압력 및 낮은 온도를 가지는 증발가스와 열교환시켜 예냉(precooling)시키는, 엔진을 포함하는 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기; 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 일부를 팽창시키는 제1 감압장치; 상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 다른 일부를 팽창시키는 제2 감압장치; 및 상기 다단압축기에 의해 압축되고 상기 자가열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창되며 일부 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제1 기액분리기;를 포함하고, 상기 자가열교환기는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는, 엔진을 포함하는 선박이 제공된다.
상기 제2 감압장치를 통과한 기액혼합상태의 증발가스는 상기 저장탱크로 보내질 수 있다.
상기 엔진을 포함하는 선박은, 상기 제2 감압장치 후단에 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리하는 제2 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내질 수 있고, 상기 제2 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 자가열교환기로 보내질 수 있다.
상기 다단압축기를 통과한 증발가스의 일부는 고압 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기를 통과한 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스는, 합류되어 발전기 또는 저압 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기를 통과한 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스는, 합류되어 발전기 및 저압 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 엔진을 포함하는 선박은, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스가 합류된 흐름이 발전기로 보내지는 라인 상에 설치되는 가열기를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 1) 저장탱크로부터 배출된 증발가스(이하, 'a 흐름'이라고 함.)를 다단계로 압축시키고, 2) 상기 다단계로 압축한 증발가스(이하, 'b 흐름'이라고 함.)를 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스(a 흐름), '제1 냉매' 및 '제2 냉매'와 열교환시키고, 3) 열교환된 증발가스(b 흐름)를 두 흐름으로 분기시키고, 4) 상기 3)단계에서 둘로 분기된 흐름 중 한 흐름의 증발가스를 팽창시키고, 5) 상기 4)단계에서 팽창된 증발가스를 기액분리하고, 6) 상기 5)단계에서 분리된 액화천연가스(이하, 'c 흐름'이라고 함.)를, 상기 2)단계에서 상기 b 흐름과 열교환되는 상기 '제1 냉매'로 사용하고, 7) 상기 5)단계에서 분리된 증발가스(이하, 'd 흐름'이라고 함.)를, 상기 2)단계에서 상기 b 흐름과 열교환되는 상기 '제2 냉매'로 사용하고, 8) 상기 3)단계에서 둘로 분기된 흐름 중 다른 한 흐름을 팽창시키는, 방법이 제공된다.
상기 6)단계에서 상기 '제1 냉매'로 사용된 상기 c 흐름과, 상기 7)단계에서 상기 '제2 냉매'로 사용된 상기 d 흐름을 합류시켜, 발전기 또는 저압 엔진으로 보낼 수 있다.
상기 6)단계에서 상기 '제1 냉매'로 사용된 상기 c 흐름과, 상기 7)단계에서 상기 '제2 냉매'로 사용된 상기 d 흐름을 합류시켜, 발전기 및 저압 엔진으로 보낼 수 있다.
상기 1)단계에서 다단계로 압축된 증발가스의 일부를 고압 엔진으로 보낼 수 있다.
9) 상기 8)단계에서 팽창된 후 일부 액화된 증발가스를, 액화천연가스와 기체상태의 증발가스로 분리할 수 있고, 10) 상기 9)단계에서 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내고, 상기 9)단계에서 분리된 기체상태의 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류시켜 상기 2)단계에서의 열교환의 냉매로 사용할 수 있다.
본 발명의 엔진을 포함하는 선박에 의하면, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스뿐만 아니라, 발전기로 보내는 증발가스 또한 자가열교환기에서의 냉매로 사용하므로 재액화 효율이 높아질 수 있고, 저압 엔진을 포함하는 경우에도 하나의 다단압축기를 설치하면 족하므로 유지 보수가 쉬워진다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 엔진을 포함하는 선박에 의하면, 제1 기액분리기에 의해 액화천연가스와 증발가스를 분리한 후, 분리된 액화천연가스와 증발가스를 각각 자가열교환기로 보내 냉매로 사용하므로, 자가열교환기에서의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래의 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5는 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 엔진을 포함하는 선박은, 해상 및 육상에서 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 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 각 라인을 흐르는 유체는 기체상태, 기액혼합상태, 액체상태, 또는 초임계 유체 상태일 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 고압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기(410); 저장탱크(100)로부터 배출된 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기(200); 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스의 일부를 팽창시키는 제1 감압장치(710); 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스의 다른 일부를 팽창시키는 제2 감압장치(720); 및 다단압축기(200)에 의해 압축되고 자가열교환기(410)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(710)에 의해 팽창되며 일부 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제1 기액분리기(520);를 포함한다.
본 실시예의 자가열교환기(410)는, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(a 흐름)와, 다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스(b 흐름)와, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스(c 흐름)와, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 증발가스(d 흐름)를 열교환시킨다.
즉, 자가열교환기(410)는, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(도 3의 a 흐름); 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스(c 흐름); 및 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 증발가스(d 흐름);을 냉매로 하여, 다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스(b 흐름)를 냉각시킨다. 자가열교환기(410)의 자가(Self-)는 저온의 증발가스 자체를 냉각 유체로 이용하여 고온의 증발가스와 열교환 시킨다는 의미를 가진다.
본 실시예의 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스는 크게 세 가지 방법으로 운용되는데, 임계점 이상의 압력으로 압축되어 고압 엔진의 연료로 사용되거나, 임계점 이하의 비교적 낮은 압력으로 압축되어 발전기로 보내지거나, 고압 엔진 및 발전기가 필요로 하는 양을 충족시킨 후 남은 증발가스는 재액화되어 저장탱크(100)로 돌려 보내진다.
본 실시예에서는, 발전기로 보내기 위하여 팽창시키는 증발가스가, 압력뿐만 아니라 온도도 낮아진다는 점을 이용하여, 제1 감압장치(710)에 의해 팽창된 증발가스를 다시 자가열교환기(410)로 보내 열교환의 냉매로 사용한 후 발전기로 보내는 것이다.
단, 후술하는 바와 같이, 제1 감압장치(710)에 의해 팽창된 증발가스를 바로 자가열교환기(410)로 보내지 않고, 제1 기액분리기(520)에 의해 액화천연가스와 증발가스를 분리한 후 분리된 액화천연가스와 증발가스를 각각 자가열교환기(410)로 보낸다.
본 실시예의 다단압축기(200)는, 저장탱크(100)로부터 배출된 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스(a 흐름)를 다단계로 압축시킨다. 본 실시예의 다단압축기(200)는, 증발가스를 압축시키는 다수개의 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250)와, 다수개의 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250) 후단에 각각 설치되어, 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250)에 의해 압축되어 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 증발가스를 냉각시키는 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는, 다단압축기(200)가 다섯 개의 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250) 및 다섯 개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함하여, 다단압축기(200)를 통과하는 증발가스가 다섯 단계의 압축과정을 거치는 경우를 예를 들어 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 메탄은 대략 -80℃ 이상의 온도 및 대략 50bar 이상의 압력 조건이 되면 초임계유체 상태가 된다. 즉, 메탄의 경우, 대략 -80℃, 50bar 상태가 임계점이 된다. 초임계유체 상태는, 액체 상태나 기체상태와는 다른 제 3의 상태이다. 단, 증발가스 포함하는 질소의 함량에 따라 임계점은 변화될 수 있다.
한편, 임계점 이상의 압력에서 임계점보다 낮은 온도를 갖게 되면 일반적인 액체 상태와는 다른, 밀도가 높은 초임계유체 상태와 유사한 상태가 될 수도 있는데, 임계점 이상의 압력 및 임계점 이하의 온도를 가지는 유체도 포괄하여 초임계유체라고 하는 경우도 있으나, 본 명세서에서는, 임계점이상의 압력 및 임계점 이하의 온도를 가지는 증발가스의 상태를, 이하, "고압액체상태"라고 한다.
도 5를 참조하면, 비교적 저압인 기체 상태(도 5의 X)의 천연가스는, 온도 및 압력을 낮추어도 여전히 기체 상태(도 5의 X')일 수 있으나, 기체의 압력을 높인 후에는(도 5의 Y) 온도 및 압력을 동일하게 낮추어도 일부가 액화되어 기액혼합상태(도 5의 Y')가 될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 천연가스가 자가열교환기(410)를 통과하기 전에 천연가스의 압력을 높일수록 액화 효율이 높아지고, 압력을 충분히 높일 수만 있다면, 이론적으로 100% 액화도 가능함(도 5의 Z→Z')을 알 수 있다.
따라서, 본 실시예의 다단압축기(200)는, 증발가스를 재액화시킬 수 있도록, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 압축시킨다.
본 실시예의 제1 감압장치(710)는, 다단압축기(200)에 의해 다단계의 압축과정을 거친 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스(b 흐름)의 일부를 팽창시켜 제1 기액분리기(520)로 보낸다. 제1 감압장치(710)는, 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있다.
본 실시예의 엔진의 포함하는 선박은, 제1 감압장치(710)를 통과한 유체를 자가열교환기(410)에서 추가적인 열교환의 냉매로 사용하므로, 재액화 효율을 높일 수 있다.
본 실시예의 제1 기액분리기(520)는, 다단압축기(200)에 의해 압축되고 자가열교환기(410)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(710)에 의해 팽창되며 일부 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리한다. 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스(c 흐름)와 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 증발가스(d 흐름)는 각각 자가열교환기(410)로 보내져, 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 자가열교환기(410)로 보내진 증발가스(b 흐름)를 냉각시키는 냉매로 사용된다.
만약 제1 기액분리기(520)를 포함하지 않고, 제1 감압장치(710)에 의해 팽창된 유체를 바로 자가열교환기(410)로 보내 냉매로 사용하면, 기액 혼합 상태의 유체가 자가열교환기(410) 내부로 유입되고, 기액 혼합 상태의 유체가 자가열교환기(410) 내부로 유입되면, 자가열교환기(410) 내부의 유로에 유체가 균일하게 흐르지 못하게 되어, 자가열교환기(410)의 열교환 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 본 실시예는, 제1 기액분리기(520)에 의해 액화천연가스와 증발가스를 분리하여 각각 자가열교환기(410)로 보내, 자가열교환기(410)의 효율 저하 문제를 개선하였다.
본 실시예의 제2 감압장치(720)는, 다단압축기(200)에 의해 다단계의 압축 과정을 거친 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스(b 흐름) 중 제1 감압장치(710)로 보내지지 않은 다른 일부의 증발가스를 팽창시킨다. 제 2 감압장치(720)는, 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있다. 다단압축기(200), 자가열교환기(410) 및 제2 감압장치(720)를 통과한 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 다단압축기(200), 자가열교환기(410) 및 제2 감압장치(720)를 통과하며 일부 재액화된 액화천연가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는, 제2 기액분리기(510)를 더 포함할 수 있다. 제2 기액분리기(510)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(100)로 보내질 수 있고, 제2 기액분리기(510)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(a 흐름)와 합류되어 자가열교환기(410)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 필요시 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스를 차단하는 제1 밸브(610); 및 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 후 자가열교환기(410)에서 냉매로 사용된 액화천연가스(c 흐름)와, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 후 자가열교환기(410)에서 냉매로 사용된 증발가스(d 흐름)가 합류된 흐름이 발전기로 보내지는 라인 상에 설치되어 증발가스의 온도를 높이는 가열기(800); 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 제 1 밸브(610)는 평상시에는 주로 열린 상태로 유지되다가, 저장탱크(100)의 관리 및 보수 작업에 필요할 경우 등에 닫힐 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진을 포함하는 선박이 제2 기액분리기(510)를 포함하는 경우, 본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 제2 기액분리기(510)에 의해 분리되어 자가열교환기(410)로 보내지는 기체상태의 증발가스의 유량을 조절하는 제2 밸브(620)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4에 도시된 저압 엔진을 포함하는 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템은, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우에 비해, 다단압축기(200)에 의해 다단계로 압축된 증발가스의 일부가 엔진으로 보내지는 것이 아니라, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스와 증발가스가 각각 자가열교환기(410)를 통과한 후 합류되어 발전기 및/또는 엔진으로 보내진다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 고압 엔진을 포함하는 선박과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 부분 재액화 시스템이 적용되는 선박이 포함하는 고압 엔진과, 도 4에 도시된 부분 재액화 시스템이 적용되는 선박이 포함하는 저압 엔진의 구별은, 임계점 이상의 압력을 가지는 천연가스를 엔진이 연료로 사용하는지 여부에 따른다. 즉, 임계점 이상 압력의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 고압 엔진이라고 하고, 임계점 미만 압력의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 저압 엔진이라고 한다.
고압 엔진은, 대략 300 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하는 ME-GI엔진일 수 있고, 저압 엔진은 대략 6 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하는 DF엔진일 수 있다. 그 밖에도 본 발명은, 대략 20 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF엔진 등의 중압 엔진을 포함하는 선박에도 응용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 자가열교환기(410), 다단압축기(200), 제1 감압장치(710), 제2 감압장치(720), 및 제1 기액분리기(520)를 포함한다.
본 실시예의 자가열교환기(410)는, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(a 흐름)와, 다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스(b 흐름)와, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스(c 흐름)와, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 증발가스(d 흐름)를 열교환시킨다. 즉, 자가열교환기(410)는, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(도 3의 a 흐름); 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스(c 흐름); 및 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 증발가스(d 흐름);을 냉매로 하여, 다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스(b 흐름)를 냉각시킨다.
본 실시예의 다단압축기(200)는, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 저장탱크(100)로부터 배출된 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스(a 흐름)를 다단계로 압축시킨다. 또한, 본 실시예의 다단압축기(200)는, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 다수개의 압축실린더(210, 220, 230, 240, 250) 및 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 제1 감압장치(710)는, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 다단압축기(200)에 의해 다단계의 압축과정을 거친 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스(b 흐름)의 일부를 팽창시켜 제1 기액분리기(520)로 보낸다. 제1 감압장치(710)는, 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있다.
본 실시예의 제1 기액분리기(520)는, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 다단압축기(200)에 의해 압축되고 자가열교환기(410)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(710)에 의해 팽창되며 일부 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리한다. 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 액화천연가스(c 흐름)와 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 증발가스(d 흐름)는 각각 자가열교환기(410)로 보내져, 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 자가열교환기(410)로 보내진 증발가스(b 흐름)를 냉각시키는 냉매로 사용된다.
본 실시예의 제2 감압장치(720)는, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 다단압축기(200)에 의해 다단계의 압축 과정을 거친 후 자가열교환기(410)를 통과한 증발가스(b 흐름) 중 제1 감압장치(710)로 보내지지 않은 다른 일부의 증발가스를 팽창시킨다. 제 2 감압장치(720)는, 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있다. 다단압축기(200), 자가열교환기(410) 및 제2 감압장치(720)를 통과한 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 다단압축기(200), 자가열교환기(410) 및 제2 감압장치(720)를 통과하며 일부 재액화된 액화천연가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는, 제2 기액분리기(510)를 더 포함할 수 있다. 제2 기액분리기(510)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(100)로 보내질 수 있고, 제2 기액분리기(510)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(a 흐름)와 합류되어 자가열교환기(410)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 필요시 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스를 차단하는 제1 밸브(610); 및 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 후 자가열교환기(410)에서 냉매로 사용된 액화천연가스(c 흐름)와, 제1 기액분리기(520)에 의해 분리된 후 자가열교환기(410)에서 냉매로 사용된 증발가스(d 흐름)가 합류된 흐름이 발전기로 보내지는 라인 상에 설치되어 증발가스의 온도를 높이는 가열기(800); 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진을 포함하는 선박이 제2 기액분리기(510)를 포함하는 경우, 도 3에 도시된 고압 엔진을 포함하는 경우와 마찬가지로, 본 실시예의 엔진을 포함하는 선박은, 제2 기액분리기(510)에 의해 분리되어 자가열교환기(410)로 보내지는 기체상태의 증발가스의 유량을 조절하는 제2 밸브(620)를 더 포함할 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.
100 : 저장탱크 200, 201, 202 : 다단압축기
210, 220, 230, 240, 250 : 압축실린더
310, 320, 330, 340, 350 : 냉각기
410 : 자가열교환기 510, 520 : 기액분리기
610, 620, 630 : 밸브 710, 720 : 감압장치
800 : 가열기

Claims (12)

  1. 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기;
    상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기;
    상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 일부를 팽창시키는 제1 감압장치;
    상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 다른 일부를 팽창시키는 제2 감압장치; 및
    상기 다단압축기에 의해 압축되고 상기 자가열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창되며 일부 재액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제1 기액분리기;를 포함하고,
    상기 자가열교환기는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키고,
    상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기를 통과한 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스는, 합류되어 발전기 및 저압 엔진 중 하나 이상으로 보내지는, 엔진을 포함하는 선박.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 감압장치를 통과한 기액혼합상태의 증발가스는 상기 저장탱크로 보내지는, 엔진을 포함하는 선박.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 감압장치 후단에 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리하는 제2 기액분리기를 더 포함하고,
    상기 제2 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내지고,
    상기 제2 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 자가열교환기로 보내지는, 엔진을 포함하는 선박.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다단압축기를 통과한 증발가스의 일부는 고압 엔진으로 보내지는, 엔진을 포함하는 선박.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기에서 냉매로 사용된 액화천연가스와, 상기 제1 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 자가열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스가 합류된 흐름이 발전기로 보내지는 라인 상에 설치되는 가열기를 더 포함하는, 엔진을 포함하는 선박.
  8. 1) 저장탱크로부터 배출된 증발가스(이하, 'a 흐름'이라고 함.)를 다단계로 압축시키고,
    2) 상기 다단계로 압축한 증발가스(이하, 'b 흐름'이라고 함.)를 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스(a 흐름), '제1 냉매' 및 '제2 냉매'와 열교환시키고,
    3) 열교환된 증발가스(b 흐름)를 두 흐름으로 분기시키고,
    4) 상기 3)단계에서 둘로 분기된 흐름 중 한 흐름의 증발가스를 팽창시키고,
    5) 상기 4)단계에서 팽창된 증발가스를 기액분리하고,
    6) 상기 5)단계에서 분리된 액화천연가스(이하, 'c 흐름'이라고 함.)를, 상기 2)단계에서 상기 b 흐름과 열교환되는 상기 '제1 냉매'로 사용하고,
    7) 상기 5)단계에서 분리된 증발가스(이하, 'd 흐름'이라고 함.)를, 상기 2)단계에서 상기 b 흐름과 열교환되는 상기 '제2 냉매'로 사용하고,
    8) 상기 3)단계에서 둘로 분기된 흐름 중 다른 한 흐름을 팽창시키고,
    상기 6)단계에서 상기 '제1 냉매'로 사용된 상기 c 흐름과, 상기 7)단계에서 상기 '제2 냉매'로 사용된 상기 d 흐름을 합류시켜, 발전기 및 저압 엔진 중 하나 이상으로 보내는, 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 1)단계에서 다단계로 압축된 증발가스의 일부를 고압 엔진으로 보내는, 방법.
  12. 청구항 8 또는 청구항 11에 있어서,
    9) 상기 8)단계에서 팽창된 후 일부 액화된 증발가스를, 액화천연가스와 기체상태의 증발가스로 분리하고,
    10) 상기 9)단계에서 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내고, 상기 9)단계에서 분리된 기체상태의 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류시켜 상기 2)단계에서의 열교환의 냉매로 사용하는, 방법.
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