KR101884760B1

KR101884760B1 - 증발가스 재액화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101884760B1
Application number: KR1020170009144A
Authority: KR
Inventors: 김원석; 이승철; 김선진; 장윤아
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2018-08-02
Also published as: KR20180085517A

Abstract

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 저온의 액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스의 재액화 시스템에 있어서, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 재액화 라인; 상기 재액화 라인에 마련되며 상기 증발가스를 압축시키는 다단 압축부; 및 상기 다단 압축부 후단에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되며 분기된 증발가스를 상기 재액화 라인을 따라 흐르는 증발가스를 냉각시키는 냉매로 활용하는 냉매 라인;을 포함하고, 상기 냉매 라인으로 분기된 압축 증발가스를 상기 다단 압축부로 공급되는 증발가스의 냉열을 회수하여 냉각시키는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저를 통과하여 상기 냉매 라인을 따라 흐르는 증발가스 냉매와 상기 재액화 라인을 따라 흐르는 압축 증발가스를 열교환시켜 상기 압축 증발가스를 냉각시키는 제1 중간 냉각기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 방법 {Boil-Off Gas Re-liquefaction System and Method}

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 저온의 액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 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.

한편, 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas)는, 일반적으로 프로판가스(Liquefide Propane Gas)라고도 하며, 석유 채굴시 유전에서 원유와 함께 분출하는 가스를, -200℃에서 냉각시키거나 상온에서 대략 7 내지 10기압으로 압축하여 액화시킨 연료이다.

석유가스의 주성분은 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌 등이며, 7 내지 10 기압하에서 프로판을 약 15℃ 하에서 액화시키면 부피가 대략 1/260으로 줄어들고, 부탄을 약 15℃ 하에서 액화시키면 부피가 대략 1/230으로 줄어들므로, 저장 및 운송의 편의를 위해 석유가스도 천연가스와 마찬가지로 액화시켜 이용되고 있다.

액화천연가스, 액화석유가스 등의 액화가스는 저장탱크에 보관되어 육상 수요처로 공급되는데, 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단하는 데에는 한계가 있고, 저장탱크 내부로 전달되는 열에 의해 액화가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.

증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 압력 이상이 되면, 증발가스는 저장탱크의 외부로 배출되어 선박의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내지며, 따라서 액화가스 운반선에는 액화가스 화물로부터 발생하는 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 돌려보내는 재액화 시스템이 마련된다.

액화석유가스 운반선(LPGC; Liquefied Petroleum Gas Carrier)에 화물로 적재되는 액화가스 화물은 프로판 등을 주성분으로 하며, 액화석유가스는 액화천연가스에 비하여 비교적 분자량이 큰 성분을 많이 포함하고 있으므로, 액화 및 기화가 액화천연가스보다 용이하다. 액화석유가스 운반선은 액화온도가 1기압 하에서 약 -30℃ 이상인 액화가스 화물을 이송하고 있고, 액화석유가스 운반선에는 액화온도가 약 -30℃ 이상인 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 재액화 시스템이 마련된다.

한편, 액화에탄가스 운반선(LEGC; Liquefied Ethane Gas Carrier)에 화물로 적재되는 액화가스 화물은 액화석유가스 운반선에 화물로 적재되는 액화가스 화물보다 저온의 액화온도를 가지며, 이와 같이, 증발가스 중 에탄, 에틸렌 등을 주성분으로 포함하는 비등점이 낮은 증발가스(이하, '에탄 증발가스'라고 한다.)를 재액화시키기 위해서는 에탄 증발가스를 대략 -100℃ 이하로 냉각시켜야 하므로, 대략 -30℃의 액화점을 가지는 액화석유가스 증발가스를 재액화시키는 경우보다 냉열이 추가적으로 더 필요하다.

따라서, 추가적인 냉열을 공급하기 위한 별도의 독립적인 냉열 공급 사이클(Cycle)을 액화석유가스 재액화 공정에 추가하여 에탄 재액화 공정으로 사용하고 있다. 냉열 공급 사이클로는 일반적으로 프로판 냉동사이클이 이용된다.

한편, 액화석유가스 운반선에서는, 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축시킨 후, 해수와 열교환시켜 냉각시키고, 냉각시킨 압축 증발가스의 일부를 팽창시켜, 팽창시키지 않은 압축 증발가스의 냉매로 활용함으로써 증발가스를 재액화시키는 방법 또한 제안된 바 있으나, 비등점이 낮은 에탄 증발가스의 경우에는 액화석유가스 운반선의 증발가스 재액화 시스템에 프로판 냉동사이클과 같이 별도의 독립적인 냉열 공급 사이클이 동반되지 않는 한 증발가스의 재액화가 이루어지지 않았다.

그러나, 액화에탄가스와 같은 저온의 액화점을 갖는 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스, 특히 비등점이 낮은 에탄 증발가스를 재액화시키기 위하여 별도의 독립적인 냉열 공급 사이클을 추가하게 되면, 추가 사이클에 필요한 장치를 설치하기 위한 공간과 설치 비용(CAPEX) 및 에너지 소모 등 운영 비용(OPEX)이 매우 커진다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 독립적인 냉열 공급 사이클을 추가하지 않고도 비등점이 낮은 액화가스에서 발생하는 증발가스를 재액화시킬 수 있는 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스의 재액화 시스템에 있어서, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 재액화 라인; 상기 재액화 라인에 마련되며 증발가스를 압축시키는 다단 압축부; 및 상기 다단 압축부 후단에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되며 분기된 증발가스를 상기 재액화 라인을 따라 흐르는 증발가스를 냉각시키는 냉매로 활용하는 냉매 라인;을 포함하고, 상기 냉매 라인으로 분기된 압축 증발가스를 상기 다단 압축부로 공급되는 증발가스의 냉열을 회수하여 냉각시키는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저를 통과하여 상기 냉매 라인을 따라 흐르는 증발가스 냉매와 상기 재액화 라인을 따라 흐르는 압축 증발가스를 열교환시켜 상기 압축 증발가스를 냉각시키는 제1 중간 냉각기;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 다단 압축부에서 압축된 증발가스를 응축시키는 애프터 쿨러;를 더 포함하여, 상기 냉매 라인은 상기 애프터 쿨러 후단에서 분기될 수 있다.

바람직하게는, 상기 이코노마이저에서 냉각된 증발가스 냉매를 팽창시키는 제1 팽창 수단;을 더 포함하고, 상기 제1 중간 냉각기에서는 상기 제1 팽창 수단에서 팽창에 의해 냉각된 증발가스 냉매를 이용하여 상기 재액화 라인을 따라 흐르는 압축 증발가스를 과냉각시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 팽창 수단과 상기 다단 압축부를 연결하는 제1 흐름 라인;을 더 포함하여, 상기 제1 팽창 수단 및 제1 중간 냉각기를 통과한 증발가스 냉매를 상기 다단 압축부의 중간단으로 합류시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 중간 냉각기에서 냉각된 증발가스를 추가 냉각시키는 제2 중간 냉각기; 및 상기 제1 중간 냉각기에서 냉각된 증발가스 중 적어도 일부를 분기시켜 팽창시키는 제2 팽창 수단;을 더 포함하여, 상기 제2 팽창 수단에서 팽창에 의해 냉각된 증발가스를 상기 제2 중간 냉각기의 냉매로 이용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 팽창 수단과 상기 다단 압축부를 연결하는 제3 흐름 라인;을 더 포함하여, 상기 제2 팽창 수단 및 제2 중간 냉각기를 통과한 증발가스 냉매를 상기 다단 압축부의 중간단으로 합류시키되, 상기 제3 흐름 라인이 상기 다단 압축부와 연결되는 지점은 상기 제1 흐름 라인이 상기 다단 압축부와 연결되는 지점보다 상류에 위치할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 중간 냉각기에서 냉각된 증발가스를 수용하고, 수용된 유체의 배출을 제어하여 상기 다단 압축부 후단 압력을 제어하는 리시버;를 더 포함하고, 상기 리시버로부터 배출된 액체를 상기 제2 팽창 수단 및 제2 중간 냉각기로 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 이코노마이저를 통과하여 상기 냉매 라인을 따라 흐르는 유체의 증기 분율(Vapor Fraction)은 0일 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스의 재액화 방법에 있어서, 증발가스(a 흐름)를 압축시키고, 상기 압축 증발가스의 적어도 일부를 제1 흐름으로 분기시키고, 상기 제1 흐름과 a 흐름을 열교환시켜 상기 제1 흐름을 냉각시키고, 상기 냉각된 제1 흐름을 팽창시키고, 상기 제1 흐름을 분기시키고 남은 제2 흐름을 상기 팽창에 의해 냉각된 제1 흐름과 열교환시켜 액체 상태로 회수하는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 압축 증발가스의 적어도 일부를 응축시키고, 상기 적어도 일부가 응축된 증발가스를 상기 제1 및 제2 흐름으로 분기시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 압축 증발가스는 해수와 열교환시켜 응축시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 흐름과 열교환시킨 후의 제1 흐름은 상기 압축시키는 a 흐름에 합류시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 흐름에 의해 냉각된 제2 흐름을 제3 및 제4 흐름으로 분기시키고, 제3 흐름을 팽창시키고, 제4 흐름을 상기 팽창에 의해 냉각된 제3 흐름과 열교환시켜 액체 상태로 회수할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제4 흐름과 열교환시킨 후의 제3 흐름은 상기 압축시키는 a 흐름에 합류시키되, 상기 제4 흐름과 열교환시킨 후의 제3 흐름은, 상기 제2 흐름과 열교환시킨 후의 제1 흐름보다 상류로 합류시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 흐름과 열교환시킨 후의 제2 흐름을 리시버로 공급하고, 리시버로부터 기체를 배출시켜 상기 압축 증발가스가 상기 리시버로 공급되기까지의 압력을 제어하되, 상기 리시버로부터 액체를 배출시켜 상기 제3 및 제4 흐름으로 분기시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제4 흐름은 액체 상태이며, 액화가스 저장탱크로 회수할 수 있다.

바람직하게는, 상기 a 흐름과 열교환시킨 후의 제1 흐름은 증기 분율(Vapor Fraction)이 0일 수 있다.

본 발명의 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 의하면, 별도의 독립적인 냉열 공급 사이클을 설치할 필요가 없으므로 설치 비용을 절감할 수 있고, 에탄 등의 증발가스를 자가열교환시키는 방법으로 재액화시키므로, 추가적인 냉열 공급 사이클 없이도 종래의 재액화 장치와 동등한 재액화 효율을 달성할 수 있다.

또한, 냉열 공급 사이클을 설치할 필요가 없어, 설치해야 하는 장비 수가 감소하고, 특히 냉열 공급 사이클의 압축기를 삭제할 수 있으므로 냉열 공급 사이클의 구동에 소요되는 전력을 절감할 수 있으며 재액화 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉매로 공급할 증발가스를 팽창시킬 양을 최적화할 수 있으므로 냉매로 공급하고 다단 압축부로 합류시키는 증발가스의 유량이 감소하고, 따라서 다단 압축부의 동력 및 전력을 절감시킬 수 있다.

또한, 압축 증발가스를 분기시켜 냉매로 활용함으로써 이코노마이저 및 중간 냉각기의 장비 사이즈를 감소시킬 수 있고 장치비를 절감할 수 있으며 더 낮은 온도의 냉매를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

본 발명의 증발가스 재액화 시스템 및 방법은 액화가스 화물창이 설치되는 선박 및 육상에서 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 특히 저온 액체화물 또는 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박과 해양 구조물, 즉 액화가스 운반선, 액화에탄가스(LEG; Liquefied Ethane Gas) 운반선과 같은 선박을 비롯하여, FPSO, FSRU와 같은 해상 구조물에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 설명에서 '흐름'이라는 용어는 라인을 따라 흐르는 유체, 즉 증발가스를 의미하며 각 라인에서 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.

또한, 후술할 선박에 탑재된 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는, 1기압에서 -110℃ 이상의 비등점을 가질 수 있고, 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는, 액화에탄가스(LEG) 또는 액화석유가스(LPG)일 수 있다. 또한, 액화가스 또는 액화가스로부터 발생하는 증발가스는 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 중탄화수소 등을 포함하는 군에서 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수도 있다.

또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 액화에탄가스 운반선에서 증발가스를 재액화시키는 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 이하 후술할 실시예에서 증발가스는 에틸렌을 포함하는 단일 성분 또는 혼합 성분일 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스의 재액화 시스템에 있어서, 액화가스 운반선에 탑재된 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스(이하, 'a 흐름'이라 함.)를 재액화시켜 저장탱크(10)로 회수하는 재액화 라인, 재액화 라인에 마련되며 증발가스, 즉 a 흐름을 압축시키는 다단 압축부(20), 다단 압축부(20)로 공급되는 a 흐름으로부터 냉열을 회수하는 이코노마이저(Economizer)(30) 및 다단 압축부(20)에서 압축된 압축 증발가스를 냉각시키는 제1 중간 냉각기(41)를 포함한다.

또한, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은 다단 압축부(20)에서 압축된 압축 증발가스를 제1 흐름(b1) 및 제2 흐름(b2)으로 분기시키고, 재액화 라인으로부터 분기되어 제1 흐름(b1)의 경로를 제공하는 냉매 라인을 더 포함하며, 제2 흐름(b2)은 재액화 라인을 따라 액체 상태로 저장탱크(10)로 회수되고, 제1 흐름(b1) 냉매 라인을 따라 제2 흐름(b2)을 냉각시키는 냉매로써 활용된다.

본 실시예에서 재액화 라인은 a 흐름, 제2 흐름(b2) 및 후술할 제4 흐름(c2)의 경로를 제공하며 도 1에서는 굵은 실선으로 표시하였고, 냉매 라인은 재액화 라인으로부터 분기되며 제1 흐름(b1) 및 후술할 제3 흐름(c1)의 경로를 제공하고, 후술할 제1 흐름 라인(BL) 및 제3 흐름 라인(CL)을 포함하며 도 1에서는 실선으로 표시하였다.

본 실시예에서, 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스는 냉열 회수, 압축, 응축, 과냉각 등에 의해 액화되어 저장탱크(10)로 회수될 수 있는데, 재액화 라인은 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스가 이러한 공정을 거치도록 유로를 제공하며, 다단 압축부(30)와 후술할 제1 중간 냉각기(41), 리시버(90) 및 제2 중간 냉각기(42) 등이 마련된다.

본 실시예의 저장탱크(10)는 증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크(10)의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, 안전밸브(미도시)를 통하여 저장탱크(10)의 외부로 증발가스가 배출된다. 저장탱크(10) 외부로 배출된 증발가스는 본 실시예의 재액화 시스템에 의해 재액화되어 다시 저장탱크(10)로 돌려보내진다.

본 실시예의 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스는 선박 내 엔진 등의 연료로는 사용되지 않고, 본 실시예에 따른 재액화 장치에 의해 액화되며, 전부가 액체상태로 또는 일부의 기체상태를 포함하여 저장탱크(10)로 전부 회수되거나 적어도 일부는 재액화 시스템을 순환할 수 있다.

본 실시예의 다단 압축부(20)는 다수개의 압축기(20a, 20b, 20c, 20d)를 포함하여 증발가스를 다단(multistage)으로 압축시키며, 본 명세서에서는 다단 압축부(20)가 도 1에 도시한 바와 같이 제1 압축기(20a), 제2 압축기(20b), 제3 압축기(20c) 및 제4 압축기(20d)를 포함하는 4단 압축기(20)로 마련되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 본 실시예에서는 네 개의 압축기(20a, 20b, 20c, 20d)를 포함하여, 네 단계의 압축과정을 거치는 것을 예를 들어 설명하였으나, 압축기의 개수 또는 압축과정의 단계수가 한정되는 것은 아니다.

다단 압축부(20)에는 다수개의 압축기와 압축기 사이에 각 압축기를 통과하면서 압력뿐만 아니라 온도가 올라간 증발가스의 온도를 낮추는 다수개의 냉각기(21a, 21b, 21c)가 마련된다. 예를 들어 제1 압축기(20a)와 제2 압축기(20b) 사이에는 제1 압축기(20a)를 통과하면서 압력뿐만 아니라 온도가 올라간 증발가스의 온도를 낮추는 제1 냉각기(21a)가 마련된다.

또한, 다단 압축부(20)의 최후단 압축기, 예를 들어 본 실시예의 제4 압축기(20d) 후단에는 다단 압축부(20)에서 압축된 증발가스를 냉각, 바람직하게는 응축시키는 것을 목적으로 하는 애프터 쿨러(21d)가 마련된다.

본 실시예에서, 다단 압축부(20)의 최후단 압축기, 즉 제4 압축기(20d)에서 압축되어 배출된 증발가스의 압력은 40 내지 100bara일 수 있고, 온도는 80 내지 130℃일 수 있다. 본 실시예에서는 제4 압축기(20d)로부터 토출된 약 81.51bara의 에틸렌 증발가스가 애프터 쿨러(21d)로 공급되어 냉각되는 것을 예로 들기로 한다.

애프터 쿨러(21d)에서 증발가스를 냉각시키는 냉매는 해수 또는 청수일 수 있으며, 또는 증발가스 자체, 예를 들어 저장탱크에(10)에서 발생하여 이코노마이저(30)로 공급되는 증발가스, 즉 a 흐름을 냉매로 활용할 수도 있으나, 본 실시예에서는 해수, 바람직하게는 약 30 내지 40℃, 더욱 바람직하게는 약 32℃의 해수를 냉매로 하여 압축 증발가스를 냉각시키고 적어도 일부의 증발가스가 응축될 수 있다.

본 실시예에서 냉매 라인은 애프터 쿨러(21d) 후단에서 재액화 라인으로부터 분기되는데, 즉, 애프터 쿨러(21d)에서 냉각 또는 적어도 일부가 응축된 압축 증발가스는 재액화 라인 상의 분기점에서 제1 흐름(b1)으로 적어도 일부가 분기되고, 제1 흐름(b1)을 분기시키고 남은 나머지 압축 증발가스, 즉 제2 흐름(b2)은 재액화 라인을 따라 후단 공정을 거치게 된다.

본 실시예의 이코노마이저(30)에서는, 재액화 라인으로부터 분기된 압축 증발가스, 즉 제1 흐름(b1)과 저장탱크(10)에서 발생하여 다단 압축부(20)로 공급되는 증발가스, 즉 a 흐름이 열교환하고, a 흐름의 냉열을 회수하여 제1 흐름(b1)이 냉각된다.

본 실시예에 따르면, 에틸렌 증발가스, 또는 증발가스에 포함된 에틸렌 성분은 다단 압축부(20), 애프터 쿨러(21d) 및 이코노마이저(30)를 통과하면서 전부가 액화되고, 따라서 이코노마이저(30)를 통과한 제1 흐름(b1)의 증기 분율(Vapor Fraction)은 0이다.

에틸렌(Ethylene)은 본 실시예에서 제4 압축기(20d)의 토출 압력, 즉 81.51bara의 압력 조건에서, 약 21.94℃의 액화 온도를 가지므로, 본 실시예에 따르면, 에틸렌 증발가스, 또는 증발가스에 포함된 에틸렌 성분이 다단 압축부(20)에서 81.51bara의 압력으로 토출되어 애프터 쿨러(21d)에서 약 32℃의 해수와 열교환하고, 이코노마이저(30)에서 저장탱크(10)로부터 발생한 약 -80℃의 증발가스, 즉 a 흐름과 열교환하면서 전량이 액화될 수 있다.

한편, 저장탱크(10)로부터 배출된 저온의 증발가스, 즉 a 흐름은 이코노마이저(30)에서 냉매 라인을 따라 흐르는 제1 흐름(b1)의 온도를 낮춤으로써 가열되어 다단 압축부(20)로 도입된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 이코노마이저(30)를 통과시키면서 a 흐름의 냉열을 회수한 후 다단 압축부(20)로 공급함으로써, 다단 압축부(20)의 다수개의 압축기를 고가의 극저온용으로 마련하지 않아도 된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 이코노마이저(30)와 다단 압축부(20) 사이에는 이코노마이저(30)를 통과하여 다단 압축부(20)로 공급되는 a 흐름 중에 포함될 수 있는 액적이나 미스트와 같은 액체 성분을 분리해내고 기체 성분만이 다단 압축부(20)로 공급될 수 있도록 하는 녹아웃 드럼(Knock-Out Drum)(15)이 더 마련될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 녹아웃 드럼(15)에 의해 다단 압축부(20)로 기체 성분만을 공급할 수 있어 압축시킬 유체 중에 포함될 수 있는 액체 성분에 의해 다단 압축부(20)의 압축기가 손상되는 일을 방지할 수 있다.

또한, 도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 재액화 라인을 따라 흐르며 제1 흐름(b1)을 분기시키고 남은 나머지 압축 증발가스, 즉 제2 흐름(b2)을 과냉각시키는 제1 중간 냉각기(41)와 이코노마이저(30)에서 냉각된 제1 흐름(b1)을 팽창시키는 제1 팽창 수단(71)을 더 포함한다.

본 실시예에서, 제1 중간 냉각기(41)에서는 다단 압축부(20)에서 압축되고 애프터 쿨러(21d)에서 적어도 일부가 응축된 압축 증발가스 중, 분기된 일부 증발가스가 이코노마이저(30)에서 1차 냉각된 후 제1 팽창 수단(71)에서 팽창에 의해 2차 냉각된 제1 흐름(b1)과, 다단 압축부(20) 및 애프터 쿨러(21d)를 통과한 후 일부 압축 증발가스를 분기시키고 남은 나머지 증발가스 즉, 제2 흐름(b2)이 열교환하고, 제1 팽창 수단(71)에서 팽창된 제1 흐름(b1)에 의해 제2 흐름(b2)이 과냉각된다. 증발가스의 물성에 따라 다르지만, 본 실시예에 따르면, 제1 중간 냉각기(41)에서 재액화 라인을 따라 배출되는 제2 흐름(b2)은 전량이 액체 상태로써, 바람직하게는 과냉각 액체일 수 있다.

도 1을 참조하면, 제1 중간 냉각기(41)에서 제2 흐름(b2)을 과냉각시키고 배출되는 제1 흐름(b1)은 제1 중간 냉각기(41)와 다단 압축부(20)를 연결하는 제1 흐름 라인(BL)을 따라 다단 압축부(20)의 중간단, 즉 다수개의 압축기(20a, 20b, 20c, 20d) 중 어느 하나의 압축기 하류로 공급되어 저장탱크(10)로부터 발생하고 다단 압축기(20)에서 압축되는 증발가스, 즉 a 흐름에 합류된다.

제1 중간 냉각기(41)을 통과한 제1 흐름(b1)은 다단 압축부(20)의 다수개의 압축기(20a, 20b, 20c, 20d)의 하류 중, 제1 중간 냉각기(41)을 통과한 제1 흐름(b1)의 압력과 가장 유사한 압력 범위에 해당되는 압축기의 하류로 공급되어 다단 압축부(20)에서 압축되는 증발가스 스트림, 즉 재액화 라인에 합류된다. 도 1에서는, 제1 중간 냉각기(41)를 통과한 제1 흐름(b1)이 제2 압축기(20b) 하류에 합류되도록 도시하였으나 이에 한정하는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 재액화 라인 상에 마련되며, 제1 중간 냉각기(41)에서 냉각된 제2 흐름(b2)을 수용하는 리시버(90)가 더 마련될 수 있다.

본 실시예에서 리시버(90)는 압력용기(vessel)로써, 리시버(90)의 내압이 설정 압력 이상으로 상승하게 되면, 리시버(90) 내부의 유체 중 기체 성분 및 플래시 가스를 외부로 배출시키거나 또는 리시버(90)에 수용된 액체의 수위가 일정 레벨 이상으로 상승하게 되면 리시버(90) 내부의 유체 중 액체 성분을 배출시켜 레벨을 제어할 수 있다.

예를 들어, 리시버(90)의 레벨을 측정하여, 레벨 측정값이 설정값 이상이면, 리시버(90)로부터 액체, 즉 제1 중간 냉각기(41)에서 과냉각된 액체 상태의 증발가스가 재액화 라인을 따라 배출되도록 하고, 배출된 액체는 후술할 제2 중간 냉각기(42)에서 추가 과냉각되어 액체 상태로 저장탱크(10)로 회수될 수 있다.

본 실시예에서는, 리시버(90)로부터 재액화 라인을 따라 배출된 액체상태의 증발가스를 제3 흐름(c1) 및 제4 흐름(c2)으로 분기시키고, 분기된 제3 흐름(c1)을 팽창시키는 제2 팽창 수단(72)과, 제3 흐름(c1)을 분기시키고 남은 제4 흐름(c2)을 제2 팽창 수단(72)에서 팽창에 의해 냉각된 제3 흐름(c1)을 냉매로하여 과냉각시키는 제2 중간 냉각기(42)를 더 포함할 수 있다.

제2 중간 냉각기(41)에서 제4 흐름(c2)을 과냉각시키고 배출되는 제3 흐름(c1)은 제2 중간 냉각기(42)와 다단 압축부(20)를 연결하는 제3 흐름 라인(CL)을 따라 다단 압축부(20)의 중간단, 즉 다수개의 압축기(20a, 20b, 20c, 20d) 중 어느 하나의 압축기 하류로 공급되어 저장탱크(10)로부터 발생하고 다단 압축기(20)에서 압축되는 증발가스, 즉 a 흐름에 합류된다.

제2 중간 냉각기(42)를 통과한 제3 흐름(c1)은 다단 압축부(20)의 다수개의 압축기(20a, 20b, 20c, 20d)의 하류 중, 제2 중간 냉각기(42)을 통과한 제3 흐름(c1)의 압력과 가장 유사한 압력 범위에 해당되는 압축기의 하류로 공급된다. 도 1에서는 제2 중간 냉각기(42)를 통과한 제3 흐름(c1)이 제1 압축기(20a) 하류에 합류되도록 도시하였으나 이에 한정하는 것은 아니다.

단, 제2 중간 냉각기(42)로부터 배출되는 제3 흐름(c1)은 제1 중간 냉각기(41)에서 배출되는 제1 흐름(b1)이 공급되는 압축기보다 더 전단의 압축기 하류로 공급된다.

또한, 제2 중간 냉각기(42)에서 열교환 후 배출되는 제4 흐름(c2)은 도 1에 도시한 바와 같이, 재액화 라인을 통해 액체상태로써 저장탱크(10)로 회수된다.

제2 중간 냉각기(42) 후단에는 제2 중간 냉각기(42)를 통과한 제4 흐름(c2)을 팽창시키는 제3 팽창 수단(미도시)이 더 마련될 수 있으며, 제3 팽창 수단(미도시)을 통과한 유체는 팽창에 의해 압력 및 온도가 낮아진 채로 저장탱크(10)로 공급될 수 있다.

상술한 제1 팽창 수단(71), 제2 팽창 수단(72) 및 제3 팽창 수단(미도시)은 팽창밸브, 줄-톰슨 밸브 또는 팽창기일 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 다단 압축부(20)에서 압축되고, 애프터 쿨러(21d)에서 냉각된 증발가스를 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)과 재액화시킬 제2 흐름(b2)으로 분기시켜, 이코노마이저(30)에서 a 흐름을 냉매로 하여 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)만을 냉각시키고, 재액화시킬 제2 흐름(b2)은 이코노마이저(30)를 통과하지 않고 제1 중간 냉각기(41)에서 제1 흐름(b1)에 의해 과냉각시키고, 제2 중간 냉각기(42)에서 제3 흐름(c1)에 의해 추가 과냉각시킴으로써, 냉동 사이클을 추가하지 않고도 저온의 증발가스를 전량 액화시킬 수 있다.

또한, 본 발명과 같이 다단 압축부(20) 및 애프터 쿨러(21d)를 통과한 압축 증발가스를 제1 흐름(b1) 및 제2 흐름(b2)으로 분기시켜 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)만을 이코노마이저(30)에서 추가 냉각시킨다면, 압축 증발가스를 제1 흐름(b1) 및 제2 흐름(b2)으로 분기시키지 않고 모두 이코노마이저(30)를 통과시키는 경우보다 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)의 온도를 더 낮출 수 있다.

예를 들어, 에탄 및 에틸렌을 포함하는 증발가스를 재액화시키기 위해 증발가스를 다단 압축부(20)에서 약 81.51bara로 압축하고 압축 증발가스 전부를 이코노마이저(30)에서 냉각시키는 경우, 이코노마이저(30)에서 냉각된 압축 증발가스의 온도는 약 29.5℃이며, 이때 증기 분율은 1이다. 반면, 본 실시예와 같이, 다단 압축부(20)에서 약 81.51bara로 압축한 압축 증발가스 중 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)을 분기시켜 제1 흐름(b1)만을 이코노마이저(30)에서 증발가스의 냉열을 회수하여 추가 냉각시키는 경우, 이코노마이저(30)에서 냉각되어 제1 팽창 수단(71)으로 공급되는 제1 흐름(b1)의 온도는 약 19.54℃까지 냉각시킬 수 있고 이때 증기 분율은 0이다.

또한, 이와 같이 제1 팽창 수단(71)에서 증기 분율이 0, 즉 액체 상태의 증발가스가 팽창되면, 기체 상태의 증발가스를 팽창시킬 때와 비교하여 더 많은 열을 제거할 수 있어 제1 팽창 수단(71)에서 팽창시킬 유량이 감소하게 된다.

또한, 제1 중간 냉각기(41)에서 냉매로 공급할 제1 흐름(b1)의 온도를 상술한 바와 같이 더 낮출 수 있으므로, 팽창 후 회수되는 냉매 흐름, 즉, 제1 흐름 라인(BL) 및 제2 흐름 라인(CL)을 따라 다단 압축부(20)로 합류되는 증발가스 냉매의 유량을 감소시킬 수 있어, 증발가스를 재액화시키기 위해 동일한 냉각 열량(Cooling Capacity)가 필요하다는 전제하에, 다단 압축부(20)의 소요 동력(Shaft Power)을 낮출 수 있고, 그에 따라 성능계수를 향상시킬 수 있다.

성능계수(COP; Coefficient Of Performance)는, 냉동효과와 압축일의 비로써 유체의 냉각 시스템의 효율을 나타내는데, 성능계수는 냉동효과를 크게 하거나 압축일을 작게 할수록 향상된다.

즉, 본 실시예에 따르면 다단 압축부(20)의 압축일, 즉 소요 동력을 낮춤으로써 COP를 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 에탄 및 에틸렌을 포함하는 증발가스를 액화시키기 위한 냉각 열량이 241.3kW일 때, 압축 증발가스를 분기시키지 않고 전량을 이코노마이저(30)에서 냉각시켜 액화시키는 경우 다단 압축부(20)의 소요 동력은 약 492.1kW이고, COP는 약 0.490이다. 반면, 본 실시예와 같이 압축 증발가스 중 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)만을 이코노마이저(30)에서 추가 냉각시켜 나머지 제2 흐름(b2)을 액화시키는 경우 다단 압축부(20)의 소요 동력은 약 481.6kW이고, COP는 약 0.501이며, 따라서, 본 실시예에 따르면, 다단 압축부(20)의 소요 동력은 약 2.1% 감소시킬 수 있고, COP는 약 1.1% 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 리시버(90)로부터 증발가스를 배출시켜 저장탱크(10)로 회수하는 압력 제어라인(미도시)이 마련될 수 있고, 리시버(90)의 내압을 측정하여 설정값 이상인 경우 리시버(90) 내의 플래시 가스 등 기체를 배출시킴으로써 다단 압축부(20) 후단으로부터 리시버(90) 전단 압력을 제어할 수 있다.

재액화 시스템의 성능계수는 재액화 시스템의 유체 라인을 따라 흐르는 유체의 압력에 따라서도 달라질 수 있는데, 따라서 성능계수가 최적의 값을 갖는 압력 범위가 존재하게 되고, 본 실시예에서는 다단 압축부(20) 후단으로부터 제1 중간 냉각기(41) 및 리시버(90)로 연결되는 라인을 흐르는 유체가 성능계수가 최적의 값을 갖는 압력을 유지하도록 제어함으로써 재액화 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 리시버(90)의 내압 설정값이 80bara인 경우, 리시버(90)의 내압이 80bara 미만이면, 압력 제어라인은 폐쇄되어 있도록 하고, 리시버(90) 내압이 80bara 이상이 되면 압력 제어라인을 개방하여 기체를 배출시키도록 한다. 압력 제어라인이 폐쇄되어 있으면, 다단 압축부(20) 후단으로부터 리시버(90)까지의 재액화 라인 역시 80bara 내외 수준을 유지하게 되고, 리시버(90)의 내압이 80bara를 넘어가게 되면, 그만큼 리시버(90) 전단, 즉 다단 압축부(20)로부터 리시버(90)까지의 압력 또한 설정범위를 유지할 수 없게 되므로, 압력 제어라인을 개방하여, 다단 압축부(20) 후단으로부터 리시버(90)까지 재액화 라인의 압력이 설정 범위 수준을 유지하도록 하는 것이다.

리시버(90)로부터 배출되는 기체는 저장탱크(10)로 공급할 수 있고, 또는 외부로 배출시킬 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 다단 압축부(20)에서 압축한 압축 증발가스 중 제1 중간 냉각기(41)에서 냉매로 사용할 제1 흐름(b1)을 분기시켜 제1 흐름(b1)만을 이코노마이저(30)에 의해 추가 냉각시킴으로써, 제1 중간 냉각기(41) 및 제2 중간 냉각기(42)에서 제2 흐름(b2) 및 제4 흐름(c2)을 과냉각시키기 위해 필요한 냉매가 더 적게 필요하며, 따라서 냉매로 사용된 후 다단 압축기(20)로 공급되는 팽창 증발가스의 유량 또한 감소시킬 수 있고, 다단 압축부(20)의 소요 동력이 감소되며, 중간 냉각기(41, 42)에서 증발가스를 과냉각시키기 때문에 재액화 시스템의 전체 액화유량이 증가하므로 냉동효과를 크게할 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.

10 : 액화가스 저장탱크
20 : 다단 압축부
21d : 애프터 쿨러
30 : 이코노마이저
41 : 제1 중간 냉각기
42 : 제2 중간 냉각기
71 : 제1 팽창 수단
72 : 제2 팽창 수단
90 : 리시버
b1 : 제1 흐름
b2 : 제2 흐름

Claims

액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스의 재액화 시스템에 있어서,
증발가스를 압축시키는 다단 압축부;
상기 다단 압축부에서 압축된 압축 증발가스는 냉매로 사용할 냉매용 증발가스(제1 흐름)과 재액화시킬 재액화용 증발가스(제2 흐름)으로 분기되며, 상기 분기된 냉매용 증발가스와 재액화용 증발가스를 열교환시켜 상기 재액화용 증발가스를 액화시키는 제1 중간 냉각기;
상기 다단 압축부와 제1 중간 냉각기를 연결하며 상기 재액화용 증발가스가 유동하는 재액화 라인; 및
상기 다단 압축부와 제1 중간 냉각기를 연결하며 상기 냉매용 증발가스가 유동하는 냉매 라인;을 포함하고,
상기 냉매 라인에는,
상기 냉매용 증발가스를 상기 다단 압축부로 공급되는 증발가스의 냉열을 회수하여 액화시키는 이코노마이저; 및
상기 이코노마이저에서 액화된 냉매용 증발가스를 감압에 의해 냉각시키는 제1 팽창 수단;이 구비되고,
상기 제1 중간 냉각기에서는, 상기 이코노마이저 및 제1 팽창 수단을 통과한 냉매용 증발가스와, 상기 다단 압축부로부터 상기 제1 중간 냉각기로 바로 공급된 재액화용 증발가스가 열교환하여, 상기 재액화용 증발가스를 냉각시키는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 다단 압축부에서 압축된 증발가스를 응축시키는 애프터 쿨러;를 더 포함하여,
상기 냉매 라인은 상기 애프터 쿨러 후단에서 분기되는, 증발가스 재액화 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1 팽창 수단과 상기 다단 압축부를 연결하는 제1 흐름 라인;을 더 포함하여,
상기 제1 팽창 수단 및 제1 중간 냉각기를 통과한 증발가스 냉매를 상기 다단 압축부의 중간단으로 합류시키는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 중간 냉각기에서 냉각된 증발가스를 추가 냉각시키는 제2 중간 냉각기; 및
상기 제1 중간 냉각기에서 냉각된 증발가스 중 적어도 일부를 분기시켜 팽창시키는 제2 팽창 수단;을 더 포함하여,
상기 제2 팽창 수단에서 팽창에 의해 냉각된 증발가스를 상기 제2 중간 냉각기의 냉매로 이용하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 제2 팽창 수단과 상기 다단 압축부를 연결하는 제3 흐름 라인;을 더 포함하여,
상기 제2 팽창 수단 및 제2 중간 냉각기를 통과한 증발가스 냉매를 상기 다단 압축부의 중간단으로 합류시키되,
상기 제3 흐름 라인이 상기 다단 압축부와 연결되는 지점은 상기 제1 흐름 라인이 상기 다단 압축부와 연결되는 지점보다 상류에 위치하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 5 또는 6에 있어서,
상기 제1 중간 냉각기에서 냉각된 증발가스를 수용하고, 수용된 유체의 배출을 제어하여 상기 다단 압축부 후단 압력을 제어하는 리시버;를 더 포함하고,
상기 리시버로부터 배출된 액체를 상기 제2 팽창 수단 및 제2 중간 냉각기로 공급하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1 내지 2 및 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이코노마이저를 통과하여 상기 냉매 라인을 따라 흐르는 유체의 증기 분율(Vapor Fraction)은 0인 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 시스템.
액화가스 운반선에서 발생하는 증발가스의 재액화 방법에 있어서,
증발가스를 압축시키고,
상기 압축된 증발가스를 냉매로 사용할 제1 흐름과 재액화시킬 제2 흐름으로 분기시키고,
상기 제1 흐름과 제2 흐름을 열교환시켜 상기 제2 흐름을 재액화시키되,
상기 제1 흐름은 상기 압축시킬 증발가스(a 흐름)의 냉열을 회수하여 액화시킨 후 상기 액화된 제1 흐름은 팽창에 의해 더 냉각시켜, 상기 제2 흐름을 액화시키는 냉매로 사용하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 압축 증발가스의 적어도 일부를 응축시키고,
상기 적어도 일부가 응축된 증발가스를 상기 제1 및 제2 흐름으로 분기시키는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 압축 증발가스는 해수와 열교환시켜 응축시키는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 흐름과 열교환시킨 후의 제1 흐름은 상기 압축시키는 a 흐름에 합류시키는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제1 흐름에 의해 냉각된 제2 흐름을 제3 및 제4 흐름으로 분기시키고,
제3 흐름을 팽창시키고,
제4 흐름을 상기 팽창에 의해 냉각된 제3 흐름과 열교환시켜 액체 상태로 회수하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 제4 흐름과 열교환시킨 후의 제3 흐름은 상기 압축시키는 a 흐름에 합류시키되,
상기 제4 흐름과 열교환시킨 후의 제3 흐름은, 상기 제2 흐름과 열교환시킨 후의 제1 흐름보다 상류로 합류시키는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 흐름과 열교환시킨 후의 제2 흐름을 리시버로 공급하고,
리시버로부터 기체를 배출시켜 상기 압축 증발가스가 상기 리시버로 공급되기까지의 압력을 제어하되,
상기 리시버로부터 액체를 배출시켜 상기 제3 및 제4 흐름으로 분기시키는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 제4 흐름은 액체 상태이며, 액화가스 저장탱크로 회수하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 9 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 a 흐름과 열교환시킨 후의 제1 흐름은 증기 분율(Vapor Fraction)이 0인 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 방법.