KR101884763B1 - 선박 - Google Patents

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KR101884763B1
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손재욱
최동규
신현준
장현민
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

선박이 개시된다.
상기 선박은, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 일부를 압축시키는 제1 압축기; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 중 상기 제1 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내져, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제3 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축되고 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치; 및 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 상기 제2 열교환기를 우회시켜 상기 제2 감압장치로 보내는 우회라인;을 포함하고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후 공급된 유체와, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키며, 상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력 범위를 가진다.

Description

선박{Vessel}
본 발명은 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저장탱크 내부에서 생성되는 증발가스 중 엔진의 연료로 사용되고 남은 증발가스를 재액화시키는 시스템을 포함하는 선박에 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 및 ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DFDE은, 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-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
본 발명은 종래에 비해 향상된 증발가스 재액화 성능을 발휘할 수 있는 시스템을 포함하는 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 일부를 압축시키는 제1 압축기; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 중 상기 제1 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내져, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제3 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축되고 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치; 및 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 상기 제2 열교환기를 우회시켜 상기 제2 감압장치로 보내는 우회라인;을 포함하고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후 공급된 유체와, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키며, 상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력 범위를 가지는, 선박이 제공된다.
상기 제3 압축기에 의해 압축된 유체는 상기 제2 압축기 전단으로 보내질 수 있고, 상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 다시 상기 제2 압축기를 연결하는 폐루프를 형성할 수 있다.
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진 및 제2 엔진 중 하나 이상으로 보내질 수 있고, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 상기 제2 엔진 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상으로 보내질 수 있다.
상기 제1 압축기는 증발가스를 상기 제1 엔진이 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있다.
상기 제1 압축기는 다단압축기일 수 있고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스가 상기 제2 엔진으로 보내지는 경우, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 분기하여 상기 제2 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 제2 압축기는 증발가스를 20 내지 60 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 선박은, 상기 제2 엔진 전단에 설치되어, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 제2 엔진이 요구하는 압력까지 감압시키는 제3 감압장치를 더 포함할 수 있다.
상기 선박은, 상기 제2 감압장치 후단에 설치되어, 재액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 선박은, 상기 제3 압축기 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스의 온도를 낮추는 냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 압축기에 의해 압축된 후 상기 제1 열교환기로 보내지는 증발가스는 초임계상태일 수 있다.
상기 제3 압축기와 상기 제1 감압장치는 압신기를 형성할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 압축기와 제2 압축기가 모두 정상적으로 구동되는 경우, 증발가스의 일부를 상기 제1 압축기에 의해 압축시키고, 상기 제1 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 상기 제2 압축기에 의해 압축시키고, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되지 않은 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키고, 증발가스의 양이 일정값 이상인 경우에는 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, '냉매 사이클'을 순환하는 유체를 냉매로 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각시키고, 증발가스의 양이 일정값 미만인 경우에는 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 우회라인을 따라 상기 제2 열교환기를 우회시키고, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후, 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각되거나 상기 제2 열교환기를 우회한 유체를 팽창시키고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진 및 제2 엔진에 공급하고, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 '냉매 사이클'에 공급하고 상기 제2 엔진에 공급하지 않으며, 상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력 범위를 가지는, 방법이 제공된다.
상기 제1 압축기를 구동시킬 수 없고 상기 제2 압축기는 정상적으로 구동되는 경우에는, 증발가스를 상기 제2 압축기에 의해 압축시키고, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 '냉매 사이클'에 공급하지 않고 상기 제2 엔진에 공급할 수 있다.
상기 '냉매 사이클'은, 상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결할 수 있고, 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체는 상기 제2 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 제3 압축기로 공급될 수 있다.
상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 냉각된 후 상기 제2 압축기로 보내질 수 있다.
증발가스의 양이 일정값 이상인 경우는, 선박이 정박하고 있을 때나 상기 선박을 14 knot 미만의 속도로 운전하는 경우일 수 있다.
증발가스의 양이 일정값 미만인 경우는, 선박을 14 knot 이상의 속도로 운전하는 경우일 수 있다.
상기 제2 압축기는 증발가스를 20 내지 60 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 증발가스를 압축시키고, 압축된 증발가스를 압축되기 전 증발가스와 제1 열교환기에서 열교환시켜 냉각시키고, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 팽창시키는 증발가스 재액화 방법에 있어서, 증발가스의 양이 일정값 이상이면 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각시킨 후 팽창시키고, 증발가스의 양이 일정값 미만이면 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 우회라인에 의해 상기 제2 열교환기를 우회시킨 후 팽창시키는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명의 선박에 의하면, 제1 압축기보다 낮은 압력 범위를 가지는 제2 압축기를 사용하면서도, 시스템의 운용 방식을 다양하게 하여, 경제적으로 목표한 재액화 성능을 만족시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 실시예의 선박에 의하면, 우회라인을 포함하여, 재액화시켜야 할 증발가스의 양에 따라 제2 열교환기에 의해 증발가스를 추가로 냉각시킬지 여부를 선택할 수 있고, 목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연되는 경우를 방지할 수 있으며, 제2 열교환기에 의해 증발가스를 추가로 냉각시키기 어려운 경우에도 증발가스의 일부라도 재액화시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박은, 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 종래의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 선박은, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(10), 제2 압축기(20), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 제3 압축기(230), 냉각기(120), 제5 압축기(126), 제2 감압장치(520), 및 기액분리기(600)를 포함한다.
제1 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 제5 압축기(126)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)로 보내진 증발가스(L3 라인)를 냉각시킨다. 저장탱크(T)에서 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기하여, 일부는 제1 압축기(10)로 보내지고, 나머지는 제2 압축기(20)로 보내진다.
제1 압축기(10)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스의 일부를 압축시키고, 제2 압축기(20)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스 중 제1 압축기(10)로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 압축시킨다.
제2 열교환기(400)는, 제5 압축기(126)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 증발가스(L3 라인)를 추가적으로 냉각시킨다. 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용하는 유체에 대하여는 후술한다.
제2 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스는 엔진(E)으로 보내질 수도 있고, 제2 열교환기(400)로 보내질 수도 있는데, 제2 압축기(20)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(400)로 보내진 증발가스(L1 라인)는, 제2 열교환기(400)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(510)로 보내진다.
제1 감압장치(510)는 제2 압축기(20)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(400)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨 후 다시 제2 열교환기(400)로 보내며, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되어 압력뿐만 아니라 온도도 낮아진 유체(L2 라인)는, 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된다.
즉, 제2 열교환기(400)는, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 유체(L2 라인)를 냉매로, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 후 공급된 유체(L3 라인)와, 제2 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스(L1 라인)를 열교환시켜 냉각시킨다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된 유체(L2 라인)는 제3 압축기(230)로 보내진다.
제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)에 팽창된 후 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된 유체(L2 라인)를 압축시킨다. 제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)와 압신기(Compander)를 형성하여, 제1 감압장치(510)가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동된다.
냉각기(120)는, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 증발가스의 온도를 낮춘다.
종래의 선박에 의하면, 제3 압축기(230) 및 냉각기(120)를 통과한 유체는 제2 압축기(20) 전단으로 보내지며, 제2 압축기(20), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 다시 제2 열교환기(400), 제3 압축기(230), 냉각기(120), 다시 제2 압축기(20)를 연결하는 폐루프를 형성할 수 있고, 폐루프를 흐르는 유체는, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 유체를 제2 열교환기(400)에서 추가로 냉각시키기 위한 냉매로 제공될 수 있다.
제1 압축기(10)에 의해 압축된 증발가스는 엔진(E)의 연료로 공급되며, 저장탱크(T)에서 발생된 증발가스의 양이 많아, 엔진(E)의 요구량을 충족시키고도 잉여 증발가스가 있는 경우, 제1 압축기(10)에 의해 압축된 증발가스 중 일부는 분기하여, 제5 압축기(126), 제1 열교환기(110), 제2 열교환기(400) 및 제2 감압장치(520)를 통과하며 재액화 과정을 거치게 된다(L3 라인).
제5 압축기(126)는, 제1 압축기(10)에 의해 압축된 증발가스 중 엔진(E)의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스를 추가로 압축시킨 후 제1 열교환기(110)로 보낸다. 유체의 압력이 높을수록 열교환기에서의 재액화 효율이 높아지므로, 재액화 과정을 거치는 증발가스가 제1 열교환기(110)를 통과하기 전에 제5 압축기(126)에 의해 추가로 압축시키는 것이다.
제2 감압장치(520)는, 제1 압축기(10), 제5 압축기(126), 제1 열교환기(110), 및 제2 열교환기(400)를 통과한 유체(L3 라인)를 팽창시킨다. 제1 압축기(10) 및 제5 압축기(126)에 의한 압축 과정과, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(400)에 의한 냉각 과정과, 제2 감압장치(520)에 의한 팽창 과정을 거친 유체는 일부 또는 전부가 재액화된다.
기액분리기(600)는, 제1 압축기(10), 제5 압축기(126), 제1 열교환기(110), 제2 열교환기(400), 및 제2 감압장치(520)를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리한다. 기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀되고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)의 냉매로 사용된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박은, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 제3 압축기(230), 및 제2 감압장치(520)를 포함한다.
본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)로 보내진 증발가스(L3 라인)를 냉각시킨다. 저장탱크(T)에서 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기하여, 일부는 제1 압축기(210)로 보내지고, 나머지는 제2 압축기(220)로 보내진다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스의 일부를, 제1 엔진(E1)이 요구하는 압력으로 압축시킨다. 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스의 일부는 제2 엔진(E2)으로 보내져 연료로 사용되고, 나머지는 제1 엔진(E1)으로 보내져 연료로 사용된다.
본 실시예의 선박에 의하면, 제1 엔진(E1)은 추진용으로 사용되고 제2 엔진(E2)은 발전용으로 사용될 수 있고, 제1 엔진(E1)은 제2 엔진(E2)보다 높은 압력의 증발가스를 연료로 요구하는 엔진일 수 있으며, 제1 엔진(E1)은 대략 300 bar의 증발가스를 연료로 사용하는 ME-GI엔진이고, 제2 엔진(E2)은 대략 6.5 bar의 증발가스를 연료로 사용하는 DF엔진일 수 있다.
제1 엔진(E1)이 제2 엔진(E2)보다 높은 압력의 증발가스를 연료로 요구하는 엔진인 경우, 제1 압축기(210)는 다단압축기로 구성되어, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 중간에 분기되어 제2 엔진(E2)으로 보내지고, 제1 압축기(210)의 나머지 압축 과정까지 모두 거친 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내질 수 있다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스 중 제1 압축기(210)로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 압축시킨다. 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진(E2)으로 보내져 연료로 사용되거나, 제2 열교환기(400)로 보내져 재액화의 냉매로 사용된다. 또한, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를, 일부는 제2 엔진(E2)으로 보내고 나머지는 제2 열교환기(400)로 보내는 방식으로 시스템을 운용할 수도 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(400)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 증발가스(L3 라인)를 추가적으로 냉각시킨다. 즉, 제2 열교환기(400)는, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 유체(L3 라인)를 추가적으로 냉각시켜 재액화량 및 재액화 효율을 높이기 위하여 설치되며, 증발가스를 냉각시키기 위한 열교환의 냉매로, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 유체(L2 라인)를 사용한다.
제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(400)로 보내진 증발가스(L1 라인)는, 제2 열교환기(400)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(510)로 보내진다.
본 실시예의 제1 감압장치(510)는, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(400)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨 후 다시 제2 열교환기(400)로 보낸다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되어 압력뿐만 아니라 온도도 낮아진 유체(L2 라인)는, 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된다.
즉, 제2 열교환기(400)는, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 유체(L2 라인)를 냉매로, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 후 공급된 유체(L3 라인)와, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스(L1 라인)를 열교환시켜 냉각시킨다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된 유체(L2 라인)는 제3 압축기(230)로 보내진다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된 유체(L2 라인)를 압축시키며, 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스는 제2 압축기(220) 전단으로 보내진다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)와 압신기(Compander)를 형성하여, 제1 감압장치(510)가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동될 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 다시 제2 열교환기(400), 제3 압축기(230), 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프(이하, '냉매 사이클'이라고 한다.)를 형성할 수 있고, '냉매 사이클'을 흐르는 유체는, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 유체를 제2 열교환기(400)에서 추가로 냉각시키기 위한 냉매로 제공될 수 있다.
본 실시예의 선박은, '냉매 사이클'에 증발가스가 아닌 질소 등을 순환시켜 제2 열교환기(400)의 냉매로 사용할 수도 있다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)에 의해 낮아진 압력을 보상하여, '냉매 사이클'을 순환하는 유체의 압력 평균을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
한편, 열교환기에서의 재액화 효율은 증발가스의 압력이 높을수록 좋아지나, 증발가스를 높은 압력으로 압축시키기 위해서는 가격이 비싼 압축기가 필요하고, 전력 소모도 많아지게 된다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 제2 열교환기(400)에서의 재액화 효율과 경제성을 모두 고려하여, 증발가스를 대략 20 내지 60 bar로 압축시킬 수 있다. 또한, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는, 제3 감압장치(530)에 의해 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력까지 감압된 후 제2 엔진(E2)으로 공급될 수 있다.
본 실시예의 선박이, 제1 압축기(210)보다 낮은 압력 범위를 가지는 제2 압축기(220)를 사용하는 경우, 제1 압축기(210)와 동일한 성능을 가지는 제2 압축기(220)를 사용하는 경우보다 재액화 효율 및 재액화량은 낮아질 수 있으나, 제2 압축기(220)의 설치 비용 및 운용 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예의 선박에 의하면, 제1 압축기(210)보다 낮은 압력 범위를 가지는 제2 압축기(220)를 사용하면서도, 시스템의 운용 방식을 다양하게 하여, 목표한 재액화 성능을 만족시킬 수 있다. 즉, 본 실시예의 선박에 의하면, 선박의 운용 상황에 따른 증발가스 발생량의 변화에 유연하게 대처하여, 경제적이고도 효율적으로 증발가스를 재액화시킬 수 있다.
한편, 본 실시예의 선박에 의하면, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 후, 제2 열교환기(400)에 의해 추가로 냉각될 수도 있고(L3 라인), 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회할 수도 있다.
제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체를, 제2 열교환기(400)에 의해 추가로 냉각시키는 경우에는, 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)는 열고, 제3 밸브(V3)는 닫는다. 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체를, 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회시키는 경우에는, 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)는 닫고, 제3 밸브(V3)는 연다.
또한, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체를, 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회시키는 경우에는, 제2 열교환기(400)에서 냉매를 사용할 필요가 없으므로, 증발가스가 '냉매 사이클'을 순환할 필요가 없으므로, 제2 압축기(220), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230)는 구동시키지 않을 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(520)는, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 및 제2 열교환기(400)를 통과한 유체를 팽창시키거나, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 후 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회하여 바로 제2 감압장치(520)로 공급된 유체를 팽창시킨다.
본 실시예의 제1 감압장치(510), 제2 감압장치(520), 및 제3 감압장치(530)는 각각, 팽창기 또는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수 있다.
제1 압축기(210)에 의한 압축과정과, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(400)에 의한 냉각과정(제2 열교환기(400)를 우회하는 경우에는 제1 열교환기(110)에 의한 냉각과정)과, 제2 감압장치(520)에 의한 팽창과정을 거친 유체는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박은, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 제2 열교환기(400), 및 제2 감압장치(520)(제2 열교환기(400)를 우회하는 경우에는, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 및 제2 감압장치(520))를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는, 기액분리기(600)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀될 수 있고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제3 압축기(230) 하류에 설치되어, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 증발가스의 온도를 낮추는 냉각기(120)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 선박이 냉각기(120)를 더 포함하는 경우, 제3 압축기(230) 및 냉각기(120)를 통과한 유체가 제2 압축기(220) 전단으로 보내진다.
또한, 도 2에 도시하지는 않았으나, 도 1에 도시된 종래의 선박의 경우와 마찬가지로, 본 실시예의 선박도 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시켜 제1 열교환기(110)로 공급하는 제5 압축기(126)를 포함할 수 있다.
단, 도 1에 도시된 종래의 선박은 주로, 엔진(E)이 대략 16 bar 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진인 경우에 적합하도록 설계된 것으로, 재액화 효율을 위해 제5 압축기(126)를 포함되는 것이 바람직하였다.
도 1을 참조하면, 제1 압축기(10)에 의해 압축된 증발가스는 엔진(E)의 연료로 공급되므로, 제1 압축기(10)는 엔진(E)의 요구 압력으로 증발가스를 압축시켜야 하는데, 엔진(E)이 X-DF엔진인 경우, 제1 압축기(10)는 대략 16 bar로 증발가스를 압축시킨다. 그런데, 열교환기에서의 재액화 효율은 압력이 높아질수록 증가하며, 특히 증발가스가 초임계 상태인지 여부에 따라 재액화 효율이 크게 차이가 난다.
증발가스는 대략 55 bar의 압력 이상에서 초임계 상태가 되며, 제1 압축기(10)에 의해 압축된, 초임계 상태가 아닌 대략 16 bar의 증발가스가 바로 재액화 과정을 거치면, 재액화 효율 및 재액화량이 크게 떨어지게 된다. 따라서, 종래의 선박은, 제1 압축기(10)에 의해 압축된 증발가스를 제5 압축기(126)에 의해 추가로 압축시킨 후, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(400)에 의한 냉각 과정을 거치도록 하였다.
그러나, 본 실시예의 선박은 주로, 제1 엔진(E1)이 ME-GI엔진, 제2 엔진(E2) DF엔진인 경우에 적합하도록 설계된 것으로, 제1 엔진(E1)이 ME-GI엔진의 요구 압력을 만족시도록 대략 300 bar로 증발가스를 압축시킨다면, 굳이 제5 압축기(126)에 의해 증발가스를 추가로 압축시키지 않아도 충분한 재액화효율 및 재액화량을 확보할 수 있다.
본 실시예의 선박은 다음과 같은 방법으로 운전될 수 있다.
1) 저장탱크(T) 내부에 저장된 액화천연가스 양이 많은 경우에는, 증발가스의 발생량이 많으므로 저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 많고, 선박이 정박하고 있을 때나 선박을 저속(대략 14 knot 미만)으로 운전하는 경우에는, 추진용 엔진에서 사용되는 증발가스의 양이 적으므로 저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 많다.
저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 많은 경우에는 재액화시켜야 할 증발가스의 양도 증가하므로, 제2 압축기(220), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230)를 구동시켜 제2 열교환기(400)의 냉매가 '냉매 사이클'을 순환하도록 하며, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)뿐 아니라 제2 열교환기(400)에 의해서도 냉각시켜, 재액화량을 증가시킨다.
2) 저장탱크(T) 내부에 저장된 액화천연가스 양이 적은 경우에는, 증발가스의 발생량이 적으므로 저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 적고, 선박을 고속(대략 14 knot 이상)으로 운전하는 경우에는, 추진용 엔진에서 사용되는 증발가스의 양이 많으므로 저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 적다.
저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 적은 경우에는 재액화시켜야 할 증발가스의 양도 감소하므로, 굳이 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기(400)에 의해 추가로 냉각시킬 필요가 없을 수 있다. 따라서, 제2 압축기(220), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230)를 구동시키지 않고, 유체가 '냉매 사이클'을 순환하지 않도록 하며, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 증발가스가, 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회하여 제2 감압장치(520)로 공급되도록 한다.
본 실시예의 선박에 의하면, 우회라인(L4 라인)을 포함하여, 재액화시켜야 할 증발가스의 양에 따라 '냉매 사이클'을 사용할지 여부를 선택할 수 있다는 장점이 있다.
증발가스의 양이 적어 재액화시켜야 할 증발가스의 양이 적을 경우에도, 유체가 '냉매 사이클'을 순환하지 않도록 하면서도, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 우회라인(L4 라인)으로 보내지 않고, 제2 열교환기(400)를 통과시킨 후에 제2 감압장치(520)로 보낼 수도 있다. 즉, 제2 열교환기(400)에 냉매를 공급하지 않고, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기(400)에 의해 추가로 냉각시키는 것이 아니라, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체가 제2 열교환기(400)를 단순히 통과하여 제2 감압장치(520)로 공급되도록 하는 것이다.
그런데, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체가 제2 열교환기(400)를 단순히 통과한 후 제2 감압장치(520)로 공급되도록 시스템을 운용하는 경우에는, 제2 열교환기(400)의 열용량 및 외부로부터의 열 유입 증가로 인해, 목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연될 수 있다.
즉, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체가 냉각(Cool Down)시키지 않은 제2 열교환기(400)를 단순히 통과하면 제2 감압장치(520) 전단에서 목표한 온도를 얻을 수 없기 때문에, 제2 열교환기(400)의 열용량에 대응하는 만큼 제2 열교환기(400)를 냉각(Cool Down)시켜야 하는데, 제2 열교환기(400)를 냉각(Cool Down)시키는 시간만큼 목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연될 수 있다.
또한, 제2 열교환기(400)는 유체가 흐르는 배관에 비해 더 넓은 열교환 면적을 가지고 있으므로, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체가 제2 열교환기(400)를 단순히 통과하면서 배관을 통과하는 것보다 더 많은 열이 유체에 유입될 수 있고, 유체가 제2 열교환기(400)를 통과하며 얻은 열에 의해 목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연될 수 있다.
목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연되면, 지연되는 시간 동안 재액화되지 못한 증발가스를 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit) 등으로 보내 태우거나 외부로 배출시켜야 하므로, 에너지가 낭비된다는 단점이 있다.
본 실시예의 선박에 의하면, 재액화시켜야 할 증발가스의 양이 적을 경우에는, 증발가스가 제2 열교환기(400)를 통과하지 않고 우회라인(L4 라인)에 의해 바로 제2 감압장치(520)로 공급될 수 있으므로, 목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연되는 경우를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
3) 제2 압축기(220), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230) 중 하나 이상이 고장나거나 유지 보수가 필요하여, 제2 열교환기(400)의 냉매가 '냉매 사이클'을 순환하기 어려운 경우, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체가 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회하여 제2 감압장치(520)로 공급되도록 한다.
본 실시예의 선박에 의하면, 우회라인(L4 라인)을 포함하여, 제2 열교환기(400)의 냉매가 '냉매 사이클'을 순환하기 어려운 경우, 특히 제2 열교환기(400)를 구동시키기 어려운 경우에도, 증발가스를 전부 가스연소장치 등으로 보내 태우거나 외부로 배출시키는 것이 아니라, 일부라도 재액화시킬 수 있다는 장점이 있다.
4) 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)가 모두 정상적으로 구동되는 경우에는, 제2 압축기(220)에 의해 압축시킨 증발가스는 '냉매 사이클'을 순환시키는 데에만 사용하고 제2 엔진(E2)에 공급하지 않으며, 제1 압축기(210)에 의해 압축시킨 증발가스는 제1 엔진(E1) 및 제2 엔진(E2) 모두에 공급할 수 있다.
고장 또는 유지 보수 등의 이유로 제1 압축기(210)를 구동시킬 수 없는 경우에는, 유체가 '냉매 사이클'을 순환하지 않도록 하고, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 제2 엔진(E2)으로 공급할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템은, 도 2에 도시된 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템에 비해, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(240)가 동일한 압력 범위를 가지는 압축기라는 점과, 제2 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스도 제1 엔진(E1)으로 보낼 수 있다느 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 선박은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 압축기(240), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 제3 압축기(230), 및 제2 감압장치(520)를 포함한다.
본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)로 보내진 증발가스(L3 라인)를 냉각시킨다. 저장탱크(T)에서 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기하여, 일부는 제1 압축기(210)로 보내지고, 나머지는 제2 압축기(240)로 보내진다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스의 일부를, 제1 엔진(E1)이 요구하는 압력으로 압축시킨다. 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스의 일부는 제2 엔진(E2)으로 보내져 연료로 사용되고, 나머지는 제1 엔진(E1)으로 보내져 연료로 사용된다.
본 실시예의 선박에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 엔진(E1)은 추진용으로 사용되고 제2 엔진(E2)은 발전용으로 사용될 수 있고, 제1 엔진(E1)은 제2 엔진(E2)보다 높은 압력의 증발가스를 연료로 요구하는 엔진일 수 있으며, 제1 엔진(E1)은 대략 300 bar의 증발가스를 연료로 사용하는 ME-GI엔진이고, 제2 엔진(E2)은 대략 6.5 bar의 증발가스를 연료로 사용하는 DF엔진일 수 있다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 다단압축기로 구성될 수 있고, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 중간에 분기되어 제2 엔진(E2)으로 보내지고, 나머지 증발가스는 제1 압축기(210)의 나머지 압축 과정까지 모두 거친 후 제1 엔진(E1)으로 보내질 수 있다.
본 실시예의 제2 압축기(240)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스 중 제1 압축기(210)로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 압축시킨다. 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진(E2)으로 보내져 연료로 사용되거나, 제2 열교환기(400)로 보내져 재액화의 냉매로 사용된다.
단, 본 실시예의 제2 압축기(240)는, 제1 실시예와는 달리, 증발가스를 제1 엔진(E1)이 요구하는 압력으로 압축시키며, 제1 압축기(210)와 동일한 압력 범위를 가지는 동일한 사양의 엔진일 수 있다. 또한, 본 실시예의 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 실시예와는 달리, 제1 엔진(E1)으로 보내져 연료로 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 제1 실시예의 선박에 따르면, 제1 압축기(210)를 구동시킬 수 없는 경우, 제1 엔진(E1)으로 증발가스를 공급할 수 없다는 단점이 있었다. 반면, 본 실시예의 선박에 의하면, 고장 또는 유지 보수 등을 이유로 제1 압축기(210)를 구동시킬 수 없는 경우에도, 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스를 제1 엔진(E1)에 공급할 수 있으므로, 더욱 유연한 시스템의 운용이 가능하다.
본 실시예의 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 합류된 후 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거칠 수도 있다.
본 실시예의 제2 압축기(240)는, 다단압축기로 구성될 수 있고, 제2 압축기(240)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 중간에 분기되어 제2 엔진(E2)으로 보내지고, 제2 압축기(240)의 나머지 압축 과정까지 모두 거친 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 보내질 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스를, 일부는 제1 엔진(E1) 또는 제2 엔진(E2)으로 보내고 나머지는 제2 열교환기(400)로 보내는 방식으로 시스템을 운용할 수도 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(400)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 유체(L2 라인)를 열교환의 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 유체(L3 라인)를 추가적으로 냉각시킨다.
제2 압축기(240)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(400)로 보내진 증발가스(L1 라인)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 열교환기(400)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(510)로 보내진다.
본 실시예의 제1 감압장치(510)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 압축기(240)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(400)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨 후 다시 제2 열교환기(400)로 보낸다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되어 압력뿐만 아니라 온도도 낮아진 유체(L2 라인)는, 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된다.
즉, 제2 열교환기(400)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 유체(L2 라인)를 냉매로, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 후 공급된 유체(L3 라인)와, 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스(L1 라인)를 열교환시켜 냉각시킨다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된 유체(L2 라인)는, 제3 압축기(230)로 보내진다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(400)에서 냉매로 사용된 유체(L2 라인)를 압축시키며, 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스는 제2 압축기(240) 전단으로 보내진다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(510)와 압신기(Compander)를 형성하여, 제1 감압장치(510)가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동될 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 압축기(240), 제2 열교환기(400), 제1 감압장치(510), 다시 제2 열교환기(400), 제3 압축기(230), 다시 제2 압축기(240)를 연결하는 폐루프(이하, '냉매 사이클'이라고 한다.)를 형성할 수 있고, '냉매 사이클'을 흐르는 유체는, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 유체를 제2 열교환기(400)에서 추가로 냉각시키기 위한 냉매로 제공될 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제1 실시예와 마찬가지로, '냉매 사이클'에 증발가스가 아닌 질소 등을 순환시켜 제2 열교환기(400)의 냉매로 사용할 수도 있다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 감압장치(510)에 의해 낮아진 압력을 보상하여, '냉매 사이클'을 순환하는 유체의 압력 평균을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
본 실시예의 선박에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 후, 제2 열교환기(400)에 의해 추가로 냉각될 수도 있고(L3 라인), 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회할 수도 있다.
제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체를, 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)에 의해 추가로 냉각시키는 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)는 열고, 제3 밸브(V3)는 닫는다.
제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체를, 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회시키는 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)는 닫고, 제3 밸브(V3)는 연다.
또한, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체를, 제2 열교환기(400)를 우회시키는 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 압축기(240), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230)는 구동시키지 않을 수 있다.
본 실시예의 제2 감압장치(520)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 및 제2 열교환기(400)를 통과한 유체를 팽창시키거나, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 후 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회하여 바로 제2 감압장치(520)로 공급된 유체를 팽창시킨다.
본 실시예의 제1 감압장치(510) 및 제2 감압장치(520)는 각각, 팽창기 또는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수 있다.
제1 압축기(210)에 의한 압축과정과, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(400)에 의한 냉각과정(제2 열교환기(400)를 우회하는 경우에는 제1 열교환기(110)에 의한 냉각과정)과, 제2 감압장치(520)에 의한 팽창과정을 거친 유체는, 제1 실시예와 마찬가지로, 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 제2 열교환기(400), 및 제2 감압장치(520)(제2 열교환기(400)를 우회하는 경우에는, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 및 제2 감압장치(520))를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는, 기액분리기(600)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로 복귀될 수 있고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는, 제1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수 있다.
본 실시예의 선박은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제3 압축기(230) 하류에 설치되어, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 증발가스의 온도를 낮추는 냉각기(120)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 선박이 냉각기(120)를 더 포함하는 경우, 제3 압축기(230) 및 냉각기(120)를 통과한 유체가 제2 압축기(240) 전단으로 보내진다.
또한, 도 3에 도시하지는 않았으나, 도 1에 도시된 종래의 선박의 경우와 마찬가지로, 본 실시예의 선박도 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시켜 제1 열교환기(110)로 공급하는 제5 압축기(126)를 포함할 수 있다.
단, 도 1에 도시된 종래의 선박은 주로 X-DF 엔진인 경우에 적합하도록 설계된 것으로, 재액화 효율을 위해 제5 압축기(126)를 포함되는 것이 바람직한 반면, 본 실시예의 선박은, 제1 실시예와 마찬가지로, 주로 제1 엔진(E1)이 ME-GI엔진, 제2 엔진(E2) DF엔진인 경우에 적합하도록 설계된 것이므로, 굳이 제5 압축기(126)에 의해 증발가스를 추가로 압축시키지 않아도 충분한 재액화효율 및 재액화량을 확보할 수 있다.
본 실시예의 선박은 다음과 같은 방법으로 운전될 수 있다.
1) 저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 많은 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 압축기(240), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230)를 구동시켜 제2 열교환기(400)의 냉매가 '냉매 사이클'을 순환하도록 하며, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)뿐 아니라 제2 열교환기(400)에 의해서도 냉각시켜, 재액화량을 증가시킨다.
2) 저장탱크(T) 내부의 증발가스의 양이 적은 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 압축기(240), 제1 감압장치(510), 및 제3 압축기(230)를 구동시키지 않고, 유체가 '냉매 사이클'을 순환하지 않도록 하며, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 증발가스가, 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회하여 제2 감압장치(520)로 공급되도록 한다.
본 실시예의 선박에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 우회라인(L4 라인)을 포함하여, 재액화시켜야 할 증발가스의 양에 따라 '냉매 사이클'을 사용할지 여부를 선택할 수 있고, 목표한 재액화 성능에 도달하는 시간이 지연되는 경우를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
3) 제2 열교환기(400)의 냉매가 '냉매 사이클'을 순환하기 어려운 경우, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210) 및 제1 열교환기(110)를 통과한 유체가 우회라인(L4 라인)을 따라 제2 열교환기(400)를 우회하여 제2 감압장치(520)로 공급되도록 한다.
본 실시예의 선박에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 우회라인(L4 라인)을 포함하여, 제2 열교환기(400)의 냉매가 '냉매 사이클'을 순환하기 어려운 경우, 특히 제2 열교환기(400)를 구동시키기 어려운 경우에도, 증발가스를 전부 가스연소장치 등으로 보내 태우거나 외부로 배출시키는 것이 아니라, 일부라도 재액화시킬 수 있다는 장점이 있다.
4) 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(240)가 모두 정상적으로 구동되는 경우에는, 제2 압축기(240)에 의해 압축시킨 증발가스는 '냉매 사이클'을 순환시키는 데에만 사용하고 제1 엔진(E1) 또는 제2 엔진(E2)에 공급하지 않으며, 제1 압축기(210)에 의해 압축시킨 증발가스는 제1 엔진(E1) 및 제2 엔진(E2) 모두에 공급할 수 있다.
고장 또는 유지 보수 등의 이유로 제1 압축기(210)를 구동시킬 수 없는 경우에는, 유체가 '냉매 사이클'을 순환하지 않도록 하고, 제2 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스를 제1 엔진(E1) 및 제2 엔진(E2) 모두에 공급할 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 V1, V2, V3 : 밸브
E, E1, E2 : 엔진
10, 20, 126, 210, 220, 230, 240 : 압축기
110, 400 : 열교환기 120 : 냉각기
510, 520, 530 : 감압장치 600 : 기액분리기

Claims (20)

  1. 저장탱크로부터 배출되는 증발가스의 일부를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 중 상기 제1 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내는 제1 감압장치;
    상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내져, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제3 압축기;
    상기 제1 압축기에 의해 압축되고 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치; 및
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 상기 제2 열교환기를 우회시켜 상기 제2 감압장치로 보내는 우회라인;을 포함하고,
    상기 제2 열교환기는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후 공급된 유체와, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키며,
    상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력 범위를 가지는, 선박.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 유체는 상기 제2 압축기 전단으로 보내지고,
    상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 다시 상기 제2 압축기를 연결하는 폐루프를 형성하는, 선박.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진 및 제2 엔진 중 하나 이상으로 보내지고,
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 상기 제2 엔진 및 상기 제2 열교환기 중 하나 이상으로 보내지는, 선박.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 압축기는 증발가스를 상기 제1 엔진이 요구하는 압력으로 압축시키는, 선박.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 압축기는 다단압축기이고,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스가 상기 제2 엔진으로 보내지는 경우, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 분기하여 상기 제2 엔진으로 보내지는, 선박.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 압축기는 증발가스를 20 내지 60 bar로 압축시키는, 선박.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 엔진 전단에 설치되어, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 제2 엔진이 요구하는 압력까지 감압시키는 제3 감압장치를 더 포함하는, 선박.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 감압장치 후단에 설치되어, 재액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용되는, 선박.
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 압축기 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스의 온도를 낮추는 냉각기를 더 포함하는, 선박.
  11. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 후 상기 제1 열교환기로 보내지는 증발가스는 초임계상태인, 선박.
  12. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 압축기와 상기 제1 감압장치는 압신기를 형성하는, 선박.
  13. 제1 압축기와 제2 압축기가 모두 정상적으로 구동되는 경우,
    증발가스의 일부를 상기 제1 압축기에 의해 압축시키고,
    상기 제1 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 상기 제2 압축기에 의해 압축시키고,
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되지 않은 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키고,
    증발가스의 양이 일정값 이상인 경우에는 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, '냉매 사이클'을 순환하는 유체를 냉매로 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각시키고,
    증발가스의 양이 일정값 미만인 경우에는 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 우회라인을 따라 상기 제2 열교환기를 우회시키고,
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 후, 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각되거나 상기 제2 열교환기를 우회한 유체를 팽창시키고,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진 및 제2 엔진에 공급하고,
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 '냉매 사이클'에 공급하고 상기 제2 엔진에 공급하지 않으며,
    상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력 범위를 가지는, 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 압축기를 구동시킬 수 없고 상기 제2 압축기는 정상적으로 구동되는 경우에는,
    증발가스를 상기 제2 압축기에 의해 압축시키고,
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 '냉매 사이클'에 공급하지 않고 상기 제2 엔진에 공급하는, 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 '냉매 사이클'은, 상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결하고,
    상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체는 상기 제2 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 제3 압축기로 공급되는, 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 냉각된 후 상기 제2 압축기로 보내지는, 방법.
  17. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    증발가스의 양이 일정값 이상인 경우는, 선박이 정박하고 있을 때나 상기 선박을 14 knot 미만의 속도로 운전하는 경우인, 방법.
  18. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    증발가스의 양이 일정값 미만인 경우는, 선박을 14 knot 이상의 속도로 운전하는 경우인, 방법.
  19. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 압축기는 증발가스를 20 내지 60 bar로 압축시키는, 방법.
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