KR101938179B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 Download PDF

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Abstract

선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기; 압축기에 의해 압축된 증발가스에 포함된 오일을 걸러내는 오일분리기; 및 오일 분리기의 후방 라인에 마련되는 오일 필터부를 포함하고, 오일 필터부는, 에어로졸을 제거하는 코얼레싱 타입(Coalescing Type) 오일필터와, 코얼레싱 타입 오일필터와 직렬로 연결되며 증기를 제거하는 흡착식(Adsorb type) 오일필터와, 코얼레싱 타입 오일필터 및 흡착식 오일필터와 병렬로 연결되는 차압 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템{BOG Re-liquefaction System for Vessel}
본 발명은, 압축기에 있는 윤활 오일이 액화천연가스 저장탱크에 유입되는 것을 최소화할 수 있는 선박용 증발가스 재액화 시스템에 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.
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. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI 엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
한편 부분 재액화 시스템에서 압축기에 의해 저온 저압의 가스가 고압으로 압축되는 과정에서 압축기의 실린더와 피스톤의 사이에 윤활 오일이 분사된다. 이 윤활 오일은 배관을 타고 액화천연가스 저장탱크로 유입될 가능성이 있으므로 이에 대한 개선책이 요구된다.
전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 압축기에 있는 윤활 오일이 액화천연가스 저장탱크에 유입되는 것을 최소화할 수 있는 선박용 증발가스 재액화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스에 포함된 오일을 걸러내는 오일분리기; 및 상기 오일 분리기의 후방 라인에 마련되는 오일 필터부를 포함하고, 상기 오일 필터부는, 에어로졸을 제거하는 코얼레싱 타입(Coalescing Type) 오일필터와, 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 직렬로 연결되며 증기를 제거하는 흡착식(Adsorb type) 오일필터와, 상기 코얼레싱 타입 오일필터 및 상기 흡착식 오일필터와 병렬로 연결되는 차압 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공될 수 있다.
상기 차압 표시부는, 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 병렬로 연결되는 라인에 마련되는 제1 개폐밸브; 상기 제1 개폐밸브의 후방 라인에 마련되어 필터의 성능 및 막힘 여부를 표시하는 차압 표시부재; 및 상기 차압 표시부재의 후방 라인에 마련되는 제2 개폐밸브를 포함할 수 있다.
상기 코얼레싱 타입 오일필터와 상기 흡착식 오일필터와 상기 차압 표시부는 예비용으로 각각 하나씩 더 마련되어 각각 한 쌍을 이루고, 상기 차압 표시부는, 각각 한 쌍을 이루어 서로 병렬로 배치되는 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 상기 흡착식 오일필터와 상기 차압 표시부를 연결하는 라인과, 상기 오일 분리기를 연결하는 라인에 마련되는 제1 삼방밸브; 및 각각 한 쌍을 이루어 서로 병렬로 배치되는 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 상기 흡착식 오일필터와 상기 차압 표시부가 서로 합류되는 라인에 마련되는 제2 삼방밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및 상기 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 팽창시키는 감압장치를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기, 상기 열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액 분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 액화천연가스 저장탱크로 보내지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 상기 열교환기로 보내질 수 있다.
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부는 고압엔진으로 보내질 수 있다.
상기 압축기를 통과한 증발가스는 분기되어 저압엔진 및 GCU 중 적어도 하나로 보내질 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 오일 필터부가 에어로졸을 제거하는 코얼레싱 타입(Coalescing Type) 오일필터와, 증기를 제거하는 흡착식(Adsorb type) 오일필터를 구비하여 압축기의 윤활 오일에 존재하는 에어로졸과 증기를 제거할 수 있어 액화천연가스 저장탱크로 유입되는 윤활 오일의 양을 최소화할 수 있다.
또한 오일 필터부에 마련된 차압 표시부에 의해 필터의 성능 및 막힘 여부를 편리하게 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 오일 필터부의 확대도이다.
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.
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 일 실시예예 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 오일 필터부의 확대도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100)와, 압축기(200)와, 오일 분리기(300)와, 오일 필터부(400)와, 감압 장치(500)를 구비한다.
본 실시예의 열교환기(100)는, 액화천연가스 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 액화천연가스 저장탱크(T)로부터 배출된 후 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스는 온도가 높아진 후 압축기(200)로 보내지고, 압축기(200)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 증발가스는 감압장치(500)로 보내진다.
본 실시예의 압축기(200)는, 액화천연가스 저장탱크(T)로부터 배출된 후 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시킨다. 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 둘로 분기하여 일부는 고압엔진의 연료로 공급되고, 나머지는 오일분리기(300)로 보내질 수 있다. 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 고압엔진으로 보내지는 경우, 압축기(200)는 증발가스를 고압엔진이 요구하는 압력까지 압축시킬 수 있다. 고압엔진은 대략 150 bar 내지 350 bar 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 ME-GI엔진일 수도 있고, 대략 6 bar 내지 20 bar 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 X-DF엔진일 수도 있다.
압축기(200)는 다수개의 실린더와, 다수개의 실린더 후단에 각각 설치되는 다수개의 냉각기를 포함할 수 있다. 냉각기는 실린더에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 증발가스를 냉각시킨다.
도 1에는, 증발가스가 압축기(200)에 포함된 다수개의 실린더를 전부 통과한 후 둘로 분기되어 일부가 오일 필터부(400)로 보내지는 경우를 도시하였으나, 다수개의 실린더 중 일부를 통과한 증발가스를 압축기(200) 중간에서 분기시켜 오일 필터부(400)로 보낼 수도 있다.
또한, 다수개의 실린더 중 일부를 통과한 증발가스를 압축기(200) 중간에서 분기시켜 저압엔진으로 보내 연료로 사용할 수 있고, 잉여 증발가스는 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 연소시킬 수도 있다.
저압엔진은 대략 6 bar 내지 10 bar 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 DF
엔진일 수 있고, 고압엔진이 ME-GI엔진인 경우 저압엔진은 ME-GI엔진보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 X-DF엔진일 수도 있다.
압축기(200)에 포함되는 다수개의 실린더는, 일부는 무급유 윤활(oil-free lubricated) 방식으로 동작하고 나머지는 급유 윤활(oil lubricated) 방식으로 동작할 수 있다. 급유 윤활 방식의 실린더를 통과한 증발가스는 오일분리기(300)로 보내지도록 구성되고, 무급유 윤활 방식의 실린더만을 통과한 증발가스는 오일분리기(300)를 통과하지 않고 바로 열교환기(100)로 보내지도록 구성될 수도 있다.
일례로 본 실시예의 압축기(200)는 5개의 실린더를 포함하고, 전단 3개의 실린더는 무급유 윤활 방식이고 후단 2개의 실린더는 급유 윤활 방식일 수 있는데, 3단 이하에서 증발가스를 분기시키는 경우에는 증발가스가 오일분리기(300)를 통과하지 않고 바로 열교환기(100)로 보내지고, 4단 이상에서 증발가스를 분기시키는 경우에는 증발가스가 오일분리기(300)를 통과한 후 열교환기(100)로 보내지도록 구성될 수 있다.
본 실시예의 오일분리기(300)는, 압축기(200)를 통과한 증발가스에 섞여있는 오일을 분리한다. 압축기(200)가 급유 윤활 방식의 실린더를 포함하는 경우, 급유 윤활 방식의 실린더를 통과한 증발가스에는 소량의 윤활유가 섞이게 된다. 실린더를 통과하여 압축된 증발가스와 섞인 윤활유는, 압축된 증발가스와 함께 배관의 벽면을 타고 흐르는 형태(Wall Flow)로 흐를 수 있다.
증발가스에 섞인 윤활유는, 제1 열교환기(100)에서 증발가스를 냉각시킬 때 증발가스보다 먼저 응축되어 열교환기(100)의 유로를 막을 수 있는데, 본 실시예에 의하면 증발가스가 열교환기(100)에 의해 냉각되기 전에 오일분리기(300)에 의해 오일을 분리해내므로, 열교환기(100)의 유로가 응축된 오일에 의해 막히는 현상을 방지할 수 있다.
오일 필터부(400)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 오일 분리기의 후방 라인에 마련되어 윤활 오일에 함유되어 있는 에어로졸과 증기를 제거하는 역할을 한다. 또한 본 실시 예는 오일 필터부(400)를 통해 필터의 성능과 막힘 등을 편리하게 확인할 수 있다.
본 실시 예에서 오일 필터부(400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 에어로졸을 제거하는 코얼레싱 타입(Coalescing Type) 오일필터와, 코얼레싱 타입 오일필터(410)와 직렬로 연결되며 증기를 제거하는 흡착식(Adsorb type) 오일필터와, 코얼레싱 타입 오일필터(410) 및 흡착식 오일필터(420)와 병렬로 연결되는 차압 표시부(430)를 포함한다.
본 실시 예에서 차압 표시부(430)는, 코얼레싱 타입 오일필터(410)와 병렬로 연결되는 라인에 마련되는 제1 개폐밸브(431)와, 제1 개폐밸브(431)의 후방 라인에 마련되어 필터의 성능 및 막힘 여부를 표시하는 차압 표시부재(432)와, 차압 표시부재(432)의 후방 라인에 마련되는 제2 개폐밸브(433)를 포함한다.
본 실시 예는 제1 개폐밸브(431)와 제2 개폐밸브(433)를 열고 닫아 코얼레싱 타입 오일필터(410)와 흡착식 오일필터(420)의 막힘이나 성능 등을 확인할 수 있고, 이러한 성능 등은 차압 표시부재(432)에 표시될 수 있다.
또한 본 실시 예에서 코얼레싱 타입 오일필터(410)와 흡착식 오일필터(420)와 차압 표시부(430)는 예비용으로 각각 하나씩 더 마련되어 각각 한 쌍을 이루고, 차압 표시부(430)는, 각각 한 쌍을 이루어 서로 병렬로 배치되는 코얼레싱 타입 오일필터(410)와 흡착식 오일필터(420)와 차압 표시부(430)를 연결하는 라인과 오일 분리기를 연결하는 라인에 마련되는 제1 삼방밸브(440)와, 각각 한 쌍을 이루어 서로 병렬로 배치되는 코얼레싱 타입 오일필터(410)와 흡착식 오일필터(420)와 차압 표시부(430)가 서로 합류되는 라인에 마련되는 제2 삼방밸브(450)를 더 포함할 수 있다.
나아가 본 실시 예에서 오일 필터부(400)에는 장비의 수리시 질소 가스를 이용하여 해당 라인을 퍼징(purging)할 수 있는 퍼지 유입구와 퍼징 배출구가 마련될 수 있다.
본 실시예의 감압장치(50000)는, 압축기(200), 오일분리기(300) 및 열교환기(100)를 통과한 증발가스를 팽창시킨다. 압축기(200)에 의한 압축, 열교환기(100)에 의한 냉각, 및 감압장치(500)에 의한 팽창과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다. 본 실시예의 감압장치(500)는 팽창기일수도 있고 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있다.
본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 압축기(200), 열교환기(100) 및 감압장치(500)를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(600)를 더 포함할 수 있다.
기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 액화천연가스 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 액화천연가스 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 열교환기(100)로 보내질 수 있다.
본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스를 열교환기(100)에 보내는 라인 상에 설치되어, 증발가스의 유량 및 개폐를 조절하는 밸브(700)를 더 포함할 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 오일 필터부가 에어로졸을 제거하는 코얼레싱 타입(Coalescing Type) 오일필터와, 증기를 제거하는 흡착식(Adsorb type) 오일필터를 구비하여 압축기의 윤활 오일에 존재하는 에어로졸과 증기를 제거할 수 있어 액화천연가스 저장탱크로 유입되는 윤활 오일의 양을 최소화할 수 있다.
또한 오일 필터부에 마련된 차압 표시부에 의해 필터의 성능 및 막힘 여부를 편리하게 확인할 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.
100 : 열교환기 200 : 압축기
300 : 오일 분리기 400 : 오일 필터부
410 : 코얼레싱 타입 오일필터 420 : 흡착식 오일필터
430 : 차압 표시부 440 : 제1 삼방밸브
450 : 제2 삼방밸브 500 : 감압장치
600 : 기액분리기 700 : 밸브
T : 액화천연가스 저장탱크

Claims (8)

  1. 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스에 포함된 오일을 걸러내는 오일분리기; 및
    상기 오일 분리기의 후방 라인에 마련되는 오일 필터부를 포함하고,
    상기 오일 필터부는, 에어로졸을 제거하는 코얼레싱 타입(Coalescing Type) 오일필터와, 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 직렬로 연결되며 증기를 제거하는 흡착식(Adsorb type) 오일필터와, 상기 코얼레싱 타입 오일필터 및 상기 흡착식 오일필터와 병렬로 연결되는 차압 표시부를 포함하고,
    상기 코얼레싱 타입 오일필터와 상기 흡착식 오일필터와 상기 차압 표시부는 예비용으로 각각 하나씩 더 마련되어 각각 한 쌍을 이루고,
    상기 차압 표시부는,
    각각 한 쌍을 이루어 서로 병렬로 배치되는 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 상기 흡착식 오일필터와 상기 차압 표시부를 연결하는 라인과, 상기 오일 분리기를 연결하는 라인에 마련되는 제1 삼방밸브; 및
    각각 한 쌍을 이루어 서로 병렬로 배치되는 상기 코얼레싱 타입 오일필터와 상기 흡착식 오일필터와 상기 차압 표시부가 서로 합류되는 라인에 마련되는 제2 삼방밸브를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차압 표시부는,
    상기 코얼레싱 타입 오일필터와 병렬로 연결되는 라인에 마련되는 제1 개폐밸브;
    상기 제1 개폐밸브의 후방 라인에 마련되어 필터의 성능 및 막힘 여부를 표시하는 차압 표시부재; 및
    상기 차압 표시부재의 후방 라인에 마련되는 제2 개폐밸브를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및
    상기 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 팽창시키는 감압장치를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 압축기, 상기 열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 재액화된 액화천연가스와, 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액 분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서.
    상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 액화천연가스 저장탱크로 보내지고,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 액화천연가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 상기 열교환기로 보내지는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서.
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부는 고압엔진으로 보내지는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서.
    상기 압축기를 통과한 증발가스는 분기되어 저압엔진 및 GCU 중 적어도 하나로 보내지는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
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