KR101941403B1 - 액화 천연 가스의 브레이톤 사이클 재가스화 - Google Patents

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마티아스 핀켄라쓰
요하네스 엑스테인
클라리사 사라 카타리나 벨로니
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Abstract

액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치(100)를 포함하는 발전소가 제공된다. 상기 장치는 작동 유체를 가압하도록 구성된 압축기(116)와 열을 작동 유체에 제공하도록 구성된 열 회수 시스템(112)을 포함한다. 터빈(114)은 가열된 작동 유체를 활용하여 일을 발생시키도록 구성된다. 하나 이상의 열교환기(118)는 작동 유체로부터 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체 중 적어도 하나에 열을 전달하도록 구성된다.

Description

액화 천연 가스의 브레이톤 사이클 재가스화{BRAYTON CYCLE REGASIFICATION OF LIQUIEFIED NATURAL GAS}
본 발명은 일반적으로 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화에 관한 것으로, 특히 LNG의 재가스화를 위한 브레이톤(Brayton) 사이클을 활용하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 천연 가스는 파이프라인 천연 가스와 같은 분배를 위해 또는 연소 사용을 위해 실질적으로 재가스화되는 LNG와 같은 액화 형태로 운송된다. LNG는 통상적으로 약 1 내지 2 바아(bar)의 압력에서 영하 약 160℃의 온도로 운송되고, 약 10℃ 내지 약 30℃ 사이의 온도와 약 30 바아 내지 약 250 바아 사이의 압력으로 소비 또는 분배되기 전에 재가스화될 필요가 있다.
임의의 통상적인 기술은 일정한 상황하에서 환경에 부정적인 영향을 미치는 LNG의 재가스화를 위한 열원으로서 해수(seawater)를 사용한다. 예를 들어, 열원으로서 해수를 포함하는 LNG 재가스화 공정을 사용하는 바닷물의 냉각은 LNG 재가스화 설비의 바로 이웃하는 생태계(ecosystem)와 해양 생물(marine life)에 예기치 못한 영향을 미칠 수 있다. 다른 통상적인 기술들 중에, 천연 가스는 LNG의 재가스화를 위해 필요한 열을 생성하기 위해 연소될 수 있고 LNG의 재가스화는 예를 들어 동력 발생을 위해 LNG 사용의 탄소 배출(carbon footprint)을 증가시킨다.
따라서, 종래 기술의 LNG 재가스화 기술과 관련된 상술한 문제점들 중 적어도 몇 가지를 극복하는 LNG의 재가스화를 위해 개량된 방법 및 장치의 필요성이 존재한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치를 포함하는 발전소(power plant)는 작동 유체를 가압하도록 구성된 압축기, 열을 작동 유체에 제공하도록 구성된 열 회수 시스템, 작동 유체를 활용하여 일(work)을 발생시키도록 구성된 터빈, 및 작동 유체로부터의 열을 전달하도록 구성된 하나 이상의 열교환기를 포함한다. 열교환기는 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체 중 적어도 하나에 열을 전달하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, LNG 동력 발전 설비에서 액화 천연 가스의 재가스화를 위한 방법은 동력 발전 설비의 상부 사이클(topping cycle)로부터의 열을 회수하는 단계와, 가열된 작동 유체를 제공하기 위해 동력 발전 설비의 하부 사이클(bottoming cycle)의 작동 유체를 가열하는 단계를 포함한다. 가열된 작동 유체에 함유된 에너지의 적어도 일부는 일을 발생시키기 위해 방출된다. 일을 발생시킨 후에 작동 유체로부터의 열은 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체 중 적어도 하나에 전달된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, LNG 동력 발전 설비에서 액화 천연 가스의 재가스화를 위한 장치를 개장(retrofitting)하기 위한 방법은 작동 유체로부터의 열을 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체 중 적어도 하나에 전달하도록 구성된 하나 이상의 열교환기를 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성된 제 1 스테이지 LNG 펌프와 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 스테이지 LNG 펌프 중 적어도 하나가 또한 제공된다. 하나 이상의 열교환기, 제 1 스테이지 LNG 펌프, 및 제 2 스테이지 LNG 펌프는 LNG 동력 발전 설비의 변형된 하부 브레이톤 사이클의 일부를 형성한다.
본 발명에 의하면, 브레이톤 사이클을 활용하는 방법 및 시스템을 제공하여, 액화 천연 가스의 재가스화를 위해 열원으로서 환경에 부정적인 영향을 미치는, 해수를 사용하는 것을 방지하여 액화 천연 가스의 효율적인 재가스화를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2-스테이지 가스화를 위한 상부 사이클 및 하부 브레이톤 사이클을 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재가스화의 두 압력 레벨을 위한 통합된 캐스케이드(integrated cascaded) 질소 브레이톤 사이클을 도시한 온도 대 엔트로피 그래프.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2-스테이지 LNG 가스화를 위한 상부 사이클 및 하부 브레이톤 사이클을 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일-스테이지 LNG 가스화를 위한 상부 사이클 및 회복된(recuperated) 하부 브레이톤 사이클을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2-스테이지 LNG 가스화를 위한 상부 사이클 및 하이브리드 회복된 하부 브레이톤 사이클을 도시한 개략도.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 개념들 및 장점들은 유사한 부호가 도면을 통하여 유사한 부품들에 사용되는 하기 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 판독될 때에 더 양호하게 이해된다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 단일로 인용되고 용어 "하나(a)" 또는 "하나(an)"로 시작되는 부재 또는 작용은 상기 한정이 명백하게 기재하지 않는 한 상기 소자들 또는 작용들의 복수형을 제외하지 않는 것으로 이해해야 한다. 더욱이, 본 발명의 "일 실시예"의 참조는 또한 열거된 특징들을 합체하는 부가적인 실시예들의 존재를 제외하는 바와 같이 해석되지 않는다.
상술한 바와 같이, 일 실시예에서, 본 발명은 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치를 포함하는 발전소를 제공한다. 이 장치는 (a) 작동 유체를 가압하도록 구성된 압축기, (b) 열을 작동 유체에 제공하도록 구성된 열 회수 시스템, (c) 작동 유체를 활용하여 일을 발생하도록 구성된 터빈, 및 (d) 작동 유체로부터의 열을 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체 중 적어도 하나에 전달하도록 구성된 하나 이상의 열교환기를 포함한다.
다양한 실시예에서, 발전소는 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위해 사용될 수 있는 제 1 스테이지 LNG 펌프와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위한 제 2 스테이지 LNG 펌프를 포함한다.
작동 유체는 발전소에 의해 생성된 열을 포착하고 이 열을 스테이지에서 가스화되는 LNG에 전달하기 위해 사용된다. 다양한 실시예에서, 작동 유체는 작동 유체에 열을 제공하도록 구성된 열 회수 시스템에서 가열된다. 일 실시예에서, 작동 유체는 약 300℃ 내지 약 700℃ 사이의 온도로 이 열 회수 시스템에서 가열된다. 일 실시예에서, 열 회수 시스템은 동력 발전 터빈에 의해 생성된 고온 배기 가스로부터의 열을 추출하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 열 회수 시스템은 외부 열 사이클로부터의 열을 추출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 외부 열 사이클은 LNG 동력 발전 설비의 상부 사이클(topping cycle)이다.
다양한 실시예에서, 작동 유체로부터 LNG로 열의 전달은 열교환기에서 실행된다. 일 실시예에서, 열교환기는 약 - 140℃ 내지 약 -110℃ 사이의 온도에서 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성된다.
일 실시예에서, 열교환기는 약 -130℃ 내지 약 -100℃ 사이의 온도와 약 50 바아(bar) 내지 약 700 바아 사이의 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 수용하도록 구성된다. 일 실시예에서, 열교환기는 약 0℃ 내지 약 40℃ 사이의 온도에서 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성된다.
일 실시예에서, 적어도 두 개의 열교환기, 즉 제 1 열교환기와 제 2 열교환기가 있다. 일 실시예에서, 제 1 열교환기는 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성되고, 제 2 열교환기는 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성된다.
일 실시예에서, 열교환기는 열을 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체에 전달하도록 구성된다. 일 실시예에서, 압축된 작동 유체는 약 -30℃ 내지 약 50℃ 사이의 온도와 약 100 바아 내지 약 200 바아 사이의 압력에서 열교환기에 전달된다. 이러한 상황하에서, 열교환기는 약 -30℃ 내지 약 50℃ 사이의 온도와 약 100 바아 내지 약 200 바아 사이의 압력에서 압축된 작동 유체를 수용하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 LNG 동력 발전 설비에서 액화 천연 가스를 재가스화하기 위한 방법을 제공하고, 이 방법은 (a) 동력 발전 설비의 상부 사이클(topping cycle)로부터의 열을 회수하여 동력 발전 설비의 하부 사이클(bottoming cycle)의 작동 유체를 가열함으로써, 가열된 작동 유체를 제공하는 단계, (b) 상기 가열된 작동 유체에 함유된 에너지의 적어도 일 부분을 방출하여 일을 발생시키는 단계, 및 (c) 일을 발생시킨 후에 상기 작동 유체로부터의 열을 제 1 압력에서 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력에서 제 2 스테이지 액화 천연 가스와 압축된 작동 유체 중 적어도 하나에 전달하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 질소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 작동 유체를 사용한다. 대안적인 실시예에서, 상기 방법은 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 질소 중 적어도 하나를 포함하는 작동 유체를 사용한다. 일 실시예에서, 작동 유체는 질소이다.
일 실시예에서, 작동 유체는 동력 발전 설비의 상부 사이클과 관련된 열 회수 시스템에서 약 300℃ 내지 약 700℃까지 범위의 온도로 가열된다. 대안적인 실시예에서, 작동 유체는 동력 발전 설비의 상부 사이클과 관련된 열 회수 시스템에서 약 350℃ 내지 약 650℃까지 범위의 온도로 가열된다. 또 다른 실시예에서, 작동 유체는 동력 발전 설비의 상부 사이클과 관련된 열 회수 시스템에서 약 400℃ 내지 약 600℃까지 범위의 온도로 가열된다.
본 발명의 방법의 일 실시예에서, 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 약 -160℃ 내지 약 -140℃ 사이의 온도와 약 1 바아 내지 약 50 바아 사이의 압력을 갖는다. 대안적인 실시예에서, 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 약 -160℃ 내지 약 -140℃ 사이의 온도와 약 2 바아 내지 약 15 바아 사이의 압력을 갖는다.
본 발명의 방법의 일 실시예에서, 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 열교환기로부터 최근에 만들어진 약 -140℃ 내지 약 -110℃ 사이의 온도를 갖는 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위해 작동 유체로부터의 열을 흡수하는 열교환기에 도입된다.
본 발명의 방법의 일 실시예에서, 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 약 -130℃ 내지 약 -100℃ 사이의 온도와 약 50 바아 내지 약 700 바아 사이의 압력에서 열교환기에 도입된다. 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 열교환기로부터 최근에 만들어진 약 0℃ 내지 약 40℃ 사이의 온도를 갖는 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위해 열교환기 내로 도입되는 작동 유체로부터의 열을 흡수한다.
본 발명의 방법의 일 실시예에서, 열은 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스와 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위해, 제 1 열교환기 내에서 작동 유체로부터 제 1 스테이지 액화 천연 가스로 전달되고, 제 2 열교환기 내에서 작동 유체로부터 제 2 스테이지 액화 천연 가스로 전달된다.
본 발명의 방법의 일 실시예에서, 단일 열교환기는 작동 유체로부터의 열을 제 1 스테이지 액화 천연 가스와 제 2 스테이지 액화 천연 가스로 전달하기 위해 사용된다. 따라서, 열은 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스와 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위해, 제 1 열교환기 내에서 작동 유체로부터 제 1 스테이지 액화 천연 가스로, 그리고 동일한 제 1 열교환기 내에서 작동 유체로부터 제 2 스테이지 액화 천연 가스로 전달된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 방법의 일 실시예에서, 열은 동력 발전 설비의 상부 사이클로부터 회수되고 가열된 작동 유체를 제공하기 위해 동력 발전 설비의 하부 사이클의 작동 유체를 가열하기 위해 사용된다. 작동 유체는 동력 발전 설비에 통합된 열 회수 시스템에서 가열될 수 있다. 통상적으로, 작동 유체는 일을 발생시키기 위해 가열된 작동 유체에 함유된 에너지의 일 부분을 사용하는 터빈과 같은 에너지 추출 디바이스의 하류 지점에서 열교환기 내로 도입된다. 일 실시예에서, 작동 유체는 에너지 추출 디바이스의 하류 지점에서 열교환기 내로 도입되어 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위해 제 1 스테이지 액화 천연 가스에 열을 전달한다. 그런 후에, 열교환기로부터 상승하는 작동 유체는 압축된 작동 유체를 제공하기 위해 압축 단계를 거친다. 부가적인 열은 제 1 스테이지 액화 천연 가스와 제 2 스테이지 액화 천연 가스 중 하나 또는 양자와 접촉하여 압축된 작동 유체가 하나 이상의 열교환기를 통과함으로서 이 압축된 작동 유체로부터 추출될 수 있다. 일 실시예에서, 압축된 작동 유체의 온도는 작동 유체가 열교환기를 통과할 때에 열이 압축된 작동 유체에 전달되도록 충분히 낮다. 이러한 상황하에서, 열교환기는 열을 압축된 작동 유체에 전달하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 압축된 작동 유체는 약 -30℃ 내지 약 50℃ 사이의 온도와 약 100 바아 내지 약 200 바아 사이의 압력에서 열교환기 내로 도입된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치를 포함하는 동력 발전 설비(power generation plant) 또는 시스템(100)을 도시한다. 시스템(100)은 다른 것들 중에서 에너지를 발생시키기 위한 산화제(oxidant)(즉, 주변 공기)와 배기 가스를 연소하기 위한 연료(즉, 재가스화 LNG)를 사용하는 상부 사이클(topping cycle)(110)을 포함한다. 본 명세서에 제공된 본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 상부 사이클(110)은 개방 브레이톤(Brayton) 사이클이다. 상부 사이클(110)로부터 고온 배기 가스는 고온 배기물로부터 열을 흡수하도록 구성된 열 회수 시스템(112)을 통과하여, 이를 하부 브레이톤 사이클(132)의 작동 유체에 제공한다. 시스템(100)은 두 압력 레벨들에서 액화 천연 가스의 효율적인 재가스화와 전력 발생 양자를 위해 제공된다.
시스템(100)은 두개의 캐스캐이드식(cascaded) 브레이톤 사이클, 즉 상부 브레이톤 사이클(110)과 하부 폐쇄된 브레이톤 사이클(132)을 포함한다. 상부 사이클(100)은 도시만을 위해 그리고 이에 제한되지 않는 브레이톤 사이클로 도시된 것을 당업자들은 명백하게 이해한다. 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 상부 브레이톤 사이클(110)은 개방된 간단한 가스 터빈 사이클에 기초하고, 하부 사이클(132)은 적합한 작동 유체와 폐쇄된 간단한 브레이톤 사이클의 작동에 기초하고 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 하부 브레이톤 사이클(132)은 두 스테이지 LNG 재가스화를 위해 제공된다.
하부 사이클(132)은 작동 유체로부터 일을 발생시키기 위한 터빈(114), 작동 유체로부터의 열을 재가스화를 위해 LNG까지 전달하기 위한 열교환기(118), 및 작동 유체를 가압하기 위한 압축기(116)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 하부 사이클의 작동 유체는 정상 상황하에서 비교적 불활성인 어떤 적합한 유체이고, 화재, 폭발, 또는 다른 안전성 위험 요소를 경감하기 위해 선택될 수 있다. 적합한 작동 유체는 다른 것들 중에서 아르곤, 헬륨, 질소, 이산화탄소와 같은 일반적으로 불활성 가스를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 본 명세서에 기재된 실시예에서, 질소는 작동 유체로 의도되는 한편, 당업자들은 본 기술 분야에 일반적으로 알려진 대안적인 작동 유체가 본 발명의 정신과 범주내에서 적합하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 시스템(110)은 열교환기(118)에 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위한 제 1 스테이지 LNG 펌프와 열교환기(118)에 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하기 위한 제 2 스테이지 LNG 펌프를 더 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기(118)는 작동 유체와 제 1 및 제 2 스테이지 액화 천연 가스 사이에서 열을 교환하도록 구성되는 3-스트림(stream) 열교환기이다. 3-스트림 열교환기(118)는 가열된 작동 유체 스트림(140), 제 1 스테이지 LNG 스트림(142) 및 제 2 스테이지 LNG 스트림(144)을 포함한다.
도 1에 도시된 실시예를 또 참조하면, 작동시 열 회수 시스템(112)은 작동 유체가 터빈(114)에 진입하기 전에 이 작동 유체를 가열하거나 또는 활성화한다. 터빈(114)은 일(예를 들어 동력 발생을 위해 활용됨)을 발생시키고 작동 유체를 방출하여 적어도 일부 에너지를 터빈에서 손실되게 하고, 그런 다음 작동 유체는 가열된 작동 유체 스트림(140)을 통해 열교환기(118)로 진입한다. 열교환기(118)는 2 스테이지에서 액화 천연 가스를 재가스화한다. 도시된 실시예에서, 시스템(100)은 예를 들어 두 압력 레벨들에서 작동 유체로부터 LNG까지 열을 전달함으로써 LNG를 재가스화하는 상부 가스 터빈 사이클(110)과 하부 질소 브레이톤 사이클(132)을 포함한다. 이러한 실예에서, 액화 천연 가스는 재가스화되고, 재가스화된 천연 가스는 가스 상태에서 천연 상태를 요구하는 파이프라인 또는 다른 설비에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 재가스화된 천연 가스는 약 80 바아(bar) 내지 약 250 바아 사이의 압력에서 제공된다. 대안적인 실시예에서, 재가스화된 천연 가스는 약 50 바아 내지 약 700 바아 사이의 압력에서 제공된다. 일 실시예에서, 재가스화된 천연 가스는 약 10℃ 내지 약 30℃ 사이의 온도에서 제공된다. 제 1 재가스화 스테이지에서, 제 1 스테이지 LNG 펌프(120)는 약 -160℃ 내지 약 -140℃ 사이의 온도에서 약 1 바아 내지 약 50 바아 사이로 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 가압한다. 압축된 LNG는 열교환기(118)에 진입하고 제 1 스테이지 LNG 스트림(142)으로서 도 1에 도시되어 있다. 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 작동 유체로부터 열을 흡수하고, 약 -140℃ 내지 약 -110℃ 사이의 온도에서 액화 상태로 열교환기(118)를 빠져나간다. 그런 후에, 제 2 스테이지에서, 제 2 스테이지 LNG 펌프(122)는 약 50 바아 내지 약 700 바아(필요한 분배 압력에 따라) 사이의 기화 압력으로 그리고 약 -130℃ 내지 약 -100℃ 사이의 온도로 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 가압한다. 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 열교환기(118)에 진입하고, 제 2 스테이지 LNG 스트림(144)으로 도 1에 도시되어 있다. 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 작동 유체로부터 열을 흡수하고, 통상적으로 약 50 바아 내지 약 700 바아 사이의 압력과 약 0℃ 내지 40℃ 사이의 온도에서 실질적으로 완전히 기화된 상태로 열교환기(118)를 빠져나간다. 따라서, 액화 천연 가스는 예를 들어 단일-스테이지 재기화와 2-캐스캐이드 브레이톤 사이클을 비교하면 더 높은 효율로 2-스테이지 펌핑의 사용에 의해 재가스화된다.
요약하면, 3-스트림 열교환기(118)는 중간 압력(가능한 낮은 것이 양호함)으로 펌프된 제 1 스테이지 액화 천연 가스에 의해 작동하여 매우 낮은 온도로 제 1 스테이지 LNG 스트림(142)으로 보내진다. 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 작동 유체로부터 열을 흡수하여 액체 상태로 제 1 스테이지 LNG 스트림(142)을 빠져나간다. 그런 다음 열교환기로부터 만들어진 액화 천연 가스는 높은 압력(제 2 스테이지)으로 펌프되고, 처리될 액화 천연 가스에 대해 비교적 높은 온도(작동 유체가 터빈으로부터 얻어질 때 50-250℃ 주위)를 갖는 작동 유체와 제 2 열적 접촉에 의해 완전히 기화되는 제 2 스테이지 LNG 스트림(144)으로 열교환기(118) 내로 다시 도입된다. 그러나, 당업자들은 다양한 도시로 본 명세서에 기재된 개념들이 참조부호 118을 3-스트림 열교환기에 제한하지 않는 것을 이해할 것이고, 당업자들에게 쉽게 일어날 수 있는 바와 같은 다른 변형들을 포함할 것이다. 예를 들면, 실시예(도 3에 대해 더 설명되는 바와 같이)에 따르면, 두 개의 분리 열교환기들은 본 발명에 의해 제공되는 방법을 사용하여 LNG를 재가스화하기 위해 활용될 수 있다.
사용되는 작동 유체의 최소 온도를 감소시키는 것은 LNG 액화 공정의 전체 효율에서 양호한 효과를 갖고, 하부 사이클의 전기 효율을 상승시키는 것을 발견했다. 도 1에 도시된 바와 같이 형성된 본 발명의 실시예에서, 열교환기(118)로 진입하는 제 1 스테이지 액화 천연 가스의 온도는 가능한 낮게 유지되고, LNG 압력(및 온도)에서, 단일-스테이지 재가스화 시스템의 외형 특징의 가파른 증가를 회피한다. 양호하게는, 액화 천연 가스는 일 스테이지 대신에 2 스테이지에서 재가스화(및 펌핑)된다. 다중 스테이지에서 액화 천연 가스의 펌핑(및 따라서 가압)과, 다중 스테이지들을 통해 열교환기(118)에 존재하는 액화 천연 가스의 온도(가능한 낮게)의 제어를 더 양호하게 할 수 있으며, 전체적으로 하부 사이클과 액화 공정의 전체 효율의 상승을 양호하게 제공한다.
도 2는 LNG 재가스화가 예를 들어 도 1에 도시된 시스템(100)에서 두개의 압력 스테이지를 가로질러 실행되는 캐스캐이드 질소 브레이톤 사이클(실험)에 의해 온도 대 엔트로피의 그래프(200)이다. 그래프(200)에 도시된 시뮬레이션 결과에서, 다양한 예측은 시뮬레이션의 목적에 의해 만들어진다. 따라서, 상부 사이클의 효율은 42%로 추정되고, 배기 가스 온도는 460℃로 추정되며, LNG 온도는 -162℃로 추정되고, 재가스화된 LNG는 10-15℃와 200 바아로 추정된다. 시뮬레이션의 결과로 결정되어, 예를 들어 본 발명의 방법을 사용하여 전체 효율은 53.8% 내지 55% 상승했고 순수 동력 발생은 약 2% 상승한 것이 그래프(200)로부터 추론할 수 있다. 이 효율은 질소(작동 유체)로부터 액화 천연 가스로 전달되는 열 효율로 인해 적어도 부분적으로 달성된다. 실예에 따르면, 상부 사이클의 배기 가스 내에 함유된 이용 가능한 열이 변하지 않기 때문에, 그리고 열 회수 시스템(112)에 진입하고 빠져나가는 작동 유체의 특성이 하나의 압력 레벨에서 종래 기술의 재가스화 LNG와 동일하게 유지되기 때문에, 하부 사이클의 작동 유체 질량 유동은 열 회수 시스템(112)의 설계와 특징에 따라 일정하게 유지될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예들은 기존 발전소들로 쉽게 형성 또는 개장될 수 있고, 이에 의해 발전소들의 관련된 효율들이 향상한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 시스템(100)과 유사한 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치를 포함하는 동력 발전 설비 또는 시스템(300)을 도시한다. 시스템(300)은 상부 사이클(310), 상부 사이클(310)로부터의 열을 회수하고 이 열을 하부 사이클(332)의 작동 유체에 제공하는 열 회수 시스템(312), 터빈(314), 압축기(316), 가열된 작동 유체 스트림(340)과 제 1 스테이지 LNG 스트림(342)을 갖는 제 1 열교환기(318), 가열된 작동 유체 스트림(341)과 제 2 스테이지 LNG 스트림(344)을 갖는 제 2 열교환기(320), 제 1 스테이지 LNG 펌프(322), 및 제 2 스테이지 LNG 펌프(324)를 포함한다. 제 1 및 제 2 열교환기(318, 320)는 각각 2-스트림 열교환기들이다. 제 1 스테이지에서 액화 천연 가스는 약 1 바아 내지 약 50 바아 사이의 압력과 약 -160℃ 내지 약 -140℃ 사이의 온도에서 제 1 스테이지 LNG 펌프(322)를 사용하여 제 1 스테이지 LNG 스트림(342)으로 펌프된다. 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 약 - 140℃ 내지 약 -110℃ 사이의 온도에서 제 1 열교환기(318)를 빠져나간다. 그런 후에, 제 2 스테이지에서, 액화 천연 가스는 약 50 바아 내지 약 700 바아(필요한 분배 압력에 따라) 사이의 압력과 약 -130℃ 내지 약 -100℃ 사이의 온도에서 제 2 열교환기(320)에 대해 제 2 스테이지 LNG 펌프(324)를 사용하여 제 2 스테이지 LNG 스트림(344)으로 펌프된다. 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 약 50 바아 내지 약 700 바아 사이의 압력, 일 실시예에선 약 80 바아 내지 약 250 바아 사이의 압력에서 제 2 열교환기(320)를 빠져나간다. 제 2 열교환기(320)를 빠져나간 천연 가스의 온도는 통상적으로 약 0℃ 내지 약 40℃ 사이이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치를 포함하는 동력 발전 설비 또는 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 상부 사이클(410), 상부 사이클(412)로부터의 열을 회수하고 이 열을 하부 사이클(432)의 작동 유체로 제공하는 열 회수 시스템(412), 터빈(414), 압축기(416), 3-스트림 열교환기(418), 및 제 1 스테이지 LNG 펌프(420)를 포함한다. 3-스트림 열교환기(418)는 가열된 작동 유체 스트림(440), 제 1 스테이지 LNG 스트림(442), 및 작동 유체 회복(recuperation) 스트림(444)을 포함한다. 시스템(400)은 예를 들면 도 1의 시스템(100)과 유사하게 작동하고, 부가적으로 시스템(400)은 1-스테이지 LNG 재가스화를 포함하며, 압축기(416)를 빠져나간 작동 유체는 하부 브레이톤 사이클(432)의 회복을 위해 열교환기(418)와 연통한다. 따라서, 하부 브레이톤 사이클(432)은 작동 유체를 위한 1-스테이지 LNG 재가스화와 회복 스테이지를 포함한다. 작동 유체는 약 100 바아 내지 약 200 바아의 압력과 약 -50℃ 내지 약 50℃의 온도에서 작동 유체 회복 스트림(444) 내의 열교환기(418)에 진입하고, 가열된 작동 유체 스트림(440)으로부터의 열을 흡수하며, 대략 동일한 압력과 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도에서 열교환기(418)를 빠져나간다. 제 1 스테이지에서 액화 천연 가스는 약 1 바아 내지 약 50 바아와 약 -160℃ 내지 약 -140℃의 온도에서 제 1 스테이지 LNG 펌프(420)를 사용하여 제 1 스테이지 LNG 스트림(442)으로 펌프된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 약 0℃ 내지 약 40℃ 사이의 온도에서 제 1 열교환기(418)를 빠져나간다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화를 위한 장치를 포함하는 동력 발전 설비 또는 시스템(500)을 도시한다. 시스템(500)은 상부 사이클(510), 상부 사이클(510)로부터의 열을 회수하고 이 열을 하부 사이클(532)의 작동 유체로 제공하는 열 회수 시스템(512), 터빈(514), 압축기(516), 4-스트림 열교환기(518), 제 1 스테이지 LNG 펌프(520), 및 제 2 스테이지 LNG 펌프(522)를 포함한다. 4-스트림 열교환기(518)는 가열된 작동 유체 스트림(540), 제 1 스테이지 LNG 스트림(542), 제 2 스테이지 LNG 스트림(544), 및 작동 유체 회복 스트림(546)을 포함한다. 시스템(500)은 예를 들면 도 1의 시스템(100)과 유사하게 작동하고, 부가적으로 압축기(516)를 빠져나가는 작동 유체는 하부 브레이톤 사이클(532)의 회복을 위해 열교환기(518)와 연통한다. 따라서, 하부 브레이톤 사이클(532)은 작동 유체를 위한 2-스테이지 LNG 재가스화와 회복 스테이지를 포함한다. 작동 유체는 약 100 바아 내지 약 200 바아 사이의 압력과 약 -50℃ 내지 약 50℃ 사이의 온도에서 작동 유체 회복 스트림(546) 내의 열교환기(518)에 진입하고, 가열된 작동 유체 스트림(540)으로부터의 열을 흡수하며, 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도에서 열교환기(518)를 빠져나간다. 더욱이, 제 1 재가스화 스테이지에서 제 1 스테이지 LNG 펌프(520)는 약 1 바아 내지 약 50 바아 사이와 약 -160℃ 내지 약 -140℃의 온도로 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 가압한다. 그런 다음 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 제 1 스테이지 LNG 스트림(542)으로서 열교환기(518)에 진입한다. 제 1 스테이지 액화 천연 가스는 작동 유체로부터의 열을 흡수하고, 약 -140℃ 내지 -110℃ 사이의 온도에서 액체 상태를 유지하는 동안 열교환기(518)를 빠져나간다. 그런 후에, 제 2 스테이지에서 제 2 스테이지 LNG 펌프(522)는 약 50 바아 내지 약 700 바아 사이의 기화 압력, 일 실시예에선 약 80 바아 내지 약 250 바아 사이(필요한 분배 압력에 따름)의 기화 압력과 약 -130℃ 내지 약 -100℃ 사이의 온도로 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 가압한다. 그런 다음 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 제 2 스테이지 LNG 스트림(544)으로서 열교환기(518)에 진입한다. 제 2 스테이지 액화 천연 가스는 작동 유체로부터의 열을 흡수하고, 약 50 바아 내지 약 700 바아 사이의 압력과 약 0℃ 내지 약 40℃ 사이의 온도로 실질적으로 완전히 기화된 상태로 열교환기(518)를 빠져나간다.
회복된 브레이톤 사이클에서, 열 회수 시스템을 통과한 후에, 가열된 작동 유체는 터빈을 통해 팽창하고, 복수의 스테이지에서 액화 천연 가스를 재가스화하는 4-스트림 열교환기(518)와 연속적으로 연통하며, 압축기(516)로부터 빠져나간 고압 작동 유체를 예열하기 위해 회복기(recuperator)로서 동시에 작동한다. 질소가 예열되면, 저온은 압축기 출구에서 얻어지고, 따라서 압축기는 회복되지 않은 브레이톤 사이클과 비교하여 보다 낮은 압력 비율로 작동한다. 따라서, 보다 높은 전기 효율은 회복되지 않은 실시예와 비교하면 회복된 브레이톤 사이클에 의해 달성될 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 본 발명의 많은 변경이 가능하다. 예를 들어, 도 1의 시스템(100)으로 도시된 본 발명의 실시예의 다양한 변경은 본 명세서에서 길이로 설명될 수 있다. 일 실시예에서, 하부 브레이톤 사이클에 사용되는 회복기는 4-스트림 열교환기(도 5에 시스템(500)으로 도시된 실시예), 또는 3-스트림 열교환기와 분리 회복기(도시 생략), 또는 2 분리 LNG 열교환기와 회복기 중 하나를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 펌핑되는 제 1 및 제 2 스테이지 LNG는 두 압력 스테이지들을 갖는 단일 펌프에 의해 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 각 압력 스테이지는 두 스테이지 펌프의 공통 구동 샤프트 상에 장착된다. 본 명세서에 기재된 실시예들의 이들 및 다른 변경들, 대체들 및 조합들은 당업자들에게 그리고 본 명세서의 설명에 따라 발생할 수 있다. 본 명세서에 기재된 실시예들의 상기 변경들, 대체들 및 조합들은 본 발명의 정신과 범주 내에 포함된다.
더욱이, 다양한 실시예들이 하부 브레이톤 사이클을 위한 작동 유체로서 질소에 대해 본 명세서에 도시한 반면에, 질소 이외의 다른 작동 유체들이 또한 사용될 수 있는 것은 명백하다. 상술한 바와 같이, 어떤 적합한 작동 유체는 본 발명의 실예에서 사용될 수 있다. 통상적으로, 작동 유체는 발전소 상황에 따라 불활성 또는 비-반응성 중 하나이다. 적합한 작동 유체들은 예를 들어, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 그 혼합물을 포함한다. 따라서, 사용되는 특정 작동 유체에 따라, 다양한 온도와 압력 범위는 변화할 수 있고, 당업자들과 본 명세서의 설명에 따라 쉽게 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 알려진 실시예들에 비해서 다수의 장점들을 제공한다. 예를 들어, 두 개의 다른 압력 레벨들에서 LNG를 펌핑함으로써, 이는 제 1 압축 스테이지에서 LNG 온도의 매우 낮은 관련된 상승을 갖는 것이 가능하다. 더욱이, 작동 유체의 사용가능한 최소 온도가 감소된다. 더욱이, 하나의 압력 레벨에서 LNG 재가스화 형성과 비교하여 하부 사이클의 전기 효율은 충분히 증가한다. 다양한 실시예에서, 분배/저장을 위해 재가스화 LNG 요구를 충족하기 위한 시스템의 가요성은 매우 높은 LNG 기화 압력이 달성될 수 있기 때문에, 증가한다. 더욱이, 펌핑은 복수의 압력 스테이지를 갖는 단일 펌프를 사용하여 실행된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 기존의 발전소들을 쉽게 개장(retrofitted)할 수 있다. 기존 발전소들의 특정 구성부품들은 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들과 일치하는 발전소들을 제공하기 위해 적합하게 변경 또는 대체될 수 있다. 더욱이, 그 액체 상태로부터 기체 상태로 LNG의 변환은 몇몇 실시예에서 부가적인 요구 조건이 필요하지 않기 때문에 간단한 캐스캐이드식 형상으로 동일 또는 커다란 신뢰성으로 달성될 수 있다. 마지막으로, 세 스트림 열교환기의 용적은 비교 가능한 두 스트림 열교환기와 비교하여 증가하고, 따라서 체적 단위 당 보다 높은 특정 동력이 얻어진다. 연료 소비 단위 당 발생된 전기 단위 당 낮은 CO2 배출물은 보다 높은 전기 효율과 보다 높은 동력 출력(비교 가능한 종래 시스템에 대해)이 본 발명의 실시예들을 사용하여 달성될 수 있기 때문에 달성될 수 있다.
특별하게 한정은 하지 않았지만, 본 명세서에 사용된 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 당업계에서 공통적으로 이해될 수 있는 것을 동일하게 의미한다. 본 명세서에 사용된 용어 "제 1 ", "제 2" 등은 어떤 순서, 양 또는 중요성 등을 나타내지 않고, 오히려 하나의 부재로부터 다른 부재를 구별하기 위해 사용되었다. 또한 용어 "하나(a)", "하나(an)"는 양의 제한을 나타내지 않고, 오히려 인용된 항목의 적어도 하나의 존재를 나타내며, 용어 "전방", "후방", "하부" 및/또는 "상부"는 다르게 설명되지 않는 한 설명의 편의를 위해서만 사용되었고, 어떤 하나의 위치 또는 공간적 배향을 제한하지 않는다. 범위(ranges)가 기재되었다면, 동일한 구성 요소 또는 특성에 관한 모든 범위의 종점(endpoint)은 포괄적이고 독립적으로 조합될 수 있다(즉, "약 25 wt.% 까지 범위, 또는 특히 약 5 wt.% 내지 약 20 wt.%"는 "약 5 wt.% 내지 약 25 wt.%" 범위의 종점과 모든 중간 값을 포함하다). 부가적인 실예에서,"약 -130℃ 내지 약 -100℃ 사이의"로 표현된 온도는 각각 -130℃와 -100℃ 사이의 온도를 포함하는 것을 설명한다. 양과 관련하여 사용된 수식어 "약"은 상태 값을 포함하고 문맥에 의해 사용된 의미를 갖는다(즉, 특정 양의 측정과 관련된 에러의 정도를 포함함).
본 발명의 몇몇 특징들만이 본 명세서에 도시되고 설명된 반면에, 많은 변경 및 수정은 당업자들에게 명확하게 나타날 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 정신 내에 놓이는 바와 같이 상기 모든 변경들 및 수정들을 커버하는 것으로 의도됨을 이해해야 한다.
110 : 상부 사이클 112 : 열 회수 시스템
114 : 터빈 116 : 압축기
118 : 열교환기 120 : 제 1 스테이지 LNG 펌프
122 : 제 2 스테이지 LNG 펌프 140 : 가열된 작동 유체 스트림
142 : 제 1 스테이지 LNG 스트림 144 : 제 2 스테이지 LNG 스트림
200 : 온도 대 엔트로피 그래프 310 : 상부 사이클
312 : 열 회수 시스템 314 : 터빈
316 : 압축기 318 : 제 1 열교환기
320 : 제 2 열교환기 322 : 제 1 스테이지 LNG 펌프
324 : 제 2 스테이지 LNG 펌프
340 : 제 1 열교환기(318)의 가열된 작동 유체 스트림
341 : 제 2 열교환기(320)의 가열된 작동 유체 스트림
342 : 제 1 스테이지 LNG 스트림 344 : 제 2 스테이지 LNG 스트림
410 : 상부 사이클 412 : 열 회수 시스템
414 : 터빈 416 : 압축기
418 : 열교환기 420 : 제 1 스테이지 LNG 펌프
440 : 가열된 작동 유체 스트림 442 : 제 1 스테이지 LNG 스트림
444 : 작동 유체 회복 스트림 510 : 상부 사이클
512 : 열 회수 시스템 514 : 터빈
516 : 압축기 518 : 열교환기
520 : 제 1 스테이지 LNG 펌프 522 : 제 2 스테이지 LNG 펌프
540 : 가열된 작동 유체 스트림 542 : 제 1 스테이지 LNG 스트림
544 : 제 2 스테이지 LNG 스트림 546 : 작동 유체 회복 스트림

Claims (8)

  1. 액화 천연 가스(LNG)의 재가스화 장치를 구비한 발전 설비로서,
    작동 유체를 가압하도록 구성된 압축기와,
    상기 작동 유체에 열을 공급하도록 구성된 열 회수 시스템과,
    상기 작동 유체를 이용하여 일(work)을 생성하도록 구성된 터빈과,
    열교환기를 포함하고,
    상기 열교환기는, 상기 작동 유체의 열을, 제 1 압력의 제 1 스테이지 액화 천연 가스, 제 2 압력의 제 2 스테이지 액화 천연 가스 및 상기 압축기로부터의 압축된 상기 작동 유체에 전달하도록 구성되고,
    상기 작동 유체가 폐쇄 브레이톤 사이클 내에 있는
    발전 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 압력의 상기 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 공급하기 위한 제 1 스테이지 LNG 펌프와, 상기 제 2 압력의 상기 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 공급하기 위한 제 2 스테이지 LNG 펌프, 중 적어도 하나를 더 포함하는
    발전 설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 유체는, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 및 질소 중 적어도 하나를 포함하는
    발전 설비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 열교환기와 제 2 열교환기를 포함하고, 상기 제 1 열교환기는 가열된 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 공급하도록 구성되고, 상기 제 2 열교환기는 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 제공하도록 구성된
    발전 설비.
  5. LNG 발전 설비에서 액화 천연 가스를 재가스화하기 위한 방법에 있어서,
    상기 발전 설비의 상부 사이클(topping cycle)로부터 열을 회수하는 것과 함께, 상기 발전 설비의 폐쇄 브레이톤 사이클인 하부 사이클(bottoming cycle)의 작동 유체를 가열하여, 가열된 작동 유체를 얻는 단계,
    상기 가열된 작동 유체에 포함된 에너지의 적어도 일부를 방출하여 일을 생성하는 단계, 및
    하나의 열교환기 내에서, 일을 생성한 후에 상기 작동 유체로부터의 열을, -160℃ 내지 -140℃ 사이의 온도와 1 바아(bar) 내지 50 바아까지의 압력을 갖는 제 1 스테이지 액화 천연 가스와, 제 2 압력의 제 2 스테이지 액화 천연 가스와, 압축기로부터의 압축된 상기 작동 유체에 전달하는 단계를 포함하는
    액화 천연 가스 재가스화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 2 스테이지 액화 천연 가스를 -130℃ 내지 -100℃ 사이의 온도와 50 바아 내지 700 바아 사이의 압력에서 열교환기 안으로 도입하여, 0℃ 내지 40℃ 사이의 온도의 가열된 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 얻는 단계를 더 포함하는
    액화 천연 가스 재가스화 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 작동 유체의 열의 상기 제 1 스테이지 액화 천연 가스 및 상기 제 2 스테이지 액화 천연 가스에로의 상기 전달은 열교환기 내에서 행해지고, 상기 작동 유체는 -30℃ 내지 50℃ 사이의 온도와 100 바아 내지 200 바아 사이의 압력에서 상기 열교환기로 도입되는
    액화 천연 가스 재가스화 방법.
  8. LNG 발전 설비에서 액화 천연 가스의 재가스화를 위한 장치를 개장(retrofitting)하기 위한 방법에 있어서,
    폐쇄 브레이톤 사이클 내의 작동 유체의 열을 제 1 압력의 제 1 스테이지 액화 천연 가스, 제 2 압력의 제 2 스테이지 액화 천연 가스 및 압축기로부터의 압축된 상기 작동 유체에 전달하도록 구성된 열교환기를 제공하는 단계,
    상기 제 1 압력의 상기 제 1 스테이지 액화 천연 가스를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 스테이지 LNG 펌프를 제공하는 단계, 및
    상기 제 2 압력의 상기 제 2 스테이지 액화 천연 가스를 공급하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 스테이지 LNG 펌프를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 열교환기와, 상기 제 1 스테이지 LNG 펌프와, 상기 제 2 스테이지 LNG 펌프가, 상기 LNG 발전 설비의 변형된 하부 브레이톤(Brayton) 사이클의 일부를 구성하는
    액화 천연 가스의 재가스화를 위한 장치를 개장하기 위한 방법.
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