KR101957324B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 Download PDF

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김용훈
장재형
신현준
손재욱
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

선박용 증발가스 재액화 방법이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 방법은, 1) 증발가스를 제1 열교환기에서 냉매로 사용하는 단계; 2) 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키는 단계; 3) 상기 2)단계에서 두 흐름으로 분기된 흐름 중, 한 흐름은 제1 압축기로 보내고, 나머지 흐름은 제2 압축기로 보내는 단계; 4) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기로 공급된 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 5) 상기 4)단계에서 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 및 6) 상기 5)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 단계;를 포함하고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스는, 5-1) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되는 단계; 5-2) 유량계에 의해 밀도가 측정되는 단계; 5-3) 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되는 단계; 5-4) 감압되는 단계; 5-5) 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는 단계; 5-6) 압축되는 단계; 및 5-7) 질소가 주입되는 단계;를 포함하는 과정을 거치고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이 일정값이 될 때까지 상기 5-1)단계 내지 상기 5-7)단계를 반복한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{Boil-Off Gas Reliquefaction System and Method for Vessel}
본 발명은 액화가스가 자연 기화하여 생성되는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 재액화시키는 시스템 및 방법에 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 -163℃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 -163 ℃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.
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 연료수요처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는, 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DFDE, X-DF 엔진, 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.
X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 16 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
별도의 냉매 없이 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법으로, 압축기에 의해 압축시킨 증발가스를, 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스와 열교환시켜 냉각시킨 후 J-T 밸브 등에 의해 팽창시켜 증발가스의 일부를 재액화시키는 방법이 있고, 이와 같은 방법을 채용한 시스템을 일명 PRS(Partial Re-liquefaction System)라고 한다.
저장탱크 내부의 액화가스의 양이 많아 증발가스의 발생량이 많은 경우, 선박이 정박하고 있거나 낮은 속도로 운항하여 엔진에서 사용되는 증발가스가 적은 경우 등, 재액화시켜야 할 증발가스의 양이 많은 경우, PRS만으로 요구되는 재액화량을 만족시키지 못할 수가 있다.
증발가스를 더 많이 재액화시킬 수 있도록 PRS를 개량하여, 증발가스 자체를 냉매로 사용한 냉매 사이클에 의해 증발가스를 추가로 냉각시킬 수 있도록 하였는데, 이와 같은 방법을 채용한 시스템을 일명 MRS(Methane Refrigeration System)라고 한다.
본 발명은 종래의 MRS를 개량하여, 기존에 MRS를 운용하며 발생하던 문제점들을 보완하고 더욱 효율적으로 증발가스를 재액화시킬 수 있도록 구성한, 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 1) 증발가스를 제1 열교환기에서 냉매로 사용하는 단계; 2) 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키는 단계; 3) 상기 2)단계에서 두 흐름으로 분기된 흐름 중, 한 흐름은 제1 압축기로 보내고, 나머지 흐름은 제2 압축기로 보내는 단계; 4) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기로 공급된 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 5) 상기 4)단계에서 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 및 6) 상기 5)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 단계;를 포함하고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스는, 5-1) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되는 단계; 5-2) 유량계에 의해 밀도가 측정되는 단계; 5-3) 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되는 단계; 5-4) 감압되는 단계; 5-5) 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는 단계; 5-6) 압축되는 단계; 및 5-7) 질소가 주입되는 단계;를 포함하는 과정을 거치고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이 일정값이 될 때까지 상기 5-1)단계 내지 상기 5-7)단계를 반복하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 1) 증발가스를 제1 열교환기에서 냉매로 사용하고, 2) 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키고, 3) 상기 2)단계에서 두 흐름으로 분기된 흐름 중, 한 흐름은 제1 압축기로 보내고, 나머지 흐름은 제2 압축기로 보내고, 4) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 연료수요처로 보내고(이하, 연료수요처로 증발가스를 공급하는 압축기를 '연료공급용 압축기'라고 한다.), 5) 상기 '연료공급용 압축기'에 의해 압축된 증발가스 중 상기 연료수요처에서 사용되지 않은 나머지 증발가스를, 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기로 공급된 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키고, 6) 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉매 사이클로 보내고(이하, 냉매 사이클로 증발가스를 공급하는 압축기를 '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.), 7) 상기 5)단계에서 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키고, 8) 상기 7)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키며, 상기 냉매 사이클에 질소를 주입하고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도를 측정하여, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량을 일정값으로 유지하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
액적이 발생하지 않으면서도 최대의 재액화량 및 재액화 효율을 달성하기 위한, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량(이하, '최적의 혼합 함량'이라고 한다.)을 계산할 수 있고, 상기 '최적의 혼합 함량'이 되었을 때, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도(이하, '최적의 밀도'라고 한다.)를 계산할 수 있고, 상기 '최적의 밀도'가 될 때까지 질소를 상기 냉매 사이클로 주입할 수 있으며, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도를 상기 '최적의 밀도'로 유지시킬 수 있다.
질소가 상기 제2 열교환기 하류로 주입되어, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체에 질소가 혼합될 수 있다.
상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체는 제4 압축기에 의해 압축될 수 있고, 질소가 상기 제4 압축기 하류로 주입되어, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 후 상기 제4 압축기에 의해 압축된 증발가스에 질소가 주입될 수 있다.
상기 제4 압축기에 의해 압축된 후 질소가 주입된 유체는 상기 '냉매 사이클용 압축기'로 보내질 수 있다.
제2 감압장치에 의해 감압된 유체가 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용될 수 있다.
상기 제2 감압장치로 공급되는 유체의 온도는, 상기 제2 감압장치 입구에서 액적이 발생되지 않는 범위에서 가장 낮은 온도로 유지될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 상기 제1 압축기로 보내지지 않은 다른 흐름의 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 추가로 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도를 측정하는 유량계;를 포함하고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이 일정값이 되도록 상기 냉매 사이클에 질소를 주입하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 연료수요처로 보내질 수 있고(이하, 연료수요처로 증발가스를 공급하는 압축기를 '연료공급용 압축기'라고 한다.), 상기 '연료공급용 압축기'에 의해 압축된 증발가스 중 상기 연료수요처에서 사용되지 않은 나머지 증발가스는 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있고, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 냉매 사이클로 보내질 수 있다. (이하, 냉매 사이클로 증발가스를 공급하는 압축기를 '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.)
상기 냉매 사이클은, 상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급된 증발가스를 감압시키는 제2 감압장치; 및 상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제4 압축기;를 포함할 수 있다.
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급된 증발가스는, 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되고 상기 제2 감압장치에 의해 추가로 감압되어 냉각된 후, 다시 상기 제2 열교환기로 공급되어 냉매로 사용될 수 있다.
상기 냉매 사이클은, 상기 '냉매 사이클용 압축기', 상기 제2 열교환기, 상기 제2 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제4 압축기, 및 다시 상기 '냉매 사이클용 압축기'를 연결하는 폐루프를 형성할 수 있다.
상기 유량계는 상기 냉매 사이클의 상기 '냉매 사이클용 압축기' 하류에 설치될 수 있고, 상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급된 증발가스는, 상기 유량계를 통과한 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각될 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 제1 열교환기로 보내는 라인 상에 설치되어, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시키는 제3 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 압축기는 증발가스를 150 내지 300 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 제3 압축기는 증발가스를 150 내지 170 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용되기 전의 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 수 있다.
상기 유량계는 코리올리스 유량계일 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉매 사이클(RC)에 질소를 주입하여 제2 감압장치(420)에 액적이 유입될 가능성을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 유량계(600)에 의해 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 증발가스 및 질소의 혼합 함량을 검증하여, 최적의 혼합 함량을 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 3은 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 4는 서로 다른 압력하에서 열류량에 따른 메탄의 온도 값을 각각 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 PRS(Partial Re-liquefaction System)에서 증발가스 압력에 따른 재액화량을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박, 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 또는 해양 구조물 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
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 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(410), 냉매 사이클(RC), 및 우회라인(BL)을 포함한다.
제1 열교환기(110)는, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨다.
제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되는 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스일 수 있다.
제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는, 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 제1 압축기(210)로 보내지고 다른 흐름은 제2 압축기(220)로 보내진다.
제1 압축기(210)는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 압축시킨다. 제1 압축기(210)는 다단압축기일 수 있으며, 제1 압축기(210) 하류에는 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제1 냉각기(310)가 설치될 수 있다.
제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)와 병렬로 설치되어, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중, 제1 압축기(210)로 보내지지 않은 나머지 흐름을 압축시킨다. 제2 압축기(220)는 다단압축기일 수 있으며, 제2 압축기(220) 하류에는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제2 냉각기(320)가 설치될 수 있다.
제1 압축기(210)와 제2 압축기(220) 중 어느 한 대는 연료수요처(E)로 증발가스를 공급하고, 다른 한 대는 냉매 사이클(RC)로 증발가스를 공급한다. 또한, 연료수요처(E)로 증발가스를 공급하는 압축기에 의해 압축된 증발가스 중, 연료수요처(E)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치게 된다.
연료수요처(E)는 대략 300 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 ME-GI 엔진, 대략 16 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진, 대략 6.5 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 DF 엔진(DFGE, DFDE), 및 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit) 중 하나 이상일 수 있다.
연료수요처(E)가 엔진인 경우, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220) 중 연료수요처(E)로 연료를 공급하는 압축기는, 연료수요처(E)의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킨다.
선박 규정상 엔진으로 연료를 공급하는 압축기는, 비상 상황을 대비하여 리던던시(Redundancy) 설계를 하여야 하는데, 리던던시 설계란, 어느 한 대를 고장, 유지보수 등의 이유로 사용할 수 없을 때 다른 한 대를 대신 사용 할 수 있도록 설계하는 것을 의미한다.
본 실시예에서는 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)가 서로 리던던시의 역할을 할 수 있는데, 종래에는, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220) 중 어느 한 대에 의해 증발가스를 압축시켜 연료수요처(E)로 공급하고, 사용하지 않는 다른 한 대는 대기(Standby) 상태로 두어, 연료수요처(E)로 증발가스를 공급하던 압축기를 사용할 수 없게 되면, 즉각적으로 대기(Standby) 상태의 압축기를 사용하여 연료수요처(E)로 증발가스를 공급할 수 있도록 운용하였다.
그런데, 종래와 같은 운용 방식에 의하면, 연료수요처(E)로 증발가스로 공급하는 압축기를 사용할 수 없게 되는 것은 발생할 확률이 낮고 발생하더라도 지속시간이 길지 않은 상황임에도 불구하고, 만약이라도 일어날 비상 상황을 대비하기 위하여 여분의 압축기를 설치하고 여분의 압축기를 대기(Standby) 상태로 유지해야 하므로, 실제로 발생하는 위험 대비 비용이 낭비된다는 문제점이 있었다.
본 실시예에 의하면, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)를 모두 정상적으로 사용할 수 있는 경우에는, 한 대는 연료수요처(E)로 연료를 공급하는 용도로 사용하고, 다른 한 대는 냉매 사이클(RC)에 증발가스를 공급하는 용도로 사용하고, 연료수요처(E)에 증발가스를 공급하던 압축기를 사용할 수 없게 되면, 냉매 사이클(RC)에 증발가스를 공급하여 재액화량 및 재액화 효율을 높이는 것을 포기하고, 냉매 사이클(RC)에 증발가스를 공급하던 압축기에 의해 증발가스를 연료수요처(E)에 공급한다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 리던던시 설계를 요구하는 선박 규정을 만족시키면서도, 비상 상황을 대비하기 위해 설치되는 여분의 압축기를 활용하여 재액화량 및 재액화 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)는, 서로 리던던시 역할을 할 수 있도록 동일한 성능의 압축기인 것이 바람직하다.
제2 열교환기(120)는, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를, 추가로 열교환시켜 냉각시킨다. 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각된 유체는 제1 감압장치(410)로 보내진다.
본 실시예에 의하면, 증발가스가 제1 열교환기(110)뿐만 아니라 제2 열교환기(120)에서도 추가적으로 냉각되어, 제1 열교환기(110)에 의하여만 냉각된 증발가스가 제1 감압장치(410)로 보내지는 경우에 비해, 더 온도가 낮아진 상태의 증발가스가 제1 감압장치(410)로 보내지므로, 재액화 효율 및 재액화량이 높아지게 된다. 이에 대해 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 메탄은 대략 -80℃ 이상의 온도 및 대략 55bar 이상의 압력 조건이 되면 초임계유체 상태가 된다. 즉, 메탄의 경우, 대략 -80℃, 55bar 상태가 임계점이 된다. 초임계유체 상태는, 액체 상태나 기체상태와는 다른 제3의 상태이다.
증발가스가 임계점 이상의 압력에서 임계점보다 낮은 온도를 갖게 되면, 일반적인 액체 상태와는 다른, 밀도가 높은 초임계유체 상태와 유사한 상태가 될 수도 있는데, 임계점이상의 압력 및 임계점 이하의 온도를 가지는 증발가스의 상태를 이하 "고압액체상태"라고 한다.
재액화 과정을 거치기 위하여 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스는, 압축된 정도에 따라 기체상태일 수도 있고, 초임계유체 상태일 수도 있다. 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스가 기체상태인 경우에는, 기체상태의 증발가스가 제1 열교환기(110)를 통과하며 온도가 낮아져 액체와 기체의 혼합상태가 될 수 있고, 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스가 초임계유체 상태인 경우에는, 초임계유체 상태의 유체가 제1 열교환기(110)를 통과하며 온도가 낮아져 "고압액체상태"가 될 수 있다.
제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체는 제2 열교환기(120)를 통과하면서 온도가 더 낮아지게 되는데, 제1 열교환기(110)를 통과한 유체가 액체와 기체의 혼합상태인 경우에는, 액체와 기체의 혼합상태인 유체가 제2 열교환기(120)를 통과하며 온도가 더 낮아져 액체의 비율이 더 높은 혼합상태가 되거나 액체상태가 되고, 제1 열교환기(110)를 통과한 유체가 "고압액체상태"인 경우에는, "고압액체상태"의 유체가 제2 열교환기(120)를 통과하며 온도가 더 낮아져 온도가 더 낮아진 "고압액체상태"가 된다.
또한, 제2 열교환기(120)를 통과한 유체가 "고압액체상태"인 경우에도, 제2 열교환기(120)를 통과한 "고압액체상태"의 유체는 제1 감압장치(410)를 통과하면서 압력이 낮아져 액체상태가 되거나 액체와 기체의 혼합상태가 된다.
증발가스가 제1 감압장치(410)에 의해 압력이 같은 정도(도 3의 P)로 낮아진다고 하더라도, 온도가 더 높은 상태에서 감압되는 경우(도 3의 X→X')보다 온도가 더 낮은 상태에서 감압된 경우(도 3의 Y→Y')에 액체의 비율이 더 높은 혼합상태가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 온도를 더 낮출 수 있다면 이론적으로 증발가스를 100% 재액화 시킬 수 있음(도 3의 Z→Z')을 알 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기(120)에 의해 추가적으로 냉각시킨 후 제1 감압장치(410)로 보내면, 재액화 효율 및 재액화량이 높아진다.
제1 감압장치(410)는, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 증발가스를 감압시킨다. 제1 감압장치(410)는, 증발가스를 감압시켜 냉각시킬 수 있는 모든 수단을 포함하며, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있고 팽창기일 수 있다. 본 실시예에서는 제1 감압장치(410)가 팽창밸브인 것이 바람직하다. 팽창밸브는 팽창기에 비해 가격도 저렴하고 고장날 위험도 적다는 장점이 있다.
제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의한 압축 과정과, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)에 의한 냉각 과정과, 제1 감압장치(410)에 의한 감압 과정을 거친 증발가스는, 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 감압장치(410) 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아 있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다.
기액분리기(500)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되기 전의 증발가스와 합류되어, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수 있다.
제1 열교환기(110)가 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하는 경우, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)로 보내질 수 있다.
또한, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되기 전의 증발가스와 합류되지 않고 별도로 분리되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수도 있고, 이 경우 제1 열교환기(110)는 세 유로로 구성될 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 기액분리기(500)를 포함하지 않는 경우, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 제1 감압장치(410)로부터 바로 저장탱크(T)로 보내질 수 있다.
제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 유체가 순환하는 냉매 사이클(RC)에는, 제2 감압장치(420) 및 제4 압축기(240)가 포함될 수 있다.
제2 감압장치(420)는, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스를 감압시켜 온도를 낮춘다. 제2 감압장치(420)는, 증발가스를 감압시켜 냉각시킬 수 있는 모든 수단을 포함하며, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있고 팽창기일 수 있다. 본 실시예에서는 제2 감압장치(420)가 팽창기인 것이 바람직하다.
제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체는, 제2 열교환기(120)로 공급되어, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 냉매로 사용된다.
제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스는, 제2 감압장치(420)에 의해 감압되기 전에 제2 열교환기(120)를 통과할 수 있다. 이 경우, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스는, 제2 열교환기(120)에 의해 열교환되어 냉각되고 제2 감압장치(420)에 의해 추가로 감압되어 냉각된 후, 다시 제2 열교환기(120)로 보내져 냉매로 사용된다.
제4 압축기(240)는, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시켜, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 압력 평균을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 제4 압축기(240)는 제2 감압장치(420)와 컴팬더(C)를 형성하여 제2 감압장치(420)가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동될 수 있으며, 제4 압축기(240) 하류에는 제4 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제4 냉각기(340)가 설치될 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제4 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스를 제1 압축기(210) 상류로 보낼 수도 있고 제2 압축기(220) 상류로 보낼 수도 있도록 하여, 제1 압축기(210)를 포함하여 냉매 사이클(RC)을 구성할 수도 있고 제2 압축기(220)를 포함하여 냉매 사이클을 구성할 수도 있도록 하였다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 연료수요처(E)로 공급하고, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 냉매 사이클(RC)로 공급하는 경우에는, 제2 압축기(220), 제2 감압장치(420), 제2 열교환기(120), 제4 압축기(240), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프의 냉매 사이클(RC)이 형성된다. 냉매 사이클(RC)로 공급되는 증발가스를 제2 열교환기(120)에 의해 냉각시킨 후에 제2 감압장치(420)로 보내는 경우에는, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제2 감압장치(420), 다시 제2 열교환기(120), 제4 압축기(240), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프의 냉매 사이클(RC)이 형성된다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 냉매 사이클(RC)로 공급하고, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 연료수요처(E)로 공급하는 경우에는, 제1 압축기(210), 제2 감압장치(420), 제2 열교환기(120), 제4 압축기(240), 및 다시 제1 압축기(210)를 연결하는 폐루프의 냉매 사이클(RC)이 형성된다. 냉매 사이클(RC)로 공급되는 증발가스를 제2 열교환기(120)에 의해 냉각시킨 후에 제2 감압장치(420)로 보내는 경우에는, 제1 압축기(210), 제2 열교환기(120), 제2 감압장치(420), 다시 제2 열교환기(120), 제4 압축기(240), 및 다시 제1 압축기(210)를 연결하는 폐루프의 냉매 사이클(RC)이 형성된다.
본 실시예에 의하면, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220) 중 어느 하나를 선택하여 연료수요처(E)나 제1 열교환기(110)로 증발가스를 공급하도록 하고, 연료수요처(E)나 제1 열교환기(110)로 증발가스를 공급하지 않는 다른 압축기에 의해 압축된 증발가스로 냉매 사이클(RC)을 순환시킬 수 있으므로, 시스템의 운용이 자유롭다는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 종래에 선박에 설치되어 있음에도 평상시에는 사용되지 않던 리던던시용 압축기를 활용하여 증발가스의 재액화 효율 및 재액화량을 높일 수 있다는 장점이 있다.
한편, 저장탱크(T) 내부에 저장된 액화가스의 양이 적어 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스의 양이 적거나, 엔진 등의 연료수요처(E)에서 연료로 사용되는 증발가스가 많은 경우 등, 재액화시킬 증발가스의 양이 적은 경우에는, 재액화 과정을 거치는 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해서만 냉각시키고, 제2 열교환기(120)는 우회(Bypass)시켜 바로 제1 감압장치(410)로 보낼 수도 있다.
재액화 과정을 거치는 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해서만 냉각시키고 제2 열교환기(120)는 우회(Bypass)시키는 경우, 제2 열교환기(120)에 냉매를 공급할 필요가 없으므로, 냉매 사이클(RC)에 증발가스를 공급하지 않을 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내는 라인 상에 설치되어, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시키는 제3 압축기(230)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제3 압축기(230) 하류에는, 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제3 냉각기(330)가 설치될 수 있다.
제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스를 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축시키는 이유는, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력을 높여 재액화량 및 재액화 효율을 높이기 위함인데, 이에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 서로 다른 압력하에서 열류량에 따른 메탄의 온도 값을 각각 나타낸 그래프인데, 도 4를 참조하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력이 높을수록, 자가열교환의 효율이 높아짐을 확인할 수 있다. 자가열교환의 자가(Self-)는 저온의 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 고온의 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다는 의미이다.
도 4의 (a)는, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제3 압축기(230)를 포함하지 않은 경우에 제2 열교환기(120)의 상류 및 하류에서의 각 유체의 상태를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제3 압축기(230)를 포함하는 경우에 제2 열교환기(120)의 상류 및 하류에서의 각 유체의 상태를 나타낸 것이다.
도 4에서는, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스가, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되고 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 다시 제2 열교환기(120)로 공급되는 경우를 도시하였다.
도 4의 (a) 및 (b)의 가장 위쪽의 그래프 I는, 제2 열교환기(120)로 공급되는 도 1의 P1지점의 유체 상태를 나타낸 것이고, 가장 아래쪽의 그래프 L은, 제2 열교환기(120) 및 제2 감압장치(420)를 통과한 후 냉매로 사용되기 위하여 제2 열교환기(120)로 다시 공급되는 도 1의 P2지점의 유체 상태를 나타낸 것이며, 중간 부분의 그래프 K와 겹쳐져서 그려진 그래프 J는, 제1 열교환기(110)를 통과한 후 제2 열교환기(120)로 공급되는 도 1의 P3지점의 유체 상태를 나타낸 것이다.
냉매로 사용되는 유체는, 열교환 과정에서 냉열을 빼앗겨 점점 온도가 증가하므로, 그래프 L은 시간의 흐름에 따라 왼쪽으로부터 오른쪽으로 진행되고, 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체는, 열교환 과정에서 냉매로부터 냉열을 공급받아 점점 온도가 낮아지므로, 그래프 I 및 그래프 J는 시간의 흐름에 따라 오른쪽부터 왼쪽으로 진행된다.
도 4의 (a) 및 (b)의 중간 부분의 그래프 K는, 그래프 I와 그래프 J를 결합하여 나타낸 것이다. 즉, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 유체는 그래프 L로 그려지고, 제2 열교환기(120)에서 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체는 그래프 K로 그려진다.
열교환기를 설계할 때에는, 열교환기로 공급되는 유체(즉, 도 1의 P1지점, P2지점, 및 P3지점의 유체)의 온도 및 열류량은 고정시키고, 냉매로 사용되는 유체의 온도가 냉각되는 유체의 온도보다 높아지지 않도록(즉, 그래프 L과 그래프 K가 교차되어 그래프 L이 그래프 K보다 위쪽에 나타나지 않도록) 하면서, 대수평균온도차(LMTD; Logarithmic Mean Temperature Difference)가 최대한 작아질 수 있도록 한다.
대수평균온도차(LMTD)는, 고온 유체와 저온 유체가 서로 반대 방향에서 주입되고 반대쪽에서 배출되는 열교환 방식인 대향류의 경우, 저온 유체가 열교환기를 통과하기 전의 온도를 tc1, 저온 유체가 열교환기를 통과한 후의 온도를 tc2, 고온 유체가 열교환기를 통과하기 전의 온도를 th1, 고온 유체가 열교환기를 통과한 후의 온도를 th2라고 하고, d1= th2-tc1, d2=th1-tc2라고 하였을 때, (d2-d1)/ln(d2/d1)으로 표현되는 값인데, 대수평균온도차가 작을수록 열교환기의 효율은 높아진다.
그래프 상에서 대수평균온도차(LMTD)는, 냉매로 사용되는 저온 유체(도 4의 그래프 L)와 냉매와 열교환되어 냉각되는 고온 유체(도 4의 그래프 K)의 간격으로 나타내어 지는데, 도 4의 (a)보다 도 4의 (b)가 그래프 L과 그래프 K의 간격이 더 좁게 나타남을 알 수 있다.
이러한 차이는, 둥근 원으로 표시한 지점인 그래프 J의 초기값, 즉, 제1 열교환기(110)를 통과한 후 제2 열교환기(120)로 공급되는 도 1의 P3지점의 유체의 압력이, 도 4의 (a)보다 도 4의 (b)가 더 높기 때문에 나타난다.
즉, 시뮬레이션 결과, 제3 압축기(230)를 포함하지 않는 도 4의 (a)의 경우에는, 도 1의 P3지점에서의 유체는 대략 -111℃, 20bar일 수 있고, 제3 압축기(230)를 포함하는 도 4의 (b)의 경우에는, 도 1의 P3지점에서의 유체는 대략 -90℃, 50bar일 수 있는데, 이러한 초기 조건 하에서 대수평균온도차(LMTD)가 가장 작아질 수 있도록 열교환기를 설계하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력이 높은 도 4의 (b)의 경우에 열교환기의 효율이 더 높아지고, 결국 시스템 전반의 재액화량 및 재액화 효율이 높아지게 된다.
도 4의 (a)의 경우에는, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 증발가스의 유량이 대략 6401 kg/h일 때, 냉매로 사용되는 유체(그래프 L)로부터 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체(그래프 K)로 전달되는 총 열류량은 대략 585.4 kW이며, 재액화된 증발가스의 유량은 대략 3441 kg/h이다.
도 4의 (b)의 경우에는, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 증발가스의 유량이 대략 5368 kg/h일 때, 냉매로 사용되는 유체(그래프 L)로부터 냉매와 열교환되어 냉각되는 유체(그래프 K)로 전달되는 총 열류량은 대략 545.2 kW이며, 재액화된 증발가스의 유량은 대략 4325 kg/h이다.
즉, 제3 압축기(230)를 포함하여 재액화 과정을 거치는 증발가스의 압력을 높이면 더 적은 냉매를 사용해도 더 많은 양의 증발가스를 재액화시킬 수 있음을 알 수 있다.
제3 압축기(230)에 의해 증발가스를 추가적으로 압축시켜 재액화량 및 재액화 효율을 높이면, 제2 열교환기(120)에 의해 증발가스를 추가적으로 냉각시키지 않아도 증발가스를 전량 재액화시킬 수 있는 경우가 증가하고, 결국 냉매 사이클(RC)에 증발가스를 공급해야 하는 시간이 줄어들므로, 연료수요처(E)로 증발가스를 공급하는 압축기가 고장난 경우를 대비한다는 리던던시(Redundancy) 설계의 효과를 충분히 확보할 수 있다.
한편, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 어떤 경우에 제3 압축기(230)를 더 포함하는 것이 유리한지와, 제3 압축기(230)가 증발가스를 압축시키는 바람직한 압력을 살펴보면 다음과 같다.
도 5 및 도 6은 PRS(Partial Re-liquefaction System)에서 증발가스 압력에 따른 재액화량을 나타낸 그래프이다. 재액화 대상 증발가스란, 냉각되어 재액화되는 증발가스를 의미하며, 냉매로 사용되는 증발가스와 구별하기 위해 명명하였다.
단, 도 5 및 도 6은 PRS에서의 증발가스 압력에 따른 재액화량을 그래프를 나타난 그래프이므로, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스에 의해 증발가스를 추가적으로 재액화시키는 MRS에 비하여 재액화량이 더 낮게 나타난다. MRS의 경우, 시간당 대략 3300kg 정도의 증발가스를 재액화시킬 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 증발가스의 압력이 150 내지 170 bar 부근인 경우에 재액화량이 최대값을 나타내고, 150 내지 300 bar 사이에서는 액화량 변화가 거의 없다는 점을 알 수 있다.
제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220) 중 어느 하나에 의해 연료수요처(E)의 요구 압력으로 압축된 증발가스가 연료수요처(E)로 보내지고, 연료수요처(E)로 증발가스를 공급하는 압축기에 의해 압축된 증발가스 중, 연료수요처(E)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치게 되므로, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제3 압축기(230)를 포함하지 않는 경우, 연료수요처(E)의 요구 압력으로 압축된 증발가스의 일부가 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치게 된다.
연료수요처(E)가 대략 300 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 ME-GI 엔진인 경우 등, 150 bar 이상의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진인 경우에는, 연료수요처(E)가 요구하는 압력으로 압축된 증발가스 중 연료수요처(E)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 바로 재액화 과정을 거치도록 하여도 문제가 없으나, 연료수요처(E)가 대략 16 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진이나 대략 6.5 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 DF 엔진(DFGE, DFDE)인 경우 등, 150 bar 미만의 천연가스를 연료로 사용하는 엔진인 경우에는, 증발가스를 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축시킨 후에 재액화 과정을 거치도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 제3 압축기(230)는, 최대의 재액화량을 확보할 수 있도록, 증발가스를 대략 150 내지 300 bar로 압축시키는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 대략 150 내지 170 bar로 압축시킬 수 있다. 또한, 제3 압축기(230)가 증발가스를 압축시키는 정도가 적어질수록 제3 압축기(230)에서 소모되는 에너지를 절감할 수 있으므로, 제3 압축기(230)는, 더더욱 바람직하게는 대략 150 bar로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
제3 압축기(230)는, 일반적으로 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)의 대략 1/2 용량을 가지는 것으로 충분하다.
본 실시예에 의하면, 증발가스만이 냉매 사이클(RC)을 순환하도록 하는 것이 아니라, 냉매 사이클(RC)에 질소를 주입하여, 증발가스와 질소가 혼합된 유체가 냉매 사이클(RC)을 순환하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 질소가 냉매 사이클(RC)로 주입되는 위치(N)는, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 유체에 질소가 혼합되도록, 제2 열교환기(120) 하류인 것이 바람직하다.
냉매 사이클(RC)이 제4 압축기(240)를 포함하는 경우에는, 질소가 냉매 사이클(RC)로 주입되는 위치(N)가 제4 압축기(240) 하류인 것이 바람직하며, 냉매 사이클(RC)이 제4 압축기(240)와 제4 냉각기(340)를 포함하는 경우에는, 질소가 냉매 사이클(RC)로 주입되는 위치(N)가 제4 냉각기(340) 하류인 것이 바람직하다.
선박이 정박해 있는 경우와 같이 연료수요처(E)에서 증발가스를 소비하지 않거나 충분히 소비하지 못하는 경우에는, 재액화시킬 증발가스의 양이 많으므로, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시키나, 저장탱크(T)에서 발생되는 증발가스의 양이 적거나 선박이 일정 속도 이상으로 운항되어 연료수요처(E)에서 소비되는 증발가스의 양이 많은 경우 등에는, 재액화시킬 증발가스의 양이 적으므로, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시키지 않고 제1 감압장치(410)로 보낸다.
제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시키지 않는 경우에는, 냉매 사이클(RC)에 냉매가 순환하도록 할 필요가 없으므로 냉매 사이클(RC)을 질소에 의해 퍼징(Purging)을 하는데, 본 발명은, 냉매 사이클(RC)을 질소 퍼징 하기 위해 설치되는 장비를 활용하여, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 냉매에 질소를 주입한다.
냉매 사이클(RC)이 제2 감압장치(420)와 제4 압축기(240)를 포함하는 경우, 냉매 사이클(RC) 시동(始動)시 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 냉매 사이클(RC)로 공급되어(이하, 냉매 사이클(RC)로 증발가스를 공급하는 압축기를 '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.), 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되거나, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되고 제2 감압장치(420)에 의해 추가적으로 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된다.
제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 유체는 제4 압축기(240)에 의해 압축되며, 제4 압축기(240)에 의해 압축된 증발가스에 질소가 혼합되고(N), 증발가스와 질소가 혼합된 유체는 다시 '냉매 사이클용 압축기'로 공급된다.
냉매 사이클(RC)에 질소가 충분히 공급되어 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체에 포함된 질소의 비율이 일정값이 될 때까지, 상술한 과정을 반복하며 지속적으로 냉매 사이클(RC)에 질소를 공급한다.
냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체에 포함된 질소의 비율이 일정값이 되면 질소 주입을 멈추고, 질소와 증발가스가 혼합된 유체가 냉매 사이클(RC)을 순환하며 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용될 수 있도록 한다.
냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체에는 액적이 발생할 수 있다. 액적은 유체의 일부가 액화된 것을 의미하는데, 액적이 혼합된 유체가 제2 감압장치(420)로 보내지면 제2 감압장치(420)가 손상되고, 심하면 소손(燒損)될 수도 있다.
특히, 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스를 제2 열교환기(120)에 의해 냉각시킨 후 제2 감압장치(420)로 보내는 경우에는, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되어 온도가 낮아진 증발가스에 액적이 발생할 확률이 높아진다.
본 발명에 의하면, 냉매 사이클(RC)에 질소를 주입하여 증발가스와 질소가 혼합된 유체가 냉매 사이클(RC)을 순환하도록 하므로, 증발가스만이 냉매 사이클(RC)을 순환하는 경우에 비하여 냉매 사이클(RC)을 순환하는 냉매의 끓는점을 낮출 수 있으므로, 액적이 발생할 확률을 낮출 수 있다.
뿐만 아니라, 증발가스만이 제2 감압장치(420)에 의해 감압되는 경우에 비해, 증발가스와 질소가 혼합된 유체가 제2 감압장치(420)에 의해 감압되는 경우에 온도가 더 낮아지므로, 본 발명에 의하면 재액화 효율도 더 높일 수 있다.
질소는 선박의 기관실에 설치된 질소 생산 장비에 의해 공급받을 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2에 도시된 제2 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 유량계(600)를 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
유량계(600)는, 냉매 사이클(RC)의 '냉매 사이클용 압축기' 하류에 설치되어, '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 냉매 사이클(RC)로 공급되는 유체의 유량을 측정한다.
'냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 냉매 사이클(RC)로 공급된 유체는, 유량계(600)를 통과한 후, 바로 감압장치(420)에 의해 감압되어 제2 열교환기(120)의 냉매로 사용될 수도 있고, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되고 감압장치(420)에 의해 감압되어 제2 열교환기(120)의 냉매로 사용될 수도 있다.
단, 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스가, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 제2 감압장치(420)로 보내지는 경우에, 제2 감압장치(420) 입구에서 액적이 발생할 확률이 높아지므로, 본 실시예는 특히, 냉매 사이클(RC)로 공급된 증발가스가 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 제2 감압장치(420)로 보내지는 경우에 유용하게 적용될 수 있다.
유량계(600)는 코리올리스(Coriolis) 유량계인 것이 바람직한데, 코리올리스 유량계는, 유체가 운반되는 튜브를 진동시켜 유체의 질량 유량율을 직접 측정하는 질량유량계로, 타유량계에 비해 상대적으로 정확도가 높다는 장점이 있다. 또한, 코리올리스 유량계는, 유체의 유량뿐만 아니라 유체의 밀도도 측정이 가능하다는 특징이 있다.
본 실시예에 의하면, 시뮬레이션 장치를 통해, 본 실시예의 선박용 증발가스 시스템과 같은 방식으로 각 장치가 연결되는 경우에, 액적이 발생하지 않으면서도 최대의 재액화량 및 재액화 효율을 달성하기 위해서는, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이 얼마가 되어야 하는지를 계산한다. 또한, 액적이 발생하지 않으면서도 최대의 재액화량 및 재액화 효율을 달성할 수 있는 혼합 함량이 되었을 때, 증발가스와 질소가 혼합된 유체의 밀도가 얼마가 되는지 계산한다.
제2 감압장치(420)로 공급되는 유체의 온도가, 제2 감압장치(420) 입구에서 액적이 발생되지 않는 범위에서 가장 낮은 온도가 되는 경우에, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체가 최적의 혼합 함량이라고 판단할 수 있다.
다음 단계로, 냉매 사이클(RC)에 질소를 공급하며 유량계(600)에 의해 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 밀도를 측정하여, 시뮬레이션 장치를 통해 계산한 최적의 밀도가 될 때까지 질소를 냉매 사이클(RC)로 주입한다.
또한, 질소 주입 과정이 끝난 후에도, 유량계(600)에 의해 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 밀도를 지속적으로 측정하여, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체가, 시뮬레이션 장치를 통해 계산한 최적의 밀도를 유지하는지 여부를 검증한다.
만약, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 밀도가 시뮬레이션 장치를 통해 계산한 최적의 밀도를 일정 범위 이상 벗어나면, 증발가스 또는 질소를 추가적으로 냉매 사이클(RC)에 주입하여, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 밀도가 시뮬레이션 장치를 통해 계산한 최적의 밀도가 되도록 한다.
이러한 과정을 통해, 실제 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이, 시뮬레이션 장치를 통해 계산한 최적의 혼합 함량이 될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스와 질소의 밀도가 서로 다르므로, 증발가스와 질소가 혼합된 유체의 밀도를 알면, 증발가스와 질소의 혼합 함량을 알아낼 수 있다는 점과, 일반적으로 유체의 유량을 측정하기 위해 설치되는 유량계 중 유체의 유량뿐만 아니라 밀도도 측정할 수 있는 유량계가 있다는 점에 착안하여, 추가적인 장비의 설치 없이도, 유체의 유량 측정을 위해 설치되는 유량계(600)를 활용하여, 냉매 사이클(RC)을 순환하는 유체의 최적의 혼합 함량을 알아낼 수 있도록 한 발명이다.
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.
N : 질소가 냉매 사이클로 주입되는 위치
T : 저장탱크 RC : 냉매 사이클
C : 컴팬더 E : 연료수요처
110 : 제1 열교환기 120 : 제2 열교환기
210 : 제1 압축기 220 : 제2 압축기
230 : 제3 압축기 240 : 제4 압축기
310 : 제1 냉각기 320 : 제2 냉각기
330 : 제3 냉각기 340 : 제4 냉각기
410 : 제1 감압장치 420 : 제2 감압장치
500 : 기액분리기 600 : 유량계

Claims (20)

1) 증발가스를 제1 열교환기에서 냉매로 사용하는 단계;
2) 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키는 단계;
3) 상기 2)단계에서 두 흐름으로 분기된 흐름 중, 한 흐름은 제1 압축기로 보내고, 나머지 흐름은 제2 압축기로 보내는 단계;
4) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기로 공급된 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계;
5) 상기 4)단계에서 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 및
6) 상기 5)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 단계;를 포함하고,
상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스는,
5-1) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되는 단계;
5-2) 유량계에 의해 밀도가 측정되는 단계;
5-3) 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되는 단계;
5-4) 감압되는 단계;
5-5) 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는 단계;
5-6) 압축되는 단계; 및
5-7) 질소가 주입되는 단계;
를 포함하는 과정을 거치고,
상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이 일정값이 될 때까지 상기 5-1)단계 내지 상기 5-7)단계를 반복하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
1) 증발가스를 제1 열교환기에서 냉매로 사용하고,
2) 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 두 흐름으로 분기시키고,
3) 상기 2)단계에서 두 흐름으로 분기된 흐름 중, 한 흐름은 제1 압축기로 보내고, 나머지 흐름은 제2 압축기로 보내고,
4) 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 연료수요처로 보내고(이하, 연료수요처로 증발가스를 공급하는 압축기를 '연료공급용 압축기'라고 한다.),
5) 상기 '연료공급용 압축기'에 의해 압축된 증발가스 중 상기 연료수요처에서 사용되지 않은 나머지 증발가스를, 상기 1)단계에서 상기 제1 열교환기로 공급된 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키고,
6) 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉매 사이클로 보내고(이하, 냉매 사이클로 증발가스를 공급하는 압축기를 '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.),
7) 상기 5)단계에서 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키고,
8) 상기 7)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키며,
상기 냉매 사이클에 질소를 주입하고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도를 측정하여, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량을 일정값으로 유지하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 2에 있어서,
액적이 발생하지 않으면서도 최대의 재액화량 및 재액화 효율을 달성하기 위한, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량(이하, '최적의 혼합 함량'이라고 한다.)을 계산하고,
상기 '최적의 혼합 함량'이 되었을 때, 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도(이하, '최적의 밀도'라고 한다.)를 계산하고,
상기 '최적의 밀도'가 될 때까지 질소를 상기 냉매 사이클로 주입하며,
상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도를 상기 '최적의 밀도'로 유지시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 2에 있어서,
질소가 상기 제2 열교환기 하류로 주입되어, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체에 질소가 혼합되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체는 제4 압축기에 의해 압축되고,
질소가 상기 제4 압축기 하류로 주입되어, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 후 상기 제4 압축기에 의해 압축된 증발가스에 질소가 주입되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 제4 압축기에 의해 압축된 후 질소가 주입된 유체는 상기 '냉매 사이클용 압축기'로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
제2 감압장치에 의해 감압된 유체가 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 제2 감압장치로 공급되는 유체의 온도는, 상기 제2 감압장치 입구에서 액적이 발생되지 않는 범위에서 가장 낮은 온도로 유지되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
증발가스를 압축시키는 제1 압축기;
상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 상기 제1 압축기로 보내지지 않은 다른 흐름의 증발가스를 압축시키는 제2 압축기;
상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여, 추가로 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기;
상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및
상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 밀도를 측정하는 유량계;를 포함하고,
상기 냉매 사이클을 순환하는 유체의 질소 혼합 함량이 일정값이 되도록 상기 냉매 사이클에 질소를 주입하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 연료수요처로 보내지고(이하, 연료수요처로 증발가스를 공급하는 압축기를 '연료공급용 압축기'라고 한다.),
상기 '연료공급용 압축기'에 의해 압축된 증발가스 중 상기 연료수요처에서 사용되지 않은 나머지 증발가스는 상기 제1 열교환기로 보내지고,
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 냉매 사이클로 보내지는(이하, 냉매 사이클로 증발가스를 공급하는 압축기를 '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.), 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 냉매 사이클은,
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급된 증발가스를 감압시키는 제2 감압장치; 및
상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제4 압축기;
를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 11에 있어서,
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급된 증발가스는, 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되고 상기 제2 감압장치에 의해 추가로 감압되어 냉각된 후, 다시 상기 제2 열교환기로 공급되어 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 냉매 사이클은, 상기 '냉매 사이클용 압축기', 상기 제2 열교환기, 상기 제2 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제4 압축기, 및 다시 상기 '냉매 사이클용 압축기'를 연결하는 폐루프를 형성하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 유량계는 상기 냉매 사이클의 상기 '냉매 사이클용 압축기' 하류에 설치되고,
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급된 증발가스는, 상기 유량계를 통과한 후 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 제1 열교환기로 보내는 라인 상에 설치되어, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 추가로 압축시키는 제3 압축기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 제3 압축기는 증발가스를 150 내지 300 bar로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 16에 있어서,
상기 제3 압축기는 증발가스를 150 내지 170 bar로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 18에 있어서,
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용되기 전의 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유량계는 코리올리스 유량계인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150039427A (ko) * 2013-10-02 2015-04-10 현대중공업 주식회사 액화가스 처리 시스템
KR101599404B1 (ko) * 2015-02-11 2016-03-03 대우조선해양 주식회사 선박
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