KR101969501B1 - 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템 - Google Patents

익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템에 관한 것으로, 천연가스를 목적물인 LNG로 액화시키기 위해 필요한 냉매를 익스펜더로 활용하고 천연가스 자체의 단일 루프로 해결할 수 있는 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템에 관한 기술이다.
본 발명은 천연가스 공급처에서 소비처로 천연가스를 공급되게 하는 천연가스공급라인; 상기 천연가스공급라인에 압축기가 복수 개가 다단으로 설치되어 상기 천연가스를 압축하는 압축라인; 상기 압축라인 후단에 설치되어 압축된 천연가스를 열교환에 의해 액화되게 하는 열교환기; 상기 열교환기 후단에 설치되어 열교환된 천연가스 중 증발가스와 액화된 LNG를 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기의 상부에 연결되고 상기 증발가스를 상기 천연가스공급라인의 입구로 연결되는 회수라인; 상기 압축라인에서 분기되고 상기 회수라인과 합지되는 것으로, 분기된 천연가스를 익스펜더에 의해 냉각되고 상기 회수라인에 공급되어 상기 천연가스공급라인을 열교환되게 하여 액화되게 하는 냉각라인;이 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템{Natural Gas Liquefaction System Using Expender with Methane Refrigerant}
본 발명은 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템에 관한 것으로, 천연가스를 목적물인 LNG(Liquefied Natural Gas)로 액화시키기 위해 필요한 냉매를 익스펜더로 활용하여 천연가스 자체의 단일 루프로 해결할 수 있는 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템에 관한 기술이다.
천연가스는 주성분을 메탄(mehtane)으로 하고 있으며, 무색무취에 공기보다 가볍고 아주 낮은 온도에서 액화가 되는 특징이 있다. 대표적으로 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스로 -162℃ 온도로 냉각되어 기체일때 보다 1/600 정도의 축소된 부피로 사용된다.
본 발명과 관련된 천연가스 액화 시스템은 종래의 특허기술은 유럽에 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 천연가스는 순서대로 제1압축단계(201)와, 제1열교환단계(202)를 반복적으로 거쳐 압축되고 냉각되게 된다. 추가적으로 재생 열 교환 단계(207)를 행한다. 그리고. 별도의 열교환 사이클에 설치된 열교환기(208)와 메인 열교환기(209)에 의해 상기 천연가스를 냉각하게 된다.
천연가스를 냉각하기 위해 별도의 액화 사이클을 구성함으로써 그 설치 비용이 많이 들고 구조가 복잡해 지는 문제점이 있어왔다.
EP 02796819 A3
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 동일한 물질인 천연가스로 냉각되도록 단일루프를 구성하여 시스템을 간단히 구성할 수 있는 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 천연가스 공급처에서 소비처로 천연가스를 공급되게 하는 천연가스공급라인; 상기 천연가스공급라인에 압축기가 복수 개가 다단으로 설치되어 상기 천연가스를 압축하는 압축라인; 상기 압축라인 후단에 설치되어 압축된 천연가스를 열교환에 의해 액화되게 하는 열교환기; 상기 열교환기 후단에 설치되어 열교환된 천연가스 중 증발가스와 액화된 LNG를 분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기의 상부에 연결되고 상기 증발가스를 상기 천연가스공급라인의 입구로 연결되는 회수라인; 상기 압축라인에서 분기되고 상기 회수라인과 합지되는 것으로, 분기된 천연가스를 익스펜더에 의해 냉각되고 상기 회수라인에 공급되어 상기 천연가스공급라인을 열교환되게 하여 액화되게 하는 냉각라인;이 포함되는 것을 특징으로 하는 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템을 제공한다.
상기 냉각라인은, 상기 익스펜더 연결 전측에 상기 열교환기와 연결되어 상기 냉각라인의 천연가스가 상기 회수라인내의 천연가스가 열교환되어 상기 냉각라인의 천연가스가 프리냉각되는 것을 특징으로 한다.
상기 회수라인에는 상기 열교환기와 상기 천연가스공급라인 사이에 보조압축기가 더 구비되고, 상기 보조압축기는 상기 익스펜더와 축 연결되어 익스펜더의 회전 동력이 상기 보조압축기에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
천연가스에서 목적물인 LNG로 액화시키기 위해 필요한 냉매를 단일 익스펜더를 활용하여 냉각할 수 있다. 이러한 냉각 시스템은 단일 냉매(익스펜더에 의해 냉각된 천연가스)를 가지는 액화루프를 구성하여 기존대비 파워(power)를 40% 절감할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 천연가스 액화 시스템의 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템의 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 천연가스공급라인(10), 압축라인(20), 열교환기(30), 기액분리기(40), 회수라인(50) 및 냉각라인(60)을 포함하여 구성된다.
천연가스공급라인(10)은 천연가스 공급처에서 소비처로 천연가스를 공급되게 하는 라인이다.
즉, 천연가스를 목적물인 LNG(Liquefied Natural Gas)로 액화시키기 위한 주 라인이며, 도면에 표시된 1,2,3,4,5의 순번을 거쳐 공급처에서 소비처로 이동하게 된다.
상기 압축라인(20)은 상기 천연가스공급라인(10)에 포함된 것으로 도면에서 2번으로 표시된다. 상기 압축라인(20)에는 압축기(22)가 복수 개가 다단으로 설치되어 상기 천연가스를 압축하게 된다. 그리고 압축기(22)의 사이에는 각각 냉각기(24)가 설치되어 압축기(22)에 의해 발생된 열을 냉각시킬 수 있다.
여기서, 천연가스는 압축라인(20)에서 약 30℃의 온도를 가지며, 압축기(22)를 순차적으로 거쳐 대략 1번에서는 11 bar로 시작하고 2번에서는 24.5 bar로 압축되며 69.5 bar 까지 다단으로 압축되게 된다.
상기 열교환기(30)는 상기 천연가스공급라인(10)의 천연가스를 냉각하여 액화된 상태 즉 LNG로 만들기 위한 기기이다.
본 발명에서는 상기 열교환기(30)의 냉매를 외부의 냉매를 사용하지 않고 상기 천연가스공급라인(10)의 천연가스를 활용하여 냉매를 공급하게 하는 것이 본 발명의 특징이며, 이는 하기에서 회수라인(50)과 냉각라인(60) 및 익스펜더(62)에 의해 냉매시스템을 구성할 수 있다.
여기서, 상기 열교환기(30)는 상기 압축라인(20) 후단에 설치되어 압축된 천연가스를 열교환에 의해 액화되게 한다.
열교환기(30)에는 천연가스공급라인(10)과 회수라인(50)이 연결되어 상호 열교환되게 하여 회수라인(50)의 상대적인 내부 유체의 저온에 의해 상기 천연가스공급라인(10)의 천연가스를 냉각하여 액화되게 하며, 냉각라인(60)도 상기 열교환기(30)와 연결되어 회수라인(50)의 내부 유체의 상대적인 저온에 의해 프리쿨링을 할 수 있다.
상기 기액분리기(40)는 상기 열교환기(30) 후단에 설치되어 열교환된 천연가스 중 증발가스와 액화된 LNG를 분리하게 된다. 액화된 LNG는 공급처로 보내져 사용하게 되고 증발가스는 하기의 회수라인(50)으로 이동하게 된다. 여기서 기액분리기(40)는 플래쉬드럼(flash durm)으로 실시하였다.
상기 회수라인(50)은 기액분리기(40)에서 발생된 증발가스를 상기 천연가스공급라인(10)으로 다시 공급되게 하는 라인이다. 도면에서는 6,7,8,9번을 거쳐 회수되게 한다.
여기서, 회수라인(50)에서 기액분리기(40)의 증발가스는 천연가스공급라인(10)에서 열교환기(30)를 거친 것이므로 충분히 냉열이 확보된 상태라 할 수 있으며 도면에 도시된 6번이며 약 -155.72℃의 온도를 가지고 있다.
상기 냉각라인(60)은 천연가스를 냉각하는 라인이다.
상기 냉각라인(60)은 상기 압축라인(20)에서 분기되고 상기 회수라인(50)과 합지되는 것으로, 분기된 천연가스를 익스펜더(62)에 의해 냉각되고 상기 회수라인(50)에 공급되어 상기 천연가스공급라인(10)을 열교환되게 할 수 있다.
상기 냉각라인(60) 도면에서는 2-1, 2-2, 2-3번을 거쳐서 상기 회수라인(50)과 합지되게 된다. 2-1번에서 고압의 상기 천연가스공급라인(10)에서 냉각라인(60)이 분기되어 냉각되고 다시 회수라인(50)과 합지됨으로써, 단일 물질인 천연가스를 활용하여 목적물인 LNG와 냉매를 동시에 활용할 수 있다.
상기 냉각라인(60)에서 2-1번은 약 30℃ 온도이고 24.5 bar의 압력을 가지며, 2-2번에서는 상기 열교환기(30)를 거쳐 약 -45℃ 온도에 24.4bar의 압력을 가진다. 2-3번에서는 익스펜더(62)를 통해 냉각되고 팽창되어 약 -136.9℃ 온도로 떨어지고 1.5 bar 압력으로 떨어지게 된다.
상기 냉각라인(60)은 상기 익스펜더(62) 연결 전측에 상기 열교환기(30)와 연결되어 상기 냉각라인(60)의 천연가스가 상기 회수라인(50) 내의 천연가스가 열교환되어 상기 냉각라인(60)의 천연가스가 프리냉각되는 것을 특징으로 한다.
상기 회수라인(50)에는 상기 열교환기(30)와 상기 천연가스공급라인(10) 사이에 보조압축기가 더 구비되고, 상기 보조압축기는 상기 익스펜더(62)와 축 연결되어 익스펜더(62)의 회전 동력이 상기 보조압축기에 연결되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 천연가스를 목적물인 LNG를 사용하기 위해서 천연가스공급라인(10)에서 단일물질을 냉매로 활용하기 위해 냉각라인(60)이 분기되게 된다. 이러한 냉각라인(60)에서 유동되는 천연가스는 익스펜더(62)에 의해 냉각되고 증발가스를 회수하는 회수라인(50)과 합지되어 천연가스공급라인(10)과 열교환 하여 천연가스공급라인(10)의 천연가스를 냉각하여 목적물인 LNG를 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 별도의 냉매라인을 구성하지 않아도 되는 시스템의 간소화하여 비용을 절감할 수 있으며, 기액분리기(40)인 플래쉬드럼에서 냉열이 충분히 확보된 상태로 열교환기(30)에 공급됨으로써 열교환기(30)의 부하를 줄일 수 있는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명은 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
10: 천연가스공급라인
20: 압축라인
30: 열교환기
40: 기액분리기
50: 회수라인
60: 냉각라인

Claims (3)

  1. 천연가스 공급처에서 소비처로 천연가스를 공급되게 하는 천연가스공급라인;
    상기 천연가스공급라인에 압축기가 복수 개가 다단으로 설치되어 상기 천연가스를 압축하는 압축라인;
    상기 압축라인 후단에 설치되어 압축된 천연가스를 열교환에 의해 액화되게 하는 열교환기;
    상기 열교환기 후단에 설치되어 열교환된 천연가스 중 증발가스와 액화된 LNG를 분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기의 상부에 연결되고 상기 증발가스를 상기 천연가스공급라인의 입구로 연결되는 회수라인;
    상기 압축라인에서 분기되고 상기 회수라인과 합지되는 것으로, 분기된 천연가스를 익스펜더에 의해 냉각되고 상기 회수라인에 공급되어 상기 천연가스공급라인을 열교환되게 하여 액화되게 하는 냉각라인;이 포함되되,
    상기 냉각라인은,
    상기 익스펜더 연결 전측에 상기 열교환기와 연결되어 상기 냉각라인의 천연가스가 상기 회수라인내의 천연가스와 열교환되어 상기 냉각라인의 천연가스가 프리냉각되고,
    익스펜더에 의해 냉각된 냉각라인의 천연가스는 회수라인의 증발가스와 합지되어, 열교환기에서 천연가스 공급라인과 열교환되어 천연가스 공급라인의 천연가스를 냉각시킴을 특징으로 하는 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회수라인에는,
    상기 열교환기와 상기 천연가스공급라인 사이에 보조압축기가 더 구비되고, 상기 보조압축기는 상기 익스펜더와 축 연결되어 익스펜더의 회전 동력이 상기 보조압축기에 연결되는 것을 특징으로 하는 익스펜더를 이용한 천연가스 메탄냉매 액화 시스템.


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