KR102003408B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 상기 시스템 내의 윤활유 배출 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 상기 시스템 내의 윤활유 배출 방법 Download PDF

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Abstract

선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 압축시키는 다단압축기; 상기 다단압축기와 병렬로 설치되어, 상기 다단압축기의 리던던시 역할을 하는 리던던시용 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축되거나 상기 리던던시용 다단압축기에 의해 압축되기 전의, 저온 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고, 상기 다단압축기 및 상기 리던던시용 다단압축기는 각각, 전단을 구성하는 무급유단과, 후단을 구성하는 급유단과, 상기 무급유단과 상기 급유단 사이에 설치되는 역류방지부를 포함하며, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되어 각각 상기 다단압축기와 상기 리던던시용 다단압축기로 공급된다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 상기 시스템 내의 윤활유 배출 방법{BOG Reliquefaction System for Vessels and Method of Discharging Lubrication Oil in the Same}
본 발명은 저장탱크 내부에서 생성되는 증발가스 중 엔진의 연료로 사용되고 남은 증발가스를 재액화시키는 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 연료수요처의 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 DF 엔진(DFDE(Dual Fuel Diesel Electric), DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)), ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF 엔진(DFDE, DFDG)은, 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.
증발가스 자체를 냉매로 사용하는 증발가스 재액화 시스템에서는 재액화 효율을 위해 증발가스를 대략 150 bar 이상의 고압으로 압축시킬 필요가 있고, ME-GI 엔진 등의 고압 엔진을 주엔진으로 채용하는 경우 엔진에서 요구하는 연료의 압력을 충족시키기 위해 증발가스를 대략 300 bar 정도의 고압으로 압축시킬 필요가 있다.
증발가스를 150 내지 300 bar의 고압으로 압축시키기 위한 고압 압축기는, 실린더의 마모 방지 및 수명 연장 등을 위해서 윤활유의 사용이 불가피하다. 실린더에 공급된 윤활유는 고압 압축기에 의해 압축된 증발가스에 섞여, 배관이나 장치 내부에 쌓여 고장을 일으킬 수 있고, 특히 증발가스 재액화를 위한 열교환시에 증발가스보다 오일이 먼저 응축이 되어 열교환기의 유로를 막을 수 있다는 문제점이 있다.
증발가스에 섞인 윤활유가 배관이나 장치 내부에 쌓이거나 열교환기의 유로를 막는 현상을 방지하기 위하여, 종래에는 오일 분리기나 오일 필터에 의해 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러낸 후에 열교환기 등의 장치로 공급하는 방법을 채택하였다.
본 발명에서는 증발가스에 섞인 윤활유에 의한 문제점을 보다 근본적으로 해결하기 위해, 부분적으로 무급유식 실린더를 포함하는 다단압축기를 활용한 선박용 증발가스 재액화 시스템과 윤활유 배출 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 압축시키는 다단압축기; 상기 다단압축기와 병렬로 설치되어, 상기 다단압축기의 리던던시 역할을 하는 리던던시용 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축되거나 상기 리던던시용 다단압축기에 의해 압축되기 전의, 저온 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고, 상기 다단압축기 및 상기 리던던시용 다단압축기는 각각, 전단을 구성하는 무급유단과, 후단을 구성하는 급유단과, 상기 무급유단과 상기 급유단 사이에 설치되는 역류방지부를 포함하며, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되어 각각 상기 다단압축기와 상기 리던던시용 다단압축기로 공급되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 다단압축기의 급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 급유단은 각각, 증발가스를 재순환시켜 압력을 조절하는 재순환라인; 및 상기 재순환라인 상에 설치되어 증발가스를 감압시키는 재순환밸브;를 포함할 수 있고, 상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 증발가스의 역류를 방지하는 제1 체크밸브를 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 상기 제1 체크밸브 상류에 설치되어 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제1 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 상기 제1 필터 상류에 설치되어 증발가스의 역류를 방지하는 제2 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 상기 제1 체크밸브와 병렬로 설치되는 리던던시용 제1 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 상기 리던던시용 제1 체크밸브 상류에 설치되는 리던던시용 제1 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 상기 제1 필터 상류에 설치되는, 리던던시용 제2 체크밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각, 상기 제1 필터 상류 및 하류에 각각 설치되는 차단밸브; 및 상기 리던던시용 제1 필터 상류 및 하류에 각각 설치되는 차단밸브;를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기와 상기 리던던시용 다단압축기는 각각 6단으로 구성될 수 있다.
상기 다단압축기의 무급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단은 각각 5단으로 구성될 수 있다.
상기 다단압축기의 무급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단은 각각, 증발가스를 100 barg 내지 250 barg로 압축시킬 수 있다.
상기 다단압축기의 무급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단은 각각, 증발가스를 150 barg로 압축시킬 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 다단압축기의 급유단 하류와 상기 리던던시용 다단압축기의 급유단 하류에 각각 설치되어, 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제2 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 다단압축기의 급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 급유단에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스 재액화시에 열교환기에서 냉매로 사용되는 증발가스를, 제2 우회라인에 의해 열교환기를 우회시킨 후 두 흐름으로 분기시켜 다단압축기 및 상기 다단압축기와 병렬로 설치되는 리던던시용 다단압축기로 각각 공급하고, 상기 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스를 합류시켜 상기 열교환기의 고온 유로로 공급하여, 응축 또는 응고된 윤활유의 녹이거나 점도를 낮춰 배출시키며, 상기 다단압축기 및 상기 리던던시용 다단압축기는 각각, 전단을 구성하는 무급유단과, 후단을 구성하는 급유단과, 상기 무급유단과 상기 급유단 사이에 설치되는 역류방지부를 포함하는, 윤활유 배출 방법이 제공된다.
상기 열교환기의 고온 유로를 통과한 증발가스를 다시 제2 우회라인으로 보내, 응축 또는 응고된 윤활유를 녹이거나 점도를 낮춰 배출시키는 동안 증발가스를 순환시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 다단압축기 내부의 급유단과 무급유단 사이에 역류방지부를 포함하여, 급유단에서 공급된 윤활유가 무급유단으로 흘러 들어가지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 리던던시(Redundancy) 목적으로 설치된 다단압축기를 활용하여, 재액화되는 증발가스의 유량과 열교환기에서 냉매로 사용되는 증발가스의 유량을 증가시켜, 재액화량을 증가시킬 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 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 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.
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 1 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 제1 내지 제3 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 다단압축기(200), 및 감압장치(300)를 포함한다.
열교환기(100)는, 저온의 증발가스를 냉매로 사용하여, 다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 저온의 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스일 수 있으며, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스는 다단압축기(200)로 보내진다.
다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)의 연료로 사용되고, 제1 엔진(E1)의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스는 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치게 된다.
감압장치(300)는, 다단압축기(200)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 증발가스를 감압시킨다. 감압장치(300)는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있고, 팽창기(Expander)일 수도 있다.
다단압축기(200)에 의한 압축과정과, 열교환기(100)에 의한 냉각과정과, 감압장치(300)에 의한 감압과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 감압장치(300) 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 증발가스로 남아 있는 증발가스(플래시 가스를 포함)를 분리하는 기액분리기(400)를 더 포함할 수 있다. 기액분리기(400)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(400)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 수 있다.
다단압축기(200)는, 무급유단(210), 급유단(220), 및 역류방지부(230)를 포함한다. 다단압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)의 연료로 사용되고, 제1 엔진(E1)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스가 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치게 된다.
무급유단(210)은 다단압축기(200)의 전단을 구성하며, 무급유식 실린더(211)를 포함한다. 무급유단(210)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 다수개의 무급유식 실린더(211)와, 다수개의 무급유식 실린더(211) 하류에 각각 설치되는 다수개의 냉각기(212)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 무급유단(210)이 5개의 무급유식 실린더(211)를 포함하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
급유단(220)은 다단압축기(200)의 후단을 구성하며, 급유식 실린더(221)를 포함한다. 급유단(220)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 급유식 실린더(221) 하류에 설치되는 냉각기(222)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 급유단(220)이 한 개의 급유식 실린더(221)를 포함하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 급유단(220)은 필요에 따라 다수개의 급유식 실린더(221) 및 다수개의 냉각기(222)를 포함할 수도 있다.
각 실린더는 다단압축기(200)의 '단'의 의미를 가진다.
본 발명에서는, 무급유단(210)을 통과한 증발가스가 분기하여 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치고, 무급유단(210)을 통과한 후 추가로 급유단(220)을 통과한 증발가스가 제1 엔진(E1)의 연료로 공급된다.
본 발명과 같이 증발가스 자체를 냉매로 사용하는 증발가스 재액화 시스템에서, 실제 적용 가능한 수준의 재액화 효율 및 재액화량을 확보하기 위하여는, 대략 100 barg 내지 250 barg, 바람직하게는 대략 150 barg로 증발가스를 압축시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 무급유단(210)은 대략 100 barg 내지 250 barg, 바람직하게는 대략 150 barg로 증발가스를 압축시키고, 무급유단(210)에 의해 압축된 증발가스를 열교환기(100)로 보내 재액화 과정을 거치도록 한다.
또한, 제1 엔진(E1)에서 요구하는 압력 조건을 만족시키기 위해, 무급유단(210)에 의해 압축된 증발가스를 급유단(220)에 의해 추가로 압축시킨 후에 제1 엔진(E1)으로 공급한다. 즉, 본 발명은 실제 적용 가능한 수준의 재액화 효율 및 재액화량을 확보하기 위하여 필요한 압력보다 더 높은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 엔진을 채택하였을 때 특히 의미가 있다. 제1 엔진(E1)은 ME-GI 엔진일 수 있고, 급유단(220)은 증발가스를 대략 250 barg 내지 400 barg, 바람직하게는 대략 300 barg로 압축시킬 수 있다.
본 발명에서 다단압축기(200)의 후단을 급유단(220)으로 구성하는 것은, 현재 기술 수준에서는 대략 150 barg 내지 250 barg 이상의 압력으로 증발가스를 압축시기 위해서는, 실린더의 마모 방지와 수명 연장 등을 위해 윤활유를 공급할 필요가 있기 때문이다.
다단압축기(200)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 6단으로 구성되는 것이 바람직하며, 다단압축기(200)가 6단으로 구성되는 경우, 전단의 5단이 무급유단(210)으로 구성되고, 후단의 1단이 급유단(220)으로 구성되는 것이 바람직하다.
다단압축기를 적은 단수로 설계할수록 비용이 절감된다는 장점이 있고, 많은 단수로 설계할수록 각 단의 압축비(각 실린더가 압축시켜야 하는 정도)가 감소하여 각 단에 걸리는 부담이 적어진다는 장점이 있다. 특히, 실린더에 윤활유를 공급하지 않는 무급유단의 경우에는, 실린더에 윤활유가 공급되는 경우에 비해 수명이 짧아지게 되는데, 다단압축기의 단수를 늘려 각 단에 걸리는 부담을 줄이면 무급유(210)단의 수명이 짧아지는 것을 완화할 수 있다.
본 발명의 발명자들은, 비용적인 측면과 각 단의 압축비에 따른 수명을 모두 고려하였을 때, 다단압축기(200)를 6단으로 설계하는 것이 적절하다는 것을 발견하였다.
또한, 본 발명의 발명자들은, 무급유 실린더의 경우에 실제 적용이 가능한 수준의 수명을 유지하기 위한 최대 압축 정도와, 증발가스의 재액화 효율을 고려하였을 때, 무급유단(210)의 최대 압력은 대략 100 내지 250 barg, 바람직하게는 대략 150 barg가 적절하다는 것을 발견하였다.
일반적으로 사용되는 5단의 고압 압축기의 경우에는, 4단의 압축 과정을 거친 증발가스의 압력이 대략 100 barg 정도가 되고, 5단의 압축 과정을 모두 거친 증발가스의 압력이 대략 250 barg 내지 400 barg가 되어, 무급유 실린더의 최대 압축 정도와 재액화 효율을 고려한 최적의 압력인 대략 150 barg로 증발가스를 압축시키는 것이 곤란하다.
본 발명의 일 실시예와 같이 다단압축기(200)를 6단으로 설계하면, 5단의 압축 과정을 거친 증발가스의 압력이 대략 150 barg가 되어, 무급유 실린더의 최대 압축 정도와 재액화 효율을 고려한 최적의 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 의하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스는 다단압축기(200)의 무급유단(210)에 의해 일부 압축 과정만을 거치도록 하고, 제1 엔진(E1)에서 연료로 사용되는 증발가스만이 다단압축기(200)의 무급유단(210) 및 급유단(220)에 의해 전부 압축 과정을 거치도록 하여, 제1 엔진(E1)에서 사용되지 않는 증발가스를 굳이 제1 엔진(E1)의 요구 압력까지 압축시키지 않고 재액화에 필요한 압력까지만 압축시키므로, 재액화 과정을 거치는 증발가스와 제1 엔진(E1)에 공급되는 증발가스를 모두 다단압축기(200)의 전부 압축 과정을 거치게 한 후 일부를 분기시켜 재액화 과정을 거치게 하는 경우에 비해, 증발가스를 압축시키는데 들어가는 에너지를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
다단압축기(200)의 일부 단에 의해 압축된 증발가스는, 일부가 분기하여 제2 엔진(E2)으로 공급될 수 있고, 제2 엔진(E2)은 제1 엔진(E1)보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 엔진, 일례로 DF 엔진일 수 있다. 또한, 다단압축기(200)의 일부 단에 의해 압축된 증발가스를 필요에 따라 가스연소장치(G)로 보내 연소시킬 수도 있다.
역류방지부(230)는, 급유단(220)과 무급유단(210) 사이에 설치되어, 윤활유가 급유단(220)으로부터 무급유단(210)으로 흘러들어가는 것을 방지한다.
다단압축기(200)는 각 단의 압력을 조절하기 위한 재순환라인(RL)과 재순환밸브(RV)를 포함한다. 도 1 내지 도 3에서는 재순환라인(RL) 및 재순환밸브(RV)가 급유단(220)에 설치된 것을 도시하였는데, 무급유단(210)에도 재순환라인(RL) 및 재순환밸브(RV)가 설치될 수 있다.
다단압축기(200)의 각 단의 압력을 조절하기 위해 재순환되는 증발가스는, 재순환밸브(RV)에 의해 전단의 압력만큼 감압된 후 재순환라인(RL)에 의해 재순환되는데, 급유단(220)에서는 증발가스에 섞인 윤활유가 재순환밸브(RV)에 의한 감압 과정을 거치며 응축 또는 응고될 수 있다. 본 발명의 발명자들은, 급유단(220)에서 재순환밸브(RV)에 의해 감압되며 응축 또는 응고된 윤활유가 무급유단(210)으로 흘러들어가면 문제가 생길 수 있다는 점을 발견하였다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의하면 역류방지부(230)가 제1 체크밸브(CV1)를 포함하여, 급유단(220)에서 재순환 밸브에 의해 감압되며 응축 또는 응고된 윤활유가 무급유단(210)으로 흘러들가지 않도록 증발가스의 역류를 차단시킨다.
본 발명의 발명자들은, 제1 체크밸브(CV1)에 의해 증발가스의 역류를 차단하여도, 일부가 누출(Leakage)되는 문제점이 발생할 수도 있음을 발견하였다. 도 3을 참조하면, 제1 체크밸브(CV1)에서 증발가스의 일부가 누출되는 경우를 대비하기 위해, 역류방지부(230)는 제1 체크밸브(CV1) 상류에 설치되는 제1 필터(F1)를 더 포함할 수 있다. 제1 필터(F1)는, 제1 체크밸브(CV1)에서 누출되어 급유단(220)으로부터 역류한 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 역할을 한다.
한편, 다단압축기(200)가 정지(Shut Down)하는 경우 각 단에서 압축된 증발가스를 배출(Releasing)시켜야 하는데, 본 발명의 발명자들은, 증발가스 배출을 위해 각 단의 증발가스가 공유되는 과정에서 제1 필터(F1) 내부의 윤활유가 무급유단(210)으로 흘러들어갈 수 있음을 발견하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 역류방지부(230)는 제1 필터(F1) 상류에 설치되는 제2 체크밸브(CV2)를 더 포함하여, 제1 필터(F1) 내부의 윤활유가 무급유단(210)으로 흘러들어가는 경우를 대비할 수 있도록 하였다. 제2 체크밸브(CV2)는, 제1 필터(F1) 내부의 윤활유가 무급유단(210)으로 흘러가지 않도록 차단시킨다.
도 1을 참조하면, 제1 필터(F1)를 병렬로 두 대 설치하여, 한 대는 평소에 사용하고, 다른 한 대는 평소에 사용하던 제1 필터(F1)가 고장나는 경우에 사용할 수 있다. 즉, 제1 필터(F1)를 추가로 설치하여 리던던시(Redundancy) 용도로 사용할 수 있다. 제1 필터(F1) 뿐만 아니라, 제1 체크밸브(CV1)와 제2 체크밸브(CV2)도 각각 추가로 설치하여 리던던시 용도로 사용할 수 있다.
리던던시용 제1 필터(F1)를 추가로 설치하는 경우, 한 대씩 운용할 수 있도록 제1 필터(F1) 상류 및 하류에는 각각 차단밸브(Isolation Valve, V1, V2)가 설치될 수 있고, 리던던시용 제1 필터(F1') 상류 및 하류에도 각각 차단밸브(V1', V2')가 설치될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 필터(F1) 상류 및 하류에 각각 체크밸브(CV1, CV2)가 설치되고, 체크밸브(CV1, CV2) 상류 및 하류에 각각 차단밸브(V1, V2)가 설치되며, 이와 동일한 구성의 장치(F1', CV1', CV2', V1', V2')가 병렬로 설치되어, 서로 리던던시 역할을 할 수 있다.
한편, 다단압축기(200)의 급유단(220)에 의해 압축된 증발가스가 제1 엔진(E1)에 공급되면서, 증발가스에 섞인 윤활유가 먼지 등과 함께 혼합되어 배관 또는 장비를 막히게 하는 경우가 생길 수 있다. 윤활유가 제1 엔진(E1)으로 보내지면 제1 엔진(E1)에서 연소가 되므로 큰 문제가 없으나, 본 발명의 발명자들은 실제로 윤활유가 섞인 증발가스를 제1 엔진(E1)에 공급하면, 제1 엔진(E1) 상류에 설치된 스트레이너(Strainer) 등이 윤활유에 의해 막히는 문제가 발생한다는 사실을 발견하였다. 스트레이너는, 불순물 등의 입자(Particle)가 엔진으로 유입되어 엔진이 손상되지 않도록 엔진 상류에 설치되는 장비이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 윤활유가 제1 엔진(E1)으로 유입되어 엔진을 손상시키지 않도록 제1 엔진(E1) 상류에, 특히 스트레이너 등 불순물을 걸러내는 장비의 상류에 제2 필터(F2)를 설치하여, 제2 필터(F2)에 의해 윤활유가 걸러진 증발가스를 제1 엔진(E1)으로 공급할 수 있도록 하였다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 다단압축기(200)의 무급유단(210)에 의해 압축된 후 열교환기(100)로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제3 필터(F3)를 더 포함할 수 있다. 제3 필터(F3)는, 역류방지부(230)를 설치하여도 발생할 수 있는 누출을 대비하여, 급유단(220)에서 증발가스에 섞인 윤활유가 열교환기(100)로 유입되지 않도록 하는 역할을 한다.
증발가스가 제3 필터(F3)를 우회할 수 있도록 하는 제1 우회라인(BL1)을 더 포함할 수 있으며, 제3 필터(F3)의 고장, 유지보수 시에는 증발가스를 제1 우회라인(BL1)에 의해 제3 필터(F3)를 우회시킨다. 또한, 제3 필터(F3)의 고장, 유지보수 시에 제3 필터(F3)를 차단(Isolation)시킬 수 있도록, 제3 필터(F3) 상류 및 하류에는 각각 차단밸브(V1, V2)를 설치할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다. 도 4에 도시된 제4 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 리던던시용 다단압축기(200')를 활용한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치와 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 의하면, 다단압축기(200)와 동일하게 구성되어 다단압축기(200)와 병렬로 설치되는 리던던시용 다단압축기(200')를, 다단압축기(200)가 고장나지 않은 평상시에도 활용하여 재액화량을 증가시킬 수 있다.
다단압축기(200)와 리던던시용 다단압축기(200')를 동시에 운전하면, 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 저온 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있고, 다단압축기(200, 200')에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각되는 증발가스의 유량도 증가시킬 수 있으므로, 재액화량이 증가한다.
본 발명에 의하면, 무급유단(210)에 의해 대략 100 barg 내지 250 barg, 바람직하게는 대략 150 barg로 압축된 증발가스를 열교환기(100)로 보내 재액화 과정을 거치게 하므로, 실제 적용 가능한 수준의 재액화 효율 및 재액화량을 확보하면서도, 열교환기(100) 기타 장치와 배관이 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 막히는 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 급유식 실린더를 최소한으로 사용하여, 열교환기(100) 기타 장치와 배관이 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 막히는 문제점을 해결할 수 있도록 하면서도, 실린더의 마모 방지 및 수명 연장을 도모할 수 있도록 하였다.
뿐만 아니라, 본 발명에 의하면, 체크밸브(CV1, CV2)와 필터(F1, F2)를 적절하게 활용하여 급유식 실린더를 사용하면서 발생할 수 있는 문제점을 보완함으로써, 효율적이고 안정적으로 증발가스를 재액화시킬 수 있도록 시스템을 최적화하였다.
한편, 본 발명의 선박용 증발가스 시스템에서 급유식 실린더를 최소한으로 사용하고, 급유식 실린더를 사용하면서 발생할 수 있는 문제점을 보완하였더라도, 배관 및 각종 장비 내부에 윤활유가 쌓일 수 있다. 특히, 열교환기(100)에서는 증발가스보다 윤활유가 먼저 응축 또는 응고되므로 윤활유에 의해 유로가 막히는 현상이 발생할 수 있으며, PCHE 등 마이크로 채널형의 열교환기(100)를 채택하는 경우 열교환기(100) 내부의 유로가 좁아 윤활유에 의해 유로가 막히는 경우가 더욱 자주 발생할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 종래에 열교환기(100)의 고장 또는 유지보수를 위해 설치하였던 제2 우회라인(BL2)을 활용하여, 시스템 내부의 윤활유를 배출시킨다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 윤활유 배출시에는, 저온 증발가스가 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 것이 아니라, 제2 우회라인(BL2)에 의해 열교환기(100)를 우회한다. 제2 우회라인(BL2)에 의해 열교환기(100)를 우회한 증발가스는 다단압축기(200)로 보내지며(도 4에 도시된 제4 실시예에서는, 다단압축기(200)와 리던던시용 다단압축기(200')로 모두 보내질 수 있다.), 다단압축기(200)의 무급유단(210)에 의해 압축되어 온도가 올라간 증발가스가 열교환기(100)의 고온 유로를 통과하며, 열교환기(100) 내부의 응축 또는 응고된 윤활유를 녹이거나 점도를 낮춰 배출시키게 된다.
열교환기(100)의 저온 유로는 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 증발가스가 통과하는 유로를 의미하고, 고온 유로는 다단압축기(200, 도 4에 도시된 제4 실시예에서는 리던던시용 다단압축기(200')도 포함)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각되는 증발가스가 통과하는 유로를 의미한다.
열교환기(100)를 통과한 증발가스는 감압장치(300)에 의해 감압된 후 기액분리기(400)로 보내질 수 있고, 기액분리기(400) 내부에 녹거나 점도가 낮아진 윤활유를 모을 수 있으며, 기액분리기(400) 내부에 모인 윤활유는 외부로 배출될 수 있다.
또한, 기액분리기(400)로 보내진 증발가스는 다시 제2 우회라인(BL2)으로 보내져, 윤활유를 배출시키는 동안 증발가스는, 제2 우회라인(BL2), 다단압축기(200, 도 4에 도시된 제4 실시예에서는 리던던시용 다단압축기(200')도 포함)의 무급유단(210), 열교환기(100)의 고온유로, 감압장치(300), 기액분리기(400), 및 다시 제2 우회라인(BL2)을 연결하는 사이클을 순환할 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2 우회라인(BL2)을 활용하여 윤활유를 배출시키는 동안에도, 증발가스를 엔진(E1, E2)으로 공급할 수 있다. 장비의 고장 또는 유지보수 시에는 엔진에 연료를 공급할 수 없는 경우가 일반적인데, 본 발명에 의하면, 장비의 유지보수를 위해 시스템 내부의 윤활유를 배출시키는 동안에도 엔진(E1, E2)에 연료를 공급할 수 있어 효율적이다.
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 E1, E2 : 엔진
G : 가스연소장치 F1, F2, F3 : 필터
CV1, CV2 : 체크밸브 V1, V2 : 차단밸브
RV : 재순환밸브 RL : 재순환라인
BL1, BL2 : 우회라인 100 : 열교환기
200 : 다단압축기 210 : 무급유단
211 : 무급유식 실린더 212, 222 : 냉각기
220 : 급유단 221 : 급유식 실린더
230 : 역류방지부 300 : 감압장치
400 : 기액분리기

Claims (16)

  1. 증발가스를 압축시키는 다단압축기;
    상기 다단압축기와 병렬로 설치되어, 상기 다단압축기의 리던던시 역할을 하는 리던던시용 다단압축기;
    상기 다단압축기에 의해 압축되거나 상기 리던던시용 다단압축기에 의해 압축되기 전의, 저온 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및
    상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고,
    상기 다단압축기 및 상기 리던던시용 다단압축기는 각각, 전단을 구성하는 무급유단과, 후단을 구성하는 급유단과, 상기 무급유단과 상기 급유단 사이에 설치되는 역류방지부를 포함하며,
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되어 각각 상기 다단압축기와 상기 리던던시용 다단압축기로 공급되고,
    상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각,
    증발가스의 역류를 방지하는 제1 체크밸브; 및
    상기 제1 체크밸브 상류에 설치되어 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제1 필터;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다단압축기의 급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 급유단은 각각,
    증발가스를 재순환시켜 압력을 조절하는 재순환라인; 및
    상기 재순환라인 상에 설치되어 증발가스를 감압시키는 재순환밸브;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각,
    상기 제1 필터 상류에 설치되어 증발가스의 역류를 방지하는 제2 체크밸브를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각,
    상기 제1 체크밸브와 병렬로 설치되는 리던던시용 제1 체크밸브를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각,
    상기 리던던시용 제1 체크밸브 상류에 설치되는 리던던시용 제1 필터를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각,
    상기 제1 필터 상류에 설치되는, 리던던시용 제2 체크밸브를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 다단압축기의 역류방지부와 상기 리던던시용 다단압축기의 역류방지부는 각각,
    상기 제1 필터 상류 및 하류에 각각 설치되는 차단밸브; 및
    상기 리던던시용 제1 필터 상류 및 하류에 각각 설치되는 차단밸브;
    를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  9. 청구항 1 내지 2 및 청구항 4 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단압축기와 상기 리던던시용 다단압축기는 각각 6단으로 구성되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 다단압축기의 무급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단은 각각 5단으로 구성되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  11. 청구항 1 내지 2 및 청구항 4 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단압축기의 무급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단은 각각, 증발가스를 100 barg 내지 250 barg로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 다단압축기의 무급유단과 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단은 각각, 증발가스를 150 barg로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  13. 청구항 1 내지 2 및 청구항 4 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단압축기의 급유단 하류와 상기 리던던시용 다단압축기의 급유단 하류에 각각 설치되어, 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 제2 필터를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  14. 청구항 1 내지 2 및 청구항 4 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단압축기의 급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 급유단에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진으로 공급되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  15. 증발가스 재액화시에 열교환기에서 냉매로 사용되는 증발가스를, 제2 우회라인에 의해 열교환기를 우회시킨 후 두 흐름으로 분기시켜 다단압축기 및 상기 다단압축기와 병렬로 설치되는 리던던시용 다단압축기로 각각 공급하고,
    상기 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스와 상기 리던던시용 다단압축기의 무급유단에 의해 압축된 증발가스를 합류시켜 상기 열교환기의 고온 유로로 공급하여, 응축 또는 응고된 윤활유의 녹이거나 점도를 낮춰 배출시키며,
    상기 다단압축기 및 상기 리던던시용 다단압축기는 각각, 전단을 구성하는 무급유단과, 후단을 구성하는 급유단과, 상기 무급유단과 상기 급유단 사이에 설치되는 역류방지부를 포함하고,
    상기 역류방지부는, 상기 급유단으로부터 무급유단으로 증발가스가 역류하지 않도록 하는 체크밸브와, 상기 체크밸브의 상류에 설치되어 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러내는 필터를 포함하는, 윤활유 배출 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 열교환기의 고온 유로를 통과한 증발가스를 다시 제2 우회라인으로 보내, 응축 또는 응고된 윤활유를 녹이거나 점도를 낮춰 배출시키는 동안 증발가스를 순환시키는, 윤활유 배출 방법.
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