KR102003409B1

KR102003409B1 - 선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102003409B1
Application number: KR1020180132904A
Authority: KR
Inventors: 최진호; 한재식
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2019-07-24

Abstract

선박용 증발가스 재액화 방법이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 방법은, 증발가스를 두 흐름으로 분기시키고, 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름은 제2 압축기로 보내고 나머지 흐름은 제1 압축기로 보내고, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급하고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진의 연료로 공급하고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 제1 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 열교환기로 보내고, 상기 열교환기로 보내진 증발가스를, 상기 제1 압축기나 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키고, 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압장치에 의해 감압시킨다.

Description

선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템{Method and System for Re-liquefying Boil-Off Gas of Vessels}

본 발명은 액화가스가 자연 기화하여 생성되는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 재액화시키는 방법 및 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 -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 DF 엔진, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.

DF 엔진(DFDE, DFGE)은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 5.5barg 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.

X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 15 barg 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.

ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300barg 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.

도 1은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 제1 압축기(210), 감압장치(300) 및 기액분리기(400)를 포함한다.

저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 후 제1 압축기(210)로 보내지고, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 중간에서 분기하여 제2 엔진(E2)의 연료로 공급된다.

증발가스를 태워버릴 필요가 있는 경우에는, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 중간에서 분기하여 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit, G)로 보내질 수 있다.

제1 압축기(210)로 보내진 증발가스 중 제2 엔진(E2)으로 보내지지 않은 나머지 증발가스는, 제1 압축기(210)의 나머지 압축 과정을 거친 후 제1 엔진(E1)으로 보내지며, 제2 엔진(E2)과 제1 엔진(E1)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스는 열교환기(100)로 보내져, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환되어 냉각된다.

열교환기(100)에 의해 냉각된 증발가스는 감압장치(300)에 의해 감압되며 일부가 재액화되고, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스는 기액분리기(400)로 보내져, 기액분리기(400)에 의해 액화가스와 증발가스가 분리된다.

기액분리기(400)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내지고, 기액분리기(400)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스에 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용된다.

도 1에 도시된 바와 같은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제1 압축기(210)의 용량이 제한된 상태에서 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 제2 엔진(E2)과 제1 엔진(E1)으로 모두 보내므로, 열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 유량이 적어지게 된다.

열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 유량이 적어진다는 것은 재액화 과정을 거치는 증발가스의 유량이 감소하게 되는 것을 의미하므로, 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 유량이 적어져 재액화 성능이 낮아진다는 단점이 있었다.

본 발명은, 제2 엔진(E2)으로 보내는 증발가스를 압축시키는 제2 압축기(220, 후술할 도 2에 도시)를 포함하여, 열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있는 선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 두 흐름으로 분기시키고, 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름은 제2 압축기로 보내고 나머지 흐름은 제1 압축기로 보내고, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급하고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진의 연료로 공급하고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 제1 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 열교환기로 보내고, 상기 열교환기로 보내진 증발가스를, 상기 제1 압축기나 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키고, 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압장치에 의해 감압시켜 증발가스를 재액화하되, 상기 제1 엔진은 ME-GI 엔진이고 상기 제2 엔진은 발전 엔진이며,
상기 제2 압축기는, 상기 제1 압축기보다 압축 압력이 낮은 압축기로 상기 제1 압축기와는 별도로 설치되어, 상기 제1 엔진이 아닌 상기 제2 엔진에만 증발가스를 압축하여 공급하는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

저장탱크로부터 배출된 증발가스 중 상기 제2 엔진에서 연료로 요구하는 양의 증발가스가 상기 제2 압축기로 보내지고, 나머지가 상기 제1 압축기로 보내질 수 있다.

상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 분기라인에 의해 분기시켜 상기 제2 엔진으로 공급할 수 있다.

상기 제1 압축기는 5단 압축기이고, 상기 분기라인은 상기 제1 압축기의 2단 또는 3단 이후에 분기될 수 있다.

상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 일부를 가스연소장치로 보낼 수 있다.

상기 제2 엔진은 발전엔진(Generator Engine)일 수 있다.

상기 제1 엔진은 주엔진(Main Engine)일 수 있다.

상기 열교환기를 사용할 수 없거나, 상기 열교환기 내부의 응축 또는 응고된 윤활유를 배출시키는 경우에, 증발가스를 우회라인에 의해 상기 열교환기를 우회시킨 후에 바로 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보낼 수 있다.

상기 제1 압축기, 상기 열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 재액화된 액화가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스는 기액분리기에 의해 분리될 수 있다.

상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스를 압축시켜 제1 엔진의 연료로 공급하는 제1 압축기; 증발가스를 압축시켜 제2 엔진의 연료로 공급하는 제2 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 제1 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스가 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 상기 제2 압축기로 보내지고 나머지 흐름은 상기 제1 압축기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 분기시켜 상기 제2 엔진으로 공급하는 분기라인을 더 포함할 수 있다.

상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 압축기, 상기 열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 재액화된 액화가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 제1 압축기(210)와는 별도로 제2 엔진(E2)에 연료를 공급하는 제2 압축기(220)를 포함하므로, 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치는 증발가스의 유량을 증가시켜 재액화 성능을 높일 수 있다.

도 1은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템은, 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 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시에의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220) 및 감압장치(300)를 포함한다.

제1 압축기(210)는 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 압축시키고, 제2 압축기(220)는 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 제1 압축기(210)로 보내지지 않은 나머지 흐름을 압축시킨다.

제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진(E2)의 연료로 공급되며, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스 중 제2 엔진(E2)에서 연료로 요구하는 양의 증발가스가 제2 압축기(220)로 보내지고, 나머지가 제1 압축기(210)로 보내진다.

제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스 중 일부를 가스연소장치(G)로 보내 태울 수도 있는데, 이 경우에는 제2 엔진(E2)에서 연료로 요구하는 양과 가스연소장치(G)에서 태울 필요가 있는 양을 합친 증발가스가 제2 압축기(220)로 보내지고, 나머지가 제1 압축기(210)로 보내진다.

제2 압축기(220)는 제2 엔진(E2)이 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시키며, 제2 엔진(E2)은 발전엔진(Generator Engine)일 수 있으며, 제2 엔진(E2)이 DFGE(Dual Fuel Generator Engine)나 TFGE(Triple Fuel Generator Engine)인 경우 제2 압축기(220)는 대략 5.5 barg의 압력으로 증발가스를 압축시킨다.

도 2에는 제2 압축기(220)가 하나의 압축기로 구성되는 것을 도시하였으나, 제2 압축기(220)는 필요에 따라 다단압축기로 구성될 수도 있다.

제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진(E1)의 연료로 공급되며, 제1 엔진(E1)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스는 열교환기(100)로 보내진다.

제1 압축기(210)는 제1 엔진(E1)이 요구하는 압력으로 증발가스를 압축시키며, 제1 엔진(E1)은 주엔진(Main Engine)일 수 있으며, 제1 엔진(E1)이 ME-GI 엔진인 경우 제1 압축기(210)는 대략 300 barg의 압력으로 증발가스를 압축시킨다.

도 2에는 제1 압축기(210)가 5단 압축기로 구성되는 것을 도시하였으나, 제1 압축기(210)의 단수는 필요에 따라 조절될 수 있다.

본 실시예는, 종래 기술과 같이, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 분기시켜 제2 엔진(E2)으로 공급하는 분기라인(L)을 더 포함할 수 있다.

분기라인(L)은, 고장, 유지 보수 등의 이유로 제2 압축기(220)를 사용할 수 없을 때, 제2 엔진(E)에 연료를 공급하거나 가스연소장치(G)에 증발가스를 보내기 위한 용도로 사용된다.

또한, 도 2에는 분기라인(L)이 제1 압축기(210)의 3단 이후에 분기되는 것이 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 2단 이후에 분기될 수도 있고, 시스템의 운용에 따라 분기 지점은 변경될 수 있다.

제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 열교환기(100)로 보내진 증발가스는, 제1 압축기(210)나 제2 압축기(220)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환되어 냉각된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스일 수 있다.

열교환기(100)를 고장, 유지 보수 등으로 사용할 수 없는 경우, 열교환기(100) 내부의 응축 또는 응고된 윤활유를 배출시킬 필요가 있는 경우 등에, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 우회라인(BL)에 의해 열교환기(100)를 우회시킨 후에 바로 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)로 보낼 수 있다.

제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 유체는 감압장치(300)에 의해 감압된다. 제1 압축기(210), 열교환기(100) 및 감압장치(300)를 통과한 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.

감압장치(300)는, 팽창기일수도 있고 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있으나, 가격이 저렴하고 유지보수가 쉬운 줄-톰슨 밸브인 것이 바람직하다.

본 실시예는, 감압장치(300) 하류에 설치되어, 제1 압축기(210), 열교환기(100) 및 감압장치(300)를 통과하며 재액화된 액화가스와, 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 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 배출되는 증발가스와 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.

도 2에는 기액분리기(400)에 의해 분리된 증발가스가 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류된 후 열교환기(100)로 보내지는 것이 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 일례로 열교환기(100)는 세 유로로 구성되고 기액분리기(400)에 분리된 증발가스는 별도의 유로를 따라 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 수도 있다. 또한, 기액분리기(400)를 포함하지 않고 감압장치(300)에 의해 감압되어 일부 또는 전부가 재액화된 유체를 바로 저장탱크(T)로 보낼 수도 있다.

본 실시예에 의하면, 제1 압축기(210)와는 별도로 설치되는 제2 압축기(220)를 포함하여, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 바로 제2 압축기(220)에 의해 압축시킨 후 제2 엔진(E2)의 연료로 공급하므로, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 제2 엔진(E2)으로 공급할 필요가 없다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 제1 압축기(210)는 최대 용량(Full Capacity)의 증발가스를 제1 엔진(E1)과 열교환기(100)로 보낼 수 있고, 열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있다.

열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 유량이 증가된다는 것은 재액화 과정을 거치는 증발가스의 유량이 증가하게 되는 것을 의미하므로, 본 실시예의 의하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 유량을 증가시켜 재액화 성능을 높일 수 있다.

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 G : 가스연소장치
E1, E2 : 엔진 BL : 우회라인
L : 분기라인 100 : 열교환기
210, 220 : 압축기 300 : 감압장치
400 : 기액분리기

Claims

증발가스를 두 흐름으로 분기시키고,
두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름은 제2 압축기로 보내고 나머지 흐름은 제1 압축기로 보내고,
상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급하고,
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진의 연료로 공급하고,
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 제1 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 열교환기로 보내고,
상기 열교환기로 보내진 증발가스를, 상기 제1 압축기나 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키고,
상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압장치에 의해 감압시켜 증발가스를 재액화하되,
상기 제1 엔진은 ME-GI 엔진이고 상기 제2 엔진은 발전 엔진이며,
상기 제2 압축기는, 상기 제1 압축기보다 압축 압력이 낮은 압축기로 상기 제1 압축기와는 별도로 설치되어, 상기 제1 엔진이 아닌 상기 제2 엔진에만 증발가스를 압축하여 공급하는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
저장탱크로부터 배출된 증발가스 중 상기 제2 엔진에서 연료로 요구하는 양의 증발가스가 상기 제2 압축기로 보내지고, 나머지가 상기 제1 압축기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 분기라인에 의해 분기시켜 상기 제2 엔진으로 공급하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 압축기는 5단 압축기이고, 상기 분기라인은 상기 제1 압축기의 2단 또는 3단 이후에 분기되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 일부를 가스연소장치로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기를 사용할 수 없거나, 상기 열교환기 내부의 응축 또는 응고된 윤활유를 배출시키는 경우에, 증발가스를 우회라인에 의해 상기 열교환기를 우회시킨 후에 바로 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 압축기, 상기 열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 재액화된 액화가스와, 기체상태로 남아있는 증발가스는 기액분리기에 의해 분리되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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