KR102011863B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 다단계로 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시키는 제3 압축기; 상기 제2 열교환기는, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키고, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{Boil-Off Gas Reliquefaction System and Method for Vessels}
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 연료소비처의 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. 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 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.
본 발명은 설치되는 장비의 댓수와 시스템을 운용하는데 소비되는 에너지를 최소화하면서도 효율적으로 증발가스를 재액화시키는 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 다단계로 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시키는 제3 압축기; 상기 제2 열교환기는, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키고, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 제2 압축기로 보내는 라인 상에 설치되어, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 제2 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 제2 밸브와 상기 제2 압축기 사이 라인으로 합류될 수 있다.
상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결하는 폐루프가 형성될 수 있으며, 상기 제2 열교환기는 상기 폐루프를 순환하는 유체를 냉매로 사용할 수 있다.
상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 동일 사양일 수 있고, 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 서로 리던던시 역할을 할 수 있다.
상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스를 다단계로 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치; 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시키는 제3 압축기;를 포함하고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거칠 수 있다.
상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 후 상기 제2 열교환기로 보내지는 증발가스는, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 후 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는 증발가스보다, 상기 제1 압축기에서 먼저 분기되어 압력이 더 낮을 수 있다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 제2 열교환기로 보내는 라인 상에 설치되어, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 조정밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 상기 제1 압축기 상류 및 상기 제1 열교환기 하류 라인으로 합류될 수 있다.
상기 제1 압축기의 일부 압축단, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제1 압축기의 일부 압축단을 연결하는 냉매 사이클이 형성될 수 있으며, 상기 제2 열교환기는 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 사용할 수 있다.
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 저압엔진 및 고압엔진 중 하나 이상의 연료로 사용될 수 있고, 엔진에서 사용되고 남은 증발가스가 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 및 상기 제2 감압장치를 통과하며 재액화될 수 있다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제3 압축기 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 상기 제1 열교환기를 우회시키는 우회라인을 더 포함할 수 있다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제2 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 수 있다.
상기 제1 압축기는 모든 압축단이 무급유 윤활 방식일 수 있다.
상기 제1 압축기의 무급유 윤활 방식의 압축단에 의해서만 압축된 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 증발가스를 제1 압축기에 의해 압축시키고, 제1 열교환기에 의해 1차 냉각시키고, 제2 열교환기에 의해 2차 냉각시키고, 제2 감압장치에 의해 감압시켜 재액화 시키는 방법에 있어서, 상기 제2 열교환기는 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하고, 상기 냉매 사이클은 상기 제1 압축기의 일부 압축단을 포함하여 형성되는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 사용하여, 증발가스를 제2 열교환기에서 추가로 냉각시키므로, 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 재액화시켜도 요구되는 재액화 효율을 만족시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 무급유 윤활 방식의 압축단에 의해서만 압축된 증발가스를 제1 열교환기로 보낼 수 있으므로, 제1 열교환기가 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 막히는 경우를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1 압축기의 일부 압축단을 포함한 냉매 사이클을 구성하여, 냉매 사이클을 위해 설치되는 제2 압축기를 생략할 수 있으므로, 제2 압축기의 설치와 유지에 들어가는 비용을 절감할 수 있고, 제2 압축기를 구동시키는데 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 해상의 한정된 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 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 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 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제1 압축기(210), 제1 열교환기(110), 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 제3 압축기(230), 및 제2 감압장치(320)을 포함한다.
제1 압축기(210)는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 압축시킬 수 있다. 제1 압축기(210)는 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기일 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같이 5단 압축기일 수 있다. 또한, 제1 압축기(210)는, 각 압축단에서 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 하나 이상의 냉각기(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 고압엔진으로 보내질 수 있고, 제1 압축기(210)는 고압엔진의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있다. 고압엔진이 ME-GI 엔진인 경우, 제1 압축기(210)는 대략 150 내지 400 bara, 바람직하게는 대략 300 bara로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
제1 압축기(210)가 다단압축기인 경우, 제1 압축기(210)의 일부 압축 단계만 거친 후 중간에서 분기된 증발가스가 저압엔진 및/또는 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내질 수 있다.
제1 압축기(210)에 압축된 증발가스의 일부 또는 전부는 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치는데, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 고압엔진 및/또는 저압엔진으로 보내는 경우, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 엔진의 연료로 우선적으로 사용되고, 엔진에서 사용되지 못한 잉여 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치는 것이 바람직하다.
제1 압축기(210)가 다단압축기인 경우, 전단의 일부 압축단은 무급유 윤활 방식이 적용되고, 후단의 나머지 압축단은 급유 윤활 방식이 적용될 수 있다. 고압엔진의 요구 압력을 만족시키기 위해서, 또는 재액화 효율을 위해서 증발가스를 고압으로 압축시킬 필요가 있는데, 증발가스를 고압으로 압축시키기 위해서 압축기의 마모 방지를 위해 급유 윤활 방식이 적용될 수 있다.
급유 윤활 방식의 압축기에 의해 압축된 증발가스에는 윤활유(Lubrication Oil)가 섞이게 되며, 압축된 증발가스가 열교환기에 의해 냉각되면서, 압축된 증발가스에 섞인 윤활유가 증발가스보다 먼저 응축 또는 응고가 되어 열교환기의 유로를 막을 수 있다.
특히, PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger, DCHE라고도 한다.) 등 유로가 좁은(예컨대, 마이크로채널형(Microchannel Type) 유로) 열교환기의 경우, 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 열교환기의 유로가 막히는 현상이 더욱 빈번하게 발생할 수 있다.
따라서, 재액화 효율을 위해서는 제1 압축기(210)의 모든 압축과정을 거친 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내지는 것이 바람직하나, 재액화 효율과 윤활유에 의해 열교환기의 유로가 막히는 현상의 완화 또는 방지를 모두 고려하여, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내 재액화 과정을 거치도록 할 수 있다. 제1 압축기(210)에 의해 4단 압축 과정을 거친 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내는 것이 바람직하며, 제1 압축기(210)에 의해 4단 압축된 증발가스의 압력은 대략 80 내지 120 bara, 바람직하게는 대략 100 bara일 수 있다.
또한, 제1 압축기(210)가 5단의 다단압축기인 경우, 3단까지는 무급유 윤활 방식이고 나머지 2단은 급유 윤활 방식일 수도 있고, 4단까지는 무급유 윤활 방식이고 나머지 1단은 급유 윤활 방식일 수도 있다.
특히, 제1 압축기(210)에 의해 4단 압축 과정을 거친 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내 재액화시키는 경우, 제1 압축기(210)의 4단까지는 무급유 윤활 방식이고 나머지 1단이 급유 윤활 방식이면, 재액화 효율은 그다지 낮아지지 않으면서도, 제1 열교환기(110)의 유로가 막히는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은, 후술할 냉매 사이클(제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프)을 포함하지 않고, 증발가스가 제1 압축기(210)에 의한 압축 과정과, 제1 열교환기(110)에 의한 냉각 과정과, 제2 감압장치(320)에 의한 감압 과정을 거쳐 재액화되는 경우에 비해, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여 증발가스를 추가로 냉각시켜 재액화 효율을 높일 수 있으므로, 굳이 제1 압축기(210)의 5단 압축 과정을 모두 거친 증발가스를 재액화시키지 않고, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 재액화시켜도 요구되는 재액화 효율을 만족시킬 수 있다.
한편, 제1 압축기(210)가 다단압축기인 경우, 제1 압축기(210)의 모든 압축단에 무급유 윤활 방식이 적용될 수도 있는데, 제1 압축기(210)의 모든 압축단이 무급유 윤활 방식인 경우, 윤활유에 의해 제1 열교환기(110)가 막힐 위험이 없으므로, 재액화될 증발가스를 제1 압축기(210)의 중간에서 분기시킬 필요 없이 제1 압축기(210)의 모든 압축 과정을 거친 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내 재액화시키는 것이 재액화 효율면에서 바람직하다.
제1 열교환기(110)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스가 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수 있다. 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 제1 압축기(210)로 보내진다.
제1 열교환기(110)를 고장, 유지보수 등의 이유로 사용하기 어려운 경우나, 증발가스의 압력이 제1 압축기(210)가 요구하는 흡입 압력 조건보다 낮은 경우 등에는, 증발가스를 우회라인(BL)을 따라 제1 열교환기(110)를 우회시켜 바로 제1 압축기(210)로 보낼 수 있다.
증발가스가 제1 열교환기(110)를 통과하면서 증발가스의 압력 강하가 발생할 수 있고, 제1 열교환기(110)가 PCHE 등 유로가 좁은(예컨대, 마이크로채널형(Microchannel Type) 유로) 열교환기인 경우 증발가스의 압력 강하의 폭은 더욱 커질 수 있다. 따라서, 증발가스의 압력이 제1 압축기(210)가 요구하는 흡입 압력 조건보다 낮은 경우, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 제1 열교환기(110)를 우회시켜 바로 제1 압축기(210)로 보내, 증발가스의 압력 강하를 최소화할 수 있다.
우회라인(BL)에는 제1 밸브(V1)가 설치되며, 우회라인(BL)을 사용하는 경우에 제1 밸브(V1)를 열고, 우회라인(BL)을 사용하지 않는 경우에는 제1 밸브(V1)를 닫는다.
제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)와 병렬로 설치되어 증발가스를 압축시킨다. 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 제1 열교환기(110) 또는 우회라인(BL)을 지나 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 제1 압축기(210)로 보내지고 나머지 흐름은 제2 압축기(220)로 보내질 수 있다.
제2 압축기(220)는 제1 압축기(210)와 동일 사양의 압축기일 수도 있으나, 제2 열교환기(120)에서의 열교환 효율과 제2 압축기(220)에서의 에너지 소비량을 고려하여 제2 압축기(220)가 최적의 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있도록, 제2 압축기(220)는 제1 압축기(210)와 다른 사양의 압축기일 수도 있다.
일례로, 제1 압축기(210)는 대략 150 내지 400 bara, 바람직하게는 대략 300bara로 증발가스를 압축시키고, 제2 압축기(220)는 대략 20 내지 50 bara, 바람직하게는 대략 32 bara로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
제2 압축기(220)가 제1 압축기(210)와 동일 사양인 경우, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)는 서로, 어느 하나가 고장나면 다른 하나가 고장난 장비의 역할을 수행하는 리던던시(Redundancy)의 역할을 할 수 있다.
제2 열교환기(120)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 추가로 열교환시켜 냉각시키며, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 유체는 후술할 냉매 사이클을 순환하는 증발가스이다.
제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 유체를 순환시키는 냉매 사이클은, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프로 구성된다. 제3 압축기(230) 후단(하류)에는, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 냉각기(400)가 설치될 수 있고, 냉매 사이클은 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 냉각기(400), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프로 구성될 수 있다. 이하, 냉각기(400)를 포함하는 경우를 설명한다.
증발가스를 제2 압축기(220)로 보내는 라인 상에는 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 제2 밸브(V2)가 설치되는데, 시스템의 초기 구동시에는 제2 밸브(V2)를 열어 냉매 사이클로 증발가스를 공급하고, 냉매 사이클에 적정한 유량의 증발가스가 공급되면 제2 밸브(V2)를 닫아 폐루프의 냉매 사이클을 형성한다.
냉매 사이클로 공급되어 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 대략 32 bara, 41℃일 수 있다. 제2 압축기(220)에 의해 압축된 대략 32 bara, 41℃의 증발가스는 제2 열교환기(120)에서 냉각되어, 대략 31.5 bara, -72℃가 될 수 있다. 제2 열교환기(120)에서 냉각된 대략 31.5 bara, -72℃의 증발가스는 제1 감압장치(310)에 의해 감압되어 대략 1.56 bara, -157℃가 될 수 있고, 제1 감압장치(310)에 의해 감압된 대략 1.56 bara, -157℃의 증발가스는 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 대략 1.035 bara, 16.4℃가 될 수 있다.
제1 감압장치(310)에 의해 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 증발가스는, 제3 압축기(230)에 의해 압축되고 냉각기(400)에 의해 냉각된 후 제2 밸브(V2)와 제2 압축기(220) 사이 라인으로 합류한다. 제2 밸브(V2)와 제2 압축기(220) 사이 라인으로 합류된 증발가스는 다시 제2 압축기(220)로 보내져, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 냉각기(400), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프의 냉매 사이클을 순환하게 된다.
제2 열교환기(120)에서는, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스와, 제2 열교환기(120)에서 냉각된 후 제1 감압장치(310)에 의해 감압되어 온도가 더욱 낮아진 증발가스와, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스가 열교환된다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 1차로 냉각되고 제2 열교환기(120)에서 추가로 냉각된 후, 제2 감압장치(320)에 의해 감압되어 일부 또는 전부가 재액화되며, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스는 제2 열교환기(120)에서, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 증발가스를 추가로 냉각시키는 냉매로 사용되는 것이다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스는 대략 100 bara, 40℃일 수 있고, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 대략 100 bara, 40℃의 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 1차로 냉각되어 대략 -65℃가 될 수 있다. 제1 열교환기(110)에서 1차로 냉각된 대략 -65℃의 증발가스는, 제2 열교환기(120)에서 추가로 냉각되어 대략 -155℃가 될 수 있다.
제1 감압장치(310)와 제2 감압장치(320)는, 시스템의 구성에 따라 각각 팽창기일 수도 있고 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있다. 본 실시예에서는 제1 감압장치(310)는 팽창기이고, 제2 감압장치(320)는 팽창밸브인 것이 바람직하다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제2 감압장치(320) 후단(하류)에 설치되어, 제1 압축기(210)에 의한 압축 과정, 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)에 의한 냉각 과정, 및 제2 감압장치(320)에 의한 감압과정을 거쳐 재액화된 액화가스와, 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는, 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다.
기액분리기(500)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있으며, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템이 기액분리기(500)를 포함하지 않는 경우에는, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아 있는 증발가스가 혼합된 상태로 바로 저장탱크(T)로 보내질 수 있다.
기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수도 있고, 별도의 배관을 따라 세 유로로 구성된 제1 열교환기(110)로 보내져 냉매로 사용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다. 도 2에 도시된 제2 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템에 비해, 제2 압축기(220)를 포함하지 않는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각시키고 제2 열교환기(120)에 의해 2차로 냉각시킨 후 제2 감압장치(320)에 의해 감압시켜 재액화시킨다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 고압엔진 및/또는 저압엔진으로 보낼 수 있으며, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 엔진의 연료로 우선적으로 사용되고, 엔진에서 사용되지 못한 잉여 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여 증발가스를 냉각시킨다.
단, 본 실시예의 냉매 사이클은, 제1 실시예와는 달리, 제1 압축기(210)의 일부 압축단, 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제1 압축기(210)의 일부 압축단을 연결하여 구성된다.
제3 압축기(230) 후단(하류)에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 냉각기(400)가 설치될 수 있으며, 냉매 사이클은 제1 압축기(210)의 일부 압축단, 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 냉각기(400), 및 다시 제1 압축기(210)의 일부 압축단를 연결하여 구성될 수 있다. 이하, 냉각기(400)를 포함하는 경우를 설명한다.
제1 실시예에서는 냉매 사이클을 구성하기 위해 제1 압축기(210)와 별도로 제2 압축기(220)를 설치하였던 반면, 본 실시예에서는 고압엔진에 연료를 공급하기 위하여, 또는 증발가스를 재액화시키기 위하여 설치되는 제1 압축기(210)를 활용하여 냉매 사이클을 구성한다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제2 압축기(220)를 별도로 설치하지 않아도 되므로, 제2 압축기(220)의 설치와 유지에 들어가는 비용을 절감할 수 있고, 제2 압축기(220)를 구동시키는데 필요한 에너지를 절감할 수 있으며, 제2 압축기(220)가 설치될 공간을 다른 용도로 사용할 수 있으므로 해상의 한정된 공간을 효율적으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 제1 실시예에서 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)의 사양이 다른 경우, 선박 규정상 각 압축기마다 리던던시(Redundancy) 압축기를 추가로 설치해야 하는데, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템에 의하면 제2 압축기(220)뿐만 아니라 제2 압축기(220)의 리던던시 압축기도 설치하지 않을 수 있으므로, 비용과 에너지 절감, 공간의 효율적 활용의 장점이 극대화된다.
한편, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 후 제2 열교환기(120)로 보내져 냉매 사이클로 공급되는 증발가스는, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 후 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치는 증발가스보다, 먼저 분기되는 것이 바람직하다. 즉, 재액화 효율 및 재액화량, 증발가스를 압축시키는데 소모되는 에너지 등을 고려하였을 때, 제2 열교환기(120)로 보내지는 증발가스의 압력이 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스의 압력보다 낮은 것이 바람직하다.
일례로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 압축기(210)가 5단 압축기인 경우, 제1 압축기(210)의 3단 압축 과정을 거친 증발가스가 분기하여 제2 열교환기(120)로 보내질 수 있고, 제2 압축기(220)의 4단 압축 과정을 거친 증발가스가 분기하여 제1 열교환기(110)로 보내질 수 있다. 제1 압축기(210)의 3단 압축 과정을 거친 증발가스의 압력은 대략 20 내지 50 bara, 바람직하게는 대략 32 bara일 수 있고, 제1 압축기(210)의 4단 압축 과정을 거친 증발가스의 압력은 대략 80 내지 120 bara, 바람직하게는 대략 100 bara일 수 있다.
제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(310)에 의해 감압되어 온도가 더욱 낮아진다. 제1 감압장치(310)에 의해 감압된 유체는 다시 제2 열교환기(120)로 보내져 냉매로 사용되며, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 증발가스는 제3 압축기(230)에 의해 압축되고 냉각기(400)에 의해 냉각된 후, 제1 압축기(210) 전단(상류) 및 제1 열교환기(110) 후단(하류) 라인으로 합류된다.
제1 압축기(210) 전단(상류) 및 제1 열교환기(110) 후단(하류) 라인으로 합류된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스와 합류되어 다시 제1 압축기(210)로 보내지며, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)로 각각 보내져 증발가스의 재액화 과정 및 냉매 사이클의 순환 과정을 반복한다.
제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 제2 열교환기(120)로 보내는 라인 상에는, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 조정밸브(Regulating Valve, 600)가 설치될 수 있다.
저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스의 양이 적거나 엔진에서 사용되는 증발가스의 양이 많아, 증발가스를 재액화시킬 필요가 없거나 재액화시킬 증발가스의 양이 적은 경우에는, 굳이 냉매 사이클을 순환시킬 필요가 없을 수 있다. 냉매 사이클을 순환시킬 필요가 없거나, 냉매 사이클 상에 설치된 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 제3 압축기(230), 및 냉각기(400) 중 어느 하나가 고장난 경우에는, 조정밸브(600)를 닫아 증발가스를 냉매 사이클로 보내지 않을 수 있다.
또한, 조정밸브(600)에 의해, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 후 냉매 사이클로 공급되는 증발가스의 양을 조절하여, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스의 양, 엔진에서 소모되는 증발가스의 양, 재액화시켜야 할 증발가스의 양 등을 고려한, 적절한 양의 증발가스가 냉매 사이클을 순환하도록 할 수 있다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 감압장치(320) 후단(하류)에 설치되어, 제1 압축기(210)에 의한 압축 과정, 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)에 의한 냉각 과정, 및 제2 감압장치(320)에 의한 감압과정을 거쳐 재액화된 액화가스와, 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는, 기액분리기(500)를 더 포함할 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 BL : 우회라인
V1 : 제1 밸브 V2 : 제2 밸브
110 : 제1 열교환기 120 : 제2 열교환기
210 : 제1 압축기 220 : 제2 압축기
230 : 제3 압축기 310 : 제1 감압장치
320 : 제2 감압장치 400 : 냉각기
500 : 기액분리기 600 : 조정밸브

Claims (20)

  1. 증발가스를 다단계로 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치;
    상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및
    상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시키는 제3 압축기;
    상기 제2 열교환기는, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키고,
    상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    증발가스를 제2 압축기로 보내는 라인 상에 설치되어, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 제2 밸브를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 제2 밸브와 상기 제2 압축기 사이 라인으로 합류되는, 증발가스 재액화 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결하는 폐루프가 형성되며,
    상기 제2 열교환기는 상기 폐루프를 순환하는 유체를 냉매로 사용하는, 증발가스 재액화 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 동일 사양이고, 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 서로 리던던시 역할을 하는, 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 압축기는 상기 제1 압축기보다 낮은 압력으로 증발가스를 압축시키는, 증발가스 재액화 시스템.
  7. 증발가스를 다단계로 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치;
    상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 및
    상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시키는 제3 압축기;를 포함하고,
    상기 제2 열교환기는, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키는, 증발가스 재액화 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는, 증발가스 재액화 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 후 상기 제2 열교환기로 보내지는 증발가스는, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 후 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는 증발가스보다, 상기 제1 압축기에서 먼저 분기되어 압력이 더 낮은 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 제2 열교환기로 보내는 라인 상에 설치되어, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 조정밸브를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 상기 제1 압축기 상류 및 상기 제1 열교환기 하류 라인으로 합류되는, 증발가스 재액화 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 압축기의 일부 압축단, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제1 압축기의 일부 압축단을 연결하는 냉매 사이클이 형성되며,
    상기 제2 열교환기는 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 사용하는, 증발가스 재액화 시스템.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 저압엔진 및 고압엔진 중 하나 이상의 연료로 사용되고,
    엔진에서 사용되고 남은 증발가스가 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 및 상기 제2 감압장치를 통과하며 재액화되는, 증발가스 재액화 시스템.
  14. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 압축기 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 냉각기를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
  15. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    증발가스를 상기 제1 열교환기를 우회시키는 우회라인을 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
  16. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용되는, 증발가스 재액화 시스템.
  18. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기는 모든 압축단이 무급유 윤활 방식인, 증발가스 재액화 시스템.
  19. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기의 무급유 윤활 방식의 압축단에 의해서만 압축된 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내지는, 증발가스 재액화 시스템.
  20. 증발가스를 제1 압축기에 의해 압축시키고, 제1 열교환기에 의해 1차 냉각시키고, 제2 열교환기에 의해 2차 냉각시키고, 제2 감압장치에 의해 감압시켜 재액화 시키는 방법에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 냉매 사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하되, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 제3 압축기에 의해 압축되어 상기 제1 압축기 상류 및 제1 열교환기 하류로 합류되어,
    상기 냉매 사이클은 상기 제1 압축기의 일부 압축단을 포함하여 형성되는, 증발가스 재액화 방법.
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