KR102022985B1

KR102022985B1 - Lng bog 재액화 시스템

Info

Publication number: KR102022985B1
Application number: KR1020180147677A
Authority: KR
Inventors: 조용환; 김일환
Original assignee: (주)발맥스기술
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-09-20
Also published as: KR102022985B9

Abstract

본 발명은 LNG BOG 재액화 시스템에 관한 것으로서, LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장탱크; 상기 LNG 저장탱크와 추진 엔진에 연결되며, 상기 LNG 저장탱크 내의 LNG를 상기 추진 엔진으로 공급하는 LNG 라인; 상기 LNG 저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil Off Gas)가 열교환되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 연결되며, 상기 제1 열교환기에서 열교환이 완료된 BOG가 1차로 압축되는 제1 가스 압축기; 상기 제1 가스 압축기와 연결되며, 1차 압축된 BOG가 2차로 압축되는 제2 가스 압축기; 상기 제2 가스 압축기에서 2차 압축된 BOG가 저장되는 가스 냉매 탱크; 및 상기 가스 냉매 탱크와 상기 제1 열교환기를 연결하는 라인 상에 마련되되 2차 압축된 BOG를 더 압축해서 상기 제1 열교환기로 전송하는 제3 가스 압축기를 포함하고, 상기 가스 냉매 탱크에 저장된 BOG는 상기 제3 가스 압축기로 전송되는 BOG와, 제2 열교환기로 전송되는 BOG로 각각 분기되고, 상기 제3 가스 압축기를 통해 상기 제1 열교환기로 전송되는 BOG를 전송받아 가스와 액체로 분리하는 가스 액체 분리기를 더 포함하며, 상기 가스 액체 분리기에서 액체로 분리된 것은 상기 LNG 저장 탱크로 이동되어 저장되고, 가스로 분리된 것은 상기 제2 열교환기로 전송되어 상기 제2 열교환기로 분기된 BOG와 열교환된 후 상기 제2 가스 압축기로 전송되는 것을 특징으로 한다.

Description

LNG BOG 재액화 시스템{LNG BOG RELIQUEFACTION SYSTEM}

본 발명은, LNG BOG 재액화 시스템에 관한 것으로서 잉여 BOG(Boil Off Gas)를 재액화함에 있어 냉매 성분 조성 및 처리 장치를 별도 구성 하지 않고 효과적으로 재액화 처리할 수 있도록 할뿐만 아니라 냉매 양을 조절함으로써 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있는 LNG BOG 재액화 시스템에 관한 것이다.

최근 액화천연가스 즉, LNG(Liquefied Natural Gas)는 그 소비량이 전 세계적으로 급증하는 추세이다. LNG는 액화공정 전에 탈황, 탈습되기 때문에 그 성질이 천연가스보다 뛰어나고 청결하며 해가 없다.

이러한 LNG는 천연가스(NG : Natural Gas)를 영하 163℃의 초저온 상태로 냉각하여 그 부피를 대략 1/600 정도로 감소시킨 것으로서 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되기 때문에 원거리 운반에 매우 적합하다. 따라서 LNG는 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나 또는 액화된 상태로 소정의 LNG 운반선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반될 수 있다.

LNG 운반선은 LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 이 LNG를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, LNG의 극저온에 견딜 수 있는 저장 탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 구비한다.

극저온 상태의 LNG를 저장할 수 있는 저장 탱크가 마련된 해상 구조물의 예로서는 LNG 운반선 이외에도 LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 선박이나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit), LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading)와 같은 구조물 등을 들 수 있다.

한편, LNG의 액화온도는 전술한 것처럼 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로 LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발될 수 있다.

종래의 LNG 운반선의 경우를 예를 들어 설명하면, LNG 운반선의 LNG 저장 탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되기 때문에 LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장 탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 BOG(Boil Off Gas, 증발가스)가 발생될 수 있다.

이에, BOG를 재액화하기 위한 장치 혹은 시스템에 제안되고 있는데, 이에 대한 종래기술이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 바이패스형 재액화 시스템(10)이고, 도 2는 전량 통과형 재액화 시스템(20)이다.

우선, 도 1의 LNG 바이패스형 재액화 시스템(10)에 대해 살펴본다. LNG 바이패스형 재액화 시스템(10)은 LNG 저장탱크(11)에서 나온 LNG의 일부만 재응축기(13)를 통과하고 나머지는 재응축기(13)를 거치지 않고 LNG 펌프(15)를 향해 바이패스하는 시스템이다.

BOG 압축기(12)를 통해 압축된 BOG가 재응축기(13)에서 응축되어 LNG 펌프(15)로 향하게 되며, 재응축기(13)에서 응축된 BOG와 LNG는 부스터 펌프(14)에 의해 바이패스된 LNG 라인(LNG 주배관)에 합쳐진다.

다음, 도 2의 LNG 전량 통과형 재액화 시스템(20)에 대해 살펴본다. LNG 전량 통과형 재액화 시스템(20)은, LNG 저장탱크(21)에서 나온 LNG는 모두 재응축기(23)를 통과하여 LNG 펌프(25)를 향해 바이패스하는 시스템이다.

BOG 압축기(22)를 통해 압축된 BOG가 재응축기(23)에서 응축되어 LNG 펌프(25)로 향하게 되며, 재응축기(23)의 상류에는 재응축기(23) 내부의 액위 조절을 위해 액제어밸브(Liquid Control Valve)(24)가 설치된다.

LNG 저장탱크(21)에서 나오는 LNG 유량과 LNG 펌프(25)에서 끌어내는 유량의 불균형으로 인해 재응축기(23) 내부의 액위가 변화하게 되는데, 액위의 변화에 따라 액제어밸브(24)의 개도를 조절하여 재응축기(23) 내부의 액위를 조절하게 된다.

한편, LNG 바이패스평 재액화 시스템(10)과 LNG 전량 통과형 재액화 시스템(20)에서는 압축된 BOG가 재응축기(13)(23) 내에서 LNG에 합쳐져서 응축되어 LNG 펌프(15)(25)를 향해 유동할 수 있으며, LNG 펌프(15)(25)에서 펌핑된 LNG는 고압기화기에서 기화되어 사용처에 공급될 수 있다.

이처럼 종래기술의 경우에도 도 1 및 도 2와 같은 시스템을 적용해서 LNG 저장탱크(11)(21)나 LNG 펌프(15)(25) 등에서 발생되는 BOG에 대한 재액화를 위하여 노력을 기울이고 있기는 하지만 실질적으로 BOG에 대한 부분적인 재액화에 불과하다는 점에서 잉여 BOG의 처리가 주요 이슈(issue)로 대두되고 있는 실정이다.

대한민국특허청 출원번호 제10-2006-0097524호 대한민국특허청 출원번호 제10-2006-0110998호 대한민국특허청 출원번호 제10-2007-0021386호 대한민국특허청 출원번호 제10-2007-0037826호

본 발명의 목적은, 종전과 달리 잉여 BOG(Boil Off Gas)를 효과적으로 처리할 수 있어 효율적인 재액화 시스템 운전이 가능해질 수 있으며, 냉매 조성 및 처리를 위한 냉매 핸들링 시스템(Handling System)을 별도로 구성할 필요는 없을 뿐만 아니라 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있는 LNG BOG 재액화 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은, LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장탱크; 상기 LNG 저장탱크와 추진 엔진에 연결되며, 상기 LNG 저장탱크 내의 LNG를 상기 추진 엔진으로 공급하는 LNG 라인; 상기 LNG 저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil Off Gas)가 열교환되는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기와 연결되며, 상기 제1 열교환기에서 열교환이 완료된 BOG가 1차로 압축되는 제1 가스 압축기; 상기 제1 가스 압축기와 연결되며, 1차 압축된 BOG가 2차로 압축되는 제2 가스 압축기; 상기 제2 가스 압축기에서 2차 압축된 BOG가 저장되는 가스 냉매 탱크; 및 상기 가스 냉매 탱크와 상기 제1 열교환기를 연결하는 라인 상에 마련되되 2차 압축된 BOG를 더 압축해서 상기 제1 열교환기로 전송하는 제3 가스 압축기를 포함하고, 상기 가스 냉매 탱크에 저장된 BOG는 상기 제3 가스 압축기로 전송되는 BOG와, 제2 열교환기로 전송되는 BOG로 각각 분기되고, 상기 제3 가스 압축기를 통해 상기 제1 열교환기로 전송되는 BOG를 전송받아 가스와 액체로 분리하는 가스 액체 분리기를 더 포함하며, 상기 가스 액체 분리기에서 액체로 분리된 것은 상기 LNG 저장 탱크로 이동되어 저장되고, 가스로 분리된 것은 상기 제2 열교환기로 전송되어 상기 제2 열교환기로 분기된 BOG와 열교환된 후 상기 제2 가스 압축기로 전송되고, 상기 가스 냉매 탱크에서 분기되어 상기 제3 가스 압축기를 통해 상기 제1 열교환기로 전송된 BOG를 추가 냉각하는 제3 열교환기와, 제3 열교환기에서 추가 냉각된 BOG를 감압 팽창시켜 추가 냉각하는 제2 터보 팽창기를 더 포함하고, 상기 가스 액체 분리기는 상기 제2 터보 팽창기에서 추가 냉각되는 BOG를 전송받고, 상기 가스 액체 분리기에서 분리되는 가스에 포함된 N2 농도를 측정하는 가스 측정 센서를 더 포함하고, 상기 가스 측정 센서에서 측정되는 N2의 농도가 기 설정된 값을 초과하면 GCU(Gas Combustion Unit)로 전송하여 연소처리하고, 기 설정된 값 이하이면 상기 제2 열교환기 측으로 전송하는 컨트롤 밸브를 더 포함하며, 상기 제1 가스 압축기에서 압축되는 BOG가 상기 추진 엔진으로 공급되는 BOG 라인; 및 상기 BOG 라인 상에 마련되는 1단 또는 2단의 제4 가스 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따르면, 종전과 달리 잉여 BOG(Boil Off Gas)를 효과적으로 처리할 수 있어 효율적인 재액화 시스템 운전이 가능해질 수 있으며, 냉매 조성 및 처리를 위한 냉매 핸들링 시스템(Handling System)을 별도로 구성할 필요는 없을 뿐만 아니라 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 LNG 바이패스형 재액화 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 LNG 전량 통과형 재액화 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 구성도이다.
도 4는 도 3의 제어블록도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 구성도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서, 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

따라서 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문어구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작(작용)은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.

또한 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 구성도이고, 도 4는 도 3의 제어블록도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템은 종전과 달리 잉여 BOG(Boil Off Gas)를 효과적으로 처리할 수 있어 효율적인 재액화 시스템 운전이 가능해질 수 있으며, 냉매 조성 및 처리를 위한 냉매 핸들링 시스템(Handling System)을 별도로 구성할 필요는 없을 뿐만 아니라 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있도록 한 것으로서, 도 3과 같이 LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장탱크(110)와 추진 엔진(100) 사이에 여러 장치들이 배치되어 작용되는 구조를 갖는다.

본 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템은 LNG 저장탱크(110)로부터 발생되는 BOG(Boil Off Gas) 압력이 대기압보다 약간 높고 엔진 연소가스 압력이 저압 엔진(100), 예컨대 20 bar 미만 사용 시에 적용될 수 있다.

시스템에 대해 살펴보면, 우선 LNG 저장탱크(110)와 추진 엔진(100)에 LNG 라인(101)이 마련된다. LNG 라인(101)을 통해 LNG 저장탱크(110) 내의 LNG가 추진 엔진(100)으로 공급될 수 있다.

LNG 라인(101) 상에는 LNG 펌프(111), LNG 기화기(112) 및 제1 컨트롤 밸브(151)가 마련된다. LNG 펌프(111)가 가동되고 제1 컨트롤 밸브(151)가 온(on)된 경우, LNG 저장탱크(110) 내의 LNG가 LNG 기화기(112)에 의해 기화된 이후에 추진 엔진(100)으로 공급될 수 있다.

이처럼 본 실시예의 시스템은 LNG 저장탱크(110)로부터 LNG를 LNG 펌프(111)를 통한 LNG 기화기(112), 컨트롤 밸브(151), 추진 엔진(100, Main Engine)에 공급하는 LNG 연료가스 공급 시스템(Fuel Gas Supply system)과 통합 운영될 수 있다.

물론, 본 실시예의 경우, LNG 라인(101) 외에 BOG 라인(102)이 추가된다. BOG 라인(102)은 제1 가스 압축기(131)에서 압축되는 BOG가 추진 엔진(100)으로 공급되는 라인으로서 후술할 제4 가스 압축기(134)에 의해 추가 압축된 BOG가 추진 엔진(100)으로 공급될 수 있다.

본 실시예처럼 LNG 라인(101)을 통한 LNG 연료 외에도 BOG 라인(102)을 통한 BOG 연료를 추진 엔진(100)으로 공급해서 연료로 활용할 수 있기 때문에 종전보다 효율적인 운전이 가능해질 수 있다.

본 시스템에는 위치별로 제1 내지 제3 열교환기(121~123)가 마련된다. 뿐만 아니라 제1 내지 제4 가스 압축기(131~134)가 위치별로 마련되어 제1 내지 제3 열교환기(121~123)와 상호작용한다.

제1 열교환기(121)는 LNG 저장탱크(110)에서 발생되는 BOG가 열교환, 즉 냉각되는 장소를 이룬다. 제1 열교환기(121)에서 열교환이 완료된 BOG는 제1 가스 압축기(131)와 제2 가스 압축기(132)를 통해 각각 1차 및 2차로 압축된다. 제2 가스 압축기(132)의 주변에는 제2 가스 압축기(132)에서 2차 압축된 BOG가 저장되는 가스 냉매 탱크(140)가 마련된다.

가스 냉매 탱크(140) 내의 BOG는 제3 가스 압축기(133)와 제2 열교환기(122) 측으로 각각 분배되어 공급될 수 있다.

가스 냉매 탱크(140) 내의 BOG가 제3 가스 압축기(133)로 공급되기 위해 가스 냉매 탱크(140)와 제1 열교환기(121)를 연결하는 라인 상에는 2차 압축된 BOG를 더 압축해서 제1 열교환기(121)로 전송하는 제3 가스 압축기(133)가 배치된다.

다시 말해, LNG 저장탱크(110)에서 발생되는 BOG(CH4, N2로 구성)는 제1 열교환기(121)를 통해 제3 가스 압축기(133)에서 압축되어 전송되는 BOG와 열교환(냉각)될 수 있게 되는 것이다.

상기 가스 냉매 탱크(140)에 저장된 BOG는 상기 제3 가스 압축기(133)로 전송되는 BOG와, 제2 열교환기(122)로 전송되는 BOG로 각각 분기된다.

또한, 상기 제3 가스 압축기(133)를 통해 상기 제1 열교환기(121)로 전송되는 BOG를 전송받아 가스와 액체로 분리하는 가스 액체 분리기(146)를 더 포함한다.

이때, 상기 가스 액체 분리기(146)에서 액체로 분리된 것은 상기 LNG 저장 탱크로(110) 이동되어 재 저장되고, 가스로 분리된 것은 상기 제2 열교환기(122)로 이동하여 상기 가스 냉매 탱크에서 제2 열교환기(122)로 분기된 BOG와 열교환된 후 상기 제2 가스 압축기(132)로 전송된다.

또한, 상기 가스 냉매 탱크(140)에서 분기되어 상기 제3 가스 압축기(133)를 통해 상기 제1 열교환기(121)로 전송된 BOG를 추가 냉각하는 제3 열교환기(123)와, 제3 열교환기(123)에서 추가 냉각된 BOG를 감압 팽창시켜 추가 냉각하는 제2 터보 팽창기(144)를 더 포함한다.

이때, 상기 가스 액체 분리기(146)는 상기 제2 터보 팽창기(144)에서 추가 냉각되는 BOG를 전송받아 기체와 액체를 분리하도록 한다.

그리고, 가스 냉매 탱크(140)에서 제2 열교환기(122) 측으로 공급되는 BOG는 가스 액체 분리기(146)에서 분리되는 BOG와 열교환 후 제1 터보 팽창기(142)를 거쳐 감압(팽창)되어 냉각된 상태로 제3 열교환기(123)로 전송됨으로써, 제1 열교환기(121)를 통해 1차 냉각된 BOG를 2차로 냉각시킨다. 그 후, 그 2차 냉각된 BOG를 제2 터보 팽창기(144)에서 급감압(팽창)시켜 과냉각 후 가스 액체 분리기(146)로 공급된다.

이로써, 제1 터보 팽창기(142)는 BOG의 감압으로 맞은편에 축으로 연결된 제3 가스 압축기(133)의 압축동력을 제공함으로써 에너지를 재생하여 전체 효율을 향상시킨다.

이때, 상기 가스 냉매 탱크(140)에서 분기되어 상기 제3 가스 압축기(133)를 통해 상기 제1 열교환기(121)로 전송된 BOG를 추가 냉각하는 제3 열교환기(123)와, 제3 열교환기(123)에서 추가 냉각된 BOG를 감압 팽창시켜 추가 냉각하는 제2 터보 팽창기(144)를 더 포함하며, 상기 가스 액체 분리기(146)는 상기 제2 터보 팽창기(144)에서 추가 냉각되는 BOG를 전송받는다.

상기 가스 액체 분리기(146)에서 분리되는 가스에 포함된 N2 농도를 측정하는 가스 측정 센서를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 가스 측정 센서에는 가스 밀도 측정기(density meter) 및 가스 성분 분석기 등이 사용될 수 있다.

이때, 상기 가스 측정 센서에서 측정되는 N2의 농도가 기 설정된 값을 초과하면, 액화 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해, GCU(Gas Combustion Unit)로 전송하여 연소처리하고, 기 설정된 값 이하이면 상기 제2 열교환기 측으로 전송되도록 하는 컨트롤 밸브를 더 포함한다.

이때, 상기 컨트롤 밸브에는 3 way valve(3방향 밸브 :전동 또는 공압 액추에이터 장착 밸브) 등이 사용될 수 있다.

BOG 라인(102) 상에는 전술한 바와 같이, 2단의 제4 가스 압축기(134)가 마련된다. 제1 가스 압축기(131)에서 압축되는 BOG가 추가적으로 제4 가스 압축기(134)에서 압축된 후에 연료로서 추진 엔진(100)으로 공급될 수 있다.

한편, 본 실시예의 시스템에는 다수의 제1 내지 제5 컨트롤 밸브(151~155)가 마련된다. LNG 라인(101)에 제1 컨트롤 밸브(151)가, BOG 라인(102)에 제2 및 제3 컨트롤 밸브(152,153)가, 가스 냉매 탱크(140)와 제3 열교환기(123)를 연결하는 라인에 제4 컨트롤 밸브(154), 그리고 가스 냉매 탱크(140)와 제1 터보 팽창기(142)를 연결하는 라인에 제5 컨트롤 밸브(155)가 마련된다.

이들 컨트롤 밸브(151~155)들은 컨트롤러(160)에 의해 컨트롤된다. 다시 말해, 컨트롤러(160)는 추진 엔진(100)의 운용 조건에 기초하여 컨트롤 밸브(151~155)들의 온/오프(on/off) 동작을 컨트롤한다.

이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(160)는 중앙처리장치(161, CPU), 메모리(162, MEMORY), 그리고 서포트 회로(163, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.

중앙처리장치(161)는 본 실시예에서 추진 엔진(100)의 운용 조건에 기초하여 컨트롤 밸브(151~155)들의 온/오프(on/off) 동작을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.

메모리(162, MEMORY)는 중앙처리장치(161)와 연결된다. 메모리(162)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.

서포트 회로(163, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(161)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(163)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 컨트롤러(160)는 추진 엔진(100)의 운용 조건에 기초하여 컨트롤 밸브(151~155)들의 온/오프(on/off) 동작을 컨트롤하는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리(162)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(162)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 작용을 설명한다.

도 3의 시스템은 LNG 저장탱크(110)로부터 발생되는 BOG(Boil Off Gas) 압력이 대기압보다 약간 높고 엔진 연소가스 압력이 저압 엔진, 예컨대 20 bar 미만(실시예는 16 bar임) 사용 시에 적용될 수 있다.

LNG 저장탱크(110)에서 발생되는 BOG는 제1 열교환기(121)에서 제3 가스 압축기(133)에서 압축되어 전송되는 BOG와 열교환(냉각)된 후, 제1 가스 압축기(131)로 보내져 1차 압축된다. BOG의 성분은 주로 CH4, N2이다.

제1 가스 압축기(131)에서 1차 압축된 BOG는 제2 가스 압축기(132)에서 2차 압축된 후, 가스 냉매 탱크(140)로 전달된다. 이후에는 가스 냉매 탱크(140)에서 제3 가스 압축기(133)와 제2 열교환기(122) 측으로 각각 분배되어 공급된다.

그리고 가스 냉매 탱크(140)에서 제2 열교환기(122) 측으로 공급되는 BOG는 가스 액체 분리기(146)에서 분리되는 BOG와 열교환 후 제1 터보 팽창기(142)를 거쳐 감압(팽창)되어 냉각된 상태로 제3 열교환기(123)에서 ,제1 열교환기(121)를 통해 1차 냉각된 BOG를 2차로 냉각시켜, 후단에 제2 터보 팽창기에서(144)에서 급감압(팽창)시켜 과냉각 후 가스 액체 분리기(146)로 공급된다.

제1 터보 팽창기(142)는 BOG의 감압(팽창)으로 맞은편에 축으로 연결된 제3 가스 압축기(133)의 압축동력을 제공함으로써 에너지를 재생하여 전체 효율을 향상시킨다.

제3 가스 압축기(133) 측으로 공급되는 BOG는 제3 가스 압축기(133)에서 압축된 후, 제1 열교환기(121) 쪽으로 향한다.

제3 열교환기(123)에서 열교환(냉각)되는 BOG는 제2터보 팽창기(144)를 통해 급냉되고 제2 터보 팽창기는 BOG 의 감압(팽창)으로 맞은편에 축으로 연결된 제1가스압축기(131) 의 압축 동력을 제공 하여 에너지를 재생함으로써 전체 액화효율을 향상 시킨다.

제2 터보 팽창기를 거쳐 최종 냉각된 BOG/LNG MIXTURE 혼합가스(기체)와 액체가 혼합된 상태로 가스 액체 분리기(146)로 공급된다.

이때, 가스 액체 분리기(146)에서 분리되는 액체(LNG)는 LNG 저장탱크(110)로 공급되어 LNG 저장탱크(110)에 저장된다.

반면, 가스 액체 분리기(146)에서 분리되는 가스, 즉 BOG는 혼합가스(CH4 + N2)로서, N2 성분(mol%)이 50% 이상으로 가스 소각기로 보내 연소되거나 제2 열교환기(122)에서 냉열을 이용 후 제2 가스 압축기(132)로 보내져 압축 냉매가스로 활용될 수 있다.

제1 가스 압축기(131)에서 압축되는 BOG는 추진 엔진(100)의 부하에 따라 제4 가스 압축기(134)로 보내져 추진 엔진(100)의 연료로 활용할 수도 있어 효율적인 운전이 가능해진다.

엔진에 따라 공급가스의 압력이 달라질 수 있는데, 본 실시예에서 제4 가스 압축기(134)는 2단 압축기로 적용된다.

이상 설명한 바와 같은 구조와 작용을 갖는 본 실시예에 따르면, 종전과 달리 잉여 BOG를 효과적으로 처리할 수 있어 효율적인 재액화 시스템 운전이 가능해질 수 있으며, 냉매 조성 및 처리를 위한 냉매 핸들링 시스템(Handling System)을 별도로 구성할 필요는 없을 뿐만 아니라 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있게 된다.

그리고 연료가스(공급가스)나 BOG 냉매, 재액화용 가스를 별도로 구분하지 않고 공통으로 사용하되 그 운전조건에 따라 냉매, 연료가스 또는 재액화 대상가스로 사용이 가능한 이점이 있다.

특히, 본 실시예에 따르면, 기존 부분 재액화 시스템의 재액화율(대략 50% 내외)에 2단계로 추가 쿨링(cooling) 공정을 통한 BOG의 재액화율을 향상(약 95% 이상)시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 구성도이다.

이 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템 역시, LNG 저장탱크(110)로부터 발생되는 BOG 압력이 대기압보다 약간 높고 엔진 연소가스 압력이 저압 엔진(200), 예컨대 20 bar 미만(실시예는 6.6 bar임) 사용 시에 적용될 수 있다. 따라서 모든 구성과 그에 따른 작용 효과는 도 3의 제1 실시예와 동일하다. 따라서 중복 설명은 생략한다.

다만, 본 실시예의 경우, 제4 가스 압축기(234)는 1단 압축기로 적용된다는 점에서만 제1 실시예와 상이하다. 본 실시예가 적용되더라도 종전과 달리 잉여 BOG를 효과적으로 처리할 수 있어 효율적인 재액화 시스템 운전이 가능해질 수 있으며, 냉매 조성 및 처리를 위한 냉매 핸들링 시스템(Handling System)을 별도로 구성할 필요는 없을 뿐만 아니라 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 구성도이다.

이 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템은 LNG 저장탱크(110)로부터 발생되는 BOG 압력이 대기압보다 약간 높고 엔진 연소가스 압력이 고압 엔진(400), 예컨대 200 ~ 320 bar 이상 사용 시에 적용될 수 있다.

본 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 시스템의 작용을 설명한다.

LNG 저장탱크(110)에서 발생되는 BOG는 제1 열교환기(121)를 통해 제3 가스 압축기(133)에서 압축되어 전송되는 BOG와 열교환된 후, 제1 가스 압축기(331)로 보내져 1차 압축된다.

제1 가스 압축기(331)에서 1차 압축된 BOG는 제2 가스 압축기(132)에서 2차 압축된 후, 가스 냉매 탱크(140)로 전달된다. 이후에는 가스 냉매 탱크(140)에서 제3 가스 압축기(133)와 제2 열교환기(122) 측으로 각각 분배되어 공급된다.

제3 가스 압축기(133) 측으로 공급되는 BOG는 제3 가스 압축기(133)에서 압축된 후, 제1 열교환기(121) 쪽으로 보내진 후 향한다.

제3 열교환기(123)에서 열교환(냉각)되는 BOG는, 가스 액체 분리기(146)에서 분리되는 BOG와 제2 열교환기에서 열교환 후 제1 터보 팽창기(142)를 거쳐 감압(팽창)되어 냉각된 상태로 제3 열교환기(123)에서, 제1 열교환기(121)를 통해 1차 냉각된 BOG와 열교환 2차 냉각시켜, 후단에 제2 터보 팽창기(144)에서 급감압(팽창)시켜 과냉각 후 가스 액체 분리기(146)로 공급된다.

제3 열교환기(123)에서 열교환(냉각)되는 BOG는 제2터보 팽창기(144)를 통해 급냉되고 제2 터보 팽창기는 BOG의 감압(팽창)으로 맞은편에 축으로 연결된 제1가스압축기(131)의 압축 동력을 제공하여 에너지를 재생함으로써 전체 액화효율을 향상시킨다.

제1 가스 압축기(331)에서 압축되는 BOG는 추진 엔진(300)의 부하에 따라 제4 가스 압축기(134)로 보내져 추진 엔진(300)의 연료로 활용할 수도 있어 효율적인 운전이 가능해진다.

엔진에 따라 공급가스의 압력이 달라질 수 있는데, 본 실시예에서 제4 가스 압축기(134)는 4단 압축기로 적용되나 3단이어도 무방하다.

본 실시예가 적용되더라도 종전과 달리 잉여 BOG를 효과적으로 처리할 수 있어 효율적인 재액화 시스템 운전이 가능해질 수 있으며, 냉매 조성 및 처리를 위한 냉매 핸들링 시스템(Handling System)을 별도로 구성할 필요는 없을 뿐만 아니라 재액화 용량(CAPACITY)의 증감을 조절할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100/200/300 : 추진 엔진 101 : LNG 라인
102/302 : BOG 라인 110 : LNG 저장탱크
111 : LNG 펌프 112 : LNG 기화기
121 : 제1 열교환기 122 : 제2 열교환기
123 : 제3 열교환기 131/331 : 제1 가스 압축기
132 : 제2 가스 압축기 133 : 제3 가스 압축기
134/234/334 : 제4 가스 압축기 140 : 가스 냉매 탱크
142 : 제1터보 팽창기 144 : 제2터보 팽창기
146 : 가스 액체 분리기 151~155 : 컨트롤 밸브
160 : 컨트롤러

Claims

LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장탱크;
상기 LNG 저장탱크와 추진 엔진에 연결되며, 상기 LNG 저장탱크 내의 LNG를 상기 추진 엔진으로 공급하는 LNG 라인;
상기 LNG 저장탱크에서 발생되는 BOG(Boil Off Gas)가 열교환되는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기와 연결되며, 상기 제1 열교환기에서 열교환이 완료된 BOG가 1차로 압축되는 제1 가스 압축기;
상기 제1 가스 압축기와 연결되며, 1차 압축된 BOG가 2차로 압축되는 제2 가스 압축기;
상기 제2 가스 압축기에서 2차 압축된 BOG가 저장되는 가스 냉매 탱크; 및
상기 가스 냉매 탱크와 상기 제1 열교환기를 연결하는 라인 상에 마련되되 2차 압축된 BOG를 더 압축해서 상기 제1 열교환기로 전송하는 제3 가스 압축기를 포함하고,
상기 가스 냉매 탱크에 저장된 BOG는 상기 제3 가스 압축기로 전송되는 BOG와, 제2 열교환기로 전송되는 BOG로 각각 분기되고,
상기 제3 가스 압축기를 통해 상기 제1 열교환기로 전송되는 BOG를 전송받아 가스와 액체로 분리하는 가스 액체 분리기를 더 포함하며,
상기 가스 액체 분리기에서 액체로 분리된 것은 상기 LNG 저장 탱크로 이동되어 저장되고, 가스로 분리된 것은 상기 제2 열교환기로 전송되어 상기 제2 열교환기로 분기된 BOG와 열교환된 후 상기 제2 가스 압축기로 전송되고,
상기 가스 냉매 탱크에서 분기되어 상기 제3 가스 압축기를 통해 상기 제1 열교환기로 전송된 BOG를 추가 냉각하는 제3 열교환기와, 제3 열교환기에서 추가 냉각된 BOG를 감압 팽창시켜 추가 냉각하는 제2 터보 팽창기를 더 포함하고,
상기 가스 액체 분리기는 상기 제2 터보 팽창기에서 추가 냉각되는 BOG를 전송받고,
상기 가스 액체 분리기에서 분리되는 가스에 포함된 N2 농도를 측정하는 가스 측정 센서를 더 포함하고,
상기 가스 측정 센서에서 측정되는 N2의 농도가 기 설정된 값을 초과하면 GCU(Gas Combustion Unit)로 전송하여 연소처리하고, 기 설정된 값 이하이면 상기 제2 열교환기 측으로 전송하는 컨트롤 밸브를 더 포함하며,
상기 제1 가스 압축기에서 압축되는 BOG가 상기 추진 엔진으로 공급되는 BOG 라인; 및
상기 BOG 라인 상에 마련되는 1단 또는 2단의 제4 가스 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 시스템.
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