KR102034493B1

KR102034493B1 - 재액화 시스템용 팽창터빈

Info

Publication number: KR102034493B1
Application number: KR1020180078645A
Authority: KR
Inventors: 이정한
Original assignee: 클러스터엘앤지(주)
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2019-10-22

Abstract

재액화 시스템에 구비되어 압축 및 냉각된 가스를 팽창시키기 위한 팽창터빈이 제공된다.
재액화 시스템용 팽창터빈은, 내부에 터빈 휠(14)이 회전 가능하게 설치되는 터빈 하우징(12)과; 상기 터빈 휠(14)의 회전에 의해 구동되는 발전기(24) 등의 피동장치가 내부에 설치되는 피동장치 하우징(22)과; 상기 터빈 휠(14)의 회전 구동력을 상기 발전기(24) 등의 피동장치에 전달하기 위한 회전축(20)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(26); 을 포함할 수 있다. 상기 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)은 일체로 이루어질 수 있다.

Description

재액화 시스템용 팽창터빈 {EXPANDSION TURBINE FOR RELIQUEFACTION SYSTEM}

본 발명은 재액화 시스템에 있어서 압축 및 냉각된 가스를 팽창시키기 위한 팽창터빈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈 하우징과 피동장치 하우징이 일체로 이루어진 재액화 시스템용 팽창터빈에 관한 것이다.

천연가스의 액화온도는 상압에서 섭씨 약 -162도의 극저온이므로, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG'라고도 함)는 그 온도가 상압에서 액화온도보다 약간만 높아도 증발된다. LNG를 저장하고 있는 LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 저장탱크 내에서 LNG가 지속적으로 기화되어 증발가스(Boil-Off Gas, 이하 'BOG'라고도 함)가 필연적으로 발생한다.

증발가스는 액화천연가스의 저장과정에서 나오는 불가피한 현상으로 이 증발가스를 버리지 않고 재활용하는 여러 방법들이 강구되어 왔다. 증발가스의 처리는 액화천연가스의 저장에 있어 매우 중요한 문제이다. 발생된 증발가스는 LNG 저장탱크 내의 압력을 증가시켜 안전상의 문제를 야기시킬 수도 있으며 선박의 요동에 따라 액화가스의 유동을 가속시켜 구조적인 문제를 야기시킬 수도 있기 때문에, 발생된 증발가스를 적절하게 처리할 필요가 있다.

종래, LNG 저장탱크 내의 증발가스를 처리하기 위해, 증발가스를 LNG 저장탱크의 외부로 배출시켜 보일러나 가스연소유닛 등에서 소각해 버리는 방법, 증발가스를 LNG 저장탱크의 외부로 배출시켜 재액화 장치를 통해 재액화시킨 후 다시 LNG 저장탱크로 복귀시키는 방법, 선박의 추진기관이나 발전엔진 등에서 연료로서 증발가스를 사용하는 방법, LNG 저장탱크의 내부압력을 높게 유지함으로써 증발가스의 발생을 억제하는 방법 등을 단독으로 혹은 복합적으로 활용하는 것이 알려져 있었다.

또한, 전형적으로는, 액화천연가스의 저장탱크에서 나오는 증발가스를 증발가스 압축기를 이용하여 압축한 후 기체상태로 가스엔진에 보내는 방법을 주로 사용하였으며, 가스엔진에서의 증발가스 소모량보다 증발가스 발생량이 많을 경우에는 별도 연소장치를 통해 증발가스를 태워 대기로 방출하였다.

일본 공개특허공보 특개소62-271936호(1987.11.26.) 일본 재공표특허공보 WO2014/128894

최근에는, LNG를 저장하는 저장탱크와 고압가스를 사용하는 엔진(예를 들어, MEGI 엔진)을 탑재한 LNG 선박에서, 증발가스를 고압 BOG 압축기에 의해 종래에 비해 상대적으로 고압으로 압축한 후 엔진에 연료로서 공급하는 연료 공급 시스템이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 연료 공급 시스템은, 엔진에서의 증발가스 소모량이 적을 경우에 증발가스를 처리하기 위해서, 고압으로 압축한 증발가스를 LNG 저장탱크로부터 배출된 직후의 증발가스와 열교환하여 냉각한 후, 이 고압 저온의 증발가스를 팽창수단에 의해 감압함으로써 적어도 부분적으로 액화하여 LNG 저장탱크로 복귀시키는 부분 재액화 장치를 사용할 수 있다.

팽창수단으로서는 팽창밸브(Joule-Thomson Valve) 또는 팽창터빈(Expander) 등을 활용할 수 있다. 팽창수단으로서 팽창밸브를 이용하면 전체 시스템을 간단하게 구성할 수 있으나, 팽창밸브에 의한 팽창 공정은 등엔탈피(Isenthalpic) 공정이라, 이 과정에서 외부로 에너지를 빼낼 수 없어, 효율이 매우 낮다. 반면 터빈형 팽창장치, 즉 팽창터빈(Expander)에 의한 팽창 공정은 등엔트로피(Isentropic) 공정이므로, 등엔탈피 공정 대비 추가로 많은 에너지를 외부로 뽑아낼 수 있어, 액화 효율이 크게 향상된다.

그럼에도 불구하고, LNG 선박에서 이러한 팽창터빈을 현실적으로 적용하기 어렵고, 또한 실제로 적용된 실적이 전혀 없었다. 여기에는 극복할 수 없는 다음과 같은 기술적인 문제가 있었기 때문이다.

첫 번째 문제점은, 팽창터빈의 출구에 다량의 액체가 포함되어 있다는 것이다. 일반적으로 터빈의 출구에 약 10% 이상의 액체가 포함된 경우에는 터빈 임펠러에 손상을 주어 적용이 어렵다. 그러나, LNG 추진 선박의 증발가스 부분 재액화 장치는, 증발가스 재액화를 위한 시스템이므로, 팽창터빈의 출구에 중량 기준으로 약 10 ~ 80%의 액체성분(즉, LNG)이 포함될 수밖에 없다.

두 번째 문제점은, 증발가스를 고압으로 압축하는 경우 실제 부피 유량은 적어져 일반적인 형태의 팽창터빈이 적용되기 어렵다는 것이다. 일반적인 형태의 팽창터빈에서는 입구측 밀도가 약 5 ~ 50 kg/m3 정도이지만, LNG 선박의 부분 재액화 장치에서는 팽창터빈의 입구측 밀도가 약 200 ~ 450 kg/m3 정도의 범위에 놓인다. 이렇게 높은 밀도의 유체인 경우에는 상대적으로 부피 유량이 매우 적어 일반적인 팽창터빈을 적용하기 어렵다.

세 번째 문제점은, MEGI 엔진을 추진엔진으로서 사용하는 LNG 추진 선박에 탑재된 부분 재액화 장치에서는 증발가스가 매우 높은 압력, 예를 들어 약 150 ~ 400 기압, 바람직하게는 약 300 기압의 고압으로 압축되므로, 여러 개의 터빈 노즐이 고압에 견딜 수 있어야 하고 또한 각각의 노즐로 양호하게 분배가 이루어져야 한다. 이를 위해서는 매우 강도가 높고 무거운 구조의 터빈 입구 및 노즐장치가 준비되어야 한다.

네 번째 문제점은, 팽창터빈 내에 설치되는 베어링이 윤활유(오일)를 사용함에 따라, 이 윤활유가 누출되어 증발가스에 포함될 수 있다는 것이다. 증발가스를 재액화하는 장치는 극저온에서 운용되어야 하므로, 미소한 양이라도 윤활유가 증발가스에 포함될 경우, 윤활유가 동결되어 유로를 막을 우려가 있고, 각종 관련 장치나 제품의 품질에 큰 영향을 주게 된다.

다섯 번째 문제점은, 가연성 가스인 증발가스가 누설된다는 것이다. 회전장치가 있는 압축기나 팽창터빈에서는 임펠러와 모터 연결부위에서 가스누설은 피할 수 없는 문제이다. 가연성 가스의 누설을 방지하기 위해서는 일반적으로 여러 단계의 가스 밀봉장치(Seal)를 사용한다. 그러나 이 밀봉장치로도 가스누설을 완전히 차단할 수 없기 때문에, 질소를 이 밀봉장치에 계속 공급하여 누설된 가연성 가스를 별도의 배관을 이용하여 외부로 배출하여야 하며, 그로 인해 전체 시스템의 구성이 복잡해지고 운전이 어려워지는 문제가 있다.

여섯 번째 문제는, 방폭 장비를 구비해야 한다는 것이다. 팽창터빈에는 터빈의 동작으로부터 전기 에너지를 발생시키기 위해 발전기가 연결되거나, 축으로 연결된 별도의 압축기를 통해 팽창터빈의 외부로 에너지를 배출하게 된다. 특히 발전기가 적용된 경우에는 가연성 가스 환경에서도 적용될 수 있는 방폭설비가 요구된다. 이러한 방폭설비는 기술적으로 어려울 뿐 아니라 매우 고가이다.

이상 6개 항목의 문제점들은 하나하나 매우 어려운 기술적 사항으로 기존의 기술로는 6개의 문제점들을 동시에 극복할 수 없는 근본적인 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG 선박에 탑재된 재액화 시스템에서, 압축 및 냉각된 증발가스를 팽창시키도록 설치될 수 있는 팽창터빈을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은, LNG 선박의 재액화 시스템용 팽창터빈으로서, 기존의 일반적인 팽창터빈과는 달리 기체와 액체가 혼합된 2상(2 phase) 상태에서도 문제없이 작동할 수 있고, 터빈 노즐의 개수를 2 ~ 10개로 제한함과 함께 유체가 팽창터빈 내부가 아닌 외부에서 분배될 수 있도록 제작하여 고압 및 저유량의 유체에서도 정상적으로 작동할 수 있고, 윤활유가 전혀 공급되지 않는 무 윤활유 베어링을 사용하고, 가연성 가스 즉 증발가스의 유출 및 외부공기의 유입을 근본적으로 방지할 수 있도록 터빈 하우징과 피동장치 하우징을 일체로 형성하고, 발전기가 산소가 존재하지 않는 100% 가스환경에서 작동하여 발전기 및 계장장치의 방폭 조건을 만족시킬 수 있는 재액화 시스템용 팽창터빈을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 재액화 시스템에 구비되어 압축 및 냉각된 가스를 팽창시키기 위한 팽창터빈으로서, 내부에 터빈 휠이 회전 가능하게 설치되는 터빈 하우징과; 상기 터빈 휠의 회전에 의해 구동되는 피동장치가 내부에 설치되는 피동장치 하우징과; 상기 터빈 휠의 회전 구동력을 상기 피동장치에 전달하기 위한 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링; 을 포함하며, 상기 터빈 하우징과 피동장치 하우징은 일체로 이루어지는, 가스 액화 시스템용 팽창터빈이 제공된다.

상기 피동장치는 발전기 또는 압축기일 수 있다.

가스 액화 시스템용 팽창터빈은, 공급유로를 통해 공급되어 온 가스를, 상기 터빈 휠에 분사하여 상기 터빈 휠을 회전시킬 수 있도록 상기 터빈 하우징에 설치되는 입구 노즐을 더 포함할 수 있다.

상기 입구 노즐은 복수개가 상기 터빈 하우징에 설치될 수 있다. 상기 공급유로를 통해 상기 팽창터빈에 공급되는 가스는 상기 입구 노즐에 공급되기 전에 상기 팽창터빈의 외부에서 복수의 분배유로로 분배된 후, 복수의 상기 입구 노즐을 통해 상기 팽창터빈의 내부로 공급될 수 있다.

상기 입구 노즐은 상기 터빈 하우징에 대하여 착탈 가능하게 구성될 수 있다.

상기 입구 노즐을 통해 상기 팽창터빈의 내부로 공급된 가스는 상기 터빈 휠을 회전시킨 후 배출부를 통해 상기 팽창터빈의 출구로 배출될 수 있다. 상기 가스는 상기 입구 노즐 및 상기 터빈 휠을 통과하면서 적어도 부분적으로 액화되어, 중량 기준으로 10 ~ 80%의 액체성분을 포함할 수 있다.

상기 베어링은 윤활유를 사용하지 않는 무윤활유 방식의 베어링일 수 있다.

상기 회전축은, 상기 터빈 하우징과 상기 피동장치 하우징 사이의 격벽을 관통하여 상기 피동장치 하우징의 내부로 연장될 수 있다. 상기 터빈 하우징의 내부와 상기 피동장치 하우징의 내부는 상기 회전축과 상기 격벽 사이의 간극을 통해 서로 연통 가능하여, 가스는 상기 터빈 하우징의 내부로부터 상기 피동장치 하우징의 내부로 유동할 수 있다.

상기 터빈 하우징과 상기 피동장치 하우징 사이의 격벽에는 단열부재가 설치될 수 있다.

상기 회전축이 상기 격벽 및 상기 단열부재를 관통하는 부분에는, 기밀 기능과 가열 기능을 겸비하는 기밀 및 가열부재가 설치되어, 상기 단열부재와 상기 기밀 및 가열부재에 의해 상기 피동장치의 온도 저하를 완화시킬 수 있다.

가스 액화 시스템용 팽창터빈은, 상기 피동장치 하우징의 내부 압력을 검출할 수 있는 압력 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG 선박에 탑재된 재액화 시스템에서, 압축 및 냉각된 가스 예컨대 증발가스를 팽창시키도록 설치될 수 있는 팽창터빈이 제공될 수 있다.

본 발명의 재액화 시스템용 팽창터빈에 따르면, LNG 저장탱크에서 발생한 증발가스를 효율적으로 재액화하여 경제적, 환경적 이익을 가져올 수 있다. 본 발명에 따른 팽창터빈은 구조가 간단하여 기존의 팽창밸브를 사용하던 가스 액화 시스템에 대해 큰 변경 없이 적용이 가능하며, 윤활유 누설, 가스 누설, 방폭 문제는 원천적으로 해결되어, 보수 유지 측면에서도 큰 장점이 있다.

또한, 본 발명의 재액화 시스템용 팽창터빈에 따르면, 기존의 일반적인 팽창터빈과는 달리 기체와 액체가 혼합된 상태에서나 임계압력 이상에서도 문제없이 작동할 수 있고, 고압 및 저유량의 유체에서도 정상적으로 작동할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 재액화 시스템용 팽창터빈에 따르면, 무 윤활유 베어링을 사용하여 LNG에 오일이 혼합될 가능성을 배제시킬 수 있고, 가연성 가스인 증발가스의 유출 및 외부공기의 유입을 근본적으로 방지할 수 있고, 발전기가 산소가 존재하지 않는 100% 가스환경에서 작동하여 발전기 및 계장장치의 방폭 조건을 만족시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 팽창 터빈이 장착된 재액화 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 재액화 시스템용 팽창터빈의 개략적인 측면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재액화 시스템용 팽창터빈을, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 LNG 선박이란, 운반을 위해, 또는 연료로서 사용하기 위해, LNG를 저장하고 있는 LNG 저장탱크를 가지는 선박을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 선박이란, 해상에 부유되어 자력으로 항해가 가능한 것 이외에도, 해상에 계류되거나 고정되어 사용되는 각종 플랜트를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. LNG 선박으로서는, 예를 들어 LNG 운반선(LNG carrier), LNG를 연료로 사용하는 LNG 추진 선박(LNG fueled ship) 등이 있다.

LNG 운반선, LNG 추진 선박 등과 같이 LNG를 저장하는 LNG 저장탱크가 설치된 LNG 선박의 경우, 증발가스(BOG)의 효율적 활용은 경제적인 측면뿐 아니라 환경적인 면에서도 매우 중요한 고려 사항이다. 만약 LNG 선박에서 LNG 저장탱크로부터 발생하는 증발가스가 제대로 처리되지 않으면 저장탱크 보호를 위해 증발가스를 대기 중으로 방출시켜야 한다. 메탄가스가 주성분인 BOG는 이산화탄소보다 약 30배 이상의 지구온난화 지수를 가지고 있어, LNG 추진 선박에서 이의 배출을 엄격히 제한하여야 한다.

증발가스의 처리 및 환경오염 방지를 위해, 증발가스를 150 내지 400 bar 정도의 고압으로 압축하여 연료로서 사용하는 고압가스 엔진(예를 들어, MEGI 엔진)이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 고압가스 엔진이 탑재된 선박에는, 엔진에서의 증발가스 소모량이 적을 경우에 증발가스를 처리하기 위해서, 재액화 장치, 즉 증발가스 재액화 시스템이 설치될 수 있다.

한편, 증발가스의 처리방법에는 완전 재액화와 부분 재액화가 있으나, 고압가스 엔진을 채택하는 선박에서는 추가설비 비용을 최소화하고 기존 연료가스 공급용 고압 압축기를 활용할 수 있는 부분 재액화 방식이 많이 사용되고 있다. 부분 재액화 시스템은, 고압으로 압축한 증발가스를 LNG 저장탱크로부터 배출된 직후의 증발가스와 열교환하여 냉각한 후, 이 고압 저온의 증발가스를 팽창수단에 의해 감압함으로써 적어도 부분적으로 액화하여 LNG 저장탱크로 복귀시키는 재액화 시스템이다.

팽창수단으로서 팽창밸브를 사용할 경우에는 등엔탈피 과정(Isenthalpic process)을 거치게 된다. 한편, 팽창수단으로서 팽창터빈을 사용할 경우에는 등엔트로피 과정(Isentropic process)을 거치게 된다. 따라서, 팽창터빈을 사용하는 것이 팽창밸브를 사용하는 것에 비해 추가로 에너지를 생성할 수 있으며, 보다 높은 액화비율을 얻을 수 있다. 팽창밸브는 효율이 0%인 팽창터빈이라고도 할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 팽창터빈이 LNG 선박에 탑재된 부분 재액화 시스템에 적용된 것을 예로 들어 설명이 이루어지고 있지만, 이는 예시일 뿐이다. 본 발명의 팽창터빈은, 가연성 가스를 처리하는 공정에서 가스를 팽창시키고자 한다면, LNG 선박에 탑재된 부분 재액화 시스템 이외의 다른 시스템에서도 채용 가능함은 물론이다.

도 1에는 본 발명에 따른 팽창 터빈이 장착된 재액화 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 재액화 시스템은, LNG 및 증발가스(즉, LNG로부터 증발하여 발생한 천연가스)를 저장하기 위한 저장탱크(2)와, 이 저장탱크(2)로부터 배출된 증발가스를 압축하는 BOG 압축기(4)와, 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 공급받아 연료로서 사용하는 고압가스 엔진(6)과, 압축된 증발가스 중 연료로서 사용되지 않은 나머지를, 저장탱크(2)로부터 배출된 직후의 증발가스와 열교환시키는 열교환기(8)와, 이 열교환기(8)를 통과하면서 냉각된 증발가스를 감압시키는 팽창터빈(10)을 포함한다.

팽창터빈(10)을 통과하면서 감압된 증발가스는 적어도 부분적으로 액화될 수 있다. 적어도 부분적으로 액화된 증발가스는 기액분리기(12)에서 기체 성분(즉, 천연가스)과 액체 성분(즉, LNG)으로 분리되어, 액체 성분은 저장탱크(2)로 복귀하고 기체 성분은 저장탱크(2)로부터 배출되어 열교환기(8)를 향하여 유동하는 증발가스와 합류될 수 있다.

여기서, 고압가스 엔진(6)은 예를 들어 MEGI 엔진일 수 있으며, 본 발명은 엔진의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도시하지는 않았지만, BOG 압축기(4)에서 압축된 증발가스는 고압가스 엔진(6)을 비롯하여 다수의 증발가스 수요처에 공급될 수 있다.

도 1에 도시된 재액화 시스템은, 본 발명에 따른 팽창터빈(10)이 장착될 수 있는 가스 처리 시스템의 일례를 나타내는 것이며, 본 발명에 따른 팽창터빈(10)은 도 1에 도시된 시스템 이외의 가스 처리 시스템에도 장착되어 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 팽창터빈(10)은, 가스를 연료로서 사용하는 엔진이 장착된 선박에서만 사용될 수 있는 것은 아니며, 가스를 감압하여 온도를 낮출 필요가 있는 어떠한 시스템에도 장착되어 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 팽창터빈(10)은, 감압하고자 하는 물질이 증발가스, 즉 천연가스로만 한정되는 것은 아니고, LPG로부터 증발된 가스나 오일로부터 휘발된 가스 등을 비롯하여, 폭발 가능성이 있는 모든 종류의 가연성 가스를 감압하기 위해 사용될 수 있다.

도 2에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 재액화 시스템용 팽창터빈의 개략적인 측면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창터빈(10)은, 내부에 터빈 휠(14)이 회전 가능하게 설치되는 터빈 하우징(12)과, 터빈 휠(14)의 회전에 의해 구동되는 발전기(24) 등의 피동장치가 내부에 설치되는 피동장치 하우징(22)을 포함한다. 도 2에는 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)이 상하로 연장되도록 구성되어, 피동장치 하우징(22)이 터빈 하우징(12)의 위쪽에 배치된 형태가 도시되어 있지만, 이는 예시이며 필요에 따라 상하 위치가 변경되거나 수평방향으로 배치되도록 변형될 수 있다.

본 실시형태에 따르면, 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)은 일체로 제작되어 있다. 여기서, "터빈 하우징과 피동장치 하우징이 일체로 제작되어 있다(혹은, 일체로 이루어진다)"는 표현은, 외형적으로 볼 때 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)이 하나로 연결되어 있다는 것을 의미하는 동시에, 터빈 하우징(12)으로부터 누출된 증발가스가 피동장치 하우징(22)의 내부로 유입될 수 있는 상태로 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)이 서로 인접하고 있다는 것을 의미한다.

본 명세서 및 도면에서는 피동장치로서 발전기(24)를 적용한 것을 예시하고 있지만, 예시된 발전기(24) 이외에도, 피동장치로서 증발가스를 압축하는 압축기를 적용할 수도 있다.

또한, 피동장치로서 발전기를 적용하지 않고 예를 들어 압축기를 적용하는 경우, 터빈 하우징 내에 설치된 터빈과 피동장치 하우징 내에 설치된 압축기는 같은 축으로 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, BOG 압축기(4)에 의해 고압으로 압축된 증발가스는 열교환기(8)에서 냉각된 후 팽창터빈(10)에 공급된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공급유로(18)를 통해 팽창터빈(10)에 공급된 고압 저온의 증발가스는, 입구 노즐(16)을 통과하면서 압력이 속도 에너지로 변환되어 터빈 휠(14)을 회전시킨다.

팽창터빈의 내부에서 유체의 흐름이 복수의 스트림으로 분배되는 일반적인 팽창터빈과는 달리, 본 실시형태에 따르면, 팽창터빈(10)에 공급되는 증발가스는 팽창터빈(10)의 외부에서 복수의 스트림으로 분배된 후, 스트림과 동일한 개수의 입구 노즐(16)을 통해 팽창터빈(10)의 내부로 공급된다.

이를 위해, 증발가스를 팽창터빈(10)에 공급하는 공급유로(18)는 복수의 분배유로(18a 내지 18d)를 포함하며, 분배유로(18a 내지 18d)는 각각 입구 노즐(16)에 연결된다. 본 실시형태에 따르면, 입구 노즐(16)의 개수는 2 ~ 12개가 설치될 수 있으며, 바람직하게는 4 ~ 10개, 더욱 바람직하게는 4개가 설치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 분배유로는 입구 노즐의 개수와 동일한 개수로 준비된다.

증발가스의 흐름이 팽창터빈(10)의 외부에서 복수의 스트림으로 분배된 후, 복수의 유로를 통해 팽창터빈(10)의 내부로 공급될 경우, 상대적으로 적은 개수의 노즐로 고압의 증발가스의 유체 마찰손실을 감소시킬 수 있어, 터빈의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 팽창터빈의 내부에서 유체의 흐름을 분배하는 것에 비해 팽창터빈의 구조를 간소화하고 전체 무게를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 고압의 증발가스가 입구 노즐(16)을 통과하면서 압력이 떨어지는 동시에 운동 에너지로 변환되기 때문에, 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)이 고압을 견딜 수 있는 구조를 가질 필요가 없고, 팽창터빈의 경량화를 도모할 수 있다.

본 실시형태에 따르면, 입구 노즐(16)은 밸브를 포함할 수 있어, 설계변경 또는 운전조건의 변화시 밸브를 조작함으로써 최적의 노즐 속도를 유지하면서도 팽창터빈에 공급되는 유량을 조절할 수 있다. 또한, 입구 노즐(16)은 터빈 하우징(12)에 대하여 착탈 가능하게 구성될 수 있어, 운전조건이나 설계조건 변경시 팽창터빈 자체를 수정할 필요 없이도 노즐을 교체하여 유연하게 대처할 수 있게 된다. 입구 노즐(16)의 착탈을 용이하게 하기 위해서, 터빈 하우징(12)에는 다수의 플랜지부(12a)가 형성될 수 있다.

입구 노즐(16)을 통해 팽창터빈(10)의 내부로 공급된 증발가스는 터빈 휠(14)을 회전시킨 후 터빈 하우징(12)의 하부에 설치된 배출부(32)를 통해 팽창터빈(10)의 외부로 배출될 수 있다. 증발가스는 입구 노즐(16) 및 터빈 휠(14)을 통과하면서 적어도 부분적으로 액화될 수 있다.

터빈 휠(14)의 회전 구동력은 회전축(20)에 의해, 예를 들어 발전기(24)나 압축기 등의 피동장치에 전달될 수 있다. 회전축(20)은 베어링(26)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 베어링(26)은 윤활유를 사용하지 않는 무윤활유 방식의 베어링이다. 무윤활유 방식의 베어링을 사용하면, 증발가스의 오염 문제를 해결할 수 있으며, 윤활유 공급 시스템이 생략될 수 있어 팽창터빈의 전체 구성이 간단해 질 수 있다. 무윤활유 방식의 베어링으로서는, 예를 들어, 가스 또는 전자기력을 이용하여 회전축을 부양시키는 방식의 베어링을 들 수 있다.

터빈 하우징(12) 내에서 터빈 휠(21)에 연결된 회전축(20)은, 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22) 사이의 격벽을 관통하여 피동장치 하우징(22)의 내부로 연장되어 피동장치로서의 발전기(24)와 연결된다. 터빈 하우징(12)의 회전은 회전축(20)을 통하여 발전기(24)에 전달되어 이 발전기(24)를 구동시킨다.

터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22) 사이의 격벽에는 단열부재(28)가 설치되며, 단열부재(28)에 의해 극저온의 증발가스가 가진 냉열이 터빈 하우징(12)으로부터 피동장치 하우징(22)의 내부로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 회전축(20)이 격벽 및 단열부재(28)를 관통하는 부분에는, 기밀 기능과 가열 기능을 겸비하는 기밀 및 가열부재(30)가 설치될 수 있다. 단열부재(28)와 기밀 및 가열부재(30)에 의해, 발전기(24)의 온도가 지나치게 떨어지지 않도록 하여, 냉열로 인하여 발전기(24) 등의 장치에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.

또한, 피동장치로서 발전기(24)가 적용될 경우, 피동장치 하우징(22)에는 발전기(24)에서 발생하는 열을 외부로 뽑아주기 위한 냉각수 시스템이 별도로 설치될 수 있다.

기밀 및 가열부재(30)에 의해 터빈 하우징(12) 내부를 유동하는 증발가스가 가열되는 것을 방지하기 위해서, 단열부재(28)는 기밀 및 가열부재(30)와 터빈 하우징(12)과의 사이에 배치되는 것이 유리하다.

피동장치 하우징(22)에는 내부 압력을 검출하기 위한 압력 센서(도시생략)가 설치될 수 있다. 또한, 피동장치 하우징(22)에는 온도 센서(도시생략)가 설치될 수 있다. 압력 센서 및 온도 센서는 피동장치 하우징 뿐만 아니라 터빈 하우징 등 압력 및 온도 검출이 요구되는 여러 위치에 설치될 수 있다.

피동장치 하우징(22)에는, 외부로부터 피동장치 하우징(22)의 내부로 기체를 공급할 수 있는 공급 구멍(도시생략)과, 내부의 기체를 배출할 수 있는 벤트 구멍(도시생략)이 형성될 수 있다. 공급 구멍은, 예를 들어 팽창터빈의 유지보수, 조립 및 분해시, 질소 등의 불활성 가스를 피동장치 하우징(22)의 내부로 공급하기 위해 사용될 수 있다.

팽창터빈의 냉열 손실을 방지하기 위해 터빈 하우징(12)의 외부표면에 대해 단열 시공이 이루어질 수 있다. 또, 감압되어 적어도 부분적으로 액화된 증발가스가 배출되는 배출부(32)에는, 배관의 연결을 용이하게 할 수 있도록 플랜지(도시생략)가 설치될 수 있다.

계속해서, 위와 같이 구성되는 본 실시형태의 팽창터빈의 작용 및 효과에 대해 설명한다.

본 실시형태에 따른 팽창터빈(10)에 따르면, 저온 고압 상태의 증발가스는 복수의 입구 노즐(16)을 통하여 터빈 하우징(12) 내의 터빈 휠(14)에 분사될 수 있다. 터빈 휠(14)은 다수의 블레이드(14a)를 가지며, 증발가스의 분사에 의해 회전한다. 터빈 휠(14)이 회전함에 따라 회전축(20)을 통해 발전기(24)가 회전하여 전기를 생산할 수 있다.

본 실시형태에 따른 팽창터빈(10)에 따르면, 피동장치로서 발전기(24)가 적용된 경우, 극저온 상태의 증발가스가 터빈 하우징(12)에 직접 유입되어도 단열부재(28)에 의해 극저온이 차단되어 고속으로 동작하는 발전기(24) 등의 작동에 영향을 주지 않는다. 또한 피동장치 하우징(22)이 터빈 하우징(12)과 연결되는 부위에, 추가로 별도의 기밀 기능을 겸한 히터, 즉 기밀 및 가열부재(30)가 설치되어 발전기 부분을 보호할 수 있다.

터빈 휠(14)과 발전기(24)는 감속기어 없이 회전축(20)으로 직접 연결될 수 있다. 발전기(24)는 고속형으로 높은 주파수의 전기를 생산하며, 생산된 전기는 정류와 인버터 과정을 거쳐, 예를 들어 선박의 배전반에 공급될 수 있다. 본 실시형태에 따르면, 팽창터빈(10)에 의해 증발가스를 재액화시키는 동시에 추가적으로 전기를 생산할 수 있어, 경제적인 효과도 얻을 수 있다.

전체 시스템의 단순화를 위해서는 발전기에 의해 생산된 전기를 전기히터에 공급하여 열을 발생하게 한 다음, 외기로 바로 방출하는 방법이 채택될 수도 있다.

증발가스 등 가연성 가스를 사용하는 일반적인 종래의 터빈, 발전기 등에서는 전기 장치인 발전기 부분과 터빈 부분이 분리되어 있어, 회전축 부위에 몇 단계의 가스밀봉장치가 설치되어야 한다. 이 가스 밀봉장치에는 비활성 가스를 연속적으로 공급해 주어야 할 뿐 아니라, 가스 밀봉장치에서 누설된 가스를 외부로 배출시키는 장치가 추가로 설치되어야 한다. 그럼에도 불구하고 가스의 완전한 차단이 어려워 안전상 문제가 될 수 있다.

그러나 본 실시형태에서는 터빈과 발전기 부위, 즉 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)이 일체로 이루어지며, 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22)의 내부는 외부와 완전히 차단되어 가연성 가스의 유출을 근본적으로 방지할 수 있다.

본 실시형태에서는 무윤활유형 베어링 시스템을 채택한 베어링(26)을 사용하여 별도의 윤활유 공급장치가 필요 없고, 증발가스가 윤활유로 오염되는 것을 원천적으로 막을 수 있다. 증발가스의 윤활유 오염은 극저온을 특징으로 하는 LNG 운반 선박이나 LNG 추진 선박에 설치되는 각종 장비나 저장탱크에서 윤활유의 응결에 의한 많은 문제를 야기시킬 수 있다.

일반적인 가연성 가스 팽창터빈에서는 터빈 부분과 전기 장치인 발전기 부분은 서로 분리되어 있으며, 전기 장치로서는 특수한 방폭 기능을 갖춘 것을 사용한다. 그러나 본 실시형태에 따르면, 기밀 및 가열부재(30)가 설치되어 있긴 하지만, BOG 등의 가스를 완전히 차단하지는 않아, 증발가스가 터빈 하우징(12)과 피동장치 하우징(22) 사이를 이동할 수 있도록 이루어진다. 그로 인해 발전기(24) 등 전기 장치가 가연성 가스가 채워진 상태에서 가동된다.

가연성 가스가 사용되는 장소에서는 이 가연성 가스에 의한 폭발을 방지하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 특수한 방폭형 전기 장치가 일반적으로 사용된다. 그러나 본 실시형태에서는 발전기(24)가 설치된 부분, 즉 피동장치 하우징(22)의 내부에 오히려 가연성 가스를 채워 산소 공급을 차단하여 폭발 위험성을 근본적으로 제거한다. 연소나 폭발이 일어나기 위해서는 가연물질, 산소, 및 점화원의 3 요소가 필요하지만, 본 실시형태에서는 피동장치 하우징(22)의 내부에 대한 산소의 공급가능성을 제거함으로써, 기존의 방폭 장치보다 더욱 안전한 상태를 유지할 수 있다.

피동장치 하우징(22)의 내부는 항상 대기압보다 높은 압력을 유지함으로써, 어떠한 경우에도 산소가 포함된 외기가 모터 하우징(12)의 내부로 유입되는 것을 막는다. 전술한 바와 같이, 증발가스는 터빈 하우징(12)의 내부에서 피동장치 하우징(22) 쪽으로 흘러 들어갈 수 있다. 터빈 하우징(12)의 내부에서는 입구 노즐(16)을 통하여 대기압보다 상대적으로 높은 압력을 갖는 증발가스가 분사되고 있으므로, 피동장치 하우징(22)의 내부로 흘러 들어간 증발가스는 대기압보다 높은 압력으로 가압된 상태일 수 있다. 그로 인해 발전기(24)가 설치된 피동장치 하우징(22)의 내부 압력은 대기압보다 높은 압력을 유지할 수 있다.

피동장치 하우징(22)의 내부 압력을 측정하기 위해, 피동장치 하우징(22) 혹은 압력이 같은 다른 부위에 압력 센서(도시생략)를 설치하고, 만약 피동장치 하우징(22)의 내부 압력이 대기압보다 낮아진 경우에는 자동으로 팽창터빈의 작동을 정지시키도록 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

2: 저장탱크, 4: BOG 압축기, 6: 엔진, 8: 열교환기, 9: 기액분리기, 10: 팽창터빈, 12: 터빈 하우징, 12a: 플랜지부, 14: 터빈 휠, 14a: 블레이드, 16: 입구 노즐, 18: 공급유로, 18a~18d: 분배유로, 20: 회전축, 22: 피동장치 하우징, 24: (피동장치로서의) 발전기, 26: 베어링, 28: 단열부재, 30: 기밀 및 가열부재, 32: 배출부.

Claims

재액화 시스템에 구비되어 압축 및 냉각된 가스를 팽창시키기 위한 팽창터빈으로서,
내부에 터빈 휠이 회전 가능하게 설치되는 터빈 하우징과;
상기 터빈 휠의 회전에 의해 구동되는 피동장치가 내부에 설치되는 피동장치 하우징과;
상기 터빈 휠의 회전 구동력을 상기 피동장치에 전달하기 위한 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
을 포함하며,
상기 터빈 하우징과 피동장치 하우징은 일체로 이루어지며,
상기 회전축은, 상기 터빈 하우징과 상기 피동장치 하우징 사이의 격벽을 관통하여 상기 피동장치 하우징의 내부로 연장되며,
상기 터빈 하우징의 내부와 상기 피동장치 하우징의 내부는 상기 회전축과 상기 격벽 사이의 간극을 통해 서로 연통 가능하여, 가스는 상기 터빈 하우징의 내부로부터 상기 피동장치 하우징의 내부로 유동할 수 있는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 1에 있어서,
공급유로를 통해 공급되어 온 가스를, 상기 터빈 휠에 대해 분사하여 상기 터빈 휠을 회전시킬 수 있도록 상기 터빈 하우징에 설치되는 입구 노즐을 더 포함하는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 2에 있어서,
상기 입구 노즐은 복수개가 상기 터빈 하우징에 설치되며,
상기 공급유로를 통해 상기 팽창터빈에 공급되는 가스는 상기 입구 노즐에 공급되기 전에 상기 팽창터빈의 외부에서 복수의 분배유로로 분배된 후, 복수의 상기 입구 노즐을 통해 상기 팽창터빈의 내부로 공급되는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 3에 있어서,
상기 입구 노즐은 상기 터빈 하우징에 대하여 착탈 가능하게 구성되는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 2에 있어서,
상기 입구 노즐을 통해 상기 팽창터빈의 내부로 공급된 가스는 상기 터빈 휠을 회전시킨 후 배출부를 통해 상기 팽창터빈의 외부로 배출되며,
상기 가스는 상기 입구 노즐 및 상기 터빈 휠을 통과하면서 적어도 부분적으로 액화되어, 중량 기준으로 10 ~ 80%의 액체성분을 포함하는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 베어링은 윤활유를 사용하지 않는 무윤활유 방식의 베어링인, 재액화 시스템용 팽창터빈.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 터빈 하우징과 상기 피동장치 하우징 사이의 격벽에는 단열부재가 설치되는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 8에 있어서,
상기 회전축이 상기 격벽 및 상기 단열부재를 관통하는 부분에는, 기밀 기능과 가열 기능을 겸비하는 기밀 및 가열부재가 설치되어, 상기 단열부재와 상기 기밀 및 가열부재에 의해 상기 피동장치의 온도 저하를 완화시키는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 피동장치 하우징의 내부 압력을 검출할 수 있는 압력 센서를 더 포함하는, 재액화 시스템용 팽창터빈.
청구항 1에 있어서,
상기 피동장치는 발전기 또는 압축기인, 재액화 시스템용 팽창터빈.