KR102044273B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 다단계로 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고, 상기 압축기는, 증발가스를 압축시키는 다수개의 실린더; 상기 다수개의 실린더 하류에 각각 설치되어 증발가스의 온도를 낮추는 다수개의 냉각기; 및 상기 다단압축기의 마지막 단의 실린더와 마지막 단의 냉각기 사이에 설치되어 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제1 오일분리기;를 포함한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{BOG Reliquefaction System and Method for Vessels}
본 발명은 저장탱크 내부에서 생성되는 증발가스 중 엔진의 연료로 사용되고 남은 증발가스를 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 -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 연료소비처의 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, X-DF 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.
X-DF 엔진은, 추진용으로 사용되며, 2행정으로 구성된다. 16 bar 정도의 중압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
본 발명은, 종래 기술을 개량하여 보다 효과적인 방법으로 증발가스를 재액화시킬 수 있는, 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 다단계로 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고, 상기 압축기는, 증발가스를 압축시키는 다수개의 실린더; 상기 다수개의 실린더 하류에 각각 설치되어 증발가스의 온도를 낮추는 다수개의 냉각기; 및 상기 다단압축기의 마지막 단의 실린더와 마지막 단의 냉각기 사이에 설치되어 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제1 오일분리기;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스의 압력이 교차점에서의 압력보다 저압일 수 있다.
상기 압축기의 운전 압력은 150barg 내지 400barg일 수 있다.
상기 압축기의 운전 압력은 250barg 내지 400barg일 수 있다.
상기 압축기의 운전 압력은 300barg일 수 있다.
상기 압축기는 5개의 실린더와 5개의 냉각기를 포함하여, 5단 압축기로 구성될 수 있다.
상기 다수개의 실린더 중 후단의 일부만이 급유 윤활 방식의 실린더가 적용되고 나머지는 무급유 윤활 방식의 실린더가 적용될 수 있다.
상기 다수개의 실린더 중 후단의 2개는 급유 윤활 방식의 실린더가 적용되고 전단의 3개는 무급유 윤활 방식의 실린더가 적용될 수 있다.
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 추진용 엔진의 연료로 공급되고, 상기 추진용 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 상기 열교환기로 보낼 수 있다.
상기 추진용 엔진은 ME-GI 엔진일 수 있다.
상기 열교환기는 마이크로채널형 열교환기일 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기는 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제2 오일분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제1 오일필터를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 감압장치 하류에 설치되어, 상기 감압장치에 의해 감압된 유체에 섞인 윤활유를 걸러내는 제2 오일필터를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 선박용 증발가스 재액화 방법에 있어서, 증발가스를 압축시키는 압축기의 마지막 단의 냉각기에 의해 증발가스의 온도가 낮아져, 증발가스에 대한 윤활유의 용해도가 높아지기 전에 윤활유를 걸러내는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 압축기 외부에 설치되는 제2 오일분리기, 제1 오일필터 및 제2 오일필터와는 별도로, 압축기 내부에 제1 오일분리기를 설치하여, 압축기 내부에서 1차적으로 윤활유를 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 압축기의 마지막 단의 실린더와 마지막 단의 냉각기 사이에 제1 오일분리기를 설치하여, 증발가스에 대한 윤활유의 용해도가 높아지기 전에, 증발가스에 섞인 윤활유를 효율적으로 제거할 수 있으며, 열교환기, 감압장치 등의 장비 및 배관에 윤활유가 쌓이는 현상을 현저하게 완화시켜 재액화 효율을 높일 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.
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 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.
본 발명의 후술할 증발가스 처리를 위한 시스템들은 저온 액체화물 또는 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박과 해상 구조물, 즉 액화천연가스 운반선, 액화에탄가스(Liquefied Ethane Gas) 운반선, LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 구조물에 적용될 수 있다. 다만 후술하는 실시예들에서는 설명의 편의상 대표적인 저온 액체화물인 액화천연가스를 예로 들어 설명한다.
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 선박용 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 압축기(200) 및 감압장치(600)를 포함한다.
열교환기(100)는, 압축기(200)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스일 수 있다.
압축기(200)는, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 다단계로 압축시키며, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치게 된다.
압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 고압엔진으로 보내져 연료로 사용될 수 있고, 압축기(200)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 중간에서 분기하여 저압엔진의 연료로 사용될 수 있다. 또한, 압축기(200)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 필요에 따라 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보낼 수도 있다.
고압엔진은 추진용 엔진일 수 있고, ME-GI엔진인 것이 바람직하다. 또한, 저압엔진은 발전용 엔진일 수 있고, DF 엔진인 것이 바람직하다.
압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 엔진(고압엔진 및/또는 저압엔진을 의미, 이하 동일)의 연료로 공급하는 경우, 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 열교환기(100)로 보내 재액화 과정을 거치도록 할 수 있다.
압축기(200)는 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250), 다수개의 냉각기(211, 221, 231, 241, 251) 및 제1 오일분리기(310)를 포함한다. "압축기(200)에 의해 압축되었다"는 것은, 압축기(200)에 포함된 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250), 다수개의 냉각기(211, 221, 231, 241, 251) 및 제1 오일분리기(310)를 모두 통과하였음을 의미한다. 이하 동일하다.
도 1에서는 압축기(200)가 5개의 실린더와 5개의 냉각기를 포함하는 것을 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 압축기(200)가 포함하는 실린더와 냉각기의 수는 달라질 수 있다.
실린더는 압축기의 '단'의 의미를 가지며, 일례로 '5단 압축기'는, 5개의 실린더 및 5개의 냉각기를 포함하여, 5단계를 거쳐 유체를 압축시키는 압축기를 의미한다.
다수개의 냉각기(211, 221, 231, 241, 251)는 각각 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250) 하류에 설치되어 실린더에 의해 압축된 증발가스의 온도를 낮춘다. 5단 압축기의 경우, 제1 실린더(210) 하류에는 제1 냉각기(211)가 설치되고, 제1 냉각기(211) 하류에는 제2 실린더(220)가 설치되고, 제2 실린더(220) 하류에는 제2 냉각기(221)가 설치되고, 제2 냉각기(221) 하류에는 제3 실린더(230)가 설치되고, 제3 실린더(230) 하류에는 제3 냉각기(231)가 설치되고, 제3 냉각기(231) 하류에는 제4 실린더(240)가 설치되고, 제4 실린더(240) 하류에는 제4 냉각기(241)가 설치되고, 제4 냉각기(241) 하류에는 제5 실린더(250)가 설치되고, 제5 실린더(250) 하류에는 제5 냉각기(251)가 설치된다.
제1 오일분리기(310)는 제5 냉각기(251) 하류에 설치되어, 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250)와 다수개의 냉각기(211, 221, 231, 241, 251)를 모두 통과한 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러낸다.
5단 압축기를 예로 들어 제1 오일분리기(310)가 제5 냉각기(251) 하류에 설치된다고 설명하였으나, 본 실시예는 제1 오일분리기(310)가 압축기(200)의 마지막 단의 냉각기 하류(즉, 압축기(200)의 최후단)에 설치되는 것을 특징으로 한다.
대략 200 barg 이상의 압력으로 유체를 고압으로 압축시키는 압축기로, 널리 급유 윤활 방식(Oil Wet)의 왕복동 압축기가 사용되고 있는데, 고압엔진이 ME-GI 엔진인 경우 압축기(200)는 고압엔진의 요구 압력을 충족시키기 위해 증발가스를 대략 300 barg로 압축시키므로, 일반적으로 압축기(200)로 급유 윤활 방식의 왕복동 압축기가 적용된다.
압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를, 엔진에 공급하지 않거나 보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 엔진에 공급하도록 시스템을 구성하는 경우에도, 재액화 효율 및 재액화량을 높이기 위해 증발가스를 200 barg 이상으로 압축시켜야 하는 경우가 생길 수 있고, 이 경우에도 압축기(200)로 급유 윤활 방식의 왕복동 압축기가 적용될 수 있다.
급유 윤활 방식의 왕복동 압축기는 한 개 이상의 급유 윤활 방식의 실린더를 포함하며, 본 실시예의 압축기(200)의 경우, 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250) 중 후단의 일부만이 급유 윤활 방식의 실린더가 적용될 수 있고, 나머지는 무급유 윤활 방식의 실린더가 적용될 수 있다.
일례로 제1 내지 제3 실린더(210, 220, 230)는 무급유 윤활 방식의 실린더가 적용되고, 제4 실린더(240) 및 제5 실린더(250)는 급유 윤활 방식의 실린더가 적용될 수 있다.
그런데, 압축기(200)로 급유 윤활 방식의 왕복동 압축기를 적용하는 경우, 압축기(200)에 포함된 급유 윤활 방식의 실린더에서 윤활유의 일부가 누설되어 증발가스와 섞이게 되는 문제점이 있다(Carry Over).
압축기(200)에 의해 압축된 증발가스에 섞인 윤활유가 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치면서, 열교환기(100), 감압장치(600) 등의 장비와 배관 내부에 응축 또는 응고된 윤활유가 쌓여 재액화 성능을 떨어뜨리고, 재액화된 액화가스에 섞인 윤활유가 저장탱크(T)로 유입되어 저장탱크(T)에 저장된 액화가스의 품질을 떨어뜨릴 수 있다는 문제가 있다.
특히, 열교환기(100)로 PCHE 등 유로가 좁은 마이크로채널형 열교환기를 사용하는 경우, 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 좁은 유로가 더욱 빈번하게 막힐 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 제5 냉각기(251) 하류에 제1 오일분리기(310)를 설치하여, 압축기(200)의 모든 압축 과정을 거친 증발가스에 포함된 윤활유를 제1 오일분리기(310)에 의해 걸러낸 후 열교환기(100)로 보낸다. 또한, 본 실시예에서는, 후술하는 바와 같이 제2 오일분리기(320), 제1 오일필터(410) 및/또는 제2 오일필터(420)를 추가로 설치하여 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러낼 수 있다.
본 발명에 의하면, 압축기(200) 외부에 설치되는 제2 오일분리기(320), 제1 오일필터(410) 및 제2 오일필터(420)와는 별도로, 압축기(200) 내부에 제1 오일분리기(310)를 설치하므로, 압축기(200) 내부에서 1차적으로 윤활유를 제거할 수 있다.
감압장치(600)는, 압축기(200)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 유체를 감압시킨다. 감압장치(600)는, 팽창기일수도 있고 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있으나, 가격이 저렴하고 유지보수가 쉬운 줄-톰슨 밸브인 것이 바람직하다. 압축기(200)에 의한 압축, 열교환기(100)에 의한 냉각, 및 감압장치(600)에 의한 팽창과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예는, 상기 감압장치(600) 하류에 설치되어, 압축기(200), 열교환기(100), 및 감압장치(600)를 통과하며 재액화된 액화가스와, 재액화되지 못하고 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(700)를 더 포함할 수 있다.
기액분리기(700)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(700)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.
도 1에는 기액분리기(700)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(700)에 분리된 증발가스는 별도의 유로를 따라 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 수도 있다.
또한, 기액분리기(700)를 포함하지 않고 감압장치(600)에 의해 감압되어 일부 또는 전부가 재액화된 유체를 바로 저장탱크(T)로 보낼 수도 있다.
본 실시예는, 압축기(200)에 의해 압축된 후 열교환기(100)로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제2 오일분리기(320)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예는, 압축기(200)에 의해 압축된 후 열교환기(100)로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제1 오일필터(410)를 더 포함할 수 있다. 제1 오일필터(410)로 코얼레싱 필터(Coalescing Filter)가 적용될 수 있다.
본 실시예가 제2 오일분리기(320)와 제1 오일필터(410)를 둘 다 포함하는 경우, 제1 오일필터(410)는 제2 오일분리기(320)에 비해 더 작은 입자를 걸러낼 수 있으므로, 제1 오일필터(410)는 제2 오일분리기(320)의 하류에 설치되는 것이 바람직하다.
본 실시예는, 감압장치(600) 하류에 설치되어, 감압장치(600)에 의해 감압된 유체에 섞인 윤활유를 걸러내는 제2 오일필터(420)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예가 기액분리기(700)와 제2 오일필터(420)를 둘 다 포함하는 경우, 제2 오일필터(420)에 의해 윤활유가 걸러진 증발가스가 기액분리기(700)로 보내질 수 있도록, 제2 오일필터(420)는 감압장치(600)와 기액분리기(700) 사이에 설치되는 것이 바람직하다.
감압장치(600)에 의해 감압된 유체의 온도는, 증발가스의 적어도 일부가 재액화될 수 있도록 -160℃ 내지 -150℃ 정도가 되므로, 제2 오일필터(420)는 극저온용(Cryogenic)으로 설계된다. 또한, 감압장치(600)에 의해 감압된 극저온 유체에 섞여있는 윤활유는 유동점 아래의 고체(또는 응고된) 상태이므로, 제2 오일필터(420)는 고체(또는 응고된) 상태의 윤활유를 분리하는데 적합하도록 설계된다.
압축기(200)에 의해 압축되며 증발가스에 섞이는 윤활유는, 액체(Liquid) 상태일 수도 있고, 안개(Mist) 또는 기체(Vapor) 상태일 수도 있는데, 제1 오일분리기(310)와 제2 오일분리기(320)에 의해 액체 상태의 윤활유를 걸러낼 수 있고, 제1 오일필터(410)에 의해 나머지 액체 상태의 윤활유와 안개 상태의 증발가스를 어느 정도 걸러낼 수 있으나, 기체 상태의 윤활유는 제1 오일분리기(310), 제2 오일분리기(320) 및 제1 오일필터(410)에 의해서는 거의 걸러지지 않는다. 기체 상태의 윤활유는 감압장치(600)를 통과하며 고체(또는 응고된) 상태가 되어 제2 오일필터(420)에 의해 걸러지게 된다.
도 2에 도시된 제2 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 제1 오일분리기(310)가 마지막 단의 실린더(250)와 마지막 단의 냉각기(251) 사이에 설치된다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 발명자들은, 도 1에 도시된 제1 실시예와 같은 시스템에서, 증발가스에 섞인 윤활유가 제1 오일분리기(310), 제2 오일분리기(320), 제1 오일필터(410) 및 제2 오일필터(420)에 의해서도 모두 걸러지지 않는다는 점을 발견하였다. 시스템의 장시간의 운전과 반복되는 온오프(On/Off)로 인해, 열교환기(100), 감압장치(600) 등의 장비와 배관 내부에 응축 또는 응고된 윤활유가 쌓이는 현상이 발생하였다.
열교환기(100)의 유로에 응축 또는 응고된 윤활유가 쌓이게 되면 열전달 효율이 낮아져 열교환이 제대로 이루어지지 않고, 감압장치(600)의 유로에 응축 또는 응고된 윤활유가 쌓이게 되면 감압장치(600)를 통과하는 유체의 흐름을 제대로 조절할 수가 없게 된다. 결과적으로, 열교환기(100), 감압장치(600) 등의 유로에 응축 또는 응고된 윤활유가 쌓이게 되면, 재액화 효율이 매우 낮아지게 된다.
열교환기(100), 감압장치(600) 등의 장비와 배관 내부에 쌓인 응축 또는 응고된 윤활유를 제거하기 위하여 사후적으로 윤활유를 배출시킬 수도 있으나, 보다 근본적인 문제 해결을 위해서는 압축기(200)에서 누설(Carry Over)되는 윤활유의 양을 줄일 필요가 있다.
본 발명의 발명자들은, 압축기(200)에 의해 증발가스가 압축되는 동안, 증발가스에 대한 윤활유의 용해도를 낮출 수 있다면, 압축기(200)에서의 윤활유 누설 현상을 완화시킬 수 있다는 점을 발견하였다.
용해도는 일정한 온도에서 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 최대량을 g으로 나타낸 것이다. 즉, 증발가스(실험에서는 메탄가스를 사용)에 대한 윤활유의 용해도는, 일정한 온도에서 증발가스 100g에 녹을 수 있는 윤활유의 최대량(g)으로 나타낼 수 있다.
기체(Vapor) 상태의 윤활유의 경우, 온도가 낮아지면 용질(윤활유)의 증기압이 낮아지므로 용해도가 감소하게 된다. 그러나, 한편으로는 온도가 낮아지면 용매(증발가스)의 밀도가 증가하므로 용해도가 증가하게 된다.
본 발명의 발명자들은, 압축기(200)의 운전 압력, 즉 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스의 압력이 교차점(Crossover Point)에서의 압력보다 저압인 경우에는, 온도 하강에 따른 "용질(윤활유)의 증기압 감소"보다 "용매(증발가스)의 밀도 증가"가 용해도에 영향을 더 크게 미치며, 따라서 온도가 낮아질수록 용해도가 증가한다는 것을 알아내었다.
교차점은, 용해도에 더 큰 영향을 미치는 요인이 용매에서 용질로 변경되는 지점을 의미하며, 교차점보다 저압인 경우에는 용매의 밀도 변화가 용해도에 더 큰 영향을 미치게 되고, 교차점보다 고압인 경우에는 용질의 증기압 변화가 용해도에 더 큰 영향을 미치게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 압축기(200)의 운전 압력이 대략 150barg 내지 400barg인 경우, 바람직하게는 250barg 내지 400barg인 경우, 더욱 바람직하게는 300barg인 경우, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스의 압력이 교차점에서의 압력보다 저압인 영역 안에 있게 되어, 온도가 낮을수록 윤활유의 증발가스에 대한 용해도가 증가하는 현상을 확인하였다.
또한, 본 발명의 발명자들은, 제1 실시예와 같이 압축기(200)의 최후단에 제1 오일분리기(310)를 설치하면, 마지막 단의 냉각기(251)에 의해 증발가스가 냉각되며 증발가스의 온도가 낮아지므로, 윤활유의 용해도가 증가한다는 것을 알아내었다. 즉, 제5 실린더(250)에 의해 압축된 증발가스가 제5 냉각기(251)에 의해 냉각되며 많은 양의 윤활유가 증발가스에 용해됨을 확인하였다.
본 실시예에서는, 제1 오일분리기(310)를 제5 실린더(250)와 제5 냉각기(251) 사이에 설치하여, 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250)와 제5 냉각기(251)를 제외한 냉각기(211, 221, 231, 241)를 통과한 증발가스에 포함된 윤활유를 제1 오일분리기(310)에 의해 걸러낸다.
5단 압축기를 예로 들어 제1 오일분리기(310)가 제5 실린더(250)와 제5 냉각기(251) 사이에 설치된다고 설명하였으나, 본 실시예는 제1 오일분리기(310)가 압축기(200)의 마지막 단의 실린더와 마지막 단의 냉각기 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 의하면, 증발가스가 마지막 단의 냉각기(251)에 의해 냉각되기 전에 제1 오일분리기(310)에 의해 윤활유를 걸러내므로, 마지막 단의 냉각기(251)에 의해 증발가스의 온도가 낮아져 증발가스에 대한 윤활유의 용해도가 높아지기 전에, 즉, 많은 양의 윤활유가 증발가스에 용해되기 전에, 제1 오일분리기(310)에 의해 윤활유를 걸러낼 수 있다.
증발가스가 마지막 단의 냉각기(251)에 의해 냉각되기 전에 제1 오일분리기(310)에 의해 윤활유를 걸러내면, 제1 오일분리기(310)를 통과한 증발가스에 포함되는 윤활유의 양이 크게 감소하여, 제1 오일분리기(310)를 통과한 증발가스가 마지막 단의 냉각기(251)에 의해 냉각되어 증발가스에 대한 윤활유의 용해도가 증가하여도, 증발가스에 적은 양의 윤활유만이 용해되게 된다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 제1 실시예와 같이 제1 오일분리기(310)를 압축기(200)의 최후단에 설치하는 경우보다 증발가스에 섞인 윤활유를 효율적으로 제거할 수 있으며, 열교환기(100), 감압장치(600) 등의 장비 및 배관에 윤활유가 쌓이는 현상을 현저하게 완화시켜 재액화 효율을 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 100 : 열교환기
200 : 압축기
210, 220, 230, 240, 250 : 실린더
211, 221, 231, 241, 251 : 냉각기
310, 320 : 오일분리기 410, 420 : 오일필터
600 : 감압장치 700 : 기액분리기

Claims (18)

  1. 증발가스를 다단계로 압축시키는 압축기;
    상기 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 및
    상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압장치;를 포함하고,
    상기 압축기는,
    증발가스를 압축시키는 다수개의 실린더;
    상기 다수개의 실린더 하류에 각각 설치되어 증발가스의 온도를 낮추는 다수개의 냉각기; 및
    상기 다단압축기의 마지막 단의 실린더와 마지막 단의 냉각기 사이에 설치되어 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제1 오일분리기;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스의 압력이 교차점에서의 압력보다 저압인 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기의 운전 압력은 150barg 내지 400barg인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압축기의 운전 압력은 250barg 내지 400barg인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 압축기의 운전 압력은 300barg인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기는 5개의 실린더와 5개의 냉각기를 포함하여, 5단 압축기로 구성되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 실린더 중 후단의 일부만이 급유 윤활 방식의 실린더가 적용되고 나머지는 무급유 윤활 방식의 실린더가 적용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 다수개의 실린더 중 후단의 2개는 급유 윤활 방식의 실린더가 적용되고 전단의 3개는 무급유 윤활 방식의 실린더가 적용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 추진용 엔진의 연료로 공급되고,
    상기 추진용 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 상기 열교환기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 추진용 엔진은 ME-GI 엔진인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 마이크로채널형 열교환기인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  12. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 열교환기는 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  15. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제2 오일분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  16. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기로 보내지는 증발가스에 섞인 윤활유를 걸러내는 제1 오일필터를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  17. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감압장치 하류에 설치되어, 상기 감압장치에 의해 감압된 유체에 섞인 윤활유를 걸러내는 제2 오일필터를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  18. 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 선박용 증발가스 재액화 방법에 있어서,
    증발가스를 압축시키는 압축기의 마지막 단의 냉각기에 의해 증발가스의 온도가 낮아져, 증발가스에 대한 윤활유의 용해도가 높아지기 전에 윤활유를 걸러내는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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