KR102078778B1 - 이중 압축 및 냉각을 이용한 bog의 재응축 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템은, LNG 저장 탱크와, LNG 저장 탱크에서 발생된 BOG를 가압 및 냉각시키는 압축 및 냉각 모듈과, LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 이용하여 압축 및 냉각 모듈에서 토출되는 BOG를 재응축시키는 재응축기와, 재응축기에서 토출된 BOG를 고압으로 압축하는 고압 펌프를 포함하며, 압축 및 냉각 모듈은 BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행하도록 구성될 수 있다.

Description

이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템{RE-LIQUEFACTION SYSTEM OF BOIL OFF GAS USING DOUBLE STAGE COMPRESSOR AND COOLER}
본 발명은, LNG 저장 탱크에서 발생되는 BOG(Boil Off Gas)의 재응축을 위한 시스템에 관한 것이다.
메탄이 주성분인 LNG(Liquefied Natural Gas, 응축 천연가스)는 약 158℃에서 응축되어 LNG 운반선으로 이송되고, 극저온 응축 상태로 탱크에 저장된 후, 기화과정을 거쳐 파이프라인을 통해 가스 상태로 공급된다.
LNG 기지 내 저장탱크는 LNG 극저온 상태를 유지하기 위해 단열재를 사용하여 기화를 최대한 억제하나, 외부 상온 온도에 의한 불가피한 열 유입으로, 일반적으로 저장량의 0.15% 정도의 LNG가 BOG(Boil off Gas)로 기화된다. 이렇게 발생된 BOG는 버리지 않고 화력 발전소 등 연소 설비에서 회수할 수 있는 BOG 처리 공정은 LNG 저장 플랜트에서는 필수 불가결한 것이다.
종래에, LNG 인수기지에서는 LNG를 저장하는 탱크 내부에서 발생되는 천연가스 BOG를 재응축하여 사용하기 위한 방법으로, LNG를 가압하여 응축에 필요한 잠열량을 감소시키고 동일압력의 LNG를 혼합 드럼 내에서 BOG와 직접 혼합하여 LNG 냉열을 BOG에 줌으로써 BOG를 응축시키는 공정으로 이루어져 있다.
이러한 기존 방법은, BOG를 응축시키는데 필요한 열량을 고려하지 않고 BOG를 재응축시키기 때문에 에너지 효율이 낮아 비효율적이라는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2011-0103552호(“LNG 생산기지의 BOG 처리 시스템 및 방법”, 공개일: 2011년9월21일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 적은 에너지를 사용하여 효율적으로 BOG를 재응축시킬 수 있는 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, LNG 저장 탱크; 상기 LNG 저장 탱크에서 발생된 BOG를 가압 및 냉각시키는 압축 및 냉각 모듈; 상기 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 이용하여 상기 압축 및 냉각 모듈에서 토출되는 BOG를 재응축시키는 재응축기; 및 상기 재응축기에서 토출된 BOG를 고압으로 압축하는 고압 펌프를 포함하며, 상기 압축 및 냉각 모듈은, BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행하도록 구성된 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템이 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, LNG 저장 탱크; 상기 LNG 저장 탱크에서 발생된 BOG를 1차 가압하는 제1 압축기; 상기 1차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 1차 냉각하는 제1 열교환기; 상기 1차 냉각된 BOG를 2차 가압하는 제2 압축기; 상기 2차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 2차 냉각하는 제2 열교환기; 상기 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 이용하여 상기 제2 열교환기에서 토출되는 BOG를 재응축시키는 재응축기; 및 상기 재응축기에서 토출된 LNG를 고압으로 압축하는 고압 펌프를 포함하며, 상기 고압 펌프에 의해 압축된 LNG는, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기로 전달되어 BOG의 냉각에 이용되며, 상기 2차 가압된 BOG의 압력은, 상기 LNG 저장 탱크에서 토출되는 LNG의 압력과 동일한 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행한 후 BOG를 재응축시킴으로써, 적은 에너지를 사용하여 효율적으로 BOG를 재응축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 재응축 시스템은 저압력 펌프(111)를 구비한 LNG 저장 탱크(111), 압축 및 냉각 모듈(120), 재응축기(130), 고압 펌프(140), 기화기(150), 분배기(D1, D2), 믹서(M1, M2), 다수의 밸브들(V1 내지 V4)을 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템 및 이의 동작 원리를 상세하게 설명한다. 이하 발명을 설명함에 있어 온도, 압력 등의 구체적인 수치가 적시되어 있으나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과하며, 이러한 수치들은 본 발명을 제한하는 것은 아님에 유의하여야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, LNG 저장 탱크(110)에는 LNG가 액체 상태로 저장될 수 있으며, LNG 저장 탱크(110) 내의 LNG의 온도는 -160℃, 압력은 116.5kPa일 수 있다. 또한, LNG 저장 탱크(110)에는 저압 펌프(LP, 111)가 구비되어 LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG는 압축함으로써, 압력을 600kPa로 높일 수 있다. LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG는 제1 분배기(D1)를 통해 재응축기(130) 및 제2 믹서(M2)로 토출될 수 있다.
압축 및 냉각 모듈(120)은 LNG 저장 탱크(110)에서 발생된 BOG를 가압 및 냉각시키는 모듈로, BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행하도록 구성된다. 압축 및 냉각 모듈(120)에서 가압 및 냉각된 BOG는 재응축기(130)로 토출될 수 있다.
이를 위해, 압축 및 냉각 모듈(120)은 LNG 저장 탱크(110)에서 발생된 BOG를 1차 가압하는 제1 압축기(121)와, 1차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 1차 냉각하는 제1 열교환기(122)와, 1차 냉각된 BOG를 2차 가압하는 제2 압축기(123)와, 2차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 2차 냉각하는 제2 열교환기(124)를 포함할 수 있다.
즉, BOG 가스를 액화시키기 위한 에너지 수지를 고려하면, 저압(예를 들면, 100kPa 정도)의 BOG를 액화시키는데 필요한 열량은 176kcal/kg인 반면, 고압(예를 들면, 600kPa 정도)의 BOG를 액화시키는데 필요한 열량은 135kcal/kg 정도가 소요된다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, LNG 저장 탱크에서 자연적으로 발생되는 BOG를 압축기(121, 123)를 이용하여 고압으로 압축한 후 재응축기(130)로 공급함으로써, BOG의 액화시 필요한 열량을 줄일 수 있는 이점이 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 의한 재응축 시스템(100)의 전체 에너지 소모량은 1598kW임에 반해, 1번만 BOG의 가압 및 냉각을 하는 경우의 전체 에너지 소모량은 1656kW이라는 점에서 에너지 소모량이 감소될 수 있다. 특히 이중의 열교환기를 사용할 경우에는 단일의 열교환기를 사용하는 경우에 비해 약 20% 정도의 공정 효율이 증가될 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어, 압축 및 냉각 모듈(120)은 2개의 압축기(121, 123)와 2개의 열교환기(122, 124)를 예시하고 있으나, 실시 형태에 따라서는 3개 이상 압축기 및 열교환기를 포함할 수도 있을 것이다.
상술한 압축 및 냉각 모듈(120)에 의해 가압된 BOG의 압력은, LNG 저장 탱크에서 토출되는 LNG의 압력과 동일하다.
재응축기(130)는 LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG를 이용하여 압축 및 냉각 모듈(120)에서 토출되는 BOG를 재응축시킬 수 있다. 재응축기(130)에서 재응축된 BOG는 제2 믹서(M2)로 토출될 수 있다.
고압 펌프(140)는 재응축기(130)에서 토출된 LNG를 고압으로 압축할 수 있다. 고압 펌프(140)에서 고압으로 압축된 LNG는 제2 분배기(D2)를 통해 제1 열교환기(122) 및 제2 열교환기(124)로 전달되어 BOG의 냉각에 이용됨과 동시에 제1 믹서(M1)를 통해 기화기(150)로 전달될 수 있다.
기화기(150)는 제1 분배기(M1)로부터 토출되는 LNG를 기화시킨 후 수요처에 공급할 수 있다.
한편, 제1 믹서(M1)는 고압 펌프(140)에서 압축된 LNG, 제1 열교환기(D1) 및 제2 열교환기(D2)에서 토출되는 LNG를 혼합하여 기화기(150)로 제공할 수 있다.
제2 믹서(M2)는 고압 펌프(140)의 전단에 구비되어 재응축기(130)에 의해 응축된 BOG 및 LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG를 혼합하여 고압 펌프(140)에 제공할 수 있다.
제1 분배기(D1)는 LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG를 재응축기(130) 및 고압 펌프(140)로 분배할 수 있다.
특히 제2 믹서(M2) 및 제1 분배기(D1) 사이에는 바이패스 밸브(V1)가 구비될 수 있다. 이러한 바이패스 밸브(V1)는 재응축기(130)로부터 토출되는 BOG의 압력이 낮을 경우 오픈됨으로써, LNG 저장 탱크(110)의 저압 압축기(LP, 111)에 의해 압축된 저압의 LNG를 제2 믹서(M2)를 통해 고압 펌프(140)로 제공할 수 있으며, 이를 통해 고압 펌프(140)의 공동화(cavitation) 현상을 방지할 수 있는 추가적인 이점이 있다.
제2 분배기(D2)는 고압 펌프(140)에서 압축된 LNG를 제1 믹서(M1), 제1 열교환기(122) 및 제2 열교환기(124)로 분배할 수 있다.
한편, 미설명된 부호 V2는 제1 분배기(D1)와 재응축기(130) 사이에 구비된 밸브이며, 미설명된 부호 V3는 제2 분배기(D2)와 제1 열교환기(122) 사이에 구비된 밸브이며, 미설명된 부호 V4는 제2 분배기(D2)와 제2 열교환기(124) 사이에 구비된 밸브이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행한 후 BOG를 재응축시킴으로써, 적은 에너지를 사용하여 효율적으로 BOG를 재응축시킬 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템의 동작을 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, LNG 저장 탱크(110)에는 LNG가 액체 상태로 저장될 수 있으며, LNG 저장 탱크(110) 내의 LNG의 온도는 -160℃, 압력은 115kPa일 수 있다. 또한, LNG 저장 탱크(110)에는 저압 펌프(LP, 111)가 구비되어 LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG는 압축함으로써, 압력을 600kPa로 높일 수 있다.
한편, LNG 저장 탱크(110)에는 BOG가 발생될 수 있으며, 발생된 BOG는 압축 및 냉각 모듈(120)로 제공될 수 있다. 압축 및 냉각 모듈(120)로 제공되는 BOG의 온도는 -130℃이며, 압력은 115kPa일 수 있다.
압축 및 냉각 모듈(120)은 LNG 저장 탱크(110)에서 발생된 BOG를 가압 및 냉각시킬 수 있다. 가압 및 냉각된 BOG는 재응축기(130)로 토출될 수 있다.
구체적으로, 제1 압축기(121)는 LNG 저장 탱크(110)에서 발생된 BOG를 1차 가압할 수 있으며, 이에 의해 BOG의 압력은 252.3kPa, 온도는 -92.17℃가 될 수 있다. 이후 제1 열교환기(122)는 1차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 1차 냉각할 수 있으며, 이에 의해 BOG의 온도는 -145℃, 압력은 252.3kPa가 될 수 있다. 이후, 제2 압축기(123)는 1차 냉각된 BOG를 2차 가압하는데, 이에 의해 BOG의 압력은 600kPa, 온도는 -103.7℃가 될 수 있다. 이후, 제2 열교환기(124)는 2차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 2차 냉각할 수 있는데, 이에 의해 BOG의 온도는 -130℃, 압력은 600kPa가 될 수 있다.
이후, 재응축기(130)는 LNG 저장 탱크(110)에 저장된 LNG를 이용하여 압축 및 냉각 모듈(120)에서 토출되는 BOG를 재응축시킬 수 있다. 재응축기(130)에서 재응축된 BOG는 제2 믹서(M2)를 통해 고압 펌프(140)로 제공될 수 있다.
고압 펌프(140)는 재응축기(130)에서 토출된 LNG를 고압으로 압축할 수 있다. 고압 펌프(140)에서 고압으로 압축된 LNG는 제2 분배기(D2)를 통해 제1 열교환기(122) 및 제2 열교환기(124)로 전달되어 BOG의 냉각에 이용됨과 동시에 제1 믹서(M1)를 통해 기화기(150)로 전달될 수 있다.
마지막으로, 기화기(150)는 제1 분배기(M1)로부터 토출되는 LNG를 기화시킨 후 수요처에 공급할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행한 후 BOG를 재응축시킴으로써, 적은 에너지를 사용하여 효율적으로 BOG를 재응축시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 재응축 시스템
110: LNG 저장 탱크
111: 저압 펌프
120: 압축 및 냉각 모듈
121: 제1 압축기
122: 제1 열교환기
123: 제2 압축기
124: 제2 열교환기
130: 재응축기
140: 고압 펌프
150: 기화기
V1 내지 V4: 밸브
M1 내지 M2: 믹서
D1 내지 D2: 분배기

Claims (9)

  1. 저압력 펌프를 구비한 LNG 저장 탱크;
    상기 LNG 저장 탱크에서 발생된 BOG를 가압 및 냉각시키는 압축 및 냉각 모듈;
    상기 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 이용하여 상기 압축 및 냉각 모듈에서 토출되는 BOG를 재응축시키는 재응축기; 및
    상기 재응축기에서 토출된 BOG를 고압으로 압축하는 고압 펌프를 포함하며,
    상기 압축 및 냉각 모듈은, BOG의 가압 및 냉각을 적어도 2회 이상 순차적으로 수행하도록 구성된 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템에서,
    상기 압축 및 냉각 모듈은,
    상기 LNG 저장 탱크에서 발생된 BOG를 1차 가압하는 제1 압축기;
    상기 1차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 1차 냉각하는 제1 열교환기;
    상기 1차 냉각된 BOG를 2차 가압하는 제2 압축기; 및
    상기 2차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 2차 냉각하는 제2 열교환기를 포함하며,
    상기 고압 펌프에 의해 압축된 LNG는, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기로 전달되어 BOG의 냉각에 이용되며,
    상기 재응축 시스템은,
    상기 고압 펌프에서 압축된 LNG, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기에서 토출되는 LNG를 혼합하여 기화기로 전달하는 제1 믹서; 상기 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 상기 재응축기 및 상기 고압 펌프로 분배하는 제1 분배기; 및 상기 고압 펌프에서 압축된 LNG를 상기 제1 믹서, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기로 분배하는 제2 분배기를 포함하는 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압축 및 냉각 모듈에 의해 가압된 BOG의 압력은,
    상기 LNG 저장 탱크에서 토출되는 LNG의 압력과 동일한 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 재응축 시스템은,
    상기 고압 펌프 전단에 구비되어 상기 재응축기에 의해 응축된 BOG 및 상기 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 혼합하여 상기 고압 펌프에 제공하는 제2 믹서를 더 포함하는 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 믹서 및 상기 제1 분배기 사이에는 바이패스 밸브가 구비된 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템.
  9. LNG 저장 탱크;
    상기 LNG 저장 탱크에서 발생된 BOG를 1차 가압하는 제1 압축기;
    상기 1차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 1차 냉각하는 제1 열교환기;
    상기 1차 냉각된 BOG를 2차 가압하는 제2 압축기;
    상기 2차 가압에 의해 온도가 상승하는 BOG를 2차 냉각하는 제2 열교환기;
    상기 LNG 저장 탱크에 저장된 LNG를 이용하여 상기 제2 열교환기에서 토출되는 BOG를 재응축시키는 재응축기; 및
    상기 재응축기에서 토출된 LNG를 고압으로 압축하는 고압 펌프를 포함하며,
    상기 고압 펌프에 의해 압축된 LNG는, 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기로 전달되어 BOG의 냉각에 이용되며,
    상기 2차 가압된 BOG의 압력은, 상기 LNG 저장 탱크에서 토출되는 LNG의 압력과 동일한 이중 압축 및 냉각을 이용한 BOG의 재응축 시스템.
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