KR102106621B1 - 증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 연료탱크에서 생성된 증발가스를 공급하는 가스공급관과, 가스공급관에 연결되어 증발가스를 가압하는 가압유닛과, 가압유닛을 통과한 증발가스와 제1 냉매가 혼합된 제1 가스스트림이 순환하는 제1 순환라인과, 제1 순환라인 상에 설치되어 제1 가스스트림을 가압하는 제1 압축기와, 제1 압축기 후단의 제1 순환라인과 가압유닛 전단의 가스공급관을 열교환하여 제1 가스스트림을 냉각시키는 열교환기와, 제1 순환라인 상에 설치되며, 열교환기에서 냉각된 제1 가스스트림을 팽창시켜 제2 가스스트림을 생성하는 제1 팽창기와, 제2 가스스트림이 유동하며 열교환기를 경유하여 가압유닛 후단의 가스공급관 또는 제1 순환라인에 연결되는 제1 분기라인, 제1 압축기 후단의 제1 순환라인에서 분기되는 액화라인, 폐루프 독립 냉각사이클을 구성하며 제2 냉매가 순환하는 제2 순환라인, 제2 순환라인 상에 설치되어 제2 냉매를 가압하는 제2 압축기, 및 제2 압축기와 축 결합되어 회전하며 제2 냉매를 팽창하는 제2 팽창기를 포함하되, 액화라인은, 열교환기에서 제1 분기라인과 열교환하면서 제2 순환라인과 열교환하여 제1 압축기에서 가압된 제1 가스스트림 중 일부를 액화시킬 수 있다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법{Boil-Off Gas liquefaction system and liquefaction method}

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발가스를 효율적으로 재액화할 수 있고, 장치의 소형화가 가능한 증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)는 일련의 과정을 거쳐 정제된 천연가스를 극저온, 예를 들어, 약 -163℃로 냉각하여 얻을 수 있다. 액화천연가스는 연료비가 저렴할 뿐만 아니라 연료의 이동 및 저장이 용이하며, 타 가스체 대비 연료탱크 등의 초기설비 투자비용이 적게 드는 장점이 있어, 액화천연가스를 연료로 사용하는 선박의 개발이 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

한편, 액화천연가스는 극저온으로 냉각되어 부피를 현저하게 줄인 상태에서 연료탱크에 저장되므로, 연료탱크 내 온도가 상압에서 -163℃보다 약간만 높아도 기화되어 증발가스를 생성한다. 생성된 증발가스는 연료탱크 내부의 압력을 증가시키고, 선박이 요동함에 따라 액화천연가스의 유동을 가속시켜 또 다른 문제를 유발하므로, 소각하거나 재액화하는 등 별도의 처리를 할 필요가 있다. 이에, 서로 독립적인 냉각 사이클을 구성하는 두 개의 냉매를 이용하여 증발가스 또는 천연가스를 냉각 및 액화하는 시스템이 개발되었다. 각각의 냉각 사이클은, 냉매를 가압하여 열교환기로 공급하고, 열교환기를 통과한 냉매를 팽창한 후 다시 열교환기로 공급하여, 가압된 냉매와 팽창된 냉매의 열교환을 통해 냉매를 냉각시킴과 동시에 증발가스 또는 천연가스도 냉각 및 액화시킨다. 그러나, 종래의 시스템은, 가압된 냉매와 팽창된 냉매 사이의 온도 차가 커 액화 효율이 낮으며, 냉매를 저장하기 위한 별도의 저장 설비가 요구되어 장치가 대형화되는 문제가 있다.

이에, 증발가스를 효율적으로 재액화할 수 있고, 장치의 소형화가 가능한 증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법이 필요하게 되었다.

대한민국 등록특허 제10-0786135호 (2007. 12. 10.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 증발가스를 효율적으로 재액화할 수 있고, 장치의 소형화가 가능한 증발가스 재액화 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 증발가스를 효율적으로 재액화할 수 있고, 장치의 소형화가 가능한 증발가스 재액화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 연료탱크에서 생성된 증발가스를 공급하는 가스공급관과, 상기 가스공급관에 연결되어 상기 증발가스를 가압하는 가압유닛과, 상기 가압유닛을 통과한 상기 증발가스와 제1 냉매가 혼합된 제1 가스스트림이 순환하는 제1 순환라인과, 상기 제1 순환라인 상에 설치되어 상기 제1 가스스트림을 가압하는 제1 압축기와, 상기 제1 압축기 후단의 상기 제1 순환라인과 상기 가압유닛 전단의 상기 가스공급관을 열교환하여 상기 제1 가스스트림을 냉각시키는 열교환기와, 상기 제1 순환라인 상에 설치되며, 상기 열교환기에서 냉각된 상기 제1 가스스트림을 팽창시켜 제2 가스스트림을 생성하는 제1 팽창기와, 상기 제2 가스스트림이 유동하며 상기 열교환기를 경유하여 상기 가압유닛 후단의 상기 가스공급관 또는 상기 제1 순환라인에 연결되는 제1 분기라인과, 상기 제1 압축기 후단의 상기 제1 순환라인에서 분기되는 액화라인과, 폐루프 독립 냉각사이클을 구성하며 제2 냉매가 순환하는 제2 순환라인과, 상기 제2 순환라인 상에 설치되어 상기 제2 냉매를 가압하는 제2 압축기, 및 상기 제2 압축기와 축 결합되어 회전하며 상기 제2 냉매를 팽창하는 제2 팽창기를 포함하되, 상기 액화라인은, 상기 열교환기에서 상기 제1 분기라인과 열교환하면서 상기 제2 순환라인과 열교환하여 상기 제1 압축기에서 가압된 상기 제1 가스스트림 중 일부를 액화시킨다.

상기 제2 압축기에서 가압된 상기 제2 냉매는, 상기 열교환기에서 상기 증발가스와 열교환하여 냉각되고, 상기 제2 팽창기에서 팽창된 후 상기 열교환기에서 상기 제1 가스스트림과 열교환하여 상기 제1 가스스트림을 냉각시킬 수 있다.

상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제2 압축기 후단의 상기 제2 순환라인 상에 설치되어 상기 제2 냉매를 추가로 가압하는 적어도 하나의 제2 보조압축기와, 상기 제2 보조압축기의 전단과 후단 중 적어도 일 측에 배치되어 가압된 상기 제2 냉매를 냉각하는 제2 냉각기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 냉매는 상기 제2 냉매보다 끓는점이 높을 수 있다.

상기 제1 냉매는 상기 제2 가스스트림이 가압된 것일 수 있다.

상기 제1 팽창기는 상기 제1 압축기와 축 결합되어 회전할 수 있다.

상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 압축기 후단의 상기 제1 순환라인 상에 설치되어 상기 제1 가스스트림을 추가로 가압하는 적어도 하나의 제1 보조압축기와, 상기 제1 보조압축기의 전단과 후단 중 적어도 일 측에 배치되어 가압된 상기 제1 가스스트림을 냉각하는 제1 냉각기를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 가스스트림은, 상기 열교환기에서 상기 제1 가스스트림과 열교환 후 상기 가압유닛을 통과한 상기 증발가스 또는 상기 제1 가스스트림에 합류될 수 있다.

상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 액화라인 상에 설치되어, 상기 제1 가스스트림이 액화되어 생성된 액체스트림과 미액화가스를 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기에 연결되어 상기 미액화가스를 상기 가스공급관으로 공급하는 제1 회수라인, 및 상기 기액분리기에 연결되어 상기 액체스트림을 상기 연료탱크로 회수하는 제2 회수라인을 더 포함할 수 있다.

상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 가압유닛 후단의 상기 가스공급관에서 분기되어 가압된 상기 증발가스를 연소기관에 공급하는 연료공급관을 더 포함할 수 있다.

상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 연료탱크에 저장된 액화천연가스를 강제 기화하여 생성한 강제증발가스를 상기 연소기관에 공급하는 보조연료공급관을 더 포함하되, 상기 보조연료공급관은 상기 연료공급관에 합류될 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 방법은, 증발가스를 가압하는 (A) 단계와, 가압된 상기 증발가스와 제1 냉매를 혼합하여 제1 가스스트림을 생성하는 (B) 단계와, 상기 제1 가스스트림을 가압한 후 상기 (A) 단계 이전의 상기 증발가스와 열교환하여 냉각시키는 (C) 단계와, 냉각된 상기 제1 가스스트림을 팽창시켜 제2 가스스트림을 생성하는 (D) 단계, 및 상기 (C) 단계에서 가압된 상기 제1 가스스트림 중 일부를 상기 제2 가스스트림과 열교환하면서 제2 냉매와 열교환하여 적어도 일부 액화시키는 (E) 단계를 포함한다.

상기 (C) 단계와 상기 (E) 단계는 하나의 열교환기를 통하여 동시에 수행될 수 있다.

상기 제2 냉매는 폐루프 독립 냉각사이클을 순환하며 상기 (A) 단계 이전의 상기 증발가스와 열교환하여 냉각되고, 팽창된 후 상기 제1 가스스트림과 열교환하여 상기 제1 가스스트림을 냉각시킬 수 있다.

상기 제1 냉매는 상기 제2 냉매보다 끓는점이 높을 수 있다.

상기 제1 냉매는 상기 제2 가스스트림이 가압된 것일 수 있다.

상기 (E) 단계에서 상기 제2 가스스트림은, 상기 제1 가스스트림과 열교환 후 상기 (B) 단계 이전의 상기 증발가스 또는 상기 (B) 단계의 상기 제1 가스스트림에 합류될 수 있다.

상기 (E) 단계 이후에, 상기 제1 가스스트림이 액화되어 생성된 액체스트림과 미액화가스를 분리하고, 상기 미액화가스를 상기 (A) 단계 이전의 상기 증발가스에 혼합하는 (F) 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 연료탱크에서 발생한 증발가스의 냉열을 이용하여 제1 냉매가 포함된 제1 가스스트림과 제2 냉매를 각각 냉각시키므로, 증발가스를 재액화하는데 필요한 열량 및 냉매의 양을 줄일 수 있어 액화효율이 향상될 수 있다.

또한, 제1 가스스트림 및 제2 냉매와 열교환을 통해 상온으로 가열된 증발가스가 가압유닛에 공급되므로, 극저온의 증발가스를 가압하기 위해 사용하던 종래의 극저온 구동용 압축기(cryogenic-endurable type LD compressor) 대신 상온에서 구동되는 압축기를 사용할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.

또한, 가압된 증발가스 중 일부가 제1 냉매에 혼합되어 제1 가스스트림을 형성하므로, 제1 냉매를 압축하는 압축기의 개수 또는 압축 용량을 줄일 수 있어 이에 따른 비용을 절감하고 선박 내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 특히, 제1 냉매의 일부를 증발가스가 충당하므로, 제1 냉매를 저장하기 위한 별도의 저장 설비가 요구되지 않아 장치를 소형화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 구성, 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 증발가스 재액화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법에 관하여 상세히 설명한다.

증발가스 재액화 시스템은, 연료탱크에서 발생한 증발가스를 액화하여 액화천연가스를 생성하는 장치이다.

증발가스 재액화 시스템 및 증발가스 재액화 방법은, 연료탱크에서 발생한 증발가스의 냉열을 이용하여 제1 냉매가 포함된 제1 가스스트림과 제2 냉매를 각각 냉각시키므로, 증발가스를 재액화하는데 필요한 열량 및 냉매의 양을 줄일 수 있어 액화효율이 향상될 수 있다. 또한, 제1 가스스트림 및 제2 냉매와 열교환을 통해 상온으로 가열된 증발가스가 가압유닛에 공급되므로, 극저온의 증발가스를 가압하기 위해 사용하던 종래의 극저온 구동용 압축기(cryogenic-endurable type LD compressor) 대신 상온에서 구동되는 압축기를 사용할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있다. 또한, 가압된 증발가스 중 일부가 제1 냉매에 혼합되어 제1 가스스트림을 형성하므로, 제1 냉매를 압축하는 압축기의 개수 또는 압축 용량을 줄일 수 있어 이에 따른 비용을 절감하고 선박 내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 특히, 제1 냉매의 일부를 증발가스가 충당하므로, 제1 냉매를 저장하기 위한 별도의 저장 설비가 요구되지 않아 장치를 소형화할 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템, 및 재액화 방법에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 구성, 및 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 증발가스 재액화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(1)은, 가스공급관(10)과, 가압유닛(20)과, 제1 순환라인(30)과, 제1 압축기(40)와, 열교환기(50)와, 제1 팽창기(60)와, 제1 분기라인(70), 액화라인(80), 제2 순환라인(90), 제2 압축기(91), 및 제2 팽창기(92)를 포함한다.

가스공급관(10)은 연료탱크(11)에서 생성된 증발가스를 공급하는 관으로, 액화가스가 저장된 연료탱크(11)의 상부에 연결될 수 있다. 여기서, 액화가스라 함은, 가스 상태의 화합물이나 혼합물을 냉각 또는 압축하여 액화(液化)한 가스로, 예를 들어, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)나 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; LPG)일 수 있다. 이하, 액화가스가 액화천연가스인 것으로 한정하여 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 증발가스라 함은, 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 생성된 자연증발가스(Boil-Off Gas; BOG)로, 연료탱크(11)에서 생성된 증발가스의 온도는 약 -163℃일 수 있다. 연료탱크(11)는 외부로부터 전달되는 열에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화하기 위해 밀봉 및 단열 처리되며, 적어도 하나 이상이 구비될 수 있다. 도면 상에는 4개의 연료탱크(11)가 구비된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 연료탱크(11)의 개수는 필요에 따라 가감될 수 있다. 각각의 연료탱크(11)에 연결된 복수 개의 가스공급관(10)은 하나로 합쳐져 연장되며, 합류 부분 후단의 가스공급관(10) 상에는 가압유닛(20)이 연결될 수 있다. 연료탱크(11)에서 생성된 증발가스는 가스공급관(10)을 유동하며 약 -110℃로 온도가 상승할 수 있다.

가압유닛(20)은 가스공급관(10)을 통해 공급되는 증발가스를 가압하는 것으로, 적어도 하나의 압축기를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 압축기는 복수 개가 직렬로 연결되어 증발가스를 다단으로 가압할 수 있으며, 복수 개의 압축기가 직렬로 연결되는 경우, 압축기 사이에 냉각기가 배치되어 증발가스의 가압에 따른 과도한 온도 증가를 방지할 수 있다. 가스공급관(10)은 후술할 열교환기(50)를 경유한 후 가압유닛(20)에 연결된다. 따라서, 증발가스는 열교환기(50)에서 후술할 제1 가스스트림과 열교환을 통해 냉열이 회수된 후 상온 상태, 예를 들어, 약 37℃로 가압유닛(20)에 공급되며, 이로 인해, 가압유닛(20)의 압축기는 종래의 극저온 구동용 압축기 대신 상온 구동용 압축기가 사용될 수 있다. 가압유닛(20)에 상온 구동용 압축기가 사용됨으로써, 극저온 구동용 압축기를 사용하던 종래의 경우보다 설치 및 유지 비용을 절감할 수 있다.

가압유닛(20)은 증발가스를 예를 들어, 약 15bar로 가압하며, 가압된 증발가스는 일부가 제1 냉매와 혼합되어 제1 가스스트림을 생성할 수 있다. 여기서, 제1 냉매라 함은, 후술할 제1 순환라인(30)을 순환하며 액화될 증발가스를 냉각시키는 작용을 하므로, 설명의 편의 상 냉매라고 표현하였으며, 증발가스와 동일한 성분으로 형성되거나, 증발가스 자체일 수 있다. 보다 구체적으로, 가압유닛(20)을 통과한 증발가스는 가스공급관(10)을 통해 유동하여 제1 순환라인(30)에 합류되며, 제1 순환라인(30)을 순환하는 제1 냉매에 혼합되어 제1 가스스트림을 생성한다. 즉, 제1 순환라인(30)에는 가압된 증발가스와 제1 냉매가 혼합된 제1 가스스트림이 순환하며, 제1 가스스트림은 액화될 증발가스의 냉매로써 활용된다. 제1 냉매는 증발가스와 동일한 성분의 메탄(CH₄)이므로, 증발가스와 용이하게 혼합되어 제1 가스스트림을 생성할 수 있다. 가압된 증발가스가 제1 냉매에 혼합되어 제1 가스스트림을 생성함으로써,제1 냉매를 저장하기 위한 별도의 저장 설비가 요구되지 않으며, 이로 인해, 장치가 소형화될 수 있다.

제1 순환라인(30)은 제1 가스스트림을 가압 및 팽창하는 사이클을 구성하며, 제1 압축기(40)와 제1 팽창기(60)가 설치될 수 있다. 제1 압축기(40)는 제1 가스스트림을 가압하는 것으로, 통상의 압축기 또는 압축터빈일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 순환라인(30) 상에는 가압된 증발가스가 제1 냉매에 혼합된 제1 가스스트림이 순환하므로, 제1 압축기(40)의 압축 용량을 줄일 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있다. 필요에 따라, 제1 압축기(40) 후단의 제1 순환라인(30) 상에는 적어도 하나의 제1 보조압축기(100)와 제1 냉각기(110)가 설치될 수 있다. 제1 보조압축기(100)는 제1 가스스트림을 추가로 가압하며, 제1 가스스트림은 제1 압축기(40)와 제1 보조압축기(100)에 의해 다단으로 가압되어 약 55bar의 상태가 될 수 있다. 제1 순환라인(30)을 순환하는 제1 가스스트림은 가압유닛(20)에서 가압된 증발가스가 포함되어 있으므로, 제1 보조압축기(100)의 개수 및 용량을 줄이거나 생략할 수 있어 이에 따른 비용이 절감될 수 있다. 제1 보조압축기(100)의 전단과 후단 중 적어도 일 측에는 제1 냉각기(110)가 배치되어 가압된 제1 가스스트림을 냉각할 수 있다. 제1 압축기(40)에서 가압된 제1 가스스트림은 제1 순환라인(30)을 따라 유동하여 열교환기(50)로 공급된다.

열교환기(50)는 제1 압축기(40) 후단의 제1 순환라인(30)과, 가압유닛(20) 전단의 가스공급관(10)을 열교환하는 것으로, 예를 들어, 다층 열교환기일 수 있다. 열교환기(50)는 제1 순환라인(30)을 통해 공급되는 가압된 제1 가스스트림과, 가스공급관(10)을 통해 공급되는 가압 전의 증발가스를 열교환하여 제1 가스스트림을 냉각시킨다. 이러한 열교환을 통해 증발가스는 냉열이 회수되어 상온 상태가 되며, 제1 가스스트림은 팽창되어 액화되기에 적합한 온도로 냉각된다.

제1 팽창기(60)는 열교환기(50)에서 냉각된 제1 가스스트림을 팽창시켜 제1 가스스트림보다 온도와 압력이 낮은 제2 가스스트림을 생성하는 것으로, 통상의 줄톰슨 팽창밸브 또는 팽창터빈일 수 있다. 예를 들어, 제1 압축기(40)는 압축터빈으로 형성되고, 제1 팽창기(60)는 팽창터빈으로 형성되어 제1 압축기(40)와 축 결합되어 회전할 수 있다. 다시 말해, 제1 압축기(40)와 제1 팽창기(60)는 축 결합되어 일체로 회전하는 컴팬더(compander)일 수 있다. 제1 가스스트림은 제1 팽창기(60)를 통과하며 팽창되어 온도가 약 -110℃로 낮아지며 제2 가스스트림을 생성한다. 생성된 제2 가스스트림은 제1 분기라인(70)을 통해 유동한다.

제1 분기라인(70)은 제2 가스스트림이 유동하는 관으로, 일단이 제1 팽창기(60)에 연결되고 타단이 열교환기(50)를 경유하여 가압유닛(20) 후단의 가스공급관(10) 또는 열교환기(50) 전단의 제1 순환라인(30)에 연결된다. 제1 분기라인(70)이 열교환기(50)를 경유함으로써, 제2 가스스트림의 냉열이 후술할 액화라인(80)을 유동하는 제1 가스스트림에 전달되어 제1 가스스트림 중 일부가 액화될 수 있다. 또한, 제1 분기라인(70)이 열교환기(50)를 경유하여 가압유닛(20) 후단의 가스공급관(10) 또는 열교환기(50) 전단의 제1 순환라인(30)에 연결됨으로써, 제2 가스스트림은 열교환기(50)에서 제1 가스스트림과 열교환 후 가압유닛(20)을 통과한 증발가스 또는 제1 가스스트림에 합류될 수 있다. 이하, 제1 분기라인(70)의 타단이 가압유닛(20) 후단의 가스공급관(10)에 연결되는 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 제1 분기라인(70)은 열교환기(50)를 경유하여 가압유닛(20) 후단의 가스공급관(10)에 연결된다. 제2 가스스트림은 열교환기(50)에서 액화라인(80)을 유동하는 제1 가스스트림과 열교환을 통해 냉열이 회수된 후 가압유닛(20)에서 가압된 증발가스에 합류되어 제1 압축기(40)를 통과한다. 즉, 제1 냉매는 제2 가스스트림이 가압된 것이고, 제2 가스스트림은 제1 가스스트림이 감압된 것이다.

액화라인(80)은 증발가스, 보다 구체적으로, 증발가스가 포함된 제1 가스스트림을 액화하는 라인으로, 제1 압축기(40) 후단의 제1 순환라인(30)에서 분기되어 열교환기(50)를 통과한다. 즉, 제1 압축기(40)에서 가압된 제1 가스스트림 중 일부는 제1 순환라인(30)을 따라 유동하여 열교환기(50)를 통과하고, 나머지 일부는 액화라인(80)을 따라 유동하여 열교환기(50)를 통과한다. 액화라인(80)은 열교환기(50)에서 전술한 제1 분기라인(70)과 열교환하면서 후술할 제2 순환라인(90)과 열교환하여 제1 압축기(40)에서 가압된 제1 가스스트림 중 일부를 액화시킨다. 연료탱크(11)에서 발생한 증발가스의 냉열을 이용하여 제1 가스스트림을 냉각시키고, 제1 가스스트림이 감압된 제2 가스스트림과 제2 냉매의 냉열을 이용하여 제1 가스스트림을 냉각 및 액화함으로써, 제1 가스스트림을 액화하는데 필요한 열량 및 냉매의 양을 줄일 수 있어 시스템의 액화효율이 향상될 수 있다. 또한, 하나의 열교환기(50)를 통하여 전술한 일련의 과정이 동시에 수행됨으로써, 장치의 소형화를 구현할 수 있다.

제2 순환라인(90)은 제2 냉매가 순환하는 라인으로, 제2 냉매를 가압 및 팽창하는 폐루프 독립 냉각사이클을 구성한다. 제2 냉매는 제1 냉매보다 끓는 점이 낮은 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 질소를 포함할 수 있다. 제2 냉매가 제1 냉매보다 끓는 점이 낮은 물질로 형성됨으로써, 제1 가스스트림은 제1 냉매를 포함하는 제2 가스스트림과 열교환하여 액화되고, 제2 냉매와 열교환하여 추가로 냉각될 수 있다. 제2 순환라인(90) 상에는 제2 압축기(91)와 제2 팽창기(92)가 설치될 수 있다.

제2 압축기(91)는 제2 냉매를 가압하는 것으로, 통상의 압축기 또는 압축터빈일 수 있다. 제2 압축기(91)에서 가압된 제2 냉매는 제2 순환라인(90)을 따라 유동하여 열교환기(50)로 공급된다. 필요에 따라, 제2 압축기(91) 후단의 제2 순환라인(90) 상에는 적어도 하나의 제2 보조압축기(120)와 제2 냉각기(130)가 설치될 수도 있다. 제2 보조압축기(120)는 제2 냉매를 추가로 가압하며, 복수 개가 직렬로 연결되어 제2 냉매를 다단으로 가압할 수 있다. 예를 들어, 제2 보조압축기(120)는 제2 냉매를 약 55bar로 가압할 수 있다. 복수 개의 제2 보조압축기(120)가 직렬로 연결되는 경우, 제2 보조압축기(120)의 전단과 후단 중 적어도 일 측에는 제2 냉각기(130)가 배치되어 가압된 제2 냉매를 냉각할 수 있다. 제2 압축기(91) 및 제2 보조압축기(120)에서 가압된 제2 냉매는 제2 순환라인(90)을 따라 순환하며 열교환기(50)에서 가압 전의 증발가스와 열교환하여 냉각되고, 열교환기(50)에서 냉각된 제2 냉매는 제2 팽창기(92)로 공급된다. 즉, 열교환기(50)에는 가스공급관(10), 제1 순환라인(30), 제1 분기라인(70), 및 액화라인(80)과 함께 제2 순환라인(90)이 통과한다.

제2 팽창기(92)는 열교환기(50)에서 냉각된 제2 냉매를 팽창시키는 것으로, 통상의 줄톰슨 팽창밸브 또는 팽창터빈일 수 있다. 예를 들어, 제2 압축기(91)는 압축터빈으로 형성되고, 제2 팽창기(92)는 팽창터빈으로 형성되어 제2 압축기(91)와 축 결합되어 회전할 수 있다. 다시 말해, 제2 압축기(91)와 제2 팽창기(92)는 축 결합되어 일체로 회전하는 컴팬더(compander)일 수 있다. 제2 냉매는 제2 팽창기(92)에서 팽창되어 온도가 약 -160℃로 낮아지며, 극저온의 상태로 열교환기(50)에 공급된다. 열교환기(50)로 공급된 극저온의 제2 냉매는, 액화라인(80)을 유동하는 제1 가스스트림과 열교환하여 액화된 제1 가스스트림을 추가로 냉각시킴과 동시에, 제1 순환라인(30)을 유동하는 제1 가스스트림, 및 제2 압축기(91)와 제2 보조압축기(120)에서 가압된 제2 냉매도 냉각시킬 수 있다.

열교환기(50) 후단의 액화라인(80) 상에는 기액분리기(140)가 설치될 수 있다. 기액분리기(140)는 제1 가스스트림이 액화되어 생성된 액체스트림과 미액화가스를 분리하는 것으로, 예를 들어, 중력분리기로 형성될 수 있다. 기액분리기(140)가 액체스트림과 미액화가스를 분리함으로써, 기상 성분과 액상 성분이 동시에 배관 내부를 유동할 경우 발생할 수 있는 배관 침식, 슬러그 발생 문제를 방지할 수 있다. 그러나, 기액분리기(140)가 중력분리기로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 액체스트림과 미액화가스를 분리할 수 있는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 기액분리기(140)에는 제1 회수라인(141)과 제2 회수라인(142)이 연결된다.

제1 회수라인(141)은 기액분리기(140)에서 분리된 미액화가스를 가스공급관(10)으로 공급하는 라인으로, 일단이 기액분리기(140)의 상단에 연결되고 타단이 연료탱크(11)와 열교환기(50) 사이의 가스공급관(10)에 연결된다. 즉, 기액분리기(140)에서 액체스트림과 분리된 미액화가스는 가압 전의 증발가스에 혼합되어 전술한 일련의 과정을 거치게 된다.

제2 회수라인(142)은 기액분리기(140)에서 분리된 액체스트림을 연료탱크(11)로 회수하는 라인으로, 일단이 기액분리기(140)의 하단에 연결되고 타단이 연료탱크(11) 또는 연료탱크(11)에 액화천연가스를 공급하는 급유라인(도시되지 않음)에 연결된다.

한편, 가압유닛(20) 후단의 가스공급관(10)에는 연료공급관(150)이 분기될 수 있다. 연료공급관(150)은 가압유닛(20)에서 가압된 증발가스 중 일부를 분기하여 연소기관(G)에 공급하는 라인으로, 일단이 가스공급관(10) 또는 가압유닛(20)에 연결되고 타단이 연소기관(G)에 연결된다. 즉, 가압유닛(20)은 연소기관(G)에 공급될 연료로서의 증발가스를 가압하는 역할과, 제1 순환라인(30)으로 공급될 냉매로서의 증발가스를 가압하는 역할을 동시에 수행한다. 연소기관(G)은 증발가스를 연소하여 증기 또는 동력을 발생시키는 것으로, 증기를 생성하는 이중 연료 보일러, 추진력을 생성하는 메인 엔진, 필요 전력을 생성하는 발전용 엔진 중 적어도 하나일 수 있다. 연소기관(G) 전단의 연료공급관(150) 상에는 적어도 하나의 히터(151)가 설치되어, 가압된 증발가스가 연료공급관(150)을 따라 유동할 때 온도가 낮아져 액화되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 연소기관(G)에는 보조연료공급관(160)을 통해 증발가스가 공급될 수도 있다. 보조연료공급관(160)은 연료탱크(11)에 저장된 액화천연가스를 강제 기화하여 생성한 강제증발가스를 연소기관(G)에 공급하는 라인으로, 자연적으로 발생된 자연증발가스의 양이 충분하지 않을 때 개방될 수 있다. 보조연료공급관(160)은 일단이 연료탱크(11) 하부에 연결되며, 타단이 연소기관(G)에 연결되거나 연료공급관(150)에 합류될 수 있다. 보다 구체적으로, 보조연료공급관(160)은 일단이 연료탱크(11) 내부에 수용된 스프레이펌프(12)에 연결되며, 스프레이펌프(12)는 액화천연가스를 고압으로 가압하여 후술할 기화기(161)에 공급할 수 있다. 스프레이펌프(12)가 액화천연가스를 가압하여 공급함으로써, 기화기(161)에서 강제증발가스의 생성이 용이하게 이루어질 수 있다. 그러나, 보조연료공급관(160)의 일단이 스프레이펌프(12)에 연결되는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 연료탱크(11) 외부로 노출되는 보조연료공급관(160) 상에 별도의 가압펌프가 설치될 수도 있다.

기화기(161)는 가압된 액화천연가스를 가열하여 강제증발가스를 생성하는 것으로, 보조연료공급관(160) 상에 적어도 하나가 설치될 수 있다. 기화기(161)는 해수 또는 냉매와 액화천연가스의 열교환을 통해 액화천연가스를 가열하여 강제증발가스를 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 액화천연가스는 스프레이펌프(12)에서 고압으로 가압된 상태이므로, 기화기(161)에서 해수 또는 냉매와 열교환을 통해 용이하게 강제증발가스로 기화될 수 있다. 기화기(161) 후단의 보조연료공급관(160) 상에는 강제증발가스에 포함된 수분을 분리하는 수분분리기(162)가 설치될 수 있다. 기화기(161) 후단에 수분분리기(162)가 설치됨으로써, 연소기관(G)에는 수분이 제거된 강제증발가스만 공급될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 증발가스 재액화 방법은, 증발가스를 가압하는 (A) 단계와, 가압된 증발가스와 제1 냉매를 혼합하여 제1 가스스트림을 생성하는 (B) 단계와, 상기 제1 가스스트림을 가압한 후 가압 전의 증발가스와 열교환하여 냉각시키는 (C) 단계와, 냉각된 제1 가스스트림을 팽창시켜 제2 가스스트림을을 생성하는 (D) 단계, 및 가압된 제1 가스스트림 중 일부를 제2 가스스트림과 열교환하면서 제2 냉매와 열교환하여 액화시키는 (E) 단계를 포함한다.

연료탱크(11)에서 생성된 증발가스는 가스공급관(10)을 따라 유동하여 가압유닛(20)으로 공급되어 가압된다(S100). 이 때, 가스공급관(10)은 열교환기(50)를 경유한 후 가압유닛(20)에 연결되므로, 증발가스는 열교환기(50)에서 제1 순환라인(30)을 유동하는 제1 가스스트림과 열교환하여 냉열이 회수된 후 상온 상태로 가압유닛(20)에 공급된다. 가압유닛(20)에서 가압된 증발가스는 일부가 연료공급관(150)을 통해 연소기관(G)으로 공급되고, 나머지 일부가 가스공급관(10)을 통해 제1 냉매에 혼합되어 제1 가스스트림을 생성한다(S110). 제1 가스스트림은 제1 순환라인(30)을 따라 유동하여 제1 압축기(40) 및 제1 보조압축기(100)에서 압축되며, 제1 냉각기(110)에서 냉각된 후 열교환기(50)로 공급된다. 열교환기(50)는, 제1 순환라인(30)을 따라 공급되는 가압된 제1 가스스트림, 및 제2 순환라인(90)을 따라 공급되는 가압된 제2 냉매를, 가스공급관(10)을 따라 공급되는 가압 전의 증발가스와 열교환하여 제1 가스스트림과 제2 냉매를 냉각시킨다(S120). 열교환기(50)에서 냉각된 제1 가스스트림은 제1 팽창기(60)를 통과하며 팽창되어 제2 가스스트림을 생성하고(S130), 생성된 제2 가스스트림은 제1 분기라인(70)을 통해 유동한다. 또한, 열교환기(50)는, 액화라인(80)을 따라 공급되는 가압된 제1 가스스트림을, 제1 분기라인(70)을 따라 공급되는 제2 가스스트림, 및 제2 순환라인(90)을 따라 공급되는 팽창된 제2 냉매과 열교환하여 제1 가스스트림을 액화시킨다(S140). 액화된 제1 가스스트림은 액화라인(80)을 따라 기액분리기(140)로 공급되며, 기액분리기(140)는 액체스트림과 미액화가스를 분리한다. 분리된 미액화가스는 제1 회수라인(141)을 통해 가스공급관(10)으로 공급되어 가압 전의 증발가스에 혼합되고(S150), 액체스트림은 제2 회수라인(142)을 통해 연료탱크(11)로 회수된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 증발가스 재액화 시스템
10: 가스공급관 11: 연료탱크
12: 스프레이펌프 20: 가압유닛
30: 제1 순환라인 40: 제1 압축기
50: 열교환기 60: 제1 팽창기
70: 제1 분기라인 80: 액화라인
90: 제2 순환라인 91: 제2 압축기
92: 제2 팽창기 100: 제1 보조압축기
110: 제1 냉각기 120: 제2 보조압축기
130: 제2 냉각기 140: 기액분리기
141: 제1 회수라인 142: 제2 회수라인
150: 연료공급관 151: 히터
160: 보조연료공급관 161: 기화기
162: 수분분리기

Claims (18)

1. 연료탱크에서 생성된 증발가스를 공급하는 가스공급관;
   상기 가스공급관에 연결되어 상기 증발가스를 가압하는 가압유닛;
   상기 가압유닛을 통과한 상기 증발가스와 제1 냉매가 혼합된 제1 가스스트림이 순환하는 제1 순환라인;
   상기 제1 순환라인 상에 설치되어 상기 제1 가스스트림을 가압하는 제1 압축기;
   상기 제1 압축기 후단의 상기 제1 순환라인과 상기 가압유닛 전단의 상기 가스공급관을 열교환하여 상기 제1 가스스트림을 냉각시키는 열교환기;
   상기 제1 순환라인 상에 설치되며, 상기 열교환기에서 냉각된 상기 제1 가스스트림을 팽창시켜 제2 가스스트림을 생성하는 제1 팽창기;
   상기 제2 가스스트림이 유동하며 상기 열교환기를 경유하여 상기 가압유닛 후단의 상기 가스공급관 또는 상기 제1 순환라인에 연결되는 제1 분기라인;
   상기 제1 압축기 후단의 상기 제1 순환라인에서 분기되는 액화라인;
   폐루프 독립 냉각사이클을 구성하며 제2 냉매가 순환하는 제2 순환라인;
   상기 제2 순환라인 상에 설치되어 상기 제2 냉매를 가압하는 제2 압축기; 및
   상기 제2 압축기와 축 결합되어 회전하며 상기 제2 냉매를 팽창하는 제2 팽창기를 포함하되,
   상기 액화라인은, 상기 열교환기에서 상기 제1 분기라인과 열교환하면서 상기 제2 순환라인과 열교환하여 상기 제1 압축기에서 가압된 상기 제1 가스스트림 중 일부를 액화시키는 증발가스 재액화 시스템.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제2 압축기에서 가압된 상기 제2 냉매는, 상기 열교환기에서 상기 증발가스와 열교환하여 냉각되고, 상기 제2 팽창기에서 팽창된 후 상기 열교환기에서 상기 제1 가스스트림과 열교환하여 상기 제1 가스스트림을 냉각시키는 증발가스 재액화 시스템.
3. 제2 항에 있어서, 상기 제2 압축기 후단의 상기 제2 순환라인 상에 설치되어 상기 제2 냉매를 추가로 가압하는 적어도 하나의 제2 보조압축기와,
   상기 제2 보조압축기의 전단과 후단 중 적어도 일 측에 배치되어 가압된 상기 제2 냉매를 냉각하는 제2 냉각기를 더 포함하는 증발가스 재액화 시스템.
4. 제2 항에 있어서, 상기 제1 냉매는 상기 제2 냉매보다 끓는점이 높은 증발가스 재액화 시스템.
5. 제4 항에 있어서, 상기 제1 냉매는 상기 제2 가스스트림이 가압된 것인 증발가스 재액화 시스템.
6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 팽창기는 상기 제1 압축기와 축 결합되어 회전하는 증발가스 재액화 시스템.
7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 압축기 후단의 상기 제1 순환라인 상에 설치되어 상기 제1 가스스트림을 추가로 가압하는 적어도 하나의 제1 보조압축기와,
   상기 제1 보조압축기의 전단과 후단 중 적어도 일 측에 배치되어 가압된 상기 제1 가스스트림을 냉각하는 제1 냉각기를 더 포함하는 증발가스 재액화 시스템.
8. 제1 항에 있어서, 상기 제2 가스스트림은, 상기 열교환기에서 상기 제1 가스스트림과 열교환 후 상기 가압유닛을 통과한 상기 증발가스 또는 상기 제1 가스스트림에 합류되는 증발가스 재액화 시스템.
9. 제1 항에 있어서, 상기 액화라인 상에 설치되어, 상기 제1 가스스트림이 액화되어 생성된 액체스트림과 미액화가스를 분리하는 기액분리기와,
   상기 기액분리기에 연결되어 상기 미액화가스를 상기 가스공급관으로 공급하는 제1 회수라인, 및
   상기 기액분리기에 연결되어 상기 액체스트림을 상기 연료탱크로 회수하는 제2 회수라인을 더 포함하는 증발가스 재액화 시스템.
10. 제1 항에 있어서, 상기 가압유닛 후단의 상기 가스공급관에서 분기되어 가압된 상기 증발가스를 연소기관에 공급하는 연료공급관을 더 포함하는 증발가스 재액화 시스템.
11. 제10 항에 있어서, 상기 연료탱크에 저장된 액화천연가스를 강제 기화하여 생성한 강제증발가스를 상기 연소기관에 공급하는 보조연료공급관을 더 포함하되,
    상기 보조연료공급관은 상기 연료공급관에 합류되는 증발가스 재액화 시스템.
12. 증발가스를 가압하는 (A) 단계;
    가압된 상기 증발가스와 제1 냉매를 혼합하여 제1 가스스트림을 생성하는 (B) 단계;
    상기 제1 가스스트림을 가압한 후 상기 (A) 단계 이전의 상기 증발가스와 열교환하여 냉각시키는 (C) 단계;
    냉각된 상기 제1 가스스트림을 팽창시켜 제2 가스스트림을 생성하는 (D) 단계; 및
    상기 (C) 단계에서 가압된 상기 제1 가스스트림 중 일부를 상기 제2 가스스트림과 열교환하면서 제2 냉매와 열교환하여 적어도 일부 액화시키는 (E) 단계;를 포함하는 증발가스 재액화 방법.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 (C) 단계와 상기 (E) 단계는 하나의 열교환기를 통하여 동시에 수행되는 증발가스 재액화 방법.
14. 제13 항에 있어서, 상기 제2 냉매는 폐루프 독립 냉각사이클을 순환하며 상기 (A) 단계 이전의 상기 증발가스와 열교환하여 냉각되고, 팽창된 후 상기 제1 가스스트림과 열교환하여 상기 제1 가스스트림을 냉각시키는 증발가스 재액화 방법.
15. 제14 항에 있어서, 상기 제1 냉매는 상기 제2 냉매보다 끓는점이 높은 증발가스 재액화 방법.
16. 제15 항에 있어서, 상기 제1 냉매는 상기 제2 가스스트림이 가압된 것인 증발가스 재액화 방법.
17. 제12 항에 있어서, 상기 (E) 단계에서 상기 제2 가스스트림은, 상기 제1 가스스트림과 열교환 후 상기 (B) 단계 이전의 상기 증발가스 또는 상기 (B) 단계의 상기 제1 가스스트림에 합류되는 증발가스 재액화 방법.
18. 제12 항에 있어서, 상기 (E) 단계 이후에, 상기 제1 가스스트림이 액화되어 생성된 액체스트림과 미액화가스를 분리하고, 상기 미액화가스를 상기 (A) 단계 이전의 상기 증발가스에 혼합하는 (F) 단계를 더 포함하는 증발가스 재액화 방법.

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