KR102120541B1 - 증발가스 재액화 시스템 및 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 선박에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 다단으로 압축하여 수요처로 공급하는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스와 상기 증발가스 압축기로 유입되는 증발가스를 열교환하는 증발가스 열교환기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 후 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 기액분리하는 기액분리기를 포함하며, 고압단의 상기 증발가스 압축기에서 사용되는 윤활유가 증발가스에 혼합되어 상기 증발가스 열교환기로 유입되고, 상기 증발가스 열교환기에 유입된 윤활유의 제거를 위해 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입하는 경우, 상기 증발가스 열교환기에서 배출되는 고온 증발가스를 상기 감압밸브의 상류에서 저압 수요처로 전달하는 고온 증발가스 전달라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 선박{Reliquefaction system for boil-off gas and ship having the same}
본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 선박에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 엔진의 연료로 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 선박에 구비되는 엔진의 연료로 사용되기 위하여 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 약 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 약 1/260의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다.
그러나 액화가스는 온도를 비등점 이하로 낮추어 강제로 액화시킨 극저온 상태로 보관되기 때문에, 외부로부터 열이 침투됨에 따라 액화가스 일부가 자연적으로 기화하여 증발가스로 변화하게 된다.
이때 기체로 상변화한 증발가스는 부피가 대폭 증가하므로 액화가스 저장탱크의 내부 압력을 높이는 요인이 되며, 액화가스 저장탱크의 내압이 액화가스 저장탱크가 견딜 수 있는 압력을 초과하게 되면 액화가스 저장탱크가 파손될 우려가 있다.
따라서 종래에는, 액화가스 저장탱크의 내압을 일정하게 유지하기 위해서, 증발가스를 외부로 방출해 연소시켜서 액화가스 저장탱크의 내압을 낮추거나, 별도의 냉매를 이용하는 재액화장치를 통해 증발가스를 액화시킨 후 액화가스 저장탱크로 회수하는 방식을 사용하였다.
그러나 증발가스를 단순히 외부로 방출하는 경우에는 환경오염 문제가 발생하며, 재액화장치를 사용할 경우에는 재액화장치를 구비하고 운영하기 위해 필요한 비용, 인력 등의 문제가 발생하게 된다. 따라서 외부 열침투에 의해 발생되는 증발가스의 효과적인 처리방법의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 종래기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 증발가스를 열교환, 감압을 통해 액화시켜서 재액화장치가 생략되거나 축소될 수 있도록 하면서, 증발가스 압축기에서 사용되는 윤활유가 증발가스 열교환기 등에 유입되는 경우 윤활유를 효율적으로 처리할 수 있는 증발가스 재액화 시스템 및 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 다단으로 압축하여 수요처로 공급하는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스와 상기 증발가스 압축기로 유입되는 증발가스를 열교환하는 증발가스 열교환기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 후 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 기액분리하는 기액분리기를 포함하며, 고압단의 상기 증발가스 압축기에서 사용되는 윤활유가 증발가스에 혼합되어 상기 증발가스 열교환기로 유입되고, 상기 증발가스 열교환기에 유입된 윤활유의 제거를 위해 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입하는 경우, 상기 증발가스 열교환기에서 배출되는 고온 증발가스를 상기 감압밸브의 상류에서 저압 수요처로 전달하는 고온 증발가스 전달라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스가 상기 증발가스 열교환기를 우회하여 상기 증발가스 압축기로 전달되도록 하는 증발가스 우회라인; 및 상기 증발가스 우회라인의 흐름을 제어하는 증발가스 우회밸브를 더 포함하며, 상기 증발가스 우회밸브는, 상기 증발가스 열교환기에 유입된 윤활유의 제거를 위해 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입할 경우, 상기 증발가스 열교환기에 주입된 증발가스가 고온 상태를 유지할 수 있도록 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 저온 증발가스가 상기 증발가스 우회라인으로 흐르도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 상기 증발가스 압축기를 경유하여 상기 수요처로 연결되는 증발가스 공급라인; 및 상기 증발가스 공급라인에서 상기 증발가스 압축기의 하류로부터 분기되어 상기 증발가스 열교환기, 상기 감압밸브, 상기 기액분리기를 경유하여 상기 액화가스 저장탱크로 연결되는 증발가스 리턴라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 고온 증발가스 전달라인은, 상기 증발가스 리턴라인에서 상기 감압밸브의 상류로부터 분기되어 상기 저압 수요처로 연결될 수 있다.
구체적으로, 저압단의 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 저압 수요처로 공급하는 저압 증발가스 공급라인; 및 상기 저압 증발가스 공급라인에서 분기되어 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입하는 저압 증발가스 리턴라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 저압 증발가스 공급라인의 흐름을 제어하는 저압 증발가스 공급밸브를 더 포함하고, 상기 저압 증발가스 공급밸브는, 상기 증발가스 열교환기에 유입된 윤활유의 제거를 위해 저압단의 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입할 경우 밀폐될 수 있다.
구체적으로, 상기 고온 증발가스 전달라인은, 상기 저압 증발가스 공급라인에서 상기 저압 증발가스 공급밸브의 하류에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 증발가스 재액화 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 선박은, 증발가스를 감압하여 액화시키기 위해 고압으로 압축하는 과정에서, 고압단의 증발가스 압축기에서 사용되는 윤활유가 증발가스 열교환기 등에 유입됨에 따라 증발가스의 흐름을 방해하는 것을 대비하여, 윤활유를 효과적으로 제거해 재액화 효율을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템을 갖는 선박의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 기액분리기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템에서 기액분리기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템에서 기액분리기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템에서 기액분리기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제8 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제9 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 제9 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 13은 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 14는 본 발명에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 15는 본 발명에 따른 가스 처리 시스템의 가스 처리 상태를 설명하는 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서 액화가스는 비등점이 상온보다 낮아 상온에서 기체상태가 되는 물질로서 LPG, LNG, 에탄, 등일 수 있으며, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있다. 또한 증발가스는 자연 기화된 액화가스인 BOG(Boil-Off Gas)를 의미할 수 있다. 또한 액화가스와 증발가스의 현재 상태(기체, 액체 등)가 명칭으로 인해 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 일례로 증발가스는 재액화에 의해 액체 상태인 경우를 포괄한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템을 갖는 선박의 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)이 적용된 선박(1)은, 선체 내부에 길이 방향으로 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)를 탑재하는 액화가스 운반선일 수 있으며, 일례로 선박(1)은 LNG 운반선일 수 있다.
선박(1)의 선내에 마련되는 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 비등점이 상온보다 낮은 가스를 액화시켜서 극저온 상태로 저장할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 멤브레인형, 독립형, 압력용기형 등의 타입으로 이루어질 수 있지만 특별히 한정되지 않는다. 다만 타입과 무관하게 액화가스 저장탱크(10)의 내부에서는 액화가스 중 일부가 자연기화하여 증발가스를 발생시키게 되는데, 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)의 내압을 상승하게 되므로 문제될 수 있다.
따라서 본 실시예는 액화가스 저장탱크(10)의 내압에 따라 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)의 외부로 배출시킬 수 있으며, 배출된 증발가스는 재액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.
또는 본 발명은 증발가스를 수요처(3)의 연료로 사용할 수도 있는데, 이때 수요처(3)는 선박(1)에 마련될 수 있으며, 일례로 선박(1)을 추진시키는 고압엔진(3a)(ME-GI 엔진, XDF 엔진 등), 선박(1) 내부 전력 부하를 커버하기 위한 저압엔진(3b)(DFDE 발전엔진) 및/또는 가스연소장치(3c)(GCU) 등일 수 있다.
다만 이하 본 명세서에서 수요처(3)는 저압엔진(3b), 가스연소장치(3c)와 같은 저압 수요처(3)를 제외한 고압엔진(3a)과 같은 고압 수요처(3)를 한정적으로 나타내는 것일 수 있음을 알려둔다.
액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스 외에도 액화가스 또한 수요처(3)의 연료로 사용될 수 있음은 물론이며, 이를 위해 액화가스 저장탱크(10)와 수요처(3) 사이에는 강제기화기(도시하지 않음), 헤비카본 분리기(도시하지 않음), 고압펌프(도시하지 않음) 등과 같이 액화가스 공급을 위해 필요한 공지구성들이 마련될 수 있다.
선박(1)의 상갑판 상에는 선실(부호 도시하지 않음), 엔진 케이싱(부호 도시하지 않음) 등이 마련되며, 증발가스 재액화 시스템(2)의 구성들도 상갑판 상에 마련될 수 있다. 다만 증발가스 재액화 시스템(2)을 이루는 각종 구성들의 설치 위치는 특별히 한정되지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 선박(1)은, 액화가스 운반선 외에도 액화가스의 저장이 가능한 FPSO, FSRU 등과 같은 각종 해양플랜트를 포괄하는 표현임을 알려둔다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 기액분리기의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 증발가스 압축기(20), 증발가스 열교환기(30), 감압밸브(40), 기액분리기(50), 윤활유 처리부(60), 윤활유 필터(70a, 70b, 70c)를 포함한다.
증발가스 압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 다단으로 압축하여 수요처(3)로 공급한다. 증발가스 압축기(20)는 원심형, 왕복동형, 스크류형 등일 수 있으며, 복수 개가 직렬로 마련되어 증발가스를 다단 압축해 고압으로 변화시킬 수 있다. 또한 증발가스 압축기(20)는 백업이나 부하 분담을 위해 병렬로 마련될 수도 있다.
증발가스 압축기(20)는 액화가스 저장탱크(10)에서 1bar 내외로 배출된 증발가스를 고압인 200bar 이상(일례로 200 내지 400bar)으로 압축할 수 있다. 이를 위해 증발가스 압축기(20)는 일례로 5단으로 마련될 수 있다.
5단의 증발가스 압축기(20)는 저압단의 증발가스 압축기(20a)와 고압단의 증발가스 압축기(20b)로 구분할 수 있다. 5단 중 1단 내지 3단은 저압단의 증발가스 압축기(20a)라 할 수 있고, 4단과 5단은 고압단의 증발가스 압축기(20b)라 할 수 있다.
저압단의 증발가스 압축기(20a)와 고압단의 증발가스 압축기(20b)를 구분하는 기준은, 윤활유(L)가 증발가스에 혼입되는지에 따른다. 저압단의 증발가스 압축기(20a)의 경우 증발가스를 압축하는 과정에서 증발가스 압축기(20)의 구동 시 사용되는 윤활유(L)가 증발가스로 유입되지 않는 반면, 고압단의 증발가스 압축기(20b)의 경우 고압으로 증발가스를 압축하게 됨에 따라 증발가스 압축기(20)의 구동에 사용되는 윤활유(L)가 증발가스로 유입될 수 있다.
따라서 5단의 증발가스 압축기(20)에서 3단까지 압축된 증발가스는 윤활유(L)가 혼합되지 않은 상태이나, 4단 이후로 압축되는 증발가스는 윤활유(L)가 혼합된 상태이므로 품질이 문제될 수 있다. 이를 해소하기 위해 본 발명은 이하에서 설명하는 다양한 구성들을 포함하게 된다.
액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(3)까지는 증발가스 공급라인(21)이 마련되는데, 증발가스 공급라인(21)에는 증발가스 공급밸브(211a, 211b) 및 증발가스 압축기(20)가 배치되며, 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 증발가스 압축기(20)를 경유하여 수요처(3)로 전달된다.
다만 수요처(3)에서 소비하지 못하는 잉여분의 증발가스가 발생할 수 있는데, 잉여분의 증발가스는 액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있고, 이를 위해 증발가스 공급라인(21)에서 증발가스 압축기(20)의 하류에는 증발가스 리턴라인(31)이 분기될 수 있다.
증발가스 공급라인(21)에서 증발가스 리턴라인(31)으로의 증발가스 흐름은, 증발가스 리턴라인(31) 및/또는 증발가스 공급라인(21)에 마련되는 고압 증발가스 리턴밸브(311)에 의하여 제어될 수 있다.
증발가스 공급라인(21)에서 증발가스 압축기(20)의 하류에는 증발가스에서 액체 또는 수요처(3)로 공급될 필요가 없는 물질들을 걸러내는 세퍼레이터(22), 코어레서(23)(coalescer) 등이 마련될 수 있고, 수요처(3)의 상류에는 증발가스의 유량을 제어하는 가스밸브 트레인(24)(Gas valve train) 등이 구비될 수 있다.
증발가스 공급라인(21)에서 고압단의 증발가스 압축기(20b)의 상류에는, 저압 증발가스 공급라인(212)이 분기될 수 있다. 일례로 저압 증발가스 공급라인(212)은 저압단의 증발가스 압축기(20a) 중 2단 하류에서 연결될 수 있으며, 저압 수요처(3)로 연결된다.
증발가스 공급라인(21)에 연결되는 수요처(3)는 고압 수요처(3)일 수 있고, 저압 증발가스 공급라인(212)에 연결되는 수요처(3)는 저압 수요처(3)일 수 있다. 또한 고압 수요처(3)는 추진엔진일 수 있고 저압 수요처(3)는 발전엔진 등일 수 있으며, 증발가스 공급라인(21)은 메인 스트림(main stream), 저압 증발가스 공급라인(212)은 사이드 스트림(side stream)으로 지칭될 수 있다.
저압 수요처(3)는 도면에 나타난 바와 같은 DFDE 저압엔진(3b)이거나, 또는 증발가스를 태워서 버리는 가스연소장치(3c) 등일 수 있다. 저압 수요처(3)가 요구하는 증발가스의 압력은 10bar 내외일 수 있다.
저압 증발가스 공급라인(212)에는 증발가스 공급라인(21)에 마련되는 증발가스 공급밸브(211a, 211b)와 동일/유사하게 증발가스의 흐름을 제어하는 저압 증발가스 공급밸브(213)가 마련될 수 있다.
증발가스 열교환기(30)는, 증발가스 압축기(20)에서 압축된 증발가스와 증발가스 압축기(20)로 유입되는 증발가스를 열교환한다. 앞서 설명한 증발가스 리턴라인(31)은 증발가스 공급라인(21)에서 증발가스 압축기(20)의 하류로부터 분기되어 증발가스 열교환기(30) 등을 경유하여 액화가스 저장탱크(10)로 연결될 수 있다. 또한 증발가스 공급라인(21) 역시 액화가스 저장탱크(10)에서 증발가스 열교환기(30)와 증발가스 압축기(20)를 차례로 경유하여 수요처(3)로 연결될 수 있다.
따라서 증발가스 열교환기(30)는, 증발가스 공급라인(21)과 나란하며 저압/저온의 증발가스가 흐르는 유로(부호 도시하지 않음)와, 증발가스 리턴라인(31)과 나란하며 고압/고온의 증발가스가 흐르는 유로(부호 도시하지 않음)를 구비할 수 있으며, 더 나아가 후술할 기상 증발가스 전달라인(51)과 나란하며 저압/저온의 기상 증발가스(플래시가스, flash gas)가 흐르는 유로(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있다.
증발가스 열교환기(30)는, 증발가스 압축기(20)에서 압축된 후 증발가스 리턴라인(31)을 따라 유입된 고온의 증발가스를, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저온의 증발가스로 냉각시킬 수 있다. 증발가스 리턴라인(31)을 따라 흐르는 증발가스는 액화 후 액화가스 저장탱크(10)에 리턴되어야 하므로, 증발가스 열교환기(30)는 액화 전에 예냉을 수행하여 액화 효율을 높일 수 있다.
다만 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 압축된 증발가스에는 윤활유(L)가 섞여있을 수 있는데, 윤활유(L)가 혼합된 증발가스는 증발가스 리턴라인(31)을 따라 증발가스 열교환기(30)로 유입될 수 있다.
이때 윤활유(L)는 증발가스 대비 비등점이 상당히 높은 물질로, 상온에서 액체 상태일 수 있고 약간의 냉각으로도 충분히 응고될 수 있으며, 점도가 높을 수 있다.
증발가스 열교환기(30)의 유로 내부에서 흐름이 지속적으로 이루어진다면 문제되지 않으나, 잉여분의 증발가스가 발생하지 않는 등으로 인하여 증발가스 열교환기(30) 내의 흐름이 줄어들면, 증발가스 열교환기(30)의 유로에 윤활유(L)가 끼어있게 되어 흐름을 방해할 수 있다.
따라서 본 발명은 증발가스 열교환기(30) 및 증발가스 열교환기(30)의 하류에 마련되는 구성들에서 윤활유(L)가 끼어서 증발가스의 흐름을 방해하는 문제를 해소하기 위해, 고온가스 등을 이용해 윤활유(L)를 녹여서 밀어낼 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
본 실시예는 보조 증발가스 열교환기(32)를 구비할 수 있는데, 보조 증발가스 열교환기(32)는 증발가스 열교환기(30)에서 냉각된 고압의 증발가스를 기액분리기(50)에서 배출되는 기상 증발가스로 냉각시킬 수 있다.
이를 위해 보조 증발가스 열교환기(32)는 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)의 하류에 연결되는 유로(부호 도시하지 않음)와, 후술할 기상 증발가스 전달라인(51)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에 연결되는 유로(부호 도시하지 않음)를 갖는 구조일 수 있다. 다만 보조 증발가스 열교환기(32)에는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 증발가스 압축기(20)로 전달되는 증발가스가 흐르는 유로가 없을 수 있다.
보조 증발가스 열교환기(32)는, 증발가스 열교환기(30)에서 기상 증발가스에 의해 냉각된 고압의 증발가스를 기상 증발가스로 추가 냉각할 수 있다. 즉 증발가스 압축기(20)에서 압축되고 증발가스 리턴라인(31)을 따라 흐르는 고압의 증발가스는, 증발가스 열교환기(30)에서 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출된 저온의 증발가스 및 보조 증발가스 열교환기(32)로부터 전달되는 기상 증발가스에 의해 1차 냉각된 후, 보조 증발가스 열교환기(32)에서 기액분리기(50)로부터 전달되는 기상 증발가스에 의해 2차 냉각될 수 있다.
물론 보조 증발가스 열교환기(32)는 생략 가능하며, 또한 증발가스 열교환기(30)와 보조 증발가스 열교환기(32)는 일체로 마련될 수 있다. 즉 증발가스 열교환기(30)가 내부 유로 구조 상 내부에 보조 증발가스 열교환기(32)를 포함하는 형태일 수도 있다.
감압밸브(40)는, 증발가스 압축기(20)에서 압축된 후 증발가스 열교환기(30)에서 열교환된 증발가스를 감압한다. 본 발명에서 감압밸브(40)는 줄-톰슨 밸브일 수 있지만, 팽창기 등과 같이 압력을 낮출 수 있는 다양한 수단으로 대체 가능함을 알려둔다.
증발가스는 저압단의 증발가스 압축기(20a)에 의해 50bar 내외로 압축되고 고압단의 증발가스 압축기(20b)에 의해 200bar 이상으로 압축된 후, 증발가스 열교환기(30)에서 냉각될 수 있다. 그런데 비록 증발가스가 고압으로 압축되어 비등점이 상승하였다 하더라도, 증발가스 열교환기(30)에서의 냉각으로는 증발가스가 충분히 액화되지 않는다.
따라서 본 발명은 감압밸브(40)를 이용하여 감압 시 온도가 떨어지는 효과를 활용할 수 있다. 감압밸브(40)는 200bar 이상의 고압 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)의 내압과 유사한 1bar 내외로 감압시킬 수 있으며, 감압 시 증발가스의 온도는 비등점 이하로 떨어질 수 있다.
감압밸브(40)는 증발가스 리턴라인(31) 상에 마련되는데, 도면과 달리 복수 개가 증발가스 리턴라인(31)에 직렬로 마련될 수 있다. 또는 줄-톰슨 밸브와 팽창기가 직렬로 마련되는 변형도 얼마든지 가능하다.
기액분리기(50)는, 감압밸브(40)에서 감압된 증발가스를 기액분리한다. 증발가스는 증발가스 열교환기(30)에서 냉각되고 감압밸브(40)에서 감압되면서 액화될 수 있지만, 상황에 따라 완전 재액화가 이루어지지 못할 수도 있고, 증발가스 내에 포함되며 비등점이 매우 낮은 질소와 같은 일부 물질은 액화되지 않고 남아있을 수 있다.
이때 기체 상태로 남아있는 기상 증발가스는 기액분리기(50)에서 분리되어 액화가스 저장탱크(10)로 유입되지 않을 수 있으며, 액체 상태의 액상 증발가스(G)는 기액분리기(50)를 경유해 액화가스 저장탱크(10)로 연결된 증발가스 리턴라인(31)을 따라 액화가스 저장탱크(10)로 리턴된다. 이때 기액분리기(50)와 액화가스 저장탱크(10) 사이의 증발가스 리턴라인(31)에는, 액상 증발가스 리턴밸브(312)가 마련될 수 있다.
기액분리기(50)는 액상 증발가스(G)를 액화가스 저장탱크(10)에 리턴시키고, 기상 증발가스를 증발가스 열교환기(30)로 전달할 수 있다. 기액분리기(50)에서 증발가스 열교환기(30)로 전달되는 기상 증발가스는 감압밸브(40)에 의한 감압에 의하여 냉각된 것이므로, 증발가스 압축기(20)에서 압축되어 증발가스 열교환기(30)로 유입되는 고압의 증발가스를 냉각하는데 사용될 수 있다.
또한 기액분리기(50)는 기상 증발가스를 증발가스 열교환기(30)를 거쳐 증발가스 압축기(20)로 전달할 수 있다. 이를 위해 기액분리기(50)에는 기상 증발가스 전달라인(51)이 마련되는데, 기상 증발가스 전달라인(51)은 기액분리기(50)에서 증발가스 열교환기(30)를 경유하여 증발가스 공급라인(21)에 연결될 수 있으며, 기상 증발가스 전달라인(51)에는 증발가스 열교환기(30)의 상류 및/또는 하류에서 기상 증발가스의 흐름을 제어하는 기상 증발가스 전달밸브(511)가 마련될 수 있다.
기상 증발가스 전달라인(51)이 증발가스 공급라인(21)에 연결되는 지점은 증발가스 압축기(20)의 상류일 수 있으며, 따라서 증발가스 압축기(20)는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스 외에도 기상 증발가스를 추가로 공급받게 되므로, 일정 이상의 가동이 보장됨에 따라 효율을 높일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 사용되는 윤활유(L)는 증발가스에 혼합될 수 있는데, 기액분리기(50)는 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되는 증발가스에 윤활유(L)가 혼합되는 것을 방지하여 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 품질저하를 막을 수 있다.
이와 관련하여 도 3에 도시된 바와 같이, 기액분리기(50)는 하우징(52), 증발가스 유입부(53), 액상 증발가스 배출부(54), 위어(55)(weir), 윤활유 차단판(56), 윤활유 드레인라인(57)을 포함한다.
하우징(52)은 감압밸브(40)에 의해 감압된 증발가스를 저장한다. 하우징(52)은 도면에 나타난 바와 같은 원통 형태일 수 있지만 하우징(52)의 형태를 특별히 한정하는 것은 아니다.
다만 하우징(52)은 감압에 의해 액화된 저압/저온의 증발가스를 저장하면서 증발가스가 기화되지 않도록 해야 하므로, 외부로부터의 열 침투를 차단하기 위한 단열 설비가 마련되어 있을 수 있다.
하우징(52)은 증발가스 리턴라인(31) 상에 마련된다고 볼 수 있으며, 증발가스 리턴라인(31)은 이하에서 설명하는 증발가스 유입부(53)와 액상 증발가스 배출부(54) 사이에서 하우징(52)의 내부 공간을 통해 연결될 수 있다.
증발가스 유입부(53)는, 하우징(52)의 내부로 증발가스를 유입시킨다. 증발가스 유입부(53)는 감압밸브(40)에서 기액분리기(50)로 연결되는 증발가스 리턴라인(31)의 일단에 마련되며, 하측이 개방된 반개방 인렛(half open inlet)일 수 있다. 이는 저압/저온의 증발가스가 하우징(52) 내부로 유입될 때, 증발가스의 비산을 방지하기 위함이다.
증발가스 유입부(53)는 하우징(52) 내에 저장되는 증발가스의 액위보다 상방에 마련될 수 있고, 다만 위어(55)의 상단보다는 낮게 마련될 수 있다. 따라서 증발가스 유입부(53)를 통해 유입된 증발가스는 하우징(52) 내에 저장된 액상의 증발가스에 혼합될 수 있다.
액상 증발가스 배출부(54)는, 하우징(52)의 내부의 액상 증발가스(G)를 배출시킨다. 액상 증발가스 배출부(54)는 기액분리기(50)에서 액화가스 저장탱크(10)로 연결되는 증발가스 리턴라인(31)의 일단에 마련될 수 있다.
액상 증발가스 배출부(54)는 하우징(52) 내에 저장되는 증발가스의 최소 액위보다 하방에 마련될 수 있으며, 윤활유 차단판(56)보다는 상방에 마련될 수 있다.
증발가스 유입부(53)를 통해 하우징(52) 내에 유입된 증발가스 중에서 일정 액위 이상의 증발가스는 위어(55)의 상측으로 넘어가게 되는데, 액상 증발가스 배출부(54)는 위어(55)의 상측으로 넘어간 액상 증발가스(G)를 증발가스 리턴라인(31)으로 배출시킬 수 있다. 이를 위해 액상 증발가스 배출부(54)와 증발가스 유입부(53)는 위어(55)를 기준으로 서로 반대편에 마련된다.
또한 위어(55)의 하측에는 윤활유 차단판(56)이 수평 방향으로 마련되고 위어(55)의 하측과 하우징(52)의 하면 사이는 개방될 수 있는데, 액상 증발가스 배출부(54)는 증발가스 유입부(53)에서 위어(55)의 하측으로 넘어간 후 윤활유 차단판(56)을 상방으로 통과한 액상 증발가스(G)를 증발가스 리턴라인(31)으로 배출시킬 수 있다.
즉 액상 증발가스 배출부(54)는, 윤활유 차단판(56)을 통과하지 않고 위어(55)를 통과한 액상 증발가스(G)를 배출하거나, 윤활유 차단판(56)을 통과한 액상 증발가스(G)를 배출할 수 있다.
감압밸브(40)에 의해 감압되어 하우징(52) 내부로 유입되는 저압/저온 증발가스에서 윤활유(L)는 액체 또는 고체 상태로서 증발가스 대비 밀도가 상당히 크므로, 윤활유(L)가 증발가스에 혼합되어 증발가스 유입부(53)를 통해 하우징(52) 내로 유입된다 하더라도, 윤활유(L)는 위어(55)의 상측을 넘어가지 못하고 하방으로 가라앉게 되며, 위어(55)의 하측을 넘어가더라도 윤활유 차단판(56)에 의해 막히게 된다.
따라서 액상 증발가스 배출부(54)로 배출되는 증발가스에는, 증발가스 유입부(53)로 유입된 증발가스와 달리 윤활유(L)가 제거되어 있을 수 있다.
위어(55)는, 증발가스 유입부(53)와 액상 증발가스 배출부(54) 사이에 마련된다. 위어(55)는 하우징(52) 내에서 수직 방향으로 마련되며 상측을 통해 증발가스가 넘어가도록 하는 형태를 가질 수 있으며, 다만 위어(55)가 충분한 높이를 가짐에 따라 증발가스에 혼합된 윤활유(L)는 위어(55)의 상측을 넘어가지 못한다.
윤활유 차단판(56)은, 증발가스의 유입과 액상 증발가스(G)의 배출 사이에서 윤활유(L)를 걸러내기 위해 마련되며, 구체적으로 윤활유 차단판(56)은 위어(55)의 하측에 수평 방향으로 마련되어 액상 증발가스 배출부(54)로의 윤활유(L) 유입을 억제한다.
윤활유 차단판(56)은 윤활유(L) 입자보다 작은 구멍을 가져서 윤활유(L)의 통과는 억제하고 액상 증발가스(G)의 통과는 허용하는 다공판 형태일 수 있으며, 다만 윤활유 차단판(56)의 상방에 마련되는 액상 증발가스 배출부(54)는, 윤활유 차단판(56)에서 상방으로 이격된 위치에 마련될 수 있다.
이는 기액분리기(50)가 마련되는 선박(1)이 외력 등에 의해 기울어질 경우 윤활유(L) 일부가 부유하면서 액상 증발가스 배출부(54)를 통해 빠져나가는 것을 방지하기 위함이다.
윤활유 드레인라인(57)은, 하우징(52)의 바닥에 수집되는 윤활유(L)를 외부로 배출한다. 위어(55)의 하측과 하우징(52)의 바닥 사이는 개방된 형태를 가질 수 있는데(격자로 마련되는 배플(도시하지 않음)이 구비될 수도 있음), 증발가스에 혼합되어 있던 윤활유(L)는 중력에 의해 자연스럽게 하우징(52) 바닥에 모이게 된다.
다만 윤활유 드레인라인(57)은 드레인밸브(부호 도시하지 않음)에 의해 닫힌 상태를 유지할 수 있으며, 유지보수가 필요한 경우에 윤활유(L)를 외부로 배출시켜서 윤활유(L) 제거의 효율을 점검할 수 있다.
윤활유 드레인라인(57)은 증발가스 리턴라인(31)에 연결될 수도 있는데, 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 Filter Efficiency가 검증되는 경우, 또는 세퍼레이터(22)나 코어레서(23) 등에서 윤활유(L)가 충분히 걸러지는 경우 등에서, 윤활유 드레인라인(57)은 증발가스 리턴라인(31)을 향해 개방될 수도 있다.
윤활유 처리부(60)는, 고온가스를 주입해 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)를 증발가스 열교환기(30)의 하류로 밀어내 처리한다. 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 사용되는 윤활유(L)는 증발가스에 혼합되어 증발가스 열교환기(30)로 유입될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같은데, 본 발명은 기액분리기(50)의 내부 구조를 이용하여 윤활유(L)를 제거하는 것 외에도, 증발가스 열교환기(30)에서 윤활유(L)가 끼어있는 것을 제거하기 위해 고온가스의 주입을 이용할 수 있다.
윤활유 처리부(60)는, 일례로 40도 이상의 질소가스 등인 고온가스를 증발가스 열교환기(30)로 주입할 수 있는데, 증발가스 열교환기(30)에 주입된 고온가스는 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)를 가열하여 배출시킬 수 있다.
증발가스 열교환기(30)에 지속적인 증발가스 흐름이 이루어진다면 윤활유(L)가 증발가스 열교환기(30)에 잔류할 가능성은 크지 않으나, 잉여분의 증발가스가 발생하지 않으면 증발가스에 혼합되어 있던 윤활유(L) 일부가 증발가스 열교환기(30)에 남아있을 수 있고, 이때 윤활유(L)는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저온의 증발가스에 의해 더욱 냉각되면서 굳어서 증발가스 열교환기(30)에 끼어 증발가스 흐름을 방해할 수 있다.
따라서 본 실시예는 윤활유 처리부(60)를 이용하여 고온가스를 증발가스 열교환기(30)에 주입해서 윤활유(L)가 가열되도록 해 윤활유(L)의 점도를 낮춰주면서 윤활유(L)를 강제로 밀어내어, 증발가스 열교환기(30)에서의 유동이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
윤활유 처리부(60)는, 고온가스를 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에 주입하고, 윤활유(L)와 혼합된 고온가스가 증발가스 리턴라인(31)에서 감압밸브(40)의 하류로부터 배출되도록 할 수 있다.
이를 위해 윤활유 처리부(60)는 고온가스 공급부, 고온가스 배출부(62)를 포함한다. 고온가스 공급부는 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에 연결되어 고온가스를 주입한다.
고온가스의 주입은 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스가 유동하지 않는 동안에 이루어질 수 있다. 증발가스 리턴라인(31)에 증발가스가 유동하는 경우에는 고온가스 주입 시 증발가스의 액화 효율이 저하되면서 동시에 윤활유(L) 제거 효과도 떨어질 수 있고 고온가스 배출 시 증발가스가 배출될 수 있기 때문이다.
고온가스가 증발가스 리턴라인(31)을 통해 증발가스 열교환기(30)로 유입되면, 증발가스 열교환기(30)에 잔류해 있던 윤활유(L)는 가열되면서 점도가 낮아질 수 있고, 이후 고온가스와 함께 증발가스 열교환기(30)에서 빠져나올 수 있다.
고온가스 주입부(61)는 고온가스(일례로 40도 이상의 질소가스)를 주입하기 이전에 불활성가스(일례로 질소가스 등)를 먼저 공급하여 증발가스 열교환기(30) 내부에서 증발가스를 밀어낼 수 있다. 증발가스를 밀어내는 이유는 향후 윤활유(L)와 함께 배출되는 고온가스에 폭발성의 증발가스가 섞이는 것을 방지하기 위함이다.
고온가스 배출부(62)는, 증발가스 리턴라인(31)에서 감압밸브(40)의 상류 및/또는 하류로부터 분기되어 윤활유(L)와 혼합된 고온가스를 배출한다. 이때 고온가스를 통해 외부로 배출되는 윤활유(L)는 재활용될 수 있으며, 고온가스 역시 재활용되어 고온가스 주입부(61)를 통해 증발가스 열교환기(30)로 주입될 수 있다.
일례로 윤활유 처리부(60)는, 고온가스 배출부(62)에서 배출된 고온가스+윤활유(L)에서 윤활유(L)를 걸러내고 고온가스를 다시 가열한 뒤 증발가스 열교환기(30)로 재유입시키는 방식을 사용할 수 있다.
또한 윤활유 처리부(60)는 선박(1)에 흔히 마련되는 불활성가스 생성기(IG Generator) 또는 질소 생성기 등으로부터 생성된 질소가스 등을 가열하여 고온가스로서 사용함에 따라, 별도로 고온가스를 생성하지 않을 수 있다.
윤활유 필터(70a, 70b, 70c)는, 윤활유(L)를 걸러낸다. 윤활유 필터(70a)는 증발가스 리턴라인(31)에서 감압밸브(40)와 기액분리기(50) 사이에 마련될 수 있다. 일례로 윤활유 필터(70a)는 증발가스 리턴라인(31)에서 고온가스 배출부(62)와 기액분리기(50) 사이에 마련될 수 있으며, 고온가스 배출부(62)에서 미처 배출되지 못한 윤활유(L)가 액화가스 저장탱크(10)로 유입되거나 기상 증발가스 전달라인(51)을 통해 증발가스 열교환기(30)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
위에서 설명한 윤활유 필터(70a)는 액상 필터일 수 있고, 액상의 윤활유(L)를 제거하도록 마련될 수 있다.
또한 윤활유 필터(70b)는, 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에 마련될 수 있다. 이 경우 윤활유 필터(70b)는 기상 필터일 수 있으며, 고압으로 가열되어 초임계 상태에 놓일 수 있는 윤활유(L)를 제거해줄 수 있다.
증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에 마련되는 윤활유 필터(70b)는, 윤활유(L)를 흡착시킬 수 있는 흡착탑일 수 있고, 또는 증발가스와 윤활유(L)의 밀도차를 이용하여 위아래로 분리시키는 싸이클론 분리기 등일 수 있다. 즉 본 발명에서 윤활유 필터(70a, 70b, 70c)는 일반적인 필터 형태로 한정되는 것이 아니라, 윤활유(L)를 증발가스로부터 걸러낼 수 있는 모든 형태를 포괄하는 용어일 수 있다.
윤활유 필터(70c)는 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)와 보조 증발가스 열교환기(32) 사이에 마련될 수도 있으며, 이 경우 윤활유 필터(70c)는 액상 필터일 수 있다.
또는 윤활유 필터(70c)는, 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)와 보조 증발가스 열교환기(32) 사이에 마련되는 액상분리기일 수 있다. 액상분리기는 증발가스와 윤활유(L)를 밀도차에 의해 분리하는 구성으로서, 앞서 설명한 기액분리기(50)와 유사하게 증발가스를 수용하는 공간을 갖고 내부에 격벽(도시하지 않음)을 두어 윤활유(L)를 분리할 수 있다.
위와 같이 설명한 여러 종류의 윤활유 필터(70a, 70b, 70c)는 선택적으로 마련될 수 있고 또는 조합되어 마련될 수도 있음은 물론이다. 일례로 증발가스 리턴라인(31)에는 증발가스 열교환기(30)의 상류에 기상 필터가 마련되고 증발가스 열교환기(30)와 보조 증발가스 열교환기(32) 사이에 액상 필터가 마련되어, 윤활유(L)를 2단계로 걸러낼 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 기액분리기(50)가 윤활유(L)를 걸러내는 구조를 갖도록 하며, 증발가스 열교환기(30)에 윤활유(L)가 끼어있을 때 고온가스를 강제로 주입하여 윤활유(L)를 제거해줄 수 있는바, 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 윤활유(L)가 증발가스에 혼합되더라도 액화가스 저장탱크(10)의 저장 품질이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템에서 기액분리기의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 앞선 제1 실시예와 비교할 때 기액분리기(50)의 구조에서 차이가 있다. 이하에서는 본 실시예가 앞선 제1 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 다른 실시예에서도 마찬가지이다.
본 실시예에서 기액분리기(50)는, 하우징(52) 내에 위어(55)와 윤활유 차단판(56)을 대신하여, 유입측 격벽(531), 배출측 경사벽(541a, 541b), 배플(58)을 포함할 수 있다.
유입측 격벽(531)은, 증발가스 유입부(53)를 통해 유입되는 증발가스가 비산되지 않고 하방으로 모이도록 하는 것으로서, 앞선 반개방 인렛을 사용할 경우 생략될 수 있따.
배출측 경사벽(541a, 541b)은, 둘 이상으로 마련되며 v 또는 y 형태를 이루고 가운데가 증발가스의 통과를 위해 개방되도록 구비될 수 있다. 배출측 경사벽(541a, 541b)은 증발가스가 액상 증발가스 배출부(54)를 통해 증발가스 리턴라인(31)으로 빠져나갈 때 흐름을 방해함으로써, 윤활유(L)가 액상 증발가스 배출부(54)로 유입되지 못하고 하우징(52)의 바닥으로 떨어지도록 할 수 있다.
배플(58)은, 증발가스 유입부(53)의 하방에 마련되며, 유입측 격벽(531)에 부딪히고 하우징(52) 바닥을 향해 떨어지는 증발가스에서 윤활유(L)가 걸러지도록 할 수 있다. 이때 배플(58)은 straightener일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템에서 기액분리기의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에서 기액분리기(50)는 제1 실시예와 달리 증발가스 유입부(53)가 하우징(52) 내 증발가스의 액위보다 낮게 배치되도록 하며, 증발가스 유입부(53)의 상방에 윤활유 차단판(56)을 마련할 수 있다.
따라서 본 실시예의 경우 하우징(52) 내로 유입되는 증발가스는 윤활유 차단판(56)을 상방으로 통과하면서 윤활유(L)가 걸러질 수 있고, 이후 윤활유(L)가 제거된 증발가스는 위어(55)를 넘어가면서 액상 증발가스 배출부(54)를 통해 하우징(52)의 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예는 증발가스가 윤활유 차단판(56) 및 위어(55)를 지나서 액상 증발가스 배출부(54)로 전달될 수 있도록, 위어(55)의 하측이 하우징(52) 바닥에 고정되어 위어(55)의 하측으로는 증발가스의 유동이 허용되지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템에서 기액분리기의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 기액분리기(50)는, 유입측 경사벽(532a, 532b), 윤활유 차단판(56)을 구비할 수 있다.
유입측 경사벽(532a, 532b)은, 증발가스 유입구를 통해 하우징(52) 상측에서 유입된 증발가스가 아래로 수집되도록 할 수 있다. 유입측 경사벽(532a, 532b)은 깔때기 기능을 구현할 수 있도록 v 또는 y 형태일 수 있으며, 유입측 경사벽(532a, 532b)을 타고 하우징(52)의 바닥으로 전달되는 증발가스는 수직 방향으로 놓이는 윤활유 차단판(56)을 지나 액상 증발가스 배출부(54)에 유입될 수 있다.
윤활유 차단판(56)은, 제1 실시예와 달리 수직 방향으로 마련될 수 있으며, 증발가스에 포함된 윤활유(L)가 지나가지 못하는 크기의 구멍을 갖는 다공판일 수 있다.
따라서 증발가스 유입부(53)에 의해 유입된 증발가스는, 유입측 경사벽(532a, 532b)에 의해 하방으로 유동 흐름이 변화한 뒤, 유입측 경사벽(532a, 532b)을 통해 하우징(52)의 바닥을 향하여 흐르게 된다.
이후 증발가스에 포함된 윤활유(L)는 윤활유 차단판(56)을 지나가지 못하므로, 윤활유(L)가 분리된 증발가스만 액상 증발가스 배출부(54)를 통해 증발가스 리턴라인(31)으로 배출될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 앞선 실시예 대비 증발가스 우회라인(33) 및 기상 증발가스 우회라인(512)을 더 포함한다. 참고로 도 7에서 검은 색으로 표시된 밸브는 밀폐 상태임을 나타낸다.
증발가스 우회라인(33)은 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스가 증발가스 열교환기(30)를 우회하여 증발가스 압축기(20)로 전달되도록 한다. 증발가스 우회라인(33)에는 증발가스 우회라인(33)의 흐름을 제어하는 증발가스 우회밸브(331)가 마련될 수 있다.
본 실시예는 제1 실시예와 달리 별도의 고온가스를 주입하지 않는 대신, 증발가스 압축기(20)에서 압축됨에 따라 가열된 고온 증발가스를 이용하여 증발가스 열교환기(30)에 끼어있는 윤활유(L)를 가열 및 제거할 수 있다.
그런데 고온 증발가스가 증발가스 열교환기(30)에 유입될 때 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저온 증발가스 또한 증발가스 열교환기(30)에 유입되는 경우에는, 고온 증발가스를 통한 윤활유(L)의 가열/제거가 제대로 이루어지지 못할 수 있다.
따라서 본 실시예는, 증발가스 우회라인(33)을 두어 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 저온 증발가스가 증발가스 열교환기(30)로 유입되지 않고 증발가스 압축기(20)로 공급되도록 할 수 있다. 이를 통해 증발가스 열교환기(30)로 유입된 고온 증발가스는 윤활유(L)를 효과적으로 가열해 제거할 수 있다.
기상 증발가스 우회라인(512)은, 기액분리기(50)에서 배출되는 기상 증발가스가 증발가스 열교환기(30)를 우회하여 증발가스 압축기(20)로 전달되도록 한다. 기상 증발가스 우회라인(512)에는 기상 증발가스 우회라인(512)의 흐름을 제어하는 기상 증발가스 우회밸브(513)가 마련된다.
기상 증발가스가 증발가스 열교환기(30)를 우회하도록 하는 것은, 앞서 설명한 저온 증발가스가 증발가스 열교환기(30)를 우회하도록 하는 것과 동일한 목적을 달성하기 위함이다. 이를 통해 증발가스 압축기(20)에서 배출되는 고온 증발가스는, 증발가스 열교환기(30)에서 저온 증발가스나 기상 증발가스에 의해 냉각되지 않으므로 윤활유(L)를 충분하게 가열해줄 수 있다.
즉 본 실시예는, 고압 증발가스 리턴밸브(311)를 열어서 증발가스 압축기(20)에서 가열된 고온 증발가스를 증발가스 열교환기(30)로 전달하며, 이때 증발가스 공급밸브(211a)를 잠그고 증발가스 우회밸브(331)를 열어서, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 저온 증발가스가 고온 증발가스를 냉각시키지 않도록 할 수 있다.
또한 기상 증발가스 전달밸브(511)는 잠그고 기상 증발가스 우회밸브(513)는 열어서, 기액분리기(50)에서 배출된 기상 증발가스가 증발가스 열교환기(30)로 유입되지 않고 기상 증발가스 우회라인(512)을 따라 증발가스 열교환기(30)를 우회하도록 하여, 기상 증발가스가 고온 증발가스를 냉각시키지 않도록 할 수 있다.
따라서 본 실시예는 고온 증발가스를 이용해 증발가스 열교환기(30)에 끼어있는 윤활유(L)를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 앞선 제5 실시예 대비 고온 증발가스 공급라인(514)을 더 포함할 수 있으며, 기상 증발가스 우회라인(512)을 생략할 수 있다. 참고로 도 8에서 검은 색으로 표시된 밸브는 밀폐 상태임을 나타낸다.
고온 증발가스 공급라인(514)은, 본 실시예가 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)의 제거를 위해 증발가스 압축기(20)에서 압축된 고온 증발가스를 증발가스 열교환기(30)에 주입하는 경우, 증발가스 열교환기(30)에서 배출되는 고온 증발가스를 수요처(3)로 전달할 수 있다.
고온 증발가스 공급라인(514)은 증발가스 리턴라인(31)에서 감압밸브(40)의 상류로부터 분기되어 증발가스 공급라인(21)에서 수요처(3)의 상류에 연결될 수 있다. 즉 본 실시예는 앞선 실시예와 달리, 고온 증발가스를 고압 상태에서 증발가스 리턴라인(31)으로부터 빼낼 수 있다.
윤활유(L)를 가열하고 증발가스 열교환기(30)에서 밀어내면서 윤활유(L)와 섞인 고온 증발가스는, 수요처(3)로 전달되어 소비될 수 있다. 따라서 본 실시예에서 증발가스 열교환기(30)에서 제거된 윤활유(L)는 재순환되지 않으므로, 윤활유(L)가 액화가스 저장탱크(10)로 유입되는 것이 방지된다.
본 실시예에서 고압 증발가스 리턴밸브(311)는 증발가스 공급라인(21)에서 증발가스 리턴라인(31)이 분기되는 지점과 고온 증발가스 공급라인(514)이 연결되는 지점 사이에 마련될 수 있는데, 고압 증발가스 리턴밸브(311)가 닫히면 증발가스 압축기(20)에서 압축된 고온 증발가스는 증발가스 리턴라인(31)을 따라 증발가스 열교환기(30)로 유입된다.
다만 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저온 증발가스는 증발가스 공급밸브(211a)가 밀폐되고 증발가스 우회밸브(331)가 개방됨에 따라 증발가스 우회라인(33)을 따라 흐르면서 고온 증발가스를 냉각시키지 않는다.
또한 증발가스 열교환기(30)에서 윤활유(L)를 제거한 고온 증발가스는, 감압밸브(40)가 밀폐됨에 따라 고온 증발가스 공급라인(514)을 따라 흐르게 되어 증발가스 공급라인(21)을 통해 수요처(3)로 전달된다.
이 경우 고온 증발가스가 기액분리기(50)에 유입되지 않으므로 기상 증발가스가 발생하지 않을 수 있으며, 기상 증발가스 전달밸브(511)는 닫혀 있을 수 있다. 따라서 증발가스 열교환기(30)에 유입된 고온 증발가스는 윤활유(L)를 충분히 가열시켜줄 수 있다.
도 9는 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 앞선 제5, 6 실시예가 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 압축된 고압/고온 증발가스를 활용하는 것과 달리, 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 저압/고온 증발가스를 활용할 수 있다.
이를 위해 본 실시예는, 앞선 제5 실시예의 기상 증발가스 우회라인(512)이나 앞선 제6 실시예의 고온 증발가스 공급라인(514)을 대신하여, 사이드 스트림인 저압 증발가스 공급라인(212)으로부터 분기되어 증발가스 열교환기(30)로 고온 증발가스(40도 내외로 약 43도)를 전달하는 저압 증발가스 리턴라인(214)이 마련될 수 있으며, 저압 증발가스 리턴라인(214)에는 저압 증발가스 리턴라인(214)의 흐름을 제어하는 저압 증발가스 리턴밸브(215)가 마련된다.
저압 증발가스 리턴라인(214)은, 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)의 제거를 위해 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 고온 증발가스를 증발가스 열교환기(30)에 주입할 수 있다.
저압 증발가스 리턴라인(214)은 저압 증발가스 공급라인(212)에서 분기되어 증발가스 리턴라인(31)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에 연결된다. 따라서 증발가스 열교환기(30)의 윤활유(L)를 제거하기 위해 본 실시예는, 증발가스 리턴라인(31)에 마련되는 고압 증발가스 리턴밸브(311)를 잠그고, 저압 증발가스 리턴밸브(215)를 열어서 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 고온 증발가스를 증발가스 열교환기(30)로 전달할 수 있다.
이때 증발가스 열교환기(30)로 유입되는 고온 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저온 증발가스로 인해 냉각되지 않음은 앞서 다른 실시예에서 설명한 바와 같다.
또한 본 실시예는 고온 증발가스가 기액분리기(50)에서 배출되는 기상 증발가스와 열교환하지 않도록 마련될 수 있는데, 이를 위해 본 실시예는 고온 증발가스 전달라인(515)을 더 포함할 수 있고 고온 증발가스 전달라인(515)에는 고온 증발가스 전달밸브(516)를 구비할 수 있다.
고온 증발가스 전달라인(515)은, 기액분리기(50)에서 저압 수요처(3)로 연결될 수 있는데, 일례로 고온 증발가스 전달라인(515)은 기액분리기(50)에서 증발가스 열교환기(30) 또는 증발가스 압축기(20)로 연결되는 기상 증발가스 전달라인(51)으로부터 분기되어 저압 수요처(3) 또는 저압 증발가스 공급라인(212)으로 연결될 수 있다.
저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 고온 증발가스는, 저압 증발가스 리턴밸브(215)가 개방됨에 따라 증발가스 리턴라인(31)으로 전달되어 증발가스 열교환기(30)에 유입된다. 이때 저압 증발가스 공급라인(212)에 마련되는 저압 증발가스 공급밸브(213)는 밀폐될 수 있다.
증발가스 열교환기(30)에 유입된 저압/고온 증발가스는 증발가스 열교환기(30)에 끼어있는 윤활유(L)를 가열하여 밀어낼 수 있는데, 이후 고온 증발가스는 감압밸브(40)를 거쳐 기액분리기(50)로 전달된다. 다만 윤활유(L)를 제거하는데 사용된 고온 증발가스는 저압이므로, 감압밸브(40)에 의해 감압되더라도 온도 하강은 크게 일어나지 않는다(일례로 10bar에서 7bar로 감압될 경우 43도에서 42도로 온도가 내려갈 수 있음).
이후 기액분리기(50)에 유입된 기체 상태의 고온 증발가스는, 기상 증발가스 전달라인(51)에 마련되는 기상 증발가스 전달밸브(511)가 밀폐되고 고온 증발가스 전달라인(515)에 마련되는 고온 증발가스 전달밸브(516)가 개방됨에 따라, 고온 증발가스 전달라인(515)을 따라 저압 수요처(3)인 DFDE 저압엔진(3b) 및/또는 가스연소장치(3c) 등으로 공급될 수 있다.
이를 위해 고온 증발가스 전달라인(515)은 저압 증발가스 공급라인(212)에 마련되는 저압 증발가스 공급밸브(213)의 하류에 연결되어, 저압 증발가스 공급밸브(213)의 밀폐 시 고온 증발가스를 저압 수요처(3)로 공급할 수 있도록 한다.
이와 같이 본 실시예는, 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 고온 증발가스(윤활유(L)가 섞이지 않음)를 증발가스 열교환기(30)의 윤활유(L) 제거에 활용하면서 윤활유(L)가 섞인 고온 증발가스가 저압 수요처(3)에서 소비되도록 하여, 증발가스 열교환기(30)에 잔류된 윤활유(L)를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제8 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제8 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 앞선 제7 실시예와 대비할 때 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 저압/고온 증발가스를 사용하는 대신, 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 압축된 고압/고온 증발가스를 윤활유(L) 제거에 사용할 수 있다.
이 경우 본 실시예는 저압 증발가스 리턴라인(214)을 생략할 수 있으며, 고압 증발가스 리턴밸브(311)가 개방되면 고압/고온 증발가스가 증발가스 리턴라인(31)을 따라 증발가스 열교환기(30)로 유입될 수 있다.
이후 증발가스 열교환기(30)에서 배출된 고온 증발가스는, 감압밸브(40)를 거치면서 감압 및 냉각될 수 있는데, 일례로 300bar에서 7bar로 감압되면 43도의 고온 증발가스는 -37도 내외로 냉각될 수 있다.
감압밸브(40)를 거친 고온 증발가스는, 기액분리기(50)로 유입된다. 이때 고온 증발가스 중에서 기상 증발가스는, 기상 증발가스 전달밸브(511)가 닫혀있고 고온 증발가스 전달밸브(516)가 열려 있게 되면, 고온 증발가스 전달라인(515)을 따라 저압 수요처(3)로 공급될 수 있다.
다만 앞선 실시예와 달리, 본 실시예는 윤활유(L) 제거를 위해 사용되는 고온 증발가스가 고압이기 때문에 감압밸브(40)에 의한 감압 시 온도 하강이 크게 일어난다.
따라서 저압 수요처(3) 전달되는 고온 증발가스는 저압 수요처(3)의 요구 온도를 맞춰주지 못할 수 있는바, 본 실시예는 고온 증발가스 전달라인(515)에 가스 히터(517)를 구비할 수 있다.
가스 히터(517)는 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 압축되고 증발가스 열교환기(30) 및 감압밸브(40)를 거친 증발가스를 가열하여 저압 수요처(3)로 전달할 수 있으며, 일례로 가스 히터(517)는 감압밸브(40)를 거치면서 -37도 내외로 냉각된 고온 증발가스를 40도 내외로 가열할 수 있다. 물론 가스 히터(517)가 사용하는 열원은 특별히 한정되지 않는다.
이와 같이 본 실시예는, 고압/고온 증발가스를 이용하여 증발가스 열교환기(30) 등에 끼어있는 윤활유(L)를 가열한 뒤 강하게 밀어내서 효과적으로 제거할 수 있으면서, 윤활유(L)가 혼합된 고온 증발가스를 저압 수요처(3)에서 소비하여 액화가스 저장탱크(10)로 윤활유(L)가 유입되는 것을 차단할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제9 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제9 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)은, 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)의 제거를 위해, 저압단(일례로 2단)의 증발가스 압축기(20)에서 압축된 고온 고속 증발가스를 사용할 수 있다.
이를 위해 본 실시예는, 저압 증발가스 리턴라인(214)을 구비한다. 저압 증발가스 리턴라인(214)은 저압 증발가스 공급라인(212)에서 분기되어 고온 증발가스를 증발가스 열교환기(30)에 주입할 수 있다.
또한 본 실시예는, 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)의 제거를 위해 저압단의 증발가스 압축기(20a)로부터 주입된 증발가스를 저압엔진(3b)으로 공급할 수 있고, 이를 위해 고온 증발가스 전달라인(515)이 마련된다.
고온 증발가스 전달라인(515)은, 증발가스 리턴라인(31)에서 감압밸브(40)의 상류로부터 분기되어 저압엔진(3b)으로 연결됨에 따라, 증발가스 열교환기(30)에서 배출되는 고온 증발가스를 감압밸브(40)의 상류에서 저압엔진(3b)으로 전달할 수 있다.
이때 고온 증발가스 전달라인(515)은 저압 증발가스 공급라인(212)에서 저압 증발가스 공급밸브(213)의 하류에 연결될 수 있는데, 본 실시예에서 증발가스 열교환기(30)에 유입된 윤활유(L)의 제거를 위해, 저압 증발가스 리턴라인(214)을 통하여 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 압축된 고온 증발가스를 증발가스 열교환기(30)에 주입할 경우, 저압 증발가스 공급라인(212)에 마련되는 저압 증발가스 공급밸브(213)는 밀폐될 수 있다.
즉 증발가스 열교환기(30)의 윤활유(L) 제거를 구현하는 경우, 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 배출된 고온 고속 증발가스는 저압 증발가스 공급라인(212)에서 분기되는 저압 증발가스 리턴라인(214)을 따라 증발가스 열교환기(30)로 유입된 후, 증발가스 열교환기(30)의 하류에서 고온 증발가스 전달라인(515)을 따라 저압 증발가스 공급라인(212)으로 합류되어 저압엔진(3b)으로 공급될 수 있다.
따라서 본 실시예는, 윤활유(L) 제거에 사용된 가스를 발전엔진에 사용함으로써, 시스템 운용 및 비용 등의 측면에서 효율 향상 효과를 얻을 수 있다. 이하에서는 클리닝 프로세스를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
클리닝 프로세스의 경우, 증발가스 압축기(20)는 가동하고 저압엔진(3b)은 가스 모드로 가동하는 상태에서, 감압밸브(40)가 닫히게 된다. 다만 이때 증발가스 압축기(20)에서 증발가스 열교환기(30)로 가는 흐름이 역류하여 후술할 윤활유 필터(70b)에 악영향을 미칠 수 있으므로, 윤활유 필터(70b)와 증발가스 열교환기(30) 사이에 마련되는 수동밸브(도시하지 않음)의 밀폐가 이루어질 수 있다.
이후 증발가스 우회밸브(331)의 개방, 증발가스 공급밸브(211a)의 밀폐를 통해 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저압 증발가스가 증발가스 열교환기(30)를 우회하도록 마련된다.
또한 저압 증발가스 리턴라인(214)에 마련된 저압 증발가스 리턴밸브(215)는 개방되는데, 저압 증발가스 리턴밸브(215)는 복수 개로 마련될 수 있고, 어느 하나는 On/Off 타입의 블록밸브, 다른 하나는 개도 조절이 가능한 control 밸브일 수 있다.
이때 개도 조절이 가능한 저압 증발가스 리턴밸브(215)는, 낮은 개도(일례로 10%)로 개방되었다가, 고온 증발가스 전달라인(515)의 압력이 일정압력(일례로 10barg)에 도달하면 개도가 100%로 확장될 수 있고, 이와 함께 고온 증발가스 전달라인(515)의 고온 증발가스 전달밸브(516)가 개방될 수 있다.
클리닝 프로세스에서 저압 증발가스 공급라인(212)에 마련되는 저압 증발가스 공급밸브(213)는 닫혀 있을 수 있다. 다만 저압 증발가스 공급밸브(213)의 개도 조절에 의하여 증발가스 열교환기(30)로 유입되는 고온 증발가스의 유량이 달라지며, 또한 저압엔진(3b)으로 유입되는 증발가스의 온도가 달라질 수 있다.
따라서 본 실시예는 저압엔진(3b) 전단에서의 증발가스 온도가 저압엔진(3b)의 요구온도(일례로 20도씨)에 적합하도록 하면서, 저압 증발가스 공급밸브(213)의 개도를 자동 제어할 수 있다.
클리닝 프로세스는 위와 같은 상태를 일정 시간(일례로 1시간 내외) 유지하여 이루어질 수 있다. 다만 클리닝 프로세스에서 저압엔진(3b)의 부하는, 윤활유(L)의 유입으로 인한 비정상적인 연소를 방지하기 위하여, 저부하(15 내지 50%)로 유지될 수 있다. 이는 Laden voyage일 때 이하에서 계산되는 약 97g 내외의 윤활유(L)가 저압엔진(3b)으로 유입될 수 있음을 고려한 것이다.
클리닝 프로세스는 선주의 선택에 따라 이루어질 수 있으며, 다만 증발가스 열교환기(30)가 윤활유(L)에 의해 얼마나 오염되었는지와 무관하게, Ballast voyage 마다 클리닝 프로세스가 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 실시예는, 감압밸브(40)와 기액분리기(50) 사이에 윤활유 필터(70a)를 구비할 수 있는데, 이때 윤활유 필터(70a)는 Solid filter일 수 있다. 윤활유 필터(70a)는 Vapor 상태로 전달되는 윤활유(L)가 필터링되도록 하여, 액화가스 저장탱크(10)로 유입되는 증발가스의 오염을 방지할 수 있다.
및/또는 본 실시예는, 증발가스 리턴라인(31)에서 고압 증발가스 리턴밸브(311)의 하류 등에도 윤활유 필터(70b)를 둠으로써, 윤활유(L)가 걸러져 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 품질을 보장할 수 있다.
본 실시예는, 증발가스 압축기(20)의 하류에서 윤활유(L) 등의 이물질을 걸러내는 세퍼레이터(22), 코어레서(23)를 구비할 수 있으며, 이때 세퍼레이터(22)는 사이클론(Cyclone)일 수 있다. 본 실시예에서 세퍼레이터(22), 코어레서(23), 윤활유 필터(70b) 등은 통합하여 필터 시스템(Filter system, BCA)으로 지칭될 수 있다.
따라서 본 실시예는 4단 및 5단의 증발가스 압축기(20)에서 혼합될 수 있는 윤활유(L)가 2가지의 filtration system에 의하여 필터링될 수 있다. 첫째는 필터 시스템이고, 둘째는 감압밸브(40)와 기액분리기(50) 사이의 윤활유 필터(70a)이다.
이때 일례로 세퍼레이터(22)는 4 내지 10ppmw, 코어레서(23)는 0.1ppmw(liquid)/2~4ppmw(vapor), 윤활유 필터(70b)는 0.1ppmw, 윤활유 필터(70a)는 0.1μm의 필터링 성능을 구비할 수 있다.
이러한 필터링 성능을 전제로, Laden voyage(20days+margin(anchoring, etc.))에서 15knots의 선속으로 항해한다고 가정할 경우, 증발가스 재액화 시스템(2)으로 유입되는 증발가스의 유량은 1,761kg/h(15knots, 20days), 2,785kg/h(anchoring, 2days)일 수 있고, laden voyage에서 윤활유 필터(70b)에 의해 걸러지는 윤활유(L)의 양은 약 97g일 수 있다.
즉 본 실시예는 2가지의 filtration system을 통해 액화가스 저장탱크(10)로 윤활유(L)가 리턴되는 것을 억제할 수 있다. 그러나 이러한 filtration system만으로는 윤활유(L)가 완벽히 제거된다고 볼 수 없고, 윤활유(L)로 인해 증발가스 열교환기(30)에서의 열교환 성능 저하를 막을 수 없다.
따라서 본 실시예는, 윤활유(L) 오염으로 인해 증발가스 열교환기(30)의 열교환 성능이 저하되는 것을 고압 증발가스에 의한 클리닝 시스템(Warm gas cleaning/blowing system)으로 해소할 수 있다.
다만 클리닝 시스템은 증발가스 열교환기(30)의 열교환 효율 확보라는 목적을 갖는 것으로서, 증발가스 열교환기(30)에서의 윤활유(L) 제거를 완벽히 보장할 수는 없는바, 본 실시예는 filtration system에 Warm gas cleaning/blowing system 을 함께 마련하여, 고압단의 증발가스 압축기(20b)에서 사용되는 윤활유(L)로 인한 문제를 완벽히 방지할 수 있다.
구체적으로 Warm gas cleaning/blowing system은, 윤활유(L)가 섞이지 않는 저압단의 증발가스 압축기(20a)에서 배출된 증발가스를 활용해 증발가스 열교환기(30)를 가열하여, 증발가스 열교환기(30)에 잔류한 윤활유(L)를 녹인 뒤, 증발가스와 함께 윤활유(L)가 저압엔진(3b)으로 공급되도록 한다.
이 경우 본 실시예는 윤활유(L)가 포함된 고온 증발가스가 감압밸브(40)나 기액분리기(50)로 전달되지 않으므로, 기액분리기(50) 및 제반 구성이 윤활유(L)에 의하여 오염되는 문제가 없다.
또한 클리닝 프로세스 도중, 기액분리기(50)에서 액상의 윤활유(L)가 응집되는 위험도 전혀 없으며, 응집된 윤활유(L)가 액화가스 저장탱크(10)로 유입될 우려 역시 완전히 해소될 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
이하에서는 도 13을 참고하여, 앞서 설명한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)의 상태(쿨다운, 스타트업, 중단, 트립)에 따라 나타나는 가스 흐름을 설명한다.
먼저 쿨다운(Cool down)의 경우, 액화가스 저장탱크(10)에서 증발가스 헤더(Vapor Header)를 거쳐 배출되는 저온의 증발가스를 이용해 증발가스 압축기(20)가 가동하도록 하고, 증발가스가 증발가스 공급라인(21) 및 저압 증발가스 공급라인(212)으로 유동하도록 한다. 이때 증발가스 공급밸브(211a)는 개방되고 증발가스 우회밸브(331)는 닫힌 상태일 수 있다.
이후 감압밸브(40)와 액상 증발가스 리턴밸브(312)를 닫고 고압 증발가스 리턴밸브(311)를 일정한 개도(10% 내외, 분당 5% 개방)로 개방하여, 증발가스 압축기(20)를 거친 저온의 증발가스가 증발가스 리턴라인(31)에 일정 시간(약 5분 내외) 동안 유입되어 냉각을 구현하도록 한다.
이후 고압 증발가스 리턴밸브(311)가 100%로 완전 개방된 뒤, 감압밸브(40)가 일정한 개도(10% 내외, 분당 5% 개방)로 개방되고 기상 증발가스 전달밸브(511)의 set point가 5barg 내외로 설정될 수 있다. 이때 기상 증발가스 전달라인(51)을 통해, 기액분리기(50) 및 증발가스 열교환기(30)가 냉각될 수 있다.
이후 기액분리기(50)에서의 레벨이 일정레벨(일례로 30%)을 도달하면, 액상 증발가스 리턴밸브(312)를 일정 개도(20% 내외)로 개방하여 증발가스가 증발가스 리턴라인(31)을 따라 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되면서 증발가스 리턴라인(31)을 냉각하도록 할 수 있다.
이러한 쿨다운에 의하여, 본 발명은 증발가스 리턴라인(31)에서 감압밸브(40)의 하류, 기상 증발가스 전달라인(51) 등을 냉각하여, 가스의 불필요한 기화를 방지할 수 있다.
스타트업(Start-up)의 경우, 쿨다운이 완료된 것을 점검한 뒤 이루어지며, 이때 감압밸브(40)가 압력 제어 모드(PIC: Pressure control mode) 또는 유량 제어 모드(FIC: Flow control mode)로 작동할 수 있다.
구체적으로 감압밸브(40)는, 고압엔진(3a)이 작동할 때 고압엔진(3a)으로 공급되는 가스의 압력을 고압엔진(3a)의 요구 압력에 맞춰주도록 하면서 압력 제어 모드로 작동할 수 있다. 또는 감압밸브(40)는 증발가스 등의 유량을 체크하면서 유량 제어 모드로 가동할 수 있다.
중단(Stop)의 경우, 먼저 감압밸브(40)를 닫는다(분당 30%로 개도를 낮춤). 이 경우 감압밸브(40)의 개도는 천천히 감소할 수 있고, 감압밸브(40)와 기액분리기(50) 사이의 유량이 줄어들게 된다.
이후 고압 증발가스 리턴밸브(311)가 닫히게 되며, 이로 인해 증발가스 리턴라인(31)에서 기액분리기(50)까지의 증발가스 유량이 줄어든다.
이후 감압밸브(40)를 100%로 완전 개방하여, 고압 증발가스 리턴밸브(311)와 기액분리기(50) 사이에서의 증발가스를 감압(Depressurization)하게 된다.
이후 액상 증발가스 리턴밸브(312)가 100%로 완전 개방되어, 응축된 증발가스가 기액분리기(50)로부터 액화가스 저장탱크(10)로 드레인될 수 있다.
이후 기액분리기(50)에서의 레벨이 일정레벨(5% 내외) 이하로 감지되면, 기상 증발가스 전달밸브(511)의 set point가 1.5barg로 낮아지게 되어 기상 증발가스 전달라인(51)에서의 증발가스가 감압되어 중단 프로세스가 완료된다.
트립(Trip)의 경우, 먼저 고압 증발가스 리턴밸브(311)가 닫히며, 증발가스 리턴라인(31)을 통해 증발가스 열교환기(30), 감압밸브(40) 및 기액분리기(50)를 향하는 증발가스의 흐름이 차단된다.
이후 감압밸브(40), 액상 증발가스 리턴밸브(312), 기상 증발가스 전달밸브(511)를 모두 100%로 완전 개방함으로써, 증발가스 리턴라인(31), 기상 증발가스 전달라인(51) 내부가 모두 감압(Depressurization)되도록 하여, 트립 프로세스가 이루어진다.
도 14는 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템을 갖는 가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 15는 본 발명에 따른 가스 처리 시스템의 가스 처리 상태를 설명하는 그래프이다.
참고로 본 발명은, 앞서 설명한 증발가스 재액화 시스템(2)에 국한되지 않고, 액화가스 저장탱크(10)에 저장되어 있는 증발가스나 액화가스를 연료로서 소비하기 위해, 증발가스 재액화 시스템(2) 외에 추가로 다른 구성들을 더 포함하는 가스 처리 시스템일 수 있다.
도 14를 참고하면, 본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템(2)을 갖는 가스 처리 시스템은, 증발가스 공급부(HPC), 고압 액화가스 공급부(HPP), 저압 액화가스 공급부(LPP), 증발가스 액화부(ERS)를 포함할 수 있으며, 이 중 증발가스 공급부(HPC)와 증발가스 액화부(ERS)는 앞서 설명한 증발가스 재액화 시스템(2)으로 지칭될 수 있다.
이 경우 증발가스 공급부(HPC)와 증발가스 액화부(ERS)는 이미 설명하였는 바, 이하에서는 고압 액화가스 공급부(HPP) 및 저압 액화가스 공급부(LPP)에 대해 설명하도록 한다.
고압 액화가스 공급부(HPP)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 고압펌프(82), 고압기화기(83)를 거쳐 고압엔진(3a)으로 공급한다.
이 경우 액화가스 저장탱크(10) 내에 배치된 이송펌프(부호 도시하지 않음)에서 액화가스 저장탱크(10)의 외부로 연장되는 액화가스 공급라인(80)은, 고압엔진(3a)으로 연결되기 위하여 고압 액화가스 공급라인(81)으로 분기될 수 있다.
고압펌프(82)나 고압기화기(83)의 하류에서는 (과압의) 액화가스가 액화가스 저장탱크(10)나 벤트마스트(부호 도시하지 않음) 등으로 전달되어, 액화가스 공급 시 과압을 방지할 수 있다.
반면 저압 액화가스 공급부(LPP)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 강제기화기(85), 헤비카본 분리기(86), 히터(87)를 거쳐 저압엔진(3b)이나 가스연소장치(3c) 등으로 공급한다.
이 경우 강제기화기(85) 등은, 액화가스 공급라인(80)에서 분기된 저압 액화가스 공급라인(84) 상에 마련될 수 있다. 즉 액화가스 공급라인(80)은 이송펌프의 하류에서 고압 액화가스 공급라인(81)과 저압 액화가스 공급라인(84)으로 분기되어 각각 고압엔진(3a)과 저압엔진(3b)으로 연결된다.
이와 같이 증발가스 재액화 시스템(2) 외에도 액화가스를 공급하는 구성을 더 포함할 수 있는 가스 처리 시스템은, 선박(1)의 운항 상태에 따라 증발가스/액화가스의 공급 여부를 다양하게 제어할 수 있다. 이에 대해서는 도 14 및 도 15를 함께 참조하여 설명한다.
일례로 본 발명의 가스 처리 시스템은, 액화가스를 충분히 적재한 상태(laden voyage)일 경우, 증발가스가 충분히 발생하게 되므로 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스가 증발가스 헤더를 거쳐 증발가스 압축기(20)에 의해 압축되어 고압엔진(3a)이나 저압엔진(3b) 등으로 공급되어 소비될 수 있다.
도 15는 선속에 따른 가스 소모량을 나타내는 그래프인데, 선속에 따라 4개의 구간(Section)으로 나누어 볼 수 있다. 먼저 정박 상태부터 12knots 미만의 저속 운항 상태까지를 포괄하는 Section 1의 경우, Laden Voyage에서의 증발가스 양이 고압엔진(3a) 및 저압엔진(3b)에 의한 가스 소모량을 상회함을 알 수 있다.
또한 선속 증가에 따라 고압엔진(3a) 등에 의한 가스 소모량이 점차 증가하는 Section 2의 경우에도, 여전히 Laden Voyage에서의 증발가스 양이 고압엔진(3a) 등의 가스 소모량을 넘어선다.
따라서 본 발명의 증발가스 재액화 시스템(2)은, Laden Voyage일 때 Section 1과 Section 2에서 작동하여 증발가스를 액화시키는 것이 바람직할 수 있다.
다만 선속이 높은 Section 3의 경우에는 증발가스 재액화 시스템(2)을 가동하지 않을 수 있으며, 선속이 매우 높은 Section 4의 경우에는 오히려 증발가스의 양보다 고압엔진(3a) 등의 가스 소모량이 상회하게 되므로, 증발가스 재액화 시스템(2)은 가동하지 않고 액화가스의 공급이 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명은, 증발가스 재액화 시스템(2)에 액화가스를 공급하는 구성을 더 포함한 가스 처리 시스템에 있어서, 선속 등을 고려하여 증발가스의 재액화, 액화가스의 공급 등이 효율적으로 제어될 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 선박 2: 증발가스 재액화 시스템
3: 수요처 3a: 고압엔진
3b: 저압엔진 3c: 가스연소장치
L: 윤활유 G: 액상 증발가스
HPC: 증발가스 공급부 HPP: 고압 액화가스 공급부
LPP: 저압 액화가스 공급부 ERS: 증발가스 액화부
10: 액화가스 저장탱크 20: 증발가스 압축기
20a: 저압단의 증발가스 압축기 20b: 고압단의 증발가스 압축기
21: 증발가스 공급라인 211a, 211b: 증발가스 공급밸브
212: 저압 증발가스 공급라인 213: 저압 증발가스 공급밸브
214: 저압 증발가스 리턴라인 215: 저압 증발가스 리턴밸브
22: 세퍼레이터 23: 코어레서
24: 가스밸브 트레인 30: 증발가스 열교환기
31: 증발가스 리턴라인 311: 고압 증발가스 리턴밸브
312: 액상 증발가스 리턴밸브 32: 보조 증발가스 열교환기
33: 증발가스 우회라인 331: 증발가스 우회밸브
40: 감압밸브 50: 기액분리기
51: 기상 증발가스 전달라인 511: 기상 증발가스 전달밸브
512: 기상 증발가스 우회라인 513: 기상 증발가스 우회밸브
514: 고온 증발가스 공급라인 515: 고온 증발가스 전달라인
516: 고온 증발가스 전달밸브 517: 가스 히터
52: 하우징 53: 증발가스 유입부
531: 유입측 격벽 532a, 532b: 유입측 경사벽
54: 액상 증발가스 배출부 541a, 541b: 배출측 경사벽
55: 위어 56: 윤활유 차단판
57: 윤활유 드레인라인 58: 배플
60: 윤활유 처리부 61: 고온가스 주입부
62: 고온가스 배출부 70a, 70b, 70c: 윤활유 필터
80: 액화가스 공급라인 81: 고압 액화가스 공급라인
82: 고압펌프 83: 고압기화기
84: 저압 액화가스 공급라인 85: 강제기화기
86: 헤비카본 분리기 87: 히터

Claims (8)

  1. 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 다단으로 압축하여 수요처로 공급하는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스와 상기 증발가스 압축기로 유입되는 증발가스를 열교환하는 증발가스 열교환기;
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 후 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및
    상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 기액분리하는 기액분리기를 포함하며,
    고압단의 상기 증발가스 압축기에서 사용되는 윤활유가 증발가스에 혼합되어 상기 증발가스 열교환기로 유입되고,
    상기 증발가스 열교환기에 잔류한 윤활유의 제거를 위해 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입하는 클리닝 프로세스에서, 상기 증발가스 열교환기에서 배출되는 고온 증발가스를 상기 감압밸브의 상류에서 저압 수요처로 전달하여 상기 기액분리기로 전달되지 않도록 하여 상기 증발가스 열교환기에서 제거된 윤활유가 상기 액화가스 저장탱크로 유입되는 것을 방지하는 고온 증발가스 전달라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스가 상기 증발가스 열교환기를 우회하여 상기 증발가스 압축기로 전달되도록 하는 증발가스 우회라인; 및
    상기 증발가스 우회라인의 흐름을 제어하는 증발가스 우회밸브를 더 포함하며,
    상기 클리닝 프로세스에서,
    상기 감압밸브는, 닫히며,
    상기 증발가스 우회밸브는, 상기 증발가스 열교환기에 주입된 증발가스가 고온 상태를 유지할 수 있도록 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 저온 증발가스가 상기 증발가스 우회라인으로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에서 상기 증발가스 압축기를 경유하여 상기 수요처로 연결되는 증발가스 공급라인; 및
    상기 증발가스 공급라인에서 상기 증발가스 압축기의 하류로부터 분기되어 상기 증발가스 열교환기, 상기 감압밸브, 상기 기액분리기를 경유하여 상기 액화가스 저장탱크로 연결되는 증발가스 리턴라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 고온 증발가스 전달라인은,
    상기 증발가스 리턴라인에서 상기 감압밸브의 상류로부터 분기되어 상기 저압 수요처로 연결되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    저압단의 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 저압 수요처로 공급하는 저압 증발가스 공급라인; 및
    상기 저압 증발가스 공급라인에서 분기되어 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입하는 저압 증발가스 리턴라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 저압 증발가스 공급라인의 흐름을 제어하는 저압 증발가스 공급밸브를 더 포함하고,
    상기 저압 증발가스 공급밸브는, 상기 증발가스 열교환기에 유입된 윤활유의 제거를 위해 저압단의 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고온 증발가스를 상기 증발가스 열교환기에 주입할 경우 밀폐되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 고온 증발가스 전달라인은,
    상기 저압 증발가스 공급라인에서 상기 저압 증발가스 공급밸브의 하류에 연결되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 상기 증발가스 재액화 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.
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