KR102132082B1

KR102132082B1 - 증발가스 냉각 시스템 및 선박

Info

Publication number: KR102132082B1
Application number: KR1020180124050A
Authority: KR
Inventors: 유병용
Original assignee: 한국조선해양 주식회사; 현대중공업 주식회사
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-07-09
Also published as: KR20200012673A; KR20200012674A; KR102144182B1; KR102144181B1; KR102144183B1; KR20200012672A; KR20200012671A; KR102144184B1; KR102132083B1; KR20200012670A; KR20200012669A

Abstract

본 발명은 증발가스 냉각 시스템 및 선박에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉매와 열교환하는 액화기; 및 상기 액화기에서 열교환된 증발가스를 수요처로 공급하는 펌프를 포함하며, 상기 액화기와 상기 펌프 사이의 증발가스 중 적어도 일부를 상기 액화기로 되돌려 냉매와 열교환한 뒤 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 냉각 시스템 및 선박{Boil-off gas cooling system and ship having the same}

본 발명은 증발가스 냉각 시스템 및 선박에 관한 것이다.

다양한 종류의 화물을 적재한 상태로 바다를 항해하는 선박 중에서 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)나 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 운반하는 액화가스 운반선은, 비등점이 상온보다 낮은 가스를 강제로 액화시켜서 액체 상태로 저장하는 저장탱크를 구비하고 있다.

액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄(CH4)을 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 액체로 만든 것으로, 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다. 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다.

그런데 이러한 액화가스를 저장하는 저장탱크에는 단열 기능이 구현되어 있지만 액화가스의 기화를 완전히 차단할 수는 없다. 따라서 저장탱크 내에서는 액화가스가 증발한 기체 상태의 증발가스가 발생하게 되며, 증발가스는 저장탱크의 내압을 상승시키게 되므로 안전을 위해 저장탱크로부터 배출되어야 한다.

저장탱크의 내압을 낮추기 위해 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 가스연소장치(Gas Combustion Unit)를 통해 연소하여 버려지게 된다. 그런데 증발가스 또한 선박이 운반하는 화물 중 일부에 해당하는 것이어서, 증발가스의 배출은 화물 운반의 신뢰성을 떨어뜨리는 것이어서 문제된다.

따라서 최근에는, 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 버리지 않고 효과적으로 처리할 수 있도록 하는 방안에 대하여, 지속적인 연구 및 개발이 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 증발가스를 예냉 없이 냉매로 액화하여 재액화 구성의 용량을 줄일 수 있는 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 액화가스로 추진하면서도 증발가스를 적절히 연료로 사용하거나 재액화하여 에너지 소비효율을 높이는 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 증발가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉매와 열교환하는 액화기; 및 상기 액화기에서 열교환된 증발가스를 수요처로 공급하는 펌프를 포함하며, 상기 액화기와 상기 펌프 사이의 증발가스 중 적어도 일부를 상기 액화기로 되돌려 냉매와 열교환한 뒤 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 액화기와 상기 펌프 사이에 마련되며 상기 액화기에서 열교환된 증발가스 중 액상의 증발가스를 상기 펌프로 전달하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 기액분리기는, 액상의 증발가스에 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 액화가스를 혼합하여 상기 펌프로 전달할 수 있다.

구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 예냉없이 상기 액화기로 유입될 수 있다.

구체적으로, 상기 액화기와 상기 펌프 사이로부터 상기 액화기로 전달되는 증발가스를 감압하는 감압밸브를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 액화기를 경유하는 냉매 순환라인; 상기 냉매 순환라인에 마련되며 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및 상기 냉매 순환라인에 마련되며 상기 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 감압하는 냉매 감압밸브를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 액화기는, 상기 냉매 감압밸브에 의해 감압된 냉매로 상기 압축기에서 압축된 증발가스 및 상기 액화기와 상기 펌프 사이로부터 전달되는 증발가스를 냉각할 수 있다.

구체적으로, 상기 액화기는, 상기 냉매 감압밸브에 의해 감압된 냉매로 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 제1 액화기; 및 상기 제1 액화기와 상기 액화가스 저장탱크 사이에 마련되며 상기 냉매 감압밸브에 의해 감압된 후 상기 제1 액화기로 유입되기 전의 냉매로, 상기 제1 액화기에서 배출되는 증발가스를 냉각하는 제2 액화기를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 액화기는, 상기 펌프에 의해 상기 수요처로 공급되는 증발가스로 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 증발가스 냉각 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 증발가스를 냉매 열교환 전에 예냉하지 않아 액화기의 용량을 줄이면서도, 증발가스를 액화 후 리턴하거나 엔진에 공급해 소비하면서 에너지 소비효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하 본 명세서에서 가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 에탄, 암모니아 등과 같이 상온에서 기체 상태로 기화되는 모든 물질을 포괄하는 의미로 사용될 수 있지만, 이하 본 명세서에서 액화가스는 편의상 메탄, 프로판, 부탄 등을 포함하고 있는 LNG임을 가정하여 설명한다.

또한 액화가스는 저장을 위해 액화된 가스, 증발가스는 자연기화된 가스를 의미하며, 액화가스나 증발가스의 상태를 각각 액체, 기체로 한정하는 것은 아니다. 참고로 액화가스는 프로판, 부탄 등과 같은 헤비카본을 포함하고 있으며, 반면 자연기화된 증발가스는 헤비카본은 (거의) 없으며 메탄을 주로 포함하고 있다.

또한 이하에서 액화는 완전히 재액화되는 경우만을 의미하지 않으며 적어도 일부의 액화를 의도한 냉각을 포괄하는 의미로 사용될 수 있고, 고압과 저압은 절대적인 값이 아니라 상대적인 의미임을 알려둔다.

본 발명은 이하에서 설명하는 증발가스 냉각 시스템을 갖는 선박을 포함하는 것이며, 이때 선박이라 함은 액화가스를 운반하는 가스선 외에도 컨테이너선이나 벌크선 등과 같이 선종 제한이 없는 일반상선을 모두 포괄한다. 더 나아가 본 명세서에서 선박은, 일반상선 외에 해양에 고정되거나 부유한 해양 플랜트를 포괄하는 의미로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 압축기(20), 액화기(30), 기액분리기(40), 펌프(50)를 포함한다.

액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 독립형, 멤브레인형, 압력용기형 등으로 그 타입을 한정하지 않으며, 선박 내에서의 설치 위치 역시 특별히 한정되지 않는다.

일례로 선박이 가스선일 경우 액화가스 저장탱크(10)는 선내에 길이 방향으로 복수 개 마련되는 카고 탱크일 수 있고, 선박이 액화가스를 수송하는 선박이 아닌 컨테이너선과 같은 다른 선종일 경우에는, 갑판 위에서 선수나 선미 등에 배치되는 압력용기일 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 액상으로 저장하기 위해 단열을 구현할 수 있으며, 및/또는 액화가스의 기화를 방지하고자 저장 압력을 높일 수도 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)의 내압 상승을 야기하게 되므로 외부로 배출될 수 있으며, 외부로 배출된 증발가스는 후술하는 액화기(30) 등에 의하여 냉각/액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되거나, 수요처(E)에서 소비될 수 있다.

참고로 본 명세서에서 증발가스나 액화가스를 소비하는 수요처(E)는, 선박을 추진하기 위한 추진엔진이거나, 선박 내에서 필요한 전력을 발생시키는 발전엔진일 수 있으며, 및/또는 엔진 외에 터빈, 보일러, 가스연소장치(GCU), 연료전지 등으로서 그 종류가 제한되지 않는다.

압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 압축한다. 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)의 내압에 대응되는 1bar 전후일 수 있는데, 본 명세서는 증발가스의 비등점을 높이기 위해 압축기(20)를 이용하여 증발가스를 압축할 수 있다.

압축기(20)는 원심형, 왕복동형 등으로 그 타입을 제한하지 않으며, 도면과 같이 1단으로 마련되거나, 또는 2단 이상이 직렬로 배치된 형태로 마련될 수도 있다. 또한 압축기(20)는 도면에서와 같이 병렬로 복수 개의 압축기(20)가 마련될 수 있으며, 이 경우 서로 백업이 가능할 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 압축기(20)를 거쳐 후술할 액화기(30)로는 증발가스 액화라인(L1)이 마련될 수 있으며, 증발가스 액화라인(L1)은 액화기(30) 하류의 기액분리기(40)까지 연결될 수 있다.

증발가스 액화라인(L1)에서 압축기(20)의 하류에는, 증발가스 분기라인(L2)이 마련되어 수요처(E)로 연결될 수 있다. 이때 수요처(E)는 발전엔진, GCU 등을 의미할 수 있으며, 압축기(20)의 토출압력에 대응되는 요구압력을 갖는 모든 수요처(E)를 포괄할 수 있다. 다만 증발가스 분기라인(L2)은, 압축기(20)의 제원에 따라 다단 압축기(20)의 중간에서 분기되도록 마련될 수도 있다.

후술하겠으나, 펌프(50)는 액화가스 및 증발가스를 수요처(E)로 공급할 수 있는데, 이때 수요처(E)는 고압엔진 등인 메인엔진일 수 있다. 다만 압축기(20)와 펌프(50) 사이에서는 가압수단이 없으므로, 펌프(50)는 발전엔진과 메인엔진의 요구압력 차이만큼 증발가스 등을 압축하는 제원으로 마련될 수 있다.

액화기(30)는, 압축된 증발가스를 액화한다. 액화기(30)는 제한되지 않는 다양한 냉매를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있으며, 일례로 냉매는 질소, 액화가스, 혼합냉매 등일 수 있다.

액화기(30)에 의해 액화된 증발가스는 액상으로 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다. 따라서 액화가스 저장탱크(10) 내에서 증발가스가 발생하더라도, 증발가스는 배출 및 액화 후 리턴됨에 따라 액화가스 저장탱크(10)의 내압은 안정적인 수준을 유지할 수 있다.

다만 액화기(30)로 유입되는 증발가스는 비등점을 높이기 위해 압축된 상태일 수 있는바, 액화기(30)와 액화가스 저장탱크(10) 사이에는 증발가스를 감압하는 밸브(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있다.

물론 액화가스 저장탱크(10)의 내부 부피를 고려할 때, 별도의 감압 없이 증발가스가 리턴되더라도 액화가스 저장탱크(10) 내에서 자연스럽게 감압될 수 있으므로, 감압밸브는 마련되지 않을 수 있다.

액화기(30)는 혼합냉매(Mixed Refrigerant)를 사용할 수 있으며, 이때 액화기(30)에는 폐루프 형태의 냉매 순환라인(L10)이 경유할 수 있다. 냉매 순환라인(L10)에는 냉매가 압축, 냉각, 팽창, 가열 순으로 변하며, 냉매가 가열될 때 증발가스가 냉각될 수 있다.

냉매 순환라인(L10)에는 냉매를 압축하는 냉매 압축기(100)가 마련될 수 있고, 냉매 순환라인(L10)에서 냉매 압축기(100)의 하류에는, 압축된 냉매를 냉각하는 냉매 쿨러(120)가 마련될 수 있다. 냉매 쿨러(120)는 냉매의 냉각을 위하여 제한되지 않는 냉원을 사용할 수 있다. 다만 압축된 냉매는 액화기(30)에서 냉각될 수 있으므로, 냉매 쿨러(120)는 생략될 수 있다.

냉매 압축기(100)에서 압축된(압축 후 냉매 쿨러(120)에서 냉각된) 냉매는, 냉매 감압밸브(110)에서 감압/팽창됨에 따라 극저온 상태가 된다. 이때 극저온 상태의 냉매는 다시 액화기(30)로 유입되면서, 증발가스 액화라인(L1)을 따라 액화기(30)로 유입된 증발가스와 열교환하여 증발가스를 냉각시킬 수 있다.

또한 극저온 상태의 저압 냉매는, 액화기(30) 내에서 압축된 증발가스를 냉각시키면서 냉매 압축기(100)에서 압축된 고압 냉매를 냉각시킬 수 있다. 즉 액화기(30)는 냉매로 증발가스를 냉각하면서도 냉매 간의 열교환을 구현할 수 있다.

냉매는 프로판 등을 포함하는 혼합냉매로서, 감압에 의하여 액화될 수 있고, 액화기(30)에서 증발가스와 열교환하면서 기화될 수 있다. 따라서 냉매는 기화될 때 흡수하는 잠열을 증발가스의 냉각에 활용할 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 액화기(30)로는 증발가스 액화라인(L1)이 연결됨은 앞서 설명한 바와 같은데, 본 실시예에서 증발가스 액화라인(L1)을 통해 액화기(30)로 유입되는 증발가스는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 후 예냉없이 액화기(30)로 유입될 수 있다.

증발가스를 냉각된 증발가스 등으로 예냉하게 되면, 압축기(20)로 유입되는 증발가스의 부피가 줄어들게 되어 압축기(20)의 부하 감소는 가능하나, 액화기(30)로 유입되는 증발가스의 온도가 낮아지게 됨에 따라, 액화기(30)에서 증발가스를 냉각하기 위해 사용되는 냉매의 온도가 더욱 낮아져야 한다.

이 경우 액화기(30)는, 냉매의 온도를 더욱 낮추기 위해 앞서 설명한 냉매 압축기(100), 냉매 쿨러(120) 등의 제원이 확장될 수밖에 없고, 따라서 액화기(30) 자체의 용량이 커지면서 액화기(30)의 설치 비용이나 운영 비용이 증가하는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명은, 압축기(20)의 부하 감소로 인한 효과보다도, 액화기(30)의 용량 감소로 인한 효과가 더욱 큰 것을 고려하여, 증발가스에 대한 예냉을 생략하여 비교적 고온의 증발가스가 액화기(30)에 바로 유입되도록 함으로써, 냉매에 요구되는 온도를 높여 액화기(30) 용량을 절감할 수 있다.

다만 본 발명은 압축기(20)가 액화된 증발가스 등에 의하여 예냉되는 것을 생략한다는 것이지, 압축기(20)가 다단으로 마련될 때 압축기(20) 사이 또는 최후단 압축기(20)의 하류에서 압축기(20)와 세트로 마련되는 인터쿨러(21)까지 생략한다는 의미는 아님을 알려둔다.

본 실시예에서 액화기(30)는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 냉매로 액화하면서, 또한 펌프(50)에 의해 수요처(E)로 공급되는 액화가스(및 액상의 증발가스)의 냉열을 회수하도록 마련될 수 있다. 즉 액화기(30)에는 감압밸브 전후의 냉매가 유동하고, 압축기(20)에서 압축된 증발가스가 유동하며, 또한 펌프(50)에 의해 가압된 액화가스 등이 유동하도록 마련될 수 있다.

이때 수요처(E)로 공급되는 액화가스는 증발가스를 냉각하면서 가열될 수 있는데, 따라서 액화기(30)는 증발가스를 액화하는 구성이면서 동시에 액화가스의 기화수단으로 사용될 수 있다.

또는 본 실시예에서 액화가스를 기화시키는 기화기(51)가 별도로 마련된다 하더라도, 액화기(30)에서 액화가스가 가열되는 한, 기화기(51)의 부하가 줄어들 수 있다.

이와 같이 액화기(30)가 수요처(E)로 공급되는 액화가스의 냉열을 회수하게 되므로, 본 실시예는 증발가스를 예냉하지 않음으로 인한 액화기(30)의 용량 절감에 더하여, 추가로 액화기(30) 용량 절감이 가능하다.

액화기(30)가 증발가스를 냉각하는 온도는, 증발가스의 압력을 고려한 비등점 이하일 수 있고, 일례로 압축기(20)의 토출압력이 5 내지 20bar일 때 액화기(30)에서 배출되는 증발가스의 온도는 섭씨 -120도 내외일 수 있다. 후술하겠으나 액화기(30)의 냉각 온도는, 펌프(50)에서 캐비테이션이 발생하지 않을 정도의 온도일 수 있다.

기액분리기(40)는, 액화기(30)와 후술할 펌프(50) 사이에 마련되며, 액화기(30)에서 열교환된 증발가스 중 액상의 증발가스를 펌프(50)로 전달한다. 액화기(30)가 혼합냉매 등을 이용하여 증발가스를 액화한다 하더라도, 증발가스에 포함된 비등점이 매우 낮은 질소 등은 기체 상태로 잔류해 있을 수 있다.

이때 질소 등의 기체가 펌프(50)로 유입되면, 펌프(50)에는 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생하면서 가동 효율과 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 기액분리기(40)는 액화기(30)를 거쳐 유입된 증발가스 중 기체 상태로 남아있는 물질을 걸러내 액상의 증발가스를 펌프(50)로 전달할 수 있으며, 이때 기체 상태의 물질은 플래시 가스(flash gas)로 지칭된다.

플래시 가스는 질소를 포함하고 있지만 여전히 발열량이 있는 성분을 포함하는 것이고, 또한 저온 상태이므로 재활용이 바람직하다. 따라서 플래시 가스는 기액분리기(40)에서 배출되어 압축기(20) 상류로 유입될 수 있고, 또는 액화기(30)에서 열교환에 사용될 수도 있으며, 별도의 소비처로 전달되어 소비될 수 있다.

또는 본 실시예는, 질소가 기액분리기(40)에서 펌프(50)로 전달되어 수요처(E)로 공급될 수 있도록, 질소를 재액화시킬 수도 있다. 이를 위해 기액분리기(40)는, 질소의 비등점을 충분히 높이기 위한 고압으로 내압이 유지될 수 있으며, 압축기(20) 역시 액화기(30)에서 질소의 액화를 가능케 할 정도로 증발가스를 압축할 수 있다.

이 경우 증발가스에 포함된 질소는 기액분리기(40) 내에서 액상으로 유지될 수 있으며, 따라서 질소를 포함한 액상의 증발가스 및 여기에 혼합된 액화가스가 펌프(50)를 거쳐 수요처(E)로 유입되어 소비될 수 있다. 따라서 질소를 액상으로 펌프(50)에 공급함에 따라, 시스템 내의 질소 누적을 방지할 수 있고, 또한 질소 누적으로 인한 엔진 효율의 감소를 방지할 수 있다.

또는 질소를 재액화하지 않고, 기액분리기(40)에서 플래시 가스로 분리해낸 뒤 펌프(50)의 하류에 합류시켜 수요처(E)로 공급하는 것도 가능하나, 이 경우 플래시 가스의 압력을 수요처(E)의 요구압력에 맞추기 위해 별도의 압축수단이 구비될 수 있음은 물론이다.

증발가스 액화라인(L1)은 액화가스 저장탱크(10)에서 연장되어 증발가스 압축기(20), 액화기(30)를 거쳐 기액분리기(40)로 연결될 수 있으며, 기액분리기(40)에서 액화가스 저장탱크(10)로는 증발가스 리턴라인(L3)이 마련된다. 증발가스 리턴라인(L3)을 따라 액상의 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)로 유입될 수 있다.

액화기(30)에서 기액분리기(40)로 유입되는 증발가스는 과냉 상태일 수 있는데, 증발가스의 압력은 5 내지 10bar(일례로 8bar)일 수 있고, 액화가스 저장탱크(10)의 내압보다 높게 유지될 수 있다.

따라서 기액분리기(40) 내에서의 증발가스 비등점이 대기압에서의 증발가스 비등점보다 높아지므로, 기액분리기(40) 내의 증발가스는 비교적 수월하게 액상을 유지할 수 있다. 따라서 액화기(30)의 냉열 소모가 줄어들 수 있고, 기액분리기(40)의 하류에 마련되는 펌프(50)에는 증발가스가 액상을 유지하면서 유입됨에 따라 펌프(50)의 캐비테이션이 억제될 수 있다.

기액분리기(40)에서 액화가스 저장탱크(10)로 증발가스가 리턴되면, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 부피로 인해 증발가스의 압력이 강하되면서, 증발가스는 줄-톰슨 효과로 인해 섭씨 -160도 내외까지 온도가 내려갈 수 있다. 따라서 액화가스 저장탱크(10)로 유입되는 액상의 증발가스는 과냉 상태를 유지하게 되어 액화가스 저장탱크(10)에서의 증발가스 발생을 억제할 수 있다.

기액분리기(40)에는 액화가스 저장탱크(10)로부터 이송펌프(부호 도시하지 않음)에 의해 배출되는 액화가스가 유입될 수 있다. 즉 기액분리기(40)는, 액화기(30)에서 액화된 증발가스와 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 액화가스를 혼합하는 혼합수단일 수 있다.

기액분리기(40)에서 분리되는 액상의 증발가스+액화가스는, 기액분리기(40)로부터 수요처(E)까지 연결되는 액화가스 공급라인(L5)을 통해 수요처(E)로 전달될 수 있다. 이때 액화가스 공급라인(L5)은 기액분리기(40)에서 수요처(E)로 직접 연결되거나, 증발가스 리턴라인(L3)에서 분기되어 수요처(E)로 연결되도록 마련될 수 있다.

따라서 기액분리기(40)에 유입된 증발가스는, 증발가스 리턴라인(L3)을 통해 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되거나, 액화가스 공급라인(L5) 및 펌프(50)를 통해 수요처(E)로 공급될 수 있다. 즉 본 실시예에서 증발가스는, 액화가스와 혼합하여 연료로 소비되거나 냉매에 의해 액화될 수 있고, 증발가스를 연료로 소비하기 위해 액화기(30)에서의 냉각 부하(증발가스의 냉각 온도)를 줄이는 제어가 가능함은 물론이다.

액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 모두 액화가스와 혼합하여 수요처(E)로 공급하게 되면, 증발가스의 발생량이 증가함에 따라 액화가스의 소비량이 줄어들게 되므로, 에너지 소비효율이 좋아질 수 있다.

다만 증발가스를 액화가스와 함께 연료로만 사용할 때 증발가스 발생량이 부족한 경우에는 에너지 소비효율이 좋지 않게 되는 문제가 있다.

이에 반해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 모두 재액화하고 액화가스만 수요처(E)로 공급하게 되면, 증발가스의 발생량과 무관하게 에너지 소비효율은 비교적 일정한 값을 갖게 된다.

다만 이 경우 증발가스의 항시 재액화를 위해 냉매를 사용해야 하므로 에너지가 다소 낭비될 수 있다는 문제가 있고, 증발가스 발생량이 많으면 많은 양의 냉매를 냉각해야 하므로 증발가스를 연료로 공급하는 경우보다 에너지 소비효율이 나빠지게 된다.

본 실시예는 증발가스를 전량 연료로 사용하는 경우와, 증발가스를 전량 재액화하는 경우에서의 에너지 소비효율을 고려하여, 증발가스를 재액화하면서도 재액화된 증발가스를 연료로 공급할 수 있도록 하고, 연료로 공급되는 증발가스에 액화가스를 혼합할 수 있도록 한다.

이를 통해 본 실시예는, 증발가스 발생량이 (수요처(E) 요구량보다) 적으면 증발가스를 재액화하고 액화가스를 주로 연료로 공급하여(액화가스와 증발가스를 혼합 공급) 에너지 소비효율을 높일 수 있고, 반대로 증발가스 발생량이 (수요처(E) 요구량보다) 많으면 증발가스를 주로 연료로 공급하여(액화가스의 연료 공급은 중단 가능) 에너지 소비효율을 높일 수 있다.

이때 증발가스 발생량은 액화가스 저장탱크(10)에 마련된 압력계나 증발가스 액화라인(L1)에 마련되는 유량계 등에 의해 측정될 수 있고 수요처(E)의 요구량은 선박의 운항 제어 시스템에서 설정되는 선속, 엔진부하 등을 통해 확인될 수 있음은 자명하다.

펌프(50)는, 액화기(30)에서 열교환된 증발가스를 수요처(E)로 공급한다. 이때 수요처(E)는 메인엔진으로 ME-GI, XDF 등의 고압엔진일 수 있으며, 펌프(50)는 고압엔진의 요구압력에 맞게 증발가스를 가압할 수 있다.

펌프(50)에는 기액분리기(40)로부터 전달되는 액상의 증발가스 및 액화가스가 유입될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 기액분리기(40)는 8bar 등의 비교적 고압을 유지하여 증발가스를 액상으로 유지할 수 있으므로, 펌프(50)의 캐비테이션이 충분히 방지된다.

펌프(50)에 의해 수요처(E)로 공급되는 증발가스(및 액화가스)는, 액화가스 공급라인(L5)을 따라 유동하면서 액화기(30)를 경유할 수 있다. 따라서 액화기(30)는 수요처(E)로 공급되는 증발가스로 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 냉각할 수 있고, 이를 통해 수요처(E)에 전달되는 증발가스의 가열 부하 및 액화기(30)의 용량을 줄일 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.

즉 본 실시예는 고압엔진에 사용되는 액화가스의 냉열을 보다 높은 온도까지 고르게 회수할 수 있어서, 액화 효율 등이 증대될 수 있는 효과를 갖는다.

도면에 도시하진 않았으나, 펌프(50) 하류에는 기화기(도시하지 않음)가 마련되며, 기화기는 펌프(50)로 가압된 후 액화기(30)에서 가열된 액화가스를 수요처(E)의 요구온도에 맞춰 변화시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 증발가스를 예냉 없이 액화기(30)에서 냉매와 열교환하여 액화기(30)의 용량을 줄일 수 있으며, 증발가스의 액화, 연료공급을 적절히 제어하여 에너지 소비효율을 보장할 수 있다.

또한 본 실시예는, 수요처(E)로 공급되는 액화가스(및 액상의 증발가스)의 냉열을 증발가스의 액화에 충분히 회수함으로써, 액화기(30) 용량을 추가로 줄일 수 있어 시스템 전체 효율을 개선할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 제1 실시예 대비, 액화기(30)와 펌프(50) 사이의 증발가스 중 적어도 일부를 액화기(30)로 되돌려 냉매와 열교환할 수 있다.

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략하는 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하에서 후술하는 다른 실시예의 내용에도 마찬가지로 적용된다.

본 실시예의 액화기(30)는, 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압된 냉매로 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 냉각하며, 동시에 액화기(30)와 펌프(50) 사이(액화기(30)와 기액분리기(40) 사이)로부터 전달되는 증발가스를 냉각할 수 있다.

이 경우 액화가스 저장탱크(10)에서 액화기(30)를 경유해 기액분리기(40)로 연결되는 증발가스 액화라인(L1)에는, 액화기(30)와 기액분리기(40) 사이로부터 분기되어 액화기(30)를 경유한 뒤 액화가스 저장탱크(10)로 연결되는 증발가스 리턴라인(L3)이 마련될 수 있다.

따라서 증발가스는, 증발가스 액화라인(L1)을 따라 압축기(20)에서 압축된 후 액화기(30)에서 냉매에 의해 1차 냉각되며, 적어도 일부는 증발가스 액화라인(L1)을 통해 기액분리기(40)로 유입되며, 나머지는 기액분리기(40)의 상류에서 증발가스 리턴라인(L3)을 통해 액화기(30)에서 냉매에 의해 2차 냉각된 뒤 액화가스 저장탱크(10)로 회수될 수 있다.

본 실시예는 증발가스에 대해 액화기(30)에서의 2단 냉각이 가능하므로, 액화기(30)에서의 1차 냉각 시 증발가스는 과냉되지 않을 수 있고, 액화기(30)에서의 2차 냉각 시 증발가스가 과냉될 수 있다.

즉 증발가스는, 증발가스 액화라인(L1)을 통해 액화기(30)에서 1차 냉각된 후 기액분리기(40)로 유입될 때 액상일 수 있고, 증발가스 리턴라인(L3)을 통해 액화기(30)에서 2차 냉각된 후 액화가스 저장탱크(10)로 유입될 때 과냉 상태일 수 있다.

이 경우 기액분리기(40)는 액화가스 저장탱크(10)보다 높은 내압을 유지하게 되므로, 기액분리기(40)에서 펌프(50)로 전달되는 증발가스는 액상으로 유입되어 펌프(50)의 캐비테이션이 억제될 수 있다.

본 실시예는, 기액분리기(40)에서 액화가스 저장탱크(10)로 증발가스 리턴라인(L3)이 마련되지 않을 수 있으며, 액화기(30)에서 액화된 후 기액분리기(40)로 유입되는 증발가스는, 모두 액화가스와 혼합되어 펌프(50)를 통해 수요처(E)로 공급될 수 있다.

즉 액화기(30) 하류에서 증발가스는 연료로 사용되기 위해 기액분리기(40)로 유입되거나 액화가스 저장탱크(10)로 회수되기 위해 액화기(30)로 재유입될 수 있으며, 액화기(30)에서 1차 냉각된 증발가스가 기액분리기(40)와 액화기(30)로 분배되는 유량은, 증발가스 발생량 및 수요처(E)의 요구량에 따라 적절히 제어될 수 있다.

이러한 제어는, 증발가스 액화라인(L1)에서 증발가스 리턴라인(L3)이 분기되는 지점 부근에 설치된 유량조절밸브(31)의 개도 조절에 의하여 이루어질 수 있다. 즉 유량조절밸브(31)는, 2개의 밸브 또는 하나의 삼방밸브 등일 수 있으며, 증발가스 발생량과 수요처(E)의 요구량에 연동하여 개도가 가변될 수 있다.

다만 증발가스 액화라인(L1)이나 증발가스 리턴라인(L3)에 마련되는 유량조절밸브(31) 중 적어도 어느 하나는, 감압밸브일 수 있다. 일례로 증발가스 리턴라인(L3)에 마련되는 유량조절밸브(31)는 감압밸브일 수 있으며, 감압밸브는 액화 효율을 높이기 위한 압력으로 압축된 증발가스를 감압/팽창하여 증발가스의 온도 저하를 유도할 수 있다.

감압밸브는 증발가스 리턴라인(L3)에서 액화기(30)의 상류에 마련될 수 있다. 따라서 증발가스는 액화기(30)에서의 1, 2차 냉각 사이에서 감압에 의한 온도 저하가 발생될 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 때 충분한 저온 상태에 놓일 수 있다.

물론 증발가스 액화라인(L1)에서 액화기(30)와 기액분리기(40) 사이에 마련된 유량조절밸브(31)도 감압밸브로 사용될 수 있으나, 본 실시예는 기액분리기(40)를 8bar 내외의 고압으로 유지하여 펌프(50)의 캐비테이션을 방지할 수 있으므로, 증발가스 액화라인(L1)에 감압밸브가 마련된다 하더라도 감압밸브의 감압 정도는 증발가스 리턴라인(L3)에 마련되는 감압밸브 보다 작을 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 액화기(30)에서 액화된 증발가스의 흐름을 과냉 후 리턴되는 것과 펌프(50)로 가압 후 연료로 소비되는 것으로 구분하여, 액화기(30)에서 필요한 에너지를 줄일 수 있으므로 액화기(30) 용량 절감이 가능하다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 액화기(30)가 제1 액화기(30a) 및 제2 액화기(30b)를 포함할 수 있다.

제1 액화기(30a)는, 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압된 냉매로 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 냉각한다. 액화가스의 냉열을 사용하지 않고 증발가스를 2단 냉각하지 않도록 마련되는 3 스트림 구조일 수 있다.

즉 제1 액화기(30a)는, 냉매 감압밸브(110)로 감압된 냉매가, 냉매 압축기(100)에서 압축된 냉매 및 압축기(20)에서 압축된 증발가스와 열교환하는 형태일 수 있으며, 이때 냉각된 증발가스는 적어도 일부가 액화되나 과냉되진 않을 수 있다.

제1 액화기(30a)에서 배출되는 저온의 증발가스는 증발가스 액화라인(L1)을 따라 기액분리기(40)로 유입되는데, 증발가스 액화라인(L1)에는 증발가스 리턴라인(L3)이 분기될 수 있고, 증발가스 액화라인(L1)은 제2 액화기(30b)를 경유해 액화가스 저장탱크(10)로 연결될 수 있다.

제2 액화기(30b)는, 제1 액화기(30a)와 액화가스 저장탱크(10) 사이에 마련되며 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압된 후 제1 액화기(30a)로 유입되기 전의 냉매로, 제1 액화기(30a)에서 배출되는 증발가스를 냉각할 수 있다.

즉 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압된 저온의 냉매는, 제2 액화기(30b)에서 증발가스를 과냉시킨 뒤 제1 액화기(30a)에서 증발가스를 액화시킬 수 있으며, 반대로 압축기(20)에서 압축된 증발가스는, 제1 액화기(30a)에서 액화된 뒤 제2 액화기(30b)에서 과냉될 수 있다.

다만 증발가스는 제1 액화기(30a)에서 액화되고 기액분리기(40)로 전달되어 액화가스와 혼합된 후 펌프(50)에 의해 수요처(E)의 연료로 공급되거나, 제1 액화기(30a)에서 1차 냉각, 제2 액화기(30b)에서 2차 냉각되어 과냉되고 액화가스 저장탱크(10)로 전달될 수 있다.

즉 본 실시예는 앞선 제2 실시예와 유사하게, 냉매에 의해 액화된 증발가스의 흐름을 연료 공급 흐름과 과냉 흐름으로 분기하며, 다만 본 실시예는 하나의 액화기(30)를 사용하는 대신 액화기(30)를 제1 액화기(30a)와 제2 액화기(30b)로 구분하여 구비할 수 있다.

이때 흐름의 분기는, 앞선 실시예와 마찬가지로 증발가스 액화라인(L1)에서 증발가스 리턴라인(L3)이 분기되는 지점에 설치되는 하나 이상의 유량조절밸브(31)에 의해 구현될 수 있고, 유량조절밸브(31) 중 적어도 증발가스 리턴라인(L3)에 설치된 것은 감압밸브일 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.

이와 같이 본 실시예는, 제1 액화기(30a)와 제2 액화기(30b)를 구비하여 제1 액화기(30a)로는 연료로 공급될 증발가스를 액화하여 펌프(50)의 캐비테이션을 방지하고, 제2 액화기(30b)로는 1차 액화된 증발가스를 과냉한 후 액화가스 저장탱크(10)로 리턴시켜서 액화가스 저장탱크(10)에서의 증발가스 발생을 효과적으로 억제할 수 있으며, 제1 액화기(30a)의 용량및 액화기(30) 전체에서 소비되는 에너지를 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 제1 실시예에서와 유사하게 수요처(E)로 공급되는 액화가스의 냉열을 액화기(30)에서 이용할 수 있으며, 다만 제1 실시예와 달리 증발가스는 액화 후 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되고, 액화가스는 증발가스를 냉각한 후 수요처(E)로 공급될 수 있다. 즉 본 실시예는, 앞선 실시예 대비 액상 증발가스를 연료로 공급하지 않을 수 있다.

이때 액화기(30)는, 복수 개로 마련될 수 있고, 제1 액화기(30a)는 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압/팽창된 저온 냉매를 이용하여 압축된 냉매 및 압축된 증발가스를 냉각하며, 제2 액화기(30b)는 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압된 저온 냉매를 이용하여 압축된 증발가스를 냉각하는 동시에, 액화가스의 냉열을 증발가스로 전달할 수 있다.

즉 도면을 기준으로 상측에 도시된 제1 액화기(30a)는 냉매를 이용해 증발가스를 액화하며, 하측에 도시된 제2 액화기(30b)는 냉매 및 액화가스를 이용해 증발가스를 액화할 수 있다. 이때 각 액화기(30)에서 액화된 증발가스는 혼합된 후 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

액화기(30)를 병렬로 구비하기 위해 증발가스 액화라인(L1)은 압축기(20)의 하류에서 분기되어 각 액화기(30)로 연결될 수 있으며, 다만 각 액화기(30)의 하류에서 증발가스 액화라인(L1)은 합류될 수 있다. 합류 후의 라인은 증발가스 리턴라인(L3)으로 지칭될 수 있다.

냉매를 이용한 제1 액화기(30a)에서 냉각된 증발가스는, 냉매와 액화가스를 모두 이용하는 제2 액화기(30b)에서 냉각된 증발가스와 온도가 다를 수 있고, 이는 액화기(30)로 유입되는 액화가스의 양(수요처(E)의 요구량)과 증발가스 발생량 등에 따라 달라진다.

따라서 본 실시예는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스가 각 액화기(30)로 분기되는 유량을, 수요처(E) 요구량, 증발가스 발생량 등에 따라 조절하여, 액화가스의 냉열이 증발가스로 충분히 회수되도록 할 수 있다.

다만 냉매 압축기(100)로 압축된 냉매의 온도와, 펌프(50)에 의해 가압된 액화가스의 온도가 동일/유사하다면, 액화기(30) 내부에 흐르는 유량이 동일할 때 각 액화기(30)에서 증발가스가 냉각되는 정도는 동일할 수 있다.

그러나 도면과 달리 펌프(50)가 제2 액화기(30b) 하류에 마련되는 경우에는, 제1 액화기(30a)와 달리 제2 액화기(30b)에서 증발가스는 과냉될 수도 있다. 다만 본 실시예는, 펌프(50)의 하류에 제2 액화기(30b)를 배치하여, 펌프(50)에 의해 가압된 액화가스가 제2 액화기(30b)에서 증발가스에 의해 가열되도록 하여, 펌프(50)와 수요처(E) 사이의 기화기(51)의 부하를 줄일 수 있게 된다.

즉 본 실시예는 액화가스의 냉열을 증발가스의 냉각에 사용하되, 액화가스의 양에 따라 액화가스와 열교환하는 증발가스의 유량을 적절히 제어함으로써 액화기(30)와 기화기(51)의 부하를 절감할 수 있다.

다만 도면과 달리 본 실시예는, 제1 액화기(30a)와 제2 액화기(30b)가 하나의 액화기(30)로 합쳐진 형태를 구비할 수도 있으며, 이 경우 액화기(30)는 냉매 감압밸브(110)에 의해 감압된 냉매와, 냉매 압축기(100)에서 압축된 냉매, 압축기(20)에서 압축된 증발가스, 펌프(50)로 가압된 액화가스가 한꺼번에 열교환하는 구조를 가질 수 있다. 이때 압축기(20)에서 압축된 증발가스는 액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되고, 증발가스에 의해 가열된 펌프(50)는 기화기(51)를 거쳐 수요처(E)로 공급된다.

이와 같이 본 실시예는, 증발가스를 압축하고 냉매로 냉각할 때, 수요처(E)로 공급되는 액화가스의 냉열을 회수할 수 있도록 하여, 액화기(30) 및 액화가스 가열을 위한 기화기(51)의 용량을 줄일 수 있다.

도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 앞선 실시예들과 달리 서로 열교환되는 두 냉매를 복합 사용하여 증발가스를 냉각할 수 있으며, 이를 위해 본 실시예는 압축기(20), 액화기(30), 기액분리기(40), 펌프(50) 외에도 냉각기(60), 냉매 열교환기(70)를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 냉각기(60)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 제1 냉매와 열교환한다. 냉각기(60)는 증발가스 액화라인(L1)에서 압축기(20) 상류에 마련될 수 있다.

일례로 증발가스는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 후 냉각기(60)에서 제1 냉매와 열교환되고 압축기(20)로 전달될 수 있으며, 이때 제1 냉매에 의하여 냉각될 수 있다. 다만 본 실시예는 앞선 실시예들과 마찬가지로, 증발가스가 냉매와 열교환하기 이전에 액상의 증발가스 등의 냉매 외 물질을 사용하는 예냉을 구현하지는 않는다.

또한 냉각기(60)는, 후술할 액화기(30)에서 제2 냉매와 열교환된 증발가스를 다시 전달받을 수 있는데, 이때 냉각기(60)에 2차로 유입되는 증발가스는 냉각기(60)에서 제1 냉매와 열교환하면서 냉각(과냉)된 후 냉각기(60)로부터 액화가스 저장탱크(10)로 연장된 증발가스 리턴라인(L3)을 따라 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

따라서 압축 전에 냉각기(60)를 경유하는 증발가스와 액화기(30)로부터 배출된 후 냉각기(60)를 경유하는 증발가스 모두 냉각기(60)에서 제1 냉매에 의해 냉각될 수 있지만, 냉각의 정도에는 차이가 있을 수 있다.

다만 냉각기(60)는 제1 냉매를 이용해 압축기(20)로 유입되는 증발가스를 냉각하며, 액화기(30)에서 액화된 증발가스는 냉각기(60)를 경유하지 않고 액상으로 액화가스 저장탱크(10)에 리턴될 수 있음은 물론이다.

반대로 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 압축기(20)로 유입되는 증발가스는 냉각기(60)를 거치지 않고, 액화기(30)에서 배출된 증발가스가 냉각기(60)를 경유해 냉각된 후 액화가스 저장탱크(10)로 회수되는 것도 가능하다.

냉각기(60)에는 제1 냉매 순환라인(L10a)이 마련되며, 제1 냉매 순환라인(L10a)은 냉각기(60) 및 액화기(30)를 경유할 수 있다. 제1 순환라인에는 제1 냉매 압축기(100a), 제1 냉매 쿨러(120a), 제1 냉매 감압밸브(110a), 냉매 기액분리기(130), 냉매 열교환기(70) 등이 마련된다.

제1 냉매 압축기(100a)에 의해 압축된 제1 냉매는, 제1 냉매 쿨러(120a) 및 후술할 냉매 열교환기(70)를 거쳐 냉각된 뒤 액화기(30)로 유입된다. 이때 액화기(30)는 제2 냉매를 이용하여 증발가스를 액화하면서도, 제2 냉매와 제1 냉매가 열교환되도록 할 수 있다.

액화기(30)에서 제2 냉매 등에 의해 온도가 변화(냉각 또는 가열)된 제1 냉매는, 적어도 일부가 기체와 액체 사이에서 상변화된 뒤 냉매 기액분리기(130)로 유입된다. 냉매 기액분리기(130)는 제2 냉매와 열교환된 제1 냉매를 기액분리하여, 기상의 제1 냉매와 액상의 제1 냉매를 각각 분리해 냉각기(60)로 전달할 수 있다.

냉각기(60)에 전달된 기상의 제1 냉매는 증발가스와 열교환한 뒤 냉매 감압밸브(110)에 의하여 감압될 수 있고, 감압 시 액화될 수도 있다. 냉매 감압밸브(110)로 감압된 제1 냉매는 다시 냉각기(60)로 유입되어 증발가스를 냉각시키게 되는데, 이때 냉각기(60) 내의 일정 지점 또는 냉각기(60) 상류에 액상의 제1 냉매가 감압된 제1 냉매에 혼합되면서, 액상의 제1 냉매도 냉각기(60) 내에서 증발가스를 냉각할 수 있다.

냉매 감압밸브(110)로 감압된 후 냉각기(60)에서 배출된 제1 냉매(및 냉매 기액분리기(130)에서 분리된 후 냉각기(60)에서 합류된 액상의 제1 냉매)는, 다시 제1 냉매 압축기(100a)로 전달되면서 제1 냉매 순환라인(L10a)을 따라 순환될 수 있다.

제1 냉매는, 프로판 등을 포함할 수 있으나, 이로 한정되지 않는다. 다만 제1 냉매는 제2 냉매 또는 증발가스와의 열교환에 의해 상변화가 이루어지는 물질일 수 있고, 상변화라 함은 적어도 일부가 액화 또는 기화됨을 의미한다.

일례로 제1 냉매는 기체 상태로 제1 냉매 압축기(100a)에 유입되어 압축된 후, 제2 냉매에 의해 액화될 수 있으며, 또는 제1 냉매 압축기(100a)에서 압축된 기체 상태의 제1 냉매는 후술할 냉매 열교환기(70)에 의해 액화된 후, 증발가스 등에 의해 기화될 수 있다.

본 실시예의 액화기(30)는, 냉각기(60)에서 제1 냉매와 열교환되고 압축기(20)에서 압축된 증발가스를, 제2 냉매로 냉각할 수 있다. 이때 제2 냉매는 제1 냉매와 동일/유사한 물질일 수 있으며, 액화기(30)에서 제1 냉매와 열교환되도록 마련된다.

즉 액화기(30)는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스와 제1 냉매 및 제2 냉매가 상호 열교환되도록 할 수 있으며, 제2 냉매는 증발가스를 냉각하면서 가열될 수 있다. 다만 액화기(30)에서 열교환되는 제1 냉매는, 냉매 열교환기(70)에서의 열교환 여부나 정도에 따라, 액화기(30)에서의 온도 변화가 달라질 수 있다.

액화기(30)에는 제2 냉매 순환라인(L10b)이 경유될 수 있으며, 제2 냉매 순환라인(L10b)에는 제2 냉매 압축기(100b), 제2 냉매 쿨러(120b) 등이 마련될 수 있다. 따라서 제2 냉매는, 제2 냉매 압축기(100b)에서 압축, 제2 냉매 쿨러(120b)에서 냉각된 후(필요 시 제2 냉매 감압밸브(도시하지 않음)에 의해 감압/팽창될 수 있음) 액화기(30)로 유입되며, 액화기(30)에서 증발가스 및 제1 냉매와 열교환한 제2 냉매는 제2 냉매 압축기(100b)로 다시 전달된다.

냉매 열교환기(70)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 펌프(50)를 거쳐 수요처(E)로 공급되는 액화가스를 이용하여 제1 냉매 또는 제2 냉매를 냉각할 수 있으며, 일례로 냉매 열교환기(70)는 제1 냉매 순환라인(L10a)에서 액화기(30)의 상류에 마련되어, 수요처(E)로 공급되는 액화가스를 이용하여, 제2 냉매와 열교환되기 전의 제1 냉매를 냉각함으로써 액화기(30)에서의 증발가스 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

구체적으로 도 5에 나타난 바와 같이 냉매 열교환기(70)는, 제1 냉매 압축기(100a)와 액화기(30) 사이의 제1 냉매 순환라인(L10a)에 마련될 수 있다. 이 경우 냉매 열교환기(70)는, 액화가스를 이용하여 액화기(30)로 유입되는 제1 냉매를 냉각하여, 액화기(30)의 용량 절감을 구현할 수 있고 제2 냉매에 의한 냉각 부담을 덜어줄 수 있다.

냉매 열교환기(70)는 펌프(50)의 하류에 마련될 수 있으며, 따라서 수요처(E)로 공급되는 액화가스는 냉매 열교환기(70)에 의해 가열될 수 있다. 이를 통해 본 실시예는 기화기(51)를 축소 또는 생략할 수 있게 된다.

본 실시예는 액화가스를 이용하여 제1 냉매 등을 직접 쿨링하게 되므로, 액화가스의 가열 부하를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 액화기(30)에서의 용량 부하를 절감할 수 있다.

선속에 따라 액화가스의 공급량은 가변되기 때문에, 액화가스로 증발가스를 냉각하는 경우 액화되어야 하는 증발가스의 온도가 일정치 않게 되어, 액화 효율이 변동하게 된다.

반면 본 발명은, 액화가스를 냉매와 직접 열교환하여 냉매 쿨링에 활용함으로써, 액화되어야 하는 증발가스의 온도가 선속에 무관하게 비교적 일정한 수준으로 유지될 수 있도록 하면서도, 액화가스의 냉열을 통해 액화 효율을 대폭 개선할 수 있다. 또는 이 경우 액화기(30)가 최적 효율을 갖도록 하는 냉매(혼합냉매)의 조성을 일정하게 유지할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 증발가스가 가변 유량의 액화가스와 열교환되지 않도록 하여, 냉매와 열교환되는 증발가스의 온도를 비교적 일정 수준으로 유지함으로써 액화 효율을 보장할 수 있으면서도, 수요처(E)로 공급되는 액화가스의 냉열을 증발가스 액화에 활용하여 액화기(30) 용량을 줄일 수 있다.

도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 앞선 제5 실시예와 대비할 때 냉매 열교환기(70)의 위치가 달라진다.

본 실시예에서 냉매 열교환기(70)는, 냉매 기액분리기(130)와 냉각기(60) 사이의 제1 냉매 순환라인(L10a)에 마련될 수 있다. 이 경우 냉매 열교환기(70)는 냉매 기액분리기(130)에서 냉각기(60)로 전달되는 액상의 제1 냉매를 액화가스와 열교환하여 냉각할 수 있다.

또한 본 실시예는, 증발가스 리턴라인(L3)에서 분기되어 액화가스 공급라인(L5)으로 연결되는 증발가스 공급라인(L4)을 포함할 수 있다. 이 경우 액화기(30)와 냉각기(60)에서 차례로 열교환된 증발가스는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 액화가스와 혼합되어 수요처(E)로 공급될 수 있다.

증발가스를 액화가스와 혼합해 수요처(E)에 연료로 공급하는 것은 증발가스의 발생량과 수요처(E)의 요구량에 따라 조절될 수 있으며, 이는 앞서 제1 실시예 등에서 설명한 제어 내용이 동일하게 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템의 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 제5, 6 실시예와 달리, 냉매 열교환기(70)가 제2 냉매 순환라인(L10b)에 마련될 수 있다.

이 경우 냉매 열교환기(70)는, 제2 냉매 압축기(100b)와 액화기(30) 사이의 제2 냉매 순환라인(L10b)에 마련될 수 있으며, 액화기(30)로 유입되는 제2 냉매를 액화가스로 냉각할 수 있다.

따라서 본 실시예는 제5 실시예와 유사하게, 액화기(30)로 유입되는 냉매를 액화가스로 냉각하여 액화기(30)에서의 액화 효율을 높일 수 있고, 또한 액화기(30)에서의 용량을 줄일 수 있게 된다.

본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들 중 적어도 둘 이상의 조합 또는 상기 실시예들의 내용 중 적어도 어느 하나의 실시예와 공지 기술의 조합을 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: 증발가스 냉각 시스템 E: 수요처
10: 액화가스 저장탱크 20: 압축기
21: 인터쿨러 30: 액화기
30a: 제1 액화기 30b: 제2 액화기
31: 유량조절밸브 40: 기액분리기
50: 펌프 51: 기화기
60: 냉각기 70: 냉매 열교환기
100: 냉매 압축기 100a: 제1 냉매 압축기
100b: 제2 냉매 압축기 110: 냉매 감압밸브
110a: 제1 냉매 감압밸브 120: 냉매 쿨러
120a: 제1 냉매 쿨러 120b: 제2 냉매 쿨러
130: 냉매 기액분리기 L1: 증발가스 액화라인
L2: 증발가스 분기라인 L3: 증발가스 리턴라인
L4: 증발가스 공급라인 L5: 액화가스 공급라인
L10: 냉매 순환라인 L10a: 제1 냉매 순환라인
L10b: 제2 냉매 순환라인

Claims

액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉매와 열교환하는 액화기;
상기 액화기에서 열교환된 증발가스를 엔진으로 공급하는 펌프; 및
상기 액화기와 상기 펌프 사이에 마련되며 상기 액화기에서 열교환된 증발가스 중 액상의 증발가스를 상기 펌프로 전달하는 기액분리기를 포함하고,
상기 액화기와 상기 펌프 사이의 증발가스 중 적어도 일부를 상기 액화기로 되돌려 냉매와 열교환한 뒤 상기 액화가스 저장탱크로 회수하며,
상기 기액분리기는,
상기 엔진의 요구량 대비 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스 발생량에 따라, 액상의 증발가스에 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 액화가스를 혼합하여 상기 펌프로 전달하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
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제 1 항에 있어서,
상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 예냉없이 상기 액화기로 유입되는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 액화기와 상기 펌프 사이로부터 상기 액화기로 전달되는 증발가스를 감압하는 감압밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 액화기를 경유하는 냉매 순환라인;
상기 냉매 순환라인에 마련되며 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및
상기 냉매 순환라인에 마련되며 상기 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 감압하는 냉매 감압밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 액화기는,
상기 냉매 감압밸브에 의해 감압된 냉매로 상기 압축기에서 압축된 증발가스 및 상기 액화기와 상기 펌프 사이로부터 전달되는 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 액화기는,
상기 냉매 감압밸브에 의해 감압된 냉매로 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 제1 액화기; 및
상기 제1 액화기와 상기 액화가스 저장탱크 사이에 마련되며 상기 냉매 감압밸브에 의해 감압된 후 상기 제1 액화기로 유입되기 전의 냉매로, 상기 제1 액화기에서 배출되는 증발가스를 냉각하는 제2 액화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 액화기는,
상기 펌프에 의해 상기 엔진으로 공급되는 증발가스로 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항, 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 상기 증발가스 냉각 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.