KR102144181B1

KR102144181B1 - 증발가스 냉각 시스템 및 선박

Info

Publication number: KR102144181B1
Application number: KR1020180124060A
Authority: KR
Inventors: 유병용
Original assignee: 한국조선해양 주식회사; 현대중공업 주식회사
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-08-12
Also published as: KR20200012673A; KR102144184B1; KR20200012669A; KR102144183B1; KR20200012670A; KR20200012672A; KR20200012674A; KR20200012671A; KR102132083B1; KR102132082B1; KR102144182B1

Abstract

본 발명은 증발가스 냉각 시스템 및 선박에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기의 상류에서 증발가스를 냉각하는 예냉기; 상기 예냉기와 상기 압축기의 사이에서 액체를 분리하는 세퍼레이터; 및 상기 세퍼레이터에서 분리된 액체를 상기 액화가스 저장탱크로 리턴하는 액체 리턴부를 포함하며, 상기 액체 리턴부는, 상기 세퍼레이터의 액체를 전달받는 챔버; 상기 챔버의 하류에 마련되는 압력용기; 및 상기 챔버에서 상기 압력용기로의 흐름을 차단한 상태에서, 상기 세퍼레이터로부터 상기 챔버로 유입되는 액체의 레벨이 기설정값을 넘어서면 상기 챔버에서 상기 압력용기로의 흐름을 개방하는 밸브부를 포함하는 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 압축 전 예냉하여 압축기 효율을 향상시키면서도, 예냉 시 발생하는 액적을 질소 등의 압축가스 없이도 원활하게 탱크로 리턴시킬 수 있는 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 증발가스를 액화가스가 아닌 액화된 증발가스로 예냉하여, 예냉 시 액적의 발생이 최소화되도록 함으로써 시스템 구성을 간소화할 수 있는 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 엔진 등으로 공급되는 액화가스를 이용하여 증발가스를 냉각한 뒤 압축하도록 하여, 압축기가 더 높은 압력을 낼 수 있게 함으로써 액화에 필요한 전력 소모를 줄일 수 있는 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 수두가 동일/유사한 3대의 압축기를 이용한 백업 구조를 구현하면서, 적어도 1대의 압축기는 설계 압력을 낮출 수 있도록 하여, 압축기 설치 비용을 절감하고 운영 효율을 높이는 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 증발가스 냉각 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기의 상류에서 증발가스를 냉각하는 예냉기; 상기 예냉기와 상기 압축기의 사이에서 액체를 분리하는 세퍼레이터; 및 상기 세퍼레이터에서 분리된 액체를 상기 액화가스 저장탱크로 리턴하는 액체 리턴부를 포함하며, 상기 액체 리턴부는, 상기 세퍼레이터의 액체를 전달받는 챔버; 상기 챔버의 하류에 마련되는 압력용기; 및 상기 챔버에서 상기 압력용기로의 흐름을 차단한 상태에서, 상기 세퍼레이터로부터 상기 챔버로 유입되는 액체의 레벨이 기설정값을 넘어서면 상기 챔버에서 상기 압력용기로의 흐름을 개방하는 밸브부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 챔버는, 상기 세퍼레이터보다 낮은 위치에 설치되고, 상기 압력용기는, 상기 챔버보다 낮은 위치에 설치될 수 있다.

구체적으로, 상기 액체 리턴부는, 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버를 경유해 드레인되는 액체 배출라인; 및 상기 액체 배출라인과 별도로 마련되며 상기 챔버에서 상기 세퍼레이터 및 상기 압력용기를 각각 연결하는 압력 조절라인을 더 포함하고, 상기 밸브부는, 상기 액체 배출라인 및 상기 압력 조절라인의 유동을 제어할 수 있다.

구체적으로, 상기 밸브부는, 상기 챔버 상류의 상기 액체 배출라인 및 상기 세퍼레이터와 상기 챔버 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하고, 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 폐쇄하여 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버로 액체가 유입되도록 하며, 상기 챔버 내의 액체 레벨이 기설정값을 넘어서면, 상기 챔버 상류의 상기 액체 배출라인 및 상기 세퍼레이터와 상기 챔버 사이의 상기 압력 조절라인을 폐쇄하고, 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하여 상기 챔버에서 액체가 드레인 되도록 할 수 있다.

구체적으로, 상기 압력용기는, 상기 밸브부가 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하면, 개방된 상기 압력 조절라인을 통해 상기 압력용기와 상기 챔버의 기압이 같아져서, 상기 챔버에서 액체가 드레인 될 수 있다.

구체적으로, 상기 밸브부는, 드레인이 기설정량 이루어지면, 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 폐쇄하고, 상기 챔버 상류의 상기 액체 배출라인 및 상기 세퍼레이터와 상기 챔버 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하여 상기 챔버와 상기 세퍼레이터의 압력을 동일하게 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 액체 배출라인은, 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버를 경유해 상기 압력용기로 연결되고, 상기 밸브부는, 상기 챔버 내의 액체 레벨이 기설정값을 넘어서면 상기 챔버와 상기 압력용기의 압력을 동일하게 조절할 수 있다.

구체적으로, 상기 압력용기에서 상기 액화가스 저장탱크로 연결되는 액체 리턴라인을 더 포함하고, 상기 액체 배출라인은, 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버를 경유하고 상기 압력용기를 우회하여 상기 액체 리턴라인으로 연결될 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 압축 전에 예냉하여 압력을 더 높여주면서도, 예냉 시 발생하는 액체를 탱크로 리턴하는 과정에서 별도의 질소 공급이 필요하지 않도록 해 시스템을 간소화할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 헤비카본을 다량 포함하는 액화가스를 대신하여, 메탄이나 질소 등과 같이 비등점이 매우 낮은 성분을 주로 포함하는 액화 증발가스를 이용해 증발가스의 예냉을 구현하여, 예냉 시 액적의 발생이 거의 없도록 함으로써 관련 구성의 생략이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 엔진으로 공급되는 액화가스 및 액화된 증발가스를 이용하여 압축기로 유입되는 증발가스를 냉각해줌으로써, 동일 제원의 압축기를 사용하더라도 압축기 후단에서의 압력이 높아지도록 하여 전력 소모 및 재액화율을 개선할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 증발가스 냉각 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 증발가스 발생량을 모두 커버할 수 있으면서 수두가 동일한 3대의 압축기를 활용하여 서로 백업 가능하게 구현하여, 압축기의 설치 비용을 절감할 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), 예냉기(30), 세퍼레이터(40), 액화기(50), 기액분리기(60)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 예냉기(30), 액화기(50) 등에 의하여 냉각/액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되거나, 수요처(100)에서 소비될 수 있다.

참고로 본 명세서에서 증발가스나 액화가스를 소비하는 수요처(100)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. 물론 병렬로 복수 개의 압축기(20)가 마련되는 것도 가능하며, 이 경우 서로 백업이 가능할 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 압축기(20)를 거쳐 후술할 액화기(50)로는 증발가스 액화라인(L1)이 마련될 수 있으며, 증발가스 액화라인(L1)은 액화기(50) 하류의 기액분리기(60)까지 연결될 수 있다. 증발가스 액화라인(L1)에는 수요처(100)로 증발가스 공급라인(L6)이 분기될 수 있고, 증발가스 공급라인(L6)의 분기 지점은 압축기(20)와 액화기(50) 사이일 수 있지만 이로 한정되는 것은 아니다.

예냉기(30)는, 압축기(20)의 상류에서 증발가스를 냉각한다. 예냉기(30)는 증발가스, 액화가스, 공기, 해수, 별도의 냉매 등의 다양한 물질을 사용하여 증발가스를 냉각할 수 있으며, 증발가스와 열교환하거나 증발가스에 물질을 혼합해 증발가스의 냉각을 구현할 수 있다.

다만 이하에서 예냉기(30)는 증발가스에 물질을 혼합해 증발가스를 냉각하고, 물질은 액화된 증발가스인 것으로 한정하여 설명한다. 물론 예냉기(30)의 타입이나 예냉기(30)에서 사용되는 물질은 위와 같이 다양할 수 있다.

예냉기(30)는, 액화가스를 증발가스에 혼합하는 것이 아니라, 액화기(50)에서 액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스에 혼합하여 예냉을 구현할 수 있다.

이때 예냉기(30)는 액화가스를 대신하여 헤비카본의 비율이 없거나 적은 액상 증발가스를 이용하게 되므로, 예냉기(30) 내부에는 헤비카본이 (거의) 없게 된다. 따라서 예냉에도 불구하고 압축기(20)로 유입될 물질은 거의 대부분 기체 상태가 될 수 있는데, 이에 대해서는 도 4를 참조하여 후술한다.

예냉기(30)는 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 저장하는 공간을 구비하고, 액화된 증발가스를 해당 공간의 내부에 분무하는 형태로 혼합할 수 있으며 믹서(mixer)로 지칭될 수 있다.

동일한 타입의 원심형 압축기(20)에서 유입되는 유체의 온도가 낮으면, 더 높은 압력을 낼 수 있음이 압축기(20) 기술분야에서 알려져 있다. 본 발명은 압축기(20)의 이러한 특성을 고려해, 예냉기(30)를 이용하여 증발가스를 냉각하여 압축기(20)에 유입시킴으로써, 동일한 제원 조건에서 압축기(20)의 배출 압력을 더 높일 수 있다.

압축기(20)의 배출 압력이 상승하면 증발가스의 비등점이 올라가게 되므로, 액화기(50)에서의 액화 효율이 증가할 수 있게 된다. 따라서 본 발명은 압축기(20) 상류의 예냉을 통해 액화율 증가 및 전력소모 감소 효과를 거둘 수 있다. 다만 이때 압축기(20)는 극저온 압축기(20)일 수 있다.

세퍼레이터(40)는, 예냉기(30)와 압축기(20)의 사이에서 액체를 분리한다. 압축기(20)의 타입에 따라 다를 수는 있지만, 압축기(20)로 액적이 유입되는 것은 압축기(20) 가동에 있어서 바람직하지 않다.

따라서 세퍼레이터(40)는 압축기(20) 전단에서 증발가스에 포함된 액체를 분리하고 기체만 압축기(20)로 유입되도록 할 수 있다. 이때 세퍼레이터(40)에서 분리되는 액체는, 메탄이거나, 또는 프로판과 부탄 등의 헤비카본일 수 있다.

다만 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서 예냉기(30)에 혼합되는 물질은 액화된 증발가스일 수 있으므로, 세퍼레이터(40)에서 분리되는 액체는 소량의 메탄일 수 있고 헤비카본은 세퍼레이터(40)에 유입되지 않을 수 있다.

세퍼레이터(40)에서 분리되는 액체는 에너지를 갖는 물질이므로 재활용을 위한 수거가 필요하다. 따라서 세퍼레이터(40)의 액체는 챔버(411), 압력용기(412)를 거쳐 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

이때 원활한 액체의 리턴 유동을 위해 질소를 불어넣을 수 있지만, 이 경우 질소를 주입하기 위한 배관이 필요하고, 또한 배관을 추가할 경우 배관으로 인한 열침투가 시스템 운영을 방해하게 된다.

따라서 본 발명은, 질소 등과 같은 가압 유체의 주입없이도, 세퍼레이터(40)에서 분리된 액체가 액화가스 저장탱크(10)로 원활하게 리턴될 수 있도록 액체 리턴부(41)를 포함한다.

액체 리턴부(41)는, 세퍼레이터(40)에서 분리된 액체를 액화가스 저장탱크(10)로 리턴하며, 챔버(411), 압력용기(412), 밸브부(413)를 포함하며, 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)를 경유해 압력용기(412)로 드레인되는 액체 배출라인(L2)이 마련된다.

챔버(411)는, 세퍼레이터(40)의 액체를 전달받는다. 챔버(411)는 세퍼레이터(40)로부터 원활하게 액체를 전달받을 수 있도록 세퍼레이터(40)보다 낮은 위치에 설치될 수 있다. 이때 액체의 전달은 중력에 의하여 이루어질 수 있다.

챔버(411)에는 세퍼레이터(40)와 연결되는 제1 압력 조절라인(L30)이 마련되며, 제1 압력 조절라인(L30)은 액체 배출라인(L2)과 별도로 마련되어 있을 수 있다. 후술하겠으나 제1 압력 조절라인(L30)은 챔버(411)로부터 세퍼레이터(40)로 액체의 역류를 방지하기 위한 것이다.

압력용기(412)는, 챔버(411)의 하류에 마련된다. 압력용기(412)는 세퍼레이터(40)보다 낮은 위치, 특히 챔버(411)보다 낮은 위치에 설치될 수 있어서 중력에 의하여 챔버(411)로부터 액체를 전달받을 수 있다.

압력용기(412)는, 챔버(411)의 압력을 높여주기 위한 구성이다. 이를 위해 압력용기(412)와 챔버(411) 사이에는 제2 압력 조절라인(L31)이 마련될 수 있고, 제2 압력 조절라인(L31)은 제1 압력 조절라인(L30)과 마찬가지로 액체 배출라인(L2)과 별도로 마련된다.

압력용기(412)에는 액체 외에 증발가스가 유입될 수 있으며, 일례로 압축기(20)에서 압축된 증발가스 등이 압력용기(412)로 유입된다. 따라서 압력용기(412)는 챔버(411)의 승압을 위한 내압을 가질 수 있다.

물론 압력용기(412)는 액체를 축적함에 따라 압력이 높아진 상태를 유지할 수 있으므로, 본 발명에서 압력용기(412)로 증발가스가 유입되는 구성은 생략될 수 있다.

압력용기(412)에는 액화가스 저장탱크(10)로 액체 리턴라인(L4)이 연결될 수 있으며, 따라서 세퍼레이터(40)에서 분리된 액체는 챔버(411), 압력용기(412)를 거쳐 액화가스 저장탱크(10)로 리턴된다.

밸브부(413)는, 세퍼레이터(40), 챔버(411), 압력용기(412) 간의 압력을 조절하여 별도의 가압 유체 없이도 액체의 리턴이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다. 이를 위해 밸브부(413)는 액체 배출라인(L2)에서 챔버(411)의 상류와 하류에 각각 마련되는 제1 배출밸브(413a)와 제2 배출밸브(413b), 제1 압력 조절라인(L30)과 제2 압력 조절라인(L31)에 각각 마련되는 제1 압력 조절밸브(413c), 제2 압력 조절밸브(413d)를 포함한다.

물론 밸브부(413)는 챔버(411) 상하류에서의 액체 흐름과 제1, 2 압력 조절라인(L30, L31)의 유동을 조절할 수 있다면, 위와 다른 조합의 밸브들을 포함할 수도 있다.

밸브부(413)는, 세퍼레이터(40)에서 액체가 분리되면 챔버(411)에서 압력용기(412)로의 흐름을 차단한 상태에서, 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)로 액체가 유입되도록 한다. 이를 위해 밸브부(413)는 제2 배출밸브(413b)와 제2 압력 조절밸브(413d)를 닫고 제1 배출밸브(413a)와 제1 압력 조절밸브(413c)를 개방한다.

다만 제1 배출밸브(413a)의 개방 시 챔버(411)에 존재하는 액체가 세퍼레이터(40)로 역류할 가능성이 있으므로, 제1 배출밸브(413a)는 제1 압력 조절밸브(413c)의 개방 이후에 이루어질 수 있다.

위와 같은 밸브부(413)의 상태가 유지되면 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)로 중력에 의해 액체가 전달되는데, 챔버(411)에 유입되는 액체의 레벨이 기설정값을 넘어서면, 밸브부(413)는 챔버(411)에서 압력용기(412)로의 흐름을 개방할 수 있다.

구체적으로 밸브부(413)는, 제1 배출밸브(413a)와 제1 압력 조절밸브(413c)를 닫고, 제2 배출밸브(413b)와 제2 압력 조절밸브(413d)를 개방한다.

제2 압력 조절밸브(413d)의 개방으로 인해, 압력용기(412)에 채워져 있던 증발가스가 챔버(411)로 전달되면서 챔버(411)의 내압을 높이게 된다. 이후 챔버(411)의 기압이 압력용기(412)의 기압과 같아지면, 중력에 의하여 제2 배출밸브(413b)를 통해 액체가 챔버(411)에서 압력용기(412)로 전달될 수 있다.

압력용기(412)는 기본적으로 액화가스 저장탱크(10)보다 높은 내압을 가질 수 있는바, 압력용기(412)에 유입된 액체는 문제없이 원활하게 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

이와 같이 밸브부(413)는, 액체 배출라인(L2)과 압력 조절라인(L30, L31)의 유동을 제어하여, 세퍼레이터(40)에서 분리된 액체가 챔버(411), 압력용기(412)를 거치면서 별도의 가압 유체 없이도 액화가스 저장탱크(10)로 원활하게 리턴되도록 한다.

다시 설명하면 밸브부(413)는, 챔버(411) 상류의 액체 배출라인(L2) 및 세퍼레이터(40)와 챔버(411) 사이의 제1 압력 조절라인(L30)을 개방하고, 챔버(411) 하류의 액체 배출라인(L2) 및 챔버(411)와 압력용기(412) 사이의 제2 압력 조절라인(L31)을 폐쇄하여 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)로 액체가 유입되도록 한다.

이후 밸브부(413)는, 챔버(411) 내의 액체 레벨이 기설정값을 넘어서면(또는 챔버(411)로의 액체 전달시간이 일정시간을 경과하면), 챔버(411) 상류의 액체 배출라인(L2) 및 세퍼레이터(40)와 챔버(411) 사이의 제1 압력 조절라인(L30)을 폐쇄하고, 챔버(411) 하류의 액체 배출라인(L2) 및 챔버(411)와 압력용기(412) 사이의 제2 압력 조절라인(L31)을 개방하여 챔버(411)에서 액체가 압력용기(412)로 드레인되도록 할 수 있다.

특히 압력용기(412)의 기압이 챔버(411)의 압력보다 높은 경우에도, 밸브부(413)가 챔버(411) 하류의 액체 배출라인(L2) 및 제2 압력 조절라인(L31)을 개방하면, 개방된 제2 압력 조절라인(L31)에 따라 압력용기(412)에서 챔버(411)로 증발가스가 유입될 수 있고, 이를 통해 챔버(411)의 내압이 상승하면서 챔버(411)에서 액체가 압력용기(412)로 드레인된다.

이후 챔버(411)로부터의 드레인이 기설정량 이루어지면(일례로 챔버(411) 내의 액체 레벨이 기설정값 이하가 되거나 드레인이 일정시간을 경과하면), 제2 배출밸브(413b)와 제2 압력 조절밸브(413d)가 닫히면서 챔버(411) 하류의 액체 배출라인(L2) 및 챔버(411)와 압력용기(412) 사이의 제2 압력 조절라인(L31)이 폐쇄된다.

또한 제1 배출밸브(413a)와 제1 압력 조절밸브(413c)는 열리면서 챔버(411) 상류의 액체 배출라인(L2) 및 세퍼레이터(40)와 챔버(411) 사이의 제1 압력 조절라인(L30)은 개방되어, 챔버(411)와 세퍼레이터(40)의 압력이 동일하게 조절될 수 있다.

따라서 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)로 액체의 유입이 다시 이루어지게 된다. 이와 같이 본 실시예는, 세퍼레이터(40)에서 분리된 액체가 별도의 질소 공급 없이 챔버(411), 압력용기(412)를 거쳐 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되도록 하여, 불필요한 구성의 부가를 막고 시스템 운영 효율을 높일 수 있다.

액화기(50)는, 압축된 증발가스를 액화한다. 액화기(50)는 제한되지 않는 다양한 냉매를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있으며, 일례로 냉매는 질소, 액화가스, 혼합냉매 등일 수 있다.

액화기(50)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(50)로 유입되는 증발가스는 비등점을 높이기 위해 압축된 상태일 수 있는바, 액화기(50)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.

기액분리기(60)는, 액화된 증발가스를 기액분리한다. 액화기(50)가 질소 등을 이용하여 증발가스를 액화한다 하더라도, 증발가스에 포함된 비등점이 매우 낮은 질소 등은 기체 상태로 잔류해 있을 수 있다.

따라서 기액분리기(60)는 액화기(50)를 거쳐 유입된 증발가스 중 기체 상태로 남아있는 물질을 걸러낼 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(60)에서 배출되어 압축기(20) 상류로 유입될 수 있고, 또는 예냉기(30)로 유입될 수 있다.

기액분리기(60)에서 액화가스 저장탱크(10)로는 액체 리턴라인(L4)이 마련된다. 액체 리턴라인(L4)을 따라 액상의 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)로 유입될 수 있다.

액체 리턴라인(L4)에는 액체 전달라인(L5)이 분기될 수 있으며, 액체 전달라인(L5)은 예냉기(30)로 연결된다. 따라서 액화기(50)에 의해 액화되고 기액분리된 증발가스가 예냉기(30)에서 증발가스 냉각에 사용될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 예냉 후 세퍼레이터(40)에서 분리되는 액체가 질소의 주입 없이도 챔버(411)와 압력용기(412)를 통해 액화가스 저장탱크(10)로 원활하게 리턴되므로, 구성을 간소화하고 불필요한 열침투를 방지할 수 있다.

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

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하에서 후술하는 다른 실시예들에서도 마찬가지임을 알려둔다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 앞선 실시예와 달리 기액분리기(60)를 생략하고 압력용기(412)가 기액분리기(60)의 역할을 수행한다.

즉 본 실시예에서 압력용기(412)는, 압축기(20)에서 압축되고 액화기(50)에서 액화된 증발가스를 전달받을 수 있다. 다만 압력용기(412)는 챔버(411)의 압력 상승을 구현하는 역할을 수행하여야 하므로, 압력용기(412)는 내부에 유입된 액화 증발가스가 자연 기화되면서 내압이 다소 상승하는 것을 허용할 수 있다.

따라서 압력용기(412)는 액화된 증발가스 중 적어도 일부를, 세퍼레이터(40)에서 분리된 액체의 리턴에 사용할 수 있고, 나머지는 액체 리턴라인(L4)을 통해 액화가스 저장탱크(10)로 리턴할 수 있다.

압력용기(412)에는 액화가스 저장탱크(10)로부터 액화가스 공급라인(L8)이 연결될 수 있으며, 액체 리턴라인(L4)에는 수요처(100)로 연결되는 액화가스 공급라인(L8)이 분기될 수 있다.

이때 수요처(100)는, 증발가스 공급라인(L6)이 연결되는 수요처(100)와 동일하거나 혹은 상이한 것일 수 있는데, 일례로 액화가스 공급라인(L8)이 연결되는 수요처(100)는 메인엔진일 수 있고, 증발가스 공급라인(L6)이 연결되는 수요처(100)는 발전엔진, GCU 등일 수 있다.

본 실시예는 메인엔진인 수요처(100)의 가동을 보장하기 위해, 압력용기(412)에 유입되는 증발가스의 유량이 부족할 경우를 대비하여 액화가스가 압력용기(412)에 보충될 수 있다. 즉 액화된 증발가스 및 액화가스가 압력용기(412)에서 혼합되어 수요처(100)로 전달될 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 모두 액화가스와 혼합하여 수요처(100)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(100)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 요구량보다) 적으면 증발가스를 재액화하고 액화가스를 주로 연료로 공급하여(액화가스와 증발가스를 혼합 공급) 에너지 소비효율을 높일 수 있고, 반대로 증발가스 발생량이 (수요처 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(100)의 요구량은 선박의 운항 제어 시스템에서 설정되는 선속, 엔진부하 등을 통해 확인될 수 있음은 자명하다.

위와 같이 수요처(100)로 액화가스 등을 공급하는 내용은, 액화된 증발가스가 압력용기(412)로 유입되는 다른 실시예 등에도 동일하게 적용될 수 있음을 알려둔다. 다만 제1 실시예의 경우 액화가스 공급라인(L8)은 액화가스 저장탱크(10)에서 기액분리기(60)에 연결되거나 기액분리기(60)에서 수요처로 연결될 수 있을 것이다.

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

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)의 경우 챔버(411) 하류에 연결되는 액체 배출라인(L2)의 위치가 상이할 수 있다.

앞선 도 2에서 설명한 실시예의 경우, 액체 배출라인(L2)은 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)를 경유해 압력용기(412)로 연결되며, 밸브부(413)는 챔버(411) 내의 액체 레벨이 기설정값을 넘어서면 챔버(411)와 압력용기(412)의 압력을 동일하게 조절할 수 있다.

반면 본 실시예의 경우, 액체 배출라인(L2)은 세퍼레이터(40)에서 챔버(411)를 경유하고 압력용기(412)를 우회하여 액체 리턴라인(L4)으로 연결된다. 따라서 본 실시예의 밸브부(413)는, 챔버(411)와 압력용기(412)의 압력을 동일하게 조절하는 대신, 챔버(411)에서 액체 리턴라인(L4)으로 액체가 원활히 배출될 수 있도록, 압력용기(412)로부터 챔버(411)로 증발가스의 전달을 구현할 수 있다.

본 실시예에서 압력용기(412)는, 액화된 증발가스를 전달받아 액화가스 저장탱크(10)로 전달해준다는 점에서 기액분리기(60)로 대체될 수 있다. 즉 본 실시예는 압력용기(412)를 생략하고 기액분리기(60)를 압력용기(412)로서 활용하는 발명으로도 해석될 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, 액체 리턴부(41)를 생략할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 예냉기(30)는 기액분리기(60)에서 분리되는 액상의 증발가스를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있다.

이 경우 예냉기(30)는, 액화가스를 대신하여 헤비카본의 비율이 없거나 적은 액상 증발가스를 이용하여 증발가스를 냉각하게 되므로, 예냉된 후 세퍼레이터(40)로 유입된 증발가스에는, 액체 상태의 헤비카본이 (거의) 없을 수 있다.

따라서 본 실시예에서 세퍼레이터(40)는, 액체를 분리하되 배출하지 않고 저장하도록 마련될 수 있으며, 세퍼레이터(40)로부터 액체를 전달받는 챔버(411)나 압력용기(412)가 생략될 수 있다.

또한 본 실시예는, 세퍼레이터(40)도 생략될 수 있다. 이는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스에 이미 헤비카본이 (거의) 포함되어 있지 않으므로, 액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스와 혼합하는 예냉기(30)에서 역시, 액체의 헤비카본이 존재하지 않을 수 있는바, 압축기(20)로 유입되는 물질은 기체 상태의 메탄과 질소 뿐일 수 있다.

따라서 본 실시예는, 예냉 후 압축기(20)로 유입되는 증발가스에 대해, 액체를 분리하는 구성 및 공정 자체가 생략될 수도 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, 열교환기(70), 펌프(80)를 더 포함한다.

참고로 본 실시예에서 증발가스는, 후술할 열교환기(70)에서 냉각된 후 압축기(20)에서 압축되고, 액화기(50)에서 액화된 뒤 기액분리기(60)를 거쳐 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

열교환기(70)는, 압축기(20)의 상류에서 증발가스를 냉각한다. 열교환기(70)는 앞선 실시예에서의 예냉기(30)와 유사하게 압축기(20)로 유입되는 증발가스를 냉각할 수 있는데, 다만 본 실시예의 열교환기(70)는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 수요처(100)로 전달되는 액화가스를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있다.

본 실시예의 기액분리기(60)는 액화된 증발가스 뿐만 아니라, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 액화가스도 액화가스 배출라인(L7)을 따라 유입될 수 있다. 이때 액체 일부는 액체 리턴라인(L4)을 통해 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되며, 또한 액체 일부는 액체 리턴라인(L4)에서 분기되어 수요처(100)로 연결되는 액화가스 공급라인(L8)을 통해 수요처(100)로 전달될 수 있다.

즉 기액분리기(60)에서 분리된 액체는, 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되거나 수요처(100)로 공급될 수 있으며, 이때 수요처(100)로 공급되는 액체는 열교환기(70)에서 증발가스의 냉각에 사용된다.

열교환기(70)로 전달되는 액체는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 기액분리기(60)에 유입된 액화가스일 수 있으며, 또한 액화기(50)에서 액화되어 기액분리기(60)에 유입된 증발가스일 수 있다. 따라서 열교환기(70)는, 수요처(100)로 전달되는 액화가스 및 기액분리기(60)에서 분리된 액상의 증발가스를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에서 압축기(20)를 경유한 증발가스는 증발가스 공급라인(L6)을 따라 수요처(100)로 공급될 수 있는데, 기액분리기(60)에서 분리된 기체는 앞서 언급한 플래시 가스로서, 증발가스 공급라인(L6)에서 압축기(20)의 상류에 혼합된다.

이를 위해 기액분리기(60)에서 증발가스 공급라인(L6)으로는 기체 혼합라인(L9)이 마련될 수 있다. 초기 거동 시나 증발가스 온도가 높거나 수요처(100)로 공급되는 액화가스의 유량이 적을 경우 등에는, 압축기(20) 후단압력을 충분히 높이지 못해 액화가 일부 되지 못함에 따라, 기액분리기(60)에는 액체와 플래시 가스가 혼재하는 two phase 상태가 되는데, 이때 플래시 가스의 온도는 기액분리기(60) 압력의 포화 온도가 된다.

따라서 플래시 가스는 압축기(20)로 유입되는 온도보다 낮을 수 있으므로, 본 실시예는 플래시 가스를 압축기(20) 상류에 합류시켜서 압축기(20)로 유입되는 증발가스의 온도를 더 낮출 수 있으며, 이로 인해 얻게되는 압축기(20) 후단압력 증가 및 액화효율 향상 효과는 앞서 설명한 바와 같다.

다만 본 실시예는, 증발가스 공급라인(L6)에서 기체 혼합라인(L9)이 연결되는 지점과 열교환기(70) 사이에서 보조 압축기(도시하지 않음)를 더 구비할 수 있으며, 따라서 증발가스는 기체가 혼합되면서 냉각되고, 보조 압축기에서 1차 압축, 열교환기(70)에서 냉각, 압축기(20)에서 2차 압축된 뒤 수요처(100)로 공급되거나 액화기(50)로 액화될 수 있다.

펌프(80)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 기액분리기(60)를 경유한 액화가스를 가압한다. 펌프(80)는 왕복동식 펌프(80) 등일 수 있으며, 기액분리기(60)에서 액체 리턴라인(L4) 및 액화가스 공급라인(L8)을 따라 열교환기(70)로 전달되는 액화가스(및 액화 증발가스)를 수요처(100)의 요구압력까지 가압할 수 있다.

펌프(80)는 액화가스 공급라인(L8)에서 열교환기(70)의 상류에 마련될 수 있으므로, 열교환기(70)는 펌프(80) 하류의 액화가스를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있다. 다만 이 경우 펌프(80)로 가압된 액화가스의 온도가 높아지기 때문에, 열교환기(70)에서의 증발가스 예냉이 충분히 이루어지지 못할 수도 있다.

이를 해결하기 위해 이하 제6 실시예에서는, 앞서 설명한 것과 유사한 예냉기(30)를 더 포함할 수 있다. 이하에서 후술한다.

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

도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 도 5에서의 제5 실시예와 대비할 때 예냉기(30), 세퍼레이터(40)를 더 포함한다.

예냉기(30)는, 앞선 제1 실시예 등에서 설명한 것과 유사하나, 다만 본 실시예의 예냉기(30)는 액화된 증발가스 외에도 액화가스를 함께 활용할 수 있다. 이 경우 예냉기(30)는 열교환기(70)와 압축기(20) 사이에 마련되며 수요처(100)로 전달되는 액화가스를 혼합하여 증발가스를 냉각할 수 있고, 구체적으로 예냉기(30)는, 펌프(80) 상류의 액화가스를 혼합하여 증발가스를 냉각한다.

예냉기(30) 하류에 마련되는 세퍼레이터(40)는 예냉된 증발가스에서 액체를 분리해낼 수 있다. 예냉기(30)에 액화가스가 혼합되면 헤비카본이 세퍼레이터(40)에서 액체로 분리될 수 있으므로, 세퍼레이터(40)에는 앞서 설명한 액체 리턴부(41)가 구비될 수 있다.

다만 본 실시예는 증발가스를 열교환기(70)로 1차 냉각하게 되며, 액화가스가 수요처(100)로 공급됨에 따라 예냉기(30)로 전달되는 액화가스의 유량이 제1 실시예 등과 대비할 때 적을 수 있으므로, 압축기(20)나 액화기(50)의 용량을 줄일 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 수요처(100)로 공급되는 액화가스 및 액화된 증발가스를 이용하여 압축기(20) 상류에서 증발가스를 냉각함으로써, 압축 효율을 높여 액화 성능을 향상시킬 수 있다.

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

도 7을 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 증발가스 냉각 시스템(1)은, 압축기(20), 예냉기(30), 액화기(50)를 포함한다.

압축기(20)는, 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)를 포함한다. 제1 압축기(21)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 압축하며, 제2 압축기(22)는 제1 압축기(21)와 다른 구동원으로 구동하고 제1 압축기(21)에서 압축된 증발가스를 추가로 압축한다. 즉 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)는 증발가스 액화라인(L1) 상에 직렬로 배치된다.

제1 압축기(21)는, 기설정값 이하의 설계 압력을 갖고, 제2 압축기(22)는 기설정값 이상의 설계 압력을 가질 수 있다. 이때 기설정값이라 함은 발전엔진의 요구압력(10bar 미만)과 재액화에 적합한 압력(20bar 내외)을 구분하는 값일 수 있고, 또는 메인엔진의 요구압력(20bar 내외)과 발전엔진의 요구압력을 구분하는 값일 수 있으며, 일례로 10bar 내외일 수 있다.

따라서 제1 압축기(21)에서 압축된 증발가스의 압력은 발전엔진이나 GCU 등의 수요처(100)에 적합한 압력일 수 있고, 제2 압축기(22)에서 압축된 증발가스의 압력은 재액화에 적합한 압력이나 메인엔진 등의 수요처(100)에 적합한 압력일 수 있다. 증발가스 액화라인(L1)에서 제1 압축기(21) 하류에는 발전엔진 등의 수요처(100)로 연결되는 증발가스 분기라인(L61)이 마련될 수 있다.

즉 제2 압축기(22)는 액화기(50)나 수요처(100)에서 요구하는 최종 압력에 견딜 수 있도록 제작되며, 반면 제1 압축기(21)는 더 낮은 압력에서만 견딜 수 있게 설계되어 압축기(20) 전체에 소모되는 비용을 줄일 수 있다.

또한 본 실시예는, 서로 다른 설계 압력을 갖는 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)가, 모두 기설정값 이하의 수두(압력수두, pressure head)를 갖도록 할 수 있다. 이때 수두라 함은 압축기(20)의 전후 압력차, 유입압력과 토출압력의 차이에 대응되는 의미일 수 있다.

즉 본 실시예는 하류에 마련된 압축기(20)의 수두가 상류에 마련된 압축기(20)의 수두보다 큰 것이 아니라, 직렬로 마련된 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22) 모두 수두가 기설정값 이하로 마련되며, 이때 기설정값이라 함은 10bar 내외일 수 있고, 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)의 수두는 동일하거나 적어도 유사할 수 있다.

이 경우 제1 압축기(21)에서 압축된 증발가스의 압력은 10bar 내외가 되고, 제2 압축기(22)에서 압축된 증발가스의 압력은 20bar 내외가 된다. 따라서 재액화에 효과적인 압력이나 또는 메인엔진이 요구하는 압력(일례로 메인엔진이 XDF일 경우 16bar 내외)에 맞게 압축이 이루어지도록 할 수 있다.

본 실시예의 제2 압축기(22)는, 복수 개로 마련되며 액화가스 저장탱크(10)에서 액화기(50)로 연결되는 증발가스 액화라인(L1)을 기준으로 병렬로 배치될 수 있다. 일례로 도면에 도시된 바와 같이 제2 압축기(22)는 2개 이상일 수 있고, 서로 백업 가능하게 마련된다.

또한 본 실시예는, 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)의 수두가 모두 기설정값 이하로 이루어짐에 따라, 적어도 어느 하나의 제2 압축기(22)에 의하여 제1 압축기(21)의 백업이 가능하다.

다만 이를 위하여 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)가 직렬로 마련되는 증발가스 액화라인(L1)에는, 어느 하나의 제2 압축기(22)의 하류에서 다른 하나의 제2 압축기(22)의 상류로 증발가스를 전달하는 증발가스 리턴라인(L62)이 마련될 수 있다.

따라서 제1 압축기(21)의 압축에 문제가 발생할 경우, 증발가스는 어느 하나의 제2 압축기(22)에 의하여 기설정값 이하의 수두만큼 압축된 후, 증발가스 리턴라인(L62)을 따라 다른 하나의 제2 압축기(22)에 의하여 기설정값 이하의 수두만큼 추가 압축되어, 최종압력에 대응되는 상태로 압축될 수 있다.

또한 제2 압축기(22)가 제1 압축기(21)를 백업할 수 있도록, 증발가스 리턴라인(L62)은 증발가스 분기라인(L61)이 분기되는 지점의 상류에 마련되어, 제2 압축기(22)에서 압축된 증발가스가 증발가스 리턴라인(L62)을 통해 발전엔진 등으로 원활하게 공급될 수 있다.

위와 같은 상황에서 작동에 문제가 있는 제1 압축기(21)로 증발가스가 유입되지 않도록, 증발가스 액화라인(L1)에는 제1 압축기(21)를 우회하여 제2 압축기(22)로 증발가스를 전달하는 증발가스 우회라인(L63)이 마련될 수 있다.

증발가스 액화라인(L1)에서 병렬로 배치된 제2 압축기(22)들로 증발가스를 분배하기 위해 증발가스 분배밸브(23)가 마련되고, 증발가스 리턴라인(L62)에는 증발가스 리턴밸브(24)가 마련되며, 증발가스 우회라인(L63)에는 증발가스 우회밸브(25)가 마련된다.

일례로 어느 하나의 제2 압축기(22)에 문제가 발생하면 증발가스 분배밸브(23)는 문제없는 제2 압축기(22)로 증발가스를 모두 전달할 수 있다. 또는 제1 압축기(21)에 문제가 발생하면 증발가스 리턴밸브(24)와 증발가스 우회밸브(25)가 개방되어, 제1 압축기(21)에 의한 압축이 없더라도, 제2 압축기(22)에서 최종 토출되는 증발가스가 각 압축기(20)가 갖는 기설정 수두의 2배 이하(1배 초과)만큼 압축된 상태가 되도록 할 수 있다.

이와 같이 복수 개의 제2 압축기(22)가 서로 백업 가능하면서 제1 압축기(21)도 백업할 수 있도록, 제1 압축기(21) 및 제2 압축기(22)는 모두 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 100%를 처리 가능한 용량을 가질 수 있다.

예냉기(30)는, 액화기(50)의 상류에 마련되어 냉매와 열교환하기 전의 증발가스를 예냉하여 냉매의 열교환 부담을 덜어줄 수 있다. 특히 예냉기(30)는 제2 압축기(22)의 상류에 마련되어, 제2 압축기(22)로 유입되는 증발가스의 부피를 줄여서 제2 압축기(22)에서의 전력 절감 효과도 거둘 수 있다.

예냉기(30)는 앞선 실시예들에서 설명한 것과 유사하게, 액화기(50)에서 액화된 액상의 증발가스를 이용하여 증발가스를 냉각할 수 있다. 이때 예냉기(30)에서 가열된 액상의 증발가스는, 필요할 경우 추가로 가열된 뒤 수요처(100)로 전달되어 소비될 수 있다.

증발가스 액화라인(L1)에서 예냉기(30)가 마련되는 부분은 병렬 구조로 구비되며, 예냉기(30)를 백업하기 위한 보조 예냉기(31)가 마련될 수 있다. 다만 보조 예냉기(31)는 예냉기(30)와 달리 증발가스를 사용하는 대신, 청수나 해수 등의 별도의 물질을 사용해 증발가스의 온도를 낮출 수 있다.

예냉기(30)는 액화된 후 수요처(100)로 전달되는 증발가스를 이용하여 예냉을 구현하는데, 액화된 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되면서 예냉기(30)로 유입되는 양이 줄어들게 되면, 예냉기(30)에서 충분한 예냉이 이루어지지 못할 수 있다.

이를 해결하기 위해 증발가스 발생량이나 수요처(100)의 가동 등과 무관하게 공급되는 물질을 이용하는 보조 예냉기(31)가 마련될 수 있으며, 물론 예냉이 이루어지지 못하더라도 재액화가 불가능한 것은 아니므로 보조 예냉기(31)는 생략될 수 있다.

액화기(50)는, 제2 압축기(22)에서 압축된 증발가스를 냉매로 열교환하여 적어도 일부를 액화시킨다. 액화기(50)가 사용하는 냉각 방식은 특별히 한정되지 않으며, 혼합냉매 등과 같은 제한되지 않는 각종 냉매를 이용할 수 있다.

액화기(50)에서 액화된 증발가스는 증발가스 액화라인(L1)을 따라 기액분리기(60)로 전달되며, 액체 리턴라인(L4)을 통해 기액분리기(60)에서 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

또는 기액분리기(60)로 전달된 액상의 증발가스는, 증발가스 공급라인(L6)을 따라 메인엔진 등의 수요처(100)로 공급되어 소비될 수 있는데, 이때 증발가스 공급라인(L6)으로 유동하는 액상 증발가스는 예냉기(30)를 경유할 수 있다.

다만 재액화에 필요한 적정압력보다 메인엔진에서 요구하는 최종압력이 더 높을 경우가 있으므로, 증발가스 공급라인(L6)에는 액상 증발가스를 수요처(100)의 요구압력까지 압축하는 펌프(80)가 마련될 수 있다.

이 경우 제2 압축기(22)의 설계 압력은 재액화에 적합한 압력이지만 메인엔진의 요구압력에는 못미치는 압력일 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 100% 처리할 수 있으면서 수두가 동일한 압축기(20)를 3대 마련하여, 한 개의 압축기(20)에 문제가 발생해도 다른 2개의 압축기(20)로 증발가스를 모두 처리할 수 있으면서 액화기(50)나 메인엔진의 요구압력을 문제없이 맞춰줄 수 있다.

또한 본 실시예는 수두가 10bar인 압축기(20) 2대를 연속 운전하여 10bar 보다 높은 압력을 만들어내며, 한 개의 압축기(20)는 설계 압력을 낮춰 압축기(20) 전체 비용을 절감할 수 있다.

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 10: 액화가스 저장탱크
20: 압축기 21: 제1 압축기
22: 제2 압축기 23: 증발가스 분배밸브
24: 증발가스 리턴밸브 25: 증발가스 우회밸브
30: 예냉기 31: 보조 예냉기
40: 세퍼레이터 41: 액체 리턴부
411: 챔버 412: 압력용기
413: 밸브부 413a: 제1 배출밸브
413b: 제2 배출밸브 413c: 제1 압력 조절밸브
413d: 제2 압력 조절밸브 50: 액화기
60: 기액분리기 70: 열교환기
80: 펌프 100: 수요처
L1: 증발가스 액화라인 L2: 액체 배출라인
L30: 제1 압력 조절라인 L31: 제2 압력 조절라인
L4: 액체 리턴라인 L5: 액체 전달라인
L6: 증발가스 공급라인 L61: 증발가스 분기라인
L62: 증발가스 리턴라인 L63: 증발가스 우회라인
L7: 액화가스 배출라인 L8: 액화가스 공급라인
L9: 기체 혼합라인

Claims

액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기의 상류에서 증발가스를 냉각하는 예냉기;
상기 예냉기와 상기 압축기의 사이에서 액체를 분리하는 세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터에서 분리된 액체를 상기 액화가스 저장탱크로 리턴하는 액체 리턴부를 포함하며,
상기 액체 리턴부는,
상기 세퍼레이터의 액체를 전달받는 챔버;
상기 챔버의 하류에 마련되는 압력용기;
상기 챔버에서 상기 압력용기로의 흐름을 차단한 상태에서, 상기 세퍼레이터로부터 상기 챔버로 유입되는 액체의 레벨이 기설정값을 넘어서면 상기 챔버에서 상기 압력용기로의 흐름을 개방하는 밸브부;
상기 세퍼레이터에서 상기 챔버 및 상기 압력용기로 연결되는 액체 배출라인; 및
상기 액체 배출라인과 별도로 마련되며 상기 압력용기에서 상기 챔버로 연결되는 압력 조절라인을 포함하고,
상기 밸브부는,
상기 액체 배출라인을 통해 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버로 유입된 액체의 레벨이 기설정값을 넘어서면, 상기 압력 조절라인을 개방하여 상기 압력용기에 채워져 있던 증발가스를 상기 챔버로 전달해 상기 챔버의 내압을 높여서, 상기 챔버의 액체가 상기 액체 배출라인을 통해 상기 압력용기로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 챔버는, 상기 세퍼레이터보다 낮은 위치에 설치되고,
상기 압력용기는, 상기 챔버보다 낮은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 압력 조절라인은,
상기 액체 배출라인과 별도로 마련되며 상기 압력용기에서 상기 챔버 및 상기 챔버에서 상기 세퍼레이터를 각각 연결하도록 마련되고,
상기 밸브부는, 상기 액체 배출라인 및 상기 압력 조절라인의 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 밸브부는,
상기 챔버 상류의 상기 액체 배출라인 및 상기 세퍼레이터와 상기 챔버 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하고, 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 폐쇄하여 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버로 액체가 유입되도록 하며,
상기 챔버 내의 액체 레벨이 기설정값을 넘어서면, 상기 챔버 상류의 상기 액체 배출라인 및 상기 세퍼레이터와 상기 챔버 사이의 상기 압력 조절라인을 폐쇄하고, 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하여 상기 챔버에서 액체가 드레인 되도록 하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 밸브부가 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하면, 개방된 상기 압력 조절라인을 통해 상기 압력용기와 상기 챔버의 기압이 같아져서, 상기 챔버에서 액체가 드레인 되는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 밸브부는,
드레인이 기설정량 이루어지면, 상기 챔버 하류의 상기 액체 배출라인 및 상기 챔버와 상기 압력용기 사이의 상기 압력 조절라인을 폐쇄하고, 상기 챔버 상류의 상기 액체 배출라인 및 상기 세퍼레이터와 상기 챔버 사이의 상기 압력 조절라인을 개방하여 상기 챔버와 상기 세퍼레이터의 압력을 동일하게 조절하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 밸브부는, 상기 챔버 내의 액체 레벨이 기설정값을 넘어서면 상기 챔버와 상기 압력용기의 압력을 동일하게 조절하는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 압력용기에서 상기 액화가스 저장탱크로 연결되는 액체 리턴라인을 더 포함하고,
상기 액체 배출라인은, 상기 세퍼레이터에서 상기 챔버를 경유하고 상기 압력용기를 우회하여 상기 액체 리턴라인으로 연결되는 것을 특징으로 하는 증발가스 냉각 시스템.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 상기 증발가스 냉각 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.