KR102151575B1 - 극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스 속의 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템, 방법 - Google Patents

극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스 속의 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템, 방법 Download PDF

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케네스 디. 넬슨
그레이엄 데이비드 트로터
앨런 비. 니에렌버그
케네스 휴 맥기치
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익셀러레이트 에너지 리미티드 파트너쉽
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Abstract

극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스 속의 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템, 방법을 개시한다. 액화 가스 선박은 액화 가스 선박에 탑재되고, 액화 가스 및 보일 오프 가스(BOG)를 구비한 극저온 카고 탱크와, 상기 액화 가스 스트림 및 상기 BOG 스트림와 유체적(fluidly)으로 연결되고, 응축된 BOG를 생산하기 위해서 상기 BOG 스트림과 상기 액화 가스 스트림 사이로 열을 전달시키며 잠열 교환기와, 혼합 스트림을 생성하기 위해서 상기 잠열 열교환기와 유체적으로 연결된 상기 응축된 BOG와 상기 액화 가스 스트림을 혼합시키는 혼합수단 및 상기 선박에 탑재되며 상기 혼합 스트림과 유체적으로 연결되고, 상기 혼합 스트림을 재기화하는 액화 가스 재기화기를 포함한다.

Description

극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스 속의 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템, 방법{APPARATUS, SYSTEM AND METHOD FOR THE CAPTURE, UTILIZATION AND SENDOUT OF LATENT HEAT IN BOIL OFF GAS ONBOARD A CRYOGENIC STORAGE VESSEL}
이하 기재되는 본 발명의 실시예들은 액화된 극저온 탄화수소의 해상 운송 분야와 관련이 있다. 좀더 상세하게, 그러나 이에 한정 되지 않으며, 본 발명의 적어도 하나 이상의 실시예들은 극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스(boil off gas) 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템, 방법일 수 있다.
대기 조건에서 보통 기체 상태인 탄화수소를 과냉각 액체로 운송하는 것은 종종 이점이 있다. 예를 들어, 복수의 탄화수소는 통상적으로 가스 형태로 파이프 라인을 통해서 생산 지역에서 소비 지역으로 이송되지만, 이러한 이송 과정에는 실현 불가능한 상황들이 존재한다. 예를 들어, 거리가 먼 시장에서 선박에 탑재하는 해양 운송은 파이프 라인을 통한 운반보다 경제적으로 더 실현 가능하게 되도록 생산지역과 수요지역이 분리될 수 있다. 가스를 상업적 수요지역으로 운반하기 위한 효과적인 방법이 없으면, 가스를 현금화하기 위한 기회는 사라질 수 있다. 이러한 것은 천연 가스(natural gas), 에탄(ethan), 펜탄(pentane), 에틸렌(ethylene)과 같은 다양한 형태의 탄화수소에서도 적용되는 사실이며, 이러한 탄화수소는 액화 상태로 선박에 의해 해양을 횡단하여 운반될 수 있다.
탄화수소 가스의 액화는 탄화수소의 저장과 운반을 가능하게 한다. 예를 들어, 많은 양의 메탄이 다른 탄화수소 조성물과 혼합된 액화 천연 가스(liquefied natural gas, LNG)는 같은 양의 천연가스가 가스 상태에서 차지하는 부피의 단지 약 1/600의 부피를 차지한다. 액화 탄화수소는 탄화수소의 끓는점(천연가스는 대기압에서 약-160°C, 카고 등급에 의존되며; 에틸렌은 약-104° C, 에탄은 약 -89° C) 아래로 탄화수소를 냉각 시켜 생산된다. 액화 탄화수소는 대기압보다 약간 높게 극저온 컨테이너에 저장 및 운반될 수 있다. 의도된 사용 장소에 도달하면, 액화 탄화수소는 가열되고, 끓는점 이상으로 온도가 상승하여 다시 기화될 수 있다. 액화 탄화수소는 통상적으로 액화 석유 가스(liquefied petroleum gas, LPG) 운반선, 액화 천연 가스(liquefied natural gas, LNG) 운반선이나, 에틸렌 운반선과 같은 극저온 저장 선박에 저장될 수 있다. 액화 석유 가스 운반선은 주로 부탄(butane), 프로판(propane), 부타디엔(butadiene), 프로필렌 비닐 클로라이드 모노머(propylene vinyl chloride monomer) 또는 무수 암모니아(anhydrous ammonia)를 운반하기 위해 고안되었으며, 액화 천연가스 운반선은 LNG(대부분 메탄)을 운반하기 위해 고안되었으며, 에틸렌 운반선도 LNG를 운반하기 위해 고안되었다, 각 케이스에서, 액화 가스는 외기 열의 유입을 최소화 하고, 열의 유입에 따른 온도 및 압력의 상승을 최소화 하기 위해 선박 내의 단열 저장 탱크에 저장된다. 그럼에도 불구하고, 큰 온도차이에 의해 열은 카고 탱크로 유입되고, 열은 저장물에 흡수 되어, 저장물의 온도 및 압력은 상승된다.
탱크의 압력을 조절하기 위해서, 저장물의 일부를 증발시켜서 열은 저장물에서 제거되어야 한다. 이는 남은 액체에서 생성된 증기에 있는 증발열이 방출된다. 보통 보일 오프(Boil-Off) 또는 보일 오프 가스(Boil-Off Gas, BOG)라 언급되는 생성된 증기는 안전한 작동 압력과 탱크 내의 저장물의 온도를 유지하기 위해서 탱크에서 계속 제거된다.
BOG는 선박의 에너지 수요를 제공하기 위해 통상적으로 선박의 발전 플랜트의 연료로 사용된다. 예를 들어, 수많은 선박들은 메인 추진 엔진으로 증기 터빈을 이용한다. 이러한 경우, BOG는 증기 터빈에 증기를 공급하기 위해 증기 연소기에서 연소될 수 있다. 다른 발전 플랜트에서, BOG는 전기 발전기를 구동하는 이중 연료 디젤 엔진에서 소모된다.
그러나, 많은 예에서, BOG에서 사용 가능한 에너지는 선박에서 필요로 하는 범위를 초과한다. 이러한 경우, 초과된 BOG는 처분 되어야 하고 버려지게 된다. 통상적으로 선박의 연소기에 의해 생성된 초과 증기는 메인 응축기에서 응축되어 버려지고, 제거된 열은 순환되는 물과 함께 선박 외부로 배출된다. 선택적으로, 선박은 초과된 BOG를 연소시키는 가스 연소 유닛(gas combustion units, GCU)을 탑재할 수 있다.
BOG가 버려지는 것을 막기 위해서, 새롭게 건조된 선박은 질소 팽창 재액화 플랜트 또는 석션 드럼 타입(suction drum-type)의 재응축기(recondenser)를 탑재하고, 이후에는 석션 드럼의 상부 측에 재응축기를 추가한다. 그러나, 재액화 플랜트 및 석션 드럼 재응축기는 자본 집약적이며, 재액화를 위해서 별도의 냉각 시스템을 이용한다. 게다가, 재액화 플랜트는 많은 양의 전력량이 요구되고, 현재의 재응축기는 작동 중에 공급되는 BOG 전체를 응축하기 위해서 최소한 80 mmscf/d에서 85 mmscf/d 방출이 요구된다. 그 결과, 재액화 플랜트 및 재응축기는 중요한 추가 장치가 필요하고, 설치를 위해 정지시간을 필요하므로, 기존 선박에 대하여 재장착하는 방식은 실현가능성이 없을 것이며, 적절하지 않을 것이다. 이러한 것은 액화 가스 카고탱크로 되돌아가는 응축된 BOG에도 적용되었다. 그러나, 상기와 같은 접근과 같이, 응축된 BOG는 카고 탱크 내부에서 대기 압력과 온도에 보다 고압 및 고온 상태이다. BOG가 탱크로 재유입되면, BOG는 포화 상태에서 저장 탱크의 포화 온도 범위의 밖의 저압 상태로 변한다. 그 결과, 응축된 BOG는 강하상태에서 플래시 오프되고, 많은 양의 응축된 BOG는 저장물에서 증기상태로 사실상 되돌아가고, 탱크에서 제거된 BOG를 대체한다
다수의 예에서, 극저온 저장 선박은 재기화 시설과 선박에 실린 액화 탄화수소의 재기화하고 파이프 라인으로 가스 방출을 제공되는 가스 아암을 포함하는 특수 장치를 갖춘다. 이러한 것은 재기화 시설이 선박에 탑재되어 이동한다는 점에서 장점이 있다. 이러한 점은 계절에 따라 다르거나 지역에 따라 다른 가스 수요를 쉽게 충족시킬 수 있다. 재기화 시설이 선박에 탑재되어 이동하기 때문에 액화 가스가 전달되는 내륙 또는 근해에 분리 저장조와 재기화 시설을 제공할 필요가 없다.
해상에서 운항하는 선박에서 액화 가스를 수용하는 재기화 선박과 육상 재기화 시설에서, 버려지는 BOG는 재기화 시설의 전체효율에 직접적으로 영향을 미친다. 효율은 전형적으로 선박에 실린 중량과 비교하여 실제로 전달된 액화 가스의 양으로 측정되고, 퍼센트로 표현된다.
BOG를 보존하기 위한 종래 기술은 기존 증기 동력의 극저온 저장 선박의 효율을 향상시키기 위하여 재체결되는 해결책으로 적합하지 않다. 새롭게 건조된 선박 재액화 플랜트는 비용 효율이 높지 않을 것이다. 그러므로 극저온 저장 선박에 저장된 BOG에 포함된 잠열의 수집, 이용 및 배출을 위한 장치, 시스템 및 방법이 필요하다.
적어도 하나이상의 실시예들은 극저온 저장 선박에 저장된 BOG에 포함된 잠열의 수집, 이용 및 배출을 위한 장치, 시스템 및 방법일 수 있다.
극저온 저장 선박에 저장된 잠열의 수집, 이용 및 배출을 위한 장치, 시스템 및 방법은 설명된다. 일 실시예에 따른 액화 가스 선박은, 액화 가스 선박에 탑재되고 액화 가스 및 보일 오프 가스(BOG)를 구비한 극저온 카고 탱크; 상기 액화 가스 스트림 및 상기 BOG 스트림와 유체적(fluidly)으로 연결되고, 응축된 BOG를 생산하기 위해서 상기 BOG 스트림과 상기 액화 가스 스트림 사이로 열을 전달시키며 잠열 교환기; 혼합 스트림을 생성하기 위해서 상기 잠열 열교환기와 유체적으로 연결된 상기 응축된 BOG와 상기 액화 가스 스트림을 혼합시키는 혼합수단; 및 상기 선박에 탑재되며 상기 혼합 스트림과 유체적으로 연결되고, 상기 혼합 스트림을 재기화하는 액화 가스 재기화기;를 포함한다. 다수의 실시예들에서, 액화 가스 선박은 선박에 탑재되고 제2 BOG 스트림을 연료로 연소하는 동력 시스템을 더 포함한다. 다수의 실시예들에서, 잠열 교환기는 비압축 가스 배출구를 더 포함한다. 여기에서, 비압축 가스 배출구는 제2 BOG 스트림과 유체적으로 연결된다. 다수의 실시예에서 상기 선박에 탑재되고, 연료로 제2 BOG 스트림을 연소시키는, 동력 시스템을 더 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기는 비응축 가스 배출구(vent)를 더 포함하고, 상기 비응축 가스 배출구는 상기 제2 BOG 스트림과 유체적으로 연결된다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기와 상기 응축된 BOG와 상기 액화 가스 스트림을 혼합시키는 상기 혼합수단 사이에 유체적으로 연결된 응축 드레인 포트를 더 포함하고, 상기 응축 드레인 포트는, 상기 잠열 교환기의 출구와 유체적으로 연결되는 응축된 BOG 입구와, 상기 극저온 카고 탱크와 유체적으로 연결되는 액화 가스 입구 및 상기 응축된 BOG 입구와 유체적으로 연결되는 응축된 BOG 출구를 구비한다. 다수의 실시예에서, 상기 응축 드레인 포트는 연료 가스로 비응축된 BOG를 연결하는 배출구를 더 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기는 압축기의 출구에서 압축된 BOG를 전달받는 BOG 입구를 구비하고, 상기 압축기는 상기 잠열 교환기로 유입되는 상기 BOG 스트림의 토출 압력을 조절한다.
액화 가스 선박에 탑재된 보일 오프 가스(BOG) 내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 방법에 대한 실시예들은 액화 가스 선박에 탑재된 카고 탱크에서 재기화기로 액화 가스의 공급 스트림이 유동하는 단계; 상기 액화 가스 공급 스트림의 일부가 냉각 박스를 통하여 냉매로 전환하는 단계; BOG 연료 스트림은 상기 액화 가스 선박의 동력 시스템을 위한 연료로 사용을 위해 압축기에서 BOG 히터로 유동하고, 상기 BOG 연료 스트림 내의 상기 카고 탱크로부터 BOG를 제거하는 단계; 상기 BOG 스트림의 일부를 상기 냉각 박스를 통과시켜 재응축을 위해 상기 BOG 연료 스트림 상의 유동 제한을 생성하는 단계; 상기 냉각 박스에서 상기 BOG 연료 스트림으로 비압축성 가스를 되돌리는 단계; 및 상기 냉각 박스에서 재응축된 BOG 및 상기 냉각 박스에서 토출된 상기 액화 가스 공급 스트림의 일부를 상기 재기화기로 흐르는 상기 액화 가스 공급 스트림에 혼합하는 단계;을 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 재기화기는 상기 액화 가스 선박이 정박된 부두, 해안, 또는 또 다른 선박 중 하나에 위치한다.
액화 가스 선박에 탑재된 잠열의 수집 시스템에 대한 실시예는 액화 가스 선박; 상기 액화 가스 선박의 데크 아래에 있으며 액화 가스 및 보일 오프 가스(BOF)를 구비한 복수개의 카고 탱크; 상기 복수개의 카고 탱크에서 재기화기로 연장되는 상기 액화 가스 공급 스트림; 액화 가스 선박의 데크에 있으며, 열에 의해 BOG의 스트림을 상기 액화 가스 스트림의 일부에 연결하고, 내부에서 상기 BOG 스트림에서 상기 액화 가스 스트림의 일부로 열이 전달되어 상기 BOG 스트림이 응축되는 잠열 교환기; 및 상기 데크에 있으며 혼합 스트림을 제공하기 위해서 상기 잠열 교환기에서 토출된 상기 응축된 BOG 스트림과 상기 액화 가스 스트림의 일부를 혼합하는 드레인 펌프;를 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기의 응축된 BOG 출구에 유체적으로 연결된 드레인 포트를 더 포함하고, 상기 드레인 포트는, 비응축 가스 배출구(vent) 및 연료 스트림에 분기되고, 상기 잠열 교환기에서 응축되지 않는 상기 BOG 스트림의 일부를 구비한다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기는 비응축 가스 배출구 및 증기 터빈 또는 디젤 엔진 중 하나에 구동력을 생성하기 위해 연소기에서 연소되고, 잠열 교환기에서 응축되지 않는 상기 BOG 스트림의 일부를 구비한다. 다수의 실시예에서, 상기 액화 가스는 에탄, 메탄, 에틸렌 또는 LNG 중 하나이다. 다수의 실시예에서, 상기 액화 가스 선박에 탑재된 카고 기계 공간 안에 있는 동력 시스템을 더 포함하고, 상기 동력 시스템은 연료로 상기 BOG 중 제2 스트림을 사용한다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기는 비응축 가스 배출구 및 상기 잠열 교환기에서 응축되지 않으며, 상기 BOG의 상기 제2 스트림에 분기되는 상기 BOG 스트림의 일부을 구비한다. 다수의 실시예에서, 상기 잠열 교환기는 플레이트-핀 타입이다.
재기화 선박상의 액화 가스를 재기화 하는 방법에 대한 실시예는 재기화 선박에 탑재되고, 액화 가스를 가지는 카고 탱크에서 보일 오프 가스(BOG)를 제거하는 단계; 상기 BOG 스트림을 응축시키기 위해서, 열 교환기 내에서 상기 BOG 스트림에서 상기 액화 가스 스트림으로 열이 전달되도록, 상기 BOG 스트림과 상기 액화 가스의 공급 스트림이 열을 교환하면서 이동하는 단계; 상기 공급 스트림이 상기 열교환기에 토출된 후에, 상기 응축된 BOG를 상기 공급 스트림에 혼합하는 단계; 및 운송용 상기 재기화 선박에 탑재된 상기 혼합된 공급 스트림을 재기화 가스로 재기화 하는 단계;를 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 재기화 선박의 동력 유닛의 연료로 상기 BOG의 제2 스트림을 이용하는 단계;를 더 포함한다. 다수의 실시예에서, 상기 열교환기에서 상기 BOG의 상기 제2 스트림으로 비응축 가스를 분기하고, 히터에서 상기 분기된 비응축된 가스를 연소하는 단계;를 더 포함한다. 다수의 실시예에서, 액화 가스의 최소 레벨이 어큐뮬레이터 드럼 내에서 유지되는 것을 확인하는 단계를 더 포함하고, 상기 어큐뮬레이터 드럼이 상기 열 교환기의 배출부와 이덕터(eductor) 또는 드레인 펌프 중 하나의 석션부를 유체적으로 연결한다. 다수의 실시예에서, 상기 어큐뮬레이터 드럼에서 상기 카고 탱크로 비응축된 가스를 분기하는 단계;를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 특정 실시예의 특징은 다른 실시예의 특징과 조합될 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예의 특징은 다른 실시예의 특징과 조합될 수 있다. 다른 실시예에서 추가적인 특징은 하기 기재된 특정 실시예에 추가될 수 있다.
실시예들은 액화 가스 선박이 전달 목적지에 선박에서 카고의 많은 비율을 전달함으로써 효율성을 높이게 할 수 있다. 실시예들은 초과 BOG로부터의 열이 버려지기 보다는 수집되고 이용되고 액화 가스 스트림에 의해 선박(101) 밖으로 운반되도록 할 수 있다. 그렇지 않으면 태워지거나 초과 BOG로 처리됐을 카고는 그 대신에 보존될 것이다. 실시예들은 액화 가스 내에 존재하는 다양한 끓는점을 가진 구성 성분의 존재에도 불구하고 BOG를 재액화시킬 수 있다. 실시예들은 응축 BOG의 하강에서 플래시 오프를 피함으로써 전통적 방법을 더 좋게 향상시킬 것이다. 실시예들은 재기화 시설로 액화 가스가 들어가기 이전에 액화 가스 공급 스트림 내의 추가 열을 수집함으로써 재기화 시설의 효율성을 향상시키고, 그러므로 재기화를 위해 필요로 되는 열 에너지를 줄이는 결과를 낳을 것이다. 실시예들은 재기화를 위한 분리된 냉각시스템을 필요로 하지 않는다.
상기 측면과 다른 측면에서, 실시예들의 기술적 특징 및 장점은 하기의 더 상세한 설명에 의해 명확해질 것이고, 하기의 도면과 함께 표현될 것이다.
도 1은 극저온 저장 선박에 탑재된 BOG 내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 액화 가스 선박에 탑재된 보일 오프 가스(BOG)의 잠열을 수집, 이용 및 배출하는 일실시예의 방법을 설명하는 플로우 차트이다.
도 3은 카고 탱크에 분지되는 비응축 가스와 함께, BOG내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 시스템의 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 연료로 분지되는 비응축 가스와 함께 BOG내의 잠열의 수집, 이용 및 추출 시스템 내의 잠열의 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 연료로 분지되는 비응축 가스와 함께 BOG내의 잠열의 수집, 이용 및 추출 시스템 내의 잠열의 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 실시예의 잠열의 수집, 이용 및 배출 시스템 내에서 BOG 압축기의 상류에 있는 BOG 냉각 시스템의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 응축 드레인 포트의 정면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 냉각 박스의 정면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 드레인 펌프의 정면 단면도이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대체 형태로 민감하나, 특정한 실시예들은 도면에서 예시의 형태로 여기에서 보여지거나, 이하 상세하게 기재될 수 있다. 도면은 비례대로 된 것은 아니다. 그러나, 도면과 상세한 설명은 본 발명을 특정 형태의 개시로 한정하는 것이 아니고, 반대로 발명은 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위 및 진정한 의미를 포함하는 모든 변형예, 균등예, 선택적 실시예를 포함할 수 있다.
극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스(boil off gas) 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템, 방법은 다음과 같이 설명될 수 있다. 하기의 상세한 설명에서, 수많은 구체적 설명은 본 발명의 실시예들의 명확한 이해를 위해 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명이 하기의 구체적인 설명의 모든 특징을 포함하지 않고도 실행될 수 있을 것이라는 점은 명확하다. 다른 예로써, 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 특별한 특징, 양, 수치는 본 발명을 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 상세하게 설명되지는 않는다. 명세서를 읽는 이들은 비록 본 발명의 예들이 아래에 제시되나, 청구항들과 균등한 전체 범위들이 본 발명의 경계와 영역으로 정의된 것이라는 것을 주의해야 한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 단수 표현은 명확하게 지시하니 않는 한 복수 표현을 포함할 수 있다.
“연결된”은 적어도 하나 이상의 물체 또는 구성들 사이에서 직접적인 연결 또는 간접적인 연결(예를 들어, 적어도 하나의 구성이 개입된 연결)을 나타낼 수 있다. “직접적인 결합”이라는 용어는 물체 또는 구성들 사이에서 직접 연결을 의미한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 “또는”은 대안이 하나로만 언급되거나 대안이 상호 배타적으로 명확하게 지시하지 않는 한 “및/또는”을 의미할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 “액화 가스”는 가압 및/또는 냉각 카고 탱크 속에서 액화된 형태로 운반되고, 대기온도 및 대기압의 조건에서 기체 상태인 어떤 물질을 의미한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 “액화 가스 선박”은 항해 가능한 수역에서의 액화 가스 및/또는 재기화된 액화 가스를 저장, 운송 및/또는 하역하도록 된 플로팅 캐리어, 플랫폼, 유닛 또는 선박을 의미한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 “재기화 선박”은 액화 가스를 기화시키기 위해 장착된 재기화 시설을 가지는 액화 가스 선박을 의미한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 “재기화하다”, ”재기화”, “증발” 및 “증발시키다” 들은 액화 가스를 기체 상태로 다시 변화한다는 의미로 치환될 수 있다. “재기화기” 또는 “증발기”는 액화 가스를 직접 재기화시키는 열교환기와 치환될 수 있다.
“재응축하다” 또는 “재응축” 극저온 액체 상태로 되돌아가는 BOG를 나타한다. 본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된, “잠열 교환기”는 적어도 하나 이상의 열 교환기를 나타내며, 그 안에 기체가 액체로 응축으로 인해 증발열은 기체에서 제거된다. 예를 들면, 헌열(Sensible heat)이 제거되는 것이 가스의 응축온도로 도달하는 것을 돕는다면, 현열 또한 잠열 교환기에서 제거될 수 있다. “냉각 박스”는 관련된 응축 드레인 포트와 결합한 잠열교환기를 나타낸다.
적어도 하나 이상의 실시예는 극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스(BOG) 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 설명의 목적으로, 본 발명은 액화 탄산수소에 관해 기재되지만, 어떠한 것도 본 발명을 그 실시예로 제한하는 것으로 의도하지는 않는다. 본 발명은 암모니아 또는 염화 비닐과 같이 액체로 전환될 수 있는 다른 가스들에도 동등하게 적용 가능하다.
본 명세서에서 실시예는 극저온 저장 선박에 있는 보일 오프 가스(BOG) 잠열의 수집, 이용, 배출을 위한 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 잠열 교환기는 카고 탱크의 일측 내에서의 액화 가스로부터 만들어지는 보일 오프 가스와 카고 탱크의 타측 내에서의 액화 가스의 스트림 사이에서 열을 전달할 것이다. 잠열 교환기는 BOG가 응축되도록 할 것이고, 그리고 잠열 교환기로부터 방출 하자마자, 응축된 BOG는 열 교환기 내에 있는 액화 가스의 스트림에 합쳐질 것이다. 그 합쳐진 스트림은 이후 재기화 시설로 계속 이동한다. 카고 탱크 및 재기화 시설는 액화 가스 선박에 탑재될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 액화 가스 선박 및 재기화 시설에 탑재된 카고 탱크는 액화 가스 선박이 정박된 해안가 부두 또는 옆의 제2의 선박에 있을 것이다. 다수의 실시예들서, 선박은 메인 추진력으로 증기를 사용할 것이며, 추진 유닛인 증기 터빈은 카고 탱크로부터 연료를 위해 BOG의 일부분을 연소한다. 다수의 실시예들서, 선박은 선박에 탑재 된 동력 플랜트에 연료를 공급하기 위해 카고 탱크로부터 BOG의 일부분을 사용할 수 있다. 잠열 교환기로 및/또는 응축 드레인 포트에서의 비응축된 BOG는 BOG 연료 스트림 또는 카고 탱크로 배출될 수 있다.
종래의 시스템 및 방법과 비교했을 때, 본 실시예들의 장치, 시스템 및 방법은 더 많은 액화 가스가 소실되거나 초과 BOG로 버려지기 보다는, 재기화 시설로 보내지도록 허용되어, 액화 가스의 재기화 시설의 효율성을 향상시킨다. 실시예들은 특히 증기 동력의 재기화 선박에 대하여 재체결되는 해결수단으로서 장점이 있을 것이다. 낮은 가격으로, 그리고 선박의 메인 동력 유닛에 의해 일부 BOG를 연료로 사용되어지도록 하는 동시에 그들의 효율성을 향상시켜 준다. 종래의 선박은 전형적으로 동력 시스템에서 사용되지 않는 초과 BOG를 버리게 된다. 종래의 선박은 전형적으로 대략 한 시간에 1톤에서 8톤까지의 BOG를 버리게 될 것이고, 이는 최초로 선박에 적재된 카고의 양과 비교 했을 때, 재기화시킬 수 있고 또한 재기화 시설로 보낼 수 있는 카고의 양의 측면에서 상기 선박들을 비효율적이게 만든다. 대조적으로, 하기에서 기재된 바와 같이, 실시예들은 현재 선박에 적용하여 한 시간에 1에서 8톤을 넘어 대략 50 내지 150mmscf/d 배출속도로 재응축시킬 수 있다.
실시예들은 실행하고 작동하는 면에서 단순하다. 본 명세서에 설명되는 실시예들은 선박에 탑재된 현재 장치의 구성을 유지 및/또는 새로운 장치와 변형을 최소화할 수 있다. 본 명세서에 설명되는 실시예들은 재액화를 위해 분리 냉장 시스템을 필요로 하진 않을 수 있다. 본 명세서에 설명되는 실시예들은 효율성을 높이고, 새로 건조되는 선박 비용을 감소시킬 수 있다. 일단, BOG가 재응축되면, 예시된 실시예들은 응축된 BOG의 리플래싱(reflashing) 및 배출(let down)을 피할 수 있다. 더 상세하게, 재응축된 BOG는 선박의 액화 가스 카고 탱크로 재유입되지 않으므로, 리플래싱은 피할 수 있다. 그러므로, 액화 가스는 응축된 BOG가 카고탱크로 재유입될 때 발생할 수 있는, 포화상태에서 액화 가스의 온도를 위한 포화 범위 밖의 더 낮은 압력의 상태로 변하지 않는다.　
다수의 실시예들에서, 액화 가스의 증기는 선박에서 전달되는 가스 및/또는 액체와 함께 증기열을 선박 밖으로 내보낸다. 액화 가스 스트림 내의 BOG에서 증기열을 수집하는 것은 그 이후에 액화 가스 선박 및/또는 재기화 시설의 효율성을 증대한다. 그 이유는 BOG의 응축에서 액화 가스 스트림까지 수집된 열을 추가하여, 그 후에 액화 가스를 재기화하는데 필요한 추가열이 더 적어지기 때문이다.
극저온 저장 선박
도 1은 극저온 저장 선박에 실린 BOG 내의 잠열 수집, 이용 배출 시스템 실시예들을 도시하는 도면이다. 잠열의 전체 또는 부분 수집 시스템(100)은 예를 들면, FSU, FSRU, LNG 선, LPG선 또는 재기화 선박과 같은 액화 가스 선박(101)에 위치할 수 있다. 액화 가스 선박은 예를 들어, 125,000 m3, 138,000 m3, 150,000 m3, 173,400 m3, 210,000 m3 또는 250,000 m3와 같은 수송 능력 중 하나를 가질 수 있다. 카고 탱크(110)은 본 기술 분야에서 주지된 구형 타입, 멤브레인 타입, 원통형 압력 타입, 또는 각기둥 구조 디자인의 이중 선체 카고 격납 시스템이거나 액화 가스의 저장 및/또는 수송에 적합한 다른 카고 탱크일 수 있다. 선박(101)은 4 또는 5개의 카고 탱크(110)나 선박의 사이즈나 능력에 적절한 다른 개수의 카고 탱크를 포함할 수 있다.
　카고 탱크(110)은 예를 들어 선박 선체(109) 및/또는 데크(111) 아래인 선박(101) 상에 위치하고, 액화 가스(120)와 BOG(115)를 포함한다. 액화 가스 (120)가 BOG(115)를 생성하도록 끊는 것을 허용하는 것은 증기열을 제거할 수 있고, 카고탱크(110) 내의 남아있는 액체를 포화상태로 유지할 수 있다. 탱크 펌프(125)를 사용함으로써, 액화 가스(120)는 카고 탱크(110)에서 액화 가스 스트림(145)로 펌프된다. 다수의 실시예들에서, 액화 가스 스트림(145)은 재기화 시설(130)을 향하는 피드 스트림이다. 특정 실시예들에서, 액화 스트림(145)은 증기열의 냉각과 전달을 위해 사용되는 액체 스트림일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 액화 가스 스트림(145) 및 BOG 스트림(118)은 동일한 카고 탱크 또는 카고 탱크의 그룹에서 유래한다.
재기화 시설
재기화 시설(130)는 액화 가스 선박(101)에 탑재될 수 있다. 다른 실시예들에서, 재기화 시설(130)는 액화 가스 선박(101)이 정박된 해안가의 부두 또는 옆에 나란한 제2의 선박 위에 있을 수 있다. 재기화 시설(130)은 파이프라인, 저장시설, 또는 분배 시스템으로의 전달 이전에 액화 가스(120)를 재기화 하기 위한 열원으로써 증기, 공기, 물 및/또는 수중연소를 사용하는 재기화기를 포함할 수 있다. 재기화 시설(130)은 개방루프, 폐쇄루프 및/또는 병합 모드를 작동시킬 수 있다. 또한 재기화 시설(130)은 열원에서 액화 가스로 열을 전달하기 위하여 열 전달 유체, 또는 수중 연소를 이용할 수 있다.　 다수의 실시예들에서, 재기화 시스템(130)은 매개 유체를 사용할 것이고, 매개 유체는 열교환기와 재기화기 사이의 루프 내에서 순환할 수 있다. 액화 가스(120)의 온도를 끓는점 위로 상승시키기 위해서 열교환기는 증기, 공기 및/또는 해수와 같은 열원에서 매게 유체로 열을 전달하고, 재기화기는 매게 유체에서 액화 가스 스트림(145)로 열을 전달한다. 다른 실시예들에서, 열원은 직접 재기화기로 열 에너지를 제공할 수 있다. 재기화기는 쉘 및 튜브 기화기, 평판 미세 기화기 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에 알려진 다른 기화기 일 수 있다.
액화 가스 스트림(145)은 재기화 시설(130)에 유입되기 전에 석션 드럼(135)을 통과할 수 있다. 석션 드럼(135)는 유일하게 액체가 재기화 시설 (130)로 이동하는 것을 보장할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 액화 가스 스트림(145)은 석션 드럼(135)의 필요 없이 직접 피드 펌프(105)의 흡입측을 직접 통과할 수 있다. 액화 가스 스트림(145)의 전체 또는 일부는 재기화 시설(130)로 이동 중에 잠열 교환기(140)에 의해서 잠열 교환기(140) 및/또는 냉각 박스(805)를 위한 냉각수로 전환될 수 있다. 도 3을 참조하면, 재충전(regas) 밸브(112)는 액화 가스(120)의 석션 드럼 및/또는 재기화 시설 (130)으로의 흐름을 조절할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 액화 가스 스트림(145)은 재기화 시설(130)에 유입되기 전에 액화 가스 스트림(145)의 압력을 증가시키기 위해서 피드 펌프(105)를 통과 할 수 있다.
재기화된 액화 가스(120)은 가스 도관(195)을 이용하는 재기화 시설(130)로부터 육상 저장 시설, 부도, 가스 파이프 라인 및/또는 가스 분배 시스템으로 운송될 수 있다. 도관(195)는　높은 압력 가스 아암, 매니폴드, 파이프 라인 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 천연가스를 운송하기 위한 다른 강체이거나 플렉서블 수단일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 운송 작동 동안에 BOG(115)의 일부는 해안 가스(107)로서 해안 또는 제2의 선박으로 되돌아올 수 있다.
BOG의 제거 & 압축
또한, BOG(115)는 제거 및/또는 카고 탱크(110)에서 압축기로 끌어올려질 수 있다. 다수의 실시예들에서, BOG(115)는 제거 및/또는 카고 탱크(110)와 연결된 증기 헤더(122) 로부터 끌어올려질 수 있다. 증기 헤더(122)는 BOG 스트림(118)이 카고 탱크(110)에서 BOG 압축기(150) 및/또는 승압 압축기(153)로 흐르는 파이프, 매니폴드 및/또는 도관일 수 있다(도 3 참조). 다수의 실시예들에서, 증기 헤더(122)는 적재 동안에 해안 또는 또 다른 배로 증기를 되돌려 보내는 수단을 제공할 수 있다.
카고 탱크(110) 및/또는 증기 헤더(122)에서 토출된 후에, BOG 스트림(118)은 적어도 하나 이상의 BOG 압축기 (150)을 통과하여 보내질 수 있다. BOG 압축기(150)는 BOG 스트림(118)의 압력을 올릴 수 있다. 다수의 실시예들에서, BOG 압축기(150)은 BOG 스트림(118) 및/또는 액화 가스 스트림(145)의 온도에 따라 BOG 스트림(118)의 압력을 2.0 내지 2.8 절대압력(BAR) 사이로 승압시킬 수 있다. BOG 스트림(118)의 유동 적어도 두 개 이상의 압축기(150)으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 응축되는 BOG 스트림(118)의 유동이 제2 압축기(150)통과하여 흐를 동안, BOG 연료 스트림(175)은 제1 BOG 압축기(150)를 통과할 수 있다. 다른 실시예로, 도 3에서 도시된 바와 같이, BOG 스트림(118)의 유동은 BOG 압축기(150)을 통과한 후에 분리되고, 그 곳에서는 단지 잠열 교환기(140)을 따라 유동하는 BOG 스트림(118)만 잠열 교환기(140)로 유입되기 전에 승압 압축기(153)를 통과할 수 있다. 승압 압축기(153)를 적용하는 다수의 실시예들에서, 승압 압축기(153)는 BOG 압축기(150) 보다 더 높은 압력의 압축을 제공할 수 있다. BOG 압축기(150)에 있는 BOG 스트림(118)의 방출 압력은 잠열 교환기(140) 내에서 포화 압력을 유지하기 위해　역압 제어 밸브(158)에 의해 조절될 수 있다.
보일 오프 가스 냉각 시스템
BOG 스트림(118)은 압축기(150) 및/또는 승압 압축기(153)으로 유입되기 전에 냉각 될 수 있다. 예를 들어, 액화 가스가 LNG인 실시예들에서, 압축기 유입 이전에 -130°C 또는 그 이하로 냉각된 BOG 스트림(118)은 압축기(150)을 위한 최적의 석션 온도를 제공할 수 있으며, 그리고 그것은 냉각 박스(805)에 더 많은 질량 유동을 야기 할 수 있다. 도 6은 BOG 압축기(150) 및/또는 승압 압축기(153)와 같은 BOG 압축기용 냉각 시스템의 실시예이다. BOG 스트림(118)을 냉각시키기 위해서, 카고 탱크(110) 스트리핑 헤더(600) 또는 액화 헤더(605)에서의 액화 가스(120)는 온도 조절 컨트롤(710) 및 인라인 혼합기(500)를 통제하는 온도로 제공될 것이다. 인라인 혼합기(500)은 BOG 압축기(150)의 성능을 향상시킬 수 있으며, BOG 압축기(150)으로 들어가는 BOG 스트림(118)을 충분히 냉각되게 할 수 있다.
몇몇 LNG 실시예들에서, 인라인 혼합기(500)는 BOG 스트림(118)의 온도를 약 -130°C, 또는 약 -110°C 와 -140°C 사이로 가져 올 수 있다. 비록 BOG 스트림의 따뜻한 온도는 시스템의 효율에 부정적인 영향을 미치지만, LNG 실시예는 약 -110°C 를 -40°C 로 온도를 가열하는 BOG 스트림(118) 온도 가열기와 작동할 수 있다. 온도 가열기와 함께 작동할 것이다. BOG 스트림(118)은 작동자의 설정점으로 냉각될 수 있으며, 그 온도는 온도 센서/트랜스미터(610) 및 온도 컨트롤(710)에 의해 조절될 것이다. 미스트 세퍼레이터(520) 및 미스트 세퍼레이터 드레인 포트(515)는 레벨 컨트롤러(715)와 액체의 레벨을 제어하는 밸브의 조합으로 적용 될 수 있다. 인라인 혼합기(500)에서 토출된 BOG 내에서 동반된 액화 가스는 미스트 세퍼레이터(520)에 의해 제거고, 미스트 세퍼레이터 드레인 포트(515)와 카고 탱크(100)으로 유입된다. 밸브는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 방법으로 별도로 작동될 것이다.
냉각 박스
도 3 내지 도 5에서 도시된 바와 같이, BOG 압축기(150) 및/또는 승압 압축기(153)에서 방출되자 마자, 전체 또는 일부의 BOG 스트림(118)은 잠열 교환기(140) 및 냉각 박스 드레인 포트(160)를 구비한 냉각 박스(805)로 유입된다. 도 8은 전형적인 냉각 박스(805)를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 냉각 박스(805)는 잠열 교환기(140)과 냉각 박스(805) 내의 냉각 박스 드레인 포트(160)를 포함할 수 있다. 잠열 교환기 시스템(100)을 위한 제어 및 도구 박스인 드레인 펌프(305) 및 컨트롤 박스(810)는 냉각 박스(805)와 결합될 수 있다. 파이프들은 본 발명을 모호하게 하지 않고, 명확하게 드러나도록 하기 위해 도 8에서 생략된다.
다시 도 3 내지 도 5를 보면, BOG 연료 스트림(175)의 유동 경로 상의 역압 제어 밸브(158)는 응축을 위해 BOG 스트림(118)이 잠열 교환기(140)으로 유입되도록 허용할 수 있다. 잠열 교환기(140)으로의 BOG 스트림(118)은 차압 컨트롤러 및 압력 제어 밸브, 열 교환기 밸브(730)에 의해 제어될 수 있다. 잠열 교환기(140) 내에서, 열은 BOG 스트림(118)에서 제거되고 액화 가스 스트림(145)으로 이동될 것이며, 그리하여 잠열 교환기(140)로 유입되는 BOG 스트림(118)을 응출할 것이다. 충분한 양의 열은 BOG 스트림(118)에서 제거될 것이고 그 결과 BOG 스트림(118)은 응축되나 액화 가스 스트림(145)의 액화 가스(120)는 액체 상태로 남는다. 잠열 교환기(140)에서 토출된 후에, 액화 가스 스트림(145)는 BOG 스트림(118)으로부터 제거된 추가 열을 운반할 것이고, 그리고 액화 가스 선박(101)에서 배출될 때까지 상기 열을 계속 운반할 수 있다. 잠열 교환기(140)은 BOG 스트림(118)가 충분히 냉각되고, BOG 스트림(118)의 압력이 BOG 스트림(118)의 포화 상가 되도록 충분히 높게 설정되며, 이는 BOG 스트림(118)에서 증발열을 제거하고 액화 가스 스트림(145)내에서 상기 열을 수집하면서 BOG 스트림(118)에 포함된 BOG(115)가 응축되게 할 것이다. 응축된 BOG(165)와 잠열 교환기(140)에서 토출되는 액화 가스 스트림(145)로 구성된 혼합 스트림(170) 내에 포함된 상기 추가 열은 이후의 재기화를 위한 필요한 열을 줄일 것이고, 이는 재기화 공정에 효율성을 추가한다. BOG 스트림(118)에서 제거된 잠열은 버려지기 보다는 이용될 수 있다. (예를 들어, BOG(115)는 선박(101)내에의 연소기에서 연소하면서 또는 GCU 연소되어 초과 가스에 의해 야기되는 증기로 낭비되지 않는다) 또한, 잠열은 증발 가스 및/또는 액화 가스와 함께 증발되기 위해 선박 밖으로 이동된다. 게다가 카고 탱크(110) 압력은 일정하게 유지될 것이다.
잠열 교환기(140)는 적어도 하나이상의 플레이트-핀 열교환기, 쉘-튜브 열교환기 또는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 다른 열교환기일 수 있다. 잠열 교환기(140)는 스트림(145)와 BOG 스트림(118) 사이에서 직접 열을 전달할 수 있다. 하나의 LNG의 실시예에서, BOG 스트림(118)는 BOG 압축기(150)의 출구에서 약 -84°C 이고, 잠열 교환기(140)의 입구로 유입될 때 -80°C 일 수 있으며, 그 결과 BOG 스트림(118)의 10,000KG/H의 최대 유량에서 -156.3°C의 출구 온도를 초래할 수 있다. 상기 실시예에서, 액화 가스 스트림(145)는 약 -159°C로 열 교환기(140)에 유입되고,　159.330kg/h의 최대 유량에서 약 -149.5°C 로 열 교환기(140)에서 토출할 수 있다. 온도와 유량은 전달된 액화 가스의 상태에 따라 달라질 수 있다.
액화 가스 스트림(145)의 유동은 작업자 설정점에 따른 유동 컨트롤러에 의해 작동되는 흡열 밸브(700)에 의해 제어될 수 있다. 잠열 교환기(140)의 냉각 측의 입출구 및/또는 냉각 박스 드레인 포트(160)의 출구는 온도 및 압력 트랜스미터를 포함할 수 있다. 또한, 카고 탱크(110)는 압력 컨트롤러들을 포함할 수 있다.
냉각 박스 드레인 포트(160)은 응축 드레인 포트 일수 있으며, 잠열 교환기(140)에서 응축된 BOG(165)를 전달 받을 수 있다. 도 7은 냉각 박스 드레인 포트(160)의 실시예를 도시한다. 냉각 박스 드레인 포트(160)은 잠열 교환기(140)로부터 응축된 BOG(165)용 응축된 BOG 입구(1700) 포함할 수 있고 또한, 레벨 제어 라인(505)에서의 액화 가스(120)용 액화 가스 입구(1730)을 포함 할 수 있다(도 4 참조). 드레인 포트(160)의 응축된 BOG 출구(1710)에서의 흡기는 레벨 제어 또는 일정한 유동 제어를 위한 컨트롤 밸브를 가진 드레인 펌프(305)에 제공될 수 있다. 냉각 박스 드레인 포트(160) 내의 압력은 포화 상태를 유지하기 위해서 압축기 공간(미도시)로의 비압축성 회귀(185) 상의 노즐(1705) 하류인 비압축성 회귀밸브(735)에 조절될 수 있다. 냉각 박스 드레인 포트(160)는 레벨 트랜스미터 위치에서 레벨 트랜스미터, 검사개구(1740), 안전장치(1715) 및 냉각 박스 드레인 포트 배출구(1720)를 포함할 수 있다. 냉각 박스 드레인 포트(160)는 어큐물레이터 드럼이거나 잠열 교환기(140)로 통합될 수 있다. 그 대신에 냉각 박스 드레인 포트(160)는 잠열 교환기(140)에 부착되거나 연결될 수 있다. 드레인 포트(160)에서 응축된 BOG(165)의 레벨을 유지하는 것은 액체만 이덕터(155) 및/또는 드레인 펌프(305)의 석션이 유도되는 것을 보장할 수 있다.
스트림 혼합
응축된 BOG(165)는 잠열 교환기(140) 및/또는 냉각 박스 드레인 포트(160)에서 이덕터(155: ducator)와 같은 혼합기까지 액화 가스 스트림(145)과 합쳐질 수 있다. 다수의 실시예들에서, 이덕터(155)는 필요하지 않고, 대신에 액화 가스 스트림(145)과 응축된 BOG(165)는 드레인 펌프(305)를 통과한 후에 함께 혼합될 수 있다. 도 1, 도 3 및 도 4는 액화 가스 스트림(145)과 응축된 BOG(165)를 혼합하기 위한 유일한 수단으로 드레인 펌프(305)의 실시예를 도시한다. 도 5는 이덕터(155)를 응축된 BOG(165)와 액화 가스 스트림(145)를 혼합하기 위한 유일한 수단으로 쓰는 실시예를 보여준다. 드레인 펌프(305)는 적어도 하나 이상의 멀티-스테이지 원심 펌프, 적어도 하나 이상의 싱글-스테이지 원심 펌프 또는 요구되는 유동 속도에서 충분한 수두를 생성하는 것이 가능한 극저온 서비스를 위해 고안된 다른 펌프를 포함할 수 있다. - 예를 들어, 최소 5.4 m3/hr의 연속 유동, 18.1 m3/hr의 정격 유동량, 최대 21.7 m3/hr의 연속 유동일 수 있다. 도 9는 드레인 펌프(305)의 실시예이다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 드레인 펌프 305는 배출부(910), 드레인 펌프 배출구(900), 흡입부(905) 및 드레인 펌프 드레인(940)을 포함 할 수 있다. 마주보는 플랜지를 구비한 전력 연결부(925)는 질소 압력 연결부(915)와 용접 넥 단부(920)를 포함할 수 있다. 케이블 글랜드(930: gland)는 펌프 전력 케이블(935)와 연결될 수 있다. 상기 실시예에서, 드레인 펌프(305)는 3단 원심 펌프일 수 있으며, 123 정격 수두, 3700 속도, 145 임펠러 직경, 300정격유량 123, 3700의 스피드, 10KW의 KW 용량을 포함할 수 있다. 표 1은 드레인 펌프(305)의 유량과 수두를 예를들어 설명한다.
본 발명의 실시예의 드레인 펌프의 유량 및 수두
유량범위 해드 압력 예상효율 전력 예상 유효흡입수두
(NPSH)
m3/hr m psi % kW m
0.0 164 99 0.1 0.00 0.96
5.4 145 87 38.0 2.39 0.81
9.1 145 87 44.0 3.44 0.57
14.5 141 85 46.0 5.12 0.55
18.1 126 77 48.0 5.60 0.55
21.7 112 67 46.0 6.10 0.57
이덕터(155) 및/또는 드레인 펌프(305)는 응축 BOG(165)를 잠열 교환기(140)에서 토출되는 액화 가스 스트림(145)으로 끌어당길 것이다. 이덕터의 실시예에서, 이덕터(155)는 스트림 입구 노즐과 수렴-확산 출구 노즐을 포함할 수 있다. 액체 스트림(145)는 수렴-확산 노즐의 넥(neck)에서 고속 제트로 전환될 수 있으며, 이는 넥에서 낮은 압력을 생성한다. 낮은 압력은 응축 BOG(165)를 스트림(145)와 혼합되는 노즐로 끌어 당긴다. 응축 BOG(165)와 스트림(145)을 가지는 혼합 스트림(170)은 석션 드럼(135)로 계속 이동하거나, 및/또는 석션 드럼(135)로 직접 나아가는 액화 가스 스트림(145)과 혼합될 것이다(예를 들어, 냉각 박스(805)를 지나쳐가는 액화 가스(145)의 그 부분). 이덕터(155) 및/또는 드레인 펌프(305)는 잠열 교환기(140)으로 들어가지 않는 스트림(145)의 부분에 의해 동력을 얻거나 그 안에 위치할 수 있으며, 또는 도 4에 보여지는 것처럼 잠열 교환기(140)으로 들어가지 않는 스트림(145)의 그 부분에 의해 동력을 얻거나 또는 그 안에 위치할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이덕터(155)는 필수적이지 않으며, 응축 BOG(165)와 스트림(145)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 드레인 펌프(305)의 하류에서 혼합될 수 있다. 상기 실시예들에서, 응축 BOG(154)는 드레인 펌프(305)로 유입되고, 드레인 펌프(305)에서 토출되면 바로 스트림(145)와 혼합된다. 이덕터(155)에서 혼합되건, 드레인 펌프(305)의 하류에서 혼합되건 간에, 혼합 스트림(170)은 이후 계속해서 석션 드럼(135) 및/또는 재기화 시설(130)으로 이동할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 혼합 스트림(170)은 이덕터(155) 및/또는 드레인 펌프(305)로부터 바로 공급 펌프(105)의 석션 측면으로 나아가고, 석션 드럼(135)은 필수적이지 않다. 석션 드럼(135) 및/또는 공급 펌프(105)에서 토출 후, 혼합 피드 스트림(170)은 재기화 시설(130)으로 나아갈 것이고, 이는 선박(101)에 적재되거나, 이곳의 상세한 다른 곳에 있을 것이다.
다수의 실시예들에서, 스트림(145)의 적어도 일부는 잠열 교환기(140)을 통과하지 않고, 카고 탱크(110)에서 재기화 시설(130)로 이동할 수 있다. 상기 실시예들에서, 재기화 시설(130)으로 들어가기 이전 및/ 또는 석션 드럼(135)으로 들어가기 이전에, 스트림(145)의 상기 일부는 혼합 스트림(170)과 혼합될 수 있다.
비응축된 가스 배출
BOG(115)는 다른 끓는점을 가진 가스들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, BOG(115)는 주로 메탄과 질소 가스를 가지고, 이는 서로 다른 끓는 점을 가진다. 메탄은 대략 -160°C 에서 끓으나, N2는 약 -196°C에서 끓는다. 결과적으로, 상기 예에서, 메탄은 잠열 교환기(140)에서 응축될 수 있으나,질소 가스의 상당 부분은 응축되지 않을 것이다. 상기 예에서, 질소의 축적, 또는 액화 가스(120)의 다른 구성성분보다 상당히 낮은 끓는점을 가진 다른 가스는 잠열 교환기(140) 및/또는 열 수집 시스템(100)의 적절한 기능을 방해할 수 있다. 그러한 “비응축 가스의 저지”를 방지하기 위해서, 예를 들어 도 3내지 5에서 도시된 바와 같이 잠열 교환기(140)는 비응축 가스를 배출할 수 있다. 잠열 교환기(140) 및/또는 냉각 박스 드레인 포트(160)는 비응축 가스 배출구(180)를 포함할 것이고, 이는 일 실시예에서, 비응축 가스 배출구(180)는 잠열 교환기(140)의 BOG 입구의 반대인 잠열 교환기(140)의 일측에 위치할 수 있다. 비응축 가스 배출구(180)는 분기 가스 (185)와 같이 잠열 교환기(140)내의 비응축 가스들이 잠열 교환기(140)을 떠나도록 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 4 및 도 5에서 도시된 바와 같이, 분기 가스(185)는 BOG 연료 스트림(175)와 혼합될 수 있다. 상기 예에서, BOG 히터(190)에 제공되는 가스의 구성은 연소기 내의 화염이 꺼지는 것을 방지하기 위해서 모니터될 수 있다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예들에서, 분기 가스(185)는 카고 탱크(110) 또는 액화 가스 선박(101)의 또 다른 탱크로 되돌아 갈 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 분기 가스(185)는 증기 헤더(122)로 이동한다. 몇몇 실시예들에서, 몇몇의 응축성 (하지만 비응축된) BOG(115)는 냉각 박스 드레인 포트(160)으로 들어갈 수 있다.
연료로서의 BOG
몇몇 실시예들에서, 전체 또는 필수적인 모든 BOG(115)는 재응축되거나, 연료가스로 사용되거나, 몇몇 실시예들에서는, 분기 가스(185)처럼 카고 탱크(110)로 되돌아갈 수 있다. 잠열 수집 시스템(100)은 증기 동력 플랜트를 이용하는 기화 가스 선박(101) 선상에 위치할 것이고, 예를 들어 증기 동력 플랜트는 다른 연료뿐만 아니라 BOG(115)를 이용하는 스팀 터빈 발전기를 포함한다. 다른 실시예들에서, 이중연료 엔진 발전기 동력으로 이용될 것이고, 이는 다른 연료 뿐아니라 BOG(115)를 이용할 것이다. 그러한 실시예에서, BOG(115)의 일부는 카고 탱크(110) 및/또는 BOG 압축기(150)에서 연료 스트림(175)로 전환되어 BOG 히터(190)를 지나 증기 연소기에 이동하여 선박의 동력을 위한 연료로 사용 될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 분기 가스(185)는 분기되고, BOG 연료 스트림(175)에 포함될 수 있다.
잠열의 수집, 이용 및 배출 공정
도 2는 극저온 저장 선박 선상에 탑재된 BOG 내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 방법의 실시예를 도시한 플로우 차트이다. BOG가 카고 탱크(110) 안에 없으면, 상기 탱크는 비어있는 것이고 더 이상의 움직임은 스텝(205)에서 필요하지 않다. 반면에, 만약 BOG가 200스텝, 그 후 210스텝에서 카고 탱크(110)내에 존재한다면, BOG(115)는 카고 탱크(110) 및/또는 증기 헤더(122)에서 제거되고, BOG 스트림(118)의 압력은 BOG 압축기(150) 및/또는 승압 압축기(153)내에서 증가될 수 있다. 또한, BOG 스트림(118)은 인라인 혼합기(500)와 함께 210스텝에서 냉각될 것이다. 만약 BOG(115)의 일부가 연료로 필요하면, 이후 215스텝에서, BOG(115)는 BOG 연료 스트림(175) 안의 연료로 보내질 수 있고, BOG 연료 스트림(175)은 220스텝에서 연료로 연소될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 215스텝에서, BOG(115)는 연소되기 전에 연료 스트림(175)으로 연료 가스 온도를 올리는 BOG 히터(190)를 통과될 수 있다. 이러한 BOG(115)는 220단계에서 연료로 연소될 수 있다. 대체적으로, step 220의 다수의 실시예들에서, BOG 압축기(150)는 선박의 동력 플랜트의 연료로 사용하기 위해 BOG 연료 스트림(175)의 압력을 상승시킬 수 있다.
BOG(115)가 연료로 연소되는 몇몇 실시예들에서, BOG(115)의 단지 일부분만이 상기 목적을 위해 필요하다. 만약 스텝230에서 초과 BOG(연료로 필요한 것보다 더 많은 BOG)가 있다면, 상기 초과 BOG는 235스텝에서 잠열 교환기(140)로 보내지는 것과 같이 재응축을 위해 전환될 수 있다. 다수의 실시들예에서, BOG(115)의 일부분은 연료로 사용될 수 있고, 동시에 BOG(115)의 일부분은 잠열 교환기(140)에서 응축될 수 있다.
만약 230스텝 및/또는 235에서 액화 가스(120)가 잠열 교환기(140) 내의　BOG(115)를 냉각시키는데 필요로 되지 않는다면, 이후 225스텝에서 액화 가스(120)은 카고 탱크(110)에서 재기화 시설(130) 및/또는 석션 드럼(135)로 바로 보내질 수 있으며, 265스텝에서 재기화될 수 있다. 만약 액화 가스(120)가 230스텝에서 BOG 스트림(118)을 냉각시키기 위해 필요하면, 이후 액화 가스(120)는 공급 펌프(125)와 공급 펌프(125)에 의해 증가된 액화 가스 스트림(145)의 결과 압력에 의하여 카고 탱크(110)에서 제거된다. 액화 가스(120)는 이후 235스텝에서 스트림(145)내의 잠열 교환기(140)으로 보내진다. 스텝 240에서, 열은 BOG(115)로부터 잠열 교환기(140)내의 액화 가스(120)로 이동된다. 만약 BOG(115)가 240스텝에서 응축되지 않으면, 그 후 응축된 BOG(165)와 잠열 교환기(140)에서 나온 액화 가스(120)(액화 가스 스트림 (145)처럼)는 드레인 펌프(305) 및/또는 이덕터(155)와 함께 255스텝에서 혼합 스트림(170)으로 합쳐진다. 반면에, 만약 가스의 일부분이 잠열 교환기(140)에서 응축되어지지 않으면, 이후 비응축 가스(185)는 250스텝에서 연료 스트림(175)에 보내지고 연료로 연소되거나, 비응축 가스는 카고 탱크(110) 또는 증기 헤더(122)로 되돌려 진다. 비응축 가스(185)가 증기 헤더(122)로 되돌려지는 몇 실시예에서, 증기 헤더(122)로 향하는 비응축 가스(185)는 비응축 가스(185)가 쌓이는 것과 열 교환기내의 효율성의 손실을 방지하기 위해 제한될 수 있다. 석션 드럼(135)은 260스텝에서 혼합 스트림(170)을 수집한다. 혼합 스트림(170)은 석션 드럼(135)에서 토출되고, 265스텝에서 재기화 시설(130)에서 재기화된다. 가스는 270스텝에서 가스의 목적지, 예를 들어 가스 파이프 라인 분배 시스템, 해안 처리 시설, 또 다른 선박, 바지선 또는 플랫폼, 전력 플랜트 또는 다른 적합한 목적지로 이송될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 액화 가스(120)는 전달 이전에 재기화되지 않을 것이고, 대신에 액화된 상태로 전달될 수 있다.
공정 제어
몇몇 실시예들에서, 연료로 이용되어지지 않는 주된 모든 BOG(115)는 재액화되고 혼합 스트림(170)에 액체로 혼합될 수 있다. BOG(115)와 액화 가스(120)의 유동에 대한 제어는 자동 또는 수동으로 제어될 수 있다. 냉각 박스 드레인 포트(160) 내의 레벨 컨트롤은 필요시에 액화 가스 스트림(145)의 일부를 라인(505)를 통해 드레인 포트(160)로 바로 흘려보냄으로써 달성될 수 있다(도 4 참조). 재응축되는 BOG(115)의 양에 관한 선박(101)의 전력 플랜트를 위한 연료 가스 요구량의 통제는 원격 모니터링 및 통제와 같은 수단에 의해 달성될 수 있다.
밸브의 배열은 적절한 제어 수단을 위해 적절해야 하고, 원격 제어 될 수 있다. 일실시예인 LNG예에서, 재충전(regas) 밸브(112) 및/또는 흡열 밸브(700)는 잠열 교환기(140)을 유동하는 최대 냉매량을 달성하여 가능한 한 많은 액화 가스(120)가 잠열 교환기(140)을 통과하기 위해서, 재기화 시스템(130)을 최대 400mVhour 속도로 흐르도록 야기 시킬 수 있다. 압축기 밸브(710)은 압축기(150)와 낮은 온도에서 미끄러지는 잠열 수집 시스템(100) 및 압축기(150)를 통한 질량 유량 증가시킬 뿐만 아니라, 압축기(150)에 대한 최적의 석션 온도를 보장하기 위해서 BOG 스트림(118)의 압축기(150)에 대한 입구 온도를 -130°C 이하로 제어할 수 있다. 드레인 포트 레벨 컨트롤(715)은 분리된 액화 가스(120)을 카고 탱크(110)에 되돌려 보내기 위해서, 미스트 세퍼레이터 드레인 포트(515)의 출구 이덕터(615)에 동력(motive) 액화 가스(120)를 공급할 수 있다. 드레인 포트 레벨 컨트롤(715)는 드레인 포트 레벨 컨트롤러에서 비롯하는 높은 레벨 및 낮은 레벨의 신호에 따라 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 교축밸브(1405)는 드레인 펌프(305)의 배출 상에 있을 수 있다. 그들은 수동적으로 고정된 위치에 설치되거나 펌프 암페어/유동곡선 위의 설정 포인트를 입력한 작업자에 의해 일정한 흐름을 자동적으로 유지하도록 할 수 있다. 레벨 컨트롤 밸브(725)는 드레인 포트(160)으로 액화 가스(120)의 직접 유입에 의해서 드레인 포트(160) 레벨 컨트롤을 제공할 수 있다. 드레인 펌프(305) 유동은 잠열 교환기(140)내에서 응축된　BOG 스트림(118)의 양을 초과하여 설정될 것이고, 그 결과 이러한 레벨 컨트롤은 오직 구조 컨트롤의 기능을 한다.　 그렇게 함으로써, 상대적으로 포화에 근접한 극저온 액화 가스(120)의 재순환을 방지 할 수 있다.
미스트 세퍼레이터 드레인 밸브(미도시)는 미스트 세퍼레이터(520) 드레인 포트의 아래에 있을 수 있고, 항상 개방될 수 있다. 드레인 포트 드레인 밸브(715)는 이덕터(615)의 출구를 공급하는 밸브와 같은 시간에 개방 및 폐쇄될 수 있다. 역압 제어 밸브(158)은 초과 BOG(115)가 재응축을 위해 잠열 교환기(140)으로 유입되도록 하기 위해서 압축기(150)에서 BOG 히터(190)까지 BOG 스트림(175)내에 유동 제한을 생성할 수 있다. 역압 제어 밸브(158)는 이를 지나가는 차등 압력을 생성하고, 차등 압력 트랜스미터 신호에 따라 작동할 수 있다. 밸브의 위치는 수동으로 설정되거나, 작업자에 의해 제공된 설정 포인트에 따라 자동적으로 설정된 차이를 유지하도록 설정될 수 있다. 시설은 초기 설정(default setting)을 허용하도록 제공될 수 있다. 열교환 밸브(730)는 미끄러지는 잠열 수집 시스템(100) 상의 잠열 교환기(140)로 BOG 스트림(118)의 유입을 조절할 수 있다. 열교환 밸브(730)은 수동으로 위치가 정해질 수 있으며, 작업자가 입력한 설정 포인트를 기반으로 한 일정한 유동을 유지하도록 설정될 수 있다. 또한, 캐스캐이드 내부에서 일정한 탱크 압력을 유지하는 것을 기반으로 압축기의 로드 변화에 반응하기 위해 설정될 수 있다. 상기 캐스캐이드는 증기 덤핑이 따르는 연소기 내에서 초과 가스의 연소 대신에 재응축을 야기할 수 있다. 비압축성 가스 순환 제어 밸브(735)는 역압 제어 밸브(158)의 하류측에 있을 수 있다. 비압축성 가스 순환 제어 밸브(735)는 이것의 위치가 수동적으로 설정되거나 포화압력조건의 유지를 가능하게 하기 위하여 잠열 교환기(140) 내부에 일정한 압력을 유지하도록 자동적으로 설정될 수 있다.
증기를 운반하는 파이프를 설치하는 것과 시스템의 구성을 연결하는 것은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 것이다. 그러므로 이는 발명을 모호하게 하지 않기 위해 이곳에 상세하게 명시되진 않을 것이다. 파이프를 설치하는 것은 선박(101)의 다양한 지역에 위치한 장치와 시스템의 구성을 연결하고, 액체와 가스를 선박(101) 밖으로 운송할 것이다. 예를 들어 도 1에서 도시된 바와 같이, 압축기(150)과 히터(190)은 선박(101) 선상의 카고 기계 공간에 위치되고, 열 교환기(140) 드레인 펌프(305), 및 재기화 시설(130)은 선박(101)의 데크(111)위에 있고, 카고 탱크(110)는 선박(101)의 선체(1098) 안에 위치할 수 있다.
예시된 실시예들은 액화 가스 선박이 전달 목적지에 선박에서 카고의 많은 비율을 전달함으로써 효율성을 높이게 할 수 있다. 실시예들은 초과 BOG로부터의 열이 버려지기 보다는 수집되고 이용되고 액화 가스 스트림에 의해 선박(101) 밖으로 운반되도록 할 수 있다. 그렇지 않으면 태워지거나 초과 BOG로 처리됐을 카고는 그 대신에 보존될 것이다. 실시예들은 액화 가스 내에 존재하는 다양한 끓는점을 가진 구성 성분의 존재에도 불구하고 BOG를 재액화시킬 수 있다. 실시예들은 응축 BOG의 하강에서 플래시 오프를 피함으로써 전통적 방법을 더 좋게 향상시킬 것이다. 실시예들은 재기화 시설로 액화 가스가 들어가기 이전에 액화 가스 공급 스트림 내의 추가 열을 수집함으로써 재기화 시설의 효율성을 향상시키고, 그러므로 재기화를 위해 필요로 되는 열 에너지를 줄이는 결과를 낳을 것이다. 실시예들은 재기화를 위한 분리된 냉각시스템을 필요로 하지 않는다.
실시예의 다양한 측면의 변형예들과 선택적 실시예들은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 관점에서 명확할 것이다. 게다가, 이러한 설명들은 예시로만 오직 설명되며, 본 발명을 도출할 수 있는 일반적 방법으로 본 기술분야의 통상의 기술자에게 개시를 위한 목적이다. 본 발명이 기재되고 보여진 형식은 현재 적절한 실시예로 선택된 것으로 이해된다. 구성요소 및 물질은 여기에서 설명되고 기재된 것들로 교체될 수 있다. 부분 및 방법은 반대로 될 수 있으며, 본 발명의 특정한 특징은 독립적으로 이용될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명확한 전체는 이후 본 발명의 상기 명세서 이익을 가질 수 있다. 상기 기술한 구성요소의 변경은 하기의 청구항의 기재에 따른 본 발명의 범위 및 의미로부터 분리되지 않는다. 게다가 상기 기재된 특징은 특정한 실시예에서 독립적으로 결합될 수 있는 것으로 이해된다.
100: 잠열 수집 시스템 101: 액화 가스 선박
110: 카고 탱크 120: 액화 가스
130: 재액화 시설 125: 공급 펌프
145: 액화 가스 스트림 150: 압축기

Claims (3)

  1. 액화 가스 선박에 탑재된 카고 탱크에서 재기화기로 액화 가스의 공급 스트림이 유동하는 단계;
    상기 액화 가스 공급 스트림의 일부가 냉각 박스를 통하여 냉매로 전환하는 단계;
    BOG 연료 스트림은 상기 액화 가스 선박의 동력 시스템을 위한 연료로 사용을 위해 압축기에서 BOG 히터로 유동하고, 상기 BOG 연료 스트림 내의 상기 카고 탱크로부터 BOG를 제거하는 단계;
    상기 BOG 히터로 유동하는 상기 BOG 연료 스트림의 양이 상기 액화 가스 선박의 동력 시스템을 위한 연료로 필요한 양보다 크다면, 상기 BOG 연료 스트림의 일부를 상기 냉각 박스를 통과시켜 재응축을 위해 상기 BOG 연료 스트림 상의 유동 제한을 생성하는 단계;
    상기 냉각 박스에서 비응축성 가스를 상기 BOG 연료 스트림으로 되돌리거나, 상기 카고 탱크로 되돌리는 단계; 및
    상기 냉각 박스에서 재응축된 BOG와 상기 냉각 박스에서 토출된 상기 액화 가스 공급 스트림의 일부가 혼합하여 혼합 스트림이 생성되고, 상기 혼합 스트림이 상기 재기화기로 흐르는 상기 액화 가스 공급 스트림에 혼합하는 단계;을 포함하는, 액화 가스 선박에 탑재된 보일 오프 가스(BOG) 내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액화 가스는 LNG이고, 상기 재기화기는 상기 액화 가스 선박의 데크에 탑재되는, 액화 가스 선박에 탑재된 보일 오프 가스(BOG) 내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 재기화기는 상기 액화 가스 선박이 정박된 부두, 해안, 또는 또 다른 선박 중 하나에 위치하는, 액화 가스 선박에 탑재된 보일 오프 가스(BOG) 내의 잠열의 수집, 이용 및 배출 방법.
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