KR102162167B1 - 가스 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스가 증발가스 압축기에 의해 다단 가압되어 수요처로 공급되도록 하는 증발가스 공급라인; 상기 증발가스 공급라인에서 분기된 다단 가압된 증발가스가 재액화되어 상기 액화가스 저장탱크로 리턴되도록 하는 증발가스 리턴라인; 상기 증발가스 리턴라인에 유동하는 다단 가압된 증발가스를 상기 증발가스 공급라인에 유동하는 증발가스와 열교환시키는 증발가스 열교환기; 및 상기 증발가스 리턴라인 상의 증발가스에 의해 발생되는 동력을 구동원으로 하여 상기 증발가스 공급라인 상의 증발가스를 압축시키는 터보 차저를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템{A Treatment System of Gas}
본 발명은 가스 처리 시스템에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 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 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구동되기 위해서 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다.
또한 LNG를 액상으로 보관할 때 탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 LNG가 기화되어 증발가스(BOG: Boil off Gas)가 생성되는데, 이러한 증발가스는 액화가스 처리 시스템상에 문제를 일으킬 수 있어 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비를 시킴으로서 문제를 해결하고자 하였으나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다.
따라서 최근에는 증발가스를 효율적으로 처리하는 기술로서, 생성된 증발가스를 재액화시켜 엔진에 공급하는 등의 활용방안이 이루어지고 있으나 이러한 활용에도 충분한 증발가스의 소모가 이루어지지 아니하여 효율적인 자원의 활용이 이루어지지 아니한바, 이에 대한 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 재액화 효율을 극대화시키는 가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것입니다.
본 발명은 가스 처리 시스템에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스가 증발가스 압축기에 의해 다단 가압되어 수요처로 공급되도록 하는 증발가스 공급라인; 상기 증발가스 공급라인에서 분기된 다단 가압된 증발가스가 재액화되어 상기 액화가스 저장탱크로 리턴되도록 하는 증발가스 리턴라인; 상기 증발가스 리턴라인에 유동하는 다단 가압된 증발가스를 상기 증발가스 공급라인에 유동하는 증발가스와 열교환시키는 증발가스 열교환기; 및 상기 증발가스 리턴라인 상의 증발가스에 의해 발생되는 동력을 구동원으로 하여 상기 증발가스 공급라인 상의 증발가스를 압축시키는, 터보 차저를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 터보 차저는, 상기 증발가스 리턴라인 상에 상기 증발가스 열교환기 토출단에 구비되어, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 팽창 또는 감압시켜 액화시키는 증발가스 액화기; 및 상기 증발가스 공급라인 상에 상기 증발가스 열교환기 유입단에 구비되어, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 미소 압축하는 전단 압축기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전단 압축기는, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 1.12~1.2bar로 미소 압축하여 상기 증발가스 열교환기로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 액화기는, 익스팬더(Expander)이며, 상기 익스팬더는, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 팽창시켜 전력을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 전단 압축기는, 상기 익스팬더에서 발생된 전력을 통해 구동될 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스는, 상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 이상인 경우, 상기 전단 압축기를 바이패스하여 상기 증발가스 열교환기로 공급되고, 상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 미만인 경우, 상기 전단 압축기를 경유하여 상기 증발가스 열교환기로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 공급라인 상에 분기되어 상기 전단 압축기로 연결되는 터보차저 제1 라인; 상기 전단 압축기에서 상기 증발가스 공급라인으로 연결되는 터보차저 제2 라인; 상기 터보차저 제1 라인 상에 구비되어 상기 전단 압축기로 공급되는 증발가스량을 조절하는 터보차저 제1 조절밸브; 및 상기 터보차저 제2 라인 상에 구비되어 상기 전단압축기에서 상기 증발가스 열교환기로 공급되는 증발가스량을 조절하는 터보차저 제2 조절밸브를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 이상인 경우, 상기 터보차저 제1 조절밸브 및 상기 터보차저 제2 조절밸브의 상기 전단 압축기 방향 개도만을 폐쇄시켜 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스가 상기 전단 압축기를 바이패스하여 상기 증발가스 열교환기로 공급되도록 하고 상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 미만인 경우, 상기 터보차저 제1 조절밸브 및 상기 터보차저 제2 조절밸브의 상기 전단 압축기 방향 개도를 개방시켜 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스가 상기 전단 압축기를 경유하여 상기 증발가스 열교환기로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 터보차저 제1 조절밸브 및 상기 터보차저 제2 조절밸브는, 삼방밸브일 수 있다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템은, 터보 차저를 증발가스 열교환기 전단에 설치함으로써, 재액화 효율을 향상시키고 증발가스 열교환기의 설계가 단순해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 터보 차저 상세도이다.
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.
본 명세서에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있고, 기체 가스는 플래시 가스일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 터보 차저 상세도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 수요처(20), 증발가스 압축기(30), 터보 차저(40), 기액 분리기(50), 증발가스 열교환기(60)를 포함한다.
여기서 본 발명의 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)이 설치되는 선박(2)은, 바람직하게 LNG 캐리어 즉 LNG 운반선일 수 있다. 물론, 본 발명의 선박(2)은, 이에 한정되지 않고 액화가스를 추진엔진으로 사용하는 다양한 선박에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 증발가스 공급라인(11), 증발가스 분기라인(11a), 증발가스 리턴라인(12), 액화가스 복귀라인(13), 플래시가스 공급라인(14)을 더 포함할 수 있다. 각각의 라인에는 개도 조절이 가능한 밸브(부호 도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스 또는 액화가스의 공급량이 제어될 수 있다.
증발가스 공급라인(11)은, 액화가스 저장탱크(10)와 수요처(20; 바람직하게는 고압 수요처(21))를 연결하며, 터보 차저(40), 증발가스 열교환기(60), 증발가스 압축기(30)를 구비할 수 있고, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 증발가스 압축기(30)로 다단 압축한 후 수요처(20)로 공급할 수 있다.
증발가스 분기라인(11a)는, 증발가스 공급라인(11) 상의 증발가스 압축기(30)의 중간단에 분기되어 저압 수요처(22)로 연결되며, 증발가스 압축기(30)의 중간단에서 저압으로 압축된 증발가스를 저압 수요처(22)로 공급할 수 있다.
증발가스 리턴라인(12)은, 증발가스 공급라인(11) 상의 증발가스 압축기(30)의 최후단에서 분기되어 기액 분리기(50)로 연결되어 증발가스 열교환기(60), 터보 차저(40)를 구비할 수 있고, 증발가스 압축기(30)에서 고압으로 다단 압축된 증발가스를 증발가스 열교환기(60) 및 터보 차저(40)를 거쳐 재액화시켜 기액 분리기(50)로 공급할 수 있다.
액화가스 복귀라인(13)는, 기액 분리기(50)와 액화가스 저장탱크(10)를 연결하며, 기액 분리기(50)에서 재액화된 증발가스 중 액상이 액화가스 저장탱크(10)로 복귀하도록 할 수 있다.
플래시가스 공급라인(14)은, 기액 분리기(50)와 증발가스 공급라인(11) 상의 액화가스 저장탱크(10)와 터보 차처(40) 사이에 연결되며, 기액 분리기(50)에서 재액화된 증발가스 중 기상이 증발가스 공급라인(11) 에서 증발가스와 합류하도록 할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는, 수요처(20)에 공급될 증발가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
본 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10)에서 액화가스의 증발로 인해 발생되는 증발가스를 후술할 증발가스 압축기(30)를 통해 압축하여 수요처(20)로 공급함과 동시에, 잉여의 증발가스를 후술할 증발가스 열교환기(60) 및 터보 차저(40)를 통해 재액화시킴으로써, 증발가스를 효율적으로 관리할 수 있다.
여기서 액화가스 저장탱크(10)는, 독립형 탱크 또는 멤브레인 탱크 형태일 수 있으며, 이는 공지의 구성으로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 연료로 사용하며, 고압 수요처(21) 및 저압 수요처(22)를 포함할 수 있다.
고압 수요처(21)는, 증발가스 또는 플래시 가스를 필요로 하며 이를 원료로 하여 구동될 수 있다.(물론 액화가스를 기화시켜 이를 원료로도 사용할 수 있다.) 고압 수요처(21)는, 엔진(예를 들어 고압가스분사엔진으로 MEGI엔진)일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
여기서 고압 수요처(21)는, 액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 공급라인(11)을 통해서 연결될 수 있으며, 약 200 내지 400bar의 고압으로 가압된 증발가스를 공급받을 수 있다.
고압 수요처(21)는, 증발가스 압축기(30)를 통해 고압으로 가압된 증발가스를 사용할 수 있고, 약 300bar 정도의 고압 증발가스를 사용하는 고압용 엔진일 수 있으며, 프로펠러(부호 도시하지 않음)를 구동하기 위해 직접 프로펠러 축(도시하지 않음)을 회전시키는 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다.
엔진은 액화가스 또는 증발가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다. 따라서, 고압 수요처(21) 구동 시 프로펠러 축에 연결된 프로펠러가 회전함에 따라 선박(2)이 전진 또는 후진할 수 있다.
물론 본 실시예에서 고압 수요처(21)는, 프로펠러를 구동하기 위한 엔진일 수 있으나, 발전을 위한 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다. 즉, 본 실시예는 고압 수요처(21)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만, 고압 수요처(21)는, 증발가스 및 플래시 가스의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.
고압 수요처(21)는 이종연료가 사용가능한 이종연료엔진(DF engine)일 수 있다. 이종연료엔진은 통상 디젤 사이클로 구동되는 2행정 엔진(2-stroke DF engine)이다. 이러한 디젤 사이클은 기본적으로, 공기가 피스톤에 의해 압축되고, 압축된 고온의 공기는 점화연료(Pilot Fuel)에 의해서 점화가 이루어지며, 나머지 고압의 가스가 분사되어 폭발이 이루어진다.
이때 점화연료는 HFO(Heavy Fuel Oil) 또는 MDO(Marine Diesel Oil)를 사용하게 되며, 보통 점화연료와 고압 가스의 비율은 약 5:95 이고, 점화연료의 분사량은 5~100%까지 조정이 가능하다. 따라서 점화연료는 엔진의 구동 연료로도 이용가능하다.
즉, 점화연료의 분사량이 약 5%정도인 경우 엔진 구동 연료로 증발가스(또는 가열된 액화가스; 약 95%)가 주로 사용되며, 점화 연료의 분사량이 100%인 경우에는 엔진 구동 연료로 점화연료(오일)가 전부 사용된다.
이때, 점화연료의 분사량 약 50%인 경우(와 증발가스 약 50%)에는, 점화연료와 증발가스가 혼합되어 엔진으로 유입되는 것이 아닌 점화연료가 먼저 발화하여 발열량을 생산하고, 이후, 나머지 증발가스가 유입되어 폭발하여 발열량을 생산하여 엔진 구동에 필요한 발열량을 생산한다.
저압 수요처(22)는, 약 30~50bar 정도인 저압 증발가스를 사용하는 수요처로서, 예를 들어 DFDE 엔진일 수 있다. 또한, 저압 수요처(22)는, 이종연료가 사용 가능한 이종연료엔진으로, 증발가스뿐만 아니라 오일을 연료로 사용할 수 있으나, 증발가스와 오일이 혼합되어 공급되지 않고 증발가스 또는 오일이 선택적으로 공급될 수 있다. 이는 연소 온도가 상이한 두 물질이 혼합 공급되는 것을 차단하여, 저압 수요처(22)의 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위함이다.
여기서 저압 수요처(22)는, 증발가스를 필요로 하며 이를 원료로 하여 구동될 수 있고 상기 기술한 DFDE 엔진뿐만 아니라 발전기(예를 들어 DFDG), 보일러(예를 들어 스팀을 생성하는 보일러)일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
증발가스 압축기(30)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압한다. 구체적으로, 증발가스 압축기(30)는, 증발가스 공급라인(11) 상에 증발가스 열교환기(60)와 수요처(20) 사이에 마련되어, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되어 배출되는 증발가스 또는 재액화시 발생하는 플래시 가스가 혼합된 증발가스를 가압하여 증발가스 열교환기(60) 또는 수요처(20)에 공급할 수 있다.
증발가스 압축기(30)는, 복수로 구비되어 증발가스를 다단 가압할 수 있다. 일례로 증발가스 압축기(30)는 왕복동식 압축기가 5 개가 구비되어 증발가스가 5단 가압될 수 있도록 할 수 있다. 5단 가압된 증발가스는, 200bar 내지 400bar로 가압되어, 증발가스 공급라인(11)을 통해 고압 수요처(21)로 공급되거나 증발가스 리턴라인(12)을 통해서 증발가스 열교환기(60)로 공급될 수 있다. 또한, 증발가스 압축기(30)는, 1단 압축기가 병렬로 두 개 구비되어 증발가스의 초기 유입량이 과도하더라도 이를 충분히 수용할 수 있도록 하고 있다.
본 발명의 실시예에서는 복수의 증발가스 압축기(30)의 각 후단에는 증발가스 냉각기(부호 도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 증발가스 압축기(30)에 의하여 증발가스가 가압되면, 압력 상승에 따라 온도 역시 상승될 수 있기 때문에, 본 실시예에서는 증발가스 냉각기를 사용하여 증발가스의 온도를 다시 낮춰줄 수 있다.
증발가스 냉각기는, 증발가스 압축기(30)와 동일한 수로 설치될 수 있으며, 각 증발가스 냉각기는, 각 증발가스 압축기(30)의 하류에 마련될 수 있다.
증발가스 압축기(30)가 증발가스를 가압함으로써, 증발가스는 압력이 상승하여 끓는점이 상승하고 이로 인해 상대적으로 높은 온도에서도 액화될 수 있는 상태가 될 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 증발가스 압축기(30)로 증발가스의 압력을 높임으로써, 증발가스가 쉽게 액화되도록 할 수 있다.
터보 차저(40)는, 증발가스 액화기(41) 및 전단 압축기(42)로 구성되어 증발가스 액화기(41)에서 증발가스를 팽창 또는 감압시켜 재액화시키고, 전단 압축기(42)에서 증발가스 액화기(41)로부터 전력을 공급받아 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 미소 가압하여 증발가스 열교환기(60)로 공급할 수 있다.
증발가스 액화기(41)는, 증발가스 리턴라인(12) 상에 증발가스 열교환기(60)와 기액 분리기(50) 사이에 구비되어 증발가스 열교환기(60)로부터 공급되는 냉각된 증발가스를 공급받아 팽창 또는 감압시켜 기액 분리기(50)로 공급할 수 있다. 여기서 증발가스 액화기(41)는, 익스팬더(Expander)일 수 있으며, 등엔트로피 과정을 통해 냉각된 증발가스를 팽창 또는 감압시킬 수 있다.
증발가스 압축기(30)에서 다단 압축된 증발가스는 증발가스 열교환기(60)에서 열교환을 통해 온도는 약 45도에서 약 -91도로 하강하나 압력은 변동없이 200 내지 400bar를 유지하게 된다. 이러한 증발가스 열교환기(60)에서 냉각된 증발가스는 200 내지 400bar의 압력을 유지한 상태로 증발가스 액화기(41)로 공급되며, 증발가스 액화기(41)는 이러한 증발가스를 등엔트로피 과정을 통해 압력은 1~3bar(바람직하게는 3bar)까지 감압시키고 온도는 약 -91도에서 약 -152도까지 냉각시킬 수 있다.
증발가스 액화기(41)는 상기와 같은 과정을 통해 증발가스 열교환기(60)에서 냉각된 증발가스를 액화시킬 수 있으며, 이와 동시에 증발가스의 팽창 또는 감압과정을 통해서 전력을 발생시킬 수 있다. 발생된 전력은 후술할 전단 압축기(42)로 공급되어 전단 압축기(42)가 별도의 동력원없이도 구동될 수 있는 효과가 있다.
즉, 증발가스 액화기(41)로 유입된 증발가스가 팽창 또는 감압 과정을 거치면서 회전력이 발생되고, 발생된 회전력이 전력을 생성하면서 이를 전단 압축기(42)를 구동시키는 동력으로 이용할 수 있다. 물론, 증발가스 액화기(41)에서 발생된 전력은, 전단 압축기(42)뿐만 아니라 선박(2) 내의 각종 전력설비들에 이용될 수 있어, 가스 처리 시스템(1)의 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 증발가스 액화기(41)에서 발생된 회전력을 직접 동력전달을 통해 전단 압축기(42)의 구동 동력으로 이용할 수도 있으며, 직접 동력전달은 예를 들어 축을 통한 기어연결로 이루어질 수 있다.
전단 압축기(42)는, 증발가스 공급라인(11) 상에 증발가스 열교환기(60)와 액화가스 저장탱크(10) 사이에 구비되어, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 미소 압축하여 증발가스 열교환기(60)로 공급할 수 있다. 이때, 전단 압축기(42)는, 전술한 바와 같이 증발가스 액화기(41)로부터 구동 동력을 전달받아 구동될 수 있어 별도의 전력공급장치가 필요없는 효과가 있다.
전단 압축기(42)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 1.03bar 에서 1.12 내지 1.2bar(바람직하게는 1.2bar)까지 미소 가압할 수 있으며, 미소 가압된 증발가스를 증발가스 열교환기(60)로 공급할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스는, 1.03bar의 상태로 액화가스 저장탱크 내에 저장되어 있어, 증발가스 열교환기(60)로 공급시 증발가스 열교환기(60)로 유입되기에 충분한 압력이 확보되지 않는 문제점이 발생한다.
구체적으로 살펴보면, 열교환기는 효율을 증대시키기 위해서 열교환매체간 접촉면적을 넓혀야하므로 내부에 열교환매체가 유동하는 라인을 최대한 꼬아서 형성시키게 되고, 열교환기의 내부 라인을 많이 꼬아서 형성하게 되면 유입하는 열교환 매체가 저항을 많이 받게 되어 유입단의 압력이 높아질 필요가 생기게 된다. 따라서, 열교환기로의 유입단 압력이 낮게 설정되면 열교환기 내부의 라인을 많이 꼬을 수 없게되어 열교환기의 효율이 떨어지게 된다.
즉, 열교환기의 내부 라인의 구성을 꼬아서 형성하게 되면 효율이 향상되나 열교환기 유입단의 압력이 높아져야하며, 열교환기 내부 라인의 구성을 단순하게 형성하면 효율이 낮아지나 열교환기 유입단의 압력이 높아질 필요가 없게되므로, 열교환기의 유입단의 압력과 열교환 효율을 서로 고려하여 열교환기를 설계하여야 한다.
이에 본 발명의 실시예에서는, 증발가스 액화기(41)에서 발생되는 전력을 통해 구동되는 전단 압축기(42)를 구비하여, 증발가스 열교환기(60)로 공급되는 증발가스의 충분한 압력 확보가 가능해짐으로써, 증발가스 열교환기(60)의 설계가 단순해지고(즉, 증발가스 열교환기(60) 내부 라인 설계시 유입단의 압력과 열교환 효율과의 관계를 고려하지 않고 열교환 효율만을 고려하여 설계할 수 있게 되므로 증발가스 열교환기(60)의 설계가 단순해지는 효과가 있음) 증발가스 열교환기(60)의 효율이 증대되며 가격이 저렴해지는 효과가 있고, 전단 압축기(42)를 구동시킬 별도의 전력이 불필요해지는 점에서 에너지 효율의 증가 및 시스템 구축 비용이 절감되는 효과가 있다.
전단 압축기(42)는, 터보차저 제1 라인(15a) 및 터보차저 제2 라인(15b)을 더 포함할 수 있다. 터보차저 제1 라인(15a)은, 증발가스 공급라인(11)과 전단 압축기(42)를 연결하며 터보차저 제1 조절밸브(43)를 통해서 전단 압축기(42)로 공급되는 증발가스의 유량을 조절할 수 있고, 터보차저 제2 라인(15b)은, 전단 압축기(42)와 증발가스 공급라인(11)을 연결하며 터보차저 제2 조절밸브(44)를 통해서 전단 압축기(42)에서 증발가스 열교환기(60)로 공급되는 증발가스의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 기설정압력 이상인 경우, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 전단 압축기(42)를 바이패스시켜 증발가스 열교환기(60)로 공급시키고, 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 기설정압력 미만인 경우, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 전단 압축기(42)를 경유시켜 증발가스 열교환기(60)로 공급시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 기설정압력 이상인 경우, 터보차저 제1 조절밸브(43) 및 터보차저 제2 조절밸브(44)의 개도 중 전단 압축기(42) 방향의 개도만을 폐쇄하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스가 터보차저 제1 라인(15a) 및 터보차저 제2 라인(15b)를 통해 전단 압축기(42)로 유입되지 못하고 바이패스 되도록 할 수 있다. 이때 전단 압축기(42)는 구동을 중단할 수 있으며, 전단 압축기(42)가 구동중단되면서 쓰이지 못하게된 증발가스 액화기(41)에서 발생된 전력은 선박(2) 내의 각종 전력설비들로 공급되어 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 기설정압력 미만인 경우, 터보차저 제1 조절밸브(43)의 개도 중 전단 압축기(42) 방향의 개도를 개방하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스가 터보차저 제1 라인(15a)을 통해 전단 압축기(42)로 공급되어 미소 압축(1.12 ~ 1.2bar)되도록 하고, 터보차저 제2 조절밸브(44)의 개도 중 전단 압축기(42) 방향의 개도를 개방하여 미소 압축된 증발가스가 터보차저 제2 라인(15b)을 통해 증발가스 열교환기(60)로 공급되도록 할 수 있다.
이와 같이 전단 압축기(42)는, 액화가스 저장탱크(10)의 내압에 따라서 탄력적으로 구동되어 증발가스 열교환기(60)에 공급됨으로써, 증발가스 액화기(41)에서 발생시킨 전력을 효율적으로 사용할 수 있게되어 에너지의 최적화 이용이 가능해지는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에서는 증발가스 액화기(41)만으로 증발가스를 팽창 또는 감압시킬 수 있으나, 줄-톰슨 밸브를 통해 1차 감압 또는 팽창 후 증발가스 액화기(41)인 익스팬더(Expander)에 의해 2차 감압 또는 팽창이 이루어질 있도록 설계될 수도 있다.
이 경우 줄-톰슨 밸브는, 증발가스 리턴라인(12)을 따라 회수되는 증발가스의 흐름을 기준으로 증발가스 열교환기(60)의 하류에 마련되어, 증발가스 압축기(30)에서 압축된 증발가스를 1차 감압시킨다. 예를 들어, 줄-톰슨 밸브는 증발가스 압축기(30)에서 200bar~400bar(바람직하게는 300bar)로 압축된 증발가스를 100bar~130bar(바람직하게는 약 120bar)로 감압할 수 있으며, 감압시 증발가스는 냉각효과가 이루어질 수 있어 약-91℃에서 약 -93℃ 로 냉각될 수 있다.
이러한 줄-톰슨 밸브에서의 감압과정은 등엔탈피 과정에 의해서 감압 및 냉각 과정이 이루어 질 수 있다.
증발가스 액화기(41)인 익스팬더(Expander)는, 줄-톰슨 밸브에서 1차 감압된 증발가스를 2차 감압시킨다. 구체적으로, 줄-톰슨 밸브에서 감압 및 냉각된 증발가스를 재감압시키는데, 줄-톰슨 밸브에서 증발가스가 일례로 120 bar의 압력으로 1차 감압된 후 유입된 증발가스를 증발가스 액화기(41)를 통해 1~3bar(바람직하게는 3bar)까지 감압시키면 증발가스는 약-91℃에서 1차 감압시 -93℃ 까지 냉각되고 2차 감압시 -152℃ 까지 냉각되어 효과적으로 이루어질 수 있다.
기액 분리기(Separator; 50)는, 터보 차저(40)에서 팽창 또는 감압된 증발가스를 공급받아 기상과 액상을 분리한다.
구체적으로, 기액 분리기(50)는, 터보 차저(40)의 증발가스 액화기(41)와 액화가스 저장탱크(10) 사이에 구비된다. 기액 분리기(50)는, 터보 차저(40)에서 팽창 또는 감압된 증발가스를 증발가스 리턴라인(12)에 의해 공급받고, 기상과 액상을 분리하여, 기상은 플래시가스 공급라인(14)에 의해 증발가스 공급라인(11)으로 합류시키고, 액상은 액화가스 복귀라인(13)에 의해 액화가스 저장탱크(10)로 복귀시킬 수 있다.
여기서, 기액 분리기(50)로 공급되는 증발가스는, 증발가스 압축기(30)에서 가압된 증발가스가 증발가스 열교환기(60)에서 냉각되고 터보 차저(40)의 증발가스 액화기(41)에서 팽창 또는 감압되어 냉각된 상태일 수 있다.
예를 들어, 증발가스 압축기(30)에서 증발가스는 다단 가압되어 200bar 내지 400bar의 고압을 가질 수 있고, 온도는 45도 내외로 이루어질 수 있다. 45도 내외의 온도로 상승된 증발가스는 증발가스 열교환기(30)로 회수되어 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 -100도 내외의 증발가스와 열교환되어 -97도 내외의 온도로 냉각된 후 증발가스 액화기(41; Expander)로 공급된다. 이때, 증발가스 액화기(41)에서 증발가스는 팽창 또는 감압에 의해 냉각되어 약 1~3bar의 압력과 약 -150 ~ -165도의 온도를 가질 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 기액 분리기(50)로 공급되는 증발가스가 팽창 또는 감압되어 -165도 이하의 초저온을 가지게 되므로, 증발가스 압축기(30)에서 압축된 증발가스가 액화되어 기액 분리기(50)로 공급된다.
또한, 본 실시예에서는, 액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 회수시키고, 기액 분리기(50)에서 발생된 플래시가스를 버리지 않고 증발가스 열교환기(60)의 전단에 합류시켜 증발가스와 플래시가스를 증발가스 압축기(30)를 통해 가압시킨 후 고압 수요처(21)로 공급할 수 있다. 즉,기액 분리기(50)에서 증발가스가 액체와 기체로 분리되면, 액화된 증발가스와 플래시 가스는 각각 액화가스 복귀라인(13)과 플래시가스 공급라인(14)을 통해 액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 열교환기(60)의 전단에 회수될 수 있다.
증발가스 열교환기(60)는, 증발가스 공급라인(11) 상에서 증발가스 압축기(30)의 상류에 마련되어, 증발가스 압축기(30)에서 가압되어 수요처(20)의 상류에 분기되는 증발가스 리턴라인(12)을 따라 회수되는 증발가스와, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 열교환시킨다. 또한, 증발가스 열교환기(60)는, 열교환된 증발가스 중 증발가스 리턴라인(12)에서 유동하는 증발가스를 터보 차저(40)로 공급하거나, 증발가스 공급라인(11)에서 유동하는 증발가스를 증발가스 압축기(30)로 공급할 수 있다.
구체적으로, 증발가스 열교환기(60)는, 증발가스 리턴라인(12)을 따라 회수되는 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스(약 45도에서 약 -91도로 냉각할 수 있다.)로 냉각할 수 있다. 이와 같은 증발가스 열교환기(60)는 별도의 재액화 냉매 장치를 필요로 하지 않고 압축된 잉여의 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되는 증발가스로 냉각함으로써, 시스템 구축비용을 절감시키고 에너지의 효율적인 사용이 가능해지는 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 가스 처리 시스템 2: 선박
10: 액화가스 저장탱크 11: 증발가스 공급라인
11a 증발가스 분기라인 12: 증발가스 리턴라인
13: 액화가스 복귀라인 14: 플래시가스 공급라인
15a: 터보차저 제1 라인 15b: 터보차저 제2 라인
20: 수요처 21: 고압 수요처
22: 저압 수요처 30: 증발가스 압축기
40: 터보 차저 41: 증발가스 액화기
42: 전단 압축기 43: 터보차저 제1 조절밸브
44: 터보차저 제2 조절밸브 50: 기액 분리기
60: 증발가스 열교환기

Claims (9)

  1. 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스가 증발가스 압축기에 의해 다단 가압되어 수요처로 공급되도록 하는 증발가스 공급라인;
    상기 증발가스 공급라인에서 분기된 다단 가압된 증발가스가 재액화되어 상기 액화가스 저장탱크로 리턴되도록 하는 증발가스 리턴라인;
    상기 증발가스 리턴라인에 유동하는 다단 가압된 증발가스를 상기 증발가스 공급라인에 유동하는 증발가스와 열교환시키는 증발가스 열교환기; 및
    상기 증발가스 리턴라인 상의 증발가스에 의해 발생되는 동력을 구동원으로 하여 상기 증발가스 공급라인 상의 증발가스를 압축하여 상기 증발가스 열교환기로 공급하는 터보 차저를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 터보 차저는,
    상기 증발가스 리턴라인 상에 상기 증발가스 열교환기 토출단에 구비되어, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 팽창 또는 감압시켜 액화시키는 증발가스 액화기; 및
    상기 증발가스 공급라인 상에 상기 증발가스 열교환기 유입단에 구비되어, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 미소 압축하는 전단 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전단 압축기는,
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스를 1.12~1.2bar로 미소 압축하여 상기 증발가스 열교환기로 공급하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 증발가스 액화기는, 익스팬더(Expander)이며,
    상기 익스팬더는, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 증발가스를 팽창시켜 전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전단 압축기는,
    상기 익스팬더에서 발생된 전력을 통해 구동되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 액화가스 저장탱크에서 발생된 증발가스는,
    상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 이상인 경우, 상기 전단 압축기를 바이패스하여 상기 증발가스 열교환기로 공급되고,
    상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 미만인 경우, 상기 전단 압축기를 경유하여 상기 증발가스 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인 상에 분기되어 상기 전단 압축기로 연결되는 터보차저 제1 라인;
    상기 전단 압축기에서 상기 증발가스 공급라인으로 연결되는 터보차저 제2 라인;
    상기 터보차저 제1 라인 상에 구비되어 상기 전단 압축기로 공급되는 증발가스량을 조절하는 터보차저 제1 조절밸브; 및
    상기 터보차저 제2 라인 상에 구비되어 상기 전단압축기에서 상기 증발가스 열교환기로 공급되는 증발가스량을 조절하는 터보차저 제2 조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 이상인 경우, 상기 터보차저 제1 조절밸브 및 상기 터보차저 제2 조절밸브의 상기 전단 압축기 방향 개도만을 폐쇄시켜 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스가 상기 전단 압축기를 바이패스하여 상기 증발가스 열교환기로 공급되도록 하고
    상기 액화가스 저장탱크의 내압이 기설정압력 미만인 경우, 상기 터보차저 제1 조절밸브 및 상기 터보차저 제2 조절밸브의 상기 전단 압축기 방향 개도를 개방시켜 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스가 상기 전단 압축기를 경유하여 상기 증발가스 열교환기로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 터보차저 제1 조절밸브 및 상기 터보차저 제2 조절밸브는,
    삼방밸브인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
KR1020160018320A 2016-02-17 2016-02-17 가스 처리 시스템 KR102162167B1 (ko)

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