KR102188469B1 - 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 재기화 시스템은, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 기화기에 열을 공급하도록 해수와 열교환하는 중간 열매체 공급장치를 포함하고, 상기 중간 열매체 공급장치는, 혼합 냉매를 사용하고, 상기 혼합 냉매는, 상기 해수와의 열교환 시 증발온도 곡선이 양의 기울기를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박{A Regasification System and Vessel having the same}

본 발명은 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

일반적으로, 액화천연가스(Liquefied Nature Gas)는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이러한 LNG는 주성분인 메탄을 1기압 하에서 -162 이하로 온도를 내려서 액체 상태로 보관하는 것이 일반적인데, 액화된 메탄의 부피는 표준 상태인 기체상태의 메탄 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.42로 원유 비중의 약 2분의 1이 된다.

LNG는 운반의 용이성으로 액화시켜 운송 후 사용처에서 기화시켜서 사용한다. 안정적인 LNG 수요가 있는 지역에서는 육상에 LNG 저장소 및 재기화 시스템을 설치하지만 수요가 일정하지 않거나, 자연재해 및 테러의 위험을 가진 국가에서는 육상에 LNG 기화설비를 설치하는 것을 우려한다.

이로 인하여 종래 육상에 설치하는 액화천연가스 재기화 시스템 대신에, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에 재기화 장치를 설치하여 육상으로 기화된 천연가스(Natural Gas)를 공급하는 선박(일례로 LNG FSRU)가 각광을 받고 있다.

현재 LNG 재기화 장치를 포함하는 선박에서는, LNG를 기화시키기 위한 열원의 공급장치를 효율적으로 구동하기 위한 다양한 연구 및 개발이 이루어지고 있는 실정이다.

본 발명은 종래의 기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 재기화 장치에 공급되는 재기화 열매를 최적으로 선택하여 재기화 효율을 극대화시킴과 동시에 구축 비용을 절감하고 공간 활용성을 극대화 시킬 수 있는 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 재기화 시스템은, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 기화기에 열을 공급하도록 해수와 열교환하는 중간 열매체 공급장치를 포함하고, 상기 중간 열매체 공급장치는, 혼합 냉매를 사용하고, 상기 혼합 냉매는, 상기 해수와의 열교환 시 증발온도 곡선이 양의 기울기를 가지는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 중간 열매체 공급장치는, 상기 혼합 냉매를 상기 기화기로 공급하는 순환 펌프를 포함하고, 상기 순환 펌프는, 상기 혼합 냉매를 가압할 수 있는 압력 마진(pressure margin)이 상기 혼합 냉매의 증발온도 곡선이 음의 기울기를 가질 때의 압력 마진보다 높을 수 있다.

구체적으로, 상기 증발온도 곡선은, 온도-질량유량 선도 그래프 상의 곡선이며, 상기 압력 마진은, 2 내지 4.5 바(bar)일 수 있다.

구체적으로, 상기 혼합 냉매는, 상변화 현상으로 발생되는 잠열을 통해 상기 액화가스를 재기화시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 혼합 냉매는, R134a를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 혼합 냉매는, R407c 또는 R421a일 수 있다.

구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 공급하는 피딩 펌프; 상기 피딩 펌프로부터 상기 액화가스를 공급받아 임시 저장하는 버퍼 탱크; 및 상기 버퍼 탱크로부터 상기 액화가스를 공급받아 가압하여 상기 기화기로 공급하는 부스팅 펌프; 상기 기화기로부터 재기화된 액화가스를 공급받아 소비하는 수요처; 및 상기 액화가스 저장탱크와 상기 수요처를 연결하며, 상기 피딩 펌프, 상기 버퍼 탱크, 상기 부스팅 펌프 및 상기 기화기를 포함하는 액화가스 공급라인을 더 포함하고, 상기 수요처는, 추가적인 가열 없이 상기 액화가스 공급라인 상에 단일하게 구비되는 상기 기화기를 통해서만 재기화된 상기 액화가스를 공급받아 소비할 수 있다.

구체적으로, 상기 중간 열매체 공급장치는, 상기 순환 펌프로부터 액상의 상기 혼합 냉매를 공급받아 상기 해수를 통해 완전 기화시키는 해수 열교환기를 포함하고, 상기 기화기는, 완전 기화된 상기 혼합 냉매를 상기 해수 열교환기로부터 공급받아 상기 액화가스를 기화시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 혼합 냉매는, 상기 기화기에서 상기 액화가스를 기화시킨 후 다시 완전한 액상으로 상변화될 수 있다.

구체적으로, 상기 중간 열매체 공급장치는, 상기 기화기로부터 공급받은 완전한 액상의 상기 혼합 냉매를 임시 저장한 후 상기 순환 펌프로 공급하는 석션 드럼; 및 상기 기화기, 상기 석션 드럼, 상기 순환 펌프, 상기 해수 열교환기 순으로 상기 혼합 냉매를 순환시키는 열매체 순환라인을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 재기화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박일 수 있다.

본 발명에 따른 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 재기화 시스템에 공급되는 열매를 상변화가 발생하는 혼합 열매로 선택하여 재기화 효율을 극대화시키고 재기화 장치의 구축 비용을 절감하며 선박 내 공간 활용성을 극대화하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 재기화 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 기화기를 재기화시키는 열매체로 상변화가 가능한 혼합 냉매를 사용하여, 혼합 냉매를 기화기로 공급하는 장치에 별도의 동력원을 설치하지 않고도 혼합 냉매의 물질변화에 따른 성질만으로 순환하도록 함으로써 구축비용이 절감되고 동력 소모를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템을 포함하는 선박의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템의 개념도이다.
도 3은 종래의 실시예에 따른 재기화 시스템에서 해수 열교환기의 열유량 대비 온도에 대한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템에서 해수 열교환기의 열유량 대비 온도에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템의 배치 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템의 배치 정면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 시스템의 개념도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 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 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 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템을 포함하는 선박의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 재기화 시스템의 개념도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템(2)을 포함하는 선박(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 피딩 펌프(20), 버퍼탱크(30), 부스팅 펌프(40), 기화기(50), 중간 열매체 공급장치(60) 및 수요처(70)를 포함하며, 재기화 시스템(2)이 설치된 선박(1)은, 선수부(101), 중앙부(102), 선미부(103), 상갑판(104) 및 선저부(105)로 구성된 선체(부호 도시하지 않음)를 가지고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템(2)을 포함하는 선박(1)은, 선미부(103)에 배치되는 엔진룸(ER)의 추진 엔진(E)에서 생산한 동력을 프로펠러 축(S)이 프로펠러(P)로 전달하여 작동함으로써 추진되며, 재기화 시스템(2)은, 선박(1)의 선수부(101)의 상갑판(104) 상에 배치될 수 있으며, 배치위치는 이에 한정되지는 않는다.

또한, 상기 선박(1)은, 해상에서 액화가스를 재기화하여 액화가스를 육상 터미널로 공급할 수 있도록 하기 위해, 액화가스 운반선(선박; 1)에 재기화 시스템(2)을 설치한 액화가스 재기화 선박(LNG RV) 또는 부유식 액화가스 저장 및 재기화 설비(FSRU)일 수 있다.

이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템(2)을 포함하는 선박(1)에 대해서 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템(2)을 포함하는 선박(1)에 대해서 설명하기에 앞서, 선박(1)에 배치되는 재기화 시스템(2)의 각 구성들 및 이 개별적인 구성들을 유기적으로 연결하는 기본적인 유로에 대해서 설명하기로 한다. 여기서 유로는 유체가 흐르는 통로로 라인(Line)일 수 있으며 이에 한정되지 않고 유체가 유동하는 구성이면 모두 가능하다.

본 발명의 실시예에서는, 액화가스 공급라인(L1)을 포함한다. 여기서 각각의 라인에는 개도 조절이 가능한 밸브(도시하지 않음)들이 설치될 수 있으며, 각 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스 또는 액화가스의 공급량이 제어될 수 있다.

액화가스 공급라인(L1)은, 액화가스 저장탱크(10)와 수요처(70)를 연결하고 피딩 펌프(20), 버퍼 탱크(30), 부스팅 펌프(40) 및 기화기(50)를 구비하여, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 피딩 펌프(20)를 통해 버퍼 탱크(30)로 공급한 후 부스팅 펌프(40)로 공급하고, 부스팅 펌프(40)에서 고압으로 압축하여 기화기(50)로 공급한 후 기화시켜 수요처(70)로 공급할 수 있다.

이하에서는 상기 설명한 라인(L1)에 의해 유기적으로 형성되어 재기화 시스템(2)을 구현하는 개별적인 구성들에 대해서 설명하도록 한다.

액화가스 저장탱크(10)는, 수요처(70)에 공급될 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.

여기서 액화가스 저장탱크(10)는, 선체의 내부에 배치되며, 엔진룸(ER)의 전방에 일례로 4개 형성될 수 있다. 또한, 액화가스 저장탱크(10)는 일례로 멤브레인 형 탱크이나, 이에 한정되지 않고 독립형 탱크 등, 다양한 형태로 그 종류를 특별히 한정하지는 않는다.

액화가스 저장탱크(10)는, 각각의 액화가스 저장탱크(10) 사이에 코퍼댐(도시하지 않음)이 배치될 수 있으며, 엔진룸(ER)과 액화가스 저장탱크(10) 사이에도 코퍼댐이 배치될 수 있다.

피딩 펌프(20)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 구비되고, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 또는 외부에 설치되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 버퍼 탱크(30)로 공급할 수 있다.

구체적으로, 피딩 펌프(20)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 액화가스 저장탱크(10)와 버퍼 탱크(30) 사이에 구비되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 1차 가압하여 버퍼 탱크(30)로 공급할 수 있다.

피딩 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 6 내지 8bar로 가압하여 버퍼 탱크(30)로 공급할 수 있다. 여기서 피딩 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 액화가스를 가압하여 압력 및 온도가 다소 높아질 수 있으며, 가압된 액화가스는 여전히 액체상태일 수 있다.

이때, 피딩 펌프(20)는, 액화가스 저장탱크(10) 내부에 구비되는 경우 잠형 펌프일 수 있고, 액화가스 저장탱크(10)의 외부에 설치되는 경우에는 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 수위보다 낮은 선체 내부의 위치에 구비될 수 있고 원심형 펌프일 수 있다.

버퍼 탱크(30)는, 액화가스 공급라인(L1)과 연결되어 액화가스 저장탱크(10)로부터 액화가스를 공급받아 임시저장할 수 있다.

구체적으로, 버퍼 탱크(30)은, 액화가스 공급라인(L1)을 통해 피딩 펌프(20)로부터 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 공급받을 수 있고, 공급받은 액화가스를 임시 저장함으로써 액화가스를 액상과 기상으로 분리할 수 있으며, 분리된 액상은 부스팅 펌프(40)로 공급될 수 있다.

즉, 버퍼 탱크(30)는, 액화가스를 임시 저장하여 액상과 기상을 분리한 후 완전한 액상을 부스팅 펌프(40)로 공급하여, 부스팅 펌프(40)가 유효흡입수두(Net Positive Suction Head; NPSH)를 만족하도록 하며, 이로 인해 부스팅 펌프(40)에서의 공동현상(Cavitation)을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 버퍼 탱크(30)는, 증발가스 공급라인(도시하지 않음)과 연결되어 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 공급받아 임시저장할 수 있다.

구체적으로, 버퍼 탱크(30)는, 증발가스 공급라인을 통해 증발가스 압축기(도시하지 않음)로부터 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 공급받아 임시 저장할 수 있다.

이를 통해 버퍼 탱크(30)는, 액화가스 공급라인(L1)으로부터 공급받아 임시저장된 액화가스와 증발가스 공급라인으로부터 공급받아 임시저장된 증발가스를 서로 열교환시켜 재응축시킬 수 있다. 여기서 버퍼 탱크(30)는 압력을 견딜 수 있는 압력 용기형으로 형성될 수 있으며, 6 내지 8바(bar) 또는 6 내지 15바(bar)를 견딜 수 있다.

따라서, 버퍼 탱크(30)는, 증발가스 압축기 및 피딩 펌프(20)를 통해 증발가스와 액화가스를 약 6 내지 8bar(또는 6 내지 15bar까지도 가능함)의 압력으로 공급받아 저압의 증발가스 또는 액화가스보다 재응축 효율이 향상되며, 상기 압력을 유지한 상태로 재응축시켜 부스팅 펌프(40)로 공급하여 부스팅 펌프(40)의 압축 부하를 낮출 수 있는 효과가 있다.

부스팅 펌프(40)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 버퍼 탱크(30)와 기화기(50) 사이에 구비될 수 있으며, 피딩 펌프(20)로부터 공급받은 액화가스 또는 버퍼 탱크(30)로부터 공급받은 액화가스를 50 내지 120bar로 가압하여 기화기(50)로 공급할 수 있다.

부스팅 펌프(40)는, 수요처(70)가 요구하는 압력에 맞춰 액화가스를 가압할 수 있으며, 원심형 펌프로 구성될 수 있다.

기화기(50)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 마련되어 부스팅 펌프(40)로부터 배출되는 고압의 액화가스를 재기화시킬 수 있다.

구체적으로, 기화기(50)는, 수요처(70)와 부스팅 펌프(40) 사이의 액화가스 공급라인(L1) 상에 마련되어, 부스팅 펌프(40)로부터 공급되는 고압의 액화가스를 기화시켜 수요처(70)가 원하는 상태로 공급할 수 있다.

기화기(50)는, 중간 열매체 공급장치(60)를 통해서 중간 열매체를 공급받아 액화가스와 열교환시켜 액화가스를 기화시킨다.

기화기(50)는, 액화가스를 기화시키기 위한 중간 열매체로 상변화가 존재하는 혼합 냉매를 사용할 수 있으며, 고압의 기화된 액화가스를 압력 변동없이 수요처(70)로 공급할 수 있다. 이때 기화기(50)는, 완전 기화된 혼합 냉매를 해수 열교환기(62)로부터 공급받아 액화가스와 열교환시켜 액화가스를 재기화시킬 수 있다.

기화기(50)는, 액화가스 공급라인(L1) 상에 별도의 트림히터를 구비하지 않고서 단일하게 구비될 수 있다.

즉, 본 발명에서는, 기화기(50)에 열을 공급하는 중간 열매체로 상변화 가능한 혼합 냉매를 사용함으로써, 추가적으로 액화가스에 열을 공급하는 장치의 별도 구축없이도 수요처(70)에 적절한 온도의 재기화 액화가스를 공급할 수 있게되므로, 액화가스 공급라인(L1) 상에 별도의 트림히터를 구비하지 않고서 단일하게 구비될 수 있다.

중간 열매체 공급장치(60)는, 기화기(50)에 열을 공급하도록 해수와 열교환하며 열교환 시 상변화되는 혼합냉매를 사용한다.

혼합 냉매는, 해수와 열교환 시 상변화가 발생되는 물질이며 증발온도 곡선이 양의 기울기를 가질 수 있고, 해수와의 열교환 이후에 별도의 추가 열교환 즉 추가 열유입 없이 기화기(50)에서 액화가스와 열교환될 수 있다. 여기서 증발온도 곡선은 온도-질량유량 선도 그래프 상의 곡선이다.

이때 혼합 냉매는, 해수와의 열교환으로 액상에서 기상으로 상변화되고, 액화가스와 열교환 시 기상에서 액상으로 상변화될 수 있다.

혼합 냉매는, 해수 열교환기(62)에서 해수와 열교환하여 액상에서 완전한 기상으로 상변화하여 기화기(50)로 공급되고, 기화기(50)에서 잠열을 통해 액화가스를 기화시킨 후 다시 완전한 액상으로 상변화되어 석션 드럼(63)으로 공급될 수 있다.

혼합 냉매는, R134a 계열을 포함하는 냉매이며, 바람직하게는 R407c 일 수 있고, 가장 바람직하게는 R421a일 수 있다.

구체적으로 도 3 및 도 4를 참고하여 설명하도록 한다.

도 3은 종래의 실시예에 따른 재기화 시스템에서 해수 열교환기의 열유량 대비 온도에 대한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템에서 해수 열교환기의 열유량 대비 온도에 대한 그래프이다.

도 3 및 도 4를 토대로 본 발명의 해수 열교환기(62)에서 발생하는 혼합 냉매의 상변화에 대해서 이하 살펴보도록 한다.

도 3에서 보면 혼합 냉매가 아닌 단일 냉매를 사용하였을 때의 해수 열교환기에서 열유량 대비 온도에 대한 그래프로, C1은 해수에 의한 열 선도이고, C2는 단일 냉매의 열 선도이다.

C2를 살펴보면, 단일 냉매의 경우 상변화 과정에서 압력이 일정하게 되면 온도의 변화가 없다. 그에 따라 상변화 온도가 압력의 감소에 따라 낮아지게 되는 특성을 가지므로, 해수 열교환기 내에서 자연스레 단일 냉매의 압력 손실이 발생함에 따라 단일 냉매의 상변화 과정 중에 단일 냉매의 온도가 낮아지게 된다(도 3에서 A 부터 B까지의 구간; 증발온도곡선)

따라서, 도 3에 C2로 도시된 바와 같이 해수 열교환기로 첫 유입 시에는 단일 냉매의 온도가 상승하다가 상변화 구간(A지점부터 B지점까지 구간)인 X1으로 표시된 A 지점에서부터 온도가 하락하게 되고 다시 B지점에서 온도가 상승하게 되는 선도를 가지게 된다.

이는 X1 지점에서 C1과 C2의 온도 차이가 작아 Log Mean Difference Temperature(LMDT) 및 Minimum Approach Temperature가 상당히 좁은 것을 알 수 있고 이는 열교환기의 크기 증가 및 그에 따른 구매 비용의 증가를 가져오는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해서 본 발명에서는 혼합 냉매를 사용함과 동시에 혼합 냉매 중에서도 R134a 계열을 포함하는 냉매(바람직하게는 R407c, 가장 바람직하게는 R421a)를 사용함으로써 이를 해결하고 있다.

도 4에서 보면 단일 냉매가 아닌 혼합 냉매를 사용하였을 때의 해수 열교환기에서 열유량 대비 온도에 대한 그래프로, C1은 해수에 의한 열 선도이고, C3는 혼합 냉매의 열 선도이다.

C3를 살펴보면, 혼합 냉매의 경우 상변화 과정에서 압력이 일정하게 유지되더라도 온도가 상승하게 된다. 이러한 현상은 특히 R134a 계열을 포함하는 냉매에서 두드러지게 발생한다. 그에 따라 상변화 온도가 압력의 감소하더라도 상승하게 되는 특성을 가지므로, 해수 열교환기 내에서 자연스레 혼합 냉매의 압력 손실이 발생하더라도 혼합 냉매의 상변화 과정 중에 혼합 냉매의 온도가 상승하게 된다.

따라서, 도 4에 C3로 도시된 바와 같이 해수 열교환기로 첫 유입 시에 혼합 냉매의 온도가 상승하며 상변화 구간(증발온도곡선)인 X2로 표시된 A' 지점에서도 온도가 상승하게 되고 B'지점에서도 온도가 계속해서 상승하게 되는 선도를 가지게 된다.

이로 인해 본 발명의 해수 열교환기(62)는, 열교환기 내 LMDT 및 Minimum Approach Temperature를 증가시킬 수 있고 이는 열교환 효율을 증대시켜 열교환기의 크기를 소형화할 수 있고 구축 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

중간 열매체 공급장치(60)는, 순환 펌프(61), 해수 열교환기(62), 석션 드럼(63), 열매체 순환라인(64), 압력보상라인(65) 및 최소유량순환라인(66)을 포함할 수 있다.

순환 펌프(61)는, 열매체 순환라인(64) 상에 석션 드럼(63)과 해수 열교환기(62) 사이에 배치되며, 중간 열매체 즉, 혼합 냉매가 열매체 순환라인(64) 상에서 순환할 수 있도록 하여 혼합 냉매를 기화기(50)에 공급할 수 있도록 한다.

순환 펌프(61)는, 혼합 냉매를 가압할 수 있는 압력 마진(Pressure Margine)이 혼합 냉매의 증발온도 곡선이 음의 기울기를 가질 때의 압력 마진보다 높도록 구동될 수 있다. 여기서 압력 마진은 일례로 2 내지 4.5 바아(bar)일 수 있다. 이를 통해서 해수 열교환기(62) 및 기화기(50)에서 혼합 냉매의 열교환 효율이 극대화될 수 있도록 하는 효과가 있다.

순환 펌프(61)는, 액화가스에 잠겨있지 않도록 형성되되, 석션 드럼(63)으로부터 유효흡입수두가 만족된 액화가스를 공급받도록 형성될 수 있다. 이때 순환 펌프(61)는, 원심형 또는 왕복동형으로 형성될 수 있다.

즉, 순환 펌프(61)는, 석션 드럼(63)으로부터 유효흡입수두가 만족된 액화가스를 공급받도록 형성됨으로써 캐비테이션의 발생을 방지할 수 있어, 잠형 펌프로 구성되지 않을 수 있고 일반적인 펌프를 사용할 수 있어 구축 비용이 절감되고 안전성이 극대화되는 효과가 있다.

해수 열교환기(62)는, 열매체 순환라인(64) 상에 순환 펌프(61)과 해수 열교환기(62) 사이에 배치되며, 순환 펌프(61)로부터 액상의 혼합 냉매를 공급받아 해수를 통해 혼합 냉매를 액상에서 완전한 기상으로 완전 기화시킬 수 있다.

석션 드럼(63)은, 열매체 순환라인(64) 상에 기화기(50)와 순환 펌프(61) 사이에 배치되며, 기화기(50)로부터 공급받은 완전한 액상의 혼합 냉매를 임시 저장한 후 순환 펌프(61)로 공급할 수 있다.

또한, 석션 드럼(63)은, 순환 펌프(61)의 유효흡입수두를 만족시키도록 형성될 수 있다.

석션 드럼(63)은, 순환 펌프(61)의 초기 운전 시 순환 펌프(61)의 유효흡입수두를 만족시키기 위해서 순환 펌프(61)보다 높은 위치에 설치될 수 있다. 즉, 석션 드럼(63)은, 순환 펌프(61)와의 높이 차가 3m 이상이 되도록 형성되어 열매체 순환라인(64)을 통해 순환 펌프(61)와 연결될 수 있다.

이때, 석션 드럼(63)은, 순환 펌프(61)의 중기 운전 시 즉, 초기 운전 이후와 운전 종료 이전의 시기에 순환 펌프(61)의 유효흡입수두를 추가적으로 만족시키기 위해서 압력보상라인(65)을 통해서 내부 압력을 보상받음으로써 순환 펌프(61)의 유효흡입수두가 만족되도록 할 수 있다.

이를 통해서 순환 펌프(61)로 안전한 구동이 가능하게 되고 내구성이 향상되므로 중간 열매체 공급장치(60)의 구동 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

열매체 순환라인(64)은, 기화기(50), 석션 드럼(63), 순환 펌프(61), 해수 열교환기(62) 순으로 구축되며, 혼합 냉매를 기화기(50), 석션 드럼(63), 순환 펌프(61), 해수 열교환기(62) 순으로 순환시킬 수 있다.

이때 열매체 순환라인(64)은, 기화기(50)와 석션 드럼(63)을 연결 시, 석션 드럼(63)의 하측에 연결될 수 있다.

압력보상라인(65)은, 열매체 순환라인(64) 상에 분기되어 연결되며, 석션 드럼(63)의 내부 압력을 보상한다.

구체적으로 압력보상라인(65)은, 열매체 순환라인(64) 상의 기상의 중간 열매체(혼합 냉매)가 유동하는 구간, 즉 해수 열교환기(62)의 하류와 기화기(50)의 상류 사이에서 분기되어 석션 드럼(63)과 연결되어, 기상의 중간 열매체를 석션 드럼(63)으로 공급함으로써 석션 드럼(63)의 내부 압력을 보상할 수 있다.

압력보상라인(65)은, 중간 열매체 공급장치(60)의 정상 작동 시에는 석션 드럼(63)의 내부 압력을 증가시키고, 중간 열매체 공급장치(60)의 정지 시에는 석션 드럼(63)의 내부 압력을 감소시킬 수 있다. 이때, 압력보상라인(65)을 통해 석션 드럼(63)에서 빠져나온 기체는, 기화기(50)로 유입되어 액화될 수 있다.

이러한 제어를 위해 본 발명에서는, 별도의 제어부(도시하지 않음)가 추가적으로 구비될 수 있으며, 압력보상라인(65)은, 리턴밸브(651) 및 공급수단(652)을 더 포함할 수 있다.

제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 정지 시, 석션 드럼(63)의 내부 압력 상승을 방지하도록 압력보상라인(65)을 제어할 수 있다.

즉, 제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 정지 시, 석션 드럼(63)의 내부 압력이 상승 시, 석션 드럼(63) 내부의 기체가 냉각되도록 제어할 수 있다.

구체적으로 제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 정지 시, 석션 드럼(63) 내부의 압력이 상승하는 경우, 리턴 밸브(651)의 개도를 개방하고 공급수단(652)을 가동하여, 석션 드럼(63) 내부의 기체를 압력보상라인(65)을 통해 기화기(50)로 공급하도록 하고, 기화기(50)로 액화가스가 유동하도록 제어하여, 압력보상라인(65)을 통해 공급되는 석션 드럼(63) 내부의 기체가 냉각되도록 한 후, 다시 석션 드럼(63)으로 리턴하도록 제어할 수 있다.

이를 통해서 상변화가 발생하는 혼합 냉매를 임시 저장하는 석션 드럼(63)의 내부 압력을 효율적으로 조절할 수 있어 중간 열매체 공급장치(60)의 구동 신뢰성이 향상되며, 석션 드럼(63)의 내부 압력을 조절하기 위해 별도의 조절장치를 구축하지 않고 압력보상라인(65)과 기화기(50)를 사용함으로써 구축 비용이 절감되는 효과가 있다.

최소유량순환라인(66)은, 열매체 순환라인(64) 상의 순환 펌프(61)의 하류에서 분기되어 석션 드럼(63)과 연결되며, 순환 펌프(61)로 유입되는 중간 열매체의 최소유량이 확보될 수 있도록 석션 드럼(63)과 순환 펌프(61) 사이로 중간 열매체를 순환시킬 수 있다. 여기서 최소유량순환라인(66)은, 제2 라인으로도 호칭될 수 있으며 제2 밸브(661)를 포함할 수 있다.

본 발명에서는 순환 펌프(61)의 정지 후 재가동 시에도 유효흡입수두를 만족하도록 구성하기 위해서 셧다운 밸브(81), 셧다운 제1 보조밸브(811), 제1 라인(82), 제1 밸브(821), 제3 라인(83), 제3 밸브(831), 회수 펌프(832), 셧다운 제2 보조밸브(84) 및 제1 및 제2 제어부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.

셧다운 밸브(81)는, 순환 펌프(61)가 정지되는 경우 해수 열교환기(62)로 중간 열매체가 이동하는 것을 방지하도록, 해수 열교환기(62)의 상류에 열매체 순환라인(64) 상에 마련된다.

셧다운 밸브(81)는, 열매체 순환라인(64) 상의 순환 펌프(61) 하류와 해수 열교환기(62)의 상류 사이에 배치되며, 중간 열매체 공급장치(60)의 셧다운 시 작동되어 석션 드럼(63) 내부의 액위 변동을 방지함으로써, 중간 열매체 공급장치(60)의 재가동 시 순환 펌프(61)의 유효흡입수두를 석션 드럼(63)을 통해서 충분히 만족할 수 있도록 한다.

셧다운 제1 보조밸브(811)는, 열매체 순환라인(64) 상의 순환 펌프(61)와 석션 드럼(63) 사이에 구비되며, 제1 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되어 개도가 개폐될 수 있다.

제1 라인(82)은, 해수 열교환기(62)와 열매체 순환라인(64) 상의 순환 펌프(61) 상류에 연결되며, 제1 밸브(821)를 포함할 수 있다.

제1 밸브(821)는, 제1 라인(82) 상에 배치되어 제1 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되어 개도가 개폐될 수 있다.

제2 라인(66)은, 열매체 순환라인(64) 상의 순환 펌프(61)와 셧다운 밸브(81) 사이에서 분기되어 석션 드럼(63)과 연결될 수 있으며, 제2 밸브(661)를 추가 구비될 수 있다.

제2 밸브(661)는, 제2 라인(66) 상에 배치되어 제1 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되어 개도가 개폐될 수 있다.

제3 라인(83)은, 해수 열교환기(62)와 석션 드럼(63)을 연결하며, 제3 밸브(831) 및 회수 펌프(832)를 추가 구비할 수 있다.

제3 밸브(831)는, 제3 라인(83) 상에서 회수 펌프(832)보다 해수 열교환기(62)에 더 가깝게 배치되며, 제2 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되어 개도가 개폐될 수 있다.

회수 펌프(832)는, 제3 라인(83) 상에서 제3 밸브(831)보다 석션 드럼(63)에 더 가깝게 배치되며, 해수 열교환기(62)에 잔존하는 중간 열매체를 석션 드럼(63)으로 공급할 수 있다.

회수 펌프(832)는, 제2 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되어 개도가 개폐될 수 있다.

셧다운 제2 보조밸브(84)는, 열매체 순환라인(64) 상의 해수 열교환기(62) 하류에 구비되며, 제2 제어부와 유선 또는 무선으로 연결되어 개도가 개폐될 수 있다.

제1 제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 셧다운 시 제1 및 제2 라인(82,66)을 통해서 해수 열교환기(62) 내에 잔존하는 중간 열매체를 석션 드럼(63)으로 회수시키도록 제어할 수 있다.

구체적으로, 제1 제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 셧다운 시 셧다운 밸브(81) 및 셧다운 제1 보조밸브(811)의 개도를 폐쇄하고 제1 및 제2 밸브(821, 661)의 개도를 개방하여, 해수 열교환기(62)에 잔존하는 중간 열매체가 순환 펌프(61)를 통해서 제1 라인(82)에 의해 흡입되어 제2 라인(66)으로 공급된 후, 제2 라인(66)을 통해서 석션 드럼(63)으로 공급되도록 제어할 수 있다.

제2 제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 셧다운 시 제3 라인(83)과 회수 펌프(832)를 통해서 해수 열교환기(62) 내에 잔존하는 중간 열매체를 석션 드럼(63)으로 회수시킬 수 있다.

구체적으로, 제2 제어부는, 중간 열매체 공급장치(60)의 셧다운 시, 셧다운 밸브(81) 및 셧다운 제2 보조밸브(84)의 개도를 폐쇄하고 제3 밸브(831)의 개도를 개방하고 회수 펌프(832)를 가동하여, 해수 열교환기(62)에 잔존하는 중간 열매체가 회수 펌프(832)를 통해서 제3 라인(83)에 의해 흡입되어 석션 드럼(63)으로 공급되도록 제어할 수 있다.

이를 통해서 본 발명에서는 중간 열매체 공급장치(60)의 중단 후 재가동시에도 안정적인 중간 열매체의 순환이 가능하므로 구동 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

수요처(70)는, 기화가(50)에 의해 재기화된 액화가스를 공급받아 소비할 수 있다.

본 발명에서 액화가스 공급라인(L1) 상에서 기화기(50)가 단일하게 구비되므로, 수요처(70)는, 기화기(50) 외의 추가적인 가열없이 기화기(50)만을 통해서 재기화된 액화가스를 공급받아 소비할 수 있다.

여기서 수요처(70)는, 액화가스를 기화시켜 기상의 액화가스를 공급받아 사용할 수 있으며, 육상에 설치되는 육상 터미널 또는 해상에 부유되어 설치되는 해상 터미널일 수 있다.

이하에서는, 도 5 및 도 6을 통해서 상기 재기화 시스템(2)의 구성들의 배치에 대해서 기술하도록 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템의 배치 평면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 재기화 시스템의 배치 정면도이다.

본 발명에서는 부스팅 펌프(40)가 복수 개 마련되어, 버퍼 탱크(30) 1 개에 연결되도록 형성되며, 버퍼 탱크(30) 1 개를 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.

또한 본 발명에서는 기화기(50)가 복수 개 마련되어, 복수 개의 부스팅 펌프(40) 상부에 배치될 수 있고, 인쇄회로기판형 열교환기(PCHE)로 형성될 수 있다.

또한 본 발명에서는 중간 열매체 공급장치(60)가 복수 개 마련되어, 버퍼 탱크(30) 1개를 중심으로 방사형으로 배치돌 수 있다.

중간 열매체 공급장치(60)는, 해수 열교환기(62), 순환 펌프(61) 및 석션 드럼(63)이 버퍼 탱크(30) 1 개를 중심으로 하여 방사형으로 배치될 수 있다.

여기서 복수 개의 부스팅 펌프(40) 및 중간 열매체 공급장치(60)의 순환 펌프(61)와 1 개의 버퍼 탱크(30)는, 모두 상갑판(104) 상에 배치될 수 있고, 기화기(50)와 중간 열매체 공급장치(60)의 해수 열교환기(62) 및 석션 드럼(63)은, 부스팅 펌프(40) 및 순환 펌프(61)의 상부에 적층되어 제1 데크(D) 상에 배치되되 버퍼 탱크(30)보다 낮은 위치로 배치되도록 형성될 수 있다.

여기서 석션 드럼(30)과 순환 펌프(61)는, 높이 차가 대략 3m 이상이 되도록 배치될 수 있다.

상기와 같은 구성들의 배치로 인해 선박(1)의 상갑판(104) 상에 적절히 배치할 수 있어 공간 활용성이 극대화되는 효과가 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 재기화 시스템(2) 및 이를 포함하는 선박(1)은, 재기화 시스템(2)에 공급되는 열매를 상변화가 발생하는 혼합 열매로 선택하여 재기화 효율을 극대화시키고 재기화 장치의 구축 비용을 절감하며 선박(1) 내 공간 활용성을 극대화하는 효과가 있다.

이하에서는, 도 7을 통해서 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 시스템(2)에 대해서 기술하도록 한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 시스템의 개념도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 시스템(2)을 포함하는 선박(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 피딩 펌프(20), 버퍼탱크(30), 부스팅 펌프(40), 기화기(50), 중간 열매체 공급장치(60a) 및 수요처(70)를 포함한다.

본 실시 예에서 중간 열매체 공급장치(60a)를 제외한 구성은, 이전 실시예에서의 구성들과 동일 또는 유사하므로 이에 갈음하도록 하고, 각 구성과 편의상 동일한 도면부호를 사용하나, 반드시 동일한 구성을 지칭하는 것은 아니다.

이하에서는, 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 시스템(2)을 포함하는 선박(1)에 대해서 설명하도록 하며, 중간 열매체 공급장치(60a)를 중점적으로 기술하도록 한다.

중간 열매체 공급장치(60a)는, 기화기(50)에 상변화 현상을 통한 잠열을 공급하는 혼합 냉매를 가지며, 혼합 냉매를 액상으로 운전하는 구역보다 혼합 냉매를 기상으로 운전하는 구역을 상측에 배치하여 혼합 냉매의 열사이펀(thermosiphon) 효과를 통해 별도의 동력원이 없이도 혼합 냉매가 순환할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에서 중간 열매체 공급장치(60a)는, 펌프 또는 압축기와 같이 중간 열매체를 순환시키는 동력장치가 구비되지 않으며, 그로 인해 석션 드럼과 같은 구성도 별도로 구비되지 않고, 해수 열교환기(62a), 열매체 순환라인(64a) 및 유량 조절 밸브(67)를 포함할 수 있다.

해수 열교환기(62a)는, 열매체 순환라인(64a) 상에 배치되되 중간 열매체 즉 혼합 냉매와 해수를 열교환하여 혼합 냉매를 완전 기화시킬 수 있으며, 기화기(50)보다 하측에 배치될 수 있다.

해수 열교환기(62a)는, 상갑판(104) 하부 즉 하측에 배치될 수 있고, 기화기(50)와의 높이 차가 15 내지 25m가 되도록 배치할 수 있다. 이때, 기화기(50)는 상갑판(104) 상측에 배치될 수 있다.

이로 인해 기화기(50)에서 액상이 된 중간 열매체는, 중력 및 높은 밀도에 의해 해수 열교환기(62a) 까지 수두압(밀도*중력가속도*물질(유체)의 높이)이 쌓이게 되어 자연스레 기화기(50)에서 해수 열교환기(62a)로 중간 열매체가 하강하게 되고, 해수 열교환기(62a)에서 기상이 된 중간 열매체는, 낮은 밀도를 가지는 기체의 특성으로 인해 상승힘이 발생하여 기화기(50)로 자연스레 상승하게 된다. 이때, 기체는 낮은 밀도를 가지므로 열매체 순환라인(64a) 자체에 의한 압력 손실을 적게 받으므로, 해수 열교환기(62a)에서 기화기(50)로의 상승이 충분히 가능하게 된다.

따라서, 열매체 순환라인(64a)은, 해수 열교환기(62a)와 기화기(50) 및 유량 조절 밸브(67)를 구비하며, 유량 조절 밸브(67)의 제어를 통해 유량제어를 수행하고 별도의 동력원없이 단지 중간 열매체 즉 혼합 냉매의 물질 특성으로 인한 상승과 하락을 통해서 이동하도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 재기화 시스템(2) 및 이를 포함하는 선박(1)은, 기화기(50)를 재기화시키는 열매체로 상변화가 가능한 혼합 냉매를 사용하여, 혼합 냉매를 기화기(50)로 공급하는 장치에 별도의 동력원을 설치하지 않고도 혼합 냉매의 물질변화에 따른 성질만으로 순환하도록 함으로써 구축비용이 절감되고 동력 소모를 50% 가까이 현격하게 줄일 수 있는 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: 선박 2: 재기화 시스템
10: 액화가스 저장탱크 20: 피딩 펌프
30: 버퍼 탱크 40: 부스팅 펌프
50: 기화기 60,60a: 중간 열매체 공급장치
61: 순환 펌프 62,62a: 해수 열교환기
63: 석션 드럼 64,64a: 열매체 순환라인
65: 압력보상라인 651: 리턴 밸브
652: 공급 수단 66: 제2 라인(최소유량순환라인)
661: 제2 밸브 67:유량 조절 밸브
70: 수요처 81: 셧다운 밸브
811: 셧다운 제1 보조밸브 82: 제1 라인
821: 제1 밸브 83: 제3 라인
831: 제3 밸브 832: 회수 펌프
84: 셧다운 제2 보조밸브 101: 선수부
102: 중앙부 103: 선미부
104: 상갑판 105: 선저부
ER: 엔진룸 E: 엔진
S: 프로펠러 축 P: 프로펠러
D: 제1 데크 L1: 액화가스 공급라인

Claims (11)

1. 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크;
   상기 액화가스를 기화시키는 기화기; 및
   상기 기화기에 열을 공급하도록 해수와 열교환하는 중간 열매체 공급장치를 포함하고,
   상기 중간 열매체 공급장치는, 상변화 현상으로 발생하는 잠열을 통해 상기 액화가스를 재기화시키는 혼합 냉매를 상기 기화기로 공급하는 순환 펌프를 포함하며,
   상기 혼합 냉매는,
   상기 해수와의 열교환 시 온도-질량유량 선도 상의 증발온도 곡선이 양의 기울기를 가지며,
   상기 증발온도 곡선은 상기 혼합 냉매의 상변화 구간에 대응되는 부분이며,
   상기 순환 펌프는,
   상기 혼합 냉매를 가압할 때 가압할 수 있는 압력 마진(pressure margin)이 2 내지 4.5 바(bar)로서, 상기 증발온도 곡선이 음의 기울기를 갖는 냉매를 가압할 때의 압력 마진보다 높은 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 냉매는,
   R134a를 포함하는 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 혼합 냉매는,
   R407c 또는 R421a 인 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 공급하는 피딩 펌프;
   상기 피딩 펌프로부터 상기 액화가스를 공급받아 임시 저장하는 버퍼 탱크; 및
   상기 버퍼 탱크로부터 상기 액화가스를 공급받아 가압하여 상기 기화기로 공급하는 부스팅 펌프;
   상기 기화기로부터 재기화된 액화가스를 공급받아 소비하는 수요처; 및
   상기 액화가스 저장탱크와 상기 수요처를 연결하며, 상기 피딩 펌프, 상기 버퍼 탱크, 상기 부스팅 펌프 및 상기 기화기를 포함하는 액화가스 공급라인을 더 포함하고,
   상기 수요처는,
   추가적인 가열 없이 상기 액화가스 공급라인 상에 단일하게 구비되는 상기 기화기를 통해서만 재기화된 상기 액화가스를 공급받아 소비하는 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 중간 열매체 공급장치는,
   상기 순환 펌프로부터 액상의 상기 혼합 냉매를 공급받아 상기 해수를 통해 완전 기화시키는 해수 열교환기를 포함하고,
   상기 기화기는,
   완전 기화된 상기 혼합 냉매를 상기 해수 열교환기로부터 공급받아 상기 액화가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합 냉매는,
   상기 기화기에서 상기 액화가스를 기화시킨 후 다시 완전한 액상으로 상변화되는 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 중간 열매체 공급장치는,
    상기 기화기로부터 공급받은 완전한 액상의 상기 혼합 냉매를 임시 저장한 후 상기 순환 펌프로 공급하는 석션 드럼; 및
    상기 기화기, 상기 석션 드럼, 상기 순환 펌프, 상기 해수 열교환기 순으로 상기 혼합 냉매를 순환시키는 열매체 순환라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재기화 시스템.
11. 제 1 항 및 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 상기 재기화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.

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