KR102189699B1 - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 가스를 압축하기 위한 압축 트레인을 포함하는 가스 처리 시스템에 있어서, 상기 압축 트레인은, 구동력을 제공하는 압축 구동부; 제1 가스라인 상에 구비되며 상기 압축 구동부와 연결되는 제1 압축기; 및 상기 제1 가스라인과 병렬로 마련되는 제2 가스라인 상에 구비되며 상기 압축 구동부와 연결되는 제2 압축기를 포함한다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물{GAS PROCESSING SYSTEM AND OFFSHORE PLANT HAVING THE SAME}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것이다.
해양 플랜트는 해저 유정이나 가스전에서 생산되는 원유 및 천연가스와 같은 해저 자원을 채취하는 시설을 의미한다. 가스전의 경우 시간이 지나면 광구압력이 감소하고 이에 따라 생산량이 감소하게 되므로 생산 초반, 중반, 후반에 걸쳐 전략적인 생산 계획이 필요하다.
가스 생산량을 유지하기 위한 방법 중의 하나로 Nodal Analysis을 통해 Inlet Facility의 운전 압력을 낮추는 방법이 있다. 하지만 생산 중반 및 후반에 Inlet Separator의 압력을 낮추게 될 경우, 기존 해상공정 설비의 설계 압력 조건에서 운전하기 위해서는 낮아진 운전 압력만큼 압력을 높이는 공정이 추가적으로 필요하게 된다.
따라서, 통상적인 가스전 개발의 경우, 생산 초반에는 높은 압력에서 운전되지만, 생산 후반에는 Inlet Facility의 운전 압력을 낮춰서 운전하게 되고, 낮춘 만큼 다시 압력을 높여주는 설비를 증설하게 된다. 저압가스의 압력을 높여주는 공정은 압축기 시스템으로 구성되어 있으며, 추가 증설된 별도 플랫폼에 설치되는 것이 일반적이다.
이러한 가스 압축 처리 시스템의 경우 멀티 트레인(multi-train)으로 구성되는 경우가 많으며, 가스 생산량과 승압 정도를 고려하여 압축 구동부(드라이버)와 연결된 구동축에 압축기가 설치된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 가스 압력 변화에 효과적으로 대응할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 가스를 압축하기 위한 압축 트레인을 포함하는 가스 처리 시스템에 있어서, 상기 압축 트레인은, 구동력을 제공하는 압축 구동부; 제1 가스라인 상에 구비되며 상기 압축 구동부와 연결되는 제1 압축기; 및 상기 제1 가스라인과 병렬로 마련되는 제2 가스라인 상에 구비되며 상기 압축 구동부와 연결되는 제2 압축기를 포함한다.
구체적으로, 상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인을 선택적으로 연결하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 스위칭부는 상기 제1 가스라인의 상류와 상기 제2 가스라인의 하류를 연결하여, 가스가 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 다단 압축되도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 스위칭부는 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기 사이에서 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 가스라인의 상류는 상기 제1 압축기를 경유하며, 상기 제2 가스라인의 하류는 상기 제2 압축기를 경유할 수 있다.
구체적으로, 상기 스위칭부는 중압 모드 및 저압 모드에 대응하여 가스 흐름을 변경시키되, 상기 중압 모드에서, 상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인이 분리되어 각각 독립적으로 가스가 흐르도록 하며, 상기 저압 모드에서, 상기 제1 가스라인의 상류와 상기 제2 가스라인의 하류가 연결되어 가스가 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기를 차례로 경유하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 중압 모드는 상기 가스의 압력이 기준 압력 대비 50% 이하이고, 상기 저압 모드는 상기 가스의 압력이 기준 압력 대비 25% 이하일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기의 압축비는 2 이하일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 가스라인의 하류와, 상기 제2 가스라인의 하류를 연결하는 바이패스라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 해양 구조물은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 가스 압력 변화에 따라 복수개의 압축기를 직렬 또는 병렬로 선택적으로 구성할 수 있도록 함으로써, 압축 트레인 설치 개수를 줄일 수 있다.
또한, 압축 트레인 설치 개수를 줄임으로써 비용절감은 물론 해상 플랜트 설비 공간을 확보하고 지지하중을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 제1 압축 트레인의 구동을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 제1 압축 트레인의 구동을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 가스는 LPG, LNG, 에탄 등의 탄화수소로서 비등점이 상온보다 낮은 물질을 의미할 수 있으며, 다만 편의상 본 발명은 LNG(메탄)를 최종적으로 생산 및 저장하는 것으로 한정하여 설명한다. 또한 본 명세서에서 가스는, 용어 표현에도 불구하고 그 상태가 기상으로 한정되지 않는다.
이하에서 고압(HP: High pressure), 저압(LP: Low pressure), 고온, 저온은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템과, 가스 처리 시스템이 탑재된 해양 구조물을 포함할 수 있다.
가스 처리 시스템은 제공되는 가스 압력이 낮아질 경우, 가스 압력을 높여주기 위한 것으로, 천연가스가 가스정에서 추출된 후 전처리, 액화 공정, 저장, 운반, 기화 공정 등의 작업을 수행하는 시설의 일부일 수 있다.
해양 구조물은 심해 또는 연안 등에 계류/고정되며, 가스정에서 생산되는 가스를 전달받아 가공, 정제, 액화하여 저장하고 수요처로 공급하는 시설로서, FLNG, FSRU, Fixed Platform 등과 같은 해양 플랜트를 의미할 수 있다. 물론 본 발명의 해양 구조물은, 가스의 처리 구성이 탑재될 수 있다면 일반 상선도 포괄하는 개념으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 제1 압축 트레인의 구동을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은 제1 압축 트레인(10) 및 제2 압축 트레인(20)을 포함할 수 있다.
제1 압축 트레인(10)은 제1 압축 구동부(TD1), 제1 압축기(11), 제2 압축기(12), 스위칭부(SW) 및 바이패스라인(BPL)을 포함할 수 있다.
제1 압축 구동부(TD1)는 후술할 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12)에 구동력을 제공하기 위한 구성이다. 제1 압축 구동부(TD1)는 구동력을 전달하도록 구동축(TX)으로 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12)와 연결된다.
일 실시예에서, 제1 압축 구동부(TD1)는 터빈으로 구성될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았으나, 터빈의 구동은 엔진(미도시)에서 연소된 배기가스가 유입되어, 배기가스가 가지는 에너지에 의해 터빈 내에 자유롭게 지지된 휠(미도시)이 회전됨으로써 이루어진다. 이때, 터빈에 내장된 휠의 회전 토크가 구동축(TX)에 의해 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12)로 전달되는 것이다.
제1 압축기(11)는 제1 가스라인(L1) 상에 구비되며 구동축(TX)을 통해 제1 압축 구동부(TD1)와 연결된다. 제1 압축기(11)는 제1 가스라인(L1)을 흐르는 가스를 소정의 압축비로 압축시킨다. 여기서, 제1 압축기(11)의 압축비는 2 이하로 설정됨이 바람직하며, 이하 본 실시예에서 압축기들의 압축비는 2로 설정됨을 가정한다.
여기서, 제1 가스라인(L1)은 생산된 가스가 소정의 공정 처리를 위해 이동하는 경로이다. 예컨대, 제1 가스라인(L1)의 전단 또는 후단에 위치하는 공정 처리 장치는 전처리 공정, 액화 공정, 기화 공정 등을 수행할 수 있다.
제1 가스라인(L1)을 통해 흐르는 가스는 압력이 변화한다. 즉, 생산되는 가스가 고갈됨에 따라 압력이 낮아질 수 있다. 따라서, 생산 설비가 안정적으로 가동하기 위해서는 낮아진 압력을 높이는 공정이 추가적으로 필요하게 된다.
본 발명의 가스 처리 시스템(1)은 낮아진 가스 압력을 높이는 장치로서, 가스 압력이 기준치 이하 낮아질 경우 압축 트레인들(10, 20)을 가동하여 가스를 압축 공급하는 방식으로 가스 압력을 높인다.
제2 압축기(12)는 제2 가스라인(L2) 상에 구비되며 구동축(TX)을 통해 압축 구동부(TD)와 연결된다. 제2 압축기(12)는 구동축(TX)을 통해 전달된 회전력을 이용해 가스를 압축시키며, 제1 압축기(11)와 실질적으로 동일한 구성일 수 있다.
다만, 제2 압축기(12)는 제1 압축기(11)와 동일한 구동축(TX) 상에 직렬로 마련되며, 제1 압축기(11)와 같이 동일한 제1 압축 구동부(TD1)로부터 구동력을 전달받는다.
제2 가스라인(L2)은 가스가 이동하는 경로로서, 제1 가스라인(L1)과 병렬로 마련된다. 제1 가스라인(L1) 상에 제1 압축기(11)가 구비되어 가스를 압축하는 바와 같이, 제2 가스라인(L2) 상에 제2 압축기(12)가 구비되어 가스를 압축한다. 즉, 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12)는 동일한 제1 압축 구동부(TD1)에 의해 함께 구동하되, 서로 다른 경로로 흐르는 가스를 압축시킨다.
따라서, 본 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 제1 압축 트레인(10)이 두 압축기(11, 12)를 포함하고, 두 압축기(11, 12)는 각각의 가스라인(L1, L2)에 흐르는 가스를 압축시킴으로써, 압축 트레인 설치 개수를 줄일 수 있다.
스위칭부(SW)는 제1 가스라인(L1)과 제2 가스라인(L2)을 선택적으로 연결하여 가스 흐름을 바꾸기 위한 구성이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭부(SW)는 제1 가스라인(L1)과 제2 가스라인(L2)이 교차하는 지점에 4-웨이 밸브(4-way valve)로 구성될 수 있다. 그리고, 스위칭부(SW)는 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12) 사이에서 마련될 수 있다.
편의상, 스위칭부(SW)를 기준으로 제1 가스라인의 상류(L11)와 제1 가스라인의 하류(L12)를 구분하고, 제2 가스라인의 상류(L21)와 제2 가스라인의 하류(L21)를 구분하기로 한다. 즉, 제1 가스라인(L1)은 제1 가스라인의 상류(L11)와 제1 가스라인의 하류(L12)를 포함하고, 제2 가스라인(L2)은 제2 가스라인의 상류(L21)와 제2 가스라인의 하류(L21)를 포함한다. 그리고, 제1 가스라인의 상류(L11)는 제1 압축기(11)를 경유하며, 제2 가스라인의 하류(L22)는 제2 압축기(12)를 경유한다.
스위칭부(SW)는 중압 모드 및 저압 모드에 대응하여 가스 흐름을 변경시킨다. 여기서, 중압 모드는 가스의 압력이 기준 압력 대비 50% 이하이고, 저압 모드는 가스의 압력이 기준 압력 대비 25% 이하인 경우이다.
본 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은 중압 모드로 가동하는 경우를 가정한다. 즉, 가스의 압력이 기준 압력 대비 50% 이하일 때, 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)가 가동하여 가스를 압축하여 승압시킨다.
제1 압축기(11)와 제2 압축기(12) 각각의 압축비는 2 이므로, 하나의 압축기만 이용하여도 가스 압력은 두 배로 상승한다. 따라서, 스위칭부(SW)는 제1 가스라인(L1)과 제2 가스라인(L2)을 연결시키지 않으며, 제1 가스라인(L1)과 제2 가스라인(L2)은 분리되어 각각 독립적으로 가스가 흐른다.
바이패스라인(BPL)은 제1 가스라인의 하류(L12)와, 제2 가스라인의 하류(L22)를 연결한다. 바이패스라인(BPL)은 압축기에 의해 압력이 상승된 가스의 유량을 조절하여 가스 처리 시스템(1)의 이상운전 상태인 서지(surge)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 바이패스라인(BPL) 상에는 가스 유량을 조절하는 바이패스 밸브(V1)가 마련될 수 있다.
한편, 제2 압축 트레인(20)은 제2 압축 구동부(TD2)와, 제2 압축 구동부(TD2)에 의해 구동되는 하나의 제1 압축기(21)를 포함할 수 있다. 제1 압축기(21)는 제3 가스라인(L3) 상에 구비되며, 제3 가스라인(L3)은 제1 가스라인(L1) 및 제2 가스라인(L2)과 병렬로 마련된다. 즉, 제2 압축 트레인(20)은 제1 압축 트레인(10)과 달리 1대1 대응되는 제3 가스라인(L3), 제2 압축 구동부(TD2) 및 제1 압축기(21)로 구성될 수 있다. 제2 압축 트레인(20)의 제2 압축 구동부(TD2)와 제1 압축기(21)는 전술된 제1 압축 트레인(10)의 제1 압축 구동부(TD1) 및 제1 압축기(11)와 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서, 가스 처리 시스템(1)은 가스를 압축하기 위한 2개의 압축 트레인을 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 3개 이상의 압축 트레인을 구비할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3의 제1 압축 트레인의 구동을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
전술한 구성 요소와 동일한 참조 번호를 갖는 구성 요소에 관하여는 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있으며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)은 제1 압축 트레인(10a), 제2 압축 트레인(20a) 및 제3 압축 트레인(30a)을 포함할 수 있다.
제1 압축 트레인(10a)은 제1 압축 구동부(TD1), 제1 압축기(11), 제2 압축기(12), 스위칭부(SW) 및 바이패스라인(BPL)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 가스 처리 시스템(2)은 저압 모드로 가동하는 경우를 가정한다. 즉, 가스의 압력이 기준 압력 대비 25% 이하일 때, 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)가 가동하여 가스를 압축하여 승압시킨다.
제1 압축기(11)와 제2 압축기(12) 각각의 압축비는 2 이므로, 두 압축기를 차례로 이용하여 승압 과정을 2회 거치면 가스 압력을 총 네 배로 상승시킬 수 있다. 제1 가스라인의 상류(L11)와 제2 가스라인의 하류(L22)가 연결되면 가스가 제1 압축기(11)와 제2 압축기(12)를 차례로 경유하므로 25% 수준의 가스 압력을 최종적으로 100% 수준의 기준 압력으로 승압시킬 수 있다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭부(SW)는 제1 가스라인의 상류(L11)와 제2 가스라인의 하류(L22)를 연결하여, 가스가 제1 압축기(11) 및 제2 압축기(12)에 의해 다단 압축되도록 한다.
이때, 제2 가스라인의 상류(L21)와 제1 가스라인의 하류(L12)는 가스 흐름이 중지된 더미라인이 된다. 그리고, 바이패스 밸브(V1)를 닫아 바이패스라인(BPL)의 연통을 차단시킨다.
한편, 제2 압축 트레인(20a)은 제2 압축 구동부(TD2)와, 제2 압축 구동부(TD2)에 의해 구동되는 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)를 포함할 수 있다. 제1 압축기(21)와 제2 압축기(22)는 제3 가스라인(L3) 상에 구비되며, 제3 가스라인(L3)은 제1 가스라인(L1) 및 제2 가스라인(L2)과 병렬로 마련된다. 즉, 제2 압축 트레인(20a)은 제1 압축 트레인(10a)과 동일한 다단 압축 구조를 갖는다.
또한, 제3 압축 트레인(30a)은 제2 압축 트레인(20a)과 실질적으로 동일한 구조를 가지므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 가스 압력 변화에 따라 복수개의 압축기를 직렬 또는 병렬로 선택적으로 구성할 수 있도록 함으로써, 압축 트레인 설치 개수를 줄일 수 있다. 또한, 압축 트레인 설치 개수를 줄임으로써 비용절감은 물론 해상 플랜트 설비 공간을 확보하고 지지하중을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 적어도 어느 하나의 실시예와 공지기술의 조합 또는 적어도 둘 이상의 실시예의 조합 등에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.
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 10: 제1 압축 트레인
TD1: 제1 압축 구동부 TX: 구동축
L1: 제1 가스라인 L2: 제2 가스라인
11: 제1 압축기 12: 제2 압축기
SW: 스위칭부 BPL: 바이패스라인
20: 제2 압축 트레인 TD2: 제2 압축 구동부
L3: 제3 가스라인

Claims (10)

  1. 가스를 압축하기 위한 압축 트레인을 포함하는 가스 처리 시스템에 있어서,
    상기 압축 트레인은,
    구동력을 제공하는 압축 구동부;
    제1 가스라인 상에 구비되며 상기 압축 구동부와 연결되는 제1 압축기; 및
    상기 제1 가스라인과 병렬로 마련되는 제2 가스라인 상에 구비되며 상기 압축 구동부와 연결되는 제2 압축기를 포함하고,
    상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인을 선택적으로 연결하는 스위칭부를 더 포함하며,
    상기 스위칭부는,
    상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인을 분리하여 가스가 상기 제1 가스라인의 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 가스라인의 상기 제2 압축기에 의해 독립적으로 압축되도록 하거나,
    상기 제1 가스라인에서 상기 제1 압축기의 하류를 상기 제2 가스라인에서 상기 제2 압축기의 상류에 연결하여 가스가 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기에 의해 다단 압축되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기 사이에서 마련되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 가스라인의 상류는 상기 제1 압축기를 경유하며, 상기 제2 가스라인의 하류는 상기 제2 압축기를 경유하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 중압 모드 및 저압 모드에 대응하여 가스 흐름을 변경시키되,
    상기 중압 모드에서, 상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인이 분리되어 각각 독립적으로 가스가 흐르도록 하며,
    상기 저압 모드에서, 상기 제1 가스라인의 상류와 상기 제2 가스라인의 하류가 연결되어 가스가 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기를 차례로 경유하도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중압 모드는 상기 가스의 압력이 기준 압력 대비 50% 이하이고, 상기 저압 모드는 상기 가스의 압력이 기준 압력 대비 25% 이하인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기의 압축비는 2 이하인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 가스라인의 하류와, 상기 제2 가스라인의 하류를 연결하는 바이패스라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  10. 제 1 항, 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 해양 구조물.
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