KR102242748B1 - 가스 처리 시스템 및 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크; 다단으로 구성되며 상기 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 압축기; 상기 압축기의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 감압하는 감압밸브; 감압을 거친 증발가스를 기액분리하여 액상을 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 기액분리기; 및 상기 기액분리기에서 분리된 기상을 냉매로 냉각하여 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 선박{liquefaction system of boil-off gas and ship having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 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, 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.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 증발가스를 고압 압축하였다가 감압 시 줄-톰슨 효과에 의한 액화와, 냉매와의 열교환을 이용한 액화를 하이브리드로 구비하면서, 운항 상태 등을 고려하여 증발가스 액화 효율을 최적화할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크; 다단으로 구성되며 상기 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 압축기; 상기 압축기의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 감압하는 감압밸브; 감압을 거친 증발가스를 기액분리하여 액상을 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 기액분리기; 및 상기 기액분리기에서 분리된 기상을 냉매로 냉각하여 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 압축기의 적어도 1단 하류의 증발가스가 상기 감압밸브와 상기 기액분리기를 경유해 상기 액화가스로 전달되도록 하는 증발가스 액화라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 액화라인은, 상기 압축기에서 100bar 이상의 압축단 하류에서 연장되어 상기 감압밸브를 경유하여 상기 기액분리기로 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 기액분리기에서 분리된 기상을 상기 냉각부를 경유하여 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 기상 배출라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 액화라인에서 상기 기액분리기의 상류에서 분기되어 상기 기상 배출라인으로 연결되는 기액분리 우회라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 기액분리 우회라인은, 상기 엔진의 가동 상태, 상기 증발가스 액화라인의 증발가스 유량에 따라 증발가스가 상기 감압밸브의 하류에서 상기 기액분리기를 우회하여 상기 냉각부로 유입되도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 기상 배출라인은, 상기 기액분리기에서 상기 액화가스 저장탱크 내부의 하측으로 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기의 적어도 1단에 의해 압축되어 상기 증발가스 액화라인으로 유입된 증발가스를 상기 압축기로 유입되는 증발가스로 냉각하는 증발가스 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 증발가스를 감압하는 부분 재액화와, 증발가스를 냉매로 냉각하는 완전 재액화를 통합한 하이브리드 시스템으로서, 운항 조건 등을 고려하여 증발가스 유동을 조절하여 액화 효율 및 시스템 안정성을 혁신적으로 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 가스 처리 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. 참고로 본 명세서에서 액화가스는 LNG일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니며, 비등점이 상온보다 낮아 저장을 위해 강제로 액화되며 발열량을 갖는 모든 물질(LPG, 에탄, 에틸렌, 수소 등)을 포괄할 수 있다.
또한 본 명세서에서 액화가스/증발가스는 연료탱크 내부에서의 상태를 기준으로 구분되는 것이고, 명칭으로 인하여 액상 또는 기상으로 반드시 한정되는 것은 아님을 알려둔다.
본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템이 구비되는 선박을 포함하며, 이때 선박은 가스를 화물로 저장하는 가스 운반선, FSRU, FLNG, Bunkering vessel 등일 수 있지만, 가스가 아닌 화물(컨테이너, 광물 등)이나 사람을 운반하는 상선, 해양플랜트 등에도 적용 가능함을 알려둔다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 압축기(20), 증발가스 열교환기(30), 감압밸브(40), 냉각부(50), 기액분리기(60)를 포함한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액상으로 저장한다. 본 실시예의 액화가스 저장탱크(10)는 가스 운반선의 카고탱크일 수 있으며, 멤브레인형, 독립형의 SPB 타입이나 MOSS 타입 등일 수 있고, 물론 독립형의 고압용기 타입도 가능하다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액상의 액화가스는 외부 열침투로 인해 자연기화하여 증발가스로 변화하며, 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되어 추진엔진(100)이나 발전엔진(110)의 연료로 사용되거나 재액화 후 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.
특히 본 발명은, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 감압에 의한 액화 및 냉매 냉각에 의한 액화 중 적어도 감압에 의한 액화가 이루어지도록 하여, 증발가스량에 따른 효율적 재액화를 구현할 수 있게 된다.
액화가스 저장탱크(10)에는 내부와 외부 간의 통로 역할을 하는 돔이 마련되고, 돔을 경유하는 라인들이 마련된다. 또한 액화가스 저장탱크(10)는 복수 개로 마련될 수 있고, 각 액화가스 저장탱크(10)에서 돔을 경유한 라인들은 서로 연결될 수 있다.
이때 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스가 유동하면서 서로 연결된 부분을 리퀴드 메인(Liquid main)이라 하며, 액화가스 저장탱크(10)의 증발가스가 유동하면서 서로 연결된 부분을 베이퍼 메인(Vapour main)이라 한다.
따라서 액화가스나 증발가스는, 베이퍼 메인과 리퀴드 메인을 이용하여 각 액화가스 저장탱크(10)로부터 혼합되거나, 거꾸로 각 액화가스 저장탱크(10)로 분배가 가능하다.
베이퍼 메인에는 엔진으로 증발가스 공급라인(L10)이 연결되어 복수 개의 액화가스 저장탱크(10) 중 적어도 일부의 액화가스 저장탱크(10)(연료 전용으로 마련되는 액화가스 저장탱크(10)일 수 있음)에서 배출된 증발가스가 압축기(20)로 전달된다.
반면 리퀴드 메인에는 증발가스 액화라인(L20)이 연결되어, 감압밸브(40) 및 냉각부(50) 중 적어도 감압밸브(40)에 의하여 액화된 액상의 증발가스가 리퀴드 메인을 통해 액화가스 저장탱크(10) 내부로 유입되도록 할 수 있다.
이하 본 명세서에서 설명하는 라인들은, 내부에 유동하는 가스의 상태(액상 또는 기상)에 따라 베이퍼 메인 또는 리퀴드 메인에 연결되고 직접 돔을 관통하진 않을 수 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다. 즉 베이퍼 메인 등이 별도로 마련되지 않고 증발가스 공급라인(L10)이 직접 돔을 관통하도록 마련되어 액화가스 저장탱크(10)의 내부와 외부를 연결할 수도 있다.
압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 압축하여 엔진에 공급한다. 압축기(20)는 복수 개의 압축단(21)을 갖는 구조로 마련되어, 증발가스를 다단으로 압축하여 엔진의 요구압력에 맞출 수 있다.
즉 압축기(20)가 토출하는 증발가스의 압력은 엔진의 요구압력에 맞게 설정될 수 있는데, 본 실시예에서 엔진은 추진엔진(100)과 발전엔진(110) 등을 포함할 수 있으며, 추진엔진(100)은 ME-GI로서 200bar 내지 400bar 정도의 요구압력(이하 고압이라 표현)을 갖거나, X-DF로서 15bar 내지 50bar 정도의 요구압력(이하 저압이라 표현)을 가질 수 있다.
반면 발전엔진(110)의 경우에는 X-DF와 유사한 요구압력을 가질 수 있고, 발전엔진(110)의 요구압력은 10bar 내외(이하 X-DF 요구압력을 포괄하여 저압이라 표현)일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니다.
압축기(20)를 구성하는 복수 개의 압축단(21)은 하나의 구동원(모터, 샤프트 등)에 의해 가동되도록 연결될 수 있으며, 적어도 일부의 압축단(21)의 하류에는 상류로 리턴하는 라인(도시하지 않음)이 구비될 수 있고, 압축단(21)의 압축비는 언로딩 제어(무부하 운전) 등을 통해 가변될 수 있다. 또한 엔진의 종류나 압축기(20) 제조사 등에 따라 압축단(21)의 수는 다양할 수 있고, 일례로 5단 또는 6단으로 마련될 수 있다.
일례로 Burckhardt 사의 다단 압축기(20)는 5단일 수 있고, 코벨코 사의 다단 압축기(20)는 6단일 수 있다.
이때 다단 압축기(20)는, 저압단과 고압단으로 구분할 수 있는데, 저압단과 고압단은 압축단(21)에 의해 압축되는 증발가스로 윤활유의 혼입 양상에 따라 구분할 수 있다.
일례로 Burckhardt 사의 5단 압축기(20)의 경우, 1-3단 압축단(21)의 경우 압축 시 증발가스 내에 윤활유가 혼입되지 않으나, 4-5단 압축단(21)의 경우 압축 시 증발가스 내에 윤활유가 혼입될 우려가 있다. 이때 위 5단 압축기(20)는 3단까지 저압단, 4-5단을 고압단으로 구분할 수 있다.
반면 코벨코 사의 6단 압축기(20)의 경우, 1-5단까지 압축 시 증발가스 내 윤활유 혼입이 없는 반면, 6단에서는 윤활유 혼입이 발생하게 되므로, 5단까지 저압단, 6단을 고압단으로 지칭할 수 있다.
즉 압축기(20)는, 하나의 구동원에 의하여 가동되면서도 압축 시 증발가스 내 윤활유의 혼입 양상이 상이한 저압단과 고압단을 포함할 수 있으며, 고압단은 저압단과 달리 윤활유 혼입 가능성이 있거나, 저압단 대비 윤활유 혼입 가능성이 높은 압축단(21)일 수 있다.
또한 압축기(20)의 가장 하류에 마련되는 압축단(21)은 최종단이라고 지칭될 수 있으며, 최종단 상류의 압축단(21)은 모두 중간단으로 지칭될 수 있다. 일례로 Burckhardt 사의 5단 압축기(20)에서 최종단은 5단이며, 중간단은 1-4단 중 어느 하나일 수 있다.
압축기(20)의 압축단(21) 하류에는 인터쿨러(도시하지 않음)가 마련될 수 있으며, 인터쿨러는 압축단(21)에 의해 압축되면서 온도가 올라가 부피가 증가한 증발가스를 제한되지 않는 냉매를 사용해 냉각하여, 인터쿨러 하류의 압축단(21)에서의 압축 효율을 보장할 수 있다. 인터쿨러는 1단 내지 최종단 하류에 각각 마련될 수 있지만, 최종단 하류에서는 생략될 수도 있다.
압축기(20)의 최종단이 토출하는 증발가스의 압력은 추진엔진(100)의 요구압력에 대응될 수 있는데, 발전엔진(110)의 요구압력은 추진엔진(100)의 요구압력에 미치지 못할 수 있다. 이때 액화가스 저장탱크(10)에서 엔진까지 연결된 증발가스 공급라인(L10)은, 액화가스 저장탱크(10)에서 압축기(20)의 모든 압축단(21)을 경유하고 추진엔진(100)까지 연결되고, 또한 압축기(20)의 중간단에서 분기되어 발전엔진(110)으로 연결되도록 분기되어 있을 수 있다.
이때 증발가스 공급라인(L10)이 발전엔진(110)으로 분기되는 지점은, 발전엔진(110)의 요구압력 및 압축단(21)의 압축비 등에 따라 달라질 수 있으며, 일례로 5단 압축기(20)에서 증발가스 공급라인(L10)은 2단 혹은 3단 압축단(21)에서 분기되어 발전엔진(110)으로 연결될 수 있다.
참고로 압축단(21)을 경유하는 증발가스 공급라인(L10)은, 엔진 외에도 별도의 수요처로 연결될 수도 있으며, 이때 별도의 수요처라 함은 가스연소장치(GCU), 보일러 등을 의미할 수 있다. 또한 압축기(20)에서 별도의 수요처로 증발가스 공급라인(L10)이 분기되는 지점은 특별히 한정되지 않으며, 발전엔진(110)으로 증발가스 공급라인(L10)이 분기된 지점을 공유할 수 있다.
압축기(20)를 거쳐 엔진으로 연결된 증발가스 공급라인(L10)에는, 증발가스 액화라인(L20)이 분기될 수 있다. 증발가스 액화라인(L20)은 후술할 감압밸브(40)와 냉각부(50)를 경유하여 증발가스가 액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되도록 하는 라인이다.
증발가스 액화라인(L20)은, 압축기(20)의 1단 하류에서 적어도 두 지점의 증발가스가 감압밸브(40)와 냉각부(50)를 경유해 액화가스 저장탱크(10)로 전달되도록 할 수 있다. 일례로 도면에 나타난 바와 같이 증발가스 액화라인(L20)은, 압축기(20)의 고압단(5단) 하류 및 압축기(20)의 저압단과 고압단 사이(3단)에서 연장된 후 합류되어 감압밸브(40)와 냉각부(50)를 경유하도록 마련될 수 있다.
증발가스 액화라인(L20)으로 유입되는 증발가스는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되었으나 엔진 등에서 소비하지 못하고 남는 잉여분의 증발가스일 수 있다.
다만 후술할 감압밸브(40)에 의한 감압 시 줄-톰슨 효과를 통해 증발가스를 액화시키기 위해서는, 감압밸브(40)로 유입되는 증발가스의 압력이 충분해야 하는데, 이때 압력은 약 100bar 내외(수치는 변동될 수 있음)일 수 있다.
추진엔진(100)이 200bar 이상의 요구압력을 갖는 ME-GI 엔진일 경우, 5단 압축기(20)에서 고압단의 토출압력은 100bar 이상이 된다. 따라서 고압단 하류에서 증발가스 액화라인(L20)으로 유입된 증발가스는 감압밸브(40)에 의해 감압되면서 액화될 수 있다.
다만 5단 압축기(20)에서 저압단은 증발가스를 100bar 미만으로 가압할 수 있어서, 저압단과 고압단 사이에서 증발가스 액화라인(L20)으로 유입된 증발가스는 감압밸브(40)만으론 액화가 충분하지 못할 수 있다. 따라서 이 경우에는 냉각부(50)에 의한 냉각을 추가하여 액화 효율을 확보할 수 있다.
위와 같은 2가지 방식의 액화는 엔진의 가동 상태, 선박의 운항 상태, 환경조건 등에 따라 선택적으로 이루어질 수 있으며, 이에 대해서는 이하에서 자세히 설명한다.
다만 추진엔진(100)이 앞서 설명한 것과 달리 100bar 이하의 요구압력을 갖는 X-DF 엔진일 경우, 압축기(20) 최종단의 토출압력이 추진엔진(100)의 요구압력으로 제한된다면, 압축단(21)에 의해 압축된 증발가스는 감압과 냉각을 모두 경유해야만 액화가 제대로 이루어질 수 있다는 문제가 발생한다.
따라서 본 실시예는, 추진엔진(100)이 100bar 미만의 요구압력을 갖는 경우에, 감압과 냉각을 통한 증발가스 액화 외에 감압만으로도 증발가스 액화가 가능할 수 있도록, 압축기(20)의 최종 토출압력이 조절되도록 할 수 있다.
즉 압축기(20)는, 추진엔진(100)의 요구압력이 줄-톰슨 효과에 의한 액화를 구현하기에 부족한 100bar 미만일 경우를 대비하고자, 최종단의 토출압력이 엔진의 요구압력을 초과할 수 있도록 마련될 수 있다.
물론 이외에, 저압엔진을 추진엔진(100)으로 사용할 경우 다단의 압축기(20)가 적어도 2개로 구비되어, 상류의 압축기(20)는 추진엔진(100)의 요구압력에 맞춰 증발가스를 압축하며, 하류의 압축기(20)는 액화를 위한 추가 압축을 구현하도록 하는 것도 가능하다.
또한 압축기(20)는, 압축비의 조절이 가능한 타입으로 구비됨으로써, 최종단의 토출압력이 엔진의 요구압력에 대응되도록 조절될 수 있다. 구체적으로 압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 엔진에서 모두 소비할 수 있는 상태(선박의 고속 항해 시)일 때 최종단의 토출압력을 100bar 이하로 낮춰 엔진의 요구압력에 맞출 수 있다.
반면 잉여 증발가스가 발생하여 증발가스 액화가 필요한 경우 압축기(20)는, 최종단의 토출압력을 100bar 이상으로 높여서 감압에 의한 액화를 가능케 할 수 있다. 다만 추진엔진(100)의 요구압력을 초과하는 증발가스가 추진엔진(100)에 유입되지 않도록, 압축기(20)와 엔진 사이에는 압력조절밸브(101)가 마련될 수 있다.
압력조절밸브(101)는, 압축기(20)에서 토출된 증발가스의 압력을 엔진(추진엔진(100)과 발전엔진(110) 등)의 요구압력에 맞게 감압시키는 밸브일 수 있다. 참고로 도면 내에서 압력조절밸브(101)로 표시하지 않았으나 엔진 상류에 표시되어 있는 밸브는, 유량과 압력을 미세 조절하는 가스밸브트레인(Gas valve train) 또는 가스밸브유닛(Gas valve unit)을 나타낼 수 있다.
즉 본 실시예의 압축기(20)는, 추진엔진(100)이 ME-GI일 경우엔 추진엔진(100)의 요구압력에 맞게 증발가스를 압축하여 추진엔진(100)에 공급하되, 잉여 증발가스는 저압단과 고압단 사이(100bar 미만의 중간단 하류)에서 분기되어 감압&냉각으로 액화되거나 또는 고압단 하류에서 분기되어 감압으로 액화될 수 있다.
반면 추진엔진(100)이 X-DF일 경우 압축기(20)는, 추진엔진(100)의 요구압력 이상으로 증발가스를 압축하여 감압만으로(이하 본 명세서에서 감압만이라는 표현은 감압과 냉매 냉각 중에서 감압만인 것을 의미한다.) 충분히 액화될 수 있도록 하며, 엔진 상류의 압력조절밸브(101)가 증발가스의 압력을 엔진의 요구압력으로 낮춰줄 수 있다.
다만 추진엔진(100)이 X-DF일 때 감압에 더하여 냉각을 함께 활용하여 증발가스를 액화하고자 하는 경우(선박이 정박 중일 때 등), 압축기(20)는 추진엔진(100)의 요구압력에 맞게 증발가스를 압축하여 엔진에 공급할 수 있고, 잉여 증발가스는 감압만으로는 충분히 액화되지 못하더라도 냉매 냉각을 통해 액화될 수 있다.
이와 같이 압축기(20)는 추진엔진(100)이 ME-GI일 경우엔 추진엔진(100)의 요구압력에 맞게 최종단에서 증발가스를 토출하게 되며, 추진엔진(100)이 X-DF일 경우엔 추진엔진(100)의 요구압력을 초과하도록 최종단에서 증발가스를 토출할 수 있어서, 추진엔진(100)의 타입과 무관하게 잉여 증발가스의 안정적인 액화를 보장할 수 있다.
증발가스 열교환기(30)는, 압축기(20)의 적어도 1단에 의해 압축되어 증발가스 액화라인(L20)으로 유입된 증발가스를, 압축기(20)로 유입되는 증발가스로 냉각한다. 증발가스 열교환기(30)는 액화되어야 하는 잉여 증발가스를 예냉하는 구성일 수 있다.
일례로 증발가스 열교환기(30)는, 압축기(20)의 저압단과 고압단 사이에서 분기되는 증발가스를 압축기(20)로 유입되는 증발가스로 냉각하거나, 압축기(20)의 최종단 하류에서 분기되는 증발가스를 압축기(20)로 유입되는 증발가스로 냉각할 수 있다.
다만 압축기(20)로 유입되는 증발가스는 증발가스 열교환기(30)에서 가열되기 때문에 압축비를 떨어뜨릴 우려가 있는 바, 잉여 증발가스의 유량이 너무 많을 경우 등에서, 증발가스는 증발가스 공급라인(L10)에서 분기되었다가 증발가스 열교환기(30)를 우회해 증발가스 공급라인(L10)에 다시 합류하는 증발가스 우회라인(L30)을 통해, 증발가스 열교환기(30)를 우회한 뒤 압축기(20)로 유입될 수 있다.
감압밸브(40)는, 압축기(20)의 적어도 1단(일례로 적어도 저압단)에 의해 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 감압한다. 이때 적어도 일부라 함은 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스 중 잉여분을 의미한다.
감압밸브(40)는 줄-톰슨 밸브일 수 있으며, 일정 압력 이상으로 압축기(20)에 의해 압축된 후 증발가스 열교환기(30)에서 예냉된 증발가스를 감압하면서 줄-톰슨 효과를 통해 증발가스의 적어도 일부를 액화시킬 수 있다.
즉 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스 중 적어도 일부의 증발가스(잉여 증발가스)가 감압밸브(40)로 유입되며, 감압밸브(40)에서 적어도 일부의 증발가스가 감압에 의해 액화되므로, 감압밸브(40)에 의한 액화는 부분 재액화 시스템으로 지칭될 수 있다.
감압밸브(40)는 증발가스 액화라인(L20)에서 압축단(21) 하류에 마련되는데, 앞서 설명한 바와 같이 증발가스 액화라인(L20)에는 압축기(20)의 저압단과 고압단 사이 또는 고압단(최종단) 하류의 증발가스가 유입된다.
감압밸브(40)에 의한 감압 시 줄-톰슨 효과를 통한 액화를 구현하기 위해서는 감압밸브(40)로 유입되는 증발가스의 압력이 100bar 이상인 것이 바람직하다. 따라서 고압단 하류의 증발가스가 증발가스 액화라인(L20)을 통해 감압밸브(40)로 유입되는 경우 감압에 의한 액화가 구현될 수 있다.
반면 저압단과 고압단 사이의 증발가스가 감압밸브(40)로 유입되는 경우, 감압하더라도 감압 정도가 크지 않기 때문에 온도 하강이 충분하지 못하여 액화가 이루어지지 못할 수 있다. 그러나 본 실시예는 이러한 경우에도 액화가 가능할 수 있도록 별도의 냉매로 증발가스를 냉각해 액화하는 냉각부(50)를 구비할 수 있다.
고압단 하류에서의 증발가스에는 윤활유가 혼입될 수 있어, 감압만으로 액화가 가능하긴 하나 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 때 내부의 액화가스 품질을 떨어뜨릴 우려가 있다. 따라서 윤활유 혼입 가능성이 없는 고압단 상류(저압단)에서의 증발가스를 액화해 리턴하는 구성이 필요하다.
그러나 앞서 설명한 것처럼 저압단에서의 증발가스는 감압에 의한 액화를 구현하기에 충분한 압력(일례로 100bar 이상)에 미치지 못할 우려가 있으므로, 이를 해소하고자 본 발명은 저압단에서의 증발가스를 액화할 경우, 부분 재액화 시스템인 감압에 완전 재액화 시스템인 냉매 열교환을 더한 하이브리드 재액화 시스템을 구비할 수 있다.
다만 윤활유 혼입을 방지해야 하는 필요성에 따라 감압에 의한 액화 또는 감압 및 냉매 냉각에 의한 액화가 선택되는 것은, 도면에 나타난 것과 같은 5단 압축기(20)(감압을 통한 액화에 충분한 압력에 도달하는 지점(4단 이후)이 윤활유의 혼입 양상이 달라지는 지점(3단과 4단 사이)보다 상류)인 경우일 수 있다.
참고로 앞서 언급한 6단 압축기(20)의 경우 감압을 통한 액화에 충분한 압력에 도달하는 지점(5단 이후)이 윤활유의 혼입 양상이 달라지는 지점(5단 이후)과 동일한 경우로서, 증발가스 액화 시 감압을 기본으로 하되, 윤활유 혼입 방지 필요성과는 무관하게 그 외의 변수(엔진 가동 상태, 증발가스 유량 등)에 따라 냉각부(50)의 사용 여부가 달라질 수 있음을 알려둔다.
냉각부(50)는, 증발가스의 흐름을 기준으로 감압밸브(40)와 직렬로 마련된다. 냉각부(50)는 도면에 나타난 것과 같이 증발가스 액화라인(L20) 상에서 감압밸브(40)의 상류에 마련될 수 있지만 그 반대도 가능하며, 증발가스 열교환기(30)의 하류에 마련될 수 있다.
본 발명의 냉각부(50)는, 증발가스 열교환기(30)를 통해 잉여 증발가스가 1차 프리쿨링된 것을 냉각시키게 되기 때문에, 냉각부(50)만 단독으로 사용하여 증발가스를 액화시키는 기존 시스템 대비 냉각부(50)의 부하(capacity)를 크게 줄일 수 있다. 따라서 본 발명은 냉각부(50) 등의 장비 비용과 운용비용 등이 크게 절감되는 효과를 갖는다.
또한 후술하겠으나, 본 발명의 냉각부(50)로 유입되는 증발가스는 증발가스 열교환기(30)로 프리쿨링되기 때문에, 냉매 사이클에서 냉매 자체의 프리쿨링을 위한 중탄화수소를 최소화할 수 있어, 이러한 개선을 통한 비용 절감 효과도 거둘 수 있다.
또한 냉각부(50)는, 증발가스를 냉매로 냉각한다. 즉 냉각부(50)는 감압에 의한 줄-톰슨 효과를 통하여 부분적인 액화를 구현하는 감압밸브(40)와 달리, 충분한 저온 및 유량을 갖는 냉매를 이용해 증발가스를 비등점 이하로 냉각해 완전한 액화를 구현할 수 있는 구성이다.
이때 냉각부(50)가 사용하는 냉매는, 질소 또는 혼합냉매(Mixed refrigerant)일 수 있다. 여기서 혼합냉매라 함은 LNG를 처리하는 기술분야에서 통용되는 의미에 따를 때, 분자당 탄소수가 상이한 탄화수소들(메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등)이 일정 비율로 혼합된 냉매를 의미한다.
구체적으로 혼합냉매는 분자당 탄소수가 2 이하인 경탄화수소(메탄, 에탄)와 분자당 탄소수가 3 이상인 중탄화수소(프로판, 부탄 등), 그리고 일부의 질소가 혼합된 냉매를 의미한다.
또한 혼합냉매를 사용하는 경우에는 혼합냉매 간 열교환을 사용하게 되는데, 혼합냉매에서 경탄화수소의 비등점은 중탄화수소의 비등점보다 낮으므로, 혼합냉매는 부분적으로 기액 혼합 상태가 발생할 수 있다.
따라서 일반적인 혼합냉매를 사용하는 기존 냉매 시스템들은, 혼합냉매에서 기상과 액상을 분리하여 별도로 유동시키다가 서로 열교환/혼합되도록 하는 구성을 구비하게 된다.
그런데 본 실시예의 경우에는, 냉각부(50)가 냉매로서 혼합냉매를 사용하면서도, 분자당 탄소수가 낮은 경탄화수소가 주성분인 혼합냉매를 사용할 수 있다. 즉 본 실시예의 혼합냉매는, 분자당 탄소수가 2 이하인 경탄화수소 및 분자당 탄소수가 3 이상인 중탄화수소가 혼합된 혼합냉매이면서도, 경탄화수소의 비율이 중탄화수소 대비 상대적으로 많아 주성분을 이룰 수 있다.
또는 본 실시예의 혼합냉매는, 분자당 탄소수가 2 이하인 경탄화수소를 포함하되 분자당 탄소수가 3 이상인 중탄화수소는 생략된 혼합냉매일 수 있다.
비등점이 높은 중탄화수소가 충분한 비율로 포함되는 종래 혼합냉매의 경우, 초기 가동 시(초기 냉매 쿨링(pre-cooling) 시) 중탄화수소가 액화된 뒤, 혼합냉매 간 열교환 과정에서 액상 중탄화수소가 경탄화수소를 냉각시켜서, 냉매가 전체적으로 충분한 열량을 흡수할 수 있는 상태가 되도록 하는 것이 일반적이다.
그런데 비등점이 낮아 액화가 쉽지 않은 경탄화수소를 주성분으로 포함하는 본 발명의 혼합냉매의 경우, 액화되는 중탄화수소가 (거의) 없기 때문에, 초기 가동 시 액상 중탄화수소를 활용한 냉매의 프리쿨링이 충분하지 못한 문제가 있다.
물론 본 발명은 앞서 언급한 바와 같이 냉각부(50)로 유입되는 증발가스가 증발가스 열교환기(30)에서 프리쿨링되도록 한다는 점 또는 증발가스를 냉매의 프리쿨링에 활용한다는 점에서 이러한 문제를 극복하였는데, 다만 증발가스를 이용한 프리쿨링에 대해서는 이하 다른 실시예에서 자세히 서술한다.
냉각부(50)는 냉각기(51), 냉매 압축기(52), 냉매 쿨러(53), 냉매 밸브(54), 냉매 탱크(55)를 포함하며, 냉매 순환라인(L50)이 위 구성들을 직렬로 연결하면서 냉매가 순환하는 폐루프를 구성한다.
냉각기(51)는, 증발가스 액화라인(L20)을 통해 증발가스 열교환기(30)를 거쳐 감압밸브(40)로 전달되기 직전의 증발가스를, 냉매와 서로 열교환시켜 냉각한다. 이때 냉각기(51)를 통한 증발가스 냉각은, 냉각기(51) 하류에서 감압에 의한 온도의 추가 하강이 있음을 고려할 때, 증발가스의 비등점 이상의 온도로 이루어질 수도 있다.
또한 냉각기(51)는, 증발가스가 유동하는 스트림과 냉매가 유동하는 스트림을 포함하되, 냉매가 유동하는 스트림을 둘 이상 구비할 수 있다. 구체적으로 냉각기(51)는 냉매 밸브(54)에 의한 감압 전 냉매와 냉매 밸브(54)에 의한 감압 후 냉매 그리고 증발가스가 독립적으로 유동하는 적어도 3개의 스트림을 갖는 구조로 마련된다.
따라서 냉각기(51)는 증발가스와 냉매 간의 열교환에 더하여, 앞서 설명한 혼합냉매들 간의 열교환을 구현하는 구성일 수 있다. 참고로 증발가스를 주도적으로 냉각하는 냉매는, 냉매 밸브(54)에 의한 감압 후 냉각기(51)로 유입된 냉매일 수 있다.
냉각기(51)는 상기의 스트림을 구비할 수 있는 어떠한 구조도 모두 가능하며, 더 나아가 증발가스-냉매 열교환과 냉매-냉매 열교환이 하나로 통합되어 있을 수 있고, 반면 분리 마련될 수도 있다.
냉매 압축기(52)는, 냉매를 압축한다. 냉매 압축기(52)는 증발가스를 압축하는 압축기(20)와 동일/유사하게 다단으로 마련될 수 있고, 압축방식(원심형, 왕복동형, 스크류형 등)은 제한되지 않는다.
냉매 압축기(52)의 압축 압력은 4 내지 30bar일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니다. 또한 냉매 압축기(52)에 의해 냉매가 압축된 후 냉매 밸브(54)에 의해 감압되더라도, 본 발명의 혼합냉매는 경탄화수소가 주성분인 관계로, 냉매가 순환 과정에서 액화가 일어나지 않을 수 있다.
냉매 쿨러(53)는, 압축된 냉매를 쿨링한다. 냉매 쿨러(53)는 제한되지 않는 다양한 방법을 이용하여 냉매 압축기(52)에 의해 압축되면서 온도가 상승한 냉매를 냉각할 수 있다. 이하 다른 실시예에서 설명하겠지만, 본 실시예의 도면과 달리 냉매 쿨러(53)는 증발가스를 이용해 냉매를 쿨링할 수도 있다.
냉매 밸브(54)는, 냉각된 냉매를 감압한다. 이때 냉매 밸브(54)는, 냉매 순환라인(L50) 상에서 냉매의 흐름을 기준으로 냉각기(51)의 상류 및 하류에 위치할 수 있다. 즉 냉각기(51)에서 배출된 냉매가 냉매 밸브(54)를 경유한 뒤 다시 냉각기(51)로 유입될 수 있다.
냉매 순환라인(L50)은, 냉매 압축기(52), 냉매 쿨러(53), 냉매 밸브(54), 냉각기(51), 냉매 압축기(52)를 순차적으로 직렬 연결하며 폐루프를 이룰 수 있는데, 앞서 설명한 바와 같이 냉각기(51)는 냉매가 흐르는 적어도 2개의 스트림을 갖는다.
따라서 냉매 순환라인(L50)은, 냉매 압축기(52), 냉매 쿨러(53), 냉각기(51)의 제1 스트림(냉매 밸브(54)에 의한 감압 전 냉매), 냉매 밸브(54), 냉각기(51)의 제2 스트림(냉매 밸브(54)에 의한 감압 후 냉매), 냉매 압축기(52)를 순차적으로 직렬 연결할 수 있다.
냉매 밸브(54)로 유입되기 전인 냉각기(51)의 제1 스트림은, 냉매 밸브(54)를 거친 후인 냉각기(51)의 제2 스트림 대비 온도가 높을 수 있으므로, 제1 스트림의 냉매는 제2 스트림의 냉매에 의해 냉각될 수 있으며, 제2 스트림의 냉매는 증발가스의 냉각을 구현할 수 있다.
냉매 탱크(55)는, 냉매를 임시로 저장한다. 냉매 탱크(55)는 냉매 순환라인(L50) 상에서 냉매의 순환 유량과 순환 압력 등을 조절/완충하기 위해 마련될 수 있다.
냉매 탱크(55)는 냉매 보충을 위해서도 사용될 수 있으며, 냉매에 포함된 경탄화수소들의 비율 유지를 위해, 탄화수소의 보충이 냉매 탱크(55)를 통해 이루어질 수 있다.
물론 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 냉매는 혼합냉매이면서도 경탄화수소가 주성분일 수 있으므로, 중탄화수소를 보충하는 설비는 축소 또는 생략될 수 있다. 참고로 혼합냉매에 포함되는 질소의 경우 선박에 기본적으로 마련되는 질소 생성기(N2 generator)를 보충 설비로서 사용할 수 있다.
본 실시예는 증발가스 액화라인(L20)에 냉각부(50)와 감압밸브(40)가 직렬로 마련되는데, 앞서 설명한 바와 같이 감압만으로 액화하는 경우를 구현하기 위해, 증발가스 액화라인(L20)에는 증발가스가 냉각부(50)를 우회하도록 하는 냉각 우회라인(L21)이 마련된다.
냉각 우회라인(L21)은, 증발가스 액화라인(L20)에서 냉각기(51)의 상류에서 분기된 후 냉각기(51)의 하류 및 감압밸브(40)의 상류에서 합류될 수 있다. 따라서 압축기(20)의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스는, 증발가스 액화라인(L20)을 따라 증발가스 열교환기(30)에서 1차 냉각, 냉각부(50)에서 2차 냉각, 감압밸브(40)에서 감압되면서 액화되거나, 증발가스 액화라인(L20)을 따라 증발가스 열교환기(30)에서 1차 냉각, 냉각 우회라인(L21)을 통해 냉각부(50) 우회, 감압밸브(40)에서 감압되면서 액화될 수 있다.
다만 후자의 경우 감압만으로 액화를 구현하기 위해서는 증발가스에 대한 충분한 압축이 필요하다. 따라서 냉각 우회라인(L21)은, 증발가스가 증발가스 액화라인(L20)으로 유입되는 지점에 따라 증발가스의 흐름이 조절될 수 있다.
일례로 증발가스가 고압단 하류에서 증발가스 액화라인(L20)으로 유입될 경우, 증발가스는 충분한 압력으로 압축된 상태이므로 냉각 우회라인(L21)은 증발가스가 유동하도록 제어된다. 이하 본 명세서에서 라인에서의 흐름 조절/제어는, 해당 라인에 마련되는 밸브(도시하지 않음) 등의 수단에 의해 이루어질 수 있고 제어부(도시하지 않음)를 사용할 수 있음을 알려둔다.
반면 증발가스가 저압단과 고압단 사이에서 증발가스 액화라인(L20)으로 유입될 경우, 증발가스는 감압만으로는 액화되기 충분하지 않은 압력으로 압축된 상태이므로, 냉각 우회라인(L21)은 증발가스가 유동하지 않도록 제어될 수 있다. 따라서 이 경우 증발가스는 냉각부(50)와 감압밸브(40)를 모두 경유하여 액화된다.
즉 본 실시예에서 증발가스 액화라인(L20) 및 냉각 우회라인(L21)은, 증발가스가 압축기(20)의 고압단 하류로부터 감압밸브(40)를 경유하되 냉각부(50)를 우회하도록 하여 감압에 의한 액화가 이루어지도록 할 수 있고, 또는 증발가스가 압축기(20)의 저압단과 고압단 사이로부터 감압밸브(40) 및 냉각부(50)를 경유하도록 하여 감압 및 냉각에 의한 액화가 이루어지도록 할 수 있다.
이와 같이 증발가스 액화 방식이 달라지는 것은 엔진의 가동 상태 등에 따를 수 있다. 즉 증발가스 액화라인(L20)과 냉각 우회라인(L21)은, 엔진의 가동 상태에 따라 증발가스가 감압에 의한 액화 또는 감압&냉각에 의한 액화가 이루어지도록 할 수 있다.
일례로 엔진의 가동 상태와 관련하여 본 실시예의 증발가스 액화라인(L20)과 냉각 우회라인(L21)은, 선박의 정박 또는 저속 항해 시(추진엔진(100)의 가동 정지 및 잉여 증발가스가 발생) 증발가스가 감압 및 냉각에 의한 액화가 이루어지도록 한다.
이때 저압단과 고압단 사이의 증발가스가 증발가스 액화라인(L20)으로 유입될 수 있으며, 고압단은 하류에서 상류(5단 하류에서 3단 하류 또는 5/4단 하류에서 4/3단 하류 등)로 연결되는 라인을 통해 증발가스를 지속적으로 상류로 순환시켜서 추진엔진(100)으로의 증발가스 흐름을 억제할 수 있다.
또는 증발가스는 고압단 하류에서 증발가스 액화라인(L20)으로 유입될 수도 있으며, 100bar 이상의 요구압력을 갖는 추진엔진(100)이 가동 중일 경우엔 고압단 하류의 증발가스가 감압만으로 액화되는 압력을 갖지만, 추진엔진(100)이 정지일 경우엔 고압단 하류의 증발가스 압력이 언로딩 제어 등을 통해 추진엔진(100)의 요구압력에 미치지 못하게 될 수 있어서, 감압에 냉각을 더해야 액화가 가능할 수 있다.
따라서 추진엔진(100)이 가동하지 않는 경우, 증발가스는 저압단과 고압단 사이 또는 고압단 하류에서 증발가스 액화라인(L20)으로 유입될 수 있지만, 공통적으로 감압에 더하여 냉매 냉각을 통해 액화가 이루어질 수 있다.
물론 추진엔진(100)이 정지하였을 때 압축기(20)가 여전히 고압 토출을 구현하는 것도 가능하므로, 감압만으로 액화를 구현할 수도 있다. 즉 정박 또는 저속 항해 시 본 발명은 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 잉여 증발가스를 냉각+감압으로 액화시키거나, 감압만으로 액화시킬 수 있다.
반면 선박의 중속(제1 선속 이상) 항해 시 추진엔진(100)이 가동하게 되어 고압단 하류의 증발가스 압력은 감압만으로도 액화가 가능한 압력이 될 수 있으며, 이때 증발가스 액화라인(L20) 및 냉각 우회라인(L21)은 증발가스가 감압만에 의한 액화가 이루어지도록 할 수 있다.
또는 선박의 고속(제2 선속 이상) 항해 시에는, 추진엔진(100)의 부하가 커지면서 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스가 추진엔진(100) 등에 의해 모두 소비됨에 따라 잉여 증발가스가 발생하지 않을 수 있으므로, 증발가스 액화라인(L20)의 흐름이 차단될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 증발가스가 압축기(20)의 압축단(21)에서 감압밸브(40)를 향해 분기되는 지점에 따라 냉각부(50)의 우회 여부를 제어할 수 있고, 엔진 가동 상태(선박 운항 상태 등)에 따라 증발가스가 부분 재액화만으로 또는 부분 재액화와 완전 재액화를 통해 액화되도록 하여 액화율 및 시스템 가동 효율성을 개선할 수 있다.
기액분리기(60)는, 냉매에 의한 냉각 또는 감압을 거친 증발가스를 기액분리하여 액상을 액화가스 저장탱크(10)로 전달한다. 증발가스 액화라인(L20)은 압축단(21)에서 증발가스 열교환기(30), 냉각부(50), 감압밸브(40), 기액분리기(60)를 거쳐 액화가스 저장탱크(10)로 연결될 수 있으며, 이때 증발가스 액화라인(L20)에서 기액분리기(60) 하류에는 증발가스가 액상으로 존재할 수 있다.
다만 기액분리기(60) 하류에 기상이 남아있을 경우를 대비하기 위해, 증발가스 액화라인(L20)의 끝단은 액화가스 저장탱크(10) 내부 하측으로 연결되어 액화가스 속으로 액화된 증발가스가 주입되도록 하여, 혹여 남아있는 기상이 액화가스에 의해 액화되도록 할 수 있다.
기액분리기(60)에서 분리된 기상(flash gas)은, 기상 배출라인(L60)을 통해 배출될 수 있다. 기상 배출라인(L60)은 증발가스 공급라인(L10)에서 압축기(20) 상류(증발가스 열교환기(30) 상류)에 연결되어, 기상이 압축기(20)로 공급되는 증발가스에 혼합되도록 할 수 있다.
기액분리기(60)에는, 가압라인(L23)이 마련될 수 있다. 가압라인(L23)은 압축기(20)의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스가 냉각부(50)와 감압밸브(40)를 우회하여 기액분리기(60)로 유입되도록 한다.
감압만으로 증발가스를 액화하는 경우 대비, 감압에 냉매 냉각을 조합해 증발가스를 액화하는 경우에는, 증발가스가 액화되는 수준을 넘어서서 과냉(sub-cooled)될 수 있다.
이 경우 기액분리기(60)에 유입되는 과냉 증발가스는 기액분리기(60) 내부에 존재할 수 있는 증발가스도 액화시킬 수 있게 되어, 기액분리기(60) 내부의 압력을 하강시키게 된다. 따라서 기액분리기(60) 내압 조절이 어려워지는 동시에, 기액분리기(60)에서 액화가스 저장탱크(10)로 액상 증발가스의 리턴이 원활하게 이루어지지 못할 수 있다.
이를 해소하고자 본 실시예는, 액화되기 전의 증발가스를 기액분리기(60)에 강제로 주입하여 기액분리기(60)의 과도한 내압 하강을 방지할 수 있다. 이때 가압라인(L23)은 증발가스 액화라인(L20)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류 또는 하류 중 적어도 일 지점에서 분기되어 기액분리기(60)로 연결될 수 있다.
가압라인(L23)은, 증발가스가 냉각부(50)를 경유함에 따라 과냉 우려가 발생할 때, 압축기(20)의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스를 기액분리기(60)로 전달할 수 있다. 가압라인(L23)의 유동 제어 역시 가압라인(L23)에 마련되는 밸브(부호 도시하지 않음)에 의해 이루어질 수 있고 제어부가 사용될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
따라서 본 실시예는 감압과 냉매 냉각을 조합한 하이브리드 재액화 시, 기액분리기(60) 내압이 낮아지는 문제를 해소하여, 액상 증발가스의 원활한 리턴을 보장할 수 있다.
증발가스 액화라인(L20)에는, 기액분리기(60)를 우회하는 기액분리 우회라인(L22)이 마련될 수 있다. 기액분리 우회라인(L22)은 증발가스 액화라인(L20)에서 기액분리기(60)의 상류에서 분기되어 기액분리기(60)의 하류로 연결될 수 있으며, 엔진의 가동 상태, 증발가스 액화라인(L20)의 증발가스 유량 등의 변수에 따라, 증발가스가 감압밸브(40) 하류에서 기액분리기(60)를 우회하여 바로 액화가스 저장탱크(10)로 전달되도록 할 수 있다.
일례로 엔진 부하가 커서 잉여 증발가스가 많이 발생하지 않는 경우에는, 증발가스가 충분히 액화되므로 기상의 분리가 불필요하게 될 수 있으므로, 기액분리 우회라인(L22)이 활용될 수 있다.
또한 앞서 설명한 것처럼 증발가스가 과냉되는 경우에도 기액분리 우회라인(L22)을 활용하면, 기액분리기(60)로 가압라인(L23)을 통해 증발가스를 주입할 필요 없이, 과냉된 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)로 유입됨에 따라 액화가스 저장탱크(10)에서의 증발가스 발생을 억제하는 효과를 거둘 수도 있다.
이와 같이 기액분리 우회라인(L22)을 따라 증발가스가 유동하는 경우, 기상 배출라인(L60)을 통한 기상 배출이 생략 또는 최소화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 추진엔진(100)과 압축기(20)가 앞선 실시예와 상이할 수 있다. 이하에서는 본 실시예가 앞선 다른 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 다른 실시예에서도 마찬가지이다.
본 실시예는, 추진엔진(100)의 요구압력이 감압만으로는 액화가 충분하지 않은 압력(100bar 미만)일 수 있다. 여기서 추진엔진(100)은 100bar 미만의 요구압력을 갖는 X-DF 엔진 등일 수 있다.
반면 본 실시예에서 압축기(20)는, 앞선 실시예의 압축기(20)의 최종단 토출압력이 엔진의 요구압력에 대응되는 것과 달리, 최종단이 증발가스를 엔진의 요구압력 이상(100bar 이상)으로 가압할 수 있다.
즉 본 실시예의 압축기(20)는 최종단의 토출압력이 엔진의 요구압력을 초과하도록 마련되며, 다만 엔진의 가동을 위해 최종단이 아닌 중간단에서 엔진으로 증발가스를 공급할 수 있다.
이때 증발가스 액화라인(L20)은, 압축기(20)의 중간단 하류 및 최종단 하류의 증발가스가 감압밸브(40)와 냉각부(50)를 경유해 액화가스 저장탱크(10)로 전달되도록 할 수 있는데, 앞선 실시예에서 최종단 하류의 증발가스 액화라인(L20)이 증발가스 공급라인(L10)에서 분기된 것과 달리, 본 실시예는 증발가스 공급라인(L10)에서 증발가스 액화라인(L20)이 분기되는 지점이 중간단 하류(고압단 하류로서 저압단과 고압단 사이일 수 있음)일 수 있다. 이때 압축기(20)의 고압단은 증발가스 액화라인(L20) 상에 놓일 수 있다.
본 실시예는, 앞선 실시예와 마찬가지로 선박 운항 상태에 따라, 증발가스가 감압에 의해 액화 또는 감압&냉각에 의해 액화되도록 할 수 있다. 다만 본 실시예는 정박 상태에서 중간단 하류의 증발가스가 냉각 및 감압을 위해 증발가스 액화라인(L20)으로 유입될 경우와, 고속 항해 상태에서 잉여 증발가스가 발생하지 않을 경우에, 압축기(20)는 중간단 이후의 적어도 고압단이 헛돌게 될 수 있다.
이때 헛돈다는 것은 증발가스를 압축하지 않는다는 것을 의미하며, 언로딩 제어와 상류 리턴 제어가 함께 이루어지는 것일 수 있다. 즉 헛도는 고압단에는 증발가스가 단순히 압축 없이 흐르기만 할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 추진엔진(100)으로 저압 2행정 이종연료엔진을 사용하되, 하나의 구동원으로 가동하는 다단 압축기(20)의 최종 토출압력이 추진엔진(100) 요구압력을 초과하도록 한다. 따라서 본 실시예는 감압 및 냉각에 의한 액화 외에, 압축기(20)의 고압단을 활용해 감압만을 통한 액화가 가능하도록 하여, 효과적인 액화 운전이 가능하다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 증발가스가 증발가스 액화라인(L20)을 따라 감압 및 냉각되는 앞선 실시예와 달리, 증발가스는 감압에 의해 액화되고 기액분리기(60)로 유입되며, 기액분리기(60)에서 분리된 기상을 냉매로 냉각할 수 있다.
즉 본 실시예의 냉각부(50)는, 기액분리기(60)에서 분리된 기상을 냉매로 냉각하여 액화가스 저장탱크(10)로 전달할 수 있다. 따라서 압축기(20)에서 압축된 증발가스는 감압에 의해 액화되며, 액화되지 못하고 남는 기상인 플래시가스가 냉각부(50)의 냉각에 의해 액화되므로, 본 실시예는 냉각부(50)의 부하가 줄어들게 된다.
다만 증발가스를 감압만으로 액화시키기 위해, 증발가스 액화라인(L20)은 압축기(20)에서 100bar 이상의 압축단(21) 하류에서 연장되어 감압밸브(40)를 경유하여 기액분리기(60)로 연결될 수 있다.
일례로 ME-GI 엔진을 사용한다면, 압축기(20)가 5단일 때 증발가스 액화라인(L20)은 3단 하류에서 연장될 수 있고, 압축기(20)가 6단일 때 증발가스 액화라인(L20)은 5단 하류에서 연장될 수 있다.
반면 X-DF 엔진을 사용한다면, ME-GI 엔진을 사용하는 경우 대비 압축단(21)의 수가 달라질 수 있으며, 증발가스 공급라인(L10)이 발전엔진(110)으로 분기되는 지점 하류에 마련된 압축단(21)이 생략될 수 있다.
다만 감압에 의해 액화를 구현하기 위해, 압축기(20)의 토출압력은 앞선 제1 실시예에서 설명한 것처럼 추진엔진(100)의 요구압력에 맞게 또는 추진엔진(100)의 요구압력을 초과하는 100bar 이상으로 가변 제어가 가능할 수 있다.
기액분리기(60)에서 연장되는 기상 배출라인(L60)은 기액분리기(60)에서 분리된 기상을 냉각부(50)를 경유하여 액화가스 저장탱크(10)로 전달할 수 있는데, 기상의 완전한 액화를 위해 기상 배출라인(L60)은 액화가스 저장탱크(10) 내부의 하측으로 연결되어, 냉각부(50)에서 냉각된 기상이 액화가스 내에 주입되도록 할 수 있다.
증발가스 액화라인(L20)에는 기액분리 우회라인(L22)이 하나 이상 마련될 수 있다. 어느 하나의 기액분리 우회라인(L22)은, 앞선 실시예에서 설명한 바와 같으며, 다른 하나의 기액분리 우회라인(L22)은, 본 도면에서 추가된 것으로서 기액분리기(60)의 상류에서 분기되어 기상 배출라인(L60)으로 연결된다. 후자의 기액분리 우회라인(L22)은, 전자와 반대로 증발가스의 액화가 충분하지 않을 때 증발가스의 유동이 이루어질 수 있다.
일례로 후자의 기액분리 우회라인(L22)은, 엔진의 가동 상태, 증발가스 액화라인(L20)의 증발가스 유량 등에 따라 증발가스가 감압밸브(40)의 하류에서 기액분리기(60)를 우회하여 냉각부(50)로 유입되도록 할 수 있다.
즉 엔진의 부하가 작아 잉여 증발가스가 많은 경우, 기액분리기(60)에서의 액상 분리가 크지 않고 냉각부(50)에 의해 전체적인 냉각이 필요할 때, 후자의 기액분리 우회라인(L22)에서의 유동이 이루어질 수 있다.
다만 본 실시예가 후자의 기액분리 우회라인(L22)을 사용하게 되면, 증발가스 액화 관점에서는 제1 실시예에서 감압&냉각에 의해 증발가스를 액화하는 경우와 유사해질 수 있다. 물론 기액분리기(60) 자체가 생략되는 것도 가능한데, 이는 이하 다른 도면에 나타나 있다.
이와 같이 본 실시예는, 감압밸브(40)와 냉각부(50)의 조합을 통한 액화를 구현하되, 냉각부(50)가 감압 후 기액분리되는 기상만 액화시키도록 마련하여, 냉각부(50)를 컴팩트화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 증발가스 액화라인(L20)이 냉매 냉각 및 감압을 모두 거치도록 한다. 이때 증발가스 액화라인(L20)은 추진엔진(100)이 고압이면 압축기(20)의 중간단에서 연장되고, 추진엔진(100)이 저압이면 압축기(20)의 최종단에서 연장될 수 있다.
또한 본 실시예는 감압밸브(40) 하류에서 기액분리기(60)가 생략되어, 기상과 액상이 혼합되어 있더라도 액화가스 저장탱크(10)로 증발가스가 모두 유입되도록 할 수 있다. 이때 기상은, 액화가스 내에 주입되면서 자연스럽게 액화될 수 있다.
또한 본 실시예는, 냉매로 경탄화수소가 주성분인 혼합냉매를 사용하되, 중탄화수소의 축소/생략 시 프리쿨링이 충분하지 못한 문제를 해소하고자 증발가스를 활용할 수 있다.
특히 본 실시예는, 냉매 쿨러(53)가 증발가스로 냉매를 냉각하도록 마련될 수 있다. 즉 냉매 쿨러(53)는 냉각부(50)의 초기 가동 시 액화가스 저장탱크(10)의 증발가스를 이용하여 냉매를 쿨링할 수 있고, 이를 위해 냉매 쿨러(53)는 냉매 순환라인(L50)과 나란하여 냉매가 유동하는 스트림과 증발가스 공급라인(L10)과 나란하여 증발가스가 유동하는 스트림을 구비할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명한 것처럼 냉각부(50)가 혼합냉매를 사용하지만, 혼합냉매에서 중탄화수소의 비중을 줄이거나 생략할 수 있다. 따라서 본 실시예의 냉각부(50)는, 냉매가 기상과 액상의 유동 분리 없이 하나의 폐루프를 순환하도록 마련될 수 있으므로, 냉매 순환/보충 구성을 간소화할 수 있다.
또한 본 실시예는 냉매 시스템을 최소화하는 동시에, 증발가스의 냉에너지를 활용해 초기 가동 시 혼합냉매의 프리쿨링이 충분히 이루어지도록 할 수 있다.
즉 중탄화수소를 충분히 포함하며 냉매 간 열교환 시 액상 중탄화수소가 기상 경탄화수소를 냉각하여 증발가스 냉각에 필요한 온도가 되도록 하는 기존의 혼합냉매 시스템과 다르게, 본 실시예는 중탄화수소를 (거의) 포함하지 않아 액상 중탄화수소에 의한 프리쿨링이 이루어지지 못하는 대신, 증발가스의 냉에너지를 활용한 프리쿨링을 구현한다.
따라서 본 실시예는 혼합냉매가 경탄화수소를 주성분으로 하도록 조성이 변경되더라도, 냉각부(50) 초기 가동 시 프리쿨링이 충분히 이루어지도록 하여 액화 효율을 확보할 수 있으면서, 중탄화수소와 관련된 설비를 생략/축소할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 경탄화수소를 주성분으로 하는 혼합냉매를 사용하게 되므로, 이러한 혼합냉매와 유사하게 경탄화수소가 주성분인 증발가스를 냉매의 보충(make-up)에 활용할 수 있다. 이를 위해 증발가스 공급라인(L10)이나 증발가스 액화라인(L20)에서 냉매 순환라인(L50) 또는 냉매 탱크(55)로는 냉매 보충라인(L11)이 연결될 수 있다.
다만 증발가스 공급라인(L10)에서 분기되는 냉매 보충라인(L11)은 냉매 쿨러(53)의 상류에서 연장될 수 있고 비교적 저압을 가지므로, 냉매 순환라인(L50)에서 냉매 압축기(52)의 상류에 증발가스를 전달한다.
반면 증발가스 액화라인(L20)에서 분기되는 냉매 보충라인(L11)은, 감압밸브(40)의 상류에서 연장될 수 있고 비교적 고압을 가지므로, 냉매 순환라인(L50)에서 냉매 압축기(52)의 하류에 증발가스를 전달할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 혼합냉매가 일반적인 종래의 경우와 다르게 중탄화수소를 (거의) 포함하지 않도록 하여 중탄화수소 보충 설비 등을 생략할 수 있으면서도, 초기 가동에서 프리쿨링 시 증발가스를 활용해 냉각을 안정적으로 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 앞선 제4 실시예와 대비할 때 냉매 쿨러(53)가 증발가스 공급라인(L10)과 직접 연결되는 대신, 증발가스 공급라인(L10)에서 분기된 냉매 쿨링라인(L12)과 연결될 수 있다.
본 실시예는 제4 실시예와 마찬가지로, 냉매 쿨러(53)가 냉매 압축기(52)에서 압축된 냉매를 증발가스로 쿨링할 수 있다. 다만 제4 실시예의 경우 초기 가동을 벗어난 경우에도 냉매가 증발가스와 열교환하게 되는 반면, 본 실시예는 초기 가동을 지나 정상 가동 시로 접어든 경우엔 증발가스를 이용한 프리쿨링을 회피할 수 있다.
이를 위해 증발가스 공급라인(L10)에서 부분적으로 병렬로 마련되며 냉매 쿨러(53)를 경유하는 냉매 쿨링라인(L12)이 마련된다. 냉매 쿨링라인(L12)은 냉각부(50)의 초기 가동 시 증발가스가 냉매 쿨러(53)를 경유하도록 하여 프리쿨링을 구현하고, 냉각부(50)의 정상 가동 시 증발가스가 냉매 쿨러(53)를 우회하도록 할 수 있다.
여기서 냉매 쿨링라인(L12)은, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 저온의 증발가스를 활용하기 위한 것이므로, 증발가스 공급라인(L10)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에서 분기 및 합류되도록 마련될 수 있다.
또한 본 실시예는, 제4 실시예와 마찬가지로 냉매 보충라인(L11)이 구비되는데, 냉매 보충라인(L11)은 증발가스 공급라인(L10)에서 증발가스 열교환기(30)의 상류에서 분기되어 냉매 순환라인(L50)에서 냉매 압축기(52)의 상류로 연결되거나, 증발가스 액화라인(L20)에서 증발가스 열교환기(30)의 하류 및 감압밸브(40)의 상류에서 분기되어 냉매 순환라인(L50)에서 냉매 압축기(52)의 하류로 연결될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 경탄화수소 위주의 혼합냉매를 사용하면서 증발가스로 프리쿨링을 구현하되, 초기 가동을 벗어났을 때에는 증발가스가 혼합냉매와 열교환을 우회하도록 하여, 상황에 맞는 최적의 운전 제어가 가능하다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 제5 실시예 대비 기액분리기(60)가 추가될 수 있으며, 기액분리기(60)에서 분리된 기상이 혼합냉매의 프리쿨링에 활용될 수 있다.
혼합냉매의 프리쿨링이 필요한 초기 가동 시에는, 냉매와 증발가스를 열교환하더라도 증발가스의 액화가 충분히 이루어지지 못하므로 다량의 플래시가스가 발생한다.
그러나 플래시가스는 기상이라 할지라도 상당한 저온으로 냉각된 상태이므로, 본 실시예는 저온의 플래시가스를 활용해 냉매의 프리쿨링을 구현할 수 있다.
이를 위해 기액분리기(60)에는, 기액분리기(60)에서 분리된 기상을 냉매 쿨링라인(L12)에서 냉매 쿨러(53)의 상류에 전달하는 기상 배출라인(L60)이 마련될 수 있다. 따라서 기액분리기(60)에서 분리된 기상은 냉각부(50)의 초기 가동 시 혼합냉매를 프리쿨링할 수 있다.
물론 정상 가동에 돌입했을 경우에는, 기액분리기(60)에서 분리된 기상이 냉매와 열교환되지 않도록, 냉매 쿨링라인(L12)에서의 흐름이 반전될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 초기 가동 시 다량 발생하는 플래시가스를 혼합냉매 프리쿨링에 활용하여 프리쿨링 시간을 단축할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 앞선 제6 실시예 대비 기상 배출라인(L60)이 증발가스 열교환기(30)를 거쳐 증발가스 공급라인(L10)에서 압축기(20) 상류로 연결될 수 있다.
이때 증발가스 열교환기(30)는, 증발가스 공급라인(L10)과 나란한 제1 스트림, 증발가스 액화라인(L20)과 나란한 제2 스트림, 그리고 기상 배출라인(L60)과 나란한 제3 스트림이 각각 독립적으로 배치되는 구조를 가질 수 있다.
즉 본 실시예는 경탄화수소가 주성분인 혼합냉매의 프리쿨링은 증발가스를 활용하며, 기액분리기(60)에서 분리된 기상은 증발가스 열교환기(30)에서 증발가스 액화라인(L20)을 따라 흐른 증발가스의 예냉에 활용하도록 할 수 있다.
물론 본 실시예의 기상 배출라인(L60)이 냉매 쿨링라인(L12)으로도 분기 연결될 수 있고, 냉각부(50)의 초기 가동 시 플래시가스는 냉매 쿨링라인(L12)으로 유입되고, 냉각부(50)의 정상 가동 시 플래시가스는 증발가스 열교환기(30)를 거쳐 증발가스 공급라인(L10)으로 전달될 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예와 공지기술의 조합에 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: 액화가스 저장탱크
L10: 증발가스 공급라인 L11: 냉매 보충라인
L12: 냉매 쿨링라인 20: 압축기
21: 압축단 L20: 증발가스 액화라인
L21: 냉각 우회라인 L22: 기액분리 우회라인
L23: 가압라인 30: 증발가스 열교환기
L30: 증발가스 우회라인 40: 감압밸브
50: 냉각부 51: 냉각기
52: 냉매 압축기 53: 냉매 쿨러
54: 냉매 밸브 55: 냉매 탱크
L50: 냉매 순환라인 60: 기액분리기
L60: 기상 배출라인 100: 추진엔진
101: 압력조절밸브 110: 발전엔진

Claims (9)

  1. 액화가스 저장탱크;
    다단으로 구성되며 상기 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 압축기;
    상기 압축기의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 감압하는 감압밸브;
    감압을 거친 증발가스를 기액분리하여 액상을 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 분리된 기상을 냉매로 냉각하여 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 냉각부;
    상기 압축기의 적어도 1단 하류의 증발가스가 상기 감압밸브와 상기 기액분리기를 경유해 상기 액화가스 저장탱크로 전달되도록 하는 증발가스 액화라인;
    상기 기액분리기에서 분리된 기상을 상기 냉각부를 경유하여 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 기상 배출라인; 및
    상기 증발가스 액화라인에서 상기 기액분리기의 상류에서 분기되어, 상기 기상 배출라인으로 연결되거나 상기 기액분리기의 하류에서 상기 증발가스 액화라인으로 연결되는 기액분리 우회라인을 포함하고,
    상기 기액분리 우회라인은,
    상기 엔진의 부하가 일정 부하보다 커서 잉여 증발가스의 발생량이 일정량보다 적은 경우에는 상기 감압밸브의 하류의 증발가스가 상기 기액분리기를 우회하여 상기 액화가스 저장탱크로 유입되도록 하고, 상기 엔진의 부하가 일정 부하보다 작아 잉여 증발가스의 발생량이 일정량보다 많은 경우에는 상기 감압밸브의 하류의 증발가스가 상기 기액분리기를 우회하고 상기 냉각부를 경유하여 상기 액화가스 저장탱크로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 액화라인은,
    상기 압축기에서 100bar 이상의 압축단 하류에서 연장되어 상기 감압밸브를 경유하여 상기 기액분리기로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기액분리 우회라인은,
    상기 엔진의 가동 상태, 상기 증발가스 액화라인의 증발가스 유량에 따라 증발가스가 상기 감압밸브의 하류에서 상기 기액분리기를 우회하여 상기 냉각부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기상 배출라인은,
    상기 기액분리기에서 상기 액화가스 저장탱크 내부의 하측으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기의 적어도 1단에 의해 압축되어 상기 증발가스 액화라인으로 유입된 증발가스를 상기 압축기로 유입되는 증발가스로 냉각하는 증발가스 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  9. 제 1 항, 제 3 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.
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