KR102315026B1 - 저장탱크를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

저장탱크를 포함하는 선박이 개시된다.
상기 저장탱크를 포함하는 선박은, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 1 열교환기; 상기 제 1 열교환기를 통과하며 냉각된 유체 중 중탄화수소(Heavy Hydrocarbon) 성분을 분리하는 제 1 기액분리기; 상기 제 1 열교환기에서 냉매로서 열교환된 유체를 압축시키거나, 상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시키는 컴팬더; 상기 컴팬더에 의해 압축된 유체를 냉각시키는 제 1 냉각기; 상기 제 1 기액분리기를 통과한 유체를 분리시키는 증류탑; 상기 제 1 기액분리기로부터 상기 증류탑으로 보내지는 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절하는 제 1 밸브; 상기 컴팬더에 의해 압축된 후 상기 제 1 냉각기를 통과한 유체를 압축시키는 제 1 압축기; 상기 제 1 압축기에 의해 압축된 천연가스를 냉각시키는 제 2 냉각기; 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시키는 제 1 팽창기; 상기 제 1 팽창기를 통과한 유체를 추가적으로 팽창시키는 제 2 팽창기; 천연가스를 자가열교환시켜 냉각시키는 제 2 열교환기; 상기 제 2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시키는 팽창수단; 상기 팽창수단 후단에 설치되어 액화천연가스와 기체상태의 천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 2 밸브; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리되어 상기 저장탱크로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 3 밸브; 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제 3 압축기; 및 상기 제 3 압축기를 통과한 유체를 냉각시키는 제 3 냉각기;를 포함하고, 상기 제 1 열교환기는, 상기 증류탑 상부로부터 배출된 유체를 냉매로 하여 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키고, 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 열교환기로 보내진 천연가스는, 상기 제 2 열교환기에서 냉매로서 열교환 된 후 연료공급 시스템으로 보내지고, 상기 제 2 열교환기는, 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 후 분기되어, 상기 제 1 팽창기 및 상기 제 2 팽창기 중 하나 이상에 의해 팽창된 유체; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 천연가스; 및 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스;를 냉매로 하여, 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 후 분기된 다른 일부의 천연가스를 냉각시킨다.

Description

저장탱크를 포함하는 선박{Vessel Including Storage Tanks}
본 발명은 저장탱크를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 천연가스나 증발가스(BOG; Boil Off Gas)를 천연가스나 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 액화시킨 후 액화된 액화천연가스를 저장탱크로 보내는, 저장탱크를 포함하는 선박에 관한 것이다.
근래 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, 천연가스를 액화천연가스로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적이다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압에서 대략 -162 ℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도 변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 액화천연가스 운반선의 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.
증발가스는 일종의 손실로서, 증발가스를 줄이는 것은 수송 효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료 소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 이용되고 있다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진 및 ME-GI엔진이 있다.
DF엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이나, 연료로 사용되는 천연가스를 높은 압력까지 압축시키기 않아도 되는 DF 엔진에 대한 수요도 지속되고 있다.
본 발명은, 별도의 냉매 시스템을 사용하지 않고 액화천연가스 자체를 냉매로 이용하여 천연가스를 액화시켜 저장탱크로 돌려보내고, 별도의 재액화 설비 없이 천연가스 액화 설비를 이용하여 증발가스를 재액화시키며, 천연가스를 액화시키는 시스템을 엔진에 연료를 공급하는 시스템과 연계시키는, 저장탱크를 포함하는 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 일부 액화된 유체를 액화천연가스와 천연가스로 분리하는 과정에서, 천연가스에 포함되는 질소의 농도가 높아지게 되는데, 질소의 농도가 높아진 천연가스를 다시 일부 액화시킨 후, 액화천연가스와 천연가스를 분리시키는 과정을 반복하게 되면, 천연가스에 포함되는 질소의 농도는 지속적으로 높아지게 된다.
천연가스 내부의 질소의 농도가 높아지면 전체적인 액화 효율이 낮아지게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은, 일부 액화된 유체로부터 분리된 천연가스를, 액화 사이클로 다시 보내지 않고 엔진의 연료로 사용하는, 저장탱크를 포함하는 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크를 포함하는 선박에 있어서, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 1 열교환기; 상기 제 1 열교환기를 통과하며 냉각된 유체 중 중탄화수소(Heavy Hydrocarbon) 성분을 분리하는 제 1 기액분리기; 상기 제 1 열교환기에서 냉매로서 열교환된 유체를 압축시키거나, 상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시키는 컴팬더; 상기 컴팬더에 의해 압축된 유체를 냉각시키는 제 1 냉각기; 상기 제 1 기액분리기를 통과한 유체를 분리시키는 증류탑; 상기 제 1 기액분리기로부터 상기 증류탑으로 보내지는 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절하는 제 1 밸브; 상기 컴팬더에 의해 압축된 후 상기 제 1 냉각기를 통과한 유체를 압축시키는 제 1 압축기; 상기 제 1 압축기에 의해 압축된 천연가스를 냉각시키는 제 2 냉각기; 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시키는 제 1 팽창기; 상기 제 1 팽창기를 통과한 유체를 추가적으로 팽창시키는 제 2 팽창기; 천연가스를 자가열교환시켜 냉각시키는 제 2 열교환기; 상기 제 2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시키는 팽창수단; 상기 팽창수단 후단에 설치되어 액화천연가스와 기체상태의 천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 2 밸브; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리되어 상기 저장탱크로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 3 밸브; 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제 3 압축기; 및 상기 제 3 압축기를 통과한 유체를 냉각시키는 제 3 냉각기;를 포함하고, 상기 제 1 열교환기는, 상기 증류탑 상부로부터 배출된 유체를 냉매로 하여 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키고, 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 열교환기로 보내진 천연가스는, 상기 제 2 열교환기에서 냉매로서 열교환 된 후 연료공급 시스템으로 보내지고, 상기 제 2 열교환기는, 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 후 분기되어, 상기 제 1 팽창기 및 상기 제 2 팽창기 중 하나 이상에 의해 팽창된 유체; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 천연가스; 및 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스;를 냉매로 하여, 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 후 분기된 다른 일부의 천연가스를 냉각시키는, 저장탱크를 포함하는 선박이 제공된다.
상기 저장탱크를 포함하는 선박은, 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 천연가스를 상기 연료공급 시스템으로 보내는 라인 상에 설치되어, 천연가스를 압축시키는, 제 2 압축기; 및 상기 제 2 압축기 후단에 설치되어, 상기 제 2 압축기를 통과한 유체를 냉각시키는 제 4 냉각기;를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 기액분리기로부터 분리된 중탄화수소는 상기 증류탑의 중앙부로 보내질 수 있고, 상기 컴팬더에 의해 팽창된 유체는 상기 증류탑의 상부로 보내질 수 있다.
상기 컴팬더는, 상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 후, 상기 제 1 기액분리기로부터 보내진 유체를 팽창시키는 팽창부; 및 상기 제 1 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 압축부;를 포함할 수 있고, 상기 압축부 및 상기 팽창부는, 축으로 연결되어, 상기 팽창부가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지에 의해 상기 압축부가 유체를 압축시킬 수 있다.
상기 증류탑은, 상기 증류탑으로 보내진 유체로부터 콘덴세이트를 분리할 수 있고, 상기 저장탱크를 포함하는 선박은, 상기 증류탑으로부터 배출되는 콘덴세이트를 냉각시키는 제 5 냉각기; 및 상기 증류탑으로부터 배출되는 콘덴세이트의 유량 및 압력을 조절하는 제 3 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 압축기를 통과한 천연가스는 초임계 유체 상태일 수 있다.
상기 팽창수단은 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
상기 저장탱크를 포함하는 선박은, 상기 제 1 압축기에 의해 압축된 천연가스를 추가적으로 압축시키는 제 4 압축기; 및 상기 제 4 압축기를 통과한 천연가스의 온도를 낮추는 제 6 냉각기;를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 압축기, 상기 제 2 냉각기, 상기 제 4 압축기 및 상기 제 6 냉각기를 통과한 천연가스는, 상기 제 2 열교환기에서 냉매와 열교환되어 냉각될 수 있다.
상기 제 1 압축기 및 상기 제 4 압축기를 통과한 천연가스는 초임계 유체 상태일 수 있다.
상기 저장탱크를 포함하는 선박은, 상기 제 1 팽창기를 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 3 기액분리기; 및 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리되어 상기 제 2 열교환기로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 5 밸브;를 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는 상기 제 2 팽창기로 보내질 수 있고, 상기 제 2 열교환기는, 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 5 밸브를 통과한 액화천연가스; 및 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 팽창기를 통과한 유체;를 냉매로 사용할 수 있다.
상기 저장탱크를 포함하는 선박은, 상기 제 1 팽창기를 통과한 천연가스를 자가열교환시켜 액화시키는 제 3 열교환기; 상기 제 3 열교환기를 통과한 유체를 압축시키는 제 5 압축기; 및 상기 제 5 압축기를 통과한 유체의 온도를 낮추는 제 7 냉각기;를 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 열교환기는, 상기 제 1 팽창기로부터 보내진 유체를 냉매로 하여, 상기 제 1 팽창기로부터 보내진 후 상기 제 3 열교환기, 상기 제 5 압축기 및 상기 제 7 냉각기를 통과한 유체를 냉각시킨 후 상기 제 3 기액분리기로 보낼 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 1 열교환기, 상기 제 1 열교환기를 통과한 천연가스로부터 중탄화수소를 분리하는 제 1 기액분리기, 상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시키는 컴팬더의 팽창부, 상기 제 1 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 컴팬더의 압축부, 상기 압축부를 통과한 유체를 냉각시키는 제 1 냉각기, 및 상기 팽창부에 의해 팽창된 유체 및 상기 제 1 기액분리기에 의해 분리된 중탄화수소로부터 콘덴세이트를 분리하는 증류탑을 포함하는, 증류 시스템; 상기 증류 시스템으로부터 보내진 천연가스를 압축시키는 제 1 압축기, 상기 제 1 압축기를 통과한 유체를 팽창시키는 제 1 팽창기, 상기 제 1 팽창기에 의해 팽창된 유체를 추가적으로 팽창시키는 제 2 팽창기, 상기 제 2 팽창기에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하는 제 2 열교환기, 및 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제 3 압축기를 포함하는, 냉매 시스템; 상기 제 1 압축기, 상기 제 2 열교환기, 상기 제 2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시키는 팽창수단, 및 상기 제 2 열교환기 및 상기 팽창수단을 통과하며 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기를 포함하는, 액화 시스템; 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 상기 제 2 열교환기에 냉매로 공급하는 증발가스 공급 시스템; 및 상기 제 2 기액분리기로부터 분리된 후 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 천연가스를 엔진의 연료로 공급하는 연료공급 시스템;을 포함하고, 상기 제 1 열교환기는, 상기 증류탑 상부로부터 배출된 유체를 냉매로 사용하고, 상기 제 2 열교환기는, 상기 냉매 시스템에 의해 공급되는 냉매 및 상기 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 이용하여 상기 제 1 압축기를 통과한 천연가스를 냉각시키며, 상기 냉매 시스템은 개방 루프인, 저장탱크를 포함하는 선박이 제공된다.
상기 연료공급 시스템은, 상기 제 2 기액분리기로부터 분리된 후 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시키는 제 2 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 냉매 시스템은, 상기 제 1 팽창기에 의해 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 3 기액분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는, 상기 제 2 열교환기로 보내져 냉매로 사용될 수 있고, 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 제 2 팽창기로 보내질 수 있다.
상기 냉매 시스템은, 상기 제 1 팽창기에 의해 팽창된 유체를 액화시켜 상기 제 3 기액분리기로 보내는 제 3 열교환기; 및 상기 제 3 열교환기를 통과한 유체를 압축시키는 제 5 압축기;를 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 열교환기는, 상기 제 1 팽창기를 통과한 유체를 냉매로 하여, 상기 제 1 팽창기를 통과한 후 상기 제 3 열교환기 및 상기 제 5 압축기를 통과한 유체를 냉각시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 증류탑으로부터 배출된 유체와 열교환시켜 냉각시키고, 상기 열교환시켜 냉각시킨 유체로부터 중탄화수소를 분리해내고, 상기 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시킨 후 상기 증류탑 상부로 보내고, 상기 분리된 중탄화수소를 상기 증류탑 중앙부로 보내고, 상기 증류탑에 의해 콘덴세이트가 분리된 후 상기 증류탑 상부로부터 배출되는 유체를, 상기 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용하고, 상기 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 유체를, 상기 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시킬 때 방출된 에너지를 사용하여 압축시킨 후 냉각시키고, 상기 열교환의 냉매로 사용된 후 압축 및 냉각된 유체를 다시 압축 및 냉각시키고, 상기 다시 압축 및 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키고, 상기 분기된 두 흐름 중, 한 흐름(이하, 'a 흐름'이라고 함.)의 유체는 팽창시킨 후 열교환의 냉매로 사용하고, 다른 흐름(이하, 'b 흐름'이라고 함.)은, 상기 a 흐름과 열교환시켜 냉각시키고, 상기 냉각된 b 흐름은, 팽창되어 일부가 액화되고, 상기 일부 액화된 b 흐름은 천연가스와 액화천연가스가 분리되어, 상기 분리된 천연가스는 상기 b 흐름을 냉각시키는 냉매로 사용된 후 연료공급 시스템으로 보내지고, 상기 분리된 액화천연가스는 저장탱크로 되돌려 보내지고, 상기 b 흐름을 냉각시키는 열교환의 냉매로 사용되고 난 후의 a 흐름은 압축되며, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스는 상기 b 흐름을 냉각시키는 냉매로 사용되는, 방법이 제공된다.
상기 b 흐름은, 상기 a 흐름과 열교환되어 냉각되기 전에 추가적으로 압축될 수 있다.
상기 a 흐름은, 팽창된 후, 열교환의 냉매로 사용되기 전에, 기체상과 액체상이 분리될 수 있고, 상기 a 흐름으로부터 분리된 천연가스는 다시 한 번 팽창된 후 상기 b 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 냉매로 사용될 수 있고, 상기 a 흐름으로부터 분리된 액화천연가스는 상기 b 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 냉매로 사용될 수 있다.
상기 a 흐름은, 팽창된 후, 기체상과 액체상이 분리되기 전에, 냉매로서 열교환된 후(이하, 'c 흐름'이라고 함.) 압축 및 냉각되어, 상기 c 흐름과 자가열교환된 후, 기체상과 액체상이 분리될 수 있다.
본 발명에 의하면, 별도의 냉매 시스템을 사용하지 않고 액화천연가스 자체를 냉매로 이용하므로, 시스템이 간편하고 운용이 편리하다는 장점이 있다.
또한, 액화천연가스 자체를 냉매로 이용하는 시스템은, 크게 폐쇄 루프(Closed Loop)를 사용하는 것과, 개방 루프(Opened Loop)를 사용하는 것으로 나누어 볼 수 있는데, 본 발명은 개방 루프를 사용하므로, 비교적 냉매 시스템의 컨트롤이 간단하고 시스템의 구성 요소가 간단하다.
본 발명은 별도의 재액화 설비를 설치하지 않고도 천연가스를 액화시키는 냉매로 증발가스를 사용하므로, 설치 비용을 절감할 수 있고, 증발가스의 냉열을 회수할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은, 천연가스 액화 시스템을 엔진 연료 공급 시스템과 연계시키므로, 엔진에 연료를 공급하기 위한 압축기를 별도로 설치하지 않고도 엔진이 요구하는 압력의 천연가스를 연료로 공급할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 천연가스에 포함되는 질소의 농도가 높아지는 것을 방지할 수 있으므로, 액화 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5는 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 저장탱크를 포함하는 선박은 액화천연가스 저장탱크가 설치되는 선박 및 육상에서 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 실시예에서 "유체"라 함은, 천연가스, 액화천연가스, 또는 천연가스와 액화천연가스가 혼합되어 있는 것을 의미한다. 시스템으로 공급될 때 기체 상태였던 천연가스는, 각 장치를 통과하며 압력 및 온도에 따라 기체, 액체 또는 기액혼합상태가 될 수 있다. 이하, 동일하다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 시스템으로 공급되는 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 1 열교환기(305); 제 1 열교환기(305)를 통과하며 냉각된 유체 중 중탄화수소(Heavy Hydrocarbon) 성분을 분리하는 제 1 기액분리기(405); 제 1 열교환기(305)에서 냉매로서 열교환된 유체를 압축시키거나, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시키는 컴팬더(500); 컴팬더(500)에 의해 압축된 유체를 냉각시키는 제 1 냉각기(200); 제 1 기액분리기(405)를 통과한 유체를 끓는점 차이에 의해 성분별로 분리시키는 증류탑(900); 제 1 기액분리기(405)로부터 증류탑(900)으로 보내지는 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절하는 제 1 밸브(700); 컴팬더(500)에 의해 압축된 후 제 1 냉각기(200)를 통과한 유체를 압축시키는 제 1 압축기(110); 제 1 압축기(110)에 의해 압축된 천연가스를 냉각시키는 제 2 냉각기(210); 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시키는 제 1 팽창기(512); 제 1 팽창기(512)를 통과한 유체를 추가적으로 팽창시키는 제 2 팽창기(522); 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 2 열교환기(310); 제 2 열교환기(310)를 통과한 유체를 팽창시키는 팽창수단(600); 팽창수단(600) 후단에 설치되어 액화천연가스와 기체상태의 천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기(410); 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 기체상태의 천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 2 밸브(710); 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리되어 저장탱크(10)로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 3 밸브(30); 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제 3 압축기(511); 제 3 압축기(511)를 통과한 유체를 냉각시키는 제 3 냉각기(230); 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시켜 연료공급 시스템으로 보내는 제 2 압축기(115); 및 제 2 압축기(115)를 통과한 유체를 냉각시키는 제 4 냉각기(215);를 포함한다.
본 실시예의 선박에 설치되는 저장탱크(10)는, 다수개가 선체 길이 방향으로 나란히 설치되며, 선체 내부 공간 활용이 용이한 멤브레인형 저장탱크인 것이 바람직하다. 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스는, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내져, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된다. 또한, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 3 밸브(30)를 지나 저장탱크(10)로 보내진다.
본 실시예의 제 1 열교환기(305)는, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 증류탑(900)으로부터 배출되는 유체와 열교환시킨다. 즉, 제 1 열교환기(305)는, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키기 위하여, 증류탑(900)으로부터 배출되는 유체를 냉매로 사용한다. 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체는 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된다.
해저에서 시추된 원유로부터 분리된 천연가스는, 여러 단계의 전처리 과정을 거친 후 액화되어 액화천연가스가 되는데, 시스템 외부로부터 제 1 열교환기(305)로 공급되는 천연가스는, 건조기(Dryer)에서 수분 건조 과정을 거친 천연가스일 수 있다.
본 실시예의 제 1 기액분리기(405)는, 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체로부터 중탄화수소 성분을 분리하여, 중탄화수소 성분 비율이 높은 유체(이하, '중탄화수소'라고 간략하게 칭하나, 100% 중탄화수소인 경우로 한정하는 것이 아니라, 중탄화수소의 비율이 높은 경우를 포함하는 의미이다.)는 증류탑(900)의 중앙부로 보내고, 중탄화수소 성분이 제거되어 메탄 함량이 높아진 유체는 컴팬더(500)로 보낸다.
본 실시예의 컴팬더(500)는, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 대부분 분리된 후 제 1 기액분리기(405)로부터 보내진 유체를 팽창시키는 팽창부(501); 및 제 1 열교환기(305)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 압축부(502);를 포함한다. 본 실시예의 압축부(502) 및 팽창부(501)는, 축으로 연결되어, 팽창부(501)가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지에 의해 압축부(502)가 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 1 냉각기(200)는, 압축부(502)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 유체의 온도를 낮춘다. 제 1 냉각기(200)는, 일례로 대략 상온의 담수(fresh water)와 천연가스를 열교환시켜, 천연가스를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 증류탑(900)은, 제 1 기액분리기(405)로부터 분리된 중탄화수소와 팽창부(501)로부터 보내진 유체를 성분별로 분리하여, 콘덴세이트는 콘덴세이트를 저장하는 탱크로 보내고, 보다 메탄의 비율이 높아지도록 정제된 천연가스는 제 1 열교환기(305)로 보낸다.
증류탑(900)은, 섞여 있는 액체 혼합물을 끓는점 차이에 의해 분리하는 방법인 분별증류의 원리를 이용해 만든 장치로, 원유의 분리에도 사용되고 있다. 원유에는 석유가스, 가솔린, 나프타, 등유, 경유, 중유, 윤활유 등 끓는점의 범위가 서로 다른 액체들이 섞여 있는데, 원유를 증류탑 아래에 넣고 가열하면 끓는점 차이에 따라 서로 분리가 된다. 증류탑의 하부에서 유체를 가열하므로 상부로 갈수록 온도가 낮아지게 되는데, 따라서, 고온에서 기화되는 액체는 증류탑의 낮은 위치에서 얻을 수 있고, 저온에서 기화되는 액체는 증류탑의 높은 위치에서 얻을 수 있다. 각 위치에 관을 연결해 기체를 뽑아내고 다시 액화시키면 원유를 분리해낼 수 있다. 이와 같이 액체혼합물을 끓는점 차이에 의해 분리하고자 할 때 증류탑을 사용한다.
본 실시예의 증류탑(900)은, 원유 자체를 분리하는 것이 아니라, 이미 원유로부터 분리된 천연가스로부터 다시 콘덴세이트 등을 분리하여, 천연가스의 메탄 비율을 높인다. 콘덴세이트란, 여러가지 의미로 혼용되어 사용되고는 있으나, 일반적으로 기체상태로 존재했다가 액화된 초경질유(액상 탄화수소)를 의미하며, 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄과 같은 파라핀 계열의 화합물을 포함한다.
본 실시예의 증류탑(900)은, 리보일러(910)를 더 포함할 수 있다. 리보일러(Reboiler)는, 증류가마, 재비등기라도고 하며, 증류탑 바닥의 유체를 가열 및 증발시키기 위한 장치이다. 본 실시예에서는, 증류탑(900) 하부에 리보일러(910)가 설치된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 리보일러(910)는 증류탑(900)과 별도로 설치될 수도 있다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트를 냉각시키는 제 5 냉각기(205); 및 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트의 유량 및 압력을 조절하는 제 4 밸브(705);를 더 포함할 수 있다. 제 5 냉각기(205)는, 일례로 대략 상온의 담수(fresh water)와 천연가스를 열교환시켜, 콘덴세이트를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 제 1 밸브(700)는, 제 1 기액분리기(405)로부터 증류탑(900)으로 중탄화수소를 보내는 라인상에 설치되어, 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 1 압축기(110)는, 컴팬더(500)에 의해 압축된 후 제 1 냉각기(200)를 통과한 유체를 압축시킨다. 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 압축기(110)를 통과한 천연가스를 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통해 액화시켜 저장탱크(10)로 보내기 위한 것이며, 천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내기 전에 제 1 압축기(110)에 의해 압축시키는 것은, 제 2 열교환기(310)에서의 액화 효율을 높이기 위해서이다. 이에 대해 조금 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 온도 및 압력에 따른 메탄의 상변화를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 메탄은 대략 -80℃ 이상의 온도 및 대략 50bar 이상의 압력 조건이 되면 초임계유체 상태가 된다. 즉, 메탄의 경우, 대략 -80℃, 50bar 상태가 임계점이 된다. 초임계유체 상태는, 액체 상태나 기체상태와는 다른 제 3의 상태이다.
단, 증발가스가 재액화되는 과정에서 천연가스는 질소 성분을 포함하게 될 수 있는데, 질소의 함량에 따라 임계점은 변화될 수 있다.
한편, 임계점 이상의 압력에서 임계점보다 낮은 온도를 갖게 되면 일반적인 액체 상태와는 다른, 밀도가 높은 초임계유체 상태와 유사한 상태가 될 수도 있는데, 임계점이상의 압력 및 임계점 이하의 온도를 가지는 증발가스의 상태를, 이하, "고압액체상태"라고 한다.
도 5를 참조하면, 비교적 저압인 기체 상태(도 5의 X)의 천연가스를, 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과시켜 온도 및 압력을 낮추어도 여전히 기체 상태(도 5의 X')일 수 있으나, 기체의 압력을 높인 후에는(도 5의 Y) 온도 및 압력을 동일하게 낮추어도 일부가 액화되어 기액혼합상태(도 5의 Y')가 될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 천연가스가 제 2 열교환기(310)를 통과하기 전에 천연가스의 압력을 높일수록 액화 효율이 높아지고, 압력을 충분히 높일 수만 있다면(도 5의 Z), 이론적으로 100% 액화도 가능함을 알 수 있다(도 5의 Z').
따라서, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 압축기(110)를 포함하여, 천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내기 전에 천연가스의 압력을 높여, 제 2 열교환기(310)에서의 액화 효율을 높인다. 본 실시예의 제 1 압축기(110)는, 천연가스가 초임계상태가 될 수 있도록 대략 50bar 이상의 압력으로 천연가스를 압축시키는 것이 바람직하다.
본 실시예의 제 2 냉각기(210)는, 제 1 압축기(110)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮춘다. 제 2 냉각기(210)는, 일례로 대략 상온의 담수(fresh water)와 천연가스를 열교환시켜, 천연가스를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 제 1 팽창기(512)는, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시킨 후 제 2 팽창기(522)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 팽창기(522)는, 제 1 팽창기(512)에 의해 1차적으로 팽창된 유체를 다시 한번 팽창시킨 후 제 2 열교환기(310)로 보낸다. 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체는, 제 2 열교환기(310)에서 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된다.
본 실시예의 제 2 열교환기(310)는, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를, 제 1 팽창기(512)와 제 2 팽창기(522)를 통과한 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 자가열교환시켜 냉각시킨다. 자가(self-)는, 별도의 냉매를 사용하지 않고, 천연가스의 일부를 냉각시켜 천연가스 자체를 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용함을 의미한다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를, 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)에 의해 액화시켜 저장탱크(10)로 돌려보내기 위한 것이므로, 이를 위해, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용되는 유체를, 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 천연가스를 액화시키에 충분히 낮은 온도로 냉각시키는 것이다.
또한, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스를 제 2 열교환기(310)에서 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용한 후 연료공급 시스템으로 보내 연료로 사용하므로, 천연가스에 포함되는 질소의 농도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 제 2 열교환기(310)에서 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용하므로, 증발가스의 에너지를 낭비하지 않으면서도 증발가스를 처리하여 저장탱크(10) 내부 압력을 낮출 수 있고, 제 2 열교환기(310)에서의 액화 효율을 높일 수 있다.
본 실시예의 팽창수단(600)은, 제 2 열교환기(310)에서 열교환되어 온도가 낮아진 유체의 압력을 낮춘다. 천연가스는 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하면서 일부가 액화되며, 팽창수단(600)은 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 제 2 기액분리기(410)는, 팽창수단(600) 후단에 설치되어, 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 천연가스를 분리시켜, 액화천연가스는 저장탱크(10)로 보내고, 천연가스는 제 2 열교환기(310)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 밸브(710)는, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내는 라인 상에 설치되어, 천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 밸브(30)는, 제 2 기액분리기(410)로부터 저장탱크(10)로, 분리된 액화천연가스를 보내는 라인 상에 설치되어, 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 압축기(511)는, 제 2 팽창기(522)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 3 냉각기(230)는, 제 3 압축기(511) 후단에 설치되어, 제 3 압축기(511)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다. 제 3 압축기(511) 및 제 3 냉각기(230)를 통과한 유체는, 제 1 압축기(110)로 보내진다.
본 실시예의 제 2 압축기(115)는, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 후 제 2 밸브(710)를 지나 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시켜, 연료공급 시스템으로 보낸다. 제 2 압축기(115)는, 저장탱크(10) 내부의 압력을 정해진 값으로 유지할 수 있도록, 저장탱크(10) 내부의 압력을 측정하는 센서가 보내는 값이, 정해진 값보다 낮은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 낮추고, 정해진 값보다 높은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 높이도록 조절될 수 있다.
본 실시예의 제 4 냉각기(215)는, 제 2 압축기(115) 후단에 설치되어, 제 2 압축기(115)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예에서는 천연가스를 연료공급 시스템으로 보내는 라인 상에 하나의 압축기(115) 및 하나의 냉각기(215)를 포함하여, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 천연가스가, 한 단계의 압축 과정을 거친 후 엔진의 연료로 공급되는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 다수개의 압축기 및 다수개의 냉각기를 포함하여, 엔진이 필요로 하는 압력에 따라 천연가스가 다단계의 압축 과정을 거치게 할 수도 있다.
본 실시예의 제 3 냉각기(230) 및 제 4 냉각기(215)는, 일례로 대략 상온의 담수(fresh water)와 유체를 열교환시켜, 유체를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에서의 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
시스템 외부로부터 공급되는 천연가스는, 제 1 열교환기(305)에서 냉매와 열교환되어 냉각된 후 제 1 기액분리기(405)로 보내져, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된 후 컴팬더(500)의 팽창부(501)로 보내지고, 팽창부(501)에 의해 팽창된 유체는 증류탑(900)의 상부로 보내진다. 제 1 기액분리기(405)에 의해 분리된 중탄화수소는 제 1 밸브(700)를 거친 후 증류탑(900)의 중앙부로 보내진다.
증류탑(900)에 의해 분별증류되어, 증류탑(900)의 상부로부터 배출되는 온도가 낮아진 유체는, 제 1 열교환기(305)로 보내져 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후, 컴팬더(500)의 압축부(502)로 보내진다. 압축부(502)로 보내진 유체는 압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 후 제 1 압축기(110)로 보내진다. 한편, 증류탑(900)에 의해 분리된 콘덴세이트는 제 5 냉각기(205)에 의해 냉각된 후 제 4 밸브(705)를 거쳐 콘덴세이트 저장탱크로 보내질 수 있다.
압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 유체는, 제 1 압축기(110)에 의해 압축되고 제 2 냉각기(210)에 의해 냉각된 후 두 흐름으로 분기된다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 분기된 두 흐름의 천연가스 중, 한 흐름은, 제 2 열교환기(310)로 보내지고, 다른 흐름은 제 1 팽창기(512)로 보내진다. 제 2 열교환기(310)로 보내진 천연가스를 액화시키기 위해, 제 1 팽창기(512)로 보내진 천연가스가 액화되어 냉매로 사용되는 것이다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 제 1 팽창기(512)로 보내진 천연가스는, 제 1 팽창기(512)에 의해 팽창된 후 제 2 팽창기(522)로 보내진다. 제 2 팽창기(522)에 의해 다시 한 번 팽창된 유체는, 제 2 열교환기(310)로 보내진다.
제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체는, 제 2 열교환기(310)에서, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후, 제 3 압축기(511)로 보내져 압축된다.
제 3 압축기(511)에 의해 압축된 유체는 제 3 냉각기(230)에 의해 냉각된 후, 다시 제 1 압축기(110)로 보내져, 전술한 일련의 과정을 다시 거치게 된다.
즉, 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용되는 유체는, 제 3 압축기(511)에 의해 압축되어, 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 압력이 낮아진 만큼 압력을 회복한 후에 제 1 압축기(110)로 보내지는 것이다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내진 천연가스는, 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된 후, 팽창수단(600)에 의해 팽창된다. 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부가 액화된 유체는, 제 2 기액분리기(410)로 보내져, 제 2 기액분리기(410)에 의해 액화천연가스와 액화되지 못하고 기체로 남아있는 천연가스가 분리된다.
제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는 제 3 밸브(30)를 통과한 후 저장탱크(10)로 보내지고, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스는 제 2 밸브(710)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된 후, 제 2 압축기(115)로 보내진다.
제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 후 제 2 압축기(115)로 보내진 유체는, 제 2 압축기(115)에 의해 압축되고 제 4 냉각기(215)에 의해 냉각된 후 연료공급 시스템으로 보내져, 엔진의 연료로 사용된다.
한편, 저장탱크(10) 내부에서 발생된 증발가스는, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내진다.
저장탱크(10)로부터, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 천연가스가 보내지는 라인 상으로 보내진 증발가스는, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로서 열교환된 후, 제 2 압축기(115) 및 제 4 냉각기(215)를 통과하여 연료공급 시스템으로 보내진다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 제 2 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 도 1에 도시된 제 1 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박에 비해, 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제 1 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305), 제 1 기액분리기(405), 컴팬더(500), 제 1 냉각기(200), 증류탑(900), 제 1 밸브(700), 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 1 팽창기(512), 제 2 팽창기(522), 제 2 열교환기(310), 팽창수단(600), 제 2 기액분리기(410), 제 2 밸브(710), 제 3 밸브(30), 제 3 압축기(511), 제 3 냉각기(230), 제 2 압축기(115), 및 제 4 냉각기(215)를 포함한다.
단, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 실시예와는 달리, 제 1 압축기(110)에 의해 1차로 압축된 천연가스를 추가적으로 압축시키는 제 4 압축기(120); 및 제 4 압축기(120)를 통과한 천연가스의 온도를 낮추는 제 6 냉각기(240);를 더 포함한다.
본 실시예의 선박에 설치되는 저장탱크(10)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 다수개가 선체 길이 방향으로 나란히 설치되며, 선체 내부 공간 활용이 용이한 멤브레인형 저장탱크인 것이 바람직하다. 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내져, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된다. 또한, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 3 밸브(30)를 지나 저장탱크(10)로 보내진다.
본 실시예의 제 1 열교환기(305)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 증류탑(900)으로부터 배출되는 유체를 냉매로 사용하여, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시킨다. 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된다.
시스템 외부로부터 제 1 열교환기(305)로 공급되는 천연가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 건조기(Dryer)에서 수분 건조 과정을 거친 천연가스일 수 있다.
본 실시예의 제 1 기액분리기(405)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체로부터 중탄화수소 성분을 분리하여, 중탄화수소는 증류탑(900)의 중앙부로 보내고, 중탄화수소 성분이 제거되어 메탄 함량이 높아진 유체는 컴팬더(500)로 보낸다.
본 실시예의 컴팬더(500)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 대부분 분리된 후 제 1 기액분리기(405)로부터 보내진 유체를 팽창시키는 팽창부(501); 및 제 1 열교환기(305)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 압축부(502);를 포함한다. 본 실시예의 압축부(502) 및 팽창부(501)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 축으로 연결되어, 팽창부(501)가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지에 의해 압축부(502)가 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 1 냉각기(200)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 압축부(502)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 증류탑(900)은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)로부터 분리된 중탄화수소와 팽창부(501)로부터 보내진 유체를 성분별로 분리하여, 콘덴세이트는 콘덴세이트를 저장하는 탱크로 보내고, 보다 메탄의 비율이 높아지도록 정제된 천연가스는 제 1 열교환기(305)로 보낸다.
또한, 본 실시예의 증류탑(900)은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 리보일러(910)를 더 포함할 수 있고, 리보일러(910)는 증류탑(900)과 별도로 설치될 수도 있다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트를 냉각시키는 제 5 냉각기(205); 및 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트의 유량 및 압력을 조절하는 제 4 밸브(705);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제 1 밸브(700)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)로부터 증류탑(900)으로 중탄화수소를 보내는 라인상에 설치되어, 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 1 압축기(110)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 컴팬더(500)에 의해 압축된 후 제 1 냉각기(200)를 통과한 유체를 압축시키고, 본 실시예의 제 2 냉각기(210)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 제 4 압축기(120)는, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스 중, 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스를 추가적으로 압축시킨다. 전술한 바와 같이, 천연가스가 제 2 열교환기(310)를 통과하기 전에 천연가스의 압력을 높이는 것이 액화 효율 면에서 유리한데, 제 1 압축기(110)만으로 천연가스를 충분한 압력으로 압축시키기에 부족한 경우에, 본 실시예에서처럼 추가적으로 압축기를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 천연가스를 두 단계로 압축시키는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 필요에 따라 압축 과정이 추가될 수 있다. 또한, 냉매로 사용할 천연가스와 액화시킬 천연가스의 필요 압력 등을 고려하여 분기점을 정할 수 있다.
본 실시예의 제 1 압축기(110) 및 제 4 압축기(120)에 의해 압축된 천연가스는, 초임계상태가 될 수 있도록 대략 50bar 이상의 압력을 가지는 것이 바람직하다.
본 실시예의 제 6 냉각기(240)는, 제 4 압축기(120)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮추며, 일례로 대략 상온의 담수(fresh water)와 천연가스를 열교환시켜, 천연가스를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 제 1 팽창기(512)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시킨 후 제 2 팽창기(522)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 팽창기(522)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 팽창기(512)에 의해 1차적으로 팽창된 유체를 다시 한번 팽창시킨 후 제 2 열교환기(310)로 보낸다. 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)에서 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된다.
본 실시예의 제 2 열교환기(310)는, 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 천연가스를, 제 1 팽창기(512)와 제 2 팽창기(522)를 통과한 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 자가열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 팽창수단(600)은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)에서 열교환되어 온도가 낮아진 유체의 압력을 낮추며, 천연가스는 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하면서 일부가 액화된다. 팽창수단(600)은 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 제 2 기액분리기(410)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 팽창수단(600) 후단에 설치되어, 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 천연가스를 분리시켜, 액화천연가스는 저장탱크(10)로 보내고, 천연가스는 제 2 열교환기(310)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 밸브(710)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내는 라인 상에 설치되어, 천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 밸브(30)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)로부터 저장탱크(10)로 분리된 액화천연가스를 보내는 라인 상에 설치되어, 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 압축기(511)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 팽창기(522)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 3 냉각기(230)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 3 압축기(511) 후단에 설치되어, 제 3 압축기(511)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다. 제 3 압축기(511) 및 제 3 냉각기(230)를 통과한 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)로 보내진다.
본 실시예의 제 2 압축기(115)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 후 제 2 밸브(710)를 지나 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시켜, 연료공급 시스템으로 보낸다. 또한, 제 2 압축기(115)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(10) 내부의 압력을 측정하는 센서가 보내는 값이, 정해진 값보다 낮은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 낮추고, 정해진 값보다 높은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 높이도록 조절될 수 있다.
본 실시예의 제 4 냉각기(215)는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 압축기(115) 후단에 설치되어, 제 2 압축기(115)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 다수개의 압축기 및 다수개의 냉각기를 포함하여, 엔진이 필요로 하는 압력에 따라 천연가스가 다단계의 압축 과정을 거치게 할 수도 있다.
본 실시예에서의 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
시스템 외부로부터 공급되는 천연가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)에서 냉매와 열교환되어 냉각된 후 제 1 기액분리기(405)로 보내져, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된 후 컴팬더(500)의 팽창부(501)로 보내지고, 팽창부(501)에 의해 팽창된 유체는 증류탑(900)의 상부로 보내진다. 제 1 기액분리기(405)에 의해 분리된 중탄화수소는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 밸브(700)를 거친 후 증류탑(900)의 중앙부로 보내진다.
증류탑(900)에 의해 분별증류되어, 증류탑(900)의 상부로부터 배출되는 온도가 낮아진 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)로 보내져 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후, 컴팬더(500)의 압축부(502)로 보내진다. 압축부(502)로 보내진 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 후 제 1 압축기(110)로 보내진다. 한편, 증류탑(900)에 의해 분리된 콘덴세이트는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 5 냉각기(205)에 의해 냉각된 후 제 4 밸브(705)를 거쳐 콘덴세이트 저장탱크로 보내질 수 있다.
압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)에 의해 압축되고 제 2 냉각기(210)에 의해 냉각된 후 두 흐름으로 분기된다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 분기된 두 흐름의 천연가스 중, 한 흐름은, 제 1 실시예와는 달리, 바로 제 2 열교환기(310)로 보내지는 것이 아니라, 제 4 압축기(120)에 의해 추가로 압축되고 제 6 냉각기(240)에 의해 냉각된 후 제 2 열교환기(310)로 보내진다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 분기된 두 흐름의 천연가스 중, 다른 흐름은, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 팽창기(512)로 보내진다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 제 1 팽창기(512)로 보내진 천연가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 팽창기(512)에 의해 팽창된 후 제 2 팽창기(522)로 보내진다. 제 2 팽창기(522)에 의해 다시 한 번 팽창된 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)로 보내진다.
제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체는, 제 2 열교환기(310)에서, 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후, 제 3 압축기(511)로 보내져 압축된다.
제 3 압축기(511)에 의해 압축된 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 3 냉각기(230)에 의해 냉각된 후, 다시 제 1 압축기(110)로 보내져, 전술한 일련의 과정을 다시 거치게 된다.
제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내진 천연가스는, 제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된 후, 팽창수단(600)에 의해 팽창된다. 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부가 액화된 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)로 보내져, 제 2 기액분리기(410)에 의해 액화천연가스와 액화되지 못하고 기체로 남아있는 천연가스가 분리된다.
제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 3 밸브(30)를 통과한 후 저장탱크(10)로 보내지고, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 밸브(710)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된 후, 제 2 압축기(115)로 보내진다.
제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 후 제 2 압축기(115)로 보내진 유체는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 압축기(115)에 의해 압축되고 제 4 냉각기(215)에 의해 냉각된 후 연료공급 시스템으로 보내져, 엔진의 연료로 사용된다.
한편, 저장탱크(10) 내부에서 발생된 증발가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내진다.
저장탱크(10)로부터, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 천연가스가 보내지는 라인 상으로 보내진 증발가스는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로서 열교환된 후, 제 2 압축기(115) 및 제 4 냉각기(215)를 통과하여 연료공급 시스템으로 보내진다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 제 3 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 도 2에 도시된 제 2 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박에 비해, 제 3 기액분리기(420) 및 제 5 밸브(720)를 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제 2 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305), 제 1 기액분리기(405), 컴팬더(500), 제 1 냉각기(200), 증류탑(900), 제 1 밸브(700), 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 1 팽창기(512), 제 2 팽창기(522), 제 2 열교환기(310), 팽창수단(600), 제 2 기액분리기(410), 제 2 밸브(710), 제 3 밸브(30), 제 3 압축기(511), 제 3 냉각기(230), 제 2 압축기(115), 제 4 냉각기(215), 제 4 압축기(120), 및 제 6 냉각기(240)를 포함한다.
단, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 2 실시예와는 달리, 제 1 팽창기(512)와 제 2 팽창기(522) 사이에 설치되어, 제 1 팽창기(512)를 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 3 기액분리기(420); 및 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리되어 제 2 열교환기(310)로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 5 밸브(720);를 더 포함한다.
본 실시예의 선박에 설치되는 저장탱크(10)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 다수개가 선체 길이 방향으로 나란히 설치되며, 선체 내부 공간 활용이 용이한 멤브레인형 저장탱크인 것이 바람직하다. 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내져, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된다. 또한, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 3 밸브(30)를 지나 저장탱크(10)로 보내진다.
본 실시예의 제 1 열교환기(305)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 증류탑(900)으로부터 배출되는 유체를 냉매로 사용하여, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시킨다. 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된다.
시스템 외부로부터 제 1 열교환기(305)로 공급되는 천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 건조기(Dryer)에서 수분 건조 과정을 거친 천연가스일 수 있다.
본 실시예의 제 1 기액분리기(405)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체로부터 중탄화수소 성분을 분리하여, 중탄화수소는 증류탑(900)의 중앙부로 보내고, 중탄화수소 성분이 제거되어 메탄 함량이 높아진 유체는 컴팬더(500)로 보낸다.
본 실시예의 컴팬더(500)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 대부분 분리된 후 제 1 기액분리기(405)로부터 보내진 유체를 팽창시키는 팽창부(501); 및 제 1 열교환기(305)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 압축부(502);를 포함한다. 본 실시예의 압축부(502) 및 팽창부(501)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 축으로 연결되어, 팽창부(501)가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지에 의해 압축부(502)가 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 1 냉각기(200)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 압축부(502)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 증류탑(900)은, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)로부터 분리된 중탄화수소와 팽창부(501)로부터 보내진 유체를 성분별로 분리하여, 콘덴세이트는 콘덴세이트를 저장하는 탱크로 보내고, 보다 메탄의 비율이 높아지도록 정제된 천연가스는 제 1 열교환기(305)로 보낸다.
또한, 본 실시예의 증류탑(900)은, 제 2 실시예와 마찬가지로, 리보일러(910)를 더 포함할 수 있고, 리보일러(910)는 증류탑(900)과 별도로 설치될 수도 있다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 2 실시예와 마찬가지로, 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트를 냉각시키는 제 5 냉각기(205); 및 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트의 유량 및 압력을 조절하는 제 4 밸브(705);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제 1 밸브(700)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)로부터 증류탑(900)으로 중탄화수소를 보내는 라인상에 설치되어, 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 1 압축기(110)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 컴팬더(500)에 의해 압축된 후 제 1 냉각기(200)를 통과한 유체를 압축시키고, 본 실시예의 제 2 냉각기(210)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 제 4 압축기(120)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스 중, 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스를 추가적으로 압축시킨다.
본 실시예의 제 1 압축기(110) 및 제 4 압축기(120)에 의해 압축된 천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 초임계상태가 될 수 있도록 대략 50bar 이상의 압력을 가지는 것이 바람직하다.
본 실시예의 제 6 냉각기(240)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 4 압축기(120)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 제 1 팽창기(512)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시킨다.
단, 본 실시예의 제 1 팽창기(512)는, 제 2 실시예와는 달리, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시킨 후, 제 2 팽창기(522)로 바로 보내는 것이 아니라, 먼저 제 3 기액분리기(420)로 보낸다.
본 실시예의 제 3 기액분리기(420)는, 제 1 팽창기(512)를 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하여, 액화천연가스는 제 2 열교환기(310)로 보내 냉매로 사용할 수 있도록 하고, 천연가스는 제 2 팽창기(522)로 보내 제 2 팽창기(522)에 의해 추가적으로 팽창될 수 있도록 한다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 3 기액분리기(420)를 포함하여 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스를 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용할 수 있도록 하므로, 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 비하여 제 2 열교환기(310)에서의 액화 효율이 높아질 수 있다.
본 실시예의 제 5 밸브(720)는, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내는 라인 상에 설치되어, 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절한다. 즉, 제 5 밸브(720)는, 제 2 팽창기(522)를 통과하여 제 2 열교환기(310)로 보내지는 유체의 유량 및 제 2 열교환기(310)의 용량을 고려하여, 제 3 기액분리기(420)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 액화천연가스의 양을 조절하며, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용되는 액화천연가스의 온도를 더 낮춰 제 2 열교환기(310)에서의 액화 효율을 높일 수 있도록, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리되어 제 2 열교환기(310)로 보내지는 액화천연가스를 추가적으로 팽창시킨다.
제 2 팽창기(522)는, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 천연가스를 팽창시킨 후 제 2 열교환기(310)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 열교환기(310)는, 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 천연가스를, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 후 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 자가열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 팽창수단(600)은, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)에서 열교환되어 온도가 낮아진 유체의 압력을 낮추며, 천연가스는 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하면서 일부가 액화된다. 팽창수단(600)은 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 제 2 기액분리기(410)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 팽창수단(600) 후단에 설치되어, 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 천연가스를 분리시켜, 액화천연가스는 저장탱크(10)로 보내고, 천연가스는 제 2 열교환기(310)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 밸브(710)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내는 라인 상에 설치되어, 천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 밸브(30)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)로부터 저장탱크(10)로 분리된 액화천연가스를 보내는 라인 상에 설치되어, 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 압축기(511)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 3 냉각기(230)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 3 압축기(511) 후단에 설치되어, 제 3 압축기(511)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다. 제 3 압축기(511) 및 제 3 냉각기(230)를 통과한 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)로 보내진다.
본 실시예의 제 2 압축기(115)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 후 제 2 밸브(710)를 지나 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시켜, 연료공급 시스템으로 보낸다. 또한, 제 2 압축기(115)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(10) 내부의 압력을 측정하는 센서가 보내는 값이, 정해진 값보다 낮은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 낮추고, 정해진 값보다 높은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 높이도록 조절될 수 있다.
본 실시예의 제 4 냉각기(215)는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 압축기(115) 후단에 설치되어, 제 2 압축기(115)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 2 실시예와 마찬가지로, 다수개의 압축기 및 다수개의 냉각기를 포함하여, 엔진이 필요로 하는 압력에 따라 천연가스가 다단계의 압축 과정을 거치게 할 수도 있다.
본 실시예에서의 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
시스템 외부로부터 공급되는 천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)에서 냉매와 열교환되어 냉각된 후 제 1 기액분리기(405)로 보내져, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된 후 컴팬더(500)의 팽창부(501)로 보내지고, 팽창부(501)에 의해 팽창된 유체는 증류탑(900)의 상부로 보내진다. 제 1 기액분리기(405)에 의해 분리된 중탄화수소는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 밸브(700)를 거친 후 증류탑(900)의 중앙부로 보내진다.
증류탑(900)에 의해 분별증류되어, 증류탑(900)의 상부로부터 배출되는 온도가 낮아진 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)로 보내져 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후, 컴팬더(500)의 압축부(502)로 보내진다. 압축부(502)로 보내진 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 후 제 1 압축기(110)로 보내진다. 한편, 증류탑(900)에 의해 분리된 콘덴세이트는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 5 냉각기(205)에 의해 냉각된 후 제 4 밸브(705)를 거쳐 콘덴세이트 저장탱크로 보내질 수 있다.
압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)에 의해 압축되고 제 2 냉각기(210)에 의해 냉각된 후 두 흐름으로 분기된다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 분기된 두 흐름의 천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 한 흐름은, 제 4 압축기(120)에 의해 추가로 압축되고 제 6 냉각기(240)에 의해 냉각된 후 제 2 열교환기(310)로 보내지고, 다른 흐름은, 제 1 팽창기(512)로 보내진다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 제 1 팽창기(512)로 보내진 천연가스는, 제 2 실시예와는 달리, 제 1 팽창기(512)에 의해 팽창된 후 제 2 팽창기(522)로 바로 보내지는 것이 아니라, 먼저 제 3 기액분리기(420)로 보내진다. 제 1 팽창기(512)를 통과한 후 제 3 기액분리기(420)로 보내진 유체는, 천연가스와 액화천연가스가 분리된다.
제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 천연가스는, 제 2 팽창기(522)로 보내져 다시 한 번 팽창된 후, 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된다.
제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 5 밸브(720)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용되고, 제 5 밸브(720)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 액화천연가스는, 일부 또는 전부가 기화되어, 제 2 팽창기(522)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된 유체와 함께 제 3 압축기(511)로 보내진다.
제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 후 제 3 압축기(511)로 보내진 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 3 압축기(511)에 의해 압축되고, 제 3 냉각기(230)에 의해 냉각된 후, 다시 제 1 압축기(110)로 보내져, 전술한 일련의 과정을 다시 거치게 된다.
제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내진 천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 후 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된 후, 팽창수단(600)에 의해 팽창된다. 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부가 액화된 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)로 보내져, 제 2 기액분리기(410)에 의해 액화천연가스와 액화되지 못하고 기체로 남아있는 천연가스가 분리된다.
제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 3 밸브(30)를 통과한 후 저장탱크(10)로 보내지고, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 밸브(710)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된 후, 제 2 압축기(115)로 보내진다.
제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 후 제 2 압축기(115)로 보내진 유체는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 압축기(115)에 의해 압축되고 제 4 냉각기(215)에 의해 냉각된 후 연료공급 시스템으로 보내져, 엔진의 연료로 사용된다.
한편, 저장탱크(10) 내부에서 발생된 증발가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내진다.
저장탱크(10)로부터, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 천연가스가 보내지는 라인 상으로 보내진 증발가스는, 제 2 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로서 열교환된 후, 제 2 압축기(115) 및 제 4 냉각기(215)를 통과하여 연료공급 시스템으로 보내진다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 4 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 제 4 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 도 3에 도시된 제 3 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박에 비해, 제 3 열교환기(320), 제 5 압축기(130) 및 제 7 냉각기(250)을 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제 3 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305), 제 1 기액분리기(405), 컴팬더(500), 제 1 냉각기(200), 증류탑(900), 제 1 밸브(700), 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 1 팽창기(512), 제 3 기액분리기(420), 제 5 밸브(720), 제 2 팽창기(522), 제 2 열교환기(310), 팽창수단(600), 제 2 기액분리기(410), 제 2 밸브(710), 제 3 밸브(30), 제 3 압축기(511), 제 3 냉각기(230), 제 2 압축기(115), 제 4 냉각기(215), 제 4 압축기(120), 및 제 6 냉각기(240)를 포함한다.
단, 본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 3 실시예와는 달리, 제 1 팽창기(512)와 제 3 기액분리기(420) 사이에 설치되어, 제 1 팽창기(512)를 통과한 천연가스를 자가열교환시켜 액화시키는 제 3 열교환기(320); 제 1 팽창기(512)로부터 보내져 제 3 열교환기(320)를 통과한 유체를 압축시키는 제 5 압축기(130); 및 제 5 압축기(130)를 통과한 유체의 온도를 낮추는 제 7 냉각기(250);를 더 포함한다.
본 실시예의 선박에 설치되는 저장탱크(10)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 다수개가 선체 길이 방향으로 나란히 설치되며, 선체 내부 공간 활용이 용이한 멤브레인형 저장탱크인 것이 바람직하다. 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내져, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된다. 또한, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 밸브(30)를 지나 저장탱크(10)로 보내진다.
본 실시예의 제 1 열교환기(305)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 증류탑(900)으로부터 배출되는 유체를 냉매로 사용하여, 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시킨다. 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된다.
시스템 외부로부터 제 1 열교환기(305)로 공급되는 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 건조기(Dryer)에서 수분 건조 과정을 거친 천연가스일 수 있다.
본 실시예의 제 1 기액분리기(405)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)에 의해 냉각된 유체로부터 중탄화수소 성분을 분리하여, 중탄화수소는 증류탑(900)의 중앙부로 보내고, 중탄화수소 성분이 제거되어 메탄 함량이 높아진 유체는 컴팬더(500)로 보낸다.
본 실시예의 컴팬더(500)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 대부분 분리된 후 제 1 기액분리기(405)로부터 보내진 유체를 팽창시키는 팽창부(501); 및 제 1 열교환기(305)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 압축부(502);를 포함한다. 본 실시예의 압축부(502) 및 팽창부(501)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 축으로 연결되어, 팽창부(501)가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지에 의해 압축부(502)가 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 1 냉각기(200)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 압축부(502)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 올라간 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 증류탑(900)은, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)로부터 분리된 중탄화수소와 팽창부(501)로부터 보내진 유체를 성분별로 분리하여, 콘덴세이트는 콘덴세이트를 저장하는 탱크로 보내고, 보다 메탄의 비율이 높아지도록 정제된 천연가스는 제 1 열교환기(305)로 보낸다.
또한, 본 실시예의 증류탑(900)은, 제 3 실시예와 마찬가지로, 리보일러(910)를 더 포함할 수 있고, 리보일러(910)는 증류탑(900)과 별도로 설치될 수도 있다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 3 실시예와 마찬가지로, 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트를 냉각시키는 제 5 냉각기(205); 및 증류탑(900)으로부터 배출되는 콘덴세이트의 유량 및 압력을 조절하는 제 4 밸브(705);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제 1 밸브(700)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 기액분리기(405)로부터 증류탑(900)으로 중탄화수소를 보내는 라인상에 설치되어, 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 1 압축기(110)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 컴팬더(500)에 의해 압축된 후 제 1 냉각기(200)를 통과한 유체를 압축시키고, 본 실시예의 제 2 냉각기(210)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 제 4 압축기(120)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스 중, 제 2 열교환기(310)로 보내지는 천연가스를 추가적으로 압축시킨다.
본 실시예의 제 1 압축기(110) 및 제 4 압축기(120)에 의해 압축된 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 초임계상태가 될 수 있도록 대략 50bar 이상의 압력을 가지는 것이 바람직하다.
본 실시예의 제 6 냉각기(240)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 4 압축기(120)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 천연가스의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 제 1 팽창기(512)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시킨다.
단, 본 실시예의 제 1 팽창기(512)는, 제 3 실시예와는 달리, 제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시킨 후, 제 3 기액분리기(420)로 바로 보내는 것이 아니라, 그 전에 제 3 열교환기(320)로 보낸다.
본 실시예의 제 3 열교환기(320)는, 제 1 팽창기(512)를 통과한 유체와, 제 3 열교환기(320)를 통과한 후 제 5 압축기(130) 및 제 7 냉각기(250)를 통과한 유체를 열교환시킨다. 즉, 제 3 열교환기(320)는, 제 2 팽창기를 통과한 유체를 냉매로 하여, 제 5 압축기(130) 및 제 7 냉각기(250)를 통과하며 압력이 높아진 유체를 액화시킨다.
도 5에 도시된 바와 같이, 압력이 낮을 때에는 천연가스의 온도를 낮춰도 액화되지 않을 수 있지만(도 5의 X), 천연가스의 압력을 높인 후에는 같은 정도로 온도를 낮춰도 천연가스를 액화시킬 수 있다(도 5의 Y).
따라서, 제 1 팽창기(512) 및 제 3 열교환기(320)를 통과한 유체를, 제 5 압축기(130)에 의해 압축시킨 후 다시 제 3 열교환기(320)로 보내, 제 1 팽창기(512) 및 제 3 열교환기(320)를 통과한 유체와 자가열교환시키면, 제 5 압축기(130)에 의해 압력이 높아진 유체는 냉각되며 일부가 액화될 수 있다.
제 1 팽창기(512) 및 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창만으로, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용하기에 충분한 양의 액화천연가스가 생성되지 않는 경우, 본 실시예서와 같이 제 3 열교환기(320) 및 제 5 압축기(130)를 포함하여, 냉매로 사용되는 천연가스의 액화량을 증가시킬 수 있다.
본 실시예의 제 5 압축기(130)는, 제 1 팽창기(512)를 통과한 후 제 3 열교환기(320)에서 냉매로서 열교환된 유체의 압력을 높인다.
본 실시예의 제 7 냉각기(250)는, 제 5 압축기(130)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다. 제 7 냉각기(250)는, 일례로 대략 상온의 담수(fresh water)와 유체를 열교환시켜, 유체를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 제 3 기액분리기(420)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 열교환기(320)를 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하여, 액화천연가스는 제 2 열교환기(310)로 보내 냉매로 사용할 수 있도록 하고, 천연가스는 제 2 팽창기(522)로 보내 제 2 팽창기(522)에 의해 추가적으로 팽창될 수 있도록 한다.
본 실시예의 제 5 밸브(720)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내는 라인 상에 설치되어, 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
제 2 팽창기(522)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 천연가스를 팽창시킨 후 제 2 열교환기(310)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 열교환기(310)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 천연가스를, 제 1 팽창기(512)와 제 2 팽창기(522)를 통과한 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 자가열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 팽창수단(600)은, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)에서 열교환되어 온도가 낮아진 유체의 압력을 낮추며, 천연가스는 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하면서 일부가 액화된다. 팽창수단(600)은 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 제 2 기액분리기(410)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 팽창수단(600) 후단에 설치되어, 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체 상태로 남아있는 천연가스를 분리시켜, 액화천연가스는 저장탱크(10)로 보내고, 천연가스는 제 2 열교환기(310)로 보낸다.
본 실시예의 제 2 밸브(710)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스를 제 2 열교환기(310)로 보내는 라인 상에 설치되어, 천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 밸브(30)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)로부터 저장탱크(10)로 분리된 액화천연가스를 보내는 라인 상에 설치되어, 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절한다.
본 실시예의 제 3 압축기(511)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시킨다.
본 실시예의 제 3 냉각기(230)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 압축기(511) 후단에 설치되어, 제 3 압축기(511)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다. 제 3 압축기(511) 및 제 3 냉각기(230)를 통과한 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)로 보내진다.
본 실시예의 제 2 압축기(115)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 후 제 2 밸브(710)를 지나 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시켜, 연료공급 시스템으로 보낸다. 또한, 제 2 압축기(115)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(10) 내부의 압력을 측정하는 센서가 보내는 값이, 정해진 값보다 낮은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 낮추고, 정해진 값보다 높은 경우에는 압축시키는 천연가스의 유량을 높이도록 조절될 수 있다.
본 실시예의 제 4 냉각기(215)는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 압축기(115) 후단에 설치되어, 제 2 압축기(115)를 통과하며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 유체의 온도를 낮춘다.
본 실시예의 저장탱크를 포함하는 선박은, 제 3 실시예와 마찬가지로, 다수개의 압축기 및 다수개의 냉각기를 포함하여, 엔진이 필요로 하는 압력에 따라 천연가스가 다단계의 압축 과정을 거치게 할 수도 있다.
본 실시예에서의 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
시스템 외부로부터 공급되는 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)에서 냉매와 열교환되어 냉각된 후 제 1 기액분리기(405)로 보내져, 제 1 기액분리기(405)에 의해 중탄화수소 성분이 분리된 후 컴팬더(500)의 팽창부(501)로 보내지고, 팽창부(501)에 의해 팽창된 유체는 증류탑(900)의 상부로 보내진다. 제 1 기액분리기(405)에 의해 분리된 중탄화수소는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 밸브(700)를 거친 후 증류탑(900)의 중앙부로 보내진다.
증류탑(900)에 의해 분별증류되어, 증류탑(900)의 상부로부터 배출되는 온도가 낮아진 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 열교환기(305)로 보내져 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후, 컴팬더(500)의 압축부(502)로 보내진다. 압축부(502)로 보내진 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 후 제 1 압축기(110)로 보내진다. 한편, 증류탑(900)에 의해 분리된 콘덴세이트는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 5 냉각기(205)에 의해 냉각된 후 제 4 밸브(705)를 거쳐 콘덴세이트 저장탱크로 보내질 수 있다.
압축부(502)에 의해 압축되고 제 1 냉각기(200)에 의해 냉각된 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 1 압축기(110)에 의해 압축되고 제 2 냉각기(210)에 의해 냉각된 후 두 흐름으로 분기된다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 분기된 두 흐름의 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 한 흐름은, 제 4 압축기(120)에 의해 추가로 압축되고 제 6 냉각기(240)에 의해 냉각된 후 제 2 열교환기(310)로 보내지고, 다른 흐름은, 제 1 팽창기(512)로 보내진다.
제 1 압축기(110) 및 제 2 냉각기(210)를 통과한 후 제 1 팽창기(512)로 보내진 천연가스는, 제 3 실시예와는 달리, 제 1 팽창기(512)에 의해 팽창된 후 바로 제 3 기액분리기(420)로 보내지는 것이 아니라, 먼저, 제 3 열교환기(320)로 보내진다.
제 1 팽창기(512)를 통과한 후 제 3 열교환기(320)로 보내진 유체는, 1차로 냉매로서 제 3 열교환기(320)에서 열교환된 후, 제 5 압축기(130) 및 제 6 냉각기(250)를 통과한 후 다시 제 3 열교환기(320)로 보내져, 제 1 팽창기(512)로부터 제 3 열교환기(320)로 보내진 유체와 2차로 열교환된다. 제 5 압축기(130) 및 제 6 냉각기(250)를 통과한 후 제 3 열교환기(320)에서 2차로 열교환된 유체는, 제 3 기액분리기(420)로 보내진다.
제 3 기액분리기(420)로 보내진 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 액화천연가스와 천연가스가 분리되고, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 5 밸브(720)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용되며, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 팽창기(522)로 보내져 다시 한 번 팽창된 후, 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된다.
제 5 밸브(720)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 액화천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 일부 또는 전부가 기화되어, 제 2 팽창기(522)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된 유체와 함께 제 3 압축기(511)로 보내진다.
제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 후 제 3 압축기(511)로 보내진 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 압축기(511)에 의해 압축되고, 제 3 냉각기(230)에 의해 냉각된 후, 다시 제 1 압축기(110)로 보내져, 전술한 일련의 과정을 다시 거치게 된다.
제 1 압축기(110), 제 2 냉각기(210), 제 4 압축기(120) 및 제 6 냉각기(240)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내진 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 액화천연가스, 제 3 기액분리기(420)에 의해 분리된 후 제 2 팽창기(522)에 의해 팽창된 유체, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스, 및 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된 후, 팽창수단(600)에 의해 팽창된다. 제 2 열교환기(310) 및 팽창수단(600)을 통과하며 일부가 액화된 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)로 보내져, 제 2 기액분리기(410)에 의해 액화천연가스와 액화되지 못하고 기체로 남아있는 천연가스가 분리된다.
제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 액화천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 3 밸브(30)를 통과한 후 저장탱크(10)로 보내지고, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 밸브(710)를 통과한 후 제 2 열교환기(310)로 보내져 냉매로 사용된 후, 제 2 압축기(115)로 보내진다.
제 2 열교환기(310)에서 냉매로 사용된 후 제 2 압축기(115)로 보내진 유체는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 압축기(115)에 의해 압축되고 제 4 냉각기(215)에 의해 냉각된 후 연료공급 시스템으로 보내져, 엔진의 연료로 사용된다.
한편, 저장탱크(10) 내부에서 발생된 증발가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스가, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 보내지는 라인 상으로 보내진다.
저장탱크(10)로부터, 제 2 기액분리기(410)로부터 제 2 열교환기(310)로 천연가스가 보내지는 라인 상으로 보내진 증발가스는, 제 3 실시예와 마찬가지로, 제 2 기액분리기(410)에 의해 분리된 천연가스와 함께, 제 2 열교환기(310)에서 냉매로서 열교환된 후, 제 2 압축기(115) 및 제 4 냉각기(215)를 통과하여 연료공급 시스템으로 보내진다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 저장탱크
30, 700, 705, 710, 720 : 밸브
110, 115, 120, 130, 511 : 압축기
200, 205, 210, 215, 230 ,240, 250 : 냉각기
305, 310, 320 : 열교환기 405, 410, 420 : 기액분리기
500 : 컴팬더 501 : 팽창부
502 : 압축부 512, 522 : 팽창기
600 : 팽창수단 900 : 증류탑
910 : 리보일러

Claims (19)

  1. 저장탱크를 포함하는 선박에 있어서,
    시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 1 열교환기;
    상기 제 1 열교환기를 통과하며 냉각된 유체 중 중탄화수소(Heavy Hydrocarbon) 성분을 분리하는 제 1 기액분리기;
    상기 제 1 열교환기에서 냉매로서 열교환된 유체를 압축시키거나, 상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시키는 컴팬더;
    상기 컴팬더에 의해 압축된 유체를 냉각시키는 제 1 냉각기;
    상기 제 1 기액분리기를 통과한 유체를 분리시키는 증류탑;
    상기 제 1 기액분리기로부터 상기 증류탑으로 보내지는 중탄화수소의 유량 및 압력을 조절하는 제 1 밸브;
    상기 컴팬더에 의해 압축된 후 상기 제 1 냉각기를 통과한 유체를 압축시키는 제 1 압축기;
    상기 제 1 압축기에 의해 압축된 천연가스를 냉각시키는 제 2 냉각기;
    상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 천연가스의 일부를 팽창시키는 제 1 팽창기;
    상기 제 1 팽창기를 통과한 유체를 추가적으로 팽창시키는 제 2 팽창기;
    천연가스를 자가열교환시켜 냉각시키는 제 2 열교환기;
    상기 제 2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시키는 팽창수단;
    상기 팽창수단 후단에 설치되어 액화천연가스와 기체상태의 천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기;
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 2 밸브;
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리되어 상기 저장탱크로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 3 밸브;
    상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제 3 압축기; 및
    상기 제 3 압축기를 통과한 유체를 냉각시키는 제 3 냉각기;를 포함하고,
    상기 제 1 열교환기는, 상기 증류탑 상부로부터 배출된 유체를 냉매로 하여 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키고,
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 열교환기로 보내진 천연가스는, 상기 제 2 열교환기에서 냉매로서 열교환 된 후 연료공급 시스템으로 보내지고,
    상기 제 2 열교환기는, 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 후 분기되어, 상기 제 1 팽창기 및 상기 제 2 팽창기 중 하나 이상에 의해 팽창된 유체; 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 천연가스; 및 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스;를 냉매로 하여, 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 냉각기를 통과한 후 분기된 다른 일부의 천연가스를 냉각시키는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 천연가스를 상기 연료공급 시스템으로 보내는 라인 상에 설치되어, 천연가스를 압축시키는, 제 2 압축기; 및
    상기 제 2 압축기 후단에 설치되어, 상기 제 2 압축기를 통과한 유체를 냉각시키는 제 4 냉각기;
    를 더 포함하는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 기액분리기로부터 분리된 중탄화수소는 상기 증류탑의 중앙부로 보내지고,
    상기 컴팬더에 의해 팽창된 유체는 상기 증류탑의 상부로 보내지는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 컴팬더는,
    상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 후, 상기 제 1 기액분리기로부터 보내진 유체를 팽창시키는 팽창부; 및
    상기 제 1 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 압축부;를 포함하고,
    상기 압축부 및 상기 팽창부는, 축으로 연결되어, 상기 팽창부가 유체를 팽창시키면서 얻은 에너지에 의해 상기 압축부가 유체를 압축시키는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류탑은, 상기 증류탑으로 보내진 유체로부터 콘덴세이트를 분리하고,
    상기 증류탑으로부터 배출되는 콘덴세이트를 냉각시키는 제 5 냉각기; 및
    상기 증류탑으로부터 배출되는 콘덴세이트의 유량 및 압력을 조절하는 제 3 밸브를 더 포함하는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 압축기를 통과한 천연가스는 초임계 유체 상태인, 저장탱크를 포함하는 선박.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창수단은 팽창밸브 또는 팽창기인, 저장탱크를 포함하는 선박.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 압축기에 의해 압축된 천연가스를 추가적으로 압축시키는 제 4 압축기; 및
    상기 제 4 압축기를 통과한 천연가스의 온도를 낮추는 제 6 냉각기;를 더 포함하고,
    상기 제 1 압축기, 상기 제 2 냉각기, 상기 제 4 압축기 및 상기 제 6 냉각기를 통과한 천연가스는, 상기 제 2 열교환기에서 냉매와 열교환되어 냉각되는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 압축기 및 상기 제 4 압축기를 통과한 천연가스는 초임계 유체 상태인, 저장탱크를 포함하는 선박.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 팽창기를 통과하며 일부 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 3 기액분리기; 및
    상기 제 3 기액분리기에 의해 분리되어 상기 제 2 열교환기로 보내지는 액화천연가스의 유량 및 압력을 조절하는 제 5 밸브;를 더 포함하고,
    상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는 상기 제 2 팽창기로 보내지고,
    상기 제 2 열교환기는, 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 5 밸브를 통과한 액화천연가스; 및 상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 후 상기 제 2 팽창기를 통과한 유체;를 냉매로 사용하는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 팽창기를 통과한 천연가스를 자가열교환시켜 액화시키는 제 3 열교환기;
    상기 제 3 열교환기를 통과한 유체를 압축시키는 제 5 압축기; 및
    상기 제 5 압축기를 통과한 유체의 온도를 낮추는 제 7 냉각기;를 더 포함하고,
    상기 제 3 열교환기는, 상기 제 1 팽창기로부터 보내진 유체를 냉매로 하여, 상기 제 1 팽창기로부터 보내진 후 상기 제 3 열교환기, 상기 제 5 압축기 및 상기 제 7 냉각기를 통과한 유체를 냉각시킨 후 상기 제 3 기액분리기로 보내는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  12. 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 제 1 열교환기, 상기 제 1 열교환기를 통과한 천연가스로부터 중탄화수소를 분리하는 제 1 기액분리기, 상기 제 1 기액분리기에 의해 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시키는 컴팬더의 팽창부, 상기 제 1 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 컴팬더의 압축부, 상기 압축부를 통과한 유체를 냉각시키는 제 1 냉각기, 및 상기 팽창부에 의해 팽창된 유체 및 상기 제 1 기액분리기에 의해 분리된 중탄화수소로부터 콘덴세이트를 분리하는 증류탑을 포함하는, 증류 시스템;
    상기 증류 시스템으로부터 보내진 천연가스를 압축시키는 제 1 압축기, 상기 제 1 압축기를 통과한 유체를 팽창시키는 제 1 팽창기, 상기 제 1 팽창기에 의해 팽창된 유체를 추가적으로 팽창시키는 제 2 팽창기, 상기 제 2 팽창기에 의해 팽창된 유체를 냉매로 사용하는 제 2 열교환기, 및 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체를 압축시키는 제 3 압축기를 포함하는, 냉매 시스템;
    상기 제 1 압축기, 상기 제 2 열교환기, 상기 제 2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시키는 팽창수단, 및 상기 제 2 열교환기 및 상기 팽창수단을 통과하며 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기를 포함하는, 액화 시스템;
    저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 상기 제 2 열교환기에 냉매로 공급하는 증발가스 공급 시스템; 및
    상기 제 2 기액분리기로부터 분리된 후 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 천연가스를 엔진의 연료로 공급하는 연료공급 시스템;을 포함하고,
    상기 제 1 열교환기는, 상기 증류탑 상부로부터 배출된 유체를 냉매로 사용하고,
    상기 제 2 열교환기는, 상기 냉매 시스템에 의해 공급되는 냉매 및 상기 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 이용하여 상기 제 1 압축기를 통과한 천연가스를 냉각시키며,
    상기 냉매 시스템은 개방 루프인, 저장탱크를 포함하는 선박.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연료공급 시스템은,
    상기 제 2 기액분리기로부터 분리된 후 상기 제 2 열교환기에서 냉매로 사용된 천연가스를 압축시키는 제 2 압축기를 더 포함하는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉매 시스템은,
    상기 제 1 팽창기에 의해 액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 천연가스를 분리하는 제 3 기액분리기를 더 포함하고,
    상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는, 상기 제 2 열교환기로 보내져 냉매로 사용되고,
    상기 제 3 기액분리기에 의해 분리된 천연가스는, 상기 제 2 팽창기로 보내지는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 냉매 시스템은,
    상기 제 1 팽창기에 의해 팽창된 유체를 액화시켜 상기 제 3 기액분리기로 보내는 제 3 열교환기; 및
    상기 제 3 열교환기를 통과한 유체를 압축시키는 제 5 압축기;를 더 포함하고,
    상기 제 3 열교환기는, 상기 제 1 팽창기를 통과한 유체를 냉매로 하여, 상기 제 1 팽창기를 통과한 후 상기 제 3 열교환기 및 상기 제 5 압축기를 통과한 유체를 냉각시키는, 저장탱크를 포함하는 선박.
  16. 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 증류탑으로부터 배출된 유체와 열교환시켜 냉각시키고,
    상기 열교환시켜 냉각시킨 유체로부터 중탄화수소를 분리해내고,
    상기 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시킨 후 상기 증류탑 상부로 보내고,
    상기 분리된 중탄화수소를 상기 증류탑 중앙부로 보내고,
    상기 증류탑에 의해 콘덴세이트가 분리된 후 상기 증류탑 상부로부터 배출되는 유체를, 상기 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용하고,
    상기 시스템 외부로부터 공급되는 천연가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 유체를, 상기 중탄화수소가 분리된 유체를 팽창시킬 때 방출된 에너지를 사용하여 압축시킨 후 냉각시키고,
    상기 열교환의 냉매로 사용된 후 압축 및 냉각된 유체를 다시 압축 및 냉각시키고,
    상기 다시 압축 및 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키고,
    상기 분기된 두 흐름 중, 한 흐름(이하, 'a 흐름'이라고 함.)의 유체는 팽창시킨 후 열교환의 냉매로 사용하고, 다른 흐름(이하, 'b 흐름'이라고 함.)은, 상기 a 흐름과 열교환시켜 냉각시키고,
    상기 냉각된 b 흐름은, 팽창되어 일부가 액화되고,
    상기 일부 액화된 b 흐름은 천연가스와 액화천연가스가 분리되어, 상기 분리된 천연가스는 상기 b 흐름을 냉각시키는 냉매로 사용된 후 연료공급 시스템으로 보내지고, 상기 분리된 액화천연가스는 저장탱크로 되돌려 보내지고,
    상기 b 흐름을 냉각시키는 열교환의 냉매로 사용되고 난 후의 a 흐름은 압축되며,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스는 상기 b 흐름을 냉각시키는 냉매로 사용되는, 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 b 흐름은, 상기 a 흐름과 열교환되어 냉각되기 전에 추가적으로 압축되는, 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 a 흐름은, 팽창된 후, 열교환의 냉매로 사용되기 전에, 기체상과 액체상이 분리되고, 상기 a 흐름으로부터 분리된 천연가스는 다시 한 번 팽창된 후 상기 b 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 냉매로 사용되고, 상기 a 흐름으로부터 분리된 액화천연가스는 상기 b 흐름을 열교환시켜 냉각시키는 냉매로 사용되는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 a 흐름은, 팽창된 후, 기체상과 액체상이 분리되기 전에, 냉매로서 열교환된 후(이하, 'c 흐름'이라고 함.) 압축 및 냉각되어, 상기 c 흐름과 자가열교환된 후, 기체상과 액체상이 분리되는, 방법.
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