KR102326669B1 - 해수면에 설치되는 천연가스액화설비와 이에 관련된 냉각방법 - Google Patents

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테크니프 프랑스 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명의 천연가스액화설비(10)가 하나 이상의 공냉식 열교환기(22)를 초함하고, 이 공냉식 열교환기(22)가 냉각될 흐름이 수용될 수 있는 튜브 번들(74), 공기흐름이 튜브 번들(74)을 가로질러 순환될 수 있도록 하는 팬과, 물분사조립체(26)를 포함한다. 담수화조립체(20)는 수역(12)내의 염수픽업(100)을 포함하고, 담수화조립체(20)는 하류측에서 물분사조립체(26)에 연결된다. 물분사조립체(26)는 튜브 번들 측으로 개방된 하나 이상의 분사노즐을 포함하고, 각 분사노즐은 담수화조립체(20)로부터 나오는 액상 탈염수를 튜브 번들의 튜브에 접촉하도록 분사하기 위하여 튜브 번들의 튜브를 향하여 형성되어 있다.

Description

해수면에 설치되는 천연가스액화설비와 이에 관련된 냉각방법
본 발명은 수역의 표면에 설치되는 천연가스액화설비에 관한 것으로,
- 냉각될 흐름이 공급될 수 있는 튜브 번들(tube bundle)과 공기의 흐름이 이러한 튜브 번들을 가로질러 순환할 수 있도록 하는 팬을 포함하는 적어도 하나의 공냉식 열교환기와,
- 물분사조립체를
포함하는 해수면에 설치되는 천연가스액화설비에 관한 것이다.
이러한 설비는 특히 수역(水域) 또는 육지의 하부에 위치하는 저장소로부터 생산되어 이러한 설비로 이송되는 천연가스를 액화할 수 있도록 한다.
이러한 설비는 "부유식 액화천연가스" 또는 "FLNG" 유닛이라는 용어를 사용하는 천연가스액화유닛이 실린 플래트폼 또는 바지선과 같은 수역에 떠 있는 설비이다.
특히 이러한 설비는 천연가스를 생산하고, 생산된 천연가스를 액화하며, 액화된 천연가스를 메탄 탱커(methane tanker) 또는 다른 운반선에 저장하거나 운반하기 위한 것이다. 이러한 설비는 천연가스를 소비처로 운반화는 것을 단순화하는 반면에 수송량을 줄여준다. 더욱이, 이러한 설비를 해상에 설치하는 것은 이러한 설비를 거주지역에 설치하는 것에 관련된 위험을 줄이고 환경영향을 줄여준다.
천연가스액화방법을 비용효율적으로 구현하기 위하여, 액화유닛은 주위의 환경, 실제로는 공기중이나 수중에 많은 양의 열을 방출한다.
대다수의 천연가스액화유닛은 1960년대 이래로 육상에 건설되었다. 육상용으로 사용된 냉각기술은 이들을 해상으로 옮겼을 때 완전히 만족스럽지 못하였다.
부유식 천연가스액화설비의 이점은 본래 이러한 설비가 풍부하고 온도가 낮은 냉각수원을 갖는 점이다. 따라서, 액화유닛으로부터 장비를 직접 또는 담수순환을 통하여 냉각시키기 위하여 수역으로부터 얻은 물을 순환시키는 것이 알려져 있다. 이는 실질적인 해수픽업과 같이 설비에 번잡스럽고 과중한 냉각수 회로를 갖도록 요구한다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 공기냉각교환기를 이용하는 것이 가능하다. 이러한 교환기는 설비에 물을 공급하는 것을 요구하지 않는다. 그러나, 이들은 충분한 교환표면을 제공하기에는 매우 번거롭다.
교환기 또는 공기냉각기에서 물의 순환에 의한 냉각네트워크는 부유식 설비의 사용공간이 육상용의 유사한 액화유닛에 비하여 적기 때문에 완전히 만족스럽지 않다. 따라서, 이러한 설비의 액화역량은 부유식 설비에 모든 장비를 수용하는 것에 제약이 있다. 더욱이, 이러한 설비에서 다량으로 생성된 가열된 물은 수역으로 배출되어야 하는바, 이는 환경영향의 문제를 야기할 수 있다.
물의 증발에 의한 냉각은 효과적이고 컴팩트한 것으로 알려져 있다. 육상에서는 냉각탑에 지류지를 제공하고 염분 및 기타 건조 잔류물이 채워진 물을 부분적으로 증발시키는 것이 비용면에서 효과적이다.
공간을 줄이기 위하여, 특허문헌 WO2015/140044에는 선체상에 배치된 중앙집중식 공기흡입파이프에 의하여 모두에 공기가 공급되는 공기열교환기가 구비된 부유식 액화천연가스생산유닛이 기술되어 있다. 이는 각각의 열교환기에 공급되는 공기가 신선한 공기이며, 열교환기에서 이미 순환된 공기가 아닌 것을 보장한다.
하나의 특정 실시예에서, 공급관의 입구에 물방울이 분사되어 유입공기를 냉각시키고 유입공기를 습윤케 한다. 파이프에서 물방울이 증발하고 열교환기에 공급되는 공기흐름에는 액체방울이 없다.
따라서 이러한 설비는 냉각능력을 향상시키지만 매우 부피가 크며 액화천연 가스의 생산능력에 영향을 준다.
본 발명의 한가지 목적은 부유식 액화천연가스 설비의 생산능력을 더욱 증가시키는 반면에 설비의 규모를 제한하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명은 상기 언급된 형태의 설비에 관한 것으로,
- 수역에서의 염수픽업을 포함하며 하류측에서 물분사조립체에 결합되는 담수화조립체를 포함하고,
물분사조립체는 튜브 번들에 형성된 하나 이상의 분사노즐을 포함하며, 각 분사노즐은 담수화조립체로부터 유입되는 액상 탈염수를 분사하여 튜브 번들의 튜브에 접촉하도록 튜브 번들의 튜브를 향함을 특징으로 한다.
본 발명의 특정 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 설비는 단독으로 또는 기술적인 조합에 따라 하나 또는 다수의 다음과 같은 구성을 포함한다:
- 튜브 번들이 여러 레벨의 튜브를 가지고, 물분사조립체가 제1 레벨 튜브의 튜브로부터 가로질러 형성된 적어도 제1 분사노즐과 제2 레벨 튜브의 튜브로부터 가로질러 형성된 적어도 제2 분사노즐을 포함한다.
- 공냉식 열교환기가 가스흐름을 위한 내부순환파이프를 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 포함하고, 튜브 번들이 내부파이프에 수용되며, 하나 이상의 분사노즐이 인클로저에 의하여 둘러싸인 내부파이프에 형성된다.
- 팬이 공기를 하부로부터 상부로, 상부로부터 하부로, 또는 튜브 번들을 가로질러 순환시킬 수 있다.
- 물분사조립체가 분사노즐 또는 각 분사노즐에 의하여 분사되는 물의 유량을 조절하기 위한 제어유닛을 포함하고, 제어유닛은 튜브 번들로부터 하류측의 물분사조립체로부터 액상 탈염수의 순환을 방지하기 위하여 물의 유량을 조절할 수 있다.
- 공냉식 열교환기 또는 각 공냉식 열교환기가 튜브 번들을 통하여 순환하는 냉각수, 튜브 번들의 상류측에서 냉각수를 압축할 수 있는 콤프레사, 튜브 번들로부터 하류측에 배치된 냉각수의 팽창부재와, 냉각수가 냉각될 공정유체와의 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 메인 열교환기를 포함하는 냉각사이클내에 배치된다.
- 냉각사이클이 공냉식 열교환기와 팽창부재 사이에 삽입된 중간 열교환기를 포함하고, 중간 열교환기는 염수픽업으로부터 유입되는 염수흐름에 의하여 그리고/또는 염수픽업을 통과하지 않고 염수펌프로부터 유입되는 염수흐름에 의하여 염수픽업으로부터 유입되는 염수흐름과의 열교환이 이루어질 수 있도록 유입되는 냉각수가 공급된다.
- 하나 이상의 가스터빈과, 담수화조립체에 연결된 하나 이상의 2차 물분사조립체를 포함하고, 2차 물분사조립체가 가스터빈내에서 담수화조립체로부터 유입되는 하나 이상의 2차 탈염수 분사노즐을 포함한다.
- 선체와 이러한 선체의 상부에 배치된 하나 이상의 데크를 포함하고, 공냉식 열교환기가 데크상에 배치되며, 담수화조립체가 선체내에 배치된다.
- 담수화조립체가 예를 들어 역삼투압, 여과시스템 및/또는 폴리싱(polishing)에 의한 순수물생산시스템을 포함한다.
본 발명은 또한 다음의 단계를 포함하는 흐름의 냉각방법에 관한 것이다:
- 상기 정의된 설비의 공냉식 열교환기의 튜브 번들에서 냉각될 흐름을 순환시키는 단계;
- 담수화조립체에서 생성된 탈염수를 물분사조립체에 공급하는 단계;
- 튜브 번들의 튜브의 반대측에 형성되고 담수화조립체로부터 유입되는 액상 탈염수를 튜브 번들의 튜브에 접촉하도록 분사하기 위하여 튜브 번들의 튜브를 향하여 배치된 하나 이상의 분사노즐에 의하여 탈염수를 분사하는 단계;
- 분사된 탈염수 전부를 증발시키는 단계;
본 발명의 특정 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 방법은 단독으로 또는 기술적인 조합에 따라 하나 또는 다수의 다음과 같은 구성을 포함한다:
- 튜브 번들이 적어도 제1 레벨의 튜브와 제2 레벨의 튜브를 가지고, 방법이 제1 레벨에 형성된 제1 분사노즐과 제2 레벨에 형성된 제2 분사노즐을 통하여 담수화조립체로부터 유입되는 탈염수를 분사하는 단계를 포함한다.
- 튜브 번들로부터 하류측의 물분사조립체로부터 액상 탈염수의 순환을 방지하기 위하여 분사노즐 또는 각 분사노즐을 통하여 분사되는 물의 유량을 조절하는 단계;
물분사조립체에 공급하기 위하여, 염수픽업을 통하여 염수를 펌핑하고, 염수를 담수화조립체에 공급하며, 담수화조립체로부터 탈염수를 생산하는 단계.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명된다.
이와 같은 본 발명은 부유식 액화천연가스 설비의 생산능력을 더욱 증가시키는 반면에 설비의 규모를 제한할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제1의 부유식 천연가스액화설비의 개략도.
도 2는 도 1에서 보인 설비의 공냉식 열교환기의 상세한 부분을 보인 설명도.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 설비의 변형형태를 보인 도 1과 유사한 개략도.
본 발명의 설명에서, "상류측" 또는 "하류측"이라는 용어는 파이프 내에서 흐름의 정상적인 순환방향에 대한 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에 따른 제1 천연가스액화설비(10)가 도 1에서 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 설비(10)는 수역(12)의 표면에 배치될 수 있게 되어 있다.
수역(12)은 예를 들어 바다나 호수 또는 해양이다. 설비(10)에서 수역(12)의 깊이는 에를 들어 15 m 내지 3000 m 이다.
설비(10)는 지하저장지(도시하지 않았음)로부터 나오는 천연가스를 수집할 수 있다. 천연가스는 설비(10)에서 직접 생산된다. 변형예에서, 천연가스는 수역(12)의 표면의 다른 생산유닛에서 생산되거나 또는 육상기지의 생산유닛에서 생산되어 수송라인에 의하여 설비(10)로 운반된다.
설비(10)는 부유식 설비인 것이 유리하다. 변형예에서, 설비(10)는 수중구조물에 의하여 수역의 바닥에 고정된다.
도 1에서 보인 실시예에서, 설비(10)는 부유식 액화천연가스(FLNG) 유닛이다.
설비(10)는 수역(12)의 표면에 부유하는 선체(14)와 이러한 선체(14)에 의하여 지지되는 하나 이상의 데크(16)를 포함한다. 데크(16)는 수역(12)의 표면의 상부에 배치된다.
설비(10)는 관련 부속구성물이 도 1에 도시된 천연가스액화유닛(18)과, 수역(12)으로부터 얻는 염수로부터 탈염수를 생산하기에 적합한 담수화조립체(200를 포함한다.
천연가스액화유닛(18)은 데크(16)상에 설치되는 것이 유리하고 담수화조립체(200는 선체(14)내에 수용되는 것이 좋다
천연가스액화유닛(18)는 냉각된 흐름(25)을 생성하기 위하여 유닛(18)을 순환하는 흐름(24)을 냉각시킬 수 있게 된 하나 이상의 공냉식 열교환기(22)를 포함한다. 본 발명에 따라서, 이는 공냉식 열교환기(22)에서 담수화조립체(20)로부터 유입되는 탈염수를 분사하기 위한 분사조립체(26)를 포함한다.
액화유닛(18)는 또한 액화유닛의 다른 하나 이상의 장비, 예를 들어 가스터빈으로 탈염수를 분사하기 위한 2차 탈염수분사조립체(27)를 포함하는 것이 유리하다.
이러한 실시예에서, 액화유닛(18)은 냉각될 천연가스 소스(30), 소스(30)로부터 유입되는 천연가스를 냉각시키기 위한 메인 열교환기(32)와, 메인 열교환기(32)로부터 유입되는 냉각된 천연가스를 액화하기 위한 냉각천연가스 액화시스템(34)을 포함한다.
또한 액화유닛(18)은 메인 열교환기(32)의 하나 이상의 냉각사이클(36)을 포함하며, 이 냉각사이클(36)은 공냉식 열교환기(22)와 결합된다.
천연가스 소스(30)는 물이나 중화합물(예를 들어 C6+ 화합물) 또는 황화합물을 추출할 수 있게 된 천연가스 정화유닛에 의하여 천연가스-생산설비에 연결되는 것이 유리하다.
메인 열교환기(32)는 천연가스의 온도를 낮추기 위하여 소스(30)으로부터 유입되는 냉각될 천연가스와 냉각사이클(36)을 순환하는 냉각제 사이의 비접촉식 열교환이 이루어질 수 있도록 한다.
천연가스 액화시스템(34)은 냉각된 천연가스를 위한 하나 이상의 팽창부재(도시하지 않았음)를 포함한다. 이는 하나 이상의 액화천연가스의 수집저장조를 포함한다.
LNG 수집저장조는 액화유닛(18)에서 생산된 액화천연가스를 배출하기 위하여 메탄 탱커 또는 다른 수송선에 연결된다.
냉각사이클(36)은 메인 열교환기(32)의 유출구로부터 냉각수의 순환방향으로 보았을 때, 가스터빈(42)에 결합된 콤프레사(40)와, 공냉식 열교환기(22)를 포함한다. 또한 냉각사이클(36)은 냉각수를 위한 팽창부재(46)를 포함한다.
콤프레사(40)는 도 6의 변형예에서 보인 바와 같이 전기모터에 의하여 구동될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 선체내에 설치될 수 있는 전기생산 가스터빈이 이들의 성능을 개선하는 물의 주입이 유익할 수 있다.
콤프레사(40)는 메인 열교환기(32)로부터 유입되는 가열된 냉각수를 회수하여 이를 다시 압축할 수 있다. 이러한 실시예에서, 이는 가스터빈(42)에 의하여 구동된다.
가스터빈(42)은 연료주입장치(48), 연료가 공급되는 연소실(50), 가스터빈(42)의 상류측 부분인 에어 콤프레사 및 하류측 터빈(52)을 포함한다.
여기에서, 팽창부재(46)는 정적 팽창밸브이다. 변형예에서, 팽창부재(46)는 동적 팽창터빈이다. 팽창부재(46)는 메인 열교환기(32)에 주입되기 전에 중간 열교환기(44)로부터 유입되는 냉각된 흐름(60)을 팽창시켜 액화시킬 수 있다.
도 2에서, 공냉식 열교환기(22)는 공기유입구(77)와 공기유출구(78) 사이에 연장된 축선 A-A'을 따라 흐르는 가스흐름을 위한 내부순환 파이프(72)를 둘러싸는 인클로저(70)를 포함한다.
공기유입구(77)를 통하여 인클로저로 유입되는 공기흐름은 대기압조건하에 놓인 것이다. 열교환기를 통과한 후에, 공기유출구(78)를 통하여 추출되는 공기흐름은 공기유입구(77)에서의 경우 보다 높은 온도를 갖는다. 이는 수증기로 채워져 있고 자유수(free water)는 없다.
또한 공냉식 열교환기(22)는 내부파이프(72)를 통하여 냉각될 흐름(24)을 순환시키기 위하여 내부파이프(72)를 통과하는 튜브 번들(74)과, 튜브 번들(74)의 튜브 둘레에서 내부파이프(72)를 통하여 가스흐름을 구동시킬 수 있는 하나 이상의 팬(76)을 포함한다.
튜브 번들(74)은 내부파이프(72)를 통하여 냉각될 흐름(24)을 이송할 수 있게 된 다수의 튜브를 포함한다. 이들 튜브는 냉각될 흐름(24)을 내부파이프에 순환하는 가스흐름과 비접촉식으로 열교환이 이루어질 수 있도록 한다.
이러한 실시예에서, 튜브 번들(74)의 튜브는 순환 축선 A-A'에 대하여 횡방향으로 연장된다. 이들은 순환 축선 A-A'을 따라 수개의 레벨(N1-N2)로 서로 평행하게 배치된다.
도 2에서 보인 실시예에서, 순환 축선 A-A'는 수직으로 연장되어 있다. 튜브 번들(74)의 튜브는 수직축선을 따라 상하로 배치된 여러 레벨(N1-N2)에서 수평으로 연장된다.
튜브 번들(74)의 튜브에는 전적으로 냉각될 흐름(24)이 수용되어 있다. 이들 튜브는 이들의 외면 및/또는 내면이 평활하거나, 금속물의 가공 또는 부착에 의한 구조물 또는 핀(fin)의 형태인 개선된 표면이 구비될 수 있다,.
팬(76)의 프로펠러는 순환 축선 A-A'에 대하여 횡방향으로 배치되어 있다. 이 실시예에서, 팬(76)의 프로펠러는 인클로저(70)에 의하여 둘러싸인 파이프(72)의 유출구에서 가스의 순환방향에 대하여 튜브 번들(74)로부터 하류측에 배치된 다. 변형에에서, 팬(76)의 프로펠러는 가스순환방향에 대하여 튜브 번들(74)로부터 상류측에 배치된다.
팬(76)의 프로펠러가 회전할 때, 이는 파이프(72)내에서 순환하는 공기흐름을 튜브 번들(74)의 튜브 둘레에서 상류측으로부터 하류측으로 구동시킨다.
여기에서, 팬(76)의 프로펠러는 튜브 번들(74)의 튜브의 상부에 배치된다. 이는 파이프(72)에서 하부로부터 상부로 순환하는 공기의 흐름을 생성할 수 있다.
분사조립체(26)는 담수화조립체(20)로부터 유입되는 액상 탈염수를 튜브 번들(74)의 튜브에 접촉하도록 분사하기 위하여 튜브 번들(74)의 튜브 측으로 향하는 다수의 탈염수 분사노즐(80)을 포함한다.
여기에서 물은 분사노즐(80)로부터 제트분사물의 형태로 분사된다. 노즐(80)로부터 분사되는 제트분사물은 튜브 번들(74)의 튜브에 직접 분사된다.
또한 분사조립체(26)는 탈염수를 분사노즐(80)을 향하여 공급하기 위한 흡입파이프와 튜브 번들(74)의 튜브에 분사노즐 또는 각 분사노즐(80)에 의하여 분사되는 물의 유량을 제어하기 위한 제어유닛(84)을 포함한다.
도 2에서 보인 비제한적인 실시예에서, 분사조립체(26)는 튜브 번들(74)의 제1 레벨의 튜브로부터 가로질러 배치된 제1 노즐바(nozzle bar)와, 제1 레벨에 대하여 순환 축선 A-A'를 따라 축방향으로 어긋나게 배치된 튜브 번들(74)의 제2 레벨의 튜브로부터 가로질러 배치된 제2 노즐바(86)를 포함한다.
따라서, 분사노즐(80)에 의한 물의 분배는 순환 축선 A-A'를 따라 단계를 이룬다.
도 2에서 보인 실시예에서, 모든 분사노즐(80)은 관상의 인클로저(70)에 의하여 둘러싸인 내부파이프(72)의 내측에 배열된다. 각 분사노즐(80)은 튜브에 직접 물을 분사하기 위하여 튜브 번들(74)의 튜브에 직접적으로 대향되어 배치된다.
일부의 분사노즐(80)이 튜브 번들(74)의 두 튜브 사이로 향하여 배치된다.
여기에서 분사노즐(80)은 중력에 의하여 튜브 번들(74)의 튜브에 떨어지는 물 제트분사물을 생성하기 위하여 하측으로 향하여 배치되어 있다.
흡입파이프(82)는 탈염수가 공급될 수 있도록 하기 위하여 하류측에서 담수화조립체(20)에 연결된다.
제어유닛(84)은 파이프(82)에 하나 이상의 유량조절밸브(90)와 이러한 유량조절밸브(90)에 의하여 분사노즐(80)에 공급되는 물의 유량을 조절할 수 있는 제어유닛(92)을 포함함으로써, 액상의 형태로 튜브 번들(74)의 튜브와 접촉하는 분사노즐(80)로부터의 물이 완전하게 증발되어 물의 분사조립체(26)로부터의 과잉의 액상 탈염수가 튜브 번들(74)로부터 하류측에 이르는 것을 방지한다.
분사노즐(80)로부터 분사된 물 제트분사물은 그 전부가 튜브 번들(74)의 튜브의 표면을 향한다. 이들은 액상의 형태로 튜브 번들(74)의 튜브의 표면에 도달하여 여기에서 완전히 증발될 수 있다.
이와 같이, 수집조의 사용을 피하고 물의 최적한 이용이 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 튜브 번들(74)을 지나 하류측으로 향하는 물은 없다. 변형실시예에서, 물을 포함하고 있지 않고 분사노즐(80)에 의하여 분사되는 물의 적은 부분이 구동된다. 어떤 경우에 있어서는 튜브 번들(74)로부터 하류측에 분사노즐(80)에 의한 물분사로부터 액체의 축적이 일어나지 않는다.
도 1에서, 2차 분사조립체(27)는 가스터빈(42)에 형성된 하나 이상의 2차 분사노즐(90A)과 2차 분사노즐(90A)의 탈염수 흡입파이프(92A)를 포함한다.
이러한 중간 물주입은 가스터빈의 성능을 개선한다.
냉동콤프레사(40)를 구동시키는 가스터빈(42)은 물주입에 의하여 증가되는 힘을 이용한다.
담수화조립체(20)는 염수픽업(100), 탈염유닛(102)과, 염수픽업(100)과 탈염유닛(102) 사이에 배치된 상류측 엽수픽업펌프(104)를 포함한다.
담수화조립체(20)는 또한 수역(12)으로 배출하기 위한 함수배출구(106)와, 물 분사조립체(26, 27)를 향하는 탈염수배출펌프(108)를 포함한다.
염수픽업(100)은 수역(12)의 하측으로 향한다. 예를 들어 이는 본원 출원인의 프랑스 특허출원 FR 3,036,412 또는 FR 3,037,343의 하나에 기술된 바와 같은 라이저(riser)에 연결된다.
예를 들어, 탈염유닛(102)은 다단계의 역삼투압 시스템, 여과시스템 및 폴리싱 시스템을 포함한다.
이는 일반적으로 염도가 20g/l 이상인 해수로부터 실질적으로 무염도(전도율 < 0.2μS)인 탈염수와 소스 보다 큰 염도를 갖는 함수(鹹水)를 생산할 수 있다. 함수는 배출구(106)를 통하여 배출된다. 탈염수는 펌프(108)를 통하여 분사조립체(26, 27)에 분배될 수 있다.
펌프(108)는 하류측에서 각 흡입파이프(82, 92A)에 연결된다.
본 발명에 따른 천연가스액화설비(10)의 작동은 도 1과 도 2를 참조하여 설명될 것이다.
처음에, 가압된 천연가스가 지하저장소로부터 생산되고 설비(10)의 소스(30)로 보내진다. 천연가스는 냉각사이클(36)에서 순환하는 냉각수와 열교환이 이루어질 수 있도록 메인 열교환기(32)를 통하여 이송된다.
이와 같이 함으로써 천연가스는 가스의 품질과 액화방법에 따라서 예를 들어 -100℃와 -164℃ 사이의 온도로 냉각된다. 액화시스템(34)에서, 천연가스는 급속팽창되어 액화가 이루어진다. 액화된 천연가스는 메탄 탱커 또는 운반선에 의하여 배출되기 전에 저장조에 회수된다.
메인 열교환기(32)로부터 나오는 재가열된 냉각수는 콤프레사(40)에 보내져 여기에서 압축된다. 그리고, 이는 튜브 번들(74)의 튜브를 순환하기 위하여 냉각될 흐름의 형태로 공냉식 열교환기(22)로 이송된다.
동시에, 담수화조립체(20)의 펌프(104)가 작동되어 염수픽업(100)을 통하여 염수를 펌핑하고 이를 탈염유닛(102)으로 보낸다. 탈염유닛(102)에서, 염수는 탈염수와 함수를 생산하기 위하여 탈염된다. 탈염수는 펌프(108)에 의하여 흡입파이프(82, 92A)로 펌핑된다.
그리고, 분사조립체(26)가 작동된다. 담수화조립체(20)로부터의 탈염수는 튜브 번들(74)의 튜브에 직접 분사되는 물 제트분사물을 형성하기 위하여 각 분사노즐(80)에 이송된다.
튜브에 분사된 물은 튜브의 외면에 접촉하여 증발되고 튜브 번들(74)의 튜브를 통하여 순환하는 냉각될 흐름(24)의 냉각열출력을 생성한다.
이는 특히 분사노즐(80)이 예를 들어 제1 노즐바(85)와 제2 노즐바(86)에서 튜브 번들(74)의 상이한 레벨에 분포되어 있을 때 유리하다.
또한 팬(76)이 작동되어 순환 축선 A-A'를 따라 파이프(72)에서 공기흐름의 순환이 이루어질 수 있도록 하여 추출된 열을 배출할 수 있도록 한다.
튜브 번들(74)의 튜브에서 증발되지 않은 잔류의 물은 파이프(72)에서 점진적으로 증발되고 점진적으로 가열되는 공기중에서 증발된다.
제어유닛(84)은 흡입파이프(82)를 통하여 순환하는 물의 유량을 제어하여 튜브 번들(74)의 유출구에서 분사노즐(80)에 의하여 분사되는 모든 물이 증발될 수 있도록 한다.
분사노즐(80)에 공급된 최적한 물의 유량은 냉각되어야 하거나 또는 부분적인 응축의 경우에 냉각이 이루어진 유체의 온도설정값을 만족시킬 수 있도록 자동적으로 결정된다. 팬(76)의 작동상태는 이러한 물의 유량 최적화에 연관될 수 있다. 또한 최적한 물의 유량은 교환기의 물리적인 파라메타, 주위공기의 온도 및/또는 습도, 팬(76)에 의하여 생성된 공기유량 및 공정측에 배출되는 열에 따라서 매 순간 마다 제어유닛(84)에 의한 계산에 의하여 예상될 수 있다. 사용되는 노즐의 수는 사용량에 따라서 최적화될 수 있다.
이는 증발에 의한 냉각효율을 최적화하는 반면에 튜브 번들(74)로부터 하류측으로 자유수가 회수되지 않도록 한다.
이러한 유량의 최적화의 계산은 장비의 구성을 위하여 사용된 열교환기를 태클링(tackling)하기 위한 알고리즘에 기초한다.
이와 같이, 냉각될 흐름(24)은 설비(10) 측으로 복잡한 물흡입파이프를 필요로 하지 않는 공냉식 열교환기를 이용하여 특히 효과적으로 냉각된다.
탈염수생산설비의 대부분, 또는 심지어 전부는 예를 들어 FLNG의 선체와 같은 탄화수소 생산구역과 분리된 구역에 위치할 수 있다. 따라서 공냉식 열교환기 (22)의 소형화가 최적하게 이루어지며, 이는 천연가스생산 또는 액화장비를 위한 가용공간을 증가시킨다. 따라서 설비(10)의 전체 용량이 증가된다.
도 2에서 보인 실시예에서, 인클로저(70)는 튜브 번들(74)로부터 상류측인 저면을 향하여 형성된 수직 파이프(72)를 둘러싸고 있다.
변형예에서, 설계 파라미터는 필요에 따라, 즉 공기흐름의 방향, 번들과 노즐의 수, 튜브와 직접적으로 접촉하는 물의 원리 및 모든 경우에 고려되는 표면에서의 총 증발에 기초하여 최적화된다.
변형예에서, 공기흐름은 파이프(72)에서 상부로부터 하부로 구동된다.
직접작동에 의한 이러한 방법에 의하여 얻을 수 있는 온도가 냉각수(직접적인 해수 또는 해수로의 냉각된 담수)에 의하여 얻을 수 있는 온도 보다 실질적으로 높을 때, 교환기(22)로부터 나오는 냉각된 흐름(25)은 팽창부재(46)에서 팽창되기 전에 메인 열교환기(32)로 다시 주입되어야 하는 부가적인 냉각이 이루어지도록 사이클에 통합된 중간 열교환기(44)로 이송된다. 이는 도 3에 도시되어 있다.
이러한 경우에 있어서 냉각방법은 다시 한번 에너지 또는 생산측면에서 종래의 수냉방법에 대한 것과 동등하지만, 종래의 냉각수 요구를 상당히 감소시킨다는 이점이 있다.
열교환기(44)는 도 3에서 보인 바와 같이 수역(12)의 해수로부터 냉각된다.
부가적인 냉각이 이루어지는 도 3의 변형예에서, 액화유닛(18)은 냉각수를 가열하는 중간 열교환기(42)에 결합되는 부가적인 냉각사이클(120)을 포함한다.
또한 도 3에서 보인 부가적인 냉각사이클(120)은 냉각수가 중간 열교환기(42)를 통과한 후에 냉각수를 냉각시킬 수 있게 된 1차 열교환기(122)와, 부가적인 열교환기로부터 나오는 냉각수를 1차 열교환기(122)로 펌핑할 수 있는 부가적인 펌프(124)를 포함한다.
또한 1차 열교환기(122)는 염수픽업(100)으로부터 연장된 염수순환파이프(126)에 의하여 공급된다.
순환파이프(126)는 하류측에서 펌프(104)에 연결되고 상류측에서 탈염유닛(102)에 연결된다. 이는 염수픽업(100)에 의하여 회수되는 해수가 펌프(124)로부터의 냉각수와 비접촉식 열교환이 이루어지도록 하기 위하여 열교환기(122)를 통과한다.
순환파이프(126)는 하류측에서 수역(12)으로 향한다.
작동중에, 수역(12)으로부터 나오는 염수가 염수픽업(100)을 통해 배출되고 펌프(104)에 의해 부분적으로 순환파이프(126)를 향한다. 연수는 중간 열교환기(44)를 통과하기 전에 1차 열교환기(122)에서 냉각수가 냉각되는 동안에 예열된다.
도 3의 변형예에서, 열교환기(44)는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 해수에 의해 직접 냉각된다.
도 4의 실시예에서, 교환기(44)의 냉각을 위한 해수가 펌프(124)에 의해 해수흡입파이프로부터 담수화시스템(102)으로 펌핑된다. 이러한 해수순환파이프는 하류측에서 수역(12)으로 향한다.
도 5의 실시예에서, 교환기(44)의 냉각을 위한 해수는 선체와 무관하게 외부 펌핑 스테이션으로부터 펌핑되고, 교환기(44)를 포함하는 모듈상에 장착된다.
10: 천연가스액화설비, 12: 수역, 14: 선체, 16: 데크, 18: 액화유닛, 20: 담수화조립체, 22; 공냉식 열교환기, 24, 25: 흐름, 26: 제1 분사조립체, 27: 제2 분사조립체, 30: 천연가스 소스, 32; 메인 열교환기, 34; 액화시스템, 36: 냉각사이클, 40: 콤프레사, 42: 가스터빈, 44: 중간 열교환기, 46: 팽창부재, 48: 연료주입장치, 50: 연소실, 52: 하류측 터빈, 60: 흐름, 70: 인클로저, 72: 내부순환파이프, 74: 튜브 번들, 76: 팬, 77: 공기유입구, 78: 공기유출구, 80: 분사노즐, 82: 흡입파이프, 84: 제어유닛, 85: 제1 노즐바, 86: 제2 노즐바, 90: 유량조절밸브, 90A: 2차 분사노즐, 92: 제어유닛, 92A: 탈염수흡입파이프, 100: 염수픽업, 102: 탈염유닛, 104: 염수픽업펌프, 106: 함수배출구, 108: 탈염수배출펌프, 120: 부가적인 냉각사이클, 122: 1차 열교환기, 124; 부가적인 펌프, 126: 염수순환파이프.

Claims (17)

  1. - 냉각될 흐름(24)이 공급될 수 있는 다수의 튜브를 포함하는 튜브 번들(74)과 공기의 흐름(77)이 상기 튜브 번들(74)을 가로질러 순환할 수 있도록 하는 팬(76)을 포함하는 하나 이상의 공냉식 열교환기(22)와,
    - 물분사조립체(26)를 포함하는
    수역(12)의 표면에 설치되는 천연가스액화설비(10)에 있어서,
    - 수역(12)에 염수픽업(100)을 포함하며 하류측에서 물분사조립체(26)에 결합되는 담수화조립체(20)를 포함하고,
    물분사조립체(26)는 튜브 번들(74)에 형성된 하나 이상의 분사노즐(80)을 포함하며, 각 분사노즐(80)은 담수화조립체(20)로부터 유입되는 액상 탈염수를 분사하여 튜브 번들(74)의 튜브에 접촉하도록 튜브 번들(74)의 튜브를 향하고, 물이 분사노즐(80)로부터 제트분사물의 형태로 분사되며, 분사노즐(80)에 의하여 분사된 물 제트분사물은 그 전부가 튜브 번들(74)의 튜브의 표면을 향하고,
    튜브 번들(74)이 여러 레벨의 튜브를 가지고, 물분사조립체(26)가 제1 레벨 튜브의 튜브로부터 가로질러 형성된 하나 이상의 제1 분사노즐(80)과 제2 레벨 튜브의 튜브로부터 가로질러 형성된 하나 이상의 제2 분사노즐(80)을 포함함을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 공냉식 열교환기(22)가 가스흐름을 위한 내부순환파이프(72)를 둘러싸는 인클로저(70)를 포함하고, 튜브 번들(74)이 내부파이프(72)에 수용되며, 하나 이상의 분사노즐(80)이 인클로저(70)에 의하여 둘러싸인 내부파이프(72)에 형성됨을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 팬(76)이 공기를 하부로부터 상부로, 상부로부터 하부로, 또는 튜브 번들을 가로질러 순환시킬 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 물분사조립체(26)가 분사노즐 또는 각 분사노즐(80)에 의하여 분사되는 물의 유량을 조절하기 위한 제어유닛(84)을 포함하고, 제어유닛(84)은 튜브 번들(74)로부터 하류측의 물분사조립체(26)로부터 액상 탈염수의 순환을 방지하기 위하여 물의 유량을 조절할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 공냉식 열교환기 또는 각 공냉식 열교환기(22)가 튜브 번들(74)을 통하여 순환하는 냉각수, 튜브 번들(74)의 상류측에서 냉각수를 압축할 수 있는 콤프레사(40), 튜브 번들(74)로부터 하류측에 배치된 냉각수의 팽창부재(46)와, 냉각수가 냉각될 공정유체와의 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 메인 열교환기(32)를 포함하는 냉각사이클(36)내에 배치됨을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  7. 제6항에 있어서, 냉각사이클(36)이 공냉식 열교환기(22)와 팽창부재(46) 사이에 삽입된 중간 열교환기(44)를 포함하고, 중간 열교환기(44)는, 염수픽업(100)으로부터 유입되는 염수흐름에 의하거나, 염수픽업(100)을 통과하지 않고 염수펌프로부터 유입되는 염수흐름에 의하거나, 또는 상기 염수픽업(100)으로부터 유입되는 염수흐름과 상기 염수픽업(100)을 통과하지 않고 염수펌프로부터 유입되는 염수흐름에 의하여, 염수픽업(100)으로부터 유입되는 염수흐름과의 열교환이 이루어질 수 있도록 유입되는 냉각수가 공급됨을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 하나 이상의 가스터빈(42)과, 담수화조립체(20)에 연결된 하나 이상의 2차 물분사조립체(27)를 포함하고, 2차 물분사조립체(27)가 가스터빈(42)내에서 담수화조립체(20)로부터 유입되는 하나 이상의 2차 탈염수 분사노즐(90)을 포함함을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서, 선체(14)와 상기 선체(14)의 상부에 배치된 하나 이상의 데크(16)를 포함하고, 공냉식 열교환기(22)가 데크(16)상에 배치되며, 담수화조립체(20)가 선체(14)내에 배치됨을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 노즐 또는 각 노즐(80)이 튜브 번들(74)의 튜브에 직접 분사되는 하나 이상의 물 제트분사물을 생성할 수 있음을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  11. 흐름의 냉각방법에 있어서, 상기 방법이
    - 제1항 또는 제3항에 따른 설비(10)의 공냉식 열교환기(22)의 튜브 번들(74)에서 냉각될 흐름(24)을 순환시키는 단계;
    - 담수화조립체(20)에서 생성된 탈염수를 물분사조립체(26)에 공급하는 단계;
    - 튜브 번들(74)의 튜브의 반대측에 형성되고 담수화조립체(20)로부터 유입되는 액상 탈염수를 튜브 번들(74)의 튜브에 접촉하도록 분사하기 위하여 튜브 번들(74)의 튜브를 향하여 배치된 하나 이상의 분사노즐(80)에 의하여 탈염수를 분사하는 단계; 및
    - 분사된 탈염수 전부를 증발시키는 단계를
    포함함을 특징으로 하는 냉각방법.
  12. 제11항에 있어서, 튜브 번들(74)이 적어도 제1 레벨의 튜브와 제2 레벨의 튜브를 가지고, 상기 방법이 제1 레벨에 형성된 제1 분사노즐과 제2 레벨에 형성된 제2 분사노즐을 통하여 담수화조립체(20)로부터 유입되는 탈염수를 분사하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 냉각방법.
  13. 제11항에 있어서, 튜브 번들(74)로부터 하류측의 물분사조립체(26)로부터 액상 탈염수의 순환을 방지하기 위하여 분사노즐 또는 각 분사노즐(80)을 통하여 분사되는 물의 유량을 제어하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 냉각방법.
  14. 제11항에 있어서, 물분사조립체(26)에 공급하기 위하여, 염수픽업(100)을 통하여 염수를 펌핑하고, 염수를 담수화조립체(20)에 공급하며, 담수화조립체(20)로부터 탈염수를 생산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 냉각방법.
  15. 제11항에 있어서, 담수화조립체(20)로부터의 탈염수가 튜브 번들(74)의 튜브에 직접 분사되는 물 제트분사물을 생성하기 위하여 각 노즐(80)로 이송되고, 튜브 번들(74)의 튜브에 분사된 물이 튜브 번들(74)의 튜브와 접촉하여 증발하며, 튜브 번들(74)의 튜브를 통하여 순환하는 냉각될 흐름(24)의 냉각 열출력을 생성함을 특징으로 하는 냉각방법.
  16. 제1항 또는 제3항에 있어서, 분사노즐(80)의 일부가 튜브 번들(74)의 두 튜브 사이로 향하여 배치됨을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
  17. 제1항 또는 제3항에 있어서, 분사노즐(80)이 중력에 의하여 튜브 번들(74)의 튜브에 떨어지는 물 제트분사물을 생성하기 위하여 하측으로 향하여 배치됨을 특징으로 하는 천연가스액화설비(10).
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