KR102365681B1 - 증발가스 액화 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발가스 액화 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 증발가스 압축기; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 배출된 증발가스 중 잉여분을 액화하는 증발가스 액화부를 포함하며, 상기 증발가스 액화부는, 증발가스를 냉매와 열교환해 액화하는 액화기; 상기 액화기의 상류에 마련되며 상기 증발가스 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스로 냉각하는 증발가스 열교환기; 및 상기 증발가스 열교환기의 상류에 마련되며 상기 액화기에서 액화를 위해 필요한 냉열을 줄이기 위하여, 상기 증발가스 압축기에서 토출된 증발가스를 추가 압축하여 35bar 내지 50bar로 변화시켜 부스팅 압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 액화 시스템 및 이를 포함하는 선박{boil-off gas reliquefaction system and a ship having the same}

본 발명은 증발가스 액화 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 운전 난이도를 낮추고 설계를 단순화하여 비용을 절감할 수 있는 증발가스 액화 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템은, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 증발가스 압축기; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 배출된 증발가스 중 잉여분을 액화하는 증발가스 액화부를 포함하며, 상기 증발가스 액화부는, 증발가스를 냉매와 열교환해 액화하는 액화기; 상기 액화기의 상류에 마련되며 상기 증발가스 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스로 냉각하는 증발가스 열교환기; 및 상기 증발가스 열교환기의 상류에 마련되며 상기 액화기에서 액화를 위해 필요한 냉열을 줄이기 위하여, 상기 증발가스 압축기에서 토출된 증발가스를 추가 압축하여 35bar 내지 50bar로 변화시켜 부스팅 압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 액화기는, 단일 조성의 비폭발성 냉매를 이용하여 증발가스를 액화할 수 있다.

구체적으로, 상기 엔진은, 10bar 내지 20bar의 요구압력을 갖는 추진엔진과, 5bar 내지 10bar의 요구압력을 갖는 발전엔진을 포함하며, 상기 부스팅 압축기는, 상기 추진엔진의 요구압력에 맞게 압축된 증발가스를 35bar 내지 50bar로 압축할 수 있다.

구체적으로, 상기 부스팅 압축기는, 상기 추진엔진의 요구압력 대비 3배 내지 4배인 기설정배율 이내로 증발가스를 압축하며, 1단으로 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 증발가스 압축기와 상기 부스팅 압축기는, 하나의 구동원에 의해 가동하는 다단 압축부의 상류 압축부와 하류 압축부를 이루며, 상기 다단 압축부는, 상기 상류 압축부와 상기 하류 압축부의 사이인 중간단에서 상기 엔진으로 증발가스를 분기 공급하며, 최종단에서 상기 액화기로 증발가스를 전달할 수 있다.

구체적으로, 상기 엔진은, 100bar 이상의 요구압력을 갖는 추진엔진과, 5bar 내지 10bar의 요구압력을 갖는 발전엔진을 포함하며, 상기 증발가스 압축기와 상기 부스팅 압축기는, 하나의 구동원에 의해 가동하는 다단 압축부의 상류 압축부와 중간 압축부를 이루며, 상기 다단 압축부는, 상기 중간 압축부의 하류에 하류 압축부를 더 포함하고, 상기 상류 압축부와 상기 중간 압축부의 사이인 제1 중간단에서 상기 발전엔진으로 증발가스를 분기 공급하고, 상기 중간 압축부와 상기 하류 압축부의 사이인 제2 중간단에서 상기 액화기로 증발가스를 전달하며, 최종단에서 상기 추진엔진으로 증발가스를 전달할 수 있다.

구체적으로, 상기 증발가스 액화부는, 상기 액화기의 하류에 마련되며 상기 부스팅 압축기에 의해 압축된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및 상기 감압밸브에 의해 감압된 증발가스를 기액분리하여 액상을 상기 액화가스 저장탱크로 복귀시키는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 증발가스 액화 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 증발가스 액화 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 증발가스 열교환에 더하여 단일냉매인 N2를 이용하여 증발가스를 액화함으로써, 운전 제어를 간단하게 구현할 수 있으면서 동일 재액화량을 구현하기 위해 필요한 냉매유량을 최소화하면서 열교환기 사이즈를 컴팩트하게 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 열량-온도 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 PH 선도 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 액화 효율을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 압축-효율 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는 본 발명의 증발가스 액화 시스템에 대해 설명하며, 본 발명은 증발가스 액화 시스템과 이를 가지는 선박(상선, 해양플랜트, 해양구조물 등)을 포함하는 것이다.

이하 본 명세서에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)는 자연기화 또는 강제기화된 액화가스를 의미할 수 있다. 다만 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

또한 이하에서, 감압은 팽창을 통해서 발생되는 상태일 수 있으며, 역으로 감압은 팽창에 의해서 발생되는 상태일 수 있으므로, 감압과 팽창은 서로 혼용되어 사용될 수 있다.

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

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 개념도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 열량-온도 그래프이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 PH 선도 그래프이다.

또한 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 액화 효율을 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 압축-효율 그래프이다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(20), 증발가스 액화부(30)를 포함한다.

액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 IMO Type B, C 등의 독립형 타입으로 마련될 수 있고, 또는 멤브레인 타입으로 마련될 수도 있다.

액화가스 저장탱크(10)는 적절한 단열구조를 통해 내부에 저장된 액화가스를 액상으로 유지하게 되며, 엔진(40)의 요구압력 이하의 내압으로 액화가스를 저장할 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)의 내압과 엔진(40)의 요구압력 간의 차압은, 후술할 증발가스 압축기(20)에 의해 해소될 수 있다.

액화가스 저장탱크(10) 내에 저장된 액화가스는 외부 열침투 등으로 인하여 일부 증발하여 증발가스로 변화한다. 이때 증발가스는 엔진(40) 가동 및 액화가스 저장탱크(10)의 내압 유지를 위해 배출될 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스는 증발가스 압축기(20)로 유입된다.

액화가스 저장탱크(10)에는 증발가스 공급라인(L10)이 마련되며, 증발가스 공급라인(L10)은 증발가스 압축기(20)가 마련되면서, 엔진(40)으로 증발가스를 전달하도록 연장될 수 있다. 증발가스 공급라인(L10)은 액화가스 저장탱크(10)에 직접 연결될 수 있으며, 또는 액화가스 저장탱크(10)의 돔에서 연장된 베이퍼 헤더(vapor header)를 통해 연결될 수 있다.

증발가스 압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진(40)에 공급한다. 증발가스 압축기(20)는 원심형, 스크류형, 왕복동형 등으로 마련될 수 있으며, 도면에 표시된 형상으로 그 타입이 한정되는 것은 아니다.

증발가스 압축기(20)는 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되는 증발가스를 엔진(40)의 요구압력에 맞게 압축할 수 있다. 이때 엔진(40)은 추진엔진(41)과 발전엔진(42)을 포함한다. 추진엔진(41)은 축계 연결 또는 전기적 연결 등을 통해 선박을 추진시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진(40)으로서 10bar 내지 20bar의 요구압력(일례로 13bar)을 가질 수 있고, 본 발명이 속한 기술분야에서 X-DF로 지칭되는 엔진(40)을 사용할 수 있다.

발전엔진(42)은 선내 전력 부하에 필요한 전기를 생성하기 위한 엔진(40)으로서, 5bar 내지 10bar의 요구압력(일례로 6bar)을 가질 수 있다. 발전엔진(42)은 DFDE, DFGE, DFDG 등으로 지칭되는 엔진(40)을 사용할 수 있다.

증발가스 압축기(20)는 서로 다른 요구압력을 갖는 추진엔진(41)과 발전엔진(42) 중, 추진엔진(41)의 요구압력에 맞게 증발가스를 압축하여 토출할 수 있다. 따라서 증발가스 압축기(20)의 최종단에서 배출된 증발가스는 추진엔진(41)의 요구압력에 대응되며 발전엔진(42)의 요구압력보다는 높은 압력을 가질 수 있다.

그런데 도 1에 도시된 바와 같이, 증발가스 압축기(20)의 최종단에서 발전엔진(42)으로 증발가스가 전달된다. 즉 액화가스 저장탱크(10)에서 추진엔진(41)까지 연결되는 증발가스 공급라인(L10) 상에서, 증발가스 압축기(20)의 하류의 일 지점으로부터 발전엔진(42)까지 증발가스 분기라인(L11)이 마련될 수 있다.

이 경우 증발가스 압축기(20)로부터 발전엔진(42)으로 공급되는 증발가스의 압력은 발전엔진(42)의 요구압력을 상회할 수 있는데, 발전엔진(42)의 상류에는 압력조절밸브(도시하지 않음)가 마련되어, 발전엔진(42)으로 유입되는 증발가스의 압력을 발전엔진(42)의 요구압력에 맞춰 조정할 수 있다.

증발가스 압축기(20)는 다단으로 마련될 수 있으며, 도면에 나타난 단 수로 한정하지 않고 3단 내지 6단 등으로 구비될 수 있다. 이러한 증발가스 압축기(20)는 중간단에 인터쿨러(도시하지 않음)를 구비하여, 압축 시 발생하는 압축열을 해소해 압축 효율을 높일 수 있다. 또한 증발가스 압축기(20)의 최종단에는 애프터쿨러(도시하지 않음)를 두어, 압축으로 인해 과열된 증발가스의 온도를 엔진(40)의 요구온도(40도 내외로서 일례로 43도)로 맞춰줄 수 있다.

또한 증발가스 압축기(20)와 엔진(40) 사이에는 온도를 조절하기 위한 가스히터(도시하지 않음) 등이 얼마든지 추가될 수 있을 것이다.

증발가스 액화부(30)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스 중 잉여분을 액화한다. 액화가스 저장탱크(10)는 내압을 적정 수준으로 유지하기 위해, 내부에서 자연 발생한 증발가스를 외부로 배출하게 되는데, 배출된 증발가스량이 엔진(40)의 요구량에 못미칠 경우에는 후술하는 액화가스 공급부(40)를 통해 액화가스를 보충한다. 반면 배출된 증발가스량이 엔진(40)의 요구량을 넘어설 경우, 증발가스의 처리가 요구된다.

따라서 증발가스 액화부(30)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 후 엔진(40)에서 요구하는 유량을 넘어서는 잉여분을 액화 처리하며, 액화된 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

이때 액화된 증발가스가 리턴되는 액화가스 저장탱크(10)는, 증발가스를 배출한 액화가스 저장탱크(10)와 동일한 구성이거나 또는 상이한 구성일 수 있으며, 후자의 경우 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)를 구비한 경우에 적용될 수 있다.

증발가스 액화부(30)는 부스팅 압축기(31), 증발가스 열교환기(32), 액화기(33), 감압밸브(34), 기액분리기(35)를 포함한다.

부스팅 압축기(31)는, 증발가스 압축기(20)에서 토출된 증발가스를 추가 압축한다. 이하에서 도 6 등을 참고하여 자세히 설명하겠으나, 본 발명은 냉매를 이용하여 증발가스를 액화하는 기존의 시스템을 개선하여, 부스팅 압축기(31)를 통한 추가 압축을 적용함으로써 증발가스의 비등점을 끌어올려서 냉매를 통한 액화 부담을 줄일 수 있고, 시스템 전체의 에너지 소모를 혁신적으로 감축할 수 있다.

증발가스 압축기(20)가 마련되며 추진엔진(41)으로 연결되는 증발가스 공급라인(L10)에는, 증발가스 액화라인(L12)이 분기된다. 증발가스 액화라인(L12)은 증발가스 공급라인(L10)에서 증발가스 분기라인(L11)이 분기되는 지점의 하류로부터 연장될 수 있으며, 증발가스 액화부(30)가 마련된다. 증발가스 액화라인(L12)은 액화가스 저장탱크(10)로 연결되어 액상의 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되도록 한다.

부스팅 압축기(31)는, 이러한 증발가스 액화라인(L12)에 마련되며, 추진엔진(41)(또는 발전엔진(42))의 요구압력에 맞게 압축된 증발가스를 추가 압축한다. 이때 부스팅 압축기(31)의 토출 압력은 35bar 내지 50bar(일례로 45bar 내외)일 수 있다.

부스팅 압축기(31)는 액화가스의 임계압력(일례로 약 45bar) 이상의 초임계 상태로 증발가스를 추가 압축하여, 증발가스의 액화 시 2 phase 구간을 경유하지 않도록 할 수 있다.

구체적으로 부스팅 압축기(31)의 토출 압력에 대해 도 8을 참고하여 설명한다.

도 8의 경우 부스팅 압축기(31)의 토출 압력을 가로 축으로 놓고, 재액화 시스템 효율 및 CAPEX를 나타낸 것이며, 재액화 시스템 효율은 단위 질량 액화량에 대한 Power Consumption으로 나타냈고, 그 값이 낮을수록 효율이 높음을 의미한다.

도 8의 결과 데이터를 참고할 때, 부스팅 압축기(31)는 재액화 효율 향상(재액화에 필요한 전력 소모 절감)을 위하여 30bar 이상의 토출 압력을 갖는 것이 바람직하다.

다만 부스팅 압축기(31)의 토출 압력이 50bar에 근접하게 되면, CAPEX가 급격히 상승하게 된다. 이는 본 실시예에서 증발가스 압축기(20)의 토출압력이 X-DF에 대응하는 13bar일 경우, 부스팅 압축기(31)의 토출 압력으로 50bar를 넘기려면 부스팅 압축기(31)를 적어도 2단으로 구성해야 하기 때문이다. 이는 압축단 1 stage의 최대 가압비율이 현실적으로 제한됨에 따른 것이다.

즉 부스팅 압축기(31)는 추진엔진(41)의 요구압력 대비 기설정배율(압축단 1 stage의 최대 가압비율로서 3배 내지 4배로 일례로 3.8배) 이내로 증발가스를 압축하며, CAPEX 등을 고려하여 1단으로 마련될 수 있다.

따라서 본 발명에서 부스팅 압축기(31)의 토출압력은, 부스팅 압축기(31)의 상류에 마련되는 증발가스 압축기(20)의 토출압력(추진엔진(41)의 요구압력에 대응될 수 있음)에 기설정배율을 곱한 값을 상한값으로 갖는다.

즉 부스팅 압축기(31)의 토출압력 상한값은, X-DF의 요구압력과 기설정배율을 고려(13bar * 3.8 = 49.4bara), 약 50bar로 세팅될 수 있다.

또한 부스팅 압축기(31)의 토출압력은 증발가스의 액화 효율을 고려할 때 30bar를 하한값으로 가질 수 있고, 바람직하게는 35bar를 하한값으로 갖는다.

따라서 본 발명의 부스팅 압축기(31)는, 35bar 내지 50bar로 증발가스를 추가 압축하도록 마련될 수 있으며, 바람직하게는 35bar 내지 45bar로 증발가스를 추가 압축할 수 있다.

증발가스 열교환기(32)는, 증발가스 액화라인(L12) 상에서 부스팅 압축기(31)의 하류 및 액화기(33)의 상류에 마련되며, 증발가스 압축기(20)에 의해 압축되고 부스팅 압축기(31)로 추가 압축된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스로 냉각한다.

부스팅 압축기(31)에서 압축된 증발가스는, 부스팅 압축기(31)의 하류에 구비되는 애프터쿨러(도시하지 않음) 등에 의해 약 40도 내외의 온도를 가질 수 있으며, 35bar 내지 50bar의 압력을 갖는다.

반면 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되어 증발가스 압축기(20)로 유입되는 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)의 내압에 대응되는 압력을 갖고, 약 -90도 내외의 온도를 갖는다.

따라서 증발가스 열교환기(32)는, 액화되기 위해 압축이 완료된 증발가스를, 압축되어야 할 증발가스로 냉각하여, 액화기(33)에서의 냉매의 부담을 줄일 수 있게 된다.

이를 위해 증발가스 열교환기(32)는 부스팅 압축기(31)에서 액화기(33)로 전달되는 증발가스(냉각 객체)가 유동하는 스트림과, 액화가스 저장탱크(10)에서 증발가스 압축기(20)로 전달되는 증발가스(냉각 주체로서 냉매)가 유동하는 스트림을 갖는 타입으로 마련될 수 있다. 물론 증발가스 열교환기(32)의 타입은 shell&tube, PCHE 등으로서 제한되지 않는다.

부스팅 압축기(31)에서 압축된 후 증발가스 열교환기(32)를 경유해 액화기(33)로 유입되는 증발가스는, 증발가스 열교환기(32)에 의해 40도 내외의 온도에서 -80도 내외의 온도까지 냉각될 수 있다. 반면 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 후 증발가스 열교환기(32)를 경유해 증발가스 압축기(20)로 유입되는 증발가스는, 증발가스 열교환기(32)에 의해 -90도 내외의 온도에서 30도 내외의 온도로 승온될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는 부스팅 압축기(31)를 통해 증발가스의 비등점을 올리면서, 증발가스 열교환기(32)를 통해 예냉을 구현하여, 액화기(33)에서 공급되어야 하는 냉열을 줄여 액화 효율을 극대화할 수 있다.

액화기(33)는, 증발가스를 냉매와 열교환해 액화한다. 이를 위해 액화기(33)는 냉매를 공급하는 냉매 공급부(331)를 포함할 수 있다. 액화기(33)가 사용하는 냉매는 N2 등일 수 있으며, 액화기(33)는 단일 조성의 비폭발성 냉매를 사용함으로써 폭발의 위험을 없애면서 냉매 공급부(331)의 구성을 컴팩트화할 수 있다.

또한 단일 조성의 냉매를 이용할 경우 액화 효율을 보장하기 위해 냉매의 조성을 최적화하는 제어가 필요하지 않으며, 냉매 충진이 용이하다. 일례로 냉매가 N2일 경우 선박 내에 기본적으로 구비될 수 있는 N2 generator를 이용하여 냉매를 충진할 수 있게 되므로, 별도의 냉매 탱크가 생략될 수 있다.

또한 단일 조성의 냉매를 이용해 냉매 공급부(331)의 사이즈를 줄이면서, 액화기(33)가 3개의 스트림으로 단순하게 구성되도록 하여 액화기(33) 자체도 컴팩트하게 구성할 수 있다.

이때 본 발명은 액화기(33)와 증발가스 열교환기(32)를 하나의 냉각유닛으로 통합해 마련할 수 있는데, 통합된 냉각유닛의 사이즈가, 혼합냉매(MR)만으로 액화하는 시스템의 액화기 사이즈보다 작도록 구현할 수 있다.

또한 혼합냉매(MR)를 사용하는 시스템에 증발가스 열교환기(32)를 부가해 액화기 크기를 줄인 경우와 비교하더라도, 본 발명에서 냉각유닛의 사이즈는, 증발가스 열교환기(32)를 갖고 혼합냉매를 이용하는 시스템의 액화기보다도 작게 형성될 수 있다.

또한 본 발명은, 단일 조성의 비폭발성 냉매를 이용하게 되어 동일한 재액화량을 액화시킬 때 냉매 사용량, 필요 냉각 에너지, 전력 소모 등을 크게 줄일 수 있다.

일례로 본 발명(증발가스 열교환+N2 액화)은, 혼합냉매를 사용하는 2가지 경우와 대비할 때, 동일 재액화량(증발가스의 2t/h 완전 재액화 기준) 기준으로 다음과 같이 비교될 수 있다.

	혼합냉매만으로 액화	증발가스 열교환+혼합냉매 액화	증발가스 열교환+N2 액화
Refrigerant Composition	Mixture (>4EA) N2, C1, C2, C3, etc	Mixture (>4EA) N2, C1, C2, C3, etc	Single N2
Refrigerant Mass Flow	23 t/h	17 t/h	15 t/h
Total Heat Exchanger Duty	4,200 kW	3,300 kW	1,150 kW
Total Power Consumption	1,600 kW	1,368 kW	1,374 kW
Key Features	운전 난이도 높음(냉매 조성 제어 필요) BOG Condenser 설계 복잡	운전 난이도 높음(냉매 조성 제어 필요) BOG Condenser 설계 복잡	운전 난이도 낮음(단일 냉매) BOG condenser 설계 단순

감압밸브(34)는, 증발가스 액화라인(L12)에서 액화기(33)의 하류에 마련되며 부스팅 압축기(31)에 의해 압축된 증발가스의 압력을 액화가스 저장탱크(10)의 내압에 상응하는 수준까지 감압한다.

감압밸브(34)는 줄-톰슨 밸브 등으로 마련될 수 있으며, 초임계압력 이상 또는 초임계압력에 매우 근접한 수준으로 압축된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)의 저장 압력(대기압)으로 떨어뜨리면서, 과냉을 구현할 수 있다.

증발가스 액화부(30)는 액화기(33)를 통해 완전 재액화를 구현하게 되므로, 감압밸브(34)는 감압을 통한 과냉을 주로 담당할 수 있으며, 과냉된 증발가스가 액화가스 저장탱크(10) 내로 유입됨에 따라 액화가스 저장탱크(10)에서의 증발가스 발생이 억제될 수 있다.

기액분리기(35)는, 감압밸브(34)에 의해 감압된 증발가스를 기액분리하여 액상을 액화가스 저장탱크(10)로 복귀시킨다. 증발가스는 증발가스 액화부(30)에 의해 충분히 액화되나, 증발가스에 포함된 질소 등의 일부 성분은 액화기(33) 및 감압밸브(34)를 거쳐도 기상으로 남아있을 수 있다.

따라서 기액분리기(35)는 감압밸브(34)를 경유한 증발가스 중 기상을 분리해 외부로 배출하고, 액상 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 주입하여 액화가스 저장탱크(10)의 불필요한 내압 상승을 억제할 수 있다.

감압밸브(34)는 기액분리기(35)에서 액화가스 저장탱크(10)로 증발가스의 전달을 원활하게 하도록, 기액분리기(35)의 내압을 일정 수준 이상으로 높일 수 있다. 즉 감압밸브(34)는 부스팅 압축기(31)에 의해 압축된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)의 내압보다 다소 높은 압력까지만 감압하여 기액분리기(35)로 전달함으로써, 기액분리기(35)의 내압이 액화가스 저장탱크(10)의 내압보다 높게 유지되도록 할 수 있다.

이 경우 기액분리기(35)에서 액화가스 저장탱크(10)로, 별도의 펌프 등이 없더라도 원활하게 액상 증발가스의 전달이 가능할 수 있고, 또한 기액분리기(35)의 내압을 높게 유지함으로써 기액분리기(35) 내에서의 추가 증발을 억제할 수 있다.

기액분리기(35)에서 배출되는 기상은 플래시 가스로 지칭될 수 있으며, 대기로 방출되거나 별도의 가스연소장치(GCU, 도시하지 않음) 등에 의해 소비될 수 있다. 또는 시스템 내에서 필요한 부분에 전달되어 재활용될 수도 있다.

이와 같은 증발가스 액화부(30)는, 부스팅 압축, 증발가스 열교환 및 단일조성 냉매를 통한 액화가 조합됨에 따라, 액화 효율을 최대로 끌어올릴 수 있는 것이다. 이에 대해 도 4 내지 도 7 등을 통해 설명한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 그래프에서 상측의 점선은 우측에서 좌측으로 가면서 냉각 및 액화되는 증발가스를 나타내고, 하측의 실선은 냉매의 온도 변화를 의미한다. 또한 도 4에서 점선 부분은 냉매 공급부(331) 내에서 사용되는 냉열 및 일량을 의미한다.

도 4에서 상측 및 도 5에서 좌측의 그래프는 본 발명과 동일한 냉매를 사용하되 냉매를 이용한 재액화만 구현하는 시스템(Normal N2 cycle)이며, 도 4의 하측 및 도 5의 우측의 그래프는 본 실시예(Hybrid N2 cycle)의 경우를 나타낸다.

도 4 및 도 5를 확인하여 볼 때 본 실시예는 부스팅 압축을 통해 증발가스의 비등점을 -124도에서 -82도로 높일 수 있으며, 증발가스를 재액화하는 과정에서 2-phase 구간을 최대한 억제하게 된다.

이를 통해 본 실시예는, 냉매의 온도 곡선 기울기를 크게 변화시키게 되면서, 냉매 공급부(331)에서 냉매 사이클 자체의 냉각을 위해 사용되는 냉열과 일량을 크게 줄일 수 있음이 확인된다.

또한 도 5에서 표시된 바와 같이 본 실시예는, 증발가스의 재액화를 위해 사용되는 일량이 큰 폭으로 감소하게 되는 것을 확인할 수 있다. 즉 본 발명은 단일조성의 냉매를 이용해 액화기(33)를 컴팩트하게 개선하는 것에서 더 나아가, 부스팅 압축과 증발가스 열교환을 복합 적용함으로써, 액화 시 필요한 에너지를 크게 절약할 수 있다.

또한 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명과 대비되는 비교예는 다음과 같다.

비교예1: 냉매만을 이용하는 액화

비교예1-1: 증발가스 열교환+냉매 액화

비교예1-2: 부스팅 압축+냉매 액화

비교예2: 부스팅 압축+증발가스 열교환+감압

비교예3: 부스팅 압축+증발가스 열교환+냉매 액화(20bar 내외로 부스팅하여 2-phase 상태에서 냉매와 열교환)

본 발명: 부스팅 압축+증발가스 열교환+냉매 액화(35bar 이상으로 부스팅하여 2-phase 상태를 최소화하면서 냉매와 열교환)

도 6을 먼저 참조하면, PH 선도에서 확인할 수 있듯 비교예1(일점쇄선)의 경우에는 냉매의 현열만 이용하게 되므로, 시스템 크기가 매우 클 수밖에 없다. 또한 비교예2(이점쇄선)의 경우에는 재액화가 제대로 이루어지지 못하며, 약 10% 이하의 일부 유량만 재액화될 뿐임을 확인하였다.

이에 반해 본 발명(이점쇄선+굵은실선)의 경우, 증발가스의 자가 냉열 회수 및 부스팅과 냉매 액화를 복합 사용함으로써 시스템을 최소화할 수 있다. 다만 자가 냉열 회수 및 부스팅을 모두 사용하는 비교예3(점선)의 경우에는, 2-phase 구간을 그대로 거치게 되기 때문에, 냉매 사이클 시스템의 용량이 커져야 하는 문제가 있다.

즉 본 발명은, 부스팅 압력을 35bar 이상으로 충분히 해줌으로써, 냉매 사이클 시스템의 용량을 충분히 줄일 수 있고, 일례로 부스팅 압력을 임계압 이상으로 하여 2-phase 구간을 우회하여 액화가 이루어지도록 할 수 있다.

다만 부스팅 압력을 높이면 부스팅 파워가 증가하여 효율을 저하시킬 우려가 있는 바, 본 실시예는 압력 및 온도에 대한 최적화를 통하여, 부스팅 압축기(31)의 압력을 35bar 내지 50bar로 함으로써 액화 효율을 최대로 개선할 수 있다.

도 7을 참고하면, 본 발명은 비교예들과 대비할 때 혁신적으로 재액화 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 특히 냉매만을 이용하는 비교예1과 대비하면 동일한 액화량에 대한 Power consumption이 약 60%로 절감될 수 있다.

또한 본 발명은, 부스팅과 증발가스 열교환을 적용하면서도 부스팅 압축을 35bar 이상으로 함에 따라, 부스팅 압축이 비교적 낮아 2-phase 상태에서 냉각이 이루어지는 비교예3과 대비해 보더라도, 약 85%로 Power consumption을 줄일 수 있음이 확인된다.

이와 같이 본 실시예는, 증발가스 액화부(30)가 35bar 이상의 부스팅 압축, 증발가스 열교환을 통한 자가 냉열 회수, 단일조성 비폭발성 냉매를 이용한 액화를 통합함으로써, 액화기(33)의 사이즈를 줄이고 액화에 필요한 에너지를 크게 절감할 수 있다.

본 실시예는 증발가스의 부족을 대비하기 위해 액화가스 공급부(40)를 더 포함할 수 있다. 액화가스 공급부(40)는, 액화가스를 엔진(40)에 공급한다. 액화가스 공급부(40)는 액화가스 저장탱크(10)에서 자연 발생한 증발가스량이 엔진(40)의 요구량에 미치지 못할 경우 액화가스를 보충해주기 위한 구성이다.

액화가스 공급부(40)는 액화가스 저장탱크(10) 내에 마련되는 이송펌프(41)로 액화가스를 펌핑하여, 액화가스 공급라인(L20)을 따라 엔진(40)으로 전달되도록 할 수 있다. 이후 이송펌프(41)의 하류에 마련되는 고압펌프(42)를 이용하여, 추진엔진(41)의 요구압력에 맞게 액화가스를 가압할 수 있다.

또는 액화가스 공급부(40)는, 이송펌프(41)의 하류에 강제기화기(도시하지 않음)를 두어, 액화가스를 기화시켜 증발가스 압축기(20)로 유입되는 증발가스에 혼합할 수 있다.

액화가스 공급부(40)는 엔진(40) 중에서 추진엔진(41)으로 액화가스를 공급할 수 있다. 추진엔진(41)의 가동은 선박의 운항을 위하여 일정한 부하를 유지하는 것이 중요하므로, 증발가스 부족 시 액화가스를 추진엔진(41)에 보충해줄 수 있다. 반면 발전엔진(42)의 경우 선내에 복수 개로 구비될 수 있으며, 적어도 일부의 발전엔진(42)을 디젤 등으로 가동함으로써 전력 부하를 커버할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 개념도이다.

이하에서는 앞서 설명한 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 후술하는 제3 실시예에서도 마찬가지임을 알려둔다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템(1)은, 증발가스 압축기(20)와 부스팅 압축기(31)가 하나의 구동원에 의해 가동하도록 일체화될 수 있다.

즉 증발가스 압축기(20)는 하나의 구동원에 의해 가동하는 다단 압축부의 상류 압축부를 이루며, 부스팅 압축기(31)는 다단 압축부의 하류 압축부(21)를 이룰 수 있다.

이때 다단 압축부는, 상류 압축부와 하류 압축부(21)의 사이인 중간단에서 엔진(40)으로 증발가스를 분기 공급하며, 최종단에서 액화기(33)로 증발가스를 전달할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템의 개념도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 액화 시스템(1)은, 추진엔진(41)이 앞선 실시예에서와 다른 타입으로 마련될 수 있다.

본 실시예에서 엔진(40)은, 100bar 이상의 요구압력을 갖는 추진엔진(41)과, 앞서 설명한 것과 같은 발전엔진(42)을 포함할 수 있다. 이때 추진엔진(41)으로는 300bar 이상의 요구압력을 갖는 ME-GI 등을 사용할 수 있다.

또한 본 실시예는, 앞선 제2 실시예와 마찬가지로 증발가스 압축기(20)와 부스팅 압축기(31)가 일체로 마련될 수 있다. 제1 실시예에서 설명한 것과 같이 부스팅 압축기(31)의 토출 압력은 35bar 이상이어야 하는데, 본 실시예에서 추진엔진(41)의 요구압력은 35bar를 한참 상회하는 값이므로 추진엔진(41)으로 전달되는 증발가스의 압력은 제1 실시예에서 부스팅 압축기(31)의 토출 압력보다 높다.

따라서 이 경우, 다단 압축부의 상류 압축부는 증발가스 압축기(20)를 구성하고, 다단 압축부의 중간 압축부가 부스팅 압축기(31)를 이루게 되며, 다단 압축부에는 중간 압축부의 하류에 하류 압축부(21)를 더 포함할 수 있다.

이때 상류 압축부와 중간 압축부 사이인 제1 중간단에서 발전엔진(42)으로 증발가스를 분기 공급할 수 있고, 중간 압축부와 하류 압축부(21)의 사이인 제2 중간단에서 액화기(33)로 증발가스를 전달하며, 최종단에서 추진엔진(41)으로 증발가스를 전달할 수 있다.

이를 통해 본 실시예는 추진엔진(41)의 요구압력을 맞추기 위한 다단 압축부에 대해 일부의 압축단이 액화효율 향상을 위한 부스팅 압축기(31)로 사용되도록 하여, 과도한 부스팅을 억제하면서도 최적의 액화 성능을 확보할 수 있다.

본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.

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: 증발가스 액화 시스템 10: 액화가스 저장탱크
20: 증발가스 압축기 21: 하류 압축부
30: 증발가스 액화부 31: 부스팅 압축기
32: 증발가스 열교환기 33: 액화기
331: 냉매 공급부 34: 감압밸브
35: 기액분리기 40: 액화가스 공급부
41: 이송펌프 42: 고압펌프
40: 엔진 41: 추진엔진
42: 발전엔진 L10: 증발가스 공급라인
L11: 증발가스 분기라인 L12: 증발가스 액화라인
L20: 액화가스 공급라인

Claims (8)

1. 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크;
   상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 증발가스 압축기; 및
   상기 액화가스 저장탱크에서 배출된 증발가스 중 잉여분을 액화하는 증발가스 액화부를 포함하며,
   상기 증발가스 액화부는,
   상기 증발가스 압축기에서 토출된 증발가스를 추가 압축하여 35bar 내지 50bar로 변화시키는 부스팅 압축기;
   상기 증발가스 압축기 및 상기 부스팅 압축기에 압축된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스로 냉각하는 증발가스 열교환기;
   상기 증발가스 열교환기의 하류에 마련되며 증발가스를 단일 조성의 비폭발성인 냉매와 열교환해 액화하는 액화기; 및
   상기 액화기의 하류에 마련되며 증발가스를 감압하여 상기 액화가스 저장탱크로 전달하는 감압밸브를 포함하며,
   상기 엔진은,
   20bar 이하의 요구압력을 갖는 추진엔진과, 상기 추진엔진보다 요구압력이 상대적으로 낮은 발전엔진을 포함하며,
   상기 부스팅 압축기는,
   상기 액화기에서 액화를 위해 필요한 냉열을 줄이기 위하여, 상기 증발가스 압축기에 의해 상기 추진엔진의 요구압력에 맞게 압축된 증발가스를 상기 추진엔진의 요구압력 대비 4배 이하인 기설정배율 이내로 증발가스를 압축하며,
   1단으로 마련되고,
   증발가스를 임계압력 이상으로 압축하여 증발가스가 상기 증발가스 열교환기 및 상기 액화기를 거치면서 액화될 때 PH 선도에서 2-phase 구간을 우회하여 액화가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 증발가스 액화 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 증발가스 압축기와 상기 부스팅 압축기는, 하나의 구동원에 의해 가동하는 다단 압축부의 상류 압축부와 하류 압축부를 이루며,
   상기 다단 압축부는,
   상기 상류 압축부와 상기 하류 압축부의 사이인 중간단에서 상기 엔진으로 증발가스를 분기 공급하며, 최종단에서 상기 증발가스 열교환기로 증발가스를 전달하는 것을 특징으로 하는 증발가스 액화 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항 또는 제 5 항의 상기 증발가스 액화 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.

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