KR102370607B1 - 선박의 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박의 증발가스 재액화 시스템은, 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기; 상기 열교환기로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부; 및 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매를 공급받아 상기 저장탱크로부터 배출되는 미압축 증발가스와 열교환시키는 냉열회수 열교환기:를 포함하되, 상기 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 상기 냉열회수 열교환기에서 상기 냉매와 열교환 후, 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 방법{Boil-Off Gas Reliquefaction System and Method for Ship}

본 발명은 액화가스로부터 발생하는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 액화가스 및 증발가스 자체의 냉열을 이용해 재액화시키는 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 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, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소 시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.

액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -162℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.

증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 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 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료수요처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는, 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다.

한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DFDE, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.

DFDE은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 5.5 barg 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.

X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 15 barg 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.

ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300 barg 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.

본 출원인은 별도의 냉매 없이 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법으로, 압축기에 의해 압축시킨 증발가스를, 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스와 열교환시켜 냉각시킨 후 J-T 밸브 등에 의해 팽창시켜 증발가스의 일부를 재액화시키는 방법을 발명한 바 있고, 이와 같은 시스템을 일명 PRS(Partial Re-liquefaction System)라고 한다.

저장탱크 내부의 액화가스의 양이 많아 증발가스의 발생량이 많은 경우, 선박이 정박하고 있거나 낮은 속도로 운항하여 엔진에서 사용되는 증발가스가 적은 경우 등, 재액화시켜야 할 증발가스의 양이 많은 경우, PRS만으로 요구되는 재액화량을 만족시키지 못할 수가 있어, 본 출원인은 증발가스를 더 많이 재액화시킬 수 있도록 PRS를 개량한 기술을 발명하였다.

PRS의 개량 기술로, 증발가스 자체를 냉매로 사용한 냉매 사이클에 의해 증발가스를 추가로 냉각시킬 수 있도록 한 시스템을 일명 MRS(Methane Refrigeration System)라고 한다.

재액화될 증발가스의 냉각에는 혼합 냉매나 질소 등 별도의 냉매를 사용할 수도 있으며, 별도의 냉매를 사용하는 재액화 시스템 중 질소 냉동 사이클을 이용하는 시스템을 고안하여 본 출원인은 NRS(Nitrogen Refrigerant System)라고 명명한 바 있다.

본 발명은 여기서 더 나아가, 보다 효과적인 열교환을 통해 재액화될 증발가스를 냉각하여 재액화 성능을 높일 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기;

상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기;

상기 열교환기로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인;

상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부; 및

상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매를 공급받아 상기 저장탱크로부터 배출되는 미압축 증발가스와 열교환시키는 냉열회수 열교환기:를 포함하되,

상기 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 상기 냉열회수 열교환기에서 상기 냉매와 열교환 후, 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치;를 더 포함하고, 상기 냉매순환라인은 상기 냉매 압축부의 하류에서, 상기 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제1 냉매냉각라인; 및 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제2 냉매냉각라인:으로 분기되고, 상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매는 상기 열교환기의 냉매로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 냉매냉각라인에 마련되어 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하는 컨트롤 밸브; 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도를 감지하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에서 감지된 증발가스의 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부:를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 제어부에서는, 상기 온도 센서에서 감지된 증발가스의 온도에 따라 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하여, 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 냉열회수 열교환기를 통과하여 일정 온도로 상기 열교환기로 도입되도록 조절할 수 있다.

바람직하게는, 상기 열교환기에서는, 상기 압축기에서 압축된 압축가스, 상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매, 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스, 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매의 네 흐름이 열교환될 수 있다.

바람직하게는 상기 냉매 압축부는, 상기 냉매 팽창장치에 연결되어, 상기 냉매 팽창장치로부터 상기 냉매의 팽창에너지를 전달받아 상기 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기:로 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 열교환기에서 열교환으로 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 감압하는 감압장치; 및 상기 감압장치에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기:를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기액분리기에서 분리된 플래시 가스는 상기 냉열회수 열교환기 전단의 상기 미압축 증발가스 흐름에 합류되어 상기 냉열회수 열교환기로 도입되고, 상기 기액분리기에서 분리된 액화가스는 상기 저장탱크로 회수될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 압축하고, 열교환기에서 열교환으로 냉각하여 재액화하되,

상기 열교환기에는 냉매순환라인을 따라 순환하는 냉매가 공급되되, 상기 냉매는 상기 열교환기에서 상기 증발가스를 냉각시킨 후 배출되어 냉매 압축부에서 압축되고,

상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 냉열회수 열교환기에서, 상기 저장탱크로부터 배출되는 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각되며,

상기 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 상기 냉열회수 열교환기에서 상기 냉매와 열교환 후, 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매순환라인에는 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치가 마련되되, 상기 냉매순환라인은 상기 냉매 압축부의 하류에서, 상기 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제1 냉매냉각라인; 및 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제2 냉매냉각라인:으로 분기되며, 상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매는 상기 열교환기의 냉매로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 냉매냉각라인에는 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하는 컨트롤 밸브와 상기 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부가 마련되되, 상기 제어부에서는 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브를 제어하여 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하여, 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 냉열회수 열교환기를 통과하여 일정 온도로 상기 열교환기로 도입되도록 조절할 수 있다.

바람직하게는 상기 열교환기에서는, 상기 압축기에서 압축된 압축가스, 상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매, 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스, 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매의 네 흐름이 열교환될 수 있다.

본 발명에서는 저장탱크로부터 발생한 극저온의 미압축 증발가스를 열교환기를 거쳐 압축기로 도입시켜 열교환기의 냉열을 추가로 확보하면서, 냉열회수 열교환기를 구성하여 미압축 증발가스에 의해 냉매 사이클의 냉매를 냉각시키고, 저장탱크에서 발생한 증발가스가 일정한 온도로 열교환기에 도입될 수 있도록 한다. 이와 같이 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도를 일정하게 유지함으로써, 보다 안정적으로 재액화 시스템을 운용할 수 있고, 열응력(thermal stress)에 의한 열교환기의 열 피로(thermal fatigue)를 방지할 수 있다.

또한, 증발가스 자체의 냉열 및 냉매 사이클의 냉열을 이용하여, 재액화될 증발가스를 보다 효과적으로 냉각하여 재액화율을 높일 수 있고, 냉매 사이클에서 냉매의 팽창에너지를 이용하여 냉매를 압축시킴으로써, 냉매 사이클에서 냉매 압축에 필요한 전력을 줄일 수 있고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 기본 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기본 실시예를 개선한 본 발명 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 제1 실시예 시스템에서 열교환기에서의 열교환 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

이하 본 발명에서의 선박은, 액화가스 및 액화가스에서 발생하는 증발가스를 추진용 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되거나 액화가스 또는 증발가스를 선내 기관의 연료로 사용하는 모든 종류의 선박으로, 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하며 엔진 등의 연료로 사용될 수 있는 모든 종류의 액화가스를 포함할 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스 중 하나인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

한편, 본 실시예들의 각 라인을 흐르는 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계유체 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.

도 1은 본 발명의 기본 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 기본 실시예를 개선한 본 발명 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 3은 도 2에 도시된 제1 실시예 시스템에서 열교환기에서의 열교환 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

먼저 도 1의 기본 실시예 시스템을 살펴보면, 선박에 마련되어 액화가스가 저장된 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위한 것으로, 저장탱크(T)에서 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기(100), 압축기에서 압축된 증발가스의 전부 또는 일부를 공급받아 압축기로 도입될 미압축 증발가스 및 냉매와 열교환으로 냉각하는 열교환기(200)를 포함한다. 이를 위해 저장탱크(T)로부터 압축기(100)로 증발가스 공급라인(GL)이, 압축기의 후단에서 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 공급하는 재액화 라인(RL)이 각각 마련된다.

또한, 열교환기(200)로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인(CL)이 마련되며, 냉매순환라인에는 열교환기로 공급되는 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치(510)와, 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부(500)가 마련된다.

냉매 압축부(500)는 컴팬더(compander) 압축기로 마련하고, 냉매 팽창장치(510)와 축 연결하여, 냉매의 팽창에너지를 전달받아 컴팬더 압축기가 구동되도록 할 수 있다. 냉매 압축부를 모터로 구동시키되, 모터를 냉매 팽창장치(510)에 연결시켜 냉매의 팽창에너지를 전달받아 모터가 구동되면서 냉매를 압축시키도록 구성할 수도 있다.

냉매 압축부(500)에서 압축된 냉매는 열교환기(200)로 도입되어 냉각된 후 냉매순환라인(CL)을 따라 냉매 팽창장치(510)로 공급되어 팽창냉각되고, 다시 열교환기(200)에 냉매로 공급된다.

그에 따라 본 실시예에서의 열교환기(200)에서는 압축된 증발가스의 전부 또는 일부, 압축기로 도입될 미압축 증발가스, 냉매 팽창장치에서 팽창 냉각된 냉매, 및 냉매 압축부에서 압축된 냉매의 4가지 흐름이 열교환된다.

본 실시예 시스템은 냉매를 압축하고, 냉매 자체의 냉열로 냉각한 후 팽창시켜 열교환기로 공급하여 순환시키는 냉매 사이클에, 압축된 증발가스가 압축기로 도입될 미압축 증발가스로 냉각되는 본 출원인의 PRS 시스템을 결합시켜, 열교환기에서 4가지 흐름이 열교환되도록 구성하였다.

냉매순환라인(CL)을 순환하며 열교환기로 공급되는 냉매로는 예를 들어 질소(N₂)가 이용될 수 있다. 압축된 냉매를 열교환기로 공급하여 냉매 자체의 냉열로 냉각 후 팽창시켜 열교환기로 공급하여 순환시키는 냉매 사이클을 구성하여 증발가스를 열교환시켜 냉각하는 경우, 증발가스를 액화 온도까지 냉각하기 위해서는 주성분이 메탄인 증발가스와 질소의 열용량 차이로 인해 다량의 질소 냉매가 필요하며, 질소 냉매 자체의 냉각에 냉매 사이클의 냉열 대부분을 사용해야 하는 결과를 초래하고, 냉매를 압축하는 장치와 팽창시키는 장치 등의 용량 증가, 그로 인한 소비 전력 증가를 초래하게 되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에서는 저장탱크로부터 발생한 극저온의 미압축 증발가스도 열교환기를 거쳐 압축기로 도입되도록 구성하여, 냉매 사이클에서 필요한 냉매 유량을 줄이고, 그에 따라 냉매의 압축 및 팽창을 위한 장치들의 용량을 줄이고 소비전력을 줄여, 설치 및 운영 비용을 절감할 수 있도록 한다. 이와 같이 열교환기에서 4가지 흐름이 열교환되도록 구성하면, 냉매 자체의 냉열로 냉매를 냉각시키도록 냉매 사이클을 구성할 때에 비해 약 25%의 소모전력 감소 효과가 있다.

본 실시예의 시스템에서, 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

저장탱크(T)에서 발생하는 증발가스는 열교환기(200)를 거쳐 압축기(100)로 도입된다.

압축기(100)에서는 증발가스를 압축하는데, 예를 들어 선박의 주엔진의 연료공급압력으로 압축할 수 있다. 예를 들어 DF 엔진이 마련된 경우라면 5.5 barg, X-DF 엔진이 마련된 경우라면 15 barg, ME-GI 엔진이 마련된 경우는 300 barg로 압축할 수 있다. 압축된 증발가스는 선박의 주엔진(미도시)의 연료로도 공급될 수 있고, 연료로 공급되지 않은 증발가스를 재액화시킬 수 있다.

선박 규정상 엔진으로 연료를 공급하는 압축기는, 비상 상황을 대비하여 리던던시(Redundancy) 설계를 하여야 하는데, 리던던시 설계란, 어느 한 대를 고장, 유지보수 등의 이유로 사용할 수 없을 때 다른 한 대를 대신 사용할 수 있도록 설계하는 것을 의미한다. 이를 위해 도면에서는 한 대의 압축기로 도시하였지만, 압축기는 주압축기와 리던던시 압축기를 포함하여 구성된 것일 수 있다.

압축기에서 압축된 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 열교환기(200)로 도입되어 냉각된다. 압축되어 재액화될 증발가스 및 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 열교환기의 Hot stream을 이루고, 미압축 증발가스 및 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매는 Cold stream을 이룬다. 열교환기(200)에서는 4가지 흐름이 열교환되며, Hot stream이 Cold stream과의 열교환으로 냉각된다.

열교환기에서 열교환으로 냉각된 증발가스는 재액화 라인의 감압장치(300)로 도입되어 감압되고, 감압장치에서 감압된 증발가스는 기액분리기(400)로 도입된다.

감압장치(300)는 압축 및 냉각된 증발가스를 감압하는 팽창기(expander) 또는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브로 구성될 수 있다. 감압을 통해 증발가스는 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창하며 냉각된다.

감압장치에서 감압되며 추가 냉각된 증발가스는 기액분리기(400)로 도입되고, 기액분리기에서 분리된 액체는 재액화라인(RL)을 따라 저장탱크(T)로 공급되어 재저장된다. 다만, 본 실시예들에서 기액분리기를 거치더라도 기체인 플래시 가스와 액체인 액화가스가 100% 상분리되지 않을 수 있으므로, 분리된 액체 또는 액화가스에는 미분리된 플래시 가스가 포함될 수 있다.

기액분리기에서 분리된 플래시 가스는, 기액분리기의 상부로부터 열교환기 전단의 증발가스 공급라인으로 연결되는 플래시 가스라인(FL)을 통해 열교환기 전단의 미압축 증발가스 흐름으로 공급되어 열교환기의 냉매로 도입될 수 있다.

다음으로, 도 2에는 전술한 기본 실시예를 개선한 본 발명 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 3에는 제1 실시예 시스템에서의 열교환기 및 온도도절 열교환기에서의 열교환 흐름을 개략적으로 도시하였다.

도 2 및 3을 참조하면, 본 제1 실시예의 시스템은, 기본 실시예의 시스템에서 증발가스 공급라인의 열교환기 상류에 냉열회수 열교환기(520)를 마련하고, 냉매 압축부에서 압축된 냉매와 저장탱크로부터 배출되는 미압축 증발가스가 열교환되도록 구성한 것이다.

냉매순환라인(CL)은 냉매 압축부(500)의 하류에서 열교환기(200)를 거치는 제1 냉매냉각라인(CLa)과 냉열회수 열교환기(520)를 거치는 제2 냉매냉각라인(CLb)으로 분기되었다가 열교환기 및 냉열회수 열교환기를 지난 후 합류되어 냉매 팽창장치(510)로 도입된다.

그에 따라 열교환기(200)에서 냉매로 사용된 후 배출된 냉매는 냉매 압축부(500)를 거쳐 압축되고, 두 흐름으로 나뉘어(CLa, CLb) 각각 열교환기 및 냉열회수 열교환기를 통과하여 냉각되고, 냉매 팽창장치(510)에서 팽창 냉각된 후 다시 열교환기의 냉매로 공급된다.

냉열회수 열교환기(520)를 마련함에 따라, 저장탱크에서 배출되는 미압축 증발가스는 냉열회수 열교환기를 통과하여 열교환을 통해 냉매를 냉각시킨 후 열교환기에 도입되고, 다시 열교환기(200)에서 압축가스를 냉각시키며 가온되어 압축기(100)로 도입된다.

이와 같이 냉열회수 열교환기를 구성함으로써, 저장탱크에서 배출되는 미압축 증발가스의 온도를 일정하게 조절하여 열교환기로 공급할 수 있다.

즉, 저장탱크에서 발생하는 증발가스는 저장탱크 운전 상황(tank operation)에 따라 -140℃ 내지 -100℃ 범위에서 저장탱크로부터 배출되어 온도가 가변적이다.

따라서 이와 같이 극저온이면서 온도가 일정하지 않은 증발가스를 열교환기로 계속해서 공급하면, 열응력(thermal stress)에 의해 열교환기의 열 피로(thermal fatigue)를 초래할 수 있다.

본 실시예 시스템은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 저장탱크(T)와 열교환기(200) 사이의 증발가스 공급라인(GL)에 냉열회수 열교환기(520)를 마련하고, 저장탱크에서 배출되는 미압축 증발가스가 냉열회수 열교환기를 통과하여 일정한 온도로 열교환기(200)에 도입될 수 있도록 한다. 이를 통해 메인 열교환기의 열응력에 의한 열피로를 방지하여 장치 손상이나 장치 파손을 방지하고, 보다 안정적으로 재액화 시스템을 운전할 수 있다.

한편, 냉열회수 열교환기(520)에서 미압축 증발가스는 냉매순환라인의 냉매와 열교환되며 온도가 조절되는데, 이를 위해 냉매순환라인(CL)은 냉매 압축부(500)의 하류에서 열교환기(200)를 거치는 제1 냉매냉각라인(CLa)과 냉열회수 열교환기(520)를 거치는 제2 냉매냉각라인(CLb)으로 분기되고, 냉열회수 열교환기에서는 제2 냉매냉각라인의 냉매와 증발가스 공급라인의 미압축 증발가스가 열교환된다.

제2 냉매냉각라인(CLb)에는 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하는 컨트롤 밸브(530)가 마련되고, 저장탱크로부터 냉열회수 열교환기로 도입되는 증발가스 공급라인의 증발가스 온도를 감지하는 온도 센서(540)가 마련된다. 온도 센서(540)에서 감지된 증발가스의 온도에 따라 제어부(550)에서 컨트롤 밸브(530)의 개도를 제어하여, 냉열회수 열교환기(520)로 도입되는 냉매의 유량을 조절함으로써, 저장탱크에서 배출되는 증발가스가 냉열회수 열교환기를 통과하여 일정 온도로 열교환기로 도입되도록 조절한다.

저장탱크에서 배출되는 -140 내지 -100 ℃ 내외의 미압축 증발가스는 냉열회수 열교환기를 통과하면서, 압축 냉매를 냉각시키면서 -50 ℃ 내외의 일정한 온도로 가온되어 열교환기로 도입될 수 있다.

그에 따라 열교환기에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 압축기에서 압축된 재액화라인의 압축가스(RL), 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매순환라인의 냉매(CL), 저장탱크로부터 냉열회수 열교환기를 거쳐 압축기로 도입될 증발가스 공급라인의 미압축 증발가스(GL), 냉매 압축부에서 압축된 제1 냉매냉각라인의 냉매(CLa)의 네 흐름이 열교환된다. 보다 구체적으로는, 재액화라인의 압축가스(RL)와 제1 냉매냉각라인의 냉매(CLa)는 Hot stream을 이루고, 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매순환라인의 냉매(CL) 및 냉열회수 열교환기를 통과한 증발가스 공급라인의 미압축 증발가스(GL)는 열교환기의 Cold stream을 이루며, Hot stream이 Cold stream과의 열교환으로 냉각된다.

보다 효과적으로 Hot stream과 Cold stream의 열교환이 이루어져 재액화될 압축가스가 냉각될 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이 열교환기에서의 각 흐름의 도입 및 배출 위치를 다르게 할 수 있다.

열교환기의 Cold stream 중 팽창냉각 후 열교환기로 도입되는 질소 냉매는 예를 들어 압력이 10 bar 내외라면 온도 -167 ℃ 내외로, 열교환기의 또 다른 Cold stream인 -50 ℃ 내외의 미압축 증발가스보다 온도가 낮다. 따라서 열교환기에 함께 도입되면, 질소 냉매의 냉열 전부가 재액화될 압축가스의 냉각을 위해 사용되지 못하고 냉열 일부가 다른 흐름으로 흡수될 수 있으므로 Cold stream 중 온도가 낮은 질소 냉매 흐름(CL)은 열교환기 하류로 도입시켜 열교환기 전부를 통과하도록 하고, Cold stream 중 온도가 높은 미압축 증발가스 흐름(GL)은 열교환기의 중간 부분으로 도입시킨다.

이를 통해, 재액화라인의 압축가스는 열교환기의 고온 영역부터 저온 영역을 통과하며 순차로 냉각되며, 고온 영역에서는 2개의 Cold stream, 즉 냉매순환라인의 냉매와 증발가스 공급라인의 미압축 증발가스로부터 냉열을 공급받아 냉각되고, 저온 영역에서는 하나의 Cold stream, 열교환기로 도입된 직후의 냉매순환라인의 냉매과 열교환하며 순차로 냉각된다.

열교환기에서 열교환으로 냉각된 압축가스는 재액화 라인의 감압장치(300)로 도입되어 감압되고, 감압장치에서 감압된 증발가스는 기액분리기(400)로 도입된다.

감압장치(300)에서의 감압을 통해 증발가스는 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창하며 냉각되고, 기액분리기(400)에서 기액분리되며, 기액분리기를 거쳐 분리된 액체는 재액화라인(RL)을 따라 저장탱크(T)로 공급되어 재저장된다. 기액분리기에서 분리된 플래시 가스는 플래시 가스라인(FL)을 따라 기액분리기로부터 냉열회수 열교환기 전단의 증발가스 공급라인으로 공급되어, 미압축 증발가스와 함께 냉열회수 열교환기를 거쳐 열교환기로 도입된다.

이와 같이 열교환시킴으로써, 재액화될 압축가스를 보다 효과적으로 냉각하여 재액화율을 높일 수 있고, 열교환기의 열 피로를 방지하여 장치 손상을 방지할 수 있다.

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 자에게 있어서 자명한 것이다.

T: 저장탱크
GL: 증발가스 공급라인
RL: 재액화 라인
CL: 냉매순환라인
CLa: 제1 냉매냉각라인
CLb: 제2 냉매냉각라인
FL: 플래시 가스라인
100: 압축기
200: 열교환기
300: 감압장치
400: 기액분리기
500: 냉매 압축부
510: 냉매 팽창장치
520: 냉열회수 열교환기
530: 컨트롤 밸브
540: 온도 센서
550: 제어부

Claims (12)

1. 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기;
   상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기;
   상기 열교환기로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인;
   상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부;
   상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매를 공급받아 상기 저장탱크로부터 배출되는 미압축 증발가스와 열교환시키는 냉열회수 열교환기;
   상기 냉매 압축부의 하류에서 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하는 컨트롤 밸브;
   상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도를 감지하는 온도 센서; 및
   상기 온도 센서에서 감지된 증발가스의 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부:를 포함하되,
   상기 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 상기 냉열회수 열교환기에서 상기 냉매와 열교환 후, 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치:를 더 포함하고,
   상기 냉매순환라인은 상기 냉매 압축부의 하류에서, 상기 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제1 냉매냉각라인; 및 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제2 냉매냉각라인:으로 분기되고,
   상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매는 상기 열교환기의 냉매로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
3. 삭제
4. 제 2항에 있어서,
   상기 제어부에서는, 상기 온도 센서에서 감지된 증발가스의 온도에 따라 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하여, 상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 냉열회수 열교환기를 통과하여 일정 온도로 상기 열교환기로 도입되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 열교환기에서는, 상기 압축기에서 압축된 압축가스, 상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매, 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스, 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매의 네 흐름이 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
6. 제 2항에 있어서,
   상기 냉매 압축부는, 상기 냉매 팽창장치에 연결되어, 상기 냉매 팽창장치로부터 상기 냉매의 팽창에너지를 전달받아 상기 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기:로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
7. 제 1항 내지 제 2항, 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열교환기에서 열교환으로 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 감압하는 감압장치; 및
   상기 감압장치에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기:를 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 기액분리기에서 분리된 플래시 가스는 상기 냉열회수 열교환기 전단의 상기 미압축 증발가스 흐름에 합류되어 상기 냉열회수 열교환기로 도입되고,
   상기 기액분리기에서 분리된 액화가스는 상기 저장탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
9. 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 압축하고, 열교환기에서 열교환으로 냉각하여 재액화하되,
   상기 열교환기에는 냉매순환라인을 따라 순환하는 냉매가 공급되되, 상기 냉매는 상기 열교환기에서 상기 증발가스를 냉각시킨 후 배출되어 냉매 압축부에서 압축되고,
   상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 냉열회수 열교환기에서, 상기 저장탱크로부터 배출되는 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각되며,
   상기 저장탱크에서 배출되는 증발가스는 상기 냉열회수 열교환기에서 상기 냉매와 열교환 후, 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입되되,
   상기 냉매 압축부의 하류에서 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하는 컨트롤 밸브와 상기 컨트롤 밸브를 제어하는 제어부가 마련되고,
   상기 제어부에서는 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브를 제어하여 상기 냉열회수 열교환기로 도입되는 냉매의 유량을 조절하여,
   상기 저장탱크에서 발생하는 증발가스가 상기 냉열회수 열교환기를 통과하여 일정 온도로 상기 열교환기로 도입되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 냉매순환라인에는 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치가 마련되되,
    상기 냉매순환라인은 상기 냉매 압축부의 하류에서, 상기 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제1 냉매냉각라인; 및 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 냉각된 후 상기 냉매 팽창장치로 도입되는 제2 냉매냉각라인:으로 분기되며,
    상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매는 상기 열교환기의 냉매로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 방법.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 열교환기에서는, 상기 압축기에서 압축된 압축가스, 상기 냉매 팽창장치에서 팽창냉각된 냉매, 상기 저장탱크로부터 상기 냉열회수 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스, 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매의 네 흐름이 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 방법.
12. 삭제

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