KR102387172B1 - 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법 - Google Patents

액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법 Download PDF

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream

Abstract

본 발명은 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 액화가스 재기화 시스템에서, 재기화 가스 송출량이 없거나 적더라도, 증발가스를 재액화시켜 회수할 수 있는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치는, 액화가스 재기화 시스템에서 생성되는 증발가스를 처리하는 증발가스 처리 장치에 있어서, 증발가스를 연료 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 연료 컴프레서; 상기 연료 컴프레서 후단에 상기 연료 컴프레서와 직렬로 설치되며, 상기 연료 컴프레서에서 압축된 저압 증발가스를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 컴프레서; 상기 고압 컴프레서에서 압축된 고압 증발가스를 냉각시키는 저온 열교환기; 상기 저온 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스를 상기 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크의 내압까지 감압시키는 감압장치; 및 상기 감압장치에서 감압과정에 의해 생성된 플래시 가스를 분리하는 액화가스 드럼;을 포함하여, 상기 액화가스 드럼에서 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 것을 특징으로 한다.

Description

액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법 {Boil-Off Gas Treating Apparatus and Method of Liquefied Gas Regasification System}
본 발명은 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 액화가스 재기화 시스템에서, 재기화 가스 송출량이 없거나 적더라도, 증발가스를 재액화시켜 회수할 수 있는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 운반된다. LNG는 천연가스를 상압에서 약 -163℃의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로서 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
LNG 운반선에 의해 운반된 LNG는 육상 또는 해상에서 기화시켜 육상의 가스 수요처로 공급할 수 있다. LNG 운반선으로부터 LNG를 공급받아 해상에서 재기화시켜 가스 수요처로 공급하는 재기화 선박으로는, 대표적으로 LNG 운반선에 LNG 재기화 시스템을 설치한 LNG RV(LNG Regasification Vessel) 또는 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 LNG 재기화 선박 또는 부유식 해상 구조물(이하, 'LNG 재기화 선박'으로 통칭함.)이 있다.
일반적으로, LNG 재기화 선박에 설치되는 재기화 설비는, LNG 저장탱크에 저장되어 있는 저압의 LNG를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압펌프(high pressure pump), 해수(seawater) 등 열전달 매체(heating medium)를 이용하여 가스 배관망(regas network)에서 요구하는 온도까지 가열하여 기화시키는 기화기(high pressure vaporizer)를 포함한다. 고압펌프 및 기화기를 통해 기화된 재기화 가스는 가스 배관망을 통해 가스 수요처(consumer)로 전달된다.
LNG 재기화 선박에 설치되는 LNG 저장탱크에는, LNG가 약 -163℃의 극저온의 액체 상태로 저장되어 있다. LNG 저장탱크는, LNG가 액체 상태를 유지할 수 있도록 단열처리되어 있다. 그러나, LNG 저장탱크가 단열처리되어 있더라도, 외부 열 침입 등에 의해 LNG는 자연기화한다. LNG가 자연기화하여 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 지속적으로 생성되면, LNG 저장탱크의 압력이 상승하게 된다.
LNG 저장탱크의 압력이 과도하게 상승하게 되면, 폭발 등의 위험이 있으므로, LNG 저장탱크의 압력이 설정값을 초과하면, 안전밸브를 개방하여 증발가스를 LNG 저장탱크로부터 외부로 배출시킨다.
LNG 재기화 선박에서, LNG 저장탱크로부터 배출된 증발가스는, LNG의 냉열을 이용하여 재응축시켜 재기화시킬 LNG와 함께 고압펌프 및 기화기로 공급하여 재기화시킨 후 가스 수요처로 공급한다.
이때, 증발가스는 재기화시킬 LNG의 냉열을 이용하여 재응축시키므로, 재응축시킬 수 있는 증발가스의 용량은 재기화시킬 LNG의 양에 비례한다. 즉, 재기화시킬 LNG의 유량이 LNG 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 재응축시키기에 충분한 양일 경우에만 증발가스를 재응축시켜 처리할 수 있다.
만약, LNG 재기화 선박에서, 재기화 용량이 줄어들어 LNG로부터 충분한 냉열을 공급받지 못하여 응축시키지 못한 증발가스나, 재기화를 실시하지 않을 때 생성된 증발가스는 LNG 저장탱크로 회수할 수 있다. 또한, LNG 저장탱크가 수용할 수 있는 압력 수준을 초과하여 LNG 저장탱크로 회수할 수 없는 양만큼의 증발가스는 엔진의 연료로 공급할 수 있다.
그러나, LNG 저장탱크에서 수용할 수 있는 양을 초과하고, 엔진에서 요구하는 연료량 또한 초과하는 양의 증발가스는 GCU(Gas Combustion Unit)으로 공급하여 연소시켜 처리하거나, 대기중으로 벤팅(venting)시킬 수 밖에 없다.
증발가스는, LNG를 구성하는 성분 중에서 끓는점이 가장 높은 메탄이 주성분이므로, 증발가스를 연소시켜 처리하거나 벤팅시켜 처리하는 것은 엄청난 경제적 손실이 된다.
따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하고자 하며, 재기화시킬 액화가스의 유량이 증발가스를 재응축시키기에 충분하지 못한 경우라도, 증발가스를 낭비하지 않고, 재액화시켜 회수할 수 있도록 하는 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 재기화 시스템에서 생성되는 증발가스를 처리하는 증발가스 처리 장치에 있어서, 증발가스를 연료 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 연료 컴프레서; 상기 연료 컴프레서 후단에 상기 연료 컴프레서와 직렬로 설치되며, 상기 연료 컴프레서에서 압축된 저압 증발가스를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 컴프레서; 상기 고압 컴프레서에서 압축된 고압 증발가스를 냉각시키는 저온 열교환기; 상기 저온 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스를 상기 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크의 내압까지 감압시키는 감압장치; 및 상기 감압장치에서 감압과정에 의해 생성된 플래시 가스를 분리하는 액화가스 드럼;을 포함하여, 상기 액화가스 드럼에서 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 저온 열교환기로 공급되는 고압 증발가스 중 일부를 분기시켜 팽창에 의해 냉각시키는 팽창기;를 더 포함하고, 상기 저온 열교환기에서는, 상기 팽창기에서 팽창에 의해 냉각된 팽창 증발가스와 상기 고압 증발가스가 열교환하여, 상기 고압 증발가스가 냉각될 수 있다.
바람직하게는, 상기 저온 열교환기로 공급되는 고압 증발가스를 상기 팽창기 도입 온도까지 예냉시키는 고온 열교환기;를 더 포함하고, 상기 고온 열교환기로부터 저온 열교환기로 공급되는 고압 증발가스 중 일부가 상기 팽창기로 분기될 수 있다.
바람직하게는, 상기 고온 열교환기에서는, 상기 저온 열교환기 및 팽창기로 공급되는 고압 증발가스와 상기 저온 열교환기에서 열교환 후 배출되는 가열된 팽창 증발가스가 열교환하여, 고압 증발가스가 냉각될 수 있다.
바람직하게는, 상기 저온 열교환기에서 열교환 후 배출되는 팽창 증발가스를, 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름의 압력까지 압축시키는 가스 컴프레서;를 더 포함하고, 상기 가스 컴프레서에서 압축된 증발가스는 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름으로 합류될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스 컴프레서는, 상기 팽창기와 하나의 축으로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스 컴프레서에서 압축에 의해 온도가 상승한 압축 증발가스의 온도를 조절하는 가스 쿨러;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 액화가스 드럼에서 분리된 플래시 가스는, 상기 저온 열교환기로 공급되는 팽창 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스 재기화 시스템에서 생성되는 증발가스를 처리하는 증발가스 처리 방법에 있어서, 증발가스를 연료 수요처에서 요구하는 저압으로 압축하고, 상기 저압으로 압축된 저압 증발가스를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 고압으로 압축하고, 상기 고압으로 압축된 고압 증발가스를 냉각시키고, 상기 냉각된 고압 증발가스를 상기 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크의 내압까지 감압시키고, 상기 감압과정에 의해 생성된 플래시 가스를 분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 것은, 상기 고압 증발가스를 냉각시키기 전에, 고압 증발가스 중 일부를 분기시켜 팽창에 의해 냉각시키고, 상기 팽창에 의해 냉각된 팽창 증발가스와 상기 고압 증발가스를 열교환시켜, 상기 고압 증발가스의 적어도 일부를 액화시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 고압 증발가스를 상기 팽창 증발가스와 열교환시키기 전에, 상기 고압 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 팽창 증발가스와 열교환시켜, 고압 증발가스를 예냉시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 고압 증발가스를 예냉시키는 것은, 상기 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창기의 도입 온도까지 냉각시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 고압 증발가스를 냉각시키면서 가열된 팽창 증발가스는, 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름의 압력까지 압축시킨 후, 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름으로 합류시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 팽창 증발가스를 압축시키는 압축일은, 상기 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창일에 의해 얻어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리된 플래시 가스는, 상기 고압 증발가스와 열교환하는 팽창 증발가스 흐름으로 합류시킬 수 있다.
본 발명의 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법에 따르면, 재기화시킬 액화가스의 유량 또는 연료 소모량이 증발가스를 재응축시키기에 충분하지 못한 경우라도, 증발가스를 낭비하지 않고, 재응축시켜 처리할 수 있도록 함으로써, 증발가스를 낭비하지 않고 효율적으로 회수할 수 있다.
또한, 증발가스를 효과적으로 처리함으로서, 액화가스 저장탱크의 내압을 안전범위 내에서 일정하게 유지할 수 있고, 버려지는 LNG의 양을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치를 간략하게 도시한 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 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. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 또는, 액화 이산화탄소, 액화 수소, 액화 암모니아 등의 액체 가스일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
LNG는 메탄을 주성분으로 하며, 에탄, 프로판, 부탄 등을 포함하고, 그 조성은 생산지에 따라 달라질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 LNG 재기화 선박은, LNG를 재기화시켜 가스 수요처로 공급할 수 있는 LNG 재기화 설비가 설치된 모든 종류의 선박, 즉, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물일 수 있다. 또한, LNG를 재기화시켜 가스 수요처로 공급하면서, 재기화 가스를 연료로 하여 전력을 생산하고, 생산된 전력은 육상의 전력 수요처로 공급하는 부유식 발전 플랜트(FSPP; Floating, Storage, Power Plant)를 포함할 수 있다.
다만, 후술하는 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법은, 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 선박은, 재기화 시스템이 구비되는 LNG FSRU 또는 재기화 시스템과 발전 시스템이 구비되는 LNG FSPP인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박은, LNG를 해상에서 재기화시키고, 재기화 가스(regas)를 배관망을 통해 육상의 가스 수요처로 공급하며, 또한, LNG를 연료로 하여 전력을 생산하여 육상의 전력 수요처로 공급할 수도 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법, 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 육상에서 적용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치 및 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 증발가스를 연료 수요처에서 요구하는 압력까지 압축시키는 연료 컴프레서(600); 증발가스를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력까지 압축시키는 고압 컴프레서(700); 고압 컴프레서(700)에서 압축된 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창기(420); 팽창기(420)에서 팽창에 의해 냉각된 팽창 증발가스의 냉열을 이용하여 고압 증발가스를 액화시키는 저온 열교환기(200);를 포함한다.
도면에 도시하지는 않았지만, 본 실시예가 적용되는 LNG FSRU 또는 LNG FSPP에는, LNG 재기화 시스템이 구비된다. LNG 재기화 시스템은, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(미도시); 재기화시킬 LNG를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력까지 압축시키는 고압펌프(미도시); 및 압축 LNG를 기화시켜 재기화 가스 수요처로 공급하는 기화기(미도시);를 포함할 수 있다.
LNG 저장탱크에 저장된 LNG는, 고압펌프에서 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축되고, 기화기에서 기화되어 재기화 가스 수요처로 공급된다.
LNG 저장탱크에는, LNG가 약 0.5 bar 내지 1.1 bar에서 약 -163℃의 극저온으로 저장되어 있다. 즉, LNG 저장탱크는, LNG가 액체상태를 유지하면서 저장될 수 있도록 단열처리되는 것이 바람직하다.
그러나, LNG 저장탱크가 단열처리되어 있더라도, LNG 저장탱크 내에서 외부의 열 침입 등에 의해 LNG가 자연기화하여 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 생성될 수 있다. 그러므로 LNG 저장탱크는 LNG 저장탱크 내에서 생성된 증발가스에 의한 압력 상승을 설정압력까지 견딜 수 있도록 제작된 것일 수 있으며, 저장탱크의 내압이 설정압력을 초과하면 안전밸브가 개방되어 LNG 저장탱크 내 증발가스를 LNG 저장탱크 외부로 배출시키도록 설계되어 있을 수 있다.
본 실시예의 증발가스 라인(BL)은, LNG 저장탱크와 연료 컴프레서(600)를 연결하고, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 따라 연료 컴프레서(600)로 공급된다.
연료 컴프레서(600)는, 증발가스 라인(BL)을 따라 이송된 증발가스를, 연료 수요처에서 요구하는 저압으로 압축시킨다.
본 실시예에서 연료 수요처는, 저압으로 압축된 저압 증발가스를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전용 엔진일 수 있다. 발전용 엔진은 예를 들어, DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)일 수 있다. DFDG는 엔진 축에 발전기가 연결된 것으로서, 4-행정(4-stroke) 사이클을 사용한다. 또한, DFDE 엔진은 약 2 bar 내지 8 bar, 또는 6.5 bar 정도의 저압 천연가스를 연소용 공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축시키는 오토 사이클(otto cycle)을 채택하고 있다.
즉, 본 실시예의 연료 컴프레서(600)는, 증발가스를, 약 2 bar 내지 8 bar, 또는 약 5 bar 내지 6.5 bar로 압축시킨다. 이하, 연료 컴프레서(600)에서 압축되는 증발가스는 압력을 '저압'이라 하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 컴프레서(600)는, 제1 연료 압축기(610) 및 제2 연료 압축기(620) 등 2개의 압축기를 포함하여, 증발가스를 2단계에 걸쳐 저압으로 압축시키는 2단 압축기일 수 있다. 본 실시예에서는, 연료 컴프레서(600)가 2단 압축기인 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 제1 연료 압축기(610)와 제2 연료 압축기(620)는 하나의 축(shaft)에 연결되어 있을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 연료 컴프레서(600)의 후단에는 제1 연료 압축기(610) 및 제2 연료 압축기(620)에서 압축되면서 온도가 상승한 저압 증발가스를 냉각시키는 제1 쿨러(630);를 더 포함할 수 있다.
도 1에서는 제1 쿨러(630)가 제2 연료 압축기(620) 후단에 구비되는 것을 예로 들어 도시하였지만, 제1 쿨러는, 제1 연료 압축기(610) 후단 및 제2 연료 압축기(620) 후단에 모두 구비될 수도 있다.
본 실시예의 제1 쿨러(630)는, 저압 증발가스를 냉각수, 해수 등과 열교환시켜 냉각시키는 해수식 쿨러일 수 있고, 공기와 열교환시켜 냉각시키는 대기식 쿨러일 수도 있다.
제1 쿨러(630)는, 저압 증발가스를, 연료 수요처에서 요구하는 온도 조건 또는 후술하는 고압 컴프레서(700)의 도입 온도 조건까지 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 쿨러(630) 후단에서 연료 수요처로 연결되는 연료 공급라인(EL); 및 제1 쿨러(630) 후단에서 고압 컴프레서(700)로 연결되는 고압가스 라인(HL);을 더 포함할 수 있다.
즉, 연료 컴프레서(600)에서 압축되고, 제1 쿨러(630)에서 냉각된 저압 증발가스는 연료 공급라인(EL)을 따라 연료 수요처로 이송되거나 고압가스 라인(HL)을 따라 고압 컴프레서(700)로 이송된다.
연료 공급라인(EL) 및 고압가스 라인(HL)으로 분기되어 유동하는 저압 증발가스의 유량은, 도시하지 않은 제어부에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어부는, 먼저 연료 수요처에서 요구하는 연료 수요량, 본 실시예에서 발전용 엔진의 발전 부하에 따라 연료 수요량만큼을 연료 공급라인(EL)으로 분기시키고, 연료 수요처로 공급하고 남은 나머지 저압 증발가스를 고압가스 라인(HL)으로 분기시킬 수 있다.
본 실시예의 고압가스 라인(HL)은 연료 컴프레서(600)와 고압 컴프레서(700)를 연결하고, 본 실시예의 연료 컴프레서(600)와 고압 컴프레서(700)는, 고압가스 라인(HL)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 즉, 연료 컴프레서(600)에서 압축된 저압 증발가스의 일부 또는 전부는 고압가스 라인(HL)을 따라 고압 컴프레서(700)로 공급된다.
고압 컴프레서(700)는, 저압 증발가스를, 송출 압력 즉, 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시킨다. 재기화 가스 수요처는, 육상의 가스 터미널일 수 있으며, 본 실시예에서 재기화 가스 수요처에서 요구하는 재기화 가스의 압력은 약 50 barg 내지 100 barg 이상일 수 있다.
즉, 고압 컴프레서(700)는, 저압 증발가스를 약 50 barg 내지 100 barg 이상으로 압축시킨다. 이하, 고압 컴프레서(700)에서 압축되는 증발가스는 압력을 '고압'이라 하기로 한다.
고압 컴프레서(700)와 재기화 가스 수요처는 재기화 가스 송출라인(SL)에 의해 연결되며, 고압 컴프레서(700)에서 압축된 고압 증발가스는, 재기화 가스 송출라인(SL)을 따라 기화기에서 기화된 재기화 가스와 함께 육상의 가스 터미널로 공급될 수 있다. 재기화 가스 송출라인(SL)은 LNG 재기화 시스템의 기화기와도 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 고압 컴프레서(700)는, 제1 고압 압축기(710), 제2 고압 압축기(730) 및 제3 고압 압축기(750) 등 3개의 압축기를 포함하여, 저압 증발가스를 3단계에 걸쳐 고압으로 압축시키는 3단 압축기일 수 있다. 본 실시예에서는, 고압 컴프레서(700)가 3단 압축기인 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 제1 고압 압축기(710), 제2 고압 압축기(730) 및 제3 고압 압축기(750)는 하나의 축(shaft)에 연결되어 있을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 고압 컴프레서(700)의 각 압축기 후단에는, 압축 과정에서 온도가 상승한 고압 증발가스를 냉각시키는 쿨러가 설치될 수 있다. 즉, 제1 고압 압축기(710) 후단에 설치되며, 제1 고압 압축기(710)로부터 제2 고압 압축기(730)로 공급되는 증발가스를 냉각시키는 제2 쿨러(720); 제2 고압 압축기(730) 후단에 설치되며, 제2 고압 압축기(730)로부터 제3 고압 압축기(750)로 공급되는 증발가스를 냉각시키는 제3 쿨러(740); 및 제3 고압 압축기(750) 후단에 설치되며, 제3 고압 압축기(750)로부터 토출된 고압 증발가스를 냉각시키는 제4 쿨러(760);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제2 쿨러(720), 제3 쿨러(740) 및 제4 쿨러(760)는, 고압 증발가스를 냉각수, 해수 등과 열교환시켜 냉각시키는 해수식 쿨러일 수 있고, 공기와 열교환시켜 냉각시키는 대기식 쿨러일 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 고압 컴프레서(700)와 재기화 가스 수요처를 연결하는 재기화 가스 송출라인(SL)으로부터 분기되어, 저온 열교환기(200)로 연결되는 재액화 라인(RL);을 더 포함할 수 있다.
즉, 고압 컴프레서(700)에서 압축된 고압 증발가스 중 재기화 가스 수요처로 공급되고 남은 나머지 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 저온 열교환기(200)로 이송되고, 재액화되어 회수된다.
본 실시예에 따르면, 저온 열교환기(200)에서 냉각된 고압 증발가스를 감압시키는 감압장치(800); 및 감압장치(800)의 감압과정에서 생성된 플래시 가스를 기액분리하는 액화가스 드럼(100);을 더 포함한다.
저온 열교환기(200)에서 냉각된 고압 증발가스는, 감압장치(800)에서 감압되고, 액화가스 드럼(100)에서 기액분리되어, 액체 상태의 재액화 증발가스가 회수된다.
액화가스 드럼(100)에서 플래시 가스가 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 LNG 저장탱크로 회수될 수 있다. 따라서, 감압장치(800)는, 증발가스가 LNG 저장탱크로 회수될 수 있도록 LNG 저장탱크의 내압까지 증발가스를 감압시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 액화가스 드럼(100)과 저온 열교환기(200)를 연결하는 플래시 가스 라인(FL);을 더 포함할 수 있다. 액화가스 드럼(100)에서 분리된 기체 상태의 플래시 가스는 플래시 가스 라인(FL)을 따라 저온 열교환기(200)로 공급된다.
액화가스 드럼(100)에서 분리된 기체 상태의 플래시 가스는 저온 열교환기(200)에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 활용될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 저온 열교환기(200) 전단에서 재액화 라인(RL)으로부터 분기되어 팽창기(420)로 연결되는 팽창 라인(PL);을 더 포함할 수 있다.
즉, 고압 컴프레서(700)로부터 재액화 라인(RL)을 따라 저온 열교환기(200)로 공급되는 고압 증발가스 중 일부는 팽창 라인(PL)을 따라 팽창기(420)로 공급될 수 있다.
또한, 팽창 라인(PL)은, 팽창기(420) 출구로부터 플래시 가스 라인(FL)으로 연결된다. 즉 팽창기(420)에서 팽창된 팽창 증발가스는 플래시 가스 라인(FL)을 따라 저온 열교환기(200)로 유입되는 플래시 가스 흐름에 합류될 수 있다.
팽창기(420)에서의 팽창과정에서 증발가스는 냉각되는데, 따라서, 본 실시예에 팽창 증발가스는, 저온 열교환기(200)에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로서 활용될 수 있다.
본 명세서에서 냉각이라는 것은, 증발가스의 액화, 응축, 과냉각을 포함하는 개념이다. 예를 들어, 저온 열교환기(200)로 유입되는 고압 증발가스는 액체 상태, 기체 상태 또는 기액 혼합물 상태로 유입될 수 있고, 저온 열교환기(200)에서 열교환에 의해 액화되거나, 과냉각될 수 있다.
본 실시예의 저온 열교환기(200)에서는, 고압 증발가스 및 플래시 가스와 팽창 증발가스의 혼합물이 열교환하여, 고압 증발가스는 냉각되고, 혼합물은 가열된다.
본 실시예에 따르면, 재액화 라인(RL)으로부터 팽창 라인(PL)이 분기되기 전의 지점에 설치되며, 저온 열교환기(200)로 유입되는 고압 증발가스를 예냉시키는 고온 열교환기(300);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 고온 열교환기(300)는, 고압 증발가스의 온도를, 팽창기(420)의 도입 온도 조건까지 냉각시킬 수 있다.
고온 열교환기(300)에서 예냉된 고압 증발가스 중 일부는 팽창기(420)로 공급되고, 팽창기(420)로 공급되고 남은 나머지 고압 증발가스는 저온 열교환기(200)로 공급되어 냉각된다.
고온 열교환기(300)에서는, 저온 열교환기(200) 및 팽창기(420)로 공급되는 고압 증발가스와 저온 열교환기(200)에서 고압 증발가스를 냉각시킨 후 배출되는 혼합물 흐름이 열교환하여, 고압 증발가스는 냉각되고, 혼합물 흐름은 가열된다.
고온 열교환기(300)에서 냉각된 고압 증발가스는 각각 분기되어 저온 열교환기(200) 및 팽창기(420)로 공급된다.
본 실시예에 따르면, 플래시 가스 라인(FL)은, 액화가스 드럼(100), 저온 열교환기(200), 고온 열교환기(300) 및 연료 컴프레서(600)를 연결한다.
고온 열교환기(300)에서 가열된 혼합물 흐름은, 플래시 가스 라인(FL)을 따라 연료 컴프레서(600)에서 압축되는 저압 증발가스 흐름에 합류된다.
즉, 저온 열교환기(200) 및 고온 열교환기(300)에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로서 사용된 혼합물 흐름은 연료 컴프레서(600)로 회수되어, 저압으로 압축된다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 외부로 버려지는 증발가스의 유량은 없고, 증발가스는 모두 회수되고, 따라서, 증발가스를 효과적으로 처리할 수 있다.
도 1에는, 플래시 가스 라인(FL)이 연료 컴프레서(600)의 제2 연료 압축기(620) 전단에서 합류되도록 하는 것을 예로 들어 도시하였다. 즉, 본 실시예에 따르면, 저온 열교환기(200) 및 고온 열교환기(300)에서 냉매로 사용된 혼합물 흐름은, 제2 연료 압축기(620)로 유입되는 증발가스 흐름에 합류된다.
그러나, 이에 한정하는 것은 아니다. 플래시 가스 라인(FL)이 증발가스 라인(BL)으로 합류되는 지점은, 연료 컴프레서(600)에서 압축되는 증발가스 흐름 중 플래시 가스 라인(FL)을 따라 유동하는 혼합물 흐름의 압력과 가장 유사한 압력을 갖는 연료 압축기 전단일 수 있다.
본 실시예에서는, 혼합물 흐름이 제2 연료 압축기(620) 전단에서 증발가스 흐름에 합류되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 실시예에 따르면, 플래시 가스 라인(FL)을 따라 증발가스 라인(BL)으로 합류되는 혼합물 흐름의 압력을, 제2 연료 압축기(620)로 유입되는 증발가스의 압력까지 압축시키는 가스 컴프레서(410); 및 가스 컴프레서(410)에서 압축된 혼합물 흐름의 온도를 조절하는 가스 쿨러(500);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 가스 컴프레서(410)는, 상술한 팽창기(420)와 하나의 축으로 연결될 수 있다. 즉, 팽창기(420)의 팽창일은 가스 컴프레서(410)의 압축일이 된다.
이하, 도 1을 참고하여, 상술한 LNG 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치의 작동 원리를 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 증발가스 라인(BL)을 따라 연료 컴프레서(600)로 유입되는 증발가스의 유량은 약 2.3 ton/hr, 압력은 약 0 barg, 온도는 약 -120℃인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 본 실시예에서 설명하는 유체의 유량, 압력, 온도 등의 공정 조건은 해당 수치에 한정하는 것은 아니고, 재기화 가스의 송출 압력이나 LNG의 조성 등에 따라 변경될 수 있다.
먼저, 증발가스 라인(BL)을 따라 연료 컴프레서(600)로 유입된 증발가스는, 제1 연료 압축기(610)에서 약 2.2 barg로 압축되고, 압축과정에서 온도가 약 -27.1℃로 상승한다.
제1 연료 압축기(610)에서 압축된 압축 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 따라 제2 연료 압축기(620)로 유입된다. 이때, 플래시 가스 라인(FL)을 통해 저온 열교환기(200) 및 고온 열교환기(300)에서 냉매로 사용된 혼합물 흐름이 제1 연료 압축기(610)에서 압축된 증발가스 흐름에 합류된다. 플래시 가스 라인(FL)을 통해 합류되는 흐름의 유량은 약 6.9 ton/hr, 압력은 약 2.2 barg, 온도는 약 43℃일 수 있다.
제1 연료 압축기(610)에서 압축된 압축 증발가스 흐름에 플래시 가스 라인(FL)을 통해 혼합물 흐름이 합류되어, 제2 연료 압축기(620)로 유입되는 증발가스 흐름의 유량은 약 9.5 ton/hr, 압력은 약 2.2 barg, 온도는 약 23.3℃가 될 수 있다.
제2 연료 압축기(620)에서는 증발가스 흐름이 약 5.5 barg로 압축된다. 제2 연료 압축기(620)에서 압축된 저압 증발가스 중 일부는 연료 수요처로 공급되고, 나머지는 고압 컴프레서(700)로 유입된다.
본 실시예에서는, 연료 공급라인(EL)으로 분기되어 연료 수요처로 공급되는 저압 증발가스의 유량은 약 0.7 ton/hr, 고압가스 라인(HL)으로 분기되어 고압 컴프레서(700)로 유입되는 저압 증발가스의 유량은 약 8.8 ton/hr인 것을 예로 들기로 한다. 고압가스 라인(HL)으로 분기되어 고압 컴프레서(700)로 유입되는 저압 증발가스의 유량은 약 10 MMSCFD(Million Standard Cubic Feet per Day of gas)에 해당한다.
제1 고압 압축기(710)에서 증발가스는 약 15.5 barg로 압축되고, 제2 고압 압축기(730)에서 증발가스는 약 40 barg로 압축되며, 제3 고압 압축기(750)에서 증발가스는 약 100 barg로 압축된다.
고압 컴프레서(700)에서 100 barg로 압축된 고압 증발가스 중 일부는 재기화 가스 송출라인(SL)을 따라 재기화 가스 수요처로 공급되고, 나머지 일부는 재액화 라인(RL)으로 분기된다.
본 실시예에서는, 재기화를 실시하지 않거나, 즉, 재기화 가스 수요처에서 재기화 가스 수요량이 없거나, 재기화 가스 수요처에서 요구하는 재기화 가스 수요량이 적어서, 기화기에서 기화시켜 재기화 가스 수요처로 공급하는 재기화 가스량으로 수요를 충족시킬 수 있는 경우의 증발가스 처리 방법을 예로 들어 설명하기로 한다.
즉, 본 실시예에서, 재기화 가스 송출라인(SL)으로 공급되는 고압 증발가스의 유량은 없고, 고압 컴프레서(700)에서 압축된 고압 증발가스는 모두 재액화 라인(RL)으로 분기되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
고압 컴프레서(700)에서 압축된 약 100 barg, 약 43℃의 8.8 ton/hr(10 MMSCFD)의 고압 증발가스는, 재액화 라인(RL)을 따라 고온 열교환기(300)로 공급된다. 고온 열교환기(300)에서 고압 증발가스는 약 25℃로 냉각된다.
고온 열교환기(300)에서 냉각된 고압 증발가스의 일부는 팽창 라인(PL)을 따라 팽창기(420)로 분기되고, 팽창기(420)로 분기되고 남은 나머지 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 저온 열교환기(200)로 공급된다.
본 실시예에서는, 고온 열교환기(300)에서 냉각된 약 8.8 ton/hr의 고압 증발가스 중에서, 약 6.5 ton/hr의 고압 증발가스가 팽창 라인(PL)으로 분기되고, 나머지 약 2.3 ton/hr의 고압 증발가스가 저온 열교환기(200)로 공급되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
저온 열교환기(200)에서 약 2.3 ton/hr, -25℃의 고압 증발가스는, 약 -157℃로 냉각(액화)된다.
저온 열교환기(200)에서 냉각된 고압 증발가스는, 감압장치(800)에서 약 0.5 barg로 감압되고, 감압과정에서 약 -168.1℃로 냉각된다.
감암장치(800)를 통과한 약 0.5 barg, -168.1℃, 2.3 ton/hr의 재액화 증발가스는 액화가스 드럼(100)으로 공급되고, 액화가스 드럼(100)에서 기액분리되어 LNG 저장탱크로 회수된다.
본 실시예에 따르면, 액화가스 드럼(100)에서는 약 0.4 ton/hr의 플래시 가스가 분리된 약 1.9 ton/hr의 액체 상태의 재액화 증발가스가 LNG 저장탱크로 회수된다.
액화가스 드럼(100)에서 분리된 약 0.4 ton/hr, 0.5 barg, -168.1℃의 플래시 가스는, 플래시 가스 라인(FL)을 따라 저온 열교환기(200)로 공급되어 냉열이 회수된다.
이때, 저온 열교환기(200)로 공급되는 플래시 가스 흐름에는, 팽창기(420)에서 팽창된 팽창 증발가스 흐름이 합류된다.
상술한 바와 같이, 팽창기(420)로는 약 6.5 ton/hr, 100 barg, -25℃의 고압 증발가스가 유입된다. 팽창기(420)에서 고압 증발가스는, 약 0.5 barg로 팽창되고, 팽창과정에서 온도는 약 -158.6℃로 냉각된다.
팽창기(420)에서 팽창된 약 6.5 ton/hr, 0.5 barg, -158.6℃의 팽창 증발가스와 액화가스 드럼(100)에서 기액분리된 약 0.4 ton/hr, 0.5 barg, -168.1℃의 플래시 가스가 혼합된, 약 6.9 ton/hr, 0.5 barg, -159℃의 혼합물 흐름은, 저온 열교환기(200)로 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로서 공급된다.
저온 열교환기(200)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 혼합물 흐름은 약, -90.7℃로 가열된다.
저온 열교환기(200)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 가열된 혼합물 흐름은 고온 열교환기(300)로 냉매로서 공급된다.
고온 열교환기(300)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 혼합물 흐름은 약 40.0℃로 가열된다.
고온 열교환기(300)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 가열된 혼합물 흐름은 가스 컴프레서(410)에서 약 2.2 barg로 압축되고, 제5 쿨러(500)에서 약 43℃로 조절되어 제2 연료 압축기(620)로 공급되는 증발가스 흐름에 합류된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, LNG 재기화 시스템에서 생성되는 증발가스를, 재기화시킬 LNG의 냉열을 이용하여 응축시켜 회수하는 것이 아니라, 증발가스 자체를 팽창시켜 냉열을 회수하여 액화시키므로, 재기화 가스 유량이나 연료 소모량과 관계 없이 증발가스를 전량 재액화시켜 회수할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 액화가스 드럼
200 : 저온 열교환기
300 : 고온 열교환기
410 : 가스 컴프레서
420 : 팽창기
500 : 가스 쿨러
600 : 연료 컴프레서
700 : 고압 컴프레서
800 : 감압장치
BL : 증발가스 라인
EL : 연료 공급라인
HL : 고압가스 라인
SL : 재기화 가스 송출라인
RL : 재액화 라인
FL : 플래시 가스 라인
PL : 팽창 라인

Claims (15)

  1. 액화가스 재기화 시스템에서 생성되는 증발가스를 처리하는 증발가스 처리 장치에 있어서,
    증발가스를 연료 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 연료 컴프레서;
    상기 연료 컴프레서 후단에 상기 연료 컴프레서와 직렬로 설치되며, 상기 연료 컴프레서에서 압축된 저압 증발가스를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 컴프레서;
    상기 고압 컴프레서에서 압축된 고압 증발가스를 냉각시키는 저온 열교환기;
    상기 저온 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스를 상기 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크의 내압까지 감압시키는 감압장치;
    상기 감압장치에서 감압과정에 의해 생성된 플래시 가스를 분리하는 액화가스 드럼;
    상기 저온 열교환기로 공급되는 고압 증발가스를 예냉시키는 고온 열교환기; 및
    상기 저온 열교환기로 공급되는 고압 증발가스 중 일부를 분기시켜 팽창에 의해 냉각시키는 팽창기;를 포함하여,
    상기 액화가스 드럼에서 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하며,
    상기 저온 열교환기에서는, 상기 팽창기에서 팽창에 의해 냉각된 팽창 증발가스와 상기 고온 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스 중에서 상기 팽창기로 분기되고 남은 나머지 고압 증발가스가 열교환하여, 상기 나머지 고압 증발가스가 냉각되고,
    상기 고온 열교환기에서는, 상기 저온 열교환기에서 열교환 후 배출되는 가열된 팽창 증발가스와 상기 저온 열교환기 및 팽창기로 공급되는 고압 증발가스가 열교환하여, 상기 고압 증발가스를 예냉시키는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온 열교환기에서 열교환 후 배출되는 팽창 증발가스를, 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름의 압력까지 압축시키는 가스 컴프레서;를 더 포함하고,
    상기 가스 컴프레서에서 압축된 증발가스는 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름으로 합류되는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스 컴프레서는, 상기 팽창기와 하나의 축으로 연결되는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스 컴프레서에서 압축에 의해 온도가 상승한 압축 증발가스의 온도를 조절하는 가스 쿨러;를 더 포함하는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화가스 드럼에서 분리된 플래시 가스는, 상기 저온 열교환기로 공급되는 팽창 증발가스 흐름에 합류되는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 장치.
  9. 액화가스 재기화 시스템에서 생성되는 증발가스를 처리하는 증발가스 처리 방법에 있어서,
    증발가스를 연료 수요처에서 요구하는 저압으로 압축하고,
    상기 저압으로 압축된 저압 증발가스를 재기화 가스 수요처에서 요구하는 고압으로 압축하고,
    상기 고압으로 압축된 고압 증발가스를 냉각시키고,
    상기 냉각된 고압 증발가스를 상기 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크의 내압까지 감압시키고,
    상기 감압과정에 의해 생성된 플래시 가스를 분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하며,
    상기 고압 증발가스를 냉각시키기 위해, 상기 고압 증발가스 중 일부를 분기시키고, 분기된 고압 증발가스를 팽창에 의해 냉각시켜 팽창 증발가스를 얻고, 분기시키고 남은 나머지 고압 증발가스와 팽창 증발가스를 열교환시켜 상기 나머지 고압 증발가스를 냉각시키며,
    상기 고압 증발가스를 냉각시키기 전에, 상기 열교환에 의해 온도가 상승한 팽창 증발가스와 열교환시켜, 상기 고압 증발가스를 예냉하고,
    상기 고압 증발가스를 예냉시키면서 가열된 팽창 증발가스는, 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름의 압력까지 압축시킨 후, 상기 연료 컴프레서에서 압축되는 증발가스 흐름으로 합류시키는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 고압 증발가스를 예냉시키는 것은,
    상기 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창기의 도입 온도까지 냉각시키는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 팽창 증발가스를 압축시키는 압축일은, 상기 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창일에 의해 얻어지는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 분리된 플래시 가스는, 상기 고압 증발가스와 열교환하는 팽창 증발가스 흐름으로 합류시키는, 액화가스 재기화 시스템의 증발가스 처리 방법.
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