KR102394953B1

KR102394953B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102394953B1
Application number: KR1020170182757A
Authority: KR
Inventors: 손재욱; 신현준; 김용훈; 장재형; 장현민
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2022-05-06
Also published as: KR20190080361A

Abstract

선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 다단으로 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의하여 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의하여 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 상기 제2 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시켜 상기 제2 압축기의 상류측으로 되돌리는 제3 압축기; 상기 제2 감압장치의 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기; 및 상기 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결하여 형성되는 폐루프와 연결되고, 상기 폐루프를 순환하는 유체에 의하여 발생되는 부압으로 상기 기액분리기 내부의 증기(vapor)를 상기 폐루프로 이송시키는 충전 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{BOIL-OFF GAS RELIQUEFACTION SYSTEM AND METHOD FOR VESSEL}

본 발명은 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 액체화물창에서 발생하는 증발가스룰 재액화시키는 MRS(Methane Refrigerant System) 재액화 시스템에서 더 높은 재액화 효율을 얻을 수 있도록 하는 냉매 충전 방법 및 장치를 확보할 수 있도록 한 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

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.

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, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.

그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -163 ℃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 연료소비처의 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.

특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.

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

DFDE는, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.

X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 16 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.

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

상기와 같은 관점에서 안출된 것으로 본 출원인이 기출원하여 등록받은 등록특허 제10-1613236호의 "엔진을 포함하는 선박 및 이에 적용되는 증발가스 재액화 방법"(이하 선행기술)과 같은 것을 들 수 있다.

선행기술은 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 열교환시키는 제 1 자가열교환기; 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 제 1 자가열교환기를 통과한 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스의 일부를 팽창시키는 제 1 감압장치; 상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스의 다른 일부를, 상기 제 1 감압장치에 의해 팽창된 증발가스와 열교환시키는 제 2 자가열교환기; 및 상기 제 2 자가열교환기에 의해 예냉되고 상기 제 1 자가열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 팽창시키는 제 2 감압장치;를 포함하고, 상기 제 1 자가열교환기는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 후 상기 제 2 자가열교환기를 통과한 증발가스를 냉각시키는 구성이다.

여기서, 상기 제 2 감압장치 후단에는 기액분리기가 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리하며, 상기 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 저장탱크로 보내지고, 상기 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 제 1 자가열교환기로 보내지는 것이다.

그러나, 선행기술은 기액분리기에서 발생되는 N2 성분이 다량으로 함유된 가스를 활용하는 방안의 마련이 되어 있지 않아, 열 에너지의 효율적인 활용에 한계가 있었다.

등록특허 제10-1613236호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 선박의 액체화물창에서 발생하는 증발가스룰 재액화시키는 MRS 재액화 시스템에서 더 높은 재액화 효율을 얻을 수 있도록 하는 냉매 충전 방법 및 장치를 확보할 수 있도록 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 다단으로 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의하여 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의하여 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 상기 제2 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시켜 상기 제2 압축기의 상류측으로 되돌리는 제3 압축기; 상기 제2 감압장치의 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기; 및 상기 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결하여 형성되는 폐루프와 연결되고, 상기 폐루프를 순환하는 유체에 의하여 발생되는 부압으로 상기 기액분리기 내부의 증기(vapor)를 상기 폐루프로 이송시키는 충전 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

상기 충전 유닛은, 상기 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 상기 폐루프 중 상기 제3 압축기의 하류측과 상기 제2 압축기의 상류측 사이와 연결되는 석션라인과, 상기 석션라인에 장착되며, 상기 기액분리기에서 발생되는 N2 함유 가스를 상기 폐루프에 냉매로 공급하도록 상기 N2 함유 가스의 유량을 조절하는 냉매조절 밸브를 포함할 수 있다.

상기 제2 열교환기는, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키고, 상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거칠 수 있다.

상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 제1 열교환기를 우회하여 액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 상기 제1 압축기 측으로 직접 이송시키는 우회라인과, 상기 우회라인 상에 장착되어 상기 우회라인의 사용시 상기 우회라인의 유로를 개방하는 제1 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 제2 압축기로 보내는 라인 상에 설치되어, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 제2 밸브를 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 압축기에 의하여 압축된 증발가스는 상기 제2 밸브와 상기 제2 압축기 사이의 라인으로 합류될 수 있다.

상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 상호 리던던시(redundancy) 역할을 수행할 수 있다.

상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 폐루프에서 상기 제3 압축기의 하류측에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 냉각기를 더 포함할 수 있다.

상기 기액분리기에 의하여 분리된 기체 상태의 증발가스는 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 제1 압축기로 압축시키고 제1 열교환기로 1차 냉각시키며 제2 감압장치로 감압시켜 재액화시킴과 동시에, 상기 제1 압축기와 병렬 설치된 제2 압축기에서 증발가스를 압축시키고 제1 감압장치로 감압시켜 다시 제2 열교환기로 되돌리고 제3 압축기로 압축시켜 다시 제2 압축기로 되돌리는 냉매의 폐루프를 형성하면서, 상기 제1 열교환기로 냉각된 유체를 제2 열교환기로 2차 냉각시키는 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운용 방법에 있어서, 상기 제2 감압장치의 하류에 설치된 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기된 배관을 통하여 상기 폐루프측으로 상기 기액분리기 내부의 증기(vapor)를 상기 폐루프의 냉매로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운용 방법이 제공된다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.

우선, 본 발명은 액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 다단으로 압축시키는 제1 압축기; 제1 압축기에 의하여 압축된 증발가스를, 제1 압축기에 의하여 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 제1 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기; 제2 압축기에 의해 압축된 후 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치; 제2 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치; 제1 감압장치에 의해 감압된 후 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시켜 제2 압축기의 상류측으로 되돌리는 제3 압축기; 제2 감압장치의 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기; 및 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 제2 압축기, 제2 열교환기, 제1 감압장치, 다시 제2 열교환기, 제3 압축기, 및 다시 제2 압축기를 연결하여 형성되는 폐루프와 연결되고, 폐루프를 순환하는 유체에 의하여 발생되는 부압으로 기액분리기 내부의 증기(vapor)를 폐루프로 이송시키는 충전 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하여, MRS(Methane Refrigerant System) 재액화 공정에서 BOG를 냉매로 사용함으로써 별도의 외부 충전이 필요없이 재액화 시스템을 운용할 수 있으며, MRS 재액화 공정의 효율성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 충전 유닛은, 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 폐루프 중 제3 압축기의 하류측과 제2 압축기의 상류측 사이와 연결되는 석션라인과, 석션라인에 장착되며, 기액분리기에서 발생되는 N2 함유 가스를 폐루프에 냉매로 공급하도록 N2 함유 가스의 유량을 조절하는 냉매조절 밸브를 포함함으로써, 기액분리기에서 발생되는 N2 성분이 다량으로 함유된 가스를 MRS의 냉매로 충전할 경우 제1 감압장치의 후단에 동일한 압력 조건으로도 더 낮은 온도의 유체를 얻을 수 있게 되므로, MRS 재액화 공정의 효율성을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

특히, 본 발명은 재액화 대상인 BOG를 더 낮은 온도의 냉매로 열교환 할 경우 상대적으로 더 많은 재액화량을 얻을 수 있고 증가한 재액화량에 의하여 기존의 재액화 효율 보다 약 10% 높은 재액화 효율을 달성할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명은 기존의 MRS 구성과 마찬가지로 외부의 냉매 충전 필요 없이 재액화 시스템에 추가되는 석션 라인 및 냉매량 조절 밸브만으로도 냉매 충전이 가능한 특장점을 지닌다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 전체적인 구조를 나타낸 개념도

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박, 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 또는 해양 구조물 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 각 라인에서의 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계유체 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 전체적인 구조를 나타낸 개념도이다.

우선, 본 발명은 도시된 바와 같이, 제1 압축기(210)와 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)와 제2 압축기(220)와 제1 감압장치(310)와 제2 감압장치(320)와 제3 압축기(230)와 기액분리기(500) 및 충전 유닛을 포함하는 구조임을 파악할 수 있다.

제1 압축기(210)는 액체화물창(T)로부터 배출되는 증발가스를 압축시킬 수 있다.

제1 압축기(210)는 증발가스를 다단계로 압축시키는 다단압축기일 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같이 5단 압축기일 수 있다.

또한, 제1 압축기(210)는, 각 압축단에서 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 하나 이상의 냉각기(미도시)를 포함할 수 있다.

제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 고압엔진으로 보내질 수 있고, 제1 압축기(210)는 고압엔진의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있다.

고압엔진이 ME-GI 엔진인 경우, 제1 압축기(210)는 대략 150 내지 400 bara, 바람직하게는 대략 300 bara로 증발가스를 압축시킬 수 있다.

제1 압축기(210)가 다단압축기인 경우, 제1 압축기(210)의 일부 압축 단계만 거친 후 중간에서 분기된 증발가스가 저압엔진 및/또는 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내질 수 있다.

제1 압축기(210)에 압축된 증발가스의 일부 또는 전부는 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치는데, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 고압엔진 및/또는 저압엔진으로 보내는 경우, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 엔진의 연료로 우선적으로 사용되고, 엔진에서 사용되지 못한 잉여 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내져 재액화 과정을 거치는 것이 바람직하다.

제1 압축기(210)가 다단압축기인 경우, 전단의 일부 압축단은 무급유 윤활 방식이 적용되고, 후단의 나머지 압축단은 급유 윤활 방식이 적용될 수 있다.

고압엔진의 요구 압력을 만족시키기 위해서, 또는 재액화 효율을 위해서 증발가스를 고압으로 압축시킬 필요가 있는데, 증발가스를 고압으로 압축시키기 위해서 압축기의 마모 방지를 위해 급유 윤활 방식이 적용될 수 있다.

급유 윤활 방식의 압축기에 의해 압축된 증발가스에는 윤활유(Lubrication Oil)가 섞이게 되며, 압축된 증발가스가 열교환기에 의해 냉각되면서, 압축된 증발가스에 섞인 윤활유가 증발가스보다 먼저 응축 또는 응고가 되어 열교환기의 유로를 막을 수 있다.

특히, PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger, DCHE라고도 한다.) 등 유로가 좁은(예컨대, 마이크로채널형(Microchannel Type) 유로) 열교환기의 경우, 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 열교환기의 유로가 막히는 현상이 더욱 빈번하게 발생할 수 있다.

따라서, 재액화 효율을 위해서는 제1 압축기(210)의 모든 압축과정을 거친 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내지는 것이 바람직하다.

그러나, 재액화 효율과 윤활유에 의해 열교환기의 유로가 막히는 현상의 완화 또는 방지를 모두 고려하여, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내 재액화 과정을 거치도록 할 수 있다.

제1 압축기(210)에 의해 4단 압축 과정을 거친 증발가스를 제1 열교환기(110)로 보내는 것이 바람직하다.

제1 열교환기(110)는 제1 압축기(210)에 의하여 압축된 증발가스를, 제1 압축기(210)에 의하여 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 것이다.

액체화물창(T)으로부터 배출된 증발가스가 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수 있다.

제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 제1 압축기(210)로 보내진다.

제1 열교환기(110)를 고장, 유지보수 등의 이유로 사용하기 어려운 경우나, 증발가스의 압력이 제1 압축기(210)가 요구하는 흡입 압력 조건보다 낮은 경우 등에는, 증발가스를 우회라인(BL)을 따라 제1 열교환기(110)를 우회시켜 바로 제1 압축기(210)로 보낼 수 있다.

증발가스가 제1 열교환기(110)를 통과하면서 증발가스의 압력 강하가 발생할 수 있고, 제1 열교환기(110)가 PCHE 등 유로가 좁은(예컨대, 마이크로채널형(Microchannel Type) 유로) 열교환기인 경우 증발가스의 압력 강하의 폭은 더욱 커질 수 있다.

따라서, 증발가스의 압력이 제1 압축기(210)가 요구하는 흡입 압력 조건보다 낮은 경우, 액체화물창(T)로부터 배출되는 증발가스를 제1 열교환기(110)를 우회시켜 바로 제1 압축기(210)로 보내, 증발가스의 압력 강하를 최소화할 수 있다.

우회라인(BL)에는 제1 밸브(V1)가 설치되며, 우회라인(BL)을 사용하는 경우에 제1 밸브(V1)를 열고, 우회라인(BL)을 사용하지 않는 경우에는 제1 밸브(V1)를 닫는다.

제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)와 병렬로 설치되어 증발가스를 압축시킨다.

액체화물창(T)으로부터 배출된 증발가스는 제1 열교환기(110) 또는 우회라인(BL)을 지나 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 제1 압축기(210)로 보내지고 나머지 흐름은 제2 압축기(220)로 보내질 수 있다.

제2 압축기(220)는 제1 압축기(210)와 동일 사양의 압축기일 수도 있으나, 제2 열교환기(120)에서의 열교환 효율과 제2 압축기(220)에서의 에너지 소비량을 고려하여 제2 압축기(220)가 최적의 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있도록, 제2 압축기(220)는 제1 압축기(210)와 다른 사양의 압축기일 수도 있다.

제2 압축기(220)가 제1 압축기(210)와 동일 사양인 경우, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)는 서로, 어느 하나가 고장나면 다른 하나가 고장난 장비의 역할을 수행하는 리던던시(Redundancy)의 역할을 할 수 있다.

제2 열교환기(120)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 추가로 열교환시켜 냉각시키며, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 유체는 후술할 냉매 사이클을 순환하는 증발가스이다.

제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용되는 유체를 순환시키는 냉매 사이클은, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프로 구성된다.

제3 압축기(230)는 제1 감압장치(310)에 의해 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 다시 열교환된 유체를 압축시켜 제2 압축기(220)의 상류측으로 되돌리게 된다.

제3 압축기(230) 후단(하류)에는, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 냉각기(400)가 설치될 수 있고, 냉매 사이클은 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 냉각기(400), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프로 구성될 수 있다.

이하, 냉각기(400)를 포함하는 경우를 설명한다.

증발가스를 제2 압축기(220)로 보내는 라인 상에는 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 제2 밸브(V2)가 설치되는데, 시스템의 초기 구동시에는 제2 밸브(V2)를 열어 냉매 사이클로 증발가스를 공급하고, 냉매 사이클에 적정한 유량의 증발가스가 공급되면 제2 밸브(V2)를 닫아 폐루프의 냉매 사이클을 형성한다.

제1 감압장치(310)에 의해 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 증발가스는, 제3 압축기(230)에 의해 압축되고 냉각기(400)에 의해 냉각된 후 제2 밸브(V2)와 제2 압축기(220) 사이 라인으로 합류한다.

제2 밸브(V2)와 제2 압축기(220) 사이 라인으로 합류된 증발가스는 다시 제2 압축기(220)로 보내져, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 냉각기(400), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프의 냉매 사이클을 순환하게 된다.

제2 열교환기(120)에서는, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스와, 제2 열교환기(120)에서 냉각된 후 제1 감압장치(310)에 의해 감압되어 온도가 더욱 낮아진 증발가스와, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스가 열교환된다.

제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 1차로 냉각되고 제2 열교환기(120)에서 추가로 냉각된 후, 제2 감압장치(320)에 의해 감압되어 일부 또는 전부가 재액화되며, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스는 제2 열교환기(120)에서, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 증발가스를 추가로 냉각시키는 냉매로 사용되는 것이다.

제1 감압장치(310)와 제2 감압장치(320)는, 시스템의 구성에 따라 각각 팽창기일 수도 있고 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있다.

본 실시예에서는 제1 감압장치(310)는 팽창기이고, 제2 감압장치(320)는 팽창밸브인 것이 바람직하다.

기액분리기(500)는 제2 감압장치(320)의 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 것으로, 제1 압축기(210)에 의한 압축 과정, 제1 열교환기(110)와 제2 열교환기(120)에 의한 냉각 과정, 및 제2 감압장치(320)에 의한 감압과정을 거쳐 재액화된 액화가스와, 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하게 된다.

기액분리기(500)에 의해 분리된 액화가스는 액체화물창(T)로 보내질 수 있으며, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템이 기액분리기(500)를 포함하지 않는 경우에는, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아 있는 증발가스가 혼합된 상태로 바로 액체화물창(T)로 보내질 수 있다.

기액분리기(500)에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는, 도시된 바와 같이 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수도 있고, 별도의 배관을 따라 세 유로로 구성된 제1 열교환기(110)로 보내져 냉매로 사용될 수도 있다.

한편, 충전 유닛은 기액분리기(500)의 상부 가스 라인에서 분기되어, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하여 형성되는 폐루프와 연결되고, 폐루프를 순환하는 유체에 의하여 발생되는 부압으로 기액분리기(500) 내부의 증기(vapor)를 폐루프로 이송시키는 것이다.

이러한 충전 유닛은 크게 석션라인(SL)과 냉매조절 밸브(SV)를 포함한다.

석션라인(SL)은 기액분리기(500)의 상부 가스 라인에서 분기되어, 폐루프 중 제3 압축기(230)의 하류측과 제2 압축기(220)의 상류측 사이와 연결되는 것이다.

냉매조절 밸브(SV)는 석션라인(SL)에 장착되며, 기액분리기(500)에서 발생되는 N2 함유 가스를 폐루프에 냉매로 공급하도록 N2 함유 가스의 유량을 조절하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운용 방법에 대하여 다음과 같이 살펴보고자 한다.

우선, 선박용 증발가스 재액화 시스템은 액체화물창(T)으로부터 발생되는 증발가스를 제1 압축기(210)로 압축시키고 제1 열교환기(110)로 1차 냉각시키며 제2 감압장치(320)로 감압시켜 재액화시킨다.

이와 동시에, 제1 압축기(210)와 병렬 설치된 제2 압축기(220)에서 증발가스를 압축시키고 제1 감압장치(310)로 감압시켜 다시 제2 열교환기(120)로 되돌리고 제3 압축기(230)로 압축시켜 다시 제2 압축기(220)로 되돌리는 냉매의 폐루프를 형성하면서, 제1 열교환기(110)로 냉각된 유체를 제2 열교환기(120)로 2차 냉각시킨다.

여기서, 제2 감압장치(320)의 하류에 설치된 기액분리기(500)의 상부 가스 라인에서 분기된 배관을 통하여 폐루프측으로 기액분리기(500) 내부의 증기(vapor)를 폐루프의 냉매로 공급하게 됨으로써, 재액화 효율을 높일 수 있는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법의 작용 및 효과에 대하여 다음과 같이 살펴보고자 한다.

우선, 본 발명은 액체화물창(T)으로부터 발생되는 증발가스를 다단으로 압축시키는 제1 압축기(210); 제1 압축기(210)에 의하여 압축된 증발가스를, 제1 압축기(210)에 의하여 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기(110); 제1 열교환기(110)에 의하여 추가로 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기(120); 제1 압축기(210)와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기(220); 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치(310); 제2 열교환기(120)에 의하여 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치(320); 제1 감압장치(310)에 의해 감압된 후 제2 열교환기(120)에서 다시 열교환된 유체를 압축시켜 제2 압축기(220)의 상류측으로 되돌리는 제3 압축기(230); 제2 감압장치(320)의 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(500); 및 기액분리기(500)의 상부 가스 라인에서 분기되어, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(310), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하여 형성되는 폐루프와 연결되고, 폐루프를 순환하는 유체에 의하여 발생되는 부압으로 기액분리기(500) 내부의 증기(vapor)를 폐루프로 이송시키는 충전 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하여, MRS(Methane Refrigerant System) 재액화 공정에서 BOG를 냉매로 사용함으로써 별도의 외부 충전이 필요없이 재액화 시스템을 운용할 수 있으며, MRS 재액화 공정의 효율성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명에 따르면, 기액분리기(500)의 상부 가스 라인에서 분기되어, 폐루프 중 제3 압축기(230)의 하류측과 제2 압축기(220)의 상류측 사이와 연결되는 석션라인(SL)과, 석션라인(SL)에 장착되며, 기액분리기(500)에서 발생되는 N2 함유 가스를 폐루프에 냉매로 공급하도록 N2 함유 가스의 유량을 조절하는 냉매조절 밸브(SV)를 포함함으로써, 기액분리기(500)에서 발생되는 N2 성분이 다량으로 함유된 가스를 MRS의 냉매로 충전할 경우 제1 감압장치(310)의 후단에 동일한 압력 조건으로도 더 낮은 온도의 유체를 얻을 수 있게 되므로, MRS 재액화 공정의 효율성을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 기존의 MRS 구성과 마찬가지로 외부의 냉매 충전 필요 없이 재액화 시스템에 추가되는 석션 라인(SL) 및 냉매량 조절 밸브(SV)만으로도 냉매 충전이 가능한 특장점을 지닌다.

이상과 같이 본 발명은 선박의 액체화물창에서 발생하는 증발가스룰 재액화시키는 MRS 재액화 시스템에서 더 높은 재액화 효율을 얻을 수 있도록 하는 냉매 충전 방법 및 장치를 확보할 수 있도록 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.

110 : 제1 열교환기 120 : 제2 열교환기
210 : 제1 압축기 220 : 제2 압축기
230 : 제3 압축기 310 : 제1 감압장치
320 : 제2 감압장치 400 : 냉각기
500 : 기액분리기 BL : 우회라인
SL : 석션라인 SV : 냉매조절 밸브
T : 액체화물창 V1 : 제1 밸브
V2 : 제2 밸브

Claims

액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 다단으로 압축시키는 제1 압축기;
상기 제1 압축기에 의하여 압축된 증발가스를, 상기 제1 압축기에 의하여 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 추가로 냉각시키는 제2 열교환기;
상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 증발가스를 압축시키는 제2 압축기;
상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 열교환된 유체를 감압시키는 제1 감압장치;
상기 제2 열교환기에 의하여 추가로 냉각된 유체를 감압시키는 제2 감압장치;
상기 제1 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 다시 열교환된 유체를 압축시켜 상기 제2 압축기의 상류측으로 되돌리는 제3 압축기;
상기 제2 감압장치의 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기; 및
상기 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 상기 제2 압축기, 상기 제2 열교환기, 상기 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 상기 제3 압축기, 및 다시 상기 제2 압축기를 연결하여 형성되는 폐루프와 연결되고, 상기 폐루프를 순환하는 유체에 의하여 발생되는 부압으로 상기 기액분리기 내부의 증기(vapor)를 상기 폐루프로 이송시키는 충전 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 충전 유닛은,
상기 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기되어, 상기 폐루프 중 상기 제3 압축기의 하류측과 상기 제2 압축기의 상류측 사이와 연결되는 석션라인과,
상기 석션라인에 장착되며, 상기 기액분리기에서 발생되는 N2 함유 가스를 상기 폐루프에 냉매로 공급하도록 상기 N2 함유 가스의 유량을 조절하는 냉매조절 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 열교환기는,
상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스와, 상기 제1 감압장치에 의해 감압된 유체와, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 열교환시키고,
상기 제1 압축기의 일부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내져 재액화 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 열교환기를 우회하여 액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 상기 제1 압축기 측으로 직접 이송시키는 우회라인과,
상기 우회라인 상에 장착되어 상기 우회라인의 사용시 상기 우회라인의 유로를 개방하는 제1 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
증발가스를 제2 압축기로 보내는 라인 상에 설치되어, 유체의 유량 및 개폐를 조절하는 제2 밸브를 더 포함하며,
상기 제3 압축기에 의하여 압축된 증발가스는 상기 제2 밸브와 상기 제2 압축기 사이의 라인으로 합류되는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 상호 리던던시(redundancy) 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 폐루프에서 상기 제3 압축기의 하류측에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축되며 온도가 올라간 증발가스를 냉각시키는 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 기액분리기에 의하여 분리된 기체 상태의 증발가스는 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용될 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용되는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템.
액체화물창으로부터 발생되는 증발가스를 제1 압축기로 압축시키고 제1 열교환기로 1차 냉각시키며 제2 감압장치로 감압시켜 재액화시킴과 동시에, 상기 제1 압축기와 병렬 설치된 제2 압축기에서 증발가스를 압축시키고 제1 감압장치로 감압시켜 다시 제2 열교환기로 되돌리고 제3 압축기로 압축시켜 다시 제2 압축기로 되돌리는 냉매의 폐루프를 형성하면서, 상기 제1 열교환기로 냉각된 유체를 제2 열교환기로 2차 냉각시키는 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운용 방법에 있어서,
상기 제2 감압장치의 하류에 설치된 기액분리기의 상부 가스 라인에서 분기된 배관을 통하여 상기 폐루프측으로 상기 기액분리기 내부의 증기(vapor)를 상기 폐루프의 냉매로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운용 방법.