KR102430896B1 - 보일 오프 가스의 재액화 설비 - Google Patents

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Abstract

추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)를 저류 탱크(10)로부터 보일 오프 가스 압축부(20)까지를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)와 열교환하는 형태로 냉각시키는 제1 열교환기(EX9)와, 추기 유로(L2)에서 제1 열교환기(EX9)를 통과한 보일 오프 가스(BOG)를 냉동 사이클 회로(C)를 통류하는 냉매(N2)에 의해 냉각시키는 제2 열교환기(EX10)와, 추기 유로(L2)에 추기하는 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을, 엔진 공급 압력 미만으로, 또한 추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)를 제1 열교환기(EX9)에 의해 액화하는 액화 압력 이상으로 설정하는 압력 설정 수단(60a)을 포함한다.

Description

보일 오프 가스의 재액화 설비{BOIL-OFF GAS RELIQUEFACTION DEVICE}
본 발명은, 액화 천연 가스를 저류(貯留)하는 저류 탱크와, 상기 저류 탱크로부터 배출되는 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축부와, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 액화 보일 오프 가스의 일부(一部)를 연료로 하는 고압 분사형 엔진과, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 보일 오프 가스의 타부(他部)를 추기(抽氣)하고 재액화하여 상기 저류 탱크로 되돌리는 추기 유로와, 상기 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스와 열교환하여 상기 보일 오프 가스를 냉각시키는 냉매를 순환시키는 냉동 사이클 회로를 수상(水上) 구조물 상에 구비하는 보일 오프 가스의 재액화 설비(BOG 재액화 설비)에 관한 것이다.
LNG(Liquefied Natural Gas)를 반송(搬送)하는 경우, 상기 LNG를 저류하는 저류 탱크를 구비한 LNG 선박에 의해 반송되는 경우가 있다. 저류 탱크는 단열 처리가 되어 있으나, 외부의 열에 의해 저류하는 LNG가 서서히 기화하여 보일 오프 가스가 발생한다. 발생한 보일 오프 가스는, 저류 탱크의 내부의 압력을 상승시키기 때문에, 저류 탱크로부터 꺼내어져, 선박의 추진용 주기관으로서의 중속으로 회전하는 디젤 엔진의 연료로서 공급된다.
최근, 상기 선박의 추진용 주기관으로서, 연료가 비교적 높은 압력으로 공급되는 고압 분사형 엔진(선박용 전자 제어식 가스 인젝션 디젤 엔진)이 개발되고 있다. 상기 고압 분사형 엔진은, 연료를 고압으로 분사하는 고압 분사형 엔진이므로, 상기 고압 분사형 엔진에 보일 오프 가스를 연료로서 공급하는 경우, 보일 오프 가스를 30MPaG 정도까지 승압한 후에 공급할 필요가 있다.
전술한 고압 분사형 엔진은 고효율이므로, 종래형 엔진과 같은 정도의 추진력을 발휘하는 경우, 연료로서 필요로 하는 보일 오프 가스의 양이 저감하고, 잉여의 보일 오프 가스가 증가하므로, 이들을 처리할 필요가 있다. 여기서, 저류 탱크로부터 배출되는 보일 오프 가스를 30MPaG 정도의 고압으로 압축하여 고압 분사형 엔진 등의 고압 분사형 엔진에 공급하는 선박 상의 BOG 재액화 설비로서는, LNG를 저류하는 저류 탱크와, 상기 저류 탱크로부터 배출되는 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축부와, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 고압 분사형 엔진으로의 엔진 공급 압력까지 승압한 보일 오프 가스가 압송되는 고압 분사형 엔진과, 엔진 공급 압력까지 승압한 보일 오프 가스의 일부를 분기하는 분기 유로와, 상기 분기 유로를 통류하는 보일 오프 가스와 저류 탱크로부터 보일 오프 가스 압축부까지를 통류하는 보일 오프 가스를 열교환하는 열교환기와, 분기 유로에서 상기 열교환기를 통과한 후의 보일 오프 가스를 감압하는 감압 밸브와, 상기 감압 밸브에 의해 감압된 보일 오프 가스의 기액(氣液) 분리를 행하는 기액 분리기를 포함한 것이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
상기 선박 상의 BOG 재액화 설비에서는, 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 보일 오프 가스가, 열교환기에 의해 저류 탱크로부터 배출된 후의 보일 오프 가스와 열교환하는 형태로 냉각되고, 감압된 후, 기액 분리기에 의해 액화되고 저류 탱크로 되돌려진다. 그리고, 기액 분리기에서는, 일부가 액화되지 않고 기체(氣體)의 플래시 스트림(flash stream)으로서 배출되고, 상기 플래시 스트림은 다시, 저류 탱크와 열교환기 사이를 통류하는 보일 오프 가스에 혼합된다.
한편, 잉여의 보일 오프 가스를 처리하는 재액화 설비로서, 현 상태의 종래 기술을 고려할 경우, 도 5에 나타낸 바와 같은 재액화 설비가 고려된다. 상기 재액화 설비에서는, 질소 등으로 이루어지는 비응축성 냉매(N2)(예를 들면, 질소)를 순환하는 냉동 사이클 회로(C)가 설치되어 있고, 상기 냉동 사이클 회로(C)는, 냉매(N2)를 압축하는 냉매 압축 컴프레서(CP)와, 상기 냉매 압축 컴프레서(CP)로 압축되고 승온(昇溫)한 냉매(N2)를 냉각시키는 쿨러(EX)와, 상기 쿨러(EX)에 의해 온도를 강하한 후의 냉매를 팽창하는 팽창 터빈(EP)과, 팽창 터빈(EP)에 의해 팽창한 후의 냉매(N2)의 냉열을 피냉각 매체로서의 보일 오프 가스(BOG)에 공급하는 제1 열교환기(EX1)가 설치되어 있다.
또한, 도 5에 나타낸 냉동 사이클 회로(C)에 있어서는, 쿨러(EX)에 의해 온도 강하된 후의 냉매와, 응축기로서의 제1 열교환기(EX1)를 통과한 다음에 냉열을 보유하고 있는 냉매(N2)를 열교환하는 제2 열교환기(EX2)가 설치되어 있다.
잉여의 보일 오프 가스(BOG)는, 냉동 사이클 회로(C)의 제1 열교환기(EX1)에 의해 냉매(N2)와 열교환하는 형태로 냉각되어 액화되고, 감압 밸브(V)에 의해 감압된 후, 기액 분리기(30)로 유도되게 된다.
또한, 잉여의 보일 오프 가스를 처리하는 재액화 설비의 다른 예로서, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, LNG를 저류하는 저류 탱크와, 상기 저류 탱크로부터의 배출 직후의 보일 오프 가스를 피냉각 매체와 열교환하는 제1 열교환기와, 제1 열교환기를 통과한 후의 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축부(쿨러 포함함)와, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 후의 보일 오프 가스를 냉각 매체와 열교환하는 형태로 냉각하여 액화하는 제2 열교환기를 포함한 것이 알려져 있다.
상기 특허문헌 2에 개시된 기술에서는, 질소 등으로 이루어지는 비응축성 냉매를 순환하는 냉동 사이클 회로(C)로서, 냉매(N2)를 압축하는 냉매 압축 컴프레서와, 상기 냉매 압축 컴프레서로 압축되고 승온한 냉매를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러에 의해 냉각된 냉매를 피냉각 매체로서 제1 열교환기에 통류시킨 후, 냉각 매체로서 제2 열교환기에 통류시키는 제1 냉매 유로와, 상기 제1 냉매 유로를 통류한 후의 냉매를 팽창시키고 온도 강하시키는 팽창 터빈과, 상기 팽창 터빈에 의해 온도 강하한 후의 냉매를 냉각 매체로서 제2 열교환기에 통류시키고 상기 냉매 압축 컴프레서로 되돌리는 제2 냉매 유로를 포함한 것이 알려져 있다.
그리고, 상기 냉동 사이클 회로(C)에 있어서는, 제2 열교환기에서의 열교환 효율을 향상시키는 목적으로, 제1 냉매 유로를 통류하는 냉매 중 일부를 제1 열교환기를 바이패스(bypass)시키고 제2 열교환기의 일부에 통류시킨 후에, 제1 냉매 유로에서 제1 열교환기의 하류 측에서 제2 열교환기의 상류 측을 통류하는 냉매에 합류시키는 바이패스 유로가 설치되어 있다.
즉, 상기 특허문헌 2에 개시된 기술에서는, 특히, 제2 열교환기에 있어서, 보일 오프 가스와 제1 열교환기를 통과한 냉매와 제1 열교환기를 바이패스한 냉매의 3개의 유체가 열교환하는 구성을 채용함으로써, 냉매의 바이패스량을 조정함으로써 교환 열량에 대한 냉매의 온도 변화율을 조정하고, 열교환 효율의 향상을 도모하고 있다.
특허문헌 1 : 한국공개특허 제10-20130139150(KR, A) 특허문헌 2 : 일본특허 제5280351호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1에 개시된 기술에 나타내어진 선박 상의 BOG 재액화 설비에서는, 보일 오프 가스 압축부를 나온 후의 보일 오프 가스를 냉각시키는 냉열원이, 저류 탱크로부터 배출된 직후의 보일 오프 가스의 냉열(자기 냉열)뿐이기 때문에, 보일 오프 가스 압축부를 나온 후의 보일 오프 가스의 과냉각이 불충분해지고, 감압 밸브에 의해 감압된 후에 발생하는 플래시 스트림의 유량이 많아진다. 상기 다량의 플래시 스트림은, 저류 탱크를 나온 후의 보일 오프 가스에 혼합되므로, 상기 플래시 스트림량이 많아질수록, 보일 오프 가스 압축부의 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력이 증가하여, 효율 악화를 초래한다.
그리고, 상기 플래시 스트림은, 저류 탱크를 나온 후의 보일 오프 가스에 혼합하지 않고, 외부로 배출하는 구성을 채용하는 경우에는, 이용가치가 높은 메탄을 다량으로 버리는 것이 되므로, 경제성이 악화된다.
한편, 잉여의 보일 오프 가스를 처리하기 위해, 도 5에 나타낸 바와 같은 단순한 재액화 설비를 채용하는 경우, 냉동 사이클 회로(C)의 제1 열교환기(EX1)에 있어서, 급열(給熱) 측의 보일 오프 가스(BOG)와 수열(受熱) 측의 냉매(N2)에 관한 온도와 열교환량의 관계를 나타낸 TQ선도는, 도 6에 나타낸 바와 같이 된다.
여기서, 상기 도 6에 있어서, 보일 오프 가스는 거의 메탄 단체(單體)로 이루어지는 가스이므로, 급열 측의 보일 오프 가스(BOG)는 온도가 내려가 응축하기 시작하는 점에서 온도 변화가 불연속으로 된다. 그리고, 기액 혼합 상태로 되면 등온 변화를 한다.
한편, 수열 측의 냉매로서 일반적으로 사용되는 비응축성 질소(N2)를 사용하는 경우, 상기 냉매(N2)가 상태 변화를 하지 않는 관계로, 그 TQ선은 도 6에 나타낸 바와 같이 대략 직선형으로 된다. 그 결과, 보일 오프 가스(BOG)가 응축하기 시작하는 점에서 보일 오프 가스(BOG)와 냉매(N2)의 온도차가 최접근한다[이 점(도 6에서 P1로 나타내는 점)을 핀치 포인트라고 함]. 이 핀치 포인트 때문에, 냉매(N2)의 열교환량에 대한 온도 변화의 비율(도 6의 기울기 γ)은 보일 오프 가스(BOG)의 온도 변화에 맞추어 작아진다[즉 냉매(N2)의 유량을 증가시킬 필요가 있음]. 그러므로, 냉동 사이클 회로(C)의 냉매 압축 컴프레서(CP)의 압축 동력이 증가하여, 효율 악화를 초래하게 된다.
또한, 급열 측의 보일 오프 가스(BOG)의 온도와 수열 측의 냉매(N2)의 온도의 차(도 6에서, ΔT2나 ΔT3)가 크게 되어 있고, 이것은 상기 제1 열교환기(EX1)에서의 열교환 효율이 불량한 것을 나타내고 있다.
또한, 특허문헌 2에 개시된 기술에서는, 제2 열교환기에 있어서, 보일 오프 가스와, 제1 열교환기를 통과한 냉매와 제1 열교환기를 바이패스한 냉매의 유체가 열교환하는 구성을 채용하고 있으나, 상기 구성에 있어서는, 보일 오프 가스의 열교환량에 대한 온도 변화율에, 냉매의 열교환량에 대한 온도 변화율에 충분히 추종시킬 수 없을 우려가 있었다.
또한, 상기 특허문헌 2에 개시된 구성에 있어서는, 단위 보일 오프 가스당 「냉동 사이클 회로에서의 압축 동력> 보일 오프 가스 압축부의 압축 동력」의 관계가 성립되지만, 제1 열교환기에 있어서, 효율이 불량한 냉동 사이클 회로에 보일 오프 가스의 냉열이 공급되고 있으므로, 시스템 전체의 효율의 악화를 초래하고 있었다.
또한, 냉동 사이클 회로는, 제2 열교환기로 온도가 상이한 3개의 유체를 유도하기 위해, 바이패스 유로 등을 설치하는 복잡한 회로 구성을 하고 있으므로, 시스템 전체로서 구성이 복잡하게 되어 있었다. 이와 같은 복잡한 구성에 있어서는, 제2 열교환기에서의 열교환 효율을 향상시키기 위해서는, 바이패스 유량 등을 적절히 제어할 필요가 있어, 냉매의 유량 제어도 복잡해진다는 문제가 있었다.
본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적은 구성의 복잡화를 피하면서도, 플래시 스트림의 유량을 저감하여 효율 향상을 도모하면서, 열교환기에서의 열교환 효율을 향상, 또한 냉동 사이클 회로의 압축 동력 저감에 의한 효율 향상을 실현할 수 있는 보일 오프 가스의 재액화 설비를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보일 오프 가스의 재액화 설비는, 액화 천연 가스를 저류하는 저류 탱크와, 상기 저류 탱크로부터 배출되는 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축부와, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 액화 보일 오프 가스의 일부를 연료로 하는 고압 분사형 엔진과, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 보일 오프 가스의 타부를 추기하고 재액화하여 상기 저류 탱크로 되돌리는 추기 유로와, 상기 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스와 열교환하여 상기 보일 오프 가스를 냉각시키는 냉매를 순환시키는 냉동 사이클 회로를 수상 구조물 상에 구비하는 보일 오프 가스의 재액화 설비로서, 그 특징적 구성은,
상기 추기 유로가, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 상기 고압 분사형 엔진의 엔진 공급 압력까지 승압되기 전의 보일 오프 가스를 추기하는 것이며,
상기 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스를 상기 저류 탱크로부터 상기 보일 오프 가스 압축부까지 통류하는 보일 오프 가스와 열교환하는 형태로 냉각시키는 제1 열교환기와,
상기 추기 유로에서 상기 제1 열교환기를 통과한 보일 오프 가스를 상기 냉동 사이클 회로를 통류하는 냉매에 의해 냉각시키는 제2 열교환기와,
상기 추기 유로로 추기하는 보일 오프 가스의 추기 압력을, 상기 엔진 공급 압력 미만으로, 또한 상기 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스를 상기 제1 열교환기에 의해 액화되는 액화 압력 이상으로 설정하는 압력 설정부를 포함하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 보일 오프 가스 압축부로부터 보일 오프 가스를 추기하는 추기 유로가, 보일 오프 가스 압축부에 의해 고압 분사형 엔진의 엔진 공급 압력까지 승압하기 전의 보일 오프 가스를 추기하는 것이므로, 추기 압력을 엔진 공급 압력 미만의 낮은 압력으로 할 수 있고, 예를 들면, 상기 보일 오프 가스를 액화한 후, 감압하여 기액 분리할 때 발생하는 플래시 스트림의 유량을 저감할 수 있다.
그리고, 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스(이하, 승압 후의 보일 오프 가스라고 약칭하는 경우가 있음)는, 제1 열교환기에 의해, 저류 탱크로부터 보일 오프 가스 압축부까지 통류하는 보일 오프 가스(이하, 승압 전의 보일 오프 가스라고 약칭하는 경우가 있음)와 열교환하는 형태로, 승압 전의 보일 오프 가스의 자기 냉열에 의해 냉각된 후에, 제2 열교환기에 의해, 냉동 사이클 회로를 통류하는 냉매와 열교환하는 형태로 냉각된다.
특히, 본 발명에서는, 압력 설정부가, 추기 압력을 엔진 공급 압력 미만으로 설정하므로, 전술한 바와 같이, 예를 들면, 승압 후의 보일 오프 가스를 제1 열교환기 및 제2 열교환기로 냉각한 후, 감압하여 기액 분리할 때 발생하는 플래시 스트림의 유량을 저감할 수 있다.
또한, 여기서, 보일 오프 가스를 액화하는 과정에서 소비되는 동력으로서는, 보일 오프 가스 압축부에서의 압축 동력(구체적으로는, 보일 오프 가스 압축부에 의해 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력)과, 냉동 사이클 회로에서의 압축 동력(구체적으로는, 냉동 사이클 회로에 의해 냉매를 압축하는 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력)이 있지만, 제2 열교환기에서의 열교환 손실 등도 고려하면, 추기 압력이 본 발명에 의해 설정되는 추기 압력보다 충분히 작은 경우에는, 단위 보일 오프 가스당, 「냉동 사이클 회로에서의 압축 동력> 보일 오프 가스 압축부의 압축 동력」의 관계가 성립된다.
여기서, 본 발명에서는, 압력 설정부가 추기 압력을, 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스가 제1 열교환기에 의해 액화될 수 있는 액화 압력 이상으로 설정하므로, 제1 열교환기에서는, 승압 후의 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스의 전량 액화를 행할 수 있고, 제2 열교환기에는 전량 액화된 보일 오프 가스의 과냉각만을 담당시키고 있다. 이로써, 제2 열교환기에서는, 액화된 보일 오프 가스의 과냉각만을 실행할 수 있으면 되므로, 냉동 사이클 회로에서의 압축 동력(구체적으로는, 냉동 사이클 회로에서의 냉매를 압축하는 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력)을 저감할 수 있고, 설비 전체로서의 효율 향상을 도모할 수 있다.
또한, 냉동 사이클 회로에서의 압축 동력을 저감할 수 있으므로, 액화 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용량이 작은 냉매 압축 컴프레서를 사용할 수 있고, 설비 전체의 콤팩트화를 도모할 수 있다.
이상으로부터, 구성의 복잡화를 피하면서도, 플래시 스트림의 유량을 저감하여 효율 향상을 도모하면서, 냉동 사이클 회로의 압축 동력 저감에 의한 효율 향상을 실현할 수 있는 보일 오프 가스의 재액화 설비를 실현할 수 있다.
본 발명의 보일 오프 가스의 재액화 설비의 추가적인 특징 구성은,
상기 압력 설정부는, 상기 추기 압력을 설정할 때, 상기 추기 압력의 하한 압력을 상기 보일 오프 가스의 임계 압력 이상으로 설정하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 압력 설정부가, 추기 압력을 설정할 때, 추기 압력의 하한 압력을 보일 오프 가스의 임계 압력 이상으로 설정하므로, 추기 유로에서 제1 열교환기를 통과하는 보일 오프 가스의 TQ선도에 있어서, 추기 유로에서 제1 열교환기를 통과하는 보일 오프 가스를 나타내는 TQ선 중, 액체와 기체의 기액 혼합 상태인 습기 포화 증기가 나타내는 등온선의 폭 A를 작게 하도록(또는 없애도록), 추기 압력을 설정할 수 있다.
이로써, 추기 유로에서 제1 열교환기를 통과하는 보일 오프 가스가 나타내는 TQ선은, 예를 들면, 도 6에서 굵은 실선으로 나타낸 선도로부터, 도 3에서 굵은 실선으로 나타낸 선도로 된다. 그 결과, 냉매(N2)의 유량을 감소시킬 수 있고[TQ선도에서의 냉매(N2)의 경사를 크게 할 수 있음], 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력을 작게 할 수 있다. 또한, 열교환량의 전역에서, 급열 측의 TQ선과 수열 측의 TQ선의 온도차를 작게 할 수 있어, 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 보일 오프 가스의 재액화 설비의 추가적인 특징 구성은,
상기 추기 유로에서 상기 제2 열교환기를 통과한 보일 오프 가스를 감압하는 감압 밸브와, 상기 감압 밸브에 의해 감압된 보일 오프 가스를 기액 분리하는 기액 분리기를 포함하고,
상기 압력 설정부는, 상기 추기 압력의 상한 압력을 상기 기액 분리기로부터 기체로서 배출되는 플래시 스트림의 유량이 억제되는 플래시 스트림 억제 압력 미만으로 설정하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 압력 설정부는, 추기 압력을 기액 분리기로부터 기체로서 배출되는 플래시 스트림의 유량을 억제하는 플래시 스트림 억제 압력 미만으로 설정하므로, 기액 분리기로부터 발생하는 플래시 스트림량을 양호하게 억제할 수 있다.
본 발명의 보일 오프 가스의 재액화 설비의 추가적인 특징 구성은,
상기 보일 오프 가스 압축부는, 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축 컴프레서를 복수개 포함하고,
상기 냉동 사이클 회로는, 냉매를 압축하는 냉매 압축 컴프레서를 포함하고,
상기 압력 설정부는, 추기되는 보일 오프 가스가 재액화되는 과정에서, 복수개의 상기 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스의 추기 압력과 관련된 압축 동력과, 상기 추기 유로에서 상기 제2 열교환기를 통과하는 보일 오프 가스를 과냉각할 때의 상기 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력의 합계 동력이 작아지도록, 상기 추기 압력을 설정하는 점에 있다.
추기되는 보일 오프 가스가 재액화되는 과정에서, 보일 오프 가스의 추기 압력을 서서히 승압시키면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스의 추기 압력과 관련된 압축 동력(도 4에서, ▲의 범례로 나타내는 동력)은 서서히 커진다.
이에 대하여, 본 발명의 구성에 있어서는, 추기되는 보일 오프 가스를 재액화하는 경우, 추기 압력이 소정의 압력까지는, 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력이 커질수록, 제1 열교환기에서의 열교환 효율이 향상되고, 제1 열교환기에서의 열교환량이 커진다. 이로써, 제2 열교환기의 열교환량을 작게 할 수 있으므로(도 2 참조), 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력(도 4에서, ■의 범례로 나타내는 동력)을 작게 할 수 있다.
한편, 추기 압력이 소정의 압력을 초과하면, 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력을 크게 해도, 제2 열교환기에서의 열교환량을 작게 할 수 없다(도 3 참조).
상기 이유에 대하여 설명을 추가하면, 저류 탱크로부터 배출된 승압 전의 보일 오프 가스가, 제1 열교환기로의 유입 직전에는, 배관 입열(入熱) 등에 의하여, -120℃ 정도로 승온하고 있고, 상기 -120℃ 정도의 보일 오프 가스로는, 승압 후의 보일 오프 가스를, 겨우 -110℃ 정도까지밖에 냉각할 수 없다. 그러므로, 추기 압력을 높이고, 제1 열교환기에서의 열교환 효율을 높였다고 해도, 제1 열교환기에서는 승압 후의 보일 오프 가스를 -110℃까지밖에 냉각할 수 없다. 바꾸어 말하면, 어떤 추기 압력 이상에서는, 제2 열교환기에서 필요한 열교환량은, 승압 후의 보일 오프 가스를 -110℃부터 -160℃ 정도로 냉각시키는 열량으로 되고, 제2 열교환기에서의 열교환량은 거의 변화하지 않기 때문에, 추기 압력이 소정의 압력을 초과하여, 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력을 크게 했다고 해도, 제2 열교환기에서의 열교환량을 작게 할 수 없는 것이다.
또한, 추기 압력이 소정의 압력을 초과하면, 보일 오프 가스를 기액 분리할 때의 플래시 스트림의 유량이 커지기 때문에, 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력은 커진다.
이상의 관계로부터, 보일 오프 가스를 재액화하는 과정에서, 복수의 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스의 추기 압력과 관련된 압축 동력과, 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력과의 합계 동력은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 소정의 추기 압력 폭(도 4에서, ΔP로 나타내는 폭) 사이에서, 최소로 된다.
상기 특징 구성에 의하면, 상기 합계 동력이 작아지도록 추기 압력을 설정함으로써, 보일 오프 가스의 재액화를 적절히 실행하면서도, 플래시 스트림의 발생을 억제하면서, 설비 전체의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
본 발명의 보일 오프 가스의 재액화 설비에서는, 상기 압력 설정부는, 상기 추기 압력을 7MPaG 이상 10MPaG 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
도 1은, 보일 오프 가스의 재액화 설비의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는, 추기 압력을 5MPaG와 7MPaG로 설정한 경우의 제1 열교환기 및 제2 열교환기에서의 급열 측의 보일 오프 가스와 수열 측의 매체와의 TQ선도이다.
도 3은, 추기 압력을 7MPaG, 10MPaG, 30MPaG로 설정한 경우의 제1 열교환기 및 제2 열교환기에서의 급열 측의 보일 오프 가스와 수열 측의 매체와의 TQ선도이다.
도 4는, 추기 압력을 변화시킨 경우의 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력과 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력과 이들 합계를 나타낸 그래프 도면이다.
도 5는, 종래 기술에서의 보일 오프 가스의 재액화 설비의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은, 도 5에 나타낸 구성의 제1 열교환기에서의 급열 측의 보일 오프 가스와 수열 측의 냉매와의 TQ선도이다.
본 발명의 실시형태에 관한 보일 오프 가스의 재액화 설비, 및 그 운전 방법은 구조의 복잡화를 피하면서도, 플래시 스트림의 유량을 저감하여 효율 향상을 도모하면서, 열교환기에서의 열교환 효율을 향상시키고, 나아가, 냉동 사이클 회로의 압축 동력 저감에 의한 효율 향상을 실현할 수 있는 것이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관한 보일 오프 가스의 재액화 설비(100) 및 그 운전 방법을, 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시형태에 관한 보일 오프 가스의 재액화 설비(100)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, LNG 운반선(50)(수상 구조물의 일례) 상에 구비되는 것이며, 액화 천연 가스 LNG를 저류하는 저류 탱크(10)와, 상기 저류 탱크(10)로부터 배출되는 보일 오프 가스(BOG)를 압축하는 보일 오프 가스 압축부(20)와, 상기 보일 오프 가스 압축부(20)에 의해 압축되고 액화된 액화 보일 오프 가스(BOG)의 일부를 연료로 하는 고압 분사형 엔진(40)과, 보일 오프 가스 압축부(20)에 의해 압축된 보일 오프 가스(BOG)의 타부를 추기하고 재액화하여 저류 탱크(10)로 되돌리는 추기 유로(L2)와, 추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)와 열교환하여 보일 오프 가스(BOG)를 냉각시키는 냉매(N2)를 순환하는 냉동 사이클 회로(C)를 포함하고 있다.
저류 탱크(10)는, 외부 공간과 단열하는 단열 구조가 채용되고 있고, 내부에 비교적 저온(예를 들면, -163℃)의 LNG를 저류하도록 구성되어 있다. 상기 저류 탱크(10)에서는, 외부와 단열되어 있으나, 외부로부터 온열이 전도되는 형태로 LNG가 기화되고, 메탄을 주성분으로 하는 보일 오프 가스(BOG)가 발생한다.
저류 탱크(10)와 보일 오프 가스 압축부(20)는, 보일 오프 가스 배출로(L1)에 의해 접속되어 있고, 저류 탱크(10)에서 발생한 보일 오프 가스(BOG)는, 보일 오프 가스 배출로(L1)를 통하여, 보일 오프 가스 압축부(20)로 유도된다.
보일 오프 가스 압축부(20)는, 보일 오프 가스(BOG)를 압축하는 복수의 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4, CP5)(본 실시형태에서는, 5개)를, 보일 오프 가스(BOG)의 흐름 방향으로 기재된 순서대로 포함하고, 또한 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4, CP5)에 의해 압축되고 승온한 후의 보일 오프 가스(BOG)를 다른 냉매와 열교환하는 형태로 냉각시키는 쿨러(EX1, EX2, EX3, EX4, EX5)가, 보일 오프 가스(BOG)의 흐름 방향으로 각 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4, CP5)의 하류 측 출구에, 보일 오프 가스 압축 컴프레서 (CP1, CP2, CP3, CP4, CP5)의 각각에 하나씩 대응하는 상태로, 보일 오프 가스(BOG)의 흐름 방향으로 기재된 순서대로 설치되어 있다.
즉, 보일 오프 가스 배출로(L1)로부터 보일 오프 가스 압축부(20)로 유도되는 보일 오프 가스(BOG)는, 제1 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1)에 의해 압축된 후, 제1 쿨러(EX1)에 의해 냉각된다. 상기 제1 쿨러(EX1)에 의해 냉각된 보일 오프 가스(BOG)는, 제2 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP2)에 의해 압축된 후, 제2 쿨러(EX2)에 의해 냉각된다. 상기 제2 쿨러(EX2)에 의해 냉각된 보일 오프 가스(BOG)는, 제3 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP3)에 의해 압축된 후, 제3 쿨러(EX3)에 의해 냉각된다. 상기 제3 쿨러(EX3)에 의해 냉각된 보일 오프 가스(BOG)는, 제4 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP4)에 의해 압축된 후, 제4 쿨러(EX4)에 의해 냉각된다. 상기 제4 쿨러(EX4)에 의해 냉각된 보일 오프 가스(BOG)는, 제5 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP5)에 의해 압축된 후, 제5 쿨러(EX5)에 의해 냉각된다. 이로써, 예를 들면, 30MPaG 이상의 엔진 공급 압력까지 승압된 후, 고압 분사형 엔진(40)에 공급된다. 상기 고압 분사형 엔진(40)은, 선박용 전자 제어식 가스 인젝션 디젤 엔진을 채용하고 있고, LNG 운반선(50)의 추진용 프로펠러에 직결되고, 또한 저속으로 회전하는 2사이클 엔진이다.
그리고, 본 발명의 고압 분사형 엔진(40)은, 비교적 고압의 연료를 분사하는 엔진이면 되고, 2사이클 엔진에 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태에 있어서는, 보일 오프 가스 압축부(20)의 압축 과정에서, 엔진 공급 압력까지 승압되기 전의 비교적 저압의 보일 오프 가스(BOG)가 추기되도록 구성되어 있다.
설명을 추가하면, 보일 오프 가스 압축부(20)에는, 제2 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP2)로 압축된 후에, 제2 쿨러(EX2)에 의해 냉각된 보일 오프 가스(BOG)의 일부를 분리하여 추기하는 제1 분기 기구(機構)(D1)가 형성되어 있고, 상기 제1 분기 기구(D1)에서 분기된 보일 오프 가스(BOG)는, 각종 가스 연소기에서 연소된다.
또한, 보일 오프 가스 압축부(20)에는, 제4 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP4)로 압축된 후에, 제4 쿨러(EX4)에 의해 냉각된 보일 오프 가스(BOG)의 일부를 분기하여 추기하는 제2 분기 기구(D2)가 형성되어 있고, 상기 제2 분기 기구(D2)에 의해 추기된 보일 오프 가스(BOG)는, 제2 분기 기구(D2)에 접속되는 추기 유로(L2)를 통류한다.
그리고, 상기 추기 유로(L2)로는, 저류 탱크(10)로부터 배출되는 보일 오프 가스(BOG)의 양이, 고압 분사형 엔진(40)에 의해 연료로서 필요로 하는 보일 오프 가스(BOG)의 양을 초과하는 경우에, 그 초과분의 보일 오프 가스(BOG)가 유도되게 된다.
추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)는, 보일 오프 가스 배출로(L1)를 통류하는 승압 전의 보일 오프 가스(BOG)와의 열교환에 의해 냉각된 후, 냉동 사이클 회로(C)를 순환하는 냉매(N2)와의 열교환에 의해 냉각되어 재액화된다.
설명을 추가하면, 추기 유로(L2)에는, 상기 추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)를, 저류 탱크(10)로부터 보일 오프 가스 압축부(20)까지 접속하는 보일 오프 가스 배출로(L1)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)와의 열교환에 의해 냉각시키는 제1 열교환기(EX9)와, 추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)를, 냉동 사이클 회로(C)를 순환하는 냉매(N2)와의 열교환에 의해 냉각시키는 제2 열교환기(EX10)와, 상기 제2 열교환기(EX10)를 통과한 후의 보일 오프 가스(BOG)를 감압하는 감압 밸브(V1)와, 상기 감압 밸브(V1)에 의해 감압한 후의 보일 오프 가스(BOG)의 기액 분리하는 기액 분리기(30)가 설치된다.
추기 유로(L2)는, 기액 분리기(30)의 하방 측 부위와 저류 탱크(10)를 접속하고 있고, 기액 분리기(30)에 의해 기액 분리된 액화 보일 오프 가스[BOG(L)]가, 상기 추기 유로(L2)를 통하여 저류 탱크(10)로 되돌려진다. 한편, 기액 분리기(30)에 의해 기액 분리된 기체의 보일 오프 가스(G)는, 플래시 스트림으로서 기액 분리기(30)로부터 배출된다.
냉동 사이클 회로(C)는, 비응축성 냉매(N2)로서 질소를 순환시키고, 제2 열교환기(EX10)에서 보일 오프 가스(BOG)를 주로 과냉각하기 위해 설치되어 있는 회로이다.
상기 냉동 사이클 회로(C)는, 냉매(N2)를 압축하는 복수의 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)(본 실시형태에서는, 3개)를, 보일 오프 가스(BOG)의 흐름 방향으로 기재된 순서대로 포함하고, 또한 상기 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)에 의해 압축되고 승온한 후의 보일 오프 가스(BOG)를 다른 냉매와 열교환하는 형태로 냉각시키는 쿨러(EX6, EX7, EX8)가, 냉매(N2)의 흐름 방향으로 각 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 하류 측 출구에, 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 각각에 하나씩 대응하는 상태로, 보일 오프 가스(BOG)의 흐름 방향으로 기재된 순서대로 설치되어 있다.
설명을 추가하면, 냉매(N2)는 제6 냉매 압축 컴프레서(CP6)로 압축된 후, 제6 쿨러(EX6)에 의해 냉각되고, 상기 제6 쿨러(EX6)에 의해 냉각된 냉매(N2)는, 제7 냉매 압축 컴프레서(CP7)로 압축된 후, 제7 쿨러(EX7)에 의해 냉각되고, 상기 제7 쿨러(EX7)에 의해 냉각된 냉매(N2)는, 제8 냉매 압축 컴프레서(CP8)로 압축된 후, 제8 쿨러(EX8)에 의해 냉각된다.
또한, 냉동 사이클 회로(C)는, 제8 쿨러(EX8)에 의해 냉각된 냉매(N2)를, 제2 열교환기(EX10)를 통과한 후의 냉매(N2)와 열교환하는 형태로 냉각시키는 제3 열교환기(EX11)와, 상기 제3 열교환기(EX11)을 통과한 후의 냉매(N2)를 팽창시키는 익스팬더(EP1)를 포함하고 있다.
이로써, 냉동 사이클 회로(C)를 순환하는 냉매(N2)는, 복수의 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)에 의해 기재된 순서대로 압축되면서 복수의 쿨러(EX6, EX7, EX8)에 의해 기재된 순서대로 냉각되고, 제3 열교환기(EX11)에 의해 더 냉각된 후, 익스팬더(EP1)에 의해 팽창하고, 보일 오프 가스(BOG)를 과냉각하는 온도(예를 들면, -170℃ 이하의 온도)까지 온도 강하한 후, 제2 열교환기(EX10)를 통과하는 형태로, 냉동 사이클 회로(C)를 순환한다.
이상과 같이, 상기 실시형태의 보일 오프 가스(BOG)의 재액화 설비(100)에 있어서는, 저류 탱크(10)로부터 배출되는 보일 오프 가스(BOG)는, 보일 오프 가스 압축부(20)에 의해 소정의 추기 압력까지 압축된 후, 추기 유로(L2)에 의해 제1 열교환기(EX9), 제2 열교환기(EX10)에서 냉각되어 재액화되는 것이지만, 제1 열교환기(EX9)의 열교환 효율을 향상시키고, 또한 제2 열교환기(EX10)에 의해 냉열을 공급하는 냉매(N2)를 냉동 사이클 회로(C)에 의해 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력을 저감시키는 관점에서는, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력은, 제1 열교환기(EX9)에 의해 그 전량을 액화하는 액화 압력 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기 실시형태의 보일 오프 가스(BOG)의 재액화 설비(100)에 있어서는, 보일 오프 가스(BOG)의 보일 오프 가스 압축부(20)로부터의 추기 압력을 설정할 수 있는 압력 설정부(60a)로서 기능하는 제어 장치(60)를 포함하고 있고, 상기 제어 장치(60)는, LSI 등의 집적 장치를 포함한 하드웨어와 복수의 프로그램군을 포함하는 소프트웨어를 협동하도록 구성되어 있다.
여기서, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력이, 종래의 질소 냉매 사이클을 포함한 선상 보일 오프 가스(BOG) 재액화 시스템에서의 일반적인 추기 압력(예를 들면, 0.3MPaG 이상 2.0MPaG 이하 정도의 압력)인 경우, 제1 열교환기(EX9) 및 제2 열교환기(EX10)에 의해 열교환하는 보일 오프 가스(BOG)의 열교환량과 온도의 관계를 나타낸 TQ선도는, 개략도 6의 굵은 실선으로 나타낸 상태로 된다. 즉, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력이 낮은 경우, 보일 오프 가스(BOG)는 온도가 내려가 응축하기 시작하는 점에서 온도 변화가 불연속으로 된다. 그리고, 기액 혼합 상태로 되면 등 온 변화를 한다.
그러므로, 보일 오프 가스(BOG)가 응축하기 시작하는 점에서 보일 오프 가스(BOG)와 냉매(N2)의 온도차가 최접근한다[이 점(도 6에서 P1로 나타내는 점)을 핀치 포인트라고 함]. 이 핀치 포인트 때문에, 냉매(N2)의 열교환량에 대한 온도 변화의 비율(도 6에서의 기울기 γ)은 보일 오프 가스(BOG)의 온도 변화에 맞추어 작아진다[즉 냉매(N2)의 유량을 증가시킬 필요가 있음]. 그러므로, 냉동 사이클 회로(C)의 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력이 증가하여, 효율 악화를 초래하게 된다.
또한, 급열 측의 보일 오프 가스(BOG)의 온도와 수열 측의 냉매(N2)의 온도와의 차이(도 6에서, ΔT2나 ΔT3)가 크게 되어 있고, 이것은, 상기 제1 열교환기(EX9) 및 제2 열교환기(EX10)에서의 열교환 효율이 불량한 것을 나타내고 있다.
그래서, 압력 설정부(60a)는, 추기 압력의 하한 압력을 설정할 때, 추기 압력의 하한 압력을 보일 오프 가스(BOG)의 임계 압력[보일 오프 가스(BOG)가 메탄을 주성분으로 하는 가스인 경우, 4.8MPaG를 초과하는 압력, 보일 오프 가스(BOG)가 순수 메탄인 경우, 4.5MPaG를 초과하는 압력] 이상으로 설정한다.
즉, 압력 설정부(60a)는, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 종래의 질소 냉매 사이클을 포함한 선상 보일 오프 가스(BOG) 재액화 시스템에서의 일반적인 추기 압력보다 높임으로써, 도 6의 굵은 실선의 보일 오프 가스(BOG)의 TQ선에 있어서, 기액 혼합 상태에서 등온 변화를 나타낸 폭(A)을 작게 할 수 있다. 즉, 도 6의 굵은 실선으로 나타내는 TQ선으로부터, 도 2에서 굵은 파선(破線)으로 나타내는 TQ선(추기 압력 5MPaG), 나아가, 도 2에서 굵은 실선으로 나타내는 TQ선(추기 압력 7MPaG)으로 변화시킨다. 이로써, 냉매(N2)의 유량을 감소시킬 수 있고[TQ선도에서의 냉매(N2)의 경사를 크게 할 수 있음], 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력을 작게 할 수 있다.
도 2에 나타낸 TQ선도는, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 5MPaG와 추기 압력 7MPaG로 한 경우의 제1 열교환기(EX9) 및 제2 열교환기(EX10)에 있어서의 TQ선도이지만, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력이 5MPaG인 경우, 포화 증기선(도 2에서 그래프 중앙 부근의 굵은 파선)과 과열 증기선(도 2에서 그래프 우측 부근의 가는 파선)의 기울기 차이가, 7MPaG에 비교하여 커진다(그래프의 물결이 커짐). 이것은, 추기 압력을 7MPaG로 설정하는 경우보다, 추기 압력을 5MPaG로 설정하는 경우가, 급열 측인 보일 오프 가스(BOG)가 나타내는 TQ선과 수열 측인 열 매체[제1 열교환기(EX9)에서는 승압 전의 보일 오프 가스(BOG), 제2 열교환기(EX10)에서는 냉매(N2)]가 나타내는 TQ선과의 온도차가 커지고, 열교환 효율이 불량한 것을 나타내고 있다.
그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 추기 압력을 5MPaG로 설정하는 경우, 추기 압력을 7MPaG로 설정하는 경우에 비하여, 제1 열교환기(EX9)에 있어서, 승압 후의 보일 오프 가스(BOG)가 승압 전의 보일 오프 가스(BOG)로부터 받는 냉열량이 작아진다. 이로써, 제2 열교환기(EX10)에 있어서, 냉매(N2)로부터 받는 냉열량(과냉각량)을 ΔE1만큼 증가시킬 필요가 있고, 냉동 사이클 회로(C)에서의 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력이 증가한다.
즉, 추기 압력을 7MPaG로 한 경우, 그보다 추기 압력이 낮은 경우에 비해 수열 측의 보일 오프 가스(BOG)를 액화하는데 필요한 냉열량 중, 승압 전의 보일 오프 가스(BOG)에 의한 냉각량의 비율이 높고, 냉동 사이클 회로(C)에 의한 냉각량의 비율이 낮다. 이것은 승압 전의 보일 오프 가스(BOG)가 가지는 냉열을 유효하게 이용할 수 있는 것을 나타내고, 그만큼 냉동 사이클 회로(C)에서의 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 동력을 작게 할 수 있어, 액화 시스템으로서의 효율이 향상되는 것을 의미한다.
이상으로부터, 상기 실시형태에서는, 압력 설정부(60a)는 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 7MPaG 이상으로 설정한다.
또한, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 7MPaG로 한 경우의 TQ선도의 계산 조건은, 도 1의 개략적인 구성도의 보일 오프 가스 배출로(L1) 및 추기 유로(L2)에 나타낸 P1∼P6에 있어서, 이하의 [표 1]에 나타낸 유량, 온도, 압력을 표시하는 것으로 한다. 그리고, 밑줄을 그은 값은, 추기 압력에 의존하지 않고, 거의 일정한 값이다. 또한, 탱크압은 0MPaG 이상 0.035MPaG 이하 정도의 압력으로 한다.
[표 1]
Figure 112017038266816-pct00001
한편, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 지나치게 높게 하면, 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력이 커져 효율 저하를 초래하고, 또한 감압 밸브(V1)에 의해 감압했을 때 발생하는 플래시 스트림량이 증가하고, 기액 분리기(30)로부터 버려지는 기체의 보일 오프 가스[BOG(G)]가 증가하기 때문에 바람직하지 않다.
도 3에, 압력 설정부(60a)에 의해, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을, 각각 7MPaG, 10MPaG, 30MPaG로 설정한 경우의 TQ선도를 나타내고 있다.
상기 도 3에 나타낸 TQ선도로부터, 추기 압력을 7 MpaG에서 30MPaG로 승압하는 경우, 추기 압력을 7MpaG 미만의 범위에서 증가시켰을 때와 같이, 보일 오프 가스 압축부(20)의 압축 동력을 증가시켜도 제2 열교환기(EX10)에서의 냉각량(열교환량)을 저감할 수 없고, 냉동 사이클 회로(C)에서의 압축 동력을 저감할 수 없다. 나아가, 추기 압력의 증가에 따른 플래시 스트림의 유량의 증가를 억제할 필요가 있기 때문에, 보일 오프 가스(BOG)의 과냉각량을 크게 할 필요가 있으므로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 추기 압력을 7MPaG로 설정하는 경우에 비하여, 냉동 사이클 회로(C)에서 제2 열교환기(EX10)로 냉매(N2)가 들어가는 온도를, 도 3에서 ΔT1로 나타내는 온도만큼 저온으로 할 필요가 있다. 이것은, 냉동 사이클 회로(C)에서의 압축 동력의 증대를 의미하므로, 재액화 프로세스에 있어서의 효율의 악화를 의미한다.
한편, 추기 압력을 10MPaG로 설정하는 경우, 냉동 사이클 회로(C)에서 제2 열교환기(EX10)로 냉매(N2)가 들어가는 온도를, 추기 압력을 7MPaG로 설정하는 경우와 대략 같은 온도로 설정할 수 있다. 이것은, 추기 압력을 10MPaG로 설정하는 경우, 냉동 사이클 회로(C)에서 제2 열교환기(EX10)로 냉매(N2)가 들어가는 온도를, 추기 압력을 7MPaG로 설정하는 경우와 대략 같은 온도로 설정했을 때라도, 플래시 스트림의 유량을 충분히 억제할 수 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 추기 압력을 10MPaG로 설정하는 경우에는, 냉동 사이클 회로(C)에서의 압축 동력을 일정하게 유지하면서도, 급열 측인 승압 후의 보일 오프 가스(BOG)가 나타내는 TQ선을, 직선형에 가까운 상태로 변화시킬 수 있다.
이에, 상기 실시형태에 있어서는, 압력 설정부(60a)는, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 10MPaG 이하로 설정하고 있다.
또한, 상기 실시형태에 관한 압력 설정부(60a)는, 추기되는 보일 오프 가스(BOG)의 재액화 과정에서, 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 추기에 관한 압축 동력과, 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력의 합계 동력이 작아지도록, 추기 압력을 설정하고 있다.
도 4에 기초하여 설명을 추가하면, 추기되는 보일 오프 가스(BOG)가 재액화되는 과정에서, 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력을 0MPaG로부터 서서히 승압시키면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력과 관련된 압축 동력(도 4에서, ▲의 범례로 나타내는 동력)은 서서히 커진다.
이에 대하여, 상기 실시형태에 관한 구성에 있어서는, 추기되는 보일 오프 가스(BOG)를 재액화하는 경우, 추기 압력이 소정의 압력까지는, 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력이 커질수록(추기 압력이 높아질수록), 제1 열교환기(EX9)에서의 열교환 효율이 향상되고, 제1 열교환기(EX9)에서의 열교환량이 커진다. 이로써, 제2 열교환기(EX10)에서의 열교환량을 작게 할 수 있으므로(도 2 참조), 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력(도 4에서, ■의 범례로 나타내는 동력)을 작게 할 수 있다. 한편, 추기 압력이 소정의 압력을 초과하면, 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력을 크게 해도, 제2 열교환기(EX10)에서의 열교환량을 작게 할 수 없다(도 3 참조).
상기 이유에 대하여 설명을 추가하면, 저류 탱크(10)로부터 배출된 승압 전의 보일 오프 가스(BOG)가, 제1 열교환기(EX9)로의 유입 직전에는, 배관 입열 등에 의해, -120℃ 정도로 승온하고 있고, 상기 -120℃ 정도의 보일 오프 가스(BOG)로는, 승압 후의 보일 오프 가스(BOG)를 겨우 -110℃ 정도까지밖에 냉각할 수 없다. 그러므로, 추기 압력을 높이고, 제1 열교환기(EX9)에서의 열교환 효율을 높였다고 해도, 제1 열교환기(EX9)에서는 승압 후의 보일 오프 가스(BOG)를 -110℃까지밖에 냉각할 수 없다. 바꾸어 말하면, 어떤 추기 압력 이상에서는, 제2 열교환기(EX10)에서 필요한 열교환량은, 승압 후의 보일 오프 가스(BOG)를 -110℃로부터 -160℃ 정도로 냉각시키는 열량으로 되고, 제2 열교환기(EX10)에서의 열교환량은 거의 변화하지 않기 때문에, 추기 압력이 소정의 압력을 초과하여, 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력을 크게 했다고 해도, 제2 열교환기(EX10)에서의 열교환량을 작게 할 수 없는 것이다.
또한, 보일 오프 가스(BOG)를 기액 분리할 때의 플래시 스트림의 유량이 커지기 때문에, 상기 플래시 스트림의 유량을 억제할 수 있도록, 제2 열교환기(EX10)에서의 냉매(N2)에 의한 냉각량(과냉각량)을 증가시킬 필요가 있으므로, 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력은 커진다.
이들의 관계로부터, 보일 오프 가스(BOG)를 재액화하는 과정에서, 복수의 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력과 관련된 압축 동력과, 냉매 압축 컴프레서(CP6, CP7, CP8)의 압축 동력의 합계 동력은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 추기 압력이 7MPaG 이상 10MPaG 이하의 범위(도 4에서, ΔP로 나타내는 폭) 사이에서, 최소로 된다.
따라서, 상기 실시형태에 관한 압력 설정부(60a)는 상기 합계 동력을 작게 하여, 재액화 과정에서의 효율 향상을 도모하기 위하여, 추기 압력을 7MPaG 이상 10MPaG 이하로 설정하는 것이다.
그리고, 도 4에 나타낸 그래프의 구체적인 수치를, 이하의 [표 2]에 나타낸다. 덧붙여, [표 2]에 나타낸 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력은, 복수의 보일 오프 가스 압축 컴프레서(CP1, CP2, CP3, CP4)의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스(BOG)의 추기 압력과 관련된 압축 동력이지만, 고압 분사형 엔진(40)으로 유도되는 보일 오프 가스(BOG)를 압축하는 압축 동력도 포함하는 것이다. 또한, 도 4 및 표 2의 계산 조건은 표 1을 참조하면 된다.
[표 2]
Figure 112017038266816-pct00002
그리고, 본 실시형태에 관한 보일 오프 가스의 재액화 설비(100)와, 특허문헌 1에 개시된 기술과, 특허문헌 2에 개시된 기술에 있어서, 보일 오프 가스(BOG) 1ton당 액화에 요하는 소비 전력을 시뮬레이션한 결과를, 이하의 [표 3]에 나타낸다. 덧붙여, [표 3]에서는, 주기관 부하가 0%인 경우와, 30%인 경우의 소비 전력을 나타내고 있고, 주기관 부하란 고압 분사형 엔진의 부하를 나타낸다. 여기서, 특허문헌 2에 개시된 기술은, 주기관(고압 분사형 엔진)을 포함하는 것은 아니지만, 이하의 시뮬레이션에 있어서는, 특허문헌 2에 개시된 기술의 보일 오프 가스 압축부(쿨러 포함함)의 하류 측에서 제2 열교환기의 상류 측에, 보일 오프 가스(BOG)의 일부를 분기하는 유로가 접속되고, 상기 유로에 의해 보일 오프 가스가 주기관(고압 분사형 엔진)으로 공급되는 구성을 채용하고 있는 것으로 하였다.
그리고, 시뮬레이션의 조건으로서는, 본 실시형태와, 특허문헌 1에 개시된 기술과, 특허문헌 2에 개시된 기술의 각각의 액화 장치로의 도착 시 온도(예를 들면, -120℃)에서, 보일 오프 가스(BOG)가 2883kg/h가 발생한 것으로 하고, 주기관 부하가 30%인 경우에는, 발생한 보일 오프 가스(BOG) 중, 약 1400kg/h를 주기관으로 보내고, 나머지의 일부를 발전기에 보내고, 그 나머지를 액화한다는 조건으로 하였다.
그리고, 발전기에 의해 발전된 전력은, 선내 전력과 주기관 등으로의 연료 공급이나 냉매 사이클 구동을 위한 컴프레서 동력으로서 사용되는 것으로 하였다. 또한, 액화 동력이 본 실시형태와, 특허문헌 1에 개시된 기술과, 특허문헌 2에 개시된 기술에서 상이하므로, 발전기에 보내는 보일 오프 가스(BOG)의 양은, 각각 상이하게 되어 있다.
[표 3]
Figure 112017038266816-pct00003
[별도의 실시형태]
(1) 상기 실시형태에서는, 보일 오프 가스의 재액화 설비(100)는, LNG를 운반하는 LNG 운반선(50)에 설치되는 예를 나타냈으나, 특별히 상기 구성에 한정되는 것은 아니다.
다른 예로서는, 채굴된 LNG를 해상에서 정제한 후, 직접 액화시켜 저류 탱크(10) 내에 저장하고, 필요에 따라, 상기 저류 탱크(10) 내에 보존된 LNG를 LNG 운반선에 이송탑재하기 위해 사용되는 설비인 LNG FPSO(Florting Production Storage and Off-loading) 등의 해상 플랜트에 설치되어도 된다.
(2) 상기 실시형태에서는, 냉동 사이클 회로(C)를 순환하는 냉매(N2)로서는, 비응축성 냉매인 질소를 예로서 설명하였으나, 상기 냉매는 질소에 한정되는 것은 아니다. 다른 냉매의 예로서는 헬륨이나 수소 등 외에, 혼합 냉매를 사용해도 상관없다.
(3) 상기 실시형태에서, 추기 유로(L2)는, 기액 분리기(30)와 저류 탱크(10)를 접속하고, 기액 분리기(30)에 의해 기액 분리된 후의 액화 보일 오프 가스[BOG(L)]를 저류 탱크(10)로 유도하는 구성예를 나타낸다.
그러나, 추기 유로(L2)를 통류하는 보일 오프 가스(BOG)로, 재액화된 보일 오프 가스(BOG)는, 반드시 저류 탱크(10)에 되돌릴 필요는 없고, 경우에 따라서는, 보일 오프 가스(BOG)의 냉열을 공기조절이나 냉열 발전에 이용하는 구성을 채용해도 상관없다.
(4) 상기 실시형태에서, 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 수는, 특별히 상기 실시형태에 나타낸 것에 한정되지 않고, 보일 오프 가스(BOG)의 양[또는, 저류 탱크(10)의 용량]이나, 엔진 공급 압력에 의하여 적절히 변경 가능하다. 또한, 승압 전의 보일 오프 가스(BOG)의 흐름 방향에 있어서, 추기 유로(L2)의 상류 측에 설치되는 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 수도 4개로 한정되는 것이 아니고, 적절히 변경 가능하다.
또한, 냉매 압축 컴프레서의 수에 대해서도, 특별히 한정되지 않고, 제2 열교환기(EX10)에 의해 요구되는 온도 및 냉열량에 따라, 적절히 변경 가능하다.
그리고, 보일 오프 가스 압축 컴프레서 및 냉매 압축 컴프레서의 수에 대응하는 상태에서, 쿨러의 수도 적절히 변경 가능하다.
(5) 상기 실시형태에서, 보일 오프 가스 압축부(20) 및 냉동 사이클 회로(C)의 쿨러에 냉열을 공급하는 구성으로서는 다양한 구성을 고려할 수 있지만, 예를 들면, 다음과 같은 구성을 채용해도 상관없다.
즉, 주기관으로서의 고압 분사형 엔진(40)의 배열(排熱)을 열원으로 하는 흡수식 냉동기(도시하지 않음)와, 상기 흡수식 냉동기에 의해 발생하는 냉열을 회수하고 또한 회수한 냉열을 보일 오프 가스 압축부(20) 및 냉동 사이클 회로(C)의 쿨러에 의해 공급하는 열 매체를 순환하는 열 매체 순환 회로(도시하지 않음)를 포함하는 구성을 채용해도 상관없다.
그리고, 열 매체 순환 회로는, 보일 오프 가스 압축부(20) 및 냉동 사이클 회로(C)의 쿨러 전부에게 냉열을 공급하도록 설치해도 상관없고, 그 일부에 냉열을 공급하도록 설치해도 상관없다.
그리고, 상기 실시형태(별도의 실시형태를 포함함, 이하 동일)에서 개시되는 구성은, 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절히 개변(改變)할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 보일 오프 가스의 재액화 설비 및 그 운전 방법은, 구성의 복잡화를 피하면서도, 플래시 스트림의 유량을 저감하여 효율 향상을 도모하면서, 열교환기에서의 열교환 효율을 향상, 또한 냉동 사이클 회로의 압축 동력 저감에 의한 효율 향상을 실현할 수 있는 보일 오프 가스의 재액화 설비, 및 그 운전 방법으로서, 유효하게 이용 가능하다.
10 : 저류 탱크
20 : 보일 오프 가스 압축부
30 : 기액 분리기
40 : 고압 분사형 엔진
60a : 압력 설정부
100 : 재액화 설비
BOG : 보일 오프 가스
C : 냉동 사이클 회로
CP1 : 제1 보일 오프 가스 압축 컴프레서
CP2 : 제2 보일 오프 가스 압축 컴프레서
CP3 : 제3 보일 오프 가스 압축 컴프레서
CP4 : 제4 보일 오프 가스 압축 컴프레서
CP5 : 제5 보일 오프 가스 압축 컴프레서
CP6 : 제6 냉매 압축 컴프레서
CP7 : 제7 냉매 압축 컴프레서
CP8 : 제8 냉매 압축 컴프레서
EX10 : 제2 열교환기
EX9 : 제1 열교환기
L2 : 추기 유로
LNG : 액화 천연 가스
N2 : 냉매
V1 : 감압 밸브

Claims (6)

  1. 액화 천연 가스를 저류(貯留)하는 저류 탱크; 상기 저류 탱크로부터 배출되는 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축부; 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 보일 오프 가스의 일부(一部)를 연료로 하는 고압 분사형 엔진; 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 압축된 보일 오프 가스의 타부(他部)를 추기(抽氣)하고 재액화하여 상기 저류 탱크로 되돌리는 추기 유로; 및 상기 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스와 열교환하여 상기 보일 오프 가스를 냉각시키는 냉매를 순환시키는 냉동 사이클 회로;를 수상 구조물 상에 구비하는 보일 오프 가스의 재액화 설비로서,
    상기 추기 유로가, 상기 보일 오프 가스 압축부에 의해 상기 고압 분사형 엔진의 엔진 공급 압력까지 승압되기 전의 보일 오프 가스를 추기하는 것이며,
    상기 추기 유로를 통류하는 보일 오프 가스를 상기 저류 탱크로부터 상기 보일 오프 가스 압축부까지 통류하는 보일 오프 가스와 열교환하는 형태로 냉각시키는 제1 열교환기;
    상기 추기 유로에서 상기 제1 열교환기를 통과한 보일 오프 가스를 상기 냉동 사이클 회로를 통류하는 냉매에 의해 냉각시키는 제2 열교환기; 및
    상기 추기 유로로 추기하는 보일 오프 가스의 추기 압력을, 상기 엔진 공급 압력 미만으로 설정하고, 또한 상기 보일 오프 가스의 임계 압력 이상으로 설정하는 압력 설정부
    를 포함하는 보일 오프 가스의 재액화 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추기 유로에서 상기 제2 열교환기를 통과한 보일 오프 가스를 감압하는 감압 밸브, 및 상기 감압 밸브에 의해 감압된 보일 오프 가스를 기액 분리하는 기액 분리기를 포함하고,
    상기 압력 설정부는, 상기 추기 압력의 상한 압력을, 상기 기액 분리기로부터 기체로서 배출되는 플래시 스트림(flash stream)의 유량이 억제되는 플래시 스트림 억제 압력 미만으로 설정하는, 보일 오프 가스의 재액화 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보일 오프 가스 압축부는, 보일 오프 가스를 압축하는 보일 오프 가스 압축 컴프레서를 복수개 포함하고,
    상기 냉동 사이클 회로는, 냉매를 압축하는 냉매 압축 컴프레서를 포함하고,
    상기 압력 설정부는, 추기되는 보일 오프 가스가 재액화되는 과정에서, 복수개의 상기 보일 오프 가스 압축 컴프레서의 압축 동력 중 추기되는 보일 오프 가스의 추기 압력과 관련된 압축 동력과, 상기 추기 유로에서 상기 제2 열교환기를 통과하는 보일 오프 가스를 과냉각할 때의 상기 냉매 압축 컴프레서의 압축 동력의 합계 동력이 작아지도록, 상기 추기 압력을 설정하는, 보일 오프 가스의 재액화 설비.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압력 설정부는, 상기 추기 압력을 7MPaG 이상 10MPaG 이하로 설정하는, 보일 오프 가스의 재액화 설비.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉동 사이클 회로를 통류하는 냉매는 질소인, 보일 오프 가스의 재액화 설비.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 압력 설정부는, 상기 추기 압력을 7MPaG 이상 10MPaG 이하로 설정하는, 보일 오프 가스의 재액화 설비.
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