KR102473946B1 - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름의 일부 또는 전부를 추가로 압축시키는 제3 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축되거나 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기의 고온유로 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 감압장치; 상기 열교환기에서 냉매로 사용될 예정이었던 증발가스를 상기 열교환기를 우회시켜 바로 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보내는 우회라인; 상기 우회라인 상에 설치되는 우회밸브; 및 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 상기 우회라인에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 하류 및 증발가스가 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기로 공급되기 위하여 분기되는 지점의 상류에 설치되는 제1 온도센서;를 포함하고, 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기가 동시에 구동되며, 상기 제1 온도센서가 측정한 온도값에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{BOG Reliquefaction System and Method for Vessels}
본 발명은 저장탱크 내부에서 생성되는 증발가스 중 엔진의 연료로 사용되고 남은 증발가스를 재액화시키는 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, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃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. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.
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, 및 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 DF 엔진(DFDE(Dual Fuel Diesel Electric), DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)), ME-GI 엔진, X-DF 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF 엔진(DFDE, DFDG)은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI 엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
X-DF 엔진은, 추진용으로 사용되며, 2행정으로 구성된다. 16 bar 정도의 중압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
본 발명은, 병렬로 설치된 두 대의 압축기를 모두 가동하여 재액화될 증발가스를 압축시키도록 하는 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름의 일부 또는 전부를 추가로 압축시키는 제3 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축되거나 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기의 고온유로 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 감압장치; 상기 열교환기에서 냉매로 사용될 예정이었던 증발가스를 상기 열교환기를 우회시켜 바로 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보내는 우회라인; 상기 우회라인 상에 설치되는 우회밸브; 및 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 상기 우회라인에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 하류 및 증발가스가 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기로 공급되기 위하여 분기되는 지점의 상류에 설치되는 제1 온도센서;를 포함하고, 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기가 동시에 구동되며, 상기 제1 온도센서가 측정한 온도값에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 제1 온도센서가 측정한 온도값에 의해 상기 열교환기에서 냉매로 사용되는 증발가스의 양을 조절하여, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보내지는 증발가스의 온도를 설정된 범위 내로 유지할 수 있다.
상기 제1 온도센서가 측정한 온도가 제1 설정값을 초과하면 상기 우회밸브가 자동 또는 수동으로 열릴 수 있으며, 상기 우회밸브의 개도는 상기 제1 온도센서가 측정한 온도와 상기 제1 설정값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 열교환기의 저온유로 하류 및 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 상기 우회라인에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 상류에 설치되는 제2 온도센서; 및 상기 제1 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절할지, 상기 제2 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절할지를 선택하는 스위치;를 더 포함할 수 있다.
상기 스위치는, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값 이하이면 제1 모드(Normal Capacity Mode)를 선택하고, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값을 초과하면 제2 모드(Full Capacity Mode)를 선택할 수 있으며, 상기 제1 모드에서는 상기 제1 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절하고, 상기 제2 모드에서는 상기 제2 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절할 수 있다.
상기 제1 모드에서, 상기 제1 온도센서가 측정한 온도가 제1 설정값을 초과하면 상기 우회밸브가 자동 또는 수동으로 열릴 수 있으며, 상기 우회밸브의 개도는 상기 제1 온도센서가 측정한 온도와 상기 제1 설정값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 제2 모드에서, 상기 제2 온도센서가 측정한 온도가 제3 설정값을 초과하면 상기 우회밸브가 자동 또는 수동으로 열릴 수 있으며, 상기 우회밸브의 개도는 상기 제2 온도센서가 측정한 온도와 상기 제3 설정값의 차이에 비례할 수 있다.
상기 제3 압축기로 보내지는 증발가스의 양을 고정할 수 있다.
상기 제3 압축기로 최대 유량의 증발가스가 공급되도록 설정될 수 있다.
상기 제3 설정값은, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기의 고온유로로 보내질 고정된 양의 증발가스와 열교환될 냉매의 최대량을 미리 계산한 후, 미리 계산된 최대량의 냉매가 상기 열교환기의 저온유로를 통과한 후의 온도일 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 한 대만 구동시키는 경우를 전제하여 용량을 최적화한 것일 수 있다.
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름은 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 상기 제3 압축기로 보내지고, 다른 흐름은 연료소비처로 보내질 수 있다.
'상기 제1 압축기가 압축시킬 증발가스의 양 + 상기 제2 압축기가 압축시킬 증발가스의 양 = 상기 연료소비처에서 요구되는 증발가스의 양 + 상기 제3 압축기로 보내지는 고정된 증발가스의 양'의 식을 만족시킬 수 있다.
상기 연료소비처는 X-DF 엔진을 포함할 수 있다.
상기 제3 압축기는 증발가스를 초임계 상태로 압축시킬 수 있다.
상기 제3 압축기는 증발가스를 150 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 열교환기에서 냉매로 사용될 예정인 증발가스와 합류된 후 상기 열교환기로 보내져 냉매로 사용될 수 있다.
상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 동일한 사양일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 선박용 증발가스 재액화 방법에 있어서, 병렬로 설치된 두 대의 압축기를 동시에 사용하여, 엔진에 연료를 공급하는 동시에 재액화될 증발가스를 압축시키고, 재액화되는 증발가스의 양을 고정시킨 후, 고정된 양의 재액화되는 증발가스와 열교환될 최대량의 냉매를 공급하는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 한 대의 압축기만을 운용하는 것을 전제로 설계된 열교환기를 그대로 사용하면서도, 두 대의 압축기를 동시에 구동시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 열교환기의 열교환량을 최대한으로 이끌어낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 후술할 증발가스 처리를 위한 시스템들은 저온 액체화물 또는 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박과 해상 구조물, 즉 액화천연가스 운반선, 액화에탄가스(Liquefied Ethane Gas) 운반선, LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 구조물에 적용될 수 있다.
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 바람직한 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 선박용 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 제3 압축기(230), 감압장치(300), 우회라인(BL), 우회밸브(V), 제1 온도센서(T1)를 포함한다.
열교환기(100)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축되거나 제2 압축기(220)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스일 수 있다.
제2 압축기(220)는 제1 압축기(210)와 병렬로 설치되며, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되어 한 흐름은 제1 압축기(210)로 공급되고 다른 흐름은 제2 압축기(220)로 공급된다.
제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)는 필요에 따라 각각 다단압축기로 구성될 수 있고, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)는 동일한 사양인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 합류되어 제3 압축기(230)로 공급된다. 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 연료소비처(C)에 연료로 공급될 수도 있는데, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 연료소비처(C)에 공급하는 경우, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 합류된 후 다시 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 연료소비처(C)로 공급되고, 다른 흐름은 제3 압축기(230)로 공급되어 재액화 과정을 거치게 된다.
연료소비처(C)는 추진용 엔진 및 발전용 엔진 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)를 추가로 포함할 수 있다. 추진용 엔진은 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진일 수 있으며, 발전용 엔진은 DF 엔진(DFDG; Dual Fuel Diesel Generator)일 수 있다.
단, 본 발명에서 제3 압축기(230)를 추가로 설치하는 것은, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름을 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축시켜 재액화 효율 및 재액화량을 높이기 위해서이므로, 추진용 엔진은 X-DF 엔진인 것이 바람직하다. 이에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
증발가스 자체를 열교환의 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 경우에는, 재액화시키기 위하여 열교환기로 보내지는 증발가스가 초임계 상태인 경우에 재액화 효율이 좋고, 액화천연가스(LNG)가 기화된 증발가스의 경우에는 열교환기에서 냉각되는 증발가스의 압력이 대략 150 내지 400 bar인 경우에 재액화 효율이 높게 나타난다.
따라서, 연료소비처(C)가 요구하는 압력이 대략 150 내지 400 bar인 경우에는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 연료소비처(C)의 요구 압력으로 압축된 증발가스를 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축시킬 필요가 없으나, 연료소비처(C)가 요구하는 압력이 150 bar보다 낮은 경우에는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 연료소비처(C)의 요구 압력으로 압축된 증발가스를 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축시킨 후 열교환기(100)에 의해 냉각시키는 것이 재액화 효율 및 재액화량 면에서 바람직하다.
일례로, 연료소비처(C)가 대략 300 bar의 증발가스를 연료로 사용하는 ME-GI 엔진인 경우에는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 대략 300 bar로 압축된 증발가스를 제3 압축기(230)에 의해 압축할 필요 없이 바로 열교환기(100)로 보내면 되므로, 제3 압축기(230)를 추가로 설치할 필요가 없다.
그러나, 연료소비처(C)가 대략 16 bar의 증발가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진인 경우에는, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 대략 16 bar로 압축된 증발가스를 제3 압축기(230)에서 추가로 압축시킨 후 열교환기(100)로 보내며, 제3 압축기(230)는 대략 150 bar로 증발가스를 압축시키는 것이 바람직하다.
제3 압축기(230)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름의 일부 또는 전부를 추가로 압축시킨다. 제3 압축기(230)는 필요에 따라 다단압축기로 구성될 수 있다.
감압장치(300)는, 열교환기(100)의 고온유로 하류에 설치되어, 제3 압축기(230)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 증발가스를 감압시킨다.
열교환기(100)의 저온유로는, 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 저온의 증발가스가 흐르는 유로를 의미하고, 고온유로는 열교환기(100)에서 냉각되는 고온의 증발가스가 흐르는 유로를 의미한다.
감압장치(300)는, 시스템의 구성에 따라 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있고 팽창기일 수도 있으나, 본 실시예에서는 팽창밸브인 것이 바람직하다. 팽창밸브는 팽창기에 비해 비용이 저렴하고 고장날 확률이 적다는 장점이 있다.
제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의한 1차 압축 과정과, 제3 압축기(230)에 의한 2차 압축 과정과, 열교환기(100)에 의한 냉각 과정과, 감압장치(300)에 의한 감압 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은 기액분리기(400)를 더 포함할 수 있다. 기액분리기(400)는, 감압장치(300) 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리한다.
기액분리기(400)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(400)에 의해 분리된 증발가스는 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 예정인 증발가스(일례로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스)와 합류된 후 열교환기(100)로 보내져 냉매로 사용될 수 있다.
도 1에는 기액분리기(400)에 의해 분리된 증발가스가 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 예정인 증발가스(일례로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스)와 합류된 후 열교환기(100)로 보내지는 것이 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 일례로 열교환기(100)는 세 유로로 구성되고 기액분리기(400)에 분리된 증발가스는 별도의 유로를 따라 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 수도 있다.
또한, 기액분리기(400)를 포함하지 않고 감압장치(300)에 의해 감압되어 일부 또는 전부가 재액화된 유체를 바로 저장탱크(T)로 보낼 수도 있다.
한편, 종래에는, 압축된 증발가스를 우선적으로 추진용 엔진, 발전용 엔진 등의 연료소비처(C)에 공급하고, 연료소비처(C)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 제3 압축기(230)로 보내 재액화 과정을 거치도록 했다.
반면, 본 발명에 의하면, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름 중, 제3 압축기(230)로 보내지는 증발가스의 양을 고정하며, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 연료소비처(C)에 연료로 공급하는 경우, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스와 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름 중, 제3 압축기(230)로 보내지는 증발가스의 양을 고정한 후 나머지 증발가스를 연료소비처(C)로 공급한다.
제3 압축기(230)로 최대 유량의 증발가스 공급되도록 설정될 수 있으며, 제3 압축기(230)로 보내지는 최대 유량의 증발가스는 제3 압축기(230)의 사양에 따라 결정될 수 있다.
또한, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)에서 압축되는 증발가스의 유량은, 추진용 엔진의 부하, 발전용 엔진의 부하 등의 연료소비처(C)에서 요구되는 증발가스의 양과, 제3 압축기(230)으로 보내질 증발가스의 양에 의해 결정될 수 있다.
즉, '제1 압축기(210)가 압축시킬 증발가스의 양 + 제2 압축기(220)가 압축시킬 증발가스의 양 = 연료소비처(C)에서 요구되는 증발가스의 양 + 제3 압축기(230)로 보내지는 고정된 증발가스의 양'으로 나타낼 수 있으며, 제1 압축기(210)가 압축시킬 증발가스의 양과 제2 압축기(220)가 압축시킬 증발가스의 양이 동일한 경우, '제1 압축기(210)가 압축시킬 증발가스의 양 = 제2 압축기(220)가 압축시킬 증발가스의 양 = (연료소비처(C)에서 요구되는 증발가스의 양 + 제3 압축기(230)로 보내지는 고정된 증발가스의 양)/2'로 나타낼 수 있다.
우회라인(BL)은, 열교환기(100)가 고장나거나 유지보수가 필요한 경우 등 열교환기(100)를 사용할 수 없는 경우에, 열교환기(100)에서 냉매로 사용될 예정이었던 증발가스(일례로, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스)를, 열교환기(100)를 우회시켜 바로 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)로 보낸다.
뿐만 아니라, 우회라인(BL)은, 발생되는 증발가스의 양이 일정량을 초과하는 경우, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)로 공급되는 증발가스의 온도를 설정된 온도 범위로 유지하기 위해, 증발가스의 일부를 우회시킨다. 이에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
제1 온도센서(T1)는, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스와 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 하류 및 증발가스가 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)로 공급되기 위하여 분기되는 지점의 상류에 설치된다. 즉, 제1 온도센서(T1)는 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스와 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스가 합류된 흐름의 온도를 측정하는 동시에, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)로 보내지는 증발가스의 온도를 측정한다.
제1 온도센서(T1)가 측정한 온도가 제1 설정값을 초과하면, 우회라인(BL) 상에 설치된 우회밸브(V)가 자동 또는 수동으로 열려, 증발가스의 일부가 우회라인(BL)을 따라 열교환기(100)를 우회하도록 한다.
또한, 우회밸브(V)의 개도는 제1 온도센서(T1)가 측정한 온도와 제1 설정값의 차이에 비례한다(우회밸브(V)의 개도 ∝ 제1 온도센서(T1)가 측정한 온도 - 제1 설정값). 즉, 제1 온도센서(T1)가 측정한 온도가 제1 설정값에 비해 많이 높을수록 더 많은 양의 증발가스를 우회시킨다.
본 실시예에 의하면, 제1 온도센서(T1)가 측정한 온도값에 따라 우회밸브(V)의 개폐 및 개도를 조절함으로써, 열교환기(100)에서 냉매로 사용되는 증발가스의 양을 조절할 수 있으므로, 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)로 보내지는 증발가스의 온도를 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2에 도시된 제2 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 스위치(S)와 제2 온도센서(T2)를 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
제2 온도센서(T2)는, 열교환기(100)의 저온유로 하류 및 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스와 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 상류에 설치된다. 즉, 제2 온도센서(T2)는, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스가 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스와 합류되기 전의 온도를 측정한다.
제1 온도센서(T1)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스와 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 하류 및 증발가스가 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)로 공급되기 위하여 분기되는 지점의 상류에 설치된다.
스위치(S)에 의해 제1 온도센서(T1)에 의해 우회밸브(V)의 개폐 및 개도를 조절할지, 제2 온도센서(T2)에 의해 우회밸브(V)의 개폐 및 개도를 조절할지를 선택하게 되는데, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값 이하인 제1 모드(Normal Capacity Mode)에서는 제1 온도센서(T1)에 의해 우회밸브(V)의 개폐 및 개도를 조절하고, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값을 초과하는 제2 모드(Full Capacity Mode)에서는 제2 온도센서(T2)에 의해 우회밸브(V)의 개폐 및 개도를 조절한다.
즉, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값 이하인 경우, 스위치(S)에 의해 시스템이 제1 모드로 운전되도록 선택되고, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값을 초과하는 경우, 스위치(S)에 의해 시스템이 제2 모드로 운전되도록 선택된다.
제1 모드에서는, 제1 실시예와 마찬가지로, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스와 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스가 합류된 흐름의 온도를 제1 온도센서(T1)에 의해 측정하고, 제1 온도센서(T1)가 측정한 온도가 제1 설정값을 초과하면, 우회라인(BL) 상에 설치된 우회밸브(V)가 자동 또는 수동으로 열리도록 한다. 또한, 우회밸브(V)의 개도는 제1 온도센서(T1)가 측정한 온도와 제1 설정값의 차이에 비례한다.
제2 모드에서는, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스가 우회라인(BL)에 의해 우회된 증발가스와 합류되기 전의 온도를 제2 온도센서(T2)에 의해 측정한다.
제2 온도센서(T2)가 측정한 온도가 제3 설정값을 초과하면, 우회라인(BL) 상에 설치된 우회밸브(V)가 자동 또는 수동으로 열려, 증발가스의 일부가 우회라인(BL)을 따라 열교환기(100)를 우회하도록 한다.
또한, 우회밸브(V)의 개도는 제2 온도센서(T2)가 측정한 온도와 제3 설정값의 차이에 비례한다(우회밸브(V)의 개도 ∝ 제2 온도센서(T2)가 측정한 온도 - 제3 설정값). 즉, 제2 온도센서(T2)가 측정한 온도가 제3 설정값에 비해 많이 높을수록 더 많은 양의 증발가스를 우회시킨다.
제2 온도센서(T2)의 설정값으로 입력하는 '제3 설정값'은 다음과 같이 구한다.
제3 압축기(230)에 의해 압축된 증발가스는 전부 열교환기(100)의 고온유로로 보내지므로, 제3 압축기(230)로 보내지는 증발가스의 양을 알면 열교환기(100)의 고온유로로 보내지는 증발가스의 양을 알 수 있다.
본 발명에서는 제3 압축기(230)로 보내지는 증발가스의 양을 고정하므로, 제3 압축기(230)를 지나 열교환기(100)의 고온유로로 보내지는 증발가스의 양도 고정된다. 따라서, 본 발명에 의하면 열교환기(100)의 고온유로로 보내져 냉각되는 증발가스의 양을 미리 알 수 있다.
열교환기(100)의 고온유로로 보내지는 증발가스의 양을 미리 알 수 있으므로, 열교환기(100)의 고온유로로 보내지는 고정된 양의 증발가스와 열교환될 냉매의 최대량을 미리 계산할 수 있다.
미리 계산된 최대량의 냉매가 열교환기(100)의 저온유로를 통과한 후의 온도를 미리 계산하여, 열교환기(100)의 저온유로를 통과한 냉매의 온도를 미리 계산된 온도로 유지시키면, 열교환기(100)로 최대량의 냉매를 공급하여, 열교환기(100)의 열교환량을 최대한으로 이끌어낼 수 있다.
최대량의 냉매가 열교환기(100)의 저온유로를 통과한 후의 온도값이 제3 설정값이 된다.
종래에는, 본 발명과 같이 병렬로 설치된 압축기 두 대(210, 220)를 모두 구동시키는 것이 아니라, 한 대의 압축기만을 구동시켰다. 따라서, 열교환기(100)의 용량도, 한 대의 압축기가 압축할 수 있는 양의 증발가스를 냉매로 사용할 수 있도록 설계되었다. 즉, 한 대의 압축기를 구동시키는 것을 전제하여 열교환기(100)의 용량을 최적화시켰다.
본 발명에 의하면, 제3 압축기(230)로 보내지는 증발가스의 양을 고정시킴으로써, 한 대의 압축기만을 운용하는 것을 전제로 설계된 열교환기를 그대로 사용하면서도, 두 대의 압축기(210, 220)를 동시에 구동시킬 수 있다.
본 발명과 같이 병렬로 설치된 압축기 두 대(210, 220)를 모두 구동시키는 것이 아니라, 한 대의 압축기만을 구동시켰던 종래 기술의 경우에는, 최대 재액화량이 대략 4,500 kg/h 정도이나, 본 발명에 의하면 8,000 kg/h까지 재액화가 가능하게 됨으로써, 단시간 내에 증발가스의 처리가 가능하여 저장탱크(T) 내부 압력을 신속하게 제어할 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 자에 있어서 자명한 것이다.
T : 저장탱크 C : 연료소비처
BL : 우회라인 V : 우회밸브
T1 : 제1 온도센서 T2 : 제2 온도센서
S : 스위치 100 : 열교환기
210 : 제1 압축기 220 : 제2 압축기
230 : 제3 압축기 300 : 감압장치
400 : 기액분리기

Claims (20)

  1. 증발가스를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기;
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름의 일부 또는 전부를 추가로 압축시키는 제3 압축기;
    상기 제1 압축기에 의해 압축되거나 상기 제2 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기;
    상기 열교환기의 고온유로 하류에 설치되어, 상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기에 의해 냉각된 증발가스를 감압시키는 감압장치;
    상기 열교환기에서 냉매로 사용될 예정이었던 증발가스를 상기 열교환기를 우회시켜 바로 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보내는 우회라인;
    상기 우회라인 상에 설치되는 우회밸브;
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 상기 우회라인에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 하류 및 증발가스가 상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기로 공급되기 위하여 분기되는 지점의 상류에 설치되는 제1 온도센서;
    상기 열교환기의 저온유로 하류 및 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스와 상기 우회라인에 의해 우회된 증발가스가 합류되는 지점의 상류에 설치되는 제2 온도센서; 및
    상기 제1 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절할지, 상기 제2 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절할지를 선택하는 스위치;를 포함하고,
    상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기가 동시에 구동되며,
    상기 제1 온도센서가 측정한 온도값에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 온도센서가 측정한 온도값에 의해 상기 열교환기에서 냉매로 사용되는 증발가스의 양을 조절하여, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기로 보내지는 증발가스의 온도를 설정된 범위 내로 유지하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 온도센서가 측정한 온도가 제1 설정값을 초과하면 상기 우회밸브가 자동 또는 수동으로 열리며,
    상기 우회밸브의 개도는 상기 제1 온도센서가 측정한 온도와 상기 제1 설정값의 차이에 비례하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치는,
    발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값 이하이면 제1 모드(Normal Capacity Mode)를 선택하고, 발생되는 증발가스의 양이 제2 설정값을 초과하면 제2 모드(Full Capacity Mode)를 선택하며,
    상기 제1 모드에서는 상기 제1 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절하고,
    상기 제2 모드에서는 상기 제2 온도센서에 의해 상기 우회밸브의 개폐 및 개도를 조절하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 모드에서,
    상기 제1 온도센서가 측정한 온도가 제1 설정값을 초과하면 상기 우회밸브가 자동 또는 수동으로 열리며,
    상기 우회밸브의 개도는 상기 제1 온도센서가 측정한 온도와 상기 제1 설정값의 차이에 비례하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 모드에서,
    상기 제2 온도센서가 측정한 온도가 제3 설정값을 초과하면 상기 우회밸브가 자동 또는 수동으로 열리며,
    상기 우회밸브의 개도는 상기 제2 온도센서가 측정한 온도와 상기 제3 설정값의 차이에 비례하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3 압축기로 보내지는 증발가스의 양을 고정하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제3 압축기로 최대 유량의 증발가스가 공급되도록 설정되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제3 설정값은,
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 후 상기 열교환기의 고온유로로 보내질 고정된 양의 증발가스와 열교환될 냉매의 최대량을 미리 계산한 후, 미리 계산된 최대량의 냉매가 상기 열교환기의 저온유로를 통과한 후의 온도인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  11. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 한 대만 구동시키는 경우를 전제하여 용량을 최적화한 것을 특징으로 하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스와 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 합류된 흐름은 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 상기 제3 압축기로 보내지고, 다른 흐름은 연료소비처로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    '상기 제1 압축기가 압축시킬 증발가스의 양 + 상기 제2 압축기가 압축시킬 증발가스의 양 = 상기 연료소비처에서 요구되는 증발가스의 양 + 상기 제3 압축기로 보내지는 고정된 증발가스의 양'의 식을 만족시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 연료소비처는 X-DF 엔진을 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  15. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 압축기는 증발가스를 초임계 상태로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제3 압축기는 증발가스를 150 bar로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  17. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감압장치 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 상기 열교환기에서 냉매로 사용될 예정인 증발가스와 합류된 후 상기 열교환기로 보내져 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  19. 청구항 1 내지 청구항 3, 및 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기와 상기 제2 압축기는 동일한 사양인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  20. 삭제
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