KR102485538B1 - 액화 천연 가스 탱크에서 비등 가스를 재응축하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

액화 천연 가스 탱크에서 비등 가스를 재응축하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

천연 가스 저장 탱크를 위한 질소 냉매 비등 가스 회수 시스템의 용량과 효율성을 높이기 위한 시스템 및 방법이 설명되어 있다. 비등 가스는 비등 가스가 유동하는 내부 용기와 2상 질소가 유동하는 외부 용기를 갖는 응축 열 교환기에서 2상 질소에 대해 응축된다. 로직 제어는 열 교환기의 2상 질소 압력을 조절하여 저장 탱크 압력과 전력 소비를 원하는 수준으로 유지한다. 추가 로직 제어는 복귀 회로의 팽창 밸브의 위치를 제어하여 제2 열 교환기의 저온단으로 들어오고 그로부터 복귀되는 질소 스트림들 사이의 온도 차이를 유지한다.

Description

액화 천연 가스 탱크에서 비등 가스를 재응축하기 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR RECONDENSING BOIL-OFF GAS FROM A LIQUEFIED NATURAL GAS TANK}
본 발명은 저장 용기(저장 탱크라고도 지칭됨)로부터 액화 천연 가스(LNG) 비등물(BOG)을 회수하는 프로세스에 관한 것이다.
액체 천연 가스(LNG)의 화물을 운반하는 해상 유조선과 육상 저장 탱크에서는 LNG 저장 리셉터클를 둘러싼 절연부를 통한 열 누설의 결과로 기화를 통해 액체의 일부가 손실된다. 또한, 육지와 바다 둘 모두에서 LNG 저장 컨테이너로의 열 누설로 인해 일부 액체 상이 기화하여 컨테이너 압력이 증가한다. 에너지 비용을 절약하려는 요구의 증가와 함께 대도시 지역 근방에서 환기 또는 플레어링(flaring)을 통해 탄화수소 함유 스트림을 유조선에서 폐기하는 것을 금지하는 규정으로 인해 LNG BOG 회수를 위한 새로운 유조선 설계에 재액화기가 통합되었다.
BOG 재액화에 대한 기존의 한 가지 접근법은 BOG를 고압으로 압축하고, 냉각하고, 저장 용기로 복귀하기 전에 팽창시키는 압축 사이클을 사용하는 것이다. BOG를 압축하는 데 필요한 장비는 크기가 커서 공간 제약으로 인해 유조선 또는 기타 부유식 응용에는 이상적이지 못하다. 또한, BOG가 고압으로 시스템의 일부를 통해 순환되므로 가연성 가스 누설 위험이 높아진다.
미국 특허 제4,843,829호는 주로 메탄 BOG를 압축한 다음 폐루프 질소 재활용 냉동 프로세스에서 기체 질소에 의해 상당히 냉각한 다음 비등 액체 질소를 사용하여 응축하는 LNG BOG 재액화 프로세스를 설명한다.
미국 특허 제6,192,705호는 비등 가스가 가온, 압축, 주변 냉각에 의한 냉각, 그리고, 그 후, 저압으로 플래싱되어 액체를 형성하는 개루프 메탄 냉동 사이클에서 비등 가스가 응축되는 LNG 비등 가스 재액화 프로세스를 설명한다. 이 경우 BOG는 압축 및 냉각되기 전에 주위 온도로 가온된다.
BOG를 압축하거나 BOG를 아냉각할 필요 없이 BOG를 재액화할 수 있는 개선된 BOG 액화 시스템이 필요하다.
본 요약은 아래의 상세한 설명에서 더 자세히 설명하는 일련의 개념을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구된 주제의 주요 특징이나 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용되지도 않는다.
시스템 및 방법의 여러 양태가 아래에 요약되어 있다.
양태 1: 저장 탱크로부터의 천연 가스를 포함하는 비등 가스 스트림을 재응축하는 방법이며, 이 방법은
(a) 2상 냉매 스트림에 대해 제1 열 교환기에서 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하여 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림과 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계 - 2상 냉매 스트림은 5 mol% 이하의 탄화수소 및 적어도 90 mol %의, 질소 및 아르곤의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고, 2상 냉매 스트림은 제1 열 교환기에서 기체 상 부분 및 액체 상 부분을 가짐 -;
(b) 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림을 저장 탱크로 복귀시키는 단계;
(c) 가온된 냉매 스트림을 형성하기 위해 고압 냉매 스트림에 대해 제2 열 교환기에서 기체 냉매 스트림을 가열하는 단계;
(d) 가온된 냉매 스트림을 압축 시스템에서 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계;
(e) 고압 냉매 스트림을 형성하기 위해 제3 열 교환기에서 압축된 냉매 스트림을 냉각시키는 단계;
(f) 고압의 냉각된 냉매 스트림을 형성하기 위해 제2 열 교환기에서 기체 냉매 스트림에 대해 고압 냉매 스트림을 냉각시키는 단계;
(g) 고압의 냉각된 냉매 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분리하는 단계;
(h) 고압의 냉각된 냉매 스트림의 제2 부분을 팽창시켜 팽창된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 2: 양태 1에 있어서,
(i) 단계 (c)의 적어도 일부를 수행하기 전에 팽창된 냉매 스트림을 기체 냉매 스트림과 조합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 3: 양태 2에 있어서, 단계 (i)는 단계 (c)를 수행하기 전에 팽창된 냉매 스트림을 기체 냉매 스트림 및 냉각된 냉매 스트림의 일부와 조합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 4: 양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 단계 (a)는 2상 냉매 스트림에 대해 실질적으로 일정한 온도에서 제1 열 교환기에서 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하여 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림 및 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 5: 양태 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서,
(j) 단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 비등 가스를 저장 탱크 압력의 110 % 이하의 압력으로 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 6: 양태 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, 단계 (a)는 제2 용기를 통해 유동하는 2상 냉매 스트림에 대해 제1 열 교환기의 제1 용기에서 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하여 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림 및 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고, 제1 용기는 제2 용기 내에 수용되는, 방법.
양태 7: 양태 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 2상 냉매 스트림은 99 % 이상의 질소를 포함하는, 방법.
양태 8: 양태 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서,
(k) 압축 시스템 또는 발전기의 적어도 일부를 구동하기 위해 단계 (h)를 수행하여 회수된 에너지를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 9: 양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 단계 (i)는 단계 (c)의 냉각의 일부가 기체 냉매 스트림에 대해 수행된 후 팽창된 냉매 스트림을 기체 냉매 스트림과 조합하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 10: 양태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서,
(l) 제2 열 교환기에서 기체 냉매 스트림에 대해 천연 가스 스트림을 응축하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 11: 양태 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서,
(m) 응축 열 교환기를 통해 비등 가스 스트림의 유동을 증가시키는 송풍기를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 12: 양태 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 단계 (a)는 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림 및 기체 냉매 스트림을 형성하기 위해 2상 냉매 스트림에 대해 저장 탱크의 헤드 공간 내에 위치한 제1 열 교환기에서 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하는 단계를 포함하고, 2상 냉매 스트림은 적어도 90 % 질소를 포함하고, 제1 열 교환기에서 기체 상 부분 및 액체 상 부분을 갖는, 방법.
양태 13: 양태 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서,
(n) 단계 (b)를 수행하기 전에, 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림을 증기 스트림 및 액체 스트림으로 상 분리하고, 액체 스트림에서만 단계 (b)를 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 14: 양태 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서,
(o) 저장 탱크의 증기 공간에 위치한 스프레이 헤더를 통해 저장 탱크에서 액체 천연 가스를 펌핑하는 단계를 포함하는, 방법.
양태 15: 양태 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서,
(p) 기체 냉매 스트림의 압력과 제1 설정점의 함수로 제1 밸브의 위치를 제어하는 단계- 제1 밸브는 제1 열 교환기의 하류 및 제2 열 교환기의 상류에 위치되고, 기체 냉매 스트림과 유체 유동 연통함 -; 및
(q) 저장 탱크의 압력의 함수로서 제1 설정점을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 16: 양태 15에 있어서, 단계 (q)는 저장 탱크의 압력 및 압축 시스템의 전력 소비의 함수로서 제1 설정점을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 17: 양태 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서,
(r) 제2 열 교환기의 하류 및 제1 열 교환기의 상류의 냉각된 냉매 스트림과 유체 유동 연통하여 위치된 팽창 밸브의 위치를 제어함으로써, 단계 (c)를 수행하기 전의 기체 냉매 스트림의 온도와 냉각된 냉매 스트림의 온도 사이의 차이를 제2 미리 결정된 범위 내에서 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
양태 18: 비등 가스 재응축 시스템이며,
저장 탱크에서 인출된 비등 가스 스트림을 2상 냉매 스트림에 대해 적어도 부분적으로 응축하여 저장 탱크로 복귀되는 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림과 기체 냉매 스트림을 생성하도록 구성된 제1 열 교환기 - 2상 냉매 스트림은 5 mol% 이하의 탄화수소 및 적어도 90 mol %의, 질소 및 아르곤의 그룹으로부터 선택된 하나를 포함함 -;
가온된 냉매 스트림을 형성하기 위해 고압의 냉각된 냉매 스트림에 대해 기체 냉매 스트림을 냉각시키도록 구성된 제2 열 교환기;
가온된 냉매 스트림을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 압축 스테이지 및 압축된 냉매 스트림을 냉각시켜 고압 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제3 열 교환기를 갖는 압축 시스템;
기체 냉매 스트림과 유체 유동 연통하는 팽창된 냉매 스트림을 형성하기 위해 고압의 냉각된 냉매 스트림의 제2 부분을 등엔트로피 팽창시키도록 구성된 팽창기; 및
고압의 냉각된 냉매 스트림의 제1 부분이 팽창하여 2상 냉매 스트림을 형성할 수 있게 하도록 구성된 밸브를 포함하는, 시스템.
양태 19: 양태 18에 있어서, 제1 열 교환기는 실질적으로 일정한 온도에서 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하도록 구성되는, 시스템.
양태 20: 양태 18 또는 19에 있어서, 시스템은 비등 가스가 비등 가스 스트림으로서 저장 탱크로부터 인출되는 지점으로부터 비등 가스가 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림으로서 저장 탱크로 복귀되는 지점까지 저장 탱크 압력의 110 % 이하의 압력으로 비등 가스를 유지하도록 구성되는, 시스템.
양태 21: 양태 18 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 제1 열 교환기는 비등 가스 스트림과 유체 유동 연통하는 내부 용기 및 2상 냉매 스트림과 유체 유동 연통하는 외부 용기를 포함하며, 내부 용기는 외부 용기 내에 수용되는, 시스템.
양태 22: 양태 18 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 기체 냉매 스트림의 압력 및 제1 설정점의 함수로서 제1 밸브의 위치를 설정하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 더 포함하고, 제1 밸브는 제1 열 교환기 하류 및 제2 열 교환기 상류에 위치하며 기체 냉매 스트림과 유체 유동 연통하고, 제1 설정점은 저장 탱크 압력의 함수인, 시스템.
양태 23: 양태 18 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 제어기는 제2 열 교환기의 하류 및 제1 열 교환기의 상류의 냉각된 냉매 스트림과 유체 유동 연통하여 위치된 팽창 밸브의 위치를 제어함으로써, 기체 냉매 스트림의 온도와 냉각된 냉매 스트림의 온도 사이의 차이를 제2 미리 결정된 범위 내에서 유지하도록 추가로 구성되는, 시스템.
도 1은 LNG 저장 탱크를 위한 제1 예시적인 BOG 재응축 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 LNG 저장 탱크를 위한 제2 예시적인 BOG 재응축 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 BOG 스트림이 주로 메탄인 LNG 저장 탱크를 위한 제3 예시적인 BOG 재응축 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 BOG 스트림이 주로 메탄인 LNG 저장 탱크를 위한 제4 예시적인 BOG 재응축 시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 5는 도 1의 BOG 재응축 시스템과 함께 사용되는 예시적인 제어를 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 6은 LNG 저장 탱크를 위한 제5 예시적인 BOG 재응축 시스템의 개략적인 흐름도이다.
이어지는 상세한 설명은 단지 바람직한 예시적인 실시예를 제공하며, 그 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하기를 의도하는 것은 아니다. 오히려, 바람직한 예시적인 실시예의 이어지는 상세한 설명은 바람직한 예시적인 실시예를 구현할 수 있게 하기 위한 설명을 본 기술 분야의 숙련자에게 제공할 것이다. 그 사상 및 범위를 벗어나지 않고 요소의 기능 및 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있다.
도면 그림과 관련하여 명세서에 도입된 참조 번호는 다른 특징에 대한 문맥을 제공하기 위해 명세서에서 추가 설명 없이 하나 이상의 후속 도면에서 반복될 수 있다.
본 출원은 복수의 예시적인 실시예를 포함한다. 둘 이상의 실시예에 존재하는 특징은 수치 100이 차이나는 참조 번호로 표시된다. 예를 들어, 도 1의 실시예의 저장 탱크(101)는 도 2의 저장 탱크(201) 및 도 3의 저장 탱크(301)에 대응한다. 특징이 도면에 도시되어 있는 다른 실시예와 다른 것으로 구체적으로 설명되지 않는 한, 그 특징은 설명된 실시예에서 대응하는 특징과 동일한 구조 및 기능을 갖는 것으로 가정할 수 있다. 또한, 그 특징이 이후에 설명되는 실시예에서 상이한 구조 또는 기능을 갖지 않는다면, 명세서에서 구체적으로 언급되지 않을 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "유체 유동 연통"은 액체, 증기 및/또는 2상 혼합물이 제어된 방식으로(즉, 누설 없이) 구성요소 사이에서 직접적으로 또는 간접적으로 운반될 수 있도록 하는 2개 이상의 구성요소 사이의 연결 특성을 나타낸다. 2개 이상의 구성요소를 서로 유체 유동 연통하도록 조합하는 것은 용접, 플랜지 도관, 개스킷 및 볼트의 사용과 같은 본 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 방법을 포함할 수 있다. 2개 이상의 구성요소는 또한 이들을 분리할 수 있는 시스템의 다른 구성요소, 예를 들어, 밸브, 게이트 또는 유체 유동을 선택적으로 제한하거나 안내할 수 있는 다른 장치를 통해 함께 결합될 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "도관"은 그를 통해 유체가 시스템의 2개 이상의 구성요소 사이에서 수송될 수 있는 하나 이상의 구조를 지칭한다. 예를 들어, 도관은 액체, 증기 및/또는 가스를 운반하는 파이프, 덕트, 통로 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "천연 가스"는 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "탄화수소", "탄화수소 가스" 또는 "탄화수소 유체"는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하고 이러한 탄화수소(들)가 가스/유체의 전체 조성의 적어도 80 %, 보다 바람직하게는 적어도 90 %를 포함하는 가스/유체를 의미한다.
청구범위에서 문자는 청구된 단계를 식별하는 데 사용된다(예로서, (a), (b) 및 (c)). 이러한 문자는 방법 단계를 참조하는 데 도움을 주기 위해 사용되며, 청구범위에서 구체적으로 순서를 언급하지 않는 한, 청구된 단계가 수행되는 순서를 나타내기 위한 것이 아니다.
방향적 용어가 명세서 및 청구범위에서 사용될 수 있다(예로서, 상부, 하부, 좌측, 우측 등). 이러한 방향적 용어는 단지 예시적인 실시예를 설명하는 것을 돕기 위한 것이며, 그 범위의 제한을 의도하는 것이 아니다. 본 명세서에 사용된 용어 "상류"는 기준점으로부터 도관에서 유체의 유동 방향과 반대인 방향을 의미하는 것으로 의도된다. 유사하게, 용어 "하류"는 기준점으로부터 도관에서 유체의 유동 방향과 동일한 방향을 의미하는 것으로 의도된다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어 "초고(high-high)", "고", "중", "저" 및 "초저(low-low)"는 이러한 용어가 사용되는 요소의 속성에 대한 상대 값을 표현하기 위한 것이다. 예를 들어, 초고압 스트림은 본 출원에서 설명되거나 청구된 대응하는 고압 스트림 또는 중압 스트림 또는 저압 스트림보다 더 높은 압력을 갖는 스트림을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 고압 스트림은 명세서 또는 청구범위에 설명된 대응하는 중압 스트림 또는 저압 스트림보다 더 높은 압력을 갖지만 본 출원에서 설명되거나 청구된 대응하는 초고압 스트림보다는 더 낮은 압력을 갖는 스트림을 나타내도록 의도된다. 유사하게, 중압 스트림은 명세서 또는 청구범위에 설명된 대응하는 저압 스트림보다 더 높은 압력을 갖지만 본 출원에서 기재되거나 청구된 대응하는 고압 스트림보다는 더 낮은 압력을 갖는 스트림을 나타내도록 의도된다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 명세서, 도면 및 청구범위에서 확인되는 임의의 그리고 모든 백분율은 중량 백분율 기준으로 이해하여야 한다. 본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 명세서, 도면 및 청구범위에서 확인되는 임의의 그리고 모든 압력은 계기압을 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어 "압축 시스템"은 하나 이상의 압축 스테이지로 정의된다. 예를 들어, 압축 시스템은 단일 압축기 내에 여러 압축 스테이지를 포함할 수 있다. 대안적인 예에서, 압축 시스템은 다수의 압축기를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 한 위치에 스트림을 도입하는 것은 그 위치에 실질적으로 모든 스트림을 도입하는 것을 의미하는 것으로 의도된다. 명세서에서 설명되고 도면에 표시된 모든 스트림(일반적으로 정상 동작 중 유체 유동의 전체 방향을 나타내는 화살표가 있는 선으로 표시됨)은 해당 도관 내에 수용되는 것으로 이해하여야 한다. 각 도관은 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구를 갖는 것으로 이해하여야 한다. 또한, 각 장비는 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구를 갖는 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 LNG가 저장 탱크(101)에 수용된 BOG(boil-off gas) 재응축 시스템(138)의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 비등 가스는 BOG 스트림(100)으로서 저장 탱크(101)를 빠져나가고, 이 BOG 스트림은 응축 열 교환기(104)를 통해 유동하고 적어도 부분적으로 응축되어 저장 탱크(101)를 빠져나가 부분적으로 응축된 BOG 스트림(102)을 형성하며, 이는 중력에 의해, 부분적으로 응축된 경우에는 탱크의 상단으로, 완전히 응축된 경우에는 하단 부근으로 복귀된다.
이 실시예에서, 응축 열 교환기(104)는 비등 액체 질소(LIN)를 수용하는 용기(136) 내에 위치된 판 핀 열 교환기(134)이다. 이 실시예에서, 응축 열 교환기(104)는 저장 탱크(101) 위에 위치된다. 대안적으로, 응축 열 교환기(104)는 저장 탱크(101) 내부, 예를 들어 비등 LIN을 수용하는 열 교환 코일의 표면에 위치할 수 있다.
기체 질소(GAN) 스트림(106)은 응축 열 교환기(104)로부터 인출되고 팽창된 GAN 스트림(108)과 조합되어 조합된 GAN 스트림(109)을 형성한다. 조합된 GAN 스트림(109)은 고압 GAN 스트림(118)(본 명세서에 설명됨)에 대해 열 교환기(110)에서 거의 주위 온도로 가온되어 가온된 GAN 스트림(112)을 형성한다. 대안적으로, 팽창된 GAN 스트림(108)은 GAN 스트림(106)이 열 교환기(110)에서 부분적으로 가온된 후에 GAN 스트림(106)과 조합될 수 있다. 이는 대안적인 팽창된 GAN 스트림(108A)을 나타내는 점선으로 도시되어 있다.
그 후, 가온된 GAN 스트림(112)은 압축된 GAN 스트림(117)을 형성하기 위해 압축기(114)에서 압축된다. 압축된 GAN 스트림(117)은 그 후 열 교환기(116)에서 냉각수 또는 주위 공기(도시되지 않음)에 대해 거의 주위 온도로 냉각되어 고압 GAN 스트림(118)을 형성한다. 압축기(114)는 선택적으로 냉각수 또는 공기 인터쿨러(도시되지 않음)와 함께 다수의 압축 스테이지를 포함할 수 있다.
고압 GAN 스트림(118)은 조합된 GAN 스트림(109)에 대해 열 교환기(110)에서 중간 온도로 냉각되어 고압 냉각된 GAN 스트림(121)을 형성한다. 고압 냉각된 GAN 스트림(121)의 일부(120)는 팽창기(122)에서 등엔트로피 팽창된다. 팽창기(122)에 의해 생성된 일은 발전기에서 전기 에너지로 회수될 수 있거나, 팽창기(122)가 가온된 GAN 스트림(112)을 가압하는 데 필요한 압축 에너지의 일부를 제공하기 위해 압축기(114)에 기계적으로 결합될 수 있다.
고압 냉각된 GAN 스트림(121)의 잔여 부분(123)은 그 후 열 교환기(110)에서 추가로 냉각되어 GAN 스트림(106)보다 약간 더 따뜻한 온도를 갖는 냉각된 GAN 스트림(124)으로서 배출된다. 냉각된 GAN 스트림(124)은 JT 밸브(126)를 가로질러 플래싱되어 2상 질소 스트림(128)을 형성하며, 이는 응축 열 교환기(104)의 쉘측으로 공급된다.
이 실시예에서, BOG 스트림(100)의 응축을 위한 냉동 듀티는 질소에 의해 제공된다. 다른 실시예에서, 예를 들어 아르곤과 같은 대체 냉매가 사용될 수 있다. 냉매는 5 mol% 미만의 탄화수소를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 고압 하에서 작동되는 시스템(138)의 부분에서 불연성 냉매를 사용함으로써 안전성을 개선시킨다. 또한, 냉매의 순도는 적어도 90 mol%, 보다 바람직하게는 적어도 99 %인 것이 바람직하다. 예를 들어, 냉매가 질소이면 바람직하게는 적어도 90 mol% 질소를 포함한다. 냉매의 바람직한 순도는 응축 열 교환기(104)에서 냉매의 비등 및 압축 시스템(114)에서 냉매의 압축이 보다 효율적으로 수행될 수 있게 한다.
이 실시예에서, BOG 스트림(100)의 응축은 실질적으로 일정한 온도에서 수행된다. 이와 관련하여, "실질적으로 일정한 온도"는 응축 열 교환기(104)로 들어갈 때 BOG 스트림(100)과 응축 열 교환기를 빠져나갈 때 부분적으로 응축된 BOG 스트림(102) 사이의 온도 차이가 바람직하게는 섭씨 2도 미만임을 의미한다.
열 교환기(110)는 또한 따뜻한 천연 가스 스트림(130)을 응축하여 응축된 천연 가스 스트림(131)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 보충 LIN 냉동 스트림(132)은 선택적으로 응축 열 교환기(104)의 저온단으로 안내될 수 있다.
도 6은 응축 열 교환기가 저장 탱크(601)의 헤드 공간 내에 위치하는 BOG 재응축 시스템(638)의 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 2상 질소 스트림(128)은 저장 탱크(601)의 헤드 공간에 위치한 열 교환 코일(604)을 통해 순환된다. 헤드 공간의 BOG(점선 600으로 표시됨)는 열 교환 코일(604)의 외부 표면과 접촉하고, 적어도 부분적으로 응축되고(점선(602)으로 표시됨), 열 교환 코일(604)로부터 하향 유동한다.
도 2는 배관 및 응축 열 교환기(204)의 마찰 저항을 극복하기 위해 송풍기(240)가 사용되는 BOG 재응축 시스템(238)의 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 송풍기(240)는 BOG 스트림(242)을 응축 열 교환기(204)로 전달하며, 응축 열 교환기에서 이 스트림은 적어도 부분적으로 응축된다. 이 실시예에서, BOG의 일부 상당한 냉각이 응축 열 교환기(204)에서 발생하지만, BOG 스트림(242)의 모든 냉각은 여전히 종래 기술과 달리 액체 질소를 비등시킴으로써 제공된다.
도 2에 도시되어 있는 실시예에서도, BOG는 재액화 프로세스 전반에서 저장 탱크(101)의 압력으로 실질적으로 유지된다. 이러한 문맥에서, 용어 "실질적으로"는 응축 열 교환기(104) 및 BOG 스트림(100) 및 부분적으로 응축된 BOG 스트림(102)을 수용하는 도관을 통해 순환할 때 발생하는 마찰 손실을 극복하는 데 필요한 정도로만 BOG의 압력이 상승함을 의미한다. 달리 말하면, BOG는 저장 탱크(101) 압력의 150 % 이하, 보다 바람직하게는 120 % 이하, 가장 바람직하게는 105 % 이하의 압력으로 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 벌크 LNG 저장 탱크의 압력은 14.7 PSIA(101.4 kPa)의 대기압보다 약간 높은 수준으로 유지되는 것이 일반적이다. 15 PSIA(103.4 kPa)의 탱크 압력에 기초하여, 프로세스 중 언제나(즉, BOG 스트림(200)이 저장 탱크(301)로부터 인출되는 지점에서 부분적으로 응축된 BOG 스트림(302)이 저장 탱크(301)로 다시 들어가는 지점까지) 18 PSIA(124.1 kPa)를 초과하지 않는 압력에서 BOG에 대해 재응축 프로세스를 수행하는 것이 바람직하다. 다른 장점 중에서, 이는 가연성 유체가 순환하는 시스템(338)의 부분이 저압에서 작동하도록 하여 가연성 누설의 위험을 감소시킨다.
도 3은 BOG 스트림(300)이 상당한 질소 분율(예를 들어, 10 mol % 이상의 질소)을 함유할 때 유용한 BOG 재응축 시스템(338)의 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. BOG 스트림(300)이 상당한 질소 분율을 함유하는 경우, 단지 부분적으로 응축하여 필요한 냉각 듀티를 제공하는 것이 더 효율적이다. 부분적으로 응축된 BOG 스트림(302)은 상 분리기(344)에서 액체 스트림(348) 및 증기 스트림(346)으로 분리된다. 액체 스트림(348)은 저장 탱크(301)로 복귀되고 증기 스트림(346)(질소가 풍부함)은 연소되거나 연료로 사용될 수 있다.
LNG가 상당한 질소 분율을 함유하는 저장 탱크(301)의 경우, 도 3에 도시되어 있는 예시적인 실시예는 비응축 질소가 저장 탱크(301)의 증기 공간에 축적되는 것을 방지하기 때문에 유용하다. 질소가 증기 공간에 축적되면 BOG 스트림(300)의 온도가 감소한다. 이러한 감소된 온도는 BOG 스트림(300)의 응축에 필요한 전력을 증가시키고 BOG 재응축 시스템(338)의 용량을 감소시킬 수 있다. LNG 수송선에서 BOG의 응축의 경우, BOG 스트림(300)의 질소 수준 증가는 또한 BOG를 연료로 사용하는 선박 엔진에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
도 4는 BOG 스트림(400)이 질소를 함유하는 경우에도 유용한 BOG 재응축 시스템(438)의 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 이 경우, 부분적으로 응축된 가스 스트림(402)은 단지 부분적으로 응축되어 그 증기 공간(440)에서 저장 탱크(401)의 상단으로 복귀된다. 질소가 증기 공간(440)에 축적되는 것을 방지하기 위해, 펌프(450)는 스프레이 헤더(452)에 LNG를 공급하는 데 사용되고, 스프레이 헤더는 액체 및 증기 상을 평형 상태로 유지하고 증기 공간(440)에서 질소의 축적 또는 농후화를 방지한다. LNG 운반선의 경우, 펌프(450) 및 스프레이 헤더(452)는 탱크의 초기 충전 이전에 저장 탱크(101)의 냉각을 위해 종종 필요하다. 따라서, 동일한 펌프(450) 및 스프레이 헤더(452)가 양자의 목적을 위해 사용될 수 있다.
BOG 재응축 시스템(538)의 다른 예시적인 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 밸브 제어기(562)는 응축 열 교환기(504)의 용량을 조절함으로써 저장 탱크(501)의 압력을 간접적으로 제어하기 위해 사용된다. 압력 제어기(560)는 압력 제어기(560)의 출력 OP1에 기초하여 밸브 제어기(562)의 설정점 SP1을 조절함으로써 저장 탱크(501)의 압력을 제어하고, 이는 차례로 밸브(564) 조작에 의해 응축 열 교환기(504)에서 비등 LIN의 압력을 제어한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "폐쇄" 및 "개방"은 밸브의 위치를 한 방향 또는 다른 방향으로 변경하는 것을 의미하는 것을 의도하며, 반드시 밸브 위치를 완전 개방 또는 완전 폐쇄 위치로 변경하는 것은 아니다.
비등률이 BOG 재응축 시스템(538)의 설계 용량일 때, 저장 탱크(501)의 압력(PV2에 의해 측정됨)은 설정점 SP2에 있고 밸브(564)는 완전히 또는 거의 완전히 개방된다. 비등률이 설계 용량 미만으로 감소하면 저장 탱크(501)의 압력이 떨어지기 시작하고 압력 제어기(560)는 밸브 제어기(562)에 대한 설정점 SP1을 증가시킴으로써 응답할 것이며, 밸브 제어기는 밸브(564)를 부분적으로 폐쇄하는 응답으로 비등 LIN의 압력을 증가시키고, 차례로, LIN 온도를 증가시키며, 이는 열 전달 및 냉각 듀티를 위한 구동력을 감소시켜 탱크 압력이 설정점에서 유지될 수 있게 한다. 564의 하류 및 JT 밸브(526)의 상류의 압력은 밸브가 폐쇄되고 질소의 질량 유량이 감소하기 때문에 감소하는 반면, 체적 유량은 거의 동일하게 유지되어 압축기(514)가 피크 효율 또는 그 근방에서 계속 작동할 수 있도록 한다. 응축 열 교환기(504)의 액체 레벨은 시스템에서 기체 질소의 재고가 514에 연결된 흡입 및 배출 회로와 열 교환기(510) 모두의 압력 감소로 인해 감소하기 때문에 증가한다. 이러한 턴다운 방법은 질소 냉매 손실 없이 시스템 가스 재고를 줄임으로써 압축기(514)의 질량 유량 및 전력 소비를 감소시킨다.
반대로, 비등률이 증가하면, 압력 제어기(560)는 밸브 제어기(562)에 대한 설정 값을 증가시킴으로써 응답할 것이며, 밸브 제어기는 밸브(564)를 개방하는 응답에 의해 비등 LIN의 압력을 증가시키고 LIN의 온도를 감소시키고, 이는 저장 탱크(501) 압력이 설정점 SP2에서 유지되도록 열 전달 및 냉각 듀티를 위한 구동력을 증가시킨다. 그 후 504의 액체 레벨은 감소하여 추가 질소 재고가 순환되게 하고, 밸브(564)의 하류 및 JT 밸브(526)의 상류에서 시스템의 압력을 상승시킨다.
앞서 언급한 바와 같이, 압력 제어기(560)의 출력 OP2가 일반적으로 밸브 제어기(562)의 설정점(SP1)로 사용된다. 설계점 이상의 비등률에서, 냉각 듀티는 필요한 전력이 압축기(514)를 구동하는 데 사용되는 모터(570)로부터 이용 가능한 최대 전력에 접근하게 할 수 있다. 모터 과부하를 방지하기 위해 전력 제어기(572)가 제공된다. 전력 제어기(572)는 모터 PV3의 전력 소비를 사용자 공급 설정점 SP3(최대 허용 전력)과 비교한다. 비등률이 높고 전력 소비 PV3이 설정점 SP3에 접근하면, 전력 제어기(572)로부터의 출력 OP3이 증가한다. 이 출력 OP3은 선택기 블록(574)에서 압력 제어기(560)로부터의 출력 OP2와 비교되며, 이 선택기 블록은 더 큰 값을 설정점 SP1로서 밸브 제어기(562)로 전달한다. 전력 제어기(572)로부터의 출력 OP3이 압력 제어기(560)로부터의 출력 OP2보다 크면, 전력 제어기 출력 OP3은 모터(570)의 과부하를 방지하기 위해 압력 제어기 출력 OP2를 오버라이드할 것이다. 이 경우, 저장 탱크(501)의 압력은 설정점 SP2를 초과하고 압력 릴리프 밸브(도시되지 않음)를 활성화하고 초과 BOG를 플레어 또는 환기를 위해 전송할 수 있다.
제어 시스템의 또 다른 특징은 열 교환기(510)의 저온단으로 들어가는 조합된 GAN 스트림(109)의 온도(PV6에서 측정됨)와 열 교환기(510)의 저온단을 빠져나가는 냉각된 GAN 스트림(524)의 온도(PV7에서 측정) 사이에 일정한 온도 차이를 유지하는 것이다. 이 온도 차이 PV4는 FY에 의해 측정되고 신호 PV4에 의해 온도 차이 제어기(566)에 공급된다. 온도 차이 제어기(566)는 유량 제어기(568)의 설정점 SP5를 조절함으로써 작업자 공급 설정점 SP4에서 온도 차이 PV4를 유지한다. 유량 제어기(568)는 차례로 JT 밸브(526)를 통한 질소의 유량을 제어하는 JT 밸브의 위치를 제어한다. 열 교환기(510)의 저온단에서 온도 차이 PV4가 설정점 SP4를 초과하기 시작하면, 온도 차이 제어기(566)는 유량 제어기(568)에 대한 설정점 SP5를 감소시킬 것이다. 유량 제어기(568)는 차례로 JT 밸브(526)를 폐쇄하기 시작하여 냉각된 GAN 스트림(524)의 유동을 감소시키며, 이는 온도 차이 PV4를 감소시킬 시킬 것이다.
이 예시적인 실시예에서, 팽창기(522)는 효율을 개선하기 위해 팽창기(522) 및 압축기(514)를 가로지르는 유량 및 출구-입구 압력 차이를 변경하도록 수동으로 조절될 수 있는 유량 제어 노즐(576)을 구비한다.
실시예 1
표 1은 도 1의, 그러나 따뜻한 천연 가스 스트림(130), 대안적인 팽창된 GAN 스트림(108A) 또는 보충 LIN 냉동 스트림(132)이 없는, 시스템에 따라 수행되는 프로세스의 예의 스트림 데이터를 보여준다. 이 예에서, 압축기(114)의 총 압축 일은 2,252 hp이고 팽창기(122)에 의해 생산된 일은 1,943 hp의 순 일 요구량에 대해 309 hp이다. 응축 열 교환기(104)의 냉각 듀티는 이 예에서 311 kw이다.
Figure 112021007053989-pat00001
본 발명은 바람직한 실시예 및 그 대안 실시예의 관점에서 개시되었다. 물론, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시로부터 다양한 변경, 수정 및 대체가 본 기술 분야의 숙련자에 의해 고려될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구범위의에 의해서만 제한되는 것을 의도한다.

Claims (20)

  1. 저장 탱크로부터의 천연 가스를 포함하는 비등 가스 스트림을 재응축하는 방법이며, 이 방법은
    (a) 2상 냉매 스트림에 대해 제1 열 교환기에서, 상기 저장 탱크로부터 인출된 상기 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하여 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림과 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계 - 상기 2상 냉매 스트림은 5 mol% 이하의 탄화수소 및 적어도 90 mol %의, 질소 및 아르곤의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고, 상기 2상 냉매 스트림은 상기 제1 열 교환기에서 기체 상 부분 및 액체 상 부분을 가짐 -;
    (b) 상기 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림을 상기 저장 탱크로 복귀시키는 단계;
    (c) 가온된 냉매 스트림을 형성하기 위해 고압 냉매 스트림에 대해 제2 열 교환기에서 상기 기체 냉매 스트림을 가열하는 단계;
    (d) 상기 가온된 냉매 스트림을 압축 시스템에서 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하는 단계;
    (e) 상기 고압 냉매 스트림을 형성하기 위해 제3 열 교환기에서 상기 압축된 냉매 스트림을 냉각시키는 단계;
    (f) 고압의 냉각된 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 제2 열 교환기에서 상기 기체 냉매 스트림에 대해 상기 고압 냉매 스트림을 냉각시키는 단계;
    (g) 상기 고압의 냉각된 냉매 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 분리하는 단계;
    (h) 상기 고압의 냉각된 냉매 스트림의 상기 제2 부분을 팽창시켜 팽창된 냉매 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (i) 단계 (c)의 적어도 일부를 수행하기 전에 상기 팽창된 냉매 스트림을 상기 기체 냉매 스트림과 조합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 단계 (i)는 단계 (c)를 수행하기 전에 상기 팽창된 냉매 스트림을 상기 기체 냉매 스트림 및 상기 냉각된 냉매 스트림의 일부와 조합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 단계 (a)는 상기 2상 냉매 스트림에 대해 일정한 온도에서 상기 제1 열 교환기에서 상기 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하여 상기 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림 및 상기 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    (j) 단계 (a) 및 (b)를 수행하는 동안 상기 비등 가스를 상기 저장 탱크의 압력의 110 % 이하의 압력으로 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 단계 (a)는 제2 용기를 통해 유동하는 상기 2상 냉매 스트림에 대해 상기 제1 열 교환기의 제1 용기에서 상기 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하여 상기 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림 및 상기 기체 냉매 스트림을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 용기는 상기 제2 용기 내에 수용되는, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 2상 냉매 스트림은 99 % 이상의 질소를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 단계 (i)는
    (i) 단계 (c)의 상기 가열의 일부가 상기 기체 냉매 스트림에 대해 수행된 후 상기 팽창된 냉매 스트림을 상기 기체 냉매 스트림과 조합하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    (l) 상기 제2 열 교환기에서 상기 기체 냉매 스트림에 대해 천연 가스 스트림을 응축하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    (m) 상기 제1 열 교환기를 통해 상기 비등 가스 스트림의 유동을 증가시키는 송풍기를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    (n) 단계 (b)를 수행하기 전에, 상기 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림을 증기 스트림 및 액체 스트림으로 상 분리하고, 상기 액체 스트림에서만 단계 (b)를 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    (p) 상기 기체 냉매 스트림의 압력과 제1 설정점의 함수로 제1 밸브의 위치를 제어하는 단계- 상기 제1 밸브는 상기 제1 열 교환기의 하류 및 상기 제2 열 교환기의 상류에 위치되고, 상기 기체 냉매 스트림과 유체 유동 연통함 -; 및
    (q) 상기 저장 탱크의 압력의 함수로서 상기 제1 설정점을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 단계 (q)는 상기 저장 탱크의 압력 및 상기 압축 시스템의 전력 소비의 함수로서 상기 제1 설정점을 설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    (r) 상기 제2 열 교환기의 하류 및 상기 제1 열 교환기의 상류의 상기 냉각된 냉매 스트림과 유체 유동 연통하여 위치된 팽창 밸브의 위치를 제어함으로써, 단계 (c)를 수행하기 전의 상기 기체 냉매 스트림의 온도와 상기 냉각된 냉매 스트림의 온도 사이의 차이를 제2 미리 결정된 범위 내에서 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 비등 가스 재응축 시스템이며,
    저장 탱크로부터 인출된 비등 가스 스트림을 2상 냉매 스트림에 대해 적어도 부분적으로 응축하여 상기 저장 탱크로 복귀되는 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림과 기체 냉매 스트림을 생성하도록 구성된 제1 열 교환기 - 상기 2상 냉매 스트림은 5 mol% 이하의 탄화수소 및 적어도 90 mol %의, 질소 및 아르곤의 그룹으로부터 선택된 하나를 포함함 -;
    가온된 냉매 스트림을 형성하기 위해 고압의 냉각된 냉매 스트림에 대해 상기 기체 냉매 스트림을 냉각시키도록 구성된 제2 열 교환기;
    상기 가온된 냉매 스트림을 압축하여 압축된 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 압축 스테이지 및 상기 압축된 냉매 스트림을 냉각시켜 고압 냉매 스트림을 형성하도록 구성된 제3 열 교환기를 갖는 압축 시스템;
    상기 기체 냉매 스트림과 유체 유동 연통하는 팽창된 냉매 스트림을 형성하기 위해 상기 고압의 냉각된 냉매 스트림의 제2 부분을 등엔트로피 팽창시키도록 구성된 팽창기; 및
    상기 고압의 냉각된 냉매 스트림의 제1 부분이 팽창하여 상기 2상 냉매 스트림을 형성할 수 있게 하도록 구성된 밸브를 포함하는, 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 열 교환기는 일정한 온도에서 상기 비등 가스 스트림을 적어도 부분적으로 응축하도록 구성되는, 시스템.
  17. 청구항 15에 있어서, 상기 시스템은 상기 비등 가스가 상기 비등 가스 스트림으로서 상기 저장 탱크로부터 인출되는 지점으로부터 상기 비등 가스가 상기 적어도 부분적으로 응축된 비등 가스 스트림으로서 상기 저장 탱크로 복귀되는 지점까지 상기 저장 탱크 압력의 110 % 이하의 압력으로 상기 비등 가스를 유지하도록 구성되는, 시스템.
  18. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 열 교환기는 상기 비등 가스 스트림과 유체 유동 연통하는 내부 용기 및 상기 2상 냉매 스트림과 유체 유동 연통하는 외부 용기를 포함하며, 상기 내부 용기는 상기 외부 용기 내에 수용되는, 시스템.
  19. 청구항 15에 있어서, 상기 기체 냉매 스트림의 압력 및 제1 설정점의 함수로서 제1 밸브의 위치를 설정하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 더 포함하고, 상기 제1 밸브는 상기 제1 열 교환기 하류 및 상기 제2 열 교환기 상류에 위치하며 상기 기체 냉매 스트림과 유체 유동 연통하고, 상기 제1 설정점은 상기 저장 탱크 압력의 함수인, 시스템.
  20. 청구항 15에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어기는 상기 제2 열 교환기의 하류 및 상기 제1 열 교환기의 상류의 상기 냉각된 냉매 스트림과 유체 유동 연통하여 위치된 팽창 밸브의 위치를 제어함으로써, 상기 기체 냉매 스트림의 온도와 상기 냉각된 냉매 스트림의 온도 사이의 차이를 제2 미리 결정된 범위 내에서 유지하도록 추가로 구성되는, 시스템.
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