KR102543437B1 - 선박 - Google Patents

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KR102543437B1
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이승철
나희승
장나형
김윤기
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한화오션 주식회사
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Abstract

액화가스 저장탱크가 탑재된 선박이 개시된다.
상기 선박은, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키며, 다수개의 압축실린더를 포함하는 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축된 유체를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체(이하, 'a 흐름'이라고 함.)가 일부 분기된 흐름(이하, 'a1 흐름'이라고 함.)을 팽창시키는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 상기 'a1 흐름'을 냉매로, 상기 'a 흐름' 중 분기된 'a1 흐름'을 제외한 나머지 유체(이하, 'a2 흐름'이라고 함.)를 열교환시켜 냉각시키는 제3 열교환기; 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 상기 'a2 흐름'을 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제2 감압장치에 의해 팽창된 상기 'a2 흐름'을 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 유체를 냉각시킨다.

Description

선박{Vessel}
본 발명은 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 저장탱크 내부에서 발생된 증발가스를, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 재액화시키는 시스템을 포함하는 선박에 관한 것이다.
저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단시키는데에는 한계가 있고, 내부로 전달되는 열에 의해 액화가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.
증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 선박의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내진다.
통상 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 증발가스를 재액화시킨다. 증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 시키는데, 증발가스 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있다.
본 발명은 종래의 부분 재액화 시스템을 개량하여, 보다 효율적으로 증발가스를 재액화시킬 수 있는 시스템을 포함하는 선박을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 저장탱크가 탑재된 선박에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키며, 다수개의 압축실린더를 포함하는 다단압축기; 상기 다단압축기에 의해 압축된 유체를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체(이하, 'a 흐름'이라고 함.)가 일부 분기된 흐름(이하, 'a1 흐름'이라고 함.)을 팽창시키는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 상기 'a1 흐름'을 냉매로, 상기 'a 흐름' 중 분기된 'a1 흐름'을 제외한 나머지 유체(이하, 'a2 흐름'이라고 함.)를 열교환시켜 냉각시키는 제3 열교환기; 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 상기 'a2 흐름'을 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제2 감압장치에 의해 팽창된 상기 'a2 흐름'을 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 유체를 냉각시키는, 선박이 제공된다.
상기 다수개의 압축실린더 중 일부 압축실린더에 의해 압축된 증발가스는, 상기 제3 열교환기에서 열교환되어 냉각된 후 나머지 압축실린더에 의해 압축될 수 있다.
상기 다수개의 압축실린더 중 일부 압축실린더에 의해 압축된 후 상기 제3 열교환기에서 냉각된 유체는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 상기 'a1 흐름'과 합류되어, 나머지 압축실린더에 의해 압축될 수 있다.
상기 선박은, 상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제2 열교환기로 보내기 전에 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스 저장탱크가 탑재된 선박에 적용되는 증발가스 재액화 방법에 있어서, 1) 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시킨 후 제3 열교환기에서 냉각시키고, 2) 상기 1)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가 압축시키고, 3) 상기 2)단계에서 추가 압축된 증발가스를 제2 열교환기에서 냉각시키고, 4) 상기 3)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키고, 5) 상기 4)단계에서 분기된 흐름 중 한 흐름을 팽창시킨 후 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용하고, 6) 상기 4)단계에서 분기된 흐름 중 나머지 흐름을 상기 제3 열교환기에서 냉각시키고, 7) 상기 6)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시켜 재액화시키고, 상기 7)단계에서 재액화된 증발가스는 상기 제2 열교환기로 공급되어 상기 3)단계에서 상기 추가 압축된 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용되는, 방법이 제공된다.
상기 1)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 상기 5)단계에서 팽창된 후 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 유체와 합류되어, 상기 2)단계의 추가 압축 과정을 거칠 수 있다.
상기 2)단계에서 추가 압축된 증발가스는, 제1 열교환기에 의해 냉각된 후, 상기 3)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각될 수 있다.
본 발명에 의하면, 증발가스를 재액화시키는 냉매를 다양화하여, 열교환기 전단에서 분기되는 냉매 유량을 감소시킬 수 있다.
열교환기 전단에서 분기시키는 냉매의 유량을 감소시키면, 냉매로 사용되기 위해 분기되는 증발가스는 다단압축기에 의한 압축 과정을 거치게 되므로, 다단압축기에 의해 압축되는 증발가스의 유량을 감소시킬 수 있고, 다단압축기에 의해 압축되는 증발가스의 유량이 감소되면, 거의 동일한 효율로 증발가스를 재액화시키면서도 다단압축기에서 소모되는 전력을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박은, 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 액화가스 운반선과 같은 선박을 비롯하여, FPSO, 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 실시예에 따른 선박에 적용되는 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박은, 다수개의 압축실린더(21, 22, 23)를 포함하는 다단압축기(20), 제2 열교환기(32), 제3 열교환기(40), 제1 감압장치(71), 및 제2 감압장치(72)를 포함한다.
본 실시예의 선박에 탑재된 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는, 1기압에서 -110℃를 초과하는 비등점을 가질 수 있다. 또한, 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는, 액화석유가스(LPG)일 수 있고, 또는, 메탄, 에탄, 중탄화수소 등 복수의 성분을 포함할 수도 있다.
본 실시예의 다단압축기(20)는 저장탱크(10)로부터 배출된 증발가스를 압축시킨다. 다단압축기(20)는 다수개의 압축실린더를 포함하는데, 일례로 도 1에 도시된 바와 같이 세 개의 압축실린더(21, 22, 23)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 저장탱크(10)로부터 배출되어, 다단압축기(20)에 포함된 다수개의 압축실린더 중 일부 압축실린더를 통과하며 압축된 증발가스는, 제3 열교환기(40)에 의해 냉각된 후, 다시 다단압축기(20)로 보내져 나머지 압축실린더를 통과한다. 도 1에는 제1 압축실린더(21)에 의해 압축된 증발가스가 제3 열교환기(40)에 의해 냉각된 후 제2 압축실린더(22) 및 제3 압축실린더(23)에 의해 압축되는 과정이 도시되어 있다.
다단압축기(20)의 일부 압축실린더(21)를 통과하고 제3 열교환기(40)에 의해 냉각된 후 다단압축기(20)의 나머지 압축실린더(22, 23)를 통과한 유체는 제2 열교환기(32)에서 자가열교환되어 냉각된 후, 다시 제3 열교환기(40)로 보내진다(a 흐름). 자가열교환의 자가(self-)는, 증발가스 자체를 냉매로 사용하는 것을 의미한다.
본 실시예의 다단압축기(20)에 의해 압축된 유체는 제2 열교환기(32)로 보내지기 전, 제1 열교환기(31)에 의해 냉각될 수 있다. 제1 열교환기(31)는 증발가스를 냉각시키는 냉매로 해수와 같은 별도의 냉매를 사용할 수도 있고, 제1 열교환기(31)에서도 제2 열교환기(32)와 마찬가지로 증발가스 자체를 냉매로 사용할 수 있도록 시스템이 구성될 수도 있다.
다단압축기(20)에서 다단계로 압축되는 유체의 토출 압력은, 제1 열교환기(31)에서 냉각되어 배출되는 유체의 온도에 따라 결정될 수 있는데, 바람직하게는, 제1 열교환기(31)에서 냉각되어 배출되는 유체 온도에 대응하는 포화압력(Saturated Liquid Pressure)으로 결정될 수 있다. 즉, 액화가스가 LPG인 경우, 제1 열교환기(31)를 통과한 유체의 적어도 일부가 포화액체가 되도록 하는 압력으로 결정될 수 있다. 또한, 다단압축기(20)의 각 단계에서 토출되는 토출 압력은 각각의 압축실린더 성능에 의해 결정될 수 있다.
다단압축기(20) 및 제2 열교환기(32)를 통과한 유체(a 흐름)는, 제3 열교환기(40) 전단에서 두 흐름(a1, a2)으로 분기한다. 제3 열교환기(40) 전단에서 분기된 흐름 중 한 흐름(a1)은, 제1 감압장치(71)에 의해 팽창되어 온도가 낮아진 후 제3 열교환기(40)에서 냉매로 사용되고, 제3 열교환기(40) 전단에서 분기된 흐름 중 다른 흐름(a2)은, 제3 열교환기(40)에서 열교환되어 냉각된 후 제2 감압장치(72)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된다. 제3 열교환기(40)에서 냉매로 사용된 유체(a1 흐름)는, 다단압축기(20)에 포함된 일부 압축실린더(21)에 의해 압축된 후 제3 열교환기(40)로 보내진 유체와 합류된 후, 다단압축기(20)로 보내져 나머지 압축실린더(22, 23)에 의해 압축된다.
제2 열교환기(32)는, 제3 열교환기(40)에 의해 냉각된 후 제2 감압장치(72)에 의해 팽창되어 일부 또는 전부가 재액화된 유체(a2 흐름)를 냉매로 하여, 다단압축기(20)에 의해 압축된 유체(a 흐름)를 냉각시킨다. 제2 열교환기(32)에서 냉매로 사용된 유체(a2 흐름)는 저장탱크(10)로 보내지고, 제2 열교환기(32)에 의해 냉각된 유체(a 흐름)는 제3 열교환기(40)로 보내진다.
본 실시예의 제1 감압장치(71) 및 제2 감압장치(72)는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수도 있고, 시스템의 구성에 따라 팽창기가 사용될 수도 있다. 또한, 본 실시예의 제2 열교환기(32)는 이코노마이저(Economizer)일 수 있고, 제3 열교환기(40)는 인터쿨러(Intercooler)일 수 있다.
예를 들어, 액화가스가 LPG인 경우, 다단압축기(20)에서 압축된 유체는 제1 열교환기(31)를 통과하면서 냉각되는데, 제1 열교환기(31)에서 유체의 적어도 일부가 액화될 수 있으며, 제1 열교환기(31)에서 액화된 액체는 제2 열교환기(32)에서 과냉각된다. 또한, 제2 열교환기(32)에서 과냉각시킨 유체의 일부를 'a1 흐름'으로 분기시켜 제1 감압장치(71)에서 팽창시킨 후 제3 열교환기(40)에서 냉매로 사용하며, 제2 열교환기(32)에서 과냉각시킨 나머지 유체 즉, 'a2 흐름'은 팽창시킨 'a1 흐름'을 냉매로 하여 제3 열교환기(40)에서 2차 과냉각시킨다. 제3 열교환기(40)를 통과하면서 과냉각시킨 'a2 흐름'은 제2 감압장치(72)에서 팽창시킨 후 액체상태로 저장탱크(10)로 회수된다.
본 실시예에서는 다단압축기(20)에 의해 압축되는 증발가스가, 제3 열교환기(40)에 의해 한 번의 중간 냉각을 거치는 경우를 설명하였으나, 본 실시예의 다단압축기(20)에 의해 압축되는 증발가스는 다단계의 중간 냉각 과정을 거칠 수도 있다. 다단압축기(20)가 세 개의 압축실린더(21, 22, 23)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명하면, 제1 압축실린더(21)에 의해 압축된 증발가스가 제3 열교환기(40)에 의해 냉각되고 제2 압축실린더(22)에 의해 압축된 후, 추가적인 중간 냉각 과정을 거친 후 제3 압축실린더(23)에 의해 압축될 수 있다. 또한, 추가적인 중간 냉각 과정은, 제3 열교환기(40)에 의한 중간 냉각과 마찬가지로, 열교환기 전단에서 분기된 일부 흐름을 팽창시킨 후 냉매로 사용하는 방식일 수 있다.
본 발명은, 다단압축기(20)에 의한 압축, 제3 열교환기(40)에 의한 냉각, 및 제2 감압장치(72)에 의한 팽창과정을 거쳐 일부 또는 전부가 재액화된 유체를, 제2 열교환기(32)에서 냉매로 사용하여, 다단압축기(20)에 의해 압축된 유체를 추가로 냉각시키므로, 제3 열교환기(40)로 보내지는 유체(a 흐름)의 온도를 더 낮출 수 있다. 제3 열교환기(40)로 보내지는 유체(a 흐름)의 온도가 낮아지면, 분기되어 냉매로 사용되는 증발가스(a1 흐름)의 양을 더 줄이고도 동일한 재액화 효율을 달성할 수 있고, 제3 열교환기(40)에서 냉매로 사용된 유체(a1 흐름)는 다단압축기(20)에서 압축되므로, 제3 열교환기(40)에서 냉매로 사용되는 유체(a1 흐름)의 양을 줄이면, 다단압축기(20)에서 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 제2 열교환기(32)를 포함함으로써, 제3 열교환기(40)에서 냉매로 사용되는 유체(a1 흐름)의 양을 줄여, 다단압축기(20)에서 소모되는 에너지를 절감하면서도 거의 동일한 재액화 효율을 달성할 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.
10 : 저장탱크 20 : 다단압축기
21, 22, 23 : 압축실린더 31, 32, 40 : 열교환기
71, 72 : 감압장치

Claims (7)

  1. 액화가스 저장탱크가 탑재된 선박에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키며, 다수개의 압축실린더를 포함하는 다단압축기;
    상기 다단압축기에 의해 압축된 유체를 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체(이하, 'a 흐름'이라고 함.)가 일부 분기된 흐름(이하, 'a1 흐름'이라고 함.)을 팽창시키는 제1 감압장치;
    상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 상기 'a1 흐름'을 냉매로, 상기 'a 흐름' 중 분기된 'a1 흐름'을 제외한 나머지 유체(이하, 'a2 흐름'이라고 함.)를 열교환시켜 냉각시키는 제3 열교환기; 및
    상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 상기 'a2 흐름'을 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고,
    상기 제2 열교환기는, 상기 제2 감압장치에 의해 팽창된 상기 'a2 흐름'을 냉매로 하여, 상기 다단압축기에 의해 압축된 유체를, 제1 감압장치로 공급하기 전에 냉각시키며, 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 a2 흐름은 상기 액화가스 저장탱크로 회수되는, 선박.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 압축실린더 중 일부 압축실린더에 의해 압축된 증발가스는, 상기 제3 열교환기에서 열교환되어 냉각된 후 나머지 압축실린더에 의해 압축되는, 선박.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 다수개의 압축실린더 중 일부 압축실린더에 의해 압축된 후 상기 제3 열교환기에서 냉각된 유체는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 상기 'a1 흐름'과 합류되어, 나머지 압축실린더에 의해 압축되는, 선박.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다단압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 제2 열교환기로 보내기 전에 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기를 더 포함하는, 선박.
  5. 액화가스 저장탱크가 탑재된 선박에 적용되는 증발가스 재액화 방법에 있어서,
    1) 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시킨 후 제3 열교환기에서 냉각시키고,
    2) 상기 1)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가 압축시키고,
    3) 상기 2)단계에서 추가 압축된 증발가스를 제2 열교환기에서 냉각시키고,
    4) 상기 3)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키고,
    5) 상기 4)단계에서 분기된 흐름 중 한 흐름을 팽창시킨 후 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용하고,
    6) 상기 4)단계에서 분기된 흐름 중 나머지 흐름을 상기 제3 열교환기에서 냉각시키고,
    7) 상기 6)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시켜 재액화시키고,
    상기 7)단계에서 재액화된 증발가스는 상기 제2 열교환기로 공급되어 상기 3)단계에서 상기 추가 압축된 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용된 후 상기 액화가스 저장탱크로 회수되는, 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 1)단계에서 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 상기 5)단계에서 팽창된 후 상기 제3 열교환기에서 냉매로 사용된 유체와 합류되어, 상기 2)단계의 추가 압축 과정을 거치는, 방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 2)단계에서 추가 압축된 증발가스는, 제1 열교환기에 의해 냉각된 후, 상기 3)단계에서 상기 제2 열교환기에 의해 냉각되는, 방법.
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