KR102595979B1 - 선박의 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박의 증발가스 재액화 시스템은 선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 증발가스를, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각시키는 열교환기; 상기 저장탱크로부터 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 연결되는 가스공급라인; 상기 가스공급라인에서 상기 열교환기의 전단에 마련되는 인라인믹서; 및 상기 저장탱크의 바닥부에 마련되는 스트리핑펌프로부터 상기 인라인믹서로 연결되는 스트리핑가스라인:을 포함하고, 상기 스트리핑펌프로 펌핑된 액화가스를 상기 인라인믹서에서 증발가스에 분사하여 상기 열교환기로 도입될 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 방법{Boil-Off Gas Reliquefaction System and Method for Ship}

본 발명은 선박에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 증발가스 자체의 냉열로 재액화시키는 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하는 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.

증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에서 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 연료수요처의 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.

별도의 냉매 없이 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법으로, 본 출원인은 압축기에 의해 압축시킨 증발가스를, 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스와 열교환시켜 냉각시킨 후 J-T 밸브 등에 의해 팽창시켜 증발가스의 일부를 재액화시키는 시스템을 개발하여 PRS(Partial Re-liquefaction System)라고 명명한 바 있다.

저장탱크 내부의 액화가스의 양이 많아 증발가스의 발생량이 많은 경우, 선박이 정박하고 있거나 낮은 속도로 운항하여 엔진에서 사용되는 증발가스가 적은 경우 등, 재액화시켜야 할 증발가스의 양이 많은 경우, PRS만으로 요구되는 재액화량을 만족시키지 못할 수가 있어, 본 출원인은 증발가스를 더 많이 재액화시킬 수 있도록 PRS를 개량한 기술을 발명하였다.

PRS의 개량 기술로, 증발가스 자체를 냉매로 사용한 냉매 사이클에 의해 증발가스를 추가로 냉각시킬 수 있도록 한 시스템을 일명 MRS(Methane Refrigeration System)라고 한다.

본 발명은 증발가스 자체의 냉열을 이용하여 증발가스를 재액화하면서 재액화율을 더욱 높일 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기;

상기 압축기에서 압축된 증발가스를, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각시키는 열교환기;

상기 저장탱크로부터 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 연결되는 가스공급라인;

상기 가스공급라인에서 상기 열교환기의 전단에 마련되는 인라인믹서; 및

상기 저장탱크의 바닥부에 마련되는 스트리핑펌프로부터 상기 인라인믹서로 연결되는 스트리핑가스라인:을 포함하고,

상기 스트리핑펌프로 펌핑된 액화가스를 상기 인라인믹서에서 증발가스에 분사하여 상기 열교환기로 도입될 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 압축기로부터 상기 저장탱크로 연결되며 압축된 증발가스를 상기 열교환기를 거쳐 냉각하여 재액화하여 상기 저장탱크로 회수하는 재액화라인; 상기 재액화라인에 마련되며 상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 공급받아 감압하는 감압장치; 및 상기 재액화라인에 마련되며 상기 감압장치에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기:를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 저장탱크의 상층 내부에 액화가스를 분사하는 스프레이노즐; 및 상기 스트리핑펌프로부터 펌핑된 액화가스를 상기 스프레이노즐로 공급하는 스트리핑메인:을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화라인의 기액분리기 하류에서 상기 스트리핑메인으로 연결되는 재액화가스이송라인; 및 상기 재액화가스이송라인에 마련되는 컨트롤밸브:를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 압축하고, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환기에서 열교환으로 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크로 회수하되,

상기 열교환기로 도입될 미압축 증발가스에 상기 저장탱크의 바닥부에 마련되는 스트리핑펌프로부터 펌핑된 액화가스를 분사하여 상기 미압축 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 감압하고 재액화가스를 기액분리하여 상기 저장탱크로 회수하되, 상기 재액화가스를 스트리핑메인을 거쳐 상기 저장탱크의 상층 내부에 액화가스를 분사하는 스프레이노즐로 공급할 수 있다.

본 발명에서는 열교환기에서 냉매로 이용되는 미압축 증발가스의 온도를 낮추어, 열교환기의 냉각성능을 높여 재액성능을 극대화하고, 증발가스의 재액량을 높일 수 있다.

또한, 재액화 시스템의 정상 작동까지 소요되는 시간을 단축하여 신속하게 재액화 시스템을 가동할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

이하 본 발명에서의 선박은, 액화가스 및 액화가스에서 발생하는 증발가스를 추진용 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되거나 액화가스 또는 증발가스를 선내 기관의 연료로 사용하는 모든 종류의 선박으로, 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액화석유가스 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하며 엔진 등의 연료로 사용될 수 있는 모든 종류의 액화가스를 포함할 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스 중 하나인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

한편, 본 실시예의 각 라인을 흐르는 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계유체 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이 선박에 마련되어 액화가스를 저장하는 저장탱크(T)로부터 발생하는 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시키는 가스공급라인(GL)이 마련되고, 가스공급라인에는 증발가스를 압축하는 압축기(100)가 마련된다.

이러한 압축기는 선내 추진엔진 또는 발전엔진의 연료로 증발가스를 공급하기 위해 마련된 것일 수 있다. 그에 따라 압축기(100)는 증발가스를 추진엔진 또는 발전엔진의 연료공급압력으로 압축할 수 있으며, 예를 들어 DF 엔진이 마련된 경우라면 5.5 bar, X-DF 엔진이 마련된 경우라면 16 bar, ME-GI 엔진이 마련된 경우는 300 bar 내외로 압축할 수 있다. 고압 엔진이 마련된 경우에, 압축기는 복수의 컴프레서와 중간 냉각기가 번갈아 배치되어 이들을 순차로 거쳐 증발가스를 압축하는 다단 압축기로 마련될 수도 있다.

선박 규정상 엔진으로 연료를 공급하는 압축기(100)는, 비상 상황을 대비하여 리던던시(Redundancy) 설계를 하여야 하는데, 리던던시 설계란, 어느 한 대를 고장, 유지보수 등의 이유로 사용할 수 없을 때 다른 한 대를 대신 사용 할 수 있도록 설계하는 것을 의미한다. 이를 위해 압축기는 주 압축기와 리던던시 압축기를 포함하여 복수로 마련될 수 있다.

압축기에서 압축된 증발가스 중 연료로 공급되지 않은 증발가스는 재액화하여 저장탱크로 회수할 수 있다.

이를 위해 압축기(100)의 하류로부터 저장탱크(T)로 연결되어 압축된 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 회수하는 재액화라인(RL)이 마련된다.

재액화라인(RL)에는 압축기에서 압축된 증발가스를 저장탱크로부터 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각하는 열교환기(200)와, 열교환기에서 미압축 증발가스와의 열교환으로 냉각된 증발가스를 공급받아 감압하는 감압장치(300), 감압장치에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기(400)가 마련된다. 이들 재액화라인의 열교환기, 감압장치, 기액분리기 등의 장치는 재액화부(RS)를 이루며, 선내에서 하나의 Skid로 마련될 수 있다.

열교환기에서 냉각된 증발가스는, J-T 밸브나 팽창기 등과 같은 감압장치에서 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창으로 추가 냉각된 후 기액분리기에서 기액분리되어, 분리된 재액화가스는 저장탱크(T)로 회수된다.

저장탱크의 상층 내부에는 스프레이노즐(SN)이 마련되는데, 저장탱크 바닥부에서 스트리핑펌프(SP)로부터 펌핑된 액화가스를 스트리핑메인(SM)을 따라 스프레이노즐(SN)에서 공급받아 저장탱크의 상층 내부로 분사하여 저장탱크를 냉각할 수 있다.

본 실시예에서는 재액화라인(RL)의 기액분리기(400) 하류에서 스트리핑메인(SM)으로 연결되는 재액화가스이송라인(CL)을 마련하고, 재액화가스이송라인에 컨트롤밸브(V2)를 마련하여, 기액분리기에서 분리된 재액화가스를 스트리핑메인으로 보내 저장탱크 상부로 분사할 수 있도록 한다.

이와 같이 증발가스를 재액화할 때, 압축기에서 압축된 압축가스는 열교환기에서 미압축 증발가스를 냉매로 이용한다. 따라서 증발가스의 재액화율과 재액량은 열교환기의 영향을 받게 되고, 결국 냉매인 미압축 증발가스의 온도와 양에 영향을 받게 된다. 그런데 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 온도는 가변적이며 특히 저장탱크 내 액화가스의 저장량에 따라 온도 및 발생량에 큰 차이를 보이고, 재액화 시스템의 가동 초기에는 상온 상태의 열교환기를 냉각하는데 많은 냉열이 소모되어 재액화 시스템이 정상 작동하기까지 상당한 시간이 걸리는 등 여러 제약사항이 많다. 본 실시예에서는 이러한 문제를 해결하여 신속하게 재액화 시스템을 정상 작동시킬 수 있고 재액성능을 극대화할 수 있도록, 열교환기의 냉매로 도입되는 미압축 증발가스의 온도를 낮출 수 있는 방안을 제시한다.

이를 위해 본 실시예는 가스공급라인(GL)에서 열교환기(200)의 전단에 인라인믹서(250)를 마련하고, 저장탱크의 바닥부에 마련되는 스트리핑펌프(SP)로부터 인라인믹서(250)로 스트리핑가스라인(SL)을 마련하여, 스트리핑펌프로 펌핑된 액화가스를 인라인믹서에서 미압축 증발가스에 분사하여 열교환기에 냉매로 도입되는 증발가스를 냉각시킨다. 스트리핑가스라인(SL)에는 인라인믹서(250)로 이송되는 액화가스를 조절하기 위한 밸브(V1)가 마련된다. 스트리핑메인(SM)으로 이송된 재액화가스 또한 스트리핑가스라인을 통해 인라인믹서로 분사되어 열교환기로 도입될 증발가스를 냉각시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예 시스템은 열교환기(200) 전단에 인라인믹서(250)를 마련하여, 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도를 낮추어 재액 성능을 높일 수 있고, 재액화 시스템을 가동할 때 열교환기 및 배관 등을 신속하게 냉각할 수 있어 재액화 시스템의 정상 작동까지 소요되는 시간을 단축할 수 있다.

통상 저장탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스의 온도는 -100 내지 -120℃ 내외인데, -163℃ 내외의 LNG를 소량 증발가스에 분사하여 냉각함으로써 열교환기의 냉매 온도를 낮추고 냉매 유량을 늘려 열교환기의 냉각 성능을 높이고 재액량을 늘릴 수 있다. 모의실험을 통해 확인해 본 바, 선속 17 knots인 선박에서 저장탱크에서 시간당 자연발생하는 증발가스의 양이 3450 kg/h일 경우, -120 ℃ 내외의 미압축 증발가스를 냉매로 공급할 때 시간당 재액량이 768 kg/h인데 비해, 소량의 LNG를 분사해 미압축 증발가스 온도를 -140 ℃ 내외로 낮출 경우 시간당 재액량이 782 kg/h로 증가하는 것을 확인하였다.

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 자에게 있어서 자명한 것이다.

T : 저장탱크
SP: 스트리핑펌프
GL: 가스공급라인
RL: 재액화 라인
SL: 스트리핑가스라인
CL: 재액화가스이송라인
100: 압축기
200: 열교환기
250: 인라인믹서
300: 감압장치
400: 기액분리기

Claims (6)

1. 선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기;
   상기 압축기에서 압축된 증발가스를, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각시키는 열교환기;
   상기 저장탱크로부터 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 연결되는 가스공급라인;
   상기 가스공급라인에서 상기 열교환기의 전단에 마련되는 인라인믹서;
   상기 저장탱크의 바닥부에 마련되는 스트리핑펌프로부터 상기 인라인믹서로 연결되는 스트리핑가스라인;
   상기 저장탱크의 상층 내부에 액화가스를 분사하는 스프레이노즐;
   상기 스트리핑펌프로부터 펌핑된 액화가스를 상기 스프레이노즐로 공급하는 스트리핑메인;
   상기 압축기로부터 상기 저장탱크로 연결되며 압축된 증발가스를 상기 열교환기를 거쳐 냉각하여 재액화하고 상기 저장탱크로 회수하는 재액화라인;
   상기 재액화라인에 마련되며 냉각된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기:
   상기 재액화라인의 기액분리기 하류에서 상기 스트리핑메인으로 연결되는 재액화가스이송라인; 및
   상기 재액화가스이송라인에 마련되는 컨트롤밸브:를 포함하고,
   상기 스트리핑펌프로 펌핑된 액화가스를 상기 인라인믹서에서 증발가스에 분사하여 상기 열교환기로 도입될 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 재액화라인에 마련되며 상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 감압하여 상기 기액분리기로 공급하는 감압장치:를 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 스트리핑가스라인에 마련되어 상기 인라인믹서로 이송되는 액화가스를 조절하는 밸브:를 더 포함하고,
   상기 스트리핑메인으로 이송된 재액화가스는 상기 스트리핑가스라인을 통해 상기 인라인믹서로 분사될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   재액화 시스템 가동 시 상기 인라인믹서를 통해 상기 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도를 낮추어 열교환기 및 배관을 냉각하여 재액화 시스템의 정상 작동까지 소요되는 시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
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