KR20070011075A - 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이가능한 천연가스 액화장치 - Google Patents

작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이가능한 천연가스 액화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스의 액화장치에 관한 것으로, 특히 극저온의 액화 천연가스를 운송하는 운반선의 저장탱크에서 천연가스가 증발되어 발생된 증발가스를 액화함에 있어서 증발된 천연가스의 부하 변동에 대응하여 작동유체(냉매)의 유량조절이 가능한 유량조절수단이 구비된 천연가스 액화장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 천연가스 액화장치는, 액체 상태의 천연가스가 저장된 저장탱크 내부에서 발생된 기체 상태의 천연가스를 가압하는 천연가스 압축부; 상기 천연가스를 액화시켜 주기 위한 극저온 냉동사이클에서 작동유체를 가압냉각하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기와 냉각기가 연결된 작동유체 압축부; 상기 작동유체 압축부의 작동유체를 극저온 팽창시킨 후 응축기에서 상기 천연가스와 열교환하여 상기 기체 상태의 천연가스를 액화시켜 주기 위한 콜드박스유닛; 및 상기 콜드박스유닛의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관을 통하여 일부의 작동유체를 상기 작동유체 압축부로 재순환시켜 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단을 포함하여 구성되고, 상기 콜드박스유닛에 의하여 액화된 천연가스가 상기 저장탱크로 환수되는 천연가스 액화장치로서, 상기 유량조절수단의 바이패스배관에는 상기 작동유체 압축부로 유입되는 작동유체의 압력 또는 온도를 낮추어주는 팽창터빈이 설치된 것을 특징으로 한다.
천연가스, 액화장치, 작동유체, 유량조절수단, 바이패스배관

Description

작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치{NATURAL GAS LIQUEFACTION APPARATUS CAPABLE OF CONTROLLING LOAD CHANGE USING FLOW CONTROL MEANS OF A WORKING FLUID}
도 1은 본 출원인의 선출원에 도시된 버퍼탱크를 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도,
도 5는 본 발명의 제4실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 천연가스 재액화 장치의 개념을 도시한 블록도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 천연가스 압축부 2,2a,2b,2c: 콜드박스유닛
3: 유량조절수단 4: 작동유체 압축부
10: 저장탱크 11: 제1천연가스 압축기
12: 제2천연가스 압축기 13: 안전밸브
14: 재순환밸브 15: 기액분리기
20: 응축기 21,21a: 제1열교환기
22: 제2열교환기 23: 제3열교환기
24,26: 팽창터빈 25,30: 팽창밸브
31: 제1밸브 32: 제2밸브
33: 제3밸브 34: 제4밸브
35: 예냉기 41: 제1작동유체 압축기
42: 제2작동유체 압축기 43: 제3작동유체 압축기
44: 제1냉각기 45: 제2냉각기
46: 제3냉각기 47: 서지밸브
본 발명은 천연가스의 액화장치에 관한 것으로, 특히 극저온의 액화 천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)를 운송하는 운반선의 저장탱크에서 천연가스가 증발되어 발생된 증발가스(BOG, Boil Off Gas, 이하 "BOG" 또는 "증발된 천연가스"라 칭함)를 액화함에 있어서 증발된 천연가스의 부하 변동에 대응하여 작동유체(냉매)의 유량조절이 가능한 유량조절수단이 구비된 천연가스 액화장치에 관한 것이다.
일반적으로 육상에 설치되는 액화 천연가스(LNG)의 저장탱크뿐만 아니라, LNG를 수송하는 운반선의 저장탱크에 있어서도, 모스형이나 멤브레인형과 같은 저장탱크의 형상에 관계없이 통상적으로 하루 동안 개략 0.1% 내지 3%에 달하는 양의 LNG가 저장탱크를 싸고 있는 절연체를 통한 외부열의 유입 결과로 증발되며, 이러한 LNG BOG의 량이 많아질 경우 저장탱크 내부의 압력이 증가 되어 저장탱크의 폭발과 같은 위험한 상황을 초래하게 된다.
상기와 같이 LNG 저장탱크의 내부에서 발생하는 LNG 증발가스의 경우 전형적으로 운반선의 보일러나 발전기에 동력을 공급하기 위한 보조 연료원으로 사용되어 왔으나, 최근에 들어 LNG 운반선의 설계는 스팀구동에 따른 터빈 엔진보다는 오히려 디젤 엔진을 적용하고 있는 추세이므로, LNG 저장탱크의 내부에서 발생하는 증발가스를 보조 연료원으로 사용할 필요성이 급격히 감소하고 있다.
따라서, 최근에는 이러한 LNG 증발가스를 회수하여 LNG로 재액화시킨 후 이를 다시 LNG 저장탱크로 보내는 재액화 시스템이 도입되고 있으며, 대표적인 예로는 미국특허등록공보 제6,449,983호 및 한국특허등록공보 제356764호에 기재된 것과 같은 재액화 시스템을 들 수 있다.
상기한 재액화 시스템은 LNG 저장탱크에서 발생되는 LNG 증발가스를 재액화시켜 주기 위하여 밀폐시스템으로 이루어진 냉각장치에 의하여 순환하는 작동유체의 압축 및 극저온 팽창과정을 통하여 얻어진 극저온의 냉열을 이용하여 상기 LNG BOG를 액화시킨 후 이를 저장탱크에 환수(귀환)하도록 되어있다.
그러나 상기 LNG 증발가스는 LNG의 운반 및 보관 중 외부 온도조건에 따라 그 발생량의 증감 정도가 달라지기 때문에 이에 따른 냉각장치의 적절한 부하 조절이 필요하지만, 상기한 재액화 시스템은 밀폐시스템 내부에 수용된 작동유체의 유량조절이 불가능하므로 냉동부하의 조절이 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 천연가스 액화장치가 출원되고 있다.
도 1에 도시된 것은 본 출원인이 출원하여 아직 미공개된 예로서, 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치는 액화 천연가스의 저장탱크에서 증발된 천연가스를 다단의 천연가스 압축기로 가압하는 천연가스 압축부; 상기 천연가스를 액화시켜 주기 위한 극저온 냉동사이클에서 작동유체를 가압냉각하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기와 냉각기가 설치된 작동유체 압축부; 상기 작동유체 압축부의 작동유체를 팽창터빈에서 극저온 팽창시킨 후 응축기에서 상기 천연가스와 열교환하여 상기 기체 상태의 천연가스를 액화시켜 주기 위한 콜드박스유닛; 및 상기 콜드박스유닛의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관에 버퍼탱크를 설치하여 상기 바이패스배관을 통하여 일부의 작동유체를 상기 버퍼탱크로 회수하여 저장하거나 저장된 작동유체를 상기 작동유체 압축부로 보충하여 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단을 포함하여 구성되고, 상기 콜드박스유닛에 의하여 액화된 천연가스가 상기 저장탱크로 환수되도록 되어 있다.
또한, 상기 버퍼탱크가 설치된 바이패스배관에는 작동유체의 유입 및 유출 유량을 조절하기 위한 밸브가 상기 버퍼탱크의 입출구에 각각 설치되어 있어서, 냉동부하의 감소에 따라 작동유체의 유량을 감소시키고자 할 경우 유입측의 밸브를 개방하여 작동유체를 회수하고, 냉동부하의 증가에 따라 작동유체의 유량을 증가시키고자 할 경우 공급측의 밸브를 개방하여 작동유체를 공급하는 방법으로 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 순환 유량을 조절한다.
상기한 천연가스 액화장치는 증발가스의 발생량에 따른 냉동부하에 대응하기 위하여 작동유체의 유량조절수단이 구비되어 있지만, 상기 유량조절수단에는 작동유체를 저장하기 위한 버퍼탱크가 필수적으로 구비되어야 한다.
냉동사이클의 운전을 위하여 상기 작동유체는 상기 작동유체 압축부에 의하여 고압으로 압축되는 단계와 팽창터빈 및 팽창밸브 등의 팽창수단에 의하여 저압으로 팽창되는 단계가 반복적으로 수행되는데, 종래의 천연가스 액화장치에서는 운전중 냉동부하의 감소에 따라 작동유체의 유량을 감소시켜 주기 위해서는 고압으로 압축된 작동유체를 상기 버퍼탱크로 회수하여야 하며 이때 저장되는 작동유체는 고압이기 때문에 안전에 위험 요소가 되고 있다.
또한, 상기 버퍼탱크를 포함한 유량조절수단에는 감압 수단이 구비되어 있지 않아서 작동유체가 고압의 상태로 상기 버퍼탱크에 저장되며, 냉동사이클의 운전중 냉동부하의 증가로 상기 버퍼탱크에 저장된 고압의 작동유체를 보충할 경우 작동유체 압축부로 유입되는 라인 및 응축기 출구측 저압 라인의 압력이 증가 되고, 그 결과 팽창터빈 입출구에서의 압력차가 감소되어 냉동사이클의 효율이 크게 감소되는 문제점이 있다.
아울러, 최근에는 액화천연가스(LNG) 운반선이 대형화됨에 따라 천연가스 재액화장치에 설치되는 버퍼탱크의 부피도 증가되어 제한된 공간에서는 설치가 곤란한 문제점이 있다. 예를 들면 210K급의 LNG 운반선에 장착되는 천연가스 재액화장치에는 냉동사이클의 작동유체로 질소를 사용하며, 이 경우 질소 버퍼탱크의 부피가 대략 30㎥이므로 장치의 설계시 설치공간이 마련되어야 한다.
이와 같이 질소 버퍼탱크를 구비하여 질소 순환량을 조절하는 장치에 관련하여 기존에 공개된 선행기술로서는 대한민국특허공개 제2005-94798호가 있으나, 이 특허출원에는 바이패스 라인과 질소의 저장탱크에 대해서만 기재하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 콜드박스유닛의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관을 통하여 작동유체의 일부를 상기 작동유체 압축부로 재순환시켜 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하되 상기 작동유체 압축부로 공급되는 작동유체의 압력 및 온도를 낮춰주기 위하여 상기 바이패스배관에 팽창밸브를 설치하여 증발된 천연가스의 증감에 따른 냉동부하의 변동에 대응할 수 있도록 콜드박스유닛의 응축기로 공급되는 작동유체 순환유량을 조절하는 천연가스 액화장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은, 액체 상태의 천연가스가 저장된 저장탱크 내부에서 발생된 기체 상태의 천연가스를 가압하는 천연가스 압축부; 상기 천연가스를 액화시켜 주기 위한 극저온 냉동사이클에서 작동유체를 가압냉각하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기와 냉각기가 연결된 작동유체 압축부; 상기 작동유체 압축부의 작동유체를 극저온 팽창시킨 후 응축기에서 상기 천연가스와 열교환하여 상기 기체 상태의 천연가스를 액화시켜 주기 위한 콜드박스유닛; 및 상기 콜드박스유닛의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관을 통하여 일부의 작동유체를 상기 작동유체 압축부로 재순환시켜 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단을 포함하여 구성되고, 상기 콜드박스유닛에 의하여 액화된 천연가스가 상기 저장탱크로 환수되는 천연가스 액화장치로서, 상기 유량조절수단의 바이패스배관에는 상기 작동유체 압축부로 유입되는 작동유체의 압력 또는 온도를 낮추어주는 팽창밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치에 의하여 달성된다.
바람직하게는, 상기 바이패스배관에 설치된 팽창밸브의 전후측에는 유량조절을 위한 밸브가 각각 설치된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 팽창밸브의 입구와 상기 작동유체 압축부의 최후단 작동유체 압축기의 출구가 바이패스배관으로 연결되고, 여기에 유량조절을 위한 밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 팽창밸브의 출구와 상기 콜드박스유닛의 출구가 바이패스배관으로 연결되고, 상기 팽창밸브에 의하여 저온 팽창된 작동유체와 상기 콜드박스유닛으로 유입되는 고온부 작동유체 간의 열교환을 통하여 상기 고온부 작동유체를 예 냉시켜 주도록 상기 바이패스배관에 예냉기가 설치되고, 상기 바이패스배관에 유량조절을 위한 밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 콜드박스유닛의 액화 천연가스의 출구와 상기 저장탱크의 출구가 바이패스배관으로 연결되고, 여기에 유량조절을 위한 밸브가 설치되며, 상기 바이패스배관을 통하여 공급되는 일부의 액화 천연가스와 상기 저장탱크로부터 공급되는 천연가스가 혼합되도록 하여 상기 천연가스 압축부로 공급되는 천연가스를 예냉시켜 주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 콜드박스유닛의 출구에는 기액분리기가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프에 의하여 상기 저장탱크로 환수되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부로 재투입되거나 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 콜드박스유닛의 출구에는 기액분리기가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프에 의하여 상기 저장탱크로 환수되거나 상기 바이패스배관을 통하여 천연가스 압축부로 재투입되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부로 재투입되거나 배출되는 것을 특징으로 한다.
아울러 상기 콜드박스유닛은, 상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제1열교환기; 상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창터빈; 및 상기 팽창터빈의 출구에 연결되어 상기 팽창터빈을 통과한 극저온의 작동유체와 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징 으로 한다.
또한 상기 콜드박스유닛은, 상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기; 상기 제2열교환기의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기; 상기 제1열교환기로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기로 재투입하여 상기 제1열교환기를 지나는 예냉된 작동유체를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈; 상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 콜드박스유닛은, 상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기; 상기 제2열교환기의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체, 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스 및 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체가 지나도록 3경로를 형성하고, 상기 예냉된 작동유체와 천연가스를 상기 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기; 상기 제1열교환기로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기로 재투입하여 상기 제1열교환기 를 지나는 예냉된 작동유체와 천연가스를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈; 상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 제1열교환기를 통과한 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 콜드박스유닛은, 상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기; 상기 제2열교환기의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체, 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스 및 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체가 지나도록 3경로를 형성하고, 상기 예냉된 작동유체와 천연가스를 상기 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기; 상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 상기 제1열교환기로부터 유입되는 고온부 작동유체를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제3열교환기; 상기 제1열교환기로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 제3열교환기를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기로 재투입하여 상기 제1열교환기를 지나는 예냉된 작동유체와 천연가스를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈; 상기 제3열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 제1열교환기를 통과한 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 이하에서 기재하는 온도, 압력은 하나의 예를 도시하는 것으로 본 발명이 이들의 수치로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 액화 장치는 도 6에서 도시된 본 발명의 블록도에서와 같이 액체 상태의 천연가스가 저장된 저장탱크(10) 내부에서 발생된 기체 상태의 천연가스를 가압하는 천연가스 압축부(1), 상기 천연가스를 액화시켜 주기 위한 극저온 냉동사이클에서 작동유체를 가압냉각하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기와 냉각기가 연결된 작동유체 압축부(4), 상기 작동유체 압축부(4)의 작동유체를 극저온 팽창시킨 후 응축기에서 상기 천연가스와 열교환하여 상기 기체 상태의 천연가스를 액화시켜 주기 위한 콜드박스유닛(2), 및 상기 콜드박스유닛(2)의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관을 통하여 일부의 작동유체를 상기 작동유체 압축부(4)로 재순환시켜 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단(3)으로 크게 구성된다. 상기 유량조절수단(3)의 바이패스배관에는 작동유체를 저온 팽창시켜 상기 작동유체 압축부(4)로 유입되는 작동유체의 압력 또는 온도를 낮추어주는 팽창수단이 구비된다.
이를 실시예 별로 구분하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
(제1실시예)
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도이다.
본 발명의 제1실시예에 의한 천연가스 액화장치는 본 발명의 출원인에 의하여 기출원된 특허출원 제2005-65501호에 기재된 구성에 유량조절수단(3)을 부가하여 증발된 천연가스의 부하 변동에 대응하여 운전을 실시하도록 구성된 장치이다.
본 발명의 제1실시예에 의한 천연가스 액화장치는 저장탱크(10)에서 발생된 기체 상태의 천연가스(증발된 천연가스)를 추출하여 이를 극저온 냉동사이클과의 열교환에 의해 액화시킨 후 다시 상기 저장탱크(10)로 환수시켜 저장하기 위한 장치이다.
본 발명의 제1 내지 제4실시예에 의한 천연가스 액화장치에 있어서, 상기 극저온 냉동사이클은 밀폐시스템(closed system)으로 이루어져 있으며, 밀폐시스템 내부를 순환하는 작동유체(냉매)에는 천연가스의 액화점(-162℃) 이하로 냉각될 수 있는 물질로 질소, 헬륨, 아르곤 등이 사용 가능 하지만, 본 발명에서는 작동유체로써 질소를 사용한 운전에 대하여 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 천연가스 액화장치는 액체 상태의 천연가스가 저장된 저장탱크(10) 내부에서 발생된 기체 상태의 천연가스를 가압하는 천연가스 압축부(1); 상기 천연가스를 액화시켜 주기 위한 극저온 냉동사이클에서 작동유체를 가압냉각하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기(41,42,43)와 냉각기(44,45,46)가 연결된 작동유체 압축부(4); 상기 작동유체 압축부(4)의 작동유체를 극저온 팽창시킨 후 응축기(20)에서 상기 천연가스 와 열교환하여 상기 기체 상태의 천연가스를 액화시켜 주기 위한 콜드박스유닛(2); 및 상기 콜드박스유닛(2)의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관을 통하여 일부의 작동유체를 상기 작동유체 압축부(4)로 재순환시켜 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단(3)을 포함하여 구성되고, 상기 콜드박스유닛(2)에 의하여 액화된 천연가스가 상기 저장탱크(10)로 환수되도록 구성되어 있다.
여기서, 상기 유량조절수단(3)의 바이패스배관에는 작동유체를 저온 팽창시켜 상기 작동유체 압축부(4)로 유입되는 작동유체의 압력 및 온도를 낮춰주도록 팽창밸브(30)가 설치되어 있다.
도 2를 참조하여 상기한 각 구성을 더욱 상세히 설명하면, 먼저 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스 중 증발된 천연가스를 추출하여 재액화시켜 주기 위하여 이를 공급 및 환수하는 시스템은 저장탱크(10), 천연가스 압축부(1), 응축기(20) 및 펌프(P)로 구성된다.
상기 저장탱크(10)의 상부에는 증발된 천연가스가 배출 및 추출될 수 있도록 배출구가 형성되어 천연가스 공급배관과 연결되어 있고, 상기 천연가스 공급배관에는 저장탱크(10) 내부의 천연가스가 소정의 압력(약 1.03bar) 이상으로 상승될 경우 개폐되어 상기 저장탱크(10)의 압력을 소정의 압력 이하로 낮춰 주도록 안전밸브(13)가 형성되어 있다.
상기 천연가스 압축부(1)는 모터(M), 복수의 천연가스 압축기(11,12) 및 이를 상호 연결시켜 주는 배관으로 구성되고, 상기 천연가스 압축기(11,12)는 모터 (M)에 의하여 구동되도록 연결되어 있다.
상기 저장탱크(10)로부터 공급된 천연가스가 상기 천연가스 압축기(11,12)에 의하여 단계적으로 압축 이송될 수 있도록 제1 및 제2천연가스 압축기(11,12)가 배관에 의하여 순차적으로 연결되어 있다. 여기서, 본 발명에 의한 천연가스 압축부(1)는 천연가스를 2단 압축하여 이송하므로 제1 및 제2천연가스 압축기(11,12)가 배관에 의하여 직렬로 연결된다.
상기 응축기(20)는 압축된 천연가스를 극저온 팽창된 작동유체와 열교환시켜 액화시켜 주기 위한 장치로서 콜드박스유닛(2) 내부에 설치되어 있고, 상기 압축된 천연가스와 극저온 팽창된 작동유체가 통과하도록 내부에 유로가 형성되어 있다. 상기 응축기(20)의 작동유체 출구 배관에는 응축된 천연가스를 상기 저장탱크(10)로 환수시켜 주기 위한 펌프(P)가 연결되고, 상기 펌프(P)의 출구에 형성된 환수배관은 상기 저장탱크(10)에 연결된다.
또한 상기 천연가스 압축부(1)로 공급되는 증발된 천연가스의 공급 온도를 조절하기 위하여 상기 콜드박스유닛(2)의 출구측 환수배관을 분기시켜 하나의 배관은 상기 저장탱크(10)에 연결하고, 다른 하나의 배관은 상기 저장탱크(10)의 출구와 상기 천연가스 압축부(1)의 입구를 연결하는 공급배관에 연결하여 바이패스배관을 형성하며, 상기 천연가스 압축부(1)로 공급되는 천연가스의 온도가 높아지면 상기 바이패스배관을 통하여 응축된 천연가스의 일부를 재순환시켜 증발된 천연가스와 응축된 천연가스를 혼합하는 방법으로 천연가스를 예냉시켜 온도를 조절한다.
여기서, 상기 바이패스배관에는 응축된 천연가스의 재순환량을 조절하도록 재순환밸브(14)가 형성되어 있으며, 상기 재순환밸브(14)의 제어방법은 상기 밸브를 수동 개폐하거나 상기 저장탱크(10)의 출구 또는 상기 천연가스 압축부(1) 입구에 온도센서(미도시됨)를 형성하여 천연가스의 공급온도에 따라 상기 재순환밸브(14)의 개폐 정도를 자동 제어하는 것도 가능하다. 상기 온도센서에 의한 재순환밸브(14)의 자동 제어는 상기 천연가스 압축부(1)로 공급되는 온도가 정상상태에 도달할 때까지만 제어되며 이후 상기 재순환밸브(14)는 닫히고 응축된 천연가스는 상기 저장탱크(10)로 환수된다.
상기 콜드박스유닛(2)은 상기 유량조절수단(3)의 출구에 연결되어(유량조절수단(3)을 경유하지 않고 작동유체 압축부(4)로부터 바로 연결되어도 무방함) 상기 유량조절수단(3)으로부터 유입되는 작동유체를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제1열교환기(21); 상기 제1열교환기(21)의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창터빈(24); 및 상기 팽창터빈(24)의 출구에 연결되어 상기 팽창터빈(24)을 통과한 극저온의 작동유체와 상기 천연가스 압축부(1)로부터 유입되는 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기(20)를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명에 의한 천연가스 액화장치의 콜드박스유닛(2)에는 작동유체의 극저온 팽창을 위하여 팽창터빈(24)이 장치되었지만, 이에 한정되지 않고 상기 팽창터빈(24)을 팽창밸브로 대체하여 사용하는 것도 가능하다.
여기서, 상기 저온부 작동유체는 상기 콜드박스유닛(2)의 팽창터빈(24)에 의하여 극저온 팽창되고 상기 응축기(20)에서 천연가스와 열교환을 실시한 후 상기 작동유체 압축부(4)로 환수되는 작동유체로 정의하고, 고온부 작동유체는 상기 작동유체 압축부(4)로부터 상기 팽창터빈(24)까지의 작동유체로 정의한다.
상기 팽창터빈(24)의 회전축에는 발전기(G)가 연결되어 상기 팽창터빈(24)에서 발생되는 전기에너지를 상기 작동유체 압축부(4) 또는 상기 천연가스 압축부(1)의 구동에너지로 이용하는 것도 가능하다.
상기 콜드박스유닛(2)은 하나의 모듈로 형성되며, 이는 제한된 공간에 상기 제1열교환기(21), 팽창터빈(24) 및 응축기(20)를 밀집시킴으로써 각 구성요소 간의 배관을 짧게 형성할 수 있어서 배관을 통한 열손실을 최소화할 수 있다. 즉, 상기 팽창터빈(24)과 상기 응축기(20)를 연결하는 배관의 길이가 짧아져 상기 팽창터빈(24) 출구에서의 작동유체의 극저온 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
또한 상기 콜드박스유닛(2)을 모듈화함에 따라 콜드박스유닛(2) 및 천연가스 액화장치의 소형화가 가능하고, 선박에 장착을 용이하게 할 수 있다.
아울러, 상기 콜드박스유닛(2)은 일반적으로 알려진 단열재로 단열하는 것이 바람직하다.
상기 작동유체 압축부(4)는 상기 팽창터빈(24)에서 작동유체(질소)가 충분히 극저온 팽창될 수 있도록 고압(약 58bar)으로 압축시켜 이를 상기 유량조절수단(3)을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 가압 공급해 주는 수단으로서 작동유체를 다단계로 압축시켜 주기 위한 복수의 작동유체 압축기(41,42,43), 상기 작동유체 압축기(41,42,43)의 압축 운전에 의하여 가열된 작동유체를 냉각시켜 주기 위하여 각 작동유체 압축기(41,42,43) 사이에 설치되는 복수의 냉각기(44,45,46) 및 상기 작 동유체 압축기(41,42,43)의 압축 운전 중 작동유체의 압력이 급격하게 상승하거나 유량이 급격하게 증가되어 전체 시스템 즉, 천연가스 액화장치가 비정상적으로 운전될 경우 이를 우회시켜 다시 상기 작동유체 압축기(41,42,43)로 유입시켜 주기 위한 서지(surge)배관으로 구성되어 있다. 여기서, 상기 서지배관에는 유량 제어를 위한 서지밸브(47)가 설치되어 있다.
본 발명에 의한 천연가스 액화장치의 작동유체 압축부(4)에는 작동유체를 3단계로 압축시켜 주기 위하여 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)가 배관에 의하여 순차적으로 연결되어 있고, 각 작동유체 압축기(41,42,43)의 출구에는 해수(海水)와의 열교환을 위한 제1 내지 제3냉각기(44,45,46)가 각각 연결되어 있다. 여기서, 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)는 하나의 회전축에 맞물려 회전되도록 정렬되어 있으며, 상기 회전축은 모터(M)에 의하여 구동되도록 연결되어 있다.
또한 상기 제1 내지 제3냉각기(44,45,46)는 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)에 의하여 작동유체가 소정 온도 이상으로 상승될 경우에만 작동시켜 냉각시켜 주며, 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 회수되는 작동유체의 온도가 낮아서 상기 작동유체 압축부(4)에 열응력(thermal stress)이 가해질 경우에는 상기 제1 내지 제3냉각기(44,45,46)의 작동을 조절하는 것이 바람직하다.
상기 유량조절수단(3)은 상기 작동유체 압축부(4)와 상기 콜드박스유닛(2) 사이에 위치되어 상기 작동유체 압축부(4)로부터 가압 공급되는 작동유체의 유량 및 온도를 조절하여 이를 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급하는 제어 수단으로서 상 기 가압 공급되는 작동유체의 일부를 다양한 경로를 통하여 상기 작동유체 압축부(4)로 재순환시켜 주도록 연결되는 3개의 바이패스배관, 상기 바이패스배관에 의하여 결정되는 각 경로 상에 설치되는 4개의 밸브(31,32,33,34) 및 상기 바이패스배관들 중 특정 배관에 설치되어 작업유체를 저온 팽창시켜 주기 위한 팽창밸브(30)로 구성되어 있다.
상기 복수의 바이패스배관, 팽창밸브(30) 및 복수의 밸브(31,32,33,34)의 설치 위치를 각각 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1바이패스배관은 냉동부하 변동시 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 일부를 우회시켜 작동유체의 유량을 조절하기 위한 배관으로서, 최후단의 제3작동유체 압축기(43)에 연결된 제3냉각기(46)로부터 연장된 작동유체 공급배관에서 분기되어 상기 콜드박스유닛(2)의 출구와 상기 작동유체 압축부(4)의 입구를 연결해 주는 회수배관에 연결되는 배관이다. 상기 제1바이패스배관에는 팽창밸브(30)가 설치되고, 상기 팽창밸브(30)의 전(입구)측 배관에는 제1밸브(31)가 설치되어 있으며, 상기 팽창밸브(30)의 후(출구)측 배관에는 제2밸브(32)가 설치되어 있다.
상기 제1바이패스배관을 통과하는 작동유체의 유량 조절은 팽창밸브(30)의 전후측에 설치된 밸브를 조작하여 조절할 수 있다.
다음으로, 제2바이패스배관은 최후단의 제3작동유체 압축기(43) 출구와 상기 제1바이패스배관에 설치된 팽창밸브(30)의 입구측 배관을 연결해 주는 배관이며, 상기 제2바이패스배관에는 제3밸브(33)가 설치되어 있다.
상기 제2바이패스배관은 최후단의 제3작동유체 압축기(43)에 의하여 압축된 작동유체의 온도가 약 40℃ 이상으로 가열되지 않은 상태에서 냉동시스템의 냉동부하가 감소 되었을 경우에 상기 최후단의 제3작동유체 압축기(43)에 연결된 제3냉각기(46)를 거치지 않고 작동유체의 일부를 우회시켜 작동유체의 유량을 조절하기 위한 배관이다. 여기서, 상기 제2바이패스배관으로 작동유체의 일부를 우회시켜 주는 온도 조건이 약 40℃인 이유는 일반적으로 상기 작동유체 압축부(4)에 의하여 압축되어 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 온도가 대략 40℃ 정도이기 때문이다. 만일 최후단의 제3냉각기(46)에 의하여 작동유체의 온도가 40℃ 이하로 냉각된 상태에서 작동유체의 일부가 상기 제1바이패스배관에 설치된 팽창밸브(30)로 우회될 경우 상기 팽창밸브(30)에 의하여 팽창된 작동유체의 온도가 영하 수십 도(℃)까지 낮아지게 되고, 영하로 냉각된 작동유체가 상기 작동유체 압축부(4)로 회수될 경우 상기 작동유체 압축부(4)에 열응력이 가해질 수 있기 때문에 작동유체의 온도를 적정 온도로 유지하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 제3바이패스배관은 상기 제1바이패스배관에 설치된 팽창밸브(30)의 출구와 상기 콜드박스유닛(2)의 출구측 회수배관을 연결해 주는 배관이며, 상기 제3바이패스배관에는 제4밸브(34)가 설치되어 있고, 상기 제3바이패스배관과 상기 콜드박스유닛(2)의 입구측 공급배관이 상호 교차되어 열교환이 이루어지도록 예냉기(35)가 형성되어 있다.
상기 제3바이패스배관은 최후단의 제3냉각기(46)에 의하여 냉각되어 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 고온부 작동유체의 온도가 40℃ 이상으로 유입될 경우 이를 상기 제1바이패스배관에 설치된 팽창밸브(30)에 의하여 저온 팽창된 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 배관으로서 이를 위해서는 반드시 열교환기 형태의 예냉기(35)가 형성되어 있어야 한다.
한편으로, 질소를 이용한 극저온 냉동사이클에 있어서, 상기 제1작동유체 압축기(41) 전단 근처에 작은 사이즈의 질소 버퍼탱크를 연결하여 상기 극저온 냉동사이클의 운전 과정에서 증감되는 소량의 질소를 보충하거나 조절하는 것도 가능하다.
상기 제1 내지 제3바이패스배관에 설치된 제1 내지 제4밸브(31,32,33,34)를 이용하여 다양한 방법으로 작동유체의 유량 및 온도 조절을 실시하는 각각의 운전모드는 후술되어질 본 발명의 천연가스 액화장치의 운전방법 부분에서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 제1실시예에 의한 천연가스 액화장치의 운전방법은 증발된 천연가스 순환과정과 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클로 구분하여 설명하기로 한다.
먼저, 증발된 천연가스의 순환과정을 설명하면, 상기 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스가 외부의 온도차에 의하여 증발되어 내부 압력이 설정 압력 이상으로 상승되면 상기 저장탱크(10)의 출구에 형성된 안전밸브(13)가 개방되어 증발된 천연가스가 배출된다. 이때, 상기 증발된 천연가스의 온도가 설정온도 즉, -120℃ 이상인 경우에는 상기 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스 또는 상기 응축기(20)로부터 유입되는 액화 천연가스의 일부가 상기 증발된 천연가스와 혼합되어 상기 천연가스 압축부(1)로 공급되는 천연가스가 1.03bar, -120℃로 유지되도록 한다. 여기서, 상기 액화 천연가스를 재순환시켜 주기 위해서는 환수배관의 바이패스배관에 설치된 재순환밸브(14)를 개방하여 액화된 천연가스의 일부가 유입되어 상기 증발된 천연가스와 혼합되도록 한다. 또한 상기 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스를 투입하기 위해서는 상기 저장탱크(10)의 하부에 형성된 배관(미도시됨)이 증발된 천연가스의 공급배관과 연결되도록 배관을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 천연가스 압축부(1)로 유입된 증발된 천연가스는 2단의 천연가스 압축기(11,12)에서 3.2bar, -50.83℃로 압축되어 고온 고압의 과열 상태가 된다.
상기 압축된 천연가스는 상기 콜드박스유닛(2)의 응축기(20)에서 질소 냉동사이클에 의하여 극저온 팽창된 작동유체(질소)와 열교환되어 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 액화된다.
상기 액화된 천연가스는 환수배관에 설치된 펌프(P)를 통하여 상기 저장탱크(10)로 환수되어 저장되고, 천연가스 액화장치의 초기 운전시 또는 상기 저장탱크(10)로부터 배출되는 천연가스가 고온으로 배출될 경우에는 액화 천연가스의 일부가 상기 재순환밸브(14)를 통하여 상기 증발된 천연가스와 혼합되도록 재투입된다. 여기서, 상기 저장탱크(10)로의 액화 천연가스의 환수방법은 저장탱크(10) 상부에서 분무헤드를 통하여 살포하거나 저장탱크(10) 바닥으로 공급하는 방법이 있다. 상기 저장탱크(10)의 바닥으로 유입되면 액화된 천연가스에 포함된 미응축 기체 중 질소성분이 액화 천연가스 내부에 용해되어 가스상 내의 질소 비율이 낮게 유지된 다. 질소는 액화점이 액화 천연가스의 주성분인 메탄보다 낮기 때문에 증발된 천연가스 내에 질소 함량의 증가를 방지하면 2단의 천연가스 압축기(11,12) 또는 응축기(20)의 부하를 줄일 수 있다.
다음으로, 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클의 운전과정을 설명하면, 14.2bar, 35.46℃의 질소 가스가 3단의 작동유체 압축기(41,42,43)와 냉각기(44,45,46)를 통과한 후 압력이 상승되어 58bar, 43℃로 승압되고, 상기 압축된 작동유체(질소)는 유량조절수단(3)의 운전모드에 따라서 유로가 결정되어 공급배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급된다.
상기 콜드박스유닛(2)으로 공급된 질소 가스는 제1열교환기(21)에서 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와의 열교환으로 58bar, -105℃로 냉각되고, 상기 고압의 작동유체가 상기 팽창터빈(24)을 지나면서 10.5bar, 167℃의 극저온, 저압 가스로 팽창되어 더욱 냉각된다.
상기 극저온의 작동유체는 상기 응축기(20)에서 상기 천연가스 압축부(1)로부터 공급되는 증발된 천연가스와 열교환되어 상기 천연가스를 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 액화시켜 주고, 동시에 상기 극저온의 작동유체는 10.3bar, -134℃로 온도가 상승된다.
상기 작동유체는 상기 제1열교환기(21)에서 상기 작동유체 압축부(4)로부터 공급된 고온부 작동유체와의 열교환으로 10bar, 40℃로 가열된 후 상기 회수배관을 통하여 상기 유량조절수단(3)을 거쳐 상기 작동유체 압축부(4)로 재투입되어 극저온 냉동사이클을 완성한다.
이때, 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 유입되는 작동유체가 40℃ 이하로 유입되면, 상기 유량조절수단(3)을 적절한 운전모드로 전환하여 고온부 작동유체의 일부를 바이패스시켜 상기 저온부 작동유체와 혼합되도록 하여 상기 작동유체 압축부(4)로 유입되는 작동유체의 온도를 조절하는 것이 필요하다.
상기 유량조절수단(3)을 통과하는 작동유체의 유로를 결정하는 운전모드는 기본적으로 4개의 경우로 정의되지만, 이에 한정되지 않고 극저온 냉동부하의 변동에 따라 적어도 2가지 이상의 운전모드를 혼합하여 작동유체를 순환시켜 주는 것도 가능하다.
여기서, 상기 유량조절수단(3)의 운전모드 변경에 따라 대응할 수 있는 증발된 천연가스의 액화 운전부하는 70 ~ 100% 범위로 조절이 가능하다.
운전모드1
상기 유량조절수단(3)의 운전모드1은 상기 천연가스 액화장치의 운전부하(천연가스 공급량/액화 가능한 천연가스량)가 100% 이하인 경우 상기 제1바이패스배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛(2)의 응축기(20)로 공급되는 작동유체의 유량을 감소시켜 주는 운전모드이다.
이를 위해서는, 상기 제1바이패스배관에 설치된 제1 및 제2밸브(31,32)를 열고, 상기 제2바이패스배관에 설치된 제3밸브(33)와 상기 제3바이패스배관에 설치된 제4밸브(34)를 닫아서 작동유체의 바이패스 경로를 형성한다.
상기한 방법으로 바이패스 경로가 형성되면, 상기 작동유체 압축부(4)에서 압축된 작동유체의 일부가 상기 제1바이패스배관에 설치된 팽창밸브(30)를 통하여 저온 팽창되어 우회되고, 이는 상기 콜드박스유닛(2)의 출구를 통하여 회수되는 저온부 작동유체와 혼합되어 상기 작동유체 압축부(4)로 유입된다. 이때, 상기 팽창밸브(30)를 통과하는 작동유체는 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 회수되는 작동유체의 온도 및 압력에 근접하게 저온 팽창되는 것이 바람직하며, 특히 혼합된 작동유체의 온도가 적정 온도 이하로 낮아져 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)에 열응력으로 작용하거나 혼합된 작동유체의 압력이 적정 압력 이상으로 상승되어 압축 효율이 낮아지지 않도록 하는 것이 중요하다.
상기 제1바이패스배관을 통과하는 작동유체의 유량은 상기 제1 및 제2밸브(31,32)의 개방 정도에 따라 조절되며, 이는 상기 천연가스 액화장치로 공급되는 증발된 천연가스량의 변동(부하 변동)에 따라 조절가능하다.
운전모드2
상기 유량조절수단(3)의 운전모드2는 상기 천연가스 액화장치의 운전부하(천연가스 공급량/액화 가능한 천연가스량)가 100% 이하이고, 최후단의 제3작동유체 압축기(43) 출구에서의 작동유체 온도가 소정 온도(약 40℃) 이하인 경우 상기 제2바이패스배관과 상기 제1바이패스배관의 후단을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛(2)의 응축기(20)로 공급 되는 작동유체의 유량을 감소시켜 주는 운전모드이다.
이를 위해서는, 상기 제1바이패스배관에 설치된 제1밸브(31)를 닫고, 상기 제1바이패스배관에 설치된 제2밸브(32)와 상기 제2바이패스배관에 설치된 제3밸브(33)를 열고, 상기 제3바이패스배관에 설치된 제4밸브(34)를 닫아서 작동유체의 바이패스 경로를 형성한다.
상기한 방법으로 바이패스 경로가 형성되면, 상기 최후단의 제3작동유체 압축기(43)의 출구에 연결된 제2바이패스배관을 통하여 압축된 작동유체의 일부가 공급되고, 상기 제1바이패스배관에 설치된 팽창밸브(30)에서 저온 팽창되어 상기 제1바이패스배관의 후단을 통하여 우회되며, 이는 상기 콜드박스유닛(2)의 출구를 통하여 회수되는 저온부 작동유체와 혼합되어 상기 작동유체 압축부(4)로 유입된다. 이때, 상기 팽창밸브(30)를 통과하는 작동유체는 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 회수되는 작동유체의 온도 및 압력에 근접하게 저온 팽창되는 것이 바람직하며, 특히 혼합된 작동유체의 온도가 적정 온도 이하로 낮아져 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)에 열응력으로 작용하거나 혼합된 작동유체의 압력이 적정 압력 이상으로 상승되어 압축 효율이 낮아지지 않도록 하는 것이 중요하다.
상기 제2바이패스배관 및 제1바이패스배관의 후단을 통과하는 작동유체의 유량은 상기 제2 및 제3밸브(32,33)의 개방 정도에 따라 조절되며, 이는 상기 천연가스 액화장치로 공급되는 증발된 천연가스량의 변동(부하 변동)에 따라 조절가능하다.
운전모드3
상기 유량조절수단(3)의 운전모드3은 상기 천연가스 액화장치의 운전부하(천연가스 공급량/액화 가능한 천연가스량)가 100% 이하이고, 공급배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 온도가 고온인 경우 상기 제1바이패스배관의 전단과 상기 제3바이패스배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛(2)의 응축기(20)로 공급되는 작동유체의 유량을 감소시킴과 동시에 상기 공급배관을 통과하는 고온의 작동유체를 예냉시켜 주는 운전모드이다.
이를 위해서는, 상기 제1바이패스배관에 설치된 제1밸브(31)를 열고, 상기 제1바이패스배관에 설치된 제2밸브(32)와 상기 제2바이패스배관에 설치된 제3밸브(33)를 닫고, 상기 제3바이패스배관에 설치된 제4밸브(34)를 열어서 작동유체의 바이패스 경로를 형성한다. 여기서, 상기 콜드박스유닛(2)의 입구와 연결되는 공급배관과 교차되는 상기 제3바이패스배관에는 상기 공급배관을 통과하는 고온의 작동유체와의 열교환을 위한 예냉기(35)가 설치되어 있다.
상기한 방법으로 바이패스 경로가 형성되면, 상기 작동유체 압축부(4)에서 압축된 작동유체의 일부가 상기 제1바이패스배관을 통하여 공급되어 팽창밸브(30)에서 저온 팽창되고, 저온 팽창된 작동유체는 상기 팽창밸브(30)의 출구에 연결된 제3바이패스배관으로 유도되어 상기 예냉기(35)에서 고온의 작동유체와 열교환되며, 이후 상기 콜드박스유닛(2)의 출구를 통하여 회수되는 저온부 작동유체와 혼합되어 상기 작동유체 압축부(4)로 유입된다. 이때, 상기 팽창밸브(30)를 통과하는 작동유체는 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 회수되는 작동유체의 온도 및 압력에 근접하게 저온 팽창되는 것이 바람직하며, 특히 혼합된 작동유체의 온도가 적정 온도 이하로 낮아져 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)에 열응력으로 작용하거나 혼합된 작동유체의 압력이 적정 압력 이상으로 상승되어 압축 효율이 낮아지지 않도록 하는 것이 중요하다.
상기 제1바이패스배관이 전단 및 제3바이패스배관을 통과하는 작동유체의 유량은 상기 제1 및 제4밸브(31,34)의 개방 정도에 따라 조절되며, 이는 상기 천연가스 액화장치로 공급되는 증발된 천연가스량의 변동(부하 변동)에 따라 조절가능하다.
운전모드4
상기 유량조절수단(3)의 운전모드4는 상기 천연가스 액화장치의 운전부하(천연가스 공급량/액화 가능한 천연가스량)가 100% 이하이고, 최후단의 제3작동유체 압축기(43) 출구에서의 작동유체 온도가 소정 온도(약 40℃) 이하이며, 공급배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 온도가 고온인 경우 상기 제2바이패스배관과 상기 제3바이패스배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛(2)의 응축기(20)로 공급되는 작동유체의 유량을 감소시킴과 동시에 상기 공급배관을 통과하는 고온의 작동유체를 예냉시켜 주는 운전모드이다.
이를 위해서는, 상기 제1바이패스배관에 설치된 제1 및 제2밸브(31,32)를 닫 고, 상기 제2바이패스배관에 설치된 제3밸브(33)와 상기 제3바이패스배관에 설치된 제4밸브(34)를 열어서 작동유체의 바이패스 경로를 형성한다. 여기서, 상기 콜드박스유닛(2)의 입구와 연결되는 공급배관과 교차되는 상기 제3바이패스배관에는 상기 공급배관을 통과하는 고온의 작동유체와의 열교환을 위한 예냉기(35)가 설치되어 있다.
상기한 방법으로 바이패스 경로가 형성되면, 상기 최후단의 제3작동유체 압축기(43)의 출구에 연결된 제2바이패스배관을 통하여 압축된 작동유체의 일부가 공급되어 팽창밸브(30)에서 저온 팽창되고, 저온 팽창된 작동유체는 상기 팽창밸브(30)의 출구에 연결된 제3바이패스배관으로 유도되어 상기 예냉기(35)에서 고온의 작동유체와 열교환되며, 이후 상기 콜드박스유닛(2)의 출구를 통하여 회수되는 저온부 작동유체와 혼합되어 상기 작동유체 압축부(4)로 유입된다. 이때, 상기 팽창밸브(30)를 통과하는 작동유체는 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 회수되는 작동유체의 온도 및 압력에 근접하게 저온 팽창되는 것이 바람직하며, 특히 혼합된 작동유체의 온도가 적정 온도 이하로 낮아져 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)에 열응력으로 작용하거나 혼합된 작동유체의 압력이 적정 압력 이상으로 상승되어 압축 효율이 낮아지지 않도록 하는 것이 중요하다.
상기 제2바이패스배관 및 제3바이패스배관을 통과하는 작동유체의 유량은 상기 제3 및 제4밸브(33,34)의 개방 정도에 따라 조절되며, 이는 상기 천연가스 액화장치로 공급되는 증발된 천연가스량의 변동(부하 변동)에 따라 조절가능하다.
본 발명에 의하면, 상기한 운전모드1 내지 4 중 하나의 운전모드 또는 적어 도 2가지 이상의 운전모드를 혼합한 모드에 의하여 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛(2)에 공급되는 작동유체의 유량을 조절하는 경우에도 상기 작동유체 압축부(4)로 유입되는 압력 및 총 유량은 항상 일정하기 때문에 상기 제1 내지 제3작동유체 압축기(41,42,43)의 운전 제어가 간단하고, 서지(surge)의 염려가 없다.
또한 상기한 운전모드3 또는 4에 의하여 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛(2)에 공급되는 작동유체의 유량을 조절할 경우 상기 콜드박스유닛(2)으로 공급되는 고온 고압의 작동유체가 상기 팽창밸브(30)에 의하여 저온 팽창된 작동유체에 의하여 상기 제3바이패스배관에 설치된 예냉기(35)에서 열교환되어 예냉되므로 상기 콜드박스유닛(2)의 응축기(20) 효율이 향상되는 효과가 있다.
아울러, 상기 유량조절수단(3)의 팽창밸브(30)에 의하여 저온 팽창된 작동유체가 상기 콜드박스유닛(2)으로부터 유입되는 작동유체와 혼합된 후 상기 작동유체 압축부(4)로 유입되기 때문에 상기 작동유체 압축부(4)로 유입되는 작동유체의 온도 제어가 가능하며, 그 결과 고온의 작동유체가 유입될 경우 냉각수단으로 사용되었던 냉각수 펌프 또는 냉각팬을 사용하지 않게 되어 상기 냉각수단의 동력을 절감할 수 있는 효과가 있다.
(제2실시예)
도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도이다.
본 발명의 제2실시예에 의한 천연가스 액화장치는 본 발명의 출원인에 의하여 기출원된 특허출원 제2005-78588호에 기재된 구성에 유량조절수단(3)을 부가하여 증발된 천연가스의 부하 변동에 대응하여 운전을 실시하도록 구성된 장치이다.
본 발명의 제2실시예에 의한 천연가스 액화장치는 상기한 제1실시예에 대하여 콜드박스유닛(2a)의 구성과 상기 콜드박스유닛(2a)의 출구에 기액분리기(15)가 부가된 것만이 상이하고, 나머지 구성 및 각 구성의 연결관계는 제1실시예와 동일하다. 또한 본 발명의 제2실시예는 콜드박스유닛(2a)을 통한 냉동사이클의 운전방법만이 상이하고, 나머지 구성에 대한 운전방법 특히, 유량조절수단(3)에 대한 운전방법은 상기한 제1실시예와 동일하다.
따라서, 본 발명의 제2실시예에서는 제1실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하고, 제1실시예와 상이한 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 콜드박스유닛(2a)은 상기 유량조절수단(3)의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단(3)으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기(22); 상기 제2열교환기(22)의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기(21); 상기 제1열교환기(21)로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기(21)로 재투입하여 상기 제1열교환기(21)를 지나는 예냉된 작동유체를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈(26); 상기 제1열교환기(21)의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브(25); 및 상기 팽창밸브(25)의 출 구에 연결되어 상기 팽창밸브(25)를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 천연가스 압축부(1)로부터 유입되는 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기(20)를 포함하여 구성된다.
상기 콜드박스유닛(2a)의 출구에는 기액분리기(15)가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프(P)에 의하여 상기 저장탱크(10)로 환수되거나 상기 바이패스배관을 통하여 천연가스 압축부(1)로 재투입되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부(1)로 재투입되거나 배출된다.
상기와 같이 상기 제2열교환기(22)에 의하여 작동유체를 예냉하고, 상기 팽창터빈(26)에 의하여 저온 팽창된 작동유체를 상기 제1열교환기(21)로 재투입시켜 상기 팽창밸브(25)로 공급되는 작동유체를 더욱 냉각시켜 줌으로써 상기 팽창밸브(25)로 공급되는 작동유체의 온도를 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 콜드박스유닛(2a)은 하나의 모듈로 형성되며, 이는 제한된 공간에 상기 제1 및 제2열교환기(21,22), 팽창밸브(25), 팽창터빈(26) 및 응축기(20)를 밀집시킴으로써 각 구성요소 간의 배관을 짧게 형성할 수 있어서 배관을 통한 열손실을 최소화할 수 있다.
상기 팽창터빈(26)의 회전축에는 발전기(G)가 연결되어 상기 팽창터빈(26)에서 발생되는 전기에너지를 상기 작동유체 압축부(4) 또는 상기 천연가스 압축부(1)의 구동에너지로 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 제2실시예에 의한 천연가스 액화장치의 운전방법은 증발된 천연가 스 순환과정과 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클로 구분하여 간략하게 설명하기로 한다.
먼저, 증발된 천연가스의 순환과정을 설명하면, 상기 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스가 외부의 온도차에 의하여 증발되어 내부 압력이 설정 압력 이상으로 상승되면 상기 저장탱크(10)의 출구에 형성된 안전밸브(13)가 개방되어 증발된 천연가스가 배출된다. 이때, 상기 증발된 천연가스는 액화된 천연가스와 적절히 혼합시켜 1.03bar, -120℃로 유지되도록 한다.
상기 천연가스 압축부(1)로 유입된 증발된 천연가스는 2단의 천연가스 압축기(11,12)에서 2.5bar, -73℃로 압축되어 고온 고압의 과열 상태가 된다.
상기 압축된 천연가스는 상기 콜드박스유닛(2a)의 응축기(20)에서 질소 냉동사이클에 의하여 극저온 팽창된 작동유체(질소)와 열교환되어 2.3bar, -155℃의 과냉 액체로 액화된다.
상기 액화된 천연가스는 상기 기액분리기(15)에서 기체와 액체가 분리된 후 액체 상태의 천연가스가 환수배관에 설치된 펌프(P)를 통하여 상기 저장탱크(10)로 환수되어 저장되고, 천연가스 액화장치의 초기 운전시 또는 상기 저장탱크(10)로부터 배출되는 천연가스가 고온으로 배출될 경우에는 액화 천연가스의 일부가 상기 재순환밸브(14)를 통하여 상기 증발된 천연가스와 혼합되도록 재투입된다.
다음으로, 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클의 운전과정을 설명하면, 14bar, 35.4℃의 질소 가스가 3단의 작동유체 압축기(41,42,43)와 냉각기(44,45,46)를 통과한 후 압력이 상승되어 58bar, 43℃로 승압되고, 상기 압축된 작 동유체(질소)는 유량조절수단(3)의 운전모드에 따라서 유로가 결정되어 공급배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2a)으로 공급된다.
상기 콜드박스유닛(2a)으로 공급된 질소 가스는 제2열교환기(22)에서 저온부 작동유체와의 열교환으로 57.3bar, -83.5℃로 예냉되고, 제1열교환기(21)에서 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와의 열교환으로 57.5bar, -137.9℃로 냉각되고, 상기 고압의 작동유체가 상기 팽창밸브(25)를 지나면서 14.6bar, -163℃의 극저온, 저압 가스로 팽창되어 더욱 냉각된다. 여기서, 상기 제1열교환기(21)로 유입되는 저온부 작동유체는 상기 제1열교환기(21)로 공급되는 고온부 작동유체의 일부를 바이패스시켜 상기 팽창터빈(26)에서 14.5bar, -140℃로 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와 혼합한 작동유체이다.
상기 극저온의 작동유체는 상기 응축기(20)에서 상기 천연가스 압축부(1)로부터 공급되는 증발된 천연가스와 열교환되어 상기 천연가스를 2.3bar, -155℃의 과냉 액체로 액화시켜 주고, 동시에 상기 극저온의 작동유체는 14.4bar, -138.9℃로 온도가 상승된다.
상기 작동유체는 상기 제1열교환기(21)에서 상기 작동유체 압축부(4)로부터 공급된 고온부 작동유체와의 열교환으로 14.2bar, -106℃로 가열되고, 상기 제2열교환기(22)를 통과하면서 14bar, 35.4℃로 가열된 후 상기 회수배관을 통하여 상기 유량조절수단(3)을 거쳐 상기 작동유체 압축부(4)로 재투입되어 극저온 냉동사이클을 완성한다.
(제3실시예)
도 4는 본 발명의 제3실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도이다.
본 발명의 제3실시예에 의한 천연가스 액화장치는 본 발명의 출원인에 의하여 기출원된 특허출원 제2005-109931호에 기재된 구성에 유량조절수단(3)을 부가하여 증발된 천연가스의 부하 변동에 대응하여 운전을 실시하도록 구성된 장치이다.
본 발명의 제3실시예에 의한 천연가스 액화장치는 상기한 제1 및 제2실시예에 대하여 콜드박스유닛(2b)의 구성이 상이하고, 제1실시예에 대하여 상기 콜드박스유닛(2b)의 출구에 기액분리기(15)가 부가된 것만이 상이하며, 나머지 구성 및 각 구성의 연결관계는 제1 및 제2실시예와 동일하다. 또한 본 발명의 제3실시예는 콜드박스유닛(2b)을 통한 냉동사이클의 운전방법만이 상이하고, 나머지 구성에 대한 운전방법 특히, 유량조절수단(3)에 대한 운전방법은 상기한 제1실시예와 동일하다.
따라서, 본 발명의 제3실시예에서는 제1실시예와 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하고, 제1실시예와 상이한 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 콜드박스유닛(2b)은 상기 유량조절수단(3)의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단(3)으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기(22); 상기 제2열교환기(22)의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체, 상기 천연가스 압축부(1)로부터 유입되는 천연가스 및 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체가 지나도록 3경로를 형성하고, 상기 예냉된 작동유 체와 천연가스를 상기 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기(21a); 상기 제1열교환기(21a)로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기(21a)로 재투입하여 상기 제1열교환기(21a)를 지나는 예냉된 작동유체와 천연가스를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈(26); 상기 제1열교환기(21a)의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브(25); 및 상기 팽창밸브(25)의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브(25)를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 제1열교환기(21a)를 통과한 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기(20)를 포함하여 구성된다.
상기 콜드박스유닛(2b)의 출구에는 기액분리기(15)가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프(P)에 의하여 상기 저장탱크(10)로 환수되거나 상기 바이패스배관을 통하여 천연가스 압축부(1)로 재투입되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부(1)로 재투입되거나 배출된다.
상기와 같이 상기 천연가스 압축부(1)에서 압축된 천연가스를 상기 제1열교환기(21a)에서 예냉함으로써 증발된 천연가스의 발생량 또는 온도 변화가 있어도 상기 응축기(20) 입구에서 증발된 천연가스의 온도를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있다. 또한 상기 제2열교환기(22)에 의하여 작동유체를 예냉하고, 상기 팽창터빈(26)에 의하여 저온 팽창된 작동유체를 상기 제1열교환기(21a)로 재투입시켜 상기 팽창밸브(25)로 공급되는 작동유체를 더욱 냉각시켜 줌으로써 상기 팽창밸브(25)로 공급되는 작동유체의 온도를 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 콜드박스유닛(2b)은 하나의 모듈로 형성되며, 상기 팽창터빈(26)의 회전축에는 발전기(G)를 연결하여 전기에너지를 얻을 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 의한 천연가스 액화장치의 운전방법은 증발된 천연가스 순환과정과 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클로 구분하여 간략하게 설명하기로 한다.
먼저, 증발된 천연가스의 순환과정을 설명하면, 상기 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스가 외부의 온도차에 의하여 증발되어 내부 압력이 설정 압력 이상으로 상승되면 상기 저장탱크(10)의 출구에 형성된 안전밸브(13)가 개방되어 증발된 천연가스가 배출된다. 이때, 상기 증발된 천연가스는 액화된 천연가스와 적절히 혼합시켜 1.03bar, -120℃로 유지되도록 한다.
상기 천연가스 압축부(1)로 유입된 증발된 천연가스는 2단의 천연가스 압축기(11,12)에서 3.6bar, -41.98℃로 압축되어 고온 고압의 과열 상태가 된다.
상기 압축된 천연가스는 내부에 3경로가 형성된 제1열교환기(21a)에서 저온부 작동유체와의 열교환으로 3.3bar, -134℃로 냉각되고, 그 다음 상기 콜드박스유닛(2b)의 응축기(20)를 통과하면서 질소 냉동사이클에 의하여 극저온 팽창된 작동유체(질소)와 열교환되어 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 액화된다.
상기 액화된 천연가스는 상기 기액분리기(15)에서 기체와 액체가 분리된 후 액체 상태의 천연가스가 환수배관에 설치된 펌프(P)를 통하여 상기 저장탱크(10)로 환수되어 저장되고, 천연가스 액화장치의 초기 운전시 또는 상기 저장탱크(10)로부 터 배출되는 천연가스가 고온으로 배출될 경우에는 액화 천연가스의 일부가 상기 재순환밸브(14)를 통하여 상기 증발된 천연가스와 혼합되도록 재투입된다.
다음으로, 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클의 운전과정을 설명하면, 14.3bar, 36.08℃의 질소 가스가 3단의 작동유체 압축기(41,42,43)와 냉각기(44,45,46)를 통과한 후 압력이 상승되어 58bar, 40℃로 승압되고, 상기 압축된 작동유체(질소)는 유량조절수단(3)의 운전모드에 따라서 유로가 결정되어 공급배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2b)으로 공급된다.
상기 콜드박스유닛(2b)으로 공급된 질소 가스는 제2열교환기(22)에서 저온부 작동유체와의 열교환으로 57.7bar, -70℃로 예냉되고, 3경로의 제1열교환기(21a)에서 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체 및 압축된 천연가스와의 열교환으로 57.4bar, -132℃로 냉각되고, 상기 고압의 작동유체가 상기 팽창밸브(25)를 지나면서 15.2bar, -162.6℃의 극저온, 저압 가스로 팽창되어 더욱 냉각된다. 여기서, 상기 제1열교환기(21a)로 유입되는 저온부 작동유체는 상기 제1열교환기(21a)로 공급되는 고온부 작동유체의 일부를 바이패스시켜 상기 팽창터빈(26)에서 15.2bar, -129.3℃로 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와 혼합한 작동유체이다.
상기 극저온의 작동유체는 상기 응축기(20)에서 상기 천연가스 압축부(1)로부터 공급되는 증발된 천연가스와 열교환되어 상기 천연가스를 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 액화시켜 주고, 동시에 상기 극저온의 작동유체는 14.9bar, -145℃로 온도가 상승된다.
상기 작동유체는 상기 제1열교환기(21a)에서 상기 작동유체 압축부(4)로부터 공급된 고온부 작동유체 및 압축된 천연가스와의 열교환으로 14.6bar, -86.42℃로 가열되고, 상기 제2열교환기(22)를 통과하면서 14.3bar, 36.08℃로 가열된 후 상기 회수배관을 통하여 상기 유량조절수단(3)을 거쳐 상기 작동유체 압축부(4)로 재투입되어 극저온 냉동사이클을 완성한다.
(제4실시예)
도 5는 본 발명의 제4실시예에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치의 시스템 개략도이다.
본 발명의 제4실시예에 의한 천연가스 액화장치는 본 발명의 출원인에 의하여 기출원된 특허출원 제2006-1271호에 기재된 구성에 유량조절수단(3)을 부가하여 증발된 천연가스의 부하 변동에 대응하여 운전을 실시하도록 구성된 장치이다.
본 발명의 제4실시예에 의한 천연가스 액화장치는 상기한 제1 내지 제3실시예에 대하여 콜드박스유닛(2c)의 구성이 상이하고, 제1실시예에 대하여 상기 콜드박스유닛(2c)의 출구에 기액분리기(15)가 부가된 것만이 상이하며, 나머지 구성 및 각 구성의 연결관계는 제1 내지 제3실시예와 동일하다. 또한 본 발명의 제4실시예는 콜드박스유닛(2c)을 통한 냉동사이클의 운전방법만이 상이하고, 나머지 구성에 대한 운전방법 특히, 유량조절수단(3)에 대한 운전방법은 상기한 제1실시예와 동일하다.
따라서, 본 발명의 제4실시예에서는 제1실시예와 중복되는 부분에 대한 설명 은 생략하고, 제1실시예와 상이한 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 콜드박스유닛(2c)은 상기 유량조절수단(3)의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단(3)으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기(22); 상기 제2열교환기(22)의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체, 상기 천연가스 압축부(1)로부터 유입되는 천연가스 및 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체가 지나도록 3경로를 형성하고, 상기 예냉된 작동유체와 천연가스를 상기 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기(21a); 상기 제1열교환기(21a)의 출구에 연결되어 상기 제1열교환기(21a)로부터 유입되는 고온부 작동유체를 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제3열교환기(23); 상기 제1열교환기(21a)로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 제3열교환기(23)를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기(21a)로 재투입하여 상기 제1열교환기(21a)를 지나는 예냉된 작동유체와 천연가스를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈(26); 상기 제3열교환기(23)의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브(25); 및 상기 팽창밸브(25)의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브(25)를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 제1열교환기(21a)를 통과한 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기(20)를 포함하여 구성된다.
상기 콜드박스유닛(2c)의 출구에는 기액분리기(15)가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프(P)에 의하여 상기 저장탱크(10)로 환수되거나 상기 바이패스배관 을 통하여 천연가스 압축부(1)로 재투입되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부(1)로 재투입되거나 배출된다.
상기와 같이 상기 천연가스 압축부(1)에서 압축된 천연가스를 상기 제1열교환기(21a)에서 예냉함으로써 증발된 천연가스의 발생량 또는 온도 변화가 있어도 상기 응축기(20) 입구에서 증발된 천연가스의 온도를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있다. 또한 상기 제2열교환기(22)에 의하여 작동유체를 예냉하고, 상기 팽창터빈(26)에 의하여 저온 팽창된 작동유체를 상기 제1열교환기(21a)로 재투입시켜 고온부 작동유체를 냉각시켜 주며, 상기 제3열교환기(23)에서 상기 팽창밸브(25)로 공급되는 작동유체를 더욱 냉각시켜 줌으로써 상기 팽창밸브(25)로 공급되는 작동유체의 온도를 더욱 안정적으로 유지할 수 있다.
상기 콜드박스유닛(2c)은 하나의 모듈로 형성되며, 상기 팽창터빈(26)의 회전축에는 발전기(G)를 연결하여 전기에너지를 얻을 수 있다.
본 발명의 제4실시예에 의한 천연가스 액화장치의 운전방법은 증발된 천연가스 순환과정과 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클로 구분하여 간략하게 설명하기로 한다.
먼저, 증발된 천연가스의 순환과정을 설명하면, 상기 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 천연가스가 외부의 온도차에 의하여 증발되어 내부 압력이 설정 압력 이상으로 상승되면 상기 저장탱크(10)의 출구에 형성된 안전밸브(13)가 개방되어 증발된 천연가스가 배출된다. 이때, 상기 증발된 천연가스는 액화된 천연가스와 적절히 혼합시켜 1.03bar, -120℃로 유지되도록 한다.
상기 천연가스 압축부(1)로 유입된 증발된 천연가스는 2단의 천연가스 압축기(11,12)에서 3.2bar, -50.83℃로 압축되어 고온 고압의 과열 상태가 된다.
상기 압축된 천연가스는 내부에 3경로가 형성된 제1열교환기(21a)에서 저온부 작동유체와의 열교환으로 3.1bar, -130℃로 냉각되고, 그 다음 상기 콜드박스유닛(2c)의 응축기(20)를 통과하면서 질소 냉동사이클에 의하여 극저온 팽창된 작동유체(질소)와 열교환되어 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 액화된다.
상기 액화된 천연가스는 상기 기액분리기(15)에서 기체와 액체가 분리된 후 액체 상태의 천연가스가 환수배관에 설치된 펌프(P)를 통하여 상기 저장탱크(10)로 환수되어 저장되고, 천연가스 액화장치의 초기 운전시 또는 상기 저장탱크(10)로부터 배출되는 천연가스가 고온으로 배출될 경우에는 액화 천연가스의 일부가 상기 재순환밸브(14)를 통하여 상기 증발된 천연가스와 혼합되도록 재투입된다.
다음으로, 작동유체(질소)에 대한 냉동사이클의 운전과정을 설명하면, 14.2bar, 35.46℃의 질소 가스가 3단의 작동유체 압축기(41,42,43)와 냉각기(44,45,46)를 통과한 후 압력이 상승되어 58bar, 43℃로 승압되고, 상기 압축된 작동유체(질소)는 유량조절수단(3)의 운전모드에 따라서 유로가 결정되어 공급배관을 통하여 상기 콜드박스유닛(2c)으로 공급된다.
상기 콜드박스유닛(2c)으로 공급된 질소 가스는 제2열교환기(22)에서 저온부 작동유체와의 열교환으로 57.9bar, -77℃로 예냉되고, 3경로의 제1열교환기(21a)에서 상기 제3열교환기(23)를 통과한 저온부 작동유체 및 압축된 천연가스와의 열교 환으로 57.8bar, -134℃로 냉각된다. 상기 제1열교환기(21a)를 통과한 작동유체는 상기 제3열교환기(23)에서 상기 응축기(20)를 통과한 저온부 작동유체와의 열교환으로 57.7bar, -137℃로 더욱 냉각되고, 상기 고압의 작동유체가 상기 팽창밸브(25)를 지나면서 14.6bar, -163.3℃의 극저온, 저압 가스로 팽창되어 더욱 냉각된다. 여기서, 상기 제1열교환기(21a)로 유입되는 저온부 작동유체는 상기 제1열교환기(21a)로 공급되는 고온부 작동유체의 일부를 바이패스시켜 상기 팽창터빈(26)에서 14.5bar, -136.9℃로 저온 팽창시킨 후 이를 상기 제3열교환기(23)를 통과한 저온부 작동유체와 혼합한 작동유체이다.
상기 극저온의 작동유체는 상기 응축기(20)에서 상기 천연가스 압축부(1)로부터 공급되는 증발된 천연가스와 열교환되어 상기 천연가스를 3.0bar, -154.7℃의 과냉 액체로 액화시켜 주고, 동시에 상기 극저온의 작동유체는 14.5bar, -150.7℃로 온도가 상승된다.
상기 작동유체는 상기 제3열교환기(23)에서 상기 제1열교환기(21a)를 통과한 고온부 작동유체와의 열교환으로 14.4bar, -140℃로 가열되고, 상기 제1열교환기(21a)에서 상기 작동유체 압축부(4)로부터 공급된 고온부 작동유체 및 압축된 천연가스와의 열교환으로 14.3bar, -98.88℃로 가열되며, 상기 제2열교환기(22)를 통과하면서 14.2bar, 35.46℃로 가열된 후 상기 회수배관을 통하여 상기 유량조절수단(3)을 거쳐 상기 작동유체 압축부(4)로 재투입되어 극저온 냉동사이클을 완성한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의한 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치는 증발된 천연가스의 증감에 따라 극저온 냉동사이클을 순환하는 작동유체의 일부를 회수하거나 보충하기 위하여 콜드박스유닛의 입출구에 형성된 바이패스배관에 버퍼탱크를 설치하여 사용했던 종래의 유량조절수단을 대체하기 위하여 상기 버퍼탱크 대신 팽창밸브를 설치하고, 상기 팽창밸브를 통과하도록 다양한 경로로 바이패스배관을 형성하여 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 고온부 작동유체의 유량 및 온도를 조절할 수 있다.
또한 종래에는 작동유체 압축부에 의하여 고온 고압의 작동유체가 상기 버퍼탱크로 회수되었기 때문에 상기 버퍼탱크에 저장된 작동유체의 감압 및 냉각을 위해서는 강제로 배출시키고 추후 배출량만큼 다시 보충해야 하는 불편함이 있었지만, 본 발명에 의한 유량조절수단은 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 일부를 팽창밸브가 설치된 바이패스배관으로 우회시키고 이를 작동유체 압축부로 연속적으로 순환시켜 줌으로써 극저온 냉동사이클을 순환하는 작동유체의 유량이 항상 일정하게 유지될 수 있다.
아울러, 본 발명에 의한 천연가스 액화장치에서는 고압의 버퍼탱크가 제거됨으로써 우선 큰 부피를 차지하던 버퍼탱크의 설치공간을 효율적으로 사용하여 전체 시스템의 사이즈를 줄일 수 있고, 다음으로 폭발에 대한 위험 요소가 근본적으로 제거되어 안전성이 확보된다.
본 발명에 의한 천연가스 액화장치에서 유량조절수단의 운전모드를 적절히 조절함에 따라 대응할 수 있는 증발된 천연가스의 액화 운전부하는 70 ~ 100% 범위 로 조절이 가능하다.
상세하게는, 상기 유량조절수단의 운전모드1 내지 4 중 하나의 운전모드 또는 적어도 2가지 이상의 운전모드를 혼합한 모드에 의하여 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛에 공급되는 작동유체의 유량을 조절하는 경우에도 상기 작동유체 압축부로 유입되는 압력 및 총 유량은 항상 일정하기 때문에 복수의 작동유체 압축기의 운전 제어가 간단하고, 서지(surge)의 염려가 없다.
또한 상기한 운전모드3 또는 4에 의하여 작동유체의 일부를 우회시켜 상기 콜드박스유닛에 공급되는 작동유체의 유량을 조절할 경우 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 고온 고압의 작동유체가 상기 팽창밸브에 의하여 저온 팽창된 작동유체에 의하여 상기 제3바이패스배관에 설치된 예냉기에서 열교환되어 예냉되므로 상기 콜드박스유닛의 응축기 효율이 향상되는 효과가 있다.
아울러, 상기 유량조절수단의 팽창밸브에 의하여 저온 팽창된 작동유체가 상기 콜드박스유닛으로부터 유입되는 작동유체와 혼합된 후 상기 작동유체 압축부로 유입되기 때문에 상기 작동유체 압축부로 유입되는 작동유체의 온도 제어가 가능하며, 그 결과 고온의 작동유체가 유입될 경우 냉각수단으로 사용되었던 냉각수 펌프 또는 냉각팬을 사용하지 않게 되어 상기 냉각수단의 동력을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 액체 상태의 천연가스가 저장된 저장탱크 내부에서 발생된 기체 상태의 천연가스를 가압하는 천연가스 압축부; 상기 천연가스를 액화시켜 주기 위한 극저온 냉동사이클에서 작동유체를 가압냉각하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기와 냉각기가 연결된 작동유체 압축부; 상기 작동유체 압축부의 작동유체를 극저온 팽창시킨 후 응축기에서 상기 천연가스와 열교환하여 상기 기체 상태의 천연가스를 액화시켜 주기 위한 콜드박스유닛; 및 상기 콜드박스유닛의 작동유체 입출구 배관에 바이패스배관을 형성하고, 상기 바이패스배관을 통하여 일부의 작동유체를 상기 작동유체 압축부로 재순환시켜 상기 콜드박스유닛으로 공급되는 작동유체의 유량을 조절하기 위한 유량조절수단을 포함하여 구성되고, 상기 콜드박스유닛에 의하여 액화된 천연가스가 상기 저장탱크로 환수되는 천연가스 액화장치로서,
    상기 유량조절수단의 바이패스배관에는 상기 작동유체 압축부로 유입되는 작동유체의 압력 또는 온도를 낮추어주는 팽창밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이패스배관에 설치된 팽창밸브의 전후측에는 유량조절을 위한 밸브가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 팽창밸브의 입구와 상기 작동유체 압축부의 최후단 작동유체 압축기의 출구가 바이패스배관으로 연결되고, 여기에 유량조절을 위한 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 팽창밸브의 출구와 상기 콜드박스유닛의 출구가 바이패스배관으로 연결되고, 상기 팽창밸브에 의하여 저온 팽창된 작동유체와 상기 콜드박스유닛으로 유입되는 고온부 작동유체 간의 열교환을 통하여 상기 고온부 작동유체를 예냉시켜 주도록 상기 바이패스배관에 예냉기가 설치되고, 상기 바이패스배관에 유량조절을 위한 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜드박스유닛의 액화 천연가스의 출구와 상기 저장탱크의 출구가 바이패스배관으로 연결되고, 여기에 유량조절을 위한 밸브가 설치되며, 상기 바이패스배관을 통하여 공급되는 일부의 액화 천연가스와 상기 저장탱크로부터 공급되는 천연가스가 혼합되도록 하여 상기 천연가스 압축부로 공급되는 천연가스를 예냉시켜 주는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜드박스유닛의 출구에는 기액분리기가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프에 의하여 상기 저장탱크로 환수되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부로 재투입되거나 배출되는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 콜드박스유닛의 출구에는 기액분리기가 설치되어 액체 상태의 천연가스가 펌프에 의하여 상기 저장탱크로 환수되거나 상기 바이패스배관을 통하여 천연가스 압축부로 재투입되고, 기체 상태의 천연가스가 천연가스 압축부로 재투입되거나 배출되는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콜드박스유닛은,
    상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제1열교환기;
    상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창터빈; 및
    상기 팽창터빈의 출구에 연결되어 상기 팽창터빈을 통과한 극저온의 작동유체와 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연 가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콜드박스유닛은,
    상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기;
    상기 제2열교환기의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기;
    상기 제1열교환기로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기로 재투입하여 상기 제1열교환기를 지나는 예냉된 작동유체를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈;
    상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브; 및
    상기 팽창밸브의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콜드박스유닛은,
    상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기;
    상기 제2열교환기의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체, 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스 및 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체가 지나도록 3경로를 형성하고, 상기 예냉된 작동유체와 천연가스를 상기 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기;
    상기 제1열교환기로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기로 재투입하여 상기 제1열교환기를 지나는 예냉된 작동유체와 천연가스를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈;
    상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브; 및
    상기 팽창밸브의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브를 통과한 극저온의 작동유체와 상기 제1열교환기를 통과한 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콜드박스유닛은,
    상기 유량조절수단의 출구에 연결되어 상기 유량조절수단으로부터 유입되는 작동유체를 열교환과정을 거친 저온부 작동유체로 예냉시켜 주기 위한 제2열교환기;
    상기 제2열교환기의 출구에 연결되어 예냉된 작동유체, 상기 천연가스 압축부로부터 유입되는 천연가스 및 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체가 지나도록 3경로를 형성하고, 상기 예냉된 작동유체와 천연가스를 상기 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제1열교환기;
    상기 제1열교환기의 출구에 연결되어 상기 제1열교환기로부터 유입되는 고온부 작동유체를 상기 응축기를 통과한 저온부 작동유체로 냉각시켜 주기 위한 제3열교환기;
    상기 제1열교환기로 유입되는 작동유체의 일부를 바이패스시켜 저온 팽창시킨 후 이를 상기 제3열교환기를 통과한 저온부 작동유체와 혼합하고 상기 제1열교환기로 재투입하여 상기 제1열교환기를 지나는 예냉된 작동유체와 천연가스를 더욱 냉각시켜 주기 위한 팽창터빈;
    상기 제3열교환기의 출구에 연결되어 작동유체를 극저온 팽창시켜 주는 팽창밸브; 및
    상기 팽창밸브의 출구에 연결되어 상기 팽창밸브를 통과한 극저온의 작동유 체와 상기 제1열교환기를 통과한 천연가스가 상호 열교환되어 상기 천연가스를 액화시켜 주는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동유체의 유량조절수단을 이용하여 부하 변동 조절이 가능한 천연가스 액화장치.
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