KR20080057461A - Ｌｎｇ ｂｏｇ 재액화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극저온의 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)를 운송하는 LNG 운반선의 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas, 이하 BOG라 함)의 재액화 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, LNG의 저장탱크에서 발생되는 증발증기(BOG)를 BOG 압축수단에 의해 압축시킨 후 응축수단에 의해 응축시키는 BOG 사이클과, 상기 응축수단에 냉열을 공급하는 질소 사이클을 포함하는 LNG BOG 재액화 장치로서, 상기 질소 사이클은, 질소가스(작동유체)를 압축시키기 위한 질소가스 압축수단과, 압축된 질소가스를 팽창시키기 위한 팽창수단을 포함하고 있으며, 상기 저장탱크와 상기 BOG 압축수단 사이의 BOG 라인에는, 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG를 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 수단이 구비되어 있으며, 상기 BOG 압축수단과 질소사이클 사이에는 상기 압축된 BOG 내에서 질소 가스를 일부 분리하여 제거하고 고농도의 메탄 성분을 BOG 내로 다시 전달함으로써 BOG내의 질소 함량을 줄여주는 질소가스분리유닛이 구비되어 있으며, 상기 팽창수단은 압축된 질소가스가 분기되어 각각 공급되는 팽창밸브 및 팽창터빈으로 이루어지는 LNG BOG 재액화 장치가 제공된다.
LNG, BOG, 재액화, 질소, 예냉

Description

ＬＮＧ ＢＯＧ 재액화 장치 및 방법{LNG BOG RELIQUEFACTION APPARATUS AND METHOD}
도 1은 종래기술에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 방법의 BOG의 흐름도,
도 4는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 방법의 질소가스의 흐름도,
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 개략도,
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 방법의 질소가스의 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110...BOG 압축부 112a, 112b, 112c...BOG 압축기
113a, 113b, 113c...중간 냉각기 114...자가 열교환기
119...기액 분리기 120...응축기
130...작동유체(질소가스) 압축부 132a, 132b, 132c...작동유체 압축기
133a, 133b, 133c...중간 냉각기 134...팽창터빈
135...제1 열교환기 136...제2 열교환기
137...쿨러 239...팽창밸브
200... 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛
본 발명은, 극저온의 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)를 운송하는 LNG 운반선의 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas, 이하 BOG라 함)의 재액화 장치 및 방법에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 LNG 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 이때 천연가스를 액화하여 LNG로 만드는 제1 위치로부터 LNG를 기화하여 각 사용처로 분배하는 제2 위치까지 LNG를 수송하는 데에는 LNG 운반선이 사용된다.
천연가스의 액화온도는 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온이므로, LNG 저장탱크를 단열하여도 외부의 열이 LNG에 전달된다. 그에 따라 LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하여 BOG가 발생한다. BOG의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, BOG는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 이와 같이 배출된 BOG는 선박의 연료로 사용하거나 재액화하여 다시 저장탱크로 돌려보내야 한다.
통상 BOG의 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 BOG를 냉각시킴으로써 재액화한다.
냉동 사이클은, 작동유체를 복수의 압축기에서 압축하는 단계, 압축된 작동유체를 간접 열교환에 의해 냉각시키는 단계, 상기 작동유체를 팽창시키는 단계, 팽창된 작동유체를 압축된 작동유체와의 간접 열교환에 의해 가열하는 단계, 그리고 가열된 작동유체를 다시 복수의 압축기로 복귀시키는 단계에 의해 수행된다. 한편, BOG는 압축 단계를 거친 후 냉동 사이클의 작동유체와의 간접 열교환에 의해 냉각되어 적어도 부분적으로 응축된다.
이러한 BOG의 재액화 방법을 수행하기 위한 장치의 일례가 미국특허 제 3,857,245 호에 기재되어 있다. 미국특허 제 3,857,245 호에 개시된 재액화 장치에 있어서, 작동유체는 LNG 자체로부터 유도되므로 개방 냉동 사이클에 의해 작동된다. 작동유체의 팽창은 밸브에 의해 수행되어 부분 응축된 LNG가 얻어진다. 부분 응축된 LNG는 저장조로 복귀되는 액상 및 연소 버너로 보낼 질 천연 가스와 혼합되는 기상으로 분리된다. 작동유체는 동일한 열교환기 내에서 가열 및 냉각되므로 단지 하나의 열교환기만이 사용된다.
현재, 작동유체로서 불연성 가스를 사용하는 것이 선호된다. 또한, 외부에서 공급되는 작동유체의 압축을 감소시키기 위해서는 작동유체를 팽창시키기 위한 밸브보다도 팽창 터빈이 선호된다.
상기 두 장점을 가지도록 개선한 장치의 일례가 국제특허 공개공보 제 WO98/43029 호에 기재되어 있다. 국제특허 공개공보 제 WO98/43029 호에 개시된 장치에는 2개의 열교환기가 사용되는데, 이중 하나는 압축된 천연 가스 증기를 부분적으로 응축시키면서 열교환기에서 작동유체를 가온하는 것이고, 다른 하나는 압축된 작동유체를 냉각시키는 것이다. 더구나, 작동유체는 2개의 다른 압축기에서 압축되는데, 하나는 팽창터빈과 연결된다.
국제특허 공개공보 제 WO2005/047761 호에도, 이와 유사한 구조를 가지며 BOG의 예냉에 특징이 있는 장치가 개시되어 있다.
또한, 한국 특허공개 제 2001-0088406호 및 제 2001-0089142 호에는, 압축된 증기를 재액화시키기 위해 보드형 선박에 사용하기 위한 장치에 관한 것으로서 구성요소들을 사전 조립체로 제작하여 사용하는 장치가 개시되어 있다.
이 종래의 재액화 장치를 도 1을 참조하여 설명하면, 재액화는 폐쇄 사이클에서 수행된다. 여기서 작동유체인 질소는, 적어도 하나의 압축기(23, 24, 25)에서 압축되고, 제1 열교환기(22)에서 냉각되고, 터빈(28)에서 팽창되고, 제2 열교환기(13)에서 가온된 후 제1 열교환기(22)를 거쳐 압축기로 되돌아간다. 한편, BOG는 제2 열교환기(13)에서 적어도 부분적으로 응축된다.
이 종래의 재액화 장치는, 제2 열교환기(13)를 포함하는 제1 사전 조립체(10)와, 제1 열교환기(22), 압축기(23, 24, 25), 및 팽창 터빈(28)을 포함하는 제2 사전 조립체(20)를 포함한다.
한편, 종래 작동유체와 BOG와의 열교환과 관련하여, 한국 특허공고 제 1993-0008299 호, 국제특허 공개공보 제 WO2005/71333 호 등에서는, 3개의 열교환기를 사용하여 BOG의 안정적인 응축을 도모하는 장치가 개시되어 있다.
상기와 같은 종래의 재액화 장치들은, 나름대로 구조의 단순화, 선박에의 장착의 용이성, 열손실의 저감 등의 측면에서 개선이 있어 왔으나, 아직까지 개선의 필요성이 있다.
특히, 종래의 기술은, BOG 액화를 위한 냉열 발생수단으로 질소 사이클 장치를 사용하였으며, 이 질소가스와의 열교환을 통해 BOG를 냉각 액화시켰다. 그런데, BOG의 액화 효율을 더욱 향상시키기 위해서는 열교환 전에 BOG를 고압으로 압축할 필요가 있으며, BOG의 압축시 온도 또한 함께 상승되므로 응축기에서의 냉동부하를 감소시켜 주기 위해서는 냉각수단을 이용하여 BOG의 온도를 적정온도까지 냉각시켜야 하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG 운반선에서 운항 중 저장탱크에서 발생하여 안전밸브를 통하여 유출되는 BOG를 재액화시키는 재액화 시스템에 있어서, 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 극저온의 BOG가 갖는 냉열을 시스템 내로 회수할 수 있는 냉열 회수 수단을 구비한 LNG BOG 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 의하면, LNG의 저장탱크에서 발생되는 증발증기(BOG)를 BOG 압축수단에 의해 압축시킨 후 응축수단에 의해 응축시키는 BOG 사이클과, 상기 응축수단에 냉열을 공급하는 질소 사이클을 포함하는 LNG BOG 재액화 장치로서, 상기 질소 사이클은, 질소가스(작동유체)를 압축 시키기 위한 질소가스 압축수단과, 압축된 질소가스를 팽창시키기 위한 팽창수단을 포함하고 있으며, 상기 저장탱크와 상기 BOG 압축수단 사이의 BOG 라인에는, 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG를 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 수단이 구비되어 있으며, 상기 BOG 압축수단과 질소사이클 사이에는 상기 압축된 BOG 내에서 질소 가스를 일부 분리하여 제거하고 고농도의 메탄 성분을 BOG 내로 다시 전달함으로써 BOG내의 질소 함량을 줄여주는 질소가스분리유닛이 구비되어 있으며, 상기 팽창수단은 압축된 질소가스가 분기되어 각각 공급되는 팽창밸브 및 팽창터빈으로 이루어지며, 상기 팽창밸브는 분기된 상기 질소가스 중 일부의 질소가스를 팽창시킴으로써 극저온 질소가스를 생성하여 상기 응축수단으로 공급하고, 상기 팽창터빈은 분기된 나머지의 질소가스를 팽창시킨 후 상기 응축수단을 통과한 질소가스와 합류시켜 상기 응축수단으로 공급되는 BOG와 열교환을 수행함으로써 상기 응축수단으로 공급되는 BOG를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 의하면, LNG의 저장탱크에서 유출된 직후의 증발증기(BOG)가 갖는 냉열을, 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 단계; 상기 저장탱크에서 발생되는 BOG를 BOG 압축수단에 의해 압축하는 단계; 상기 압축단계를 거치면서 압축된 BOG를 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛을 통과시켜 BOG 내에서 질소 가스를 일부 분리하여 고농도의 메탄 성분을 BOG 내로 전달함으로써 BOG내의 질소 함량을 줄이고 메탄의 함량을 높이는 가스 분리 단계; 상기 압축단계와 가스 분리 단계를 거치면서 압 축된 BOG를 응축수단에 의해 응축시키기 위하여 작동유체인 질소가스를 질소가스 압축수단에 의해 압축하는 단계; 상기 압축된 질소가스를 분기하여 일부의 질소가스를 팽창밸브에 의해 팽창시킴으로써 극저온 질소가스를 생성하여 상기 응축수단으로 공급하는 단계; 상기 응축수단에서 상기 극저온 질소가스와 상기 압축된 BOG를 열교환시켜 상기 압축 BOG의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 상기 분기된 질소가스 중 나머지의 질소가스를 팽창터빈에 의해 팽창시킨 후 상기 응축수단을 통과한 질소가스와 합류시켜 상기 응축수단으로 공급되는 BOG와 열교환을 수행함으로써 상기 응축수단으로 공급되는 BOG를 냉각시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 방법이 제공된다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이하에서 기재하는 온도, 압력은 하나의 예를 설명하는 것으로 본 발명은 이들의 수치로 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시예)
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 의한 LNG BOG 재액화 장치 및 재액화 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 개략적인 구성도이다. 본 발명의 LNG BOG 재액화 장치는, BOG 사이클, 질소 사이클, 그리고 상기 두 사이클 간에 열교환을 수행하여 BOG를 재액화시켜 주기 위한 콜드박스(cold box) 유닛으로 구성된다.
BOG 사이클
BOG 사이클은, 저장탱크(도시생략)로부터 발생된 BOG를 가압공급하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 BOG 압축기(112a, 112b, 112c)와 중간냉각기(113a, 113b, 113c)가 연결된 압축수단으로서의 BOG 압축부(110), BOG 압축부(110)를 거치면서 압축된 BOG에서 질소 가스를 분리하고 고농도의 메탄 성분은 다시 BOG로 전달함으로써 BOG 내의 질소 함량을 줄이고 메탄의 함량을 높이는 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200), BOG 압축부(110) 및 질소가스분리유닛(200)에 의하여 질소가 제거되어 압축된 상온 고압의 BOG와 상기 저장탱크로부터 발생된 극저온의 BOG를 열교환시켜 압축된 BOG를 냉각시켜 주기 위하여 BOG 공급라인에 형성된 냉열 회수 수단으로서의 자가 열교환기(Self heat exchanger)(114), 자가 열교환기(114)에서 냉각된 BOG를 극저온 작동유체(질소가스)와의 열교환을 통하여 응축시켜 주기 위한 응축수단으로서의 응축기(120), 응축기(120)에서 응축된 BOG에 대하여 불응축 가스와 응축된 BOG(LBOG)로 분리시켜 주기 위한 기액분리기(Separator)(119), 및 기액분리기(119)에 의하여 분리된 LBOG를 저장탱크로 환수시켜 주기 위한 펌프(도시생략)로 구성되어 있다.
또한, 상기 응축기(120)의 전단에는 응축기(120)를 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여 상기 응축기(120)로 유입되는 BOG를 더욱 냉각시켜 주도록 제1 열교환기(135)가 형성되어 있다.
기체상태의 천연가스(Natural Gas)는 극저온으로 액화되어 대기압(1.013bar) 상태로 저장탱크(도시생략)에 저장된다. 하지만 LNG 수송 중 외부로부터 지속적인 열전달로 인하여 LNG가 기화되어 BOG가 발생하며 이는 저장탱크의 압력 상승 요인으로 작용한다.
따라서 저장탱크를 대기압 수준으로 일정하게 유지되도록 하기 위하여, 저장탱크의 내부압력이 소정값(대략 1.03 ~ 1.05bar 정도)에 도달하면 안전밸브(도시생략)가 열리고 BOG는 저장탱크 밖으로 배출된다.
저장탱크로부터 배출된 -100℃, 1.05bar의 BOG는, 3단의 BOG 압축기(112a, 112b, 112c)와 3개의 중간 냉각기(113a, 113b, 113c)로 이루어지는 BOG 압축부(110)를 통과하고, 이후 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200), 자가 열교환기(114), 제1 열교환기(135) 및 응축기(120)를 통과하면서 재액화가 이루어진다.
본 발명에 따르면, BOG를 3단 압축기에 의해 3단계에 걸쳐 압축시키기 때문에 BOG의 압력을 종래의 2단 압축기에 비하여 상당히 증가시킬 수 있어, BOG 재액화 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 BOG 압축부(110)를 통과하면서 41℃, 6.945bar의 상온 고압으로 압축된 BOG는, 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 통과하면서 원래 각각 91.5%, 8.5% 였던 BOG 내의 메탄과 질소의 함량이 98%, 2%의 함량으로 변하게 된다. 즉, BOG 내의 질소의 함량이 적어지고, 고농도의 메탄을 포함하게 된다.
구체적으로, 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)은 멤브레인 분리기(210)와, 흡착분리기(220)를 구비한다. 여기서, 멤브레인 분리기(210)와 흡착분 리기(220)는 하나의 하우징(미도시) 내에 적층되어 형성될 수 있으며, 이에 의해 전체 부피를 줄일 수 있다.
멤브레인 분리기(210)는 멤브레인(membrane)(미도시)에 대한 혼합가스의 친화도, 즉 메탄과 질소의 친화도 차이에 의해 BOG 내의 메탄과 질소를 분리하게 된다. 이를 위해, 멤브레인의 표면에는 질소와의 친화도가 메탄에 비하여 높은 물질을 코팅하게 된다. 이와 같이 코팅되는 물질은 본 발명이 속하는 기술분야에서 이미 다수가 공지되었으므로, 본 실시예에서는 특별히 한정하지는 않는다. 한편, 이와 같이 멤브레인을 사용하여 질소를 분리하더라도, 본 출원인의 실험에 의하면 멤브레인에 의한 가스의 압력 저하는 대략 0.1 bar 이하이므로 전체 시스템 운전에 영향을 미치지 않게 된다.
따라서, 메탄은 멤브레인을 통과하게 되며, BOG 내의 질소는 멤브레인을 통과하지 못하고 분리되어 후술하는 흡착분리기(220)로 공급된다. 이 경우, BOG 압축부(110)를 거친 BOG에서 멤브레인을 통과하는 가스의 비율은 대략 90%에 이르게 되며, 멤브레인을 통과하지 못하고 흡착 분리기(220)로 공급되는 가스의 비율은 대략 10%에 이르게 된다.
한편, 멤브레인 분리기(210)에서 흡착 분리기(220)로 공급되는 가스 중에는 질소가 대부분을 차지하지만, 메탄도 섞여있을 수 있다. 이와 같이 질소 중에 포함된 메탄을 버리는 것은 손실이 되므로, 본 실시예에서는 흡착 분리기(220)를 통하여 질소와 함께 섞여 있는 메탄을 분리하여 다시 BOG로 공급하게 된다.
이를 위하여, 흡착 분리기(220)에는 질소를 흡착하는 흡착 수단(미도시)을 구비하게 된다. 즉, 상기 흡착수단에 의해 질소를 흡착하게 되며, 상기 흡착수단이 포화상태에 이르게 되면, 상기 흡착수단을 가열하는 방법 등으로 질소를 탈착시키고, 배출밸브(222)를 통하여 질소를 배출하여 가스 연소 유닛(Gas Combustion Unit)에 의해 질소를 연소시켜 제거하게 된다. 이와 같이 질소를 흡착하는 수단에 대해서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 이미 다수가 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 흡착분리기(220)에서 질소와 분리된 메탄은 멤브레인 분리기(210)를 통과한 BOG 가스에 다시 합류하게 되며, 이에 의해 BOG 내의 메탄 및 질소의 비율은 대략 98% 및 2%가 되며, 질소의 함량이 줄어들게 된다.
따라서, 이와 같이 질소의 비율을 낮춰주게 되면, 후술하는 바와 같이 BOG를 액화시키는 경우에 압축기의 동력을 크게 줄일 수 있다. 즉, 메탄의 액화온도는 대략 -140℃이고, 질소의 액화온도는 대략 -196℃이므로, 질소의 함량이 높아질수록 BOG의 액화온도가 내려가서 압축기에서 더 많은 동력을 필요로 하게 된다. 따라서, 본 실시예와 같이 질소의 함량을 줄이고 메탄의 함량을 높이게 되면, BOG의 액화온도가 대략 10℃정도 올라가게 되서, 그만큼 압축기에서 필요로 하는 동력을 줄일 수 있다.
BOG 압축부(110) 및 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 통과하여 상온 고압으로 압축되고 질소 함량이 낮아진 BOG는, BOG 공급라인, 즉 BOG 압축부(110)의 상류측에 설치된 자가 열교환기(114)에서 상기 BOG 압축부(110)로 공급되는 극저온의 BOG와 열교환되어 -91.04℃, 6.845bar 상태로 냉각된다.
여기서 상기 자가 열교환기(114)의 자가(self-)는, 상기 BOG 압축부(110)에 의하여 상온 고압으로 압축된 BOG를 저장탱크로부터 공급되는 압축되기 전의 극저온 BOG와 열교환한다는 의미로 사용한 것이다.
LNG 저장탱크로부터 배출된 직후의 BOG는 -100℃ 정도의 저온 상태이며, 이를 그대로 상기 BOG 압축부(110)로 공급하여 압축시킨다면, 배출 직후의 BOG가 가지고 있는 냉열(-100℃)을 낭비하게 된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 극저온의 BOG가 갖는 냉열을, 상기 BOG 압축부(110)에 의해 상온 고압으로 압축된 BOG에 공급함으로써, 버려지는 냉열을 시스템 내로 회수할 수 있게 된다.
이와 같이 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 BOG가 갖는 냉열은 상기 BOG 압축부(110)를 통과하면서 상온 고압으로 압축된 BOG를 응축기(120)로 공급하기 전에 자가 열교환기(114)에서 간접 열교환에 의해 냉각시켜 준다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 극저온의 BOG가 갖는 냉열을 BOG 이외에도, 예컨대 압축 전 또는 후의 질소가스와 같은 다른 고온의 유체에 공급할 수도 있음은 물론이다.
상기 3단의 BOG 압축기(112a, 112b, 113c)를 통과하면서 상온 고압으로 압축된 과열증기 상태의 BOG가 그대로 응축기(120)에 유입되면, 응축기(120) 내 스트림(stream) 간의 온도차가 증가되어 열응력(thermal stress)에 의해 열교환기의 내구성에 문제가 발생될 수 있기 때문에, 상기 자가 열교환기(114)에 의한 BOG 냉각과정은 응축기(120) 내 스트림 간 온도차를 효과적으로 줄여 주는 장점이 있다.
또한, 상기 자가 열교환기(114)는, 압축기(112a)로 공급되는 BOG의 온도를 -100℃에서 36℃로 높여주기 때문에, BOG의 압축이 더욱 용이하게 수행되는 장점이 있다.
한편, 상기 자가 열교환기(114)에 의해 냉각된 고압상태의 BOG(-91.04℃, 6.845bar)는 질소 사이클 상의 제1 열교환기(135)를 통과하면서 -118℃, 6.842bar로 냉각된 후 응축기(120)로 공급된다. 이때, 3개의 경로를 가지는 상기 제1 열교환기(135)에서의 BOG의 냉각은, 후술하는 바와 같이, BOG 응축기(120)로부터 유입되는 저온 저압의 질소가스와의 열교환에 의해 이루어진다.
상기 제1 열교환기(135)에서 냉각된 BOG는, 응축기(120)를 통과하면서 -154.6℃, 6.742bar의 과냉액체 상태로 변한 후 압력조절밸브(도시생략) 등을 이용하여 압력을 3bar까지 낮추어 저장탱크로 보내진다.
이와 같이 BOG가 상기 자가 열교환기(114)에서 극저온의 BOG에 의하여 먼저 예냉되고, 상기 제1 열교환기(135)에서 저온의 작동유체(질소가스)에 의하여 냉각됨으로써 저장탱크로부터의 BOG 발생량 또는 온도 변화가 있더라도, 응축기(120) 내에서의 BOG와 질소가스의 온도차를 설정된 범위 내에서 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
상기 응축기(120)를 통해 BOG 전체를 액화시킬 수도 있지만, BOG에 포함된 질소 성분 등은 완전 액화가 용이하지 않기 때문에 상기 응축기(120)로 공급되는 BOG 중 대략 70 - 99% 정도가 액화된다.
이와 같은 BOG의 기액 혼합물은 기액 분리기(119)에서 기체와 액체가 분리되 어 액체(응축된 BOG)는 순환 펌프(도시생략)에 의하여 저장탱크로 재유입되고, 기체는 일반적으로 외부로 배출되거나, 상기 저장탱크로부터 발생되어 유입되는 BOG와 혼합하여 다시 재액화 과정을 수행하도록 BOG 압축부(110)로 공급된다.
응축된 BOG를 저장탱크에 재유입시키는 방법으로서는, 저장탱크 상부에서 분무헤드를 통하여 살포하거나 저장탱크 바닥으로 공급하는 방법이 있다. 저장탱크의 바닥으로 유입되면 응축된 BOG에 포함된 미응축 기체 중 질소성분이 LNG 내부에 용해되어 가스상 내의 질소 비율이 낮게 유지된다. 질소는 액화점이 LNG의 주성분인 메탄보다 낮기 때문에 BOG내에 질소 함량이 증가하면 3단의 BOG 압축기(112a, 112b, 112c) 또는 응축기(120)의 부하를 줄일 수 있다.
질소 사이클
질소 사이클은, 작동유체, 예를 들어 질소가스를 가압공급하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기(132a, 132b, 132c)와 중간 냉각기(133a, 133b, 133c)가 연결된 작동유체 압축부(130), 상기 작동유체 압축부(130)에 의하여 압축된 상온 고압의 작동유체를 팽창시켜 극저온 상태로 변화시켜 주기 위한 팽창수단(134), 및 상기 팽창수단(134)에 의하여 팽창된 극저온의 작동유체와 열교환시켜 BOG를 응축시켜 주기 위한 응축기(120)로 구성되어 있다.
상기 응축기(120)의 하류측에는, 상기 응축기(120)를 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여 상기 응축기(120)로 유입되는 BOG와 상기 작동유체 압축부(130)에 의하여 압축된 작동유체를 더욱 냉각시켜 주도록 3개의 경로를 갖는 제1 열교환기(135)가 형성되어 있다.
또한, 상기 제1 열교환기(135)와 상기 작동유체 압축부(130) 사이에는, 상기 제1 열교환기(135)를 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여, 상기 작동유체 압축부(130)에서 압축되어 공급되는 상온 고압의 작동유체를 냉각시켜 주도록 제2 열교환기(136)가 형성되어 있다.
또한, BOG 사이클의 상기 자가 열교환기(114)와 상기 제1 열교환기(135)의 사이에는, 상기 자가 열교환기(114)를 통과한 저온의 BOG와의 열교환을 통하여 상기 제2 열교환기(136)로 유입되는 질소가스를 냉각시켜 주도록 쿨러(Cooler)(137)가 형성되어 있고, 상기 쿨러(137)를 통과하면서 냉각된 질소가스는 상기 제2 열교환기(136)에서 상기 작동유체 압축부(130)에 의하여 압축된 질소가스와 열교환되어 상기 제1 열교환기(135) 및 상기 응축기(120)로 유입되는 작동유체를 더욱 냉각시켜 준다.
상기 쿨러(137)는, 상기 제1 열교환기(135)의 출구측 작동유체 순환라인에서 분기된 바이패스 배관 상에 형성되어 작동유체 압축부(130) 또는 제2 열교환기(136)로 유입되는 작동유체의 일부 또는 전부가 통과하도록 되어 있다.
상기 쿨러(137)가 형성된 바이패스 배관은 초기 시동(startup) 시 유로가 개방되며, 상기 바이패스 배관 및 이에 대응하는 작동유체 순환라인에 각각 형성된 밸브(도시생략)의 개도 조절로 작동유체의 유량을 조절하여 극저온 냉동사이클의 전체 온도를 점차적으로 낮춰준다.
초기 시동시 질소 사이클의 질소가스 온도가 상온 근처이므로 BOG의 재액화 (응축)가 불가능하지만, 질소가스가 상기 쿨러(137)에 의하여 냉각되면서 질소 사이클을 반복해서 순환함에 따라 질소가스의 온도가 점차 낮아져 BOG의 재액화가 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 쿨러(137)에 의해서 질소가스가 빠르게 극저온 상태로 도달되므로 BOG의 재액화 운전이 신속하게 수행될 수 있다. 즉, 발명에 따르면, 초기 시동시에 저장탱크로부터 저온 상태로 유입되는 BOG와 제1 열교환기(135)를 통과한 질소가스를 쿨러(137)에 의해서 열교환시켜 상대적으로 고온인 질소가스를 냉각시켜 줌으로써 질소 사이클이 빠른 시간 내에 안정화될 수 있다.
상기 팽창수단으로는 팽창터빈 또는 팽창밸브가 사용될 수 있다.
상기 팽창수단(134)으로 팽창터빈을 사용할 경우, 팽창터빈의 회전축에는 발전기가 연결되어 상기 발전기에서 발생되는 전기에너지를 상기 작동유체 압축부(130) 또는 상기 BOG 압축부(110)의 구동에너지로 이용하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 상기 팽창수단(134)으로 팽창터빈을 사용한 극저온 냉동사이클에 대하여 설명하기로 한다.
질소 사이클의 운전과정을 설명하면, 40℃, 10.09bar의 질소가스는 3단의 작동유체 압축기(132a, 132b, 132c)와 중간냉각기(133a, 133b, 133c)를 포함하는 작동유체 압축부(130)를 통과한 후 압력이 상승되어 41℃, 45.05bar의 가스로 토출된다.
상기 토출된 고압의 질소가스는, 제1 열교환기(135)를 거쳐 돌아오는 -68℃, 10.39bar의 저온 작동유체(질소가스)와 제2 열교환기(136) 내에서 열교환되어 -59.27℃, 44.95bar로 냉각된다.
계속해서 1차로 냉각된 -59.27℃, 44.95bar의 질소가스는, 응축기(120)를 거쳐 돌아오는 -134.1℃, 10.39bar의 질소가스와 제1 열교환기(135) 내에서 열교환되어 -109℃, 44.95bar로 더욱 냉각된다.
상기 제1 및 제2 열교환기(135, 136)를 통과하여 -109℃, 44.95bar로 냉각된 질소가스는, 팽창터빈(134)을 통과하면서 -164.2℃, 10.69bar로 온도 및 압력이 낮아져 BOG 액화에 필요한 극저온 질소가스로 변화된 후 상기 응축기(120)로 유입된다. 이 극저온 질소가스는 응축기(120)에서 BOG와 열교환하여 BOG를 액화시키면서 -134.1℃, 10.39bar로 온도가 상승한다.
응축기(120)를 통과한 후 질소가스는, 제1 열교환기(135)에서, 응축기(120)로 보내지는 BOG를 예냉하는 동시에 팽창터빈(134)으로 보내지는 질소가스를 냉각시키고, 자신은 온도가 높아져 -68.97℃, 10.39bar의 상태로 제2 열교환기(136)로 유입된다.
제1 열교환기(135)를 통과한 후 질소가스는, 제2 열교환기(136)를 통과하면서 작동유체 압축부(130)로부터 제1 열교환기(135)로 보내지는 질소가스와 열교환되어 40℃, 10.09bar로 된다.
도시하지는 않았지만, 질소 사이클은 질소 버퍼탱크(도시생략)를 포함할 수도 있으며, 이 질소 버퍼탱크는 BOG 발생량의 변동, 즉 질소 사이클의 냉동부하의 변동에 대응하여 질소 사이클의 질소가스 유량 조절기능을 수행한다. 또한, 상기 질소 버퍼탱크는 질소 사이클 내에 질소가스의 양이 줄어들 경우를 대비하여 작동 유체(질소가스)의 보충을 위해 추가 설치될 수도 있다.
콜드박스 유닛
콜드박스 유닛은, 상기 작동유체 압축부(130)의 출구에 연결되어 압축된 상온 고압의 작동유체(질소가스)를 상기 응축기(120)를 통과한 저온부 작동유체에 의해 예냉시켜 주기 위한 제1 열교환기(135), 상기 제1 열교환기(135)의 출구에 연결되어 작동유체를 팽창수단(134)으로 극저온 팽창시켜 주고, 이를 상기 BOG 압축부(110)로부터 유입되는 BOG와의 열교환을 통하여 응축시켜 주기 위한 응축기(120), 및 상기 제1 열교환기(135)와 상기 작동유체 압축부(130) 사이에 설치되어 상기 제1 열교환기(135)를 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여 상기 작동유체 압축부(130)에 의해 압축된 상온 고압의 작동유체를 냉각시켜 주기 위한 제2 열교환기(136)를 포함하여 구성된다.
상기 콜드박스 유닛은 제1 열교환기(135), 제2 열교환기(136) 및 응축기(120)가 하나의 모듈로 형성되어 있다.
여기서, 상기 저온부 작동유체(질소가스)는 상기 팽창터빈(134)에 의하여 극저온 팽창되고 상기 응축기(120)에서 BOG와 열교환을 실시한 후 상기 작동유체 압축부(130)로 환수되는 작동유체로 정의한다.
비록 본 발명의 필수 구성요소는 아니지만 상기 팽창터빈(134)에 발전기(도시생략)를 연결하여 전력을 생산한 후 이를 BOG 압축부(110) 또는 질소 압축부(130) 등의 보조 동력원으로 사용하는 것도 가능하다.
상기 장치들을 콜드박스에 하나의 모듈로 포함시킴으로써 각 장치 간 연결 파이프를 짧게 할 수 있으며, 이는 BOG 재액화에 필요한 극저온 질소를 안정적으로 확보할 수 있게 한다. 또한 팽창터빈(134) 출구와 응축기(120) 사이의 연결파이프를 짧게 형성할 수 있으므로 질소가스 이송에 따른 온도증가의 최소화를 기대할 수 있다.
상기 콜드박스 유닛은 하나의 모듈로 단열하는 것이 바람직하다. 단열은 일반적으로 알려진 단열재를 사용하여 단열한다. 이와 같은 구성에 의하여 질소가스의 극저온 영역을 안정적 관리로 할 수 있다. 또한 콜드박스는 예비조립체로 제조함으로써 선박에 장착을 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 제1 실시예의 구성에 의한 재액화 장치의 작동을 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
본 실시예의 구성에 의한 재액화 장치의 작동은, LNG의 저장탱크에서 유출된 직후의 증발증기(BOG)가 갖는 냉열을 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 단계; LNG의 저장탱크에서 발생되는 BOG를 압축하는 단계; 상기 압축된 BOG에서 질소를 분리하여 제거하는 단계; 상기 질소가 제거된 BOG를 응축수단에 의해 응축시키기 위한 냉열을 제공하기 위하여 작동유체인 질소가스를 가압냉각하고, 상기 가압냉각된 질소가스를 팽창수단에 의해 팽창시켜 극저온 질소가스를 생성하는 단계; 팽창된 극저온 질소가스를 응축수단으로 공급하고, 상기 극저온 질소가스와 열교환하여 상기 압축된 BOG의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 및 상기 응축에 의하여 재액화된 BOG를 상기 저장탱크로 돌려 보내는 단계로 이루어진다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 질소 사이클 내에서 순환하는 질소가스의 온도가 상기 압축수단을 통과한 BOG의 온도보다 높을 경우, 상대적으로 고온인 질소가스를 상기 압축수단을 통과한 BOG와 열교환시킴으로써 냉각시키는 질소가스 냉각단계를 더 포함한다.
또한, 초기 시동시 상기 BOG 압축수단과 상기 응축수단 사이의 상기 응축수단을 통과한 작동유체 순환라인으로부터 분기된 바이패스 라인에 설치되는 쿨러에 의해 상기 압축수단을 통과한 BOG를 상대적으로 저온의 유체와 열교환시켜 상기 응축수단에 공급하는 시동시 열교환 단계를 더 포함한다.
극저온의 LNG 운반선의 저장탱크 내에서 외부 열전달로 인하여 발생하는 LNG BOG의 재액화 방법에 있어서, 도 3을 참조하여 BOG의 순환과정을 살펴보면 다음과 같다.
BOG의 순환과정은, 저장탱크로부터 배출된 -100℃, 1.05bar의 BOG가 냉열 회수 수단으로서의 자가 열교환기(114)로 유입되는 단계(ST 101), 상기 BOG가 자가 열교환기(114)를 거쳐 36℃, 1.02bar로 온도가 높아지는 단계(ST 102), 상기 BOG가 3단의 BOG 압축기(112a, 112b, 112c)와 중간 냉각기(113a, 113b, 113c)를 통과하면서 41℃, 6.945bar로 압축되어 상온 고압의 과열 상태가 되는 단계(ST 103), 상기 압축된 BOG가 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 통과하면서 원래 각각 91.5%, 8.5% 였던 BOG의 메탄과 질소의 함량이 98%, 2%의 함량으로 변하는 단계(ST 105), 상기 BOG가 자가 열교환기(114)를 거쳐 -91.04℃, 6.845bar로 온도가 낮아지는 단계(ST 105), 상기 BOG가 3경로의 제1 열교환기(135)를 통과하여 -118℃, 6.842bar로 온도가 더욱 낮아지는(냉각되는) 단계(ST 106), 상기 냉각된 BOG가 응축기(120)에서 -154.6℃, 6.742bar의 과냉 액체로 재액화되는 단계(ST 107), 기액 분리기(119)에서 상기 재액화된 BOG로부터 불응축 가스를 분리하는 단계(ST 108), 그리고 재액화된 BOG를 순환펌프(도시생략)에 의해 저장탱크로 회수하여 저장하는 단계(ST 109)로 이루어진다.
비록 도시하지는 않았지만, 상기 3단 BOG 압축기(112a, 112b, 112c) 및 중간냉각기(113a, 113b, 113c)를 통과하면서 BOG의 상태는 다음과 같이 변화한다. 즉, 상기 자가 열교환기(114)를 통과하여 36℃, 1.02bar의 상태로 BOG 압축부(110)에 공급된 BOG는, 첫번째 BOG 압축기(112a)를 거쳐 101.2℃, 1.939bar로 압축되고, 첫번째 중간 냉각기(113a)를 거쳐 41℃, 1.929bar로 냉각되고, 두번째 BOG 압축기(112b)를 거쳐 106.9℃, 3.668bar로 압축되고, 두번째 중간 냉각기(113b)를 거쳐 41℃, 3.658bar로 냉각되고, 세번째 BOG 압축기(112c)를 거쳐 107℃, 6.955bar로 압축되고, 세번째 중간 냉각기(113c)를 거쳐 41℃, 6.945bar로 냉각된다. 또한, 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 통과하면서 원래 각각 91.5%, 8.5% 였던 BOG의 메탄과 질소의 함량이 98%, 2&의 함량으로 변하게 된다. 상온 고압으로 압축되고 질소 함량이 낮아진 BOG는 다시 상기 자가 열교환기(114)로 보내진다.
이때 각각의 중간 냉각기(113a, 113b, 113c)에서 BOG를 냉각시키는 냉각수로서는 해수, 해수와 열교환된 담수 등을 사용할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 의 하면, 중간 냉각기(113a, 113b, 113c)에서 해수나 담수 등을 사용하여 고온의 BOG를 상온으로 냉각시키기 때문에, 질소 사이클에서 냉각된 질소가스를 사용하는 것에 비해 에너지를 절약할 수 있다. 다시 말하면, 중간 냉각기(113a, 113b, 113c)에서 해수나 담수 등을 사용하여 고온의 BOG를 상온으로 냉각시키기 때문에, BOG 압축부(110)에 의하여 압축되어 승온된 만큼 고온의 BOG를 냉각시키는데 소요되는 질소 사이클의 냉동부하가 감소되어 에너지를 절약할 수 있다.
한편, 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 통과하면서 원래 각각 91.5%, 8.5% 였던 BOG의 메탄과 질소의 함량이 98%, 2%의 함량으로 변하게 되어 질소 함량이 낮아지게 되면 BOG 액화 온도가 높아지므로 BOG를 액화시키는데 들어가는 질소 사이클의 냉동 부하가 감소되어 에너지를 절약할 수 있다.
상술한 바와 같이, LNG 저장탱크로부터 배출된 직후의 BOG는 -100℃ 정도의 저온 상태이므로, 이 저온의 BOG가 갖는 냉열을, 상기 BOG 압축부(110)에 의해 상온 고압으로 압축된 BOG에 공급함으로써, 버려지는 냉열을 시스템 내로 회수하여 사용할 수 있게 된다.
한편, 도 4를 참조하여 BOG를 응축시키기 위한 냉열을 제공하는 작동유체로서의 질소가스의 순환과정을 살펴보면 다음과 같다.
질소가스의 순환과정은, 40℃, 10.09bar의 질소가스가 3단 압축기(132a, 132b, 132c)와 중간냉각기(133a, 133b, 133c)를 통과한 후 압력이 상승되어 41℃, 45.05bar로 승압되는 단계(ST 111), 상기 고압 질소가스가 제2 열교환기(136)에서 저온부 질소가스와의 열교환을 통하여 -59.27℃, 44.95bar의 저온 상태로 변하는 단계(ST 112), 상기 질소가스가 제1 열교환기(135)에서 저온부 질소가스와의 열교환을 통하여 -109℃, 44.95bar의 저온 상태로 변하는 단계(ST 113), 상기 고압 질소가스가 팽창수단으로서의 팽창터빈(134)을 지나면서 -164.2℃, 10.69bar의 저온 저압 가스로 변하는 단계(ST 114), 상기 저온 저압 질소가스가 응축기(120)에서 BOG의 재액화를 수행한 후 -134.1℃, 10.39bar의 저온부 질소가스로 가열되는 단계(ST 115), 상기 저온부 질소가스가 제1 열교환기(135)를 통과하면서 -68.97℃, 10.39bar의 상태로 변하는 단계(ST 116), 상기 저온부 질소가스가 제2 열교환기(136)를 통과하면서 40℃, 10.09bar의 상태로 변하는 단계(ST 117)로 이루어진다.
비록 도시하지는 않았지만, 상기 3단 작동유체(질소) 압축기(132a, 132b, 132c) 및 중간냉각기(133a, 133b, 133c)를 통과하면서 질소가스의 상태는 다음과 같이 변화한다. 40℃, 10.09bar의 상태로 작동유체 압축부(130)에 공급된 질소가스는, 첫번째 작동유체 압축기(132a)를 거쳐 97.63℃, 16.65bar로 압축되고, 첫번째 중간 냉각기(133a)를 거쳐 41℃, 16.6bar로 냉각되고, 두번째 작동유체 압축기(132b)를 거쳐 98.88℃, 27.38bar로 압축되고, 두번째 중간 냉각기(133b)를 거쳐 41℃, 27.33bar로 냉각되고, 세번째 작동유체 압축기(132c)를 거쳐 98.96℃, 45.1bar로 압축되고, 세번째 중간 냉각기(133c)를 거쳐 41℃, 45.05bar로 냉각된다.
이때 각각의 중간 냉각기(133a, 133b, 133c)에서 질소가스를 냉각시키는 냉각수로서는 해수, 해수와 열교환된 담수 등을 사용할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, BOG 사이클의 상기 자가 열교환기(114)와 상기 제1 열교환기(135)의 사이에는, 상기 제1 열교환기(135)를 통과한 작동유체(질소가스)와의 열교환을 통하여 재액화 장치의 초기 시동시 상기 제2 열교환기(136)로 유입되는 작동유체(질소가스)를 더욱 냉각시켜 주도록 쿨러(Cooler)(137)가 형성되어 있다.
상기 쿨러(137)는, 상기 제1 열교환기(135)의 출구측 작동유체 순환라인에서 분기된 바이패스 배관 상에 형성되어 작동유체 압축부(130) 또는 제2 열교환기(136)로 유입되는 작동유체의 일부 또는 전부가 통과하도록 되어 있다.
상기 쿨러(137)가 형성된 바이패스 배관은 초기 시동(startup) 시 사용하며, 상기 바이패스 배관 및 이에 대응하는 작동유체 순환라인에 각각 형성된 밸브(도시생략)의 개도 조절로 작동유체의 유량을 조절하여 극저온 냉동사이클의 전체 온도를 점차적으로 낮춰준다.
상기 각 단계에서 압력, 온도 등은 특정의 숫자로 기재하고 있으나 BOG의 발생량, 제어방법 등에 따라 변경 가능한 것은 당연하다.
(제2 실시예)
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 의한 LNG BOG 재액화 장치 및 방법을 상세하게 설명한다. 본 제2 실시예의 LNG BOG 재액화 장치 및 방법은, 질소 순환 사이클에 있어서 상기 제1 실시예의 LNG BOG 재액화 장치 및 방법과 차이점을 가지며, 편의상 그 차이점에 대해서만 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 LNG BOG 재액화 장치의 개략적인 구성도이다. 본 제2 실시예의 LNG BOG 재액화 장치는, 상기 제1 실시예에서와 같이, BOG 사이클, 질소 사이클, 그리고 상기 두 사이클 간에 열교환을 수행하여 BOG를 재액화시켜 주기 위한 콜드박스(cold box) 유닛으로 구성된다. 또한, BOG 사이클은 BOG 압축부(110)와 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 포함한다. BOG 압축부(110)와 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛(200)을 포함하는 BOG 사이클과 콜드박스 유닛에 대해서는 제1 실시예의 구성과 제2 실시예의 구성이 서로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하여 상세한 설명을 생략하고, 여기서는 질소 사이클에 대해서만 설명한다.
질소 사이클
제2 실시예의 질소 사이클은, 제1 실시예에서와 마찬가지로, 작동유체, 예를 들어 질소가스를 가압공급하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 작동유체 압축기(132a, 132b, 132c)와 중간 냉각기(133a, 133b, 133c)가 연결된 작동유체 압축부(130), 상기 작동유체 압축부(130)에 의하여 압축된 상온 고압의 작동유체(질소가스)를 팽창시켜 극저온 상태로 변화시켜 주기 위한 팽창수단(134, 239), 및 상기 팽창수단(239)에 의하여 팽창된 극저온의 작동유체와 열교환시켜 BOG를 응축시켜 주기 위한 응축기(120)로 구성되어 있다.
상기 응축기(120)의 하류측에는, 상기 응축기(120)를 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여 상기 응축기(120)로 유입되는 BOG와 상기 작동유체 압축 부(130)에 의하여 압축된 작동유체를 더욱 냉각시켜 주도록 3개의 경로를 갖는 제1 열교환기(135)가 형성되어 있다.
상기 제1 열교환기(135)와 상기 작동유체 압축부(130) 사이에는, 상기 제1 열교환기(135)를 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여, 상기 작동유체 압축부(130)에서 압축되어 공급되는 상온 고압의 작동유체를 냉각시켜 주도록 제2 열교환기(136)가 형성되어 있다.
한편, 상기 작동유체 압축부(130)에서 압축된 질소가스는, 상술한 바와 같이 제2 열교환기(136)를 통과하여 냉각된 후 분기되어, 일부는 제1 실시예에서와 같이 제1 열교환기(135)로 보내지는 동시에 나머지는 팽창터빈(134)으로 보내진다.
이때 분기되어 제1 열교환기(135)로 보내진 질소가스는 제1 열교환기(135)에서 더욱 냉각된 후 팽창밸브(238)로 보내져 팽창된 다음 응축기(120)로 공급된다. 또한, 분기되어 팽창터빈(134)으로 보내진 질소가스는 팽창터빈(134)을 통과하면서 팽창된 후 응축기(120)를 통과한 질소가스와 합류되어 제1 열교환기(135)로 공급되며, 상기 제1 열교환기(135)에서 상기 응축기(120)로 공급되는 BOG와 열교환을 수행함으로써 상기 응축기(120)로 공급되는 BOG를 냉각시켜 준다.
또한, BOG 사이클의 상기 자가 열교환기(114)와 상기 제1 열교환기(135)의 사이에는, 상기 자가 열교환기(114)를 통과한 저온의 BOG와의 열교환을 통하여 상기 제2 열교환기(136)로 유입되는 질소가스를 냉각시켜 주도록 쿨러(Cooler)(137)가 형성되어 있고, 상기 쿨러(137)를 통과하면서 냉각된 질소가스는 상기 제2 열교환기(136)에서 상기 작동유체 압축부(130)에 의하여 압축된 질소가스와 열교환되어 상기 제1 열교환기(135) 및 상기 응축기(120)로 유입되는 작동유체를 더욱 냉각시켜 준다.
상기 쿨러(137)는, 상기 제1 열교환기(135)의 출구측 작동유체 순환라인에서 분기된 바이패스 배관 상에 형성되어 작동유체 압축부(130) 또는 제2 열교환기(136)로 유입되는 작동유체의 일부 또는 전부가 통과하도록 되어 있다.
상기 쿨러(137)가 형성된 바이패스 배관은 초기 시동(startup) 시 유로가 개방되며, 상기 바이패스 배관 및 이에 대응하는 작동유체 순환라인에 각각 형성된 밸브(도시생략)의 개도 조절로 작동유체의 유량을 조절하여 극저온 냉동사이클의 전체 온도를 점차적으로 낮춰준다.
초기 시동시 질소 사이클의 질소가스 온도가 상온 근처이므로 BOG의 재액화(응축)가 불가능하지만, 질소가스가 상기 쿨러(137)에 의하여 냉각되면서 질소 사이클을 반복해서 순환함에 따라 질소가스의 온도가 점차 낮아져 BOG의 재액화가 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 쿨러(137)에 의해서 질소가스가 빠르게 극저온 상태로 도달되므로 BOG의 재액화 운전이 신속하게 수행될 수 있다. 즉, 발명에 따르면, 초기 시동시에 저장탱크로부터 저온 상태로 유입되는 BOG와 제1 열교환기(135)를 통과한 질소가스를 쿨러(137)에 의해서 열교환시켜 상대적으로 고온인 질소가스를 냉각시켜 줌으로써 질소 사이클이 빠른 시간 내에 안정화될 수 있다.
상기 팽창수단으로는 팽창터빈 및 팽창밸브가 사용될 수 있다.
상기 팽창수단(134)으로 팽창터빈을 사용할 경우, 팽창터빈(134)의 회전축에 는 발전기가 연결되어 상기 발전기에서 발생되는 전기에너지를 상기 작동유체 압축부(130) 또는 상기 BOG 압축부(110)의 구동에너지로 이용하는 것도 가능하다.
질소 사이클의 운전과정을 설명하면, 36℃, 10.43bar의 질소가스는 3단의 작동유체 압축기(132a, 132b, 132c)와 중간냉각기(133a, 133b, 133c)를 포함하는 작동유체 압축부(130)를 통과한 후 압력이 상승되어 40℃, 41.44bar의 가스로 토출된다.
상기 토출된 고압의 질소가스는, 제1 열교환기(135)를 거쳐 돌아오는 -93.75℃, 10.68bar의 저온 작동유체(질소가스)와 제2 열교환기(136) 내에서 열교환되어 -82.2℃, 41.19bar로 냉각된다.
제2 열교환기(136)를 통과하면서 냉각된 질소가스는, 분기되어 일부는 제1 실시예에서와 같이 제1 열교환기(135)로 보내지는 동시에 나머지는 팽창터빈(134)으로 보내진다.
분기되어 제1 열교환기(135)로 보내진 -82.2℃, 41.19bar의 질소가스는, 응축기(120)를 거쳐 돌아오는 -141.2℃, 10.93bar의 질소가스와 제1 열교환기(135) 내에서 열교환되어 -138.2℃, 40.94bar로 냉각된다.
상기 제1 열교환기(135)를 통과하여 -138.2℃, 40.94bar로 냉각된 질소가스는, 팽창밸브(239)를 통과하면서 -167.7℃, 11.18bar로 온도 및 압력이 낮아져 BOG 액화에 필요한 극저온 질소가스로 변화된다.
상기 팽창밸브(239)를 통과하면서 -167.7℃, 11.18bar로 온도 및 압력이 낮아진 극저온 질소가스는, 상기 응축기(120)에서 BOG와 열교환하여 BOG를 액화시키 면서 -141.2℃, 10.93bar로 온도가 상승한다
한편, 분기되어 팽창터빈(134)으로 보내진 -82.2℃, 41.19bar의 질소가스는, 팽창터빈(134)을 통과하면서 -141.2℃, 10.93bar로 온도 및 압력이 낮아진다.
이와 같이, 팽창밸브(239)와 응축기(120)를 차례로 통과하면서 BOG를 액화시키고 -141.2℃, 10.93bar로 된 질소가스와, 팽창터빈(134)을 통과하면서 -141.2℃, 10.93bar로 된 질소가스는, 응축기(120)의 하류측에서 합류되어 -141.2℃, 10.93 bar의 저온부 질소가스가 되어 상기 제1 열교환기(135)로 유입된다.
제1 열교환기(135)에서 질소가스는, 응축기(120)로 보내지는 BOG를 냉각시키는 동시에 팽창밸브(238)로 보내지는 질소가스를 냉각시키고, 자신은 온도가 높아져 -93.75℃, 10.68bar의 상태로 제2 열교환기(136)로 유입된다.
제2 열교환기(136)를 통과하면서 질소가스는, 작동유체 압축부(130)로부터 제1 열교환기(135) 혹은 팽창터빈(134)으로 보내지는 질소가스와 열교환되어 36℃, 10.43bar로 되어 작동유체 압축부(130)로 보내진다.
이하, 본 발명의 바람직한 제2 실시예의 구성에 의한 재액화 장치의 작동을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
본 제2 실시예의 구성에 의한 재액화 장치의 작동은, LNG의 저장탱크에서 유출된 직후의 증발증기(BOG)가 갖는 냉열을, 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 단계; 상기 저장탱크에서 발생되는 BOG를 BOG 압축수단에 의해 압축하는 단계; 상기 압축된 BOG에서 질소를 분리하여 제거하는 단계; 상기 질소제거단계를 거치면서 질소의 함량이 낮아진 BOG를 응축수단에 의해 응축시키기 위하여 작동유체인 질소가스를 질소가스 압축수단에 의해 압축하는 단계; 상기 압축된 질소가스를 분기하여 일부의 질소가스를 팽창밸브에 의해 팽창시킴으로써 극저온 질소가스를 생성하여 상기 응축수단으로 공급하는 단계; 상기 응축수단에서 상기 극저온 질소가스와 상기 압축된 BOG를 열교환시켜 상기 압축 BOG의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 상기 분기된 질소가스 중 나머지의 질소가스를 팽창터빈에 의해 팽창시킨 후 상기 응축수단을 통과한 질소가스와 합류시켜 상기 응축수단으로 공급되는 BOG와 열교환을 수행함으로써 상기 응축수단으로 공급되는 BOG를 냉각시키는 단계; 및 상기 응축에 의하여 재액화된 BOG를 상기 저장탱크로 돌려보내는 단계로 이루어진다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 질소 사이클 내에서 순환하는 질소가스의 온도가 상기 압축수단을 통과한 BOG의 온도보다 높을 경우, 상대적으로 고온인 질소가스를 상기 압축수단을 통과한 BOG와 열교환시킴으로써 냉각시키는 질소가스 냉각단계를 더 포함한다.
극저온의 LNG 운반선의 저장탱크 내에서 외부 열전달로 인하여 발생하는 LNG BOG의 재액화 방법에 있어서, BOG의 순환과정은 제1 실시예와 제2 실시예가 서로 동일하므로, 도 6을 참조하여 질소가스의 순환과정에 대해서만 살펴보면 다음과 같다.
질소가스의 순환과정은, 36℃, 10.43bar의 질소가스가 3단 압축기(132a, 132b, 132c)와 중간냉각기(133a, 133b, 133c)를 통과한 후 압력이 상승되어 40℃, 41.44bar로 승압되는 단계(ST 211), 상기 고압 질소가스가 제2 열교환기(136)에서 저온부 질소가스와의 열교환을 통하여 -82.2℃, 41.19bar의 저온 상태로 변하는 단계(ST 212), 제2 열교환기(136)를 통과한 질소가스가 분기되어, 일부의 질소가스가 제1 열교환기(135)에서 저온부 질소가스와의 열교환을 통하여 -138.2℃, 40.94bar의 저온 고압 상태로 변하는 단계(ST 213), 상기 저온 고압의 질소가스가 팽창수단으로서의 팽창밸브(239)를 지나면서 팽창되어 -167.7℃, 11.18bar의 극저온 저압 가스로 변하는 단계(ST 214), 팽창밸브(239)를 통과한 극저온 저압 질소가스가 상기 응축기(120)에서 BOG의 재액화를 수행한 후 -141.2℃, 10.93bar의 저온부 질소가스로 가열되는 단계(ST 215), 제2 열교환기(136)를 통과한 후 분기되어 제1 열교환기(135)로 보내지지 않은 나머지의 질소가스가 팽창수단으로서의 팽창터빈(134)을 지나면서 팽창되어 -141.2℃, 10.93bar의 저온부 질소가스로 변하는 단계(ST 216), 팽창밸브(239)와 응축기(120)를 차례로 통과하면서 BOG를 액화시킨 후의 저온부 질소가스와, 팽창터빈(134)을 통과한 저온부 질소가스가, 응축기(120)의 하류측에서 합류되어 -141.2℃, 10.93bar의 저온부 질소가스가 되어 상기 제1 열교환기(135)를 통과하면서 -93.75℃, 10.68bar의 상태로 변하는 단계(ST 217), 상기 저온부 질소가스가 제2 열교환기(136)를 통과하면서 36℃, 10.43bar의 상태로 변하는 단계(ST 218)로 이루어진다.
비록 도시하지는 않았지만, 상기 3단 작동유체(질소가스) 압축기(132a, 132b, 132c) 및 중간냉각기(133a, 133b, 133c)를 통과하면서 질소가스의 상태는 다음과 같이 변화한다. 36℃, 10.43bar의 상태로 작동유체 압축부(130)에 공급된 질소가스는, 첫번째 작동유체 압축기(132a)를 거쳐 91.19℃, 16.69bar로 압축되고, 첫번째 중간 냉각기(133a)를 거쳐 40℃, 16.44bar로 냉각되고, 두번째 작동유체 압축기(132b)를 거쳐 95.94℃, 26.3bar로 압축되고, 두번째 중간 냉각기(133b)를 거쳐 40℃, 26.05bar로 냉각되고, 세번째 작동유체 압축기(132c)를 거쳐 96.05℃, 41.69bar로 압축되고, 세번째 중간 냉각기(133c)를 거쳐 40℃, 41.44bar로 냉각된다.
이때 각각의 중간 냉각기(133a, 133b, 133c)에서 질소가스를 냉각시키는 냉각수로서는 해수, 해수와 열교환된 담수 등을 사용할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, BOG 사이클의 상기 자가 열교환기(114)와 상기 제1 열교환기(135)의 사이에는, 상기 자가 열교환기(114)를 통과한 저온의 BOG와의 열교환을 통하여 상기 제2 열교환기(136)로 유입되는 질소가스를 냉각시켜 주도록 쿨러(137)가 형성되어 있다.
상기 쿨러(137)는, 상기 제1 열교환기(135)의 출구측 작동유체 순환라인에서 분기된 바이패스 배관 상에 형성되어 작동유체 압축부(130) 또는 제2 열교환기(136)로 유입되는 작동유체의 일부 또는 전부가 통과하도록 되어 있다.
상기 쿨러(137)가 형성된 바이패스 배관은 초기 시동(startup) 시 사용하며, 상기 바이패스 배관 및 이에 대응하는 작동유체 순환라인에 각각 형성된 밸브(도시생략)의 개도 조절로 작동유체의 유량을 조절하여 극저온 냉동사이클의 전체 온도를 점차적으로 낮춰준다.
상기 각 단계에서 압력, 온도 등은 특정의 숫자로 기재하고 있으나 BOG의 발생량, 제어방법 등에 따라 변경 가능한 것은 당연하다.
본 발명에 따르면, 초기 시동시에 비교적 온도가 높은 상태의 작동유체(질소가스)를 쿨러(137)에 의해서 신속하게 냉각시켜 줌으로써 질소 사이클이 빠른 시간 내에 안정화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 BOG 압축부(110)를 통과하면서 상온 고압으로 압축된 BOG를, 상기 BOG 압축부(110)의 상류측에 설치된 냉열 회수 수단으로서의 자가 열교환기(114)에서 저장탱크로부터 유출된 직후의 BOG에 의해 냉각시킬 수 있어, 응축기(120)에서의 열교환(재액화) 효율을 향상시킬 수 있는 동시에 응축기(120) 내부의 열응력 발생을 억제한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 자가 열교환기(114)에 의해 BOG 압축기(112a)에 공급되는 BOG의 온도를 상온까지 높여줄 수 있기 때문에, 압축기에서의 압축이 더욱 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛을 통과하면서 원래 BOG 가스 내의 질소 함량을 낮출 수 있기 때문에, BOG 액화 온도가 높아져 질소 냉동기의 부하를 줄여 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, LNG 운반선의 운항 중 저장된 LNG의 손실이 없이 저장탱크의 압력을 안정적으로 관리할 수 있다. 특히, 콜드박스 모듈의 도입으로 LNG 재액화 장치의 크기를 줄일 수 있으며 질소가스의 극저온 영역을 안정적 관리로 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 LNG BOG 재액화 장치 및 방법을, 예시된 도면을 참조하여 특정 질소 사이클을 활용하는 것으로 설명하였으나, 이들 특정 질소 사이 클은 본 발명을 한정하지 않으며, BOG를 응축시킬 수 있다면 어떠한 작동유체를 사용하는 극저온 냉동사이클이라도 활용할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, LNG 운반선에서 운항 중 저장탱크에서 발생하여 안전밸브를 통하여 유출되는 BOG를 재액화시키는 재액화 시스템에 있어서, 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 극저온의 BOG가 갖는 냉열을 시스템 내로 회수할 수 있는 냉열 회수 수단을 구비한 LNG BOG 재액화 장치 및 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 응축기로 공급되는 BOG의 온도가 종래에 비해 낮아지기 때문에, 응축기에 냉열을 공급하여 BOG를 액화시키기 위한 질소 사이클에 있어서도 질소의 질량유량이 작아질 수 있다. 그에 따라 질소의 압축을 종래에 비해 저압으로 할 수 있고, 전력 소모가 절감되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 캐스케이드형 멤브레인 질소가스분리유닛을 통과하면서 원래 BOG 가스 내의 질소 함량을 낮출 수 있기 때문에, BOG 액화 온도가 높아져 질소 냉동기의 부하를 줄여 에너지를 절약할 수 있다.

Claims (12)

  1. LNG의 저장탱크에서 발생되는 증발증기(BOG)를 BOG 압축수단에 의해 압축시킨 후 응축수단에 의해 응축시키는 BOG 사이클과, 상기 응축수단에 냉열을 공급하는 질소 사이클을 포함하는 LNG BOG 재액화 장치로서,
    상기 질소 사이클은, 질소가스(작동유체)를 압축시키기 위한 질소가스 압축수단과, 압축된 질소가스를 팽창시키기 위한 팽창수단을 포함하고 있으며,
    상기 저장탱크와 상기 BOG 압축수단 사이의 BOG 라인에는 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG를 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 수단이 구비되어 있으며,
    상기 BOG 압축수단과 질소사이클 사이에는 상기 압축된 BOG 내에서 질소 가스를 일부 분리하여 제거하고 고농도의 메탄 성분을 BOG 내로 다시 전달함으로써 BOG내의 질소 함량을 줄여주는 질소가스분리유닛이 구비되어 있으며,
    상기 팽창수단은 압축된 질소가스가 분기되어 각각 공급되는 팽창밸브 및 팽창터빈으로 이루어지며, 상기 팽창밸브는 분기된 상기 질소가스 중 일부의 질소가스를 팽창시킴으로써 극저온 질소가스를 생성하여 상기 응축수단으로 공급하고, 상기 팽창터빈은 분기된 나머지의 질소가스를 팽창시킨 후 상기 응축수단을 통과한 질소가스와 합류시켜 상기 응축수단으로 공급되는 BOG와 열교환을 수행함으로써 상기 응축수단으로 공급되는 BOG를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉열 회수 수단은, 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 BOG를, 상기 BOG 압축수단에 의해 고압으로 압축된 후의 BOG와 열교환시킴으로써, 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 상기 BOG 사이클 내로 회수하는 열교환기인 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    초기 시동시 상기 질소 사이클 내에서 순환하는 질소가스의 온도가 상기 BOG 압축수단을 통과한 BOG의 온도보다 높을 경우, 상대적으로 고온인 질소가스를 상기 압축수단을 통과한 BOG와 열교환시킴으로써 냉각시키기 위한 쿨러를 포함하고 있으며, 상기 쿨러는 상기 응축수단을 통과한 작동유체 순환라인으로부터 분기된 바이패스 라인에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 BOG 압축수단은, 저장탱크에서 발생된 BOG에 대해 가압 및 열교환 과정이 반복되도록 복수의 압축기와 복수의 중간냉각기가 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 중간냉각기에서 BOG와 열교환을 수행하는 냉각수로서는 담수나 해수를 사용하는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 BOG 압축수단과 상기 응축수단 사이에는 상기 응축수단을 통과한 저온의 작동유체와의 열교환을 통하여 상기 응축수단으로 유입되는 BOG를 냉각하기 위한 제1 열교환기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 열교환기와 상기 질소가스 압축수단 사이에는, 상기 제1 열교환기를 통과한 저온의 질소가스와의 열교환을 통하여 상기 제1 열교환기로 유입되는 질소가스를 냉각시키기 위한 제2 열교환기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 팽창밸브는, 상기 제1 열교환기와 상기 응축수단 사이에 설치되어, 상기 제2 열교환기를 통과한 후 분기되어 상기 제1 열교환기를 통과한 일부의 질소가스를 팽창시켜 상기 응축수단에 공급하며,
    상기 제2 열교환기를 통과한 후 분기된 나머지의 질소가스는, 상기 제2 열교환기와 상기 제1 열교환기 사이에 설치되는 팽창터빈에 의해 팽창된 후, 상기 응축 수단을 통과한 상기 일부의 질소가스와 합류되어 상기 제1 열교환기에 유입되는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 장치.
  9. LNG의 저장탱크에서 유출된 직후의 증발증기(BOG)가 갖는 냉열을, 고온의 유체와 열교환시킴으로써 상기 저장탱크로부터 유출된 BOG가 갖는 냉열을 회수하는 단계;
    상기 저장탱크에서 발생되는 BOG를 BOG 압축수단에 의해 압축하는 단계;
    상기 압축된 BOG에서 질소를 분리하여 제거하는 단계;
    상기 질소가 제거된 BOG를 응축수단에 의해 응축시키기 위하여 작동유체인 질소가스를 질소가스 압축수단에 의해 압축하는 단계;
    상기 압축된 질소가스를 분기하여 일부의 질소가스를 팽창밸브에 의해 팽창시킴으로써 극저온 질소가스를 생성하여 상기 응축수단으로 공급하는 단계;
    상기 응축수단에서 상기 극저온 질소가스와 상기 압축된 BOG를 열교환시켜 상기 압축 BOG의 적어도 일부를 응축시키는 단계;
    상기 분기된 질소가스 중 나머지의 질소가스를 팽창터빈에 의해 팽창시킨 후 상기 응축수단을 통과한 질소가스와 합류시켜 상기 응축수단으로 공급되는 BOG와 열교환을 수행함으로써 상기 응축수단으로 공급되는 BOG를 냉각시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    초기 시동시 상기 BOG 압축수단과 상기 응축수단 사이의 상기 응축수단을 통과한 작동유체 순환라인으로부터 분기된 바이패스 라인에 설치되는 쿨러에 의해 상기 압축수단을 통과한 저온의 BOG를 상대적으로 고온의 작동유체와 열교환시켜 상기 응축수단에 공급하여 작동유체를 냉각시켜 주는 시동시 열교환 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉열 회수 단계는, 상기 저장탱크에서 유출된 직후의 BOG와 상기 BOG 압축수단에 의해 압축된 BOG를, 상기 저장탱크와 상기 BOG 압축수단 사이의 BOG 라인에 설치된 냉열 회수 수단에서 열교환시킴으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 방법.
  12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    BOG에 대한 상기 압축단계는, 복수의 압축기와 복수의 중간냉각기에 의해 상기 저장탱크에서 발생된 BOG를 반복하여 가압 및 열교환함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 LNG BOG 재액화 방법.
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