KR20100107875A - 다단 압축기용 냉각사이클 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다단 압축기용 냉각사이클 장치에 관한 것으로서, 초저온 가스가 유입되어 배출되는 가스공급라인 상에 설치되며 초저온 가스를 상온으로 가열하는 가열부와, 가열부의 후단에 설치되고 상온으로 가열된 가스를 고온 고압의 가스가 되도록 압축하는 제 1 압축기와, 제 1 압축기에서 압축된 압축 가스의 온도를 저하시키기 위하여 설치되는 제 1 중간냉각기와, 제 1 중간냉각기로부터 온도 저하된 압축 가스를 고온 고압으로 압축하는 제 2 압축기와, 제 2 압축기의 후단에 설치되며 다시 압축과정에서 고온이 된 압축가스를 냉각하여 배출시키는 제 2 중간냉각기를 포함하며, 가열부와 제 1, 2 중간냉각기를 순환하도록 설치되어 열교환이 수행되는 냉매순환라인과, 냉매순환라인 상에 설치되는 냉매공급조절부를 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 초저온 가스를 압축기 전단에서 상온 가스로 가열하고, 각 압축기의 후단에 냉각이 이루어지도록 냉매가 순환하는 냉각시스템이 제공된다. 따라서 간단한 순환 구조를 통하여 냉매를 다시 냉각시키기 위한 별도의 냉각시스템이 필요하지 않게 되어 설비의 단순화로 설치 및 운용비가 절감되고, 효율적인 열관리가 이루어질 수 있는 잇점이 있다.
압축기, 냉각사이클, 다단, 가스, 순환, 냉매, 냉각기

Description

다단 압축기용 냉각사이클 장치{APPARATUS FOR COOLING CYCLE FOR MULTI-STAGE COMPRESSOR}
본 발명은 다단 압축기용 냉각사이클 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스(LNG:Liquefied Natural Gas)와 같은 초저온 가스를 수요처의 요구에 따라 압축함에 있어 다단의 각 압축기의 후단에서 열교환을 행하는 다단식 냉동사이클 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액화천연가스(LNG:Liquefied Natural Gas)는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스(NG;Natural Gas)를 -163℃의 초저온 상태로 냉각하여 그 부피를 대략 1/600정도로 감소시킨 것이다.
이러한 액화천연가스를 에너지원으로 사용하기 위해서는 액화천연가스(LNG)의 생산기지로부터 수요지까지 대량 이송하는 것이 필요하게 되는 바, 이를 위해 액화천연가스 운반선이 필요하게 된다.
즉, 천연가스의 생산지인 로딩(Loading)항구에서 기체 상태인 천연가스를 초저온 상태로 액화시켜 액화천연가스 운반선의 저장탱크에 저장함과 아울러 언로 딩(Unloading)항구에 도착한 후에는 초저온의 액화천연가스를 기화시켜 천연가스로 변환시킨 후, 이를 배관 등을 통해 수요자에게 공급하게 되는 것이다.
위와 같은 액화천연가스 운반선의 저장탱크 내에서는 액화천연가스가 지속적으로 기화하여 자연 증발가스(Boil Off Gas:BOG)가 발생된다. 한편, BOG의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, BOG는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출되며, 이와 같이 배출된 BOG는 선박의 연료로 사용되거나 재액화되여 다시 저장탱크로 돌려보내져야 한다.
통상 BOG의 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 BOG를 냉각시킴으로써 재액화한다.
이는 종래 기술에 따라 도 1에 도시된 재액화 사이클을 보면, 저장탱크(10)로부터 연결되는 순환라인(12)과, 순환라인(12)상에 설치되어 복수의 압축기에서 증발가스를 가압 및 냉각과정이 반복되는 다단압축기(14)와, 다단압축기(14)에서 압축된 증발가스를 냉각 및 응축시켜 재액화시키는 액화기(16)와, 액화된 가스와 액체를 재분리하는 분리기(18)로 구성된다.
그러나, 증발가스와 같이 -100℃의 초저온 가스를 압축하는 압축기는 초저온에 맞추어 설계함에 따라 특수 재질과 설계가 필요하며, 더욱이 초저온 가스를 상온 온도로 압축하는 경우 압축열에 따른 가스 온도 상승으로 인하여 가스 냉각 시스템이 함께 갖춰져야 하고, 통상 이런 가스 냉각 시스템은 열전달 매체를 다시 냉 각하는 제2의 냉각시스템이 별도로 필요하여 장치가 복잡해지고, 열손실이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서는 초저온 가스를 압축기 전단에서 상온 가스로 가열하고, 각 압축기의 후단에 냉각이 이루어지도록 냉매가 순환하는 냉각시스템을 구성함으로써, 간단한 순환 구조를 통하여 냉매를 다시 냉각시키기 위한 별도의 냉각시스템이 필요하지 않게 되며, 효율적인 열관리가 이루어질 수 있는 다단 압축기용 냉각사이클 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는, 다단 압축기용 냉각사이클 장치에 있어서, 초저온 가스가 유입되어 배출되는 가스공급라인 상에 설치되며 초저온 가스를 상온으로 가열하는 가열부와, 가열부의 후단에 설치되고 상온으로 가열된 가스를 고온 고압의 가스가 되도록 압축하는 제 1 압축기와, 제 1 압축기에서 압축된 압축 가스의 온도를 저하시키기 위하여 설치되는 제 1 중간냉각기와, 제 1 중간냉각기로부터 온도 저하된 압축 가스를 고온 고압으로 압축하는 제 2 압축기와, 제 2 압축기의 후단에 설치되며 다시 압축과정에서 고온이 된 압축가스를 냉각하여 배출시키는 제 2 중간냉각기를 포함하며, 가열부와 제 1, 2 중간냉각기를 순환하도록 설치되어 열교환이 수행되는 냉매순환라인과, 냉매순환라인 상에 설치되는 냉매공급조절부를 포함하는 다단 압축기용 냉각사이클 장치를 제공한다.
그리고 냉매공급조절부는 가스공급라인 상에 설치된 제어부를 통해 냉매 공급량의 제어를 받는다.
또한, 냉매조절공급부에는, 냉매순환라인에서 분기되어 설치되는 냉매라인과, 이 냉매라인 상에 설치되는 팽창밸브와, 팽창밸브의 후단에 설치되어 냉매의 순환을 돕는 펌프와, 냉매라인에 설치되어 냉매의 공급량을 조절하는 냉매량조절밸브를 포함한다.
또, 냉매공급조절부에서 공급되는 냉매는 글리콜(glycol)이 사용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 다단 압축기용 냉각사이클 장치에 따르면, 초저온 가스를 압축기 전단에서 상온 가스로 가열하고, 각 압축기의 후단에 냉각이 이루어지도록 냉매가 순환하는 냉각시스템이 제공된다. 따라서 간단한 순환 구조를 통하여 냉매를 다시 냉각시키기 위한 별도의 냉각시스템이 필요하지 않게 되어 설비의 단순화로 설치 및 운용비가 절감되고, 효율적인 열관리가 이루어질 수 있는 잇점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일실시예의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에 따른 일실시예서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다단 압축기용 냉각사이클 장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바에 따르면, 초저온 가스가 유입되어 배출되는 가스공급라인 (100)상에 차례로 가열부(110), 제 1 압축기(120), 제 1 중간냉각기(140) 그리고 제 2 압축기(130)와 제 2 중간냉각기(150)를 포함하며, 가열부(110)와 제 1, 2 중간냉각기(140)(150)를 순환하도록 설치되어 열교환이 수행되는 냉매순환라인(160)과, 냉매순환라인(160) 상에 설치되는 냉매공급조절부(170)를 포함한다.
가스공급라인(100) 상에 설치되는 제 1 압축기(120)와 제 2 압축기(130)는 대략 -100℃의 초저온 가스를 가압 공급하기 위하여 가압 및 냉각과정이 반복되도록 복수의 압축기로 이루어지고, 경우에 따라서는 3단으로 구성될 수 있으며, 이 경우 중간냉각기들이 더 필요하게 될 수 있다.
제 1 압축기(120)에서는 가스가 고압 고온으로 압축되고, 제 2 압축기(130)에서는 고온 고압으로 압축시키게 된다.
그리고 제 1 압축기(120)의 전단에 설치되는 가열부(110)는 초저온으로 유입되는 가스를 상온 즉, 0℃의 온도에 가깝도록 가열하게 된다.
또한, 제 1 압축기(120)와 제 2 압축기(130)의 각각 후단에 설치되는 제 1, 2 중간냉각기(140)(150)는, 제 1 압축기(120)와 제 2 압축기(130)에서 발생하는 열을 식히고, 압축된 압축 가스의 온도를 저하시키기 위하여 설치된다.
한편, 냉매순환라인(160)은 가열부(110)와 제 1, 2 중간냉각기(140)(150)를 연속하여 순환하도록 설치되어 열교환이 수행되도록 하며, 냉매순환라인(160) 상에는 냉매공급조절부(170)가 설치된다.
냉매조절공급부(170)는, 냉매순환라인(160)상에 냉매를 냉각시키기 위한 팽창밸브(172)와 팽창밸브(172)의 후단으로 냉매의 순환을 돕는 펌프(174)가 설치된다. 그리고 냉매순환라인(160)으로부터 분기되어 순환 구조를 갖는 냉매라인(171)이 설치되고, 이 냉매라인(171) 상에 냉매의 공급량을 조절하는 냉매량조절밸브(176)가 설치된다.
여기서 냉매순환라인(160)을 순환하는 냉매로는 글리콜(glycol)이 사용될 수 있으며, 냉매량조절밸브(176)는 가스공급라인(100)에서 가열부(110)와 제 1 압축기(120)의 사이에 설치된 제어부(180)를 통해 공급량이 제어될 수 있다.
제어부(180)에서는 가열부(110)를 통과하는 가스의 온도를 측정하여 가스의 온도를 더 낮춰야 하는지 또는 더 높여야 되는지를 판단하게 되고, 이에 따라 냉매의 공급량을 제어하게 된다.
이와 같은 구조로 이루어진 다단 압축기용 냉각사이클 장치에 따라 설명하면 다음과 같이 이루어진다.
다시 도 2를 참고하면, 먼저, 가스공급라인(100)을 통해 초저온 가스가 유입되면, 초저온 가스는 가열부(110)를 거쳐 상온 대략 0℃의 온도에 가깝도록 가열된다.
이때, 냉매조절공급부(170)에서 공급되는 글리콜(glycol)의 냉매는 냉매순환라인(160)을 따라 가열부(110)를 통과하면서 초저온 가스와의 열교환을 통해 초저 온 가스를 0℃의 온도에 가깝도록 가열하게 된다.
여기서 제 1 압축기(120)에서 초저온 가스의 압축 이전에 온도를 높이는 이유는, 저온의 가스가 가열(예열)되지 않은 상태로 제 1 압축기(120)에 유입될 경우 열적 스트레스를 받아서 제 1 압축기(120)에 기계적인 손상이 발생될 가능성이 높으며, 특히 저온의 가스가 가장 먼저 접촉되는 첫 번째 제 1 압축기(120)에 가장 큰 열적 스트레스가 가해질 수 있기 때문이다.
다음으로, 상온으로 가열된 초저온 가스는 제 1 압축기(120)에서 고온 고압으로 압축되고, 가열부(110)에서 열교환으로 열을 뺏긴 냉매는 대략 -50℃정도로 온도가 다운되어 냉각순환라인(160)을 따라 이동되어 제 1 중간냉각기(140) 또는 제 2 중간냉각기(150)를 통과하면서 열교환이 이루어지게 된다.
따라서 제 1 압축기(120)를 통과하면서 고온 고압으로 압축된 가스는 대략 110℃정도의 고온 상태이므로 제 2 압축기(130)에 앞서 제 1 중간냉각기(140)에서 다시 냉각이 이루어지게 되며, 이때 냉각은 앞서 설명한 대략 -50℃정도로의 온도로 다운되어 냉각순환라인(160)을 따라 이동되는 냉매가 제 1 중간냉각기(140)을 통과하면서 110℃정도의 고온 가스와의 열교환으로 고온 가스를 냉각시키게 된다.
한편, 제 1 중간냉각기(140)를 통과하면서 110℃정도에서 대략 50℃정도로 온도 다운된 가스는 제 2 압축기(130)를 거치면서 고온 고압으로 압축되며, 가스공급라인(100)으로 배출되기 이전에 제 2 압축기(130)에서 압축되어 고온이 된 가스를 제 2 중간냉각기(150)에서 다시 저온으로 냉각시켜 배출시키게 된다.
제 2 중간냉각기(150)에서는 가열부(110)에서 열교환된 -50℃정도로의 냉매 와 고온의 가스가 열교환된다.
이와 같이 제 1, 2 중간냉각기(140)(150)를 통과하면서 열교환된 냉매는 대략 30℃~50℃정도로 가열되어 다시 냉각순환라인(160)을 따라 냉매조절공급부(170)로 유입되어 냉각된다.
냉매조절공급부(170)에서는 팽창밸브(172)를 통과하면서 냉각되며, 펌프(174)를 통해 재순환을 하게 되고, 가열부(110)를 통과하면서 열교환된 가스의 온도를 제어부(180)에서 측정하고, 이때, 측정된 온도가 일정 온도 이하로 낮으면 순환되는 냉매의 온도를 높이기 위하여 상대적으로 팽창밸브(172)를 통과하는 양보다 냉매량이 많아지도록 제어부(180)에 의하여 냉매량조절밸브(176)의 개도를 크게 함으로써, 냉매의 전체적인 온도를 높여서 공급하게 된다. 그리고 이와 반대로 측정된 온도가 일정 온도 이상으로 높게 측정되면 공급되는 냉매의 온도를 낮추기 위하여 팽창밸브(172)를 통과하는 양보다 냉매량이 적어지도록 제어부(180)에 의하여 냉매량조절밸브(176)의 개도를 작게 함으로써, 냉매의 전체적인 온도를 낮춰서 공급하게 된다
그러므로, 초저온 가스를 제 1 압축기(120) 전단에서 상온 가스로 가열하고, 후단에 냉각이 이루어지도록 냉매가 순환하는 냉각시스템을 구성함으로써, 간단한 순환 구조를 통하여 냉매를 다시 냉각시키기 위한 별도의 냉각시스템이 필요하지 않게 되며, 효율적인 열관리가 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 다단 압축기용 냉각사이클 장치에 대하여 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않 고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 초저온 가스의 재액화 사이클의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다단 압축기용 냉각사이클 장치의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 가스공급라인 110 : 가열부
120, 130 : 제 1, 2 압축기 140, 150 : 제 1, 2 중간냉각기
160 : 냉매순환라인 170 : 냉매공급조절부
171 : 냉매라인 172 : 팽창밸브
174 : 펌프 176 : 냉매량조절밸브
180 : 제어부

Claims (4)

  1. 초저온 가스가 유입되어 배출되는 가스공급라인 상에 설치되며 상기 초저온 가스를 상온으로 가열하는 가열부와,
    상기 가열부의 후단에 설치되고 상온으로 가열된 가스를 고온 고압의 가스가 되도록 압축하는 제 1 압축기와,
    상기 제 1 압축기에서 압축된 압축 가스의 온도를 저하시키기 위하여 설치되는 제 1 중간냉각기와,
    상기 제 1 중간냉각기로부터 온도 저하된 압축 가스를 고온 고압으로 압축하는 제 2 압축기와,
    상기 제 2 압축기의 후단에 설치되며 다시 압축과정에서 고온이 된 압축가스를 냉각하여 배출시키는 제 2 중간냉각기를 포함하며,
    상기 가열부와 상기 제 1, 2 중간냉각기를 순환하도록 설치되어 열교환이 수행되는 냉매순환라인과,
    상기 냉매순환라인 상에 설치되어 냉매량이 조절되는 냉매공급조절부
    를 포함하는 다단 압축기용 냉각사이클 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매공급조절부는 상기 가스공급라인 상에 설치된 제어부를 통해 냉매공급량이 제어되는 다단 압축기용 냉각사이클 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매조절공급부는,
    상기 냉매순환라인에서 분기되는 냉매라인과,
    상기 냉매라인에 설치되어 냉매를 냉각시키기 위한 팽창밸브와,
    상기 팽창밸브의 후단에 설치되어 냉매의 순환을 돕는 펌프와,
    상기 냉매라인에 설치되어 냉매의 공급량을 조절하는 냉매량조절밸브
    를 포함하는 다단 압축기용 냉각사이클 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매공급조절부에서 공급되는 냉매는 글리콜(glycol)인 다단 압축기용 냉각사이클 장치.
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