KR20100118564A - 기체 팽창 공정을 통한 냉각 시스템의 냉각 용량 조절 방법 및 시스템 - Google Patents

기체 팽창 공정을 통한 냉각 시스템의 냉각 용량 조절 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 기체성 냉매 스트림을 고압에서 저압으로 팽창시키는 것을 냉각 원리로 이용하는 기체 팽창 냉각 회로를 이용한 냉각 시스템의 냉각 용량 조절 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 본 방법은 냉매의 일부를 상대적으로 높은 압력에서 예비 냉각하고 냉각 회로 (100)로부터 제거하여 냉각 회로에서 순환되는 냉매의 양을 일시적으로 감소하는 단계와, 적어도 냉매의 일부가 차가운 액체로 분리되도록 기체나 액체 상태인 냉각된 냉매의 일부를 더 낮은 압력에서 팽창 장치 (102)에 통과시켜 팽창시키는 단계와, 저장부 (104)에서 액체로 존재하는 냉매가 폐쇄형 냉각 회로 (100)에서 일시적으로 순환하지 않도록, 저장부 (104)에서 임시 저장할 수 있도록 액체를 응축되지 않은 기체와 분리하는 단계와, 필요한 경우, 임시 저장된 액상 냉매를 저장부 (104)에서 냉각 회로 (100)로 되돌리는 단계와, 응축되지 않은 기체와 증발된 냉매를 저장부 (104)에서 냉각 회로 (100)의 적합한 위치로 되돌리는 단계를 포함한다. 또한, 기체 팽창 냉각을 이용한 냉각 장치의 냉각 용량 감소 시스템에 관한 것이다.

Description

기체 팽창 공정을 통한 냉각 시스템의 냉각 용량 조절 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR REGULATION OF COOLING CAPACITY OF A COOLING SYSTEM BASED ON A GAS EXPANSION PROCESS}
본 발명은 청구항 제 1항 및 25항의 전제부에 각각 기재된 기체 팽창 공정에 따른 냉각 시스템의 조절 방법과 그 시스템에 관한 것이다.
냉각 원리로서, 천연 가스의 LNG로의 액화나 공기의 저온성 분리와 같이 기체나 액체를 매우 낮은 온도로 냉각하는 데 간단하고 강건한 설비가 필요한 기체 팽창을 통한 냉각 공정이 이용된다. 기체 팽창 공정은 일반적으로 기체성 냉매가 압축, 냉각, 팽창 후, 냉각되는 액체와의 열 교환을 기반으로 하는 작업 사이클을 겪는 고전적인 브레이튼/클로드 (Brayton/Claude) 냉각 공정을 기반으로 한다. 예를 들어, 천연 가스를 액화하기 위해, 터빈(예를 들어, 방사형 터빈/터보 팽창기)을 통해 예비 냉각되어 팽창되는 기체 (일반적으로, 질소 또는 탄화수소 기체 또는 이들의 혼합물) 상태인, 예비 냉각되어 압축된 냉매를 이용할 수 있다. 기체 팽창은 극냉 기체 또는 기체와 액체의 혼합물을 생성한 후, 천연 가스를 액화하고 압축 냉각 가스를 예비 냉각한다. 기체 팽창 공정은 상대적으로 간편하므로, 오프쇼어 설비에 매우 적합하다. 이 공정은 단일 팽창 회로를 통해 수행되거나, 동시에 또는 차례로 수행되는 둘 이상의 팽창 단계를 갖고 이때 다른 팽창 단계는 상이한 공정 조건(압력, 온도, 유동량)으로 수행하여 공정 효율을 높인다. 그러나, 대부분의 공정에서 냉매는 전체 공정에서 기체 상태로 존재하는 것이 일반적이다.
기체 팽창 공정에서 냉매는 시스템 전체에서 기체 상태로 존재하기 때문에, 이 공정의 용량 조절은 어렵다. 원하는 냉각 및/또는 액화를 수행하는 데 약간의 냉각 작업이 필요한 경우에, 예를 들면, 냉각되거나 응축되는 소량의 유체를 시스템에 통과시키거나, 냉각되거나 액화되는 유체가 특정 냉각 작업을 줄이도록 조성이 달라지는 경우에, 용량 조절이 적절하다. 예컨대, 가변성 흡입 안내깃 (variable inlet guide vanes)이나, 속도 조절이나, 방출부로부터 압축기 석션으로 기체 재순환에 의해 냉매 압축기 작업을 줄임으로써 용량을 어느 정도 줄일 수 있다. 그러나, 냉매 공급 속도를 낮춤으로써, 팽창 터빈은 효율이 감소하고, 출력 전원이 낮아지거나, 팽창 터빈의 제어로 인한 문제들이 더욱 심각하거나, 팽창 터빈이 이러한 작동 범위에서 시간이 흐름에 따라 작동할 수 없게 된다. 그 후, 공정에 필요한 원하는 저온을 달성할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.
공정에서 냉각 용량이 감소하는 장비 관련 한계점의 결과로서, 폐쇄형 냉각 회로에 냉매의 함량이 감소하는 (폐쇄형 루프로부터 지속적으로나 일시적으로 제거되는 점) 다른 원리가 일반적으로 이용된다. 이 경우, 전체 냉각 회로에서 구동 압력은 고압 측면과 저압 측면에서 감소할 것이다. 일반적으로 이러한 냉각 공정에 방사형 압축기와 방사형 터빈이 이용되고, 이러한 장치에 압축이나 팽창은 부피를 토대로 하므로, 장비는 단위 시간당 상대적으로 고정된 실제 부피를 지속적으로 조절할 것이다. 구동 압력을 줄임으로써, 동일한 실제 부피 유량이 순환되지만, 질량 유량이 낮아질 것이다. 이를 통해, 시스템이 설계 관점에 근접하게 작동하면서, 필요한 압축 작업이 감소하여 낮은 냉각 부담을 달성할 수 있다.
후자의 용량 조절 방법을 수행하면 냉각 용량이 일시적으로 감소하는 경우에 냉각 기체가 손실된다. 대형 설비에서, 이를 테면 용량 감소 기간 후에 바람직한 품질의 다량의 냉매 기체(예컨대, 정제 질소)를 공급하는 데 매우 긴 시간을 소요하여야 할 것이다. 따라서, 용량을 다시 재설립하는 데 장시간이 소요될 것이다. 공정을 수행하는 두 압력 값 사이로 기체를 저장하거나 포획(trapping)하는 다른 방법이 이용되고, 소형 설비에 적합한 대안을 구성할 것이다. 다른 방법은 더 많은 양이 필요한 경우, 냉각 회로에 다량의 기체를 주입할 수 있도록 압력 용기에 냉매 기체를 저장하는 것을 포함한다.
본 발명은 액상으로 중간 저장하기 위해 상대적으로 짧은 시간 내에 냉매 기체를 냉각하고 액화하여 냉각 회로에서 임시 제거하는 방식으로 냉각 공정을 변형한, LNG 제조용 냉각 설비와 같은 대형 설비를 위한 기체 팽창 회로 용량 조절의 상당한 최적화를 제시한다. 이후에, 냉각 회로는 추후 더 낮은 구동 압력과 감소된 냉각 작업과 함께 낮은 충진 속도로 작동할 것이다. 액화된 기체는 언제든지 냉각 회로로 다시 증발되어 냉각 설비의 작업을 신속하게 높일 수 있다. 냉매 기체를 저온에서 액상으로 저장하기 위해서는 압축형으로 기체를 저장할 때보다 상당히 작은 저장 용기가 필요하다. 설비 부담이 감소하여 설비에 과량의 냉각 용량이 존재하는 경우 짧은 시간 내에 액화가 수행되므로, 냉매 기체의 액화는 냉각 설비에서 높은 냉각 용량을 요구하지 않는다.
본 발명은 모든 형태의 질소 팽창 사이클이나, 순 메탄, 천연 가스 또는 탄화수소의 혼합물을 이용하는 기체 팽창 사이클과 같은, 전체 냉각 회로에서 냉매가 주로 기체 상태로 존재하고, 기체성 냉매를 팽창시켜 냉각을 수행하는 모든 형태의 기체 팽창 회로에 이용되는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적은 독립항, 제 1항에 기술된 바와 같이,
냉매의 일부를 고압에서 예비 냉각하고 냉각 회로로부터 제거하여 냉각 회로에서 순환되는 냉매의 양을 일시적으로 감소하는 단계와,
적어도 냉매의 일부가 차가운 액체로 분리되도록 기체나 액체 상태로 냉각된 냉매의 일부를 팽창 장치를 통해 더 낮은 압력으로 팽창시키는 단계와,
폐쇄형 냉각 회로의 다른 영역에서 액체가 임시 순환되지 않도록 저장부에서 임시 저장하기 위해 응축된 액체를 응축되지 않은 기체와 분리하는 단계와,
필요한 경우, 임시 저장된 액상 냉매를 저장부에서 냉각 회로로 되돌리는 단계와,
냉각되지 않은 기체와 증발된 냉매를 저장부에서 냉각 회로의 적합한 위치로 되돌리는 단계를 포함하는 기체 팽창 냉각용 냉각 회로를 이용한 냉각 시스템의 냉각 용량의 제어 방법으로 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속항, 제 2항 내지 제 23항에 기술되어 있다.
상술한 목적은 독립항인, 제 24항에 기술된 바와 같이,
기체 팽창 냉각을 통한 냉각 시스템의 용량 감소 시스템으로서,
냉각 공정과 함께 열 교환기나 열 교환기 시스템에서 고압으로 기체성 냉매를 냉각하는 장치와,
기상이나 액상으로 냉각된 냉매의 측면 스트림 배출구와,
저압에서 측면 스트림을 스트림으로 팽창하는 팽창 장치와,
응축되지 않은 냉매를 분리하고 응축된 냉매를 임시 저장하는 저장소와,
응축되지 않은 냉매 기체와 증발된 냉매를 저장부로부터 냉각 시스템의 적합한 위치로 되돌리는 복귀 장치와,
필요한 경우, 저장부로부터 냉각 회로로 냉매를 되돌리는 복귀 장치를 포함하고, 폐쇄형 냉각 회로나 냉각 회로로부터 냉매를 임시 제거하도록 구성되는 기체 팽창 냉각을 통한 냉각 시스템을 통해 달성된다.
본 시스템의 바람직한 실시예는 종속항, 제 26항 및 제 27항에 나타낸다.
이제부터, 본 발명은 첨부한 도면을 참조로 하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 주요 작동 원리를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주요 작동 원리를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주요 작동 원리를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주요 작동 원리를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주요 작동 원리를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2-단계 기체 팽창 회로를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조로 하면, 기체 팽창 회로의 용량 조절 시스템은 다음 기본 요소를 포함한다.
1. 냉매의 일부를 고압의 냉각 공정을 통해 냉각하는 공정 100.
2. 냉매 스트림 13에서 적어도 소량의 냉매가 더 낮은 압력에서 액화되도록 압력 감소 장치 102를 통한 팽창을 위해 저압에서 냉각된 냉매 일부 12a를 제거하는 공정.
3. 액상 냉매용 저장소/탱크 104.
4. 냉매 스트림 13을 응축되지 않은 냉매 기체 14와 액상 냉매로 분리하는 공정. 이 공정은 냉매 탱크 104에서 수행하는 것이 바람직하다.
5. 응축되지 않은 냉매와 증발된 냉매를 냉매 탱크 104로부터 냉각 시스템 100의 적합한 위치로 되돌리는 공정.
6. 하중 증가의 필요에 따라, 저장 탱크 104로부터 냉각 회로 100A로 냉매를 복귀하는 장치 106.
상대적으로 높은 압력에서 냉매를 냉각하면 일반적으로 주요 냉각 회로에서 냉매의 최저 예비냉각 온도보다 낮은 온도가 될 것이다. 다시 말해, 압력 감소 장치 102를 통한 팽창을 위해 저압으로 추출되는 냉매 스트림은 일반적인 냉각 회로용 구동 중에 다른 냉매 스트림의 예비 냉각보다 냉각되어야 한다. 그러나, 압력 감소 장치 102를 통한 팽창을 위해 추출되는 냉매 스트림(예컨대, 도 1의 스트림 32에 나타낸, 고압에서 저압으로 팽창된 복귀 냉매 스트림)의 예비 냉각 온도는 냉각 회로의 최저 구동 온도보다 낮은 온도로 냉각될 수 없다. 이 경우에, 냉각 시스템은 하나 이상의 멀티스트림 열 교환기(예를 들어, 멀티스트림 플레이트-핀 열 교환기)를 이용하고, 냉각은 하나의 주요 냉각 회로 예비냉각 패스부 190의 영역이나 예비 냉각 패스의 정교한 연장부 191a 영역에서 부분적으로 발생할 수 있다. 도 1은 주요 냉각 회로의 냉매 스트림 31이 열 교환기의 중간 배출구에 열 교환기 110a로부터 추출되면서, 냉각 회로의 예비 냉각 패스부 190은 열 교환기 패스부 191a 형태로 직접 연장되어 있는 일 실시예를 나타낸다. 도 2는 냉매가 냉각 회로 예비냉각 패스부 190에서 냉각되어 스트림 31 형태로 열 교환기 110a로 빠져나오는 다른 실시예를 보여 준다. 스트림 31로부터 측면 스트림 11a이 추출되어, 열 교환기 패스부 191b에서 더 냉각되도록 멀티스트림 열 교환기 110a로 되돌아간다.
도 3은 별도로 또는 동시에 이용될 수 있는 보다 기본적인 다른 실시예를 나타낸다. 도 3은 기체성 냉매 일부의 냉각이 열 교환기 시스템의 하나 이상의 멀티스트림 열 교환기의 별도의 예비냉각 패스부 191c에서 완전히 수행되는 다른 실시예를 나타낸다. 다른 방법으로는, 냉각 시스템 100을 이용하여 별도의 열 교환기에서 냉각이 발생할 수도 있다. 게다가, 도 3은 압력 제어 밸브가 냉각 회로로 복귀하는 기체의 흐름을 저해함으로써 냉매 저장부 104의 압력을 제어하는 냉매 저장부 104가 냉매의 복귀를 위한 수용 압력보다 높은 압력에서 작동하는 실시예를 나타낸다. 도 3은 열 교환기 110a에 있는 별도의 패스부 192를 가열함으로써 냉매 12는 복귀될 수 있음을 나타낸다. 냉각 회로에서 다수의 열 교환기로 구성되는 시스템 110b (도 5)를 이용하는 경우, 대응되는 구성이 이용될 수도 있다.
도 4는 앞서 도 1 내지 3에 제시한 상기 어느 하나의 다른 방법을 이용하여 동시에 또는 개별적으로 이용될 수 있는 다른 실시예를 나타낸다. 도 4에서, 응축되지 않은 냉매부 14는 냉각 시스템으로 복귀되지 않지만, 스트림 16b로서, 다른 폐쇄형 냉각 시스템으로부터, 예를 들어, 대기나 공정 시설의 다른 위치에서 이용되도록 배출된다. 도 4는 시스템이 스트림 145을 통해 공정 설비의 다른 요소에 액체 또는 기체 형태의 질소를 공급하는 실시예를 나타낸다.
도 5는 냉각 공정은 열 교환기 110b 시스템으로서 다수의 멀티스트림 열 교환기를 이용하는 다른 실시예를 나타내며, 여기서 냉매는 냉각 회로 예비냉각 패스부 190에서 냉각되고, 스트림 31로서 시스템 110b의 열 교환기 중 하나로부터 배출된. 측면 스트림 11a은 스트림 31로부터 추출되어 추후 열 교환기의 열 교환기 패스부 191a에서 더 냉각되도록 시스템 110b로 되돌아간다.
도 6은 단순 기체 팽창 회로(예컨대, 단순 질소 팽창 냉각 회로)에 이용된 본 발명을 상세하게 나타낸다. 본 발명은 다른 종류의 냉매와 하나 이상의 팽창 단계를 이용한 다른 종류의 기체 팽창 회로를 이용할 수도 있음을 주지하여야 한다. 냉각 공정은 예비 냉각된 냉매 31은 기체 팽창기 121을 통해 팽창되어, 저압에서 차가운 냉매 스트림 32를 생성할 수 있도록 멀티스트림 열 교환기 110의 패스 190에서 예비 냉각되는 저압의 기체성 스트림 냉매 21로 개시된다. 냉매 32의 스트림은 대부분 기체 상태지만, 설계에서 팽창기/터빈의 배출구에서 기체와 평형 상태인 소량의 기체가 허여될 수 있는 경우도 있다. 차가운 냉매 32는 열 교환기 110로 복귀하여 냉매 패스부 190에서 따뜻한 냉매 스트림 21을 냉각하고, 하나 이상의 냉매 패스부 193에서 공정 유체 1을 냉각하고/하거나 액화한다. 110에서 가열한 후, 냉매 스트림은 스트림 51에서 저압 상태의 기체로 존재한다. 이러한 냉매 스트림은 중간 냉각되거나, 냉각되지 않은 하나 이상의 압축 단계 111에서 재압축된다. 그 후, 압축된 냉매 20는 외부 냉매나 외부 냉각 회로 130를 이용하여 다시 냉각된다. 이를 통해, 저압에서 차가운 냉매 스트림 12a이 형성될 때까지 191a에서 추후 예비 냉각을 위해 열 교환기 패스부 190에서 예비 냉각 후 더 높은 압력에서 냉매 스트림 191a을 추출하여 본 발명은 개시된다. 예비 냉각된 냉매 12a는 기체 또는 액체 상태일 수 있고, 밸브 102를 통해 저압이나, 고압과 저압 사이의 범위로 팽창되지만, 온도를 낮추고, 기체와 적어도 일부의 액체의 혼합물 13이 생성될 수 있다. 여기에서, 밸브 102는 냉각 회로로부터 추출되는 냉매의 양을 줄일 수도 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 스트림 13 중 기체와 액체는 적합한 압력하에 저장 탱크/압력 탱크/분리기 104에 저장될 수 있는 액체 분획과, 저압에서 냉각 회로의 적합한 위치에서 스트림 32로 복귀되는 기체 스트림 14로 분리된다. 상술한 시스템은 밸브 102를 통해 패스부 191a를 통과한 냉매를 추출하고, 액체는 104에 생성되고, 이에 따라 냉각 회로의 냉매의 함량은 감소하고, 냉각 설비의 용량은 감소된다. 용량이 다시 증가하면, 적합한 장치 106을 이용하여 탱크 104로부터 냉각 회로로(바람직하게는, 저압 냉각 회로의 일부로, 예를 들면, 스트림 17a로서 저압에서 차가운 측면 32로나, 스트림 17b로서 저압에서 따뜻한 측면 51로) 연결부 16을 통해 냉매가 복귀된다.
용량 증가가 요구되는 냉각 회로로 냉매를 되돌리고 조절하는 장치 106은 가장 간단한 실시예로서 냉각 회로로 유체를 투여하는 밸브나 펌프일 수 있다. 밸브를 이용하여, 저압에서 작동하는 냉각 회로의 요소의 하나로 돌아가는 액체 유동은 높이의 큰 차이의 결과인 중력 유동을 통해서나, 도 3과 이와 관련된 설명에 기술된 상대적으로 높은 압력에서 작동하는 저장부 104를 통해 발생한다.
장치 106의 펌프를 이용하여, 고압에서 작동하는 냉각 회로 요소나 중간 압력에서 작동하는 요소로 냉매를 되돌릴 수 있다.
도 7은 저장부 104에서 차가운 액체 냉매로 열을 공급하는 데 이용되는 장치107을 이용하여 저장부 104에서 냉각 회로로 냉매가 되돌아가는 다른 실시예를 이용한 단순 기체 팽창 회로에 적용된 발명을 나타낸다. 이에 따라, 104에서 액체 냉매는 기체 라인 14를 통해 냉각 회로로 복귀되는 제어 방식으로 증발된다.
도 8은 탱크 104 외부의 장치 143을 이용하여 차가운 액체 냉매에 열을 공급하여, 액체 냉매는 104로부터 기체 라인 17a, 17b 또는 대응 연결부로 되돌아가는 제어 방식으로 증발되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장부 104에서 냉각 회로로 냉매를 복귀하는 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다. 장치 143은 이를 테면, 열 공급원으로서 주변 공기를 이용하는 열 교환기나, 에너지 공급원으로서 이용가능한 따뜻한 매질을 이용한 다른 종류의 열 교환기일 수 있다.
도 9는 배출기/방출기 108을 이용하여 냉각 회로의 적합한 위치로 냉매 유동을 되돌리는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저장부 104에서 냉각 회로로 냉매를 되돌리는 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다. 배출기 108은 냉각 회로의 고압 측면, 예컨대, 압축기의 배출부 20이나 냉매 스트림 21로부터 냉각기 130의 하류로 일정량의 작동 기체 18을 이용한다. 냉매는 저압 냉각 회로 요소, 예컨대 스트림 17a로서, 상대적으로 낮은 압력에서 차가운 측면 32로나, 스트림 17b로서 상대적으로 낮은 압력에서 따뜻한 측면 51로 복귀될 수 있다. 배출기는 차가운 액체 16의 전체나 부분적인 증류를 가능하게 하여, 냉매가 복귀될 때, 냉각 회로의 원활하지 못한 액체/기체 유동의 위험이 있는 더 이상 순수하고, 차갑지 않은 복귀 냉매 17a/17b가 되돌아 갈 수 있다.
도 10은 제어 방식으로 액체 냉매 16 용기로 스트림이 유도되어, 냉각 회로의 고압 측면에서 (예컨대, 압축기의 배출부 20이나, 냉매 스트림 21에서) 냉각기 130 하류로 따뜻한 기체 18과 혼합물과 혼합되는 용기나 관 등의 수직형 외부 용기 143을 이용하여 저장부 104에서 냉각 회로로 냉매를 되돌리는 본 발명의 다른 실시예에 따라 본 발명이 적용된 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다. 따뜻한 기체 18은 열을 공급하여 원하는 양의 냉매가 기체로 증발하여 저압의 냉각 회로 요소(예컨대, 스트림 17a로서, 저압의 차가운 측면 32이나, 스크림 17b로서, 저압의 따뜻한 측면 51로) 되돌아 갈 수 있다. 이러한 구성을 통해 차가운 액체 16의 전체 증발이 발생하여, 냉매가 복귀될 때, 복귀되는 냉매 17a/17b는 추후에 냉각 회로에서 액체/기체 유동이 원활하지 않을 위험을 안고 있는 차가운 액체가 아니다.
도 11은 냉각 회로의 특정 위치로부터 상대적으로 따뜻한 냉매 스트림 18을 공급하고, 노즐 등 적합한 장치를 통해 104로 도입되는 압력은 저장부 104보다 다소 높아서, 따뜻한 기체의 열이 103의 차가운 액체의 제어 증발에 기여할 수 있는 장치를 이용한, 저장부 104에서 냉각 회로로 냉매를 되돌리는 본 발명의 다른 실시예에 따라 본 발명이 적용된 단순 기체 팽창 회로를 나타낸다. 이를 통해, 104의 액체 냉매는 제어 방식으로 기체 라인 14를 통해 냉각 회로로 되돌아갈 수 있다.
이를 통해, 제어 방식으로 104의 액체 냉매는 기체 라인 14를 통해 냉각 회로로 되돌아 가서 증발된다.
LNG의 액화 등을 위한 냉각 시스템은 이해를 돕고자 상술한 것보다 상세하게 나타낸다. 그러나, 본 발명의 실시예의 기본 원리는 같다. 이를 설명하기 위해, 냉매로서 순수 질소를 이용하는 이중 기체 팽창 회로를 이용한 천연 가스를 LNG로 액화하는 냉각 시스템을 도 12에 나타내었다. 액화되는 천연 가스를 포함하는 기체 스트림 1은 열 교환기 110의 하나 이상의 단계에서 냉각된다. 분리기나 칼럼 160에서 중급 탄화수소가 액체로 분리되는 중간 온도 4로 기체는 예비 냉각된다. 예비 냉각된 기체 6은 액체가 제조물 스트림 7에서 LNG로 존재할 때까지 추후 냉각, 응축 및 보조냉각을 위해 열 교환기 110으로 되돌아가서 수행된다. 냉각 회로는 열 교환기 110의 다른 온도로 예비 냉각되는 저압에서 두 부분 30 및 40으로 분리되는 기체성 냉매 스트림 21을 포함한다. 스트림 30은 자체 온도보다 낮은 온도로 예비 냉각되고, 기체 팽창기 121을 통해 팽창하여 더 낮은 압력에서 차가운 냉매 스트림 32를 생성한다. 냉매 스트림 32는 대부분 기체 상태이지만, 팽창기/터빈의 배출부에서 허용될 수 있는 기체와 평형 상태인 소량의 액체 분획일 수도 있다. 차가운 냉매 32는 열 교환기 110으로 되돌아가서 냉각에 기여한다. 스트림 40은 냉매 스트림 32의 온도보다 낮은 온도로 예비 냉각되고, 기체 팽창기 122를 통해 팽창하여 저압에서 차가운 냉매 스트림 42를 생성한다. 냉매 스트림 42는 대부분 기체 상태이지만, 팽창기/터빈의 배출부에서 허용될 수 있는 기체와 평형 상태인 소량의 액체 분획일 수도 있다. 차가운 냉매 42는 열 교환기 110으로 되돌아 가서 가장 낮은 온도 범위에서의 냉각을 가능하게 한다. 냉매 스트림 110에서 따뜻해진 후, 냉매 스트림은 더 낮은 온도에서 기체 스트림 33과 43으로 존재한다. 이들 기체 스트림은 중간 냉각되거나 중간 냉각되지 않고, 하나 이상의 압축 단계에서 다시 응축된다. 냉매 스트림 분리는 반드시 열 교환기 110 전에 일어나는 것은 아니지만, 패스부는 중간 배출부에서 스트림 31의 배출부와 잔여 기체 41의 추후 냉각을 위한 기체 스트림을 분리하는 점에서 열 교환기 110의 일체부로서 일어날 수도 있다. 같은 방식으로, 스트림이 교환기의 일체부로서 혼합되는 방식으로 차가운 기체 32와 42가 가열될 수 있다. 단순 기체 팽창 회로와 같은 방식으로, 본 발명의 실시예는 열 교환기 패스부 190에서 예비 냉각된 후, 차가운 냉매 스트림 12에서 더 높은 압력에서 존재할 때까지 191a에서 추후 예비 냉각을 위해 상대적으로 높은 압력에서 냉매 스트림 191a를 추출함으로써, 본 발명의 실시예는 개시된다. 앞서 도 1-3과 함께 설명한 추후 냉각을 위한 냉매의 측면 스트림의 모든 분리 방법도 이러한 구성에 이용될 수 있음을 주지하여야 한다. 예비 냉각된 냉매 12는 밸브 102를 통해 저압이나, 고압과 저압 사이의 압력으로 팽창되지만, 온도가 감소하고, 기체 혼합물 13과 액체의 적어도 분획이 생성될 수 있다. 이와 관련하여, 밸브 102는 냉각 회로로부터 추출된 냉매의 양을 조절한다. 스트림 13의 기체와 액체는 저압에서 냉각 회로의 적합한 위치(예컨대, 14b와 14a를 통한 스트림 32 또는 42로)로 되돌아가는 저장 탱크/압력 탱크/분리기 104에 저장될 수 있는 액체 분획과, 더 낮은 압력의 기체 스트림 14로 분리된다.
상술한 시스템은 패스부 191a와 밸브 102를 통해 냉매가 추출되고, 104에서 액체가 생성되면, 냉각 회로에 존재하는 냉매의 함량은 이에 대응하여 감소하고, 냉각 장치의 용량이 감소한다. 용량이 다시 증가하면, 104에서 냉각 회로(바람직하게는, 저압인 냉각 회로의 요소, 예컨대, 스트림 17a로서, 저압에서 차가운 측면 32로나, 스트림 17c로서 저압의 차가운 측면 42로나, 스트림 17b로서 저압의 따뜻한 측면 51로)로 냉매를 되돌리는 적합한 장치 106을 이용한다. 상술한 모든 냉매 냉각 회로로 냉매를 되돌리는 방법을 이용할 수도 있다.
본 발명의 모든 실시예에서 압력이 충분히 낮은 한, 기체 스트림 14는 상술한 도면과 실시예에 제시된 것과 다른 냉각 회로의 위치로 되돌릴 수 있고, 본 발명은 본문에 제시한 실시예에 제한되지 않음을 주지하여야 한다.
본 발명의 모든 실시예에서 복귀에 이용되는 방법에 있어, 압력이 충분히 낮은 한, 상술한 도면과 실시예에 제시된 것과 다른 냉각 회로의 위치로 되돌릴 수 있고, 본 발명은 본문에 제시한 실시예에 제한되지 않음을 주지하여야 한다.
도면과 함께 앞서 기술한 본 발명의 모든 실시예에서 냉매 탱크는 수평 탱크나 수직 탱크로 구성될 수 있다. 게다가, 냉매 탱크 104는 극저온/저온 액체와 액상 기체의 저장에 일반적으로 이용되는 종래의 탱크나 이중벽 진공-절연 탱크일 수 있다.
게다가, 냉매 탱크 104는 냉각 시스템 100과 열 교환기 시스템 110 주위에 배치되고 주변으로부터 이송되는 열에 의한 증발을 최소화할 수 있다. 다른 실시예에서, 냉매 탱크 104는 주변부로부터 열 이송을 저해하는 절연체로 충진된 폐쇄형 소정 용기 내부에 배치된 열 교환기 시스템 110과 함께 배치될 수도 있다. 절연 용기는 박스 형태이고, 일반적으로 "콜드 박스(cold box)"로 칭한다. 절연체는 펄라이트 등 박스에 충진되는 종래의 절연체나 입상 절연체일 수 있다.
다른 실시예에서, 냉매 탱크 104는 필요한 경우에, 냉매가 질소인 냉매 저장부로 이용되어 다른 공정 장치 요소에 액체나 기체 질소를 제공할 수 있다.
100: 냉각 회로
110a: 열 교환기
110b: 열 교환기 시스템
102: 팽창 장치
104: 저장부
106: 냉매 복귀 장치

Claims (26)

  1. 냉매의 일부를 상대적으로 높은 압력에서 예비 냉각하고 냉각 회로 (100)로부터 제거하여 냉각 회로에서 순환되는 냉매의 양을 일시적으로 감소하는 단계와,
    적어도 냉매의 일부가 차가운 액체로 분리되도록 기체나 액체 상태인 냉각된 냉매의 일부를 더 낮은 압력에서 팽창 장치 (102)에 통과시켜 팽창시키는 단계와,
    저장부 (104)에서 액체로 존재하는 냉매가 폐쇄형 냉각 회로 (100)에서 일시적으로 순환하지 않도록, 저장부 (104)에서 임시 저장할 수 있도록 액체를 응축되지 않은 기체와 분리하는 단계와,
    필요한 경우, 임시 저장된 액상 냉매를 저장부 (104)에서 냉각 회로 (100)로 되돌리는 단계와,
    응축되지 않은 기체와 증발된 냉매를 저장부 (104)에서 냉각 회로 (100)의 적합한 위치로 되돌리는 단계를 포함하는 기체 팽창 냉각용 냉각 회로를 이용한 냉각 시스템의 냉각 용량 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고압의 냉매 일부는 주요 냉각 회로의 냉매 스트림이 더 낮은 압력에서 예비 냉각되는 가장 낮은 온도보다 낮은 온도로 예비 냉각되어, 주요 냉각 회로의 예비 냉각에 비해 냉매 스트림이 더 예비 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압의 냉매 일부는 적어도 냉매의 일부가 예비 냉각 후에 액체로 존재하거나, 냉매의 전체가 예비 냉각 후 액체로 존재하는 온도로 예비 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고압의 냉매 일부는 예비 냉각 후 기체성 냉매로 계속 존재하는 온도로 예비 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 고압에서 저압으로 예비 냉각된 냉매를 팽창시키는 상기 팽창 장치 (102)는 이러한 팽창에 적합한 밸브인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 회로 (100)는 냉각 시스템에서 상이한 스트림들과 냉각되거나 액화되는 유체를 냉각 및 가열하는, 열 교환기 시스템 (110b)에 배치된 하나의 멀티스트림 열 교환기 (110a)나 다수의 멀티스트림 열 교환기를 이용하고, 냉매의 일부의 냉각은 열 교환기에서 스트림 (21)을 제거하거나 추후 냉각을 위해 측면 스트림 (11a)을 상기 열 교환기의 별도의 연장 패스부 (191b)로 되돌려서 기본 냉각 회로의 하나의 예비 냉각 패스부 (190a)에서 부분적으로나, 상기 예비냉각 패스부의 연장부 (191a)에서 부분적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 회로 (100)는 냉각 시스템에서 상이한 스트림들과 냉각되거나 액화되는 유체를 냉각 및 가열하는, 열 교환기 시스템 (110b)에 배치된 하나의 멀티스트림 열 교환기 (110a)나 다수의 멀티스트림 열 교환기를 이용하고, 열 교환기 시스템에서 하나 이상의 멀티스트림 열 교환기 중 별개의 예비냉각 패스부 (192) 전체에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 회로 (100)은 90% 이상의 질소로 구성되는 냉매를 이용하는 기체 팽창 냉각 회로이고, 상기 예비 냉각된 기체성 냉매가 고압에서 저압으로 팽창되어 차가운 기체성 냉매를 생성하는 적어도 하나의 팽창 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 액상 천연 가스 (LNG) 제조에 이용되고, 용량이 조절되는 기체 팽창 냉각 회로 (100)는 기체 팽창 냉각에 이용되어 천연 가스의 냉각과 액화를 구현하고, 상기 냉각 회로에서 순환하는 냉매의 양은 기체성 냉매의 일부가 더 높은 압력에서 예비 냉각되고, 적어도 냉매의 일부가 차가운 액체로 분리되는 적합한 팽창 장치 (102)를 통해 더 낮은 압력으로 팽창되어, 적어도 하나의 냉매의 분획이 차가운 액체로 분리되고, 적합한 저장부 (104)에서 임시 저장되도록 응축되지 않은 기체로부터 냉각 회로로 되돌아가는 액체가 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 냉매의 임시 저장을 위한 상기 저장부 (104)는 분리부 역할도 하여, 냉각 시스템으로부터 추출되는 냉각 및 팽창된 냉매 스트림 (13)에서 응축되지 않은 냉매를 냉각되는 액상 냉매와 분리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장부 (104)는 냉각 회로의 상대적으로 낮은 압력과 거의 같은 압력에서 작동하고, 상기 저장부 (104)는 더 낮은 압력에서 작동하는 냉각 회로 영역에 제한되지 않으면서, 개방 연결부 (14)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장부 (104)는 냉각 회로의 고압과 저압 사이의 압력에서 작동하고, 상기 저장부 (104)는 저장부의 구동 압력을 조절하는 밸브 등의 장치를 구비한 연결부 (14)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장부 (104)는 절연체를 포함하거나 포함하지 않는 수직형 또는 수평형 압력 탱크나, 수직형 또는 수평형 이중벽 진공-절연성 압력 탱크인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장부 (104)에 저장된 냉매는 적합한 복귀 장치 (106)을 통해 더 낮은 압력으로 작동하는 냉각 회로 (100) 영역으로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 복귀 장치 (106)은 하나 이상의 밸브를 통해 냉각 회로 (100)로 되돌아가는 주요 액상 냉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 복귀 장치 (106)은 저장부 (104)에 저장된 액체에 열을 가하거나, 저장부 (104) 외부의 적합하게 연결된 열 전달부에 열을 가하여 기체 상태로 냉매를 되돌리면서 저장된 액체의 증류를 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 복귀 장치 (106)은 적합한 위치에서 냉매를 냉각 회로 (100)으로 되돌리는 펌프를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 복귀 장치 (106)은 제어 방식의 배출부/방출부를 이용하고, 상기 배출부/방출부는 냉각 회로의 고압 측면의 동기 기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 복귀 장치 (106)은 관이나 가압 용기 등 용기를 이용하고, 저장 탱크 (104)에서 냉각 회로 (100)로 되돌아가는 냉매는 제어 방식으로 상기 용기로 도입되고, 따뜻한 기체 스트림은 냉각 회로의 동일한 용기로 공급되어, 따뜻한 기체는 용기로부터 충분한 양의 냉매를 증발하고, 증발된 냉매를 용기에서 냉각 회로의 적합한 위치로 되돌리는 데 필요한 에너지를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 선행 청구항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 기체 팽창 냉각 회로는 동시에 또는 차례로 수행되는 하나 이상의 기체 팽창 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 선행 청구항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 팽창 장치 102, 저장 탱크 104 및 냉매 복귀 시스템 106을 포함하는 시스템의 전체 또는 일부는 소위 "콜드 박스(cold box)라는 절연체로 충진된 폐쇄형 제한 용기에 열 교환기 시스템 110과 함께 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 선행 청구항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 저장부 (104)로부터 응축되지 않은 기체와 증발된 냉매는 냉각 회로 (100)로 되돌아 가지 않는 대신에 시스템이나 폐쇄 냉각 회로 외부의 시스템이나, 공중/주변부로 배출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 선행 청구항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 냉매 복귀 장치 (106)은 기체상 또는 액상 냉매를 시스템이나 폐쇄형 냉각 회로 외부의 시스템으로 전달할 수도 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 열 교환기 (110a) 또는 열 교환기 시스템 (110b)의 냉각 공정을 돕는 고압에서 기체성 냉매를 냉각하는 냉각 장치와,
    냉각된 기체성 냉매의 측면 스트림 (12)의 배출부와,
    저압에서 측면 스트림 (12)를 스트림 (13)으로 팽창하는 팽창 장치 (102)와,
    응축되지 않은 냉매를 분리하고, 응축 냉매를 임시 저장하는 저장부 (104)와,
    저장부 (104)에서 냉각 시스템 (100)의 적합한 위치로 응축되지 않은 냉매 기체 (14)와 증발된 냉매를 되돌리는 복귀 장치와,
    필요에 따라, 저장부 (104)에서 냉각 회로 (100)로 냉매를 되돌리는 복귀 장치 (106)를 포함하는 기체 팽창 냉각을 기반으로 하는 냉각 장치의 냉각 용량 조절 시스템으로서,
    폐쇄형 냉각 회로나 회로로부터 냉매를 임시 제거하도록 구성되어 있는 시스템.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 하나 이상의 멀티스트림 플레이트-핀 열 교환기를 포함하고, 팽창 장치 (102)를 통해 추출되는 기체성 냉매의 냉각은 기본 냉각 회로의 하나의 예비냉각 패스부 영역에서 부분적으로 발생하거나, 예비냉각 패스부 (190a)의 연장부 (191a)에서 부분적으로 발생하거나 (반복), 열 교환기로부터 배출부 (31)와, 추후 냉각을 위해 동일한 열 교환기에서 측면 스트림 (11a)을 별도의 연장 패스부 (191b)로 되돌리는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 폐쇄형 기체 팽창 회로는 냉매로서 순수 질소를 이용하는 이중 기체 팽창 회로이고, 고압 기체성 냉매 스트림은 열 교환기 또는 열 교환기 시스템 (110)에서 다른 온도로 예비 냉각되는 두 부분으로 분리될 뿐만 아니라, 상기 두 냉매 스트림은 다른 온도로 냉각되고 다른 팽창 장치를 통해 하나 이상의 저압으로 팽창되어 더 낮거나 다른 온도를 가진 두 냉매 스트림을 형성하고,
    - 팽창 장치 (102)를 통해 더 냉각되는 냉각된 기체성 냉매의 측면 스트림 (12)은 상술한 두 스트림의 가장 낮은 온도로 예비 냉각된 냉매의 예비 냉각된 부부분의 스트림으로부터 추출되고, 상기 배출부는 예비냉각된 부분의 스트림은 저압과 저온으로 팽창되기 전에 더 높은 압력에서 작동하고,
    - 측면 스트림 (12)을 스트림 (13)으로 저압에서 팽창시키는 팽창 장치 (102)는 밸브이고,
    - 응축되지 않은 냉매 기체 (14)와 증발된 냉매는 저장부 (104)로부터 냉각 시스템 (100)의 적합한 위치로 도입되고,
    - 저장부 (104)에서 냉각 회로 (100)로 냉매를 되돌리는 복귀 장치 (106)는 관 또는 가압 용기 등 용기를 포함하고, 저장 탱크 (104)에서 냉각 회로 (100)로 되돌아가는 냉매는 밸브를 통해 제어 방식으로 용기로 도입되고, 따뜻한 기체 스트림은 냉각 회로의 적합한 위치로부터 공급되고, 이때 압력은 저장부보다 높고, 상기 용기로부터 증발된 냉매는 적합한 장치에서 냉각 회로의 적합한 위치로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 시스템.
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