KR20140092241A - Lpg 증발 가스를 액화시키기 위하여 연료로 사용되는 lng의 활용 - Google Patents

Lpg 증발 가스를 액화시키기 위하여 연료로 사용되는 lng의 활용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LPG 증발 가스(BOG)를 액화시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은 LNG 연료 공급 시스템을 포함하며, 상기 LNG 연료 시스템은 적어도 하나의 LNG 연료 탱크(23), LNG 연료 라인(5) 및 제2 LNG 연료 라인(13); 및 LPG 화물 시스템을 포함하며, 상기 LPG 화물 시스템은 적어도 하나의 LPG 화물 탱크(20), 증발 가스(BOG) 라인(1), 적어도 하나의 재액화 유닛(100) 및 응축물 라인(3); 상기 시스템은 상기 LNG 연료 탱크(23) 및 제2 LNG 연료 라인(13) 사이에서 LNG 연료 라인(5) 상에 제공되는 적어도 하나의 증발기(15, 22)를 더욱 포함하며, 상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)는 상기 LPG 화물 시스템과 열교환된다.

Description

LPG 증발 가스를 액화시키기 위하여 연료로 사용되는 LNG의 활용 {UTILIZATION OF LNG USED FOR FUEL TO LIQUEFY LPG BOIL OFF}
본 발명은 LPG 증발 가스를 액화시키기 위하여 연료로서 사용되는 LNG를 활용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현재, LPG(Liquefied Petroleum Gas)를 운송하는 선박은 주된 추진력을 위해 주로 저속의 디젤 엔진을 사용하고 있으며, 엔진의 연료는 다양한 유형의 선박용 연료를 사용하고 있다. 그러나, 배출 규제 영역으로 이미 알려진 새로운 환경 규제는 황, 질소 산화물, 입자상 물질의 대기로의 방출을 제한한다. 미래에는, 또한 엄격한 국제적인 배출 규제가 예상된다. 새로운 요구사항을 충족하기 위한 몇 가지 방안이, 예를 들면 배기 가스를 정화하는 업계에 의해 제안되어 왔다. 또 다른 방안은 메탄과 같은 청정한 희박 연소 연료를 사용하는 것이다. 해운 업계의 다대한 연료 소비 및 넓은 항해(sailing) 범위 요구에 대하여, 메탄은 LNG(Liquefied Natural Gas)라 알려진 액체 상태로 가장 효율적인 방식으로 저장되어야 한다.
LNG 연료 시스템은 일반적으로 종래기술로 알려져 있으며, 그 시스템의 일례로는 발명의 명칭이 "선박 추진에 사용되는 적어도 하나의 가스 엔진용 LNG 연료 탱크 시스템"인 노르웨이 특허 출원 제20093272호에 개시된 것이 있다.
LPG 캐리어는 보통 한 종류의 화물을 운반할 때, 공통의 증기 분위기를 공유하는 네 개의 화물 탱크를 구비한다. LPG 캐리어는 두 개의 다른 화물을 동시에 운반가능하도록 만들어진다. 이는 두 개의 화물 시스템의 완전한 분리를 가능하게 하도록 갑판 상의 배관 시스템이 2개 설치된다는 의미이다. LPG 캐리어는 예를 들면, 세 개의 탱크에 프로판이, 네번째 화물 탱크에 부탄이 적재될 수 있다. 프로판이 적재된 세 개의 탱크는 증기 연통 공간을 구비하나, 부탄 증기 공간으로부터 철저히 격리되어 있다. 각각의 갑판 배관 시스템은 화물 탱크 압력이 최대 허용 압력을 초과하지 않도록 보장하는 복수의 재액화 유닛에 연결된다. 가스가 해수에 대하여 응축될 수 있도록 재액화 유닛은 충분한 압력으로 증발가스를 압축한다. 응축물(condensate)은 화물 탱크로 되돌아온다. 이러한 방식으로 화물 탱크 압력은 낮게 유지된다. 최대 주위 온도 조건에서 완전히 적재되어 항해하는 VLGC(Very Large Gas Carrier, 일반적으로 약 82.000 m3 화물 운반 용량에서 증발가스를 액화하기 위한 연료 오일 소비(발전기로의)는 약 1,900 kg/일 이다. 이러한 연료 오일 소비를 피할 수 있는 해결책은 현재로서는 없다. 게다가, LNG는 해상용 디젤 오일보다 약 50% 미만의 밀도를 가진다는 사실 때문에, 같은 양의 에너지를 보유하기 위해, LNG는 두 배의 저장 부피가 필요하다. 증가된 연료 저장 부피는 화물을 운반하는 화물선의 비용에 있어서 중요하다. 가령, 북해 유역(North Sea basin)에서의 LPG의 운송과 관련된 또 다른 문제는 항해 지속 시간이 짧으며, 그 결과 정박 시간(harbor time)이 총 왕복 지속 시간과 상당한 관련이 있으며, 따라서 정박 시간의 감소가 중요하다는 것이다.
모든 회전하는 장치는 가동 시간에 기초한 정비 간격을 가지므로 냉동 압축기의 정비 및 유지는 또 다른 운영 비용의 문제가 된다. 새로 건조된 선박은 보통 5년의 도킹 간격(docking intervals)을 갖고, 반면에 냉동 압축기는 대략 20,000시간의 서비스 시간을 갖는다. 따라서, 항해하는 동안 정비가 요구된다고 판단된다. 따라서, 총 가동 시간을 줄여서 결과적으로 정비 간격의 시간을 연장하고, 바람직하게는 정비 간격을 도킹 간격(docking intervals)에 맞출 수 있게 하는 것이 유리할 것이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 LPG 증발가스를 액화시키기 위하여 연료로서 사용되는 LNG를 활용하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 데 있고, 이로써 상기한 문제점 중 적어도 하나를 해결한다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 LPG 증발 가스(BOG)를 액화시키는 시스템을 개시하는데, 상기 시스템은, 적어도 하나의 LNG 연료 탱크(23), LNG 연료 라인(5) 및 제2 LNG 연료 라인(13)을 구비하는 LNG 연료 공급 시스템과; 적어도 하나의 LPG 화물 탱크(20), 증발 가스 라인(1), 적어도 하나의 재액화 유닛(100) 및 응축물 라인(3)을 구비하는 LPG 화물 시스템을 포함하며, 상기 시스템은 또한, 상기 LNG 연료 탱크(23)와 상기 제2 LNG 연료 라인(13) 사이에서 상기 LNG 연료 라인(5)에 제공되는 적어도 하나의 증발기(15, 22)도 포함하며, 상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)는 상기 LPG 화물 시스템과 열교환한다.
또한, 본 발명은, 적어도 하나의 LNG 연료 탱크(23), LNG 연료 라인(5) 및 제2 LNG 연료 라인(13)을 구비하는 LNG 연료 공급 시스템과; 적어도 하나의 LPG 화물 탱크(20), 증발 가스 라인(1), 적어도 하나의 재액화 유닛(100) 및 응축물 라인(3)을 구비하는 LPG 화물 시스템을 포함하는 시스템에서 LPG 증발 가스를 액화시키는 방법도 개시하는데, 상기 방법은 상기 LNG 연료 탱크와 상기 제2 LNG 연료 라인(13) 사이의 제1 LNG 연료 라인(5) 상에 위치되는 적어도 하나의 증발기(22, 15)를 제공하는 단계; 상기 LNG 연료 탱크로부터 흘러나오는 LNG가 증발하는 것에 의하여 증발 가스(BOG)를 응축시키는 단계; 및 상기 응축된 증발 가스(BOG)를 LPG 화물 탱크로 보내는 단계를 포함한다. 전형적으로, 증발기(22, 15)의 수는 동시에 수송 가능한 화물의 수와 일치한다. 이것은 보통 두 개이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 특허청구범위의 종속청구항 및 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세한 설명에 의하여 이해될 수 있다.
도 1은 종래 기술인 재액화 유닛의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예의 개략도이다.
LPG는 액화 화물로 저장되고 운송되는 여러 가지 등급 또는 제품 범위의 석유가스로 이해되어야 한다. 다양한 석유 가스 중에서도 프로판과 부탄을 주요한 예로 들 수 있는데, 프로판은 전형적으로 0부피%에서 5부피% 사이의 임의의 농도의 에탄을 포함하며, 프로판 내의 부탄 함유량은 0부피%에서 20부피% 사이의 임의의 농도를 갖는다. 전형적으로 70부피% 내지 98 부피% 범위의 프로판으로 주로 구성된 이와 같은 혼합물은 상용의 프로판으로 알려져 있는데, 이하에서는 이를 프로판이라고 칭한다.
부탄은 노말-부탄(normal-butane)과 이소-부탄(iso-butane)이 가능한 비율의 불포화 탄화수소와의 임의의 혼합물일 수 있는데, 이하에서는 이를 부탄이라고 칭한다.
더욱이, 프로판 및 부탄 LPG는 최소한 다음의 성분을 포함하여야 한다:
암모니아(Ammonia),
부타디엔(Butadiene),
부탄(Butane)-부탄(Butane) 혼합물(모든 혼합물),
부틸렌(Butylenes),
디에틸 에테르(Diethyl ether),
프로필렌(Propylene),
비닐 클로라이드(Vinyl chloride).
상온보다 낮은 온도에서 저장되고 수송되는 LPG는 일정량의 증기를 자연적으로 계속해서 방출할 것이다. 화물 탱크 내에서 압력을 유지하는 일반적인 과정은 이러한 증기를 추출하고, 액화시키고, 응축 상태로 화물 탱크로 되돌려보내는 것이다. 재액화 유닛은 이하 상기 증기를 액화시키는 냉매 유닛(refrigeration unit)으로 이해되고, 접두사 "재(re)"는 액화 가스로부터 증기의 액화를 가리킨다.
LPG는 대기압보다 고압, 또는 외기보다 낮은 온도, 또는 이 둘이 조합된 조건에서 액체 상태로 수송된다. 본 발명은 액화된 화물, 즉 LPG를 외기 온도보다 낮은 온도에서 수송하는, 소위 완전 냉각 LPG 캐리어로 알려진 LPG 캐리어와; 대기압보다 높은 압력 및 주위보다 낮은 온도에서 액화된 화물 및 LPG를 수송하는 LPG 캐리어와 관련된다. 후자의 LPG 캐리어는 반-냉동식(semi-refrigerated)/반-압축식(semi-pressurised)으로 알려져 있다.
화물 유형은 앞에서 언급한 여러 등급 또는 제품의 LPG 중 어느 것이다.
응축물(condensate)은 액화된 증발 가스로 이해되어야 하며, 여기서 증발 가스라 함은 화물 탱크로의 일정한 열 누출로 인해 화물로부터 배출되는 증기이다.
온간 화물은 현재의 화물 탱크 압력에서 LPG 포화 온도 이상의 온도에서 적재(loaded)된 LPG 이다.
[종래기술]
대한민국 공개 특허 공보 KR 20100102872호는 LPG 및 LNG를 동시에 선적할 수 있는 복합 선박 또는 부유식 생산 저장 및 하역 선박에 사용되는 방법을 개시한다. 대한민국 공개 특허 공보 KR 20100102872호에 서술된 발명은 LPG 재액화 시스템의 복잡성을 감소하기 위해 LPG 증발 가스를 응축하기 위해 압축 및 액화에 앞서서 LNG 증발 가스의 낮은 온도를 활용하는 법을 개시한다.
대한민국 공개 특허 공보 KR 20100102872는, LPG 증발 가스를 LNG 연료 가스 시스템과 결합하여 응축하기 위하여 LNG의 잠열과 현열을 조합하여 사용하는 본 발명과는 반대로, LPG 증발 가스를 응축하기 위해 LNG 증발 가스의 현열을 사용한다.
미국 특허 공보 US 5860294호는 비활성 가스 및 기체성 탄화수소의 혼합으로부터 기체의 탄화수소의 응축 방법을 개시하는데, 특히 LPG/LEG(LEG=Liquefied Ethylene Gas) 선박의 저장 탱크에 관한 것이다.
미국 특허 공보 US 5860294호는 본 발명의 재액화 유닛(100)과 동일한 재액화 시스템에 대해 먼저 설명하고 있지만, 보통의 화물 응축기에서 응축되지 않을 가스 혼합물로부터 기체 탄화수소를 회수하기 위한 하류 제2 응축 시스템을 가진다.
미국 특허 공보 US 5860294호의 제2 응축 시스템이 제 기능을 하기 위해서는, 주된 화물 응축기가 동작 상태에 있어야 하며, 이 교환기에서 부분 응축이 발생하여야 한다.
본 발명에서 두 번째의 응축 시스템(22)은 화물 재액화 시스템의 상류에 위치하고 주된 화물 응축기의 동작에 의존하지 않는다.
대한민국 공개 특허 공보 KR 20010077227호는 LNG 증발가스의 재액화를 위한 방법을 개시하는데, 예를 들면, 국가의 천연 가스 분포망(grid)으로 보내지기 전에 증발기로 보내진 LNG 흐름의 부분에 대하여 LNG 증발 가스가 액화된다. 증발 가스 응축수는 LNG 배출(export) 라인과 혼합된다. 응축수는 저장 탱크로 되돌아가지 않는다.
액체 LNG는 결합된 LNG 및 응축수 흐름의 증발 이전에 증발가스가 LNG로의 열 교환/흡수에 의해 LNG 저장 탱크에서 압력을 제어하기 위해 사용된다.
유럽 특허 공보 EP 1990272호는 원칙적으로 대한민국 공개 특허 공보 KR 20010077227호와 비슷하지만 응축수가 저장탱크로 되돌아가고 증발된 물질이 가스 엔진으로 연료로서 보내진다.
미국 특허 공보 US 3306660호는 다중 성분의 극저온 유체를 저장하기 위한 방법 및 시스템을 개시하는데, 자연적으로 증발되는 더 많은 휘발성 성분들이 획득되고, 응축되고, 저장 탱크로 재유입된다. 펌프되어 나온 극저온의 액체는 증발 가스를 응축하기 위해 사용된다.
국제 특허 공개 WO 2011062505호는 LNG 저장 탱크로부터 증발가스를 회복하기 위한 프로세스를 개시하는데, LNG는 LNG 증발 가스를 흡수하는 재응축 탱크(re-condensing tank)로 보내진다.
미국 특허 공보 US 2795937호는 액화된 가스의 저장 및 수송을 위한 프로세스 및 장치를 개시하는데, 제1 탱크는 액화 천연 가스(LNG)를 보유하고 제1 탱크는 더 높은 비등점의 액체를 보유한다. 더 높은 비등 온도 액체의 탱크 액체에서 열 교환에 의해 연소 엔진에 들어가기 전에, LNG는 선박내에서 연료로서 사용되며, 증발되고, 가열된다. 상기 미국 특허 공보 US 2795937호는 이러한 열 교환이 액체 표면으로부터 증발을 방지하고 증발 가스 재액화 시스템이 필요하지 않다고 교시한다.
미국 특허 공보 US 3864918호는 LNG 화물 탱크로부터 증발 가스가 획득되고, 두 개의 성분의 흐름으로 분리되는 방법을 개시한다. 제1 흐름은 압축되고, 냉각되어, 액화된다. 제2 흐름은 선박을 구동하기 위하여 연료로서 사용된다.
미국 특허 출원 공개 공보 US 2006/0053806호는 해상의 LNG 캐리어 연료로서 및 화물 탱크의 압력 제어를 위하여 증발 가스를 연료로서 공급하는 시스템을 서술한다.
도 1은, 적어도 하나의 화물 탱크(20)에 연결되는 전형적인 종래 기술의 재액화 유닛(100)을 참고로 보여주고 있다. 화물 선적(loading) 라들은 도시되어 있지 않다. 화물 탱크(20)로부터의 증발 가스는 증발 가스 라인(1)을 통하여 화물 압축기(40)로 흐르며, 화물 압축기는 전형적으로 제1 스테이지의 다단 압축기이며, 증기는 중간의 압력으로 압축된다. 도 1에 도시된 재액화 유닛에 의하여 처리되지 않은 임의의 양의 증기는 도시되지 않은, 작동 유닛과 병렬로 설치된 증발 가스 라인(51)을 통하여 흐른다.
라인(46)을 통해 화물 압축기(40)를 빠져나가는 증발 가스는 이코노마이저(43)로 들어가는데, 이 이코노마이저에서 증발 가스는 포화 온도에 가까워진다. 이어서 증발 가스는 라인(47)을 통해 이코노마이저(43)로부터 화물 압축기(41)로 흐르고, 이 화물 압축기에서 증발 가스는 화물 응축기(42)에서 얻을 수 있는 온도에 대응되는 기포점(bubble point) 압력으로 압축된다. 화물 압축기(41)는 전형적으로 제2 스테이지의 다단 압축기이다. 때때로 둘 이상의 압축 스테이지가 필요하고, 이들은 전형적으로 화물 압축기(41)와 직렬로 설치될 수 있다.
압축 증발 가스는 그 이후에 라인(48)을 통하여 화물 응축기(42)로 들어가서 해수 또는 전형적으로 해수 온도 이상의 어느 냉각 매체에 의하여 응축된다. 해수는 지금까지 화물 응축기(42)를 위한 가장 일반적으로 사용되는 히트 싱크(heat sink)이지만 물과 부동액(anti freeze agent)의 혼합이 또한 가능하다. 부동액은 임의의 적당한 글리콜이 될 수 있다.
화물 응축기(42)로부터 응축된 증발 가스의 결과물인, 화물 응축기(42)를 떠나는, 온간 응축물은 라인(49)을 통하여 이코노마이저(43)로 흐른다. 라인(50)은 라인(49)에서 분기되는데, 온간 응축물의 주된 부분에 대해 필요한 중간 단계 냉각 및 보조 냉각을 제공하는 레벨 제어 밸브(44)를 통하여 작은 부분이 흐른다. 일반적으로는 라인(49)에는 도시하지는 않았지만 액체 수용기(liquid receiver)가 장착된다. 화물 탱크(20)로 돌려보내지는(returned) 잔류 온간 응축물은 이코노마이저(43) 내부에서 코일(52)을 통하여 분기되어 코일(50)로부터 추가로 더 흘러나오고, 보조 냉각된 상태(sub cooled state)에서 코일(52)을 통과한다. 지금의 보조 냉각된 응축물은 라인(3)을 통해 흘러 화물 탱크로 되돌려진다. 응축수 생산 밸브(45)는 화물 탱크(20)로 되돌려 보내지는 응축물 흐름의 양을 조절한다. 도시되지 않은 병렬로 배치된 다른 재액화 유닛으로부터 나온 응축물은 라인(3)으로 연결된다.
도 2는 지금까지의 별개의 구획된 두 개의 시스템인, LNG 연료 가스 공급 시스템(over the stippled line) 및 LPG 화물 시스템을 도시한다. LNG 연료 가스 공급 시스템에는 하나 이상의 연결되는 LNG 연료 탱크(23)가 제공된다. 연료 탱크(23)에서 일정한 증기압보다 많거나 적은 것을 보장하고, 연료 라인(5)에서 더욱 충분한 연료 가스 공급 압력을 보장하기 위해, 연료 가스 공급 시스템은 압력이 형성된 열 교환기(24)에서 증발되는 LNG의 양을 제어하는 밸브(27)도 또한 구비한다. 잘 알려진 원리에 따르면, LNG는 증발기(25)에 공급되며, LNG는 증발되며, 생성된 증기는 과열기(26)로 흐르고, 라인(3)을 통하여 주된 엔진으로 이송되기 전에, 증기는 바람직한 연료 가스 온도로 가열된다. 연료 탱크(23) 내의 압력의 감소가 요구되는 경우에 LNG의 증발 가스가 과열기(26)로 보내지도록 하는 증기 라인(8) 및 밸브(28)가 도 2에 또한 도시되어 있다. 그러나, 다수의 상황에서 증기 라인(8)에서의 흐름은 없다.
엔진 연료 가스 분사(injection) 압력은 오토 또는 디젤 엔진이냐에 따라 달라지는데, 오토 엔진에서는 4-바의 적당한 가스 분사 압력만을 필요로 하는데 반하여, 디젤 엔진에서는 300 내지 350 바의 가스 분사 압력이 필요하다. 대체 가능한 높은 압력이 압력 상승을 위한 전용(dedicated) 펌프를 요구하는 것과는 별개로, 압력에 있어서 이런 상당한 차이는 본 발명에 제한적인 영향을 미친다. 부가적인 펌프 시스템은 기술 분야에서 통상의 기술자에게 일반적으로 알려졌기 때문에 도시하지 않는다.
상기 서술한 바와 같이, 높은 연료 가스 압력이 요구되는 디젤 엔진에서는 증발기(25)에 들어가기 전까지 LNG 압력을 필요한 압력까지 끌어올리기 위해 연료 라인(5)에 연결되는 부가적인 LNG 연료 펌프가 필요하다. 이 실시예에서, 증기 라인(8)은 안전 위치(safe location)로 이어지거나, 또는 선택적으로는 가스 설비 가입 소비자(utility consumer)로 이어지는데, 대부분의 상황에서 증기 라인(8)에는 흐름은 없다.
도 1을 참고하여 위에서 설명한 바와 같이, 도 2의 LPG 화물 시스템에는 재액화 유닛(100) 및 적어도 하나의 LPG 화물 탱크(20), 증발 가스(boil of gas)를 재액화 유닛(100)으로 흐르게 하는 증발 가스 라인(BOG line, 1) 및 응축물을 밸브(45)를 통하여 화물 탱크(20)로 돌려보내는(returning) 응축물 라인(3)이 제공된다.
일반적인 항해(voyage)를 고려하면, 프로판을 운반하는 최대 주위의 온도 조건에서 전형적인 초대형 가스 운반선(VLGC: Very Large Gas Carrier)은 대략 425kW의 화물 탱크 시스템으로의 열 누출(heat leakage)이 있다. 생성된 LPG 증발률은 평균 약 3,300 내지 3,800 kg/시간이다. 게다가, 초대형 가스 운반선(VLGC)에 전형적으로 설치된 추진력은 14MW인데, 이 추진력은 최대 연속정격출력에서 전형적으로 7500kJ/kWh의 에너지 소비하는 것으로, 이 조건에서 요구되는 LNG의 양은 약 2,120 kg/시간이다. 따라서, 모든 실제적인 조건에서 LNG의 냉동 잠재력은, 라덴 향해(laden voyage) 중에, 특히 최대의 설계(design) 아래의 외기 온도 및/또는 최대 연속정격출력에서의 속도에서, 재액화 유닛을 가동시킬 필요는 없게 할 것이다. 사실, 이런 조건에서 재액화 동작은 완전히 없앨 수 있다.
그러므로, 증발 LPG를 액화하기 위하여 연료로서 사용되는 LNG를 활용하는 본 발명에 따른 시스템은, LNG 연료 탱크(23)와 제2 LNG 연료 라인(13) 사이에서 LNG 연료 라인(5)에 제공되는 적어도 하나 이상의 증발기(15, 22)를 포함하는데, 상기 적어도 하나 이상의 증발기(15, 22)는 LPG 화물 시스템과 열교환을 하게 되어, LNG 연료 시스템을 LPG 증발 가스 시스템으로 효과적으로 통합한다.
증발기(22)로 직접 공급되는 증발 가스 라인 상에 설치되는 전용(dedicated) 블로워는 명백히 선택 사항이지만, 이미 설치된 화물 압축기가 있을 때, 추가적인 장치의 비용이 들게 된다. 게다가, 이런 해결책은 바람직하지 않으며, 따라서 도시하지 않았다. 그러나, 대안으로서, 증발기(22)로 증기가 자유롭게 흐르게 하는 것도 가능한데, 이러한 조합을 위해서는 리턴(return) 펌프가 고려되어야 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 적어도 하나의 증발기(22)는 연료 탱크(23)에서 압력에 의해 라인(5)을 통하여 흘러나오는 LNG를 증발시킴으로써 증발 가스(BOG)를 응축시키도록 구성된 증발 가스 응축기(BOG condenser)이다. 응축물은 라인(2)을 통하여 화물 탱크(20)로 다시 보내어진다. 주변의 다른 경로를 보면, LNG는 증발 가스에 대하여 증발 가스의 양 및 연료 소비량의 여하에 따라서 증발되는데, 이 때의 LNG는 부분적으로 증발되거나, 완전히 증발되거나, 완전히 증발 및 과열된다. 생성물(product)은 증발기(22)를 떠나서, 잔류 LNG가 증발되는 증발기(25)로 들어간다. 증기는 증발기(25)로부터 증기가 바람직한 연료 가스 온도로 가열되는 과열기(26)로 유동된다. 적어도 하나의 증발기(22)를 떠난 증기가 과열되는 LNG의 연료 소비량 및 증발량의 경우, 상기 증발기(25) 및 상기 과열기가 모두 생략될 수 있다. 적어도 하나의 증발기(22)를 떠난 증기가 완전히 증발되는 LNG의 연료 소비량 및 증발량의 경우, 상기 증발기(25)가 생략될 수 있다.
상술된 실시예에서 모든 LNG의 흐름은 연료 탱크(23)로부터 증발기(22)를 통하여 지나간다. 그러나, 어떤 상황에서, 가령, 불충분한 증발 가스 또는 증발되지 않은 가스(no boil off gas), 증발기를 통하는 LNG의 흐름을 제어하는 것이 유리할 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 증발 가스 라인(1)에 증발 가스가 없는 때에 밸브(29)는 열리고 밸브(30)는 닫히도록 하고 그 반대의 경우에는 반대가 되도록, 두 개의 밸브(29, 30) 각각은 증발기(22)의 전면에, 그리고 증발기와 병렬로 제공된다. 밸브(29, 30)는 증발기(22, 15)로 흐르는 LNG의 양, 현재 LNG 소비 및 증발가스 라인(1)에 있는 이용가능한 증발 가스(BOG)의 양을 조절한다. 이 실시예는 증발기(22, 15)를 떠나는 생성된 물질을 완전히 증발시키고, 증기가 바람직한 연료 가스 온도로 가열되는 과열기(26)로 상기 증기가 이송되는 것을 보장한다. 규제는 알려진 원리에 의한 것이므로 도시하지 않는다. 증발기(22, 15)에서 필요하지 않은 어느 잉여 LNG는 증발기(25)로 직접 이송되는데, 잉여 LNG는 과열기(26)로 이송되기 전에 증발된다. 밸브(29, 30)는 도시되지 않은 3-웨이 밸브(three-way valve)로 동등하게 잘 대체 가능하다. 밸브 (29, 30)장치는 따라서 같은 기능을 제공하는 대체 가능한 밸브 장치를 나타낸다.
재액화 유닛(100) 안의 화물 압축기(40, 41) 주위의 배관 시스템(piping system)은 하나의 스테이지의 압축 방식(single stage compression modus)으로 작동한다. 하나의 스테이지의 압축 방식 내의 화물 압축기(40, 41)의 배열은 통상의 기술자에 의해 명백하며, 그 제안은 몇 가지 가능한 해결책 중의 하나이다. 하나의 스테이지의 압축 방식에서, 체적 용량(volumetric capacity)은 높으며(high), 보통 단지 하나의 압축기가 동작상태에 있도록 요구되며 따라서 전체 압축 구동 시간에서 전체적인 감소를 제공한다. LPG 화물 탱크(20)로부터의 증발 가스는 그 후 라인(1)에서 증발 가스가 보통 압력하에 들어올려지는 화물 압축기(40, 41)로 직접 흐른다. 라인(48) 또는 라인(49) 상에 편리한 위치에서 압축 가스는 라인(61)을 통하여 분기되며, 증발 가스가 응축되어 라인(2)을 통하여 화물 탱크(20)로 다시 돌아와 증발기(22)로 흐른다. 밸브(71) 및 밸브(72)는 어디에서 증발 가스의 분기가 형성될지를 규제한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 적어도 하나의 증발기(15)는 응축물 라인(3) 상에 제공되는 응축물 서브 쿨러(condensate sub cooler)며, 재액화 유닛(100) 및 화물 탱크(20) 사이에서, 응축물 서브 쿨러(15)는 LPG 응축물을 연료 탱크(23)로부터 LNG를 증발시킴으로서 서브 냉각하기에 적합화된다. 증발 가스(BOG) 응축기(22)를 참고하여 상기 서술했던대로 실시예에서 응축물 서브 쿨러(sub cooler)는 단독으로 사용될 수 있다.
이하 상세한 설명에서 개시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이용가능한 때에 LNG 내에서, 과도한 냉각 용량(excessive refrigerant capacity)의 활용 및 동작 상의 유연성을 증가시키는 증발기(15) 및 증발기(22) 모두가 제공된다. 이 실시예에서, 증발기(15)를 우회하거나 통과를 가능하게 하기 위하여 밸브(16) 및 밸브(17)가 제공된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, LPG 화물 탱크(20)로부터 배출된 증발 가스는 라인(1)에서 증발 가스 압력이 적당하게 높아지는 화물 압축기(40, 41)로 직접 흐른다. 재액화 유닛(100) 내의 화물 압축기(40, 41) 주위의 배관 시스템은 하나의 스테이지의 압축 방식에서 작동하도록 배열된다. 화물 압축기(40, 41)로부터 적당히 압축된 압축 가스는 라인(2)을 통하여 증발된 가스가 응축되고 화물 탱크(20)로 다시 돌아오는 증발기(22)로 흐른다.
증발기(22)에서 증발 가스(BOG)는 라인(5)을 통하여 연료 탱크(23)로부터 압력에 의하여 흐르는 LNG를 증발하는 것에 의해 응축된다. 응축된 증발가스(BOG)는 라인(2)을 통하여 화물 탱크(20)로 다시 보내진다. 주위의 다른 방법이 보여지듯이, LNG는 증발 가스에 대하여 증발되고, 현재의 증발량 및 지금의 연료 소비를 소비하는 양에 의존하여 LNG는 부분적으로 증발되거나, 완전히 증발되거나, 완전히 증발 및 과열된다. 생성물(product)은 증발기(22)를 떠나, 잔류 LNG가 증발되는 증발기(25)로 들어간다. 증기는 라인(12)을 통해 증발기(25)로부터 증기가 바람직한 연료 가스 온도까지 가열되는 과열기(26)로 이송된다. 적어도 하나의 증발기(22)를 떠난 증기가 과열되는 LNG의 연료 소비량 및 증발 가스량의 경우, 상기 증발기(25) 및 상기 과열기가 모두 생략될 수 있다. 적어도 하나의 증발기(22)를 떠난 증기가 완전히 증발되는 LNG의 연료 소비량 및 증발량의 경우, 상기 증발기(25)가 생략될 수 있다. 상기 서술했던 실시예에서 모든 LNG의 흐름은 연료 탱크(23)로부터 증발기(22)를 통하여 지나간다.
상기 서술했던 실시예에서 모든 LNG의 흐름은 연료 탱크(23)로부터 증발기(22)를 통하여 지나간다. 그러나, 어떤 상황에서, 가령, 불충분한 증발 가스 또는 증발되지 않은 가스(no boil off gas), 증발기를 통하는 LNG의 흐름을 제어하는 것이 유리할 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면,
증발 가스 라인(BOG line, 1)에 증발 가스가 없는 때에 밸브(29)는 열리고 밸브(30)는 닫히도록 하고 그 반대의 경우에는 반대가 되도록, 두 개의 밸브(29, 30) 각각은 증발기(22)의 전면에, 그리고 증발기와 병렬로 제공된다. 두 개의 밸브(29, 30)는 증발기(22, 15)로 흐르는 LNG의 양, 현재 LNG 소비 및 증발가스 라인(BOG line, 1)에 있는 이용가능한 증발 가스(BOG)의 양을 또한 조절 가능하다. 증발기(22, 15)로 흐르는 LNG는 완전히 증발되며, 증기는 증기가 바람직한 연료 가스 온도로 가열될 수 있는 과열기(26)로 이송된다. 증발기(22, 15)에서 필요하지 않은 임의의 잉여 LNG는 증발기(25)로 직접 이송되고, 잉여 LNG는 과열기(26)로 전송되기 전에 증발된다. 두 개의 밸브(29, 30)는 같은 기능을 제공하는 삼방향 밸브(three way valve)로 동등하게 잘 대체 가능하다.
상기 개시된 예시적인 실시예에서는 LNG 연료 소비가 많을 때인 라덴 항해(voyage) 중의 시스템의 사용에 대하여 주로 언급했다. 하지만, 선적(loading) 중에는 증발 비율이 최대이고 LNG 연료 소비는 낮은 하한에 있으므로, 재액화 유닛(100)은 동작 상태에 있어야 한다.
이러한 조건하에서, 액화 유닛에 프리쿨러로서 증발기(22)내에서 활용되는 최적의 선적을 하는 동안에 사용가능한 LNG의 양을 감소시키기는 데 자연적으로 고려될 것이다.
이런 조건하에서, 선적(loading) 중에 최고로 이용가능한 LNG의 감소된 양은 재액화 유닛으로 이어지는 프리-쿨러로서 기능하는 도면 부호 22로 나타낸 장치에서 활용되는 것을 고려하는 것은 당연한 것이다. 그러나, 특히 온간 화물이 선적되는 때, 가령 압축기 입구에서의 안개 문제 때문에, 이것은 최적의 솔루션은 아니다.
증발 가스를 예비-냉각(pre-cooling)하는 대신에, 응축물을 보조 냉각하는 것이 화물 탱크(20) 내에서의 플래시 가스의 발생을 감소시키고, 따라서 화물 압축기로 되돌아가는 플래시 가스를 재활용하지 않는 것에 의하여 시스템 효율을 증가시킨다.
선적(loading) 중에 모든 증발 가스는 라인(1)을 통하여 재액화 유닛으로 직접 보내지는데, 그곳에서 증발 가스가 응축되고, 라인(3)을 통하여 돌아온다. 라인(3)에서, 응축물 서브 쿨러(15)는 LNG를 냉매로 사용하며 위치한다. 화물 탱크로 다시 돌려 보내지기 전에, 바람직하게는 -50℃이하가 되지 않는 온도에서, 응축물은 감소된다. 응축물 온도는 화물의 유형에 의존하고, 더 온간 화물의 유형을 위해 높아질 수 있다.
앞에서 언급한 대로, LPG 캐리어는 두 개의 다른 화물을 동시에 운송할 수 있도록 만들어지며, 두 개의 화물은 프로판 및 부탄이 될 수 있다. 증발기(22, 15)는 일련의 순서로서 동작하는데, 우선, LNG는 적어도 하나의 증발기(22)에서 프로판을 대하여 증발되며, 그 다음에 증발된 LNG는 부탄 상에서 동작하는 병렬 유닛에서 라인(74)을 통하여 라인(80)으로 흐른다. 이 결과에 따른 온도가 더 높은 증발 LNG는 라인(5)을 통하여 연료 가스 시스템으로 돌아온다. 도 3은 이것이 어떻게 부탄이 선적된 하나의 탱크 및 프로판이 선적된 세 개의 탱크와 함께 할 수 있는지의 배열을 나타낸다. 전형적으로 네 개의 재액화 유닛(100)이 설치될 것이지만, 보통 항해(voyage) 중에 두 개가 대기(standby) 될 것이며, 특히 본 발명에 따라 LNG가 연료로서 사용될 때 그러하다. 증발기(22)의 다이어그램 병렬 동작으로부터 보여질 수 있는 것 또한 가능하다. 도 3은 대기하는(standby) 재액화 유닛을 도시하지 않았다.
본 발명을 도면 및 앞의 설명에서 상세하게 설명하고 기술하였지만, 그런 설명 및 기술은 설명적이며 예시적인 것으로 여겨지며, 제한적이지 않으며, 본 발명을 개시된 실시예로 제한하려는 의도도 아니다. 어떤 특징들이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 단순한 사실은 이런 특징의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다. 청구범위에서의 어떠한 기준 부호라도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 만들어져서는 안된다.

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 LNG 연료 탱크(23), LNG 연료 라인(5) 및 제2 LNG 연료 라인(13)을 구비하는 LNG 연료 공급 시스템과; 적어도 하나의 LPG 화물 탱크(20), 증발 가스 라인(1) 및 응축물 라인(3)이 제공되는 적어도 하나의 재액화 유닛(100)을 구비하는 LPG 화물 시스템을 포함하는 LPG 증발 가스(BOG)를 액화하는 시스템에 있어서,
    상기 LNG 연료 탱크(23)와 상기 제2 LNG 연료 라인(13) 사이에서 상기 LNG 연료 라인(5) 상에서 제공되는 적어도 하나의 증발기(15, 22)와, 적어도 하나의 재액화 유닛(100)을 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 증발기는 상기 LNG 연료 탱크(23)로부터 LNG를 증발시키는 것에 의하여 증발 가스(BOG)를 응축하도록 구성된 증발 가스 응축기(22)이고,
    상기 증발 가스 응축기에는, 상기 증발 가스 응축기(22)의 앞에 배열되어서 응축물로서 상기 화물 탱크(20)로부터 나오는 증발 가스(BOG)를 충분히 압축하여 상기 화물 탱크(20)로 응축물로서 복귀 이송시키도록 구성된 화물 압축기(40, 41)가 단일 스테이지 방식으로 배열되며,
    상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)는 상기 LPG 화물 시스템과 열교환하는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    리턴 펌프가 상기 증발 가스(BOG) 응축기 다음에 위치되고, 응축된 증발 가스(BOG)를 상기 화물 탱크(20)로 이송하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증발기는 상기 연료 탱크(23)로부터 LNG를 증발시키는 것에 의해 LPG 응축물을 보조 냉각하도록 구성되는 응축물 서브 쿨러(15)이며,
    상기 응축물 서브 쿨러(15)는 상기 재액화 유닛(100) 및 상기 화물 탱크(20) 사이에서, 상기 응축물 라인(3) 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)의 전면에 배치되는 것과 상기 적어도 하나의 증발기에 병렬로 배치되는 것인 두 개의 밸브(29, 30)를 더 포함하여, 상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)를 통하여 흐르는 LNG의 양은 현재의 LNG 연료 소비 및 증발가스 라인(BOG line, 1)에 존재하는 이용가능한 증발 가스(BOG)의 양에 맞게 조절되는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 시스템.
  5. 적어도 하나의 LNG 연료 탱크(23), 제1 LNG 연료 라인(5) 및 제2 LNG 연료 라인(13)을 포함하는 LNG 연료 공급 시스템과; 적어도 하나의 LPG 화물 탱크(20), 증발 가스 라인(1) 및 응축물 라인(3)이 제공되는 적어도 하나의 재액화 유닛(100)을 포함하는 LPG 화물 시스템을 포함하는 시스템에서 LPG 증발 가스(BOG)를 액화시키는 방법에 있어서,
    - 상기 LNG 연료 탱크 및 상기 제2 LNG 연료 라인(13) 사이에서 상기 제1 LNG 연료 라인(5) 상에 위치된 적어도 하나의 증발기(22, 15)를 제공하는 단계;
    - 상기 LNG 연료 탱크로부터 흐르는 LNG를 증발시키는 것에 의하여 증발 가스를 응축하는 단계;
    -적어도 하나의 재액화 유닛(100)의 화물 압축기(40, 41), 증발 가스(BOG) 응축기 앞에 단일 스테이지 방식으로 배열된 상기 화물 압축기를 배열하는 단계로서, 화물 탱크(20)로부터 흐르는 증발 가스(BOG)는 충분하게 압축되어 응축물로서 상기 화물 탱크(20)로 이송되는, 단계; 및
    - 응축된 증발 가스가 상기 LPG 화물 탱크로 보내지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 LNG 연료 탱크(23)로부터의 상기 LNG 흐름은 자유 흐름이며, 상기 방법은 상기 증발 가스 응축기 다음에 리턴 펌프를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 리턴 펌프는 상기 응축된 증발 가스를 상기 LPG 화물 탱크(20)로 펌핑(pumping)하는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스(BOG)를 액화시키는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    - 상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)의 하류에 적어도 하나의 증발기(25)를 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 증발기(15, 22)로부터 받은 잔여 LNG가 증발되는, 단계; 및
    - 상기 적어도 하나의 증발기(25)의 하류에 적어도 하나의 과열기(26)가 제공되는 단계를 구비하고,
    상기 적어도 하나의 증발기(25)로부터 받은 증기는 바람직한 연료 가스 온도까지 가열되는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스(BOG)를 액화시키는 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    - 제1 및 제2의 다른 화물을 동시에 운반하는 적어도 두 개의 화물 탱크(20)를 제공하는 단계;
    - LNG가 먼저 적어도 하나의 증발기(22)안에서 상기 제1 화물에 대하여 증발되고, 그 후 증발된 LNG는 제2 화물 상에서 작동하는 병렬 배치된 증발기(20) 상에서 라인(74)을 통하여 라인(80)으로 흐르도록, 상기 2개의 증발기(22, 15)를 일련의 순서로 동작하는 단계; 및
    - 상기 단계의 결과인 온도가 더 높은 증발 LNG를 상기 연료 가스 시스템으로 라인(5)을 통하여 돌려보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 화물은 프로판이고 상기 제2 화물은 부탄인 것을 특징으로 하는 LPG 증발 가스를 액화시키는 방법.
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