KR20150093333A - 냉매 공급 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

냉매 공급 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 냉매 공급 시스템은, LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 시스템에 있어서, 이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 상기 이산화탄소를 분리하여 액화하는 벌크 이산화탄소 제거 유닛; 및 상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 하류에 마련되어 액화된 상기 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 냉매 조절부를 포함하여, 상기 냉매 조절부에서 온도 및 압력이 조절된 상기 이산화탄소는 상기 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

냉매 공급 시스템 및 방법{Supplying System And Method Of Refrigerant}

본 발명은 냉매 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 시스템에 있어서, 이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 상기 이산화탄소를 분리하여 액화하는 벌크 이산화탄소 제거 유닛과, 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 하류에 마련되어 액화된 상기 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 냉매 조절부를 포함하여, 냉매 조절부에서 온도 및 압력이 조절된 이산화탄소를 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급하는 냉매 공급 시스템 및 방법에 관한 것이다.

근래 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.

특히 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다.

액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다.

최근에는 육상 자원의 개발에 이어 해상에서의 해저 자원에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 이에 따라 시추된 해저 자원을 해상에서 처리할 수 있으며, 육상 플랜트 건설시의 건설 부지 확보나 건설 시간 소요의 문제를 해결할 수 있는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)와 같은 해상 플랜트에 대한 수요도 증가하고 있다.

LNG FPSO에서의 LNG의 액화 공정은 산성 가스(Acid gas)의 제거, 탈수(Dehydration), NGL(Natural Gas Liquid)의 분별(Fractionation) 등의 전처리 과정을 거친 후 이루어진다.

한편 해상 광구에서 채굴된 천연가스에는 통상 3 내지 10 mol %의 CO₂가 함유되어 있으나, 수십 mol % 의 CO₂가 함유되어 있는 경우에는 추가적인 이산화탄소 제거 공정이 이루어져야 하므로, 매장량이 상당한 경우에도 광구 개발의 경제성이 떨어질 수 있다. 그러나 최근에는 육상에서의 자원 고갈과 지속적인 유가 등 에너지 가격 상승에 따라, 경제성이 낮다고 평가되던 한계 유정의 개발도 이루어지고 있다.

육상 및 해상의 플랜트에서는 냉매를 필요로 하는 다양한 공정이 이루어진다.

이러한 냉매의 공급과 순환을 위해서는 관련 장비를 구비해야 하고 운용 비용이 필요하므로, 경제적인 면에서나 공간 활용도의 측면에서 비효율적이다. 특히 해상 플랜트의 경우 관련 장비의 구비에 따른 탑사이드 장비의 중량 증가와 공간 활용도 저하가 문제될 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, LNG 플랜트에서 천연가스에 포함된 이산화탄소를 분리하여 이로부터 플랜트에 냉매로 공급하는 시스템을 제안함으로써, 플랜트에서 발생하는 이산화탄소를 효과적으로 처리하는 동시에 플랜트의 냉매를 공급할 수 있도록 하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 시스템에 있어서,

이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 상기 이산화탄소를 분리하여 액화하는 벌크 이산화탄소 제거 유닛; 및

상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 하류에 마련되어 액화된 상기 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 냉매 조절부를 포함하여,

상기 냉매 조절부에서 온도 및 압력이 조절된 상기 이산화탄소는 상기 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급되는 것을 특징으로 하는 냉매 공급 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매 소비처는 상기 LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러, NGL 회수 공정, 전-냉각(pre-cooling) 공정을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 LNG 생산 플랜트는 육상 플랜트 및 해상 플랜트를 포함하며, 상기 해상 플랜트는 LNG-FPSO를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛은, 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 냉각하는 냉각기와, 상기 냉각기에서 냉각된 상기 천연가스를 공급받아 이산화탄소를 분리하는 증류 칼럼을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 증류 칼럼에서 분리된 이산화탄소는 상기 증류 칼럼의 하부로 배출되며, 상기 냉매 조절부는, 상기 증류 칼럼의 하부로 배출된 상기 이산화탄소를 상기 냉매 소비처에서 필요한 온도 및 압력으로 조절하는 조절 밸브를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 하류에는 상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛으로부터 상기 천연가스를 공급받아 이산화탄소를 추가로 제거하는 아민 공정 유닛이 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 방법에 있어서,

1) 이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 상기 이산화탄소를 분리하여 액화하는 단계;

2) 액화된 상기 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 단계; 및

3) 온도 및 압력이 조절된 상기 이산화탄소는 상기 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급하는 단계를 포함하는 냉매 공급 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매 소비처는 상기 LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러, NGL 회수 공정, 전-냉각(pre-cooling) 공정을 포함하고, 상기 LNG 생산 플랜트는 육상 플랜트 및 해상 플랜트를 포함할 수 있다.

본 발명의 냉매 공급 시스템은 벌크 이산화탄소 제거 유닛과, 냉매 조절부를 구비하여, 천연가스로부터 이산화탄소를 액화 분리한 후 온도 및 압력을 조절하여 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급하게 된다.

이와 같이 천연가스 액화의 전처리 공정에서 이산화탄소를 분리하여 플랜트 내에 필요한 냉매로 공급함으로써, 플랜트의 효율을 높이고, 냉매 공급을 위한 관련 장비를 줄여 플랜트의 설치 및 운용 비용을 절감하고 공간 활용도를 높일 수 있다.

또한 이산화탄소 농도가 높은 가스정에서 생산된 천연가스의 이산화탄소를 플랜트 내에서 적절히 활용하여, 플랜트의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 공급 시스템에서 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 공급 시스템에서 냉매 조절부의 구조를 개략적으로 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 공급 시스템에서 벌크 이산화탄소 제거 유닛(100)의 구조를, 도 2에는 냉매 조절부(200)의 구조를 개략적으로 도시하였다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 냉매 공급 시스템은, LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 시스템에 있어서, 이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하여 액화하는 벌크 이산화탄소 제거 유닛(100)과, 벌크 이산화탄소 제거 유닛(100)의 하류에 마련되어 액화된 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 냉매 조절부(200)를 포함하여, 냉매 조절부(200)에서 온도 및 압력이 조절된 이산화탄소는 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처(미도시)에 냉매로 공급된다.

이와 같은 LNG 생산 플랜트 내의 냉매 소비처(미도시)로는 예를 들어, LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러, NGL 회수 공정, 전-냉각(pre-cooling) 공정 등이 포함될 수 있다.

LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러(Process cooler)로는 컴프레서 후단의 inter-cooler, after-cooler, process distillation column (inlet stripper, amine regeneration column, NGL extraction column, Fractionation column 등)의 overhead condenser, condensate cooler 등을 예로 들 수 있다.

본 실시예의 LNG 생산 플랜트는 육상 플랜트 및 해상 플랜트를 포함하며, 예를 들어 LNG-FPSO(Floating Production Storage and Offloading)일 수 있다.

LNG FPSO에서의 LNG의 액화 공정은, 이산화탄소가 주를 이루는 산성 가스(Acid gas)의 제거, 탈수(Dehydration), NGL(Natural Gas Liquid)의 분별(Fractionation) 등의 전처리 공정을 거친 후 이루어진다.

특히 천연가스 중 이산화탄소의 농도가 높은 경우, 벌크 이산화탄소 제거 유닛(Bulk CO₂ Removal Unit, 100)을 거쳐 1차로 이산화탄소를 제거한 후 메틸에탄올 아민(MEA)과 같은 아민 계열 흡수제를 통한 2차의 이산화탄소 제거 과정을 거친다.

도 1에는 벌크 이산화탄소 제거 유닛(100)의 구조를 개략적으로 도시하였는데, 도 1에 도시된 바와 같이 벌크 이산화탄소 제거 유닛(100)은, 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 냉각하는 냉각기(110)와, 냉각기(110)에서 냉각된 천연가스를 공급받아 이산화탄소를 분리하는 증류 칼럼(120)을 포함할 수 있다.

벌크 이산화탄소 제거 유닛(100)은 복수의 냉각기(110)와 복수의 증류 칼럼(120)을 포함하여 다단 공정으로 구성될 수 있다.

증류 칼럼(120)에서 분리된 이산화탄소는 증류 칼럼(120)의 하부로 액체 상태로 배출되며, 이산화탄소가 제거된 천연가스는 증류 칼럼(120)의 상부를 통해 기체 상태로 배출되어 아민 수용액을 이용하는 2차의 이산화탄소 제거 공정을 위해 아민 공정 유닛(미도시)으로 공급된다.

증류 칼럼(120)의 상부에서 배출기체는 다시 냉각하고(130) 기액 분리하여(140) 기체 성분의 천연가스는 아민 공정 유닛(미도시)으로 공급하고, 응축된 액체는 증류 칼럼(120)으로 재공급하여(150) 이산화탄소 제거를 거치도록 한다. 증류 칼럼(120)의 하부에서는 응축된 탄화 수소 성분을 가열하여 기화시켜(160) 증류 칼럼(120)으로 재도입시킨다.

도 1과 같이 다단 공정으로 구성된 경우, 1차 증류 칼럼(120) 하부로 배출된 액체 생성물을 단열팽창 또는 열교환으로 냉각하여 2차 증류 칼럼(120')에 공급하고, 액체 이산화탄소는 2차 증류 칼럼(120') 하부로 배출시켜 냉매 조절부(200)로 공급한다. 2차 증류 칼럼(120') 상부로 배출되는 기체는 상부에서 냉각(130') 후 기액 분리하여(140') 액체는 2차 증류 칼럼(120)으로 공급하고 기체는 압축하여(170) 1차 증류 칼럼(120)의 상류로 공급한다.

증류 칼럼(120)의 하부로 배출된 액체 이산화탄소는 냉매 조절부(200)의 조절 밸브(210)를 거쳐 선내의 냉매 소비처에서 필요한 온도 및 압력으로 조절된다. 조절 밸브(210)는 예를 들어, 줄-톰슨 밸브일 수 있고, expander로 마련될 수도 있다.

냉매 조절부(200)에는 액체 이산화탄소를 저장할 수 있는 저장 용기 또는 버퍼 탱크(220)가 마련되고, 조절 밸브(210)를 통해 액체 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하기 위한 제어부(미도시)가 마련될 수 있다.

이와 같이 냉매 조절부(200)에서 액체 이산화탄소를 각각의 냉매 소비처에서 필요한 온도 및 압력으로 생성하여, 액체 이산화탄소를 공정용 쿨러, NGL 회수 공정, 전-냉각 공정 등, 냉매의 냉열을 필요로 하는 플랜트 내의 냉매 소비처에 공급한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예에서는 1) 이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하여 액화하고; 2) 액화된 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하고; 3) 온도 및 압력이 조절된 이산화탄소를 LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러, 전 냉각(pre-cooling) 공정 등과 같은 냉매 소비처에 냉매로 공급하게 된다.

본 실시예는 육상 및 해상의 LNG 생산 플랜트 모두에 적용될 수 있는데, 이와 같이 천연가스 액화의 전처리 공정에서 이산화탄소를 분리하여 플랜트 내에서 필요한 냉매로서 냉열을 공급할 수 있도록 활용함으로써, 플랜트의 효율을 높이고, 냉매 공급을 위한 관련 장비와 배관을 줄여 플랜트의 설치 및 운용 비용을 절감하고 공간 활용도를 높일 수 있다.

이는 특히 FPSO와 같이 공간적 제약이 있는 해상 플랜트에 적용시 탑사이드 장비를 줄여 공간 활용도를 높이고 탑사이드 모듈 중량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

또한 본 실시예를 적용하면 이산화탄소 농도가 높은 가스정에서 생산된 천연가스의 이산화탄소를 플랜트 내에서 적절히 활용할 수 있어, 플랜트의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 벌크 이산화탄소 제거 유닛
110: 냉각기
120: 증류 칼럼
200: 냉매 조절부
210: 조절 밸브

Claims (8)

1. LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 시스템에 있어서,
   이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 상기 이산화탄소를 분리하여 액화하는 벌크 이산화탄소 제거 유닛; 및
   상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 하류에 마련되어 액화된 상기 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 냉매 조절부를 포함하여,
   상기 냉매 조절부에서 온도 및 압력이 조절된 상기 이산화탄소는 상기 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급되는 것을 특징으로 하는 냉매 공급 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉매 소비처는 상기 LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러, NGL 회수 공정, 전-냉각(pre-cooling) 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 공급 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 LNG 생산 플랜트는 육상 플랜트 및 해상 플랜트를 포함하며,
   상기 해상 플랜트는 LNG-FPSO를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 공급 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛은
   이산화탄소를 포함하는 천연가스를 냉각하는 냉각기; 및
   상기 냉각기에서 냉각된 상기 천연가스를 공급받아 이산화탄소를 분리하는 증류 칼럼을 포함하는 냉매 공급 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 증류 칼럼에서 분리된 이산화탄소는 상기 증류 칼럼의 하부로 배출되며,
   상기 냉매 조절부는, 상기 증류 칼럼의 하부로 배출된 상기 이산화탄소를 상기 냉매 소비처에서 필요한 온도 및 압력으로 조절하는 조절 밸브를 포함하는 냉매 공급 시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛의 하류에는 상기 벌크 이산화탄소 제거 유닛으로부터 상기 천연가스를 공급받아 이산화탄소를 추가로 제거하는 아민 공정 유닛이 마련되는 것을 특징으로 하는 냉매 공급 시스템.
7. LNG 생산 플랜트의 냉매 공급 방법에 있어서,
   1) 이산화탄소를 포함하는 천연가스로부터 상기 이산화탄소를 분리하여 액화하는 단계;
   2) 액화된 상기 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하는 단계; 및
   3) 온도 및 압력이 조절된 상기 이산화탄소는 상기 LNG 생산 플랜트의 냉매 소비처에 냉매로 공급하는 단계를 포함하는 냉매 공급 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 냉매 소비처는 상기 LNG 생산 플랜트의 공정용 쿨러, NGL 회수 공정, 전-냉각(pre-cooling) 공정을 포함하고,
   상기 LNG 생산 플랜트는 육상 플랜트 및 해상 플랜트를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매 공급 방법.

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