KR20150099364A - 액화가스 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 팽창 또는 감압시켜 적어도 일부를 액화시키는 증발가스 액화기; 상기 증발가스 액화기를 통과한 증발가스에서 액체와 기체가스를 분리하는 기액분리기; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스의 적어도 일부를 혼합한 혼합기체를 적어도 일부 배출시키는 벤트 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액화가스 처리 시스템은, 증발가스를 이용한 액화가스 처리 시스템 상에 증발가스 압축기의 전단에 벤트 장치를 설치하여, 혼합 기체 내의 질소의 양이 과다하게 되는 경우 이를 벤트 장치에서 벤트 시킴으로써, 발열량 없고 끓는점이 높은 질소를 감소시켜 액화가스 처리 시스템의 압축일을 줄이는 효과가 있으며, 시스템의 처리 효율이 극대화하는 효과가 있다.

Description

액화가스 처리 시스템{A Treatment System of Liquefied Gas}
본 발명은 액화가스 처리 시스템에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다.
이러한 액화가스는 다양한 수요처로 공급되어 사용되는데, 최근에는 액화천연가스를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급 방식이 개발되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.
그러나 엔진 등과 같은 수요처가 요구하는 액화가스의 온도 및 압력 등은, 액화가스 저장탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다. 따라서 최근에는 액체 상태로 저장되는 액화가스의 온도 및 압력 등을 제어하여 수요처에 공급하는 기술에 대하여, 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 목적은, 증발가스를 이용한 액화가스 처리 시스템 상에서 기체가스와 증발가스의 혼합기체를 벤트하는 벤트 장치를 설치하여, 수요처로 공급되는 질소의 양을 감소시켜 시스템의 압축일을 줄이기 위한 액화가스 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 팽창 또는 감압시켜 적어도 일부를 액화시키는 증발가스 액화기; 상기 증발가스 액화기를 통과한 증발가스에서 액체와 기체가스를 분리하는 기액분리기; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스의 적어도 일부를 혼합한 혼합기체를 적어도 일부 배출시키는 벤트 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 혼합기체 내의 질소 함유량을 감지하는 질소 감지 센서를 더 포함하고, 상기 벤트 장치는, 상기 질소 감지 센서에 의해 상기 혼합기체 내의 질소 함유량을 전달받아 상기 혼합기체의 벤트 량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 열교환기는, 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스가 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스 및 상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 열교환하는 3stream 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 열교환기는, 상기 혼합기체와 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 열교환하는 2stream 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 벤트 장치는, 상기 증발가스 열교환기와 상기 증발가스 압축기 사이에 구비되고, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 기체 가스는 상기 벤트장치로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 벤트 장치는, 상기 증발가스 열교환기와 상기 증발가스 압축기 사이에 구비되고, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 기체 가스는 상기 벤트장치로 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 기체가스는, 엔진, 터빈, 보일러, 재액화장치 또는 GCU에 공급될 수 있다.
구체적으로, 상기 기액분리기에서 상기 액화가스 저장탱크까지 연결되어 상기 기액분리기에서 분리되는 액체상태의 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 액체회수라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 액화기는, 팽창기일 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 액화기는, 줄 톰슨 밸브일 수 있다.
구체적으로, 상기 벤트 장치는, 엔진, 터빈, 보일러, 재액화장치 또는 GCU에 상기 혼합기체를 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스를 혼합하는 혼합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 액화가스 처리 시스템은, 증발가스를 이용한 액화가스 처리 시스템 상에 증발가스 압축기의 전단에 벤트 장치를 설치하여, 혼합 기체 내의 질소의 양이 과다하게 되는 경우 이를 벤트 장치에서 벤트 시킴으로써, 발열량 없고 끓는점이 높은 질소를 감소시켜 액화가스 처리 시스템의 압축일을 줄이는 효과가 있으며, 시스템의 처리 효율이 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템에서 액화가스 저장탱크의 단면도이다.
도 4는 일반적인 액화가스 처리 시스템에서 증발가스 압축기의 유량에 대한 소비 전력을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템에서 액화가스 저장탱크의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 8은 일반적인 액화가스 처리 시스템에서 증발가스 압축기의 유량에 대한 소비 전력을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 12는 본 발명의 제7 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 13은 본 발명의 제8 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 14는 본 발명의 제9 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 15는 본 발명의 제10 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 16은 본 발명의 제11 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 17은 본 발명의 제12 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 18은 본 발명의 제13 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 액화가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 액화가스 수요처(20), 펌프(30), 액화가스 열교환기(40)를 포함한다. 이때 액화가스 수요처(20)는 고압 액화가스 수요처인 기체연료 엔진 또는 저압 액화가스 수요처인 이중연료 엔진일 수 있고, 펌프(30)는 부스팅 펌프(Boosting Pump; 31)와 고압 펌프(High Pressure Pump; 32)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 액화가스 저장탱크(10)에서 펌프(30), 액화가스 열교환기(40), 액화가스 수요처(20)까지 액화가스 공급 라인으로 연결될 수 있다.
이하 본 명세서에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
종래의 액화가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10)로부터 액체 상태의 액화가스를 빼내어 부스팅 펌프(31), 고압 펌프(32)를 통해 가압시킨 후 액화가스 열교환기(40)에서 글리콜 워터 등으로 가열하여 액화가스 수요처(20)에 공급하는 방식을 사용하였다.
그러나 이 경우 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액체 상태의 액화가스만을 사용하기 때문에, 외부 열침투에 의하여 액화가스 저장탱크(10) 내에서 자연스럽게 발생되는 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)의 내압을 낮추기 위해 증발가스 배출 라인(16, 본 발명의 실시예에서는 증발가스 공급라인으로 이루어짐)을 따라 외부로 배출 처리하였다. 따라서 종래의 액화가스 처리 시스템(1)은 증발가스를 전혀 활용하지 못하여 에너지 낭비가 발생한다는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템에서 액화가스 저장탱크의 단면도이며, 도 4는 일반적인 액화가스 처리 시스템에서 증발가스 압축기의 유량에 대한 소비 전력을 도시한 그래프이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(50), 증발가스 열교환기(60), 혼합기(70), 증발가스 액화기(80), 기액분리기(90)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 저장탱크(10), 액화가스 수요처(20) 등은 종래의 액화가스 처리 시스템(1)에서의 각 구성과 편의상 동일한 도면부호를 사용하나, 반드시 동일한 구성을 지칭하는 것은 아니다.
도 2에 표시된 X, X', Y, Y'에 대해서는 도 10내지 도 17에 대해 설명하는 제 5 실시예 내지 제 12실시예에서 설명하도록 하겠다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스 수요처(20)에 공급될 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 액화가스 저장탱크(10)는, 외조 탱크(11), 내조 탱크(12), 단열부(13)를 포함한다. 외조 탱크(11)는 액화가스 저장탱크(10)의 외벽을 이루는 구조로서, 스틸로 형성될 수 있으며, 단면이 다각형 형태일 수 있다.
내조 탱크(12)는, 외조 탱크(11)의 내부에 구비되며, 서포트(Support; 14)에 의해 외조 탱크(11)의 내부에 지지 설치될 수 있다. 이때 서포트(14)는 내조 탱크(12)의 하단에 구비될 수 있고, 물론 내조 탱크(12)의 좌우 유동을 억제하기 위해 내조 탱크(12)의 측면에도 구비될 수 있다.
내조 탱크(12)는 스테인레스 재질로 형성될 수 있으며, 5bar 내지 10bar(일례로 6bar)의 압력을 견딜 수 있도록 설계될 수 있다. 내조 탱크(12)를 이와 같이 일정 압력에 견딜 수 있도록 설계하는 것은, 내조 탱크(12)의 내부에 구비된 액화가스가 증발되어 증발가스가 생성됨에 따라 내조 탱크(12)의 내압이 상승될 수 있기 때문이다.
내조 탱크(12)의 내부에는 배플(Baffle; 15)이 구비될 수 있다. 배플(15)은 격자 형태의 플레이트를 의미하며, 배플(15)이 설치됨에 따라 내조 탱크(12) 내부의 압력은 고르게 분포되어 내조 탱크(12)가 일부분에 집중 압력을 받는 것을 방지할 수 있다.
단열부(13)는, 내조 탱크(12)와 외조 탱크(11)의 사이에 구비되며 외부 열에너지가 내조 탱크(12)로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 이때 단열부(13)는 진공상태일 수 있다. 단열부(13)를 진공으로 형성함에 따라, 액화가스 저장탱크(10)는 일반적인 탱크와 비교할 때 높은 압력에 더욱 효율적으로 견뎌낼 수 있다. 일례로 액화가스 저장탱크(10)는 진공의 단열부(13)를 통해 5bar 내지 20bar의 압력을 버텨낼 수 있다.
이와 같이 본 실시예는 진공 형태의 단열부(13)를 외조 탱크(11)와 내조 탱크(12) 사이에 구비하는 압력 탱크형 액화가스 저장탱크(10)를 사용함으로써, 증발가스의 발생을 최소화할 수 있고, 내압이 상승하더라도 액화가스 저장탱크(10)가 파손되는 등의 문제가 일어나는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한 본 실시예는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 증발가스 압축기(50)로 공급하여 증발가스의 가열에 활용하거나, 또는 증발가스를 기화, 가압하여 액화가스 수요처(20)의 연료로 활용함으로써, 증발가스를 효율적으로 이용할 수 있다.
여기서, 액화가스 저장탱크(10)의 하류에는 강제기화기(Forcing vaporizer, 26)가 구비될 수 있으며, 강제기화기(26)는 증발가스의 유량이 부족한 경우 작동되어, 액화가스 수요처(20)로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 즉, 강제기화기(26)는 증발가스 공급라인(16) 상에서 혼합기(70)의 상류에 마련되어, 액화가스 저장탱크(10) 내의 액화가스를 기화시켜 증발가스 압축기(50)로 기체 상태의 액화가스를 공급할 수 있다.
액화가스 수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 증발가스와 플래시 가스(flash gas)를 통해 구동되어 동력을 발생시킨다. 이때 액화가스 수요처(20)는 고압엔진으로서, 기체연료 엔진(일례로, MEGI)일 수 있다.
액화가스 수요처(20)는 액화가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다. 따라서 액화가스 수요처(20) 구동 시 샤프트에 연결된 프로펠러(도시하지 않음)가 회전함에 따라, 선체가 전진 또는 후진할 수 있다.
물론 본 실시예에서 액화가스 수요처(20)는 프로펠러를 구동하기 위한 엔진일 수 있으나, 발전을 위한 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다. 즉 본 실시예는 액화가스 수요처(20)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만 액화가스 수요처(20)는 증발가스와 플래시 가스의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.
액화가스 수요처(20)는, 증발가스 압축기(50)에 의하여 가압된 증발가스, 플래시 가스를 공급받아 구동력을 얻을 수 있다. 액화가스 수요처(20)에 공급되는 증발가스와 플래시 가스의 상태는, 액화가스 수요처(20)가 요구하는 상태에 따라 달라질 수 있다.
또는 액화가스 수요처(20)는, 증발가스와 오일이 혼합되어 공급되지 않고 증발가스 또는 오일이 선택적으로 공급되는 이중연료 엔진일 수 있다. 이중연료 엔진이 이와 같이 증발가스 또는 오일을 선택적으로 공급받는 것은, 연소 온도가 상이한 두 물질이 혼합 공급되는 것을 차단하여, 액화가스 수요처(20)의 효율이 떨어지는 것을 방지하기 위함이다.
액화가스 저장탱크(10)와 액화가스 수요처(20) 사이에는 증발가스를 전달하는 증발가스 공급 라인(16)이 설치될 수 있고, 증발가스 공급 라인(16)에는 강제기화기(26), 혼합기(70), 증발가스 열교환기(60), 증발가스 압축기(50)가 설치되어 증발가스가 액화가스 수요처(20)로 공급되도록 할 수 있으며, 증발가스 공급라인(16)에는 증발가스 압축기(50)와 액화가스 수요처(20)사이에 증발가스 복귀라인(16A)이 분기되어 구비될 수 있다. 증발가스 복귀라인(16A)에는 증발가스 열교환기(60), 증발가스 액화기(80) 등이 구비되어 기액분리기(90)로 공급되도록 할 수 있다.
이때 증발가스 공급 라인(16) 및 증발가스 복귀라인(16A) 에는 연료 공급 밸브(도시하지 않음)가 설치되어, 연료 공급 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스의 공급량이 조절될 수 있다.
증발가스 압축기(50)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압한다. 증발가스 압축기(50)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되어 배출되는 증발가스를 가압하여 증발가스 열교환기(60)나 액화가스 수요처(20)에 공급할 수 있다.
증발가스 압축기(50)는, 복수로 구비되어 증발가스를 다단 가압시킬 수 있다. 일례로 증발가스 압축기(50)는 5개가 구비되어 증발가스가 5단 가압되도록 할 수 있다. 5단 가압된 증발가스는 200bar 내지 400bar로 가압되어, 고압 증발가스 공급 라인(24)을 통해 액화가스 수요처(20)에 공급될 수 있다.
여기서, 증발가스 복귀라인(16A)은, 증발가스 공급라인(16) 상 증발가스 압축기(50)와 액화가스 수요처(20)의 사이에서 분기되어, 증발가스 열교환기(60)로 연결될 수 있다. 이때, 증발가스 열교환기(60)로 분기되는 지점의 증발가스 공급라인(16) 상에는 밸브(도시하지 않음)가 구비될 수 있고, 밸브는 액화가스 수요처(20)로 공급되는 증발가스의 유량 또는 증발가스 압축기(50)를 통하여 증발가스 열교환기(60)로 공급되는 증발가스의 유량을 제어할 수 있으며, 삼방밸브일 수 있다.
복수의 증발가스 압축기(50) 사이에는 증발가스 냉각기(도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 증발가스 압축기(50)에 의하여 증발가스가 가압되면, 압력 상승에 따라 온도 역시 상승될 수 있기 때문에, 본 실시예는 증발가스 냉각기를 사용하여 증발가스의 온도를 다시 낮춰줄 수 있다. 증발가스 냉각기는 증발가스 압축기(50)와 동일한 수로 설치될 수 있으며, 각 증발가스 냉각기는 각 증발가스 압축기(50)의 하류에 마련될 수 있다.
증발가스 압축기(50)가 증발가스를 가압함으로써, 증발가스는 압력이 상승하여 끓는점이 상승하여 상대적으로 높은 온도에서도 액화될 수 있는 상태가 될 수 있다. 따라서 본 실시예는 증발가스 압축기(50)로 증발가스의 압력을 높임으로써, 증발가스가 쉽게 액화되도록 할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 압축기 전단부 열교환기(51)를 더 포함할 수 있다.
압축기 전단부 열교환기(51)는, 증발가스 공급라인(16)상에 구비될 수 있으며 증발가스 압축기(50)에 임의의 온도로 일정한 증발가스를 공급할 수 있다. 구체적으로 압축기 전단부 열교환기(51)는, 증발가스 공급라인(16) 상에 구비되며 증발가스 압축기(50)와 증발가스 열교환기(60)사이에 구비될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 증발가스 복귀라인(16A)을 통해 공급되는 압축된 증발가스, 증발가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스 또는 기액분리기(90)로부터 공급되는 플래시 가스 등 운전 조건에 따라 증발가스 압축기(50)로 유입되는 증발가스의 온도 또는 증발가스의 유량이 불규칙적으로 변동할 수 있다.
증발가스 압축기(50)로 유입되는 증발가스의 온도 또는 유량이 변동되는 경우, 증발가스 압축기(50)에서 수요처(20)로 토출되는 증발가스의 온도 또는 유량 또한 변동될 수 있다.
수요처(20)가 증발가스 압축기(50)로부터 수요처(20)가 요구하는 온도 또는 유량이 일정하게 공급받지 않고, 온도 또는 유량의 변동이 심한 증발가스를 공급받게 되면 수요처(20)의 가동 효율이 떨어지고 구동에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 증발가스 압축기(50)로 유입되는 증발가스의 온도 또는 증발가스의 유량을 일정하게 유지하기 위해서 증발가스 압축기(50) 전단에 압축기 전단부 열교환기(51)를 구비하여, 증발가스 압축기(50)로 일정한 온도 또는 일정한 유량을 증발가스 압축기(50)로 공급할 수 있다.
이로 인해서 본 발명의 실시예에서는, 수요처(20)로 증발가스의 온도 및 유량이 일정하도록 안정적인 공급이 가능해짐으로써, 액화가스 처리 시스템(2)의 신뢰성이 커지고, 수요처(20)의 가동 효율이 극대화되며, 수요처(20)의 내구성이 향상될 수 있다.
압축기 전단부 열교환기(51)는, 증발가스 공급라인(16)상에 구비되어 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스와 외부의 열원과 열교환할 수 있다. 여기서 외부의 열원은 증발가스 압축기(50)의 후단에 구비되는 증발가스 냉각기(도시하지 않음)에서 사용되는 열교환 매체일 수 있으며 액화가스 공급라인(21) 상에 구비되는 액화가스 열교환기(40)에 사용되는 열교환 매체일 수 있고, 액화가스 처리 시스템(2) 외에 존재하는 열원일 수 있다. 다만 외부의 열원은 상기 기술한 것에 한정되지 않으며 다양하게 선택될 수 있다.
압축기 전단부 열교환기(51)는, 증발가스 압축기(50) 전단에 구비되어 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스를 예열할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스는 약 -120℃에 해당하므로 초저온에 해당한다. 이러한 초저온의 증발가스를 증발가스 압축기(50)에 바로 유입시키는 경우 증발가스 압축기(50)가 파손될 우려가 있으며, 가동 효율이 떨어질 수 있다.
따라서 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 압축기 전단부 열교환기(51)가 예열기의 역할을 할 수 있어 증발가스 압축기(50)의 파손을 방지할 수 있으며, 증발가스 압축기(50)의 가동 효율을 증대시킬 수 있다.
또한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 증발가스 압축기(50)를 초저온 압축기가 아닌 통상의 증발가스 압축기(50)를 사용할 수 있게되어 구매비용이 절감되고, 증발가스 압축기(50) 선택의 폭이 넓어질 수 있어 설계상 유연한 제작이 가능하게 되는 효과가 있다.
압축기 전단부 열교환기(51)는, 유,무선 송수신장치를 구비하여 후술할 온도감지센서(도시하지않음) 또는 유량제어센서(도시하지않음)로부터 측정되는 증발가스 온도값 또는 증발가스 유량값을 수신받을 수 있으며, 설계에 따라 설정될 수 있는 임의의 증발가스 유량값을 유량제어센서로 송신할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)은, 온도감지센서(도시하지않음) 및 유량제어센서(도시하지않음)를 더 포함할 수 있다.
온도감지센서는, 압축기 전단부 열교환기(51)와 증발가스 열교환기(60)사이에 구비되어 압축기 전단부 열교환기(51)로 유입되는 증발가스의 온도를 측정할 수 있다.
또한 온도감지센서는, 압축기 전단부 열교환기(51)와 증발가스 압축기(50)사이에 구비되어 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스의 온도를 측정할 수 있다.
온도감지센서는, 유,무선 송신장치를 구비하여 상기와 같이 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스 온도 측정값 또는 압축기 전단부 열교환기(51)로 유입되는 증발가스 온도 측정값을 압축기 전단부 열교환기(51)로 유,무선의 방법을 통해서 송신할 수 있다.
유량제어센서는, 압축기 전단부 열교환기(51)와 증발가스 열교환기(60)사이에 구비되어 압축기 전단부 열교환기(51)로 유입되는 증발가스의 유량을 측정할 수 있으며 개폐밸브(도시하지 않음)를 구비하여 압축기 전단부 열교환기(51)로 유입되는 증발가스 유량을 제어할 수 있다.
유량제어센서는, 압축기 전단부 열교환기(51)와 증발가스 압축기(50)사이에 구비되어 증발가스 압축기(50)로 유입되는 증발가스의 유량을 측정할 수 있으며 개폐밸브를 구비하여 증발가스 압축기(50)로 유입되는 증발가스의 유량을 제어할 수있다.
유량제어센서는, 유,무선 송신장치를 구비하여 상기와 같이 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스의 유량값 또는 압축기 전단부 열교환기(51)로 유입되는 증발가스의 유량값을 압축기 전단부 열교환기(51)로 유,무선의 방법을 통해서 송신할 수 있다.
또한 유량제어센서는, 유,무선 수신장치를 구비하여 압축기 전단부 열교환기(51)로부터 임의의 유량값을 수신받아 개폐밸브를 제어할 수 있다. 여기서 유량제어센서는, 개폐밸브의 제어를 통해 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스의 유량 또는 압축기 전단부 열교환기(51)로 공급되는 증발가스의 유량을 제어할 수 있다.
증발가스 열교환기(60)는 증발가스 공급라인(16) 상에서 액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 압축기(50)의 사이에 마련되어, 증발가스 압축기(50)에서 가압되는 증발가스와 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 열교환시킬 수 있다. 증발가스 열교환기(60)에서 열교환된 증발가스는 증발가스 액화기(80) 또는 증발가스 압축기(50)로 공급될 수 있다. 즉, 증발가스 압축기(50)에서 다단으로 가압된 후 증발가스 액화기(80)로 회수되는 증발가스와 액화가스 저장탱크(10)에서 새로 공급되는 증발가스가 증발가스 열교환기(60)에서 열교환된다.
혼합기(70)는 증발가스 공급라인(16)상에서 증발가스 열교환기(60)의 상류에 마련되어, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스가 유입되고 기액분리기(90)에서 회수되는 플래시 가스가 유입될 수 있다. 이러한, 혼합기(70)는 증발가스와 플래시 가스가 저장되도록 공간을 이루는 압력 탱크의 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 혼합기(70)에서 혼합된 증발가스와 플래시 가스는 증발가스 열교환기(50)로 공급된다.
증발가스 액화기(80)는 증발가스 압축기(50)에서 가압되어 증발가스 열교환기(60)에서 열교환된 증발가스를 감압 또는 팽창키셔 적어도 일부를 액화시킨다. 예를 들어, 증발가스 액화기(80)는 증발가스를 1bar 내지 10bar로 감압할 수 있으며, 증발가스가 액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 이송시 1bar까지도 감압될 수 있으며, 감압시 증발가스는 냉각효과가 이루어질 수 있다.
여기서, 증발가스 압축기(50)에서 가압된 증발가스는 증발가스 열교환기(60)에서 액화가스 저장탱크(10)에서 공급된 증발가스와 열교환되어 냉각되나, 압력은 증발가스 압축기(50)에서 토출된 토출압을 유지할 수 있다. 본 실시예는 증발가스 액화기(80)를 이용해 증발가스를 감압시켜서 증발가스가 냉각되도록 하여, 증발가스를 액화시킬 수 있다. 이때 감압되는 압력 범위가 클수록 증발가스의 냉각효과가 증대될 수 있으며, 일례로 증발가스 액화기(80)는 증발가스 압축기(50)에 의해 300bar로 가압된 증발가스를 1bar까지 감압시킬 수 있다.
증발가스 액화기(80)는 줄 톰슨 밸브로 이루어질 수 있다. 이와 달리, 증발가스 액화기(80)는 팽창기(도시하지 않음)로 이루어질 수도 있다. 줄 톰슨 밸브의 경우 감압을 통해 효과적으로 증발가스를 냉각시켜서 적어도 일부의 증발가스가 액화되도록 할 수 있다. 또한, 여기서 팽창기는 익스팬더(Expander;도시하지않음)로도 이루어질 수 있다.
반면 팽창기는 별도의 전력을 이용하지 않고도 구동될 수 있으며, 특히, 발생된 동력을 증발가스 압축기(50)를 구동시키는 전력으로 활용함으로써, 액화가스 처리 시스템(2)의 효율을 향상시킬 수 있다. 동력전달은 예를 들어, 기어연결 또는 전기변환 후 전달 등에 의해 이루어질 수 있다.
기액분리기(separator, 90)는 증발가스 액화기(80)에서 감압 또는 팽창된 증발가스에서 기체를 분리한다. 기액분리기(90)에서 증발가스는 액체와 기체로 분리되어 액체는 액화가스 저장탱크(10)로 공급되고, 기체는 플래시 가스로서 증발가스 압축기(50)의 상류로 회수될 수 있다.
여기서, 기액분리기(90)에 공급되는 증발가스는, 증발가스 액화기(80)에서 감압되어 냉각된 상태일 수 있다. 예를 들어, 증발가스 압축기(50)에서 증발가스는 다단 가압되어 200bar 내지 400bar의 압력을 가질 수 있고, 온도는 45도 내외로 이루어질 수 있다. 45도 내외의 온도로 상승된 증발가스는 증발가스 열교환기(60)로 회수되어 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 -100도 내외의 증발가스와 열교환되어, -97도 내외의 온도로 냉각되어 증발가스 액화기(80)로 공급된다. 이때, 증발가스 액화기(80)에서 증발가스는 감압에 의해 냉각되어 약 1bar의 압력과 약 -162.3도 정도의 온도를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 기액분리기(90)로 공급되는 증발가스가 증발가스 액화기(80)에서 감압되어 -162도보다 낮은 온도를 가지게 되므로, 약 30~40%의 증발가스가 액화될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 회수시키고, 기액분리기(90)에서 발생된 플래시 가스를 버리지 않고 혼합기(70)로 회수시켜, 증발가스와 플래시 가스를 증발가스 압축기(50)를 통해 가압시킨 후 액화가스 수요처(20)로 공급할 수 있다.
기액분리기(90)에서 증발가스가 액체와 기체로 분리되면, 액화된 증발가스와 플래시 가스는 각각이 액체 회수라인(19)과 기체 회수라인(17)을 통해 액화가스 저장탱크(10)와 혼합기(70)로 회수될 수 있다.
액체 회수라인(19)은 기액분리기(90)에서 액화가스 저장탱크(10)까지 연결되어 액체상태의 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 회수하고, 기체 회수라인(17)은 기액분리기(90)에서 증발가스 압축기(50)의 상류인 혼합기(70)까지 연결되어 플래시 가스를 증발가스 압축기(50)의 상류로 회수하여 플래시 가스가 버려져 낭비되는 것을 방지할 수 있다.
이때 플래시 가스는 앞서 언급한 바와 같이 증발가스 액화기(80)에 의해 감압됨으로써 냉각되어 -162.3도일 수 있는데, 이러한 플래시 가스와 액화가스 저장탱크에서 발생한 -100도의 증발가스는 혼합기(70)에서 혼합되어 -110 내지 -120도(약 -114도)의 증발가스로서 증발가스 열교환기(60)에 유입된다.
따라서 증발가스 압축기(50)와 액화가스 수요처(20) 사이에서 분기되어 증발가스 열교환기(60)로 연결된 증발가스 복귀라인(16A)을 따라 회수되는 45도의 증발가스는, 증발가스 열교환기(60)에서 -110 내지 -120도의 증발가스와 열교환함으로써 냉각될 수 있다. 이는 플래시 가스의 회수가 없을 경우(45도의 증발가스가 -100도의 증발가스와 열교환)와 대비할 때, 증발가스의 추가적인 냉각이 구현될 수 있다.
이로 인해 증발가스 열교환기(60)에서 토출되어 증발가스 액화기(80)로 유입되는 증발가스는, 플래시 가스의 순환이 없을 경우(약 -97도)보다 낮은 약 -112도일 수 있으며, 증발가스 액화기(80)에 의해 감압되면 약 -163.7도로 냉각될 수 있다. 이 경우 플래시 가스의 순환이 없는 경우보다 더욱 많은 증발가스가 증발가스 액화기(80)에 의해 액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 회수될 수 있다.
따라서 본 실시예는, 증발가스 액화기(80)를 통해 냉각된 증발가스 중 기체 상태의 증발가스를 기액분리기(90)에서 플래시 가스로 분리하여 증발가스 열교환기(60)에 공급하여, 증발가스 압축기(50)로부터 증발가스 열교환기(60), 증발가스 액화기(80)로 회수되는 증발가스의 온도를 충분히 낮게 해줌으로써, 증발가스의 액화 효율을 60% 이상으로 끌어 올릴 수 있다.
또한 본 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10)에서 나오는 증발가스뿐만 아니라, 플래시 가스가 증발가스와 혼합되어 증발가스 압축기(50)로 유입되므로, 일정 유량 이상이 증발가스 압축기(50)에 공급되어, 구동 효율이 향상될 수 있다.
도 4의 그래프에 도시한 바와 같이, 일반적인 증발가스 압축기는, B 구간일 경우 유량이 증가하면 비례적으로 소비전력이 증가한다. 이는 많은 유량의 증발가스를 압축하기 위해 많은 소비전력이 필요한 것을 의미한다. 이때 B 구간은 증발가스 압축기의 제원, 구동 조건 등에 따라 결정되는 기설정값(A와 B 구간을 결정짓는 기준 값)보다 유량이 많은 구간일 수 있다.
반면 증발가스 압축기로 유입되는 증발가스의 유량이 기설정값보다 적은 경우인 A 구간에서는, 유량이 줄어들더라도 소비전력이 감소하지 않는다. 이는 증발가스 압축기에 일정한 체적의 증발가스가 유입되지 않을 경우에는 서징(surging)이 발생할 위험이 있어, 증발가스 압축기(50)에 유입되는 증발가스 유량이 기설정값보다 적을 시에는 증발가스 일부를 리사이클(recycle) 시켜서 증발가스 압축기(50)의 증발가스 유입 체적을 일정한 값 이상으로 유지하여야 함에 따라, 리사이클을 위한 소비전력이 발생하기 때문이다.
그러나 본 실시예의 증발가스 압축기(50)는, 증발가스와 함께 플래시 가스가 증발가스 압축기(50)로 유입될 수 있기 때문에, 증발가스 유량이 기설정값 이하인 A 구간에서 증발가스의 유량이 감소하더라도 플래시 가스를 통해 증발가스 압축기(50)가 요구하는 체적을 만족시켜줄 수 있으므로, 증발가스 유량 감소에 따라 소비전력을 절감할 수 있다. 즉 본 실시예의 증발가스 압축기(50)는 A 구간에서 유량 감소 시 소비전력이 비례적으로 감소할 수 있다.
따라서 본 실시예는, 증발가스의 양이 적을 경우, 플래시 가스의 양을 조절하여 증발가스 압축기(50)의 리사이클 제어가 줄어들도록 하여, 증발가스 압축기(50)의 저부하 운전에 따른 소요동력을 절감할 수 있다.
본 실시예의 증발가스 압축기(50)는 B 구간일 경우 유량이 증가함에 따라 소비전력이 증가한다. 이는 보다 많은 양의 증발가스를 압축하기 위하여 많은 소비전력이 필요하기 때문이다. 다만 본 실시예는, 플래시 가스를 순환하는 구성을 포함하고 있기 때문에, 증발가스의 유량에 따라 증발가스 압축기(50)의 소비전력이 증가하는 것과 무관하게, 증발가스의 재액화 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 외부 열침투에 의하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압하여 액화가스 수요처(20)에 공급하거나, 플래시 가스를 증발가스 압축기(50)로 순환시켜 증발가스와 함께 가압하여 액화가스 수요처(20)에 공급하여 증발가스가 버려지는 것을 방지하여 연료를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 플래시 가스로 증발가스를 추가 냉각하여 액화효율을 극대화할 수 있고, 플래시 가스를 증발가스와 혼합하여 이용함으로써, 일정 유량 이상이 증발가스 압축기(50)에 공급되어 리사이클 제어를 최소화하여 구동 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템에서 액화가스 저장탱크의 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(3은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(50), 증발가스 열교환기(60), 증발가스 액화기(80), 기액분리기(90)를 포함한다. 본 발명의 제2 실시예에서 액화가스 저장탱크(10), 액화가스 수요처(20) 등은 종래의 액화가스 처리 시스템(1)에서의 각 구성과 편의상 동일한 도면부호를 사용하나, 반드시 동일한 구성을 지칭하는 것은 아니다.
도 5에 표시된 X, X', Y, Y', Z, Z'에 대해서는 도 10내지 도 17에 대해 설명하는 제 5 실시예 내지 제 12실시예에서 설명하도록 하겠다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스 수요처(20)에 공급될 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때 액화가스 저장탱크(10)는 압력 탱크 형태를 가질 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 액화가스 저장탱크(10)는, 외조 탱크(11), 내조탱크(12), 단열부(13)를 포함한다. 외조 탱크(11)는 액화가스 저장탱크(10)의 외벽을 이루는 구조로서, 스틸로 형성될 수 있으며, 단면이 다각형 형태일 수 있다.
내조 탱크(12)는, 외조 탱크(11)의 내부에 구비되며, 서포트(Support; 14)에 의해 외조 탱크(11)의 내부에 지지 설치될 수 있다. 이때 서포트(14)는 내조 탱크(12)의 하단에 구비될 수 있고, 물론 내조 탱크(12)의 좌우 유동을 억제하기 위해 내조 탱크(12)의 측면에도 구비될 수 있다.
내조 탱크(12)는 스테인레스 재질로 형성될 수 있으며, 5bar 내지 10bar(일례로 6bar)의 압력을 견딜 수 있도록 설계될 수 있다. 내조 탱크(12)를 이와 같이 일정 압력에 견딜 수 있도록 설계하는 것은, 내조 탱크(12)의 내부에 구비된 액화가스가 증발되어 증발가스가 생성됨에 따라 내조 탱크(12)의 내압이 상승될 수 있기 때문이다.
내조 탱크(12)의 내부에는 배플(Baffle; 도시하지 않음)이 구비될 수 있다. 배플은 격자 형태의 플레이트를 의미하며, 배플이 설치됨에 따라 내조 탱크(12) 내부의 압력은 고르게 분포되어 내조 탱크(12)가 일부분에 집중 압력을 받는 것을 방지할 수 있다.
단열부(13)는, 내조 탱크(12)와 외조 탱크(11)의 사이에 구비되며 외부 열에너지가 내조 탱크(12)로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 이때 단열부(13)는 진공상태일 수 있다. 단열부(13)를 진공으로 형성함에 따라, 액화가스 저장탱크(10)는 일반적인 탱크와 비교할 때 높은 압력에 더욱 효율적으로 견뎌낼 수 있다. 일례로 액화가스 저장탱크(10)는 진공의 단열부(13)를 통해 5bar 내지 20bar의 압력을 버텨낼 수 있다.
이와 같이 본 실시예는 진공 형태의 단열부(13)를 외조 탱크(11)와 내조 탱크(12) 사이에 구비하는 압력 탱크형 액화가스 저장탱크(10)를 사용함으로써, 증발가스의 발생을 최소화할 수 있고, 내압이 상승하더라도 액화가스 저장탱크(10)가 파손되는 등의 문제가 일어나는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한 본 실시예는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 증발가스 압축기(50)로 공급하여 증발가스의 가열에 활용하거나, 또는 증발가스를 기화, 가압하여 액화가스 수요처(20)의 연료로 활용함으로써, 증발가스를 효율적으로 이용할 수 있다.
여기서, 액화가스 저장탱크(10)의 하류에는 강제기화기(Forcing vaporizer, 도시하지 않음)가 구비될 수 있으며, 강제기화기는 증발가스의 유량이 부족한 경우 작동되어, 액화가스 수요처(20)로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 즉, 강제기화기는 증발가스 공급라인(16) 상에서 증발가스 열교환기(60)의 상류에 마련되어, 액화가스 저장탱크(10) 내의 액화가스를 기화시켜 증발가스 압축기(50)로 기체 상태의 액화가스를 공급할 수 있다.
액화가스 수요처(20)는, 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 증발가스를 통해 구동되어 동력을 발생시킨다. 이때 액화가스 수요처(20)는 고압엔진으로서, 기체연료 엔진(일례로, MEGI)일 수 있다.
액화가스 수요처(20)는 액화가스의 연소에 의해 실린더(도시하지 않음) 내부의 피스톤(도시하지 않음)이 왕복운동 함에 따라, 피스톤에 연결된 크랭크 축(도시하지 않음)이 회전되고, 크랭크 축에 연결되는 샤프트(도시하지 않음)가 회전될 수 있다. 따라서 액화가스 수요처(20) 구동 시 샤프트에 연결된 프로펠러(도시하지 않음)가 회전함에 따라, 선체가 전진 또는 후진할 수 있다.
물론 본 실시예에서 액화가스 수요처(20)는 프로펠러를 구동하기 위한 엔진일 수 있으나, 발전을 위한 엔진 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 엔진일 수 있다. 즉 본 실시예는 액화가스 수요처(20)의 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만 액화가스 수요처(20)는 증발가스와 플래시 가스의 연소에 의해 구동력을 발생시키는 내연기관일 수 있다.
액화가스 수요처(20)는, 증발가스 압축기(50)에 의하여 가압된 증발가스를 공급받아 구동력을 얻을 수 있다. 액화가스 수요처(20)에 공급되는 증발가스의 상태는, 액화가스 수요처(20)가 요구하는 상태에 따라 달라질 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)와 액화가스 수요처(20) 사이에는 증발가스를 전달하는 증발가스 공급 라인(16)이 설치될 수 있다. 증발가스 공급 라인(16)에는 강제기화기, 증발가스 열교환기(60), 증발가스 압축기(50) 등이 구비되어 증발가스가 액화가스 수요처(20)에 공급될 수 있으며, 증발가스 공급라인(16) 상에서 증발가스 압축기(50)와 액화가스 수요처(20) 사이에 분기되는 증발가스 복귀라인(16A)이 설치될 수 있다. 이러한 증발가스 복귀라인(16A)에는 증발가스 액화기(80), 기액분리기(90) 등이 구비되어 증발가스를 기액분리기(90)로 공급되도록 할 수 있다.
이때 증발가스 공급라인(16) 및 증발가스 복귀라인(16A)에는 연료 공급 밸브(도시하지 않음)가 설치되어, 연료 공급 밸브의 개도 조절에 따라 증발가스의 공급량이 조절될 수 있다.
증발가스 압축기(50)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압한다. 증발가스 압축기(50)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생되어 배출되는 증발가스를 가압하여 증발가스 열교환기(60)나 액화가스 수요처(20)에 공급할 수 있다.
증발가스 압축기(50)는, 복수로 구비되어 증발가스를 다단 가압시킬 수 있다. 일례로 증발가스 압축기(50)는 5개가 구비되어 증발가스가 5단 가압되도록 할 수 있다. 5단 가압된 증발가스는 200bar 내지 400bar로 가압되어, 고압 증발가스 공급 라인(24)을 통해 액화가스 수요처(20)에 공급될 수 있다.
여기서, 증발가스 복귀라인(16A)은 증발가스 압축기(50)와 액화가스 수요처(20)의 사이에서 분기되어, 증발가스 열교환기(60)로 연결될 수 있다. 이때, 증발가스 열교환기(60)로 분기되는 지점의 증발가스 공급라인(16) 상에는 밸브(도시하지 않음)가 구비될 수 있고, 밸브는 액화가스 수요처(20)로 공급되는 증발가스의 유량 또는 증발가스 압축기(50)를 통하여 증발가스 열교환기(60)로 공급되는 증발가스의 유량을 제어할 수 있으며, 삼방밸브일 수 있다.
복수의 증발가스 압축기(50) 사이에는 증발가스 냉각기(도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 증발가스 압축기(50)에 의하여 증발가스가 가압되면, 압력 상승에 따라 온도 역시 상승될 수 있기 때문에, 본 실시예는 증발가스 냉각기를 사용하여 증발가스의 온도를 다시 낮춰줄 수 있다. 증발가스 냉각기는 증발가스 압축기(50)와 동일한 수로 설치될 수 있으며, 각 증발가스 냉각기는 각 증발가스 압축기(50)의 하류에 마련될 수 있다.
증발가스 압축기(50)가 증발가스를 가압함으로써, 증발가스는 압력이 상승하여 끓는점이 상승하여 상대적으로 높은 온도에서도 액화될 수 있는 상태가 될 수 있다. 따라서 본 실시예는 증발가스 압축기(50)로 증발가스의 압력을 높임으로써, 증발가스가 쉽게 액화되도록 할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(3)은, 압축기 전단부 열교환기(51), 온도측정센서(도시하지않음) 또는 유량제어센서(도시하지않음)를 더 포함할 수 있다. 다만 이에 대한 상세한 내용은 제 1 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(2)과 유사하므로 이에 갈음하도록 한다.
증발가스 열교환기(60)는 증발가스 공급라인(16) 상에서 액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 압축기(50)의 사이에 마련된다. 증발가스 열교환기(60)는 증발가스 압축기(50)에서 가압되는 증발가스와 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스와 기액분리기(90)에서 분리된 플래시가스를 열교환시킬 수 있다.
즉, 증발가스 열교환기(60)는 증발가스 압축기(50)에서 가압되어 액화가스 수요처의 상류에서 분기되는 증발가스 복귀라인(16A)을 따라 회수된 증발가스와, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스를 열교환시킨다. 그리고 증발가스 열교환기(60)는 증발가스 압축기(50)에서 가압되어 증발가스 복귀라인(16A)을 따라 회수된 증발가스와, 기체 회수라인(17)을 통해 공급되는 플래시 가스를 열교환시킨다.
이때 증발가스 열교환기(60)는, 증발가스 복귀라인(16A)을 따라 회수되는 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스로 냉각할 수 있고, 또는 기체 회수라인(17)을 통해 공급되는 플래시 가스로 냉각할 수 있다. 이 경우 증발가스 복귀라인(16A)을 따라 회수되는 증발가스는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스에 의하여 1차로 냉각되고, 플래시 가스에 의해 2차로 냉각될 수 있다.
증발가스 열교환기(60)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급된 증발가스를 증발가스 압축기(50)로 공급하고, 증발가스 및 플래시 가스에 의해 2차 냉각된 증발가스를 증발가스 액화기(80)로 공급할 수 있다. 이 경우 증발가스 액화기(80)에 공급되는 증발가스는 증발가스뿐만 아니라 플래시 가스에 의해서도 냉각되었기 때문에, 감압에 의한 액화 효율이 대폭 증대될 수 있다.
증발가스 열교환기(60)를 거친 플래시 가스는 외부로 배출될 수 있다. 여기서, 플래시 가스는 연료를 연소시키는 가스연소유닛(도시하지 않음)으로 공급하여 연소시킬 수 있다. 이때, 증발가스 열교환기(60)에는 플래시 가스 배출라인(18)이 형성되고, 플래시 가스 배출라인(18)은 가스연소유닛까지 연결될 수 있다.
이에 따라, 증발가스 열교환기(60)에서 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스는 가열되고, 기액분리기(90)로 공급되는 증발가스는 냉각되며, 기액분리기(90)에서 공급되어 배출되는 플래시가스는 가열될 수 있다.
증발가스 액화기(80)는 증발가스 압축기(50)에서 가압되어 증발가스 열교환기(60)에서 열교환된 증발가스를 감압 또는 팽창시켜 적어도 일부를 액화시킨다. 예를 들어, 증발가스 액화기(80)는 증발가스를 약 3bar로 감압할 수 있으며, 감압시 증발가스는 냉각효과가 이루어질 수 있다.
여기서, 증발가스 압축기(50)에서 가압된 증발가스는 증발가스 열교환기(60)에서 액화가스 저장탱크(10)에서 공급된 증발가스와 열교환되어 냉각되나, 압력은 증발가스 압축기(50)에서 토출된 토출압을 유지할 수 있다. 본 실시예는 증발가스 액화기(80)를 이용해 증발가스를 감압 또는 팽창시켜서 증발가스가 냉각되도록 하여, 증발가스를 액화시킬 수 있다. 이때 감압되는 압력 범위가 클수록 증발가스의 냉각효과가 증대될 수 있으며, 일례로 증발가스 액화기(80)는 증발가스 압축기(50)에 의해 300bar로 가압된 증발가스를 3bar까지 감압시킬 수 있다.
증발가스 액화기(80)는 줄 톰슨 밸브로 이루어질 수 있다. 줄 톰슨 밸브의 경우 감압을 통해 효과적으로 증발가스를 냉각시켜서 적어도 일부의 증발가스가 액화되도록 할 수 있다.
증발가스 액화기(80)에 의해 감압 또는 팽창되는 증발가스는, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급된 증발가스에 의해 냉각되는 동시에, 기액분리기(90)에서 공급된 플래시가스에 의해서도 냉각되었기 때문에, 충분히 재액화가 이루어질 수 있다. 즉 본 실시예는, 플래시 가스의 냉열을 활용할 수 있으므로, 증발가스 간의 열교환을 사용하는 것보다도 더욱 높은 재액화 효율을 획득할 수 있다.
기액분리기(separator, 90)는 증발가스 액화기(80)에서 감압 또는 팽창된 증발가스에서 기체를 분리한다. 기액분리기(90)에서 증발가스는 액체와 기체로 분리되어 액체는 액화가스 저장탱크(10)로 공급되고, 기체는 플래시 가스로서 증발가스 열교환기(60)로 회수될 수 있다.
여기서, 기액분리기(90)에 공급되는 증발가스는, 증발가스 액화기(80)에서 감압 또는 팽창되어 냉각된 상태일 수 있다. 예를 들어, 증발가스 압축기(50)에서 증발가스는 다단 가압되어 200bar 내지 400bar의 압력을 가질 수 있고, 온도는 45도 내외로 이루어질 수 있다. 45도 내외의 온도로 상승된 증발가스는 증발가스 열교환기(60)로 회수되어 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 -100도 내외의 증발가스 및 -150도 내외의 플래시 가스와 열교환됨으로써, -95 내외의 온도로 냉각되어 증발가스 액화기(80)로 공급된다. 이때, 증발가스 액화기(80)에서 증발가스는 감압에 의해 냉각되어 약 3bar의 압력과 약 -150.2도 정도의 온도를 가질 수 있다.
이때 증발가스는 3bar에서의 끓는점보다 낮은 온도를 가짐에 따라, 적어도 일부가 액화될 수 있고, 나머지는 기체 상태인 플래시 가스로 존재할 수 있다. 이 경우 플래시 가스 역시 약 -150도의 상태를 가지며, -150도의 플래시 가스는 기액 분리기(90)에서 증발가스 열교환기(60)로 공급되어 증발가스를 냉각시키는데 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 기액분리기(90)로 공급되는 증발가스가 증발가스 열교환기(60)에서 증발가스 및 플래시 가스에 의하여 충분히 냉각된 후 증발가스 액화기(80)에서 3bar로 감압되어 냉각되므로, 증발가스의 액화 효율이 개선될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 회수시키고, 기액분리기(90)에서 발생된 플래시 가스를 증발가스 열교환기(60)로 회수시켜 증발가스를 열교환시킬 수 있다.
기액분리기(90)에서 증발가스가 액체와 기체로 분리되면, 액화된 증발가스와 플래시 가스는 각각이 액체 회수라인(19)과 기체 회수라인(17)을 통해 액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 열교환기(60)로 회수될 수 있다.
액체 회수라인(19)은 기액분리기(90)에서 액화가스 저장탱크(10)까지 연결되어 액체상태의 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 회수하고, 기체 회수라인(17)은 기액분리기(90)에서 증발가스 열교환기(60)까지 연결되어 플래시 가스를 증발가스 열교환기(60)로 회수하여 증발가스를 열교환시킬 수 있다.
본 실시예는, 외부 열침투에 의하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압하여 액화가스 수요처(20)에 공급하여 증발가스가 버려지는 것을 방지하여 연료를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 플래시 가스로 증발가스를 추가 냉각하여 액화효율을 극대화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 8은 일반적인 액화가스 처리 시스템에서 증발가스 압축기의 유량에 대한 소비전력을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하여 액화가스 처리 시스템(4)을 설명하도록 한다. 본 실시예는 제2 실시예와 혼합기(70)와 플래시 가스 회수라인(18A)만 다르게 구성된다. 그리고 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 7에 표시된 X, X', Y, Y', Z, Z'에 대해서는 도 10내지 도 17에 대해 설명하는 제 5 실시예 내지 제 12실시예에서 설명하도록 하겠다.
본 실시예에서는 기액분리기(90)에서 공급되어 증발가스 열교환기(60)에서 열교환된 플래시가스를 외부로 배출시키지 않고 회수하여 이용할 수 있다. 이때, 본 실시예는 플래시 가스 회수라인(18A)이 마련될 수 있고, 플래시 가스 회수라인(18A)은 증발가스 열교환기(60)에서 혼합기(70)까지 연결될 수 있다. 여기서, 플래시 가스 회수라인(18A)에는 삼방밸브(18B)나 체크밸브 등과 같은 별도의 밸브가 구비되어 플래시가스를 외부로 배출시킬 수도 있다. 이 경우 플래시 가스는 가스연소장치(GCU)(도시하지 않음) 또는 보일러(도시하지 않음), 엔진 등의 수요처로 공급되어 연소될 수 있다.
즉 증발가스 열교환기(60)에서 증발가스를 냉각시킨 플래시 가스는, 일부가 혼합기(70)를 통해 증발가스 열교환기(60)로 재유입되며, 나머지가 보일러 등으로 공급되어 사용될 수 있다. 이때 밸브(18B)는 외부로 배출되는 플래시 가스의 유량을 조절함으로써, 증발가스 압축기(50)로 유입되는 플래시 가스의 재순환 유량을 제어할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는 액화가스 수요처(20)가 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 증발가스 이외에도 기액분리기(90)에서 분리된 플래시 가스(flash gas)를 통해 구동되어 동력을 발생시킬 수 있도록 한다.
혼합기(70)는 증발가스 공급라인(16)상에서 증발가스 열교환기(60)의 상류에 마련되어, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스가 유입되고 기액분리기(90)에서 회수되는 플래시 가스가 유입될 수 있다. 이러한, 혼합기(70)는 증발가스와 플래시 가스가 저장되도록 공간을 이루는 압력 탱크의 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 혼합기(70)에서 혼합된 증발가스와 플래시 가스는 증발가스 열교환기(50)로 공급된다.
즉, 기액분리기(90)에서 발생된 플래시 가스를 버리지 않고 혼합기(70)로 회수시켜, 증발가스와 플래시 가스를 증발가스 압축기(50)를 통해 가압시킨 후 액화가스 수요처(20)로 공급할 수 있다.
이때 기액 분리기(90)에서 공급되는 플래시 가스는 앞서 언급한 바와 같이 증발가스 액화기(80)에 의해 감압 또는 팽창됨으로써 냉각되어 -150.2도일 수 있는데, 이러한 플래시 가스와 액화가스 저장탱크에서 발생한 -100도의 증발가스는 혼합기(70)에서 혼합되어 증발가스 열교환기(60)에 유입된다.
따라서 증발가스 압축기(50)와 액화가스 수요처(20) 사이에서 분기되어 증발가스 열교환기(60)로 연결된 증발가스 복귀라인(16A)을 따라 회수되는 증발가스는, 증발가스 열교환기(60)에서 공급되는 증발가스와 기액분리기(90)에서 공급되는 플래시 가스와 열교환함으로써 냉각될 수 있다.
이로 인해 증발가스 열교환기(60)에서 토출되어 증발가스 액화기(80)로 유입되는 증발가스는, 플래시 가스에 의해 냉각되고, 증발가스 액화기(80)에 의해 감압되면 상대적으로 더 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 단순히 증발가스간의 열교환만을 구현하는 경우보다 더욱 많은 증발가스가 증발가스 액화기(80)에 의해 액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 회수될 수 있다.
따라서 본 실시예는, 증발가스 액화기(80)를 통해 냉각된 증발가스 중 기체상태의 증발가스를 기액분리기(90)에서 플래시 가스로 분리하여 증발가스 열교환기(60)에 공급하여, 증발가스 압축기(50)로부터 증발가스 열교환기(60), 증발가스 액화기(80)로 회수되는 증발가스의 온도를 충분히 낮게 해줌으로써, 증발가스의 액화 효율을 끌어올릴 수 있다.
또한 본 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10)에서 나오는 증발가스뿐만 아니라, 플래시 가스가 증발가스와 혼합되어 증발가스 압축기(50)로 유입되므로, 일정 유량 이상이 증발가스 압축기(50)에 공급되어, 구동 효율이 향상될 수 있다.
도 8의 그래프에 도시한 바와 같이, 일반적인 증발가스 압축기는, B 구간일 경우 유량(Mass Flow)이 증가하면 소비전력(Shaft Power)이 증가한다. 이는 많은 유량의 증발가스를 압축하기 위해 많은 소비전력이 필요한 것을 의미한다. 이때 B 구간은 증발가스 압축기의 제원, 구동 조건 등에 따라 결정되는 기설정값(A와 B 구간을 결정짓는 기준 값)보다 유량이 많은 구간일 수 있다.
반면 증발가스 압축기(50)로 유입되는 증발가스의 유량이 기설정값보다 적은 경우인 A 구간에서는, 유량이 줄어들더라도 소비전력이 감소하지 않는다. 이는 증발가스 압축기(50)에 일정한 체적의 증발가스가 유입되지 않을 경우에는 서징(surging)이 발생할 위험이 있어, 증발가스 압축기(50)에 유입되는 증발가스 유량이 기설정값보다 적을 시에는 증발가스 일부를 리사이클(recycle) 시켜서 증발가스 압축기(50)의 증발가스 유입 체적을 일정한 값 이상으로 유지하여야 함에 따라, 리사이클을 위한 소비전력이 발생하기 때문이다.
그러나 본 실시예의 증발가스 압축기(50)는, 증발가스와 함께 플래시 가스가 증발가스 압축기(50)로 유입될 수 있기 때문에, 증발가스 유량이 기설정값 이하인 A 구간에서 증발가스의 유량이 감소하더라도 플래시 가스를 통해 증발가스 압축기(50)가 요구하는 체적을 만족시켜줄 수 있으므로, 증발가스 유량 감소에 따라 소비전력을 절감할 수 있다. 즉 본 실시예의 증발가스 압축기(50)는 A 구간에서 유량 감소 시 소비전력이 비례적으로 감소할 수 있다.
따라서 본 실시예는, 증발가스의 양이 적을 경우, 플래시 가스의 양을 조절하여 증발가스 압축기(50)의 리사이클 제어가 줄어들도록 하여, 증발가스 압축기(50)의 저부하 운전에 따른 소요동력을 절감할 수 있다.
본 실시예의 증발가스 압축기(50)는 B 구간일 경우 유량이 증가함에 따라 소비전력이 증가한다. 이는 보다 많은 양의 증발가스를 압축하기 위하여 많은 소비전력이 필요하기 때문이다. 다만 본 실시예는, 플래시 가스를 순환하는 구성을 포함하고 있기 때문에, 증발가스의 유량에 따라 증발가스 압축기(50)의 소비전력이 증가하는 것과 무관하게, 증발가스의 재액화 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템(5)은, 일 실시예와 대비할 때 플래시 가스 우회라인(17A)가 추가될 수 있다. 그리고 앞서 설명한 다른 실시예와 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 9에 표시된 X, X', Y, Y', Z, Z'에 대해서는 도 10내지 도 17에 대해 설명하는 제 5 실시예 내지 제 12실시예에서 설명하도록 하겠다.
플래시 가스 우회라인(17A)은, 기체 회수라인(17)에서 분기되어, 기액분리기(90)에서 배출된 플래시 가스 중 적어도 일부가 증발가스 열교환기(60)를 우회하도록 한다. 우회한 플래시 가스는 증발가스로부터 열을 공급받지 않은 저온 상태에서 플래시 가스 회수라인(18A)을 따라 혼합기(70)에 유입되어 증발가스와 혼합되거나, 보일러(도시하지 않음), 가스연소장치(도시하지 않음), 엔진 등의 수요처로 배출될 수 있다.
증발가스 열교환기(60)에서 증발가스와 열교환된 플래시 가스는, 증발가스를 냉각시키면서 열을 공급받아 약 40도 가량으로 가열되므로, 가열된 상태로 혼합기(70)에 유입될 경우 증발가스 열교환기(60)에 유입되는 증발가스의 온도를 상승시킬 수 있고, 이는 재액화 효율의 저하로 이어질 수 있다.
따라서 본 실시예는, 적어도 일부의 플래시 가스가 증발가스 열교환기(60)를 우회한 뒤 혼합기(70)에서 증발가스와 혼합하도록 할 수 있고, 이때 혼합기(70)에 유입되는 플래시 가스의 온도를 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스의 온도와 동일 또는 유사하게 제어함으로써, 증발가스를 냉각시킨 플래시 가스의 혼합으로 인해 재액화율이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
이때 플래시 가스의 우회 유량은 플래시 가스 우회라인(17A)이 기체 회수라인(17)에서 분기하는 지점에 구비된 삼방밸브(17B)를 통해 조절될 수 있다. 물론 삼방밸브(17B)는 플래시 가스 우회라인(17A)이 플래시 가스 회수라인(18A)에 합류하는 지점에 구비될 수도 있으며, 삼방밸브(17B) 대신 플래시 가스 우회라인(17A) 상에 체크밸브 등으로 대체될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 이와 같이 본 실시예는, 외부 열침투에 의하여 액화가스 저장탱크(10)에서 발생된 증발가스를 가압하여 액화가스 수요처(20)에 공급하거나, 플래시 가스를 증발가스 압축기(50)로 순환시켜 증발가스와 함께 가압하여 액화가스 수요처(20)에 공급하여 증발가스가 버려지는 것을 방지하여 연료를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 플래시 가스로 증발가스를 추가 냉각하여 액화효율을 극대화할 수 있고, 플래시 가스를 증발가스와 혼합하여 이용함으로써, 일정 유량 이상이 증발가스 압축기(50)에 공급되어 리사이클 제어를 최소화하여 구동 효율이 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이며, 도 12는 본 발명의 제7 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
또한 도 13은 본 발명의 제8 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 14는 본 발명의 제9 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이며, 도 15는 본 발명의 제10 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
또한 도 16은 본 발명의 제11 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 17은 본 발명의 제12 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 10 내지 도 17을 통해 설명하는 본 발명의 제5 내지 제12 실시예의 경우, 도면에는 일부분만 표시한 것이며 이를 설명하는 과정에서, X, X', Y, Y', Z, Z'을 통해 서로 열교환되는 내용 외에는 앞서 설명한 제1 내지 제4 실시예의 구성이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있으므로, 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 실시예를 설명하는 과정에서, X로 표시된 것은 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스가 증발가스 공급라인(16)에 의해 증발가스 열교환기(60)로 유입되는 증발가스 유입부(X)를 의미할 수 있고, X'으로 표시된 것은 증발가스 공급라인(16)에 의해 증발가스 열교환기(60)에서 증발가스 압축기(50)로 공급되는 증발가스 유출부(X')를 의미할 수 있다.
Y로 표시된 것은 증발가스 압축기(50)에 의해 압축된 증발가스가 증발가스 복귀라인(16A)에 의해 증발가스 열교환기(60)로 복귀하는 압축된 증발가스 유입부(Y)를 의미할 수 있으며, Y'으로 표시된 것은 증발가스 복귀라인(16A)에 의해 증발가스 열교환기(60)에서 증발가스 액화기(80)로 공급되는 압축된 증발가스 유출부(Y')를 의미할 수 있다.
Z로 표시된 것은 증발가스 압축기(50)에 의해 압축된 후 증발가스 액화기(예를 들어 줄톰슨 밸브;80)를 통해 감압되어 액화된 뒤 기액분리기(90)에서 분리된 기체가 기체 회수라인(17)에 의해 증발가스 열교환기(60)로 공급되는 플래시 가스 유입부(Z)를 의미할 수 있으며, Z'으로 표시된 것은 플래시 가스 배출라인(18, 또는 플래시 가스 회수라인(18A))에 의해 증발가스 열교환기(60)에서 배출되는 플래시 가스 유출부(Z')를 의미할 수 있다.
X와 X', Y와 Y' 또는 Z와 Z'을 연결하는 선은 파이프(Pipe)일 수 있으며, 유체가 유동할 수 있는 모든 형태의 공급수단일 수 있다. 또한 이하에서 상기와 같은 선을 X-X', Y-Y' 또는 Z-Z'으로 표현할 수 있다.
도 10을 참조하면, 제5 실시예의 경우, 2 개의 열교환기(제 1 열교환기(60A) 및 제 2 열교환기(60B))를 포함하며, 제1 열교환기(60A)는 3stream으로 구성되어 제2 실시예 등에서 언급한 증발가스 열교환기(60)와 동일하다. 즉 제1 열교환기(60A)에서 Y-Y'을 따라 유동하는 압축된 증발가스는, X-X'을 따라 유동하는 증발가스 및 Z-Z'을 따라 유동하는 플래시 가스에 의해서 냉각될 수 있다.
또한 제2 열교환기(60B)의 경우, 2stream으로 구성되며, Y-Y'을 따라 유동하는 압축된 증발가스는 Z-Z'을 따라 유동하는 플래시 가스에 의해서 제2 열교환기(60B)에서 사전 냉각될 수 있다. 즉 Y-Y'을 따라 유동하는 압축된 증발가스는, 제1 열교환기(60A)를 거친 플래시 가스에 의해 1차 냉각된 후, 제1 열교환기(60A)에서 X-X'의 증발가스 및 Z-Z'의 플래시 가스에 의해 2차 냉각될 수 있다.
도 11을 참조하면, 제6 실시예의 경우, 2개의 열교환기(제 1 열교환기(60C) 및 제 2 열교환기(60D))를 포함한다. 제1 열교환기(60C)는 2stream으로 구성되며, Y-Y'과 Z-Z'이 열교환되도록 하며, 구체적으로 Y-Y'을 따라 유동하는 압축된 증발가스가 Z-Z'을 따라 유동하는 플래시 가스에 의해 냉각된다.
제2 열교환기(60D)는 2stream으로 구성되며, X-X'과 Y-Y'이 열교환되도록 하고, X-X'을 따라 흐르는 증발가스에 의해서, Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스가 냉각된다.
즉 Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스는, X-X'을 따라 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스에 의해 1차 냉각된 후, Z-Z'을 따라 흐르는 플래시 가스에 의해 2차 냉각될 수 있다.
도 12를 참조하면, 제7 실시예의 경우, 제6 실시예와 유사한 제1 열교환기(60E)를 포함한다. 다만 제7 실시예는 3stream으로 구성된 제2 열교환기(60F)를 포함하는데, 제2 열교환기(60F)는 제4 실시예 등에서 언급한 증발가스 열교환기(60)와 동일/유사하다.
이때 Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스는, 제2 열교환기(60F)에서 X-X'의 증발가스 및 Z-Z'의 플래시 가스에 의해 1차 냉각되고, 제1 열교환기(60E)에서 Z-Z'의 플래시 가스에 의해 2차 냉각될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제8 실시예의 경우, 제6 실시예와 유사하나(도 11에서의 제 1 열교환기(60C)와 제 2 열교환기(60D)는 도 13에서의 제 1 열교환기(60G)와 제 2 열교환기(60H)와 유사할 수 있다.) 제3 열교환기(60I)를 추가로 구비할 수 있다.
즉 Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스를 제2 열교환기(60H)에서 1차 냉각시킨 X-X'의 증발가스는, Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스를 제1 열교환기(60G)에서 2차 냉각시킨 Z-Z'의 플래시 가스와, 제3 열교환기(60I)에서 열교환될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제9 실시예의 경우, 제1 실시예의 개량으로서, 플래시 가스는 증발가스 열교환기(60)에 유입되는 증발가스에 합류된다. 그러나 플래시 가스는 질소를 다량 함유하고 있기 때문에, 플래시 가스가 합류된 증발가스가 증발가스 압축기(50)로 유입될 경우 증발가스 압축기(50)의 부하가 증가될 수 있고, 액화가스 수요처(20) 쪽으로 공급되는 증발가스에 질소 비율이 높아짐에 따라 증발가스 수요처(20)의 효율이 저하될 수 있다.
따라서 제9 실시예는, 증발가스 열교환기(60)의 후단에서 플래시 가스가 합류된 증발가스를, 일부 배출할 수 있도록 한다. 이를 위해 증발가스 라인에는 벤트(Vent) 라인(61)이 구비될 수 있다.
벤트 라인(61)은, X-X'을 흐르는 증발가스 내에서의 질소 함유량을 별도의 센서(도시하지 않음)에 의해 전달받아 제어되거나, 플래시 가스의 유입 유량에 따라 제어되는 벤트 밸브(도시하지 않음)에 의해 개도가 제어될 수 있다. 이때 벤트 라인(61)을 따라 배출되는 증발가스에는 질소 뿐만 아니라 증발가스도 포함될 수 있지만, 플래시 가스의 유입으로 인해 질소가 많은 비중을 차지하기 때문에, 액화가스 수요처(20) 효율을 높이기 위해 일부 증발가스를 질소와 함께 배출할 수 있다. 즉 벤트 라인(61)을 통해 증발가스를 배출하더라도 증발가스의 손실은 크지 않다.
다만 벤트 라인(61)은 액화가스 수요처(20)가 요구하는 증발가스 유량을 맞춰주기 위해 벤트 밸브에 의해 개도가 제어될 수 있다. 일례로 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스와 플래시 가스의 혼합 유량이 100일 때, 액화가스 수요처(20)에서 요구하는 유량이 80이라면 20만 벤트되도록 벤트 밸브가 제어될 수 있다.
또한, 벤트 라인(61)은, 엔진(도시하지 않음), 터빈(도시하지 않음), 보일러(도시하지 않음), 재액화 장치(도시하지 않음), GCU(도시하지 않음) 등에 연결되어 사용될 수 있으며 이로 인해서 효율적인 에너지의 사용이 가능할 수 있다.
이를 통해 본 실시예는 플래시 가스가 지속적으로 순환하는 것을 방지하고 질소를 외부로 방출하여 시스템 효율을 높일 수 있다. 다만 벤트 라인(61)이 증발가스 열교환기(60)의 후단에 위치하게 되는데, 이는 플래시 가스가 냉열을 머금고 있기 때문에, Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스에 냉열을 모두 전달하기 위해서이다.
도 15를 참조하면, 제10 실시예의 경우, 제1 실시예의 개량으로서, 질소 분리기(62)를 더 포함한다. 앞서 제9 실시예에서 설명한 바와 같이 플래시 가스는 질소가 많은 비중을 차지할 수 있으므로, 플래시 가스를 증발가스에 합류하여 지속적으로 순환시키면 액화가스 수요처(20)의 효율이 저하될 수 있다.
따라서 본 실시예는, 플래시 가스가 합류된 증발가스가 증발가스 열교환기(60) 및 증발가스 압축기(50)를 지나서, Y-Y'을 통해 증발가스 열교환기(60)로 리턴될 때, 질소 분리기(62)를 거치도록 하여, 질소의 함유량이 제거되도록 할 수 있다.
질소 분리기(62)는, 질소 배출라인(도시하지 않음)을 구비할 수 있으며, 질소 배출라인을 통하여 질소를 선박(도시하지않음)의 내부에 질소를 필요로 하는 질소 수요처(도시하지 않음)로 공급할 수 있다.
질소 분리기(62)는, 멤브레인(membrane)을 사용하여 질소를 분리한 후, 이를 질소 배출라인을 통해서 질소 제너레이터(도시하지 않음) 또는 질소를 필요로 하는 질소 수요처에 공급할 수 있다. 질소 분리기(62)는 상기의 기술 이외의 다른 기술로도 질소를 분리할 수 있다면 본 발명의 실시예에 사용되는 질소 분리기(62)로 이용될 수 있다.
선박에서 질소는 다양한 기계(도시하지 않음)에 씰링 작용을 하는 역할을 할 수 있으며 또는 재액화 장치(도시하지 않음)의 냉열 또는 액화가스 저장탱크(10)의 단열을 수행할 수 있어 질소 수요처는 상기 기술한 장치들이 포함될 수 있다. 다만, 상기 기술한 작용 이 외에 아주 다양한 목적으로 선박에서 사용될 수 있어 질소를 필요로 하는 질소 수요처는 위 기술한 장치들에 한정되지 않는다.
도 16을 참조하면, 제11 실시예의 경우, 제6 실시예의 개량으로서, Z-Z'에서 X-X'으로 합류되는 플래시 가스 분기라인(61a)을 구비할 수 있다. 따라서 제1 열교환기(60C)에서 Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스를 냉각시킨 플래시 가스는, 적어도 일부가 플래시 가스 분기라인(61a)을 따라 유동하여 X-X'을 따라 유동하는 증발가스에 합류되어 제2 열교환기(60D)로 유입될 수 있다.
도 17을 참조하면, 제12 실시예의 경우, 제6 실시예의 개량으로서, 제3 열교환기(60J)를 더 포함한다. 제3 열교환기(60J)는, 제1 열교환기(60C)에서 Y-Y'의 압축된 증발가스에 냉열을 제공한 플래시 가스가, 증발가스 압축기(50)에서 Y-Y'을 통해 배출된 압축된 증발가스에 냉열을 더 제공할 수 있다.
이때 Y-Y'을 따라 흐르는 압축된 증발가스는, 제3 열교환기(60J)에서 플래시 가스에 의해 1차 냉각되고, 제2 열교환기(60D)에서 X-X'의 증발가스에 의해 2차 냉각되며, 제1 열교환기(60C)에서 플래시 가스에 의해 3차 냉각될 수 있다.
도 18은 본 발명의 제13 실시예에 따른 액화가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 18을 통해 설명하는 본 발명의 제13 실시예의 경우, 도면에는 일부분만 표시한 것으로, 액화가스 공급펌프(101), 히팅 유닛(Heating unit;102)을 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 제13 실시예를 설명하는 과정에서, 액화가스 저장탱크에 대한 내용 외에는 앞서 설명한 제1 내지 제12 실시예의 구성 또는 종래의 구성과 동일 또는 유사하게 적용될 수 있으므로, 설명을 생략한다.
액화가스 공급펌프(101)는, 액화가스 저장탱크(10) 외부의 액화가스 저장탱크(10) 상면 또는 상측에 위치하여 구비될 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스 저장탱크(10) 상측에 위치하여 구비될 수 있다.
액화가스 공급펌프(101)는, 액화가스 공급펌프 공급라인(25)을 더 포함할 수 있다. 액화가스 공급펌프 공급라인(25)에는 액화가스 공급펌프 공급밸브(도시하지 않음)가 구비되어 액화가스 공급펌프 공급라인(25)의 개도 조절을 할 수 있으며, 이로 인해 액화가스 공급펌프(101)로 공급되는 액화가스의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 제 13 실시예에서는, 후술할 히팅 유닛(102)에 의해서 공급되는 기체상태의 액화가스에 의해 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력이 상승하게 되고, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력에 의해서 액화가스 저장탱크(10)에 저장되어 있는 액화가스는 압력을 받게 된다.
이러한 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는, 상기 압력에 의해 액화가스 공급펌프 공급라인(25)을 통해 자연적으로 액화가스 공급펌프(101)로 유입될 수 있으며 액화가스 공급펌프(101)가 요구하는 유효흡입수두(Net Positive Suction Head;NPSH) 값을 충분히 만족시킬 수 있다. 따라서, 액화가스 공급펌프(101)는 별도의 동력원을 통하여 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스를 흡입할 필요가 없으며, 또한 액화가스 공급펌프(101)는, 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스에 잠겨 구비될 필요없이 액화가스 저장탱크(10) 외부 또는 내부의 상측에 위치하더라도 액화가스 공급펌프(101)의 NPSH 값을 만족할 수 있다.
따라서 액화가스 공급펌프(101)는, 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스를 흡입할 추가적인 동력원이 필요치 않게 되어 액화가스 공급펌프(101)의 에너지 소비를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이로 인해 효율적인 에너지 사용이 가능할 수 있다.
또한 액화가스 공급펌프(101)는, 반드시 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스에 잠겨 구비될 필요가 없으므로, 액화가스 공급펌프(101)의 설치 위치가 유연하게 변경가능하여 충분한 공간의 확보가 가능하고 효율적인 공간활용이 가능할 수 있다.
또한 액화가스 공급펌프(101)는, NPSH 값이 충분히 만족되므로 액화가스 공급펌프(101) 내 캐비테이션 발생이 억제될 수 있어 효율적인 구동이 가능할 수 있다. 이로 인해서 액화가스 공급펌프(101)는, 내구성이 향상되고 유지비용을 절약할 수 있는 추가적인 효과를 얻을 수 있다.
액화가스 공급펌프(101)는, 액화가스 저장탱크(10) 외부의 액화가스 저장탱크(10) 상면에 위치하여 액화가스 저장탱크(10)와 직접 연결되어 구동될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 13 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10)와 액화가스 공급펌프(101) 사이를 연결할 필요가 없어 별도의 연결관(예를 들어 인터파이프(Interpipe))이 불필요하게 되어 제작비의 절감과 신뢰성 있는 구동이 가능하고, 설치 및 유지, 보수가 용이한 효과가 있으며, 외부로의 열손실(heatloss)로 인한 액화가스의 증발(boiling)을 방지할 수 있는 추가적인 효과도 얻을 수 있다.
또한, 액화가스 공급펌프(101)는, 액화가스 저장탱크(10) 외부에 설치될 수 있음으로써, 액화가스 저장탱크(10)로의 설치가 매우 용이하며 설치비용도 절약가능하고, 액화가스 공급펌프(101)의 유지 및 보수(Maintenance)가 매우 유리할 수 있다.
이러한, 액화가스 공급펌프(101)는, 왕복동형 또는 원심형 펌프일 수 있으며, 부스팅 펌프(31)일 수 있다.
히팅유닛(102)은, 액화가스 저장탱크(10)의 외부에 설치될 수 있으며 액화가스 저장탱크(10)에서 공급받은 액화가스를 외부로부터 공급받은 열원을 이용하여 기체상태로 변화시킬 수 있다. 또한 히팅유닛(102)은 기체상태의 액화가스를 다시 액화가스 저장탱크(10)로 복귀하도록 공급할 수 있다.
히팅유닛(102)은, 히터(heater)일 수 있으며 액화가스를 기체상태로 가열할 수 있는 장치라면 어떠한 장치라도 가능할 수 있다. 히팅유닛(102)은, 후술할 저장탱크-히팅유닛 공급라인(23)에 의해서 액화가스를 공급받을 수 있으며, 후술할 저장탱크-히팅유닛 복귀라인(22)에 의해서 추가적인 액화가스를 공급받을 수 있다. 또한 히팅유닛(102)은 후술할 히팅유닛-저장탱크 공급라인(24)에 의해서 기체상태의 액화가스를 액화가스 저장탱크(10)로 공급할 수 있다.
또한, 히팅유닛(102)은, 기체 상태의 액화가스를 액화가스 저장탱크(10)로 공급하여 액화가스 저장탱크(10)의 내부압력을 증가시킬 수 있다. 따라서, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 압력을 받게 되고, 압력을 받은 액화가스는 자연스레 액화가스 공급펌프(101)로 인입되게 된다.
이때, 액화가스 공급펌프(101)로 인입되는 액화가스의 유량은 액화가스 공급펌프(101)가 요구하는 유효흡입수두(Net Positive Suction Head;NPSH)를 충분히 만족시킬 수 있다. 즉, 히팅 유닛(102)은, 기체 상태의 액화가스를 액화가스 저장탱크(10)로 공급하여 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력을 증가시켜 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스를 과냉(Sub-cooling)시킴으로써, 액화가스 공급펌프(101)가 요구하는 NPSH 값을 만족시킬 수 있다.
구체적으로 본 발명의 제 13 실시예는, 히팅 유닛(102)이 기체상태의 액화가스를 액화가스 저장탱크(10)로 공급할 수 있고, 이로 인해서 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력이 증가하게 되며, 액화가스의 끓는 점은 상승하게 된다. 따라서 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스는, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력 증가로 인해 끓는 점이 상승하게 되어 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스가 과냉 또는 포화될 수 있다.
즉 본 발명의 제 13 실시예에서는, 액화가스 저장탱크(10)내의 액화가스가 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력에 의해 끓는 점이 상승하여 과냉 또는 포화된 상태에서 액화가스 공급펌프(101)로 인입되고, 그로 인해 액화가스 공급펌프(101)가 요구하는 NPSH 값을 충분히 만족시킬 수 있다.
따라서 히팅 유닛(102)은, 액화가스 공급펌프(101)의 NPSH 값을 충분히 만족시킬 수 있으므로 액화가스 공급펌프(101) 내 캐비테이션 발생을 억제할 수 있다. 이로 인해서 본 발명의 제 13 실시예에서는, 액화가스 공급펌프(101)가 효율적인 구동이 가능하고 내구성이 향상되며 유지비용을 절약할 수 있는 추가적인 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 제 13 실시예에서는, 저장탱크-히팅유닛 복귀라인(22), 저장탱크-히팅유닛 공급라인(23), 히팅유닛-저장탱크 공급라인(24)을 더 포함할 수 있다.
저장탱크-히팅유닛 복귀라인(22)은 액화가스 공급라인(21) 상에 분기되어 히팅유닛(102)과 연결할 수 있으며, 액화가스 공급펌프(101)와 히팅유닛(102)을 연결할 수 있다. 저장탱크-히팅유닛 복귀라인(22)은, 히팅유닛(102)에 액화가스가 부족한 경우 추가적인 액화가스를 공급할 수 있다.
저장탱크-히팅유닛 공급라인(23)은, 액화가스 저장탱크(10)와 히팅유닛(102)을 연결할 수 있다. 저장탱크-히팅유닛 공급라인(23)은, 히팅유닛(102)에 액화가스를 공급하여 히팅유닛(102)이 기체상태의 액화가스를 생산하도록 할 수 있다.
히팅유닛-저장탱크 공급라인(24)은, 히팅유닛(102)과 액화가스 저장탱크(10)를 연결할 수 있다. 히팅유닛-저장탱크 공급라인(24)은, 히팅유닛(102)에서 생산된 기체상태의 액화가스를 액화가스 저장탱크(10)에 공급하여 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력이 증가하도록 할 수 있다.
상기 제1 내지 제13 실시예로 이루어진 그룹에서 적어도 어느 하나 이상의 실시예를 선택하여 조합하는 것은 본 발명의 범위에 포함된다. 즉 본 발명은 발명의 사상을 제1 내지 제13 실시예로 한정하지 않으며, 실시예들의 조합에 의해 도출되는 것 또한 본 발명에 해당한다.
1,2,3,4,5: 액화가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
11: 외조 탱크 12: 내조 탱크
13: 단열부 14: 서포트
15: 배플 16: 증발가스 공급라인
16A: 증발가스 복귀라인 17: 기체 회수라인
17A: 플래시 가스 우회라인 17B: 삼방밸브
18: 플래시 가스 배출라인 18A: 플래시 가스 회수라인
18B: 삼방밸브 19: 액체 회수라인
20: 액화가스 수요처 21: 액화가스 공급라인
22: 저장탱크-히팅유닛 복귀라인 23: 저장탱크-히팅유닛 공급라인
24: 히팅유닛-저장탱크 공급라인 25: 액화가스 공급펌프 공급라인
26: 강제기화기 30: 펌프
31: 부스팅 펌프 32: 고압 펌프
40: 액화가스 열교환기 50: 증발가스 압축기
51: 압축기 전단부 열교환기 60: 증발가스 열교환기
60A,60C,60E,60G: 제 1 열교환기
60B,60D,60F,60H: 제 2 열교환기
60I,60J: 제 3 열교환기 61: 벤트(Vent) 라인
61a: 플래시 가스 분기라인 62: 질소 분리기
70: 혼합기 80: 증발가스 액화기
90: 기액분리기 101: 액화가스 공급펌프
102: 히팅유닛
A: 증발가스 압축기로 유입되는 증발가스 유량이 기설정값보다 적은 구간
B: 증발가스 압축기로 유입되는 증발가스 유량이 기설정값보다 많은 구간
X: 증발가스 유입부 X': 증발가스 유출부
Y: 압축된 증발가스 유입부 Y': 압축된 증발가스 유출부
Z: 플래시 가스 유입부 Z': 플래시 가스 유출부

Claims (12)

  1. 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스를 압축하는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 팽창 또는 감압시켜 적어도 일부를 액화시키는 증발가스 액화기;
    상기 증발가스 액화기를 통과한 증발가스에서 액체와 기체가스를 분리하는 기액분리기; 및
    상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스의 적어도 일부를 혼합한 혼합기체를 적어도 일부 배출시키는 벤트 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기체 내의 질소 함유량을 감지하는 질소 감지 센서를 더 포함하고,
    상기 벤트 장치는,
    상기 질소 감지 센서에 의해 상기 혼합기체 내의 질소 함유량을 전달받아 상기 혼합기체의 벤트 량을 제어하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스 및 상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 열교환시키며 3stream으로 구성되는 증발가스 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합기체와 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 열교환시키며 2stream으로 구성되는 증발가스 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 벤트 장치는,
    상기 증발가스 열교환기와 상기 증발가스 압축기 사이에 구비되고,
    상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 기체 가스는
    상기 벤트장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 벤트 장치는,
    상기 증발가스 열교환기와 상기 증발가스 압축기 사이에 구비되고,
    상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 기체 가스는
    상기 벤트장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 증발가스 열교환기에서 열교환된 기체가스는,
    엔진, 터빈, 보일러, 재액화장치 또는 GCU에 공급되는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 상기 액화가스 저장탱크까지 연결되어 상기 기액분리기에서 분리되는 액체상태의 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 액체회수라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 액화기는,
    팽창기인 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 액화기는,
    줄 톰슨 밸브인 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 벤트 장치는,
    엔진, 터빈, 보일러, 재액화장치 또는 GCU에 상기 혼합기체를 공급하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에서 공급되는 증발가스와 상기 기액분리기에서 공급되는 기체가스를 혼합하는 혼합기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화가스 처리 시스템.
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