KR20150103328A - 대기를 이용한 극저온 유체의 연속 재기화 동안의 단속적 제빙 - Google Patents

대기를 이용한 극저온 유체의 연속 재기화 동안의 단속적 제빙 Download PDF

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KR20150103328A
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atmospheric
ice
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솔로몬 파카
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우드사이드 에너지 리미티드
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Abstract

기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정 및 장치가 개시된다. 대기 및 극저온 유체 또는 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체 또는 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열이 전달된다. 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 한다. 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하며, 상기 제어장치는 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 배치되며 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거된다. 상기 열원은 상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 중지시킬 필요없이 제빙이 이루어진다.

Description

대기를 이용한 극저온 유체의 연속 재기화 동안의 단속적 제빙 {Intermittent de-icing during continuous regasification of a cryogenic fluid using ambient air}
본 발명은 기화를 위한 주열원으로서 대기(ambient air)에 의존하며 연속적으로 작동될 수 있는 기체형태로의 극저온 유체의 재기화공정 및 장치에 관한 것이다. 발명은 특히 전적인 것은 아니지만, 기화를 위한 주열원으로서 대기를 사용하여 LNG를 천연가스로 재기화하기 위한 공정 및 장치에 관한 것이다.
천연가스는 석탄 또는 석유보다 적은 배출물 및 오염물을 생성하므로 가장 청정하게 연소하는 화석연료이다. 천연가스(NG)는 일상적으로 액화천연가스(LNG)로서 액체상태로 일 지점에서 다른 지점으로 수송된다. LNG가 차지하는 부피는 동일한 양의 천연가스가 기체상태에서 차지하는 부피의 약 1/600 만을 차지하므로 천연가스를 액화하면 보다 경제적으로 수송할 수 있게 된다. 일 지점에서 다른 지점으로의 LNG의 수송은 "LNGC들"로 불리며 극저온 저장능력을 가지는 이중선체 원양 선박들을 이용하여 이루어지는 것이 가장 일반적이다. LNG는 대체로 LNGC 선상의 극저온 저장탱크들에 저장되며, 상기 저장탱크들은 대기압하 또는 대기압보다 약간 높은 압력에서 작동한다. 현존하는 대다수의 LNGC들은 120,000㎥ 내지 150,000㎥의 크기 범위의 LNG 화물저장능력을, 일부 LNGC들은 264,000㎥에 이르는 저장능력을 가진다.
최종사용자들의 배달조건들에 맞는 온도 및 압력으로 파이프라인 또는 다른 분배네트워크를 통하여 최종사용자들에게 분배되기 전에 LNG는 일반적으로 천연가스로 재기화된다. 상기 LNG의 재기화는 정해진 압력에서 LNG의 온도를 LNG의 끓는점 이상으로 상승시킴으로써 달성되는 것이 가장 일반적이다. LNGC는 일반적으로 어느 국가에 위치된 "수출터미널"에서 LNG 화물을 수취하고, 다른 국가에 위치된 "수입터미널"에서 화물을 전달하기 위하여 대양을 항해한다. 수입터미널에 도착하면, 상기 LNGC는 전통적으로 부두 또는 방파제(jetty)에 정박하고, 상기 LNG를 액체로 수입터미널에 위치된 해안의 저장 및 재기화시설로 하역한다. 상기 해안의 재기화시설은 일반적으로 다수개의 히터들 또는 기화기들, 펌프들, 및 압축기들을 포함한다. 이와 같은 해안의 저장 및 재기화시설들은 일반적으로 크고 건조 및 작동에 수반되는 비용들은 상당히 크다.
최근에는 해안의 재기화시설들의 건설에 수반되는 비용 및 소버린리스크(sovereign risk)에 관한 공통의 관심사가 거주지역 및 해안활동에서 제거된 근해 재기화 터미널들의 건설에 이르게 되었다. 다른 특징 및 조합들을 가지는 다양한 근해 터미널들이 제안되고 있다. 예를 들면, 미국특허 US6,089,022는 재기화된 천연가스가 해안시설로의 배달을 위하여 해안으로 전달되기 전에 운반선 상에서 LNG를 재기화하는 시스템 및 방법을 개시하고 있다. 상기 LNG는 운반선을 둘러싸는 물속에서 얻은 해수를 이용하여 재기화되며, 상기 해수는 LNG 운반선에 장착된 재기화시설을 통하여 흐르며 LNG 운반선과 함께 수출터미널에서 수입터미널로 함께 이동한다. 상기 해수는 상기 LNG와 열을 교환하여 상기 LNG가 천연가스로 기화되고, 냉각된 해수는 운반선을 둘러싸는 물속으로 귀환된다. 해수는 LNG의 재기화를 위한 비싸지 않은 매개유체의 소스이나, 환경문제, 특히 냉각된 해수를 귀환시킬 때 해양환경에 대한 환경영향으로 인하여 덜 매력적이다.
LNG의 재기화는 일반적으로 다음과 같은 세가지 타입의 기화기들 중 어느 하나를 이용하여 수행된다: 개방 랙(Open rack) 타입, 매개유체 타입 또는 수중연소 타입.
개방 랙 타입 기화기들은 일반적으로 LNG의 기화를 위한 열원으로 해수를 이용한다. 이러한 기화기들은 히터 외부로의 1회통과 해수유동을 기화를 위한 열원으로 이용한다. 이러한 기화기들은 물의 결빙으로 방해하지 않으며, 작동 및 유지가 용이하나, 건조 비용이 비싸다. 상기 기화기들은 일본에 널리 사용된다. 상기 기화기들의 미국 및 유럽에서의 사용은 제한되며, 여러 가지 이유들 때문에 경제적으로 정당화하기 어렵다. 첫째 현재 허용되는 환경은 해양 생물의 환경적 고려로 인하여 매우 차가운 온도로 바다에 해수를 되돌리는 것을 허용하지 않는다. 또한 미국 남부와 같은 해변의 물들은 대개 깨끗하지 않고 여과가 필요할 수 있는 많은 부유물질들을 포함하고 있다. 이러한 제한들 때문에 개방 랙 타입 기화기들을 미국에서 사용하는 것은 환경적으로 그리고 경제적으로 알맞지 않다.
물 또는 스팀(steam)으로 직접 가열하여 액화천연가스를 기화하는 대신에, 매개유체 타입의 기화기들은 프로판, 불소화 탄화수소들 또는 낮은 어는점을 가지는 유사 냉각제를 사용한다. 액화천연가스의 기화를 위한 상기 냉각제의 증발 및 응축을 이용하기 위하여 상기 냉각제는 뜨거운 물 또는 스팀으로 먼저 가열된다. 이러한 타입의 기화기들은 개방 랙 타입보다 건조하기 위한 비용이 적으나, 뜨거운 물 또는 스팀의 준비를 위하여 버너와 같은 가열수단이 필요하고, 따라서 연료 연소로 인하여 작동하는데 비용이 비싸다.
수중연소 타입의 기화기들은 물에 잠긴 튜브를 포함하며, 상기 튜브는 버너로부터 분사되는 연소가스로 가열되다. 매개유체 타입과 같이, 수중연소 타입의 기화기들은 연료비용을 수반하며, 작동하는데 비용이 비싸다. 수중연소 타입의 증발기들은 중탕을 포함하며, 상기 중탕에서 액화천연가스의 기화를 위한 교환기튜브다발은 물론 가스버너의 굴뚝가스튜브가 설치된다. 상기 가스버너는 물을 가열하고 액화천연가스의 기화를 위한 열을 제공하는 연소굴뚝가스를 상기 중탕으로 배출한다. 상기 액화천연가스는 상기 튜브다발을 통하여 흐른다. 이러한 타입의 증발기들은 신뢰성이 있으며 크기가 작으나, 연료가스의 사용을 수반하며 따라서 작동하기에 비싸다.
특정한 하류 작동을 위하여 극저온 액체를 기체형태로 기화시키는 대기 또는 "공기" 기화기들을 사용하는 것이 알려져 있다. 대기기화기는 대기로부터 흡수된 열을 이용하여 극저온 액체들을 기화하는 장치이다.
예를 들면, 1983년 8월 23일자로 보글러 주니어(Vogler, Jr.) 등의 이름으로 등록된 미국특허 US4,399,660는 연속적으로 극저온 액체들의 기화에 적합한 대기기화기 개시하고 있다. 이 장치는 대기에서 흡수한 열을 사용한다. 실질적으로 수직인 적어도 세 개의 통로들이 함께 설치된다. 각 통로는 실질적으로 일정한 간격을 가지는 다수개의 핀(fin)들을 주변에 가지는 중앙 튜브를 포함한다.
1993년 10월 12일자로 엘.제트. 위더(L.Z. Widder)의 이름으로 등록된 미국특허 US5,251,452는 극저온 액체들용 대기기화기 및 히터를 개시하고 있다. 이 장치는 수직으로 장착되고 평행하게 연결되는 다수개의 열교환 튜브들을 사용한다. 각 튜브는 다수개의 외부 핀(fin)들 및 대칭적으로 배열되고 중앙 개구부와 유체교환을 하는 다수개의 내부 주변 통로들을 가진다. 기체상의 극저온 유체와 대기와의 열교환 속도를 증가시키기 위하여 속이 찬 바(bar)가 미리 결정된 각 튜브의 길이만큼 상기 중앙개구부 내로 연장된다. 상기 유체는 상기 튜브들의 바닥에서 그 끓는 점으로부터 그 꼭대기에서 생산 및 다른 작동에 적합한 온도로 상승된다.
2003년 9월 23일자로 아이어만(Eyermann)의 이름으로 등록된 미국특허 US6,622,492는 순환수(circulating water)를 가열하기 위하여 대기로부터 열의 추출을 포함하는 액화천연가스를 기화하기 위한 장치 및 공정을 개시한다. 상기 열교환 공정은 액화천연가스의 기화를 위한 히터, 순환수 시스템, 및 상기 순환수를 가열하기 위하여 대기로부터 열을 추출하는 워터타워(water tower)를 포함한다. 2003년 11월 11일자로 아이어만(Eyermann)의 이름으로 등록된 미국특허 US6,644,041는 물의 온도를 상승시키기 위하여 워터타워에 물을 통과시키는 단계와, 제1히터를 통하여 온도가 상승된 물을 펌핑하는 단계와, 상기 온도가 상승된 물로부터 순환유체로 열을 전달하기 위하여 상기 제1히터를 통하여 상기 순환유체를 통과시키는 단계와, 액화천연가스를 제2히터로 통과시키는 단계와, 상기 순환유체로부터 상기 액화천연가스로 열을 전달하기 위하여 상기 제1히터로부터 상기 제2히터로 가열된 상기 순환유체를 펌핑하는 단계와, 상기 제2히터로부터 기화된 천연가스를 배출하는 단계를 포함하는 액화천연가스의 기화공정을 개시한다.
대기기화기들은 연속 서비스에 일반적으로 사용되지 않는 이유는 대기기화기의 외부표면에 얼음과 서리가 형성되어 지속적인 사용기간 후에 유닛을 비효율적으로 하기 때문이다. 상기 유닛이 작동하지 않을 때 얼음이 녹기 때문에 대기기화기가 단속적으로 사용될 때, 얼음의 형성은 일반적으로 문제가 아니다. 그러나 상기 대기기화기가 연속적으로 작동하는 것이 필요할 때, 얼음이 상기 기화기의 열전달 유효표면적을 감소시키고 단열재로서 작용하여 상기 대기로부터 상기 극저온 유체로의 열전달속도를 감소시키기 때문에 상기 기화기는 지속적인 사용기간 후에 비효율적인 상태가 된다. 상기 대기기화기의 효율이 감소하면서, 상기 가스의 출구유속 또는 출구온도 또는 양자 모두가 감소한다. 이러한 이유 때문에, 대기기화기들은 일반적으로 저장된 극저온 액체들의 연속 기화에 선호되지 않는다.
외부 핀(fin)들 상의 얼음축적속도는 대기온도와 상기 튜브 내의 극저온 액체의 온도 사이의 온도차이에 일부 의존한다. 대기온도가 영하부근 또는 그 이하인 경우가 아니면 거의 발생되지 않지만 출구에 가까운 튜브들에서의 적은 얼음축적과 함께 전형적으로 상기 얼음들의 가장 큰 부분은 입구에 가장 가까운 튜브들에 형성되는 경향이 있다. 따라서 대기기화기가 그 튜브들 상에 얼음이 불균일하게 분포되고 그 결과 유닛의 무게중심을 바꾸고 튜브들 사이에서 차별적인 열적 구배를 초래하는 것은 이상하지 않다.
얼음 형성의 문제의 처리는 여러 가지 방향에서 시도되고 있다. 인력에 의하여 외부 열수제트 또는 스팀제트를 가하거나, 곡괭이나 삽 등을 사용하는 기계적 제거에 의하여 주기적으로 수작업에 의한 제빙이 수행되고 있다. 수작업이 필요하다는 관행은 바람직하지 않다. 상기 얼음구조는 예측불가이다. 떨어지는 얼음은 작업을 수행하는 인력을 다치게 하거나 상기 기화기 및 수반되는 배관에 구조적으로 손상을 가할 수 있다. 다른 기술은 베어배관(bare piping), 즉 얼음이 퇴적될 주표면으로서 역할을 수행할 것으로 의도된 외부 핀(fin)들이 없는 배관에 처음부터 일정 거리상에 얼음의 형성을 수용하는 것이다. 이 기술은 베어배관이 핀이 있는 배관보다 비용이 적으며, 높은 얼음 형성을 수용하는데 보다 적은 배치로 지지할 수 있기 때문에 사용되고 있다. 그러나 바람직하지 않은 거대한 양의 배어배관, 바닥공간, 및 구조적 지지가 사용될 필요가 있으며, 이는 이 방법을 매혹적이지 않게 한다.
다른 종래기술은 하나 이상의 중복 또는 잉여 열들의 기화기들을 제공하는 것이다. 하나의 열의 기화기들이 작동중일 때, 하나 이상의 열들은 얼음이 녹을 수 있도록 작동하지 않는다. 열들을 전환하기 위하여 많은 구성들이 사용될 수 있다. 간단한 구성으로 순수하게 시간 스케쥴에 따라 즉 다른 고려들을 무시하고 열들을 교환하는 것이 있다. 잉여 기화기들을 사용하게 되면 재기화 시설을 위한 비용을 증가시키고, 또한 필요한 공간을 증가시킨다. 또 다른 종래의 해법으로서 재기화 시설을 특대화하는 것인데, 이는 기화기 당 감소된 평균 열전달 하중을 초래하여 비용 및 필요한 바닥공간을 증가시키게 된다.
상기와 같이 앞서 설명한 이유들 때문에, 잉여 기화기들의 필요없이 연속으로 작동할 수 있고, 종래 기술에 따른 대기기화기들의 작동효율 특성에 있어서 지금까지의 감소를 극복하거나 적어도 개선할 수 있는 극저온 유체의 재기화를 위한 공정 및 장치의 필요성이 남는다.
본 발명의 제1측면에 따르면,
(a) 대기 및 극저온 유체 또는 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체 또는 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열을 전달하는 단계;
(b) 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 하는 단계; 및
(c) 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하며, 상기 제어장치는 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 배치되며, 상기 열원은 상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 중지시킬 필요없이 제빙이 이루어져 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거하는 단계;
를 포함하는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 온도가 미리 결정된 최소온도 이하로 떨어질 때 상기 단계 (c)를 시작하도록 신호를 발생시킨다. 또 다른 실시예에서, 상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 유속이 미리 결정된 최소유속 이하로 떨어지게 되면 상기 단계 (c)를 시작하도록 신호를 발생시킨다.
상기 단계 (c)를 위한 적당한 열원은 다음 중 하나 이상일 수 있다:
전기에너지; RLNGC의 추진시스템으로부터 회수된 폐열; 폐열보일러 또는 다른 소스로부터의 스팀; 수중연소기화기를 사용하여 생성된 열; 태양에너지; RLNGC가 계류 중에 있을 때 추진플랜트의 초과발전능력을 사용하는 전기히터들; 디젤엔진 또는 가스터빈의 배기관에 설치되는 배기가스열교환기들; 또는 천연가스연소 열수 또는 열오일히터들; 또는 천연가스 또는 오일을 사용하여 직접연소에 의하여 생성된 열, 또는 마이크로웨이브 에너지.
일 실시예에서, 상기 단계 (c)를 위한 상기 열원은 상기 기화기의 열전달표면과 상기 얼음층 사이의 경계에 배된 하나 이상의 전기 가열 요소들이다. 상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함할 때, 상기 전기 가열 요소들은 상기 튜브의 외부 열전달표면에 배치될 수 있다. 상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함하고, 상기 각 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함할 때, 상기 전기 가열 요소들은 상기 방사핀들 중 어느 하나 또는 전부에 배치될 수 있다. 유익하게는 상기 전기 가열 요소들은 자동조절될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함할 때, 상기 단계 (c)를 위한 열원은 상기 제어장치에 의하여 발생된 신호에 응답하여 결빙이 발생할 것으로 예상되는 튜브의 적어도 일부를 따라서 배치된 제빙덕트를 따라서 순환되는 가열된 유체일 수 있다. 상기 튜브는 복수개의 핀(fin)들을 포함할 때, 상기 제빙덕트는 인접하는 방사핀들의 기저에 인접한 상기 튜브의 외부 열전달표면들에 위치될 수 있다. 대체로서 또는 추가로, 상기 각 제빙덕트는 상기 각 핀이 상기 가열된 유체가 흐를 수 있는 공동의 코어를 구비할 수 있도록 방사핀의 길이를 따라서 배치될 수 있다.
바람직하게는 상기 가열된 유체는 건성 과열증기이고, 상기 건성 과열증기는 엔진에 의하여 생성된 뜨거운 배기가스와 열을 교환하도록 배치된 폐열보일러에 의하여 생성될 수 있다.
상기 대기에서 상기 극저온 유체로 간접적으로 열을 전달하는데 매개유체가 사용될 때, 상기 매개유체는 글리콜, 글리콜-물 혼합물, 메탄올, 프로판올, 프로판, 부탄, 암모니아, 포르산염, 담수(fresh water) 또는 조절된 물(tempered water)로 구성되는 그룹에서 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 매개유체는 알칼리금속 포르산염 또는 알칼리금속 아세트산염을 함유하는 용액을 포함할 수 있다.
상기 공정의 일 실시예에서, 상기 단계 (a)는 강제송풍팬의 사용을 통하여 촉진된다.
상기 기화기는 복수개의 통로들을 포함할 때, 상기 통로들은 서로 간격을 두고 배열될 수 있다. 바람직하게는 상기 각 통로는 수직으로 향하고 이웃하는 통로들과 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬의 조합의 형태로 연결된다. 일 실시예에서, 상기 각 통로는 상기 극저온 유체가 흐르도록 중앙구멍을 가지는 적어도 하나의 튜브를 포함하며, 상기 각 튜브는 핀이 형성된 외부표면, 일단에 유체유동을 위한 입구 및 상기 튜브의 타말단에 유체유동을 위한 출구를 가진다.
일 실시예에서, 상기 기화기는 해상의 운반선 선상에의 설치를 위한 재기화 시스템에 구비되며, 상기 단계 (c)를 위한 상기 열원은 상기 LNG 운반선의 엔진들로부터 회수된다. 바람직하게는 상기 극저온 유체는 LNG이다.
본 발명의 제2측면에 따르면,
대기기화기로서, 대기 및 극저온 유체 또는 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 상기 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체 또는 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열을 전달하기 위한 대기기화기;
제어장치로서, 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 하고, 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 설치되며 상기 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하여 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거하기 위한 제어장치; 및
상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 상기 기화기로부터 중지시킬 필요없이 제빙이 이루어지는 열원을 포함하는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 상기 온도센서에 의하여 측정된 온도가 미리 결정된 최소온도 이하로 떨어질 때 단속적으로 제빙을 시작하기 위한 신호를 발생시키기 위한 신호발생기를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 유속을 측정하기 위한 유량계와, 상기 유량계에 의하여 측정된 유속이 미리 결정된 최소유속 이하로 떨어지게 되면 단속적으로 제빙을 시작하기 위한 신호를 발생시키기 위한 신호발생기를 포함한다.
상기 열원은 다음 중 하나 이상일 수 있다.:
전기에너지; RLNGC의 추진시스템으로부터 회수된 폐열; 폐열보일러 또는 다른 소스로부터의 스팀; 수중연소기화기를 사용하여 생성된 열; 태양에너지; RLNGC가 계류 중에 있을 때 추진플랜트의 초과발전능력을 사용하는 전기히터들; 디젤엔진 또는 가스터빈의 배기관에 설치되는 배기가스열교환기들; 또는 천연가스연소 열수 또는 열오일히터들; 또는 천연가스 또는 오일을 사용하여 직접연소에 의하여 생성된 열.
일 실시예에서, 상기 열원은 상기 기화기의 열전달표면과 상기 얼음층 사이의 경계에 설치된 하나 이상의 전기 가열 요소들이다. 상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함할 때, 상기 전기 가열 요소들은 상기 튜브의 외부 열전달표면에 배치될 수 있다. 상기 기화기는 수로들에서 하나의 튜브를 포함할 때, 상기 각 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함하고, 상기 전기 가열 요소들은 상기 방사핀들 중 어느 하나 또는 전부에 설치될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 전기 가열 요소들은 자동조절된다.
다른 실시예에서, 상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함하며, 상기 열원은 상기 제어장치에 의하여 발생된 신호에 응답하여 결빙이 발생할 것으로 예상되는 튜브의 적어도 일부를 따라서 배치된 제빙덕트를 따라서 순환되는 가열된 유체이다. 상기 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함할 때, 상기 제빙덕트는 인접하는 방사핀들의 기저에 인접하는 상기 튜브의 외부 열전달표면에 위치될 수 있다. 바람직하게는 상기 가열된 유체는 건성 과열증기이다. 상기 건성 과열증기는 엔진에 의하여 생성된 뜨거운 배기가스와 열을 교환하도록 배치된 폐열보일러에 의하여 생성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기화기를 향하여 대기의 유동을 유도하기 위한 강제송풍팬을 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 상기 기화기는 해상의 운반선 선상에의 설치를 위한 재기화 시스템에 구비되며, 상기 단계 (c)를 위한 상기 열원은 상기 LNG 운반선의 엔진들로부터 회수된다.
본 발명에 대한 보다 자세한 이해를 도모하기 위하여 본 발명의 여러 실시예들을 예로서만 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 RLNGC 선상에 저장된 LNG의 해저 파이프라인과 연결되는 해안수직도관을 경유하여 해안으로 전달되는 천연가스로의 연속 재기화를 위한 선상의 재기화시설이 구비된 RLNGC의 개략적인 측면도이다;
도 2는 대기와 직접 열교환을 위하여 LNG가 순환되는 대기기화기를 포함하는 재기화시설의 일 실시예를 보여주는 공정도이다;
도 3은 인접한 핀들 및 인접한 튜브들 사이에서 형성된 얼음층을 보여주는 두 개의 인접한 튜브들의 단면도이다;
도 4a는 수집트레이를 포함하는 네 개의 통로 기화기의 일 실시예의 같은 크기의 도이다;
도 4b는 입구 다기관(manifold) 및 출구 다기관을 포함하는 단일의 통로 기화기의 같은 크기의 도이다;
도 5a는 다중 통로의 상기 튜브들을 통한 유체의 유동을 보여주는 대기기화기의 네 개의 튜브들을 관통한 단면도이다;
도 5b는 상기 튜브들을 통한 유체의 유동을 보여주는 단일 통로의 대기기화기의 네 개의 튜브들을 관통한 단면도이다;
도 6a는 방사핀들이 보이며 주기적으로 상기 기화기의 열전달표면적들로부터 얼음층을 제거하기 위하여 튜브의 외부 표면들에 열원을 제공하기 위한 전기 가열 요소들을 사용하는 튜브의 같은 크기의 일부도이다;
도 6b는 단속적으로 상기 튜브들로부터 얼음을 제거하기 위하여 가열된 유체가 흐르도록 하는 인접하는 방사핀들의 기저에 위치된 제빙덕트들이 보이는 튜브의 같은 크기의 일부도이다;
도 6c는 각 핀이 가열된 유체가 흐를 수 있는 공동의 코어를 구비될 수 있도록 방사핀의 길이를 따라서 배치된 제빙덕트들이 있는 튜브의 같은 크기의 일부도이다; 및
도 7은 매개유체가 대기와의 열전달을 위하여 순환하며, 상기 가열된 매개유체는 천연가스를 형성하기 위하여 기화기 LNG에 열을 전달하는데 사용되는 대기기화기를 포함하는 재기화시설의 다른 실시예를 보여주는 도이다.
대기를 주열원으로 이용하여 천연가스를 형성하기 위한 극저온 유체의 가스형태로의 재기화 방법 및 장치들의 구체적인 실시예들을 특히 예시만의 형태로 액화천연가스(LNG) 운반선의 선상에서의 LNG의 해상 재기화를 참조하여 설명한다. 본 발명은 다른 극저온 액체들의 재기화시설에의 사용에 똑같이 적용되고, 또한 해안의 재기화시설에의 사용 또는 고정된 해상플랫폼 또는 바지에서의 사용에 똑같이 적용될 수 있다. 여기서 사용된 용어는 특정 실시예들만을 설명하기 위한 목적이며 본 발명의 범위의 한정을 의도한 것은 아니다. 다르게 정의되지 않는다면, 여기서 사용되는 모든 기술적 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상식적으로 이해되는 것과 동일한 의미들을 가진다. 도면들에서는 유사한 참조번호들은 유사한 구성들을 지시한 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체를 통하여, 용어 "RLNGC"는 LNG를 천연가스로 변환하는데 사용되는 선상 재기화시설이 구비된 자기추진선, 선박 또는 LNG 운반선을 가리킨다. 상기 RLNGC는 변경된 원양 LNG선 또는 선상 재기화시설을 포함하도록 맞춤형 또는 목적형으로 건조된 선박이 될 수 있다.
여기서 사용된 용어 "기화기"는 액체를 기체로 변환하는데 사용되는 장치를 말한다. 여기서 사용된 "대기기화기"는 대기를 주열원으로 사용하여 액체를 기체로 변환하는데 사용되는 장치를 말한다.
여기서 사용되는 용어 "극저온 액체"는 200 캘빈(Kelvin)(-73℃) 이하의 대기 끓는점을 가지는 액체를 말한다.
본 발명의 공정 및 시스템의 제1실시예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다. 제1실시예에 따르면, 재기화시설(10)은 RLNGC(12)의 선상에 구비되며, RLNGC의 선상에서 하나 이상의 극저온 저장탱크(14)들 내에 저장된 LNG를 재기화하는데 사용된다. 상기 선상 재기화시설(10)은 대기를 천연가스로의 LNG의 재기화를 위한 주열원으로 이용한다. 일산화질소(nitrous oxide), 이산화황(sulphur dioxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 휘발성 유기화합물 및 미립물질들의 방출물들을 최소로 유지하기 위하여 (연료가스의 연소로부터 발생되는 열 대신에) 대기는 LNG의 재기화를 위한 주열원으로 사용된다. 상기 선상 재기화시설(10)를 사용하여 생산된 상기 천연가스는 해안의 가스분배시설(미도시)로의 천연가스의 배달를 위하여 해저 파이프라인(16)으로 전달된다.
본 발명의 일 실시예에서, 30,000㎥ 내지 50,000㎥ 범위의 전체저장능력을 각각 가지는 상기 RLNGC의 선상에 있는 4 내지 7개의 각형 자기지지(prismatic self-supporting) 극저온 저장탱크(14)들에 LNG가 저장된다. 상기 RLNGC가 거칠고, 다방향의 환경조건들에 노출될 때 상기 RLNGC는 상기 저장탱크(14)들 내의 중간충전 수준으로부터 가해지는 부하들을 견딜 수 있는 지지선체구조(18)를 가진다. 상기 저장탱크(14)들이 일부만 채워져 있을 때 또는 상기 RLNGC(12)가 계류중에 폭풍을 견딜 때 상기 RLNGC 선상의 상기 저장탱크(14)(들)은 LNG의 슬로싱(sloshing)에 강건하거나 슬로싱을 감소시킨다. 슬로싱의 영향을 감소시키기 위해서는, 상기 저장탱크(14)(들)은 다수의 내부배플(baffle)들 또는 강화된 맴브레인(membrane)을 구비한다. 맴브레인 저장탱크들 또는 각형저장탱크들의 사용은 상기 RLNGC의 갑판에 재기화시설을 위한 공간을 더 많이 허용한다. 상기 RLNGC가 선상 재기화시설을 구비한 경우 모스형탱크들은 재기화시설을 상기 RLNGC(12)의 갑판(22)에 위치시킬 수 있는 갑판면적을 감소시키기 때문에, 자기지지 구형 극저온저장탱크들, 예를 들면 모스형(Moss type) 탱크들은 적합하지 않은 것으로 고려된다.
도 2를 참조하면, 적어도 하나의 극저온 방출펌프(26)를 사용하여 고압의 선상 파이프시스템(24)을 통하여 필요한 방출압력으로 LNG는 상기 저장탱크(14)로부터 상기 재기화시설(10)로 전달된다. 적절한 극저온 방출펌프들의 예들은 원심펌프, 용적이동식펌프(positive-displacement pump), 스크류펌프, 속도수두펌프(velocity-head pump), 로터리펌프, 기어펌프, 플런저펌프, 피스톤펌프, 베인펌프(vane pump), 레이디얼플런저펌프(radial plunger pump), 사판펌프(swash-plate pump), 스무드플로펌프(smooth flow pump), 맥동류펌프(pulsating flow pump), 또는 기화기들의 토출수두(discharge head) 및 유속 요건들에 만족하는 기타 펌프들을 포함한다. 상기 방출펌프(26)의 용량은 상기 재기화시설(10)에 설치된 기화기(30)들의 형태 및 수량, 기화기(30)들의 표면적 및 효율, 및 요구되는 잉여도를 기준으로 선택된다. 또한 상기 펌프들은 최대값의 범위가 12,000 내지 16,000m3/hr이며, 10,000m3/hr(공칭)의 유속으로 상기 RLNGC가 일반적인 수입터미널에서 그 화물을 방출할 수 있는 크기를 가진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 LNG는 대기기화기(30)의 튜브측 입구(32)로 흐르도록 유도된다. 상기 LNG는 상기 튜브측 출구(36)을 통하여 상기 기화기(30)를 나오는 천연가스를 형성하기 위하여 상기 기화기(30)의 상기 튜브(34)들을 통하여 통과하면서 기화된다. 상기 기화기(30)의 튜브측 출구(34)에서 배출되는 천연가스가 아직 해저파이프라인(16)으로의 분배에 적절한 온도가 아닌 경우, 상기 천연가스의 일부 또는 전부를 보조히터(38)로 유도하여 그 온도 및 압력은 상승될 수 있다. 상기 보조히터(38)의 적절한 열원들은 다음 하나 이상을 포함한다: 엔진냉각, 파워생산시설들로부터 회수된 폐열 및/또는 파워생산시설들부터의 초과파워에 의한 전기가열, 배기가스히터로부터의 열; 전기 물 또는 유체 가열기; 선박의 추진유닛(재기화시설이 RLNGC의 선상에 있을 때); 디젤엔진; 또는 가스터빈 추진플랜트.
도 3을 참조하면, 상기 LNG는 상기 기화기(30)의 튜브(30)들의 상기 내부공동구멍(40)를 통하여 흐르면서 상기 기화기(30)의 상기 튜브(34)들의 상기 외부 열전달표면(42)들에 작용하는 대기와의 열교환에 의하여 재기화되어 천연가스를 형성한다. 상기 대기와 상기 기화기(30)의 상기 튜브(34)들을 통하는 상기 LNG의 온도 및 유속 사이의 온도차이의 함수로서 상기 LNG는 대기에 의하여 따뜻하게 된다. 각 튜브(34)는 알루미늄, 스테인레스 스틸 또는 바람직한 물질인 모넬(Monel)과 함께 양호한 열전달특성을 가지는 물질로부터 구성된다. 상기 대기 및 상기 LNG 사이의 열교환은 공기흐름을 상기 대기기화기(30)로, 바람직하게는 아래쪽으로 향하게 유도하도록 배치된 강제송풍팬(44)들의 사용에 의하여 보조될 수 있다.
도 4는 서로 간격을 두고 떨어져 있으며 정사각형, 직사각형 또는 삼각형 배열로 배치된 다수개의 통로(46)들을 포함하는 대기기화기(30)를 도시한다. 상기 통로(46)들은 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬 배치의 조합으로 연결될 수 있다. 상기 유체가 흐르는 상기 통로(46)들의 수 및 상기 기화기(30)을 통한 유체유동의 경로(즉 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬의 조합)는 최종 용도 온도 및 유속조건들, 대기온도, 열전달 특성, 압력 강하 요소들 및 본 기술에 숙련된 사람들에게 알려진 다른 고려들과 같은 여러 가지 요소들에 좌우될 것이다. 상기 대기기화기(30)가 단일의 통로(46)만을 가지는 것은 똑같이 허용가능하다. 상기 기화기(30) 및 상기 기화기(30)가 얹혀지는 표면 사이에 제공된 여유를 가지고 적절한 지지물(48)들에 의하여 적소에 유지되며 가장 좋은 결과들을 위해서는 상기 튜브(34)들은 수직으로 향한다.
각 통로(46)들은 임의의 적절한 방식에 의하여 함께 연결된 다수개의 튜브(34)들을 포함한다. 예로서, 도 4a 및 도 5a에 도시된 실시예에서, 다중통로 기화기(30)의 네 개의 튜브(34)들이 상기 극저온 유체가 어떻게 상기 기화기(30)를 통하여 흐르도록 되는지 설명하기 위하여 도시되어 있다. 본 예에서, 상기 LNG는 제1튜브(54)의 바닥에서 상기 기화기(30)의 상기 튜브측 입구(32)로 들어가고, 상기 제1튜브(54) 위로 제1연결자(55)를 통하여 위로 이웃하는 제2튜브(56)로, 상기 제2튜브(56) 아래로 제2연결자(57)를 가로질러 이웃하는 제3튜브(58)로, 상기 제3튜브(58) 위로 제3연결자(59)를 통하여 위로 이웃하는 제4튜브(60)로, 상기 제4튜브(60) 아래로 연속하여 그리고 지정된 최종용도에 적합한 온도로 천연가스로서 상기 기화기(30)를 나오는 상기 튜브측 출구(36) 밖으로 이동한다. 같은 도면부호들이 같은 부분들에 부여된 도 4b 및 도 5b에는 다른 방안이 도시되어 있다. 본 예에서, 상기 LNG는 상기 기화기(30)의 상기 튜브측 입구(32)로 들어가고, 상기 튜브측 출구(36)을 경유하여 상기 기화기를 나오는 천연가스를 형성하도록 단일의 통로에서 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 튜브(54, 56, 58 및 60)들 각각을 통하여 흐르도록 유도된다. 상기 튜브측 입구(32)는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 튜브(54, 56, 58 및 60)들 각각으로 상기 극저온유체를 분배하기 위한 입구 다기관(manifold; 33)를 포함한다. 상기 튜브측 출구(36)는 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 튜브(54, 56, 58 및 60)들 각각 내로부터 상기 가스를 받고, 상기 튜브측 출구(36)을 통하여 상기 기화기(30) 밖으로 흐르도록 유도하기 위한 출구 다기관(manifold; 37)를 포함한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 각 튜브(34)는 LNG가 흐르도록 하는 중앙구멍(40)을 가진다. 각 튜브(34)는 핀(fin)이 구비된 외부 열전달표면(42), 그리고 선택적으로 핀(fin)이 구비된 내부 표면, 일단에 유체유동을 위한 입구(66), 나머지 말단에 유체유동을 위한 출구, 및 필요한 방출압력에서 상기 LNG를 담기 위한 충분한 벽두께를 가진다. 각 튜브(34)는 상기 튜브의 길이를 따라서 연장되는 다수개의 방사핀(70)들이 구비되며, 상기 방사핀(70)들은 상기 튜브(34)의 원주를 따라서 실질적으로 서로 같은 거리로 간격을 가진다. 예로서, 상기 튜브(34)가 여섯 개의 방사핀들을 구비하면, 각 핀(70)은 서로 대략 30도의 각도로 상기 튜브(34)의 원주를 따라서 배치된다. 상기 방사핀들은 상기 튜브들에 추가의 기계적 지지를 제공하는 것뿐만 아니라 상기 극저온 유체 및 상기 대기인 열교환을 위한 유효 표면적을 증가시키는데 사용된다.
상기 LNG가 상기 대기기화기(30)의 상기 튜브(34)들을 지나면서, 상기 튜브(34)들의 외부 열전달표면(42)은 상기 LNG의 끓는점에서 우세한 대기온도에 접근하는 온도들까지의 온도로 냉각된다. 상기 대기가 상기 LNG를 천연가스로 기화하기 위하여 열을 전달하면서, 상기 대기 자체는 냉각된다. 상기 공기 내의 습기는 응축하여 상기 기화기(30)의 상기 외부 열전달표면(42)들 상에 얼음층(72)(도 3에 도시된 바와 같이)을 형성한다. 상기 응축 잠열은 상기 공기로부터의 감지가능한 열에 더하여 상기 순환하는 LNG에 전달될 추가적인 열원을 제공한다. 상기 온도가 물의 어는점 이하로 떨어지는 부분인 상기 기화기(30)의 외부표면(42)의 일부에서는 시간이 지나면서 상기 얼음층(72)이 형성된다. 상기 얼음층(72)은 상기 튜브(34)들의 외부 표면(42)에서 이웃하는 핀(72)들 사이의 공간(74)을 완전히 채우거나, 때로는 심지어 이웃하는 튜브(34)들 사이의 또는 이웃하는 통로(46)들 사이의 공간(76)을 채울 수 있다. 발생할 수 있는 결빙속도 및 결빙도는 한정되는 것은 아니지만 대기의 온도 및 상대습도, 상기 대기기화기(30)를 통과하는 LNG의 유속, 및 상기 대기기화기(30)의 재질 및 구성의 열전달 특성을 포함하는 많은 관련 요소들에 의존한다. 상기 대기의 온도 및 상대습도는 재기화가 수행되는 위치에서의 계절 및 기후의 형태에 따라서 변화할 수 있다.
본 발명의 공정을 사용하여, 상기 대기기화기(30)의 외부 표면(42)들 상에서의 상기 얼음층(72)의 형성속도는 모니터링된다. 상기 얼음층이 두께가 증가하면서, 상기 대기와 상기 LNG 사이의 열전달효율은 감소하게 되며, 이는 더 낮은 온도 또는 상기 온도를 일정하게 유지하는 경우 상기 대기기화기(30)의 튜브측 출구(36) 외부로 흐르는 상기 천연가스의 유속의 감소를 초래한다. 본 발명의 공정 및 장치의 일 실시예에서, 제어장치(80)는 신호발생기(84)와 협업적으로 연결되어 온도센서(82)의 형태로, 상기 기화기(30)의 튜브측 출구(36)에서 나오는 천연가스의 온도가 미리 결정된 최소온도 이하로 떨어졌음을 지시하는 신호를 생성하는데 사용된다. 상기 온도센서(82)는 상기 기화기(30)의 튜브측 출구(36)에 위치되어, 상기 기화기(30)의 상기 튜브측 출구(36)를 나오는 유체의 온도가 미리 결정된 설정점 온도 이하로 떨어졌음을 지시하는 전환신호를 생성한다. 상기 신호발생기(84)에 의하여 전환신호가 생성될 때, 상기 기화기(30)의 열전달표면(42)들로부터 얼음층(72)을 제거하기 위하여 상기 얼음층(72) 및 상기 기화기(30)의 상기 열전달표면(42)들 사이의 경계(88)에서 열원(80)이 가해지면서 상기 기화기(30)를 통한 상기 LNG의 흐름이 지속하도록 허용된다. 상기 제거된 얼음층(72)은 중력에 의하여 상기 얼음이 녹아 담수를 생성하도록 하는 수집트랩(90)으로 낙하하도록 한다. 이렇게 하여, 상기 대기기화기는 상기 기화기를 통한 LNG의 흐름을 방해하지 않고 효율을 향상시키기 위하여 일상적인 단속적 제빙을 거치게 되어 연속적으로 작동할 수 있는 재기화시설을 허용한다.
본 발명의 공정은 외부에서 열을 가함에 의하여 얼음을 완전히 녹여서 얼음이 상기 기화기의 상기 외부 표면들로부터 제거되는 것이 하나가 아닌 것으로 이해되어야 한다. 이에 반하여, 열원(86)은 상기 얼음층이 상기 기화기(30)의 외부 열전달표면(42)들로부터 분리되는 것을 촉진하기 위하여 상기 얼음 및 상기 튜브들의 열전달표면의 경계에 가해진다. 상기 대기 및 상기 기화기의 튜브들을 통하여 순환하는 LNG 사이의 열교환을 최적화하기 위하여 상기 대기가 상기 기화기의 열전달표면(42)들과 접촉할 수 있도록 상기 얼음층은 이러한 방식으로 단속적으로 제거된다. 이러한 점에서, 얼음층의 바깥 외부표면으로 가해지는 열에 의존하는 종래의 방법과 현저한 대조를 이루어, 열원은 본질적으로 상기 튜브측으로부터 얼음층으로 가해진다. 본 발명의 공정을 사용하여 열전달표면(42) 및 얼음층(72) 사이의 경계에서 열원을 가하는 것은 상기 얼음을 제거하는데 사용하는 열원이 상기 기화기(30)를 통하여 흐르는 상기 극저온 유체의 기화를 위한 열원을 제공하는 보조기능을 수행하기 때문에 제빙이 작동하는 동안 기화가 연속되는 것을 허용한다.
상기 기화기들을 단속적으로 제빙하기 위한 적절한 열원(86)은 냉동기술에서 "전기 히트트레이싱(electrical heat tracing)"로 일컬어지는 전기 전선망, RLNGC의 추진시스템으로부터 회수된 폐열, 폐열보일러 또는 기타 소스로부터의 스팀, 수중연소기화기를 사용하여 생성된 열, 태양에너지, RLNGC가 계류 중에 있을 때 추진플랜트의 초과발전능력을 사용하는 전기히터들; 디젤엔진 또는 가스터빈의 배기관에 설치되는 배기가스열교환기들, 또는 천연가스연소 열수 또는 열오일히터들 또는 마이크로웨이브 에너지를 포함한다. 상기 보조열원은 추가 열이 필요할 때 천연가스 또는 오일을 사용하여 직접연소에 의하여 똑같이 생성될 수 있다.
도 6a에 도시된 실시예에서, 상기 얼음층(72)은 전기저항가열요소(92)들을 사용하는 전기가열 형태의 열원(86)을 사용하여 상기 얼음층(72) 및 튜브(34)의 외부 열전달표면(42) 사이의 경계에서 부분적으로 녹여 제거된다. 상기 전기가열요소(92)들은 상기 기화기(30)의 상기 외부 열전달표면(42) 및 사용중에 형성되는 상기 얼음층(72) 사이의 경계에 대응되는 상기 외부 열전달표면(42) 상에 배치된다. 상기 전기요소(92)들은 앞서 설명한 방식에 의하여 상기 신호발생기(84)에 의하여 생성된 전환신호에 대응하여 상기 기화기(30)로부터 얼음층(72)을 제거하는데 충분한 열을 생성하는데 사용된다. 상기 가열 케이블(92)로의 전력은 휴면사이클 및 제빙사이클 사이에서 상기 가열 케이블(92)로의 전력을 순환시키는데 사용되는 상기 온도센서(82)로부터의 상기 전환신호에 따라서 조절된다.
상기 전기요소(92)들은 상기 튜브(34)들에 대하여 내부에 위치되거나 외부에 위치될 수 있거나, 도 6a에 도시된 바와 같이 상기 핀(70)들 상에 배치될 수 있다. 상기 전기요소(92)들은 전기제어수단(84)과 작동적으로 연결되며, 상기 전기제어수단(84)은 요구되는 간격을 두고 가열 케이블로의 전력공급을 조절하기 위한 스위치, 및 상기 가열 케이블의 온도를 제어하기 위한 가감저항기를 포함한다. 상기 가열 케이블로의 전력은 휴면사이클 및 제빙사이클 사이에서 상기 가열 케이블(92)로의 전력을 순환시키는데 사용되는 상기 온도센서로부터의 상기 전환신호에 따라서 조절된다. 대안으로서, 요구된다면 자동조절의 가열 요소들은 온도변화들에 대한 보상에 전력 출력을 자동으로 조정하는데 사용될 수 있다.
도 6b 및 도 6c에 도시된 실시예들에서, 각 튜브(34)의 부분 중 결빙이 발생될 것으로 예상되는 위치를 따라서 배치된 얇은 벽을 가지는 제빙덕트(98)의 공동의 코어(96)를 통하여 단속적으로 순환하는 가열된 유체의 형태로서 열원을 사용하여 얼음층(72)이 제거된다. 요구된다면, 상기 제빙덕트(98)는 튜브의 입구단부터 튜브의 배출단까지 연장되어 상기 튜브(34)의 전체 길이를 따라서 연장될 수 있다. 상기 제빙덕트(98)는 뜨거운 유체가 작동적으로 순환하는 중앙구멍(96)을 가지며 스틸과 같은 높은 전기전도성 금속으로 구성된다. 도 6b에 도시된 실시예에서, 상기 제빙덕트(98)들은 각 방사핀(70)들의 기저에 인접하여 상기 튜브(34)들의 상기 외부 열전달표면(42) 상에 위치된다. 이러한 방식으로, 상기 제빙덕트(86)들은 LNG가 흐르도록 하는 상기 튜브(34)의 중앙구멍(40)에 가능한 한 가깝게 위치된다. 도 6c에 도시된 실시예에서, 상기 제빙덕트(98)들은 각 핀이 상기 가열된 유체가 흐르도록 하는 중앙구멍을 구비하도록 각 방사핀(70)의 길이를 따라서 배치된다. 이러한 방식으로 상기 핀(70)들은 본질적으로 내부로부터 가열되며, 상기 튜브(34)의 외부 열전달표면(42)에서의 온도가 섭씨 0도를 넘게 상승되면서 얼음층(70)은 제거된다.
사용 중에, 상기 제어장치(80)로부터 제빙이 필요한 것으로 지시하는 신호가 생성될 때, 상기 가열된 유체의 열과 상기 덕트가 상기 가열된 유체에 의하여 생성된 열로 인하여 팽창하면서 생성된 방사방향의 힘들의 조합으로 인하여, 상기 튜브(34)의 상기 외부 열전달표면(42)으로부터 얼음층(72)을 제거하기 위하여 가열된 유체의 펄스가 상기 튜브(34)의 상기 제빙덕트(98)을 통하여 흐르도록 한다. 이러한 방식으로, 상기 열원(86)은 상기 얼음층(72) 및 상기 기화기(30)의 상기 외부 열전달표면(42) 사이의 경계(88)에 유도된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 상기 기화기(30)의 튜브측 출구(36)를 나오는 상기 천연가스의 유속이 미리 결정된 최소유속 이하로 떨어질 때 상기 제어장치(80)는 제빙을 시작한다.
도 6b 및 도 6c에 도시된 실시예에서, 상기 가열된 유체는 건성 과열증기이고, 상기 건성 과열증기는 엔진에 의하여 생성된 뜨거운 배기가스와 열을 교환하도록 배치된 폐열보일러에 의하여 생성된다. 상기 증기는 전용 전기스팀발생기를 사용하여 동일하게 생성될 수 있다. 상기 증기가 상기 덕트를 통하여 박동될 때 생성된 열의 양이 상기 기화기(30)의 상기 튜브(34)들의 상기 외부 열전달표면(42)들로부터 얼음층(72)을 제거하는데 필요한 열을 제공하는데 충분하도록 상기 과열증기의 온도가 충분히 높게 바람직하게는 500 내지 650℃ 순의 온도에의 상 건성 과열증기이다. 상기 덕트(98) 자체 내에 발생될 수 있는 결빙을 피하기 위하여, 최소량의 증기가 상기 덕트(98)을 통하여 제빙이 필요할 때 단속적으로 순환하는 증기의 펄스(최소량보다 크게)와 함께 상기 기화기(30)가 작동하는 동안 항상 순환된다. 대체로서, 증기는 도 6a에 도시된 실시예에서 사용되는 가열 전선망에 전력을 공급하는데 사용되는 전기를 생산하기 위한 기계 샤프트에 회전력을 제공하는 증기터빈을 돌리도록 구동하는데 사용될 수 있다. 또한 건성 불활성 가스 증기는 각 제빙사이클 후에 상기 덕트(98)를 퍼지(purge)하기 위하여 사용될 수 있다.
도 7은 상기 선상 재기화시설(14)의 대체예를 도시하며, 동일한 부분들에 대하여 동일한 도면부호들을 부여하였으며, 매개유체가 대기 열교환기(40)의 상기 튜브(34)들을 통하여 흐르도록 유도되며, 상기 매개유체는 상기 대기 열교환기(40)의 외부 열전달표면들에서 작용하고 있는 대기와 열교환에 의하여 가열된다. 상기 가열된 매개유체는 상기 가열된 매개유체와의 열교환을 통하여 상기 LNG가 천연가스로 재기화하는 상기 기화기(30)로 순환된다. 이러한 실시예에서, 상기 기화기(30)를 나오는 냉각된 상기 매개유체는 서지탱크(100)로 유도되고, 매개유체펌프(102)를 사용하여 상기 대기 열교환기(40)로 펌핑된다. 이러한 실시예에서, 상기 외부 열전달표면에서의 온도가 상기 대기에 존재하는 물의 어는점 이하일 때 상기 대기 열교환기(40)의 외부 열전달표면들에서 결빙이 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 공정 및 장치에 사용되는데 적당한 매개유체는 글리콜(에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트라이에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 또는 그 혼합물과 같은), 글리콜-물 혼합물들, 메탄올, 프로판올, 프로판, 부탄, 암모니아, 포르산염, 조절된 물(tempered water) 또는 담수(fresh water) 또는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 알려진 것으로 적당한 열용량, 어느점 및 끊는점을 가지는 다른 기타 유체를 포함한다. 매개유체로서 글리콜보다 환경적으로 보다 무난한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 물에 함유된 칼륨 포르산염 또는 나트륨 포르산염 또는 암모늄 포르산염 수용액과 같은 알칼리금속 포르산염을 포함하는 용액을 포함하는 매개유체를 사용하는 것이 바람직하다. 대체로서 또는 추가로 칼륨 아세트산염 또는 암모늄 아세트산염과 같은 알칼리금속 아세트산염이 사용될 수 있다. 상기 용액들은 조합에 의하여 동결저항을 향상, 즉 칼륨 포르산염 용액 만인 수준이상으로 어는점을 낮추기 위하여 의도된 다량의 할로겐화 알칼리 금속을 포함할 수 있다. 낮은 어는점을 가지는 매개유체를 사용하는 이점은 기화기(30)의 쉘측(shell-side) 출구(40)에서 배출되는 차가운 상기 매개유체가 선택된 특정 타입의 매개유체의 어느점에 따라서 -20 내지 -70℃ 범위의 온도로 떨어지는 것이 허용될 수 있다. 이러한 일이 허용될 때, 상기 얼음층 및 상기 열전달표면 사이의 경계에서 가해지는 열원을 사용한 단속적 제빙 하에 놓일 수 있는 상기 대기 열교환기의 상기 열전달표면의 일부에서 얼음층이 형성될 수 있다.
상기 대기 및 상기 매개유체 사이의 열전달은 상술한 상기 열교환기(40)들을 향하여 공기의 유동을 유도하도록 배치된 강제송풍팬(44)들의 사용을 통하여 보조될 수 있다.
도 2에 하나만의 기화기가 도시되었고, 도 7에 하나만의 대기 열교환기가 도시되었으나, 상기 선상의 재기화시설(10)은 상기 재기화시설(10)로부터 배달될 천연가스의 용량에 적합하도록 다수개의 기화기(30)들 또는 열교환기(40)들을 똑같이 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예로서, 열교환을 위한 충분한 열전달표면면적을 제공하기 위하여 상기 기화기(30)는 다양한 구성, 예를 들면 직졀, 병열 또는 다열로 배치된 다수개의 기화기들일 수 있다. 상기 대기기화기(30)는 핀을 가지는 튜브히터, 굽어진 튜브 고정튜브시트 교환기(bent-tube fixed-tube-sheet exchanger), 스파이럴 튜브교환기(spiral tube exchanger), 판형히터, 또는 재기화될 LNG의 양을 위한 온도, 체적 및 열흡수 요건들을 만족하며 본 기술에 숙련된 사람들에게 상식적으로 알려진 임의 다른 열교환기일 수 있다. 상기 대기기화기는 얼음층이 상기 기화기들의 외부 표면들에 형성되는 것이 허용될 때 발생되는 추가적인 중력 휨하중을 견디는데 적합한 형태인 것이 바람직하며, 이점에서, 수평 튜브다발들에 비하여 수직 튜브다발들이 선호된다. 수직튜브통로들의 사용은 또한 상기 재기화시설(10)의 전체 풋프린트(foot print)를 감소하는데 더욱 적합하다. 상기 기화기(30)들, 열교환기들, 팬(44)들은 재기화시 해상에 계류 중일 때 가해지는 부하는 물론, 이동에 의하여 수반되는 하중들 및 경우에 따라서는 발생될 수 있는 녹조하중들을 포함하는 해상에서 선박의 이동 중에 RLNGC(12)의 갑판에 배치되는 것에 의하여 수반되는 구조적 부하들을 견딜 수 있도록 설계된다. 모든 변경 및 변화는 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되며, 그 범위는 상기 설명 및 첨부된 청구범위에 따라서 결정될 것이다.
본 발명의 공정 및 장치는 종래기술에 대하여 다음을 포함하는 다양한 이점들을 가진다:
a) 상기 재기화를 위한 전체 풋프린트를 감소시키고, 잉여기화기들의 추가 비용을 피하면서 재기화시설를 통한 LNG의 유동을 중단시키기 않고 얼음을 처리할 수 있기 때문에 잉여 기화기들의 필요가 극복된다;
b) 연속재기화 동안 일괄적으로 제빙을 이룬다;
c) 얼음을 제거하는데 필요한 열의 양이 얼음을 완전히 녹이는데 필요한 열의 양보다 훨씬 작아, 제빙작동들 동안 사용되는 에너지를 감소시킨다;
d) 얼음이 회피되는 것을 확인하는데 의존하는 종래기술방법들보다 작은 에너지가 필요하는 제빙을 위한 열원이 짧고 단속적으로 제공된다.
이상 본 발명의 여러가지 실시예들을 자세히 설명하였으며, 주요한 발명개념으로부터 벗어나지 않고 여러가지 변화 및 변경이 이루어질 수 있음은 관련기술에 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다. 예를 들면, 연속적인 LNG의 재기화를 달성하기 위하여 상기 튜브들을 통한 LGN의 유동을 계속하면서, 요구된다면 제빙에 필요한 열원을 생성하는데 마이크로웨이브들이 사용될 수 있다. 모든 변경 및 변화는 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되며, 그 범위는 상기 설명 및 첨부된 청구범위에 따라서 결정될 것이다.
본 명세서에 인용된 모든 특허들은 참조에 의하여 통합된다. 비록 많은 종래기술문헌들이 참조되었지만 이러한 참조가 이러한 문서들 어떠한 것도 호주 또는 다른 어떠한 국가에서 기술분야에서 공유의 일반지식의 일부를 형성하는 것으로 인정하는 것은 아님이 명백히 이해되어야 할 것이다. "발명의 상세한 설명", "실시예" 및 다음의 "특허청구범위"에서, 속성언어(express language) 또는 필요한 암시(necessary implication)로 인하여 문맥이 다르게 되는 경우를 제외하고는, 단어, "들이 포함하다" 또는 "포함하다" 또는 "포함하는"와 같은 변형들은 내포되는 의미, 즉 본 발명의 여러가지 실시예들에서의 추가적 특징들의 존재 또는 추가를 제외하지 않고 기술된 특징들의 존재를 특정하는 것으로 사용된다.

Claims (23)

  1. (a) 대기 및 극저온 액체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체를 순환시키거나, 대기 및 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서 대기기화기를 통하여 상기 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열을 전달하는 단계;
    (b) 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 하는 단계; 및
    (c) 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하며, 상기 제어장치는 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 배치되며, 상기 열원은 상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 중지시키지 않고 제빙이 이루어져 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함하며, 상기 단계 (c)를 위한 열원은 상기 제어장치에 의하여 발생된 신호에 응답하여 사용 중에 결빙이 발생하는 튜브의 적어도 일부를 따라서 배치된 제빙덕트를 따라서 순환되며,
    상기 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함하며, 상기 제빙덕트는 인접하는 방사핀들의 기저에 위치된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  2. (a) 대기 및 극저온 액체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체를 순환시키거나, 대기 및 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서 대기기화기를 통하여 상기 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열을 전달하는 단계;
    (b) 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 하는 단계; 및
    (c) 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하며, 상기 제어장치는 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 배치되며, 상기 열원은 상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 중지시키지 않고 제빙이 이루어져 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함하며, 상기 단계 (c)를 위한 열원은 상기 제어장치에 의하여 발생된 신호에 응답하여 사용 중에 결빙이 발생하는 튜브의 적어도 일부를 따라서 배치된 제빙덕트를 따라서 순환되며,
    상기 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함하며, 상기 각 제빙덕트는 상기 각 핀이 상기 가열된 유체가 흐르도록 하는 공동의 코어를 구비할 수 있도록 방사핀의 길이를 따라서 배치된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 온도가 미리 결정된 최소온도 이하로 떨어질 때 상기 단계 (c)를 시작하도록 신호를 발생시키는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 유속이 미리 결정된 최소유속 이하로 떨어지게 되면 상기 단계 (c)를 시작하도록 신호를 발생시키는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 (c)를 위한 상기 열원은 다음 중 하나 이상인 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정:
    전기에너지; RLNGC의 추진시스템으로부터 회수된 폐열; 폐열보일러 또는 다른 소스로부터의 스팀; 수중연소기화기를 사용하여 생성된 열; 태양에너지; RLNGC가 계류 중에 있을 때 추진플랜트의 초과발전능력을 사용하는 전기히터들; 디젤엔진 또는 가스터빈의 배기관에 설치되는 배기가스열교환기들; 또는 천연가스연소 열수 또는 열오일히터들; 또는 천연가스 또는 오일을 사용하여 직접연소에 의하여 생성된 열.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 가열된 유체는 건성 과열증기인 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 건성 과열증기는 엔진에 의하여 생성된 뜨거운 배기가스와 열을 교환하도록 배치된 폐열보일러에 의하여 생성되는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 매개유체는 글리콜, 글리콜-물 혼합물, 메탄올, 프로판올, 프로판, 부탄, 암모니아, 포르산염, 담수(fresh water) 및 조절된 물(tempered water)로 구성되는 그룹에서 선택된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 (a)는 강제송풍팬들의 사용을 통하여 촉진되는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 대기기화기는 복수개의 통로들을 포함하며, 상기 통로들은 서로 간격을 두고 배열된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 각 통로는 수직으로 향하고 이웃하는 통로들과 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬의 조합의 형태로 연결된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 각 통로는 상기 극저온 액체가 흐르도록 중앙구멍을 가지는 적어도 하나의 튜브를 포함하며, 상기 각 튜브는 핀이 형성된 외부표면, 일단에 유체유동을 위한 입구 및 상기 튜브의 타말단에 유체유동을 위한 출구를 가지는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기화기는 해상의 운반선 선상에의 설치를 위한 재기화 시스템에 구비되며, 상기 단계 (c)를 위한 상기 열원은 LNG 운반선의 엔진들로부터 회수되는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 극저온 액체는 LNG인 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  15. 대기기화기로서, 대기 및 극저온 액체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체를 순환시키거나, 대기 및 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서 대기기화기를 통하여 상기 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열을 전달하기 위한 대기기화기;
    제어장치로서, 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 하고, 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 설치되며 상기 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하여 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거하기 위한 제어장치; 및
    상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 상기 기화기로부터 중지시키지 않고 제빙이 이루어지는 열원을 포함하며,
    상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함하며,
    상기 열원은 상기 제어장치에 의하여 발생된 신호에 응답하여 사용 중에 결빙이 발생하는 튜브의 적어도 일부를 따라서 배치된 제빙덕트를 따라서 순환되며,
    상기 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함하며, 상기 제빙덕트는 인접하는 방사핀들의 기저에 위치된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  16. 대기기화기로서, 대기 및 극저온 액체가 직접 접촉하지 않은 상태에서, 대기기화기를 통하여 상기 극저온 액체를 순환시키거나, 대기 및 매개유체가 직접 접촉하지 않은 상태에서 대기기화기를 통하여 상기 매개유체를 순환시켜 열전달표면을 걸쳐서 상기 대기로부터 상기 극저온 액체로 열을 전달하기 위한 대기기화기;
    제어장치로서, 사용 중에, 상기 열전달표면에서의 온도가 물의 어느점 이하이며 대기에 노출된 적어도 상기 열전달표면의 외부부분에 얼음층이 형성되게 하고, 제빙이 필요할 때 신호를 발생시키도록 설치되며 상기 제어장치와 작동적으로 연결된 열원을 사용하여 상기 기화기로부터 상기 얼음층을 단속적으로 제거하기 위한 제어장치; 및
    상기 얼음층과 상기 기화기의 열전달표면 사이의 경계로 유도되며, 상기 극저온유체 또는 상기 매개유체의 상기 기화기를 통한 순환을 상기 기화기로부터 중지시키지 않고 제빙이 이루어지는 열원을 포함하며,
    상기 기화기는 적어도 하나의 튜브를 포함하며,
    상기 열원은 상기 제어장치에 의하여 발생된 신호에 응답하여 사용 중에 결빙이 발생하는 튜브의 적어도 일부를 따라서 배치된 제빙덕트를 따라서 순환되며,
    상기 튜브는 복수개의 방사핀(fin)들을 포함하며, 상기 각 제빙덕트는 상기 각 핀이 상기 가열된 유체가 흐르도록 하는 공동의 코어를 구비할 수 있도록 방사핀의 길이를 따라서 배치된 기체형태로의 극저온 액체의 재기화공정.
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 온도를 측정하기 위한 온도센서와, 상기 온도센서에 의하여 측정된 온도가 미리 결정된 최소온도 이하로 떨어질 때 단속적으로 제빙을 시작하기 위한 신호를 발생시키기 위한 신호발생기를 포함하는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치.
  18. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 기화기를 나오는 기체형태의 상기 극저온 액체의 유속을 측정하기 위한 유량계와, 상기 유량계에 의하여 측정된 유속이 미리 결정된 최소유속 이하로 떨어지게 되면 단속적으로 제빙을 시작하기 위한 신호를 발생시키기 위한 신호발생기를 포함하는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치.
  19. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 열원은 다음 중 하나 이상인 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치:
    전기에너지; RLNGC의 추진시스템으로부터 회수된 폐열; 폐열보일러 또는 다른 소스로부터의 스팀; 수중연소기화기를 사용하여 생성된 열; 태양에너지; RLNGC가 계류 중에 있을 때 추진플랜트의 초과발전능력을 사용하는 전기히터들; 디젤엔진 또는 가스터빈의 배기관에 설치되는 배기가스열교환기들; 또는 천연가스연소 열수 또는 열오일히터들; 또는 천연가스 또는 오일을 사용하여 직접연소에 의하여 생성된 열 또는 마이크로웨이브 에너지.
  20. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 가열된 유체는 건성 과열증기인 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 건성 과열증기는 엔진에 의하여 생성된 뜨거운 배기가스와 열을 교환하도록 배치된 폐열보일러에 의하여 생성되는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치.
  22. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,상기 기화기를 향하여 대기의 유동을 유도하기 위한 강제송풍팬을 추가로 포함하는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치.
  23. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서,
    상기 기화기는 해상의 운반선 선상에의 설치를 위한 재기화 시스템에 구비되며, 상기 열원은 상기 LNG 운반선의 엔진들로부터 회수되는 기체형태로의 극저온 액체의 재기화장치.
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