KR20150117635A - 주변 공기 기화기와 냉각 활용을 위한 구성 및 방법 - Google Patents

주변 공기 기화기와 냉각 활용을 위한 구성 및 방법 Download PDF

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Abstract

주변 공기 LNG 기화기가 제공되며, 여기서 주변 공기 LNG 기화기는 교환기 도관들을 밀봉하는 하우징을 구비하고, 냉각된 공기의 흐름을 송풍기에 제공하여 그 냉각된 공기가 하나 이상의 원격 냉각 공기 소비자들에게 전달되게 한다. 냉각된 공기의 온도는 하우징의 주변 공기 흡입 제어 디바이스 및/또는 송풍기의 동작 파라미터를 조정하는 제어 회로를 사용하여 유지된다.

Description

주변 공기 기화기와 냉각 활용을 위한 구성 및 방법{CONFIGURATIONS AND METHODS FOR AMBIENT AIR VAPORIZERS AND COLD UTILIZATION}
본 발명이 특히 주변 공기 기화기(ambient air vaporizers)에 관한 것이기 때문에 본 발명의 기술분야는 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)의 재기화(regasification)를 위한 구성 및 방법이다.
종래의 LNG 기화 방법들은 액중 연소 기화기(submerged combustion vaporizer)들을 사용하는바, 이러한 액중 연소 기화기들은 동작을 위해 그 기화물(vaporized product)의 최대 3%를 소비하고 따라서 수익성에 상당히 영향을 미친다. 더욱이, 연소 공정으로부터의 NOx 및 다양한 온실효과 유발 방출물들은 환경 문제를 일으킨다. 대안적으로, 바닷물이 열원(heat source)으로서 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 방법들은 전형적으로 차가운 바닷물을 생성하고, 여기서 차가운 바닷물은 바다 생명체에 나쁜 영향을 미칠 수 있고 종종 추가 화학 처리를 요구한다. 해수 시스템(seawater system)의 비용은 또한 매우 높은데, 이것은 바닷물의 사용을 비현실적이게 하는바, 특히 육상 LNG 터미널(land-based LNG terminals)에 대해 그러하다.
보다 환경적으로 수용가능한 LNG 재기화 방법들 중 하나는 주변 공기로부터의 열을 사용하는 것이다. 그러나, 주변 공기로 가열을 하는 것은 상대적으로 많은 양의 냉각 공기를 발생시키는 경향이 있고, 특정 대기 상태에서는 짙은 지표면 안개(ground fog)를 발생시키는 경향이 있다. 대부분의 다른 응용분야에서, 주변 공기 기화기에 대한 가열 듀티(heating duties)는 상대적으로 작고 이에 따라 안개는 즉시 소멸되지만, LNG 재기화 시설에서, 1,000 MMscfd 재기화 동작을 위한 가열 듀티는 전형적으로 대략 600 MM Btu/hour를 요구하고, 발생되는 안개의 양은 종종 매우 심하게 되는바, 이것은 재기화 시설 부근에 위험 요소 및 가시성 문제를 일으키는 경향이 있다.
LNG의 액화는 매우 에너지 집약적이며, 전형적으로 LNG 생성물의 대략 10%를 소비한다. 에너지 중 적어도 일부는 LNG의 큰 냉각량(large refrigeration content)을 사용함으로써 회수될 수 있다. (예를 들어, 랭킨 싸이클 파워 발생(Rankine cycle power generation), 열 전달 유체를 통한 가스 터빈 공기 유입구 냉각 등과 같은 파워 발생에서) 냉각 회수(cold recovery)에 관한 다양한 공지된 구성 및 방법이 있지만, 구현은 어려운 것으로 판명되고 있다. 다른 문제들 중에서도, LNG 플랜트(LNG plant)와 파워 플랜트(power plant) 간의 상대적으로 큰 거리는 종종 긴 열 교환 유체 순환로(long heat exchange fluid circuits)를 요구하는바, 이는 냉각 회수가 경제적 측면에서 덜 매력적이게 한다. 이러한 큰 거리(예를 들어, 1 km보다 큰 거리)는 일반적으로 파워 플랜트에서의 예기치 않은 고장 혹은 사고 발생시 LNG 플랜트의 안전을 보장하기 위해 요구된다. 예를 들어, 가스 터빈에 에너지를 직접 공급하기 위해 LNG 주변 공기 기화기로부터의 냉각 공기를 사용하는 특허문헌 EP 2 133 515 A1에서 발명자 타가와(Tagawa)에 의해 제안되는 바와 같은 파워 플랜트 통합체와의 LNG의 직접적 통합은 기화기와 파워 플랜트가 실질적으로 함께-위치하게 되기 때문에 안전하지 않으며 위험한 것으로 고려되고 있다.
이와 같은 곤란한 상황을 극복하기 위해, 미국 특허 번호 제5,400,588호에서 설명되는 바와 같이, LNG 기화기와 가스 터빈 공기 예냉기(gas turbine air precooler) 간의 열 전달 매체 리싸이클 루프(heat transfer medium recycle loop)가 구현될 수 있다. 열 전달 매체 루프가 LNG 플랜트와 파워 플랜트를 안전하게 분리시킬 수 있지만, 커다란 열 전달 시스템의 사용은 (예를 들어, 커다란 직경의 가압 파이프들 및 상당히 큰 순환 속도로 인해) 종종 많은 비용이 들고 타당한 것으로 고려되지 않는다. 또 하나의 다른 예에서, 특허문헌 WO 2010/009371에서 제시되는 바와 같이, 재기화 시설은 LNG를 재기화시키기 위해 연속적인 열원으로서 주변 공기와 비-주변 공기의 조합을 사용한다. 그러나, 이러한 접근법도 또한 열 전달 매체를 요구하고, 이에 따라 동일한 문제점들을 갖게 된다.
특허문헌 WO 02/097252에서 제시되는 바와 같은 또 하나의 다른 알려진 접근법의 경우, LNG는 (가스 터빈 공기를 냉각시키기 위해 직접 접촉 열 전달 시스템 내의 액체를 냉각시킴과 아울러 동력 생성 싸이클(work producing cycle)에서 동작 유체(working fluid)를 사용하는) 시스템 내에서 기화된다. 그러나, 이러한 제안된 해법은 LNG가 직접 접촉에 의해 기화되기 때문에 잠재적 위험(만약 열 교환기 상의 튜브 누출이 존재한다면 잠재적으로 일어날 수 있는 화재의 위험)을 갖는다. 앞서의 곤란한 상황에 추가하여, 현재 알려진 주변 공기 기화기 시스템은 여전히 상당량의 냉각 공기를 생성하고 이와 관련된 안개발생 문제를 일으킴에 유의해야 한다.
미국 특허번호 제7,870,747호에서 제시되는 바와 같이, 주변 공기 기화기로부터의 안개발생은 냉각된 공기 스트림을 따뜻하게 하는 열원을 통해 감소될 수 있거나 혹은 심지어 제거될 수 있는바, 이후 이렇게 가열된 공기 스트림은 대기(atmosphere)로 방출되게 된다. 이러한 공정이 안개 형성을 제거할 수는 있지만, 상당량의 가열 에너지가 요구되고, 따라서 폐열원(waste heat source)이 용이하게 이용가능한 경우에만 경제적으로 실현가능하다.
따라서, 공기 기화기에서의 LNG로부터의 냉각량을 회수함과 아울러 안개발생을 감소시키기 위한 수 개의 시스템 및 방법이 종래기술에서 알려져 있을지라도, 이들 모두 혹은 거의 모두는 수 가지의 단점을 가지고 있다. 따라서, 주변 공기 기화기와 냉각 활용을 위한 향상된 구성 및 방법을 제공할 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은 주변 공기 LNG 기화기를 위한 시스템, 플랜트 및 방법에 관한 것으로, 여기서 주변 공기 LNG 기화기는 복수의 열 교환 도관(heat exchange conduit)들을 포함하며, 이러한 열 교환 도관들은 LNG를 수용하고 LNG를 주변 공기의 열량(heat content)을 이용하여 기화시켜 천연 가스 스트림(natural gas stream) 및 냉각된 공기(refrigerated air)의 스트림이 생성되도록 한다. 고려되는 디바이스 및 방법에서, 하우징(housing)이 열 교환 도관들을 적어도 부분적으로 밀봉하며, 여기서 하우징은 또한 주변 공기 흡입 제어 디바이스(ambient air intake control device) 및 냉각 공기 배출구(refrigerated air outlet)를 포함한다. 송풍기(blower)가 냉각 공기 배출구에 유동적으로(fluidly) 결합되어 냉각된 공기를 하우징으로부터 원격 냉각 공기 소비자(remote refrigerated air consumer)(예를 들어, 가스 터빈 연소기(gas turbine combustor), 공기 분리 플랜트(air separation plant), 식품 동결 플랜트(food freezing plant), 산업용 공기 조절 장치(industrial air conditioning unit), 및/또는 동력 싸이클(power cycle)에서의 응축기(condenser))까지 이동시킨다. 특히 바람직한 디바이스들은 또한 제어 회로를 포함하며, 여기서 제어 회로는 주변 공기 흡입 제어 디바이스 및/또는 송풍기의 동작 파라미터(operational parameter)를 조정함으로써 원격 냉각 공기 소비자에서의 냉각된 공기의 온도를 유지시킨다.
가장 바람직한 것으로, 하우징은 냉각된 공기의 적어도 80%(그리고 가장 전형적으로는 냉각된 공기 모두)를 송풍기로 전달하도록 구성된다. 주변 공기 흡입 제어 디바이스에 관하여, 이러한 디바이스가 루버(louver)들의 세트(set)를 포함하는 것이 일반적으로 바람직하다. 따라서, 주변 공기 흡입 제어 디바이스의 바람직한 동작 파라미터는 이러한 루버들의 세트의 개방 상태(opening state)이고, 송풍기의 바람직한 동작 파라미터는 송풍기 혹은 압축기(compressor)의 팬 속도(fan speed)이다. 또한 일반적으로 더 고려되는 것은 제어 회로가 또한 제2의 원격 냉각 공기 소비자에서의 냉각된 공기의 온도를 유지시키는 것이다. 필요한 경우, 제어 회로(혹은 추가적인 제어 회로)는 원격 냉각 공기 소비자와 하나 이상의 원격 냉각 공기 소비자들 간의 냉각된 공기의 흐름을 조절한다.
본 발명의 주된 내용의 더 고려되는 실시형태에서, LNG 재기화 플랜트는 또한, 제2의 LNG 기화기 및 제2의 제어 회로를 포함할 수 있고, 여기서 제2의 제어 회로는 원격 냉각 공기 소비자로의 냉각된 공기의 흐름을 유지시킴과 아울러 LNG 기화기와 제2의 LNG 기화기가 서로 번갈아 동작(가열(heating) 및 해동(defrosting) 모드)할 수 있게 한다.
본 발명의 주된 내용에 대한 비한정적인 경우로서, 고려되는 플랜트들은 또한 송풍기와 원격 냉각 공기 소비자 사이에 열적으로 절연된 배관(piping)을 포함하며, 여기서 열적으로 절연된 배관의 길이는 적어도 1 km이다.
결과적으로, 다른 관점에서 보았을 때, 본 발명의 발명자는 또한 주변 공기 기화기에서 LNG를 기화시키는 방법을 고려하는바, 이러한 경우 LNG는 주변 공기 기화기에서 기화되어 천연 가스 스트림 및 냉각된 공기의 스트림이 생성되며, 여기서 주변 공기 기화기는 복수의 열 교환 도관들을 적어도 부분적으로 밀봉하는 하우징을 구비하고, 아울러 주변 공기 흡입 제어 디바이스 및 냉각 공기 배출구를 더 구비한다. 이 경우 송풍기가 냉각된 공기의 적어도 50%(보다 전형적으로는 적어도 50%, 그리고 가장 전형적으로는 냉각된 공기 모두)를 하우징으로부터 원격 냉각 공기 소비자까지 이동시키기 위해 사용되고, 제어 회로가 주변 공기 흡입 제어 디바이스와 송풍기 중 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정함으로써 원격 냉각 공기 소비자에서의 냉각된 공기의 온도를 유지시키기 위해 사용된다.
본 발명의 다양한 목적, 특징, 실시형태 및 장점은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 주된 내용에 따른 냉각 활용을 이용하는 주변 공기 기화기가 구비된 LNG 재기화 플랜트의 예시적 도면이다.
도 2는 더 낮은 가스 터빈 온도에서 동력 출력이 증가되는 것을 보여주는 예시적 그래프이다.
도 3은 더 낮은 가스 터빈 온도에서 가스 터빈 성능이 증가되는 것을 보여주는 예시적 그래프이다.
도 4는 주변 공기 기화기 디자인 및 제어 시스템 세부사항을 나타낸 예시적 도면이다.
본 발명의 발명자는 LNG에서의 냉각량을 안전한 방식으로 그리고 바람직한 방식으로 또한 이용할 수 있게 하는 개념상 간단하고 효과적인 방법 및 구성으로 주변 공기 기화기와 관련된 다양한 문제, 특히 안개발생 문제를 피할 수 있음을 발견했다.
특히 바람직한 시스템 및 방법은 주변 공기 기화기를 적어도 부분적으로 밀봉하는 하우징에 결합된 저압 도관로(low pressure ducting) 및 송풍기를 이용하며, 여기서 하우징은 또한 제어 회로의 제어하에 있는 주변 공기 흡입 제어 디바이스를 포함하고, 제어 회로는 주변 공기 흡입 제어 디바이스 및/또는 송풍기의 동작 파라미터를 조정함으로써 도관로에서 나오는 냉각된 공기의 온도를 유지시키도록 프로그래밍되어 있다. 본 발명의 이러한 시스템에서는 오로지 냉각 공기만을 사용함으로써 본 발명이 사용되지 않은 경우 필요한 열 전달 시스템을 피할 수 있다는 점, 그리고 LNG 재기화 플랜트와 냉각 공기 소비자(들)는 서로로부터 안전한 거리에 위치할 수 있다는 점에 특히 유의해야한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 문맥상 달리 기술되지 않는다면, 용어 "~에 결합된"은 직접적 결합의 의미(서로 결합된 두 개의 요소들이 서로 접촉하는 경우)와 간접적 결합의 의미(두 개의 요소들 사이에 적어도 하나의 추가적인 요소가 위치하는 경우)를 모두 포함하도록 의도된 것이다. 따라서, 용어 "~에 결합된"과 "~와 결합된"은 동일한 의미를 갖는 것으로 사용된다.
공기가 개방 냉각 루프(open refrigeration loop)의 동작을 가능하게 하기 때문에 공기를 냉각 전달 매체로서 사용하는 것으로부터 추가적인 혜택이 일어남을 또한 이해해야 한다. 열 전달 매체가 원래 위치로 되돌아가야만 하는 대부분의 알려진 열 전달 시스템과는 달리, 공기는 냉각 공기 소비자의 위치에서 대기로 배출될 수 있다. 실제로, 주변 공기 내의 대부분의 오염물(예를 들어, 입자성 물질, CO2 및 응축수(water condensate)내의 CO2)은 기화기에서 응축액(condensate)과 함께 제거되기 때문에, 기화기 공기로부터의 냉각된 공기는 주변 공기보다 훨씬 더 깨끗함에 유의해야 한다.
더욱이, 본 명세서에서 고려되는 시스템 및 방법은 냉각 공기 소비자에 대해 매우 차가운 공기를 생성할 수 있음을 인식해야만 한다. 실제로, 온도는 상당부분 주변 공기 기화기로의 공기 흐름에 의해서만 제한된다. 예를 들어, 냉각 공기는 -40 ℉에서 생성될 수 있는바, 이것은 식품 동결을 위해 사용될 수 있거나 혹은 공기 분리 플랜트에 직접 공급되는 것으로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 혹은 추가적으로 살펴보면, 냉각된 공기는 냉매(refrigerant)로서 사용될 수 있거나, 혹은 (전형적으로는 온도를 제어하기 위해 주변 공기와 결합되어) 산업용 공기 조절 시스템에서 사용될 수 있다. 대부분의 경우, LNG 재기화 플랜트로부터의 (예를 들어, -20 ℉ 혹은 더 낮은 온도의) 냉각된 공기의 생성이 특히 바람직하다. 다른 장점들 중에서도, 주변 공기 기화기로부터의 냉각된 공기는 (공기 수분(air moisture)이 열 교환기 튜브 상에서 동결될 것이기 때문에) 건조한 공기임에 유의해야 한다. 결과적으로, 전달 배관 혹은 도관로에서의 응결현상(condensation)은 없다. 가장 전형적으로는, 냉각 공기 도관로는 냉각상태 보전을 위해 단열될 것이다.
특히 바람직한 실시형태에서, LNG 재기화의 구성 및 방법은 주변 공기 기화기의 하부로부터의 냉각된 공기를 실질적으로 모두(적어도 80%, 보다 전형적으로는 적어도 90%, 가장 전형적으로는 100%) 수집할 수 있도록 하우징 내에 적어도 부분적으로 밀봉되는 주변 공기 기화기를 포함할 것이다. 더욱이, 그 냉각된 공기의 온도를 제어하기 위해, 더 바람직하게는 기화기 및/또는 하우징은 또한 공기 흡입 제어 디바이스에 결합되고 특히 기화기로의 공기 흐름을 제어하는 루버 시스템에 결합된다. 이러한 방식의 경우, 32 ℉보다 낮은 온도, 바람직하게는 0 ℉보다 낮은 온도, 그리고 가장 바람직하게는 -20 ℉보다 낮은 온도를 갖는 냉각된 공기가 생성될 수 있고, 그리고 냉각 공기를 대기로 배출함이 없이 다양한 사용자들을 위해 송풍기/압축기를 통해 분배될 있다. 온도를 원하는 레벨에서 유지시키기 위해, 제어 회로는 공기 흡입 제어 디바이스의 동작 파라미터(예를 들어, 루버 각도) 및/또는 송풍기/압축기의 동작 파라미터(예를 들어, 팬 속도)를 조정함으로써 공기 흐름이 증가 또는 감소되도록 구성/프로그래밍될 것이다. 다양한 소비자들에게 그 냉각된 공기의 흐름을 분배하는 것은 바람직하게는 수요 제어(demand control)에 기반을 두고 있는바, 이러한 수요 제어는 제어 회로를 통해 혹은 별개의 제어 장치들을 통해 조절될 수 있다. 예를 들어, 냉각 공기 소비자들이 가스 터빈의 연소기, 공기 분리 플랜트, 및 산업용 공기 조절기를 포함하는 경우, 흐름 제어는 가스 터빈에 제1의 우선권을 할당할 수 있고, 나머지 공기는 공기 분리 플랜트 및 산업용 공기 조절기를 위해 분배되게 된다.
예시적 구성이 도 1에 제시된다. 여기서, LNG 스트림(1)은 대략 1000 MMscfd의 유량율(rate), 대략 100 psig의 압력, 및 대략 -250 ℉의 온도를 가지며, LNG 펌프(51)에 의해 대략 1250 psig(혹은 다른 파이프라인 압력 혹은 송출 압력)로 펌핑(pumping)되어 스트림(2)이 형성된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 수치와 함께 사용되는 용어 "대략"은 해당 수치값의 +/- 10% 범위(해당 범위의 끝 지점을 포함함)를 말하는 것이다. 그 다음에, 이렇게 형성된 냉각 LNG 스트림(2)은 적어도 두 개의 주변 공기 기화기들에 의해 가열되는바, 이들 주변 공기 기화기들의 동작은 가열 싸이클과 해동 싸이클을 번갈아 행한다(제1의 기화기는 가열 모드에 있고, 제2의 기화기는 해동 모드에 있음). 가열 싸이클 동안, LNG는 전형적으로 대략 90 ℉ 내지 대략 40 ℉를 갖는 주변 공기로 기화기(60) 내에서 가열되어 스트림(40)이 형성된다. 기화기(60)의 하부 챔버(chamber)(53)는 가열 싸이클 동안 그 냉각된 공기가 주변환경으로 방출되지 않도록 밀봉되어 있다(만약 이러한 구성이 없다면 대부분의 종래 주변 공기 기화기에서 전형적으로 나타나는 안개발생 문제가 일어나게 됨). 해동 동안, 응축액이 도관(20)을 통해 제거된다. 해동된 물은 응축액의 특성을 가지며 다른 급수 사용을 위해 추가 공정을 거칠 수 있거나 보일러 급수 보충을 위해 사용될 수 있다.
가열 싸이클 동안, LNG 유입구 밸브(50)는 개방되고, 상부 루버(61)는 제어기(67)를 사용하여 공기 흐름 제어를 위해 부분적으로 개방되는바, 이에 따라 출구의 공기 스트림(18)은 원하는 온도(전형적으로는, 32 ℉ 혹은 그 이하)에 있게 되고, 얼음(ice)은 교환기 튜브의 하부 섹션에 쌓이게 된다. 제2의 기화기(63)에서 제시되는 바와 같이 해동 싸이클 동안, LNG 유입구 밸브는 폐쇄되고 루버(62)는 제어기(66)를 사용하여 완전 개방되는바, 이것은 충만된 공기 흐름이 해동을 위해 사용될 수 있게 한다. 더 높은 온도의 공기 흐름으로 인해 더 높은 온도에 있게 되는 해동된 공기 스트림(52)이 대기로 배출된다. 온도가 더 높아졌기 때문에 어떠한 안개발생도 예측되지 않는다. 해동된 물 스트림(21)(응축액)은 보일러 급수 보충을 위해 혹은 플랜트 내의 다른 사용을 위해 회수될 수 있다. 해동이 된 경우, 제2의 기화기(63)는 기화 모드로 전환되고, LNG는 밸브(51)를 통해 제2의 기화기(63) 내로 흐르며 제2의 기화기(63)를 거쳐 천연 가스 스트림(41)으로서 나오게 된다. 냉각된 공기 스트림(19)이 그 다음에 송풍기(54)로 보내지게 된다. 앞에서와 같이, 기화기(63)의 하부 챔버(64)는 가열 싸이클 동안 그 냉각된 공기가 주변환경으로 방출되지 않도록 밀봉되어 있다. 가열된 천연 가스 스트림(4)은 스트림(5)과 스트림(6)으로 분할되는데, 스트림(5)은 가스 터빈(55)에 대한 연료 가스로서 사용되고, 스트림(6)은 판매용 가스 파이프라인으로 전송된다.
얼음이 기화기 튜브의 핀(fins)의 표면 상에 형성되는데, 이것은 해동 싸이클 동안 녹게 된다. 녹은 얼음은 응축수 스트림(water condensate stream)(21)을 생성한다. 냉각 공기 스트림(7)은 하부 집수부(basin)(53)에 수집되고 공기 송풍기(54)를 사용하여 운반되어 대략 2 내지 5 psig로 약간 가압된 냉각 공기 스트림(8)이 형성된다. 이러한 공기는 냉각 공기 소비자들(창고 냉각기, 사무실 공기 조절기, 및 다른 사용처)로 전달된다. 저압 동작으로 인해, 값이 저렴한 탄소강(carbon steel) 도관로가 사용될 수 있다.
냉각된 공기는 공기 도관로 망상구조에서 다른 사용자들에게 배포되는데, 예를 들어, 가스 터빈 스트림(10)에 대한 유입구 공기로서 배포되고, 질소 스트림(27) 및 산소 스트림(28)을 생성하는 공기 분리 플랜트에 대한 공급 가스 스트림(22)으로서 배포된다. 더 차가운 공기가 항공엔진-파생형 가스 터빈(aero-derivative gas turbine) 및 산업용 가스 터빈의 동력 출력에 미치는 영향이 도 2에 예시적으로 제시된다(더 낮은 가스 터빈 온도에서 동력 출력이 증가되는 것을 보여줌). 냉각 공기는 또한 주변 온도가 높기 때문에 열 소비율(heat rate)에서의 저하(degradation)를 감소시키는데 도움을 준다. 가스 터빈 열 소비율은 연료 효율에 반비례하기 때문에, 열 소비율에서의 증가는 CO2 방출과 함께 연료 소비가 더 높음을 의미한다. 도 3에서 제시되는 바와 같이(더 낮은 가스 터빈 온도에서 가스 터빈 성능이 증가되는 것을 보여줌), 유입구 냉각은 또한, 결합 싸이클 파워 플랜트들로부터의 증기 생성 및 동력 출력에 긍정적 영향을 미친다. 예를 들어, HRSG에 들어가는 가스 터빈 질량 흐름(gas turbine mass flow)의 증가는 더 많은 증기를 생성하는바, 이러한 더 많은 증기는 또한 증기 터빈의 동력 출력을 증가시키는 것을 돕는다. 공기 분리 플랜트에 대한 냉각된 공기는 공기 압축기 비용을 감소시킬 수 있다. 냉각 공기에서의 냉각량은 극저온 분리 플랜트(cryogenic separation plant) 내의 저온 처리부(cold box)에 냉각을 제공할 때 사용될 수 있고 종래 디자인과 비교해 최대 50%까지 비용을 절감할 수 있다. 소비된 따뜻한 공기는 대기로 직접 방출될 수 있다.
다른 냉각 사용자들에 대해서도 유사하게, 예를 들어, 산업용 냉각 스트림(9), 냉각수 냉각기 스트림(15), 및 공기 조절 장치 스트림(23)에 있어서, 냉각된 공기는 냉각을 위해 사용된 이후에 스트림들(25, 26, 17, 및 46)에서와 같이 대기로 안전하게 배출될 수 있다. 공기 조절 장치(23)의 온도는 또한 밸브(68) 및 관련 제어 회로들을 통해서 도관(24)을 경유해 주변 공기를 냉각된 공기 스트림(23)에 포함시킴으로써 조절될 수 있다.
가스 터빈(55)은 배출물(11)을 폐열 회수 증기 발생부(56)에 방출하고, 폐열 회수 증기 발생부(56)는 증기 터빈(57)을 구동시키기 위한 증기를 생성한다. 배출된 증기는 냉각수를 사용하여 표면 응축기(16)에서 응축되고, 그리고 냉각 공기 교환기(58)는 보일러 급수 펌프(59)에 의해 증기 싸이클로 펌핑되는 스트림(14)을 형성한다. 더 차가운 응축액 온도 스트림(14)은 응결 온도를 낮추고 증기 터빈(57)으로부터의 동력 출력을 증가시킨다.
도 4는 기화기(400)가 복수의 교환기 튜브들(402)을 구비하고 하우징(410) 내에 밀봉되어 있는 또 하나의 다른 예시적 주변 공기 기화기 구성을 도시한다. 하우징(410)의 상부는 공기 흡입 제어 디바이스(412)(본 예에서는 루버 시스템)을 포함하고, 하우징의 하부는 송풍기(420)에 유동적으로 결합되는 배출구 부분(414)을 갖는다. 송풍기(420) 및 공기 흡입 제어 디바이스(412)는 제어 회로(430)에 동작가능하게 결합되는바, 제어 회로(430)는 또한 열 센서(thermo sensors)(442, 444, 및 446)에 동작가능하게 결합된다. 제어 회로(430)는 또한 냉각 공기 소비자들(450 및 452)에 동작가능하게 결합된다. 주변 공기(460)의 흐름은 공기 흡입 제어 디바이스(412)를 통해 조절되는바, 공기 흡입 제어 디바이스(412)는 또한 제어 회로(430)의 제어(점선) 하에 있다. 유사하게, 송풍기(420)도 제어 회로(430)의 제어(점선)하에 있고, 냉각 공기 소비자들(450 및 452)로의 냉각된 공기(462)의 흐름도 또한 제어 회로에 의해 조절된다.
적합한 주변 공기 기화기들에 관해서, 유의해야만 하는 것은 알려진 모든 주변 공기 기화기들이 본 명세서에서 제시되는 본 발명의 주된 내용과 결합되어 사용되기에 적합하다는 것이다. 그러나, 특히 바람직한 주변 공기 기화기들은 파이프라인 전송을 위해 적어도 50 MMscfd, 더 전형적으로는 적어도 100 MMscfd, 그리고 가장 전형적으로는 적어도 500 MMscfd의 재기화 유량율을 갖는 천연 가스의 스트림을 생성하는 그러한 주변 공기 기화기들이다. 따라서, LNG는 LNG 운반 선박, 육상 혹은 해상 LNG 저장 탱크, 및 임의의 LNG 저장 탱크로부터 제공될 수 있음에 유의해야 한다. 더욱이, 주변 공기 기화기는 단일 기화기일 수 있거나, 혹은 둘 이상의 기화기들의 뱅크(bank)일 수 있음에 유의해야 한다. 실제로, 복수의 기화기들이 본 명세서에서 고려되는 구성 및 방법을 사용하는 경우 이러한 기화기 뱅크들의 풋프린트(footprint)는 상당히 감소될 수 있는데, 왜냐하면 (대부분의 경우) 냉각된 공기 모두가 도관로를 통해 제거되기 때문임을 인식해야 한다.
하우징의 특정 구성은 주변 공기 기화기(들)의 선택에 따라 대부분 달라짐을 또한 이해해야 한다. 그러나, 유입되는 주변 공기가 열 교환 도관들의 핀들을 따라 전달되어 LNG를 가열하고 냉각된 공기를 형성하도록 하우징이 열 교환 도관들을 적어도 밀봉하는 것이 일반적으로 바람직하다. 더욱이, 냉각된 공기의 온도가 열 교환 도관들을 따라 전달되는 공기 흐름율을 통해 제어될 수 있는 방식으로 열 교환 도관들을 따르는 주변 공기의 흐름 제어가 가능하도록 하우징이 구성되는 것이 일반적으로 바람직하다. 따라서, 특히 바람직한 하우징들은 열 교환 도관들을 그 둘레를 감싸며 밀봉할 것이며 주변 공기가 하우징에 유입되는 경우 주변 공기가 하향으로 흐르도록 할 것이다. 예를 들어, 특히 바람직한 하우징들은 냉각된 공기의 적어도 80%(그리고 더 전형적으로는 냉각된 공기 모두)가 송풍기로 전달되도록 구성될 것이다.
따라서, 특정된 바람직한 구성에서, 기화기의 하부 섹션은 기화기에서 유출되는 냉각 공기가 대기로는 방출되지 않도록 하지만 공기 송풍기를 사용하여 다양한 사용자들에게 전달되게 공기 도관 내에서 운반되도록 밀봉된다. 이러한 밀봉 구조는 종래 기술의 주변 공기 기화기들에 내재된 안개발생 문제를 일으키지 않는다. 장점으로서, 기화기로부터 생성되는 해동된 물은 후속 사용을 위해 회수될 수 있다. 결과적으로, 본 명세서에서 제시되는 시스템 및 방법에 있어서 LNG 냉각은 열 전달 매체로서 사용되는 냉각 공기로 전달됨을 인식해야 한다. 글리콜 물 혼합물(glycol water mixture)과 같은 종래의 열 전달 매체는 요구되지 않으며, 이것은 결과적으로 분배 시스템의 인벤토리(inventory)를 채우는데 드는 고비용 문제에 추가하여 직경을 갖는 배분 파이프들 및 순환 펌프를 포함하는 열 전달 시스템의 고자본 및 동작 비용을 제거한다.
공기 흐름에 관하여, 이러한 흐름은 하우징 내로 유입되는 흐름을 제어함으로써 그리고/또는 하우징에서 유출되는 흐름을 제어함으로써 제어될 수 있음이 고려된다. 예를 들어, 공기 흐름은 하나 이상의 공기 흡입 제어 디바이스를 적어도 부분적으로 폐쇄시키거나 개방시킴으로써 제한될 수 있거나 증가될 수 있다. 이러한 공기 흡입 제어 디바이스는 기화기의 상부에서 양(positive)의 공기 압력이 형성되도록 루버 시스템, (관련된 제어 밸브들을 구비하는) 복수의 도관들, 그리고/또는 하나 이상의 송풍기들로서 구성될 수 있다. 다른 방법에 있어서, 공기 흐름은 또한 기화기의 하부에서 혹은 하부 가까이에서의 냉각된 공기의 제거를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 공기 흐름은 하우징 내의 공기 압력을 감소시키는 송풍기를 통해 조절될 수 있다.
추가적으로, 하우징은 또한 추가 공기가 하우징에 유입될 수 있게 하는 하나 이상의 통로(passage)들을 포함할 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 이러한 추가 공기는 주변환경으로부터 획득될 수 있거나, 혹은 다른 공기 소스들로부터의 가열된 공기일 수 있거나, 혹은 기화기의 재순환 도관으로부터의 냉각된 공기일 수 있거나, 혹은 또 하나의 다른 기화기로부터의 냉각된 공기일 수 있다. 장점으로서, 이러한 추가 통로들은 하우징 내의 추가 온도 제어를 가능하게 할 뿐만 아니라 하우징을 떠나는 냉각된 공기의 추가 온도 제어를 가능하게 할 것이다. 당연한 것으로, 통로들을 통과하는 추가 공기의 흐름은 바람직하게는 제어 회로에 의해 조절될 것이다.
또 하나의 추가적으로 고려되는 실시형태의 경우, 바람직한 주변 공기 기화기들은 또한 송풍기 및/또는 원격 냉각 공기 소비자에서의 냉각된 공기의 원하는 온도를 유지시키도록 구성/프로그래밍된 제어 회로에 동작가능하게 결합될 것이다. 가장 전형적인 경우에서, 제어 회로는 주변 공기 흡입 제어 디바이스의 동작 파라미터를 (예를 들어, 루버들 혹은 다른 제어 밸브들을 개방시키거나 폐쇄시킴으로써) 조정할 것이고, 그리고/또는 송풍기의 동작 파라미터(예를 들어, 팬 속도 혹은 블레이드 각도(blade angle))를 조정할 것이며, 그리고 알려진 모든 제어 회로들(예를 들어, PLC 제어기, 소프트웨어 제어기, 수동 제어기(manual controller) 등)은 이러한 것의 사용에 적합한 것으로 고려된다. 특히 바람직한 실시형태에서, 제어 회로는 하나 이상의 열 센서들과 동작가능하게 결합될 것인바, 여기서 열 센서들은 다양한 지점에서의 온도를 측정하는데, 가장 바람직하게는 냉각 공기 소비자에 대한 전달 지점에서의 온도, 송풍기에서의 온도, 그리고/또는 하우징의 상부 및 하부에서의 온도를 측정한다. 따라서, 고려되는 제어 회로들은 (a) 공기 흡입 제어 디바이스의 동작 파라미터를 통해 공기 흡입율을 조정함으로써, (b) 관련 동작 파라미터를 통해 하우징으로부터의 냉각된 공기의 제거율을 조정함으로써, (c) 하우징 내로 유입되는 추가 공기의 흐름을 조정함으로써, 그리고/또는 (d) 하우징 및/또는 도관(들)으로부터의 냉각된 공기가 그 냉각된 공기의 소비자로 제거되는 것을 조정함으로써, 냉각 공기의 발생시 임의의 지점에서의 온도를 원하는 지점으로 조정할 수 있게 될 것이다. 더욱이, 제어 회로(혹은 별개의 제어 회로)는 냉각된 공기의 상이한 소비자들 간에 그 냉각된 공기의 공기 흐름 및/또는 온도에 관해 우선순위를 정하는데 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
본 발명의 주된 내용에 관한 한정의 의미는 아닌 것으로서, 일반적으로 주변 공기 기화기와 냉각 공기 소비자는 적어도 500 m, 더 전형적으로는 적어도 1 km, 그리고 가장 전형적으로는 적어도 1.5 km의 거리만큼 떨어져 있는 것이 바람직하다. 따라서, 기화기를 원격 소비자에게 결합시키는 적합한 도관로는 종래 기술에서 잘 알려진 물질들을 사용하여 열적으로 절연될 것이다.
본 발명의 주된 내용에 따른 시스템 및 방법에서 생성되는 냉각된 공기에 관하여, 냉각 공기는 연소 공기로서 가스 터빈에 직접 공급될 수 있음이 고려된다. 더 차가운 공기는 공기 밀도가 더 높기 때문에 동력 출력을 증가시킬 수 있음과 아울러 동력 발생 효율을 증가시킬 수 있다. 전형적으로, 가스 터빈 디자인으로부터의 동력 출력은 온도가 2 ℉ 내지 3 ℉ 각각 강하되면 1%만큼 증가될 수 있다. 따라서, 0 ℉와 같은 더 차가운 공기는 가스 터빈의 동력 발생 출력을 30% 내지 40%만큼이나 증가시킬 수 있다. 냉각 공기의 사용은 동력 출력에 대해 연료 가스 소비를 상당히 감소시킬 수 있고, 이것은 결과적으로 단위 전력 생성 당 설치 비용($/kW)을 낮추게 된다. 또한 고려되는 것으로, 냉각 공기는 공기 분리 플랜트에 직접 공급될 수 있는바, 이것은 공급 공기 압축기 마력을 감소시키며, 그리고 냉각 공기의 냉각량은 극저온의 저온 처리부에서의 냉각을 위해 사용될 수 있고, 이것은 공기 분리의 전력 소비를 40% 내지 50%만큼이나 감소시키게 된다. 냉각된 공기의 추가 소비자들은 가정용 및 산업용 공기 조절기 그리고 동력 싸이클에서의 응축기들을 포함한다.
본 발명의 주된 내용의 또 하나의 다른 실시형태의 경우, 다양한 사용자들에게 냉각을 제공한 이후 그 소비된 냉각 공기는 대기로 직접 배출될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 공기는 해당 공기로부터 오염물 응결에 의해 깨끗해졌기 때문이다. 어떠한 귀환 배관(return piping)도 필요 없는데, 이것은 동작 및 자본 비용을 상당히 절감시킨다. 더욱이, 알려진 다른 구성, 시스템 및 방법과 비교하여 볼 때, 공기는 안전한 매체인데, 왜냐하면 안전하지 않고 비용이 많이 드는 LNG의 직접적 사용 혹은 중간매개 유체(intermediate fluid)의 사용과 비교해, 공기 누설은 어떠한 환경적 위험상황도 유발시키지 않을 것이기 때문이다.
본 명세서에서의 본 발명의 개념으로부터 벗어남이 없이 앞서 설명된 것들 외의 더 많은 수정이 가능하다는 것은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에게는 명백한 것이다. 따라서, 본 발명의 주된 내용은 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 제한을 받는다. 더욱이, 본 명세서 및 특허청구범위 모두를 해석할 때, 모든 용어들은 문맥과 일관되는 방식으로 가능한한 가장 넓게 해석돼야만 한다. 특히, 용어 "포함하는" 및 "포함한다"는 (참조된 요소들, 컴포넌트들, 혹은 단계들이, 명시적으로 참조되지 않은 다른 요소들, 컴포넌트들, 혹은 단계들과 함께 존재할 수 있거나, 혹은 사용될 수 있거나, 혹은 결합될 수 있음을 표시하는) 비-배타적 방식으로 요소들, 컴포넌트들 혹은 단계들을 언급하는 것으로서 해석돼야 한다. 본 명세서 기재에서 A, B, C ... 및 N으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어떤 것의 적어도 하나라고 기술되는 경우, 이러한 문구는 해당 그룹으로부터 단지 하나의 요소를 요구하는 것으로 해석돼야 하며, A + N, 혹은 B + N 등으로 해석돼서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 주변 공기(ambient air) 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 기화기(vaporizer)로서,
    LNG를 수용하고 상기 LNG를 주변 공기의 열량(heat content)을 이용하여 기화시켜 천연 가스 스트림(natural gas stream) 및 냉각된 공기(refrigerated air)가 생성되도록 하는 복수의 열 교환 도관(heat exchange conduit)들과;
    상기 복수의 열 교환 도관들을 적어도 부분적으로 밀봉하는 하우징(housing)과, 여기서 상기 하우징은 또한 주변 공기 흡입 제어 디바이스(ambient air intake control device) 및 냉각 공기 배출구(refrigerated air outlet)를 포함하며;
    상기 냉각 공기 배출구에 유동적으로(fluidly) 결합되어 상기 냉각된 공기를 상기 하우징으로부터 원격 냉각 공기 소비자(remote refrigerated air consumer)까지 이동시키도록 되어 있는 송풍기(blower)와; 그리고
    상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스와 상기 송풍기 중 적어도 하나의 동작 파라미터(operational parameter)를 조정함으로써 상기 원격 냉각 공기 소비자에서의 상기 냉각된 공기의 온도를 유지시키도록 되어 있는 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 주변 공기 LNG 기화기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 냉각된 공기의 적어도 80%를 상기 송풍기로 전달하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 냉각된 공기 모두를 상기 송풍기로 전달하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스는 루버(louver)들의 세트(set)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스의 동작 파라미터는 상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스의 개방 상태(opening state)이고, 상기 송풍기의 동작 파라미터는 상기 송풍기의 팬 속도(fan speed)인 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한, 제2의 원격 냉각 공기 소비자에서의 상기 냉각된 공기의 온도를 유지시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한, 상기 원격 냉각 공기 소비자와 제2의 원격 냉각 공기 소비자 간의 상기 냉각된 공기의 흐름을 조절하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  8. 제1항에 있어서,
    제2의 LNG 기화기 및 제2의 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 제2의 제어 회로는 상기 원격 냉각 공기 소비자로의 냉각된 공기의 흐름을 유지시킴과 아울러 상기 LNG 기화기와 상기 제2의 LNG 기화기가 서로 번갈아 동작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 원격 냉각 공기 소비자는, 가스 터빈 연소기(gas turbine combustor), 공기 분리 플랜트(air separation plant), 식품 동결 플랜트(food freezing plant), 산업용 공기 조절 장치(industrial air conditioning unit), 및 동력 싸이클(power cycle)에서의 응축기(condenser)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 송풍기와 상기 원격 냉각 공기 소비자 사이에 열적으로 절연된 배관(piping)을 더 포함하며, 상기 열적으로 절연된 배관의 길이는 적어도 1 km인 것을 특징으로 하는 LNG 재기화 플랜트.
  11. 주변 공기 기화기에서 액화 천연 가스(LNG)를 기화시키는 방법으로서,
    주변 공기 기화기에서 LNG를 기화시켜 천연 가스 스트림 및 냉각된 공기의 스트림이 생성되도록 하는 단계와, 여기서 상기 주변 공기 기화기는 복수의 열 교환 도관들을 적어도 부분적으로 밀봉하는 하우징을 구비하고, 아울러 주변 공기 흡입 제어 디바이스 및 냉각 공기 배출구를 더 구비하며;
    송풍기를 사용하여 상기 냉각된 공기의 적어도 50%를 상기 하우징으로부터 원격 냉각 공기 소비자까지 이동시키는 단계와; 그리고
    제어 회로를 사용하여 상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스와 상기 송풍기 중 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정함으로써 상기 원격 냉각 공기 소비자에서의 상기 냉각된 공기의 온도를 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 송풍기는 상기 냉각된 공기의 적어도 80%를 상기 원격 냉각 공기 소비자까지 이동시키기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 냉각된 공기의 온도는 -20 ℉이하인 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스는 루버들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스의 동작 파라미터는 상기 주변 공기 흡입 제어 디바이스의 개방 상태이고, 상기 송풍기의 동작 파라미터는 상기 송풍기의 팬 속도인 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한, 제2의 원격 냉각 공기 소비자에서의 상기 냉각된 공기의 온도를 유지시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제어 회로는 또한, 상기 원격 냉각 공기 소비자와 제2의 원격 냉각 공기 소비자 간의 상기 냉각된 공기의 흐름을 조절하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    제2의 LNG 기화기 및 제2의 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 제2의 제어 회로는 상기 원격 냉각 공기 소비자로의 냉각된 공기의 흐름을 유지시킴과 아울러 상기 LNG 기화기와 상기 제2의 LNG 기화기가 서로 번갈아 동작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 원격 냉각 공기 소비자는, 가스 터빈 연소기, 공기 분리 플랜트, 식품 동결 플랜트, 산업용 공기 조절 장치, 및 동력 싸이클에서의 응축기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 냉각된 공기는 상기 하우징으로부터 상기 원격 냉각 공기 소비자까지 적어도 1 km의 거리를 거쳐 이동하는 것을 특징으로 하는 LNG를 기화시키는 방법.
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