KR20160103321A - 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 장치가 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축하는 다수개의 압축기; 상기 다수개의 압축기에 의해 다단계로 압축된 증발가스의 에너지를 회수하는 제 1 가스터빈; 상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스와 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기; 상기 제 1 가스터빈 및 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 에너지를 회수하는 제 2 가스터빈; 상기 다수개의 압축기, 상기 제 1 가스터빈, 상기 자가열교환기 및 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 낮추는 감압장치; 및 상기 제 1 가스터빈의 축과 연결되어, 상기 제 1 가스터빈에 의해 일로 전환된 증발가스의 엔탈피를 사용하여 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 추가 압축기;를 포함한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법{BOG Re-liquefaction Apparatus and Method for Vessel}
본 발명은 선박에 적용되는 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 재액화 장치 및 방법에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 액화천연가스는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화천연가스 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단시키는데에는 한계가 있고, 액화천연가스 내부로 전달되는 열에 의해 액화천연가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화천연가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.
증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 선박의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내진다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진 및 ME-GI엔진이 있다.
DF엔진은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.
통상 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 증발가스를 재액화시킨다. 증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 시키는데, 증발가스를 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 액화천연가스 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스는 증발가스 압축부(300)의 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 지나면서 여러 번의 압축 과정을 거치게 된다. 도 1에서는 증발가스가 다섯 번의 압축 과정을 거치는 모습이 도시되어 있다.
증발가스가 압축되면 압력뿐만 아니라 온도도 높아지게 되므로 각 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 후단에 열교환기(321, 322, 323, 324, 325)를 설치하여 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 통과한 증발가스의 온도를 낮출 수 있도록 하였다. 각 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 후단에 설치된 열교환기(321, 322, 323, 324, 325)를 통해, 일정한 온도 이하의 증발가스가 공급되도록 설정된 각 압축기(311, 312, 313, 314, 315)의 조건을 만족시키고, 증발가스의 온도를 낮춰 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에서의 압축 효율을 좋아지게 할 수 있다.
또한, 제 1 압축기(311) 전단과 제 1 열교환기(321) 후단을 연결하도록 제 1 바이패스(By-pass)라인(330)이 설치되고, 제 4 압축기(314) 전단과 제 5 열교환기(325) 후단을 연결하도록 제 2 바이패스라인(331)이 설치되는데, 제 1 바이패스라인(330)과 제 2 바이패스라인(331)은, 엔진에서 사용되는 증발가스의 양이 줄어드는 경우에 증발가스의 유량을 조절하고, 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 내부의 서지(Surge) 현상을 방지하는 역할을 한다. 이러한 바이패스 라인은 압축기의 설계에 따라 수량 및 연결 위치가 다양할 수 있다.
액화천연가스 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스가 다섯 번의 압축 과정을 거치고 나면 대략 300bar, 40℃ 상태가 되고, 대략 300bar, 40℃ 상태가 된 증발가스의 일부는 ME-GI엔진으로 보내져(B라인) 연료로 사용되고, 나머지는 자가열교환기(200)로 보내진다(C라인).
대략 300bar, 40℃ 상태의 증발가스는 자가열교환기(200)에서 저장탱크(100)로부터 배출(D라인)되는 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스와 열교환되어 대략 300bar -120℃ 상태가 된다. 대략 300bar -120℃ 상태의 증발가스는 감압장치에 의하여 팽창되어 일부 액화되고, 기액분리기(500)에 의하여 액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스가 분리되어, 기체상태의 증발가스는 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스(D라인)와 섞여 다시 자가열교환기(200)로 보내지고, 액화된 증발가스는 저장탱크(100)으로 다시 보내지게 된다.
한편, 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스는, 다섯 번의 압축 과정을 거친 대략 300bar, 40℃ 상태의 증발가스와 자가열교환기(200)에서 열교환된 후, 대략 1.05bar, -72℃ 상태가 된다. 대략 1.05bar, -72℃ 상태의 증발가스는 제 1 압축기(311) 및 제 1 열교환기(321)를 지난 후 대략 3.13bar, 17℃ 상태가 되고, 제 2 압축기(312) 및 제 2 열교환기(322)를 지난 후 대략 12.64bar, 43℃ 상태가 되며, 제 3 압축기(313) 및 제 3 열교환기(323)를 지난 후 대략 40.67bar, 43℃ 상태가 된다.
대략 40.67bar, 43℃ 상태의 증발가스는, 일부 DF엔진으로 보내져(A라인) 연료로 사용되고, DF엔진으로 보내지고 남은 증발가스는 제 4 압축기(314) 및 제 4 열교환기(324)를 지난 후 대략 90.38bar, 43℃ 상태가 되고, 제 5 압축기(315) 및 제 5 열교환기(325)를 더 지나 총 다섯 번의 압축 과정을 모두 거치게 되면, 대략 300bar, 40℃의 상태가 된다. 대략 300bar, 40℃의 상태의 증발가스의 일부는 ME-GI엔진의 연료로 사용되고, 남은 일부는 자가열교환기(200)에서 열교환 된다. A라인에는 감압장치를 설치하여 DF엔진으로 공급되는 압축 증발가스의 압력을 낮추도록 할 수 있다.
연료유(Fuel Oil) 탱크(600)로부터 공급되는 연료유는, 다수개의 펌프(Pump, 700) 및 히터(Heater, 800)에 의해 DF엔진 또는 ME-GI엔진에서 사용될 수 있는 압력 및 온도 상태가 되어, DF엔진 또는 ME-GI엔진에 공급된다.
종래의 부분 재액화 시스템은, 가격이 비싼 재액화 장치를 별도로 설치하지 않고도 증발가스를 재액화할 수 있어, 액화천연가스 저장탱크의 전체적인 자연기화율(BOR; Boil-off Rate)을 효율적으로 감소시킬 수 있는 획기적인 기술로 평가받고 있다.
본 발명은, 부분 재액화 시스템의 액화량을 증대시키기 위하여, 압축된 증발가스를 자가열교환기로 보내기 전에 증발가스가 가진 에너지로 가스터빈 등의 장비를 구동시키는, 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 장치에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축하는 다수개의 압축기; 상기 다수개의 압축기에 의해 다단계로 압축된 증발가스의 에너지를 회수하는 제 1 가스터빈; 상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스와 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기; 상기 제 1 가스터빈 및 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 에너지를 회수하는 제 2 가스터빈; 상기 다수개의 압축기, 상기 제 1 가스터빈, 상기 자가열교환기 및 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 낮추는 감압장치; 및 상기 제 1 가스터빈의 축과 연결되어, 상기 제 1 가스터빈에 의해 일로 전환된 증발가스의 엔탈피를 사용하여 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 추가 압축기;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치가 제공된다.
상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 다수개의 압축기 중 어느 하나의 압축기 전단으로 보내질 수 있다.
상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스는 엔진으로 보내질 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 감압장치를 통과하며 일부 액화된 증발가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 다수개의 압축기 후단에 각각 설치되어, 상기 압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮추는 다수개의 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 다수개의 압축기 중 일부 압축기만을 통과한 증발가스의 일부를 DF엔진으로 보낼 수 있다.
상기 다수개의 압축기를 모두 통과한 증발가스의 일부는 ME-GI엔진에 공급하고, 나머지 일부는 상기 제 1 가스터빈으로 보낼 수 있다.
상기 감압장치는 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 추가 압축기 후단에 설치되어, 상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 제 1 가스터빈 후단에서, 상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스의 온도를 측정하는 온도 트랜스미터; 상기 제 1 가스터빈 후단에서, 상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터; 및 상기 온도 트랜스미터 및 상기 압력 트랜스미터가 측정하는 증발가스의 온도 및 압력 값에 따라 상기 제 1 가스터빈 또는 상기 추가 압축기의 작동을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 제 2 가스터빈 후단에서, 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 온도를 측정하는 온도 트랜스미터; 상기 제 2 가스터빈 후단에서, 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터; 및 상기 온도 트랜스미터 및 상기 압력 트랜스미터가 측정하는 증발가스의 온도 및 압력 값에 따라 상기 제 2 가스터빈의 작동을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 증발가스의 에너지를 소모시키는 터보 익스팬더를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 방법에 있어서, 상기 저장탱크로부터 증발가스가 배출되고, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 압축되고, 상기 압축된 증발가스는 일부 에너지를 외부로 전달하고, 상기 압축된 증발가스로부터 전달된 에너지는 일로 전환되어 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키고, 상기 일로 전환된 증발가스의 에너지에 의해 압축된 증발가스는 추가적으로 압축되고, 상기 일부 에너지를 외부로 전달한 압축된 증발가스는 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환되고, 열교환된 상기 증발가스는 추가적으로 일부 에너지를 외부로 전달하고, 열교환 후 추가적으로 일부 에너지를 외부로 전달한 상기 증발가스는 감압되어 일부가 재액화되는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법에 의하면, 압축 과정을 거친 증발가스를, 제 1 가스터빈을 이용해 온도를 낮춘 후 자가열교환기로 보내므로, 한정된 냉각 매체로 기존 대비 더 많은 양의 증발가스를 재액화시킬 수 있다.
또한, 제 1 가스터빈을 통해 증발가스가 가진 에너지를 일로 바꿔, 그 일을 가스터빈의 축에 연결된 압축기를 가동시키는 데에 사용할 수 있으므로, 압축기를 구동시키는데에 사용되는 전력량을 절감할 수 있다.
본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법에 의하면, 압축 과정을 거친 후 제 1 가스터빈 및 자가열교환기를 통과한 증발가스의 온도를, 제 2 가스터빈을 이용해 다시 한 번 낮추므로, 재액화 효율을 더욱 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 제 2 가스터빈을 통해 증발가스의 에너지를 추가적으로 회수하여 사용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 부분 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 방법의 개략적인 흐름도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법은 액화천연가스 화물창이 설치되는 선박 및 육상에서 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 액화천연가스 저장탱크(100)부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키는 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315); 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에 의해 다단계로 압축된 증발가스의 에너지를 회수하는 제 1 가스터빈(400); 제 1 가스터빈(400)을 통과한 증발가스와 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기(200); 제 1 가스터빈(400) 및 자가열교환기(200)를 통과한 증발가스의 에너지를 회수하는 제 2 가스터빈(520); 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315), 제 1 가스터빈(400), 자가열교환기(200) 및 제 2 가스터빈(520)을 통과한 증발가스의 압력을 낮추는 감압장치(510); 액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스를 분리하는 기액분리기(500); 및 제 1 가스터빈(400)의 축과 연결되는 추가 압축기(410);를 포함한다.
본 실시예의 액화천연가스 저장탱크(100)는, 액화천연가스를 보관하며, 외부에서 전달되는 열에 의해 액화천연가스가 기화되어 생성되는 증발가스를 일정 압력 이상이 되면 외부로 배출시킨다.
본 실시예의 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)는 액화천연가스 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 다단계로 압축시킨다. 압축된 증발가스의 일부는 엔진의 연료로 사용되고 일부는 재액화되어 다시 저장탱크(100)로 돌려보내진다.
본 실시예에서는 다섯 개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 포함하여, 다섯 단계의 압축과정을 거치는 것을 예를 들어 설명하였으나, 압축기의 개수가 한정되는 것은 아니다. 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 후단에는, 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 통과한 후 압력뿐만 아니라 온도가 올라간 증발가스의 온도를 낮추는, 열교환기(321, 322, 323, 324, 325)가 각각 설치될 수 있다.
일부 압축과정, 일례로 세 번의 압축과정을 거친 증발가스의 일부는 DF엔진에 공급된다. 또한, 다섯 번의 압축과정을 모두 거친 증발가스의 일부는 고압의 천연가스를 연료로 사용하는 ME-GI엔진에 공급되고, 다섯 번의 압축과정을 모두 거친 증발가스의 나머지 일부는 제 1 가스터빈(400)으로 보내진다.
또한, 제 1 압축기(311) 전단과 제 1 열교환기(321) 후단을 연결하도록 제 1 바이패스라인(X라인)이 설치될 수 있고, 제 4 압축기(314) 전단과 제 5 열교환기(325) 후단을 연결하도록 제 2 바이패스라인(Y라인)이 설치될 수 있는데, 제 1 바이패스라인(X라인)과 제 2 바이패스라인(Y라인)은, 엔진에서 사용되는 증발가스의 양이 줄어드는 경우에 증발가스의 유량을 조절하고, 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 내부의 서지(Surge) 현상을 방지하는 역할을 한다. 이러한 바이패스 라인은 압축기(311, 312, 313, 314, 315)의 설계에 따라 수량 및 연결 위치가 다양할 수 있다.
본 실시예의 제 1 가스터빈(400)은, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 통과하며 압축된 증발가스의 에너지를 회수하여 증발가스의 온도 및 압력을 낮추며, 다수개 설치될 수 있다. 닫힌계에서 외부로 일을 하면 닫힌계 내부의 전체적인 에너지가 감소되므로, 증발가스가 제 1 가스터빈(400)을 작동시키게 되면 증발가스의 온도 및 압력이 감소하게 된다.
본 실시예의 제 1 가스터빈(400)은, 압축된 증발가스의 에너지를 회수하기 위하여 증발가스를 팽창시키는 목적으로 설치된 것이며, 압축된 증발가스의 에너지를 소비시키기 위한 다른 장치로 대체될 수 있다. 일례로, 발전기가 연결된 터보 익스팬더(Turbo Expander) 등, 압축 증발가스가 가진 에너지를 전력 등의 다른 형태로 전환할 수 있는 장치가 설치될 수 있다.
본 실시예의 자가열교환기(200)는, 액화천연가스 저장탱크(100)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 배출 증발가스를, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에 의해 압축된 후 제 1 가스터빈(400)을 통과한 증발가스와 열교환 시킨다. 자가열교환기(200)의 자가(Self-)는 저온의 증발가스 자체를 냉각 유체로 이용하여 고온의 증발가스와 열교환 시킨다는 의미를 가진다.
본 실시예의 제 2 가스터빈(520)은, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에 의해 압축된 후 제 1 가스터빈(400) 및 자가열교환기(200)를 통과한 증발가스의 에너지를 추가적으로 회수하여 증발가스의 온도 및 압력을 더욱 낮추며, 다수개 설치될 수도 있다.
제 2 가스터빈(520)이 회수한 에너지는, 제 1 가스터빈(400)의 경우와 마찬가지로, 제 2 가스터빈(520)의 축과 연결되는 압축기에 의해 증발가스를 압축시키는 데에 사용될 수도 있고, 전력으로 전환될 수도 있으며, 그 밖에도 다양한 용도로 사용될 수 있다.
본 실시예의 제 2 가스터빈(520)은, 발전기가 연결된 터보 익스팬더(Turbo Expander) 등, 압축된 증발가스의 에너지를 회수하기 위한 다른 장치로 대체될 수 있다.
본 실시예의 감압장치(510)는, 저장탱크(100)로부터 배출된 후 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315), 제 1 가스터빈(400), 자가열교환기(200) 및 제 2 가스터빈(520)을 통과한 증발가스의 압력을 대략 상압 근처까지 낮춘다. 감압장치(510)는 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(500)는, 감압장치(510)를 지나면서 일부 재액화된 증발가스와 액화되지 않고 기체상태로 남은 증발가스를 분리하여, 액화된 증발가스는 저장탱크(100)로 돌려보내고, 기체상태의 증발가스는 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스와 함께 다시 자가열교환기(200)로 보낸다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는 기액분리기(500)를 포함하지 않을 수도 있는데, 기액분리기(500)를 포함하지 않는 경우, 감압장치(510)를 통과한 증발가스는 액체 및 기체가 섞인 상태로 함께 저장탱크(100)로 보내지게 된다.
본 실시예의 추가 압축기(410)는, 제 1 가스터빈(400)의 축과 연결되어, 제 1 가스터빈(400)에 의해 일로 전환된 증발가스의 엔탈피를 사용하여 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 압축시킨다.
추가 압축기(410)에 의해 압축된 증발가스는, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 중 어느 하나의 압축기의 전단으로 보내진다. 바람직하게는 제 2 압축기(312) 전단 또는 제 3 압축기(313) 전단으로 보내지나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 추가 압축기(410)에 의해 압축된 증발가스는, 추가적인 압축 과정을 거치지 않고 바로 DF엔진으로 보내질 수도 있다.
추가 압축기(410)에 의해 압축된 증발가스를 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 중 어느 하나의 압축기의 전단 또는 DF엔진으로 보내는 라인 상에는 감압장치(511, 512)가 설치되어, 압축기 또는 DF엔진의 요구 압력 조건에 맞출 수 있도록 증발가스의 압력을 낮출 수 있다. 감압장치(511, 512)는 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는 증발가스가 가진 엔탈피를 이용하여 구동되는 추가 압축기(410)를 포함하므로, 압축기(311, 312, 313, 314, 315)의 구동 전력을 절약할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 추가 압축기(410) 후단에 설치되는 추가 열교환기(420)를 더 포함할 수 있는데, 추가 열교환기(420)는, 저장탱크(100)로부터 배출된 후 추가 압축기(410)에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨다.
또한, 추가 압축기(410) 전단과 추가 열교환기(420) 후단을 연결하도록 제 3 바이패스라인(Z라인)이 설치될 수 있는데, 제 3 바이패스라인(Z라인)은, 엔진에서 사용되는 증발가스의 양이 줄어드는 경우에 증발가스의 유량을 조절하고, 추가 압축기(410) 내부의 서지(Surge) 현상을 방지하는 역할을 한다. 이러한 바이패스 라인은 추가 압축기(410)의 설계에 따라 수량 및 연결 위치가 다양할 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 제 1 가스터빈(400) 또는 추가 압축기(410)의 작동을 조절하는 컨트롤러(430); 제 1 가스터빈(400) 후단에서 제 1 가스터빈(400)을 통과한 증발가스의 온도를 측정하는 온도 트랜스미터(Temperature Transmitter, 440); 및 제 1 가스터빈(400) 후단에서 제 1 가스터빈(400)을 통과한 증발가스의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터(Pressure Transmitter, 450);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 컨트롤러(430)는, 온도 트랜스미터(440) 및 압력 트랜스미터(450)가 측정하는 증발가스의 온도 및 압력 값에 따라 제 1 가스터빈(400) 또는 추가 압축기(410)의 작동을 조절한다. 제 1 가스터빈(400)이 증발가스의 엔탈피를 너무 많이 일로 전환시키면, 증발가스의 에너지가 너무 낮아지게 되어 증발가스가 액화되고, 액화된 증발가스는 제 1 가스터빈(400)을 손상시킬 수 있으므로, 컨트롤러(430)는 제 1 가스터빈(400)을 통과하는 증발가스가 액화되지 않는 범위에서 제 1 가스터빈(400) 또는 추가 압축기(410)가 작동하도록 조절한다.
또한, 도시하지는 않았으나, 제 2 가스터빈(520) 후단에도, 제 2 가스터빈(520)을 통과한 증발가스의 온도 및 압력을 측정하는 온도 트랜스미터 및 압력 트랜스미터가 설치될 수 있고, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 제 2 가스터빈(520)을 통과한 증발가스의 온도 및 압력 값에 따라 제 2 가스터빈(520)의 작동을 조절하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 제 1 가스터빈(400)을 포함하여 종래 기술에 비하여 더 낮은 온도, 낮은 압력의 압축 증발가스를 자가열교환기(200)로 공급할 수 있고, 제 2 가스터빈(520)을 포함하여 자가열교환기(200)을 통과한 증발가스의 온도 및 압력을 더욱 낮출 수 있으므로, 같은 양의 배출 증발가스를 냉각 유체로 사용하더라도 더 많은 증발가스를 재액화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 방법의 개략적인 흐름도이다. 단일선으로 된 화살표는, 액화천연가스, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스 또는 압축된 후 감압장치(510)에 의해 감압된 증발가스의 흐름을 나타내고, 이중선으로 된 화살표는, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에 의해 압축된 증발가스의 흐름을 나타내며, 점선으로 된 화살표는, 증발가스가 가진 에너지의 흐름을 나타낸다. 또한, '저압'의 의미는 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 중 일부만을 통과한 상태를 의미하고, '고압'의 의미는 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 모두 통과한 상태를 의미한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 저장탱크로부터 배출된 증발가스는(S100), 자가열교환기로 보내져, 다수개의 압축기에 의해 압축된 후 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스와 열교환된 후(S200), 다수개의 압축기에 의해 압축된다(S300). 다수개의 압축기에 의해 저압으로 압축된 증발가스의 일부는 DF엔진으로 보내지고(S310), 다수개의 압축기에 의해 고압으로 압축된 증발가스의 일부는 ME-GI엔진으로 보내지며(S320), 다수개의 압축기에 의해 고압으로 압축된 증발가스의 나머지 일부는 제 1 가스터빈으로 보내진다(S400).
다수개의 압축기에 의해 고압으로 압축된 후 제 1 가스터빈으로 보내진 증발가스는 제 1 가스터빈을 작동시키고(S400), 제 1 가스터빈에 의해 에너지가 낮아져 온도 및 압력이 낮아진 증발가스는 자가열교환기로 보내진다(S500).
다수개의 압축기 및 제 1 가스터빈을 통과한 후 자가열교환기로 보내진 증발가스는 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환되고(S200), 다수개의 압축기, 제 1 가스터빈 및 자가열교환기를 통과한 증발가스는 제 2 가스터빈을 지나고(S800), 제 2 가스터빈에 의해 다시 한 번 온도 및 압력이 내려간 증발가스는 감압장치에 의해 감압된다(S600).
감압장치를 통과하며 일부 액화된 증발가스는, 기액분리기에 의해 분리되어(S700) 저장탱크로 보내지고, 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 다시 자가열교환기로 보내져(S720) 열교환(S200) 및 압축(S300) 과정을 거친다.
한편, 제 1 가스터빈에 의해 일로 전환된 증발가스의 엔탈피는, 제 1 가스터빈의 축과 연결된 추가 압축기를 작동시키는 데 사용되고(S410), 추가 압축기는 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시킨다(S420). 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시킨 후(S430), 압축 및 냉각된 증발가스를 압축기 전단으로 보낸다(S440). 추가 압축기(410)에 의해 압축된 증발가스는, 바람직하게는 제 2 압축기(312) 전단이나, 제 3 압축기(313) 전단으로 보내질 수 있다. 또한, 추가 압축기(410)에 의해 압축된 증발가스는, 추가적인 압축 과정을 거치지 않고 바로 DF엔진으로 보내질 수도 있다.
이하, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 '배출 증발가스'라 하고, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에 의해 고압으로 압축된 증발가스를 '압축 증발가스'라고 한다.
저장탱크(100)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스는, 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)에 의해 압축된 후 제 1 가스터빈(400)을 통과하여 대략 60bar, -70℃ 상태가 된 증발가스와, 자가열교환기(200)에서 열교환되어, 대략 1.05bar, -72℃ 상태가 된다. 이후, 대략 1.05bar, -72℃ 상태의 증발가스는 종래와 마찬가지의 압축 과정을 거치게 된다.
대략 1.05bar, -72℃ 상태의 증발가스는 제 1 압축기(311)에 의해 압축되면 대략 3.20bar, 17℃ 상태가 되고, 제 1 열교환기(321)를 거쳐 대략 3.13bar, 17℃ 상태가 된다. 대략 3.13bar, 17℃ 상태의 증발가스는 제 2 압축기(312)에 의해 대략 13.06bar, 143℃로 압축되고, 제 2 열교환기(322)에 의해 대략 12.64bar, 43℃로 냉각된다. 대략 12.64bar, 43℃의 증발가스는 제 3 압축기(313)를 거쳐 대략 41.83bar, 150℃ 상태가 되고, 제 3 열교환기(323)를 거쳐 대략 40.67bar, 43℃ 상태가 된다.
세 번의 압축 과정을 거쳐 대략 40.67bar, 43℃ 상태가 된 증발가스의 일부는 DF엔진에 공급되고, 나머지는 계속하여 압축 과정을 거친다. 세 번의 압축 과정을 거친 증발가스를 DF엔진으로 보내는 라인 상에는 감압장치(511)를 설치하여 DF엔진으로 공급되는 압축 증발가스의 압력을 낮추도록 할 수 있다. 감압장치(511)는 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
대략 40.67bar, 43℃ 상태의 증발가스가 제 4 압축기(314)를 거쳐 대략 92.72bar, 114℃의 상태가 되고, 제 4 열교환기(324)를 거쳐 대략 90.38bar, 43℃의 상태가 된다. 대략 90.38bar, 43℃의 상태의 증발가스는 제 5 압축기(315)를 거쳐 대략 312.35bar, 152℃ 상태가 되고, 제 5 열교환기(325)를 거쳐 대략 300bar, 40℃ 상태가 된다.
다섯 번의 압축 과정을 거쳐 대략 300bar, 40℃ 상태가 된 증발가스의 일부는 ME-GI엔진에 공급되고, 나머지는 제 1 가스터빈(400)에 공급된다.
제 1 가스터빈(400)에 의해 증발가스의 일부 에너지가 추가 압축기(410)의 구동 에너지로 전환되고, 전체 에너지가 낮아진 증발가스는 대략 60bar, -70℃ 상태가 되며, 대략 60bar, -70℃ 상태의 증발가스는, 저장탱크(100)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스와 자가열교환기(200)에서 열교환된다.
자가열교환기(200)에서 배출 증발가스와 열교환된 증발가스는 대략 -125℃인 것이 바람직한데, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 방법에 의하면, 대략 60bar, -70℃ 상태의 증발가스를 -55℃만큼만 냉각시키면 되므로, 기존에 제 1 가스터빈(400)을 거치지 않은 대략 300bar, 40℃ 상태의 압축 증발가스를 -165℃만큼 냉각시켜야 할 때와 비교하여, 같은 양의 배출 증발가스를 냉각 유체로 사용하였을 때의 재액화 효율이 대략 세 배 정도 높다.
자가열교환기(200)에서 배출 증발가스와 열교환된 증발가스는, 제 2 가스터빈(520)을 통과하며 온도 및 압력이 더욱 낮아진다.
한편, 저장탱크(100)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스의 일부는, 추가 압축기(410)로 보내져 압축되고 추가 열교환기(420)에 의해 냉각된 후 압축기 전단으로 보내진다. 추가 압축기(410)에 의해 압축된 후 추가 열교환기(420)에 의해 냉각된 증발가스는, 제 2 압축기(312) 전단으로 보내지는 경우에는 대략 3.13bar, 17℃ 상태인 것이 바람직하고, 제 3 압축기(313) 전단으로 보내지는 경우에는 대략 12.64bar, 43℃ 상태인 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 증발가스가 다섯 번의 압축과정을 거치는 경우를 설명하였으나, 증발가스는 필요한 만큼 압축될 수 있고, 압축 횟수가 한정되는 것은 아니다.
연료유(Fuel Oil) 탱크(600)로부터 공급되는 연료유는, 다수개의 펌프(Pump, 700) 및 히터(Heater, 800)에 의해 DF엔진 또는 ME-GI엔진에서 사용될 수 있는 압력 및 온도 상태가 되어, DF엔진 또는 ME-GI엔진에 공급된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 액화천연가스 저장탱크 200 : 자가열교환기
311, 312, 313, 314, 315 : 압축기
321, 322, 323, 324, 325 : 열교환기
400, 520 : 가스터빈 410 : 추가 압축기
420 : 추가 열교환기 430 : 컨트롤러
440 : 온도 트랜스미터 450 : 압력 트랜스미터
500 : 기액분리기 510, 511, 512 : 감압장치
600 : 연료유 탱크 700 : 펌프
800 : 히터

Claims (15)

  1. 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 장치에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축하는 다수개의 압축기;
    상기 다수개의 압축기에 의해 다단계로 압축된 증발가스의 에너지를 회수하는 제 1 가스터빈;
    상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스와 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 열교환시키는 자가열교환기;
    상기 제 1 가스터빈 및 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 에너지를 회수하는 제 2 가스터빈;
    상기 다수개의 압축기, 상기 제 1 가스터빈, 상기 자가열교환기 및 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 낮추는 제 1 감압장치; 및
    상기 제 1 가스터빈의 축과 연결되어, 상기 제 1 가스터빈에 의해 일로 전환된 증발가스의 엔탈피를 사용하여 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 추가 압축기;
    를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스는 상기 다수개의 압축기 중 어느 하나의 압축기 전단으로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 다수개의 압축기 중 어느 하나의 압축기 전단으로 보내는 라인 상에 설치되는 제 2 감압장치를 더 포함하고,
    상기 제 2 감압장치는 팽창기 또는 팽창밸브인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스는 엔진으로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스를, 상기 엔진으로 보내는 라인 상에 설치되는 제 3 감압장치를 더 포함하고,
    상기 제 3 감압장치는 팽창기 또는 팽창밸브인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 감압장치를 통과하며 일부 액화된 증발가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 압축기 후단에 각각 설치되어, 상기 압축기를 통과한 증발가스의 온도를 낮추는 다수개의 열교환기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 압축기 중 일부 압축기만을 통과한 증발가스의 일부를 DF엔진으로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수개의 압축기를 모두 통과한 증발가스의 일부는 ME-GI엔진에 공급하고, 나머지 일부는 상기 제 1 가스터빈으로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 감압장치는 팽창밸브 또는 팽창기인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 압축기 후단에 설치되어, 상기 추가 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 추가 열교환기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 가스터빈 후단에서, 상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스의 온도를 측정하는 온도 트랜스미터;
    상기 제 1 가스터빈 후단에서, 상기 제 1 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터; 및
    상기 온도 트랜스미터 및 상기 압력 트랜스미터가 측정하는 증발가스의 온도 및 압력 값에 따라 상기 제 1 가스터빈 또는 상기 추가 압축기의 작동을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 가스터빈 후단에서, 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 온도를 측정하는 온도 트랜스미터;
    상기 제 2 가스터빈 후단에서, 상기 제 2 가스터빈을 통과한 증발가스의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터; 및
    상기 온도 트랜스미터 및 상기 압력 트랜스미터가 측정하는 증발가스의 온도 및 압력 값에 따라 상기 제 2 가스터빈의 작동을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발가스의 에너지를 소모시키는 터보 익스팬더를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  15. 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하기 위하여 증발가스를 냉각 유체로 사용하는 재액화 방법에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 증발가스가 배출되고,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스는 압축되고,
    상기 압축된 증발가스는 일부 에너지를 외부로 전달하고,
    상기 압축된 증발가스로부터 전달된 에너지는 일로 전환되어 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 압축시키고,
    상기 일로 전환된 증발가스의 에너지에 의해 압축된 증발가스는 추가적으로 압축되고,
    상기 일부 에너지를 외부로 전달한 압축된 증발가스는 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환되고,
    열교환된 상기 증발가스는 추가적으로 일부 에너지를 외부로 전달하고,
    열교환 후 추가적으로 일부 에너지를 외부로 전달한 상기 증발가스는 감압되어 일부가 재액화되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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