KR20160103325A - 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 재액화 장치가 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키는 압축부; 상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 및 액화천연가스와 열교환시키는 자가열교환기; 상기 압축부에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 압력을 낮춰주는 감압장치; 상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 압축한 후 기화시키는 기화부; 및 상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 상기 기화부로 보낼지 상기 자가열교환기로 보낼지 조절하는 모드 선택 밸브;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 방법인 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.
한편, ME-GI엔진은 대략 300bar 정도의 고압의 천연가스를 연료로 사용하는데, 천연가스를 대략 300bar 정도로 압축시키기 위해서는 많은 비용이 필요하여 ME-GI엔진의 장점에도 불구하고 실제 선박에 사용되기 어려운 점이 있었다. 그 후, 기체 상태의 천연가스를 압축시키는 것이 아니라 액화천연가스를 압축시킨 후에 기화시켜, 훨씬 적은 비용으로도 ME-GI엔진이 필요로 하는 압력에 도달할 수 있는 방법을 개발하여 ME-GI엔진의 상용화에 기여하였다.
본 발명은, 부분 재액화 시스템의 액화량을 증대시킬 수 있도록, 저장탱크로부터 액화천연가스 기화부로 배출되는 액화천연가스를 우회시켜, 증발가스를 재액화시키는 냉매로 사용하는, 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 재액화시키는 재액화 장치에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키는 압축부; 상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 및 액화천연가스와 열교환시키는 자가열교환기; 상기 압축부에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 압력을 낮춰주는 감압장치; 상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 압축한 후 기화시키는 기화부; 및 상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 상기 기화부로 보낼지(이하, '기화 모드'라고 한다.) 상기 자가열교환기로 보낼지(이하, '냉매 모드'라고 한다.) 조절하는 모드 선택 밸브;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치가 제공된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 자가열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 액화된 증발가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제 1 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 기화부의 전단에서 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 자가열교환기를 통과하여 일부 기화된 천연가스와 액체상태로 남아있는 액화천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 압축부는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 다수개의 압축기; 및 상기 다수개의 압축기 후단에 각각 설치되어 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 다수개의 열교환기;를 포함할 수 있다.
상기 다수개의 압축기 중 일부 압축기만을 거친 증발가스의 일부를 DF엔진으로 보낼 수 있다.
상기 다수개의 압축기를 모두 거친 증발가스의 일부를 ME-GI엔진으로 보낼 수 있다.
상기 기화부에 의해 압축 및 기화된 천연가스를 ME-GI엔진으로 보낼 수 있다.
상기 감압장치는 팽창밸브 또는 팽창기 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기화부는, 상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 압축시키는 펌프; 및 상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 기화시키는 열교환기;를 포함할 수 있다.
상기 모드 선택 밸브는 3-way밸브일 수 있고, 상기 모드 선택 밸브와 연결되는 제 1 라인은 상기 자가열교환기와 연결될 수 있고, 상기 모드 선택 밸브와 연결되는 제 2 라인은 상기 기화부와 연결될 수 있고, 상기 모드 선택 밸브와 연결되는 제 3 라인은 상기 저장탱크와 연결될 수 있다.
'기화 모드'인 경우 상기 모드 선택 밸브는, 상기 제 1 라인은 차단하고, 상기 제 2 라인과 상기 제 3 라인을 연결시켜, 상기 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를 상기 기화부로 보낼 수 있다.
'냉매 모드'인 경우 상기 모드 선택 밸브는, 상기 제 2 라인은 차단하고, 상기 제 1 라인과 상기 제 3 라인을 연결시켜, 상기 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를 상기 자가열교환기로 보낼 수 있다.
상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 기화된 천연가스는, 상기 압축부 또는 상기 자가열교환기로 보내지거나, 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내져 연소되거나, 외부로 배출(Vent)될 수 있고, 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 기화부로 보내질 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 장치는, 상기 저장탱크로부터 배출되어 상기 자가열교환기로 공급되는 액화천연가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 유량 조절 밸브는 3-Way밸브이고, 상기 유량 조절 밸브와 연결되는 제 4 라인은 상기 자가열교환기와 연결될 수 있고, 상기 유량 조절 밸브와 연결되는 제 5 라인은 상기 모드 선택 밸브와 연결될 수 있고, 상기 유량 조절 밸브와 연결되는 제 6 라인은 상기 자가열교환기와 상기 제 2 기액분리기를 연결하는 라인과 연결될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 재액화 방법에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 압축된 증발가스는, 일부는 엔진의 연료로 사용되고, 나머지 일부는 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 및 액화천연가스와 열교환되고, 상기 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를, 압축 및 기화시켜 엔진의 연료로 사용할지, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 압축된 증발가스와 열교환시킬지 선택할 수 있는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명의 선박용 증발가스 재액화 장치 및 방법에 의하면, 모드 선택 밸브를 포함하므로, 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를 액화천연가스 기화부로 보낼지 자가열교환기로 보낼지 선택할 수 있다.
저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를 자가열교환기로 보내는 경우, 증발가스를 재액화시키기 위한 냉매로서, 저장탱크로부터 배출되는 증발가스뿐만 아니라 액화천연가스까지 사용할 수 있으므로, 재액화 효율을 극대화시킬 수 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 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 압축부(300); 압축부(300)에 의해 압축된 증발가스를, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스 및 액화천연가스와 열교환시키는 자가열교환기(200); 압축부(300)에 의해 압축된 후 자가열교환기(200)를 통과한 증발가스의 압력을 낮춰주는 감압장치(710); 자가열교환기(200) 및 감압장치(710)를 통과하며 액화된 증발가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제 1 기액분리기(510); 저장탱크(100) 내부의 액화천연가스를 압축한 후 기화시키는 기화부(400); 저장탱크(100) 내부의 액화천연가스를 기화부(400)로 보낼지 자가열교환기(200)로 보낼지 조절하는 모드 선택 밸브(750); 및 저장탱크(100)로부터 배출된 후 자가열교환기(200)를 통과하여 일부 기화된 천연가스와 액체상태로 남아있는 액화천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기(520);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 압축부(300)는, 액화천연가스 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스를 다단계로 압축시키는 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315); 및 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 후단에 각각 설치되어 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 통과한 후 압력뿐만 아니라 온도가 올라간 증발가스의 온도를 낮춰주는 열교환기(321, 322, 323, 324, 325);를 포함한다.
압축부(300)에서 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.
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 다른 일부는 자가열교환기(200)로 공급된다.
또한, 제 1 압축기(311) 전단과 제 1 열교환기(321) 후단을 연결하도록 제 1 바이패스라인(330)이 설치될 수 있고, 제 4 압축기(314) 전단과 제 5 열교환기(325) 후단을 연결하도록 제 2 바이패스라인(331)이 설치될 수 있는데, 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.
본 실시예의 자가열교환기(200)는, 압축부(300)를 통과하며 온도와 압력이 높아진 증발가스를, 액화천연가스 저장탱크(100)로부터 배출된 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스와 열교환 시킨다. 또한, 모드 선택 밸브(750)가 저장탱크(100)로부터 배출되는 액화천연가스를 자가열교환기(200) 쪽으로 보내는 경우, 본 실시예의 자가열교환기(200)는, 압축부(300)를 통과하며 온도와 압력이 높아진 증발가스를 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스와 열교환시키는 동시에 저장탱크(100)로부터 배출되는 액화천연가스와 열교환 시킨다. 즉, 압축부(300)를 통과한 압축 증발가스를 재액화시키기 위하여, 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스뿐만 아니라 액화천연가스를 냉매로 사용하므로 재액화 효율을 극대화할 수 있다.
자가열교환기(200)의 자가(Self-)는 저온의 증발가스 자체를 냉각 유체로 이용하여 고온의 증발가스와 열교환 시킨다는 의미를 가진다.
본 실시예의 감압장치(710)는, 저장탱크(100)로부터 배출된 후 압축부(300) 및 자가열교환기(200)를 통과한 증발가스의 압력을 대략 상압 근처까지 낮춘다. 감압장치(710)는 팽창밸브 또는 팽창기일 수 있다.
본 실시예의 제 1 기액분리기(510)는, 자가열교환기(200) 및 감압장치(710)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 제 1 기액분리기(510)를 포함하지 않을 수도 있는데, 제 1 기액분리기(510)를 포함하지 않는 경우, 압축부(300)에 의해 압축된 후 자가열교환기(200) 및 감압장치(710)를 통과한 증발가스는, 액체 및 기체가 섞인 상태로 함께 저장탱크(100)로 보내지게 된다.
본 실시예의 기화부(400)는, 저장탱크(100)로부터 배출된 액화천연가스를 압축시키는 펌프(Pump, 401); 및 펌프(401)에 의해 압축된 액화천연가스를 기화시키는 열교환기(402);를 포함한다. 본 실시예의 기화부(400)에 의하면, 액체상태의 액화천연가스를 고압(약 315bar)으로 압축시킨 후에 기화시키므로, 기체상태의 천연가스를 압축시키는 경우에 비하여, 경제적이고 효율적으로 원하는 압력 상태의 천연가스를 얻을 수 있다.
본 실시예의 모드 선택 밸브(750)는, 3-Way밸브로, 액화천연가스 저장탱크(100)와 기화부(400)를 연결하는 라인 상에 설치되어, 저장탱크(100)로부터 배출되는 액화천연가스를 기화부(400)로 보낼지(이하, '기화 모드'라고 한다.) 자가열교환기(200)로 보낼지(이하, '냉매 모드'라고 한다.) 선택할 수 있도록 한다. 모드 선택 밸브(750)와 연결되는 제 1 라인(751)은 자가열교환기(200)와 연결되고, 제 2 라인(752)은 기화부(400)와 연결되고, 제 3 라인(753)은 액화천연가스 저장탱크(100)와 연결된다.
본 실시예의 압축부(300)는 HICOM이라고도 하며, 선박이 액화천연가스 생산지에서 액화천연가스를 선적하여 저장탱크(100) 내에 액화천연가스가 많은 경우에는, 저장탱크(100) 내부의 증발가스도 많이 발생하므로, 저장탱크(100) 내부의 증발가스를 압축부(300)를 이용하여 압축하여 엔진의 연료로 사용한다.
본 실시예의 기화부(400)는 HIVAR라고도 하며, 선박이 액화천연가스 소비처에 액화천연가스를 하역하여 저장탱크(100) 내에 액화천연가스가 적은 경우에는, 저장탱크(100) 내부의 증발가스도 적게 발생하므로, 증발가스만으로는 엔진의 부하를 감당할 수 없게 된다. 증발가스만으로 엔진의 부하를 감당할 수 없는 경우에, 기화부(400)를 이용하여 저장탱크(100) 내부의 액화천연가스를 기화시켜 엔진의 연료로 사용한다.
본 실시예의 모드 선택 밸브(750)는, 압축부(300)를 사용하는 경우에는 '기화 모드'가 되고, 기화부(400)를 사용하는 경우에는 '냉매 모드'가 되어 액화천연가스를 선택적으로 사용할 수 있도록 한다.
'기화 모드'인 경우, 모드 선택 밸브(750)는, 자가열교환기(200)와 연결되는 제 1 라인(751)은 차단하고, 기화부(400)와 연결되는 제 2 라인(752)과 액화천연가스 저장탱크(100)와 연결되는 제 3 라인(753)을 연결시켜, 저장탱크(100)로부터 배출되는 액화천연가스를 기화부(400)로 보낸다. 기화부(400)로 보내진 액화천연가스는 압축된 후 기화되어 ME-GI엔진에 연료로 공급된다.
'냉매 모드'인 경우, 모드 선택 밸브(750)는, 기화부(400)와 연결되는 제 2 라인(752)은 차단하고, 자가열교환기(200)와 연결되는 제 1 라인(751)과 저장탱크(100)와 연결되는 제 3 라인(753)을 연결시켜, 저장탱크(100)로부터 배출되는 액화천연가스를 자가열교환기(200)로 보낸다. 자가열교환기(200)로 보내진 액화천연가스는, 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스와 함께, 압축부(300)에 의해 압축된 증발가스를 재액화시키는 냉매로 사용된다.
모드 선택 밸브(750)는, '기화 모드'에서 기화부(400)의 펌프(401)가 요구하는 유효흡입수두(NPSH; Net Positive Suction Head)를 만족시킬 수 있도록 설정되며, 모드 선택 밸브(750)를 이용하여 액화천연가스의 유량을 조절하는 것도 가능하다.
기체 상태의 천연가스는 비교적 밀도가 낮은 반면(대략 5~10kg/m3), 액화천연가스는 비교적 밀도가 높기 때문에(대략 430~460kg/m3), 액화천연가스를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 경우, 상대적으로 적은 양(대략 40~80배)으로 냉각이 가능하다. 또한, 기체 상태의 천연가스는 비교적 비열이 작은 반면(대략 2kJ/kg℃ 이하), 액화천연가스는 비교적 비열이 크기 때문에(약 3.13kJ/kg℃), 액화천연가스를 냉매로 사용하여 열교환하는 것이 기체 상태의 천연가스를 사용하는 것보다 유리하다.
펌프(401)에 기체가 들어가면 효율이 떨어지고 고장의 원인이 될 수 있기 때문에, 저장탱크(100)로부터 배출되어 자가열교환기(200)를 통과한 액화천연가스가 펌프(401)로 들어오기 전에 기체 성분은 분리되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는 펌프(401) 전단에 설치되는 제 2 기액분리기(520)를 포함하여, 펌프(401)를 보호하고, 분리된 기체는 다시 압축부(300)로 보냄으로써 버려지는 천연가스를 최소화할 수 있다.
본 실시예의 제 2 기액분리기(520)는, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치가 '냉매 모드'인 경우, 자가열교환기(200)에서 열교환되어 일부 기화된 저장탱크(100)로부터 배출된 액화천연가스를, 액체 상태로 남아있는 액화천연가스와 분리한다.
제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 기화된 천연가스는, 압축부(300) 또는 자가열교환기(200)로 보내지거나, 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내져 연소되거나, 외부로 배출(Vent)된다. 또한, 제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 액체 상태로 남아있는 액화천연가스는 기화부(400)로 보내진다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브(720, 730)를 더 포함할 수 있다. 압력 조절 밸브(720, 730)는 다수개 설치될 수 있으며, 압축부(300)와 제 2 기액분리기(520)를 연결하는 라인 상에 설치되거나, 저장탱크(100)와 자가열교환기(200)를 연결하는 라인에서 분기되어 제 2 기액분리기(520)와 연결되는 라인 상에 설치될 수도 있으며, 양 라인 상에 모두 설치될 수도 있다.
압축부(300)와 제 2 기액분리기(520)를 연결하는 라인 상에 설치되는 압력 조절 밸브(720)는, 제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스의 압력을 제 1 압축기(311)가 요구하는 압력으로 맞추는 역할을 한다. 제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 후 압축부(300)로 보내지는 천연가스는, 대략 1.05bar 정도인 것이 바람직하다.
저장탱크(100)와 자가열교환기(200)를 연결하는 라인에서 분기되어 제 2 기액분리기(520)와 연결되는 라인 상에 설치되는 압력 조절 밸브(730)는, 제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스의 압력을 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스와 비슷한 압력으로 맞추는 역할을 한다.
제 2 기액분리기(520)에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스는, 압력 조절 밸브(720, 730)에 의해 압력이 조절되어, 자가열교환기(200) 또는 제 1 압축기(311)에 맥동현상 없이 공급될 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 장치는, 저장탱크(100)로부터 배출되어 자가열교환기(200)로 공급되는 액화천연가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브(740)를 더 포함할 수 있다.
유량 조절 밸브(740)는, 3-Way밸브로, 자가열교환기(200)와 모드 선택 밸브(750)를 연결하는 라인 상에 설치되어, 유량 조절 밸브(740)와 연결되는, 제 4 라인(741)은 자가열교환기(200)와 연결되고, 제 5 라인(742)은 모드 선택 밸브(750)와 연결되고, 제 6 라인(743)은 자가열교환기(200)와 제 2 기액분리기(520)를 연결하는 라인과 연결된다.
유량 조절 밸브(740)는, 엔진의 부하에 따라 필요한 재액화량을 분석하여 미리 설정된 냉매의 온도에 따른 유량만큼 저장탱크(100)로부터 배출되어 모드 선택 밸브(750)를 통과한 액화천연가스를 자가열교환기(200)로 보내주고, 자가열교환기(200)의 배압이 과도하게 생성되어 이상이 발생하는 경우에는 액화천연가스를 제 6 라인(743)으로 우회시켜 바로 제 2 기액분리기(520)로 보낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 방법의 개략적인 흐름도이다. 단일선으로 된 화살표는 압축되지 않은 상태의 천연가스(또는 증발가스)의 흐름을 나타내고, 이중선으로 된 화살표는 압축된 상태의 천연가스(또는 증발가스)의 흐름을 나타내며, 점선으로 된 화살표는 액화천연가스의 흐름을 나타낸다. 또한, '저압'의 의미는 압축부(300)의 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315) 중 일부만을 통과한 상태를 의미하고, '고압'의 의미는 압축부(300)의 다수개의 압축기(311, 312, 313, 314, 315)를 모두 통과한 상태를 의미한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 저장탱크로부터 배출된 증발가스(S200)는, 자가열교환기로 보내져 압축부에 의해 압축된 증발가스와 열교환된다(S210). 저장탱크로부터 배출된 후 자가열교환기를 통과한 증발가스는, 압축부로 보내져 압축되며(S220), 저압으로 압축된 증발가스의 일부는 DF엔진으로 보내지고(S221), 고압으로 압축된 증발가스의 일부는 ME-GI엔진으로 보내지며(S222), 고압으로 압축된 증발가스의 나머지는 자가열교환기로 보내진다(S230). 저압으로 압축된 증발가스를 DF엔진으로 보내는 라인 상에는 감압장치(760)를 설치하여 DF엔진으로 공급되는 압축 증발가스의 압력을 낮추도록 할 수 있다.
자가열교환기로 보내진 고압으로 압축된 증발가스(이하, '압축 증발가스'라고 한다.)는, 저장탱크로부터 배출된 증발가스 및 액화천연가스와 열교환된다(S210). 저장탱크로부터 배출된 증발가스 및 액화천연가스와 열교환되어 온도가 낮아진 압축 증발가스는 감압장치에 의해 압력이 낮아지고(S240), 자가열교환기 및 감압장치를 통과하며 일부 재액화된 증발가스를 제 1 기액분리기가 분리하여(S250), 액화된 증발가스는 저장탱크로 보내고(S251), 기체 상태의 증발가스는 다시 자가열교환기로 보낸다(S252). 제 1 기액분리기로부터 분리되어 자가열교환기로 보내진 기체 상태의 증발가스는, 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 함께 다시 열교환(S210) 및 압축(S220) 과정을 거치게 된다.
한편, 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스(S100)는, 모드 선택 과정(S111)에서 기화 모드가 선택된 경우에는, 기화부로 보내져 압축된 후 기화되어(S121) ME-GI엔진으로 보내진다(S131).
또한, 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스(S100)는, 모드 선택 과정(S111)에서 냉매 모드가 선택된 경우에는, 자가열교환기로 보내져(S122) 압축 증발가스와 열교환된다(S210). 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스(S100)가 자가열교환기로 보내지기 전에 유량 조절 과정(S112)을 거칠 수도 있는데, 유량 조절 과정(S112)을 통해, 저장탱크 내부의 액화천연가스가 미리 설정된 냉매의 온도에 따른 유량만큼 자가열교환기로 보내질 수 있고(S122), 자가열교환기의 배압이 과도하게 생성되어 이상이 발생하는 경우에는 액화천연가스를 바로 제 2 기액분리기로 보낼 수 있다(S132).
냉매 모드에서, 저장탱크로부터 배출된 후 자가열교환기로 보내진 액화천연가스는(S122), 열교환 과정(S210)을 거친 후 제 2 기액분리기로 보내져 기화된 천연가스와 액체 상태의 천연가스가 분리된다(S132). 제 2 기액분리기에 의해 분리된 기화된 천연가스는(S132), 외부로 배출되거나 소각될 수도 있고(S151), 압축부로 보내져(S152) 압축될 수도 있고(S220), 자가열교환기로 보내져(S153) 다시 열교환과정을 거칠 수도 있다(S210). 제 2 기액분리기에 의해 분리된 액체 상태의 액화천연가스는(S132), 기화부로 보내져(S154) 압축된 후 기화되어(S121) ME-GI엔진에 공급된다(S131).
본 실시예에서는 증발가스가 다섯 번의 압축과정을 거치는 경우를 설명하였으나, 증발가스는 압축부(300)에서 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
300 : 압축부 400 : 기화부
311, 312, 313, 314, 315 : 압축기
321, 322, 323, 324, 325, 402 : 열교환기
710, 760 : 감압장치 720, 730 : 압력 조절 밸브
750 : 모드 선택 밸브 510, 520 : 기액분리기
600 : 연료유 탱크 401, 700 : 펌프
800 : 히터

Claims (17)

  1. 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 재액화 장치에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 다단계로 압축시키는 압축부;
    상기 압축부에 의해 압축된 증발가스를, 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 및 액화천연가스와 열교환시키는 자가열교환기;
    상기 압축부에 의해 압축된 후 상기 자가열교환기를 통과한 증발가스의 압력을 낮춰주는 감압장치;
    상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 압축한 후 기화시키는 기화부; 및
    상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 상기 기화부로 보낼지(이하, '기화 모드'라고 한다.) 상기 자가열교환기로 보낼지(이하, '냉매 모드'라고 한다.) 조절하는 모드 선택 밸브;
    를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자가열교환기 및 상기 감압장치를 통과하며 액화된 증발가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 제 1 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화부의 전단에서 상기 저장탱크로부터 배출된 후 상기 자가열교환기를 통과하여 일부 기화된 천연가스와 액체상태로 남아있는 액화천연가스를 분리하는 제 2 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축부는,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키는 다수개의 압축기; 및
    상기 다수개의 압축기 후단에 각각 설치되어 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 다수개의 열교환기;
    를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수개의 압축기 중 일부 압축기만을 거친 증발가스의 일부를 DF엔진으로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 다수개의 압축기를 모두 거친 증발가스의 일부를 ME-GI엔진으로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화부에 의해 압축 및 기화된 천연가스를 ME-GI엔진으로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 감압장치는 팽창밸브 또는 팽창기 중 어느 하나인, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화부는,
    상기 저장탱크로부터 배출된 액화천연가스를 압축시키는 펌프; 및
    상기 펌프에 의해 압축된 액화천연가스를 기화시키는 열교환기;
    를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 모드 선택 밸브는 3-way밸브이고,
    상기 모드 선택 밸브와 연결되는 제 1 라인은 상기 자가열교환기와 연결되고,
    상기 모드 선택 밸브와 연결되는 제 2 라인은 상기 기화부와 연결되고,
    상기 모드 선택 밸브와 연결되는 제 3 라인은 상기 저장탱크와 연결되는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    '기화 모드'인 경우 상기 모드 선택 밸브는,
    상기 제 1 라인은 차단하고, 상기 제 2 라인과 상기 제 3 라인을 연결시켜, 상기 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를 상기 기화부로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    '냉매 모드'인 경우 상기 모드 선택 밸브는,
    상기 제 2 라인은 차단하고, 상기 제 1 라인과 상기 제 3 라인을 연결시켜, 상기 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를 상기 자가열교환기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 기화된 천연가스는,
    상기 압축부 또는 상기 자가열교환기로 보내지거나, 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내져 연소되거나, 외부로 배출(Vent)되고,
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 액화천연가스는 상기 기화부로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  14. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 기액분리기에 의해 분리된 기체 상태의 천연가스의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  15. 청구항 3에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출되어 상기 자가열교환기로 공급되는 액화천연가스의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 유량 조절 밸브는 3-Way밸브이고,
    상기 유량 조절 밸브와 연결되는 제 4 라인은 상기 자가열교환기와 연결되고,
    상기 유량 조절 밸브와 연결되는 제 5 라인은 상기 모드 선택 밸브와 연결되고,
    상기 유량 조절 밸브와 연결되는 제 6 라인은 상기 자가열교환기와 상기 제 2 기액분리기를 연결하는 라인과 연결되는, 선박용 증발가스 재액화 장치.
  17. 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 재액화 방법에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 후 압축된 증발가스는, 일부는 엔진의 연료로 사용되고, 나머지 일부는 상기 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 및 액화천연가스와 열교환되고,
    상기 저장탱크로부터 배출되는 액화천연가스를, 압축 및 기화시켜 엔진의 연료로 사용할지, 상기 저장탱크로부터 배출된 후 압축된 증발가스와 열교환시킬지 선택할 수 있는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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