KR20170044417A - 기액 분리장치 - Google Patents

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KR20170044417A
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리장치는 연료가스를 기체-액체 2상 유체로 팽창시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브를 통과한 상기 2상 유체가 유입되도록 유입부가 형성되고, 내부가 기체영역 및 액체영역으로 구성되는 분리기; 상기 분리기 액체영역과 제1 배관으로 연결되고, 상기 제1 배관상에 제1 제어밸브가 설치되는 액체 연료 저장부; 상기 분리기 기체영역과 제2 배관으로 연결되는 연료가스 공급부; 상기 분리기 액체영역의 압력을 측정하는 제1 압력센서; 상기 분리기 기체영역의 압력을 측정하는 제2 압력센서; 및 상기 제1 및 제2 압력센서의 측정값을 근거로 상기 분리기 액체영역의 수위 정보를 획득하는 제어부를 포함한다.

Description

기액 분리장치{Separator}
본 발명은 기액 분리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2상(phase)으로 혼합된 연료를 액체와 기체를 분리하여 액체 연료를 선박의 연료 탱크로 이송하도록 하는 재액화(reliquefaction)를 위한 기액 분리장치에 관한 것이다.
국제해사기구(IMO) 및 미국, 유럽의 선박 배출가스 규제 정책으로 인하여 규제 정책을 만족시킬 수 있는 액화 연료가스를 연료로 사용하는 선박에 대한 관심이 증가하고 있다. 최근에는 북유럽을 중심으로 액화 연료가스를 사용하는 추진 엔진을 장착한 선박이 소형 페리선(Ferry Ship)을 위주로 운용되고 있지만, 점차 그 적용 대상이 컨테이너선 및 원유 운반선으로 확대될 것으로 예측된다. 대표적인 액화 연료가스로는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas: 이하 'LNG'라 함)를 들 수 있다. 액화연료가스 추진 엔진을 장착한 선박은 항해를 위해서 연료탱크에 액화연료가스를 충전한 후 운항한다.
그러나, 천연가스의 액화온도는 극저온이기 때문에, LNG는 온도가 조금만 올라가도 증발된다. LNG를 저장한 연료탱크의 경우, 외부의 열이 LNG 연료탱크 내부로 지속적으로 전달되기 때문에, LNG를 수송하는 도중에 LNG가 지속적으로 기화되어 LNG 연료탱크 내에 증발가스가 발생하게 된다. 이와 같이, LNG 연료탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 연료탱크 내의 압력이 과도하게 상승하므로, LNG 연료탱크 내에서 발생되는 증발가스를 처리하기 위해 증발가스를 선박 추진 엔진의 연료로 사용하거나 일부를 재액화시켜 LNG 연료탱크로 재유입시킨다.
액화 가스를 연료로 하는 선박의 연료 공급 시스템에서 종래의 기액 분리장치는 도 1에 도시된 바와 같다. 먼저, 고압의 기체연료가 냉각된 후 팽창 밸브(10)을 통과하면 기체 및 액체의 2상(phase) 상태로 된다. 2상의 액화가스는 분리기(20)을 통과하여 액체와 기체로 분리된 다음, 액체는 LNG 연료탱크(50)로 이송되고, 기체는 연료가스 공급부(30)로 이송되어 연료로 사용된다.
기체와 액체로 구성된 2상의 액화가스가 분리기(20)로 유입되면, 입구단의 위치가 분리기(20) 내의 기체영역에 있기 때문에 2상의 액화가스의 상당량이 기화된다. 그러나, 재액화 효율이 낮아져서 액체 연료의 회수율은 낮아지게 된다. 이와 같이 종래의 분리기(20)는 재액화 효율이 낮고, 분리기(20)로부터 기체가 더 많이 공급되도록 고정되어 있기 때문에 사용자의 필요에 의해 재액화량이 기체량보다 더 필요한 경우에도 이에 대응하지 못하는 문제점이 있다.
한국공개특허 제2000-0040527호(2000.07.05. 공개)
본 발명의 실시예들은 분리기내의 수위조절 수단을 포함하여 제어신호에 따라 액화 효율 또는 기화 효율을 제어할 수 있도록 한 기액 분리장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리장치는, 연료가스를 기체-액체 2상 유체로 팽창시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브를 통과한 상기 2상 유체가 유입되도록 유입부가 형성되고, 내부가 기체영역 및 액체영역으로 구성되는 분리기; 상기 분리기 액체영역과 제1 배관으로 연결되고, 상기 제1 배관상에 제1 제어밸브가 설치되는 액체 연료 저장부; 상기 분리기 기체영역과 제2 배관으로 연결되는 연료가스 공급부; 상기 분리기 액체영역의 압력을 측정하는 제1 압력센서; 상기 분리기 기체영역의 압력을 측정하는 제2 압력센서; 및 상기 제1 및 제2 압력센서의 측정값을 근거로 상기 분리기 액체영역의 수위 정보를 획득하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 분리기내의 상기 수위 정보에 따라 제1 제어밸브를 개폐시키도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제2 배관상에 제2 제어밸브가 설치되고, 상기 제어부는 상기 제2 압력센서의 측정값에 따라 상기 제2 제어밸브를 개폐시키도록 구성할 수도 있다.
여기서, 상기 제1 압력센서는 상기 분리기의 바닥면에 설치되고, 상기 제2 압력센서는 상기 분리기의 천정면에 설치될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 2상 유체의 액화효율을 높이기 위해서 상기 분리기의 유입부가 상기 분리기 액체영역에 위치하도록 상기 제1 제어밸브를 제어하거나, 상기 2상 유체의 기화효율을 높이기 위해서 상기 분리기의 유입부가 상기 분리기 기체영역에 위치하도록 상기 제1 제어밸브를 제어할 수도 있다.
한편, 상기 분리기는 상기 제2 배관이 연결되는 기체 출구부에 날개부가 더 설치될 수 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 기액 분리기 내의 수위를 조절할 수 있기 때문에, 사용자의 필요에 따라 재액화 효율을 높이거나 기화 효율을 높이도록 제어할 수 있게 된다.
또한, 기액 분리기 내의 압력을 조절할 수 있기 때문에 기액 분리기가 과압상태일 때 발생될 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.
또한, 기액 분리기에서 기체가 유출되는 부위에 날개부를 설치하여 액체 연료의 액적이 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 기액 분리 장치를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기액 분리장치를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
한편, 제 1 또는 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기액 분리장치를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 기액 분리장치는 내부가 기체영역과 액체영역으로 구성되는 분리기(120)와, 상기 분리기(120) 액체영역의 수위를 측정하는 수단과, 측정된 수위에 따라 수위를 조절하는 제어부(260)를 포함할 수 있다.
분리기(120)는 연료가스가 팽창밸브(110)를 통과하여 팽창되면서 생성된 기체-액체 2상 유체가 유입배관(111)을 통해 분리기(120) 내측으로 유입되도록 측면에 유입부(127)가 형성되며, 그 내부의 상측은 기체영역으로, 하측은 액체영역으로 구분된다. 상기 연료가스는 기체상태에서 냉각되어 액화된 상태로 분리기(120)로 유입될 수 있으며, 기체상태로 분리기(120)로 유입될 수도 있다.
또한, 분리기(120)의 측면 일측에는 기체연료가 배출되도록 기체 출구부(129)가 형성되고, 분리기(120)의 하측면에는 액체연료가 배출되도록 액체 출구부(128)가 형성된다.
여기서, 상기 팽창밸브(110)는 단열 팽창을 통해 연료가스를 기체-액체의 2상 유체로 변화시키는 장치로서, 줄 톰슨 밸브(Joule Thompson valve)라고도 불린다. 본 발명의 일실시예에서는, 팽창밸브(110)를 포함하여 구성되는 것으로 예시하였으나 이에 한정되지 아니하며, 왕복동형 터어빈이 외부에 대해 일을 하면서 단열팽창시키는 팽창기(expander)와 같이 동일한 단열팽창 기능을 수행하는 장치라면, 그 명칭에 구애받지 않고 이를 이용하여 구현될 수 있을 것이다.
상기 분리기(120)에는 액체영역의 압력을 측정하는 액체 압력센서(123)과, 기체영역의 압력을 측정하는 기체 압력센서(121)가 설치된다.
상기 액체 압력센서(123)과 기체 압력센서(121)는 분리기(120)내의 수위를 측정하는 기능을 수행한다. 즉, 수면의 압력과 바닥의 압력을 측정하고 그 압력차를 높이로 환산하면 분리기(120) 내의 수위를 계산할 수 있게 된다.
여기서, 상기 액체 압력센서(123)는 분리기(120)의 바닥의 압력을 측정하기 위해 분리기(120)의 바닥면에 설치된다.
또한, 상기 기체 압력센서(121)는 분리기(120)내의 액체영역 수면의 압력을 측정하는 것으로 분리기(120)의 일측면에 설치될 수도 있으나, 분리기(120)내의 수위가 변동되기 때문에 항상 기체영역에 위치될 수 있는 분리기(120)의 상측 천정면에 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 기체영역 내의 압력은 균일하기 때문에 수면의 압력과 상측 천정면의 압력은 동일하여 기체 압력센서(121)가 수면 압력을 측정할 수 있게 된다.
제어부(260)는 기체 압력센서(121)과 액체 압력센서(123)으로부터 압력측정값을 각각 입력받아 그 압력차를 수위로 환산하는 기능을 수행한다. 즉, 베르누이의 원리에 의해 압력차(△P)는 ρgh(여기서, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도, h는 수위)와 같기 때문에 압력차로부터 수위를 계산할 수 있게 된다. 제어부(260)가 이러한 방법으로 수위정보를 취득하면 기설정되어 이미 알고 있는 분리기(120)의 유입부 높이(H)와 수위정보를 비교함으로써 유입부가 액체영역에 위치하는지 기체영역에 위치하는지를 알 수 있게 된다.
여기서, 상기 제어부(206)는 액화효율을 높이도록 수위를 조절할 수도 있고, 기화효율을 높이도록 수위를 조절할 수도 있다. 예를 들면, LNG선에서 LNG를 탱크에 저장해 운송하는 중에 일부 자연 기화된 LNG를 처리하기 위해서는 연료가스 공급부(230)으로 이송하여 연소시키거나 재액화를 통해 액체연료 저장탱크(250)에 저장하여야 되는데, 기화된 증발가스를 효과적으로 사용하여 연비를 높이기 위해서는 재액화효율을 높이는 것이 매우 중요하다. 이 경우 제어부(206)는 재액화효율을 높이도록 수위를 조절하여 2상 유체 유입부(127)의 위치가 분리기(120)의 액체영역에 존재하도록 한다. 또한, 연료가스 공급부(230)에서 엔진 출력 증가 등으로 인해 더 많은 연료가스의 공급을 필요로 하는 경우에는, 기체상태의 연료가 더 많이 공급되도록 기화효율을 높이도록 수위를 제어할 수도 있다.
제어부(260)는 분리기(120)의 액체영역과 액체 연료 탱크(250)를 연결하는 배관(241)에 설치된 액체 제어밸브(240)와, 분리기(120)의 기체영역과 연료가스 공급부(230)를 연결하는 배관(211)에 설치된 기체 제어밸브(220)로 밸브 개폐 제어신호를 송신하도록 구성된다. 제어부(260)에서 생성된 제어신호는 유선이나 무선통신을 통해 기체 제어밸브(220) 및 액체 제어밸브(240)로 송신될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 분리기(120)의 수위를 조절하는 방식으로 액체 제어밸브(240)를 제어부(260)가 개폐하는 방식을 채택한다. 수동밸브를 채택하여 개폐함으로써 수위를 조절할 수도 있으나, 분리기(120)의 수위정보를 입력받은 제어부(206)에서 개폐 제어신호를 송신하여 이에 따라 개폐될 수 있는 자동밸브를 채택하는 것이 수위변동에 따른 제어를 실시간으로 진행할 수 있다는 점에서 장점이 있다고 할 수 있다.
한편, 분리기(120) 내의 압력을 적정압력이하로 유지시킬 필요가 있는 바, 본 발명의 일실시예에서는, 분리기(120)와 기체 제어밸브(220) 사이의 배관(211) 상에 압력계(210)를 설치하고 압력계(210)의 압력이 적정 압력(예를 들면, 4 bar)보다 클 경우, 기체 제어밸브(220)을 개방하여 분리기(120) 내의 압력을 적절하게 유지하도록 구성될 수 있다.
도 2의 실시예에서는 배관(211)상에 설치된 압력계(210)에 의해 측정된 압력값을 제어부(260)로 송신하고, 압력값을 적정 압력과 비교한 후 제어부(260)가 밸브 개폐 제어신호를 기체 제어밸브(220)로 전달하도록 구성되어 있으나, 이는 하나의 실시예로서 상기 압력계(210)의 구성을 포함하지 않고 분리기(120)의 천정면에 설치된 기체 압력센서(121)로부터 측정된 압력을 근거로 제어부(260)가 제어하도록 구성할 수도 있다. 압력계(210)까지 배관을 통해 이동되는 기체연료는 관마찰을 통해 압력강하가 일어나기 때문에 압력계(210)의 압력 측정값과 기체 압력센서(121)의 압력 측정값은 차이가 있을 수 있지만, 연결배관의 길이가 길지 않고 꺾여지지 않은 직관으로 연결되는 경우에는 배관마찰 손실이 크지 않아 기체 압력센서(121)의 압력 측정값을 사용하여도 큰 차이가 없게 된다.
또한, 도 2의 실시예에는 도시된 바와 달리, 압력계(210)의 측정값을 기체 제어밸브(220)로 바로 전달하고, 상기 기체 제어밸브(220)에서 압력측정값이 설정값 이상일 때 개폐되도록 구성할 수도 있다.
한편, 상기 분리기(120)는 배관(211)이 연결되는 기체 출구부(129)의 전방에 날개부(125)가 더 설치될 수 있다. 날개부(125)의 일단은 분리기(120)의 측면과 결합되며, 기체 출구부(129)로부터 소정거리 아래로 이격 위치된다. 상기 날개부(125)의 타단은 상기 날개부(125)의 일단에서 대각선 방향으로 상향 연장 형성되며 타단이 기체 출구부(129)보다 상측에 위치된다. 이와 같은 구성을 통해 2상 유체가 액체영역을 통과하면서 발생할 수 있는 액적이 기체 출구부(129)를 통해 유출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
여기서, 상기 날개부(125)는 판형으로 기체 출구부(129)를 덮을 수 있도록 구성되어 있으며, 배출되는 기체 연료의 흐름을 방해하지 않도록 그 크기는 가능한 작게 형성되는 것이 바람직하고, 유동이 원활하도록 곡면형으로 형성될 수도 있다.
또한, 날개부(125)는 액적 크기보다 작은 미세눈금을 갖는 망형으로도 구성할 수도 있다. 이 경우, 배출되는 연료기체가 유동방해를 적게 받으며 배출될 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 기액 분리장치의 동작을 설명한다.
기체 상태인 연료가스가 팽창밸브(110)를 통과하여 기체-액체 2상(phase)의 유체가 된 다음, 2상 유체는 분리기(120)의 액체영역으로 주입된다.
2상의 연료가스가 분리기(120)의 액체영역으로 주입되면 액체와 접촉시간이 길어지게 되어 재액화효율이 높아지며 종래 기액 분리장치보다 더 많은 양이 재액화된다.
본 발명의 일실시예에 따른 기액 분리장치는 분리기(120)내의 수위를 조절하는 수단을 포함하는 바, 먼저 분리기(120)내의 수위 정보를 입수한다. 이를 위해 제어부(260)에서 분리기(120)내의 기체 압력센서(121)와 액체 압력센서(123)로부터 압력측정값을 수신한 후, 그 압력차로부터 수위 정보를 계산할 수 있게 된다. 이와 같은 본 발명의 수위측정 수단을 통해 극저온 상태인 분리기(120) 내의 수위를 용이하게 측정할 수 있게 된다.
수위정보를 입수한 제어부(260)에서는 수위가 분리기(102)의 2상 유체 유입부(127)보다 높을 경우에는 별도의 제어신호를 생성하지 않지만, 수위가 분리기(102)의 2상 유체 유입부(127)보다 낮을 경우에는 액체 제어밸브(240)의 폐쇄하거나 개방정도를 줄임으로써 분리기(102)의 액체 수위를 높인다.
이와 같은 제어를 통해 2상 유체 유입부(127)가 항상 분리기(120)의 액체영역에 위치되도록 함으로써 재액화량이 증가하게 되고 재액화 시스템의 효율을 개선할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
110: 팽창밸브 120: 분리기
121: 기체 압력센서 123: 액체 압력센서
125: 날개부 127: 2상 유체 유입부
128: 액체 출구부 129: 기체 출구부
220: 기체 제어밸브 230: 연료가스 공급부
240: 액체 제어밸브 260: 제어부
250: 액체연료 저장탱크

Claims (7)

  1. 연료가스를 기체-액체 2상 유체로 팽창시키는 팽창밸브;
    상기 팽창밸브를 통과한 상기 2상 유체가 유입되도록 유입부가 형성되고, 내부가 기체영역 및 액체영역으로 구성되는 분리기;
    상기 분리기 액체영역과 제1 배관으로 연결되고, 상기 제1 배관상에 제1 제어밸브가 설치되는 액체 연료 저장부;
    상기 분리기 기체영역과 제2 배관으로 연결되는 연료가스 공급부;
    상기 분리기 액체영역의 압력을 측정하는 제1 압력센서;
    상기 분리기 기체영역의 압력을 측정하는 제2 압력센서; 및
    상기 제1 및 제2 압력센서의 측정값을 근거로 상기 분리기 액체영역의 수위 정보를 획득하는 제어부를 포함하는, 기액 분리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 수위 정보에 따라 상기 제1 제어밸브를 개폐시키는, 기액 분리장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 배관상에 제2 제어밸브가 설치되고,
    상기 제어부는 상기 제2 압력센서의 측정값에 따라 상기 제2 제어밸브를 개폐시키는 , 기액 분리장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압력센서는 상기 분리기의 바닥면에 설치되고,
    상기 제2 압력센서는 상기 분리기의 천정면에 설치되는, 기액 분리장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 2상 유체의 액화효율을 높이기 위해서 상기 분리기의 유입부가 상기 분리기 액체영역에 위치하도록 상기 제1 제어밸브를 제어하는, 기액 분리장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 2상 유체의 기화효율을 높이기 위해서 상기 분리기의 유입부가 상기 분리기 기체영역에 위치하도록 상기 제1 제어밸브를 제어하는, 기액 분리장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리기는 상기 제2 배관이 연결되는 기체 출구부의 전방에 날개부가 더 설치되는, 기액 분리장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230012261A (ko) * 2021-07-15 2023-01-26 대우조선해양 주식회사 선박의 연료공급시스템

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