KR20170066032A - 선박의 재액화 실험장치 - Google Patents

선박의 재액화 실험장치 Download PDF

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Abstract

가스를 재액화하는 공정에 사용되는 장치를 미리 평가할 수 있는 선박의 재액화 실험장치가 개시된다.
이 선박의 재액화 실험장치는 가스를 가압하기 위한 압축기와, 압축기에서 가압된 가스를 일정 압력으로 조절하는 레귤레이터와, 레귤레이터에서 공급받은 가 스의 온도를 낮추기 위한 열교환유닛과, 열교환유닛에서 냉각된 가스를 액화시키는 액화기와, 액화된 가스 중에서 액체와 기체를 분리하는 세퍼레이터와, 액화기로 유입되는 가스의 유량 및 조성을 측정하는 제 1 측정기와, 액화기를 입출하는 가스의 온도 및 압력을 측정하는 제 2 측정기와, 세퍼레이터에서 배출되는 액체 및 기체의 유량 및 조성을 측정하는 제 3 측정기와, 제 1 측정기, 제 2 측정기, 제 3 측정기에서 계측된 측정값을 이용하여, 레귤레이터, 열교환유닛 및 액화기를 제어하는 컨트롤러와, 압축기에 공급하기 위한 가스가 저장되는 가스탱크와, 압축기 및 레귤레이터 사이에 위치되어, 압축기에서 가압된 가스를 일시 저장되는 고압탱크를 포함할 수 있다.

Description

선박의 재액화 실험장치{TEST APPARATUS FOR RELIQUIFYING GAS OF SHIP}
본 발명은 선박의 재액화 실험장치에 관한 것이다.
LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량은 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.
가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
예를 들어, 액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써, 얻을 수 있다. 액화천연가스는 무색투명한 액체로, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가지므로, 천연가스 이송시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -162 ℃의 극저온이므로, LNG는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 수송과정에서 LNG 저장탱크 내에서는 지속적으로 LNG가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.
BOG는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다.
이에 따라, 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 재액화하기 위한 다양한 장치에 대한 연구가 진행되고 있으며, 특히, BOG를 재액화하는 장치를 선박에 적용하기에 앞서, 가스를 재액화하는 공정에 사용되는 장치를 미리 평가할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
공개특허공보 제10-2014-0130997호(2014. 11. 12 공개)
본 발명의 실시예들은 가스를 재액화하는 공정에 사용되는 장치를 미리 평가할 수 있는 선박의 재액화 실험장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박의 재액화 실험장치는,가스를 가압하기 위한 압축기; 상기 압축기에서 가압된 상기 가스를 일정 압력으로 조절하는 레귤레이터; 상기 레귤레이터에서 공급받은 상기 가스의 온도를 낮추기 위한 열교환유닛; 상기 열교환유닛에서 냉각된 상기 가스를 액화시키는 액화기; 액화된 상기 가스 중에서 액체와 기체를 분리하는 세퍼레이터; 상기 액화기로 유입되는 상기 가스의 유량 및 조성을 측정하는 제 1 측정기; 상기 액화기를 입출하는 상기 가스의 온도 및 압력을 측정하는 제 2 측정기; 상기 세퍼레이터에서 배출되는 상기 액체 및 상기 기체의 유량 및 조성을 측정하는 제 3 측정기; 상기 제 1 측정기, 상기 제 2 측정기, 상기 제 3 측정기에서 계측된 측정값을 이용하여, 상기 레귤레이터, 상기 열교환유닛 및 상기 액화기를 제어하는 컨트롤러; 상기 압축기에 공급하기 위한 가스가 저장되는 가스탱크; 및 상기 압축기 및 상기 레귤레이터 사이에 위치되어, 상기 압축기에서 가압된 가스를 일시 저장되는 고압탱크를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 재액화 장치를 선박에 탑재하기 전에, 가스를 재액화하는 공정에 사용되는 장치, 예를 들면, 줄톰슨밸브와 같은 액화기 등을 실험실에서 미리 평가할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 재액화 실험장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 재액화 실험장치의 제어흐름을 도시한 상태도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 선박의 재액화 실험장치를 도시한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 재액화 실험장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 재액화 실험장치의 제어흐름을 도시한 상태도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 재액화 실험장치는, 가스를 재액화하는 공정에 사용되는 장치들을 실험실에서 미리 평가할 수 있다.
본 실시예에서 재액화 공정의 실험을 위한 장치들은, 저온 액체화물 또는 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박과 해상 구조물, 즉, LNG 운반선, LEG(Liquefied Ethane Gas) 운반선, LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 구조물에 적용될 수 있다.
그리고 저장탱크에 저장되는 액화가스는, 가스를 저온에서 액화시켜 수송할 수 있는 모든 액체화물일 수 있다. 예를 들어, LNG, LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG, 액화질소나, 에틸렌, 아세틸렌, 프로필렌 등과 같은 액화 석유화학 가스, 액화 이산화탄소, 액화 암모니아 등일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예들에서 가스는 질소(N2) 90%와 메탄(CH4) 10%가 혼합된 BOG 조성 가스를 예로 들어 설명하기로 한다.
재액화 실험장치는 가스탱크(100), 압축기(200), 고압탱크(300), 레귤레이터(400), 열교환유닛(500), 액화기(600), 세퍼레이터(700), 제 1 측정기(810), 제 2 측정기(820), 제 3 측정기(830) 및 컨트롤러(900)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 가스탱크(100)는 일정 용량의 챔버를 갖는 탱크로, 다수개로 이루어지는 작은 용량의 탱크를 포함할 수 있다. 가스탱크(100)의 챔버 내에는 일정 압력으로 압축된 BOG 조성 가스가 저장될 수 있다. 예를 들어, 가스탱크(100)에는 120bar로 압축된 BOG 조성 가스가 저장될 수 있다.
압축기(200)는 가스탱크(100)로부터 공급받은 BOG 조성 가스를 고압(700bar 이상)으로 가압하기 위한 부스터 펌프(Booster Pump)로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 압축기(200)는 하나의 압축펌프로 구성되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 압축기(200)는 직렬 형태로 연결되는 다수개의 압축펌프로 구성될 수 있다. 이때, 압축기(200)가 다수개의 압축펌프로 구성되면, 각각의 압축펌프에서의 펌프 용량은 낮아질 수 있다.
고압탱크(300)는 압축기(200)에서 가압된 BOG 조성 가스를 일시 저장하도록 압축기(200) 및 레귤레이터(400) 사이에 위치될 수 있다. 이 고압탱크(300)에는 700bar로 압축된 BOG 조성 가스가 저장될 수 있다.
레귤레이터(400)는 압축기(200)에서 가압된 BOG 조성 가스를 일정 압력으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 레귤레이터(400)는 BOG 조성 가스의 압력을 700bar에서 330bar 정도로 낮추어 열교환유닛(500)에 제공할 수 있다.
열교환유닛(500)은 레귤레이터(400)에서 공급받은 BOG 조성 가스의 온도를 냉매와의 열교환을 통해 낮출 수 있다. 이를 위해, 열교환유닛(500)은 냉매(액체 질소)가 저장되는 냉매 저장부(540)와, BOG 조성 가스와 냉매 간에 열교환이 이루어지는 열교환부(510)와, 열교환부(510)에 냉매를 공급하기 위해, 냉매 저장부(540)와 열교환부(510) 사이를 연결하는 냉매 공급라인(520)과, 컨트롤러(900)의 제어에 따라, 열교환부(510)로 공급되는 냉매의 공급 유량을 조절하는 유량조절부(530)를 포함할 수 있다.
액화기(600)는 열교환유닛(500)에 의해 냉각된 BOG 조성 가스를 액화시키기 위한 장치로, 줄톰슨밸브 또는 오리피스 등이 사용될 수 있다. 여기서, 유체(BOG 조성 가스)는 액화기(600)를 통과한 후 압력 및 온도가 떨어지게 되므로, 유체 중에서 일부만이 액화되어 액체 및 기체의 혼합물로 존재하게 된다.
세퍼레이터(700)는 액화기(600)에서 공급받은 혼합물을 액체 및 기체로 분리하여 유출시킬 수 있다. 세퍼레이터(700)에 의해 분리된 액체 및 기체의 경우, 액화기(600)에 유입되는 유체의 일부가 액화될 때 유입되는 조성과 동일하게 액화되는 것이 아니고, 액화점이 높은 메탄이 질소보다 먼저 액화되므로, 액체에는 메탄함량이 높고, 액화되지 않은 기체에는 질소 함량이 높아진다. 이들 기체 및 유체의 함량은 제 3 측정기(830)를 통해 확인할 수 있다.
제 1 측정기(810)는 레귤레이터(400)와 열교환유닛(500) 사이에 위치되고, 열교환유닛(500)을 거쳐 액화기(600)로 유입되는 BOG 조성 가스의 조성 및 유량을 측정할 수 있는 가스분석기 및 유량계를 포함할 수 있다. 여기서, 측정된 BOG 조성 가스의 조성 및 유량은, 세퍼레이터(700)를 통과한 BOG 조성 가스의 조성 및 유량과의 비교를 위해 사용될 수 있다.
제 1 측정기(810)는 BOG 조성 가스의 화학 조성을 측정하기 위해, GC(Gas chromatography)로 측정하는 것이 바람직하고, 제 1 측정기(810)는 GC를 바로 연결해서 분석하거나, 포트(port)로 따로 분기한 후 샘플링하여 GC에서 분석할 수도 있다.
본 실시예에서, 제 1 측정기(810)는 레귤레이터(400)와 열교환유닛(500) 사이에 위치되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 액화기(600)로 유입되는 BOG 조성 가스의 조성 및 유량을 측정하기 위해, 제 1 측정기(810)는 다양한 위치에 마련될 수 있다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 선박의 재액화 실험장치를 도시한 구성도이다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 측정기(810)는 가스탱크(100)와 압축기(200) 사이에 위치될 수 있다. 다만, 가스탱크(100)와 압축기(200) 사이에서, BOG 조성 가스는 고압 상태를 유지하므로, 제 1 측정기(810)에는 고압 상태의 BOG 조성 가스의 압력을 낮추기 위한 별도의 감압장치가 필요하다.
제 2 측정기(820)는 액화기(600)를 입출하는 BOG 조성 가스의 온도 및 압력을 측정하기 위해, 열교환유닛(500)과 세퍼레이터(700) 사이에 위치될 수 있다. 제 2 측정기(820)는 액화기(600)의 입구측에 마련되는 제 2 입구센서(820a)와, 액화기(600)의 출구측에 마련되는 제 2 출구센서(820b)로 구성되므로, 액화기(600)를 입출하는 BOG 조성 가스의 온도 및 압력을 측정할 수 있다.
제 2 측정기(820)에서 측정된 BOG 조성 가스의 온도 및 압력은, 액화기(600)의 성능을 평가하는 데이터로 사용될 수 있다. 예컨대, 제 2 측정기(820)가 액화기(600, 예를 들어, 줄톰슨밸브)를 통과하여 나오는 유체(BOG 조성 가스)의 온도 및 압력을 측정하면, 이때, 제 2 측정기(820)에서 측정된 측정온도값 및 측정압력값을 실제 설계한 액화기의 목표온도값 및 목표압력값과 얼마나 매칭되는지 비교함으로써, 액화기(600)의 성능을 평가할 수 있다.
또한, 제 2 측정기(820)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정압력값은, 레귤레이터(400)를 조절하여 형성되는 압력값과 비교함으로써, 이들 압력값 간의 차이가 있으면, 이 차이가 줄어들도록 레귤레이터(400)를 조절할 수 있다.
또한, 제 2 측정기(820)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정온도값은, 열교환유닛(500)에서 냉매에 의해 BOG 조성 가스의 온도가 떨어진 상태를 나타내므로, BOG 조성 가스의 측정온도값을 조절하고자 하는 경우, 열교환유닛(500)의 유량 조절부(530)를 조절함으로써, BOG 조성 가스의 측정온도값을 조절할 수 있다.
제 3 측정기(830)는 세퍼레이터(700)에서 배출되는 액체 및 기체의 유량, 조성, 온도 및 압력을 측정할 수 있다. 이를 위해, 제 3 측정기(830)는 기체가 배출되는 세퍼레이터(700)의 출구측에 마련되는 제 3 기체 측정센서(830a)와, 액체가 배출되는 세퍼레이터(700)의 출구측에 마련되는 제 3 액체 측정센서(830b)로 구성될 수 있다.
이들 제 3 기체 측정센서(830a) 및 제 3 액체 측정센서(830b)는, 액체 및 기체의 조성을 측정함으로써, 액체 및 기체 내 질소 및 메탄의 함량을 확인할 수 있다. 아울러, 제 3 기체 측정센서(830a) 및 제 3 액체 측정센서(830b)는, 액체 및 기체의 유량을 측정함으로써, 액화기(600)에서 액화되는 유체의 비율을 확인할 수 있고,
컨트롤러(900)는 제 1 측정기(810), 제 2 측정기(820), 제 3 측정기(830)로부터, BOG 조성 가스에 대한 계측정보(온도, 압력, 조성, 유량의 측정값)를 인가받아, 열교환유닛(500) 및 액화기(600)의 성능을 평가하거나, 계측정보를 토대로 레귤레이터(400), 열교환유닛(500) 및 액화기(600)를 효율적으로 제어할 수 있다.
예컨대, 컨트롤러(900)는 제 2 입구센서(820a) 및 제 2 출구센서(820b)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정온도값 및 측정압력값을 통해 액화기(600)의 성능을 평가할 수 있다. 이때, 제 2 측정기(820)에서 측정된 측정온도값 및 측정압력값을 실제 설계한 액화기의 목표온도값 및 목표압력값과 얼마나 매칭되는지 비교함으로써, 액화기(600)의 성능을 평가할 수 있다.
그리고 컨트롤러(900)는 제 2 측정기(820)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정온도값이 기설정된 기준온도값에 도달하도록 열교환유닛(500)에 공급되는 냉매의 유량을 제어하고, 제 2 측정기(820)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정압력값이 기 설정된 기준압력값에 도달하도록 레귤레이터(400)를 제어할 수 있다.
또한, 컨트롤러(900)는 제 1 측정기(810)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정조성값과, 제 3 측정기(830)에서 측정된 액체 및 기체의 측정조성값을 비교하여, BOG 조성 가스의 성분 함량에 대한 변화값을 산출할 수 있다.
또한, 컨트롤러(900)는 제 1 측정기(810)에서 측정된 BOG 조성 가스의 측정유량값과, 제 3 측정기(830)에서 측정된 액체 및 기체의 측정유량값을 비교하여, 액화기(600)의 성능을 평가할 수 있다. 즉, 제 3 측정기(830)에서 액체 및 기체의 유량이 측정되면, 컨트롤러(900)는 액화기(600)에서 액화되는 유체의 비율을 통해 액화기(600)의 성능을 평가할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 재액화 장치를 선박에 탑재하기 전에, 가스를 재액화하는 공정에 사용되는 장치에 대한 성능 평가와 함께, 줄톰슨밸브와 같은 장치 등을 실험실에서 미리 평가할 수 있다는 등의 우수한 장점을 가진다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100: 가스탱크 200: 압축기
300: 고압탱크 400: 레귤레이터
500: 열교환유닛 510 :열교환부
520 :냉매 공급라인 530 :유량조절부
600: 액화기 700 :세퍼레이터
810 :제 1 측정기 820 :제 2 측정기
830 :제 3 측정기 900 :컨트롤러

Claims (1)

  1. 가스를 가압하기 위한 압축기;
    상기 압축기에서 가압된 상기 가스를 일정 압력으로 조절하는 레귤레이터;
    상기 레귤레이터에서 공급받은 상기 가스의 온도를 낮추기 위한 열교환유닛;
    상기 열교환유닛에서 냉각된 상기 가스를 액화시키는 액화기;
    액화된 상기 가스 중에서 액체와 기체를 분리하는 세퍼레이터;
    상기 액화기로 유입되는 상기 가스의 유량 및 조성을 측정하는 제 1 측정기;
    상기 액화기를 입출하는 상기 가스의 온도 및 압력을 측정하는 제 2 측정기;
    상기 세퍼레이터에서 배출되는 상기 액체 및 상기 기체의 유량 및 조성을 측정하는 제 3 측정기;
    상기 제 1 측정기, 상기 제 2 측정기, 상기 제 3 측정기에서 계측된 측정값을 이용하여, 상기 레귤레이터, 상기 열교환유닛 및 상기 액화기를 제어하는 컨트롤러;
    상기 압축기에 공급하기 위한 가스가 저장되는 가스탱크; 및
    상기 압축기 및 상기 레귤레이터 사이에 위치되어, 상기 압축기에서 가압된 가스를 일시 저장되는 고압탱크를 포함하는 선박의 재액화 실험장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020032407A1 (ko) * 2018-08-09 2020-02-13 재단법인한국조선해양기자재연구원 액화천연가스(lng) 연료 공급 기자재의 안전성 및 성능 테스트 시스템
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