KR20180092120A - 증발가스 재액화 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20180092120A
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손재욱
최동규
신현준
장현민
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

선박에 탑재된 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스를 재액화 시키는 방법이 개시된다.
상기 증발가스 재액화 방법은, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 제1 압축기에 의해 다단계로 압축시키고, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를, 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기에 의해 다단계로 압축시키고, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의한 전부 압축 과정을 거친 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하고(이하, '연료 공급용 압축기'라고 한다.), 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료 공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 냉매 사이클로 공급하고(이하, '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.), 상기 '연료 공급용 압축기'에 의한 전부 압축 과정을 거친 증발가스 중 상기 엔진으로 공급되지 않은 잉여 증발가스는, 제1 열교환기에서 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 재액화시킬 증발가스의 양이 일정값 이상인 경우, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 제2 열교환기에서 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 제2 감압장치에 의해 팽창되고, 재액화시킬 증발가스의 양이 일정값 미만인 경우, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 상기 제2 열교환기에서의 냉각 과정을 거치지 않고, 상기 제2 감압장치에 의해 팽창된다.

Description

증발가스 재액화 방법 및 시스템{Method and System of BOG Reliquefaction}
본 발명은 저장탱크 내부에서 생성되는 증발가스 중 엔진의 연료로 사용되고 남은 증발가스를 재액화시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -162 ℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.
증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DF 엔진은, 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-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
본 발명은, 다양한 선박의 운용 상황에 적합한 증발가스 재액화 방법 및 시스템을 제공하여 선박 운전의 유연성을 증대시키고, 특히 다단압축기에 의해 압축된 증발가스에 포함된 윤활유에 의한 문제 발생 가능성을 최소화 하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 탑재된 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스를 재액화 시키는 방법에 있어서, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 제1 압축기에 의해 다단계로 압축시키고, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를, 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기에 의해 다단계로 압축시키고, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의한 전부 압축 과정을 거친 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하고(이하, '연료 공급용 압축기'라고 한다.), 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료 공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 냉매 사이클로 공급하고(이하, '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.), 상기 '연료 공급용 압축기'에 의한 전부 압축 과정을 거친 증발가스 중 상기 엔진으로 공급되지 않은 잉여 증발가스는, 제1 열교환기에서 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 재액화시킬 증발가스의 양이 일정값 이상인 경우, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 제2 열교환기에서 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 제2 감압장치에 의해 팽창되고, 재액화시킬 증발가스의 양이 일정값 미만인 경우, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 상기 제2 열교환기에서의 냉각 과정을 거치지 않고, 상기 제2 감압장치에 의해 팽창되는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 '냉매 사이클용 압축기'는 일정 압력 이하의 압축 단계에서 윤활유 없이 운전이 가능한 압축기일 수 있다.
상기 '냉매 사이클용 압축기'는 5단 압축기이고, 전단의 3개의 압축기는 무급유 윤활 방식으로 동작하고, 후단 2개의 압축기는 급유 윤활 방식으로 동작할 수 있다.
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 냉매 사이클로 공급될 수 있다.
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급되는 증발가스의 압력은 20 내지 60 bara일 수 있다.
상기 '연료 공급용 압축기'와 상기 '냉매 사이클용 압축기'는 서로 여분의 역할을 할 수 있다.
상기 냉매 사이클은, 상기 '냉매 사이클용 압축기', 상기 제2 열교환기, 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 제3 압축기, 및 다시 상기 '냉매 사이클용 압축기'를 연결할 수 있고, 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체는 상기 제2 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 제3 압축기로 공급될 수 있다.
상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 냉각기에 의해 냉각된 후 상기 '냉매 사이클용 압축기'로 보내질 수 있다.
상기 제2 감압장치에 의해 팽창된 유체를 기액분리기에 의해 재액화된 액화가스와 기체상태의 가스로 분리할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 '연료 공급용 압축기'의 전부 압축 과정을 거친 증발가스는 추진용 엔진인 제1 엔진으로 공급될 수 있고, 상기 '연료 공급용 압축기'의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는 발전용 엔진인 제2 엔진으로 공급될 수 있다.
상기 제1 엔진은 ME-GI 엔진이고 상기 제2 엔진은 DF 엔진일 수 있다.
상기 제3 압축기는, 상기 제1 감압장치와 압신기를 형성하여 상기 제1 감압장치가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 제1 압축기에 의해 다단계로 압축시키고, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를, 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기에 의해 다단계로 압축시키고, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 냉매 사이클로 공급하고(이하, '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.), 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '냉매 사이클용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 제1 열교환기에서 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 제2 열교환기에서 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 제2 감압장치에 의해 팽창되는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 저장탱크가 탑재된 선박은 정박중일 수 있다.
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '냉매 사이클용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있다.
상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 상기 냉매 사이클로 보내질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 다단계로 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 다단계로 압축시키는 제2 압축기; 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 및 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기는 서로 여분의 역할을 하고, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 냉매 사이클로 공급하며, 무급유 윤활 방식의 압축기만을 거친 증발가스가 상기 냉매 사이클로 공급되는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 하나가 상기 엔진으로 증발가스를 연료로 공급하고, 상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 엔진으로 증발가스를 연료로 공급하지 않는 나머지 압축기가 상기 냉매 사이클로 증발가스를 공급할 수 있다.
상기 냉매 사이클로 공급되는 증발가스의 압력은 20 내지 60 bara일 수 있다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 냉매 사이클로 공급되어 상기 제2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시킨 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내는 제1 감압장치; 및 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 상기 제2 열교환기를 통과한 유체를 압축시키는 제3 압축기;를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체와, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 보내진 유체를 열교환시켜 냉각시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 엔진의 연료로 사용되고 남은 잉여 증발가스를, 증발가스 자체를 냉매로 열교환시켜 재액화시키는 방법에 있어서, 냉매 사이클에 냉매를 공급하는 '냉매 사이클용 압축기'와 상기 엔진에 연료를 공급하는 '연료 공급용 압축기'가 서로 여분의 역할을 하고, 상기 '냉매 사이클용 압축기'는 일정 압력 이하의 압축 단계에서 윤활유 없이 운전이 가능한 압축기이고, 상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 윤활유 없이 운전이 가능한 압축 단계까지만 압축된 증발가스가 상기 냉매 사이클로 공급되는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스를 냉매 사이클로 공급할 수 있으므로, 냉매 사이클용 오일 필터를 별도로 설치할 필요가 없고, 윤활유가 냉매 사이클로 유입되어 발생하는 장비의 성능 저하나 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스를 재액화 과정을 거치게 할 수 있으므로, 재액화라인 상에 별도의 오일분리기나 오일필터를 설치할 필요가 없고, 제1 열교환기나 제2 열교환기의 유로가 윤활유에 의해 막히는 현상도 방지할 수 있다는 장점이 있다.
그 밖에도, 본 발명에 의하면, 재액화시킬 증발가스량에 따라 증발가스를 제2 열교환기에 의해 추가로 냉각시킬지 여부를 선택할 수 있으므로, 경제적이고 유연한 시스템의 운용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클을 순환하는 경우의 냉매 사이클을 도시한 것이다.
도 3은 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클을 순환하는 경우의 냉매 사이클을 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 후술할 증발가스 처리를 위한 시스템들은 저온 액체화물 또는 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 설치된 모든 종류의 선박과 해상 구조물, 예컨대 LNG 운반선(LNG Carrier), 액화에탄가스 운반선(Liquefied Ethane Gas Carrier), LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등과 같은 해상 구조물에 적용될 수 있다. 다만 후술하는 실시예들에서는 설명의 편의상 대표적인 저온 액체화물인 액화천연가스를 예로 들어 설명한다.
또한, 본 발명의 각 라인에서의 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계유체 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(510), 제3 압축기(230), 및 제2 감압장치(520)를 포함한다.
본 실시예의 제1 열교환기(110)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용하여, 재액화라인(L3)을 따라 공급되는 증발가스를 냉각시킨다. 저장탱크(T)에서 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기하여, 일부는 제1 압축기(210)로 보내지고, 나머지는 제2 압축기(220)로 보내질 수 있다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스의 일부 또는 전부를 공급받아 다단계로 압축시킨다. 제1 압축기(210)의 모든 압축 과정을 거친 증발가스는 제1 엔진(E1)으로 공급될 수 있고, 제1 엔진(E1)에 공급하고 남은 잉여 증발가스는 재액화라인(L3)으로 보내져 재액화 과정을 거칠 수 있다.
또한, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 일부는 제2 엔진(E2)으로 공급될 수 있고, 다른 일부는 냉매 사이클(C)로 공급될 수 있으며, 재액화라인(L3)으로 보내져 재액화 과정을 거칠 수도 있다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는 일정 압력 이하의 압축 단계에서 윤활유 없이 운전이 가능한 압축기일 수 있다. 일례로, 본 실시예의 제1 압축기(210)는 5단 압축기이고, 전단의 3개의 압축기는 무급유 윤활(oil-free lubricated) 방식으로 동작하고 후단 2개의 압축기는 급유 윤활(oil lubricated) 방식으로 동작할 수 있다.
또한, 본 실시예의 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정을 거친 후 냉매 사이클(C)로 공급되는 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 냉매 사이클(C)로 공급될 수 있으며, 압력은 대략 20 내지 60 bara일 수 있다.
무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스를 냉매 사이클(C)로 공급하는 경우, 냉매 사이클용 오일필터를 별도로 설치할 필요가 없고, 윤활유가 냉매 사이클(C)로 유입되어 제2 열교환기(120)의 성능이 저하되거나 제1 감압장치(510)가 손상되는 경우를 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템이 적용된 선박은, 제1 엔진(E1) 및 제2 엔진(E2)을 포함할 수 있고, 제1 엔진(E1)은 추진용 엔진이고 제2 엔진(E2)은 발전용 엔진일 수 있다. 또한, 제1 엔진(E1)은 제2 엔진(E2)보다 더 높은 압력의 증발가스를 연료로 요구하는 엔진일 수 있으며, 일례로 제1 엔진(E1)은 ME-GI 엔진이고 제2 엔진(E2)은 DF 엔진일 수 있다.
한편, 선박이 정박하고 있는 경우에는 추진용 엔진에 증발가스를 공급할 필요가 없으므로, 추진용 엔진의 요구 압력을 맞추기 위해 증발가스를 제1 압축기(210)의 모든 압축 과정을 거치게 하는 것이 비효율적일 수 있다.
따라서, 선박이 정박하고 있는 경우에는 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정만을 거친 증발가스를 재액화라인(L3)으로 보내 재액화 과정을 거치도록 할 수 있으며, 제1 압축기(210)의 일부 압축 과정만을 거쳐 재액화라인(L3)으로 보내지는 증발가스는 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스일 수 있다.
제1 압축기(210)의 일부 압축 과정만을 거쳐 재액화라인(L3)으로 보내지는 증발가스가 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스인 경우, 재액화라인 상에 별도의 오일분리기나 오일필터를 설치할 필요가 없고, 제1 열교환기(110)나 제2 열교환기(120)의 유로가 윤활유에 의해 막히는 현상도 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)와 마찬가지로, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스의 일부 또는 전부를 공급받아 다단계로 압축시킨다. 제2 압축기(220)의 모든 압축 과정을 거친 증발가스는, 제1 엔진(E1)으로 공급될 수 있고, 제1 엔진(E1)에 공급하고 남은 잉여 증발가스는 재액화라인(L3)으로 보내져 재액화 과정을 거칠 수 있다. 또한, 제2 압축기(220)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 일부는 제2 엔진(E2)으로 공급될 수 있고, 다른 일부는 냉매 사이클(C)로 공급될 수 있으며, 재액화라인(L3)으로 보내져 재액화 과정을 거칠 수도 있다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)와 마찬가지로, 일정 압력 이하의 압축 단계에서 윤활유 없이 운전이 가능한 압축기일 수 있다. 일례로, 본 실시예의 제2 압축기(220)는 5단 압축기이고, 전단의 3개의 압축기는 무급유 윤활(oil-free lubricated) 방식으로 동작하고 후단 2개의 압축기는 급유 윤활(oil lubricated) 방식으로 동작할 수 있다.
또한, 본 실시예의 제2 압축기(220)의 일부 압축 과정을 거친 후 냉매 사이클(C)로 공급되는 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 냉매 사이클(C)로 공급될 수 있으며, 압력은 대략 20 내지 60 bara일 수 있다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)와 동일한 용량 및 동일한 압축 범위를 가지는 동일한 사양의 압축기일 수 있고, 제1 압축기(210)와 제2 압축기(220)는 서로의 여분(Redundancy) 역할을 하는 장비로 사용될 수 있다. 즉, 제1 압축기(210)를 사용할 수 없는 경우 제2 압축기(220)가 제1 압축기(210)의 역할을 대신하도록 할 수 있고, 제2 압축기(220)를 사용할 수 없는 경우 제1 압축기(210)가 제2 압축기(220)의 역할을 대신하도록 할 수 있다.
한편, 선박이 정박하고 있는 경우에는 추진용 엔진에 증발가스를 공급할 필요가 없으므로, 추진용 엔진의 요구 압력을 맞추기 위해 증발가스를 제2 압축기(220)의 모든 압축 과정을 거치게 하는 것이 비효율적일 수 있다.
따라서, 선박이 정박하고 있는 경우에는 제2 압축기(220)의 일부 압축 과정만을 거친 증발가스를 재액화라인(L3)으로 보내 재액화 과정을 거치도록 할 수 있으며, 제2 압축기(220)의 일부 압축 과정만을 거쳐 재액화라인(L3)으로 보내지는 증발가스는 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스일 수 있다.
제2 압축기(220)의 일부 압축 과정만을 거쳐 재액화라인(L3)으로 보내지는 증발가스가 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 증발가스인 경우, 재액화라인 상에 별도의 오일분리기나 오일필터를 설치할 필요가 없고, 제1 열교환기(110)나 제2 열교환기(120)의 유로가 윤활유에 의해 막히는 현상도 방지할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예의 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의한 일부 또는 전부의 압축 과정을 거친 후 재액화라인(L3)으로 보내진 증발가스는, 제1 열교환기(110)에 의해 1차 냉각되고 제2 열교환기(120)에 의해 2차 냉각된 후 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되어 재액화될 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)는, 냉매 사이클(C)을 순환하는 유체를 냉매로, 제1 열교환기(110)에 의해 1차 냉각된 증발가스를 추가로 냉각시킨다.
본 실시예의 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의한 일부 압축 과정을 거친 후 냉매 사이클(C)로 보내진 증발가스(L1)는, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(510)로 보내진다.
본 실시예의 제1 감압장치(510)는, 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체(L1)를 팽창시킨 후 다시 제2 열교환기(120)로 보낸다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되어 압력뿐만 아니라 온도도 낮아진 유체(L2)는, 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된다. 본 실시예의 제1 감압장치(510)는 팽창기일 수 있다.
제2 열교환기(120)는, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 유체(L2)를 냉매로, 제1 열교환기(110)에 의해 1차로 냉각된 유체(L3)와, 냉매 사이클(C)로 공급된 증발가스(L1)를 열교환시켜 냉각시킨다. 제1 감압장치(510)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 유체는 제3 압축기(230)로 보내진다.
본 실시예의 제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)에 팽창된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 유체를 압축시킨다. 제3 압축기(230)는, 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되어 낮아진 증발가스의 압력을 보상하여, 폐루프의 냉매 사이클(C)을 순환하는 증발가스의 평균 압력을 유지시키는 역할을 하며, 제1 감압장치(510)와 압신기(Compander)를 형성하여, 제1 감압장치(510)가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동될 수 있다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제3 압축기(230)에 의해 압축되며 압력뿐만 아니라 온도도 높아진 증발가스의 온도를 낮추는 냉각기(400)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 제2 열교환기(120)에 냉매를 공급하는 폐루프의 냉매 사이클(C)을 순환하는 유체는, 선박의 운용 상황에 따라 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스일 수도 있고, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스일 수도 있다.
도 2는 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클을 순환하는 경우의 냉매 사이클(굵은 선 부분)을 도시한 것이고, 도 3은 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클을 순환하는 경우의 냉매 사이클(굵은 선 부분)을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클(C)을 순환하는 경우의 냉매 사이클(C)은, 제2 압축기(220), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(510), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제2 압축기(220)를 연결하는 폐루프이다.
제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클(C)을 순환하는 경우에는, 제2 압축기(220)는 냉매 사이클(C)에 냉매를 공급하는 역할로만 사용되고, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 제1 엔진(E1), 제2 엔진(E2) 또는 재액화라인(L3)으로 보내지지 않으며, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스가 제1 엔진(E1), 제2 엔진(E2) 및 재액화라인(L3)으로 보내진다. 즉, 제2 압축기(220)는 '냉매 사이클용 압축기'로 사용되고, 제1 압축기(210)는 '연료 공급용 압축기'로 사용된다.
도 3를 참조하면, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클(C)을 순환하는 경우의 냉매 사이클(C)은, 제1 압축기(210), 제2 열교환기(120), 제1 감압장치(510), 다시 제2 열교환기(120), 제3 압축기(230), 및 다시 제1 압축기(210)를 연결하는 폐루프이다.
제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스가 냉매 사이클(C)을 순환하는 경우에는, 제1 압축기(210)는 냉매 사이클(C)에 냉매를 공급하는 역할로만 사용되고, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스가 제1 엔진(E1), 제2 엔진(E2) 또는 재액화라인(L3)으로 보내지지 않으며, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스가 제1 엔진(E1), 제2 엔진(E2) 및 재액화라인(L3)으로 보내진다. 즉, 제1 압축기(210)는 '냉매 사이클용 압축기'로 사용되고, 제2 압축기(220)는 '연료 공급용 압축기'로 사용된다.
본 실시예의 제2 감압장치(520)는, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)를 통과한 증발가스(L3)를 팽창시킨다. 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)에 의한 압축과정과, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)에 의한 냉각과정(후술하는 바와 같이, 재액화시킬 증발가스의 양이 적은 경우, 제1 열교환기(110)에 의한 냉각과정만 거칠 수도 있다.)과, 제2 감압장치(520)에 의한 팽창과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다. 본 실시예의 제2 감압장치(520)는, 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브일 수 있다.
본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제2 감압장치(520) 후단에서 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체상태의 가스를 분리하는 기액분리기(600)를 더 포함할 수 있다. 기액분리기(600)에 의해 분리된 기체상태의 가스는, 재액화되지 못하고 남은 증발가스와 제1 감압장치(510)에 의해 팽창되며 생성된 플래쉬 가스가 혼합된 유체일 수 있다.
기액분리기(600)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀되고, 기액분리기(600)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)의 냉매로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발가스 재액화 방법을 정리하면 다음과 같다.
1. 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)를 사용하여 증발가스를 압축시켜 제1 엔진(E1) 및 제2 엔진(E2)의 연료로 사용한다.
제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220) 중 어느 하나를 엔진(E1, E2)의 연료 공급용으로 사용하다가, 연료 공급용으로 사용하던 압축기를 사용할 수 없게 되면 다른 압축기를 연료 공급용으로 사용할 수 있다.
2. 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)를 사용하여 증발가스를 압축시켜 냉매 사이클(C)로 공급한다.
저장탱크(T) 내부의 액화천연가스의 양이 많아 증발가스가 많이 발생하는 경우나, 선박의 속도가 낮아 엔진(E1, E2)에서 증발가스를 적게 사용하는 경우에는, 재액화시킬 증발가스량이 많아지고, 저장탱크(T) 내부의 액화천연가스의 양이 적어 증발가스가 적게 발생하는 경우나, 선박의 속도가 높아 엔진(E1, E2)에서 증발가스를 많이 사용하는 경우에는, 재액화시킬 증발가스량이 적어진다.
재액화시킬 증발가스량이 적은 경우에는, 증발가스를 냉매 사이클(C)로 공급하지 않으며, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스를 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각시키지 않고 제2 감압장치(520)에 의해 팽창시킨다.
재액화시킬 증발가스량이 많은 경우에는, 제1 압축기(210) 또는 제2 압축기(220)를 사용하여 증발가스를 압축시켜 냉매 사이클(C)로 공급한다.
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.
T : 저장탱크 E1, E2 : 엔진
C : 냉매 사이클 110, 120 : 열교환기
210, 220, 230 : 압축기 400 : 냉각기
510, 520 : 감압장치 600 : 기액분리기

Claims (22)

  1. 선박에 탑재된 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스를 재액화 시키는 방법에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 제1 압축기에 의해 다단계로 압축시키고,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를, 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기에 의해 다단계로 압축시키고,
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의한 전부 압축 과정을 거친 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하고(이하, '연료 공급용 압축기'라고 한다.),
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '연료 공급용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 냉매 사이클로 공급하고(이하, '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.),
    상기 '연료 공급용 압축기'에 의한 전부 압축 과정을 거친 증발가스 중 상기 엔진으로 공급되지 않은 잉여 증발가스는, 제1 열교환기에서 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고,
    재액화시킬 증발가스의 양이 일정값 이상인 경우, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 제2 열교환기에서 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 제2 감압장치에 의해 팽창되고,
    재액화시킬 증발가스의 양이 일정값 미만인 경우, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 상기 제2 열교환기에서의 냉각 과정을 거치지 않고, 상기 제2 감압장치에 의해 팽창되는, 증발가스 재액화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'는 일정 압력 이하의 압축 단계에서 윤활유 없이 운전이 가능한 압축기인, 증발가스 재액화 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'는 5단 압축기이고,
    전단의 3개의 압축기는 무급유 윤활 방식으로 동작하고, 후단 2개의 압축기는 급유 윤활 방식으로 동작하는, 증발가스 재액화 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 냉매 사이클로 공급되는, 증발가스 재액화 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 공급되는 증발가스의 압력은 20 내지 60 bara인, 증발가스 재액화 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 '연료 공급용 압축기'와 상기 '냉매 사이클용 압축기'는 서로 여분의 역할을 하는, 증발가스 재액화 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매 사이클은, 상기 '냉매 사이클용 압축기', 상기 제2 열교환기, 제1 감압장치, 다시 상기 제2 열교환기, 제3 압축기, 및 다시 상기 '냉매 사이클용 압축기'를 연결하고,
    상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 후 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체는 상기 제2 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 제3 압축기로 공급되는, 증발가스 재액화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 냉각기에 의해 냉각된 후 상기 '냉매 사이클용 압축기'로 보내지는, 증발가스 재액화 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 감압장치에 의해 팽창된 유체를 기액분리기에 의해 재액화된 액화가스와 기체상태의 가스로 분리하는, 증발가스 재액화 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 가스는, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용되는, 증발가스 재액화 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 '연료 공급용 압축기'의 전부 압축 과정을 거친 증발가스는 추진용 엔진인 제1 엔진으로 공급되고,
    상기 '연료 공급용 압축기'의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는 발전용 엔진인 제2 엔진으로 공급되는, 증발가스 재액화 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 엔진은 ME-GI 엔진이고 상기 제2 엔진은 DF 엔진인, 증발가스 재액화 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 제3 압축기는, 상기 제1 감압장치와 압신기를 형성하여 상기 제1 감압장치가 유체를 팽창시키면서 생산하는 동력에 의해 구동되는, 증발가스 재액화 방법.
  14. 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 제1 압축기에 의해 다단계로 압축시키고,
    상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를, 상기 제1 압축기와 병렬로 설치되는 제2 압축기에 의해 다단계로 압축시키고,
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 냉매 사이클로 공급하고(이하, '냉매 사이클용 압축기'라고 한다.),
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '냉매 사이클용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 제1 열교환기에서 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각되고,
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체는, 제2 열교환기에서 상기 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 열교환되어 냉각된 후, 제2 감압장치에 의해 팽창되는, 증발가스 재액화 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 저장탱크가 탑재된 선박은 정박중인, 증발가스 재액화 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 '냉매 사이클용 압축기'가 아닌 나머지 압축기에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 상기 제1 열교환기로 보내지는, 증발가스 재액화 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의한 일부 압축 과정을 거친 증발가스는, 무급유 윤활 방식으로 동작하는 압축기만을 거친 후 상기 냉매 사이클로 보내지는, 증발가스 재액화 방법.
  18. 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 다단계로 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기와 병렬로 설치되어, 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스의 일부 또는 전부를 다단계로 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 냉매 사이클을 순환하는 유체를 냉매로 추가로 냉각시키는 제2 열교환기; 및
    상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 제2 감압장치;를 포함하고,
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기는 서로 여분의 역할을 하고,
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 상기 냉매 사이클로 공급하며,
    무급유 윤활 방식의 압축기만을 거친 증발가스가 상기 냉매 사이클로 공급되는, 증발가스 재액화 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 어느 하나가 상기 엔진으로 증발가스를 연료로 공급하고,
    상기 제1 압축기 및 상기 제2 압축기 중 상기 엔진으로 증발가스를 연료로 공급하지 않는 나머지 압축기가 상기 냉매 사이클로 증발가스를 공급하는, 증발가스 재액화 시스템.
  20. 청구항 18 또는 청구항 18에 있어서,
    상기 냉매 사이클로 공급되는 증발가스의 압력은 20 내지 60 bara인, 증발가스 재액화 시스템.
  21. 청구항 18 또는 청구항 19에 있어서,
    상기 냉매 사이클로 공급되어 상기 제2 열교환기를 통과한 유체를 팽창시킨 후 다시 상기 제2 열교환기로 보내는 제1 감압장치; 및
    상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 후 상기 제2 열교환기를 통과한 유체를 압축시키는 제3 압축기;를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기는, 상기 제1 감압장치에 의해 팽창된 유체를 냉매로, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체와, 상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 냉매 사이클로 보내진 유체를 열교환시켜 냉각시키는, 증발가스 재액화 시스템.
  22. 엔진의 연료로 사용되고 남은 잉여 증발가스를, 증발가스 자체를 냉매로 열교환시켜 재액화시키는 방법에 있어서,
    냉매 사이클에 냉매를 공급하는 '냉매 사이클용 압축기'와 상기 엔진에 연료를 공급하는 '연료 공급용 압축기'가 서로 여분의 역할을 하고,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'는 일정 압력 이하의 압축 단계에서 윤활유 없이 운전이 가능한 압축기이고,
    상기 '냉매 사이클용 압축기'에 의해 윤활유 없이 운전이 가능한 압축 단계까지만 압축된 증발가스가 상기 냉매 사이클로 공급되는, 증발가스 재액화 방법.
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