KR20180105179A - 여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 시스템 - Google Patents

여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 시스템은 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)에 기반한다. 이 시스템의 가스 흡입구(10), 중간 가스 배출구(20) 및 최종 가스 배출구(30)에서 구현된 가스 압력 측정은 압축기 스테이지의 각각의 가스 용량을 제어하게 한다. 따라서, 쉽고 신뢰성있는 제어가 시스템 작동을 위해 얻어질 수 있다. 압축기 스테이지의 수를 변경하는 것은 모든 가스 공급 장치로의 가스 전달에 대한 임의의 압력 필요조건을 맞추는 것을 허용하고, 압축기 스테이지의 가스 용량을 변화시키는 것은 가스 공급 장치의 가변적인 가스 소모에 쉽게 적응할 수 있게 한다.

Description

여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 시스템
본 발명은 여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 시스템이 구비된 가스 연료(gas-fuelled) 캐리어에 관한 것이다.
액체 피스톤을 기반으로, 하는 압축 가스를 공급하기 위한 시스템(가스 압축기로도 불림)이 잘 알려져 있다. 이러한 시스템은:
- 가스 공급원에 연결하기 위한 가스 흡입구와,
- 가스 공급 장치에 연결하기 위한 최종 가스 배출구와,
- 상기 가스 흡입구와 상기 최종 가스 배출구 사이에서 정렬된 체인(chain)으로 연속적으로 연결된 적어도 2개의 압축기 스테이지를 포함하는 액체 피스톤 가스 다단 압축기
를 포함할 수도 있다.
각 압축기 스테이지는 구동 액체가 공급되는 적어도 하나의 실린더를 포함하고, 압축기 스테이지에서 가스를 로딩(load), 압축 및 방출하기 위해, 실린더 내에 수용된 구동 액체량을 교대로 증감시키도록 배치된 액체 고압 공급 장치를 또한 포함한다. 각 압축기 스테이지에서 체인에서의 처음의 압축기 스테이지 외의 각 압축기 스테이지(더욱 높은 압축기 스테이지라고 불림)는, 더욱 높은 압축기 스테이지 직전에 체인에 위치된 선행 압축기 스테이지에 의해, 더욱 높은 압축기 스테이지에 선행 압축기 스테이지를 연결시키는 중간 가스 덕트를 통해, 출력되는 가스를 처리하도록 연결된다. 이러한 방식으로, 가스 흡입구로부터 흐르는 가스는 압축기 스테이지 중 하나에 의해 처리될 때마다 압력-증가되고, 최종 가스 배출구에서 출력되는 가스는 체인의 모든 압축기 스테이지에 의해 연속적으로 처리된다. 이러한 가스 압축기의 이점은 도널드 에이치. 뉴홀(Donald H. Newhall)에 의한 "유압 구동식 펌프(Hydraulically Driven Pumps)"라는 제목의 책(Harwood Engineering Co., Inc., Walpole, Mass., reprinted from Industrial and Engineering Chemistry vol. 49, No. 12, December 1957, pp. 1949-54)에서 설명된다.
가스 압축기는 일반적으로, 가스 연료 엔진 또는 하이브리드 연료 엔진, 및 또한 가스 액화 시스템을 포함한 많은 기술 분야에서 많은 적용예를 갖는다. 특히, 가스 연료 또는 하이브리드 연료 엔진 및 가스 액화 시스템에 대한 이러한 적용예는 특히 EP 2 913 509 및 EP 2 913 510에 의해 개시된 바와 같이, 가스 연료 선박, 예를 들면, 액화 천연가스 운반선 상에 구현될 수도 있다. 그러나 지금까지 이러한 적용예에 대해서, 가스 압축기는 소위 왕복 펌프의 기술에 속한다. 이러한 후자의 기술은 캠샤프트- 또는 크랭크 -를 통해 회전 모터에 의해 구동되는 솔리드 피스톤(solid piston)을 기반으로 한다. 그러나, 이러한 솔리드 피스톤 가스 압축기는, 상기에 인용된 종래 기술의 책 "유압식 구동 펌프"에 기재된 문제점을 포함하고, 비용이 많이 들고 압축기의 작동 시간에 손실을 야기하는 오버홀(overhaul) 필요조건으로 이어지는 문제점을 갖는다.
이러한 상황에서부터, 본 발명의 하나의 목적은 압축 가스를 적어도 2개의 개별의 가스 공급 장치에 전달하기 위한 상이한 압력 값으로, 이러한 장치에 압축 가스를 공급할 수 있는 시스템을 제공하는 것으로 구성된다. 그 다음에, 추가적인 목적은 시스템 설계를 실질적으로 수정하는 일 없이, 장치의 가스 압력 필요조건의 함수로서 용이하게 순응될 수 있는 이러한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 쉽고 신뢰성 있으며, 넓은 소모 범위에 걸쳐서 가스 공급 장치에 의한 가스 소모를 견딜 수 있는 이러한 시스템에 대한 작동 제어를 제공하는 것으로 구성된다.
이러한 목적 또는 다른 목적 중 적어도 하나를 충족하기 위해, 본 발명의 제 1 관점은, 가스 공급원에 연결하기 위한 가스 흡입구와, 제 1 가스 공급 장치에 연결하기 위한 최종 가스 배출구와, 상술된 액체 피스톤 가스 다단 압축기를 포함하는 여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 시스템을 제안한다. 본 발명에 따르면, 상기 시스템은,
- 체인에서 연속하는 2개의 압축기 스테이지를 연결하는 중간 가스 덕트 중 하나 내에 배치되고, 조정가능한 인출 밸브를 통해 제 2 가스 공급 장치에 연결하도록 구성되는 중간 가스 배출구와,
- 가스 흡입구에서 가스 압력을 감지하도록 배치되는 제 1 압력 센서, 중간 가스 배출구 내의 가스 유동 방향에 대한 인출 밸브 상류측의 중간 가스 배출구에서 가스 압력을 감지하도록 배치되는 제 2 압력 센서, 및 최종 가스 배출구에서 가스 압력을 감지하도록 배치되는 제 3 압력 센서
를 더 포함한다.
본 발명의 추가의 특징부에 따르면, 체인의 처음의 압축기 스테이지의 액체 고압 공급 장치는 제 1 압축 센서에 의해 생성(issue)된 제 1 측정 결과에 기반하여 처음의 압축기 스테이지의 가스 용량을 변화시키도록 구성된 제 1 조절 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 특징부에 따르면, 제 2 조절 수단은 제 2 압력 센서에 의해 생성된 제 2 측정 결과에 기반하여 인출 밸브를 조정하기 위해 배치된다.
본 발명의 또 다른 특징부에 따르면, 체인에서의 마지막의 압축기 스테이지의 액체 고압 공급 시스템은 제 3 압력 센서에 의해 생성된 제 3 측정 결과에 기반하여 마지막의 압축기 스테이지의 다른 가스 용량을 변화시키도록 구성되는 제 3 조절 수단을 포함한다.
본 발명의 시스템은 액체 피스톤을 기반으로 하는 가스 압축기를 구현하기 때문에, 체인에서의 압축기 스테이지의 수를 변화시키는 것은 가스 공급 장치에 대한 가스 전달에 대한 광범위한 압력 필요조건을 맞추는 것을 허용한다. 특히, 압축기 스테이지는, 여러 또는 모든 압축기 스테이지의 액체 고압 공급 시스템에 병렬로 연결된 하나의 동일한 고압 구동 액체 공급원을 공유할 수도 있다. 그 다음에, 압축기 스테이지 수를 수정하는 것은 최소한의 비용으로 구현될 수 있다.
또한, 액체 피스톤을 기반으로 하는 가스 압축기를 구현하는 것은 압축기 스테이지의 가스 용량을 용이하게 조정함으로써 장치의 가스 소모에 대한 넓은 범위의 정합(matching)을 허용한다.
액체 피스톤 가스 압축기를 구현함으로써 왕복 운동 펌프의 문제점이 회피된다.
또한, 본 발명은 압력 측정에 기초하는 시스템의 작동 제어를 제공한다. 이러한 제어는 합리적인 비용으로 넓게 이용가능한 센서를 사용하여, 간단하고 신뢰성있는 방식으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에 있어서, 체인은 액체 피스톤 가스 다단 압축기 내에, 2개 내지 6개의 값을 포함하는 2개 내지 6개의 압축기 스테이지를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 액체 피스톤 가스 다단 압축기의 적어도 2개의 압축기 스테이지는 가스 흡입구와 중간 가스 배출구 사이에서 체인에 위치되고, 처음의 세그먼트 압축기 스테이지라 불린다. 그 다음에, 이러한 처음의 세그먼트 압축기 스테이지 각각의 액체 고압 공급 장치는 제 1 압력 센서에 의해 생성된 제 1 측정 결과에 기반하여, 처음의 세그먼트 압축기 스테이지의 각각의 가스 용량을 변화시키도록 구성되는 각각의 조절 수단을 포함할 수도 있다.
유사하게, 액체 피스톤 가스 다단 압축기의 적어도 2개의 압축기 스테이지는 중간 가스 배출구와 최종 가스 배출구 사이의 체인에 위치되고, 마지막의 세그먼트 압축기 스테이지로 불릴 수도 있다. 그 다음에, 이러한 마지막의 세그먼트 압축기 스테이지 각각의 액체 고압 공급 장치는 제 3 압력 센서에 의해 생성된 제 3 측정 결과에 기반하여, 마지막의 세그먼트 압축기 스테이지의 각각의 가스 용량을 변화시키도록 구성되는 각각의 조절 수단을 포함할 수도 있다.
본 발명의 시스템은 가스 연료 선박과 같은 가스 연료 캐리어 상에 있도록 구성될 수도 있다. 그 다음에, 중간 가스 배출구 및 최종 가스 배출구 중 하나는 캐리어의 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결되도록 전용될 수도 있다. 다른 가스 배출구는 가스 버너 또는 가스 액화 시스템에 연결되도록 전용될 수도 있다.
이러한 캐리어 상의 적용예에 대해서, 시스템의 기체 흡입부는 캐리어 상에 배치된 적어도 하나의 탱크 내에 수용된 액화 가스로부터 기원하는 증발 가스(boil-off gas)를 수용하기 위해 연결되도록 전용될 수도 있다. 따라서, 이 탱크는 가스 공급원의 적어도 일부를 형성한다.
본 발명의 제 2 관점은 추진 엔진과, 제 1 발명 관점을 따르고 여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 시스템을 포함하는 가스 연료 캐리어를 제안한다. 시스템의 중간 가스 배출구 및 최종 가스 배출구 중 하나는 캐리어 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결될 수도 있다. 이러한 가스 연료 캐리어는 가스 연료 선박 또는 가스 연료 트럭 또는 가스 연료 레일-캐리어 등일 수도 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 시스템에 의해 처리되는 가스는 석유 가스를 포함하여, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 혼합물일 수도 있다. 또한, 이 가스는 메탄올, 에탄올 또는 디메틸에테르일 수도 있다. 모든 이러한 가스는 엔진, 예를 들면, 캐리어 추진 엔진용 연료로서 사용될 수도 있다. 가스 연료 캐리어는 액화 가스 캐리어, 특히 액화 천연가스 캐리어일 수도 있다.
그러나, 본 발명에 따른 시스템에 의해 처리되는 가스는 또한, 특히 적절한 수소 유동을 갖는 연료 전지 장치에 공급하기 위한 수소일 수도 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 특징부는 본 발명의 바람직하지만 비-한정적인 실시예에 관한 첨부 도면을 참조하여 이제 설명될 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 4개의 가능한 구현예를 도시하는 도면.
이러한 도면 중 상이한 도면에 나타난 동일한 도면부호는 동일한 기능을 갖는 요소들의 동일한 요소를 나타낸다.
이제, 본 발명은 청구범위에 대한 임의의 한정을 유도하는 일 없이, 여러 실시예에 대해 상세히 설명된다. 특히, 액화 천연가스 운반선에 대한 천연가스 처리 및 적용이 설명되지만, 동일한 구현 특징부 또는 가스-순응 구현 특징부를 갖는 다른 가스 또는 적용예가 청구범위에 의해 포함된다.
도 1을 참조하면, 이하의 도면부호는 이제 명시되는 의미를 갖는다:
101 : 가스 공급원
102 : 제 1 가스 공급 장치
103 : 제 2 가스 공급 장치
100 : 액체 피스톤 가스 다단 압축기
1 내지 4 : 액체 피스톤 가스 다단 압축기의 4개의 압축기 스테이지(단지 도시 목적을 위한 4개)
10 : 시스템의 가스 흡입구
20 : 시스템의 중간 가스 배출구
30 : 시스템의 최종 가스 배출구
11, 21, 31 : 가스 압력 센서
12, 22, 32 : 컨트롤러
13, 23, 33, 43 : 각 압축기 스테이지에 전용된 조절 수단
24 : 인출(draw-off) 밸브
40 : 가스 취급 통합 제어 시스템
53 : 고압 구동 액체 공급원
60 : 선택적인 예비 압축기
61 : 선택적인 가스 냉각기
62 내지 65 : 중간 냉각기
가스 공급원(101)은 증발 가스가 기원되는 액화 천연가스를 포함하는 하나의 탱크 또는 여러 탱크(하나의 탱크만이 도면에 도시됨)를 포함할 수도 있다. 이러한 가스 탱크(들)는 예를 들면, 액화 천연가스 운반선 상에 배치될 수도 있다. 이러한 경우에, 본 발명에 따른 시스템에 의해 처리되는 가스는 증발 가스일 수도 있지만, 이는 또한 천연가스의 기화된 액체, 또는 증발 가스 및 천연가스의 기화된 액체의 조합일 수도 있다. 본 발명의 시스템에 의해 처리되는 이 가스는 80 중량% 초과의 메탄으로 구성될 수도 있다.
가스 흡입구(10)는 액화 천연가스로부터 기원되는 증발 가스 또는 천연가스의 기화된 액체를 수용하도록 연결될 수도 있다.
액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)는 체인으로 직렬 연결된 4개의 압축기 스테이지(1 내지 4)를 포함하고, 그에 따라 각 압축기 스테이지는 가스 흡입구(10)로부터 기원되는 가스를 처리하는 압축기 스테이지(1)를 제외하고, 체인에서 직전의 압축기 스테이지에 의해 출력된 가스를 처리한다. 나타낸 예에 있어서, 압축기 스테이지(1)는 체인의 처음의 스테이지이고, 압축기 스테이지(4)는 체인의 마지막의 스테이지이다. 압축기 스테이지(4)는 최종 가스 유출구(30)를 통해 압축 가스를 출력한다. 압축기 스테이지(1 내지 4) 각각은 가변량의 구동 액체를 허용하기 위해 연결되는 각각의 실링된 실린더를 포함하고, 실린더 내에 수용된 구동 액체량을 변화시키는 액체 고압 공급 장치를 또한 포함한다. 이러한 액체 피스톤 압축기 스테이지의 구조는 잘 알려져 있고, 그에 따라 본 명세서에 반드시 이를 반복할 필요는 없다. 각 실린더 내의 구동 액체의 점차 증가하도록 그리고 점차 감소하도록 반복적으로 변하는 레벨이 고려되는 압축기 스테이지의 실린더로부터 배출된 압축 가스의 유동을 생성한다는 것만을 나타낸다. 이 압축 가스 유동은 특히, 실린더 내의 구동 액체의 레벨 변화의 크기 및, 또한 실린더 내의 구동 액체의 이러한 레벨 변화의 빈도에 따라 달라진다. 이 설명의 프레임에 있어서, 구절 "압축기 스테이지 중 하나의 용량"은 압축기 스테이지에 의해 시간 단위당 출력되는 압축 가스의 평균량, 예를 들면, 평균 중량을 나타낸다. 이 용량은 특히, 실린더 내의 구동 액체의 레벨 변화의 크기 및 빈도에 기인한다. 압축기 스테이지 각각의 액체 고압 공급 장치는 각각의 조절 수단 및 고압 구동 액체의 공급원을 포함한다. 고압 구동 액체의 공급원은 도면부호 53을 따라 압축기 스테이지(1 내지 4) 사이에서 유리하게 공유될 수도 있고, 조절 수단은 압축기 스테이지(1)에 대해서는 13, 압축기 스테이지(2)에 대해서는 23, 압축기 스테이지(3)에 대해서는 33, 및 압축기 스테이지(4)에 대해서는 43으로 지칭된다. 이러한 조절 수단은 설명의 목적만을 위해 도 1에서 밸브로서 나타나지만, 이들은 당업자에게 잘 알려진 바와 같은 복잡한 구조를 갖는다. 각 압축기 스테이지에 대한 개별적인 출력 가스 압력과 흡기 가스 압력 사이의 비는 2 내지 15일 수도 있다.
유리하게, 액체 피스톤을 기반으로 하는 이러한 압축기 내에서, 구동 액체의 증기 또는 각 실린더 내에서 압축하는 가스에 의해 생성된 증기로 압축 가스가 오염되는 것을 회피하기 위해, 구동 액체와 각 실런더 내에서 압축하는 가스 사이에 직접 접촉이 없다. 특히, 특허문헌 제 US 2012/0134851 호는 구동 액체와 압축될 가스 사이에 더미 솔리드 피스톤을 배치하는 것을 제안한다. 압축기 스테이지의 작동 사이클 동안에, 더미 피스톤은 실린더 내에서 구동 액체의 상부에 유지되고, 구동 액체의 레벨의 교호 변화(alternating variation)로 인해 상하로 움직인다. 개별 실린더 내의 더미 피스톤은 솔리드 기반의 상호연결 없이 서로 독립적이다. 더미 피스톤과 실린더의 내부면 사이의 주변 실링을 생성하기 위해 고정된 양의 추가적인 액체가 제공된다. 이러한 추가적인 액체의 양은, 더미 피스톤과 함께 움직임으로써, 구동 액체의 순간적인 레벨이 무엇이든 간에 더미 피스톤의 둘레면과 실린더의 내면 사이에 포함된 채로 있는다. 이러한 추가적인 액체는 오염 증기를 생성하지 않기 위해 선택되어서, 압축될 가스가 오염 증기에 용해되지 않고, 오염 증기와의 임의의 화학 반응을 생성하지 않는다. 이온 유형의 액체가 이 목적을 위해 구현되거나, 임의의 다른 액체가 가스-실링 및 윤활 기능을 생성할 수 있다.
가스는 예비 압축기(60) 및 선택적으로 가스 냉각기(61)를 포함할 수도 있는 전용 경로를 통해 가스 공급원(101)으로부터 가스 흡입구(10)로 안내된다. 예비 압축기(60)는 회전식일 수도 있고, 증발 가스 또는 기화된 가스의 압력을 4 bara 내지 7 bara(bar로 표현된 절대 압력에 대한 bara)까지 증가시키기에 적합하다. 또한, 중간 냉각기(62 내지 65)는 마지막의 압축기 스테이지(4)와 최종 가스 유출구(30) 사이, 및 체인에서 연속하는 2개의 압축기 스테이지 사이의 하나의 중간 가스 덕트에 각각 제공될 수도 있다. 각 중간 냉각기는 고려된 중간 가스 덕트 내에서 또는 최종 가스 배출구(30) 내에서 유동하는 가스를 냉각시킨다.
제 1 가스 공급 장치(102)는 최종 가스 배출구(30)에 연결되어, 마지막의 압축기 스테이지(4)로부터 출력된 압축 가스가 공급된다. 본 발명이 액화 천연가스 운반선 상에 구현되는 경우, 제 1 가스 공급 장치(102)는 천연가스만 공급될 선박 추진 엔진, 또는 액체 연료 및 천연가스 모두가 공급될 하이브리드 연료 엔진을 포함할 수도 있다. 이러한 후자의 경우, 선박 추진 엔진의 천연가스 공급 장치만이 본 설명에 관련된다. 그래서, 최종 가스 배출구(30)는 선박 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결하기 위해 전용될 수도 있다. 이 엔진의 일부 유형에 있어서, 최종 가스 유출구(30)에서 요구되는 가스 압력은 100 bara 내지 450 bara의 범위, 특히 300 bara 내지 400 bara의 범위일 수도 있다. 최종 가스 유출구(30)에서의 이러한 압력 범위에 대해서, 예비 압축기(60)를 구현하는 것은 바람직하거나 필요할 수도 있다.
제 2 가스 공급 장치(103)는 압축 가스를 수용하기 위해 중간 가스 배출구(20)에 연결된다. 중간 가스 배출구(20)는 나타낸 예에서 압축기 스테이지(2 및 3) 사이의 가스 덕트에 위치되지만, 제 2 가스 공급 장치(103)의 흡입구에 요구되는 가스 압력 값에 따라, 압축기 스테이지(1 내지 4) 중 임의의 2개의 연속적인 압축기 스테이지 사이의 중간에 있을 수도 있다. 도 1의 제 1 발명 구현예에 있어서, 제 2 가스 공급 장치(103)는 예를 들면, 과량의 증발 가스를 제거하기 위한 버너를 포함할 수도 있다.
도 2는 또한 액화 천연가스 운반선 상에 적합하고 도 1을 대신하는 본 발명의 제 2 구현예를 도시한다. 이러한 제 2 구현예에 있어서, 제 2 가스 공급 장치(103)는 중간 가스 배출구(20)로부터 기원되는 압축 천연가스의 일부를 액화 천연가스로 전환시키는 가스 액화 시스템일 수도 있다. 따라서, 생성된 액화 천연가스는 가스 공급원(101)의 탱크(들) 내로 다시 흘러나갈 수 있다.
보다 일반적으로, 제 2 가스 공급 장치(103)는 보조 엔진, 발전기 등을 포함하는, 압축 가스가 공급될 임의의 다른 장치일 수도 있다.
도 3은 도 2의 본 발명의 구현예의 가능한 변형을 도시하는데, 여기서 예비 압축기(60)가 다단 회전 가스 예비 압축기, 예를 들면, 60-1 내지 60-4로 각각 지칭된 예비 압축기 스테이지를 갖는 4단 가스 예비 압축기이다. 열교환기(62)는 중간 가스 배출구(20)로부터 기원되는 압축 가스를 가스 액화 시스템(103)으로 이송하기 전에 냉각시키기 위해 구현될 수도 있다. 따라서, 중간 가스 배출구(20)로부터 기원되는 압축 가스로부터의 열은 예비 압축기 스테이지(60-1, 60-2) 사이에서 유입 가스(incoming gas)에 의해 흡수된다. 가스 액화 시스템의 액화 수율이 이러한 방식으로 증가될 수도 있다. 도 3에 있어서, 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)는 이 액체 피스톤 가스 다단 압축기의 모든 내부 구성요소가 도 3에 나타나거나 지칭되지 않더라도, 도 1을 참조하여 설명된 것과 유사한 내부 구조를 가질 수도 있다.
본 발명에 따르면, 가스 흡입구(10)에는 압력 센서(11)(도 1 또는 도 2)가 제공된다. 압력 센서(11)는 가스 흡입구(10)를 통해 흐르는 가스에 관한 제 1 압력 측정 결과를 출력한다. 그 다음에, 압축기 스테이지(1)의 용량이 이러한 제 1 압력 측정 결과에 기반하여 조절 수단(13)을 사용하여 달라진다. 가능하게는, 조절 수단(13)은 가스 흡입구(10)에서의 가스 압력을 제 1 소망 값에 근접하게 유지하도록 이러한 방식으로 제어될 수도 있다. 바람직하게, 그리고 압축기 스테이지(1 및 2)의 작동의 향상된 일관성을 위해, 압축기 스테이지(2)의 용량은 또한 제 1 압력 측정 결과에 기반하여 조절 수단(23)을 사용하여 달라질 수도 있다.
본 발명에 따르면, 중간 가스 배출구(20)에는 조정 가능한 인출 밸브(24)가 제공되고, 제 2 가스 공급 장치(103)는 인출 밸브(24)를 통해 가스 공급된다. 중간 가스 배출구(20)에는 또한 인출 밸브(24)와 압축기 스테이지(2)의 가스 출력 사이에 연결되는 압력 센서(21)가 제공된다. 압력 센서(21)는 중간 가스 배출구(20)를 통해 흐르는 가스에 관한 제 2 압력 측정 결과를 출력한다. 그 다음에, 인출 밸브(24)는 이러한 제 2 압력 측정 결과에 기반하여 적절한 조절 수단(도시되지 않음)을 사용하여 달라진다. 가능하게는, 인출 밸브(24)는 중간 가스 배출구(20)에서의 가스 압력을 제 2 소망 값에 근접하게 유지하도록 이러한 방식으로 제어될 수도 있다.
여전히 본 발명에 따르면, 최종 가스 배출구(30)에는 압력 센서(31)가 제공된다. 압력 센서(31)는 최종 가스 배출구(30)를 통해 흐르는 가스에 관한 제 3 압력 측정 결과를 출력한다. 그 다음에, 압축기 스테이지(4)의 용량이 이러한 제 3 압력 측정 결과에 기반하여 조절 수단(43)을 사용하여 달라진다. 가능하게는, 조절 수단(43)은 최종 가스 배출구(30)의 가스 압력을 제 3 소망 값에 근접하게 유지하도록 이러한 방식으로 제어될 수도 있다. 바람직하게, 그리고 압축기 스테이지(3 및 4)의 작동의 향상된 일관성을 위해, 압축기 스테이지(3)의 용량은 또한 조절 수단(33)을 사용하여 제 3 압력 측정 결과에 기반하여 달라질 수도 있다.
가능한 신호 처리 디자인에 따르면, 12로 지칭된 제 1 컨트롤러는 제 1 압력 설정점을 수신하기 위해, 또한 압력 센서(11)로부터 제 1 압력 측정 결과를 수신하기 위해 연결될 수도 있다. 제 1 컨트롤러(12)는 적어도 하나의 제 1 작동 파라미터 값을 조절 수단(13)에 전송하기 위해 추가로 연결될 수도 있다. 제 1 작동 파라미터는 압축기 스테이지(1)의 실린더 내에서의 구동 액체 레벨의 변화 빈도, 이 구동 액체 레벨의 변화 크기 또는 이러한 빈도 및 크기의 조합일 수도 있다. 따라서, 이러한 제 1 작동 파라미터는 압축기 스테이지(1)의 가스 용량을 제어한다. 이는 제 1 컨트롤러(12)에 의해, 제 1 압력 측정 결과 중 하나와 제 1 압력 설정점 사이의 적어도 하나의 차이로부터 추론된다. 예를 들어, 가스 흡입구(10)에서 현재 존재하는 가스 압력이 제 1 압력 설정점 미만인 경우, 압축기 스테이지(1)의 용량이 감소될 수도 있다. 반대로, 가스 흡입구(10)에서의 가스 압력이 제 1 압력 설정점 초과인 경우, 압축기 스테이지(1)의 용량은 증가될 수도 있다. 가능하게는, 제 1 컨트롤러(12)는 또한 압축기 스테이지(2)의 가스 용량을 압축기 스테이지(1)의 가스 용량과 일치하는 방식으로 동시에 제어하기 위해, 적어도 하나의 추가의 작동 파라미터 값을 조절 수단(23)에 전송할 수도 있다.
22로 지칭된 제 2 컨트롤러는 제 2 압력 설정점을 수신하고, 또한 압력 센서(21)로부터 제 2 압력 측정 결과를 수신하기 위해 연결될 수도 있다. 이러한 제 2 컨트롤러(22)는 제 2 작동 파라미터 값을 인출 밸브(24)의 조절 수단에 전송하기 위해 추가로 연결될 수도 있다. 제 2 작동 파라미터는 인출 밸브(24)에 의해 생성될 가변 개구 값(variable aperture value)일 수도 있다. 따라서, 이러한 제 2 작동 파라미터는 인출 밸브(24)를 사용하여 중간 가스 배출구(20)를 통한 가스 유동을 제어한다. 이는 제 2 컨트롤러(22)에 의해, 제 2 압력 측정 결과 중 하나와 제 2 압력 설정점 사이의 적어도 하나의 차이로부터 추정된다. 예를 들어, 중간 가스 배출구(20)에 현재 존재하는 가스 압력이 제 2 압력 설정점 미만인 경우, 인출 밸브(24)의 개구가 감소될 수도 있다. 반대로, 중간 가스 배출구(20)에서의 가스 압력이 제 2 압력 설정점 초과일 경우, 인출 밸브(24)의 개구는 증가될 수도 있다.
32로 지칭된 제 3 컨트롤러는 제 3 압력 설정점을 수신하고, 또한 압력 센서(31)로부터 제 3 압력 측정 결과를 수신하기 위해 연결될 수도 있다. 제 3 컨트롤러(32)는 적어도 하나의 제 3 작동 파라미터 값을 조절 수단(43)에 전송하기 위해 추가로 연결될 수도 있다. 제 3 작동 파라미터는 압축기 스테이지(4)의 실린더 내에서의 구동 액체 레벨의 변화 빈도, 이 구동 액체 레벨의 변화 크기, 또는 이러한 빈도 및 크기의 조합일 수도 있다. 따라서, 이러한 제 3 작동 파라미터는 압축기 스테이지(4)의 가스 용량을 제어한다. 이는 제 3 컨트롤러(32)에 의해, 제 3 압력 측정 결과 중 하나와 제 3 압력 설정점 사이의 적어도 하나의 차이로부터 추론된다. 예를 들어, 최종 가스 배출구(30)에 현재 존재하는 가스 압력이 제 3 압력 설정점 미만인 경우, 압축기 스테이지(4)의 용량이 증가될 수도 있다. 반대로, 최종 가스 유출구(30)에서의 가스 압력이 제 3 압력 설정점 초과인 경우, 압축기 스테이지(4)의 용량은 감소될 수도 있다. 가능하게는, 제 3 컨트롤러(32)는 압축기 스테이지(3)의 가스 용량을 압축기 스테이지(4)의 가스 용량과 일치하는 방식으로 동시에 제어하기 위해, 적어도 하나의 추가 작동 파라미터 값을 조절 수단(33)에 전송할 수도 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 컨트롤러(12, 22, 32)는 비례-적분-미분 컨트롤러(proportional-integral-derivative controller)를 각각 포함할 수도 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 압력 설정점은 가스 취급 통합 제어 시스템(40)에 의해 생성될 수도 있고, 이러한 제어 시스템(40)에 의해 가능하게는 전용 전송선을 통해, 제 1, 제 2 및 제 3 컨트롤러(12, 22, 32)로 각각 보내진다.
가스 압축기의 일부 적용은 확인된 기능, 지속적인 작동을 보장하는데 중요한 시스템을 위한, 또는 안전상의 이유를 위한 여분(redundancy)을 필요로 할 수도 있다. 이는 특히 선박 추진 엔진에 연료 가스를 공급하기 위한 선박 상의 천연가스 공급부에 적용될 수도 있다. 따라서, 액화 천연가스 운반선은 여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하기 위한 2개의 개별 시스템을 포함할 수도 있고, 각 시스템은 본 발명을 구현한다. 특히, 각 시스템의 중간 가스 배출구 및 최종 가스 배출구 중 하나는 추진 엔진으로의 연료 가스 공급을 위한 여분을 제공하기 위해, 선박 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결될 수도 있다. 도 4는 선박을 위한 이러한 여분의 장비를 도시한다. 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100', 100") 모두는 가스 공급원(101)으로부터 병렬로 덕트-연결된다. 이들은 동일하거나 동일하지 않을 수도 있지만, 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)에 대해 이전에 설명된 모든 구성요소가 도 4에서 다시 나타나거나 지칭되지 않더라도, 도 1 및 도 2를 참조하여 이러한 구성요소 및 배치로 각각 구성될 수도 있다. 2개의 시스템(100' 및 100")의 최종 가스 배출구(30)는 추진 엔진(102)의 연료 가스 흡입구에 연결되고, 2개의 시스템(100' 및 100")의 중간 가스 배출구(20)는 이들 각각의 인출 밸브(24)를 통해 가스 액화 시스템(103)의 가스 흡입구에 연결될 수도 있다. 완벽한 여분을 위해, 가스 공급원(101)과 시스템(100', 100")의 각각의 가스 흡입구(10) 사이의 경로 상에 별도의 예비 압축기(60', 60") 및 별도의 가스 냉각기(61', 61")가 제공될 수도 있다.
액화 천연가스 운반선 상의 본 발명의 구현예의 경우, 선박 추진 엔진의 연료 가스 흡입구가 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 최종 가스 배출구(30)에 연결되는 것이 의무는 아니다. 대안적으로, 그러나 엔진 흡입구에서 요구되는 가스 압력에 따라, 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 중간 가스 배출구(20)가 선박 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결되도록 전용될 수도 있다. 실제로, 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 중간 가스 배출구(20)에 존재하는 6±1.5 bara 또는 16±4 bara 범위의 가스 압력 값은 선박 추진 엔진에 연료 가스를 공급하기에 적합할 수도 있다. 이러한 경우에, 선박 추진 엔진은 제 2 가스 공급 장치(103)(도 1)의 적어도 일부를 형성한다. 그 다음에, 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 최종 가스 배출구(30)는 제 1 가스 공급 장치(102)로서 작용하는 임의의 다른 가스 공급 장치에 보다 고압의 가스를 공급하도록 전용될 수 있다. 예를 들어, 약 40 bara의 압축 가스는 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 최종 가스 배출구(30)로부터 가스 액화 시스템에 공급될 수도 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 제공된 상기 설명으로부터 일부 구현 상세를 적응하는 동안 재현될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본 발명은 액체 피스톤 가스 다단 압축기 내의 단일보다 많은 압축기 스테이지의 수가 무엇이든 간에, 그리고 압축기 스테이지의 체인을 따른 중간 가스 배출구의 위치가 무엇이든 간에 구현될 수도 있다. 또한, 가스 압력에 대해 인용된 많은 값들은 설명의 목적으로만 제공되었다.
또한 가능하게는, 여러 중간 가스 배출구는 각각의 가스 압력 필요조건이 모두 상이한 2개 초과의 가스 공급 장치에 가스를 공급하기 위해, 액체 피스톤 가스 다단 압축기 내의 압축기 스테이지 체인을 따라 상이한 중간 가스 덕트 상에 제공될 수도 있다. 그 다음에, 각 중간 가스 배출구에는 각각의 인출 밸브와, 다른 인출 밸브와 별도로, 본원에서 전술된 바와 같은 이 배출 밸브를 조정하기 위한 압력 센서가 제공될 수도 있다.

Claims (17)

  1. 여러 가스 공급 장치에 압축 가스를 공급하는 시스템으로서,
    - 가스 공급원(101)에 연결하기 위한 가스 흡입구(10)와,
    - 제 1 가스 공급 장치(102)에 연결하기 위한 최종 가스 배출구(30)와,
    - 상기 가스 흡입구(10)와 상기 최종 가스 배출구(30) 사이에 정렬된 체인에 직렬로 연결된 적어도 2개의 압축기 스테이지(1 내지 4)를 포함하는 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)로서, 각 압축기 스테이지는 구동 액체가 공급된 적어도 하나의 실린더를 포함하고, 또한 상기 압축기 스테이지에서 가스를 로딩, 압축 및 방출하기 위해, 상기 실린더 내에 수용된 구동 액체량을 교대로 증감시키도록 구성된 액체 고압 공급 장치를 포함하고, 더욱 높은 압축기 스테이지로 불리는, 상기 체인에서의 처음의 압축기 스테이지 외의 각 압축기 스테이지는, 상기 더욱 높은 압축기 스테이지 직전에 상기 체인 내에 위치된 선행 압축기 스테이지에 의해, 상기 선행 압축기 스테이지를 상기 더욱 높은 압축기 스테이지에 연결시키는 중간 가스 덕트를 통해, 출력되는 가스를 처리하도록 연결되고, 그에 따라 가스 흡입구로부터 유동하는 가스가 상기 압축기 스테이지 중 하나에 의해 처리될 때마다 압력-증가되며, 상기 최종 가스 배출구에서 출력된 가스는 상기 체인의 모든 압축기 스테이지에 의해 연속적으로 처리된 것인, 상기 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)를 포함하는, 상기 압축 가스 공급 시스템에 있어서,
    - 상기 체인에서 연속하는 2개의 압축기 스테이지(2, 3)를 연결하는 중간 가스 덕트 중 하나 내에 배치되고, 조정가능한 인출 밸브(24)를 통해 제 2 가스 공급 장치(103)에 연결하도록 구성되는 중간 가스 배출구(20)와,
    - 상기 가스 흡입구(10)에서 가스 압력을 감지하도록 배치되는 제 1 압력 센서(11), 상기 중간 가스 배출구 내의 가스 유동 방향에 대한 상기 인출 밸브(24) 상류측의 상기 중간 가스 배출구(20)에서 가스 압력을 감지하도록 배치되는 제 2 압력 센서(21), 및 상기 최종 가스 배출구(30)에서 가스 압력을 감지하도록 배치되는 제 3 압력 센서(31)를 더 포함하고,
    상기 체인의 처음의 압축기 스테이지(1)의 액체 고압 공급 장치는 상기 제 1 압력 센서(11)에 의해 생성된 제 1 측정 결과에 기반하여 상기 처음의 압축기 스테이지의 가스 용량을 변화시키도록 구성된 제 1 조절 수단(13)을 포함하고,
    상기 시스템은 상기 제 2 압력 센서(20)에 의해 생성된 제 2 측정 결과에 기반하여 상기 인출 밸브(24)를 조정하도록 구성된 제 2 조절 수단을 더 포함하며,
    상기 체인에서의 마지막의 압축기 스테이지(4)의 액체 고압 공급 시스템은 상기 제 3 압력 센서(31)에 의해 생성된 제 3 측정 결과에 기반하여 상기 마지막의 압축기 스테이지의 다른 가스 용량을 변화시키도록 구성된 제 3 조절 수단(43)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 제 1 압력 설정점을 수신하도록, 그리고 또한 상기 제 1 압력 센서(11)로부터의 제 1 압력 측정 결과를 수신하도록 연결되고, 적어도 하나의 제 1 작동 파라미터 값을 상기 제 1 조절 수단(13)에 전송하도록 연결되는 제 1 컨트롤러(12)로서, 상기 적어도 하나의 제 1 작동 파라미터는 상기 체인에서의 처음의 압축기 스테이지(1)의 가스 용량을 제어하고, 상기 제 1 컨트롤러에 의해, 상기 제 1 압력 측정 결과 중 하나와 상기 제 1 압력 설정점 사이의 적어도 하나의 차이로부터 추론되는, 상기 제 1 컨트롤러(12)와,
    - 제 2 압력 설정점을 수신하도록, 그리고 또한 상기 제 2 압력 센서(21)로부터의 제 2 압력 측정 결과를 수신하도록 연결되고, 제 2 작동 파라미터 값을 상기 제 2 조절 수단에 전송하도록 연결되는 제 2 컨트롤러(22)로서, 상기 제 2 작동 파라미터는 상기 인출 밸브(24)를 사용하여 상기 중간 가스 배출구(20)를 통한 가스 유동을 제어하고, 상기 제 2 컨트롤러에 의해, 상기 제 2 압력 측정 결과 중 하나와 상기 제 2 압력 설정점 사이의 적어도 하나의 차이로부터 추론되는, 상기 제 2 컨트롤러(22)와,
    - 제 3 압력 설정점을 수신하도록, 그리고 또한 상기 제 3 압력 센서(31)로부터의 제 3 압력 측정 결과를 수신하도록 연결되고, 적어도 하나의 제 3 작동 파라미터 값을 상기 제 3 조절 수단(43)에 전송하도록 연결되는 제 3 컨트롤러(32)로서, 상기 적어도 하나의 제 3 작동 파라미터는 상기 체인에서의 마지막의 압축기 스테이지(4)의 가스 용량을 제어하고, 상기 제 3 컨트롤러에 의해, 상기 제 3 압력 측정 결과 중 하나와 상기 제 3 압력 설정점 사이의 적어도 하나의 차이로부터 추론되는, 상기 제 3 컨트롤러(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 컨트롤러(12), 제 2 컨트롤러(22) 및 제 3 컨트롤러(32) 각각은 비례-적분-미분 컨트롤러(proportional-integral-derivative controller)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 압력 설정점을 생성하고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 압력 설정점을 상기 제 1 컨트롤러(12), 제 2 컨트롤러(22) 및 제 3 컨트롤러(32)에 각각 전송하도록 구성된 가스 취급 통합 제어 시스템(40)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체인은 상기 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100) 내에, 2개 내지 6개 값을 포함하는 2개 내지 6개의 압축기 스테이지(1 내지 4)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 적어도 2개의 압축기 스테이지(1, 2)는 상기 가스 흡입구(10)와 상기 중간 가스 배출구(20) 사이에서 상기 체인에 위치되어, 처음의 세그먼트 압축기 스테이지로 불리고, 상기 처음의 세그먼트 압축기 스테이지 각각의 상기 액체 고압 공급 장치는 상기 제 1 압력 센서(11)에 의해 생성된 상기 제 1 측정 결과에 기반하여, 상기 처음의 세그먼트 압축기 스테이지의 각각의 가스 용량을 변화시키도록 구성된 각각의 조절 수단(12, 23)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 액체 피스톤 가스 다단 압축기(100)의 적어도 2개의 압축기 스테이지(3, 4)는 상기 중간 가스 배출구(20)와 최종 가스 배출구(30) 사이에서 상기 체인에 위치되어, 마지막의 세그먼트 압축기 스테이지로 불리고, 상기 마지막의 세그먼트 압축기 스테이지 각각의 상기 액체 고압 공급 장치는 상기 제 3 압력 센서(31)에 의해 생성된 상기 제 3 측정 결과에 기반하여, 상기 마지막의 세그먼트 압축기 스테이지의 각각의 가스 용량을 변화시키도록 구성된 각각의 조절 수단(33, 43)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 체인의 마지막의 압축기 스테이지(4)와 최종 가스 배출구(30) 사이, 및 상기 체인에서 연속하는 2개의 압축기 스테이지(1, 4) 사이의 하나의 중간 가스 덕트에 각각 배치되어, 상기 중간 가스 덕트 또는 상기 최종 가스 배출구 내에서 유동하는 가스를 냉각시키기 위한 중간 냉각기 장치(62 내지 65)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 연료 캐리어 상에, 특히 가스 연료 선박 상에 있도록 구성되며, 상기 중간 가스 배출구(20) 및 최종 가스 배출구(30) 중 하나는 상기 캐리어의 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결하도록 전용되는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐리어 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결하도록 전용되는 것 이외의 상기 중간 가스 배출구(20) 또는 최종 가스 배출구(30)는 가스 버너 또는 가스 액화 시스템에 연결되도록 전용되는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 최종 가스 배출구(30)는 상기 캐리어 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결되도록 전용되고, 따라서 상기 캐리어 추진 엔진은 상기 제 1 가스 공급 장치(102)의 적어도 일부를 형성하고, 상기 최종 가스 배출구에서의 가스 압력은 100 bara 내지 450 bara의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스 흡입구(10)와 상기 가스 공급원(101)에 대한 연결부 사이의 가스 경로 상에 배치된 예비 압축기(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  13. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 중간 가스 배출구(20)는 상기 캐리어 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결되도록 전용되고, 따라서 상기 캐리어 추진 엔진은 상기 제 2 가스 공급 장치(103)의 적어도 일부를 형성하고, 상기 중간 가스 배출구에서의 가스 압력은 6±1.5 bara 또는 16±4 bara의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템의 가스 흡입구(10)는 상기 캐리어 상에 배치된 적어도 하나의 탱크 내에 수용된 액화 가스로부터 기원하는 증발 가스를 수용하기 위해 연결되도록 전용되고, 상기 탱크는 상기 가스 공급원(101)의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    80 중량% 초과의 메탄으로 구성된 가스를 처리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    압축 가스 공급 시스템.
  16. 추진 엔진과, 압축 가스를 여러 가스 공급 장치에 공급하기 위한 적어도 하나의 시스템을 포함하는 가스 연료 캐리어에 있어서,
    상기 시스템은 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 시스템이고, 상기 시스템의 중간 가스 배출구(20) 및 최종 가스 배출구(30) 중 하나는 상기 캐리어 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결되는 것을 특징으로 하는
    가스 연료 캐리어.
  17. 제 16 항에 있어서,
    압축 가스를 여러 가스 공급 장치에 공급하기 위한 2개의 개별 시스템을 포함하고, 각 시스템은 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 기재된 시스템이고, 각 시스템의 중간 가스 배출구(20)와 최종 가스 배출구(30) 중 하나는 상기 캐리어 추진 엔진으로의 연료 가스 공급을 위한 여분을 제공하기 위해, 상기 캐리어 추진 엔진의 연료 가스 흡입구에 연결되는 것을 특징으로 하는
    가스 연료 캐리어.
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