KR20180108283A - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

선박용 증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스의 일부를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 냉매로 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 감압장치;를 포함한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{BOG Re-liquefaction System and Method for Vessel}
본 발명은 선박에 탑재된 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화 시키는 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 DFDE, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DFDE은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 16 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
도 1은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 감압장치(300), 및 기액분리기(400)를 포함한다.
열교환기(100)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 하여 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
제1 압축기(210)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시켜 가스소비처(C)로 보낸다. 가스소비처(C)는 비교적 저압의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진 또는 DF 엔진일 수 있고 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)일 수도 있는데, 가스소비처(C)가 X-DF 엔진 또는 DF 엔진인 경우, 제1 압축기(210)는 가스소비처(C)의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킨다.
제2 압축기(220)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스 중 가스소비처(C)에서 사용되지 않은 잉여 증발가스를 압축시킨다. 종래의 제2 압축기(220)는 3단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기가 적용되었다. 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스는 열교환기(100)로 보내져 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 열교환되어 냉각된다.
감압장치(300)는, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨다. 제1 압축기(210) 및 제2 압축기(220)의 압축 과정과, 열교환기(100)의 냉각 과정과, 감압장치(300)의 팽창 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
기액분리기(400)는, 감압장치(300) 후단에 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리한다. 기체상태의 증발가스에는 재액화되지 못하고 남은 증발가스와 감압장치(300)에 의해 팽창되며 생성된 플래시 가스가 포함될 수 있다.
기액분리기(400)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀되고, 기액분리기(400)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.
종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스 중 가스수요처로 보내지지 않고 재액화 과정을 거치는 증발가스를 제2 압축기(220)에 의해 추가로 압축시킨 후 열교환기(100)로 보내는데, 제2 압축기(220)에 추가로 압축시키는 이유는, 비교적 저압의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진 또는 DF 엔진의 요구 압력이 재액화 효율을 위해 요구되는 압력에 비해 낮으므로, 부족한 압력을 제2 압축기(220)에 의해 보상하여 주기 위해서이다.
제1 압축기(210)는 가스수요처의 요구 압력으로 증발가스를 압축시키므로, X-DF 엔진의 경우 대략 16 bar, DF 엔진의 경우 대략 6.5 bar의 압력으로 증발가스를 압축시키는데, 열교환기(100)에서 열교환 효율은, 유체가 초임계 상태(천연가스의 경우 대략 47 bar)가 아닌 경우 초임계 상태인 경우에 비해 현저히 낮으며, 150 bar 내지 400 bar, 바람직하게는 150 bar 내지 300 bar 사이에서 가장 높다.
가스수요처가 대략 300 bar의 압력의 천연가스를 요구하는 ME-GI 엔진이라면, 제1 압축기(210)가 대략 300 bar로 압축시킨 증발가스를 추가로 압축시키지 않아도 충분한 재액화 효율을 확보할 수 있으나, 가스수요처가 X-DF 엔진 또는 DF 엔진인 경우에는 엔진의 요구 압력이 재액화 효율에 필요한 압력보다 낮으므로, 제2 압축기(220)에 의해 부족한 압력을 보상하여 재액화 효율을 확보하는 것이다. 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제2 압축기(220)는 증발가스를 대략 150 bar로 압축시켰다.
그러나, 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 제1 압축기(210)로 급유 윤활 방식의 압축기를 적용함에 따라, 제1 압축기(210)에 의해 압축되며 증발가스에 일부 섞인 오일이 열교환기(100)로 유입되어 열교환기(100)의 유로를 막거나 열교환 효율을 떨어뜨리는 현상이 발생하였다. 또한, 오일이 섞인 증발가스가 재액화되어 저장탱크로 회수됨으로써, 저장탱크에 저장된 액화천연가스의 순도가 떨어진다는 문제점이 있었다.
만약 제1 압축기(210)로 무급유 윤활 방식의 압축기를 적용하면, 급유 윤활 방식인 경우에 2.5년이었던 정비 주기가 1년으로 단축되어 유지 비용이 증가하게 되며, 일반적으로 선박은 2.5년 주기로 도킹하여 정비를 하므로, 정비 주기가 1년인 무급유 윤활 방식의 압축기를 적용하는 것이 거의 불가능한 실정이다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열교환기의 유로가 오일에 의해 막히지 않도록 구성된 선박용 증발가스 재액화 시스템을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스의 일부를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 냉매로 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 감압장치;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 상기 감압장치 후단에 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 열교환기로 보내지는 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 제1 압축기는 급유 윤활 방식일 수 있다.
상기 제2 압축기는 무급유 윤활 방식일 수 있다.
상기 제2 압축기는 4단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기일 수 있다.
상기 제2 압축기는 증발가스를 150 bar로 압축시킬 수 있다.
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 가스소비처로 보내질 수 있고, 상기 제1 압축기는 상기 가스소비처의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킬 수 있다.
상기 가스소비처는, ME-GI 엔진, X-DF 엔진, DF 엔진, 및 가스연소장치 중 하나 이상일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 1) 증발가스의 일부를 제2 압축기에 의해 압축시키는 단계; 2) 상기 제2 압축기로 보내지지 않은 증발가스의 다른 일부를 냉매로 상기 1)단계에서 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 단계; 3) 상기 2)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 증발가스를 제1 압축기에 의해 가스소비처의 요구 압력으로 압축시켜 상기 가스소비처로 보내는 단계; 및 4) 상기 2)단계에서 냉각된 유체를 팽창시키는 단계;를 포함하고, 상기 제1 압축기는 급유 윤활 방식이고, 상기 제2 압축기는 무급유 윤활 방식인, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 급유 윤활 방식의 제1 압축기를 채택함으로써 정비의 효율성을 확보하고 유지 비용을 절감할 수 있으며, 무급유 윤활 방식의 제2 압축기를 채택함으로써 열교환기가 오일에 의해 막히거나 열교환 효율이 떨어지는 경우를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 오일이 섞인 증발가스가 재액화되어 저장탱크로 회수되는 것을 방지할 수 있으며, 종래와 동일한 열교환 효율 및 재액화 효율을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 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, 즉 액화천연가스 운반선, 액화에탄가스(Liquefied Ethane Gas) 운반선, LNG RV와 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 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 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 제1 압축기(210), 제2 압축기(220), 및 감압장치(300)를 포함한다.
본 실시예의 선박에 설치되는 저장탱크(T)는, 액화천연가스 등의 액화가스를 극저온 상태로 저장할 수 있도록 밀봉 및 단열 방벽을 갖추고 있지만 외부로부터 전달되는 열을 완벽하게 차단할 수는 없다. 따라서, 저장탱크(T) 내에서는 액화가스의 증발이 지속적으로 이루어진다. 저장탱크(T) 내에 증발된 액화가스가 채워질수록 탱크 내압이 상승하게 되므로, 증발가스에 의한 탱크 압력의 과도한 상승을 막고 적정한 수준의 내압을 유지하기 위해, 저장탱크(T) 내부의 증발가스를 배출시킨다.
저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는, 일부는 제2 압축기(220)로 보내지고, 나머지는 열교환기(100)로 보내진다.
본 실시예의 열교환기(100)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 하여 제2 압축기(220)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다.
본 실시예의 제1 압축기(210)는, 급유 윤활 방식이며, 저장탱크(T)로부터 배출된 후 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시켜 가스소비처(C)로 보낸다. 가스소비처(C)는, ME-GI 엔진, X-DF 엔진, DF 엔진, 및 가스연소장치 중 하나 이상일 수 있으며, 비교적 저압의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진 또는 DF 엔진인 것이 바람직하다. 가스소비처(C)가 ME-GI 엔진, X-DF 엔진, 또는 DF 엔진인 경우, 제1 압축기(210)는 가스소비처(C)의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킨다.
본 실시예의 제2 압축기(220)는, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스의 일부를 압축시켜 열교환기(100)로 보낸다. 제2 압축기(220)는 열교환기(100)에서의 열교환 효율을 높여 재액화 효율을 높이기 위하여 설치되며, 증발가스를 대략 150 bar로 압축시킬 수 있다. 또한, 제2 압축기(220)는 무급유 윤활 방식이며, 4단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기일 수 있다.
본 실시예의 감압장치(300)는, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 열교환기(100)에 의해 냉각된 유체를 팽창시킨다. 감압장치(300)는 다수개가 병렬로 설치될 수도 있다. 제2 압축기(220)의 압축 과정과, 열교환기(100)의 냉각 과정과, 감압장치(300)의 팽창 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 감압장치(300) 후단에 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리하는 기액분리기(400)를 더 포함할 수 있다. 기체상태의 증발가스에는 재액화되지 못하고 남은 증발가스와 감압장치(300)에 의해 팽창되며 생성된 플래시 가스가 포함될 수 있다.
본 실시예의 기액분리기(400)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 복귀되고, 기액분리기(400)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 급유 윤활 방식의 제1 압축기(210)를 채택함으로써 정비의 효율성을 확보하고 유지 비용을 절감할 수 있으며, 무급유 윤활 방식의 제2 압축기(220)를 채택함으로써 열교환기(100)가 오일에 의해 막히거나 열교환 효율이 떨어지는 경우를 방지할 수 있다. 또한, 오일이 섞인 증발가스가 재액화되어 저장탱크로 회수되는 것을 방지할 수 있으며, 열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 압력은 종래의 경우와 동일하므로 종래와 동일한 열교환 효율 및 재액화 효율을 확보할 수 있다.
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 C : 가스소비처
100 : 열교환기 210, 220 : 압축기
300 : 감압장치 400 : 기액분리기

Claims (10)

  1. 증발가스의 일부를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 냉매로 상기 제2 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기;
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 및
    상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 팽창시키는 감압장치;
    를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 감압장치 후단에 설치되어 재액화된 액화천연가스와 기체상태의 증발가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는 상기 열교환기로 보내지는 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기는 급유 윤활 방식인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 압축기는 무급유 윤활 방식인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 압축기는 4단으로 증발가스를 압축시키는 다단압축기인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 압축기는 증발가스를 150 bar로 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는 가스소비처로 보내지고,
    상기 제1 압축기는 상기 가스소비처의 요구 압력으로 증발가스를 압축시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 가스소비처는, ME-GI 엔진, X-DF 엔진, DF 엔진, 및 가스연소장치 중 하나 이상인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
  10. 1) 증발가스의 일부를 제2 압축기에 의해 압축시키는 단계;
    2) 상기 제2 압축기로 보내지지 않은 증발가스의 다른 일부를 냉매로 상기 1)단계에서 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 단계;
    3) 상기 2)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 증발가스를 제1 압축기에 의해 가스소비처의 요구 압력으로 압축시켜 상기 가스소비처로 보내는 단계; 및
    4) 상기 2)단계에서 냉각된 유체를 팽창시키는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 압축기는 급유 윤활 방식이고, 상기 제2 압축기는 무급유 윤활 방식인, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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