KR20180130029A - 천연가스 액화장치 및 액화방법 - Google Patents

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Abstract

천연가스 액화장치 및 액화방법을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 천연가스 액화장치는 기상의 천연가스를 액화하기 위해 천연가스가 통과하는 제1관로가 설치된 열교환기; 열교환기를 통과하며 천연가스와 열교환을 마친 냉매를 압축하는 압축장치; 압축장치에서 압축된 냉매가 열교환기를 통과하며 열교환하도록 하는 제2관로; 제2관로를 통과한 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제1기액분리기; 제1기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 팽창시키는 줄 톰슨밸브; 줄 톰슨밸브에서 팽창된 냉매가 열교환기를 통과하며 열교환한 후 압축장치로 공급되도록 하는 제3관로; 제1기액분리기에서 분리된 기상 냉매가 열교환기를 통과하며 열교환하도록 하는 제4관로; 제4관로를 거친 냉매를 팽창시키는 터보 익스팬더; 및 터보 익스팬더에서 팽창된 냉매가 열교환기를 통과하며 열교환한 후 압축장치로 공급되도록 하는 제5관로;를 포함한다.

Description

천연가스 액화장치 및 액화방법{NATURAL GAS LIQUEFACTION APPARATUS AND LIQUEFACTION METHOD}
본 발명은 압축된 기상 냉매을 터보 익스팬더로 팽창시킨 후 열교환기에서 열교환시킴으로써 천연가스 액화효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 액화장치 및 액화방법에 관한 것이다.
산지에서 추출된 천연가스(Natural Gas, NG)는 부피가 크기 때문에 운송이나 저장이 곤란하다. 따라서 천연가스를 운송하거나 저장하기 위해서는 액화시켜 부피를 줄이는 액화공정이 필요하다. 천연가스 액화공정은 천연가스를 대략 -162℃의 초저온 상태로 냉각 액화하여 부피를 대략 1/600로 줄임으로써 운송과 저장이 용이하도록 하는 것이다.
천연가스 액화공정으로는 SMR 공정(Single Mixed Refrigerant Process)이 알려져 있다. SMR 공정은 천연가스가 하나의 폐 루프를 이루는 냉각시스템의 열교환기와 열교환을 통하여 액화된다. SMR 공정의 냉각시스템은 압축기에서 냉매를 압축하여 냉각시킨 후 열교환기를 통과시켜 응축시키고, 응축된 냉매를 줄-톰슨 밸브와 같은 팽창장치를 이용해 팽창시킨다. 또 팽창된 냉매는 다시 열교환기를 통과시켜 천연가스와 열교환하도록 함으로써 천연가스를 액화시킨다. 이러한 SMR 공정은 냉각시스템이 단순하고 콤팩트하지만, 천연가스의 액화효율을 높이는데 한계가 있었다.
본 발명의 실시 예는 천연가스 액화효율을 향상시킬 수 있는 천연가스 액화장치 및 액화방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기상의 천연가스를 액화하기 위해 천연가스가 통과하는 제1관로가 설치된 열교환기; 상기 열교환기를 통과하며 천연가스와 열교환을 마친 냉매를 압축하는 압축장치; 상기 압축장치에서 압축된 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환하도록 하는 제2관로; 상기 제2관로를 통과한 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제1기액분리기; 상기 제1기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 팽창시키는 줄 톰슨밸브; 상기 줄 톰슨밸브에서 팽창된 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환한 후 상기 압축장치로 공급되도록 하는 제3관로; 상기 제1기액분리기에서 분리된 기상 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환하도록 하는 제4관로; 상기 제4관로를 거친 냉매를 팽창시키는 터보 익스팬더; 및 상기 터보 익스팬더에서 팽창된 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환한 후 상기 압축장치로 공급되도록 하는 제5관로;를 포함하는 천연가스 액화장치가 제공될 수 있다.
상기 제3관로와 상기 제5관로의 냉매는 합류부에서 합류 후 하나의 합류관로를 통해 상기 압축장치로 공급될 수 있다.
상기 압축장치는 직렬로 연결되어 통과하는 냉매의 압력을 단계적으로 상승시키는 복수의 압축부; 및 상기 각 압축부를 통과한 냉매를 냉각시키는 복수의 냉각부;를 포함할 수 있다.
상기 압축장치는 상기 열교환기를 통과한 냉매를 압축하는 제1압축장치; 상기 제1압축장치에서 압축된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제2기액분리기; 상기 제2기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 상기 제2관로로 압송하는 가압펌프; 및 상기 제2기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 상기 제2관로의 압력으로 압축하여 상기 제2관로로 공급하는 제2압축장치;를 포함할 수 있다.
상기 제1압축장치는 직렬로 연결되어 통과하는 냉매의 압력을 단계적으로 상승시키는 복수의 압축부; 및 상기 각 압축부를 통과한 냉매를 냉각시키는 복수의 냉각부;를 포함할 수 있다.
상기 제2압축장치는 상기 기액분리기를 통과한 냉매를 압축하는 압축부; 및 상기 압축부를 통과한 냉매를 냉각시키는 냉각부;를 포함할 수 있다.
상기 가압펌프에서 가압된 냉매와 상기 제2압축장치에서 압축된 냉매는 합류부에서 합류 후 상기 제2관로로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기상의 천연가스를 열교환기와 열교환을 통해 액화시키되, 상기 열교환기에서 열교환을 마친 냉매를 압축장치로 압축하고, 상기 압축장치에서 압축된 냉매를 상기 열교환기에서 열교환을 통해 냉각한 후 기액분리기에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하고, 상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 줄 톰슨밸브로 팽창시킨 후 상기 열교환기로 공급해 천연가스와 열교환하도록 하고, 상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 상기 열교환기를 통과시켜 냉각한 다음 터보 익스팬더로 팽창시킨 후 상기 열교환기로 공급해 천연가스와 열교환하도록 하는 천연가스 액화방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 천연가스 액화장치는 줄 톰슨밸브와 별도로 제1기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 터보 익스팬더로 팽창시켜 열교환기를 더 낮은 온도까지 냉각시킬 수 있기 때문에 천연가스의 액화효율을 향상시킬 수 있다. 아울러 냉각효율 향상을 통해 냉각시스템을 순환하는 냉매량을 줄이는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 천연가스 액화장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 천연가스 액화장치의 구성을 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 천연가스 액화장치의 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 제1실시 예에 따른 천연가스 액화장치는 기상의 천연가스를 액화하기 위한 열교환기(10), 열교환기(10)를 통과하며 천연가스와 열교환을 마친 냉매를 압축하는 압축장치(20), 압축된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제1기액분리기(30), 제1기액분리기(30)에서 분리된 액상 냉매를 팽창시켜 열교환기(10)와 열교환하도록 하는 줄 톰슨밸브(40, Joule-Thomson Valve), 제1기액분리기(30)에서 분리된 기상 냉매를 팽창시켜 열교환기(10)와 열교환하도록 하는 터보 익스팬더(50, turbo expander)를 포함한다.
열교환기(10)에는 상호 열교환이 가능한 상태로 제1관로(11), 제2관로(12), 제3관로(13), 제4관로(14), 제5관로(15)가 연결된다. 따라서 제1관로 내지 제5관로(11,12,13,14,15)를 흐르는 유체는 열교환기(10)에서 상호 열교환을 할 수 있다.
제1관로(11)에는 열교환을 통해 액화하기 위한 천연가스가 흐르고, 제2 내지 제5관로(12,13,14,15)에는 폐 루프를 형성하는 냉각시스템의 냉매가 흐른다. 제2 내지 제5관로(12,13,14,15)의 냉매는 상호 열교환을 하기도 하고, 제1관로(11)를 흐르는 천연가스와 열교환을 통해 기상의 천연가스를 액화시킬 수 있다. 제1관로(11)로 유입되는 기상의 천연가스는 대략 40 ~ 60 bar로 가압된 상태일 수 있고, 열교환기(10)를 통과하면서 냉각시스템의 냉매와 열교환을 통해 액화될 수 있다.
압축장치(20)에서 압축된 냉매는 제2관로(12)를 따라 제1기액분리기(30)로 흐르며, 열교환기(10)를 통과하는 과정에서 열교환에 의해 냉각된다. 즉 압축된 냉매는 열교환기(10)를 통과하면서 제3관로(13) 및 제5관로(15)를 흐르는 냉매와 열교환하여 응축된다.
열교환기(10)에서 응축된 제2관로(12)의 냉매는 제1기액분리기(30)로 유입되어 액상 냉매와 기상 냉매로 분리된다. 그리고 제1기액분리기(30)에서 분리된 액상 냉매는 줄 톰슨밸브(40)로 공급되어 저압으로 팽창된 후 제3관로(13)를 통해 열교환기(10)로 유입되어 열교환기(10)를 냉각시키고, 제1관로(11)를 흐르는 천연가스와 열교환을 통해 천연가스를 액화시킨다. 열교환기(10)에서 열교환을 마친 제3관로(13)의 냉매는 압축장치(20) 쪽으로 흐른다.
제1기액분리기(30)에서 분리된 기상 냉매는 제4관로(14)를 통해 열교환기(10)로 유입됨으로써 열교환기(10)와 열교환을 통해 응축될 수 있다. 그리고 이 냉매는 터보 익스팬더(50)에서 저압으로 팽창된 후 제5관로(15)를 통해 열교환기(10)로 다시 유입된다.
터보 익스팬더(50)는 줄 톰슨밸브(40)에서 냉매를 팽창시키는 경우보다 냉매의 온도를 더욱 낮출 수 있다. 따라서 터보 익스팬더(50)에서 팽창된 후 제5관로(15)를 통해 열교환기(10)로 유입되는 냉매는 열교환기(10)의 냉각 성능을 더욱 높여 천연가스의 액화효율을 더 향상시킬 수 있다.
열교환기(10)를 통과하며 열교환을 마친 제3관로(13)와 제5관로(15)의 냉매는 합류부(16)에서 합류 후 하나의 합류관로(17)를 통해 압축장치(20)로 공급된다.
압축장치(20)는 열교환기(10)를 통과한 기상의 냉매를 압축하는 제1압축장치(21), 제1압축장치(21)에서 압축된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제2기액분리기(22), 제2기액분리기(22)에서 분리된 액상 냉매를 제2관로(12)로 압송하는 가압펌프(23), 제2기액분리기(22)에서 분리된 기상 냉매를 제2관로(12)의 압력으로 압축하여 제2관로(12)로 공급하는 제2압축장치(24)를 포함한다.
제1압축장치(21)는 상호 직렬로 연결되어 냉매의 압력을 단계적으로 상승시키는 복수의 압축부(21a,21b,21c)와, 각 압축부(21a,21b,21c)를 통과한 냉매를 냉각시키는 복수의 냉각부(21d,21e,21f)를 포함한다. 각 냉각부(21d,21e,21f)는 각 압축부(21a,21b,21c)의 압축과정에서 온도가 상승한 냉매를 냉각시킴으로써 압축효율을 향상시키고, 압축된 냉매가 응축조건에 이르도록 할 수 있다. 제1실시 예는 제1압축장치(21)에 3개의 압축부가 채용된 경우를 제시하고 있으나, 압축부의 수가 이에 한정되는 것은 아니다.
제1압축장치(21)를 거치며 압축된 냉매는 액상 냉매와 기상 냉매가 혼재할 수 있다. 이러한 냉매는 제2기액분리기(22)로 유입되고, 제2기액분리기(22)에서 분리된 액상 냉매는 가압펌프(23)의 가압에 의해 제2관로(12)로 공급된다.
제2압축장치(24)는 제2기액분리기(22)에서 분리된 기상 냉매를 제2관로(12)의 압력으로 압축하는 적어도 하나의 압축부(24a)와, 압축부(24a)를 통과한 냉매를 냉각시키는 냉각부(24b)를 포함한다.
가압펌프(23)에서 가압된 액상 냉매와, 제2압축장치(24)에서 압축된 냉매는 합류부(25)에서 합류 후 제2관로(12)로 공급된다. 따라서 제2관로(12)의 냉매는 액상 냉매와 기상 냉매가 혼재한 상태에서 열교환기(10)를 통과하고, 열교환기(10)를 통과하는 과정에서 냉각에 의해 응축되면서 액상 비율이 높아진다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1실시 예에 천연가스 액화장치는 압축장치(20)에서 압축된 냉매가 제2관로(12)를 통해 열교환기(10)로 유입되어 냉각된 후 제1기액분리기(30)에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리되고, 제1기액분리기(30)에서 분리된 액상 냉매가 줄 톰슨밸브(40)에서 팽창된 후 제3관로(13)를 통해 열교환기(10)를 통과하면서 열교환기(10)를 냉각시킨다. 아울러 제1기액분리기(30)에서 분리된 기상 냉매는 제4관로(14)를 통해 열교환기(10)로 유입되어 냉각된 다음, 터보 익스팬더(50)에서 줄 톰슨밸브(40)보다 더 낮은 온도까지 하강하도록 팽창된 후 제5관로(15)를 통해 열교환기(10)로 유입되어 열교환기(10)를 냉각시킨다.
이처럼 제1실시 예의 천연가스 액화장치는 줄 톰슨밸브(40)와 별도로 제1기액분리기(30)에서 분리된 기상 냉매를 터보 익스팬더(50)로 팽창시켜 열교환기(10)를 더 낮은 온도까지 냉각시킬 수 있기 때문에 천연가스의 액화효율을 향상시킬 수 있다. 아울러 냉각효율 향상을 통해 냉각시스템을 순환하는 냉매량을 줄이는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 천연가스 액화장치의 구성을 나타낸다.
제2실시 예의 천연가스 액화장치에서 압축장치(120)는 직렬로 연결되어 통과하는 냉매의 압력을 단계적으로 상승시키는 복수의 압축부(121,122,123,124)와, 각 압축부(121,122,123,124)를 통과한 냉매를 냉각시키는 복수의 냉각부(125,126,127,128)를 포함한다. 제1실시 예와 비교하면, 압축된 냉매를 액상과 기상으로 분리하는 제2기액분리기(22) 및 가압펌프(23)를 배제한 형태다. 압축장치(120)의 형태는 이처럼 다양하게 변경될 수 있다. 나머지의 구성은 제1실시 예와 동일하게 이루어질 수 있다.
10: 열교환기, 11: 제1관로,
12: 제2관로, 13: 제3관로,
14: 제4관로, 15: 제5관로,
20: 압축장치, 30: 제1기액분리기,
40: 줄 톰슨밸브, 50: 터보 익스팬더.

Claims (8)

  1. 기상의 천연가스를 액화하기 위해 천연가스가 통과하는 제1관로가 설치된 열교환기;
    상기 열교환기를 통과하며 천연가스와 열교환을 마친 냉매를 압축하는 압축장치;
    상기 압축장치에서 압축된 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환하도록 하는 제2관로;
    상기 제2관로를 통과한 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제1기액분리기;
    상기 제1기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 팽창시키는 줄 톰슨밸브;
    상기 줄 톰슨밸브에서 팽창된 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환한 후 상기 압축장치로 공급되도록 하는 제3관로;
    상기 제1기액분리기에서 분리된 기상 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환하도록 하는 제4관로;
    상기 제4관로를 거친 냉매를 팽창시키는 터보 익스팬더; 및
    상기 터보 익스팬더에서 팽창된 냉매가 상기 열교환기를 통과하며 열교환한 후 상기 압축장치로 공급되도록 하는 제5관로;를 포함하는 천연가스 액화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3관로와 상기 제5관로의 냉매는 합류부에서 합류 후 하나의 합류관로를 통해 상기 압축장치로 공급되는 천연가스 액화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압축장치는,
    직렬로 연결되어 통과하는 냉매의 압력을 단계적으로 상승시키는 복수의 압축부; 및
    상기 각 압축부를 통과한 냉매를 냉각시키는 복수의 냉각부;를 포함하는 천연가스 액화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축장치는,
    상기 열교환기를 통과한 냉매를 압축하는 제1압축장치;
    상기 제1압축장치에서 압축된 냉매를 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하는 제2기액분리기;
    상기 제2기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 상기 제2관로로 압송하는 가압펌프; 및
    상기 제2기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 상기 제2관로의 압력으로 압축하여 상기 제2관로로 공급하는 제2압축장치;를 포함하는 천연가스 액화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1압축장치는,
    직렬로 연결되어 통과하는 냉매의 압력을 단계적으로 상승시키는 복수의 압축부; 및
    상기 각 압축부를 통과한 냉매를 냉각시키는 복수의 냉각부;를 포함하는 천연가스 액화장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2압축장치는,
    상기 기액분리기를 통과한 냉매를 압축하는 압축부; 및
    상기 압축부를 통과한 냉매를 냉각시키는 냉각부;를 포함하는 천연가스 액화장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 가압펌프에서 가압된 냉매와 상기 제2압축장치에서 압축된 냉매는 합류부에서 합류 후 상기 제2관로로 공급되는 천연가스 액화장치.
  8. 기상의 천연가스를 열교환기와 열교환을 통해 액화시키되,
    상기 열교환기에서 열교환을 마친 냉매를 압축장치로 압축하고,
    상기 압축장치에서 압축된 냉매를 상기 열교환기에서 열교환을 통해 냉각한 후 기액분리기에서 액상 냉매와 기상 냉매로 분리하고,
    상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 줄 톰슨밸브로 팽창시킨 후 상기 열교환기로 공급해 천연가스와 열교환하도록 하고,
    상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 상기 열교환기를 통과시켜 냉각한 다음 터보 익스팬더로 팽창시킨 후 상기 열교환기로 공급해 천연가스와 열교환하도록 하는 천연가스 액화방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200130599A (ko) * 2019-05-10 2020-11-19 삼성중공업 주식회사 천연가스액화시스템
KR20230027364A (ko) * 2021-08-18 2023-02-28 부산대학교 산학협력단 천연가스 액화 시스템, 이를 포함하는 선박, 천연가스 및 공기의 액화 방법

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