KR20190033608A - 천연가스의 액화를 위한 분리형 냉매 압축기 - Google Patents

천연가스의 액화를 위한 분리형 냉매 압축기 Download PDF

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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Abstract

적어도, 제1 가스압 레벨의 제1 가스 유입구(22C), 제2 가스압 레벨의 제2 가스 유입구(22B), 및 가스 배출부(52)를 갖는 제1 압축기 유닛(51); 및 적어도, 제3 가스압 레벨의 제3 가스 유입구(22D), 제4 가스압 레벨의 제4 가스 유입구(22A), 및 가스 이송부(22)를 갖는 제2 압축기 유닛(53)을 포함하는 압축기 시스템(21)이 개시된다. 제1 압축기 유닛(51)의 가스 배출부(52)는 제2 압축기 유닛(53)의 상기 제3 가스 유입구(22D) 및 제4 가스 유입구(22A) 중 어느 하나에 유동적으로 커플링된다.

Description

천연가스의 액화를 위한 분리형 냉매 압축기
본 개시는 가스상 유체, 예컨대 냉각 회로 내의 냉매를 압축하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 여기에 개시된 실시예는 구체적으로 하나 이상의 냉매 회로를 사용하여 액화 천연가스(LNG)를 생산하는 시스템을 인용한다.
종래의 연료의 연소는 여러 산업 프로세스에서 필수적이다. 최근, 가솔린, 디젤 및 탄소와 같은 전통적인 액체 또는 고체 화석 연료의 환경 영향을 줄이기 위한 일환으로, 천연가스의 사용이 증가되어 왔다. 천연가스는 보다 청정하고 오염이 덜한 에너지원을 제공한다.
천연가스의 사용이 종래 화석 연료의 단점 및 결점을 극복하기는 하지만, 천연가스의 저장 및 수송에는 어려움이 따른다. 수송 목적으로, 가스 파이프라인을 이용할 수 없는 경우에 천연가스는 통상적으로 냉각되어 액화 천연가스로 변환된다. 천연가스를 액화 천연가스로 변환하기 위한 여러 열역학적 사이클이 개발되었다. 열역학적 사이클은 통상, 하나 이상의 냉매 유체를 처리하는 하나 이상의 압축기를 포함한다. 냉매 유체는 천연가스가 궁극적으로 액상으로 변환될 때까지 천연가스로부터 열을 제거하기 위한 열역학적 변환을 겪는다. 몇몇 기지의 LNG 시스템에서는, 예컨대 캐스케이드식으로 또는 다른 가능한 조합으로 배열되는 예냉각 회로 및 냉각 회로가 마련된다. 천연가스를 냉각하고 및/또는 다른 냉매 유체 - 천연가스를 냉각함 - 를 예냉각하기 위해 상이한 냉매 유체들이 사용된다.
여러 LNG 시스템은 열역학적 사이클의 전체 효율을 향상시키기 위해, 여러 압력 레벨로 압축 및 팽창되는 냉매 유체가, 액화 대상 천연가스 및/또는 다른 냉매 가스와 상이한 압력 레벨에서 열을 교환하게 한다. 압축기에는 이 경우에 상이한 압력 레벨의 여러 유입구가 마련된다. 냉매 가스의 흡입 압력과 이송 압력 사이의 상이한 압력 레벨의 가스 유입부는 측류라고도 칭한다.
측류를 지닌 압축기의 순차 배열되는 임펠러가 가변 가스 유량을 처리한다. 통상, 하나의 임펠러는 압축기의 흡입측에 배치되고, 다른 추가의 임펠러는 각각의 측류의 하류에 배치된다. 이에 따라, 여러 임펠러가 가변 가스 유량을 처리한다. 압축기의 전체 성능은 높은 유량과 낮은 압력비로 인해 압축기 단계(phase)들 중 하나에 의해 제한된다. 통상, 흡입측과 3개의 측류, 즉 4개의 압축기 단계를 갖는 압축기에서, 제3 단계가 가장 중요하다. 측류 압축기의 여러 대안의 구성은 전술한 문제를 해결하거나 경감하려는 목적으로 구성되었다. 그러나, 현기술의 구성은 이 결점을 만족스럽게 해결하지 못하고, 다른 제한 및 단점에 의해 영향을 받는다.
도 9 내지 도 12는 현기술에 따른 LNG 어플리케이션을 위한 프로판 압축기 시스템을 예시한다.
도 9는 현기술에 따른 압축기 시스템(121)의 개략적인 실시예를 예시한다. 압축기 시스템(121)은 압력 레벨이 감소하는 4개의 가스 유입구(122A 내지 122D)를 지닌 단일 압축기(141)를 포함한다. 압축기 시스템(121)의 성능은 측류(122B)의 하류에 있는 제3 압축기 단에 의해 한정된다. 이 압축기 단은 사실상, 그 유량 대 접선방향 속도 맵에서의 그 작동점 관점에서 가장 결정적인 단이다.
압축기 시스템(121)의 성능을 증가시키기 위해, 현기술의 추가의 실시예에 따르면 도 10에 도시한 바와 같은 병렬식 프로판 압축기 구성이 제안되었다. 이러한 레이아웃에서는, 2개의 동일한 압축기(141A, 141B)가 사용되고, 각각의 압력 레벨에서의 각각의 프로판 유량은 2개의 병렬형 압축기(141A, 141B)의 가스 유입구(122A 내지 122D)로 이송되는 2개의 동일한 서브스트림으로 분할된다. 이러한 기지의 구성은 구성의 관점에서 시스템의 복잡성을 증가시킨다.
더욱이, 모든 가스 유입구의 유량이 총 유량에 대해 50 % 감소되기 때문에, 임펠러 중 몇몇은 최적 작동점에 못 미치는 작동 조건 하에서 작동한다. 이러한 요인은 압축기 시스템(121)의 전체 효율에 불리한 영향을 준다.
현기술의 또 다른 구성이 도 11에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 프로판 압축기 시스템(121)은 역시 141A, 141B로 라벨링된 2개의 압축기를 포함한다. 제1 압축기(141A)는 저압 가스 유입구(122D)와 고압 가스 유입구(122B)를 포함한다. 제2 압축기(141B)는 중압 가스 유입구(122C)와 극고압 가스 유입구(122A)를 포함한다. 2개의 압축기(141A, 141B)의 이송측은 서로 결합되고 이송부(123)로 합류한다.
현기술에 따른 또 다른 레이아웃이 도 12에 개략적으로 도시되어 있다. 이 추가의 실시예에서는, 제1 압축기(141A)가 저압 가스 유입구(122D)와 극고압 가스 유입구(122A)를 갖는다. 중압 가스 유입구(122C)와 고압 가스 유입구(122B)는 제2 압축기(141)에 배치된다. 도 11 및 도 12 모두의 실시예는 여러 결점에 의해 영향을 받는다. 우선, 레이아웃의 구조가 복잡하다. 더욱이, 2개의 압축기(141A, 141B)는 동일한 이송 압력을 가져야만 하며, 2개의 압축기를 위하 흡입 압력과 측류 압력은 상이하다.
극고압 가스 유입구(122A)의 유량은 오히려 낮은데, 이는 가스 유입구(122A)를 포함하는 압축기[도 11의 압축기(141B), 도 12의 압축기(141A)]는, 2개의 압축기가 동일한 속도로 회전하는 경우에 낮은 효율을 갖는다는 것을 의미한다. 압축기 시스템(121)의 효율을 증가시키기 위해, 상이한 회전 속도로 작동하는 2개의 상이한 드라이버가 사용되어야만 한다. 대안으로서, 기어박스는 압축기(141A)와 압축기(141B) 모두가 동일한 드라이버에 의해 구동되는 경우에 압축기(141A)와 압축기(141B) 사이에 배치되어야만 한다. 양자의 경우, 압축기 시스템(121)의 구조는 복잡해지고, 쉽게 고장난다. 더욱이, 기어박스는 불가피하게 파워 손실 및 이에 따른 효율 감소를 유발한다.
따라서, 특히 LNG 어플리케이션을 위한 개선된 측류 압축기 시스템이 필요하다.
제1 양태에 따르면, 여기에서는 적어도, 제1 가스압 레벨의 제1 가스 유입구; 제2 가스압 레벨의 제2 가스 유입구; 및 가스 배출부를 갖는 제1 압축기 유닛을 포함하는 압축기 시스템이 개시된다. 압축기 시스템은 적어도, 제3 가스압 레벨의 제3 가스 유입구; 제4 가스압 레벨의 제4 가스 유입구; 및 가스 이송부를 갖는 제2 압축기 유닛을 더 포함한다. 제1 압축기 유닛의 가스 배출부는 제2 압축기 유닛의 제3 가스 유입구와 제4 가스 유입구 중 어느 하나에 유동적으로 커플링된다. 제4 가스압 레벨은 제1 가스압 레벨보다 높을 수도 있고/있거나 제3 가스압 레벨보다 높을 수도 있다. 제2 가스압 레벨은 제1 가스압 레벨보다 높을 수도 있고/있거나 제4 가스압 레벨보다 낮을 수도 있다.
이에 따라, 측류 유량의 보다 효율적인 분배가 얻어지고, 이것은 종래기술의 압축기 시스템에 대하여 압축기 시스템의 전체 성능을 향상시킨다.
각각의 압축기 유닛은 하나 이상의 원심 압축기, 예컨대 다단 원심 압축기로 구성될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 본 개시는 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스의 액화를 위한 냉매 시스템에 관한 것이다. 냉매 시스템은 적어도, 전술한 것과 같은 압축기 시스템; 압축기 시스템에 의해 히트싱크로 이송되는 냉매 유체로부터 열을 배출하기 위한 고온 열교환 장치; 제2 냉매와 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스 중 적어도 하나로부터 열을 제거하도록 냉매 유체가 제2 냉매와 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스 중 적어도 하나와 열교환 관계인, 저온 열교환 장치로 구성되는 제1 냉매 회로를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 여기에 개시된 보호대상은 아래의 단계, 즉
상이한 압력 레벨의 제1의 복수 개의 가스 스트림을 제1 압축기 유닛의 제1의 복수 개의 가스 유입구로 이송하는 단계;
상이한 압력 레벨의 제2의 복수 개의 가스 스트림을 제2 압축기 유닛의 제2의 복수 개의 가스 유입구로 이송하는 단계;
부분 압축 가스를 제1 압축기 유닛의 배출부로부터 제2 압축기 유닛의 제2의 복수 개의 가스 유입구 중 하나로 이송하는 단계; 및
전체 압축 가스 흐름을 제2 압축기 유닛의 가스 이송부로 이송하는 단계
를 포함하는 가스상 유체의 압축 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 여기에는 아래의 단계, 즉
압축 냉매 흐름을 압축기 시스템으로부터 히트싱크로 이송하고, 이로부터 열을 제거하는 단계;
히트싱크로부터의 냉매 흐름을 제1의 복수 개의 부분 스트림과 제2의 복수 개의 부분 스트림으로 분할하는 단계;
각각의 부분 스트림을 각각의 압력 레벨로 팽창시켜, 각각의 스트림을 다른 부분 스트림과 상이한 압력 레벨로 팽창시키는 단계;
부분 스트림에 의해 제2 냉매와 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스 중 적어도 하나로부터 열을 제거하는 단계;
제1의 복수 개의 부분 스트림을 압축기 시스템에 있는 제1 압축기 유닛의 각각의 제1의 복수 개의 가스 유입구로 도입하는 단계;
제2의 복수 개의 부분 스트림을 압축기 시스템에 있는 제2 압축기 유닛의 각각의 제2의 복수 개의 가스 유입구로 도입하는 단계; 및
제1 압축기 유닛에 의해 압축된 냉매를 제2 압축기 유닛의 제2의 복수 개의 가스 유입구 중 하나로 도입하는 단계
를 포함하는 천연가스 액화 방법도 또한 개시된다.
피쳐들과 실시예들은 아래에 개시되며, 첨부된 청구범위 - 본 설명의 일체된 부분을 형성함 - 에서 더욱 기술된다. 위의 간단한 설명은, 이어지는 상세한 설명을 보다 양호하게 이해할 수 있도록 하기 위해 그리고 당업계에 대한 기여도를 보다 양호하게 인지할 수 있도록 하기 위해 본 발명의 다양한 실시예의 피쳐를 기술한다. 본 발명의 다른 피쳐들이 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에서 기술될 것임은 물론이다. 이에 관하여, 본 발명의 다수의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 다양한 실시예는 그 어플리케이션에 있어서 아래의 설명에 기술되거나 도면에 예시된 구성의 상세 및 구성요소의 구성으로 제한되지 않는다는 점을 이해해야만 한다. 본 발명은 다른 실시예도 가능하고 다양한 방식으로 실시 및 시행 가능하다. 또한, 여기에서 채용되는 구문 및 용어는 설명을 목적으로 하는 것이지, 제한으로서 간주되어서는 안 된다는 점을 이해해야만 한다.
이와 같이, 당업자라면, 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 구성하기 위한 근간으로서 용이하게 활용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 청구범위는 등가의 구성이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그러한 등가의 구성을 포함하는 것으로 고려된다는 점이 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예와 이에 수반되는 여러 장점에 관한 보다 완벽한 이해는, 본 발명의 개시된 실시예와 이에 수반되는 여러 장점이 첨부도면과 함께 고려되는 아래의 상세한 설명을 참고하는 것에 의해 보다 양호하게 이해될 때에 수월해질 것이다.
도 1은 측류를 지닌 냉매 압축기를 사용하는 LNG 시스템의 예시적인 실시예의 개략도를 도시하고,
도 2, 도 3 및 도 4는 본 개시에 따른 냉매 압축기 시스템의 실시예를 예시하며,
도 5 내지 도 8은 본 개시에 따른 압축기 시스템을 위한 케이싱 및 드라이버 구성의 실시예를 예시하고,
도 10, 도 11 및 도 12는 전술한, LNG 어플리케이션을 위한 측류 압축기의 현기술의 구성을 예시한다.
예시적인 실시예에 관한 아래의 상세한 설명은 첨부도면을 참고한다. 상이한 도면에서 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 추가로, 도면은 반드시 실축척으로 도시되지는 않는다. 또한, 아래의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 규정된다.
본 명세서 전반에 걸친 “일실시예”나 “실시예”나 “몇몇 실시예”에 대한 언급은, 실시예와 관련하여 설명되는 특정 피쳐, 구조 또는 특징이 개시된 보호대상에 관한 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 명세서 전반에 걸친 다양한 위치에서의 “일실시예에서”나 “실시예에서”나 “몇몇 실시예에서”라는 구문의 출현이 반드시 동일한 실시예(들)를 언급하는 것은 아니다. 더욱이, 특정 피쳐, 구조 또는 특징은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
아래의 설명에서는, 측류 압축기 시스템이 사용되는 LNG 시스템의 예시적인 실시예를 특별히 참고할 것이다. 보다 구체적으로는, 혼합 냉매(MR) 회로와 프로판(C3) 회로를 사용하는 소위 C3-MR 액화 시스템을 참고로 할 것이다. 프로판 회로는 혼합 냉매뿐만 아니라 천연가스에 대한 예냉각부로서 사용된다. 이 기술은 통상 프로판/혼합 냉매 기술로서 인용된다. 하지만, 여기에 개시되는 보호대상의 양태는 측류를 포함하는 압축기 시스템에 의해 처리되는 냉매를 사용하는 다른 LNG 시스템에서도 구현될 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 예컨대, 여기에 개시되는 실시예는, 프로판보다는 제2 혼합 냉매가 예냉각 목적으로 사용되는 소위 이중 혼합 냉매 회로(Dual-Mixed Refrigerant circuits; DMR circuits)에서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, LNG 시스템은, 질소 냉매 과냉각(subcooling) 사이클에 추가하여 C3-MR 프로세스와 실질적으로 동일한 레이아웃을 갖는 APX 프로세스를 이용할 수 있다.
이에 따라, 여기에서 아래에 설명되는 C3-MR 시스템은, 여기에 개시되는 보호대상이 사용될 수 있는 여러 가능한 LNG 시스템 중 단지 일례로서 이해되어야만 한다.
여기에 개시된 바와 같은 압축기 시스템의 장점은, 측류를 지닌 압축기 시스템이 사용될 때면 언제나, 가스 프로세싱을 위한 다른 시스템 및 방법에서도 또한 유용하게 이용될 수 있다는 것을 더욱 이해해야 한다.
C3-MR 기술에 따른 예시적인 LNG 시스템의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 전체적으로 1로 라벨링된 LNG 시스템은 당업자에게 알려져 있으며, 여기에서는 여기에 개시되는 신규한 실시예를 보다 양호하게 이해할 수 있도록 단지 시스템의 일반적인 설명만이 제공될 것이다.
시스템(1)은 프로판 예냉각 섹션(3)과 혼합 냉매 섹션(5)을 포함한다.
2개의 섹션(3, 5) 모두는 압축기 시스템, 냉매 회로를 순환하는 냉매 유체로부터 열을 방출시키는 고온 열교환 장치, 냉매 유체가 다른 냉매 및/또는 액화 대상 천연가스와 열교환 관계인 저온 열교환 장치를 포함하는 냉매 회로를 포함한다.
천연가스는 천연가스 유입구(7A)에서부터 액화 천연가스 유출구(7B)까지 메인 라인(7)에서 흐른다. 메인 라인(7)은 프로판 예냉각 섹션(3)을 통과하도록 그리고 혼합 냉매 섹션(5)을 통과하도록 연장된다.
도 1의 예시적인 레이아웃에서, 혼합 냉매 섹션(5)은 하나 이상의 드라이버에 의해 구동될 수 있는 혼합 냉매 압축기(9A, 9B, 9C)를 포함한다. 몇몇 실시예에서 혼합 냉매 압축기(9A, 9B)는 제1 드라이버(11), 예컨대 가스 터빈 엔진에 의해 구동된다. 제3 고압 혼합 냉매 압축기(9C)는 제2 드라이버(13), 예컨대 추가의 가스 터빈 엔진에 의해 회전 구동될 수 있다. 제2 드라이버(13)는 또한, 추후에 설명되고 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같은 프로판 압축기 시스템 또는 그 일부를 구동하는 데 사용될 수도 있다.
참조부호 15는, 냉각된 혼합 냉매가 천연가스에 대하여 열을 교환하는 메인 극저온 열교환기(MCHE)를 나타낸다.
압축기(9C)에 의해 이송되는 압축된 혼합 냉매는 제1 세트의 예냉각 열교환기(17A 내지 17D)에서, 복수 개의 상이한 압력 레벨에서 냉각 프로판에 대해 열을 교환하는 것에 의해 예냉각된다. 도 1의 예시적인 실시예에서는, 4개의 압력 레벨이 사용된다. 동일한 4개의 압력 레벨의 냉각 프로판이 라인(7)에서 흐르는 천연가스에 대하여 열을 교환하여, 천연가스를 MCHE(15)에 진입하기 전에 예냉각하는 제2 세트의 예냉각 열교환기(19A 내지 19D)가 더 마련된다.
압축 프로판은 프로판 압축기 시스템(21)에 의해 제공된다. 프로판 압축기 시스템(21)의 이송부(23)는 열교환기와 콘덴서(25, 27, 29) - 이로부터 압축 및 응축 프로판이 제1 세트의 예냉각 열교환기(17A 내지 17D)로 이송됨 - 와 유동적으로 커플링된다. 열교환기와 응축기(25, 27, 29)는 고온 열교환 장치를 형성하고, 이 열교환 장치에서 히트싱크를 형성하는 공기, 물 또는 다른 냉각 매체에 대한 열교환에 의해 압축 프로판으로부터 열이 제거된다.
프로판을 4개 압력 레벨로 순차 팽창시키기 위해, 팽창 팰브(31A 내지 31D 및 33A 내지 33D)가 마련된다. 참조부호 22A 내지 22D는 제1 세트 및 제2 세트의 예냉각 열교환기(17A 내지 17D 및 19A 내지 19D) 각각에 유동적으로 커플링되는 프로판 압축기 시스템(21)의 4개 가스 유입구를 나타낸다. 최저 압력 레벨의 제1 유입구(22D)는 통상 압축기 시스템(21)의 흡입측으로서 인용되고, 다른 가스 유입구(22C, 22B, 22A)는 통상 측류로서 인용된다. 본 개시에서, 흡입측과 측류는 전체적으로 가스 유입구로서 인용된다.
예냉각 열교환기(17A 내지 17D, 19A 내지 19D)는, 프로판이 예냉각을 위해 혼합 냉매 및 천연가스 모두와 열교환 관계를 이루는 저온 열교환 장치를 형성한다.
저압의 예냉각 열교환기(17D, 19D)는 프로판 압축기 시스템(21)의 흡입측, 즉 최저압 유입구(22D)에 유동적으로 커플링된다. 압력 레벨이 점증하는 예냉각 열교환기(17C, 19C; 17B, 19B; 17A, 19A)는 측류 유입구(22C, 22B, 22A) 각각을 통해 프로판 압축기 시스템(21)에 유동적으로 커플링된다. 아래에서, 유입구(22D, 22C, 22B, 22A)에서의 압력 레벨은 저압(LP), 중압(MP), 고압(HP) 및 극고압(HHP)으로 각각 인용될 것이다.
압축기 시스템(21)은 통상 4개의 압축단과 4개 이상의 임펠러, 즉 각각의 가스 유입구(22D 내지 22A)에 대해 적어도 하나의 임펠러를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 압축기 시스템(21)은 5개의 임펠러를 포함한다. 5개가 넘는 임펠러를 포함할 가능성도 배제되지 않는다.
현기술의 전술한 결점들 중 하나 이상을 해결하거나 완화하는 것을 목적으로 하는 본 개시에 따른 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 압축기 시스템은 역시 전체적으로 21로 라벨링된다. 도 2의 실시예에서, 압축기 시스템(21)은 제1 압축기 유닛(51)과 제2 압축기 유닛(53)을 포함한다.
일반적으로, 각각의 압축기 유닛(51, 53)은 적어도 2개의 가스 유입구를 포함한다. 지금 설명하는 실시예에서는 예냉각 회로가 4개의 프로판 압력 레벨을 포함하기 때문에, 제1 압축기 유닛(51)은 제1 가스 유입구 및 제2 가스 유입구를 포함하고; 제2 압축기 유닛(53)은 제3 가스 유입구 및 제4 가스 유입구를 포함한다.
4개가 넘는 프로판 압력 레벨을 활용하는 것도 배제되지 않으며, 이 경우에는 압축기 유닛(51, 53)들 중 적어도 하나가 2개가 넘는 가스 유입구를 포함할 수 있다는 것을 이해해야만 한다.
도 2에서, 제1 압축기 유닛(51)은 2개의 압축기 단(51.1 및 51.2)을 포함한다. 예컨대, 각각의 압축기 단은 하나의 임펠러(51.1 및 51.2)를 포함한다. 그러나, 하나 또는 2개의 압축기 단에 대해 1개가 넘는 임펠러(51.1 및 51.2)를 사용하는 것도 배제되지 않는다.
제1 압축기 단(51.1)은 중간 프로판 압력(MP)의 프로판을 수용하는 제1 가스 유입구(22C)를 갖는다. 제2 압축기 단(51.2)은 제1 압축기 단(51.1)로부터 부분 압축된 프로판을 그리고 측류 또는 제2 가스 유입구(22B)로부터 높은 프로판 압력(HP)의 프로판을 수용한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제1 압축기 유닛(51)은, 각각의 압력 레벨을 위한 단일 가스 흐름이 제공되는 스트레이트 스루(straight through) 압축기 유닛이다. 즉, 제1 가스 유입구(22C)는 제1 압력의 전체 가스 흐름을 수용하고, 제2 가스 유입구(22B)는 제2 압력의 전체 가스 흐름을 수용한다. 압축기 유닛 배출부(52)는 제1 가스 유입구(22C)와 제2 가스 유입구(22B)에 진입하는 가스 흐름으로 이루어진 가스 흐름을 수용한다. 단일 가스 흐름, 즉 단일 가스 유입구가 각각의 압력 레벨에 대해 제공되는, 아래에 개시되는 추가의 실시예에도 동일한 스트레이트 스루 레이아웃이 마련된다.
제2 압축기 유닛(53)은 제3 압축기 단(53.1)과 제4 압축기 단(53.2)을 포함한다. 제3 압축기 단(53.1)은 단일 임펠러를 포함할 수 있으며, 이 예시적인 실시예에서 제4 압축기 단(53.2)은 2개의 임펠러를 포함한다. 그러나, 각각의 압축기 단에 대해 상이한 개수의 임펠러가 고려될 수 있다.
제3 압축기 단(53.1)은 제3 가스 유입구(22D)에서 낮은 프로판 압력(LP)의 프로판 측류를 수용한다. 제4 압축기 단(53.2)은 제4 가스 유입구(22A)에서 매우 높은 프로판 압력(HHP)의 프로판 측류를 수용한다. 제4 압축기 단(53.2)은 제1 압축기 유닛(1)의 배출부(52)에 의해 이송되고 제1 가스 유입구(22C) 및 제2 가스 유입구(22B)에서 나온 가스 흐름으로 이루어진 총 유량을 더욱 수용한다.
이에 따라, 제1 압축기 단(51.1)에서는 가스가 중압(MP)에서 고압(HP)으로 압축되고, 제2 압축기 단(51.2)에서는 가스가 고압(HP)에서 극고압(HHP)으로 압축된다. 제3 압축기 단(53.1)은 가스를 저압(LP)에서 극고압(HHP)로 압축하고, 제4 압축기 단(53.2)은 가스를 극고압(HHP)에서 프로판 사이클에서의 상한 프로판 압력으로 압축한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제2 압축기 유닛(53)도 또한 각각의 압력 레벨을 위한 단일 가스 흐름이 제공되는 스트레이트 스루 압축기 유닛이다. 즉, 제3 가스 유입구(22D)는 제3 압력의 전체 가스 흐름을 수용하고, 제4 가스 유입구(22A)는 제4 압력의 전체 가스 흐름을 수용한다.
압축기 시스템(21)의 전체 구조는 현기술의 구성(도 10)보다 단순하다. 또한, 압축기 시스템(21)의 제어는 종래기술(도 11 및 도 12)보다 간단하다. 특히, 도 11 및 도 12의 구성에 대하여, 도 2의 구성에서는 압축기 유닛(51, 53)이 고온 열교환기와 직접 유체 연통하는 단일 이송측(23)을 갖고, 이에 따라 압축기 시스템(21)의 제어가 더 간단해진다.
도 10에 대하여, 본 개시의 압축기 시스템은, 동일한 압력의 가스 측류가 2개의 별개의 가스 유입구 사이에서 분할되는 이중 흐름 압축기 장치의 사용을 회피한다. 이에 따라, 이중 흐름 또는 병렬 흐름 구성을 이용하는 현기술의 시스템의 구조보다 간단한 구조가 얻어진다.
도 3은 본 개시에 따른 압축기 시스템의 다른 실시예를 예시한다. 도 2에서와 동일한 참조부호는 압축기 시스템(21)과 동일하거나 등가의 부품, 구성요소 또는 요소를 지칭한다. 도 2와 도 3의 차이는, 그 위치가 도 2의 구성에 대하여 뒤바뀐 저압 가스 유입구(22D)와 중압 가스 유입구(22C)의 구성에 관한 것이다. 도 3에서, 제1 압축기 유닛(51)은 가스 유입구(22D)에서 저압 프로판(LP)을 그리고 가스 유입구(22B)에서 고압(HP) 프로판을 수용한다. 제2 압축기 유닛(53)은 가스 유입구(22C)에서 중압 프로판(MP)을 그리고 가스 유입구(22A)에서 극고압(HHP) 프로판을 수용한다.
제1 압축기 유닛(51)의 배출부(52)는 제3 압축기 단(53.1)과 제4 압축기 단(53.2) 사이에 배치되는 가스 유입구에 유동적으로 커플링된다. 제1 압축기 유닛(51)으로부터 나온 압축 프로판 스트림은 가스 유입구(22A)에서 극고압의 스트림과 혼합되고, 마지막 압축기 단(53.2)을 통과하도록 이송된다.
이에 따라, 제1 압축기 단(51.1)에서는 가스가 저압(LP)에서 고압(HP)으로 압축되고, 제2 압축기 단(51.2)에서는 가스가 고압(HP)에서 극고압(HHP)으로 압축된다. 제3 압축기 단(53.1)은 가스를 중압(MP)에서 극고압(HHP)로 압축하고, 제4 압축기 단(53.2)은 가스를 극고압(HHP)에서 프로판 사이클에서의 상한 프로판 압력으로 압축한다.
본 개시에 따른 압축기 시스템(21)의 추가의 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 동일하거나 등가의 부품, 구성요소 또는 요소를 지칭하기 위해, 도 2 및 도 3에서의 참조부호와 동일한 참조부호가 사용된다. 도 4의 구성은, 주로 가스 유입구(22C, 22B)의 구성이 뒤바뀌기 때문에 도 3의 구성과 상이하다.
도 4에서, 제1 압축기 유닛(51)은 가스 유입구(22D)에서 저압(LP) 프로판을 그리고 가스 유입구(22C)에서 중압(MP) 프로판을 수용하고, 제2 압축기 유닛(53)은 가스 유입구(22B)에서 고압(HP) 프로판을 그리고 가스 유입구(22A)에서 극고압(HHP) 프로판을 수용한다.
제1 압축기 유닛(51)의 배출부(52)는 제3 압축기 단(53.1)과 제4 압축기 단(53.2) 사이에 배치되는 가스 유입구에 유동적으로 커플링된다. 제1 압축기 유닛(51)으로부터 나온 압축 프로판 흐름은 가스 유입구(22A)에서 극고압의 프로판과 혼합되고, 마지막 압축기 단(53.2)을 통과하도록 이송된다.
이에 따라, 제1 압축기 단(51.1)에서는 가스가 저압(LP)에서 중압(MP)으로 압축되고, 제2 압축기 단(51.2)에서는 가스가 중압(MP)에서 극고압(HHP)으로 압축된다. 제3 압축기 단(53.1)은 가스를 고압(HP)에서 극고압(HHP)으로 압축하고, 제4 압축기 단(53.2)은 가스를 극고압(HHP)에서 프로판 사이클에서의 상한 프로판 압력으로 압축한다.
도 2 내지 도 4로부터 이해할 수 있다시피, 모든 실시예에서 HP에서 HHP로 가장 결정적인 압축 단을 통과하는 유량이 감소된다. 사실상, 도 9의 기본적인 현기술에서 가스를 HP에서 HHP로 압축하는 압축기 단은 가스 유입구(122D, 122C, 122B)를 통과하는 유량의 합에 의해 주어지는 총 유량을 처리하고, 도 2의 실시예에서는 예컨대 압축기 단(51.2)이 가스 유입구(22C, 22B)의 유량만을 처리한다. 도 3의 실시예에서, 결정적인 압축기 단(51.2)은 단지 가스 유입구(22D, 22B)의 유량만을 처리한다. 궁극적으로, 도 4의 실시예에서, 결정적인 압축기 단(53.1)은 단지 가스 유입구(22B)의 유량만을 처리한다.
도 11 및 도 12의 현기술의 구성에 대하여, 여기에 개시된 실시예는 압축기 시스템의 단일 유출구 또는 이송부(23)를 제공하며, 이에 따라 압축기 유닛(51, 53)의 작동의 제어가 더 간단해지고 더 신뢰성 있다.
도 2 내지 도 4는 압축기 단 구성 및 이들 사이의 관련 유체 커플링의 가능한 예를 예시한다. 압축기 케이싱의 개수, 구동 샤프트, 드라이버 및 연결 도관과 관련하여 다양한 장치가 상이한 구성으로 구현될 수 있다. 가능한 구성이 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다.
도 5는 2개의 별개의 압축기 케이싱(61, 63)을 포함하는 압축기 시스템(21)을 예시한다. 압축기 케이싱(61)은 도 2, 도 3 및 도 4 중 어느 하나의 압축기 유닛(51)을 포함할 수 있다. 압축기 케이싱(63)은 도 2, 도 3 및 도 4 중 어느 하나의 압축기 유닛(53)을 포함할 수 있다. 도 5의 구성은, 도 2, 도 3 및 도 4의 구성 중 어느 하나를 참고할 수 있기 때문에, 2개의 압축기 케이싱(61, 63)의 가스 유입구는 일반적으로 I1, I2, I3, I4로서 각각 제1, 제2, 제3 및 제4 가스 유입구를 나타낸다. 압축기 유닛(51)의 배출부(52)는 압축기 유닛(53)의 가스 유입구(I3)에 유동적으로 커플링된다. 참조부호 67은 샤프트(65)를 통해 2개의 압축기 유닛(51, 53)을 회전시키는 드라이버를 지칭한다.
도 6은 샤프트(67A, 67B)를 통해 별개의 드라이버(65A, 65B)에 의해 회전 구동되고, 이에 따라 상이한 회전 속도로 작동 가능한 2개의 압축기 유닛(51, 53)을 포함하는 압축기 시스템(21)을 예시한다. 가스 유입구는 I1, I2, I3, I4로 도시되어 있다. 압축기 유닛(51)의 유출구는 압축기 유닛(53)의 가스 유입구(I3)에 유동적으로 커플링된다.
도 7은, 기어박스(69)가 압축기 유닛(51)과 압축기 유닛(53) 사이에 배치되고, 이에 따라 2개의 압축기 유닛이 상이한 회전 속도로 회전할 수 있는, 도 5와 유사한 구성을 예시한다. 나머지 참조부호는 도 5와 동일한 부품, 요소 또는 구성요소를 지칭한다.
압축기 시스템(21)의 또 다른 실시예가 도 8에 예시되어 있다. 2개의 압축기 유닛(51, 53)은 백투백(back-to-back) 구성으로 단일 케이싱(62)에 배치된다. 압축기 유닛(51)의 유출구와 압축기 유닛(51)의 가스 유입구(I3) 사이의 유체 연결부는 케이싱(62)의 내측부 또는 외측부에 위치할 수 있다.
여기에서 설명되는 보호 대상의 개시된 실시예가 도면에 도시되고, 다수의 예시적인 실시예에 관하여 특별히 그리고 상세히 충분히 설명되었지만, 여기에 기술된 신규한 교시, 원리 및 개념과 첨부된 청구범위에 기재된 보호 대상의 장점으로부터 사실상 벗어나지 않으면서, 많은 변형, 변경 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는 그러한 모든 수정, 변경 및 생략을 포함하도록 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변경되거나 재배열될 수 있다.

Claims (15)

  1. 압축기 시스템으로서,
    적어도, 제1 가스압 레벨의 제1 가스 유입구, 제2 가스압 레벨의 제2 가스 유입구, 및 가스 배출부를 갖는 제1 스트레이트 스루(straight through) 압축기 유닛; 및
    적어도, 제3 가스압 레벨의 제3 가스 유입구, 제3 가스압 레벨보다 높은 제4 가스압 레벨의 제4 가스 유입구, 및 가스 이송부를 갖는 제2 압축기 유닛
    을 포함하고, 제1 압축기 유닛의 가스 배출부는 제2 압축기 유닛의 제4 가스 유입구에 유동적으로 커플링되는 것인 압축기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제4 가스압 레벨은 제1 가스압 레벨 및/또는 제2 가스압 레벨보다 높은 것인 압축기 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 가스압 레벨은 제1 가스압 레벨보다 높고 및/또는 제4 가스압 레벨보다 낮은 것인 압축기 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제4 가스 유입구에서 가스 측류가 제1 압축기 유닛의 가스 배출부와 합류하는 것인 압축기 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 하나 이상의 항에 있어서, 제1 압축기 유닛은 제1 케이싱에 수납되고, 제2 압축기 유닛은 제2 케이싱에 수납되는 것인 압축기 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 하나 이상의 항에 있어서, 제1 압축기 유닛과 제2 압축기 유닛은 공동 케이싱에 수납되는 것인 압축기 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 제1 압축기 유닛은 제1의 복수 개의 임펠러를 포함하고, 제2 압축기 유닛은 제2의 복수 개의 임펠러를 포함하며, 제1의 복수 개의 임펠러와 제2의 복수 개의 임펠러는 일렬로 또는 바람직하게는 백투백(back-to-back) 배열로 위치 설정되는 것인 압축기 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 하나 이상의 항에 있어서,
    제1 압축기 유닛과 제2 압축기 유닛은 거의 동일한 회전 속도로 회전하도록 구성 및 제어되는 것인 압축기 시스템.
  9. 제1항 내지 제7항 중 하나 이상의 항에 있어서, 제1 압축기 유닛과 제2 압축기 유닛은 상이한 회전 속도로 회전하도록 구성 및 제어되는 것인 압축기 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제1 압축기 유닛과 제2 압축기 유닛 사이에 배치되는 기어박스를 더 포함하는 압축기 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 제1 압축기 유닛은 제1 드라이버에 의해 구동되고, 제2 압축기 유닛은 제2 드라이버에 의해 구동되는 것인 압축기 시스템.
  12. 천연가스의 액화를 위한 냉매 시스템으로서,
    천연가스 라인; 및
    적어도 제1 냉매 회로로서, 압축기 시스템, 압축기 시스템에 의해 히트싱크로 이송되는 냉매 유체로부터 열을 배출하기 위한 고온 열교환 장치, 및 제2 냉매와 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스 중 적어도 하나로부터 열을 제거하도록 냉매 유체가 제2 냉매와 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스 중 적어도 하나와 열교환 관계인, 저온 열교환 장치로 구성되는 것인 제1 냉매 회로
    를 포함하고, 압축기 시스템은 제1항 내지 제11항 중 하나 이상의 항에 따라 구성되는 것인 냉매 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 저온 열교환 장치는 복수 개의 열교환기를 포함하고, 냉매 유체가 복수 개의 열교환기를 통해 상기 제2 냉매 및 상기 천연가스 중 적어도 하나와 열교환 관계로 흐르며, 열교환기는 점감하는 냉매 압력 레벨로 작동하고, 각각의 열교환기는 압축기 시스템의 가스 유입구들 중 하나에 유동적으로 커플링되는 것인 냉매 시스템.
  14. 가스상 유체의 압축 방법으로서,
    상이한 압력 레벨의 제1의 복수 개의 가스 스트림을 제1 스트레이트 스루 압축기 유닛의 제1의 복수 개의 가스 유입구로 이송하는 단계로서, 상기 제1의 복수 개의 가스 스트림은 적어도, 제1 가스압 레벨의 제1 가스 유입부와 제2 가스압 레벨의 제2 가스 유입부를 포함하는 것인 단계;
    상이한 압력 레벨의 제2의 복수 개의 가스 스트림을 제2 압축기 유닛의 제2의 복수 개의 가스 유입구로 이송하는 단계로서, 상기 제2의 복수 개의 가스 스트림은 적어도, 제3 가스압 레벨의 제3 가스 유입부와 제3 가스압 레벨보다 높은 제4 가스압 레벨의 제4 가스 유입부를 포함하는 것인 단계;
    제1 압축기 유닛의 배출부로부터의 부분 압축 가스를 제2 압축기 유닛의 제4 가스 유입구로 이송하는 단계; 및
    제2 압축기 유닛의 가스 이송부로부터 총 압축 가스 흐름을 이송하는 단계
    를 포함하는 가스상 유체의 압축 방법.
  15. 천연가스 액화 방법으로서,
    압축 냉매 흐름을 압축기 시스템으로부터 히트싱크로 이송하고, 이로부터 열을 제거하는 단계;
    히트싱크로부터의 냉매 흐름을 제1의 복수 개의 부분 스트림과 제2의 복수 개의 부분 스트림으로 분할하는 단계;
    각각의 부분 스트림을 각각의 압력 레벨로 팽창시키는 단계;
    부분 스트림에 의해 제2 냉매와 천연가스 라인에서 흐르는 천연가스 중 적어도 하나로부터 열을 제거하는 단계;
    제1의 복수 개의 부분 스트림을 압축기 시스템에 있는 제1 스트레이트 스루 압축기 유닛의 각각의 제1의 복수 개의 가스 유입구로 도입하는 단계로서, 상기 제1의 복수 개의 가스 스트림은 적어도, 제1 가스압 레벨의 제1 가스 유입부와 제2 가스압 레벨의 제2 가스 유입부를 포함하는 것인 단계;
    제2의 복수 개의 부분 스트림을 압축기 시스템에 있는 제2 압축기 유닛의 각각의 제2의 복수 개의 가스 유입구로 도입하는 단계로서, 상기 제2의 복수 개의 가스 스트림은 적어도, 제3 가스압 레벨의 제3 가스 유입부 및 제3 가스압 레벨보다 높은 제4 가스압 레벨의 제4 가스 유입부를 갖는 것인 단계; 및
    제1 스트레이트 스루 압축기 유닛에 의해 압축된 냉매를 제2 압축기 유닛의 제4 가스 유입구로 도입하는 단계
    를 포함하는 천연가스 액화 방법.
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