KR20190064785A

KR20190064785A - 증발가스 재액화 시스템 및 방법

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Publication number: KR20190064785A
Application number: KR1020170163975A
Authority: KR
Inventors: 황순규; 박종환
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-06-11
Also published as: KR101996285B1

Abstract

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 증발가스를 가스 수요처로 공급하고, 가스 수요처로 공급하고 남은 증발가스는 재액화시켜 회수하되, 가스 수요처로 공급하고 남은 증발가스의 일부를 증발가스를 재액화시키는 냉매로서 보충 공급할 수 있도록 하는, 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축하는 제1 컴프레서; 상기 제1 컴프레서에서 압축되고, 상기 가스 수요처로 공급되고 남은 증발가스를 재액화시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 증발가스를 냉각시키는 냉매가 순환 유동하는 폐루프 사이클을 형성하는 냉매 순환라인; 및 상기 제1 컴프레서에서 압축되고 상기 가스 수요처로 공급되고 남은 증발가스가 상기 냉매 순환라인으로 보충 공급되도록 경로를 제공하는 냉매 보충라인;을 포함하여, 상기 냉매 순환라인의 압력이 낮아지면 상기 냉매 보충라인을 통하여 증발가스를 냉매로서 보충 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 방법 {Boil-Off Gas Reliquefaction System and Method}

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 증발가스를 가스 수요처로 공급하고, 가스 수요처로 공급하고 남은 증발가스는 재액화시켜 회수하되, 가스 수요처로 공급하고 남은 증발가스의 일부를 증발가스를 재액화시키는 냉매로서 보충 공급할 수 있도록 하는, 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하고, 소량의 에탄(ethane), 프로판(propane) 등을 포함하는 화석연료로서, 최근 다양한 기술 분야에서 저공해 에너지원으로서 각광받고 있다.

천연가스는 경제성이 있고 친환경적인 에너지로 많이 소비되고 있으나, 기체인 천연가스 상태로 이송하기에는 부피가 커서 운송 및 저장 효율이 떨어진다. 이러한 점을 보완하기 위해, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 상태로 운송 및 저장하는 방법이 제시되었다.

액화천연가스는 메탄을 주성분으로 한 천연가스를 대기압에서 약 -163℃의 극저온 상태로 냉각시켜 그 부피를 600분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체로서, 기체상태보다 수송성과 저장성이 우수한 것으로 알려져 있다.

그러나 천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.

BOG는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.

최근에는 BOG의 처리를 위해, BOG를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 선박의 엔진의 연료로서 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

LNG 운반선에 설치되는 추진용 엔진이나 발전용 엔진으로는, LNG 저장탱크에 저장된 LNG가 자연기화된 증발가스 또는 LNG를 강제기화시킨 강제기화가스와 디젤 연료를 모두 연료로 사용할 수 있는 이중연료 엔진(DF 엔진, Dual Fuel Engine)이 개발되어 사용되고 있다.

한편, 잉여의 BOG에 대해서는 가스연소유닛(gas combustion unit, GCU)에서 연소시키는 방법을 사용하고 있다.

도 1에는 종래의 증발가스 처리 시스템의 일 예를 간략하게 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 증발가스 처리 방법은, LNG에서 발생하는 증발가스(NBOG; Natural Boil-Off Gas)를 연료 압축기(10)에서 압축하여 추진엔진 또는 발전엔진 등 선내 가스 수요처(consumer)로 공급한다. 또한, 가스 수요처로 공급하고 남은 증발가스는 압축기(20)를 이용하여 압축하고, 압축 증발가스는 열교환기(30)에서 냉각시켜 재액화시킨다.

압축 증발가스를 재액화시키기 위한 냉열을 공급하는 방법으로는, MRS(Methane Refrigeration System)을 활용할 수 있다. MRS는, 증발가스, 즉 메탄(methane)을 이용하여 냉매의 폐루프(closed loop) 사이클을 구성하고, 폐루프 사이클을 순환하는 냉매와 압축 증발가스를 열교환기(30)에서 열교환시켜, 증발가스를 액화시킨다.

폐루프 사이클은 익스팬더-컴프레서(40)와 컴프레서(50)를 포함하고, 폐루프 사이클을 순환하는 냉매는, 단열팽창, 압축, 열교환 등의 과정을 반복하면서 사이클을 순환한다.

그런데, 이와 같은 냉매의 폐루프 사이클의 구동 중에는, 압력 조정 밸브(over pressure relief valve)(미도시) 등의 작동으로 인해 냉매 가스 일부가 LNG 저장탱크로 회수(return)되는 경우가 있다. 이 경우, 폐루프 사이클 내 압력이 떨어지게 되므로 사이클을 순환하는 냉매를 충전해주어야만 하는데, 이때에는, 증발가스 냉각 시스템 및 폐루프 사이클 장비를 모두 정지시켜야만 냉매를 충전시킬 수 있다.

또한, 증발가스를 냉매로서 폐루프 사이클로 흡입(suction)하여 공급할 때, 폐루프 시스템에서 요구하는 흡입 압력(suction pressure)을 맞추기 위해서는 많은 어려움이 있다. 이는, 일반적으로, 증발가스의 압력(탱크 내압)이 폐루프 시스템 내 컴프레서(50)의 흡입 압력보다 낮기 때문이다.

이러한 운영 방식에 의해 폐루프 사이클로 증발가스 냉매를 보충 공급할 경우 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.

또한, 냉매로 사용되는 증발가스의 유량은 가스 수요처로 공급되는 증발가스의 유량보다 상대적으로 많기 때문에, 가스 수요처가 엔진일 경우, 연료 공급량의 제어(capacity control)에도 문제를 일으킬 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 장비를 정지하지 않고 냉매를 보충하여 재액화량을 일정하게 유지하며 안정적으로 장비를 운영할 수 있는, 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축하는 제1 컴프레서; 상기 제1 컴프레서에서 압축되고, 상기 가스 수요처로 공급되고 남은 증발가스를 재액화시키기 위해 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 증발가스를 냉각시키는 냉매가 순환 유동하는 폐루프 사이클을 형성하는 냉매 순환라인; 및 상기 제1 컴프레서에서 압축되고 상기 가스 수요처로 공급되고 남은 증발가스가 상기 냉매 순환라인으로 보충 공급되도록 경로를 제공하는 냉매 보충라인;을 포함하여, 상기 냉매 순환라인의 압력이 낮아지면 상기 냉매 보충라인을 통하여 증발가스를 냉매로서 보충 공급하는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매 보충라인에 구비되며, 상기 냉매 순환라인으로 보충 공급되는 증발가스를 감압시키는 감압 밸브;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 감압 밸브는, 컨트롤 밸브이고, 상기 컨트롤 밸브를 제어하여, 가스 수요처로 공급되는 증발가스의 유량, 상기 재액화시킬 증발가스의 유량 및 상기 냉매 보충라인으로 공급되는 증발가스의 유량을 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매는, 상기 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스일 수 있다.

바람직하게는, 상기 폐루프 사이클은, 상기 열교환기로 공급할 냉매를 팽창에 의해 냉각시키는 익스팬더; 및 상기 열교환기에서 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 냉매 가스를 압축하는 제3 컴프레서;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 순환라인은, 상기 제3 컴프레서와 열교환기를 연결하며, 상기 제3 컴프레서에서 압축된 냉매 가스가 상기 열교환기로 공급되도록 경로를 제공하는 제3 냉매 순환라인; 및 상기 열교환기와 익스팬더를 연결하며, 상기 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 냉매 가스가 상기 익스팬더로 공급되도록 경로를 제공하는 제4 냉매 순환라인;을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 익스팬더 및 제3 컴프레서는 하나의 샤프트로 연결되고, 상기 익스팬더의 팽창일에 의해 상기 제3 컴프레서가 구동될 수 있다.

바람직하게는, 상기 폐루프 사이클은, 상기 제3 컴프레서 후단에 구비되며, 상기 제3 컴프레서에서 압축된 냉매 가스를 더 압축하여 상기 열교환기로 공급하는 제2 컴프레서;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 보충라인이 상기 냉매 순환라인으로 연결되는 지점은, 상기 제2 컴프레서 전단일 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화 라인에 구비되며, 상기 열교환기에서 재액화시킬 증발가스를 가압하여 상기 열교환기로 공급하는 부스팅 컴프레서;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 순환라인에 구비되며, 상기 냉매 순환라인의 압력이 높아지면 상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매를 배출시키는 압력 조정 밸브;를 더 포함하고, 상기 압력 조정 밸브의 작동에 의해 배출된 냉매는 액화가스 저장탱크로 회수될 수 있다.

바람직하게는, 상기 가스 수요처는, 선박용 엔진일 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키고, 상기 가스 수요처로 공급하고 남은 압축 증발가스는 냉매와의 열교환에 의해 재액화시켜 액화가스 저장탱크로 회수하고, 상기 압축 증발가스를 재액화시키는 냉매는 폐루프 사이클을 순환하며, 상기 폐루프 사이클의 압력이 설정값보다 낮아지면, 상기 가스 수요처로 공급하고 남은 압축 증발가스를 상기 폐루프 사이클로 보충 공급하는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매는, 상기 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 압축, 응축, 팽창 및 기화 공정을 포함하는 폐루프 사이클로 순환시키고, 상기 냉매의 기화 공정에서 상기 압축 증발가스로 냉열을 제공하되, 상기 냉매의 응축 공정은, 상기 냉매의 기화 공정에서 상기 냉매로부터 냉열을 공급받도록 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 폐루프 사이클로 보충 공급하는 압축 증발가스는, 상기 냉매의 압축 공정의 흡입 압력까지 감압시켜 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 폐루프 사이클로 보충 공급하는 압축 증발가스를 감압시키면서, 상기 가스 수요처로 공급하는 증발가스의 유량과 상기 재액화시킬 증발가스의 유량을 조절할 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화시킬 증발가스는, 상기 냉매와 열교환시키기 전에 더 압축시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 폐루프 사이클의 압력이 설정값보다 높아지면, 상기 폐루프 사이클을 순환하는 냉매 가스의 일부를 배출시켜 액화가스 저장탱크로 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 가스 수요처는 선박용 엔진이고, 상기 증발가스는 상기 선박용 엔진에서 요구하는 압력까지 압축시킬 수 있다.

본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 방법은, 가스 수요처로 공급되는 압축 증발가스를, 증발가스를 재액화시키는 냉매로 보충공급할 수 있도록 냉매보충라인을 구성함으로써, 냉매순환라인의 냉매 압력이 떨어지더라도, 운전 정지 없이 장비를 지속적으로 운전하면서 증발가스를 냉매로 보충 공급할 수 있게 된다.

따라서, 냉매 보충 시간이 감소하고, 안정적으로 증발가스 재액화 시스템을 운영할 수 있다.

또한, 감압밸브를 컨트롤 밸브로 구성하여 캐퍼시티를 제어할 수 있어, 보충 공급하는 냉매의 압력을 용이하게 제어할 수 있고, 엔진 등 가스 수요처로 공급하는 라인의 용량에 부정적인 영향을 끼치지 않으면서 냉매를 보충할 수 있다.

또한, 증발가스의 재액화량을 일정하게 함으로써, 액화가스 저장탱크의 압력을 안정적으로 제어할 수 있다.

도 1은 종래의 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스 또는 액화질소, 액화이산화탄소, 액화수소 등일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 방법은 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고 육상에서 적용될 수도 있을 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박일 수 있다.

또한, 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구비된 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 저장할 수 있는 액화가스 저장탱크가 설치되고, 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박, 즉 LNG 운반선, LEG(Liquefied Ethane Gas) 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 선박을 비롯하여, 해상 구조물, 즉 LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)과 같은 해상 구조물일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

즉, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 연료는, LNG이고, 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)는 LNG가 자연기화한 증발가스이며, 본 실시예에 따른 선박은 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템을 간략하게 도시한 도면이다. 이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, LNG 저장탱크가 구비된 LNG 운반선에서, LNG 저장탱크의 내압 상승을 제어하기 위하여, LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스를 처리하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(미도시); LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스를 필요로 하는 선내 가스 수요처(consumer); 증발가스가 가스 수요처로 공급되도록 유로를 형성하는 가스 공급라인(GL); 증발가스를 재액화시켜 회수되도록 유로를 형성하는 재액화 라인(RL); 재액화 라인(RL)을 따라 유동하는 증발가스를 재액화 시키기 위한 냉매가 순환하는 냉매 순환라인(CL); 및 가스 공급라인(GL)으로부터 냉매 순환라인(CL)으로 연결되며 증발가스를 냉매 순환라인(CL)으로 보충 공급하는 냉매 보충라인(SL);을 포함한다.

본 실시예의 LNG 저장탱크는, 도면에 도시하지는 않았지만, LNG 운반선에 하나 이상 구비될 수 있다. 또한, 본 실시예의 LNG 저장탱크는, 선박이 운항하는 동안 LNG가 액체상태를 유지하면서 저장될 수 있도록 단열처리되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 LNG는, LNG 저장탱크에 약 1bar에서 약 -163℃로 저장되어 있을 수 있다.

또한, 본 실시예의 LNG 저장탱크는, LNG를 운반하기 위해 화물로서 저장하는 화물용 저장탱크일 수도 있고, 엔진의 연료 저장용으로 따로 구비된 것일 수도 있다.

또한, 본 실시예의 LNG 저장탱크는 LNG 저장탱크 내에서 외부의 열 침입 등에 의해 자연기화하여 생성된 증발가스에 의한 압력 상승을 설정압력까지 견딜 수 있도록 제작된 것일 수 있으며, 저장탱크의 내압이 설정압력을 초과하면 안전밸브가 개방되어 저장탱크 내 증발가스를 배출시키도록 설계되어 있을 수 있다.

본 실시예에서 LNG 저장탱크부터 배출된 증발가스는 가스 공급라인(GL)을 따라 유동하며 가스 수요처로 공급되거나, 재액화 라인(RL)을 따라 유동하며 재액화 되어 액체 상태로 LNG 저장탱크로 회수될 수도 있으며, 냉매 보충라인(SL) 및 냉매 순환라인(CL)을 따라 유동하며 증발가스를 재액화시키는 냉매로서 사용될 수도 있다.

또한, 증발가스는, 상술한 바와 같이, LNG 저장탱크에서 생성된 것일 수도 있고, 선박 외부로부터 공급받은 것일 수도 있다. 본 실시예에서는 LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

본 실시예의 가스 수요처는, 증발가스를 연료로 사용하는 엔진(engine)인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 가스 수요처는, 가스 터빈(gas turbine), 보일러, IGG(Inert Gas Generator) 등을 포함할 수 있다.

본 실시예의 엔진은, LNG를 연료로 사용할 수 있는 가스 엔진으로서, 4행정 또는 2행정의 디젤 사이클(diesel cycle) 엔진 또는 오토 사이클(otto cycle) 엔진일 수 있다. 예를 들어, 추진용 엔진으로서, ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진 또는 X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진일 수 있고, 발전용 엔진으로서, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진일 수 있다.

ME-GI 엔진은, 2행정 디젤 사이클 엔진으로서, 약 150 bar 내지 300 bar 정도로 압축된 고압 가스를 연료로 사용한다. X-DF 엔진은, 2행정 오토 사이클 엔진으로, 약 12 bar 내지 18 bar, 바람직하게는 약 16 bar로 압축된 중압 가스를 연료로 사용한다. DFDE 엔진은, 4행정 오토 사이클 엔진으로, 약 4 bar 내지 8 bar, 바람직하게는 약 6.5 bar로 압축된 저압 가스를 연료로 사용한다.

오토 사이클 엔진은, 안티 노킹(anti-knocking)을 위해 가스 연료의 메탄가 제한이 있으며, X-DF 엔진 및 DFDE 엔진의 메탄가 제한은 약 80일 수 있다.

본 실시예에서는, 가스 수요처로서, X-DF 엔진이 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

본 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 엔진으로 공급할 증발가스를 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 제1 컴프레서(100);를 더 포함할 수 있다.

제1 컴프레서(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 공급라인(GL)에 의해 엔진과 연결될 수 있다.

또한, 본 실시예의 제1 컴프레서(100)는, 증발가스를, 엔진에서 요구하는 압력, 즉, 약 12 bar 내지 18 bar, 또는 약 16 bar로 압축시킬 수 있다.

도 2에서는, 제1 컴프레서(100)가 하나의 압축기로 구성되는 것을 예로 들어 도시하였지만, 제1 컴프레서(100)는, 다수개의 압축기를 포함하여 증발가스를 다단계에 걸쳐 목표 압력까지 압축시키는 다단압축기일 수 있다. 또한 다수개의 압축기 후단에는 각각 압축에 의해 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키는 인터쿨러(미도시)가 구비될 수 있다.

예를 들어, 제1 컴프레서(100)는 4단 압축기로서, 4개의 압축기와 4개의 인터쿨러를 포함하고, 증발가스를 4단계에 걸쳐 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있다.

또한, 제1 컴프레서(100)는, 병렬로 2세트 이상 구비될 수 있다. 이때, 한 세트의 제1 컴프레서(100)만을 이용하여 증발가스를 압축시키고 나머지 한 세트의 제1 컴프레서(미도시)는 스탠바이(stand-by) 상태로 대기시켜, 구동중인 제1 컴프레서(100)의 리던던시 개념으로 활용할 수 있다. 또는, 두 세트의 제1 컴프레서를 모두 활용하여 증발가스를 압축시킬 수도 있을 것이다.

본 실시예의 재액화 라인(RL) 및 냉매 보충라인(SL)은, 도 2에 도시된 바와 같이 가스 공급라인(GL)으로부터 분기될 수 있고, 그 분기 지점은, 제1 컴프레서(100)의 후단일 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 제1 컴프레서(100)에서 엔진에서 요구하는 압력으로 압축된 증발가스 중 일부가 재액화 라인(RL) 및/또는 냉매 보충라인(SL)으로 분기될 수 있다.

본 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 재액화시킬 증발가스를 가압하여 후술할 열교환기(400)로 공급하는 부스팅 컴프레서(300); 및 제1 컴프레서(100) 및 부스팅 컴프레서(300)에 의해 승압된 증발가스를 냉매와의 열교환에 의해 액화시키는 열교환기(400);를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 부스팅 컴프레서(300) 및 열교환기(400)는 재액화 라인(RL)에 의해 제1 컴프레서(100)와 연결되고, 도면에 도시하지는 않았지만, 재액화 라인(RL)은 LNG 저장탱크까지 연결될 수 있다.

즉, 가스 공급라인(GL)으로부터 재액화 라인(RL)으로 분기된 압축 증발가스는, 부스팅 컴프레서(300), 열교환기(400)를 순차적으로 거치면서 재액화되고, LNG 저장탱크로 회수될 수 있다.

또한, 본 실시예에 다른 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(400)에서 압축 증발가스를 액화시키기 위한 냉매를 압축하는 제2 컴프레서(600) 및 제3 컴프레서(510); 및 냉매를 팽창시키는 익스팬더(520);를 더 포함한다.

제3 컴프레서(510)와 익스팬더(520)는 하나의 축(shaft)에 연결될 수 있다. 즉, 익스팬더(520)의 팽창일은 제3 컴프레서(510)에서 냉매 가스를 압축시키는 에너지가 된다. 이하, 하나의 축을 공유하는 제3 컴프레서(510) 및 익스팬더(520)를 익스팬더-컴프레서(500)라 하기로 한다.

본 실시예의 열교환기(400), 익스팬더-컴프레서(500) 및 제2 컴프레서(600)는, 냉매 순환라인(CL)에 의해 연결되고, 냉매 순환라인(CL)은 열교환기(400), 익스팬더-컴프레서(500) 및 제2 컴프레서(600)를 연결하며 냉매가 순환하는 폐루프(closed loop) 사이클을 형성한다.

즉, 냉매 순환라인(CL)을 따라 압축, 응축, 팽창 및 기화 공정을 순환 반복하면서, 열교환기(400)에서 증발가스를 액화시키고 다시 냉각되어 열교환기(400)로 공급된다.

냉매 순환라인(CL)을 따라 순환하는 냉매는 증발가스일 수 있다. 본 실시예의 증발가스는, LNG가 자연기화하여 생성된 것으로, LNG의 성분 중에서 끓는점이 가장 낮은 메탄(methane)으로 이루어진다. 따라서, 본 실시예의 폐루프 사이클은, MRS(Methane Refrigeration System)일 수 있다. 이하, 가스 수요처로 공급하거나 재액화시켜 회수하는 증발가스와 구별하기 위하여, 냉매 순환라인(CL)에서 냉매로 사용되는 증발가스는, '냉매' 또는 '냉매 가스'라 하기로 한다.

본 실시예의 냉매 순환라인(CL)은, 열교환기(400)와 제3 컴프레서(510)를 연결하며, 열교환기(400)에서 압축 증발가스를 액화시키면서 기화된 냉매 가스가 제3 컴프레서(510)로 공급되도록 유로를 제공하는 제1 냉매 순환라인(CL1); 제3 컴프레서(510)와 제2 컴프레서(600)를 연결하며, 제3 컴프레서(510)에서 압축된 냉매 가스가 제2 컴프레서(600)로 공급되도록 유로를 제공하는 제2 냉매 순환라인(CL2); 제2 컴프레서(600)와 열교환기(400)를 연결하며, 제2 컴프레서(600)에서 압축된 냉매 가스가 열교환기(400)로 공급되도록 유로를 제공하는 제3 냉매 순환라인(CL3); 열교환기(400)와 익스팬더(520)를 연결하며, 열교환기(400)에서 열교환에 의해 응축된 냉매가 익스팬더(520)로 공급되도록 유로를 제공하는 제4 냉매 순환라인(CL4); 및 익스팬더(520)와 열교환기(400)를 연결하며, 익스팬더(520)에서 팽창에 의해 냉각된 냉매가 열교환기(400)로 공급되어 압축 증발가스를 액화시키도록 유로를 제공하는 제5 냉매 순환라인(CL5);을 포함한다.

본 실시예의 열교환기(400)는, 3개의 유로를 제공하여, 3개의 유체 흐름이 상호 열교환한다. 보다 구체적으로, 본 실시예의 열교환기(400)에서는, 재액화시킬 압축 증발가스와, 기체 상태의 냉매 가스(메탄)와, 액체 상태의 냉매(메탄)가 상호 열교환한다.

열교환기(400)에서 열교환에 의해, 압축 증발가스 및 냉매 가스는 냉각되고, 액체 냉매는 온도가 상승한다. 또한, 열교환기(400)에서 열교환에 의해, 압축 증발가스는 액화되고, 냉매 가스는 적어도 일부가 응축되며, 액체 냉매는 적어도 일부 또는 전부가 기화될 수 있다.

도면에 도시하지는 않았지만, 냉매 순환라인(CL)에는, 폐루프 사이클의 계내 압력이 설정값보다 상승하면, 냉매 순환라인(CL)을 순환하는 냉매 가스 중 일부를 계외로 배출시키도록 개폐가 조절되는 압력 조정 밸브(미도시);가 하나 이상 구비될 수 있다.

압력 조정 밸브는, 릴리프 밸브로서, 설정값 이상일 때 자동 개방되도록 구비될 수 있다.

또한, 도면에 도시되지는 않았지만 압력 조정 밸브의 작동에 의해 냉매 순환라인(CL)으로부터 배출된 냉매 가스(메탄)는, LNG 저장탱크로 회수될 수 있다.

본 실시예의 압력 조정 밸브는, 폐루프 사이클의 계내 압력이 최고 설정 압력 이상이 되지 않도록 조절하는 수단이다.

반면, 본 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 폐루프 사이클의 계내 압력이 최저 설정 압력 미만이 되지 않도록 조절하는 수단으로서, 냉매 보충라인(SL)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 냉매 보충라인(SL)은, 가스 공급라인(GL)으로부터 분기되며, 제1 컴프레서(100)에서 엔진의 요구 압력으로 압축된 압축 증발가스가 냉매 순환라인(CL)으로 공급되도록 경로를 제공한다.

냉매 보충라인(SL)을 따라 냉매 순환라인(CL)으로 공급되는 증발가스는, 냉매 순환라인(CL)을 순환하는 냉매 흐름에 합류되어, 압축 증발가스를 재액화시키는 냉매로서 사용된다.

본 실시예의 냉매 보충라인(SL)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 냉매 순환라인(CL2)으로 연결될 수 있다. 또한, 그 연결 지점은 제2 컴프레서(600)의 전단일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 냉매 보충라인(SL)에 구비되며, 냉매 보충라인(SL)을 따라 냉매 순환라인(CL)으로 공급되는 압축 증발가스를 감압시키는 감압밸브(200);를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 감압밸브(200)는, 냉매로서 공급할 압축 증발가스가, 제2 컴프레서(600)의 흡입 압력(suction pressure)을 만족시키도록, 압축 증발가스를 감압시킨다. 예를 들어, 압축 증발가스는, 감압밸브(200)를 통과하면서, 약 2 bar로 감압될 수 있다.

감압밸브(200)에서 감압되면서 증발가스의 온도는 낮아질 수 있다. 즉, 감압밸브(200)를 통과하면서 압력 및 온도가 낮아진 증발가스가, 냉매 순환라인(CL)으로 보충 공급된다.

또한, 본 실시예의 감압밸브(200)는, 컨트롤 밸브(control valve)로서, 도시되지 않은 제어부에 의해 개폐가 조절되어, 가스 공급라인(GL)을 따라 가스 수요처로 공급되고, 재액화 라인(RL) 및 냉매 보충라인(SL)으로 분기되는 압축 증발가스의 유량을 조절하는 역할을 할 수도 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 감압밸브(200)를 컨트롤 밸브로 적용함으로써, 엔진 등 가스 수요처로 압축 증발가스를 공급하는 가스 공급라인(GL)의 용량(capacity)에 문제를 일으키지 않으며, 냉매 순환라인(CL)에 냉매를 보충 공급하며, 재액화량을 일정하게 하고, LNG 저장탱크의 압력을 안정적으로 조절할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100 : 제1 컴프레서
200 : 감압밸브
300 : 부스팅 컴프레서
400 : 열교환기
500 : 익스팬더-컴프레서
600 : 제2 컴프레서
GL : 가스 공급라인
RL : 재액화 라인
SL : 냉매 보충라인
CL : 냉매 순환라인

Claims

액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축하는 제1 컴프레서;
상기 제1 컴프레서에서 압축되고, 상기 가스 수요처로 공급되고 남은 증발가스를 재액화시키기 위해 냉각시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 증발가스를 냉각시키는 냉매가 순환 유동하는 폐루프 사이클을 형성하는 냉매 순환라인; 및
상기 제1 컴프레서에서 압축된 증발가스가 상기 냉매 순환라인으로 보충 공급되도록 경로를 제공하는 냉매 보충라인;을 포함하여,
상기 냉매 순환라인의 압력이 낮아지면 상기 냉매 보충라인을 통하여 증발가스를 냉매로서 보충 공급되는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 냉매 보충라인에 구비되며, 상기 냉매 순환라인으로 보충 공급되는 증발가스를 감압시키는 감압 밸브;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 감압 밸브는, 컨트롤 밸브이고,
상기 컨트롤 밸브를 제어하여, 가스 수요처로 공급되는 증발가스의 유량, 상기 재액화시킬 증발가스의 유량 및 상기 냉매 보충라인으로 공급되는 증발가스의 유량을 조절하는 제어부;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매는, 상기 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스인, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 폐루프 사이클은,
상기 열교환기로 공급할 냉매를 팽창에 의해 냉각시키는 익스팬더; 및
상기 열교환기에서 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 냉매 가스를 압축하는 제3 컴프레서;를 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 냉매 순환라인은,
상기 제3 컴프레서와 열교환기를 연결하며, 상기 제3 컴프레서에서 압축된 냉매 가스가 상기 열교환기로 공급되도록 경로를 제공하는 제3 냉매 순환라인; 및
상기 열교환기와 익스팬더를 연결하며, 상기 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 냉매 가스가 상기 익스팬더로 공급되도록 경로를 제공하는 제4 냉매 순환라인;을 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 익스팬더 및 제3 컴프레서는 하나의 샤프트로 연결되고,
상기 익스팬더의 팽창일에 의해 상기 제3 컴프레서가 구동되는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 폐루프 사이클은,
상기 제3 컴프레서 후단에 구비되며, 상기 제3 컴프레서에서 압축된 냉매 가스를 더 압축하여 상기 열교환기로 공급하는 제2 컴프레서;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 냉매 보충라인이 상기 냉매 순환라인으로 연결되는 지점은, 상기 제2 컴프레서 전단인, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 재액화 라인에 구비되며, 상기 열교환기에서 재액화시킬 증발가스를 가압하여 상기 열교환기로 공급하는 부스팅 컴프레서;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 냉매 순환라인에 구비되며, 상기 냉매 순환라인의 압력이 높아지면 상기 냉매 순환라인을 순환하는 냉매를 배출시키는 압력 조정 밸브;를 더 포함하고,
상기 압력 조정 밸브의 작동에 의해 배출된 냉매는 액화가스 저장탱크로 회수되는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 가스 수요처는, 선박용 엔진인, 증발가스 재액화 시스템.
액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키고,
상기 가스 수요처로 공급하고 남은 압축 증발가스는 냉매와의 열교환에 의해 재액화시켜 액화가스 저장탱크로 회수하고,
상기 압축 증발가스를 재액화시키는 냉매는 폐루프 사이클을 순환하며,
상기 폐루프 사이클의 압력이 설정값보다 낮아지면, 상기 압축 증발가스를 상기 폐루프 사이클로 보충 공급하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 냉매는, 상기 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 압축, 응축, 팽창 및 기화 공정을 포함하는 폐루프 사이클로 순환시키고, 상기 냉매의 기화 공정에서 상기 압축 증발가스로 냉열을 제공하되,
상기 냉매의 응축 공정은, 상기 냉매의 기화 공정에서 상기 냉매로부터 냉열을 공급받도록 하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 폐루프 사이클로 보충 공급하는 압축 증발가스는, 상기 냉매의 압축 공정의 흡입 압력까지 감압시켜 공급하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 폐루프 사이클로 보충 공급하는 압축 증발가스를 감압시키면서, 상기 가스 수요처로 공급하는 증발가스의 유량과 상기 재액화시킬 증발가스의 유량을 조절하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 재액화시킬 증발가스는, 상기 냉매와 열교환시키기 전에 더 압축시키는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 폐루프 사이클의 압력이 설정값보다 높아지면, 상기 폐루프 사이클을 순환하는 냉매 가스의 일부를 배출시켜 액화가스 저장탱크로 공급하는, 증발가스 재액화 방법.
청구항 13 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 수요처는 선박용 엔진이고,
상기 증발가스는 상기 선박용 엔진에서 요구하는 압력까지 압축시키는, 증발가스 재액화 방법.