KR20190109828A - 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

선박용 증발가스 재액화 방법이 개시된다.
상기 선박용 증발가스 재액화 방법은, 1) 증발가스를 압축기에 의해 압축시키는 단계; 2) 상기 1)단계에서 압축시킨 증발가스의 일부를 주 엔진으로 보내는 단계; 3) 상기 1)단계에서 압축시킨 증발가스 중 상기 주 엔진으로 보내지지 않은 증발가스를 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 4) 상기 3)단계에서 냉각된 유체를 제3 감압장치에 의해 감압시키는 단계; 5) 상기 4)단계에서 감압된 유체에 포함된 윤활유를 걸러내는 단계; 6) 상기 5)단계에서 윤활유가 걸러진 유체를, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 7) 상기 6)단계에서 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키는 단계; 8) 상기 7)단계에서 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 제2 감압장치에 의해 감압시키는 단계; 및 9) 상기 7)단계에서 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 나머지 흐름을 제1 감압장치에 의해 감압시키는 단계;를 포함하고, 상기 8)단계에서 감압된 유체는, 상기 3)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 후 발전기로 보내지며, 상기 1)단계에서 상기 주 엔진의 요구 압력으로 증발가스를 압축시키고, 상기 8)단계에서 상기 발전기의 요구 압력까지 증발가스를 감압시킨다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법{Boil-Off Gas Reliquefaction System and Method for Vessel}
본 발명은 액화가스가 자연 기화하여 생성되는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 재액화시키는 시스템 및 방법에 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 -163℃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 -163 ℃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.
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 연료수요처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는, 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DFDE, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DFDG는, 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.
통상 증발가스 재액화 장치는 냉동 사이클을 가지며, 이 냉동 사이클에 의해 증발가스를 냉각시킴으로써 증발가스를 재액화시킨다. 증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 시키는데, 증발가스를 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있다.
도 1은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 제1 열교환기(110)로 보내진다. 제1 열교환기(110)에서 냉매로서 열교환된 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는, 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250) 및 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)를 포함하는 압축기(200)에 의해 다단계의 압축과정을 거친 후, 일부는 주 엔진으로 보내져 연료로 사용되고, 나머지 일부는 다시 제1 열교환기(110)로 보내져, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 열교환되어 냉각된다.
압축기(200)에 의한 다단계의 압축과정을 거친 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스는, 감압장치(410)를 거치며 일부가 재액화되고, 기액분리기(500)에 의해 재액화된 액화천연가스와 기체상태로 남아있는 증발가스가 분리된다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화천연가스는 저장탱크(T)로 보내지고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 기체상태의 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)의 냉매로 사용된다.
제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 후 압축기(200)로 보내진 증발가스의 일부는, 압축기(200)의 일부 압축과정만을 거친 후 발전기로 보내진다.
한편, 압축기(200)에 의해 증발가스를 고압으로 압축시키는 경우에는, 압축기(200)의 마모를 방지하고 압축기(200)의 수명을 늘리기 위해 일반적으로 급유 윤활 방식의 실린더를 사용하는데, 증발가스가 급유 윤활 방식의 실린더에 의해 압축되면서 증발가스에는 소량의 윤활유가 섞이게 된다.
증발가스에 섞인 윤활유는 제1 열교환기(110)에 의해 냉각되며 증발가스보다 먼저 응축되어 제1 열교환기(110)의 유로에 쌓이게 되고, 시간이 지나면 제1 열교환기(110)의 유로를 막게 된다.
따라서, 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제1 열교환기(110)로 보내지는 라인에 오일필터(300)를 설치하여, 증발가스에 섞인 윤활유가 오일필터(300)에 의해 걸러진 후 제1 열교환기(110)로 보내지도록 하였다.
그러나, 종래와 같은 방법으로는 안개(Mist) 또는 기체(Vapor) 상태의 윤활유(이하 '오일증기'라고 한다.)는 거의 걸러지지 않는다는 문제점이 있었다. 이에 대해 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 오일필터를 통과한 증발가스에 섞인 잔류오일의 양을 압축기 온도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6에서 A 그래프와 B 그래프 사이 영역은 비교적 효율이 높은 오일필터를 적용하였을 때의 잔류오일을 나타낸 것이고, A 그래프 위쪽 영역은 비교적 효율이 낮은 오일필터를 적용하였을 때의 잔류오일을 나타낸 것이다.
즉, A 그래프는 저효율 오일필터를 적용한 경우의 잔류오일의 하한치 또는 고효율 오일필터를 적용한 경우의 잔류오일의 상한치를 나타낸 것이고, B 그래프는 고효율 오일필터를 적용한 경우의 잔류오일의 하한치를 나타낸 것인데, A 그래프와 B 그래프 모두 압축기의 온도가 높을수록, 즉 압축기에 의해 압축된 증발가스의 온도가 높을수록 잔류오일의 양이 많아지는 경향을 나타낸다.
도 6을 통해, 오일필터의 효율과 무관하게 오일필터로 공급되는 증발가스의 온도가 높을수록 오일필터가 오일증기를 많이 걸러내지 못함을 알 수 있다.
오일필터로 공급되는 증발가스의 온도를 낮추면 걸러낼 수 있는 오일증기의 양이 늘어나므로, 오일증기가 섞여있는 증발가스의 온도를 낮추기 위해 오일필터 전단에 냉각기를 설치하는 방법을 생각해볼 수 있다. 그러나, 냉각기에 사용될 별도의 냉매가 필요하므로, 오일필터 전단에 냉각기를 설치하는 방법은 번거롭고 비용도 많이 든다는 문제점이 있다.
본 발명은, 발전기로 보내지는 증발가스가 가진 냉열을 이용해 오일필터로 공급되는 증발가스의 온도를 낮추는, 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제안하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 1) 증발가스를 압축기에 의해 압축시키는 단계; 2) 상기 1)단계에서 압축시킨 증발가스의 일부를 주 엔진으로 보내는 단계; 3) 상기 1)단계에서 압축시킨 증발가스 중 상기 주 엔진으로 보내지지 않은 증발가스를 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 4) 상기 3)단계에서 냉각된 유체를 제3 감압장치에 의해 감압시키는 단계; 5) 상기 4)단계에서 감압된 유체에 포함된 윤활유를 걸러내는 단계; 6) 상기 5)단계에서 윤활유가 걸러진 유체를, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계; 7) 상기 6)단계에서 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키는 단계; 8) 상기 7)단계에서 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 제2 감압장치에 의해 감압시키는 단계; 및 9) 상기 7)단계에서 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 나머지 흐름을 제1 감압장치에 의해 감압시키는 단계;를 포함하고, 상기 8)단계에서 감압된 유체는, 상기 3)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 후 발전기로 보내지며, 상기 1)단계에서 상기 주 엔진의 요구 압력으로 증발가스를 압축시키고, 상기 8)단계에서 상기 발전기의 요구 압력까지 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를, 상기 발전기의 요구 온도로 가열시킨 후 상기 발전기로 보낼 수 있다.
상기 선박용 증발가스 재액화 방법은, 10) 상기 9)단계에서 감압된 유체를, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
저장탱크로부터 배출된 증발가스가 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 1)단계의 압축 과정을 거칠 수 있고, 상기 10)단계에서 분리된 액화가스는 상기 저장탱크로 보내질 수 있다.
상기 10)단계에서 분리된 기체 상태의 증발가스는, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치기 전의 증발가스와 합류되어, 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 압축기는 다단압축기일 수 있고, 상기 압축기의 모든 단계의 압축 과정을 거친 증발가스의 일부가 상기 주 엔진으로 공급될 수 있으며, 상기 압축기의 모든 단계의 압축 과정을 거친 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체의 일부가 상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 발전기로 보내질 수 있다.
상기 주 엔진은 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진일 수 있다.
상기 발전기는 DFDG일 수 있다.
상기 제3 감압장치는, 50 내지 150 bar로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
상기 제3 감압장치는, 80 내지 150 bar로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
상기 제3 감압장치는, 100 내지 150 bar로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스를 압축시키는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제3 감압장치; 상기 제3 감압장치에 의해 감압된 유체에 포함된 윤활유를 걸러내는 오일필터; 상기 오일필터에 의해 윤활유가 걸러진 유체를, 상기 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체의 일부를 감압시키는 제2 감압장치; 및 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체 중 상기 제2 감압장치로 보내지지 않은 나머지 유체를 감압시키는 제1 감압장치;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 주 엔진으로 공급될 수 있고, 상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체는 발전기로 보내질 수 있다.
상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를, 상기 발전기의 요구 온도로 가열시킨 후 상기 발전기로 보낼 수 있다.
상기 압축기는 다단압축기일 수 있고, 상기 압축기의 모든 단계의 압축 과정을 거친 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체의 일부가 제2 감압장치에 의해 감압된 후 발전기로 보내질 수 있다.
상기 제3 감압장치는, 50 내지 150 bar로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
상기 제3 감압장치는, 80 내지 150 bar로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
상기 제3 감압장치는, 100 내지 150 bar로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 발전기로 보내지는 증발가스가 가진 냉열을 이용하여 오일필터로 공급되는 증발가스의 온도를 낮추므로, 기존에는 이용되지 않던 냉열을 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 별도의 냉매를 이용하지 않고 경제적인 방법으로 오일필터가 걸러내는 윤활유의 양을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해 냉각시키기 전 제2 열교환기(120)에 의해 예냉(Pre-cooling)시키므로, 재액화량 및 재액화효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6은 오일필터를 통과한 증발가스에 섞인 잔류오일의 양을 압축기 온도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 재액화 대상 증발가스의 압력에 따른 재액화량을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 방법은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박, 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 또는 해양 구조물 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
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 제1 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 압축기(200), 제2 열교환기(120), 오일필터(300), 제1 감압장치(410), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다.
제1 열교환기(110)는, 압축기(200)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120) 및 오일필터(300)를 통과한 유체를 냉각시킨다. 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되는 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스일 수 있다.
압축기(200)는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시키며, 다수개의 실린더(210, 220, 230, 240, 250)와 다수개의 냉각기(310, 320, 330, 340, 350)가 교대로 설치된 다단압축기일 수 있다.
압축기(200)에 의해 압축된 증발가스는 두 흐름으로 분기하여, 일부는 주 엔진의 연료로 사용되고, 나머지는 다시 두 흐름으로 분기된다. 압축기(200)에 의해 압축된 후 주 엔진으로 보내지지 않고 두 흐름으로 분기된 증발가스 중, 일부는 제2 감압장치(420) 및 제2 열교환기(120)를 통과하여 발전기의 연료로 사용되고(a 흐름), 나머지는 제2 열교환기(120) 및 오일필터(300)를 통과한 후 제1 열교환기(110)로 보내진다(b 흐름).
주 엔진은, 선박을 추진하는 용도의 다양한 엔진일 수 있고, 대략 300 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 ME-GI 엔진, 또는 대략 16 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진일 수 있다. 압축기(200)는 주 엔진의 요구 압력으로 증발가스를 압축시킨다.
제2 감압장치(420)는, 압축기(200)에 의해 압축된 후 주 엔진으로 보내지지 않고 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름(a 흐름)을 감압시켜 압력 및 온도를 낮춘다. 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체는 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 발전기로 보내진다. 제2 감압장치(420)는, 시스템의 구성에 따라 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있으나, 본 발명에서는 J-T 밸브 등의 팽창밸브인 것이 바람직하다.
발전기는, 주 엔진보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 엔진인 것이 일반적이며, 대략 6.5 bar의 천연가스를 연료로 사용하는 DFDG일 수 있다. 제2 감압장치(420)는 발전기의 요구 압력까지 증발가스를 감압시킨다. 발전기 상류에는 발전기의 요구 온도로 증발가스의 온도를 높이는 가열기(600)가 설치될 수 있다.
제2 열교환기(120)는, 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체를 냉매로 사용하여, 압축기(200)에 의해 압축된 후 주 엔진으로 보내지지 않고 두 흐름으로 분기된 증발가스 중, 제2 감압장치(420)로 보내지지 않은 나머지 증발가스(b 흐름)를 냉각시킨다. 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되며, 증발가스에 포함된 오일증기의 일부 또는 전부가 응축 또는 응고된다.
오일필터(300)는, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체에 포함된 윤활유를 걸러내며, 코얼레싱 필터(Coalescing Filter)일 수 있다.
본 실시예에 의하면, 종래에는 압축기(200)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 발전기로 보내던 것과는 달리, 압축기(200)의 모든 단계의 압축 과정을 거친 증발가스의 일부를 제2 감압장치(420)에 의해 감압시킨 후 발전기로 보내며, 발전기의 요구 압력을 만족시키기 위해 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체는 압력뿐만 아니라 온도도 낮아짐에 착안하여, 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체가 가진 냉열을 제2 열교환기(120)에서 활용한다.
압축기(200)에 의해 압축된 후 주 엔진으로 보내지지 않고 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 제2 감압장치(420)로 보내지지 않은 나머지 증발가스(b 흐름)가 제2 열교환기(120)에 의해 냉각되면, 증발가스에 섞인 오일증기의 일부 또는 전부가 응축 또는 응고되므로, 오일필터(300)에 의해 더욱 효율적으로 윤활유를 걸러낼 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예에 의하면, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해 냉각시키기 전 제2 열교환기(120)에 의해 예냉(Pre-cooling)시켜, 재액화 과정을 거치는 증발가스의 온도를 더 낮출 수 있으므로, 재액화량 및 재액화효율을 높일 수 있다.
제1 감압장치(410)는, 제1 열교환기(110) 하류에 설치되어, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 감압시킨다. 제1 감압장치(410)는, 시스템의 구성에 따라 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있으나, 본 발명에서는 J-T 밸브 등의 팽창밸브인 것이 바람직하다.
압축기(200)에 의한 압축 과정, 제1 열교환기(110)에 의한 냉각 과정, 및 제1 감압장치(410)에 의한 감압 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 감압장치(410) 하류에 설치되어, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아 있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다.
기액분리기(500)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되기 전의 증발가스와 합류되어, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수 있다.
제1 열교환기(110)가 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스를 냉매로 사용하는 경우, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는, 저장탱크(T)로부터 배출되는 증발가스와 합류되어 제1 열교환기(110)로 보내질 수 있다.
또한, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되기 전의 증발가스와 합류되지 않고 별도로 분리되어 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용될 수도 있고, 이 경우 제1 열교환기(110)는 세 유로로 구성될 수 있다.
본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템이 기액분리기(500)를 포함하지 않는 경우, 일부 또는 전부 재액화된 증발가스는 제1 감압장치(410)로부터 바로 저장탱크(T)로 보내질 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3에 도시된 제2 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 2에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 제3 감압장치(430)를 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110), 압축기(200), 제2 열교환기(120), 오일필터(300), 제1 감압장치(410), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다. 또한, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다.
제2 감압장치(420)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 발전기로 보내지는 증발가스의 압력을 발전기의 요구 압력까지 낮추며, 제2 열교환기(120)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 감압장치(420)에 의해 감압되며 냉각된 유체를 냉매로 사용하여, 오일필터(300)로 보내지는 증발가스의 온도를 낮춘다.
단, 본 실시예에 의하면, 제1 실시예와는 달리, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체가, 제3 감압장치(430)에 의해 감압되어 추가로 냉각된 후 오일필터(300)로 보내진다.
증발가스의 주성분인 메탄(methane, CH4)은, 임계압력(순수 메탄의 경우 약 47 bar) 이하에서는 잠열구간이 존재한다. 잠열구간은, 열류량의 변화에도 온도 변화가 없는 직선 구간을 의미하는데, 잠열구간에서는 온도가 낮아져도 재액화가 되지 않으므로, 재액화되는 증발가스의 온도 변화의 범위가 잠열구간을 포함하면 재액화량 및 재액화효율이 크게 낮아지게 된다. 메탄의 특성상 초임계 유체 상태에서는 잠열 구간이 나타나지 않으므로, 증발가스가 초임계 유체 상태에서 재액화되도록 하는 것이 재액화효율 및 재액화량 측면에서 바람직하다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 증발가스의 압력이 47 bar 이상이 되어 증발가스가 초임계 상태인 경우에도, 대략 150 bar까지는 증발가스의 압력이 높아질수록 재액화량이 증가하고, 대략 150 bar 부근에서 재액화량이 최고치를 나타내며, 대략 150 내지 300 bar 사이에서는 재액화량이 거의 일정함을 알 수 있다. 증발가스의 압력을 400 bar까지 높여도, 증발가스의 압력이 300 bar인 경우와 크게 차이가 나지 않았으며, 증발가스가 150 bar일 때와 400 bar일 때의 재액화량의 차이는 4% 이내로 나타났다.
따라서, 재액화효율 및 재액화량을 확보하기 위해, 제3 감압장치(430)는 증발가스를 대략 47 bar 이하로는 감압시키지 않으며, 제1 열교환기(110)로 보내지는 증발가스가 초임계 상태가 되도록 한다. 제3 감압장치(430)에 의해 감압된 증발가스의 압력은, 재액화량 및 재액화효율의 측면에서는, 대략 150 내지 400 bar 사이인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 대략 150 내지 300 bar 사이인 것이 유리하다.
증발가스에 섞인 오일증기의 압력이 낮을수록 오일증기가 오일필터(300)에 의해 더 많이 걸러지나, 재액화효율 및 재액화량, 오일필터(300)에서 걸러지는 오일증기의 양을 모두 고려하였을 때, 제3 감압장치(430)는 대략 50 내지 150 bar의 압력으로 증발가스를 감압시킬 수 있으며, 바람직하게는 대략 80 내지 150 bar, 더욱 바람직하게는 대략 100 내지 150 bar의 압력으로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 오일필터(300)로 보내지므로, 더욱 효율적으로 윤활유를 걸러낼 수 있고, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해 냉각시키기 전 제2 열교환기(120)에 의해 예냉(Pre-cooling)시키므로, 재액화량 및 재액화효율을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예에 의하면, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제2 열교환기(120) 및 제3 감압장치(430)에 의해 냉각된 후 오일필터(300)로 보내지므로, 제1 실시예에 비해 더욱 효과적으로 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4에 도시된 제3 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 2에 도시된 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체의 일부를 발전기로 보낸다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110), 압축기(200), 제2 열교환기(120), 오일필터(300), 제1 감압장치(410), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다. 또한, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다.
제2 감압장치(420)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 발전기로 보내지는 증발가스의 압력을 발전기의 요구 압력까지 낮추며, 제2 열교환기(120)는, 제1 실시예와 마찬가지로, 제2 감압장치(420)에 의해 감압되며 냉각된 유체를 냉매로 사용하여, 오일필터(300)로 보내지는 증발가스의 온도를 낮춘다.
단, 본 실시예에 의하면, 제1 실시예와는 달리, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스 중 주 엔진으로 보내지지 않은 증발가스의 일부가 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 발전기로 보내지는 것이 아니라, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(410)로 보내지는 유체의 일부가 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 발전기로 보내진다.
즉, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스 중 주 엔진으로 보내지지 않은 나머지 증발가스는 전부 제2 열교환기(120)로 보내지며, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)로 보내진 증발가스는, 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 증발가스를 냉매로 사용하여 냉각된다.
압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체는, 오일필터(300)를 거쳐 제1 열교환기(110)로 보내지며, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120) 및 오일필터(300)를 거쳐 제1 열교환기(110)로 보내진 유체는, 제1 열교환기(110)에 의해 추가로 냉각된다.
제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체는 두 흐름으로 분기되어, 일부는 제2 감압장치(420)에 의해 감압되고, 나머지는 제1 감압장치(410)에 의해 감압된다. 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체는 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 발전기로 보내지고, 제1 감압장치(410)에 의해 감압된 유체는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예에 의하면, 제1 실시예와 마찬가지로, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 오일필터(300)로 보내지므로, 더욱 효율적으로 윤활유를 걸러낼 수 있고, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해 냉각시키기 전 제2 열교환기(120)에 의해 예냉(Pre-cooling)시키므로, 재액화량 및 재액화효율을 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 제1 실시예에 비해 재액화 성능은 다소 떨어질 수 있으나, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체의 일부를 제2 감압장치(420)에 의해 감압시켜 제2 열교환기(120)의 냉매로 사용함으로써, 제1 실시예 및 제2 실시예에 비해 더 낮은 온도의 증발가스를 오일필터(300)로 보낼 수 있고, 더욱 효율적으로 윤활유를 걸러낼 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 5에 도시된 제4 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 도 4에 도시된 제3 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템에 비해, 제3 감압장치(430)를 더 포함한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제3 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제3 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110), 압축기(200), 제2 열교환기(120), 오일필터(300), 제1 감압장치(410), 및 제2 감압장치(420)를 포함한다. 또한, 본 실시예의 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제3 실시예와 마찬가지로, 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다.
제2 감압장치(420)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 발전기로 보내지는 증발가스의 압력을 발전기의 요구 압력까지 낮추며, 제2 열교환기(120)는, 제3 실시예와 마찬가지로, 제2 감압장치(420)에 의해 감압되며 냉각된 유체를 냉매로 사용하여, 오일필터(300)로 보내지는 증발가스의 온도를 낮춘다.
또한, 본 실시예에 의하면, 제3 실시예와 마찬가지로, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 후 제1 감압장치(410)로 보내지는 유체의 일부가 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 후 발전기로 보내진다.
즉, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스 중 주 엔진으로 보내지지 않은 나머지 증발가스는 전부 제2 열교환기(120)로 보내지며, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)로 보내진 증발가스는, 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 증발가스를 냉매로 사용하여 냉각된다.
압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체는, 제3 실시예와 마찬가지로, 오일필터(300)를 거쳐 제1 열교환기(110)로 보내지며, 압축기(200)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120) 및 오일필터(300)를 거쳐 제1 열교환기(110)로 보내진 유체는, 제1 열교환기(110)에 의해 추가로 냉각된다.
제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체는, 제3 실시예와 마찬가지로, 두 흐름으로 분기되어, 일부는 제2 감압장치(420)에 의해 감압되고, 나머지는 제1 감압장치(410)에 의해 감압된다. 제2 감압장치(420)에 의해 감압된 유체는 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 후 발전기로 보내지고, 제1 감압장치(410)에 의해 감압된 유체는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예에 의하면, 제3 실시예와 마찬가지로, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 후 오일필터(300)로 보내지므로, 더욱 효율적으로 윤활유를 걸러낼 수 있고, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스를 제1 열교환기(110)에 의해 냉각시키기 전 제2 열교환기(120)에 의해 예냉(Pre-cooling)시키므로, 재액화량 및 재액화효율을 높일 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 제1 실시예 및 제2 실시예에 비해 재액화 성능은 다소 떨어질 수 있으나, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체의 일부를 제2 감압장치(420)에 의해 감압시켜 제2 열교환기(120)의 냉매로 사용함으로써, 제1 실시예 및 제2 실시예에 비해 더 낮은 온도의 증발가스를 오일필터(300)로 보낼 수 있고, 더욱 효율적으로 윤활유를 걸러낼 수 있다는 장점이 있다.
단, 본 실시예에 의하면, 제2 실시예와 마찬가지로, 오일필터(300) 상류에 설치되어 제2 열교환기(120)에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제3 감압장치(430)를 더 포함한다.
본 실시예의 제3 감압장치(430)는, 제2 실시예와 마찬가지로, 재액화효율 및 재액화량, 오일필터(300)에서 걸러지는 오일증기의 양을 모두 고려하여, 대략 50 내지 150 bar의 압력으로 증발가스를 감압시킬 수 있으며, 바람직하게는 대략 80 내지 150 bar, 더욱 바람직하게는 대략 100 내지 150 bar의 압력으로 증발가스를 감압시킬 수 있다.
본 실시예에 의하면, 압축기(200)에 의해 압축된 증발가스가 제2 열교환기(120) 및 제3 감압장치(430)에 의해 냉각된 후 오일필터(300)로 보내지므로, 제3 실시예에 비해 더욱 효과적으로 증발가스에 포함된 윤활유를 걸러낼 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 110 : 제1 열교환기
120 : 제2 열교환기 200 : 압축기
210, 220, 230, 240, 250 : 실린더
310, 320, 330, 340, 350 : 냉각기
300 : 오일필터 410 : 제1 감압장치
420 : 제2 감압장치 430 : 제3 감압장치
500 : 기액분리기 600 : 가열기

Claims (18)

1) 증발가스를 압축기에 의해 압축시키는 단계;
2) 상기 1)단계에서 압축시킨 증발가스의 일부를 주 엔진으로 보내는 단계;
3) 상기 1)단계에서 압축시킨 증발가스 중 상기 주 엔진으로 보내지지 않은 증발가스를 제2 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계;
4) 상기 3)단계에서 냉각된 유체를 제3 감압장치에 의해 감압시키는 단계;
5) 상기 4)단계에서 감압된 유체에 포함된 윤활유를 걸러내는 단계;
6) 상기 5)단계에서 윤활유가 걸러진 유체를, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 열교환기에 의해 열교환시켜 냉각시키는 단계;
7) 상기 6)단계에서 냉각된 유체를 두 흐름으로 분기시키는 단계;
8) 상기 7)단계에서 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 제2 감압장치에 의해 감압시키는 단계; 및
9) 상기 7)단계에서 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 나머지 흐름을 제1 감압장치에 의해 감압시키는 단계;를 포함하고,
상기 8)단계에서 감압된 유체는, 상기 3)단계에서 열교환의 냉매로 사용된 후 발전기로 보내지며,
상기 1)단계에서 상기 주 엔진의 요구 압력으로 증발가스를 압축시키고,
상기 8)단계에서 상기 발전기의 요구 압력까지 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를, 상기 발전기의 요구 온도로 가열시킨 후 상기 발전기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
10) 상기 9)단계에서 감압된 유체를, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스로 분리하는 단계를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 3에 있어서,
저장탱크로부터 배출된 증발가스가 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 1)단계의 압축 과정을 거치고,
상기 10)단계에서 분리된 액화가스는 상기 저장탱크로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 10)단계에서 분리된 기체 상태의 증발가스는, 상기 1)단계의 압축 과정을 거치기 전의 증발가스와 합류되어, 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용되는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기는 다단압축기이고,
상기 압축기의 모든 단계의 압축 과정을 거친 증발가스의 일부가 상기 주 엔진으로 공급되고,
상기 압축기의 모든 단계의 압축 과정을 거친 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체의 일부가 상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 발전기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 엔진은 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진인, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발전기는 DFDG인, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 감압장치는, 50 내지 150 bar로 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 제3 감압장치는, 80 내지 150 bar로 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제3 감압장치는, 100 내지 150 bar로 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
증발가스를 압축시키는 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스를 냉각시키는 제2 열교환기;
상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 제3 감압장치;
상기 제3 감압장치에 의해 감압된 유체에 포함된 윤활유를 걸러내는 오일필터;
상기 오일필터에 의해 윤활유가 걸러진 유체를, 상기 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체의 일부를 감압시키는 제2 감압장치; 및
상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체 중 상기 제2 감압장치로 보내지지 않은 나머지 유체를 감압시키는 제1 감압장치;
를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 압축기에 의해 압축된 증발가스는 주 엔진으로 공급되고,
상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 유체는 발전기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 13에 있어서,
상기 제2 감압장치에 의해 감압된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스를, 상기 발전기의 요구 온도로 가열시킨 후 상기 발전기로 보내는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 압축기는 다단압축기이고,
상기 압축기의 모든 단계의 압축 과정을 거친 후 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체의 일부가 제2 감압장치에 의해 감압된 후 발전기로 보내지는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 감압장치는, 50 내지 150 bar로 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 제3 감압장치는, 80 내지 150 bar로 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 제3 감압장치는, 100 내지 150 bar로 증발가스를 감압시키는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
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