KR20190140653A

KR20190140653A - 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20190140653A
Application number: KR1020180067415A
Authority: KR
Inventors: 김용훈; 장재형; 신현준; 손재욱
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-12-20
Also published as: KR102460403B1

Abstract

본 발명은 고압가스 엔진이 적용된 선박에서, 증발가스를 고압가스 엔진의 연료로 공급하고, 나머지를 모두 재액화시킬 수 있는, 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템은, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 선박용 고압가스 엔진에서 요구하는 고압으로 압축시키는 증발가스 압축기; 및 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중 상기 고압가스 엔진으로 공급하고 남은 나머지 고압 증발가스를 재액화시키기 위하여, 압축 전 증발가스의 냉열로 냉각시키는 제1 열교환기;를 포함하고, 상기 증발가스 압축기는 다단 압축기로 구비되고, 상기 증발가스 압축기의 일부만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력으로 압축된 증발가스를 저압저온으로 감압시키는 팽창 수단; 및 상기 팽창 수단에 의해 저압저온이 된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 제1 열교환기에서 냉각된 증발가스를 재액화시키는 제2 열교환기;를 더 포함하며, 상기 다수개의 압축기 중 상류측의 저압부 압축기는, 적어도 하나 이상이 무급유 윤활로 작동되고, 하류측의 고압부 압축기는, 적어도 하나 이상이 급유 윤활로 작동되며, 상기 증발가스 압축기로부터 팽창 수단으로 공급되는 증발가스는, 상기 무급유 윤활로 작동되는 압축기에 의해서만 압축된다.

Description

선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법 {Boil-Off Gas Proceeding System and Method for a Ship}

본 발명은 고압가스 엔진이 적용된 선박에서, 증발가스를 고압가스 엔진의 연료로 공급하고, 나머지를 모두 재액화시킬 수 있는, 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는, 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 연소 시 환경오염 물질의 배출이 거의 없어 친환경 연료로서 주목받고 있다. 액화천연가스(LNG; Liqeufied Natural Gas)는 천연가스를 상압 하에서 약 -163℃로 냉각시켜 액화시킴으로써 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 부피가 약 1/600로 줄어들기 때문에, 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다. 따라서, 천연가스는 주로 저장 및 이송이 용이한 액화천연가스 상태로 저장 및 이송된다.

천연가스의 액화점은 상압 하 약 -163℃의 극저온이므로, LNG 저장탱크는 LNG가 액체 상태를 유지하도록 단열처리되는 것이 일반적이다. 그러나, LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열을 차단하는 데에는 한계가 있고, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

LNG 저장탱크에서 증발가스가 지속적으로 생성되면, LNG 저장탱크의 내압을 상승시키는 요인이 된다. 저장탱크의 내압이 설정된 안전압력 이상이 되면 탱크 파손(rupture) 등 위급상황을 초래할 수 있으므로, 안전밸브를 이용하여 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시켜야만 한다. 그러나, 증발가스는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이므로, 배출시킨 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.

최근에는, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료 수요처에서 사용하는 방법, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 방법 또는 이러한 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

증발가스를 선박의 엔진에서 사용하는 방법에 있어서, 증발가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로는, 이중연료 엔진(Dual Fuel Engine)으로서, 대표적으로, ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진 등이 있다.

ME-GI 엔진은, 2-행정(2-stroke) 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용된다. 또한, ME-GI 엔진은 약 300 bar 정도의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(diesel cycle)을 채택하고 있다.

한편, X-DF 엔진은, 2-행정 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용되고, ME-GI 엔진과 마찬가지로 선박의 추진을 위해 프로펠러를 직접 구동하는 방식이다. 또한, X-DF 엔진은, 약 16 bar 정도의 중압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클(otto cycle)을 채택하고 있다.

DFDE 엔진은, 4-행정(4-stroke) 사이클을 사용하며, 발전용으로 주로 사용된다. 또한, DFDE 엔진은 약 6.5 bar 정도의 저압 천연가스를 연소용 공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축시키는 오토 사이클을 채택하고 있다.

ME-GI 엔진과 같은 고압가스 엔진이 적용된 선박에서는. 엔진에 연료를 공급하기 위한 고압의 압축장비, 예를 들어 고압 압축기가 필수적으로 설치된다. 증발가스는 고압 압축기를 이용하여 ME-GI 엔진에서 요구하는 압력, 즉 약 300 bar의 고압으로 압축하여 공급한다.

ME-GI 엔진의 연료로 공급하고 남은 나머지 증발가스는, 재액화시켜 LNG 저장탱크로 회수할 수 있다. 증발가스를 재액화시키는 방법으로는, 별도의 냉매 사이클을 구비하여 증발가스와 냉매의 열교환으로 증발가스를 재액화시키는 방법, 별도의 냉매 사이클을 구비하지 않고 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법이 있다.

증발가스 자체를 냉매로 사용하여 재액화시키는 방법으로서, 고압 압축기 전단에 설치된 증발가스 열교환기로 재액화시킬 증발가스를 공급하여, 고압 압축기로 유입되는 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 재액화시킬 증발가스를 냉각시킨다. 열교환기에서의 열교환에 의해 증발가스가 냉각되면서, 증발가스는 부분적으로 재액화된다. 이를 '부분 재액화 시스템(PRS; Partial Reliquefaction System)'이라 한다.

한편, 앵커링(anchoring) 등 ME-GI 엔진, 즉 추진을 위한 연료 소모량이 없는 경우에는, LNG 저장탱크에서 생성되는 증발가스를 상술한 부분 재액화 시스템으로는 모두 처리할 수 없다. 다시 말해, 별도의 냉매 사이클을 사용하지 않고 증발가스 자신의 냉열만을 이용하는 재액화 방법으로는, ME-GI 엔진으로 공급하고 남은 나머지 증발가스의 양이 많을 때, 전량을 모두 재액화시킬 수 없다.

이때, 재액화시키지 못하는 나머지 잉여의 증발가스는 잉여의 가스를 연소시켜 대기 중으로 배출시키는 가스 연소기를 이용하여 처리하거나, 또는 LNG 저장탱크 내에서 배출시키지 않고 또는 LNG 저장탱크로 다시 가스상태로 회수하여 LNG 저장탱크 내에서 유지시킬 수 있다. 그러나 증발가스를 LNG 저장탱크 내에서 유지시킬 경우, 탱크가 견딜 수 있는 압력 상승에는 한계가 있으므로, 결국에는 탱크 파손 등의 위험성으로부터 안전할 수는 없다. 또한, 가스를 대기 중으로 방출시키는 것은 경제적 손실이 되고, 환경오염의 문제도 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 부분 재액화를 통해 처리하지 못하는 잉여의 증발가스까지도 전체 재액화시킬 수 있도록 하면서도, 증발가스의 재액화 효율을 개선할 수 있는, 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 선박용 고압가스 엔진에서 요구하는 고압으로 압축시키는 증발가스 압축기; 및 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중 상기 고압가스 엔진으로 공급하고 남은 나머지 고압 증발가스를 재액화시키기 위하여, 상기 증발가스 압축기로 공급되는 압축 전 증발가스의 냉열로 냉각시키는 제1 열교환기;를 포함하고, 상기 증발가스 압축기는 다수개의 압축기를 포함하여 증발가스를 다단계에 걸쳐 압축시키는 다단 압축기로 구비되고, 상기 증발가스 압축기의 일부만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력으로 압축된 증발가스를 저압저온으로 감압시키는 팽창 수단; 및 상기 팽창 수단에 의해 저압저온이 된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 제1 열교환기에서 냉각된 증발가스를 재액화시키는 제2 열교환기;를 더 포함하며, 상기 다수개의 압축기 중 상류측의 저압부 압축기는, 적어도 하나 이상이 무급유 윤활로 작동되고, 하류측의 고압부 압축기는, 적어도 하나 이상이 급유 윤활로 작동되며, 상기 증발가스 압축기로부터 팽창 수단으로 공급되는 증발가스는, 상기 무급유 윤활로 작동되는 압축기에 의해서만 압축되는, 선박의 증발가스 처리 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 증발가스 압축기로부터, 급유 윤활 압축기의 전단에서 분기되어 상기 팽창 수단으로 연결되는 재액화 냉매라인에는, 상기 재액화 냉매라인의 유로를 개폐하는 개폐 밸브;가 설치되고, 상기 재액화시키기 위하여 제1 열교환기로 공급되는 증발가스의 유량에 따라 상기 개폐 밸브의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제1 열교환기로 공급되는 고압 증발가스의 양이 설정값보다 많을 때, 상기 개폐 밸브를 개방하여, 상기 증발가스의 일부를 냉매로 사용하여 제2 열교환기에서 전량 재액화시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열교환기, 또는 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 통과하면서 재액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크에서 요구하는 압력으로 감압시키는 감압 밸브; 및 상기 감압 과정에서 생성된 플래시 가스를 기액분리하여 분리된 플래시 가스는 상기 증발가스 압축기로 재순환시키고, 상기 플래시 가스가 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 액화가스 저장탱크로 회수하는 기액 분리기;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 증발가스 압축기의 일부만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 발전 장치; 및상기 증발가스 압축기로부터 상기 발전 장치로 공급되는 연료의 유로를 제공하는 제2 증발가스 연료라인;을 더 포함하고, 상기 제2 증발가스 연료라인은, 상기 증발가스 압축기 또는 상기 재액화 냉매라인으로부터 분기되어 상기 발전 장치로 연결될 수 있다.

바람직하게는, 상기 팽창 수단은, 익스팬더 또는 컴팬더일 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 열교환기는, 상기 제1 열교환기의 하류와 연결되어 제1 열교환기에서 냉각된 재액화시킬 증발가스가 유입되는 제1 고온 유체부; 상기 팽창 수단의 하류와 연결되어 팽창 수단에서 감압된 저압저온의 증발가스 냉매가 유입되는 저온 유체부; 및 상기 팽창 수단의 상류와 연결되어 상기 증발가스 압축기로부터 팽창 수단으로 공급되는 고압고온의 증발가스가 유입되는 제2 고온 유체부;를 포함하고, 상기 제2 열교환기에서는, 상기 저압저온의 증발가스 냉매에 의해 상기 고압고온의 증발가스 및 재액화시킬 증발가스가 냉각될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 열교환기에서 열교환에 의해 온도가 상승한 증발가스 냉매는 상기 증발가스 압축기로 재순환될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 선박의 고압가스 엔진에서 요구하는 압력까지 다단계에 걸쳐 고압으로 압축시키는 압축 단계; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중 상기 고압가스 엔진으로 공급되고 남은 나머지 고압 증발가스를, 상기 압축 단계로 공급되는 저압 증발가스의 냉열을 이용하여 냉각시키는 냉각 단계; 상기 압축 단계에서 증발가스를 압축시키는 다단계 중 일부 단계만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력으로 압축된 증발가스를 감압시켜 저압저온의 증발가스 냉매를 생성하는 냉매 공급 단계; 및 상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 상기 증발가스 냉매와 열교환시켜 재액화시키는 재액화 단계;를 포함하는, 선박의 증발가스 처리 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 압축 단계는, 저압부에서는, 상기 증발가스를 압축하는 압축기에 윤활유를 공급하지 않고 압축시키고, 고압부에서는, 상기 증발가스를 압축하는 압축기에 윤활유를 공급하여 압축시키되, 상기 증발가스 냉매를 생성하기 위해 감압되는 증발가스는 상기 저압부에서 압축된 증발가스를 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화시킬 증발가스의 양이 설정값보다 많으면, 상기 냉매 공급 단계로 증발가스를 공급하고, 상기 재액화시킬 증발가스의 양이 설정값보다 적으면, 상기 냉매 공급 단계를 생략할 수 있다.

본 발명의 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법에 의하면, 재액화시킬 증발가스의 양이 많은 경우에도 추가 냉매 사이클 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여, 증발가스를 전체 재액화시킬 수 있으며, 따라서, 증발가스 전량을 효율적으로 처리할 수 있다.

또한, 공정 및 배관의 구성을 다양하게 활용하여 상황에 맞는 재액화 방법을 선택적으로 운용할 수 있으므로, 운전의 유연성을 증대시킬 수 있다.

또한, 전력 소모를 최소화할 수 있으며, 운용비를 절감할 수 있다.

또한, 냉매로 사용할 증발가스에 압축기로부터 윤활유가 혼입될 우려가 없어 안전하고, 재액화 효율이 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.

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 실시예에 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

후술하는 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 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 액화가스 운반선 또는 액체수소 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 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 액화석유화학가스일 수 있다. 이러한 액화 공정에서 불순물을 제거하므로, 청정연료로서의 가치가 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 엔진은, 고압가스 엔진을 포함한다. 예를 들어, 고압가스 엔진은, ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진일 수 있다. 후술하는 실시예에서는 고압가스 엔진으로서, ME-GI 엔진이 사용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

즉, 후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스 연료는, LNG인 것을 예로 들어 설명하기로 하고, 선박은 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 고압가스 엔진은 ME-GI 엔진인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 후술하는 본 발명의 실시예에서 각 라인을 유동하는 유체는, 특별한 언급이 없더라도 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기체 상태, 또는 기액 혼합 상태일 수 있으며, 초임계 유체 상태일 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템(1000)은, 도 1에 도시된 바와 같이, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발가스(BOG)를 연료로 사용하는 ME-GI 엔진(ME); ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 압력으로 증발가스를 압축하여, 압축 증발가스를 ME-GI 엔진(ME)으로 공급하는 증발가스 압축기(300); 증발가스 압축기(300)에서 압축된 압축 증발가스 중에서, ME-GI 엔진(ME)으로 공급하고 남은 압축 증발가스를, 증발가스 압축기(300)로 공급되는 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각시키는 제1 열교환기(200); 제1 열교환기(200)에서 냉각된 증발가스를, 증발가스 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키는 제2 열교환기(400); 및 제2 열교환기(400)에서 냉각된 증발가스를 LNG 저장탱크(100)로 회수하기 위하여 LNG 저장탱크(100)의 저장압력까지 감압시키는 감압 밸브(500); 및 감압 밸브(500)에서 재액화 증발가스를 감압시키는 과정에서 생성된 플래시 가스(flash gas)를 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스만을 LNG 저장탱크(100)로 공급하는 기액 분리기(600);를 포함한다.

도 1에는 하나의 LNG 저장탱크(100)가 도시되어 있지만, LNG 저장탱크(100)는 다수개 설치될 수 있고, 본 실시예의 선박의 증발가스 처리 시스템(1000) 및 방법에 따르면, 다수개의 LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발가스를 처리할 수 있다.

또한, LNG 저장탱크(100)는 상압 또는 약 1 bar 내외로 운용될 수 있으며, LNG가 약 -163℃의 액체 상태를 유지할 수 있도록 단열처리되어 있을 수 있다.

LNG 저장탱크(100)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스는, LNG 저장탱크(100)로부터 제1 열교환기(200), 증발가스 압축기(300) 및 ME-GI 엔진(ME)을 연결하는 제1 증발가스 연료라인(BL1)을 따라 유동하면서 압력, 온도 및 유량이 조절되어 ME-GI 엔진(ME)의 연료로 공급된다.

본 실시예의 증발가스 압축기(300)는, 증발가스를 ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 압력, 즉 약 300 bar의 고압으로 압축시킬 수 있다.

ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 가스 연료의 압력은 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 150 bar 내지 300 bar일 수 있고, 따라서, 증발가스 압축기(300)는 증발가스를 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 150 bar 내지 300 bar까지 압축시킬 수 있다.

증발가스 압축기(300)는, 증발가스를 ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 고압까지 압축시키기 위하여, 다수개의 압축기가 직렬로 연결되어 다단계에 걸쳐 증발가스를 목표 압력까지 압축시키는 다단(multi-stage) 압축기일 수 있다.

예를 들어, 본 실시예의 증발가스 압축기(300)는 5개의 압축기를 포함하여 5단계에 걸쳐 증발가스를 ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 고압으로 압축시키는 5단 압축기일 수 있다.

도면에 도시되어 있지는 않지만, 5개의 압축기 각각의 후단에는 압축 과정에서 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키는 중간 냉각기(intercooler, 미도시)가 설치되어 있을 수 있다. 즉, 압축 과정에서 온도가 상승한 증발가스는 중간 냉각기에서 냉각된 후 다음 단계의 압축기로 도입되고, 최종 단계인 제5 압축기에서 압축된 증발가스는 제5 압축기 후단의 중간 냉각기에서 냉각된 후 ME-GI 엔진(ME)으로 공급된다.

또한, 도 1 에서는, 증발가스 압축기(300)가 하나의 세트만 구비되는 것을 예로 들어 도시하였지만, 본 실시예의 증발가스 압축기(300)는, 리던던시로서 두 세트 이상 구비될 수 있다.

본 실시예의 제1 열교환기(200)에서는, 증발가스 압축기(300)로 도입되는 증발가스와 재액화시킬 증발가스가 열교환시키며, 증발가스 압축기(300)로 도입되는 증발가스의 냉열에 의해 재액화시킬 증발가스가 냉각된다. 제1 열교환기(200)에서 열교환을 마치고 배출되는 재액화시킬 증발가스는 제1 열교환기(200)로 도입되기 전보다 냉각된 상태로 배출되고, 증발가스 압축기(300)로 도입되는 증발가스는 냉열이 회수되어 제1 열교환기(200)로 도입되기 전보다 온도가 상승한 상태로 배출된다.

제1 열교환기(200)의 저온 유체부로는 증발가스 압축기(300)로 도입되는 증발가스가 유입되고, 제1 열교환기(200)의 고온 유체부로는 재액화시킬 증발가스가 유입되며, 상호 열교환한 후 각각 배출된다.

ME-GI 엔진(ME)으로 공급되고 남은 나머지 압축 증발가스, 즉 재액화시킬 증발가스는 제1 증발가스 연료라인(BL1)으로부터 증발가스 압축기(300)와 ME-GI 엔진(ME) 사이에서 분기되어 제1 열교환기(200)의 고온 유체부로 연결되는 재액화 라인(RL)을 통해 제1 열교환기(200)로 공급되며, 열교환에 의해 냉각된다.

제1 열교환기(200)에서 냉각된 증발가스는, 제1 열교환기(200)와 제2 열교환기(400)의 제1 고온 유체부를 연결하는 재액화 라인(RL)을 통해 제2 열교환기(400)로 도입된다.

제2 열교환기(400)에서는, 재액화 라인(RL)을 따라 유동하며 제1 열교환기(200)에서 냉각된 증발가스와, 후술하는 재액화 냉매라인(ML)을 따라 유동하는 증발가스 냉매와의 열교환에 의해, 재액화 라인(RL)을 따라 유동하는 증발가스는 액화되고, 재액화 냉매라인(ML)을 따라 유동하는 증발가스 냉매는 온도가 상승한다.

본 실시예에 따르면, 증발가스 압축기(300)의 중간단, 즉 다수개의 압축기 중 어느 하나 이상의 압축기 후단 또는 어느 하나 이상의 압축기 후단의 냉각기 후단에서 분기되어 제2 열교환기(400)로 연결되는 재액화 냉매라인(ML);을 더 포함한다.

즉, 본 실시예의 제2 열교환기(400)에서 재액화 라인(RL)을 따라 유동하는 증발가스를 냉각시키는 냉매는, 증발가스 압축기(300)의 일부만을 통과하면서 압축된 증발가스 냉매이다.

본 실시예에 따르면, ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 증발가스의 양 및/또는 후술하는 발전기(GE)에서 요구하는 증발가스의 양을 충족시키고 남은 나머지 증발가스는 재액화 라인(RL)으로 분기되고, 재액화 라인(RL)에서 수용할 수 있는 증발가스의 양, 예를 들어, 제1 열교환기(200)만으로는 증발가스를 전부 재액화시킬 수 없을 때, 재액화 장치의 처리 용량(capacity)을 초과하는 양의 증발가스 중 일부는, 재액화 냉매라인(ML)으로 분기되어, 증발가스를 재액화시키는 냉열원으로서 활용되고, 증발가스는 제1 열교환기(200) 및 제2 열교환기(400)를 통과하면서 전부 액화될 수 있다.

이와 같이, 증발가스를 냉매로 사용함으로써, 연료로 공급하고 남은 증발가스의 양이 많더라도, 별도의 냉매 사이클 없이 추가의 냉열을 제공할 수 있어, 증발가스의 전량을 재액화시킬 수 있다.

재액화 냉매라인(ML)으로는, 증발가스 압축기(300)의 일부만을 통과하여, 증발가스 압축기(300)로부터 ME-GI 엔진(ME) 또는 재액화 라인(RL)으로 유입되는 증발가스의 압력보다 낮은 압력으로 압축된 증발가스가 유입된다.

재액화 냉매라인(ML)에는, 증발가스 압축기(300)의 중간단으로부터 분기된 증발가스 냉매를 제2 열교환기(400)로 냉매로서 공급하기 전에 팽창시키는 팽창 수단(700);을 포함한다.

증발가스 압축기(300)의 중간단으로부터 재액화 냉매라인(ML)으로 분기된 증발가스 냉매는, 제2 열교환기(400)의 제2 고온 유체부로 도입되어, 팽창 수단(700)을 통과하면서 온도가 낮아진 증발가스 냉매의 냉열에 의해 냉각된 후, 팽창 수단(700)으로 유입된다.

팽창 수단(700)을 통과하면서 증발가스 냉매는 팽창되어 저압저온 상태가 되고, 팽창 수단(700)을 통과한 저압저온 상태의 증발가스 냉매는, 재액화 냉매라인(ML)을 따라 제2 열교환기(400)의 저온 유체부로 도입되어, 재액화 라인(RL)을 따라 제1 열교환기(200)로부터 감압 밸브(500) 측으로 유동하는 증발가스 및/또는 재액화 냉매라인(ML)을 따라 증발가스 압축기(300)로부터 팽창 수단(700)으로 유동하는 증발가스 냉매를 냉각시킨다.

본 실시예의 팽창 수단(700)은, 익스팬더(expander) 또는, 익스팬더와 컴프레서가 하나의 축으로 연결된 컴팬더(compander)일 수 있다.

팽창 수단(700)이 익스팬더인 경우, 익스팬더는 팽창일에 의해 익스팬더와 연결된 발전기를 통해, 후술하는 발전 엔진(GE) 등 발전 장치에서 생산하는 전력과는 별도로, 추가 전력을 생산할 수 있다. 여기서 익스팬더와 연결된 발전기를 통해 생산된 전력은, 증발가스 압축기(300) 등 선내 전력 수요처에서 활용할 수 있다.

또한, 팽창 수단(700)이 컴팬더인 경우에는, 익스팬더의 팽창일에 의해 컴프레서를 구동시켜, 압축이 필요한 유체를 압축시킬 수도 있다.

팽창 수단(700)에 의해 감압 및 냉각된 저압저온의 증발가스 냉매는, 재액화 냉매라인(ML)을 따라 제2 열교환기(400)의 저온 유체부로 도입되고, 재액화 라인(RL)을 따라 제2 열교환기(400)의 제1 고온 유체부로 도입된 재액화시킬 증발가스와, 재액화 냉매라인(ML)을 따라 증발가스 압축기(300)로부터 제2 열교환기(400)의 제2 고온 유체부로 도입된 고압고온의 증발가스 냉매와 열교환하여, 저압저온의 증발가스 냉매는 온도가 상승하고, 재액화시킬 증발가스와 고압고온의 증발가스는 온도가 낮아진다.

제2 열교환기(400)에서 저압저온의 증발가스 냉매에 의해 액화된 증발가스는, 재액화 라인(RL)을 따라 감압 밸브(500)로 공급된다.

감압 밸브(500)는, 재액화 증발가스를 LNG 저장탱크(100)의 저장 압력, 예를 들어 약 1 bar까지 감압시킨다. 감압 과정에서 플래시 가스가 발생할 수 있으며, 감압 밸브(500)를 통과하여 LNG 저장탱크(100)로 회수되는 재액화 증발가스는, 기액 분리기(600)에서 플래시 가스가 분리되고, 액체 상태의 재액화 증발가스가 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.

기액 분리기(600)에서 분리된 기체 상태의 플래시 가스는, 플래시 가스 회수라인(FL)을 따라, LNG 저장탱크(100)로부터 제1 열교환기(200)로 공급되는 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.

본 실시예의 감압 밸브(500)는, 줄-톰슨 밸브 또는 팽창기일 수 있다.

또한, 제2 열교환기(400)에서 열교환에 의해 온도가 상승한 저압저온의 증발가스 냉매는, 제2 열교환기(400)로부터 배출되어, 제1 열교환기(200)로부터 증발가스 압축기(300)로 공급되는 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 증발가스 압축기(300)의 일부 단계만을 통과한 증발가스가 발전 장치(GE)의 연료로 공급되도록 증발가스 압축기(300)의 중간단으로부터 분기되어 발전 장치(GE)로 연결되는 제2 증발가스 연료라인(BL2); 및 엔진 트랩 등 위급 상황에서 증발가스를 긴급히 처리해야할 때 또는 연소열이 필요하거나 불활성 가스를 생성하기 위한 목적으로, 증발가스 압축기(300)의 일부 단계만을 통과한 증발가스가 증발가스를 연소시켜 소비하는 잉여 가스 소비수단으로 공급되도록 증발가스 압축기(300)의 중간단으로부터 분기되어 잉여 가스 소비수단으로 연결되는 제3 증발가스 연료라인(BL3);을 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 발전 장치(GE)는, DFDE 등 발전 엔진, 터빈-발전기 등 저압으로 압축된 증발가스를 이용하여 전력을 생산하는 장치일 수 있다. 발전 장치(GE)에서 생산된 전력은 증발가스 압축기(300) 등 선내 전력 수요처에서 활용할 수 있다.

본 실시예의 잉여 가스 소비수단은, 가스 연소기(GCU; Gas Combustion Unit), 불활성 가스 생성기(IGG; Inert Gas Generator) 등을 포함할 수 있다.

도 1에는, 제2 증발가스 연료라인(BL2) 및 제3 증발가스 연료라인(BL3)이 증발가스 압축기(300)의 중간단, 즉 발전 장치(GE) 및 잉여 가스 소비수단에서 요구하는 압력으로 압축된 압축기의 후단에서 분기되는 것을 예를 들어 도시하였다. 그러나, 이에 한정되지는 않고, 도면에 도시하지는 않았지만, 제2 증발가스 연료라인(BL2) 및 제3 증발가스 연료라인(BL3)은 재액화 냉매라인(ML)으로부터 분기될 수 있고, 이때에는 압력 조절 밸브(미도시)를 이용하여, 재액화 냉매라인(ML)으로부터 발전 장치 및 잉여 가스 소비수단으로 공급되는 증발가스의 압력을 조절할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 증발가스 압축기(300)와 팽창 수단(700)을 연결하는 재액화 냉매라인(ML)에는, 재액화 냉매라인(ML)의 개폐를 조절하는 개폐밸브(800);가 설치될 수 있다.

도시하지 않은 제어부는, 재액화 라인(RL)을 따라 제1 열교환기(200)로 유입되는 증발가스의 유량이나 온도 등을 고려하여 개폐밸브(800)를 제어할 수 있다.

예를 들어, 재액화 라인(RL)을 따라 제1 열교환기(200)로 유입되는 증발가스의 유량이, 제1 열교환기(200)에서 전량 재액화될 수 있는 유량이면, 개폐밸브(800)를 폐쇄하고, 증발가스 냉매 없이, 재액화시킬 증발가스를 제1 열교환기(200)에서 전량 재액화시킨다.

예를 들어, 재액화 라인(RL)을 따라 제1 열교환기(200)로 유입되는 증발가스의 유량이, 제1 열교환기(200)에서 전량 재액화될 수 없는 유량이라면, 개폐밸브(800)를 개방하여, 재액화시킬 증발가스가 제1 열교환기(200)와 제2 열교환기(400)를 통과하면서, 제2 열교환기(400)에서 전량 재액화될 수 있도록 할 수 있다.

LNG 운반선의 경우, 만선 운항(laden voyage)일 때 생성되는 증발가스의 양과, 공선 운항(ballast voyage)일 때 생성되는 증발가스의 양은 각각 일정한 수준을 유지하고 있는 반면, 선박이 운항 중일 때에는 운전 부하에 따라 ME-GI 엔진(ME)에서 요구하는 증발가스 연료의 양은 가변적이고, 선박이 정박 중(anchoring)일 때에는 엔진의 연료 소모량이 거의 없으므로 증발가스가 연료로 공급되는 양이 거의 없어 전량을 모두 재액화시켜야만 한다.

본 실시예에 따르면, 선박이 정박 중일 때에는, 엔진에서의 증발가스 소모량이 거의 없어 전량을 재액화시켜야 하므로, 개폐밸브(800)를 개방하여 증발가스의 일부를 냉매로 사용함으로써, 증발가스를 전량 재액화시킬 수 있다.

이와 같이, 선박의 운전 상황에 따라 개폐밸브(800)를 제어함으로써 증발가스를 효율적으로 처리할 수 있다.

즉, 선박의 운항 상황에 따라, 제1 열교환기(200)에서는, 재액화 라인(RL)을 통해 제1 열교환기(200)로 도입된 증발가스의 유량에 따라, 적어도 일부가 액화될 수도 있고, 전량이 액화될 수도 있으며, 상변화없이 증발가스가 냉각될 수도 있다.

또한, 본 실시예의 증발가스 압축기(300)를 구성하는 다수개의 압축기 중 상류의 저압부 압축기 중 적어도 하나 이상은 무급유 윤활(oil-free) 방식으로 작동되고, 하류의 고압부 압축기 중 적어도 하나 이상은, 급유 윤활(oil-lubricated) 방식으로 작동된다.

본 실시예의 증발가스 압축기(300)를 구성하는 다수개의 압축기는 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)일 수 있다. 왕복동식 압축기는, 실린더와 피스톤으로 이루어질 수 있는데, 실린더에는 증발가스가 압축되는 내부 공간이 형성되고, 증발가스는 실린더의 내부 공간에서 왕복 운동하는 피스톤에 의해 압축될 수 있다. 특히, 하류의 고압부로 갈수록, 유체의 압력이 높아져 실린더의 피스톤 링이 마모될 위험이 크기 때문에, 실린더의 내부 공간으로는 이러한 왕복 운동에 의해 발생하는 피스톤과 실린더의 측벽 사이의 마찰력을 감소시키고 마모를 방지하기 위하여 윤활유(lubrication oil)를 공급해주는 것이다.

예를 들어, 본 실시예의 5단 압축기는, 1번째 압축부부터 3번째 압축부까지는 무급유 윤활로 동작하고, 4번째 압축부 및 5번째 압축부는 급유 윤활로 동작하며, 급유는 실린더 및 피스톤의 마모를 방지하고 과열을 방지하기 위하여 윤활 및 냉각을 목적으로 실시한다.

따라서, 이러한 다단압축기를 이용하여 4단 이상에서 압축된 증발가스를 배출시키는 경우, 압축된 증발가스에는 윤활유 성분이 포함될 수 있으며, 윤활유 성분이 포함된 상태로 후단 공정으로 도입될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 증발가스 압축기(300)에서 분기되는 재액화 냉매라인(ML)은, 증발가스 압축기(300)의 급유 윤활 압축기의 전단에서 분기되며, 이때, 증발가스 압축기(300)에서 분기되어 재액화 라인(ML)으로 도입되는 증발가스의 압력은 팽창 수단(700)의 도입 압력을 충족시키기에 충분하다.

증발가스에 혼입된 윤활유 성분이 후단 공정을 구성하는 장치와 배관 등에 누적되면, 증발가스가 재액화되는 과정에서 냉열에 의해 응고되는 등 폐색을 일으킬 수 있다. 시간이 지날수록 누적되는 윤활유의 양은 증가되므로, 일정 시간이 지나면 장치나 배관에 누적된 윤활유를 제거해야만 한다. 또한, 윤활유가 장치와 배관에 누적되면, 재액화 성능은 현저히 떨어진다.

그러나, 본 발명에 따르면, 증발가스를 연료로 공급하기 위하여 압축시키는 압축기와 재액화용 냉매로 공급하기 위하여 압축시키는 압축기를 따로 마련하지 않고, 증발가스 압축기(300)를 이용하여 연료용 증발가스와 냉매용 증발가스를 모두 압축시킬 수 있으면서도, 재액화 냉매라인(ML)으로 도입되는 증발가스 냉매는 무급유 윤활부만을 이용하여 압축시키므로, 재액화 냉매라인(ML)으로 윤활유가 혼입되는 일(oil carry-over)이 없어, 재액화 냉매라인(ML) 세척을 위해 운전을 정지해야 하거나, 재액화 성능이 떨어지는 문제를 해결할 수 있다.

본 실시예에서 상기 제1 열교환기(200) 및 제2 열교환기(400)는, Pqrinted Circuit Heat Exchanger)일 수 있으며, PCHE는, 고압 유체의 열교환에 용이하고, 유로가 좁은 마이크로채널형(micro-channel type)인 것을 특징으로 한다.

한편, 잉여의 증발가스까지도 전부 재액화시키기 위한 대안으로, 동일한 사양의 재액화용 고압 압축기를 추가로 마련하여 처리하는 방법이 있다. 즉, 동일한 사양의 고압 압축기를 2세트 마련하여, 1세트의 고압 압축기로는 상술한 바와 같이 증발가스를 압축하여 연료로 공급하고, 연료로 공급하고 남은 증발가스를 재액화 장치로 공급하며, 나머지 1세트의 고압 압축기로는, 나머지 잉여의 증발가스를 압축하여, 증발가스를 재액화시키기 위한 추가 냉매로 사용하는 것이다.

그러나, 본 발명에 따르면, 증발가스 냉매용 압축기와 연료 공급용 압축기를 따로 마련하지 않고, 증발가스 냉매를 불필요하게 300 bar의 고압으로 압축시키지 않으며, 필요한 압력, 즉 팽창 수단(700)의 도입 압력까지만 압축시킬 수 있으므로, 장비의 설치 비용 및 운영 비용을 절감할 수도 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 자에게 있어서 자명한 것이다.

100 : LNG 저장탱크
200 : 제1 열교환기
300 : 증발가스 압축기
400 : 제2 열교환기
500 : 감압밸브
600 : 기액 분리기
700 : 팽창 수단
800 : 개폐 밸브
BL1 : 제1 증발가스 연료라인
RL : 재액화 라인
ML : 재액화 냉매라인

Claims

액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 선박용 고압가스 엔진에서 요구하는 고압으로 압축시키는 증발가스 압축기; 및
상기 증발가스 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중 상기 고압가스 엔진으로 공급하고 남은 나머지 고압 증발가스를 재액화시키기 위하여, 상기 증발가스 압축기로 공급되는 압축 전 증발가스의 냉열로 냉각시키는 제1 열교환기;를 포함하고,
상기 증발가스 압축기는 다수개의 압축기를 포함하여 증발가스를 다단계에 걸쳐 압축시키는 다단 압축기로 구비되고,
상기 증발가스 압축기의 일부만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력으로 압축된 증발가스를 저압저온으로 감압시키는 팽창 수단; 및
상기 팽창 수단에 의해 저압저온이 된 증발가스를 냉매로 하여, 상기 제1 열교환기에서 냉각된 증발가스를 재액화시키는 제2 열교환기;를 더 포함하며,
상기 다수개의 압축기 중 상류측의 저압부 압축기는, 적어도 하나 이상이 무급유 윤활로 작동되고, 하류측의 고압부 압축기는, 적어도 하나 이상이 급유 윤활로 작동되며, 상기 증발가스 압축기로부터 팽창 수단으로 공급되는 증발가스는, 상기 무급유 윤활로 작동되는 압축기에 의해서만 압축되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 증발가스 압축기로부터, 급유 윤활 압축기의 전단에서 분기되어 상기 팽창 수단으로 연결되는 재액화 냉매라인에는, 상기 재액화 냉매라인의 유로를 개폐하는 개폐 밸브;가 설치되고,
상기 재액화시키기 위하여 제1 열교환기로 공급되는 증발가스의 유량에 따라 상기 개폐 밸브의 개폐를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는, 상기 제1 열교환기로 공급되는 고압 증발가스의 양이 설정값보다 많을 때, 상기 개폐 밸브를 개방하여, 상기 증발가스의 일부를 냉매로 사용하여 제2 열교환기에서 전량 재액화시키는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 열교환기, 또는 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 통과하면서 재액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크에서 요구하는 압력으로 감압시키는 감압 밸브; 및
상기 감압 과정에서 생성된 플래시 가스를 기액분리하여 분리된 플래시 가스는 상기 증발가스 압축기로 재순환시키고, 상기 플래시 가스가 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 액화가스 저장탱크로 회수하는 기액 분리기;를 더 포함하는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 증발가스 압축기의 일부만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 발전 장치; 및
상기 증발가스 압축기로부터 상기 발전 장치로 공급되는 연료의 유로를 제공하는 제2 증발가스 연료라인;을 더 포함하고,
상기 제2 증발가스 연료라인은, 상기 증발가스 압축기 또는 상기 재액화 냉매라인으로부터 분기되어 상기 발전 장치로 연결되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 팽창 수단은,
익스팬더 또는 컴팬더인, 선박의 증발가스 처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 열교환기는,
상기 제1 열교환기의 하류와 연결되어 제1 열교환기에서 냉각된 재액화시킬 증발가스가 유입되는 제1 고온 유체부;
상기 팽창 수단의 하류와 연결되어 팽창 수단에서 감압된 저압저온의 증발가스 냉매가 유입되는 저온 유체부; 및
상기 팽창 수단의 상류와 연결되어 상기 증발가스 압축기로부터 팽창 수단으로 공급되는 고압고온의 증발가스가 유입되는 제2 고온 유체부;를 포함하고,
상기 제2 열교환기에서는,
상기 저압저온의 증발가스 냉매에 의해 상기 고압고온의 증발가스 및 재액화시킬 증발가스가 냉각되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 열교환기에서 열교환에 의해 온도가 상승한 증발가스 냉매는 상기 증발가스 압축기로 재순환되는, 선박의 증발가스 처리 시스템.
액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 선박의 고압가스 엔진에서 요구하는 압력까지 다단계에 걸쳐 고압으로 압축시키는 압축 단계;
상기 증발가스 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중 상기 고압가스 엔진으로 공급되고 남은 나머지 고압 증발가스를, 상기 압축 단계로 공급되는 저압 증발가스의 냉열을 이용하여 냉각시키는 냉각 단계;
상기 압축 단계에서 증발가스를 압축시키는 다단계 중 일부 단계만을 통과하여 상기 고압가스 엔진에서 요구하는 압력보다 낮은 압력으로 압축된 증발가스를 감압시켜 저압저온의 증발가스 냉매를 생성하는 냉매 공급 단계; 및
상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 상기 증발가스 냉매와 열교환시켜 재액화시키는 재액화 단계;를 포함하는, 선박의 증발가스 처리 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 압축 단계는,
저압부에서는, 상기 증발가스를 압축하는 압축기에 윤활유를 공급하지 않고 압축시키고,
고압부에서는, 상기 증발가스를 압축하는 압축기에 윤활유를 공급하여 압축시키되,
상기 증발가스 냉매를 생성하기 위해 감압되는 증발가스는 상기 저압부에서 압축된 증발가스를 공급하는, 선박의 증발가스 처리 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 재액화시킬 증발가스의 양이 설정값보다 많으면, 상기 냉매 공급 단계로 증발가스를 공급하고,
상기 재액화시킬 증발가스의 양이 설정값보다 적으면, 상기 냉매 공급 단계를 생략하는, 선박의 증발가스 처리 방법.