KR20200012805A

KR20200012805A - 가스 처리 시스템 및 선박

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Publication number: KR20200012805A
Application number: KR1020190091287A
Authority: KR
Inventors: 서수원; 유병용; 김영복; 최해원; 곽정민; 이진광; 홍원종; 김현석
Original assignee: 한국조선해양 주식회사
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2020-02-05
Also published as: KR20200012809A; KR20200012808A; KR20200012806A; KR20200012807A; KR102241824B1; KR102237358B1; KR102268560B1; KR102232565B1

Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스를 다단으로 압축하여 엔진으로 공급하는 증발가스 압축기; 상기 액화가스 저장탱크의 액화가스를 강제기화하여 증발가스에 전달하는 강제기화기; 및 상기 증발가스 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 엔진에서 소비하지 않는 잉여 증발가스를 냉매로 액화하는 재액화장치를 포함하고, 상기 증발가스 압축기는, 상기 재액화장치로 전달되는 증발가스에 윤활유가 혼입되지 않도록, 오일-프리(oil-free)인 원심형 타입(Centrifugal type)으로 마련되며, 상기 강제기화기는, 강제기화된 액화가스를 상기 증발가스 압축기 상류의 증발가스에 전달하며, 상기 증발가스 압축기는, 상기 엔진 로드의 변화에 대응하여 토출 유량을 제어하여 액화가스 및 증발가스의 엔진측 공급량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 선박{liquefaction system of boil-off gas and ship having the same}

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.

액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.

이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구동되기 위해서 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다.

또한 LNG를 액상으로 보관할 때 탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 LNG가 기화되어 증발가스(BOG: Boil off Gas)가 생성되는데, 이러한 증발가스는 증발가스 재액화 시스템상에 문제를 일으킬 수 있어 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비를 시킴으로서 문제를 해결하고자 하였으나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 냉매로 재액화하면서, 증발가스나 플래시가스, 벤트가스 등의 처리를 효율적으로 개선하여 전체 시스템의 가동 안정성을 높인 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크의 증발가스를 다단으로 압축하여 엔진으로 공급하는 증발가스 압축기; 상기 액화가스 저장탱크의 액화가스를 강제기화하여 증발가스에 전달하는 강제기화기; 및 상기 증발가스 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 엔진에서 소비하지 않는 잉여 증발가스를 냉매로 액화하는 재액화장치를 포함하고, 상기 증발가스 압축기는, 상기 재액화장치로 전달되는 증발가스에 윤활유가 혼입되지 않도록, 오일-프리(oil-free)인 원심형 타입(Centrifugal type)으로 마련되며, 상기 강제기화기는, 강제기화된 액화가스를 상기 증발가스 압축기 상류의 증발가스에 전달하며, 상기 증발가스 압축기는, 상기 엔진 로드의 변화에 대응하여 토출 유량을 제어하여 액화가스 및 증발가스의 엔진측 공급량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 증발가스 압축기는, 압축된 증발가스를 상기 엔진 및 상기 재액화장치에 분배할 수 있다.

구체적으로, 상기 증발가스 압축기의 상류에 마련되며, 강제기화된 액화가스와 상기 액화가스 저장탱크에서 배출된 증발가스가 혼합되는 버퍼탱크를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 재액화장치는, MR냉매를 이용하여 증발가스를 액화할 수 있다.

구체적으로, 상기 재액화장치는, 냉매 압축기; 압축된 냉매를 냉각하는 냉매 쿨러; 냉매를 기액분리하는 냉매 분리기; 상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 스트림과 증발가스가 유동하는 스트림을 가지며, 냉매와 증발가스를 열교환하는 액화기; 상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매를 상기 액화기의 하류에서 감압해 상기 액화기로 재유입하는 감압밸브; 및 감압 후 상기 액화기를 경유한 냉매를 임시 저장하고 상기 냉매 압축기로 전달하는 리시버를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 냉매 압축기는, 냉매 압축 시 윤활유가 혼입되는 오일-인젝티드(oil-injected) 타입으로 마련되며, 상기 액화기는, 상기 냉매 쿨러에서 냉각된 냉매가 부분적으로 유동한 뒤 상기 냉매 분리기로 전달되는 스트림과, 상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 스트림과, 상기 감압밸브에서 감압 후 재유입되는 냉매가 유동하는 스트림 및 증발가스가 유동하는 스트림을 갖고, 윤활유가 혼입되어 있으며 상기 냉매 분리기에서 분리된 액상의 냉매는, 감압 후 재유입되는 냉매의 스트림 중간에 합류될 수 있다.

구체적으로, 상기 냉매 압축기는, 냉매 압축 시 윤활유가 혼입되지 않는 오일-프리(oil-free) 타입으로 마련되며, 상기 액화기는, 상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 스트림과, 상기 감압밸브에서 감압 후 재유입되는 냉매가 유동하는 스트림 및 증발가스가 유동하는 스트림을 갖고, 상기 냉매 분리기에서 분리된 액상 냉매는, 감압 후 재유입되는 냉매의 스트림 중간에 합류될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 액화가스 저장탱크의 액화가스나 증발가스를 추진엔진의 연료로 사용하면서, 잉여분의 증발가스를 냉매로 재액화하되, 증발가스 공급이나 액화된 증발가스에서 발생하는 플래시가스의 처리 등을 개선하여 액화 효율 향상 및 OPEX 절감 등이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 평면도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 명세서에서 액화가스는 LNG일 수 있지만 이로 한정하는 것은 아니며, 비등점이 상온보다 낮아 저장을 위해 강제로 액화되며 발열량을 갖는 모든 물질을 포괄할 수 있다.

또한 본 명세서에서 액화가스/증발가스는 연료탱크 내부에서의 상태를 기준으로 구분되는 것이고, 명칭으로 인하여 액상 또는 기상으로 반드시 한정되는 것은 아님을 알려둔다.

본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템(1)이 구비되는 선박을 포함하며, 이때 선박은 가스를 화물로 저장하는 가스 운반선, FSRU, FLNG, Bunkering vessel 등일 수 있지만, 가스가 아닌 화물(컨테이너, 광물 등)이나 사람을 운반하는 상선, 해양플랜트 등에도 적용 가능함을 알려둔다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(20), 재액화장치(30), 기액분리기(40), 강제기화기(50)를 포함한다.

액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 액상으로 저장한다. 본 실시예의 액화가스 저장탱크(10)는 가스 운반선 등의 카고 탱크일 수 있으며, 멤브레인형, 독립형의 SPB 타입이나 MOSS 타입 등일 수 있고, 물론 독립형의 고압용기 타입도 가능하다.

액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액상의 액화가스는 외부 열침투로 인해 자연기화하여 증발가스로 변화하며, 증발가스는 액화가스 저장탱크(10)로부터 배출되어 추진엔진(ME)이나 발전엔진(GE)의 연료로 사용되거나 재액화 후 액화가스 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)에는 돔을 경유하는 라인들이 마련되는데, 증발가스를 배출하는 증발가스 배출라인(L1)과, 이송펌프(11)를 통해 액화가스를 배출하는 액화가스 배출라인(L3), 그리고 액화가스 배출라인(L3)에서 적어도 일부의 액화가스가 리턴되는 액화가스 리턴라인(L31)이 돔을 관통하도록 마련될 수 있다. 또한 후술할 재액화장치(30)에 의해 재액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 리턴시키는 응축 리턴라인(L22) 역시 돔을 관통하도록 마련될 수 있다.

액화가스 저장탱크(10)는 복수로 마련될 수 있으며, 적어도 둘 이상의 액화가스 저장탱크(10)에 마련된 증발가스 배출라인(L1)은 하나로 통합된 후 증발가스 압축기(20)로 연결된다. 이때 증발가스 배출라인(L1)을 통합하는 부분을 베이퍼 메인(VM)(vapor main)이라 지칭한다.

또한 적어도 둘 이상의 액화가스 저장탱크(10)에 마련된 액화가스 배출라인(L3)도 통합된 후 강제기화기(50)로 연결되며, 액화가스 배출라인(L3)을 통합하는 부분은 리퀴드 메인(LM)(liquid main)이라 지칭된다.

따라서 액화가스나 증발가스는, 베이퍼 메인(VM)과 리퀴드 메인(LM)을 이용하여 각 액화가스 저장탱크(10)로부터 혼합되거나, 거꾸로 각 액화가스 저장탱크(10)로 분배가 가능하다.

증발가스 압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스를 압축하여 엔진으로 공급한다. 증발가스 압축기(20)는 증발가스를 다단 압축하는 구조로 마련될 수 있고, 증발가스 압축기(20)가 토출하는 증발가스의 압력은 추진엔진(ME)(ME-GI, XDF 등)이나 발전엔진(GE)(DFDE)의 압력에 맞게 설정될 수 있다.

일례로 본 실시예에서 추진엔진(ME)은 XDF일 수 있고, 증발가스 압축기(20)는 6단 압축하는 구조일 수 있다. 증발가스 압축기(20)는 액화가스 저장탱크(10)에서 추진엔진(ME) 및 발전엔진(GE)까지 연결되는 증발가스 배출라인(L1) 상에 마련될 수 있으며, 증발가스 압축기(20)의 하류에서 증발가스 배출라인(L1)은 분기되어 추진엔진(ME)과 발전엔진(GE)으로 각각 연결된다.

물론 추진엔진(ME)과 발전엔진(GE) 간의 요구압력에 차이가 있을 것을 대비하여, 증발가스 배출라인(L1)에서 분기된 지점과 발전엔진(GE)이나 추진엔진(ME) 사이에는 압력조절밸브로 가스밸브트레인(도시하지 않음)이나 가스밸브유닛(도시하지 않음)이 마련될 수 있다.

또한 증발가스 압축기(20)의 하류에서 증발가스 배출라인(L1)으로부터 증발가스 액화라인(L2)이 분기된다. 증발가스 액화라인(L2)은 후술할 재액화장치(30) 및 기액분리기(40)로 연결될 수 있으며, 기액분리기(40)와 액화가스 저장탱크(10) 사이에 마련된 응축 리턴라인(L22)을 통해 재액화된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 리턴시킨다.

증발가스 압축기(20)는 압축된 증발가스를 추진엔진(ME) 및 재액화장치(30)에 분배할 수 있다. 즉 증발가스 압축기(20)를 거쳐 추진엔진(ME)이나 발전엔진(GE), 재액화장치(30)에 유입되는 증발가스의 압력은 기본적으로 동일할 수 있다.

다만 증발가스 압축기(20)가 증발가스를 압축하는 과정에서 윤활유가 섞이게 되면, 재액화장치(30)로부터 재액화되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되는 증발가스에 윤활유가 혼입됨에 따라 액화가스 저장탱크(10) 내의 액화가스 품질을 떨어뜨리게 되는 문제가 있다.

따라서 본 실시예는, 재액화장치(30)로 유입되는 증발가스에 윤활유가 섞이지 않아야 하는 요구를 만족하기 위하여, 윤활유가 섞이지 않는 무급유(오일 프리: oil-free) 타입의 압축기를 사용한다. 이때 증발가스 압축기(20)는 원심형 타입(centrifugal type) 일 수 있다.

재액화장치(30)는, 증발가스 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스 중 엔진에서 소비하지 않는 잉여 증발가스를 냉매로 액화한다. 이때 냉매는 탄화수소 계열의 물질이 혼합된 MR냉매일 수 있다.

재액화장치(30)에 대해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 자세히 설명한다. 이하에서 기상 또는 액상은 냉매 분리기(33) 내에서의 냉매 상태를 기준으로 구분한 것이며, 열교환 등의 과정에서 기화 또는 액화될 수 있으며 그 표현으로 인해 냉매의 상태가 한정되는 것은 아님을 알려둔다.

도 2를 먼저 참조하면, 재액화장치(30)는 냉매 압축기(31), 냉매 쿨러(32), 냉매 분리기(33), 액화기(34), 감압밸브(35), 리시버(36)를 포함하며, 냉매 순환라인(L4)이 위 구성들을 직렬로 연결할 수 있다.

냉매 압축기(31)는, 냉매를 압축한다. 이때 도 2에 나타난 재액화장치(30)의 냉매 압축기(31)는, 냉매 압축 시 윤활유가 혼입되는 급유(오일-인젝티드: oil-injected) 타입으로 마련될 수 있다.

냉매 쿨러(32)는, 압축된 냉매를 냉각한다. MR냉매는 비등점이 서로 다른 물질이 혼합된 것으로서, 압축에 의해 일부 물질의 비등점이 상승하게 되므로, 냉매 쿨러(32)에 의한 냉각 시 MR냉매의 일부가 액화될 수 있다.

냉매 분리기(33)는, 압축 및 냉각된 냉매를 기액분리한다. 이때 분리된 기상의 냉매가 액화기(34)로 유입된다. 또한 냉매는 냉매 쿨러(32)에서 냉각된 후 냉매 분리기(33)로 유입되기 전에 액화기(34)를 부분적으로 경유할 수 있고, 이를 통해 윤활유가 모두 액상으로 잔존하도록 하여 기상의 냉매에 윤활유가 없도록 할 수 있다.

물론 냉매 쿨러(32)에서 냉매를 냉각하는 정도 및 냉매 분리기(33) 상류에서 액화기(34)를 부분적으로 경유해 냉각되는 정도는, 윤활유가 응고되지 않도록 하는 정도로 설정될 수 있다.

냉매 분리기(33)에서 분리된 액상의 냉매는, 액화기(34)의 특징 스트림의 중간에 합류될 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다.

액화기(34)는, 냉매와 증발가스를 열교환하여 증발가스를 액화한다. 액화기(34)는 다수의 스트림을 갖는 열교환기일 수 있으며, 핀&튜브 타입, PCHE 타입 등으로서 구조는 제한되지 않는다.

액화기(34)는 도면 기준 좌측으로부터 우측 방향으로 볼 때, 냉매 쿨러(32)에서 냉각된 냉매가 부분적으로 유동한 뒤 냉매 분리기(33)로 전달되는 첫 번째 스트림, 냉매 분리기(33)에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 두 번째 스트림, 증발가스가 유동하는 네 번째 스트림을 갖는다. 또한 액화기(34)는 감압밸브(35)를 거쳐 다시 유입되는 액상 냉매가 유동하는 세 번째 스트림을 갖는다.

감압밸브(35)는, 냉매 분리기(33)에서 분리된 기상 냉매를 액화기(34)의 하류에서 감압해 액화기(34)로 재유입한다. 감압밸브(35)는 줄-톰슨밸브일 수 있고, 감압 시 냉매는 줄-톰슨 효과에 의해 냉각되어 액화될 수 있다.

리시버(36)는, 감압 후 액화기(34)를 경유한 냉매를 임시 저장하고 냉매 압축기(31)로 전달한다. 리시버(36)는 탱크 형태일 수 있으며, 액상이 냉매 압축기(31)로 유입되지 않도록 버퍼 역할을 할 수 있다.

리시버(36)에 존재하는 액상의 냉매는, 냉매 압축기(31)로 전달되는 대신 리시버(36)에 저장되어 있을 수 있고, 냉매 분리기(33)나 냉매 분리기(33)와 액화기(34) 사이의 냉매 순환라인(L4)에 전달하는 것도 가능하다.

리시버(36) 내 액상을 기상으로 변화시키기 위해, 냉매 압축기(31) 하류의 압축된 냉매를 리시버(36)로 되돌리는 냉매 리턴라인(L42)이 냉매 압축기(31)와 냉매 쿨러(32) 사이의 냉매 순환라인(L4)에서 분기되어 리시버(36) 상류로 연결될 수 있다. 냉매 압축기(31)에서 압축된 고압/고온 냉매가 리시버(36)로 되돌아가면, 리시버(36) 내의 액상 냉매가 기화되어 냉매 압축기(31)로 전달될 수 있는 것이다.

냉매 순환라인(L4)을 따라 흐르는 냉매 흐름을 설명하면 다음과 같다. 냉매는 냉매 쿨러(32)에서 냉각된 후 액화기(34)의 첫 번째 스트림을 부분적으로 거친 뒤 냉매 분리기(33)로 유입된다. 이후 냉매 분리기(33)에서 분리된 기상 냉매는 액화기(34)의 두 번째 스트림을 경유하여 빠져나간다.

빠져나온 기상 냉매는, 후술할 감압밸브(35)로 유입되어 감압 시 줄-톰슨 효과에 의해 냉각(액화)된다. 감압밸브(35)를 거친 냉매는 다시 액화기(34)로 유입되면서 증발가스와 열교환하여 증발가스를 액화시키게 된다.

물론 액화기(34) 내에서 증발가스는 감압밸브(35)를 거친 냉매 외에 다른 스트림의 냉매와도 열교환하면서 냉각될 수 있으며, 반대로 감압밸브(35)를 거친 가장 저온의 냉매만 증발가스와 열교환하도록 마련할 수도 있다. 또한 액화기(34) 내에서는 냉매 간 열교환이 이루어질 수 있다.

냉매 분리기(33)에서 분리된 액상의 냉매는 윤활유가 혼입된 상태일 수 있는데, 이 냉매는 액상냉매 분기라인(L41)을 통해 액화기(34)에서 세 번째 스트림(감압 후 재유입되는 냉매의 스트림)의 중간에 합류될 수 있다.

즉 본 실시예는 윤활유가 증발가스와 저온 열교환하면서 결빙되지 않도록, 윤활유가 섞인 냉매는 스트림의 시작점이 아니라 중간점에서 합류되도록 마련된다.

물론 도 2에서의 재액화장치(30)는, 액화기(34) 상류에서 윤활유를 별도로 분리해내는 윤활유 분리기나 분리된 윤활유를 냉매 압축기(31)로 순환하는 윤활유 펌프, 윤활유 쿨러 등을 구비할 수도 있다.

이와 같은 도 2의 재액화장치(30)는, 압축 시 윤활유가 혼입되는 냉매 압축기(31)를 사용한다는 점에서 lube oil type으로 지칭될 수 있으며, 반면 이하에서 설명하는 도 3의 경우 냉매 압축 시 윤활유가 혼입되지 않는 무급유(오일-프리: oil-free) 타입의 냉매 압축기(31)를 사용하는 것으로서 non-lube oil type으로 지칭될 수 있다.

도 3을 참조하면 재액화장치(30)는, 도 2와 달리 냉매 압축기(31)가 윤활유가 혼입되지 않는 타입으로 마련되므로 윤활유를 분리하는 구성을 생략할 수 있다. 다만 재액화장치(30)는 앞서 도 2를 통해 설명한 구성들을 포함할 수 있으며, 다만 냉매 쿨러(32)와 냉매 분리기(33) 사이에서 냉매가 액화기(34)를 경유하지 않고, 냉매가 냉매 쿨러(32), 냉매 분리기(33), 액화기(34)를 차례로 경유하도록 마련될 수 있다.

도 3의 재액화장치(30)에서 냉매 분리기(33)는 기상의 냉매와 액상의 냉매를 분리하여 액화기(34)에 전달하여 열교환 효율을 높일 수 있다. 액화기(34)는 기상의 냉매가 유동하는 첫 번째 스트림, 감압밸브(35)에서 감압되어 액화기(34)로 재유입되는 냉매가 유동하는 두 번째 스트림, 그리고 증발가스가 유동하는 세 번째 스트림으로 구성되고, 냉매 분리기(33)에서 분리된 액상의 냉매는 두 번째 스트림의 중간에 합류될 수 있다.

또한 도 3의 재액화장치(30)는 냉매 분리기(33) 상류에서 윤활유를 별도로 분리해 냉매 압축기(31)로 순환하는 구성을 마련하지 않을 수 있다.

이러한 재액화장치(30)에는, 재액화 벤트라인(L21)이 별도로 마련된다. 액화가스나 증발가스가 흐르는 흐름 상에는 비상 상황을 대비하기 위해 벤트 기능이 구비되어야 하는데, 벤트는 압력에 따라 서로 다른 벤트마스트를 활용하게 된다.

구체적으로 증발가스 압축기(20)의 상류(액화가스 저장탱크(10)와 증발가스 압축기(20) 사이, 일례로 후술할 버퍼탱크(51))의 저압의 액화가스나 증발가스는 저압 벤트라인(L11)을 통해 저압 벤트마스트(LV)로 전달되어 벤트되며, 증발가스 압축기(20) 하류(증발가스 압축기(20)와 엔진 사이 또는 후술할 기액분리기(40))의 고압의 증발가스 등은 고압 벤트라인(L12)을 통해 고압 벤트마스트(HV)로 전달되어 벤트된다.

그런데 앞서 설명한 바와 같이 증발가스 압축기(20)에서 압축된 고압의 증발가스는 엔진 및 재액화장치(30)로 분배되므로, 재액화장치(30)에서의 증발가스 압력은 고압 벤트라인(L12)을 통해 벤트되는 증발가스의 압력과 대응된다. 따라서 재액화장치(30)에서의 벤트도 고압 벤트마스트(HV)를 사용할 수 있다.

그러나 재액화장치(30)에서 고압 벤트마스트(HV)로 벤트되도록 하면, 증발가스 압축기(20)가 트립(trip)될 때 증발가스 압축기(20)와 엔진 사이에서 고압 벤트마스트(HV)로 벤트되는 것과, 재액화장치(30)에서 냉매가 누출될 때 고압 벤트마스트(HV)로 벤트되는 것이 구분되지 못한다. 즉 증발가스 압축기(20)의 트립으로 인한 증발가스 벤트 상황에서 재액화장치(30)에서의 냉매 누출을 확인할 수 없는 문제가 있다.

따라서 본 실시예는, 재액화장치(30)의 벤트를 증발가스 압축기(20) 하류의 고압 벤트와 독립적으로 구분하기 위해, 고압 벤트마스트(HV)와 별도로 마련되는 재액화 벤트마스트(RV)를 구비할 수 있다. 이때 재액화장치(30)와 재액화 벤트마스트(RV) 사이에는 재액화 벤트라인(L21)이 연결되어, 재액화장치(30)에서 누출되는 냉매가 벤트되도록 한다.

따라서 고압 벤트마스트(HV)는 증발가스 압축기(20)의 트립 시 고압의 증발가스를 전달받아 벤트하며, 재액화 벤트마스트(RV)는 증발가스 압축기(20)의 트립 시 벤트되는 증발가스와 독립적으로 재액화장치(30)로부터 냉매를 전달받아 벤트할 수 있다.

이를 위해 재액화 벤트라인(L21)은, 고압 벤트라인(L12)과 독립적으로 마련되어, 증발가스 압축기(20)의 트립 시 고압 벤트마스트(HV)로 전달되는 증발가스가 유입되지 않을 수 있으며, 재액화 벤트라인(L21)에는 재액화장치(30)에서의 냉매 누출을 감지하는 가스 디텍터(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.

따라서 본 실시예는 증발가스 압축기(20)의 트립 시 증발가스가 벤트되는 상황에서도, 재액화 벤트라인(L21)에서의 냉매 감지를 토대로 재액화장치(30)에서의 누출을 명백히 확인할 수 있다.

기액분리기(40)는, 재액화장치(30)에서 재액화된 증발가스를 기액분리하여 액상의 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 전달한다. 이를 위해 기액분리기(40)에는 액상의 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 전달하는 응축 리턴라인(L22)이 마련될 수 있다.

응축 리턴라인(L22)에는 퍼징밸브(41)가 연결된다. 재액화장치(30)가 가동 정지되는 경우, 응축 리턴라인(L22)에는 기액분리기(40)에서 분리된 액상의 증발가스가 정체되어 있을 수 있다. 따라서 본 실시예는 재액화장치(30)의 가동 정지 시 응축 리턴라인(L22)의 내부를 퍼징하기 위해, 응축 리턴라인(L22)에 직접 퍼징라인(L23)과 퍼징밸브(41)를 연결할 수 있다.

이때 퍼징밸브(41)는, 응축 리턴라인(L22)에 퍼징가스 공급부(42)로부터 전달되는 퍼징가스(질소, 불활성가스 등)를 주입하여 응축 리턴라인(L22) 내에서 정체된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 밀어낼 수 있으며, 이때 기액분리기(40)가 액화가스 저장탱크(10)보다 상측에 배치되도록 하여, 중력에 더하여 퍼징가스의 압력을 이용해 액상의 증발가스가 정체 없이 모두 액화가스 저장탱크(10)로 전달되도록 할 수 있다.

다만 응축 리턴라인(L22)은, 퍼징밸브(41)의 개방 시 기액분리기(40)로부터 퍼징밸브(41)에 의해 퍼징가스가 주입되는 지점 사이의 흐름을 차단하여, 퍼징가스가 기액분리기(40)로 역류하는 것을 억제하면서 퍼징가스에 의해 응축 리턴라인(L22) 내 액상 증발가스가 원활하게 밀려나가도록 할 수 있다.

또한 기액분리기(40)에서 분리되는 기상의 증발가스는 플래시가스(flash gas)로서, 온도는 저온이나 기상인 물질일 수 있다. 이때 플래시가스는 기액분리기(40)의 내압을 낮추기 위해 기액분리기(40)의 내압 상황에 따라 기액분리기(40)로부터 배출될 수 있다.

본 실시예에서 플래시가스는 증발가스 압축기(20)로 순환되는 대신, 액화가스 저장탱크(10) 내부로 직접 주입될 수 있다. 즉 기액분리기(40)는 재액화된 증발가스에서 기액분리된 기상의 플래시가스를 액상의 증발가스와 마찬가지로 액화가스 저장탱크(10)로 전달한다.

이를 위해 기액분리기(40)에는 기상의 플래시가스를 액화가스 저장탱크(10)로 전달하는 플래시가스 배출라인(L24)이 마련될 수 있다. 또한 플래시가스 배출라인(L24)은 액화가스 저장탱크(10) 내에서 응축 리턴라인(L22)보다 낮은 위치에서 플래시가스를 전달할 수 있고, 구체적으로 플래시가스 배출라인(L24)은 기상의 플래시가스를 액화가스 저장탱크(10)의 저부로 전달할 수 있다.

따라서 플래시가스는, 플래시가스 배출라인(L24)을 따라 액화가스 저장탱크(10)에서 저부의 액화가스 내로 유입되면서, 액화가스에 의해 액화될 수 있다.

플래시가스 배출라인(L24)은 직접 액화가스 저장탱크(10)의 저부까지 연결되어 플래시가스를 액화가스 내로 주입할 수 있으며, 또는 리퀴드 메인(LM)에 연결되어 액화가스 리턴라인(L31)을 통해 기상의 플래시가스를 액화가스 저장탱크(10)로 전달할 수도 있다.

따라서 본 실시예는, 재액화된 증발가스에서 플래시가스를 액화가스 저장탱크(10)의 내부로 리턴시켜서 기액분리기(40)의 내압을 효과적으로 낮춰줄 수 있으며, 플래시가스를 증발가스 압축기(20)로 재순환하지 않으므로 증발가스 압축기(20) 부하가 감소된다. 추가로 증발가스 압축기(20)를 거쳐 재액화장치(30)로 플래시가스가 되돌아오지 않게 되므로, 재액화장치(30)에서의 액화효율 향상도 기대할 수 있다.

기액분리기(40)에는 고압 벤트라인(L12)이 연결될 수 있으며, 기액분리기(40)의 과압 발생 시 플래시가스 배출로도 해소되지 않거나 플래시가스 배출이 불가한 경우에, 기액분리기(40) 내부의 증발가스는 고압 벤트라인(L12)을 통해 고압 벤트마스트(HV)로 전달되어 벤트될 수 있다.

강제기화기(50)는, 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스를 강제기화하여 증발가스 압축기(20) 상류의 증발가스에 전달한다. 이때 증발가스 배출라인(L1)에서 증발가스 압축기(20)의 상류에는 강제기화된 액화가스가 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스에 혼합되는 버퍼탱크(51)(Mist separator)가 마련되어, 증발가스 압축기(20)로 액상이 유입되지 않도록 할 수 있고, 버퍼탱크(51)에는 저압 벤트라인(L11)이 연결되어 버퍼탱크(51)로부터 액화가스 또는 증발가스가 저압 벤트마스트(LV)로 전달되어 벤트될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 본 실시예의 증발가스 압축기(20)는, 재액화장치(30)로 전달되는 증발가스에 윤활유가 혼입되지 않도록, 무급유(오일-프리: oil-free)인 원심형 타입(centrifugal type)으로 마련된다.

다만 증발가스의 부족 시 액화가스를 증발가스와 함께 엔진에 공급할 필요가 있는데, 위와 같은 타입의 증발가스 압축기(20)를 사용하면서 증발가스 압축기(20) 하류에서 액화가스가 혼합되도록 할 경우, 다른 타입(screw type, reciprocating type 등)의 증발가스 압축기(20)를 사용하는 경우와 달리, 엔진의 로드(load)에 따른 유량 변화의 제어가 즉각적으로 이루어지기 어려운 문제가 있다. 더 나아가 혼합되는 액화가스가 증발가스 압축기(20)로 역류하여 트립(trip)이 발생할 우려도 존재한다.

따라서 본 실시예는 재액화장치(30)로 윤활유가 유입되지 않도록 특정 타입의 압축기를 사용하면서도, 강제기화된 액화가스를 증발가스 압축기(20) 상류의 증발가스에 전달해 혼합한다. 이를 통해 본 실시예는 액화된 증발가스가 액화가스 저장탱크(10)에 리턴될 때 액화가스의 품질 저하를 방지하는 동시에, 증발가스 압축기(20)가 엔진 로드의 변화에 대응하여 토출 유량을 제어하여 액화가스 및 증발가스의 엔진측 공급량이 효과적으로 조절되도록 함으로써, 엔진 부하 변동에 효율적으로 대응할 수 있고 압축기 트립을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 평면도이다. 참고로 도 4의 각 leakage scenario는 재액화 스키드(200)의 서로 다른 위치에서 냉매가 누출되었을 때, 누출된 냉매가 벤틸레이션에 의하여 어떻게 확산되는지를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 증발가스 압축기(20)가 마련되는 컴프레서룸(100)(CCR: Cargo Compressor Room)에서의 냉매 누출을 효과적으로 감지할 수 있다. 이하 구체적으로 설명한다.

컴프레서룸(100)은, 증발가스 압축기(20), 강제기화기(50) 등이 마련되어 액화가스나 증발가스를 엔진의 연료로 공급하기에 적합한 상태로 변화시키는 공간일 수 있다.

이때 컴프레서룸(100)은 증발가스 등 폭발성 물질을 다루는 공간이기 때문에, 안전을 위해 주기적인 벤틸레이션이 강제로 이루어질 수 있다(일례로 1시간에 30회 등).

이때 벤틸레이션은 다양한 방법으로 수행될 수 있는데, 양압을 구현하는 벤트 팬(도시하지 않음)을 이용하여 외부 공기를 주입하고 덕트(도시하지 않음)를 이용해 컴프레서룸(100) 내부 대기가 빠져나가는 방식을 사용하거나, 반대로 음압을 구현하는 벤트 팬(도시하지 않음)을 이용하여 컴프레서룸(100) 내부 대기를 외부로 빼내면서 컴프레서룸(100)에 외부 공기가 자연스럽게 흘러들어오도록 할 수 있다.

컴프레서룸(100) 내에는, 앞서 설명한 재액화장치(30)가 탑재된 재액화 스키드(200)가 배치될 수 있다. 재액화 스키드(200)는 도 2 및 도 3에서 언급한 재액화장치(30)의 상세 구성이 탑재되는 지지 프레임일 수 있다.

본 실시예는, 컴프레서룸(100) 내에서 누출되는 냉매를 감지하는 가스 디텍터(201, 202)를 구비하며, 가스 디텍터(201, 202)는 누출 위험 설비의 중앙에 배치되어 냉매 누출을 감지할 수 있다. 구체적으로 가스 디텍터(201, 202)는, 재액화 스키드(200)의 중앙 부분(A)에 설치되어 재액화장치(30)에서 누출되는 냉매를 감지할 수 있다.

그러나 위와 같은 중앙 부분(A)의 가스 디텍터(201, 202)만을 이용하는 경우, 재액화장치(30)에서 누출되는 냉매가 컴프레서룸(100)의 벤틸레이션에 의하여 외부로 빠져나갈 때 가스 디텍터(201, 202)에 근접하지 않아 검출되지 않는 경우가 존재한다(도 4의 leakage scenario 1).

따라서 본 실시예는 컴프레서룸(100)의 벤틸레이션으로 인해 누출 냉매가 퍼지는 양상을 고려하여, 벤틸레이션되는 대기의 출구 부분(B)에 가스 디텍터(201, 202)를 추가로 설치하여, 재액화장치(30)에서 누출되는 냉매를 명확히 감지할 수 있다. 여기서 벤틸레이션되는 대기의 출구 부분은 컴프레서룸(100) 내에서 재액화 스키드(200)에 치우친 위치일 수 있고, 증발가스 압축기(20) 대비 재액화장치(30)에 근접한 위치일 수 있다.

이때 재액화 스키드(200)의 중앙 부분(A)에 설치되는 가스 디텍터(201, 202)는 제1 가스 디텍터(201)로 지칭되고, 컴프레서룸(100)에서 벤틸레이션 출구 부분(B)에 설치되는 가스 디텍터(201, 202)는 제2 가스 디텍터(202)로 지칭될 수 있으며, 제2 가스 디텍터(202)는 재액화장치(30)에서 누출되는 MR냉매를 감지하도록 마련될 수 있다.

구체적으로 제2 가스 디텍터(202)는, 음압을 이용한 벤트 팬으로 컴프레서룸(100)을 벤틸레이션할 경우 벤트 팬의 주변(대기 대비 MR냉매의 밀도를 고려해 일례로 하측)에 설치될 수 있고, 또는 대기가 빠져나가는 출구가 덕트로 이루어질 경우 덕트의 주변에 설치될 수 있다. 물론 벤트 팬과 덕트가 모두 적용된 경우 제2 가스 디텍터(202)는 벤트 팬과 덕트 중간 지점에 설치될 수도 있다.

이를 통해 본 실시예는, 재액화 스키드(200)의 중앙 부분(A)에만 가스 디텍터(201, 202)를 설치하지 않고, 재액화 스키드(200)를 수용하는 컴프레서룸(100)의 벤틸레이션 출구 부분(B)에 가스 디텍터(201, 202)를 추가하여, 재액화장치(30)로부터 누출되는 냉매가 벤틸레이션으로 인해 검출되지 않는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 재액화장치(30)에 윤활유가 혼입되지 않도록 하면서 엔진 부하에 효과적으로 대응할 수 있고, 플래시가스의 순환 대신 액화가스 저장탱크(10)로의 리턴을 적용해 증발가스 압축기(20) 부하 감소, 재액화효율 증가 효과를 거둘 수 있다.

또한 본 실시예는 재액화 증발가스가 응축되어 액화가스 저장탱크(10)로 리턴되는 라인에 직접 퍼징이 가능하도록 하여 액상 정체를 해소하고, 재액화장치(30)에 독립된 벤트를 구현하며 재액화 스키드(200)를 수용한 컴프레서룸(100)의 벤틸레이션을 고려해 가스 디텍터(201, 202)를 설치하여 냉매 누출을 효과적으로 파악할 수 있다.

본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
11: 이송펌프 20: 증발가스 압축기
30: 재액화장치 31: 냉매 압축기
32: 냉매 쿨러 33: 냉매 분리기
34: 액화기 35: 감압밸브
36: 리시버 40: 기액분리기
41: 퍼징밸브 42: 퍼징가스 공급부
50: 강제기화기 51: 버퍼탱크
100: 컴프레서룸 200: 재액화 스키드
201: 제1 가스 디텍터 202: 제2 가스 디텍터
ME: 추진엔진 GE: 발전엔진
LV: 저압 벤트마스트 HV: 고압 벤트마스트
RV: 재액화 벤트마스트 L1: 증발가스 배출라인
L11: 저압 벤트라인 L12: 고압 벤트라인
L2: 증발가스 액화라인 L21: 재액화 벤트라인
L22: 응축 리턴라인 L23: 퍼징라인
L24: 플래시가스 배출라인 L3: 액화가스 배출라인
L31: 액화가스 리턴라인 L4: 냉매 순환라인
L41: 액상냉매 분기라인 L42: 냉매 리턴라인
LM: liquid main VM: vapor main

Claims

액화가스 저장탱크;
상기 액화가스 저장탱크의 증발가스를 다단으로 압축하여 엔진으로 공급하는 증발가스 압축기;
상기 액화가스 저장탱크의 액화가스를 강제기화하여 증발가스에 전달하는 강제기화기; 및
상기 증발가스 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 엔진에서 소비하지 않는 잉여 증발가스를 냉매로 액화하는 재액화장치를 포함하고,
상기 증발가스 압축기는, 상기 재액화장치로 전달되는 증발가스에 윤활유가 혼입되지 않도록, 오일-프리(oil-free)인 원심형 타입(Centrifugal type)으로 마련되며,
상기 강제기화기는, 강제기화된 액화가스를 상기 증발가스 압축기 상류의 증발가스에 전달하며,
상기 증발가스 압축기는, 상기 엔진 로드의 변화에 대응하여 토출 유량을 제어하여 액화가스 및 증발가스의 엔진측 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 압축기는,
압축된 증발가스를 상기 엔진 및 상기 재액화장치에 분배하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 증발가스 압축기의 상류에 마련되며, 강제기화된 액화가스와 상기 액화가스 저장탱크에서 배출된 증발가스가 혼합되는 버퍼탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 재액화장치는,
MR냉매를 이용하여 증발가스를 액화하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 재액화장치는,
냉매 압축기;
압축된 냉매를 냉각하는 냉매 쿨러;
냉매를 기액분리하는 냉매 분리기;
상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 스트림과 증발가스가 유동하는 스트림을 가지며, 냉매와 증발가스를 열교환하는 액화기;
상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매를 상기 액화기의 하류에서 감압해 상기 액화기로 재유입하는 감압밸브; 및
감압 후 상기 액화기를 경유한 냉매를 임시 저장하고 상기 냉매 압축기로 전달하는 리시버를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 냉매 압축기는,
냉매 압축 시 윤활유가 혼입되는 오일-인젝티드(oil-injected) 타입으로 마련되며,
상기 액화기는,
상기 냉매 쿨러에서 냉각된 냉매가 부분적으로 유동한 뒤 상기 냉매 분리기로 전달되는 스트림과, 상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 스트림과, 상기 감압밸브에서 감압 후 재유입되는 냉매가 유동하는 스트림 및 증발가스가 유동하는 스트림을 갖고,
윤활유가 혼입되어 있으며 상기 냉매 분리기에서 분리된 액상의 냉매는, 감압 후 재유입되는 냉매의 스트림 중간에 합류되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 냉매 압축기는,
냉매 압축 시 윤활유가 혼입되지 않는 오일-프리(oil-free) 타입으로 마련되며,
상기 액화기는,
상기 냉매 분리기에서 분리된 기상 냉매가 유동하는 스트림과, 상기 감압밸브에서 감압 후 재유입되는 냉매가 유동하는 스트림 및 증발가스가 유동하는 스트림을 갖고,
상기 냉매 분리기에서 분리된 액상 냉매는, 감압 후 재유입되는 냉매의 스트림 중간에 합류되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.