KR20200041030A

KR20200041030A - 액화가스 재기화 시스템

Info

Publication number: KR20200041030A
Application number: KR1020180120932A
Authority: KR
Inventors: 오유택; 이종철; 최병윤; 윤호병
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-04-21
Also published as: KR102562144B1

Abstract

혼합 냉매를 이용한 액화가스 재기화 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위한 액화가스 이송라인; 열원으로부터 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되되 냉매들은 혼합 냉매가 열원에 의해 기화되는 상변화 과정에서 온도가 상승되도록 설정되는 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 열매체 순환라인; 열매체 순환라인에 설치되고, 혼합 냉매를 열매체 순환라인에서 순환시키는 펌프; 열매체 순환라인에 설치되고, 열원과의 열교환에 의해 혼합 냉매를 기화시키는 증발기; 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 혼합 냉매와의 열교환에 의해 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기; 및 열매체 순환라인에 설치되고, 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 혼합 냉매의 압력 변화를 흡수하는 팽창 탱크를 포함한다.

Description

액화가스 재기화 시스템{LIQUEFIED GAS RE-GASIFICATION SYSTEM}

본 발명은 액화가스 재기화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혼합 냉매(Mixed Refrigerant)를 이용하여 액화가스를 재기화하는 액화가스 재기화 시스템에 관한 것이다.

최근 환경 규제가 강화되는 추세에 따라 환경 오염 물질의 배출이 적은 천연가스와 같은 연료의 수요가 증가하고 있다. 천연가스를 수요처로 공급하기 위하여, 액화가스 저장탱크 내에 액화 상태로 저장된 액화천연가스를 재기화시키는 시스템을 필요로 한다. 종래의 액화가스 재기화 시스템은 주로 프로판(Propane)과 같은 증발성 열매체를 사용하여 해수로부터 열을 받아 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)로 열을 전달시켜 액화천연가스를 천연가스로 재기화시키고 있다.

프로판을 이용하여 한번의 열교환 처리에 의해 액화천연가스를 기화시키도록 설계할 경우, 열교환기 크기가 매우 커져야 하므로 경제성이 떨어지며, 프로판의 온도 조건을 매우 제한적인 범위로 제어해야 하고 열교환기 내 압력강하 및 해수 온도변화시 소비처에서 요구하는 온도로 천연가스를 공급하기 어려워지는 단점이 있다. 이러한 이유로 종래의 액화천연가스의 재기화 시스템은 통상적으로 액화천연가스를 기화시키는 재기화기(Vaporizer)와, 재기화기에 의해 기화된 천연가스를 가열하는 트림 히터(Trim heater)로 나누어 설계된다.

프로판은 순환펌프를 통해 순환하며 해수로부터 열을 받아 제1의 열교환기(트림 히터)에서 천연가스와 1차 열교환하여 차가워지며, 다시 해수로부터 열을 받아 기화한 후 제2의 열교환기(재기화기)에서 2차로 액화천연가스와 열교환하여 액화된다. 이때 트림 히터에서는 액체 상태의 프로판의 현열을 이용하여 가열이 이루어진다. 이와 같은 액화가스 재기화 시스템의 경우, 재기화기에서 LNG 기화를 위해 요구되는 열량이 트림 히터에서 천연가스 가열을 위해 요구되는 열량에 비해 많은 반면, 트림 히터에서 액체 상태의 프로판의 현열을 이용하여 가열이 이루어지는 관계로, 트림 히터에서 재기화기보다 큰 냉매 유량을 필요로 하게 된다. 따라서 종래의 액화가스 재기화 시스템은 불필요하게 많은 유량의 냉매를 과도한 압력차이로 순환시켜야 하므로, 운전비용이 상승하고 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.

또한, 트림 히터에서는 기화되지 않은 냉매를 사용하기 위해 고압의 조건을 필요로 하고, 이후 재기화기로 공급되는 냉매를 기화시키기 위해 저압의 상태를 필요로 하므로, 펌프에 의해 냉매를 고압으로 가압하여 트림 히터로 공급한 후, 트림 히터를 통과한 냉매에 큰 압력 강하를 시켜주어야 하는데, 이는 에너지 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 또한, 냉매로 사용되는 프로판의 경우, 가연성이 크므로 시스템의 안전성을 저하시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 종래의 프로판이나 글리콜-워터를 이용한 간접식 재기화 시스템의 경우, 천연가스의 송출 온도와 해수 온도 차이가 크지 않을 경우, 냉매를 기화시켜 사용하는 데에 제약이 따를 수 있다. 액화천연가스와 해수 사이에 프로판을 열매체로 사용하고, 프로판을 해수에 의해 기화시켜 액화천연가스를 기화시키는 경우를 예로 들면, 해수와 열교환에 의해 프로판이 기화되는 상 변화시에 압력 손실이 생기고 온도가 감소하게 된다.

열교환 효율을 높이기 위해서는 프로판의 P-H선도에서 프로판의 온도가 천연가스의 송출 온도(예를 들어, 8℃) 보다 최소 온도차(minimum temperature approach) 이상 높아야 하고 해수의 온도(예를 들어, 14℃) 보다는 최소 온도차 이상 낮아야 한다. 하지만, 프로판의 상변화시 온도 감소에 의해 천연가스의 송출 온도 보다 최소 온도차 이상 높은 조건을 확보하기 어려워지게 되고, 프로판의 온도 제어 범위가 줄어들게 되고, 냉매의 운전 가능 범위가 좁아져 온도, 압력, 유량 등의 작은 변화에도 시스템이 제대로 운전되지 않을 수 있으며, 프로판이 천연가스의 송출 온도로부터 최소 온도차 조건을 만족하지 못하여 열교환이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.

본 발명은 혼합 냉매(Mixed Refrigerant)를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화시킬 수 있는 액화가스 재기화 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 시스템을 간소화하고 운용 비용을 줄일 수 있으며, 환경 친화적으로 액화가스를 재기화시킬 수 있는 액화가스 재기화 시스템을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 액화가스 재기화 시스템은, 액화가스를 재기화하는 액화가스 재기화 시스템에 있어서, 상기 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위한 액화가스 이송라인; 열원으로부터 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되는 열매체 순환라인; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 혼합 냉매를 상기 열매체 순환라인에서 순환시키는 펌프; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 혼합 냉매를 기화시키는 증발기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 상기 혼합 냉매와의 열교환에 의해 상기 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 상기 혼합 냉매의 압력 변화를 흡수하는 팽창 탱크를 포함하고, 상기 혼합 냉매는 상기 기화기에서 상기 액화가스의 열교환 과정에서 상변화되고, 상기 냉매들은, 상기 혼합 냉매가 상기 열원에 의해 기화되는 상변화 과정에서 온도가 상승되도록 설정되는 설정값 이상의 끓는점 차이를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은, 복수개의 냉매를 끓는점에 따라 복수개의 냉매 그룹으로 분류하고, 상기 복수개의 냉매 그룹 중 상이한 냉매 그룹들로부터 상기 냉매들을 선택하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 복수개의 냉매 그룹은 상기 설정값 이상의 끓는점 차이를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은, 상기 냉매들을 상기 팽창 탱크로 공급하고, 상기 혼합 냉매의 운전 온도 및 압력이 설정 범위에서 벗어나는 경우, 상기 냉매들의 조성비를 조절하는 냉매 충전라인을 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 냉매들의 조성비에 따라 상기 혼합 냉매의 오존파괴지수 및 지구온난화지수를 산출하고, 상기 오존파괴지수 및 상기 지구온난화지수가 설정 조건을 만족하도록 상기 냉매 충전 라인을 제어할 수 있다.

상기 냉매들은 상기 혼합 냉매의 오존파괴지수가 0이고, 지구온난화지수가 2500 미만인 설정 조건을 만족시키도록 상기 팽창 탱크로 공급될 수 있다.

상기 복수개의 냉매 그룹은, 끓는점이 -75℃ 이하인 제1 냉매들을 포함하는 제1 냉매 그룹과, 끓는점이 -55℃ 이상인 제2 냉매들을 포함하는 제2 냉매 그룹을 포함할 수 있다.

상기 제2 냉매 그룹은 상기 제2 냉매들의 끓는점이 -30℃ 미만이고, 상기 복수개의 냉매 그룹은, 상기 제2 냉매 그룹 보다 끓는점이 높은 제3 냉매들을 포함하는 제3 냉매 그룹을 더 포함하고, 상기 냉매들은 상기 제1 냉매 그룹, 상기 제2 냉매 그룹 및 상기 제3 냉매 그룹 중 적어도 2개의 냉매 그룹으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은, 3종 이상의 냉매들 중 상기 상변화 과정에서 상기 혼합 냉매의 온도가 상승되는 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 가지도록 상기 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 상기 2성분 이상의 냉매들을 선택하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 혼합 냉매가 상기 액화가스 보다 설정된 최소 온도차 이상 높은 온도를 가지도록, 상기 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프는 상기 혼합 냉매의 상변화 구간에 상기 혼합 냉매의 온도가 상승되는 온도 상승 구간을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 혼합 냉매(Mixed Refrigerant)를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화시킬 수 있는 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.

또한, 본 실시예에 의하면, 시스템을 간소화하고 운용 비용을 줄일 수 있고, 환경 친화적으로 액화가스를 재기화하는 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 냉매들을 끓는점에 따라 복수개의 냉매 그룹으로 분류한 것을 보여주는 예시도이다.
도 5는 냉매의 안전등급을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 복수개의 냉매 그룹별로 복수개의 냉매들의 끓는점을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 냉매들을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 냉매 순환 펌프의 소모 전력을 혼합 냉매 별로 나타낸 그래프이다.
도 10은 다수의 냉매들의 끓는점(NBP), 안전등급(Safety group), 오존파괴지수(ODP) 및 지구온난화지수(GWP)를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 13은 혼합 냉매들의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 시뮬레이션한 그래프들이다.
도 14 내지 내지 도 19는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은 끓는점이 설정값 이상의 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 혼합 냉매를 이용하여, 액화천연가스의 기화 효율을 높일 수 있다. 상기 설정값은 혼합 냉매의 상변화 시 혼합 냉매의 온도가 점점 올라가면서 기화될 수 있도록 설정될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템(100)은 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스를 재기화하여 천연가스(NG; Natural Gas), 석유가스(Petroleum Gas) 등의 연료가스를 수요처로 공급하기 위해 제공될 수 있다.

일 실시예로, 액화가스 재기화 시스템(100)은 액화가스 이송라인(110), 열매체 순환라인(120), 펌프(130), 증발기(140), 압력조절밸브(150), 기화기(160) 및 팽창 탱크(170)를 포함하여 구성될 수 있다.

액화가스 이송라인(110)은 액화가스 저장탱크로부터 액화가스를 공급받고, 공급된 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위해 제공될 수 있다. 액화가스 이송라인(110)에는 액화가스의 흐름을 기준으로 기화기(160)의 상류 측에 액화가스를 고압 송출하기 위한 액화가스 펌프(112)가 구비되고, 기화기(160)의 하류 측에 기화된 액화가스(예를 들어, 천연가스 또는 석유가스)의 송출 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(114)가 구비될 수 있다.

열매체 순환라인(120)은 열원으로부터 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공될 수 있다. 열매체 순환라인(120)에는 2성분 이상의 비가연성 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환될 수 있다.

혼합 냉매는 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들을 포함할 수 있으며, 설정값은 혼합 냉매의 액체에서 기체로의 상변화시 혼합 냉매의 온도가 증가되도록 설정되는 값일 수 있다.

펌프(130)는 열매체 순환라인(120)에서 증발기(140)의 전단, 기화기(160)의 후단에 설치되고, 팽창 탱크(170)에 저장된 액체 상태의 혼합 냉매를 열매체 순환라인(120)을 통해 가압하여 증발기(140)로 공급하도록 구성될 수 있다.

증발기(140)는 열매체 순환라인(120)에 설치되고, 열원과의 열교환에 의해 혼합 냉매를 기화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 열원으로는 해수가 사용될 수 있다.

압력조절밸브(150)는 열매체 순환라인(120)에 설치되고, 기화기(160)로 공급되는 혼합 냉매의 압력(유량)을 조절하도록 제공될 수 있다.

기화기(160)는 열매체 순환라인(120)에 설치되고, 증발기(140)에 의해 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 액화가스 이송라인(110)의 액화가스를 재기화시킬 수 있다.

팽창 탱크(expansion tank)(170)는 열매체 순환라인(120)에 설치되고, 기화기(160)에서 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장한다. 팽창 탱크(170)는 운전 조건에 따른 혼합 냉매의 압력 변화를 흡수하고, 팽창 탱크(170)로 회수되는 혼합 냉매가 설정된 온도 범위를 유지하여 정해진 압력 범위에서 운전될 수 있도록 한다. 팽창 탱크(170)에는 2종 이상의 액화 냉매들이 저장될 수 있다. 기화기(160)로부터 팽창 탱크(170)로 회수되는 혼합 냉매의 유량은 유량조절밸브(172)에 의해 조절될 수 있다.

본 실시예에 의하면, 혼합 냉매는 끓는점 차이가 설정값 이상인 냉매들을 포함하므로, 혼합 냉매가 증발기(140)에서 상변화되는 동안 혼합 냉매의 온도가 점점 올라가면서 기화된다.

따라서, 천연가스와 혼합 냉매 간에 최소 온도차가 확보되는 조건을 만족시키는 재기화 시스템을 구현할 수 있으며, 트림 히터(trim heater)를 설치할 필요가 없이, 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 충분히 활용하여 액화가스를 효율적으로 기화시킬 수 있다.

또한, 해수와 같이 상대적으로 열원의 온도가 낮은 경우에도 혼합 냉매의 잠열을 이용해 액화가스에 효율적인 열전달이 가능하며, 액화가스 재기화 시스템을 단순화하고 운전 효율을 증대시킬 수 있으며, 혼합 냉매를 비가연성 냉매들로 구성하여 재기화 시스템의 안전성을 높일 수 있다.

본 실시예에 의하면, 트림 히터를 설치할 필요가 없어 시스템을 간소화 할 수 있고, 2단계의 열교환을 거치지 않고 단일 열교환 프로세스에 의해 액화가스를 재기화시킬 수 있으며, 혼합 냉매의 순환 유량을 줄여 펌프에 필요한 에너지 및 배관 사이즈를 줄일 수 있어, 시스템 설비 비용과, 공정/운용 비용을 줄일 수 있다.

종래의 액화가스 재기화 시스템은 재기화기(Vaporizer)와 트림 히터(Trimheater)으로 운용되고, 트림 히터에서 냉매를 액체 상태로 운전하기 위해 냉매에 기화가 일어나지 않도록 높은 압력에서 운전해야 하는 관계로 재기화기와 트림 히터 간에 냉매의 운전 압력에 차이가 크다.

그러나, 본 실시예에 의하면, 순환 루프 내의 압력 차이가 작고 냉매가 단일 열교환 루프만을 순환하기 때문에 순환에 소비되는 압력과 수두 손실만큼 가압을 해주기만 하면 되어 액화가스 재기화를 위한 에너지 소비를 줄일 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 2 및 도 3의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소와 중복되는 설명은 생략될 수 있다. 도 2의 실시예는 팽창 탱크(170)로 회수되는 혼합 냉매의 온도를 측정하는 온도측정부(180)를 더 포함하고, 압력조절밸브(150)는 팽창 탱크(170)로 회수되는 혼합 냉매가 설정된 온도 범위를 유지하도록 개폐 또는 개도가 제어되는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.

도 3의 실시예는 냉매 충전라인(190), 온도측정기(200) 및 압력측정기(210)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 온도측정기(200)와 압력측정기(210)는 팽창 탱크(170) 내의 혼합 냉매의 온도와 압력, 또는 팽창 탱크(170)로부터 공급되는 혼합 냉매의 온도와 압력을 측정할 수 있다.

냉매 충전라인(190)은 2성분 이상의 냉매를 팽창 탱크(170)로 공급하고, 혼합 냉매의 운전 온도 및 압력이 설정 범위에서 벗어나는 경우, 2성분 이상의 냉매의 조성을 조절할 수 있다.

일 실시예로, 냉매 충전라인(190)은 제1 냉매 공급부(192), 제2 냉매 공급부(194) 및 제어기(196)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 냉매 공급부(192)는 제1 냉매를 팽창 탱크(170)로 공급한다. 제2 냉매 공급부(194)는 제2 냉매를 팽창 탱크(170)로 공급한다. 제1 냉매 공급부(192)와 제2 냉매 공급부(194)는 각각 냉매를 저장하는 탱크와, 탱크로부터 팽창 탱크(170)로 공급되는 냉매의 양을 조절하는 밸브로 구성될 수 있다.

제어기(196)는 온도측정기(200)와 압력측정기(210)의 측정값을 기반으로 제1 냉매 공급부(192)와 제2 냉매 공급부(194)를 제어할 수 있다. 일 실시예로, 제어기(196)는 혼합 냉매의 온도, 압력 등의 다양한 공정 상황에 따라 재기화 효율이 극대화되는 최적 냉매 혼합 비율 정보를 미리 저장해두어, 혼합 냉매의 공정 상황에 따라 최적 냉매 혼합 비율이 되도록 냉매들을 팽창 탱크(170)에 공급하도록 제1 냉매 공급부(192)와 제2 냉매 공급부(194)를 제어할 수 있다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 혼합 냉매의 온도와 압력을 일정하게 유지함으로써, 혼합 냉매의 기화 온도가 변화됨으로 인해 열교환 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 혼합 냉매의 압력이 높아질 경우, 기화온도가 올라가고 압력이 낮아지면 기화온도가 내려가게 되고, 최초의 설계값 대비 차이가 발생하는 경우 열교환 효율이 떨어지게 된다. 본 실시예에 의하면, 혼합 냉매의 온도와 압력 변화가 방지되도록 혼합 냉매의 조성 비율을 실시간 적응적으로 조절해줌으로써, 온도, 압력 등의 변화로 인한 열교환 효율 저하를 방지할 수 있다.

혼합 냉매의 혼합 비율에 따라 액화가스의 기화 흐름에 대한 온도의 변화 기울기가 변화한다. 혼합 냉매의 기울기 변화는 유량 변화와도 밀접한 관계가 있으며, 운전 효율에 영향을 미친다. 극단적인 경우에는 열교환기 성능의 한계에 의해 공정이 정상작동하지 않거나 액화가스 재기화 시스템이 실현 불가능한 영역에 들어갈 수도 있다.

따라서, 제어기는 혼합 냉매의 혼합 비율에 따른 혼합 냉매의 온도 기울기 변화를 사전에 시뮬레이션하여, 시뮬레이션 결과를 기반으로 재기화 시스템에 고장이 발생하거나, 재기화 불능 상태로 진입할 가능성이 있는 것으로 판단되는 경우, 혼합 냉매의 혼합 비율을 제한 범위 내에 유지하거나, 혼합 냉매의 유량을 조절하는 등의 제어를 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은 혼합 냉매의 냉매들을 선택하는 제어부(도시생략)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 복수개의 냉매를 끓는점에 따라 복수개의 냉매 그룹으로 분류하고, 복수개의 냉매 그룹 중 상이한 냉매 그룹들로부터 혼합 냉매의 냉매들을 선택할 수 있다. 실시예에서, 제어부는 냉매 그룹들 간에 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지도록, 복수개의 냉매를 복수개의 냉매 그룹으로 분류할 수 있다. 제어부는 3종 이상의 냉매들 중 상기 상변화 과정에서 혼합 냉매의 온도가 상승되는 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 가지도록 상기 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 2성분 이상의 냉매들을 선택할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 냉매들을 끓는점에 따라 복수개의 냉매 그룹으로 분류한 것을 보여주는 예시도이다. 도 5는 냉매의 안전등급을 보여주는 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 복수개의 냉매 그룹별로 복수개의 냉매들의 끓는점을 나타낸 그래프이다.

도 4에서 'MW'는 냉매의 분자량(Molecular Weight), 'NBP'는 냉매의 끓는점(Normal Boiling Point), 'Safety group'은 냉매의 안전등급, 'ODP'는 냉매의 오존파괴지수(Ozone Depletion Potential), 'GWP'는 냉매의 지구온난화지수(Global Warming Potential)이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 냉매는 독성(Toxicity)과 가연성(Flammability)에 따라 안전등급이 분류된다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 제어부는 복수개의 냉매를 끓는점 순으로 제1 냉매 그룹(Group 1), 제2 냉매 그룹(Group 2) 및 제3 냉매 그룹(Group 3)으로 분류하고, 제1 냉매 그룹(Group 1), 제2 냉매 그룹(Group 2) 및 제3 냉매 그룹(Group 3) 중 적어도 2개의 냉매 그룹으로부터 혼합 냉매의 냉매들을 선택할 수 있다.

제1 냉매 그룹(Group 1)은 끓는점이 -75℃ 이하인 제1 냉매들을 포함할 수 있다. 제2 냉매 그룹(Group 2)은 끓는점이 -55℃ 이상, -30℃ 미만인 제2 냉매들을 포함할 수 있다. 제3 냉매 그룹(Group 3)은 제2 냉매 그룹 보다 끓는점이 높은 제3 냉매들을 포함할 수 있다. 다만, 혼합 냉매는 상이한 그룹들에 속하는 냉매들의 조합으로 국한되지 않으며, 동일한 그룹에 속하더라도 설정값 이상의 끓는점 차이를 가져서 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 얻을 수 있는 냉매들의 조합도 가능하다.

실시예에서, 제어부는 복수개의 냉매들 중 안전등급(Safety group)이 B1~B3 또는 A3인 냉매들을 제외하고, 안전등급이 A1 또는 A2L인 냉매들 중에서 혼합 냉매를 선택할 수 있다. 즉, 낮은 독성 및 낮은 가연성을 가지는 안전등급을 가지는 냉매들만을 고려하여 혼합 냉매를 조성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 냉매들을 예시한 도면이다. 도 7에서 'R1', 'R2'는 혼합 냉매의 냉매들이고, 'Mass fraction'은 혼합 냉매의 냉매들(R1, R2)의 조성비이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8에서 가로축은 유체들의 열 흐름량을 나타내고, 세로축은 유체들의 온도를 나타낸다. 'SW'로 표기된 선은 해수의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프, 'LNG'로 표기된 선은 액화천연가스의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프이다.

본 실시예에 의하면, 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지도록 상이한 냉매 그룹들에서 선택되는 냉매들이 혼합 냉매로 이용되어, 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프에서, 액체 상태에서 기화되는 상 변화 시에 온도가 증가하는 온도 상승(temperature gliding) 구간(A)이 나타나고, 이에 따라 액화천연가스의 온도 대비 최소 온도차(△T) 조건을 만족시키며 열교환할 수 있게 된다.

단일 냉매의 경우, 상변화가 일어나는 동안 온도가 일정하거나 온도가 감소하지만, 끓는 점이 설정값 이상의 차이를 가지는 냉매들을 혼합하면 상변화가 일어나는 동안 온도가 변하는 온도 상승(Temperature Gliding) 효과가 나타난다. 따라서, 잠열의 사용이 가능해져 시스템에 필요한 냉매의 양을 줄일 수 있으며, 하나의 기화기로도 액화가스를 기화시킬 수 있어 시스템 구성이 간단해진다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 냉매 순환 펌프의 소모 전력을 혼합 냉매 별로 나타낸 그래프이다. 도 9의 도시로부터 알 수 있듯이, 글리콜워터(Glycol-water) 또는 프로판(Propane C)을 냉매로 이용한 경우와 비교하여, 본 발명의 실시예에 따라 끓는점 차이가 설정 범위를 만족하는 냉매들로 혼합 냉매를 조성한 경우, 펌프의 소모 전력을 크게 줄일 수 있다.

본 실시예에서, 제어부는 냉매들의 조성비에 따라 혼합 냉매의 오존파괴지수(ODP) 및 지구온난화지수(GWP)를 산출하고, ODP 및 GWP가 설정 조건을 만족하도록 냉매 충전 라인(190)을 제어할 수 있다.

ODP는 CFC-11의 오존층 파괴 영향을 1로 하였을 때 오존층 파괴에 영향을 미치는 물질의 상대적 영향을 나타내는 값이다. GWP는 이산화탄소(CO₂)의 지구 온난화 영향을 1로 하였을 때 지구온난화에 영향을 미치는 물질의 상대적 영향을 나타내는 값이다.

도 10은 다수의 냉매들의 끓는점(NBP), 안전등급(Safety group), 오존파괴지수(ODP) 및 지구온난화지수(GWP)를 나타낸 도면이다. R600a는 단독으로는 A3의 안전등급을 가지지만, 다른 냉매와 혼합할 경우 A1 등급의 혼합 냉매를 만들 수 있다. 실시예에서, 제어부는 혼합 냉매(냉매들)의 ODP가 0이고, GWP가 2500 미만인 설정 조건을 만족시키도록 냉매들을 팽창 탱크(170)로 공급할 수 있다.

도 11 내지 도 13은 혼합 냉매들의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 시뮬레이션한 그래프들이다. 도 11은 R227ea 및 R32가 0.5:0.5 비율로 혼합된 혼합 냉매를 사용한 시뮬레이션 결과이고, 도 12는 R1234ze(E) 및 R32가 0.5:0.5 비율로 혼합된 혼합 냉매를 사용한 시뮬레이션 결과이고, 도 13은 R1234yf, R32 및 R744가 0.73:0.23:0.04 비율로 혼합된 혼합 냉매를 사용한 시뮬레이션 결과이다.

도 11, 도 12 및 도 13에서, GWP/ODP는 각각 2014/0, 339/0, 159/0 이다. 혼합 냉매의 GWP, ODP는 각 냉매들의 GWP/ODP에 냉매들의 조성비를 가중치로 반영하여 합한 값이다.

만약, 액화가스 재기화 시스템의 공정 조건들에 따라 제어기에 의해 산출되는 냉매들의 조성비가 ODP/GWP 조건을 만족하지 않는 경우, 제어부는 ODP/GWP 조건을 만족하도록 혼합 냉매의 냉매들의 조성비를 변경하도록 제어기에 지령할 수 있다. 따라서, 끓는점 차이에 의한 상변화 온도 상승(Temperature Gliding) 효과를 이용하는 동시에, 환경 규제 조건 또한 만족하는 혼합 냉매의 조성비를 결정하여 액화가스의 재기화 공정에 사용할 수 있다.

도 14 내지 도 19는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 14 내지 도 19의 실시예들을 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예들과 동일하거나 상응하는 구성요소와 중복되는 설명은 생략될 수 있다.

도 14의 실시예는 바이패스라인(220)과 유량조절밸브(230) 및 온도센서(240)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 바이패스라인(220)은 기화기(160)에 의해 기화된 가스의 온도를 제어하기 위해 열매체 순환라인(120)에 증발기(140)를 우회하도록 설치될 수 있다. 유량조절밸브(230)는 바이패스라인(220)에 설치되며, 기화기(160)에 의해 기화된 가스의 온도에 따라 증발기(140)를 우회하는 혼합 냉매의 유량을 조절할 수 있다.

온도센서(240)는 기화기(160)에 의해 기화된 가스의 온도를 측정할 수 있다. 일 실시예로, 기화기(160)에 의해 기화된 가스의 온도가 설정 범위를 초과하는 경우, 혼합 냉매가 증발기(140)를 우회하는 유량이 증가하도록 유량조절밸브(230)의 개도를 증가시킬 수 있다. 반대로, 기화기(160)에 의해 기화된 가스의 온도가 설정 범위에 미달하는 경우, 혼합 냉매가 증발기(140)를 우회하는 유량을 감소시키도록 유량조절밸브(230)의 개도를 감소시킬 수 있다.

도 15의 실시예는 인라인 믹서(inline mixer)(250)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 인라인 믹서(250)는 바이패스라인(220)을 통해 증발기(140)를 우회한 액체 상태의 혼합 냉매와 증발기(140)에서 기화된 혼합 냉매를 혼합하여 기화기(160)로 공급할 수 있다.

도 16의 실시예는 기화기(160)에 의해 기화된 가스의 온도가 설정된 온도 범위를 유지하도록 압력조절밸브(150)가 제어되도록 구성되는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다.

도 17의 실시예는 보조히터(260)를 더 포함하여 구성되는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 보조히터(260)는 열매체 순환라인(120)에서 증발기(140)의 후단에 설치되고, 증발기(140)의 열원이 부족한 경우 열량을 보충할 수 있다.

도 18의 실시예는 우회라인(270)과 밸브(280)를 더 포함하여 구성되는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 우회라인(270)은 열매체 순환라인(120)에 보조히터(260)를 바이패스하도록 설된다. 밸브(280)는 우회라인(270)에 설치되어 개폐량에 따라 기화기(160)로 공급되는 혼합 냉매의 가열 온도를 조절할 수 있다.

도 19의 실시예는 기액 분리기(290)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예들과 차이가 있다. 기액 분리기(290)는 열매체 순환라인(120)에서 증발기(140)의 후단에 설치되고, 증발기(140)의 후단에서 혼합 냉매를 액체와 기체로 상분리한다. 기액 분리기(290)는 증발기(140)에 의해 기화되지 않은 액상의 혼합 냉매는 제1 공급라인(292)을 통해 보조 히터(260)로 공급하고, 증발기(140)에서 기화된 혼합 냉매는 제2 공급라인(294)을 통해 보조히터(260)를 우회하여 기화기(160)로 공급되도록 한다.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

100: 액화가스 재기화 시스템 110: 액화가스 이송라인
112: 액화가스 펌프 114: 유량조절밸브
120: 열매체 순환라인 130: 펌프
140: 증발기 150: 압력조절밸브
160: 기화기 170: 팽창 탱크
180: 온도측정부 190: 냉매 충전라인
192: 제1 냉매 공급부 194: 제2 냉매 공급부
196: 제어기 200: 온도측정기
210: 압력측정기 220: 바이패스라인
230: 유량조절밸브 240: 온도센서
250: 인라인 믹서 260: 보조히터
270: 우회라인 280: 밸브
290: 기액 분리기 292: 제1 공급라인
294: 제2 공급라인

Claims

액화가스를 재기화하는 액화가스 재기화 시스템에 있어서,
상기 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위한 액화가스 이송라인;
열원으로부터 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되는 열매체 순환라인;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 혼합 냉매를 상기 열매체 순환라인에서 순환시키는 펌프;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 혼합 냉매를 기화시키는 증발기;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 상기 혼합 냉매와의 열교환에 의해 상기 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기; 및
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 상기 혼합 냉매의 압력 변화를 흡수하는 팽창 탱크를 포함하고,
상기 냉매들은, 상기 혼합 냉매가 상기 열원에 의해 기화되는 상변화 과정에서 온도가 상승되도록 설정되는 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 액화가스 재기화 시스템.
제1항에 있어서,
복수개의 냉매를 끓는점에 따라 복수개의 냉매 그룹으로 분류하고, 상기 복수개의 냉매 그룹 중 상이한 냉매 그룹들로부터 상기 냉매들을 선택하는 제어부를 더 포함하는 액화가스 재기화 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 냉매 그룹은 상기 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 액화가스 재기화 시스템.
제2항에 있어서,
상기 냉매들을 상기 팽창 탱크로 공급하고, 상기 혼합 냉매의 운전 온도 및 압력이 설정 범위에서 벗어나는 경우, 상기 냉매들의 조성비를 조절하는 냉매 충전라인을 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 냉매들의 조성비에 따라 상기 혼합 냉매의 오존파괴지수 및 지구온난화지수를 산출하고, 상기 오존파괴지수 및 상기 지구온난화지수가 설정 조건을 만족하도록 상기 냉매 충전 라인을 제어하는 액화가스 재기화 시스템.
제4항에 있어서,
상기 냉매들은 상기 혼합 냉매의 오존파괴지수가 0이고, 지구온난화지수가 2500 미만인 설정 조건을 만족시키도록 상기 팽창 탱크로 공급되는 액화가스 재기화 시스템.
제2항에 있어서,
상기 복수개의 냉매 그룹은, 끓는점이 -75℃ 이하인 제1 냉매들을 포함하는 제1 냉매 그룹과, 끓는점이 -55℃ 이상인 제2 냉매들을 포함하는 제2 냉매 그룹을 포함하는 액화가스 재기화 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 냉매 그룹은 상기 제2 냉매들의 끓는점이 -30℃ 미만이고,
상기 복수개의 냉매 그룹은, 상기 제2 냉매 그룹 보다 끓는점이 높은 제3 냉매들을 포함하는 제3 냉매 그룹을 더 포함하고,
상기 냉매들은 상기 제1 냉매 그룹, 상기 제2 냉매 그룹 및 상기 제3 냉매 그룹 중 적어도 2개의 냉매 그룹으로부터 선택되는 액화가스 재기화 시스템.
제1항에 있어서,
3종 이상의 냉매들 중 상기 상변화 과정에서 상기 혼합 냉매의 온도가 상승되는 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 가지도록 상기 설정값 이상의 끓는점 차이를 가지는 상기 2성분 이상의 냉매들을 선택하는 제어부를 더 포함하는 액화가스 재기화 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 혼합 냉매가 상기 액화가스 보다 설정된 최소 온도차 이상 높은 온도를 가지도록, 상기 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프는 상기 혼합 냉매의 상변화 구간에 상기 혼합 냉매의 온도가 상승되는 온도 상승 구간을 포함하는 액화가스 재기화 시스템.