KR20200065138A

KR20200065138A - 증발가스 재액화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20200065138A
Application number: KR1020180150667A
Authority: KR
Inventors: 황순규; 신현준
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-09

Abstract

증발가스 재액화 시스템이 개시된다.
상기 증발가스 재액화 시스템은, 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 재액화시키는 재액화시스템; 및 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는 유체가 순환되는 순환사이클;을 포함하고, 상기 순환사이클은, 급유 윤활 방식의 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 1차 냉각된 유체에 포함된 안개 또는 고체 상태의 윤활유를 걸러내는 흡입파이프; 및 상기 흡입파이프를 통과한 유체를 2차 냉각시키는 팽창기;를 포함하고, 상기 제2 열교환기는 세 유로를 포함하여, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체와, 상기 팽창기에 의해 냉각된 유체와, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 유체가 상기 제2 열교환기에서 열교환된다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 방법{System amd Method for Re-liquefying Boil-Off Gas}

본 발명은, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 재액화시키는 시스템 및 방법을 개량한 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 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.

한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DFDE, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.

DFDE은, 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.

본 발명은 증발가스에 섞인 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 장비가 손상되는 경우를 방지하는, 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 재액화시키는 재액화시스템; 및 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는 유체가 순환되는 순환사이클;을 포함하고, 상기 순환사이클은, 급유 윤활 방식의 제2 압축기; 상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 1차 냉각된 유체에 포함된 안개 또는 고체 상태의 윤활유를 걸러내는 흡입파이프; 및 상기 흡입파이프를 통과한 유체를 2차 냉각시키는 팽창기;를 포함하고, 상기 제2 열교환기는 세 유로를 포함하여, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체와, 상기 팽창기에 의해 냉각된 유체와, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 유체가 상기 제2 열교환기에서 열교환되는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 상기 제1 압축기에 의해 압축된 후 엔진의 연료로 공급될 수 있고, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있다.

상기 엔진은 150 bar보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용할 수 있고, 상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 후 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 제3 압축기에 의해 추가로 압축된 후 상기 제1 열교환기로 보내질 수 있다.

상기 재액화시스템은, 상기 제1 압축기에 의한 압축 과정과 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기의 냉각 과정을 거친 후, 상기 재액화시스템으로 보내진 유체를 감압시켜 전부 또는 일부를 재액화시킬 수 있다.

상기 재액화시스템은 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 포함할 수 있다.

상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 제1 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.

상기 제1 열교환기의 냉매로 사용된 증발가스가 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 상기 제1 압축기로 보내지고 나머지 흐름은 상기 제2 압축기로 보내질 수 있으며, 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 제2 압축기로 보내진 흐름이 상기 순환사이클을 순환할 수 있다.

상기 순환사이클은 폐루프일 수 있다.

상기 순환사이클은 제4 압축기를 더 포함할 수 있고, 상기 팽창기에 의해 팽창된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 상기 제4 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 압축기로 보내질 수 있다.

상기 제4 압축기와 상기 팽창기는 컴팬더(Compander)를 구성할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스를 제1 열교환기로 보내, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환시켜 냉각시키고, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기로 보내, 순환사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환시켜 냉각시킨 후 재액화시키고, 상기 순환사이클을 순환하는 유체에 포함된 안개 또는 고체 상태의 윤활유를 흡입파이프에 의해 걸러내는 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 순환사이클을 순환하는 유체에 포함된 안개 또는 고체 상태의 윤활유를 흡입파이프에 의해 걸러내므로, 팽창기의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 제1 열교환기(110), 제1 압축기(210), 제2 열교환기(120), 재액화시스템(R), 순환사이클(C)을 포함한다. 또한, 순환사이클(C)은, 제2 압축기(220), 흡입파이프(300) 및 팽창기(400)를 포함한다.

제1 열교환기(110)는, 제1 압축기(210)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용되는 증발가스는 저장탱크로부터 배출된 증발가스일 수 있고, 제1 열교환기(110)에서 냉매로 사용된 증발가스는 제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 엔진(E)의 연료로 공급된다. 또한, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스 중 엔진(E)의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스는, 제1 열교환기(110)로 보내져, 제1 압축기(210)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환되어 냉각된다.

엔진(E)은 선박 추진용 엔진일 수 있고, X-DF 엔진 또는 ME-GI 엔진일 수 있다. 엔진(E)이 ME-GI 엔진인 경우에는, 제1 압축기(210)에 의해 엔진(E)의 요구 압력인 대략 300 bar로 압축된 증발가스를 추가로 압축시킬 필요 없이, 바로 제1 열교환기(110)로 보내도 충분한 재액화 효율 및 재액화량이 확보되나, 엔진(E)이 X-DF 엔진인 경우에는, 제1 압축기(210)에 의해 엔진(E)의 요구 압력인 대략 16 bar로 압축된 증발가스를 바로 제1 열교환기(110)로 보내면, 충분한 재액화 효율 및 재액화량을 확보할 수 없다.

따라서, 엔진(E)이 X-DF 엔진 등 대략 150 bar보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하는 엔진인 경우에는, 제1 압축기(210)에 의해 압축된 증발가스는 제3 압축기(230)에 의해 추가로 압축된 후에 제1 열교환기(110)로 보내지는 것이 바람직하다. 제3 압축기(230)는 증발가스를 대략 150 bar로 압축시킬 수 있다.

제1 압축기(210)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스(제1 압축기(210) 및 제3 압축기(230)에 의해 압축된 후 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 증발가스를 포함한다.)는, 제2 열교환기(120)에 의해 추가로 냉각(도 1에서 가장 위 유로)된 후 재액화시스템(R)으로 보내진다.

재액화시스템(R)은, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화 시키는 방식의 시스템일 수 있으며, 보다 구체적으로 재액화시스템(R)은, 제1 압축기에(210) 의한 압축 과정(제1 압축기(210) 및 제3 압축기(230)에 의한 압축 과정을 포함한다.)과, 제1 열교환기(110) 및 제2 열교환기(120)의 냉각 과정을 거친 후 재액화시스템(R)으로 보내진 유체를 감압시켜 전부 또는 일부를 재액화시킬 수 있다.

또한, 재액화시스템(R)은 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아 있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 포함할 수 있으며, 기액분리기에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크로 보내질 수 있고, 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 제1 열교환기(110)의 냉매로 사용될 수 있다.

제2 열교환기(120)는, 순환사이클(C)을 순환하는 유체를 냉매로 사용하여, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체를 추가로 열교환시켜 냉각시킨다.

순환사이클(C)을 순환하는 유체는, 저장탱크로부터 배출된 증발가스일 수 있다. 또한, 제1 열교환기(110)의 냉매로 사용된 증발가스가 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 제1 압축기(210)로 보내지고 나머지 흐름은 제2 압축기(220)로 보내지며, 제1 열교환기(110)의 냉매로 사용된 후 제2 압축기(220)로 보내진 흐름이 순환사이클(C)을 순환하며 냉매로 사용될 수 있다.

도 1에는 순환사이클(C)이 폐루프로 구성된 것이 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 순환사이클(C)을 개루프로 구성할 수도 있다. 이하, 순환사이클(C)이 폐루프로 구성되는 경우를 설명한다.

제2 열교환기(120)는 세 유로를 포함하며, 순환사이클(C)을 순환하는 증발가스는, 제2 압축기(220)에 의한 압축 과정, 제2 열교환기(120)에 의한 1차 냉각 과정(도 1에서 가장 아래 유로) 및 팽창기(400)에 의한 2차 냉각 과정(유체가 팽창기(400)에 의해 팽창되며 온도도 낮아지게 된다.)을 거친 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용(도 1에서 중간 유로)되게 된다. 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 증발가스는 다시 제2 압축기(220)로 보내져 폐루프를 순환하게 된다.

즉, 제1 열교환기(110)에 의해 냉각된 유체(도 1의 가장 위 유로)와, 팽창기(400)에 의해 냉각된 유체(도 1의 가운데 유로)와, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 유체(도 1의 가장 아래 유로)가 제2 열교환기(120)에서 열교환된다.

그런데, 급유 윤활 방식의 제2 압축기(220)에 의해 증발가스가 압축되면서 증발가스에 섞인 윤활유가, 제2 열교환기(120)에 의한 1차 냉각 과정을 거치며 응축 또는 응고되어, 안개(Mist) 또는 고체(Icing) 상태가 될 수 있다.

증발가스에 섞인 안개(특히 10㎛ 이상) 또는 고체 상태의 윤활유가 팽창기(400)로 유입되면, 팽창기(400)의 임펠러(Impeller)가 손상되거나, 수명이 짧아질 수 있다.

본 발명은, 제2 열교환기(120)와 팽창기(400) 사이에 흡입파이프(300)를 설치하여, 제2 압축기(220)에 의해 압축된 후 제2 열교환기(120)에 의한 1차 냉각 과정을 거친 증발가스가, 흡입파이프(300)를 통과한 후에 팽창기(400)로 보내지도록 한다.

또한, 흡입파이프(300) 내부에는 데미스터(Demister) 등 액적 제거 장치를 설치하여, 안개 또는 고체 상태의 윤활유가 흡입파이프(300)를 통과하며 걸러질 수 있도록 한다.

안개 또는 고체 상태의 윤활유가 흡입파이프(300) 내부의 액적 제거 장치를 통과하면, 고체 상태의 윤활유는 대부분 걸러지게 되고, 안개 상태의 윤활유도 일정값(대략 10㎛) 이하의 크기로 바뀌면서 팽창기(400)의 손상을 방지할 수 있다.

순환사이클(C)은 제4 압축기(240)를 더 포함할 수 있는데, 순환사이클(C)이 제4 압축기(240)를 더 포함하는 경우, 팽창기(400)에 의해 팽창된 후 제2 열교환기(120)에서 냉매로 사용된 증발가스는 제4 압축기(240)에 의해 압축된 후에 제2 압축기(220)로 보내진다. 또한, 제4 압축기(240)와 팽창기(400)는 컴팬더(Compander)를 구성할 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.

E : 엔진 R : 재액화시스템
C : 순환사이클 110 : 제1 열교환기
120 : 제2 열교환기 210 : 제1 압축기
220 : 제2 압축기 230 : 제3 압축기
240 : 제4 압축기 300 : 흡입파이프
400 : 팽창기

Claims

증발가스를 압축시키는 제1 압축기;
상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 추가로 열교환시켜 냉각시키는 제2 열교환기;
상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 유체를 재액화시키는 재액화시스템; 및
상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용되는 유체가 순환되는 순환사이클;을 포함하고,
상기 순환사이클은,
급유 윤활 방식의 제2 압축기;
상기 제2 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 열교환기에서 1차 냉각된 유체에 포함된 안개 또는 고체 상태의 윤활유를 걸러내는 흡입파이프; 및
상기 흡입파이프를 통과한 유체를 2차 냉각시키는 팽창기;를 포함하고,
상기 제2 열교환기는 세 유로를 포함하여, 상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체와, 상기 팽창기에 의해 냉각된 유체와, 상기 제2 압축기에 의해 압축된 유체가 상기 제2 열교환기에서 열교환되는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 상기 제1 압축기에 의해 압축된 후 엔진의 연료로 공급되고,
상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스가 상기 제1 열교환기로 보내지는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 엔진은 150 bar보다 낮은 압력의 증발가스를 연료로 사용하고,
상기 제1 열교환기에서 냉매로 사용된 후 상기 제1 압축기에 의해 압축된 증발가스는, 제3 압축기에 의해 추가로 압축된 후 상기 제1 열교환기로 보내지는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재액화시스템은, 상기 제1 압축기에 의한 압축 과정과 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기의 냉각 과정을 거친 후, 상기 재액화시스템으로 보내진 유체를 감압시켜 전부 또는 일부를 재액화시키는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 재액화시스템은 재액화된 액화가스와 기체상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기를 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 5에 있어서,
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 제1 열교환기의 냉매로 사용되는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 열교환기의 냉매로 사용된 증발가스가 두 흐름으로 분기되어, 한 흐름은 상기 제1 압축기로 보내지고 나머지 흐름은 상기 제2 압축기로 보내지며, 상기 제1 열교환기의 냉매로 사용된 후 상기 제2 압축기로 보내진 흐름이 상기 순환사이클을 순환하는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 순환사이클은 폐루프인, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 순환사이클은 제4 압축기를 더 포함하고,
상기 팽창기에 의해 팽창된 후 상기 제2 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 상기 제4 압축기에 의해 압축된 후 상기 제2 압축기로 보내지는, 증발가스 재액화 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 제4 압축기와 상기 팽창기는 컴팬더(Compander)를 구성하는, 증발가스 재액화 시스템.
제1 압축기에 의해 압축된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고,
상기 엔진의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스를 제1 열교환기로 보내, 상기 제1 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환시켜 냉각시키고,
상기 제1 열교환기에 의해 냉각된 유체를 제2 열교환기로 보내, 순환사이클을 순환하는 증발가스를 냉매로 사용하여 열교환시켜 냉각시킨 후 재액화시키고,
상기 순환사이클을 순환하는 유체에 포함된 안개 또는 고체 상태의 윤활유를 흡입파이프에 의해 걸러내는 것을 특징으로 하는, 증발가스 재액화 방법.