KR20200117079A - 냉각시스템 - Google Patents

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Abstract

선박 등에 적용 가능한 냉각시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 냉각시스템은 기체상태의 냉매를 가압하는 제1압축기와, 제1압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각하는 제1냉각기와, 제1냉각기에 의해 냉각된 냉매를 기체성분의 제1냉매흐름과 액체성분의 제2냉매흐름으로 분리하는 제1기액분리기와, 제1냉매흐름을 가압하는 제2압축기와, 제2압축기에 의해 가압된 제1냉매흐름을 냉각하는 제2냉각기와, 제2냉각기에 의해 냉각된 제1냉매흐름을 기체성분의 제3냉매흐름과 액체성분의 제4냉매흐름으로 분리하는 제2기액분리기와, 제4냉매흐름을 감압하는 제1 팽창수단과, 제1팽창수단에 의해 감압된 제4냉매흐름을 기체성분의 제5냉매흐름과 액체성분의 제6냉매흐름으로 분리하는 이코노마이저 및 이코노마이저에 의해 분리된 제5냉매흐름을 제1기액분리기로 공급하는 제1순환라인을 포함하고, 상술한 냉매는 혼합냉매인 냉매순환부를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 냉각시스템은 냉각대상물을 공급받아 과냉시키는 냉각라인; 및 냉각라인과 냉매순환부 사이에 마련되어 냉각대상물과 냉매를 열교환시키는 열교환기;를 더 포함하고, 열교환기는 냉각대상물을 과냉시키는 제1열교환부와, 제2기액분리기의 후단과 제2팽창수단 전단 사이에 마련되어 제3냉매흐름을 냉각하는 제2열교환부와, 제2팽창수단 후단에 마련되어 제2팽창수단에 의해 감압된 제3냉매흐름의 냉열을 전달하는 제3열교환부와, 제3팽창수단에 의해 감압된 제6냉매흐름을 예냉시키는 제4열교환부와, 제3열교환부를 통과한 제3냉매흐름과 제4열교환부를 통과한 제6냉매흐름은 제7냉매흐름으로 합류하고 제7냉매흐름을 상기 냉각대상물과 열교환시키는 제5열교환부를 포함하여 제공될 수 있다.

Description

냉각시스템{Liquefaction system}
본 발명은 냉각시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화공정의 전체 효율을 개선시킬 수 있는 냉각시스템에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
천연가스(Natural Gas)는 통상적으로 저장 및 수송의 용이성을 위해, 천연가스를 약 섭씨 -162도로 냉각해 그 부피를 1/600로 줄인 무색 투명한 초저온 액체인 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)로 상 변화하여 관리 및 운용을 수행하고 있다.
이러한 액화천연가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송된다. 그러나 액화천연가스를 완전히 단열시켜 수용하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 외부의 열이 저장탱크의 내부로 지속적으로 전달되어 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 냉각대상물이 저장탱크의 내부에 축적되게 된다. 냉각대상물은 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 냉각대상물을 처리 및 제거할 필요가 있다.
이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 냉각대상물을 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 냉각대상물을 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하므로 냉각대상물을 액화천연가스와 함께 또는 각각 선박의 엔진에 연료가스로 공급하거나, 냉동 사이클 등으로 이루어지는 재액화장치를 이용해 냉각대상물을 재액화시켜 활용하는 방안이 이용되고 있다.
일반적인 냉각대상물 액화장치는, C1~C5의 탄화수소와 질소, 수소, 헬륨 등을 조합한 냉매를 사용하고, 압축부를 통해 내부를 흐르는 냉매를 압축 및 냉각한 후, 냉매와 냉각대상물 간의 열교환을 통해 냉각대상물을 액화하는 시스템을 포함한다.
한편, 저압부에 위치하는 압축부는 그 내부에 기체 성분이 증가할 수록 소비되는 에너지 대비 발생할 수 있는 냉열효과가 감소한다. 즉, 저압부에 존재하는 기체용량이 커질수록, 액화시스템 전체의 효율성이 낮아진다.
따라서, 열교환을 마친 기화된 냉매가 저압부로 재순환되는 것을 방지할 수 있는 시스템을 개발하여, 저압부에 존재하는 기체 용량을 저감할 수 있는 액화시스템 내지는 액화사이클의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은 액화시스템의 액화 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 냉각시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 저압부로 가는 기체용량의 양을 감소시킴으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 냉각시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있는 냉각시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면은 열교환기를 순환하는 냉매의 양을 증가시킴으로써 열교환기의 작동효율을 효과적으로 조절 및 유지할 수 있는 냉각시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기체상태의 냉매를 가압하는 제1압축기와, 상기 제1압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각하는 제1냉각기와, 상기 제1냉각기에 의해 냉각된 냉매를 기체성분의 제1냉매흐름과 액체성분의 제2냉매흐름으로 분리하는 제1기액분리기와, 상기 제1냉매흐름을 가압하는 제2압축기와, 상기 제2압축기에 의해 가압된 제1냉매흐름을 냉각하는 제2냉각기와, 상기 제2냉각기에 의해 냉각된 제1냉매흐름을 기체성분의 제3냉매흐름과 액체성분의 제4냉매흐름으로 분리하는 제2기액분리기와, 상기 제4냉매흐름을 감압하는 제1 팽창수단과, 상기 제1팽창수단에 의해 감압된 제4냉매흐름을 기체성분의 제5냉매흐름과 액체성분의 제6냉매흐름으로 분리하는 이코노마이저 및 상기 이코노마이저에 의해 분리된 제5냉매흐름을 상기 제1기액분리기로 공급하는 제1순환라인을 포함하고, 상기 냉매는 혼합냉매인 냉매순환부를 포함하는 냉각시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 이코노마이저는 2단 이상의 다단으로 구성된 것일 수 있다.
또한, 상기 제3냉매흐름을 감압하는 제2팽창수단과, 상기 제6냉매흐름을 감압하는 제3팽창수단을 더 포함하는 냉각시스템이 제공될 수 있다.
또한, 냉각대상물을 공급받아 과냉시키는 냉각라인 및 상기 냉각라인과 상기 냉매순환부 사이에 마련되어 상기 냉각대상물과 상기 냉매를 열교환시키는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는 상기 냉각대상물을 과냉시키는 제1열교환부와, 상기 제2기액분리기의 후단과 상기 제2팽창수단 전단 사이에 마련되어 상기 제3냉매흐름을 냉각하는 제2열교환부와, 상기 제2팽창수단 후단에 마련되어 상기 제2팽창수단에 의해 감압된 제3냉매흐름의 냉열을 전달하는 제3열교환부와, 상기 제3팽창수단에 의해 감압된 제6냉매흐름을 예냉시키는 제4열교환부와, 상기 제3열교환부를 통과한 제3냉매흐름과 상기 제4열교환부를 통과한 제6냉매흐름은 제7냉매흐름으로 합류하고 상기 제7냉매흐름을 상기 냉각대상물과 열교환시키는 제5열교환부를 포함하는 냉각시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제5열교환부에 의해 완전 기화된 제7냉매흐름을 상기 제1압축기에 공급하는 제1열교환기 공급라인, 상기 제3냉매흐름을 상기 제2열교환부에 공급하는 제2열교환기 공급라인, 상기 제6냉매흐름을 상기 제4열교환부에 공급하는 제3열교환기 공급라인을 포함하는 제2순환라인 및 출구 측 단부가 상기 제3열교환기 공급라인에 합류하도록 마련되며, 제4팽창수단에 의해 감압된 제2냉매흐름을 공급하는 제2냉매흐름 공급라인을 제2순환라인포함하여 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1열교환기 공급라인은 상기 제5열교환부에 의해 완전 기화된 제7냉매흐름을 냉매저장탱크에 공급하는 저장탱크 공급라인 및 상기 냉매저장탱크에서 상기 제7냉매흐름을 상기 제1압축기로 공급하는 압축기 공급라인을 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 열교환기는 상기 제5냉매흐름으로 예냉시키는 제6열교환부를 더 포함하고, 상기 제2순환라인 은 상기 제5냉매흐름을 상기 제6열교환부에 공급하는 제4열교환기 공급라인을 더 포함하는 냉각시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 혼합냉매는 질소(Nitrogen), 수소(Hydrogen), 헬륨(Helium), 메탄(methane), 에틸렌(ethylene), 에탄(ethane), 프로판(propane), 이소펜탄(iso-pentane), 이소부탄(iso-butane), 아르곤, 플루오르카본(Fluoro-Carbon), 하이드로플루오르카본(Hydro-Fluoro-Carbon) 중 둘 이상을 포함하여 제공될 수 있다.
또한, 상기 혼합냉매는 질소(Nitrogen), 메탄(methane), 에틸렌(ethylene), 프로판(propane) 및 이소펜탄(iso-pentane)을 포함하되, 상기 질소의 조성비는 5 내지 20몰%이고, 상기 메탄의 조성비는 20 내지 40몰%이고, 상기 에틸렌의 조성비는 10 내지 35몰%이고, 상기 프로판의 조성비 10 내지 35몰%이며, 상기 이소펜탄의 조성비는 5 내지 20몰%로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의한 냉각시스템은 냉각대상물의 액화 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 측면에 의한 냉각시스템은 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 측면에 의한 냉각시스템은 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 다른 측면에 의한 냉각시스템은 열교환기의 작동효율을 효과적으로 조절 및 유지할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 냉각시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 냉각시스템을 나타내는 개념도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 냉각시스템(100)을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 냉각시스템(100)은, 냉각대상물을 공급받아 과냉시키는 냉각라인(130), 냉매가 순환하는 냉매순환부 및 냉각라인(130)과 냉매순환부 사이에 마련되어 냉각대상물과 냉매를 열교환시키는 열교환기(145)를 포함한다. 이와 같이 구성된 냉각시스템(100)은 단지 예시일 뿐이며, 이 구성만으로 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 냉각시스템(100,200)을 구동하는 장치로는 LNG 등의 액화가스로부터 발생하는 증발가스 등의 냉각대상물을 액화시킬 수 있는 것이라면 어떠한 구성의 것이라도 사용될 수 있다.
상술한 냉각시스템은, 해양에 부유하여 화물을 적재하고 이동하기 위한 선박뿐만 아니라, 해상 작업을 위해 해양에 정지된 상태로 부유된 오프 쇼어 구조물(off-shore construction) 또는 육상에 설치된 온 쇼어 구조물(on-shore construction)에 적용될 수 있다.
상술한 냉각시스템은, 냉매를 순환시키는 냉동 사이클로 이루어질 수 있으며, 냉매로서는 혼합냉매를 사용할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 바람직한 혼합냉매의 예시에 대해서는 후술하도록 한다.한편, 냉각대상물은 냉각라인(130) 통해 냉각시스템에 공급된다. 냉각시스템에 공급된 냉각대상물은 콜드박스, 즉 열교환기(145)를 통과하면서 냉매에 의해 냉각되어 액화된다.
냉매순환부는 제1 및 제2압축기(121a, 131a)를 통과하며 가압된 기체성분의 냉매를 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
냉매순환부는 기체상태의 냉매를 가압하는 제1압축기(121a)와, 제1압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각하는 제1냉각기(121b)를 포함하고, 제1냉각기(121b)에 의해 냉각된 냉매 기체성분의 제1냉매흐름과 액체성분의 제2냉매흐름으로 분리하는 제1기액분리기(133)를 포함한다.
이 때, 밀도가 작은 기체성분의 제1냉매흐름은 상층 라인으로 분리되고, 밀도가 상대적으로 큰 액체성분의 제2냉매흐름은 하층 라인으로 분리된다. 분리된 액상의 제2냉매흐름은 이후, 제4팽창수단(136)에 의해 감압되어 팽창될 수 있다.
또한, 상술한 냉매순환부는, 제1냉매흐름을 가압하는 제2압축기(131a)와, 제2압축기에 의해 가압된 제1냉매흐름을 냉각하는 제2냉각기(131b)와, 제2냉각기에 의해 냉각된 제1냉매흐름을 기체성분의 제3냉매흐름과 액체성분의 제4냉매흐름으로 분리하는 제2기액분리기(137)와, 제3냉매흐름을 감압하는 제2팽창수단(142)와, 제4냉매흐름을 감압하는 제1 팽창수단(132)를 포함한다.
또한, 제4냉매흐름을 제1팽창수단(132)에 의해 감압하여 팽창시킴으로써 발생한 기체성분인 제5냉매흐름과 나머지 액체성분의 제6냉매흐름으로 분리하는 이코노마이저(141)를 포함하도록 마련되며, 이 때, 제6냉매흐름은 제3팽창수단(143)에 의해 감압될 수 있다. 또한, 상술한 냉매순환부는 제5냉매흐름을 제1기액분리기(133)로 공급하는 제1순환라인(134)을 포함한다.
제2 압축기(131a)에 의해 가압된 제1냉매흐름은 10 내지 200 barG, 보다 바람직하게는 15 내지 150 barG의 압력을 가지도록 설정될 수 있다. 여기서, 제2 압축기(131a)로부터 가압된 제1냉매흐름의 압력이 15 barG 미만으로 설정될 경우, 가압에 소요된 에너지 대비 후단에 배치된 장치들, 예컨대 열교환기(145)에서 냉열을 사용하며 발생된 압력 손실 비율이 증가하기 때문에, 냉각시스템의 효율성 측면에서 문제점이 존재한다. 아울러, 제2 압축기(131a)로부터 가압된 제1냉매흐름의 압력이 150 barG를 초과하여 설정될 경우, 이에 따라 제1냉매흐름의 끓는점도 증가되는 현상을 고려하여 애초에 끓는점이 낮고 분자량이 작은 냉매를 투입하여야 하는데, 이러한 냉매는 액화공정의 효율이 통상적으로 낮게 형성된다는 문제점이 존재한다.
상술한 제1 내지 제4팽창수단(132,142,143,136)은 냉매흐름을 감압시킬 수 있는 것이라면 어떠한 구성의 것이라도 사용될 수 있으며, 예컨대, 팽창 밸브 또는 팽창기로서 마련될 수 있다.
한편, 일반적인 냉각시스템에 있어서, 순환하는 열매체의 기체성분의 대부분은 저압부의 압축기로 재순환되어 압축과정을 거치고, 다시 감압을 통한 팽창과정을 거치면서 열교환기에 냉열을 공급한다. 여기서, 동일한 압력비율로 압축기를 통해 기체성분을 감압하여 팽창시킬 경우, 압력조건이 낮을수록 발생하는 냉열의 양은 줄어들고 이후 압축시키기 위한 압축에너지는 커져 에너지효율 상에 문제점이 존재하게 된다.
전술한 바와 같이, 제2기액분리기(137)는 제1냉매흐름으로부터 액상의 제4냉매흐름으로 분리하며, 제1팽창수단(132)에 의해 감압될 수 있다. 감압되어 팽창된 상태의 제4냉매흐름은 기체성분 및 액체성분이 혼합된 상태로 존재하며, 상술한 기체성분은 압력조건이 낮을수록 투입된 압축에너지 대비 얻어지는 냉열효율이 감소하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 측면에 따른 냉각시스템(100)은, 제4냉매흐름으로부터 기체성분의 제5냉매흐름과 액체성분의 제6냉매흐름으로 분리하고, 기체성분의 제5냉매흐름을 고압 조건의 제2압축기(131a) 전단으로 순환시키는 이코노마이저(141)를 포함함으로써, 제1압축기(121a)의 용량을 줄여 냉각시스템 전체 효율을 개선시킬 수 있다.
이 때, 이코노마이저(141)에 의해 분리된 기상의 제5냉매흐름은, 전술한 바와 같이 냉매순환부 내 제1순환라인(134)을 통해 제2압축기(131a) 전단에 마련된 제1기액분리기(133)로 공급하여 순환될 수 있다.
열교환기(145)는 냉각대상물을 과냉시키는 제1열교환부(145a)와, 제2기액분리기(131a)의 후단과 제2팽창수단(142) 전단 사이에 마련되어 제3냉매흐름을 냉각하는 제2열교환부(145b)와, 제2팽창수단(142) 후단에 마련되어 제2팽창수단에 의해 감압된 제3냉매흐름의 냉열을 전달하는 제3열교환부(145c)와, 제3팽창수단(143)에 의해 감압된 제6냉매흐름을 예냉시키는 제4열교환부(145d)와, 제3열교환부(145c)를 통과한 제3냉매흐름과 제4열교환부(145d)를 통과한 제6냉매흐름은 제7냉매흐름으로 합류하고 제7냉매흐름을 상기 냉각대상물과 열교환시키는 제5열교환부(145e)를 포함하도록 마련된다.
냉매순환부는 제2순환라인 및 제2냉매흐름 공급라인(139)을 포함할 수 있다.
이 때, 상술한 제2순환라인은, 제1열교환기 공급라인(140a,b), 제2열교환기 공급라인(146) 및 제3열교환기 공급라인(138)를 포함하여 마련되고, 상술한 제2냉매흐름 공급라인은 제4팽창수단(136)에 의해 감압된 제2냉매흐름을 공급하도록 마련된다.
제2기액분리기(137)에 의해 분리된 기상의 제3냉매흐름은 제2열교환기 공급라인(146)에 의해 제2열교환부(145b)로 공급될 수 있다.
이 후, 제2열교환부(145b)를 통과한 제3냉매흐름은 제2팽창수단(142)를 통해 감압되어 팽창되고, 다시 열교환기(145)로 공급되어 내부로 제3열교환부(145c)로 제3냉매흐름의 냉열을 전달하도록 제공된다.
이로써, 제2팽창수단(142)에 공급되는 냉매는, 팽창 전에 열교환기(145)를 통과하면서 팽창 후의 극저온 상태의 냉매와 열교환될 수 있도록 구성된다.
제2팽창수단(142)는 제2열교환부(145b) 후단에 마련될 수 있다. 제2팽창수단(142)는 제2열교환부(145b)를 통과한 기체성분의 제3냉매흐름을 감압함으로써, 냉각 및 재액화를 구현할 수 있다.
제2팽창수단(142)는 예컨대 줄-톰슨 밸브(Joule-Thomson Valve)로 이루어질 수 있다. 제2팽창수단(142)는 제2열교환부(145b)를 통과한 제3냉매흐름을 시스템이 요구하는 가스 압력조건에 상응하는 압력수준으로 감압시킬 수 있다.
이코노마이저(141)에 의해 분리된 액상의 제6냉매흐름은 제3열교환기 공급라인 (138)을 통해 제4열교환부(145d)에 공급된다.
이 때, 상술한 제6냉매흐름은 제3팽창수단(143)에 의해 감압되어 팽창된 상태로 제4열교환부(145d)에 전달됨으로써 예냉(pre-cooling)이 가능하도록 마련된다.
한편, 제4팽창수단(136)에 의해 감압된 제2냉매흐름을 공급하는 제2냉매흐름 공급라인(139)은 제3열교환기 공급라인(138)에 출구 측 단부가 합류하도록 마련된다. 이로써, 상술한 라인(139)을 흐르는 제2냉매흐름 및 제3열교환기 공급라인(138)을 흐르는 제6냉매흐름은 혼합되어 하나의 제3열교환기 공급라인(138)을 통해 제4열교환부(145d)에 공급된다.
여기서 제3냉매흐름은, 제3열교환부(145c)를 통과하여 냉각라인(130)을 흐르는 냉각대상물과 열교환을 통해 냉각대상물이 액상화(liquefaction) 과정을 거친 후 과냉(subcooling)될 수 있도록 마련된다.
이로써 상술한 제3열교환부(145c)를 통과한 제3 냉매흐름과 상술한 제4열교환부(145d)를 통과한 제6냉매흐름은, 제5열교환부 내에서 제7냉매흐름으로 합류한다. 이후, 상술한 제7냉매흐름은 제5열교환부 내에서, 냉각라인(130)을 흐르는 냉각대상물과 열교환을 통해 냉각대상물이 예냉(precooling)될 수 있도록 마련된다.
제1열교환기 공급라인(140a,b)은, 상술한 제5열교환부에 의해 완전 기화된 제7냉매흐름을 제1압축기(121a)에 공급한다. 제7냉매흐름은 제5열교환부에 냉열을 제공함으로써 완전 기화되어, 기상의 상태로 제5열교환부를 통과한다.
제1열교환기 공급라인(140a,b)의 중간지점에는 기상의 제7냉매흐름을 수집하는 냉매저장탱크(150)가 구비될 수 있다. 상술한 제5열교환부를 통과된 기상의 제7냉매흐름은, 제1압축기(121a)에 공급되어 순환할 수 있도록 냉매저장탱크(150)에 공급된다.
따라서, 제1열교환기 공급라인(140a,b)은, 제7냉매흐름을 냉매저장탱크(150)에 공급하는 저장탱크 공급라인(140a) 및 냉매저장탱크(150)에 수집된 냉매를 제1압축기(121a)로 공급하는 압축기 공급라인(140b)으로 마련된다.
한편, 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 혼합냉매는 C1~C5의 탄화수소와 질소(Nitrogen), 수소(Hydrogen), 헬륨(Helium) 등을 조합한 냉매일 수 있다. 보다 구체적으로, 혼합냉매는 질소와 메탄(methane)을 함유하고, 추가로 이보다 끓는점이 높은 에틸렌(ethylene)과 프로판(propane)을 함유할 수 있고, 추가로 이보다 끓는점이 높은 이소펜탄(iso-pentane)을 함유할 수 있다.
한편, 상술한 제1 내지 제7 냉매흐름과 냉각 대상물인 피드 가스(Feed gas) 간 온도 차는 어프로치 값(Approach temperature)으로 정의된다. 보다 구체적으로, 열교환기(145) 내 제7 냉매흐름과 냉각 대상물 간 열교환이 발생하는 제5 열교환부(145e)에서, 제7 냉매흐름과 냉각대상물 온도 차는 열교환기(145)의 어프로치 값(Approach temperature)으로 정의될 수 있다. 열교환기(145)의 어프로치는 열전달 효율과 제1 및 제2 압축기(121a, 131a)의 용량 및 경제성의 관점에서 소정 범위 내로 설정된다. 이 때, 상술한 어프로치 값은 열교환기(145)의 열 전달량에 비례하는 값이다. 후술할 혼합냉매의 성분 간 조성비는 냉각대상물의 종류에 따른 액화 공정의 온도 조건에서 상술한 어프로치 값이 소정 범위, 예를 들어 1 내지 15°C의 값을 갖도록 설정된다. 이 때, 어프로치 값이 1°C보다 낮게 설정되면, 동일한 양의 열을 전달하기 위한 열 전달 면적을 과도하게 넓게 설정해야 하므로 경제적인 측면에서 손실이 발생한다. 이에 반해, 어프로치 값이 15°C보다 높게 설정되면, 냉매흐름의 온도를 더욱 저하시키고 이를 위해 해당 냉매에 가해지는 압축기의 압력을 높여야 하는데, 이러한 과정에서 압축기에 소요되는 압축에너지가 증대됨에 따라 압축기의 효율 및 공정의 생산효율을 저하시킨다는 문제점이 존재한다.
혼합냉매 전체에 대한 질소의 조성비는 5몰(mol)% 이상, 보다 바람직하게는 5 내지 20몰(mol)%이며, 메탄의 조성비는 20몰% 이상, 보다 바람직하게는 20 내지 40몰%이다. 끓는점이 상대적으로 낮은 질소 및 메탄을 상술한 범위 이하로 소량 함유하게 되면, 냉각 대상물, 예컨대, 메탄이 주성분인 LNG 또는 BOG의 액화공정 효율이 저하된다는 문제점이 존재한다.
에틸렌의 조성비는 35몰％ 이하, 보다 바람직하게는 10 내지 35몰%이다. 이 때, 에틸렌을 대신해서 에탄(ethane)을 사용할 수도 있다. 또한, 프로판의 조성비는 35몰％ 이하, 보다 바람직하게는 10 내지 35몰%이다. 냉각 대상물, 예컨대, 메탄이 주성분인 LNG 또는 BOG의 액화공정에 있어서 에틸렌 및 프로판을 35몰% 이상으로 과량 함유하게 되면, 혼합냉매의 끓는점이 상승하여 상술한 액화공정의 온도에 대응되는 열교환기(145)의 어프로치 값이 소정 범위 미만으로 떨어지기 때문에, 열교환기(145)의 열전달량이 저하된다는 문제점이 존재한다.
이소펜탄의 조성비는 20몰％ 이하, 보다 바람직하게는 5 내지 20몰%이다. 이 때, 이소펜탄을 대신해서 이소부탄(iso-butane)을 사용할 수 있으며, 또는, 이소펜탄과 이소부탄을 병용해서 사용하되, 이소펜탄과 이소부탄의 조성비 합계가 20몰％ 이하, 보다 바람직하게는 5 내지 20몰%이 되도록 사용할 수 있다. 상술한 조성비가 5몰% 이하일 경우, 혼합 냉매 내 고온부를 커버할 수 있는 냉매가 부족하게 되므로, 이를 극복하기 위해선 분자량이 큰 냉매의 량을 늘려야 하고 이는 곧 압축기 유량의 증대를 야기하므로, 액화공정 전체의 효율이 저하될 수 있다. 마찬가지로, 혼합용매 내 상술한 조성비를 20몰% 이상으로 과량 함유하게 되면, 저온의 어는점을 물성으로 하는 냉각대상물을 액화공정에 있어서, 열교환기(145)의 어프로치 값이 소정 범위 미만으로 떨어지기 때문에 열교환기(145)의 열전달량이 저하된다는 문제점이 존재한다.
냉매순환부를 포함하는 냉각시스템(100, 200)으로서는, 예컨대 비폭발성 혼합냉매(Non-Flammable Mixed Refrigerant)을 사용할 수 있다. 복수의 비폭발성 냉매를 혼합하여 이루어지는 비폭발성 혼합냉매는 중압으로 압축된 증발가스를 재액화할 때의 액화온도에서도 응결되지 않는 특성을 가지도록 하는 혼합 조성비를 갖는다. 혼합냉매의 상변화를 이용한 냉동 사이클은 질소만을 냉매로 하는 질소가스 냉동 사이클보다 효율이 높다. 비폭발성 혼합냉매로는, 예를 들어, 아르곤, 하이드로플루오르카본(Hydro-Fluoro-Carbon) 냉매 및 플루오르카본(Fluoro-Carbon) 냉매를 포함하는 혼합냉매일 수 있다. 아울러, 냉매순환부를 포함하는 냉각시스템(100, 200)으로서는, 전술한 비폭발성 혼합냉매뿐만 아니라 폭발성 혼합냉매(Flammable Mixed Refrigerant)를 사용할 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 혼합냉매는 SMR(Single Mixed Refrigerant) 뿐만 아니라 DMR(Double Mixed Refrigerant)로서 사용되거나 3개 이상의 폐쇄형 루프인 Cascade에 적용되어 사용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 냉각시스템(200)을 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 따른 냉각시스템(200)은, 냉각대상물을 공급받아 과냉시키는 냉각라인, 냉매가 순환하는 냉매순환부 및 냉각라인과 냉매순환부 사이에 마련되어 냉각대상물과 냉매를 열교환시키는 열교환기(145)를 포함하고, 냉매순환부는 기체상태의 냉매를 가압하는 제1압축기(121a)와, 제1압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각하는 제1냉각기(121b)와, 제1냉각기에 의해 냉각된 냉매를 기체성분의 제1냉매흐름과 액체성분의 제2냉매흐름으로 분리하는 제1기액분리기(133)와, 제1냉매흐름을 가압하는 제2압축기(131a)와, 제2압축기에 의해 가압된 제1냉매흐름을 냉각하는 제2냉각기(131b)와, 제2냉각기에 의해 냉각된 제1냉매흐름을 기체성분의 제3냉매흐름과 액체성분의 제4냉매흐름으로 분리하는 제2기액분리기(137)와, 제3냉매흐름을 감압하는 제2팽창수단(142)와, 제4냉매흐름을 감압하는 제1 팽창수단(132)와, 제1팽창수단에 의해 감압된 제4냉매흐름을 기체성분의 제5냉매흐름과 액체성분의 제6냉매흐름으로 분리하는 이코노마이저(141)와, 제6냉매흐름을 감압하는 제3팽창수단(143)를 포함한다. 또한, 상술한 냉매순환부는 제5냉매흐름을 제1기액분리기(133)로 공급하는 제1순환라인(134)을 포함한다.
열교환기(145)는 냉각대상물을 과냉시키는 제1열교환부(145a)와, 제2기액분리기(137)의 후단과 제2팽창수단(142) 전단 사이에 마련되어 제3냉매흐름을 냉각하는 제2열교환부(145b)와, 제2팽창수단 후단에 마련되어 제2팽창수단에 의해 감압된 제3냉매흐름의 냉열을 전달하는 제3열교환부(145c)와, 제3팽창수단(143)에 의해 감압된 제6냉매흐름을 예냉시키는 제4열교환부(145d)와, 제3열교환부(145c)를 통과한 제3냉매흐름과 제4열교환부(145d)를 통과한 제6냉매흐름은 제7냉매흐름으로 합류하고 제7냉매흐름을 상기 냉각대상물과 열교환시키는 제5열교환부를 포함하도록 마련된다.
냉매순환부는 제5열교환부에 의해 완전 기화된 제7냉매흐름을 제1압축기(121a)에 공급하는 제1열교환기 공급라인(140a,b)과 제3냉매흐름을 제2열교환부(145b)에 공급하는 제2열교환기 공급라인(146)과 제6냉매흐름을 제4열교환부(145d)에 공급하는 제3열교환기 공급라인(138)을 포함하는 제2순환라인 및 출구 측 단부가 제3열교환기 공급라인(138)에 합류하도록 마련되며 제4팽창수단(136)에 의해 감압된 제2냉매흐름을 공급하는 제2냉매흐름 공급라인(139)을 더 포함한다.
이 때, 열교환기(145)는 제5냉매흐름으로 예냉시키는 제6열교환부(145f)를 더 포함하고, 상술한 제2순환라인은 상술한 제5냉매흐름을 제6열교환부(145f)에 공급하는 제4열교환기 공급라인(135)을 더 포함하여 마련될 수 있다.
즉, 본 발명의 다른 측면에 따른 냉각시스템(200)은 제5냉매흐름이 제4열교환기 공급라인(135)을 통해 제6열교환부(145f)에 공급됨으로써 열교환기(145)에 냉열을 기하고, 이후 제1순환라인(134)에 공급될 수 있도록 제어한다.
제4열교환기 공급라인(135)은 이코노마이저(141)를 통해 분리된 기상의 제5냉매흐름을 전달한다. 이로써, 이코노마이저(141)로부터 분리된 기상의 제5냉매흐름은, 제4열교환기 공급라인(135)을 통해 제6열교환부(145f)에 냉매로서 공급됨으로써, 열교환기(145)의 냉각효과를 증가시킬 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에서는 본 발명에 따른 냉각시스템(100, 200)이 2단의 압축기인 제1 및 제2 압축기(121a, 131a)와 단지 한 개의 이코노마이저(141)만을 구비하는 것으로 도시되어 있으나, 다단의 압축기가 구비되어 있을 경우에는, 구비된 압축기의 수에 따라 2이상의 다단의 이코노마이저를 추가하는 경우를 포함한다. 예컨대, 3단의 압축기 사용 시 2단의 이코노마이저가 구비될 수 있고, 4단의 압축기 사용 시에는 3단의 이코노마이저가 구비될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에서는 본 발명에 따른 냉각시스템(100, 200)은, 각각 다른 실시예로서 제5냉매흐름이 이코노마이저(141)로부터 분리된 즉시 제1순환라인(134)을 통해 제2압축기(131a) 전단에 마련된 제1기액분리기(133)로 공급되거나, 제5냉매흐름이 제4열교환기 공급라인(135)을 거쳐 제6열교환부(145f)에 냉열을 기하고 제1순환라인(134) 에 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예컨대, 본 발명에 따른 냉각시스템(100, 200)은 이코노마이저(141)로부터 분리된 제5냉매흐름이 통과할 수 있는 냉매순환부로서 제1순환라인(134) 및 제4열교환기 공급라인(135)을 모두 구비함으로써, 시스템의 작동모드 및 효율에 따라, 제5 냉매흐름이 열교환기 내부로 공급되지 않고 바로 제1순환라인(134)을 통과하는 흐름 또는 제6열교환부(145f)에 공급됨으로써 열교환기(145)에 냉열을 기하는 흐름을 택일적으로 제어하는 경우를 포함할 수 있다.
이로써 상술한 냉각시스템은 팽창수단을 통해 생성된 기상의 냉매를 이코노마이저(141)를 통해 분리하고 이를 고압조건으로 가압될 수 있도록 상술한 냉매를 제2 압축기(131a) 전단에 전달함으로써, 냉각대상물의 액화 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 이코노마이저(141)를 통과한 제5냉매흐름이 제1순환라인(134)으로만 공급되도록 제어할 경우, 열교환기(145) 내 배관구조를 단순화함으로써 액화공정을 간편하게 수행할 수 있는 효과를 갖는다. 아울러, 이코노마이저(141)를 통과한 제5냉매흐름을 제4열교환기 공급라인(135)을 거쳐 제1순환라인(134)에 공급되도록 제어할 경우, 열교환기(145)를 구동시켜 냉매대상물을 냉각시킬 수 있는 원료인 냉매의 양을 증가시킴으로써 향상된 냉각효율을 도모할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100,200: 냉각시스템
121a: 제1압축기 121b: 제1냉각기
130: 냉각라인
131a: 제2압축기 131b: 제2냉각기
132: 제1팽창수단
133: 제1기액분리기
134: 제1순환라인
135: 제4열교환기 공급라인
136: 제4팽창수단
137: 제2기액분리기
138: 제3열교환기 공급라인
139: 제2냉매흐름 공급라인
140a: 저장탱크 공급라인 140b: 압축기 공급라인
141: 이코노마이저
142: 제2팽창수단
143: 제3팽창수단
145: 열교환기
146: 제2열교환기 공급라인
150: 냉매저장탱크

Claims (9)

  1. 선박, 오프 쇼어 구조물 또는 온 쇼어 구조물에 적용되는 냉각시스템에 있어서,
    냉매가 순환하는 냉매순환부를 포함하되,
    상기 냉매순환부는
    기체상태의 냉매를 가압하는 제1압축기;
    상기 제1압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각하는 제1냉각기;
    상기 제1냉각기에 의해 냉각된 냉매를 기체성분의 제1냉매흐름과 액체성분의 제2냉매흐름으로 분리하는 제1기액분리기;
    상기 제1냉매흐름을 가압하는 제2압축기;
    상기 제2압축기에 의해 가압된 제1냉매흐름을 냉각하는 제2냉각기;
    상기 제2냉각기에 의해 냉각된 제1냉매흐름을 기체성분의 제3냉매흐름과 액체성분의 제4냉매흐름으로 분리하는 제2기액분리기;
    상기 제4냉매흐름을 감압하는 제1팽창수단;
    상기 제1팽창수단에 의해 감압된 제4냉매흐름을 기체성분의 제5냉매흐름과 액체성분의 제6냉매흐름으로 분리하는 이코노마이저; 및
    상기 이코노마이저에 의해 분리된 제5냉매흐름을 상기 제1기액분리기로 공급하는 제1순환라인을 포함하되, 상기 냉매는 혼합냉매인 냉각시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이코노마이저는 2단 이상의 다단으로 구성된 냉각시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉매순환부는
    상기 제3냉매흐름을 감압하는 제2팽창수단; 및
    상기 제6냉매흐름을 감압하는 제3팽창수단을 더 포함하는 냉각시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    냉각대상물을 공급받아 과냉시키는 냉각라인 및
    상기 냉각라인과 상기 냉매순환부 사이에 마련되어 상기 냉각대상물과 상기 냉매를 열교환시키는 열교환기를 더 포함하고,
    상기 열교환기는
    상기 냉각대상물을 과냉시키는 제1열교환부와, 상기 제2기액분리기의 후단과 상기 제2팽창수단 전단 사이에 마련되어 상기 제3냉매흐름을 냉각하는 제2열교환부와, 상기 제2팽창수단 후단에 마련되어 상기 제2팽창수단에 의해 감압된 제3냉매흐름의 냉열을 전달하는 제3열교환부와, 상기 제3팽창수단에 의해 감압된 제6냉매흐름을 예냉시키는 제4열교환부와, 상기 제3열교환부를 통과한 제3냉매흐름과 상기 제4열교환부를 통과한 제6냉매흐름은 제7냉매흐름으로 합류하고 상기 제7냉매흐름을 상기 냉각대상물과 열교환시키는 제5열교환부를 포함하는
    냉각시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매순환부는
    상기 제5열교환부에 의해 완전 기화된 제7냉매흐름을 상기 제1압축기에 공급하는 제1열교환기 공급라인과, 상기 제3냉매흐름을 상기 제2열교환부에 공급하는 제2열교환기 공급라인과, 상기 제6냉매흐름을 상기 제4열교환부에 공급하는 제3열교환기 공급라인을 포함하는 제2순환라인; 및
    출구 측 단부가 상기 제3열교환기 공급라인에 합류하도록 마련되며, 제4팽창수단에 의해 감압된 제2냉매흐름을 공급하는 제2냉매흐름 공급라인을 더 포함하는
    냉각시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1열교환기 공급라인은
    상기 제5열교환부에 의해 완전 기화된 제7냉매흐름을 냉매저장탱크에 공급하는 저장탱크 공급라인; 및
    상기 냉매저장탱크에서 상기 제7냉매흐름을 상기 제1압축기로 공급하는 압축기 공급라인을 포함하는
    냉각시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 제5냉매흐름으로 예냉시키는 제6열교환부를 더 포함하고,
    상기 제2순환라인은 상기 제5냉매흐름을 상기 제6열교환부에 공급하는 제4열교환기 공급라인을 더 포함하는
    냉각시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합냉매는
    질소(Nitrogen), 수소(Hydrogen), 헬륨(Helium), 메탄(methane), 에틸렌(ethylene), 에탄(ethane), 프로판(propane), 이소펜탄(iso-pentane), 이소부탄(iso-butane), 아르곤, 플루오르카본(Fluoro-Carbon), 하이드로플루오르카본(Hydro-Fluoro-Carbon) 중 둘 이상을 포함하는 냉각시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 혼합냉매는
    질소(Nitrogen), 메탄(methane), 에틸렌(ethylene), 프로판(propane) 및 이소펜탄(iso-pentane)을 포함하되,
    상기 질소의 조성비는 5 내지 20몰%이고,
    상기 메탄의 조성비는 20 내지 40몰%이고,
    상기 에틸렌의 조성비는 10 내지 35몰%이고,
    상기 프로판의 조성비 10 내지 35몰%이며,
    상기 이소펜탄의 조성비는 5 내지 20몰%인 냉각시스템.
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