KR20200144696A

KR20200144696A - 증발가스 처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20200144696A
Application number: KR1020190072677A
Authority: KR
Inventors: 곽인정; 이준채; 최진호; 최동규; 류민철
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-12-30
Also published as: KR102258675B1

Abstract

본 발명은, 액화가스 저장탱크에서 자연기화된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 엔진으로 공급하고 남은 잉여 증발가스는, 액화가스 저장탱크에서 자연기화된 증발가스와 엔진의 연료로 공급할 증발가스를 냉매로 사용하여 재액화시킴으로써, 증발가스를 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템은, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 가스연료 압력 조건까지 압축시키는 고압 압축기; 상기 고압 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중에서, 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량을 초과하는 잉여의 증발가스가 유입되는 재액화 라인; 상기 재액화 라인으로부터 분기되며, 상기 재액화 라인으로 유입된 고압 증발가스 중에서, 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼의 증발가스가 유입되는 제2 연료라인; 상기 저압 엔진의 연료로 공급할 고압 증발가스를 상기 저압 엔진에서 요구하는 압력까지 감압시키는 연료용 감압장치; 및 상기 재액화 라인으로 유입된 고압 증발가스 중에서, 재액화시킬 고압 증발가스를, 상기 연료용 감압장치에 의해 감압된 감압 증발가스의 냉열을 회수하여 냉각시키는 열교환기;를 포함한다.

Description

증발가스 처리 시스템 및 방법 {Boil-Off Gas Processing System and Method}

본 발명은, 액화가스 저장탱크에서 자연기화된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 엔진으로 공급하고 남은 잉여 증발가스는, 액화가스 저장탱크에서 자연기화된 증발가스 및 엔진의 연료로 공급할 증발가스를 냉매로 사용하여, 재액화시킴으로써 증발가스를 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있다. 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 연료 소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

증발가스를 재액화시키기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환시켜 재액화시키는 방법 및 별도의 냉매를 이용하지 않고 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화시키는 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 DF 엔진(DFDE(Dual Fuel Diesel Electric), DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)), X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진, ME-GI 엔진(MAN Electronic Gas-Injection Engine) 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, 300 bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.

본 발명은 재액화 성능을 안정화시켜 전반적인 재액화 효율 및 재액화량을 증가시킬 수 있는, 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 가스연료 압력 조건까지 압축시키는 고압 압축기; 상기 고압 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중에서, 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량을 초과하는 잉여의 증발가스가 유입되는 재액화 라인; 상기 재액화 라인으로부터 분기되며, 상기 재액화 라인으로 유입된 고압 증발가스 중에서, 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼의 증발가스가 유입되는 제2 연료라인; 상기 제2 연료라인을 따라 저압 엔진의 연료로 공급할 고압 증발가스를 상기 저압 엔진에서 요구하는 압력까지 감압시키는 연료용 감압장치; 및 상기 재액화 라인으로 유입된 고압 증발가스 중에서, 재액화시킬 고압 증발가스를, 상기 연료용 감압장치에 의해 감압된 감압 증발가스의 냉열을 회수하여 냉각시키는 열교환기;를 포함하는, 증발가스 처리 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 열교환기는, 상기 감압 증발가스와 상기 재액화시킬 고압 증발가스를 열교환시켜, 상기 감압 증발가스의 냉열을 1차로 회수하여 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 제2 열교환기;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 열교환기는, 상기 액화가스 저장탱크로부터 고압 압축기로 공급되는 압축 전 증발가스와, 상기 재액화시킬 고압 증발가스와, 상기 제2 열교환기에서 열교환 후 배출되는 감압 증발가스를 열교환시켜, 상기 감압 증발가스의 냉열을 2차로 회수하여 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 제1 열교환기;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 열교환기의 하류에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되어 상기 연료용 감압장치로 연결되는 연료 합류라인;을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화 라인을 통해 상기 제1 열교환기로 공급되는 고압 증발가스 중에서 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량이 상기 연료용 감압장치로 공급되도록 개폐가 제어되는 연료 분기밸브; 상기 제2 열교환기에서 냉각된 저온의 고압 증발가스 중에서 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량이 상기 연료용 감압장치로 공급되도록 개폐가 제어되는 연료 합류밸브; 및 상기 제1 열교환기로 공급되는 고압 증발가스의 유량에 따라 상기 연료 분기밸브 및 연료 합류밸브의 개폐를 제어하여, 상기 연료용 감압장치로 공급할 고압 증발가스의 분기 지점을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 열교환기에서 냉열이 회수된 감압 증발가스의 온도를 상기 저압 엔진에서 요구하는 온도로 조절하는 연료 가열기;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열교환기에서 1차 냉각되고, 제2 열교환기에서 2차 냉각된 고압 증발가스를 감압시키는 재액화용 감압장치; 및 상기 재액화용 감압장치에 의해 감압되면서 재액화된 재액화 증발가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수될 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화용 감압장치에 의해 감압되면서 생성된 기액혼합물을 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수하고, 기체 상태의 미응축 증발가스는 상기 제1 열교환기로 공급되는 압축 전 증발가스 흐름에 합류시키는 기액분리기;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 연료라인은, 상기 제1 열교환기의 상류에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되어 상기 연료용 감압장치로 연결될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 고압 엔진에서 요구하는 가스연료 압력 조건까지 압축시키는 고압 압축단계; 상기 고압 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스 중에서 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼을 상기 고압 엔진으로 공급하는 고압 연료 공급단계; 상기 고압 엔진의 연료 수요량을 초과하는 나머지 고압 증발가스 중 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼은 감압시켜 상기 저압 엔진으로 공급하는 저압 연료 공급단계; 및 상기 고압 엔진 및 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량을 초과하는 나머지 고압 증발가스는, 상기 저압 엔진으로 공급할 감압 증발가스의 냉열로 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 재액화 단계;를 포함하는, 증발가스 처리 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 재액화 단계는, 상기 고압 압축단계에서 증발가스를 압축시키기 전의 압축 전 증발가스와, 상기 재액화시킬 고압 증발가스와, 상기 감압 증발가스를 열교환시켜 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 1차 냉각단계; 및 상기 1차 냉각단계에서 냉각된 고압 증발가스와, 상기 감압 증발가스를 열교환시켜 상기 고압 증발가스를 더 냉각시키는 2차 냉각단계;를 포함하고, 상기 감압 증발가스의 냉열은, 상기 2차 냉각단계에서 1차로 회수하고, 상기 1차 냉각단계에서 2차로 회수할 수 있다.

바람직하게는, 상기 저압 연료 공급단계는, 상기 1차 냉각단계로 공급되기 전에 상기 고압 증발가스 중 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼을 분기시켜 감압시키거나, 상기 2차 냉각단계를 거친 저온의 고압 증발가스 중에서 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼을 분기시켜 감압시키는 연료 분기지점 제어단계;를 더 포함하고, 상기 연료 분기지점 제어단계에서는, 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량에 따라 상기 연료 분기지점을 선택할 수 있다.

본 발명에 의하면, 증발가스를 압축시킨 후 압축 전 증발가스를 냉매로 사용하여 재액화시키는 증발가스 재액화 시스템에 있어서, 중압 또는 저압 엔진의 연료로 공급할 증발가스를 고압으로 압축시킨 후 감압시켜 공급함으로써, 감압에 의해 온도가 낮아진 증발가스를 재액화시킬 증발가스를 냉각시키기 위한 추가 냉매로 사용할 수 있으므로, 증발가스의 냉열을 최대로 회수할 수 있고, 따라서 증발가스의 재액화량을 증가시킬 수 있다.

또한, 중압 또는 저압 엔진의 연료로 공급할 증발가스는 선박의 운항 상황에 따라 추출하는 위치를 다르게 함으로써, 재액화시킬 증발가스의 양 및/또는 연료로 공급할 증발가스의 양에 따라 탄력적으로 시스템을 운용할 수 있다.

도 1은 일반적인 증발가스 처리 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시예에 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. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스는, 다양한 액화가스(Liquefied Gas)에 적용될 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 액화 석유화학 가스일 수 있다. 또는, 액화 이산화탄소, 액화 수소, 액화 암모니아 등의 액체 가스일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

LNG는 메탄을 주성분으로 하며, 에탄, 프로판, 부탄 등을 포함하고, 그 조성은 생산지에 따라 달라질 수 있다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 및 액화가스의 증발가스는 엔진, 특히 선박용 엔진의 연료로 사용할 수 있다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템 및 방법은, 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 육상에서 적용될 수도 있다.

또한, 후술하는 실시예에서 선박은 액화천연가스를 화물로서 운반하는 액화천연가스 운반선(LNG Carrier)의 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 액화천연가스를 저장하는 저장탱크를 갖춘 LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit), LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG RV(Regasification Vessel) 등 액화가스 저장탱크가 마련되고 액화가스를 연료로써 공급받는 엔진이 적용되고 증발가스를 처리하기 위한 수단으로서 증발가스를 재액화시키기 위한 재액화 장치가 구비되는 모든 선박에 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 액화천연가스를 연료로써 공급받는 엔진이 마련되고 엔진에 의해 추진력을 갖거나 엔진을 구동하여 전력을 생산하여 사용할 수 있는 모든 선박에 적용할 수 있다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 연료 수요처는 고압 엔진, 중압 엔진 및 저압 엔진 중 어느 둘 이상을 포함할 수 있다. 고압 엔진은 약 100 bar 내지 400 bar, 바람직하게는 약 150 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진인 것을 예로 들어 설명한다. 또한, 중압 엔진은 약 10 bar 내지 20 bar, 바람직하게는 약 16 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 X-DF 엔진일 수 있으며, 저압 엔진은 약 5 bar 내지 10 bar, 바람직하게는 약 6.5 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 DF 엔진이나 DFDG 엔진, 또는 DFGE 엔진 등일 수 있다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 연료 수요처로서 고압 엔진과 저압 엔진, 즉 ME-GI 엔진과 DFGE를 포함하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 일반적인 증발가스 처리 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. 일반적인 증발가스 처리 시스템은, LNG 저장탱크(TK), 압축기(HC), 열교환기(HE), 감압장치(EV) 및 기액분리기(SP)를 포함한다. 또한, LNG 저장탱크(TK)로부터 배출되는 증발가스가 유동하는 유로로서, LNG 저장탱크(TK)와, 열교환기(HE)와, 압축기(HC)와 ME-GI 엔진을 연결하는 제1 라인(L1), 압축기(HC)와 ME-GI 엔진 사이의 제1 라인(L1)으로부터 분기되며 열교환기(HE)와, 감압장치(EV)와, 기액분리기(SP)와, LNG 저장탱크(TK)를 연결하는 제2 라인(L2), 기액분리기(SP)와 제1 라인(L1), 특히, LNG 저장탱크(TK)와 열교환기(HE) 사이의 제1 라인(L1)을 연결하는 제3 라인(L3) 및 압축기(HC)의 중간단으로부터 분기되어 DF 엔진으로 연결되는 제4 라인(L4)을 포함한다.

도 1을 참고하면, 일반적인 증발가스 처리 방법은, LNG 저장탱크(TK)에서 발생한 증발가스가 제1 라인(L1)을 따라 압축기(HC)로 유입되고, 압축기(HC)에서 ME-GI 엔진이나 DF 엔진과 같은 연료 수요처에서 요구하는 압력까지 압축된다.

압축기(HC)의 일부 전단 압축부만을 이용하여 DF 엔진에서 요구하는 압력까지 압축된 증발가스는 제4 라인(L4)으로 분기되어 DF 엔진의 연료로 공급된다. 또한 압축기(HC)의 다수개의 압축부를 모두 이용하여 ME-GI 엔진에서 요구하는 압력까지 압축된 증발가스는 제1 라인(L1)을 따라 ME-GI 엔진의 연료로 공급된다.

ME-GI 엔진과 DF 엔진에서 요구하는 증발가스 연료 수요량보다 LNG 저장탱크(TK)로부터 배출된 증발가스의 양이 더 많은 경우, 연료 수요량을 초과하는 양만큼의 잉여 증발가스는 압축기(HC)에서 ME-GI 엔진에서 요구하는 압력까지 압축된 후, 제2 라인(L2)으로 분기되어 재액화된다.

제2 라인(L2)으로 분기된 압축 증발가스는, 열교환기(HE)에서, LNG 저장탱크(TK)로부터 제1 라인(L1)을 따라 압축기(HC)로 유입되는 압축 전 증발가스와 열교환하여, 냉각된다.

열교환기(HE)에서 냉각된 압축 증발가스는 감압장치(EV)에 의해 감압된다. 이와 같이 압축, 냉각 및 감압 공정을 거치면서 증발가스는 재액화된다.

감압장치(EV)에 의해 감압된 증발가스는, 기액분리기(SP)에서 기액분리되어, 액체 상태의 재액화 증발가스는 LNG 저장탱크(TK)로 회수되고, 재액화되지 않은 기체 상태의 미응축 증발가스는 제3 라인(L3)을 따라 LNG 저장탱크(TK)로부터 열교환기(HE)로 유입되는 증발가스 흐름에 합류된다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템 및 방법은, 상술한 일반적인 증발가스 처리 시스템 및 방법과 비교하여, 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시킨다는 점에서는 동일하지만, 본 실시예에서는 연료로 공급할 증발가스의 냉열을 추가로 발생시키고, 이를 재액화 냉매로서 추가 회수하여 사용함으로써 재액화량을 최대화할 수 있다는 점에서 차이가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템은, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)로부터 증발가스 라인(BL)을 따라 배출된 증발가스를 고압 엔진 즉, ME-GI 엔진에서 요구하는 압력까지 압축시키는 고압 압축기(200); 고압 압축기(200)에서 압축된 고압 증발가스를 연료로 사용하는 고압 엔진; 고압 압축기(200)에서 압축된 고압 증발가스 중에서 고압 엔진에서 필요로 하는 가스 연료 수요량을 초과하는 잉여 고압 증발가스를, 증발가스 라인(BL)을 따라 LNG 저장탱크(100)로부터 고압 압축기(200)로 이송되는 압축 전 증발가스 및 저압 엔진의 연료로 공급할 감압 증발가스의 냉열로 냉각시키는 열교환기(300, 400); 열교환기(300, 400)를 거쳐 냉각된 고압 증발가스를 감압시키는 재액화용 감압장치(500); 및 잉여 고압 증발가스 중에서, 저압 엔진의 연료로 공급할 고압 증발가스를 감압시켜 열교환기(300, 400)로 공급하는 연료용 감압장치(700);를 포함한다.

본 실시예의 열교환기(300, 400)는, 고압 압축기(200)에서 압축된 고압 증발가스 중에서 고압 엔진에서 필요로 하는 가스 연료 수요량을 초과하는 나머지 고압 증발가스를, 증발가스 라인(BL)을 따라 LNG 저장탱크(100)로부터 고압 압축기(200)로 이송되는 증발가스 및 저압 엔진의 연료로 공급할 감압 증발가스의 냉열로 1차 냉각시키는 제1 열교환기(300); 및 제1 열교환기(300)에서 냉각된 고압 증발가스를 저압 엔진의 연료로 공급할 저온의 감압 증발가스와 열교환시켜 2차 냉각시키는 제2 열교환기(400);를 포함한다.

즉, 본 실시예의 제1 열교환기(300)는 3 스트림 열교환기이고, 제2 열교환기(400)는 2 스트림 열교환기일 수 있다. 또한, 열교환기(300, 400)에서 열교환에 의해 고압 증발가스는 냉각되고 저압 증발가스는 가열된다. 보다 구체적으로, 제1 열교환기(300)에서는 압축 전 증발가스 및 감압 증발가스의 냉열이 회수되고 제2 열교환기(400)에서는 감압 증발가스의 냉열이 회수된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 고압 압축기(200)에 의한 압축 공정, 열교환기(300, 400)에 의한 냉각 공정 및 재액화용 감압장치(500)에 의한 감압 공정을 거친 증발가스는 과냉각 상태 또는 적어도 일부가 재액화된 기액 혼합 상태일 수 있다.

본 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템은, 재액화용 감압장치(500)에서 감압된 증발가스를 기액분리시켜, 액체 상태의 재액화 증발가스는 LNG 저장탱크(100)로 회수하고, 재액화되지 않은 기체 상태의 미응축 증발가스는 기체 회수라인(GL)을 이용하여 LNG 저장탱크(100)로부터 제1 열교환기(300)로 유입되는 압축 전 증발가스 흐름에 합류시키는 기액분리기(600);를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 증발가스 라인(BL)은 LNG 저장탱크(100)와 제1 열교환기(300)와 고압 압축기(200)를 연결한다. LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 압축 전 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 따라 제1 열교환기(300)의 저온 유로로 공급되어 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용된다. 제1 열교환기(300)에서 압축 증발가스와의 열교환에 의해 온도가 상승한 압축 전 증발가스는, 증발가스 라인(BL)을 따라, 제1 열교환기(300)의 저온 유로로부터 고압 압축기(200)로 이송된다.

또한, 본 실시예에 따르면 LNG 저장탱크(100)와 제1 열교환기(300) 사이의 증발가스 라인(BL)으로부터 분기되어 제1 열교환기(300)를 우회하고 제1 열교환기(300)와 고압 압축기(200) 사이로 연결되는 열교환기 우회라인(BL1);을 더 포함할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 필요한 경우. 열교환기 우회라인(BL1)을 이용하여 LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스의 전부 또는 일부가 제1 열교환기(300)의 냉매로 사용되지 않고, 즉 제1 열교환기(300)의 저온 유로로 공급되지 않고, 제1 열교환기(300)를 우회하여, 고압 압축기(200)로 직접 이송되도록 할 수 있다.

예를 들어, 재액화시킬 증발가스가 없거나, 후술하는 제2 열교환기(400)에서의 열교환만으로도 재액화시킬 증발가스의 온도를 목표 온도까지 충분히 낮출 수 있거나, 제1 열교환기(300)의 유지보수 등을 목적으로 제1 열교환기(300)를 사용하지 않는 경우, 열교환기 우회라인(BL1)에 설치되는 개폐밸브(도면부호 미부여)를 개방하여 증발가스가 제1 열교환기(300)를 우회한 후 고압 압축기(200)의 상류에서 증발가스 라인(BL)으로 합류하도록 제어할 수 있다.

본 실시예의 고압 압축기(200)는, 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력, 즉, ME-GI 엔진에서 요구하는 압력인 약 150 bar 이상으로 압축시킬 수 있다.

또한, 고압 압축기(200)는 다수개의 압축부를 포함하여 다단계에 걸쳐 증발가스를 압축시키는 다단 압축기일 수 있다. 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 고압 압축기(200)가 다섯 개의 압축부를 포함하여 5단계에 걸쳐 증발가스를 ME-GI 엔진에서 요구하는 압력까지 압축시킨다.

본 실시예에 따르면, 상술한 일반적인 증발가스 처리 시스템과 마찬가지로 증발가스를 연료로 사용하는 고압 엔진과 저압 엔진을 모두 포함하고, 압축기를 이용하여 증발가스를 압축시켜 고압 엔진과 저압 엔진으로 동시에 공급할 수 있다.

상술한 일반적인 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이 다수개의 압축부를 포함하는 압축기(HC)의 전단 3개의 압축부 등 일부의 압축부만을 이용하여 저압으로 압축된 증발가스가 저압 엔진으로 공급되도록 압축기(HC)의 중간에서 분기되는 제4 라인(L4)을 구비한다.

따라서, 일반적인 증발가스 재액화 방법은, 고압 엔진으로 공급할 증발가스는 고압 엔진에서 요구하는 고압으로 압축하여 제1 라인(L1)을 따라 고압 엔진으로 공급하고, 저압 엔진으로 공급할 증발가스는 저압 엔진에서 요구하는 저압으로 압축하여 제4 라인(L4)을 따라 저압 엔진으로 공급한다.

이와 달리 본 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 고압 압축기(200)의 하류에서 증발가스 라인(BL)으로부터 분기되어 ME-GI 엔진으로 연결되는 제1 연료라인(FL1); 고압 압축기(200)의 하류에서 증발가스 라인(BL)으로부터 분기되어 제1 열교환기(300)로 연결되는 재액화 라인(RL); 및 재액화 라인(RL)으로부터 제1 열교환기(300)의 상류에서 분기되어 연료용 감압장치(700)로 연결되는 제2 연료라인(FL2);을 포함한다.

따라서, 본 실시예에 따른 증발가스 처리 방법은, 고압 압축기(200)에서 증발가스를 고압으로 압축시킨 후, ME-GI 엔진의 증발가스 연료 수요량만큼 제1 연료라인(FL1)으로 분기시켜 ME-GI 엔진으로 공급한다.

제1 연료라인(FL1)으로 분기시키고 남은 나머지, 즉, DF 엔진으로 공급할 고압 증발가스와 재액화시킬 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)으로 분기시킨다.

또한, 본 실시예의 잉여 고압 증발가스는, 고압 압축기(200)와 열교환기(300) 사이에서 두 흐름으로 분기되고, 한 흐름은 재액화 라인(RL)을 따라 열교환기(300)로 공급되어 재액화되고, 나머지 흐름은 후술할 제2 연료라인(FL2)을 따라 연료용 감압장치(700)로 공급되어 저압 엔진의 연료로 공급된다.

즉, 재액화 라인(RL)으로 분기된 고압 증발가스 중에서 DF 엔진의 연료로 공급할 증발가스는 제1 열교환기(300)의 상류에서 제2 연료라인(FL2)으로 분기시켜 연료용 감압장치(700)로 공급한다.

제2 연료라인(FL2)으로 분기시키고 남은 나머지, 즉 재액화시킬 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 통해 제1 열교환기(300)로 공급한다.

제2 연료라인(FL2)으로 분기되어 연료용 감압장치(700)로 공급된 고압 증발가스는, 연료용 감압장치(700)에서 저압 엔진에서 요구하는 압력, 즉 본 실시예에서 약 6.5 bar 까지 감압된다.

연료용 감압장치(700)은 단열 팽창 수단, 예를 들어 팽창기 또는 팽창밸브일 수 있다. 고압 증발가스는 연료용 감압장치(700)에 의해 DF 엔진에서 요구하는 압력까지 등엔트로피 또는 등엔탈피 팽창되면서 온도 역시 낮아진다.

본 실시예에 따르면, 연료용 감압장치(700)에 의해 감압되면서 압력 및 온도가 낮아진 저온의 감압 증발가스는, 제2 열교환기(400)의 저온 유로로 공급되며 재액화시킬 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로서 활용된다.

제2 열교환기(400)에서는, 연료용 감압장치(700)에 의해 감압된 저온의 감압 증발가스와, 제1 열교환기(300)에서 열교환에 의해 냉각된 후 배출되는 고압 증발가스가 열교환하여, 저온의 감압 증발가스의 온도는 상승하고, 고압 증발가스의 온도는 낮아진다.

제2 열교환기(400)에서 열교환에 의해 온도가 높아진 감압 증발가스는 제1 열교환기(300)로 이송되며, 제1 열교환기(300)에서 열교환에 의해 온도가 상승한 채로 제2 연료라인(FL2)을 따라 DF 엔진으로 공급된다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 고압 압축기(200)의 중간에서 저압으로 압축된 증발가스를 저압 엔진으로 공급하는 것이 아니라, 고압 엔진으로 공급할 증발가스와 저압 엔진으로 공급할 증발가스와 재액화시킬 증발가스를 모두 고압 압축기(200)를 이용하여 고압 엔진에서 요구하는 고압까지 압축시킨 후, 저압 엔진으로 공급할 증발가스는 연료용 감압장치(700)에 의해 감압시켜 냉열을 추가로 발생시키고, 감압 증발가스의 냉열로 재액화시킬 증발가스를 냉각시키며, 감압 증발가스는 재액화시킬 증발가스와 열교환하면서 온도가 상승하여 저압 엔진에서 요구하는 온도로 조절된 후 저압 엔진으로 공급된다.

따라서, 저압 엔진으로 공급할 증발가스를 감압시켜 냉열을 추가로 발생시킴으로써 재액화량을 증대시키는 것과 동시에, 감압 증발가스는 재액화시킬 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승하므로, 저압 엔진에서 요구하는 온도 조건을 만족시킬 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제1 열교환기(300)와 저압 엔진 사이에는, 제1 열교환기(300)로부터 저압 엔진으로 공급되는 감압 증발가스의 온도를 저압 엔진에서 요구하는 온도로 조절하는 연료 가열기(800);가 설치될 수 있다.

연료 가열기(800)는, 제2 열교환기(400) 및 제1 열교환기(300)로부터 이송된 감압 증발가스의 온도가 저압 엔진에서 요구하는 가스 연료 온도조건보다 낮을 때 가동되어 감압 증발가스를 가열하는 수단일 수 있다.

또한, 제2 열교환기(400)에서 감압 증발가스와의 열교환에 의해 온도가 낮아진 저온의 고압 증발가스는, 재액화 라인(RL)을 따라 제2 열교환기(400)로부터 재액화용 감압장치(500)로 이송된다. 제2 열교환기(400)로부터 배출되는 저온의 고압 증발가스는 초임계 상태일 수 있으며, 또한 적어도 일부가 액화된 기액 혼합 상태일 수도 있고 과냉각 상태의 액체 상태일 수도 있다.

재액화용 감압장치(500)는 저온의 고압 증발가스를 단열 팽창시키는, 단열 팽창 수단, 예를 들어 팽창기 또는 팽창밸브(줄-톰슨 밸브)일 수 있다. 저온의 고압 증발가스는 재액화용 감압장치(500)에 의해 LNG 저장탱크(100)의 작동 압력까지 등엔트로피 또는 등엔탈피 팽창되면서 온도 역시 낮아진다.

저온의 고압 증발가스는 재액화용 감압장치(500)에 의해 감압되면서 플래시 가스가 생성되는 등 기액혼합물이 될 수 있다. 기액분리기(600)는 이 기액혼합물을 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스는 LNG 저장탱크(100)로 회수되고 재액화되지 않은 기체 상태의 미응축 증발가스는 제1 열교환기(300)의 저온 유로로 합류되도록 한다.

기액분리기(600)로부터 LNG 저장탱크(100)로 액체 상태의 재액화 증발가스가 유동하는 재액화 라인(RL)은 기액분리기(600)의 하단부로부터 LNG 저장탱크(100)로 연결된다. 기액분리기(600)로부터 제1 열교환기(300)의 저온 유로로 기체 상태의 미응축 증발가스가 유동하는 기체 회수라인(GL)은 기액분리기(600)의 상단부로부터 제1 열교환기(100)의 상류에서 증발가스 라인(BL)으로 연결된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 제2 열교환기(400)와 기액분리기(600) 사이의 재액화 라인(RL)으로부터 분기되어, 연료용 감압장치(700)의 상류의 제2 연료라인(FL2)으로 연결되는 연료 합류라인(FL3);을 더 포함할 수 있다.

선박의 운항 상태에 따라, 저압 엔진으로 공급할 증발가스 연료를 상술한 바와 같이 제1 열교환기(300) 상류에서 제2 연료라인(FL2)을 이용하여 연료용 감압장치(700)로 분기시킬 수도 있고, 연료 합류라인(FL3)을 이용하여 제2 열교환기(400)의 하류에서 분기시킬 수도 있다.

예를 들어, 추진 엔진인 ME-GI 엔진에서 필요로 하는 증발가스 연료량이 증가하게 되는 운항 상태에서는, 압축 전 증발가스로부터 회수할 수 있는 냉열의 양이 재액화시킬 고압 증발가스를 냉각시키기 위해 필요로 하는 냉열보다 많다. 이때에는, 제2 열교환기(400)의 하류에서 저온의 고압 증발가스를 연료 합류라인(FL3)으로 분기시켜 연료용 감압장치(700)에 의해 감압시킨 후 제2 열교환기(400) 및 제1 열교환기(300)에서 감압 증발가스의 냉열을 회수하도록 한다.

제2 연료라인(FL2)에는, 재액화 라인(RL)으로부터의 분기지점 또는 재액화 라인(RL)으로부터의 분기지점과 연료용 감압장치(700) 사이에 설치되는 연료 분기밸브(도면부호 미부여);가 설치될 수 있다.

또한, 연료 합류라인(FL3)에는, 재액화 라인(RL)으로부터의 분기지점 또는 재액화 라인(RL)으로부터의 분기지점과 연료용 감압장치(700)의 사이에 설치되는 연료 합류밸브(도면부호 미부여);가 설치될 수 있다.

도시하지 않은 제어부에 의해, 제1 열교환기(300)로 공급되는 압축 전 증발가스의 유량, 제1 연료라인(FL1)으로 공급되는 증발가스의 유량, 재액화 라인(RL)으로 분기되는 증발가스의 유량 등 선박의 운항 상태에 따라서 연료 분기밸브와 연료 합류밸브의 개폐 및 개도량이 조절될 수 있다.

본 실시예에 따르면, LNG 저장탱크(100)에서 발생한 증발가스와 기액분리기(600)에서 배출되는 기체를 모두 고압 압축기(200)를 이용하여 고압으로 압축한다. 이 고압의 증발가스를 제1 열교환기(300)로 보내기 전에 저압 엔진으로 공급할 증발가스를 분기시켜 연료용 감압장치(700)를 이용하여 저압 엔진에서 요구하는 압력까지 감압시킨다. 이때, 연료용 감압장치(700)로부터 배출되는 감압 증발가스는 매우 낮은 극저온의 온도 상태가 된다.

재액화시킬 고압 증발가스는 제1 열교환기(300)에서 열교환에 의해 1차로 냉각시키더라도, 연료용 감압장치(700)에 의해 팽창된 감압 증발가스의 온도보다는 높다. 따라서 저온의 감압 증발가스를 제2 열교환기(400)에서 열교환시켜 냉열을 추가로 회수한다.

그리고, 제2 열교환기(400)에서 냉열이 회수된 저온의 감압 증발가스는 제1 열교환기(300)에서 1차로 냉각된 고압 증발가스를 2차로 더 냉각시키는 냉매로 활용한 후, 다시 제1 열교환기(300)에서 고압 증발가스를 냉각시킴으로써 남은 냉열을 회수한다. 이 과정을 통해, 일반적은 증발가스 처리 방법에 비해서 고압 증발가스의 온도를 더 낮게 냉각시킬 수 있고, 연료용 증발가스를 생성하기 위해 발생하는 냉열을 최대로 회수하여 증발가스의 재액화량을 증가시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100 : LNG 저장탱크
200 : 압축기
300 : 제1 열교환기
400 : 제2 열교환기
500 : 재액화용 감압장치
600 : 기액분리기
700 : 연료용 감압장치
800 : 연료 가열기
BL : 증발가스 라인
BL1 : 열교환기 우회라인
RL : 재액화 라인
GL : 기체 회수라인
FL1 : 제1 연료라인
FL2 : 제2 연료라인
FL3 : 연료 합류라인

Claims

액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 가스연료 압력 조건까지 압축시키는 고압 압축기;
상기 고압 압축기에서 압축된 고압 증발가스 중에서, 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량을 초과하는 잉여의 증발가스가 유입되는 재액화 라인;
상기 재액화 라인으로부터 분기되며, 상기 재액화 라인으로 유입된 고압 증발가스 중에서, 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼의 증발가스가 유입되는 제2 연료라인;
상기 제2 연료라인을 따라 저압 엔진의 연료로 공급할 고압 증발가스를 상기 저압 엔진에서 요구하는 압력까지 감압시키는 연료용 감압장치; 및
상기 재액화 라인으로 유입된 고압 증발가스 중에서, 재액화시킬 고압 증발가스를, 상기 연료용 감압장치에 의해 감압된 감압 증발가스의 냉열을 회수하여 냉각시키는 열교환기;를 포함하는, 증발가스 처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 감압 증발가스와 상기 재액화시킬 고압 증발가스를 열교환시켜, 상기 감압 증발가스의 냉열을 1차로 회수하여 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 제2 열교환기;를 포함하는, 증발가스 처리 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 열교환기는,
상기 액화가스 저장탱크로부터 고압 압축기로 공급되는 압축 전 증발가스와, 상기 재액화시킬 고압 증발가스와, 상기 제2 열교환기에서 열교환 후 배출되는 감압 증발가스를 열교환시켜, 상기 감압 증발가스의 냉열을 2차로 회수하여 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 제1 열교환기;를 더 포함하는, 증발가스 처리 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 열교환기의 하류에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되어 상기 연료용 감압장치로 연결되는 연료 합류라인;을 포함하는 증발가스 처리 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 재액화 라인을 통해 상기 제1 열교환기로 공급되는 고압 증발가스 중에서 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량이 상기 연료용 감압장치로 공급되도록 개폐가 제어되는 연료 분기밸브;
상기 제2 열교환기에서 냉각된 저온의 고압 증발가스 중에서 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량이 상기 연료용 감압장치로 공급되도록 개폐가 제어되는 연료 합류밸브; 및
상기 제1 열교환기로 공급되는 고압 증발가스의 유량에 따라 상기 연료 분기밸브 및 연료 합류밸브의 개폐를 제어하여, 상기 연료용 감압장치로 공급할 고압 증발가스의 분기 지점을 제어하는 제어부;를 포함하는, 증발가스 처리 시스템.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 열교환기에서 냉열이 회수된 감압 증발가스의 온도를 상기 저압 엔진에서 요구하는 온도로 조절하는 연료 가열기;를 더 포함하는, 증발가스 처리 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 열교환기에서 1차 냉각되고, 제2 열교환기에서 2차 냉각된 고압 증발가스를 감압시키는 재액화용 감압장치; 및
상기 재액화용 감압장치에 의해 감압되면서 재액화된 재액화 증발가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수되는, 증발가스 처리 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 재액화용 감압장치에 의해 감압되면서 생성된 기액혼합물을 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수하고, 기체 상태의 미응축 증발가스는 상기 제1 열교환기로 공급되는 압축 전 증발가스 흐름에 합류시키는 기액분리기;를 더 포함하는, 증발가스 처리 시스템.
액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스 고압 엔진에서 요구하는 가스연료 압력 조건까지 압축시키는 고압 압축단계;
상기 고압 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스 중에서 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼을 상기 고압 엔진으로 공급하는 고압 연료 공급단계;
상기 고압 엔진의 연료 수요량을 초과하는 나머지 고압 증발가스 중 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼은 감압시켜 상기 저압 엔진으로 공급하는 저압 연료 공급단계; 및
상기 고압 엔진 및 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량을 초과하는 나머지 고압 증발가스는, 상기 저압 엔진으로 공급할 감압 증발가스의 냉열로 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크로 회수하는 재액화 단계;를 포함하는, 증발가스 처리 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 재액화 단계는,
상기 고압 압축단계에서 증발가스를 압축시키기 전의 압축 전 증발가스와, 상기 재액화시킬 고압 증발가스와, 상기 감압 증발가스를 열교환시켜 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 1차 냉각단계; 및
상기 1차 냉각단계에서 냉각된 고압 증발가스와, 상기 감압 증발가스를 열교환시켜 상기 고압 증발가스를 더 냉각시키는 2차 냉각단계;를 포함하고,
상기 감압 증발가스의 냉열은, 상기 2차 냉각단계에서 1차로 회수하고, 상기 1차 냉각단계에서 2차로 회수하는, 증발가스 처리 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 저압 연료 공급단계는,
상기 1차 냉각단계로 공급되기 전에 상기 고압 증발가스 중 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼을 분기시켜 감압시키거나, 상기 2차 냉각단계를 거친 저온의 고압 증발가스 중에서 상기 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량만큼을 분기시켜 감압시키는 연료 분기지점 제어단계;를 더 포함하고,
상기 연료 분기지점 제어단계에서는, 상기 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량에 따라 상기 연료 분기지점을 선택하는, 증발가스 처리 방법.