KR20210009140A - 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지(lng)의 증발가스 부분재액화시스템 - Google Patents

다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지(lng)의 증발가스 부분재액화시스템 Download PDF

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Abstract

본발명은 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템에 관한 것으로, 증발기(10)에서 증발한 냉매 증기를 저압압축기(20)에서 압축한 과열증기를 중간냉각기(30)에서 냉각시키고 ,냉각된 증기는 건포화증기가 아닌 과열증기로서 고압압축기(40)로 유입되어 다시 2단압축되며 압축된 고온, 고압의 냉매는 응축기(50)에서 냉각 응축되며, 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가는 것으로,
본발명은 다단압축 냉동기를 설치하여 예냉
함으로써 BOG 재액화율을 향상시키며 선박들의 BOG를 효과적으로 처리하여 엘엔지의 안전성 및 에너지 절약을 도모할 수 있는 현저한 효과가 있다.

Description

다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지(LNG)의 증발가스 부분재액화시스템{Re-Liquefaction system of part of evaporation gas marine engine LNG equipped with multi-stage compression precooler}
본발명은 다단압축 예열기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본발명은 예냉기에 다단압축 냉동기를 설치하여 예냉함으로써 BOG 재액화율을 향상시키며 선박들의 BOG를 효과적으로 처리하여 엘엔지의 안전성 및 에너지 절약을 도모할 수 있는 다단압축 예열기가 설치되는 선박용 엘엔지(액화천연가스, LNG)의 증발가스 부분재액화시스템에 관한 것이다.
일반적으로 등록특허공보 등록번호 10-1854977호에 배경기술로 기재된 바와 같이, LNG는 통상적으로 액화상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. LNG가 초저온, 즉 상압 -163℃ 근처의 온도에서 액화되므로, LNG 운반선의 저장탱크가 외부의 열전달을 받음으로 인하여 저장탱크의 LNG는 지속적으로 기화하는데 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면 BOG는 안전밸브를 통하여 외부로 배출되거나, 선박의 보일러 연료로 사용된다.
또는 재액화장치를 사용하여 액화 후 저장탱크로 반송되어 진다. 이와같이, 최근 추세는 이를 부분재액화하여 액체 운송량의 증가를 시도하고 있다.
그리고 상기 등록특허공보 등록번호 10-1854977호에는 선박용 LNG 저장탱크(100)에서 발생하는 증발증기(BOG:boil-off-gas)를 압축하고, 상기 압축한 증발가스를 재액화하고, 상기 재액화된 증발가스를 저장시키는 선박용 액화천연가스의 증발가스 부분재액화장치에 있어서, LNG가 저장되는 저장탱크(100)와;
상기 저장탱크(100)에서 배출되는 저온의 BOG 증발가스의 냉열을 이용하여 열교환하는 제1열교환기(170)와;
상기 제1열교환기(170)를 통해서 유입된 증발가스를 250 내지 300bar의 고압가스로 압축하는 압축기(130)와;
상기 압축기(130)에 토출된 고압가스를 상기 제1열교환기(170)로 이송하는 제2유로(200)와, 예냉기(120)로 이송하는 제1유로(190)로 구성되는 분기부(210)와;
상기 제1유로(190)로 토출되는 고압가스를 -25 내지 -30℃, 300bar 상태로 냉각시키는 예냉기(120)와;
상기 예냉기(120)를 통해 토출된 고압가스를 -162℃의 플래시 가스를 이용하여 추가 냉각시키는 제2열교환기(180)와;
상기 제1유로(190)의 상기 제2열교환기(180)와, 상기 제2유로(200)의 상기 제1열교환기(170)를 통해서 냉각된 압축가스를 합체한 후 대기압 상태로 감압하여 팽창시키는 감압팽창밸브(140)와;
상기 감압팽창밸브(140)에서 감압된 증발가스를 포화액체와 포화기체로 분리하여, 상기 플래시 가스는 상기 제2열교환기(180)로 이송하고, 포화액체는 상기 저장탱크(100)로 이송시키는 액기분리기(160);를 포함하여 구성되며,
상기 예냉기(120)는,
상기 압축기(130)를 통해서 토출되는 고압압축가스를 -25 내지 -30℃로 냉각시키고, 사용되는 냉동기(110)로는 암모니아 냉동기, R134a 냉동기 그리고 R508 냉동기 중 어느 하나가 선택적으로 사용되어, 상기 압축기(130)에서 고압으로 압축된 가스의 흐름을 분지하여 BOG 증발가스의 보유 냉열과 플래시 가스의 냉열을 분리 사용하여 열교환 효율을 증가시키고, 상기 냉동기(110)를 이용하여 예냉하여 BOG 재액화율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 선박용 액화천연가스의 증발가스 부분재액화장치가 공개되어 있다.
또한, 국제특허공개 WO 2009/136793호, WO 2011/078669호, US2014/0102133공개특허공보 제2001-0089142호 등이 있다.
그러나 상기 종래기술들은 1단압축 냉동기를 사용하여 BOG 재액화율이 낮고 에너지 효율이 낮은 문제점이 여전히 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 다단압축 냉동기를 설치하여 예냉함으로써 BOG 재액화율을 향상시키며 선박들의 BOG를 효과적으로 처리하여 엘엔지의 안전성 및 에너지 절약을 도모할 수 있는 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본발명은 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템에 관한 것으로, 증발기(10)에서 증발한 냉매 증기를 저압압축기(20)에서 압축한 과열증기를 중간냉각기(30)에서 냉각시키고 ,냉각된 증기는 건포화증기가 아닌 과열증기로서 고압압축기(40)로 유입되어 다시 2단압축되며 압축된 고온, 고압의 냉매는 응축기(50)에서 냉각 응축되며, 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가는 것을 특징으로 한다.
따라서 본발명은 다단압축 냉동기를 설치하여 예냉함으로써 BOG 재액화율을 향상시키며 선박들의 BOG를 효과적으로 처리하여 엘엔지의 안전성 및 에너지 절약을 도모할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 종래의 선박용 엘엔지의 증발가스 부분재액화장치의 구성도
도 2는 본발명의 일실시례의 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템 구성도
도 3은 본발명의 다른 실시례의 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템 구성도
도 4, 5는 본발명의 영하 50℃이하에서도 얼지않는 브라인을 활용한 순환회로를 부가한 부분냉각시스템 구성도
본발명은 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템에 관한 것으로, 증발기(10)에서 증발한 냉매 증기를 저압압축기(20)에서 압축한 과열증기를 중간냉각기(30)에서 냉각시키고 ,냉각된 증기는 건포화증기가 아닌 과열증기로서 고압압축기(40)로 유입되어 다시 2단압축되며 압축된 고온, 고압의 냉매는 응축기(50)에서 냉각 응축되며, 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 응축된 냉매 일부는 중간냉각기(30)를 거친후 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가며, 나머지 일부는 보조팽창밸브(70)를 거친후 중간냉각기(30)와 열교환된 후 다시 고압압축기(40)로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 선박용 엘엔지의 증발가스 부분재액화장치의 구성도, 도 2는 본발명의 일실시례의 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템 구성도, 도 3은 본발명의 다른 실시례의 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지 가스의 증발가스 부분재액화시스템 구성도, 도 4, 5는 본발명의 영하 50℃이하에서도 얼지않는 브라인을 활용한 순환회로를 부가한 부분냉각시스템 구성도이다.
본발명은 선박용 LNG 저장탱크(100)에서 발생하는 증발증기(BOG:boil-off gas)를 압축하고, 상기 압축한 증발가스를 재액화하고, 상기 재액화된 증발가스를 저장시키는 선박용 액화천연가스의 증발가스 부분재액화장치이다.
LNG가 저장되는 저장탱크(100)와;
상기 저장탱크(100)에서 배출되는 저온의 BOG 증발가스의 냉열을 이용하여 열교환하는 제1열교환기(170)와;
상기 제1열교환기(170)를 통해서 유입된 증발가스를 250 내지 300bar의 고압가스로 압축하는 압축기(130)와;
상기 압축기(130)에 토출된 고압가스를 상기 제1열교환기(170)로 이송하는 제2유로(200)와, 예냉기(120)로 이송하는 제1유로(190)로 구성되는 분기부(210)와;
상기 제1유로(190)로 토출되는 고압가스를 -25 내지 -30℃, 300bar 상태로 냉각시키는 예냉기(120)와;
상기 예냉기(120)를 통해 토출된 고압가스를 -162℃의 플래시 가스를 이용하여 추가 냉각시키는 제2열교환기(180)와;
상기 제1유로(190)의 상기 제2열교환기(180)와, 상기 제2유로(200)의 상기 제1열교환기(170)를 통해서 냉각된 압축가스를 합체한 후 대기압 상태로 감압하여 팽창시키는 감압팽창밸브(140)와;
상기 감압팽창밸브(140)에서 감압된 증발가스를 포화액체와 포화기체로 분리하여, 상기 플래시 가스는 상기 제2열교환기(180)로 이송하고, 포화액체는 상기 저장탱크(100)로 이송시키는 액기분리기(160);를 포함하여 구성된다.
상기 제1열교환기(170)는,
상기 저장탱크(100)에서 토출되는 -130℃의 BOG가스의 냉열을 이용하여 상기 제2유로(200)로 통해서 유입되는 압축된 고압압축가스를 냉각시키고,
상기 제2열교환기(180)는,
상기 액기분리기(160)에서 토출되는 -162℃의 플래시 가스를 이용하여, 상기 제1유로(190)를 통해서 유입되는 압축가스를 냉각시키는 것이고, 이는 본발명의 배경기술로 기재된 등록특허공보 10-1854977호의 청구범위에 기재된 구성과 동일하다.
본발명의 기술적 특징인 상기 예냉기(120)는,
상기 압축기(130)를 통해서 토출되는 고압압축가스를 -50℃로 냉각시키고, 사용되는 냉동기(110)에 사용하는 냉매로는 R-427A, R-417A, NH3, R-407F, R-290, R-448A, R-449A, R-455A, R-454A, R-454C, R-404A, R-507A, R-410A, R-422A, R-452A, R-23, R-508B중 어느 하나가 선택적으로 사용된다.
또한, 상기 감압팽창밸브(140)을 통해서, 300bar 상태의 고압압축가스를 대기압상태의 포화액체상태와, 포화기체상태로 감압시킨 후, 상기 액기분리기(160)를 통해서 액체상태의 가스는 상기 저장탱크(100)로, 기체 상태의 플래시가스는 상기 제2열교환기(180) 측으로 분리하여 이송하는 것이다.
본발명의 실시례의 사이클의 작동 원리를 설명하면, 증발기(10)에서 증발한 냉매 증기를 저압압축기(20)에서 압축한 과열증기를 중간냉각기(30)에서 냉각시키고 ,냉각된 증기는 건포화증기가 아닌 과열증기로서 고압압축기(40)로 유입되어 다시 2단압축되며 압축된 고온, 고압의 냉매는 응축기(50)에서 냉각 응축되며, 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가는 것이다.
본발명의 다른 실시례의 사이클의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
(1) 과정 7→8 : 고압압축된 과열증기(상태점 7) 1kg이 응축기에서 정압(
Figure pat00001
)하에 냉각, 응축되는 과정(그림에서는 과냉되지 않았음)
(2) 과정 8→1 : 응축기를 나온 냉매 중 일부(1-m kg)를 보조팽창밸브로 보내고 나머지 m kg이 중간냉각기를 지나며 열교환하여 과냉각(상태점 1)되는 과정
(3) 과정 1→2 : 과냉각액(상태점 1)m kg이 팽창밸브에서 교축팽창되어 습증기(상태점 2)로 되는 과정
(4) 과정 2→3 : 습증기 m kg이 증발기에서 정압(
Figure pat00002
)하에 증발하여 건포화증기(상태점 3)로 되는 과정으로 냉동이 이루어진다.
(5) 과정 3→4 : 건포화증기 m kg이 저압압축기에서 단열압축되어 과열증기(상태점 4)로 되는 과정
(6) 과정 4→5 : 단열압축된 과열증기 m kg이 중간냉각기에서 정압(
Figure pat00003
)하에 냉각수에 의해 냉각되는 과정
(7) 과정 5→6 : 중간냉각기에서 냉각수에 의해 냉각된 과열증기(상태점 5)m kg이 응축기에서 바이패스(by pass)되어온 냉매 포화액(상태점 9)(1-m)kg과 혼합되며 증발시켜 1kg의 건포화증기(상태점 6)로 되는 과정으로 4→5→6의 변화는 이론적으로는 이렇게 해석되나 실제로는 명확히 구분할 수 없다.
(8) 과정 6→7 : 1kg의 건포화증기가 고압압축기로 유입되어 과열증기(상태점 7)로 단열압축 되는 과정
(9) 과정 8→9 : 응축된 냉매증기 (1-m)kg이 상태점 8에서 바이패스 되어 보조팽창밸브에서 교축팽창되며 중간압력
Figure pat00004
까지 감압되는 과정
(10) 과정 9→6 : 바이패스되어 감압된 습증기(상태점 9)(1-m)kg이 중간냉각기에 냉각된 과열증기(상태점 5)m kg과 혼합되며 흡열, 증발하여 건포화증기(상태점 6)가 되는 과정이다.
도 5, 6은 LNG-브라인 열교환기(80)과 브라인의 온도 변화에 따른 체적팽창을 흡수할 목적으로 설치된 팽창탱크(90)로 구성되어 엘엔지와 2단압축 냉동기 사이를 순환하는 별도의 순환회로를 구성하고 있다.
따라서 본발명은 냉동기를 2단압축 냉동기로 구성하여 -50℃ 이하로 냉각하는 현저한 효과가 있다.
100 : 저장탱크 110 : 냉동기
120 : 예냉기 130 : 압축기
140 : 감압팽창밸브 160 : 액기분리기
170 : 제1열교환기 180 : 제2열교환기
190 : 제1유로 200 : 제2유로
210 : 분기부
10 : 증발기 20 : 저압압축기
30 : 중간냉각기 40 : 고압압축기
50 : 응축기 60 : 팽창밸브
70 : 보조팽창밸브
80 : LNG-브라인 열교환기
85 : 브라인펌프
90 : 팽창탱크(브라인의 온도변화에 따른 체적 변화를 흡수하는 목적)

Claims (2)

  1. 증발기(10)에서 증발한 냉매 증기를 저압압축기(20)에서 압축한 과열증기를 중간냉각기(30)에서 냉각시키고 ,냉각된 증기는 건포화증기가 아닌 과열증기로서 고압압축기(40)로 유입되어 다시 2단압축되며 압축된 고온, 고압의 냉매는 응축기(50)에서 냉각 응축되며, 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가는 것을 특징으로 하는 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지의 증발가스 부분재액화시스템
  2. 제1항에 있어서, 상기 응축된 냉매 일부는 중간냉각기(30)를 거친후 팽창밸브(60)에서 교축팽창되어 증발기(10)로 들어가며, 나머지 일부는 보조팽창밸브(70)를 거친후 중간냉각기(30)와 열교환된 후 다시 고압압축기(40)로 유입되는 것을 특징으로 하는 다단압축 예냉기가 설치되는 선박용 엘엔지의 증발가스 부분재액화시스템
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