KR20210016584A - 액화 석유 가스 저장 및 운송을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

액화 석유 가스 저장 및 운송을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210016584A
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condensate
lpg
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cargo
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KR1020207038020A
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라르스 그렌애스
라이둘프 디르랜드
외이빈드 스크예르벤
Original Assignee
바르질라 가스 솔루션즈 노르웨이 에이에스
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Abstract

본 발명은 LPG 캐리어 상에서 액화 석유 가스(LPG)를 저장 및 운송하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다. 여기서, LPG에서 나오는 보일 오프 가스는 적어도 2 단계로 압축되는 카고 압축기에서 압축되고, 카고 응축기에서 응축되며, 액체 리시버 내에서 비-응축성 가스가 분리되고 및/또는 가스 및 액체가 혼합될 수 있다. 액체 리시버를 빠져나가는 온난하고 혼합된 2-상 응축물 스트림은 적어도 하나의 응축물 과냉각기에서 글라이드 냉각으로 열 교환하고, 적어도 하나의 응축물 과냉각기를 빠져나가는 스트림 내에 존재하는 액적들은 카고 압축기로 복귀되기 전에 적어도 하나의 액적 분리기에서 제거되어 추가로 냉각되고 압축된 스트림을 형성한다.

Description

액화 석유 가스 저장 및 운송을 위한 시스템 및 방법
본 발명은 일반적으로 LPG로 알려져 있는 액화 석유 가스를 탱커 용기에 저장하고 운송하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이하에서 탱커 용기는 LPG 캐리어로도 호칭된다.
본 발명의 시스템 및 방법은 액화 석유 가스(LPG)용 부유식 생산 및 저장선(FPSO)에 사용하는 데에도 동일하게 적용될 수 있고, 액화 에탄 및 액화 에틸렌 가스를 운반하는 선박에 사용하는 데에도 동일하게 적용될 수 있다.
국제공개공보 WO 2011/002299호는 다단 컴프레서 및 하나의 인터쿨러 장치를 구비하는 전형적으로 공지된 재액화 유닛을 기재하고 있다.
국제공개공보 WO 2012/143699호는 전용 열교환기에서 비-응축성 가스를 냉각하기 위한 추가적인 설비를 부가함으로써 국제공개공보 WO 2011/002299호에 도시되어 있는 원리를 확장하고 있다. 국제공개공보 WO 2012/143699호는 2단 이상의 압축 단을 구비하는 다단 컴프레서에 적용할 수 있다. 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분이 리시버 내에서 보일 오프 가스의 응축된 부분과 분리되고, 이어서 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분은 열교환기에서 냉각되어, 이 성분들이 재액화되어 카고 탱크로 복귀된다. 증발 가스 응축기 내에 내장된 열교환기가 사용된다. 열교환기는 선박 내부의 코일이다. 즉 이 코일은 액체 풀 냉각으로 알려져 있는 액체 내에 침지되어 있다. 유사한 디자인의 인터쿨러/이코노마이저가 또한 사용된다.
인터쿨러 액체 풀 냉각을 구비하는 종래 기술의 설비에서의 원리에 기초하는 재액화 유닛을 출발할 때, 인터쿨러 액체 풀이 증기 상과 평형을 이루는 데에는 2시간이 소요될 수 있다. 추가의 증발 가스 응축기의 경우에도 이와 비슷하다. 또는 종래 기술의 설비에서, 에너지 손실이 바람직한 것보다 더 많을 수 있다.
액체 풀 냉각 원리에 기초하는 인터쿨러(들)를 사용할 때, 일부 LPG 타입의 경우에는 평형에서 최대 20℃의 온도 차가 있을 수 있다. 이 온도 차는 증발 가스 응축기 내에도 존재할 수 있으며, 이 온도 차가 열교환기 내에서 응축 속도를 제한한다는 것은 자명하다.
에너지 효율과 그린 하우스 가스 배출에 대한 관심이 증대됨으로 인해, 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분을 더 효율적으로 과냉각할 뿐만 아니라 더 효율적으로 회수하고, 또한 LPG 캐리어 상에서 사용되는 재액화 시스템의 성적 계수(COP)를 더 개선해야 한다는 필요가 있다.
이에 따라 본 발명의 목적은 종래 기술의 해법이 안고 있는 단점을 극복하여 보일 오프 가스의 재액화를 더 효율적이게 하는 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 놀랍게도 글라이드 냉각을 활용함으로써 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분의 개선된 응축률이 달성되고, 액체 풀 냉각으로 가능하지 않은 추가의 과냉각이 제공되며, 이들로 인해 배관 장치와 설비 양을 단순화 시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
이에 따라, 일 측면에서, 본 발명은 LPG 캐리어 상에서 액화 석유 가스(LPG)를 저장 및 운송하는 방법으로, 상기 방법은, 하나 또는 그 이상의 LPG 카고 탱크에서 배출되는 보일 오프 가스를 압축하는 단계를 포함하되, 상기 LPG는 최소 2 단계로 압축하는 카고 압축기 내에서 1 기압에서 비등점이 -110℃ 이상이고, 상기 카고 압축기는 적어도 하나의 중간 압력 스트림, 적어도 하나의 추가로 냉각되고 압축된 스트림 및 최종 압축된 스트림을 제공하며, 카고 응축기에서 스트림을 냉각 및 응축시켜, 비-응축성인 모든 가스 및/또는 가스와 액체의 혼합물을 분리하기 위해 액체 리시버로 유입되는 고압 응축물 스트림을 제공하는, LPG 저장 및 운송 방법에 있어서,
- 리시버를 빠져나가는 온난하고 혼합된 2-상 스트림을 적어도 하나의 응축물 과냉각기에서 냉각하는 단계로, 온난하고 혼합된 2-상 스트림이 적어도 하나의 글라이드 냉매와 열 교환하여 적어도 하나의 추가로 냉각된 응축물 스트림을 생성하는, 냉각 단계;
- 추가로 냉각된 응축물 스트림을 하나 이상의 액밀 탱크로 보내지는 스트림, 및 적어도 하나의 혼합 상 냉매 스트림으로 팽창되는 적어도 하나의 스트림으로 분할하는 단계로, 스트림은 온난하고 혼합된 2-상 스트림과 대향 방식으로 열 교환하는 적어도 하나의 응축물 과냉각기로 도입되는, 분할 단계;
- 액적이 존재하는 경우에 액적을 제거하기 위해, 응축물 과냉각기를 빠져나가는 적어도 하나의 혼합 상 냉매 스트림을 적어도 하나의 액적 분리기를 통과시키는 단계;
- 적어도 하나의 액적 분리기를 빠져나오는 적어도 하나의 스트림을 통과시키고 적어도 2 단계로 압축하는 카고 압축기로부터 오는 적어도 하나의 중간 압력 스트림과 혼합하여 적어도 하나의 추가로 냉각되고 압축된 스트림을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은 LPG 캐리어 상에서 액화 석유 가스(LPG)를 저장 및 운송하기 위한 시스템으로, 상기 시스템은, 1 기압에서 비등점이 -110℃ 이상인 LPG용의 적어도 하나의 카고 탱크, LPG로부터 배출되는 보일 오프 가스를 적어도 2 단계로 압축하여, 적어도 하나의 중간 압력 스트림, 적어도 하나의 추가로 냉각되고 압축된 스트림 및 최종 압축된 스트림을 제공하는 카고 압축기, 상기 최종 압축된 스트림을 응축시켜 고압 응축물 스트림을 제공하는 카고 응축기 및 비-응축성인 모든 가스 및/또는 가스와 액체의 혼합물을 분리하기 위한 액체 리시버를 포함하는, LPG 저장 및 운송 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
- 리시버를 빠져나가는 온난하고 혼합된 2-상 스트림과 적어도 하나의 글라이드 냉매를 글라이드 냉각시켜 열 교환시키도록 구성된 적어도 하나의 응축물 과냉각기로, 상기 적어도 하나의 글라이드 냉매는 온난하고 혼합된 2-상 응축물 스트림과 대향되게 적어도 하나의 응축물 과냉각기 내로 도입되도록 구성된 추가로 냉각되어 온난하고 혼합된 2-상 응축물 스트림 중 중간 팽창 부분인, 적어도 하나의 응축물 과냉각기; 및
- 적어도 하나의 응축물 과냉각기를 빠져나가는 적어도 하나의 글라이드 냉매 스트림으로부터 액적이 존재하는 경우에 그 액적을 제거하도록 구성되어 있으며, 또한, 적어도 하나의 액적 분리기를 빠져나가는 적어도 하나의 스트림을 적어도 하나의 중간 압력 스트림과 혼합하여 추가로 냉각되고, 압축된 스트림을 형성하는, 적어도 하나의 액적 분리기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템을 제공한다.
본 발명의 추가적인 실시형태들이 종속 청구항들에 개시되어 있다.
본 발명의 원리, 동작 및 이점을 예시하기 위해, 이하에서 아래의 도면들을 참고하여 본 발명의 실시형태들을 더 상세하게 설명한다.
도면에서 균등한 부분은 동일한 참조번호로 지정되어 있다.
도 1은 4개의 카고 탱크 및 재액화 유닛을 향하는 증기(BOG)의 유동 라인 및 종래 기술의 재액화 유닛을 구비하는 카고 탱크로 복귀하는 응축 라인들을 구비하는 선박의 원리를 도시하는 도면이다.
도 2는 액체 풀 냉각의 원리에 기초하는 인터쿨러의 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 하나의 인터쿨러 장치를 구비하는 종래 기술의 재액화 유닛을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 하나의 인터쿨러 장치 및 하나의 벤트 가스 응축기를 구비하는 종래 기술의 재액화 유닛을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5는 압축 단계 1과 2 사이에 글라이드 응축기 및 인터쿨러가 조합된 재액화 유닛의 본 발명 실시형태의 개략적인 다이어그램이다. 제어는 도면에서 생략되어 있다.
도 6은 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분 응축기 및 응축 서브-쿨러가 조합된 주위의 제어를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 압축 및 리시버의 각 단계 주위에 대한 제어를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 응축 서브-쿨러 및 제어가 도시되어 있는 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분을 위한 응축기가 조합된 본 발명의 일 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 추가의 액체 드럼을 구비하는 재액화 유닛의 본 발명의 일 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 리시버 출구에서 가스와 액체를 혼합하기 위한 혼합기를 도시하는 도면이다.
도 12는 3단 압축기를 위한 제1 응축 서브-쿨러와 관련된 제어를 도시하는 도면이다.
도 13은 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분을 위한 응축기 및 응축 서브-쿨러가 조합된 제2 설비 주위의 제어를 도시하는 도면이다.
도 14는 압축의 3단 압축과 리시버 주위와 관련된 제어를 도시하는 도면이다.
도 15는 제어 및 3단 압축을 구비하는 본 발명의 일 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 응축 서브-쿨러 과정을 위한 압력-엔탈피 다이어그램이다.
도 17은 본 발명과 종래 기술 해법에서 에탄 성분에 대한 냉각 능력을 도시하는 도면이다.
도 18은 침수된 인터쿨러에 대한 냉각 곡선이다.
도 19는 본 발명에 따른 글라이드 냉각을 이용하는 열교환기용 냉각 곡선이다.
본 발명은 1 기압에서 비등점이 -110℃(163K) 이상인 액화 가스에 적용할 수 있는 것으로 이해되어야 하며, 편의를 위해 LPG라는 용어는 비등점이 -110℃인 가스 영역을 커버한다.
LPG는 다양한 등급 범위 또는 액체로 저장되고 운반되는 석유 가스 제품으로 이해되어야 한다. 다양한 석유 가스 중에서, 프로판과 부탄이 주요 예시가 되는데, 프로판은 일반적으로 에탄을 0 몰% 내지 최대 10 몰% 농도로 포함하고, 또한 다른 석유 구성물 예를 들어 부탄을 소량 함유할 수 있다. 전술한 탄화수소 외에도, LPG는 최소한 다음과 같은 액화 제품을 포함하여야 한다.
암모니아;
부타디엔;
부탄-프로판 혼합물(임의의 혼합물);
부틸렌;
디에틸 에테르;
프로필렌;
비닐 클로라이드;
에탄(일반적으로 메탄 분율을 포함하고, 무거운 화합물 성분을 소량 포함할 수 있음);
에틸렌.
에탄, 프로판 및 부탄 같은 탄화수소 제품은 일반적으로 천연 가스, 가스 응축물 또는 경량 석유 분획물을 증류한 제품이며, 그 결과 소량의 다른 화합물도 보유할 수 있다. 이들 추가적인 화합물은 어느 정도 휘발성이 있을 수 있다.
LPG는 대기압보다 높은 압력에서 또는 주변 온도 미만의 온도, 또는 이들이 모두 조합된 환경에서 액체 형태로 운송된다. 본 발명은,
1. 완전히 냉각된 것으로 알려져 있는, 대기압 근방의 압력과 주변 온도 미만의 온도에서 액화된 카고인 LPG를 운송하는 LPG 캐리어, 및
2. 주변 온도보다 낮은 온도와 대기압보다 높은 압력에서 액화된 카고인 LPG를 운송하는 LGP 캐리어에 관한 것이다. 후자는 세미-냉각된/세미-가압된 것으로 알려져 있다.
주변 온도 미만의 온도로 저장되어 운반되는 LPG는 어느 정도 양의 증기를 계속적으로 배출한다. 카고 탱크 내 압력을 유지하는 통상적인 방식은 배출되는 증기를 빼내서 액화시킨 후, 다시 증기를 응축물로 카고 탱크로 돌려보내는 것이다.
본 명세서에서, 응축물(condensate)은 액화된 증기로 이해되어야 한다. 한편, 증기는 LPG에 유입된 열에 의해 생성된 증기들과 응축물이 복귀될 때 생성되는 모든 증기를 포함하는 증기의 생성물을 의미한다. 증기는 또한 카고 탱크를 적재하는 중에 이동하는 가스와 탱크 압력을 줄이기 위해 재액화 설비의 사용을 포함하는 카고 조작 작업도 포함한다.
바람직하게는, 증발 냉매로 온난한 응축물 스트림의 차가운 부분을 사용하여 과냉각이 제공되는 카고 탱크 내로 열 유입을 취급하고, 이 부분을 다시 냉각 유닛 내에서 적당한 지점으로 돌려보내기 위해 필요한 냉각 듀티를 제공하기 위해 응축물은 추가로 과냉각되어야 한다. 과냉각(sub-cooling)이란 용어는 보통의 비등점 미만의 온도에서 존재하는 액체를 가리킨다.
다단 압축기는 2단 이상의 압축 단계를 갖는 압축기(compressor)로 이해되어야 한다. 일반적으로, 압축의 모든 단계들은 단일체 기계 내에 구성되어 있지만, 예컨대 압축 단계마다 하나의 압축기 본체와 같이 둘 이상의 본체로 분할될 수도 있다.
본 명세서에서, 재액화 유닛(reliquefaction unit)은 듀티가 증기를 액화시키는 냉각 유닛을 의미하며, 접두사 "재"(re)는 액화 가스로부터 나오는 증기를 액화하는 것을 가리킨다. 카고 탱크(cargo tank)는 LPG를 저장하기 하기 위한 하나 이상의 액밀 용기이다.
카고 타입은 LPG 등급 및/또는 전술한 생성물들 중 어느 하나이다. 일 예로, 카고 타입은 에탄 5몰%를 함유하는 상업용 프로판일 수 있다.
액화 가스 캐리어에 의해 운송되는 카고가 달라짐에 따라 압축기 인터쿨링에 대한 요구가 달라질 수 있다. 예를 들어, 암모니아 및 비닐 클로라이드 카고는 높은 인터스테이지 온도를 발생시키고 예를 들어 프로판 카고에 비해 제1 압축 단계와 제2 압축 단계 사이의 냉각 정도가 더 클 것이 요구된다. 이는 일반적으로 제1 단계에서 압축된 증기가 액체 배스를 통해 배출되고, 이에 따라 제2 단계 압축기 유입구로 들어가는 흡입 가스가 이슬점 온도에 근접하는 제1 충전된 인터쿨러를 구비함으로써 해결된다.
따라서 넓은 범위의 카고(광범위한 카고 목록)를 운송할 수 있는 선박의 경우, 제1 단계 인터쿨러는 좁은 카고 목록을 운송하는 선박과는 다른 배관 장치를 가질 수 있다.
좁은 카고 목록(narrow cargo list)은 특정 선박이 운반할 수 있는 액화 생성물의 수가 적은 목록인 것으로 예를 들어 암모니아 및 가능한 다른 액화 생성물이 없는 목록으로 이해되어야 한다. 넓은 카고 목록과 좁은 카고 목록 모두에 대해 공통되는 것은 이들 모두가 일반적으로 프로판과 부탄을 표준 탄화수소로 포함한다는 것이다.
때때로 선박은 통상적인 양의 휘발성 성분보다 더 많은 양의 휘발성 성분이 있는 카고를 적재함에 따라 보일 오프 가스가 이들 휘발성 성분을 고농도로 함유하게 된다. 어느 농도 레벨에서, 재액화 설비는 카고 응축기 내의 보일 오프 가스를 완전히 액화할 수 없어도 응축되지 않은 부분을 배출할 필요가 있게 된다.
예를 들어, 도 1은 4개의 카고 탱크 및 재액화 유닛을 향하는 증기(BOG)의 유동 라인 및 국제공개공보 WO 2011/002299호에 기재되어 있는 바와 같은 종래 기술의 재액화 유닛을 구비하는 카고 탱크로 복귀하는 응축물 라인들을 구비하는 선박의 원리를 도시하고 있다.
도 2는 액체 풀 냉각에 기초하는 인터쿨러의 원리를 도시하고 있다.
8: 과냉각될 응축물
9: 전체 응축물 유동 중 팽창된 부분
12: 과냉각된 응축물 유동
13: 인터쿨러를 빠져나가는 증기 유동
15: 총 응축물 유동
22: 총 응축물 유동의 부분
30: 액체 풀
31: 액체 풀에서 배출되는 증기
32: 스트림 9의 액체 부분
33: 스트림 9의 증기 부분
34: 인터쿨러를 빠져나가는 총 증기
40: 열교환기
평형 상태에서 그리고 응축물이 둘 이상의 화학 화합물 예를 들어 에탄을 구비하는 프로판을 구성하는 경우, 액체(32)의 온도는 액체(30)의 온도와 같지 않다. 액체(30)의 온도는 액체(32)의 이슬점 온도에 근접하며, 이는 액체(32)의 실제 온도보다 높다. 일부 LPG 타입에 있어서 20℃의 온도 차이를 보는 것은 드문 일이 아니다.
따라서 과냉각된 응축물 유동(12)의 온도는 액체(32)의 이슬점 온도보다 결코 낮을 수 없다. 증기 현열 및 혼합 엔탈피는 제한된 영향을 주므로 여기서는 무시된다.
도 3은 제1 압축 단계와 제2 압축 단계 사이에 하나의 인터쿨러를 구비하는 종래 기술의 재액화 유닛의 개략적인 다이어그램이다. 높은 인터스테이지 온도를 생성하는 카고 증기의 경우, 유동은 라인(2a)을 거치고, 액체 풀 인터쿨러(170)를 거친 후 제2 압축 단계로 향한다. 예를 들어 프로판인 카고 증기의 경우, 라인(2a) 내에 유동이 없다.
고압의 응축물 스트림이 스트림 7로 응축기(130)를 빠져나가, 모든 비-응축성 가스들이 분리되는 액체 리시버(140)로 들어가고, 라인(20)을 거쳐 빠져나간다. 밸브(220)가 일반적으로 이들 비-응축성 가스를 방출하는 미리 규정된 설정값으로 개방되어 있다. 비-응축성 가스는 불활성 가스로 예를 들어 질소 또는 심지어 휘발성의 탄화수소 성분일 수 있다. 고압은 열교환기 매체에 대해 카고 응축기(130) 내에서 보일 오프 가스를 액화시키기 위해 스트림 6 내에서 압축기(100, 120)의 필요한 배출 압력과 관련된다. 아래의 표 1은 응축 온도가 해수 온도보다 4℃ 높은 응축 온도에 따른 스트림 6 내의 일반적인 압력 값을 나타낸다.
온도 ℃ 순수 프로판 8몰%의 에탄이 있는 프로판 5몰%의 에탄이 있는 프로판 2.5몰%의 에탄이 있는 프로판
24 9.36 바 19.71 바 16.38 바 13.12 바
36 12.61 바 25.06 바 21.04 바 17.12 바
40 13.86 바 27.04 바 22.77 바 18.63 바
비-응축성 가스는 다시 카고 탱크로 배출되어 카고 액체 내로 흡수되며, 불활성 가스를 따르는 카고 증기를 회수하기 위해 다시 재액화 설비 내의 적당한 위치 및 전용 열교환기로 라우팅되거나 또는 연소 유닛으로 또는 최종적으로 벤트 마스트의 다른 적당한 위치로 라우팅된다.
도 4는 인터쿨러 하나와 벤트 가스 응축기 하나를 구비하는 종래 기술의 재액화 유닛을 개략적으로 도시한다. 벤트 가스 응축기에 대한 냉각제의 공급원은 제1 열교환기를 빠져나가는 냉각되지 않은 응축물의 별도의 부분으로 취해진다. 리시버(140) 내 보일 오프 가스의 응축된 부분으로부터 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분이 분리되고, 라인(8)을 거쳐 응축되지 않은 보일 오프 가스 성분이 추가 냉각을 위해 상기 성분들이 재액화 되어 카고 탱크로 복귀되는 열교환기(330)내로 보내진다. 추가의 열교환기(330)가 벤트 가스 응축기(300) 내에 내장되어 있으며, 이는 에탄과 같은 휘발성 성분의 많은 함량을 위해 높은 냉각 성능을 가능하게 한다.
본 발명은 도 4에 도시된 시스템에 비해 액화 용량과 성적 계수 모두에 대해 추가적인 개선이 달성되는 것을 보여준다.
통상적으로, 카고 압축기는 전기적으로 구동되며, 선박에서 전기는 주로 탄화수고 계열 연료를 소모하는 대형 발전기에서 발생된다. 이에 따라 액화 석유 가스를 운송하는 선박에서 그린 하우스 가스 배출을 줄이기 위해, 모든 에너지 소모 시스템은 가능하면 효율적이어야 한다. 따라서 COP의 증가는 재액화 유닛에서 필요한 에너지 소비를 줄여준다(냉각 용량이 높을수록 주어진 유입 열에 대해서 총 작동 시간을 감소시킨다). 따라서, 환경적인 이유로 현재 기술이 제공하는 것보다 나은 COP를 갖는 재액화 시스템을 갖는 것이 바람직하다.
비공비성(non-azeotropic)으로도 호칭되는 글라이드(glide) 냉매는 동일한 압력 수준에서 성분들의 포화 온도가 다른 둘 이상의 냉매들의 혼합물이다. 글라이드 냉매가 증발기로 들어감에 따라, 대부분의 휘발성 성분들이 먼저 증발하게 된다. 대부분의 휘발성 냉매의 농도가 감소할 때, 잔류하는 냉매 혼합물의 온도도 증가하여 두 번째로 낮은 휘발성 냉매 등의 포화 온도에 근접하게 된다. 증발 압력이 일정하게 유지될 때에도, 증발기의 출구 지점보다 입구 지점에서 증발 온도가 낮아지게 된다. 냉매가 응축할 때 즉 글라이드 냉매가 응축기로 들어갈 때에는 위와 단대 상황이 적용되어, 가장 낮은 휘발 성분이 먼저 응축된다. 낮은 휘발성 냉매의 농도가 감소할 때, 잔류하는 냉매 혼합물의 온도도 감소하여 두 번째로 낮은 휘발성 냉매 등의 포화 온도에 근접한다. 증발 압력이 일정하게 유지될 때에도, 증발기의 출구 지점보다 입구 지점에서 응축 온도가 높아지게 된다.
글라이드 냉매로 작동하는 증발기 내에, 특별히 관심이 있는 3개의 온도인, 이슬점(모든 냉매가 증기로 변환될 때 달성되는 최고 증발 온도), 중간 증발 온도 및 버블점(최저 증발 온도)이 존재한다. 버블점은 냉매가 증발기로 출발하기 바로 직전에 달성된다.
글라이드 냉매 사용 원리는 글라이드 냉각으로 호칭된다.
본 발명자들은 놀랍게도 글라이드 냉매를 사용함으로써 매우 효율적인 보일 오프 가스의 재액화가 달성될 수 있다는 것을 알게 되었다. 고급 계산 방법을 적용함으로써, 새로운 제어 전략을 전개하면 액체 풀 냉각에 비해 추가적인 응축과 과냉각을 제공하는 글라이드 냉각을 활용할 수 있음을 알 수 있었다. 본 발명을 사용하면, 증기/액체 조성물이 열전달 과정을 따라 변화하는 온도 활주가 존재한다.
에너지 손실을 최소로 하기 위해, 열교환기는 BOG 응축물 스트림의 냉각되고 팽창된 부분이 글라이드 냉매로 기능할 수 있는 글라이딩 프로파일에 의해 작동될 수 있다. 글라이드 냉매는 대향류 열교환기 장치에서 가장 잘 활용된다. 더 휘발성이 큰 성분이 열교환기의 대향 통로 내에서 온난한 유체와의 열교환 중에 먼저 비등할 것이며, 이에 따라 종래 기술에 따른 액체 풀 냉각에 비해 냉각될 유체에 더 낮은 최종 온도를 제공하게 된다.
글라이드 냉매를 가장 최적으로 활용하기 위해서는, 팽창하는 중에 손실되지 않고 열전달을 위해 휘발성 성분의 기화 잠열을 더 많이 사용할 수 있도록, 휘발성 성분들의 대부분 또는 바람직하게는 모든 휘발성 성분이 팽창한 후에 냉각제/냉매의 액상으로 남아 있어야 한다. 이를 달성하기 위해, 카고 탱크로 복귀하는 온난한 응축물 스트림의 부분을 과냉시키는 데에 사용된 온난한 응축물 스트림 부분이 팽창되기 전에 과냉되어야 한다. 본 발명자들은 과냉을 위해 사용된 온난한 응축물 부분이 카고 탱크로 다시 복귀되는 응축물과 동일한 정도로 과냉되어야 한다는 것을 알게 되었다.
또한, 본 발명자들은 응축된 보일 오프 가스에서 응축되지 않은 부분을 분리하는 대신에 글라이드 응축 및 글라이드 증발을 조합함으로써, 개선된 응축 및 과냉이 달성되는 것을 알 수 있었다.
도 5는 압축 단계(1)와 압축 단계(2) 사이에 응축물 과냉각기 및 증기 유동을 따를 수 있는 모든 액적으로부터 제2 단계 흡입을 보호하기 위해 액적 분리기를 구비하는 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 다이어그램을 도시하고 있다. 도 5는 액체가 과냉되는 라인(2a)을 도시하고 있지 않지만, 도 3에 도시되어 있는 것과 동일한 방식으로 라인(2a)이 동등하게 배치될 수 있다.
도 5에 도시되어 있는 시스템에서, LPG 카고에서 배출되는 보일 오프 가스(BOG), 1기압에서 비등 온도가 -110℃ 이상인 LPG는 압력에 의해 스트림 1을 거쳐 최소 2단의 압축 단계를 갖는 카고 압축기(100, 120)로 유동한다. 여기서, 제1 단계로 카고 압축기(100)에서 먼저 제1 중간 압력 스트림 2로 압축되고, 제1 중간 스트림 2는 저온의 스트림 14와 물리적으로 혼합됨으로써 냉각된다.
스트림 2와 스트림 14가 합하여 스트림 5를 형성하고, 이는 제2 압축 단계로 제2 카고 압축기(120)로 들어간다. 여기서 스트림은 최종 압력 스트림 6으로 압축되고, 그런 다음 압력에 의해 카고 응축기(130)로 유동하여, 최종 압축된 증기가 냉각 및 응축된다.
카고 응축기(130)에서 사용되는 냉각 매체는 해수, 글리콜/물 혼합물 또는 예컨대 프로필렌 같은 적당한 냉매일 수 있다. 예를 들어 프로필렌으로 달성되는 온도보다 낮은 온도가 필요한 경우에는 다중 성분의 냉매가 사용될 수도 있다.
카고 압축기(120)의 최종 배출 압력은 보일 오프 가스 내에 불활성 가스나 많은 양의 휘발성 카고 성분이 없는 상태에서, 리시버(140) 내에서 응축물이 버블점에 있게 하는 것이다. 이는, 배출 압력이 자동으로 리시버(140) 내에서 평형 조건을 향해 조정되는 셀프 조정 과정이다.
보일 오프 가스 내에 불활성 가스나 많은 양의 휘발성 카고 성분이 없는 이 조건에서, 응축 온도가 해수 온도보다 4℃ 높은 응축 온도의 함수로 스트림 6 내 전형적인 압력 값의 예시들이 위 표 1에 표시된 것과 동일하다.
카고 증기가 카고 응축기(130) 내에서 완전히 응축되지 않을 때, 카고 압축기는 일반적으로 압축기가 허용되는 한계에 근접하여 작동하게 된다. 이는 분명히 압축기 종류에 따라 달라지지만, 일반적으로 LPG 재액화에 있어서 그 작동 범위는 20 내지 35 바이다. 그러나 이 작동 범위가 본 발명을 제한하는 인자는 아니다.
리시버(140) 내 조건이 버블점에 있을 때, 온난하고 포화된 응축물 스트림 15가 리시버(140)를 떠나 응축물 과냉각기(150)로 들어간다. 여기서, 응축물 스트림은 추가로 냉각된 응축물 스트림 8의 중간 팽창 부분(19)에 대해 열 교환을 한다.
온난(warm)이란 용어는, 카고 응축기(130) 내에 사용되는 냉각제/냉매 온도에 근접하는 온도로 이해되어야 하며, 일반적으로 이 온도는 냉각제/냉매 온도 보다 약 4 내지 6℃ 높다. 냉각제/냉매 온도는 카고 응축기(130) 내에 사용되는 열교환 매체에 따라 달라진다. 해수와 같은 열교환 매체의 경우, 이 온도는 0℃ 내지 약 40℃ 사이가 된다. 열교환 매체로 냉매가 적용될 때, 단일 성분 냉매의 경우에서 이 온도는 -50℃만큼 낮을 수 있다.
중간 압력은 압축의 두 단계 사이의 중간 압력으로 이해되어야 한다. 예를 들어 중간 압력은 압축의 제1 단계와 제2 단계 사이 또는 두 번째로 높은 압축 단계와 최종 압축 단계 사이; 즉, 3 단계 압축기의 경우, 중간 압력은 압축의 제2 단계와 제3 단계 사이의 압력이다. 4 단계 압축기의 경우, 중간 압력은 압축의 제3 단계와 제4 단계 사이의 압력일 수도 있습니다.
온난한 응축물 스트림 15는 내부 냉각 작업을 수행하기 위해 스트림 12 및 스트림 18의 두 부분으로 분할되는 추가 냉각된 응축물 스트림 8로서 응축물 과냉각기(150)를 떠난다. 스트림 18은 내부 냉각에 사용되는 추가로 냉각된 응축물 스트림 8의 일부이고, 스트림 12는 선박의 카고탱크로 되돌아가는 최종 응축물이다. 스트림 12의 전부 또는 일부는 또한 예를 들어 주 추진 기계(도 5에는 도시되어 있지 않음)를 위해 적어도 하나의 연료 탱크로 유도될 수 있다. 적어도 하나의 연료 탱크는 예를 들어 주 추진 기계를 위한 연료 탱크 역할을 하는 데크 탱크일 수 있다. 스트림 12의 전부 또는 일부가 카고 탱크(들)로 복귀되고 및/또는 연료 탱크(들)로 운송되는지 여부는 상이한 작동 조건 동안 및 시간 동안에 달라질 수 있다. 따라서 카고 탱크로의 응축물 복귀는 액체가 임의의 액밀 탱크로의 복귀 또는 운송으로 이해되어야 한다. 밸브(200)는 일반적으로 리시버(140)의 레벨을 제어하는 레벨 제어 밸브이다.
응축물 과냉각기(150)는 예를 들어 글라이드 냉각에 적당한 콤팩트한 열교환기일 수 있다. 일반적인 대안으로 플레이트 & 플레이트 교환기, 쉘 & 플레이트가 사용될 수도 있다. 본 발명은 열전달 장비의 종류에 의해 제한되지 않는다.
스트림 18은 추가로 냉각된 응축물 스트림 8의 제2 부분이고, 밸브(190) 내에서 추가로 냉각된 응축물 스트림 8의 중간 팽창된 추가로 냉각된 부분인 스트림 19로 팽창된다. 스트림 19는 온난한 응축물 스트림 15에 대해 열교환되는 응축물 과냉각기(150)로 들어간다. 스트림 19는 완전히 증발된 스트림 11로 응축물 과냉각기(150)를 빠져나와 혹시 존재할 수 있는 액적들을 제거하기 위해 액적 분리기(160)로 들어간다. 일반적으로, 어떠한 액적도 존재하지는 않지만, 액적 분리기(160)는 압축 단계(2)에서 카고 압축기(120)를 단지 보호하기 위한 구성요소이다. 개방 밸브(210)에 의해 라인(17)을 거쳐 모든 액체가 다시 하나 또는 그 이상의 카고 탱크들로 배출될 수 있다.
스트림 14는 액적 분리기(160)를 빠져나와 압축된 스트림(2)과 혼합되어 냉각된 압축 스트림 5로 된다.
도 6은 응축물 과냉각기(150)와 액적 분리기(160)와 관련된 제어를 개략적으로 도시한다.
도 6에서는 다음 사항이 지정된다.
1: 라인(14)이 라인(2)에 연결되어 카고 압축기(120)로 유동하기 전에 라인(5)을 형성하는 지점.
2: 라인(15)이 리시버(140)에 연결되는 지점.
3: 라인(8)이, 스트림 8을 스트림 18과 스트림 12로 분할하는 분할 장치(도시되어 있지 않음)에 연결되는 지점.
5: 라인(18)이 분할 장치에 연결되는 지점.
L3: 액적 분리기(160) 내 액체 수위를 측정하는 레벨 송신기.
VC1: 밸브(190)용 밸브 제어기.
TD1: 스트림 8과 스트림 19 사이의 온도 차이.
TD2: 스트림 15와 스트림 11 사이의 온도 차이.
분할 장치는 일반적으로 티(tee) 타입의 파이프 세그먼트이다.
응축물 과냉각기(150)를 통해 최대로 가능한 재순환 유동(스트림 18)으로 작동할 때, 최상으로 가능한 COP가 달성되는 것이 일반적이다. 이는, 이슬점에서 출구 스트림 11을 작동시키는 것을 의미한다. 재순환 유동(recycle flow)은 응축물 과냉각기(150)를 거쳐 더 낮은 압력으로 복귀되어 응축물 과냉각기(150) 내에서 냉각 듀티를 수행하는 온난한 응축물 스트림 15로 이해된다. 스트림 11이 이슬점에서 작동되는 것을 보장하기 위한 일반적으로 알려져 있는 방법은 액적 분리기(160) 내에 고정된 액체 수위를 도입하는 것이다.
그러나 스트림 11이 2상 유동으로 유입될 때 액체 레벨이 급격하게 증가하고, 스트림 11이 과열된 가스로 유입될 때에는 서서히 감소하기 때문에, 액적 분리기(160) 내에서의 액체 레벨의 제어는 어렵다.
따라서 액체 레벨을 직접 제어하는 것 이외의 제어 전략을 찾는 것이 목표였다.
응축물 과냉각기(150)의 스트림 11을 이슬점에서 제어하고, 액적 분리기(160) 내에서 액체 수위를 달성하는 것이 요망되는 경우에, 스트림 11 온도의 제어가 안정된 액체 수위가 유지되고, 스트림 11 온도가 항상 이슬점 온도로 유지된다는 것을 알 수 있었다.
따라서 스트림 11 온도는 액적 분리기(160) 내 지정된 압력에서 이슬점 온도로 제어되게 된다. 액적 분리기(160) 내 압력은, 예를 들어 바다 상태 또는 주변 온도로 인해 인터스테이지 압력이 다이내믹하게 변동하는 카고 압축기(100, 120)의 성능에 의해 지배되기 때문에, 스트림 11의 온도 제어기에 대한 설정값을 다이내믹하게 수정하는 것이 필수적으로 된다.
도 16은 응축물 과냉각기 공정에 있어서 압력-엔탈피 다이어그램이다.
T19는 스트림 19의 온도이고,
T15는 스트림 15의 온도이고,
T11은 스트림 11의 온도이고,
T8은 스트림 8의 온도이다.
도 16으로부터, T11과 T15 간의 온도 차이가 감소할 때, 스트림 11이 더 과열된다는 것을 알 수 있다. 이 온도 차이는 TD2로 표기되고, T8과 T19 간의 온도 차이는 TD1로 표기된다. 다른 한편으로, TD2가 증가할 때 스트림 11이 덜 과열되고, 특정 TD2에서 스트림 11이 그 이슬점에 있게 된다. TD2가 더 증가하면, 액적 분리기 내에서 액체가 증가하게 된다.
관련된 과제는 스트림 11의 이슬점 온도와 동일한 온도를 얻기 위해 정확한 값에서 TD2를 작동하는 것이다. 중간 압력이 변할 때 필요한 TD2가 변하고, 이에 따라 제어 논리로의 입력 파라미터가 조정될 수 있다.
TD2와 TD1 사이의 비율인 인자 X를 도입함으로써, 이 비율을 희망 값으로 제어하면 액적 분리기(160) 내에서 액체 수위의 안정성이 증가한다는 것을 알 수 있었다. 이에 따라 인자 X는 스트림 11과 응축물 스트림 15 사이의 유동 비율을 간접적으로 제어하고, X 값이 1과 동일하면 에너지 손실을 최소로 한다는 것 즉 최적의 조건을 제공한다는 것을 알 수 있었다. X의 값은 레벨 송신기(L3)에 의해 측정된 액체 레벨의 변동에 기초하는 보정 계수로 곱해지면, 레벨이 작동 지점 이상으로 증가하면 보정 계수가 1(one)에서 감소한다. 레벨을 줄이려면 보정 계수가 1(one)을 향해 증가된다.
둘 이상의 응축물 과냉각기(도 16에는 도시되어 있지 않음)가 사용되는 경우, T24는 스트림 24의 온도이고, T10은 스트림 10의 온도이며 T9는 스트림 9의 온도이다. TD3은 스트림 10과 스트림 9 사이의 온도 차이이고, TD4는 스트림 8과 스트림 24 사이의 온도 차이이며, L4는 액적 분리기(260) 내 액체 레벨을 측정하는 레벨 송신기이다. 여기서 인자 X는 TD4와 TD2 사이의 비율이 된다.
도 7은 카고 압축기(100, 120)와 리시버(140)의 제어를 개략적으로 도시한다.
P1, P2, P5, P6 및 P7은 압력 판독이다. P2 및 P5는 별도의 또는 결합된 압력 판독 기기로 이해되어야 한다. 결합된 압력 판독 기기를 사용하면, 하나의 기기로 이해되어야 하며, 일반적으로 스테이지들 사이의 배관에서의 압력 손실이 미미하기 때문에 이것으로 충분하며, P2와 P5는 동일한 압력을 읽게 된다.
PC1과 PC3은 압축의 각 스테이지에 걸친 압력 비율이 용인 가능한 수준 내에 유지될 수 있도록 하는 압력 제어기이다.
PC6은 카고 압축기(120)의 배출 압력을 모니터하고 제어하는 압축기 배출 압력 제어기이다. 도 7은 압력 신호를 PC6에 공급하는 P6을 도시하고 있다. PC6은 PC3 기능과 공통되지 않는 별도의 기기일 수 있다.
PC7은 리시버 압력 제어기이다.
LC1은 레벨 제어기이다.
PC1, PC3, PC6, PC7 및 LC1은 모두 그들의 값을 밸브(200)의 가장 큰 개방 값을 요청하는 신호를 선택하는 선택 블록으로 전송하고, 그에 따라 밸브(200)의 개방을 제어하며, 이에 따라 응축물 과냉각기(150)로의 공급 조건도 제어한다. 선택 블록은 선택되어야 하는 가장 큰 값일 때, 높은 선택 블록 또는 높은 선택 기능 블록으로 표시될 수 있다.
압축기는 일반적으로 각 압축 스테이지에 걸쳐 허용 가능한 압력 비율에 대한 기계적 제한을 가지며, PC1 또는 PC3이 최대 허용 값에 도달하면, 높은 선택 기능은 압력 비율이 최대 허용 값을 초과하지 않도록, 밸브(200)를 제어하게 된다. 최대 허용 압력 비율은 압축기 제조업자가 제공한 값들의 세트이며, 이들 값은 제어할 제약 조건으로 높은 선택 블록에 프로그램 되어 있다.
PC1, PC2 또는 PC3 중 어느 것도 최대 허용 값에 도달하지 않으면, 높은 선택 블록은 압축기 배출 압력 제어기(PC6)를 선택하여 밸브(200)를 제어한다. PC6은 사전에 정의된 최대 허용 작동 배출 압력을 제어한다.
그런 다음 압축기는 카고 응축기(130)에서 가능한 많은 증기를 응축하기 위해 최대 허용/인용 한계에 가깝게 작동될 수 있다.
PC6에 추가로, 스트림 7, 스트림 20, 스트림 15로부터 또는 밸브(200)의 제어를 위해 PC7을 통해 리시버 내 압력이 판독될 수 있다.
도 8은 도 5, 도 6 및 도 7이 하나의 도면에 결합된 본 발명의 일 실시형태를 도시한다. 아래의 설명은 카고 응축기(130)를 떠나는 고압의 냉각된 스트림 7이 완전히 응축되지 않은 경우 즉 상 엔빌로프 내부에 적용된다.
본 발명자들은 글라이드 냉각의 원리가 카고 응축기(130) 내에서 냉각을 위해 이용할 수 있는 온도에서 선택된 압축기에 의해 달성될 수 있는 압력에서 충분히 응축될 수 없는 카고 보일 오프 증기를 취급하기에 효율적인 수단이라는 것을 알 수 있었다. 이는, 카고 응축기에서 냉각을 위해 해수가 적용되는 에탄 함량이 높은 프로판의 경우 또는 선택적으로 도시되어 있지 않은 카고 응축기(130)가 직렬로 연결되어 있는 카고 응축기(130) 내에 냉각된 냉각 매체가 적용되는 메탄 함량이 높은 에탄인 경우일 수 있다. 후자의 경우, 상정 가능한 냉각 매체는 프로필렌일 수 있다. 이러한 조건에서, 부분 응축기 및 과냉각기로 응축물 과냉각기(150)를 활용할 수 있다.
도 8에서, 온도가 -110℃ 이상인 LPG 카고에서 방출되는 보일 오프 가스는 압력에 의해 스트림 1을 통해 최소 2단계의 압축을 거치는 카고 압축기(100, 120)로 유동한다. 보일 오프 가스는 먼저 단계 1에서 카고 압축기(100)에서 제1의 중간 압력 스트림 2로 압축되고, 제1의 중간 스트림 2는 온도가 더 낮은 스트림 14와 물리적으로 혼합되어 냉각된다.
스트림 2와 스트림 14가 합해져서 스트림 5를 형성하고, 이는 제2의 카고 압축기(120)로 들어간다. 이 제2 압축 단계에서 최종 압력 스트림 6으로 압축된다.
카고 응축기(130)에 사용되는 냉각 매체는 해수, 글리콜/물 혼합물 또는 프로필렌 같은 적당한 냉매일 수 있다. 예컨대 프로필렌으로 달성될 수 있는 온도보다 더 낮은 온도가 필요한 경우에는 다중 성분의 냉매가 사용될 수도 있다.
고압 스트림은 냉각되고 부분적으로 응축된 스트림 7로 카고 응축기(130)를 빠져나가며, 이는 스트림 15를 통한 안정적인 유동 체제를 위해 가스와 액체가 적당하게 혼합될 수 있게 하는 액체 리시버(140)로 들어간다.
온난하고 혼합된 2상 스트림 15는 리시버(140)를 빠져나와 조합된 최종 응축기 및 응축물 과냉각기로 기능하는 응축물 과냉각기(150)로 들어간다. 응축물 과냉각기(150)로 유입되는 혼합 상 유동(15)은 추가적으로 냉각된 응축물 스트림 8의 중간 팽창 부분(19)과 열 교환한다.
온난은 카고 응축기(130)에 사용되는 냉각제/냉매 온도에 근접한 온도로 이해되어야 하며, 이는 일반적으로 냉각제/냉매 온도보다 약 4 내지 6℃ 높다. 냉각제/냉매 온도는 카고 응축기(130)에 사용되는 열교환 매체에 따라 달라진다. 열교환 매체로 해수가 사용되는 경우, 이 온도는 0℃ 내지 40℃ 사이에 있게 된다. 열교환 매체로 냉매가 적용되는 경우, 이 온도는 단일 성분 냉매의 경우 -50℃로 낮을 수 있다.
온난한 혼합된 상 스트림 15는 완전히 응축되고 추가로 냉각된 응축물 스트림 8로 응축물 과냉각기(150)를 빠져나오고, 스트림 8은 스트림 18과 스트림 12 두 부분으로 분할된다. 이에 따라 온난하고 혼합된 상(15)은 내부 냉각 듀티를 수행하기 위해 부분들로 분할되기 전에 완전히 응축되고 추가로 냉각된다. 스트림 12는 완전히 응축되고 추가로 냉각된 응축물 스트림 8의 제1 부분이고, 선박의 카고 탱크(도 8에 도시되어 있지 않음)로 다시 복귀하는 최종 응축물이다. 밸브(200)는 일반적으로 리시버(140) 내 레벨을 제어하는 레벨 제어 밸브이다.
완전히 응축되고 추가로 냉각된 응축물 스트림 8 중 밸브(190)를 통해 유동하는 부분은 응축물 스트림 8의 팽창된 부분으로 되고, 일반적으로 상들이 혼합된 스트림이다. 이 스트림은 도 8에서 스트림 19로 표기되어 있다.
응축물 과냉각기(150) 내에서 열교환은 열교환 전체에 걸쳐 기체/액체가 분리되지 않고 혼합된 2상 유동으로 유지되는 글라이드 냉각을 이용하여, 스트림 19가 통상적으로 완전히 증기화 된 스트림 11로 응축물 과냉각기(150)를 빠져 나와 혹시 존재할 수 있는 어떠한 액적들을 제거하기 위해 액적 분리기(160)로 들어가는 것이다. 통상적으로 어떠한 액적도 존재하지 않게 되며, 액적 분리기(160)는 단지 제2 압축 단계에서 카고 압축기(120)를 보호하기 위한 구성요소이다. 모든 액체는 도 8에 도시되어 있지 않은 하나 이상의 카고 탱크로 다시 배출된다.
스트림 14는 액적 분리기(160)를 빠져나와 압축된 스트림 2와 혼합하여 냉각된 압축 스트림 5를 형성한다.
도 8은 카고 응축기(130) 내에서 완전히 응축되거나 부분적으로 응축될 수 있는 보일 오프 가스를 취급하는 동일한 공정 및 제어 체계를 도시하고 있다.
악천후가 있는 상황은 또한 완전한 액화를 방해하는 더 많은 휘발성 성분이 과도하게 증발할 수 있다. 따라서 카고 응축기(130)에서 부분적인 응축을 초래할 수 있는 것은 적재된 카고의 품질 뿐만이 아니다.
카고 보일 오프 가스가 카고 응축기(130)에서 이용 가능한 온도에서 완전히 응축될 수 있을 때, 최종 압축 단계에서 압축기(120)로부터의 압력이 떨어지고, 밸브(200)에 작용하는 압력 제어기의 설정값 미만의 압력 P7에서 리시버(140) 내에 수위가 축적될 것이다. 제어 시스템에서 높은 선택 기능 블록의 활용으로, 밸브(200)는 이러한 카고 증기에 대한 제어 레벨로 자동 전환될 것이다.
적재된 카고가 정상보다 가벼운 성분의 비율이 더 높은 경우 예를 들어 프로판에 5 몰% 이상의 에탄을 함유하는 경우(에탄의 양은 압축기 단계 수에 따라 달라짐-2단 압축기의 경우 일반적인 값은 5 몰%이고, 3단 압축기의 경우 8 몰%임), 카고 응축기(130)에서 사용 가능한 온도에서 최대 작동 압축기 배출 압력에서 카고가 완전히 응축되지 않을 수 있다. 압력은, 일반적으로 압축기의 최대 허용/인용 작동 압력에 가깝게 설정된 압력 제어기의 설정값까지 증가한다. 압력 제어기는 밸브(200)를 개방하고, 수위는 결국 2상 유동이 리시버(140)의 바닥 출구를 통해 방출 될 때까지 떨어질 것이다. 압력 제어기 및 카고 응축기(130)에 의해 제공될 수 있는 가용 온도에 의해 제어되기 때문에, 짧은 시간 후에 증기 분률은 주어진 압력에서 응축될 수 있는 분률에서 안정화된다. 압력 제어기는 PC1, PC3 및 PC6 중에서 선택된다.
냉각 용량은 스트림 1의 재액화 설비에 들어가는 유동질량에 스트림 12와 카고 탱크의 포화 증기 엔탈피 간의 엔탈피 차이를 곱한 값으로 계산된다. 종래 기술과 본 발명은 적당히 다른 인터스테이지 온도를 제공하며, 정의된 왕복 압축기를 통한 유동질량은 동일한 흡입 및 전달 조건, 즉 종래 기술 또는 본 발명에서 사용할 때 동일한 흡입 압력 및 온도에 동일한 전달 압력을 더한 경우 모든 실제 의미에서 변하지 않는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 더 높은 냉각 용량과 더 나은 COP를 달성하려면 응축물 스트림 12에서 더 많은 엔탈피가 제거되어야 한다. 이를 달성하기 위해, 재순환 유동 18의 온도는 가능한 한 낮아야 하고, 과냉각은 재순환 스트림이 올바른 조건에서 과냉각기(150)를 빠져 나가도록 제어되어야만 한다. 예를 들어 스트림 11이 과열되어 응축물 과냉각기(150)의 잠열에 더하여 현열을 이용하는 것이 유익할 수 있으며, 이는 응축물 과냉각기(150)에서 더 낮은 과냉각 온도를 가능하게 한다. 과냉각기의 각 측면의 온도 차이와 온도 차이들 간의 비율을 제어함으로써, 보조 냉각기(150)가 최적의 작동 점에서 작동될 수 있다.
모든 증기가 카고 응축기에서 액화될 수 없는 경우에도, 안정적인 작동을 하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 카고 응축기에서 나오는 2-상 유동을 리시버(140)의 바닥 출구를 통해 2-상 유동이 추가로 응축되는 응축물 과냉각기(150)로 라우팅함으로써 달성된다.
도 9는 추가 액체 드럼(400)이 포함되고 스트림 8에 연결된 본 발명의 실시형태를 도시한다. 액체 드럼(400)은, 불활성 가스 농도가 너무 높아서 응축물 과냉각기(150) 내에서 완전한 응축이 달성될 수 없을 때 분리 용기로 기능한다.
일반적으로 이 드럼은 액체로 채워지지만 스트림 8에 증기가 있을 때에는 레벨을 생성한다.
L2가 액체 레벨의 어느 정도의 손실을 측정할 때, 액체 레벨이 복원될 때까지 밸브(500)를 여는 신호를 LC2(레벨 제어기)로 보낸다. L2는 액체 드럼(400)의 액체 레벨을 측정하기 위한 기기이다.
종래 기술의 재액화 장치에서 사용되는 도 3에 도시된 바와 같은 라인 2a의 기능은 높은 인터스테이지 온도를 생성하는 증기에 적용 가능하다. 이러한 인터스테이지 냉각은 도 10의 개략도에 도시된 바와 같이 본 발명에서 사용될 수도 있다.
도 10에서, 카고 압축기(100)를 빠져나가는 증기는 밸브(250)가 폐쇄되고 온난한 증기가 스트림 11과 혼합될 때 라인(2a)을 통해 흐른다. 라인 2a를 추가하면, 스트림(2a)을 사용하지 않는 것보다 제1 압축 단계에서 카고 압축기(100)로부터의 유동(2)을 냉각시킬 수 있다. 액적 분리기(160)가 스트림 2a를 통해 액적 분리기에 들어가는 카고 압축기(100)로부터의 증기와 조합된 액체 레벨로 작동된다면, 제2 압축 단계에서 카고 압축기(120)에 들어가는 증기는 이슬점에 가까울 것이다. 이것은 가능한 최대인 인터스테이지 냉각을 제공한다. 최적의 인터스테이지 냉각 효과는 밸브(190)로 제어될 수 있다. 최적의 냉각은 카고 매체에 따라 달라질 것이다. 라인 2a는 또한 동일한 기능을 달성하는 액적 분리기(160)에 직접 연결될 수도 있다.
리시버(140)의 기능이 카고 응축기(130)의 완전한 응축과 카고 응축기(130)의 부분 응축이 있는 조건을 처리하기 위해서는, 액체가 중단 없이 배출될 수 있을뿐만 아니라 2-상 유동이 리시버(140)의 바닥 출구, 즉 스트림(15)이 리시버(140)를 떠나는 곳에서 제대로 혼합되는 것이 중요하다.
도 11은 상기 리시버 출구에서 기상과 액상의 균일 한 혼합물을 제공할 분포된 구멍이 있는 실린더를 포함하는 믹서를 보여준다. 실린더를 둘러싼 액체 레벨이 증가함에 따라 액체 유동에 더 많은 구멍을 사용할 수 있으므로 출구를 통한 액체 유동이 증가하고, 높은 정수압은 실린더 바닥 근처에 위치한 구멍을 통한 액체 유동을 증가시킨다. 실린더의 수직 방향 슬롯을 통해 유사한 기능을 제공할 수 있다.
도 11을 참조하면, 다음 가이드가 제공된다.
1: 리시버(140)로 들어가는 유동, 이것은 도 10의 스트림 7과 동등하다.
2: 리시버(140)로 들어가는 유동의 액체 부분.
3: 리시버(140)로 들어가는 유동의 증기 부분.
4: 리시버(140) 바닥에서 액체의 수집.
5: 증기가 통과하는 리시버(140) 내부의 파이프 개구.
6: 분산된 구멍을 통한 액체의 배출.
7: 분산된 구멍.
8: 리시버(140)의 바닥을 떠나는 안정화된 유동.
9: 통상적으로 닫혀 있는, 리시버의 증기 배출구.
그림 12는 압축 단계가 2개 이상인 장치에서 제1 응축물 과냉각기의 제어를 도시한다.
도 12를 참조하면 다음 가이드가 제공된다.
1: 라인(14)이 라인(4)에 연결되고 카고 압축기(120)로 흐르기 전에 라인 5를 형성하는 지점.
2: 라인 15가 수신기(140)에 연결되는 지점.
3: 이웃 과냉각기에 연결.
4: 이웃 과냉각기로 흐르는 냉각제.
5: 스트림 16이 분할 장치에 연결되는 지점.
L3: 액적 분리기(160)에서 액체 레벨을 측정하는 레벨 송신기.
VC1: 밸브(190)용 밸브 제어기.
TD1: 스트림 8과 19 사이의 온도 차이.
TD2: 스트림 15와 11 사이의 온도 차이.
도 13은 압축 단계가 둘 이상인 장치에서 제2 과냉각기에 걸친 제어를 도시한다.
도 13을 참조하면 다음 가이드가 제공된다.
7: 라인 13이 라인 2에 연결되고, 카고 압축기(110)로 흐르기 전에 라인 3을 형성하는 지점.
3: 라인 8이 응축물 과냉각기(150)에 연결되는 지점.
4: 라인 22가 분할 장치에 연결되는 지점.
6: 라인 10이 액체 드럼(400)에 연결되는 지점.
L4: 액적 분리기(260)에서 액체 레벨을 측정하는 레벨 송신기.
VC2: 밸브(180)용 밸브 제어기.
TD3: 스트림 10과 스트림 9 사이의 온도 차이.
TD4: 스트림 8과 스트림 24 사이의 온도 차이.
도 14는 적어도 3 단계의 압축과 각 압축 단계 사이에 과냉각기(150, 240)가있는 압축기에 대한 압축기 제어를 도시한다.
Pl, P2, P3, P4, P5, P6 및 P7은 압력 판독 값이다. P2와 P3은 별도의 또는 결합된 압력 판독 기기로 이해되어야 한다. P4 및 P5는 또한 개별 또는 결합된 압력 판독 기기로 이해되어야 하며, 결합된 압력 판독 기기와 함께 하나의 기기로 이해되어야 한다. 일반적으로 이는 스테이지 사이의 배관에서 압력 손실이 미미하고 예를 들어 P2와 P3이 동일한 압력을 읽기 때문에, 이는 충분하다.
PC1, PC2 및 PC3은 각 압축 단계의 압력 비율이 허용 가능한 수준으로 유지되도록 하는 압력 제어기이다.
PC6은 단계 3에서 카고 압축기(120)의 토출 압력을 모니터링하고 제어하는 압축기 토출 압력 제어기이다. 도 14는 P6이 PC3 기능과 공통적이지 않은 별도의 기기일 수도 있는 PC6에 압력 신호를 공급하는 것을 보여준다.
PC7은 리시버 압력 제어기이다.
LC1은 레벨 제어기이다.
PC1, PC2, PC3, PC6, PC7 및 LC1은 모두 밸브(200)의 가장 높은 요청된 개방 값을 선택하여 선택 블록에 값을 전송하여 응축물 과냉각기(150)에 대한 공급 조건을 제어한다. 공급 조건은 품질이 압력 및 품질로 이해되어야 한다. 여기서 품질은 증기 분율이다.
압축기는 일반적으로 각 압축 단계에 걸쳐 허용 압력 비율에 대한 기계적 제한을 가지며, PC1, PC2 또는 PC3 중 어느 하나가 최대 허용 값에 도달하면 압력 비율이 최대 허용 값을 초과하지 않도록 높은 선택 기능이 밸브(200)를 제어한다. 최대 허용 압력 비율은 압축기 제조업체가 제공한 한 세트의 값이며, 이러한 값은 제어할 제약 조건으로 높은 선택 블록에 프로그램 된다.
PC1, PC2 또는 PC3 중 어느 것도 최대 허용 값에도달하지 않으면, 높은 선택 블록이 압축기 배출 압력 컨트롤러 PC6을 선택하여 밸브(200)를 제어한다. PC6은 사전 정의된 최대 허용 작동 배출 압력을 제어한다.
그 다음, 압축기는 카고 응축기(130)에서 가능한 한 많은 증기를 응축하기 위해 최대 허용/인용 한계에서 또는 그에 가깝게 작동될 수 있다.
PC6에 추가로, 압력은 스트림 7, 스트림 20, 스트림 1 또는 밸브(200)의 제어를 위해 PC7을 통해 리시버에서 판독될 수 있다.
도 15는 글라이드 냉각 방법을 3단 압축기와 함께 사용하는 방법을 보여준다. 본 발명자들은 2단 압축기에 대해 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 글라이드 냉각 원리가 냉각에 이용 가능한 온도에서 선택된 압축기에 의해 달성될 수 있는 압력에서 완전히 응축될 수 없는 카고 보일 오프 증기를 처리하는 효율적인 수단이라는 것을 발견했다. 이는 카고 응축기에서 냉각을 위해 해수를 적용하는 에탄 함량이 높은 프로판의 경우이거나 또는 카고 응축기 또는 선택적으로 도시되어 있지 않은 카고 응축기(130)와 직렬로 연결된 카고 응축기에 냉각된 냉각 매체가 적용되는 경우 메탄 함량이 높은 에탄의 경우일 수 있다. 후자의 경우 가능한 냉각 매체는 프로필렌일 수 있다. 이러한 조건에서, 응축물 과냉각기(150)를 부분 응축기 및 보조 냉각기로 활용할 수 있다.
도 15는 적어도 3단계의 압축을 갖는 본 발명의 실시형태에 대한 공정 개략도와 함께 도 14에 도시된 제어를 포함한다. 아래의 설명은 카고 응축기(130)를 떠나는 고압 및 냉각된 스트림 7이 완전히 응축되지 않은 경우, 즉 상 엔빌로프 내부에 적용된다.
도 15에서, 온도가 -110℃ 이상인 LPG 카고에서 방출된 보일 오프 가스는 압력에 의해 스트림 1을 통해 최소 3단계로 압축되는 카고 압축기(100, 110, 120)로 유동한다. 카고 압축기에서 보일 오프 가스는 먼저 단계 1에서 카고 압축기(100)에서 제1의 중간 압력 스트림 2로 압축되고, 제1의 중간 압력 스트림 2는 온도가 더 낮은 스트림 13과 물리적으로 혼합되어 냉각된다.
스트림 2 및 스트림 13의 합은 스트림 3을 형성하고, 제2 압축 단계에서 제2 중간 압력 스트림 4로 압축되는 제2 카고 압축기(110)로 들어간다. 제2 중간 압력 스트림 4는 스트림 14와 물리적으로 혼합됨으로써 냉각된다.
스트림 4와 스트림 14의 합은 스트림 5를 형성하고, 제3 압축 단계에서 제3카고 압축기(120)로 들어가 최종 압력 스트림 6으로 압축된 다음, 압력에 의해 카고 응축기(130)로 유동하여 최종 압축 증기가 냉각되고 부분적으로 응축된다.
카고 응축기(130)에서 사용되는 냉각 매체는 해수, 글리콜/물 혼합물 또는 예를 들어 프로필렌 같은 적절한 냉매일 수 있다. 예를 들어 프로필렌으로 얻을 수 있는 온도보다 더 낮은 온도가 필요한 경우에는, 다중 성분 냉매가 사용될 수도 있다.
카고 압축기(120)의 최종 배출 압력은, 보일 오프 가스에 불활성 가스나 휘발성 카고 성분이 많지 않은 상태에서 응축물이 리시버(140)의 버블점 압력에 있게 되는 것이다. 이는 배출 압력이 리시버(140)에서 평형 상태를 향해 자동으로 조정되는 셀프 조정 과정이다.
고압 응축물 스트림은 응축기(130)를 스트림 7로 빠져 나가고, 여기서 액체 리시버(140)로 들어가며, 여기서 종래 기술 솔루션에서 모든 비-응축성 가스가 분리되어 라인(20)을 통해 빠져나간다. 본 발명의 경우 밸브(220)는 닫히게 되고, 일반적으로 예를 들어 많은 양의 불활성 기체가 있는 경우 예를 들어 카고 탱크, 배관 및 재액화 시스템이 불활성화 된 곳(기체 대기가 질소로 대체됨)에 도킹 후의 상황에서만 작동한다.
제3의 카고 압축기 단계에서 카고 압축기(120)의 배출 압력은 리시버(140)에 불활성 가스가 없는 상태에서 응축물이 버블점 압력이 되도록 하는 것이다. 이는 배출 압력이 리시버(140)에서 평형 상태를 향해 자동으로 조정되는 셀프 조정 과정이다.
응축기(130)에서 완전한 응축이 이루어지면, 리시버(140)는 액체 레벨로 작동될 것이며, 온난하고 포화된 응축 스트림 15(즉, 버블점에서)는 리시버(140)를 떠나, 응축물 과냉각기(150)쪽으로 흐른다. 여기서, 스트림은 추가로 냉각된 온난하고 포화된 응축물 스트림(15)의 중간 팽창 부분(19)과 열 교환된다.
응축기(130)에서 완전한 응축을 달성할 수 없을 때, 고압 스트림은 응축기(130)에서 냉각되고 부분적으로 응축된 스트림 7로서 액체 리시버(140)로 들어가서 스트림 15를 통한 안정적인 유동 체제를 위해 가스와 액체의 적절한 혼합을 보장한다.
온난은 카고 응축기(130)에서 사용되는 냉각제/냉매 온도에 가까운 온도로 이해되어야 하며, 일반적으로 이 온도는 냉각제/냉매 온도보다 약 4℃ 내지 6℃ 높다. 냉각제/냉매 온도는 카고 응축기(130)에서 사용되는 열교환 매체에 따라 다르다. 열교환 매체가 해수의 경우, 이 온도는 0℃에서 약 40℃ 범위이다. 열교환 매체로 냉매를 적용하면, 단일 성분 냉매의 경우 온도가 -50℃까지 낮아질 수 있다.
중간 압력은 제2의 압축 단계와 최종 압축 단계 사이의 중간 압력으로 이해되어야 한다. 즉, 3단계 압축기의 경우 중간 압력은 압축의 두 번째 단계와 세 번째 단계 사이의 압력이다. 4단 압축기의 경우 중간 압력은 압축의 세 번째 단계와 네 번째 단계 사이의 압력일 수도 있다.
온난한 혼합 상 스트림 15는 응축물 과냉각기(150)를 완전히 응축되고 추가로 냉각된 응축물 스트림 8로 빠져 나가, 추가 냉각을 위해 제2 응축물 과냉각기(240)로 유동한 후 추가로 냉각된 온난한 응축물 스트림 10으로 된다. 따라서, 온난한 혼합 상 스트림 15는 내부 냉각 의무를 수행하기 위해 부분들로 분할되기 전에 2단계 냉각을 거친다. 이는 응축물 과냉각기(240)를 스트림 10으로 남겨두고, 비-응축성 물질의 처리를 위해 선택적 추가 액체 드럼(400)으로 들어가고, 선택적인 액체 드럼(400) 하류에서 첫 번째로 분할된다. 여기서는 스트림 12와 스트림 16의 두 부분으로 나뉩니다. 스트림 12는 추가로 냉각된 온난한 응축물 스트림의 첫 번째 부분이며 선박의 카고 탱크로 다시 반환되는 최종 응축물이다. 스트림 12 또는 스트림 12의 일부는 예를 들어 주 추진 기계(도 15에 도시되어 있지 않음)에 사용되기 위해 적어도 하나의 연료 탱크로 유도될 수 있다. 적어도 하나의 연료 탱크는 예를 들어 주 추진 기계를 위한 연료 탱크 역할을 하는 데크 탱크일 수 있다. 스트림 12의 전부 또는 일부가 카고 탱크(들)로 반환되고/되거나 연료 탱크(들)로 운송되는지 여부는 상이한 작동 조건 동안 및 시간 동안 달라질 수 있다. 따라서 카고 탱크로의 응축물 복귀는 액밀 탱크로의 복귀 또는 운송으로 이해되어야 한다. 밸브(200)는 전형적으로 리시버(140)의 레벨을 제어하는 레벨 제어 밸브이다. 스트림 16은 스트림 10이 3개의 부분 스트림(12, 18 및 22)으로 직접 분할되도록 생략 될 수 있다.
2개의 응축물 과냉각기(150, 240)는 일반적으로 예를 들어, 예컨대 플레이트 및 플레이트, 쉘 및 플레이트 또는 기타 소형 열교환기와 같은 콤팩트한 열교환기이다. 본 발명은 열전달 장비의 유형에 의해 제한되지 않는다.
스트림 16으로 표시된 추가 냉각된 온난한 응축물 스트림 15의 제2 부분은 추가의 두 부분, 스트림 18 및 스트림 22로 더 분할된다.
스트림 22는 밸브(180)를 통해 최종 팽창되어 추가 냉각된 최종 팽창 혼합 상 스트림 9가 된다. 최종(final)은 다단 압축기의 제1 및 제2 압축 단계 사이의 중간 압력으로 이해되어야 한다.
추가로 냉각된 최종 팽창 혼합 상 스트림 9는 온난한 혼합 상 스트림 15의 세 번째 부분이고 전체 스트림 내용물이 추가로 냉각된 응축물 스트림 8에 대해 열교환 되는 응축물 과냉각기(240)로 들어간다. 기체/액체가 분리되지 않고 열 교환 전반에 걸쳐 혼합된 2상 흐름으로 유지되는 글라이드 원리 및 결과적으로 완전히 기화된 스트림 9가 응축물 과냉각기(240)에서 스트림 24로 흘러서 액적 분리기(260)로 들어가서, 액적이 있는 경우 액적을 제거한다. 일반적으로, 어떤 액적도 존재하지 않을 것이며, 액적 분리기(260)는 압축 단계 2에서 카고 압축기(110)를 위한 보호 기능을 할 뿐이다. 모든 액체는 하나 이상의 카고 탱크(도시되지 않음)로 다시 배출될 수 있다.
스트림 13은 액적 분리기(260)를 떠나 압축된 스트림 2와 혼합되어 냉각된 압축 스트림 3을 형성한다.
스트림 18은 온난한 응축물 스트림 15의 제2 부분이고, 밸브(190)에서 온난한 혼합 상 스트림 15의 중간 팽창된 추가 냉각 부분인 스트림 19로 팽창된다. 스트림 19는 온난한 혼합 상 스트림 15에 대해 열교환 되는 응축물 과냉각기(150)로 들어간다. 스트림 19는 일반적으로 스트림 11로서 완전히 증발된 응축물로 과냉각기(150)를 빠져나가고, 존재할 수 있는 임의의 액적을 제거하기 위해 액적 분리기(160)로 들어간다. 일반적으로, 어떠한 액적도 존재하지 않을 것이며, 액적 분리기(160)는 압축 단계 3에서 카고 압축기(120)를 위한 보호 기능을 할 뿐이다. 임의의 액체는 하나 이상의 카고 탱크(도시되지 않음)로 다시 배출될 수 있다.
스트림 14는 액적 분리기(160)를 떠나 압축된 스트림 4와 혼합되어 제2 냉각된 압축 스트림 5를 형성한다.
종래 기술의 재액화 장치에서 사용되는 도 3에 도시된 바와 같은 라인 2a의 기능은 높은 인터스테이지 온도를 생성하는 증기에 적용 가능하다. 이 인터스테이지 냉각은 또한 도 10의 개략도에 도시된 바와 같이 본 발명에서 이용될 수 있다. 제2 압축 단계(110)의 출구 측에서 액적 분리기(160)의 입구 측으로 이어지는 라인 4a(도시되지 않음)도 가능할 수 있다.
응축기(130)에서 완전한 응축이 가능한 조건의 경우, 스트림 15는 온난한 응축물 스트림이 될 것이다.
실시 예 1
Burckhardt Compression AG에 의해 3K160-3L 유형의 3 단계 왕복 압축기의 용량을 기준으로, 일련의 곡선이 설정되어 선행 기술 솔루션과 비교하여 본 발명의 우월성을 보여주고 일련의 세부 분석을 통해 냉각 능력이 있는 프로판에서 에탄 성분의 증가 효과를 계산하였다.
도 17은 종래 기술 및 본 발명의 해법에서 에탄 함량에 대한 냉각 용량을 도시한다.
그림 17에서 벤트 가스 냉각이 없는 종래 기술 솔루션은 6 몰%의 에탄 함량에서 성능이 급격히 떨어짐을 알 수 있다. 이는 완전한 재액화가 더 이상 불가능하고 응축되지 않은 가스를 폐기해야 하는 경우이다.
또한, 배기가스 냉각을 사용하는 종래 기술 솔루션은 성능 손실이 덜 가파르지만 배기가스 냉각을 사용하는 이 솔루션에서는 이러한 성능 향상을 제공하기 위해 추가 열교환기가 필요하다는 것이 도 17에 도시되어 있다.
본 발명은 추가적인 열교환기가 필요하지 않으며 도 17에서 충분한 액화가 가능한 경우 그리고 부분 액화하는 두 경우 모두에서 본 발명이 여전히 종래 기술에 비해 상당한 성능을 보여주고 있음을 알 수 있다. 종래 기술 솔루션에 비해 18%의 액화 용량 증가가 나타났다.
실시 예 2
Burckhardt Compression AG의 3K160-3K 유형 3K160-3K의 또 다른 3 단계 왕복 압축기의 용량을 기준으로 글라이드 냉동을 사용하는 응축물 과냉각의 성능 향상을 나타내는 다음 곡선이 개발되었다.
- 도 18은 플러드형 인터쿨러(flooded intercooler)의 냉각 곡선을 보여준다.
- 도 19는 글라이드 냉각에 적합한 콤팩트한 열교환기의 냉각 곡선을 보여줍니다.
액상에 5 몰% 에탄이 함유된 일반적인 상업용 프로판 카고의 경우, 보일 포프 가스에서 에탄이 26 몰% 이상으로 나타나는 것은 드문 일이 아니다. 플러드형 인터쿨러가 있는 재액화 설비에서, 액체 풀의 에탄 함량은 입구 스트림 1에 포함된 것보다 훨씬 낮은 수준에서 안정화된다. 실제 함량은 해수 온도와 인터쿨러 압력에 따라 달라지지만, 에탄 함량은 26 몰%에서 7 몰%로 낮아지는 것이 예상되어야 한다.
다음 표는 위에서 언급한 압축기의 성능을 나열한다.
표 2는 플러드형 인터쿨러와 비교하여 본 발명에 따른 글라이드 냉각을 위한 3단계 압축 및 응축물 온도에서 계산된 흡입 압력 및 토출 압력을 보여준다.
케이스 흡입 P
kPa		 1 단계
출력
kPa		 2 단계
출력
kPa		 3 단계
출력
kPa		 응축
℃
글라이드
(본 발명)		 100 391 1078 2287 -27.2
플러드형 100 386 1033 2287 -11.3
표 3은 본 발명에 따른 글라이드 냉각 및 플러드형 인터쿨러에 대해 계산된 전력 소비, 액화 용량 및 성능 계수(COP)를 보여준다.
케이스 소비 전력
kW		 재액화 용량
kW		 COP
글라이드(본 발명) 447 563 1.259
플러드형 442 509 1.152
위의 표에 제공된 결과는 글라이드 냉각이 플러드형 인터쿨러에 비해 상당한 성능 향상을 제공함을 분명히 보여준다.
주어진 실시 예들은 왕복 압축기를 사용하는 다양한 옵션을 설명하지만, 본 발명은 그러한 압축기에 의해 제한되지 않을 것이다. 예를 들어, 본 발명은 예컨대 로터리 스크류 압축기와 같이 원심 및 기타 로터리 압축기와 완벽하게 잘 작동한다. 로터리 스크류 압축기의 경우, 이코노마이저 포트의 압력은 흡입 압력과 최종 토출 압력 사이의 중간 압력으로 간주될 수 있다. 따라서, 하나의 이코노마이저 포트를 갖는 하나의 로터 세트(수형 및 암형)를 갖는 로터리 스크류 압축기는 본 발명의 맥락에서 2단 압축기로 이해될 수 있다. 또한 한 세트 이상의 로터가 있는 스크류 압축기를 사용할 수 있다. 로터리 스크류 압축기의 기능과 디자인은 업계에 잘 알려져 있으므로 더 상세하게 설명하지 않는다.
상기 설명은 특히 LPG를 언급하지만, 본 발명은 에탄, 프로판, N2 및 CO2와 같은 다른 액화 가스의 재기화에도 동일하게 적용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 대안으로서, 본 설비는 또한 육상에 설치될 수 있고, 본 방법은 육상 플랜트에 사용될 수 있음이 이해된다.

Claims (20)

  1. LPG 캐리어 상에서 액화 석유 가스(LPG)를 저장 및 운송하는 방법으로, 상기 방법은,
    하나 또는 그 이상의 LPG 카고 탱크에서 배출되는 보일 오프 가스를 압축하는 단계를 포함하되, 상기 LPG는 최소 2 단계로 압축(100, 110, 120)하는 카고 압축기 내에서 1 기압에서 비등점이 -110℃ 이상이고, 상기 카고 압축기는 적어도 하나의 중간 압력 스트림 2와 스트림 4, 적어도 하나의 추가로 냉각되고 압축된 스트림 3과 스트림 5 및 최종 압축된 스트림 6을 제공하며, 카고 응축기(130)에서 스트림 6을 냉각 및 응축시켜, 비-응축성인 모든 가스 및/또는 가스와 액체의 혼합물을 분리하기 위해 액체 리시버(140)로 유입되는 고압 응축물 스트림 7을 제공하는, LPG 저장 및 운송 방법에 있어서,
    - 리시버(140)를 빠져나가는 온난하고 혼합된 2-상 스트림 15를 적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240)에서 냉각하는 단계로, 온난하고 혼합된 2-상 스트림 15가 적어도 하나의 글라이드 냉매(9, 19)와 열 교환하여 적어도 하나의 추가로 냉각된 응축물 스트림 8과 스트림 10을 생성하는, 냉각 단계;
    - 추가로 냉각된 응축물 스트림 8과 스트림 10을 하나 이상의 액밀 탱크로 보내지는 스트림 12, 및 적어도 하나의 혼합 상 냉매 스트림 9와 스트림 19로 팽창되는 적어도 하나의 스트림 18과 스트림 22로 분할하는 단계로, 스트림 9와 스트림 19는 온난하고 혼합된 2-상 스트림 15와 대향 방식으로 열 교환하는 적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240)로 도입되는, 분할 단계;
    - 액적이 존재하는 경우에 액적을 제거하기 위해, 응축물 과냉각기(150, 240)를 빠져나가는 적어도 하나의 혼합 상 냉매 스트림 9와 스트림 19를 적어도 하나의 액적 분리기(160, 260)를 통과시키는 단계;
    - 적어도 하나의 액적 분리기(160, 260)를 빠져나오는 적어도 하나의 스트림 13과 스트림 14를 통과시키고 적어도 2 단계로 압축(100, 110, 120)하는 카고 압축기로부터 오는 적어도 하나의 중간 압력 스트림 2와 스트림 4와 혼합하여 적어도 하나의 추가로 냉각되고 압축된 스트림 3과 스트림 5를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    응축물 과냉각기(150, 240)의 일 측에서 스트림 11 및 24와 스트림 15 및 8 사이의 온도 차이(TD2, TD4) 그리고 응축물 과냉각기(150, 240)의 다른 일 측에서 스트림 8 및 10과 스트림 19 및 9 사이의 온도 차이(TD1, TD3)의 비율을 제어하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  3. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    스트림 11 및 24의 온도(T11, T24)와 스트림 15 및 8의 온도(T15, T8) 간의 온도 차이(TD2, TD4)를 제어함으로써, 스트림 11 및 24의 온도(T11, T24)를 액적 분리기(160, 260) 내의 지정된 압력에서 이슬점 온도로 제어하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    응축물 과냉각기(150, 240)의 일 측에서 스트림 11 및 24와 스트림 15 및 8 사이의 온도 차이(TD2, TD4) 그리고 응축물 과냉각기(150, 240)의 다른 일 측에서 스트림 8 및 10과 스트림 19 및 9 사이의 온도 차이(TD1, TD3)의 비율을 제어함으로써, 스트림 11 및 24의 온도(T11, T24)를 액적 분리기(160, 260) 내의 지정된 압력에서 이슬점 온도로 제어하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    액적 분리기(160, 260) 내의 액체 레벨에 기초하여, 응축물 과냉각기(150, 240)의 일 측에서 스트림 11 및 24와 스트림 15 및 8 사이의 온도 차이(TD2, TD4) 그리고 응축물 과냉각기(150, 240)의 다른 일 측에서 스트림 8 및 10과 스트림 19 및 9 사이의 온도 차이(TD1, TD3)의 비율을 보정하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    압력 판독 기기(P1, P2, P5, P6, P7)로 압력을 판독함으로써, 적어도 2 단계로 압축(100, 110, 120)하는 카고 압축기 및 리시버(140) 내의 압력을 제어하는 단계, 압력 제어기(PC1, PC2, PC3)로 각 압축 단계에 걸친 압력 비율을 제어하는 단계, 압축기 배출 압력 제어기(PC6)에 의해 압축기로부터 배출되는 배출 압력을 제어하는 단계, 리시버 압력 제어기(PC7)에 의해 리시버(140)로부터의 압력을 제어하는 단계 또는 레벨 제어기(LC1)에 의해 리시버(140) 내 레벨을 제어하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    리시버(140) 바닥 출구에서 2-상 가스 액체 스트림 15를 혼합하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 드럼(400) 분리기에서 적어도 하나의 추가로 냉각된 응축물 스트림 8 및 10으로부터 모든 가스를 분리하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브(250)가 닫혀 있을 때 카고 압축기(100) 내에서 제1 압축 단계를 빠져나가는 증기가 라인(2a)을 거쳐 유동하고, 상기 증기가 스트림 11과 혼합되는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    LPG가 3 단계로 압축(100, 110, 120)되는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 응축물 과열기(150, 240)에서 열 교환하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    스트림 12가 하나 이상의 LPG 카고 탱크로 복귀하는 단계 및/또는 스트림 12가 하나 이상의 연료 탱크로 유동하는 단계를 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 방법.
  13. LPG 캐리어 상에서 액화 석유 가스(LPG)를 저장 및 운송하기 위한 시스템으로, 상기 시스템은, 1 기압에서 비등점이 -110℃ 이상인 LPG용의 적어도 하나의 카고 탱크, LPG로부터 배출되는 보일 오프 가스를 적어도 2 단계로 압축(100, 110, 120)하여, 적어도 하나의 중간 압력 스트림 2와 스트림 4, 적어도 하나의 추가로 냉각되고 압축된 스트림 3과 스트림 5 및 최종 압축된 스트림 6을 제공하는 카고 압축기, 상기 최종 압축된 스트림 6을 응축시켜 고압 응축물 스트림 7을 제공하는 카고 응축기(130) 및 비-응축성인 모든 가스 및/또는 가스와 액체의 혼합물을 분리하기 위한 액체 리시버(140)를 포함하는, LPG 저장 및 운송 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    - 리시버(140)를 빠져나가는 온난하고 혼합된 2-상 스트림 15와 적어도 하나의 글라이드 냉매를 글라이드 냉각시켜 열 교환시키도록 구성된 적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240)로, 상기 적어도 하나의 글라이드 냉매는 온난하고 혼합된 2-상 응축물 스트림 15와 대향되게 적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240) 내로 도입되도록 구성된 추가로 냉각되어 온난하고 혼합된 2-상 응축물 스트림 15 중 중간 팽창 부분(9, 19)인, 적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240); 및
    - 적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240)를 빠져나가는 적어도 하나의 글라이드 냉매 스트림 11 및 24로부터 액적이 존재하는 경우에 그 액적을 제거하도록 구성되어 있으며, 또한, 적어도 하나의 액적 분리기(160, 260)를 빠져나가는 적어도 하나의 스트림 13 및 14를 적어도 하나의 중간 압력 스트림 2 및 4와 혼합하여 추가로 냉각되고, 압축된 스트림 3 및 5를 형성하는, 적어도 하나의 액적 분리기(160, 260)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 시스템은 스트림 11 및 24의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템을 포함하되, 상기 온도 제어 시스템은 응축물 과냉각기(150, 240)의 일 측에서 온도 차이(TD1, TD2, TD3, TD4)를 제어하기 위한 제어기 및 액적 분리기(160, 260) 내에서 액체 레벨을 측정하기 위한 레벨 송신기(L3, L4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 시스템은 적어도 2 단계로 압축(100, 110, 120)하는 카고 압축기 및 리시버(140) 내에서 압력을 제어하기 위한 압력 제어 시스템을 포함하되, 상기 압력 제어 시스템은 압력 판독 기기(P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7), 압력 제어기(PC1, PC2, PC3), 압축기 배출 압력 제어기(PC6), 리시버 압력 제어기(PC7) 및 레벨 제어기(LC1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 응축물 과냉각기(150, 240)가 플레이트 & 플레이트, 쉘 & 플레이트 열교환기 같은 콤팩트한 열교환기인 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 가스 및 액체를 분리하기 위해 스트림 8 및 10에 연결되어 있는 액체 드럼(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 카고 압축기(100)에서 오는 스트림 2를 스트림 11과 연결하도록 배치된 라인(2a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 3 단계로 압축(100, 110, 120)하는 카고 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 글라이드 냉각으로 열 교환하게 구성된 2개의 응축물 과냉각기(150, 240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LPG 저장 및 운송 시스템.
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