KR20210033092A

KR20210033092A - 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210033092A
Application number: KR1020190113994A
Authority: KR
Inventors: 박주운; 신현준; 최원재; 안성일; 류민철; 최동규
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-26
Also published as: KR102276357B1

Abstract

선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박의 증발가스 처리 시스템은, 주엔진과 상기 주엔진보다 저압연료를 공급받는 발전엔진이 마련된 선박에서, 상기 선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 상기 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 압축기; 상기 압축기로부터 압축된 압축가스의 전부 또는 일부를 공급받아 냉매와의 열교환으로 냉각시키는 예냉기; 상기 예냉기에서 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 상기 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환시키는 열교환기; 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 감압하는 팽창수단; 및 상기 열교환기로부터 상기 압축가스와 열교환된 상기 미압축 증발가스를 공급받아, 상기 예냉기로 공급될 상기 냉매와 열교환시키는 냉매 열교환기;를 포함하며, 상기 팽창수단에서 감압된 상기 압축가스 중 일부는 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법{Boil-Off Gas Treatment System and Method for Ship}

본 발명은 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 선내 주엔진 및 발전엔진의 연료로 공급하고, 연료로 공급되지 않는 증발가스는 증발가스 자체의 냉열로 재액화하여 저장탱크로 저장하는 선박의 증발가스 처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.

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

증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는, 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다.

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

DF 엔진(DFDE, DFGE)은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 5.5 barg 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.

X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 12 내지 15 barg 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.

ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300 barg 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.

도 1에는 종래의 선박용 증발가스 처리 시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 선박용 증발가스 처리 시스템에서, 주 엔진(ME)과 발전 엔진(GE)이 구비된 경우, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스는 압축기(10)에서 압축하여 주엔진의 연료로 공급하고, 발전 엔진의 연료공급압력이 주엔진보다 낮은 경우 압축기(10)의 일부 압축 과정을 거친 증발가스를 중간에서 분기하여 발전 엔진(GE)의 연료로 공급한다.

압축기(10)로 공급된 증발가스 중 주엔진 및 발전 엔진의 연료로 공급되고 남은 잉여 증발가스는 열교환기(20)로 공급되어, 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 열교환을 통해 냉각된다.

열교환기(20)에서 냉각된 증발가스는 감압장치(30)에 의해 감압되며 일부가 재액화되고, 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스는 기액분리기(40)로 공급되어 상분리된다.

기액분리기(40)에서 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 공급되어 재저장되고, 기액분리기(40)에 의해 분리된 기체 상태의 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스에 합류되어 열교환기(20)에 냉매로 도입된다.

이와 같이 별도의 냉매 없이 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법으로, 압축기에 의해 압축시킨 증발가스를, 압축기에 의해 압축되기 전의 증발가스와 열교환시켜 냉각시킨 후 J-T 밸브 등에 의해 팽창시켜 증발가스의 일부를 재액화시키는 시스템을 본 출원인은 PRS(Partial Re-liquefaction System)라고 명명하였다.

본 발명은 여기서 더 나아가, PRS를 개량하여 더욱 효과적으로 증발가스를 냉각하여 재액화 성능을 높이고 증발가스를 처리할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 주엔진과 상기 주엔진보다 저압연료를 공급받는 발전엔진이 마련된 선박에서,

선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 상기 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 압축기;

상기 압축기로부터 압축된 압축가스의 전부 또는 일부를 공급받아 냉매와의 열교환으로 냉각시키는 예냉기;

상기 예냉기에서 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 상기 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환시키는 열교환기;

상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 감압하는 팽창수단; 및

상기 열교환기로부터 상기 압축가스와 열교환된 상기 미압축 증발가스를 공급받아, 상기 예냉기로 공급될 상기 냉매와 열교환시키는 냉매 열교환기;를 포함하며,

상기 팽창수단에서 감압된 상기 압축가스 중 일부는 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템이 제공된다.

바람직하게는 상기 팽창수단은, 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 일부를 공급받아 감압하는 제1 감압밸브; 및 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 다른 일부를 공급받아 상기 발전엔진의 연료공급압력으로 감압하는 제2 감압밸브;를 포함하고, 상기 제2 감압밸브에서 감압된 상기 압축가스가 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 감압밸브에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하고, 상기 기액분리기에서 분리된 기체는 상기 저장탱크로부터 상기 열교환기로 도입될 상기 미압축 증발가스 흐름에 합류되고, 상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 저장탱크로 공급될 수 있다.

바람직하게는, 상기 예냉기에서 배출되는 상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및 상기 냉매 압축기에서 압축된 상기 냉매를 냉각시키는 냉매 응축기;를 더 포함하고, 상기 냉매 압축기 및 냉매 응축기를 거쳐 압축 및 냉각된 상기 냉매가 상기 냉매 열교환기로 도입되어 추가 냉각된 후 상기 예냉기로 도입되며, 상기 냉매는 폐 루프의 냉매순환라인을 순환할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 감압밸브 및 열교환기를 거쳐 감압 및 열교환된 증발가스를 발전엔진의 연료공급 조건에 맞추어 가열하는 히터;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 예냉기에는 상기 저장탱크로부터 액화가스가, 상기 냉매 열교환기를 거쳐 냉매로 공급되고, 상기 냉매 열교환기에서 냉매로 사용된 상기 액화가스는 상기 발전엔진으로 공급될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 주엔진과 상기 주엔진보다 저압연료를 공급받는 발전엔진이 마련된 선박에서,

상기 선박에 마련되어 액화가스를 저장하는 저장탱크로부터 상기 주엔진으로 연결되는 증발가스 공급라인;

상기 증발가스 공급라인에 마련되며 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 상기 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 압축기;

상기 압축기의 하류에서 상기 증발가스 공급라인으로부터 분기되어 상기 저장탱크로 연결되며, 상기 주엔진의 연료로 공급되지 않는 증발가스를 상기 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각하고 재액화시키는 재액화 라인;

상기 재액화 라인에 마련되며 상기 압축기에서 압축된 압축가스를 공급받아 열교환으로 냉각시키는 열교환기;

상기 재액화 라인에서 상기 열교환기의 전단에 마련되어 상기 열교환기로 도입될 상기 압축가스를 예냉하는 예냉기;

상기 열교환기로부터 상기 압축가스와 열교환된 상기 미압축 증발가스를 공급받아, 상기 예냉기로 공급될 상기 냉매와 열교환시키는 냉매 열교환기; 및

상기 열교환기의 후단에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되어 상기 압축가스를 감압하여 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급하는 분기라인;을 포함하는 선박의 증발가스 처리 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 예냉기에서 상기 압축가스를 냉각시키는 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 예냉기에서 배출되는 상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및 상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 냉매 압축기에서 압축된 상기 냉매를 냉각시키는 냉매 응축기;를 더 포함하고, 상기 냉매 압축기 및 냉매 응축기를 거쳐 압축 및 냉각된 상기 냉매가 상기 냉매 열교환기로 도입되어 추가 냉각된 후 상기 예냉기로 도입될 수 있다.

바람직하게는, 상기 재액화 라인에 마련되며 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 일부를 공급받아 감압하는 제1 감압밸브; 상기 분기라인에 마련되며 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 다른 일부를 공급받아 상기 발전엔진의 연료공급압력으로 감압하는 제2 감압밸브; 및 상기 제1 감압밸브에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하며, 상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 저장탱크로 재저장되고, 기체는 상기 열교환기로 도입될 상기 증발가스 공급라인의 미압축 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 선박에서 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 선내 주엔진의 연료공급압력으로 압축하고,

상기 압축기에서 압축된 증발가스 중 상기 주엔진의 연료로 공급되지 않은 증발가스를, 예냉기에서 냉매와 열교환시켜 예냉하고, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환기에서 열교환시켜 냉각하고, 감압으로 추가 냉각하여 재액화하고 상기 저장탱크로 재저장하되,

상기 열교환기의 후단에서 냉각된 상기 증발가스 일부를 분기하여 감압하고 상기 열교환기를 거쳐 상기 주엔진보다 저압인 연료를 공급받는 발전엔진으로 공급하여,

상기 열교환기에서는 상기 압축기에서 압축되고 예냉된 증발가스가, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스 및 상기 발전엔진으로 공급되기 위해 감압된 증발가스와 열교환으로 냉각되고,

상기 예냉기로 공급되는 상기 냉매는, 상기 열교환기에서 열교환 후 상기 압축기로 공급될 상기 미압축 증발가스와 상기 열교환기 하류에서 열교환으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 방법이 제공된다.

바람직하게는 상기 냉매는 예냉기를 통과한 후 압축, 냉각 및 응축되고, 응축된 냉매가 상기 미압축 증발가스와 열교환으로 추가 냉각된 후 상기 예냉기로 도입되어, 상기 냉매는 냉매순환라인을 따라 순환할 수 있다.

바람직하게는, 상기 압축기에서 압축 후 상기 예냉기 및 열교환기를 거쳐 냉각된 상기 증발가스는 감압으로 추가 냉각된 후 기액분리되어, 액체는 상기 저장탱크로 공급되어 재저장되고, 분리된 플래시 가스는 상기 저장탱크로부터 상기 열교환기로 도입될 상기 미압축 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.

본 발명의 시스템에서는 재액화될 증발가스 일부를 감압하여 열교환기를 거쳐 발전엔진으로 공급함으로써 열교환기의 냉매를 추가 확보하여 열교환기의 냉각 성능을 높일 수 있다. 재액화 가스에서 분리된 플래시 가스 또한 재액화될 가스를 냉각하기 위한 냉매로 활용함으로써 재액화될 가스는 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 재액화될 가스를 주 열교환기에서 냉각시키기에 앞서, 예냉기에서 예냉시킨 후 열교환기로 전달하여 단계적으로 냉각되도록 하여, 재액화될 가스를 보다 효과적으로 냉각하고 재액화 효율을 높일 수 있다.

특히, 열교환기에서 배출되는 미압축 증발가스를 다시 예냉기로 공급되는 냉매 냉각에 이용하도록 하여, 미압축 증발가스의 냉열을 추가로 활용할 수 있도록 한다. 이와 같이 냉매를 냉각시킴으로써 냉매 사이클 내 냉매 압축을 위해 필요한 일량을 줄여, 장비의 크기를 줄일 수 있다.

연료 공급 및 재액화 등으로 소비되지 못하는 증발가스는 GCU 등에서 태워 없애야 하는데, 재액 성능 향상을 통해 연소시켜 처리할 증발가스의 양을 줄여 에너지 낭비를 막고, 연소 시 발생하는 이산화탄소의 배출을 저감할 수 있고, 증발가스를 효과적으로 처리하여 선박의 안전을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 증발가스 처리 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템의 개략도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 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.

이하 본 발명에서의 선박은, 액화가스 및 액화가스에서 발생하는 증발가스를 추진용 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되거나 액화가스 또는 증발가스를 선내 기관의 연료로 사용하는 모든 종류의 선박으로, 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액화석유가스 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.

또한, 본 발명에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하며 엔진 등의 연료로 사용될 수 있는 모든 종류의 액화가스를 포함할 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스 중 하나인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

한편, 본 실시예들의 각 라인을 흐르는 유체는, 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기액 혼합 상태, 기체 상태, 초임계유체 상태 중 어느 하나의 상태일 수 있다.

도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을, 도 3에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 증발가스 처리 시스템을 각각 개략적으로 도시하였다.

도 2 내지 3에 도시된 바와 같이 본 제1 내지 제2 실시예의 증발가스 처리 시스템은, 선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 연료로 공급하거나 재액화하여 처리하기 위한 것으로, 저장탱크로부터 선내 주엔진(ME)으로 연결되는 증발가스 공급라인(GL)이 마련되고, 증발가스 공급라인에는 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 압축기(100)가 마련된다.

저장탱크(T)에서 발생한 증발가스는 압축기(100)로 도입되어 압축된다. 압축기(100)는 복수의 컴프레서와 중간 냉각기가 번갈아 배치되며 이들을 순차로 거쳐 증발가스를 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 다단 압축기로 마련될 수 있다.

압축기는 증발가스를 압축하여 주엔진으로 연료공급압력으로, 예를 들어 DF 엔진이 마련된 경우라면 5.5 barg, X-DF 엔진이 마련된 경우라면 12 내지 15 barg, ME-GI 엔진이 마련된 경우는 300 barg로 압축할 수 있다. 다단 압축기를 구성하는 컴프레서 및 중간 냉각기의 갯수는 주엔진의 연료공급압력에 따라 변경할 수 있다.

다단 압축기의 중간 단에서 선내 발전엔진(GE)으로 연결되는 연료공급라인(SL)이 마련되어, 다단 압축기의 컴프레서 일부를 거쳐 압축된 증발가스를 주엔진보다 연료 공급압이 낮은 발전엔진으로 공급할 수 있다.

예를 들어, 주엔진은 ME-GI 엔진이고 그보다 저압연료를 공급받는 발전엔진은 DFGE(Dual Fuel Generator Engine)나 TFGE(Triple Fuel Generator Engine), ME-GI 엔진보다 저압인 연료를 공급받는 중압엔진으로 구성할 수 있다.

선박 규정상 엔진으로 연료를 공급하는 압축기는, 비상 상황을 대비하여 리던던시(Redundancy) 설계를 하여야 하는데, 리던던시 설계란, 어느 한 대를 고장, 유지보수 등의 이유로 사용할 수 없을 때 다른 한 대를 대신 사용 할 수 있도록 설계하는 것을 의미한다. 이를 위해 본 실시예들의 도면에서 압축기는 한 세트만 도시하였으나 복수로 마련된 것일 수 있다.

한편, 압축기(100)의 하류에서 증발가스 공급라인(GL)으로부터 분기되어 저장탱크로 연결되는 재액화 라인(RL)이 마련되어, 주엔진의 연료로 공급되지 않은 압축가스를 냉각하여 재액화시켜 저장탱크(T)에 재저장한다.

재액화 라인(RL)에는 압축기에서 압축되어 재액화될 압축가스를 냉각하기 위하여 예냉기(200), 열교환기(300)가 순차로 마련된다.

특히 본 실시예들에서는, 재액화 라인(RL)에서 열교환기(300)의 전단에 예냉기(200)를 마련하여, 예냉기(200)에서는 압축기에서 압축 후 재액화 라인으로 분기된 압축가스를 공급받아 냉매와의 열교환으로 예냉(precooling)시키고, 열교환기(300)는 예냉기를 거쳐 냉각된 압축가스를 공급받아 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환으로 추가로 냉각시킨다.

제1 및 제2 실시예의 시스템은 예냉기(200)에 공급되는 냉매에 차이가 있는데, 예냉기의 냉매 공급을 위해서 냉매가 순환하는 별도의 냉매 사이클을 구성할 수도 있고(도 2의 제1 실시예), 저장탱크로부터 발생하는 증발가스 또는 액화가스를 공급받아 냉매로 이용하도록 구성할 수도 있다(도 3의 제2 실시예).

우선, 도 2에 도시된 제1 실시예에서는, 예냉기로의 냉매 공급을 위해 냉매가 순환하는 폐 루프(closed loop)의 냉매순환라인(CLa)이 마련된다. 냉매순환라인(CLa)에는 열교환기에서 열교환 후 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉매순환라인의 냉매를 냉각시키는 냉매 열교환기(400)가 마련되는 것이 특징이다.

냉매순환라인(CLa)에는, 예냉기(200)에서 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축기(410)와, 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 냉각시키는 냉매 응축기(420)가 마련된다.

냉매 압축기(410) 및 냉매 응축기(420)를 거쳐 압축 및 냉각된 냉매가 냉매 열교환기(400)로 도입되어 추가 냉각된 후 예냉기(200)로 도입되고, 예냉기에서 압축가스와 열교환되고 다시 냉매 압축기로 도입됨으로써 폐 루프의 냉매 사이클을 이룬다.

미압축 증발가스 냉열로 냉매를 추가 냉각하는 냉매 열교환기가 구성되는 시스템을 모델링해 본 결과, 냉매 열교환기를 구성하지 않고 압축 및 응축시킬 때에 비해, 냉매 사이클 내 냉매 압축기의 일량이 36% 정도 감소되는 것으로 확인되었다.

따라서 본 실시예에서와 같이 냉매 열교환기를 구성하여 냉매 사이클을 순환하는 냉매를, 열교환기를 거친 후 압축기로 도입될 미압축 증발가스의 냉열로 냉각시킴으로써 냉매 사이클 내 냉매 압축을 위해 필요한 일량을 줄여, 냉매 사이클에 구성되는 압축 장비 및 배관 등의 규격, 크기를 줄이고 비용을 절감할 수 있다.

냉매순환라인의 냉매로는 바람직하게는 끓는점 -30℃ 이하인 냉매가 사용될 수 있고, 예를 들어 SMR(Single Mixed Refrigerant) 또는 C3MR(Propane-precooled Mixed Refrigerant)와 같은 혼합냉매, 질소가 사용될 수 있다.

재액화될 가스는 예냉기(200)에서 예냉된 후 열교환기(300)로 도입되어 미압축 증발가스에 의해 다시 냉각된다. 이와 같이 예냉기에서 선냉각한 후 주 열교환기에서 2차로 냉각되므로, 재액화될 증발가스를 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있어 재액화 성능을 높일 수 있다.

한편, 열교환기(300)는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 또는 DCHE(Direct Contact type Heat Exchanger)으로 마련될 수 있다. 열교환기로 도입될 증발가스는 오일 필터(미도시)를 거쳐 압축 과정에서 혼입된 윤활유를 제거한 후 열교환기로 도입시킬 수 있다.

본 제1 및 제2 실시예들에서는, 열교환기(300)의 후단에서 재액화 라인(RL)으로부터 분기되는 분기라인(BL)을 마련하여, 압축 후 열교환기를 거쳐 냉각된 압축가스를 감압하여 다시 열교환기(300)로 보내어 열교환기에서 냉열을 회수한 후 발전엔진(GE)으로 공급한다.

그리하여, 본 실시예들의 시스템에서의 열교환기(300)에서는 압축 후 예냉된 재액화 라인(RL)의 압축가스, 발전엔진으로 공급하기 위해 분기 후 감압된 분기라인(BL)의 증발가스, 압축기로 공급될 증발가스 공급라인(GL)의 미압축 증발가스, 세 가지 흐름이 열교환된다.

열교환기(300)의 후단에는, 예냉기 및 열교환기를 거쳐 냉각된 증발가스를 감압하는 팽창수단이 마련된다.

팽창수단은 예를 들어, 압축된 증발가스를 감압하는 팽창기(expander) 또는 줄-톰슨 밸브 등의 팽창밸브로 마련될 수 있는데, 감압을 통해 증발가스는 등엔트로피 팽창 또는 단열팽창되며 냉각된다.

특히 본 실시예들에서는 팽창수단을 재액화 라인(RL)에 마련되는 제1 감압밸브(500)와 분기라인(BL)에 마련되는 제2 감압밸브(550), 두 가지로 구성하여, 제1 감압밸브(500)에서 감압되며 냉각된 증발가스는 재액화 라인을 따라 재액화시켜 저장탱크로 저장하고, 제2 감압밸브(550)에서 감압되며 냉각된 증발가스는 분기라인은 따라 다시 열교환기에서 냉열을 회수한 후 주엔진보다 저압 연료를 공급받는 발전엔진의 연료로 공급한다.

예를 들어 감압으로 냉각되어 재액화될 가스는 제1 감압밸브(500)를 거쳐 약 4 barA로, 감압하여 냉각 후 열교환기를 거쳐 발전엔진의 연료로 공급될 가스는 열교환 시의 압력 감소를 고려하여 제2 감압밸브(550)를 거쳐 약 6.5barA 내외로 감압할 수 있다.

분기라인(BL)에는 발전엔진으로 공급될 연료를 가열하는 히터(700)가 추가로 마련되어, 열교환기를 거쳐 가열된 증발가스를 발전엔진의 연료공급 조건에 맞추어 추가로 가열하여 발전엔진으로 공급할 수 있다.

분기라인을 거쳐 발전엔진으로 공급되는 증발가스의 양은 발전엔진의 부하(Load), 압축기의 Configuration 등에 따라 달라질 수 있다.

이와 같이, 본 실시예들에서는 열교환기를 거쳐 발전엔진으로 연결되는 분기라인을 통해 발전엔진으로 공급될 증발가스의 냉열도 재액화에 이용할 수 있어, 재액화될 가스를 보다 효과적으로 냉각하여 재액화 성능을 높일 수 있다. 또한, 발전엔진에 공급될 증발가스는 열교환기를 통해 가열됨으로써 시스템의 열에너지를 효과적으로 활용할 수 있다.

한편, 재액화 라인(RL)에서 예냉기(300) 및 열교환기(200)를 거쳐 냉각되고, 제1 감압밸브(500)를 거쳐 감압으로 추가 냉각된 증발가스는 기액분리기(600)를 거쳐 기액분리된다.

기액분리기(600)에서 분리된 액체, 즉 액화가스는 재액화 라인(RL)을 따라 저장탱크로 재저장된다.

기액분리기에서 열교환기 전단의 증발가스 공급라인(GL)으로 플래시가스 라인(FL)이 연결되어, 기액분리기에서 분리된 기체, 즉 플래시 가스는 저장탱크로부터 열교환기로 도입될 미압축 증발가스 흐름에 합류되어 냉매로 열교환기에 공급될 수 있다.

도 3에 도시된 제2 실시예의 시스템은 예냉기(200)에서 저장탱크의 액화가스를 냉매로 이용하도록 구성한 것으로, 이를 위해 저장탱크(T)로부터 예냉기(200)로 연결되는 냉매공급라인(CLb)을 마련한다.

냉매공급라인(CLb)을 따라 저장탱크로부터 액화가스가 예냉기에 냉매로 공급될 수 있다.

냉매공급라인(CLb)은 저장탱크(T)로부터, 냉매 열교환기(400) 및 예냉기(200)를 거쳐 분기라인(BL)의 열교환기(200) 후단으로 연결된다. 냉매 열교환기(400)에서 열교환기로부터 배출된 미압축 증발가스와 열교환된 후, 예냉기(200)에서 압축가스와 열교환된 액화가스는 분기라인으로 합류되어 발전엔진(GE)의 연료로 공급될 수 있다.

재액화될 가스는 발전엔진으로 공급될 액화가스의 냉열로 예냉기에서 예냉된 후 열교환기에서 다시 냉각되므로, 보다 효과적으로 냉각되어 재액화율을 높일 수 있다. 또한, 발전엔진에 공급될 연료는 예냉기에서 고온의 압축가스로부터 열에너지를 흡수하여 기화될 수 있어, 시스템의 열에너지를 효과적으로 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

전술한 제1 실시예와 마찬가지로 예냉기(200) 및 열교환기(300)를 거쳐 냉각된 압축가스는, 재액화 라인(RL)을 따라 제1 감압밸브(500) 및 기액분리기(600)를 거친다.

감압으로 추가 냉각 후 기액분리기에서 기체 상태인 플래시 가스와 액화가스로 분리되고, 분리된 플래시 가스는 플래시가스라인(FL)을 통해 저장탱크로부터 열교환기로 도입될 미압축 증발가스 흐름에 합류되어 열교환기에 냉매로 공급되고, 액화가스는 저장탱크로 공급된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예들에서는, 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 선내 주엔진의 연료공급압력으로 압축하고, 압축기에서 압축된 증발가스 중 주엔진의 연료로 공급되지 않은 증발가스를, 예냉기에서 냉매와 열교환시켜 예냉하고, 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환기에서 열교환시켜 냉각하고, 감압으로 추가 냉각하여 기액분리 후 저장탱크로 재저장한다. 특히, 열교환기에서 열교환 후 압축기로 공급될 미압축 증발가스를 예냉기로 공급될 냉매와 열교환시키고, 열교환기의 후단에서 냉각된 증발가스 일부를 분기하여 감압하고 열교환기를 거쳐 발전엔진으로 공급하도록 하여, 열교환기에서는 압축기에서 압축되고 예냉된 증발가스가, 압축기로 도입될 미압축 증발가스 및 발전엔진으로 공급되기 위해 감압된 증발가스와 열교환으로 냉각되도록 구성하였다.

재액화될 가스를 예냉기 및 열교환기를 순차로 거쳐 냉각시킴으로써 효과적으로 냉각하여 재액화 성능을 높일 수 있고, 에너지 손실을 막아 GCU에서 태워 없애는 가스의 양을 줄어거나 없애 이산화탄소 배출을 감소시킬 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 자에게 있어서 자명한 것이다.

T : 저장탱크
ME: 주엔진
GE: 발전엔진
GL: 증발가스 공급라인
RL: 재액화 라인
CLa: 냉매순환라인
CLb: 냉매공급라인
FL: 플래시 가스 라인
SL: 연료공급라인
100: 압축기
200: 예냉기
300: 열교환기
400: 냉매 열교환기
410: 냉매 압축기
420: 냉매 응축기
500: 제1 감압밸브
550: 제2 감압밸브
600: 기액분리기
700: 히터

Claims

주엔진과 상기 주엔진보다 저압연료를 공급받는 발전엔진이 마련된 선박에서,
상기 선박에 마련되며 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 상기 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 압축기;
상기 압축기로부터 압축된 압축가스의 전부 또는 일부를 공급받아 냉매와의 열교환으로 냉각시키는 예냉기;
상기 예냉기에서 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 상기 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환시키는 열교환기;
상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스를 공급받아 감압하는 팽창수단; 및
상기 열교환기로부터 상기 압축가스와 열교환된 상기 미압축 증발가스를 공급받아, 상기 예냉기로 공급될 상기 냉매와 열교환시키는 냉매 열교환기;를 포함하며,
상기 팽창수단에서 감압된 상기 압축가스 중 일부는 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 팽창수단은
상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 일부를 공급받아 감압하는 제1 감압밸브; 및
상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 다른 일부를 공급받아 상기 발전엔진의 연료공급압력으로 감압하는 제2 감압밸브;를 포함하고,
상기 제2 감압밸브에서 감압된 상기 압축가스가 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 제1 감압밸브에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하고,
상기 기액분리기에서 분리된 기체는 상기 저장탱크로부터 상기 열교환기로 도입될 상기 미압축 증발가스 흐름에 합류되고, 상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 저장탱크로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 예냉기에서 배출되는 상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및
상기 냉매 압축기에서 압축된 상기 냉매를 냉각시키는 냉매 응축기;를 더 포함하고,
상기 냉매 압축기 및 냉매 응축기를 거쳐 압축 및 냉각된 상기 냉매가 상기 냉매 열교환기로 도입되어 추가 냉각된 후 상기 예냉기로 도입되며, 상기 냉매는 폐 루프의 냉매순환라인을 순환하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 제2 감압밸브 및 열교환기를 거쳐 감압 및 열교환된 증발가스를 발전엔진의 연료공급 조건에 맞추어 가열하는 히터;를 더 포함하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 예냉기에는 상기 저장탱크로부터 액화가스가, 상기 냉매 열교환기를 거쳐 냉매로 공급되고,
상기 냉매 열교환기에서 냉매로 사용된 상기 액화가스는 상기 발전엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
주엔진과 상기 주엔진보다 저압연료를 공급받는 발전엔진이 마련된 선박에서,
상기 선박에 마련되어 액화가스를 저장하는 저장탱크로부터 상기 주엔진으로 연결되는 증발가스 공급라인;
상기 증발가스 공급라인에 마련되며 상기 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 상기 주엔진의 연료공급압력으로 압축하는 압축기;
상기 압축기의 하류에서 상기 증발가스 공급라인으로부터 분기되어 상기 저장탱크로 연결되며, 상기 주엔진의 연료로 공급되지 않는 증발가스를 상기 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각하고 재액화시키는 재액화 라인;
상기 재액화 라인에 마련되며 상기 압축기에서 압축된 압축가스를 공급받아 열교환으로 냉각시키는 열교환기;
상기 재액화 라인에서 상기 열교환기의 전단에 마련되어 상기 열교환기로 도입될 상기 압축가스를 예냉하는 예냉기;
상기 열교환기로부터 상기 압축가스와 열교환된 상기 미압축 증발가스를 공급받아, 상기 예냉기로 공급될 상기 냉매와 열교환시키는 냉매 열교환기; 및
상기 열교환기의 후단에서 상기 재액화 라인으로부터 분기되어 상기 압축가스를 감압하여 상기 열교환기를 거쳐 상기 발전엔진으로 공급하는 분기라인;을 포함하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 예냉기에서 상기 압축가스를 냉각시키는 냉매가 순환하는 냉매순환라인;
상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 예냉기에서 배출되는 상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및
상기 냉매순환라인에 마련되며 상기 냉매 압축기에서 압축된 상기 냉매를 냉각시키는 냉매 응축기;를 더 포함하고,
상기 냉매 압축기 및 냉매 응축기를 거쳐 압축 및 냉각된 상기 냉매가 상기 냉매 열교환기로 도입되어 추가 냉각된 후 상기 예냉기로 도입되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 재액화 라인에 마련되며 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 일부를 공급받아 감압하는 제1 감압밸브;
상기 분기라인에 마련되며 상기 열교환기로부터 냉각된 상기 압축가스 중 다른 일부를 공급받아 상기 발전엔진의 연료공급압력으로 감압하는 제2 감압밸브; 및
상기 제1 감압밸브에서 감압된 증발가스를 공급받아 기액분리하는 기액분리기;를 더 포함하며,
상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 저장탱크로 재저장되고, 기체는 상기 열교환기로 도입될 상기 증발가스 공급라인의 미압축 증발가스 흐름에 합류되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 시스템.
선박에서 액화가스가 저장된 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 선내 주엔진의 연료공급압력으로 압축하고,
상기 압축기에서 압축된 증발가스 중 상기 주엔진의 연료로 공급되지 않은 증발가스를, 예냉기에서 냉매와 열교환시켜 예냉하고, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환기에서 열교환시켜 냉각하고, 감압으로 추가 냉각하여 재액화하고 상기 저장탱크로 재저장하되,
상기 열교환기의 후단에서 냉각된 상기 증발가스 일부를 분기하여 감압하고 상기 열교환기를 거쳐 상기 주엔진보다 저압인 연료를 공급받는 발전엔진으로 공급하여,
상기 열교환기에서는 상기 압축기에서 압축되고 예냉된 증발가스가, 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스 및 상기 발전엔진으로 공급되기 위해 감압된 증발가스와 열교환으로 냉각되고,
상기 예냉기로 공급되는 상기 냉매는, 상기 열교환기에서 열교환 후 상기 압축기로 공급될 상기 미압축 증발가스와 상기 열교환기 하류에서 열교환으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 방법.
제 10항에 있어서,
상기 냉매는 예냉기를 통과한 후 압축, 냉각 및 응축되고, 응축된 냉매가 상기 미압축 증발가스와 열교환으로 추가 냉각된 후 상기 예냉기로 도입되어,
상기 냉매는 냉매순환라인을 따라 순환하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 방법.
제 11항에 있어서,
상기 압축기에서 압축 후 상기 예냉기 및 열교환기를 거쳐 냉각된 상기 증발가스는 감압으로 추가 냉각된 후 기액분리되어, 액체는 상기 저장탱크로 공급되어 재저장되고, 분리된 플래시 가스는 상기 저장탱크로부터 상기 열교환기로 도입될 상기 미압축 증발가스 흐름에 합류되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 처리 방법.