KR20210062119A - 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화가스 저장탱크에서 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 연료로 공급하고 남은 증발가스는 재액화시켜 회수하는 선박용 증발가스 재액화 시스템과 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법은, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 무급유식 압축기로 압축하고, 상기 무급유식 압축기로 압축한 중압 증발가스 중에서, 엔진의 연료로 공급할 유량만큼의 중압 증발가스는 급유식 압축기로 상기 엔진에서 요구하는 압력까지 추가로 더 압축하고, 상기 급유식 압축기를 이용하여 추가로 더 압축한 고압 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하고, 상기 무급유식 압축기로 압축한 중압 증발가스 중에서 상기 엔진의 연료로 공급하지 않은 나머지 중압 증발가스를 재액화 장치를 이용하여 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크로 회수하며, 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에는, 상기 급유식 압축기로부터 무급유식 압축기로 오일이 섞인 증발가스가 역류하지 않도록 격리밸브와 체크밸브를 구비하되, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력을 측정하여, 상기 압력 측정값이 설정값까지 증가하면, 상기 급유식 압축기의 하류에서 상기 고압 증발가스를 외부로 배출시키는 배출밸브를 개방할 수 있다.

Description

선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법 {Boil-Off Gas Re-liquefaction System for Vessels and Method for Operation of the Same}

본 발명은 액화가스 저장탱크에서 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 엔진의 연료로 공급하고, 연료로 공급하고 남은 증발가스는 재액화시켜 회수하는 선박용 증발가스 재액화 시스템과 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.

액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색·투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

그러나 천연가스의 비등점은 상압 -162℃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. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.

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 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다.

별도의 냉매를 사용하지 않고 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화하는 방법으로는, 대표적으로 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)을 적용하는 방법이 있고, 근래에는 더 많은 양의 증발가스를 재액화시킬 수 있도록 PRS를 개량한 FRS(Full Reliquefaction System) 및 MRS-F(Methan Refrigeration System-Full Reliquefaction) 등을 적용하는 방법도 실시되고 있다.

증발가스 자체를 냉매로 사용하는 증발가스 재액화 시스템에서는 재액화 효율을 위해 증발가스를 대략 150 bar 이상의 고압으로 압축시킬 필요가 있고, ME-GI 엔진 등의 고압 엔진을 주엔진으로 채용하는 경우 엔진에서 요구하는 연료의 압력을 충족시키기 위해 증발가스를 대략 300 bar 정도의 고압으로 압축시킬 필요가 있다.

증발가스를 150 내지 300 bar의 고압으로 압축시키기 위한 고압 압축기는, 다수개의 압축 실린더와 냉각부를 포함하여, 다단계에 걸쳐 유체를 고압으로 압축시키는 다단 압축기가 이용된다.

이와 같이 고압으로 유체를 압축시키는 압축 실린더는 압축 과정에서 고압의 가스가 외부로 유출되는 것을 막기 위하여 밀봉유(seal oil) 및/또는 실린더의 마모 방지 및 수명 연장 등을 위해서 윤활유(lubrication oil)의 사용이 불가피하다. 현재 기술로는 오일을 주입하지 않거나, 오일의 유출을 완벽하게 방지할 수 있으면서 가스를 고압으로 압축할 수 있는 압축기는 개발된 바 없다.

성분에 따라 약간 다르지만 일반적으로는 오일 성분의 기화점은 증발가스보다 낮아 증발가스를 고압으로 압축시키는 과정에서 오일 성분이 기화될 수 있다. 또한, 기화된 오일 성분이 배관 내로 새어 들어가 압축된 증발가스와 함께 후단 공정으로 넘어가게 된다.

오일 성분이 혼입된 상태의 압축 증발가스가 엔진으로 공급되는 경우에는 문제되지 않지만, 재액화 공정으로 공급되면, 배관이나 장치 내부에 쌓여 고장을 일으킬 수 있고, 특히 증발가스 재액화를 위한 열교환시에 증발가스보다 오일이 먼저 응축이 되어 열교환기의 유로를 막고 재액화 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

특히, 오일 성분이 혼입된 압축 증발가스가, 압축 증발가스를 액화시키는 열교환기 등 후단 공정으로 유입된 상태로 재액화되어 LNG 저장탱크로 회수되면, LNG 저장탱크를 오염시켜 품질 저하를 유발한다. 또한, 오일 성분이 각종 장치나 배관에 누적되면 극저온의 공정 중에 점도가 낮아지거나 고체화되는데, 이는 재액화 성능에 심각한 영향을 초래하고, 손상을 야기할 수 있다.

본 발명에서는 증발가스에 섞인 윤활유에 의한 문제점을 보다 근본적으로 해결하기 위해, 부분적으로 무급유식 실린더를 포함하는 다단압축기를 활용한 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 무급유식 압축기로 압축하고, 상기 무급유식 압축기로 압축한 중압 증발가스 중에서, 엔진의 연료로 공급할 유량만큼의 중압 증발가스는 급유식 압축기로 상기 엔진에서 요구하는 압력까지 추가로 더 압축하고, 상기 급유식 압축기를 이용하여 추가로 더 압축한 고압 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하고, 상기 무급유식 압축기로 압축한 중압 증발가스 중에서 상기 엔진의 연료로 공급하지 않은 나머지 중압 증발가스를 재액화 장치를 이용하여 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크로 회수하며, 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에는, 상기 급유식 압축기로부터 무급유식 압축기로 오일이 섞인 증발가스가 역류하지 않도록 격리밸브와 체크밸브를 구비하되, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력을 측정하여, 상기 압력 측정값이 설정값까지 증가하면, 상기 급유식 압축기의 하류에서 상기 고압 증발가스를 외부로 배출시키는 배출밸브를 개방하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 무급유식 압축기 및/또는 급유식 압축기의 운전 정지(shut down)시에는, 상기 급유식 압축기의 토출측으로부터 흡입측으로 고압 증발가스를 순환시키되, 상기 격리밸브는 폐쇄하여 급유식 압축기와 무급유식 압축기를 분리시키고, 상기 급유식 압축기의 흡입측으로 순환된 증발가스 중에서 상기 체크밸브로부터 무급유식 압축기 측으로 누출된 증발가스가, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이에 세틀 아웃 압력을 형성하며, 상기 세틀 아웃 압력이 상승하면 상기 배출밸브를 개방할 수 있다.

바람직하게는, 상기 급유식 압축기로부터 상기 무급유식 압축기로 역류한 증발가스 중에서, 상기 체크밸브로부터 상기 무급유식 압축기 측으로 누출된 증발가스에 섞여있는 오일을 걸러내는 공정을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 급유식 압축기의 하류에서 급유식 압축기의 상류로 순환시키는 증발가스에 섞여 있는 오일을 걸러내는 공정을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무급유식 압축기는 여러 단계에 걸쳐 증발가스를 초임계 압력까지 압축시키고, 상기 무급유식 압축기의 일부 단계만을 거쳐 초임계 압력 미만으로 압축시킨 증발가스 중 일부를 분기시켜 저압 엔진의 연료로 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 증발가스를 재액화시키는 공정은, 상기 무급유식 압축기를 이용하여 압축시킴으로써 오일이 섞여 있지 않은 중압 증발가스를, 상기 무급유식 압축기로 공급하는 증발가스와 열교환시켜, 상기 중압 증발가스를 냉각시키고, 상기 냉각시킨 증발가스를 감압시킴으로써 상기 증발가스의 온도를 더 낮추며, 상기 압축, 냉각 및 감압 공정에 의해 재액화된 액체 상태의 재액화 증발가스를 액화가스 저장탱크로 공급할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 무급유식으로 압축시키는 무급유식 압축기; 상기 무급유식 압축기의 하류에 설치되며, 상기 무급유식 압축기에서 압축된 증발가스를 급유식으로 더 압축시켜 엔진의 연료로 공급하는 급유식 압축기; 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에서 분기되어 재액화 장치로 연결되며, 상기 무급유식 압축기에 의해 압축된 증발가스가 재액화 장치로 이송되도록 하는 재액화 라인; 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에 설치되며 상기 급유식 압축기로부터 상기 무급유식 압축기로 증발가스가 역류하는 것을 방지하는 체크밸브; 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에 설치되며, 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기를 분리하여 격리시키는 격리밸브; 상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터; 및 상기 급유식 압축기의 하류에 설치되며, 상기 급유식 압축기에 의해 압축된 증발가스를 외부로 배출시키는 배출밸브;를 포함하여, 기 격리밸브가 폐쇄되었을 때, 상기 압력 트랜스미터에 의해 측정한 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력 측정값이 설정값에 도달하면 상기 배출밸브를 개방시키는 제어부;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는 상기 급유식 압축기의 하류에서 상기 급유식 압축기의 상류로 연결되며, 상기 급유식 압축기로부터 배출된 압축 증발가스가 상기 급유식 압축기의 상류로 순환되도록 하는 순환밸브;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 격리밸브는 폐쇄되고 상기 순환밸브는 개방되었을 때, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력이 설정값에 도달하면 상기 배출밸브를 개방시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 급유식 압축기의 하류와 순환밸브 사이에 설치되며, 상기 급유식 압축기의 하류에서 상류로 순환되는 증발가스에 섞여 있는 오일을 걸러내는 제2 오일필터;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이에 설치되며, 상기 체크밸브로부터 누출된 증발가스에 섞여 있는 오일을 걸러내는 제1 오일필터;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법은, 무급유식 압축기를 이용하여 증발가스를 재액화시킴으로써 증발가스에 오일이 섞여 들어가 재액화 효율을 저하시키거나 액화가스를 오염시키는 문제를 해결할 수 있다.

또한, 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이를 격리시킴으로써, 급유식 압축기로부터 오일이 섞여 있는 증발가스가 역류하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 압축기의 정지로 인하여 장시간 격리밸브를 폐쇄한 상태로 운전할 때, 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이의 압력이 안전압력에 도달하면, 배출밸브를 개방하여, 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이의 세틀 아웃 압력을 배출시킴으로써, 장시간 격리밸브를 폐쇄한 상태로 운전하더라도, 배관 파손 및 고압 증발가스의 누출로 인한 안전문제를 해결할 수 있다.

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

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.

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.

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) 등을 포함할 수 있으며, LNG 저장탱크가 구비되고, LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스를 재액화시켜 회수하는 증발가스 재액화 시스템이 적용된 모든 선박에 적용할 수 있다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 엔진은, 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 가스연료 엔진일 수 있으며, 고압 엔진, 중압 엔진 및 저압 엔진 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

고압 엔진은 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 150 bar 이상, 바람직하게는 약 300 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.

ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진은, 2-행정(2-stroke) 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용된다. 또한, ME-GI 엔진은 약 300 bar 정도의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(diesel cycle)을 기준으로 작동한다.

한편, X-DF 엔진(eXtra long stroke Dual Fuel)은, 2-행정 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용되고, ME-GI 엔진과 마찬가지로 선박의 추진을 위해 프로펠러를 직접 구동하는 방식이다. 또한, X-DF 엔진은, 약 16 bar 내지 20 bar 정도의 저압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클(otto cycle)을 기준으로 작동한다.

DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 및 DFGE(Dual Fuel Diesel Generator) 엔진은, 4-행정(4-stroke) 사이클을 사용하며, 발전용으로 주로 사용된다. 또한, DFDE 엔진은 약 6.5 bar 정도의 저압 천연가스를 연소용 공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축시키는 오토 사이클을 기준으로 작동한다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 추진용 엔진으로서 ME-GI 엔진이 적용되고 발전용 엔진으로서 DFGE가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템 및 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, LNG 저장탱크(cargo tank)로부터 배출되는 증발가스를 오일을 사용하지 않고 압축시키는 무급유 윤활 방식(lubeless)의 무급유식 압축기(100); 및 무급유식 압축기(100)에서 압축된 증발가스를 고압 엔진(ME-GI)에서 요구하는 압력으로 오일을 사용하여 추가 압축시키는 급유 윤활 방식(lube)의 급유식 압축기(200);를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은 LNG 저장탱크와 무급유식 압축기(100)를 연결하는 증발가스 라인(BL); 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)를 연결하는 추가 압축라인(PL); 급유식 압축기(200)와 고압 엔진을 연결하는 연료 공급라인(FL); 및 추가 압축라인(PL)으로부터 분기되어 무급유식 압축기(100)와 재액화 장치(FRS)를 연결하는 재액화 라인(RL);을 더 포함한다.

본 실시예의 LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 따라 무급유식 압축기(100)로 공급되어 먼저 무급유식 압축기(100)에 의해 압축된다.

또한, 본 실시예의 무급유식 압축기(100)는, 밀봉유나 윤활유 등 오일을 사용하지 않는 무급유 윤활 방식의 압축기로서, 다수개의 압축부(또는 압축 실린더)를 포함하여 여러 단계에 걸쳐 증발가스를 초임계 압력 이상으로 압축시킬 수 있는 무급유 다단압축기일 수 있다.

도 1 내지 도 2에는, 무급유식 압축기(100)가 5개의 압축부와 각 압축부의 하류에 설치되어 각 압축부에서 압축된 증발가스를 냉각시키는 5개의 냉각부를 포함하는 5단 압축기인 것을 예로 들어 도시하였다.

본 실시예에 따르면, 무급유식 압축기(100)에 의해 압축된 증발가스는 추가 압축라인(PL) 및 재액화 라인(RL)으로 분기되어 유입될 수 있다.

즉, 무급유식 압축기(100)에 의해 압축된 증발가스 중에서, 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량에 해당하는 만큼의 증발가스는 추가 압축라인(PL)을 통해 고압 엔진으로 공급된다.

또한, 추가 압축라인(PL)으로 공급되지 않는 나머지 증발가스는 재액화 라인(RL)을 통해 재액화 장치로 공급된다.

또한, 본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 무급유식 압축기(100)의 중간 압축부로부터 저압 엔진(DFGE)으로 연결되는 보조 연료 공급라인(GL);을 더 포함할 수 있다.

즉, 무급유식 압축기(100)에서 압축되는 증발가스 중에서, 일부 압축부에 의해 저압 엔진(DFGE)에서 요구하는 압력으로 압축된 증발가스('저압 증발가스'라 함.)를 보조 연료 공급라인(GL)으로 분기시켜 저압 엔진의 연료로 공급할 수도 있다.

도 1 및 도 2에는, 보조 연료 공급라인(GL)이 무급유식 압축기(100)의 2단 압축부의 하류에서 분기되어 저압 엔진으로 연결되는 것을 예로 들어 도시하였다.

따라서, 본 실시예에 따르면 무급유식 압축기(100)에서 압축되는 증발가스 중에서, 저압 엔진에서 요구하는 연료 수요량에 해당하는 만큼의 저압 증발가스를, 무급유식 압축기(100)의 2단 압축부 하류에서 보조 연료 공급라인(GL)으로 분기시켜 저압 엔진으로 공급한다.

보조 연료 공급라인(GL)으로 공급하지 않은 나머지 저압 증발가스는 무급유식 압축기(100)의 3단 압축부로 도입되어 더 압축된다.

무급유식 압축기(100)의 최후단 압축부, 즉 본 실시예에서 5단 압축부로부터 토출되는 증발가스('중압 증발가스'라 함.) 중에서, 고압 엔진에서 요구하는 연료 수요량에 해당하는 만큼의 중압 증발가스는 추가 압축라인(PL)을 통해 고압 엔진으로 공급되고, 추가 압축라인(PL)으로 공급하지 않은 나머지 중압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 통해 재액화 장치로 공급된다.

추가 압축라인(PL)을 통해 이송되는 중압 증발가스는 급유식 압축기(200)에 의해 고압 엔진에서 요구하는 압력('고압 증발가스'라 함.)까지 추가로 더 압축된 후 고압 엔진의 연료로 공급될 수 있다.

본 명세서에서, 저압, 중압 및 고압이라는 것은 상대적인 개념으로 정의되는 것으로, 낮은 압력에서 높은 압력 순으로, 무급유식 압축기(100)의 전단 일부 압축부(본 실시예에서 2단 압축부)로부터 토출되는 증발가스의 압력은 저압, 무급유식 압축기(100)의 최후단 압축부(본 실시예에서 5단 압축부)로부터 토출되는 증발가스의 압력은 중압, 급유식 압축기(200)로부터 토출되는 증발가스의 압력을 고압으로 정의하기로 한다.

급유식 압축기(200)는, 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력, 즉 본 실시예에서 약 150 bar 내지 300 bar의 고압으로 증발가스를 압축시킬 수 있다.

또한, 본 실시예의 급유식 압축기(200)는, 밀봉유나 윤활유 등 오일을 사용하는 급유 윤활 방식의 압축기로서, 하나 이상의 압축부(또는 압축 실린더)를 포함하여 하나 이상의 단계에 걸쳐 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있다.

도 1 내지 도 2에는 급유식 압축기(200)가 1개의 압축부와 압축부의 하류에 설치되어 압축부에서 압축된 증발가스를 냉각시키는 냉각부를 포함하는 1단 압축기인 것을 예로 들어 도시하였다.

또한, 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)는, 상류 일부의 압축단은 하나 이상의 무급유식 압축 실린더(100)로 구비되고 하류 일부의 압축단은 하나 이상의 급유식 압축 실린더(200)로 구비되는 다단압축기로 구성될 수도 있다. 즉, 본 실시예와 같이 상류부의 무급유식 5단 압축부와 하류부의 급유식 1단 압축부를 포함하는 6단 압축기로 구비될 수도 있다.

또한, 본 실시예의 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)는, 병렬로 한 세트 이상이 추가로 더 설치될 수 있다.

두 세트 이상의 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)가 설치되는 경우, 적어도 한 세트의 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)는 나머지 한 세트의 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)의 리던던시로서 사용될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 병렬로 설치되는 두 세트 이상의 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)를 모두 작동시켜, 재액화 대상 증발가스의 양을 증가시킴으로써, 증발가스 재액화량을 증대시킬 수도 있다.

한편, 무급유식 압축기(100)에서 압축된 중압 증발가스 중에서 추가 압축라인(PL)으로 이송되지 않은 나머지 중압 증발가스는 재액화 라인(RL)으로 분기되며, 재액화 라인(RL)을 통해 재액화 장치로 공급된다.

본 실시예에 따르면, 재액화 대상 증발가스는 무급유식 압축기(100)에서 오일을 사용하지 않고 초임계 압력 이상으로 압축된 증발가스이므로, 증발가스의 재액화 과정에서, 오일이 장치의 폐색을 일으키거나 재액화 성능을 떨어뜨리는 문제, 그리고 오일이 재액화 증발가스와 함께 LNG 저장탱크로 회수되어 오염시키는 문제를 해결할 수 있다.

도면에 구체적으로 도시되어 있지는 않지만, 본 실시예의 재액화 장치는, 재액화 라인(RL)으로 분기된 중압 증발가스를 냉각시키는 열교환기(미도시); 및 열교환기에서 냉각된 중압 증발가스를 감압시키고, 감압에 의해 온도를 떨어뜨리는 감압장치(미도시);를 포함한다.

열교환기에서 중압 증발가스를 냉각시키는 냉매는, 증발가스 라인(BL)을 따라 LNG 저장탱크로부터 무급유 압축기(100)로 도입되는 증발가스일 수 있다.

열교환기에서 중압 증발가스를 냉각시키는 냉매는, 재액화 장치로 도입되는 중압 증발가스 중 일부를 분기시킨 후 팽창시킨 팽창 증발가스일 수도 있다.

본 실시예에서 열교환기는 하나 이상 설치될 수 있으며, 열교환기가 하나 이상 설치되는 경우 적어도 하나의 열교환기는 마이크로 유로 타입의 열교환기, 예를 들어 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서 감압장치는 줄-톰슨 밸브 또는 팽창기일 수 있다.

또한, 본 실시예의 재액화 장치는, 감압장치에 의해 감압된 증발가스를 기액분리하는 기액분리기(미도시);를 더 포함할 수 있다.

기액분리기에서 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 LNG 저장탱크로 이송되고, 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 미응축 증발가스는 무급유식 압축기(100) 상류 또는 열교환기 상류의 증발가스 라인(BL)으로 합류될 수 있다.

보조 연료 공급라인(GL)에는 보조 연료 공급라인(GL)으로의 저압 증발가스의 유동을 제어하기 위하여 개폐가 제어되고, 보조 연료 공급라인(GL)으로 공급되는 저압 증발가스의 유량을 제어하기 위하여 개도량이 제어되는 보조 연료 밸브(V1);가 하나 이상 설치될 수 있다.

또한, 재액화 라인(RL)에는, 재액화 라인(RL)으로의 중압 증발가스의 유동을 제어하기 위하여 개폐가 제어되고, 재액화 라인(RL)으로 공급되는 중압 증발가스의 유량을 제어하기 위하여 개도량이 제어되는 재액화 밸브(V2);가 하나 이상 설치될 수 있다.

또한, 연료 공급라인(FL)에는, 급유식 압축기(200)에서 압축된 고압 증발가스의 유동을 제어하기 위하여 급유식 압축기(200)와 고압 엔진 사이에 연료 밸브(V3);가 하나 이상 설치될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 급유식 압축기(200)의 하류에 설치되며 급유식 압축기(200)에서 압축된 증발가스에 섞여 있는 오일 성분을 제거하기 위한 제2 오일필터(400); 급유식 압축기(200)에서 압축된 증발가스를 급유식 압축기(200)의 하류에서 급유식 압축기(200)의 상류로 되돌리는 순환라인(SL); 및 순환라인(SL)에 설치되며 순환라인(SL)의 개폐를 제어하는 순환밸브(spillback valve, SV);를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 제2 오일필터(400)는, 콜레싱 타입(coalescing filter)일 수 있다. 콜레싱 타입의 필터는, 기체 상태 또는 초임계 상태의 증발가스에 섞여 있는 증기 또는 미스트 상태의 오일 성분을 걸러내기에 적절한 필터이다.

순환라인(SL)은, 제2 오일필터(400)와 연료밸브(V3) 사이의 연료 공급라인(FL)으로부터 분기되어, 급유식 압축기(200)의 상류, 보다 구체적으로 후술할 체크밸브(CV)와 급유식 압축기(200) 사이의 추가 압축 라인(PL)으로 합류될 수 있다.

본 실시예의 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)의 추가 압축 라인(PL)에는, 급유식 압축기(200)로부터 무급유식 압축기(100) 측으로 증발가스가 역류하지 않도록 하는 체크밸브(CV);가 설치된다.

그러나 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200) 사이에 체크밸브(CV)가 설치되더라도, 체크밸브(CV)로부터 최소한의 누출(leakage)이 발생하여, 급유식 압축기(200)로부터 무급유식 압축기(100)로 증발가스가 일부 역류할 수 있다.

따라서, 이를 방지하기 위하여, 체크밸브(CV)의 상류, 즉, 무급유식 압축기(100)와 체크밸브(CV)의 사이에 설치되며, 급유식 압축기(200)로부터 무급유식 압축기(100) 측으로 역류하는 증발가스에 섞여있는 오일을 걸러내기 위한 제1 오일 필터(300);와, 제1 오일 필터(300)의 상류, 즉 무급유식 압축기(100)와 제1 오일 필터(300) 사이에 설치되며 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200)를 분리하기 위한 격리밸브(on-off valve, IV);를 더 포함한다.

본 실시예의 제1 오일필터(300)는, 콜레싱 타입(coalescing filter)일 수 있다. 콜레싱 타입의 필터는, 기체 상태 또는 초임계 상태의 증발가스에 섞여 있는 증기 또는 미스트 상태의 오일 성분을 걸러내기에 적절한 필터이다.

그러나, 본 출원인은 이와 같이 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200) 사이에 체크밸브(CV) 및 제1 오일 필터(300)를 구비하여도, 급유식 압축기(200)로부터 무급유식 압축기(100) 측으로 오일이 역류하는 문제를 발견하였고, 따라서, 역류한 오일이 재액화 라인(RL)으로 흘러들어가 여전히 재액화 효율이 떨어지는 문제가 해결되지 못하고 있었다.

일반적으로 5단 압축부의 토출압력(무급유식 압축기(100)의 최후단 토출압력)은 6단 압축부의 흡입압력(급유식 압축기(200) 최전단 흡입압력)보다 높게 설정되어 있다.

선박의 일반적인 운항 모드(normal operation), 즉, 고압 엔진으로 증발가스 연료를 공급하고, 고압 엔진으로 공급하지 않은 나머지 증발가스는 재액화시킴으로써 증발가스를 처리하는 모드로 운전할 때에는, 격리밸브(IV)를 개방해 둔 상태로 운전한다.

따라서, 선박의 일반적인 운항 모드로 운전할 때, 증발가스는 무급유식 압축기(100)에서 압축된 후, 무급유식 압축기(100)에서 압축된 증발가스는 재액화 라인(RL)과 추가 압축 라인(PL)으로 분기된다. 추가 압축 라인(PL)으로 분기되어 유동하는 증발가스는, 격리밸브(IV)를 통과하면서 급유식 압축기(200)의 흡입압력까지 낮아지며, 체크밸브(CV)를 통과하여 급유식 압축기(200)로 도입된다.

한편, 선박의 앵커링(anchorage), 고압 엔진의 트립(trip), 고압 엔진의 연료유 모드로의 전환 등으로 인해 압축기(100, 200)를 사용 중 급정지(shut down)해야 하는 상황이 발생하면, 순환밸브(SV)가 개방된다. 순환밸브(SV)가 개방되면, 급유식 압축기(200)의 토출측에서 고압의 증발가스가 순환라인(SL)을 통해 급유식 압축기(200)의 흡입측으로 순환된다.

이와 같이 순환라인(SL)을 통해 고압 증발가스를 급유식 압축기(200)의 흡입측으로 순환시킴으로써, 급유식 압축기(200)의 토출측 압력을 낮춰준다. 순환라인(SL)을 통한 고압 증발가스의 순환은 급유식 압축기(200)의 흡입측과 토출측 압력이 평형을 이룰때까지 계속된다.

순환라인(SL)을 통해 급유식 압축기(200)의 흡입측으로 순환되는 고압 증발가스에는 급유식 압축기(200)에서 사용된 오일이 섞여 있다. 상술한 바와 같이, 순환라인(SL)이 체크밸브(CV)의 하류로 합류되더라도, 체크밸브(CV)의 틈을 통해 오일이 섞여있는 증발가스가 역류하게 된다.

또한, 순환라인(SL)을 통해 급유식 압축기(200)의 토출측으로부터 흡입측으로의 유량이 과다하게 많은 경우가 발생할 수 있는데, 이 경우에는 급유식 압축기(200)의 흡입측 압력이, 무급유식 압축기(100)의 토출측 압력보다 높아지는 상황이 발생한다. 따라서, 급유식 압축기(200)의 흡입측으로 역류한 오일이 섞인 증발가스가 무급유식 압축기(100) 측으로 역류하는 현상이 더욱 뚜렷하게 일어난다.

이때, 종래의 경우와 같이, 격리밸브(IV)가 개방되어 있다면, 재액화 라인(RL)으로까지 순환라인(SL)을 통해 역류한 오일이 유입될 수 있어, 재액화 성능을 저하시키고 재액화 증발가스를 오염시키게 된다.

그러나 역류한 오일이 재액화 라인(RL)으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 격리밸브(IV)를 폐쇄하여 오일의 역류를 차단하게 되면, 격리밸브(IV)와 체크밸브(CV) 사이에 증발가스가 고립되어 갇히게 되는데, 갇혀있는 증발가스에 의한 배관 내압을 세틀 아웃 압력(settle-out pressure)이라 한다.

이와 같은 압축기 정지 상황이 장시간 지속될수록 해당 범위의 배관 내압이 상승하게 된다. 시간이 지날수록 격리밸브(IV)와 체크밸브(CV) 사이의 세틀 아웃 압력이 점차 상승하는데, 결국에는 배관의 설계 압력 이상에 도달하게 될 것이다. 배관의 설계 압력 이상으로 세틀 아웃 압력이 상승하면, 이는 안전문제와 직결된다.

따라서, 이를 해결하기 위하여, 격리밸브(IV)와 체크밸브(CV) 사이의 배관 두께를 두껍게 설계한다면 세틀 아웃 압력 상승에는 대처할 수 있다. 그러나, 배관 내경이 좁아지게 되므로, 격리밸브(IV)를 개방한 상태로 운전하는 일반적인 운항 모드 시에는, 오히려 증발가스의 압력 손실을 증가시켜, 무급유식 압축기(100)로부터 급유식 압축기(200)로 공급되는 중압 증발가스의 압력이 급유식 압축기(200)의 흡입 압력을 만족시키지 못하는 문제가 발생하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이를 해결하기 위하여, 격리밸브(IV)와 체크밸브(CV) 사이의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터(PT); 급유식 압축기(200)와 고압 엔진 사이의 고압 증발가스를 외부로 배출시키는 배출라인(VL); 및 배출라인(VL)에 설치되며, 압력 트랜스미터(PT)의 압력 측정값에 따라 개폐가 제어되는 배출밸브(VV);를 더 포함할 수 있다.

또한, 선박에 일반적으로 설치되는 선박제어시스템(IAS; Intergrated Automation System)에 압력 트랜스미터(PT)의 압력 측정값을 전송받아 배출밸브(VV)를 제어하는 압력 제어부(pressure controller)를 추가하여 사용할 수 있다.

즉, 압축기 운전 정지 모드에서, 격리밸브(IV)를 폐쇄하여 순환라인(SL)을 통해 급유식 압축기(200)의 상류로 순환된 오일이 섞여 있는 증발가스가, 재액화 라인(RL)으로 역류하는 것을 방지하면서도, 세틀 아웃 압력이 설정값을 초과하게 되면, 배출밸브(VV)를 개방하여 급유식 압축기(200)의 하류 압력을 낮춤으로써, 세틀 아웃 압력의 과도한 상승을 해소할 수 있다.

여기서 설정값은, 배관 설계 안전압력을 기준으로 설정할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 격리밸브(IV)를 폐쇄한 상태로 운전할 때, 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200) 사이의 압력, 더욱 구체적으로는 격리밸브(IV)와 체크밸브(CV) 사이의 압력을 측정하여, 압력이 설정값에 도달하면 또는 도달하기 전에 배출밸브(VV)를 개방하고, 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200) 사이의 세틀 아웃 압력을 배출시킴으로써, 장시간 격리밸브(IV)를 폐쇄한 상태로 운전하더라도, 안전문제를 해결할 수 있다.

또한, 무급유식 압축기(100)와 급유식 압축기(200) 사이를 완전하게 격리시킴으로써, 급유식 압축기(200)로부터 오일이 섞여 있는 증발가스가 역류하는 것을 방지하고, 오일에 의한 재액화 장치의 효율 저하를 방지할 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 자에 있어서 자명한 것이다.

100 : 무급유식 압축기
200 : 급유식 압축기
300 : 제1 오일 필터
400 : 제2 오일 필터
IV : 격리밸브
CV : 체크밸브
SV : 순환밸브
VV : 배출밸브
PT : 압력 트랜스미터
BL : 증발가스 라인
GL : 보조 연료 공급라인
RL : 재액화 라인
PL : 추가 압축라인
FL : 연료 공급라인
SL : 순환라인
VL : 배출라인

Claims (10)

1. 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 무급유식 압축기로 압축하고,
   상기 무급유식 압축기로 압축한 중압 증발가스 중에서, 엔진의 연료로 공급할 유량만큼의 중압 증발가스는 급유식 압축기로 상기 엔진에서 요구하는 압력까지 추가로 더 압축하고,
   상기 급유식 압축기를 이용하여 추가로 더 압축한 고압 증발가스를 상기 엔진의 연료로 공급하고,
   상기 무급유식 압축기로 압축한 중압 증발가스 중에서 상기 엔진의 연료로 공급하지 않은 나머지 중압 증발가스를 재액화 장치를 이용하여 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크로 회수하며,
   상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에는, 상기 급유식 압축기로부터 무급유식 압축기로 오일이 섞인 증발가스가 역류하지 않도록 격리밸브와 체크밸브를 구비하되,
   상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력을 측정하여, 상기 압력 측정값이 설정값까지 증가하면, 상기 급유식 압축기의 하류에서 상기 고압 증발가스를 외부로 배출시키는 배출밸브를 개방하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 무급유식 압축기 및/또는 급유식 압축기의 운전 정지(shut down)시에는,
   상기 급유식 압축기의 토출측으로부터 흡입측으로 고압 증발가스를 순환시키되, 상기 격리밸브는 폐쇄하여 급유식 압축기와 무급유식 압축기를 분리시키고,
   상기 급유식 압축기의 흡입측으로 순환된 증발가스 중에서 상기 체크밸브로부터 무급유식 압축기 측으로 누출된 증발가스가, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이에 세틀 아웃 압력을 형성하며,
   상기 세틀 아웃 압력이 상승하면 상기 배출밸브를 개방하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 급유식 압축기로부터 상기 무급유식 압축기로 역류한 증발가스 중에서, 상기 체크밸브로부터 상기 무급유식 압축기 측으로 누출된 증발가스에 섞여있는 오일을 걸러내는 공정을 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 급유식 압축기의 하류에서 급유식 압축기의 상류로 순환시키는 증발가스에 섞여 있는 오일을 걸러내는 공정을 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 무급유식 압축기는 여러 단계에 걸쳐 증발가스를 초임계 압력까지 압축시키고,
   상기 무급유식 압축기의 일부 단계만을 거쳐 초임계 압력 미만으로 압축시킨 증발가스 중 일부를 분기시켜 저압 엔진의 연료로 공급하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 증발가스를 재액화시키는 공정은,
   상기 무급유식 압축기를 이용하여 압축시킴으로써 오일이 섞여 있지 않은 중압 증발가스를, 상기 무급유식 압축기로 공급하는 증발가스와 열교환시켜, 상기 중압 증발가스를 냉각시키고,
   상기 냉각시킨 증발가스를 감압시킴으로써 상기 증발가스의 온도를 더 낮추며,
   상기 압축, 냉각 및 감압 공정에 의해 재액화된 액체 상태의 재액화 증발가스를 액화가스 저장탱크로 공급하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템의 운전 방법.
7. 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크;
   상기 액화가스 저장탱크에서 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스를 무급유식으로 압축시키는 무급유식 압축기;
   상기 무급유식 압축기의 하류에 설치되며, 상기 무급유식 압축기에서 압축된 증발가스를 급유식으로 더 압축시켜 엔진의 연료로 공급하는 급유식 압축기;
   상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에서 분기되어 재액화 장치로 연결되며, 상기 무급유식 압축기에 의해 압축된 증발가스가 재액화 장치로 이송되도록 하는 재액화 라인;
   상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에 설치되며 상기 급유식 압축기로부터 상기 무급유식 압축기로 증발가스가 역류하는 것을 방지하는 체크밸브;
   상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기 사이에 설치되며, 상기 무급유식 압축기와 급유식 압축기를 분리하여 격리시키는 격리밸브;
   상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력을 측정하는 압력 트랜스미터; 및
   상기 급유식 압축기의 하류에 설치되며, 상기 급유식 압축기에 의해 압축된 증발가스를 외부로 배출시키는 배출밸브;를 포함하여,
   상기 격리밸브가 폐쇄되었을 때, 상기 압력 트랜스미터에 의해 측정한 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력 측정값이 설정값에 도달하면 상기 배출밸브를 개방시키는 제어부;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 급유식 압축기의 하류에서 상기 급유식 압축기의 상류로 연결되며, 상기 급유식 압축기로부터 배출된 압축 증발가스가 상기 급유식 압축기의 상류로 순환되도록 하는 순환밸브;를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 격리밸브는 폐쇄되고 상기 순환밸브는 개방되었을 때, 상기 격리밸브와 체크밸브 사이의 압력이 설정값에 도달하면 상기 배출밸브를 개방시키는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 급유식 압축기의 하류와 순환밸브 사이에 설치되며, 상기 급유식 압축기의 하류에서 상류로 순환되는 증발가스에 섞여 있는 오일을 걸러내는 제2 오일필터;를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 격리밸브와 체크밸브 사이에 설치되며, 상기 체크밸브로부터 누출된 증발가스에 섞여 있는 오일을 걸러내는 제1 오일필터;를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.

Images