KR20210081495A - 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축하며 급유 윤활 방식의 실린더를 포함하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 고압 증발가스에는 오일이 섞여있고, 상기 고압 증발가스 중에서 상기 고압엔진으로 공급하지 않은 나머지 고압 증발가스를, 상기 오일의 어는점 이하 온도까지 1차 냉각시켜, 고압 증발가스에 섞여있는 오일을 상변화시키는 1차 열교환기; 상기 1차 열교환기에서 상변화된 오일을 상기 1차 냉각된 고압 증발가스로부터 걸러내는 오일필터; 상기 오일필터에서 오일이 걸러진 고압 증발가스를 감압장치에서 요구하는 온도까지 2차로 냉각시키는 2차 열교환기; 및 상기 2차 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스를 팽창시켜 압력 및 온도를 낮춤으로써 증발가스를 재액화시키는 감압장치;를 포함한다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 방법 {Boil-off Gas Reliquefaction System and Method}

본 발명은 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 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 -162℃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 -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 연료소비처의 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. 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 및 ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.

DF 엔진(DFDE, DFDG)은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5 bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 기준으로 작동한다.

ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300 bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 기준으로 작동한다. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI 엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.

도 2에는 종래의 증발가스 재액화 시스템이 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 저장탱크(T)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스를 압축기(C)를 이용하여 압축시켜 엔진(ME-GI, DFDE)의 연료로 공급한다. 엔진으로 공급되지 않은 증발가스, 즉, 엔진의 연료 수요량을 초과하는 만큼의 압축 증발가스는, 재액화 장치로 분기시켜 재액화시켜 회수한다.

재액화시킬 압축 증발가스는 열교환기(H)에서 저장탱크(T)로부터 압축기(C)로 이송되는 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각되고, 감압수단(D)에 의해 감압되면서 온도가 더 낮아진다. 감압수단(D)에 의해 압력 및 온도가 낮아진 증발가스는 기액분리기(S)에서 기액분리되어, 액체 상태의 재액화 증발가스는 저장탱크(T)로 회수되고, 액화되지 않은 기체 상태의 증발가스는 열교환기(H)로 공급되는 압축 전 증발가스 흐름에 합류된다.

증발가스의 압력이 초임계 압력 이상일 때 증발가스의 재액화 효율이 높다. 고압 엔진(ME-GI)은 약 300 bar의 고압으로 압축된 가스 연료를 연료로 사용할 수 있다. 따라서, 저압 엔진(DFDE)으로 공급할 증발가스를 제외하고 나머지 증발가스는 모두 고압 엔진에서 요구하는 압력 수준으로 압축시킨 후, 고압 엔진에서 요구하는 유량만큼은 고압 엔진으로 보내고, 나머지를 재액화시키는 것이 재액화 효율, 장치의 배치 및 전력 소모 측면에서 유리하다.

일반적으로 증발가스를 고압으로 압축시키기 위해서는, 다수개의 압축부를 이용하여 다단계에 걸쳐 압축시킨다. 예를 들어, 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력, 즉 약 300 bar로 압축시키기 위해서는, 5개의 압축부를 이용하여 증발가스를 5단계에 걸쳐 압축시키는 것이 일반적이다. 즉, 압축기(C)는 5단 압축기로 구비된다.

여기서, 5단 압축기의 전단 3개의 압축부는 무급유 윤활 방식으로 작동하지만, 후단 2개의 압축부는 급유 윤활 방식으로 작동한다. 따라서, 후단 2개의 압축부를 이용하여 4단 이상으로 압축되어 압축기로부터 배출되는 증발가스에는 윤활유가 혼입될 수 있다.

윤활유는 같은 압력 조건에서 증발가스보다 응축온도가 높기 때문에, 압축 증발가스가 열교환기(H), 감압수단(C) 및 기액분리기(S)를 통과하여 저장탱크(T)로 회수되는 동안, 또는 열교환기(H)로 다시 재순환되는 동안에 압축 증발가스에 섞여 있는 윤활유는 점도가 높아지고, 응축되거나 응고된다.

본 출원인은 이러한 증발가스 재액화 시스템의 다수의 실선 적용 경험을 통해, 응축 또는 응고된 윤활유는 배관이나 특히 열교환기(H)와 감압장치(D)를 오염시켜 재액화 성능을 현저하게 저하시키고, 장비의 심각한 가동 불능 상태를 유발하는 문제를 발견하였다. 또한, 재액화 증발가스와 함께 저장탱크(T)로 회수되어 저장탱크(T)에 저장된 LNG를 오염시키는 문제도 일으킬 수 있다.

부분 재액화 시스템에 적용되는 열교환기(H)는 미세유로(micro-channel) 타입의 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger, DCHE라고도 함.)이다. PCHE는 열교환될 유체가 서로 다른 방향에서 열교환기로 유입되어 이를 통과하면서 열교환이 이루어진다. 이와 같은 PCHE 열교환기는 열교환가능한 온도 범위가 -200 내지 900℃ 정도로 매우 넓고, 열교환기 단위 부피당 열전이 면적이 넓어 높은 열 전달률을 나타내며, 기체와 액체, 이상(two-phase) 흐름 등의 여러 유체에 이용할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 압축된 증발가스가 열교환기에서 냉각되면서, 압축된 증발가스에 섞인 윤활유가 증발가스보다 먼저 응축 또는 응고가 되어 열교환기의 유로를 막는다. 특히, 유로가 좁은, 마이크로 채널형(micro-channel type)의 유로를 갖는 PCHE 타입의 열교환기는 응축 또는 응고된 윤활유에 의해 열교환기의 유로가 막히는 현상이 더욱 빈번하게 발생한다.

또한, PCHE 타입의 열교환기는, 화학적 에칭을 통해 가공한 열교환 판을 다수개 적층하여 디퓨전 본딩(diffusion bonding) 작업을 수행하여 제작한 열교환기 블록을 여러 개 결합한 형식으로, 여러 개의 열교환기 블록에 각각 형성된 유로로 열교환시킬 증발가스를 얼마나 고르게 분산시켜 공급하느냐에 따라서 열교환 효율이 결정된다. 어느 하나의 열교환기 블록에 형성되어 있는 유로가 윤활유에 의해 막히게 되면 유량 불균형 현상은 더 극심해지고 열교환 효율을 떨어뜨린다.

이와 같이, PCHE의 경우 그 특성상 윤활유에 의한 유로 막힘 현상이 일어나기 쉽고, 유로 막힘은 결국 유량 불균형을 극심하게 하는 등 열교환 성능을 떨어뜨리는 치명적인 요인이 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 다단압축기에 의해 압축된 고압 증발가스에 섞여 있는 윤활유 등 오일을 제거하여 재액화시킬 수 있는 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축하며 급유 윤활 방식의 실린더를 포함하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 고압 증발가스에는 오일이 섞여있고, 상기 고압 증발가스 중에서 상기 고압엔진으로 공급하지 않은 나머지 고압 증발가스를, 상기 오일의 어는점 이하 온도까지 1차 냉각시켜, 고압 증발가스에 섞여있는 오일을 상변화시키는 1차 열교환기; 상기 1차 열교환기에서 상변화된 오일을 상기 1차 냉각된 고압 증발가스로부터 걸러내는 오일필터; 상기 오일필터에서 오일이 걸러진 고압 증발가스를 감압장치에서 요구하는 온도까지 2차로 냉각시키는 2차 열교환기; 및 상기 2차 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스를 팽창시켜 압력 및 온도를 낮춤으로써 증발가스를 재액화시키는 감압장치;를 포함하는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 1차 열교환기에서 냉각되는 고압 증발가스의 온도가 상기 오일의 어는점을 초과하지 않도록 온도를 제어하는 온도 조절장치;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 온도 조절장치는, 상기 고압 증발가스가 유동하는 재액화 라인의 1차 열교환기 상류로부터 분기되어 1차 열교환기를 우회하여 1차 열교환기 하류로 연결되는 온도 조절라인; 상기 1차 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및 상기 온도 조절라인에 설치되며 상기 온도 측정부의 온도 측정값에 따라 개폐가 제어되어 상기 온도 조절라인을 통해 1차 열교환기를 우회하는 고압 증발가스의 유량을 조절하기 위한 온도 조절밸브;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출된 증발가스가 2차 열교환기에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용되면서 1차로 냉열이 회수되고, 1차로 냉열이 회수된 증발가스가 1차 열교환기에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용되면서 2차로 냉열이 회수된 후, 상기 압축기로 공급되도록 유로를 제공하는 증발가스 라인;을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 1차 열교환기의 용량(capacity)과 2차 열교환기 용량의 합은, 상기 압축기에서 압축된 고압 증발가스를 감압 전 온도까지 냉각시키기 위해 필요한 단일 열교환기 용량의 1배 내지 2배일 수 있다.

바람직하게는, 상기 1차 열교환기의 용량(capacity)과 2차 열교환기 용량의 합은, 상기 압축기에서 압축된 고압 증발가스를 감압 전 온도까지 냉각시키기 위해 필요한 단일 열교환기 용량의 1.5배일 수 있다.

바람직하게는, 상기 감압장치에 의해 감압된 증발가스를 기액분리하여, 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수하고, 분리된 기체 상태의 미응축 증발가스는 상기 2차 열교환기의 냉매로 공급하는 기액분리기;를 더 포함할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축하고, 상기 압축된 고압 증발가스 중에서 상기 고압엔진으로 공급하지 않은 나머지 고압 증발가스를, 상기 오일의 어는점 이하 온도까지 1차 냉각시켜, 고압 증발가스에 섞여있는 오일을 상변화시키고, 상기 상변화된 오일을 고압 증발가스로부터 걸러내고, 상기 오일이 걸러진 1차 냉각 증발가스를, 감압시키기 위해 필요한 온도까지 2차 냉각시키며, 상기 냉각된 고압 증발가스를 감압시켜 압력 및 온도를 낮춤으로써 증발가스를 재액화시키는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 고압 증발가스를 1차 냉각시키는 공정은, 상기 1차 냉각된 고압 증발가스의 온도가 오일의 어는점을 초과하지 않도록, 상기 1차 냉각시킬 고압 증발가스의 유량 및/또는 상기 1차 냉각 공정을 거치지 않고 2차 냉각 공정으로 공급할 고압 증발가스의 유량을 조절할 수 있다.

바람직하게는, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 상기 2차 냉각되는 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용하여, 상기 증발가스의 냉열을 1차로 회수하고, 상기 1차로 냉열이 회수된 증발가스를 상기 1차 냉각되는 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용하여, 상기 증발가스의 냉열을 2차로 회수한 후, 2차로 냉열이 회수된 증발가스를 상기 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있다.

본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 방법은, 압축 증발가스에 포함된 오일을 제거함으로써, 증발가스에 오일이 섞인 채로 재액화되면서 발생하는 열교환기의 유로 막힘 현상 및 저장탱크 오염 현상 등을 방지할 수 있다.

특히, 열교환기를 2단으로 구성하여, 오일이 섞인 압축 증발가스의 온도를 오일의 응축점까지 낮춘 후 오일 필터에 의해 오일이 걸러지도록 함으로써, 오일 필터링 효율을 개선할 수 있다.

또한, 열교환기를 2단으로 구성하여, 1차 열교환기에서 오일의 상변화를 유도하고, 상변화된 오일을 제거한 후, 2차 열교환기에서 오일이 제거된 증발가스를 감압 전 필요한 온도까지 냉각시킴으로써, 열교환기 내 오일 결빙 현상이나 클로깅(clogging) 현상 등 오일에 의한 오염을 원천적으로 방지할 수 있다.

따라서, 증발가스의 재액화 성능을 높일 수 있다.

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

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 엔진은, 고압 엔진, 중압 엔진 및 저압 엔진 중 어느 둘 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(MAN Electronic Gas Injection) 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(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진일 수 있으며, 저압 엔진은 약 5 bar 내지 10 bar, 바람직하게는 약 6.5 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator), 또는 DFGE(Dual Fuel Gas turbine Electric) 등과 같은 DF 엔진일 수 있다.

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

도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)로부터 증발가스 라인(BL)을 따라 이송되는 증발가스를 고압엔진(400)에서 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있는 다단압축기(300); 다단압축기(300)에서 압축된 고압 증발가스 중에서 고압엔진(400)으로 공급하지 않은 나머지 증발가스 고압 증발가스를 오일의 어는점 이하까지 냉각시키는 1차 열교환기(220); 1차 열교환기(220)에서 냉각되면서 상변화된 오일을 증발가스로부터 분리하는 오일필터(600); 오일필터(600)에서 오일이 분리된 증발가스를 더 냉각시키는 2차 열교환기(210); 제2 열교환기(210)에서 냉각된 증발가스를 감압시키는 감압장치(700); 및 1차 열교환기(220)에서 냉각된 고압 증발가스의 온도가 오일의 어는점 이하를 유지하도록 온도를 조절하는 온도 조절 장치(510, 520);를 포함한다.

LNG 저장탱크(100)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; BOil-Off Gas)는 LNG 저장탱크(100)로부터 배출되어 증발가스 라인(BL)을 따라 이송되며 연료 라인(FL1, FL2)을 따라 이송되어 엔진의 연료로 사용되거나, 재액화 라인(RL)을 따라 이송되면서 재액화되어 LNG 저장탱크(100)로 다시 회수되는 등 효율적으로 처리된다.

증발가스 라인(BL)은, LNG 저장탱크(100)와 2차 열교환기(210)를 연결하고, 2차 열교환기(210)와 1차 열교환기(220)를 연결하며, 1차 열교환기(220)와 다단압축기(300)를 연결한다. LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 따라 이송되어, 2차 열교환기(210) 및 1차 열교환기(220)에서 냉열이 회수된 후 다단압축기(300)로 이송된다.

다단압축기(300)는 다수개의 압축 실린더와 다수개의 인터쿨러(inter-cooler)를 포함하여 여러 단계에 걸쳐 증발가스를 고압엔진(400)에서 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있다.

본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 다단압축기(300)가 5개의 압축 실린더와 5개의 인터쿨러를 포함하여 최소 1단계부터 5단계에 걸쳐 증발가스를 압축시킬 수 있는 5단 압축기가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

다단압축기(300)의 다수개의 실린더 중 후단의 실린더는 적어도 하나 이상이 급유 윤활 방식의 실린더를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 후단의 3개의 실린더가 급유 윤활 방식의 실린더이고, 전단의 2개의 실린더는 무급유 윤활 방식의 실린더인 것을 예로 들어 설명한다. 따라서, 전단의 2개의 실린더만을 이용하여 2단계에 걸쳐 압축된 저압의 증발가스에는 윤활유, 밀봉유 등 오일이 섞여 있지 않지만, 전단의 2개의 실린더와 후단의 3개의 실린더를 모두 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압의 증발가스에는 오일이 섞여있을 수 있다.

본 실시예의 다단압축기(300)의 전단의 2개의 무급유 윤활 방식의 실린더를 이용하여 2단계에 걸쳐 압축된 저압 증발가스의 압력은, 저압엔진(500), 즉 본 실시예에서 DFDE에서 요구하는 가스 연료의 압력인 약 5 bar 내지 10 bar, 또는 약 6.5 bar일 수 있다.

또한, 본 실시예의 다단압축기(300)의 전단의 2개의 무급유 윤활 방식의 실린더와 후단의 3개의 급유 윤활 방식의 실린더를 모두 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압 증발가스의 압력은 증발가스의 주성분인 메탄의 초임계 압력 이상일 수 있다.

그리고 다단압축기(300)에서 5단계에 걸쳐 압축된 증발가스의 압력은 고압 엔진, 즉 본 실시예에서 ME-GI 엔진에서 요구하는 가스 연료의 압력인 약 150 bar 이상, 또는 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 300 bar일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 다단압축기(300)의 일부 실린더, 즉, 본 실시예에서 2개의 무급유 윤활 방식의 실린더를 이용하여 2단계에 걸쳐 압축된 저압 증발가스 중에서, 저압엔진(500)에서 요구하는 가스 연료량만큼의 저압 증발가스를, 증발가스 라인(BL)으로부터 제2 연료라인(FL2)으로 분기시켜, 저압엔진(500)의 가스 연료로 공급할 수 있다.

제2 연료라인(FL2)은 다단압축기(300)의 2번째 실린더의 하류에서 증발가스 라인(BL)으로부터 분기되어 저압 엔진으로 연결된다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 다단압축기(300)의 5개의 실린더를 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압 증발가스 중에서 고압엔진(400)에서 요구하는 가스 연료량만큼의 고압 증발가스는, 제1 연료라인(FL1)을 통하여 고압엔진(400)의 가스 연료로 공급된다.

다단압축기(300)에 의해 압축된 고압 증발가스 중에서, 고압엔진(400)에서 요구하는 가스 연료량을 제외한 나머지 고압 증발가스는, 재액화 라인(RL)으로 분기시켜 재액화시킨 후 LNG 저장탱크(100)로 회수할 수 있다.

재액화 라인(RL)은, 다단압축기(300)에서 압축된 고압 증발가스가, 1차 열교환기(220), 오일필터(600), 2차 열교환기(210) 및 감압장치(700)를 거쳐 LNG 저장탱크(100)로 회수되도록 연결된다.

1차 열교환기(220)에서는, 다단압축기(300)에서 압축된 고압 증발가스 중에서 재액화 라인(RL)으로 유입된 고압 증발가스와, LNG 저장탱크(100)로부터 배출되어 증발가스 라인(BL)을 따라 다단압축기(300)로 이송되는 증발가스가 열교환하여, 고압 증발가스가 오일의 어는점을 초과하지 않는 온도까지 냉각된다.

본 실시예의 1차 열교환기(220) 및 2차 열교환기(210)는 마이크로 채널형 유로를 가지며, 극저온의 증발가스와 고압의 증발가스를 열교환 시키기에 적합한 열교환기, 예를 들어 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 타입의 열교환기일 수 있다.

상술한 바와 같이, 다단압축기(300)로부터 재액화 라인(RL)으로 유입된 고압 증발가스의 압력은 초임계 압력 이상이며, 다단압축기(300)의 급유 윤활 방식의 실린더에 의해 압축된 증발가스이므로, 오일이 섞여 있다.

도 2에 도시된 기본적인 증발가스 재액화 시스템에 의하면, 다단압축기(C)에서 압축된 고압 증발가스를 재액화 라인으로 분기시켜, 열교환기(H)에서 LNG 저장탱크(T)로부터 다단압축기(C)로 공급되는 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각시키고, 열교환기(H)에서 냉각된 증발가스를 감압장치(D)로 감압시킨 후 기액분리기(S)에서 기액분리하여 액체 상태의 재액화 증발가스를 LNG 저장탱크(T)로 회수하였다.

이와 같은 기본적인 증발가스 재액화 시스템의 열교환기(H)는, 고압 증발가스를 감압장치(D)에서 요구하는 감압장치(D) 입구온도까지 냉각시키기 위한 용량(capacity)을 갖는 열교환기(H)로 구비되었다.

즉, 열교환기(H)에서 고압 증발가스는 약 -60℃ 내지 -30℃까지 냉각되는데, 이 온도는 오일의 어는점보다 낮으므로, 열교환기(H) 내에서 응축 또는 응고된 오일이 열교환기(H)의 유로를 막는 것이다.

기본적인 증발가스 재액화 시스템의 열교환기(H)의 용량을 100%라 할 때, 본 실시예에 따른 1차 열교환기(220) 및 2차 열교환기(210)의 용량은 각각 약 75%인 것을 특징으로 한다.

즉, 본 실시예에 따르면, 고압 증발가스를 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각시키는 열교환기를, 종래의 기본적인 증발가스 재액화 시스템의 열교환기 용량보다 작은 용량의 것으로 적어도 2단으로 구비한다.

이와 같이, 열교환기를 2단으로 구비하되, 1차 열교환기(220)에서 냉각되는 고압 증발가스의 목표 온도는 오일의 어는점을 초과하지 않도록 한다,

다단압축기(300)로부터 1차 열교환기(220)로 유입되는 증발가스에 섞여 있는 오일은, 증기, 미스트 및 액체 중 어느 하나 이상의 상태(phase)로 존재하게 된다.

1차 열교환기(220)에서는, 오일이 섞여 있는 고압 증발가스와, 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 오일이 섞여 있는 고압 증발가스를 오일의 어는점을 초과하지 않는 온도까지만 냉각시킴으로써, 1차 열교환기(220)로부터 배출되는 고압 증발가스에 섞여 있는 오일은 모두 고체 상태로 상변화된다.

1차 열교환기(220)에서 냉각된 후 배출되는, 고체 상태로 상변화된 오일이 섞여 있는 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 오일필터(600)로 이송되고, 오일필터(600)에서 고체 상태의 오일이 걸러진 후, 2차 열교환기(210)로 공급된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 1차 열교환기(220)로부터 배출되는 고압 증발가스의 온도가 오일의 어는점을 초과하지 않도록 온도를 조절하는 온도 조절 장치를 더 포함하는데, 본 실시예에서 온도 조절 장치는, 1차 열교환기(220)로부터 오일필터(600)로 이송되는 고압 증발가스의 온도를 측정하는 온도 측정부(520); 다단압축기(300)와 1차 열교환기(220) 사이의 재액화 라인(RL)으로부터 분기되어 1차 열교환기(220)와 오일필터(600) 사이의 재액화 라인(RL)으로 합류되어, 고압 증발가스가 1차 열교환기(220)를 우회하도록 구비되는 온도 조절라인(RL1); 및 온도 조절라인(RL1)에 설치되며, 온도 측정부(520)의 온도 측정값에 따라 개폐가 제어되고, 개폐제어에 의해 1차 열교환기(220)를 우회하는 고압 증발가스의 유량을 조절하는 온도 조절밸브(510);를 포함한다.

즉, 온도 측정부(520)의 온도 측정값에 따라 온도 조절밸브(510)의 개폐를 제어함으로써, 1차 열교환기(220)를 우회하여 온도 조절라인(RL1)으로 분기되는 고압 증발가스의 유량을 조절할 수 있다.

예를 들어, 온도 측정부(520)의 온도 측정값이 목표 온도(오일의 어는점)를 초과하면(또는 초과할 것으로 예측되면), 온도 조절밸브(510)의 개도량을 감소시키거나 폐쇄하여 1차 열교환기(220)에서 냉각되는 고압 증발가스의 유량을 증가시킴으로써, 1차 열교환기(220)로부터 오일필터(600)로 이송되는 고압 증발가스의 온도를 조절할 수 있다.

이와 같이, 1차 열교환기(220)에서 냉각되면서 고압 증발가스에 포함된 오일이 고체 상태로 상변화되도록, 1차 열교환기(220)에서 냉각되는 유체의 온도를 조절함으로써, 1차 열교환기(220)로부터 2차 열교환기(210)로 이송되는 고압 증발가스에 포함된 고체 상태의 오일을 오일필터(600)에서 걸러낼 수 있다.

본 실시예의 오일필터(600)는 극저온용 필터(cryogenic filter)일 수 있다. 또한, 오일필터(600)는 극저온의 초임계 상태의 유체로부터 고체를 걸러내기에 적합한 수단일 수 있다.

오일필터(600)에서 오일이 걸러진 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 2차 열교환기(210)로 공급된다. 2차 열교환기(210)에서는, LNG 저장탱크(100)로부터 증발가스 라인(BL)을 따라 다단압축기(300)로 공급되는 증발가스와, 오일필터(600)에서 오일이 걸러진 고압 증발가스가 열교환하여, 고압 증발가스가 냉각된다.

또한, LNG 저장탱크(100)로부터 증발가스 라인(BL)을 따라 다단압축기(300)로 공급되는 증발가스는, 2차 열교환기(210)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 1차로 냉열이 회수된 후, 1차 열교환기(220)로 공급되고, 1차 열교환기(220)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 2차로 냉열이 회수된 다음 다단압축기(300)로 공급된다.

즉, 2차 열교환기(210)로 냉매로서 공급되는 증발가스의 온도가, 1차 열교환기(220)로 냉매로서 공급되는 증발가스의 온도보다 낮다.

2차 열교환기(210)에서 냉각된 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 감압장치(700)로 이송된다. 감압장치(700)에서는 고압 증발가스를 감압시키는데, 감압장치(700)에서 고압 증발가스는 약 대기압 수준까지 감압될 수 있다.

감압장치(700)에 의해 고압 증발가스는 줄-톰슨 효과에 의해 감압되면서 온도도 낮아진다. 이 과정에서 증발가스의 대부분 또는 전부가 액체 상태로 액화된다.

감압장치(700)는, 등엔트로피 과정에 의해 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창기(expander), 또는 등엔탈피 과정에 의해 고압 증발가스를 팽창시키는 팽창밸브일 수 있다. 본 실시예에서는 감압장치(700)로서 줄-톰슨 밸브가 적용되는 것을 예로 들어 설명한다.

또한, 본 실시예에 따르면, 감압장치(700)에서 감압에 의해 압력 및 온도가 낮아진 증발가스를 기액분리하는 기액분리기(800);를 더 포함할 수 있다.

기액분리기(800)에서 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 LNG 저장탱크(100)로 회수된다.

또한, 기액분리기(800)에서 분리된 기체 상태의 미응축 증발가스 또는 플래시 가스는 기액분리기(800)와 2차 열교환기(210) 상류의 증발가스 라인(BL)을 연결하는 기체 회수라인(GL)을 따라 2차 열교환기(210)의 냉매로서 공급되는 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.

본 발명에 따르면, 오일이 섞인 증발가스가 그대로 재액화되면 재액화 성능 저하 및 오염 등의 문제를 일으키므로, 다단압축기(300)에서 압축된 증발가스에 섞인 오일을 제거하기 위하여, 고압 증발가스를 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각시키는 열교환기를, 1차 열교환기(220) 및 2차 열교환기(210)로 2단 구성한다.

본 실시예의 1차 열교환기(220)의 용량은, 고압 증발가스를 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각시키는 열교환기의 용량(capacity)을 100%이라 하였을 때, 75% 수준일 수 있고, 2차 열교환기(210)의 용량도 75% 수준일 수 있다.

또한, 온도 조절밸브(510)를 이용하여 1차 열교환기(210)에서 냉각되는 고압 증발가스의 온도가 오일의 어는점(약 -30℃)를 초과하지 않도록 제어함으로써, 고압 증발가스에 섞여 있는 오일을 응고시키고, 오일필터(600)에서 상변화된 오일을 걸러낸 후 2차 열교환기(210)에서 오일이 걸러진 고압 증발가스를 냉각시킨 후 감압장치(700)로 공급하여 재액화시킴으로써, 오일로 인한 재액화 장치의 오염 및 고장, 성능 저하 현상을 방지할 수 있고, LNG 저장탱크(100)로 오일이 유입되는 문제도 방지할 수 있다.

또한, 열교환기의 오일로 인한 막힘 현상을 방지할 수 있으므로, 증발가스 재액화 공정 중에, 증발가스 냉매를 공급하지 않고 고온 고압의 증발가스를 열교환기로 공급하여 열교환기에 누적된 오일을 제거하는 공정인 핫리커버리(hot recovery) 공정을 필요로 하지 않는다.

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 BL : 증발가스 라인
210 : 2차 열교환기 FL1 : 제1 연료라인
220 : 1차 열교환기 FL2 : 제2 연료라인
300 : 다단압축기 RL : 재액화 라인
400 : 고압엔진 RL1 : 온도 조절라인
500 : 저압엔진 GL : 기체 회수라인
510 : 온도 조절밸브
520 : 온도 측정부
600 : 오일필터
700 : 감압장치
800 : 기액분리기

Claims (10)

1. 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축하며 급유 윤활 방식의 실린더를 포함하는 압축기;
   상기 압축기에 의해 압축된 고압 증발가스에는 오일이 섞여있고,
   상기 고압 증발가스 중에서 상기 고압엔진으로 공급하지 않은 나머지 고압 증발가스를, 상기 오일의 어는점 이하 온도까지 1차 냉각시켜, 고압 증발가스에 섞여있는 오일을 상변화시키는 1차 열교환기;
   상기 1차 열교환기에서 상변화된 오일을 상기 1차 냉각된 고압 증발가스로부터 걸러내는 오일필터;
   상기 오일필터에서 오일이 걸러진 고압 증발가스를 감압장치에서 요구하는 온도까지 2차로 냉각시키는 2차 열교환기; 및
   상기 2차 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스를 팽창시켜 압력 및 온도를 낮춤으로써 증발가스를 재액화시키는 감압장치;를 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차 열교환기에서 냉각되는 고압 증발가스의 온도가 상기 오일의 어는점을 초과하지 않도록 온도를 제어하는 온도 조절장치;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 온도 조절장치는,
   상기 고압 증발가스가 유동하는 재액화 라인의 1차 열교환기 상류로부터 분기되어 1차 열교환기를 우회하여 1차 열교환기 하류로 연결되는 온도 조절라인;
   상기 1차 열교환기에서 냉각된 고압 증발가스의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
   상기 온도 조절라인에 설치되며 상기 온도 측정부의 온도 측정값에 따라 개폐가 제어되어 상기 온도 조절라인을 통해 1차 열교환기를 우회하는 고압 증발가스의 유량을 조절하기 위한 온도 조절밸브;를 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 액화가스 저장탱크로부터 배출된 증발가스가 2차 열교환기에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용되면서 1차로 냉열이 회수되고, 1차로 냉열이 회수된 증발가스가 1차 열교환기에서 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용되면서 2차로 냉열이 회수된 후, 상기 압축기로 공급되도록 유로를 제공하는 증발가스 라인;을 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 1차 열교환기의 용량(capacity)과 2차 열교환기 용량의 합은, 상기 압축기에서 압축된 고압 증발가스를 감압 전 온도까지 냉각시키기 위해 필요한 단일 열교환기 용량의 1배 내지 2배인, 증발가스 재액화 시스템.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 1차 열교환기의 용량(capacity)과 2차 열교환기 용량의 합은, 상기 압축기에서 압축된 고압 증발가스를 감압 전 온도까지 냉각시키기 위해 필요한 단일 열교환기 용량의 1.5배인, 증발가스 재액화 시스템.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 감압장치에 의해 감압된 증발가스를 기액분리하여, 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 상기 액화가스 저장탱크로 회수하고, 분리된 기체 상태의 미응축 증발가스는 상기 2차 열교환기의 냉매로 공급하는 기액분리기;를 더 포함하는, 증발가스 재액화 시스템.
8. 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축하고,
   상기 압축된 고압 증발가스 중에서 상기 고압엔진으로 공급하지 않은 나머지 고압 증발가스를, 상기 오일의 어는점 이하 온도까지 1차 냉각시켜, 고압 증발가스에 섞여있는 오일을 상변화시키고,
   상기 상변화된 오일을 고압 증발가스로부터 걸러내고,
   상기 오일이 걸러진 1차 냉각 증발가스를, 감압시키기 위해 필요한 온도까지 2차 냉각시키며,
   상기 냉각된 고압 증발가스를 감압시켜 압력 및 온도를 낮춤으로써 증발가스를 재액화시키는, 증발가스 재액화 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 고압 증발가스를 1차 냉각시키는 공정은, 상기 1차 냉각된 고압 증발가스의 온도가 오일의 어는점을 초과하지 않도록, 상기 1차 냉각시킬 고압 증발가스의 유량 및/또는 상기 1차 냉각 공정을 거치지 않고 2차 냉각 공정으로 공급할 고압 증발가스의 유량을 조절하는, 증발가스 재액화 방법.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 상기 2차 냉각되는 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용하여, 상기 증발가스의 냉열을 1차로 회수하고,
    상기 1차로 냉열이 회수된 증발가스를 상기 1차 냉각되는 고압 증발가스를 냉각시키는 냉매로 사용하여, 상기 증발가스의 냉열을 2차로 회수한 후,
    2차로 냉열이 회수된 증발가스를 상기 고압엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는, 증발가스 재액화 방법.

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