KR20210094515A

KR20210094515A - Lng와 lpg를 혼합하여 얻은 유체를 사용하는 동력 사이클에서 전기 및 열 에너지를 생성하는 생성방법

Info

Publication number: KR20210094515A
Application number: KR1020217010508A
Authority: KR
Inventors: 마테오 베라; 안톤 마르코 판톨리니; 리날디스 살바토레 데; 루카 다비데 인글레세
Original assignee: 사이펨 에스.피.에이.
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-07-29
Also published as: JP7519995B2; CN113167133B; EP3864258B1; AU2019356257A1; JP2022515700A; CN113167133A; EP3864258A1; WO2020075112A1

Abstract

본 발명은 극저온 열역할 애플리케이션에 의해 LNG 및 LPG 를 혼합하여 얻어지는 냉각 특성을 가진 유체를 준비하는 방법 및 발전 사이클에서 기계적 에너지 및 전기적 에너지 및 열 에너지를 생성하는 방법에 대한 것이다.

Description

LNG와 LPG를 혼합하여 얻은 유체를 사용하는 동력 사이클에서 전기 및 열 에너지를 생성하는 생성방법

본 발명은 액화 천연 가스(LNG)의 재기화 분야에 적용된다.

액화 천연 가스(LNG)의 재기화 기술은 잘 알려져 있다.

액화 천연 가스는 주로 메탄으로 구성된 천연 가스 혼합물로, 에탄, 프로판, 이소-부탄, n-부탄, 펜탄 및 질소와 같은 기타 경질 탄화수소의 혼합물로 기체 상태(주위 온도에 있음)를 약 -160℃에서 액체 상태로 변환하여 운반할 수 있다.

액화 플랜트는 천연 가스 생산 현장에 가깝고 재기화 플랜트(또는 "재기화 터미널")은 사용자 가까이에 있다.

대부분의 플랜트(약 85 %)는 육지에 있으며 나머지 부분(약 15 %)은 플랫폼이나 선박의 연안에 있다.

각각의 재기화 터미널은 액화 천연 가스 부하 또는 요청을 충족하기 위해 또는 유연성이나 기술적 요구 사항(예: 라인 서비스)을 위해 복수의 재기화 라인을 구성하는 것이 일반적이다.

재기화 기술은 일반적으로 -160℃의 대기압에서 드럼에 저장된 액화 천연 가스를 포함하며 최대 약 70-80 bar까지 가스를 압축하고 최대 약 3℃까지 증발 및 과열하는 단계를 제공한다.

139 t/h의 재기화에 필요한 화력은 약 27 MWt이고, 전력은 약 2.25 MWe(플랜트의 다른 보조 부하를 고려할 경우, 4.85 MWe, 4 개의 재기화 라인에서 플랜트의 최대 전기 부하 19.4 MWe)이다.

이중에서, 재기화 터미널의 약 70 %에 사용되는 개방형 랙 기화기(ORV: open rack vaporizer)와 수중 연소 기화기(SCV: submerged combustion vaporizer)가 개별적으로 또는 서로 결합하여 가장 많이 사용된다.

개방형 랙 기화기(ORV)

이러한 기술은 액체 천연 가스(약 70-80 bar 및 -160℃의 온도)가 패널을 형성하기 위해 나란히 배치된 알루미늄 파이프 내부에서 위로 유동하도록 하며; 이러한 기화는 유체가 진행됨에 따라 점진적으로 발생한다.

열 운반체는 파이프 외부 표면의 아래로 흐르는 바닷물인데, 이러한 열 운반체는 온도 차이로 인해 기화에 필요한 열을 제공한다.

열 교환은 특히 패널 위에 얇은 해수 필름의 균일 한 분포를 얻는 파이프의 프로파일의 디자인과 표면 거칠기에 의해 최적화 된다.

수중 연소 기화기(SCV)

이러한 기술은 열 운반체로서 침지된 화염 버너에 의해 가열된 탈염 수조(water bath)를 이용하되, 특히, 연료 가스(FG)는 연소부에서 연소되고 발생된 연기(fume)은 연소된 기포가 배출되는 다 공관 코일을 통과하여, 수조를 가열하여 응축열을 전달한다.

액화 천연 가스(LNG)는 동일한 탈염 수조에 침지된 스테인리스 스틸 파이프의 또 다른 코일에서 증발한다.

균일한 온도 분포를 보장하기 위해, 동일한 수조 물이 순환 상태로 유지된다.

배출된 연기는 대신 SCV 배기 스택에서 배출된다.

특히, 수중 연소 기화기(SCV)와 관련하여, 이러한 기술은 생성된 가스의 약 1.5%에 해당하는 연료 가스 소비를 초래하고, 이산화탄소를 생성하여 가성 소다로 처리해야 할 필요가 있는 수조의 pH를 낮추고, 139 t/h를 재기화하기 위해 연간 약 50,000 t/년의 CO2를 생산한다.

대신 개방형 랙 기화기와 관련하여, 이러한 기술은 부분적으로 파이프 외부 부분, 특히 LNG가 더 차가운 부분에서 해수의 동결을 유발할 수 있으며: i) 해수의 온도가 주로 아열대 지역으로 표시되는 5 ~ 9℃ 이상의 지리적 지역 및/또는 계절에서 이용될 수 있으며; ii) 파이프의 아연 코팅을 부식시킬 수 있는 중금속 함량을 제거하거나 줄이기 위하여, 해수는 사전에 처리되어야 하고, iii) 해수 펌프를 작동하는 데 전기 에너지를 소비하게 되며, ORV 의 높이에서의 발달되는 것에 동일한 지리적 높이 차이를 초과하게 되어, SC에V 대한 재기화 라인 당 1.2 MWe의 추가 소비(24.2 MWe에 해당하는 총 플랜트 전력)가 있게 되고, iv) 마지막으로, 이 기술은 다소 복잡하며 제한된 수의 공급 업체에서 제한된 크기만큼 사용할 수 있다.

따라서, 종래 기술은 일반적으로 플랜트에 필요한 전기 에너지를 허용할 수 없으며, 냉기 형태로 많은 양의 에너지가 손실되는 결과를 초래한다.

유기 랭킨 사이클

ORC(Organic Rankine Cycles)는 지열 분야와 바이오 매스 응용 분야 또는 산업 공정에서 폐열 회수를 위해 널리 사용된다.

이러한 사이클은 가능한 수십 가지 유체 중에서 작동 유체를 선택할 수 있는 가능성을 제공하고, 낮은 소스 온도 및 작은 열 자원에 대해서도 효율적인 열역학적 사이클을 달성할 수 있다.

또한, 낮은 끊는점 유체를 선택하면 동결 문제나 너무 심한 진공도를 일으키지 않고 극저온에서 응축 사이클을 달성할 수 있다.

미국 특허 출원 US 2013/0160486(Ormat Technologies Inc.)은 단일 유체로 작동하는 단일 또는 2단 압력 사이클을 설명하며, 두 수준 모두에서 사이클(재생) 내에서 열교환이 있을 수도 있고 없을 수도 있으며, 일 실시예에서, 2 개의 캐스케이딩 사이클은 2 개의 상이한 유체로 작동되며, 여기서 제 1 사이클의 열은 제 2 유체의 증발에만 사용되며 액화 천연 가스는 제 2 유체의 사이클에 의해 방출된 열만으로 증발된다.

전술한 특허의 도 2 및 도 6에 표시된 것처럼 Ormat에 의해 설명된 사이클은 순수 물질을 엔진 유체로 사용하여 작동하며; 실제로 증발/응축 곡선은 온도가 일정하게 유지되고 예에서 언급된 물질이 모두 순수한 물질임을 나타낸다.

이로 인해 사이클에서 추출할 수 있는 더 작은 전력으로 변환되는 열역학적 단점이 발생하게 되며; 도 7, 7a, 7d, 7e에 제안된 구성에서 팽창기(expander)에서 작동 유체의 일부를 추출하여 LNG의 가열이 LNG 가열 곡선에 근접한 두 가지 열 수준에서 조정될 수 있도록 하여 이러한 문제를 해결하려는 시도가 이루어 졌다.

이 작업은 ORC에서 추출 가능한 전력을 증가시키는 효과가 있지만 불균형 하게 되어 팽창기가 복잡해지거나, 이러한 문제를 해결하기 위해, ORC 엔진 유체 응축 곡선 및 LNG 기화 곡선에 접근하는 데 필요한 두 가지 열 수준을 생성하기 위해 두 개의 별도 팽창기를 사용한다.

선행 기술 문서 JP 2016-148001은 증발 및 비등 가스(BOG: boil off gas)의 형성을 줄이기 위해 소위 도시 가스(기체 연료)의 발열량을 제어하는 프로세스를 설명하며; 이를 위해, 일정량의 액화 석유 가스(LPG)가 냉각되어 액화 천연 가스(LNG)에 첨가된다.

선행 기술 문헌 JP S57-164183은 프로판 및/또는 상업용 부탄, 및 펜탄 등이 수정 첨가제로서 포함된 액화 천연 가스(LNG)를 증류하여 얻은 에탄 농축 전류로부터 랭킨 발전 사이클에 사용할 엔진 유체를 연속적으로 준비하는 방법을 설명한다.

종래 기술 문헌 JP H05-271671은 소량의 액화 천연 가스(LNG)를 석유 가스(LPG)와 혼합하여 도시 연료 가스(기체 연료)의 발열량을 보정하는 방법의 범위 내에서 역삼투에 의해 액화 석유 가스(LPG)를 연속적으로 정제하는 방법을 설명한다.

종래 기술 문서 CN 203 240278은 연료 혼합물의 발열량을 증가시키기 위해 액화 천연 가스와 액화 석유 가스를 혼합하는 연속 방법을 설명한다.

선행 기술 문헌 JP 2008-115842는 탄소 입자의 촉매 연소를 촉진하기 위해 물이 첨가되는 디젤 동력 디젤 엔진에서 미립자 생성을 감소시키는 방법을 설명한다.

선행 기술 문서 US 4,444,015는 증발하는 LNG로 대표되는 냉정과 열원 사이에서 작동하는 두 개의 랭킨 캐스케이드 사이클을 통해 전력을 생성하는 방법을 설명하는데; 그 사용은 질소, 수소 및 1에서 6까지의 탄소 원자 또는 동등한 할로겐화 원자를 포함 탄화수소를 포함하는 혼합물로 대표되는 일반적인 엔진 유체에 대해 설명된다.

따라서, 종래 기술은 일반적으로 플랜트에 필요한 전기 에너지를 생산할 수 없으며, 냉기 형태로 많은 양의 에너지가 손실되는 결과를 초래한다.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG)의 혼합물이 발전 사이클(PGC: power generating cycle)에서 작동 유체로 사용될 수 있으며, 잔류 열은 액화 재기화에 사용될 수 있음을 발견했다.

제 1 목적에서는 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG)의 혼합물로 대표되는 작동 유체(IMR)를 준비하는 과정을 설명한다.

이러한 공정에 의해 얻어지는 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG)를 포함하는 작동 유체(IMR)는 본 발명의 제 2 목적을 나타낸다.

제 3 목적은 본 발명의 작동 유체(IMR)를 사용하는 액화 천연 가스(LNG)를 재기화하는 공정을 설명한다.

제 4 목적은 본 발명의 작동 유체(IMR)를 사용하는 액화 천연 가스(LNG) 재기화 라인에 대해 설명한다.

제 5 목적에 따르면, 액화 천연 가스(LNG)의 재기화 공정에 사용되는 작동 유체(IMR)는 전력 사이클에 사용된다.

또 다른 목적에서는 본 발명의 작동 유체(IMR)를 사용하는 발전 사이클이 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 재기화 라인의 일반적인 단순화된 다이어그램을 도시하며, 도 2에서 더 자세히 설명된다.
도 3은 서로 독립적으로 사용할 수 있는 열원의 예와 함께 소규모 LNG 재기화 라인을 도시하는 도면이다.
도 4는 가스 터빈에 의해 생성된 연기의 열이 회수되는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도 5는 가스 터빈의 연기의 후 연소기가 추가된 실시예를 도시하는 도면이다.
도 6은 IMR 터보 팽창기를 사용할 수 없는 경우에 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 라인의 다이어그램을 도시하는 도면이다.
도 7은 터빈의 연소 공기를 저온 열원으로 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 재기화 라인을 도시하는 도면이다.
도 8은 축 열기를 사용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 재기화 라인을 도시하는 도면이다.
도 9는 LNG의 기화 곡선과 본 발명의 IMR의 응축 곡선을 보여주는 도면이다.
도 10은 분자량(분자 평균)이 변함에 따라 본 발명에 따른 다양한 LNG의 기화 곡선과 다양한 IMR의 응축 곡선을 보여 주는 도면으로서, 여기서 LNG의 화학적 조성은 일정하게 유지된다.
도 11은 본 발명에 따른 IMR 유닛에 대한 열역학적 사이클을 도시하는 도면이다.
도 12는 LPG 극저온 필터의 세부 사항을 보여주는 도면이다.

본 발명의 제 1 목적에 따르면, 작동 유체(이하 'IMR'로 표시)를 제조하는 과정이 설명된다.

상기 작동 유체는 액체 혼합물이다.

특히 이러한 유체는 상용 액화 석유 가스(LPG)와 상용 액화 천연 가스(LNG)를 혼합하여 얻는다.

"상용 액화 석유 가스(LPG)"라는 용어는 다음과 같은 특성을 가진 민간 및 산업 분야에서 일반적인 용도로 그 특징이 잘 정의된 연료를 의미한다.

- 100℉에서의 증기압;

- 가정적 샘플 부피의 95 %가 대기압에서 정확한 방법론에 따라 가열되어 기화되는 최소 온도;

- 탄소 원자 수가 4 개를 초과하는 분자의 몰 함량 백분율; 여기서 본 발명의 목적을 위해, 실제로 또한 7 개 또는 7 개 이상의 탄소 원자를 갖는 탄화수소를 함유한다.

액화 석유 가스(LPG)가 어떻게 원유의 일부이며 토핑 컬럼(topping column)의 정제로 인해 어떻게 분리되는지는 알려져 있다.

다양한 정제 공정은 액화 석유 가스(LPG)를 생산하되; 예를 들어, 균열은 부산물로 액화 석유 가스(LPG)를 생성한다.

본 발명의 목적을 위해, 액화 석유 가스(LPG)는 바람직하게는 다음 표에 정의된 범위 내에 속하는 가연성 유체로 정의된다.

특성	최소값	최대값	테스트 방법
100℉ 에서의 증기압	70 psia	208 psia	ASTM D1267-02
대기압에서의 95% 부피 (min T)⁽¹⁾	n.a.	36℉	ASTM D1837-64
최대 %C5+ ⁽²⁾	n.a.	2	ASTM D2163-77

(1) 대기압에서 검사되는 시료 부피의 95 % 증발이 얻어지는 최대 온도

(2) 최소 5 개의 탄소 원자를 가진 분자의 함량

용어 "상용 액화 천연 가스(LNG)"는 대기압에서도 액체를 유지하기에 충분히 낮은 온도에서 천연 가스를 응축하여 얻어지는 주로 액체 상태의 탄화수소 유체를 의미한다.

천연 가스는 주로 메탄과 경질 탄화수소로 구성되어 있으며, 탄소 원자 수가 5 개를 초과하는 경우는 거의 없는 것으로 알려져 있으며; 또한 질소를 다양한 비율로 포함할 수 있다.

본 발명의 목적상, "IMR"은 1 부피의 액화 천연 가스(LNG)와 액화 천연 가스(LNG)의 0.25 ~ 1.2 부피의 일정량의 액화 석유 가스(LNG)를 혼합하여 얻은 액화 천연 가스(LNG) 및 액화 석유 가스(LPG)의 혼합물로 정의된다.

보다 상세하게는, 작동 유체를 준비하기 위한 본 발명의 방법은 드럼(510)으로부터의 액화 천연 가스(LNG)의 제 1 량(101)이 작동 유체(510)의 제 1 드럼에서 제조되는 단계 I)를 포함하되, 실질적으로 적절한 양의 액화 천연 가스(LNG) 유동이 드럼(530, IMR 드럼)으로 로딩된다.

단계 II)에서, 적합한 제 1 량(210)(또는 유동)의 액화 석유 가스(LPG)가 첨가된다.

따라서 IMR의 형성물을 이용한 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG) 사이의 접촉은 상기 제 1 드럼(530, IMR 드럼)에서 발생한다.

본 발명의 목적을 위해, 액화 석유 가스(LPG)는 상온에서 액화 천연 가스(LNG)에 첨가된다.

단계 III)에서, 모든 휘발성 화합물은 증발에 의해 제거된다.

이러한 증발은 주변 온도에서 액화 천연 가스(LNG)에 첨가되는 액화 석유 가스(LPG)에 의해 촉진된다.

단계 IV) 에서는 필요한 경우 압력이 감소된다.

바람직한 측면에서, 압력은 약 2 내지 20 bar로 감소된다.

가능한 단계 V)에서, 단계 II), III) 또는 IV) 중 하나 이상이 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 유체의 응축 온도에 도달할 때까지 반복된다.

특히, 단계 I)에서 액화 천연 가스(LNG)의 부피는 IMR을 작동 유체로 사용하여 가능한 전력 사이클의 크기에 따라 통상의 기술자에 의해 결정될 수 있다.

액화 천연 가스(LNG)와 관련하여, 아마도 펌프(600)에 의한 고압 펌핑 단계 후에 재기화 섹션(590)으로 보내지는 양(100)은 그것이 저장되는 드럼(510)에서 비롯된다.

펌핑 단계 후, 바람직하게는 전술한 바와 같이 작동 유체를 준비하기 위해 제 1 드럼(530, IMR 드럼)으로 보내지는 상기 제 1 액화 천연 가스(101)의 일부가 분리된다.

단계 II)의 추가 및 액화 석유 가스(LPG) 및 액화 천연 가스(LNG)의 후속적인 혼합은 IMR 드럼에 포함된 IMR의 가열을 생성하며; 이로 인해 그 안에 포함된 가장 휘발성이 높은 화합물이 증발(단계 III)에 의해 이동하여 IMR 드럼의 압력이 증가한다.

이것은 유리하게는 그것이 일부인 파워 사이클을 작동시킬 목적으로 제 1 드럼(530, IMR 드럼)에서 요구되는 압력에 도달하는 것을 허용한다.

압력이 과도하면, 배출 밸브(미도시)를 통해 제 1 드럼(IMR 드럼)으로부터 단계 IV) 에서 과잉 증기를 이동할 수 있다.

본 발명의 목적을 위해, 단계 II)의 혼합은 임의의 혼합 장비를 필요로 하지 않고 첨가함으로써 발생한다.

본 발명의 특정 측면에 따르면, 작동 유체를 얻기 위해 액화 천연 가스(LNG)에 전체 액화 석유 가스(LPG)의 양이 첨가된다.

최종 목표는 주어진 액화 지점에 도달하는 것이다.

최종 첨가량은 공정을 최적화하여 결정할 수 있되, 특히 다음을 기반으로 최적화될 수 있다.

- 액화 천연 가스(LNG)의 재기화 공정 수행 및/또는

- IMR을 작동 유체로 사용하는 가능한 발전 사이클의 성능.

예를 들어, 액화 석유 가스(LPG)의 임의의 부피(위에서 언급한 범위 이내)를 발전 사이클의 크기 및 전력 사이클 설비에서 얻어지는 후속 IMR 계산에 적합한 액화 천연 가스(LNG)의 부피에 추가 할 수 있게 된다.

얻은 성능에 따라 IMR의 성분을 원하는 성능을 갖도록 수정할 수 있다.

대안으로, LNG의 열교환 곡선은 실험실 규모 및 설정된 부피의 액화 천연 가스(LNG)를 IMR 가변성 분야에서의 일정량의 액화 석유 가스(LPG)의 부피(위에서 언급한 범위 내)와 혼합하여 준비된 다양한 IMR 샘플에서 결정될 수 있다.

실제적인 관점에서, 액화 천연 가스(LNG) 및 IMR의 작동 압력 및 관련 유량을 고정할 필요가 있다.

플랜트 엔지니어링 성능을 가장 만족시키는 혼합 비율이 결정되면, 필요한 수정을 수행하여 공정을 산업 규모로 전환할 수 있다.

위에 공개된 두 가지 방법론에 대한 대안으로, 특정 플랜트 및 원하는 특정 기간에 사용되는 액화 천연 가스(LNG) 및 액화 석유 가스(LPG)의 화학적 분석을 사용할 수 있는 경우, 적합한 시뮬레이션 수행될 수 있다.

처음 두 가지 방법은 IMR이 IMR 드럼에서 가질 수 있는 압력과 온도를 계산할 수 있도록 하여, IMR은 부피를 측정하는 대신 압력 표시기와 온도 센서를 사용하여 준비할 수 있도록 한다.

본 발명에 의해 설명된 공정은 바람직하게는 배치 유형 공정이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화 석유 가스(LPG)에서 가능한(반드시 그런 것은 아님) 물 및 중 탄화수소와 같은 성분의 응고를 방지하기 위해, 액화 석유 가스(LPG)의 정화 단계를 액화 석유 가스(LPG)와 액화 천연 가스(LNG)를 혼합하기 전에 수행할 수 있다.

이러한 단계는 물과 탄화수소를 분리하기 위한 분자 여과기의 사용과 같은 잘 알려진 방법론에 의해 수행될 수 있다.

또는, 도 12에 표시된 것과 같은 극저온 필터가 사용될 수 있다.

도 12에 표시된 극저온 필터는 제 1 드럼(530, IMR 드럼)에서의 외부 교환기(620)와 제 1 드럼(530, IMR 드럼)에서의 내부 코일(610) 및 가능한 다른 고형물 필터(630)로 구성된다.

특히, 외부 교환기(620)는 쉘 및 튜브 콘덴서 유형이다.

단계 1)에서는 액화 석유 가스(LPG)의 드럼(520)으로부터 액화 석유 가스(LPG)의 제 1 정제량(200)을 외부 교환기(620)의 쉘 측으로 공급한다.

이에 따라, 파이프에 흐르는 차가운 유체를 만나, 액화 석유 가스(LPG)가 냉각되고 파이프의 차가운 표면에서 고형화 되고 액화 석유 가스의 제 2 정제량(201)으로 상승하게 되는 원치 않는 성분을 제거할 수 있게 된다.

이어지는 단계 2)에서, 쉘(shell) 측에서 출력된 액화 석유 가스(LPG)의 제 2 정제량(201)은 내부 코일(610)로 보내져 제 1 드럼(IMR 드럼)으로 보내진다.

이에 따라, 액화 석유 가스(LPG)는 냉각을 수행하는 작동 유체와 열을 교환하여 제 3 정제량(202)의 액화 석유 가스를 얻는다.

단계 3)에서는 내부 코일(610)로부터 출력되는 액화 석유 가스(LPG)의 상기 제 3 정제량(202)을 외부 교환기(620)의 파이프 측으로 공급하여, 쉘 측에서 유동하는 전술한 제 1 정제량(200)의 액화 석유 가스(LPG)를 냉각하는 냉각 유제를 이루게 되어, 액화 석유 가스의 제 4 정제량(203)을 얻게 된다.

단계 4)가 또한 수행될 수 있으며, 여기서 외부 교환기(620)의 파이프 측으로부터 출력된 제 4 정제량(203)의 액화 석유 가스(LPG)는 고체 필터(630)에서 추가로 여과된다.

액화 석유 가스(LPG)의 제 1 량(210)은 단계 3) 또는 4)에서 얻어지며, 이는 작동 유체를 준비하기 위해 제 1 드럼(IMR 드럼)으로 보내진다.

바람직하게는, 작동 유체를 제조하기 위해 작동 유체(530, IMR 드럼)의 제 1 드럼으로 보내지는 이러한 제 1 량(210)의 액화 석유 가스(LPG)는 무겁고 잠재적으로 응고 가능한 성분의 감소된 함량을 가지게 된다.

본 발명의 바람직한 양태에서, 제 1 드럼(530, IMR 드럼)으로 보내지는 그러한 양은 감소된 펜탄 함량을 갖는다.

본 발명의 바람직한 측면에서, 그러한 함량은 0.1 % 미만이다.

전술한 사항에서, 액화 석유 가스(LPG)의 정제에 관여하는 액화 천연 가스(LNG)와 액화 석유 가스(LPG)는 작동 유체(IMR) 제조에 사용되는 것과 동일하므로 외부 유체가 필요하지 않다.

전술한 공정에 따라 얻어진 작동 유체(IMR)는 본 발명의 또 다른 목적을 나타낸다.

본 발명의 일 측면에서, 이러한 작동 유체(IMR)는 열이 교환되는 액체의 온도에 따라 냉각 특성(즉, 표준 압력에서 낮은 액화점을 가짐)을 가질 수 있다.

본 발명은 또한 전술한 작동 유체를 제조하기위한 플랜트를 설명한다.

이러한 플랜트는 상기 작동 유체(IMR)를 생성하기 위하여 액화 석유 가스의 량(210)을 액화 천연 가스의 양(101)에 첨가하는 제 1 드럼(530), 액화 천연 가스를 위한 제 2 드럼(510) 및 상기 액화 석유 가스를 위한 제 3 드럼(520)을 포함한다.

본 발명의 한 측면에서, 플랜트는 전술한 바와 같이 액화 석유 가스(LPG)를 정제하기위한 극저온 필터(630)를 추가로 포함한다.

분명히 플랜트는 덕트, 파이프 및 밸브로 구성된다.

제 3 목적에 따르면, 본 발명은 액화 천연 가스(LNG)와 본 발명의 작동 유체 간에 내부에서 열교환이 일어나는 액화 천연 가스의 기화 섹션(590)을 포함하는 액화 천연 가스(LNG)를 위한 재기화 라인을 설명한다.

본 발명에서는 특히 액화 천연 가스(LNG)의 재기화를 언급하지만, 이하에 설명된 재기화 라인, 재기화 터미널 및 재기화 공정은 저온(약 0℃ 미만) 또는 극저온(-45℃ 미만)에서 저장된 다른 액화 유체를 재기화 또는 기화하는 데 동일하게 적용된다.

따라서, 본 발명은 또한 예를 들어 공기, 질소, 예를 들어 프로판 및 부탄 중 알칸, 또는 예를 들어 에틸렌 또는 프로필렌 중 알켄과 같은 탄화수소 화합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 액화 가스를 재기화 또는 기화시키는 데 적용된다.

이하의 설명에서 용어 "액화 가스"는 일반적인 액체 조성을 갖는 유체를 의미한다.

용어 "재기화 라인"은 구조, 장비, 기계 및 액화 천연 가스(LNG) 재기화 시스템을 포함하는 플랜트의 일부를 의미한다.

이러한 구조, 장비, 기계 및 시스템은 특히 액화 천연 가스(LNG)가 저장되는 제 2 드럼(510)과 액화 석유 가스가 저장되는 제 3 드럼(520)에서 시작되며 재기화 된 액화 천연 가스(LNG)를 가스 자체의 분배 네트워크로 도입하는 지점에서 끝나게 된다.

보다 구체적으로, 드럼(510)의 액화 천연 가스(LNG)는 대기압 및 약 -160

의 온도에서 저장되고;

특정 경우, 예를 들어 소규모 식물의 경우, 3 bar g ~ 10 bar g의 압력 및 -150℃ ~ -130℃의 온도에서 저장된다.

액화 가스 드럼은 특히 예를 들어 육지 또는 연안에 있을 수 있는 재기화 플랜트와 다른 장소 또는 구조체에 위치할 수 있다.

재기화 섹션에서 재기화되면, 천연 가스가 천연 가스 분배 네트워크로 유입될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화 천연 가스(LNG)의 바이 패스 회로를 통합하도록 액화 천연 가스의 재기화 라인(기초 회로)이 수정된다.

특히, 두 회로 사이의 통합은 기본 회로에서 액화 천연 가스의 인입 연결부와 유통 네트워크의 목적지를 위해 기본 회로에서 재기화된 액화 천연 가스의 재도입 연결부에 있다.

인입 연결부는 바람직하게는 극저온 펌프의 하류 및 기화 조(vaporization bath)의 상류에 있다.

따라서, 본 발명의 목적을 위해 다음이 설명된다:

-본 발명에 따른 천연 가스 재기화 바이패스 회로(개선)를 통합하도록 수정된 기존의 재기화 라인; 및

- 예를 들어 새로운 플랜트를 만들기 위해 본 발명에 의해 설명된 라인의 메인 라인으로 형성된 재기화 라인.

본 발명의 제 4 목적에 따르면, 상기 액화 천연 가스(LNG)와 본 발명에서 설명하는 작동 유체 사이의 열교환을 수행하는 단계를 포함하는 액화 천연 가스(LNG) 재기화 공정이 설명된다.

이러한 작동 유체는 위에서 설명한 냉각 특성을 가질 수 있다.

이러한 목적을 위해, 성능 제약은 플랜트 운영에 필요한 온도와 압력에서 재기화되고 액화 천연 가스(LNG) 기화기에서 출력되는 IMR이 완전히 응축되거나 또는 (IMR 누출을 방지하기 위해) 과냉각되어 프로세스가 주기적으로 되는 액화 천연 가스(LNG)를 얻는 데에 존재한다.

특히, 액화 천연 가스(LNG)의 재기화 공정은 액화 천연 가스의 량(100)과 액화 천연 가스의 기화 섹션(590)에서 작동 유체의 량(310) 사이의 열교환을 수행하는 단계를 포함한다.

재기화 섹션(590)에서 산출된 천연 가스(NG)의 량은 필요한 압력과 온도(일반적으로 약 70 bar 및 3℃)에서 천연 가스 자체의 분배 네트워크로 도입된다.

본 발명의 일 측면에서, 액화 천연 가스(LNG) 재기화에 사용되는 IMR의 량(300)은 IMR 드럼(530)에서 나온다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화 천연 가스(LNG)를 기화시키는데 사용되는 IMR의 량은 발전 사이클에서 나오는 량(310)이다.

본 발명의 또 다른 목적에 따르면, 전술한 작동 유체를 사용하는 발전 사이클에 대해 설명한다.

보다 구체적으로, 그러한 유체는 생성 사이클에서 일련의 단계를 거친다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화 천연 가스(LNG)를 재기화하는 데 사용되는 작동 유체(IMR)의 량(310)은 (IMR 드럼의 출력 이후) 발전 사이클에 입력된 작동 유체(IMR)의 량(300)과 발전 사이클의 단계에서 얻어지는 작동 유체(IMR)의 량(410) 사이의 열교환 단계에서 얻은 량이다.

본 발명의 목적을 위해, 이러한 량(310)의 작동 유체는 다음 단계 중 하나 이상을 거친다 :

- 열 전달 및/또는

- 열 획득 및/또는

- 전기 및/또는 기계 에너지(적절한 발전기 사용)의 생산을 수반한 터빈(570)에서의 팽창

본 발명에 따른 가능한 발전 사이클의 예는 이하에 상세히 설명되며, 특히 다음을 포함한다:

- 엔진 유체 수집 드럼(530, IMR 드럼),

- 작동 유체를 펌핑 하기 위한 하나 이상의 펌프(20, IMR 펌프),

- 작동 유체의 팽창으로부터 기계 및 전기 에너지를 생성 하기 위한 터보 팽창기(570),

- 다양한 온도에서 작동 유체의 일부 사이의 열교환에 의해 열을 회수하기 위한 고온 열교환기(550) 및 저온 열교환기(540),

- 예를 들어 열원이 내연 기관 엔진으로 배출된 가스인 저온 또는 고온 열원을 이용하여 열을 회수하기 위한 하나 이상의 복열기(recuperator),

- 엔진 유체를 펌핑하기 위한 하나 이상의 펌프(미도시).

발전 사이클은 액화 천연 가스(LNG)의 재기화 섹션(590)의 고온 측(hot side)을 더 포함한다.

본 발명의 목적을 위해, 액화 천연 가스(LNG)를 재기화하는 데 사용되는 작동 유체의 량(310)은 다음 단계를 포함하는 공정에 의해 얻어진다 :

a) 가열하는 단계;

b) 터빈(570)에서 팽창시키는 단계;

c) 부분적으로 냉각시키는 단계.

특히, 상기 공정에서 상기 작동 유체의 제 1 량(400)은 다음 단계를 거친다 :

a) 가열된 작동 유체의 제 2 량(430)을 얻는 단계;

b) 기계적 에너지의 생성과 함께 터빈(570)에서 팽창시켜서 팽창된 작동 유체의 제 3 량(440)을 얻는 단계.

c) 부분적으로 냉각하여, 부분적으로 냉각된 작동 유체의 제 4 량(310)을 얻는 단계.

본 발명의 목적을 위해, 상기 단계 a)는 다음 단계를 포함한다 :

상기 제 1 량(400)의 작동 유체가 고온 복열기(550)에서 가열되어 고온에서 가열된 양(420)을 얻는 단계 a1), 고온 열원(560)으로부터 가열하여 작동 유체의 가열된 상기 제 2 량(430)을 얻는 단계 a2).

본 발명의 일 양태에서, 단계 a1) 전에, 상기 작동 유체의 량의 제 1 부분(401)이 저온 열원(580)에 의해 가열되어서, 가열된 제 2 부분(402)을 얻는 단계 a0)가 수행 될 수 있다.

그런 다음, 이러한 가열된 제 2 부분(402)은 제 1 량의 작동 유체(400)에 결합되어 추가적인 량(403)의 작동 유체를 얻는다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 단계 c)는 다음 단계를 포함한다 :

팽창된 작동 유체의 상기 제 3 량(440)은 고온 복열기(550)에서 단계 a1)의 상기 제 1 량(400)으로 부분적으로 열을 전달하여 가열된 작동 유체의 제 5 량(410)을 얻는 단계 c1), 및

작동 유체의 상기 제 5 량(410)이 드럼(530)에서 출력된 작동 유체의 량(300)과 열교환을 통해 저온 복열기(540)에서 부분적으로 냉각되어, 드럼으로부터 출력되는 작동 유체의 냉각된 제 2 량(310) 및 가열된 작동 유체의 제 1 량(400)을 얻는 단계 c2).

도 1에 도시된 바와 같이, 드럼(530, IMR 드럼)의 액화 천연 가스(LNG)의 량(101)은 아마도 위에서 설명한대로 정제 단계 후 드럼(520)의 액화 석유 가스(210)와 혼합물(IMR)을 형성한다.

작동 유체의 량(300)은 가능하면 펌프(20)에 의해 펌핑되어 드럼(530, IMR 드럼)에서 열을 획득하는 저온 복열기(540)로 보내져 발전 사이클을 위한 가열된 작동 유체의 제 1 량(400)을 일으키게 된다.

이러한 열 교환은 특히 고온 복열기(550)에서 출력되는 작동 유체의 량(410)으로 발생한다.

일정량의 작동 유체(310)가 저온 복열기(540)를 떠나고, 이러한 량은 냉각된 작동 유체의 량(320)이 빠져 나가는 액화 천연 가스의 재기화 섹션(590)으로 전송된 다음 다시 드럼(530, IMR 드럼)으로 되돌아 간다.

저온 복열기(540)에서 출력된 작동 유체(400)는 고온 복열기(550)로 보내진다.

본 발명의 바람직한 양태에서, 고온 복열기(550)에 들어가기 전에, 제 1 양의 작동 유체의 제 1 부분(401)은 저온 열원(580)에 의해 가열되어, 가열된 제 2 부분(402)은 작동 유체의 제 1 량(400)에 합해져서 추가적인 량(403)의 작동 유체를 얻게 된다.

본 발명의 목적을 위해, 저온 열원은 연소 엔진의 라디에이터에 의해 폐기되는 열, 또는 터빈의 배기 가스의 2 차 냉각으로부터 얻은 열,

터빈의 연소 공기의 예비 냉각으로부터 및 터빈의 배출 가스의 제 2 냉각, 가능하게는 연소된 이후(도 3의 580') 얻어진 조합된 일련의 제 1 열 회수(recovery)일 수 있다.

대안적으로, 예를 들어 태양 에너지, 공기/물, 지열 에너지, 흑연 축 열기 또는 용융 염과 같이 서로 결합된 보일러 또는 하나 이상의 재생 가능 소스가 사용될 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시 된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 저온 열원(581)이 추가 단계 a0')에서 이용될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에서, 이러한 단계 a0')는 단계 a0)를 대체한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 단계 a2)는 저온 열원으로 인해 수행된다.

따라서, 작동 유체의 제 1 량(400) 또는 추가적인 량(403)은 고온 복열기(550)로 보내진다.

고온에서 가열된 작동 유체의 량(420)은 가열된 고온 복열기(550)의 출력으로 얻어지며, 이러한 량은 고온 열원(560)에서 회수된 열에 의해 추가로 가열된다.

예를 들어, 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 고온 열원은 저온 열원(581)으로 대체 될 수 있다.

본 발명의 목적을 위해, 고온 열원은 연소 엔진의 화염의 열, 또는 터빈의 배기 가스의 제 1 냉각에서 얻은 열(아마도 후연소 됨; 도 3의 560') 또는 대안으로, 태양 에너지, 공기/물, 지열 에너지, 흑연 축열기 또는 용융 염(도 3에서 560")과 같이 서로 결합된 보일러 또는 하나 이상의 재생 가능 소스일 수 있다.

고온 열원(560)에 의한 가열 단계 후에, 가열된 작동 유체의 제 2 량(430)이 터빈(570)에서 팽창되어, 부분 냉각되면서 기계적(및 가능하면 전기적) 에너지를 생성한다.

작동 유체의 제 3 팽창 량(440)은 터빈(570)에서 출력되며, 제 3 팽창 량은 고온 복열기(550)로 보내지며, 내부에서 잔류 열의 일부를 전달하여 작동 유체의 량(400) 또는 추가적인 량(403)을 예비 가열한다.

이렇게 하여, 고온 복열기(550)에서 냉각된 작동 유체의 제 5 량(410)이 얻어지고, 냉각된 제 5 량은 저온 복열기(540)로 보내지며, 내부에서 열의 일부를 전달되어, 드럼(530, IMR 드럼)에서 출력되는 작동 유체의 량(300)을 예열하여, 고온 복열기(550)를 위한 것으로 의도된 작동 유체의 제 1 량(400)을 발생시키게 된다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 터빈(570)의 바이 패스가 제공될 수 있으며, 이는 정지된 터빈의 경우에서의 시동 작동 및 가능한 작동에 유용하며; 터빈은 또한 위에서 언급한 바이 패스 라인에 의해 부분적으로 만 바이 패스될 수 있으며, 따라서 제 3 팽창 작업량(440)의 온도를 조절할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있다.

상술한 바와 같이, 액화 석유 가스의 량은 작동 유체 드럼(530, IMR 드럼)에 도입되기 전에 여과 단계를 거칠 수 있다.

이를 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 제 2 드럼(520)에서 배출되는 액화 석유 가스의 제 1 정제량(200)은 외부 교환기(620)의 쉘측 통로를 통해 냉각 단계를 거친다.

이에 의해, 가능한 응고될 수 있는 오염 물질이 파이프의 외측에 퇴적되고, 내부 코일(610)로부터 제 1 드럼(530, IMR 드럼)으로의 회수 액화 석유 가스(LPG)의 양이 교차하되, 액화 석유 가스(LPG)의 온도는 작동 유체 생산 공정 초기에 적재된 액화 천연 가스(LNG)와의 열교환에 의해 더욱 낮아지게 된다.

교환기(620)에서 출력되는 액화 석유 가스(LPG)의 제 2 정제량(201)은 제 1 드럼(530, IMR 드럼)의 내부 코일(610)을 교차 통과하여 냉각된다.

이렇게 하여 얻어진 액화 석유 가스의 제 3 정제량(202)은 관다발의 파이프에서 상기 언급한 통로를 통해 교환기(620)로 보내지고, 이렇게 얻어진 액화 석유 가스의 제 4 정제량(203)은 필터(630, LPGFS-LPG 고형물 필터)를 통과하여 넘겨진 고형물을 분리한다.

이렇게 수행된 작업은 액화 천연 가스(LNG)의 가벼운 성분을 증발시키는 역할을 하는 액화 석유 가스(LPG)의 열을 분산시키지 않는 장점이 있다.

제 1 드럼(530, IMR 드럼)의 코일(610)(극저온 코일)은 액화 천연 가스(LNG) 유동이 교차하는 경우 현재 작동과 작동 유체를 차갑게 유지하는 데 모두 사용할 수 있다.

예 1

예 1의 목표는 6.7 t/h에 해당하는 LNG 유량을 재기화하는 것이다.

수중에 있는 LNG의 화학적 분석은 다음과 같이 준비된다.

성분	% 몰
질소	1.38
CO2	0.00
메탄	93.95
에탄	2.8
프로판	1.17
i-부탄	0.3
n-부탄	0.3
i-펜탄	0.5
n-펜탄	0.5

이러한 목적은 본 발명의 특정 실시예에 따른 발전 사이클(PGC) 및 재기화 라인이 도시된 첨부된 도 3의 다이어그램에 의해 달성된다.

LPG는 IMR을 생성하기 위해 플랜트로 유입되며, LPG의 화학 실험실 결과는 다음과 같다.

성분	% 몰
메탄	0.0001
에탄	0.0166
프로판	71.8904
프로필렌	0.0712
i-부탄	3.8319
t-부탄	0.0414
l-부텐	0.0219
i-부텐	0.0131
c-2-부텐	0.0287
i-펜탄	0.1005
n-펜탄	0.2359
1.3-부타디엔	0.0347

LNG 및 LPG의 화학적 분석이 가능하며, IMR은 위에서 설명한 방법론에 따라 결정된다.

LNG 기화기의 LNG 및 IMR 작동 압력이 설정된다.

LNG 압력은 재기화 라인의 특정 요구에 의해 분명하게 결정되며, 현재 예에서는 74.5 bar g의 천연 가스(NG) 네트워크에서의 도입을 필요로 한다.

IMR 압력과 관련하여, 이는 발전 사이클을 구성하는 장비, 특히 발전 작동 기계(터보 팽창기)의 설계 압력과 엄격하게 관련된다.

상기 기계의 최적 작동 압력은 76.5 bar g이고, 최적 팽창 비율은 약 7이며; 부하 손실이 계산되면 LNG 기화기에서 출력되는 IMR의 압력은 9.5 bar g이다.

부하 손실은 최대 0.5bar까지 LNG 재기화기의 양쪽에 적용된다.

LNG 및 IMR 압력이 알려지면, 가상 IMR 샘플이 준비되며, 저장 온도에서 LNG를 혼합하여 얻을 수 있으며, IMR 드럼에서도 저장 압력을 유지하고 주변 온도에서 LPG를 유지할 수 있다.

혼합 공정은 분자량이 다른 일련의 IMR 샘플을 형성한다.

IMR 샘플을 LNG로 재기화하기 위해 도 10에 도시된 것에 유사한 결과를 나타내는 열교환 곡선 계열이 생성된다.

기술-경제적 타당성 범위 내에서 재기화기에 필요한 교환 표면을 제한하면서 선택된 에너지 성능을 최대화하는 IMR 샘플에서; 이 경우, IMR은 30.55 u.m.a와 같은 평균 몰 분자량을 가진다.

계산에 따르면, 이러한 IMR 샘플은 9.5 bar g에서 끓는점 온도가 -117.5 ℃ 이다.

IMR은 9.5 bar g의 압력에서 앞서 말한 -117.5 ℃의 온도에 도달할 때까지 LPG를 LNG에 추가하여 준비된다.

작동상 제시된 다이어그램의 작동은 다음과 같다; 1.55 MWe의 출력과 4 MW의 열 입력을 생성하는 실린더 엔진이 PGC의 열원이므로 작동한다.

-PGC: 유량 7.8 t/h 및 온도 -117.5℃의 유체 "01"(IMR)을 IMR 드럼에 수집하고, 78.5 bar g의 압력(최대 사이클)으로 펌핑한 다음 가열하고, 이어서 IMR 전류 "08" 로부터 최대 -27.6 ℃까지 전달된 열을 희생하여 저온 복열기에서 가열되어; 그런 다음, IMR 예열 전류 "03"가 실린더 엔진(열 엔진)의 라디에이터와 열 접촉하여, 760kW의 열출력을 받고 60 ℃까지 가열된 다음, 팽창기 "07" 로부터 출력된 IMR 의 희생으로 고온 복열기에서 연속적인 예열을 수행한다. 이렇게 얻은 전류 "05"는 135℃의 온도를 가지며, 배기 가스 복열기에서 최종 가열 준비가 되어, 실린더 엔진의 배기 가스를 만나 148 ℃의 온도로 냉각시키며; 280 ℃의 온도와 76.5 bar g의 압력에서 "06"을 출력하여, 작업을 수행하는 IMR 터보 팽창기로 들어가서, 11 bar g 및 187.5℃에서 "07"을 출력한다. 그런 다음, IMR은 고온 복열기에서 열을 전달하여, "08"을 80℃까지 예열하며; 8℃로의 최종 냉각은 저온 복열기에서 LNG 재기화기/IMR 응축기에서 최소 5℃이상의 접근을 유지하도록 조정된 온도를 따르게 된다.

여기서 LNG 재기화기/IMR 응축기라고 하는 LNG 재기화기는 IMR 흐름과 함께 순수한 역류로 작동하여 초임계 LNG를 -145 ℃에서 3 ℃까지 가열한다.

- IMR 터보 팽창기에 의해 생성된 기계적 동력은 IMR 펌프가 사용하는 순 에너지이며 35kW에 해당하며 연소 화염으로부터 회수된 900kW의 화력에 대하여 사용 가능한 420kW의 전력을 제공하는 455kW와 동일하며; 이는 동일한 크기(약 35 %)의 디젤 엔진의 기계적 효율보다 훨씬 큰 46.7%의 기계적 효율에 대응한다.

- 실린더 엔진에 대한 열 입력의 80 %가 생성된 에너지와 LNG 재기화에 사용되는 열의 형태로 회수된다.

알려진 기술의 공정과 관련하여:

- 에탄 사이클(순수 성분으로 사이클에 더 큰 효율성을 제공하는 유체)은,

a) 46.7 %에서 32.9 %로 감소하는 PGC의 효율성

b) 420kW에서 240kW로 회복된 순 기계적 동력

c) 76 %에서의 전체 효율(회수된 에너지/도입된 에너지)

- 동일한 열 수준과 터보 팽창기의 동일한 압력 점프를 기반으로 한 PGC의 동일한 구성을 사용한 추가 비교에서, IMR이 에탄으로 대체된 결과는 다음과 같다.

a) 효율성이 46.7 %에서 42.7 %로 감소한다.

b) 회수된 순 기계적 동력이 420kW에서 375kW(-10%)로 감소한다.

c) 전체 효율(회수된 에너지/유입된 에너지)이 78%로 감소한다.

예 2

예 2의 목표는 139 t/h에 해당하는 LNG 유속을 재기화하는 것이다.

LNG의 화학적 분석이 준비된다.

성분	% 몰
질소	1.38
CO₂	0.00
메탄	93.95
에탄	2.8
프로판	1.17
i-부탄	0.3
n-부탄	0.3
i-펜탄	0.5
n-펜탄	0.5

목적은 본 발명의 특정 실시예에 따른 발전 사이클(PGC) 및 재기화 라인이 도시된 첨부된 도 7의 다이어그램을 통해 달성된다.

LPG는 작동 유체를 생성하기 위해 플랜트로 수입되며, LPG의 화학적 실험실 결과는 다음과 같다.

성분	% 몰
메탄	0.0001
에탄	0.0166
프로판	71.8904
프로필렌	0.0712
i-부탄	3.8319
t-부텐	0.0414
1-부텐	0.0219
i-부텐	0.0131
c-2-부텐	0.0287
i-펜탄	0.1005
n-펜탄	0.2359
1.3-부타디엔	0.0347

LNG와 LPG 모두의 화학적 분석이 가능하며 위의 설명에 따라 IMR이 준비된다.

LNG 기화기의 LNG 및 IMR 작동 압력이 설정된다.

LNG 압력은 재기화 라인의 특정 요구에 의해 분명하게 결정되며, 현재 예에서는 74.5 bar g의 천연 가스(NG) 네트워크에 도입해야한다.

IMR 압력과 관련하여 그것은 PGC를 구성하는 장비, 특히 발전 작동 기계(터보 팽창기)의 설계 압력에 따라 다르다.

상기 기계의 최적 작동 압력은 76.5 bar g이고 최적의 팽창 비율은 약 7이므로 부하 손실이 계산되면, LNG 기화기에서 출력되는 IMR의 압력은 9.5 bar g 이 된다.

계산기를 사용하여 저장 온도에서 LNG를 혼합하여 얻은 가상 IMR 샘플을 준비하고, IMR 드럼에서도 저장 압력으로 유지하고 상온에서는 LPG를 유지한다.

위의 철저한 설명에 따르면, 혼합 공정은 분자량이 다른 일련의 IMR 샘플을 형성한다.

다시 말하지만, 계산기를 사용하여, IMR 샘플을 LNG로 재기화할 열 교환 곡선 계열이 생성되어 도 10에 표시된 것과 유사한 결과를 얻게 된다.

이 지점에서, 에너지 성능을 극대화하는 IMR 샘플은 기술-경제적 타당성 범위 내에서 재기화기에 필요한 교환 표면을 제한하면서 선택되고; 당면한 경우, IMR은 29.7 u.m.a와 같은 평균 몰 분자량을 가질 것이다.

계산에서, 이러한 IMR 샘플은 9.5 bar g에서 끓는점 온도가 -123.2 ℃이다.

IMR은 9.5 bar g의 압력에서 -123.2 ℃의 상기 온도에 도달할 때까지 생성된다.

작동적으로 제시된 다이어그램의 작동은 다음과 같다.

24.5MWe 가스 터빈과 75 MWt의 열 입력은 작동하는 PGC의 열원이고,

- PGC: 유속이 168 t/h이고 온도가 -123.2℃인 유체 "01"(IMR)이 IMR 드럼에 수집되어, 78.5 bar g의 압력(최대 사이클)으로 펌핑된 다음, 저온 복열기에서 IMR 전류 "08"에서 최대 -38.9℃의 온도까지 전달된 열을 희생하여 가열되고; 그런 다음, 예열된 IMR 전류 "02"가 터빈의 연소 공기 냉각기와 열 접촉하게 되되(예를 들어, 80% 의 상대 습도이고 15℃ 에서 5℃로 냉각된 공기를 고려), 1860kW의 화력(thermal power)을 받고 -25℃까지 가열된다.

그런 다음, IMR은 배기 가스 복열기의 제 1 코일 "03"에 들어가, 배기 된 터빈 가스에 의해 전달된 열의 마지막 부분을 회복하며; 60℃의 온도에서 "04"를 출력한 다음, 팽창기 "07"로부터 IMR 출력을 희생시켜서 고온 복열기에서 연속적인 예열을 수행한다. 이렇게 얻은 전류 "04"는 138℃의 온도를 가지며, 배기 가스 복열기에서 최종 가열 준비가 되어, 터빈에서 방금 출력 된 배기 가스를 만나게 되고; 배기 가스 복열기에 의해 수행된 회수의 합계는 화염의 온도를 160℃로 낮추게 된다.

현재 280℃의 온도와 76.5 bar g 의 압력에서 IMR "06"은 작업을 수행하는 IMR 터보 팽창기에 들어가 11 bar g 및 186℃에서 "07"을 출력한다. 그런 다음 IMR은 고온 복열기에서 열을 전달하여, "08"을 80℃까지 예열하고; 8℃에서의 최종 냉각은 저온 복열기에서 따르게 되되, 온도는 LNG 재기화기/IMR 응축기에서 최소 5℃ 이상의 접근을 유지하도록 조정된다.

여기서 LNG 재기화기는 IMR 흐름과 함께 순수한 역류로 작동하여 초 임계 LNG를 -162℃에서 3℃의 온도로 가열한다.

IMR 터보 팽창기에 의해 생성된 기계적 동력은 IMR 펌프가 사용하는 에너지의 순이며 760kW에 해당하는 10kW와 동일하며, 연소 화염으로부터 회복된 35.4kW의 화력에 대해 9300kW의 가용 전력을 제공한다.

- 터빈의 열 입력의 80 %가 생성된 에너지 형태와 LNG 재기화에 사용되는 열 형태로 회수된다.

이 구성에서 터빈 연소 공기의 냉각이 이에 유리하여 그 효율을 증가 시킨다는 점은 주목할 필요가 있다.

예 3

도 4의 다이어그램은 특히 중대형 애플리케이션에 적용된다.

예 4

도 5의 다이어그램은 배기된 터빈 화염의 사후 연소기(post combustor)를 사용하여 LNG 기화 및 사이클 전력 측면에서 동일한 결과를 얻었지만 전력이 더 적은 터빈이 설치되어 있는 도 4의 다이어그램의 변형을 나타낸다.

연소후 조절을 하게 되면 열 낭비없이 플랜트의 최소 부하를 조절할 수 있는 추가적인 유연성을 제공하게 되는데; 실제로 도 4에서, ORC에 제공되는 열의 조절은 열 회복 이전에 터빈 배기 가스의 일부를 대기로 방출하여 발생하여, 시스템에 도입된 열 입력의 일부를 낭비한다.

통상의 기술자는 위에 제공된 설명으로부터 본 발명이 제공하는 여러 장점을 이해할 수 있다.

첫째, 본 발명은 액화 천연 가스(LNG)의 기화 곡선 및 작동 유체(IMR)의 응축 곡선의 근접성으로 인해 에너지 측면에서 우수한 결과를 가진 액화 천연 가스(LNG)를 재기화 하는데 사용될 수 있는 새로운 혼합물을 제공한다.

또한, 상업적으로 이용 가능한 유체로 제조할 수 있다는 사실은 공정의 조달 용이성과 경제성을 크게 증가시킨다.

실제로, 작동 유체(IMR)를 준비하기위한 본 발명의 방법은 예를 들어 혼합물의 두 성분을 준비하기위한 증류 단계를 필요로 하지 않는다.

사용되는 액화 천연 가스(LNG)는 플랜트 자체에서 사용되는 반면, 액화 석유 가스(LPG)는 수입 및 상업용 등급일 수 있다.

다시 말하지만, 일단 IMR이 형성되면 액화 천연 가스(LNG)를 추가하여 혼합물을 "변경"할 수 있기 때문에(증발할 LNG의 가벼운 성분의 자연스러운 경향으로 인해), 플랜트에 액화 석유 가스(LPG)를 저장할 필요가 없다.

또한 설명된 시스템은 주기 성능을 최적화하기 위해 IMR의 성분을 동적으로 변경할 수 있다는 점을 고려할 때 매우 유연하다.

플랜트는 하나의 터빈으로 추출할 필요없이 쉽게 제조할 수 있으므로 여러 터빈이 있는 플랜트 또는 더 복잡한 터빈이 있는 플랜트와 관련하여 플랜트의 전반적인 신뢰성을 높일 수 있다.

터빈 화염을 위한 후-연소기를 갖는 실시예에서, 터빈 자체의 크기는 유리하게 작을 수 있다.

도 6의 구성은 가능한 대기(stand-by) 또는 시동 속도를 다루는 데 특히 흥미로울 수 있으며; 터빈 또는 정지된 플랜트를 사용할 수 없는 경우, 제 1 드럼(530, IMR 드럼)에서 액화 천연 가스가 순환되어 회로를 차갑게 유지한다.

대신 기존 기술과 관련하여, 설명된 프로세스가 전기 에너지의 공동 생성 및 총 효율((기계적 또는 전력 + 이론적 LNG 기화열)/열 전력 도입)로 고려할 때 75 % 이상의 효율로 LNG 기화를 초래하는 방법에 주목할 가치가 있다.

환경적 관점에서 볼 때, 동일한 기계적 동력 또는 전기적 동력을 분리하여 생성하고 기존의 SCV 또는 ORV 기술에 의해 액화 천연 가스(LNG)의 증발을 달성하기 위해 연료 가스의 소비 감소에 비례하는 CO2 배출 감소가 달성된다.

통상의 기술자는 또한 전술한 기술이 새로운 재기화 라인 또는 플랜트를 건설하는 데 적용될 수 있을 뿐만 아니라 기존 플랜트를 수정(개조)하는 데 어떻게 적용될 수 있는지 이해할 수 있다.

본 발명에 의해 설명된 재기화 터미널은 예를 들어 재기화되거나 저장된 액화 천연 가스(LNG)의 요청에 플랜트 유속을 조정하고 반대로 액화 천연 가스(LNG)의 량의 감소 가능성, 예를 들어 확실한 관리 유연성에 기인한 하나 이상의 라인의 루틴 또는 보충적인 유지 보수에 관련된 기술적인 요구 사항에 플랜트 운영성을 조정해야하는 요구와 같은 여러 요구를 충족시킬 수 있다.

본 발명에 의해 제안된 해결책은 또한 계절적 또는 일일 기상 조건에 고도로 적응할 수 있다.

또 다른 확실한 장점은 시스템이 다른 온도에서 열원을 사용할 수 있으므로, 더 높은 온도에서 원 에너지의 사용을 극대화할 수 있다는 것이며, 이는 최소 2 개의 열 복열기/재생기(HTS, LTS)를 도입하여 가능하다.

또한, 본 발명이 액화 천연 가스(LNG)의 재기화와 관련하여 어떻게 설명되는지 주목할 필요가 있지만, 여기에 설명된 재기화 라인, 재기화 터미널 및 재기화 공정은 저온(약 0℃ 미만) 또는 극저온(-45℃ 미만)에서 저장된 다른 액화 유체를 재기화 또는 기화시키는 데 동일하게 적용될 수 있다.

예를 들어, 본 발명은 또한 다른 액화 가스를 재기화 또는 기화 시키는데 적용된다.

530: 제 1 드럼
101: 액화 천연 가스의 제 1 량
210: 액화 석유 가스의 제 1 량
200: 액화 석유 가스의 제 1 정제량
201: 액화 석유 가스의 제 2 정제량
202: 액화 석유 가스의 제 3 정제량
204: 액화 석유 가스의 제 4 정제량
630: 필터
620: 외부 교환기

Claims

제 1 드럼(530)에서 작동 유체(IMR)을 준비하는 방법으로서,
i) 상기 제 1 드럼(530)에 액화 천연 가스의 제 1 량(101)을 준비하는 단계;
ii) 상기 액화 천연 가스의 제 1 량(101)에 액화 석유 가스의 제 1 량(210)을 추가하는 단계;
iii) 휘발성 화합물의 일부를 증발시키는 단계;
iv) 압력을 가능하다면 낮추는 단계;
v) ii), iii), 또는 iv) 단계 중 하나 이상을 가능하다면 반복하여 상기 작동 유체(IMR)의 응축 온도에 도달하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
제 1 항에 있어서,
단계 ii)에서, 액화 천연 가스의 0.25 내지 1.2 부피인 액화 석유 가스의 량이 액화 천연 가스의 1 부피에 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
액화 석유 가스는 예비 정제 단계를 거치게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
이전 항에 있어서,
상기 정제 단계는;
1) 액화 석유 가스의 제 1 정제량(200)이 외부 교환기(620)의 쉘 측으로 보내져서, 액화 석유 가스의 제 2 정제량(201)을 얻게 되는 단계;
2) 단계 1) 에서 얻어진 액화 석유 가스의 제 2 정제량(201)이 작동 유체의 드럼(530)의 내부 코일(610)로 보내져서 액화 석유 가스의 제 3 정제량(202)을 얻게 되는 단계;
3) 단계 2)에서 얻어진 액화 석유 가스의 제 3 량(202)이 외부 교환기(620)의 튜브측으로 보내지고, 상기 쉘 측에서 유동하는 단계 1)의 액화 석유 가스의 제 1 정제량(200)을 냉각하여, 액화 석유 가스의 제 4 량(203)을 얻는 단계;
4) 단계 3)에서 얻어진 액화 석유 가스의 제 4 량(203)이 고형체 필터(630)에서 추가로 필터링되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 작동 유체(IMR).
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 작동 유체(IMR)을 준비하는 플랜트에 있어서, 상기 플랜트는,
상기 작동 유체(IMR)를 생성하기 위하여 액화 천연 가스의 량에 액화 석유 가스의 량을 추가하는 제 1 드럼(530),
상기 액화 천연 가스를 위한 제 2 드럼(510),
상기 액화 석유 가스를 위한 제 3 드럼(520), 및
가능하다면, 상기 액화 석유 가스의 정제를 위하여 극저온 필터(620)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플랜트.
제 5 항에 따라 얻어진 작동 유체(IMR)의 량과 액화 천연 가스 간의 열교환을 수행하는 단계를 포함하는 액화 천연 가스 유동의 재기화 방법.
작동 유체(IMR)를 사용하는 발전 사이클에서 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지 및 열적 에너지를 생성하는 방법에 있어서,
상기 작동 유체(IMR)는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 얻어지는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
이전 청구항에 따른 작동 유체(IMR)를 사용하는 발전 사이클에서 기계적 에너지 및 또는 전기적 에너지 및 열적 에너지를 생성하는 방법에 있어서, 상기 작동 유체의 제 1 량(400)은,
a) 상기 작동 유체의 제 1 량(400)이 고온 복열기(550: recuperator)에서 가열되어, 고온에서 가열된 량(420)을 얻게 서브 단계 a1); 고온 열원(560)으로부터 가열하여 가열된 작동 유체의 제 2 량(430)을 얻는 서브 단계 a2);를 포함하는 단계,
b) 기계적 에너지의 생성되는 터빈(570)에서 팽창시켜서, 팽창된 작동 유체의 제 3 량(440)을 얻는 단계, 및
c) 부분적으로 냉각하여, 부분적으로 냉각된 작동 유체의 제 4 량(310)을 얻는 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
단계 a) 이전에,
a0) 상기 작동 유체의 제 1 량(401)의 제 1 부분은 저온 열원(580)에 의해 가열되어서 가열된 제 2 부분(402)을 얻게 되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 c) 는,
c1) 팽창된 작동 유체의 제 3 량(440)이 고온 복열기(550)에서 단계 a1)의 작동 유체의 제 1 량(400)에 열을 부분적으로 전달하여, 냉각된 작동 유체의 제 5 량(410)을 얻게 되는 단계; 및
c2) 냉각된 상기 작동 유체의 제 5 량(410)은 작동 유체의 드럼(530)으로부터 출력된 작동 유체의 제 1 량(300)과 열교환함으로써 저온 복열기(540)에서 부분적으로 냉각되어, 상기 드럼 및 작동 유체의 제 1 량(400)으로부터 출력되는 작동 유체의 냉각된 제 2 량(310)을 얻게 되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 고온 열원은 연소 엔진의 화염, 터빈의 배기 가스의 제 1 냉각으로부터 얻어지는, 가능하게는 연소후의 열; 및 보일러 또는 서로 결합되는 하나 이상의 재사용 가능한 소스를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 저온 열원은,
연소 엔진의 라디에이터에 의해 배출되는 열; 터빈의 배기 가스의 제 2 냉각으로부터 얻어지는, 가능하게는 연소후의 열; 터빈의 연소 공기의 예비 냉각으로부터 얻어지고 터빈의 배기 가스의 제 2 냉각으로부터 얻어지는, 가능하게는 연소후의, 복합적인 일련의 제 1 열 회수; 보일러 또는 서로 결합된 하나 이상의 재사용 가능한 소스를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드럼으로부터 출력되는 작동 유체의 냉각된 제 2 량(310)은 열이 전달되게 되는 액화 천연 가스의 량(100)을 재기화하는 단계에서 사용되는 것을 특징으로 하는 에너지를 생성하는 방법.
재기화 섹션(590)을 포함하는 액화 천연 가스 재기화 라인에 있어서,
액화 천연 가스의 량(100)은 제 5 항에 따른 작동 유체의 량과 열교환하여 재기화되는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스 재기화 라인.
제가화 섹션(590)을 포함하는 액화 천연 가스 재기화 라인에 있어서,
상기 액화 천연 가스의 량(100)은 제 11 항의 방법에 따라 얻어진 작동 유체의 량(310)과 열교환하여 재기화되는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스 재기화 라인.