KR20210153509A - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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KR20210153509A
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박종완
이우림
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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 액화가스를 저장하는 복수 개의 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 다단 압축하여 수요처로 공급하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및 제1 액화가스 저장탱크에 제2 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 전달하는 증발가스 전달부를 포함하며, 상기 증발가스 전달부는, 상기 제2 액화가스 저장탱크에서 배출되고 상기 압축기에서 압축된 후 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압을 기설정값 이내로 상승시켜 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액화가스를 과냉상태로 변화시키거나, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액화가스에 의해 응축되도록 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{gas treatment system and a ship having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구동되기 위해서 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다.
또한 LNG를 액상으로 보관할 때 탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 LNG가 기화되어 증발가스(BOG: Boil off Gas)가 생성되는데, 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비를 시킴으로서 문제를 해결하고자 하였으나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 증발가스를 액화가스 저장탱크 내에 주입함으로써 증발가스를 응축 또는 액화 처리할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템은, 액화가스를 저장하는 복수 개의 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 다단 압축하여 수요처로 공급하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및 제1 액화가스 저장탱크에 제2 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 전달하는 증발가스 전달부를 포함하며, 상기 증발가스 전달부는, 상기 제2 액화가스 저장탱크에서 배출되고 상기 압축기에서 압축된 후 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압을 기설정값 이내로 상승시켜 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액화가스를 과냉상태로 변화시키거나, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액화가스에 의해 응축되도록 한다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되고 상기 수요처의 요구압력에 대응하여 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 수요처의 소비량을 초과하는 잉여분이 상기 감압밸브에 전달될 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기에서 상기 수요처의 요구압력에 대응하여 압축된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스와 열교환해 냉각하여 상기 감압밸브에 전달하는 증발가스 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 감압밸브는, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압보다 상대적으로 높은 압력으로 증발가스를 감압하여 상기 증발가스 전달부에 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 전달부는, 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하는 상부 주입부; 및 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액체영역에 주입하는 하부 주입부를 포함하며, 상기 하부 주입부는, 상기 상부 주입부에 의한 증발가스의 주입과 순차적으로 증발가스를 상기 액체영역에 주입할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 전달부는, 증발가스를 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압을 상기 액화가스 저장탱크의 설계압력 이내로 상승시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 수요처는, 100barg 이상의 요구압력을 갖는 ME-GI 엔진을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 증발가스를 액화가스 저장탱크 내에서 상부 또는 하부에 전달하여, 상부 전달 시 내압 상승을 통해 응축 성능을 높이고, 하부 전달 시 운전압력의 변화 없이 액화가스가 응축되도록 하여, 증발가스를 효과적으로 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 작동을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 작동 시 시간에 따른 압력/온도 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템과 관련하여 시간에 따른 압력별 증발량 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 작동 시 시간에 따른 압력/증발가스 응축량 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
참고로 본 발명은 가스 처리 시스템과 이를 가지는 선박(상선, 해양플랜트, 해양구조물 등)을 포함하는 것이다. 또한 본 명세서에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)는 자연기화 또는 강제기화된 액화가스를 의미할 수 있다. 다만 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또한 이하에서, 감압은 팽창을 통해서 발생되는 상태일 수 있으며, 역으로 감압은 팽창에 의해서 발생되는 상태일 수 있으므로, 감압과 팽창은 서로 혼용되어 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 작동을 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 작동 시 시간에 따른 압력/온도 그래프이다.
또한 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템과 관련하여 시간에 따른 압력별 증발량 그래프이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 작동 시 시간에 따른 압력/증발가스 응축량 그래프이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 압축기(20), 증발가스 전달부(30)를 포함한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스 저장탱크(10)는 선박의 선체 내부 또는 외부 등의 다양한 위치에 설치될 수 있다. 또한 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 극저온 액상으로 저장하기 위해, 단열 구조가 적용되어 있을 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 IMO 규정에 따른 Type A, B 등의 독립형 탱크이거나, 멤브레인형 탱크 등으로 이루어질 수 있다. 다만 이하에서 설명하겠으나 본 발명의 액화가스 저장탱크(10)는 최대 내압인 설계압력이 0.3barg 내외로 마련되는 상압 저장탱크일 수 있고, IMO 규정의 Type C는 제외될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 선박에 복수 개로 마련되며, 선체의 길이 방향을 따라 나란하게 배열될 수 있다. 이때 일례로 액화가스 저장탱크(10)는 4개 이상이 마련될 수 있으며, 가장 선수 측에 배치된 액화가스 저장탱크(10)는, 선체의 선형으로 인하여 좌우 폭이 상대적으로 작게 형성됨에 따라, 도 1에서 우측에 도시된 것처럼 저장량이 상대적으로 작을 수 있다. 즉 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)는 액화가스의 저장량이 서로 다르게 마련될 수 있다. 다만 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)는 설계압력이 동일하게 마련될 수 있다.
이러한 액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 100%에 못미치는 양만큼 저장할 수 있으며, 일례로 95% 내외로 액화가스를 저장하여 운송할 수 있다. 이때 액화가스가 이루는 액면의 상방에는 증발가스가 존재하게 된다.
액화가스 저장탱크(10)는 단열 처리가 이루어져 있다 하더라도, 외부의 열침투를 완벽하게 차단할 수 없다. 따라서 내부에 저장되어 있던 액화가스는 적어도 일부분이 자연 기화함에 따라 증발가스로 변화하게 되며, 액면을 기준으로 하방에는 액상의 액화가스가 존재하고 상방에는 기상의 증발가스가 존재하게 된다.
이때 액면 하방은 액체영역(11), 액면 상방은 기체영역(12)으로 지칭될 수 있으며, 액체영역(11)의 액화가스는 액상 또는 과냉 상태일 수 있고, 기체영역(12)의 증발가스는 기상 등의 상태일 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 증발가스가 발생하게 되면 액화가스 저장탱크(10)의 내부 압력이 지속적으로 상승하게 되며, 설계압력에 도달하면 액화가스 저장탱크(10)에 마련되어 있는 안전밸브(safety valve, 도시하지 않음)가 자동으로 개방되면서 증발가스가 강제 배출될 수 있다.
다만 이 경우 배출되는 증발가스는 버려지게 되므로, 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 설계압력에 도달하지 않도록 하면서도 증발가스의 억제가 요구된다.
종래의 경우, 증발가스를 보일러, 발전엔진 등으로 소비하여 증발가스가 자연스럽게 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되도록 하였으나, 이 경우 보일러에서 생성되는 스팀 또는 발전엔진의 발전력에 잉여분이 발생할 수 있어 증발가스의 불필요한 소모가 야기될 수 있다.
또는 증발가스를 질소나 혼합냉매 등의 냉매로 열교환하여 비등점 이하로 떨어뜨리는 재액화장치를 사용하는 경우도 있는데, 이 경우 재액화장치의 설치를 위하여 선체에 충분한 공간을 확보해야 하고, 재액화장치의 가동을 위한 전력 소모가 막대하다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은, 이와 같이 증발가스의 불필요한 소비, 재액화장치 사용 등을 대신하여, 증발가스를 액화가스 저장탱크(10) 내에 주입하는 방법을 이용할 수 있는데, 이에 대해서는 이하 증발가스 전달부(30)에 대한 부분에서 자세히 설명한다.
다만 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)는 제1 액화가스 저장탱크(10a) 및 제2 액화가스 저장탱크(10b)로 구분될 수 있으며, 제1 액화가스 저장탱크(10a)는 증발가스가 주입되어 증발가스를 처리하는 구성일 수 있고, 제2 액화가스 저장탱크(10b)는 증발가스의 처리가 필요하여 증발가스가 배출되는 구성일 수 있다.
압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 압축한다. 압축기(20)는 원심형, 스크류형, 왕복동형 등으로 마련될 수 있으며, 1단 내지 6단 등 다단으로 마련될 수 있다. 또한 압축기(20)는 백업 및 부하 분담 등을 위하여 병렬로 구비되는 것도 가능하다.
압축기(20)는 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 전달받아 압축하고 수요처(E)로 공급할 수 있다. 이 경우 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(E)로는 증발가스 배출라인(L10)이 마련되며, 증발가스 배출라인(L10)은 각 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스를 상호 연통시키는 vapor main을 거쳐 수요처(E)로 연장될 수 있고, 압축기(20)를 경유할 수 있다.
수요처(E)는, 선박을 추진시키는 추진엔진 또는 선내 전력 부하를 담당하기 위한 발전엔진 등일 수 있으며, 이외에도 가스터빈, 보일러, GCU, 연료전지 등과 같이 증발가스를 소모하는 모든 장치를 포괄할 수 있다.
일례로 수요처(E)는 제1 수요처(E1)인 추진엔진과 제2 수요처(E2)인 발전엔진을 포함할 수 있으며, 액화가스가 LNG인 경우 추진엔진으로는 10barg 내지 20barg의 요구압력을 갖는 X-DF 엔진이거나, 100barg 이상(200barg 내지 400barg)의 요구압력을 갖는 ME-GI 엔진 등일 수 있다. 또는 액화가스가 LPG인 경우, 추진엔진으로 50barg 내외의 요구압력을 갖는 ME-LGI, ME-GIE 등의 엔진이 사용되는 것도 가능하다.
발전엔진은 추진엔진과 유사한 요구압력 또는 추진엔진보다 낮은 요구압력을 갖는 DFDE, DFDG 등일 수 있으며, 발전엔진이 추진엔진보다 요구압력이 낮을 경우를 대비하여, 발전엔진의 상류에는 압력조절밸브(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있다.
증발가스 배출라인(L10)은 압축기(20)를 거친 뒤 분기되어 추진엔진과 발전엔진 등으로 분기될 수 있으므로, 압력조절밸브는 증발가스 배출라인(L10)에서 분기된 지점의 하류 및 발전엔진의 상류에 구비될 수 있을 것이다.
압축기(20)는 수요처(E)의 요구압력에 대응하여 증발가스를 압축하며, 이때 발전엔진으로는 상기의 압력조절밸브가 증발가스의 감압 등을 위해 사용될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 내압을 기준범위로 유지하기 위해 증발가스를 수시로 배출할 수 있는데, 이 경우 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스의 유량은, 수요처(E)의 요구유량과 매칭되지 않을 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스의 양이 수요처(E)의 요구량(=소비량)보다 작을 경우에는, 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스가 펌프(도시하지 않음), 열교환기(도시하지 않음) 등을 거쳐 수요처(E)의 요구온도/요구압력에 맞춰진 후 수요처(E)로 보충될 수 있다.
반면 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스의 양이 수요처(E)의 소비량보다 많을 경우에는 증발가스의 잉여분이 발생하게 되며, 이때 앞서 언급한 증발가스의 강제 소비 또는 재액화가 필요할 수 있다.
그러나 본 실시예는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스 중 수요처(E)의 소비량을 초과하는 잉여분을, 증발가스 전달부(30)를 통해 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입해 처리하게 되므로, 수요처(E)의 소비량을 강제적으로 증가시키거나 재액화장치를 구비할 필요가 없게 된다.
증발가스 전달부(30)는, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10) 중에서, 어느 하나의 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를, 다른 하나의 액화가스 저장탱크(10)에 주입한다. 일례로 증발가스 전달부(30)는 제2 액화가스 저장탱크(10b)(선내에 선수에서 선미 방향으로 4개의 액화가스 저장탱크(10)가 마련될 때 1번 내지 3번 액화가스 저장탱크(10)일 수 있음)에서 발생한 증발가스를, 제1 액화가스 저장탱크(10a)(4번 액화가스 저장탱크(10))로 전달할 수 있다.
각 액화가스 저장탱크(10)에서 증발가스가 배출되는 증발가스 배출라인(L10)에는 증발가스 배출밸브(V10)가 구비될 수 있는데, 위와 같은 제어를 위하여 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 할당되는 증발가스 배출밸브(V10)는 닫힌 상태를 유지하고, 제2 액화가스 저장탱크(10b)에 할당된 증발가스 배출밸브(도시하지 않음)는 개방 상태를 유지할 수 있다.
증발가스 전달부(30)는, 별도의 재액화 없이, 제2 액화가스 저장탱크(10b)에서 배출된 증발가스가 제1 액화가스 저장탱크(10a) 내에 주입되면서 자연스럽게 처리되도록 한다. 이때 증발가스 배출라인(L10)에서 압축기(20)의 하류 및 수요처(E)의 상류에는 증발가스 전달라인(L20)이 분기될 수 있으며, 증발가스 전달부(30)는 증발가스 전달라인(L20)을 통해 유동하는 잉여분의 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)/액체영역(11)에 주입하는 상부 주입부(31)와 하부 주입부(32)를 포함한다.
상부 주입부(31)는, 제2 액화가스 저장탱크(10b)에서 배출되고 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)에 주입한다. 상부 주입부(31)가 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입하면, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압이 상승하게 되며, 내압 상승은 곧 액화가스의 비등점 상승으로 이어진다. 따라서 상부 주입부(31)에 의한 증발가스 주입은, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액화가스를 과냉상태로 변화시킬 수 있다.
다만 상부 주입부(31)는, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압을 기설정값 이내로 상승시키도록 마련된다. 일례로 상부 주입부(31)는 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입하여 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압을 0.3barg 이내로 상승시킬 수 있다. 따라서 본 발명은 액화가스 저장탱크(10)의 운전압력(또는 safety valve의 개방압력 등)을 변경하지 않더라도 증발가스 처리가 가능하다.
제2 액화가스 저장탱크(10b)에서 발생하여 처리되어야 하는 증발가스의 양 중 일부가 상부 주입부(31)에 의해 제1 액화가스 저장탱크(10a)로 주입되어 처리될 수 있으며, 나머지는 후술하는 하부 주입부(32)에 의해 순차적으로 처리될 수 있다.
하부 주입부(32)는, 제2 액화가스 저장탱크(10b)에서 배출되고 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 주입한다. 상부 주입부(31)가 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)에 증발가스를 전달함에 따라 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11) 내 액화가스는 과냉상태가 되는데, 하부 주입부(32)는 상부 주입부(31)에 의한 증발가스의 주입과 순차적으로, 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입하여 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액화가스에 의해 응축되도록 할 수 있다.
이때 순차적이라는 표현은, 상부 주입부(31)의 증발가스 주입이 모두 종결된 후 하부 주입부(32)의 증발가스 주입이 시작되는 것 외에, 상부 주입부(31)의 증발가스 주입이 시작된 후 종결되기 전에 하부 주입부(32)의 증발가스 주입이 이루어지는 것을 포함한다.
하부 주입부(32)는, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액화가스가 상부 주입부(31)에 의한 증발가스 주입 시 상승된 내압에 대응되는 액화가스의 비등점을 넘지 않는 한도에서, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 증발가스를 주입할 수 있다.
하부 주입부(32)에 의해 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 증발가스가 주입되면, 액체영역(11)의 온도가 상승하게 된다. 이때 액체영역(11)의 온도가 비등점을 넘어가게 되면 제1 액화가스 저장탱크(10a) 내에서 증발가스가 대량으로 발생할 수 있으므로, 하부 주입부(32)는 이를 방지하기 위해 액체영역(11)에 주입되는 증발가스의 유량을 일정범위 내로 제한할 수 있다.
구체적으로 하부 주입부(32)는, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)의 상단 온도가, 상부 주입부(31)에 의한 증발가스의 주입에 의해 변화한 기체영역(12)의 하단 온도를 넘지 않도록, 증발가스를 주입할 수 있다. 특히 하부 주입부(32)는, 상부 주입부(31)의 증발가스 주입 시 기체영역(12)의 최저 온도보다 낮도록 액체영역(11)에 증발가스를 주입할 수 있다.
이하에서 도 2 등을 참조하여 증발가스의 상부/하부 주입을 자세히 설명한다.
먼저 도 2를 참조하면, 액화가스 저장탱크(10)에 액화가스가 로딩된 직후의 상태를 (A)로 나타내었다. 이때 내압은 0.1barg 내외를 이룰 수 있고, 액화가스는 T1의 온도를 가질 수 있으며, 이는 비등점보다 낮은 온도 또는 해당 내압에서의 비등점에 해당하는 온도일 수 있다(T1=B0).
이후 로딩이 완료된 상태에서 선박이 항해하게 되면(Laden Voyage) 도 2의 (B)에서와 같이, 외부 열침투로 인하여 액체영역(11)의 액화가스 온도가 0.5도씨 내외 상승하게 되어 T2의 온도를 가질 수 있다.
또한 기체영역(12)의 증발가스 역시 외부 열침투로 인해 온도가 T3으로 상승한다. 다만 기체영역(12)의 경우 최상단에 열침투가 상대적으로 많이 이루어지게 됨을 고려할 때, 온도 T3은 액면을 기준으로 상방으로 가면서 높아지는 불균일한 형태로 나타날 수 있다.
다만 도 2의 (B)의 경우 도 2의 (A) 대비 증발가스가 소량 발생함에 따라 내압이 0.18barg 내외로 상승하게 되어, 비등점이 B1으로 변화할 수 있고, 액체영역(11)의 액화가스는 액상으로 유지될 수 있다.
도 2의 (C)는 도 2의 (B) 이후로서 선박을 정박(Anchoring)하기 직전의 상태를 나타내며, 도 2의 (B)와 액체영역(11) 및 기체영역(12)의 온도가 동일/유사한 상태일 수 있다.
참고로 본 발명은 증발가스의 처리가 가장 크게 요구되는 정박 직전 또는 정박 시 적용될 수 있지만, 본 발명의 가동 조건을 이로 한정하는 것은 아님을 알려둔다.
도 2의 (C)에서, 액화가스 저장탱크(10)에 대해 상승 가능한 내압인 기설정값(Setting pressure)을 토대로 비등점이 B2까지 상승할 것이 예상될 수 있다. 일례로 B2는 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 기설정값인 0.3barg 내외(일례로 0.29barg)에 도달할 때의 비등점일 수 있다.
이 경우 액화가스 저장탱크(10)의 내압을 기설정값까지 높여서 비등점을 B1에서 B2로 변화시키게 되면, 액화가스의 온도가 T2에서 B2까지 상승하는 동안에는 기화가 이루어지지 않음을 알 수 있고, 따라서 액체영역(11)의 온도가 T2에서 B2까지 상승하기 위해 필요한 총 열량(음영부분)은, 증발가스를 처리할 수 있는 최대 가용 열량이 된다.
이러한 점을 토대로, 증발가스 전달부(30)는 도 2의 (D)에서와 같이 상부 주입부(31)를 통해 증발가스를 기체영역(12)에 주입하여, 액화가스 저장탱크(10)의 내압을 기설정값으로 높일 수 있다.
상부 주입부(31)는 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)으로 증발가스를 분사 또는 공급하기 위한 기체영역 주입라인(L21)을 가질 수 있는데, 기체영역 주입라인(L21)을 통해 증발가스가 기체영역(12)에 주입되면, 높이에 따라 변화하는 온도 T3로 이루어지던 기체영역(12)의 증발가스는, 높이에 따라 온도가 비교적 일정하며 T3보다 높은 온도인 T4를 갖도록 변화할 수 있다.
또한 증발가스가 기체영역(12)에 주입되면서 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 기설정값 이내로 상승하게 되므로, 액체영역(11)에는 증발가스의 주입을 허용할 수 있는 가용열량이 설정될 수 있다.
이후 증발가스 전달부(30)는, 도 2의 (E)에 나타난 것과 같이 하부 주입부(32)를 이용하여 증발가스를 액체영역(11)에 주입할 수 있다. 하부 주입부(32)는 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)으로 증발가스를 주입하기 위한 액체영역 주입라인(L22)을 가질 수 있고, 액체영역 주입라인(L22)은 압축기(20) 하류에서 기체영역 주입라인(L21)으로부터 분기 형성될 수 있다.
액체영역 주입라인(L22)을 통해 증발가스가 주입되면 액체영역(11)의 온도는 T2에서 점차 상승하게 된다. 다만 액체영역(11)의 온도는 B2에 도달하지 않도록, 하부 주입부(32)에 의한 증발가스 전달이 제한된다.
또한 하부 주입부(32)는, 액화가스 저장탱크(10)의 보다 안정적인 저장 성능을 보장하기 위하여, 액체영역(11)의 온도가 B2보다 낮은 온도, 더 나아가 T4보다 낮은 온도인 T5까지만 상승하도록, 증발가스를 전달할 수 있다.
이와 같이 증발가스 전달부(30)의 상부 주입부(31) 및 하부 주입부(32)를 순차적으로 이용하면, 제2 액화가스 저장탱크(10b)에서 배출되는 증발가스가 재액화 없이 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 의하여 효과적으로 처리될 수 있다.
도 2의 (A) 내지 (E)에서 압력 및 상태를 요약하면 다음과 같다.
구분 A B C D E
내압
(mbarg) 		100 mbarg 180 mbarg Tank P: 180 mbarg
Setting P: 290 mbarg		 290 mbarg 290 mbarg
상태 LNG loading 직후 Laden voyage 동안 Liquid temperature 상승 Anchoring 직전 가용 열량 확인 Vapor phase 가압
(290 mbarg)		 Liquid phase로 vapor 주입
(가용 열량 확인하여 종료)
이를 도 3 내지 도 5의 그래프로 다시 설명한다.
도 3을 참고하면, 증발가스 전달부(30)에 의한 제1 액화가스 저장탱크(10a) 내 증발가스 전달은, 상부 주입부(31)에 의한 증발가스 전달(Step 1), 하부 주입부(32)에 의한 증발가스 전달(Step 2)로 구분할 수 있다.
이때 Step 1의 경우, 압축기(20) 후단의 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)에 주입하여, 기체영역(12)의 온도를 높이면서 제1 액화가스 저장탱크(10a)를 가압해, 응축 성능을 강화할 수 있다.
이후 Step 2의 경우, 압축기(20) 후단의 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 주입하되, 액체영역(11)의 온도가 기설정된 온도를 넘지 않도록 할 수 있다.
일례로 액화천연가스 운반선에 적용된 48,000m3 탱크에 대해, Step 1에서 상부 주입부(31)는, 증발가스 1ton을 주입하여 내압을 0.1barg에서 0.29barg로 상승시킬 수 있으며, Step 2에서 하부 주입부(32)는 액체영역(11)의 온도가 0.5도씨 상승하도록 하는 양(일례로 1ton 초과)만큼의 증발가스를 주입하여 처리할 수 있다. 다만 Step 1에서 내압이 상승됨에 따라 액체영역(11)에 대한 최대 가용 온도는 1.5도씨일 수 있으나, 액화가스 저장탱크(10)의 안정성을 위해, 하부 주입부(32)는 최대 가용 온도보다 낮은 온도까지만 액체영역(11)에 증발가스를 주입할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는 처리되어야 하는 증발가스의 대부분을 하부 주입부(32)로 처리할 수 있으며, 상부 주입부(31)는 하부 주입부(32)를 통해 처리할 수 있는 증발가스량을 증진시키기 위해 사용될 수 있다.
또한 도 4를 참조할 때, 증발가스의 압력이 낮으면(0barg 내외) 액화가스 저장탱크(10)의 액체영역(11)에 주입되는 증발가스가 응축되지 못하고 증발하게 되며, 증발가스의 압력이 높아질수록 응축 성능이 항상된다.
따라서 액화가스 저장탱크(10)의 운전압력이 0barg 내외일 경우, 본 실시예의 상부 주입부(31)는, 하부 주입부(32)를 통한 증발가스 처리 자체를 가능케 하는 역할을 담당할 수 있다. 다만 상부 주입부(31)는 액화가스 저장탱크(10)의 운전압력(setting pressure)의 변경이 없도록 하기 위해, 0.3barg 이하로 내압 상승을 유도할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서 액체영역(11)을 통해 흡수(응축)될 수 있는 증발가스량을 나타낸다. 다만 도 5에 나타난 증발가스량의 수치는 예시로서 실제로 하부 주입부(32)가 처리할 수 있는 증발가스 수치와는 다를 수 있다.
하부 주입부(32)를 활용하여 액체영역(11)에 지속적으로 증발가스를 넣는 시나리오를 계산해보면, 증발가스량이 일정량에 도달할 때까지 액화가스 저장탱크(10)의 내압은 액화가스 저장탱크(10)의 운전압력인 0.3barg 이내로 유지된다.
다만 액체영역(11)에 증발가스를 더 주입하게 되면, 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 0.6barg로 급상승하게 된다. 이후에도 증발가스의 주입 시 액화가스 저장탱크(10)의 내압은 계단 형태로 증가하게 됨을 알 수 있다.
다만 본 실시예는, 액화가스 저장탱크(10)의 설계압력까지 증발가스를 주입하게 될 경우 제1 액화가스 저장탱크(10a) 자체의 운영 효율성이 저하될 수 있음을 고려하여, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 운전압력인 0.3barg를 마지노선으로 하여 하부 주입부(32)에 의한 증발가스 주입량을 제한할 수 있다.
더욱이 본 실시예는, 운전압력을 유지하면서 액체영역(11)에 주입될 수 있는 증발가스량 대비, 일정한 마진을 두고 상대적으로 더 적은 증발가스량을 최대 증발가스 주입량으로 세팅할 수 있다.
즉 액화가스 운반선에서 48,000m3의 용적을 갖는 액화가스 저장탱크(10)에 대해, 내압을 0.3barg 이내로 하면서 액체영역(11)에 유입될 수 있는 증발가스량이 A일 때, 주입이 허용되는 증발가스량은 A 대비 10 내지 50%로 설정될 수 있다. 이는 앞서 설명한 가용 열량/가용 온도에 대한 내용과 대응된다.
이와 같이 본 실시예는, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 후 수요처(E)에서 소비되지 못한 잉여분의 증발가스에 대해, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12) 및 액체영역(11)에 주입해 처리함으로써, 재액화장치를 구비할 필요 없이 증발가스를 효과적으로 처리해낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략하는 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 다른 실시예에서도 마찬가지임을 알려둔다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10), 압축기(20), 증발가스 전달부(30)를 포함하면서도, 앞선 실시예 대비 냉매 냉각부(40)를 더 포함한다.
냉매 냉각부(40)는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스 중 수요처(E)의 소비량을 초과하는 잉여분을, 별도의 냉매와 열교환하여 냉각한 후 증발가스 전달부(30)에 전달한다. 이때 냉매는 질소, 프로판, 혼합냉매(MR: Mixed Refrigent) 등일 수 있고, 증발가스나 액화가스와 별도로 구비되는 물질일 수 있다.
냉매 냉각부(40)는, 냉매 열교환기(41)를 포함하며 냉매 열교환기(41)는 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스를 냉매와 열교환하는 복수 stream 구조를 갖는다. 냉매 열교환기(41)는 Shell&Tube 또는 PCHE 등의 다양한 타입으로 구비될 수 있다.
냉매 냉각부(40)는 냉매 열교환기(41)에 저온 냉매를 공급하여 증발가스를 냉각하기 위해, 냉매를 순환/압축/감압/팽창시키는 구성들을 포함할 수 있고, 일례로 냉매가 질소일 경우 냉매 냉각부(40)는 질소의 압축이나 팽창을 구현하는 질소 컴팬더를 포함할 수 있다. 또는 냉매가 혼합냉매일 경우 냉매 냉각부(40)는 냉매 압축기(20)와 팽창밸브, 냉매 분리기 등을 포함할 수 있다.
즉 냉매 냉각부(40)는, 공지의 재액화장치에서 냉매를 처리하기 위한 구성들을 모두 포함할 수 있으며, 다만 본 실시예의 냉매 냉각부(40)는 냉매로 증발가스를 냉각하되, 증발가스가 완전 재액화되지 않는 범위로 냉각을 구현할 수 있다.
구체적으로 냉매 냉각부(40)는, 냉매와 열교환되어 냉각된 증발가스에 적어도 일부의 기상이 존재하도록 냉각한다. 이때 냉매 냉각부(40)가 냉각하는 증발가스의 온도는 냉매 냉각부(40)로 유입된 증발가스의 비등점보다 높을 수 있으며, 냉매 냉각부(40)에 의해 냉각된 증발가스는 기상의 탄화수소(메탄 등)를 포함할 수 있다.
즉 냉매 냉각부(40)에 의한 증발가스의 냉각 시, 증발가스에 포함될 수 있는 질소가 액화되지 않는 것은 물론이고, 증발가스에 포함되는 탄화수소(액화가스가 LNG일 경우 메탄, 액화가스가 LPG일 경우 프로판/부탄 등) 역시 재액화되지 않도록, 냉매 냉각부(40)는 공지의 재액화장치보다 냉각성능이 축소될 수 있다.
이 경우 증발가스 전달부(30)는, 냉매 냉각부(40)에서 냉각된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)에 주입하여 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압을 기설정값 이내로 상승시킬 수 있다.
냉매 냉각부(40)는 증발가스 배출라인(L10)에서 압축기(20)의 하류로부터 분기된 증발가스 전달라인(L20) 상에 마련되며, 증발가스 전달라인(L20)에서 냉매 냉각부(40)의 하류에는 기체영역 주입라인(L21)을 포함하는 상부 주입부(31)와, 액체영역 주입라인(L22)을 포함하는 하부 주입부(32)가 마련될 수 있다.
본 실시예는, 냉매 냉각부(40)를 적용해 제1 액화가스 저장탱크(10a)로 주입되어 처리될 수 있는 증발가스의 유량을 증가시키되, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압 상승을 유도하기 위해 냉매 냉각부(40)가 증발가스를 완전 재액화시키지 않을 수 있다.
즉 냉매 냉각부(40)는 냉매와 열교환하여 냉각된 증발가스가 기상 및 액상이 혼재하도록 냉각할 수 있으며, 이때 증발가스 전달부(30)의 상부 주입부(31)는 냉각된 증발가스의 기상을 이용해 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압 상승을 유도할 수 있다.
상부 주입부(31)에 의한 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압 상승이 이루어지면, 하부 주입부(32)는 냉매 냉각부(40)에서 냉각된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 주입한다. 이때 액체영역(11)에 주입되는 증발가스는 액상을 포함할 수 있고 압축기(20)에서 토출된 증발가스 대비 저온이므로, 본 실시예는 앞선 실시예 대비 액체영역(11)에 주입할 수 있는 증발가스량이 증대될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 공지된 재액화장치와 유사한 냉매 냉각부(40)를 적용하되, 냉매 냉각부(40)에서 냉각된 증발가스에 기상이 존재하는 한도로만 냉각하여, 앞선 실시예와 마찬가지의 증발가스 처리를 구현하면서도, 공지된 재액화장치보다 대폭 축소된 냉매 냉각부(40)를 이용하여 증발가스 처리량을 증대시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10), 압축기(20), 부스터 압축기(21), 증발가스 열교환기(50), 감압밸브(60), 증발가스 전달부(30)를 포함한다.
본 실시예에서 압축기(20)는 증발가스를 압축하여 수요처(E)로 공급하는데, 수요처(E)(특히 요구압력이 상대적으로 높은 제1 수요처(E1))는 10barg 내지 20barg의 요구압력을 갖는 X-DF 엔진 등일 수 있고, 압축기(20)의 압축 압력은 수요처(E)의 요구압력에 대응될 수 있다.
즉 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(E)로 연결되는 증발가스 배출라인(L10)에는 압축기(20)가 구비될 수 있고, 압축기(20)에서 배출된 증발가스는 100barg에 못미치는 압력을 갖는다.
이때 본 실시예는, 증발가스 배출라인(L10)에서 압축기(20)의 하류로부터 분기되는 증발가스 전달라인(L20) 상에, 부스터 압축기(21)를 적용할 수 있다. 부스터 압축기(21)는 압축기(20)에서 압축된 증발가스 중 적어도 일부를 추가 압축할 수 있다.
구체적으로 부스터 압축기(21)는, 압축기(20)에서 수요처(E)의 요구압력에 대응하여 압축된 증발가스 중 수요처(E)의 소비량을 초과하는 잉여분을, 수요처(E)의 요구압력을 초과하도록 추가 압축할 수 있다. 일례로 부스터 압축기(21)는 20barg 이내로 압축된 증발가스를 100barg 이상으로 압축할 수 있다.
부스터 압축기(21)는 압축기(20)와 별도로 마련되며, 압축기(20)와 독립적으로 가동 가능하게 구비될 수 있다. 즉 압축기(20)와 부스터 압축기(21)에는 각각 구동원이 할당될 수 있다. 또한 부스터 압축기(21)는 필요에 따라 압축기(20)와 상이한 타입으로 마련될 수 있으며, 일례로 도면에서와 같이 압축기(20)가 스크류형일 때 부스터 압축기(21)는 왕복동형 등으로 마련될 수 있다. 물론 부스터 압축기(21)의 타입은 상기로 제한하지 않는다.
증발가스 열교환기(50)는, 부스터 압축기(21)에서 압축된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스와 열교환한다. 증발가스 열교환기(50)는 앞서 설명한 냉매 열교환기(41)와 유사하게 복수의 stream이 구비된 형태로 마련되며, 어느 하나의 stream은 증발가스 배출라인(L10)이 연결되어 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 상대적 저온의 증발가스가 유동한다. 반면 다른 하나의 stream은 증발가스 전달라인(L20)을 따라 유동하면서 부스터 압축기(21)에서 압축된 상대적 고온의 증발가스가 유동하게 된다.
이때 부스터 압축기(21)에서 압축된 증발가스는 증발가스 열교환기(50)에서 열교환되면서 냉각되며, 반면 액화가스 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스는 증발가스 열교환기(50)에서 열교환되면서 가열된다. 따라서 압축기(20)의 1단에 유입되는 증발가스의 온도가 상승하게 되므로, 본 실시예는 압축기(20)의 적어도 1단에 대해 극저온 압축기(20)를 사용하지 않을 수 있고, 일례로 상온 압축기(20)를 사용할 수 있다.
증발가스 열교환기(50)에서 냉각된 증발가스는 증발가스 전달라인(L20)을 통해 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)/액체영역(11)에 주입되는데, 이 경우 앞선 제2 실시예에서 설명한 것과 같이 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입되는 증발가스가 냉각됨에 따라 처리 가능한 증발가스량이 증대될 수 있다.
증발가스 열교환기(50)에서 냉각된 증발가스는, 후술할 감압밸브(60)를 거쳐 감압되면서 추가 냉각된 후 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 전달될 수 있다.
감압밸브(60)는, 부스터 압축기(21)에서 압축된 증발가스를 감압한다. 감압밸브(60)는 줄-톰슨 밸브 등일 수 있으며, 줄-톰슨 효과를 통해 증발가스가 감압에 의하여 냉각되도록 할 수 있다.
감압밸브(60)에서 감압된 증발가스는, 증발가스 전달부(30)의 상부 주입부(31)와 하부 주입부(32)로 공급되어, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)이나 액체영역(11)에 주입되어 처리될 수 있다.
다만 감압밸브(60)는 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압보다 상대적으로 높은 압력으로 증발가스를 감압하여 증발가스 전달부(30)에 전달할 수 있으며, 이는 상부 주입부(31)에 의한 기체영역(12)으로의 증발가스 주입 시, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압을 높이기 위함이다.
물론 상부 주입부(31)의 증발가스 주입 이후 하부 주입부(32)에 의한 증발가스 주입 시, 감압밸브(60)는 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압에 대응되는 압력으로 증발가스를 감압하여 증발가스 전달부(30)에 전달할 수 있다.
앞서 설명한 증발가스 열교환기(50) 및 감압밸브(60)는, 고압으로 압축된 증발가스를 열교환으로 냉각한 후 감압을 통해 냉각하게 된다. 다만 이 경우 제2 실시예에서 설명한 것과 마찬가지로, 감압밸브(60)에 의해 감압된 증발가스는 적어도 일부의 기상이 존재하는 상태일 수 있다.
즉 감압밸브(60)는 증발가스가 기상 및 액상이 혼재하도록 감압할 수 있다. 또한 이 경우 증발가스 열교환기(50)에 의한 1차 냉각이 충분히 이루어지지 않아도 문제없는 바, 증발가스 열교환기(50)는 생략될 수 있다. 또는 부스터 압축기(21)에서 압축된 고온 증발가스량 대비 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 저온 증발가스량이 매우 부족한 경우에도 증발가스의 처리에는 문제가 없다.
이와 같이 본 실시예는 부스터 압축기(21), 증발가스 열교환기(50), 감압밸브(60)의 조합을 통해 냉매 열교환을 대신한 증발가스 냉각을 적용하고 증발가스 전달부(30)를 활용함으로써, 증발가스 처리량을 충분히 확보할 수 있다.
참고로 본 실시예에 해당하는 도 7 외에, 도 1, 도 6, 도 9 내지 도 10에서 동일한 위치에 도시된 밸브 역시 본 실시예에서 설명한 감압밸브(60)에 해당하는 구성일 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 압축기(20)와 부스터 압축기(21)의 구성에 있어서 앞선 제3 실시예와 차이가 있다.
본 실시예의 부스터 압축기(21)는, 압축기(20)와 일체로 구성될 수 있다. 즉 압축기(20)와 부스터 압축기(21)는 하나의 구동원에 의해 가동할 수 있다. 이때 압축기(20)와 부스터 압축기(21)는 일체의 다단 압축부를 이룰 수 있다.
이 경우 압축기(20)는 다단 압축부의 상류를 구성하며, 부스터 압축기(21)는 다단 압축부의 하류를 각각 구성할 수 있다. 일례로 다단 압축부가 5단 또는 6단일 경우, 압축기(20)는 1단 내지 3단을 구성하고, 부스터 압축기(21)는 4단 내지 최종단을 구성할 수 있다.
또한 증발가스 전달라인(L20)은 다단 압축부의 하류에서 연장될 수 있고, 반면 증발가스 배출라인(L10)은 다단 압축부의 중간 지점인 압축기(20)와 부스터 압축기(21) 사이에서 분기되어 수요처(E)로 연결될 수 있다.
이러한 경우 앞선 실시예와 달리, 압축기(20)와 부스터 압축기(21)는 동종의 타입으로 마련될 수 있으며, 하나의 구동원을 이용하게 되므로 잉여분의 증발가스가 없는 경우에도 압축기(20)가 가동하게 되면 부스터 압축기(21)는 가동이 이루어질 수 있다. 다만 부스터 압축기(21)는 언로딩 제어 등을 통해 가동 부하를 최소화할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 제3 실시예 및 제4 실시예 대비 제1 수요처(E1)가 상이할 수 있다. 본 실시예에서 제1 수요처(E1)는 100barg 이상의 요구압력을 갖는 ME-GI 엔진일 수 있다.
이 경우 본 실시예는, 수요처(E)의 요구압력에 대응하여 증발가스를 압축하는 압축기(20)에 의해 100barg 이상으로 압축이 이루어지게 되는 바, 감압밸브(60)에 의한 감압 시 충분한 냉각 효과를 거둘 수 있다.
따라서 본 실시예는 앞선 제3 실시예 등에서 설명한 부스터 압축기(21)를 생략할 수 있다. 즉 본 실시예는 증발가스를 100barg 이상으로 가압하기 위해 다단으로 이루어지는 압축기(20)의 최종단에서 배출되는 증발가스가, 압축기(20) 하류에서 증발가스 배출라인(L10)으로부터 분기된 증발가스 전달라인(L20)을 따라 유동하여, 증발가스 열교환기(50) 및 감압밸브(60)를 거쳐 증발가스 전달부(30)로 전달될 수 있다.
이때 증발가스 전달부(30)는 100barg 이상으로 압축기(20)에 의해 압축된 후 감압밸브(60)에 의해 감압되면서 냉각된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)이나 액체영역(11)에 주입하여 처리할 수 있으며, 앞서도 설명한 것처럼 감압밸브(60)는 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압 상승을 유도하기 위해, 압축기(20)에서 압축되고 증발가스 열교환기(50)에서 냉각된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압보다 높은 압력으로 감압하여 증발가스 전달부(30)에 전달할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 100barg 이상의 요구압력을 갖는 수요처(E)인 ME-GI 등을 사용할 경우, 부스터 압축기(21)를 두지 않고 하나의 다단 압축기(20)를 사용하여 수요처(E)로의 증발가스 공급 및 증발가스 전달부(30)에 의한 증발가스 처리를 모두 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10), 압축기(20), 증발가스 전달부(30)를 포함하며, 재응축기(70)를 더 포함할 수 있다.
재응축기(70)는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스에 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스를 혼합한다. 이를 위해 압축기(20)의 하류에서 재응축기(70)로는 증발가스를 전달하는 증발가스 응축라인(L23)이 마련될 수 있다.
또한 재응축기(70)에는 증발가스에 혼합되기 위한 액화가스가 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되며, 이때 액화가스 저장탱크(10)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있는 이송펌프(13)가 활용된다. 이송펌프(13)에는 액화가스 배출라인(L30)이 마련되어 액화가스가 액화가스 저장탱크(10)로부터 외부로 배출되며, 액화가스 배출라인(L30)은 재응축기(70)로 연결될 수 있다.
또한 재응축기(70)에는, 액체영역 주입라인(L22)이 연장된다. 액체영역 주입라인(L22)은 앞서 하부 주입부(32)에 대해 설명한 내용과 같이, 재응축기(70)에서 액화가스가 혼합된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)으로 전달하여 처리할 수 있다.
반면 증발가스 전달부(30)의 상부 주입부(31)는, 재응축기(70)와 독립적으로 마련되는 기체영역 주입라인(L21)을 이용할 수 있다. 기체영역 주입라인(L21)은 압축기(20)의 하류에서 분기되어 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)으로 연장될 수 있다.
따라서 압축기(20) 하류에서 증발가스 배출라인(L10) 상에는, 기체영역 주입라인(L21) 및 증발가스 응축라인(L23)이 각각 분기되어 있을 수 있다. 이때 기체영역 주입라인(L21)과 증발가스 응축라인(L23)의 분기점 배치는 도면에 나타난 것으로 한정되지 않는다.
즉 본 실시예의 상부 주입부(31)는, 압축기(20)에서 압축된 후 기체영역 주입라인(L21)으로 분기된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)에 주입하여, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압을 기설정값 이내로 상승시켜 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액화가스를 과냉상태로 변화시킬 수 있다.
또한 본 실시예의 하부 주입부(32)는, 압축기(20)에서 압축된 후 증발가스 응축라인(L23)으로 분기되어 재응축기(70)로 전달된 뒤, 재응축기(70)에서 액화가스가 혼합된 증발가스를, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 주입하여 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액화가스에 의해 응축되도록 할 수 있다.
여기서 재응축기(70)는, 적어도 일부의 기상이 존재하는 증발가스를 증발가스 전달부(30)에 전달할 수 있다. 상부 주입부(31)에 의해 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압이 상승하게 되면, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)이 일정량의 증발가스를 처리할 수 있는 과냉 상태가 되므로, 본 실시예는 재응축기(70)로 증발가스를 모두 응축시켜 처리하는 것이 아니라, 재응축기(70)에 존재하는 기상과 액상이 혼재된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)으로 주입하여 처리할 수 있다.
이때 재응축기(70)는, 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압에 대응하는 내압을 가지며 증발가스에 액화가스를 혼합하여 증발가스 전달부(30)에 전달할 수 있다. 이는 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압 상승은 재응축기(70)와 독립적으로 마련되는 증발가스 전달라인(L20)을 통해 이루어질 수 있기 때문이다.
또한 재응축기(70)는, 적어도 일부의 기상이 존재하는 증발가스가 증발가스 전달부(30)의 하부 주입부(32)를 통해 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 전달되도록 하고, 액화가스에 의해 응축된 증발가스를 제2 액화가스 저장탱크(10b)로 전달할 수 있다.
재응축기(70)에서 제1 액화가스 저장탱크(10a)로 연결되는 액체영역 주입라인(L22)은, 재응축기(70)의 바닥에서 일정높이 상방에 위치한 지점으로부터 연장되며, 해당 지점은 재응축기(70) 내 액위보다 높은 위치일 수 있다.
반면 재응축기(70)에는 바닥에 액화가스 회수라인(도시하지 않음)이 마련되며, 액화가스 회수라인은 액상으로 응축된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 회수할 수 있다. 즉 재응축기(70)는 증발가스 전달부(30)로 기상 및 액상이 혼재된 증발가스를 전달하고, 액화가스 저장탱크(10)로 액화된 증발가스를 전달할 수 있다.
물론 재응축기(70)가 액화된 증발가스를 전달하는 액화가스 저장탱크(10)는, 제2 액화가스 저장탱크(10b)가 아닌 제1 액화가스 저장탱크(10a)일 수도 있으며, 기상과 액상이 혼합된 증발가스에 대한 액체영역(11)으로의 전달과, 액화된 증발가스의 액화가스 저장탱크(10)로의 전달은, 순차적으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 기체영역(12)에 주입해 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 내압을 상승시키고, 재응축기(70)를 이용하여 액화가스와 혼합된 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)의 액체영역(11)에 주입해 처리함으로써, 증발가스 처리 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 도 1을 통해 설명한 제1 실시예와 대비할 때, 증발가스 전달부(30)가 압축기(20) 중간단에서의 증발가스를 활용할 수 있다.
본 실시예의 수요처(E, 특히 제1 수요처(E1))는 앞서 설명한 바와 같이 X-DF 엔진 또는 ME-GI 엔진 등일 수 있으며, 압축기(20)는 제1 수요처(E1)의 요구압력에 대응하여 증발가스를 압축하기 위해 다단으로 마련될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스는, 압축기(20)에 의해 다단 압축되어 제1 수요처(E1)의 요구압력을 갖고 제1 수요처(E1)로 공급되는데, 제1 수요처(E1)에서 소화하지 못하는 잉여분은 압축기(20) 최종단의 하류가 아닌, 압축기(20)의 중간단에서 분기되어 감압밸브로 전달될 수 있다.
즉 증발가스 배출라인(L10)에는 다단으로 이루어지는 압축기(20)가 마련되며, 압축기(20)에서 중간단에서는 증발가스 전달라인(L20)이 분기되어 있을 수 있다. 일례로 제1 수요처(E1)가 X-DF 엔진이고 압축기(20)가 4단 또는 6단으로 마련될 경우 증발가스 전달라인(L20)은 압축기(20)의 1단 또는 2단의 하류에서 분기되도록 마련된다. 또는 일례로 제1 수요처(E1)가 ME-GI 엔진이고 압축기(20)가 5단 또는 6단으로 마련될 경우 증발가스 전달라인(L20)은 압축기(20)의 3단 또는 5단의 하류에서 분기되도록 마련될 수 있다.
따라서 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되고 압축기(20)의 적어도 1단에 의해 압축된 증발가스 중 제1 수요처(E1)의 소비량을 초과하는 잉여분은, 압축기(20)의 중간단에서 감압밸브로 전달되어 증발가스 전달부(30)에 의해 제1 액화가스 저장탱크(10a)로 주입될 수 있다.
압축기(20)는, 저압단(20a)과 고압단(20b)으로 구분할 수 있다. 저압단(20a)은 적어도 1단을 포함하는 부분으로서, 증발가스의 압축 시 윤활 또는 실링을 위해 마련되는 윤활유가 증발가스에 혼입되지 않도록 가동할 수 있다.
반면 고압단(20b)은, 저압단(20a)의 하류에 마련되며 증발가스의 압축 시 증발가스에 윤활유가 혼입될 수 있는 부분이다. 즉 고압단(20b)에 의해 압축되어 압축기(20)로부터 배출된 증발가스는, 윤활유가 섞여 있을 수 있다. 그러나 윤활유는 제1 수요처(E1)에서 소비 가능할 수 있으므로, 압축기(20)에서 최종 배출된 증발가스에 윤활유가 혼입되어 있더라도 제1 수요처(E1)의 가동에는 문제가 없다.
다만 윤활유가 혼입된 증발가스를 액화가스 저장탱크(10)로 리턴하게 될 경우에는 액화가스 저장탱크(10) 내부의 액화가스 품질 저하를 야기할 수 있다.
따라서 본 실시예의 증발가스 전달부(30)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 배출되고 압축기(20)의 저압단(20a)까지만 압축된 후 저압단(20a)과 고압단(20b) 사이에서 분기되는 증발가스를 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입할 수 있다.
다만 본 실시예를 제외한 다른 실시예들의 경우, 증발가스 전달부(30)에 전달되는 증발가스에 윤활유의 혼입을 방지하기 위하여, 증발가스 전달라인(L20)에 윤활유 필터(도시하지 않음)가 구비될 수 있을 것이다. 물론 본 실시예 역시 윤활유의 혼입을 최대한 억제하기 위하여 윤활유 필터가 부가될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 제1 수요처(E1)의 요구압력에 맞게 다단으로 증발가스를 압축하는 압축기(20)를 구비하되, 압축기(20)의 최종단이 아닌 중간단에서 증발가스를 분기하여 제1 액화가스 저장탱크(10a)에 주입하여 처리하며, 재액화나 증발가스 열교환 없이 컴팩트한 시스템의 구성이 가능하고, 압축기(20)에서 사용되는 윤활유로 인한 액화가스 품질 저하를 방지할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 가스 처리 시스템 10: 액화가스 저장탱크
10a: 제1 액화가스 저장탱크 10b: 제2 액화가스 저장탱크
11: 액체영역 12: 기체영역
13: 이송펌프 20: 압축기
20a: 저압단 20b: 고압단
21: 부스터 압축기 30: 증발가스 전달부
31: 상부 주입부 32: 하부 주입부
40: 냉매 냉각부 41: 냉매 열교환기
50: 증발가스 열교환기 60: 감압밸브
70: 재응축기 E: 수요처
E1: 제1 수요처 E2: 제2 수요처
L10: 증발가스 배출라인 V10: 증발가스 배출밸브
L20: 증발가스 전달라인 L21: 기체영역 주입라인
L22: 액체영역 주입라인 L23: 증발가스 응축라인
L30: 액화가스 배출라인

Claims (8)

  1. 액화가스를 저장하는 복수 개의 액화가스 저장탱크;
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 다단 압축하여 수요처로 공급하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 증발가스를 감압하는 감압밸브; 및
    제1 액화가스 저장탱크에 제2 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 전달하는 증발가스 전달부를 포함하며,
    상기 증발가스 전달부는,
    상기 제2 액화가스 저장탱크에서 배출되고 상기 압축기에서 압축된 후 상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압을 기설정값 이내로 상승시켜 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액화가스를 과냉상태로 변화시키거나, 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액화가스에 의해 응축되도록 하는 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에서 배출되고 상기 수요처의 요구압력에 대응하여 상기 압축기에 의해 압축된 증발가스 중 상기 수요처의 소비량을 초과하는 잉여분이 상기 감압밸브에 전달되는 가스 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기에서 상기 수요처의 요구압력에 대응하여 압축된 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크에서 배출되는 증발가스와 열교환해 냉각하여 상기 감압밸브에 전달하는 증발가스 열교환기를 더 포함하는 가스 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 감압밸브는,
    상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압보다 상대적으로 높은 압력으로 증발가스를 감압하여 상기 증발가스 전달부에 전달하는 가스 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 전달부는,
    상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하는 상부 주입부; 및
    상기 감압밸브에서 감압된 증발가스를 상기 제1 액화가스 저장탱크의 액체영역에 주입하는 하부 주입부를 포함하며,
    상기 하부 주입부는, 상기 상부 주입부에 의한 증발가스의 주입과 순차적으로 증발가스를 상기 액체영역에 주입하는 가스 처리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 증발가스 전달부는,
    증발가스를 상기 제1 액화가스 저장탱크의 기체영역에 주입하여 상기 제1 액화가스 저장탱크의 내압을 상기 액화가스 저장탱크의 설계압력 이내로 상승시키는 가스 처리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 수요처는,
    100barg 이상의 요구압력을 갖는 ME-GI 엔진을 포함하는 가스 처리 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 선박.
KR1020200132432A 2020-06-10 2020-10-14 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 KR20210153509A (ko)

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