KR20220165253A - 액화 및 과냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

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프레데릭 마르쿠칠리
니콜라스 브루너
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크라이오스타 에스아에스
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Abstract

제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화시키기 위한, 특히, 보일 오프 가스(boil off gas) 관리 시스템용, 액화 및 과냉각 시스템이 제공된다. 본 시스템은 제1 가스 및 제2 가스의 상이한 액화 온도에 상응하는 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 교대로 제공하도록 작동 가능한 냉동 디바이스(10), 냉매 유체가 이의 냉각 온도에서 과냉각 배열체에 공급되도록 냉동 디바이스에 결합된 과냉각 배열체(50)를 포함하며, 과냉각 배열체는 액화 및/또는 과냉각되는 가스와 냉매 유체 간에 열을 교환하기 위한 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)를 가지며, 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 냉동 디바이스는 제1 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하도록 구성되며, 과냉각 배열체는 제1 과냉각기(70)를 통해 냉매 유체 및 가스를 유도하도록 구성되며; 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 냉동 디바이스는 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하도록 구성되며, 과냉각 배열체는 제2 과냉각기(72)를 통해 냉매 유체 및 가스를 유도하도록 구성된다. 상응하는 방법 및 보일 오프 가스 관리 시스템이 추가로 제공된다.

Description

액화 및 과냉각 시스템 및 방법
본 발명은 액화 가스의 저장 및 수송에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 동일한 설비에서 교대로 저장 및/또는 운반되는 상이한 액화 가스의 보일 오프 가스(boil off gas)의 관리 및 재-액화 및 과냉각에 관한 것이다.
액화 에탄 또는 액화 천연 가스(LNG)와 같은 액화 가스는 통상적으로, 플로팅 수송 용기(floating transportation vessel)와 같은 액화 가스 캐리어에 의해 운반될 때 포화 조건에서 대기탱크에 저장된다. 탱크에서 액화 가스는 탱크의 불가피한 불완전한 단열로 인해 증발한다. 이러한 증발된 가스는 보일 오프 가스(BOG)로 알려져 있다. 가스 캐리어의 엔진들에 전력을 공급하기 위해 BOG의 일부를 사용하는 것이 가능하지만, 일반적으로 모든 BOG가 이러한 방식으로 이용될 수 있는 것은 아니다. 따라서, 액화 가스 캐리어는 탱크 내의 압력 증가를 피하기 위해 BOG를 재-액화하거나 대기로 BOG를 배출시키기 위한 BOG 관리 시스템을 갖는다. 이러한 BOG 관리 시스템들은 알려져 있다(예를 들어, US 20140102133 A1호 참조).
상이한 가스의 경우, 대기탱크에 포화 조건에서 저장된 액화 가스의 온도에 큰 차이가 있다. 예를 들어, 액화된 에탄용 탱크 내의 온도 수준은 대략 -90℃인 반면, LNG용 탱크 내의 온도 수준은 대략 -160℃이다. 공지된 BOG 관리 시스템은 일반적으로 대기압에서의 포화 온도에서 큰 차이를 갖고 재-액화에 사용되는 냉매 유체의 냉각 온도에서 큰 차이를 필요로 하는 상이한 가스를 재-액화할 수 없다.
현재, 최대 180,000 ㎥를 운반할 수 있는 대형 가스 캐리어를 구축할 계획에 있다. 미국에서 셰일 가스 유래 부산물인 잉여 에탄은 예를 들어, 북미로부터 유럽으로 이러한 캐리어에 의해 운반된다. 그러나, 건설에 큰 투자를 필요로 하는 에탄 캐리어는 특히 불확실한 시장 조건의 경우에도 더 높은 정도의 유연성을 제공하도록 LNG를 운반할 수 있는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은 상이한 온도 수준에서 효율적으로 작동할 수 있는 액화 및 과냉각 시스템을 제공하는 것이며, 특히 액화 및 과냉각 시스템은 보일 오프 가스를 재-액화 및 과냉각을 위한 보일 오프 가스 관리 시스템에서 사용하기에 적합해야 한다.
독립항에 따라 제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화 및 과냉각하기 위한 액화 및 과냉각 시스템, 보일 오프 가스 관리 시스템, 및 제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화 및 과냉각시키는 방법이 제공된다. 종속항 및 하기 설명은 바람직한 구현예에 관한 것이다.
제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화시키기 위한 액화 및 과냉각 시스템은, 제1 가스 및 제2 가스의 상이한 액화 온도에 상응하는 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 교대로 제공하도록 작동 가능한 냉동 디바이스, 냉매 유체가 이의 냉각 온도에서 과냉각 배열체에 공급되도록 냉동 디바이스에 결합된 과냉각 배열체를 포함하며, 과냉각 배열체는 액화 및/또는 과냉각되는 가스와 냉매 유체 간에 열을 교환하기 위한 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기를 가지며, 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 냉동 디바이스는 제1 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하도록 구성되며, 과냉각 배열체는 제1 과냉각기를 통해 냉매 유체 및 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하도록 구성되며; 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 냉동 디바이스는 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하도록 구성되며, 과냉각 배열체는 제2 과냉각기를 통해 냉매 유체 및 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하도록 구성된다. 용어 '액화 온도'는 제공된 압력에서 가스를 액화시키는 데 필요한 극저온 온도를 나타내기 위해 본원에서 사용된다. 액화 후에(또는 이미 이전의 압축 단계 후에), 액체 상태의 가스가 얻어지며, 이는 추가로 액화 온도 아래로 냉각될 수 있고, 즉, 과냉각될 수 있다. 따라서, 일반적으로 공정은 액화 및/또는 과냉각을 포함한다. 단순화를 위해, 표현 "액화 및/또는 과냉각되는 가스"는 이러한 표현의 과냉각 부분이 (재-)액화 가스에 관한 것을 의미하는 것으로 사용되며, 즉, 본 표현에서 "과냉각되는 가스"의 부분은 (재-)액화 가스(액체 상태)가 과냉각됨(액화 온도 아래로 냉각됨, 응축 온도 아래로 냉각됨)을 의미한다.
액화 및 과냉각 시스템은 특히 대기 온도에서 액체 가스용 저장 또는 수송 장치의 보일 오프 가스(BOG) 관리 시스템에, 즉 액체 가스용 탱크를 위한 BOG 관리 시스템에서 사용될 수 있다. BOG 관리 시스템에서, 가스가 '재-액화'되지만, 용어 '액화된', '액화하는', 및 '액화'는 단순화를 위해 및 가스의 이전 상태가 본 발명을 수행하는 데 필수적이지 않기 때문에 본 출원 전반에 걸쳐 사용된다.
본 발명에 따른 액화 및 과냉각 시스템은 유리하게는 상이한 가스의 액화에, 특히, 상이한 보일 오프 가스의 관리에 일반적인 단일 냉각 생산 시스템(냉동 디바이스)의 사용을 가능하게 한다. 상세하게는, 회전 기계는 일반적이며, 냉매는 일반적이며, 상이한 가스 사이의 전환이 간단한 온/오프 밸브 세트에 의해 수행될 수 있다.
이러한 솔루션에 따르면, 2개의 상이한 과냉각기의 제공은 상이한 가스를 액화를 가능하게 한다. 액화 및 과냉각 시스템은 두 가지 상황 사이에서 간단하게 전환될 수 있다. 이는, 각각의 가스에 대한 상이한 재-액화 및 BOG 관리 시스템을 제공할 필요 없이, (예를 들어, 가스 캐리어 용기 상의) 액체 가스용 탱크 설비가 상이한 가스에 사용될 수 있으며, 과냉각 배열체만이 변경되어야 함을 시사한다.
바람직하게는, 제1 과냉각기는 액화 및/또는 과냉각되는 제1 가스와 제1 냉각 온도에 있는 냉매 유체 사이의 열 교환을 위해 구성되며, 제2 과냉각기는 액화 및/또는 과냉각되는 제2 가스와 제2 냉각 온도에 있는 냉매 유체 사이의 열 교환을 위해 구성된다. 상세하게는, 과냉각기는 각각의 가스에 대한 개개 온도 수준에서 큰 열 교환을 가능하게 하도록 선택되거나 설계된다. 이는 상이한 온도 수준에서의 작동에 의해 과냉각기(열 교환기)에 부과된 기계적 제약을 극복할 수 있게, 즉 특정 온도에서 작동하도록 설계된 열 교환기가 상이한 온도에서 효과적으로 작동하기에 적합하지 않을 수 있는 문제를 극복할 수 있게 한다. 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기는 교대로 사용된다. 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기는 본질적으로 열 교환기이고, 다음 유형 중 하나: 쉘 및 튜브 열 교환기(shell and tube heat exchanger), 플레이트 인 쉘 열교환기(plate in shell heat exchanger), 또는 플레이트 핀 열 교환기(plate fin heat exchanger)일 수 있으며, 바람직하게는, 플레이트 핀 열 교환기가 사용된다.
일 구현예에 따르면, 액화 및 과냉각 시스템은 냉동 디바이스의 열 교환기가 형성되며, 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기가 별도의 도관에 의해 형성되는, 다중 스트림 열 교환기를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 과냉각 배열체는 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기가 별도의 도관에 의해 형성되는 열 교환기에 의해 형성된 조합된 과냉각기를 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기는 별개의 열 교환기일 수 있다. 바람직하게는, 다음의 유형으로부터 선택된 2가지 상이한 유형을 갖는 2개의 별개의 열 교환기: 쉘 및 튜브 열 교환기, 플레이트 인 쉘 열 교환기, 및 플레이트 핀 열 교환기이다.
일 구현예에 따르면, 제1 과냉각기 및/또는 제2 과냉각기는 플레이트 핀 열 교환기에 의해 형성될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 냉매 유체는 헬륨, 질소, 메탄, 에탄, 네온, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일 구현예에 따르면, 제1 냉각 온도는 -120℃ 내지 -85℃의 범위, 바람직하게는 -115℃일 수 있으며, 제2 냉각 온도는 -183℃ 내지 -155℃의 범위, 바람직하게는 -178℃일 수 있다. 바람직하게는, 제1 냉각 온도와 제2 냉각 온도 사이의 차이는 적어도 30℃, 바람직하게는 적어도 40℃, 가장 바람직하게는 적어도 50℃이다. 바람직하게는, 제1 냉각 온도와 제2 냉각 온도 사이의 차이는 30℃ 내지 100℃ 범위, 보다 바람직하게는 40℃ 내지 80℃ 범위, 가장 바람직하게는 50℃ 내지 70℃ 범위이다.
일 구현예에 따르면, 제1 가스는 에탄일 수 있으며, 제2 가스는 천연 가스일 수 있다. 암모니아 캐리어 또는 LPC 캐리어에 동일한 원리가 적용될 수 있다.
보일 오프 가스 관리 시스템은 이전의 액화 및 과냉각 시스템 중 하나를 포함하며, 액화 및 과냉각 시스템은 보일 오프 가스를 재-액화 및/또는 과냉각하도록 배열된다.
제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화시키는 방법은 제1 가스 및 제2 가스의 상이한 액화 온도에 상응하는 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 교대로 제공하도록 작동 가능한 냉동 디바이스를 제공하는 단계, 및 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 제1 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하기 위해 냉동 디바이스를 작동시키는 단계 및 냉매 유체와의 열 교환을 위해 제1 과냉각기를 통해 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하는 단계, 및 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하기 위해 냉동 디바이스를 작동시키는 단계 및 냉매 유체와의 열 교환을 위해 제2 과냉각기를 통해 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하는 단계를 포함한다.
액화 및 과냉각 시스템과 관련하여 전술된 임의의 특징이 또한 본 발명에 따른 방법에 적용된다는 점에 유의해야 한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 후속 설명에 의해 보다 완전히 이해될 수 있다;
도 1은 본 발명에 따른 액화 및 과냉각 시스템의 일 구현예의 구조 및 작동을 예시하는 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 액화 및 과냉각 시스템의 다른 구현예의 구조 및 작동을 예시하는 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른 액화 및 과냉각 시스템의 또 다른 구현예의 구조 및 작동을 예시하는 개략도이고;
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 보일 오프 가스 관리 시스템의 개략도이고;
도 5는 본 발명에 따른 액화 방법의 일 구현예를 도시하는 흐름도이다.
도 1에는, 본 발명의 상기 제1 구현예에 따른 액화 및 과냉각 시스템의 개략도가 도시되어 있다. 액화 및 과냉각 시스템은 냉동 디바이스(10)(액화 및 과냉각 시스템의 냉동 서브시스템을 형성함) 및 과냉각 배열체(50)(액화 및 과냉각 시스템의 열 교환 서브시스템을 형성함)를 포함한다. 냉동 디바이스는 적어도 2개의 상이한 온도 각각에서, 즉 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하도록 작동 가능하다. 일반적으로, 냉동 디바이스는 냉매 유체가 냉동 디바이스의 구조 또는 유형, 즉, 냉매 유체를 특정 냉각 온도까지 냉각시키는 냉동 디바이스의 능력에 따라 달라지는 온도 범위 내의 임의의 온도에서 제공되도록 작동될 수 있다. 제1 냉각 온도는 제1 가스(예를 들어, 에탄)를 액화시키는 데 사용되는 온도에 상응하며, 제2 냉각 온도는 제2 가스(예를 들어, LNG)를 액화시키는 데 사용되는 온도에 상응한다. 가스를 액화시키는 데 사용되는 온도는 또한 본원에서 액화 온도로 나타낸다.
냉동 디바이스에서, 냉매 유체의 작업 순환로(12)가 형성된다. 작업 순환로(12)는 압축 섹션, 팽창 섹션 및 열 교환기 섹션을 포함한다. 압축 섹션은 예를 들어, 구동 샤프트 위에 모터(20, 22, 24)에 의해 구동되는 3개의 압축기(14, 16, 18)에 의해 형성된다. 보다 일반적으로, 임의의 수의 압축기가 사용될 수 있으며, 즉 압축 섹션은 일반적으로 임의의 수의 압축 단계를 포함할 수 있다. 압축기(14, 16, 18)는 원심 압축 유형을 가질 수 있다. 각각의 압축기(14, 16, 18) 후에, 냉각기(26, 28, 30)가 각 압축 단계 후 냉매 유체를 주변 온도까지 냉각시키기 위해 작업 순환로(12)에 포함된다. 냉각기(26, 28, 30)는 화살표(32, 34, 36)로 표시된 바와 같이 도관에 걸쳐 냉각 유체가 공급된다. 공기, 물 또는 해상 선박 상에서, 해수는 예를 들어, 냉각 유체로서 사용될 수 있다.
팽창 섹션은 팽창 터빈(38)에 의해 형성되며, 이는 원심 팽창 유형일 수 있다. 보다 일반적으로, 팽창 섹션은 하나 초과의 팽창 터빈에 의해 형성될 수 있다. 팽창 터빈(38)은 모터(24)에 의해 구동되며, 이는 도 1에 도시된 구현예에서, 예를 들어, 압축기(18) 또한 구동시키는 동일한 모터(24)이다. 팽창 터빈(38) 및 압축기(18) 둘 모두는 효율성을 이유로 공통 구동 샤프트 위에서 구동된다. 냉매 유체는 작업 순환로(12)의 일부인 유출구 도관(40)에서 팽창 터빈(38)을 떠난다. 이러한 시점에서(팽창 터빈(38)에서 팽창 직후에), 냉매 유체는 이의 최저 온도에 도달하였으며, 즉, 냉각 온도에 도달하였다. 다시 말해서, 냉매 유체는 냉동 디바이스에 의해 이의 냉각 온도에서 유출구 도관(40)에 제공된다.
냉동 디바이스(10)의 열 교환기 섹션은 열 교환기(42)에 의해 형성되며, 압축 섹션의 다운스트림 및 팽창 섹션의 업스트림에 있는 압축된 냉매 유체와 팽창 섹션의 다운스트림 및 압축 섹션의 업스트림에 있는 팽창된 냉매 유체 사이에 열이 교환된다. 이러한 방식으로, 냉각기(30)에 의해 주위 온도에서 본질적으로 냉각되는 압축된 냉매 유체는 팽창 섹션(팽창 터빈(38))의 다운스트림에서 열 교환기(42)를 통해 유도되기 전에 이의 최저 온도에 있는 냉매 유체와 열을 교환함으로써 낮은(극저온) 온도까지 냉각된다. 상이한 구현예들의 이해를 용이하게 하기 위해, 타원선은 도관 주위에 그려지며, 이들 사이에서 열이 교환되며, 참조 부호가 상응하는 열 교환기를 나타내기 위해 라인에 부착된다. 이는 냉동 디바이스의 열 교환기(42)뿐만 아니라 하기에 소개되는 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)에 대한 경우이다.
냉동 디바이스(10)의 특정 구조가 본 발명을 구현하는 데 필수적이지 않다는 점에 유의해야 한다. 주요 지점은 냉매 유체가 상이한 냉각 온도에서 제공될 수 있도록 냉동 디바이스가 작동될 수 있다는 것이다. 도 1에 도시된 예시적인 구현예에서, 이는 압축기(14, 16, 18) 및 팽창 터빈(38)을 그에 따라, 즉 상이한 속도 및 전력으로 구동시킴으로써 달성될 수 있다.
추가적으로, 냉매 유체가 도관을 통해 열 교환기(42)를 우회할 수 있게 하는 우회 밸브(44)가 제공될 수 있다.
과냉각 배열체(50)에서, 액화 및/또는 과냉각되는 가스의 흐름이 유입구(52)에 제공되고, 냉각을 위해 과냉각 배열체를 통해 통과되고, 유출구(54)에서 과냉각 배열체를, 바람직하게는, 유체 상태로 떠난다. 과냉각 배열체(50)는 액화 및/또는 과냉각되는 가스용 2개의 상이한 유로, 즉, 제1 유로(56) 및 제2 유로(58)를 갖는다. 액화 및/또는 과냉각되는 가스에 의해 얻어지는 유로는 그에 따라 밸브를 전환시킴으로써 선택될 수 있다. 상세하게는, 액화 및/또는 과냉각되는 가스는 밸브(60, 62)가 개방되고 밸브(64 및 66)가 폐쇄될 때, 제1 유로(56)를 통해 흐른다. 액화 및/또는 과냉각되는 가스는 밸브(64, 66)가 개방되고 밸브(60, 62)가 폐쇄될 때, 제2 유로(58)를 통해 흐른다.
액화 및/또는 과냉각되는 가스는 통상적으로 압축된 형태로 제공될 것이고, 적어도 부분적으로 액체 상태일 수 있다. 특히, BOG는 일반적으로, BOG 관리 시스템에 의해 유입구(52)에 공급되기 전에 압축 단계를 통해 유도될 것이다.
제1 유로(56)에서, 제1 과냉각기(70)가 제공되며, 제2 유로(58)에서, 제2 과냉각기(72)가 제공된다. 제1 과냉각기(70)는 액화 및/또는 냉각되는 제1 가스와 제1 냉각 온도에 있는 냉매 유체 사이에 열을 효율적으로 교환하도록 구성된다. 제2 과냉각기(70)는 액화 및/또는 과냉각되는 제2 가스와 제2 냉각 온도에 있는 냉매 유체 사이에 열을 효율적으로 교환하도록 구성된다. 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)는 열 교환기, 바람직하게는, 플레이트 핀 열 교환기이다.
도 1에 도시된 구현예에 특정된 것은 냉동 디바이스의 열 교환기(42), 제1 과냉각기(70), 및 제2 과냉각기(72)가 상이한 도관을 갖는 단일의 다중 스트림 열 교환기(100)에 형성된다는 것이다. 다중 스트림 열 교환기(100)는 팽창 섹션(팽창 터빈(38))의 다운스트림에 제공되며, 여기에는 유출구 도관(40)에 의해 냉각 온도에 있는 냉매 유체가 공급된다. 다중 스트림 열 교환기(100)는 2개의 도관(102, 104) 을 가지며, 하나의 도관(102)은 냉동 디바이스의 열 교환기(42)를 통해 냉매 유체를 유도하며, 다른 도관(104)은 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)를 통해 냉매 유체를 유도한다. 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)는 다중 스트림 열 교환기(100)에서의 상이한 도관에 의해 형성된다. 다중 스트림 열 교환기(100)의 도관(102, 104)을 통한 냉매 유체의 흐름을 제어하는 밸브(106, 108, 110, 112)가 제공된다.
액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 냉매 유체는 제1 냉각 온도에서 제공되며, 가스는 제1 과냉각기(70)를 형성하는 다중 스트림 열 교환기(100)에 도관을 포함하는 제1 유로(56)를 통해 유도된다. 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 냉매 유체는 제2 냉각 온도에서 제공되며, 가스는 제2 과냉각기(72)를 형성하는 다중 스트림 열 교환기(100)에 도관을 포함하는 제2 유로(58)를 통해 유도된다. 두 경우 모두에서, 밸브(108)는 개방되어야 하며, 이러한 밸브(108)는 제1 과냉각기 및 제2 과냉각기(72)를 통해 유도되는 도관(104)으로의 냉매 유체의 흐름을 제어한다.
추가적으로, 예를 들어, 다중 스트림 열 교환기(100)의 유지보수를 수행할 때 도움이 되는, 유출구(54)와 유입구(52)를 직접 연결할 수 있게 하는 우회 밸브(68)가 제공될 수 있다.
명백하게는, 서지 밸브, 유동 미터, 압력 센서 등과 같은 추가 구조 또는 요소가 작업 순환로(12) 및/또는 제1 유로(56) 및 제2 유로(58)에 포함될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 액화 및 과냉각 시스템을 도시한다. 반복을 피하기 위해, 도 1에 도시된 구현예와 공통인 구조의 설명은 하기에서 반복되지 않으며, 공통 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 도 1의 설명은 이러한 요소에 적용되며, 차이는 다음과 같이 지적될 것이다.
도 1 및 도 2의 구현예들 사이의 차이는, 열 교환기, 특히, 과냉각 배열체(50); 상세하게는, 냉동 디바이스(10)의 열 교환기(42) 및 과냉각 배열체(50)의 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)의 상이한 배열에 있다.
냉동 디바이스의 열 교환기(42)는 규칙적인 역류 열 교환기(200)에 의해 형성된다. 과냉각 배열체(50)의 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)는 조합된 과냉각기(조합된 열 교환기)(202)로서 형성된다. 조합된 과냉각기(202)는 기본적으로 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)를 구성하는 열 교환기를 조합하는 열 교환기이다. 조합된 과냉각기(202)는 역류 열 교환기(200)로부터 분리되며, 즉 조합된 과냉각기(202)는 과냉각 전용이다. 여러 밸브(204, 206, 208)가 조합된 과냉각기(202) 및 역류 열 교환기(200)로의 및 이로부터의 냉매 유체의 흐름을 제어하기 위해 작업 순환로(12)에 배열된다.
조합된 과냉각기(202)는 냉동 디바이스(10)의 팽창 섹션과 열 교환기 섹션 사이, 즉, 팽창 터빈(38)의 다운스트림 및 역류 열 교환기(200)의 업스트림의 작업 순환로(12)에 제공된다. 냉매 유체는 팽창 섹션의 유출구 도관(40)으로부터 밸브(204)를 통해 조합된 과냉각기(202)의 냉매 유체용 단일 유입구(210) 내로 유도된다. 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)는 조합된 과냉각기(202)에서 2개의 별개의 도관에 의해 형성된다. 이러한 2개의 별개의 도관은 다른 도관에 의해 조합된 과냉각기(202)를 통해 유도되는 냉매 유체와 열을 교환하도록 배열된다. 2개의 별개의 도관은 제1 유로(56) 및 제2 유로(58)의 일부를 각각 형성한다.
액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 냉매 유체는 제1 냉각 온도에서 제공되며, 액화 및/또는 과냉각되는 가스는 제1 과냉각기(70)를 형성하는 조합된 과냉각기(202)에 도관을 포함하는 제1 유로(56)를 통해 유도된다. 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 냉매 유체는 제2 냉각 온도에서 제공되며, 액화 및/또는 과냉각되는 가스는 제2 과냉각기(72)를 형성하는 조합된 과냉각기(202)에 도관을 포함하는 제2 유로(58)를 통해 유도된다. 두 경우 모두에서, 밸브(204)는 개방되어야 하며, 이러한 밸브(204)는 조합된 과냉각기(202)의 냉매 유체용 유입구(210)로의 냉매 유체의 흐름을 제어한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 액화 및 과냉각 시스템을 도시한다. 도 2와 관련하여 이미 언급된 바와 같이, 반복을 피하기 위해, 도 1에 도시된 구현예와 공통인 구조의 설명은 하기에서 반복되지 않으며, 공통 요소는 동일한 참조 부호로 표시된다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 도 1의 설명은 이러한 요소에 적용되며, 차이는 다음과 같이 지적될 것이다.
도 1 및 도 3의 구현예들 사이의 차이는, 열 교환기, 특히, 과냉각 배열체(50); 상세하게는, 냉동 디바이스(10)의 열 교환기(42) 및 과냉각 배열체(50)의 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)의 상이한 배열에 있다.
냉동 디바이스의 열 교환기(42)는 규칙적인 역류 열 교환기(300)에 의해 형성된다. 과냉각 배열체의 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)는 역류 열 교환기(300)로부터 또한 별개인 2개의 별개의 과냉각기(열 교환기)로서 형성된다. 즉, 제1 과냉각기(70)는 제1 열 교환기(302)에 의해 형성되며, 제2 과냉각기(72)는 제2 열 교환기(304)에 의해 형성되며, 제2 열 교환기(304)는 제1 열 교환기(302)로부터 분리된다. 여러 밸브(306, 308, 310, 312, 314)는 제1 열 교환기(302) 및 제2 열 교환기(304) 및 역류 열 교환기(300)로의 및 이로부터의 냉매 유체의 흐름을 제어하기 위해 작업 순환로(12)에 배열된다.
제1 열 교환기(302) 및 제2 열 교환기(304)는 냉동 디바이스(10)의 팽창 섹션과 열 교환기 섹션 사이, 즉, 팽창 터빈(38)의 다운스트림 및 역류 열 교환기(300)의 업스트림의 작업 순환로(12)에 병렬로 제공된다. 밸브(306)는 제1 열 교환기(302)로의 냉매 유체의 흐름을 제어하며, 다른 밸브(308)는 제2 열 교환기(304)로의 냉매 유체의 흐름을 제어한다.
액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 냉매 유체는 제1 냉각 온도에서 제공되며, 액화 및/또는 과냉각되는 가스는 제1 과냉각기(70)를 형성하는 제1 열 교환기(302)를 포함하는 제1 유로(56)를 통해 유도된다. 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 냉매 유체는 제2 냉각 온도에서 제공되며, 액화 및/또는 과냉각되는 가스는 제2 과냉각기(72)를 형성하는 제2 열 교환기(304)를 포함하는 제2 유로(58)를 통해 유도된다. 제1의 경우(액화 및/또는 과냉각되는 제1 가스)에, 제1 열 교환기(302)로의 냉매 유체의 흐름을 제어하는 밸브(306)는 개방되는 반면, 제2 열 교환기(304)로의 냉매 유체의 흐름을 제어하는 밸브(308)는 폐쇄되며, 제2의 경우(액화 및/또는 과냉각되는 제2 가스)에 대한 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 4는 액화 가스(404)용 탱크(402)를 위한 예시적인 보일 오프 가스(BOG) 관리 시스템(400)을 도시한다. 탱크(402)에서, BOG(408)는 탱크에 저장된 액화 가스(404)의 표면(406) 위에서 발생한다. BOG는 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 액화 및 과냉각 시스템 중 어느 하나일 수 있는 본 발명에 따른 액화 및 과냉각 시스템(412)의 유입구(52)로 도관을 가로질러 펌핑된다. 액화 후, (재-)액화 및 과냉각된 BOG는 액화 및 과냉각 시스템(412)의 유출구(54)로부터 역으로 펌핑되고, 액체 형태로 탱크(402)로 재도입된다. 탱크(402)와 액화 및 과냉각 시스템(412)의 유입구(52) 사이에, (재-)액화되기 전에 BOG를 압축하는 도관 내에 압축기(410)(예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같음)가 포함될 수 있다.
도 5는 일 구현예에 따른 액화 방법의 흐름도를 도시한다. 본 방법은 제1 가스 및 제2 가스의 상이한 액화 온도에 상응하는 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 교대로 제공하도록 작동 가능한 냉동 디바이스를 제공하는 단계(510)를 포함한다. 냉동 디바이스가 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 작동될 수 있기 때문에, 냉동 디바이스가 작동되는 냉각 온도는 어떤 가스가 액화되어야 하는 지에 따라 선택될 수 있다. 이러한 선택은 제1 가스 또는 제2 가스가 액화되어야 하는 지의 여부를 선택하는 단계(520)에서 이루어진다. 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제1 가스일 때, 본 방법은 제1 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하기 위해 냉동 디바이스를 작동시키는 단계(530) 및 냉매 유체와의 열 교환을 위해 제1 과냉각기를 통해 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하는 단계(540)로 계속된다. 한편, 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 제2 가스일 때, 본 방법은 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 제공하기 위해 냉동 디바이스를 작동시키는 단계(550) 및 냉매 유체와의 열 교환을 위해 제2 과냉각기를 통해 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하는 단계(560)로 계속된다. 이러한 방법의 구현예에 대해, 본 발명에 따른 시스템의 구현예가 참조되고, 이에 따라, 본 발명에 따른 방법에 적용된다.
본 발명이 전술한 명세서에서 구현예 및 실시예의 관점에서 기술되었지만, 본 발명의 범위는 본 명세서의 특정 구현예에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해 제한된다. 명시적으로 언급되지 않더라도, 상이한 구현예들의 요소들이 조합될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
10 냉동 디바이스
12 작업 순환로
14 압축기
16 압축기
18 압축기
20 모터
22 모터
24 모터
26 냉각기
28 냉각기
30 냉각기
32 냉각 유체의 공급
34 냉각 유체의 공급
36 냉각 유체의 공급
38 팽창 터빈
40 유출구 도관
42 열 교환기
44 우회 밸브
50 과냉각 배열체
52 유입구
54 유출구
56 제1 유로
58 제2 유로
60 밸브
62 밸브
64 밸브
66 밸브
68 우회 밸브
70 제1 과냉각기
72 제2 과냉각기
100 다중 스트림 열 교환기
102 도관
104 도관
106 밸브
108 밸브
110 밸브
112 밸브
200 냉동 디바이스의 역류 열 교환기
202 과냉각 배열체의 조합된 과냉각기
204 밸브
206 밸브
208 밸브
210 냉매 유체용 유입구
300 냉동 디바이스의 역류 열 교환기
302 제1 열 교환기
304 제2 열 교환기
306 밸브
308 밸브
310 밸브
312 밸브
314 밸브
400 보일 오프 가스 관리 시스템
402 탱크
404 액화 가스
406 액화 가스의 표면
408 보일 오프 가스
410 압축기
412 액화 및 과냉각 시스템

Claims (11)

  1. 제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화 및/또는 과냉각시키기 위한, 특히 보일 오프 가스(boil off gas) 관리 시스템용, 액화 및 과냉각 시스템으로서,
    상기 제1 가스 및 상기 제2 가스의 상이한 액화 온도에 상응하는 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 교대로 제공하도록 작동 가능한 냉동 디바이스(10); 및
    상기 냉매 유체가 이의 냉각 온도에서 과냉각 배열체에 공급되도록 상기 냉동 디바이스에 결합되어 있고, 액화 및/또는 과냉각되는 가스와 상기 냉매 유체 사이에 열을 교환하기 위한 제1 과냉각기(70) 및 제2 과냉각기(72)를 갖는 과냉각 배열체(50)를 포함하며;
    상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 상기 제1 가스일 때, 상기 냉동 디바이스(10)는 상기 제1 냉각 온도에서 상기 냉매 유체를 제공하도록 구성되며, 상기 과냉각 배열체(50)는 상기 제1 과냉각기(70)를 통해 상기 냉매 유체 및 상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하도록 구성되며; 상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 상기 제2 가스일 때, 상기 냉동 디바이스(10)는 상기 제2 냉각 온도에서 상기 냉매 유체를 제공하도록 구성되며, 상기 과냉각 배열체(50)는 상기 제2 과냉각기(72)를 통해 상기 냉매 유체 및 상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하도록 구성되는, 액화 및 과냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 다중 스트림 열 교환기(100)를 포함하며, 상기 냉동 디바이스(10)의 열 교환기가 형성되며, 상기 제1 과냉각기(70) 및 상기 제2 과냉각기(72)가 별도의 도관에 의해 형성되는, 액화 및 과냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 과냉각 배열체(50)는 열 교환기에 의해 형성된 조합된 과냉각기(202)를 포함하며, 여기서 상기 제1 과냉각기 및 상기 제2 과냉각기는 별도의 도관에 의해 형성되는, 액화 및 과냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 과냉각기(70) 및 상기 제2 과냉각기(72)는 별도의 열 교환기(302, 304)에 의해 형성되는, 액화 및 과냉각 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 과냉각기(70) 및/또는 상기 제2 과냉각기(72)가 플레이트 핀 열 교환기(plate fin heat exchanger)에 의해 형성되는, 액화 및 과냉각 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 유체는 헬륨, 질소, 메탄, 에탄, 네온, 또는 이들의 조합으로부터 선택되는, 액화 및 과냉각 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉각 온도와 상기 제2 냉각 온도 사이의 차이는 30℃ 내지 100℃의 범위, 보다 바람직하게는 40℃ 내지 80℃ 범위, 가장 바람직하게는 50℃ 내지 70℃의 범위 내에 있는, 액화 및 과냉각 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉각 온도는 -120℃ 내지 -85℃의 범위, 바람직하게는 -115℃이며, 상기 제2 냉각 온도는 -183℃ 내지 -155℃의 범위, 바람직하게는 -178℃인, 액화 및 과냉각 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가스가 에탄이며, 상기 제2 가스가 천연 가스인, 액화 및 과냉각 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 액화 및 과냉각 시스템(412)을 포함하는 보일 오프 가스 관리 시스템(400)으로서, 상기 액화 및 과냉각 시스템은 보일 오프 가스를 재-액화하도록 배열되는, 보일 오프 가스 관리 시스템(400).
  11. 제공된 압력에서 상이한 포화 온도를 갖는 상이한 제1 가스 및 제2 가스를 액화 및 냉각시키는 방법으로서,
    상기 제1 가스 및 상기 제2 가스의 상이한 액화 온도에 상응하는 제1 냉각 온도 및 제2 냉각 온도에서 냉매 유체를 교대로 제공하도록 작동 가능한 냉동 디바이스(10)를 제공하는 단계; 및
    상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 상기 제1 가스일 때, 상기 제1 냉각 온도에서 상기 냉매 유체를 제공하기 위해 상기 냉동 디바이스(10)를 작동시키고, 상기 냉매 유체와의 열 교환을 위해 제1 과냉각기(70)를 통해 상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하는 단계; 및
    상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스가 상기 제2 가스일 때, 상기 제2 냉각 온도에서 상기 냉매 유체를 제공하기 위해 상기 냉동 디바이스(10)를 작동시키고, 상기 냉매 유체와의 열 교환을 위해 제2 과냉각기(72)를 통해 상기 액화 및/또는 과냉각되는 가스를 유도하는 단계를 포함하는, 방법.
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