KR20230076415A - 선박의 증발가스 재액화 시스템 및 재액화 시스템용 열교환기 - Google Patents

Abstract

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 재액화 시스템용 열교환기가 개시된다. 본 발명의 선박의 증발가스 재액화 시스템은, 선내 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 공급하는 가스공급라인; 상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기; 상기 열교환기로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 및 상기 압축기에서 압축된 압축가스를 상기 열교환기를 거쳐 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크로 회수하는 재액화라인:을 포함하고, 상기 가스공급라인은 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 연결되며, 상기 열교환기에는 길이방향을 따라 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스가 유입되는 제1 유입구와 제2 유입구가 마련되고, 열교환기 일 단부에는 상기 미압축 증발가스가 배출되는 제1 배출구가 마련되되, 상기 제2 유입구는 상기 제1 유입구와 상기 제1 배출구 사이에 마련되며, 상기 가스공급라인은 상기 열교환기의 전단에서 상기 제1 유입구로 연결되는 제1 가스라인과, 상기 제2 유입구로 연결되는 제2 가스라인으로 분기된 후, 열교환기 내부에서 합류되어 상기 제1 배출구로 배출되어, 상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 열교환기로의 유입 위치를 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 재액화 시스템용 열교환기{Heat Exchanger For Boil-Off Gas Reliquefaction System Of Ship And Reliquefaction System Using The Same}

본 발명은 선박의 증발가스 재액화 시스템 및 재액화 시스템용 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선내 저장탱크의 액화가스로부터 발생하는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 증발가스 자체의 냉열과 냉매를 이용해 재액화시키는 재액화 시스템 및 재액화 시스템용 열교환기에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는, 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 연소 시 환경오염 물질의 배출이 거의 없어 친환경 연료로서 주목받고 있다. 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 천연가스를 상압 하에서 약 -163℃로 냉각시켜 액화시킴으로써 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 부피가 약 1/600로 줄어들기 때문에, 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다. 따라서, 천연가스는 주로 저장 및 이송이 용이한 액화천연가스 상태로 저장 및 이송된다.

천연가스의 액화점은 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG 저장탱크는 LNG가 액체 상태를 유지하도록 단열처리되는 것이 일반적이다. 그러나 LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열을 차단하는 데에는 한계가 있고, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

LNG 저장탱크에서 증발가스가 지속적으로 생성되면, LNG 저장탱크의 내압을 상승시키는 요인이 된다. 저장탱크의 내압이 설정된 안전압력 이상이 되면 탱크 파손(rupture) 등 위급상황을 초래할 수 있으므로, 안전밸브를 이용하여 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시켜야만 한다. 그러나 증발가스는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송 효율 및 연료 효율에 있어 중요한 문제이므로, 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.

최근에는, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료 수요처에서 사용하는 방법, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 방법 또는 이러한 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 방법 등이 개발되어 적용되고 있다.

선박에서 증발가스를 재액화하기 위하여 재액화 사이클을 적용하는 경우, 대표적으로 채택할 수 있는 액화 방법은 SMR 사이클과 C3MR 사이클을 이용한 공정을 예로 들 수 있다. C3MR 사이클(Propane-precooled Mixed Refrigerant Cycle)은 천연가스를 프로판 단일냉매를 이용하여 냉각시키고, 그 후 혼합냉매를 이용하여 액화 및 과냉각시키는 공정이고, SMR 사이클(SinGSLe Mixed Refrigerant Cycle)은 복수의 성분으로 이루어진 혼합냉매를 사용하여 천연가스를 액화시키는 공정이다.

이러한 SMR 사이클과 C3MR 사이클 모두 혼합냉매를 이용하는 공정인데, 액화 공정이 진행되면서 냉매의 누수가 발생하여 혼합냉매의 조성비가 변화하는 경우 액화 효율이 떨어지므로, 혼합냉매의 조성비를 지속적으로 계측하면서 부족한 냉매 성분을 충진하여 냉매의 조성을 유지해야 한다.

증발가스를 재액화하기 위한 재액화 사이클의 다른 방법으로는, 질소 냉매를 이용한 단일 사이클 액화공정을 들 수 있다.

질소 냉매는 혼합 냉매를 이용한 사이클에 비해 상대적으로 효율이 낮으나, 냉매가 불활성이어서 안전성이 높고, 냉매의 상 변화가 없기 때문에 선박에 적용하기 보다 용이한 장점이 있다.

재액화 시스템은 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기와, 압축기에서 압축된 압축가스를 냉매와 열교환으로 냉각하는 열교환기(10), 열교환기에서 압축가스와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부를 포함하고, 질소 냉매를 이용한 냉동 사이클이 적용된 재액화 시스템의 경우 냉매순환부에는 열교환기에서 열교환 후 배출된 냉매가 압축 후 열교환기를 거쳐 냉각되고 다시 팽창냉각된 후 열교환기로 순환될 수 있다.

도 1에는 이러한 종래의 증발가스 재액화 시스템에서의 열교환기 부분을 개략적으로 도시하였다.

도 1에 도시된 바와 같이 열교환기에서는 재액화될 압축가스와, 미압축 증발가스, 냉매순환부의 압축된 냉매, 냉매순환부에서 팽창냉각된 냉매의 네 흐름이 지나면서 열교환될 수 있다.

이때 열교환기를 흐르는 유체들 중 인접한 유체 흐름간의 온도 차이가 과도하게 크면 열교환기에 상당한 열응력이 가해지고 장치 손상, 수명 감소 등으로 이어질 수 있어, 열교환기 업체에서는 인접한 유체 흐름 간의 온도 차이에 대한 제한을 두고 있다.

그런데 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 온도는 선박의 운전 상황이나 주위 환경 등에 따라 변화할 수 있고, 증발가스의 온도 변화로 다른 유체 흐름과의 온도 차이가 열교환기에서 요구하는 온도 차이 제한보다 커지면 열교환기를 거쳐 냉열을 회수하지 못하고 이를 우회할 수 밖에 없다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하여 증발가스의 온도 변화에도 가능한 한 열교환기를 우회하지 않고 효과적으로 증발가스의 냉열을 회수할 수 있도록 하는 방안을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선내 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 공급하는 가스공급라인;

상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기;

상기 열교환기로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 및

상기 압축기에서 압축된 압축가스를 상기 열교환기를 거쳐 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크로 회수하는 재액화라인:을 포함하고,

상기 가스공급라인은 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 연결되며,

상기 열교환기에는 길이방향을 따라 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스가 유입되는 제1 유입구와 제2 유입구가 마련되고, 열교환기 일 단부에는 상기 미압축 증발가스가 배출되는 제1 배출구가 마련되되, 상기 제2 유입구는 상기 제1 유입구와 상기 제1 배출구 사이에 마련되며,

상기 가스공급라인은 상기 열교환기의 전단에서 상기 제1 유입구로 연결되는 제1 가스라인과, 상기 제2 유입구로 연결되는 제2 가스라인으로 분기된 후, 열교환기 내부에서 합류되어 상기 제1 배출구로 배출되어,

상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 열교환기로의 유입 위치를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 미압축 증발가스의 온도가 낮으면 상기 제1 유입구로 유입시켜 상기 열교환기에서의 통과 길이를 늘리고, 온도가 높으면 상기 제2 유입구로 유입시켜 통과 길이를 줄일 수 있다.

바람직하게는 상기 냉매순환라인에는, 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치와, 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부가 마련되고, 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 상기 열교환기로 도입되어 고온냉매순환라인을 이루면서 상기 열교환기에서 냉각되고, 상기 냉매 팽창장치를 거쳐 팽창냉각된 후 상기 열교환기로 도입되어 저온냉매순환라인을 이루면서 상기 압축가스를 냉각할 수 있다.

바람직하게는 상기 열교환기에는, 상기 일 단부의 상기 제1 배출구 인근에 상기 재액화라인의 압축가스가 유입되는 제3 유입구; 상기 길이방향을 따라 타 단부에서 상기 압축가스가 배출되는 제2 배출구; 상기 타 단부의 타측에서 상기 저온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제4 유입구; 상기 일 단부에 상기 제3 유입구의 타측에서 상기 제4 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제3 배출구; 상기 제3 배출구 인근에서 상기 고온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제5 유입구; 및 상기 제1 유입구와 제4 유입구 사이에 배치되며 상기 제5 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제4 배출구;가 마련될 수 있다.

상기 열교환기에는 상기 재액화라인을 통해 상기 압축가스가 흐르는 방향을 따라 순차로 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부가 형성되며, 상기 제1 열교환부에서는 상기 재액화라인의 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매, 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스의 네 흐름이 열교환되고, 상기 제2 열교환부에서는 상기 재액화라인의 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 세 흐름이 열교환되며, 상기 제3 열교환부에서는 상기 재액화라인의 압축가스, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 두 흐름이 열교환될 수 있다.

바람직하게는, 상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 제1 유입구 또는 제2 유입구로 유입되면, 상기 열교환기에서 상기 제1 열교환부 및 제2 열교환부의 형성 영역 범위가 변동되며, 상기 열교환기에서 상기 재액화라인의 압축가스 흐름은 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스 흐름과 저온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이에서 흐르고, 상기 저온냉매순환라인의 냉매 흐름은 상기 재액화라인의 압축가스 흐름과 고온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이로 흐를 수 있다.

바람직하게는, 상기 가스공급라인으로부터 분기되어 상기 제1 및 제2 가스라인의 분기지점 전단으로 연결되는 예열라인; 상기 예열라인에 마련되며 증발가스를 가온하는 예열기; 상기 예열기로부터 상기 열교환기를 우회하여 상기 압축기 전단으로 연결되는 배관에 마련되는 제1 밸브; 및 상기 예열라인의 예열기 후단에 마련되는 제2 밸브;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선내 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 압축기에서 압축하고 열교환기를 거쳐 냉각하여 재액화하는 재액화 시스템에서,

상기 열교환기에서는 상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉매순환라인을 순환하는 냉매 및 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환되며,

상기 열교환기에는 길이방향을 따라 상기 미압축 증발가스가 유입되는 제1 유입구와 제2 유입구가 마련되고, 일 단부에는 상기 미압축 증발가스가 배출되는 제1 배출구가 마련되되, 상기 제2 유입구는 상기 제1 유입구와 상기 제1 배출구 사이에 마련되어,

상기 미압축 증발가스의 온도가 낮으면 상기 제1 유입구로 유입시켜 상기 열교환기에서의 통과 길이를 늘리고, 온도가 높으면 상기 제2 유입구로 유입시켜 통과 길이를 줄여,

상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 열교환기로의 유입 위치를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템용 열교환기이 제공된다.

바람직하게는 상기 냉매순환라인에는, 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치와, 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부가 마련되고, 상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 상기 열교환기로 도입되어 고온냉매순환라인을 이루면서 상기 열교환기에서 냉각되고, 상기 냉매 팽창장치를 거쳐 팽창냉각된 후 상기 열교환기로 도입되어 저온냉매순환라인을 이루면서 상기 압축가스를 냉각할 수 있다.

바람직하게는 상기 열교환기에는, 상기 일 단부의 상기 제1 배출구 인근에 상기 압축가스가 유입되는 제3 유입구; 상기 길이방향을 따라 타 단부에서 상기 압축가스가 배출되는 제2 배출구; 상기 타 단부의 타측에서 상기 저온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제4 유입구; 상기 일 단부에 상기 제3 유입구의 타측에서 상기 제4 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제3 배출구; 상기 제3 배출구 인근에서 상기 고온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제5 유입구; 및 상기 제1 유입구와 제4 유입구 사이에 배치되며 상기 제5 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제4 배출구;가 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 열교환기에는 상기 압축가스가 흐르는 방향을 따라 순차로 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부가 형성되며, 상기 제1 열교환부에서는 상기 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매, 상기 미압축 증발가스의 네 흐름이 열교환되고, 상기 제2 열교환부에서는 상기 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 세 흐름이 열교환되며, 상기 제3 열교환부에서는 상기 압축가스, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 두 흐름이 열교환될 수 있다.

바람직하게는, 상기 열교환기에서 상기 압축가스 흐름은 상기 미압축 증발가스 흐름과 저온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이에서 흐르고, 상기 저온냉매순환라인의 냉매 흐름은 상기 압축가스 흐름과 고온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이로 흐를 수 있다.

본 발명에서는 저장탱크로부터 발생한 극저온의 미압축 증발가스를 열교환기를 거쳐 압축기로 도입시켜 미압축 증발가스의 냉열을 이용하면서, 열교환기에 미압축 증발가스가 유입되는 유입구를 복수로 마련하여 미압축 증발가스의 온도에 따라 유입 위치를 변경할 수 있도록 함으로써, 열교환기에서의 미압축 증발가스 유입 온도 범위를 넓힐 수 있다.

나아가, 열교환기의 유입 온도 범위를 넓혀 선박의 운전 상황과 주위 환경 변화에 따라 증발가스의 온도가 변하더라도 열교환기를 우회하지 않고 열교환기에서 미압축 증발가스의 냉열을 회수할 수 있어 증발가스 재액화율을 높이면서도, 열교환기 내부를 흐르는 인접한 유체 흐름 간의 과도한 온도 차이로 인한 열응력 발생 및 장치 손상 등을 방지할 수 있다.

도 1에는 이러한 종래의 증발가스 재액화 시스템에서의 열교환기 부분을 개략적으로 도시하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템에 적용되는 열교환기를 개략적으로 도시한다.
도 4 및 5는 도 2 및 3에 도시된 실시예 시스템 및 열교환기에서 미압축 증발가스의 온도가 높은 경우를 도시한 것이다.
도 6 및 7은 도 2 및 3에 도시된 실시예 시스템 및 열교환기에서 미압축 증발가스의 온도가 낮은 경우를 도시한 것이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 저장하는 저장탱크가 마련되는 모든 종류의 선박일 수 있다. 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.

또한, 본 실시예는 가스를 저온으로 액화시켜 수송될 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하는 모든 종류의 액화가스의 재액화 사이클에 적용될 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시하였고, 도 3은 본 실시예 재액화 시스템에 적용되는 열교환기를 개략적으로 도시하였다.

도 4 및 5와, 도 6 및 7에는 본 실시예 시스템 및 열교환기에서 미압축 증발가스의 온도가 높은 경우와 낮은 경우의 본 실시예 재액화 시스템 및 열교환기에서의 유체 흐름을 각각 도시하였다.

먼저 본 실시예의 재액화 시스템을 살펴보면, 이는 선박의 저장탱크(미도시)에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 가스공급라인(GL)을 따라 압축기(미도시)로 보내 압축하고 필요한 경우 선내 엔진 등의 연료로 공급하고, 연료로 공급되지 않은 증발가스는 재액화라인(RL)을 따라 열교환기(100)에서 열교환으로 냉각하여 재액화한 후 저장탱크로 복귀시키는 시스템이다.

가스공급라인(GL)은 저장탱크로부터 열교환기(100)를 거쳐 압축기로 연결됨으로써, 저장탱크에서 발생한 미압축 증발가스는 열교환기에 냉열을 공급하게 된다.

압축기에서 압축된 증발가스는 다시 열교환기로 도입되어 가스공급라인을 지나는 미압축 증발가스의 냉열로 냉각된다. 열교환기(100)를 통과하며 냉각된 증발가스는 기액분리기(미도시)를 거쳐 기액분리되어, 분리된 재액화가스가 저장탱크로 회수된다.

한편, 열교환기(100)에는 미압축 증발가스 외에 냉매순환라인(HCL, CCL)을 따라 순환하는 별도의 냉매도 추가로 공급될 수 있다. 이러한 냉매순환라인의 냉매는 질소(N₂)일 수 있고, 냉매순환라인에는 질소 냉매를 압축하는 냉매 압축부(미도시)와 냉매 팽창장치(미도시)가 마련된다. 냉매순환라인의 질소 냉매는 냉매 압축부에서 압축 후 열교환기를 거쳐 냉각되고 다시 냉매 팽창장치에서 팽창냉각되어 열교환기에 냉매로 공급되며 냉매순환라인을 순환한다. 이와 같이 냉매 압축부에서 압축되어 열교환기에서 냉각되는 냉매 흐름은 열교환기의 고온냉매순환라인(HCL)을 이루고, 냉매 팽창장치를 거쳐 팽창냉각되어 열교환기에 냉열을 공급하는 냉매 흐름은 열교환기의 저온냉매순환라인(CCL)을 이룬다.

그에 따라 열교환기(100)에서는 압축기에서 압축된 재액화라인(RL)의 증발가스, 압축기로 도입될 가스공급라인(GL)의 미압축 증발가스, 냉매 팽창장치에서 팽창 냉각된 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매 및 냉매 압축부에서 압축된 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매의 4가지 흐름이 도입되어 열교환된다. 그 중 가스공급라인(GL)의 미압축 증발가스 흐름과 냉매 팽창장치에서 팽창냉각되어 열교환기로 도입되는 저온냉매순환라인(CCL)의 질소 냉매 흐름이 열교환기의 cold stream을 이루며, 압축기에서 압축된 재액화라인(RL)의 압축가스 흐름 및 냉매 압축부에서 압축된 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매 흐름이 열교환기의 Hot stream을 이룬다.

이러한 열교환기(100)는 극저온인 LNG로부터 발생하는 증발가스 및 질소 냉동 사이클에 맞추어 극저온 열교환기(Cryogenic Heat Exchanger)로 설치될 수 있으며, 예를 들어 Brazed Aluminium Heat Exchanger(BAHE)일 수 있다.

한편, 열교환기(100) 전단의 가스공급라인(GL)에는 열교환기에 열응력을 최소화할 수 있도록 열교환기로 도입되는 증발가스의 온도를 조절할 수 있는 예열라인(HL)이 마련된다.

가스공급라인(GL)의 열교환기(100) 상류에서 증발가스의 전부 또는 일부를 가열하여 가스공급라인의 열교환기 전단으로 공급하는 예열라인(HL)이 분기되고, 예열라인에는 증발가스를 가열하는 예열기(200)가 마련된다. 예열기의 열원으로는 예를 들어 글리콜워터, 스팀, 해수 또는 청수 등이 공급될 수 있다.

이와 같이 예열라인(HL)을 통과한 증발가스는, 예열라인으로 분기되지 않고 가스공급라인(GL)을 통과한 증발가스와 합류되어 열교환기(100)로 도입될 수 있다. 재액화 시스템을 가동하지 않는 경우 또는 재액화 시스템의 가동 초기에 열교환기의 온도가 높은 경우, 증발가스의 온도가 현저히 높은 때 등에에는 미압축 증발가스는 예열라인으로 분기된 후 열교환기를 우회하여 바로 압축기 전단으로 공급될 수도 있다. 예열기로부터 열교환기를 우회하여 압축기 전단으로 연결되는 배관에는 제1 밸브(V1)가 마련되고, 예열라인의 예열기를 지나 가스공급라인으로 합류되는 라인에는 제2 밸브(V2)가 마련되며, 가스공급라인에서 예열라인의 합류지점 전단에는 제3 밸브(V3)가 마련된다.

본 실시예 시스템에서는 가스공급라인(GL)을 열교환기(100) 전단에서 분기하여 미압축 증발가스의 온도에 따라 열교환기로의 유입 위치를 변경할 수 있도록 한 것이 특징이다.

저장탱크에서 발생하는 증발가스의 경우 대개 열교환기로 유입되는 온도가 -100 내지 -130 ℃ 내외이지만, 선박의 운전 상태나 주위 환경에 따라서 이보다 올라가거나 내려갈 수 있다. 그런데 열교환기의 열응력을 방지하기 위해 인접한 유체 흐름 간의 온도 차이에는 일정한 제한이 있어, 증발가스 온도가 일정 범위를 벗어나면 열교환기를 우회시켜야 하고 이로 인해 증발가스의 냉열을 회수하지 못하는 문제가 있었다. 본 실시예 시스템에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 열교환기 전단에서 가스공급라인(GL)을 제1 가스라인(GLa)과 제2 가스라인(GLb)으로 분기하고, 제1 가스라인과 제2 가스라인의 열교환기 유입 위치를 다르게 구성하였다. 각 배관의 개폐를 위해 제1 가스라인(GLa)에는 제4 밸브(V4)가, 제2 가스라인(GLb)에는 제5 밸브(B5)가 각각 마련된다.

미압축 증발가스의 온도가 낮으면, 예를 들어 -100 내지 -130 ℃ 내외인 경우에는 제4 밸브(V4)를 열고 제5 밸브(V5)는 닫아 제1 가스라인(GLa)을 통해 열교환기(100)로 미압축 증발가스를 유입시킨다. 미압축 증발가스의 온도가 높은 경우, 예를 들어 -70 내지 -100 ℃ 내외인 때에는 제5 밸브(V5)를 열고 제4 밸브(V4)를 닫아 제2 가스라인(GLb)을 통해 열교환기로 미압축 증발가스를 유입시킨다. 미압축 증발가스의 온도가 더 낮을 때 사용되는 제1 가스라인(GLa)은 제2 가스라인(GLb)보다 열교환기에 먼저 도입되고, 제1 가스라인과 제2 가스라인으로 도입된 증발가스의 열교환기 배출구는 동일하여, 제1 가스라인의 열교환기 통과 길이가 제2 가스라인의 열교환기 통과 길이보다 길게 된다.

이를 위해 본 실시예 시스템에 적용되는 열교환기에는 제1 가스라인이 연결되는 유입구와 제2 가스라인이 연결되는 유입구가 따로 마련된다. 이러한 열교환기(100)의 형상을 도 3에 개략적으로 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예 재액화 시스템용 열교환기(100)에는, 길이방향을 따라 제1 가스라인이 연결되는 제1 유입구(IP1)와 제2 가스라인이 연결되는 제2 유입구(IP2)가 마련된다. 열교환기 일 단부에는 미압축 증발가스가 배출되는 제1 배출구(OP1)가 마련되고, 제2 유입구(IP2)는 제1 유입구(IP1)와 제1 배출구(OP1) 사이에 마련되어, 제1 유입구로 연결되는 제1 가스라인의 열교환기 통과 길이가 제2 유입구에 연결되는 제2 가스라인보다 길다.

열교환기에서, 제1 배출구(OP1)가 마련된 일 단부의 상기 제1 배출구 인근에는 재액화라인의 압축가스가 유입되는 제3 유입구(IP3)가 마련되고, 열교환기의 길이방향을 따라 타 단부에는 재액화라인의 압축가스가 배출되는 제2 배출구(OP2)가 마련된다.

또한, 제2 배출구(OP2)가 마련된 타 단부의 타측에는 저온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제4 유입구(IP4)가 마련되고, 상기 일 단부에 제3 유입구(IP3)의 타측에 제4 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제3 배출구(OP3)가 마련된다. 이러한 제3 배출구 인근에 고온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제5 유입구(IP5)가 마련되며, 제1 유입구(IP1)와 제4 유입구(IP4) 사이에는 제5 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제4 배출구(OP4)가 마련된다.

이러한 열교환기에서 제3 유입구(IP3)로부터 제2 배출구(OP2)로 흐르는 재액화라인(RL)의 압축가스 흐름은, 제1 또는 제2 유입구(IP1 또는 IP2)로부터 제1 배출구(OP1)로 흐르는 가스공급라인(GL)의 미압축 증발가스 흐름과 제4 유입구(IP4)로부터 제3 배출구(OP3)로 흐르는 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매 흐름 사이에서 흐르고, 상기 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매 흐름은 상기 재액화라인(RL)의 압축가스 흐름과 제5 유입구(IP5)로부터 제4 배출구(OP4)로 흐르는 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매 흐름 사이로 흐르게 된다.

도 4 내지 7을 참조하여 이러한 열교환기에서의 유체 흐름을 보다 구체적으로 살펴보면, 열교환기 내부에서는 복수의 유입구 및 배출구로 흐르는 유체가 열교환되면서, 각 영역에서 서로 다른 갯수의 유체 흐름이 열교환된다. 열교환기 내부에서 열교환되는 유체 흐름의 갯수를 기준으로 이를 나누어 보면, 재액화라인(RL)을 통해 압축가스가 흐르는 방향을 따라 순차로 제1 열교환부(H1), 제2 열교환부(H2) 및 제3 열교환부(H3)가 형성된다.

제1 열교환부(H1)에서는 재액화라인(RL)의 압축가스, 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매, 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매, 가스공급라인(GL)의 미압축 증발가스의 네 흐름이 열교환된다.

재액화라인을 따라 제1 열교환부를 통과한 압축가스가 흐르는 제2 열교환부(H2)에서는 재액화라인(RL)의 압축가스, 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매, 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매의 세 흐름이 열교환된다. 마지막으로 제3 열교환부(H3)에서는 재액화라인(RL)의 압축가스와 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매의 두 흐름이 열교환된다.

미압축 증발가스의 온도에 따라 가스공급라인의 미압축 증발가스가 제1 유입구 또는 제2 유입구로 유입되면서, 열교환기에서 제1 열교환부(H1)와 제2 열교환부(H2)의 형성 영역 범위는 변동된다.

먼저 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 증발가스의 온도가 높은 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 제4 밸브(V4)를 닫고 제5 밸브(V5)를 열어 제2 가스라인(GLb)을 통해 제2 유입구(IP2)로 열교환기(100)에 미압축 증발가스가 유입된다.

이 경우 도 5에 도시된 바와 같이 열교환기 내부에서 제1 내지 제3 열교환부가 형성되며, 미압축 증발가스의 열교환기 통과 길이가 짧아짐에 따라 재액화라인(RL)의 압축가스, 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매, 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매, 제2 가스라인(GLb)의 미압축 증발가스의 네 흐름이 열교환되는 제1 열교환부(H1)의 형성 영역 범위가 작아지고, 재액화라인(RL)의 압축가스, 고온냉매순환라인(HCL)의 냉매, 저온냉매순환라인(CCL)의 냉매의 세 흐름이 열교환되는 제2 열교환부(H2)의 형성 영역 범위가 커진다.

증발가스의 온도가 낮은 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이 제4 밸브(V4)를 열고 제5 밸브(V5)를 닫아 제1 가스라인(GLb)을 통해 제1 유입구(IP1)로 열교환기(100)에 미압축 증발가스가 유입된다.

이 경우는 도 7에 도시된 바와 같이 미압축 증발가스의 열교환기 통과 길이가 길어지면서, 전술한 미압축 증발가스 온도가 높을 때보다 열교환기 내부에서 네가지 유체 흐름이 열교환되는 제1 열교환부(H1)의 형성 영역 범위는 커지고, 재액화라인의 압축가스, 고온냉매순환라인의 냉매, 저온냉매순환라인의 냉매의 세 흐름이 열교환되는 제2 열교환부(H2)의 형성 영역 범위는 작아지게 된다.

이와 같이 유체 흐름 방향으로 온도 구배가 형성되는 열교환기에서 미압축 증발가스가 유입되는 유입구를 복수로 마련하고, 열교환기 전단에서 가스공급라인을 분기하여 미압축 증발가스의 온도에 맞추어 적정 위치가 열교환기에 유입시킴으로써, 열교환기의 열응력 발생 및 장치 파손을 방지하고, 미압축 증발가스의 냉열을 회수할 수 있는 운전 조건도 넓힐 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

GL: 가스공급라인
GLa: 제1 가스라인
GLb: 제2 가스라인
RL: 재액화 라인
HCL: 고온냉매순환라인
CCL: 저온냉매순환라인
100: 열교환기
200: 예열기
IP1, IP2, IP3, IP4, IP5: 제1 내지 제5 유입구
OP1, OP2, OP3, OP4: 제1 내지 제4 배출구

Claims (12)

1. 선내 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 공급하는 가스공급라인;
   상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기;
   상기 열교환기로 공급되는 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 및
   상기 압축기에서 압축된 압축가스를 상기 열교환기를 거쳐 냉각하고 재액화하여 상기 저장탱크로 회수하는 재액화라인:을 포함하고,
   상기 가스공급라인은 상기 열교환기를 거쳐 상기 압축기로 연결되며,
   상기 열교환기에는 길이방향을 따라 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스가 유입되는 제1 유입구와 제2 유입구가 마련되고, 열교환기 일 단부에는 상기 미압축 증발가스가 배출되는 제1 배출구가 마련되되, 상기 제2 유입구는 상기 제1 유입구와 상기 제1 배출구 사이에 마련되며,
   상기 가스공급라인은 상기 열교환기의 전단에서 상기 제1 유입구로 연결되는 제1 가스라인과, 상기 제2 유입구로 연결되는 제2 가스라인으로 분기된 후, 열교환기 내부에서 합류되어 상기 제1 배출구로 배출되어,
   상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 열교환기로의 유입 위치를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 미압축 증발가스의 온도가 낮으면 상기 제1 유입구로 유입시켜 상기 열교환기에서의 통과 길이를 늘리고, 온도가 높으면 상기 제2 유입구로 유입시켜 통과 길이를 줄이는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 냉매순환라인에는, 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치와, 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부가 마련되고,
   상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 상기 열교환기로 도입되어 고온냉매순환라인을 이루면서 상기 열교환기에서 냉각되고, 상기 냉매 팽창장치를 거쳐 팽창냉각된 후 상기 열교환기로 도입되어 저온냉매순환라인을 이루면서 상기 압축가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 열교환기에는
   상기 일 단부의 상기 제1 배출구 인근에 상기 재액화라인의 압축가스가 유입되는 제3 유입구;
   상기 길이방향을 따라 타 단부에서 상기 압축가스가 배출되는 제2 배출구;
   상기 타 단부의 타측에서 상기 저온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제4 유입구;
   상기 일 단부에 상기 제3 유입구의 타측에서 상기 제4 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제3 배출구;
   상기 제3 배출구 인근에서 상기 고온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제5 유입구; 및
   상기 제1 유입구와 제4 유입구 사이에 배치되며 상기 제5 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제4 배출구;가 마련되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 열교환기에는 상기 재액화라인을 통해 상기 압축가스가 흐르는 방향을 따라 순차로 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부가 형성되며,
   상기 제1 열교환부에서는 상기 재액화라인의 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매, 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스의 네 흐름이 열교환되고,
   상기 제2 열교환부에서는 상기 재액화라인의 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 세 흐름이 열교환되며,
   상기 제3 열교환부에서는 상기 재액화라인의 압축가스, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 두 흐름이 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 제1 유입구 또는 제2 유입구로 유입되면, 상기 열교환기에서 상기 제1 열교환부 및 제2 열교환부의 형성 영역 범위가 변동되며,
   상기 열교환기에서 상기 재액화라인의 압축가스 흐름은 상기 가스공급라인의 미압축 증발가스 흐름과 저온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이에서 흐르고, 상기 저온냉매순환라인의 냉매 흐름은 상기 재액화라인의 압축가스 흐름과 고온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이로 흐르는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 가스공급라인으로부터 분기되어 상기 제1 및 제2 가스라인의 분기지점 전단으로 연결되는 예열라인;
   상기 예열라인에 마련되며 증발가스를 가온하는 예열기;
   상기 예열기로부터 상기 열교환기를 우회하여 상기 압축기 전단으로 연결되는 배관에 마련되는 제1 밸브; 및
   상기 예열라인의 예열기 후단에 마련되는 제2 밸브;를 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.
8. 선내 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스를 압축기에서 압축하고 열교환기를 거쳐 냉각하여 재액화하는 재액화 시스템에서,
   상기 열교환기에서는 상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉매순환라인을 순환하는 냉매 및 상기 압축기로 도입될 미압축 증발가스와 열교환되며,
   상기 열교환기에는 길이방향을 따라 상기 미압축 증발가스가 유입되는 제1 유입구와 제2 유입구가 마련되고, 일 단부에는 상기 미압축 증발가스가 배출되는 제1 배출구가 마련되되, 상기 제2 유입구는 상기 제1 유입구와 상기 제1 배출구 사이에 마련되어,
   상기 미압축 증발가스의 온도가 낮으면 상기 제1 유입구로 유입시켜 상기 열교환기에서의 통과 길이를 늘리고, 온도가 높으면 상기 제2 유입구로 유입시켜 통과 길이를 줄여,
   상기 미압축 증발가스의 온도에 따라 상기 열교환기로의 유입 위치를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템용 열교환기.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 냉매순환라인에는, 상기 열교환기로 공급되는 상기 냉매가 팽창냉각되는 냉매 팽창장치와, 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축부가 마련되고,
   상기 냉매 압축부에서 압축된 냉매는 상기 열교환기로 도입되어 고온냉매순환라인을 이루면서 상기 열교환기에서 냉각되고, 상기 냉매 팽창장치를 거쳐 팽창냉각된 후 상기 열교환기로 도입되어 저온냉매순환라인을 이루면서 상기 압축가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템용 열교환기.
10. 제 9항에 있어서, 상기 열교환기에는
    상기 일 단부의 상기 제1 배출구 인근에 상기 압축가스가 유입되는 제3 유입구;
    상기 길이방향을 따라 타 단부에서 상기 압축가스가 배출되는 제2 배출구;
    상기 타 단부의 타측에서 상기 저온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제4 유입구;
    상기 일 단부에 상기 제3 유입구의 타측에서 상기 제4 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제3 배출구;
    상기 제3 배출구 인근에서 상기 고온냉매순환라인의 냉매가 유입되는 제5 유입구; 및
    상기 제1 유입구와 제4 유입구 사이에 배치되며 상기 제5 유입구로 유입된 냉매가 배출되는 제4 배출구;가 마련되는 것을 특징으로하는 선박의 증발가스 재액화 시스템용 열교환기.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 열교환기에는 상기 압축가스가 흐르는 방향을 따라 순차로 제1 열교환부, 제2 열교환부 및 제3 열교환부가 형성되며,
    상기 제1 열교환부에서는 상기 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매, 상기 미압축 증발가스의 네 흐름이 열교환되고,
    상기 제2 열교환부에서는 상기 압축가스, 상기 고온냉매순환라인의 냉매, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 세 흐름이 열교환되며,
    상기 제3 열교환부에서는 상기 압축가스, 상기 저온냉매순환라인의 냉매의 두 흐름이 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템용 열교환기.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 열교환기에서 상기 압축가스 흐름은 상기 미압축 증발가스 흐름과 저온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이에서 흐르고, 상기 저온냉매순환라인의 냉매 흐름은 상기 압축가스 흐름과 고온냉매순환라인의 냉매 흐름 사이로 흐르는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템용 열교환기.

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