KR910001199B1 - 액화 천연가스의 증발증기를 회수하는 방법 - Google Patents

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에어프로덕츠 앤드 케미칼스 인코오포레이티드
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Description

액화 천연가스의 증발증기를 회수하는 방법
제1도는 본 발명에 의한 재액화 증발증기의 재증발 및 재순환 공정을 예시하는 블록도.
제2도는 증발증기가 재압축되는 본 발명의 다른 실시예를 예시하는 블록도.
제3도는 증발증기가 재응축되는 본 발명의 또 다른 실시예를 예시하는 블록도.
본 발명은 액화천연가스(LNG)의 증발증기를 재액화하는 방법에 관한 것이다.
LNG저장용기내로 열이 누출되면 액체상의 일부가 증발되어 용기의 압력이 상승한다. 종래에, 이 압력은 발화성 LNG 함유가스를 증기구동 LNG유조선의 증기 보일러의 보조연료로서 소비하여서 감압시켰다.
또한, 항해시에 발화가스는 배기 또는 플레어(flare)시킴으로써 소재할 수 있었다. 최근의 LNG유조선은 증기구동 엔진보다는 디이젤구동엔진을 사용하여 설계한다.
이러한 최신 유조선은 LNG 증발증기를 재응축하는 재액화장치는 구비하고 있으나, 재액화장치의 소재방법이 없다. 또한 법규상, 특히 정박시에 배기 또는 플레어에 의해 탄화수소함유류를 처분하지 못하도록 되어 있다.
이러한 증발증기의 제어필요성을 제거하기 위해서, 발화가스를 재액화시킨후에 이것을 LNG 저장용기로 재순환시켜서 LNG를 회수하는 방법이 제안된 바 있다.
LNG 저장용기의 증발증기 재액화장치의 작동 개시 및 종료(부하경감)동작중에, 질소(N2)불순물은 LNG보다 우선적으로 발화되어 증기계내에서 응축한다.
질소 불순물의 주발생원은 원래 천연가스에 함유되어 있는 것으로서, 통상적으로 0.5% 정도이다. LNG보다 휘발성이 큰 질소는 우선적으로 발화되어 중기계내에서 응축된다. 예를 들면, 0.3%의 N2를 함유하는 LNG는 대략 3%의 N2를 함유하는 증기로 산출된다.
질소불순물이 존재하면 발화가스의 재액화작용이 이 방해를 받는다. 작동 개시 및 종료동작상태에서, 증발증기 재액화장치는 발화가스의 이슬점에 도달할정도로 낮은 온도에서 재액화장치의 내부냉각계가 충분한 냉각을 행하지 못할 때까지 질소를 응축시킨다. 이때, 재액화작용은 기체상의 N2농도가 감소될 때까지 정지한다.
재액화장치는 스위스연방의 Sulzer Brothers Limited의 P.Wicker에 의해 오일 및 가스저어널, 53-55(1971년 1월 18일자)의 Reliquefaction of LNG Boiloff Gas에 개시되어 있다. 이 장치는 냉각완충용기를 사용함으로써 냉각용량을 설계용량의 30% 정도로 감소시킬 수 있다. 54페이지 하단의 기사는 LNG저장용기의 초기냉각을 위해 시도했던 공정을 개설하고 있으나, 이 공정은 실패하였다고 적혀있다.
이 실패는 응축기와 습기 및 중탄화수소와의 동결로 인한 것이었다. 이러한 경험은 설계조건과 거리가 먼 조작을 행하는 경우에 발생하는 예기치 않는 문제를 설명하는 것이다.
본 발명은 재액화류를 재증발 및 재순환시킴으로써 질소의 기상농도증가를 방지함과 동시에 온도를 제어하는 LNG액화방법이다. 이 방법은 재액화장치의 개시 및 종료동작상태하에서 특히 유용하다.
재액화장치는 증발증기의 조성이 비교적 일정하게 잔류함과 동시에, 질소농도가 대폭적으로 증가하지 않도록 수정한 것이다.
증발증기재액화장치의 동작중에, 부하감소 및 비정상증 기조성상태가 발생하면 재액화장치의 기능장해가 유발된다. 재액화장치의 동작 상태변화는 증기유량을 감소시키거나 LNG 저장용기로부터의 흐름중 질소함량을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 이러한 상태는 유조선의 귀환항해, 탱커의 연료인출중, 또는 재액화장치의 작동개시시에 저장용기의 액체재고량을 감소시킬 수 있다.
재액화장치의 작동 개시 및 종료동작시의 문제를 방지하기 위해서, 응축증기를 재증발시킴으로써 인위적으로 재액화장치의 부하를 일정하게 공급하는 방법을 제시하고 있다.
재액화장치는 부하가 30% 정도 감소하는 경우에도 작동중지되는 일없이 작동가능할 것으로 추정된다. 30%는 LNG 유조선의 증발증기재액화장치의 귀환 트립(return trip)으로 인해 구체화된 것이다. 본 발명에 있어서 재증발기를 사용하는 것은 저부하상태에서 재액화장치의 작동중지를 방지하는데 효과적이다.
정박중에 재액화장치를 작동개시하는 것이 특히 위험하다. 정상적으로 작동 개시하기 위해서는 응축기로부터 비응축질소를 배기하여 재액화장치의 응축온도이상의 증기 이슬점을 유지하여야 한다. 작동개시의 초기에 증발된 대부분이 LNG인 응축물을 본 발명에 따라 재순환시키는 경우에는 상기와 같은 배기를 행하지 않아도 된다.
제1도에 도시한 바와 같이, 본 발명은 LNG재액화 장치에 재증발기(6)을 첨가하여 구성된다. LNG저장용기(1)로부터의 증기(2) 및 (8)은 공지된 바와 같이 일반적으로 재액화장치(3)에서 액화되고, 거의 모두가 액체인 재액화장치 생성물(4)는 일반적으로 LNG저장용기(1)로 귀환된다.
질소가 LNG중 다른 성분보다 우선적으로 발화하는 것과 마찬가지로, 다른 LNG성분은 질소보다 우선적으로 응축한다. 재액화장치 생성물(4)이 포화될 정도로 냉각되지 않은 경우, 특히 작동개시 또는 종료동작중에, 재액화장치 생성물(4)중의 액체상은 대부분이 LNG인 한편 재액화장치 생성물(4)중의 기체상은 대부분이 질소이다. 부분적으로 발화하여 LNG 저장용기(1)로 유입하는 재액화장치 생성물(4)중의 일부액체는 작동 개시중의 재액화증발증기의 불완전냉각 및/또는 작동종료중의 LNG귀환 파이프의 열누출로 인해서 LNG 저장용기(1)의 질소의 기상농도가 증가할 것이다.
본 발명에 의하면, 기상의 질소농도증가를 방지하기 위해서, 재액화장치(3)으로부터의 재액화장치 생성물흐름(4)중 적어도 일부는 흐름(5)를 통해서 재증발기(6)에서 재증발된다. 재증발 흐름(7)은 흐름(8)을 통해서 재액화장치(3)으로 재순환된다.
작동 개시중, 예를 들면, 재액화장치 생성물흐름(4)중의 모든 액체상은 흐름(5)를 통해서 재액화됨과 동시에 LNG 저장용기 귀환흐름(12)는 감소될 것이다. 따라서 유량제어밸브(10)은 개방되고 유량제어밸브(11)은 패쇄된다.
재액화장치(3)에서의 응축체중량이 안정한 질소농도를 유지할 정도로 충분한 경우에, 제어밸브(10)은 패쇄되어 재순환흐름(5)를 차단하고 제어밸브(11)은 개방되어 LNG 저장용기(1)로의 흐름(12)의 양을 증가시킨다.
재액화장치의 작동종료동작은, 예를 들면, LNG저장용기(1)이 충전되어 있고 소량의 열누출이 있는 경우에 발생할 수 있다. 가스의 유동이 거의없는 작동종료상태하에, 최소유량을 유지하기 위해서 재액화장치의 제어장치를 재순환흐름(도시하지 않음)을 개시하는 방식으로 함으로써 압축기의 요동을 방지할 수 있다. 압축기를 경유하는 흐름의 온도는 압축열로 인해 상승한다. 이 흐름의 당해 증가 온도는 재액화장치의 기기작동 한계온도를 초과할 수 있다. 유동률증가는 물론 압축기 요동방지용 재순환흐름(도시하지 않음)에 흐름(7)을 첨가함으로써 압축기 피이드의 유입온도를 감소시키기 위해서는 재증발장치생성물 흐름(4)중 적어도 일부를 재증발(및 재순환)시키는 것이 보통이며, 이렇게 함으로써 압축기를 경유하는 흐름의 과열을 방지할수 있다. 이 방법은 질소로 오염되지 않은 LNG 재액화장치에 있어서, 압축열 및/또는 열누출로 인한 증온을 제한하기 위해서 이용할 수 있다.
재증발기(6)의 가열매체(9)는 공지된 일반공학원리에 따라 선택할 수 있다. 예를 들면, 유조선은 재증발기(6)에 증발열을 공급하는 가열매체(9)로서 해수를 이용할 수 있다.
제2도는 본 발명의 일실시예를 도시하는 것으로서 제1도의 재액화장치(3)이 증발증기 압축기(23) 및 냉각상자(25)를 포함하는 형태이다. 이 장치에 있어서, 냉각상자는 열교환에 의해 LNG를 응축하는 장치이다. LNG저장용기(21)로부터의 증발증기(22) 및 (30)은 증발증기 압축기(23)에서 압축된다. 압축증기(24)는 냉각상자(25)에서 열교환에 의해 냉각된다. 냉각액체 생성물(26)은 LNG저장용기(21)로 귀환된다. 흐름(30) 및 (24)의 질소농도가 증가함에 따라, 흐름(24)는 재액화가 점점 곤란해진다. 결국 재액화작용이 중지된다. 제1도의 실시예에 의해, 질소의 농도가 증가하는 것을 방지하기 위해서, 냉각상자(25)로부터의 생성물 흐름(26)의 액체중 처음에는 모두를, 그 다음에는 일부를 흐름(27)을 경유하여 재증발기(28)에서 재증발시킨다. 재증발 흐름(29)는 흐름(30)을 경유하여 증발증기압축기(23)으로 재순환된다.
작동개시중, 예를 들면, 생성물흐름(26)의 액체상 모두는 흐름(27)을 경유하여 재증발됨과 동시에 LNG저장용기귀환흐름(33)은 감소한다. 따라서, 유량제어밸브(31)은 개방되는 한편 유량제어밸브(32)는 폐쇄된다. 냉각상자(25)에서의 응축체증량이 안정한 질소농도를 유지할 정도로 충분한 경우에, 제어밸브(31)은 폐쇄되어 재순환흐름(27)을 차단하는 한편 제어밸브(32)는 개방되어 LNG저장용기(21)로의 흐름(33)을 증가시킨다.
종래의 재액화장치의 작동 개시중에, 재액화장치의 온도는 주위 온도와 같다. 본 발명에 따라 증발증기의 재증발(및 재순환)을 완료하면, 가스중의 질소농도가 원래의 증발증기수준으로 유지됨은 물론 장치의 냉각이 가능하다. 흐름(26)이 완전히 액화됨과 동시에 충분히 차냉각될 때까지 흐름(26) 모두의 재증발을 계속하여서 LNG저장용기(21)로 유입될 때에도 액체상태로 남아 있어야 한다.
재액화장치의 작동종료동작은, 예를 들면, LNG 저장용기(1)이 충전되어 있고 소량의 열누출이 있는 경우에 발생할 수 있다.
가스의 유동이 거의 없는 작동종료상태하에, 최소유량을 유지하기 위해서 압축기(23)의 제어장치를 그 유출(24)에서 유입(30)까지의 재순환흐름(도시하지 않음)을 개시하는 방식으로 함으로써 압축기의 요동을 방지할 수 있다. 압축기(23)을 경유하는 흐름의 온도는 압축열로 인해 상승한다.
이 흐름의 당해 증가온도는 냉각상자(25)의 기기작동 한계온도를 초과할 수 있다. 유동률 증가는 물론 압축기요동방지용 재순환흐름(도시하지 않음)에 흐름(29)를 첨가함으로써 압축기이피이드의 유입온도를 감소시키기 위해서는, 냉각액흐름(26)중 적어도 일부를 재증발(및 재순환)시키는 것이 보통이며, 이렇게 함으로써 압축기를 경유하는 흐름의 과열을 방지할 수 있다. 이 방법은 질소로 오염되지 않은 LNG 재액화 장치에 있어서, 압축열 및/또는 열누출로 인한 증온을 제한하기 위해서 이용할 수 있다.
재증발기(28)의 가열매체(31)은 공지된 일반공학원리에 따라 선택할 수 있다.
제3도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 것으로서, 제1도의 재액화장치(3)의 한 부품이 증발증기응축기(43)인 것이다.
LNG저장용기(41)로부터의 증발증기(42) 및 (48)은 일반적으로 증발증기 응축기(43)에서 재액화되고 응축액(44)는 LNG 저장용기(41)로 귀환된다. 작동 개시 또는 종료동작중에 흐름(48)의 질소농도가 증가하면, 흐름(48)은 재액화가 곤란해진다. 결국 재액화 작용이 중지된다. 본 발명에 의하면, 질소의 농도 증가를 방지하기 위해서, 증발증기응축기(43)으로부터의 흐름(44)중 액체의 일부를 흐름(45)를 경유하여 재증발장치(46)에서 재증발시킨다.
재증발흐름(47)은 흐름(48)을 경유하여 증발증기 응축기(43)으로 재순환된다.
제2도의 장치에서와 같이, 주위온도에서의 재액화 장치의 작동 개시중, 장치가 냉각되고 흐름(44)가 완전히 액화될 때까지 흐름(44)의 재증발을 계속함으로써 질소의 농도를 대략 일정하게 유지할 수 있다. 이때, 제어밸브(50)은 폐쇄되어 재순환흐름(45)를 차단하고 제어밸브(51)은 개방되어 LNG저장용기(41)로의 흐름(52)의 양을 증가시킨다. 또한, 작동종료 동작중에, 본 발명에 따라 재액화흐름의 적어도 일부를 재증발 및 재순환시킴으로써 질소농도를 유지할 수 있다.
제3도의 재액화장치는 압축기를 포함하지 않는 경우이지만, 증발증기 응축기(43)을 경유하는 부하를 일정하게 유지하기 위해 재증발기(46)을 이용하면, 증발증기응축기(43)의 냉각부의 감소 또는 무부하상태에 관련된 문제, 특히 냉각압축기 문제가 제거된다.
제2도의 장치에서와 같이, 이 방법은 질소로 오염되지 않은 LNG 재액화장치에 있어서, 압축열 및/또는 열누출로 인한 온도를 제한하는데 이용할 수 있다.
재증발기(46)의 가열매체는 공지된 일반적 공학원리에 따라 선택할 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 발명에 있어서, 특허로서 명백히 해야할 사항은 특허청구범위에 기재한다.

Claims (4)

  1. 증발증기의 일부를 재액화장치에 공급하고 재액화장치로부터의 방출물을 저장용기로 귀환시켜 액화 천연가스와 오염질소를 담고 있는 액화천연가스 저장용기의 증기 공간으로부터 증발증기를 회수하는 방법에 있어서, a) 오염질소의 농도를 제어하고/하거나 저장용기의 증기공간의 온도 상승을 제한하기 위하여 재액화장치로부터의 방출물의 적어도 일부를 제거하여 재순환물을 형성하고, b) 재증발기속의 재순환물을 가열하여 재순환물의 응축된 부분을 증발시키고, c) 재액화장치의 입구로 재순환물을 귀환시켜, 작동 개시 및 작동종료중에 재액화장치의 작동의 고장을 막는것을 특징으로 하는 액화천연가스의 증발증기를 회수하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 재액화장치는 압축기 및 냉각상자를 포함하고, 재증발기의 피이드는 냉각상자로부터의 생성물 또는 그 일부인 한편 재증발기로부터의 증기는 압축기의 흡입구로 재순환되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 증발증기를 회수하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 재액화장치는 응축기를 포함하고, 재증발기의 피이드는 응축기로부터의 생성물 또는 그 일부인 한편 재증발기로부터의 증기는 응축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 액화 천연가스의 증발증기를 회수하는 방법.
  4. 액화천연가스와 오염질소를 담고 있는 액화천연가스 저장용기의 증기공간으로부터 증발증기를 회수하는 장치에 있어서, a) 저장용기의 증기 공간으로부터 증발증기의 적어도 일부를 응축하는 재액화장치와, b) 오염질소의 농도를 제어하고/하거나 저장용기의 증기 공간의 온도 상승을 제한하기 위하여 재순환물로서 재액화장치로부터의 방출물의 적어도 일부를 제거하는 수단과, c) 재순환물의 응축부분을 증발시키는 재증발기와, d) 재증발된 재순환물을 재액화장치로 귀환시키는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 액화 천연가스의 증발증기를 회수하는 장치.
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