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KR100681094B1 - 천연가스 연료 공급 장치 - Google Patents

천연가스 연료 공급 장치 Download PDF

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KR100681094B1
KR100681094B1 KR1020020050113A KR20020050113A KR100681094B1 KR 100681094 B1 KR100681094 B1 KR 100681094B1 KR 1020020050113 A KR1020020050113 A KR 1020020050113A KR 20020050113 A KR20020050113 A KR 20020050113A KR 100681094 B1 KR100681094 B1 KR 100681094B1
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KR
South Korea
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compressor
lng
natural gas
outlet
conduit
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KR1020020050113A
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게르스텐되르퍼헬무트
포지빌조세프
Original Assignee
크라이오스타 에스아에스
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Abstract

LNG 이송용의 외항 탱커의 보일러(42)를 가열하기 위해서 천연가스 연료를 공급하는 장치가, 적어도 하나의 LNG 저장 탱크(2)의 빈 공간(4)과 연통하는 입구와, 압축기(12)로부터 보일러(42)에 결합되어 있는 연료 버너(40)로 안내되는 도관(22)과 연통하는 출구를 갖는 압축기(12)와, 상기 탱크(2)의 액체 저장 영역과 연통하는 입구와, 상기 보일러(42)에 결합되어 있는 연료 버너(40)로 안내되는 상기 도관(22) 또는 상기 도관(22)과 상이한 도관과 연통하는 출구를 갖는 강제형 LNG 증발기(24)를 포함한다.

Description

천연가스 연료 공급 장치{NATURAL GAS SUPPLY APPARATUS}
도 1은 천연가스 연료 공급 장치의 제 1 실시예의 개략적인 흐름도,
도 2는 천연가스 연료 공급 장치의 제 2 실시예의 개략적인 흐름도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2: LNG 저장 탱크 4: 빈 공간
12: 압축기 22: 도관
24: 강제형 LNG 증발기 40: 연료 버너
42: 보일러
본 발명은 액화 천연가스(liquefied natural gas: LNG)를 반송하는 탱커(tanker)의 보일러를 가열할 목적으로 천연가스 연료를 공급하기 위한 장치에 관한 것이다.
LNG 탱커는 통상적으로 하나 또는 그 이상의 증기 터빈에 의해 추진된다. 따라서 이 탱커는 증기를 발생시키기 위하여 보일러를 구비한다. 연료의 약 50%는 탱커의 LNG 저장탱크 자체로부터 제공되는 증기를 증가시키기 위한 연소에 필요하다. 액체 천연가스는 약 -162℃의 온도에 비등점을 갖기 때문에, 저장탱크가 단열되어 있긴 하지만, 액체 천연가스의 비등점이 너무 낮아서 비록 적은 비율이긴 하지만 탱커로부터 LNG의 연속적인 증발이 불가피하게 일어난다. 종래의 작업에서는 그러한 자연적인 증발을 이용하여 보일러의 연료 필요조건중 일부를 충족시켰다. 그 나머지는 "벙커 오일"이라 불리기도 하는 중탄화수소 액체 연료의 스톡으로부터 충족된다.
그러나 탱커는 그 추진에 필요한 모든 증기를 증가시키기 위하여 천연가스만의 연소로부터 충분한 열적 에너지를 발생시키는 능력을 가져야 한다. 따라서 보일러에 결합된 버너에 천연가스를 공급하는 장치가 강제형 증발기(forced vaporiser)를 추가로 구비한다. 과거 20년 동안 사용되어 온 탱커 장치에 있어서는 LNG 저장 탱크의 빈 공간(ullage space)으로부터 그 공급물중 일부를 수용하고 강제형 증발기로부터 그 나머지를 수용하는 천연가스 압축기가 있다. 강제형 증발기는 압축기의 입구에서 액체 방울이 응결되지 않도록 천연가스의 이슬점보다 훨씬 높게 선택된 -40℃ 정도의 출구 온도를 갖는다. 한편, 탱크의 빈 공간으로부터 취한 천연가스의 온도는 -100℃ 내지 -140℃의 범위 내에 있는 경향이 있는데, 후자의 온도는 탱커가 LNG로 가득 찰 때 얻어지고, 전자의 온도는 탱커가 반송지로부터 돌아올 때 얻어지는 것으로서, 소량의 LNG가 저장 탱크를 적절한 저온으로 유지시킬 목적으로 보유되었다. 따라서 실제로 이 종래의 장치에서 압축기는 -40℃ 내지 -140℃ 범위의 어떤 천연가스 입구 온도에서 작동할 수 있도록 배열되어야 한다. 가스를 압축시키기 위해 필요한 단열 일이 저온에서는 20 내지 25kJ/kg 정도인 반면, 고온에서는 50 내지 69kJ/kg 정도이다. 따라서 압축기를 구동시키는 모터는 넓은 의무 범위에 대처할 수 있어야 한다. 전형적으로, 모터는 주파수 변환기나 복수의 속도 유형중 어느 하나를 구비한다. 다른 결점도 있다. 특히, 액체 입자가 압축기 내로 반송되지 않도록 강제형 증발기로부터의 가스가 천연 증발 연료와 혼합되는 곳보다 상류에 미스트 분리기를 이용하는 것이 필요하면, 잠재적인 액체 침식원이 되는 그러한 입자는 압축기의 임펠러를 손상시킨다.
따라서 탱커의 보일러 내에서 증기를 상승시키는 연료로서 천연가스를 제공하는 개선된 구조체가 필요하며, 본 발명은 이러한 필요를 충족시킨 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, LNG 이송용의 외항 탱커(ocean-going tanker)의 보일러를 가열하기 위해서 천연가스 연료를 공급하는 장치에 있어서, ① 적어도 하나의 LNG 저장 탱크의 빈 공간과 연통하는 입구와, 압축기로부터 보일러에 결합되어 있는 연료 버너로 안내되는 도관과 연통하는 출구를 갖는 압축기와, ② 상기 탱크의 액체 저장 영역과 연통하는 입구와, 상기 보일러에 결합되어 있는 연료 버너로 안내되는 상기 도관 또는 상기 도관과 상이한 도관과 연통하는 출구를 갖는 강제형 LNG 증발기를 포함하는 천연가스 연료 공급 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면 압축기를 보다 좁은 온도 범위 내에서, 전형적으로는 -140℃ 내지 -100℃에서 작동시킬 수 있게 되므로, 천연가스를 소정의 압력으로 압축시키는데 필요한 일량을 대폭 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 주파수 변환기 없는 단일 속도의 모터를 이용해서 압축기를 전형적인 방식으로 구동시킬 수 있다. 따라서, 압축기 구동 구조체가 단순화된다. 게다가 압축기에 의해서 소모되는 동력도 감소된다. 그 이유는 두가지이다. 첫째, 그의 평균 작동 온도가 전술한 공지된 장치보다 낮다. 따라서 이 가스의 단위량을 선택된 압력만큼 상승시키는데 필요한 일은 공지된 장치에서의 것보다 작다. 둘째, 강제형 증발기가 압축기의 하류를 고갈시키기 때문에 공지의 장치와 비교해서 압축기를 통한 가스의 유속이 감소된다.
강제형 증발기는 출구 온도를 선택하도록 작동가능한 제 1 밸브 수단과, 통과하는 유속을 제어하기 위한 제 2 밸브 수단을 갖는 것이 바람직하다.
전형적으로, 압축기의 하류에는 가스 히터가 있다. 강제형 가스 증발기가 압축기로부터의 출구와 동일한 도관과 연통하면, 강제 증발된 가스가 압축된 가스와 만나는 이 도관의 위치는 가스 히터의 하류인 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 장치를 예시적으로 기술할 것이다.
도면의 도 1을 참조하면, LNG 저장 탱크(2)가 외항 탱커(도시하지 않음) 내에 위치된다. 탱크(2)는 진공 절연되거나, 또는 주변의 환경으로부터 그 내부 액체로의 열의 흐름을 억제하도록 그것과 관련되어 있는 다른 열적 단열 형태를 갖는다. 탱크(2)는 빈 공간(4)을 가지며 또한 LNG의 체적(6)을 수용한다. LNG가 주위보다 훨씬 낮은 온도에서 비등하기 때문에 탱크(2)의 열적 절연에도 불구하고 LNG가 빈 공간(4)내로 연속적으로 증발된다. 그 결과로 생긴 증발 가스가 탱크(2)로부터 나와 출구(8)를 통해 흘러서 파이프라인(10)을 따라 압축기(또는 송풍기)(12)로 흐른다. 압축기(12)는 전기 모터(14)에 의해 구동된다. 이 모터는 보통 단일 속도를 가지며 주파수 변환기를 이용하지 않는다. 압축기(12)의 동작에 의해 가스의 압력이 상승한다. 압축 열은 주변 온도로 압축되어 있는 가스의 온도를 상승시킬 정도로 충분하지는 않으며, 그러한 열은 보일러를 작동시키기 위해 필요하다. 따라서 결과적인 압축 가스는 가스 히터(16)를 통과하며, 가스는 이 가스 히터(16) 내에서 그 온도가 대략 주변 온도로 상승하도록 증기(또는 다른 가열 매체, 예를 들면 온수)에 의해 가열된다. 가스의 과열을 방지하기 위하여, 가스 히터(16)의 상류로부터 하류로 연장하는 밸브형의 우회 라인(20)에 의해 온도 제어가 행해진다. 온도 제어의 추가 수단으로서, 가스 히터가 그로부터의 출구 온도를 선택하도록 설정될 수 있는 유동 제어 밸브(18)를 그의 상류측에 구비한다. 그 결과로 가열된 가스는 도관(22)을 통과하며, 이 도관(22) 내에서 증발된 천연가스의 제 2 유동과 혼합된다.
증발된 천연가스의 제 2 유동은 탱크(2) 내의 LNG 속에 잠겨 있는 펌프(26)에 의해서 그 LNG 체적(6)으로부터 발생된 LNG의 유동을 증발시키기 위한 강제형 증발기(24)를 이용하여 형성된다. 펌프(26)의 출구는 상승부(riser)(28)를 거쳐서 강제형 증발기(24)와 연통한다. 압력 제어 밸브(48)가 증발기(24)를 통한 상이한 유동 속도를 위하여 파이프(50)를 개방하여서 액체가 저장 탱크(2)로 복귀되도록 한다. 강제형 증발기(24)는 +20℃의 출구 온도가 쉽게 성취될 수 있도록 확대된 과열부를 갖는다. 강제형 증발기(24)는 가스 히터(16)와 관련되어 있는 것과 유사한 밸브 구조체를 갖는다. 따라서 증발기(24)의 상류측에는 제 1 유동 제어 밸브(30)가 제공되어서 가스 히터(16)의 출구 압력을 압축기(12)의 출구 압력과 동일하도록 설정하고, 증발기(24)의 상류로부터 하류로 연장하는 밸브형 우회 라인(32)이 제공되어서 증기의 출구 온도를 제어한다. 전형적으로 증발기(24)는 증기의 가열을 이용하는 유형을 가져서 그것을 통하여 흐르는 유체의 온도를 상승시킨다.
가스 히터(16)로부터 공급된 가스와 증발기(24)로부터 공급된 가스의 혼합물이 마스터 유동 제어 밸브(master flow control valve)(38)를 통하여 탱커의 엔진실(44) 내의 보일러(42)에 결합되어 있는 버너(40) 내로 흐른다. 마스터 유동 제어 밸브(38)는 작동 상태로 위치하며, 버너(40)의 점화에 의해 발생된 열은 보일러(42) 내의 증기를 증가시킨다. 탱커의 추진력을 제공하는 터빈(도시하지 않음)을 구동시키기 위하여 증기가 사용된다.
본 발명에 따른 장치는 예상되지 않았던 작동 상태에 대처하기 위한 각종 안전 대책을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 압축기(12) 안에 서지 상태가 발생하면 서지 밸브(46)가 압축기(12) 둘레의 우회로를 자동으로 개방한다. 유사하게, LNG 속에 잠겨 있는 펌프(26)는 전술한 바와 같이 최소 흐름의 우회 밸브(48)에 의해 보호된다.
도면에 도시된 장치의 동작의 전형적인 실시예에 있어서, 압축기(12)는 -140℃의 온도와 106kPa의 (절대)압력에서 탱크(2)의 빈 공간(4)으로부터 증발 가스를 수용한다. 이 가스의 압력은 압축기(12)의 동작에 의해서 196kPa의 압력까지 정당하게 상승한다. 가스 히터를 통하여 보통 10kPa 정도의 작은 압력 강하가 일어난다. 가스 히터(16)를 떠난 가스는 동일 온도 및 압력에 있는 강제형 증발기(24)로부터의 가스 스트림과 혼합된다. 300kPa 내지 500kPa 범위의 압력과 -160℃ 정도의 온도에서 펌프(26)에 의해 강제형 증발기(24)로의 공급이 이루어진다.
전술한 실시예는 탱크(2)가 LNG로 가득 채워지는 예에 적용된다. 전형적으로 LNG가 탱커의 목적지로 전부다 반송되지는 않는다. 일부는 LNG 공급 터미널로의 귀환 여행중 저장 탱크(2)를 냉각할 목적으로 보유된다. 보통 저장 탱크(2)는 귀환 여행중 훨씬 적은 양의 LNG를 수용하고 있기 때문에 빈 공간의 온도는 -100℃ 정도까지 상승한다. 따라서 압축기(12)의 출구 온도는 약 -70℃까지 상승한다.
도면에는 단 하나의 탱크만을 도시하였지만, 실제로는 압축기, 가스 히터 및 강제형 증발기의 단일 조립체가 임의 수의 저장 탱크에 도움을 줄 수 있다. 보통 LNG 탱커는 온라인 부품의 기능부전이 있는 경우에 사용될 수 있는 예비 압축기(56), 예비 (오프라인) 가스 히터(도시하지 않음) 및 예비 증발기(도시하지 않음)를 가질 필요가 있다.
압축기 상류의 가스 스트림 내로가 아니고 가열된 가스 스트림 내로 강제형 증발기(24)가 배출하는 것에 의해서 여러가지의 이점이 얻어질 수 있다. 첫째, 단순한 단일 속도의 모터(14)를 이용하여 압축기(12)를 구동할 수도 있다. 둘째, 압축기(12) 및 모터(14)의 크기를 감소시킬 수도 있다. 셋째, 압축기가 용기(2)의 빈 공간(4)으로부터 단지 천연가스만을 수용하고 그것과 혼합된 강제형 증발기의 출력을 갖고 있지 않기 때문에, 그 제어를 단순화시킬 수 있다. 넷째, 소형 모터를 이용할 수 있기 때문에, 결과적으로 에너지 절감을 이룰 수 있다. 또한 강제형 증발기로부터의 가스가 재압축될 필요가 없다는 점 때문에 추가의 에너지 절감이 이루어질 수 있다.
다른 이점은 강제형 증발기의 하류나 압축기의 상류중 어느 한 곳에 미스트 분리기가 필요하지 않다는 점에 있다.
전형적으로 펌프(26)는 보통 다른 목적의 탱크(2) 내에 제공된다. 따라서 전용의 액체 펌프를 설치할 필요가 없다.
도면에 도시한 장치에 대하여 각종 변형 및 변경이 이루어질 수도 있다. 예를 들면 강제형 증발기(24)로부터의 출구는 도관(22) 이외의 도관(도시하지 않음)과 연통할 수도 있다. 추가로, 도관(22)과 연통하고 있는 버너와 상이한 버너 또는 버너들(도시하지 않음)이 다른 도관과 연통할 수도 있다. 이 변형예에 있어서는, 도면에 도시된 것보다 압축기(12)의 방출 압력이 더욱 낮을 것이며 그 크기도 더 작을 것이다. 추가로, 압축기(12) 및 증발기(24)의 유동 제어 시스템은 서로 완전히 독립적이 될 것이다. 추가로 버너의 동작 제어가 촉진될 것이다. 그러한 구조를 도면의 도 2에 도시한다. 이제 버너(40)의 단지 일부만이 도관(22)과 연통한다. 버너(40)의 나머지는 유동 제어 밸브(60)를 거쳐서 증발기(24)와 연통한다. 유동 제어 밸브(60)는 증발기(24) 하류의 유동 또는 압력을 제어한다. 이제 밸브(30)는 하류 온도를 설정하는 온도 제어 밸브이다. 전형적으로, 증발기(24)로부터 유속이 느린 경우에는 이 압력 강하가 우회 라인(32)을 통한 충분한 흐름을 제공하기에는 불충분하다. 따라서 우회 라인(32)이 충분히 개방되면, 증발기(24)의 입구를 막도록 밸브(30)의 위치를 조절하고 그에 따라 우회 라인(32)을 통해 보다 많은 액체가 흐르게 된다. 전형적으로 분할 범위 제어(split control valve)를 이용하여 밸브(30) 및 우회 라인(32) 내의 밸브를 조절할 수도 있다. 따라서 0 내지 50% 신호를 이용하여 우회 라인 내의 밸브를 개방할 수 있고, 또 나머지 50 - 100% 신호를 이용하여 밸브(30)를 동작시켜서 증발기(24)의 입구를 막을 수 있다. 가스 히터(16)의 동작에 이와 동일한 제어 원리를 이용할 수도 있다.
도 1에 도시한 장치의 변경예에 있어서는 증발기(24)로부터의 출구 도관과 도관(22)의 일체부, 및 밸브(38)의 양자가 엔진실(44) 내에 위치할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 압축기를 보다 좁은 온도 범위 내에서, 전형적으로는 -140℃ 내지 -100℃에서 작동시킬 수 있게 되므로, 천연가스를 소정의 압력으로 압축시키는데 필요한 일량을 대폭 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 주파수 변환기 없는 단일 속도의 모터를 이용해서 압축기를 전형적인 방식으로 구동시킬 수 있다. 따라서, 압축기 구동 구조체가 단순화되고, 또한 압축기에 의해서 소모되는 동력도 감소된다.

Claims (3)

  1. LNG 이송용의 외항 탱커(ocean-going tanker)의 보일러를 가열하기 위해서 천연가스 연료를 공급하는 장치에 있어서,
    ① 적어도 하나의 LNG 저장 탱크의 빈 공간과 연통하는 입구와, 압축기로부터 보일러에 결합되어 있는 연료 버너로 안내되는 도관과 연통하는 출구를 갖는 압축기와,
    ② 상기 탱크의 액체 저장 영역과 연통하는 입구와, 상기 보일러에 결합되어 있는 연료 버너로 안내되는 상기 도관 또는 상기 도관과 상이한 도관과 연통하는 출구를 갖는 강제형 LNG 증발기를 포함하는
    천연가스 연료 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기의 출구와 상기 강제형 LNG 증발기의 출구는 공통의 도관과 연통하는
    천연가스 연료 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기의 출구와 상기 강제형 LNG 증발기의 출구는 상이한 도관과 연통하는
    천연가스 연료 공급 장치.
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