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KR101951174B1 - 재기화 플랜트 - Google Patents

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KR101951174B1
KR101951174B1 KR1020137022612A KR20137022612A KR101951174B1 KR 101951174 B1 KR101951174 B1 KR 101951174B1 KR 1020137022612 A KR1020137022612 A KR 1020137022612A KR 20137022612 A KR20137022612 A KR 20137022612A KR 101951174 B1 KR101951174 B1 KR 101951174B1
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KR
South Korea
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heat
power plant
lng
transfer fluid
heat transfer
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KR1020137022612A
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English (en)
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KR20140002745A (ko
Inventor
라리트 쿠마르 보라
데이비드 피. 오＇브린
프랑크 미트릭커
마크 엘. 메리필드
Original Assignee
엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 filed Critical 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니
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Publication of KR20140002745A publication Critical patent/KR20140002745A/ko
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Abstract

LNG를 재기화하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 액화 천연 가스(LNG)를 재기화하기 위한 방법은 파워 플랜트로부터 LNG 재기화 프로세스에 열을 제공하는 단계를 포함한다. 열이 충분하지 않으면, 부가의 열이 가온 타워 구성에서 작동되는 냉각 타워로부터 LNG 재기화 프로세스에 제공될 수 있다.

Description

재기화 플랜트{REGASIFICATION PLANT}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2011년 1월 28일 출원된 발명의 명칭이 재기화 플랜트(REGASIFICATION PLANT)인 미국 가출원 제 61/437,392호 및 2011년 12월 7일 출원된 발명의 명칭이 재기화 플랜트(REGASIFICATION PLANT)인 미국 가출원 제 61/567,818호를 우선권 주장하고, 이들 출원의 전문은 본 명세서에 포함되어 있다.
분야
본 발명의 기술의 예시적인 실시예는 파이프라인 천연 가스, 그리드로의 전기 또는 양자 모두를 제공하기 위해 융통성 있는 능력을 갖는 액화 천연 가스 터미널에 관한 것이다.
큰 체적의 천연 가스(즉, 주로 메탄)가 세계의 원격 영역에 위치되어 있다. 이 가스는 시장으로 경제적으로 운송될 수 있으면 중요한 가치를 갖는다. 가스 비축물이 시장에 적당히 근접하여 위치되고 2개의 위치 사이의 지형이 허용하는 경우에, 가스는 통상적으로 생산되고 이어서 침지된 및/또는 육상 파이프라인을 통해 시장에 운송된다. 그러나, 가스가 파이프라인의 부설이 불가능하거나 경제적으로 금지되는 위치에서 생산될 때, 다른 기술이 이 가스를 시장으로 얻기 위해 사용되어야 한다.
가스의 비-파이프라인 운송을 위해 통상적으로 사용되는 기술은 생산 부지에서 또는 그 부근에서 가스를 액화하고 이어서 운송 선박 위의 특정하게 설계된 저장 탱크 내에서 시장으로 액화 천연 가스를 운송하는 것을 수반한다. 천연 가스는 냉각되고 액화 천연 가스("LNG")를 생산하기 위해 액체 상태로 응축된다. LNG는 종종 약 -162℃(-260℉)의 온도에서 실질적으로 대기압에서 운송되어, 이에 의해 운송 선박 상의 특정 저장 탱크 내에 저장될 수 있는 가스의 양을 상당히 증가시킨다. 일단 LNG 운송 선박이 그 목적지에 도달하면, LNG는 통상적으로 다른 저장 탱크 내로 오프로드되고, 그로부터 LNG는 이어서 필요에 따라 재기화되고 파이프라인 등을 통해 최종 사용자에 가스로서 운송될 수 있다. 천연 가스는 다양한 목적으로 사용되고, 그 중 하나는 발전이다. LNG는 천연 가스의 주요 에너지 소비 국가에 공급을 위한 증가적으로 인기가 있는 운송 방법이 되어 왔다.
재기화 프로세스 중에, 천연 가스 온도는 판매 사양에 따라 약 -162℃로부터 최대 약 15℃로 변화한다. 재기화를 위한 요구된 열은 통상적으로 침지형 연소 기화기(SCV) 또는 연소형 히터를 갖는 셸-앤-튜브(shell-and-tube) 기화기(STV)와 같은 연료 연소형 기화기 내에 제품 천연 가스의 일부를 연소함으로써 공급된다. 이들 연료 연소형 기화기는 연료로서 제품 천연 가스의 약 1.5 내지 2.0%를 소비한다. 연료 소비는 제품 자체의 일부를 소비함으로써 큰 작동 비용을 초래할 뿐만 아니라, CO2 및 NOx의 형태의 큰 환경 배출물을 초래한다. 해수 및 주위 공기와 같은 열의 다른 소스를 사용하는 것은 터미널 배출물을 감소시킬 수 있지만, 이들은 이들 자체의 제한을 갖는다. 예를 들어, 해수의 사용은 큰 자본 비용을 필요로 하고, 요구된 매우 대량의 해수 및 저온 배출에 기인하여 해양 생태계에 악영향을 미칠 수도 있다. 다수의 위치에서, 규제 당국으로부터 해수를 사용하는 것을 허용하기 위한 프로세스는 매우 복잡할 수 있다. 주위 공기 열의 사용은 단지 고온 기후에서만 가능한 옵션일 수 있고, 심지어 이들의 이익은 온도 및 습도의 일간 및 계절간 편차에 의해 상당히 감소된다.
전술된 일반적인 방법은 LNG 내에 함유된 콜드(cold)를 포획하기 위해 다양한 열원을 이용하고, 이는 배출물을 감소시키기 위해 사용될 수 있어, LNG 수용 터미널의 프로세스 효율 및 경제를 향상시킨다. 따라서, 연구 노력은 연료 소비를 감소시켜 이에 의해 예를 들어 LNG 콜드를 이용함으로써 LNG 재기화 프로세스와 연관된 작동 비용 및 배출물을 감소시키는 방법을 발견하는 것에 초점을 맞춘다.
다수의 방법이 배출물을 감소하는 문제점을 처리하고, 몇몇 장점으로 LNG 콜드를 사용하기 위해 종래에 제안되어 왔다. 일 이러한 방법은 LNG 재기화를 발전과 통합하는 것을 포함한다. 일 효율적인 발전 방법은 복합 사이클 파워 플랜트(CCGT)이다. CCGT 플랜트는 압축기, 연소기, 가스 터빈(GT) 등을 추가로 포함할 수 있는 가스 터빈 발전기(GTG)를 포함한다. 열 회수 유닛(HRU)은 이어서 가스 터빈으로부터 폐열을 회수하는데 사용될 수 있다. HRU의 예는 열 회수 증기 발생기(HRSG)이다. HRSG는 증기 발생을 위해 GT로부터 폐열을 사용하고, 이어서 증기 터빈 발전기(STG) 및 증기 응축기를 통해 증기를 송출한다. 증기 응축기는 응축을 위해 LNG 재기화로부터 냉각을 사용할 수 있다. 또한, CCGT는 증기 응축기에 냉각제를 제공하기 위해 냉각 타워를 포함할 수 있다.
가스 터빈 기반 파워 플랜트 내의 입구 공기를 냉각하거나 복합 사이클 파워 플랜트로부터 증기 터빈을 나오는 증기를 응축하기 위한 LNG 콜드의 사용은 종래 기술에 개시되어 있다. 예를 들어, 마크(Mak)에 의한 미국 특허 제 7,574,856호는 LNG 재기화와 통합된 발전을 개시한다. LNG로부터의 콜드는 파워 출력을 증가시키기 위해 복합 파워 플랜트에 사용된다. 구성에서, 제 1 스테이지 LNG 콜드는 개방 또는 폐쇄 파워 사이클에 냉각을 제공한다. LNG의 부분은 제 1 스테이지에서 기화된다. 제 2 스테이지에서, LNG로부터의 콜드는 증기 동력 터빈에 냉각수를 위한 냉매를 제공하기 위해 사용된 열전달 매체 및 파워 플랜트 내의 연소 터빈의 흡기 냉각기를 위한 냉각을 제공한다.
브리쉬(Briesch) 등에 의한 미국 특허 제 7,299,619호는 파워 사이클에서 효율을 증가시키기 위해 LNG의 기화를 사용하는 것을 개시하고 있다. 가스 터빈을 위한 입구 공기 냉각이 LNG의 기화에 의해 제공된다. 사이클은 연소 공기의 예열을 위해 재생을 사용한다. 프로세스는 60% 초과의 가스 터빈 사이클을 위한 잠재적인 효율을 제공한다. 시스템 및 방법은 주위 공기를 사용하는 LNG의 기화를 허용하고, 최종 과냉각 공기는 압축이 용이하다. 대안 실시예에서, LNG의 기화는 가스 터빈 시스템의 효율을 증가시키기 위해 하부 사이클(bottoming cycle)의 부분으로서 사용될 수 있다.
켈러(Keller)에 의한 미국 특허 출원 공개 제 2003/0005698호는 LNG 재기화를 위한 프로세스 및 시스템을 개시하고 있다. LNG를 기화하기 위한 시스템은 전력 생성 사이클의 작동 유체를 응축하기 위해 LNG의 잔류 냉각 능력을 이용한다. LNG는 또한 공기를 냉각하기 위해 직접 접촉 열전달 시스템에 사용된 액체를 냉각할 수 있다. 차가운 공기는 복합 사이클 파워 플랜트와 조합하여 작동하는 연소 가스 터빈에 공기를 공급하는데 사용된다.
웬(Wen) 등의 미국 특허 제 6,367,258호는 복합 사이클 파워 플랜트에서 LNG를 기화하는 것을 개시하고 있다. 복합 사이클 발전 플랜트의 효율은 액화 천연 가스("LNG") 또는 액화 석유 가스(LPG)를 포함하는 차가운 액체의 기화를 사용하여 증가될 수 있다. 기화는 LNG/LPG 기화기에 열을 전달하기 위해 따뜻한 열전달 유체를 순환시킴으로써 보조된다. 열전달 유체는 LNG/LPG 차가운 액체 기화에 의해 냉각되고 가스 터빈으로부터의 열에 의해 가온된다. 열전달 유체는 가스 터빈의 공기 흡기로부터 그리고 복합 사이클 파워 플랜트 내에서 순환하는 2차 열전달 유체로부터 열을 흡수한다.
큰 충분한 파워 플랜트가 LNG 재기화 위치에 설치될 수 있으면 LNG 재기화와 연관된 연료 소비를 제거하는 잠재성이 있다. 이 방안은 또한 터빈 입구 공기를 냉각하고 증기 터빈 응축기에 더 차가운 냉각 매체를 제공함으로써 파워 플랜트 및 파워 출력의 효율을 향상시킨다. LNG 콜드는 또한 GTG의 압축기를 위한 인터쿨러에 사용될 수 있다.
LNG 터미널로부터 배출물을 감소시키기 위한 다른 방법은 LNG 재기화를 위한 주위 공기 열의 사용이다. 주위 공기 열의 사용은 연료 소비를 감소시키기 때문에, 터미널 경제가 상당히 향상될 수 있다. 예를 들어, 직접형(자연 및 강제 드래프트), 핀-팬(fin-fan)(공기 냉각기와 유사함) 및 가온 타워(warming tower)("역 냉각 타워" 또는 "가열 타워"로서 또한 공지됨)를 포함하는 다수의 유형의 주위 공기 기화기가 존재한다. 가온 타워의 사용은 LNG 재기화에 대해 종래 기술에 설명되어 있다.
예를 들어, 아이어만(Eyermann)의 미국 특허 제6,644,041호는 물 타워를 사용하는 액화 천연 가스의 기화를 개시하고 있다. 물 스트림의 온도는 물 타워에서 증가될 수 있다. 가온수는 제 1 열교환기를 통해 통과될 수 있고, 순환 유체는 또한 가온수로부터 순환 유체 내로 열을 전달하기 위해 제 1 열교환기를 통해 통과될 수 있다. LNG는 제 2 열교환기 내로 통과될 수 있고, 제 1 열교환기로부터 가열된 순환 유체는 순환 유체로부터 LNG 가스로 열을 전달하기 위해 제 2 열교환기를 통해 통과될 수 있다. 기화된 천연 가스는 제 2 열교환기로부터 배출된다.
또한, 목크리(Mockry) 등의 미국 특허 제 7,137,623호는 출구 및 입구 공기를 격리하는 가열 타워를 개시하고 있다. 가열 타워는 공기 스트림을 입구를 통해 가열 타워 내로 견인하고 공기 스트림을 충전 매체 상으로 통과시킴으로써 유체를 가열하는데 사용될 수 있다. 유체는 가열 타워로부터 출구를 통해 공기 스트림을 배출하는 것과 함께 충전 매체 상으로 통과된다. 방법은 출구 공기 스트림으로부터 입구 공기 스트림을 격리하는 것을 추가로 포함한다.
전술된 기술에서, LNG 재기화 프로세스와 통합된 파워 플랜트는 배출물을 감소시키고 LNG 콜드를 이용할 수 있고, 반면 LNG 재기화를 위한 가온 타워의 사용은 배출물 문제점만을 다룬다. 그러나, 파워 플랜트의 크기는 LNG로부터 콜드를 완전히 이용하기 위해 매우 클 것이다. 예를 들어, 2 BCFD(1일당 10억 입방 피트)의 천연 가스 판매가 콜드를 이용하기 위해 파워 플랜트가 대략 500 MW가 되는 것을 요구할 수도 있다. 플랜트의 이 크기는 매우 큰 자본 비용을 표현할 것이다. 또한, 큰 시장은 플랜트에 의해 생성된 전기를 위해 요구될 것이다.
파워 플랜트 및 가온 타워 옵션의 모두는 계절적으로 발생할 수 있는 천연 가스를 위한 충분한 요구가 존재하지 않으면 덜 매력적이게 된다. 천연 가스에 대한 적은 요구는 LNG로부터 이용 가능한 콜드가 적다는 것을 의미한다. 적은 이용 가능한 콜드는 설치된 설비의 작동 효율을 감소시킨다. 가온 타워의 사용은 온도 및 습도와 같은 만연하는 주위 조건에 의해 더 제약될 수 있다. 따라서, 전술된 기술의 모두는 LNG 콜드를 이용하는데 있어서 임의의 융통성 없이 단지 부분적인 해결책만을 제공한다.
관련 정보는 미국 특허 제 5,295,350호, 제 5,457,951호, 제 6,324,867호, 제 6,367,258호, 제 6,374,591호, 제 7,299,619호 및 제 7,644,573호에서 발견될 수 있다. 부가의 정보는 또한 미국 특허 출원 공개 제 2003/0005698호, 제 2008/0307789호, 제 2008/0034727호, 제 2008/0047280호, 제 2008/0178611호, 제 2008/0190106호, 제 2008/0250795호, 제 2008/0276617호 및 제 2008/0307789호에서 발견될 수 있다. 부가의 정보는 또한 로제타 엠. 제이.(Rosetta, M.J.) 및 히멜베르거(Himmelberger)의 "Integrating Ambient Air Vaporization Technology with Waste Heat Recovery - A Fresh Approach to LNG Vaporization," 미국 가스 프로세서의 85차 연례 총회(GPA 2006)에서 제출됨, 미국 텍사스주 그레이프바인, 2006년 3월 5일~8일과, 조 제이. 에이치.(Cho, J.H.), 에번 디.(Ebbern, D.), 코트조트 에이치.(Kotzot, H.) 및 더르 씨.(Durr, C)의 "Marrying LNG and Power Generation," Energy Markets: 2005년 10월/11월, 10, 8; ABl/INFORM Trade & Industry, p. 28과, 라지프 난다(Rajeev Nanda) 및 존 리조포울로스(John Rizopoulos)의 "Utilizing Air Based Technologies as Heat Source for LNG Vaporization," 미국 가스 프로세서의 86차 연례 총회(GPA 2007)에서 제출됨, 미국 텍사스주 그레이프바인, 2007년 3월 11일~14일, 미국 텍사스주 샌안토니오에서 발견될 수 있다.
예시적인 실시예는 액화 천연 가스(LNG)를 재기화하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 파워 플랜트로부터 LNG 재기화 프로세스에 열을 제공하는 단계를 포함한다. 열이 충분하지 않으면, 부가의 열이 가온 타워 구성으로 작동하는 냉각 타워로부터 LNG 재기화 프로세스에 제공될 수 있다.
방법은 파워 플랜트가 작동할 때 냉각 타워 내의 물을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 냉각 타워는 열전달 유체를 가온하는데 사용될 수 있다. 가스 터빈을 위한 흡기 공기는 LNG 재기화 프로세스에 열을 전달함으로써 냉각될 수 있다. 증기 터빈으로부터의 증기는 LNG 재기화 프로세스에 에너지를 전달함으로써 열교환기 내에서 응축될 수 있다.
파워 플랜트로부터의 에너지는 열전달 유체를 통해 LNG 재기화 프로세스에 전달될 수 있다. 열전달 유체의 적어도 일부는 가스 터빈을 위한 입구 공기 스트림에 대해 가열될 수 있다. 열전달 유체의 적어도 일부는 파워 플랜트 내의 응축 증기에 대해 가열될 수 있다.
다른 실시예는 극저온 유체를 기화하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 열전달 유체에 대해 극저온 유체를 기화하고 파워 플랜트로부터 열전달 유체에 열에너지를 제공하는 단계를 포함한다. 파워 플랜트로부터의 열이 극저온 유체를 기화하기에 충분하지 않으면, 열에너지는 가온 모드에서 작동하는 파워 플랜트의 냉각 타워로부터 열전달 유체에 제공된다.
열전달 유체의 적어도 일부가 가스 터빈을 위한 입구 공기 스트림에 대해 가열될 수 있다. 열전달 유체의 적어도 일부는 파워 플랜트 내의 응축 유체에 대해 가열될 수 있다.
다른 실시예는 액화 천연 가스를 재기화하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 LNG의 스트림을 재기화하도록 구성된 극저온 열교환기, 파워 플랜트, 냉각 또는 가온 모드에서 작동하도록 구성된 냉각 타워 및 열전달 유체를 포함한다. 열전달 유체는 파워 플랜트로부터 극저온 열교환기에 열을 제공하고, 열이 충분하지 않으면, 냉각 타워로부터 극저온 열교환기에 열의 적어도 일부를 제공하도록 구성된다.
시스템은 냉각 타워로부터 열전달 유체에 열을 전달하도록 구성된 중간 열교환기를 포함할 수 있다. 중간 열교환기는 플레이트-프레임형, 셸-앤-튜브형, 튜브-인-튜브형 또는 플레이트 앤 셸형 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
파워 플랜트는 가스 터빈 발전기 및 열 회수 증기 발생기를 포함하는 복합 사이클 파워 플랜트일 수 있다. 시스템은 열전달 유체에 열을 전달하도록 구성된 가스 터빈 발전기 상의 입구 공기 냉각기를 포함할 수 있다. 시스템은 증기 응축기 및 증기 응축기로부터 열전달 유체에 열에너지를 전달하도록 구성된 열교환기를 포함할 수 있다. 파워 플랜트는 증기 발생기, 증기 터빈 발전기, 증기 응축기 및 재순환 펌프를 포함할 수 있다. 파워 플랜트는 지열 파워 플랜트일 수 있다. 지열 파워 플랜트는 2원 사이클 파워 플랜트를 포함할 수 있다.
열전달 유체는 물 또는 물/글리콜 혼합물과 같은 단일 위상 유체일 수 있다. 열전달 유체는 프로판, 프레온, 위상 변화 냉매 또는 이들의 임의의 조합과 같은 위상 변화 유체일 수 있다.
본 발명의 기술의 장점이 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 더 양호하게 이해된다.
도 1은 LNG를 재기화하기 위해 파워 플랜트로부터 열의 사용을 도시하는 조합형 LNG 터미널/파워 플랜트의 블록도.
도 2는 LNG를 기화하기 위해 파워 플랜트로부터 열을 사용하기 위한 일 시스템을 설명하는 블록도.
도 3은 전술된 시스템에 사용될 수 있는 LNG 재기화 방법의 프로세스 흐름도.
도 4는 LNG 재기화 프로세스 및 조합형 사이클 파워 플랜트의 모두를 갖는 조합형 플랜트의 프로세스 흐름도.
도 5는 개별 중간 열전달 유체를 사용하지 않는, LNG 재기화 프로세스 및 조합형 사이클 파워 플랜트의 모두를 갖는 조합형 플랜트의 프로세스 흐름도.
도 5a는 LNG 재기화측에서 중간 열전달 유체를 사용하는 LNG 재기화 프로세스 및 조합형 사이클 파워 플랜트의 모두를 갖는 조합형 플랜트의 프로세스 흐름도.
도 6은 증기 파워 플랜트와 조합하여 LNG 재기화 플랜트를 갖는 조합형 플랜트의 프로세스 흐름도.
이하의 상세한 설명 섹션에서, 본 발명의 기술의 특정 실시예가 설명된다. 그러나, 이하의 설명이 본 발명의 기술의 특정 실시예 또는 특정 사용에 특정화하는 정도로, 이는 단지 예시적인 목적으로만 의도되고, 예시적인 실시예의 설명을 간단히 제공한다. 이에 따라, 본 발명의 기술은 이하에 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니고, 오히려 첨부된 청구범위의 진정한 사상 및 범주 내에 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함한다.
먼저, 용이한 참조를 위해, 본 출원에 사용된 특정 용어 및 문맥에서 사용되는 바와 같은 이들의 의미가 설명된다. 본 명세서에 사용된 용어가 이하에 정의되지 않는 정도로, 가장 넓은 정의가 제공되면 본 발명의 숙련자들은 적어도 하나의 인쇄된 공보 또는 발행된 특허에 반영된 바와 같은 용어가 제공되어야 한다. 또한, 동일한 또는 유사한 목적으로 기능하는 모든 등가물, 동의어, 신규한 개발 및 용어 또는 기술이 본 발명의 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 고려되기 때문에, 본 발명의 기술은 이하에 나타낸 용어의 사용에 의해 한정되는 것은 아니다.
"2원 사이클 파워 플랜트"는 증기 파워 플랜트보다는 더 저온의 지열 저장조가 사용되는 것을 허용하는 파워 플랜트의 유형이다. 2원 사이클 지열 파워 플랜트에서, 펌프가 지열 우물로부터 열교환기를 통해 고온수를 펌핑하기 위해 사용되고, 냉각수가 지하 저장조로 복귀된다. 부탄, 이소부탄, 펜탄, 알코올 또는 케톤과 같은 저비등점을 갖는 2차 순환 유체가 열교환기를 통해 펌핑되고, 여기서 지열 저장조로부터 고온수에 대해 기화되고 이어서 터빈을 통해 유도된다. 터빈을 나오는 증기는 이어서 열전달 유체 또는 냉수와 같은 응축 유체에 대해 응축되고, 열교환기를 통해 재순환된다. 2원 사이클 파워 플랜트의 효율은 지열 저장조와 응축 유체 사이의 온도차에 따라 증가할 수 있다.
"복합 사이클 파워 플랜트"는 가스 터빈, 증기 터빈, 발전기 및 열 회수 증기 발생기(HRSG)를 포함하고, 전력을 발전하기 위해 증기 및 가스 터빈의 모두를 사용한다. 가스 터빈은 개방형 브레이튼 사이클(Brayton cycle)에서 작동하고, 증기 터빈은 랭킨 사이클(Rankine cycle)에서 작동한다. 통상적으로, 복합 사이클 파워 플랜트는 증기를 발생하기 위해 열 회수 증기 발생기(HRSG) 내의 물을 비등하기 위해 가스 터빈 배기물로부터 열을 이용한다. 발생된 증기가 증기 터빈에 전력 공급하기 위해 이용된다. 증기 터빈에 전력 공급한 후에, 증기는 응축되고, 최종 물이 HRSG로 복귀될 수 있다. 가스 터빈 및 증기 터빈은 독립 발전기에 개별적으로 전력 공급하는데 이용될 수 있고, 또는 대안으로 증기 터빈이 공통 구동 샤프트를 경유하여 단일 발전기를 공동으로 구동하기 위해 가스 터빈과 조합될 수 있다. 이들 복합 사이클 가스/증기 발전기는 일반적으로 가스 또는 증기 전용 파워 플랜트보다 높은 에너지 변환 효율을 갖는다. 복합 사이클 파워 플랜트 효율은 50% 내지 60% 정도일 수 있다. 더 높은 복합 사이클 효율은 가스 터빈과 증기 터빈의 조합의 시너지 이용으로부터 발생한다.
본 명세서에 사용될 때, "극저온 유체"는 주위 압력 조건에서 약 -130℃ 미만의 비등점을 갖는 임의의 유체를 포함한다. 이러한 유체는 액화 천연 가스(LNG), 액체 질소, 액체 산소, 액체 수소, 액체 헬륨, 액체 이산화탄소 등을 포함할 수 있다.
용어 "가스"는 "증기"와 상호 교환 가능하게 사용되고, 액체 또는 고체 상태로부터 구별되는 바와 같은 기체 상태의 물질 또는 물질의 혼합물을 의미한다. 마찬가지로, 용어 "액체"는 기체 또는 고체 상태로부터 구별되는 바와 같은 액체 상태의 물질 또는 물질의 혼합물을 의미한다.
"탄화수소"는 주로 원소 수소 및 탄소를 포함하지만, 질소, 황, 산소, 금속 또는 임의의 수의 다른 원소가 소량으로 존재할 수 있는 유기 화합물이다. 본 명세서에 사용될 때, 탄화수소는 일반적으로 저장조라 명명하는 지표하 암석층을 포함하는 탄화수소로부터 수확되는 유기 재료를 칭한다. 예를 들어, 천연 가스는 탄화수소이다.
"액화 천연 가스" 또는 "LNG"는 높은 비율의 메탄, 뿐만 아니라 이들에 한정되는 것은 아니지만, 에탄, 프로판, 부탄, 이산화탄소, 질소, 헬륨, 황화수소 또는 이들의 조합을 포함하는 다른 원소 및/또는 화합물을 포함하는 것을 일반적으로 알려진 천연 가스의 극저온 액체 형태이다. 천연 가스는 하나 이상의 성분(예를 들어, 헬륨) 또는 불순물(예를 들어, 물 및/또는 중탄화수소)을 제거하도록 처리되어 있고 이어서 냉각에 의해 거의 대기압에서 액체로 응축될 수 있다.
용어 "천연 가스"는 원유 우물(수반 가스)로부터 또는 지하 가스 함유 형성물(비수반 가스)로부터 얻어진 다성분 가스를 칭한다. 천연 가스의 조성 및 압력은 상당히 다양할 수 있다. 통상의 천연 가스 스트림은 중요 성분으로서 메탄(C1)을 함유한다. 미가공 천연 가스는 에탄(C2), 더 고분자량 탄화수소, 산성 가스(이산화탄소, 황화수소, 황화카보닐, 이황화탄소 및 메르캅탄과 같은) 및 물, 질소, 황화철, 왁스 및 원유와 같은 미량의 오염물을 또한 함유할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 천연 가스는 물, 산성 가스 및 대부분의 더 고분자량 탄화수소와 같은 오염물을 제거하기 위해 정화되어 있는 액화 천연 가스의 재기화로부터 발생하는 가스를 포함한다.
"압력"은 체적의 벽 상의 가스에 의해 단위 면적당 작용된 힘이다. 압력은 인치제곱당 파운드(psi)로서 표시될 수 있다. "대기압"은 공기의 국부 압력을 칭한다. "절대압"(psia)은 게이지압(psig)에 대기압(표준 조건에서 14.7 psia)을 더한 합을 칭한다. "게이지압"(psig)은 게이지에 의해 측정된 압력을 칭하고, 이는 국부 대기압을 초과하는 압력만을 지시한다(즉, 0 psig의 게이지압은 14.7 psia의 절대압에 대응함). 용어 "증기압" 일반적인 열역학적 의미를 갖는다. 소정의 압력에서 봉입 시스템 내의 순수 성분에 대해, 성분 증기압은 본질적으로 시스템 내의 총 압력과 같다.
본 명세서에 사용될 때, "랭킨 파워 플랜트"는 증기 발생기, 증기 터빈, 증기 응축기 및 재순환 펌프를 포함한다. 증기 발생기는 종종 증기를 발생시키기 위해 물을 비등하는 가스 연소식 보일러이다. 그러나, 실시예에서, 증기 발생기는 지표하 형성물 내의 고온 암석층과 같은 지열 에너지원일 수 있다. 증기는 증기 터빈 발전기에서 전기를 발생하는데 사용되고, 감소된 압력 증기는 이어서 증기 응축기에서 응축된다. 최종 물은 증기 발생기로 재순환되어 루프를 완료한다.
"상당한"은 재료의 양 또는 그 특정 특성을 참조하여 사용될 때, 재료 또는 특성이 제공되도록 의도된 효과를 제공하는데 충분한 양을 칭한다. 허용 가능한 편차의 정확한 정도는 몇몇 경우에 특정 환경에 따를 수 있다.
개요
본 명세서에 설명된 실시예는 연료 연소식 기화기와 연관된 배출물을 감소시키고 LNG 콜드(cold)를 이용하는 융통성을 향상시키는 액체 천연 가스(LNG) 재기화 기술 및 시스템을 제공한다. 실시예에서, LNG는 가스 터빈 입구 공기 냉각 또는 인터쿨링으로부터 이용 가능한 열 및 복합 사이클 파워 플랜트의 증기 응축기로부터의 열을 사용하여 재기화된다. 몇몇 실시예에서, 중간 열전달 유체(HTF)는 파워 플랜트 또는 물 타워로부터 LNG 기화기로 열을 전달할 수 있다.
도 1은 LNG를 재기화하기 위해 파워 플랜트로부터 열의 사용을 도시하는 복합 LNG 터미널/파워 플랜트(100)의 블록도이다. LNG 터미널/파워 플랜트(100)에서, 화물선으로부터의 LNG(102)는 극저온 탱크 또는 선박 자체를 포함할 수 있는 LNG 저장 시스템(104)으로 언로딩될 수 있다. 저장 장치(106)로부터의 LNG는 LNG 저장 시스템(104)으로부터 재기화 프로세스(108)를 통해 전달될 수 있고, 여기서 파워 플랜트(112)로부터의 열(110)이 재기화를 보조하는데 사용될 수 있다. 최종 천연 가스(114)는 시장에 제공될 수 있다. 또한, 천연 가스의 부분(116)은 연료로서 사용되기 위해 파워 플랜트(112)로 전환될 수 있다. 본 명세서에 설명된 구성에서, 파워 플랜트는 이용 가능한 모든 폐열을 이용하기 위해 최대 터미널 용량에 대해 치수 설정될 필요는 없을 수 있다. 열의 전달은 도 2와 관련하여 더 상세히 설명된다.
도 2는 LNG를 기화시키기 위해 파워 플랜트로부터 열을 사용하기 위한 일 시스템(200)을 설명하는 블록도이다. 다른 시스템 배열이 이하에 설명된 바와 같이 실시예에서 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 유사한 도면 부호가 도 1과 관련하여 설명된 바와 같다. 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 저장 장치(106)로부터의 LNG는 극저온 열교환기(202)에서 기화되는 것과 같이, 재기화 프로세스(108)를 통해 통과될 수 있다. 극저온 열교환기(202)는 셸-앤-튜브 열교환기 또는 액체 LNG(204)가 열전달 유체(206)의 에너지에 대해 기화되는 임의의 수의 다른 유형의 열교환기를 포함할 수 있다. 최종 냉각된 중간 유체(208)는 예를 들어 가온 타워 구성으로 작동하는 냉각 타워(214)로부터 도래하는 온수(212)에 대해 중간 열교환기(210) 내에서 가열될 수 있다.
냉각 타워(214)에서, 중간 열교환기(210)로부터 도래하는 냉수(216)는 파워 플랜트로부터 도래하는 열에너지에 대해 또는 주위 공기에 대해 또는 양자 모두에 대해 가온될 수 있다. 냉각 타워(214)는 낙하수 또는 증발형 냉각 타워, 핀-팬 냉각 타워 또는 주위 공기 유동에 대해 유체를 가온하도록 작동될 수 있는 임의의 다른 유형의 냉각 타워일 수 있다. 냉각 타워(214)는 냉각 및 가온 모드의 모두에서 작동할 수 있도록 재설계될 수 있다. 냉각된 중간 유체(208)는 또한 파워 플랜트 내의 열교환기(218) 내에서 가열될 수 있다. 이들 열교환기(218)는 가스 터빈에 대해 입구 공기 상에, 가스 터빈을 위한 인터쿨러 상에, CO2 격리 프로세스를 위해 사용된 배기 분리 유닛 상에, 증기 응축기 상에 또는 파워 플랜트 내의 임의의 다른 열원 상에 열교환기를 포함할 수 있다. 파워 플랜트가 충분한 열에너지를 제공하지 않을 때의 기간 중에, 파워 플랜트의 냉각 타워(214)는 LNG(204)를 재기화하는데 사용된 과잉의 열을 제공할 수 있다. 이는 파워 플랜트와 연관된 초기 자본 비용을 저감할 수 있다. 전술된 시스템은 예를 들어 도 3과 관련하여 설명된 방법을 사용하여 LNG 기화 프로세스에 열을 제공하기 위한 융통성 있는 용량을 제공한다.
도 3은 전술된 시스템에 사용될 수 있는 LNG 재기화 방법(300)의 프로세스 흐름도이다. 방법(300)은 예를 들어 극저온 열교환기(202)(도 2) 내의 중간 유체와 LNG의 가열로 블록 302에서 시작한다. 파워 플랜트가 중간 유체에 충분한 열에너지를 제공하면, 블록 304에서 결정된 바와 같이, 모든 중간 유체는 블록 306에서 지시된 바와 같이 파워 플랜트 내에서 가열될 수 있다. 이 상황에서, 냉각 타워는 증기 응축기의 냉각 듀티를 제공하도록 작동될 필요는 없을 수도 있다. 그러나, 파워 플랜트가 오프라인이거나 또는 감소된 용량에서 작동하면, 제공된 열은 불충분할 수 있다. 이들 작동 조건 하에서, 블록 308에서, 중간 유체의 부분 또는 심지어 전체는 가온 서비스에 사용된 냉각 타워에서 가열될 수 있다. 임의의 수의 플랜트 구성이 도 4 내지 도 6과 관련하여 설명된 바와 같이 실시예에서 이용될 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, "충분한 열에너지"는 천연 가스(NG)를 위한 시장 또는 파이프라인 요구에 부합하기 위해 충분한 LNG를 기화하는데 필요한 열의 양에 의해 결정된다. 예를 들어, 파워 플랜트가 완전히 작동하거나 NG가 요구되지 않으면, 파워 플랜트의 모든 냉각은 냉각 타워에 의해 수행될 수 있다. NG 요구가 증가함에 따라, 파워 플랜트의 모든 냉각이 재기화 프로세스에 의해 제공될 때까지 더 많은 열에너지가 재기화 프로세스에 제공된다. 이 시점에, 추가의 NG 공급이 요구되면, 파워 플랜트로부터의 열에너지는 NG 요구를 공급하는데 필요한 LNG를 기화시키는데 충분하지 않을 것이고, 다른 소스로부터의 보충 열이 필요할 것이다. 이에 따라, 냉각 타워는 보충 열을 제공하기 위해 가온 타워 구성에서 작동될 수 있다. 유사하게, 파워 플랜트가 오프라인이거나 또는 감소된 속도에서 작동하면, 가온 타워 구성에서 작동된 냉각 타워로부터 보충 열에너지는 재기화 프로세스에 충분한 열을 제공하는데 사용될 수 있다.
복합 사이클 파워 플랜트/ LNG 터미널
도 4는 LNG 재기화 프로세스 및 복합 사이클 파워 플랜트의 모두를 갖는 복합 플랜트(400)의 프로세스 흐름도이다. 복합 플랜트(400)에서, LNG(402)는 LNG를 최종 가스의 판매 압력까지 유도하는 펌프(404)를 통해 통과된다. LNG(402)는 이어서 극저온 열교환기(408) 내의 열전달 유체(HTF)(406)의 따뜻한 스트림에 대해 재기화된다. 따뜻한 HTF는 차가운 LNG보다 높은 온도, 40℉(4.4℃)보다 높은, 50℉(10℃)보다 높은, 60℉(15.6℃)보다 높은 온도를 갖는다. 재기화 프로세스로부터의 천연 가스(410)는 시장에 제공될 수 있고, 일부는 파워 플랜트에 연료 공급하는데 사용될 수 있다. LNG 기화기로서 사용되는 극저온 열교환기(408)는 셸-앤-튜브형, 튜브-인-튜브형 또는 임의의 수의 다른 유형의 열교환기일 수 있다.
극저온 열교환기(408)를 통해 통과한 후에, 차가운 HTF(412)는 파워 플랜트 내에서 가열될 수 있다. 예를 들어, 차가운 HTF(412)의 부분(414)은 가스 터빈 발전기(GTG)(418)를 위한 입구 공기 유동이 냉각되는 입구 공기 냉각기(416) 내에서 가열될 수 있다. 입구 공기를 냉각하는 것은 입구 공기의 밀도, 따라서 GTG(418)의 파워 출력을 증가한다.
HTF(412)는 입구 공기 냉각기(416)에 추가하여 또는 그 대신에 파워 플랜트 내의 다수의 다른 열교환기 내에서 가열될 수 있다. 예를 들어, HTF(412)의 다른 부분(420)은 물 스트림(424)을 냉각하기 위해 열교환기(422)를 통해 순환될 수 있다. 냉각된 물(426)은 이어서 증기 응축기(428)를 통해 송출될 수 있다. 증기 응축기(428)로부터의 응축수(430)는 열 회수 증기 발생기(HRSG)(434)로 복귀를 위해 펌프(432)를 통해 송출될 수 있다. HRSG(434)에서, 물 유동(430)은 GTG(418)의 배기물로부터 전달된 열에 의해 증기(436)로 변환되고, 증기(436)는 증기 터빈 발전기(STG)(438)를 구동하는데 사용된다. STG(438)로부터 저압 증기는 이어서 사이클을 재시작하기 위해 증기 응축기(428)에 복귀된다.
증기 응축기(428)로부터 고온수 유동(440)은 과잉의 열을 제거하기 위해 냉각 타워(442)로 송출될 수 있다. 냉각 타워는 물이 분위기로부터 또는 분위기로 열을 전달하는 증발형 공기 전달 열교환기일 수 있다. 핀-팬형 냉각수가 사용되면, 열전달 유체는 또한 분위기로부터 또는 분위기로 열을 전달하는데 사용될 수 있다. 냉각수(444)는 펌프(446)에 송출되고 냉각 사이클로 복귀된다. 바이패스(448)가 예를 들어, 열교환기(422)를 통해 유동하는 차가운 HTF(412)의 부분(420)이 STG(438)로부터 증기의 전체 또는 부분을 응축하기에 충분하면, 증기 응축기(428) 주위의 순환 루프에서 물이 냉각 타워(442)를 바이패스하게 한다. 냉각 타워(442)는 또한 LNG(402)로부터의 콜드가 이용 가능하지 않을 때 또는 모든 열에너지를 제거하기에 불충분한 유동에 있을 때 파워 플랜트가 작동하는 것을 또한 허용한다.
다른 상황에서, LNG(402)로부터의 콜드는 파워 플랜트가 입구 공기 냉각, 인터쿨링 및 증기 응축을 위해 사용될 수 있는 것보다 클 수 있다. 이 상황에서, 냉각 타워(442)는 점선에 의해 도 4에 지시된 바와 같이, LNG(402)를 기화하는데 필요한 에너지의 일부 또는 모두를 제공하기 위해 역 또는 가온 타워 구성으로 작동될 수 있다. 가온 모드에서, HTF(412)의 일부 또는 심지어 모두는 중간 열교환기(452)를 통해 송출될 수 있는 스트림(450)로 전환될 수 있다. 중간 열교환기(452)는 플레이트-프레임형, 셸-앤-튜브형, 튜브-인-튜브형 또는 플레이트 앤 셸형 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 중간 열교환기(452)에서, 차가운 스트림(450)은 냉각 타워(442)로부터 온수(454)의 스트림에 대해 가온될 수 있다. 중간 열교환기(452)로부터 냉각수(456)는 이어서 분위기로부터 주위열에 의해 가온될 냉각 타워(442)로 복귀될 수 있다. HTF(412)의 가온된 스트림(458)은 입구 냉각기(416) 및 증기 응축기(428)로부터 따뜻한 HTF(406)와 극저온 열교환기(408)로 재순환되도록 순환 루프로 복귀된다. 가온 타워 구성에서, 냉각 타워(442)는 또한 주위 공기가 냉수에 의해 냉각됨에 따라 주위 공기로부터 습기를 응축함으로써 신선수를 생성한다. 냉각 타워(442)는 또한 파워 플랜트가 작동하지 않거나 유지 보수를 위해 셧다운될 때 가온 타워 구성에서 사용될 수 있어, 재기화 터미널의 연속적인 작동을 보장한다.
HTF(412)는 예를 들어 무엇보다도 물 및 물/글리콜 혼합물을 포함하는 단일 위상 유체일 수 있다. 암모니아, 프로판, 프레온 또는 다른 냉매와 같은 다양한 위상 변화 유체가 또한 HTF(412)로서 사용될 수 있다. 단일 위상 열전달 유체가 사용되면, 따뜻한 HTF(406)가 예를 들어 약 32℉(0℃) 이하의 온도를 갖거나 또는 약 70℉(21.1℃) 또는 그 초과의 온도로 낮아질 수 있다. 차가운 HTF(412)가 예를 들어 약 32℉(0℃)의 온도를 갖거나 또는 약 45℉(7.2℃) 또는 그 초과의 온도로 낮아질 수 있다. 온도 범위는, 에너지의 상당한 부분이 위상 변화 자체로 수반될 수 있기 때문에, 프로판이 사용되면 예를 들어 -40℉(-4.4℃) 이상의 위상 변화 유체에 대해 낮을 수 있다.
중간 열교환기(452)는 극저온 열교환기와 파워 플랜트 사이에서 순환하는 열전달 유체의 선택에 따라 요구될 수도 있고 또는 요구되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 물이 열전달 유체로서 사용되면, 이는 냉각 타워 루프에서 물과 조합될 수 있다. 따라서, 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이, 냉각 및 가온 순환이 단일 통합 루프일 수 있다.
도 5는 개별 중간 열전달 유체를 사용하여, LNG 재기화 프로세스 및 복합 사이클 발전소의 모두를 갖는 복합 플랜트(500)의 프로세스 흐름도이다. 유사한 도면 부호의 아이템은 도 4와 관련하여 설명된 바와 같다. 복합 플랜트(500)에서, 물이 플랜트의 프로세스 유닛을 통해 열 유동을 수반하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(416, 422) 및 냉각 타워(442)와 같은 다양한 열교환기로부터 복귀된 따뜻한 물 스트림(502)은 극저온 열교환기(408) 내에서 LNG(402)를 재기화하기 위해 열에너지를 제공하는데 사용될 수 있다. 최종 차가운 물 스트림(504)은 플랜트의 다른 부분에 냉각을 제공하는데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 극저온 열교환기(408)는 침지형 연소 기화기(SCV)일 수 있다. 침지형 연소 기화기에서, 천연 가스 및 공기와 같은 연료 및 산화제가 물 충전 용기 내의 침지형 버너 노즐에 공급될 수 있다. 버너로부터의 화염은 물을 가열하고, 이는 예를 들어 LNG가 유동하는 침지형 튜브에 열을 전달한다. 파워 플랜트 또는 냉각 타워(가온 타워 모드에서 작동됨)와 같은 다른 소스로부터 열이 충분한 한, SCV는 비연소 모드에서 작동될 수도 있다. SCV가 극저온 열교환기(408)로서 사용되면, 버너는 다른 소스로부터의 열이 충분하지 않으면 사용될 수 있다.
예를 들어, 극저온 열교환기(408)로부터의 냉수 스트림(504)의 제 1 부분(506)은 GTG(418)를 위한 입구 냉각을 제공하기 위해 입구 냉각기(416)로 송출될 수 있다. 제 2 부분(508)은 증기 응축기(428)를 위한 냉각을 제공하기 위해 열교환기(422)를 통해 송출되어, STG(438)로부터 증기 유동의 응축을 보조할 수 있다. 제 3 부분(510)은 예를 들어 파워 플랜트로부터의 열에너지가 LNG(402)를 재기화하기에 충분하지 않으면, 주위 공기에 의해 가온을 위해 냉각 타워(442)에 직접 송출될 수 있다. 냉각 타워(442)로부터의 온수 스트림(512)은 증기 응축기(428) 상의 열교환기(422)로부터의 복귀 스트림(514) 및 GTG(418) 상의 입구 냉각기(416)로부터의 복귀 스트림(516)과 조합될 수 있다. 최종 온수 스트림(502)은 이어서 루프를 폐쇄하기 위해 극저온 열교환기(408)로 복귀될 수 있다. 이는 사용될 수 있는 유일한 구성은 아니라는 것이 인식될 수 있을 것이다. 임의의 수의 열원이 극저온 열교환기(408)로부터 냉수 스트림(412)에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 본 발명의 기술은 전술된 바와 같이 GTG(418) 및 HRSG(434)를 사용하는 복합 사이클 파워 플랜트에 한정되는 것은 아니고, 또한 도 6과 관련하여 설명된 바와 같이, 랭킨 사이클에 기초하는 증기 파워 플랜트와 같은 다른 발전 사이클에 기초하는 파워 플랜트와 함께 사용될 수 있다.
도 5a는 예를 들어 글리콜, 물, 이들의 조합 등과 같은 중간 열전달 유체가 물과 같은 다른 열전달 유체와 열을 교환함으로써 LNG를 재기화하는데 사용되는 열교환기(518)의 추가를 제외하고는 도 5와 유사하다. 바람직하게는, 물은 GTG 입구 냉각, 증기 응축기 및 냉각 타워를 포함하는 시스템의 나머지에 사용된다. 단수표현 "a"로 지정된 유동 라인, 즉 502a, 508a, 510a, 512a, 514a 및 516a는 도 5의 유동 라인에 대응한다. 그러나, 단수표현 "a"는 도 5와 비교하여 잠재적으로 상이한 유량, 온도 및 조성을 나타낸다. 열교환기(518)의 추가에 의해 발생된 유량 및 온도차 및 질량 및 에너지 균형은 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 즉시 결정된다. 신규한 라인(520, 522)은 각각 열교환기(518)로부터의 출력 및 입력이다.
도 6은 증기 파워 플랜트와 조합하여 LNG 재기화 플랜트를 갖는 복합 플랜트(600)의 프로세스 흐름도이다. 유사한 도면 부호의 유닛은 도 4와 관련하여 설명된 바와 같다. 도 6에 도시된 바와 같이, 랭킨 사이클 파워 플랜트는 일반적으로 증기 발생기(602), 증기 터빈(604), 증기 응축기(606) 및 순환 펌프(608)를 포함한다. 증기 응축기(606)로부터의 열에너지는 냉각 타워(442) 내에서, 또는 극저온 열교환기(408)로부터 도래하는 차가운 HTF(412)의 부분(420)과의 에너지 교환에 의해 제거될 수 있다. 열교환기(422)를 통해 유동하는 HTF(412)의 부분(420)으로부터의 냉각이 충분하면, 냉각 루프는 냉각 타워(442)를 바이패스하고, 대신에 바이패스(448)를 통해 유동할 수 있다.
그러나, LNG(402)를 재기화하는데 필요한 열에너지는 증기 응축기(606) 또는 파워 플랜트 내의 다른 소스로부터의 열에너지보다 클 수 있다. 파워 플랜트로부터의 열에너지가 모든 LNG(402)를 재기화하는데 충분하지 않으면, HTF(412)의 부분(454)은 중간 열교환기(452)를 통해 송출되어 냉각 타워(442)로부터 온수(454)의 스트림에 의해 가온될 수 있다. 또한, 파워 플랜트가 작동하지 않으면, 모든 열에너지가 냉각 타워(442)로부터 제공될 수 있다.
복합 플랜트(600)는 발전 시스템을 위한 열에너지의 임의의 수의 다른 소스를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 발전은 고온 암석층과 같은 지열 에너지원으로부터 열을 수확함으로써 수행될 수 있다. 이 구성은 일반적으로 도 6의 복합 플랜트(600)에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다. 그러나, 이 경우에, 증기 발생기(602)는 지표하의 고온 암석층과 같은 지열 열원일 수 있다. 고온 암석층 내의 열은 고온 암석층 내의 균열 내로 물을 펌핑하고 고온 암석층으로부터 생성된 증기를 수확함으로써 액세스될 수 있다.
그러나, 지열 에너지원은 예를 들어 물을 비등함으로써 랭킨 사이클에 에너지를 효율적으로 제공하기 위해 충분히 상승된 온도를 갖지 않을 수도 있다. 이 경우에, 이소부탄, 알코올 또는 다른 위상 변화 유체와 같은 저비등점을 갖는 2차 순환 유체가 2원 사이클 파워 플랜트에 사용될 수 있다. 2원 사이클 파워 플랜트에서, 증기 발생기(602)는 지열 에너지원으로부터 가온된 물의 유동에 대해 2차 순환 유체를 플래시하는데 사용될 수 있는 지열 열교환기로 대체될 것이다. 2차 순환 증기는 열교환기(606)와 같은 열교환기 내에서 응축되기 전에 터빈 발전기를 통해 순환될 것이다. 응축 후에, 2차 순환 유체는 이어서 루프를 폐쇄하기 위해 지열 열교환기로 복귀될 것이다. 2차 순환 유체의 응축으로부터의 에너지는 열교환기(422)를 통해 순환되는 HTF(412)의 부분(420)에 의해 제거될 수 있다. HTF(412)와 지열 에너지원 사이에 존재할 수 있는 큰 온도차는 2원 사이클 발전의 효율을 증가시킬 수 있고, 또한 비용 효율적인 방식으로 한계 지열 에너지원의 사용을 허용할 수 있다.
임의의 수의 복합 플랜트의 다른 구성이 LNG(402)를 재기화하기 위해 폐열을 이용하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 응축기에 냉각을 제공하는 것에 부가하여, LNG 재기화 프로세스는 배기물 또는 스택 가스로부터 CO2를 격리하는데 사용된 격리 프로세스를 위한 냉각을 제공할 수 있다. 또한, 냉각 타워(442)는 역류 물 유동에 기초할 필요는 없고, 핀-팬형 열교환기일 수도 있다. 핀-팬 열교환기는 순환 유체로부터 에너지를 주위 공기와 교환하는데 사용될 수 있어, 예를 들어 고온수 유동(440)을 냉각하거나 중간 열교환기(452)로부터의 냉각수(456)를 가온한다. 이 구성은 사막 기후에서와 같이 물 자원이 제한되어 있는 영역에서 유용할 수 있다.
복합 플랜트의 구성은 LNG 재기화와 연관된 환경적 배출물을 감소시키면서, LNG(402)로부터 콜드의 이용을 최적화하는 능력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 250 메가와트(MW) 파워 플랜트가 천연 가스(410)의 생성을 위해 1일당 20억 입방 피트(BCFD) 용량을 갖고 재기화 터미널에 설치되면, 파워 플랜트는 천연 가스(410)의 단지 1 BCFD의 등가물인 LNG(402)로부터 콜드를 사용할 수 있다. 이 시점까지, 파워 플랜트의 냉각 타워(442)는 파워 플랜트로부터 열에너지를 제거하기 위해 이용될 필요가 없을 수 있다.
천연 가스(410)의 판매가 1 BCFD를 초과할 때, 파워 플랜트의 냉각 타워(442)는 판매 요구에 부합하도록 가온 타워로서 작동할 수 있다. 유사하게, 전기에 대한 감소된 요구가 있으면, 파워 플랜트 및 냉각 타워(442)의 모두는 천연 가스(410)에 대한 판매 요구에 부합하도록 작동될 수 있다. 파워 플랜트가 작동하지 않을 때 천연 가스에 대한 요구에 부합하는 것을 보조하기 위해, 냉각 타워(442)는 가온 타워 모드에서 작동될 때 충분한 LNG(410)가 재기화될 수 있도록 특대화될 수 있다. 라이프 사이클 경제적 분석은 파워 플랜트 및 가온 타워 크기의 다른 조합을 제안할 수 있어, 따라서 본 명세서에 설명된 값은 단지 예이고, 한정적인 것은 아니라는 것이 주목될 수 있다.
요약하면, 본 명세서에 설명된 실시예는 예를 들어 냉각 타워와 같은 설치된 장비의 효율적인 사용을 포함하는 연료 연소식 기화기에 비해 이익을 제공한다. 또한, 본 발명의 기술은 LNG(402) 내에 함유된 콜드를 사용하는 증가된 융통성을 제공하고, LNG(410)를 기화하는데 사용된 연료의 양을 저하시켜, 따라서 터미널로부터 천연 가스(410)의 판매 및 수익을 증가시킨다. 연료 연소식 기화기의 제거 또는 감소는 또한 연관된 자본 비용 및 작동 비용을 감소시킬 수 있고, 터미널 내의 기화기의 연료 소비와 연관된 CO2 및 NOx와 같은 배출물의 감소를 제공한다. LNG(402)로부터의 콜드의 사용은 또한 파워 플랜트 효율 및 파워 출력의 증가를 제공한다. 게다가, 응축은 열 회수 증기 발생기(434)로의 공급수로서 사용될 수 있는 상당한 양의 신선수를 생성할 수 있다.
본 발명의 기술이 다양한 수정 및 대안적인 형태에 민감할 수 있지만, 전술된 예시적인 실시예는 단지 예로서 나타낸 것이다. 그러나, 본 발명의 기술은 본 명세서에 개시된 특정 실시예에 한정되도록 의도된 것은 아니라는 것이 재차 이해되어야 한다. 실제로, 본 발명의 기술은 첨부된 청구범위의 진정한 사상 및 범주 내에 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함한다.

Claims (28)

  1. 액화 천연 가스(LNG)를 재기화하기 위한 방법으로서,
    파워 플랜트로부터 LNG 재기화 프로세스에 열을 제공하는 단계; 및
    가온 모드와 냉각 모드 모두로 작동하도록 구성되는 상기 파워 플랜트의 냉각 타워에서:
    상기 제공된 열이 상기 재기화 프로세스를 위해 충분하지 않은 경우, 상기 가온 모드로 작동하는 상기 냉각 타워로부터 상기 LNG 재기화 프로세스에 부가의 열을 제공하는 단계; 및
    상기 제공된 열이 상기 재기화 프로세스를 위해 충분한 경우, 상기 냉각 모드로 작동하는 상기 냉각 타워로부터 상기 파워 플랜트용 냉각수에 냉각을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파워 플랜트가 작동할 때 상기 냉각 타워 내의 물을 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 열전달 유체를 가온하기 위해 상기 냉각 타워를 사용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 LNG 재기화 프로세스에 열을 전달함으로써 가스 터빈을 위한 흡기 공기를 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 LNG 재기화 프로세스에 에너지를 전달함으로써 증기 응축기 내에서 증기 터빈으로부터의 증기를 응축하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 열전달 유체를 통해 상기 LNG 재기화 프로세스에 상기 파워 플랜트로부터 에너지를 전달하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 가스 터빈을 위한 입구 공기 스트림에 대해 상기 열전달 유체의 적어도 일부를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 파워 플랜트 내에서 증기 터빈으로부터의 증기가 응축할 때 발생하는 열에 의해 상기 열전달 유체의 적어도 일부를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 극저온 유체를 기화하기 위한 방법으로서,
    열전달 유체에 대해 상기 극저온 유체를 기화하는 단계;
    파워 플랜트로부터 상기 열전달 유체에 열에너지를 제공하는 단계; 및
    상기 파워 플랜트로부터 열이 상기 극저온 유체를 기화하기에 충분하지 않으면,
    가온 모드로 작동하는 상기 파워 플랜트의 냉각 타워로부터 상기 열전달 유체에 열에너지를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 가스 터빈을 위한 입구 공기 스트림에 대해 상기 열전달 유체의 적어도 일부를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 파워 플랜트 내에서 증기 터빈으로부터의 증기가 응축할 때 발생하는 열에 의해 상기 열전달 유체의 적어도 일부를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 액화 천연 가스를 재기화하기 위한 시스템으로서,
    LNG의 스트림을 재기화하도록 구성된 극저온 열교환기;
    파워 플랜트;
    냉각 또는 가온 모드로 작동하도록 구성된 냉각 타워; 및
    열전달 유체를 포함하고, 상기 열전달 유체는
    상기 파워 플랜트로부터 상기 극저온 열교환기로 열을 제공하고; 및
    상기 제공된 열이 LNG 재기화 프로세스를 위해 충분하지 않으면,
    상기 냉각 타워로부터 상기 극저온 열교환기로 상기 열의 적어도 일부를 제공하도록 구성되는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각 타워로부터의 열을 상기 열전달 유체에 전달하도록 구성된 중간 열교환기를 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 중간 열교환기는 플레이트-프레임형, 셸-앤-튜브형, 튜브-인-튜브형 또는 플레이트 앤 셸형 또는 이들의 임의의 조합들인 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 가스 터빈 발전기 및 열 회수 증기 발생기를 포함하는 복합 사이클 파워 플랜트를 포함하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 열전달 유체에 상기 열을 전달하도록 구성된 가스 터빈 발전기 상의 입구 공기 냉각기를 추가로 포함하는 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서, 증기 응축기와, 상기 증기 응축기로부터 상기 열전달 유체로 열에너지를 전달하도록 구성된 열교환기를 포함하는 시스템.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 증기 발생기, 증기 터빈 발전기, 증기 응축기 및 재순환 펌프를 포함하는 시스템.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 파워 플랜트는 지열 파워 플랜트를 포함하는 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 지열 파워 플랜트는 2원 사이클 파워 플랜트를 포함하는 시스템.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 열전달 유체는 단일 위상 유체인 시스템.
  22. 제 12 항에 있어서, 상기 열전달 유체는 물 또는 물/글리콜 혼합물인 시스템.
  23. 제 12 항에 있어서, 상기 열전달 유체는 위상 변화 유체인 시스템.
  24. 제 12 항에 있어서, 상기 열전달 유체는 프로판, 프레온, 위상 변화 냉매 또는 이들의 임의의 조합들인 시스템.
  25. 제 12 항에 있어서, 상기 냉각 타워는 증발형 냉각 타워 또는 핀-팬(fin-fan) 냉각 타워인 시스템.
  26. 제 12 항에 있어서, 상기 극저온 열교환기는 침지형 연소 기화기(SCV)인 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 SCV는 부가의 열을 제공하기 위해 연소 모드에서 사용되는 시스템.
  28. 제 12 항에 있어서, 상기 극저온 열교환기는 셸-앤-튜브 기화기인 시스템.
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