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KR102189080B1 - 증발가스 재액화 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

증발가스 재액화 시스템 및 이를 포함하는 선박 Download PDF

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KR102189080B1
KR102189080B1 KR1020190043897A KR20190043897A KR102189080B1 KR 102189080 B1 KR102189080 B1 KR 102189080B1 KR 1020190043897 A KR1020190043897 A KR 1020190043897A KR 20190043897 A KR20190043897 A KR 20190043897A KR 102189080 B1 KR102189080 B1 KR 102189080B1
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gas
boil
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compressor
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이재준
이진광
홍원종
박종완
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한국조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 증발가스 재액화 시스템은 혼합냉매를 이용하여 증발가스를 액화시키는 액화부를 포함하고, 상기 액화부는, 증발가스를 혼합냉매와 열교환시켜 액화하는 재액화기; 혼합냉매를 압축하며 혼합냉매 압축 시 윤활유가 혼입되지 않는 윤활유-프리 타입의 혼합냉매 압축기; 압축된 혼합냉매를 냉각하여, 상기 재액화기로 공급하는 혼합냉매 쿨러; 상기 재액화기에서 토출된 혼합냉매를 상기 재액화기의 하류에서 감압해 상기 재액화기로 재유입시키는 혼합냉매 감압밸브; 및 상기 혼합냉매 압축기로 공급될 혼합냉매를 임시저장하는 리시버를 포함하고, 상기 재액화기는, 상기 혼합냉매 쿨러에서 공급된 혼합냉매가 흐르는 제1 혼합냉매 흐름, 상기 혼합냉매 감압밸브를 거쳐 재유입되는 제2 혼합냉매 흐름, 증발가스 흐름이 마련되고, 상기 리시버에서 분리되는 액상의 혼합냉매는, 상기 재액화기 내의 제2 혼합냉매 흐름에 합류하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 이를 포함하는 선박{liquefaction system of boil-off gas and ship having the same}
본 발명은 증발가스 재액화 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구동되기 위해서 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다.
또한 LNG를 액상으로 보관할 때 탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 LNG가 기화되어 증발가스(BOG: Boil off Gas)가 생성되는데, 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비를 시킴으로서 문제를 해결하고자 하였으나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 혼합냉매를 이용한 증발가스 재액화 과정에서 액화 효율을 향상시키고, 윤활유를 사용하지 않는 혼합냉매 압축기를 사용하여 혼합냉매에 윤활유가 혼합되는 것을 방지할 수 있는 증발가스 재액화 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 혼합냉매를 이용하여 증발가스를 액화시키는 액화부를 포함하고, 상기 액화부는, 증발가스를 혼합냉매와 열교환시켜 액화하는 재액화기; 혼합냉매를 압축하며 혼합냉매 압축 시 윤활유가 혼입되지 않는 윤활유-프리 타입의 혼합냉매 압축기; 압축된 혼합냉매를 냉각하여, 상기 재액화기로 공급하는 혼합냉매 쿨러; 상기 재액화기에서 토출된 혼합냉매를 상기 재액화기의 하류에서 감압해 상기 재액화기로 재유입시키는 혼합냉매 감압밸브; 및 상기 혼합냉매 압축기로 공급될 혼합냉매를 임시저장하는 리시버를 포함하고, 상기 재액화기는, 상기 혼합냉매 쿨러에서 공급된 혼합냉매가 흐르는 제1 혼합냉매 흐름, 상기 혼합냉매 감압밸브를 거쳐 재유입되는 제2 혼합냉매 흐름, 증발가스 흐름이 마련되고, 상기 리시버에서 분리되는 액상의 혼합냉매는, 상기 재액화기 내의 제2 혼합냉매 흐름에 합류하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 액화부는, 상기 리시버, 상기 혼합냉매 압축기, 상기 혼합냉매 쿨러, 상기 재액화기, 및 상기 혼합냉매 감압밸브가 마련되고 상기 혼합냉매가 순환하도록 하는 혼합냉매 순환라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 재액화 시스템은, 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 상기 증발가스를 압축하여 상기 재액화기로 공급하는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 수요처로 공급하는 증발가스 공급라인; 및 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 리시버로 전달하는 혼합냉매 보충라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 재액화 시스템은, 상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 재액화기로 전달하는 증발가스 액화라인을 더 포함하고, 상기 증발가스 액화라인이 분기되는 지점과 상기 혼합냉매 보충라인이 분기되는 지점은 상기 증발가스 공급라인 상에 직렬로 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 액화부는, 상기 혼합냉매 압축기의 하류에 마련되고 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 이용하여 혼합냉매를 냉각하는 혼합냉매 열교환기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 혼합냉매 열교환기는, 상기 혼합냉매 쿨러와 상기 재액화기 사이에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박은, 상기 증발가스 재액화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증발가스 재액화 시스템 및 선박은, 액화가스 저장탱크에서 발생한 증발가스를 혼합냉매로 재액화하되, 재액화 시 혼합냉매에 윤활유가 혼입되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 암모니아 등과 같이 일반적으로 액체 상태로 보관되는 모든 가스 연료를 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 가열이나 가압에 의해 액체 상태가 아닌 경우 등도 편의상 액화가스로 표현할 수 있다. 이는 증발가스도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한 LNG는 편의상 액체 상태인 NG(Natural Gas) 뿐만 아니라 초임계 상태 등인 NG를 모두 포괄하는 의미로 사용될 수 있으며, 증발가스는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또한 이하에서, 감압은 팽창을 통해서 발생되는 상태일 수 있으며, 역으로 감압은 팽창에 의해서 발생되는 상태일 수 있으므로, 감압과 팽창은 서로 혼용되어 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 증발가스 재액화 시스템에 대해 설명하며, 본 발명은 증발가스 재액화 시스템과 이를 가지는 선박을 포함하는 것이다. 이때 선박은 액화가스 운반선 외에도 액화가스가 아닌 화물 등을 적재하는 일반 상선일 수 있고, 더 나아가 상선이 아닌 FSRU, FLNG 등의 해양 구조물도 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 증발가스 재액화 시스템에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(20), 액화부(30), 증발가스 감압밸브(40)를 포함한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 수요처(100)에 공급될 액화가스를 저장한다. 여기서 수요처(100)는 선박용 추진엔진(또는 터빈)이나 발전엔진일 수 있으며, 고압, 중압, 저압 등을 한정하지 않는다. 일례로 수요처(100)는 200 내지 400bar의 요구압력을 갖는 ME-GI 엔진이나, 15 내지 50bar의 요구압력을 갖는 XDF 엔진이나, 10bar 내외의 요구압력을 갖는 DFDE 엔진 등일 수 있다. 또는 수요처(100)는 도시가스 등일 수 있고 육상에 마련되는 다양한 용도의 엔진(또는 터빈) 등일 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 액화가스를 액체상태로 보관하여야 하는데, 이때, 액화가스 저장탱크(10)는 1bar 내지 10bar(일례로 1.03bar)의 압력으로 액화가스를 저장할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 독립형, 멤브레인형 등일 수 있고, 다양한 단열 구조를 사용하여 액화가스가 액체 상태로 저장되어 있도록 할 수 있으며, 액화가스 저장탱크(10) 내에서 발생하는 증발가스는 후술할 증발가스 압축기(20) 등에 의해 처리될 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 액화가스가 저장되어 있기 때문에, 액화가스 저장탱크(10) 내에서는 액화가스가 자연 증발한 증발가스가 지속적으로 발생하게 된다. 이때 증발가스를 빼내지 않으면 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 과도해질 수 있으므로, 본 실시예는 액화가스 저장탱크(10) 내에 발생한 증발가스를 액화시켜서(부피를 줄여서) 리턴시킬 수 있다. 따라서 액화가스 저장탱크(10)의 내압은 적정한 수준을 유지하게 된다.
증발가스 압축기(20)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 압축한다. 증발가스 압축기(20)는 다단으로 마련되며 일례로 5단 등일 수 있고, 수요처(100)는 요구하는 압력에 따라 증발가스 압축기(20)의 5단 하류 또는 증발가스 압축기(20)의 2단 하류 등에 연결될 수 있다. 또한 증발가스 압축기(20)의 각 압축단 하류에는 중간 냉각기(미도시)가 마련되어, 압축열에 의해 가열되는 증발가스를 식혀줄 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(100)까지는 증발가스 공급라인(L10)이 마련될 수 있으며, 증발가스 공급라인(L10)에는 증발가스 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스가 유동할 수 있다. 이때 증발가스 공급라인(L10)에는 증발가스 공급밸브(21)가 마련되어, 수요처(100)로 공급되는 증발가스의 공급량을 조절할 수 있다.
다만 증발가스의 유량이 수요처(100)에서 원하는 유량에 미치지 못할 경우를 대비하여, 본 발명은 액화가스 저장탱크(10)에서 수요처(100) 또는 증발가스 공급라인(L10)까지 연결되는 액화가스 공급라인(L20)을 더 포함할 수 있으며, 액화가스 공급라인(L20)에는 액화가스 펌프(11)와 기화기(50) 등이 마련될 수 있다. 이때 액화가스 펌프(11)는 액화가스 저장탱크(10)의 내부 및/또는 외부에 마련될 수 있으며, 수요처(100)의 요구압력에 따라 복수 개일 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 후술할 액화부(30)까지 증발가스 액화라인(L11)이 마련될 수 있다. 증발가스 액화라인(L11)은 증발가스 공급라인(L10)으로부터 분기되어, 액화가스 저장탱크(10)로부터 액화부(30)를 연결할 수 있다. 이때 증발가스 압축기(20)는, 증발가스 공급라인(L10)에서 증발가스 액화라인(L11)이 분기되는 지점, 또는 그 지점의 상류에 마련될 수 있다.
또한, 증발가스 액화라인(L11) 상의 증발가스 압축기(20) 하류에는 증발가스 분기밸브(22)가 마련될 수 있으며, 증발가스 분기밸브(22)를 통하여 액화부(30)의 재액화기(31)로 공급되는 압축된 증발가스의 유량을 조절할 수 있다.
액화부(30)는, 증발가스를 액화시킨다. 액화부(30)는 증발가스 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스를 혼합냉매로 액화시킬 수 있다. 이때 혼합냉매라 함은 MR(Mixed Refrigerant)을 의미하며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 질소 등이 혼합된 냉매로서, 재액화 분야에서 이미 널리 알려진 물질일 수 있고, 혼합 비율은 수요처(100) 요구압력, 액화가스 저장탱크(10)의 종류 및 크기 등에 따라 달라질 수 있어 본 발명에서 별도로 한정하지 않는다.
액화부(30)는, 재액화기(31), 혼합냉매 압축기(32), 혼합냉매 쿨러(33), 혼합냉매 감압밸브(35), 리시버(36)를 한다.
재액화기(31)는, 증발가스 액화라인(L11) 상에서 증발가스 압축기(20)의 하류에 마련될 수 있다. 재액화기(31)는 3개 이상의 유로(stream)를 갖는 구조로 마련되며, 압축된 증발가스가 흐르는 유로, 혼합냉매 압축기(32)에서 압축되고 혼합냉매 쿨러(33)에서 냉각되어 재액화기(31)로 유입되는 제1 혼합냉매 흐름이 흐르는 유로, 그리고 증발가스와 열교환된 제1 혼합냉매 흐름이 혼합냉매 감압밸브(35)에 의해 감압되어 재액화기(31)로 재유입되는 제2 혼합냉매 흐름이 흐르는 유로를 포함할 수 있다.
이때, 재액화기(31)에는 제1 혼합냉매 흐름이 유동하는 유로와 제2 혼합냉매 흐름이 유동하는 유로가 독립적으로 마련될 수 있다. 또한, 재액화기(31) 내의 제1 혼합냉매 흐름은 기상의 혼합냉매를 포함할 수 있고, 제2 혼합냉매 흐름은 액상의 혼합냉매를 포함할 수 있다. 재액화기(31)에서 압축된 증발가스는, 제1 혼합냉매 흐름 및 제2 혼합냉매 흐름 중 적어도 제2 혼합냉매 흐름과 열교환하여, 효과적으로 액화될 수 있다.
혼합냉매 압축기(32)는, 혼합냉매를 압축한다. 이때 혼합냉매 압축기(32)가 압축하는 혼합냉매의 압력은, 증발가스 압축기(20)가 압축하는 증발가스의 압력(수요처(100)의 요구 압력)에 대응될 수 있다.
혼합냉매 압축기(32)는, 혼합냉매 압축 시 윤활유가 혼합냉매에 혼합되지 않는 타입으로서, 일례로 실링 및 윤활을 위한 윤활유를 사용하지 않는 윤활유 무급유 타입일 수 있다. 즉, 본 발명은 윤활유-프리(oil-free) 타입의 혼합냉매 압축기(32)를 사용함으로써, 혼합냉매를 압축하는 경우에도 혼합냉매에 윤활유가 혼입되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 본 발명은 윤활유 사용 혼합냉매 압축기를 사용하는 경우와 달리, 혼합냉매에 혼입된 윤활유를 분리하기 위한 별도의 장치가 마련될 필요가 없어, 재액화 시스템이 보다 간소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 윤활유-프리 타입의 혼합냉매 압축기(32)를 사용함으로써, 윤활유가 혼입된 혼합냉매가 재액화기(31)에서 증발가스와 열교환할 경우에 증발가스의 냉열로 인해 윤활유가 응고되어 재액화기(31)의 열교환 효율이 낮아지거나 손상이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
혼합냉매 쿨러(33)는, 혼합냉매 압축기(32)의 하류에 마련되며 압축된 혼합냉매를 냉각한다. 혼합냉매는 앞서 증발가스 압축기(20)에서도 설명한 바와 유사하게 압축 시 압축열을 받아 가열될 수 있으므로, 본 발명은 혼합냉매 쿨러(33)를 혼합냉매 압축기(32)와 재액화기(31) 사이에 마련하여, 혼합냉매의 온도를 낮춰줄 수 있다.
액화부(30)는, 기액분리기(34)를 포함할 수 있다. 기액분리기(34)는, 혼합냉매 쿨러(33)에서 냉각된 혼합냉매를 전달 받아, 기상의 혼합냉매와 액상의 혼합냉매를 분리할 수 있다. 기액분리기(34)는 기상 혼합냉매 배출라인(L31) 및 액상 혼합냉매 배출라인(L32)을 통하여 재액화기(31)와 연결될 수 있다.
이때 기액분리기(34)에서 분리된 기상의 혼합냉매는 기상 혼합냉매 배출라인(L31)을 통하여 재액화기(31)로 공급되며, 재액화기(31)에는 기상의 혼합냉매를 포함하는 제1 혼합냉매 흐름이 유동할 수 있다. 또한, 기액분리기(34)에서 분리된 액상의 혼합냉매는 액상 혼합냉매 배출라인(L32)을 통하여 제2 혼합냉매 흐름에 합류될 수 있다. 액상 혼합냉매 배출라인(L32)에는 액상 혼합냉매 배출밸브(341)가 마련될 수 있으며, 액상 혼합냉매 배출밸브 (341)를 통하여 재액화기(31)에 흐르는 제2 혼합냉매 흐름에 합류하는 액상의 혼합냉매의 유량을 제어할 수 있다.
즉, 본 발명은 압축 및 냉각된 혼합냉매를 기상과 액상으로 분리한 후에 재액화기(31)에 독립적으로 공급함으로써, 증발가스의 액화 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 액화부(30)에서 기액분리기(34)는 생략될 수도 있다.
혼합냉매 감압밸브(35)는, 재액화기(31)에서 증발가스와 열교환한 제1 혼합냉매 흐름을 감압할 수 있다. 혼합냉매 감압밸브(35)는 줄-톰슨 밸브일 수 있으며, 감압을 통해 혼합냉매의 온도를 낮출 수 있다.
혼합냉매 감압밸브(35)는, 제1 혼합냉매 흐름을 감압하여 재액화기(31)로 전달할 수 있다. 감압되어 액상의 혼합냉매를 포함하는 제2 혼합냉매 흐름이 재액화기(31)에서 유동할 수 있다.
재액화기(31)는 앞서 설명한 바와 같이 압축된 증발가스, 제1 혼합냉매 흐름, 제2 혼합냉매 흐름이 유동하는 적어도 3개의 유로를 갖는데, 이때 제1 혼합냉매 흐름과 제2 혼합냉매 흐름 모두 압축된 증발가스의 냉각에 사용될 수 있다.
또는 제2 혼합냉매 흐름이 제1 혼합냉매 흐름 대비 저온인 것을 고려할 때, 제2 혼합냉매 흐름은 압축된 증발가스를 냉각하며, 제1 혼합냉매 흐름의 온도 저하에도 활용될 수 있다.
이때 기액분리기(34)에서 분리된 액상의 혼합냉매가 재액화기(31) 내에 흐르는 제2 혼합냉매 흐름에 합류됨으로써, 증발가스를 보다 효과적으로 냉각할 수 있다.
리시버(36)는, 혼합냉매 압축기(32)로 공급될 혼합냉매를 임시저장할 수 있다. 이때, 리시버(36)는 기상의 혼합냉매를 분리하여 혼합냉매 압축기(32)로 공급할 수 있다. 또한, 리시버(36)는 혼합냉매 압축기(32)로 공급될 혼합냉매의 압력변동을 방지할 수 있으며, 또는 누출된 혼합냉매를 보충하는 역할도 수행할 수 있다.
리시버(36)는, 재액화기(31)에서 토출되는 제2 혼합냉매를 흐름을 전달 받아 임시 저장한 후, 기상의 혼합냉매를 분리하여 혼합냉매 압축기(32)로 공급할 수 있다.
증발가스 압축기(20)에서 리시버(36)까지 혼합냉매 보충라인(L12)이 마련될 수 있다. 혼합냉매 보충라인(L12)은 증발가스 공급라인(L10) 상의 증발가스 압축기(20) 하류에서 분기될 수 있다.
증발가스 액화라인(L11) 및 혼합냉매 보충라인(L12)은 증발가스 공급라인(L10)으로부터 분기되며, 이때 증발가스 액화라인(L11)이 분기되는 지점과 혼합냉매 보충라인(L12)이 분기되는 지점은 증발가스 공급라인(L10) 상에 직렬로 마련될 수 있다. 구체적으로, 혼합냉매 보충라인(L12)은 증발가스 공급라인(L10)에서 증발가스 액화라인(L11)이 분기되는 지점보다 하류에서 분기될 수 있다.
압축된 증발가스는 혼합냉매 보충라인(L12)을 통해 리시버(36)로 공급될 수 있고, 리시버(36)로 공급된 증발가스는 혼합냉매의 보충에 사용될 수 있다. 혼합냉매 보충라인(L12)에는 혼합냉매 보충밸브(23)가 마련될 수 있으며, 혼합냉매의 보충이 필요한 경우 혼합냉매 보충밸브(23)를 열어 압축된 증발가스를 리시버(36)로 공급할 수 있다. 즉, 액화가스 저장탱크(10)로부터 증발가스를 받아 혼합냉매를 보충할 수 있으므로, 본 시스템은 내부로부터 혼합냉매를 보충할 수 있다.
이와 같은 액화부(30)에서 혼합냉매는, 상기 각 구성들이 연결된 혼합냉매 순환라인(L30) 내에서 순환한다. 구체적으로 혼합냉매는, 리시버(36), 혼합냉매 압축기(32), 혼합냉매 쿨러(33), 기액분리기(34), 재액화기(31), 혼합냉매 감압밸브(35)를 거쳐 재액화기(31)로 다시 유입된 후 리시버(36)로 회수될 수 있다.
이때 기액분리기(34)에서 분리된 기상의 혼합냉매는 기상 혼합냉매 배출라인(L31)을 통하여 재액화기(31)로 공급되어 제1 혼합냉매 흐름을 이루고, 기액분리기(34)에서 분리된 액상의 혼합냉매는 액상 혼합냉매 배출라인(L32)을 통하여 재액화기(31) 내의 제2 혼합냉매 흐름에 합류될 수 있다.
액화부(30)는, 혼합냉매 회수라인(L33)을 포함할 수 있다. 혼합냉매 회수라인(L33)은, 혼합냉매 순환라인(L30)의 혼합냉매 압축기(32)와 재액화기(31) 사이에서 분기되어, 압축된 혼합냉매 일부를 리시버(36)로 회수할 수 있다. 압축된 혼합냉매 일부를 리시버(36)로 회수함으로써, 리시버(36)에 액상의 혼합냉매가 잔류하는 것을 억제하여 혼합냉매 압축기(32)로 기상의 혼합냉매를 효과적으로 공급할 수 있다.
혼합냉매 회수라인(L33)은, 혼합냉매 순환라인(L30)의 혼합냉매 압축기(32)와 혼합냉매 쿨러(33) 사이에서 분기되어, 재액화기(31)에서 리시버(36)로 복귀하는 혼합냉매 순환라인(L30)에 합류할 수 있다.
혼합냉매 압축기(32)에서 압축된 혼합냉매는 리시버(36)에 임시 저장된 혼합냉매보다 상대적으로 고압, 고온으로써, 혼합냉매 순환라인(L30)을 통하여 혼합냉매 쿨러(33)에서 냉각되기 전의 혼합냉매를 리시버(36)로 회수함으로써, 리시버(36) 내에 액상의 혼합냉매가 축적되는 것을 보다 억제할 수 있다. 리시버(36) 내에 액상의 혼합냉매가 축적되는 것을 억제하여, 혼합냉매의 조성이 변화되는 것을 방지하고 혼합냉매 순환라인(L30)을 안정화시킬 수 있다.
혼합냉매 순환라인(L30)을 통하여 회수된 혼합냉매는 리시버(36)에 잔류하는 액상의 혼합냉매보다 온도가 높아, 리시버(36)에 상대적으로 고온인 혼합냉매가 회수됨에 따라 리시버(36) 내의 액상의 혼합냉매가 기상의 혼합냉매로 변할 수 있고, 혼합냉매 압축기(32)로 공급되는 혼합냉매의 유입량이 감소되는 것을 해결할 수 있다.
이를 통해 증발가스 재액화 시스템(1)을 안정적으로 가동시켜 증발가스의 재액화 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 액화부(30)에서 혼합냉매 회수라인(L33)은 생략될 수도 있다.
액화부(30)는, 액상 혼합냉매 공급라인(L34)을 포함할 수 있다. 리시버(36)에서 재액화기(31)까지 액상 혼합냉매 공급라인(L34)이 마련될 수 있다. 액상 혼합냉매 공급라인(L34)은, 리시버(36)에서 분리된 액상의 혼합냉매를 재액화기(31) 내의 제2 혼합냉매 흐름에 합류시킬 수 있다.
리시버(36)에서 액상의 혼합냉매를 분리하여 재액화기(31)로 공급함으로써, 리시버(36) 내에 액상의 혼합냉매가 축적되는 것을 억제할 수 있다.
혼합냉매 순환라인(L30) 상에는 가스센서(미도시)가 마련될 수 있으며, 가스센서는 혼합냉매 순환라인(L30)에서 순환하는 혼합냉매의 성분을 파악할 수 있는 성분분석기일 수 있다.
액화부(30)는 기본적으로 폐루프 형태의 혼합냉매 순환라인(L30)을 가지고 있으나, 액화부(30)의 구동 중에 미량의 혼합냉매 누출 등 혼합냉매 순환라인(L30)에서 순환하는 혼합냉매의 조성이 변화되는 현상이 발생될 수 있다.
이때 가스센서 등을 이용하여 혼합냉매의 성분을 파악하고 혼합냉매의 조성이 변화된 경우, 액상 혼합냉매 공급라인(L34)을 통하여 액상의 혼합냉매를 재액화기(31) 내로 공급하는 유량을 조절하여, 혼합냉매의 조성이 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 액상 혼합냉매 공급라인(L34)에는 액상 혼합냉매 공급밸브(361)가 마련될 수 있으며, 재액화기(31)로 공급되는 액상의 혼합냉매의 유량을 제어할 있다.
기액분리기(34)에서 분리된 액상의 혼합냉매는 액상 혼합냉매 배출라인(L32)을 통하여 재액화기(31) 내의 제2 혼합냉매 흐름에 공급될 수 있고, 이때 리시버(36)에 연결된 액상 혼합냉매 공급라인(L34)은 액상 혼합냉매 배출라인(L32)에 연결될 수 있다. 즉, 기액 분리기(34)에서 분리된 액상의 혼합냉매와 리시버(36)에서 분리된 액상의 혼합냉매는 합쳐져 재액화기(31) 내의 제2 혼합냉매 흐름에 합류될 수 있다.
이와 같이 리시버(36)에서 분리된 액상의 혼합냉매를 재액화기(31)의 제2 혼합냉매에 흐름에 합류시킴으로써, 리시버(36)에 액상의 혼합냉매가 축적되는 것을 억제하고, 혼합냉매의 조성 변화에 대응할 수 있다.
한편, 액화부(30)에서 액상 혼합냉매 공급라인(L34)은 생략될 수도 있다.
증발가스 감압밸브(40)는, 재액화기(31)의 하류에서 증발가스를 감압시킨다. 증발가스 감압밸브(40)는 증발가스 압축기(20)에 의해 압축된 고압의 증발가스를 저압으로 감압시키면서 온도를 떨어뜨릴 수 있으며, 전술한 혼합냉매 감압밸브(35)와 동일/유사하게 줄-톰슨 밸브일 수 있다.
증발가스는 액화부(30)의 재액화기(31)에 의하여 적어도 일부가 액화될 수 있으며, 여기에 더하여 증발가스 감압밸브(40)에 의해 감압되면서 추가로 액화될 수 있다. 이때 액화된 증발가스는, 증발가스 액화라인(L11)을 따라 증발가스 기액분리기(미도시)로 전달될 수 있다.
증발가스 기액분리기는, 감압된 증발가스를 기액분리한다. 증발가스 기액분리기에서 분리된 기체성분은 플래시가스일 수 있고, 증발가스 기액분리기에 연결되는 플래시가스 배출라인(미도시)에 의해 증발가스 기액분리기의 외부로 배출될 수 있다. 이때 증발가스 기액분리기에서 배출된 플래시가스는 별도의 소비처로 전달되거나 또는 액화가스 저장탱크(10)의 내부로 공급될 수 있다.
증발가스 기액분리기에서 분리되는 액체 성분은 재액화된 증발가스(LBOG)로서 액화가스 저장탱크(10)로 복귀될 수 있으며, 증발가스 기액분리기에서 액화가스 저장탱크(10)까지 재액화 복귀라인(미도시)이 연결될 수 있다. 이때 재액화 복귀라인은 액화가스 저장탱크(10)의 내부 상단에서 재액화 증발가스를 스프레이 방식으로 뿌려줄 수 있는데, 이는 액화가스 저장탱크(10) 내에 발생한 증발가스가 재액화된 증발가스와 열교환하면서 액화되도록 하기 위함이다.
이와 같이 본 실시예는, 윤활유-프리 타입의 혼합냉매 압축기(32)를 사용하여 증발가스 재액화시에 혼합냉매에 윤활유가 혼입되는 것을 방지하고, 증발가스의 재액화 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(20), 액화부(30), 증발가스 감압밸브(40)를 포함한다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 후술하는 실시예에 대해서도 마찬가지임을 알려둔다.
본 실시예는 앞선 실시예와 마찬가지로 증발가스 압축기(20)에서 리시버(36)까지 혼합냉매 보충라인(L12)이 마련될 수 있다. 혼합냉매 보충라인(L12)은 증발가스 공급라인(L10) 상의 증발가스 압축기(20) 하류에서 분기될 수 있다.
다만 본 실시예는 앞선 실시예와 달리, 혼합냉매 보충라인(L12)이 증발가스 공급라인(L10) 상에서 증발가스 액화라인(L11)이 분기되는 지점보다 상류에서 분기되어, 리시버(36)에 혼합냉매 보충을 용이하게 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(1)은, 액화부(30)에 혼합냉매 열교환기(37), 증발가스 회수라인(L40)이 포함될 수 있다.
액화부(30)는, 재액화기(31), 혼합냉매 압축기(32), 혼합냉매 쿨러(33), 혼합냉매 열교환기(37), 기액분리기(34), 혼합냉매 감압밸브(35), 리시버(36)를 포함할 수 있다.
혼합냉매 열교환기(37)는 혼합냉매 쿨러(33)와 기액분리기(34) 사이에 마련되어, 액화가스 저장탱크(10)로부터 증발가스 압축기(20)로 공급되는 증발가스의 일부를 회수하여 혼합냉매 쿨러(33)에서 냉각된 혼합냉매와 열교환시킬 수 있다. 압축되기 전의 증발가스와 혼합냉매를 열교환시켜 혼합냉매를 추가로 냉각함으로써, 재액화기(31)에서의 증발가스 액화 효율을 향상시킬 수 있다.
혼합냉매 열교환기(37)는 증발가스 회수라인(L40) 상에 마련되고, 증발가스 회수라인(L40)은 증발가스 공급라인(L10)의 증발가스 압축기(20) 상류에서 분기되어 열교환기를 경유한 후에 증발가스 공급라인(L10)으로 복귀한다.
혼합냉매 열교환기(37)에는, 혼합냉매 쿨러(33)에서 냉각된 혼합냉매, 증발가스 공급라인(L10)에서 회수된 증발가스가 유동하는 적어도 2개의 유로를 갖고, 액화가스 저장탱크(10)로부터 전달되는 증발가스의 냉열을 이용하여 혼합냉매를 추가로 냉각할 수 있다.
본 실시예에서, 혼합냉매는 주된 성분으로 메탄, 에탄을 포함하고, 프로판과 부탄은 소량으로 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 메탄과 에탄이 주된 성분인 혼합냉매를 증발가스의 재액화에 사용하는 경우, 메탄과 에탄의 비등점이 낮아 혼합냉매의 초기 냉각이 어려워 재액화 시스템의 초기 구동 시에 문제가 발생될 수 있으나, 본 실시예에서는 혼합냉매 열교환기(37)에서 증발가스의 냉열을 이용하여 혼합냉매를 냉각함으로써 이를 해결할 수 있다.
이와 같이, 증발가스의 냉열을 이용하여 혼합냉매를 보다 냉각함으로써, 증발가스의 재액화 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(10), 증발가스 압축기(20), 증발가스 열교환기(60), 액화부(30), 증발가스 감압밸브(40)를 포함한다.
증발가스 열교환기(60)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스의 냉열을 이용하여 증발가스 압축기(20)에서 압축된 증발가스를 냉각시킬 수 있다. 증발가스 열교환기(60)에서 냉각된 증발가스는 재액화기(31)로 공급될 수 있다. 압축된 증발가스를 증발가스 열교환기(60)에서 냉각하고 재액화기(31)로 전달함으로써, 후술하는 바와 같이 재액화기(31)의 부하를 감소시킬 수 있다.
또한, 증발가스 열교환기(60)를 통하여 액화가스 저장탱크(10)에서 공급되는 증발가스는, 증발가스 압축기(20)에서 압축되어 상대적으로 고온인 증발가스와 열교환하여 가열될 수 있으므로, 증발가스 압축기(20)로 사용되는 극저온 압축기를 상온 압축기로 대체하여 재액화 시스템의 설비 비용을 감소시킬 수 있다.
액화부(30)는, 재액화기(31), 혼합냉매 압축기(32), 혼합냉매 쿨러(33), 혼합냉매 감압밸브(35), 리시버(36)를 포함할 수 있다.
재액화기(31)는, 제1 혼합냉매 흐름과 제2 혼합냉매 흐름을 증발가스와 부분적으로 열교환시킬 수 있다. 구체적으로, 증발가스 열교환기(60)에서 열교환된 증발가스는, 제2 혼합냉매 흐름이 토출되는 재액화기(31)의 일단으로부터 이격된 재액화기(31) 내부로 유입될 수 있다.
즉, 재액화기(31)는, 제1 혼합냉매 흐름 및 제2 혼합냉매 흐름이 증발가스와 열교환하는 영역, 및 증발가스와의 열교환 없이 제1 혼합냉매 흐름과 제2 혼합냉매 흐름만이 열교환하는 영역을 포함할 수 있다.
압축된 증발가스는 재액화기(31)로 공급되기 전에 증발가스 열교환기(60)를 통하여 냉각되므로, 재액화기(31) 내에서 증발가스가 제1 혼합냉매 흐름 및 제2 혼합냉매 흐름과 부분적으로 열교환하는 경우에도 증발가스의 재액화가 효과적으로 이루어질 수 있다.
재액화기(31) 내에서 증발가스가 제1 혼합냉매 흐름 및 제2 혼합냉매 흐름과 부분적인 열교환됨에 따라, 재액화기(31)의 부하를 감소시키고 재액화기(31)로 공급되는 혼합냉매의 양을 저감시킬 수 있다. 이를 통해 혼합냉매가 경유하는 리시버(36), 혼합냉매 압축기(32), 혼합냉매 쿨러(33), 혼합냉매 감압밸브(35) 등의 사양 및 크기 등이 줄어 들어 액화부(30)가 간소화될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 증발가스 재액화 시스템 10: 액화가스 저장탱크
20: 증발가스 압축기 30: 액화부
31: 재액화기 32: 혼합냉매 압축기
33: 혼합냉매 쿨러 34: 기액분리기
35: 혼합냉매 감압밸브 36: 리시버
37: 혼합냉매 열교환기 40: 증발가스 감압밸브
50: 기화기 60: 증발가스 열교환기
100: 수요처 L10: 증발가스 공급라인
L11: 증발가스 액화라인 L12: 혼합냉매 보충라인
L13: 증발가스 우회라인 L20: 액화가스 공급라인
L30: 혼합냉매 순환라인 L31: 기상 혼합냉매 배출라인
L32: 액상 혼합냉매 배출라인 L33: 혼합냉매 회수라인
L34: 액상 혼합냉매 공급라인 L40: 증발가스 회수라인

Claims (7)

  1. 혼합냉매를 이용하여 증발가스를 액화시키는 액화부를 포함하고,
    상기 액화부는,
    증발가스를 혼합냉매와 열교환시켜 액화하는 재액화기;
    혼합냉매를 압축하며 혼합냉매 압축 시 윤활유가 혼입되지 않는 윤활유-프리 타입의 혼합냉매 압축기;
    압축된 혼합냉매를 냉각하는 혼합냉매 쿨러;
    냉각된 혼합냉매를 기액분리하여 기상의 혼합냉매를 상기 재액화기로 공급하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 분리된 기상의 혼합냉매를 상기 재액화기의 하류에서 감압해 상기 재액화기로 재유입시키는 혼합냉매 감압밸브;
    상기 혼합냉매 압축기로 공급될 혼합냉매를 임시저장하는 리시버; 및
    상기 리시버, 상기 혼합냉매 압축기, 상기 혼합냉매 쿨러, 상기 기액분리기, 상기 재액화기, 및 상기 혼합냉매 감압밸브가 마련되고 상기 혼합냉매가 순환하도록 하는 혼합냉매 순환라인을 포함하고,
    상기 재액화기는, 상기 혼합냉매 쿨러에서 공급된 혼합냉매가 흐르는 제1 혼합냉매 흐름, 상기 혼합냉매 감압밸브를 거쳐 재유입되는 제2 혼합냉매 흐름, 증발가스 흐름이 마련되고,
    상기 액화부는,
    상기 기액분리기에서 분리된 액상의 혼합냉매가 상기 재액화기의 제2 혼합냉매 흐름 상에 합류되도록 하는 액상 혼합냉매 배출라인; 및
    상기 리시버 내에 액상의 혼합냉매의 축적을 억제하기 위해, 상기 리시버에서 상기 액상 혼합냉매 배출라인에 연결되어 상기 리시버에서 분리된 액상의 혼합냉매를 상기 재액화기의 제2 혼합냉매 흐름에 합류시키는 액상 혼합냉매 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    액화가스 저장탱크로부터 공급되는 상기 증발가스를 압축하여 상기 재액화기로 공급하는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 수요처로 공급하는 증발가스 공급라인; 및
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 리시버로 전달하는 혼합냉매 보충라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 재액화기로 전달하는 증발가스 액화라인을 더 포함하고,
    상기 증발가스 액화라인이 분기되는 지점과 상기 혼합냉매 보충라인이 분기되는 지점은 상기 증발가스 공급라인 상에 직렬로 마련되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 액화부는,
    상기 혼합냉매 압축기의 하류에 마련되고 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 증발가스를 이용하여 혼합냉매를 냉각하는 혼합냉매 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 혼합냉매 열교환기는,
    상기 혼합냉매 쿨러와 상기 재액화기 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 증발가스 재액화 시스템.
  7. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 상기 증발가스 재액화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박.
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