KR20030025345A - 상변화 유체의 잠열을 이용한 이중관 삼중흐름 방식의액화천연가스 기화시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수를 이용한 액화천연가스(LNG)의 기화기에 있어서 동절기 해수 온도가 낮아짐에 따라 LNG 기화량이 감소하는 것을 방지하는 시스템으로써,

가) 해수는 관 외측에 적하되고, LNG가 중간 관내를 하부에서 상부로 흐르며, 제일 안쪽관은 가열매체가 흐르는 이중관 삼중흐름 기화 방식과;

나) 이중관내 제일 안쪽을 흐르는 유체는 프로판, 부탄, 클로로-디플루오로 메탄(R-22), 테트라-프루오로에탄(R-134a) 등 상변화 잠열을 이용할 수 있는 유체를 적용하는 것과;

다) 관 내측 액화된 유체의 저온 에너지(냉열)를 해수 담수화 장치나 빙축열 장치 등에 이용하여 매체를 다시 가열하는 공정으로 이루어진 LNG 기화 시스템을 제공한다.

본 발명에 의하면 종래의 단일 열교환 배관 기화기 대신에 이중관 삼중흐름 기화 방식을 적용하여, 겨울철 영하의 해수 온도에도 효과적으로 LNG를 기화시킬 수 있어 종래 겨울철 기화 방법인 연소식 기화기(SMV)의 천연가스 연료비를 크게 절감할 수 있는 매우 경제적인 고안이다.

Description

상변화 유체의 잠열을 이용한 이중관 삼중흐름 방식의 액화천연가스 기화시스템{LNG Vaporization System with the Double-tube Triple-flow Method Using Phase Change Fluid}

본 발명은 해수를 이용한 액화천연가스(LNG)의 기화 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 종래의 관 내부의 하부에서 상부로 LNG가 흐르고, 관 외부는 가열원인 해수가 상부에서 적하되는 단일 배관 열교환 기화기 대신에 이중 배관 삼중흐름 기화기를 적용하여, 중간 관내를 흐르는 LNG가 관 외부의 해수와 안쪽 관내를 흐르는 상변화 유체로 부터 해수의 부족열을 흡수하여 기화됨으로써, 동절기 해수 온도가 낮아짐에 따라 기화기의 효율이 저하하여 LNG 기화량이 감소하는 것을 방지하여 천연가스의 안정 공급이 가능하고 에너지를 절약할 수 있는 자연에너지 이용 LNG 기화시스템에 관한 것이다.

종래의 LNG 기화 시스템은 도 2의 LNG 고압펌프(1), 해수 기화기(2, ORV), 수중 가스연소기화기(6, SMV)로 이루어져 있다.

해수이용 기화기(2, Open Rack Vaporizer)는 -160℃의 LNG를 0℃의 천연가스로 기화시키는 데 해수의 열을 이용하고 있다. 이 때 해수 온도차는 5℃를 이용하며 해수 온도가 15℃라면 10℃로 낮아져 바다에 방출된다. 그러나 겨울철에는 대부분 해수 온도가 5℃이하로 낮아지며 심한 경우는 -0.5℃까지 저하되고 있다. 이 경우는 LNG가 0℃로 기화되는 열을 얻을 수 없게 되어 기화기 1대당 180 톤/시간의 기화기 기화랑이 크게 감소하게 된다. 표 1은 2000년 동계 인천 LNG인수기지의 운전 결과로, 바닷물 온도가 낮을 때 180T/h 용량의 LNG 기화기 1대당 실제 기화 처리량을 보여주고 있다. 이때 가열원인 해수는 각 경우 시간당 8,600 Ton으로 동일하게 공급되었다.

<표 1> 해수 온도에 따른 LNG 해수 기화기 기화량

해수온도	LNG 기화량	열교환기 효율
0.5 ℃	22.7 T/h	12 %`
1 ℃	45 T/h	25 %
3 ℃	115 T/h	64 %
5 ℃	165 T/h	92 %

만약 바닷물 온도가 낮음에도 LNG 흐름량을 계속 유지하면 기화기 표면에 바닷물이 -1.8℃에 동결되어 얼음이 생성되고, LNG 흐름을 크게 증가시키면 기화기 표면에 해수의 동결이 증대되어 배관에 응력이 커져 소성변형이 발생, 파손되게 된다.

이렇게 낮은 해수 온도에 의한 겨울철 가스 부족된 공급량은 수중 가스연소기화기(6, Submerged Vaporizer)를 이용하여 공급하고 있다. 이는 LNG를 기화시키기 위하여 천연가스를 연소시키는 기화기이다. 이 기화기는 겨울철 2개월 운전에 해수 기화기(2) 1대의 180T/h 공급량을 기준할 때 무려 17.6억원의 연료비를 소모하고 있으며, 그 계산 기준은 다음과 같다.

1,536Nm³/(hr)(SMV 1기) x 60일 x 24hr x 2기 x 400원/Nm³= 17.6억원

그러므로 연소식 기화기의 사용보다는 해수 등 풍부한 자연 에너지를 이용하여 LNG를 기화시키는 기술이 크게 요구되어 지고 있다.

국외의 해수 기화기 효율 향상 기술을 보면 일본 Osaka Gas 사의 자칭 수퍼기화기를 들 수 있다. 이는 해수 기화기(2)의 배관을 절반정도까지 이중으로 하여 하부 LNG의 흐름량을 1/2씩 분산시켜, 하단부 즉 LNG주입부(해수 방출부)의 LNG 가열에 필요한 열량을 감소시켜 얼음 생성을 막아 효율을 증대시키고 있으나, 이도 해수 온도가 5℃이하로 저하되면 동일하게 LNG기화량이 감소하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 겨울철 해수 온도가 5℃이하로 저하되어도 자연 에너지를 이용하여 해수 기화기(2)를 통하여 동일한 LNG량이 기화되도록 하는 것이다.

이는 종래의 LNG 해수 기화기의 단일 열교환 배관 대신에, 이중관 삼중흐름 기화기를 적용하여 중간 관내를 하부에서 상부로 흐르는 LNG가, 외부 관벽을 타고 적하되는 해수로 부터 기화열의 일부를 제공받고, 부족한 열량은 제일 안쪽 관내를 흐르는 상변화 유체로 부터 열을 제공받는 기화 시스템이다. 한편 제일 내측 관의 상변화 유체는 LNG에 의해 냉각, 액화되어 해수 담수화 장치나 빙축열 장치 등에 저온의 열량을 제공하고 가열, 기화되어 LNG 기화기에 다시 주입되는 효율적인 LNG 기화 시스템이다.

관 내의 상변화 유체로는 프로판(Propane), 부탄(Butane), 클로로-디플루오로 메탄(R-22), 테트라-프루오로에탄(R-134a), 프레온(Freon)-32 등의 냉매와 이들의 혼합물 들이 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이중관 삼중흐름 기화 방식을 적용한 LNG 기화 공정을 예시한 개략도,

도 2는 종래 단일관 이중흐름 방식의 LNG 해수이용 기화기 공정을 예시한 개략 평면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : LNG 펌프 2 : 해수 기화기(ORV)

3 : 액체프로판 펌프 4 : 담수화 장치

5 : 연소식 가열기 6 : 가스연소 기화기(SMV)

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 도 1에서 보여주는 바와 같이, 이중 관 삼중 흐름 해수 기화기(2)의 제일 내측 관내를 기체 상태의 상변화 가열 매체가 흐르면서 LNG의 열을 흡수하여 액체화되는 단계와; 순환펌프(3)에 의해 액화된 매체가 기화장치(4)에 주입되어 기체화되는 단계와; 기체화된 매체가 가열기(5)에서 추가 가열된 후 이중관 삼중흐름 LNG 해수 기화기(2)에 재순환되어 지는 LNG 기화 방법을 제공한다.

이하, 첨부 도를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 이중관 삼중흐름 LNG 해수 기화 시스템을 설명하기 위한 공정 흐름의 개략 도이다.

본 실시 예에 따라 LNG 기화 시스템 장치의 구성은, 해수·LNG·가열 매체가 흐르는 이중관 삼중흐름 해수 기화기(2), 액화된 가열 매체를 순환시키는 순환펌프(3), 액체의 열매체를 다시 기화시키는 담수화 장치 등 기화장치(4), 기체화된 매체가 추가로 가열되는 연소식 가열기(5) 등을 포함한다.

이러한 구성의 장치를 사용하여, 본 발명에 따라 겨울철 해수 온도가 0.5℃일 때 LNG를 해수의 자연 에너지를 이용하여 효과적으로 기화시키는 방법을 자세히 설명한다.

우선, 이중관 삼중흐름 LNG기화기(2)에서는 -160℃의 액체 LNG가 0℃로 가열 기체화되는 데, 그 소요 열량은 LNG 1kg당 약 170kcal가 된다. 이 때 최 외부를 흐르는 해수는 온도가 낮아 충분한 가열 열량을 제공하지 못하고 0.5℃에서 -0.3℃까지의 에너지 21.4 kcal만을 제공하게 된다. 해수온도 -0.3℃까지만 이용하는 이유는 기화기 하부에 얼음이 생성되기 때문이다. 나머지 148.6kcal는 프로판 80%, 부탄 20%가 혼합된 가열 매체로 부터 얻게된다.

가열매체는 기화기에 50℃로 주입되어 LNG를 가열하여 0℃로 기화시키고 매체는 -60℃로 온도가 저하되어 액체로 배출되며 이때 LNG 측에 제공한 열량은 148.6kcal, 유량은 LNG 1 kg/hr 당 1 kg/hr가 된다.

-60℃의 액체로 배출된 가열매체는 해수 담수화 장치(4)에 주입된다. 이 담수화 장치에 주입된 액체상태의 -60℃ 저온 매체는 해수와 직접접촉하여 얼음알갱이를 생성시키고 기화된다. 이 때 매체는 해수 1kg의 동결 에너지인 79.6kcal를 0.5℃의 해수로 부터 흡입하여 -5℃∼0℃로 증발된다. 가열매체 1kg당 얼음은 약1.9 kg이 생성되며, 이 것은 얼음의 형태로 판매되거나 하절기 냉방에 이용하게 된다.

기화된 가열매체는 연소식 가열기에서 50℃까지 가열된 후 이중관 삼중흐름 기화기(2)에 다시 순환된다.

본 발명에 의하면 겨울철 영하의 해수 온도에도 LNG를 효과적으로 기화시킬 수 있는 에너지를 자연에너지인 해수로 부터 얻을 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명인 이중관 삼중흐름 기화 방식의 효과는 겨울철 영하의 해수 온도에도 연료를 소비하지 않고 자연에너지 자원인 해수를 이용하여 효과적으로 -160℃의 LNG를 0℃까지 기화시킬 수 있어, 종래 겨울철 기화 방법인 연소식 기화기(SMV)의 천연가스 연료비를 크게 절감할 수 있는 매우 경제적인 고안이다. 또한 기화기 내측 관을 흐르는 가열매체의 저온을 해수 담수화 장치나 빙축열 장치 등에 이용함으로써 저온의 열량으로 부터 얼음을 생산하여 냉방이나 담수를 얻는 효율적인 LNG 기화 시스템이다.

Claims (3)

1. 해수를 이용한 액화천연가스(LNG)의 기화기에 있어서, 해수가 관 외측에 적하되고 LNG는 중간관내를 하부에서 상부로 흐르며, 가열매체가 제일 안쪽관을 흐르는 이중관 삼중흐름 기화 방식과;
2. 이중관내 제일 안쪽을 흐르는 유체는 프로판, 부탄, 클로로-디플루오로 메탄(R-22), 테트라-프루오로에탄(R-134a) 등 상변화 잠열을 이용할 수 있는 유체를 적용하는 것과;
3. 관 내측 액화된 유체의 저온 에너지(냉열)를 해수 담수화 장치나 빙축열 장치 등에 이용하여 매체를 다시 가열하는 공정으로 이루어진 LNG 기화 시스템.