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KR102379475B1 - 액화수소 운반선의 가스 관리시스템 - Google Patents

액화수소 운반선의 가스 관리시스템 Download PDF

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KR102379475B1
KR102379475B1 KR1020200125139A KR20200125139A KR102379475B1 KR 102379475 B1 KR102379475 B1 KR 102379475B1 KR 1020200125139 A KR1020200125139 A KR 1020200125139A KR 20200125139 A KR20200125139 A KR 20200125139A KR 102379475 B1 KR102379475 B1 KR 102379475B1
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KR
South Korea
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gas
boil
heat exchanger
line
management system
Prior art date
Application number
KR1020200125139A
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English (en)
Inventor
최병윤
류시진
박아민
정승재
Original Assignee
삼성중공업 주식회사
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Publication date
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Abstract

액화수소 운반선의 가스 관리시스템이 개시된다. 본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 액화수소 및 이로부터 발생하는 제1 증발가스를 수용하는 저장탱크, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 제2 증발가스를 수용하는 연료탱크 및 저장탱크의 제1 증발가스를 재액화시키는 재액화라인을 포함하고, 재액화라인은 유입된 제1 증발가스를 가압하는 제1 압축부와, 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스를 냉각시키는 냉각부와, 냉각부에 의해 냉각된 제1 증발가스를 감압시키는 팽창부를 포함하고, 냉각부는 연료탱크의 액화천연가스 및 제2 증발가스 중 적어도 어느 하나로부터 냉열을 공급받는 열교환기를 포함하여 제공될 수 있다.

Description

액화수소 운반선의 가스 관리시스템{GAS TREATMENT SYSTEM OF LIQUID HYDROGEN CARRIER}
본 발명은 액화수소 운반선의 가스 관리시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연가스를 연료가스로서 안정적으로 공급함과 동시에 수소 증발가스를 효과적으로 관리 및 처리할 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템에 관한 것이다.
오늘날 환경문제가 인류의 주요한 이슈로 대두됨에 따라, 전 세계적으로 지구 온난화 문제 해결 및 대기환경 개선을 위해 노력하고 있다. 이러한 문제 해결을 위해 환경문제의 근원이 되는 화석에너지를 대신하여 태양광, 풍력, 조력 및 수력과 같은 재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.
그러나 재생에너지는 지역별, 계절별 수급 불균형의 문제가 있는 바, 재생에너지로 생산된 에너지를 효과적으로 저장할 수 있는 에너지 저장매체, 다시 말해 에너지 캐리어(Energy-carrier)가 필요하다. 다양한 에너지 저장매체 중에서 대용량, 장기간 안정적으로 저장할 수 있으면서도, 타 에너지원으로의 변환이 용이한 수소가 최적의 에너지 캐리어 각광받고 있다. 뿐만 아니라, 수소는 석유화학이나 제철 등 화학공정의 부산물로 발생되는 부생가스에서 수소를 추출하거나, 천연가스 또는 갈탄 등 1차 에너지로부터 개질하여 생산할 수도 있으며, 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 등 다양한 방법에 의해 생산이 가능하다는 이점이 있다.
수소가 미래의 주요한 에너지원으로 주목받음에 따라, 수소의 저장 및 운송 기술에 관련된 과제들이 제시되고 있다. 수소의 저장방법으로는 기체나 액체 등 다양한 형태로 구현할 수 있겠으나, 에너지 밀도, 저장량 및 수송 효율 등을 고려할 때 액화수소의 형태로 저장하는 것이 유리한 것으로 인식되고 있다. 그러나 액화수소는 끓는 점이 약 -253 ℃인 초저온의 유체이고, 비중은 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)의 약 1/6 수준으로 작아 체적당 증발률(BOR, Boil-Off Rate)이 액화천연가스의 약 10배에 달할 정도로 높다.
따라서 액화수소를 저장 및 운송 시 단열 처리된 저장탱크에 수용되어 운용되더라도 완전한 단열을 구현하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 저장탱크의 내부에서 액화수소가 자연적으로 기화하여 발생되는 수소 증발가스가 축적되게 된다. 이는 액화수소의 수송 효율을 떨어트릴 뿐만 아니라, 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 수소 증발가스를 안정적이면서도 효과적으로 관리 및 활용할 수 있는 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0049731호(2012. 05. 17. 공개)
본 실시 예는 저장탱크에서 발생되는 수소 증발가스를 효율적으로 관리 및 처리할 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예는 천연가스를 연료가스로서 안정적으로 공급할 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예는 본 실시 예는 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예는 설비의 구조 안정성을 도모할 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예는 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예는 수소 증발가스의 재액화 공정을 안정적으로 수행할 수 있는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 액화수소 및 이로부터 발생하는 제1 증발가스를 수용하는 저장탱크; 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 제2 증발가스를 수용하는 연료탱크; 및 상기 저장탱크의 제1 증발가스를 재액화시키는 재액화라인;을 포함하고, 상기 재액화라인은 유입된 제1 증발가스를 가압하는 제1 압축부와, 상기 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부에 의해 냉각된 제1 증발가스를 감압시키는 팽창부를 포함하고, 상기 냉각부는 상기 연료탱크의 액화천연가스 및 제2 증발가스 중 적어도 어느 하나로부터 냉열을 공급받는 열교환기를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 냉각부는 상기 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스와 상기 제2 증발가스를 1차적으로 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 거친 제1 증발가스와 상기 액화천연가스를 2차적으로 열교환하는 제2 열교환기를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 냉각부는 상기 제2 열교환기를 거친 제1 증발가스를 3차적으로 열교환하여 냉각시키는 제3 열교환기를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 팽창부에 의해 감압된 제1 증발가스를 기체성분 및 액체성분으로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기의 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 액체성분 회수라인과, 상기 기액분리기의 기체성분을 상기 재액화라인 상의 제1 압축부 전단으로 합류시키는 기체성분 순환라인을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 연료탱크의 제2 증발가스를 가압하는 제2 압축부가 마련되고, 상기 제2 압축부에 의해 가압된 제2 증발가스를 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인;을 더 포함하고, 상기 제1 열교환기는 상기 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스를 상기 증발가스 공급라인 상의 제2 압축부 전단의 제2 증발가스와 열교환하여 냉각시킬 수 있다.
상기 연료탱크의 액화천연가스를 기화시키는 기화기가 마련되고, 상기 기화기에 의해 기화된 액화천연가스를 상기 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인;을 더 포함하고, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 액화가스 공급라인 상의 기화기 전단의 액화천연가스와 열교환하여 냉각시킬 수 있다.
상기 제3 열교환기로 극저온의 냉열을 제공하는 냉매순환라인;을 더 포함하고, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 냉매순환라인을 따라 이송되는 냉매와 열교환하여 냉각시킬 수 있다.
상기 제3 열교환기로 극저온의 냉열을 제공하는 냉매순환라인;을 더 포함하고, 상기 재액화라인은 상기 유입된 제1 증발가스 및 상기 기체성분 순환라인을 따라 합류되는 기체성분이 상기 제3 열교환기를 경유하여 상기 제1 압축부로 공급되도록 마련되며, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 냉매순환라인을 따라 이송되는 냉매와 열교환하여 냉각시키되, 상기 유입된 제1 증발가스와 상기 기체성분 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합된 가스흐름으로부터 추가적으로 냉열을 공급받을 수 있다.
상기 재액화라인은 제1 증발가스의 재액화를 촉진하는 촉매장치를 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 촉매장치는 상기 재액화라인 상의 상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기 사이에 배치되되, 수소의 오쏘-파라(Ortho-Para) 변환을 유도하는 O/P 컨버터를 포함하여 제공될 수 있다.
상기 재액화라인은 상기 유입된 제1 증발가스 및 상기 기체성분 순환라인을 따라 합류된 기체성분이 상기 제3 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 경유하여 상기 제1 압축부로 공급되도록 마련되며, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 액화천연가스와 열교환하여 냉각시키되, 상기 제3 열교환기를 거친 상기 혼합된 가스흐름으로부터 추가적으로 냉열을 공급받을 수 있다.
상기 저장탱크에 수용된 액화수소를 배출시키는 액화수소 공급라인;을 더 포함하여 제공될 수 있다.
상기 냉매순환라인은 냉매를 가압하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기에 의해 냉각된 냉매를 감압하는 팽창기를 포함하고, 상기 제3 열교환기는 상기 팽창기에 의해 감압된 극저온의 냉매로부터 냉열을 공급받을 수 있다.
본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 저장탱크에서 발생되는 수소 증발가스를 효율적으로 관리 및 처리할 수 있는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 천연가스를 선박의 연료가스로 안정적으로 공급할 수 있는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 설비의 구조 안정성을 도모하는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 단순한 구조로서 효율적인 설비 운용이 가능해지는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 에너지 효율이 향상되는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템은 수소 증발가스의 재액화 공정을 안정적으로 수행할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 나타내는 개념도이다.
도 4은 본 발명의 제4 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템을 나타내는 개념도이다.
이하에서는 본 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(100)을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(100)은 액화수소 및 이로부터 발생되는 수소 증발가스를 수용하는 저장탱크(110), 액화천연가스 및 이로부터 발생되는 천연 증발가스를 수용하는 연료탱크(120), 저장탱크(110)에 발생된 수소 증발가스를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(130), 재액화라인(130)으로 극저온의 냉열을 제공하는 냉매순환라인(160), 저장탱크(110)에 수용된 액화수소를 수요처(20) 등 외부로 배출시키는 액화수소 공급라인(170), 연료탱크(120)의 천연 증발가스를 엔진(10)의 연료가스로 공급하는 증발가스 공급라인(150), 연료탱크(120)의 액화천연가스를 엔진(10)의 연료가스로 공급하는 액화가스 공급라인(140)을 포함하여 마련될 수 있다.
저장탱크(110)는 액화수소 및 이로부터 발생하는 수소 증발가스(이하 '제1 증발가스'라 함.)를 수용 및 저장하도록 마련된다. 저장탱크(110)는 액화수소의 수송 효율을 위해 선박에 복수개 마련될 수 있으며, 외부의 열 침입에 의한 액화수소의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 저장탱크(110)는 액화수소 공급처로부터 액화수소를 공급받아 수용 및 저장하여 목적지에 이르러 하역하기까지 액화수소 및 이로부터 발생하는 제1 증발가스를 안정적으로 보관할 수 있다.
저장탱크(110)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(110) 내부에는 액화수소가 자연적으로 기화하여 발생하는 제1 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 제1 증발가스는 저장탱크(110)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(110)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 제1 증발가스를 저장탱크(110)로부터 처리 및 관리할 필요성이 있다. 또한 제1 증발가스를 저장탱크(110)의 외측으로 배출시킬 경우 안전사고의 위험이 있으며, 경제적으로도 바람직하지 않다. 이에 따라 저장탱크(110) 내부에 발생된 제1 증발가스는 후술하는 재액화라인(130)에 의해 재액화되어 저장탱크(110)로 재공급될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
연료탱크(120)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스(이하 '제2 증발가스'라 함.)를 수용 및 저장하도록 마련된다. 연료탱크(120)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 저장탱크(110)와 마찬가지로, 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 연료탱크(120)는 천연가스의 생산지 또는 공급처 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 및 저장하되, 액화천연가스 및 제2 증발가스를 선박의 추진용 엔진(10) 또는 선박의 발전용 엔진(10) 등의 연료가스로 제공할 수 있다.
연료탱크(120)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 연료탱크(120) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 제2 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 제2 증발가스는 연료탱크(120)의 내부압력을 상승시켜 연료탱크(120)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 제2 증발가스를 연료탱크(120)로부터 제거 또는 처리할 필요성이 있다. 이에 따라 연료탱크(120) 내부에 발생된 제2 증발가스는 후술하는 바와 같이 증발가스 공급라인(150)에 의해 엔진(10)의 연료가스로 이용될 수 있으며, 또한 도면에는 도시하지 않았으나 연료탱크(120)의 상부에 마련되는 벤트 마스트(미도시)를 통해 잉여분의 제2 증발가스를 처리 또는 소모시킬 수도 있다.
엔진(10)은 연료탱크(120)에 수용된 액화천연가스 및 제2 증발가스 등의 연료가스를 공급받아 선박의 추진력을 발생시키거나 선박의 내부 설비 등의 발전용 전원을 발생시킬 수 있다. 엔진(10)는 상대적으로 고압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 고압 엔진(10), 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 저압 엔진(10), 선박에 구비된 각종 설비의 전원을 제공하는 제너레이터, 잉여의 연료가스를 공급받아 소모시키는 GCU(Gas Combustion Unit) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 엔진(10)는 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 ME-GI 엔진(10) 또는 X-DF 엔진(10), 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진(10) 등을 포함할 수 있다.
재액화라인(130)은 저장탱크(110)의 내부에서 발생된 제1 증발가스를 공급받아 재액화시키도록 마련된다.
재액화라인(130)은 유입된 제1 증발가스를 가압하는 제1 압축부(131)와, 제1 압축부(131)를 통과하면서 가압된 제1 증발가스를 냉각시키는 냉각부와, 냉각부를 통과하여 냉각된 제1 증발가스를 공급받아 감압시키는 팽창부(135)와, 팽창부(135)를 통과하면서 기액 혼합상태의 제1 증발가스를 기체성분 및 액체성분으로 분리하는 기액분리기(136)와, 기액분리기(136)에서 분리된 액체성분을 저장탱크(110)로 재공급하는 액체성분 회수라인(137)과, 기액분리기(136)에서 분리된 기체성분을 제1 압축부(131)로 재공급하는 기체성분 순환라인(138)을 포함하여 마련될 수 있다.
제1 압축부(131)는 재액화라인(130)으로 유입되는 제1 증발가스를 가압하도록 마련된다. 제1 압축부(131)는 제1 증발가스의 재액화효율을 향상시키기 위해 제1 증발가스를 가압하여 후술하는 냉각부로 공급할 수 있다. 제1 압축부(131)는 컴프레서를 포함할 수 있으며, 도 1에서는 컴프레서가 단일로 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로서 제1 증발가스의 가압 압력범위에 따라 다단 컴프레서로 이루어질 수도 있다.
냉각부는 제1 압축부(131)를 거쳐 가압된 제1 증발가스를 공급받아 냉각시키도록 마련된다. 냉각부는 제1 압축부(131)를 통과하여 가압된 제1 증발가스를 제2 증발가스와 1차적으로 열교환하는 제1 열교환기(132)와, 제1 열교환기(132)를 거친 제1 증발가스를 액화천연가스와 2차적으로 열교환하는 제2 열교환기(133)와, 제2 열교환기(133)를 거친 제1 증발가스를 극저온의 냉매와 3차적으로 열교환하는 제3 열교환기(134)를 포함할 수 있다.
제1 열교환기(132)는 재액화라인(130) 상의 제1 압축부(131)를 거쳐 가압된 제1 증발가스와, 연료탱크(120)로부터 엔진(10)으로 공급되는 제2 증발가스를 1차적으로 열교환할 수 있다. 이를 위해, 제1 열교환기(132)는 재액화라인(130) 상의 제1 압축부(131) 후단과 후술하는 증발가스 공급라인(150) 상의 제2 압축부(151) 전단 사이에 마련될 수 있다. 연료탱크(120)로 배출되어 증발가스 공급라인(150)으로 유입된 제2 증발가스는 액화천연가스가 기화되며 발생된 것이므로 약 -163 ℃인 액화천연가스보다 상대적으로 온도가 높다. 그러나 제1 압축부(131)를 통과한 고온의 제1 증발가스 보다는 온도가 훨씬 낮으므로 제1 증발가스 측으로 냉열을 제공하기에 충분하다. 따라서 제1 열교환기(132)에서는 상대적으로 온도가 낮은 제2 증발가스로부터 상대적으로 고온의 제1 증발가스로 냉열을 전달하여 제1 증발가스를 약 -90 ℃ 수준까지 1차적으로 냉각시킬 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이 증발가스 공급라인(150)에는 엔진(10)이 요구하는 압력범위까지 제2 증발가스를 가압하는 컴프레서(151a)가 마련되는데, 컴프레서(151a)가 안정적으로 구동하기 위해서는 제2 증발가스의 온도가 일정 수준까지 상승된 상태로 유입되어야 한다. 따라서 증발가스 공급라인(150)을 따라 이송되는 제2 증발가스는 제1 열교환기(132)를 거치면서 고온의 제1 증발가스와 열교환함으로써 컴프레서(151a)의 안정적인 구동에 필요한 온도 수준만큼 가열될 수 있다. 이와 같이, 별도의 가열 또는 냉각 설비의 구축 없이, 상대적으로 고온이면서 냉각이 필요한 제1 증발가스와 상대적으로 저온이면서 가열이 필요한 제2 증발가스를 제1 열교환기(132)를 통해 서로 열교환함으로써, 불필요한 에너지 소비를 방지하고, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
제2 열교환기(133)는 재액화라인(130) 상의 제1 열교환기(132)를 거쳐 1차적으로 냉각된 제1 증발가스와, 연료탱크(120)로부터 엔진(10)으로 공급되는 액화천연가스를 2차적으로 열교환할 수 있다. 이를 위해, 제2 열교환기(133)는 재액화라인(130) 상의 제1 열교환기(132) 후단과 후술하는 액화가스 공급라인(140) 상의 기화기(141) 전단 사이에 마련될 수 있다. 연료탱크(120)로부터 액화가스 공급라인(140)으로 유입된 액화천연가스는 약 -163 ℃의 저온 상태이므로, 제2 열교환기(133)는 상대적으로 온도가 낮은 액화천연가스로부터 상대적으로 고온의 제1 증발가스로 냉열을 전달하여 제1 증발가스를 약 -150 ℃ 수준까지 2차적으로 냉각시킬 수 있다. 한편, 엔진(10)에 연료가스로서 공급하기 위해서는 기체상태로 공급하는 것이 요구되는 바, 후술하는 바와 같이 액화가스 공급라인(140)에는 액화천연가스를 기화시키는 기화기(141)가 마련된다. 액화가스 공급라인(140)을 따라 이송되는 액화천연가스는 제2 열교환기(133)를 거치면서 재액화라인(130) 상의 제1 증발가스로 냉열을 전달해줌으로써 온도가 상승하게 된다. 이와 같이, 상대적으로 고온이면서 냉각이 필요한 제1 증발가스와 상대적으로 저온이면서 가열이 필요한 액화천연가스를 제2 열교환기(133)를 통해 서로 열교환함으로써, 액화가스 공급라인(140) 상에서 제2 열교환기(133)의 후단에 설치되는 기화기(141)에 투입되는 에너지 소비량을 저감하고, 설비 운용의 효율성을 도모할 수 있다.
제3 열교환기(134)는 재액화라인(130) 상의 제2 열교환기(133)를 거쳐 2차적으로 냉각된 제1 증발가스와, 냉매순환라인(160)을 따라 이송되는 극저온의 냉매를 3차적으로 열교환하여 제1 증발가스의 재액화를 구현할 수 있다. 냉매는 헬륨(He), 질소(N2) 등을 포함할 수 있으며, 냉매순환라인(160)은 냉매를 가압하는 압축기(161)와, 압축기(161)를 거쳐 가압된 냉매를 냉각시키는 냉각기(162)와, 냉각기(162)에 의해 냉각된 냉매를 감압하는 팽창기(163)를 포함할 수 있다. 압축기(161)와 냉각기(162) 및 팽창기(163)를 순차적으로 통과한 냉매는 극저온 상태이므로 제3 열교환기(134)에서는 극저온의 냉매로부터 제1 증발가스로 냉열을 전달하여 제1 증발가스를 수소 액화점까지 3차적으로 냉각시킬 수 있다.
팽창부(135)는 제1 내지 제3 열교환기(132, 133, 134)를 순차적으로 통과하여 냉각 및 재액화된 제1 증발가스를 공급받아 감압 또는 팽창시키도록 마련된다. 재액화라인(130)을 따라 이송되는 제1 증발가스는 제1 압축부(131)에 의해 가압된 상태인 바, 팽창부(135)가 가압된 제1 증발가스를 감압시킴으로써, 추가적인 냉각 및 팽창을 통해 제1 증발가스의 안정적인 재액화를 구현할 수 있다. 팽창부(135)는 익스팬더(Expander) 또는 감압밸브로 마련될 수 있으며, 저장탱크(110)의 내부압력에 상응하는 압력수준으로 제1 증발가스를 감압할 수 있다.
기액분리기(136)는 팽창부(135)를 통과한 기액 혼합상태의 제1 증발가스를 기체성분과 액체성분으로 분리하도록 마련된다. 제1 증발가스는 제1 내지 제3 열교환기(132, 133, 134)를 통과하면서 냉각됨에 따라 대부분 재액화가 이루어지기는 하나, 팽창부(135)를 거쳐 감압되는 과정에서 일부의 기체성분이 발생될 수 있다. 이에 기액분리기(136)가 팽창부(135)를 거쳐 감압된 제1 증발가스를 수용하되, 기체성분 및 액체성분으로 분리하여 각 성분의 용이한 취급 및 관리를 도모할 수 있다.
액체성분 회수라인(137)은 기액분리기(136)에 의해 분리된 액체성분을 저장탱크(110)로 재공급하도록 마련된다. 액체성분 회수라인(137)은 기액분리기(136)와 저장탱크(110)를 연결하도록 입구 측 단부가 기액분리기(136)의 내부 하측에 연결되고, 출구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연결될 수 있다. 액체성분 회수라인(137)에는 저장탱크(110)로 회수되는 액체성분의 공급량을 조절하는 개폐밸브(미도시)가 마련될 수 있다. 개폐밸브는 기액분리기(136)의 액체성분 수위에 따라 개방 및 폐쇄정도가 제어될 수 있다.
기체성분 순환라인(138)은 기액분리기(136)에 의해 분리된 기체성분을 저장탱크(110)로 회수하거나, 재액화라인(130)의 제1 압축부(131)로 재공급하도록 마련된다. 도 1에서는 기체성분 순환라인(138)이 기액분리기(136)에서 분리된 기체성분을 재액화라인(130) 상의 제1 압축부(131) 전단으로 공급하는 것으로 도시되어 있으나, 이 외에도 기액분리기(136)로부터 저장탱크(110)로 공급하거나, 제1 압축부(131) 전단 및 저장탱크(110) 측으로 함께 재공급하는 경우를 모두 포함한다. 기체성분 순환라인(138)에는 저장탱크(110) 또는 제1 압축부(131) 전단으로 공급되는 기체성분의 유량을 조절하는 개폐밸브(미도시)가 마련될 수 있으며, 개폐밸브는 기액분리기(136)의 내부압력 수치에 따라 개방 및 폐쇄정도가 제어될 수 있다.
액화수소 공급라인(170)은 저장탱크(110)에 수용된 액화수소를 수요처(20)로 공급하도록 마련된다. 이를 위해 액화수소 공급라인(170)의 입구 측 단부는 저장탱크(110)의 내부 하측에 배치되되 이송펌프(171)가 마련될 수 있으며, 출구 측 단부에는 액화수소를 필요로 하는 연료전지, 소비처 등의 수요처(20)로 연결될 수 있도록 매니폴드가 마련될 수 있다.
증발가스 공급라인(150)은 연료탱크(120)에 수용된 제2 증발가스를 엔진(10)으로 공급하도록 마련된다. 이를 위해 증발가스 공급라인(150)은 입구 측 단부가 연료탱크(120)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 엔진(10)에 직접 연결되거나 도 1에 도시된 바와 같이, 액화가스 공급라인(140)과 합류하여 엔진(10)에 연결될 수 있다. 엔진(10)이 복수개 마련되되 서로 다른 압력수준의 연료가스를 공급받는 경우에는 각 엔진(10)의 요구 압력수준에 맞추어 공급되는 연료가스의 압력을 조절하는 감압밸브(미도시)가 각각 마련될 수 있다.
증발가스 공급라인(150)에는 연료탱크(120)로부터 배출되는 제2 증발가스를 엔진(10)이 요구하는 조건에 맞추어 가압하는 제2 압축부(151)가 마련될 수 있다. 제2 압축부(151)는 증발가스 공급라인(150)을 통해 유입되는 제2 증발가스를 압축하는 컴프레서(151a)와, 압축되면서 가열된 제2 증발가스를 냉각시키는 쿨러(151b)를 포함할 수 있다. 한편, 도면에는 도시하지 않았으나 엔진(10)이 서로 다른 압력조건을 갖는 복수개의 엔진(10)을 포함하는 경우에는 제2 압축부(151)의 중단부로부터 분기라인(미도시)이 분기되어 일부 가압된 제2 증발가스를 저압 엔진(10) 측으로 공급할 수도 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 증발가스 공급라인(150) 상의 제2 압축부(151) 전단에는 제1 열교환기(132)가 마련될 수 있다.
액화가스 공급라인(140)은 연료탱크(120)에 수용된 액화천연가스를 엔진(10)으로 공급하도록 마련된다. 이를 위해 액화가스 공급라인(140)은 입구 측 단부가 연료탱크(120)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 증발가스 공급라인(150)과 합류하여 엔진(10)에 연결될 수 있다. 액화가스 공급라인(140)의 입구 측 단부는 연료탱크(120) 내부의 하측에 배치될 수 있으며, 여기에는 액화천연가스를 엔진(10) 측으로 공급하기 위한 송출펌프(142)가 마련될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 엔진(10)에 연료가스로서 공급하기 위해서는 기체상태로 공급하는 것이 요구되는 바, 액화가스 공급라인(140)에는 액화천연가스를 기화시키는 기화기(141)가 마련될 수 있다. 기화기(141)는 액화가스 공급라인(140) 상의 제2 열교환기(133) 후단에 마련되어 제2 열교환기(133)를 거치면서 소정의 온도 상승된 액화천연가스를 열교환을 통해 가열하여 기화시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(200)에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(200)에 관한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 앞서 설명한 본 발명의 제1 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(100)에 관한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(200)을 나타내는 개념도로서, 도 2를 참조하면 본 발명의 제2 실시 예에 의한 제3 열교환기(234)는 제2 열교환기(133)를 거쳐 2차적으로 냉각된 제1 증발가스를 냉매순환라인(160)을 따라 이송되는 극저온의 냉매와 더불어,저장탱크(110)로부터 재액화라인(230)으로 유입되는 제1 증발가스 및 기체성분 순환라인(238)을 따라 전달되는 기체성분의 혼합된 가스흐름으로부터 추가적인 냉열을 제공받을 수 있다.
이를 위해, 기체성분 순환라인(238)은 출구 측 단부가 재액화라인(230) 상의 제1 압축부(131) 전단에 합류하도록 마련되고, 재액화라인(230)은 기체성분 순환라인(238)이 합류된 지점의 후단이 제3 열교환기(234)를 경유하여 제1 압축부(131)에 연결될 수 있다. 이로써 재액화라인(230)은 이로 유입되는 제1 증발가스 및 기체성분 순환라인(238)을 따라 합류된 기체성분이 혼합되어 제3 열교환기(234)를 거쳐 열교환한 후 제1 압축부(131)로 공급되어 가압될 수 있다.
제3 열교환기(234)는 재액화라인(230) 상의 제2 열교환기(133)를 거쳐 2차적으로 냉각된 제1 증발가스와 냉매순환라인(160)을 따라 이송되는 극저온의 냉매를 3차적으로 열교환하여 제1 증발가스를 냉각시키되, 재액화라인(230)으로 유입되는 제1 증발가스 및 기체성분 순환라인(238)을 따라 합류된 기체성분 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합된 가스흐름으로부터 냉열을 추가적으로 공급받아 제1 증발가스의 재액화를 구현할 수 있다. 저장탱크(110)의 내부에 발생된 제1 증발가스는 제1 압축부(131)에 의해 가압되면서 온도가 상승하므로 열교환기(132, 133, 234)를 통과하는 가압된 제1 증발가스 보다 온도가 낮다. 따라서 저장탱크(110)로부터 재액화라인(230)으로 유입되는 제1 증발가스는 제1 압축부(131)를 거쳐 제3 열교환기(133)로 유입되는 가압된 제1 증발가스 측으로 냉열을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 기액분리기(136)에서 분리된 기체성분은 팽창부(135)를 거치면서 수소의 액화점에 근접하게 냉각된 상태이므로, 제3 열교환기(234)에서는 극저온의 냉매와 더불어, 제1 증발가스 및 기체성분의 혼합된 가스흐름으로부터 발생되는 냉열을 제1 증발가스로 추가적으로 전달함으로써 제1 증발가스의 재액화 효율을 증대시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(300)에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(300)에 관한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 앞서 설명한 본 발명의 제2 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(200)에 관한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.
도 3는 본 발명의 제3 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(300)을 나타내는 개념도로서, 도 3을 참조하면 본 발명의 제3 실시 예에 의한 재액화라인(330)은 수소의 재액화를 촉진하는 촉매장치(339)를 더 포함할 수 있다.
촉매장치(339)는 재액화라인(330) 상의 제2 열교환기(133)와 제3 열교환기(234) 사이에 배치될 수 있으며, 수소의 오쏘-파라(Ortho-Para) 변환을 유도하는 O/P 컨버터로 마련될 수 있다. 수소는 원자핵의 회전방향에 따라 오쏘-수소와 파라-수소로 구별되는데, 기체상태의 수소를 재액화를 위해 냉각시킬 때, 파라-수소의 비율이 높아지게 된다. 오쏘-수소가 파라-수소로 변환되는 과정은 매우 느린 발열 전환 반응에 해당하므로, 재액화를 위해 오쏘-파라 변환 시 발열에 의해 재액화 효율이 떨어질 우려가 있다. 이에 제1 내지 제3 열교환기(132, 133, 234)를 통해 단계적이고 순차적인 냉각을 수행함과 동시에, O/P 컨버터가 오쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응 속도를 높여줌으로써, 재액화라인(330)의 효율적인 수소 재액화를 도모할 수 있다.
O/P 컨버터는 제2 열교환기(133)를 거쳐 2차적으로 냉각된 제2 증발가스의 오쏘-파라(Ortho-Para) 변환을 유도하며, O/P 컨버터의 내부에는 자철석, 산화크롬 등의 오쏘-파라(Ortho-Para) 변환 촉매가 충진될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(400)에 대해 설명한다.
이하에서 설명하는 본 발명의 제4 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(400)에 관한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 앞서 설명한 본 발명의 제2 실시 예 및 제3 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(200, 300)에 관한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(400)을 나타내는 개념도로서, 도 4을 참조하면 본 발명의 제4 실시 예에 의한 제2 열교환기(433)는 제1 열교환기(132)를 거쳐 1차적으로 냉각된 제1 증발가스를 연료탱크(120)로부터 엔진(10)으로 공급되는 액화천연가스와 더불어, 저장탱크(110)로부터 재액화라인(430)으로 유입되는 제1 증발가스 및 기체성분 순환라인(238)을 따라 전달되는 기체성분의 혼합된 가스흐름으로부터 추가적인 냉열을 제공받을 수 있다.
이를 위해, 기체성분 순환라인(238)은 출구 측 단부가 재액화라인(430) 상의 제1 압축부(131) 전단에 합류하도록 마련되고, 재액화라인(430)은 기체성분 순환라인(238)이 합류된 지점의 후단이 제3 열교환기(234) 및 제2 열교환기(433)를 순차적으로 경유하여 제1 압축부(131)로 연결될 수 있다. 이로써 재액화라인(430)은 이로 유입되는 제1 증발가스 및 기체성분 순환라인(238)을 따라 합류된 기체성분이 혼합되어 제3 열교환기(234) 및 제2 열교환기(433)를 순차적으로 거쳐 열교환한 후 제1 압축부(131)로 공급되어 가압될 수 있다.
제2 열교환기(433)는 재액화라인(430) 상의 제1 열교환기(133)를 거쳐 1차적으로 냉각된 제1 증발가스와 액화가스 공급라인(140) 상의 기화기(141) 전단의 액화천연가스를 2차적으로 열교환하여 제1 증발가스를 냉각시키되, 재액화라인(430)으로 유입되는 제1 증발가스 및 기체성분 순환라인(238)을 따라 합류된 기체성분 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합된 가스흐름으로부터 냉열을 추가적으로 공급받아 제1 증발가스의 추가적인 냉각을 도모할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 저장탱크(110)의 내부에 발생된 제1 증발가스는 제1 압축부(131)에 의해 가압되면서 온도가 상승하므로 열교환기(132, 433)를 통과하는 제1 증발가스 보다 온도가 낮다. 나아가, 제2 열교환기(433)의 운용온도는 제3 열교환기(234)의 운용온도보다 상대적으로 높으므로, 저장탱크(110)로부터 재액화라인(430)으로 유입되는 제1 증발가스와 기체성분 순환라인(238)을 따라 합류된 기체성분의 혼합된 가스흐름은 운용온도가 상대적으로 낮은 제3 열교환기(234)로 먼저 진입하여 냉열을 제공한 후, 운용온도가 상대적으로 높은 제2 열교환기(433)로 후속적으로 진입하여 제1 압축부(131)를 거쳐 제2 열교환기(433)로 진입하는 가압된 제1 증발가스 측으로 냉열을 제공할 수 있다.
이와 같은 본 실시 예에 의한 액화수소 운반선의 가스 관리시스템(100, 200, 300)은 저장탱크에서 발생되는 수소 증발가스를 재액화함에 있어서, 선박의 연료가스로 공급되는 천연 증발가스 및 액화천연가스의 냉열을 순차적으로 활용하므로 효율적인 설비 운용을 도모할 수 있다. 나아가, 수소 재액화 과정에서 발생되는 저온의 기체성분이 갖는 냉열을 추가적으로 활용하거나, O/P 컨버터로 마련되는 촉매장치(339)에 의해 수소의 재액화 효율을 극대화시킬 수 있다.
100, 200, 300, 400: 가스 관리시스템
110: 저장탱크 120: 연료탱크
130, 230, 330, 430: 재액화라인 131: 제1 압축부
132: 제1 열교환기 133, 433: 제2 열교환기
134, 234: 제3 열교환기 135: 팽창부
136: 기액분리기 137: 액체성분 회수라인
138, 238: 기체성분 순환라인 339: 촉매장치
140: 액화가스 공급라인 141: 기화기
142: 송출펌프 150: 증발가스 공급라인
151: 제2 압축부 160: 냉매순환라인
161: 압축기 162: 냉각기
163: 팽창기 170: 액화수소 공급라인

Claims (13)

  1. 액화수소 및 이로부터 발생하는 제1 증발가스를 수용하는 저장탱크;
    액화천연가스 및 이로부터 발생하는 제2 증발가스를 수용하는 연료탱크; 및
    상기 저장탱크의 제1 증발가스를 재액화시키는 재액화라인을 포함하고,
    상기 재액화라인은
    유입된 제1 증발가스를 가압하는 제1 압축부와, 상기 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스를 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각부에 의해 냉각된 제1 증발가스를 감압시키는 팽창부를 포함하고,
    상기 냉각부는
    상기 제1 압축부의 후단에 마련되며 상기 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스와 상기 제2 증발가스를 1차적으로 열교환하는 제1 열교환기를 포함하고, 상기 제1 열교환기 후단에 마련되며 상기 제1 열교환기를 거친 제1 증발가스와 상기 제2 증발가스보다 저온으로 형성되는 액화천연가스를 2차적으로 열교환하는 제2 열교환기를 포함하는 액화수소 운반선의 가스 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 제2 열교환기를 거친 제1 증발가스를 3차적으로 열교환하여 냉각시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    상기 팽창부에 의해 감압된 제1 증발가스를 기체성분 및 액체성분으로 분리하는 기액분리기와, 상기 기액분리기의 액체성분을 상기 저장탱크로 공급하는 액체성분 회수라인과, 상기 기액분리기의 기체성분을 상기 재액화라인 상의 제1 압축부 전단으로 합류시키는 기체성분 순환라인을 더 포함하는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료탱크의 제2 증발가스를 가압하는 제2 압축부가 마련되고, 상기 제2 압축부에 의해 가압된 제2 증발가스를 엔진으로 공급하는 증발가스 공급라인을 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기는
    상기 제1 압축부에 의해 가압된 제1 증발가스를 상기 증발가스 공급라인 상의 제2 압축부 전단의 제2 증발가스와 열교환하여 냉각시키는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료탱크의 액화천연가스를 기화시키는 기화기가 마련되고, 상기 기화기에 의해 기화된 액화천연가스를 상기 엔진으로 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기는
    상기 제1 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 액화가스 공급라인 상의 기화기 전단의 액화천연가스와 열교환하여 냉각시키는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제3 열교환기로 극저온의 냉열을 제공하는 냉매순환라인을 더 포함하고,
    상기 제3 열교환기는
    상기 제2 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 냉매순환라인을 따라 이송되는 냉매와 열교환하여 냉각시키는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제3 열교환기로 극저온의 냉열을 제공하는 냉매순환라인을 더 포함하고,
    상기 재액화라인은
    상기 유입된 제1 증발가스 및 상기 기체성분 순환라인을 따라 합류되는 기체성분이 상기 제3 열교환기를 경유하여 상기 제1 압축부로 공급되도록 마련되며,
    상기 제3 열교환기는
    상기 제2 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 냉매순환라인을 따라 이송되는 냉매와 열교환하여 냉각시키되, 상기 유입된 제1 증발가스와 상기 기체성분 중 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합된 가스흐름으로부터 추가적으로 냉열을 공급받는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    제1 증발가스의 재액화를 촉진하는 촉매장치를 더 포함하는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 촉매장치는
    상기 재액화라인 상의 상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기 사이에 배치되되, 수소의 오쏘-파라(Ortho-Para) 변환을 유도하는 O/P 컨버터를 포함하는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 재액화라인은
    상기 유입된 제1 증발가스 및 상기 기체성분 순환라인을 따라 합류된 기체성분이 상기 제3 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 경유하여 상기 제1 압축부로 공급되도록 마련되며,
    상기 제2 열교환기는
    상기 제1 열교환기를 거친 제1 증발가스를 상기 액화천연가스와 열교환하여 냉각시키되, 상기 제3 열교환기를 거친 상기 혼합된 가스흐름으로부터 추가적으로 냉열을 공급받는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 저장탱크에 수용된 액화수소를 배출시키는 액화수소 공급라인을 더 포함하는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
  13. 제7항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매순환라인은
    냉매를 가압하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 가압된 냉매를 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기에 의해 냉각된 냉매를 감압하는 팽창기를 포함하고,
    상기 제3 열교환기는
    상기 팽창기에 의해 감압된 극저온의 냉매로부터 냉열을 공급받는 액화수소 운반선의 가스 관리시스템.
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