KR20210072848A

KR20210072848A - 선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20210072848A
Application number: KR1020190162553A
Authority: KR
Inventors: 손수정; 김용훈; 장재형; 장재희
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-18

Abstract

본 발명은 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 재액화시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박용 증발가스 재액화 방법은, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축 단계; 상기 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축 단계로 이송되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 냉각 단계; 상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 1차 감압 단계; 및 상기 1차 감압 단계에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 2차 감압 단계;를 포함하고, 상기 1차 감압 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 압력을 일정하게 유지시키기 위하여, 상기 1차 감압 단계에서의 증발가스의 감압 정도를 조절하는 압력 조절 단계;를 포함한다.

Description

선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템 {Boil-Off Gas Reliquefaction Method and System for Vessels}

본 발명은 액화가스가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 재액화시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

근래, 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 등의 액화가스 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.

액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -162℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다. 이는 에탄 등 다른 저온 액화가스의 경우에도 마찬가지이다.

증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Reliquefaction System, PRS)이라고 한다.

한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF 엔진 및 ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.

DF 엔진(DFDE, DFDG)은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5 bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 기준으로 작동한다.

ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300 bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 기준으로 작동한다. 최근에는 연료 효율 및 추진 효율이 더 좋은 ME-GI 엔진에 대한 관심이 커지고 있는 추세이다.

도 2에는 종래의 증발가스 재액화 시스템이 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 저장탱크(T)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스를 압축기(C)를 이용하여 압축시켜 엔진(MEGI, DFDE)의 연료로 공급한다. 엔진으로 공급되지 않은 증발가스, 즉, 엔진의 연료 수요량을 초과하는 만큼의 압축 증발가스는, 재액화 장치로 분기시켜 재액화시켜 회수한다.

재액화시킬 압축 증발가스는 열교환기(H)에서 저장탱크(T)로부터 압축기(C)로 이송되는 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각되고, 감압장치(D)에 의해 감압되면서 온도가 더 낮아진다. 감압장치(D)에 의해 압력 및 온도가 낮아진 증발가스는 기액분리기(S)에서 기액분리되어, 액체 상태의 재액화 증발가스는 저장탱크(T)로 회수되고, 액화되지 않은 기체 상태의 증발가스는 열교환기(H)로 공급되는 압축 전 증발가스 흐름에 합류된다.

압축기(C)는 다단압축기로서, 여러 단계에 걸쳐 증발가스를 고압 엔진(MEGI)에서 요구하는 압력, 즉 약 300 barg로 압축시킬 수 있다. 압축기(C)에서 압축된 300 barg의 고압 증발가스 중 재액화시킬 고압 증발가스가 열교환기(H)로 이송되어, 열교환에 의해 냉각된다. 열교환기(H)에서 냉각된 약 300 barg의 고압 증발가스는 감압장치(D)에서 약 3 barg로 단열팽창됨으로써 액화된다.

여기서, 감압장치(D)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 감압장치(D1) 및 제2 감압장치(D2)을 직렬로 구비하여, 2단계에 걸쳐 300 barg의 고압 증발가스를 3 barg까지 감압시키는 구성이 적용되고 있다. 이는 하나의 감압장치(D)을 이용하여 단일 단계에 걸쳐 증발가스를 감압시키는 것보다 여러 단계에 걸쳐 고압 증발가스를 감압시키는 것이 더 효율적이기 때문이다.

만약, 하나의 감압장치(D)만을 구비하여 한번에 300 barg의 고압에서 3 barg까지 감압시키면, 그 압력강하가 너무 커서 다량의 플래시 가스(flash gas)가 발생할 수 있어 재액화 효율이 떨어지고, 감압장치(D)의 부하가 크기 때문에 장치 비용이 증가한다.

2개의 감압장치(D)을 이용하여 2단계에 걸쳐 고압의 증발가스를 300 barg에서 3 barg까지 감압시키는 경우, 먼저 상류의 제1 감압장치(D1)은, 300 barg의 증발가스를 70 barg로 감압시키는 감압장치으로 구비되고, 하류의 제2 감압장치(D2)은 70 barg의 증발가스를 3 barg로 감압시키는 감압장치으로 구비된다. 즉, 2개의 감압장치은 부하가 동일하거나 또는 감압장치이 밸브인 경우 각 밸브의 개도율은 동일하게 고정설정된다.

제1 감압장치(D1)과 제2 감압장치(D2)은 기체 상태의 증발가스를 감압시킴으로써 압력과 온도를 낮춰 증발가스를 액화시키는 수단으로서, 제1 감압장치(D1) 및 제2 감압장치(D2)은 기체 상태의 유체를 감압시키기 수단이다.

그런데 본 발명의 발명자들은 제1 감압장치(D1)으로부터 제2 감압장치(D2)으로 공급되는 1차 감압 증발가스가 완전 액화 상태가 되거나, 또는 기액 2상(2-phase)의 혼합 상태가 되어 재액화 유량의 제어를 어렵게 하는 문제점을 발견하였다.

열교환기(H)에서 냉각되는 고압 증발가스의 온도는, 저장탱크(T)로부터 열교환기(H)의 냉매로서 공급되는 증발가스의 압력(또는 유량) 및 온도에 따라 달라진다. 즉, 열교환기(H)로 냉매로서 공급되는 증발가스의 온도가 낮아지는 경우, 열교환기(H)에서 냉각되는 고압 증발가스의 온도가 낮아진다. 따라서, 열교환기(H)로부터 제1 감압장치(D1)으로 공급되는 고압 증발가스의 온도가 설정치보다 낮아지면, 제1 감압장치(D1)으로부터 제2 감압장치(D2)으로 공급되는 증발가스의 상태가 액체 또는 기액 혼합 상태가 될 수 있다. 제2 감압장치(D2)으로 공급되는 증발가스가 액체 또는 기액혼합 상태이면 증발가스의 유량을 제어하기가 어렵고, 증발가스의 재액화가 원활하게 이루어지지 않는다.

따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열교환기에서 냉각된 고압의 증발가스를 2단계에 걸쳐 설정압력까지 감압시키되, 제1 감압장치에서 감압된 증발가스가 액체 또는 기액 혼합상태가 되지 않도록 하여, 원활하게 재액화 공정이 실시되도록 하는, 선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축 단계; 상기 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축 단계로 이송되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 냉각 단계; 상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 1차 감압 단계; 및 상기 1차 감압 단계에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 2차 감압 단계;를 포함하고, 상기 1차 감압 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 압력을 일정하게 유지시키기 위하여, 상기 1차 감압 단계에서의 증발가스의 감압 정도를 조절하는 압력 조절 단계;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 1차 감압 단계 및 2차 감압 단계는, 각각 감압밸브에 의해 증발가스의 감압이 실시되고, 상기 감압밸브에 의해 감압되면서 증발가스의 온도도 낮아지며, 상기 압력 조절 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 제1 감압밸브의 개도율을 제어함으로써 실시되고, 상기 2차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 제2 감압밸브의 개도율은 고정되어 있을 수 있다.

바람직하게는, 상기 압력 조절 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 압력을 측정하는 압력 측정 단계; 및 상기 압력 측정 단계에서 측정된 압력 측정값에 따라 상기 1차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 제1 감압밸브의 개도율을 조절하는 개도율 조절 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 개도율 조절 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 목표로 하는 중간 목표압력에 상응하는 기본 개도율과, 상기 압력 측정 단계에서의 압력 측정값을 상기 중간 목표압력까지 높이거나 낮추기 위해 필요한 가변 개도율을 비교하여, 더 큰 값의 개도율로 상기 제1 감압밸브의 개도율을 설정할 수 있다.

바람직하게는, 상기 1차 감압 단계에서 2차 감압 단계로 공급하는 증발가스는 기체 상태 또는 초임계 상태이고, 2차 감압 단계에서 감압된 증발가스는 액체 상태 또는 기액 혼합 상태일 수 있다.

바람직하게는, 상기 2차 감압 단계에서 감압된 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 공급하는 회수 단계;를 더 포함할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축 단계; 상기 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축 단계로 이송되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 냉각 단계; 상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 1차 감압 단계; 및 상기 1차 감압 단계에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 2차 감압 단계;를 포함하고, 상기 1차 감압 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 상태가 액체 상태 또는 기액 혼합 상태가 되지 않도록 하기 위하여, 상기 1차 감압 단계에서의 증발가스의 감압 정도를 조절하는 압력 조절 단계;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 압력 조절 단계는, 상기 1차 감압 단계에서 2차 감압 단계로 이송하는 증발가스의 압력을 측정하는 압력 측정 단계; 및 상기 압력 측정 단계의 압력 측정값에 따라 상기 1차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 감압밸브의 개도율을 조절하는 단계;를 포함하며, 상기 2차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 감압밸브의 개도율은 고정값일 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 또 다른 일 측면에 의하면, 액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축기로 이송되는 증발가스와 열교환시켜, 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 제1 감압장치; 상기 제1 감압장치에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 제2 감압장치; 상기 제1 감압장치와 제2 감압장치 사이의 압력을 측정하는 압력 측정부; 및 상기 압력 측정부의 압력 측정값이 설정값 이상으로 유지되도록 상기 제1 감압장치에 의한 증발가스의 감압 정도를 제어하는 제어부;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 제1 감압장치는, 상기 증발가스를 등엔탈피 공정에 의해 팽창시키는 줄-톰슨 밸브이고, 상기 제어부는, 중간 목표압력에 상응하는 제1 감압장치의 개도율과, 상기 압력 측정부의 압력 측정값을 상기 중간 목표압력까지 높이거나 낮추기 위해 필요한 제1 감압장치의 개도율을 비교하여, 더 큰 값으로 상기 제1 감압장치의 개도율을 설정하는 하이 셀렉터;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 감압장치는, 상기 증발가스를 등엔탈피 공정에 의해 팽창시키는 줄-톰슨 밸브이고, 상기 제2 감압장치의 개도율은 변동이 없는 고정값일 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 증발가스 재액화 방법 및 시스템은, 열교환기에서 냉각된 고압의 증발가스를 2단계에 걸쳐 설정압력까지 감압시키되, 제1 감압장치에서 감압된 증발가스가 액체 또는 기액 혼합상태가 되지 않도록 하여, 원활하게 재액화 공정이 실시되도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 기존의 증발가스 재액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스는, 다양한 액화가스(Liquefied Gas)에 적용될 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 또는, 액화 이산화탄소, 액화 수소, 액화 암모니아 등의 액체 가스일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템 및 방법은, 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 육상에서 적용될 수도 있다.

또한, 후술하는 실시예에서 선박은 액화천연가스를 화물로서 운반하는 액화천연가스 운반선(LNG Carrier)의 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 액화천연가스를 저장하는 저장탱크를 갖춘 LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit), LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG RV(Regasification Vessel) 등 액화가스 저장탱크가 마련되고 액화가스를 연료로써 공급받는 엔진이 적용되고 증발가스를 처리하기 위한 수단으로서 증발가스를 재액화시키기 위한 재액화 장치가 구비되는 모든 선박에 적용할 수 있다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 엔진은, 고압 엔진, 중압 엔진 및 저압 엔진 중 어느 둘 이상을 포함할 수 있다. 고압 엔진은 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 150 bar 이상, 바람직하게는 약 300 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진인 것을 예로 들어 설명한다. 또한, 중압 엔진은 약 10 bar 내지 20 bar, 바람직하게는 약 16 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 X-DF 엔진일 수 있으며, 저압 엔진은 약 5 bar 내지 10 bar, 바람직하게는 약 6.5 bar의 가스 연료를 사용하는 엔진, 예를 들어 DF 엔진이나 DFDG 엔진, 또는 DFGE 엔진 등일 수 있다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 고압 엔진과 저압 엔진, 즉 ME-GI 엔진과 DFDE를 포함하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템은, 부분 재액화 시스템(PRS) 또는 부분 재액화 시스템을 개량하여 재액화량을 증대시키는 전체 재액화 시스템(FRS; Full Reliquefaction System)에 적용될 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 방법 및 선박용 증발가스 재액화 시스템을 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)로부터 증발가스 라인(BL)을 따라 이송되는 증발가스를 고압 엔진(MEGI)에서 요구하는 압력으로 압축시키는 다단압축기(300); 다단압축기(300)에 의해 압축된 고압 증발가스 중에서 엔진으로 공급하지 않은 나머지 증발가스를 재액화시켜 LNG 저장탱크(100)로 회수하는 재액화 장치;를 포함한다.

본 실시예의 재액화 장치는, 다단압축기(300)에 의해 압축된 고압 증발가스 중에서 엔진으로 공급하지 않은 나머지 증발가스를 냉각시키는 열교환기(200); 열교환기(200)에서 냉각된 증발가스를 중간 목표압력까지 감압시키는 제1 감압장치(610); 및 제1 감압장치(620)에 의해 감압된 중간 압력의 증발가스를 최종 감압 목표압력까지 더 감압시켜 액화시키는 제2 감압장치(620);을 포함한다.

또한, 본 실시예의 제1 감압장치(610)으로부터 감압되어 배출되는 증발가스의 압력을 측정하는 압력 측정부(630); 및 압력 측정부(630)의 압력 측정값에 따라 제1 감압장치(610)의 증발가스 감압 정도를 조절하여, 제1 감압장치(610)과 제2 감압장치(620) 사이의 압력을 일정하게 유지시키는 제어부(640);를 더 포함한다.

또한, 본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제2 감압장치(620)에 액화된 증발가스를 기액분리하는 기액분리기(700);를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 LNG 저장탱크(100)에는 LNG가 약 1.1 bar, -162℃로 저장되어 있을 수 있다. LNG 저장탱크(100)에서 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; BOil-Off Gas)는 LNG 저장탱크(100)로부터 배출되어 증발가스 라인(BL)을 따라 이송되며, 다단압축기(300)에서 압축된 후, 연료라인(FL1, FL2)을 따라 엔진(MEGI, DFDE)로 공급되어 엔진의 연료로 사용되거나, 재액화 라인(RL)을 따라 이송되면서 재액화되어 LNG 저장탱크(100)로 다시 회수된다.

증발가스 라인(BL)은, LNG 저장탱크(100)와 열교환기(200) 및 열교환기(200)와 다단압축기(300)를 연결하고, LNG 저장탱크(100)로부터 배출된 증발가스는 증발가스 라인(BL)을 따라 유동하면서, 열교환기(200)에서 고압 증발가스를 냉각시키면서 냉열이 회수된 후, 다단압축기(300)로 이송된다.

다단압축기(300)는 다수개의 실린더와 다수개의 인터쿨러(inter-cooler)를 포함하여 여러 단계에 걸쳐 증발가스를 고압 엔진(MEGI)에서 요구하는 압력으로 압축시킬 수 있다.

본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 다단압축기(300)가 5개의 실린더와 5개의 인터쿨러를 포함하여 최소 1단계부터 5단계에 걸쳐 증발가스를 압축시킬 수 있는 5단 압축기가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

다단압축기(300)의 다수개의 실린더 중 후단의 실린더는 적어도 하나 이상이 급유 윤활 방식의 실린더를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 후단의 3개의 실린더가 급유 윤활 방식의 실린더이고, 전단의 2개의 실린더는 무급유 윤활 방식의 실린더인 것을 예로 들어 설명한다. 따라서, 전단의 2개의 실린더만을 이용하여 2단계에 걸쳐 압축된 저압의 증발가스에는 오일이 섞여 있지 않지만, 전단의 2개의 실린더와 후단의 3개의 실린더를 모두 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압의 증발가스에는 오일이 섞여있을 수 있다.

본 실시예의 다단압축기(300)의 전단의 2개의 무급유 윤활 방식의 실린더를 이용하여 2단계에 걸쳐 압축된 저압 증발가스의 압력은, 저압 엔진, 즉 본 실시예에서 DFDE에서 요구하는 가스 연료의 압력, 즉 약 5 bar 내지 10 bar, 또는 약 6.5 bar일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 다단압축기(300)의 일부 실린더, 즉, 본 실시예에서 2개의 무급유 윤활 방식의 실린더를 이용하여 2단계에 걸쳐 압축된 저압 증발가스 중에서, 저압 엔진에서 요구하는 가스 연료량만큼의 저압 증발가스를, 증발가스 라인(BL)으로부터 제2 연료라인(FL2)으로 분기시켜, 저압 엔진의 가스 연료로 공급할 수 있다. 제2 연료라인(FL2)은 다단압축기(300)의 2번째 실린더의 하류에서 증발가스 라인(BL)으로부터 분기되어 저압 엔진으로 연결된다.

또한, 본 실시예의 다단압축기(300)의 전단의 2개의 무급유 윤활 방식의 실린더와 후단의 3개의 급유 윤활 방식의 실린더를 모두 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압 증발가스의 압력은 증발가스의 주성분인 메탄의 초임계 압력 이상일 수 있다. 그리고 다단압축기(300)에서 5단계에 걸쳐 압축된 증발가스의 압력은 고압 엔진, 즉 본 실시예에서 ME-GI 엔진에서 요구하는 가스 연료의 압력인 약 150 bar 이상, 또는 약 100 bar 내지 400 bar, 또는 약 300 bar일 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 다단압축기(300)의 5개의 실린더를 모두 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압 증발가스 중에서 고압 엔진에서 요구하는 가스 연료량만큼의 고압 증발가스는, 제1 연료라인(FL1)을 통하여 고압 엔진의 가스 연료로 공급된다. 제1 연료라인(FL1)은 다단압축기(300)와 고압 엔진(MEGI)을 연결한다.

다단압축기(300)의 5개의 실린더를 모두 이용하여 5단계에 걸쳐 압축된 고압 증발가스 중에서 고압 엔진(MEGI)에서 요구하는 가스 연료량을 제외한 나머지 고압 증발가스는 재액화 라인(RL)으로 분기시켜 재액화시킨 후 LNG 저장탱크(100)로 회수할 수 있다.

재액화 라인(RL)은 제1 연료라인(FL1)으로부터 분기될 수 있으며, 고압 증발가스가 열교환기(200), 제1 감압장치(610), 제2 감압장치(620) 및 기액분리기(700)를 거쳐 LNG 저장탱크(100)로 회수되도록 연결된다.

본 실시예에 따르면, 제1 연료라인(FL1)의 다단압축기(300) 하류 또는 재액화 라인(RL)의 열교환기(200) 상류에 하나 이상 설치되며, 다단압축기(300)에서 압축된, 오일이 섞여 있는 고압 증발가스로부터 오일을 제거하는 제1 오일필터(510);를 더 포함할 수 있다.

여기서, 다단압축기(300)로부터 재액화 라인(RL)을 따라 열교환기(200)로 이송되는 고압 증발가스는 제1 오일필터(510)에서 오일이 걸러진 후 열교환기(200)로 이송될 수 있다.

제1 오일필터(510)는 초임계 또는 기체 상태의 유체로부터 액체 및/또는 증기 상태의 유체를 걸러내기에 적합한 수단일 수 있다. 즉, 제1 오일필터(510)에서는 초임계 상태의 고압 증발가스로부터 액체 및/또는 증기 상태의 오일을 걸러낼 수 있다.

제1 오일필터(510)에서 오일이 제거된 고압 증발가스가 재액화 라인(RL)을 따라 열교환기(200)로 공급된다. 오일을 제거한 고압 증발가스를 열교환기(200)로 공급함으로써 오일에 의한 열교환기(200) 막힘 현상을 방지할 수 있다.

본 실시예의 열교환기(200)는 마이크로 채널형 유로를 갖는 열교환기일 수 있다. 예를 들어, 열교환기(200)는 극저온의 증발가스와 고압의 증발가스를 열교환 시키기에 적합한 열교환기인 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)일 수 있다.

이와 같이 마이크로 채널형 유로를 갖는 열교환기는 오일에 의한 막힘 현상이 더욱 빈번하게 일어나고, 오일에 의한 막힘 현상이 재액화 성능에 치명적인 영향을 준다. 따라서, 본 실시예와 같이 열교환기(200)의 상류에서 고압 증발가스로부터 오일을 제거한 후 오일이 제거된 증발가스를 열교환기(200)로 공급하는 것이 바람직하다.

열교환기(200)에서, 증발가스 라인(BL)을 따라 LNG 저장탱크(100)로부터 다단압축기(300)로 이송되는 증발가스와의 열교환에 의해, 냉각된 고압 증발가스는, 재액화 라인(RL)을 따라 제1 감압장치(610)으로 공급된다.

본 실시예의 제1 감압장치(610)은 등엔탈피 공정에 의해 고압 증발가스를 중간 압력까지 감압시키는 팽창밸브, 예를 들어 줄-톰슨 밸브일 수 있고, 또는 등엔트로피 공정에 의해 고압 증발가스를 감압시키는 팽창기일 수도 있다. 본 실시예에서 제1 감압장치(610)은 줄-톰슨 밸브인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

제1 감압장치(610)에서 고압 증발가스는 감압되면서 온도도 낮아진다.

제1 감압장치(610)에서 압력 및 온도가 낮아진 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 제2 감압장치(620)으로 이송되며, 제2 감압장치(620)에서 증발가스는 목표압력까지 압력이 낮아진다.

본 실시예의 제2 감압장치(620)은 등엔탈피 공정에 의해 고압 증발가스를 중간 압력까지 감압시키는 팽창밸브, 예를 들어, 줄-톰슨 밸브일 수 있고, 또는 등엔트로피 공정에 의해 고압 증발가스를 감압시키는 팽창기일 수도 있다. 본 실시예에서 제2 감압장치(620)은 줄-톰슨 밸브인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

본 실시예에서, 제1 감압장치(610)에서 감압되는 증발가스의 압력, 즉 중간목표압력은 약 70 barg일 수 있고, 제2 감압장치(620)에서 감압되는 증발가스의 압력, 즉 최종 목표압력은 약 3 barg일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면 제1 감압장치(610)은, 압력 측정부(630)를 이용하여 측정한, 제1 감압장치(610)으로부터 제2 감압장치(620)으로 이송되는 증발가스의 압력 측정값에 따라 개도율이 조절될 수 있다.

열교환기(200)에서 냉매로 사용되는, 증발가스 라인(BL)을 따라 이송되는 증발가스의 압력, 유량 및 온도 등의 조건 및/또는 다단압축기(300)에서 재액화 라인(RL)을 따라 열교환기(200)로 이송되는 증발가스의 유량 등의 조건에 따라, 열교환기(200)로부터 제1 감압장치(610)로 이송되는 증발가스의 온도 및 압력이 달라지게 된다.

즉, 제1 감압장치(610)의 개도율이 고정값이거나 또는 단순히 액화량에 따라서만 제2 감압장치(620)와 동시에 제어되면, 제1 감압장치(610) 하류의 압력이 중간 목표압력에 미치지 못하거나 또는 중간 목표압력을 과도하게 초과하는 경우가 발생할 수 있다.

특히, 제1 감압장치(610) 하류의 압력이 중간 목표압력보다 낮으면 증발가스가 액체 또는 기액 2상 혼합 상태가 되기 쉽다.

본 실시예에 따르면, 제2 감압장치(620)의 개도율, 즉 밸브 포지션은 고정으로 두되, 압력 측정부(630)의 압력 측정값에 따라 제1 감압장치(610)의 개도율을 제어하여 제1 감압장치(610)와 제2 감압장치(620) 사이의 압력이 중간 목표압력 이상을 유지하도록 하는 제어부(640);를 더 포함할 수 있다.

본 실시예의 제어부(640)는, 제1 감압장치(610)의 하이 셀렉터(HS; High Selector)를 포함하여, 제1 감압장치(610)의 설정 압력, 즉 중간 압력과 압력 측정부(630)의 압력 측정값을 비교하여, 그에 따른 개도율 중에 더 큰값을 선택하여 제어할 수 있다.

예를 들어, 본 실시예에 따르면, 제어부(640)는 압력 측정부(640)의 압력 측정값이 설정값(중간 목표압력), 즉, 본 실시예의 중간 압력인 약 70 barg보다 낮으면, 제1 감압장치(610)의 개도율을 높여, 제1 감압장치(610)의 전후단 압력강하를 줄이고, 따라서 제1 감압장치(610) 하류의 압력을 높여 제1 감압장치(610)과 제2 감압장치(620) 사이의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.

한편, 이와 같이 제1 감압장치(610)의 개도율을 조정하더라도 제2 감압장치(620)의 개도율은 고정되어 있으므로, 전체 액화량에는 영향을 미치지 않는다.

또한, 본 실시예에서는 제1 감압장치(610)의 개도율이 압력 측정부(630)의 압력 측정값에 의해 피드백 제어되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 열교환기(200)와 제1 감압장치(610) 사이의 온도를 측정하여 온도 측정값에 따라 제1 감압장치(610)의 개도율이 제어될 수도 있다.

또한, 본 실시예에 따른 선박용 증발가스 재액화 시스템은, 제1 감압장치(610)의 하류와 제2 감압장치(620)의 하류 중 어느 하나 이상의 위치에 하나 이상 설치되며, 감압장치(610, 620)에서 감압된 증발가스에 잔존하고 있는 오일을 제거하는 제2 오일필터(520);를 더 포함할 수 있다.

열교환기(200)의 상류에 제1 오일필터(510)를 설치하여도, 일부의 오일, 특히 증기상태의 오일은 잘 걸러지지 않고 증발가스에 잔존하여 증발가스와 함께 재액화 공정을 거친다. 성분에 따라 차이는 있지만 오일의 응축점은 증발가스(메탄)의 응축점보다 높기때문에, 재액화 공정을 거치면서 오일은 고체화된다.

따라서, 본 실시예와 같이, 감압장치(610, 620)의 하류에 제2 오일필터(520)를 추가로 설치하여, 재액화된 증발가스가 LNG 저장탱크(100)로 회수되기 전에 재액화 증발가스로부터 추가로 오일을 걸러냄으로써, 오일이 LNG 저장탱크(100)를 오염시키는 문제를 해소할 수 있다.

본 실시예의 제2 오일필터(520)는 액체상태의 유체로부터 고체를 걸러내기에 적합한 극저온용 필터일 수 있다.

또한, 제2 오일필터(520)는 제2 감압장치(520)의 기액분리기(700) 사이에 설치되어, 제2 오일필터(520)에서 오일이 걸러진 재액화 증발가스가 기액분리기(700)로 이송될 수 있다.

기액분리기(700)에서는, 재액화 증발가스로부터, 증발가스가 감압되면서 생성된 플래시 가스와 기액분리기(700) 내에서 자연기화된 증발가스 등 기체 상태의 미응축 증발가스와 액체 상태의 재액화 증발가스가 기액분리된다.

기액분리기(700)에서 분리된 기체 상태의 미응축 증발가스는 기체 회수라인(GL)을 따라 기액분리기(700)로부터 배출되어 열교환기(200) 상류의 증발가스 라인(BL)을 통해 LNG 저장탱크(100)로부터 열교환기(200)의 냉매로서 공급되는 증발가스 흐름에 합류될 수 있다.

종래에는 제1 감압장치(610)의 개도율 조정없이 제1 감압장치(610)와 제2 감아장치(620)의 밸브 포지션을 고정으로 두고, 액화량에 따라 제1 감압장치(610)과 제2 감압장치(620)을 동시에 운전하였던과는 달리, 본 발명에 따르면, 제1 감압장치(610)의 개도율을 조절하여 제1 감압장치(610) 하류의 압력을 일정압력 이상으로 유지시킴으로써, 제2 감압장치(620)으로 액체 또는 기액 2상 혼합의 증발가스가 공급되지 않도록 하며, 따라서 재액화 시스템을 원활하게 제어할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100 : LNG 저장탱크
200 : 열교환기
300 : 다단압축기
510 : 제1 오일필터
520 : 제2 오일필터
610 : 제1 감압장치
620 : 제2 감압장치
630 : 압력 측정부
640 : 제어부
700 : 기액분리기

Claims

액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축 단계;
상기 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축 단계로 이송되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 냉각 단계;
상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 1차 감압 단계; 및
상기 1차 감압 단계에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 2차 감압 단계;를 포함하고,
상기 1차 감압 단계는,
상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 압력을 일정하게 유지시키기 위하여, 상기 1차 감압 단계에서의 증발가스의 감압 정도를 조절하는 압력 조절 단계;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 감압 단계 및 2차 감압 단계는, 각각 감압밸브에 의해 증발가스의 감압이 실시되고, 상기 감압밸브에 의해 감압되면서 증발가스의 온도도 낮아지며,
상기 압력 조절 단계는,
상기 1차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 제1 감압밸브의 개도율을 제어함으로써 실시되고,
상기 2차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 제2 감압밸브의 개도율은 고정되어 있는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압력 조절 단계는,
상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 압력을 측정하는 압력 측정 단계; 및
상기 압력 측정 단계에서 측정된 압력 측정값에 따라 상기 1차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 제1 감압밸브의 개도율을 조절하는 개도율 조절 단계;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 개도율 조절 단계는,
상기 1차 감압 단계에서 목표로 하는 중간 목표압력에 상응하는 기본 개도율과, 상기 압력 측정 단계에서의 압력 측정값을 상기 중간 목표압력까지 높이거나 낮추기 위해 필요한 가변 개도율을 비교하여, 더 큰 값의 개도율로 상기 제1 감압밸브의 개도율을 설정하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 감압 단계에서 2차 감압 단계로 공급하는 증발가스는 기체 상태 또는 초임계 상태이고, 2차 감압 단계에서 감압된 증발가스는 액체 상태 또는 기액 혼합 상태인, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 2차 감압 단계에서 감압된 액체 상태의 재액화 증발가스를 상기 액화가스 저장탱크로 공급하는 회수 단계;를 더 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축 단계;
상기 압축 단계에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축 단계로 이송되는 증발가스와 열교환시켜 냉각시키는 냉각 단계;
상기 냉각 단계에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 1차 감압 단계; 및
상기 1차 감압 단계에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 2차 감압 단계;를 포함하고,
상기 1차 감압 단계는,
상기 1차 감압 단계에서 상기 2차 감압 단계로 이송되는 증발가스의 상태가 액체 상태 또는 기액 혼합 상태가 되지 않도록 하기 위하여, 상기 1차 감압 단계에서의 증발가스의 감압 정도를 조절하는 압력 조절 단계;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 압력 조절 단계는,
상기 1차 감압 단계에서 2차 감압 단계로 이송하는 증발가스의 압력을 측정하는 압력 측정 단계; 및
상기 압력 측정 단계의 압력 측정값에 따라 상기 1차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 감압밸브의 개도율을 조절하는 단계;를 포함하며,
상기 2차 감압 단계에서 증발가스를 감압시키는 감압밸브의 개도율은 고정값인, 선박용 증발가스 재액화 방법.
액화가스 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 고압 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 고압 증발가스를, 상기 액화가스 저장탱크로부터 배출되어 압축기로 이송되는 증발가스와 열교환시켜, 상기 고압 증발가스를 냉각시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 냉각된 증발가스를 1차 감압시키는 제1 감압장치;
상기 제1 감압장치에서 감압된 증발가스를 최종 목표압력까지 더 감압시키는 제2 감압장치;
상기 제1 감압장치와 제2 감압장치 사이의 압력을 측정하는 압력 측정부; 및
상기 압력 측정부의 압력 측정값이 설정값 이상으로 유지되도록 상기 제1 감압장치에 의한 증발가스의 감압 정도를 제어하는 제어부;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 감압장치는, 상기 증발가스를 등엔탈피 공정에 의해 팽창시키는 줄-톰슨 밸브이고,
상기 제어부는,
중간 목표압력에 상응하는 제1 감압장치의 개도율과, 상기 압력 측정부의 압력 측정값을 상기 중간 목표압력까지 높이거나 낮추기 위해 필요한 제1 감압장치의 개도율을 비교하여, 더 큰 값으로 상기 제1 감압장치의 개도율을 설정하는 하이 셀렉터;를 포함하는, 선박용 증발가스 재액화 시스템.
청구항 10에 있어서,
상기 제2 감압장치는, 상기 증발가스를 등엔탈피 공정에 의해 팽창시키는 줄-톰슨 밸브이고,
상기 제2 감압장치의 개도율은 변동이 없는 고정값인, 선박용 증발가스 재액화 시스템.