KR101107437B1 - 천연가스 액화공정 - Google Patents

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Abstract

세 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정은, 제1 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 제1 단일 냉매의 기화를 통해 공급된 천연가스를 제1 열교환 영역에서 예냉하는 단계, 제2 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 제2 단일 냉매의 기화를 통해 예냉된 천연가스를 제2 열교환 영역에서 액화하는 단계, 및 제3 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 과정에서 일 팽창된 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 액화된 천연가스를 제3 열교환 영역에서 과냉하는 단계를 포함한다.

Description

천연가스 액화공정 {NATURAL GAS LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 천연가스 액화공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 질소 팽창 사이클을 통해 액화된 천연가스를 과냉함으로써 액화공정 전체의 효율과 용량을 증대시킬 수 있는 천연가스 액화공정에 관한 것이다.
천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 열역학적 프로세스는 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 포함하는 다양한 과제들을 충족시키기 위해 1970년대부터 개발되어 왔다. 액화시스템은 천연가스를 일정 냉매와 간접적으로 열교환시켜 LNG 온도까지 냉각시키기 위해 열교환기 등으로 구성된다. 이러한 액화시스템에 있어 액화에 소요되는 소요동력을 감소시키기 위해서는 열교환기 내에서의 공급가스와 냉매 사이의 온도 차이에 기인하는 엔트로피 생성을 감소시키는 것이 중요하다. 액화시스템에 제공되는 천연가스는 주로 탄화수소(hydrocarbon)의 혼합물이다. 이에 따라 그 비열(specific heat)은 액화공정 중에 크게 변화된다. 이러한 비열의 큰 변화에 대응하여 액화공정의 효율을 높이기 위해 현재 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 그러나 서로 다른 냉매를 사용하거나 서로 다른 사이클을 사용하여 액화공정의 효율과 용량을 높이기 위해 다양한 시도들이 이루어지고 있는데 반해, 실용적으로 사용되고 있는 액화공정의 수는 매우 작다.
작동 중에 있으면서도 가장 널리 보급된 액화공정 중의 하나는 'Air Products and Chemicals Inc.'의 'Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant Process(또는 C3/MR Process)'이다. C3/MR 공정의 기본적인 구조는 도 9에서 도시하고 있는 것과 같다. 공급가스는 다단(multi-stage)의 프로판(C3) 줄-톰슨(Joule-Thomson, JT) 사이클에 의해 대략 238 K까지 예냉(pre-cooled)된다. 예냉된 공급가스는 대형 spiral wound 열교환기에서 혼합 냉매(mixed refrigerant, MR)와의 열교환을 통해 123 K까지 액화(liquefied)되고 과냉(sub-cooled)된다. 혼합 냉매의 적절한 조성은 넓은 온도 범위에서 하나의 열교환기만으로도 공급가스의 액화와 과냉이 가능하도록 한다.
그러나 C3/MR 공정의 경우 프로판 사이클에서 공급가스뿐만 아니라 혼합 냉매도 냉각하여야 하기 때문에 프로판 사이클에 가해지는 열역학적 부하가 커질 수 밖에 없다. 이에 따라 프로판 사이클에 적용되는 압축기에 대한 기술적인 한계로 인해 현재 C3/MR 공정은 5MTPA(million tons per annum) 정도의 용량(capacity)을 가지는데 그치고 있다. 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 'Air Products and Chemicals Inc.'에서는 C3/MR 공정을 기초로 하되, C3/MR 공정의 냉각 단(cold end)에 질소 브레이튼(Brayton) 사이클을 추가한 'AP-X' 공정을 선보인 바 있다. 이러한 AP-X 공정은 현재 8MTPA 정도의 용량을 가지는 것으로 알려져 있다.
작동 중에 있는 다른 성공적인 액화공정 중 하나는 'Conoco Phillips'에 의한 것으로서 캐스케이드 공정(Cascade process)에 기초하고 있다. 도 10에서 개념적으로 도시하고 있는 것과 같이, 'Conoco Phillips'의 액화공정은 단일 냉매(single-component refrigerant)인 메탄(C1), 에틸렌(C2), 및 프로판(C3)을 사용하는 3개의 JT 사이클로 구성된다. 이러한 액화공정은 혼합 냉매를 사용하지 않기 때문에 액화공정의 작동에 있어 안전하고 단순하며 신뢰할 수 있다는 장점이 있다.
전술한 바와 같이 더 높은 효율과 더 큰 용량에 대한 요구를 충족시키기 위해 다양한 액화공정들이 개시되고 있다. 이러한 액화공정들 중에는 기존의 C3/MR 공정이나 캐스케이드 공정을 기초로 하되 그 공정을 개선하여 액화공정의 효율 등을 향상하고자 하는 것들이 있다. 다만 대부분의 이런 시도들은 C3/MR 공정을 기초로 하고 있는 것들이다. 이에 따라 캐스케이드 공정을 기초로 하여 작동에 있어 안전하고 단순하며 신뢰할 수 있다는 장점을 살리면서 그 효율과 용량을 향상시킬 수 있는 액화공정의 개발이 현재 강하게 요구되고 있는 실정이다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 과제는 천연가스를 액화시키는 액화공정에 있어 그 작동이 단순하고 신뢰성이 높으면서도 액화공정의 효율과 용량을 증대시킬 수 있는 액화공정을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 세 개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정은, 제1 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 제1 단일 냉매의 기화를 통해 공급된 천연가스를 제1 열교환 영역에서 예냉하는 단계, 제2 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 제2 단일 냉매의 기화를 통해 예냉된 천연가스를 제2 열교환 영역에서 액화하는 단계, 및 제3 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 과정에서 일 팽창된 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 액화된 천연가스를 제3 열교환 영역에서 과냉하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 제3 폐 루프 냉동 사이클은, 상기 질소 냉매를 압축하는 단계, 압축된 질소 냉매를 예냉하는 단계, 예냉된 질소 냉매를 상기 제3 열교환 영역을 통과한 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 냉각하는 단계, 및 냉각된 질소 냉매를 일 팽창하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고 상기 과냉하는 단계는 액화된 천연가스를 2단(stage)의 제3 열교환 영역에서 일 팽창된 질소 냉매를 통해 순차적으로 과냉할 수 있다.
이때 상기 과냉하는 단계는 독립된 2개의 제3 폐 루프 냉동 사이클의 일 팽창된 질소 냉매가 각각 상기 2단의 제3 열교환 영역에서 액화된 천연가스와 간접적으로 열교환할 수 있다. 여기서 상기 2개의 제3 폐 루프 냉동 사이클은 각각, 상기 질소 냉매를 압축하는 단계, 압축된 질소 냉매를 예냉하는 단계, 예냉된 질소 냉매를 재압축하는 단계, 재압축된 질소 냉매를 재예냉하는 단계, 재예냉된 질소 냉매를 각 단의 제3 열교환 영역을 통과한 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 냉각하는 단계, 냉각된 질소 냉매를 일 팽창하는 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 과냉하는 단계는 1개의 제3 폐 루프 냉동 사이클을 통해 일 팽창된 질소 냉매가 상기 2단의 제3 열교환 영역에서 액화된 천연가스와 간접적으로 열교환할 수 있다. 여기서 상기 제3 폐 루프 냉동 사이클의 질소 냉매를 일 팽창하는 팽창수단을 통해 발생되는 일(work)은 상기 제2 폐 루프 냉동사이클의 제2 단일 냉매를 압축하는 압축수단을 구동할 수 있다.
그리고 상기 1개의 폐 루프 냉동 사이클은, (a) 상기 질소 냉매를 압축하는 단계, (b) 압축된 질소 냉매를 예냉하는 단계, (c) 예냉된 질소 냉매를 제1 냉각 영역으로 유입하는 단계, (d) 상기 단계 (c)를 통해 상기 제1 냉각 영역을 통과한 질소 냉매를 제1 부분 냉매와 제2 부분 냉매로 분배하는 단계, (e) 분배된 제1 부분 냉매를 제2 냉각 영역으로 유입하는 단계, (f) 상기 단계 (e)를 통해 상기 제2 냉각 영역을 통과한 제1 부분 냉매를 일 팽창하는 단계, (g) 일 팽창된 제1 부분 냉매를 두 번째 단의 제3 열교환 영역으로 유입하는 단계, (h) 상기 두 번째 단의 제3 열교환 영역을 통과한 제1 부분 냉매를 제2 냉각 영역으로 유입하는 단계, (i) 상기 단계 (d)를 통해 분배된 제2 부분 냉매를 일 팽창하는 단계, (j) 일 팽창된 제2 부분 냉매를 첫 번째 단의 제3 열교환 영역으로 유입하는 단계, 및 (k) 상기 첫 번째 단의 제3 열교환 영역을 통과한 제2 부분 냉매를 상기 단계 (h)를 통해 상기 제2 냉각 영역을 통과한 제1 부분 냉매와 함께 상기 제1 냉각 영역으로 유입하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 단계 (k)를 통해 상기 제1 냉각 영역을 통과한 제1 부분 냉매 및 제2 부분 냉매를 상기 단계(a)를 통해 압축하여 상기 단계들을 반복할 수 있다.
한편 상기 제3 폐 루프 냉동 사이클은 역 브레이튼(Reverse Brayton) 사이클에 기초할 수 있다. 그리고 상기 제3 폐 루프 냉동 사이클은 상기 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클과 독립되어 있을 수 있다. 또한 상기 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클은 줄-톰슨(Joule-Thomson) 사이클에 기초할 수 있다. 그리고 상기 제2 폐 루프 냉동 사이클의 제2 단일 냉매는 상기 제1 폐 루프 냉동 사이클의 제1 단일 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 응축될 수 있다.
전술한 예냉하는 단계는 공급된 천연가스를 2단의 제1 열교환 영역에서 상기 제1 단일 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 순차적으로 예냉할 수 있으며, 상기 액화하는 단계는 예냉된 천연가스를 3단의 제2 열교환 영역에서 상기 제2 단일 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 순차적으로 액화할 수 있다. 그리고 상기 제1 폐 루프 냉동 사이클의 제1 단일 냉매는 프로판 냉매일 수 있으며, 상기 제2 폐 루프 냉동 사이클의 제2 단일 냉매는 에틸렌 냉매일 수 있다.
본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 캐스케이드 공정의 기본 틀을 유지하되 과냉 단계에서의 폐 루프 냉동 사이클을 질소 팽창 사이클로 구성하고 있기 때문에 각 사이클에 채용되는 냉매가 모두 단일 냉매이며, 이의 결과로 액화공정에 있어 그 작동이 단순하고 신뢰성이 높다는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 제3 폐 루프 냉동 사이클이 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클과 독립되어 있기 때문에 제1 폐 루프 냉동 사이클에 가해지는 열역학적 부하가 감소될 수 있으며, 이의 결과로 동일한 용량의 압축기만으로도 종래의 액화공정에 비해 전체 용량을 증대시킬 수 있다는 효과가 있다.
더욱이 본 발명에 따른 천연가스 액화공정은 과냉 단계에 브레이튼 사이클에 기초한 질소 팽창 사이클을 채용하고 있기 때문에 열역학적으로 액화공정의 성능 향상을 기대할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 2는 도 1의 액화공정의 흐름을 설명하고 있는 순서도
도 3는 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 상세하게 도시하고 있는 흐름도
도 4은 천연가스의 열역학적 특성을 도시하고 있는 온도-엔트로피 선도
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 프로판 사이클에서의 온도-엔트로피 선도
도 6는 본 발명의 실시예 1에 따른 에틸렌 사이클에서의 온도-엔트로피 선도
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 질소 사이클에서의 온도-엔트로피 선도
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 액화공정을 상세하게 도시하고 있는 흐름도
도 9는 종래의 C3/MR 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
도 10은 종래의 캐스케이드 공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 개념적으로 도시하고 있는 흐름도이고, 도 2는 도 1의 액화공정의 흐름을 설명하고 있는 순서도이며, 도 3는 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 상세하게 도시하고 있는 흐름도이다. 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 액화공정은 기본적으로 세 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 액화 온도까지 단계적으로 냉각시켜 액화천연가스(LNG)를 생산하는 공정에 적용될 수 있다. 특히 상이한 조성의 단일 냉매(single-component refrigerant)를 각각 채용하는 3개의 폐 루프 냉동 사이클을 이용하여 천연가스를 순차적으로 냉각시키는 캐스케이드 공정(Cascade process)에 적용될 수 있다.
이러한 캐스케이드 공정에 기초한 천연가스 액화공정은 우선 가장 높은 끓는점을 가지는 제1 단일 냉매를 채용한 제1 폐 루프 냉동 사이클을 통해 천연가스를 예냉(pre-cooling)시키고, 중간 끓는점을 가지는 제2 단일 냉매를 채용한 제2 폐 루프 냉동 사이클을 통해 예냉된 천연가스를 액화(liquefying)시키며, 가장 낮은 끓는점을 가지는 제3 단일 냉매를 채용한 제3 폐 루프 냉동 사이클을 통해 액화된 천연가스를 과냉(sub-cooling)시킨다. 이러한 순차적 냉각을 위해 통상 제1 단일 냉매로는 프로판(C3) 냉매를, 제2 단일 냉매로는 에탄 또는 에틸렌 냉매(C2)를 사용한다. 다만 종래의 캐스케이드 공정에서는 제3 단일 냉매로서 메탄(C1)을 사용하나, 본 실시예에 따른 액화공정에서는 제3 단일 냉매로서 질소(N2)를 사용한다. 이러한 질소 사이클의 유용성에 대해서는 후술하도록 한다.
그리고 본 실시예에 따른 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클은 종래의 캐스케이드 공정과 동일하게 줄-톰슨(Joule-Thomson) 사이클에 기초하고 있다. 줄-톰슨 사이클에서는 사이클의 순환 중에 냉매가 액상과 기상 사이에서 상변화를 일으킨다. 이러한 사이클을 위해 상기 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클은 일반적인 냉동 사이클과 유사하게 기본적으로 증발기(열교환기), 압축기, 응축기(냉각기) 및 팽창밸브를 포함한다. 이에 반해서 질소 냉매를 채용한 제3 폐 루프 냉동 사이클은 역 브레이튼(Reverse Brayton) 사이클에 기초하고 있다. 브레이튼 사이클에서는 질소 냉매가 기상을 유지한 채로 사이클의 순환이 이루어진다.
결국, 종래의 캐스케이드 공정은 도 10에서 도시하고 있는 것과 같이 프로판, 에틸렌, 메탄 냉매를 각각 채용한 3개의 줄-톰슨 사이클에 기초하여 천연가스를 예냉, 액화, 과냉하는데 반해, 본 실시예에 따른 액화공정은 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 프로판, 에틸렌 냉매를 각각 채용한 2개의 줄-톰슨 사이클에 기초하여 천연가스를 예냉하고 액화하나, 질소 냉매를 채용한 브레이튼 사이클에 기초하여 액화된 천연가스를 과냉한다는 점에서 종래의 캐스케이드 공정과 차이가 있으며, 이러한 차이가 본 실시예에 따른 액화공정의 주된 특징이라 할 수 있다.
이하에서는 위와 같이 세 개의 냉동 사이클을 채용한 천연가스 액화공정에 적용되는 본 발명의 실시예 1에 따른 액화공정을 제3 폐 루프 냉동 사이클을 중심으로 설명하도록 한다. 그리고 이하에서는 프로판 냉매를 채용한 제1 냉동 사이클을 프로판 사이클, 에틸렌 냉매를 채용한 제2 냉동 사이클을 에틸렌 사이클, 그리고 질소 냉매를 채용한 제3 냉동 사이클을 질소 사이클로 칭하도록 한다. 참고로 각 도면에서 'C2'는 에틸렌 사이클과 관계되는 구성들을, 'C3'는 프로판 사이클과 관계되는 구성들을, 'N2'는 질소 사이클과 관계되는 구성들을 나타낸다.
우선 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 액화공정의 기본 개념을 설명하도록 한다. 공급가스(feed gas, ⓐ)는 프로판 사이클을 통해 예냉된다(S101). 이러한 예냉을 위해 프로판 사이클에서는 프로판 냉매가 제1 열교환 영역(300, 도 3의 3010, 3020 참조)에서 천연가스 등과의 간접적인 열교환을 통해 증발(기화)된다. 증발된 기상의 프로판 냉매는 압축기(330, 도 3의 331, 332 참조)로 유입되어 압축된다. 이때 프로판 냉매의 압축은 직렬로 연결된 복수 개의 압축기를 통해 이루어질 수 있다. 이와 같이 다단(multi-stage) 압축기를 이용하여 냉매를 압축하는 것이 압축기의 소요동력을 감소시킨다는 측면에서 바람직하기 때문이다.
이와 같이 압축된 프로판 냉매는 냉각기(350)에 의해 냉각되어 응축된다. 이러한 냉각기(350)는 해수 등을 이용하는 수랭식 또는 공랭식 냉각기 중 어느 하나일 수 있다. 냉각기(350)에서 냉각된 프로판 냉매는 팽창밸브(370, 도 3의 371 내지 373 참조)로 유입되어 팽창된다. 팽창된 프로판 냉매는 제1 열교환 영역(300, 도 3의 3010, 3020 참조)에서 천연가스 및 에틸렌 사이클의 에틸렌 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 천연가스를 예냉시키고 에틸렌 냉매를 응축시킨다. 참고로 전술한 제1 열교환 영역(300)은 결국 프로판 냉매가 증발되는 증발기일 수 있다. 그리고 이러한 증발기는 통상 열교환기일 수 있다.
이러한 프로판 사이클의 프로판 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 예냉된 천연가스(ⓒ)는 에틸렌 사이클의 에틸렌 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 액화된다(S102). 이를 위해 에틸렌 사이클에서는 프로판 사이클과 유사하게 에틸렌 냉매가 제2 열교환 영역(200, 도 3의 2010, 2020, 2030 참조)에서 천연가스와의 간접적인 열교환을 통해 증발된다. 증발된 기상의 에틸렌 냉매는 압축기(230, 도 3의 231 내지 233 참조)로 유입되어 압축된다. 이때 에틸렌 냉매의 압축도 프로판 냉매의 압축과 동일하게 직렬로 연결된 복수 개의 압축기를 통해 이루어질 수 있다.
이와 같이 압축된 에틸렌 냉매는 프로판 사이클의 제1 열교환 영역(300)으로 유입되어 프로판 냉매와의 열교환을 통해 응축된다. 응축된 에틸렌 냉매는 팽창밸브(270)로 유입되어 팽창된 후, 제2 열교환 영역(200)에서 천연가스와의 간접적인 열교환을 통해 천연가스를 액화시킨다. 참고로 도 1에서는 압축된 에틸렌 냉매가 프로판 사이클의 제1 열교환 영역(300)에서 응축되는 것으로 도시하고 있으나, 에틸렌 냉매의 응축 방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 후술할 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 별도의 냉각 영역(510)에서 프로판 냉매와의 열교환을 통해 에틸렌 냉매가 응축될 수도 있다. 다만, 제2 폐 루프 냉동 사이클의 에틸렌 냉매가 제1 폐 루프 냉동 사이클의 프로판 냉매와 간접적으로 열교환하여 응축된다는 점에 있어서는 차이가 없다.
마지막으로 액화된 천연가스(ⓕ)는 질소 사이클의 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 과냉된다(S103). 이러한 질소 사이클에 대해서 상술하면, 기상의 질소 냉매는 압축기(130)에 의해 압축된 후, 냉각기(150)에 의해 예냉된다. 예냉된 질소 냉매는 냉각 영역(170)을 통과하면서 냉각된 다음, 팽창수단(190)으로 유입되어 일 팽창(work expanded)된다. 이러한 팽창 과정에서 일정 일(work)이 발생하며, 이러한 일은 동일 사이클 또는 다른 사이클 내의 압축기를 구동할 수 있다. 또한 이러한 팽창 과정에서 질소 냉매는 추가로 냉각될 수 있다. 참고로 질소 사이클의 팽창수단은 팽창터빈이거나 또는 터보 팽창기일 수 있다.
이와 같이 팽창된 질소 냉매는 제3 열교환 영역(100)에서 액화된 천연가스와 간접적으로 열교환하여 액화된 천연가스를 과냉시킬 수 있다. 그 후 질소 냉매는 다시 전술한 냉각 영역(170)으로 유입된다. 이렇게 냉각 영역(170)으로 유입되는 질소 냉매는 여전히 낮은 온도를 유지하고 있기 때문에, 냉각기(150)에 의해 예냉된 후 냉각 영역(170)으로 유입되는 질소 냉매를 간접적인 열교환을 통해 냉각시킬 수 있다. 그 후 질소 냉매는 전술한 압축기(130)로 유입되며, 다시 위와 같은 과정이 반복된다. 결국, 질소 사이클은 역 브레이튼 사이클에 기초하여 액화된 천연가스를 과냉시킨다.
이러한 본 실시예에 따른 액화공정의 기본 개념을 기초로 도 3를 참조하여 본 실시예에 따른 액화공정을 보다 상세하게 설명한다. 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 질소 사이클은 2단(stage)의 제 3 열교환 영역(1010, 1020)을 가진다. 그리고 본 실시예에 따른 에틸렌 사이클은 응축에 요구되는 냉각 부하(cooling load)를 효과적으로 분산하기 위해 3단의 제2 열교환 영역(2010, 2020, 2030)을 가진다. 또한 본 실시예에 따른 프로판 사이클은 2단의 제1 열교환 영역(3010, 3020)을 가지며, 효율적으로 열을 주변으로 방출하기 위해 3단의 압축기(331, 332, 333)를 가진다. 결과적으로 본 실시예에 따른 액화공정은 7개의 냉각 단(cooling stage)을 가진다.
본 실시예에 따른 3개의 사이클 중 질소 사이클에 대해서 상술한다. 참고로 본 실시예에 따른 프로판 사이클, 에틸렌 사이클은 통상의 캐스케이드 공정에 따른 프로판 사이클, 에틸렌 사이클과 유사하다. 즉, 본 실시예에 따른 프로판 사이클과 에틸렌 사이클은 전술한 바와 같이 기본적으로 줄-톰슨 사이클에 따라 냉매가 압축-응축-팽창-증발의 단계를 연속적으로 거치도록 구성되며, 증발 단계에서 천연가스와의 간접적인 열교환을 통해 천연가스를 냉각시킨다. 그리고 프로판 사이클과 에틸렌 사이클에 대한 이외의 내용은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 도 3를 통해 파악할 수 있는 것이므로, 본 명세서에서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 질소 사이클은 전술한 바와 같이 2단의 제 3 열교환 영역(1010, 1020)을 가진다. 에틸렌 사이클을 통해 액화된 천연가스는 첫 번째 단의 제3 열교환 영역(1010)과 두 번째 단의 제3 열교환 영역(1020)을 순차적으로 통과하면서 팽창된 질소 냉매에 의해 과냉될 수 있다. 여기서 2단의 제3 열교환 영역(1010, 1020)에는 독립된 2개의 폐 루프 냉동 사이클(N2-1, N2-2)을 통해 팽창된 질소 냉매가 각각 유입된다. 각각의 폐 루프 냉동 사이클은 전술한 본 실시예에 따른 질소 사이클의 기본 개념과 동일하다. 참고로 본 명세서에서 하나의 냉동 사이클이 다른 냉동 사이클과 독립되어 있다는 것은 두 냉동 사이클의 냉매 사이에 열교환이 이루어지지 않는다는 것을 의미한다. 예를 들어 본 실시예에 있어 독립된 2개의 폐 루프 냉동 사이클에 적용되는 질소 냉매 사이에는 상호 열교환이 이루어지지 않으며, 각자 자기의 냉동 사이클 내에서 하나의 사이클을 완성한다.
본 실시예에 따른 2개의 질소 사이클에 대해 상술하면, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 각각의 냉동 사이클에서 기상의 질소 냉매(115, 125)는 압축기(131, 133)에 의해 압축된 다음 냉각기(151, 153)에 의해 예냉된다. 그 후 예냉된 질소 냉매(111, 121)는 냉각 영역(171, 173)으로 유입되어 해당 단의 제3 열교환 영역(1010, 1020)을 통과한 질소 냉매(114, 124)와 간접적으로 열교환한다. 이러한 열교환 과정을 통해 냉각된 질소 냉매(112, 122)는 팽창수단(191, 193)을 통해 일 팽창된 다음, 해당 단의 제3 열교환 영역(1010, 1020)으로 유입되어 액화된 천연가스를 과냉시킨다. 그 후 질소 냉매(114, 124)는 다시 냉각 영역(171, 173)으로 유입되며, 냉각 영역(171, 173)을 통과한 질소 냉매(115, 125)는 다시 압축기(131, 133)로 유입되어 압축된다. 이러한 냉동 사이클에 있어 질소 냉매를 압축하고 예냉하는 단계는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 반복적으로 2회가 진행될 수 있다. 즉, 질소 냉매가 압축기(131, 133)에 의해 압축되고 냉각기(151, 153)에 의해 예냉된 다음, 반복적으로 별도의 압축기(132, 134)에 의해 재압축되고 별도의 냉각기(152, 154)에 의해 재예냉될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 실시예에 따른 액화공정의 성능을 평가하기 위해, 도 3의 ⓐ 내지 ⓗ 지점에서의 공급가스의 온도를, 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 ⓐ 지점에서 300 K, ⓑ 지점에서 266 K, ⓒ 지점에서 245 K, ⓓ 지점에서 226 K, ⓔ 지점에서 204 K, ⓕ 지점에서 184 K, ⓖ 지점에서 147 K, ⓗ 지점에서 123 K로 설정하고, 각 사이클에서의 온도-엔트로피 선도를 각각 나타내면 도 5 내지 도 7과 같다. 도 4은 천연가스의 열역학적 특성을 도시하고 있는 온도-엔트로피 선도이며, 도 5는 본 실시예에 따른 프로판 사이클에서의 온도-엔트로피 선도이다. 또한 도 6는 본 실시예에 따른 에틸렌 사이클에서의 온도-엔트로피 선도이며, 도 7은 본 실시예에 따른 질소 사이클에서의 온도-엔트로피 선도이다. 참고로 도 5 내지 도 7의 선도에서 숫자로 표시한 지점은 도 3의 각 사이클에서 숫자로 표시한 지점과 대응된다.
이러한 본 실시예에 따른 액화공정에 있어 단위 LNG당 소요동력은 1,494 KJ/Kg로 추산되었으며, FOM(Figure of merit)은 대략 30.9 %로 추산되었다. 참고로 FOM은 실제 일(actual work) 대 최소 일(minimum work)의 비이다. C3/MR 공정에 있어 보고된 최고의 액화 성능(liquefaction performance)은 1,050 ~ 1,100 KJ/Kg이고, 캐스케이드 공정에 있어 보고된 최고의 액화 성능은 1,200 ~ 1,300 KJ/Kg이다. 본 실시예에 따른 액화공정의 개선 가능성을 고려할 때 본 실시예에 따른 액화 성능은 캐스케이드 공정과 비슷한 정도로 평가될 수 있다.
본 실시예에 따른 액화공정은 기본적으로 캐스케이드 공정의 기본 틀을 유지하되 과냉 단계에서의 폐 루프 냉동 사이클을 질소 사이클로 구성하고 있기 때문에 각 사이클에 채용되는 냉매는 모두 단일 냉매이다. 이에 따라 액화공정에 있어 그 작동이 단순하고 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 또한 종래의 C3/MR 공정의 경우에는 프로판 사이클에서 천연가스가 냉각될 뿐만 아니라, 천연가스를 액화하고 과냉하는 혼합 냉매도 냉각되어야 한다. 그리고 종래의 캐스케이드 공정에서도 프로판 사이클에서 천연가스가 냉각될 뿐만 아니라, 에틸렌 사이클의 냉매와 메탄 사이클의 냉매도 함께 냉각되어야 한다.
이에 따라 종래의 액화공정에서는 프로판 사이클에 가해지는 열역학적 부하가 커질 수밖에 없으며, 이는 프로판 사이클에 채용되는 압축기의 대형화를 가져온다. 이의 결과로 종래의 액화공정의 경우 압축기 성능에 따라 전체 액화공정의 용량(capacity)이 제한된다는 문제가 초래된다. 그러나 본 실시예에 따른 액화공정에서는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 질소 사이클이 프로판 사이클 및 에틸렌 사이클과 독립되어 있기 때문에, 프로판 사이클에서 천연가스가 냉각되는 것 이외에 천연가스를 액화하는 에틸렌 사이클의 냉매만 냉각되면 된다. 이의 결과로 프로판 사이클에 가해지는 열역학적 부하가 감소될 수 있으며, 이에 따라 본 실시예에 따른 액화공정은 동일한 용량의 압축기만으로도 종래의 액화공정에 비해 전체 용량을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 이러한 점은 결국 전체 액화 공정의 용량 증대를 의미하기도 한다.
뿐만 아니라 열역학적으로 공급가스의 온도와 냉매 사이의 온도 차가 절대온도에 비례하면 비례할수록, 다른 말로 표현하면 공급가스의 온도와 냉매 사이의 온도 차가 작으면 작을수록 천연가스를 액화시키는 액화공정의 성능이 증대된다. 그러나 도 5 및 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 줄-톰슨 사이클에서는 사이클의 순환 중에 냉매가 액상과 기상 사이에서 상변화를 일으키기 때문에(이러한 점은 C3/MR 공정이나 캐스케이드 공정에서도 동일하게 나타난다), 냉매의 온도 변화가 계단 형태로 나타날 수밖에 없으며, 이는 공급가스의 온도와 냉매 사이의 온도 차가 급격히 커졌다 작아지는 결과를 가져오므로, 열역학적인 성능 측면에서 바람직하지 않다. 그러나 본 실시예에 따른 액화공정에서는 과냉 단계에 브레이튼 사이클에 기초한 질소 사이클을 채용하기 때문에 위와 같은 문제가 발생하지 않으며(도 7 참조), 이에 따라 액화공정의 성능 향상을 기대할 수 있다.
실시예 2
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 액화공정을 상세하게 도시하고 있는 흐름도이다. 실시예 1에 따른 질소 사이클과 본 실시예에 따른 질소 사이클 사이의 주된 차이는 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 질소 사이클의 경우 압축기와 냉각 영역을 공유할 수 있도록 2개의 독립된 질소 사이클을 하나의 질소 사이클로 통합한 점이다. 보다 상술하면, 본 실시예에 따른 질소 사이클은 질소 냉매가 다음의 단계를 거쳐 하나의 사이클을 완성한다. 우선, 질소 냉매는 압축기(1131)에 의해 압축된 후 냉각기(1151)에 의해 예냉된다. 이러한 압축과 예냉은 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이 반복적으로 2회가 진행될 수 있다. 즉, 질소 냉매가 압축기(1131)에 의해 압축되고 냉각기(1151)에 의해 예냉된 다음, 반복적으로 별도의 압축기(1132)에 의해 재압축되고 별도의 냉각기(1152)에 의해 재예냉될 수 있다.
이와 같이 예냉된 질소 냉매는 제1 냉각 영역(1171)으로 유입되어 환류하는 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 냉각된다 그 후 냉각된 질소 냉매는 제1 부분 냉매와 제2 부분 냉매로 분배된다. 분배된 제1 부분 냉매는 다시 제2 냉각 영역(1173)으로 유입되어 환류하는 제1 부분 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 냉각된다. 이렇게 냉각된 제1 부분 냉매는 제1 팽창수단(1191)을 통해 팽창된 후 두 번째 단의 제3 열교환 영역(1020)으로 유입되어 천연가스와의 간접적인 열교환을 통해 천연가스를 과냉한다. 그 후 질소 냉매는 다시 순차적으로 제2 냉각 영역(1173)과 제1 냉각 영역(1171)을 거쳐 압축기(1131)로 유입된다.
그리고 분배된 제2 부분 냉매는 제2 팽창수단(1193)을 통해 팽창된 후 첫 번째 단의 제3 열교환 영역(1010)으로 유입되어 천연가스와의 간접적인 열교환을 통해 천연가스를 과냉한다. 그 후 제2 부분 냉매는 제2 냉각 영역(1173)을 통과한 제1 부분 냉매와 혼합되어 제1 부분 냉매와 함께 제1 냉각 영역(1171)을 거쳐 압축기(1131)로 유입된다. 이러한 과정 중에 제1 및 제2 팽창수단(1191, 1193)에서 발생하는 일정 일(work)은 에틸렌 사이클의 압축기(231, 232)를 구동하는데 사용될 수 있다. 이와 같이 액화공정을 구성하면 질소 사이클의 팽창수단과 에틸렌 사이클의 압축기를 일체화할 수 있어 전체 공정에 요구되는 구성의 수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 제3 열교환 영역 200: 제2 열교환 영역
300: 제1 열교환 영역
131, 132, 133, 134, 231, 232, 233, 331, 332, 333: 압축기
151, 152, 153, 154, 350: 냉각기
171, 173: 냉각 영역
271, 272, 273, 371, 372, 373: 팽창밸브
191, 193: 팽창수단

Claims (14)

  1. 세 개의 폐 루프 냉동 사이클(closed loop refrigeration cycle)을 이용하여 천연가스를 액화시키는 천연가스 액화공정에 있어서,
    제1 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 제1 단일 냉매의 기화를 통해 공급된 천연가스를 제1 열교환 영역에서 예냉(pre-cooling)하는 단계;
    제2 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 제2 단일 냉매의 기화를 통해 예냉된 천연가스를 제2 열교환 영역에서 액화(liquefying)하는 단계; 및
    제3 폐 루프 냉동 사이클을 순환하는 과정에서 일 팽창된(work expanded) 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 액화된 천연가스를 제3 열교환 영역에서 과냉(sub-cooling)하는 단계를 포함하며,
    상기 제3 폐 루프 냉동 사이클은 역 브레이튼(Reverse Brayton) 사이클에 기초하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 폐 루프 냉동 사이클은, 상기 질소 냉매를 압축하는 단계, 압축된 질소 냉매를 예냉하는 단계, 예냉된 질소 냉매를 상기 제3 열교환 영역을 통과한 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 냉각하는 단계, 및 냉각된 질소 냉매를 일 팽창하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 과냉하는 단계는 액화된 천연가스를 2단(stage)의 제3 열교환 영역에서 일 팽창된 질소 냉매를 통해 순차적으로 과냉하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 과냉하는 단계는 독립된 2개의 제3 폐 루프 냉동 사이클의 일 팽창된 질소 냉매가 각각 상기 2단의 제3 열교환 영역에서 액화된 천연가스와 간접적으로 열교환하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 2개의 제3 폐 루프 냉동 사이클은 각각, 상기 질소 냉매를 압축하는 단계, 압축된 질소 냉매를 예냉하는 단계, 예냉된 질소 냉매를 재압축하는 단계, 재압축된 질소 냉매를 재예냉하는 단계, 재예냉된 질소 냉매를 각 단의 제3 열교환 영역을 통과한 질소 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 냉각하는 단계, 냉각된 질소 냉매를 일 팽창하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 과냉하는 단계는 1개의 제3 폐 루프 냉동 사이클을 통해 일 팽창된 질소 냉매가 상기 2단의 제3 열교환 영역에서 액화된 천연가스와 간접적으로 열교환하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제3 폐 루프 냉동 사이클의 질소 냉매를 일 팽창하는 팽창수단을 통해 발생되는 일(work)은 상기 제2 폐 루프 냉동사이클의 제2 단일 냉매를 압축하는 압축수단을 구동하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 1개의 폐 루프 냉동 사이클은, (a) 상기 질소 냉매를 압축하는 단계, (b) 압축된 질소 냉매를 예냉하는 단계, (c) 예냉된 질소 냉매를 제1 냉각 영역으로 유입하는 단계, (d) 상기 단계 (c)를 통해 상기 제1 냉각 영역을 통과한 질소 냉매를 제1 부분 냉매와 제2 부분 냉매로 분배하는 단계, (e) 분배된 제1 부분 냉매를 제2 냉각 영역으로 유입하는 단계, (f) 상기 단계 (e)를 통해 상기 제2 냉각 영역을 통과한 제1 부분 냉매를 일 팽창하는 단계, (g) 일 팽창된 제1 부분 냉매를 두 번째 단의 제3 열교환 영역으로 유입하는 단계, (h) 상기 두 번째 단의 제3 열교환 영역을 통과한 제1 부분 냉매를 제2 냉각 영역으로 유입하는 단계, (i) 상기 단계 (d)를 통해 분배된 제2 부분 냉매를 일 팽창하는 단계, (j) 일 팽창된 제2 부분 냉매를 첫 번째 단의 제3 열교환 영역으로 유입하는 단계, 및 (k) 상기 첫 번째 단의 제3 열교환 영역을 통과한 제2 부분 냉매를 상기 단계 (h)를 통해 상기 제2 냉각 영역을 통과한 제1 부분 냉매와 함께 상기 제1 냉각 영역으로 유입하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (k)를 통해 상기 제1 냉각 영역을 통과한 제1 부분 냉매 및 제2 부분 냉매를 상기 단계 (a)를 통해 압축하여 상기 단계들을 반복하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 폐 루프 냉동 사이클은 상기 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클과 독립되어 있는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 폐 루프 냉동 사이클은 줄-톰슨(Joule-Thomson) 사이클에 기초하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 폐 루프 냉동 사이클의 제2 단일 냉매는 상기 제1 폐 루프 냉동 사이클의 제1 단일 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 응축되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 예냉하는 단계는 공급된 천연가스를 2단의 제1 열교환 영역에서 상기 제1 단일 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 순차적으로 예냉하고, 상기 액화하는 단계는 예냉된 천연가스를 3단의 제2 열교환 영역에서 상기 제2 단일 냉매와의 간접적인 열교환을 통해 순차적으로 액화하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 폐 루프 냉동 사이클의 제1 단일 냉매는 프로판 냉매이고, 상기 제2 폐 루프 냉동 사이클의 제2 단일 냉매는 에틸렌 냉매인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화공정.
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