KR101361001B1 - 천연가스 액화 시스템의 정지 방법 - Google Patents

천연가스 액화 시스템의 정지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스 액화 시스템과 이의 기동 및 정지 방법에 관한 것으로서, 천연가스 액화 시스템, 특히 파일럿 플랜트에서 냉매의 보관 및 재사용을 가능하도록 하고, 이로 인해 종래의 상용 플랜트에서와는 달리 플랜트의 시동과 정지를 수시로 용이하게 할 수 있게 하며, 이로 인해 파일럿 플랜트의 사용에서 시간적 공간적 효율 등의 실험 환경을 개선할 수 있다.
본 발명은 천연가스 액화 시스템의 냉매의 저장을 위한 정지 방법으로서, 냉매의 순환경로에 설치되어 냉매를 축적하기 위한 리시버탱크 후단의 밸브를 클로즈시키는 단계; 순환경로에 설치된 팽창밸브를 오픈시키는 단계; 천연가스를 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키기 위한 열교환기로부터 냉매를 흡입하는 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮은지를 판단하는 단계; 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮으면 냉매의 압축을 위한 압축기를 정지시키는 단계; 및 리시버탱크 전단의 밸브를 클로즈시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 시스템의 정지 방법이 제공된다.

Description

천연가스 액화 시스템의 정지 방법{SHUTDOWN METHOD OF NATURAL GAS LIQUEFACTION SYSTEM}
본 발명은 천연가스 액화 시스템의 정지 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 천연가스 액화 시스템, 특히 파일럿 플랜트에서 냉매의 보관 및 재사용을 가능하도록 하고, 이로 인해 종래의 상용 플랜트에서와는 달리 플랜트의 시동과 정지를 수시로 용이하게 할 수 있도록 구성된 천연가스 액화 시스템의 정지 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스 액화 공정은 가스전에서의 가스를 정제하여 냉매를 이용해서 상온으로부터 약 -160℃ 이하로 냉각시켜서 천연가스를 액화시키는 공정으로서, 천연가스를 액화시킴으로써 그 부피를 6백분의 1정도로 줄이게 됨으로써 기체상태보다 수송 및 저장 효율을 높이도록 하여 경제성을 증대시키도록 한다.
천연가스 액화 기술은 특성상 경제성이 우선시되기 때문에 단위 시간당 더 많은 액화천연가스(Liquified Natural Gas, 이하, 'LNG'라 함)를 생산하는 기술 또는 단위 생산량 대비 전력 소모를 줄이도록 하는 기술 위주로 발전되어 왔다. 이에 따라 종래의 천연가스 액화 기술은 대용량 LNG 액화 공정에 초점을 맞춘 제어 기술들이 주류를 이루게 되었다.
또한, 종래의 천연가스 액화 시스템은 기동 및 정지가 반복되는 일이 없으며, 이러한 상황은 실험설비인 파일럿 플랜트에서 필요한 기술이다. 따라서 알려진 상용급 천연가스 액화 시스템에서 냉매의 저장과 재사용을 위한 시동 및 정지에 대해서는 알려진 바가 없다.
그러나, 종래의 상용화된 천연가스 액화 시스템은 한번 기동하게 되면 정지를 하는 일이 거의 없기 때문에 기동 및 정지를 고려하지 않지만, 파일럿 플랜트에서는 그 성격이 다르며, 그 중 가장 큰 부분이 시동 및 정지가 자주 발생한다는 것이다. 특히, 천연가스 액화 시스템이 정지하게 되면 냉매 사이클에 있는 냉매들은 정체하게 될 것이고, 이로 인해 사이클 내에서 각 구간의 압력 차이가 커지게 되어 냉매를 그대로 방치하는 것이 어렵게 되는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 천연가스 액화 시스템, 특히 파일럿 플랜트에서 냉매의 보관 및 재사용을 가능하도록 하고, 이로 인해 종래의 상용 플랜트에서와는 달리 플랜트의 시동과 정지를 용이하게 할 수 있게 하여 파일럿 플랜트의 사용에서 시간적 공간적 효율을 높일 수 있으며, 냉매를 재사용함으로써 유지관리 비용을 절감하도록 하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스 액화 시스템의 냉매의 저장을 위한 정지 방법으로서, 냉매의 순환경로에 설치되어 냉매를 축적하기 위한 리시버탱크 후단의 밸브를 클로즈시키는 단계; 상기 순환경로에 설치된 팽창밸브를 오픈시키는 단계; 천연가스를 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키기 위한 열교환기로부터 냉매를 흡입하는 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮은지를 판단하는 단계; 상기 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮으면 냉매의 압축을 위한 압축기를 정지시키는 단계; 및 상기 리시버탱크 전단의 밸브를 클로즈시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 시스템의 정지 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 천연가스 액화 시스템, 특히 파일럿 플랜트에서 냉매의 보관 및 재사용을 가능하도록 하고, 이로 인해 종래의 상용 플랜트에서와는 달리 플랜트의 시동과 정지를 수시로 용이하게 할 수 있게 하며, 파일럿 플랜트의 사용에서 시간적 공간적 효율 등의 실험 환경을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 실험 능률 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템의 기동 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템의 정지 방법을 도시한 흐름도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템을 도시한 구성도로서, 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템(100)은 천연가스 액화 공정 중에서 가장 많이 쓰이는 공정 중 하나인 프로판 예냉 혼합냉매 공정(C3MR process)을 적용할 수 있는 시스템으로서, 기동 및 정지가 필요한 액화 플랜트, 예컨대, 파일럿 플랜트에 적용할 수 있으며, 프로판 예냉 혼합냉매 공정이 두 개의 냉매 사이클로 형성되고, 따라서 냉매의 종류도 프로판 냉매와 혼합냉매 두 가지를 사용하는데, 이러한 공정은 같은 이름으로 여러 가지 구조로 설계 및 제작될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템(100)은 천연가스의 냉각을 위한 제 1 냉매가 순환 공급되는 1차열교환기(110)와, 1차열교환기(110)에 제 1 냉매를 냉각하여 순환 공급하는 제 1 냉매순환공급부(120)와, 1차열교환기(110)에 의해 예냉된 천연가스를 제 2 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키도록 천연가스의 피드라인(10)에 설치되는 2차열교환기(130)와, 2차열교환기(130)에 제 2 냉매를 냉각하여 순환 공급하는 제 2 냉매순환공급부(140)를 포함할 수 있다.
1차열교환기(110)는 피드라인(10)에서 2차열교환기(130)의 전단에 설치되고, 천연가스를 제 1 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키는 제 1 열교환기(111)와, 제 1 열교환기(111)와 병렬을 이루도록 설치되고, 제 2 냉매순환공급부(140)에 의해 순환되는 제 2 냉매를 제 1 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키는 제 2 열교환기(112)를 포함할 수 있으며, 예냉된 천연가스와 제 2 냉매의 온도가 -30∼-40℃일 수 있다. 한편, 제 1 열교환기(111)는 일례로 Kettle형 열교환기를 사용할 수 있고, 이것은 Shell&Tube, Flate-fin 열교환기 등의 열교환기로 구현될 수 있다
피드라인(10)은 상온 고압의 전처리가 된 천연가스가 액화되기 위해서, 주입되는 라인으로서 천연가스가 1차열교환기(110)를 지나서 예냉되고, 2차열교환기(130)를 지나서 액화가 되어 LNG(Liquefied Natural Gas)가 되도록 한다.
제 1 냉매순환공급부(120)는 1차열교환기(110)의 후단에 설치되어 제 1 냉매를 흡입하는 제 1 석션드럼(121)과, 제 1 석션드럼(121)으로부터 흡입되어 배출되는 제 1 냉매를 압축시키는 제 1 압축기(122)와, 제 1 압축기(122)에 의해 압축된 제 1 냉매를 응축시키는 제 1 콘덴서(123)와, 제 1 콘덴서(123)에 의해 응축된 제 1 냉매를 축적시키는 제 1 리시버탱크(124)와, 제 1 리시버탱크(124)에 축적된 제 1 냉매를 팽창시켜서 1차열교환기(110)에 공급시키는 제 1 팽창밸브(125)와, 제 1 리시버탱크(124)의 전단과 후단에 제 1 냉매의 흐름을 조절하도록 각각 설치되는 제 1 및 제 2 밸브(126,127)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 압축기(122)는 제 1 냉매의 압축 상황에 따라 다양한 압축기가 사용될 수 있는데, 일례로 왕복동형 압축기가 사용될 수 있다. 또한, 제 1 석션드럼(121)은 제 1 압축기(122) 입구쪽의 압력을 유지하기 위한 버퍼 역할을 하게 된다.
제 1 밸브(126)의 전단에는 제 1 냉매의 일방향 흐름을 허용하는 제 1 체크밸브(128)가 설치될 수 있다. 또한, 제 1 냉매순환공급부(120)는 제 1 냉매의 순환경로를 제공하기 위한 제 1 냉매순환라인(129)을 가진다.
2차열교환기(130)는 1차열교환기(110), 구체적으로 제 1 열교환기(111)에 의해 예냉된 천연가스를 제 2 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키도록 천연가스의 피드라인(10) 상에서 전후로 각각 설치되는 제 3 열교환기(131) 및 제 4 열교환기(132)를 포함할 수 있다.
제 3 열교환기(131)는 예냉된 천연가스를 초저온 영역까지 냉각시키기 위한 것으로서, 일례로 단위면적당 효율이 좋은 Flate-fin형 열교환기를 사용할 수 있다. 또한 제 4 열교환기(132)는 초저온 영역에서 최종 LNG를 생산하는 열교환기로 Flate-fin형 열교환기를 사용할 수 있다.
제 2 냉매순환공급부(140)는 제 3 열교환기(131) 및 제 4 열교환기(132)의 후단에 설치되어 제 2 냉매를 흡입하는 제 2 석션드럼(141)과, 제 2 석션드럼(141)으로부터 흡입되어 배출되는 제 2 냉매를 압축시키는 제 2 압축기(142)와, 제 2 압축기(142)에 의해 압축된 제 2 냉매를 응축시키는 제 2 콘덴서(143)와, 제 2 콘덴서(143)에 의해 응축된 제 2 냉매를 축적하는 제 2 리시버(144)와, 제 2 리시버(144)의 전단과 후단에 제 2 냉매의 흐름을 조절하도록 각각 설치되는 제 3 및 제 4 밸브(145,146)와, 제 2 리시버탱크(144)로부터 공급되는 제 2 냉매를 기상냉매와 액상냉매로 분리시키도록 제 3 열교환기의 전단에 설치되는 기액분리기(148)와, 기액분리기(148)에 의해 분리되는 기상냉매와 액상냉매를 각각 팽창시키기 위한 제 2 및 제 3 팽창밸브(149,151)와, 제 3 열교환기(131) 및 제 4 열교환기(132)를 통과한 기상냉매와 제 3 열교환기(131)를 통과한 액상냉매를 혼합하는 믹서(152)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 석션드럼(141)은 제 2 압축기(142) 입구쪽의 압력을 유지하기 위한 버퍼 역할을 하게 된다.
제 3 밸브(145)의 전단에는 제 2 냉매의 일방향 흐름을 허용하는 제 2 체크밸브(147)가 설치될 수 있다. 또한, 제 2 냉매순환공급부(140)는 제 2 냉매의 순환경로를 제공하기 위한 제 2 냉매순환라인(153)을 가진다.
1차열교환기(110) 및 제 1 냉매순환공급부(120)는 제 1 냉매로서 프로판을 사용할 수 있고, 2차열교환기(130) 및 제 2 냉매순환공급부(140)는 제 2 냉매로서 혼합냉매를 사용할 수 있다.
제 1 냉매, 에컨대 프로판 냉매 사이클과 제 2 냉매, 예컨대 혼합냉매 사이클에서 각 압축기(122,142) 후단의 리시버탱크(124,144)를 보면 전단과 후단에 각각 제 1 및 제 2 밸브(126,127,145,146)가 설치되어 있는데, 제 1 및 제 2 밸브(126,127,145,146)로 각 사이클의 냉매를 저장할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 체크밸브(128,147)에 의해 압축된 냉매의 역류를 방지한다. 따라서, 제 1 냉매 또는 제 2 냉매의 저장과 재사용을 위한 시동 및 정지가 가능해지며, 이를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템의 기동 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액화 시스템의 기동방법은 냉매의 순환경로에 설치되어 냉매를 축적하기 위한 리시버탱크의 압력이 제 1 설정압력보다 높은지를 판단하는 단계(S11)와, 리시버탱크의 압력이 제 1 설정압력보다 높으면 리시버탱크 후단의 밸브를 오픈시키는 단계(S12)와, 천연가스를 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키기 위한 열교환기로부터 냉매를 흡입하는 석션드럼의 압력이 제 2 설정압력보다 높은지를 판단하는 단계(S13)와, 석션드럼의 압력이 제 2 설정압력보다 높으면 리시버탱크 전단의 밸브를 오픈함과 아울러 냉매의 압축을 위한 압축기를 구동시키는 단계(S14,S15)를 포함할 수 있다. 여기서, 리시버탱크, 리시버탱크 후단의 밸브, 열교환기, 석션드럼, 리시버탱크 전단의 밸브는 제 1 냉매 사이클에 대한 기동방법인 경우에는 제 1 리시버탱크(124), 제 2 밸브(127), 1차열교환기(110), 제 1 석션드럼(121), 제 1 밸브(126)를 의미할 수 있고, 제 2 냉매 사이클에 대한 기동방법인 경우에는 제 2 리시버탱크(144), 제 4 밸브(146), 2차열교환기(130), 제 2 석션드럼(141), 제 3 밸브(145)를 의미할 수 있다.
한편, 리시버탱크의 압력이 제 1 설정압력과 동일하거나 낮으면 리시버탱크 후단의 밸브를 클로즈시킨 상태를 유지하고, 경보를 발생시키는 단계(S16)를 수행할 수 있으며, 석션드럼의 압력이 제 2 설정압력과 동일하거나 낮으면 리시버탱크 전단의 밸브를 클로즈시킨 상태를 유지하고, 경보를 발생시키는 단계(S17)를 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템의 정지 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템의 정지 방법은, 냉매의 순환경로에 설치되어 냉매를 축적하기 위한 리시버탱크 후단의 밸브를 클로즈시키는 단계(S21)와, 순환경로에 설치된 팽창밸브를 오픈시키는 단계(S22)와, 천연가스를 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키기 위한 열교환기로부터 냉매를 흡입하는 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮은지를 판단하는 단계(S23)와, 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮으면 냉매의 압축을 위한 압축기를 정지시키는 단계(S24)와, 리시버탱크 전단의 밸브를 클로즈시키는 단계(S25)를 포함할 수 있다.
여기서, 리시버탱크, 리시버탱크 후단의 밸브, 팽창밸브, 열교환기, 석션드럼, 압축기, 리시버탱크 전단의 밸브는 제 1 냉매 사이클에 대한 정지방법인 경우에는 제 1 리시버탱크(124), 제 2 밸브(127), 제 1 팽창밸브(125), 1차열교환기(110), 제 1 석션드럼(121), 제 1 압축기(122), 제 1 밸브(126)를 의미할 수 있고, 제 2 냉매 사이클에 대한 정지방법인 경우에는 제 2 리시버탱크(144), 제 4 밸브(146), 제 2 및 제 3 팽창밸브(149,151), 2차열교환기(130), 제 2 석션드럼(141), 제 2 압축기(142), 제 3 밸브(145)를 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템의 기동 및 정지 방법을 제 1 냉매, 예컨대 프로판 사이클을 예로 들어 설명하기로 한다.
운전자가 시동 버튼을 누르게 되면, 제 1 리시버탱크(124)의 압력을 체크해서 제 1 설정압력보다 높으면(S11), 그 후단의 제 2 밸브(127)를 오픈하고(S12), 그렇지 않을 경우에는 운전자에게 리시버탱크 저압 경보를 발생시킨다(S16).
제 2 밸브(127)가 개방되면, 제 1 냉매는 제 1 팽창(125)까지 흘러가게 되고, 제 2 밸브(127)의 후단부터 천천히 압력이 천천히 증가하다가 제 1 압축기(122)의 제 1 석션드럼(121)의 압력이 제 2 설정압력보다 높아졌을 때, 제 1 리시버탱크(124) 전단의 제 1 밸브(126)를 오픈하고(S14), 제 1 압축기(122)를 구동시킨다(S15).
또한, 운전자가 정지 신호를 보내는 즉시, 제 1 냉매의 저장을 위해서 프로판의 제 1 리시버탱크(124) 후단의 제 2 밸브(127)를 클로즈로 전환해서 제 1 리시버탱크(124)에 제 1 냉매를 충전할 준비를 한다(S21). 그리고 사이클 상에서 제 1 팽창밸브(125)의 제어모드를 수동모드로 바꾸고서 제 1 팽창밸브(125)를 100% 오픈한다(S22). 여기서, 제 1 팽창밸브(125)를 수동으로 100% 오픈시키는 이유는 제 2 밸브(127)를 클로즈시킴으로써 압력은 서서히 내려갈 것이고, 제 2 밸브(127)를 지나 제 1 압축기(122) 셕션쪽의 압력이 빠르게 감소되는 것을 막기 위함이다.
제 1 팽창밸브(125)를 100% 오픈한 후, 제 1 석션드럼(121)의 압력이 제 3 설정압력보다 낮아지기 전까지 계속해서 압축을 하면서(S23), 제 1 리시버탱크(124)에 제 1 냉매를 충전하다가 제 1 석션드럼(121)의 압력이 제 3 설정압력보다 낮아졌을 때, 제 1 압축기(122)의 기동을 중지한다(S24). 제 1 압축기(122) 후단에는 제 1 체크밸브(128)가 있지만, 오랜 시간 저장할 경우 역류의 가능성이 있기 때문에 제 3 밸브(145)를 클로즈하게 된다(S25).
본 발명에 따른 천연가스 액화 시스템과 이의 기동 및 정지 방법에 의하면, 이와 같은 작업을 반복하는데 무리가 없으며. 기동과 중지를 여러 번 한다고 하더라도 냉매의 손실없이 기동 및 중지 버튼만으로 파일럿 플랜트를 기동 및 중지할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 피드라인 110 : 1차열교환기
111 : 제 1 열교환기 112 : 제 2 열교환기
120 : 제 1 냉매순환공급부 121 : 제 1 석션드럼
122 : 제 1 압축기 123 : 제 1 콘덴서
124 : 제 1 리시버탱크 125 : 제 1 팽창밸브
126 : 제 1 밸브 127 : 제 2 밸브
128 : 제 1 체크밸브 129 : 제 1 냉매순환라인
130 : 2차열교환기 131 : 제 3 열교환기
132 : 제 4 열교환기 140 : 제 2 냉매순환공급부
141 : 제 2 셕션드럼 142 : 제 2 압축기
143 : 제 2 콘덴서 144 : 제 2 리시버탱크
145 : 제 3 밸브 146 : 제 4 밸브
147 : 제 2 체크밸브 148 : 기액분리기
149 : 제 2 팽창밸브 151 : 제 3 팽창밸브
152 : 믹서 153 : 제 2 냉매순환라인

Claims (2)

  1. 천연가스 액화 시스템의 제 1 냉매의 저장을 위한 정지 방법으로서,
    상기 제 1 냉매의 순환경로에 설치되어 상기 제 1 냉매를 축적하기 위한 제 1 리시버탱크 후단의 제 2 밸브를 클로즈시키는 단계;
    상기 순환경로에 설치된 제 1 팽창밸브를 오픈시키는 단계;
    천연가스를 상기 제 1 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키기 위한 1차 열교환기로부터 상기 제 1 냉매를 흡입하는 제 1 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮은지를 판단하는 단계;
    상기 제 1 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮으면 상기 제 1 냉매의 압축을 위한 제 1 압축기를 정지시키는 단계; 및
    상기 제 1 리시버탱크 전단의 제 1 밸브를 클로즈시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 시스템의 정지 방법.
  2. 천연가스 액화 시스템의 제 2 냉매의 저장을 위한 정지 방법으로서,
    상기 제 2 냉매의 순환경로에 설치되어 상기 제 2 냉매를 축적하기 위한 제 2 리시버탱크 후단의 제 4 밸브를 클로즈시키는 단계;
    상기 순환경로에 설치된 제 2 및 제 3 팽창밸브를 오픈시키는 단계;
    천연가스를 상기 제 2 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키기 위한 2차 열교환기로부터 상기 제 2 냉매를 흡입하는 제 2 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮은지를 판단하는 단계;
    상기 제 2 석션드럼의 압력이 제 3 설정압력보다 낮으면 상기 제 2 냉매의 압축을 위한 제 2 압축기를 정지시키는 단계; 및
    상기 제 2 리시버탱크 전단의 제 3 밸브를 클로즈시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화 시스템의 정지 방법.
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