KR101628841B1 - 천연가스 액화방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천연가스 액화를 위해 사용되던 대형의 열교환기를 하나의 콜드박스 내에서 콜드 코어와 웜 코어로 분리하여 설치함으로써 해상에서 부유된 채 사용되는 부유식 구조물 상에 장착되어 사용되기에 적합하도록 한 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 천연가스를 열교환 수단에서 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서, 상기 열교환 수단은, 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와, 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기를 포함하며, 상기 초저온 열교환기에서 천연가스에 의해 가열된 냉매는 상기 저온 열교환기에 공급되어 상기 초저온 열교환기에 공급되기 전의 천연가스를 예냉하되, 상기 초저온 열교환기로부터 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는 열충격 방지수단을 경유함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치 및 액화방법이 제공된다.

Description

천연가스 액화방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR LIQUEFYING NATURAL GAS}

본 발명은 천연가스를 액화시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 천연가스 액화를 위해 사용되던 대형의 열교환기를 복수의 열교환기로 분리하여 설치함으로써 해상에서 부유된 채 사용되는 부유식 구조물 상에 장착되어 사용되기에 적합하도록 한 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 천연가스 액화를 위해 사용되는 대형의 초저온 열교환기로서 BAHX(Brazed Aluminum Heat Exchanger)를 사용할 경우 콜드박스 내에서 콜드 코어와 웜 코어로 분리하여 설치함으로써 비정상 상황에서 예상되는 열 응력에 의한 충격을 완화하고, SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger)를 사용할 경우 하나의 대형의 열교환기를 저온 열교환기와 초저온 열교환기로 분리함으로써 해상에서 사용되기에 적합하도록 한 천연가스 액화방법 및 장치에 관한 것이다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

종래 사용되고 있는 천연가스의 액화방법은, 천연가스를 열교환기 내부로 통과시켜 냉각함으로써 이루어지는 것이다. 미국특허 제 3,735,600 호 및 제 3,433,026 호 등에는 천연가스를 열교환기에 공급하여 액화하는 액화방법이 개시되어 있다.

본 명세서에서, 천연가스란, 주성분이 메탄이지만 다른 탄화수소 성분이나 질소를 포함하는 혼합물을 의미하며, 어떤 형태(기상(氣相), 액상(液相) 또는 기상과 액상의 혼합상)의 것도 포함하는 개념이다.

액체상태로 천연가스를 저장 및 운반하기 위해서는, 천연가스가 대략 -151℃ 내지 -163℃ 정도로 냉각되어야 하며, 여기서 LNG는 대기압 정도의 압력을 갖는다. 종래기술에서, 육상의 액화시설에 있어서는 천연가스의 냉각을 위해, 캐스케이드 공정(cascade process), 혼합 냉매 공정(mixed refrigerant process), 가스 냉매 팽장 공정(refrigerant gas expander process) 등과 같은 방법들이 사용되고 있다.

최근에는 육상이 아닌 해상에서, 가스정에서 추출된 천연가스 원료로부터 직접 천연가스를 생산 및 저장할 수 있는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)와 같은 부유식 구조물이 제안되어, 해상에서 사용될 수 있는 천연가스의 액화장치에 대한 요구가 대두되었다.

육상에서의 천연가스의 액화방법은 그대로 해상의 부유식 구조물에 적용될 수 없으며, 해상환경에 적합하도록 개선이 이루어져야 할 필요가 있다. LNG FPSO의 경우 중소규모의 액화설비가 실현 가능성이 높고, 이에 적합한 액화공정으로서 가스 냉매 팽창 공정이나 혼합 냉매 공정이 주목받고 있다.

그런데 이러한 액화설비에는 BAHX(Brazed Aluminum Heat Exchanger) 또는 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger)와 같은 열교환기가 사용되고 있으며, BAHX의 경우 단위부피당 전열면적이 크고 상대적으로 가격이 싼 장점이 있으나 비정상 상황에서 유체온도의 급격한 변화로 인해 열 충격에 의한 손상 우려가 있으며, SWHE는 강성이 좋은 대신 가격이 비싸고 높이가 높아(예를 들어 대략 50m) 해상에서의 유동 발생시 냉각효율이 저하되는 문제가 발생할 우려가 있다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 천연가스를 액화시키기 위해 부유식 구조물에 하나의 거대한 열교환기를 설치하는 대신에 상대적으로 크기가 작은 복수의 열교환기를 설치하고 이들 복수의 열교환기에 냉열을 전달하기 위해 냉매를 순환시키는 냉매회로를 하나의 회로로 구성함으로써 해상에서의 요동으로 인한 영향을 최소화하고 액화 공정을 안정적이고 효율적으로 실시할 수 있도록 한 천연가스 액화방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 천연가스를 열교환 수단에서 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서, 상기 열교환 수단은, 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와, 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기를 포함하며, 상기 초저온 열교환기에서 천연가스에 의해 가열된 냉매는 상기 저온 열교환기에 공급되어 상기 초저온 열교환기에 공급되기 전의 천연가스를 예냉하되, 상기 초저온 열교환기로부터 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는 열충격 방지수단을 경유함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치가 제공된다.

상기 저온 열교환기 및 상기 초저온 열교환기가 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기일 때, 하나의 콜드박스 내에 설치될 수 있다.

상기 열충격 방지수단은 상기 초저온 열교환기로부터 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매를 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매로 분리하기 위한 기액 분리기인 것이 바람직하다.

상기 냉매는 상기 저온 열교환기 및 상기 초저온 열교환기를 순차적으로 통과하여 천연가스를 적어도 부분적으로 액화시킨 후 다시 상기 저온 열교환기를 경유하여 복귀되는 단일의 폐쇄 회로로 이루어지는 냉매 회로를 따라 순환하는 것이 바람직하다.

상기 천연가스 액화장치는, 상기 저온 열교환기에서 저온으로 냉각된 천연가스를 기체 상태의 천연가스와 액체 상태의 천연가스로 분리하여 기체 상태의 천연가스를 상기 초저온 열교환기에 공급하는 콜드 세퍼레이터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 천연가스 액화장치는, 상기 콜드 세퍼레이터에서 분리된 액체 상태의 천연가스를 성분별로 분리하기 위한 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 저온 열교환기는 복수개 설치되고, 상기 기액 분리기를 통해 분리된 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매는 각각 별개의 공급 라인을 통해 복수의 상기 저온 열교환기에 공급되는 것이 바람직하다.

상기 냉매 회로는, 천연가스와의 열교환을 통해 천연가스를 냉각시키는 냉매를 압축시키기 위한 냉매 압축기와 압축된 냉매를 응축시키기 위한 냉매 응축기를 포함하는 압축부를, 하나 이상 가지는 것이 바람직하다.

상기 압축부에서 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는 배출 세퍼레이터를 통해 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매로 분리되어 공급되는 것이 바람직하다.

상기 천연가스 액화장치는, 냉매를 압축시키기 위한 냉매 압축기와, 압축된 냉매를 응축시키기 위한 냉매 응축기를 더 포함하며, 상기 냉매 압축기는 다단 압축기인 것이 바람직하다.

상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는, 다단의 상기 냉매 압축기 사이의 중간 냉각기에 의해 냉각되어 부분적으로 응축된 냉매 중에서 중간 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 상태의 냉매를 상기 저온 열교환기에 공급하는 제1 냉매 공급 라인과, 상기 중간 세퍼레이터에 의해 분리된 기체 상태의 냉매를 다시 상기 냉매 압축기에 의해 압축하고 상기 냉매 응축기에 의해 부분적으로 응축시킨 후 배출 세퍼레이터에서 분리된 액체 상태의 냉매를 상기 저온 열교환기에 공급하는 제2 냉매 공급 라인과, 상기 배출 세퍼레이터에서 분리된 기체 상태의 냉매를 상기 저온 열교환기에 공급하는 제3 냉매 공급 라인을 통해 공급되는 것이 바람직하다.

상기 제3 냉매 공급 라인을 통해 상기 저온 열교환기에 공급된 냉매는 상기 초저온 열교환기로부터 복귀하는 냉매에 의해 냉각되어 부분적으로 응축되고, 제1 냉매 세퍼레이터에 의해 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매로 분리되고 각각 팽창된 후 상기 초저온 열교환기에서 천연가스를 냉각시키는 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2 냉매 공급 라인을 통해 상기 저온 열교환기에 공급된 냉매는 팽창된 후 상기 저온 열교환기에 다시 공급되어 천연가스를 냉각시키는 것이 바람직하다.

상기 팽창된 냉매는 상기 초저온 열교환기에서 상기 저온 열교환기로 공급되는 냉매와 상기 열충격 방지수단에서 혼합되어 상기 저온 열교환기로 복귀하는 것이 바람직하다.

상기 저온 열교환기 및 상기 초저온 열교환기는 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입 또는 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger) 타입의 열교환기일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 해상에서 부유된 채 사용되는 부유식 구조물 상에서 천연가스를 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서, 상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와; 상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기와; 상기 초저온 열교환기와 상기 저온 열교환기 사이에 배치되어 상기 초저온 열교환기로부터 배출된 초저온 상태의 냉매가 직접 상기 저온 열교환기에 공급되지 않도록 함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 열충격 방지수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 해상에서 부유된 채 사용되는 부유식 구조물로서, 상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와; 상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기와; 상기 초저온 열교환기와 상기 저온 열교환기 사이에 배치되어 상기 초저온 열교환기로부터 배출된 초저온 상태의 냉매가 직접 상기 저온 열교환기에 공급되지 않도록 함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 열충격 방지수단; 을 포함하는 천연가스 액화장치를 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물이 제공된다.

상기 부유식 구조물은 LNG FPSO인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 천연가스를 열교환 수단에서 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화방법으로서, 가스정에서 추출된 천연가스를 저온 열교환기에서 저온으로 냉각시키고, 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 초저온 열교환기에서 더욱 냉각시켜 적어도 부분적으로 액화시키고, 상기 초저온 열교환기에서 천연가스에 의해 가열된 냉매를 열충격 방지수단에서 더욱 가열하여 상기 저온 열교환기에 공급함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화방법이 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 천연가스를 액화시키기 위해 부유식 구조물에 하나의 거대한 열교환기를 설치하는 대신에 상대적으로 크기가 작은 복수의열교환기를 설치하고 이들 복수의 열교환기에 냉열을 전달하기 위해 냉매를 순환시키는 냉매회로를 하나의 회로로 구성한 천연가스 액화방법 및 장치가 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명에 의하면, 천연가스를 액화시키기 위해 부유식 구조물에서 초저온 열교환기로서 BAHX를 사용할 경우 콜드박스 내에서 콜드 코어와 웜 코어로 분리하여 설치함으로써 종래의 경우 하나의 코어에 걸리는 온도 차가 약 200℃에 달했던 것을 대략 절반으로 줄어들게 할 수 있게 되어 비정상 상황에서 예상되는 열 응력에 의한 충격을 완화할 수 있고, SWHX를 사용할 경우 하나의 대형의 열교환기를 저온 열교환기와 초저온 열교환기로 분리하여 해상 요동에 의한 열교환기의 성능 저하에 대한 우려를 최소화 할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 복수의 열교환기 사이에 세퍼레이터를 설치함으로써 복수의 열교환기 중 더욱 저온의 열교환기로부터 배출되는 차가운 냉매가 상대적으로 고온의 열교환기에 그대로 유입되어 발생할 수 있는 열충격을 완화시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 천연가스 액화장치가 설치된 부유식 구조물의 개념도,
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 천연가스 액화장치를 설명하기 위한 개념도, 그리고
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 천연가스 액화장치를 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 천연가스 액화방법 및 장치를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 천연가스 액화장치는, 육상이나 근해에 설치되는 LNG 플랜트, LNG 수송선과 같은 선박, 그리고 LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading)와 같은 해상 구조물 등에 설치되어 사용될 수 있다. LNG FPSO는, 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 LNG 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 LNG 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 부유식 구조물(2)에 설치되어 가스정에서 추출된 천연가스를 액화시키기 위한 본 발명에 따른 천연가스 액화장치(1)는, 가스정에서 추출된 후 전처리 과정을 통해 물, 이산화탄소, 산성가스 등의 불순물이 제거된 천연가스를 냉각시키기 위한 웜 코어(warm core)로서의 저온 열교환기(3)와, 이 저온 열교환기(3)에서 저온으로 냉각된 천연가스를 액화시키기 위한 콜드 코어(cold core)로서의 초저온 열교환기(4)와, 압축 및 응축된 냉매를 저온 열교환기(3) 및 초저온 열교환기(4)에 공급하여 천연가스와 열교환시킴으로써 천연가스를 액화시키기 위한 냉매 회로(5)를 포함한다.

웜 코어로서의 저온 열교환기(3)와 콜드 코어로서의 초저온 열교환기(4)는 하나의 콜드박스(cold box) 내에 설치되는 것이 열손실을 줄일 수 있어 바람직하다. 본 명세서에서 "웜 코어" 라는 표현은 "콜드 코어" 에 비해 상대적으로 고온이라는 의미로 해석되어야 한다.

본 발명에 따르면 냉매 회로(5)에서 순환되는 냉매로서는 메탄, 에탄올, 프로판, 부탄, 질소 등의 성분들이 일정 비율로 혼합되어 이루어진 혼합냉매가 사용될 수 있다. 각 성분들의 혼합 비율은 공정 조건에 따라 정해질 수 있다.

이와 같이 본 발명의 천연가스 액화장치(1)에 따르면, 복수의 열교환기, 즉 저온 열교환기(3)와 초저온 열교환기(4)를 직렬로 배치하여 사용함으로써, 종래 육상의 천연가스 액화장치에서 많이 사용되던 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger)와 같은 열교환기에 비해 열교환기의 크기, 특히 높이가 감소될 수 있다. 그에 따라 필연적으로 요동이 발생하는 해상환경에서 부유식 구조물의 움직임에 의한 영향을 최소화하고 액화 효율을 향상시킬 수 있으며, 열교환기의 설치시 필요한 지지부재의 사용을 최소화할 수 있다.

(제1 실시형태)

계속해서 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시형태에 따른 천연가스 액화방법 및 장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 본 발명의 천연가스 액화장치는, 천연가스를 1차적으로 사전 냉각시키기 위한 저온 열교환기(3)와, 이 저온 열교환기(3)에서 저온으로 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기(4)와, 냉매를 저온 열교환기(3) 및 초저온 열교환기(4)에 공급하여 천연가스와 열교환시킴으로써 천연가스를 액화시키기 위한 냉매 회로(5)를 포함한다.

천연가스의 액화과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.

가스정에서 추출된 후 불순물 제거 등의 전처리 과정을 거친 천연가스는 천연가스 공급 라인(L11)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되며, 이 저온 열교환기(3)에서 냉매와의 열교환을 통해 1차적으로 냉각된다. 저온 열교환기(3)에서 냉각된 천연가스는 대략 -50 내지 60℃ 정도로 냉각될 수 있으며, 부분적으로 응축될 수 있다.

1차적으로 냉각된 천연가스는 천연가스 공급 라인(L11)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되며, 이 초저온 열교환기(4)에서 냉매와의 열교환을 통해 2차적으로 냉각된다. 초저온 열교환기(4)에서 냉각된 천연가스는 대부분 응축될 수 있으며, 감압 밸브(12) 및 LNG 리시버(LNG receiver; End Flash Drum 이라고도 함)(13)를 통하여 액상의 천연가스, 즉 액화천연가스(LNG)는 LNG 저장탱크로 이송되어 저장될 수 있다. 기상의 천연가스는 압축하여 부유식 구조물 내에 설치되어 있는 각종 발전기, 터빈 등의 연료가스로서 사용될 수 있다.

본 발명의 변형 실시예에 따르면, 저온 열교환기(3)에서 초저온 열교환기(4)로 이송되는 천연가스는 기액 분리기로서의 콜드 세퍼레이터(cold separator)(11)에서 기상의 천연가스와 액상의 천연가스로 분류된 후 기상의 천연가스만이 제1 기상 천연가스 공급 라인(L12)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급될 수 있다.

천연가스에는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 성분이 혼합되어 있으며, 탄소수가 많은 부탄, 프로판 등의 중탄화수소 성분의 액화점이 비교적 높고 탄소수가 적은 메탄, 에탄 등은 액화점이 비교적 낮다. 따라서 콜드 세퍼레이터(11)에서 분류된 기상의 천연가스에는 메탄이 많이 포함되어 있고, 액상의 천연가스에는 에탄, 프로판, 부탄 등의 LPG 성분이 많이 포함되어 있다.

콜드 세퍼레이터(11)로부터 분류된 액상의 천연가스는 계속해서 액상 천연가스 공급 라인(L13)을 통해 디메타나이저(demethanizer)(15)로 공급되고, 디메타나이저(15)에서 다시 기상과 액상으로 분류되어 기체 성분은 제2 기상 천연가스 공급 라인(L14)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되고 액체 성분은 NGL(Natural Gas Liquid) 상태로 판매될 수 있다. NGL은 다시 디부타나이저(debutanizer)(16)에서 분류될 수 있는 등, 후공정을 통하여 에탄, 프로판, 부탄 등의 성분을 별도로 분리하여 판매될 수 있다.

냉매의 순환과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.

냉매 압축기(21)에서 압축되고 냉매 응축기(26)에서 적어도 부분적으로 응축된 냉매는 냉매 공급 라인을 통하여 저온 열교환기(3)에 공급되어 천연가스와 열교환될 수 있다. 저온 열교환기(3)에서 냉매는 천연가스로부터 열을 빼앗아 천연가스의 온도를 낮춘다. 도 2에 도시된 바와 같이 저온 열교환기(3)에 공급되는 냉매는 복수의 라인으로 분류되어 공급될 수 있다.

본 발명에 따르면 냉매 압축기(21)와 냉매 응축기(26) 등이 설치되어 있는 압축부는 하나 이상 마련될 수 있으며, 본 실시형태에서는 동일한 구성의 압축부가 2개(제1 압축부(20a) 및 제2 압축부(20b)) 마련된 것이 예시되어 있다. 압축부가 복수개 마련되면 액화장치의 구동시 부하 조정 측면에서 유리하고 하나의 압축부에 이상이 생기더라도 나머지 압축부에 의해 액화장치의 정상 가동이 가능하다.

제2 압축부(20b)의 구성은 제1 압축부(20a)와 동일하므로, 여기에서는 제1 압축부(20a)만을 설명한다. 제1 압축부(20a) 내에 설치된 냉매 압축기(21)로서는 가스 터빈 혹은 스팀 터빈과 같은 구동수단(22)에 의해 구동되는 다단 압축기가 사용될 수 있다. 본 실시형태에서는 냉매 압축기로서 2단 압축기가 사용되는 것으로 도시되어 있지만 본 발명은 그것만으로 한정되지 않는다.

냉매 압축기(21)가 구동되면, 이 냉매 압축기의 상류측에 설치되어 있는 석션 드럼(23)에 수용되어 있던 냉매가 냉매 압축기(21)에 공급되어 압축된다. 냉매 압축기는 다단으로 구성되어 있으므로 1차 압축단계에서 중압으로 압축된 냉매는 중간 냉각기(24)에서 냉각된 후 다시 2차 압축단계에서 고압으로 압축된다.

중간 냉각기(24)에서 냉매는 부분적으로 응축될 수 있으며, 이때 응축되는 성분은 주로 중탄화수소 성분들이다. 중간 냉각기(24)에서 부분적으로 응축된 냉매는 중간 세터레이터(25)에서 기상과 액상으로 분리되어 기체 성분은 2차 압축단계로 공급되고 액체 성분은 제1 냉매 공급 라인(L21)을 통해 냉매 압축기(21)에서 냉매 응축기(26)로 공급되는 냉매와 합류될 수 있다.

한편, 2차 압축단계에서 고압으로 압축된 기체 성분의 냉매는 제1 냉매 공급 라인(L21)을 통해 공급된 냉매와 합류된 후 냉매 응축기(26)(After Cooler 라고도 함)에서 온도가 하강되어 일부 중탄화수소 성분이 부분적으로 응축될 수 있으며, 부분적으로 응축된 냉매는 배출 세퍼레이터(Discharge Separator)(27)에서 다시 기상과 액상으로 분리되어 액체 성분은 제2 냉매 공급 라인(L22)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되고 기체 성분은 제3 냉매 공급 라인(L23)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급될 수 있다.

여기에서, 각각의 압축 구역에 있어서 동일한 단계에서 분리된 각각의 냉매 분류들은 저온 열교환기(3)에 공급되기 전에 함께 합류된다.

제2 냉매 공급 라인(L22)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급된 냉매 분류는 저온 열교환기(3)를 통과한 후 팽창 밸브(29)를 통해 팽창된다. 팽창 밸브(29)를 통과하면서 팽창되어 저온으로 된 냉매는 초저온 열교환기(4)로부터 냉매 압축기(21) 쪽으로 복귀하는 냉매와 혼합되어 다시 저온 열교환기(3)에 공급되어 천연가스를 냉각시키고 냉매 복귀 라인을 통해 냉매 압축기(21), 더욱 상세하게는 냉매 압축기 상류측에 설치된 석션 드럼(23)에 복귀한다.

한편, 제3 냉매 공급 라인(L23)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급된 냉매 분류는 제1 냉매 세퍼레이터(31)에서 기상과 액상으로 분리되어 액체 성분은 제4 냉매 공급 라인(L24)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되고 기체 성분은 제5 냉매 공급 라인(L25)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급된다.

제4 냉매 공급 라인(L24)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되는 액상의 냉매는 초저온 열교환기(4)의 중간에서 외부로 빠져나와 팽창 밸브(32)를 통해 팽창되어 온도가 하강되도록 한 후에 다시 초저온 열교환기(4) 중간 내부로 공급되어 분무된다.

또한 제5 냉매 공급 라인(L25)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되는 기상의 냉매는 초저온 열교환기(4)의 상단에서 외부로 빠져나와 팽창 밸브(33)를 통해 팽창되어 온도가 하강되도록 한 후에 다시 초저온 열교환기(4)의 상단 내부로 공급되어 분무된다.

이 초저온 열교환기(4)에서 천연가스로부터 열을 빼앗아 가열된 냉매는 부분적으로 기화되어 기상과 액상이 공존하는 상태가 된다. 액체 상태의 냉매는 초저온 열교환기(4)의 하단으로부터 배출되어 제1 냉매 복귀 라인(L31)을 통해 저온 열교환기(3)로 공급되고, 기체 상태의 냉매는 초저온 열교환기(4)의 하부로부터 배출되어 제2 냉매 복귀 라인(L32)을 통해 저온 열교환기(3)로 공급된다.

전술한 바와 같이 초저온 열교환기(4)로부터 냉매 압축기(21) 쪽으로 복귀하는 냉매는 저온 열교환기(3)를 통과한 후 팽창된 냉매와 혼합된 후 저온 열교환기(3)에 공급된다.

여기에서, 특히 복수의 저온 열교환기(3)를 사용하는 경우에는 냉매가 제2 냉매 세퍼레이터(35)를 통해 저온 열교환기(3)에 복귀되도록 구성할 수 있다. 복귀 냉매(즉, 초저온 열교환기로부터 냉매 압축기 쪽으로 이동하는 냉매)는 제2 냉매 세퍼레이터(35)에서 기상과 액상으로 분리되어 액체 성분은 제3 냉매 복귀 라인(L33)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되고 기체 성분은 제4 냉매 복귀 라인(L34)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급된다.

또한, 초저온 열교환기(4)로부터 저온 열교환기(3)에 공급되는 냉매는 열충격 방지수단으로서의 제2 냉매 세퍼레이터(35)를 거쳐 이송되기 때문에, 액화장치가 비상 정지되더라도 관성에 의해 초저온 열교환기(4)의 차가운 냉매가 그대로 저온 열교환기(3)에 유입되는 것이 방지될 수 있다. 그에 따라 제2 냉매 세퍼레이터(35)는 열 충격에 대한 안전장치로서의 기능을 수행할 수 있다.

기액 혼합 상태의 냉매를 그대로 복수의 저온 열교환기에 나눠 공급할 경우에는 특정 저온 열교환기에는 기체 상태의 냉매가 상대적으로 많이 공급되고 또 다른 저온 열교환기에는 액체 상태의 냉매가 상대적으로 많이 공급되어 각각의 저온 열교환기마다 운전조건이 상이해질 우려가 있다.

저온 열교환기(3)가 복수인 경우에 기체 성분과 액체 성분을 별도로 공급하도록 구성하면, 각각의 저온 열교환기(3)에 동일한 분량의 기체 성분과 액체 성분이 공급되도록 할 수 있어 바람직하다.

복귀하는 냉매는 저온 열교환기(3)에 공급되기 직전에 기체 성분과 액체 성분이 혼합되어 저온 열교환기(3)를 통과할 수 있다. 저온 열교환기(3)를 통과하면서 초저온 열교환기(4) 쪽으로 공급되는 천연가스와 공급 냉매(즉, 냉매 압축기로부터 초저온 열교환기 쪽으로 이동하는 냉매)를 냉각시키면서 가열된 복귀 냉매는 제5 냉매 복귀 라인(L35)을 통해 석션 드럼(23)으로 복귀된다.

한편, 본 발명의 제1 실시형태의 변형예에 따르면, 중간 냉각기(24)에서 부분적으로 응축된 냉매는 중간 세퍼레이터(25)에서 기상과 액상으로 분리되어 기체 성분은 2차 압축단계로 공급되고 액체 성분은 별도의 냉매 공급 라인(도시생략)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되는 것으로 변형될 수 있다.

이때, 별도의 냉매 공급 라인을 통해 중간 세퍼레이터(25)에서 저온 열교환기(3)에 공급된 냉매는 저온 열교환기(3)를 통과한 후 팽창 밸브를 통해 팽창될 수 있다. 팽창 밸브를 통과하면서 팽창되어 저온으로 된 냉매는 초저온 열교환기(4)로부터 냉매 압축기(21) 쪽으로 복귀하는 냉매와 혼합되어 다시 저온 열교환기(3)에 공급되어 천연가스를 냉각시키고 냉매 복귀 라인을 통해 냉매 압축기(21), 더욱 상세하게는 냉매 압축기 상류측에 설치된 석션 드럼(23)에 복귀할 수 있다.

그에 따라 제1 실시형태의 변형예에서는, 제1 실시형태에 따른 액화장치에비해, 중간 세퍼레이터(25)에서 분리된 액체 성분을 저온 열교환기(3)에 공급하기 위한 별도의 냉매 공급 라인(도시생략)과, 이 별도의 냉매 공급 라인에 설치된 팽창밸브(도시생략)가 추가된다.

본 발명의 제1 실시형태 및 그 변형예에 따르면, 천연가스를 예냉시키는 저온 열교환기로서는 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기가 사용될 수 있고, 천연가스를 적어도 부분적으로 액화시키는 초저온 열교환기로서는 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger) 타입의 열교환기가 사용될 수 있다. 그러나, 초저온 열교환기로서 PFHE 타입의 열교환기가 사용되는 것으로 변형될 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시형태 및 그 변형예에 따르면 저온 열교환기(3)에서 냉각되어 부분적으로 응축된 천연가스로부터 중탄화수소 성분이 많은 NGL을 추출해 내는 공정이 함께 수행되고 있지만, 필요에 따라서는 별개의 공정으로 분리될 수도 있고, LNG 성분과 LPG 성분을 분리할 필요가 없는 경우에는 NGL 추출 공정은 생략될 수도 있다.

본 발명의 제1 실시형태의 변형예에 따르면 압축기에서 압축된 냉매를 3개로 분리(즉, 압축 도중의 중간 세퍼레이터(25)에서 분리된 액상의 냉매 분류, 압축기 및 응축기를 통과한 후 배출 세퍼레이터(27)에서 분리된 액상의 냉매 분류, 그리고 이 배출 세퍼레이터(27)에서 분리된 기상의 냉매 분류)하여 저온 열교환기(3)에 각각 공급하고 있다. 그러나, 제1 실시형태에 따르면, 압축 도중의 중간 세퍼레이터(25)에서 분리된 액상의 냉매 분류는 저온 열교환기(3)에 직접 공급되지 않고 압축기를 통과한 냉매와 혼합된 후 배출 세퍼레이터(27)에서 다시 기상과 액상의 냉매로 분리되어 2개의 공급 라인을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되고 있다.

이와 같은 제1 실시형태 및 그 변형예의 천연가스 액화방법 및 장치에 따르면, 질소와 탄화수소계로 이루어진 혼합냉매를 이용하여 단일의 폐쇄 루프를 구성하는 단일 혼합냉매 사이클(SMR; Single Mixed Refrigerant Cycle)을 해상환경의 특성에 맞게 구성하고, NGL(Natural Gas Liquid) 처리공정을 접목시켜 한정된 공간을 갖는 LNG FPSO 등의 부유식 구조물에 적절한 액화공정을 구현할 수 있게 된다.

(제2 실시형태)

계속해서 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시형태에 따른 천연가스 액화방법 및 장치를 더욱 상세하게 설명한다. 제2 실시형태에 따른 천연가스 액화장치를 설명함에 있어서 제1 실시형태에 따른 천연가스 액화장치와 동일하거나 유사한 구성에는 동일한 부재번호를 부여한다.

제2 실시형태에 따른 천연가스 액화장치도 전술한 제1 실시형태와 마찬가지로, 천연가스를 1차적으로 사전 냉각시키기 위한 웜 코어(warm core), 즉 저온 열교환기(3)와, 이 저온 열교환기(3)에서 저온으로 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 콜드 코어(cold core), 즉 초저온 열교환기(4)와, 냉매를 저온 열교환기(3) 및 초저온 열교환기(4)에 공급하여 천연가스와 열교환시킴으로써 천연가스를 액화시키기 위한 냉매 회로(5)를 포함한다.

전술한 제1 실시형태를 나타내는 도 2에서는 천연가스를 예냉시키는 저온 열교환기로서는 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기가 사용되고 천연가스를 적어도 부분적으로 액화시키는 초저온 열교환기로서는 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger) 타입의 열교환기가 사용되는 것으로 예시되어 있다. 그러나 본 제2 실시형태를 나타내는 도 3에서는 저온 열교환기와 초저온 열교환기 양쪽 모두 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기가 사용되는 것으로 예시되어 있다.

또한, 저온 열교환기(3) 및 초저온 열교환기(4)와 주변장치 및 파이프들은 하나의 콜드박스(cold box)(9) 내에 설치될 수 있으며, 그에 따라 열손실을 줄일 수 있어 바람직하다.

천연가스의 액화과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.

가스정에서 추출된 후 불순물 제거 등의 전처리 과정을 거친 천연가스는 천연가스 공급 라인(L11)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되며, 이 저온 열교환기(3)에서 냉매와의 열교환을 통해 1차적으로 냉각된다. 저온 열교환기(3)에서 냉각된 천연가스는 대략 -50 내지 60℃ 정도로 냉각될 수 있으며, 부분적으로 응축될 수 있다.

1차적으로 냉각된 천연가스는 천연가스 공급 라인(L11)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되며, 이 초저온 열교환기(4)에서 냉매와의 열교환을 통해 2차적으로 냉각된다. 초저온 열교환기(4)에서 냉각된 천연가스는 대부분 응축될 수 있으며, 감압 밸브(12) 및 LNG 리시버(LNG receiver; End Flash Drum 이라고도 함)(13)를 통하여 액상의 천연가스, 즉 액화천연가스(LNG)는 LNG 저장탱크로 이송되어 저장될 수 있다. 기상의 천연가스는 압축하여 부유식 구조물 내에 설치되어 있는 각종 발전기, 터빈 등의 연료가스로서 사용될 수 있다.

본 발명의 변형 실시예에 따르면, 저온 열교환기(3)에서 초저온 열교환기(4)로 이송되는 천연가스는 기액 분리기로서의 콜드 세퍼레이터(cold separator)(11)에서 기상의 천연가스와 액상의 천연가스로 분류된 후 기상의 천연가스만이 제1 기상 천연가스 공급 라인(L12)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급될 수 있다.

천연가스에는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 성분이 혼합되어 있으며, 탄소수가 많은 부탄, 프로판 등의 중탄화수소 성분의 액화점이 비교적 높고 탄소수가 적은 메탄, 에탄 등은 액화점이 비교적 낮다. 따라서 콜드 세퍼레이터(11)에서 분류된 기상의 천연가스에는 메탄이 많이 포함되어 있고, 액상의 천연가스에는 에탄, 프로판, 부탄 등의 LPG 성분이 많이 포함되어 있다.

콜드 세퍼레이터(11)로부터 분류된 액상의 천연가스는 계속해서 액상 천연가스 공급 라인(L13)을 통해 디메타나이저(demethanizer)(15)로 공급되고, 디메타나이저(15)에서 다시 기상과 액상으로 분류되어 기체 성분은 제2 기상 천연가스 공급 라인(L14)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되고 액체 성분은 NGL(Natural Gas Liquid) 상태로 판매될 수 있다. NGL은 다시 디부타나이저(debutanizer)(도시생략)에서 분류될 수 있는 등, 후공정을 통하여 에탄, 프로판, 부탄 등의 성분을 별도로 분리하여 판매될 수 있다.

냉매의 순환과정은 다음과 같이 수행될 수 있다.

냉매 압축기(21a, 21b)에서 압축되고 냉매 응축기(26)에서 적어도 부분적으로 응축된 냉매는 냉매 공급 라인을 통하여 저온 열교환기(3)에 공급되어 천연가스와 열교환될 수 있다. 저온 열교환기(3)에서 냉매는 천연가스로부터 열을 빼앗아 천연가스의 온도를 낮춘다. 도 2에 도시된 바와 같이 저온 열교환기(3)에 공급되는 냉매는 복수의 라인으로 분류되어 공급될 수 있다.

본 발명에 따르면 냉매 압축기(21a, 21b)와 냉매 응축기(26) 등이 설치되어 있는 압축부는 하나 이상 마련될 수 있으며, 본 실시형태에서는 하나의 압축부(20)가 마련된 것이 예시되어 있다. 압축부가 복수개 마련되면 액화장치의 구동시 부하 조정 측면에서 유리하고 하나의 압축부에 이상이 생기더라도 나머지 압축부에 의해 액화장치의 정상 가동이 가능하다.

압축부(20) 내에 설치된 냉매 압축기로서는 가스 터빈 혹은 스팀 터빈과 같은 구동수단(도시생략)에 의해 구동되는 다단 압축기가 사용될 수 있다. 본 실시형태에서는 제1 냉매 압축기(21a)와 제2 냉매 압축기(21b)로 이루어진 2단 압축기가 사용되는 것으로 도시되어 있지만 본 발명은 그것만으로 한정되지 않는다.

냉매 압축기(21a, 21b)가 구동되면, 이 냉매 압축기의 상류측에 설치되어 있는 석션 드럼(23)에 수용되어 있던 냉매가 우선 제1 냉매 압축기(21a)에 공급되어 압축된다. 냉매 압축기는 다단으로 구성되어 있으므로 1차 압축단계에서 중압으로 압축된 냉매는 중간 냉각기(24)에서 냉각된 후 다시 2차 압축단계, 즉 제2 냉매 압축기(21b)에서 고압으로 압축된다.

중간 냉각기(24)에서 냉매는 부분적으로 응축될 수 있으며, 이때 응축되는 성분은 주로 중탄화수소 성분들이다. 중간 냉각기(24)에서 부분적으로 응축된 냉매는 중간 세터레이터(25)에서 기상과 액상으로 분리되어 기체 성분은 2차 압축단계로 공급되고 액체 성분은 제1 냉매 공급 라인(L21)을 통해 제2 냉매 압축기(21b)에서 배출 세퍼레이터(27)로 공급되는 냉매와 합류될 수 있다.

한편, 제2 냉매 압축기(21b)에서 고압으로 압축된 기체 성분의 냉매는 냉매 응축기(26)(After Cooler 라고도 함)에서 온도가 하강되어 일부 중탄화수소 성분이 부분적으로 응축될 수 있으며, 부분적으로 응축된 냉매는 제1 냉매 공급 라인(L21)을 통해 공급된 냉매와 합류된 후 배출 세퍼레이터(Discharge Separator)(27)에서 다시 기상과 액상으로 분리되어 액체 성분은 제2 냉매 공급 라인(L22)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되고 기체 성분은 제3 냉매 공급 라인(L23)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급될 수 있다.

제2 냉매 공급 라인(L22)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급된 냉매 분류는 저온 열교환기(3)를 통과한 후 팽창 밸브(29)를 통해 팽창된다. 팽창 밸브(29)를 통과하면서 팽창되어 저온으로 된 냉매는 초저온 열교환기(4)로부터 냉매 압축기(21) 쪽으로 복귀하는 냉매와 제2 냉매 세퍼레이터(35)에서 혼합된 후 다시 저온 열교환기(3)에 공급되어 천연가스를 냉각시키고 냉매 복귀 라인을 통해 냉매 압축기(21), 더욱 상세하게는 냉매 압축기 상류측에 설치된 석션 드럼(23)에 복귀할 수 있다.

한편, 제3 냉매 공급 라인(L23)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급된 냉매 분류는 제1 냉매 세퍼레이터(31)에서 기상과 액상으로 분리되어 액체 성분은 제4 냉매 공급 라인(L24)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되고 기체 성분은 제5 냉매 공급 라인(L25)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급된다.

제4 냉매 공급 라인(L24)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되는 액상의 냉매는 초저온 열교환기(4)의 중간에서 외부로 빠져나와 팽창 밸브(32)를 통해 팽창되어 온도가 하강되도록 한 후에 제3 냉매 세퍼레이터(42)를 거쳐 다시 초저온 열교환기(4) 중간 내부로 공급될 수 있다. 제3 냉매 세퍼레이터(42)에서 냉매는 기상과 액상으로 분리된 후 액체 성분과 기체 성분은 별도의 라인을 통해 초저온 열교환기(4) 내부로 공급되며, 이때 액체 성분의 냉매와 기체 성분의 냉매는 초저온 열교환기(4) 내부로 들어가기 직전에 합류될 수 있다.

또한 제5 냉매 공급 라인(L25)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되는 기상의 냉매는 초저온 열교환기(4)를 통과한 후 팽창 밸브(33)를 통해 팽창되어 온도가 하강되도록 한 후에 제4 냉매 세퍼레이터(43)를 거쳐 다시 초저온 열교환기(4)의 내부로 공급된다. 제4 냉매 세퍼레이터(43)에서 냉매는 기상과 액상으로 분리된 후 액체 성분과 기체 성분은 별도의 라인을 통해 초저온 열교환기(4) 내부로 공급되며, 이때 액체 성분의 냉매와 기체 성분의 냉매는 초저온 열교환기(4) 내부로 들어가기 직전에 합류될 수 있다.

이와 같이 팽창 밸브(32, 33)를 통과한 냉매를 세퍼레이터에 의해 기체 성분과 액체 성분으로 나누어 공급하면, 공급되는 기체 성분의 냉매와 액체 성분의 냉매의 비율을 조절할 수 있어 유리하다. 또한, 초저온 열교환기(4)가 복수개 마련된 경우에 복수의 팽창 밸브(32) 및 복수의 팽창 밸브(33)로부터 각각 공급되어 온 냉매를 그대로 각 초저온 열교환기(4)에 공급할 경우에 특정 초저온 열교환기에는 액체 성분의 냉매가 상대적으로 많이 공급되고 다른 초저온 열교환기에는 기체 성분의 냉매가 상대적으로 많이 공급되어 초저온 열교환기의 운전조건이 각각 상이해지는 것을 방지할 수 있다.

팽창 밸브(32)와 제3 냉매 세퍼레이터(42)를 거쳐 다시 초저온 열교환기(4) 중간 내부로 공급된 냉매는 초저온 열교환기(4) 내에서 팽창 밸브(33)에 공급되는 냉매와 천연가스를 냉각시킨 후 자신은 가열되어 배출되며, 배출된 후 제1 냉매 복귀 라인(L31)을 거쳐 냉매 압축기(21a, 21b) 쪽으로 복귀한다. 한편, 팽창 밸브(33)와 제4 냉매 세퍼레이터(43)를 거쳐 다시 초저온 열교환기(4) 내부로 공급된 냉매는 초저온 열교환기(4) 내에서 천연가스를 냉각시킨 후 자신은 가열되어 배출되며, 배출된 후 제2 냉매 복귀 라인(L32)을 거쳐 냉매 압축기(21a, 21b) 쪽으로 복귀한다.

전술한 바와 같이 초저온 열교환기(4)로부터 냉매 압축기(21a, 21b) 쪽으로 복귀하는 냉매는, 저온 열교환기(3)를 통과한 후 팽창된 냉매와 제2 냉매 세퍼레이터(35)에서 혼합되어 저온 열교환기(3)에 공급된다.

여기에서, 특히 복수의 저온 열교환기(3)를 사용하는 경우에는 냉매가 제2 냉매 세퍼레이터(35)를 통해 저온 열교환기(3)에 복귀되도록 구성하는 것이 유리하다. 복귀 냉매(즉, 초저온 열교환기로부터 냉매 압축기 쪽으로 이동하는 냉매)는 제2 냉매 세퍼레이터(35)에서 기상과 액상으로 분리되어 액체 성분은 제3 냉매 복귀 라인(L33)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되고 기체 성분은 제4 냉매 복귀 라인(L34)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급된다.

또한, 초저온 열교환기(4)로부터 저온 열교환기(3)에 공급되는 냉매는 제2 냉매 세퍼레이터(35)를 거쳐 이송되기 때문에, 액화장치가 비상 정지되더라도 관성에 의해 초저온 열교환기(4)의 차가운 냉매가 그대로 저온 열교환기(3)에 유입되는 것이 방지될 수 있다. 그에 따라 제2 냉매 세퍼레이터(35)는 열 충격에 대한 안전장치로서의 기능을 수행할 수 있다.

기액 혼합 상태의 냉매를 그대로 복수의 저온 열교환기에 나눠 공급할 경우에는 특정 저온 열교환기에는 기체 상태의 냉매가 상대적으로 많이 공급되고 또 다른 저온 열교환기에는 액체 상태의 냉매가 상대적으로 많이 공급되어 각각의 저온 열교환기마다 운전조건이 상이해질 우려가 있다.

저온 열교환기(3)가 복수인 경우에 기체 성분과 액체 성분을 별도로 공급하도록 구성하면, 각각의 저온 열교환기(3)에 동일한 분량의 기체 성분과 액체 성분이 공급되도록 할 수 있어 바람직하다.

복귀하는 냉매는 저온 열교환기(3)에 공급되기 직전에 기체 성분과 액체 성분이 혼합되어 저온 열교환기(3)를 통과할 수 있다. 저온 열교환기(3)를 통과하면서 초저온 열교환기(4) 쪽으로 공급되는 천연가스와 공급 냉매(즉, 냉매 압축기로부터 초저온 열교환기 쪽으로 이동하는 냉매)를 냉각시키면서 가열된 복귀 냉매는 제5 냉매 복귀 라인(L35)을 통해 석션 드럼(23)으로 복귀된다.

한편, 본 발명의 제2 실시형태의 변형예에 따르면, 중간 냉각기(24)에서 부분적으로 응축된 냉매는 중간 세퍼레이터(25)에서 기상과 액상으로 분리되어 기체 성분은 2차 압축단계로 공급되고 액체 성분은 별도의 냉매 공급 라인(도시생략)을 통해 저온 열교환기(3)에 공급되는 것으로 변형될 수 있다.

이때, 별도의 냉매 공급 라인을 통해 중간 세퍼레이터(25)에서 저온 열교환기(3)에 공급된 냉매는 저온 열교환기(3)를 통과한 후 팽창 밸브를 통해 팽창될 수 있다. 팽창 밸브를 통과하면서 팽창되어 저온으로 된 냉매는 초저온 열교환기(4)로부터 냉매 압축기(21) 쪽으로 복귀하는 냉매와 혼합되어 다시 저온 열교환기(3)에 공급되어 천연가스를 냉각시키고 냉매 복귀 라인을 통해 냉매 압축기(21), 더욱 상세하게는 냉매 압축기 상류측에 설치된 석션 드럼(23)에 복귀할 수 있다.

그에 따라 제2 실시형태의 변형예에서는, 제2 실시형태에 따른 액화장치에 비해, 중간 세퍼레이터(25)에서 분리된 액체 성분을 저온 열교환기(3)에 공급하기 위한 별도의 냉매 공급 라인(도시생략)과, 이 별도의 냉매 공급 라인에 설치된 팽창밸브(도시생략)가 추가된다.

한편, 본 발명의 제2 실시형태의 다른 변형예에 따르면, 제2 실시형태에 따른 천연가스 액화장치에 비해 복수의 압축부가 구비되는 것으로 변형될 수 있으며, 제3 및 제4 냉매 세퍼레이터를 사용하지 않는 것으로 변형될 수 있다.

제2 실시형태의 다른 변형예에 따르면, 전술한 제1 실시형태에서와 같이, 냉매 압축기(21a, 21b), 냉매 응축기(26), 중간 세퍼레이터(25), 배출 세퍼레이터(27), 석션 드럼(23) 등을 포함하는 복수개의 압축부(예컨대, 제1 압축부(20a) 및 제2 압축부(20b); 도 2 참조)가 마련될 수 있다. 이때, 제2 압축부(20b)의 구성은 제1 압축부(20a)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 도 2에서는 2개의 압축부가 도시되어 있지만, 압축부의 개수는 3개 이상일 수 있음은 물론이다.

또한, 제2 실시형태의 다른 변형예에 있어서는, 제3 냉매 세퍼레이터(42)와 제4 냉매 세퍼레이터(43)가 삭제될 수 있다. 따라서, 제4 냉매 공급 라인(L24)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되는 액상의 냉매는 초저온 열교환기(4)의 중간에서 외부로 빠져나와 팽창 밸브(32)를 통해 팽창되어 온도가 하강되도록 한 후에 곧바로 초저온 열교환기(4) 중간 내부로 공급된다. 또한, 제5 냉매 공급 라인(L25)을 통해 초저온 열교환기(4)에 공급되는 기상의 냉매는 초저온 열교환기(4)를 통과한 후 팽창 밸브(33)를 통해 팽창되어 온도가 하강되도록 한 후에 곧바로 초저온 열교환기(4)의 내부로 공급된다.

초저온 열교환기가 복수개인 경우, 복수의 초저온 열교환기로부터 나온 냉매 라인은 각각의 초저온 열교환기별로 냉매 라인과 팽창 밸브를 구성하여 동일한 복수의 초저온 열교환기로 복귀하는 라인을 형성하여 공급됨으로써 액체 냉매와 기체 냉매의 불균일한 공급을 방지하여 각각의 초저온 열교환기의 운전조건이 상이해지는 것을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시형태 및 그 변형예들에 따르면, 천연가스를 예냉시키는 저온 열교환기와 천연가스를 적어도 부분적으로 액화시키는 초저온 열교환기로서 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기가 사용될 수 있다. 그러나, PFHE 타입 이외의 열교환기가 사용되는 것으로 변형될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명의 제2 실시형태 및 그 변형예들에 따르면 저온 열교환기(3)에서 냉각되어 부분적으로 응축된 천연가스로부터 중탄화수소 성분이 많은 NGL을 추출해 내는 공정이 함께 수행되고 있지만, 필요에 따라서는 별개의 공정으로 분리될 수도 있고, LNG 성분과 LPG 성분을 분리할 필요가 없는 경우에는 NGL 추출 공정은 생략될 수도 있다.

이와 같은 제2 실시형태 및 그 변형예들의 천연가스 액화방법 및 장치에 따르면, 질소와 탄화수소계로 이루어진 혼합냉매를 이용하여 단일의 폐쇄 루프를 구성하는 단일 혼합냉매 사이클(SMR; Single Mixed Refrigerant Cycle)을 해상환경의 특성에 맞게 구성하고, NGL(Natural Gas Liquid) 처리공정을 접목시켜 한정된 공간을 갖는 LNG FPSO 등의 부유식 구조물에 적절한 액화공정을 구현할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 천연가스 액화방법 및 장치를, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1: 천연가스 액화장치, 2: 부유식 구조물, 3: 저온 열교환기, 4: 초저온 열교환기, 5: 냉매 회로, 9: 콜드박스, 11: 콜드 세퍼레이터, 12: 감압 밸브, 13: LNG 리시버, 15: 디메타나이저, 20: 압축부, 21a: 제1 냉매 압축기, 21b: 제2 냉매 압축기, 23: 석션 드럼, 24: 중간 냉각기, 25: 중간 세퍼레이터, 26: 냉매 응축기, 28, 29: 팽창 밸브, 31: 제1 냉매 세퍼레이터, 32, 33: 팽창 밸브, 35: 제2 냉매 세퍼레이터, 42: 제3 냉매 세퍼레이터, 43: 제3 냉매 세퍼레이터, L11: 천연가스 공급 라인, L12: 제1 기상 천연가스 공급 라인, L13: 액상 천연가스 공급 라인, L14: 제2 기상 천연가스 공급 라인, L21: 제1 냉매 공급 라인, L22: 제2 냉매 공급 라인, L23: 제3 냉매 공급 라인, L24: 제4 냉매 공급 라인, L25: 제5 냉매 공급 라인, L31: 제1 냉매 복귀 라인, L32: 제2 냉매 복귀 라인, L33: 제3 냉매 복귀 라인, L34: 제4 냉매 복귀 라인, L35: 제5 냉매 복귀 라인

Claims (20)

1. 천연가스를 열교환 수단에서 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서,
   상기 열교환 수단은, 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와, 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기를 포함하며,
   상기 초저온 열교환기에서 천연가스에 의해 가열된 냉매는 상기 저온 열교환기에 공급되어 상기 초저온 열교환기에 공급되기 전의 천연가스를 예냉하되, 상기 초저온 열교환기로부터 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는 열충격 방지수단을 경유함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하며,
   상기 저온 열교환기에서 저온으로 냉각된 천연가스를 기체 상태의 천연가스와 액체 상태의 천연가스로 분리하여 기체 상태의 천연가스를 상기 초저온 열교환기에 공급하는 콜드 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 저온 열교환기 및 상기 초저온 열교환기는 하나의 콜드박스 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열충격 방지수단은 상기 초저온 열교환기로부터 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매를 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매로 분리하기 위한 기액 분리기인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉매는 상기 저온 열교환기 및 상기 초저온 열교환기를 순차적으로 통과하여 천연가스를 적어도 부분적으로 액화시킨 후 다시 상기 저온 열교환기를 경유하여 복귀되는 단일의 폐쇄 회로로 이루어지는 냉매 회로를 따라 순환하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 콜드 세퍼레이터에서 분리된 액체 상태의 천연가스를 성분별로 분리하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 저온 열교환기는 복수개 설치되고, 상기 기액 분리기를 통해 분리된 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매는 각각 별개의 공급 라인을 통해 복수의 상기 저온 열교환기에 공급되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 냉매 회로는, 천연가스와의 열교환을 통해 천연가스를 냉각시키는 냉매를 압축시키기 위한 냉매 압축기와 압축된 냉매를 응축시키기 위한 냉매 응축기를 포함하는 압축부를, 하나 이상 가지는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 압축부에서 상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는 배출 세퍼레이터를 통해 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매로 분리되어 공급되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    냉매를 압축시키기 위한 냉매 압축기와, 압축된 냉매를 응축시키기 위한 냉매 응축기를 더 포함하며, 상기 냉매 압축기는 다단 압축기인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 저온 열교환기에 공급되는 냉매는, 다단의 상기 냉매 압축기 사이의 중간 냉각기에 의해 냉각되어 부분적으로 응축된 냉매 중에서 중간 세퍼레이터에 의해 분리된 액체 상태의 냉매를 상기 저온 열교환기에 공급하는 제1 냉매 공급 라인과, 상기 중간 세퍼레이터에 의해 분리된 기체 상태의 냉매를 다시 상기 냉매 압축기에 의해 압축하고 상기 냉매 응축기에 의해 부분적으로 응축시킨 후 배출 세퍼레이터에서 분리된 액체 상태의 냉매를 상기 저온 열교환기에 공급하는 제2 냉매 공급 라인과, 상기 배출 세퍼레이터에서 분리된 기체 상태의 냉매를 상기 저온 열교환기에 공급하는 제3 냉매 공급 라인을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3 냉매 공급 라인을 통해 상기 저온 열교환기에 공급된 냉매는 상기 초저온 열교환기로부터 복귀하는 냉매에 의해 냉각되어 부분적으로 응축되고, 제1 냉매 세퍼레이터에 의해 기체 상태의 냉매와 액체 상태의 냉매로 분리되고 각각 팽창된 후 상기 초저온 열교환기에서 천연가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉매 공급 라인을 통해 상기 저온 열교환기에 공급된 냉매는 팽창된 후 상기 저온 열교환기에 다시 공급되어 천연가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 팽창된 냉매는 상기 초저온 열교환기에서 상기 저온 열교환기로 공급되는 냉매와 상기 열충격 방지수단에서 혼합되어 상기 저온 열교환기로 복귀하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
15. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온 열교환기 및 상기 초저온 열교환기는 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
16. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온 열교환기는 PFHE(Plate Fin Heat Exchanger) 타입의 열교환기이고, 상기 초저온 열교환기는 SWHE(Spiral Wound Heat Exchanger) 타입의 열교환기인 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
17. 해상에서 부유된 채 사용되는 부유식 구조물 상에서 천연가스를 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화장치로서,
    상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와;
    상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기와;
    상기 초저온 열교환기와 상기 저온 열교환기 사이에 배치되어 상기 초저온 열교환기로부터 배출된 초저온 상태의 냉매가 직접 상기 저온 열교환기에 공급되지 않도록 함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 열충격 방지수단과;
    상기 저온 열교환기에서 저온으로 냉각된 천연가스를 기체 상태의 천연가스와 액체 상태의 천연가스로 분리하여 기체 상태의 천연가스를 상기 초저온 열교환기에 공급하는 콜드 세퍼레이터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화장치.
18. 해상에서 부유된 채 사용되는 부유식 구조물로서,
    상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 가스정에서 추출된 천연가스를 저온으로 냉각시키기 위한 저온 열교환기와;
    상기 부유식 구조물의 상부 갑판에 배치되어 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 더욱 냉각시켜 액화시키기 위한 초저온 열교환기와;
    상기 초저온 열교환기와 상기 저온 열교환기 사이에 배치되어 상기 초저온 열교환기로부터 배출된 초저온 상태의 냉매가 직접 상기 저온 열교환기에 공급되지 않도록 함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하는 열충격 방지수단과;
    상기 저온 열교환기에서 저온으로 냉각된 천연가스를 기체 상태의 천연가스와 액체 상태의 천연가스로 분리하여 기체 상태의 천연가스를 상기 초저온 열교환기에 공급하는 콜드 세퍼레이터;
    를 포함하는 천연가스 액화장치를 가지는 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 부유식 구조물은 LNG FPSO인 것을 특징으로 하는 부유식 구조물.
20. 천연가스를 열교환 수단에서 냉매와 열교환시킴으로써 액화시키기 위한 천연가스 액화방법으로서,
    가스정에서 추출된 천연가스를 저온 열교환기에서 저온으로 냉각시키고, 상기 저온 열교환기에서 냉각된 천연가스를 초저온 열교환기에서 더욱 냉각시켜 적어도 부분적으로 액화시키고, 상기 초저온 열교환기에서 천연가스에 의해 가열된 냉매를 열충격 방지수단에서 더욱 가열하여 상기 저온 열교환기에 공급함으로써 상기 저온 열교환기를 열충격으로부터 보호하며,
    상기 저온 열교환기에서 저온으로 냉각된 천연가스는 콜드 세퍼레이터에서 기체 상태의 천연가스와 액체 상태의 천연가스로 분리되고, 기체 상태의 천연가스는 상기 초저온 열교환기에 공급되는 것을 특징으로 하는 천연가스 액화방법.

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