KR102087179B1

KR102087179B1 - 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법

Info

Publication number: KR102087179B1
Application number: KR1020180115132A
Authority: KR
Inventors: 김용훈; 장재형; 신현준; 손재욱
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-03-10

Abstract

본 발명은, 메탄을 주성분으로 하는 증발가스를 직접 냉매로 활용해 증발가스의 전부를 재액화시키는 재액화 장치의 운전 방법에 관한 것으로, 운전 정지 시에도 증발가스 냉매를 액화가스 저장탱크로 배출시키지 않으며 냉매의 재충전 없이 재작동시킬 수 있는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법은, 증발가스를 제1 증발가스 압축기를 이용하여 선박용 저압 가스엔진에서 요구하는 압력까지 압축하여 상기 선박용 저압 가스엔진의 연료로 공급하고, 연료로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스는 재액화시켜 회수하는 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 있어서, 상기 나머지 압축 증발가스를 재액화시키기 위해 냉열이 추가로 필요할 때에는, 상기 나머지 압축 증발가스 중 일부를 분기시켜 증발가스 냉매로 사용하되, 상기 증발가스 냉매를 팽창시켜 상기 압축 증발가스와 열교환시킴으로써 상기 압축 증발가스를 냉각시키며, 상기 압축 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 증발가스 냉매는 제1 증발가스 압축기의 리던던시로서 설치되는 제2 증발가스 압축기를 이용하여 압축시킴으로써 냉매 사이클을 형성하되, 상기 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에도, 상기 냉매 사이클로 분기된 증발가스 냉매를 배출시키지 않고 중압으로 유지시킨다.

Description

선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법 {Control Method for Methane Refrigerant System-Full re-liquefaction}

본 발명은, 메탄을 주성분으로 하는 증발가스를 직접 냉매로 활용해 증발가스의 전부를 재액화시키는 재액화 장치의 운전 방법에 관한 것으로, 운전 정지 시에도 증발가스 냉매를 액화가스 저장탱크로 배출시키지 않으며 냉매의 재충전 없이 재작동시킬 수 있는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는, 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 연소 시 환경오염 물질의 배출이 거의 없어 친환경 연료로서 주목 받고 있다. 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 천연가스를 상압 하에서 약 -163℃로 냉각시켜 액화시킴으로써 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 부피가 약 1/600로 줄어들기 때문에, 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다. 따라서, 천연가스는 주로 저장 및 이송이 용이한 액화천연가스 상태로 저장 및 이송된다.

천연가스의 액화점은 상압 하 약 -163℃의 극저온이므로, LNG 저장탱크는 LNG가 액체 상태를 유지하도록 단열처리되는 것이 일반적이다. 그러나, LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열을 차단하는 데에는 한계가 있고, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

LNG 저장탱크에서 증발가스가 지속적으로 생성되면, LNG 저장탱크의 내압을 상승시키는 요인이 된다. 저장탱크의 내압이 설정된 안전압력 이상이 되면 탱크 파손(rupture) 등 위급상황을 초래할 수 있으므로, 안전밸브를 이용하여 증발가스를 저장탱크 외부로 배출시켜야만 한다. 그러나, 증발가스는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이므로, 배출시킨 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.

최근에는, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료 수요처에서 사용하는 방법, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 방법 또는 이러한 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.

증발가스를 선박의 엔진에서 사용하는 방법에 있어서, 증발가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로는, 이중연료 엔진(Dual Fuel Engine)으로서, 대표적으로, ME-GI(MAN Electronic Gas Injection) 엔진, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진 등이 있다.

ME-GI 엔진은, 2-행정(2-stroke) 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용된다. 또한, ME-GI 엔진은 약 300 bar 정도의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(diesel cycle)을 채택하고 있다.

한편, X-DF 엔진은, 2-행정 사이클을 사용하며, 추진용으로 주로 사용되고, ME-GI 엔진과 마찬가지로 선박의 추진을 위해 프로펠러를 직접 구동하는 방식이다. 또한, X-DF 엔진은, 약 16 bar 내지 20 bar 정도의 저압 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클(otto cycle)을 채택하고 있다.

DFDE 엔진은, 4-행정(4-stroke) 사이클을 사용하며, 발전용으로 주로 사용된다. 또한, DFDE 엔진은 약 6.5 bar 정도의 저압 천연가스를 연소용 공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축시키는 오토 사이클을 채택하고 있다.

엔진의 연료로 공급하고 남은 나머지 증발가스는, 재액화시켜 LNG 저장탱크로 회수할 수 있다. 증발가스를 재액화시키는 방법으로는, 별도의 냉매 사이클을 구비하여 증발가스와 냉매의 열교환으로 증발가스를 재액화시키는 방법, 별도의 냉매 사이클을 구비하지 않고 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법이 있다.

증발가스 자체를 냉매로 사용하여 재액화시키는 방법으로서, 약 300 bar의 고압으로 압축된 증발가스를 압축 전 증발가스와 열교환시키고, 열교환에 의해 압축 증발가스가 냉각되면서, 증발가스가 부분적으로 재액화되는 '부분 재액화 시스템(PRS; Partial Reliquefaction System)'을 적용할 수 있다.

선박의 추진엔진으로서, 300 bar 정도로 압축된 증발가스를 연료로 사용하는 ME-GI 엔진 등 고압 가스엔진이 사용되는 경우에는, 엔진용으로 구비되는 고압 압축기에서 300 bar로 압축된 증발가스 중, 엔진으로 공급하고 남은 증발가스를 재액화시키면 되므로, 증발가스를 고압으로 압축시키는 데에 대한 어려움이 없다.

한편, 선박의 추진엔진으로서, 약 16 bar 내지 20 bar의 저압으로 압축된 증발가스를 연료로 사용하는 X-DF 엔진 등 저압 가스엔진이 사용되는 경우에는, 엔진용으로 구비되는 압축기가 저압 압축기이므로, 부분 재액화 시스템 적용을 위해서는 증발가스를 300 bar 이상으로 압축시키기 위한 별도의 고압 압축기가 추가로 필요하다. 따라서, 증발가스의 재액화만을 위해서 고가의 고압 압축기를 추가로 설치하는 것은 비효율적이다.

증발가스 자체를 냉매로 사용하여 재액화시키는 또 다른 방법으로서, 약 20 bar로 압축된 증발가스 중 일부를 냉매로 사용하는 냉매 사이클을 구비하고, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매를 이용하여, 엔진으로 공급하고 남은 압축 증발가스를 냉각시킴으로써, 증발가스를 전량 재액화시킬 수 있는 '전체 재액화 시스템(MRS-F; Methane Refrigerant System-Full re-liquefaction)'을 적용할 수 있다.

부분 재액화 시스템을 적용하는 경우, 앵커링(anchoring) 등 엔진의 연료 소모량이 없어 재액화시킬 증발가스의 양이 많은 경우에는, 증발가스의 전량을 재액화시키기 어렵고, 재액화시키지 못하고 남은 잉여의 증발가스는 연소시켜 대기 중으로 방출시키거나, LNG 저장탱크 내에서 유지시켜야 하는 반면, 전체 재액화 시스템은 증발가스의 일부를 냉매 사이클로 순환시키므로, 재액화시킬 증발가스의 양이 많아도 증발가스를 전량 재액화시킬 수 있다.

한편, 전체 재액화 시스템을 적용하는 경우, 냉매 사이클을 작동시키다가 정지시키면, 증발가스 냉매가 유동하는 라인을 상압 상태로 만들기 위해, 냉매 사이클을 순환하고 있던 증발가스 냉매를 모두 LNG 저장탱크로 벤팅(venting)시켜야 하고, 냉매 사이클을 다시 작동시키려면, 냉매 사이클로 증발가스 냉매를 충전시켜 사용한다.

이와 같이, 전체 재액화 시스템의 운전 정지 후 재작동시에는, 증발가스 냉매 충전을 위한 시간이 소비되고, 증발가스 냉매를 새로 충전하면 냉매 성분이 변경되어 재액화 성능이 바뀔 가능성이 있으며, 증발가스 냉매를 LNG 저장탱크로 벤팅시킬 때, LNG 저장탱크로 윤활유 등 불순물이 유입되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 부분 재액화를 통해 처리하지 못하는 잉여의 증발가스까지도 전체 재액화시킬 수 있도록 하면서도, 재액화 장치의 증발가스 냉매를 벤팅시키지 않아도 되는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 증발가스를 제1 증발가스 압축기를 이용하여 선박용 저압 가스엔진에서 요구하는 압력까지 압축하여 상기 선박용 저압 가스엔진의 연료로 공급하고, 연료로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스는 재액화시켜 회수하는 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 있어서, 상기 나머지 압축 증발가스는, 압축 전 증발가스와 열교환시켜 재액화시키며, 상기 나머지 압축 증발가스를 재액화시키기 위해 냉열이 추가로 필요할 때에는, 상기 나머지 압축 증발가스 중 일부를 분기시켜 증발가스 냉매로 사용하되, 상기 증발가스 냉매는 팽창시켜 상기 압축 증발가스를 냉각시키며, 상기 압축 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 증발가스 냉매는 제1 증발가스 압축기의 리던던시로서 설치되는 제2 증발가스 압축기를 이용하여 압축시킴으로써 냉매 사이클을 형성하되, 상기 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에도, 상기 냉매 사이클로 분기된 증발가스 냉매를 배출시키지 않고 중압으로 유지시키는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에는, 상기 증발가스 냉매를 상기 냉매 사이클로부터 벤팅시키는 압력 조절 밸브가 자동 개방되지 않도록 강제 폐쇄시켜, 상기 압력 조절 밸브를 폐쇄 상태를 유지시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에는, 상기 제2 증발압축기의 작동을 중지시켜, 상기 냉매 사이클을 중압으로 유지시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉매 사이클을 작동시킬 때에는, 상기 압축 증발가스를 냉매 팽창기를 이용하여 등엔트로피 팽창시키고, 팽창에 의해 온도가 낮아진 증발가스 냉매, 상기 재액화시킬 증발가스 및 상기 팽창 전 증발가스 냉매를 열교환시켜, 상기 재액화시킬 증발가스를 재액화시키고, 상기 팽창 전 증발가스 냉매를 냉각시키며, 상기 열교환에 의해 온도가 높아진 증발가스 냉매는, 상기 냉매 팽창기의 동력을 이용하여 압축시켜 상기 제2 증발가스 압축기로 공급하고, 상기 제2 증발가스 압축기를 이용하여 상기 증발가스 냉매를 압축시켜 상기 냉매 팽창기로 순환시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 압력 조절 밸브는, 상기 증발가스가 생성되는 액화가스 저장탱크의 베이퍼 헤더(vapor header)와 상기 냉매 사이클의 연결을 개폐할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 선박용 저압가스 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 제1 증발가스 압축기; 상기 제1 증발가스 압축기에서 압축된 압축 증발가스 중 상기 선박용 저압가스 엔진으로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스를 압축 전 증발가스와 열교환시켜 상기 압축 증발가스를 냉각시키는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 냉각된 압축 증발가스를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매와 열교환시켜 재액화시키는 제2 열교환기;를 포함하고, 상기 제2 열교환기를 포함하는 냉매 사이클은, 상기 제1 증발가스 압축기의 리던던시로서 설치되며 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스 중 냉매로 사용할 증발가스를 압축시켜 순환시키는 제2 증발가스 압축기; 및 상기 제2 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 팽창시키는 냉매 팽창기;로 구성되며, 개폐 조절에 의해 상기 냉매 사이클과 상기 액화가스 저장탱크의 베이퍼 헤더가 연결 또는 차단되도록 제어되는 제1 압력 조절밸브;를 더 포함하되, 상기 제1 압력 조절밸브는, 상기 냉매 사이클이 가동될 때 폐쇄상태가 유지되고, 상기 냉매 사이클의 가동을 단기간 중지시킬 때에도 자동 개방되지 않고 폐쇄상태가 유지되도록 제어되어, 상기 냉매 사이클이 가동되지 않을 때에도, 상기 냉매 사이클을 순환하는 냉매가 상기 액화가스 저장탱크로 벤팅되지 않도록 제어되는, 선박의 증발가스 재액화 장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 제2 증발가스 압축기는, 상기 냉매 사이클의 가동이 중지될 때 작동이 정지되도록 제어되고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매는 중압을 유지할 수 있다.

본 발명의 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 의하면, 운전 정지 시에도 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매를 액화가스 저장탱크로 벤팅시키지 않아도 되므로, 액화가스 저장탱크로 윤활유 등 불순물이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 운전 정지시에도 증발가스 냉매를 벤팅시키지 않아도 되므로, 재작동시에도 냉매 사이클에 증발가스 냉매를 재충전시키지 않아도 된다. 따라서, 증발가스 냉매의 재충전 시간을 소비하지 않아도 된다.

또한, 증발가스 냉매 재충전 시, 중탄화수소 성분이 유입되어, 냉매 사이클 운전 중 액적이 발생하여 냉매 팽창기의 블레이드가 손상되는 문제 등을 방지할 수 있다.

또한, 증발가스 냉매의 재충전 시, 냉매 사이클 내 증발가스 냉매 성분이 변경되어 재액화 성능이 바뀌는 문제를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 의하면, 재액화시킬 증발가스의 양이 많아도 증발가스를 전부 재액화시켜 회수할 수 있다.

도 1은 선박의 증발가스 재액화 장치를 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 상태를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 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.

도 1은 선박의 증발가스 재액화 장치를 간략하게 도시한 구성도이며, 도 2는 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법 설명하기로 한다.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치된 모든 종류의 선박일 수 있다. 또한, 액화가스를 연료로 사용하는 선박이라면 그 형태를 불문하고 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 적용될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 액화가스 운반선 또는 액체수소 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 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 액화석유화학가스일 수 있다. 이러한 액화 공정에서 불순물을 제거하므로, 청정연료로서의 가치가 있다. 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 엔진은, 저압가스 엔진을 포함한다. 예를 들어, 저압가스 엔진은, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진일 수 있다.

즉, 후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스 연료는, LNG인 것을 예로 들어 설명하기로 하고, 선박은 LNG 운반선인 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 저압가스 엔진은 X-DF 엔진인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 후술하는 본 발명의 실시예에서 각 라인을 유동하는 유체는, 특별한 언급이 없더라도 시스템의 운용 조건에 따라, 액체 상태, 기체 상태, 또는 기액 혼합 상태일 수 있으며, 초임계 유체 상태일 수도 있다.

본 실시예의 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법은, 도 1에 도시된 선박의 증발가스 재액화 장치를 운전하는데에 적용될 수 있다.

도 1에 도시된 선박의 증발가스 재액화 장치는, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 X-DF 엔진; X-DF 엔진에서 요구하는 압력으로 증발가스를 압축하여, 압축 증발가스를 X-DF 엔진으로 공급하는 증발가스 압축기(300); 증발가스 압축기(300) 에서 압축된 증발가스 중에서, X-DF 엔진으로 공급하고 남은 압축 증발가스를, 증발가스 압축기(300)로 공급되는 압축 전 증발가스와의 열교환에 의해 냉각시키는 제1 열교환기(200); 제1 열교환기(200)에서 냉각된 증발가스를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키는 제2 열교환기(400); 제2 열교환기(400)로 증발가스 냉매를 순환시키는 냉매 사이클; 제2 열교환기(400)에서 냉각된 증발가스를 LNG 저장탱크(100)의 저장압력까지 감압시키는 감압 수단(500); 및 감압 수단(500)에 의해 재액화 증발가스를 감압시키는 과정에서 생성된 플래시 가스(flash gas)를 기액분리하여, 액체 상태의 재액화 증발가스만을 LNG 저장탱크(100)로 공급하는 기액 분리기(600);를 포함한다.

본 실시예의 증발가스 압축기(300)는, 주로 사용되는 메인 증발가스 압축기와, 리던던시로서 구비되는 보조 증발가스 압축기를 포함한다. 즉, 증발가스 압축기(300)는 둘 이상이 병렬로 설치되며, 적어도 하나의 증발가스 압축기는 X-DF 엔진의 연료로서 공급할 증발가스를 압축하고, 나머지 증발가스 압축기는 메인 증발가스 압축기의 고장 등 메인 증발가스 압축기를 사용할 수 없을 때, 증발가스를 압축시켜 X-DF 엔진의 연료로 공급할 수 있도록 스탠바이 상태에 있거나 운전 정지되어 있을 수 있다.

본 실시예의 냉매 사이클이 작동될 때, 메인 증발가스 압축기를 제외한 나머지 증발가스 압축기 중 적어도 하나의 증발가스 압축기는 냉매 사이클에 포함되며, 냉매 사이클이 작동될 때, 증발가스 냉매를 압축시키는 역할을 할 수 있다.

본 실시예에서는, 메인 증발가스 압축기, 즉, 증발가스를 압축하여 X-DF 엔진으로 공급하는 압축기는 제1 증발가스 압축기(303)이고, 제1 증발가스 압축기(303)의 리던던시이며 냉매 사이클에 포함되어 증발가스 냉매를 압축하는 압축기는 제2 증발가스 압축기(301)인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

증발가스 압축기(300)의 각 후단에는 압축과정에서 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키는 쿨러가 설치된다. 즉, 제1 증발가스 압축기(303)의 후단에는 제1 쿨러(304);가 설치되고, 제2 증발가스 압축기(301)의 후단에는 제2 쿨러(302);가 설치된다. 이하, 따로 설명하지 않더라도, 압축 공정 이후에는 압축에 의해 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키는 냉각 공정이 수반되는 것으로 이해될 수 있다.

본 실시예에 따르면, LNG 저장탱크(100)에서 생성된 증발가스는, 증발가스 압축기(300)로 공급하고, 증발가스 압축기(300)에서 X-DF 엔진에서 요구하는 압력, 즉, 약 16 bar 내지 20 bar로 압축한다. 증발가스 압축기(300)에서 압축한 증발가스는 X-DF 엔진의 연료로 공급한다.

X-DF 엔진에서 요구하는 연료량을 초과하는 양의 나머지 압축 증발가스는 재액화 라인(RL)으로 분기시키고, 재액화 압축기(305)를 이용하여 가압(boosting)시켜 제1 열교환기(200)로 공급한다. 마찬가지로 재액화 압축기(305)의 후단에서는, 제1 열교환기(200)로 공급되는 압축 증발가스를 냉각시키는 제3 쿨러(306)가 설치된다.

재액화 압축기(305) 및 제3 쿨러(306)를 통과하면서 압력 및 온도가 조정된 압축 증발가스는 제1 열교환기(200)에서, LNG 저장탱크(100)로부터 증발가스 압축기(300)로 공급되는 압축 전 증발가스와 열교환시킨다. 제1 열교환기(200)에서의 열교환에 의해 압축 증발가스는 냉각되고 압축 전 증발가스는 냉열이 회수되어 온도가 상승한다.

제1 열교환기(200)에서 냉각된 압축 증발가스는 제2 열교환기(400)로 공급하고, 제2 열교환기(400)에서 열교환에 의해 압축 증발가스의 전량이 액화될 수 있다.

제2 열교환기(400)는, 제1 열교환기(200)에서의 열교환만으로는 압축 증발가스를 모두 재액화시킬 수 없을 때 사용될 수 있으며, 재액화시킬 증발가스의 양이 제1 열교환기(200)에서의 열교환만으로도 충분히 재액화시킬 수 있다면, 제2 열교환기(400)를 포함한 냉매 사이클을 가동시키지 않을 수 있다.

제1 열교환기(200) 또는 제1 열교환기(200)와 제2 열교환기(400)를 통과하면서 전량이 액화된 재액화 증발가스는 감압 수단(500)으로 공급하며, 감압 수단(500)을 이용하여, 재액화 증발가스를 LNG 저장탱크의 저장압력, 예를 들어 약 1 bar로 감압시킨다.

감압 수단(500)은 줄-톰슨 밸브일 수 있고, 감압과정에서 줄-톰슨 효과에 의해 재액화 증발가스의 온도는 더 낮아질 수 있다.

감압 과정에서 플래시 가스가 생성될 수 있으며, 기액 분리기(600)를 이용하여 기액 분리한 후, 분리된 플래시 가스는 제1 열교환기(200)로 공급하여 다시 증발가스 압축기(300)에서 압축되도록 하고, 분리된 액체 상태의 재액화 증발가스는 LNG 저장탱크(100)로 회수한다.

제2 열교환기(400)에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 증발가스 압축기(300)에서 압축된 압축 증발가스 중, X-DF 엔진의 연료로 공급하고 남은 잉여의 증발가스 중에서, 재액화 라인(RL)으로 분기된 재액화시킬 증발가스를 전량 재액화시키기 위해 필요한 유량만큼, 냉매 라인(ML)으로 분기시킨 증발가스 냉매와, 재액화 라인(RL)을 통해 유동하면서 제1 열교환기(200)에서 1차로 냉각된 압축 증발가스가 열교환한다.

제2 열교환기(400)에서의 열교환에 의해, 재액화 라인(RL)을 따라 유동하는 압축 증발가스를 온도가 낮아지고, 냉매 라인(ML)을 따라 유동하는 증발가스 냉매의 온도는 높아진다.

제2 열교환기(400)에서의 열교환에 의해, 재액화 라인(RL)을 따라 유동하는 압축 증발가스는 액화될 수 있고, 냉매 라인(ML)을 따라 유동하는 증발가스 냉매는 기화될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 제1 증발가스 압축기(303)를 이용하여 증발가스를 압축시켜 X-DF 엔진으로 공급하되, X-DF 엔진으로 공급하고 남은 증발가스를 재액화시키기 위해 냉매 사이클을 작동시켜야 할 때에는, 제2 증발가스 압축기(301)를 이용하여 증발가스 냉매를 압축시켜 냉매 사이클로 순환시킨다. 제1 증발가스 압축기(303)를 사용할 수 없을 때, X-DF 엔진으로 공급할 증발가스는 제2 증발가스 압축기(301)를 이용하여 압축시킬 수 있다.

또한, 제2 증발가스 압축기(301)를 이용하여 증발가스를 압축시켜 X-DF 엔진으로 공급할 때에는, X-DF 엔진으로 공급하고 남은 증발가스를 재액화시키기 위해 냉매 사이클을 작동시켜야 할 경우, 제1 증발가스 압축기(303)를 이용하여 증발가스 냉매를 압축시켜 냉매 사이클을 순환시킬 수도 있다.

본 실시예에서는, 제1 증발가스 압축기(303)를 이용하여 증발가스를 압축시켜 X-DF 엔진의 연료로 공급하고, 제2 증발가스 압축기(301)를 이용하여 증발가스 냉매를 냉매 사이클로 순환시키는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

증발가스 압축기(300)에서 압축된 압축 증발가스 중, 냉매 라인(ML)으로 분기된 증발가스 냉매는, 냉매 팽창기(710)로 공급하여, 팽창에 의해 온도를 낮춘다. 냉매 팽창기(710)를 통과하면서 온도가 낮아진 증발가스 냉매는, 제2 열교환기(400)로 공급되어, 재액화 라인(RL)을 따라 제2 열교환기(400)로 공급된 압축 증발가스를 냉각시킨다.

냉매 팽창기(710)에서 증발가스 냉매는 등엔트로피 팽창하고, 이 과정에서 증발가스 냉매의 온도는 낮아지며, 액화될 수 있다.

또한, 냉매 라인(ML)으로 분기된 증발가스 냉매는, 냉매 팽창기(710)로 공급하기 전에, 제2 열교환기(400)를 통과시켜, 냉매 팽창기(710)를 통과하여 온도가 낮아진 증발가스 냉매의 냉열로 냉각시킨 후, 냉매 팽창기(710)로 공급할 수 있다. 제2 열교환기(400)에서 열교환에 의해 팽창 전 증발가스 냉매는 응축될 수 있다.

제2 열교환기(400)에서 재액화시킬 증발가스를 냉각(액화)시킨 후 온도가 상승(기화)한 증발가스 냉매는 냉매 압축기(720)로 공급하여 압축시킨다. 냉매 압축기(720)에서 압축시키면서 온도가 상승한 증발가스 냉매는 쿨러(도면부호 미부여)를 이용하여 냉각시킨 후, 증발가스 압축기(300)로 재순환시킨다.

본 실시예에서 냉매 팽창기(expander, 710)와 냉매 압축기(compressor, 720)는 축(shaft)을 공유하여 냉매 팽창기(710)의 팽창일에 의해 냉매 압축기(720)가 구동되는 터보-팽창기(turbo-expander, 700)일 수 있다.

증발가스 압축기(300), 구체적으로 본 실시예에서 증발가스 냉매를 압축하는 제2 증발가스 압축기(301), 제2 열교환기(400) 및 터보-팽창기(700)는 냉매 라인(ML)에 의해 연결되며, 하나의 냉매 사이클을 형성한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 증발가스 냉매가 유동하는 방향을 기준으로, 냉매 사이클의 도입부, 즉, 증발가스 압축기(300)와 터보-팽창기(700)의 냉매 팽창기(710) 사이에는 제1 압력 조절밸브(over-pressure valve, 810);가 설치되고, 냉매 사이클의 배출부, 즉, 터보-팽창기(700)의 냉매 압축기(720)와 증발가스 압축기(300) 사이에는 제2 압력 조절밸브(820)가 설치된다.

본 실시예의 냉매 사이클은, 제1 열교환기(200)에서 제공하는 냉열만으로는 증발가스를 충분히 재액화시킬 수 없을 때, 압축 증발가스의 일부를 분기시킴으로써 가동시킬 수 있다.

즉, 본 실시예의 냉매 사이클은 항상 작동시키는 것이 아니라, 필요하지 않을 때에는 작동을 멈추었다가, 재액화에 냉열이 필요할 때 작동시킬 수 있는 것이다.

냉매 사이클을 작동시키다가 작동을 멈출 때에는, 냉매 사이클을 유동하는, 즉, 냉매 라인(ML)을 흐르고 있는 증발가스 냉매를 냉매 라인(ML)으로부터 배출시키고, 냉매 사이클을 다시 작동시킬 때에는, 냉매 라인(ML)으로 증발가스 냉매를 다시 충전시켜야 한다.

냉매 사이클을 작동시킬 때에는, 제1 압력 조절밸브(810)와 제2 압력 조절밸브(820)를 폐쇄시키고, 증발가스 냉매가 폐루프 사이클을 형성하도록 제어될 수 있다.

냉매 사이클을 더 이상 사용하지 않거나, 냉매 사이클의 장치, 배관 등의 고장으로 인한 수리 또는 유지보수가 필요할 때에는 냉매 사이클의 작동을 멈추어야 하는데, 냉매 사이클의 작동을 멈출 때에는, 냉매 사이클을 구성하는 장치의 운전을 멈추고, 제1 압력 조절밸브(810) 및/또는 제2 압력 조절밸브(820)를 개방하여, 냉매 라인(ML)에 채워진 증발가스 냉매를 배출시킨다. 냉매 라인(ML)으로부터 배출시킨 증발가스 냉매는 냉매 사이클을 사용하지 않을 때, 예를 들어 제2 증발가스 압축기(301)의 가동이 멈추면 제1 압력 조절밸브(810)가 자동개방되도록 설계되어 LNG 저장탱크(100)의 베이퍼 헤더(vapour header 또는 vapor header)로 보내는 것이 일반적이다.

앞서 설명했듯이, 냉매 사이클의 작동유체인 증발가스 냉매는 증발가스 압축기(300)에서 압축된, 메탄을 주성분으로 하는 압축 증발가스이므로, 냉매 사이클의 작동을 정지한 상태에서 압축 증발가스가 냉매 라인(ML)에 채워져 있으면, 누출 시 폭발의 위험성이 있다.

따라서, 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에는, 냉매 사이클에 채워져 있는 증발가스 냉매를 LNG 저장탱크(100)로 벤팅시켜, 냉매 라인(ML)을 감압(depressurizing)시켜야만 한다.

이와 같이, 증발가스 냉매를 LNG 저장탱크(100)로 벤팅시키면, 증발가스 냉매에 포함된 불순물이 LNG 저장탱크(100)로 유입될 가능성이 있다.

예를 들어, 증발가스 압축기(300)가 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)로 마련되는 경우, 증발가스를 압축하는 과정에서 윤활유가 증발가스에 혼입된다면, 이 윤활유가 LNG 저장탱크(100)로 유입되어 LNG의 품질을 저하시킬 수 있고, 윤활유가 동결되어 LNG 저장탱크(100)의 내부 구조가 손상될 위험이 있다.

왕복동식 압축기는, 실린더와 피스톤으로 이루어지는데, 실린더에는 증발가스가 압축되는 내부 공간이 형성되고, 증발가스는 실린더의 내부 공간에서 왕복 운동하는 피스톤에 의해 압축될 수 있다. 실린더의 피스톤 링이 마모될 위험이 크기 때문에, 실린더의 내부 공간으로는 이러한 왕복 운동에 의해 발생하는 피스톤과 실린더의 측벽 사이의 마찰력을 감소시키고 마모를 방지하기 위하여 윤활유(lubrication oil)를 공급해주는데, 압축기로부터 토출되는 증발가스에 이 윤활유가 혼입될 위험이 있다.

도면에 도시하지는 않았지만, 이러한 가능성을 차단하기 위하여, 증발가스 압축기(300)의 후단에는 윤활유를 걸러주는 오일 필터(미도시)와 같은 수단이 설치될 수 있다. 그러나, 시간이 지날수록 오일 필터의 성능이 떨어지게 되므로, 오일 펄터를 설치하더라도, 윤활유가 압축 증발가스에 혼입된 채로 다음 공정으로 유입될 가능성이 있다.

또한, 증발가스 냉매를 모두 벤팅시키고, 냉매 사이클을 다시 작동시키고자 할 때, 냉매 사이클에 증발가스 냉매를 충전시키려면, 약 한 시간 이상의 많은 시간이 소요된다.

또한, 이러한 방식으로 증발가스 냉매를 벤팅시키고 다시 충전시키면, 냉매 사이클을 작동시킬 때 마다 냉매 사이클 내 증발가스 냉매의 성분이 달라질 수 있으므로, 재액화 성능에도 영향을 미치게 된다. 일례로, 시간이 지날 수록 LNG 저장탱크(100)에서 생성되는 증발가스의 메탄가는 낮아질 수 있으며 따라서, 중탄화수소 성분의함량은 많아질 수 있다.

또한, 증발가스 냉매의 성분이 달라져 증발가스 냉매에 중탄화수소 성분이 혼합되어 냉매 사이클로 유입되면, 냉매 사이클을 순환하는 과정에서 중탄화수소 성분이 응축되고, 그 액적이 고속으로 운전 중인 냉매 팽창기(710)의 블레이드(blade)를 손상시킬 위험이 있다.

그러나, 본 실시예에 따르면, 냉매 사이클을 작동시키다가 냉매 사이클의 작동이 필요없을 때에는, 특히, 단기간 작동 정지 시, 증발가스 냉매를 벤팅시키지 않고, 증발가스 냉매가 순환하는 동력을 갖게 하는 증발가스 압축기, 즉, 본 실시예에서 제2 증발가스 압축기(301)의 운전을 정지시킨다. 또한, 제1 압력 조절밸브(810) 및/또는 제2 압력 조절밸브(860)가 자동개방되지 않도록 강제로 폐쇄시켜, 폐쇄상태를 유지하도록 함으로써, 증발가스 냉매가 LNG 저장탱크(100)의 베이퍼 헤더로 배출되지 않고, 냉매 라인(ML)에 정체되어 있도록 운전한다.

단, 이와 같은 운전 조작에 의해, 냉매 사이클 내에 정체되어 있는 증발가스 냉매는, 제2 증발가스 압축기(301)가 운전 정지 상태가 되므로 중압(medium pressure)을 유지하는 상태가 된다.

이러한 운전 모드를 '세틀 아웃(settle out) 운전'이라 하기로 한다.

도 2를 참조하면, 냉매 사이클이 작동 중일 때에는, 제2 증발가스 압축기(301)의 후단으로부터 냉매 팽창기(710)의 전단, 즉, 굵은 실선으로 표시한 'A 구간'은 상대적으로 고압부를 형성하게 되고, 냉매 팽창기(710)의 후단으로부터 제2 증발가스 압축기(301)의 전단, 즉, 굵은 점선으로 표시한 'B 구간'은 상대적으로 저압부를 형성하게 된다.

그러나, 본 실시예와 같이, 세틀 아웃 운전 모드로 운전하면, 기존의 냉매 사이클 구성을 변경하지 않고도, 냉매 사이클에 증발가스 냉매가 정체되어 있더라도, 전체적으로 중압을 유지하게 되어, 밸런스가 유지되므로, 압축 증발가스가 냉매 라인 전체에 채워져 있더라도, 그에 따른 위험 상황을 방지할 수 있다.

또한, 증발가스 냉매를 LNG 저장탱크(100)로 벤팅시키지 않아도 되므로 이물질이 LNG 저장탱크(100)로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 냉매 사이클을 재작동시킬 때 증발가스 냉매를 충전시키는 시간을 소모하지 않아도 되고, 운전 정지 후 재작동 시마다 증발가스 냉매 성분이 변경될 가능성을 차단할 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 자에게 있어서 자명한 것이다.

100 : LNG 저장탱크
200 : 제1 열교환기
300 : 증발가스 압축기
301 : 제2 증발가스 압축기
302 : 제2 쿨러
303 : 제1 증발가스 압축기
304 : 제1 쿨러
305 : 재액화 압축기
306 : 제3 쿨러
400 : 제2 열교환기
500 : 감압 수단
600 : 기액 분리기
700 : 터보-팽창기
710 : 냉매 팽창기
720 : 냉매 압축기
810 : 제1 압력 조절밸브
820 : 제2 압력 조절밸브
BL : 증발가스 라인
BL2 : 제1 증발가스 라인
RL : 재액화 라인
ML : 냉매 라인
ML2 : 제1 냉매 라인
FL : 플래시 가스 회수라인

Claims

증발가스를 제1 증발가스 압축기를 이용하여 선박용 저압 가스엔진에서 요구하는 압력까지 압축하여 상기 선박용 저압 가스엔진의 연료로 공급하고, 연료로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스는 재액화시켜 회수하는 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법에 있어서,
상기 나머지 압축 증발가스는, 압축 전 증발가스와 열교환시켜 재액화시키며,
상기 나머지 압축 증발가스를 재액화시키기 위해 냉열이 추가로 필요할 때에는,
상기 나머지 압축 증발가스 중 일부를 분기시켜 증발가스 냉매로 사용하되,
상기 증발가스 냉매를 팽창시켜 상기 압축 증발가스와 열교환시킴으로써 상기 압축 증발가스를 냉각시키며,
상기 압축 증발가스를 냉각시키면서 온도가 상승한 증발가스 냉매는 제1 증발가스 압축기의 리던던시로서 설치되는 제2 증발가스 압축기를 이용하여 압축시킴으로써 냉매 사이클을 형성하되,
상기 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에는, 액화가스 저장탱크의 베이퍼 헤더(vapor header)와 상기 냉매 사이클의 연결을 개폐하여 상기 증발가스 냉매를 냉매 사이클로부터 벤팅시키는 압력 조절 밸브가 자동 개방되지 않도록 강제 폐쇄시켜 폐쇄 상태를 유지시킴으로써, 상기 냉매 사이클로 분기된 증발가스 냉매를 배출시키지 않고 중압으로 유지시키는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 냉매 사이클을 사용하지 않을 때에는,
상기 제2 증발가스 압축기의 작동을 중지시켜, 상기 냉매 사이클을 중압으로 유지시키는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 냉매 사이클을 작동시킬 때에는,
상기 압축 증발가스를 냉매 팽창기를 이용하여 등엔트로피 팽창시키고,
팽창에 의해 온도가 낮아진 증발가스 냉매, 상기 재액화시킬 증발가스 및 상기 팽창 전 증발가스 냉매를 열교환시켜, 상기 재액화시킬 증발가스를 재액화시키고, 상기 팽창 전 증발가스 냉매를 냉각시키며,
상기 열교환에 의해 온도가 높아진 증발가스 냉매는, 상기 냉매 팽창기의 동력을 이용하여 압축시켜 상기 제2 증발가스 압축기로 공급하고,
상기 제2 증발가스 압축기를 이용하여 상기 증발가스 냉매를 압축시켜 상기 냉매 팽창기로 순환시키는, 선박의 증발가스 재액화 장치의 운전 방법.
삭제
액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스를 선박용 저압가스 엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 제1 증발가스 압축기;
상기 제1 증발가스 압축기에서 압축된 압축 증발가스 중 상기 선박용 저압가스 엔진으로 공급하고 남은 나머지 압축 증발가스를 압축 전 증발가스와 열교환시켜 상기 압축 증발가스를 냉각시키는 제1 열교환기; 및
상기 제1 열교환기에서 냉각된 압축 증발가스를, 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매와 열교환시켜 재액화시키는 제2 열교환기;를 포함하고,
상기 제2 열교환기를 포함하는 냉매 사이클은,
상기 제1 증발가스 압축기의 리던던시로서 설치되며 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스 중 냉매로 사용할 증발가스를 압축시켜 순환시키는 제2 증발가스 압축기; 및
상기 제2 증발가스 압축기에서 압축된 증발가스를 팽창시키는 냉매 팽창기;로 구성되며,
개폐 조절에 의해 상기 냉매 사이클과 상기 액화가스 저장탱크의 베이퍼 헤더가 연결 또는 차단되도록 제어되는 제1 압력 조절밸브;를 더 포함하되,
상기 제1 압력 조절밸브는, 상기 냉매 사이클이 가동될 때 폐쇄상태가 유지되고, 상기 냉매 사이클의 가동을 단기간 중지시킬 때에도 자동 개방되지 않고 폐쇄상태가 유지되도록 제어되어, 상기 냉매 사이클이 가동되지 않을 때에도, 상기 냉매 사이클을 순환하는 냉매가 상기 액화가스 저장탱크로 벤팅되지 않도록 제어되는, 선박의 증발가스 재액화 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 증발가스 압축기는, 상기 냉매 사이클의 가동이 중지될 때 작동이 정지되도록 제어되고, 상기 냉매 사이클을 순환하는 증발가스 냉매는 중압을 유지하는, 선박의 증발가스 재액화 장치.