KR102116544B1 - 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템 - Google Patents

듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템 Download PDF

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KR102116544B1
KR102116544B1 KR1020190015165A KR20190015165A KR102116544B1 KR 102116544 B1 KR102116544 B1 KR 102116544B1 KR 1020190015165 A KR1020190015165 A KR 1020190015165A KR 20190015165 A KR20190015165 A KR 20190015165A KR 102116544 B1 KR102116544 B1 KR 102116544B1
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liquefied gas
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regasification
heat
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오유택
이종철
최병윤
윤호병
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삼성중공업(주)
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Abstract

혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드를 선택하여 액화가스를 재기화할 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은, 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위한 액화가스 이송라인; 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환되는 열매체 순환라인; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열매체를 상기 열매체 순환라인에 순환시키는 펌프; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열매체를 기화시키는 증발기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기에 의해 기화된 열매체와 상기 액화가스를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키는 제1 열교환기; 상기 열매체 순환라인의 일측으로부터 분기되고, 상기 열매체 중의 일부가 선택적으로 순환되는 열매체 분기라인; 상기 열매체 분기라인에 흐르는 열매체를 가열하는 가열기; 상기 열매체 분기라인에 설치되고, 상기 가열기에 의해 가열된 열매체와 상기 제1 열교환기에 의해 기화된 연료가스를 열교환시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기를 우회하여 상기 제1 열교환기에 의해 기화된 연료가스를 상기 수요처로 이송하는 우회라인; 및 미리 설정된 재기화 공정 운용 조건에 따라 혼합냉매 재기화 모드 및 단일냉매 재기화 모드 중 어느 하나의 재기화 모드를 결정하는 제어부를 포함한다.

Description

듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템{DUAL MODE LIQUEFIED GAS RE-GASIFICATION SYSTEM}
본 발명은 액화가스 재기화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드를 선택하여 액화가스를 재기화할 수 있는 듀얼 모드(dual mode) 액화가스 재기화 시스템에 관한 것이다.
오존층 파괴, 지구온난화 등의 환경 부작용 문제가 대두되면서 냉매 사용에 대한 규제가 점차 강화되고 있으며, 환경 오염 물질의 배출이 적은 천연가스와 같은 연료의 수요가 증가하고 있다. 천연가스를 수요처로 공급하기 위하여, 액화가스 저장탱크 내에 액화 상태로 저장된 액화천연가스를 재기화시키는 시스템을 필요로 한다. 종래의 액화가스 재기화 시스템은 주로 프로판(Propane)과 같은 증발성 열매체를 사용하여 해수로부터 열을 받아 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)로 열을 전달시켜 액화천연가스를 천연가스로 재기화시키고 있다.
프로판을 이용하여 한번의 열교환 처리에 의해 액화천연가스를 기화시키도록 설계할 경우, 열교환기 크기가 매우 커져야 하므로 경제성이 떨어지며, 프로판의 온도 조건을 매우 제한적인 범위로 제어해야 하고, 열교환기 내 압력 강하 및 해수 온도 변화시 수요처에서 요구하는 온도로 천연가스를 공급하기 어려워지는 단점이 있다. 이러한 이유로 종래의 액화천연가스의 재기화 시스템은 통상적으로 액화천연가스를 기화시키는 재기화기(Vaporizer)와, 재기화기에 의해 기화된 천연가스를 가열하는 트림 히터(Trim heater)로 나누어 설계된다.
종래의 액화가스 재기화 시스템에서, 프로판은 순환펌프를 통해 순환하며 해수로부터 열을 받아 제1의 열교환기(트림 히터)에서 천연가스와 1차 열교환하여 차가워지며, 다시 해수로부터 열을 받아 기화한 후 제2의 열교환기(재기화기)에서 2차로 액화천연가스와 열교환하여 액화된다. 이때 트림 히터에서는 액체 상태의 프로판의 현열을 이용하여 가열이 이루어진다.
이와 같은 액화가스 재기화 시스템의 경우, 재기화기에서 LNG 기화를 위해 요구되는 열량이 트림 히터에서 천연가스 가열을 위해 요구되는 열량에 비해 많은 반면, 트림 히터에서 액체 상태의 프로판의 현열을 이용하여 가열이 이루어지는 관계로, 트림 히터에서 재기화기보다 큰 냉매 유량을 필요로 하게 된다. 따라서 종래의 액화가스 재기화 시스템은 불필요하게 많은 유량의 냉매를 과도한 압력 차이로 순환시켜야 하므로, 운전 비용이 상승하고 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한, 트림 히터에서는 기화되지 않은 냉매를 사용하기 위해 고압의 조건을 필요로 하고, 이후 재기화기로 공급되는 냉매를 기화시키기 위해 저압의 상태를 필요로 하므로, 펌프에 의해 냉매를 고압으로 가압하여 트림 히터로 공급한 후, 트림 히터를 통과한 냉매에 큰 압력 강하를 시켜주어야 하는데, 이는 에너지 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 또한, 냉매로 사용되는 프로판의 경우, 가연성이 크므로 시스템의 안전성을 저하시킬 수 있다.
종래의 프로판이나 글리콜-워터를 이용한 간접식 재기화 시스템의 경우, 천연가스의 송출 온도와 해수 온도 차이가 크지 않을 경우, 냉매를 기화시켜 사용하는 데에 제약이 따를 수 있다. 도 1은 종래의 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 프로판 냉매의 열 흐름량(Heat flow)에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다. 액화천연가스(LNG)와 해수(SW) 사이에 프로판(Propane)을 열매체로 사용하고, 프로판을 해수에 의해 기화시켜 액화천연가스를 기화시키는 경우, 해수와 열교환에 의해 프로판이 기화되는 상 변화 과정(②)에서 압력 손실이 생기고 프로판의 온도가 감소하게 된다. 프로판과 액화천연가스의 열교환 효율을 높이기 위해서는 프로판의 P-H선도에서 프로판의 온도 변화 그래프가 도 1에 음영으로 표시된 부분과 중첩되지 않도록, 천연가스의 송출 온도(예를 들어, 8℃)보다 최소 온도차(minimum temperature approach) 이상 높아야 하고, 해수의 온도보다는 최소 온도차 이상 낮아야 한다.
하지만, 프로판의 상변화 과정(②)에서 프로판의 온도 감소에 의해 천연가스의 송출 온도보다 최소 온도차 이상 높고, 해수의 온도보다 최소 온도차 이상 낮은 조건을 확보하기 어려워지게 되고, 프로판의 온도 제어 범위가 줄어들게 된다. 이와 같이, 프로판 냉매의 운전 가능 범위가 좁아지면, 온도, 압력, 유량 등의 작은 변화에도 시스템이 제대로 운전되지 않을 수 있으며, 프로판이 천연가스의 송출 온도로부터 최소 온도차 조건을 만족하지 못하여 열교환이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 종래의 액화가스 재기화 시스템의 경우, 해수의 설계 온도 조건에서 열전달 매체의 상변화시 발생하는 잠열을 이용하여 천연가스 수요처에서 요구하는 온도를 맞추는 시스템을 구성하기가 어려워진다.
본 발명은 혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드를 선택하여 액화가스를 재기화할 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 혼합냉매 재기화 모드 시에 상변화 과정에서 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 가지는 혼합냉매를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화시킬 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 시스템을 간소화하고 운용 비용을 줄일 수 있으며, 환경 친화적으로 액화가스를 재기화시킬 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은, 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위한 액화가스 이송라인; 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환되는 열매체 순환라인; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열매체를 상기 열매체 순환라인에 순환시키는 펌프; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열매체를 기화시키는 증발기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기에 의해 기화된 열매체와 상기 액화가스를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키는 제1 열교환기; 상기 열매체 순환라인의 일측으로부터 분기되고, 상기 열매체 중의 일부가 선택적으로 순환되는 열매체 분기라인; 상기 열매체 분기라인에 흐르는 열매체를 가열하는 가열기; 상기 열매체 분기라인에 설치되고, 상기 가열기에 의해 가열된 열매체와 상기 제1 열교환기에 의해 기화된 연료가스를 열교환시키는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기를 우회하여 상기 제1 열교환기에 의해 기화된 연료가스를 상기 수요처로 이송하는 우회라인; 및 미리 설정된 재기화 공정 운용 조건에 따라 혼합냉매 재기화 모드 및 단일냉매 재기화 모드 중 어느 하나의 재기화 모드를 결정하는 제어부를 포함한다. 상기 혼합냉매 재기화 모드는 2 이상의 냉매들이 혼합된 혼합냉매인 열매체를 상기 열매체 순환라인에 순환시켜 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기 중 상기 제1 열교환기만으로 상기 액화가스를 기화시키는 모드이고, 상기 단일냉매 재기화 모드는 단일냉매인 열매체를 상기 열매체 순환라인 및 상기 열매체 분기라인에 순환시켜 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기에 의해 상기 액화가스를 기화시키는 모드이다.
상기 혼합냉매는, 상기 증발기에서 상기 혼합냉매가 기화되는 상변화 과정에서 상기 혼합냉매의 온도가 상승되도록, 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들로 이루어질 수 있다.
상기 냉매들은 제1 냉매와, 상기 제1 냉매보다 20℃ 이상 낮은 끓는점을 가지는 제2 냉매를 포함할 수 있다. 상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매는 각각 비가연성을 가지고, 오존파괴지수가0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만일 수 있다. 상기 제2 냉매는 상기 혼합냉매의 중량을 기준으로 0.15 ~ 0.25 의 중량비를 가지도록 상기 제1 냉매와 혼합될 수 있다. 상기 제1 냉매는 CH2FCF3 를 포함하고, 상기 제2 냉매는 CH2F2 를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은 상기 열매체 분기라인의 열매체 유입부에 설치되고, 상기 제어부에 의해 개폐 상태가 제어되는 개폐밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 혼합냉매 재기화 모드 시에 상기 열매체가 상기 가열기 및 상기 제2 열교환기로 공급되지 않도록 상기 개폐밸브를 차단하고; 상기 단일냉매 재기화 모드 시에 상기 열매체가 상기 가열기 및 상기 제2 열교환기에 공급되도록 상기 개폐밸브를 개방할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은 상기 우회라인에 설치되는 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 혼합냉매 재기화 모드 시에 상기 밸브를 개방하고, 상기 단일냉매 재기화 모드 시에 상기 밸브를 차단할 수 있다.
상기 열매체 분기라인은 상기 제1 열교환기의 후단에서 상기 열매체 순환라인으로 합류될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은, 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 열매체를 저장하고, 상기 열매체의 압력 변화를 흡수하는 팽창 탱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은, 상기 냉매들 중 제1 냉매를 저장하는 제1 저장탱크와, 상기 냉매들 중 제2 냉매를 저장하는 제2 저장탱크와, 상기 제1 저장탱크로부터 상기 제1 냉매를 상기 열매체 순환라인 또는 상기 팽창 탱크로 공급하는 제1 냉매 공급라인과, 상기 제1 냉매 공급라인에 설치되는 제1 밸브와, 상기 제2 저장탱크로부터 상기 제2 냉매를 상기 열매체 순환라인 또는 상기 팽창 탱크로 공급하는 제2 냉매 공급라인과, 상기 제2 냉매 공급라인에 설치되는 제2 밸브와, 상기 혼합냉매의 성분 비율을 측정하는 성분분석기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 혼합냉매 재기화 모드 시에 상기 혼합냉매의 성분 비율 측정값에 따라 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어하여 상기 혼합냉매의 조성비를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은 상기 열매체 순환라인에서 상기 증발기의 후단인 동시에 상기 제1 열교환기의 전단에 설치되고, 상기 열매체의 유량 및 감압 정도를 조절하는 유량조절밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제1 열교환기에서 배출되는 열매체의 온도, 상기 팽창 탱크의 압력, 상기 펌프로 공급되는 열매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유량조절밸브를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 냉매들 중에서 가연성이 높은 냉매의 누출 또는 폭발 위험이 기준 이하인 경우에 상기 혼합냉매 재기화 모드를 선택하고; 상기 냉매들 중에서 가연성이 높은 냉매의 누출 또는 폭발 위험이 상기 기준을 초과하는 경우에 상기 단일냉매 재기화 모드를 선택할 수 있다. 상기 단일냉매는 상기 냉매들 중에서 가연성이 낮은 냉매일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은, 상기 열매체 분기라인에 설치되고, 상기 제2 열교환기에서 배출되는 상기 단일냉매가 기화되지 않도록 설정 압력 이상으로 유지시키는 압력조절밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 단일냉매 재기화 모드 시에 상기 가열기 후단의 단일냉매의 압력에 기초하여 상기 압력조절밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드를 선택하여 액화가스를 재기화할 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 혼합냉매 재기화 모드에 의해 상변화 과정에서 온도 상승 효과를 가지는 혼합냉매를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화시킬 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 시스템을 간소화하고 운용 비용을 줄일 수 있으며, 환경 친화적으로 액화가스를 재기화시킬 수 있는 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 프로판 냉매의 열 흐름량(Heat flow)에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 혼합냉매 재기화 모드 동작 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 냉매의 안전등급 분류기준을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 혼합냉매 재기화 모드에 사용되는 혼합냉매의 조성비에 따른 가연성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 혼합냉매 재기화 모드에 사용되는 혼합냉매의 PH선도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 단일냉매 재기화 모드 동작 상태를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 열교환 매체로 혼합냉매와 단일냉매가 모두 사용 가능한 듀얼 모드 간접식 액화가스 재기화 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은 미리 설정된 재기화 공정 운용 조건에 따라, 혼합냉매를 이용하여 단일의 열교환기에 의해 액화가스를 기화시키는 혼합냉매 재기화 모드와, 단일냉매를 이용하여 2개의 열교환기에 의해 액화가스를 기화시키는 단일냉매 재기화 모드 중 어느 하나를 선택하여, 액화가스를 재기화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템은 혼합냉매 재기화 모드 시에 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 혼합냉매를 이용함으로써, 혼합냉매가 증발기에서 기화되는 상변화 과정에서 온도 감소 구간 없이 지속적으로 온도가 상승되도록 하고, 여러 가지 제한조건 내에서도 혼합냉매를 100% 기화시켜 혼합냉매의 잠열을 최대한으로 활용하여 액화가스의 재기화 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템(100)은 액화가스 이송라인(110), 열매체 순환라인(120), 펌프(130), 증발기(140), 유량조절밸브(150), 제1 열교환기(160), 팽창 탱크(170), 냉매 공급부(180), 열매체 분기라인(200), 개폐밸브(210), 가열기(220), 제2 열교환기(230), 압력조절밸브(240) 및 제어부(260)를 포함할 수 있다.
듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템(100)은 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스를 재기화하여 천연가스(NG; Natural Gas), 석유가스(Petroleum Gas) 등의 연료가스를 수요처(115)로 공급하기 위해 제공될 수 있다.
듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템(100)은 선박의 선체에 설치될 수 있다. 선박은 액화가스 저장탱크를 구비한 부유체로, 액화천연가스 운반선(LNG Carrier), FPSO(Floating Production Storage and Offloading), FSU(Floating and Storage Unit), FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등의 해상 플랫폼을 포함할 수 있다.
액화가스 이송라인(110)은 선박에 마련된 액화가스 저장탱크(111)로부터 액화가스를 공급받고, 공급된 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위해 제공될 수 있다. 액화가스 이송라인(110)에는 액화가스의 흐름을 기준으로 제1 열교환기(160)의 상류 측에 액화가스를 고압 송출하기 위한 액화가스 펌프(112)가 구비되고, 제1 열교환기(160)의 하류 측에 기화된 액화가스(예를 들어, 천연가스 또는 석유가스)의 송출 유량을 조절하기 위한 밸브(114)가 구비될 수 있다.
열매체 순환라인(120)(도 2에 굵은 선 화살표로 도시된 라인)은 열원으로부터 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공될 수 있다. 열매체 순환라인(120)에는 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환된다. 열매체 순환라인(120)에는 재기화 모드(혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드)에 따라 상이한 열매체가 흐를 수 있다.
혼합냉매 재기화 모드는 2 이상의 냉매들이 혼합된 혼합냉매인 열매체를 열매체 순환라인(120)에 순환시켜 제1 열교환기(160) 및 제2 열교환기(230) 중 제1 열교환기(160)만으로 액화가스를 기화시키는 모드이다. 즉, 혼합냉매 재기화 모드 시에는 2성분 이상의 비가연성 냉매들이 혼합된 혼합냉매로 이루어진 열매체가 열매체 순환라인(120)에 순환될 수 있다.
단일냉매 재기화 모드는 단일냉매인 열매체를 열매체 순환라인(120) 및 열매체 분기라인(200)에 순환시켜 제1 열교환기(160) 및 제2 열교환기(230)에 의해 액화가스를 기화시키는 모드이다. 즉, 단일냉매 재기화 모드 시에는 단일성분으로 이루어진 비가연성 단일냉매로 이루어진 열매체가 열매체 순환라인(120)에 순환될 수 있다.
열매체는 열매체 순환라인(120)을 통해 펌프(130)와 증발기(140) 및 제1 열교환기(160)를 차례로 순환한다. 혼합냉매 재기화 모드 시에 열매체가 증발기(140)에서 기화되어 액체에서 기체로 상변화하는 과정에서 혼합냉매의 온도가 감소 구간 없이 지속적으로 상승되게 하기 위하여, 혼합냉매는 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 냉매로 제공될 수 있다.
펌프(130)는 열매체(혼합냉매 또는 단일냉매)를 열매체 순환라인(120)에 순환시키기 위한 것으로, 열매체 순환라인(120)에서 증발기(140)의 전단, 제1 열교환기(160)의 후단에 설치되고, 팽창 탱크(170), 제1 열교환기(160), 제2 열교환기(230) 및/또는 냉매 공급부(180)로부터 공급되는 액체 상태의 열매체를 열매체 순환라인(120)을 통해 가압하여 증발기(140)로 공급하도록 구성될 수 있다.
증발기(140)는 열매체 순환라인(120)에 설치되고, 열원과의 열교환에 의해 열매체를 기화시킬 수 있다. 실시예에서, 열원으로는 해수가 사용될 수 있다. 열원은 해수 가압 펌프(144)에 의해 해수 공급라인(142)을 통해 증발기(140)로 공급될 수 있다. 열원의 증발기 유입 온도는 약 14℃이고, 배출 온도는 약 7 ~ 8℃일 수 있다. 증발기(140)는 열매체의 압력(예를 들어, 10 ~ 20 barg 증기압)을 견딜 수 있도록 제작될 수 있다.
유량조절밸브(150)는 열매체 순환라인(120)에서 증발기(140)의 후단인 동시에 제1 열교환기(160)의 전단에 설치될 수 있다. 유량조절밸브(150)는 제1 열교환기(160)로 공급되는 열매체의 유량 및 감압 정도(압력)를 조절할 수 있다. 제1 열교환기(160)로 공급되는 열매체의 유량/압력 제어를 위하여, 제1 열교환기(160)의 후단 및 팽창 탱크(170)의 배출라인에는 각각 제1 열교환기(160)에서 배출되는 열매체의 온도와 펌프(130)로 공급되는 열매체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(191, 193)가 설치되고, 팽창 탱크(170)에는 팽창 탱크(170)의 압력을 측정하기 위한 압력센서(192)가 설치될 수 있다. 제어부(260)는 온도센서(191, 193)에 의해 측정된 열매체의 온도 및/또는 압력센서(192)에 의해 측정된 팽창 탱크(170)의 압력 등에 기초하여 유량조절밸브(150)를 제어할 수 있다.
제1 열교환기(160)는 열매체 순환라인(120)에 설치될 수 있다. 제1 열교환기(160)는 혼합냉매 재기화 모드시에는 증발기(140)에 의해 기화된 열매체(혼합냉매)의 열에너지 및 잠열을 이용하여 액화가스 이송라인(110)의 액화가스를 재기화시키고, 단일냉매 재기화 모드시에는 증발기(140)에 의해 기화된 단일냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 액화가스 이송라인(110)의 액화가스를 재기화시킬 수 있다.
팽창 탱크(expansion tank)(170)는 열매체 순환라인(120)에 설치되고, 제1 열교환기(160)에서 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 열매체 및 제2 열교환기(230)에서 액화가스와의 열교환 과정에서 냉각된 액체 상태의 열매체를 저장한다. 팽창 탱크(170)는 운전 조건에 따른 열매체의 압력 변화를 흡수하고, 팽창 탱크(170)로 회수되는 열매체가 설정된 온도 범위를 유지하여 정해진 압력 범위에서 운전될 수 있도록 한다. 팽창 탱크(170)에는 단일냉매 재기화 모드 시에는 1종의 액화 냉매가 저장되고, 혼합냉매 재기화 모드 시에는 2종 이상의 액화 냉매들이 저장될 수 있다.
단일냉매 재기화 모드 및 혼합냉매 재기화 모드의 선택적인 운용을 위하여, 냉매 공급부(180)는 제1 냉매(예를 들어, R134a; CH2FCF3)를 저장하는 제1 저장탱크(181), 제2 냉매(예를 들어, R32; CH2F2)를 저장하는 제2 저장탱크(182), 제1 저장탱크(181)로부터 제1 냉매를 열매체 순환라인(120) 또는 팽창 탱크(170)로 보충 공급하는 제1 냉매 공급라인(183)과, 제2 저장탱크(182)로부터 제2 냉매를 열매체 순환라인(120) 또는 팽창 탱크(170)로 보충 공급하는 제2 냉매 공급라인(184)을 포함할 수 있다.
제1 냉매 공급라인(183)에는 제1 밸브(185)가 설치되고, 제2 냉매 공급라인(184)에는 제2 밸브(186)가 설치될 수 있다. 제1 밸브(185) 및 제2 밸브(186)는 제어부에 의해 제어될 수 있다. 열매체 순환라인(120)에는 혼합냉매 재기화 모드시에 혼합냉매의 성분 비율을 측정하는 성분분석기(187)가 설치될 수 있다. 제어부(260)는 혼합냉매 재기화 모드 운용 시에 혼합냉매의 운전 조건 및 압력, 열원(해수)과 액화가스의 온도, 성분분석기(187)의 혼합냉매의 성분 비율 측정값 등에 따라 제1 밸브(185) 및 제2 밸브(186)를 제어하여 혼합냉매의 조성비를 제어하고, 혼합냉매의 운전 온도 및 압력이 설정 범위에서 벗어나는 경우, 2성분 이상의 냉매들의 조성비를 조절할 수 있다.
액화가스 재기화 시스템의 운용 중에 펌프나 열교환기 등에서 미세한 누출(leak)이 발생할 수 있다. 이 경우에 혼합냉매(예를 들어, R134a/R32)의 냉매들 중 휘발성이 더 큰 냉매(예를 들어, R32)의 비율이 작아지는 방향으로 혼합냉매의 조성이 변하게 된다. 이와 같이 혼합냉매의 성분 비율 변화를 성분분석기(187)에 의해 분석하고, 주기적으로 혼합냉매의 조성을 확인하여 혼합냉매의 조성이 일정하게 유지되도록 부족한 냉매를 보충할 수 있다.
실시예에서, 제어부(260)는 혼합냉매의 온도, 압력 등의 다양한 공정 상황에 따라 재기화 효율이 극대화되는 최적 냉매 혼합 비율 정보를 미리 저장해두어, 혼합냉매의 공정 상황, 열원(해수) 및 수요처에서 요구하는 NG 온도 등에 따라 최적 냉매 혼합 비율이 되도록 냉매들을 팽창 탱크(170)에 공급하도록 냉매 공급부(180)를 제어할 수 있다.
제어부(260)는 혼합냉매의 온도와 압력을 일정하게 유지함으로써, 혼합냉매의 기화 온도가 변화됨으로 인해 열교환 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 혼합냉매의 압력이 높아질 경우, 기화온도가 올라가고 압력이 낮아지면 기화온도가 내려가게 되고, 최초의 설계값 대비 차이가 발생하는 경우 열교환 효율이 떨어질 수 있으나, 혼합냉매의 온도와 압력 변화가 방지되도록 혼합냉매의 조성 비율을 허용 범위 내에서 실시간 적응적으로 조절해줌으로써, 온도, 압력 등의 변화로 인한 열교환 효율 저하를 방지할 수 있다.
혼합냉매의 혼합 비율에 따라 액화가스의 기화 흐름에 대한 온도의 변화 기울기가 변화한다. 혼합냉매의 기울기 변화는 유량 변화와도 밀접한 관계가 있으며, 운전 효율에 영향을 미친다. 극단적인 경우에는 열교환기 성능의 한계에 의해 공정이 정상작동하지 않거나 액화가스 재기화 시스템이 실현 불가능한 영역에 들어갈 수도 있다.
따라서, 제어부(260)는 혼합냉매의 혼합 비율에 따른 혼합냉매의 온도 기울기 변화를 사전에 시뮬레이션하여, 시뮬레이션 결과를 기반으로 재기화 시스템에 고장이 발생하거나, 재기화 불능 상태로 진입할 가능성이 있는 것으로 판단되는 경우, 혼합냉매의 혼합 비율을 제한 범위 내에 유지하거나, 혼합냉매의 유량을 조절하는 등의 제어를 수행할 수도 있다.
열매체 분기라인(200)은 열매체 순환라인(120)의 일측으로부터 분기되고, 열매체 순환라인(120)의 타측으로 합류될 수 있다. 실시예에서, 열매체 분기라인(200)은 증발기(140)의 후단 측의 열매체 순환라인(120)으로부터 분기되어 제1 열교환기(160)의 후단 측의 열매체 순환라인(120)으로 합류될 수 있다. 열매체 분기라인(200)에는 재기화 모드(혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드)에 따라 선택적으로 열매체(단일냉매) 중의 일부가 순환하여 흐르게 된다.
개폐밸브(210)는 열매체 분기라인(200)의 열매체 유입부에 설치될 수 있다. 개폐밸브(210)는 재기화 모드(혼합냉매 재기화 모드 또는 단일냉매 재기화 모드)에 따라 제어부(260)에 의해 개폐 상태가 제어될 수 있다. 실시예에서, 제어부(260)는 혼합냉매 재기화 모드 시에 열매체(혼합냉매)가 가열기(220) 및 제2 열교환기(230)로 공급되지 않도록 개폐밸브(210)를 차단할 수 있다. 제어부(260)는 단일냉매 재기화 모드 시에는 열매체(단일냉매)가 열매체 분기라인(200)을 통해 가열기(220) 및 제2 열교환기(230)에 공급되도록 개폐밸브(210)를 개방할 수 있다.
제어부(260) 및 개폐밸브(210)에 의해, 혼합냉매 재기화 모드 시에는 열매체 순환라인(120)에 순환하는 혼합냉매가 열매체 분기라인(200)의 개폐밸브(210) 후단으로 유입되지 않아 열매체 분기라인(200)에 혼합냉매가 흐르지 못하게 된다. 이와 달리, 단일냉매 재기화 모드 시에는 제어부(260)에 의해 개폐밸브(210)가 개방되고, 열매체 순환라인(120)으로부터 분기된 단일냉매가 열매체 분기라인(200)을 통해 가열기(220), 제2 열교환기(230)를 거쳐서 열매체 순환라인(120)으로 회수된다.
실시예에서, 개폐밸브(210)는 유량조절이 가능한 밸브로 제공될 수 있다. 액화가스 이송라인(110)의 하류 측에는 수요처(115)로 송출되기 전의 연료가스의 온도를 측정하는 온도센서(251)가 설치될 수 있다. 개폐밸브(210)는 온도센서(251)에 의해 측정된 연료가스의 온도에 따라 개도가 제어될 수 있다.
가열기(220)는 열매체 분기라인(200)에 설치되고, 단일냉매 재기화 모드 시에 열매체 분기라인(200)에 흐르는 액체 상태의 열매체(단일냉매)를 가열한다. 실시예에서, 가열기(220)는 열원(예를 들어, 해수)과의 열교환에 의해 열매체를 기화시킬 수 있다. 가열기(220)에 사용되는 열원은 해수 가압 펌프(224)에 의해 해수 공급라인(222)을 통해 가열기(220)로 공급될 수 있다.
제2 열교환기(230)는 열매체 분기라인(200)에 설치될 수 있다. 제2 열교환기(230)는 단일냉매 재기화 모드 시에 가열기(220)에 의해 가열된 액체 상태의 열매체(단일냉매)와 제1 열교환기(160)에 의해 액화가스로부터 기화된 연료가스를 열교환시킬 수 있다. 이를 위해, 제2 열교환기(230)는 액화가스의 흐름을 기준으로 제1 열교환기(160)의 후방에 설치될 수 있다.
액화가스 이송라인(110)에는 제2 열교환기(230)를 우회하도록 우회라인(113)이 마련될 수 있다. 우회라인(113)에는 밸브(114)가 설치될 수 있다. 제어부(260)는 혼합냉매 재기화 모드 시에 밸브(114)를 개방하고, 단일냉매 재기화 모드 시에 밸브(114)를 차단할 수 있다. 단일냉매 재기화 모드 시에 제1 열교환기(160)에 의해 액화가스로부터 기화된 가스는 가스라인(232)을 통해 제2 열교환기(230)로 공급되고, 제2 열교환기(230)에서 단일냉매에 의해 가열된 후 수요처(115)로 송출된다. 혼합냉매 재기화 모드 시에, 제1 열교환기(160)에 의해 액화가스로부터 기화된 연료가스는 가스라인(232) 및 제2 열교환기(230)를 경유하지 않고, 제2 열교환기(230)를 우회하도록 마련된 우회라인(113)을 통해 수요처(115)로 이송된다.
압력조절밸브(240)는 열매체 분기라인(200)에 설치될 수 있다. 압력조절밸브(240)는 단일냉매 재기화 모드 시에 제2 열교환기(230)에서 배출되는 단일냉매가 기화되지 않도록 단일냉매의 압력을 설정 압력 이상으로 유지시킬 수 있다. 가열기(220) 후단에는 압력센서(252)가 설치될 수 있다. 제어부(260)는 단일냉매 재기화 모드 시에 압력센서(252)에 의해 측정된 가열기(220) 후단의 단일냉매의 압력에 기초하여 압력조절밸브(240)를 제어할 수 있다.
제어부(260)는 미리 설정된 재기화 공정 운용 조건에 따라 혼합냉매 재기화 모드 및 단일냉매 재기화 모드 중 어느 하나의 재기화 모드를 결정하여 액화가스 재기화 시스템을 제어할 수 있다. 실시예에서, 제어부(260)는 가연성이 높은 냉매의 누출 위험 또는 폭발 위험, 재기화 시스템 운용 지역 등에 따라, 재기화 모드를 선택할 수 있다.
예를 들어, 제어부(260)는 냉매들 중에서 상대적으로 가연성이 높은 냉매(예를 들어, R32)의 누출 또는 폭발 위험이 기준 이하이고, 재기화 시스템의 운용 지역이 냉매의 사용에 제한이 없는 지역인 경우, 혼합냉매 재기화 모드를 선택할 수 있다. 제어부(260)는 냉매들 중에서 상대적으로 가연성이 높은 냉매의 누출 또는 폭발 위험이 기준을 초과하는 경우, 또는 특정 냉매의 사용에 제약이 따르거나 냉매의 현지 수급이 어려운 지역인 경우, 단일냉매 재기화 모드를 선택할 수 있다. 단일냉매는 냉매들 중에서 상대적으로 가연성이 낮은 냉매(예를 들어, R134a) 또는 사용에 제약이 없는 냉매로 선택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 혼합냉매 재기화 모드 동작 상태를 보여주는 도면이다. 도 3에서 차단 상태의 밸브는 음영으로 도시되어 있으며, 음영으로 도시되지 않은 밸브는 개방 상태임을 나타낸다. 도 3에서 유체가 흐르지 않는 라인, 예를 들어 열매체 분기라인(200), 가스라인(232), 해수 공급라인(222)은 점선으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 혼합냉매의 운용 조건을 만족하는 경우, 제어부(260)는 혼합냉매 재기화 모드를 선택할 수 있다. 혼합냉매 재기화 모드 시에 열매체 분기라인(200)을 통해 가열기(220)와 제2 열교환기(230)로 혼합냉매가 흐르지 않도록 하기 위해, 제어부(260)는 개폐밸브(210) 및 압력조절밸브(240)를 차단하고, 우회라인(113)에 설치된 밸브(114)를 개방할 수 있다.
혼합냉매 재기화 모드에서, 제어부(260)는 열매체 순환라인(120), 펌프(130), 증발기(140), 유량조절밸브(150), 제1 열교환기(160), 팽창 탱크(170) 및 냉매 공급부(180)를 포함하는 혼합냉매 재기화 시스템을 제어하여 혼합냉매의 잠열을 포함한 열에너지에 의해 액화가스를 재기화시키고, 열매체 분기라인(200)과 가열기(220) 및 제2 열교환기(230)는 사용되지 않는다.
실시예에서, 증발기(140)가 티타늄 재질의 판형 열교환기(PHE; Plate type Heat Exchanger)로 제작되는 경우, 0.6mm 이하 두께의 티타늄을 증발기(140)의 열교환 플레이트로 사용하기 위해서는 혼합냉매의 설계 압력(증기압)이 16 barg 이하가 되어야 한다. 설계 압력을 높이기 위해 0.7mm 또는 그 이상의 두께를 가지는 티타늄 플레이트를 사용하게 되면 0.6mm 두께의 플레이트와 비교하여 가격이 10배 이상 상승하기 때문에 설비 비용이 크게 증가한다.
혼합냉매의 경우, 혼합된 냉매들의 종류 및 냉매들의 혼합 비율에 따라, 혼합냉매의 이슬점과 끓는점이 변화하여 혼합냉매의 상 변화시의 온도 변화 특성에 영향을 미치는 것은 물론, 증발기(140)에서의 상 변화 과정에서 혼합냉매의 압력(증기압) 또한 변화하게 된다. 따라서, 혼합냉매 재기화 모드 시에 증발기(140)의 설비 비용을 최소화하면서 혼합냉매의 상 변화 구간에서 바람직한 온도 변화 특성을 구현할 수 있도록, 냉매들의 종류를 선택하고 혼합 비율(중량비)을 설정할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에서, 혼합냉매 재기화 모드 시에 혼합냉매가 증발기(140)에서 상 변화하는 과정에서 혼합냉매의 온도가 감소하지 않고 지속적으로 증가하도록 하기 위하여, 끓는점 차이가 20℃ 이상인 냉매들이 혼합된 혼합냉매를 이용하여 액화가스를 재기화할 수 있다. 또한, 혼합냉매는 약 10 ~ 20 barg 압력에서 혼합냉매의 이슬점(dew point) 온도와, 끓는점(bubble point) 온도 간의 차이가 적어도 10℃ 이상이 되는 동시에, 혼합냉매의 증기압이 약 20 barg 이하(보다 바람직하게는 16 barg 이하)가 되도록, 냉매들의 혼합 비율(중량비)이 설정될 수 있다.
혼합냉매 재기화 모드 시에 사용되는 혼합냉매는 제1 냉매와, 제1 냉매보다 끓는점이 낮은 제2 냉매를 포함할 수 있다. 혼합냉매가 증발기(140)에서 상 변화하는 과정에서 혼합냉매의 온도가 증가하는 효과를 증대시키는 관점에서, 제2 냉매의 끓는점은 제1 냉매의 끓는점보다 20℃ 이상 낮은 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 가로축은 유체들(해수, LNG, 혼합냉매)의 열 흐름량을 나타내고, 세로축은 유체들의 온도를 나타낸다. 'SW'로 표기된 선은 해수의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프, 'LNG'로 표기된 선은 액화천연가스의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프이다.
본 실시예에 의하면, 혼합냉매 재기화 모드 시에, 끓는점 차이가 큰 냉매들이 혼합냉매로 이용되어, 혼합냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프에서, 액체 상태에서 기화되는 상 변화 시에 온도가 감소하는 구간 없이 지속적으로 온도가 증가하는 온도 상승(temperature gliding) 구간(A)이 나타나고, 이에 따라 액화천연가스의 온도 대비 최소 온도차(△T) 조건을 만족시키며 혼합냉매와 액화천연가스를 열교환시킬 수 있게 된다.
단일 냉매의 경우, 상변화가 일어나는 동안 온도가 일정하거나 온도가 감소하지만, 끓는 점이 설정값 이상의 차이를 가지는 냉매들을 혼합하면 증발기(140)에서 혼합냉매의 상변화가 일어나는 동안 혼합냉매의 온도가 점점 올라가면서 혼합냉매가 기화되는 온도 상승(temperature gliding) 효과가 나타난다.
혼합냉매 재기화 모드 시에, 혼합냉매의 상변화시 온도 상승량은 2~3℃ 혹은 그 이상, 바람직하게는 10℃ 이상이 되도록, 끓는점 차이가 큰 냉매들을 이용하는 동시에, 낮은 끓는점을 갖는 냉매의 혼합 비율을 일정 수준 이상(혼합냉매를 기준으로 15중량% 이상)으로 혼합하는 것이 바람직하다. 따라서, 천연가스와 혼합냉매 간에 최소 온도차가 확보되는 조건을 만족시키는 재기화 시스템을 구현할 수 있으며, 제1 열교환기(160) 후단의 제2 열교환기(230)를 운용하지 않고도, 혼합냉매의 열에너지 및 잠열을 충분히 활용하여 액화가스를 효율적으로 기화시킬 수 있다.
또한, 해수와 같이 상대적으로 열원의 온도가 낮은 경우에도 혼합냉매의 잠열을 이용해 액화가스에 효율적인 열전달이 가능하며, 액화가스 재기화 시스템의 운전 효율을 증대시킬 수 있으며, 혼합냉매를 비가연성 냉매들로 구성하여 프로판과 같이 가연성이 높은 열전달 매체를 사용하는 시스템보다 안전성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 혼합냉매 재기화 모드 시에, 열매체 순환라인(120)의 순환 루프 내의 압력 차이가 작고, 혼합냉매가 단일 열교환 루프만을 순환하기 때문에 혼합냉매의 순환에 소비되는 압력과 수두 손실만큼 가압을 해주기만 하면 되어 액화가스 재기화를 위한 에너지 소비를 줄일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 혼합냉매의 잠열 사용 효과를 극대화하여 액화가스 기화 성능을 향상시키고, 액화가스 재기화 시스템에 필요한 냉매의 사용양을 줄일 수 있고, 또한, 하나의 기화기(제1 열교환기) 만을 운용하여 액화가스를 기화시킬 수 있어 재기화 효율을 높일 수 있다. 또한, 2단계의 열교환을 거치지 않고 단일 열교환 프로세스에 의해 액화가스를 재기화시킬 수 있으며, 혼합냉매의 순환 유량을 줄여 펌프에 필요한 에너지 및 배관 사이즈를 줄일 수 있어, 시스템 설비 비용과, 공정/운용 비용도 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 낮은 해수 설계 온도 범위에서도 혼합냉매를 상변화시키면서 혼합냉매의 잠열을 효율적으로 이용하는 액화가스 재기화 시스템을 구현할 수 있다. 증발성 혼합냉매를 사용할 경우에는 잠열이 현열보다 훨씬 크기 때문에 순환하는 혼합냉매의 사용 유량을 줄일 수 있고, 이로 인해 혼합냉매의 순환에 필요한 에너지(펌프에 필요한 동력)도 감소하여 시스템 효율이 증가될 수 있다.
상술한 바와 같은 혼합냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 극대화하기 위하여, 혼합냉매는 -35 ~ -15℃ 의 끓는점을 가지는 제1 냉매와, -40 ~ -90℃ 의 낮은 끓는점을 가지는 제2 냉매를 포함할 수 있다. 제1 냉매와 제2 냉매 간의 바람직한 끓는점 차이는 20℃ 이상이다. 혼합냉매 재기화 모드 운용 시에, 혼합냉매의 압력을 증발기(140)의 설계 압력 이하로 제어하고, 동시에 증발기(140)에서의 혼합냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 얻을 수 있도록 하기 위하여, 제1 냉매보다 낮은 끓는점을 가지는 제2 냉매는 혼합냉매의 중량을 기준으로 0.15 ~ 0.25 의 중량비를 가지도록 제1 냉매와 혼합될 수 있다.
혼합냉매는 비가연성을 가지는 동시에, 오존파괴지수가 0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만인 냉매들로 이루어질 수 있다. 도 5는 냉매의 안전등급 분류기준을 보여주는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 냉매는 독성(Toxicity)과 가연성(Flammability)에 따라 안전등급이 분류된다.
실시예에서, 혼합냉매 재기화 모드 시에 사용되는 혼합냉매의 냉매들은 안전등급(Safety group)이 B1~B3 또는 A2~A3인 냉매를 제외하고, 안전등급이 A1 또는 A2L 등급인 냉매 중에서 선택될 수 있다. 즉, 낮은 독성 및 낮은 가연성을 가지는 안전등급을 가지는 냉매들만을 고려하여 혼합냉매를 조성할 수 있다. 또한, 혼합냉매의 냉매들은 오존파괴지수가 0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만(보다 바람직하게는 1500 미만)인 친환경 냉매 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
실시예에서, 혼합냉매는 제1 냉매에 해당하는 테트라플루오르에탄(1,1,1,2-tetrafluoroethane, R134a; CH2FCF3) 및 제2 냉매에 해당하는 다이플루오로메탄(difluromethane, R32; CH2F2)을 포함하여, 적어도 2 이상의 비가연성 냉매들로 이루어질 수 있다. 두 냉매 R134a, R32는 각각 A1(비가연성), A2L(약가연성)에 해당하는 안전 등급으로 분류되는 냉매로, 독성이 없고, 오존파괴지수(ODP; Ozone Depletion Potential)가 0 이다.
또한, 두 냉매(R134a, R32)는 지구온난화지수(GWP; Global Warming Potential)가 1300, 677로, 각종 규제와 선급에서 제시하는 GWP 기준보다 낮은 값을 가지고 있어서 규제를 만족시키며 사용하기에 적합하다. 다른 실시예로, 제2 냉매는 이산화탄소(Carbon dioxide, R744; CO2) 등의 1종 또는 2종 이상의 비가연성 냉매가 사용될 수도 있다.
R32는 R134a보다 휘발성이 높기 때문에 끓는점이 약 20℃ 이상 낮다. R134a는 끓는점이 약 -26℃ 이고, R744는 끓는점이 약 -52℃ 이다. 따라서, 두 냉매(R134a, R32)가 혼합된 혼합냉매를 이용할 경우, 두 냉매의 큰 끓는점 차이로 인하여 상변화시 온도가 증가하는 온도 상승(temperature gliding) 효과를 충분히 얻을 수 있다.
혼합냉매는 테트라플루오르에탄(CH2FCF3, R134a) 및 다이플루오로메탄(CH2F2, R32)를 각각 75 ~ 85% 중량비, 15 ~ 25% 중량비로 함유할 수 있다. R32 냉매가 15 중량% 미만으로 함유되는 경우, R32와 R134a의 높은 끓는점 차이에 의한 혼합냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 얻기 어렵다. 반대로, R32 냉매의 혼합 비율이 25 중량%를 초과하는 경우, 높은 휘발성을 갖는 R32의 높은 함유량으로 인해 증발기(140)에서 혼합냉매의 압력이 20 barg 를 초과하게 되고, 20 barg 이상의 높은 압력을 견딜 수 있도록 하기 위해 증발기(140)의 설계 두께를 증가시켜야만 하는 문제점이 생길 수 있다.
비가연성 냉매와 가연성 냉매가 섞인 혼합냉매는 냉매들의 혼합농도에 따라 비가연성 특성을 가질 수 있다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 혼합냉매 재기화 모드에 사용되는 혼합냉매의 조성비에 따른 가연성을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 약가연성을 띄는 R32 냉매가 60% 이하의 비율로 혼합되는 경우 혼합냉매가 비가연성을 가지므로, R32 냉매를 0.15 ~ 0.25 중량비의 낮은 비중으로 혼합한 혼합냉매는 비가연성(non-flammability)을 가지는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 혼합냉매 재기화 모드에 사용되는 혼합냉매의 PH선도이다. 도 7을 참조하면, R32와 R134a가 20:80 비율로 혼합된 혼합냉매를 액화가스와 열교환시킨 후 배출시키는 경우, 단위 중량당 혼합냉매가 열교환할 수 있는 양(엔탈피 변화량)이 커지는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 혼합냉매 재기화 모드 가동 시에 혼합냉매의 순환에 필요한 혼합냉매의 양을 줄일 수 있고, 순환펌프에서 열매체를 가압시킬 때 필요한 에너지가 감소하여 시스템의 에너지 효율이 증가됨을 알 수 있다.
R134a와 R32 중 휘발성이 더 큰 R32의 중량비가 증가할수록, 혼합냉매의 상 변화시 온도 상승(temperature gliding) 효과가 커져서 냉매 순환 유량이 작아지는 장점이 있으나, 증발기(140)에서 혼합냉매의 포화 증기압(vapor pressure)이 증가하므로, 증발기(140)의 열교환 플레이트 제작에 있어서 설계 압력을 만족시키지 못하거나, 제조 비용이 비약적으로 증가할 수 있다.
해상 플랫폼이나 선박에서는 육상 플랜트와 비교하여 제한된 공간으로 시스템이 구성되어야 하는 제한점이 있다. 육상에서는 공기나 해수를 이용하여 유체를 기화시키는 오픈랙 기화기(open-rack vaporizer)를 사용할 수 있으나, 선박 위에는 그러한 큰 규모의 시스템을 설치하여 운용하는데 제약이 따른다. 이에 따라, 판형 열교환기(PHE; plate heat exchanger), 인쇄기판형 열교환기(PCHE; Printed circuit heat exchanger)와 같이 콤팩트한 장비가 운용될 수밖에 없고, 이러한 장비의 경우 제작 크기와 가격에 제한이 있다.
혼합냉매의 순환 사이클에 사용되는 증발기(140)는 내부 부품인 플레이트의 두께에 따라 열교환기의 성능, 가격, 설계 압력 등이 결정된다. 냉매 시스템에서는 특정 온도에서의 증기 포화 압력을 시스템 설계 압력을 설정하여 시스템을 운용하고 있다. R32는 R134a보다 휘발성이 크기 때문에 R32의 혼합 조성비를 크게 할수록 설계 압력이 증가하게 된다.
따라서, 선박에서 사용되는 증발기(140)의 성능과 가격을 고려하여 혼합냉매의 설계 압력을 만족시키기 위하여, R32의 혼합 조성비는 25 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 혼합냉매의 상변화시 온도 상승 효과를 얻도록 함과 동시에, 혼합냉매의 압력을 설계 압력 이하로 제어하기 위하여, 혼합냉매 재기화 모드 시에 사용되는 혼합냉매에 R32가 15 ~ 25 중량%(외기온도 50°기준)로 함유되도록 R32의 혼합 비율을 제어하는 것이 바람직하다.
R32의 비율이 높을수록, 혼합냉매의 이슬점(Dew point) 온도와 끓는점(Bubble point) 온도 간의 차이가 커지고, 혼합냉매의 상변화시 온도 상승 효과가 증대되고, 해수와 LNG의 제한된 온도 조건 내에서 혼합냉매를 사용하기에 유리해진다. R32의 비율이 15% 미만인 경우, 10 ~ 20 barg 증기압에서 혼합냉매의 이슬점 온도와 끓는점 온도 간의 차이가 약 10℃ 미만으로 감소하여, 증발기(140)에서 혼합냉매의 상 변화시 온도 상승 효과가 감소할 수 있다. 따라서, R32를 15 중량% 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 단일냉매 재기화 모드 동작 상태를 보여주는 도면이다. 도 8에서 차단 상태의 밸브는 음영으로 도시되어 있으며, 음영으로 도시되지 않은 밸브는 개방 상태임을 나타낸다. 도 8에서 유체가 흐르지 않는 우회라인(113) 및 제2 냉매 공급라인(184)은 점선으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 혼합냉매의 운용 조건을 만족하지 못하는 경우, 제어부(260)는 단일냉매 재기화 모드를 선택할 수 있다. 단일냉매 재기화 모드 시에 열매체 분기라인(200)을 통해 가열기(220)와 제2 열교환기(230)로 혼합냉매가 흐르도록 하기 위해, 제어부(260)는 개폐밸브(210) 및 압력조절밸브(240)를 개방하고, 우회라인(113)에 설치된 밸브(114)를 차단할 수 있다.
단일냉매 재기화 모드에서, 제어부(260)는 열매체 순환라인(120), 펌프(130), 증발기(140), 유량조절밸브(150), 제1 열교환기(160), 팽창 탱크(170), 냉매 공급부(180), 열매체 분기라인(200), 가열기(220), 제2 열교환기(230) 및 압력조절밸브(240)를 포함하는 단일냉매 재기화 시스템을 제어하여 제1 열교환기(160) 및 제2 열교환기(230)에 의해 액화가스를 재기화시킨다. 즉, 단일냉매 재기화 모드 시에는 혼합냉매 재기화 모드와 달리 열매체 분기라인(200), 가열기(220) 및 제2 열교환기(230)를 추가로 사용하여 재기화 시스템을 운전한다.
예를 들어, R32 수급이 어렵거나, 상대적으로 가연성이 높은 냉매(약가연성 냉매)의 누출/폭발 등의 위험이 감지되거나, 그 밖에 혼합냉매 재기화 모드 가동 시의 재기화 효율이 저하될 수 있는 상황이 발생하는 등의 경우에, 제어부(260)는 혼합냉매 대신에 수급이 가능하고 상대적으로 가연성이 낮은 단일냉매(예를 들어, R134a 등의 비가연성 냉매) 만을 이용하여 단일냉매 재기화 모드에 따라 재기화 시스템을 운전할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 9의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소와 중복되는 설명은 생략될 수 있다. 도 9의 실시예에서, 증발기(140)는 펌프(130)와 유량조절밸브(150) 사이에 설치되지 않고, 열매체 순환라인(120)에서 유량조절밸브(150)와 제1 열교환기(160)의 사이에 설치될 수 있다. 이에 따라, 단일냉매 재기화 모드 시에 열매체 분기라인(200)에는 증발기(140)에 의해 기화되지 않은 액체 상태의 단일냉매가 가열기(220)로 공급될 수 있다.
단일냉매 재기화 모드 시에, 단일냉매는 증발기(140) 내에서 압력 강하로 인하여 기화 시 온도가 오히려 떨어지는 현상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 단일냉매를 100% 기화시켜 열교환에 사용할 수 없게 된다. 따라서, 액화가스(LNG)를 천연가스(NG)로 기화시키는 과정을 두 가지로 나누어, 제1 열교환기(160)에서 기화된 단일냉매와의 열교환에 의해 액화가스를 기화시킨 후, 제2 열교환기(230)에서는 가열기(220)에 의해 액체 상태로 가열된 단일냉매와의 열교환에 의해 수요처(115)의 요구 온도까지 추가 가열을 할 수 있다. 단일냉매로 R134a 냉매를 이용하는 경우, 프로판 냉매를 이용하는 경우보다 더 낮은 압력 범위에서 재기화 시스템을 운전할 수 있으므로, 냉매 순환펌프의 소요 동력 또한 줄어들어 시스템 효율이 향상된다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 듀얼 모드 액화가스 재기화 시스템 110: 액화가스 이송라인(110)
111: 액화가스 저장탱크 112: 액화가스 펌프
113: 우회라인 114: 밸브
115: 수요처 120: 열매체 순환라인
130: 펌프 140: 증발기
142: 해수 공급라인 144: 해수 가압 펌프
150: 유량조절밸브 160: 제1 열교환기
170: 팽창 탱크 180: 냉매 공급부
181: 제1 저장탱크 182: 제2 저장탱크
183: 제1 냉매 공급라인 184: 제2 냉매 공급라인
185: 제1 밸브 186: 제2 밸브
187: 성분분석기 191, 193: 온도센서
192: 압력센서 200: 열매체 분기라인
210: 개폐밸브 220: 가열기
222: 해수 공급라인 224: 해수 가압 펌프
230: 제2 열교환기 232: 가스라인
240: 압력조절밸브 251: 온도센서
252: 압력센서 260: 제어부

Claims (12)

  1. 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위한 액화가스 이송라인;
    상기 액화가스를 기화시키기 위한 열매체가 순환되는 열매체 순환라인;
    상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열매체를 상기 열매체 순환라인에 순환시키는 펌프;
    상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열매체를 기화시키는 증발기;
    상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기에 의해 기화된 열매체와 상기 액화가스를 열교환시켜 상기 액화가스를 기화시키는 제1 열교환기;
    상기 열매체 순환라인의 일측으로부터 분기되고, 상기 열매체 중의 일부가 선택적으로 순환되는 열매체 분기라인;
    상기 열매체 분기라인에 흐르는 열매체를 가열하는 가열기;
    상기 열매체 분기라인에 설치되고, 상기 가열기에 의해 가열된 열매체와 상기 제1 열교환기에 의해 기화된 연료가스를 열교환시키는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기를 우회하여 상기 제1 열교환기에 의해 기화된 연료가스를 상기 수요처로 이송하는 우회라인; 및
    미리 설정된 재기화 공정 운용 조건에 따라 혼합냉매 재기화 모드 및 단일냉매 재기화 모드 중 어느 하나의 재기화 모드를 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 혼합냉매 재기화 모드는 2 이상의 냉매들이 혼합된 혼합냉매인 열매체를 상기 열매체 순환라인에 순환시켜 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기 중 상기 제1 열교환기만으로 상기 액화가스를 기화시키는 모드이고,
    상기 단일냉매 재기화 모드는 단일냉매인 열매체를 상기 열매체 순환라인 및 상기 열매체 분기라인에 순환시켜 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기에 의해 상기 액화가스를 기화시키는 모드인 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합냉매는, 상기 증발기에서 상기 혼합냉매가 기화되는 상변화 과정에서 상기 혼합냉매의 온도가 상승되도록, 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들로 이루어지는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉매들은 제1 냉매와, 상기 제1 냉매보다 20℃ 이상 낮은 끓는점을 가지는 제2 냉매를 포함하고,
    상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매는 각각 비가연성을 가지고, 오존파괴지수가 0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만이고,
    상기 제2 냉매는 상기 혼합냉매의 중량을 기준으로 0.15 ~ 0.25 의 중량비를 가지도록 상기 제1 냉매와 혼합되는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 냉매는 CH2FCF3 를 포함하고, 상기 제2 냉매는 CH2F2 를 포함하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 분기라인의 열매체 유입부에 설치되고, 상기 제어부에 의해 개폐 상태가 제어되는 개폐밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 혼합냉매 재기화 모드 시에 상기 열매체가 상기 가열기 및 상기 제2 열교환기로 공급되지 않도록 상기 개폐밸브를 차단하고;
    상기 단일냉매 재기화 모드 시에 상기 열매체가 상기 가열기 및 상기 제2 열교환기에 공급되도록 상기 개폐밸브를 개방하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 우회라인에 설치되는 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 혼합냉매 재기화 모드 시에 상기 밸브를 개방하고, 상기 단일냉매 재기화 모드 시에 상기 밸브를 차단하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 분기라인은 상기 제1 열교환기의 후단에서 상기 열매체 순환라인으로 합류되는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 열매체를 저장하고, 상기 열매체의 압력 변화를 흡수하는 팽창 탱크를 더 포함하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉매들 중 제1 냉매를 저장하는 제1 저장탱크와, 상기 냉매들 중 제2 냉매를 저장하는 제2 저장탱크와, 상기 제1 저장탱크로부터 상기 제1 냉매를 상기 열매체 순환라인 또는 상기 팽창 탱크로 공급하는 제1 냉매 공급라인과, 상기 제1 냉매 공급라인에 설치되는 제1 밸브와, 상기 제2 저장탱크로부터 상기 제2 냉매를 상기 열매체 순환라인 또는 상기 팽창 탱크로 공급하는 제2 냉매 공급라인과, 상기 제2 냉매 공급라인에 설치되는 제2 밸브와, 상기 혼합냉매의 성분 비율을 측정하는 성분분석기를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 혼합냉매 재기화 모드 시에 상기 혼합냉매의 성분 비율 측정값에 따라 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브를 제어하여 상기 혼합냉매의 조성비를 제어하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열매체 순환라인에서 상기 증발기의 후단인 동시에 상기 제1 열교환기의 전단에 설치되고, 상기 열매체의 유량 및 감압 정도를 조절하는 유량조절밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 열교환기에서 배출되는 열매체의 온도, 상기 팽창 탱크의 압력, 상기 펌프로 공급되는 열매체의 온도 중 적어도 하나에 기초하여 상기 유량조절밸브를 제어하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 냉매들 중에서 가연성이 높은 냉매의 누출 또는 폭발 위험이 기준 이하인 경우에 상기 혼합냉매 재기화 모드를 선택하고;
    상기 냉매들 중에서 가연성이 높은 냉매의 누출 또는 폭발 위험이 상기 기준을 초과하는 경우에 상기 단일냉매 재기화 모드를 선택하고,
    상기 단일냉매는 상기 냉매들 중에서 가연성이 낮은 냉매인 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 분기라인에 설치되고, 상기 제2 열교환기에서 배출되는 상기 단일냉매가 기화되지 않도록 설정 압력 이상으로 유지시키는 압력조절밸브를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 단일냉매 재기화 모드 시에 상기 가열기 후단의 단일냉매의 압력에 기초하여 상기 압력조절밸브를 제어하는 듀얼모드 액화가스 재기화 시스템.
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