KR102376277B1 - Boil-Off Gas Reliquefaction System for Ship And Operation Method Thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a boil-off gas reliquefaction system for a ship and an operating method thereof. The boil-off gas reliquefaction system for a ship comprises: a compressor for compressing boil-off gas generated from an onboard storage tank; a heat exchanger for cooling the compressed gas compressed by the compressor; and a refrigerant circulation unit in which a refrigerant that exchanges heat with the compressed gas in the heat exchanger circulates. The refrigerant circulation unit includes: a compander expander in which the refrigerant to be supplied to the heat exchanger is expanded and cooled; and a compander compressor for receiving the expansion energy of the refrigerant from the compander expander and compressing the refrigerant discharged after the heat exchange in the heat exchanger. In a normal operating state of the reliquefaction system, the variable geometry nozzle (VGN) of the compander expander is operated in a fully open state, and is operated using the compression/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander as a fixed value. If the amount of cooling heat required by the reliquefaction system is lower than the minimum amount of cooling heat at which the VGN is operated with the fixed value of the compression/expansion ratio, the compression/expansion ratio is lowered so that the amount of cooling heat supplied to the reliquefaction system can be adjusted. Therefore, the reliquefaction rate can be increased by more effectively cooling the boil-off gas to be reliquefied.

Description

선박의 증발가스 재액화 시스템 및 그 운전방법{Boil-Off Gas Reliquefaction System for Ship And Operation Method Thereof}Boil-Off Gas Reliquefaction System for Ship And Operation Method Thereof

본 발명은 선박의 저장탱크에 저장된 액화가스로부터 발생하는 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 냉각하여 재액화시키되, 증발가스 발생량 변화에 따라 재액화 필요 냉열량을 조절할 수 있는 증발가스 재액화 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다. The present invention cools and reliquefies boil-off gas (BOG) generated from liquefied gas stored in a storage tank of a ship, and re-liquefies boil-off gas that can control the amount of cooling heat required for re-liquefaction according to a change in the amount of boil-off gas generated It relates to a system and its operation method.

천연가스(natural gas)는, 메탄(methane)을 주성분으로 하며, 연소 시 환경오염 물질의 배출이 거의 없어 친환경 연료로서 주목받고 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. Natural gas, which has methane as a main component, is receiving attention as an eco-friendly fuel because there is almost no emission of environmental pollutants during combustion. Liquefied Natural Gas (LNG) is obtained by cooling natural gas to about -163°C under normal pressure and liquefying it. very suitable Therefore, natural gas is mainly stored and transported in the state of liquefied natural gas, which is easy to store and transport.

천연가스의 액화점은 상압에서 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.Since the liquefaction point of natural gas is a cryogenic temperature of about -163°C at atmospheric pressure, it is common that the LNG storage tank is insulated to maintain the liquid state of the LNG. However, although the LNG storage tank is insulated, it has a limitation in blocking external heat, and since the external heat is continuously transmitted to the LNG storage tank, during the LNG transportation process, the LNG is continuously and naturally in the LNG storage tank. It is vaporized and boil-off gas (BOG) is generated.

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 수송 효율 및 연료 효율에 있어 중요한 문제이므로, 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.If boil-off gas is continuously generated in the LNG storage tank, it becomes a factor to increase the internal pressure of the LNG storage tank. If the internal pressure of the storage tank exceeds the set safety pressure, it may cause an emergency such as tank rupture, so the boil-off gas must be discharged to the outside of the storage tank using a safety valve. However, since BOG is a kind of LNG loss and is an important problem in transport efficiency and fuel efficiency of LNG, various methods for treating BOG generated in the storage tank are being used.

최근에는, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료 수요처에서 사용하는 방법, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 방법 또는 이러한 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 방법 등이 개발되어 적용되고 있다.Recently, a method of using BOG in fuel demanders such as engines of ships, a method of re-liquefying BOG to a storage tank, or a method using a combination of these two methods, etc. have been developed and applied.

증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는, 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다.As a method for re-liquefying BOG, a method of re-liquefying BOG by heat-exchanging BOG with a refrigerant by having a refrigeration cycle using a separate refrigerant, a method of re-liquefying BOG itself as a refrigerant without a separate refrigerant, etc. There is this.

별도의 냉매 없이 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 방법으로, 압축시킨 증발가스를 미압축 증발가스와 열교환으로 냉각하고 단열팽창시켜 재액화시키는 PRS(Partial Re-liquefaction System)와, 그 개량기술도 개발되어 선박에 적용되고 있다. A PRS (Partial Re-liquefaction System) that reliquefies compressed BOG by heat exchange with uncompressed BOG and adiabatic expansion to re-liquefy the compressed BOG by using BOG itself as a refrigerant without a separate refrigerant; and Improved technology has also been developed and applied to ships.

별도의 냉동 사이클을 이용하는 시스템으로는, 질소 냉매를 이용한 재액화공정을 들 수 있다. As a system using a separate refrigeration cycle, a reliquefaction process using a nitrogen refrigerant may be mentioned.

질소 냉매는 혼합 냉매를 이용한 사이클에 비해 상대적으로 효율이 낮으나, 냉매가 불활성이어서 안전성이 높고, 냉매의 상 변화가 없기 때문에 선박에 적용하기 보다 용이한 장점이 있다.The nitrogen refrigerant has relatively low efficiency compared to a cycle using a mixed refrigerant, but has high safety because the refrigerant is inert, and has the advantage of being easier to apply to a ship because there is no phase change of the refrigerant.

이와 같이 별도의 냉매 또는 증발가스 자체의 냉열로 냉각된 증발가스는 세퍼레이터로 도입되어, 기액분리되고 분리된 재액화가스는 저장탱크로 회수된다. In this way, the BOG cooled by the cooling heat of a separate refrigerant or BOG itself is introduced into the separator, and the reliquefied gas separated from gas-liquid is recovered to the storage tank.

재액화 시스템에서 필요로 하는 냉열량은 저장탱크에서 발생하여 재액화될 증발가스의 양에 따라 변화한다. 본 발명은 증발가스 발생량에 따라 재액화 시스템에 공급되는 냉열량을 효과적으로 조절하여 운용할 수 있는 재액화 시스템 및 그 운전방법을 제공하고자 한다. The amount of cooling heat required in the reliquefaction system varies according to the amount of BOG to be reliquefied from the storage tank. An object of the present invention is to provide a reliquefaction system capable of effectively controlling and operating the amount of cooling heat supplied to the reliquefaction system according to the amount of BOG generated, and a method for operating the same.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기; 및 상기 열교환기에서 압축가스와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부;를 포함하는 재액화 시스템에서, According to one aspect of the present invention for solving the above problems, a compressor for compressing boil-off gas generated from the storage tank on board; a heat exchanger in which the compressed gas compressed in the compressor is cooled; and a refrigerant circulation unit in which the refrigerant exchanged with the compressed gas in the heat exchanger circulates; in a reliquefaction system comprising:

상기 냉매순환부는, The refrigerant circulation unit,

상기 열교환기로 공급될 냉매가 팽창 냉각되는 컴팬더 팽창기; 및a compander expander for expanding and cooling the refrigerant to be supplied to the heat exchanger; and

상기 컴팬더 팽창기로부터 상기 냉매의 팽창에너지를 전달받아 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기:를 포함하고,a compander compressor receiving the expansion energy of the refrigerant from the compander expander and compressing the refrigerant discharged after heat exchange in the heat exchanger;

재액화 시스템의 정상 운전 상태에서, 상기 컴팬더 팽창기의 VGN(Variable Geometry Nozzle)은 완전 개방(full open) 상태로 운전하고, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비를 고정값으로 운전하되, In the normal operating state of the reliquefaction system, the variable geometry nozzle (VGN) of the compander expander is operated in a fully open state, and the compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander is operated as a fixed value. ,

상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면 상기 압축비/팽창비를 낮추어 상기 재액화 시스템으로 공급되는 냉열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.When the required amount of cooling heat of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is lowered to adjust the amount of cooling heat supplied to the reliquefaction system. A reliquefaction system is provided.

바람직하게는 상기 냉매순환부는, 상기 냉매가 순환하는 냉매순환라인; 상기 냉매순환라인으로 냉매를 공급하는 냉매 인벤토리 시스템; 상기 냉매 인벤토리 시스템으로부터 상기 냉매순환라인의 컴팬더 압축기 전단으로 연결되어 상기 냉매순환라인의 냉매를 보충하는 냉매보충라인; 및 상기 냉매순환라인의 컴팬더 압축기 후단으로부터 상기 냉매 인벤토리 시스템으로 연결되어 상기 냉매순환라인의 냉매를 배출시키는 냉매배출라인; 상기 컴팬더 압축기 후단으로부터 상기 컴팬더 압축기 전단으로 연결되는 재순환라인:을 더 포함할 수 있다. Preferably, the refrigerant circulation unit includes: a refrigerant circulation line through which the refrigerant circulates; a refrigerant inventory system for supplying a refrigerant to the refrigerant circulation line; a refrigerant replenishment line connected from the refrigerant inventory system to the front end of the compander compressor of the refrigerant circulation line to supplement the refrigerant of the refrigerant circulation line; and a refrigerant discharge line connected to the refrigerant inventory system from the rear end of the compander compressor of the refrigerant circulation line to discharge the refrigerant of the refrigerant circulation line. It may further include a recirculation line connected from the rear end of the compander compressor to the front end of the compander compressor.

바람직하게는 상기 냉매순환부는, 상기 냉매보충라인에 마련되는 제1 밸브; 상기 냉매배출라인에 마련되는 제2 밸브; 상기 재순환라인에 마련되는 재순환밸브; 상기 냉매순환라인에서 상기 냉매보충라인의 합류지점 상류에 마련되어, 상기 열교환기에서 압축가스를 냉각시키고 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제1 압력트랜스미터; 및 상기 냉매순환라인에서 상기 냉매배출라인의 분기지점 하류에 마련되어, 상기 컴팬더 압축기에서 압축된 냉매의 압력을 감지하는 제2 압력트랜스미터:를 더 포함할 수 있다. Preferably, the refrigerant circulation unit includes: a first valve provided in the refrigerant replenishment line; a second valve provided in the refrigerant discharge line; a recirculation valve provided in the recirculation line; a first pressure transmitter provided upstream of the junction of the refrigerant replenishment line in the refrigerant circulation line to cool the compressed gas in the heat exchanger and sense the pressure of the refrigerant discharged; and a second pressure transmitter provided downstream of a branch point of the refrigerant discharge line in the refrigerant circulation line to sense the pressure of the refrigerant compressed in the compander compressor.

바람직하게는 상기 냉매순환부는, 상기 제1 및 제2 압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 상기 제1 및 제2 밸브를 제어하는 인벤토리 컨트롤러; 및 상기 제1 및 제2 압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 상기 컴팬더 압축기의 IGV(Inlet Guide Vane) 및 재순환밸브를 제어하는 압력비 컨트롤러:를 더 포함할 수 있다. Preferably, the refrigerant circulation unit, an inventory controller for controlling the first and second valves by receiving pressure values from the first and second pressure transmitters; and a pressure ratio controller configured to receive pressure values from the first and second pressure transmitters and control an inlet guide vane (IGV) and a recirculation valve of the compander compressor.

바람직하게는, 상기 저장탱크의 압력 하락으로 상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 감소하면, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비 고정값을 유지하면서, 상기 인벤토리 컨트롤러에서 상기 제2 밸브를 열고 상기 제1 밸브는 닫아 상기 냉매순환라인의 냉매를 배출시켜 질량 유량을 감소시킬 수 있다. Preferably, when the required amount of cooling heat of the reliquefaction system is reduced due to the pressure drop of the storage tank, the second valve is opened in the inventory controller while maintaining a fixed value of the compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander. The first valve may be closed to discharge the refrigerant from the refrigerant circulation line to reduce the mass flow.

바람직하게는, 상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면, 상기 압력비 컨트롤러를 통해 압축비/팽창비를 상기 고정값보다 낮은 설정값으로 설정하고, 상기 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 상기 컴팬더 압축기의 IGV를 열어 운전하고, 상기 IGV의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 상기 설정값보다 높으면 상기 재순환밸브를 열어 압축비/팽창비의 공정값을 조절할 수 있다. Preferably, when the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is set to a set value lower than the fixed value through the pressure ratio controller, and If the process value is higher than the set value, the IGV of the compander compressor is opened and operated, and even when the IGV is fully open, if the process value is higher than the set value, the recirculation valve is opened to determine the compression ratio/expansion ratio. The process value can be adjusted.

바람직하게는, 상기 열교환기를 거쳐 냉각된 증발가스를 기액분리하여 액화가스를 상기 저장탱크로 공급하는 세퍼레이터; 상기 세퍼레이터의 전단에 마련되는 로드 컨트롤 밸브; 상기 저장탱크의 내부 압력을 감지하는 탱크압력트랜스미터; 및 상기 탱크압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 상기 로드 컨트롤 밸브를 제어하는 로드 컨트롤러:를 더 포함할 수 있다. Preferably, a separator for supplying the liquefied gas to the storage tank by gas-liquid separation of the boil-off gas cooled through the heat exchanger; a load control valve provided at a front end of the separator; a tank pressure transmitter sensing the internal pressure of the storage tank; and a load controller configured to receive a pressure value from the tank pressure transmitter and control the load control valve.

바람직하게는, 상기 세퍼레이터에서 분리된 플래시가스의 조성을 측정하는 감지기; 상기 압축기의 전단에 마련되어 증발가스의 압력을 감지하는 제3 압력트랜스미터; 및 상기 압축기의 후단에 마련되어 증발가스의 압력을 감지하는 제4 압력트랜스미터:를 더 포함하고, 상기 제3 및 제4 압력트랜스미터에서 감지된 압력 값은 상기 로드 컨트롤러로 전송될 수 있다. Preferably, a detector for measuring the composition of the flash gas separated from the separator; a third pressure transmitter provided at the front end of the compressor to sense the pressure of the boil-off gas; and a fourth pressure transmitter provided at the rear end of the compressor to sense the pressure of boil-off gas, wherein the pressure values sensed by the third and fourth pressure transmitters may be transmitted to the load controller.

바람직하게는, 상기 탱크압력트랜스미터에서 감지된 상기 저장탱크의 압력 값이 증가하면 상기 로드 컨트롤러에서 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 높여, 상기 압축기의 후단 압력을 낮추어 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 증가시켜 상기 저장탱크의 압력을 낮추고, 상기 탱크압력트랜스미터에서 감지된 상기 저장탱크의 압력 값이 감소하면 상기 로드 컨트롤러에서 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 낮추어, 상기 압축기의 후단 압력을 높여 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 감소시켜 상기 저장탱크의 압력을 높일 수 있다. Preferably, when the pressure value of the storage tank sensed by the tank pressure transmitter increases, the load controller increases an opening degree of the load control valve to lower the rear end pressure of the compressor to increase the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor to lower the pressure of the storage tank, and when the pressure value of the storage tank sensed by the tank pressure transmitter decreases, the load controller lowers the opening degree of the load control valve, increases the rear end pressure of the compressor, and evaporation flowing into the compressor It is possible to increase the pressure of the storage tank by reducing the flow rate of the gas.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기에서 압축하고, 상기 압축기에서 압축된 압축가스를 냉매와 열교환기에서 열교환으로 냉각하고 재액화하는 재액화 시스템에서, According to another aspect of the present invention, in a re-liquefaction system for compressing boil-off gas generated from an onboard storage tank in a compressor, and cooling and re-liquefying the compressed gas compressed in the compressor by heat exchange with a refrigerant in a heat exchanger,

상기 열교환기에는 냉매순환부의 냉매가 공급되며, 상기 냉매순환부는 냉매가 팽창 냉각되는 컴팬더 팽창기; 및 상기 컴팬더 팽창기로부터 상기 냉매의 팽창에너지를 전달받아 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기:를 포함하되, a compander expander in which the refrigerant of the refrigerant circulation unit is supplied to the heat exchanger, the refrigerant circulation unit expands and cools the refrigerant; and a compander compressor receiving the expansion energy of the refrigerant from the compander expander and compressing the refrigerant discharged from the heat exchanger after heat exchange.

재액화 시스템의 정상 운전 상태에서, 상기 컴팬더 팽창기의 VGN(Variable Geometry Nozzle)은 완전 개방(full open) 상태로 운전하고, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비를 고정값이 되도록 운전하되, In the normal operation state of the reliquefaction system, the variable geometry nozzle (VGN) of the compander expander is operated in a fully open state, and the compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander is operated to be a fixed value. but,

상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면 상기 압축비/팽창비를 낮추어 상기 재액화 시스템으로 공급되는 냉열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템의 운전방법이 제공된다.When the required amount of cooling heat of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is lowered to adjust the amount of cooling heat supplied to the reliquefaction system. A method of operating a reliquefaction system is provided.

바람직하게는, 상기 저장탱크의 압력 하락으로 상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 감소하면, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비 고정값을 유지하면서, 상기 냉매순환부의 냉매 일부를 배출시켜 질량 유량을 감소시키고, Preferably, when the required amount of cooling heat of the reliquefaction system is reduced due to the pressure drop of the storage tank, a portion of the refrigerant from the refrigerant circulation unit is discharged while maintaining a fixed value of the compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander. reduce the flow,

상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면, 상기 압축비/팽창비를 상기 고정값보다 낮은 설정값으로 설정하고, 상기 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 상기 컴팬더 압축기의 IGV를 열어 운전하고, 상기 IGV의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 상기 설정값보다 높으면 상기 컴팬더 압축기 후단의 냉매 일부를 상기 컴팬더 압축기 전단으로 재순환시켜 압축비/팽창비의 공정값을 조절할 수 있다. When the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is set to a set value lower than the fixed value, and a process value higher than the set value ) is high, the IGV of the compander compressor is opened, The process value of compression ratio/expansion ratio can be adjusted.

바람직하게는, 상기 열교환기를 거쳐 냉각된 증발가스는 세퍼레이터에서 기액분리하여 분리된 액화가스가 상기 저장탱크로 공급되고, 상기 세퍼레이터의 전단에는 로드 컨트롤 밸브가 마련되며, 상기 저장탱크의 압력 값이 증가하면 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 높여, 상기 압축기의 후단 압력을 낮추어 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 증가시켜 상기 저장탱크의 압력을 낮추고, 상기 저장탱크의 압력 값이 감소하면 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 낮추어, 상기 압축기의 후단 압력을 높여 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 감소시켜 상기 저장탱크의 압력을 높일 수 있다. Preferably, the boil-off gas cooled through the heat exchanger is gas-liquid separated in a separator, and the separated liquefied gas is supplied to the storage tank, a load control valve is provided at the front end of the separator, and the pressure value of the storage tank is increased When the opening degree of the load control valve is increased, the rear end pressure of the compressor is lowered to increase the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor to lower the pressure of the storage tank, and when the pressure value of the storage tank decreases, the load control valve By lowering the opening degree, by increasing the rear end pressure of the compressor, the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor can be reduced, thereby increasing the pressure of the storage tank.

바람직하게는, 상기 세퍼레이터에서 분리된 플래시가스는 베이퍼 헤더를 통해 상기 압축기로 도입될 증발가스에 합류되되, 상기 플래시가스의 조성을 측정하여, 질소 함량이 높아지면 GCU(Gas Combustion Unit)으로 이송할 수 있다. Preferably, the flash gas separated from the separator is joined to the boil-off gas to be introduced into the compressor through a vapor header, and the composition of the flash gas is measured, and when the nitrogen content increases, it can be transferred to a GCU (Gas Combustion Unit). there is.

본 발명에서는 증발가스 자체의 냉열 및 냉매 사이클의 냉열을 이용하여, 재액화될 증발가스를 보다 효과적으로 냉각하여 재액화율을 높일 수 있다. 또한, 냉매 사이클에서 냉매의 팽창에너지를 냉매 압축에 이용함으로써, 냉매 사이클을 구동하기 위해 필요한 전력을 줄일 수 있고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.In the present invention, the reliquefaction rate can be increased by more effectively cooling the BOG to be reliquefied by using the cooling heat of the BOG itself and the cooling heat of the refrigerant cycle. In addition, by using the expansion energy of the refrigerant in the refrigerant cycle to compress the refrigerant, it is possible to reduce the power required to drive the refrigerant cycle, it is possible to increase the energy efficiency of the ship.

저장탱크에서 발생하여 재액화될 증발가스 양의 변화로 재액화 시스템에서 필요한 냉열량의 변화하면 그에 따라 냉매순환부로 공급되는 냉열량을 조절할 수 있다. 특히 VGN 조절 없이 컴팬더의 압축비/팽창비를 조절함으로써 컨트롤이 용이하고, 재액화 시스템의 더 낮은 턴-다운비(Turn Down Ratio)를 확보할 수 있으며, 시스템 운용의 유연성(Flexibility)을 높일 수 있다. If the amount of cooling heat required in the reliquefaction system is changed due to a change in the amount of BOG generated in the storage tank to be reliquefied, the amount of cooling heat supplied to the refrigerant circulation unit can be adjusted accordingly. In particular, it is easy to control by adjusting the compression/expansion ratio of the compander without VGN adjustment, and it is possible to secure a lower turn-down ratio of the reliquefaction system, and to increase the flexibility of system operation. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다. 1 schematically shows a BOG reliquefaction system of a ship according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

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.Hereinafter, the configuration and operation of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, it should be noted that in adding reference signs to the elements of each drawing, the same elements are indicated with the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings.

후술하는 본 발명의 일 실시예에서 선박은, 액화가스를 저장하는 저장탱크가 마련되는 모든 종류의 선박일 수 있다. 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.In an embodiment of the present invention to be described later, the vessel may be any type of vessel in which a storage tank for storing liquefied gas is provided. Typical examples include ships with self-propelled capabilities such as LNG carriers, liquid hydrogen carriers, and LNG RVs (Regasification Vessels), as well as LNG Floating Production Storage Offloading (FPSO) and LNG FSRU (Floating Storage Regasification Unit). It may also include offshore structures that do not have the capability but are floating in the sea.

또한, 본 실시예는 가스를 저온으로 액화시켜 수송될 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하는 모든 종류의 액화가스의 재액화 사이클에 적용될 수 있다. 이러한 액화가스는 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. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. In addition, this embodiment can be transported by liquefying the gas at a low temperature, and can be applied to a re-liquefaction cycle of all types of liquefied gas in which boil-off gas is generated in a stored state. Such liquefied gas is, for example, liquefied petrochemicals such as LNG (Liquefied Natural Gas), LEG (Liquefied Ethane Gas), LPG (Liquefied Petroleum Gas), Liquefied Ethylene Gas, Liquefied Propylene Gas, etc. It may be gas. However, in the embodiments to be described later, an example in which LNG, which is a representative liquefied gas, is applied will be described.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시하였다. 1 schematically shows a BOG reliquefaction system of a ship according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 선내 액화가스가 저장된 저장탱크(T)로부터 발생하는 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키기 위한 시스템으로, 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기(100), 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기로 공급하는 증발가스 공급라인(GL), 압축기로부터 저장탱크로 연결되며 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 복귀시키는 재액화라인(RL)을 포함한다. 1, the BOG reliquefaction system of this embodiment is a system for reliquefying BOG generated from a storage tank T in which liquefied gas is stored in the ship and returning it to the storage tank, and supplies BOG Compressor 100 for receiving and compressing, BOG supply line (GL) for supplying BOG generated from the storage tank to the compressor, Reliquefaction line (GL) connected from the compressor to the storage tank to reliquefy BOG and return to the storage tank ( RL).

증발가스 공급라인(GL)은 저장탱크로부터 열교환기(200)를 거쳐 압축기(100)로 연결됨으로써, 저장탱크에서 발생한 미압축 증발가스는 열교환기에 냉열을 공급한 후 압축기로 공급되어 압축된다. The BOG supply line GL is connected from the storage tank to the compressor 100 through the heat exchanger 200, so that the uncompressed BOG generated in the storage tank is supplied to the compressor after supplying cooling heat to the heat exchanger and compressed.

압축기(100)에서는 증발가스를 압축하는데, 예를 들어 선박의 주엔진의 연료공급압력으로 압축할 수 있다. 예를 들어 DF 엔진이 마련된 경우라면 5.5 barg, X-DF 엔진이 마련된 경우라면 15 barg, ME-GI 엔진이 마련된 경우는 300 barg로 압축할 수 있다. 압축된 증발가스는 선박의 주엔진(미도시)의 연료로도 공급될 수 있고, 연료로 공급되지 않은 증발가스를 재액화시킬 수 있다.The compressor 100 compresses the boil-off gas, for example, it may be compressed by the fuel supply pressure of the ship's main engine. For example, when the DF engine is provided, the compression can be 5.5 barg, when the X-DF engine is provided, it can be compressed at 15 barg, and when the ME-GI engine is provided, the compression can be 300 barg. The compressed BOG may also be supplied as a fuel of the ship's main engine (not shown), and may re-liquefy BOG that is not supplied as fuel.

선박 규정상 엔진으로 연료를 공급하는 압축기는, 비상 상황을 대비하여 리던던시(Redundancy) 설계를 하여야 하므로, 도면에서는 한 대의 압축기를 도시하였지만, 압축기는 주압축기와 리던던시 압축기를 포함하여 구성된 것일 수 있다. According to ship regulations, the compressor that supplies fuel to the engine must be designed for redundancy in preparation for an emergency situation, so one compressor is shown in the drawing, but the compressor may be configured to include a main compressor and a redundant compressor.

압축기(100)에서 압축된 증발가스는 재액화 라인(RL)을 따라 열교환기(200)로 도입되어 열교환을 통해 냉각된다.BOG compressed in the compressor 100 is introduced into the heat exchanger 200 along the reliquefaction line RL and cooled through heat exchange.

재액화라인(RL)에는, 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 열교환기(200), 열교환기를 거쳐 냉각된 증발가스를 기액분리하여 액화가스를 저장탱크로 공급하는 세퍼레이터(300)가 마련된다. The reliquefaction line RL is provided with a heat exchanger 200 for cooling the boil-off gas compressed in the compressor, and a separator 300 for gas-liquid separation of the boil-off gas cooled through the heat exchanger and supplying the liquefied gas to the storage tank.

열교환기(200)에서는 냉매순환부(400)를 순환하는 냉매와 열교환을 통해 증발가스가 냉각된다.In the heat exchanger 200 , the boil-off gas is cooled through heat exchange with the refrigerant circulating in the refrigerant circulation unit 400 .

냉매순환부(400)는, 냉매가 순환하는 냉매순환라인(CL)을 포함하며, 냉매순환라인에는, 열교환기로 공급될 냉매가 팽창 냉각되는 컴팬더 팽창기(410), 컴팬더 팽창기로부터 냉매의 팽창에너지를 전달받아 열교환기에서 배출되는 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기(420)가 마련되며, 컴팬더 압축기를 구동하기 위한 모터(430)가 마련된다. 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기는 축 연결되어, 냉매의 팽창에너지를 냉매 압축에 이용함으로써, 냉매 사이클을 구동하기 위해 필요한 전력을 줄일 수 있다. The refrigerant circulation unit 400 includes a refrigerant circulation line CL through which a refrigerant circulates, and the refrigerant circulation line includes a compander expander 410 in which the refrigerant to be supplied to the heat exchanger is expanded and cooled, and expansion of the refrigerant from the compander expander. A compander compressor 420 for receiving energy to compress the refrigerant discharged from the heat exchanger is provided, and a motor 430 for driving the compander compressor is provided. The compander compressor and the compander expander are shaft-connected, and the power required to drive the refrigerant cycle can be reduced by using the expansion energy of the refrigerant to compress the refrigerant.

냉매순환라인(CL)을 순환하며 열교환기로 공급되는 냉매로는 예를 들어 질소(N2)가 이용될 수 있다.As the refrigerant supplied to the heat exchanger while circulating the refrigerant circulation line CL, for example, nitrogen (N 2 ) may be used.

컴팬더 압축기(420)에서 압축된 냉매는 열교환기(200)에서 냉각된 후 컴팬더 팽창기(410)에서 팽창 냉각되어 다시 열교환기(200)의 냉매로 공급되며 냉매순환라인(CL)을 순환한다. 그에 따라, 열교환기(200)에서는 압축기에서 압축된 증발가스, 압축기로 도입될 미압축 증발가스, 컴팬더 팽창기에서 팽창 냉각된 냉매 및 컴팬더 압축기에서 압축된 냉매의 4가지 흐름이 열교환된다. The refrigerant compressed in the compander compressor 420 is cooled in the heat exchanger 200, then expanded and cooled in the compander expander 410, is supplied again as the refrigerant of the heat exchanger 200, and circulates through the refrigerant circulation line CL. . Accordingly, in the heat exchanger 200, four flows of the boil-off gas compressed in the compressor, the uncompressed boil-off gas to be introduced into the compressor, the refrigerant expanded and cooled in the compander expander, and the refrigerant compressed in the compander compressor are heat exchanged.

열교환기를 통과하며 냉각된 증발가스는 로드 컨트롤 밸브(LV)를 거쳐 감압을 통해 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창으로 추가 냉각된 후 세퍼레이터(300)에서 기액분리될 수 있다.BOG cooled while passing through the heat exchanger may be further cooled by adiabatic expansion or isentropic expansion through decompression through the load control valve LV, and then gas-liquid separated in the separator 300 .

세퍼레이터(300)에서 분리된 재액화가스는 저장탱크로 공급되어 재저장되고, 플래시 가스는 베이퍼 헤더를 통해 증발가스 공급라인의 열교환기 전단 미압축 증발가스 흐름에 공급되거나 GCU(Gas Combustion Unit)로 이송될 수 있다. The reliquefied gas separated in the separator 300 is supplied to a storage tank and stored again, and the flash gas is supplied to the uncompressed BOG flow at the front end of the heat exchanger of the BOG supply line through the vapor header or to the GCU (Gas Combustion Unit). can be transported

플래시가스 중 질소 함량이 높으면 재액화 효율을 떨어뜨릴 수 있으므로, 세퍼레이터에서 분리된 플래시가스의 조성을 측정하는 감지기(310)를 마련하여, 플래시가스의 질소 함량이 높으면 GCU로 플래시가스를 보내 태워없애거나, 선내 발전엔진 등으로 공급되는 연료에 혼합하여 연료로 공급할 수 있다. If the nitrogen content in the flash gas is high, the reliquefaction efficiency may be reduced, so a detector 310 that measures the composition of the flash gas separated from the separator is provided, and if the nitrogen content of the flash gas is high, the flash gas is sent to the GCU to burn or , it can be supplied as fuel by mixing it with fuel supplied to an onboard power generation engine, etc.

한편 냉매순환부(400)에는, 냉매순환라인(CL)으로 냉매를 공급하는 냉매 인벤토리 시스템(440), 냉매 인벤토리 시스템으로부터 냉매순환라인의 컴팬더 압축기 전단으로 연결되어 냉매순환라인의 냉매를 보충하는 냉매보충라인(CLs), 냉매순환라인의 컴팬더 압축기 후단으로부터 냉매 인벤토리 시스템으로 연결되어 냉매순환라인의 냉매를 배출시키는 냉매배출라인(CLe), 컴팬더 압축기 후단으로부터 상기 컴팬더 압축기 전단으로 연결되는 재순환라인(CRL)이 마련된다. On the other hand, in the refrigerant circulation unit 400, the refrigerant inventory system 440 for supplying the refrigerant to the refrigerant circulation line (CL), the refrigerant inventory system is connected to the front end of the compander compressor of the refrigerant circulation line to supplement the refrigerant of the refrigerant circulation line. Refrigerant replenishment line (CLs), refrigerant discharge line (CLe) that is connected to the refrigerant inventory system from the rear end of the compander compressor of the refrigerant circulation line to discharge the refrigerant of the refrigerant circulation line, and is connected from the rear end of the compander compressor to the front end of the compander compressor A recirculation line (CRL) is provided.

또한, 냉매보충라인(CLs)에는 제1 밸브(V1), 냉매배출라인(CLe)에는 제2 밸브(V3), 재순환라인(CRL)에는 재순환밸브(RV)가 각 마련되며, 냉매순환라인에서 냉매보충라인의 합류지점 상류에는 열교환기에서 압축가스를 냉각시키고 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제1 압력트랜스미터(P1)가 마련되고, 냉매순환라인에서 냉매배출라인의 분기지점 하류에는 컴팬더 압축기에서 압축된 냉매의 압력을 감지하는 제2 압력트랜스미터(P2)가 마련된다.In addition, a first valve V1 is provided in the refrigerant replenishment line CLs, a second valve V3 is provided in the refrigerant discharge line CLe, and a recirculation valve RV is provided in the recirculation line CRL, respectively. A first pressure transmitter (P1) is provided upstream of the junction of the refrigerant replenishment line, which cools the compressed gas in the heat exchanger and senses the pressure of the refrigerant discharged. A second pressure transmitter (P2) for sensing the pressure of the refrigerant compressed in the is provided.

냉매순환부(400)는, 제1 및 제2 압력트랜스미터(P1, P2)로부터 압력 값을 전송받아 제1 및 제2 밸브(V1, V2)를 제어하는 인벤토리 컨트롤러(450)와, 제1 및 제2 압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 컴팬더 압축기의 IGV(Inlet Guide Vane, 421) 및 재순환밸브(RV)를 제어하는 압력비 컨트롤러(460)를 포함하여 구성될 수 있다. The refrigerant circulation unit 400 receives the pressure values from the first and second pressure transmitters P1 and P2 and controls the first and second valves V1 and V2 with an inventory controller 450 and the first and It may be configured to include a pressure ratio controller 460 that receives a pressure value from the second pressure transmitter and controls an inlet guide vane (IGV) 421 and a recirculation valve (RV) of the compander compressor.

본 실시예에서 냉매순환라인(CL)을 순환하며 열교환기로 공급되는 냉매로는 예를 들어 질소(N2)가 이용될 수 있다. In this embodiment, nitrogen (N 2 ) may be used as the refrigerant supplied to the heat exchanger while circulating the refrigerant circulation line CL.

냉매 인벤토리 시스템(430)에서는 냉매로 순환되는 질소를 냉매순환라인(CL)으로 공급하거나 보충하고, 냉매순환라인의 냉매를 배출시킬 수 있다. 냉매 인벤토리 시스템은 드라이어(dryer), 부스팅 컴프레서, 인벤토리 탱크를 포함하여 구성될 수 있다. In the refrigerant inventory system 430 , nitrogen circulated as a refrigerant may be supplied or supplemented to the refrigerant circulation line CL, and the refrigerant of the refrigerant circulation line may be discharged. The refrigerant inventory system may include a dryer, a boosting compressor, and an inventory tank.

한편, 재액화라인(RL)에서 세퍼레이터(300)의 전단에 마련된 로드 컨트롤 밸브(LV)에서 로드 조절 및 세퍼레이터 압력을 조절하며, 본 실시예 시스템에는 저장탱크의 내부 압력을 감지하는 탱크압력트랜스미터(P0)와, 탱크압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 로드 컨트롤 밸브를 제어하는 로드 컨트롤러(500)가 마련된다. On the other hand, the load control valve (LV) provided at the front end of the separator 300 in the reliquefaction line (RL) controls the load and the separator pressure, and the present embodiment system has a tank pressure transmitter ( P0) and a load controller 500 for controlling the load control valve by receiving the pressure value from the tank pressure transmitter is provided.

압축기의 전단과 후단에 각각 증발가스와 압축가스의 압력을 감지하는 제3 압력트랜스미터(P3)와 제4 압력트랜스미터(P4)가 마련되고, 제3 및 제4 압력트랜스미터에서 감지된 압력 값은 로드 컨트롤러(500)로 전송된다.A third pressure transmitter (P3) and a fourth pressure transmitter (P4) for sensing the pressure of boil-off gas and compressed gas, respectively, are provided at the front and rear ends of the compressor, and the pressure values detected by the third and fourth pressure transmitters are the load transmitted to the controller 500 .

본 실시예 시스템의 운전 방법을 살펴보면, 다음과 같이 시스템의 제어가 이루어진다. 이는 재액화 시스템의 각 장비들이 일정한 조건으로 정상 운전되는 시스템의 정상 운전 상태에서, 저장탱크에서 발생하는 증발가스량의 변화로 재액화 시스템에서 필요한 냉열량이 변화할 때 이를 조절하기 위한 제어 방법에 관한 것이다.Looking at the operating method of the system according to the present embodiment, the system is controlled as follows. This relates to a control method for controlling when the amount of cooling heat required in the reliquefaction system changes due to a change in the amount of boil-off gas generated in the storage tank in the normal operating state of the system in which each equipment of the reliquefaction system operates normally under certain conditions. .

먼저, 본 실시예에서는 컴팬더 압축기(420)와 컴팬더 팽창기(410)를 포함하는 컴팬더의 압축비/팽창비를 고정값으로 운전하며, 컴팬더 팽창기(410)의 VGN(Variable Geometry Nozzle, 411)은 완전 개방(full open) 상태로 조절없이 운전한다. 정상 운전 상태에서 평소 컴팬더의 압축비/팽창비 고정값은 일 예로 약 4.37로 설정될 수 있다. First, in this embodiment, the compression ratio/expansion ratio of the compander including the compander compressor 420 and the compander expander 410 is operated as a fixed value, and the VGN (Variable Geometry Nozzle, 411) of the compander expander 410 is is fully open and operates without adjustment. In the normal operation state, the fixed value of the compression ratio/expansion ratio of the usual compander may be set, for example, to about 4.37.

저장탱크(T)에서 발생하는 증발가스량의 변화에 따라 저장탱크 압력이 상승 또는 하락하여 재액화 시스템의 냉열 필요량이 변화하면, VGN 조절 없이 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비 고정값은 유지하면서, 인벤토리 컨트롤러(450)에서는 제1 및 제2 밸브(V1, V2)를 제어하여 냉매순환라인의 냉매를 보충하거나 냉매순환라인의 냉매 일부를 배출하여 냉매의 질량 유량을 변화시킴으로써, 냉매순환라인의 냉열량을 조절하게 된다. 즉, 재액화 시스템에서의 냉열 필요량이 증가하면, 인벤토리 컨트롤러(450)에서는 제1 밸브(V1)를 열고 제2 밸브(V2)는 닫아 냉매보충라인(CLs)을 통해 냉매를 보충하고, 반대로 냉열 필요량이 감소하면, 인벤토리 컨트롤러(450)에서 제2 밸브(V2)를 열고 제1 밸브(V1)는 닫아 냉매순환라인의 냉매 일부를 냉매배출라인(CLe)을 통해 냉매 인벤토리 시스템(440)으로 배출시켜 질량 유량을 감소시킬 수 있다. If the storage tank pressure rises or falls according to the change in the amount of boil-off gas generated in the storage tank (T) and the required amount of cooling heat of the reliquefaction system changes, the fixed compression/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander is maintained without VGN adjustment. While, the inventory controller 450 controls the first and second valves V1 and V2 to supplement the refrigerant in the refrigerant circulation line or discharge a portion of the refrigerant in the refrigerant circulation line to change the mass flow rate of the refrigerant, the refrigerant circulation line to control the amount of cooling That is, when the amount of cooling heat required in the reliquefaction system increases, the inventory controller 450 opens the first valve V1 and closes the second valve V2 to replenish the refrigerant through the refrigerant replenishment line CLs, and vice versa. When the required amount is reduced, the inventory controller 450 opens the second valve V2 and closes the first valve V1 to discharge a portion of the refrigerant in the refrigerant circulation line to the refrigerant inventory system 440 through the refrigerant discharge line CLe. This can reduce the mass flow.

냉매 인벤토리 시스템(440)의 작동 압력과 냉매순환라인(CL)으로부터 냉매배출라인(CLe)을 통해 배출되는 냉매의 압력이 역전되어 냉매 인벤토리 시스템으로 더이상 냉매를 배출시킬 수 없는 경우, 냉매벤트라인을 통해 냉매순환부 외부로 배출시킬 수 있다. 이를 위해 냉매배출라인(CLe)의 제2 밸브(V2) 상류에서 냉매벤트라인(CLv)이 분기되고, 냉매벤트라인에는 제3 밸브(V3)가 마련된다. 제3 밸브(V3)는 인벤토리 컨트롤러(450)의 제어에 따라 냉매순환라인의 냉매를 냉매순환부 외부로 배출시킬 수 있다.When the operating pressure of the refrigerant inventory system 440 and the pressure of the refrigerant discharged from the refrigerant circulation line (CL) through the refrigerant discharge line (CLe) are reversed and the refrigerant can no longer be discharged to the refrigerant inventory system, the refrigerant vent line is closed It can be discharged to the outside of the refrigerant circulation unit through the To this end, the refrigerant vent line CLv is branched upstream of the second valve V2 of the refrigerant discharge line CLe, and a third valve V3 is provided in the refrigerant vent line. The third valve V3 may discharge the refrigerant of the refrigerant circulation line to the outside of the refrigerant circulation unit according to the control of the inventory controller 450 .

그러다가 재액화 시스템의 냉열 필요량이 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면, 압축비/팽창비를 낮추어 냉열량을 조절하게 된다. 이 때는, 압력비 컨트롤러(460)를 통해 압축비/팽창비를 고정값보다 낮은 설정값, 예를 들어 고정값이 4.37인 경우 이보다 낮게 압축비/팽창비 set point를 먼저 설정하고, 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 컴팬더 압축기의 IGV(Inlet Guide Vane, 421)를 열어 재액화 시스템을 운전한다. Then, when the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated as a fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the cooling heat amount is adjusted by lowering the compression ratio/expansion ratio. At this time, the compression ratio/expansion ratio is set to a lower setting value than the fixed value through the pressure ratio controller 460, for example, when the fixed value is 4.37, the compression ratio/expansion ratio set point is first set lower than this, and the process value is higher than the set value. ) is high, open the IGV (Inlet Guide Vane, 421) of the compander compressor to operate the reliquefaction system.

컴팬더 압축기의 IGV(421)의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 설정값보다 높으면 압력비 컨트롤러(460)에서는 재순환밸브(RV)를 열어, 컴팬더 압축기 후단의 냉매 일부를 컴팬더 압축기 전단으로 재순환시켜 압축비/팽창비의 공정값을 조절할 수 있다. Even in the fully open state of the IGV 421 of the compander compressor, if the process value is higher than the set value, the pressure ratio controller 460 opens the recirculation valve (RV) to transfer a portion of the refrigerant from the rear end of the compander compressor to the front end of the compander compressor. It is possible to adjust the process value of the compression ratio/expansion ratio by recycling to

한편, 저장탱크(T)의 내부 압력이 증가하거나 감소하는 경우, 탱크 압력은 다음과 같이 조절될 수 있다. On the other hand, when the internal pressure of the storage tank (T) increases or decreases, the tank pressure may be adjusted as follows.

먼저, 탱크압력트랜스미터(P0)에서 감지된 저장탱크의 압력 값이 증가하면 로드 컨트롤러(500)에서 로드 컨트롤 밸브(LV)의 개도를 서서히 높여, 열교환기를 거쳐 세퍼레이터(300)로 유입되는 증발가스의 유량을 증가시킨다. 이 경우 압축기(100)의 후단 압력(P4)이 낮아지면서 저장탱크로부터 압축기로 유입되는 증발가스의 유량이 증가하게 되어, 저장탱크의 압력을 낮출 수 있다. First, when the pressure value of the storage tank detected by the tank pressure transmitter (P0) increases, the load controller 500 gradually increases the opening degree of the load control valve (LV), and the boil-off gas flowing into the separator 300 through the heat exchanger Increase the flow. In this case, as the rear end pressure P4 of the compressor 100 decreases, the flow rate of the boil-off gas flowing into the compressor from the storage tank increases, thereby reducing the pressure of the storage tank.

반대로 탱크압력트랜스미터(P0)에서 감지된 저장탱크의 압력 값이 감소하면 로드 컨트롤러(500)에서 로드 컨트롤 밸브(LV)의 개도를 점차 낮추어, 세퍼레이터(300)로 유입되는 증발가스 유량을 감소시키면 압축기(100)의 후단 압력이 높아지고, 그에 따라 저장탱크(T)로부터 압축기(100)로 유입되는 증발가스의 유량이 감소되면서 저장탱크의 압력을 높일 수 있다. Conversely, when the pressure value of the storage tank detected by the tank pressure transmitter (P0) decreases, the load controller 500 gradually lowers the opening degree of the load control valve (LV) to reduce the BOG flow rate flowing into the separator 300, the compressor As the rear end pressure of ( 100 ) increases, the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor ( 100 ) from the storage tank (T) is reduced accordingly, thereby increasing the pressure of the storage tank.

이와 같은 제어를 통해 본 실시예에서는 저장탱크에서 발생하는 증발가스 양의 변화로 재액화 시스템에서 필요한 냉열량의 변화하면 그에 따라 냉매순환부로 공급되는 냉열량을 효과적으로 조절할 수 있고, 저장탱크의 압력을 조절하여 탱크 내부 압력을 적절히 유지할 수 있다.Through such control, in this embodiment, when the amount of cooling heat required in the reliquefaction system is changed due to a change in the amount of BOG generated in the storage tank, the amount of cooling heat supplied to the refrigerant circulation unit can be effectively adjusted accordingly, and the pressure of the storage tank can be adjusted accordingly. It can be adjusted to properly maintain the pressure inside the tank.

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. The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent to those skilled in the art that various modifications or variations can be implemented without departing from the technical gist of the present invention. did it

T: 저장탱크
GL: 증발가스 공급라인
RL: 재액화 라인
CL: 냉매순환라인
100: 압축기
200: 열교환기
300: 세퍼레이터
310: 감지기
400: 냉매순환부
410: 컴팬더 팽창기
420: 컴팬더 압축기
430: 모터
440: 냉매 인벤토리 시스템
450: 인벤토리 컨트롤러
460: 압력비 컨트롤러
500: 로드 컨트롤러T: storage tank
GL: BOG supply line
RL: reliquefaction line
CL: Refrigerant circulation line
100: compressor
200: heat exchanger
300: separator
310: sensor
400: refrigerant circulation unit
410: compander inflator
420: compander compressor
430: motor
440: refrigerant inventory system
450: inventory controller
460: pressure ratio controller
500: load controller

Claims (13)

선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 압축가스가 냉각되는 열교환기; 및 상기 열교환기에서 압축가스와 열교환되는 냉매가 순환하는 냉매순환부;를 포함하는 재액화 시스템에서,
상기 냉매순환부는,
상기 열교환기로 공급될 냉매가 팽창 냉각되는 컴팬더 팽창기;
상기 컴팬더 팽창기로부터 상기 냉매의 팽창에너지를 전달받아 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기;
상기 컴팬더 압축기 후단으로부터 상기 컴팬더 압축기 전단으로 연결되는 재순환라인; 및
상기 재순환라인에 마련되는 재순환밸브:를 포함하고,
재액화 시스템의 정상 운전 상태에서, 상기 컴팬더 팽창기의 VGN(Variable Geometry Nozzle)은 완전 개방(full open) 상태로 운전하고, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비를 고정값으로 운전하되,
상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면, 상기 압축비/팽창비를 상기 고정값보다 낮은 설정값으로 설정하고, 상기 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 상기 컴팬더 압축기의 IGV를 열어 운전하고, 상기 IGV의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 상기 설정값보다 높으면 상기 재순환밸브를 열어 압축비/팽창비의 공정값을 조절하여, 상기 재액화 시스템으로 공급되는 냉열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.Compressor for compressing boil-off gas generated from the onboard storage tank; a heat exchanger in which the compressed gas compressed in the compressor is cooled; and a refrigerant circulation unit in which the refrigerant exchanged with the compressed gas in the heat exchanger circulates; in a reliquefaction system comprising:
The refrigerant circulation unit,
a compander expander for expanding and cooling the refrigerant to be supplied to the heat exchanger;
a compander compressor receiving the expansion energy of the refrigerant from the compander expander and compressing the refrigerant discharged from the heat exchanger after heat exchange;
a recirculation line connected from the rear end of the compander compressor to the front end of the compander compressor; and
A recirculation valve provided in the recirculation line includes:
In the normal operating state of the reliquefaction system, the variable geometry nozzle (VGN) of the compander expander is operated in a fully open state, and the compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander is operated as a fixed value. ,
When the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is set to a set value lower than the fixed value, and a process value higher than the set value ) is high, open the IGV of the compander compressor BOG reliquefaction system of a ship, characterized in that it controls the amount of cooling heat supplied to the liquefaction system. 제 1항에 있어서, 상기 냉매순환부는,
상기 냉매가 순환하는 냉매순환라인;
상기 냉매순환라인으로 냉매를 공급하는 냉매 인벤토리 시스템;
상기 냉매 인벤토리 시스템으로부터 상기 냉매순환라인의 컴팬더 압축기 전단으로 연결되어 상기 냉매순환라인의 냉매를 보충하는 냉매보충라인; 및
상기 냉매순환라인의 컴팬더 압축기 후단으로부터 상기 냉매 인벤토리 시스템으로 연결되어 상기 냉매순환라인의 냉매를 배출시키는 냉매배출라인:을 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. The method of claim 1, wherein the refrigerant circulation unit,
a refrigerant circulation line through which the refrigerant circulates;
a refrigerant inventory system for supplying a refrigerant to the refrigerant circulation line;
a refrigerant replenishment line connected from the refrigerant inventory system to the front end of the compander compressor of the refrigerant circulation line to supplement the refrigerant of the refrigerant circulation line; and
BOG reliquefaction system of a vessel further comprising: a refrigerant discharge line connected to the refrigerant inventory system from the rear end of the compander compressor of the refrigerant circulation line to discharge the refrigerant of the refrigerant circulation line. 제 2항에 있어서, 상기 냉매순환부는,
상기 냉매보충라인에 마련되는 제1 밸브;
상기 냉매배출라인에 마련되는 제2 밸브;
상기 냉매순환라인에서 상기 냉매보충라인의 합류지점 상류에 마련되어, 상기 열교환기에서 압축가스를 냉각시키고 배출되는 냉매의 압력을 감지하는 제1 압력트랜스미터; 및
상기 냉매순환라인에서 상기 냉매배출라인의 분기지점 하류에 마련되어, 상기 컴팬더 압축기에서 압축된 냉매의 압력을 감지하는 제2 압력트랜스미터:를 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. The method of claim 2, wherein the refrigerant circulation unit,
a first valve provided in the refrigerant replenishment line;
a second valve provided in the refrigerant discharge line;
a first pressure transmitter provided upstream of the junction of the refrigerant replenishment line in the refrigerant circulation line to cool the compressed gas in the heat exchanger and sense the pressure of the refrigerant discharged; and
The BOG reliquefaction system of a ship further comprising: a second pressure transmitter provided downstream of a branch point of the refrigerant discharge line in the refrigerant circulation line to sense the pressure of the refrigerant compressed in the compander compressor. 제 3항에 있어서, 상기 냉매순환부는,
상기 제1 및 제2 압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 상기 제1 및 제2 밸브를 제어하는 인벤토리 컨트롤러; 및
상기 제1 및 제2 압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 상기 컴팬더 압축기의 IGV(Inlet Guide Vane) 및 재순환밸브를 제어하는 압력비 컨트롤러:를 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. The method of claim 3, wherein the refrigerant circulation unit,
an inventory controller receiving the pressure values from the first and second pressure transmitters and controlling the first and second valves; and
The BOG reliquefaction system of a ship further comprising: a pressure ratio controller that receives pressure values from the first and second pressure transmitters and controls an inlet guide vane (IGV) and a recirculation valve of the compander compressor. 제 4항에 있어서,
상기 저장탱크의 압력 하락으로 상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 감소하면,
상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비 고정값을 유지하면서, 상기 인벤토리 컨트롤러에서 상기 제2 밸브를 열고 상기 제1 밸브는 닫아 상기 냉매순환라인의 냉매를 배출시켜 질량 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. 5. The method of claim 4,
When the required amount of cooling heat of the reliquefaction system decreases due to the pressure drop of the storage tank,
While maintaining a fixed compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander, the inventory controller opens the second valve and closes the first valve to discharge the refrigerant from the refrigerant circulation line to reduce the mass flow. A vessel's boil-off gas reliquefaction system. 제 5항에 있어서,
상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면,
상기 압력비 컨트롤러를 통해 압축비/팽창비를 상기 고정값보다 낮은 설정값으로 설정하고, 상기 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 상기 컴팬더 압축기의 IGV를 열어 운전하고, 상기 IGV의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 상기 설정값보다 높으면 상기 재순환밸브를 열어 압축비/팽창비의 공정값을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. 6. The method of claim 5,
When the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio / expansion ratio,
The compression ratio/expansion ratio is set to a set value lower than the fixed value through the pressure ratio controller, and when the process value is higher than the set value, the IGV of the compander compressor is opened and operated, and the IGV is fully opened Even in the open) state, if the process value is higher than the set value, the BOG reliquefaction system of a ship, characterized in that the process value of the compression ratio / expansion ratio is adjusted by opening the recirculation valve. 제 4항에 있어서,
상기 열교환기를 거쳐 냉각된 증발가스를 기액분리하여 액화가스를 상기 저장탱크로 공급하는 세퍼레이터;
상기 세퍼레이터의 전단에 마련되는 로드 컨트롤 밸브;
상기 저장탱크의 내부 압력을 감지하는 탱크압력트랜스미터; 및
상기 탱크압력트랜스미터로부터 압력 값을 전송받아 상기 로드 컨트롤 밸브를 제어하는 로드 컨트롤러:를 더 포함하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. 5. The method of claim 4,
a separator for supplying liquefied gas to the storage tank by gas-liquid separation of the boil-off gas cooled through the heat exchanger;
a load control valve provided at a front end of the separator;
a tank pressure transmitter sensing the internal pressure of the storage tank; and
BOG reliquefaction system of a vessel further comprising: a load controller receiving a pressure value from the tank pressure transmitter and controlling the load control valve. 제 7항에 있어서,
상기 세퍼레이터에서 분리된 플래시가스의 조성을 측정하는 감지기;
상기 압축기의 전단에 마련되어 증발가스의 압력을 감지하는 제3 압력트랜스미터; 및
상기 압축기의 후단에 마련되어 증발가스의 압력을 감지하는 제4 압력트랜스미터:를 더 포함하고,
상기 제3 및 제4 압력트랜스미터에서 감지된 압력 값은 상기 로드 컨트롤러로 전송되는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템.8. The method of claim 7,
a detector for measuring the composition of the flash gas separated from the separator;
a third pressure transmitter provided at the front end of the compressor to sense the pressure of the boil-off gas; and
Further comprising: a fourth pressure transmitter provided at the rear end of the compressor to sense the pressure of boil-off gas;
The pressure values sensed by the third and fourth pressure transmitters are transmitted to the load controller. 제 8항에 있어서,
상기 탱크압력트랜스미터에서 감지된 상기 저장탱크의 압력 값이 증가하면 상기 로드 컨트롤러에서 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 높여, 상기 압축기의 후단 압력을 낮추어 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 증가시켜 상기 저장탱크의 압력을 낮추고,
상기 탱크압력트랜스미터에서 감지된 상기 저장탱크의 압력 값이 감소하면 상기 로드 컨트롤러에서 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 낮추어, 상기 압축기의 후단 압력을 높여 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 감소시켜 상기 저장탱크의 압력을 높이는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템. 9. The method of claim 8,
When the pressure value of the storage tank sensed by the tank pressure transmitter increases, the load controller increases the opening degree of the load control valve, lowers the rear end pressure of the compressor to increase the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor, and the storage tank lower the pressure of
When the pressure value of the storage tank detected by the tank pressure transmitter decreases, the load controller lowers the opening degree of the load control valve, increases the rear end pressure of the compressor, and reduces the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor, thereby reducing the flow rate of the boil-off gas into the storage tank. BOG reliquefaction system of a ship, characterized in that by increasing the pressure of the. 선내 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축기에서 압축하고, 상기 압축기에서 압축된 압축가스를 냉매와 열교환기에서 열교환으로 냉각하고 재액화하는 재액화 시스템에서,
상기 열교환기에는 냉매순환부의 냉매가 공급되며, 상기 냉매순환부는 냉매가 팽창 냉각되는 컴팬더 팽창기; 및 상기 컴팬더 팽창기로부터 상기 냉매의 팽창에너지를 전달받아 상기 열교환기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 컴팬더 압축기:를 포함하되,
재액화 시스템의 정상 운전 상태에서, 상기 컴팬더 팽창기의 VGN(Variable Geometry Nozzle)은 완전 개방(full open) 상태로 운전하고, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비를 고정값으로 운전하되,
상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면, 상기 압축비/팽창비를 상기 고정값보다 낮은 설정값으로 설정하고, 상기 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 상기 컴팬더 압축기의 IGV를 열어 운전하고, 상기 IGV의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 상기 설정값보다 높으면 상기 컴팬더 압축기 후단의 냉매 일부를 상기 컴팬더 압축기 전단으로 재순환시켜 압축비/팽창비의 공정값을 조절하여, 상기 재액화 시스템으로 공급되는 냉열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템의 운전방법.In a reliquefaction system that compresses boil-off gas generated from an onboard storage tank in a compressor, cools the compressed gas compressed in the compressor through heat exchange with a refrigerant and a heat exchanger, and re-liquefies,
a compander expander in which the refrigerant of the refrigerant circulation unit is supplied to the heat exchanger, the refrigerant circulation unit expands and cools the refrigerant; and a compander compressor receiving the expansion energy of the refrigerant from the compander expander and compressing the refrigerant discharged from the heat exchanger after heat exchange.
In the normal operating state of the reliquefaction system, the variable geometry nozzle (VGN) of the compander expander is operated in a fully open state, and the compression ratio/expansion ratio of the compander compressor and the compander expander is operated as a fixed value. ,
When the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is set to a set value lower than the fixed value, and a process value higher than the set value ) is high, the IGV of the compander compressor is opened, By adjusting the process value of the compression ratio / expansion ratio, the operating method of the boil-off gas reliquefaction system of a ship, characterized in that to control the amount of cooling heat supplied to the reliquefaction system. 제 10항에 있어서,
상기 저장탱크의 압력 하락으로 상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 감소하면, 상기 컴팬더 압축기와 컴팬더 팽창기의 압축비/팽창비 고정값을 유지하면서, 상기 냉매순환부의 냉매 일부를 배출시켜 질량 유량을 감소시키고,
상기 재액화 시스템의 냉열 필요량이 상기 압축비/팽창비의 고정값으로 운전되는 최저 냉열량보다 낮아지면, 상기 압축비/팽창비를 상기 고정값보다 낮은 설정값으로 설정하고, 상기 설정값보다 공정값(process value)이 높으면 상기 컴팬더 압축기의 IGV를 열어 운전하고, 상기 IGV의 완전 개방(full open) 상태에서도 공정값이 상기 설정값보다 높으면 상기 컴팬더 압축기 후단의 냉매 일부를 상기 컴팬더 압축기 전단으로 재순환시켜 압축비/팽창비의 공정값을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템의 운전방법.11. The method of claim 10,
When the amount of cooling heat required of the reliquefaction system is reduced due to the pressure drop of the storage tank, the mass flow rate is reduced by discharging a portion of the refrigerant from the refrigerant circulation unit while maintaining the fixed compression/expansion ratio values of the compander compressor and the compander expander, ,
When the cooling heat requirement of the reliquefaction system is lower than the minimum cooling heat amount operated at the fixed value of the compression ratio/expansion ratio, the compression ratio/expansion ratio is set to a set value lower than the fixed value, and a process value higher than the set value ) is high, the IGV of the compander compressor is opened, A method of operating a boil-off gas reliquefaction system of a ship, characterized in that the process value of the compression ratio/expansion ratio is adjusted. 제 11항에 있어서,
상기 열교환기를 거쳐 냉각된 증발가스는 세퍼레이터에서 기액분리하여 분리된 액화가스가 상기 저장탱크로 공급되고, 상기 세퍼레이터의 전단에는 로드 컨트롤 밸브가 마련되며,
상기 저장탱크의 압력 값이 증가하면 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 높여, 상기 압축기의 후단 압력을 낮추어 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 증가시켜 상기 저장탱크의 압력을 낮추고,
상기 저장탱크의 압력 값이 감소하면 상기 로드 컨트롤 밸브의 개도를 낮추어, 상기 압축기의 후단 압력을 높여 압축기로 유입되는 증발가스의 유량을 감소시켜 상기 저장탱크의 압력을 높이는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템의 운전방법.12. The method of claim 11,
The boil-off gas cooled through the heat exchanger is gas-liquid separated in a separator, and the separated liquefied gas is supplied to the storage tank, and a load control valve is provided at the front end of the separator,
When the pressure value of the storage tank increases, the opening degree of the load control valve is increased, the rear end pressure of the compressor is lowered, the flow rate of BOG flowing into the compressor is increased, and the pressure of the storage tank is lowered,
When the pressure value of the storage tank decreases, the opening degree of the load control valve is lowered, the rear end pressure of the compressor is increased to decrease the flow rate of boil-off gas flowing into the compressor, thereby increasing the pressure of the storage tank. How to operate a gas reliquefaction system. 제 12항에 있어서,
상기 세퍼레이터에서 분리된 플래시가스는 베이퍼 헤더를 통해 상기 압축기로 도입될 증발가스에 합류되되,
상기 플래시가스의 조성을 측정하여, 질소 함량이 높아지면 GCU(Gas Combustion Unit)으로 이송하는 것을 특징으로 하는 선박의 증발가스 재액화 시스템의 운전방법. 13. The method of claim 12,
The flash gas separated from the separator is joined to the boil-off gas to be introduced into the compressor through the vapor header,
By measuring the composition of the flash gas, when the nitrogen content is high, the operating method of the BOG reliquefaction system of a ship, characterized in that the transfer to a GCU (Gas Combustion Unit).
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