KR102606577B1

KR102606577B1 - 액화가스 재기화 시스템

Info

Publication number: KR102606577B1
Application number: KR1020190131922A
Authority: KR
Inventors: 이종철; 류시진; 오유택; 최병윤; 권기정; 민경원
Original assignee: 삼성중공업(주)
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2023-11-27
Also published as: KR20210048078A

Abstract

혼합 냉매를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화하고, 냉매의 순환유량을 줄이고, 순환펌프를 사용하지 않고도 액화가스를 재기화할 수 있는 액화가스 재기화 시스템이 개시된다. 액화가스 재기화 시스템은, 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위해 액화가스를 이송하는 액화가스 이송라인; 열원으로부터 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되는 열매체 순환라인; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 혼합 냉매를 기화시키는 증발기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 상기 혼합 냉매와의 열교환에 의해 상기 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기로 공급되는 혼합 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브; 상기 액화가스 이송라인에 설치되고, 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 유량을 제어하는 제1 유량조절밸브; 상기 증발기에 공급되는 열원의 유량을 제어하는 제2 유량조절밸브; 및 상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도, 액화된 혼합 냉매의 온도, 액화된 혼합 냉매를 저장하는 팽창 탱크의 압력 및 상기 팽창 탱크의 액위 중 적어도 하나에 따라 상기 유량제어밸브, 상기 제1 유량조절밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

액화가스 재기화 시스템{LIQUEFIED GAS RE-GASIFICATION SYSTEM}

본 발명은 액화가스 재기화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 혼합 냉매(Mixed Refrigerant)를 이용하여 액화가스를 재기화함으로써 냉매의 순환유량을 줄이고 재기화 효율을 향상시킬 수 있는 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, 순환펌프에 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.

또한, 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 상변화 과정에서 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 가지는 혼합 냉매(Mixed Refrigerant)를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화할 수 있고, 냉매의 순환유량을 줄일 수 있는 액화가스 재기화 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 순환펌프를 사용하지 않고도 냉매를 순환시켜 액화가스를 재기화할 수 있고, 시스템을 간소화하여 설비 비용 및 운용 비용을 줄일 수 있으며, 환경 친화적으로 액화가스를 재기화시킬 수 있는 액화가스 재기화 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 액화가스 재기화 시스템의 운전 초기에 액화가스 재기화 효율을 높일 수 있고, 혼합 냉매의 흐름을 원활하게 제어할 수 있으며, 액화가스 재기화 시스템의 가동 중단 시에 액화가스 재기화 시스템의 결빙을 방지할 수 있는 액화가스 재기화 시스템을 제공하기 위한 것이다.

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 액화가스 재기화 시스템은, 액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위해 액화가스를 이송하는 액화가스 이송라인; 열원으로부터 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되는 열매체 순환라인; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 혼합 냉매를 기화시키는 증발기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 상기 혼합 냉매와의 열교환에 의해 상기 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기; 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기로 공급되는 혼합 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브; 상기 액화가스 이송라인에 설치되고, 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 유량을 제어하는 제1 유량조절밸브; 상기 증발기에 공급되는 열원의 유량을 제어하는 제2 유량조절밸브; 및 상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도, 상기 기화기에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도, 상기 기화기에서 배출된 혼합 냉매를 저장하는 팽창 탱크의 압력 및 상기 팽창 탱크의 액위 중 적어도 하나에 따라 상기 유량제어밸브, 상기 제1 유량조절밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 제어하는 제어기를 포함한다.

상기 제어기는, 액화가스 재기화 가동 시작시, 상기 유량제어밸브를 닫은 상태에서 상기 제2 유량조절밸브를 개방하여 상기 증발기에 상기 열원을 유입시키고; 상기 제1 유량조절밸브를 점진적으로 개방하여 상기 액화가스를 상기 기화기로 서서히 공급하고; 상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도 및 상기 기화기에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도 중 적어도 하나가 제1 설정값에 미달하는 경우 상기 유량제어밸브를 개방하여 상기 혼합 냉매를 상기 증발기에 공급하고; 상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도 및 상기 기화기에서 배출되는 액체 상태의 혼합 냉매의 온도가 제2 설정값 이상이 되면 상기 제2 유량조절밸브를 제어하여 설정 유량에 도달할 때까지 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 유량을 점진적으로 증가시키도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은, 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 상기 혼합 냉매의 부피 변화를 흡수하는 팽창 탱크; 상기 혼합냉매 가압라인 내의 기화된 혼합 냉매가 상기 기화기 측으로 역류하는 것을 방지하도록 상기 혼합냉매 배출라인에 설치되는 체크 밸브; 상기 체크 밸브의 후단으로부터 상기 기화기의 전단으로 연결되는 바이패스 라인; 상기 체크 밸브 후단의 혼합 냉매의 압력을 제어하도록 상기 바이패스 라인에 설치되는 바이패스 밸브; 상기 기화기 전단의 혼합 냉매의 압력을 측정하는 제1 압력센서; 상기 기화기 후단의 혼합 냉매의 압력을 측정하는 제2 압력센서를 더 포함할 수 있다.

상기 제어기는, 운전 개시 시에 상기 기화기 전단과 후단의 혼합 냉매의 압력 차이에 따라 상기 바이패스 밸브를 제어하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은, 상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 상기 혼합 냉매의 부피 변화를 흡수하는 팽창 탱크; 상기 팽창 탱크의 상부와, 상기 기화기의 전단 간에 연결되는 리턴 라인; 및 상기 팽창 탱크 내의 혼합 냉매의 기화에 의한 압력 상승을 해소하도록 상기 리턴 라인에 설치되는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 액화가스 재기화 운전 개시 시에 상기 팽창 탱크 내의 혼합 냉매의 액위에 따라 상기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 열매체 순환라인은 상기 기화기에서 액화가스와 열교환되어 액화된 혼합 냉매의 정수두(static head)에 의해 압력을 형성하여 정수두의 압력에 의해 혼합 냉매를 상기 증발기로 가압하고 상기 증발기에서 기화된 혼합 냉매를 상기 기화기로 순환시키는 혼합냉매 가압라인을 포함할 수 있다.

상기 제어기는, 운전 종료 시에, 상기 유량제어밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 개방하여 상기 혼합 냉매의 순환과 상기 열원의 공급을 지속하는 상태에서, 상기 기화기의 결빙 방지를 위해 상기 제1 유량조절밸브를 차단하여 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 공급을 중단하고; 상기 기화기 내에 잔류하는 액화가스가 존재하지 않을 때까지 상기 액화가스의 공급이 완전히 중단된 상태에서 일정 시간동안 상기 혼합 냉매와 상기 열원를 흘려주고; 상기 기화기 내에 잔류하는 액화가스가 존재하지 않는 경우 상기 유량제어밸브를 차단하여 상기 혼합 냉매의 순환을 중단하도록 구성될 수 있다.

상기 제어기는, 상기 혼합 냉매의 순환이 중단된 후, 상기 증발기 내에 열원의 결빙을 방지하기 위하여 상기 증발기 내에 잔류하는 혼합 냉매를 가열하고; 상기 증발기 내에 잔류하는 혼합 냉매가 설정 온도 이상으로 가열되면 상기 제2 유량조절밸브를 차단하여 상기 열원의 공급을 중단하도록 구성될 수 있다.

상기 증발기는 상기 기화기 보다 낮은 위치에 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상변화 과정에서 온도 상승(Temperature gliding) 효과를 가지는 혼합 냉매(Mixed Refrigerant)를 이용하여 액화가스를 높은 효율로 재기화할 수 있고, 냉매의 순환유량을 줄일 수 있는 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 순환펌프를 사용하지 않고도 냉매를 순환시켜 액화가스를 재기화할 수 있고, 시스템을 간소화하여 설비 비용 및 운용 비용을 줄일 수 있으며, 환경 친화적으로 액화가스를 재기화시킬 수 있는 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 액화가스 재기화 시스템의 운전 초기에 액화가스 재기화 효율을 높일 수 있고, 혼합 냉매의 흐름을 원활하게 제어할 수 있으며, 액화가스 재기화 시스템의 가동 중단 시에 액화가스 재기화 시스템의 결빙을 방지할 수 있는 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 흐름량에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 9는 도 8의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 종료 과정을 나타낸 순서도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다.
도 13은 도 12의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정을 나타낸 순서도이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 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 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은 혼합 냉매가 증발기에서 액체에서 기체로 기화되는 상변화 과정에서 온도가 상승되도록 혼합 냉매를 이용하여 액화가스를 재기화하여, 액화가스의 재기화 효율을 높이고, 냉매의 순환 유량을 줄일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 혼합 냉매가 증발기에서 상변화되는 과정에서 온도가 상승되는 온도 상승(temperature gliding) 효과를 얻기 위하여, 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 혼합 냉매를 이용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은 기화기에서 액화가스와 열교환되어 액화된 혼합 냉매의 정수두(static head)에 의해 압력을 형성하여 정수두의 압력에 의해 혼합 냉매를 증발기로 가압하고 증발기에서 기화된 혼합 냉매를 기화기(120)로 순환시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 순환펌프를 사용하지 않고도 혼합 냉매를 순환시켜 액화가스를 재기화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 액화가스 재기화 시스템(100)은 액화가스 이송라인(110), 기화기(120), 열매체 순환라인(130), 증발기(140), 유량제어밸브(150), 체크 밸브(160), 바이패스 라인(170) 및 바이패스 밸브(172)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 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 가스를 수요처(115)의 연료가스 등으로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 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(도시생략)로부터 액화가스 공급라인(112)을 통해 액화가스를 공급받고, 공급된 액화가스를 기화시켜 액화가스 송출라인(114)을 통해 수요처로 송출하기 위해 제공될 수 있다. 액화가스 공급라인(112)에는 기화기(120)에 유입되는 액화가스의 유량을 조절하는 제1 유량조절밸브(116)가 설치될 수 있다.

액화가스 이송라인(110)에는 액화가스의 흐름을 기준으로 기화기(120)의 상류 측에 액화가스를 고압 송출하기 위한 펌프(pump)가 구비되고, 기화기(120)의 하류 측에 기화된 가스(예를 들어, 천연가스 또는 석유가스)의 송출 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브가 구비될 수 있다.

열매체 순환라인(130)은 열원으로부터 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공될 수 있다. 열매체 순환라인(130)에는 2성분 이상의 비가연성 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환될 수 있다. 실시예에서, 액화가스 재기화 시스템(100)은 단일의 열매체 순환라인(130)으로 구성될 수 있다.

기화기(120)와 수요처 사이에는 가열기(트림 히터)가 구비되지 않을 수 있다. 또는, 기화기(120)와 수요처 사이에 가열기가 구비되더라도, 열매체 순환라인(130)은 기화기(120)와 수요처 사이에 마련된 가열기와는 열교환을 하지 않도록 마련될 수 있다.

혼합 냉매는 열매체 순환라인(130)을 통해 펌프(130)와 증발기(140) 및 기화기(120)를 순환한다. 혼합 냉매가 증발기(140)에서 기화되어 액체에서 기체로 상변화하는 과정에서 혼합 냉매의 온도가 상승되도록 하기 위하여, 혼합 냉매는 적어도 20℃ 이상의 끓는점 차이를 가지는 냉매들이 혼합된 냉매로 제공되고, 동시에 혼합 냉매의 10 ~ 20 barg 압력(증기압) 구간에서 혼합 냉매의 이슬점 온도와 끓는점 온도 간의 차이가 10℃ 이상이 되도록 냉매들의 혼합 비율이 설정될 수 있다.

열매체 순환라인(130)은 기화기(120)에서 혼합 냉매가 배출되는 혼합냉매 배출라인(132), 혼합냉매 배출라인(132)과 유량제어밸브(150) 사이에 연결되는 혼합냉매 가압라인(132), 유량제어밸브(150)와 증발기(140) 사이에 연결되는 혼합냉매 전달라인(136), 및 증발기(140)에서 배출된 기화된 혼합 냉매가 기화기(120)로 이송되는 혼합냉매 공급라인(138)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 열매체 순환라인(130)에는 혼합 냉매를 순환시키기 위한 펌프가 구비되지 않을 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 펌프 없이 혼합 냉매를 열매체 순환라인(130)으로 순환시키기 위하여, 증발기(140)는 기화기(120) 보다 낮은 위치에 설치될 수 있다.

기화기(120)와 증발기(140) 사이의 열매체 순환라인(130)에는, 기화기(120)를 통과한 액화된 혼합 냉매의 정수두(static head) 압력에 의해 혼합 냉매를 증발기(140)로 가압하고 증발기(140)에서 기화된 혼합 냉매를 기화기(120)로 순환시키도록, 혼합냉매 가압라인(134)이 상하 방향으로 마련될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 기화기(120)와 증발기(140) 간의 높이차와, 기화기(120)와 증발기(140) 사이의 혼합냉매 가압라인(134)으로 공급되는 혼합 냉매의 정수두 압력에 의해 혼합 냉매가 증발기(140)로 가압되고 증발기(140)에서 기화된 혼합 냉매가 기화기(120)로 공급되므로, 순환펌프를 사용하지 않고도 혼합 냉매를 열매체 순환라인(130)에서 순환시킬 수 있다.

증발기(140)는 열매체 순환라인(130)에 설치되고, 열원과의 열교환에 의해 혼합 냉매를 기화시킬 수 있다. 실시예에서, 열원으로는 해수가 사용될 수 있다. 열원은 해수 가압 펌프에 의해 해수 공급라인을 통해 증발기(140)로 공급될 수 있다. 증발기(140)의 해수 공급라인에는 증발기(140)에 유입되는 해수의 유량을 조절하는 제2 유량조절밸브(146)가 설치될 수 있다. 실시예에서, 열원의 증발기 유입 온도는 약 14℃이고, 배출 온도는 약 7 ~ 8℃일 수 있다. 증발기(140)는 혼합 냉매의 압력(예를 들어, 10 ~ 20 barg 증기압)을 견딜 수 있도록 제작될 수 있다.

기화기(120)는 열매체 순환라인(130)에서 혼합 냉매의 흐름을 기준으로 증발기(140)의 후단에 설치될 수 있다. 기화기(120)는 증발기(140)에 의해 기화된 혼합 냉매를 혼합냉매 공급라인(138)을 통해 공급받고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 액화가스 이송라인(110)에 흐르는 액화가스를 재기화시킬 수 있다.

증발기(140)가 예를 들어, 티타늄 재질의 판형 열교환기(PHE; Plate type Heat Exchanger)로 제작되는 경우, 0.6mm 이하 두께의 티타늄을 열교환 플레이트로 사용하기 위해서는 혼합 냉매의 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.

혼합 냉매의 경우, 혼합된 냉매들의 종류 및 냉매들의 혼합 비율에 따라, 혼합 냉매의 이슬점과 끓는점이 변화하여 혼합 냉매의 상 변화시의 온도 변화 특성에 영향을 미치는 것은 물론, 증발기(140)에서의 상 변화 과정에서 혼합 냉매의 압력(증기압) 또한 변화하게 된다. 따라서, 증발기(140)의 설비 비용을 최소화하면서 혼합 냉매의 상 변화 구간에서 바람직한 온도 변화 특성을 구현할 수 있도록, 냉매들의 종류를 선택하고, 혼합 비율(중량비)을 설정할 필요가 있다.

본 발명의 실시예에서, 혼합 냉매가 증발기(140)에서 상 변화하는 과정에서 혼합 냉매의 온도가 증가하도록 하기 위하여, 끓는점 차이가 20℃ 이상인 냉매들이 혼합된 혼합 냉매를 이용하여 액화가스를 재기화할 수 있다. 또한, 혼합 냉매는 증발기(140)에서 혼합 냉매의 압력이 약 20 barg 이하(보다 바람직하게는 16 barg 이하)가 되도록, 냉매들의 혼합 비율(중량비)이 설정될 수 있다.

혼합 냉매는 제1 냉매와, 제1 냉매보다 20℃ 이상 끓는점이 낮은 제2 냉매를 포함할 수 있다. 혼합 냉매가 증발기(140)에서 상 변화하는 과정에서 혼합 냉매의 온도가 증가하는 효과를 증대시키는 관점에서, 제2 냉매의 끓는점은 제1 냉매의 끓는점보다 30℃ 이상 낮은 것이 바람직하고, 제1 냉매와 제2 냉매의 끓는점 차이는 50℃ 이상인 것이 보다 바람직하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3에서 가로축은 유체들(해수, LNG, 혼합 냉매)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, 끓는점 차이가 큰 냉매들이 혼합 냉매로 이용되어, 혼합 냉매의 열 흐름량에 따른 온도 변화 그래프에서, 액체 상태에서 기화되는 상 변화 시에 온도가 증가하는 온도 상승(temperature gliding) 구간(A)이 나타나고, 이에 따라 액화천연가스의 온도 대비 최소 온도차(△T) 조건을 만족시키며 혼합 냉매와 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 혼합 냉매의 상변화가 일어나는 동안 혼합 냉매의 온도가 점점 올라가면서 혼합 냉매가 기화되는 온도 상승(temperature gliding) 효과가 나타난다.

혼합 냉매의 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(예를 들어, 혼합 냉매를 기준으로 5중량% 이상)으로 혼합하는 것이 바람직하다.

따라서, 천연가스와 혼합 냉매 간에 최소 온도차가 확보되는 조건을 만족시키는 재기화 시스템을 구현할 수 있으며, 기화기 후단에 트림 히터(trim heater)를 설치할 필요가 없이, 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 충분히 활용하여 액화가스를 효율적으로 기화시킬 수 있다.

또한, 해수와 같이 상대적으로 열원의 온도가 낮은 경우에도 혼합 냉매의 잠열을 이용해 액화가스에 효율적인 열전달이 가능하며, 액화가스 재기화 시스템을 단순화하고 운전 효율을 증대시킬 수 있으며, 혼합 냉매를 비가연성 냉매들로 구성하여 프로판과 같이 가연성이 높은 열전달 매체를 사용하는 시스템보다 안전성을 높일 수 있다.

종래의 액화가스 재기화 시스템은 재기화기(Vaporizer)와 트림 히터(Trimheater)으로 운용되고, 트림 히터에서 냉매를 액체 상태로 운전하기 위해 냉매에 기화가 일어나지 않도록 높은 압력에서 운전해야 하는 관계로 재기화기와 트림 히터 간에 냉매의 운전 압력에 차이가 크다.

그러나, 본 실시예에 의하면, 열매체 순환라인(130)의 순환 루프 내의 압력 차이가 작고, 냉매가 단일 열교환 루프만을 순환하기 때문에 순환에 소비되는 압력과 수두 손실만큼 가압을 해주기만 하면 되어 액화가스 재기화를 위한 에너지 소비를 줄일 수 있다.

또한, 본 실시예에 의하면, 펌프 없이 기화기(120)와 증발기(140) 간의 높이 차이와, 혼합냉매 가압라인(130)에 유입된 액체 혼합 냉매의 정수두 압력에 의해 혼합 냉매를 가압할 수 있으므로, 순환펌프 없이 혼합 냉매를 순환시킬 수 있고, 순환펌프의 설비 비용 및 운용 비용을 절감할 수 있다.

또한, 혼합 냉매의 잠열 사용 효과를 극대화하여 액화가스 기화 성능을 향상시키고, 액화가스 재기화 시스템에 필요한 냉매의 사용양을 줄일 수 있고, 또한, 혼합냉매 순환펌프와 트림 히터를 설치할 필요가 없이 하나의 기화기로 액화가스를 기화시킬 수 있어 시스템 구성을 간소화 할 수 있다.

또한, 2단계의 열교환을 거치지 않고 단일 열교환 프로세스에 의해 액화가스를 재기화시킬 수 있고, 펌프 운용에 에너지를 사용할 필요가 없으며, 혼합 냉매의 순환 유량을 줄여 배관 사이즈를 줄일 수 있어, 시스템 설비 비용과, 공정/운용 비용도 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 낮은 해수 설계 온도 범위에서도 혼합 냉매를 상변화시키면서 혼합 냉매의 잠열을 효율적으로 이용하는 액화가스 재기화 시스템을 구현할 수 있다. 증발성 혼합 냉매를 사용할 경우에는 잠열이 현열보다 훨씬 크기 때문에 순환하는 혼합 냉매의 사용 유량을 줄일 수 있고, 이로 인해 혼합 냉매의 순환에 필요한 에너지도 감소한다.

혼합 냉매는 비가연성을 가지는 동시에, 오존파괴지수가 0 이고, 지구온난화지수가 2000 미만인 냉매들로 이루어질 수 있으며, 낮은 독성 및 낮은 가연성을 가지는 안전등급을 가지는 냉매들만을 고려하여 혼합 냉매를 조성할 수 있다.

낮은 끓는점의 냉매의 혼합 비율이 높아질수록, 혼합 냉매의 상 변화시 온도 상승(temperature gliding) 효과가 커져서 냉매 순환 유량이 작아지는 장점이 있으나, 증발기(140)에서 혼합 냉매의 증기압(vapor pressure)이 높아지므로 열교환기 제작에 있어서 설계 압력을 만족시키지 못할 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.

혼합 냉매의 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.

따라서, 선박에서 사용되는 증발기(140)의 성능과 가격을 고려하여 혼합 냉매의 설계 압력을 만족시키기 위하여, 혼합 냉매의 냉매들 중 가장 끓는점이 낮은 냉매의 혼합 조성비는 예를 들어, 5 ~ 15 중량% 범위로 제어할 수 있다.

증발기가 16 barg의 혼합 냉매의 압력(포화 증기압)을 견딜 수 있도록 0.6mm 두께의 텅스텐 플레이트로 이루어진 판형 열교환기로 제공되는 경우, 외기온도 50°하에서 증발기에서의 혼합 냉매의 압력(포화 증기압)이 16 barg 이하의 조건을 만족하도록, 혼합 냉매 중 끓는점이 낮은 냉매의 혼합 비율을 10 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

기화기(120)와 증발기(140) 사이의 높이차이와, 혼합냉매 가압라인(134)의 상하 높이(상하방향 길이)는 기화기(120)와 증발기(140) 사이의 배관내 압력 강하 보다 크도록 설계될 수 있다.

기화기(120)에서 기체 상태의 혼합 냉매가 기화기(120)를 통해 빠져나가는 현상을 최소화하기 위하여, 기화기(120)의 혼합냉매 유입부(122)의 위치는 혼합냉매 배출부(124)의 위치보다 상대적으로 높게 마련될 수 있다. 기화기(120)의 혼합냉매 유입부(122)는 혼합냉매 배출부(124) 보다 높은 위치로 설계되므로, 기화기(120)를 통해 기체 상태의 혼합 냉매가 빠져나가는 것을 방지할 수 있으며, 기화기(120)에서 액화가스와의 열교환에 의해 액화된 액체 상태의 혼합 냉매만 기화기(120)를 통해 빠져나가게 할 수 있다.

증발기(140)에서 액체상태의 혼합 냉매가 증발기(140)를 통해 빠져나가는 현상을 최소화하기 위하여, 증발기(140)의 혼합냉매 유입부(142)의 위치는 혼합냉매 배출부(144)의 위치보다 상대적으로 낮게 마련될 수 있다. 증발기(140)의 혼합냉매 유입부(142)는 혼합냉매 배출부(144) 보다 낮은 위치로 설계되므로, 증발기(140)를 통해 액체 상태의 혼합 냉매가 빠져나가는 것을 방지할 수 있으며, 증발기(140)에서 기화된 기체 상태의 혼합 냉매만 증발기(140)를 통해 빠져나가게 할 수 있다.

혼합냉매 가압라인(134)은 기화기(120)의 혼합냉매 배출부(124)의 위치를 고려해 설계될 수 있다. 혼합냉매 가압라인(134)은 기화기(120)로부터 배출된 액체 상태의 혼합 냉매가 자중에 의해 유입될 수 있도록 설치될 수 있다. 혼합 냉매의 자중에 의해 혼합 냉매가 열매체 순환라인(130)을 따라 순환할 수 있도록, 기화기(120)는 증발기(140)에 비해 상대적으로 높은 위치에 설치될 수 있다.

유량제어밸브(150)는 혼합냉매 가압라인(134)과 혼합냉매 전달라인(136) 사이에 설치될 수 있다. 지속적인 혼합 냉매의 유입으로 인해 과도한 양의 기화가 일어나 열매체 순환라인(130)의 폐루프(Closed loop) 내 압력이 과도하게 상승할 수 있는데, 유량제어밸브(150)는 증발기(140)의 혼합냉매 유입부(142)에 최대한 가깝게 설치되어, 운전이 정지되었을 때에 증발기(140)로 혼합 냉매가 유입되지 않도록 차단할 수 있다.

운전이 정지된 상태에서 기화기(120)와 증발기(140) 사이의 혼합냉매 가압라인(134)에 채워져 있는 액체 상태의 혼합 냉매가 외부로부터 유입된 열에 의해 기화되는 경우, 시스템 재가동시 기화된 혼합 냉매가 기화기(120) 측으로 역류되어, 기화기(120)에서 혼합 냉매의 흐름이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.

혼합 냉매의 역류 방지를 위하여, 체크 밸브(check valve)(160)는 기화기(120)의 혼합냉매 배출라인(132)에 설치될 수 있다. 체크 밸브(160)는 기화기(120) 측에 최대한 가깝게 설치되어, 기화된 혼합 냉매의 역류로 인한 혼합 냉매의 흐름 방해를 최소화할 수 있다.

체크 밸브(160)가 설치된 경우, 체크 밸브(160)에서 증발기(140) 사이에 액체가 기화하면서 압력이 높아질 수 있으며, 이는 운전 초기 혼합 냉매의 흐름을 방해할 수 있다. 이를 해소하기 위하여, 바이패스 라인(by-pass line)(170)은 체크 밸브(160)의 후단으로부터 기화기(120)의 전단으로 연결되고, 바이패스 라인(170)에 바이패스 밸브(by-pass valve)(172)가 설치될 수 있다.

운전을 시작하기 전에, 바이패스 라인(170)에 설치된 바이패스 밸브(172)를 열어 기화기(120)의 전단과 체크 밸브(160) 후단의 혼합 냉매의 압력을 동등한 수준으로 맞춰줄 수 있으며, 체크 밸브(160) 후단의 혼합 냉매의 압력을 낮추어 운전 초기의 혼합 냉매 흐름을 원활하게 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 4의 실시예를 설명함에 있어서, 앞서 설명한 실시예와 동일하거나 상응하는 구성요소에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 4의 실시예는 기화기(120)를 통해 열교환 후 배출되는 혼합 냉매의 온도(TI01)를 측정하는 제1 온도센서(T1)가 열매체 순환라인(130)에 설치되고, 기화기(120)에서 기화되어 배출된 가스(예를 들어, 천연가스)의 온도(TI02)를 감지하는 제2 온도센서(T2)가 액화가스 이송라인(110)에 설치되고, 유량제어밸브(150)가 온도센서(T1, T2)에 의해 제어되는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정을 나타낸 순서도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 전에 제1 유량조절밸브(116)와 제2 유량조절밸브(146) 및 유량제어밸브(150)는 모두 차단된 상태이다. 액화가스 재기화 시스템의 가동이 시작되면, 유량제어밸브(150)와 제1 유량조절밸브(116)를 닫은 상태에서 제2 유량조절밸브(146)를 먼저 개방하여 증발기(140)에 해수(열원)를 유입한다(S10). 증발기(140)로 공급되는 해수 유량이 정상 상태에 도달하면, 제1 유량조절밸브(116)를 서서히 개방하여 액화천연가스(LNG)를 기화기(120)로 조금씩 공급한다(S11). 이때 유량제어밸브(150)는 차단된 상태이다.

액화가스 재기화 시스템의 운전 초기에 기화기(120)로 공급되는 LNG의 유량이 적기 때문에, 기화기(120)에서 배출되는 LNG의 온도(TI02)는 기준 온도보다 높고 기화기(120)에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도(TI01)는 설정 온도보다 높은 상태이다. LNG의 유량이 서서히 증가함에 따라, 기화기(120)에서 배출되는 LNG의 온도(TI02)가 점차 높아져서 기준 온도보다 낮아지거나, 기화기(120)에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도(TI01)가 점차 높아져서 설정 온도보다 높아지면, 유량제어밸브(150)를 개방하여 혼합 냉매를 증발기(140)로 공급한다(S12 내지 S14).

혼합 냉매가 증발기(140)로 공급됨에 따라 혼합 냉매에 의해 기화기(120)에서 배출되는 LNG의 온도(TI02)가 점차 높아져서 기준 온도 이상이 되고, 기화기(120)에서 배출되는 액체 상태의 혼합 냉매의 온도(TI01)가 점차 증가하여 설정 온도 이상이 되면, 제1 유량조절밸브(116)를 제어하여 LNG 유량이 설정 유량에 도달할 때까지 기화기(120)로 공급되는 LNG 유량을 점진적으로 증가시킨다(S15 내지 S18).

운전 개시 초기에 순간적으로 많은 양의 LNG를 기화기(120)에 공급하게 되면 혼합 냉매와의 열교환이 원활하게 이루어지지 않을 수 있으나, 본 발명의 실시예에 의하면 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 초기에 기화기(120)에 공급되는 LNG 유량을 서서히 증가시키고, 기화기(120)에서 배출되는 기화된 천연가스와 액체 상태의 혼합 냉매의 온도를 모니터링하여 유량제어밸브(150)를 점차 개방하여 혼합 냉매의 유량을 LNG 유량에 맞게 조절함으로써, 운전 초기의 LNG와 혼합 냉매의 열교환 효율을 높일 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 7은 도 6의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정을 나타낸 순서도이다. 도 6의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템은 기화기(120) 전단의 혼합 냉매의 압력(PI01)을 측정하는 제1 압력센서(P1)와, 기화기(120) 후단의 혼합 냉매의 압력(PI02)을 측정하는 제2 압력센서(P2) 및 제1 압력센서(P1)와 제2 압력센서(P2)에 의해 측정된 압력차에 따라 바이패스 밸브(172)를 제어하는 제어기(200)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 도 7의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정은 기화기(120) 전, 후단의 혼합 냉매의 압력 차이에 따라 바이패스 밸브(172)를 제어하는 단계를 포함하는 점에서 도 5의 실시예와 차이가 있다.

액화가스 재기화 운전 중단 중에 체크 밸브(160)와 유량제어밸브(150) 사이에 갇혀 있던 액체 상태의 혼합 냉매가 대기 중의 열을 흡수해 기화되고, 기화기(120) 후단의 압력이 높아질 수 있다. 따라서, 액화가스 재기화 운전을 장시간 멈추었다가 재시작하는 경우, 기화기(120)에 LNG가 공급되어 기화기(120)에서 혼합 냉매의 액화가 시작되더라도 기화기(120) 전/후단의 압력이 역전되어 혼합 냉매의 흐름이 정상적으로 흐르지 않을 수 있다. 이를 방지하기 위해, 액화가스 재기화 시스템의 운전 시작 전 열매체 순환라인(130)의 기화기(120) 후단 압력(PI02)이 기화기(120) 전단 압력(PI01) 보다 높은 경우, 바이패스 밸브(172)를 개방하여 기화기(120) 전/후단의 압력이 동등해지도록 제어할 수 있다(단계 S1 내지 S2). 이에 따라 액화가스 재기화 운전 초기에 혼합 냉매의 흐름을 원활하게 할 수 있으며, 정수두(static head)에 의한 압력차를 형성할 수 있다. 이후의 과정(S10 내지 S18)은 도 5와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 9는 도 8의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 종료 과정을 나타낸 순서도이다. 도 8의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템(100)은 기화기(120) 내의 LNG의 온도(TIO3)를 측정하는 제3 온도센서(T3)와, 증발기(140) 내의 해수의 온도(TIO4)를 측정하는 제4 온도센서(T4)를 더 포함하고, 기화기(120) 내의 LNG의 온도(TIO3) 및/또는 증발기(140) 내의 해수의 온도(TIO4)를 기반으로 제1 유량조절밸브(116)를 제어하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.

액화가스 재기화 시스템의 운전 종료 시에, 혼합 냉매와 해수(열원)를 공급하는 상태에서, 기화기(120)의 결빙 방지를 위해 기화기(120)로 공급되는 LNG의 공급을 먼저 중단한다(S20). LNG 공급이 완전히 중단된 상태에서 기화기(120) 내에 잔류하는 LNG가 없어질때까지 일정 시간 동안 혼합 냉매와 열원(해수)를 흘려줄 수 있다. LNG의 잔류 여부는 기화기(120)에서 배출되는 혼합 냉매의 온도(TI01) 또는 기화기(120)에 부착된 온도센서(T3)에 의해 측정되는 기화기(120)의 내부 온도(TI03)를 통해 확인할 수 있다(S21 내지 S22). 기화기(120) 내에 잔류하는 LNG가 없어지면 유량제어밸브(150)를 차단하여 혼합 냉매의 순환을 중단할 수 있다(S23).

혼합 냉매의 순환이 중단된 후, 증발기(140) 내에 해수의 결빙을 방지하기 위하여, 증발기(140)에 잔류하는 혼합 냉매를 미리 결정된 온도(예를 들어, 0℃) 이상으로 가열할 수 있다. 혼합 냉매가 미리 결정된 온도 이상으로 가열되었는지 여부는 증발기(140)에서 배출되는 해수의 온도 또는 증발기(140)에 부착된 온도 센서(T4)에 의해 측정된 증발기(140)의 내부 온도(TI04)를 통해 확인할 수 있다(S24). 증발기(140) 내 잔류하는 혼합 냉매가 미리 결정된 온도 이상(예를 들어, 0℃ 이상)으로 가열되면 제2 유량조절밸브(146)를 차단하여 열원(해수)의 공급을 중단할 수 있다(S25).

도 10의 실시예는 팽창 탱크(expansion tank)(180)와 팽창 탱크(180)에 설치되는 제3 압력센서(P3) 및 액위센서(L1)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 팽창 탱크(180)는 열매체 순환라인(130)에서 혼합냉매 배출라인(132)과 혼합냉매 가압라인(134) 사이에 설치될 수 있다.

팽창 탱크(180)에는 기화기(120)에서 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매가 저장될 수 있다. 팽창 탱크(180)는 운전 조건에 따른 혼합 냉매의 부피 변화를 흡수하고, 팽창 탱크(180)로 회수되는 혼합 냉매가 설정된 온도 범위를 유지하여 정해진 압력 범위에서 운전될 수 있도록 한다.

유량제어밸브(150)는 팽창 탱크(180) 내의 혼합 냉매의 액위(LI01) 및/또는 압력(PI03)을 기반으로 순환하는 혼합 냉매의 유량을 제어할 수 있다. 액체 상태의 혼합 냉매의 정수두 압력에 의해 혼합 냉매를 순환시키도록, 증발기(140)는 팽창 탱크(180) 보다 낮은 위치에 설치될 수 있다. 실시예에서, 팽창 탱크(180)와 증발기(140) 간의 설치 높이차는 장비 내 압력 강하와 순환 유체의 밀도를 고려하여 하기의 수식에 따라 설계될 수 있다.

dP1 + dP2 + dP3 = ρ·g·h

dP1: 증발기(140)의 압력 강하

dP2: 기화기(120)의 압력 강하

dP3: 배관 압력 강하

ρ: 혼합 냉매의 밀도

g: 중력가속도

h: 팽창 탱크(180)와 증발기(140) 간의 높이차

기화기(120)의 혼합냉매 배출부(124)와 팽창 탱크(180) 내의 액위 높이 차이에 의한 정수두(static head) 압력은 기화기(120) 에서 팽창 탱크(180) 사이의 배관내 압력 강하(dP)보다 크도록 설계되어야 한다.

팽창 탱크(180)는 기화기(120)에서 배출된 혼합 냉매가 유입되도록 설계될 수 있다. 혼합 냉매가 항상 팽창 탱크(180)를 거치도록 팽창 탱크(180)를 설치함으로써, 팽창 탱크(180) 내의 혼합 냉매의 온도를 항상 일정 수준으로 유지할 수 있다. 따라서, 혼합 냉매가 팽창 탱크(180) 내에서 기화하여 압력이 높아지는 것을 방지할 수 있고, 혼합 냉매의 증발/액화 온도가 변화하여 시스템 운전이 원활해지지 않게 되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 유량제어밸브(150), 제1 유량조절밸브(116), 제2 유량조절밸브(146)는 기화기(120)에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도 대신, 혼합 냉매를 저장하는 팽창 탱크(180)의 압력 및/또는 팽창 탱크(180)의 액위를 기반으로 제어될 수도 있다.

도 11의 실시예는 팽창 탱크(180)의 상부와, 기화기(120)의 전단 간에 연결되는 리턴 라인(190) 및 리턴 라인(190)에 설치되는 바이패스 밸브(192)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 도 11의 실시예에 의하면, 리턴 라인(190)에 설치된 바이패스 밸브(192)를 개방하여 팽창 탱크(180)의 상부로부터 기체 상태의 혼합 냉매를 배출시킬 수 있으며, 팽창 탱크(180) 내에서 혼합 냉매의 기화에 의한 압력 상승을 해소할 수 있으며, 팽창 탱크(180) 내의 압력 상승으로 인해 혼합 냉매의 흐름이 방해되는 것을 방지할 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 구성도이다. 도 13은 도 12의 실시예에 따른 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 과정을 나타낸 순서도이다. 도 12 및 도 13의 실시예는 액화가스 재기화 시스템의 운전 시 시에 기화기(120) 전/후단 간의 혼합 냉매의 압력차 및/또는 액위센서(L2)에 의해 측정된 팽창 탱크(180) 내의 혼합 냉매의 액위(LI02)에 따라 바이패스 밸브(192)의 개폐를 제어하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 팽창 탱크(180)의 혼합 냉매의 액위(LI02)가 정해진 값 아래로 내려가 기화기(120)에서 액화되는 혼합 냉매가 중력(자중)에 의해 흘러갈 수 있는 상태가 되면 바이패스 밸브(192)를 닫고 정상 운전 상태에 도달할 수 있다.

도 14 내지 도 15의 실시예에 의하면, 팽창 탱크(Expansion tank)를 설치하는 않고, 수직 배관(133, 135)의 상부를 필요보다 높게 하여 팽창 탱크에 필요한 공간을 확보하여 팽창 탱크와 동일한 역할을 하도록 할 수 있다. 이때, 수직 배관(133, 135)의 직경과 높이는 혼합 냉매의 열팽창 계수와, 설치되는 수직 배관(133, 135)의 부피에 따라 결정할 수 있다. 이와 같이 수직 배관(133, 135)을 이용해 팽창 탱크를 별도로 설치하지 않을 경우 추가 장비를 설치하지 않아도 되어 설치가 간편하고 설치 비용을 절감할 수 있다.

도 16의 실시예에 의하면, 수직 배관(135)은 상부 배관(135a), 축소 배관(135b) 및 하부 배관(135c)으로 구성될 수 있다. 수직 배관의 전체 직경을 크게 확장하는 경우 초기 충진 및 재충진 해야 하는 혼합 냉매의 양이 과도하게 증가하여 비용이 증가하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상부 배관(135a)의 길이 만큼만 직경을 크게 설계하여 설치 비용과 운전 비용을 최소화할 수 있다.

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: 액화가스 재기화 시스템 110: 액화가스 이송라인
112: 액화가스 공급라인 114: 액화가스 송출라인
116: 제1 유량조절밸브 120: 기화기
122: 혼합냉매 유입부 124: 혼합냉매 배출부
130: 열매체 순환라인 132: 혼합냉매 배출라인
134: 혼합냉매 가압라인 136: 혼합냉매 전달라인
138: 혼합냉매 공급라인 140: 증발기
142: 혼합냉매 유입부 144: 혼합냉매 배출부
146: 제2 유량조절밸브 150: 유량제어밸브
160: 체크 밸브 170: 바이패스 라인
172: 바이패스 밸브 180: 팽창 탱크
190: 리턴 라인 192: 바이패스 밸브
200: 제어기

Claims

액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위해 액화가스를 이송하는 액화가스 이송라인;
열원으로부터 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되는 열매체 순환라인;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 혼합 냉매를 기화시키는 증발기;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 상기 혼합 냉매와의 열교환에 의해 상기 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기로 공급되는 혼합 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브;
상기 액화가스 이송라인에 설치되고, 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 유량을 제어하는 제1 유량조절밸브;
상기 증발기에 공급되는 상기 열원의 유량을 제어하는 제2 유량조절밸브; 및
상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도, 상기 기화기에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도, 상기 기화기에서 배출된 혼합 냉매를 저장하는 팽창 탱크의 압력 및 상기 팽창 탱크의 액위 중 적어도 하나에 따라 상기 유량제어밸브, 상기 제1 유량조절밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 제어하는 제어기를 포함하되;
상기 제어기는,
액화가스 재기화 가동 시작시, 상기 제1 유량조절밸브 및 상기 유량제어밸브를 닫은 상태에서 상기 제2 유량조절밸브를 개방하여 상기 증발기에 상기 열원을 유입시킨 후, 상기 제1 유량조절밸브를 점진적으로 개방하여 상기 액화가스를 상기 기화기로 서서히 공급하도록 구성되며,
상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도 및 상기 기화기에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도 중 적어도 하나가 제1 설정값에 미달하는 경우 상기 유량제어밸브를 개방하여 상기 혼합 냉매를 상기 증발기에 공급하고,
상기 유량제어밸브가 개방된 후, 상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도 및 상기 기화기에서 배출되는 액체 상태의 혼합 냉매의 온도가 제2 설정값 이상이 되면 상기 제1 유량조절밸브를 제어하여 설정 유량에 도달할 때까지 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 유량을 점진적으로 증가시키도록 구성되는 액화가스 재기화 시스템.
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액화가스를 기화시켜 수요처로 송출하기 위해 액화가스를 이송하는 액화가스 이송라인;
열원으로부터 상기 액화가스를 기화시키기 위한 열을 전달하기 위해 제공되며, 끓는점이 상이한 2성분 이상의 냉매들이 혼합된 혼합 냉매가 순환되는 열매체 순환라인;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 열원과의 열교환에 의해 상기 혼합 냉매를 기화시키는 증발기;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 기화된 혼합 냉매의 열에너지 및 잠열을 이용하여 상기 혼합 냉매와의 열교환에 의해 상기 액화가스 이송라인의 액화가스를 기화시키는 기화기;
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 증발기로 공급되는 혼합 냉매의 유량을 제어하는 유량제어밸브;
상기 액화가스 이송라인에 설치되고, 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 유량을 제어하는 제1 유량조절밸브;
상기 증발기에 공급되는 상기 열원의 유량을 제어하는 제2 유량조절밸브; 및
상기 기화기에서 배출되는 가스의 온도, 상기 기화기에서 배출되는 액화된 혼합 냉매의 온도, 상기 기화기에서 배출된 혼합 냉매를 저장하는 팽창 탱크의 압력 및 상기 팽창 탱크의 액위 중 적어도 하나에 따라 상기 유량제어밸브, 상기 제1 유량조절밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 제어하는 제어기를 포함하되;
상기 기화기의 혼합냉매 유입부의 위치는 상기 기화기의 혼합냉매 배출부의 위치보다 상대적으로 높게 제공되는 액화가스 재기화 시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 상기 혼합 냉매의 부피 변화를 흡수하는 팽창 탱크;
기화된 혼합 냉매가 상기 기화기 측으로 역류하는 것을 방지하도록 상기 기화기에 연결된 혼합냉매 배출라인에 설치되는 체크 밸브;
상기 체크 밸브의 후단으로부터 상기 기화기의 전단으로 연결되는 바이패스 라인;
상기 체크 밸브 후단의 혼합 냉매의 압력을 제어하도록 상기 바이패스 라인에 설치되는 바이패스 밸브;
상기 기화기 전단의 혼합 냉매의 압력을 측정하는 제1 압력센서; 및
상기 기화기 후단의 혼합 냉매의 압력을 측정하는 제2 압력센서를 더 포함하는 액화가스 재기화 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 액화가스 재기화 시스템의 운전 개시 시에 상기 기화기 전단과 후단의 혼합 냉매의 압력 차이에 따라 상기 바이패스 밸브를 제어하도록 구성되는 액화가스 재기화 시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 열매체 순환라인에 설치되고, 상기 액화가스와의 열교환 과정에서 액화된 혼합 냉매를 저장하고, 상기 혼합 냉매의 부피 변화를 흡수하는 팽창 탱크;
상기 팽창 탱크의 상부와, 상기 기화기의 전단 간에 연결되는 리턴 라인; 및
상기 팽창 탱크 내의 혼합 냉매의 기화에 의한 압력 상승을 해소하도록 상기 리턴 라인에 설치되는 바이패스 밸브를 더 포함하고,
상기 제어기는, 액화가스 재기화 운전 개시 시에 상기 팽창 탱크 내의 혼합 냉매의 액위에 따라 상기 바이패스 밸브의 개폐를 제어하도록 구성되는 액화가스 재기화 시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 열매체 순환라인은, 상기 기화기에서 액화가스와 열교환되어 액화된 혼합 냉매의 정수두(static head)에 의해 압력을 형성하여 상기 혼합 냉매의 정수두 압력에 의해 혼합 냉매를 상기 증발기로 가압하고 상기 증발기에서 기화된 혼합 냉매를 상기 기화기로 순환시키는 혼합냉매 가압라인을 포함하는 액화가스 재기화 시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 액화가스 재기화 시스템의 운전 종료 시에, 상기 유량제어밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 개방하여 상기 혼합 냉매의 순환과 상기 열원의 공급을 지속하는 상태에서, 상기 기화기의 결빙 방지를 위해 상기 제1 유량조절밸브를 차단하여 상기 기화기로 공급되는 액화가스의 공급을 중단하고;
상기 기화기 내에 잔류하는 액화가스가 존재하지 않을 때까지 상기 액화가스의 공급이 완전히 중단된 상태에서 일정 시간동안 상기 유량제어밸브 및 상기 제2 유량조절밸브를 개방하여 상기 혼합 냉매와 상기 열원을 흘려주고;
상기 기화기 내에 잔류하는 액화가스가 존재하지 않는 것으로 판단되면, 상기 유량제어밸브를 차단하여 상기 혼합 냉매의 순환을 중단하도록 구성되는 액화가스 재기화 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 혼합 냉매의 순환이 중단된 후, 상기 증발기 내에 혼합 냉매의 결빙을 방지하기 위하여 상기 증발기 내에 잔류하는 혼합 냉매를 가열하고;
상기 증발기 내에 잔류하는 혼합 냉매가 설정 온도 이상으로 가열되면 상기 제2 유량조절밸브를 차단하여 상기 열원의 공급을 중단하도록 구성되는 액화가스 재기화 시스템.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 증발기는 상기 기화기 보다 낮은 위치에 설치되는 액화가스 재기화 시스템.