KR20070067014A - 중간매체식 기화장치 - Google Patents

중간매체식 기화장치 Download PDF

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KR20070067014A
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김호연
이정환
홍성호
강성일
김광원
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한국가스공사
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Abstract

본 발명의 기화장치(200)는 열원유체와의 열교환을 통해 액상의 중간매체(LM)를 기화하기 위한 중간매체기화기(220)와, 기화된 기상의 중간매체(GM)와의 열교환을 통해 액화천연가스를 저온의 천연가스로 기화하기 위한 액화천연가스기화기(240)와, 열원유체와의 열교환을 통해 저온의 천연가스를 가열하기 위한 천연가스가온기(260)를 포함하며, 열원유체는 중간매체기화기(220)와 천연가스가온기(260)에 각각 독립적으로 공급된다. 또한, 열원유체와 저온의 천연가스와의 열교환은 대향류방식으로 이루어지고, 열원유체는 천연가스가온기(260) 및 중간매체기화기(220)를 거치면서 각각 약 2.5℃ 정도의 온도강하만이 발생한다.
기화기, 중간매체, 프로판, 액화천연가스, 천연가스, 열교환, 해수

Description

중간매체식 기화장치{Intermediate Fluid type Vaporizer}
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 기화장치를 나타내는 개략도;
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 기화장치를 나타내는 개략도; 및
도 3은 종래기술의 기화장치를 나타내는 개략도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100, 200 : 기화장치 120, 220 : 중간매체기화기
140, 240 : 액화천연가스기화기 160, 260 : 천연가스가온기
본 발명은 기화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 5℃ 이하의 저온의 열원으로도 기화률의 저하없이 액화천연가스를 원할하게 기화시킬 수 있는 기화장치에 관한 것이다.
현재 일반 가정, 아파트 등의 건물로 공급되는 천연가스(NG)는 극저온으로 냉각된 액화천연가스(LNG)를 소정의 기화장치를 사용하여 상온의 천연가스로 기화 된 것이다.
이렇게 액화천연가스를 천연가스로 바꾸기 위하여, 해수를 사용하는 해수식 기화장치, 천연가스의 연소열을 사용하는 연소식 기화장치 또는 해수를 사용하고 부분적으로 중간매체의 완충적 전열효과를 이용하는 중간매체식 기화장치 등이 사용되고 있다.
해수식 기화장치(Open Rack Vaporizer)는 해수가 특정 온도, 예를 들어 5℃ 이하로 떨어지는 경우 기화률이 급격히 낮아지는 문제가 있으며, 연소식 기화장치는 액화천연가스를 기화하기 위해 인가되는 열을 얻는 데 비용이 너무 많이 드는 문제가 있었다.
이런 이유에서 근래에는 열원과 액화천연가스를 직접 접촉하지 않고 프로판 등의 중간매체를 통해 간접적으로 접촉하게 함으로써 해수온도의 강하에도 기화률이 급격하게 낮아지고 않고 비용도 많이 들지 않은 중간매체식 기화장치가 선호되고 있다. 이러한 중간매체식 기화장치의 일례가 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기화장치는 중간매체기화기(E1), 액화천연가스기화기(E2), 천연가스가온기(E3)를 구비하고 있다. 또한, 해수와 같은 열원유체가 통과하는 경로로, 입구실(10), 다수의 열원관(12), 중간실(14), 다수의 열원관(16) 및 출구실(16)이 순서대로 구비되어 있으며, 여기서 열원관(12)은 천연가스가온기(E3) 안에 설치되고, 열원관(16)은 중간매체기화기(E1) 안에 설치되어 있다.
천연가스기화기(E2)는 격벽(20)으로 구분되는 입구실(22)과 출구실(24)과, 입출구실(22,24)을 연통하는 다수의 전열관(23)이 구비되어 있다. 각 전열관(23)은 대략 U자 모양을 하고 중간매체기화기(E1) 안의 상부에 돌출되어 있다. 출구실(24)은 천연가스도관(26)에 의해 천연가스가온기(E3)에 연결되어 있다.
상술한 기화장치는 열원유체인 해수가 입구실(10), 열원관(12), 중간실(14) 및 열원관(16)을 통과하고 출구실(18)에 이르며, 이때 열원관(16)을 통과하는 해수는 중간매체기화기(E1) 안의 액상중간매체(17)과 열교환하고 해당 중간매체(17)를 기화시킨다.
한편, 기화 대상인 액화천연가스는 입구실(22)로부터 전열관(23)으로 도입되고, 이때 전열관(23) 안의 액화천연가스와 중간매체기화기(E1) 안의 기화된 중간매체(17)가 열교환되어 해당 중간매체(17)이 응축됨과 동시에 그 응축열을 얻어 액화천연가스가 전열관(23) 안에서 기화되고 천연가스가 된다. 또한, 이 천연가스는 출구실(24)로부터 천연가스도관(26)를 통해 천연가스가온기(E3)로 도입되고 열원관(12)을 흐르는 해수와의 열교환을 통해 가열된 후 해당 수요처로 공급된다.
그러나, 상술한 구성을 갖는 종래의 기화장치는 천연가스가온기(E3)에서 천연가스와 열원유체간에 열교환이 대향류방식으로 이루어지기 때문에 열교환 후 열원유체의 온도강하가 3℃ 정도로 매우 컸으며, 중간매체기화기(E1)에서 프로판가스와 열원유체간에 다른 열교환 후에는 약 2~3℃의 온도강하가 추가로 발생하여, 전체적으로 장치로 유입되고 유출되는 열원유체의 온도강하가 약 5~6℃ 정도로 크게 발생하였다. 따라서, 열원유체인 해수의 온도가 5℃ 이하로 낮아지는 경우, 이러한 급격한 온도강하로 인해 열원관(16)의 내외벽이 결빙되고, 이로 인해 기화률이 크게 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것이다.
본 발명의 목적은 천연가스가온기에서 천연가스와 열원유체와의 열교환이 향류방식으로 이루지게 하여 열교환 후 열원유체의 온도강하를 크게 줄임으로써 열원유체의 온도가 5℃ 이하로 낮아지는 경우에도 장치의 기화률이 떨어지지 않는 기화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액화천연가스기화기와 천연가스가온기 각각에 열원유체인 해수를 직접 공급함으로써 높은 기화성능을 유지하면서도 열원유체의 온도가 5℃ 이하로 낮아지는 경우에도 기화률이 떨어지지 않는 기화장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 열원유체와의 열교환을 통해 액상의 중간매체를 기화하기 위한 중간매체기화기와, 기화된 기상의 중간매체와의 열교환을 통해 액화천연가스를 저온의 천연가스로 기화하기 위한 액화천연가스기화기와, 열원유체와의 향류방식의 열교환을 통해 저온의 천연가스를 가열하기 위한 천연가스가온기를 포함하며, 열원유체는 천연가스가온기를 거쳐 중간매체기화기로 흐르는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화기를 제공한다.
여기서, 천연가스가온기는 열원유체가 흐르는 다수의 열원관 및 열원관을 가 로지르는 다수의 격판을 구비하며, 저온의 천연가스는 다수의 격판에 의해 열원관을 수회 가로지르면서 열교환이 일어나는 것을 특징으로 한다.
또한, 열원유체는 저온의 천연가스와의 열교환에 의해, 즉 천연가스가온기를 거치면서 약 0.8℃ 정도의 온도강하가 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 열원유체는 저온의 천연가스와의 열교환과 액상의 중간매체와의 열교환에 의해, 즉 중간매체기화기를 거치면서 약 3℃ 정도의 온도강하가 발생하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예는 열원유체와의 열교환을 통해 액상의 중간매체를 기화하기 위한 중간매체기화기와, 기화된 기상의 중간매체와의 열교환을 통해 액화천연가스를 저온의 천연가스로 기화하기 위한 액화천연가스기화기와, 열원유체와의 열교환을 통해 저온의 천연가스를 가열하기 위한 천연가스가온기를 포함하며, 열원유체는 중간매체기화기와 천연가스가온기에 각각 독립적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화기를 제공한다.
여기서, 천연가스가온기는 열원유체가 흐르는 다수의 열원관 및 열원관을 가로지르는 다수의 격판을 구비하며, 저온의 천연가스는 다수의 격판에 의해 열원관을 수회 가로지르면서 열교환이 일어나는 것을 특징으로 한다.
또한, 열원유체와 저온의 천연가스와의 열교환은 대향류방식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 열원유체는 천연가스가온기 및 중간매체기화기를 거치면서 각각 약 2.5℃ 정도의 온도강하가 발생하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 기화장치에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 기화장치(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 기화장치(100)는 중간매체기화기(120), 액화천연가스기화기(140), 천연가스가온기(160)를 포함한다. 또한, 해수와 같은 열원유체가 통과하는 경로로, 입구실(101), 다수의 열원관(102), 중간실(103), 다수의 열원관(104) 및 출구실(105)이 순서대로 구비되며, 여기서 열원관(102)은 천연가스가온기(160) 안에 설치되고, 열원관(104)은 중간매체기화기(120) 안에 설치된다.
액화천연가스기화기(140)는 격벽(144)으로 구분되는 입구실(141)과 출구실(142) 및 입출구실(141,142)을 연통하는 다수의 전열관(143)이 구비된다. 각 전열관(143)은 대략 U자 모양을 하고 중간매체기화기(120) 안의 상부에 돌출된다. 출구실(142)은 천연가스도관(145)에 의해 천연가스가온기(160)에 연결된다.
상술한 기화장치(100)는 열원유체인 해수가 입구실(101), 열원관(102), 중간실(103) 및 열원관(104)을 통과하고 출구실(105)에 이르며, 이때 열원관(104)을 통과하는 해수는 중간매체기화기(120) 안의 액상중간매체(LM)와 열교환하고 해당 중간매체(LM)를 기화시킨다. 본 실시예는 중간매체(LM)로 프로판가스를 사용하였고, 이 가스는 결빙점이 -190℃이고 비등점이 -43.2℃로 장치 내에서 액화천연가스의 공급온도인 -162℃ 이상에서 전혀 결빙되지 않고 액화천연가스를 기화시킬 수 있다.
한편, 기화 대상인 극저온(-157.0℃)의 액화천연가스는 입구실(141)로부터 전열관(143)으로 도입되고, 이때 전열관(143) 안의 액화천연가스와 중간매체기화기(120) 안의 기화된 중간매체(GM)가 열교환되어 해당 중간매체(GM)이 응축됨과 동시에 그 응축열을 얻어 액화천연가스가 전열관(143) 안에서 기화되고 저온(-40.8℃)의 천연가스가 된다. 또한, 이 저온의 천연가스는 출구실(142)로부터 천연가스도관(145)을 통해 천연가스가온기(160)로 도입되고 열원관(102)을 흐르는 해수와의 열교환을 통해 약 0.6℃까지 가열된 후 해당 수요처로 공급된다.
이때, 저온의 천연가스와 열원관(102)을 흐르는 해수와의 열교환이 종래의 대향류방식이 아닌 향류방식으로 이루어지기 때문에 열교환을 마친 해수의 온도차는 약 0.8℃ 정도로 종래에 비해 매우 작게 된다. 또한, 저온의 천연가스는 열원관(102)을 가로지르게 구비된 다수의 격판(162)에 의해 화살표와 같이 열원관(102)을 수회 가로지르면서 유동하기 때문에 열교환이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 실시예의 기화장치(100)는 해수온도차가 약 3℃정도로 조금 크기는 하지만(그러나, 종래의 5~6℃에 비해 약 절반정도임), 세 개의 열교환기, 즉 중간매체기화기(120), 액화천연가스기화기(140), 천연가스가온기(160)를 일체로 연결할 수 있는 장점이 있다. 또한, 저온의 천연가스와 해수 간의 열교환이 대향류방식으로 이루어지기 때문에 종래의 향류방식에 비해 성능을 다소 떨어지나 열교환 후 온도 강하가 적어 해수 온도가 1℃ 이하인 경우에도 원하는 기화률을 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 실시예에 따른 기화장치(100)의 설계사양은 표 1과 같다.
액화천연가스 유량(tons/hr) 10.0
액화천연가스 입구압력(kg/㎠) 75.0
액화천연가스 입구온도(℃) -157.0
저온 천연가스 출구온도(℃) -40.8
저온 천연가스 입구온도(℃) -40.8
천연가스 출구온도(℃) 0.6
천연가스측 해수유량(tons/hr) 516.9
천연가스측 해수 입구온도(℃) 3.0
천연가스측 해수 출구온도(℃) 2.2
액화천연가스측 해수유량(tons/hr) 516.9
액화천연가스측 해수 입구온도(℃) 2.2
액화천연가스측 해수 출구온도(℃) -0.3
프로판가스 포화압력(kg/㎠) 3.3
프로판가스 기상온도(℃) -10.8
프로판가스 액상온도(℃) -10.8
다음, 도 2를 참조로 본 발명의 다른 실시예에 따른 기화장치(200)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 기화장치(200)는 중간매체기화기(220), 액화천연가스기화기(240) 및 천연가스가온기(260)를 포함한다. 중간매체기화기(220)와 액화천연가스기화기(240)는 일체로 구성되며, 천연가스가온기(260)는 중간매체기화기(220)의 외부 상부에 결합된다.
중간매체기화기(220)는 해수가 통과하는 경로로 입구실(221), 다수의 열원관(222) 및 출구실(223)을 순서대로 구비하며, 열원관(222)은 중간매체기화기(220) 안에 설치된다.
천연가스기화기(240)는 격벽(244)으로 구분되는 입구실(241)과 출구실(242) 및 입출구실(241,242)을 연통하는 다수의 전열관(243)이 구비된다. 각 전열관(243)은 대략 U자 모양을 하고 중간매체기화기(220) 안의 상부에 돌출된다. 출구실(242)은 천연가스도관(245)에 의해 천연가스가온기(260)에 연결된다.
천연가스가온기(260)는 해수가 통과하는 경로로 입구실(261), 다수의 열원관(262) 및 출구실(263)을 순서대로 구비하며, 열원관(262)은 천연가스가온기(260) 안에 설치된다.
상술한 기화장치(200)는 열원유체인 해수가 중간매체기화기(220)에 구비된 입구실(221), 열원관(222)을 통과하고 출구실(223)에 이르며, 이때 열원관(222)을 통과하는 해수는 중간매체기화기(220) 안의 액상중간매체(LM)와 열교환하고 해당 중간매체(LM)를 기화시킨다. 본 실시예는 중간매체(LM)로 프로판가스를 사용하였고, 이 가스는 결빙점이 -190℃이고 비등점이 -43.2℃로 장치 내에서 액화천연가스의 공급온도인 -162℃ 이상에서 전혀 결빙되지 않고 액화천연가스를 기화시킬 수 있다.
한편, 기화 대상인 극저온(-157.0℃)의 액화천연가스는 입구실(241)로부터 전열관(243)으로 도입되고, 이때 전열관(243) 안의 액화천연가스와 중간매체기화기(220) 안의 기화된 중간매체(GM)가 열교환되어 해당 중간매체(GM)이 응축됨과 동시에 그 응축열을 얻어 액화천연가스가 전열관(243) 안에서 기화되고 저온(-40.8℃)의 천연가스가 된다. 또한, 이 저온의 천연가스는 출구실(242)로부터 천연가스도관(245)을 통해 천연가스가온기(260)로 도입된다.
또한, 기화장치(200)는 열원유체인 해수가 천연가스가온기(260)에 구비된 입구실(261), 열원관(262)을 통과하고 출구실(263)에 이르며, 이때 천연가스도관(245)을 통해 유입된 저온의 천연가스는 열원관(262)을 통과하는 해수와 열교환하여 약 0.2℃까지 가열된 후 해당 수요처로 공급된다. 이 경우, 저온의 천연가스는 열원관(262)을 가로지르게 구비된 다수의 격판(264)에 의해 화살표와 같이 열원관(262)을 수회 가로지르면서 유동하기 때문에 열교환이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 실시예의 기화장치(200)는 중간매체기화기(220)에 각각 직접 해수가 공급되기 때문에 천연가스기화기를 거친 후 중간매체기화기로 해수가 공급되었던 종래의 기화장치에 비해 입출구실의 온도 강하가 적어 해수 온도가 1℃이하로 낮은 경우에도 우수한 기화률을 갖는 장점이 있다. 또한, 저온의 천연가스와 해수와의 열교환이 대향류방식으로 이루어지기 때문에 앞선 도 1의 기화장치(100)에 비해 우수한 기화성능을 갖는 장점이 있다.
본 실시예에 따른 기화장치(200)의 설계사양은 표 2과 같다.
액화천연가스 유량(tons/hr) 10.0
액화천연가스 입구압력(kg/㎠) 75.0
액화천연가스 입구온도(℃) -157.0
저온 천연가스 출구온도(℃) -40.8
저온 천연가스 입구온도(℃) -40.8
천연가스 출구온도(℃) 0.2
천연가스측 해수유량(tons/hr) 163.7
천연가스측 해수 입구온도(℃) 3.0
천연가스측 해수 출구온도(℃) 0.5
액화천연가스측 해수유량(tons/hr) 516.9
액화천연가스측 해수 입구온도(℃) 3.0
액화천연가스측 해수 출구온도(℃) 0.5
프로판가스 포화압력(kg/㎠) 3.3
프로판가스 기상온도(℃) -10.8
프로판가스 액상온도(℃) -10.8
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조로 본 발명의 기화장치에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.
본 발명의 기화장치에 따르면, 중간매체기화기, 액화천연가스기화기 및 천연가스기화기가 일체로 구성되는 예에서는, 장치가 컴팩트해지고 저온의 천연가스와 해수간의 열교환이 대향류방식으로 이루어져 열원유체인 해수의 온도 강하가 적게 발생하며, 이로 인해 기화성능은 다소 저하되나 1℃ 이하의 해수로도 기화률의 저하없이 액화천연가스를 원활하게 기화시킬 수 있다.
또한, 중간매체기화기와 액화천연가스기화기가 일체로 되고 천연가스기화기가 외부로 설치되게 구성되는 예에서는, 저온의 천연가스와 해수간의 열교환이 향류방식으로 이루어짐과 동시에 중간매체기화기로 열원유체인 해수가 직접 공급되기 때문에 기화성능을 좋게 유지하면서 1℃ 이하의 해수로도 기화률의 저하없이 액화천연가스를 원활하게 기화시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 열원유체와의 열교환을 통해 액상의 중간매체를 기화하기 위한 중간매체기화기;
    상기 기화된 기상의 중간매체와의 열교환을 통해 액화천연가스를 저온의 천연가스로 기화하기 위한 액화천연가스기화기;
    열원유체와의 열교환을 통해 상기 저온의 천연가스를 가열하기 위한 천연가스가온기를 포함하며,
    상기 열원유체는 상기 중간매체기화기와 상기 천연가스가온기에 각각 독립적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천연가스가온기는 상기 열원유체가 흐르는 다수의 열원관 및 상기 열원관을 가로지르는 다수의 격판을 구비하며, 상기 저온의 천연가스는 상기 다수의 격판에 의해 상기 열원관을 수회 가로지르면서 열교환이 일어나는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열원유체와 상기 저온의 천연가스와의 열교환은 대향류방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열원유체는 상기 천연가스가온기 및 상기 중간매체기화기를 거치면서 각각 약 2.5℃ 정도의 온도강하가 발생하는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원유체는 1℃ 이하의 해수를 포함하는 것을 특징으로 하는 중간매체식 기화장치.
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