KR20200120940A - Lng 재기화 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1)에 관한 것으로서, 상기 장치는 저온 액화 가스용 도관(2), 도관(2) 내에 배열된 펌프(3), 열 기관(4), 및 열 기관(4)의 하류에 연결된 폐열 이용 시스템(5)을 포함하고, 분기 도관(18)이 도관(2)으로부터 분기되고, 분기 도관(18)은 열 기관(4) 내로 이어지고, 장치(1)는 이하의 구성요소들, 즉 - 또한 펌프(3) 하류에서 저온 액화 가스의 유동 방향으로 도관(2) 내로 연결된 제1 열 교환기(7); - 압축기(8); - 제2 열 교환기(9); - 서로 병렬로, 제3 열 교환기(10)의 제1 측(11) 및 폐열 이용 시스템(5); - 발전기(14)가 결합된 팽창 엔진(13); 및 - 제3 열 교환기(10)의 제2 측(12);이 유체의 유동 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 유체 회로(6)를 더 포함한다. 본 발명은 또한 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 상응하는 방법에 관한 것이다.

Description

LNG 재기화
본 발명은 전기 에너지를 저렴하게 발생시키고 저온 액화 가스, 예를 들어 천연 가스(LNG = 액화 천연 가스)를 기화시키기 위한 장치 및 상응하는 방법에 관한 것이다.
천연 가스는 일반적으로 토출 후에 도관을 통해 항구의 상응하는 터미널로 운송된다. 거기서, 천연 가스는 저장되고, 처리되고, 최종적으로 상응하는 특수 선박 상에 의한 더 장거리에 걸친 운송을 위해 높은 압축 및 (-162℃에 이르기까지의) 냉각에 의해 액화된다. 운송 후에, 액화 천연 가스는 가스 그리드(gas grid)에 도입 전에 재기화된다(regasified). 액체 천연 가스는 이 경우에 통상적으로 주위 열(공기/해수) 또는 화학적 열에 의해 기화된다. US 2009/0211263 A1호는 예를 들어, 액체 천연 가스 흐름이 기화되는 장치 및 방법을 개시하고 있다.
대안으로서, 캐스케이딩(cascaded) ORC 회로에 의해 저온 냉기(low-temperature cold)의 에너지론적 이용을 목적으로 하는 개념이 개발되었다.
본 발명의 과제는 저온 액화 가스에 대해 에너지론 상 그리고 비교적 저렴한 기화 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 과제는 상응하게 개선된 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 저온 액화 가스용 도관, 도관 내에 배열된 펌프, 열 기관(heat engine), 및 열 기관의 하류에 연결된 폐열 이용 시스템(waste heat utilization system)을 포함하는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 이러한 유형의 장치에서, 분기 도관이 도관으로부터 분기되고, 분기 도관은 열 기관 내로 이어지고, 장치는, 이하의 구성요소들, 즉
- 또한 펌프의 하류에서 저온 액화 가스의 유동 방향으로 도관 내로 연결된 제1 열 교환기;
- 압축기;
- 제2 열 교환기;
- 서로 병렬로, 제3 열 교환기의 제1 측 및 폐열 이용 시스템;
- 발전기가 결합된 팽창 엔진(expansion engine); 및
- 제3 열 교환기의 제2 측;이 유체의 유동 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 유체 회로를 더 포함하는 것을 제공함으로써 장치에 관한 과제를 달성한다.
저온 액화 가스란, 가스가 냉각에 의해 액화되어 있는 것을 의미한다. 본 발명에 관련된 가스의 경우에 온도는 약 -140℃ 이하의 정도이다. 다른 프로세스로서 저온 액화 가스의 기화의 결합을 통해 그리고 특히 전체 시스템의 최적화된 열 통합을 통해, 매우 높은 효율로 전력을 발생하기 위해 저온 냉기의 최대 이용을 달성하는 것이 가능하다.
유체 회로는 장치의 효율을 최적화하기 위해 단일 압력 프로세스로서 작동되어야 한다. 이는 특정 온도 뿐만 아니라 또한 압축기에 의해 제공된 상응하는 압력을 필요로 한다.
제2 열 교환기에서, 유체는 주위 열에 의해 가열된다. 가스 터빈이 열 기관으로 사용되면, 가능한 용례는 가스 터빈의 흡입 공기를 냉각시키는 것인데, 이는 가스 터빈의 출력을 증가시킨다. 그러나, 예를 들어 따뜻한 냉각수, 해수 또는 주위 공기와 같은 다른 열원이 또한 사용될 수 있다.
열은 제3 열 교환기에 의해 유체 회로 내에서 신속하게 이동한다.
예를 들어, 터빈과 같은 팽창 엔진에서는, 폐열 이용 시스템 내에서 가열된 유체가 팽창되어 일(work)을 제공할 수 있다. 경우에 따라, 발전기가 팽창 엔진에 결합된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 제3 열 교환기의 제1 측과 병렬로 그리고 유체의 유동 방향으로 폐열 이용 시스템의 상류에는 유체 회로 내의 제4 열 교환기의 제1 측이 배열된다. 이 제4 열 교환기의 제2 측이 또한 유체의 유동 방향으로 유체 회로 내의 제3 열 교환기의 제2 측의 하류에 배열된다. 폐열 이용 시스템의 저온 단부(cold end)에서 부식 문제를 회피하기 위해, 폐열 이용 시스템에 공급되는 유체는 특정 온도 이하로 감소하지 않아야 한다. 이는 제4 열 교환기에 의한 예열을 통해 보장될 것이다. 그렇지 않으면, 제4 열 교환기의 생략 및 폐열 이용 시스템의 저온 부분의 비교적 조기의 수리 착수는 폐열 이용 시스템 내의 폐열의 더 양호한 이용도 유도할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 열 기관 내의 연소를 위해 연료를 예열하기 위해, 제5 열 교환기가 분기 도관 내에 그리고 제3 열 교환기의 제2 측의 상류에서 유체 회로 내에 배열된다. 연료의 예열은 연료의 현열(sensible heat)을 증가시키고 요구 연료량을 감소시킨다.
제6 열 교환기가 분기 도관의 분기점의 상류에서 도관 내에 배열되는 것이 바람직하다. 이 제6 열 교환기는 재기화된 가스를 더 가열하기 위해 주변으로부터 열을 이용하도록 의도된다. 여기서, 원하는 온도 레벨을 달성하기 위해, 제5 열 교환기 내에서 실제 연료 가스 예열에 있어서 더 적은 열이 시스템, 즉 유체 회로로부터 취해져야 하도록, 이러한 열의 이용이 분기의 하류에서 발생하는 것이 아니라 대신에 상류에서 발생하게 하는 것이 유용하다.
청구된 장치는 다양한 저온 액화 가스에 이용될 수 있다. 그러나, 열 기관 내에서의 그 실용성에 관해서 뿐만 아니라 유체 회로 내의 유체의 선택 및 전체 발전소의 효율에 관하여, 저온 액화 가스가 천연 가스인 것이 바람직하다. 천연 가스의 대안은 예를 들어 수소이다.
이 맥락에서, 유체 회로가 질소 회로인 것이 특히 바람직하다. 질소의 사용은 특히 그 불활성 특성 때문에 바람직하다. 그러나, -147℃/34 bara의 임계점을 갖는 질소가 LNG와의 초임계 열 교환을 위해 매우 적합하다는 것이 중요하다. 초임계 상태는 등온 응축 평탄역(plateau)의 형성을 방지한다. 열 전달 시의 엑서지 손실(exergetic losses)이 이에 의해 최소화된다. 더욱이, -210℃의 고화 온도는 -162℃의 LNG 온도보다 훨씬 더 낮아, 유체의 동결이 가능하지 않게 된다.
방법에 관련된 과제는, 저온 액화 가스가 압축되고 제1 열 교환기에서 유체 흐름에 의해 가열되고 기화되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법에 있어서, 유체 흐름은 순환하면서, 제1 열 교환기의 하류에서 압축되고, 제2 열 교환기에서 열을 흡수하고, 제1 부분 흐름 및 제2 부분 흐름으로 분할되고, 제1 부분 흐름은 열 기관의 배기 가스에 의해 적어도 폐열 이용 시스템 내에서 가열되고, 제2 부분 흐름은 제3 열 교환기 내에서 가열되고, 제1 부분 흐름 및 제2 부분 흐름은 다시 결합되고, 결합된 유체는 감압되고, 이후에 제1 열 교환기 내에서 저온 액화 가스를 가열하기 전에 제3 열 교환기 내에서 제2 부분 흐름을 가열하는, 상기 방법에 의해 달성된다.
제1 부분 흐름이, 폐열 이용 시스템 내에서 가열되기 전에, 유체가 제3 열 교환기 내에서 제2 부분 흐름을 가열한 후에 제4 열 교환기 내에서 유체에 의해 가열되는 것이 바람직하다. 제3 및 제4 열 교환기의 제2 측의 직렬 연결은, 제1 부분 흐름이 어떠한 경우에도 폐열 이용 시스템 내에서 비교적 강한 가열을 받게 되고, 폐열 이용 시스템 내로의 입구의 영역에서 유체의 비교적 높은 입구 온도 때문에 비교적 많은 양의 열이 이용되지 않은 채 주변으로 방출되어야 하면, 유체의 과도한 "예열"이 전체 발전소의 효율에 전체적으로 악영향을 미칠 것이기 때문에, 전체 유체 흐름의 공동 예열과 비교하여 유리하다.
또한, 이전의 저온 액화 가스가 적어도 부분적으로 가스 그리드에 그리고 부분적으로 열 기관에 공급되는 것이 바람직하다.
열 기관에 공급된 이전의 저온 액화 가스가, 제3 열 교환기 내에서 제2 부분 흐름을 가열하기 전에 연소를 위해 제5 열 교환기 내에서 유체를 통해 예열되는 것이 또한 바람직하다.
질소가 유체 회로에서 유체로서 사용되는 것이 바람직하다.
여기서, 유체 회로가 초임계 조건 하에서 작동되는 회로인 것이 특히 바람직하다. 초임계 상태에서, 기화 열은 더 이상 어떠한 역할도 하지 않는데, 이는 효율적인 열 전달에 긍정적인 영향을 미친다.
바람직하게, 액화 천연 가스는 저온 액화 가스로서 사용된다.
본 발명에 따르면, 재기화 프로세스(바람직하게는 LNG)뿐만 아니라, 순환 프로세스(바람직하게는 질소)도, 최적의 열 교환을 위해 각각 초임계 압력 범위에 이르기까지 단일 압력 프로세스로서 작동된다. 이는 전체 배기 가스 열이 시스템 내에서 가스 터빈 배기 가스에 의해 프로세스에 도입되게 하여, 효율을 최적화하는 것을 가능하게 한다.
더욱이, 본 발명의 개념은 바람직한 방식으로, LNG가 가스 그리드로의 터미널 지점에서 원하는 압력 및 온도 레벨로 조정되는 것을 가능하게 한다.
게다가, 유체 회로의 구성은 서브시스템의 요구 사항과 관련하여 최적화된다[예로서, 가스 터빈의 하류의 폐열 이용 시스템 내로의 진입 시에 최종 LNG 온도뿐만 아니라 최소 질소 온도도 내부 열 시프트(heat shift)에 의해 가능해짐].
시스템의 최적 조합 및 프로세스 파라미터의 최적 선택은 예를 들어 61 내지 64%의 LNG-대-전기 변환 효율을 달성하는 것을 가능하게 한다. 이 방식으로, 종래의 GUD 기술을 사용하여 향후 5년 이내에 예측할 수 없는 레벨이 얻어진다.
추가의 장점은 다음과 같다:
● 모든 프로세스 파라미터가 현재 이미 이용 가능한 구성요소를 사용하여 실현될 수 있고,
● 발전소는 그 작동을 위해 물을 필요로 하지 않고,
● 간단한 프로세스 구조가 간단한 조절을 허용하고(예로서, 질소 프로세스에서 복수의 압력 스테이지 대신에 단지 하나의 압력 스테이지),
● 이전의 재기화 접근법에 비교할 때, 글리콜과 같은 잠재적으로 환경에 유해한 매체가 존재하지 않기 때문에, 상기 방법이 환경 친화적이고,
● 장치 및 방법은 부가의 능동 구성요소가 LNG 측에 요구되지 않기 때문에 매우 저렴하고,
● 컨셉 성능은 LNG 시스템 압력에 독립적이다.
본 발명이 도면의 도움으로 예로서 더 상세히 설명될 것이다. 도면은 개략적으로 그리고 실제 축척대로는 아니도록 도시된다.
도 1은 본 발명에 따른, 전기 에너지를 발생시키고 액화 천연 가스를 기화하기 위한 장치를 도시하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치(1)를 예로서, 개략적으로 도시하고 있다. 장치는 예를 들어 천연 가스와 같은 저온 액화 가스를 위한 도관(2), 및 도관(2) 내에 배열된 펌프(3)를 포함한다. 더욱이, 도 1의 장치(1)는 열 기관(4)으로서의 가스 터빈과, 가스 및 증기 터빈 발전소의 폐열 증기 발생기와 유사한, 열 기관(4)의 하류에 연결된 폐열 이용 시스템(5)을 포함한다. 그러나, 본 발명은 물-증기 회로를 제공하지 않는다.
유체 회로(6)는 예를 들어, 질소 회로일 수 있고, 도 1의 실시예에서 유체의 유동 방향으로 연속적으로 이하의 구성요소들, 즉
- 또한 펌프(3) 하류에서 저온 액화 가스의 유동 방향으로 도관(2) 내로 연결된 제1 열 교환기(7)로서, 제1 열 교환기(7) 내에서, 열은 예를 들어 질소에 의해 액화 천연 가스로 전달되어, 액화 천연 가스가 워밍업(warming up)되어 기화되게 하는, 제1 열 교환기(7);
- 최적의 열 교환을 위해 유체/질소를 초임계 압력 범위에 이르기까지 유도할 수 있는 압축기(8);
- (예를 들어, 가스 터빈 흡입 공기 냉각기, 해수, 주위 공기, 워밍업된 냉각수로부터의) 주위 열이 유체를 가열하기 위해 이용되는 제2 열 교환기(9),
- 서로 병렬로, 제2 부분 흐름(23) 내의 제3 열 교환기(10)의 제1 측(11) 및 제4 열 교환기(15)의 제1 측(16) 및 유체의 제1 부분 흐름(22) 내의 폐열 이용 시스템(5),
- 발전기(14)가 결합된 팽창 엔진(13)으로서의 터빈,
- 연료의 예열을 위한 제5 열 교환기(19),
- 제3 열 교환기(10)의 제2 측(12) 및
- 제4 열 교환기(15)의 제2 측(17)을 포함한다.
도 1의 실시예에서, 감압된 천연 가스의 일부는 가스 그리드(24)로 공급되고 다른 일부는 가스 터빈[열 기관(4)]으로 공급된다. 이를 위해, 분기 도관(18)은 분기점(21)에서 도관(2)으로부터 분기된다. 분기 도관(18)은 가스 터빈[열 기관(4)] 내로 이어진다. 연료를 예열하기 위해, 제5 열 교환기(19)는 상기에 설명된 바와 같이, 분기 도관(18) 내에 그리고 유체 회로(6)(= 질소 회로) 내에 연결된다.
도 1의 실시예에서, 제6 열 교환기(20)는 또한 분기 도관(18)의 분기점(21)의 상류에서 도관(2) 내에 배열된다.
도 1의 실시예에서 질소가 팽창된 터빈(13)은 누출을 갖는다. 이들은 적어도 부분적으로 추출되고(25), 이어서 유체 회로(6) 내로 재순환될 수 있다. 일반적으로, 유체 회로(6) 내로의 질소의 도입(26)이 제공된다.

Claims (13)

  1. 저온 액화 가스용 도관(2), 도관(2) 내에 배열된 펌프(3), 열 기관(4), 및 열 기관(4)의 하류에 연결된 폐열 이용 시스템(5)을 포함하는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1)에 있어서,
    분기 도관(18)이 도관(2)으로부터 분기되고, 분기 도관(18)은 열 기관(4) 내로 이어지고, 장치(1)는, 이하의 구성요소들, 즉
    - 또한 펌프(3) 하류에서 저온 액화 가스의 유동 방향으로 도관(2) 내로 연결된 제1 열 교환기(7);
    - 압축기(8);
    - 제2 열 교환기(9);
    - 서로 병렬로, 제3 열 교환기(10)의 제1 측(11) 및 폐열 이용 시스템(5);
    - 발전기(14)가 결합된 팽창 엔진(13); 및
    - 제3 열 교환기(10)의 제2 측(12);이 유체의 유동 방향으로 연속적으로 배열되어 있는 유체 회로(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 제3 열 교환기(10)의 제1 측(11)에 병렬로 그리고 유체의 유동 방향으로 폐열 이용 시스템(5)의 상류에는 유체 회로(6) 내의 제4 열 교환기(15)의 제1 측(16)이 배열되고, 제4 열 교환기(15)의 제2 측(17)이 유체의 유동 방향으로 유체 회로(6) 내의 제3 열 교환기(10)의 제2 측(12)의 하류에 배열되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제5 열 교환기(19)가 분기 도관(18) 내에 그리고 제3 열 교환기(10)의 제2 측(12)의 상류에서 유체 회로(6) 내에 배열되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제6 열 교환기(20)가 분기 도관(18)의 분기점(21)의 상류에서 도관(2) 내에 배열되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 저온 액화 가스는 천연 가스인, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 회로(6)는 질소 회로인, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 장치(1).
  7. 저온 액화 가스가 압축되고 제1 열 교환기(7)에서 유체 흐름에 의해 가열되고 기화되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법에 있어서,
    유체 흐름은 순환하면서, 제1 열 교환기(7)의 하류에서 압축되고, 제2 열 교환기(9)에서 열을 흡수하고, 제1 부분 흐름(22) 및 제2 부분 흐름(23)으로 분할되고, 제1 부분 흐름(22)은 열 기관(4)의 배기 가스에 의해 적어도 폐열 이용 시스템(5) 내에서 가열되고, 제2 부분 흐름(23)은 제3 열 교환기(10) 내에서 가열되고, 제1 부분 흐름(22) 및 제2 부분 흐름(23)은 다시 결합되고, 결합된 유체는 감압되고, 이후에 제1 열 교환기(7) 내에서 저온 액화 가스를 가열하기 전에 제3 열 교환기(10) 내에서 제2 부분 흐름(23)을 가열하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제1 부분 흐름(22)은, 폐열 이용 시스템(5) 내에서 가열되기 전에, 유체가 제3 열 교환기(10) 내에서 제2 부분 흐름(23)을 가열한 후에 제4 열 교환기(15) 내에서 유체에 의해 가열되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 이전의 저온 액화 가스는 적어도 부분적으로 가스 그리드(24)에 그리고 부분적으로 열 기관(4)에 공급되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 열 기관(4)에 공급된 이전의 저온 액화 가스는, 제3 열 교환기(10) 내에서 제2 부분 흐름(23)을 가열하기 전에 연소를 위해 제5 열 교환기(19) 내에서 유체를 통해 예열되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 질소가 유체 회로(6)에서 유체로서 사용되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 유체 회로(6)는 초임계 조건 하에서 작동되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 액화 천연 가스가 저온 액화 가스로서 사용되는, 전기 에너지를 발생시키고 저온 액화 가스를 기화시키기 위한 방법.
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