KR20210085837A

KR20210085837A - 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210085837A
Application number: KR1020190179325A
Authority: KR
Inventors: 이춘식; 윤문규; 박은진; 염충섭
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-07-08
Also published as: KR102290340B1

Abstract

본 발명은, 에너지 손실을 최소화하여 직접식 재기화 시스템에 가까운 높은 재기화 효율을 달성할 수 있도록 하는 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템은, 액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 액화가스를 기화시키는 제1 열교환기; 제1 열원과 상기 제1 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 열전달 매체를 열교환시켜 상기 열전달 매체를 기화시키는 제2 열교환기; 및 제2 열원과 상기 제2 열교환기로 공급할 제1 열원을 열교환시켜 상기 제1 열원을 가열하는 제3 열교환기;를 포함하고, 상기 제1 열교환기는 제2 열교환기보다 상부에 위치하고, 상기 제1 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 액체 상태의 열전달 매체는 중력에 의해 제2 열교환기로 순환된다.

Description

간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법 {Indirect Type Liquefied Gas Regasification System and Method}

본 발명은, 에너지 손실을 최소화하여 직접식 재기화 시스템에 가까운, 높은 재기화 효율을 달성할 수 있도록 하는 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 천연가스는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 운반된다. LNG는 천연가스를 상압에서 약 -163℃의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로서, 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

LNG 운반선은 LNG 저장탱크에 LNG를 저장하고, 해상을 통해 운항하여 육상의 LNG 터미널로 하역한다. LNG 운반선에 의해 운반된 LNG는 육상의 LNG 터미널의 LNG 재기화 시스템을 이용하여 재기화시키고, 재기화 가스는 가스 발전소나 도시가스 공급업체 등 가스 수요처로 각각 공급한다.

육상 LNG 재기화 시스템은, LNG 운반선이 정박할 수 있는 부두 근처에 LNG 재기화 시스템을 설치하기 위한 부지가 필요하며, 지역 주민의 반대 등으로 부지 확보에 어려움이 있다. 또한, 높은 설치비와 운영비로 인해 경제적으로도 불리하고, 자연재해나 테러 등 외부 요인에 의해 LNG를 재기화시킬 수 없는 상황이 발생할 수 있으므로, 구조적인 한계를 가지고 있다. 또한, 가스 공급 인프라가 부족한 국가에서는 적용하기 어렵고, 도시가스에 대한 수요 변동이 심한 지역에서는 가스 공급이 용이하지 않다.

이러한 육상의 LNG 재기화 시스템의 단점을 보완하기 위하여 LNG 재기화 선박이 개발되어 적용되고 있다. LNG 재기화 선박은, 해상에서 LNG를 재기화하여 천연가스를 육상의 가스 수요처로 공급할 수 있도록 하기 위해, LNG 운반선에 LNG 재기화 시스템을 설치한 LNG RV(LNG Regasification Vessel) 또는 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 LNG 재기화 선박 또는 부유식 해상 구조물(이하, 'LNG 재기화 선박'으로 통칭함.)등이 있다.

일반적으로, LNG 재기화 선박에 설치되는 LNG 재기화 시스템은, LNG 저장탱크에 저장되어 있는 저압의 LNG를 가스 수요처에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압펌프(high pressure pump) 및 가스 배관망(regas network)에서 요구하는 온도까지 가열하여 기화시키는 기화기(high pressure vaporizer)를 포함한다. 고압펌프 및 기화기를 통해 기화된 재기화 가스는 가스 배관망을 통해 가스 수요처(consumer)로 이송된다.

LNG 재기화 선박에 설치되는 기화기는, 주로 수급이 용이한 해수를 열원으로 사용하여 LNG를 기화시킨다.

해수를 열원으로 사용하는 LNG 재기화 시스템은, 기화기로 해수와 LNG를 공급하여 해수와 LNG를 직접 열교환시켜 LNG를 기화시키는 직접 열교환 방식과, 해수와 별도의 열전달 매체(heating medium)를 열교환시켜 열전달 매체를 가열시키고, 열전달 매체와 LNG를 기화기로 공급하여 LNG를 기화시킴으로써, 간접 열교환에 의해 LNG를 기화시키는 간접 열교환 방식이 있다.

직접 열교환 방식의 경우, 해수의 열에너지가 LNG에 직접 전달되므로 열전달 효율이 좋다는 장점이 있다. 그러나, 해수의 온도가 낮은 겨울철이나 극지방에서는, 충분한 양의 LNG를 기화시키지 못한다거나, 동결문제가 발생하는 등 계절이나 지역의 기후 특성에 따라 재기화 용량에 영향을 받는다는 문제점이 있다.

그에 따라, 최근에는, 해수의 온도의 영향을 덜 받는 간접 열교환 방식의 LNG 재기화 시스템이 선호되고 있다. 그러나, 간접 열교환 방식의 경우에는, 해수와 열전달 매체, 열전달 매체와 LNG가 열교환함으로써 직접 열교환 방식에 비해 열교환 과정이 추가되므로 그에 따른 재기화 효율이 약 1~2% 정도 감소하고, 열전달 매체를 순환시키기 위한 펌프 작동에 따른 손실로 재기화 효율이 약 2~3% 정도 더 감소되는 것으로 알려져있다. 즉, 직접 열교환 방식에 비해 동일한 양의 재기화 가스를 생산하기 위하여 더 많은 양의 에너지가 필요하고, 또한, 더 많은 장비를 필요로 하는 등 시스템의 구성이 복잡해진다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것을 목적으로 하며, 간접 열교환 방식의 재기화 시스템의 재기화 효율과 성능을 향상시킬 수 있는, 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 액화가스를 기화시키는 제1 열교환기; 제1 열원과 상기 제1 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 열전달 매체를 열교환시켜 상기 열전달 매체를 기화시키는 제2 열교환기; 및 제2 열원과 상기 제2 열교환기로 공급할 제1 열원을 열교환시켜 상기 제1 열원을 가열하는 제3 열교환기;를 포함하고, 상기 제1 열교환기는 제2 열교환기보다 상부에 위치하고, 상기 제1 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 액체 상태의 열전달 매체는 중력에 의해 제2 열교환기로 순환되는, 간접식 액화가스 재기화 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 열전달 매체가 순환하며, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하는 열전달 매체 순환부; 상기 제1 열원이 유동하며, 상기 제2 열교환기 및 제3 열교환기를 포함하는 개방 루프를 형성하는 제1 열원 공급부; 및 상기 제2 열원이 순환하며, 상기 제3 열교환기를 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하는 제2 열원 순환부;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 열전달 매체 순환부를 순환하는 열전달 매체는 열교환에 의해 상변화를 동반하고, 상기 제1 열원 공급부를 유동하는 제1 열원은 열교환에 의해 상변화를 동반하지 않으며, 상기 제2 열원 순환부를 순환하는 제2 열원은 열교환에 의해 상변화를 동반할 수 있다.

바람직하게는, 상기 열전달 매체가 순환하며, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하는 열전달 매체 순환부;를 포함하고, 상기 열전달 매체 순환부는, 상기 제2 열교환기로부터 제1 열교환기로 공급되는 기체 상태의 열전달 매체의 유량을 조절하는 냉매 제어밸브;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열교환기로부터 배출되는 천연가스의 온도를 측정하는 제1 온도센서;를 더 포함하고, 상기 제1 온도센서의 측정값에 따라 상기 냉매 제어밸브의 개도율이 제어되어, 상기 열전달 매체 순환량이 제어될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 열원을 생산하는 스팀 보일러; 상기 제3 열교환기로 공급하는 제1 열원의 유량을 제어하는 해수 제어밸브; 및 상기 제2 열교환기로부터 제1 열교환기로 공급되는 기체 상태의 열전달 매체의 유량에 따라, 상기 스팀 보일러를 제어하여, 생산할 제2 열원의 유량을 결정하고, 상기 제3 열교환기로부터의 제1 열원의 출구 온도에 따라, 상기 해수 제어밸브를 제어하여, 상기 제3 열교환기로 공급할 제1 열원의 유량을 결정하는 제어부;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 열원을 생산하는 스팀 보일러; 상기 제3 열교환기로부터 스팀 보일러로 순환되는 제2 열원의 유량을 제어하는 스팀 제어밸브; 및 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 제1 열원의 온도를 측정하는 제2 온도센서;를 포함하고, 상기 제2 온도센서의 측정값에 따라 상기 스팀 제어밸브의 개도율이 제어되어, 스팀 순환량이 제어될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 열교환기의 열전달 매체 배출부가 위치한 지점의 수평선 상으로부터, 상기 제1 열교환기의 열전달 매체 배출부가 위치한 지점의 수평선 상까지의 수직거리는, 상기 열전달 매체가 압축되지 않아도 상기 제2 열교환기로부터 제1 열교환기로 유입될 수 있도록 하는 수두를 갖는 높이 이상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 수직거리가 상기 수두 이상이 되도록 설치할 수 없는 경우, 상기 제1 열교환기로부터 배출되는 열전달 매체가 액체 상태가 되는 지점에 설치되어 열전달 매체를 가압하는 냉매 펌프;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기 중 어느 하나 이상을 단열하는 콜드박스;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열교환기는, PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)일 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 액화가스는 기화시키고 열전달 매체는 응축시키고, 제1 열원과 제2 열원을 열교환시켜 제1 열원을 가열하고, 상기 제2 열원에 의해 가열된 제1 열원과 상기 액화가스를 기화시키면서 응축된 열전달 매체를 열교환시켜 상기 열전달 매체를 기화시키고, 상기 기화된 열전달 매체를 상기 액화가스를 기화시키는 열원으로 순환시키며, 상기 응축된 액체 상태의 열전달 매체는, 중력에 의해 순환하면서 상기 액화가스 및 제1 열원과 열교환하는, 간접식 액화가스 재기화 재기화 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 액화가스와 열교환하는 열전달 매체의 유량에 따라, 상기 제2 열원의 생산량 및 제1 열원의 공급량을 제어할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열원은 외부로부터 공급받아 외부로 배출하는 개방 루프로 운영하고, 상기 제2 열원 및 열전달 매체는 열교환에 의해 상변화를 동반하는 사이클을 순환하는 폐쇄형 사이클로 운영할 수 있다.

바람직하게는, 상기 기화된 액화가스의 온도를 측정하여, 기화된 액화가스의 온도 측정값이 설정값보다 높으면, 상기 액화가스를 기화시키는 열원의 유량을 감소시켜 기화된 액화가스의 온도를 낮추고, 기화된 액화가스의 온도 측정값이 설정값보다 낮으면, 상기 액화가스를 기화시키는 열원의 유량을 증가시켜 기화된 액화가스의 온도를 높일 수 있다.

바람직하게는, 상기 열전달 매체를 기화시킨 후 배출되는 제1 열원의 온도를 측정하여, 제1 열원의 온도 측정값이 설정값보다 높으면, 상기 제1 열원을 가열하는 제2 열원의 유량을 감소시켜 상기 열전달 매체를 가열하는 제1 열원의 온도를 낮추고, 제1 열원의 온도 측정값이 설정값보다 낮으면, 상기 제1 열원을 가열하는 제1 열원의 유량을 증가시켜 상기 열전달 매체를 가열하는 제1 열원의 온도를 높일 수 있다.

본 발명에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법은, 간접 열교환 방식에 의해 액화가스를 기화시키면서도, 직접 열교환 방식에 의해 액화가스를 기화시킬 때와 근접하게 높은 재기화 효율을 향상시킬 수 있다.

특히, 열전달 매체로서, 프로판을 사용함으로써, 극지방과 같이 해수의 온도가 낮은 지역에서도 적용할 수 있어 지역이나 기후의 영향으로부터 자유롭다.

또한, 열전달 매체인 프로판을 순환시키기 위한 펌프를 설치하지 않거나, 또는 펌프를 설치하더라도 최소한으로만 가동함으로써, 펌프에 의한 마찰손실, 에너지전환 손실 등을 절감시킬 수 있다.

또한, 구성이 간단하여, 선박에 적용하는 경우, 선박의 탑사이드(topside) 등 한정된 공간에 적용하기에도 용이하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

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. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

후술하는 본 발명의 실시예에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 또는, 액화 이산화탄소, 액화 수소, 액화 암모니아 등의 액체 가스일 수도 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

LNG는 메탄을 주성분으로 하며, 에탄, 프로판, 부탄 등을 포함하고, 그 조성은 생산지에 따라 달라질 수 있다.

또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재기화 시스템은, 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 육상에서 적용될 수도 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서 LNG 재기화 선박은, LNG를 재기화시켜 가스 수요처로 공급할 수 있는 LNG 재기화 설비가 설치된 모든 종류의 선박, 즉, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖는 선박을 비롯하여, LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 LNG FSRU인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 재기화 선박은, LNG를 해상에서 재기화시키고, 재기화 가스(Regas)를 배관망을 통해 육상의 가스 수요처로 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예들에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

간접식 LNG 재기화 방식은, LNG를 열원인 해수 또는 스팀과 직접 열교환시키는 직접식 LNG 재기화 방식과는 달리, 열전달 매체를 이용하여 LNG와 열전달 매체, 그리고 열전달 매체와 해수 또는 열전달 매체와 스팀을 열교환시킨다. 이와 같이, 간접식은 직접식에 비해 열교환이 한 번 더 일어나므로 재기화 효율은 떨어지지만 지역의 기후 특성에 따른 해수온도에 영향을 받지 않는다는 점에서 선호된다.

일반적으로 간접식 LNG 재기화 방식으로는, 해수의 온도에 따라 개방형(open type), 폐쇄형(closed type) 및 복합형(combined type) 등 3가지 방식으로 구분된다.

해수의 온도가 약 13℃ 이상으로 충분히 높으면, 해수만을 열원으로 사용하여 LNG를 재기화시키는 개방형을 채택하고, 해수의 온도가 약 4℃ 이하로 낮으면, 스팀만을 열원으로 사용하여 LNG를 재기화시키는 폐쇄형을 채택할 수 있다. 한편, 해수의 온도가 약 4℃ 내지 13℃인 경우에는, 1차 열원으로서 스팀을 사용하여 해수를 가열하고, 2차 열원으로서 스팀에 의해 가열된 해수를 사용하여 열전달 매체를 가열하여 LNG를 재기화시키는 복합형을 채택할 수 있다.

열전달 매체로서는 글리콜 워터나 탄화수소계열의 혼합냉매 또는 단일냉매 등 일반적인 냉매를 사용할 수 있지만, 시스템을 간단하게 구성하기 위해서는 글리콜 워터나 탄화수소계열의 단일냉매를 사용하는 것이 바람직하고, 단일냉매 중에서도 프로판(propane)이 에너지 효율 측면에서 유리하다.

열전달 매체로서 프로판을 사용하는 경우, 프로판은 냉매 사이클에서 상변화에 따른 잠열을 이용할 수 있으므로, 동일한 유량의 LNG를 재기화시키기 위해서 요구되는 냉매의 유량이 다른 냉매에 비해 적고, 열전달 효율이 높아 직접식에 가까운 효율을 달성할 수 있다.

그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 간접식의 경우에는, 추가 열교환 과정 및 열전달 매체를 순환시키는 펌프의 사용에 따라, 직접식에 비해 약 5% 정도의 추가적인 에너지 손실이 발생하므로, 간접식은 직접식 대비 재기화 효율이 최대 95%에 불과하다.

열전달 매체 순환 펌프에 의한 손실은, 공정해석상 열전달 매체를 순환시키기 위해 소요되는 동력;과, 무부하 상태에서 운전에 소요되는 동력;과 열전달 매체를 흡입하여 압축시키는 과정에서의 마찰손실;과, 회전운동을 왕복운동으로 전환하는 과정에서의 에너지 전환 손실;을 포함한다.

아래 표 1 및 표 2에는 동일한 특정 조건에서, 상용 공정 해석코드 아스펜 하이시스(Aspen HYSYS)를 사용하여, 직접식 LNG 재기화 방식과 복합형 간접식 LNG 재기화 방식에서 사용되는 열원(해수, 스팀)의 유량과 에너지 소비량을 비교하여 나타내었다.

재기화 유형		열원 종류	입/출구 온도변화(℃)	유량(ton/hr)
직접식	개방형	해수(단독)	7.0	16,122
간접식	복합형	스팀(1차)	21.4	100
간접식	복합형	해수(2차)	7.0	8,014

재기화 유형		해수 열원 (kW)	스팀 열원 (kW)	해수펌프 소비전력 (kW)	스팀 응축수 펌프 소비전력 (kW)	프로판 펌프 소비전력 (kW)	총 소모 에너지 (kW)
직접식	개방형	135,037	-	1,176	-	-	136,213
간접식	복합형	67,110	59,936	585	12	12,106	139,749

표 1에서 알 수 있듯이, 직접식 LNG 재기화 방식에 비해, 복합형 간접식 LNG 방식은 필요한 열원, 즉 해수의 유량은 적으나, 표 2에서 알 수 있듯이 총 에너지 소비량은 더 많다. 특히, 에너지 소비량은 스팀 열원과 프로판(열전달 매체)을 순환시키는 펌프에 의해 소비되는 전력의 기여도가 높음을 알 수 있다. 단, 선박에 적용되는 경우, 스팀 열원은, 선박용 디젤엔진에서 발생하는 열을 회수하여 스팀 보일러를 가동할 수 있으므로 기여도가 크지 않을 수 있다. 여기서, 열전달 매체를 순환시키는 펌프는, 대형 상용급 LNG 재기화 설비를 기준으로 약 60 내지 70m의 수두가 요구된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예들에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법은, 복합형 간접식 재기화 시스템에 있어서, 열전달 매체를 순환시키는 냉매 펌프를 사용하지 않거나, 사용하게 되더라도 소비 전력을 최소화하도록 함으로써, 직접식 재기화 공정 효율에 가깝게 접근할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

도 1에는, 본 발명의 제1 실시예에 따라 열전달 매체를 순환시키는 냉매 펌프를 사용하지 않는 간접식 액화가스 재기화 시스템을 간략하게 도시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 열전달 매체의 액체기둥 높이(h), 즉, 수두가 충분히 커서 마찰손실을 극복하고 열전달 매체가 사이클을 순환할 수 있을 때에는, 냉매 펌프를 사용하지 않을 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템은, LNG를 가압하여, LNG를 기화시키는 제1 열교환기(201)로 공급하는 LNG 펌프(101); LNG 펌프(101)에 의해 압축된 압축 LNG를 열교환에 의해 기화시키는 제1 열교환기(201); 제1 열교환기(201)에서 LNG와 열교환하는 열전달 매체가 순환하는 열전달 매체 순환부; 열전달 매체와 제1 열원이 열교환하여 열전달 매체를 가열시키는 제2 열교환기(202); 제2 열교환기(202)로 제1 열원을 공급하는 제1 열원 공급부; 제1 열원과 제2 열원이 열교환하여 제1 열원을 가열시키는 제3 열교환기(203); 및 제3 열교환기(203)에서 제1 열원과 열교환하는 제2 열원이 순환하는 제2 열원 순환부;를 포함한다.

본 실시예에서, 열전달 매체 순환부 및 제2 열원 순환부는 폐쇄 사이클(closed cycle)일 수 있고, 제1 열원 공급부는 개방 루프(open loop)일 수 있다.

본 실시예에서 제1 열원은 해수일 수 있고, 제2 열원은 스팀일 수 있으며, 열전달 매체는 프로판 냉매일 수 있다.

LNG는 LNG 공급부(미도시)로부터 재기화 라인(LL)을 따라 유동하며, LNG 펌프(101)에서 가압되고, 제1 열교환기(201)에서 완전 기화되어, 가스 수요처로 공급될 수 있다.

본 실시예의 가스 수요처는, 육상의 재기화 가스 터미널일 수 있다. 즉, LNG 펌프(101)는, LNG를 육상의 재기화 가스 터미널에서 요구하는 송출 압력으로 가압할 수 있다.

LNG 공급부는 LNG 저장탱크(미도시)일 수 있으며, LNG 저장탱크는 LNG가 극저온의 액체 상태를 유지하며 저장되어 있을 수 있도록 단열처리되어 있을 수 있으며, 하나 이상 구비될 수 있다.

재기화 라인(LL)을 따라 LNG 공급부로부터 LNG 펌프(101)로 유입되는 LNG는 액체 상태일 수 있고, LNG 펌프(101)로부터 제1 열교환기(201)로 유입되는 LNG는 초임계 상태일 수 있다.

제1 열교환기(201)에서 LNG는 열교환에 의해 완전 기화되며, 제1 열교환기(201)로부터 가스 수요처로 이송되는 LNG는, 기체 상태의 재기화 가스, 즉 천연가스(NG; Natural Gas)이다.

본 실시예의 제1 열교환기(201)는, 2채널 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)일 수 있다. 또한 제1 열교환기(201)는 단열되어 있지 않을 수 있다.

즉, 제1 열교환기(201)의 저온 유체 유입부와 고온 유체 배출부에는 LNG가 유동하는 재기화 라인(LL)이 연결되고, 제1 열교환기(201)의 고온 유체 유입부와 저온 유체 배출부에는 열전달 매체가 유동하는 냉매 순환라인(RL)이 연결된다.

제1 열교환기(201)에서 열교환에 의해, LNG는 액체 상태(또는 초임계 상태)로 유입되고 완전 기화되어 기체 상태로 배출되며, 열전달 매체는 기체 상태로 유입되고 완전 응축되어 액체 상태로 배출될 수 있다.

제1 열교환기(201)에서 압축 LNG와 열전달 매체는 대향류로 열교환한다.

PCHE는 고집적 열교환기로서 마이크로 채널 구조를 가지므로, 단위체적당 전열면적을 증대시킬 수 있어 재기화 효율이 높고, 선박에 적용하여도 재기화 시스템 자체를 컴팩트화할 수 있다. 또한, PCHE는 확산 접합(diffusion bonding) 방식으로 제작되므로, 초고압 및 초저온 환경에서도 누출문제가 없어 신뢰성이 높다.

본 실시예의 열전달 매체 순환부는, 제1 열교환기(201); 제2 열교환기(202); 및 제1 열교환기(201)로 공급하는 열전달 매체의 유량 및 압력을 조절하기 위한 냉매 제어밸브(302);로 구성될 수 있으며, 제1 열교환기(201), 제2 열교환기(202) 및 냉매 제어밸브(302)는 냉매 순환라인(RL)에 의해 연결되어 폐쇄 사이클을 형성할 수 있다.

본 실시예의 제2 열교환기(202)에서는, 제1 열교환기(201)에서 LNG를 기화시키면서 온도가 낮아진 열전달 매체;와, 제3 열교환기(203)에서 제2 열원에 의해 가열된 제1 열원;이 열교환하여, 열전달 매체는 가열되고 제1 열원은 냉각된다.

제2 열교환기(202)는 2채널 PHE(Plate Heat Exchanger)일 수 있다. 또한, 제2 열교환기(202)는 단열되어 있지 않을 수 있다.

즉, 제2 열교환기(202)의 저온 유체 유입부와 고온 유체 배출부에는 제1 열교환기(201)에서 완전 응축된 열전달 매체가 유동하는 냉매 순환라인(RL)이 연결되고, 제2 열교환기(202)의 고온 유체 유입부와 저온 유체 배출부에는 제1 열원이 유동하는 해수 공급라인(WL)이 연결된다.

제2 열교환기(202)에서는 완전 응축된 액체 상태의 열전달 매체와, 액체 상태의 제1 열원이 열교환하고, 열교환에 의해 완전 기화된 기체 상태의 열전달 매체와 냉각된 액체 상태의 제1 열원이 배출된다.

제2 열교환기(202)에서 열전달 매체와 제1 열원인 해수는 대향류로 열교환한다.

본 실시예의 제1 열교환기(101) 및 제2 열교환기(102)에서는, 열전달 매체가 열교환하면서 상변화되며, 잠열을 이용하여 열교환하므로, 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.

본 실시예의 열전달 매체는 프로판(propane)일 수 있다. 프로판은, 냉매 순환라인(RL)을 따라 유동하면서, 제2 열교환기(202)에서 제1 열원인 해수에 의해 기화되고, 제1 열교환기(201)에서는 해수로부터 얻은 열에너지를 LNG에 전달하고, LNG의 냉열을 회수하면서 응축된다.

또한, 열전달 매체로서 프로판을 사용하면, 프로판은 기화점이 낮으므로, 본 실시예에 따른 LNG 재기화 시스템을 극지방에 적용하더라도 열전달 매체가 얼어 열전달 효율이 떨어지는 문제 등을 해소할 수 있다.

또한, 열전달 매체로서 프로판을 사용하면, 프로판의 상변화에 의해 LNG가 기화되고, 프로판이 상변화하면서 잠열을 이용하여 열에너지를 얻게 되므로, 기존의 간접식 재기화 시스템에서 열전달 매체로서 글리콜 워터를 사용하는 것에 비해, 동일한 양의 LNG를 재기화시키기 위하여 필요한 해수의 양이 현저히 줄어든다.

제2 열교환기(202)에서 열교환하면서 프로판은 기체 상태로 완전 기화된다. 즉, 제2 열교환기(202)로부터 제1 열교환기(201)로 유동하는 프로판은 기체 상태이다. 또한, 제2 열교환기(202)에서 해수는, 프로판이 제1 열교환기(201)에서 LNG와 열교환하면서 회수한 LNG의 냉열과, 프로판이 액체 상태에서 기체 상태로 증발되면서 흡수하는 잠열에 의해 냉각된다.

또한, 제1 열교환기(201)에서 열교환하면서 프로판은 액체 상태로 응축된다. 즉, 제1 열교환기(201)로부터 제2 열교환기(202)로 회수되는 프로판은 액체 상태이다. 제1 열교환기(201)에서 LNG는, 프로판이 제2 열교환기(202)에서 해수와 열교환하면서 얻은 열에너지와, 프로판이 기체 상태에서 액체 상태로 응축되면서 방출하는 잠열에 의해 기화된다.

본 실시예에 따르면, 제1 열교환기(201) 및 제2 열교환기(202)에서 열교환 시, 프로판의 상변화에 따른 잠열을 사용함으로써, LNG를 기화시키기에 필요한 해수의 유량을 줄일 수 있고, 또한, 열전달 효율이 상승하므로 재기화 효율이 높아져, 직접 열교환 방식의 재기화 효율에 거의 근접한 수준에 이를 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 제1 열교환기(201)와 제2 열교환기(202)는 일정 높이차(h)를 두고, 제1 열교환기(201)가 제2 열교환기(202)보다 상부에 위치하도록 배치될 수 있다.

제1 열교환기(201)로부터 제2 열교환기(202)로 유동하는 프로판은 액체 상태이고, 제2 열교환기(202)로부터 제1 열교환기(201)로 유동하는 프로판은 기체 상태이므로, 제1 열교환기(201)가 제2 열교환기(202)보다 상부에 위치하면, 제1 열교환기(201)로부터 제2 열교환기(202)로 유동하는 프로판은, 펌프 등 별도의 동력없이 중력에 의해 제1 열교환기(201)로부터 제2 열교환기(202)로 유입될 수 있다.

또한, 제1 열교환기(201)가 제2 열교환기(202)보다 상부에 위치하면, 제2 열교환기(202)로부터 제1 열교환기(201)로 유동하는 프로판은 기체 상태이므로, 컴프레서 등 별도의 동력없이, 제1 열교환기(201)로부터 제2 열교환기(202)로 유입되는 액체 상태의 프로판에 작용하는 중력을 역이용하여, 압력차(수두)에 의해 제1 열교환기(201)측으로 이송된다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 열전달 매체를 순환시키는 펌프나 컴프레서 등 동력을 요구하지 않으므로, 동력에 의해 열전달 효율이 손실되는 양을 줄일 수 있다.

열전달 매체를 순환시키기 위한 펌프가 가동됨으로써 발생하는 실제 열전달 손실은, 공정해석상 펌프가 열전달 매체를 가압하는데 소요되는 일보다 크다. 이는, 무부하 상태에서의 펌프 운전에 소요되는 동력과, 열전달 매체의 가압 과정에서의 마찰손실 외에도 회전운동을 왕복운동으로 전환하는 과정에서의 에너지전환 손실 등이 부가적으로 발생하기 때문이다.

즉, 본 실시예에 따르면, 열전달 매체를 순환시키기 위한 펌프를 사용하지 않으므로, 이에 따른 열전달 손실을 획기적으로 줄여 재기화 효율을 높일 수 있다.

제1 열교환기(201)와 제2 열교환기(202)가 배치되는 위치의 높이 차(h)는, 재기화 용량 및 열전달 매체의 수두에 따라 결정될 수 있다.

예를 들어, 높이 차(h)는, 원하는 용량의 재기화 가스를 생산하기 위하여 필요한 열전달 매체의 수두가 마찰손실 등을 극복할 수 있을 정도여야 한다.

본 실시예에서 높이 차(h)는, 제2 열교환기(202)의 열전달 매체 배출부가 위치한 지점의 수평선 상으로부터, 제1 열교환기(201)의 열전달 매체 배출부가 위치한 지점의 수평선 상까지의 수직거리일 수 있다.

본 실시예의 제1 열원은 해수(sea water)일 수 있다.

본 실시예의 제1 열원 공급부는, 유입되는 해수의 유량과 압력을 조절하기 위한 해수 제어밸브(303); 유입된 해수를 제3 열교환기(203)로 공급하는 해수 펌프(103); 제3 열교환기(203); 및 제2 열교환기(202);를 포함하고, 해수 제어밸브(303), 해수 펌프(103), 제3 열교환기(203) 및 제2 열교환기(202)는 해수 공급라인(WL)에 의해 연결되어 개방 루프를 형성한다.

즉, 해상으로부터 흡입된 해수는, 해수 공급라인(WL)을 따라 유동하며 해수 펌프(103)에 의해 가압되고, 제3 열교환기(203) 및 제2 열교환기(202)에서 열교환한 후 해상으로 배출된다.

해수 공급라인(WL)을 유동하는 해수는 액체 상태이고, 상변화는 없다.

본 실시예의 제3 열교환기(203)에서는, 해수 펌프(102)에 의해 공급받은 저온의 제1 열원, 즉 해수;와 고온의 제2 열원, 즉 스팀;이 열교환하여, 해수는 가열되고 제2 열원인 스팀은 냉각(응축)된다.

제3 열교환기(203)는 2채널 PHE(Plate Heat Exchanger)일 수 있다. 또한 제3 열교환기(203)는 단열되어 있지 않을 수 있다.

즉, 제3 열교환기(203)의 저온 유체 유입부와 고온 유체 배출부에는 해수 공급라인(WL)이 연결되고, 제3 열교환기(203)의 고온 유체 유입부와 저온 유체 배출부에는 제2 열원이 유동하는 스팀 순환라인(SL)이 연결된다.

제3 열교환기(203)에서는 액체 상태의 해수와, 증기 상태의 제2 열원이 열교환하고, 열교환에 의해 가열된 액체 상태의 해수와 응축된 액체 상태의 제2 열원이 배출된다. 즉, 제3 열교환기(203)에서 제1 열원인 해수는 상변화를 동반하지 않고 제2 열원은 상변화가 동반된다.

제3 열교환기(203)에서 제1 열원인 해수와 제2 열원은 대향류로 열교환한다.

본 실시예의 제2 열원은 스팀(steam)일 수 있다.

본 실시예의 제2 열원 순환부는, 제3 열교환기(203)로부터 배출되는 스팀, 즉 응축수의 유량과 압력을 조절하기 위한 스팀 제어밸브(304); 제3 열교환기(203)로부터 배출되는 스팀, 즉 응축수를 스팀으로 생산하는 스팀 보일러(401); 및 제3 열교환기(203)로부터 스팀 보일러(401)로 응축수를 공급하는 스팀 펌프(104);를 포함하고, 제3 열교환기(203), 스팀 제어밸브(304), 스팀 보일러(401) 및 스팀 펌프(104)는 스팀 순환라인(SL)에 의해 연결되어 폐쇄 사이클을 형성할 수 있다.

즉, 스팀 순환라인(SL)을 따라 스팀은 제3 열교환기(203)에서 제1 열원인 해수에 의해 증기 상태에서 액체 상태로, 스팀 보일러(401)에서 외부 열원에 의해 액체 상태에서 증기 상태로 상변화를 동반하며 순환한다.

스팀 보일러(401)에서 응축수를 가열하여 스팀으로 생산하는 열원은, 본 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템이 선박에 적용되는 경우, 선박의 엔진으로부터 배출되는 폐열을 회수하여 사용할 수 있다.

상술한 냉매 제어밸브(302), 해수 제어밸브(303) 및 스팀 제어밸브(304)는 도시하지 않은 제어부(미도시)에 의해 자동으로 또는 수동으로 제어될 수 있다. 예를 들어 냉매 제어밸브(302), 해수 제어밸브(303) 및 스팀 제어밸브(304)는 평상시에는 자동으로 제어되고, 비상시에는 수동으로도 제어될 수 있도록 구비될 수 있다.

본 실시예에서 제1 열원인 해수와, 제2 열원인 스팀의 유량은, 열전달 매체인 프로판 냉매의 유량 변화를 기준으로 제어될 수 있다.

예를 들어, 제어부에서는, 냉매 제어밸브(302)의 개도량을 제어하여, 제1 열교환기(201)로 공급하는 프로판 냉매의 유량을 조절한다. 프로판 냉매의 유량 변화에 따라, 1차적으로, 사용 가능한 스팀 보일러(401)의 열원을 고려하여, 스팀 제어밸브(304)의 개도량을 제어하여, 생산 가능한 스팀의 유량을 결정한다. 다음으로, 해수의 제3 열교환기(203) 출구 온도를 반영하여, 제3 열교환기(203)로 공급할 해수의 유량을 결정하고 해수 제어밸브(303)의 개도량을 제어할 수 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법은, 상술한 제1 실시예의 변형예로서, 제1 실시예와 비교하여, 냉매 펌프(102)가 추가로 구비된다는 차이점이 있다. 제2 실시예를 이해하는데 있어서, 상술한 제1 실시예를 참고로 하고, 동일한 부재번호를 갖는 동일한 구성요소 및 그 작동에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 하며, 차이점을 중점적으로 설명하기로 한다. 구체적인 설명이 생략되더라도, 제1 실시예와 동일하게 적용되고 동일한 효과가 기대됨은 자명하다.

본 실시예에 따르면, 본 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법이 LNG FSRU 등 재기화 선박에 적용될 때, 선박이라는 한정적인 공간의 특성상, 제1 열교환기(201)와 제2 열교환기(202)의 높이 차를 충분히 두지 못하여, 열매체의 수두가 충분히 크지 못한 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(201)로부터 열교환을 마치고 배출되는 액체 상태의 열전달 매체를 제2 열교환기(202)로 순환시키는 냉매 펌프(102);를 구비할 수 있다.

단, 본 실시예의 냉매 펌프(102)는, 제1 열교환기(201)로부터 배출되는 열전달 매체의 전량이 액체 상태로 응축된 지점 이후에 설치되어야 한다.

이와 같이 냉매 펌프(102)를 배치함으로써, 냉매 펌프(102)의 용량은 최소한의 것으로 구비할 수 있고, 냉매 펌프(102)에 할당되는 소요일을 최소화할 수 있다. 또한, 냉매 펌프(102)에 기체가 유입됨으로써 발생할 수 있는 캐비테이션 현상 등 안전상의 문제를 방지할 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법은, 상술한 제1 실시예의 변형예로서, 제1 실시예와 비교하여, 콜드박스(500)가 추가로 구비된다는 차이점이 있다. 제3 실시예를 이해하는데 있어서, 상술한 제1 실시예를 참고로 하고, 동일한 부재번호를 갖는 동일한 구성요소 및 그 작동에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 하며, 차이점을 중점적으로 설명하기로 한다. 구체적인 설명이 생략되더라도, 제1 실시예와 동일하게 적용되고 동일한 효과가 기대됨은 자명하다.

본 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(201), 제2 열교환기(202) 및 제3 열교환기(203)를 단열하는 콜드박스(500);를 더 포함할 수 있다.

본 실시예와 같이, 제1 열교환기(201), 제2 열교환기(202) 및 제3 열교환기(203) 그리고 액체 상태의 열매체가 유동하는 냉매 순환라인(RL)의 일부 또는 전부를 콜드박스(500) 내에 설치함으로써, 열전달 매체가 저온의 액체 상태를 유지할 수 있도록 함으로써, 열전달 효율을 개선할 수 있다.

도 3에서는, 제1 열교환기(201), 제2 열교환기(202) 및 제3 열교환기(203)가 하나의 콜드박스(500) 내에 수용되는 것을 예로 들어 도시하였다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니고, 콜드박스(500)는, 제1 열교환기(201), 제2 열교환기(202) 및 제3 열교환기(203)를 각각 수용하도록 다수개가 구비될 수도 있고, 제1 열교환기(201), 제2 열교환기(202) 및 제3 열교환기(203) 중 어느 하나 이상을 콜드박스(500) 내에 수용하도록 구비될 수도 있을 것이다.

또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 제2 실시예와 같이 냉매 펌프(102)를 구비하는 경우에도 콜드박스(500)를 구비할 수 있으며, 이때에는 냉매 펌프(102)도 콜드박스(500) 내에 수용되도록 설치될 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 간접식 액화가스 재기화 시스템은, 상술한 제1 실시예의 변형예로서, 제1 실시예와 비교하여, 제1 온도센서(601); 및 제2 온도센서(602);를 구비하고, 제1 온도센서(601)의 측정값 및 제2 온도센서(602)의 측정값에 따라 제1 열교환기(201)로 유입되는 열전달 매체의 유량 및 제3 열교환기(203)로 유입되는 제2 열원의 유량을 제어한다는 점에서 차이점이 있다. 제4 실시예를 이해하는데 있어서, 상술한 제1 실시예를 참고로 할 수 있고, 동일한 부재번호를 갖는 동일한 구성요소 및 그 작동에 대해서는 자세한 설명을 생략하기로 하며, 이하 제1 실시예와의 차이점을 중점적으로 설명하기로 한다. 구체적인 설명이 생략되더라도, 제1 실시예와 동일하게 적용될 수 있고 동일한 효과가 기대됨은 자명하다.

본 실시예에 따르면, 재기화 라인(LL)을 따라 제1 열교환기(201)로부터 가스 수요처로 공급되는 천연가스의 온도를 측정하는 제1 온도센서(601); 및 해수 공급라인(WL)을 따라 제2 열교환기(202)로부터 해상으로 배출되는 제1 열원의 온도를 측정하는 제2 온도센서(602);를 포함할 수 있다.

제1 온도센서(601) 및 제2 온도센서(602)는 TIC(Temperature Indicator Controller)일 수 있다.

제1 온도센서(601)에 의해 측정된 천연가스의 온도는 냉매 제어밸브(302)의 개도율을 제어하여 제1 열교환기(201)로 공급되는 열전달 매체의 유량을 조절하는 인자로서 사용될 수 있다. 또한, 제2 온도센서(602)에 의해 측정된 해수의 온도는 스팀 제어밸브(304)의 개도율을 제어하여 스팀 순환라인(SL)을 순환하는 스팀의 유량을 조절하는 인자로서 사용될 수 있다.

제1 열교환기(201)로부터 가스 수요처로 이송되는 천연가스의 압력 및 온도는 가스 수요처에서 요구하는 압력 및 온도로 일정하게 고정되어 있다. 예를 들어, 가스 수요처에서 요구하는 천연가스의 압력은 100 bar, 온도는 8℃일 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 제1 온도센서(601)를 이용하여 가스 수요처로 이송되는 천연가스의 온도를 측정하고, 측정값이 설정값(가스 수요처에서 요구하는 천연가스의 온도) 이상이면, 냉매 제어밸브(302)를 더 폐쇄하여(즉, 개도율 감소) 제1 열교환기(201)로 공급되는 열전달 매체의 유량을 감소시킨다. 제1 열교환기(201)로 공급되는 열전달 매체의 유량을 감소시킴으로써, 제1 열교환기(201)에서 기화되는 천연가스의 온도를 낮출 수 있다.

또한, 제1 온도센서(601)의 측정값이 설정값보다 작으면, 냉매 제어밸브(302)를 더 개방하여(즉, 개도율 증가) 제1 열교환기(201)로 공급되는 열전달 매체의 유량을 증가시킨다. 제1 열교환기(201)로 공급되는 열전달 매체의 유량을 증가시킴으로써, 제1 열교환기(201)에서 기화되는 천연가스의 온도를 높일 수 있다.

이때, 열전달 매체의 유량과 제1 열교환기(201)로부터 가스 수요처로 공급되는 천연가스의 온도의 관계가 반드시 선형적이지는 않으므로, 온도 측정값에 따른 밸브 개도율을 비례제어로 하는 것은 어려움이 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 제1 온도센서(601)의 측정값에 따른 냉매 제어밸브(302)의 제어는, PID 제어(Proprotional Intergral Derivative Control) 또는 PI 제어(Proportional Integral Control)로 실시할 수 있다.

한편, 제2 열교환기(202)에서 열교환 후 배출되는 해수의 온도는 영상이어야 하며, 약 1 내지 2℃의 마진이 고려될 수 있다.

즉, 본 실시예에 따르면, 제2 온도센서(602)를 이용하여 제2 열교환기(202)로부터 해상으로 배출되는 해수의 온도를 측정하고, 측정값이 설정값(영상) 이상이면, 스팀 제어밸브(304)의 개도율을 감소시켜 순환하는 스팀의 유량을 감소시킨다. 이와 같이 제3 열교환기(203)로 공급되는 스팀의 유량을 감소시킴으로써, 제3 열교환기(203)에서 가열되는 해수의 온도를 낮추고, 결과적으로는 제2 열교환기(202)로부터 배출되는 해수의 온도가 낮아지게 된다.

또한, 제2 온도센서(602)의 측정값이 설정값보다 낮으면, 스팀 제어밸브(304)의 개도율을 증가시켜 순환하는 스팀의 유량을 증가시킨다. 이와 같이 제3 열교환기(203)로 공급되는 스팀의 유량을 증가시킴으로써, 제3 열교환기(203)에서 가열되는 해수의 온도를 높이고, 결과적으로는 제2 열교환기(202)로부터 배출되는 해수의 온도가 높아지게 된다.

제1 열원과 제2 열원, 즉, 해수와 스팀의 열량의 합이 일정하게 열전달 매체, 즉 프로판 냉매에 전달되어야 하므로, 해수 공급라인(WL)을 따라 제2 열교환기(202)로부터 배출되는 해수의 온도 조건을 이용하여 프로판 냉매의 유량, 즉 냉매 제어밸브(302)를 제어하는 것은 불가능하다. 즉, 본 실시예에 따르면, 해수 공급라인(WL)을 따라 제2 열교환기(202)로부터 배출되는 해수의 온도 조건을 이용하여 스팀 순환라인(SL)을 따라 순환하는 스팀의 유량을 조절함으로써, 프로판 냉매의 온도를 제어할 수 있는 것이다.

마찬가지로, 스팀의 유량과 해수의 배출 온도와의 관계가 반드시 선형적이지는 않으므로 비례제어에는 어려움이 있으며, 따라서, 본 실시예에 따르면, 제2 온도센서(602)의 측정값에 따른 스팀 제어밸브(304)의 제어는, PID 제어(Proprotional Intergral Derivative Control) 또는 PI 제어(Proportional Integral Control)로 실시할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 재기화 라인(LL)에는, 제1 열교환기(201)로부터 가스 수요처로 이송되는 천연가스의 유량을 제어하는 가스 제어밸브(305);가 구비될 수 있다.

가스 제어밸브(305)는 본 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 상술한 제1 실시예 내지 제3 실시예에도 적용될 수 있다.

또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 상술한 제1 온도센서(601)를 이용한 냉매 제어밸브(302)와 제어로직과, 제2 온도센서(602)를 이용한 스팀 제어밸브(304)의 제어로직은, 냉매 펌프(102)를 포함하는 제2 실시예의 경우에도 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

101 : LNG 펌프
103 : 해수 펌프
104 : 스팀 펌프
201 : 제1 열교환기
202 : 제2 열교환기
203 : 제3 열교환기
302 : 냉매 제어밸브
303 : 해수 제어밸브
304 : 스팀 제어밸브
305 : 가스 제어밸브
401 : 스팀 보일러
500 : 콜드박스
601 : 제1 온도센서
602 : 제2 온도센서
LL : 재기화 라인
RL : 냉매 순환라인
WL : 해수 공급라인
SL : 스팀 순환라인

Claims

액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 액화가스를 기화시키는 제1 열교환기;
제1 열원과 상기 제1 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 열전달 매체를 열교환시켜 상기 열전달 매체를 기화시키는 제2 열교환기; 및
제2 열원과 상기 제2 열교환기로 공급할 제1 열원을 열교환시켜 상기 제1 열원을 가열하는 제3 열교환기;를 포함하고,
상기 제1 열교환기는 제2 열교환기보다 상부에 위치하고,
상기 제1 열교환기에서 열교환에 의해 응축된 액체 상태의 열전달 매체는 중력에 의해 제2 열교환기로 순환되는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 열전달 매체가 순환하며, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하는 열전달 매체 순환부;
상기 제1 열원이 유동하며, 상기 제2 열교환기 및 제3 열교환기를 포함하는 개방 루프를 형성하는 제1 열원 공급부; 및
상기 제2 열원이 순환하며, 상기 제3 열교환기를 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하는 제2 열원 순환부;를 포함하는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 열전달 매체 순환부를 순환하는 열전달 매체는 열교환에 의해 상변화를 동반하고,
상기 제1 열원 공급부를 유동하는 제1 열원은 열교환에 의해 상변화를 동반하지 않으며,
상기 제2 열원 순환부를 순환하는 제2 열원은 열교환에 의해 상변화를 동반하는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 열전달 매체가 순환하며, 상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기를 포함하는 폐쇄 사이클을 형성하는 열전달 매체 순환부;를 포함하고,
상기 열전달 매체 순환부는,
상기 제2 열교환기로부터 제1 열교환기로 공급되는 기체 상태의 열전달 매체의 유량을 조절하는 냉매 제어밸브;를 포함하는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 열교환기로부터 배출되는 천연가스의 온도를 측정하는 제1 온도센서;를 더 포함하고,
상기 제1 온도센서의 측정값에 따라 상기 냉매 제어밸브의 개도율이 제어되어, 상기 열전달 매체 순환량이 제어되는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 열원을 생산하는 스팀 보일러;
상기 제3 열교환기로 공급하는 제1 열원의 유량을 제어하는 해수 제어밸브; 및
상기 제2 열교환기로부터 제1 열교환기로 공급되는 기체 상태의 열전달 매체의 유량에 따라, 상기 스팀 보일러를 제어하여, 생산할 제2 열원의 유량을 결정하고, 상기 제3 열교환기로부터의 제1 열원의 출구 온도에 따라, 상기 해수 제어밸브를 제어하여, 상기 제3 열교환기로 공급할 제1 열원의 유량을 결정하는 제어부;를 포함하는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 4 또는 5에 있어서,
상기 제2 열원을 생산하는 스팀 보일러;
상기 제3 열교환기로부터 스팀 보일러로 순환되는 제2 열원의 유량을 제어하는 스팀 제어밸브; 및
상기 제2 열교환기로부터 배출되는 제1 열원의 온도를 측정하는 제2 온도센서;를 포함하고,
상기 제2 온도센서의 측정값에 따라 상기 스팀 제어밸브의 개도율이 제어되어, 스팀 순환량이 제어되는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 열교환기의 열전달 매체 배출부가 위치한 지점의 수평선 상으로부터, 상기 제1 열교환기의 열전달 매체 배출부가 위치한 지점의 수평선 상까지의 수직거리는,
상기 열전달 매체가 압축되지 않아도 상기 제2 열교환기로부터 제1 열교환기로 유입될 수 있도록 하는 수두를 갖는 높이 이상인, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 수직거리가 상기 수두 이상이 되도록 설치할 수 없는 경우, 상기 제1 열교환기로부터 배출되는 열전달 매체가 액체 상태가 되는 지점에 설치되어 열전달 매체를 가압하는 냉매 펌프;를 더 포함하는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기 중 어느 하나 이상을 단열하는 콜드박스;를 더 포함하는, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 열교환기는, PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)인, 간접식 액화가스 재기화 시스템.
액화가스와 열전달 매체를 열교환시켜 액화가스는 기화시키고 열전달 매체는 응축시키고,
제1 열원과 제2 열원을 열교환시켜 제1 열원을 가열하고,
상기 제2 열원에 의해 가열된 제1 열원과 상기 액화가스를 기화시키면서 응축된 열전달 매체를 열교환시켜 상기 열전달 매체를 기화시키고,
상기 기화된 열전달 매체를 상기 액화가스를 기화시키는 열원으로 순환시키며,
상기 응축된 액체 상태의 열전달 매체는, 중력에 의해 순환하면서 상기 액화가스 및 제1 열원과 열교환하는, 간접식 액화가스 재기화 재기화 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 액화가스와 열교환하는 열전달 매체의 유량에 따라,
상기 제2 열원의 생산량 및 제1 열원의 공급량을 제어하는, 간접식 액화가스 재기화 재기화 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 제1 열원은 외부로부터 공급받아 외부로 배출하는 개방 루프로 운영하고,
상기 제2 열원 및 열전달 매체는 열교환에 의해 상변화를 동반하는 사이클을 순환하는 폐쇄형 사이클로 운영하는, 간접식 액화가스 재기화 재기화 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 기화된 액화가스의 온도를 측정하여,
기화된 액화가스의 온도 측정값이 설정값보다 높으면, 상기 액화가스를 기화시키는 열원의 유량을 감소시켜 기화된 액화가스의 온도를 낮추고,
기화된 액화가스의 온도 측정값이 설정값보다 낮으면, 상기 액화가스를 기화시키는 열원의 유량을 증가시켜 기화된 액화가스의 온도를 높이는, 간접식 액화가스 재기화 재기화 방법.
청구항 12 또는 15에 있어서,
상기 열전달 매체를 기화시킨 후 배출되는 제1 열원의 온도를 측정하여,
제1 열원의 온도 측정값이 설정값보다 높으면, 상기 제1 열원을 가열하는 제2 열원의 유량을 감소시켜 상기 열전달 매체를 가열하는 제1 열원의 온도를 낮추고,
제1 열원의 온도 측정값이 설정값보다 낮으면, 상기 제1 열원을 가열하는 제1 열원의 유량을 증가시켜 상기 열전달 매체를 가열하는 제1 열원의 온도를 높이는, 간접식 액화가스 재기화 재기화 방법.