KR20200078883A - 증발가스 재액화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

증발가스 재액화 방법이 개시된다.
상기 증발가스 재액화 방법에 의하면, 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되고, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름은 가열기에 의해 가열된 후 제2 압축부에 의해 압축되고, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 상기 가열기로 보내지지 않은 나머지 흐름은 제1 압축부에 의해 압축된 후 상기 가열기의 열원으로 사용되고, 상기 제1 압축부에 의해 압축된 후 상기 가열기의 열원으로 사용된 유체는 상기 열교환기에 의해 열교환되어 냉각된 후 감압부에 의해 감압된다.

Description

증발가스 재액화 시스템 및 방법{System and Method for Re-liquefying Boil-Off Gas}
본 발명은 증발가스 자체를 냉매로 사용하여 증발가스를 재액화시키는 시스템 및 방법을 개량한 것이다.
근래, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다.
액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.
그러나 천연가스의 액화 온도는 상압 -163 ℃의 극저온이므로, 액화천연가스는 온도변화에 민감하여 쉽게 증발된다. 이로 인해 액화천연가스를 저장하는 저장탱크에는 단열처리를 하지만, 외부의 열이 저장탱크에 지속적으로 전달되므로 액화천연가스 수송과정에서 저장탱크 내에서는 지속적으로 액화천연가스가 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.
증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이다. 또한, 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 탱크 내압이 과도하게 상승할 수 있어, 심하면 탱크가 파손될 위험도 있다. 따라서, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되는데, 최근에는 증발가스의 처리를 위해, 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, 증발가스를 선박의 엔진 등 연료소비처의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있다.
증발가스를 재액화하기 위한 방법으로는 별도의 냉매를 이용한 냉동 사이클을 구비하여 증발가스를 냉매와 열교환하여 재액화하는 방법, 및 별도의 냉매가 없이 증발가스 자체를 냉매로 하여 재액화하는 방법 등이 있다. 특히, 후자의 방법을 채용한 시스템을 부분 재액화 시스템(Partial Re-liquefaction System, PRS)이라고 한다.
한편, 일반적으로 선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DFDE, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.
DFDE은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 16 bar 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
본 발명은, 재액화 성능을 향상시킬 수 있고 보다 효율적으로 운용되는 증발가스 재액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되고, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름은 가열기에 의해 가열된 후 제2 압축부에 의해 압축되고, 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 상기 가열기로 보내지지 않은 나머지 흐름은 제1 압축부에 의해 압축된 후 상기 가열기의 열원으로 사용되고, 상기 제1 압축부에 의해 압축된 후 상기 가열기의 열원으로 사용된 유체는 상기 열교환기에 의해 열교환되어 냉각된 후 감압부에 의해 감압되는, 증발가스 재액화 방법이 제공된다.
상기 제1 압축부에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진의 연료로 공급되고, 상기 제1 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스가 상기 가열기의 열원으로 사용될 수 있다.
상기 제1 압축부는 다수개의 압축기를 포함할 수 있고, 상기 제1 압축부의 전부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 가열기 및 상기 제1 엔진으로 보내지고, 상기 제1 압축부의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급될 수 있다.
상기 제2 압축부에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급될 수 있다.
상기 제1 엔진은 추진용 엔진일 수 있다.
상기 제2 엔진은 발전용 엔진일 수 있다.
상기 감압부에 의해 감압된 유체는 기액분리기에 의해 기체 상태의 증발가스와 재액화된 액화가스가 분리될 수 있다.
상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 증발가스를 냉매로 사용하여 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 압축시키는 제1 압축부; 상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 상기 제1 압축부로 보내지지 않은 나머지 흐름을 가열시키는 가열기; 상기 가열기에 의해 가열된 증발가스를 압축시키는 제2 압축부; 및 상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압부;를 포함하고, 상기 제1 압축부에 의해 압축된 증발가스는 상기 가열기의 열원으로 사용된 후 상기 열교환기에 의해 열교환되어 냉각되는, 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스를 가열기의 열원으로 사용한 후 열교환기에 의해 냉각시킴으로써, 재액화 성능을 향상시킬 수 있고, 가열기에서 사용될 별도의 열원이 필요하지 않다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 3은 천연가스의 엔탈피와 압력의 상관도를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진을 탑재한 선박 및 액화가스 저장탱크를 포함하는 선박 등에 다양하게 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 열교환기(100), 제1 압축부(210), 제2 압축부(220), 감압부(300) 및 가열기(400)를 포함한다.
제1 압축부(210)는 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시켜 제1 엔진(E1)의 연료로 공급한다. 제1 엔진(E1)은 선박 추진용 엔진일 수 있으며, ME-GI 엔진일 수 있다.
제1 압축부(210)는 다수개의 압축기를 포함하여 증발가스를 다단계로 압축시킬 수 있으며, 일례로 5단계로 압축시킬 수 있다. 제1 압축부(210)가 증발가스를 다단계로 압축시키는 경우, 제1 압축부(210)의 전부 압축 과정을 거친 증발가스가 제1 엔진(E1)의 연료로 공급되고, 제1 압축부(210)의 일부 압축 과정(일례로, 5단 압축 과정 중 3단 압축 과정)을 거친 증발가스가 분기하여 제2 엔진(E2)의 연료로 공급될 수 있다. 제2 엔진(E2)은 발전용 엔진일 수 있으며, DF 엔진일 수 있다.
제1 압축부(210)에 의해 압축된 증발가스 중 엔진(E1, E2)의 연료로 사용되지 않은 잉여 증발가스는, 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치게 된다.
열교환기(100)는, 제1 압축부(210)에 의해 압축되기 전의 증발가스를 냉매로 사용하여, 제1 압축부(210)에 의해 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시킨다. 열교환기(100)는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스를 냉매로 사용할 수 있다.
감압부(300)는 열교환기(100)에 의해 냉각된 유체를 감압시킨다. 감압부(300)는 직렬로 연결된 다수개의 감압장치를 포함하여 유체를 다단계로 감압시킬 수 있다.
제1 압축부(210)에 의한 압축 과정과, 열교환기(100)에 의한 냉각 과정과, 감압부(300)에 의한 감압 과정을 거친 증발가스는 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예는, 감압부(300) 하류에 설치되어 재액화된 액화가스와 기체 상태로 남아있는 증발가스를 분리하는 기액분리기(500)를 더 포함할 수 있다. 기액분리기(500)에 의해 분리된 액화가스는 저장탱크(T)로 보내질 수 있고, 기액분리기(500)에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크(T)로부터 배출된 증발가스와 합류되어 열교환기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.
제2 압축부(220)는 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 압축시켜 제2 엔진(E2)의 연료로 공급한다. 즉, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기하여, 한 흐름은 제1 압축부(210)로 보내지고, 나머지 흐름은 제2 압축부(220)로 보내진다.
제2 압축부(220)는 다수개의 압축기를 포함하여 증발가스를 다단계로 압축시킬 수 있으며, 일례로 2단계로 압축시킬 수 있다. 또한, 제2 압축부(220)는, 다수개의 압축기 하류에 각각 설치되는 다수개의 냉각기를 포함할 수 있으며, 스크류/기어 방식(Screw/Gear Type)의 압축기일 수 있다.
종래에는, 제2 압축부(220)를 별도로 설치하지 않고, 제1 압축부(210)에 의해 압축된 증발가스를 제1 엔진(E1)과 제2 엔진(E2)으로 공급하고, 제1 엔진(E1)과 제2 엔진(E2)에서 사용하지 않은 잉여 증발가스를 열교환기(100)로 보내 재액화시켰다. 반면, 본 실시예에서는 제1 압축부(210)와는 별도로 설치되는 제2 압축부(220)에 의해 증발가스를 압축시켜 제2 엔진(E2)으로 공급하므로, 제1 압축부(210)의 한정된 용량 하에서 열교환기(100)로 보내지는 증발가스의 유량이 증가하게 된다.
제1 압축부(210)가 최대 용량의 증발가스를 압축시켰을 때, 종래에는 '제1 압축부(210)의 최대 용량 - 제1 엔진(E1)의 연료 소모량 - 제2 엔진(E2)의 연료 소모량'의 유량이 열교환기(100)로 보내지는 반면, 본 실시예에서는 '제1 압축부(210)의 최대 용량 - 제1 엔진(E1)의 연료 소모량 - (제2 엔진(E2)의 연료 소모량 - 제2 압축부(220)가 압축시키는 증발가스의 양)'의 유량이 열교환기(100)로 보내지기 때문이다.
따라서, 본 실시예와 같이, 제1 압축부(210)와 별도로 설치된 제2 압축부(220)에 의해 압축된 증발가스를 제2 엔진(E2)으로 공급하면, 열교환기(100)로 보내져 재액화 과정을 거치는 증발가스의 유량을 증가시켜 재액화 성능을 높일 수 있다.
본 실시예의 제2 압축부(220)는 극저온 상태에서는 운전이 불가하여, 제2 압축부(220)로 공급되는 증발가스의 온도를 대략 -40℃ 이상으로 유지시킬 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 증발가스를 가열기(400)에 의해 가열한 후 제2 압축부(220)로 보낸다.
본 실시예의 가열기(400)는, 스팀(Steam), 전기, 글리콜(Glycol) 등을 열원으로 사용하여 증발가스를 가열시킨다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 증발가스 재액화 시스템의 개략도이다.
도 2에 도시된 제2 실시예의 증발가스 재액화 시스템은, 도 1에 도시된 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템에 비해, 가열기(400)가 제1 압축부(210)에 의해 압축된 증발가스를 열원으로 사용한다는 점에서 차이점이 존재하며, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다. 전술한 제1 실시예의 증발가스 재액화 시스템과 동일한 부재에 대하여는 자세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 가열기(400)는 제1 압축부(210)에 의해 압축된 증발가스를 열원으로 사용하여, 열교환기(100)에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 제1 압축부(210)로 보내지지 않은 나머지 증발가스를 가열시킨다.
가열기(400)에 의해 가열된 증발가스는 제2 압축부(220)로 보내지며, 제1 압축부(210)에 의해 압축된 후 가열기(400)의 열원으로 사용되며 온도가 낮아진 유체는, 열교환기(100)에 의해 냉각되고 감압부(300)에 의해 감압되어 일부 또는 전부가 재액화된다.
본 실시예에 의하면, 재액화 과정을 거치는 증발가스를 열교환기(100)에 의해 냉각시키기 전에 가열기(400)에 의해 예냉시킴으로써, 재액화 성능을 향상시킬 수 있다. 이에 대해 조금 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3는 천연가스의 엔탈피와 압력의 상관도를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (a0)→(b1)는 제1 압축부(210)의 1단계 압축 과정을 나타낸 것이고, (a1)→(b2)는 제1 압축부(210)의 2단계 압축 과정을 나타낸 것이고, (a2)→(b3)는 제1 압축부(210)의 3단계 압축 과정을 나타낸 것이고, (a3)→(b4)는 제1 압축부(210)의 4단계 압축 과정을 나타낸 것이고, (a4)→(b5)는 제1 압축부(210)의 5단계 압축 과정을 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 제1 실시예에 따르면, 제1 압축부(210)에 의해 다단계로 압축된 (a5)상태의 증발가스가 열교환기(100)에 의해 냉각되어 (c)상태가 된 후 감압부(300)에 의해 감압되어 (d)상태가 된다.
반면, 도 2에 도시된 제2 실시예에 따르면, 제1 압축부(210)에 의해 다단계로 압축된 (a5)상태의 증발가스는, 가열기(400) 및 열교환기(100)에 의해 냉각되어 (c')상태가 된 후 감압부(300)에 의해 감압되어 (d')상태가 된다.
즉, 재액화 과정을 거치는 증발가스를 가열기(400)에서 열원으로 사용하지 않고 바로 열교환기(100)에 의해 냉각시키는 제1 실시예에 비해, 재액화 과정을 거치는 증발가스를 가열기(400)에서 열원으로 사용한 후에 열교환기(100)에 의해 냉각시키는 제2 실시예는, 증발가스의 응축량이 증가함에 따라 재액화 성능이 증가하는 것을, 도 3의 그래프를 통해 확인할 수 있다.
뿐만 아니라, 제2 실시예는 제1 실시예와는 달리 가열기(400)에서 사용될 별도의 열원이 필요하지 않다는 장점이 있다.
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 자에 있어서 자명한 것이다.
T : 저장탱크 E1 : 제1 엔진
E2 : 제2 엔진 100 : 열교환기
210 : 제1 압축부 220 : 제2 압축부
300 : 감압부 400 : 가열기
500 : 기액분리기

Claims (9)

  1. 열교환기에서 냉매로 사용된 증발가스는 두 흐름으로 분기되고,
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름은 가열기에 의해 가열된 후 제2 압축부에 의해 압축되고,
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 상기 가열기로 보내지지 않은 나머지 흐름은 제1 압축부에 의해 압축된 후 상기 가열기의 열원으로 사용되고,
    상기 제1 압축부에 의해 압축된 후 상기 가열기의 열원으로 사용된 유체는 상기 열교환기에 의해 열교환되어 냉각된 후 감압부에 의해 감압되는, 증발가스 재액화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압축부에 의해 압축된 증발가스는 제1 엔진의 연료로 공급되고, 상기 제1 엔진에서 사용되지 않은 잉여 증발가스가 상기 가열기의 열원으로 사용되는, 증발가스 재액화 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 압축부는 다수개의 압축기를 포함하고,
    상기 제1 압축부의 전부 압축 과정을 거친 증발가스가 상기 가열기 및 상기 제1 엔진으로 보내지고,
    상기 제1 압축부의 일부 압축 과정을 거친 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급되는, 증발가스 재액화 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 압축부에 의해 압축된 증발가스는 제2 엔진의 연료로 공급되는, 증발가스 재액화 방법.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 엔진은 추진용 엔진인, 증발가스 재액화 방법.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 엔진은 발전용 엔진인, 증발가스 재액화 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감압부에 의해 감압된 유체는 기액분리기에 의해 기체 상태의 증발가스와 재액화된 액화가스가 분리되는, 증발가스 재액화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기액분리기에 의해 분리된 증발가스는 저장탱크로부터 배출된 증발가스와 합류되어 상기 열교환기의 냉매로 사용되는, 증발가스 재액화 방법.
  9. 증발가스를 냉매로 사용하여 압축된 증발가스를 열교환시켜 냉각시키는 열교환기;
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 한 흐름을 압축시키는 제1 압축부;
    상기 열교환기에서 냉매로 사용된 후 두 흐름으로 분기된 증발가스 중 상기 제1 압축부로 보내지지 않은 나머지 흐름을 가열시키는 가열기;
    상기 가열기에 의해 가열된 증발가스를 압축시키는 제2 압축부; 및
    상기 열교환기에 의해 냉각된 유체를 감압시키는 감압부;를 포함하고,
    상기 제1 압축부에 의해 압축된 증발가스는 상기 가열기의 열원으로 사용된 후 상기 열교환기에 의해 열교환되어 냉각되는, 증발가스 재액화 시스템.
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KR20250100853A (ko) * 2023-12-26 2025-07-04 한화오션 주식회사 선박의 증발가스 재액화 시스템

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