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KR102514327B1 - 극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스를 처리하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스를 처리하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102514327B1
KR102514327B1 KR1020187009182A KR20187009182A KR102514327B1 KR 102514327 B1 KR102514327 B1 KR 102514327B1 KR 1020187009182 A KR1020187009182 A KR 1020187009182A KR 20187009182 A KR20187009182 A KR 20187009182A KR 102514327 B1 KR102514327 B1 KR 102514327B1
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gas stream
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마티아스 라고트
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크라이오스타 에스아에스
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Abstract

제안된 시스템은 적어도 하나의 엔진을 위한 것으로 가스용 제 1 압축 유닛(3)이 그 위에 위치된 공급 라인과, 리턴 라인으로의 바이패스를 포함하며, 상기 리턴 라인 상에는 냉각 수단(10) 및 제 1 팽창 수단(30)이 연속적으로 위치되어 있다.
냉각 수단은 제 2 압축 유닛(11, 12, 13) 및 열교환기(17)를 연속적으로 포함한다.
제 2 압축 유닛(11, 12, 13)의 하류에서 루프(18, 20, 21)로의 바이패스는 제 1 팽창 수단(14)을 포함하며, 상기 루프는 루프를 통해 바이패스되지 않는 가스 유분(gas fraction)에 대해서 반대 방향에서 열교한기(17)를 통해 통과시킨 후에 제 2 압축 유닛(11, 12, 13)의 상류의 리턴 라인을 재결합시킨다.

Description

극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스를 처리하기 위한 시스템 및 방법
본 발명은 극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스를 처리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게, 본 발명의 분야는 극저온 액체의 해상 운반에 관한 것이며, 보다 특히 상세하게 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas : LNG)의 해상 운반에 관한 것이다. 그러나, 이하에 제안되는 시스템 및 방법은 육상 설치에서도 응용을 찾아볼 수 있다.
주변 온도에서, 액화 천연 가스는 -163℃(또는 그 이하)의 정도의 온도이다. LNG의 해상 운반 동안에, LNG는 선박의 탱크 내에 위치된다. 이들 탱크는 단열되어 있지만, 열 누설이 존재하며, 외부 매체는 탱크에 수용된 액체에 열을 가한다. 따라서, 액체는 가열되어 증발된다. 단열 조건 및 외부 조건의 함수로서 메탄 운반선상의 탱크의 사이즈가 주어지면, 시간당 몇 톤의 가스가 증발할 수 있다.
안전의 이유로 증발된 가스를 선박의 탱크 내에 보관하는 것은 불가능하다. 탱크 내의 압력은 위험하게 증가된다. 따라서, 증발하는 가스를 탱크 밖으로 빠져나가는 것을 허용할 필요가 있다. 법규는 이러한 가스(천연 가스인 경우)가 그대로 대기로 방출하는 것을 금지한다. 이것은 태워져야 한다.
증발하는 이러한 가스의 손실을 피하기 위해서, 한편으로는 그것을 운반하는 선박의 엔진에 연료로 사용하고, 다른 한편으로는 이것을 재액화하여 이것이 유발되는 탱크로 다시 송급하는 것이다.
본 발명의 요지는 증발하는 가스에 기초하여 선박에 탑재한 엔진의 공급에 관한 것이다. 엔진의 소비가 탱크의 가스의 "자연적인" 증발보다 더 중요한 경우, 일부 가스를 추출해서 이것을 증발시켜 그 후에 엔진에 공급하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 보다 상세하게 본 발명은, 가스의 증발이 선박 엔진의 소비보다 상당히 중요한 경우, 극저온 액체 탱크 또는 컨테이너, 그리고 특히 메탄 운반선의 탱크 또는 컨테이너에서 증발된 가스의 재액화에 관한 것이다.
유럽 특허 제 EP 2 933 183 호는 액화 천연 가스를 저장하는 저장 컨테이너와, 저장 컨테이너에 저장된 액화 천연 가스를 연료로 사용하는 엔진을 포함하는 선박용으로 구성된 액화 가스 처리 시스템에 관한 것이다. 이 문헌에 제시된 액화 가스 처리 시스템은 액화 가스를 저장하는 저장 용기와, 저장 용기에 저장된 액화 가스를 연료로 사용하는 엔진과, 액화 가스를 증발시켜 생성된 가스를 엔진에 연료로서 제공할 수 있는 연료 공급 파이프를 포함한다. 엔진은 저압으로 가압된 가연성 가스의 공급물을 수용한다.
이러한 문헌에 제안된 모든 실시예에서, 재액화될 가스는, 압축되고 엔진(들)으로 전달되기 전에 탱크를 빠져나가는 가스 스트림에 의해 재액화전에 냉각된다. 도 1 내지 도 17에서, 도면부호(21)로 표시된 열교환기가 매번 발견된다.
이러한 열교환기(21)는 탱크로부터 증발하는 가스 스트림에서 현저한 수두 손실을 생성한다. 따라서, 특정 작동 조건하에서, 증발된 가스는 대기압보다 낮은 압력에서 압축기에 도달할 수 있다. 다음에, 공기가 빨아 들여져서 가스와 혼합될 위험이 있다.
이러한 종래 기술 문헌에 제시된 시스템의 다른 단점은 생성 및 냉기의 소비의 균형을 가능하게 하지 못한다는 것이다. 엔진(들)에 의해 소비되는 가스의 양은 증발하는 가스의 양과는 독립적으로 대부분 측정된다. 따라서, 열교환기(21)에서의 교환은 특히 재액화와 관련하여 냉기의 관점에서 요구 사항 중 기능으로서 조절될 수 없다.
증발된 가스를 재액화시키기 위해, 이러한 가스를 냉각시켜 다시 온도 및 압력 조건으로 되돌려 액상으로 되돌릴 수 있는 것이 공지되어 있다. 냉기의 이러한 첨가는 통상적으로 예를 들어 질소와 같은 냉동 유체를 포함하는 냉매 회로, 루프와의 열교환에 의해 수행된다.
따라서, 유럽 특허 제 EP 1 120 615 호에는 가압 증기를 재압축하기 위해 선박에 사용되는 장치가 기재되어 있다. 재압축은, 작동 유체가 적어도 하나의 압축기에서 압축되고, 제 1 열교환기에서 냉각되고, 터빈에서 팽창되고, 제 2 열교환 기에서 재가열되는 폐쇄 사이클에서 수행되며, 여기서 압축된 증기는 적어도 부분적으로 응축된다. 상기 장치는 제 2 열교환기를 포함하는 제 1 서브 어셈블리와, 제 1 열교환기, 압축기 및 팽창 터빈을 포함하는 제 2 서브 어셈블리를 포함한다. 2개의 서브 어셈블리는 각각 2개의 플랫폼에 배치된다.
국제 공개 팜플렛 제 WO 2014/095877 호에서, 통상적으로 해상 선박에 탑재되어 위치되는 액화 천연 가스 저장 탱크로부터 증발하는 천연 가스는 압축 스테이지를 포함하는 몇개의 스테이지를 갖는 압축기에서 압축된다. 압축된 천연 가스 스트림의 적어도 하나의 부분은 액화기로 송급되며, 전형적으로 브라이톤(Brayton) 사이클에 따라 작동하여 재액화된다. 최종 스테이지에서 발생한 압축된 천연 가스의 온도는 열교환기를 통과하여 0℃ 미만의 값으로 감소한다. 제 1 압축 스테이지는 저온에서 작동하는 압축기로서 작동하고, 생성된 냉간 압축된 천연 가스는 압축 스테이지에서 유래하는 스트림의 필요한 냉각을 수행하기 위해 열교환기에서 사용된다. 열교환기를 통과하는 하류에서, 냉각 압축된 천연 가스는 압축기의 나머지 스테이지를 통해 유동한다. 그것이 바람직하다면, 압축된 천연 가스의 일부가 연료로 작용하여, 해상 선박의 엔진에 공급할 수 있다.
질소, 또는 냉동될 유체와 별개의 임의의 다른 냉동 가스를 갖는 냉동 루프의 존재는 냉동 유체를 위한 특정 장비를 제공하는 것을 포함한다. 따라서, 예를 들어 질소 냉동 회로가 선박(또는 다른 곳에)에 탑재되어 제공되는 경우, 질소 처리(정제) 유닛이 극저온 섹터에서의 사용을 허용하기 위해 필요하다. 또한, 질소의 흐름을 조절하기 위해 특정 탱크, 밸브 및 기타 장치를 제공할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 선박의 저장 탱크로부터 증발하는 천연 가스에 기초하여 엔진에 가스를 공급하고, 그리고 증발되고 엔진에서 소비되지 않은 가스를 재액화시키기 위하여 액화 천연 가스를 운반하는 선박에 탑재시킬 수 있게 하는 최적화된 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 시스템은 엔진의 공급을 위해 사용된 가스 이외의 천연의 임의의 냉동 액체를 제시하지 않으며, 엔진을 공급하기 위해 사용되는 압축기의 상류의 수두 손실을 제한한다. 바람직하게, 냉기의 생성은 재 액화될 가스의 양에 적용될 수 있다.
이러한 목적을 위해서, 본 발명은 극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스에 기초하여 엔진을 공급하기 위한 그리고 이러한 가스의 재액화를 위한 시스템을 제안하며, 상기 시스템은 적어도 하나의 엔진을 위한 것으로 상기 가스용 제 1 압축 유닛이 그 위에 위치된 공급 라인과, 리턴 라인으로의 바이패스를 포함하며, 상기 리턴 라인 상에는 냉각 수단 및 제 1 팽창 수단이 연속적으로 위치되어 있다.
본 발명에 따르면, 냉각 수단은 제 2 압축 유닛 및 열교환기 뿐만 아니라 제 2 압축 유닛의 하류에 루프로의 제 2 팽창 수단을 포함하는 바이패스를 연속적으로 포함하며, 상기 루프는 루프를 통해 바이패스되지 않는 가스 유분(gas fraction)에 대해서 반대 방향에서 열교한기를 통해 통과시킨 후에 제 2 압축 유닛의 상류의 리턴 라인을 재결합시킨다.
따라서, 액화 전에 가스의 일부를 냉각시키기 위한 냉기의 공급원으로서 탱크로부터 증발하는 가스의 사용을 회피하는 것이 가능하게 하는 기계적 냉각 루프가 제안되어 있다. 이러한 방식으로, 탱크로부터의 증발된 가스는 헤드 손실을 받지 않고(또는 이러한 헤드 손실의 최대치를 제한함으로써) 제 1 압축 유닛으로 직접 송급될 수 있다. 이러한 냉각 루프의 작동은 또한 근처의 다른 시스템과는 독립적이며, 따라서 거의 다른 냉동 유체의 폐쇄 루프처럼 작동할 수 있다. 팽창 수단은 고압으로부터 보다 낮은 압력으로 유체를 신속하게 전환할 수 있게 하며, 이것은 팽창 터빈, 팽창 밸브 또는 오리피스 또는 다른 동등한 시스템을 수반할 때마다 가능하게 한다.
이러한 공급 및 재액화 시스템에서, 재순환 라인이 유리하게 제공되어, 제 1 팽창 수단을 빠져나가는 가스의 재액화되지 않은 유분을 제 1 압축 유닛의 상류의 엔진용 공급 라인으로 보낼 수 있다. 바람직하게는, 재순환 라인은 열교환기를 통과한다.
냉각 유닛에서, 바람직하게 바이패스는, 바이패스 가스 스트림이 부분적으로 이미 냉각되어 제 2 팽창 수단에 연속적으로 들어가는 방식으로 열교환기 내에서 수행된다.
이러한 공급 및 재액화 시스템의 일 실시예에서, 제 1 팽창 수단은, 예를 들어 형성되는 액체와 액화되지 않은 가스 유분을 분리하도록 구성된 벌룬에서 나오는 팽창 밸브를 포함한다. 벌룬은 가스와 액체의 분리를 실행할 수 있으며, 상이한 하류에서 가스 및 액체를 처리할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 벌룬의 상부 부분은 벌룬으로부터 유래하는 가스가 바이패스와 동일한 측면에서 열교환기에 들어가는 방식으로 열교환기에 연결되며, 벌룬의 하부 부분은 극저온 액체 탱크에 연결되는 것이 제안되어 있다.
처리 시스템의 특히 바람직한 변형 실시예는, 제 2 압축 유닛이 압축 휠을 각각 구비하는 몇 개의 압축 스테이지를 포함하며, 제 2 압축 수단은 팽창 터빈을 포함하며, 각각의 압축 휠 및 팽창 터빈은 하나의 그리고 동일한 기계적 변속기와 관련이 있도록 제공된다. 이러한 실시예는 복잡한 구조를 갖게 할 수 있다. 또한, 팽창 터빈의 레벨에서 회수된 작업은 압축 휠에 즉시 전달될 수 있으므로, 시스템의 에너지 효율을 향상시킨다.
냉각 유닛의 시동을 용이하게 하기 위해, 이러한 시스템은 냉각 유닛의 바이패스 루프에 가스를 주입하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 냉각 유닛은 실제로 자율적으로 되며, 폐쇄형 루프처럼 조절될 수 있다. 바이패스 루프에 가스를 주입하기 위한 수단은 예를 들어 극저온 액체용 펌프, 증발기 및 제어 밸브를 포함한다.
본 발명은 또한 하기와 관련이 있다:
- 상술한 공급 및 재액화 시스템은 한 세트의 극저온 액체 탱크의 증발된 가스의 회수를 위한 수집기를 더 포함하며, 상기 수집기는 직접, 즉 특히 다른 가스 파이프와 열교환을 위한 중간 장치가 없이 제 1 압축 유닛에 연결되어 있다.
- 극저온 액체를 운반하기 위한 선박, 특히 메탄 운반선은 이러한 공급 및 재액화 시스템을 구비한다.
마지막으로, 본 발명은 극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스 스트림을 관리하는 방법을 제안하며,
상기 가스 스트림은 엔진 또는 재액화 수단으로 송급되기 전에 제 1 압축 유닛 내에서 압축되며,
상기 재액화 수단으로 송급된 가스 유분은 냉각 수단을 통과하고, 다음에 팽창 수단을 거쳐 마지막으로 분리기를 통과하며, 액체 부분은 상기 분리기로부터 극저온 액체 탱크로 송급된다.
본 발명에 따르면, 상기 냉각 수단은 기계적 냉동의 수단이며,
기계적 냉동의 수단 내에서,
가스 스트림은 제 2 압축 유닛에서 압축되며, 다음에 가스 유분이 재액화되는 방식으로 팽창되기 전에 열교환기 내에서 냉각되며,
가스 스트림의 압축 후에, 가스 스트림은 제 1 가스 스트림 부분 및 제 2 가스 스트림 부분으로 분리되며,
가스 스트림의 제 1 부분은 냉각되며, 다음에 적어도 부분적으로 액화되도록 재액화 수단으로 송급되며,
가스 스트림의 제 2 부분은 가스 스트림의 제 2 부분이 팽창되는 루프 내로 공급되며, 다음에 제 2 압축 유닛에서 다시 압축되도록 가스 스트림을 재결합시키기 전에 가스 스트림의 제 1 부분을 냉각시키는데 사용된다.
극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림을 관리하는 이러한 방법에 있어서, 증발로부터 발생하는 가스는 다른 가스 파이프와의 이전의 열교환이 없이 압축되는 것이 바람직하다. 이것은 가스가 제 1 압축 유닛에 유입되기 전에 수두 손실을 제한할 수 있다.
제 1 압축 수단을 빠져나가는 비액화된 가스는 제 1 압축 유닛의 상류의 재순환 라인에 의해 안내될 수 있다. 이러한 경우에, 보다 에너지 효율면에서, 제 1 팽창 수단을 빠져나가는 비액화된 가스는 제 1 압축 유닛에서 다시 압축되기 전에 열교환기를 통과하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상세 및 장점은 첨부된 개략 도면을 참조하여 제공되는 하기의 성명으로부터 명료하게 보다 잘 이해될 것이다.
도 1 내지 도 5는 각각, 한편으로는 적어도 하나의 엔진의 공급 및 다른 한편으로는 상기 엔진(들)에 의해 소비되지 않은 가스의 재액화를 위해 탱크로부터 증발하는 가스를 회수하기 위한 시스템에 관련된 극저온 액체 탱크의 개략도이다.
첨부된 도면 각각에 있어서 탱크(1)가 도시되어 있다. 이어지는 설명을 통해서, 이것은 메탄 운반선 유형의 해상 선박에 탑승된 몇몇 다른 유사한 탱크들 중에서 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas : LNG) 탱크이다.
다음의 설명에서 수치는 단순히 예시적인 것이며, 비제한적인 수치 예로서 제공된다. 이것들은 선박에 탑재된 LNG의 처리에 적용되지만, 특히 가스의 성질이 바뀌면 변경될 수 있다.
탱크(1)는 대기압에 가까운 압력에서 LNG의 통상적인 저장 온도에 대응하는 -163℃의 온도에서 LNG를 저장한다. 물론, 이 온도는 천연 가스의 조성과 저장 조건에 따라 좌우된다. 탱크(1) 주위의 분위기는 LNG의 분위기보다 훨씬 높은 온도이지만, 탱크(1)가 열적으로 매우 잘 단열되어 있더라도, 가열되고 증발되는 액체에 열이 추가된다. 증발 가스의 부피는 대응 액체의 부피보다 훨씬 크므로, 시간이 지나감에 따라 그리고 열이 액체에 가해질수록 탱크(1) 내의 압력이 증가되는 경향이 있다.
과도하게 중요한 압력에 도달하는 것을 피하기 위해, 증발하는 가스는 탱크(1)(그리고 다른 선박의 탱크)로부터 그리고 그때 회수되어, 여러 탱크로부터 메인 파이프(2)로 수집된다.
도면에 도시된 시스템에서, 선박에 탑재된 적어도 하나의 엔진(도시되지 않음)에 공급하고 잉여 가스를 재액화시키기 위해 증발된 가스를 사용하도록 설비가 제조된다. 여기서의 목적은 증발된 가스가 손실되는 것을 회피하고, 그에 따라 이것을 선박의 추진을 위해 사용하거나 이것을 회수하여, 이것을 액체 상태로 탱크(1)로 되돌려 보내는 것이다.
선박의 엔진에서 사용하기 위해서는, 먼저 가스를 압축해야 한다. 다음에, 이러한 압축은, 도면에 도시된 바와 같이, 다단으로 될 수 있는 제 1 압축 유닛(3) 내에서 수행된다. 이 유닛은, 예시적이고 완전 비제한적인 수치 예로서, 메인 파이프(2)에 수집된 가스의 압력을 대기압과 실질적으로 동일한 압력으로부터 15 내지 20 바아(bar)(1 바아=105 Pa)의 정도의 압력까지 취한다.
이러한 제 1 압축 스테이지 후에, 가스는 중간 냉각기(4)를 통과하고, 중간 냉각기(4)에서 그 압력을 크게 변경시킴이 없이 냉각된다. 압축하는 동안에 재가열된 가스는 중간 냉각기를 빠져나올 때 40℃ 내지 45℃의 정도의 온도에 있다(이들 값은 순수하게 예시적으로 주어진 것이다).
따라서, 압축되고 냉각된 가스는 다음에 주입 파이프(5)를 통해서 선박에 탑재된 엔진으로 송급될 수 있다. 이것은 선박의 추진 또는 다른 용도(보조 발전기 등등)를 위한 엔진일 수 있다. 메인 파이프(2) 및 주입 파이프(5)는 탱크(1)로부터 증발된 가스를 엔진에 공급하기 위한 라인을 형성한다.
선박의 엔진(들)의 수준에서 가스 요구량은 종종 선박에 탑재된 모든 탱크에서의 증발에 의한 가스의 "생성(production)"보다 낮다. 다음에, 엔진(들)에서 사용되지 않는 가스는 특히 기계적인 냉각 유닛(10)을 포함하는 재순환 유닛으로 송급된다.
냉각 유닛(10)은 특히 그 입구에 주입 파이프(5) 내의 가스의 압력을 제어하도록 구성된 밸브(6)를 포함하며, 다음에 메인 회로 및 루프(이들 양자는 이후에 설명됨)를 포함한다.
메인 회로는 가스(비제한 값인 수 바아 내지 약 50 바아의 정도의 압력에 있음)를 기초로 가스가 탱크(1)로 되돌아가기 전에 액상으로 통과할 수 있는 온도에서 가스를 얻을 수 있게 한다.
냉각 유닛(10)의 메인 회로는 우선 여기에서 도면부호(11, 12, 13)를 갖는 3개의 연속 스테이지를 포함하는 다단 압축기를 포함한다. 각각의 스테이지는 압축 휠에 의해 형성되어 있고, 3개의 압축 휠은 샤프트 및 기어를 갖는 하나의 그리고 동일한 변속기(15)에 의해 구동된다. 도면에서 압축 스테이지 사이의 라인은 이들 사이에서의 기계적인 링크를 상징한다.
이러한 제 2 압축(공급 라인을 우회하는 가스가 제 1 압축 유닛(3)에서 이미 압축되어 있음)후에, 가스가 중간 냉각기(16)로 통과한다. 다음에, 그 압력은 수십 바아, 예를 들어 약 50 바아이며, 그 온도는 다시 40℃ 내지 -45℃의 정도이다.
다음에, 압축된 가스는 다중-스트림 교환기(17) 내에서 냉각된다. 가스는 이 교환기(17)에서 제 1 방향으로 흐른다. 반대 방향(이러한 제 1 방향에 대하여)으로 유동하여 이를 냉각시키는 유체는 후술될 것이다.
교환기 (17)를 빠져나갈 때, -110℃ 내지 -120℃의 정도의 온도로 냉각된 압축 가스는 액체가 되고, 여전히 수십 바아(예를 들어, 약 50 바아)의 정도의 압력에서 단열 파이프(22)를 통해 팽창 수단으로 송급된다. 바람직한 실시예에 대응하는 도시된 실시예에 있어서, 팽창 밸브(30)는 재액화 가스를 추가로 냉각시키고 그 압력을 낮추기 위해 사용된다.
팽창 밸브(30)를 통한 팽창 후에, 메탄 풍부 액체 및 질소 풍부 가스(천연 가스가 메탄 단독으로 구성되지 않기 때문에)가 동시에 얻어진다. 이 액상과 기상의 분리는, 압력이 수 바아의 정도, 예를 들어 3 바아 내지 5 바아 정도의 벌룬(40) 내에서 수행된다.
벌룬(40)의 가스는 바람직하게는 메인 파이프(2)로 복귀된다. 이러한 방식으로, 가스는 주 스트림과 혼합되어, 엔진(들)에서 연료로서 부분적으로 사용되거나 또는 냉각 유닛(10)으로 다시 통과한다. 벌룬(40)에 유래하는 가스는 차가워서, 교환기(17)에서 압축된 가스를 냉각시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 가스가 연결 파이프(35)를 통해 메인 파이프(2)로 복귀하기 전에, 이러한 교환기(17)에서 반대 방향으로 흐르게 하도록 설비가 제조된다.
다양한 이유로, 특히 전이 위상 동안에, 벌룬(40)의 가스가 메인 파이프(2)로 재순환될 수 없다면, 가스를 플레어 스택(flare stack) 또는 연소 유닛으로 송급하도록 설비가 제조된다. 한 세트의 밸브(31, 32)는 벌룬(40)으로부터 연결 파이프(35)를 통해서 메인 파이프(2)로 또는 연소 유닛으로 가스의 송급을 제어한다.
벌룬(40)의 바닥에서 회수된 액체는 그 일부가 탱크(1)로 복귀되게 된다. 작동 조건에 따라서, 액체는 탱크(1)(밸브(33)에 의해 제어되는 통로)로 직접 송급되거나 또는 펌프(41)(밸브(34)에 의해 제어되는 통로)의 도움을 받는다.
직접 또는 펌프(41)를 통해 벌룬(40)으로부터 유래된 액체의 탱크(1)로의 복귀는 단열 파이프(36)를 통해 이루어진다.
냉각 유닛(10)에, 전술한 바와 같이, 또한 루프가 위치된다. 이 루프는 다단 압축기(11, 12, 13)의 하류의 가스 스트림을 상술한 메인 회로에 대응하는 제 1 스트림 또는 메인 스트림과, 제 2 스트림 또는 바이패스 스트림으로 분리하는 바이패스 파이프(18)로 시작된다.
바이패스 파이프(18)는 바람직하게는 교환기(17)의 레벨에서 메인 회로에 연결된다. 따라서, 바이패스 파이프(18)에 들어가는 가스는 "높은 압력"(주어진 수치 실시예에서는 약 50 바아) 및 40℃와 -110℃ 사이의 중간 온도에 있다.
바이패스 파이프(18)에 의해 유출된 가스는 팽창 터빈(14)에 의해 도면에 도시된 바람직한 실시예에서 형성된 팽창 수단 내에서 팽창된다. 팽창 터빈(14)은 도면에 도시된 바람직한 실시예에서, 냉각 유닛(10)의 다단 압축기의 스테이지(11, 12, 13)에 대응하는 3개의 압축 휠(10)에 기계적으로 연결된다. 샤프트 및 기어에 의한 변속기(15)는 팽창 터빈(14)과 다단 압축기의 압축 휠을 연결시킨다. 이러한 변속기(15)는 도면에서 팽창 터빈(14)을 스테이지(11, 12, 13)에 연결하는 라인에 의해 표시된다.
가스는, 예를 들어, 냉각 유닛(10)에 들어갈 때의 압력 레벨, 즉 약 15 바아 내지 20 바아에 대응하는 압력 레벨로 팽창된다. 그것의 온도는 -120℃ 이하로 떨어진다. 다음에, 이러한 가스 스트림은 메인 회로, 우선 바이패스 파이프(18)의 하류에 위치된 부분(19) 및 이어서 이러한 바이패스 파이프(18)의 상류에 위치된 부분의 가스를 냉각시키기 위해 반대 방향으로 교환기(17)로 송급된다. 교환기(17)를 빠져나갈 때, 가스는 40℃의 정도의 온도를 회복하고, 리턴 파이프(21)를 통해 다단 압축기의 상류의 냉각 유닛의 메인 회로로 재주입될 수 있다.
따라서, 액화되어야 하는 가스와 동일한 가스를 냉각시키기 위한 가스로서 사용되는 개방 냉각 루프가 제조된다.
도 2의 변형 실시예에서, 도 1의 실시예와 관련하여, 가스를 수집기(2)로 송급하기 보다는 연결 파이프(35b)를 통해 리턴 파이프(21) 내로 가스를 주입함으로써 벌룬(40)을 빠져나가는 가스를 냉각 유닛(10)으로 보존하는 설비가 제조된다. 이러한 실시예는 특히 제 1 압축 유닛(3)이 벌룬(40)으로부터 유래하는 질소 풍부 기체를 처리하는 능력을 갖지 않는 경우에 고려되어야 한다.
도 2의 변형 실시예는 도 3 내지 도 5를 참조하여 이하에서 설명될 변형예 중 하나 또는 몇몇과 결합될 수 있다.
도 3에서, 팽창 터빈(14) 및 교환기(17)의 하류의 시스템의 구성을 변경하는 설비가 제조된다. 교환기(17)를 나가는 팽창된 가스를 냉각 유닛(10)의 다단 압축기의 제 1 스테이지(11)의 입구로 송급하는 대신에, 이러한 가스 스트림을 메인 파이프(2) 내로 직접 재순환시키거나 중간 레벨에서 제 1 압축 유닛(3)에 유입시키는 것이 여기에 제안되어 있다. 밸브(23, 24)는, 교환기(17)를 빠져나갈시에 메인 파이프(2)로 또는 제 1 압축 유닛(3) 내로 송급되는 가스의 유량을 제어할 수 있게 한다.
이러한 구성에 의해, 팽창 터빈(14)의 레벨에서 냉각 유닛(10)의 다단 압축기의 압력보다 더 큰 비율의 압력을 얻을 수 있다.
도 4는 제안된 시스템이 다양한 유형의 엔진을 제공할 수 있다는 사실을 보여주고 있다. 제 1 압축 유닛(3)은 다양한 유형의 엔진에 적합하도록 다양한 압력 레벨을 제공하는 것이 가능하다. 예를 들어, 주입 파이프(5) 내의 압력이 고압 가스 분사 엔진을 공급하기 위해 매우 높거나, 예를 들어 250 바아 이상인 경우, 다음에 냉각 유닛(10)을 주입 파이프(5)보다는 오히려 제 1 압축 유닛(3)의 중간 스테이지로부터 공급하는 것이 가능하다.
마지막으로, 도 5는 냉각 유닛(10)의 냉각 및 그 시동을 용이하게 하도록 구현될 수 있는 수단을 도시한다. 도 5에 도시된 실시예는 엔진 등을 공급하는 주입 파이프(5) 내의 가스의 유량에 영향을 미치지 않으면서 그러한 시동을 가능하게 한다. 예를 들어, 냉각 유닛(10)을 냉각시킬 때 밸브(6)가 폐쇄되도록 설비가 제조될 수 있다.
따라서, 도 5는 탱크(1)로부터 직접 가스를 공급하는 루프를 제공할 수 있다. 이 목적을 위해, 펌프(60)는 탱크(1)로부터 일부 액체를 추출해서 공급 도관(61)을 통해 주입 시스템(62)으로 공급할 수 있다. 주입 시스템(62) 내에서, 증발기(63)는 탱크(1)로부터 흘려진 액체가 기상으로 통과하게 한다. 그 후에, 밸브(64)가 제공되어, 증발기 출구에서 얻어진 가스의 주입을 조절하고, 루프 내로 주입되는 가스의 양을 제어하고, 이에 의해 냉각 유닛(10)의 냉각을 조절한다. 도 5는 리턴 파이프(21)의 레벨에서 주입이 이뤄지지만, 다른 주입 지점이 선택될 수 있다.
필요에 따라서 공급 파이프(61)에서 액화 천연 가스(화살표가 있음)를 추출하는 설비가 또한 제조될 수 있다.
따라서, 여기에서 제안된 시스템은 2가지 상이한 온도, 즉 팽창 터빈을 빠져나갈 때 약 -120℃의 온도 및 팽창 밸브를 빠져나갈 때 약 -160℃의 온도에서 냉기를 생성하여 냉동 가스에 대응하는 냉매 가스의 개방 루프를 제공한다. 이 시스템은 증발 가스에 의해 공급되는 선박에 탑재되어 위치된 엔진과는 독립적입니다. 그것은 냉기의 다른 외부 공급원과 독립적으로 증발된 가스만에 근거하여 액화가 수행되도록 한다.
루프에서, 냉기의 생성은 재액화 수단의 레벨에서 부하에 영구적으로 적용되고, 제 2 압축 유닛에 작용함으로써 넓은 범위에 걸쳐 조절될 수 있다. 따라서, 재액화에 필요한 냉기의 생성을 적응시키고, 시스템의 에너지 균형을 실행하는 것이 가능하다.
정상 상태 조건 하에서, 가스 배출 또는 가스 연소는 고려하지 않아야 한다.
시동 동안에, 냉각 루프 내에서의 냉각은 폐쇄 루프와 같이 조종될 수 있다. 냉각 장치는 엔진(또는 다른 발전기)에 공급하는 데에도 사용되는 제 1 압축 유닛에 어떠한 영향을 미치지 않는다. 루프가 냉각될 때, 과도한 증발 가스가 액화되자 마자, 루프가 "정지"가 되어 개방 루프에서 사용될 수 있다.
제안된 시스템은 탱크(들)에서 증발하는 가스의 수두 손실을 제한할 수 있다. 이러한 가스는 수집되어, 제 1 압축 유닛의 입구로 직접 송급된다. 수두 손실은 피할수 없는 것이며, 메인 파이프를 통한 가스 주입에 의해 생성된다. 이는 제한적이고, 시스템의 모든 작동 조건에서 감압되는 제 1 압축 유닛의 입구를 갖는 것을 피할 수 있게 한다.
또한, 제안된 시스템은 임의의 질소 처리 유닛 또는 이와 유사한 것을 필요로 하지 않는 것이 명백하다. 그 구조는 냉동될 및 액화될 가스와 동일한 성질의 냉동 가스의 사용을 통해 단순화된다.
물론, 본 발명은 비제한적인 실시예에 의해 상술한 시스템 및 방법의 실시형태로 제한되지 않지만, 본 발명은 이후의 청구범위의 범위 내에서 본 기술 분야에 숙련된 자들의 능력 내에서 모든 변형 실시예와 관련이 있다.
1: 극저온 액체 탱크
2: 공급 라인
3: 제 1 압축 유닛
10: 냉각 수단
11, 12, 13: 제 2 압축 유닛
14: 팽창 터빈
17: 열교환기
30: 팽창 밸브
35: 재순환 라인
40: 벌룬

Claims (16)

  1. 극저온 액체의 증발로부터 야기되는 가스에 기초하여 엔진을 공급하기 위한 그리고 이러한 가스의 재액화를 위한 공급 및 재액화 시스템으로서, 상기 시스템은 적어도 하나의 엔진을 위한 것으로 상기 가스를 위한 제 1 압축 유닛(3)이 그 위에 위치된 공급 라인과, 리턴 라인으로의 바이패스를 포함하며, 상기 리턴 라인 상에는 냉각 수단(10) 및 제 1 팽창 수단(30)이 연속적으로 위치되어 있는, 공급 및 재액화 시스템에 있어서,
    냉각 수단은 제 2 압축 유닛(11, 12, 13) 및 열교환기(17) 뿐만 아니라 제 2 압축 유닛(11, 12, 13)의 하류에 제 2 팽창 수단(14)을 포함하는 루프(18, 20, 21)로의 바이패스를 연속적으로 포함하며, 상기 루프는 루프를 통해 바이패스되지 않는 가스 유분(gas fraction)에 대해서 반대 방향에서 열교환기(17)를 통해 통과시킨 후에 제 2 압축 유닛(11, 12, 13)의 상류의 리턴 라인을 재결합시키는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 팽창 수단(30)을 빠져나가는 가스의 비재액화 유분을 제 1 압축 유닛(3)의 상류의 엔진용 공급 라인(2)으로 송급할 수 있게 하는 재순환 라인(35)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 재순환 라인(35)은 열교환기(17)를 통해 통과되는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스는 상기 열교환기(17) 내에서 실행되는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 팽창 수단은 형성된 액체와 비액화 가스 유분을 분리하도록 구성된 벌룬(40)에서 나오는 팽창 밸브(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 벌룬(40)의 상부 부분은 상기 벌룬(40)으로부터 유래하는 가스가 바이패스와 동일 측면에서 열교환기(17)에 유입하는 방식으로 열교환기(17)에 연결되어 있으며, 상기 벌룬(40)의 하부 부분은 극저온 액체 탱크(1)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 압축 유닛은 각기 압축 휠을 구비하는 몇 개의 압축 스테이지(11, 12, 13)를 포함하며,
    제 2 팽창 수단은 팽창 터빈(14)을 포함하며,
    압축 휠 및 팽창 터빈(14) 각각은 하나의 그리고 동일한 기계적 변속기(15)와 관련되어 있는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회로의 바이패스 루프 내로 가스를 주입하기 위한 수단(62)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    가스를 바이패스 루프 내로 주입하기 위한 수단(62)은 극저온 액체용 펌프(60), 증발기(63) 및 제어 밸브(64)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    한 세트의 극저온 액체 탱크(1)의 증발된 가스의 회수를 위한 수집기를 더 포함하며, 상기 수집기는 직접, 즉 특히 다른 가스 파이프와 열교환을 위한 중간 장치가 없이 제 1 압축 유닛(3)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는
    공급 및 재액화 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 공급 및 재액화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 액체 운반용 선박.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 선박이 메탄 운반선인 것을 특징으로 하는
    극저온 액체 운반용 선박.
  13. 극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림을 관리하는 방법으로서,
    상기 가스 스트림은 엔진 또는 재액화 수단으로 송급되기 전에 제 1 압축 유닛 내에서 압축되며,
    상기 재액화 수단으로 송급된 가스 유분은 냉각 수단(10)을 통과하고, 다음에 팽창 수단(30)을 거쳐 마지막으로 분리기(40)를 통과하며, 액체 부분은 상기 분리기(40)로부터 극저온 액체 탱크(1)로 송급되는, 극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림 관리 방법에 있어서,
    상기 냉각 수단은 기계적 냉동의 수단이며,
    기계적 냉동의 수단 내에서,
    가스 스트림은 제 2 압축 유닛(11, 12, 13)에서 압축되며, 다음에 가스 유분이 재액화되는 방식으로 팽창되기 전에 열교환기(17) 내에서 냉각되며,
    가스 스트림의 압축 후에, 가스 스트림은 제 1 가스 스트림 부분 및 제 2 가스 스트림 부분으로 분리되며,
    가스 스트림의 제 1 부분은 냉각되며, 다음에 적어도 부분적으로 액화되도록 재액화 수단으로 송급되며,
    가스 스트림의 제 2 부분은 가스 스트림의 제 2 부분이 팽창되는 루프(18, 20, 21) 내로 공급되며, 다음에 제 2 압축 유닛(11, 12, 13)에서 다시 압축되도록 가스 스트림을 재결합시키기 전에 가스 스트림의 제 1 부분을 냉각시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는
    극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림 관리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    증발로부터 발생하는 가스는 다른 가스 파이프와의 이전의 열교환이 없이 압축되는 것을 특징으로 하는
    극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림 관리 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 팽창 수단(30)을 빠져나가는 비액화된 가스는 상기 제 1 압축 유닛(3)의 상류의 재순환 라인(35)에 의해 안내되는 것을 특징으로 하는
    극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림 관리 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 팽창 수단(30)을 빠져나가는 비액화된 가스는 제 1 압축 유닛(3)에서 다시 압축되기 전에 열교환기(17)를 통해 통과되는 것을 특징으로 하는
    극저온 액체의 증발로부터 발생하는 가스 스트림 관리 방법.
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