KR100877254B1 - 증발가스 억제장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발가스 억제장치에 관한 것으로서, 가스저장탱크의 내부 바닥면에 설치되며 가스저장탱크의 중앙에 위치되어 상대적으로 저온인 액화가스를 벽면측에 위치되는 고온의 액화가스와 열교환시키는 제 1 억제수단과, 가스저장탱크의 내부에 두 개 이상으로 설치된 펌프타워의 기둥(column)부를 이용하여 고온의 증발가스를 가스저장탱크의 액화가스 내부로 순환시켜서 상대적으로 저온의 액화가스와 열교환시키는 제 2 억제수단을 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 가스저장탱크의 중앙에 위치되어 상대적으로 저온인 액화가스를 벽면측에 위치되는 고온의 액화가스와 열교환시켜서 근본적인 증발가스의 발생을 방지하는 효과가 있다. 또한, 액화가스의 유동교란이 발생되지 않아 유동교란으로부터 야기되는 추가적인 증발가스의 발생을 최소화할 수 있는 효과를 가진다. 또, 증발가스의 최소화로 하여 선박의 정박 중 또는 저속 운전 중 처리 또는 배출해야 하는 증발가스의 양이 없어질 수 있으며, 선박의 추진력으로 증발가스를 사용하지 않아도 되어 고효율의 저속 디젤엔진 등으로 대체할 수 있고, 증발가스의 최소화로 잉여 증발가스를 강제 소각하기 위한 양이 줄어들어 환경 개선의 효과를 가진다.

증발가스, 가스저장탱크, 펌프타워, 열교환, 컴프레서

Description

증발가스 억제장치{A BOIL OFF GAS CONTROL APPARATUS}

본 발명은 증발가스 억제장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스를 운반하는 가스운반선과 같은 선박, 또는 해상 위에 부유한 상태로 가스를 채굴, 저장, 액화 및 기화시키는 종합설비를 갖춘 부유식 또는 고정식 가스처리 설비에서 발생하는 증발가스(BOG:Boil Off Gas)를 억제하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다.

LNG는 천연가스의 주성분인 메탄을 1기압 하에서 섭씨 -162도 이하로 온도를 내리면 생성되는 액체인데, 액화된 메탄의 부피는 표준상태인 기체상태의 메탄 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.42로 원유비중의 약 2분의 1이 된다.

이런 연유로 LNG는 수송 및 저장이 수월한 이점이 있는 반면, 극저온의 성질을 가지고 있어 누출될 경우 매우 위험하므로, 선박 또는 부유식 또는 고정식 가스처리 설비에서 절연체(단열재)로 제작된 별도의 가스저장탱크로 운송 또는 보관을 하게된다.

특히, LNG 선박의 경우 원유 운반선과 다른 것은 -162℃의 극저온의 액체상태에서 운반하게 되며, LNG의 기화점이 -162℃로 극히 낮기 때문에 기화를 막기 위해서 철저한 보온이 요구된다.

그러나 완전한 보온은 실제적으로 불가능하며 선박이 운항하는 동안 약 하루 기준 0.15%의 비율로 액화상태의 LNG가 기체상태의 증발가스로 변화하고 있는 실정이다.

이러한 이유들로 선박에서는 증발가스를 자연스럽게 추진기관의 연료로 처리하여 사용하거나, 잉여 증발가스를 단순히 연소시켜 없애는 일종의 간이 소각로인 써멀옥시다이저(thermal oxidizer) 등의 연료로 사용하여 왔다.

예컨대, 추진기관은 증발가스를 연료로 하여 보일러에서 고압의 스팀을 발생시키고 이 스팀은 스팀터빈을 구동시켜 추진력을 얻게 된다.

이러한 LNG선박의 종래 기술에 대한 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 선박의 증발가스 처리시스템은, 카고탱크(1)의 상부의 증발가스 배출관(BOG vent pipe:2)과 연결된 연료가스 컴프레서(3)와 가스터빈 및 이중연료엔진을 포함하는 내연기관(10) 등으로 이루어져 있다.

여기에서는, 카고탱크(1)에 별도의 연소장치(9)를 연결 설치하며, 증발가스가 소정의 관로 변경 수단에 의해서 연소장치(9) 또는 내연기관(10) 중 어느 하나로 이송되도록 결합되어 있다.

선박의 운항시, 증발가스는 내연기관(10)으로 보내져 추진용으로 사용될 수 있도록 하는 한편, 선박이 내연기관(10)에 의해 추진되지 않을 경우, 카고탱크(1)에서 발생된 잉여 증발가스가 연소장치(9)로 보내져 직접 연소될 수 있도록 되어 있다.

그러나 예를 들어 선박이 산지로부터 터미널로 들어오는 경우 약10시간 정도 운항속도를 7노트 이하로 낮추어야 하며, 또한 터미널에 하역을 위해 대기해야 하는 시간은 약10시간 정도이다. 이러한 과정에서는 계속되는 증발가스를 처리할 방안이 문제가 된다. 더욱이 대기중의 선박에서는 잉여 증발가스를 송출하거나 증발가스를 에너지화해서 사용할 방법이 없다.

따라서 증발가스의 처리보다는 증발가스의 발생을 억제하는 방법이 최선이며, 이를 위하여 종래에는 다음과 같은 방법이 이용되고 있었다.

도 2에서는 종래에 증발가스 억제 장치를 도시한 것으로서, 가스저장탱크(1)내에서 자연발생된 고온의 증발가스(BOG)는 압축용 컴프레서(23)에 의해 강제적으로 가스저장탱크(1) 저면부의 노즐(21)을 통해 초저온 액화천연가스 내부로 분사되고, 가스저장탱크(1) 상층부로 증발된 기존의 고온 가스는 가스저장탱크(1) 바닥면에 설치된 펌프(11)를 이용하여 상층으로 유입된 초저온 액화가스의 분사노즐(13)을 통한 분사에 의해 상층의 가스부의 온도를 강하시켜 더 이상의 증발가스 발생을 억제하는 구조로 이루어져 있다.

그러나, 이러한 종래의 증발가스 억제 방식에서는 기화된 가스를 액화가스 속으로, 그리고 액화가스는 기체속으로 직접 분사하는 방식을 적용하고 있기 때문에 액화가스의 전체적인 유동교란을 야기시킬 수 있으며, 이러한 유동교란은 액화질소 자체적인 운동에너지의 상승에 의해 기화를 더욱 촉진시킬 수 있어 오히려 탱크 내부의 압력 상승을 유발시킬 수 있는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명에서는 유동교란을 야기시키지 않으면서도 가스저장탱크내의 증발가스 전체의 온도를 강하시켜 증발가스의 발생을 억제할 수 있는 증발가스 억제장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 가스저장탱크에서 발생하는 증발가스의 억제장치에 있어서, 가스저장탱크의 내부 바닥면에 설치되며 가스저장탱크의 중앙에 위치되어 상대적으로 저온인 액화가스를 벽면측에 위치되는 고온의 액화가스와 열교환시키는 제 1 억제수단과, 가스저장탱크의 내부에 두 개 이상으로 설치된 펌프타워의 기둥부를 이용하여 고온의 증발가스를 가스저장탱크를 내부로 순환시켜서 상대적으로 저온의 액화가스와 열교환시키는 제 2 억제수단을 포함하는 증발가스 억제장치를 제공한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 증발가스 억제장치에 따르면, 가스저장탱 크의 중앙에 위치되어 상대적으로 저온인 액화가스를 벽면측에 위치되는 고온의 액화가스와 열교환시켜서 근본적인 증발가스의 발생을 방지하는 효과가 있다.

또한, 가스저장탱크 상층부의 고온 기체와 상대적으로 저온부인 액화가스가 직접적인 접촉없이 정적인 상태에서 열교환이 이루어짐으로써, 액화가스의 유동교란이 발생되지 않아 유동교란으로부터 야기되는 추가적인 증발가스의 발생을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

또, 증발가스의 최소화로 하여 선박의 정박 중 또는 저속 운전 중 처리 또는 배출해야 하는 증발가스의 양이 훨씬 줄어들 수 있으며, 선박의 추진력으로 증발가스를 사용하지 않아도 되어 고효율의 저속 디젤엔진 등으로 대체할 수 있고, 증발가스의 최소화로 잉여 증발가스를 강제 소각하기 위한 양이 줄어들어 환경 개선의 효과를 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 제 1 억제수단을 통하여 1차적으로 가스저장탱크에서 상대적으로 저온인 중앙의 액화가스를 고온의 액화가스가 위치되어 있는 벽면측으로 보내는 열교환으로 근본적인 증발가스의 발생을 최소화하고, 제 1 억제수단으로 증발가스의 발생이 최소화되었음에도 불구하고 발생된 증발가스는 가스저장탱크 내에 설치된 펌프타워와 컴프레서를 통하여 가스저장탱크 상층부의 고온 기체와 상대적으로 저온부인 액화가스가 직접적인 접촉없이 정적인 상태에서 제 2 억제수단으로 열교환이 이루어짐으로써, 유동교란을 야기시키지 않으면서도 가스저장탱크내의 증발가스 전체의 온도를 강하시켜 증발가스의 발생을 억제할 수 있도록 한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증발가스 억제장치를 보여주는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 펌프타워와 순환관의 설치를 도시한 사시도이다.

도 3에 도시된 제 1 억제수단의 증발가스 억제장치는, 액화천연가스 운반선, 또는 해상부유식 및 고정식 저장설비에 가스저장탱크(100)가 설치되며, 가스저장탱크(100)의 내부 중앙 바닥면에 근접하여 상대적으로 저온의 액화가스를 흡입하여 순환시키기 위한 펌프(200)가 설치되고, 이 펌프(200)로 흡입된 액화가스를 원하는 곳으로 순환시키기 위하여 펌프(200)를 중심으로 즉, 링 메인(ring main) 구조로 가스저장탱크(100)의 내측 바닥면을 따라서 배기관(210)이 설치된다.

그리고 배기관(210)의 각 끝단측에는 외부와 접하여 상대적으로 대략 중심부 액화가스보다 1℃ 정도 고온인 가스저장탱크(100)의 벽면을 향하여 저온의 액화가스를 분사시키기 위한 노즐(220)이 설치된다.

한편, 도 3에 도시된 제 2 억제수단의 증발가스 억제장치는, 제 1 억제수단과 같이 가스저장탱크(100)내에 설치되어 있는 펌프타워(104)의 내부를 따라 순환 관(140)을 설치하고, 이 순환관(140)에는 증발가스를 강제 순환시키기 위한 컴프레서(130)가 설치된다.

여기서 가스저장탱크(100)에는 액화천연가스가 상부측 일정 공간을 남겨두고 적재됨으로써, 일정량의 증발가스가 모일 수 있는 공간부(102)를 형성하게 되며, 이 공간부(102)와 연결되도록 증발가스배출관(110)이 설치된다. 증발가스배출관(110)은 가스저장탱크(100) 상층의 증발가스를 송출하는 라인이다.

그리고 증발가스배출관(110)의 일단으로는 최소화되어 발생하는 증발가스를 강제 연소시키기 위한 연소장치(120)에 연결되며, 또한 증발가스배출관(110)의 중간부에는 직교 방향으로 분기되어 하기에서 설명하는 컴프레서(130)가 설치된다.

한편, 가스저장탱크(100)의 내부로는 액화천연가스를 적재하거나 빼내기 위한 펌프가 배치되는 2개이상의 중공의 기둥부를 포함하는 펌프타워(104)가 설치되며, 바람직하게 도 4에서와 같이 3개의 대구경 배관이 트리포드 형식으로 구성되어 있다.

따라서 본 발명에서는 기존에 설치되어 있는 펌프타워(104)에 그 내부를 따라 연통되게 이어지는 순환관(140)이 설치된다.

즉, 다시 도 4에서와 같이, 두 개의 펌프타워(104) 내부에 "U"자 형태의 순환관(140)이 설치되어 2중관을 이루게 된다.

순환관(140)의 일단은 가스저장탱크(100)의 내부 상층부인 공간부(102)에 위치되며, 타단은 증발가스배출관(110)과 연결 설치된 컴프레서(130)에 연결 설치된다.

컴프레서(130)는 증발가스배출관(110)으로부터 자연 증발가스를 공급받은 후 대기압보다 약간 높은 상태로 압축한 증발가스를 순환시키기 위한 저압력 압축장치를 의미한다.

그리고 다른 일예로 컴프레서(130)와 같은 기능을 하는 블로어(blower)의 사용도 가능하다.

그리고 증발가스배출관(110)의 분기 부위에는 밸브(150)가 설치되어 증발가스의 연소 또는 순환을 제어하도록 하였다.

밸브(150)는 바람직하게 3웨이밸브가 사용되며, 필요한 만큼의 액상가스유량의 공급방향(예 : 연소장치 방향 또는 컴프레서 방향)을 선택하거나, 액상가스유량의 분배 비율을 조절하는 것을 수행하는 통상적인 밸브제어용 논리회로에 의해서, 각각의 밸브 개폐가 조절된다.

덧붙여 밸브(150)는 통상적인 전자적 계통제어회로(도시 안됨)에 미리 저장된 소정 조건값, 예컨대 선박의 계류 또는 정박 유무, 가스처리 설비의 비정상 운전 유무, 증발가스 과다 발생 유무, 기화가스비상처리 요구 유무 등을 기준으로 각각의 밸브 개방 및 폐쇄를 수행하거나, 또는 밸브 개폐 크기 비율을 조절한다.

이를 위해서, 밸브(150)는 전자적 계통제어회로(도시 안됨)의 입출력 인터페이스에 전기, 전자적으로 결합되어 있다.

전자적 계통제어회로에서 미리 정해진 설계치를 추종하여 액상가스를 기화시키도록, 입력 유량과 출력 유량 각각의 온도, 압력, 유량의 정밀 측정값을 입력받아 온도 제어, 압력 제어, 유량 제어를 수행하는 알고리즘을 갖는 것이 바람직하 다.

이와 같은 구조로 이루어진 증발가스 억제장치의 작용은 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 제 1 억제수단을 통하여 1차적으로 가스저장탱크(100)에서 상대적으로 저온인 중앙의 액화가스를 펌프(200)로 흡입하고, 흡입된 저온의 액화가스는 배기관(210)을 따라 이동되어 노즐(220)을 통하여 고온의 액화가스가 위치되어 있는 벽면측으로 분사된다. 따라서 대략 1~2℃정도 차이나는 가스저장탱크(100)의 중심부 액화가스를 외부와 접하는 벽면측의 액화가스와 열교환을 시켜서 근본적인 증발가스의 발생을 최소화하게 된다.

한편, 증발가스의 발생을 최소화하는 방법으로는 가스저장탱크(100)에서 공간부(102)내의 온도를 최소화하고 압력은 높이는 것이 유리하다. 또한 증발가스와 액화가스의 표면에 증발가스의 유동이 난류가 발생되지 않도록 제어하는 것이 중요하다.

따라서 본 발명의 제 2 억제수단에 의하면, 가스저장탱크(100)에서 발생하는 고온의 증발가스는 증발가스배출관(110)을 통하여 배출된다. 이때, 증발가스를 순환시키고자 밸브(150)가 컴프레서(130)측으로 개방되어 있다.

컴프레서(130)에서는 증발가스를 강제 흡입하여 순환관(140)을 통하여 가스저장탱크(100)의 내부로 유입시키고, 순환관(140)을 따라 유입된 고온의 증발가스는 상대적으로 저온인 액화가스와 간접적으로 접촉하면서 열교환되어 다시 공간부(102)에 위치된 순환관(140)의 일단으로 배출된다.

이처럼 본 발명에서는 공간부(102)의 고온의 기체와 상대적으로 저온부인 액화가스와의 열교환을 기본으로 하며, 컴프레서(130)와 순환관(140)을 통하여 고온 기체와 액화가스가 직접적인 접촉 없이 정적인 상태를 유지하면서 열교환이 이루어지기 때문에 액화가스부의 유동교란을 발생시키지 않게 되며, 발생한 증발가스를 순환시킴으로써, 가스발생을 최소화할 수 있다.

덧붙여, 선박의 운항 조건 등에 따라 부득이하게 발생한 증발가스는 밸브(150)의 절환을 통하여 연소장치(120)로 보내어져서 강제 연소시키게 된다. 그러나 연소되는 양은 종래에 비하여 현저히 감소될 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 증발가스 억제장치는 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 종래 선박의 증발가스 처리시스템의 구성도이고,

도 2는 종래의 증발가스 억제장치를 보여주는 구성도이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 증발가스 억제장치를 보여주는 구성도이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 펌프타워와 순환관의 설치를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 가스저장탱크 102 : 공간부

104 : 펌프타워 110 : 증발가스 배출관

120 : 연소장치 130 : 컴프레서

140 : 순환관 150 : 밸브

200 : 펌프 210 : 배기관

220 : 노즐

Claims (5)

1. 가스저장탱크에서 발생하는 증발가스의 억제장치에 있어서,

   상기 가스저장탱크의 내부 바닥면에 설치되며 상기 가스저장탱크의 중앙에 위치되어 상대적으로 저온인 액화가스를 벽면측에 위치되는 고온의 액화가스와 열교환시키는 제 1 억제수단과,

   상기 가스저장탱크의 내부에 두 개 이상으로 설치된 펌프타워의 기둥부를 이용하여 고온의 증발가스를 상기 가스저장탱크 내부로 순환시켜서 상대적으로 저온의 액화가스와 열교환시키는 제 2 억제수단

   을 포함하는 증발가스 억제장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 억제수단은,

   상대적으로 저온의 액화가스를 흡입하여 순환시키기 위한 펌프와,

   상기 펌프를 중심으로 하여 상기 가스저장탱크의 내측 바닥면을 따라서 벽면으로 설치되는 배기관과,

   상기 배기관의 끝단에 설치되어 외부와 접하여 고온의 상기 가스저장탱크의 벽면으로 상기 저온의 액화가스를 분사시키는 노즐

   로 구성되는 증발가스 억제장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 억제수단은,

   상기 중공의 펌프타워 내부를 따라 연통되게 이어지는 순환관이 설치되며,

   상기 순환관의 일단은 상기 가스저장탱크의 내부 상층부에 위치되고, 타단은 상기 가스저장탱크로부터 이어지는 증발가스배출관과 연결 설치된 컴프레서에 설치되어,

   상기 컴프레서의 강제 순환을 통하여 고온의 증발가스가 상기 순환관을 따라 상기 가스저장탱크에서 상대적으로 저온의 액화가스와 열교환하는 증발가스 억제장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 순환관은,

   상기 펌프타워를 내부를 따라 "U"자 형태로 설치되는 증발가스 억제장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 증발가스배출관상에는 밸브가 설치되어 상기 증발가스의 연소 또는 순환을 제어하는 증발가스 억제장치.

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