KR101026180B1 - 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치 - Google Patents

액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 관한 것으로서, 증발가스가 위치하는 가스저장탱크의 공간부에서 외부로 이어지도록 설치되는 증발가스배출관과, 증발가스를 순환시키도록 증발가스배출관과 연결되어 가스저장탱크 내에 설치된 펌프타워의 기둥관과 연결되는 유로관과, 기둥관의 단부측에 연결되어 가스저장탱크의 바닥면을 따라 설치되며 고온의 증발가스와 저온의 액화천연가스를 열교환시켜서 분사시키는 열교환수단이 포함되는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에 의하면 고온의 증발가스를 상대적으로 저온의 액화천연가스에 직접 분사하지 않고 가스저장탱크 내에 설치된 열교환수단을 통해 서서히 열교환시킨 후 저온의 액화천연가스 내에 분사함으로써, 온도 불균형에 따른 유동교란의 발생을 최소화하여 증발가스의 발생 속도를 늦출 수 있으며, 결과적으로 가스저장탱크의 압력 상승을 완화시킬 수 있는 효과를 가진다. 또한, 증발가스를 최소화 하여 선박의 정박 중 또는 저속 운전 중 처리 또는 배출해야 하는 증발가스의 양이 줄어들 수 있고, 증발가스의 최소화로 잉여 증발가스를 강제 소각하기 위한 양이 줄어들어 환경 개선의 효과를 가진다.
액화천연가스 운반선, 증발가스, 가스저장탱크, 억제, 열교환

Description

액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치{BOIL OFF GAS CONTROL APPARATUS OF LNG CARRIERS}
본 발명은 액화천연가스 운반선의 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 -163도 이하로 온도를 내리면 생성되는 액체인데, 액화된 LNG의 부피는 표준상태인 기체상태의 LNG의 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.47 내외로 원유비중의 약 2분의 1이 된다.
이런 연유로 LNG는 수송 및 저장이 수월한 이점이 있는 반면, 극저온의 성질 을 가지고 있어 누출될 경우 매우 위험하므로, 선박 또는 부유식 또는 고정식 가스처리 설비에서 절연체(단열재)로 제작된 별도의 가스저장탱크로 운송 또는 보관을 하게 된다.
특히, LNG 선박의 경우 원유 운반선과 다른 것은 -163℃의 극저온의 액체상태에서 운반하게 되며, LNG의 기화점이 -163℃로 극히 낮기 때문에 기화를 막기 위해서 철저한 단열이 요구된다.
그러나 완전한 단열은 실제적으로 불가능하며 선박이 운항하는 동안 약 하루 기준 0.15%의 비율로 액화상태의 LNG가 기체상태의 증발가스로 변화하고 있는 실정이다.
이러한 이유로 선박에서는 증발가스를 자연스럽게 추진기관의 연료로 처리하여 사용하거나, GCU (Gas Combustion Unit)등을 통해 잉여 증발가스를 단순히 연소시켜 처리하여 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, 가스저장탱크(1)의 상부의 증발가스 배출관(BOG vent pipe:2)과 연결된 연료가스 컴프레서(3)와 가스터빈 및 이중연료엔진을 포함하는 추진수단(10) 등으로 이루어져 있다.
여기에서는, 가스저장탱크(1)에 별도의 연소장치(9)를 연결 설치하며, 증발 가스가 소정의 관로 변경 수단(미도시)에 의해서 연소장치(9) 또는 추진수단(10) 중 어느 하나로 이송되도록 결합되어 있다.
선박의 운항 시, 증발가스는 선박의 추진수단(10)으로 보내져 추진용으로 사용될 수 있도록 하는 한편, 선박이 추진수단(10)에 의해 추진되지 않을 경우, 가스저장탱크(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 대기중인 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 자연 발생된 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 증발가스 발생속도를 완화하는 구조로 이루어져 있다.
그런데, 종래와 같은 증발가스 저감 장치에서는 기화된 고온의 증발가스를 상대적으로 저온의 액화천연가스 속으로 바로 분사함으로써, 액화천연가스의 전체적인 유동교란을 야기시킬 수 있으며, 이는 액화천연가스의 운동에너지 상승에 의해 기화를 더욱 촉진시키게 되어 가스저장탱크 내부의 압력상승을 가속시킬 수 있는 가능성을 가지고 있다.
더 나아가 상대적으로 차가운 액화천연가스를 상대적으로 뜨거운 증발가스 영역에 직접 분사하는 방식 또한 분사되는 액화천연가스의 일부가 분사과정 중 기화됨으로써 가스저장탱크의 압력 상승을 가속시킬 수 있는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서는, 고온의 증발가스를 상대적으로 저온의 액화천연가스에 직접 분사하지 않고 가스저장탱크 내에 설치된 열교환수단을 통해 서서히 열교환시킨 후 저온의 액화천연가스 내에 분사함으로써, 온도 불균형에 따른 유동교란의 발생을 최소화하여 증발가스의 발생 속도를 늦출 수 있으며, 결과적으로 가스저장탱크의 압력 상승을 완화시킬 수 있는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 있어서, 증발가스가 위치하는 가스저장탱크의 공간부에서 외부로 이어지도록 설치되는 증발가스배출관과, 증발가스를 순환시키도록 증발가스배출관과 연 결되어 가스저장탱크 내에 설치된 펌프타워의 기둥관과 연결되는 유로관과, 기둥관의 단부측에 연결되어 가스저장탱크의 바닥면을 따라 설치되며 고온의 증발가스와 저온의 액화천연가스를 열교환시켜서 분사시키는 열교환수단이 포함되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치를 제공한다.
그리고 바람직하게 유로관에는, 증발가스를 강제로 순환시키기 위하여 컴프레서가 설치되며, 또한 증발가스를 추진수단의 연료로 사용할 경우 강제 순환을 차단할 수 있도록 제 1 밸브가 설치된다.
그리고 열교환수단은, 고온의 증발가스를 순환시키기 위한 열교환배관을 포함하며, 열교환배관은 가스저장탱크의 바닥면 모서리에 고정지그를 이용하여 고정되고, 증발가스와 액화천연가스의 열교환 과정이 중지되었을 때 열교환배관으로 액화천연가스의 유입을 차단할 수 있도록 제 2 밸브가 더 설치된다.
더 나아가 열교환수단은, 증발가스를 추진수단의 연료로 사용하는 액화천연가스 운반선, 해상부유식 저장설비(FPSO, FSRU) 및 재기화 설비 중 어느 하나의 상기 가스저장탱크에 장착되는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 따르면, 고온의 증발가스를 상대적으로 저온의 액화천연가스에 직접 분사하지 않고 가스저장탱크 내에 설치된 열교환수단을 통해 서서히 열교환시킨 후 저온의 액화천연가스 내에 분사함으로써, 온도 불균형에 따른 유동교란의 발생을 최소화하여 증발가스의 발생 속도를 늦출 수 있으며, 결과적으로 가스저장탱크의 압력 상승 을 완화시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 증발가스를 최소화 하여 선박의 정박 중 또는 저속 운전 중 처리 또는 배출해야 하는 증발가스의 양이 줄어들 수 있다.
또, 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.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 단면도이다.
도 3 내지 도 4에 도시된 본 발명의 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 따르면, 증발가스를 추진수단의 연료로 사용하는 액화천연가스 운반선, 또는 해상부유식 저장설비(FPSO, FSRU) 및 재기화설비에 설치되는 가스저장탱크(100)와, 가스저장탱크(100)의 상단에 설치되는 증발가스배출관(110)과, 증발가스를 순환시 키기 위한 유로관(130)과, 가스저장탱크(100)에 설치되어 고온의 증발가스와 저온의 액화천연가스를 열교환시키는 열교환배관(150)의 열교환수단으로 구성된다.
여기서 가스저장탱크(100)는, 선박에서 운반할 액화천연가스를 적재하고 저장하기 위한 구조물이다.
이러한 가스저장탱크(100)에는 액화천연가스가 상부측 일정 공간을 남겨두고 적재됨으로써, 일정량의 증발가스가 모일 수 있도록 공간부(102)를 형성하게 되며, 이 공간부(102)에서 외부로 이어져서 증발가스를 송출할 수 있는 증발가스배출관(110)이 설치된다.
그리고 증발가스배출관(110)의 단부측에는 증발가스를 추진수단(미도시)의 연료로 사용하거나 잉여 증발가스를 연소시키기 위한 연소장치(미도시)로 보내기 위한 배기관(120)이 설치되며, 이 배기관(120)상에는 증발가스의 유입을 차단할 수 있는 체크밸브(122)가 설치된다.
그리고 증발가스배출관(110)의 중단부에 유로관(130)이 분기되어 연결 설치된다.
유로관(130)은 증발가스를 강제 순환시키는 경로가 되는 것으로서, 증발가스배출관(110)으로부터 이어져서 가스저장탱크(100) 내에 설치된 펌프타워(140)에 연결된다.
펌프타워(140)로는 3개의 대구경 배관으로 구성된 트리포드 형식의 중공 기둥관(142) 중 어느 하나에 유로관(130)이 연결된다.
여기서 유로관(130)상에는 증발가스를 강제 순환시키기 위한 컴프레서(132) 가 설치된다. 컴프레서(132)는 증발가스배출관(110)으로부터 증발가스를 공급받은 후 증발가스를 5∼10기압으로 압축하여 순환시키게 된다.
또한, 유로관(130)에는 컴프레서(132)의 전단에 증발가스를 추진수단의 연료로 사용할 경우 강제 순환을 차단하기 위한 제 1 밸브(134)가 설치된다.
그리고 열교환수단은, 유로관(130)으로부터 이어지는 기둥관(142)의 단부측에 가스저장탱크(100)의 바닥면 둘레를 따라 설치된다.
열교환수단은 고온의 증발가스를 순환시키면서 가스저장탱크(100)의 하부에 위치하는 저온의 액화천연가스와 열교환이 이루어지도록 열교환배관(150)으로 구성되며, 열교환배관(150)은 보다 많은 열접촉이 가능하도록 가스저장탱크(100)의 바닥면 모서리 둘레를 따라 배치되며, 가스저장탱크(100)의 모서리부에 단열패널을 고정시키기 위하여 돌출된 스터드 볼트(미도시)를 이용하여 열교환배관(150)을 고정지그(154)를 통하여 위치 고정하게 된다.
또한, 열교환배관(150)의 단부측에는 노즐부(152)가 설치되어 열교환된 증발가스를 액화천연가스 내로 분사하게 된다.
또, 노즐부(152)와 근접하는 열교환배관(150)상에 증발가스와 액화천연가스의 열교환 과정이 중지되었을 때 열교환배관(150)으로 액화천연가스의 유입을 차단할 수 있는 제 2 밸브(156)가 더 설치되는 구성을 가진다.
이와 같은 구조로 이루어진 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 작용은 다음과 같이 이루어진다.
다시 도 4를 참고하여 설명하면, 가스저장탱크(100)의 공간부(102)에서 발생된 증발가스는 증발가스배출관(110)으로 배출되고, 배출된 증발가스는 제 1 밸브(134)가 개방됨과 같이 컴프레서(132)가 작동되어 유로관(130)으로 강제 유입된다.
유로관(130)을 따라 강제 유입된 증발가스는 기둥관(142)을 통과하여 열교환배관(150)으로 유입되어 순환을 시작하게 된다.
고온의 증발가스는 가스저장탱크(100)의 하부에 위치하는 열교환배관(150)을 따라 순환함으로써, 상대적으로 저온 상태의 액화천연가스와 접촉되어 열교환이 일어나게 되며, 이렇게 열교환되어 온도가 낮아진 증발가스는 노즐부(152)를 통해 저온의 액화천연가스 내로 분사된다.
그러므로 증발가스와 액화천연가스의 열교환을 통해 온도 불균형을 최소화함으로써, 증발가스로 인한 액화천연가스의 유동교란을 최소화시킬 수 있으며, 증발가스의 발생 속도를 늦춰서 결과적으로 가스저장탱크(100)의 압력 상승을 완화시킬 수 있게 된다.
한편, 선박의 운항 조건 등에 따라 부득이하게 발생한 증발가스는 체크밸브(122)가 개방된 배기관(120)을 통하여 추진수단이나 연소장치로 보내어져서 강제 연소시키게 된다. 그러나 연소되는 양은 종래에 비하여 현저히 감소될 수 있다.
그리고 배기관(120)을 통해 증발가스가 빠져나가는 동안 열교환배관(150)을 통해서는 열교환이 실시되고 있지 않으므로 열교환배관(150)의 노즐부(152)를 통해 액화천연가스가 수압으로 역류할 수 있기 때문에 제 2 밸브(156)로 하여 차단하게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 대하여 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 기술에 따른 증발가스 억제장치를 보여주는 구성도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 증발가스 억제 장치를 도시한 것이고
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 가스저장탱크 102 : 공간부
110 : 증발가스배출관 120 : 배기관
122 : 체크밸브 130 : 유로관
132 : 컴프레서 134, 156 : 제 1, 2 밸브
140 : 펌프타워 142 : 기둥관
150 : 열교환배관 152 : 노즐부
154 : 고정지그

Claims (6)

  1. 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 있어서,
    상기 증발가스가 위치하는 가스저장탱크의 공간부에서 외부로 이어지도록 설치되는 증발가스배출관과,
    상기 증발가스를 순환시키도록 상기 증발가스배출관과 연결되어 상기 가스저장탱크 내에 설치된 펌프타워의 기둥관과 연결되는 유로관과,
    상기 기둥관의 단부측에 연결되어 상기 가스저장탱크의 바닥면을 따라 설치되며 고온의 상기 증발가스와 저온의 액화천연가스를 열교환시켜서 분사시키는 열교환수단
    을 포함하는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로관에는,
    상기 증발가스를 강제로 순환시키기 위하여 컴프레서가 설치되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유로관에는,
    상기 증발가스를 추진수단의 연료로 사용할 경우 강제 순환을 차단할 수 있도록 제 1 밸브가 설치되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환수단은,
    상기 고온의 증발가스를 순환시키기 위한 열교환배관을 포함하며,
    상기 열교환배관은 상기 가스저장탱크의 바닥면 모서리에 고정지그를 이용하여 고정되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환배관에는,
    상기 증발가스와 액화천연가스의 열교환 과정이 중지되었을 때 상기 열교환배관으로 상기 액화천연가스의 유입을 차단할 수 있도록 제 2 밸브가 더 설치되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환수단은,
    상기 증발가스를 추진수단의 연료로 사용하는 액화천연가스 운반선, 해상부유식 저장설비(FPSO, FSRU) 및 재기화 설비 중 어느 하나의 상기 가스저장탱크에 장착되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
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