KR101610245B1 - Lng 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG 저장탱크의 일측에 적어도 하나 이상 설치되어 LNG 저장탱크 를 냉각(cool down)시키거나, 저장탱크내에서 기화된 LNG 증발가스를 빠른 시간내에 냉각시키 위하여 저장탱크의 내부 온도에 능동적으로 대응하여 증발가스와의 접촉면적을 넓혀서 빠른 시간내에 증발가스의 잠열을 빼앗아 재냉각시킬 수 있도로 할 수 있는 새로운 구조의 "LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐"에 관한 것이다.
본 발명에서 제안하는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐은 LNG 가스가 유입되는 유입구를 갖는 노즐 바디와, 상기 노즐 바디와 체결되며 중공이 형성되는 노즐 팁 바디를 갖는 노즐 팁으로 구성된다.
본 발명에 있어서, 상기 노즐 팁 바디의 상기 중공의 일 원주면으로 따라 4등분되어 출구 방향으로 4개의 슬롯을 형성시키면서 상기 노즐 팁의 출구 방향을 따라 경사지게 좁아지는 4개의 섹션부가 형성되며, 상기 4개의 섹션부에 의하여 형성되는 내부 중공의 직경은 상기 노즐 팁의 출구 방향으로 갈수록 좁아지며, 상기 4개의 섹션부는 상기 노즐 바디로 유입되는 상기 LNG 가스의 압력에 따라 벌어질 수 있도록 디자인 되어 있다.
본 발명에 따른 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐을 사용하는 경우 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
1. 본 발명의 경우 유압에 따라 능동적으로 출구의 직경이 가변되는 4개의 섹션부를 노즐 팁에 구현함으로써 LNG 저장탱크의 온도를 일정 수준 이하로 낮추거나 저장탱크 내에서 기화된 증발가스를 짧은 시간내에 냉각(cool down)시켜 재액화할 수 있다.
2. LNG 저장탱크내의 증발 가스 양에 따라 노즐에 공급되는 LNG의 유압을 조절하여 노즐에서 분사되는 LNG 가스의 분사각도와 분사양을 능동적으로 제어할 수 있다는 이점이 있다.

Description

LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐{Active spray nozzle for re-liquefying BOG and cooling down in LNG tank}

본 발명은 LNG 저장탱크의 일측에 적어도 하나 이상 설치되어 LNG 저장탱크 를 냉각(cool down)시키거나, 저장탱크내에서 기화된 LNG 증발가스를 빠른 시간내에 냉각시키 위하여 저장탱크의 내부 온도에 능동적으로 대응하여 증발가스와의 접촉면적을 넓혀서 빠른 시간내에 증발가스의 잠열을 빼앗아 재냉각시킬 수 있도로 할 수 있는 새로운 구조의 "LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐"에 관한 것이다.

일반적으로, 천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 수송된 후, LNG 부유식 저장 및 재기화 장치(FSRU, Floating Storage and Regasification Unit) 또는 육상의 하역 터미널을 거치면서 재기화되어 소비처로 공급된다.

LNG 재기화선(RV, LNG Regasification Vessel)에 의해 LNG가 수송되는 경우에는, LNG가 LNG 부유식 저장 및 재기화 장치 또는 육상의 하역 터미널을 거치지 않고도 LNG 재기화선 자체에서 재기화되어 소비처로 직접 공급된다.

알려진 바와 같이, 이러한 천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃ 정도의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 조금만 높아도 증발된다.

종래의 LNG 운반선의 경우를 예를 들어 설명하면, LNG 운반선의 LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.

이렇게 LNG 저장 탱크 내에 증발가스가 발생하면, LNG 저장탱크의 압력이 상승하여 위험하게 된다.

종래에는 LNG 저장탱크의 압력을 안전한 상태로 유지하기 위해서 LNG 저장탱크에서 발생된 증발가스를 LNG 운반선의 추진 연료로서 사용하곤 했었다.

즉, 종래의 저온 액체 상태로 LNG를 운반하는 LNG 운반선의 경우에는 운송중에 탱크내의 LNG 온도를 -163℃ 내외에서 거의 상압 (ambient pressure)을 유지, 거의 동일한 온도와 동일한 압력으로 유지하는 것을 기본 개념으로 하고 있기 때문에 발생하는 증발가스를 외부로 배출하여 처리하고 있었다.

한편, LNG 저장탱크에서 발생된 증발가스를 압축하여 디젤 엔진의 연료로 사용하는 이중 연료 디젤 전기 추진 시스템(dual fuel diesel electric propulsion system)은, 스팀 터빈 추진 방식에 비해 효율은 높아지나 중속 엔진과 전기 추진 장치가 복잡하여 장비의 유지 보수에 많은 어려움을 안고 있다. 또한, 이러한 방식은 증발가스를 연료로 공급해야 하므로 액체압축에 비해 설치비 및 운전비가 큰 기체압축 방법이 적용될 수밖에 없다.

그리고, 이렇게 증발가스를 추진용 연료로서 사용하는 방식은, 어떠한 경우에도 일반선박에 사용되는 2행정 저속 디젤 엔진의 효율에는 미치지 못한다.

한편, LNG 저장탱크에서 발생된 증발가스를 재액화하여 다시 LNG 저장탱크로 복귀시키는 방식도 있다.

그러나, 이렇게 증발가스를 재액화하는 방식은 LNG 운반선에 복잡한 시스템의 증발가스 재액화 장치를 설치해야 하는 문제점이 있다.

그리고, 추진 장치에서 연료로 사용할 수 있거나 증발가스 재액화 장치에서 처리할 수 있는 양 이상의 증발 가스가 발생하는 경우에는, 잉여의 증발가스를 가스 연소기 등에서 소각하여 처리해야 하므로, 잉여의 증발가스의 처리를 위한 가스 연소기 등의 별도의 장비들이 추가되는 문제점이 있다.

예컨대, 종래의 LNG 저장탱크의 압력을 거의 동일한 상태로 유지하는 것을 기본 개념으로 하는 LNG 운반선을 살펴보면, LNG를 선적한 후 초기(선적후 3~5일간)에는 LNG 저장탱크가 다소 뜨거워진 상태이므로 운항중의 BOG 발생량(NBOG, natural BOG)와 비교하여 상당히 많은 양의 초과 BOG(Excessive BOG)가 발생하며, 이 초과 BOG는 보일러나 이중 연로 디젤 전기 추진 시스템의 연료 소모량 이상이다.

따라서 보일러나 엔진에 사용되는 BOG량을 도시하는 하부 점선과의 차이를 나타내는 빗금친 부분에 해당하는 BOG는 GCU(Gas Combustion Unit, 가스연소기)를 통하여 태워버릴 수밖에 없다. 또한, LNG 운반선이 운하를 통과할 경우(예컨대, 도 4에서 5-6일)에도 보일러나 엔진에서의 BOG 소비가 없거나(운하 대기시), 적으므로(운하 통과 시) 엔진 요구 이상의 BOG는 태워버릴 수 밖에 없다. 또한, LNG 운반선이 적재 상태에서 입항 대기하거나 입항할 경우에도 BOG의 소모량이 없거나 적은 경우가 발생하며, 이때에도 잉여의 BOG를 태워버릴 수 밖에 없다.

이와 같이 태워버리는 BOG의 양은 150,000m³ 용량의 LNG 운반선에서 연간 1500-2000톤에 달하며 금액으로 환산하면 6억원에 해당된다.

더 나아가 BOG를 태움으로 인해 환경오염의 문제도 발생한다.

한편, 상기와 같은 저압 탱크와 달리LNG 저장탱크에 단열벽을 형성하지 않고 LNG 저장탱크 내에서 증발가스를 200 바(게이지압) 내외의 고압으로 유지하여 LNG 저장탱크 내에 증발가스가 발생하는 것을 억제하는 기술이 대한민국특허공개 KR2001-0014021호, KR2001-0014033호, KR2001-0083920호, KR2001-0082235호, KR2004-0015294호 등에 개시되어 있다.

그러나, 이렇게 LNG 저장탱크가 그 내부에 증발가스를 200 바 내외의 고압으로 수용할 수 있기 위해서는 LNG 저장탱크의 두께가 상당히 두꺼워야 하므로 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 증발가스를 200바 내외의 고압으로 유지하기 위한 고압 압축기 등의 별도의 장비들이 추가되는 문제점이 있다.

이러한 기술과 달리 압력탱크라고 알려진 기술도 있는데 이러한 압력탱크도 휘발성이 높은 액체를 상온 초고압의 탱크에 보관하므로 BOG의 처리문제는 발생하지 않지만 탱크의 크기를 크게 할 수 없는 제한이 있고, 그 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.

이상에서와 같이, 종래에 LNG 운반선의 LNG 탱크는 극저온 상태의 액체를 상압 근처의 압력에서 운송중에 그 압력을 일정하게 유지하고 BOG 발생을 허용하는 방식으로서, BOG의 소모량이 크거나 별도의 재액화장치를 장착하여야 하는 문제점이 있었다.

또한, 상기의 극저온 상태의 액체를 대기압 저압에서 운송하는 탱크와 달리 압력 탱크와 같이 다소 고온에서 고압의 압력에 견딜 수 있는 탱크로 운송하는 방법은 BOG의 처리는 없으나 탱크의 크기에 제한이 있고 제조비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다.

1. 특허공개번호 제1020010014021호, 발명의 명칭 : "액화 천연 가스의 가공, 저장 및 운송을 위한 시스템" 2. 특허공개번호 제1020010014033호, 발명의 명칭 : "액화 천연 가스를 운송하기 위한 파이프라인 배급 네트웍시스템"

본 발명은 전술한 문제점의 일부를 해결하기 위하여 제안된 것으로, LNG 저장탱크의 내부 온도를 일정 수준 이하로 낮추거나 저장탱크 내에서 기화된 증발가스를 짧은 시간내에 재액화시킬 수 있는 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 본 발명은 LNG 저장탱크의 일측에 적어도 하나 이상 설치되어 LNG 저장탱크 를 냉각(cool down)시키거나, 저장탱크내에서 기화된 LNG 증발가스를 빠른 시간내에 냉각시키 위하여 저장탱크의 내부 온도에 능동적으로 대응하여 증발가스와의 접촉면적을 넓혀서 빠른 시간내에 증발가스의 잠열을 빼앗아 재냉각시킬 수 있도로 할 수 있는 새로운 구조의 "LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐"을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 제안하는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐은 LNG 가스가 유입되는 유입구를 갖는 노즐 바디와, 상기 노즐 바디와 체결되며 중공이 형성되는 노즐 팁 바디를 갖는 노즐 팁으로 구성된다.

본 발명에 있어서, 상기 노즐 팁 바디의 상기 중공의 일 원주면으로 따라 4등분되어 출구 방향으로 4개의 슬롯을 형성시키면서 상기 노즐 팁의 출구 방향을 따라 경사지게 좁아지는 4개의 섹션부가 형성되며, 상기 4개의 섹션부에 의하여 형성되는 내부 중공의 직경은 상기 노즐 팁의 출구 방향으로 갈수록 좁아지며, 상기 4개의 섹션부는 상기 노즐 바디로 유입되는 상기 LNG 가스의 압력이 증가하는 경우 방사상으로 벌어질 수 있도록 디자인 되어 있다.

본 발명에 있어서, 상기 4개의 섹션부 외주면과 상기 노즐팁 바디 사이에 빈 공간이 형성되어 있다.

본 발명에 따른 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐을 사용하는 경우 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

1. 본 발명의 경우 유압에 따라 능동적으로 출구의 직경이 가변되는 4개의 섹션부를 노즐 팁에 구현함으로써 LNG 저장탱크의 온도를 일정 수준 이하로 낮추거나 저장탱크 내에서 기화된 증발가스를 짧은 시간내에 냉각(cool down)시켜 재액화할 수 있다.

2. LNG 저장탱크내의 증발 가스 양에 따라 노즐에 공급되는 LNG의 유압을 조절하여 노즐에서 분사되는 LNG 가스의 분사각도와 분사양을 능동적으로 제어할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 노즐의 사용 상태를 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 노즐의 외관 분리 사시도이다.
도 3은 도 2의 결합 측면도이다.
도 4는 노즐 팁의 섹션부와 슬롯의 형상을 보여주는 사시도이다.
도 5는 노즐 팁의 섹션부와 슬롯의 단면을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 노즐의 단면 구조도이다.
도 7은 본 발명에 따른 노즐 팁의 섹션부가 공급되는 LNG의 압력에 따라 진동하면서 출구의 직경이 가변되는 상태를 보여주는 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에서 제안하는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐에 대하여 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 본 발명에서 제안하는 노즐은 LNG 저장 탱크의 사용 전후 저장탱크의 온도를 일정 수준 이하로 유지하도록 하기 위하여 사용됨은 물론 LNG 저장 탱크 내부에서 발생한 증발 가스에 분사시켜 재액화하기 위하여 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 노즐의 사용 상태를 개념적으로 설명하는 도면이다.

도시된 바와 같이 LNG 저장탱크(Tank)내의 액화 LNG(이하, LNG)의 일부가 LNG 펌프(LNG Pump)로 공급되고 LNG 펌프에서는 소정의 압력으로 LNG를 노즐(Nozzle)로 공급한다.

소정 압력으로 노즐로 공급된 LNG는 LNG 저장탱크 내부에 분사되어 저장탱크의 온도를 낮추거나 저장탱크의 상부에 존재하는 증발가스에 분사(분출)되면서 증발가스의 잠열을 제거시켜 증발가스를 재액화시키는 기능을 수행한다.

이하에서는 도 2 내지 도 7을 참조하여 도 1에서 언급된 본 발명에 따른 노즐의 구조에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 노즐의 외관 분리 사시도이고, 도 3은 결합된 상태의 측면도이며, 도 4는 노즐 팁의 섹션부와 슬롯의 형상을 보여주는 사시도이고, 도 5는 노즐 팁의 섹션부와 슬롯의 단면을 보여주는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 노즐의 단면 구조도이고, 도 7은 본 발명에 따른 노즐 팁의 섹션부가 공급되는 LNG의 압력에 따라 진동하면서 출구의 직경이 가변되는 상태를 보여주는 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐은 노즐 바디(110)와 노즐 팁(120)으로 이루어진다.

노즐 바디(110)는 LNG 가스가 유입되는 유입구(10)를 적어도 하나 이상 구비할 수 있다.

노즐 팁(120)는 노즐 바디(110)와 나사 결합 방식 등으로 체결되며 테이퍼링 지면서 형성되는 중공이 형성되어 있는 노즐 팁 바디(121)를 갖는다.

도면으로부터 알 수 있듯이, 노즐 팁 바디(121)의 중공의 일측 원주면으로 따라 4등분되어 노즐의 출구 방향으로 4개의 슬롯과, 노즐 팁(120)의 출구 방향을 따라 경사지게 좁아지는 4개의 섹션부가 형성되어 있다.

4개의 섹션부에 의하여 형성되는 내부 중공의 직경은 노즐 팁(120)의 출구 방향으로 갈수록 좁아지며, 4개의 섹션부는 노즐 바디(110)로부터 유입되는 LNG 가스의 압력에 따라 진동할 수 있도록 디자인 되어 있다.

한편, 4개의 섹션부 외주면과 노즐팁 바디(121) 사이에는 빈 공간이 형성되어 있다.

본 발명의 노즐 팁 구조를 추가로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 노즐은 LNG가 유입되는 다양한 형상과 구조를 갖는 노즐 바디(110) 및 이 노즐 바디(110)와 나사 결합 등으로 체결되어 사용되는 노즐 팁의 구조에 관한 것이다.

본 발명의 노즐 팁은 노즐 팁 바디(121)의 중공으로 유입되는 LNG 가스가 노즐 팁(120)의 출구에서 분사될 때 LNG의 압력에 따라 분사 각도를 능동적으로 가변시킬 수 있도록 진동하는 4개의 절편인 4개의 섹션부를 대략 원추형 형상으로 이루어져 디자인되었다.

이하, 본 발명에서 제안하는 노즐의 동작에 대하여 설명하기로 한다.

알려진 바와 같이, LNG를 분사하여 저장탱크 내부를 빠른 시간내에 냉각하거나 증발가스와의 접촉면적을 넓혀서 빠른 시간내에 증발가스의 잠열을 빼앗아 냉각시키기 위해서는 노즐에서 분사되는 LNG 스프레이의 각도를 일정하게 유지시켜 줄 필요가 있으나, LNG를 가압하는 펌프의 토출압력은 분사량의 조절이나 액화시키고자 하는 가스의 양이 변동이 있을 경우 펌프의 토출측 제어밸브로 인하여 일정하게 유지할 수 없다는 문제점을 안고 있으며, 이로 인하여 노즐의 출구 측에서 스프레이되는 LNG의 액적이 원활하게 분무되지 않으므로 열전달 면적이 적어져서 빠르게 기화되지 않으므로써 LNG 탱크의 냉각이나 가스의 액화 시간이 많은 차이를 보이고 있다.

이에 본 발명에서는 도 2내지 도 7에 도시된 바와 같은 노즐 구조를 제안하여 노즐에 공급되는 LNG의 압력에 따라서 노즐 팁의 출구 방향으로 설치되어 있는 4 개의 섹션부가 압력에 따라 노즐의 중심축을 기준으로 방사상으로 변동 가능하도록 함으로써 LNG의 유압 변동에 따라 노즐 팁의 출구로부터 분무되는 LNG 스프레이의 분사량과 분사 각도가 능동적으로 가변될 수 있도록 함으로써 노즐의 최적 분사 를 가능하게 하여 LNG 저장탱크의 내부 온도를 일정 수준 이하로 낮춤은 물론 저장 탱크내에 존재하는 증발 가스의 재액화 시간을 단축시킬 수 있도록 하였다.

본 발명의 경우 노즐 팁으로 공급되는 LNG의 압력이 낮은 경우와 비교하여 볼 때 압력이 높은 경우 4개의 섹션부가 자연스럽게 방사상으로 벌어짐으로써(그에 따라 슬롯의 틈도 넓어진다) LNG 가스의 압력에 따라 분사되는 LNG 가스의 분사각도 또는 분사량을 능동적으로 제어할 수 있다.

참고로, 본 발명에서 제안하는 노즐의 경우 극저온에서 취성이 없는 구리, 알루미늄, 니켈 합금 등과 같은 금속 재질로 이루어지며, 필요에 따라서는 세라믹으로 대체하여 제작할 수도 있을 것이다.

지금까지 설명한 본 발명은 LNG를 분사하는 노즐의 노즐 팁 구조를 공급되는 유체의 압력에 따라 가변되는 구조를 갖는 4개의 섹션부를 이용한 것으로 이러한 기술적 사상은 2 개, 3 개 또는 5 개 이상의 섹션부로 디자인하여 제작하더라도 후술되는 청구항의 균등물에 대응하는 것으로서 모두 본 발명의 보호범위에 속하는 것을 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐로서,
   LNG 가스가 유입되는 유입구를 갖는 노즐 바디와,
   상기 노즐 바디와 체결되며 중공이 형성되는 노즐 팁 바디를 갖는 노즐 팁으로 구성되며,
   상기 노즐 팁 바디의 상기 중공의 일 원주면으로 따라 4등분되어 출구 방향으로 4개의 슬롯을 형성시키면서 상기 노즐 팁의 출구 방향을 따라 경사지게 좁아지는 4개의 섹션부가 형성되며,
   상기 4개의 섹션부에 의하여 형성되는 내부 중공의 직경은 상기 노즐 팁의 출구 방향으로 갈수록 좁아지며,
   상기 4개의 섹션부는 상기 노즐 바디로 유입되는 상기 LNG 가스의 압력이 증가하는 경우 방사상으로 벌어지며,
   상기 4개의 섹션부 외주면과 상기 노즐팁 바디 사이에 빈 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐.
2. 삭제
3. LNG 가스가 유입되는 유입구를 갖는 노즐 바디와, 상기 노즐 바디와 체결되며 중공이 형성되는 노즐 팁 바디를 갖는 노즐 팁으로 구성되는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐로서,
   상기 노즐 팁 바디의 상기 중공의 일 원주면으로 따라 N등분되어 출구 방향으로 N개의 슬롯을 형성시키면서 상기 노즐 팁의 출구 방향을 따라 경사지게 좁아지는 N개의 섹션부가 형성되며,
   상기 N개의 섹션부에 의하여 형성되는 내부 중공의 직경은 상기 노즐 팁의 출구 방향으로 갈수록 좁아지며,
   상기 N개의 섹션부는 상기 노즐 바디로 유입되는 상기 LNG 가스의 압력이 증가하는 경우 방사상으로 벌어지며,
   상기 N개의 섹션부 외주면과 상기 노즐팁 바디 사이에 빈 공간이 형성되며,
   상기 N은 2, 3 및 5중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크의 쿨다운 및 증발가스 재액화용 능동형 스프레이 노즐.

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