KR101713845B1 - 연료가스 공급 컨트롤러, 그리고 상기 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG 등의 액화가스를 저장하는 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 보일러 등에 연료가스로서 공급함에 있어서 이 연료가스를 안정적으로 공급할 수 있도록 하는 연료가스 공급 컨트롤러, 그리고 상기 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 액화가스를 저장하고 있는 탱크 내부에서 발생하는 증발가스를 연료가스로서 보일러에 공급하는 연료가스 공급장치로서, 상기 증발가스로 인한 압력의 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 액화가스의 현열 증가분에 의해 탱크 외부로부터의 유입 열량을 흡수하는 고압 저장탱크와; 상기 고압 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키기 위한 LD 압축기와; 상기 LD 압축기로부터 수집된 유량 및 압력 정보를 근거로 하여, 상기 LD 압축기에서의 흡입 압력과 배출 압력의 압력비가 낮아짐에 따른 스톤 월 현상의 발생을 방지할 수 있도록 제어 신호를 송신하는 LD 압축기 저부하 컨트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치가 제공된다.

액화가스, 저장탱크, 압축기, 컨트롤러, 연료가스

Description

연료가스 공급 컨트롤러, 그리고 상기 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법{FUEL GAS SUPPLY CONTROLLER, AND SYSTEM AND METHOD FOR SUPPLYING FUEL GAS WITH THE CONTROLLER}

본 발명은 연료가스 공급 컨트롤러, 그리고 상기 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법으로서, 더욱 상세하게는 LNG 등의 액화가스를 저장하는 저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 보일러 등에 연료가스로서 공급함에 있어서 이 연료가스를 안정적으로 공급할 수 있도록 하는 연료가스 공급 컨트롤러, 그리고 상기 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법에 관한 것이다.

근래, 천연가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는, 액화된 액화천연가스의 상태로 LNG 캐리어(특히, LNG 수송선)에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온(대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

LNG 수송선은, 액화천연가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 액화천 연가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화천연가스의 극저온에 견딜 수 있는 LNG 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 포함한다. 통상, 이러한 LNG 수송선은 LNG 저장탱크 내의 액화천연가스를 액화된 상태 그대로 육상에 하역하며, 하역된 LNG는 육상에 설치된 LNG 재기화 설비에 의해 재기화된 후 천연가스의 소비처로 가스배관을 통해 운반된다.

이러한 육상의 LNG 재기화 설비는 천연가스 시장이 잘 형성되어 있어 안정적으로 천연가스의 수요가 있는 곳에 설치하는 경우에는 경제적으로 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나, 천연가스의 수요가 계절적, 단기적 또는 주기적으로 있는 천연가스 소요처의 경우에는, 높은 설치비와 관리비로 인해, 육상에 LNG 재기화 설비를 설치하는 것이 경제적으로 매우 불리하다.

특히 자연재해 등에 의해 육상의 LNG 재기화 설비가 파괴될 경우, LNG 수송선이 소요처에 LNG를 싣고 도달한다 하더라도, 그 LNG를 재기화할 수 없다는 점에서 기존 LNG 수송선을 이용한 천연가스 운반은 한계성을 안고 있다.

이에 따라, LNG 수송선이나 해상 부유물에 LNG 재기화 설비를 마련하여 해상에서 액화천연가스를 재기화하고, 그 재기화를 통해 얻어진 천연가스를 육상으로 공급하는 해상 LNG 재기화 시스템이 개발되었다.

이와 같이 LNG 재기화 설비가 마련된 해상 구조물의 예로서는 LNG RV (Regasification Vessel)와 같은 선박이나 LNG FSRU (Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 구조물 등을 들 수 있다. 그 밖에도 LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading)와 같은 해상 구조물에도 LNG 재 기화 설비가 마련될 수 있다.

LNG RV는 자력 항해 및 부유가 가능한 LNG 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화 천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화 천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다. 그리고, LNG FPSO는 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 LNG 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 LNG 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다.

천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 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 내에서 지속적으로 증발가스가 발생하면, LNG 저장탱크의 압력이 상승하여 위험하게 된다.

종래, LNG 저장탱크의 압력을 안전한 상태로 유지하기 위해서 LNG 저장탱크에서 발생된 증발가스를 LNG 저장탱크의 외부로 배출하는 방법이 제안되어 있다. 즉, 종래의 저온 액체 상태로 LNG를 운반하는 LNG 운반선의 경우에는 운송중에 탱크 내의 LNG 온도를 -163℃ 내외에서 거의 상압 (ambient pressure)을 유지, 거의 동일한 온도와 동일한 압력으로 유지하는 것을 기본 개념으로 하고 있기 때문에 발생하는 BOG를 외부로 배출하여 처리하고 있었다.

저장탱크의 외부로 배출된 BOG를 소모하기 위하여, LNG 저장탱크에서 발생된 증발가스를 선박 구동용 스팀 터빈에서 연료로서 사용하는 방법이 제안되어 있지만, 이 경우에는 추진 효율이 낮은 문제점이 있었다.

또한, 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 어려움이 있었다.

또한, 이러한 방식은 증발가스를 연료로 공급해야 하므로 액체압축에 비해 설치비 및 운전비가 큰 기체압축 방법이 적용될 수밖에 없었다. 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 있었다. 그러나, 이렇게 증발가스를 재액화하는 방식은 LNG 운반선에 복잡한 시스템의 증발가스 재액화 장치를 설치해야 하는 문제점이 있었다.

그리고, 추진 장치에서 연료로 사용할 수 있거나 증발가스 재액화 장치에서 처리할 수 있는 양 이상의 증발 가스가 발생하는 경우에는, 잉여의 증발가스를 가스 연소기나 플레어 등에서 소각 또는 방출하여 처리해야 하므로, 잉여의 증발가스의 처리를 위한 가스 연소기나 플레어 등의 별도의 장비들이 추가되는 문제점이 있 었다.

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 저장탱크에 대한 극저온의 LNG에 의한 냉각이 충분하지 않은 상태이므로, 운항중의 BOG 발생량(NBOG, natural BOG)과 비교하여 상당히 많은 양의 초과BOG(Excessive BOG)가 발생하며, 이 초과 BOG는 선박 추진 시스템의 연료 소모량 이상이다.

따라서 선박 추진 시스템에 사용되는 양 이상의 초과 BOG는 가스 연소기 (GCU; Gas Combustion Unit)를 통하여 태워버리거나 플레어(Flare)를 통하여 방출해 버릴 수밖에 없었다. 또한, LNG 운반선이 운하를 통과할 경우에도 보일러나 엔진에서의 BOG 소비가 없거나(운하 대기 시), 적으므로(운하 통과 시) 엔진 요구 이상의 BOG는 버릴 수밖에 없었다. 또한, LNG 운반선이 적재 상태에서 입항 대기하거나 입항할 경우에도 BOG의 소모량이 없거나 적은 경우가 발생하며, 이때에도 잉여의 BOG를 그대로 버릴 수밖에 없었다.

이와 같이 버려지는 BOG의 양은 150,000㎥ 용량의 LNG 운반선에서 연간 1500 내지 2000톤에 달하며 금액으로 환산하면 6억원에 해당된다. 더 나아가 BOG를 태우거나 그대로 방출해 버리므로 환경오염의 문제도 발생한다.

한편, 상기와 같은 탱크, 즉 저압 탱크와는 달리, LNG 저장탱크에 단열벽을 형성하지 않고 LNG 저장탱크 내에서 증발가스를 200 바(게이지압) 내외의 고압으로 유지하여 LNG 저장탱크 내에 증발가스가 발생하는 것을 억제하는 기술이 대한민국 특허공개 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 200 바 내외의 고압으로 유지하기 위한 고압 압축기 등의 별도의 장비들이 추가되는 문제점이 있었다.

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 있었다.

이상에서와 같이, 종래에 LNG 운반선의 LNG 탱크(저압 탱크)는 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 수준의 저압에서 운송하는 저압 탱크와는 달리, 압력탱크와 같이 다소 고압의 압력에 견딜 수 있는 고압 탱크로 운송하는 방법은 BOG의 처리는 필요하지 않으나 탱크의 크기에 제한이 있고 제조비용이 많이 소요된다는 문제점이 있었다.

종래에는 LNG 운반선용 LNG 저장탱크 내의 압력을 일정 범위 내에서 유지하도록 함으로써 외부에서의 유입열이 대부분 증발 가스 발생에 기여하고, 또한 이와 같이 발생한 증발가스 전부를 LNG 운반선에서 처리하도록 하였다.

그에 비해, 본 발명의 연료가스 공급 제어장치가 구비된 부유식 해상 구조물에 있어서는, LNG 저장탱크 내의 압력 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 LNG 및 천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)의 현열 증가 분에 의해 대부분의 유입 열량이 흡수되므로 증발가스의 발생이 대폭 감소하게 된다. 예를 들어, LNG 저장탱크의 내부압력이 0.7 바가 되면 포화온도는 초기 0.06 바 대비 약 6℃ 상승한다.

이와 같이 LNG 저장탱크 내의 압력 상승을 허용하도록 설계된 부유식 해상 구조물의 경우에도, LNG 저장탱크 내부에서 발생하는 BOG 중 적어도 일부를 보일러에서의 연료가스로서 사용할 수 있다.

도 1에는 본 발명의 연료가스 공급 제어장치가 구비되어 있지 않은 상태의 종래의 연료가스 공급 시스템의 일례가 도시되어 있다. 도 1의 연료가스 공급 시스템은, 압력 상승을 허용하도록 설계된 LNG 저장탱크로부터 배출된 BOG를 압축하여 보일러에 공급하기 위한 LD 압축기(Low Duty Compressor)를 포함한다.

그런데, LNG 저장탱크의 내부 압력이 고압이므로, LD 압축기의 운전시 석션 압력이 배출 압력보다 높아지는 경우가 발생할 수 있어, 도 2에서와 같이 소위 스 톤 월(stone wall) 현상이 발생하여 안정적인 연료가스의 공급이 방해받을 우려가 있다.

스톤 월(stone wall) 현상이란, 압축기에 있어서 석션 압력이 배출 압력보다 높아지는 경우에, 압축기가 성능 이상의 속력으로 회전하게 됨에 따라 발생하는 것으로, 성능 이상의 속력으로 회전할 때에 헛도는 경우가 생겨나게 되며 또한 압축기의 모터에 무리를 주고 과열에 따른 이상변형을 초래할 수 있는 현상을 말한다.

종래와 같이 극저온 상태의 액체를 상압 근처의 압력으로 저장하여 수송하는 경우, 상술한 LD 압축기에서 연료가스의 유량 대비 압력비가 높아지는 영역에서 발생하는 서지(surge) 현상에 대해서는 연료가스의 공급을 제어하는 장치 및 방법이 존재하여 연료가스의 공급을 안정적으로 유지하고 있었다. 그러나, BOG의 배출을 억제하여 저장탱크의 내부압력 상승을 허용하는 경우에는 저장탱크의 압력이 높기 때문에 LD 압축기에서의 압력비가 낮아지는 경우에 발생할 수 있는 스톤 월 현상에 대한 대비가 요구되고 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서, 본 발명에 따르면, BOG의 배출을 억제하여 내부압력의 상승을 허용하는 저장탱크로부터의 BOG를 전달받아 압축한 후 보일러에 공급하는 LD 압축기가 안정적으로 운전될 수 있도록, LD 압축기의 흡입 및 배출 압력과 유량 등의 정보를 근거로 LD 압축기의 운전 상태를 제어할 수 있는 연료가스 공급 제어장치 및 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하 고 있는 탱크 내부에서 발생하는 증발가스를 연료가스로서 보일러에 공급하는 연료가스 공급장치로서, 상기 증발가스로 인한 압력의 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 액화가스의 현열 증가분에 의해 탱크 외부로부터의 유입 열량을 흡수하는 고압 저장탱크와; 상기 고압 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키기 위한 LD 압축기와; 상기 LD 압축기로부터 수집된 유량 및 압력 정보를 근거로 하여, 상기 LD 압축기에서의 흡입 압력과 배출 압력의 압력비가 낮아짐에 따른 스톤 월 현상의 발생을 방지할 수 있도록 제어 신호를 송신하는 LD 압축기 저부하 컨트롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치가 제공된다.

상기 연료가스 공급장치는, 상기 보일러의 상류측에 설치되어 상기 LD 압축기에서 압축된 증발가스의 공급량을 조절하기 위한 FG 제어 밸브와; 상기 FG 제어 밸브의 개폐를 제어하기 위한 보일러 컨트롤러와; 상기 보일러 컨트롤러에 의한 상기 FG 제어 밸브의 개폐 상태 정보를 전달받아 상기 LD 압축기의 운전을 제어하는 LD 압축기 컨트롤러; 를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 연료가스 공급장치는, 상기 LD 압축기를 우회하여 증발가스를 이송시키기 위한 우회 라인에 설치되어 서지 현상을 방지하는 서지 제어 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 연료가스 공급장치는, 상기 공급 라인의 상기 LD 압축기 하류측에 설치되어, 상기 LD 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 보일러에 공급하기 전에 가열하여 온도를 상승시키기 위한 히터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 LD 압축기 컨트롤러는, 상기 FG 제어 밸브로부터 수신된 정보와, 상기 LD 압축기 저부하 컨트롤러로부터 수신된 정보에 근거하여 상기 LD 압축기의 운전상태를 제어하는 것이 바람직하다.

상기 LD 압축기 컨트롤러는, 상기 LD 압축기의 처리용량을 조절하여 상기 보일러에서 필요로 하는 양의 연료가스를 압축시켜 공급할 수 있도록, 상기 LD 압축기의 흡입 밸브 및 모터 속도를 제어하는 것이 바람직하다.

상기 LD 압축기 컨트롤러는, 상기 LD 압축기에서의 유량 및 압력 정보에 근거해서 상기 LD 압축기 저부하 컨트롤러에서 송신된 제어 신호를 수신하여, 상기 FG 제어 밸브의 개폐 정도가 조절되도록 제어하는 것이 바람직하다.

상기 서지 제어 밸브는, 상기 LD 압축기에서 유량 대비 압축비가 높아지는 운전 영역에서 발생할 수 있는 서지 현상을 억제할 수 있도록 LD 압축기 서지 컨트롤러에 의해 제어되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 액화가스를 저장하고 있는 탱크 내부에서 발생하는 증발가스를 연료가스로서 보일러에 공급하는 연료가스 공급방법으로서, 상기 증발가스로 인한 압력의 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 액화가스의 현열 증가분에 의해 탱크 외부로부터의 유입 열량을 흡수하는 고압 저장탱크에서 배출된 증발가스를 LD 압축기에 의해 압축시키는 단계와; 상기 LD 압축기로부터 수집된 유량 및 압력 정보를 근거로 하여, 상기 LD 압축기에서의 흡입 압력과 배출 압력의 압력비가 낮아짐에 따른 스톤 월 현상의 발생을 방지할 수 있도록, 상기 보일러에 공급되는 증발가스의 양을 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급방법이 제공된다.

상기 제어 단계는, 상기 LD 압축기의 처리용량을 조절하여 상기 보일러에서 필요로 하는 양의 연료가스를 압축시켜 공급할 수 있도록, 상기 LD 압축기의 흡입 밸브 및 모터 속도를 제어하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제어 단계는, 상기 보일러의 상류측에 설치되어 상기 LD 압축기에서 압축된 증발가스의 공급량을 조절하기 위한 FG 제어 밸브의 개폐 정도가 조절되도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 액화가스를 저장하고 있는 탱크 내부에서 발생하는 증발가스로 인한 압력의 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 액화가스의 현열 증가분에 의해 탱크 외부로부터의 유입 열량을 흡수하는 고압 저장탱크에서 배출된 증발가스를 연료가스로서 보일러에 공급하는 연료가스 공급장치에 구비되어, 증발가스를 압축시키기 위한 LD 압축기로부터 수집된 유량 및 압력 정보를 근거로 하여, 상기 LD 압축기에서의 흡입 압력과 배출 압력의 압력비가 낮아짐에 따른 스톤 월 현상의 발생을 방지할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 컨트롤러가 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, BOG의 배출을 억제하여 내부압력의 상승을 허용하는 저장탱크를 구비한 경우에, LD 압축기의 흡입 및 배출 압력과 유량 등의 정보를 근거로 LD 압축기의 운전 상태를 제어할 수 있는 연료가스 공급 제어장치 및 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 연료가스 공급 제어장치 및 방법에 의하면, BOG의 배출을 억제하여 내부압력의 상승을 허용하는 저장탱크로부터의 BOG를 전달받아 압축한 후 보일러에 공급하는 LD 압축기가 안정적으로 운전될 수 있게 된다. 또한, 스톤 월 현상을 방지하여 장비의 손상을 방지할 수 있게 된다.

본 명세서에서 부유식 해상 구조물이란, LNG와 같이 극저온 상태로 적재되는 액체 화물을 저장하는 저장탱크를 가지면서 해상에서 부유된 채 사용되는 구조물과 선박을 모두 포함하는 개념으로, 예를 들어 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 구조물뿐만 아니라 LNG RV(LNG Regasification Vessel)와 같은 선박을 모두 포함하는 것이다.

종래에는 LNG 운반선용 LNG 저장탱크 내의 압력을 일정 범위 내에서 유지하도록 함으로써 외부에서의 유입열이 대부분 증발 가스 발생에 기여하고 또한 이와 같이 발생한 증발가스 전부를 LNG 운반선에서 처리하는 반면, 본 발명에서는 부유식 해상 구조물에 설치된 LNG 저장탱크 내의 압력 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 LNG 및 천연가스(Natural Gas, 이하 NG라 함)의 현열 증가 분에 의해 대부분의 유입 열량이 흡수되므로 증발가스의 발생이 대폭 감소하게 된다. 예를 들어, LNG 저장탱크의 내부압력이 0.7 바가 되면 포화온도는 초기 0.06 바 대비 약 6℃ 상승한다.

단열벽이 형성된 LNG 저장탱크의 경우, 정상적으로 LNG를 적재했을 때 최초 내부압력이 0.06 바(게이지압) 정도이며 부유식 해상 구조물에 LNG가 저장된 기간이 길어질수록 증발가스가 발생하면서 내부의 압력이 점차 증가한다. 예를 들어, LNG 생산지에서 LNG를 적재한 후의 LNG 저장탱크의 내부압력은 0.06 바 정도가 되고, 부유식 해상 구조물이 약 15 ~ 20 일간 운항한 후 목적지에 도착하면 LNG 저장탱크의 내부의 압력이 대략 0.7 바까지 상승할 수 있다.

이를 온도와 관계하여 서술하면, 일반적으로 LNG에는 여러가지 불순물이 포함되어 순수한 메탄액체의 비점보다 더 낮은 것이 일반적이다. 순수한 메탄은 0.06 바에서 비점이 -161℃ 정도인데, 실제 LNG 저장탱크로 운반되는 LNG는 질소, 에탄 등의 불순물이 다소 포함되어 -163℃ 내외가 비점이 된다.

순수한 메탄을 기준으로 설명하면 LNG 선적 후에 0.06 바에서 탱크 내 LNG 온도는 -161℃ 내외가 되고, 이를 이송거리와 BOG 소비량을 고려하여 탱크 내의 증기압력을 0.25 바로 제어하면 LNG 온도는 -159℃ 내외, 탱크 내의 증기압력을 0.7 바로 제어하면 LNG 온도는 -155℃ 내외, 탱크 내의 증기압력을 2 바로 제어하면 LNG 온도는 -146℃ 내외까지 상승하게 된다.

본 발명의 LNG 저장탱크는 단열벽을 구비하면서 이러한 증발가스의 발생에 의한 압력 상승을 고려하여 설계된 것으로서, 증발가스의 발생에 의한 압력 상승분을 견딜 수 있는 강도를 가지도록 설계된 것이다. 따라서, 부유식 해상 구조물에서의 LNG 저장기간 동안에 LNG 저장탱크의 내부에서 발생된 증발가스는 그대로 LNG 저장탱크 내에 축적된다.

예를 들어, 본 발명에 따른 LNG 저장탱크는, 바람직하게는 단열벽을 구비하 면서 0.25 초과 내지 2 바(게이지압)의 압력을 견딜 수 있도록 설계되고, 더 바람직하게는 0.6 내지 1.5 바(게이지압)의 압력을 견딜 수 있도록 설계된다. LNG의 저장기간과 현재의 IGC Code를 고려하면 0.25 바 초과 내지 0.7 바의 압력, 특히 0.7 바 내외의 압력에 견디도록 설계되는 것이 바람직하다. 다만, 압력이 너무 낮으면 LNG 저장기간이 너무 짧아지므로 바람직하지 않고, 너무 높으면 탱크의 제조가 용이하지 않는 문제점이 있다.

또한, 이러한 본 발명에 따른 LNG 저장탱크는 최초 설계시 두께를 두껍게 설계하든지 또는 기존의 일반 LNG 운반선용 LNG 저장탱크에 구조상 큰 변화를 주지 않고 단지 보강재를 추가하여 적절한 보강을 하는 것만으로도 충분히 실현 가능하므로 제작 비용면에서 경제적이다.

종래의 LNG 저장탱크는 대부분 0.25 바 이하의 압력에 견디도록 설계되어 있으며, 내부압력이 0.2 바 이하, 예컨대 0.1 바가 되도록 증발가스를 추진 연료로 소모하거나 재액화하다가 그 이상의 압력에 도달하면 증발가스의 일부 또는 전부를 가스 연소기로 태워버린다. 또한, LNG 저장탱크에는 안전밸브가 설치되어 상기의 제어에 실패할 경우에는 안전밸브(보통 개폐 압력이 0.25 바)를 통해 LNG 저장탱크의 외부로 배출한 후 플레어에 의해 외기로 방출한다.

이에 반해 본 발명에서는 LNG 저장탱크에서 상부에 설치되는 안전밸브의 개방 압력을 대략 0.7 바 내외로 설정할 수 있다.

LNG 저장탱크에서의 증발가스의 발생은 탱크 내 압력 상승과 직결되므로, 압력을 천천히 상승시키기 위해서는 증발 가스의 발생량을 줄이는 것이 특히 유용하 다.

또한, LNG를 생산하는 생산 터미널에서 LNG를 과냉 상태로 하여 LNG 저장탱크에 선적한다면, 운송 중 발생하는 증발가스(압력 상승)를 더욱 줄일 수 있다. 생산 터미널에서 LNG를 과냉 상태로 적재한 직후에는 LNG 저장탱크의 압력이 부압(0 바 이하)으로 될 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 질소를 충전할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료가스 공급 컨트롤러, 그리고 상기 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법을, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서는, 종래의 저장탱크 내부압력 최고 한계치가 대략 0.25바 정도인 것에 비해, 최고 내부압력을 0.25바 이상의 고압, 예컨대 0.7바로 유지할 수 있도록 밀봉벽과 단열벽을 갖춘 멤브레인형 탱크를 보강하여 사용하며, 이와 같이 내부압력이 고압인 본 발명의 저장탱크를 종래의 일반적인 저장탱크와 구별하기 위해 '고압 저장탱크'라고 표현한다.

도 3에는 본 발명에 따른 연료가스 공급 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치의 개략 구성도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료가스 공급 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치는, 종래에 비해 내부 압력이 고압인 상태로 유지되는 고압 저장탱크에서 발생한 BOG를 LD 압축기(Low Duty Compressor)(1)를 통해 압축하여 보일러에 공급하기 위한 공급 라인(L1)과, 서지(surge) 현상을 방지할 수 있도록 LD 압축기(1)를 우회하여 BOG를 이송시키기 위 한 우회 라인(L2)을 포함한다.

공급 라인(L1)의 LD 압축기(1) 하류측에는 압축된 BOG를 보일러에 공급하기 전에 가열하여 온도를 상승시키기 위한 히터(2)가 설치될 수 있다. 또한, 공급 라인(L1)의 보일러 상류측에는 보일러에 공급되는 연료가스, 즉 BOG의 양을 최종적으로 조절할 수 있는 FG 제어 밸브(Fuel Gas Control Valve)(3)가 설치될 수 있다.

우회 라인(L2)에는 서지 현상을 방지하기 위한 서지 제어 밸브(Surge Control Valve)(4)가 설치될 수 있다.

한편, 연료가스 공급장치는, FG 제어 밸브(3)의 개폐를 제어하기 위한 보일러 컨트롤러(Boiler Automatic Combustion Controller)(11)와, 이 보일러 컨트롤러(11)에 의한 FG 제어 밸브(3)의 개폐 상태 정보를 전달받아 LD 압축기(1)의 운전을 제어하는 LD 압축기 컨트롤러(LD Compressor Capacity Controller)(12)를 더 포함한다.

보일러 컨트롤러(11)는, 보일러에서 필요로 하는 양의 연료가스가 보일러에 공급될 수 있도록 FG 제어 밸브(3)를 개폐 조절한다. LD 압축기 컨트롤러(12)는, LD 압축기(1)의 처리용량을 조절하여 보일러에서 필요로 하는 양의 연료가스를 압축시켜 공급할 수 있도록, LD 압축기(1)의 흡입 밸브(IGV)(5) 및 모터(6)를 제어한다.

특히, 본 발명에 따르면, LD 압축기 컨트롤러(12)는, FG 제어 밸브(3)로부터의 정보를 수신할 뿐만 아니라, LD 압축기 저부하 컨트롤러(LD Compressor Low Load Controller)(13)로부터의 정보를 수신하여 LD 압축기(1)의 운전상태를 제어한 다.

연료가스 공급 컨트롤러로서의 LD 압축기 저부하 컨트롤러(13)는, LD 압축기(1)로부터 수집된 유량, 흡입 압력, 배출 압력 등의 정보를 근거로 하여, 저장탱크의 내부압력이 고압인 경우 LD 압축기(1)에서의 흡입 압력과 배출 압력의 압력비가 낮아짐에 따라 스톤 월(stone wall) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 LD 압축기 컨트롤러(12)에 제어 신호를 송신한다.

본 발명의 연료가스 공급 컨트롤러, 즉, LD 압축기 저부하 컨트롤러(13)를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법에 의하여 서지 현상은 물론 스톤 월 현상을 억제하고 안정적인 LD 압축기의 운전이 가능하게 된 것은, 도 4의 본 발명에 따른 연료가스 공급 컨트롤러에 의한 스톤 월 발생의 억제효과를 설명하기 위한 그래프를 통하여 확인할 수 있다.

본 발명에 따르면, LD 압축기 저부하 컨트롤러(13)에서 LD 압축기 컨트롤러(13)에 송신된 제어 신호로 인하여, FG 제어 밸브(3)의 개폐 정도가 조절되도록 구성될 수 있다.

한편, 우회 라인(L2)에 설치된 서지 제어 밸브(4)는, LD 압축기 서지 컨트롤러(LD Compressor Surge Controller)(14)에 의해 제어될 수 있다. LD 압축기 서지 컨트롤러(14)는, LD 압축기(1)에서 유량 대비 압축비가 높아지는 운전 영역에서 발생할 수 있는 서지(surge) 현상을 억제할 수 있도록 서지 제어 밸브(4)를 제어한다.

이와 같이, 본 발명의 연료가스 공급 제어장치 및 방법에 의하면, BOG의 배 출을 억제하여 내부압력의 상승을 허용하는 고압 저장탱크로부터의 BOG를 전달받아 압축한 후 보일러에 공급하는 LD 압축기에서의 스톤 월 현상을 방지하여 장비의 손상을 방지할 수 있게 되며, 안정적인 연료가스의 공급으로 전체 시스템의 신뢰도가 향상될 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 연료가스 공급 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치 및 공급방법을, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 연료가스 공급장치의 일례를 개략적으로 설명하기 위한 개략 구성도,

도 2는 내부 압력이 고압인 저장탱크를 구비한 경우에 스톤 월의 발생을 설명하기 위한 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 연료가스 공급 컨트롤러를 갖춘 연료가스 공급장치의 개략 구성도, 그리고

도 4는 본 발명에 따른 연료가스 공급 컨트롤러에 의한 스톤 월 발생의 억제효과를 설명하기 위한 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : LD 압축기(Low Duty Compressor) 2 : 히터

3 : FG 제어 밸브(Fuel Gas Control Valve)

4 : 서지 제어 밸브(Surge Control Valve)

5 : 흡입 밸브 6 : 모터

11 : 보일러 컨트롤러(Boiler Automatic Combustion Controller)

12 : LD 압축기 컨트롤러(LD Compressor Capacity Controller)

13 : LD 압축기 저부하 컨트롤러(LD Compressor Low Load Controller)

14 : LD 압축기 서지 컨트롤러(LD Compressor Surge Controller)

L1 : 공급 라인 L2 : 우회 라인

Claims (12)

1. 액화가스를 저장하고 있는 탱크 내부에서 발생하는 증발가스를 연료가스로서 보일러에 공급하는 연료가스 공급장치로서,

   상기 증발가스로 인한 압력의 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 액화가스의 현열 증가분에 의해 탱크 외부로부터의 유입 열량을 흡수하는 고압 저장탱크와;

   상기 고압 저장탱크로부터 배출된 증발가스를 압축시키기 위한 LD 압축기와;

   상기 LD 압축기로부터 수집된 유량, 흡입압력 및 배출압력 정보를 근거로 하여, 상기 증발가스로 인한 압력의 상승을 허용함으로써 상기 고압 저장탱크의 내부압력이 상승하였을 때 상기 LD 압축기에서의 흡입 압력과 배출 압력의 압력비가 낮아짐에 따른 스톤 월 현상의 발생을 방지할 수 있도록 제어 신호를 송신하는 LD 압축기 저부하 컨트롤러와;

   상기 보일러의 상류측에 설치되어 상기 LD 압축기에서 압축된 증발가스의 공급량을 조절하기 위한 FG 제어 밸브와;

   상기 FG 제어 밸브의 개폐를 제어하기 위한 보일러 컨트롤러와;

   상기 보일러 컨트롤러에 의한 상기 FG 제어 밸브의 개폐 상태 정보를 전달받아 상기 LD 압축기의 운전을 제어하는 LD 압축기 컨트롤러;

   를 포함하며,

   상기 LD 압축기 컨트롤러는, 상기 FG 제어 밸브로부터 수신된 정보와, 상기 LD 압축기 저부하 컨트롤러로부터 수신된 정보에 근거하여 상기 LD 압축기의 운전상태를 제어하며,

   상기 LD 압축기 컨트롤러는, 상기 LD 압축기 저부하 컨트롤러에서 송신된 제어 신호를 수신하여, 상기 FG 제어 밸브의 개폐 정도가 조절되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 LD 압축기를 우회하여 증발가스를 이송시키기 위한 우회 라인에 설치되어 서지 현상을 방지하는 서지 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 LD 압축기 하류측에 설치되어, 상기 LD 압축기에서 압축된 증발가스를 상기 보일러에 공급하기 전에 가열하여 온도를 상승시키기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 LD 압축기 컨트롤러는, 상기 LD 압축기의 처리용량을 조절하여 상기 보일러에서 필요로 하는 양의 연료가스를 압축시켜 공급할 수 있도록, 상기 LD 압축기의 흡입 밸브 및 모터 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치.
7. 삭제
8. 청구항 3에 있어서,

   상기 서지 제어 밸브는, 상기 LD 압축기에서 유량 대비 압축비가 높아지는 운전 영역에서 발생할 수 있는 서지 현상을 억제할 수 있도록 LD 압축기 서지 컨트롤러에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급장치.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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