KR102239826B1 - 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물 및 방법 - Google Patents

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Abstract

해상 천연가스 액화 및 저장 구조물 및 방법이 개시된다. 본 발명의 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물은, 천연가스 액화 및 저장 구조물에 있어서, 천연가스의 액화공정 장치부가 마련된 LNG 운반선으로, 육상에 근접한 해상에 정박되어, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 천연가스를 상기 LNG 운반선으로 이송하여, 상기 천연가스를 상기 LNG 운반선에서 액화하여 상기 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 저장하는 것을 특징으로 한다.

Description

해상 천연가스 액화 및 저장 구조물 및 방법{Offshore Natural Gas Liquefaction And Storage Method, And Stucture Using The Same}
본 발명은 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물 및 방법에 있어서, 더욱 상세하게는 천연가스의 액화공정 장치부가 마련된 LNG 운반선을 육상에 근접한 해상에 정박시켜, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 천연가스를 LNG 운반선으로 이송하고 액화시켜 이를 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 저장하도록 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물 및 방법에 관한 것이다.
천연가스(natural gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하고, 소량의 에탄(ethane), 프로판(propane) 등을 포함하는 화석연료로서, 최근 다양한 기술 분야에서 저공해 에너지원으로서 각광받고 있다.
천연가스는, 가스 상태로 운반되기도 하고, 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반되기도 한다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온(대략 -163℃이하)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
최근에는 육지에 매립된 에너지의 고갈에 따라, 다양한 해양 자원 개발이 활발해지고 있는데, 해상에서 원유나 천연가스를 채굴하기 위한 유정 및 가스정 확보 및 개발도 각국에서 앞다퉈 이루어지고 있다.
그에 따라 해상에서 원유나 LNG를 생산하기 위한 설비로써 Oil-FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading), LNG FPSO나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물도 많이 개발되어 있다. 그 중 LNG FPSO는 해상에 부유하며 천연가스를 액화하여 저장하고 하역할 수 있는 해상 구조물이다. LNG FPSO 건조를 위해서는 선체를 제작하고, LNG 저장탱크와, 탑사이드에 액화공정을 위한 장치들을 설치하기 위해 많은 비용과 시간이 소요된다.
한편, LNG 운반선은, 액화천연가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 액화천연가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화천연가스의 극저온에 견딜 수 있는 LNG 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)와, LNG 수송 중 발생하는 BOG를 연소시키거나 압축하여 연료로 공급하는 등의 방법으로 처리할 수 있는 장치들이 마련되어 있다.
일반적으로 선박의 가동연한은 20년 내외인데, 가동연한이 지난 선박은 해체하여 폐기하게 되며, LNG 운반선의 경우도 마찬가지이다.
노후한 LNG 운반선은 선박으로서의 운항에는 적합하지 않을 수 있으나, LNG 운반선에 마련된 LNG 저장탱크나, 여러 장치는 여전히 사용가능한 상태일 수 있다.
이를 해체하여 폐기하는 것은 자원의 낭비를 초래할 수 있고, 규모가 큰 LNG 운반선은 해체 비용도 많이 소요된다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하여 노후한 LNG 운반선을 활용하여 LNG FPSO와 같이 가동시킬 수 있는 구조물을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스 액화 및 저장 구조물에 있어서,
천연가스의 액화공정 장치부가 마련된 LNG 운반선으로,
육상에 근접한 해상에 정박되어, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 천연가스를 상기 LNG 운반선으로 이송하여, 상기 천연가스를 상기 LNG 운반선에서 액화하여 상기 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 저장하는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물이 제공된다.
바람직하게는, 상기 LNG 운반선에는 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)의 냉열을 이용하여 상기 천연가스를 액화시키는 액화공정 장치부가 마련될 수 있다.
바람직하게는 상기 액화공정 장치부는, 상기 육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급받은 천연가스가 상기 LNG 저장탱크로부터 발생하는 BOG와 열교환으로 냉각되는 전냉각기와, 상기 전냉각기에서 냉각된 상기 천연가스가 냉매와의 열교환으로 액화되는 열교환기와, 상기 열교환기에 냉열을 공급하도록 상기 냉매가 순환되는 냉매 순환 라인을 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 냉매 순환 라인에는, 상기 열교환기에서 상기 천연가스와 열교환된 상기 냉매가 압축되는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 상기 냉매가 냉각되는 냉각부와, 상기 냉각부에서 냉각된 상기 냉매가 단열팽창되는 팽창기가 마련되어, 상기 팽창기에서 단열팽창된 상기 냉매가 상기 열교환기에서 상기 천연가스와 열교환될 수 있다.
바람직하게는, 상기 LNG 저장탱크로부터 상기 전냉각기로 BOG를 공급하는 BOG 공급 라인과, 열교환기에서 상기 천연가스와 열교환된 상기 BOG를 공급받아 압축하는 BOG 압축부와, 상기 BOG 공급 라인에서 분기되어 상기 냉각부로 상기 냉매를 냉각하도록 BOG를 공급하는 분기 라인과, 상기 BOG가 상기 전냉각기 및 냉각부를 거치지 않고 상기 BOG 압축부로 공급되도록 상기 전냉각기의 상류에서 상기 BOG 압축부의 전단으로 연결되는 바이패스 라인이 마련되고, 상기 BOG 압축부에서 압축된 상기 BOG는, 상기 육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급되는 천연가스에 합류되어 상기 전냉각기로 도입되고 액화될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환기에서 액화된 LNG는 상기 LNG 운반선의 좌현 또는 우현 중 일 측 상부에 마련된 제1 매니폴드에 의해 상기 LNG 저장탱크로 저장될 수 있다.
바람직하게는, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG는 상기 LNG 운반선의 좌현 또는 우현 중 타측 상부에 마련된 제2 매니폴드에 의해 상기 LNG 운반선의 외부로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 LNG 운반선이 정박된 해상에 근접한 육상에는, 상기 구조물의 액화 및 저장 공정의 제어를 포함하여 상기 구조물을 제어하는 제어 유닛이 마련될 수 있다.
바람직하게는, 상기 LNG 운반선에서는 거주구(accommodation), 펀넬(funnel) 및 추진용 엔진룸은 제거되고,
상기 LNG 운반선에 기설치된 불활성 가스 생성장치(Inert Gas Generator)로 불활성 가스를 생성하여 상기 LNG 저장탱크의 불활성화(inerting)를 위해 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 천연가스 액화 및 저장 방법에 있어서,
LNG 운반선에 천연가스의 액화공정 장치부를 마련하여 육상에 근접한 해상에 정박시키고,
육상 또는 해상의 가스전으로부터 천연가스를 상기 LNG 운반선으로 이송하여, 상기 천연가스를 상기 LNG 운반선에서 액화하여 상기 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 저장하고,
상기 액화공정 장치부에서는 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)의 냉열을 이용하여 상기 천연가스를 액화하는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 방법이 제공된다.
본 발명에서는 천연가스의 액화공정 장치부가 마련된 LNG 운반선을 육상에 근접한 해상에 정박시켜, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 천연가스를 LNG 운반선으로 이송하고 액화시켜 이를 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 저장하도록 한다.
이와 같이 노후한 LNG 운반선을 개조하여, 천연가스를 액화하여 저장할 수 있는 LNG FPSO와 같은 구조물을 단시간 내에 가동시킬 수 있으며, 비용 면에서도 매우 경제적이다. 또한 노후 선박을 활용함으로써 자원 낭비를 막을 수 있고, 선박 해체에 따른 비용도 절감할 수 있다.
또한 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG의 냉열을 천연가스 액화에 활용하도록 함으로써 액화 사이클의 효율을 향상시킬 수 있고, 저장탱크에서 발생하는 BOG도 액화시킬 수 있어 GCU 등에서 연소시켜 낭비되는 에너지도 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물의 개념을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 구조물에서 액화공정 장치부를 보다 세부적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물의 개념을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물은 천연가스를 액화하여 저장할 수 있는 구조물로써, 천연가스의 액화공정 장치부(LU)를 LNG 운반선(S)에 마련하여, 육상에 근접한 해상에 정박시켜, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 파이프라인을 통해 천연가스를 LNG 운반선(S)으로 이송한 후, 이를 LNG 운반선(S)의 액화공정 장치부(LU)에서 액화하고 LNG 운반선(S)의 LNG 저장탱크(T)에 저장할 수 있도록 한 구조물이다.
액화공정 장치부(LU)는 LNG 운반선(S)의 재액화 장치를 활용할 수도 있고, 추가로 액화공정 장치부를 마련할 수도 있다.
도 2에는 그 중 액화공정 장치부(LU)의 일 예를 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이 LNG 운반선(S)에 마련된 액화공정 장치부(LU)는 LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)의 냉열을 천연가스 액화에 이용할 수 있는데, 액화공정 장치부(LU)는, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급받은 천연가스가 LNG 저장탱크(T)로부터 발생하는 BOG와 열교환으로 냉각되는 전냉각기(200)와, 전냉각기(200)에서 냉각된 천연가스가 냉매와의 열교환으로 액화되는 열교환기(300)와, 열교환기(300)에 냉열을 공급하도록 냉매가 순환되는 냉매 순환 라인(CL)을 포함할 수 있다.
육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급된 천연가스는, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 -130 내지 -120 ℃의 BOG와 전냉각기(200)에서 열교환을 통해 냉각되고, 다시 냉매 순환 라인(CL)을 순환하는 냉매로부터 열교환기(300)에서 냉열을 공급받아 LNG로 액화될 수 있다.
본 실시예의 구조물에는 LNG 저장탱크(T)로부터 전냉각기(200)로 BOG를 공급하는 BOG 공급 라인(BL)과, 열교환기(300)에서 상기 천연가스와 열교환된 상기 BOG를 공급받아 압축하는 BOG 압축부(100)가 마련되고, BOG 공급 라인(BL)에서는 냉매 순환 라인(CL)의 냉각부(500)로 냉매를 냉각하도록 BOG를 공급하는 분기 라인(BLa)과, BOG가 전냉각기(200) 및 냉각부(500)를 거치지 않고 BOG 압축부(100)로 공급되도록 전냉각기(200)의 상류에서 BOG 압축부(100)의 전단으로 연결되는 바이패스 라인(BLb)이 분기되어 마련된다.
BOG 압축부(100)에서 압축된 BOG는, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급되는 천연가스에 합류되어 전냉각기(200)로 도입되고 액화될 수 있다.
이와 같이 BOG 공급 라인(BL)과, 그로부터 분기되는 분기 라인(BLa) 및 바이패스 라인(BLb)이 마련됨으로써, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG는 천연가스의 전냉각, 냉매의 냉각, 또는 바로 압축 후 액화되는 공정으로 선택하여 공급될 수 있다.
이를 위해 BOG 공급 라인(BL)과, 분기 라인(BLa) 및 바이패스 라인(BLb)에는 각각의 라인들을 차단할 수 있도록 차단 밸브(isolated valve)들(미도시)이 마련될 수 있다.
BOG 압축부(100)는, 일반적으로 LNG 운반선에서는 LNG 저장탱크에 저장된 LNG에서 발생하는 BOG를 GCU, 연료공급 또는 액화 등으로 처리하기 위해 BOG를 압축하여 이송하는 컴프레서가 설치되는데, 이러한 컴프레서와 LNG 저장탱크로부터 컴프레서로 BOG를 공급하는 라인을 활용할 수 있다.
한편 냉매 순환 라인(CL)에는, 열교환기(300)에서 천연가스와 열교환된 냉매가 압축되는 압축기(400)와, 압축기(400)에서 압축된 냉매가 냉각되는 냉각부(500, 550)와, 냉각부(500, 550)에서 냉각된 냉매가 단열팽창되는 팽창기(600)가 마련되어, 팽창기(600)에서 단열팽창된 냉매가 열교환기(300)에서 천연가스와 열교환될 수 있다.
냉매 순환 라인(CL)의 냉각부는 분기 라인(BLa)을 통해 공급되는 BOG로부터 냉열을 공급받는 냉매 쿨러(500)를 포함하며, 추가로 전기 냉각기(550) 등이 함께 마련될 수 있다.
압축기(400)에서 압축된 후 냉각부(500, 550)에서 냉각된 냉매는, 팽창기(600)에서 단열팽창을 통해 저압 저온으로 되어 열교환기(300)로 공급된다.
팽창기(600)로는 expander나 줄-톰슨 밸브(J-T valve) 등이 적용될 수 있다.
한편, 열교환기(300)에서 액화된 LNG는 LNG 운반선(S)의 좌현 또는 우현 중 일 측 상부에 마련된 제1 매니폴드(ML)에 의해 LNG 저장탱크(T)로 저장될 수 있고, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG는 LNG 운반선(S)의 좌현 또는 우현 중 타측 상부에 마련된 제2 매니폴드(MU)에 의해 LNG 운반선(S)의 외부로 공급될 수 있다.
LNG 운반선(S)에는 LNG 저장탱크(T)로의 LNG 선적 및 하역을 위해 선체의 좌, 우현에 각각 매니폴드가 구비되어 있는데, 본 실시예에서는 노후한 LNG 운반선(S)에 기설치된 매니폴드를 활용하게 된다.
액화공정 장치부(LU)의 열교환기(300) 하류로부터 LNG 파이프 라인(미도시)을, 기존 LNG 운반선(S)에 LNG 선적용으로 마련되어 있던 제1 매니폴드(ML)로 연결하여 LNG 저장탱크(T)로 액화된 LNG를 저장하게 된다.
또한 LNG 저장탱크(T)로부터 선외로 LNG를 하역하기 위해 마련되어 있던 제2 매니폴드(MU)를 통해, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG를 다른 LNG 운반선(미도시)이나 선박, 육상 등으로 공급할 수 있다.
한편, 구조물의 액화 및 저장 공정의 제어를 포함하여 구조물을 제어하는 제어 유닛(C)은 LNG 운반선(S)이 정박된 해상에 근접한 육상에 마련될 수 있다. 제어 유닛(C)을 해상의 LNG 운반선(S)에서 분리하여 육상에 배치함으로써, 선체에서의 폭발 위험 등으로부터 이격시킬 수 있다.
LNG 운반선(S)은 근해에 정박 또는 계류 상태로 가동되므로 추진 시스템이 필요치 않고, 따라서 LNG 운반선(S)에 기설치되었던 거주구(accommodation), 펀넬(funnel) 및 추진용 엔진룸 등은 제거한다. 다만 LNG 운반선(S)에 설치되었던 발전용 엔진 등의 엔진은 계속 가동시키면서 액화 및 저장 구조물로 활용시에 필요한 전력을 공급하도록 할 수 있다. 근해에 설치되므로 육상으로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
LNG 운반선(S)에는 기설치된 불활성 가스 생성장치(Inert Gas Generator, IGG)로 불활성 가스를 생성하여 LNG 저장탱크(T)의 최초 가동시나 유지 보수 이후의 불활성화(inerting)를 위해 공급할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예는 노후한 LNG 운반선(S)을 개조하여, 천연가스를 액화하여 저장할 수 있는 LNG FPSO와 같은 구조물을 단시간 내에 근해에 가동시킬 수 있으며, 비용 면에서도 매우 경제적이다.
또한 노후 선박을 활용함으로써 선박 해체에 따른 비용을 절감하고, 기설치된 탱크와 각종 장치들을 이용함으로써 자원 낭비를 막을 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S: LNG 운반선
T: LNG 저장탱크
C: 제어 유닛
LU: 액화공정 장치부
ML: 제1 매니폴드
MU: 제2 매니폴드
CL: 냉매 순환 라인
100: BOG 압축부
200: 전냉각기
300: 열교환기
400: 압축기
500, 550: 냉각부
600: 팽창기
BL: BOG 공급 라인
BLa: 분기 라인
BLb: 바이패스 라인

Claims (10)

  1. 천연가스 액화 및 저장 구조물에 있어서,
    천연가스의 액화공정 장치부가 마련된 LNG 운반선으로,
    육상에 근접한 해상에 정박되어, 육상 또는 해상의 가스전으로부터 천연가스를 상기 LNG 운반선으로 이송하여, 상기 천연가스를 상기 LNG 운반선에서 액화하여 상기 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 저장하되,
    상기 LNG 운반선에 마련되는 액화공정 장치부는, 상기 육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급받은 천연가스가 상기 LNG 저장탱크로부터 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)와 열교환으로 냉각되는 전냉각기; 상기 전냉각기에서 냉각된 상기 천연가스가 냉매와의 열교환으로 액화되는 열교환기; 및 상기 열교환기에 냉열을 공급하도록 상기 냉매가 순환되는 냉매 순환 라인을 포함하여, 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG의 냉열을 이용하여 상기 천연가스를 액화시키는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 냉매 순환 라인에는
    상기 열교환기에서 상기 천연가스와 열교환된 상기 냉매가 압축되는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 상기 냉매가 냉각되는 냉각부; 및
    상기 냉각부에서 냉각된 상기 냉매가 단열팽창되는 팽창기가 마련되어,
    상기 팽창기에서 단열팽창된 상기 냉매가 상기 열교환기에서 상기 천연가스와 열교환되는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 LNG 저장탱크로부터 상기 전냉각기로 BOG를 공급하는 BOG 공급 라인;
    열교환기에서 상기 천연가스와 열교환된 상기 BOG를 공급받아 압축하는 BOG 압축부;
    상기 BOG 공급 라인에서 분기되어 상기 냉각부로 상기 냉매를 냉각하도록 BOG를 공급하는 분기 라인; 및
    상기 BOG가 상기 전냉각기 및 냉각부를 거치지 않고 상기 BOG 압축부로 공급되도록 상기 전냉각기의 상류에서 상기 BOG 압축부의 전단으로 연결되는 바이패스 라인이 마련되고,
    상기 BOG 압축부에서 압축된 상기 BOG는, 상기 육상 또는 해상의 가스전으로부터 공급되는 천연가스에 합류되어 상기 전냉각기로 도입되고 액화되는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환기에서 액화된 LNG는 상기 LNG 운반선의 좌현 또는 우현 중 일 측 상부에 마련된 제1 매니폴드에 의해 상기 LNG 저장탱크로 저장되는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG는 상기 LNG 운반선의 좌현 또는 우현 중 타측 상부에 마련된 제2 매니폴드에 의해 상기 LNG 운반선의 외부로 공급되는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 LNG 운반선이 정박된 해상에 근접한 육상에는, 상기 구조물의 액화 및 저장 공정의 제어를 포함하여 상기 구조물을 제어하는 제어 유닛이 마련되는 것을 특징을 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 LNG 운반선에서는 거주구(accommodation), 펀넬(funnel) 및 추진용 엔진룸은 제거되고,
    상기 LNG 운반선에 기설치된 불활성 가스 생성장치(Inert Gas Generator)로 불활성 가스를 생성하여 상기 LNG 저장탱크의 불활성화(inerting)를 위해 공급하는 것을 특징으로 하는 해상 천연가스 액화 및 저장 구조물.
  10. 삭제
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