KR102585812B1 - 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법 - Google Patents

카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템은 카고 컴프레서룸 내부에 위치하며 저장 탱크로부터 발생한 증발 가스를 이송하는 가스 배관, 상기 가스 배관에 설치되며 상기 증발 가스의 유량을 조절하는 마스터 가스 밸브, 상기 증발 가스를 고압 가스 분사 엔진이 요구하는 압력의 연료 가스로 만드는 가스 밸브 트레인, 그리고 상기 마스터 가스 밸브와 상기 가스 밸브 트레인 사이에 위치하는 체크 밸브를 포함한다.

Description

카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법{METHOD FOR PREVENTING EXPLOSION FUEL GAS SUPPLY SYSTEM OF CARGO COMPRESSOR ROOM}
본 발명은 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템 및 그 방폭 방법에 관한 것이다.
액화 천연 가스 운반선(LNG Carrier)의 저장 탱크(Cargo Tank)에 저장되어 운반되는 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 -163도 이하의 초 저온 상태에서 압력을 일정하게 유지하는 경우, 외부에서 들어오는 열 또는 액체의 유동에 의해 열을 흡수하여 비등하게 되어 증발 가스(Boil Off Gas, BOG)를 생성한다.
이러한 증발 가스에 대한 가공 및 공급을 위한 일련의 장치들은 카고 컴프레서룸(Cargo Compressor Room)에 통합하여 설치된다.
터빈(TUBINE) 엔진을 포함하는 액화 천연 가스 운반선, 이중 연료 디젤-전기 (Dual　Fuel　Diesel　Electric, DFDE) 엔진을 포함하는 액화 천연 가스 운반선은 주 엔진의 연료로 액화 천연 가스를 사용하지 않으므로, 카고 컴프레서룸 내부에 고압 장치들이 필요하지 않다. 그러나, ME-GI(M-type, Electronically Controlled, Gas Injection) 엔진을 포함하는 액화 천연 가스 운반선에서는 저장 탱크에서 발생한 증발 가스를 300 Bar 이상의 고압으로 공급하기 위한 연료 가스 공급 시스템이 필요하다.
즉, ME-GI를 포함하는 액화 천연 가스 운반선의 카고 컴프레서룸의 내부에는 증발 가스를 고압으로 만들어 처리하는 장치인 고압의 컴프레서나, 액화 천연 가스를 고압으로 펌핑하는 펌프와 강제 기화기 등의 고압관련 장치가 설치된다. 그리고, 액화 천연 가스 운반선의 카고 컴프레서룸 내부에는 증발 가스를 고압의 연료 가스로 만들어 이송시키기 위한 배관(Pipe), 플렌지(Flange), 밸브(Valve), 그리고 지지대(Support) 등을 포함하는 연료 가스 공급 시스템이 설치된다.
카고 컴프레서룸 내부에 설치되는 연료 가스 공급 시스템은 계통도(Schematic Diagram)를 작성하고, 이에 대한 상세 도면을 작성하게 된다. 그러나, 이 경우 가스 누설(Gas Leakage)에 의한 폭발 하중을 고려하지 않는 문제점이 있다. 예컨대, 마스터 가스 밸브와 가스 밸브 트레인 사이에 가스가 잔류하는 경우에 예상치 못한 가스 누설에 대한 대응 방안이 준비되지 않아 가스 누설에 의한 대형 사고가 발생할 수 있다.
본 발명에서는 폭발 해석을 통해 최소의 비용으로 가스 누설에 의한 폭발 위험을 방지할 수 있는 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템 및 그 방폭 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템은 카고 컴프레서룸(40) 내부에 위치하며 저장 탱크로부터 발생한 증발 가스를 이송하는 가스 배관(100), 상기 가스 배관(100)에 설치되며 상기 증발 가스의 유량을 조절하는 마스터 가스 밸브(200), 상기 증발 가스를 고압 가스 분사 엔진(30)이 요구하는 압력의 연료 가스로 만드는 가스 밸브 트레인(300), 그리고 상기 마스터 가스 밸브(200)와 상기 가스 밸브 트레인(300) 사이에 위치하는 체크 밸브(400)를 포함한다.
이로써, 상기 카고 컴프레서룸(40) 내부의 폭발 과압 하중은 1.2 barg이고, 상기 카고 컴프레서룸(40) 외부의 폭발 과압 하중은 1.06 barg으로 산정했다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭방법은 카고 컴프레서룸(40)의 폭발 위험을 분석하는 단계, 그리고 상기 분석 결과를 기초로 하여 저장 탱크로부터 발생한 증발 가스를 이송하는 가스 배관(100)에 설치하는 체크 밸브(400)의 설치 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 분석 결과를 기초로 하여 상기 카고 컴프레서룸(40) 내부에 설치되는 환풍기의 용량을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 카고 컴프레서룸(40)의 폭발 위험을 분석하는 단계는 폭발 시뮬레이션을 통해 상기 카고 컴프레서룸(40) 내부의 폭발 과압 하중 및 상기 카고 컴프레서룸(40) 외부의 폭발 과압 하중을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 마스터 가스 밸브와 가스 밸브 트레인 사이의 가스 배관에 체크 밸브를 설치함으로써, 마스터 가스 밸브와 가스 밸브 트레인 사이의 가스 배관에 증발 가스가 잔류하는 경우에도 폭발 위험을 방지할 수 있다.
또한, 폭발 시뮬레이션 등을 포함하는 폭발 위험 분석을 이용함으로써, 최소의 비용으로 방폭 방안을 마련할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템을 포함하는 액화 천연 가스 운반선의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템을 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법의 순서도이다.
도 4는 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법의 폭발 위험 분석을 위한 카고 컴프레서룸의 3차원 모델을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법의 폭발 위험 분석을 위한 가스 분산 시뮬레이션을 도시한 도면으로서, 도 5는 파셜 데크 아래로 가스 구름이 확장된 상태의 가스 분산 시뮬레이션을 도시한 도면이고, 도 6은 FG 컴프레서 근처로 가스 구름이 확장된 상태의 가스 분산 시뮬레이션을 도시한 도면이다.
도 7은 카고 컴프레서룸(40) 내부의 공기 흐름의 속도를 나타낸 도면이다.
도 8은 카고 컴프레서룸 내부의 가스 폭발로 파셜 데크 하부의 지지 기둥이 손상된 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 파셜 데크 하부의 지지 기둥에 대한 보강을 진행한 상태를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템을 포함하는 액화 천연 가스 운반선의 개략적인 측면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 액화 천연 가스 운반선(LNG Carrier)(1)은 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)가 저장되는 복수의 저장 탱크(Cargo Tank)(10)를 포함할 수 있다.
저장 탱크(10)에 저장된 액화 천연 가스는 상압에서 기화 온도인 대략 -163℃ 에서 저장되기 때문에 액화 천연 가스로 열이 전달되면 액체 상태인 액화 천연 가스가 기화되어 증발 가스(Boil Off Gas, BOG)를 발생시킨다.
한편, 액화 천연 가스 운반선의 선미부에는 엔진룸(20)이 마련되고, 엔진룸(20)에는 액화 천연 가스를 연료로 사용하는 고압 가스 분사 엔진(30)이 마련된다.
고압 가스 분사 엔진(30)은 액화 천연 가스를 연료로 사용하며, 그 부하에 따라 고압의 가스 공급 압력이 요구되는 ME-GI(M-type, Electronically Controlled, Gas Injection) 엔진일 수 있다. ME-GI 엔진은 액화 천연 가스를 45℃, 300 bar의 고온/고압으로 분사하여 연소시킬 수 있다.
저장 탱크(10)에서 발생된 증발 가스는 고압 가스 분사 엔진(30)으로 공급되어 고압 가스 분사 엔진(30)을 구동시키는 연료로 사용될 수 있다.
카고 컴프레서룸(cargo compressor room)(40)에는 저장 탱크로부터 자연 발생된 증발 가스를 재액화시키는 장치, 자연 발생된 증발 가스 또는 강제로 기화시킨 증발 가스를 고압 가스 분사 엔진(30)의 연료로 사용하기 알맞게 가공하고 공급하는 장치 등이 설치될 수 있다.
카고 컴프레서룸(40)은 액화 천연 가스 운반선의 추진기와 주기관 및 데크 하우스(Deck House)가 위치하는 선미 쪽에 배치되며, 특히 증발 가스의 발생 위치와 인접하게 저장 탱크의 상부에 배치되어 저장 탱크와 연결되는 각종 배관을 줄이고 관리가 용이하도록 하고 있다. 이러한 카고 컴프레서룸(40)의 내부에는 액화 천연 가스를 증발 가스로 기화시키는 기화기(Vaporizer), 기화기를 통해 강제적으로 생산되거나 혹은 저장 탱크 내부에서 자연 발생된 증발 가스의 온도를 고압 가스 분사 엔진(30)에서 요구 되는 적정 온도로 높이거나 낮추어 주는 히터(Heater)와 쿨러(Cooler), 증발 가스를 압축하여 고압 가스 분사 엔진(30)로 이송하여 주는 컴프레서(Compressor) 등의 장치들이 설치될 수 있다.
또한, 카고 컴프레서룸(40)에는 고압 가스 분사 엔진(30)으로 고압의 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 공급 시스템이 설치될 수 있다. 이하에서 도면을 참고로 하여 연료 가스 공급 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템을 설명한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템은 가스 배관(100), 마스터 가스 밸브(Master gas valve)(200), 가스 밸브 트레인(Gas valve train)(300), 그리고 체크 밸브(Check valve)(400)를 포함한다.
가스 배관(100)은 카고 컴프레서룸(40) 내부에 위치하며 저장 탱크(10)로부터 발생한 증발 가스를 이송할 수 있다.
마스터 가스 밸브(200)는 가스 배관(100)에 설치되며 증발 가스의 유량을 조절할 수 있다.
가스 밸브 트레인(300)은 증발 가스를 고압 가스 분사 엔진(30)이 요구하는 압력의 연료 가스로 만들 수 있다. 가스 밸브 트레인(300)은 150 내지 600 bar의 고압을 가지는 연료 가스를 만들 수 있다. 이러한 가스 밸브 트레인(300)은 카고 컴프레서룸(40) 내부에 위치할 수 있다.
체크 밸브(400)는 마스터 가스 밸브(200)와 가스 밸브 트레인(300) 사이의 가스 배관(100)에 위치할 수 있다. 체크 밸브(400)는 마스터 가스 밸브(200)에 인접하게 위치할 수 있다. 체크 밸브(400)의 최대 사용 압력은 300 bar일 수 있다. 따라서, 체크 밸브(400)는 증발 가스가 카고 컴프레서룸(40) 내부에서 서지(Serge)되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 카고 컴프레서룸(40) 내부의 폭발 과압 하중은 1E-4/년의 빈도를 기준으로 1.2 barg이고, 카고 컴프레서룸(40) 외부의 폭발 과압 하중은 1.06 barg일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법에 대해 이하에서 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법의 순서도이고, 도 4는 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법의 폭발 위험 분석을 위한 카고 컴프레서룸의 3차원 모델을 도시한 도면이다.
우선, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법은 카고 컴프레서룸(40)의 폭발 위험을 분석한다(S10). 즉, 의도치 않게 카고 컴프레서룸 내부의 장치 또는 가스 배관에서 방출되는 가스 구름이 발화되는 경우, 이에 의한 폭발 하중을 추정하여 폭발 위험을 정량적으로 확인하여 카고 컴프레서룸의 설계 하중의 치수를 통일하게 위해 카고 컴프레서룸의 폭발 위험을 분석한다.
카고 컴프레서룸(40) 내부의 누설 빈도는 주파수 분석을 통해 진행할 수 있다. 그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 카고 컴프레서룸(40)의 3차원 모델을 만든다. 이때, 3차원 모델에는 카고 컴프레서룸(40) 내부의 구조 부재, 가스 배관(100), 환풍기(500, 600), 압축기 등의 기계 장치 등을 포함할 수 있다.
그리고, 도 5에 도시한 바와 같이, 환기 및 가스 분산 시뮬레이션을 진행한다. 이때, 환기 시뮬레이션은 연료 가스의 일시적인 방출이 시작되기 전에 수행한다. 그리고, 가스 분산 시뮬레이션을 진행하여 각 누출 시나리오에 대해 가연성 가스 구름(2)의 크기와 위치를 확인한다.
그리고, 폭발 시뮬레이션을 진행한다. 다양한 가연성 가스 구름(2)의 크기, 위치, 점화 위치를 고려하여 다양한 폭발 시뮬레이션을 진행함으로써, 카고 컴프레서룸(40) 내부에서 폭발 과압 하중을 측정한다.
이와 같이, 폭발 시뮬레이션을 통해 카고 컴프레서룸(40) 내부의 폭발 과압 하중 및 카고 컴프레서룸(40) 외부의 폭발 과압 하중을 측정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법의 폭발 위험 분석을 위한 가스 분산 시뮬레이션을 도시한 도면으로서, 도 5는 파셜 데크 아래로 가스 구름이 확장된 상태의 가스 분산 시뮬레이션을 도시한 도면이고, 도 6은 FG 컴프레서 근처로 가스 구름이 확장된 상태의 가스 분산 시뮬레이션을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 파셜 데크(Partial Deck)(7) 하부와 FG 컴프레서(Compressor)(8) 근처로 가스 구름이 확장되어 가스 폭발이 발생할 가능성이 가장 큼을 확인할 수 있다.
다음으로, 분석 결과를 기초로 하여 저장 탱크(10)로부터 발생한 증발 가스를 이송하는 가스 배관(100)에 설치하는 체크 밸브(400)의 설치 위치를 결정한다(S20).
본 실시예에서는 마스터 가스 밸브(200)와 가스 밸브 트레인(300) 사이의 가스 배관(100)에 체크 밸브(400)를 설치하게 된다.
또한, 분석 결과를 기초로 하여 카고 컴프레서룸(40) 내부에 설치되는 환풍기(500, 600)의 용량을 결정한다(S30).
도 7은 카고 컴프레서룸 내부의 공기 흐름의 속도를 나타낸 도면이다. 도 7A, 7B, 7C, 그리고 7D는 카고 컴프레서룸의 두께에 따른 공기 흐름의 속도를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 가스의 순간적인 누설을 고려한 환풍(Ventilation) 조건을 확인할 수 있으며, 가스 누설 후 30초 후 폭발 상황을 예측할 수 있다. 따라서, 이를 고려하여 환풍기(500, 600)의 용량을 결정할 수 있다.
가스 누설에 의한 폭발 위험이 작은 경우에는 환풍기(500, 600)의 용량을 감소시킬 수 있다.
도 8은 카고 컴프레서룸 내부의 가스 폭발로 파셜 데크 하부의 지지 기둥이 손상된 상태를 도시한 도면이고, 도 9는 파셜 데크 하부의 지지 기둥에 대한 보강을 진행한 상태를 도시한 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 카고 컴프레서룸 내부의 폭발 가압 하중을 1.2로 하여 카고 컴프레서룸에 대한 구조 강도에 대한 평가를 실시할 수 있다. 이 경우, 파셜 데크 하부의 지지 기둥(Support Pillar)(5)이 손상된 부분(F)을 확인 할 수 있다. 따라서, 이러한 결과를 기초로 하여 도 9에 도시한 바와 같이, 파셜 데크 하부의 지지 기둥(5)에 대한 보강을 진행할 수 있다.
이와 같이, 폭발 시뮬레이션 등을 포함하는 폭발 위험 분석을 이용함으로써, 카고 컴프레서룸(40) 내부의 폭발 과압 하중 및 카고 컴프레서룸(40) 외부의 폭발 과압 하중을 측정할 수 있고, 카고 컴프레서룸(40) 내부에 설치되는 환풍기(500, 600)의 용량을 결정할 수 있으므로, 최소의 비용으로 방폭 방안을 마련할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 저장 탱크 20: 엔진룸
30: 고압 가스 분사 엔진 40: 카고 컴프레서룸
100: 가스 배관 200: 마스터 가스 밸브
300: 가스 밸브 트레인 400: 체크 밸브

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 카고 컴프레서룸(40) 내부에 위치하며 저장 탱크로부터 발생한 증발 가스를 이송하는 가스 배관(100)과, 상기 가스 배관(100)에 설치되며 상기 증발 가스의 유량을 조절하는 마스터 가스 밸브(200)와, 상기 증발 가스를 고압 가스 분사 엔진(30)이 요구하는 압력의 연료 가스로 만드는 가스 밸브 트레인(300)과, 그리고 상기 마스터 가스 밸브(200)와 상기 가스 밸브 트레인(300) 사이에 위치하는 체크 밸브(400)를 포함하는, 카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법에 있어서,
    상기 카고 컴프레서룸(40)의 3차원 모델을 생성하는 제1 단계,
    상기 카고 컴프레서룸(40)의 3차원 모델을 이용하여, 누출되는 가연성 가스에 대한 환기 및 가스 분산 시뮬레이션을 진행하는 제2 단계,
    상기 누출되는 가연성 가스에 의한 폭발 시뮬레이션을 진행하여, 상기 카고 컴프레서룸(40) 내부에서 폭발 과압 하중을 측정하는 제3 단계,
    상기 환기 및 가스 분산 시뮬레이션의 결과를 기초하여, 상기 체크 밸브(400)의 설치 위치를 결정하는 제4 단계,
    상기 환기 및 가스 분산 시뮬레이션의 결과를 기초하여, 상기 카고 컴프레서룸(40) 내부에 설치되는 환풍기의 용량을 결정하는 제5 단계,
    측정된 상기 카고 컴프레서룸(40) 내부에서 폭발 과압 하중 결과를 기초하여, 상기 카고 컴프레서룸(40)에 대한 구조 강도에 대한 평가를 실시하는 제6 단계, 그리고
    평가된 상기 카고 컴프레서룸(40)에 대한 구조 강도 결과에 따라, 상기 카고 컴프레서룸(40)의 구조물을 보강하는 제7 단계를 포함하는,
    카고 컴프레서룸의 연료 가스 공급 시스템의 방폭 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
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