KR102640330B1 - 액화가스 저장 시스템 및 이의 작동 방법 - Google Patents

액화가스 저장 시스템 및 이의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

액화가스 저장 시스템은 액화가스 저장을 위한 저장탱크와, 저장탱크에 설치된 제1 릴리프 밸브 및 제2 릴리프 밸브를 포함한다. 제1 릴리프 밸브는 제1 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지며, 액화가스의 벙커링 시 사용된다. 제2 릴리프 밸브는 제1 압력보다 높은 제2 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지며, 액화가스의 저장 및 운송 시 사용된다.

Description

액화가스 저장 시스템 및 이의 작동 방법 {SOTRAGE SYSTEM FOR LIQUIFIED GAS AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 액화가스 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액화가스의 적재량을 늘릴 수 있는 액화가스 저장 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
지구 온난화 및 고유가로 인하여 석유에 비해 온실가스 및 유해가스의 발생이 적고 가격이 저렴한 액화천연가스(LNG)의 수요가 증가하고 있으며, 디젤유 대신 액화천연가스를 추진연료로 사용하는 선박도 제작되고 있다. 액화가스 저장탱크는 선박 운항 시 발생할 수 있는 극심한 환경 하중에 대해 액화가스를 안전하게 저장하고, 연료공급장치에 연료를 원활하게 공급할 수 있도록 설계되어야 한다.
현재 액화천연가스를 저장 및 운송하는 목적으로 개발된 선박용 액화가스 저장탱크에는 멤브레인(membrane) 타입의 저장탱크와, IMO(International Marine Organization) A, B, C 타입의 독립탱크가 있다.
이 중 IMO C 타입의 독립탱크는 슬로싱에 대한 구조보강이 가능하고, 압력용기의 개념으로 설계됨에 따라 높은 탱크 내부압력에 의해 액화가스의 기화온도가 상승하여 증발가스(Boil-Off Gas) 발생을 줄일 수 있다. 그러나, 탱크 중량이 크고, 공간 효율성이 떨어져 대량의 연료를 적재해야 하는 장거리 운항용 대형선의 경우 적용이 어려울 수 있다.
본 발명은 기존의 저장탱크를 그대로 사용하면서 액화가스의 적재량을 늘릴 수 있는 액화가스 저장 시스템 및 이의 작동 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장 시스템은 액화가스 저장을 위한 저장탱크와, 저장탱크에 설치된 제1 릴리프 밸브 및 제2 릴리프 밸브를 포함한다. 제1 릴리프 밸브는 제1 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지며, 액화가스의 벙커링 시 사용된다. 제2 릴리프 밸브는 제1 압력보다 높은 제2 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지며, 액화가스의 저장 및 운송 시 사용된다.
제1 릴리프 밸브는 저장탱크와 제1 벤트 마스트를 연결하는 제1 배출관에 설치될 수 있고, 제1 압력에 대응되는 크기의 탄성력을 구비한 제1 스프링을 포함할 수 있다. 제2 릴리프 밸브는 저장탱크와 제2 벤트 마스트를 연결하는 제2 배출관에 설치될 수 있으며, 제2 압력에 대응되는 크기의 탄성력을 구비한 제2 스프링을 포함할 수 있다.
제1 릴리프 밸브 전단의 제1 배출관에 제1 볼 밸브가 설치될 수 있고, 제2 릴리프 밸브 전단의 제2 배출관에 제2 볼 밸브가 설치될 수 있다. 제1 볼 밸브와 제2 볼 밸브는 동시에 개방되지 않도록 인터락 설정이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장 시스템의 작동 방법은 벙커링 단계와 저장-운송 단계를 포함한다. 벙커링 단계에서, 제1 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지는 제1 릴리프 밸브가 턴-온되고, 제1 압력에 기초한 액화가스의 적재 한계가 산정되며, 산정된 적재 한계의 액화가스가 저장탱크에 적재된다. 저장-운송 단계에서, 제1 릴리프 밸브가 턴-오프되고, 제1 압력보다 높은 제2 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지는 제2 릴리프 밸브가 턴-온되어 저장탱크의 최대 압력이 제2 압력으로 유지된다.
본 실시예의 액화가스 저장 시스템은 저장탱크를 변경하지 않고도 용도가 다른 두 개의 릴리프 밸브를 번갈아 사용함으로써 액화가스의 적재량을 늘림과 동시에 액화가스의 저장 및 운송 조건을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장 시스템의 구성도이다.
도 2는 비교예에 따른 액화가스 저장 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장 시스템의 작동 방법을 나타낸 순서도이다.
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.
본 발명에서 ‘액화가스’는 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 액화산소, 액화수소 등 모든 종류의 액화가스를 포함하며, ‘저장탱크’는 운송을 위한 탱크와 연료공급을 위한 탱크 모두를 포함한다. 또한, 본 발명의 ‘액화가스 저장 시스템’은 추진 가능한 선박, 부유식 해상구조물, 선박 이외의 다른 교통수단, 및 육상 고정식 저장탱크에도 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장 시스템의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 액화가스 저장 시스템(100)은 액화가스 저장을 위한 저장탱크(10)와, 저장탱크(10)에 설치된 제1 릴리프 밸브(20) 및 제2 릴리프 밸브(30)를 포함한다.
저장탱크(10)는 내압을 가지는 압력용기로 이루어지며, 도시하지 않은 프레임에 의해 고정된다. 예를 들어, 저장 탱크(10)는 내부 탱크와 외부 탱크의 이중 구조일 수 있고, 내부 탱크와 외부 탱크 사이의 공간을 대략 0.05torr 이하의 진공으로 유지하여 전도 및 대류에 의한 열 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 내부 탱크와 외부 탱크 사이의 단열 공간에 펄라이트(perlite)가 충진되어 복사열을 차단함과 동시에 예상치 않은 문제로 진공성능 저하 시 급격한 내부 온도 변화를 방지할 수 있다. 저장탱크(10)는 전술한 구조로 한정되지 않으며, 다양하게 변형 가능하다.
제1 및 제2 릴리프 밸브(20, 30)는 저장탱크(10)에 설치되며, 저장탱크(10)의 내부압력이 설정 압력에 도달하면 개방되어 액화가스를 배출함으로써 저장탱크(10)를 보호한다. 제1 및 제2 릴리프 밸브(20, 30)는 서로 다른 최대허용 릴리프 밸브 설정값(Maximum Allowable Relief Valve Setting; MARVS, 이하 'MARVS'라 한다)을 가지며, 사용 용도가 상이하다.
구체적으로, 제1 릴리프 밸브(20)는 제1 압력의 MARVS를 가지며, 액화가스의 벙커링 시 사용된다. 제2 릴리프 밸브(30)는 제1 압력보다 높은 제2 압력의 MARVS를 가지며, 액화가스의 벙커링 이후 저장 및 운송 시(예를 들어 선박 운항 시) 사용된다. 예를 들어, 제1 압력은 대략 2barA로 설정될 수 있고, 제2 압력은 대략 5barA로 설정될 수 있다.
제1 릴리프 밸브(20)는 저장탱크(10)와 제1 벤트 마스트(22)를 연결하는 제1 배출관(21)에 설치되며, 제1 압력에 대응되는 크기의 탄성력을 구비한 제1 스프링(23)을 포함할 수 있다. 제1 릴리프 밸브(20)는 저장탱크(10)의 압력이 제1 압력을 초과할 때 제1 스프링(23)의 변형으로 개방되어 액화가스를 배출한다. 제1 릴리프 밸브(20)의 전단에는 제1 볼 밸브(24)가 설치되어 제1 배출관(21)을 열거나 닫을 수 있다.
제2 릴리프 밸브(30)는 저장탱크(10)와 제2 벤트 마스트(32)를 연결하는 제2 배출관(31)에 설치되며, 제2 압력에 대응되는 크기의 탄성력을 구비한 제2 스프링(33)을 포함할 수 있다. 제2 릴리프 밸브(30)는 저장탱크(10)의 압력이 제2 압력을 초과할 때 제2 스프링(33)의 변형으로 개방되어 액화가스를 배출한다. 제2 릴리프 밸브(30)의 전단에는 제2 볼 밸브(34)가 설치되어 제2 배출관(31)을 열거나 닫을 수 있다.
제1 볼 밸브(24)와 제2 볼 밸브(34)는 동시에 개방되지 않도록 인터락(interlock) 설정이 이루어져 사고를 방지한다. 제1 볼 밸브(24)는 액화가스의 벙커링 시 개방되어 제1 배출관(21)을 열고, 벙커링이 완료되면 잠금 위치로 전환되어 제1 배출관(21)을 닫는다. 제2 볼 밸브(34)는 제1 볼 밸브(24)와 반대로 작동한다.
액화가스 저장 시스템(100)은 병렬로 접속된 한 쌍의 제1 및 제2 릴리프 밸브(20, 30)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 한 쌍의 제1 배출관(21)이 제1 벤트 마스트(22)에 접속될 수 있고, 한 쌍의 제1 배출관(21) 각각에 제1 볼 밸브(24)와 제1 릴리프 밸브(20)가 설치될 수 있다. 그리고 한 쌍의 제2 배출관(31)이 제2 벤트 마스트(32)에 접속될 수 있으며, 한 쌍의 제2 배출관(31) 각각에 제2 볼 밸브(34)와 제2 릴리프 밸브(30)가 설치될 수 있다.
그러면 어느 하나의 제1 릴리프 밸브(20) 고장 시 고장난 제1 릴리프 밸브(20)에 해당하는 제1 볼 밸브(24)를 잠그고, 다른 하나의 제1 볼 밸브(24)를 개방하여 다른 하나의 제1 릴리프 밸브(20)를 사용함과 동시에 고장난 제1 릴리프 밸브(20)를 수리할 수 있다. 한 쌍의 제2 릴리프 밸브(30)에 대해서도 같은 구성이 적용된다.
액화가스 저장 시스템(100)은 벙커링 시 최대한 많은 양의 액화가스를 적재하는 것이 유리하고, 저장 및 운송 시에는 저장탱크(10)의 압력을 높이는 것이 유리하다. 저장탱크(10)의 압력이 높을수록 액화가스의 기화온도가 상승하므로 증발가스 (Boil-Off Gas) 발생을 줄일 수 있다.
MARVS는 액화가스를 벙커링할 때 액화가스를 최대로 수급받을 수 있는 양(적재 한계, loading limit)을 정하는 중요한 요소이며, 적재 한계를 결정하는 공식은 아래와 같다.
여기서, LL(%)은 액화가스의 적재 한계이고, FL(%)은 액화가스의 충진 한계(filling limit)이며, ρR은 기준 온도에서 연료의 상대밀도이고, ρL은 로딩 온도에서 연료의 상대밀도이다. 액화가스의 충진 한계(FL)는 98%로 정해질 수 있다.
액화가스의 벙커링 시 제2 릴리프 밸브(30)는 턴-오프되고, 제1 릴리프 밸브(20)가 턴-온된다. 이 상태에서 액화가스의 로딩 온도가 -163℃이고, 제1 릴리프 밸브(20)의 MARVS가 2barA인 경우, ρR은 2barA를 기준으로 425.13으로 계산되고, ρL은 1barA를 기준으로 439.19로 계산된다. 그리고 액화가스의 충진 한계(FL)는 98%이므로, 액화가스의 적재 한계(LL)는 대략 94.9%로 계산된다.
액화가스의 벙커링 이후 제1 볼 밸브(24)가 잠금 위치로 전환되어 제1 릴리프 밸브(20)가 턴-오프되고, 제2 볼 밸브(34)가 개방 위치로 전환되어 제2 릴리프 밸브(30)가 턴-온되며, 운송 시 제2 릴리프 밸브(30)가 사용된다. 제2 릴리프 밸브(30)는 제1 압력보다 높은 제2 압력의 MARVS를 가지므로, 저장탱크(10)의 압력을 높여 증발가스 발생을 줄일 수 있다.
도 2는 비교예의 액화가스 저장 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 비교예의 액화가스 저장 시스템(101)은 저장탱크(10)와, 하나의 릴리프 밸브(40)를 포함한다. 릴리프 밸브(40)는 운송 시 기준에 따라 대략 5barA의 MARVS를 가질 수 있다.
비교예의 액화가스 저장 시스템(101)에서, 액화가스의 로딩 온도가 -163℃이고, 릴리프 밸브(40)의 MARVS가 5barA인 경우, 전술한 수학식 1에서 ρR은 5barA를 기준으로 400.9로 계산되고, ρL은 1barA를 기준으로 439.19로 계산된다. 그리고 액화가스의 충진 한계(FL)은 98%이므로, 액화가스의 적재 한계(LL)는 대략 89.5%로 계산된다.
비교예의 경우 저장탱크(10) 내부에 최대 89.5%의 액화가스를 적재할 수 있다. 반면 실시예의 경우 저장탱크(10) 내부에 최대 94.9%의 액화가스의 적재할 수 있으므로 비교예와 동일한 저장탱크(10)에서 액화가스의 적재량을 효과적으로 늘릴 수 있다. 또한, 실시예의 경우 운송 시에는 비교예와 동일한 저장탱크(10)의 압력을 유지함으로써 운항 조건을 최적화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 저장 시스템의 작동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1과 도 3을 참고하면, 액화가스 저장 시스템의 작동 방법은 제1 릴리프 밸브(20)가 턴-온된 상태에서 저장탱크(10)에 액화가스를 적재하는 벙커링 단계(S10)와, 제2 릴리프 밸브(30)가 턴-온된 상태에서 액화가스를 저장 및 운송하는 저장-운송 단계(S20)를 포함한다. 벙커링 단계(S10)에서 제2 릴리프 밸브(30)는 턴-오프되고, 저장-운송 단계(S20)에서 제1 릴리프 밸브(20)는 턴-오프된다.
벙커링 단계(S10)에서, 제2 릴리프 밸브(30)는 턴-오프되고, 제1 릴리프 밸브(20)는 턴-온된다. 구체적으로, 한 쌍의 제1 볼 밸브(24) 중 어느 하나가 개방되어 한 쌍의 제1 릴리프 밸브(20) 중 어느 하나를 턴-온시키고, 한 쌍의 제2 볼 밸브(34)는 모두 닫힌 상태를 유지한다.
제1 릴리프 밸브(20)는 제1 압력, 예를 들어 2barA의 MARVS를 가지며, 이 경우 액화가스 저장 시스템(100)은 액화천연가스 적재 시 대략 94.9%의 적재 한계로 액화천연가스를 적재할 수 있다.
액화가스의 적재가 완료되면 개방되었던 제1 볼 밸브(24)가 닫히면서 제1 릴리프 밸브(20)를 턴-오프시킨다. 저장-운송 단계(S20)에서, 한 쌍의 제2 볼 밸브(34) 중 어느 하나가 개방되어 한 쌍의 제2 릴리프 밸브(30) 중 어느 하나를 턴-온시킨다. 제2 릴리프 밸브(30)는 제1 압력보다 높은 제2 압력, 예를 들어 5barA의 MARVS를 가지며, 저장 및 운송 시 저장탱크(10)의 압력을 높여 증발가스 발생을 줄인다.
이와 같이 제1 및 제2 릴리프 밸브(20, 30)는 서로 다른 MARVS를 가지며, 용도가 상이하다. 상대적으로 낮은 MARVS를 가지는 제1 릴리프 밸브(20)는 벙커링 전용으로서, 액화가스의 적재 한계를 높여 액화가스의 적재량을 늘린다. 상대적으로 높은 MARVS를 가진 제2 릴리프 밸브(30)는 저장 및 운송 전용으로서, 저장탱크(10)의 압력을 높게 유지하여 증발가스 발생을 억제한다.
제1 및 제2 릴리프 밸브(20, 30)는 동시에 작동하지 않도록 인터락 설정이 이루어져 사고를 방지한다. 구체적으로, 제1 볼 밸브(24)와 제2 볼 밸브(34)가 동시에 개방되지 않도록 인터락 설정이 이루어진다.
본 실시예의 액화가스 저장 시스템(100)은 저장탱크(10)를 변경하지 않고도 용도가 다른 두 개의 릴리프 밸브(20, 30)를 번갈아 사용함으로써 액화가스의 적재량을 늘림과 동시에 액화가스의 저장 및 운송 조건을 최적화할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 액화가스 저장 시스템 10: 저장 탱크
20: 제1 릴리프 밸브 21: 제1 배출관
22: 제1 벤트 마스트 23: 제1 스프링
24: 제1 볼 밸브 30: 제2 릴리프 밸브
31: 제2 배출관 32: 제2 벤트 마스트
33: 제2 스프링 34: 제2 볼 밸브

Claims (5)

  1. 액화가스 저장을 위한 저장탱크;
    상기 저장탱크와 제1 벤트 마스트를 연결하는 제1 배출관에 설치되고, 제1 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지며, 액화가스의 벙커링 시 사용되는 제1 릴리프 밸브; 및
    상기 저장탱크와 제2 벤트 마스트를 연결하는 제2 배출관에 설치되고, 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력의 최대허용 릴리프 밸브 설정값을 가지며, 액화가스의 저장 및 운송 시 사용되는 제2 릴리프 밸브;
    상기 제1 배출관 중 상기 제1 릴리프 밸브의 전단에 설치되는 제1 볼 밸브; 및
    상기 제2 배출관 중 상기 제2 릴리프 밸브의 전단에 설치되며, 상기 제1 볼 밸브와 동시에 개방되지 않도록 상기 제1 볼 밸브와 인터락 설정이 이루어진 제2 볼 밸브;를 포함하는 액화가스 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 릴리프 밸브는 상기 제1 압력에 대응되는 크기의 탄성력을 구비한 제1 스프링을 포함하고,
    상기 제2 릴리프 밸브는 상기 제2 압력에 대응되는 크기의 탄성력을 구비한 제2 스프링을 포함하는 액화가스 저장 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항의 액화가스 저장 시스템을 이용한 액화가스 저장 시스템의 작동 방법으로서,
    상기 제1 릴리프 밸브가 턴-온되고, 상기 제1 압력에 기초한 액화가스의 적재 한계가 산정되며, 산정된 적재 한계의 액화가스가 저장탱크에 적재되는 벙커링 단계; 및
    상기 제1 릴리프 밸브가 턴-오프되고, 상기 제2 릴리프 밸브가 턴-온되어 상기 저장탱크의 최대 압력이 상기 제2 압력으로 유지되는 저장-운송 단계;를 포함하는 액화가스 저장 시스템의 작동 방법.
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