KR20000029219A - 불투성 단열 탱크내에 저장된 액화 가스의 증발을방지하는 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박의 지지 구조물내에 건조된 불투성 단열 탱크(1)내에 저장되거나 한 세트의 부유 또는 지측 저장 탱크내에 위치한 액화 가스의 증발을 방지하는 방법에 관한 것이며, 이러한 방법은 유체 냉매를 액화 가스(L)의 매스를 통해 통과시켜 매스를 이의 기준 저장 온도 보다 약간 낮은 온도로 냉각시켜서, 이들의 수송 또는 저장 동안 발생된 열을 상쇄시키는 것으로 이루어진다.

Description

불투성 단열 탱크내에 저장된 액화 가스의 증발을 방지하는 방법 및 이를 수행하는 장치 {PROCESS FOR PREVENTING THE EVAPORATION OF A LIQUEFIED GAS STORED IN AN IMPERVIOUS AND ISOTHERMAL TANK, AND DEVICE FOR IMPLEMENTING IT}
본 발명은 선박, 특히 메탄 탱커의 지지 구조물내에 건조되거나 건조되지 않을 수도 있는 불투성 단열 탱크에 저장된 액화 가스, 특히 액체 메탄의 증발을 방지하는 방법, 및 이러한 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.
액체 메탄은 일반적으로 대기압에 근사한 압력 및 약 -163℃의 온도에서 액체 형태로 저장된다. 수송중에 액체 메탄의 증발을 제한하기 위해서, 본원에 참조로 인용된 출원인이 본 회사인 프랑스 특허 출원 제 2 535 831호, 제 2 586 082호, 제 2 629 897호 및 제 2 683 786호에 기술되어 있는 다양한 방법을 사용하여 탱크의 단열이 개선된다는 것은 이미 제안되었다. 탱크의 단열에 대한 개선으로 인해 저장 일수에 대한 증발 정도를 0.30%에서 약 0.15%로 낮추는 것이 가능하지만, 이 이상으로 개선시키는 것은 곤란하다.
메탄 탱커에서, 각각의 탱크는 일반적으로 선박의 주갑판 위의 마스트 라이저(mast riser)에 연결되어 가스가 새어 나가게 하는데, 만약 이렇게 하지 않으면 이러한 가스는 탱크에서의 허용치 이상의 과압력을 발생시킬 것이다. 선박이 항구 근처에 있을 때 허용치 이상의 오염 배출물을 구성하는 증발된 가스가 대기로 방출되는 것을 피하기 위해서, 그리고 이렇게 하여 화물의 일부가 손실되는 것을 피하기 위해서, 증발된 가스를 사용하여 선박을 추진시키는 방법이 사용되고 있다. 이러한 목적상, 선박의 엔진실에는 일반적으로 증발된 가스 및 디젤 또는 연료유 둘 모두로 작동될 수 있는 증기 터빈이 장착된다. 그러나, 증기 터빈은 효율이 낮으며, 이러한 터빈의 이중 기능은 엔진실의 길이를 길게 하는데, 이것은 선박의 길이를 길게 만들거나 저장 탱크의 크기를 감소시키는 것을 의미한다. 더욱이, 증발도가 0.15%인 경우, 증발된 가스는 증기 터빈에 필요한 에너지의 40 내지 80% 만을 공급하기 때문에, 상기 증기 터빈은 디젤 또는 연료유로 일정하게 작동되어야만 한다.
증발된 가스의 연소와 관련된 결함을 피하고, 하적 이전에 화물의 일부가 소모되는 것을 피하기 위해, 증발된 가스를 재액화시켜 이를 탱크로 복귀시키도록 선박의 갑판상에 재액화 플랜트를 설치하는 것도 또한 공지되어 있다. 그러나, 재액화 플랜트의 초기 설치 비용이 매우 많이 들고 재액화 플랜트에 필요한 동력 또한 많이 요구되기 때문에 이러한 해결책을 이용하기에는 상당한 부담이 따른다. 더욱이, 메탄 화물은 일반적으로 순수하지 않기 때문에, 화물의 여러 부분을 분리 액화시킬 수 있는 분리 칼럼이 필요하지만, 이러한 분리 칼럼은 선박에서 관리하기가 매우 힘들다.
본 발명의 목적은 앞서 언급한 결함을 제거하고, 선박의 지지 구조물내에 건조되거나 건조되지 않을 수 있으며 단순하면서도 경제적으로 실시 및 작동시킬 수 있는 불투성 단열 탱크에 저장된 액화 가스의 증발을 방지하기 위한 방법을 제공하는 데에 있다.
이에, 본 발명의 당면 과제는 선박의 지지 구조물내에 건조된 불투성 단열 탱크에 저장되거나 한 세트의 부유 또는 지측 저장 탱크에 정위된 액화 가스의 증발을 방지하는 방법으로서, 액화 가스의 매스를 통해 유체 냉매를 통과시켜 상기 매스를 이의 기준 저장 온도 보다 약간 낮은 온도로 냉각시켜서, 이들의 수송 또는 저장 동안에 발생된 열을 상쇄시키는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써 액화 가스의 증발이 방지되거나, 적어도 제한된다. 액화 가스가 탱크의 액화 매스의 상부에 존재하는 기체 용적물내로 증발하기 시작한다면, 유체 냉매의 순환은 액화 가스와 증발 가스 사이의 계면에서의 열 전달에 의해 증발된 가스를 자동으로 재액화시킬 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 앞서 언급된 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 데에 있으며, 상기 장치는 탱크 각각에 대해, 냉각 대상 액화 가스의 매스중에 담겨있는 열 교환기, 열교환기의 배출구에서 유체 냉매를 압축시키는 압축기 및 열 교환기로 도입시키기 전에 압축된 냉각 유체를 이의 냉각 온도로 냉각시키는 냉각 유니트를 포함함을 특징으로 한다.
유리하게는, 이러한 장치는 압축된 유체 냉매를 냉각 유니트로 도입하기 전에 해수를 순환시켜 압축된 유체 냉매를 냉각시키는 유니트를 포함한다. 이러한 해수 순환 유니트는 선박의 밸러스트 컬렉터에 연결될 수 있다.
도 1은 통상의 구조를 갖는 메탄 탱커의 세로 정면도이면서 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구체예로서 도 1에 도시된 탱크의 부분 확대 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 탱크 2 : 마스트 라이저
3 : 주갑판 4 : 수직 횡단벽
5 : 내부 표면 6 : 외부 표면
7 : 탑 8 : 펌프
10 : 단열 배리어 11 : 이차 방수 배리어
12 : 일차 방수 배리어 20 : 냉각 유니트
21 : 유입 라인 22 : 유출 라인
23 : 헤어핀 튜브 24 : 중공 파이프
특정 구체예로서, 유체 냉매가 열교환기로 도입되고, 액화 가스의 매스를 통해 통과할 때 증발하기 때문에 유체 냉매는 액체상 형태이며, 바람직하게는 액체 질소이며, 냉각 유니트는 각각의 사이클에 대해 유체 냉매를 재액화시키도록 설계된다. 이러한 대안적 형태는 액체 냉매의 잠복열이 화물을 냉각시키는데 사용되므로 특히 효과적이다. 물론, 유체 냉매는 기체상일 수 있으며, 이러한 경우에 예를 들어 공지된 주울-톰슨 사이클에서 열교환기에서 가열될 때 기체 상태의 냉매는 압력이 감소된다.
또 다른 특징에 따르면, 냉각 유니트는 유체 냉매를 열교환기내로 도입하기 전에 액화 가스의 매스에 대해 기준 온도 보다 약 30℃ 낮은 냉각 온도로 낮아지도록 설계된다.
본 발명의 더욱 또 다른 특징에 따르면, 각각의 탱크는 탱크내 액화 가스의 매스 상에 놓여있는 가스의 압력 변화를 모니터하기 위한 압력 게이지를 갖추고 있다. 이러한 경우에, 압력 게이지에 의해 검출된 소정의 압력이 제 1의 소정의 압력 초입값 보다 높은 압력, 예를 들어 일반적으로 1060mmbar의 기준 저장 압력 보다 5mmbar 높은 압력일 때 압력 게이지가 유체 냉매의 순환을 개시시키며, 제 2의 소정의 압력 초입값 보다 작은 압력, 예를 들어 상기 기준 압력 보다 5mmbar 낮은 압력일 때 유체 냉매의 순환을 중단시킨다.
유리하게는, 열교환기는 액화 가스를 선적/하적하기 위한 탑에 의해 탱크 내부에서 지지되며, 상기 탑은 탱크의 수직 횡단벽 중의 하나의 벽에 제공된다.
열교환기는 하나 이상의 헤어핀 튜브를 포함할 수 있는데, 이의 단부는 탱크의 지붕을 통해 통과한다. 이러한 경우에, 각각의 헤어핀 튜브 또는 헤어핀 튜브들의 그룹은 대류 웰을 형성하고 두 개의 수직 단부가 개방되어 있는 중공 파이프에 의해 측면으로 둘러싸여, 각각의 웰을 통해 액화 가스의 매스에서 대류 이동을 발생시킬 수 있다.
유리하게는, 압축기 및 냉각 유니트는 각각의 탱크의 선적/하적 탑과 일렬로 선박의 갑판상에 설치된다.
본 발명을 보다 더 잘 이해하기 위해, 첨부 도면을 참조하여 하나의 구체예가 순수한 설명 목적으로 기술될 것이다.
도 1은 화물을 저장하기 위한 4개의 탱크(1)를 갖는 통상적인 구조의 메탄 탱커(N)를 도시하고 있으며, 각각의 탱크는 탱크내의 압력이 상승할 때 가스가 새어나갈 수 있도록 선박의 주갑판(3)상에 제공된 마스트 라이저(2)와 결합되어 있다. 선박(N)의 선미에는, 디젤 및/또는 탱크로부터의 증발 가스로 작동되는 증기 터빈을 통상적인 방식으로 지니는 엔진실(14)이 있다.
탱크(1)는 코퍼담(cofferdam)이라 불리우는 이중 횡단 칸막이 벽(4)에 의해 서로 분리되어 있다. 각 탱크의 바닥은 선박의 이중 선체의 내부 표면(5)에 의해 형성되어 있으며, 이중 선체의 내부 표면(5)과 외부 표면(6) 사이의 공간은 밸러스트로서 작용한다. 공지된 하나의 방식에서, 각각의 탱크(1)는 수송하기 전에 화물을 탱크내로 선적하기 위한 그리고 일단 수송된 화물을 하적하기 위한 선적/하적 탑(7)을 갖는다.
도 2를 보면, 탑(7)은 코퍼담이라는 횡단 칸막이 벽(4)에 인접하여 탱크(1)의 전체 높이 이상으로 뻗어 있으며, 이의 하부에서 화물을 하적하기 위한 펌프(8)를 갖는다. 공지된 방식에서, 탑(7)은 화물 선적 라인 및 화물 하적 라인을 포함하며, 탑은 3각대 유형일 수 있으며, 즉, 탑은 화물을 선적 및 하적하기 위한 라인 모두를 지지하는 세 개의 수직 마스트를 갖는다.
공지된 방식에서, 각각의 탱크(1)는 선박의 지지 구조물, 특히, 이중 선체의 내부 표면(5) 및 횡단 칸막이 벽(4)에 고정된 이차적인 단열 배리어(10), 및 상기 2차 단열 배리어(10)에 부착된 2개, 이차(11) 및 일차(12) 방수 배리어(10)를 포함한다. 이차 방수 배리어(11)와 일차 방수 배리어(12) 사이에는, 1998년 7월 10일에 출원된 본 출원인의 프랑스 특허 출원 제 98/08196호에 기술된 바와 같이 내충격성 기계 보호물 또는 일차적인 단열 배리어(13)가 일반적으로 고정되어 있다.
도 2는 탱크(1) 내부의 액화 가스(L)의 매스와 가스 상태(G)의 화물의 용적 사이의 분리선(S)을 도시한다.
전체 블록(20)은 예를 들어 액체 질소를 순환시키기 위한 압축기와 결합되어 있는 냉각 유니트를 도시하기 위해 도 2에서 사용되었다. 냉각 유니트는 탱크로부터 이탈하는 액체 질소를 재액화하도록 설계될 수 있다. 블록(20)는 선박의 주갑판(3)상에 고정된다.
유입 라인(21) 및 유출 라인(22)은 예를 들어 선박의 밸러스트 컬렉터로부터 기원되는 해수를 순환시키기 위해 블록(20)에 연결된다.
적어도 하나의 헤어핀 튜브(23)는 이의 유입구(23a) 및 이의 유출구(23b)에서 블록(20)에 연결되어 있다. 헤어핀 튜브(23)는 탱크(1)내로 수직 하향으로 뻗어 이의 바닥으로부터 실질적으로 중간 지점으로 뻗어 있는 열 교환기를 구성한다. 이것이 도시되어 있지는 않지만, 각각의 헤어핀 튜브(23)는 상기된 탑(7)의 마스트에 의해 유리하게 지지되어 있다. 이러한 목적으로, 각각의 헤어핀 튜브(23)는 탑(7)에 인접하여 연장된다.
각각의 헤어핀 튜브(23) 주위에는, 탱크(1)의 대류 웰을 형성하는 중공 파이프(24)가 제공된다. 이러한 중공 파이프(24)는 이의 수직 단부에서 개방되어 탱크(1)에 저장된 화물의 대류 이동을 야기시킨다.
본 발명의 하나의 구체예에 대한 작동은 지금부터 기술될 것이다.
대부분은 액체 상태(L)이며 소량은 가스 상태(G)인 메탄은 약 -163℃의 온도에서 탱크(1)에 저장된다.
냉각 유니트(20)는 약 -196℃에서 액체 질소를 야기하여 헤어핀 튜브(23)를 통해 통과하고, 통과된 액체 질소는 상기 튜브(23) 주위에서 액체 메탄(L)을 냉각시키는 효과를 갖는다. 이렇게 하여 냉각된 액체 메탄의 밀도가 더 커지면, 액체 메탄은 탱크(1)내에 가라앉고, 아직까지 냉각되지 않은 액체 질소는 역으로 상승한다. 액체 메탄(L)의 이러한 대류 이동은 대류 웰(24)을 통해 통과되어 탱크(1) 전체에 걸쳐 이러한 대류 이동을 생성시킨다. 하나의 예로서, 중공 파이프(24)의 직경은 약 1m이다. 물론, 열 교환기는 수개의 대류 파이프(24)와 함께 수개의 헤어핀 튜브(23), 또는 수개의 굽은 관을 갖는 튜브를 포함할 수 있다. 중공 파이프(24)는 이의 상단부에서 외측으로 벌어진 실질적으로 깔때기 형상(24a)을 가져서 이의 대류 이동을 촉진한다.
액체 질소는 헤어핀 튜브(23)를 통과할 때 증발하는데, 이때 액체 메탄(L)이 질소의 잠복열을 사용함으로써 보다 효과적으로 냉각된다. 이러한 경우에, 가스 상태의 질소를 사용하는 것이 또한 가능하며, 상기 가스 상태의 질소는 열교환기를 통해 유동할 때 압력 강하된다. 가스 상태의 질소가 헤어핀 튜브(23)의 유출구(23b)를 이탈할 때, 질소의 온도는 약 -163℃이다. 그 다음, 질소가 압축기(20), 예를 들어 3 스테이지 압축기를 유동하는데, 이때 질소의 온도는 예를 들어 약 +130℃의 온도로 상승하게 된다. 이와 같은 방식으로 압축된 질소는 먼저 해수 순환 라인(21, 22)에 의해 냉각되어 질소의 온도를 최대 약 30℃, 즉, 해수의 온도로 낮춘다. 마지막으로, 이와 같이 냉각된 압축 질소는 재액화 유니트에서 재액화되어 -196℃로 낮아진다.
재액화 유니트 및 압축기(20)가 탑(7) 위에서 수직으로 정위된다면, 하적 펌프(8)에 유용한 동력을 사용하는 것이 가능한데, 하적 펌프가 수송 동안에 작동하는 것이 아니라 하적 동안에만 작동되기 때문이다.
블록(20)은 탱크(1)의 가스(G)내에 정위된 압력 게이지(25)와 유리하게 결합되어 이러한 가스내에서의 압력 변화를 검출한다. 예로서, 가스(G)내에서 약 1060mmbar의 기준 저장 압력에 대해, 압력 게이지(25)의 검출 압력이 상기 기준 압력 보다 5mmbar 위 및 아래 압력 변화를 검출하여 각각에 대하여 냉각 유니트 및 압축기를 작동시키거나 중지시킨다. 각각의 탱크내 화물이 열적으로 매우 불활성인 경우, 냉각 유니트는 저장된 화물의 소량의 냉각이 달성되기 전에, 그리고 액화 가스(L)와의 계면(S)에서 증발된 메탄을 재액화시킬 수 있기 전에 수시간 동안 일반적으로 작동되는 압축기(20)를 갖는다. 유사하게, 냉각 유니트 및 압축기(20)는 액화 가스가 다시 증발하기 전에 수시간 동안 불활성인 채로 유지된다.
실제로, 낮에는 갑판의 조사로부터 생성된 열 손실이 반드시 수반되기 때문에, 낮에는 자동으로 작동되고 밤에는 꺼지는 압축기 및 냉각 유니트(20)를 갖는 것이 가능하다.
본 발명에 의해, 선박을 추진시키기 위한 증기 터빈의 사용을 감하고, 보다 우수한 효율을 가지며 더 적은 공간을 차지하며 엔진실의 크기를 감소시킬 수 있는 디젤 연료로 작동되는 디젤 엔진을 사용하는 것이 가능하다. 엔진실의 크기는 약 10%까지 감소될 수 있는데, 이러한 감소량은 길이를 수미터 더 짧게 한다. 이제, 엔진실로부터 절약된 각각의 미터는 탱크 용적을 증가시키며, 이는 탱크의 크기가 주어지는 경우에 매우 중요하다.
본 발명의 또 다른 장점은 증발된 가스를 엔진실 또는 어떠한 재액화 플랜트로 순환시키기 위한 모든 라인을 생략하는데 있다.,
마지막으로, 유체 냉매가 질소인 경우, 질소의 보존은 각각의 탱크에 있는 라인에 유용하며, 밸러스트 탱크내로 방출되어 연소 가능한 산소 함량을 제한하여 밸러스트 탱크에 대한 충격, 예를 들어 또 다른 선박에 의한 충격 다음에 발생되는 화재를 피할 수 있다.
본 발명이 특정의 구체예를 들어 기술되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 앞서 기술된 모든 수단의 모든 기술적인 균등범위 및 이들의 조합형을 포함한다는 것은 당업자에게는 매우 자명한 것이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 방법 및 장치를 사용하게 되면 선박의 지지 구조물내에 건조되거나 건조되지 않을 수 있으며 단순하면서도 경제적으로 실시 및 작동시킬 수 있는 불투성 단열 탱크에 저장된 액화 가스의 증발을 방지한다.

Claims (12)

  1. 선박(N)의 지지 구조물내에 건조된 불투성 단열 탱크(1)내에 저장되거나 한 세트의 부유 또는 지측 저장 탱크내에 위치한 액화 가스의 증발을 방지하는 방법으로서, 유체 냉매를 액화 가스(L)의 매스를 통해 통과시켜 상기 매스(L)를 이의 기준 저장 온도 보다 약간 낮은 온도로 냉각시켜서, 이들의 수송 또는 저장 동안 발생된 열을 상쇄시키는 것으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서, 각각의 탱크(1)에 대해, 냉각 대상 액화 가스(L)의 매스중에 담겨있는 열교환기(23), 열교환기의 출구에서 유체 냉매를 압축시키기 위한 압축기(20), 및 압축된 유체 냉매를 열교환기로 유입시키기 전에 이의 냉각 온도로 냉각시키기 위한 냉각 유니트(20)를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 압축된 유체 냉매를 냉각 유니트(20)로 유입시키기 전에 냉각시키기 위해 해수를 순환시키기 위한 유니트(21,22)를 포함함을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 해수 순환 유니트(21,22)가 선박의 밸러스트 컬렉터에 연결됨을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중의 어느 한 항에 있어서, 유체 냉매가 액체상, 바람직하게는 액체 질소로 열교환기(23)에 유입되고, 액화 가스(L)의 매스를 통해 통과할 때 증발되며, 재순환 유니트(20)가 각각의 사이클 동안 유체 냉매를 재액화시키도록 설계됨을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 있어서, 유체 냉매가 열교환기(23)내로 유입되기 전에 냉각 유니트(20)가 유체 냉매를 액화 가스(L)의 매스에 대하여 기준 온도 보다 약 30℃ 낮은 냉각 온도로 낮추도록 설계됨을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 2항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 탱크(1)가 탱크내 액화 가스의 매스의 상부에 있는 가스의 부피 변화를 모니터하기 위한 압력 게이지(25)를 갖추고 있음을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 압력 게이지(25)에 의해 검출된 압력이 제 1의 소정의 압력 초입값 보다 높은 압력, 예를 들어 일반적으로 약 1060mmbar의 기준 저장 압력 보다 5mmbar 높은 압력이 되자 마자 압력 게이지(25)가 유체 냉매의 순환을 개시시키며, 제 2의 소정의 압력 초입값 보다 작은 압력, 예를 들어 상기 기준 압력 보다 5mmbar 낮은 압력이 되자 마자 유체 냉매의 순환을 중단시킴을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 2항 내지 제 8항 중의 어느 한 항에 있어서, 열교환기(23)가 액화 가스를 선적/하적하기 위한 탑(7)에 의해 탱크(1)의 내부에 지지되며, 상기 탑이 탱크의 수직 횡단벽(4) 중의 하나의 벽상에 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 열교환기가 하나 이상의 헤어핀 튜브(23)를 포함하며, 상기 튜브의 단부가 탱크(1)의 지붕을 통해 통과함을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 각각의 헤어핀 튜브 또는 헤어핀 튜브의 그룹(23)이, 대류 웰을 형성하고 두 개의 수직 단부가 개방되어 있는 중공 파이프(24)에 의해 측면으로 둘러싸여, 각각의 웰을 통해 액화 가스(L)의 매스에서 대류 이동을 발생시킴을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 9항 내지 제 11항 중의 어느 한 항에 있어서, 압축기 및 냉각 유니트(20)가 각각의 탱크(1)의 선적/하적 탑(7)과 일렬로 선박의 갑판(3)상에 설치됨을 특징으로 하는 장치.
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