KR20090098819A - 긴 탱크의 부유 저장 및 재가스화 유닛/부유 액화 및 저장 선박/액화 천연 가스 캐리어 - Google Patents

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Abstract

저장된 유체의 유체 모션의 자연 공진이 저장 탱크를 포함하는 부유 선박의 자연 공진 주기 사이에 있도록, 저장 탱크 내에 액체를 저장하기 위한 방법 및 장치가 공개된다. 따라서, 저장 탱크에 저장된 유체에 부여되는 부유 선박의 공진 에너지는 제어될 수 있고 출렁임 부하는 감소됨으로써, 부유 선박에 대한 손상을 피할 수 있다.
선체 구조, 저장 탱크, 해양 선박, 공진 주파수, 부유 선박

Description

긴 탱크의 부유 저장 및 재가스화 유닛/부유 액화 및 저장 선박/액화 천연 가스 캐리어{LONG TANK FSRU/FLSV/LNGC}
본원은 2006년 12월 15일자 출원된 미국 임시 출원 제 60/875,277호의 유익을 청구한다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 액화 천연 가스의 해양 저장에 관한 것이며, 특히 저장된 유체 및 환경에 의해서 발생되는 부하들에 대해서 강도 및 안정성을 갖는 해양 저장 탱크의 설계 및 구성에 관한 것이다.
청정 연소 천연 가스는 산업화 세계의 많은 산업 및 소비자 시장에서 선택 연료가 되고 있다. 천연 가스원이 먼거리 위치에 있을 때, 천연 가스를 원하는 상업적 판매를 위하여, 천연 가스를 시장으로 수송하는 메카니즘이 필요하다. 이러한 하나의 메카니즘은 가스 형태로 파이프라인을 통해서 천연가스를 운반하는 것을 포함하거나 또는 큰 용적의 해양선을 통해서 액체 형태로 천연가스를 운반하는 것을 포함할 수 있다.
액화 천연 가스(LNG)를 운반하도록 설계된 배들은 다른 화물 운반 시스템과 비교할 때, 큰 자산 경비와 연관될 수 있다. 이것은 부분적으로 액화 천연 가스(LNG)를 장기간의 해양 변화에 대해서 대기압 부근의 액체 상태로 유지하는데 필 요한 극저온의 온도에 기인할 수 있다. 액화 천연 가스(LNG)는 비교적 가볍기 때문에, 선박은 다른 화물선과 비교할 때 주어진 화물 하중에 대해서 큰 용적의 용량을 가질 수 있다.
액화 천연 가스(LNG) 저장 탱크 설계를 위한 도전들중 하나는 화물 모션 및 출렁임으로 인하여 부하들을 견디도록 충분한 구조적 강도를 갖는 것을 보장해야 한다. 출렁임(sloshing)은 주기적인 모션(즉, 바다에서의 선박들의 모션)에 의해서 발생할 수 있는 탱크 내에서의 액체 움직임이다. 탱크 내의 액체는 형성될 수 있는 파도에 따라서 이동하고 고정 길이의 탱크 내에 수용된 유체의 파도 이동은 탱크의 단부에 부딪칠 수 있는 파도들과 간섭되고 대향 방향으로 뒤로 이동한다. 임의의 주파수에서, 직립 파도들이 생성될 수 있고 공진 현상이 발생할 수 있다. 힘이 인가되는 주파수가 탱크 내의 유체의 공진 주파수 부근에 있을 때, 진폭이 크게 증가할 수 있으므로, 가능하게는 큰 힘이 탱크에 작용할 수 있다.
출렁임은 저장 탱크에서 액체를 운반하는 선박에 있어서 중요한 사항이며 그와 같은 선박을 설계하는 동안 고려될 수 있다. 선박 모션들의 주파수가 저장 탱크의 액체 모션과 연계된 주파수와 부합될 때 출렁임은 더욱 전달될 수 있다. 저장 탱크의 액체 모션과 연계되는 주파수들은 저장 탱크의 화물 충전 수위 및 탱크의 기하학적 형태의 함수일 수 있다.
유체 출렁임은 배 및/또는 저장 탱크에 있어서 여러 문제점들을 발생시킨다. 예를 들어, 저장 탱크의 구조와 연관된 출렁임 손상은 단일 큰 부하 또는 누적 부하를 발생시킬 수 있다. 누적 손상은 다수의 작은 부하들을 유발할 수 있고, 이 부하들은 조합되어서, 저장 탱크, 저장 탱크 내부의 멤브레인 및/또는 저장 탱크의 온도를 유지하는데 사용되는 절연 시스템의 구조를 점차 악화시킬 수 있다. 또한, 액화 천연 가스(LNG)와 같은 유체의 출렁임은 해양 선박의 선체 구조에 가해지는 유체역학적 부하를 증가시킬 수 있다. 또한, 출렁임은 선박의 안정성을 감소시키고 저장 탱크의 액화 천연 가스(LNG)의 증발을 촉진시킬 수 있다.
따라서, 사용할 저장 탱크를 결정할 때, 출렁임 및 다른 제한 사항을 고려해야 한다. 예를 들어, 구형 및 각주형 탱크(prismatic tank)와 같은 자유 직립형 탱크는 선박의 선체 및 저장 시스템에 대한 접근성을 제공할 수 있다. 그러나, 자유 직립형 탱크는 두껍고 무거우며 고가의 플레이트들을 필요로 한다. 특정 보기로서, 구형 탱크들은 약 30 내지 60mm 범위의 벽두께를 가질 수 있으며, 이것은 다른 저장 탱크에 대해서 하중을 부가하고 비용을 증가시킬 수 있다. 또한, 구형 탱크의 형상은 주요 갑판 위의 약 15m 연장되는 구형 탱크의 상부 부분에 있는, 배 위의 사용가능한 공간과 부합되지 않을 수 있다. 이 연장부는 중력의 배 중심 높이를 증가시킬 수 있다. 배에 대한 중력 중심이 증가하면, 기상 영향(즉, 바람 및 결빙)에 대한 배의 취약성을 증가시키고 구형 탱크에 대한 가시성을 제공하기 위하여, 들어올려진 기미 교량(aft bridge)을 필요로 한다. 법령에 의해서 요구되는 상부에 적재되는 부하 형태를 허용하기 위하여, 고려가능한 접근 구조들(즉, 사다리, 좁은 통로 및 배관)이 구형 탱크가 설치된 선박의 갑판 위에 부가될 수 있다. 또한, 각주형 탱크와 같은 일부 자유 직립형 탱크들도 역시 탱크 자체의 하중 및 화물로 인한 부하를 극복하기 위하여 고가의 버팀대를 필요로 할 수 있다.
또한, 자유 직립형 저장 탱크들, 특히 무겁고 고가의 재료로 구성된 각주형 멤브레인 탱크들의 일부 결점을 피하는 것이 배에 대한 접근을 제한할 수 있다. 예를 들어, 각주형 멤브레인 탱크들은 저장 탱크의 절연 외부 및 보조 차단벽 및 배의 내부 선체의 인테리어에 대한 접근성을 제한할 수 있다.
따라서, 액화 천연 가스(LNG), CO2 및 기타 유체들을 저장할 수 있고, 냉동/극저온 유체들을 저장하도록 구성되고 해양 환경에서 저장된 유체의 이동에 대한 안정성 및 적당한 강도를 제공하는 저장 탱크들을 설계하기 위한 방법에 대한 필요성이 존재한다. 이러한 저장 탱크는 큰 용적[즉, 100,000 입방 미터(m3) 이상]의 유체를 저장할 수 있고 용이하게 제조될 수 있다.
다른 관련된 재료들은 적어도 미국 특허 제 3,332,386호; 미국 특허 제 3,759,209호; 미국 특허 제 3,941,272호; 미국 특허 제 5,727,492호; 미국 특허 공보 제 2004/0172803호; 미국 특허 공보 제 2004/0188446호; 미국 특허 공보 제 2005/0150443호; 2000년 6월 26일자 발행된 허문트스타트(Hermundstad) 등의 "선체 모니터링", 석유 산업계의 논문 제 61454-MS의 1231 내지 1240 페이지; 및 1979년 10월에 발행된 밴디버(Vandiver) 등의 "해양 플랫폼의 동력학적 진동의 액체 저장 탱크에 미치는 영향", 석유 산업계의 논문 제 7285-PA, 페이지 1 내지 9에 기재되어 있다.
일 실시예는 액체를 저장하기 위한 부유 선박용 저장 탱크의 설계 방법을 제공한다. 이 방법은 해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘의 에너지 스펙트럼을 결정하는 단계; 해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘들이 증폭되는 주기 범위들을 각각 가지는, 하나 이상의 증폭 기간(amplification regime)을 해양 선박의 선박 크기에 기초하여 결정하는 단계; 및 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 저장 탱크의 출렁임 주기를 제공하는 크기를 갖도록 탱크를 설계하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 하나 이상의 증폭 기간은 적어도 두개의 증폭 기간들을 포함하며, 상기 적어도 두개의 증폭 기간들은 높낮이(pitch), 요동(roll) 및 파도와 같은, 각각 상기 해양 선박의 다른 자유도에 대응한다.
다른 실시예는 일반적으로 선체 구조 및 선체 구조에 배치된 적어도 하나의 저장 탱크를 구비하는 부유하는 저장 선박을 제공하며, 상기 적어도 하나의 저장 탱크는 해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘이 증폭되는 주기 범위에 의해서 한정된 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 저장된 액체의 출렁임 주기를 유발시키는 크기를 가진다.
다른 실시예는 일반적으로 선체 구조 및 선체 구조에 배치된 적어도 하나의 저장 탱크를 구비하는 일반적으로 액체를 수송하기 위한 선박을 제공하며, 상기 적어도 하나의 저장 탱크는 해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘이 증폭되는 주기 범위에 의해서 한정된 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 저장된 액체의 출렁임 주기를 유발시키는 크기를 가진다.
다른 실시예는 유체 수입 방법을 포함한다. 이 방법은 선체 구조 및 선체 구조에 배치된 적어도 하나의 저장 탱크를 포함하는 해양 선박을 제공하는 단계; 및 상기 해양 선박으로부터 유체를 하적하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 저장 탱크는 선박에 작용하는 예상 파도 힘이 증폭되는 주기 범위에 의해서 한정된 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 저장된 유체의 출렁임 주기를 유발시키는 크기를 가진다. 또한, 상기 방법은 상기 유체를 하적하기 위하여, 저장된 유체를 갖는 상기 해양 선박을 수입 터미널로 이동시키는 단계를 포함하고 상기 유체는 액화 천연 가스(LNG)를 포함한다.
본 발명의 상술한 형태들이 본 발명의 상세한 구성, 더욱 특별한 설명에서 이해될 수 있도록, 간략하게 요약된 설명은 일부가 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조할 때 더욱 잘 이해될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 단지 본 발명의 대표적인 유형의 실시예를 도시한 것이고 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않으며, 본 발명은 다른 동일한 실시예들도 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 수입 및 수출을 위한 방법을 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 탱크의 기하학적 형태를 결정하기 위한 방법을 도시한 흐름도.
도 3a 및 도 3b는 정박된 선박의 높낮이, 요동 및 파도 주기에 대한 해양 파 도 에너지 스펙트럼에서의 에너지 성분을 나타내는 예시적인 그래프.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 분할된 화물이 선적된 선박의 높낮이, 요동 및 파도 주기에 대한 해양 파도 에너지 스펙트럼에서의 에너지 성분을 나타내는 예시적인 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 탱크의 벽들 상에서의 출렁임에 의해서 발생된 압력의 예시적인 그래프.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 터릿 정박 탱크 시스템을 도시한 도면.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 터릿 정박 탱크 시스템을 도시한 도면.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따라 중심선 임시물막이(cofferdam)에 의해서 분리된 두개의 저장 탱크들을 갖는 예시적인 액화 천연 가스(LNG) 캐리어를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 선박의 횡단면을 도시한 도면.
본 발명의 실시예들은 저장된 액체 모션이 부유 유체 저장 선박의 자연 공진 주기들 사이에 있도록, 큰 용적의 액체를 위한 수용 챔버를 갖는 부유 유체 저장 선박을 제공한다. 따라서, 선박의 공진 에너지는 수용된 유체에 전달되지 않으므로, 출렁임 부하가 감소되어서 선박 및 저장 탱크에 대한 손상을 피하거나 감소시 킬 수 있다.
예시적인 설계 적용
원격 소스로부터의 액화 천연 가스(LNG)가 사용될 때, 액화 천연 가스(LNG)를 수입하는 방법이 확인될 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유체(100)의 수출 및 수입을 위한 방법을 도시한다. 블록(110)에서, 저장 탱크는 예를 들어 도 2에 도시된 동작을 사용하는 것과 같은, 특정 적용의 요구조건을 충족시키도록 설계 또는 명시된다. 즉, 저장 탱크에 대한 잠재적인 출렁임이 잠재 출렁임의 공진 기간 밖에 있는 저장 탱크를 설계하는데 사용될 수 있다. 블록(120)에서, 저장 탱크는 저장 탱크의 설계 요구조건에 기초하여 제조 또는 생산된다. 블록(130)에서, 저장 탱크는 선박에 설치된다. 일단, 탱크가 적절하게 설치되면, 유체 수입 및/또는 수출은 블록(140)에 제시된 바와 같이 진행될 수 있다. 이것은 저장 탱크 내의 유체를 저장 또는 선적하고, 저장된 유체를 갖는 선박을 다른 위치로 이동시키며 유체를 또다른 위치에 하역하는 것을 포함할 수 있다.
블록(110)에서 저장 탱크를 설계할 때, 많은 요소들이 고려될 수 있으며 각 유형의 탱크는 마찬가지로 고려되어야 하는 유일한 특성을 가질 수 있다. 사실, 많은 유형의 액체 저장 탱크의 설계는 출렁임의 영향에 의해서 부정적인 충격을 받을 수 있다. 출렁임의 부정적인 영향은 선박의 공진 기간 만큼 증가할 수 있고 탱크 설계는 상기 공진 기간 밖에 있는 탱크를 설계 및 구성함으로써 개선될 수 있다.
저장 탱크의 설계 변수들을 결정하기 위하여, 다수의 요소들이 도 2에 도시 된 바와 같이 고려될 수 있다. 도 2는 예를 들어 액화 천연 가스(LNG) 저장 탱크와 같은 액체 저장 탱크에 대한 설계 변수를 결정하고 구성하기 위한 방법의 예시적인 흐름도(200)를 도시한다. 상기 방법은 많은 다른 환경에서 저장 탱크에 대해서 사용될 수 있지만, 부유 액화 천연 가스(LNG) 저장 탱크들은 상기 흐름도에서 예시적인 목적으로 사용된다. 블록(210)에서, 힘의 에너지 성분 또는 파도(즉, 해양 파도) 에너지 스펙트럼은 관심있는 특정한 지리학적 영역[선박이 작동하는 물]에 대해서 결정될 수 있다. 실험 데이터, 분석 모델, 이력 데이터 및 근사값을 포함하는 다양한 데이터 소스들을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 국립 해양그래픽 데이터 센터는 세계의 해양에 관한 이력 데이터를 포함하는 데이터베이스를 관리한다. 여러 해양 상태에 관한 이력 데이터는 국립 해양 및 대기 관청에서도 획득할 수 있다.
블록(220)에서, 증폭 기간들이 결정될 수 있다. 증폭 기간은 적어도 둘 이상의 증폭 기간들을 포함하며, 각 증폭 기간은 높낮이, 요동 및 파도와 같은 해양 선박의 다른 자유도에 대응한다. 보기로서, 증폭 기간들은 높낮이 증폭 기간, 요동 증폭 기간 및 파도 증폭 기간을 포함할 수 있다. 기간들은 선박의 물리적 크기, 선박 구성에 사용된 재료의 특성 및 선박에 작용하는 힘에 관한 데이터를 포함하는 계산을 통해서 결정될 수 있다. 기간들은 컴퓨터 환경에서 선박 및 선박에 작용할 수 있는 힘을 모형화함으로써 결정될 수 있다. 기간들은 또한 축적 시험 또는 컴퓨터 모형화 적용을 통해서 모형화될 수 있다. 각 기간들은 초(second)로 기술되는 하나 이상의 시간 단위들에 대해서 연장될 수 있다. 액화 천연 가 스(LNG) 캐리어[LNGC] 또는 다른 적당한 배와 같은 선박의 높낮이, 물결(heave) 및 요동 기간은 파도 에너지에 의해서 용이하게 자극을 받을 수 있고 선박의 물리적 크기 및 구성에 의해서 영향을 받는 것으로 확인된다. 정박된 선박에 대해서, 파도, 흔들림 및 요잉 기간(yaw regime)도 결정될 수 있다. 예를 들어, 다른 길이 및 폭의 선박들은 다른 시간 주기에서 발생하고 다른 시간 길이에 대해서 마지막이되는 기간들을 가질 수 있다.
블록(230)에서, 물리적인 억제사항이 결정될 수 있다. 상기 억제사항들은 저장 탱크를 위한 사용가능한 공간[즉, 선박 크기 및 형태], 법령 및 인증단체(sanction body)에 의해서 부여된 요구사항, 작동 환경에 의해서 부여된 억제사항[즉, 도킹 시설, 수로 및 기상]을 포함할 수 있다. 액화 천연 가스(LNG)의 해양 저장 및 운송을 위한 수용 시스템들은 효과적인 온도 절연을 제공하고 선박의 기본 선체 구조의 열 유입 및 허용될 수 없는 냉각을 방지하는 것으로 고려될 수 있다. 예를 들어, 액화 천연 가스(LNG)는 매우 경량의 탄화수소[즉, 메탄 및 에탄]를 약 -160℃로 냉각시킴으로써 형성될 수 있다. 액화 천연 가스(LNG)는 저장 및 운송을 위한 가스 용적을 극대화할 수 있는 액화 공정을 통해서 냉각될 수 있다. 그때, 액화 천연 가스(LNG)는 해양 선박 및 해안에 위치할 수 있는 극저온 저장 탱크에서 대기압 상태로 저장될 수 있다. 따라서, 액화 천연 가스(LNG)에 대해서, 수용 시스템들은 매우 낮은 온도 및 큰 온도 변화를 견딜 수 있도록 설계된 재료로 구성될 수 있다.
블록(240)에서, 하나 이상의 저장 탱크들의 기하학적 형태가 구성될 수 있 다. 저장 탱크를 구성할 때, 미리 결정된 파도 에너지 스펙트럼, 증폭 기간 및 물리적 억제사항들이 고려될 수 있다. 효율을 증가시키기 위하여 노력할 때, 저장 탱크의 크기, 형상, 내부 구성, 위치 및 배향이 변경될 수 있다. 저장 탱크의 기하학적 형태는 저장된 액체의 횡방향/종방향 유체 모션이 유체 저장 선박[즉, 배]의 자연 공진 주기 사이, 밑에 또는 초과하는 것을 보장하도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 선박의 공진 에너지는 제한되거나 또는 저장 탱크에 저장된 유체에 부여되지 않으며, 이것은 저장 유체의 출렁임을 감소시킨다.
일단, 저장 탱크들이 구성되면, 블록(250)에서 설계가 분석될 수 있다. 블록(250)에서 행해지는 최종 구성의 분석은 축적된 모형(scaled model) 및 파도 시뮬레이터의 사용 및 컴퓨터 모형 및 시뮬레이터의 사용을 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 정박된 선박의 높낮이, 요동 및 파도 주기에 대한 해양 파도 에너지 스펙트럼에서의 에너지 성분의 예시적인 그래프이다. 상기 에너지 성분은 통상적인 선박 모션 증폭 기간의 통상적인 해양 조건을 포함할 수 있다. 그래프(310)는 그 크기를 갖는 파도 에너지 스펙트럼(316)에서의 주기 및 통상적인 에너지 성분은 수직축(312)에 나타나고 그리고 시간(초)의 주기들은 수평축(314)에 나타난다. 파도 에너지 스펙트럼(316)은 통상적인 설계 해양 조건에서의 에너지 성분을 나타낸다. 그래프(320)는 통상적인 선박에 대한 높낮이 증폭 기간(322), 요동 증폭 기간(324) 및 파도 증폭 기간(326)을 나타낸다. 상기 기간들(322 내지 324)은 정박된 선박에 대한 통상적인 선박의 모션 증폭 기간들일 수 있다. 또한, 충전 높이의 함수로서의 종방향 출렁임 주기(328) 및 통상적인 선박에 대한 충전 높이의 함수로서의 횡방향 출렁임 주기(330)가 도시된다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 통상적인 선박의 높낮이 증폭 기간(322) 및 요동 증폭 기간(324)은 해양의 파도 주기들과 매우 근접할 수 있다. 결과적으로, 선박 및 화물 모션의 증폭이 실행될 수 있다. 선박 및 저장된 유체 모션들의 증폭은 공진 액체 출렁임에 대한 저장 탱크의 구조적 반응을 평가하는 필요성을 유발하는 바람직하지 못한 결과를 가질 수 있다. 액화 천연 가스(LNG)의 저장 및/또는 운송 선박을 설계하기 위하여, 예상 파도에 대한 파도 에너지 스펙트럼(316)의 주기로부터 저장된 유체의 횡방향 출렁임 주기(330) 및 화물의 출렁임 공진 주기(328)를 이격시키려는 시도에서, 다른 설계 또는 구성이 고려될 수 있다. 출렁임 공진 주기(328)를 파도 에너지 스펙트럼(316) 및 증폭 기간들(322 내지 324)로부터 분리시키는 것은 저장 탱크의 액체 화물을 세분하는 것과 같은 여러 접근 방안들에 의해서 달성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 세분된 화물을 갖는 선박의 높낮이, 요동 및 파도 주기들에 대한 해양 파도 에너지 스펙트럼에서의 에너지 성분의 예시적인 그래프이다. 도 4a 및 도 4b에 있어서, 주기 및 에너지 성분(416)은 통상적인 설계의 해양 조건 및 통상적인 선박 모션의 증폭 기간(422 내지 426)이다. 도 4a에 있어서, 그래프(410)는 수직축(412)에 나타난 크기를 갖는 파도 에너지 스펙트럼(416)에서의 통상적인 에너지 성분 및 수평축(414)에 나타난 시간(초)의 주기들을 도시한다. 도 4b에 있어서, 그래프(420)는 선박의 높낮이 증폭 기간(422), 요동 증폭 기간(424) 및 파도 증폭 기간(426)을 나타낸다. 상기 증폭 기간들(422 내지 426)은 정박된 선박의 통상적인 모션에 대한 것이다. 또한, 선박에 대한 충전 높이의 함수로서 횡방향 출렁임 주기(430) 및 충전 높이의 함수로서 종방향 출렁임 주기(428)도 역시 제시된다.
본원에 제안된 저장 탱크 설계에 대한 하나의 접근 방안은 자연적인 출렁임 공진 주기(428,430)가 상이하도록 그리고 선박/파도(416, 422 내지 426)의 자연 주기와 일치하지 않도록, 저장 탱크의 기하학적 형태를 선택함으로써 출렁임 부하를 감소시킬 수 있다. 통상적으로, 횡방향 액체 모션 모형(430) 및 종방향 액체 모션 모형(428)에 대한 출렁임 공진 주기들은 선박의 요동 및 높낮이/파도 모션에 의해서 구동된다. 제안된 세분에 있어서, 저장된 유체(즉, 화물)는 작동 환경[즉, 해양 환경]에서 출렁임 공진 주기(428,436)를 선박의 자연 주기로부터 분리하려고 시도할 때 선택된 크기를 갖는 긴 저장 탱크로 세분될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 저장 탱크의 기하학적 형태는 특정 설계의 해양 조건 또는 해양 환경의 파도(416)의 에너지 성분에 의해서 유발된 충전 높이의 함수로서 횡방향 출렁임 주기(430)의 증폭이 최소화되도록, 설계될 수 있다. 이러한 설계에서, 종방향 및 횡방향 출렁임 주기들(428,430)이 선박의 증폭 기간(422 내지 426)[즉, 높낮이, 파도 및 요동]의 주기에 의해서 증폭되지 않는 것을 보장함으로써, 저장 탱크벽 상의 응력이 감소되고 저장 탱크벽에 대한 손상이 회피되거나 또는 감소될 수 있다. 따라서, 종방향 공진 주기(428)가 해양 파도에서 통상적으로 관찰된 것보다 실질적으로 크지만, 선박의 파도 주기보다는 작아서 저장 탱크의 저장 유체의 파도 자극 공진을 제한하도록, 저장 탱크의 크기들이 설 계될 수 있다.
저장 탱크 크기의 결과로서, 저장 탱크벽 상의 출렁임 유도 압력은 도 5에 도시된 바와 같이, 비공진형일 수 있다. 도 5에 있어서, 그래프(500)는 수평축(500)의 시간(초) 및 수직축(520)의 압력을 나타낸다. 공진 출렁임(550)에 대한 충격 압력 트레이스(trace)가 비공진 출렁임(540)에 대한 압력 트레이스보다 큰 것이 관찰될 수 있다. 공진 출렁임을 감소시키거나 또는 제거함으로써, 저장 탱크에 의해서 겪게되는 압력은 크게 감소될 수 있다. 이와 같이, 저장 탱크들은 탱크의 저장벽들 상의 공진형 출렁임 유도 압력을 감소시키도록 구성될 수 있다.
부유 저장 선박들에 대한 예시적인 적용
저장 탱크들의 구성 이외에, 처리 설비와 같은 다른 설비는 선박의 주요 갑판 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 처리 설비는 액화 천연 가스(LNG)를 기화시키기 위한 재가스화 설비 또는 공급 가스로부터 액화 천연 가스(LNG)를 만드는데 사용되는 액화 설비를 포함할 수 있다. 처리 설비를 추가하는 것은 선박에 하중을 부가하고 선박의 물리적 크기의 변경을 요구하는 것이며 선박과 연관된 증폭 기간에 영향을 줄 수 있다. 부유 저장 선박들은 운송을 위해서 설계된 선박과 다른 설계 기준을 가질 수 있다. 보기로서, 부유 저장 선박들은 운송 선박보다 다량의 액화 천연 가스(LNG)를 저장하는데 필요할 수 있으며, 처리 설비를 지지하는 것이 요구되고 비교적 고정되게 설계될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 터릿 정박된 FSRU/FLSV 시스템(608)을 갖는 이중 선체의 선박(600)을 도시한다. 선박(600)은 종방향 중심선 임시물막이(614)에 의해서 두개의 저장 탱크들(612a,612b)로 분할되는 화물 영역 내의 유체 저장 챔버(610)를 포함할 수 있다. 두개의 액체 저장 챔버들은 임시물막이(618)에 의해서 후미에서 둘러싸이고 임시물막이(616)에 의해서 전방에서 둘러싸인다. 각 유체 저장 탱크들(612a,612b)은 액화 천연 가스(LNG)를 저장 탱크들(612a,612b) 안으로 펌프공급하거나 또는 저장 탱크들(612a,612b)로부터 액화 천연 가스(LNG)를 펌프배출하는데 사용되는 펌프 타워(620)도 역시 수용할 수 있다. 선박(600)의 내부 쉘[즉, 내부 선체](622)은 유체 저장 챔버(610)의 우측 및 포트 경계부를 제공하고 선박(600)의 외부 쉘(626)로 연장되는 빈 공간(624) 및 평형수(water ballast)를 수용할 수 있다. 기화/액화 설비(630)는 터릿(608) 부근에 있는 그리고 저장 탱크(612)의 전방에 있는 갑판에 위치할 수 있다.
도 6c는 시간(초)의 탱크 출렁임 자연 주기(654) 및 미터의 충전 높이(656)에 대해서 나타나는 횡방향 출렁임 주기(652) 및 종방향 출렁임 주기(653)의 그래프(650)를 도시한다. 또한, 높낮이 주기(657), 요동 주기(658) 및 파도 주기(659)가 횡방향 출렁임 주기(652) 및 종방향 출렁임 주기(653)에 대해서 나타난다. 선박(600)의 상기 구성에서, 횡방향 출렁임 주기(652)는 높낮이 주기(657), 요동 주기(658) 및 파도 주기(659)에 대한 주기들과 중첩되지 않는다. 또한, 종방향 출렁임 주기(653)는 요동 주기(658) 및 높낮이 주기(657)와 중첩되지 않는다. 종방향 출렁임 주기(653)는 파도 주기(659)와 중첩되는 한편, 이 중첩은 감소한 충전 높이(656)에서 발생된다. 이와 같이, 선박(600)의 저장 탱크(들)는 저장 탱크 및 선 박(600)에 대한 잠재적인 출렁임 손상을 감소시키거나 또는 최소화하기 위하여 공진 주기(657,658,659) 밖에 있는 횡방향 출렁임 주기(652) 및 종방향 출렁임 주기(653)를 갖도록 구성되거나 또는 설계된다.
도 7a 및 도 7b는 멤브레인 저장 탱크(714)를 따른 두 개의 저장 탱크(712A,712B) 및 터릿(708)을 구비한 정박된 부유 저장 및 재가스화 유닛(FSRU)/부유 액화 및 저장 선박(FLSV)일 수 있는 이중 선체 선박(700)을 도시한다. 멤브레인 저장 탱크(714)는 두 개의 저장 탱크(712A,712B) 전방에 위치할 수 있으며 선박(700) 실내의 저장 용적을 증가시키는데 사용될 수 있다. 추가의 저장 용량은 높은 이송력의 부유 저장 및 재가스화 유닛(FSRU) 설계에 대해서 바람직할 수 있다. 생산 속도를 액화 천연 가스(LNG)가 교환 탱크로 절달되는 속도로부터 분리하는 것이 바람직한 경우도 있으며 이 경우에는 추가 저장도 역시 필요할 수 있다.
도 7c는 시간(초)의 탱크 출렁임 자연 주기(754) 및 미터의 충전 높이(756)에 대해서 나타나는 횡방향 출렁임 주기(752) 및 종방향 출렁임 주기(753)의 그래프(750)를 도시한다. 또한, 높낮이 주기(757), 요동 주기(758) 및 파도 주기(759)가 횡방향 출렁임 주기(752) 및 종방향 출렁임 주기(753)에 대해서 나타난다. 도 6c의 설명과 유사한 선박(700)의 상기 구성에서, 횡방향 출렁임 주기(752)는 높낮이 주기(757), 요동 주기(758) 및 파도 주기(759)에 대한 주기들과 중첩되지 않는다. 또한, 종방향 출렁임 주기(753)는 요동 주기(758) 및 높낮이 주기(757)와 중첩되지 않는다. 종방향 출렁임 주기(753)는 파도 주기(759)와 중첩되는 한편, 이 중첩은 감소한 충전 높이에서 발생된다. 이와 같이, 선박(700)의 저장 탱크(들)는 저장 탱크(712A,712B,714) 및 선박(700)에 대한 잠재적인 출렁임 손상을 감소시키거나 또는 최소화하기 위하여 공진 주기(757,758,759) 밖에 있는 횡방향 출렁임 주기(752) 및 종방향 출렁임 주기(753)를 갖도록 구성되거나 또는 설계된다.
도 8a 및 도 8b는 화물 영역(840)에서 두 개의 저장 탱크(812A,812B)를 갖는 예시적인 멤브레인 액화 천연 가스(LNG) 캐리어(800)를 도시한다. 선박(800)은 길이가 약 326 미터이고 폭이 약 54.8 미터일 수 있다. 각 저장 탱크(812A,812B)는 길이가 약 212미터이고 폭이 약 14.5미터이며 높이가 32.5미터이고, 약 100KCM[100,000 m3]의 용적을 가질 수 있다. 저장 탱크(812A,812B)는 저장 탱크(822A,822B)의 길이로 이어지는 중심선 임시물막이(814)에 의해서 분리될 수 있다. 횡방향 임시물막이(816,818)는 저장 탱크(812A,812B)를 선박(800)의 다른 영역으로부터 분리할 수 있다.
예시적인 운송 적용
도 9에 도시된 일 실시예에서, 선박(900)은 선박(900)의 외부측 선체(960)로부터 거리를 두고 위치한 경계부(920) 또는 측벽을 갖는 화물 영역(910)을 가진다. 선박(900)은 외부 선체(960)의 일측에서 타측까지의 횡단면 거리(980)를 가질 수 있다. 화물 영역(910)은 외부 바닥 선체(950)로부터 거리(940)를 두고 위치한 바닥 경계부(930) 및 상부 경계부(924)를 가질 수 있다. 동일하거나 또는 가변 구성형의 하나 이상의 탱크들이 화물 영역(910) 내에 배치되어서 유체를 저장하는데 사 용될 수 있다. 탱크들의 수 및 구성은 출렁임으로 인하여 발생할 수 있는 증가한 압력 및 손상을 제한하려는 바램 및 다른 억제 사항[즉, 선박 길이, 선박 폭 및 선박 변위]에 따라 좌우될 수 있다.
보기로서, 선박(900)이 액화 천연 가스(LNG) 선박[즉, 수송 및 부유 저장 설비]이라면, 선박(900)은 극저온 탱크를 유지하도록 구성된 선체를 가질 수 있다. 이들 선박은 이중 바닥 및 이중 측부를 포함할 수 있는 이중 선체를 가질 수 있다. 이중 선체 구성은 선박(900)의 손상 경우에 화물에 대한 보호 조치를 취할 수 있다. 즉, 외부 선체는 손상될 수 있지만, 바닷물은 내부 선체가 관통되지 않으면, 선박의 저장 탱크와 접촉할 수 없다. 따라서, 이 구성에서, 외부측 선체(960) 및 외부 바닥 선체(950)는 이중 선체 선박의 외부 선체일 수 있다.
특정 실시예로서, 선박(900)은 횡단면 거리(980)를 가질 수 있다. 이 거리(980)는 길이(B)로 지칭되며, 30 미터 내지 57.5 미터의 범위이거나 또는 특정 선박의 횡단면 크기에 따라서 더욱 커질 수 있다. 화물 영역(910)의 측벽(920)은 선박(900)의 외부 선체(960)로부터 거리(970)를 두고 위치할 수 잇다. 거리(970)는 약 6 미터 내지 약 11.5 미터의 범위 또는 선박의 횡단면 거리(980)에 따라서 더욱 커질 수 있는 범위 내에 있는 길이(B/5)일 수 있다. 또한, 이 구성에서, 화물 영역(910)의 바닥 경계부(930)는 외부 바닥 선체(950)로부터 거리(940) 만큼 이격될 수 있다. 이 거리(940)는 길이(B/15)의 하부이거나 또는 약 2 미터일 수 있다. 특수한 실시예에서, 저장 탱크의 길이는 약 260미터 이상이거나 및/또는 선박의 폭은 약 55미터 이상일 수 있다.
화물 영역(910)은 임의의 수의 다른 유형의 저장 탱크들을 저장하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 저장 유체가 액화 천연 가스(LNG)라면, 저장 탱크들은 절연 각주형 멤브레인 저장 탱크들 및 독립 저장 탱크들을 포함할 수 있다. 주위 공기보다 낮은 온도에서 저장 유체를 운반하기 위하여, 선박(900)은 하나 이상의 냉각 박스들을 수용하도록 구성될 수 있다. 용어 냉각 박스(cold box)는 일반적으로 탄소강 플레이트로 구성될 수 있는 단일 또는 이중 벽 박스를 지칭한다. 냉각 박스들은 펄라이트(perlite)와 같은 절연체로 충전될 수 있고, 저장 탱크들, 배관 및 기타 극저온 처리 설비를 수용할 수 있다. 냉각 박스들은 역시 내용물에 대한 용이한 접근성을 제공하기 위하여 절연 패널로 구성될 수 있다.
또한, 화물 영역(910)은 하나 이상의 독립 탱크들을 운송하도록 구성될 수 있다. 독립 탱크들은 독립 탱크들의 하중 및 저장 유체의 하중에 기여되는 다른 힘에 따라 중력을 전달하기 위하여 일반적으로 자체 지지되고 그 기초부, 바닥 경계부(930) 및 둘러싸인 선체 구조에 의지한다. 그 설계로 인하여, 독립 탱크들은 측면 경계부(920)에 인접한 선체 구조로부터 이격된 거리에서 화물 영역(910) 내에 배치될 수 있다. 상기 독립적인 탱크들은 9% 니켈강 및 스테인레스 강도 역시 허용가능하지만, 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다.
독립 탱크들은 유체 정력 및 유체 동력을 독립적으로 견딜 수 있을 만큼 충분히 견고하고 그 기초 지지 시스템을 통해서 그 힘을 주위 선체 구조 또는 경계부(920,930)로 전달할 수 있다. 독립 탱크들은 주위 온도 및 액화 천연 가스(LNG) 화물 서비스 온도 사이의 온도차에 의해서 유발되는 열적 유도 응력을 수용하도록 설계될 수 있다. 벌크(IGC 코드) 유형 A 및 B에서 선박 운송 액화 가스의 설비 및 구성을 위한 국제 코드에 대한 두 유형의 독립 탱크들이 있다.
본 발명의 실시예들은 독립 각주형 탱크들을 사용할 수 있다. 각주형 탱크는 화물 영역(910)의 윤곽을 추종하도록 성형된 탱크일 수 있다. 탱크 상부 및 탱크 바닥의 풋프린트(footprint)가 동일한 크기일 필요가 없는 경우일 수 있다. 자유 직립(또는 독립) 각주형 탱크들은 구형 탱크들과 비교할 때 더욱 효율적으로 밑의 갑판 용적을 사용할 수 있다. 각주형 탱크들은 화물 영역의 상부 경계부(924) 위의 높은 구조를 가져야 하는 필요성을 피할 수 있다. 화물 영역의 상부 경계부(924) 위의 높은 구조를 구비하지 않음으로써, 각주형 설계는 선박의 무게 중심을 상승시키는 필요성을 피할 수 있으며, 바람 및 결빙의 영향을 감소시킬 수 있고 북극 지역과 같은 높은 고도에 적용될 수 있다. 독립 각주형 탱크들의 크기, 형상, 구성 및 내부 구조들은 탱크 유체의 횡방향 출렁임 주기 및 종방향 출렁임 주기를 초래할 수 있고 분석 동안 고려될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 화물 영역(910)에 구성된 멤브레인 탱크들을 사용할 수 있다. 멤브레인 탱크들은 인접 선체 구조에 의해서 절연을 통해서 지지된 얇은 층(멤브레인)으로 구성될 수 있는 비자체 지지 탱크이다. 멤브레인은 열 및 기타 팽창 또는 수축이 멤브레인의 부적절한 응력없이 보상되는 방식으로 설계될 수 있다. 화물 영역의 경계부(920,924,930)는 멤브레인이 형태 및 완전성을 유지하는 것을 도울 수 있고 탱크의 내용물에 의해서 부가될 수 있는 유체 정력학을 흡수하는 것을 도울 수 있다. 멤브레인을 지지하는 화물 영역의 경계부(920,924,930)에 대해서, 멤브레인이 실제 모든 지점에서 주위 선체 구조와 밀접하게 접촉할 필요가 있다.
멤브레인 수용 시스템은 스테인레스 강 또는 여러 금속의 합금[즉, 철, 니켈 탄소 및 크롬]으로 구성될 수 있다. 멤브레인 수용 시스템을 구성하는 재료는 최소 열팽창 특성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기 재료들은 통상적인 독립 탱크들의 알루미늄 합금보다 무게에 대해서 실질적으로 더욱 고가일 수 있다. 그러나, 상기 재료들은 멤브레인의 비교적 얇고 그에 따라 경량의 특성 때문에 경쟁력있는 시스템으로 설계될 수 있다. 멤브레인은 직면한 힘을 독립적으로 견딜 수 없고 힘을 선체 구조에 전달하는 부하 지탱 시스템에 의존할 수 있다.
멤브레인 탱크에 직면하고 선체 구조로 전달된 힘의 양은 멤브레인 수용 시스템에 저장된 유체의 횡방향 출렁임 주기 및 종방향 출렁임 주기가 선박의 증폭 기간과 일치하지 않는 것을 보장함으로써 감소될 수 있다. 선박 내에 저장된 유체의 출렁임 주기들이 선박의 증폭 기간 내에 있지 않는 것을 보장하도록, 탱크를 설계함으로써, 유체들이 더욱 효율적이고 더욱 안전하게 운송될 수 있다.
상술한 설명은 본 발명의 실시예에 대한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예 및 추가 실시예들도 본 발명의 기본 범주 내에서 예상할 수 있으며, 그 범주는 하기 청구범위에 의해서 결정된다.

Claims (27)

  1. 해양 선박을 위한 유체 저장용 저장 탱크의 설계 방법으로서,
    해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘의 에너지 스펙트럼을 결정하는 단계;
    해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘들이 증폭되는 주기 범위들을 각각 가지는, 하나 이상의 증폭 기간(amplification regime)을 해양 선박의 선박 크기에 기초하여 결정하는 단계;
    하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 저장 탱크의 출렁임 주기를 제공하는 물리적 크기를 갖도록, 저장 탱크를 설계하는 단계를 포함하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크는 적어도 100,000 입방 미터(m3)의 용적을 제공하는 크기로 설계되는, 저장 탱크의 설계 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크의 길이는 적어도 260 미터인, 저장 탱크의 설계 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 증폭 기간들은 적어도 두개의 증폭 기간들을 가지며, 상기 적어도 두개의 증폭 기간들은 각각 상기 해양 선박의 다른 자유도에 대응하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 액화 천연 가스(LNG)를 포함하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 해양 선박은 해양 환경에서 유체를 수송하도록 구성되는, 저장 탱크의 설계 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    물리적 크기 및 충전 높이의 하나 이상의 조합을 위하여 출렁임 주기들을 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크를 설계하는 단계는 출렁임 주기들을 증폭 기간들에서 분리하기 위하여, 상기 저장 탱크를 분리 구조로 종방향으로 분할하는 단계를 포함하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크의 물리적 크기들은 상기 해양 선박의 자연 공진 주기들 사이에 있는 예상 충전 높이들에서 상기 저장 탱크에 있는 액체 출렁임의 자연 공진 주기를 유발하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크에 저장된 유체를 수송하기 위하여 상기 해양 선박을 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 해양 선박이 수체에 정박하는 동안 상기 저장 탱크의 유체를 저장하는 단계를 추가로 포함하는, 저장 탱크의 설계 방법.
  12. 선체 구조; 및
    선체 구조에 배치된 적어도 하나의 저장 탱크를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 저장 탱크는 해양 선박에 작용하는 예상 파도 힘이 증폭되는 주기 범위에 의해서 한정된 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 저장된 유체의 출렁임 주기를 유발시키는 크기를 가지는, 해양 선박.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장 탱크는 적어도 100,000 입방 미터(m3)의 용적을 구비하는, 해양 선박.
  14. 제 12 항에 있어서,
    예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 있는 유체의 출렁임의 자연 공진 주기는 상기 해양 선박의 자연 공진 주기들 사이, 주기 밑에 또는 주기 위에 있는, 해양 선박.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 해양 선박을 터릿 정박시키기 위하여 터릿 정박 시스템(turret mooring system)을 추가로 포함하는, 해양 선박.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 저장 탱크의 길이는 적어도 260 미터인, 해양 선박.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 저장 탱크는 분리 구조에 의해서 종방향으로 분할되는, 해양 선박.
  18. 선체 구조; 및
    선체 구조에 배치된 적어도 하나의 저장 탱크를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 저장 탱크는 선박에 작용하는 예상 파도 힘이 증폭되는 주기 범위에 의해서 한정된 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 저장된 액체의 출렁임 주기를 유발시키는 크기를 가지는, 액체 수송용 선박.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 저장 탱크는 적어도 액체의 100,000 입방 미터(m3)의 저장 용량을 구비하는, 액체 수송용 선박.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장 탱크의 길이는 적어도 260 미터인, 액체 수송용 선박.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장 탱크는 분리 구조에 의해서 종방향으로 분할되는, 액체 수송용 선박.
  22. 제 18 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 저장 탱크를 추가로 포함하는, 액체 수송용 선박.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 저장 탱크의 크기는 상기 적어도 하나의 저장 탱크의 크기와 실질적으로 동일한, 액체 수송용 선박.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 선박은 해양 선박인, 액체 수송용 선박.
  25. 선체 구조 및 선체 구조에 배치된 적어도 하나의 저장 탱크를 포함하는 해양 선박을 제공하는 단계; 및
    상기 해양 선박으로부터 유체를 하적하는 단계를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 저장 탱크는 선박에 작용하는 예상 파도 힘이 증폭되는 주기 범위에 의해서 한정된 하나 이상의 증폭 기간 밖에 있는 예상 충전 높이에서 상기 적어도 하나의 저장 탱크에 저장된 유체의 출렁임 주기를 유발시키는 크기를 가지는, 유체 수입 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 유체를 하적하기 위하여, 저장된 유체를 갖는 상기 해양 선박을 수입 터미널로 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 유체 수입 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 유체는 액화 천연 가스(LNG)를 포함하는, 유체 수입 방법.
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