KR20110021529A - 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 관한 것으로서, 화물창의 단열 공간에 연결되는 질소라인을 통해 질소를 공급하는 질소공급장치와, 질소공급장치에서 공급되는 질소를 과냉각시켜서 화물창 전체를 냉각시킴으로서 증발가스의 발생을 억제하도록 화물창의 단열 공간에 연결되는 냉각라인을 통해 열교환된 과냉각의 질소를 유입시키는 열교환부를 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 화물창의 단열 공간에 과냉각된 질소를 공급하여 화물창 전체를 냉각시키는 효과를 주어 증발가스의 발생을 억제할 수 있는 효과를 가진다.
액화천연가스 운반선, 증발가스, 억제, 질소, 냉각, 열교환

Description

액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치{BOIL OFF GAS CONTROL APPARATUS OF LNG CARRIERS}
본 발명은 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스를 운반하는 가스운반선과 같은 선박, 또는 해상 위에 부유한 상태로 가스를 채굴, 저장, 액화 및 기화시키는 종합설비를 갖춘 부유식 또는 고정식 가스처리 설비에서 발생하는 증발가스(BOG:Boil Off Gas)를 억제하기 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas: LNG)는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다.
LNG는 천연가스의 주성분인 메탄을 1기압 하에서 섭씨 -163도 이하로 온도를 내리면 생성되는 액체인데, 액화된 LNG의 부피는 표준상태인 기체상태의 LNG의 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.47 내외로 원유비중의 약 2분의 1이 된다.
이런 연유로 LNG는 수송 및 저장이 수월한 이점이 있는 반면, 극저온의 성질을 가지고 있어 누출될 경우 매우 위험하므로, 선박 또는 부유식 또는 고정식 가스처리 설비에서 절연체(단열재)로 제작된 별도의 가스저장탱크로 운송 또는 보관을 하게 된다.
특히, LNG 선박의 경우 원유 운반선과 다른 것은 -163℃의 극저온의 액체상태에서 운반하게 되며, LNG의 기화점이 -163℃로 극히 낮기 때문에 기화를 막기 위해서 철저한 단열이 요구된다.
그러나 완전한 단열은 실제적으로 불가능하며 선박이 운항하는 동안 약 하루 기준 0.15%의 비율로 액화상태의 LNG가 기체상태의 증발가스로 변화하고 있는 실정이다.
이러한 이유로 선박에서는 증발가스를 자연스럽게 추진기관의 연료로 처리하여 사용하거나, GCU (Gas Combustion Unit)등을 통해 잉여 증발가스를 단순히 연소시켜 처리하여 왔다.
예컨대, 추진기관은 증발가스를 연료로 하여 보일러에서 고압의 스팀을 발생시키고 이 스팀은 스팀터빈을 구동시켜 추진력을 얻게 된다.
이러한 LNG선박의 종래 기술에 대한 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 선박의 증발가스 처리시스템은, 가스저장탱크(1)의 상부의 증발가스 배출관(BOG vent pipe:2)과 연결된 연료가스 컴프레서(3)와 가스터빈 및 이중연료엔진을 포함하는 추진수단(10) 등으로 이루어져 있다.
여기에서는, 가스저장탱크(1)에 별도의 연소장치(9)를 연결 설치하며, 증발가스가 소정의 관로 변경 수단(미도시)에 의해서 연소장치(9) 또는 추진수단(10) 중 어느 하나로 이송되도록 결합되어 있다.
선박의 운항 시, 증발가스는 선박의 추진수단(10)으로 보내져 추진용으로 사용될 수 있도록 하는 한편, 선박이 추진수단(10)에 의해 추진되지 않을 경우, 가스저장탱크(1)에서 발생된 잉여 증발가스가 연소장치(9)로 보내져 직접 연소될 수 있도록 되어 있다.
그러나 예를 들어 선박이 산지로부터 터미널로 들어오는 경우 약10시간 정도 운항속도를 7노트 이하로 낮추어야 하며, 또한 터미널에 하역을 위해 대기해야 하는 시간은 약10시간 정도이다. 이러한 과정에서는 계속되는 증발가스를 처리할 방안이 문제가 된다. 더욱이 대기중인 선박에서는 잉여 증발가스를 송출하거나 증발가스를 에너지화해서 사용할 방법이 없다.
따라서 증발가스의 처리보다는 증발가스의 발생을 억제하는 방법이 최선이며, 이를 위하여 종래에는 다음과 같은 방법이 이용되고 있었다.
도 2에서는 종래에 증발가스 억제 장치를 도시한 것으로서, 가스저장탱크(1)내에서 자연 발생된 고온의 증발가스(BOG)는 압축용 컴프레서(23)에 의해 강제적으로 가스저장탱크(1) 저면부의 노즐(21)을 통해 초저온 액화천연가스 내부로 분사되고, 가스저장탱크(1) 상층부로 증발된 기존의 고온 가스는 가스저장탱크(1) 바닥면에 설치된 펌프(11)를 이용하여 상층으로 유입된 초저온 액화가스의 분사노즐(13)을 통한 분사에 의해 상층의 가스부의 온도를 강하시켜 증발가스 발생속도를 완화 하는 구조로 이루어져 있다.
그런데, 종래와 같은 증발가스 저감 장치에서는 기화된 고온의 증발가스를 상대적으로 저온의 액화천연가스 속으로 바로 분사함으로써, 액화천연가스의 전체적인 유동교란을 야기시킬 수 있으며, 이는 액화천연가스의 운동에너지 상승에 의해 기화를 더욱 촉진시키게 되어 가스저장탱크 내부의 압력상승을 가속시킬 수 있는 가능성을 가지고 있다.
이에. 가스저장탱크를 가압하여 증발가스를 억제시키는 방안도 사용되고 있으나, 이 역시 가스저장탱크의 두께가 상당히 두꺼워야 하므로 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 가스저장탱크 내부의 압력이 터미널의 압력보다 높을 시 하역에 문제가 발생되는 등이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 외부의 열이 화물창의 벽면을 따라 이동하여 화물창 상단부에 모이게 되고, 이 열로 인하여 증발가스가 발생된다는 점에 착안하여 화물창의 단열공간에 과냉각된 질소를 공급하여 화물창 전체를 냉각시키는 효과를 주어 증발가스의 발생을 억제할 수 있는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 화물창의 단열 공간에 연결되는 질소라인을 통해 질소를 공급하는 질소공급장치와, 질소공급장치에서 공급되는 질소를 과냉각시켜서 화물창 전체를 냉각시킴으로서 증발가스의 발생을 억제하도록 화물창의 단열 공간에 연결되는 냉각라인을 통해 열교환된 과냉각의 질소를 유입시키는 열교환부를 포함하는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치를 제공된다.
그리고 질소라인은, 화물창의 돔구조를 통해 각각의 아이에스와 아이비에스의 단열공간에 질소인입부와 질소배출부가 설치될 수 있다.
그리고 냉각라인은, 화물창의 돔구조를 통해 아이비에스의 단열공간에 연결 설치되어 아이비에스에만 과냉각된 질소의 공급이 이루어질 수 있다.
더욱이 질소라인과 냉각라인의 교차부에는 삼방향밸브가 설치되어 온도 상승된 질소를 열교환부에 재순환시켜 열교환시키거나 외부로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치에 의하면, 화물창의 단열 공간에 과냉각된 질소를 공급하여 화물창 전체를 냉각시키는 효과를 주어 증발가스의 발생을 억제할 수 있는 효과를 가진다.
이하 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에 서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 하지만, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 실시형태의 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치는, 화물창(100)의 단열 공간에 질소를 공급하는 질소공급장치(110)와, 화물창(100)의 단열 공간에 과냉각된 질소를 유입시킬 수 있는 열교환부(120)를 포함할 수 있다.
여기서 화물창(100)이 설치되는 선박으로는 액화천연가스운반선(LNGC) 또는 한 곳에 정박되어 운용되는 부유식 액화천연가스저장 기화설비(FSRU: Floating Storage Regasfication Unit)와 같은 해상구조물일 수 있다.
화물창(100)은 멤브레인형을 기본적인 형태로 나타내고 있으나, 독립형 화물창 또는 변형된 형태의 화물창에 적용하는 것이 가능할 수 있다.
여기서는 멤브레인형의 화물창(100)을 일례로 들어 설명하면, 화물창(100)은 멤브레인의 1차 방벽(104)과, 단열재로 이루어진 2차 방벽(106)으로 단열되어 액화천연가스의 냉열이 선체(140)에 영향을 미치지 않도록 설계되어 있다. 그리고 1차 방벽(104)과 2차 방벽(106)의 사이 구간은 아이비에스(IBS:Inter Barrier Space)(105)라 칭하고, 2차 방벽(106)과 선체(140)내벽 사이 구간은 아이에스(IS:Insulation Space) (107)로 지칭할 수 있다.
그리고 화물창(100)의 상단 중앙에는 각종 배관 라인을 설치하기 위하여 돔(102)이 형성될 수 있다.
이러한 화물창(100)에 질소를 공급하기 위하여 설치되는 질소공급장치(110)는, 화물창(100)에 불활성 기체인 질소를 공급하여 폭발 위험 방지 및 아이비에스(105)와 아이에스(107) 공간 상에 수분을 제거하거나 일정 압력을 유지시킬 수 있다.
질소공급장치(110)로부터 이어져서 화물창(100)으로 이어지는 질소라인(112)이 설치될 수 있으며, 질소라인(112)은 질소공급장치(110)로부터 이어져서 돔(102)을 통해 아이에스(107)와 아이비에스(105)의 각각 공간에 위치되도록 질소인입부(112a)가 설치될 수 있고, 질소인입부(112a)를 통해 아이에스(107)와 아이비에스(105)를 순환한 질소가 배출되도록 아이에스(107)와 아이비에스(105)의 각각에 질소배출부(112b)가 설치될 수 있다.
그리고 질소공급장치(110)에서 공급되는 질소를 과냉각시켜서 화물창(100) 전체를 냉각시킴으로서 증발가스의 발생을 억제하는 열교환부(120)는, 열교환부(120)로부터 이어지는 냉각라인(122)이 화물창(100)의 돔(102)을 통해 아이비에스(105)에 위치 설치되어 아이비에스(105)측으로만 과냉각된 질소를 공급하도록 한다.
여기서 과냉각의 질소가 아이비에스(105)에만 유입되도록 하는 이유는, 아이에스(107)에도 과냉각 질소가 유입되면 직접적으로 맞닿아 있는 선체(140)에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
덧붙여, 열교환부(120)는, 온도가 상승된 질소를 공급받아 외부에 공급되는 낮은 온도의 유체와 접촉시켜서 질소를 과냉각 시킬 수 있는 것으로서 냉각기, 증발기, 응축기일 수 있다.
그리고 질소배출부(112b)로부터의 질소라인(112)과 냉각라인(122)의 교차부에는 삼방향밸브(124)가 설치되어 온도 상승된 질소를 열교환부(120)측으로 재순환시켜서 열교환시키거나 또는 외부로 배출시킬 수 있다.
삼방향밸브(124)는 솔레노이드밸브일 수 있다.
덧붙여, 질소라인(112)과 냉각라인(122) 상에는 밸브(130)들이 각각 설치되어 공급 여부를 차단 또는 해제할 수 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 작용은 다음과 같이 이루어진다.
다시 도 3을 참고하여 설명하면, 기체상태의 천연가스는 극저온으로 액화되어 대기압(1.013bar) 상태로 화물창(100)에 저장되어 운반된다. 하지만 액화천연가스의 운송 중 외부로부터의 열이 화물창(100)의 벽면을 따라 이동하여 화물창(100)의 상단부에 모이게 되고, 이 열로 인하여 증발가스가 발생되며 이는 화물창(100)의 압력 상승 요인으로 작용한다.
따라서 본 발명에서는 화물창(100)의 벽면인 단열 공간을 냉각시켜서 증발가스의 발생을 최대한 억제시키고자 하는 것이다.
즉, 질소공급장치(110)로부터 공급되는 불활성 기체인 질소는 질소라인(112)을 따라 화물창(100)의 아이비에스(105)와 아이에스(107)에 각각 위치 설치된 질소인입부(112a)를 통해 아이비에스(105)와 아이에스(107) 각각에 질소를 공급하게 된 다. 이때 공급되는 질소는 폭발 위험 방지 및 아이비에스(105)와 아이에스(107) 공간 상에 수분을 제거하거나 일정 압력을 유지시킬 수 있는 것일 수 있다.
이와 함께 열교환부(120)로는 열교환으로 과냉각된 질소를 냉각라인(122)을 따라 아이비에스(105)로 유입시킴으로서, 화물창(100) 전체를 냉각시킬 수 있게 되며, 이로 인하여 외부 열이 차단되어 증발가스의 발생이 억제될 수 있다.
그리고 아이비에스(105)와 아이에스(107)를 순환하여 온도 상승된 질소는 돔(102)에 연결된 질소배출부(112b)를 통해 배출되다가 삼방향밸브(124)의 제어를 통하여 바로 배출되거나 열교환부(120)로 재유입되어 열교환을 이루어 위에서의 설명과 같이 냉각라인(122)을 통해 유입시킬 수 있게 된다.
또한, 질소인입부(112a)와 질소배출부(112b)에 설치된 밸브(130)는 질소의 유입량이나 배출량을 제어할 수 있고 경우에 따라서는 차단할 수 있다. 그리고 냉각라인(122) 상에 설치된 밸브(130)도 질소의 과냉각 정도에 따라 냉기의 공급을 제어하거나 일시 차단할 수 있으며, 가열된 질소의 열교환을 위하여 열교환부(120)로의 유입을 제어할 수 있다.
그러므로 상술한 바에 따르면, 화물창의 단열공간에 과냉각된 질소를 공급하여 화물창 전체를 냉각시키는 효과를 주어 증발가스의 발생을 억제하여 액화천연가스의 선적 효율이 향상될 수 있다.
이상 본 발명에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것 으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
도 1은 종래 기술에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 처리시스템을 보여주는 개략도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 증발가스 억제 장치를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 화물창 102 : 돔
104 : 1차 방벽 105 : 아이비에스
106 : 2차 방벽 107 : 아이에스
110 : 질소공급장치 112 : 질소라인
112a : 질소인입부 112b : 질소배출부
120 : 열교환부 122 : 냉각라인
124 : 삼방향밸브 130 : 밸브
140 : 선체

Claims (4)

  1. 화물창의 단열 공간에 연결되는 질소라인을 통해 질소를 공급하는 질소공급장치와,
    상기 질소공급장치에서 공급되는 질소를 과냉각시켜서 상기 화물창 전체를 냉각시킴으로서 증발가스의 발생을 억제하도록 상기 화물창의 단열 공간에 연결되는 냉각라인을 통해 열교환된 과냉각의 질소를 유입시키는 열교환부
    를 포함하는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소라인은,
    상기 화물창의 돔구조를 통해 각각의 아이에스와 아이비에스의 상기 단열공간에 질소인입부와 질소배출부가 설치되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각라인은,
    상기 화물창의 돔구조를 통해 아이비에스의 상기 단열공간에 연결 설치되어 상기 아이비에스에만 과냉각된 질소를 공급하게 되는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 질소라인과 상기 냉각라인의 교차부에는 삼방향밸브가 설치되어 온도 상승된 질소를 상기 열교환부에 재순환시켜 열교환시키거나 외부로 배출시키도록 하는 액화천연가스 운반선의 증발가스 억제장치.
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