KR20120050789A - 액화천연가스 저장탱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화천연가스 저장탱크에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화천연가스 저장탱크에 있어서, 상기 저장탱크의 상부를 구성하는 제 1 단열부; 및 상기 저장탱크의 하부를 구성하는 제 2 단열부가 포함되고, 상기 제 1 단열부는 상기 제 2 단열부보다 높은 단열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.

Description

액화천연가스 저장탱크{STORAGE TANK FOR LIQUEFIED NATURAL GAS}
본 발명은 액화천연가스 저장탱크에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스(Natural Gas, 이하 "NG"라 함)를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, NG와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다. 따라서, NG 이송 시 LNG로 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있으며, 일 예로 LNG를 해상으로 수송(운반)할 수 있는 LNG 운반선이 사용되고 있다.
LNG 운반선에는 LNG를 저장하기 위한 저장탱크가 구비된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 LNG 저장탱크의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 LNG 저장탱크(1)는 내측에 저장되는 유체의 상태에 따라 LNG가 채워지는 액체부(3)와 NG가 존재하는 기체부(2)로 구분될 수 있다. 구체적으로, 저장탱크(1)의 상단부의 일정 영역이 기체부(2)에 해당될 수 있으며, NG의 양에 따라 액체부(3)와 기체부(2)의 경계는 가변적이다.
액체부(3)와 기체부(2)를 포함하는 저장탱크(1)는 일정한 단열 성능을 갖도록 제작되나, 외부로부터 유입되는 열을 완전히 차단할 수 없다. 즉, 일정 수준의 열이 저장탱크(1) 내부로 유입되며, 이에 의해 LNG의 온도가 높아져 NG로 기화될 수 있다. 이를 증발가스(Boil-Off Gas, 이하 "BOG"라 함)라 한다.
BOG는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송에 있어서 중요한 문제이다. 또한, BOG가 저장탱크 내에 누적되어 저장탱크 내의 압력이 높아지면 저장탱크가 파손될 위험성도 있다. 따라서, BOG를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되어 왔으며, 최근에는 BOG를 가스 연소기로 태워버리는 방법, 재액화하여 저장탱크로 복귀시키는 방법, BOG를 선박의 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법 등이 사용되고 있으나, BOG의 발생을 억제하는 근본적인 대책이 아닌 발생된 BOG를 처리하는 2차적인 대책에 불과하다.
또한, BOG를 태워버리거나 엔진의 에너지원으로 사용하는 방법은 화물인 LNG의 양을 감소시키게 됨으로써 비경제적이며, 특히, BOG의 연소로 인하여 환경 오염을 유발시키는 문제점을 가지고 있다.
본 출원인은 이러한 BOG의 발생량을 감소시키기 위해 LNG 저장탱크의 압력 상승을 허용하여 BOG의 발생량을 줄일 수 있는 방법을 특허출원 제10-2009-0133870호로 출원한 바 있다.
도 2는 상기의 출원에 개시된 저장탱크의 압력과 BOG의 발생량 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 2에서, X선은 LNG 저장탱크 내부의 압력선도이고, Y선은 LNG 저장탱크 내부에서 발생하는 증발가스의 발생선도이다.
저장탱크 내부의 압력은 저장탱크에 전달되는 외부의 열에 의해 LNG가 기화됨으로써 증가될 수 있다.
한편, 저장탱크에는 상술한 가스 연소기, 재액화 장치, 엔진 등이 연결되어 저장탱크 내부에서 발생되는 BOG의 일부를 소모함으로써 저장탱크 내부의 BOG 압력을 조절할 수 있다.
저장탱크는 운전압력인 P0에서 일정 수준(P1)까지 압력 상승이 허용되며, 여기서는 0.7기압(게이지압)까지 상승하는 것이 허용되도록 조절될 수 있다. 저장탱크 내부의 압력이 상승하면, 포화온도가 증가되는 바 BOG의 발생량이 줄어들 수 있다.
저장탱크가 운전압력인 P0인 상태로 유지될 경우, 설정된 설계증발량을 따라 BOG가 발생될 수 있으며, 이때의 BOG 발생량은 BOR0이다. 그리고, 저장탱크의 압력을 X선을 따라 증가시키면, BOG 발생량은 BOR1, BOR2, BOR3 순으로 변화된다. 총 BOG 발생량은 빗금친 부분의 면적에 대응될 수 있다.
여기에서 BOR1로 정의한 구간에서는 BOR0에 비해 증발가스 발생량이 평균 75% 정도 줄어들게 되며, BOR2로 정의한 구간에서는 대략 20% 감소하고, BOR3으로 정의된 구간에서는 BOR0과 동일한 량의 증발가스가 발생한다.
본 발명의 실시예들은 증발가스의 발생량을 줄일 수 있는 액화천연가스 저장탱크를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화천연가스 저장탱크에 있어서, 상기 저장탱크의 상부를 구성하는 제 1 단열부; 및 상기 저장탱크의 하부를 구성하는 제 2 단열부가 포함되고, 상기 저장탱크는 일정 범위의 압력 상승을 허용하도록 구성되고, 상기 제 1 단열부는 상기 제 2 단열부보다 높은 단열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단열부의 단열 소재는 상기 제 2 단열부의 단열 소재보다 더 높은 단열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단열부와 상기 제 2 단열부의 두께는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단열부는 상기 제 2 단열부보다 더 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단열부에는 보강 단열재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단열부는 상기 저장탱크의 천장면과 측면 일부를 형성할 수 있으며, 상기 제 1 단열부의 측면부는 상기 저장탱크의 저장공간 상단부로부터 상기 저장공간의 전체 높이의 1.5% 내지 2% 지점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 저장탱크는 게이지압력 0.7기압 이하의 압력 상승을 허용하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단열부는 에어로겔(aerogel)로 형성되고, 상기 제 2 단열부는 강화 폴리우레탄 폼(Reinforced Polyurethane Foam)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 액화천연가스 저장탱크의 단열 구조를 개선하고, 압력 상승을 허용함으로써 증발가스의 발생량을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 액화천연가스 저장탱크의 개략적인 단면도이고,
도 2는 특허출원 제10-2009-0133870호에 개시된 저장탱크의 압력과 BOG의 발생량 사이의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크의 압력과 BOG의 발생량 사이의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 액화천연가스의 저장탱크(100)에는 액화천연가스(이하 "LNG"라 함, 110)와 증발가스(이하 "BOG"라 함, 120)가 저장된다.
일반적으로 저장탱크(100)에는 LNG가 전체 저장공간 높이의 98% 내지 98.5% 지점까지 적재될 수 있다. 이때, 액체인 LNG(110)와 기체인 BOG(120)의 경계면인 기-액면의 높이는 BOG(120)의 발생량에 따라 변화될 수 있다. 즉, BOG가 많이 발생되면 경계면의 높이가 낮아지고, BOG가 적게 발생되면 경계면의 높이가 높아질 수 있다.
저장탱크(100)는 상측의 제 1 단열부(130)와, 하측의 제 2 단열부(140)로 구성될 수 있다. 즉, BOG는 주로 제 1 단열부(130)에 접촉되고, LNG는 주로 제 2 단열부(140)에 접촉된다. 제 1 단열부(130)와 제 2 단열부(140)는 모두 2중 방벽 구조로 형성될 수 있으며, 예를 들어 멤브레인(membrane) 타입의 화물창 구조로 형성될 수 있다.
제 1 단열부(130)는 제 2 단열부(140)에 비해 더 높은 단열 성능을 갖도록 제공된다. 예를 들어, 제 1 단열부(130)의 단열재로는 제 2 단열부(140)의 단열재보다 더 높은 단열 성능을 갖는 재료가 사용될 수 있으며, 일 예로, 제 1 단열부(130)는 에어로겔(aerogel)로 형성되고, 제 2 단열부(140)는 강화 폴리우레탄 폼(Reinforced Polyurethane Foam)으로 형성될 수 있다.
또한, 제 1 단열부(130)와 제 2 단열부(140)는 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 제 1 단열부(130)는 저장탱크(100)의 천장면과 측면 일부를 형성할 수 있으며, 측면부가 저장공간의 상단으로부터 전체 저장공간의 높이의 1.5% 내지 2% 지점까지 내려오도록 연장될 수 있다. 상세히, 일반적으로 저장탱크(100)에는 LNG가 전체 저장공간 높이의 98% 내지 98.5% 지점까지 적재될 수 있으므로, 전체 저장공간 높이의 1.5% 내지 2% 지점까지의 빈 공간을 BOG 발생영역으로 보아 제 1 단열부(130)로 형성시킬 수 있다. 따라서 LNG가 적재되는 98% 내지 98.5% 지점까지는 제 2 단열부(140)로 형성될 수 있다.
한편, 저장탱크(100)에는 BOG 송출라인(미도시)이 연결되며, BOG 송출라인에는 가스 연소기, 재액화 장치, 이중연료 엔진 등이 연결되어 BOG를 소비할 수 있다. 이에 의해 저장탱크(100)의 압력은 일정 수준으로 유지될 수 있다.
예를 들어, 저장탱크(100)는 내부 압력이 운전압력(도 4, P0)을 기준으로 최대압력(도 4, P1)까지 압력 상승이 허용되도록 조절될 수 있다. 여기서, 운전압력(P0)과 최대압력(P1)의 차이는 0.7기압(게이지압)일 수 있다.
저장탱크(100)의 제 1 단열부(130)와 제 2 단열부(140)는 이와 같은 압력 상승을 견딜 수 있도록 구조적으로 더욱 견고하게 형성되거나, 물성치가 높은 재료가 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크의 압력과 BOG의 발생량 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, X선은 저장탱크(100) 내부의 압력선도이고, Y선은 저장탱크(100) 내부에서 발생하는 증발가스의 발생선도이다.
저장탱크(100)가 운전압력인 P0인 상태로 유지될 경우, 설정된 설계증발량을 따라 BOG가 발생될 수 있으며, 이때의 BOG 발생량은 BOR0이다. 그리고, 저장탱크(100)의 압력을 X선을 따라 증가시키면, BOG 발생량은 BOR1, BOR2, BOR3 순으로 변화된다. 총 BOG 발생량은 빗금친 부분의 면적에 대응될 수 있다.
여기에서, BOR1 구간에서 BOG의 발생량에 가장 큰 영향을 미치는 것은, 저장탱크(100) 외부로부터 저장탱크(100) 내부의 BOG(120)에 전달되는 열량이다.
상세히, 저장탱크(100)와 같이 단열성능이 뛰어난 시스템에서 BOG의 발생은 BOG와 LNG가 접하는 기-액면에서 주로 발생하게 된다. 더 상세히, 제 1 단열부(130)를 통해 저장탱크 (100)로 유입되는 열은 저장탱크(100) 내 BOG(120)의 온도 상승, BOG(120)와 LNG(110)가 접하는 기-액면에서 LNG의 온도 상승 및 기-액면 부근에서 LNG의 직접적인 증발에 기여한다. 반면 제 2 단열부(140)을 통해 저장탱크(100) 내부의 LNG(110)로 유입되는 열은 LNG의 온도상승 및 증발에 기여한다.
이때, BOR1 구간에서는 제 2 단열부(140)로 유입되는 열로 인한 LNG의 온도 상승보다 제 1 단열부(130)로 유입되는 열로 인한 기-액면 부근의 LNG 온도상승이 크다. 제 2 단열부(140)로 유입되는 열은 LNG의 온도를 상승시키지만 증발이 일어나는 기-액면까지 이동하지 못하고 LNG 내부적으로 큰 흐름을 만들어 지속적으로 LNG의 온도상승에만 기여하게 된다. 그런데, 압력을 일정하게 유지하는 구간에서는 기-액면에 형성되는 포화온도는 더 이상 증가하지 않으나, LNG 내부의 온도는 시간이 지남에 따라 지속적으로 상승하므로, LNG 내부의 온도가 포화온도에 가까워지게 된다. LNG 내부의 온도가 포화온도에 가까워지면 LNG 내부의 유동은 기-액면 부근으로 이동되며, 그에 따라 기-액면 부근에서 많은 양의 BOG가 발생하게 된다.
즉, 저장탱크(100)의 외부에서 BOG(120)로 열량이 많이 공급되는 경우에는 BOG가 더 많이 발생하는 바, I곡선과 같이 그래프가 이동되고, 적게 공급되는 경우에는 BOG가 더 적게 발생하는 바, II곡선과 같이 그래프가 이동될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에서와 같이, BOG(120)가 주로 접촉하는 제 1 단열부(130)의 단열 성능을 향상시키면, II곡선 방향으로 그래프가 이동될 수 있다. 즉, 동일한 폭의 압력 상승을 허용하더라도 BOG의 발생량을 더 줄일 수 있다(빗금친 부분의 면적이 줄어든다).
또한, 저장탱크(100)의 전체의 단열성능을 개선시키지 않고, 일부인 제 1 단열부(130)의 단열 성능 개선만으로도 BOG의 발생량을 크게 줄일 수 있는 바, 큰 비용 상승 없이도 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 다만, 제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교하여, 제 1 단열부에 있어서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 제 1 실시예의 설명과 도면 부호를 원용한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 액화천연가스 저장탱크(100)의 제 1 단열부(130')는 제 2 단열부(140)보다 더 높은 단열 성능을 나타낸다.
이를 위해 제 1 단열부(130')는 제 2 단열부(140)와 동일한 단열 소재로 구성되나, 더 두껍게 형성될 수 있다. 또는, 외부에 보강 단열재가 더 부착되는 형태로 구성될 수 있다.
이에 의해, 제 1 실시예와 마찬가지로, 압력 상승 중 BOG(120)에 공급되는 열량을 줄일 수 있으므로, 도 4의 그래프를 II곡선 방향으로 이동시킬 수 있다. 즉, 동일한 폭의 압력 상승을 허용하더라도 BOG의 발생량을 더 줄일 수 있다.
예를 들어, Mark-III 멤브레인 타입의 화물창은 단열부가 270mm의 강화 폴리우레탄 폼으로 형성되는데, 제 1 단열부(130')를 저장공간의 상단으로부터 전체 저장공간 높이의 1.5% 내지 2% 지점까지 내려오도록 형성하고 300mm의 강화 폴리우레탄 폼으로 형성할 경우, BOR1구간에서 발생되는 BOG의 양을 최대 10% 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 : 액화천연가스 저장탱크 110 : 액화천연가스(LNG)
120 : 증발가스(BOG) 130, 130' : 제 1 단열부
140 : 제 2 단열부

Claims (8)

  1. 액화천연가스 저장탱크에 있어서,
    상기 저장탱크의 상부를 구성하는 제 1 단열부; 및
    상기 저장탱크의 하부를 구성하는 제 2 단열부가 포함되고,
    상기 저장탱크는 일정 범위의 압력 상승을 허용하도록 구성되고,
    상기 제 1 단열부는 상기 제 2 단열부보다 높은 단열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단열부의 단열 소재는 상기 제 2 단열부의 단열 소재보다 더 높은 단열 성능을 갖는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단열부와 상기 제 2 단열부의 두께는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단열부는 상기 제 2 단열부보다 더 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단열부에는 보강 단열재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 단열부는 상기 저장탱크의 천장면과 측면 일부를 형성할 수 있으며,
    상기 제 1 단열부의 측면부는 상기 저장탱크(100)의 저장공간의 상단부로부터 상기 저장공간의 전체 높이의 1.5% 내지 2% 지점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장탱크는 게이지압력 0.7기압 이하의 압력 상승을 허용하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단열부는 에어로겔(aerogel)로 형성되고, 상기 제 2 단열부는 강화 폴리우레탄 폼(Reinforced Polyurethane Foam)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 저장탱크.
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