KR20130128231A

KR20130128231A - Ｌｎｇ 저장탱크 및 단열방법

Info

Publication number: KR20130128231A
Application number: KR1020120052124A
Authority: KR
Inventors: 박철웅
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-26

Abstract

LNG 저장탱크 및 단열방법이 개시된다. 본 발명의 LNG 저장탱크는, LNG 저장탱크에 있어서, 상기 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되는 박스 몸체; 및 상기 박스 몸체의 내부에 채워지는 비활성 기체를 포함하는 LNG 저장탱크를 포함한다.

Description

ＬＮＧ 저장탱크 및 단열방법{LNG TANK AND ITS INSULATING METHOD}

본 발명은 LNG 저장탱크 및 단열방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, LNG 운반선 또는 부유 구조물에 설치되는 GTT NO 96형 저장탱크 및 단열방법에 관한 것이다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온(대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 LNG를 하역하기 위한 LNG 수송선이나, 마찬가지로 LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 도착한 후 저장된 LNG를 재기화하여 천연가스 상태로 하역하는 LNG RV(Regasification Vessel)는, 액화천연가스의 극저온에 견딜 수 있는 저장탱크(흔히, '화물창'이라고 함)를 포함한다.

최근에는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며, 이러한 부유식 해상 구조물에도 LNG 수송선이나 LNG RV에 설치되는 저장탱크가 포함된다.

LNG FPSO는, 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다. 또 LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다.

이와 같이 LNG와 같은 액체화물을 해상에서 수송하거나 보관하는 LNG 수송선, LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 구조물 내에는 LNG를 극저온 상태로 저장하기 위한 저장탱크가 설치되어 있다.

이 저장탱크는 단열재에 화물의 하중이 직접적으로 작용하는지 여부에 따라 독립탱크형(Independent Tank)과 멤브레인형(Membrane Type)으로 분류할 수 있다. 통상 멤브레인형 저장탱크는 GTT NO 96형과 TGZ Mark Ⅲ형으로 나눠지며, 독립탱크형 저장탱크는 MOSS형과 IHI-SPB형으로 나눠진다.

GTT NO 96형의 저장탱크는, 0.5 ~ 1.5㎜ 두께의 인바(Invar) 강으로 이루어지는 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽과, 플라이우드 박스(plywood box) 및 펄라이트(perlite) 등으로 이루어지는 1차 단열벽 및 2차 단열벽이, 선체의 내부표면 상에 번갈아 적층 설치된다.

GTT NO 96형의 경우, 1차 밀봉벽 및 2차 밀봉벽이 거의 같은 정도의 액밀성 및 강도를 갖고 있어 1차 밀봉벽의 누설시 상당한 기간 동안 2차 밀봉벽만으로도 화물을 안전하게 지탱할 수 있다.

GTT NO 96 타입의 단열 시스템은, 전술한 바와 같이 인바 강(36% 니켈강)과 펄라이트 및 플라이우드로 제작된 단열박스가 2개의 층으로 적층되어 이루어지며, 플라이우드는 단열박스의 구조 재료로 사용되고 있다.

한편 저온 액체 화물창은 화물창의 타입에 따라 그 화물창의 내외부 전구역에 가능한 빈 공간이 없도록 열전도도가 낮은 단열재를 설치하고 있다. 일반적으로 상온에서 R-PUF는 120kg/m³ 당 0.032W/mK, PUF는 120kg/m³ 당 0.030W/mK, 펄라이트는 60kg/m³ 당 0.040W/mK, 글래스 울은 35kg/m³ 당 0.035W/mK의 열전도도 값을 갖는 단열재가 주로 사용되고 있다.

현재 열전도도가 낮은 단열재는 다른 단열재에 비해 상대적으로 가격이 높고, 선박의 경제적인 설계에 제약을 가져온다. 특히 선박의 안전을 위해 비활성 기체를 단열 공간의 내부 및 외부에 주입하게 되는 데, 이는 화물창의 타입 및 그 특성에 따라 적용방법 또는 그 효과가 조금씩 차이가 있고, 이로 인해 대류에 의한 열전달의 영향을 받게 된다.

예를 들어 독립형 탱크 방식은 단열공간의 외부에, 멤브레인형 탱크 방식은 단열공간의 내부에 불활성 가스가 적용되며, 불활성가스는 지속적으로 주입과 배출이 이루어지는 것이 아니라 적절한 압력으로 조절되어 압력의 강하시에만 추가적으로 보충된다.

최근 조선사들간의 수주 경쟁 가열화로 가격 경쟁력 확보가 매우 중요한 과제로 대두되고 있는데, 종래의 실시예에서 단열성능은 유지하되 가격은 낮출 수 있는 새롭고 진보된 타입의 LNG 저장탱크의 개발이 요구된다.

한국특허공개공보 제2010-0118930호(대우조선해양 주식회사) 2010. 11. 08.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 단열 성능을 유지하면서 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 LNG 저장탱크 및 단열방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, LNG 저장탱크에 있어서, 상기 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되는 박스 몸체; 및 상기 박스 몸체의 내부에 채워지는 비활성 기체를 포함하는 LNG 저장탱크가 제공될 수 있다.

상기 천장부는 대류열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)가 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어날 수 있다.

상기 박스 몸체는, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 박스 몸체; 및 상기 1차 박스 몸체와 선체의 내벽 사이에 마련되는 2차 박스 몸체를 포함하며, 상기 비활성 기체는 상기 1차 박스 몸체 및 상기 2차 박스 몸체 중 적어도 어느 하나에 채워질 수 있다.

상기 비활성 기체는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다.

청구항 1의 LNG 저장탱크를 포함하는 LNG 운반선이 제공될 수 있다.

청구항 1의 LNG 저장탱크를 포함하는 부유 구조물이 제공될 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, LNG 저장탱크의 단열방법에 있어서, 상기 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되며 대류가 아닌 전도에 의한 열전달이 일어나는 단열박스의 내부에 단열재를 채우지 않고 비활성 기체를 채워 상기 LNG 저장탱크를 단열시키는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크의 단열방법이 제공될 수 있다.

상기 단열박스는, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 단열박스; 및 상기 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 마련되는 2차 단열박스를 포함하며, 상기 비활성 기체는 상기 1차 단열박스 및 상기 2차 단열박스 중 적어도 어느 하나에 채워질 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 대류가 아닌 전도에 의한 열전달이 일어나는 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되어 LNG를 단열시키되 내부에 단열재가 채워지지 않고 비활성 기체가 채워진 단열박스가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 대류 열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)의 값이 1이 되는 조건에서는 기체에 대해 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 원리를 이용하여 저장탱크의 상측부 영역의 단열 성능을 종래와 같이 유지하면서 단열에 소모되는 비용을 줄여 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 저장탱크와 LNG 저장탱크에 마련된 단열박스의 설치 위치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에서 대류열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)가 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 조건을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 LNG 저장탱크에서 1차 단열박스를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 LNG 저장탱크에서 2차 단열박스를 개략적으로 도시한 평면도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 저장탱크와 LNG 저장탱크에 마련된 단열박스의 설치 위치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에서 대류열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)가 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 조건을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 LNG 저장탱크에서 2차 단열박스를 개략적으로 도시한 측면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 LNG 저장탱크에서 2차 단열박스를 개략적으로 도시한 평면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 LNG 저장탱크(1)는, 액화천연가스의 누설를 1차적으로 밀봉하는 1차 멤브레인(100)과, 저장탱크 몸체의 천장부에 마련되어 액화천연가스를 1차적으로 단열시키는 1차 단열박스(200)와, 액화천연가스의 누설을 2차적으로 밀봉하는 2차 멤브레인(300)과, 2차 멤브레인(300)과 선체의 내벽 사이에 마련되어 액화천연가스를 2차적으로 단열시키는 2차 단열박스(400)를 구비한다.

1차 멤브레인(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 저정탱크 몸체의 천장부의 최외각부에 배치되어 액화천연가스가 저장탱크 몸체의 외부로 누설되는 것을 방지하는 것으로서, 본 실시 예에서 1차 멤브레인(100)은 0.5 ~ 1.5㎜ 두께의 인바(Invar) 강으로 제작될 수 있다.

1차 단열박스(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 멤브레인(100)과 선체의 내벽 사이에 배치되어 액화천연가스가 저장탱크 몸체의 외부의 공기와 열전달이 일어나지 않도록 단열시킨다.

또한 본 실시 예에서 1차 단열박스(200)는 대류 열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)의 값이 1이 되는 조건에서 기체에 대해 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 원리를 이용하여 종래에 사용되고 있는 단열재를 열전도도 면에서 보다 낮거나 비슷한 값을 가지며 상대적으로 저렴한 비활성 기체(G)로 대체할 수 있어 단열 성능은 유지하면서도 가격 경쟁력을 갖출 수 있는 이점이 있다.

즉 누셀트수가 1이 되는 조건에서는 대류에 의한 열전달은 무시할 정도로 일어나므로 대류에 의한 열전달을 대비한 입자형 단열재나 부피형 단열재를 설치할 필요가 없고 설치해도 거의 단열 효과가 없으므로, 전도에 의한 열 전달을 막을 수 있고 상대적으로 저렴한 비활성 기체(G)를 충진함으로써 제조 비용을 낮추면서도 단열 성능을 유지할 수 있다.

이하에서 누셀트수가 1이 되어 기체를 기준으로 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 조건 즉 자연대류 열전달 메카니즘에서 전도 열전달만 고려되는 조건을 도 2를 참고하여 간략히 설명한다.

먼저 누셀트수는 유체와 고체 표면 사이에서 열을 주고받은 비율을 나타내는 것으로 차원이 없다. 이 수가 클 수록 열전달에 있어 대류에 의한 영향이 크다는 것을 의미한다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 중력방향으로 하측부가 저온 영역(T_L)이고 상측부가 고온 영역(T_H)이며 하측부와 상측부의 사이에 가스층이 마련되어 있으면 누셀트수는 항상 1이 된다.

이를 본 실시 예에 따른 LNG 저장탱크(1)에 적용하면 저장탱크의 내부에 저장된 액화천연가스를 저온 영역으로 볼 수 있고, 저장탱크의 외부 영역을 고온 영역으로 볼 수 있다. 그리고, 저장탱크의 내부에는 액화천연가스를 저장한 후 저장탱크의 안전성을 위해 질소 가스와 같은 불활성 가스가 단열 공간의 내부에 채워지므로 불활성 가스가 채워진 영역을 가스층으로 볼 수 있다.

따라서 넓게 보면 단열박스가 설치되는 영역은 저장탱크의 상부 영역은 누셀트수의 값이 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어남을 알 수 있다.

한편 운항 중 비활성 기체(G)의 압력 손실로 추가적인 비활성 기체(G)의 공급이 이루어지는 경우는 매우 제한적이기 때문에 저장탱크의 단열공간은 인위적인 유동이 없는 중력에 의한 자연 대류의 조건이 될 수 있다.

그리고 본 실시 예에 따른 단열구조는 대류가 일어나지 않는 해당 가스층이 외부와 통하지 않도록 기밀이 이루어지는 것을 전제로 한다.

도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 하측부가 고온영역(T_H)이고, 상측부가 저온영역(T_L)이며 이 사이에 가스층이 마련되는 경우는 레일리수(Rayleigh Number)가 1,708 미만일 때 누셀트수가 1이 된다. 여기서 레일리수는 유체 사이의 열 전달과 관련된 무차원 수로, 레일리 수가 유체의 임계값보다 작으면 열은 전도의 형태로 전달되고, 반대로 유체의 임계값보다 크면 대류의 형태로 전달된다.

도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 고온 영역(T_H), 가스층, 저온 영역(T_L)이 X축과 수직을 이루고, 고온 영역(T_H)으로부터 가스층, 저온 영역(T_L)이 차례로 마련되면 레일리수가 1,000 미만일 때 누셀트수가 1이 되고, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이, 고온 영역(T_H), 가스층, 저온 영역(T_L)이 X축과 내각을 이루면 레일리수가 (1,708/cosθ) 미만일수 누셀투수가 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어난다.

이제 1차 단열박스(200)에 대해 상세히 설명하면, 1차 단열박스(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 저장탱크 몸체의 천장부에 마련되며, 1차 박스 몸체와, 1차 박스 몸체의 내부에 채워지는 비활성 기체 포함한다.

본 실시 예에서 1차 박스 몸체는, 플라이 우드(plywood) 또는 섬유 강화 플라스틱 등으로 제작될 수 있고, 비활성 기체(G)는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar)을 포함한다. 본 실시 예에서 질소 가스와 아르곤 가스의 열전도도는 상온에서 대기압을 기준으로 질소 가스는 0.026W/mK일 수 있고, 아르곤 가스는 0.018W/mK일 수 있다.

2차 멤브레인(300)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 단열박스(200)와 2차 단열박스(400)의 사이에 마련되어 액화천연가스의 누설을 2차적으로 밀봉하며, 본 실시 예에서 2차 멤브레인(300)은 0.5 ~ 1.5㎜ 두께의 인바(Invar) 강으로 제작될 수 있다.

2차 단열박스(400)는 전술한 1차 단열박스(200)와 같이 기체에 대해 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 발생되는 영역에 마련되므로 전술한 1차 단열박스(200)에 적용된 기술수단이 그대로 적용될 수 있다.

본 실시 예에서 2차 단열박스(400)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 1차 단열박스(200)와 선체의 내벽 사이에 마련되는 2차 박스 몸체(410)와, 2차 박스 몸체(410)에 채워지는 비활성 기체(G)를 포함한다.

본 실시 예에서 2차 박스 몸체(410)는 전술한 1차 박스 몸체(210)와 같이 플라이 우드(plywood) 또는 섬유 강화 플라스틱 등으로 제작될 수 있고, 비활성 기체(G)는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar)을 포함하며, 질소 가스와 아르곤 가스의 열전도도는 상온에서 대기압을 기준으로 질소 가스는 0.026W/mK일 수 있고, 아르곤 가스는 0.018W/mK일 수 있다.

그리고 본 실시 예에서 1차 단열박스(200) 및 2차 단열박스(400)의 내부에는 강도 및 하중지지력을 보강하는 복수의 수직부재가 마련될 수 있다.

한편 본 실시 예는 저장탱크 몸체의 상측부에 마련되는 단열박스를 전술한 실시예로 대체하여 종래의 실시 예보다 더 낳은 효과를 얻을 수 있으므로, 저장탱크 몸체의 측면부 및 바닥부는 종래와 동일하게 적용될 수 있다.

그리고 누셀트수의 원리를 이용한 단열박스 및 LNG 화물창은 LNG 선박이나 FPSO, FSRU 등의 부유식 구조물에도 그대로 적용될 수 있다.

이하에서 본 실시 예에 따른 LNG 저장탱크(1)의 단열방법을 간략히 설명한다.

본 실시 예는 종래의 단열박스에 어떤 구성을 부가하는 것이 아니라 종래의 단열박스를 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다. 즉 본 실시 예는 저장탱크 몸체의 천장부에 마련되며 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 단열박스의 내부를 비활성 기체(G)만으로 액화천연가스를 단열시킬 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 대류 열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)의 값이 1이 되는 조건에서는 기체에 대해 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 원리를 이용하여 저장탱크의 상측부 영역의 단열 성능을 종래와 같이 유지할 수 있고, 대류가 아닌 전도에 의해 열전달만을 고려한 단열재의 채택으로 단열에 소모되는 비용을 줄여 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : LNG 저장탱크 100 : 1차 멤브레인
200 : 1차 단열박스 300 : 2차 멤브레인
400 : 2차 단열박스 410 : 2차 박스 몸체
G : 비활성 기체

Claims

LNG 저장탱크에 있어서,
상기 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되는 박스 몸체; 및
상기 박스 몸체의 내부에 채워지는 비활성 기체를 포함하는 LNG 저장탱크.
청구항 1에 있어서,
상기 천장부는 대류열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)가 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크.
청구항 1에 있어서,
상기 박스 몸체는,
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 박스 몸체; 및
상기 1차 박스 몸체와 선체의 내벽 사이에 마련되는 2차 박스 몸체를 포함하며,
상기 비활성 기체는 상기 1차 박스 몸체 및 상기 2차 박스 몸체 중 적어도 어느 하나에 채워지는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크.
청구항 1에 있어서,
상기 비활성 기체는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar)을 포함하는 LNG 저장탱크.
청구항 1의 LNG 저장탱크를 포함하는 LNG 운반선.
청구항 1의 LNG 저장탱크를 포함하는 부유 구조물.
LNG 저장탱크의 단열방법에 있어서,
상기 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되며 대류가 아닌 전도에 의한 열전달이 일어나는 단열박스의 내부에 단열재를 채우지 않고 비활성 기체를 채워 상기 LNG 저장탱크를 단열시키는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크의 단열방법.
청구항 7에 있어서,
상기 천장부는 대류열전달계수를 결정하는 누셀트수(Nusselt Number)가 1이 되어 대류가 아닌 전도에 의해 열전달이 일어나는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크의 단열방법.
청구항 7에 있어서,
상기 단열박스는,
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 1차적으로 단열시키는 1차 단열박스; 및
상기 1차 단열박스와 선체의 내벽 사이에 마련되는 2차 단열박스를 포함하며,
상기 비활성 기체는 상기 1차 단열박스 및 상기 2차 단열박스 중 적어도 어느 하나에 채워지는 것을 특징으로 하는 LNG 저장탱크의 단열방법.
청구항 7에 있어서,
상기 비활성 기체는 질소(N₂) 또는 아르곤(Ar)을 포함하는 LNG 저장탱크의 단열방법.
대류가 아닌 전도에 의한 열전달이 일어나는 LNG 저장탱크의 천장부에 마련되어 LNG를 단열시키되 내부에 단열재가 채워지지 않고 비활성 기체가 채워진 단열박스.