KR20140114357A - 압력 용기 및 압력 용기에 압축 천연 가스를 적하하는 방법 - Google Patents

압력 용기 및 압력 용기에 압축 천연 가스를 적하하는 방법 Download PDF

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줄리오 카리니
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Abstract

압축 천연 가스의 저장 및 수송을 위한 압력 용기로서, 압축 천연 가스가 저장되고 수송되는 내부 공간을 형성하는 바디를 포함한다. 유입구가 구비되고, 상기 유입구를 통해 압축 천연 가스가 상기 압력 용기의 내부 공간 내로 적하될 수 있다. 상기 유입구의 단부에는 압축 천연 가스 팽창부가 있고, 이 팽창부를 통해 압축 천연 가스가 적하될 때 용기 내로 팽창된다. 압력 용기는 용기의 내부 공간 내의 한점에서 압축 천연 가스를 주입하기 위한 압축 천연 가스 적하 부속물을 포함하고, 이로써 압축 천연 가스의 팽창 지점과 용기의 벽 사이의 공간을 증가시킨다.

Description

압력 용기 및 압력 용기에 압축 천연 가스를 적하하는 방법{A PRESSURE VESSEL AND A METHOD OF LOADING CNG INTO A PRESSURE VESSEL}
본 발명은 압력 용기 및 압력 용기에 압축 천연 가스(CNG)를 적하(loading)하는 방법에 관한 것이다. 일단 적하된 CNG는 압력 용기 내부에 저장되거나, 저장되어 다른 장소로 수송될 수 있다.
CNG는 일반적으로 미가공 천연 가스인 천연 가스의 일형태로서, 대기압에서 기체로서 차지하는 부피 중 매우 작은 일부를 차지하는 부피 내에서 압축된 상태(상온(20℃)에서 잠재적으로 200과 300 바아(bar) 사이의 압력, 즉 일반적으로 약 250 바아의 압력)로 저장 및 운송될 수 있다. 일반적으로 부피 감소율은 약 99%인데, 즉 대기압에서 기체로서 차지하는 부피의 1% 이하만을 차지한다. 따라서, 압력 용기를 사용한 CNG의 운송은 상업적으로 실행 가능한 옵션이고, 파이프라인을 사용한 미가공 천연 가스의 운송에 비해 잠재적으로는 상업적으로 바람직한 옵션인데, 그 이유는 대개 관련된 먼 거리 및/또는 파이프라인이 가로질러 연장되어야 하는 대양 또는 해양의 깊은 수역 때문이다.
천연 가스를 이러한 용기 내로 압력화하는 것은, 자연 지하 유정에서 발견될 때 가스의 고압을 이용함으로써 직접 얻어질 수도 있다. 이러한 경우, 가스는 드릴링 리그(drilling rig)에 구비된 파이프라인을 이용하여 유정으로부터 용기 내로 직접 주입될 수 있다. 그러면, 유정의 압력은 적하 작업에 필요한 압력 구배를 제공한다. 그러나, 대안적으로, 천연 가스의 용기 내로의 압력화는 기계적 컴프레서를 이용하여 대신 얻어질 수도 있다. 이러한 컴프레서는 천연 가스를 원하는 저장 압력까지, 즉 전술한 바와 같은 250 바아의 차원으로 압축할 수 있다.
CNG를 용기 내로 적하하는 것은 바람직하게는 급속 공정인데, 그 이유는 많은 용기가 일반적으로 선박 또는 유조선과 같은 운송 수단 상에 있을 것이기 때문이다. 따라서, 급속이지만 신뢰가능하고 안전한 CNG의 압력 용기 내로의 적하는 그러한 운송 수단을 이용한 CNG의 운송을 더욱 경제적으로(적하 시간이 더 빠를수록, 선박의 턴어라운드(적재/적하 시간)가 더 빨라짐) 만드는데 기여할 수 있다. 예컨대, 연속적인 적하가 필요한 선박 상에 200개의 용기가 있고, 각각의 용기는 적하하는데 10분의 시간이 걸린다면, 이러한 선박에 대한 총 턴어라운드 시간은 33시간이 될 것이다. 따라서, 적하 시간을 5분까지 줄이는 것은 수송 효율성에 상당한 기여가 될 것이다. 이러한 이유 때문에, 용기는 천연 가스를 용기 내로 급속 주입함으로써 적하되고, 이것은, 용기를 적하하는 초기 단계에, 공급라인으로부터의 압축된 CNG가 "비어있는" 용기 내로 빠르고 제어되지 않은 방식으로 확장되도록 하는 것을 수반한다. 당해 분야에서 스로틀링(throttling)으로 알려진 이러한 공정은 용기의 주입을 통한 천연 가스의 급속 단열 팽창을 수반한다. 그러나, 용기 내부의 천연 가스의 급속 팽창은 가스의 급속 냉각을 야기하고, 또한 주입구 및 그러한 주입 지점을 둘러싸는 용기 영역의 급속 냉각을 야기한다. 이러한 냉각 효과는 널리 알려져 있고, 과학 문헌에 게재되고 있으며, 종종 "줄-톰슨" 효과라고 부른다. 용기 압력 내로의 난류 팽창에 의해 야기되는 것과 같은 천연 가스의 냉각은 적하 공정의 시작 시에 매우 급속할 수 있는데, 그 이유는 그러한 시간에 압력 변화가 가장 크기 때문이다. 결국, "빈" 용기는 대기압에 있거나, 또는 적어도 들어오는 CNG보다 대기압에 훨씬 더 가까운 압력에 있을 것이고, 그로 인해 압력 구배는 최대이다.
전술한 바와 같이, 팽창되고 냉각된 천연 가스는 주입구, 즉 용기의 목부(neck)를 냉각하는 경향이 있을 것이고, 또한 그러한 주입구를 둘러싸는 용기의 내부 벽을 냉각하는 경향이 있을 것이다. 또한, 용기의 나머지 부분도 냉각시킬 것이지만, 그러한 용기의 다른 부분은 팽창 지점에 덜 인접하기 때문에 그 강도는 동일하지 않을 것이다.
주입구 주위의 냉각은 용기의 재료가 극저온에 노출되게 하고, 전체적으로 용기에 걸쳐 큰 온도 구배로 이어질 수 있다. 이것은, 어떤 드릴링 리그 위치 또는 연중 어떤 기간에 일어날 수 있는, 외부 온도가 이미 매우 낮은 경우, 즉 영하인 경우에 특히 문제가 될 수 있다. 주입구(또는 하나 이상의 용기가 CNG 적하를 위해 사용되는 경우, 주입구들)에 가장 가까운 용기 내벽의 영역은, 이러한 저온에 특히 노출될 것이고, 팽창 지점, 즉 CMG 팽창의 가장 난류가 심한 부분의 영역에의 근접성으로 인해, 용기의 가장 먼 영역에 대한 온도 구배가 두드러지게 될 것이다. 또한, 이러한 주입구 영역은 대개, 병목의 형상을 채택하는 것과 같은 "목" 형상이기 때문에, 용기 벽에 걸친 온도 구배가 용기의 벽에 스트레스 및 스트레인을 유발할 수 있고, 상대적으로 더 작은 직경의 목 부분은 온도 하강으로 인하여 수축하는 반면, 주위 부분은 다른 비율로 수축할 것이다.
또한, 재료를 냉각시킬 때, 재료의 특성은 변화되어, 일반적으로 구성요소/벽의 취성이 더 강해지게 만든다. 또한, 해상으로 및 해안으로 CNG를 저장하고 수송해 본 경험상, CNG의 적하 및 양하(loading and unloading)의 반복적 사이클과 그로 인한 줄-톰슨 효과를 통한 용기의 반복적 냉각은, 용기의 입구 및 주위 벽(즉, 팽창되는 (따라서 냉각되는) 가스에 가장 많이 노출되는 영역)을 점진적으로 열화(deterioration), 또는 잠재적으로 취화(embrittlement)시킬 수 있고, 이것은 재료의 특성에 변화를 야기할 수 있다.
금속 압력 용기의 경우, 낮아진 강도 또는 다른 변화된 특성은 일반적으로 마이크로-크래킹 또는 잠재적으로 더 심각한 다른 결함의 용인 가능성에 대해 감소된 관용성으로 이어질 것이다. 결국, 이것들은 용기의 파국적 파괴, 즉 용기의 폭발로 이어질 잠재성을 가질 수 있다.
마찬가지로, 금속 용기는 용기의 반복된 적하 및 양하에 의해 발생된 순환하는 스트레스 및 스트레인의 결과로서 단순히 피로 파괴로 인해 파괴될 수 있고, 더 차가운 환경은 이러한 피로 수명을 감소시킬 것이다.
복합 재료 압력 용기의 경우, 대개 마이크로 파단과 문제되는 CNG 누설이기는 해도, 크래킹이 매트릭스 물질(대개 폴리머 레진)에서 가장 발생할 가능성이 크지만, 취화 문제는 대규모의 크래킹과 파국적 파괴로 이어질 가능성이 적다. 그러나, 이러한 파괴는 모두 용기의 입구 및/또는 벽의 "줄-톰슨 취화"로 분류되고, 용기의 내부 영역에서 일반적으로 가장 먼저 나타나고, 따라서 그러한 용기의 교체(각각의 용기가 고가의 품목이므로 고비용의 과정)를 요구하는 용기의 기계적 파괴로 나타난다.
따라서, 기계적 및 경제적 관점에서, 용기의 적하 동안 줄-톰슨 효과를 제어하는 것은 용기의 구조적 건강상태 및 수명에 대해 매우 중요할 수 있어서, 줄-톰슨 효과의 존재가 CNG 압력 용기를 적하하는 과정의 불가피한 결과라는 것을 명심해야 한다.
전술한 모든 문제점을 고려하여, 본 발명은 CNG의 밀폐, 저장, 및 수송에 사용되는 압력 용기에 대한 줄-톰슨 효과의 영향을 감소시키는 것을 추구한다. 특히, 본 발명은 용기의 줄-톰슨 취화의 발생을 감소시키는 것을 목표로 함으로써, 용기의 파괴 횟수가 감소되고, 또한 애초에 용기에 대하여 더 긴 수명 기대값을 가질 것이다.
본 발명에 따르면, 압축 천연 가스의 저장 및 수송을 위한 압력 용기가 제공되는데, 상기 압력 용기는 압축 천연 가스가 저장되고 수송되는 내부 공간을 형성하는 바디를 포함하고, 상기 바디는 유입구를 가지고, 상기 유입구를 통해 압축 천연 가스가 상기 압력 용기의 내부 공간 내로 적하될 수 있고, 상기 유입구는, 상기 압력 용기의 내부 공간에 대해 내측으로 돌출되도록, 근단부로부터 원단부로 연장되는 적하 부속물을 포함한다. 상기 부속물을 가짐으로써, 압력 용기에 들어갈 때 가스는 팽창될 것이다. 그러나, 이것은 용기의 목부 및 단부벽 보다는, 부속물을 가장 급속히 냉각시킬 것이다. 그러나, 상기 부속물은 자유롭게 팽창하고 수축하여, 외부 하중에 노출되지 않을 것인데, 그 이유는 용기의 목부로부터 이격되어, 용기의 내부에 위치하기 때문이다.
바람직하게는, 압력 용기의 바디는 2개의 캡부를 가진 대체적으로 원통형 부분으로 형성되고, 유입구는 상기 캡부 중 하나 내에 또는 상기 캡부 중 하나 상에 위치한다.
바람직하게는, 상기 캡부 중 적어도 하나는 돔 형상을 가진다.
바람직하게는, 상기 유입구는 돔 형상의 축에 대하여 대체적으로 축대칭 형상으로, 돔 형상의 압력 용기 상에 위치한다.
바람직하게는, 상기 돔 형상은 축방향 깊이를 가지고, 상기 적하 부속물은 상기 돔의 축방향 깊이와 동일하게, 또는 대략 동일하게, 또는 2배만큼 연장된다.
다른 배치에서, 상기 돔 형상은 축방향 깊이를 가지고, 상기 적하 부속물은 상기 돔의 축방향 깊이와 동일하게, 또는 대략 동일하게, 또는 1.5배만큼 연장된다.
바람직하게는, 상기 적하 부속물은 대체적으로 상기 압력 용기의 축을 따라 연장된다. 상기 축은 일반적으로, 압력 용기가 대개 길쭉할 것이기 때문에, 용기의 종축이다.
압력 용기는 금속(예컨대, 스틸) 용기 또는 복합재 용기 또는 예컨대 스틸과 복합재의 하이브리드 용기일 수 있다.
압력 용기는 2미터가 넘는 길이를 가질 수 있는데, 20미터 이하의 길이가 바람직하다.
압력 용기는 대체적으로 원통형일 수 있고, 또는 1미터 이상, 예컨대 6미터의 외경을 가진 대체적으로 원통형 부분을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 적하 부속물은 대체적으로 상기 압력 용기의 가운데를 통과하거나 또는 향하여 연장된다.
상기 적하 부속물은, 근단부보다 원단부쪽으로 더 커지는 테이퍼진 내부 치수를 가진다.
상기 적하 부속물은, 상기 압력 용기에 대해 별도의 구조물로서 형성될 수 있고, 상기 압력 용기의 목부 또는 벽 개구에서 상기 압력 용기에 밀봉식으로 연결될 수 있다.
상기 적하 부속물은 상기 압력 용기 내부에서 캔틸레버 빔(cantilevered beam)을 형성할 수 있다.
상기 적하 부속물의 근단부는 상기 압력 용기의 목부 또는 벽 개구에서 구속될 수 있다.
바람직하게는, 상기 적하 부속물은 금속으로 만들어진다. 바람직하게는, 상기 금속은 스틸이다. 대안적 배치에서, 상기 적하 부속물은 폴리머 재료로 만들어질 수 있다.
상기 부속물은 상기 압력 용기의 유입구의 일부로서 일체형으로 형성될 수 있다. 그러면, 부속물과 함께 상기 유입구는 전술한 별도의 구조물의 일부를 형성할 것이다. 그러나, 대안적으로 상기 유입구 및 부속물은 모두 압력 용기의 일부로서 일체형으로 형성될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 적하 부속물은 상기 압력 용기의 중앙축 또는 종축에 대해, 상기 압력 용기의 내부 최대 반경 치수와 대략 동일한 길이만큼 내측으로 연장된다.
상기 적하 부속물은 상기 압력 용기의 중앙축 또는 종축에 대해, 상기 압력 용기의 내부 최대 반경 치수보다 더 길지만, 상기 축의 내부 길이보다는 짧은 길이만큼 내측으로 연장될 수 있다.
상기 적하 부속물은, 압력 용기의 내부의 전체 길이에 걸쳐 연장되지 않기 때문에, 자유 단부를 가진다. 따라서, 상기 적하 부속물은 상기 압력 용기의 중앙축 또는 종축에 대해, 상기 압력 용기의 내부 최대 직경 치수의 40 내지 80% 만큼 내측으로 연장될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유입구는 원형이다.
바람직하게는, 상기 적하 부속물은 대체적으로 관형이다.
예컨대, 상기 적하 부속물은, 일단부로부터 타단부로 연장되어 중간지점을 관통하는 단일 중앙 개구로 관삽입될 수 있다.
상기 적하 부속물은 자신의 측벽을 관통해 연장되는 복수의 개구를 포함할 수 있다.
상기 적하 부속물의 원단부는 디퓨저 헤드를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 디퓨저 헤드는 복수의 개구를 포함한다.
상기 개구의 단면적의 총합은, 상기 부속물의 최소 내부 및 개방 총 단면적과 대략 동일하거나 또는 이를 초과할 수 있다. 이것은 부속물이 유체 유동이 용기 내로 팽창하기 전에 불필요하게 구속하지 않도록 해준다.
상기 총합은 12인치(대략 30cm)의 직경을 가진 원의 단면적과 동일하거나 또는 이를 초과할 수 있는데, 즉 상기 면적은 적어도 700㎠ 이어야 한다.
상기 총합은 24인치(대략 60cm)의 직경을 가진 원의 단면적과 동일하거나 또는 이를 초과할 수 있는데, 즉 상기 면적은 적어도 2800㎠ 이어야 한다.
본 발명은 압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법을 제공하는데, 압축 천연 가스를 수용하기 위한 내부 공간을 형성하는 바디를 가진 압력 용기를 제공하는 단계로서, 상기 압력 용기는 압축 천연 가스를 상기 압력 용기 내로 적하하기 위한 유입구를 가지고, 상기 유입구는, 상기 압력 용기의 내부 공간에 대하여 내측으로 돌출되도록, 근단부로부터 원단부로 연장되는 적하 부속물을 포함하는, 압력 용기를 제공하는 단계; 압축 천연 가스의 고압 공급 라인을 제공하고, 상기 유입구를 통하여 상기 라인과 상기 압력 용기를 연결하는 단계; 및 원하는 최종 압력까지 상기 용기를 압축 천연 가스로 충전하는 단계를 포함한다.
상기 충전하는 단계 이전에, 상기 내부 공간은 압축 천연 가스가 실질적으로 비워지거나, 또는 상기 공급 라인의 고압에 비해 저압과 같은 잔류 압축 천연 가스를 가진다. 예컨대, 상기 압력은 대기압일 수 있다. 그러나, 일반적으로 상기 압력은 대기압보다 약간 증가될 것인데, 그 이유는 시간 효율성으로 인해 용기가 CNG를 완전히 비우는 경우가 드물기 때문이다.
바람직하게는, 상기 공급 라인은 상기 압력 용기 내부의 압력을 탐지하기 위한 압력 탐지기에 연결되고, 상기 충전하는 단계는 제어 장치 내부에 미리 설정된 원하는 최종 압력이 탐지될 때 밸브를 통해 중단된다.
이 방법에서 사용되는 압력 용기는 대개 본 발명의 제1 양태에 따를 것이다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 바람직한 또는 선택적인 특징은 이하 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시로서 좀 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 CNG를 종래 기술의 압력 용기 내로 적하하는 개략도인데, 압력 용기는 부분 단면도로 도시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 용기의 개략도로서, 역시 부분 단면도로 도시되어 있다.
도 3은 CNG 압력 용기의 기계적 거동에 대한 줄-톰슨 효과의 영향을 개략적으로 나타내는 그래프를 개략적으로 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 적하 부속물(loading apppendage)의 배출구 부분의 단면도를 개략적으로 도시하고 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 도 1은 종래 기술의 압력 용기(10)이고, 도 2는 본 발명에 따른 수정된 압력 용기(100)인데, CNG 수송 용기(10, 100)는 각각의 단부(오직 일단부만 도시되어 있음) 상에 돔 형태의 단부캡(2, 102)을 가진 원통형 바디(1, 101)를 가지고 있다. 이러한 돔 형태의 단부(2, 102)는 도시된 것보다 더 뚜렷하거나 덜 뚜렷할 수 있는데, 즉 도 1 및 2에 도시된 것과 같이 라운드된 숄더부를 가지고 상대적으로 평평할 수 있거나, 또는 단조로운 주 곡선과 좀 더 가파르게 라운드된 숄더부를 가진 상대적으로 원추형일 수 있거나(미도시), 또는 반구 형태로 라운딩될 수도 있다(미도시).
이러한 단부캡(2, 102) 내부에 또는 단부캡으로부터 용기(10, 100)를 위한 목부(neck; 3, 103)가 형성된다. 용기(10, 100)를 적하하기 위하여, CNG는 목부(3, 103)를 통하여 용기(10, 100)의 내부 공간으로 주입된다. 이러한 주입은 가스가 용기(10, 100)로 들어갈 때 가스의 난류 팽창(8)으로 이어진다. 이러한 팽창(8)은 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 팽창은 줄-톰슨 효과를 야기하고, 이것은 특히 여러 번의 적하/양하 사이클 이후에 용기(10, 100) 구조물의 줄-톰슨 취화로 이어질 수 있다.
도 1에서, 줄-톰슨 취화에 가장 많이 노출된 용기의 영역은 가스 유입구(6)를 포함하는 엔드캡(2)의 내부 표면(7) 상에, 즉 목부(3)에 또는 그 근처에 위치한다. 적하하기 전, 용기(10)의 압력은 용기의 초기 압력(LP)이다. 이것은 일반적으로 상대적으로 저압일 것이고, 압력 용기(10)에서 모든 잔류 CNG가 실질적으로 비워졌을 때와 같은 주위 대기압, 즉 단지 1 바아(bar) 정도로 저압일 수 있다. 그러나, 일반적으로 초기 압력(LP)은 아마 30 내지 50 바아와 같이, 그것보다는 더 높을 것이다. 왜냐하면 잔류 CNG는 용기(10)로부터 CNG를 양하한 이후에 용기(10) 내부에 남겨지기 때문이다.
이것은 압력 용기(10)로부터 CNG를 완전히 양하하는 것은 종종 실용적이지 않다는 사실 때문일 수 있는데, 왜냐하면 적하 효율을 유지하기에는 너무 오랜 시간이 걸릴 것이기 때문이다. 둘째로, 용기(10) 내부의 잔류 압력을 남김으로써, 고압 CNG 소스로부터 용기를 재충전할 때 압력 구배가 덜 심하게 되고, 따라서 적어도 어느 정도까지 줄-톰슨 효과의 강도를 감소시킨다. 따라서, 그러한 잔류 CNG는 일반적으로 운송 또는 분배 포인트에서 CNG를 양하한 이후에도 용기(10) 내에 남겨진다.
도 1에 도시된 바와 같이, CNG의 적하는 CNG 운송 라인 또는 파이프(5)를 용기(10)에 연결함으로써 시작된다. 고압 시일(6)이 운송 파이프(5)와 압력 용기(10) 사이에 형성되도록 이러한 연결이 만들어진다. 운송 라인을 통해 운송된 CNG(9)는 수백 바아 차원일 수 있는 고압(HP)에 있을 것이고, 일반적으로 200 내지 300 바아일 것이다.
많은 적용예에서, 운송 압력은 대략 250 바아로 설정된다.
운송 라인(5)과 용기(10)의 내부 공간(4) 사이의 압력 구배를 고려하면, CNG(9)는 용기(10) 내로 들어감에 따라 팽창(8)한다. 동시에, 용기(10)의 압력은 증가하기 시작한다. 그러나, 이러한 팽창은 여전히 줄-톰슨 효과를 야기한다.
전술한 바와 같이, 목부(3)와 함께 엔드캡(2)의 내부 표면(7)은 줄-톰슨 효과에 의해 가장 많은 영향을 받는 영역일 것이다. 어떤 주어진 점에서 팽창률을 감속하기 위하여, 목부(3)가 단부캡(2)과 병합되면서 약간 바깥쪽으로 테이퍼지는 것으로 보여질 수도 있다. 이것은 가스의 약간 더 점진적인 또는 제어된 팽창을 가능하게 하고, 또한 공급 파이프(5)보다 더 낮은 압력으로 용기의 내부 공간의 상대적으로 제한되지 않은 자유 공간 내로 가스가 들어가게 하기 위한 것이다. 이것은 또한 용기의 벽 및 목부 상의 줄-톰슨 효과를 다른 위치로 옮긴다. 그럼에도 불구하고, 그러한 효과는 용기의 목부 주위에서, 그리고 엔드캡(2)의 내부 표면(7) 상에서 가장 많이 감지된다.
적하 공정의 마지막 단계에서, 공급 파이프와 용기(10)의 내부 공간 사이의 압력 구배는 덜 심해지고, CNG의 흐름은 용기가 완전히 적하된 것으로 간주되는 시점까지 계속된다. 그러한 시점에, 공급은 밸브에 의해 차단되어 운송 파이프(5)가 폐쇄된다. 마찬가지로 용기는 종래의 방식으로 폐쇄될 수 있다. 그러면 운송 파이프(5)는 용기(10)로부터 연결해제될 수 있다.
용기 내부의 압력을 결정하기 위하여 센서가 사용될 수 있고, 이 센서는 최적의 차단 지점을 결정하는데 사용될 수 있다.
그리고 압력 용기는 수송되어, 거기에 저장된 CNG가 원하는 목적지에서 다운로드될 수 있다.
이 과정은 되풀이될 수 있고, 새로운 CNG가 빈 용기(10) 내로 재적하될 수 있다.
그러한 적하 및 양하 사이클은 용기의 수명 동안 여러 번 - 용기의 수명 동안 아마 수백 또는 수천 번 수행될 것이다. 따라서, 용기는 적하/양하 과정의 반복된 열적 및 기계적 스트레스와 스트레인을 구조적으로 견딜 수 있어야 한다. 또한, 적하 및 양하가 사막 또는 극지방 환경과 같은 극저온 또는 극고온과 같이 극한 환경에서 일어난다는 사실을 고려해 볼 때, 또한 용기는 급히 취급되어 최상의 주의와 관심없이 취급되기 때문에, 용기는 그러한 최악의 취급 기간 동안, 특히 압력 구배가 최고치에 있을 때, 즉 적하 과정 시작 시에, 깨지지 않고 그러한 취급을 견딜 수 있고 강인할 필요가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용기가 이러한 극한을 더 쉽게 견딜 수 있게 하기 위하여, 본 발명은 용기(100)의 목부(103) 내부에 적하 부속물(110)을 추가적으로 제공하고, 이 부속물(110)은 용기(100) 내로 연장된다. 이러한 부속물은 압력 용기(100) 내로의 CNG 팽창의 바람직하지 않은 줄-톰슨 효과를 완화시키는데 도움이 된다.
적하 부속물(110)은 용기(100) 내부 전체에 구비되고, 목부(103)는 그 용기(100)의 일부를 형성한다. 부속물(110)은 용기(100)의 목부(103)에서 부분적으로 지지되고, 나머지는 용기(100)의 내부 공간(104)으로 연장된다.
부속물(110)의 공칭 외경은 일정한 것으로 도시되어 있다. 마찬가지로 공칭 내경도 일정한 것으로 도시되어 있다.
목부(103)에서, 부속물(110)의 공칭 직경은 용기(100)의 목부(103)의 공칭 내경과 대략 동일하다. 억지끼워맞춤 및 공지된 방법을 사용한 적절한 밀봉으로, 부속물(110)은 목부(103)와 밀봉된다. 그러나, 이러한 특성의 부속물을 용기의 안쪽에 장착하는 다른 방법 또한 가능하다. 예컨대, 거기에서 일체형으로 형성될 수도 있다.
부속물(110)은 또한 용기(100)의 목부(103)로부터 용기(100)의 가운데를 향하여 캔틸레버되어, 용기(100) 내부로 연장되는 자유 길이부를 가지는 것으로 도시되어 있다.
적하 부속물(110)은 이러한 기본적 실시예에서 파이프의 관형 길이부로 제공된다. 이것은 CNG가 통과하도록 CNG 유입구(11) 및 CNG 배출구(112)를 가진다.
유입구(111)는 부속물의 근단부에 형성되고, 공지된 것과 같은(예컨대, 도 1 참조), CNG 운송 라인 또는 파이프(5)에 연결하기 위한 커넥터에 영구적으로 또는 분리가능하게 연결된다.
CNG 배출구(112)가 위치하는 부속물(110)의 자유단부 또는 원단부는 용기(100)의 목부(103)로부터 이격되어 있다. 그 결과, CNG가 용기(100)의 내부 공간(104) 내로 방출되는 지점이, 목부(103) 및 용기의 단부캡(102)의 내부 표면(107), 즉 목부(또는 CNG 유입구)를 수용하는 단부캡 양자 모두로부터 거리를 유지하는 기능을 한다. 따라서, CNG는 용기의 더 내부로 방출되고, 이로 인해 목부 및 내부 표면(107) 상의 급속 냉각 효과가 덜 현저하게 된다. 그 대신 부속물(110)이 가장 심각한 냉각 효과를 겪게 된다. 이것은 바람직한 배치인데, 왜냐하면 부속물은 용기의 내벽에 큰 하중을 야기하지 않을 것이기 때문이다. 마찬가지로 부속물에 외력이 작용되지도 않을 것이다.
본 실시예에서, 부속물(110)의 자유 길이부 및 부속물 단부의 개구는 용기의 내측으로 축방향으로 연장된다. 그러나, 다른 형상도 또한 가능하다. 용기(100)의 구조적으로 중요한 요소에 대한 줄-톰슨 효과가 최소화되도록, 부속물(110)은 용기(100)의 목부(103) 및 내부 표면(107) 양자 모두로부터 충분히 멀리에서 CNG가 용기 내로 방출되도록 하는 것이 바람직하다.
이제 적하 부속물의 치수적인 면으로 돌아가서, 도 2에서는 캔틸레버된 적하 부속물(110)의 자유 길이부가 압력 용기(100)의 단부캡(102)의 축방향 깊이(L)의 대략 1.5배인 것을 볼 수 있다. 예컨대 축방향 길이(L)의 2배보다 길거나, 또는 그것보다 더 길 수도 있다.
다른 실시예에서, 적하 부속물(110)의 자유 길이부는 용기의 원통형 바디의 내경의 퍼센티지로서 측정될 수 있는데, 예컨대 용기의 원통형 바디의 내경(D)의 약 40%일 수 있고, 즉 용기의 원통형 바디의 내경보다 약 10% 작을 수 있거나, 또는 도시된 바와 같이 더 길 수 있는데, 예컨대 도시된 내경의 약 60% 또는 더 길 수 있고, 즉 반경보다 더 길 수 있다.
다른 실시예에서, 길이부는 내경(D)의 80% 일 수도 있다.
바람직한 배치에서, 적하 부속물 인서트의 자유 길이부는 용기의 직경(D)의 40 내지 80%이다. 그러나, 또 다른 실시예에서, 적하 부속물의 자유 길이부는 용기(100)의 내부 길이의 10 내지 80% 일 수 있고, 용기의 전체 내부 길이에 걸쳐 연장될 필요가 없으며, 용기의 내부 길이보다 훨씬 더 짧은 것이 바람직하고, 즉 용기 내부 길이의 절반 이하, 또는 4분의 1 이하가 바람직하다.
적하 부속물이 용기의 돔의 내벽으로부터 충분히 떨어진 지점에서 가스의 유입구를 용기 내로 제공하도록 설계되기 때문에, 적하 부속물의 자유 길이부가 용기의 내경(D)의 절반(즉, D의 50%) 이하, 또는 절반과 동일한 것이 바람직하다. 더 길게 만드는 것은 이하 설명되는 바와 같이 용기의 벽으로부터 단부를 멀어지게 한다는 점에서 최소의 추가적 이점을 제공하지만, 첫째로 증가된 길이 때문에, 그리고 둘째로 예컨대 수송 진동으로부터 노출될 수 있는 증가된 캔틸레버 힘을 보상하기 위하여, 제조 시에 추가적인 재료를 요구하게 만들 것이다.
용기의 벽으로부터 단부를 멀어지게 한다는 관점에서 추가적인 이점이 부족한 이유는, 추가적인 길이가 용기의 직경의 50% 또는 직경의 60% 이든지 관계없이, 용기의 원통형 부분의 가장 가까운 측벽에의 일관된 근접성을 단지 유지할 것이기 때문이다. 그러나, 단부(102)가 반구형 돔이 되도록 직경의 50% 까지 가지고 가는 것은, 측벽 또는 목부의 어떠한 부분도 줄-톰슨 효과로부터 발생하는 냉각 효과의 극도의 집중에 더 이상 노출시키지 않기 위하여, 자유 단부로부터 용기의 가장 근접한 측벽까지의 거리를 최대화하는 이점을 가진다. 다시 말해서, 어떠한 추가적 길이도 유입구를 목부로부터 떨어지게 하는 역할을 하지만, 실린더의 벽으로부터 추가적으로 떨어지게 하지는 않을 것이다.
이제 도 3을 참조하면, CNG 적하에 반응하는 CNG 압력 용기의 기계적 거동이 설명되고, 간략히 해석된다.
도 3의 그래프는, 용기의 항복 강도(σy)(또는 복합 구조물의 경우, 최대 강도), 증가하는 내부 압력에 의해 용기에서 발생된 스트레스(σop), 및 용기의 내부 온도(T)의 거동을 시간(t)에 대한 함수로 도시하고 있다.
용기의 내부 압력은 CNG가 용기 내에 적하 됨에 따라 증가한다. 용기의 벽에 의해 지지되는 스트레스(σop)도 따라서 증가한다. 그러나, CNG가 용기 내로 적하됨에 따라 가스의 온도(T)는 줄-톰슨 효과로 인해 초기에 감소한다. 그리고 온도(T)는 시각 t* 에 최소값에 도달한다. 그런 다음, 용기 내부의 가스의 온도(T)는 감소하는데, 그 이유는 줄-톰슨 효과가 용기 내부의 압력이 증가함에 따라 최소화되고, 압력 구배가 더 작아지기 때문이다.
열관성에 의한 약간의 지연이 있지만, 냉각된 CNG와 접촉하는 용기의 내벽의 온도는 마찬가지로 이러한 초기 기간 동안 감소할 것이다(온도가 강하하는 동안 용기의 내벽보다 가스가 더 빨리 냉각될 것임). 용기의 내벽의 그러한 온도 강하는 마찬가지로 용기 벽의 항복 강도(σy)(또는 최대 강도)가 강하되도록 하고(줄-톰슨 취화), 그러한 온도 및 항복 강도(σy)(또는 최대 강도)는 시각 t** 에 최소값에 도달할 것이다. 이것은 시각 t* 보다 늦게 일어난다. 이것은 용기의 내부 표면보다 더 차가운 가스가, 다시 가열되기 시작할 때에도 용기의 내부 표면보다 잠시 더 차갑게 남아있게 되고, 이로 인해 가스는 그 짧은 기간 동안 벽의 온도를 계속 하강시킬 것이기 때문이다. 그러나, 결국에는 가스가 벽의 온도를 능가하는 온도에 도달하고, 이 때 벽은 다시 데워지기 시작하고, 항복 강도는 다시 증가한다.
용기의 재료의 내부 부분의 냉각 정도 및 비율이, 발생할 가능성이 있는 용기의 줄-톰슨 취화의 정도를 결정한다. 기계적인 관점에서, 줄-톰슨 취화는 재료의 항복(또는 최대) 강도(σy)의 감소로 이어질 것이고, 이것은 도시된 바와 같이 용기의 더 낮은 온도로 인해 일시적인 효과가 될 수 있다. 그러나, 누적 효과도 될 수 있어서, 반복된 적하 및 양하는 항복(또는 최대) 강도가 더 낮은 시작 값에서 시작되게 하고, 따라서 더 낮은 최소값에 도달하게 한다.
σy, σop, 및 t** 사이의 관계는, 1) CNG의 압력에 기인한 측벽 상의 하중 및 2) 발생하는 어떠한 줄-톰슨 취화로 인한, 용기의 파괴의 가능성을 결정할 것이다. 이와 관련하여, 항복(또는 최대) 강도(σy)가 용기의 벽에 의해 지지되는 응력(σop) 아래로 떨어지지 않도록 하는 것이 중요하다. 따라서, 벽의 너무 급격한 온도 강하는 바람직하지 않고, 그러한 강하를 최소화하는 것이 바람직하다. 이것이 본 발명의 부속물이 하는 역할이고, 용기의 가장 차가운 부분인 부속물이 용기의 압력을 지지하지 않는 부재로 남아 있게 되고, 유입되는 가스의 가장 차가운 부분이 압력을 지지하는 용기의 측벽/단부로부터 가능한 한 멀리 떨어져서 유지된다.
마지막으로, 도 4는 부속물(213)의 변형예를 도시하고 있고, 이것은 고압 공급 파이프로부터의 CNG가 더 제어되어 팽창되도록, 더 큰 전체 개방 단면 영역과 함께 더 긴 부속물(213)이 제공되도록 해준다.
적하 부속물의 이러한 실시예는 CNG 디퓨저 헤드를 포함한다. 디퓨저 헤드는 복수의 개구(A1 내지 A5)를 포함한다. 그러한 여러 개의 개구가 제공될 수 있다. 도면에는 5개가 도시되어 있다. 이러한 개구들은 가스가 단일의 배출구로부터 팽창되기 보다는 복수의 개구를 통해 확산되도록 하기 위해서 제공되는 것이다.
도 4의 실시예에서, 적하 부속물(213)의 개구는 복수의 가스 배출구를 제공하고, 부속물의 원단부를 향하여 위치될 수 있는데, 부속물은 캔틸레버 빔의 형태를 취하고 있다(이전과 같은 용기의 단부캡에 부착되어 있음). 도 4에 도시되어 있지는 않지만, 부속물은 용기의 목부에서 지지될 수 있다.
디퓨저 헤드는 줄-톰슨 효과를 감소시키는데 기여한다. 이것은 디퓨저 헤드가, 가스가 용기에 들어갈 때 부속물의 삽입관보다 더 큰 단면적을 가진 개구를 통해 지나가도록 할 것이기 때문이다. 그 결과, 가스는 용기의 체적의 더 많은 부분에 걸쳐 팽창될 것이고, 이로 인해 팽창은 지점에 따라 덜 특정적이게 될 것이다. 그러나, 부속물을 통과하는 고압 가스의 양은, 가스가 용기 내로 가능한 한 급속히 적하되도록 하기 위하여, 전개 스로틀(full throttle)에서 유지될 수 있다.
또한, CNG는 오직 한 개 대신에 몇 개의 개구를 통과할 수 있기 때문에, 용기에 들어갈 때 덜 난류적으로 및/또는 더 확산되어 팽창되고, 이로 인해 각각의 개구를 통과하는 가스가 더 작은 부피를 가지는 이점이 있고, 따라서 벽의 특정 영역과의 직접 상호 작용에 있어서 그 강도가 덜 집중되게 된다.
도 4는 적하 부속물(213)의 원단부에 위치한 총 5개의 CNG 디퓨저 개구를 도시하고 있다. 바람직하게는 원형의 하나의 개구 A3가 용기의 종축과 나란하게 개방되어 있고, 그 축에 수직하게 놓여있는 디퓨저 헤드의 벽 상에 위치하고 있다. 이 개구는 적하 부속물과 동축으로 도시되어 있고, 따라서 바람직하게는 용기와 동축을 이루고 있다. 다른 4개의 개구는 도시된 바와 같이, 2개는 디퓨저의 최상단 측에 있고, 2개는 디퓨저의 최하단 측에 있는데, 그 축에 대하여 횡단하도록 개방되어 있다.
추가의 개구(미도시)가 지면 내로 및 지면으로부터 연장될 수 있다.
도 4에서, 개구들은 도시된 용기의 축을 지나가는 수평면에 대해 대칭적으로 배치되어 있는데, 즉 각각의 개구가 상기 수평면에 대하여 서로 반대편에 배치되어 있다. 본 발명의 필수적인 특징은 아니지만, 이것은 확산을 유리하게 한다.
적하 시 CNG의 확산을 증가시키기 위하여, 개구의 크기를 정하기 위한 다음과 같은 기준이 따를 수 있다: 개구의 단면적의 총합은 용기의 목부를 통해(또는 더 작은 경우 부속물을 통해) 연장되는 개구의 단면적보다 더 커야 한다.
본 실시예에서 용기의 목부는 18 인치(약 45cm)의 개구를 제공하고, 면적의 총합은 약 18 인치(약 45cm)의 직경을 가진 원의 면적, 즉 용기의 목부를 관통하는 가스 유입구의 면적보다 크거나 또는 대략 동일하다.
CNG 압력 용기의 유입구 목부의 다른 바람직한 공칭 직경은 24 인치(약 60cm)이다. 개구의 크기를 정하기 위한 동일한 기준이 다음과 같이 적용될 수 있다: 개방면의 면적의 총합이 약 24 인치(약 60cm)의 직경을 가진 원의 면적과 동일하거나 또는 초과할 수 있다.
그 기능을 고려하면, 적하 부속물은 다양한 재료로 제작될 수 있다. 부속물로 사용될 수 있는 재료의 일례는 금속으로, 특히 일정 등급의 카본 스틸과 같은 CNG 적용예에서 사용되는 관련 ISO 기준에 의해 이미 승인받은 금속이다. 그러나, 이러한 적하 부속물은 스틸보다 더 가볍고, 우수한 내식성을 가진 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 가격이 낮게 유지된다면 카본 스틸이 바람직할 것이다. 폴리머 또는 강화 폴리머 재료도 적하 부속물로 가능하고, 이러한 재료는 대개 내식성이 있고, 금속보다 싸고 가볍다. 이제 용접이 요구되고, 더 쉬운 조립을 위해 유연할 수 있다. 가벼운 무게 때문에, 폴리머 또는 강화 폴리머 재료는 또한 특히 사용 시 수평 조건으로 유지될 때, 과도한 캔틸레버 힘을 야기하기 않고 더 길어질 수 있다.
본 발명을 사용하는 압력 용기는, 예컨대 압축되었을 때 미가공 CNG 또는 RCNG인 미가공 천연 가스를 포함하는 유정으로부터 직접 나오는 미가공 가스, 수소, 탄소 또는 가공 천연 가스(메탄), 또는 예컨대 14 몰% 이하의 CO2 허용량, 1000 ppm 이하의 H2S 허용량, 또는 H2 및 CO2 가스 불순물, 또는 다른 불순물 또는 부식종(corrosive species)을 가진 미가공 또는 부분 가공 천연 가스와 같은 다양한 가스를 수용할 수 있다. 그러나, 바람직한 용도는, 미가공 CNG, 부분 가공 CNG, 또는 최종 사용자, 예컨대 상업적, 공업적, 또는 가정용으로 전달가능한 표준으로 가공된 청정 CNG와 같은 CNG 수송이다.
CNG는, 일부는 기체상, 일부는 액체상, 또는 이들의 혼합으로, 가변적인 혼합율로 다양한 잠재적 구성 성분을 포함할 수 있다. 이러한 구성 성분은 일반적으로 다음의 성분 중 하나 이상을 포함할 것이다: C2H6, C3H8, C4H10, C5H12, C6H14, C8H18, C9+ 탄화수소, CO2, 및 H2S, 그리고 잠재적으로 액체상의 톨루엔, 디젤, 및 옥탄, 및 다른 불순물/종.
본 발명은 순전히 예시로서 지금까지 설명되었다. 여기에 첨부된 청구항의 범위 내에서 구체적인 사항에서 변형예가 본 발명에 적용될 수도 있다.

Claims (35)

  1. 압축 천연 가스의 저장 및 수송을 위한 압력 용기로서,
    압축 천연 가스가 저장되고 수송되는 내부 공간을 형성하는 바디를 포함하고,
    상기 바디는 유입구를 가지고, 상기 유입구를 통해 압축 천연 가스가 상기 압력 용기의 내부 공간 내로 적하(loading)될 수 있고,
    상기 유입구는, 상기 압력 용기의 내부 공간에 대해 내측으로 돌출되도록, 근단부로부터 원단부로 연장되는 적하 부속물을 포함하는,
    압력 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 용기의 바디는 2개의 캡부를 가진 대체적으로 원통형 부분으로 형성되고, 상기 유입구는 상기 캡부 중 하나 내에 또는 상기 캡부 중 하나 상에 위치하는, 압력 용기.
  3. 제3항에 있어서,
    상기 캡부 중 적어도 하나는 돔 형상을 가지는, 압력 용기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구는 돔 형상의 축에 대하여 대체적으로 축대칭 형상으로, 돔 형상의 압력 용기 상에 위치하는, 압력 용기.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 돔 형상은 축방향 깊이를 가지고, 상기 적하 부속물은 상기 돔의 축방향 깊이와 동일하게, 또는 대략 동일하게, 또는 2배만큼 연장되는, 압력 용기.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 돔 형상은 축방향 깊이를 가지고, 상기 적하 부속물은 상기 돔의 축방향 깊이와 동일하게, 또는 대략 동일하게, 또는 1.5배만큼 연장되는, 압력 용기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 대체적으로 상기 압력 용기의 축을 따라 연장되는, 압력 용기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 대체적으로 상기 압력 용기의 가운데를 통과하거나 또는 향하여 연장되는, 압력 용기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은, 근단부보다 원단부쪽으로 더 커지는 테이퍼진 내부 치수를 가지는, 압력 용기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은, 상기 압력 용기에 대해 별도의 구조물로서 형성되고, 상기 압력 용기의 목부 또는 벽 개구에서 상기 압력 용기에 밀봉식으로 연결되는, 압력 용기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 상기 압력 용기 내부에서 캔틸레버 빔(cantilevered beam)을 형성하고, 상기 적하 부속물의 근단부는 상기 압력 용기의 목부 또는 벽 개구에서 구속되는, 압력 용기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 금속으로 만들어진, 압력 용기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속은 스틸인, 압력 용기.
  14. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 폴리머 재료로 만들어진, 압력 용기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부속물은 상기 압력 용기의 유입구의 일부로서 일체형으로 형성되는, 압력 용기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 상기 압력 용기의 중앙축 또는 종축에 대해, 상기 압력 용기의 내부 최대 반경 치수와 대략 동일한 길이만큼 내측으로 연장되는, 압력 용기.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 상기 압력 용기의 중앙축 또는 종축에 대해, 상기 압력 용기의 내부 최대 반경 치수보다 더 길지만, 상기 축의 내부 길이보다는 짧은 길이만큼 내측으로 연장되는, 압력 용기.
  18. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 상기 압력 용기의 중앙축 또는 종축에 대해, 상기 압력 용기의 내부 최대 직경 치수의 40 내지 80% 만큼 내측으로 연장되는, 압력 용기.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구는 원형인, 압력 용기.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 대체적으로 관형인, 압력 용기.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 단일 중앙 개구로 관삽입되는, 압력 용기.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물은 자신의 측벽을 관통해 연장되는 복수의 개구를 포함하는, 압력 용기.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적하 부속물의 원단부는 디퓨저 헤드를 포함하는, 압력 용기.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 디퓨저 헤드는 복수의 개구를 포함하는, 압력 용기.
  25. 제22항 또는 제24항에 있어서,
    상기 개구의 단면적의 총합은, 상기 부속물의 최소 내부 및 개방 총 단면적과 동일하거나 또는 이를 초과하는, 압력 용기.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 총합은 12인치(대략 30cm)의 직경을 가진 원의 단면적과 동일하거나 또는 이를 초과하는, 압력 용기.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 총합은 24인치(대략 60cm)의 직경을 가진 원의 단면적과 동일하거나 또는 이를 초과하는, 압력 용기.
  28. 도 2 내지 4 중 어느 하나 이상을 참조하여 실질적으로 본 명세서에 설명된 압력 용기.
  29. 압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법으로서,
    압축 천연 가스를 수용하기 위한 내부 공간을 형성하는 바디를 가진 압력 용기를 제공하는 단계로서, 상기 압력 용기는 압축 천연 가스를 상기 압력 용기 내로 적하하기 위한 유입구를 가지고, 상기 유입구는, 상기 압력 용기의 내부 공간에 대하여 내측으로 돌출되도록, 근단부로부터 원단부로 연장되는 적하 부속물을 포함하는, 압력 용기를 제공하는 단계;
    압축 천연 가스의 고압 공급 라인을 제공하고, 상기 유입구를 통하여 상기 라인과 상기 압력 용기를 연결하는 단계; 및
    원하는 최종 압력까지 상기 용기를 압축 천연 가스로 충전하는 단계
    를 포함하는,
    압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 충전하는 단계 이전에, 상기 내부 공간은 압축 천연 가스가 실질적으로 비워지거나, 또는 상기 공급 라인의 고압에 비해 저압인 잔류 압축 천연 가스를 가지는, 압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서,
    상기 공급 라인은 상기 압력 용기 내부의 압력을 탐지하기 위한 압력 탐지기에 연결되고, 상기 충전하는 단계는 제어 장치 내부에 미리 설정된 원하는 최종 압력이 탐지될 때 밸브를 통해 중단되는, 압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법.
  32. 제29항, 제30항, 또는 제31항에 있어서,
    상기 압력 용기는 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따르는, 압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법.
  33. 도 2 내지 4 중 어느 하나 이상을 참조하여 실질적으로 본 명세서에 설명된 압축 천연 가스를 압력 용기 내로 적하하는 방법.
  34. 도 2 내지 4 중 어느 하나 이상을 참조하여 실질적으로 본 명세서에 설명된 압축 천연 가스 압력 용기를 위한 적하 부속물.
  35. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 따른 압력 용기를 적어도 하나 포함하는 선박.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE542080C2 (en) * 2017-10-09 2020-02-18 Scania Cv Ab A supply device for a valve arrangement, a valve arrangement, a gas reservoir and a vehicle
CN110657869B (zh) * 2018-06-28 2021-08-03 中国石油天然气股份有限公司 一种浮力补偿称量装置及浮力补偿方法
FR3082015B1 (fr) * 2018-05-31 2021-11-05 Gaztransport Et Technigaz Procede de gestion des niveaux de remplissage de cuves
EP3581843B1 (de) * 2018-06-12 2020-09-23 Nproxx B.V. Spülbarer druckbehälter
CN110657870B (zh) * 2018-06-28 2021-04-30 中国石油天然气股份有限公司 一种气体称量装置
DE102019131405A1 (de) * 2019-11-21 2021-05-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Befüllen eines Druckbehälters eines Kraftfahrzeugs
DE102020213774A1 (de) 2020-11-03 2022-05-05 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Lanze für einen Wasserstoff-Tankbehälter eines Fahrzeugs und Wasserstoff-Tankbehälter für ein Fahrzeug

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5937917A (en) * 1996-06-12 1999-08-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Charging method and charging structure of combustible gas and oxidizer gas, and material to be charged by using the charging method and the charging structure
FR2809475B1 (fr) * 2000-05-26 2002-08-30 Air Liquide Procede de fabrication d'un reservoir pour fluide cryogenique et reservoir ainsi obtenu
US6742554B1 (en) * 2002-12-09 2004-06-01 General Motors Corporation Device for overheat protection for a type 4 compressed gas container
CA2441775C (en) * 2003-09-23 2004-09-28 Westport Research Inc. Container for holding a cryogenic fluid
AT501577B1 (de) * 2004-04-09 2007-05-15 Franz Ing Stuhlbacher Verfahren zum befüllen eines behältnisses mit einem gas
DE102005028199A1 (de) * 2005-06-17 2006-12-21 Linde Ag Speicherbehälter für kyrogene Medien
US8796600B2 (en) * 2007-11-30 2014-08-05 Honda Motor Co., Ltd. Induction warming system for fiber composite gas storage cylinders
EP2363629B1 (en) * 2007-11-30 2012-10-24 Honda Motor Co., Ltd. Warming system for fiber composite gas storage devices
CN102174988B (zh) * 2011-03-09 2013-04-24 刘圣华 移动集成cng储运供气装置及控制方法

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