KR20150107984A

KR20150107984A - 액화천연가스 저장 탱크

Info

Publication number: KR20150107984A
Application number: KR1020140030373A
Authority: KR
Inventors: 배준홍; 송길달; 정왕조; 이종규
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-09-24
Also published as: KR101609624B1

Abstract

증발가스로 인한 압력 상승을 억제할 수 있는 액화천연가스 저장 탱크를 제공한다. 액화천연가스(LNG) 저장 탱크는, LNG를 저장하는 탱크 본체; 연결관에 의해 LNG를 펌핑하는 펌프와 연결되고 탱크 본체 내부 상부의 증발가스 영역으로 LNG를 분사하는 제1 노즐을 구비하는 LNG 분사부; 연결관의 일 지점으로부터 LNG를 향해 분기된 분기관과, 분기관과 연결되고 LNG의 하방에 위치하는 제2 노즐을 구비하여 연결관과 분기관을 통해 LNG를 순환시키는 LNG 순환부를 포함한다.

Description

액화천연가스 저장 탱크 {STORAGE TANK OF LIQUEFIED NATURAL GAS}

본 발명은 액화천연가스 운반선의 액화천연가스 저장 탱크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 증발가스로 인한 압력 상승을 억제할 수 있는 액화천연가스 저장 탱크에 관한 것이다.

일반적으로 천연가스는 시추 설비에서 극저온으로 액화되어 액화천연가스(이하, LNG라 한다)가 되며, 운반선의 LNG 저장 탱크에 실려 목적지까지 수송된다. LNG 저장 탱크는 통상 이중의 단열 구조로 제작되나, 지속적으로 흔들리는 해상 환경과 외부에서 유입되는 열에 의해 LNG가 기화되어 증발가스(boil-off gas)가 발생한다. 증발가스는 LNG 저장 탱크의 압력을 상승시키는 위험 요소가 된다.

증발가스로 인한 LNG 저장 탱크의 압력 상승을 억제하는 방법으로서, 증발가스를 재액화시켜 LNG 저장 탱크로 복귀시키는 방법과, LNG 저장 탱크에 단열벽을 설치하지 않고 LNG 저장 탱크 내에서 증발가스를 200기압 내외의 고압으로 유지하여 LNG 저장 탱크 내에 추가로 증발가스가 발생하는 것을 억제하는 방법 등이 적용되고 있다.

그런데 첫 번째 방법은 구성이 복잡한 재액화 설비가 요구되며, 증발가스 재액화에 많은 전력이 소모된다. 두 번째 방법은 200기압 내외의 고압 증발가스를 수용하기 위해서는 LNG 저장 탱크의 두께를 상당히 두껍게 해야 하므로 LNG 저장 탱크의 제작 비용이 증가하며, 증발가스를 고압으로 유지하기 위한 고압 펌프 등의 추가 장치들이 필요하다.

본 발명은 간단한 장치 구성과 제어 방법으로 증발가스의 발생 속도를 늦추어 LNG 저장 탱크의 압력 상승을 억제할 수 있는 LNG 저장 탱크를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 저장 탱크는, LNG를 저장하는 탱크 본체; 연결관에 의해 LNG를 펌핑하는 펌프와 연결되고 탱크 본체 내부 상부의 증발가스 영역으로 LNG를 분사하는 제1 노즐을 구비하는 LNG 분사부; 연결관의 일 지점으로부터 LNG를 향해 분기된 분기관과, 분기관과 연결되고 LNG의 하방에 위치하는 제2 노즐을 구비하여 연결관과 분기관을 통해 LNG를 순환시키는 LNG 순환부를 포함한다.

탱크 본체 내의 압력이 설정 압력 이상일 때 LNG 순환부가 작동할 수 있다. 탱크 본체 내의 온도가 포화 온도에 이르면 LNG 분사부가 작동할 수 있다.

연결관은 탱크 본체의 내부와 외부에 걸쳐 위치할 수 있고, 분기관은 탱크 본체의 내부에 위치할 수 있다. 연결관은 일 지점을 기준으로 펌프와 연결된 전단부와, 제1 노즐과 연결된 후단부로 구분될 수 있으며, 전단부의 일부는 탱크 본체의 외부에 위치할 수 있다.

LNG 분사부는 전단부에 설치된 제1 제어 밸브와, 후단부에 설치된 제2 제어 밸브를 포함할 수 있다. LNG 순환부는 분기관에 설치된 제3 제어 밸브를 포함할 수 있다.

LNG 저장 탱크는, 전단부 내부의 LNG 온도를 측정하는 온도 센서와; 온도 센서로부터 측정 신호를 제공받고, 제1 내지 제3 제어 밸브와 전기적으로 연결되어 제1 내지 제3 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 온도 센서는 전단부 중 분기관에 근접 설치되어 전단부에서 분기관으로 유입되기 직전의 LNG 온도를 측정할 수 있다.

LNG 순환부는 LNG 분사부 작동 전에 작동하여 연결관을 냉각시킬 수 있고, LNG 분사부는 연결관을 흐르는 LNG의 온도가 포화온도에 도달 시 작동하여 증발가스 영역으로 LNG를 분사할 수 있다.

본 실시예에 따르면 LNG보다 상대적으로 고온인 증발가스 영역에 저온의 LNG를 분사함으로써 증발가스 영역의 온도를 강하시켜 증발가스의 발생 속도를 늦출 수 있다. 또한, LNG 분사부 작동 전에 LNG 순환부를 작동시켜 연결관을 냉각시킴에 따라 LNG 분사부의 작동 초기에 발생할 수 있는 급격한 압력 상승을 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 저장 탱크의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 억제 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스 저장 탱크의 개략도이다.

도 1을 참고하면, 액화천연가스(이하, LNG라 한다) 저장 탱크(100)는 LNG를 저장하는 탱크 본체(10)와, LNG를 펌핑하고 LNG 상부의 증발가스 영역(A10)으로 LNG를 분사하는 LNG 분사부(20)와, 펌핑된 LNG를 다시 LNG로 복귀시키는 LNG 순환부(30)로 구성된다. 이때 LNG 순환부(30)와 LNG 분사부(20)는 선택적으로 동작한다.

LNG 저장 탱크(100)는 LNG 운반선에 설치된 저장 탱크일 수 있고, 탱크 본체(10)는 통상의 이중 단열 구조로 제작될 수 있다. 탱크 본체(10)가 이중의 단열 구조로 제작되어도 흔들림이 심한 해상의 운행 환경과, 외부에서 지속적으로 유입되는 열에 의해 LNG가 기화되어 증발가스(boil-off gas)가 발생한다.

LNG 운반선의 경우 LNG 저장 탱크(100)의 증발가스는 추진 엔진으로 보내져 추진 연료로 사용되며, 추진 엔진이 작동하지 않을 때에는 연소장치로 보내져 연소된다. 그런데 LNG 운반선이 수요처의 터미널에 입항하는 경우나 운하를 통과하는 등 운항 속도를 낮추어야 할 경우에는 증발가스 발생을 억제하는 것이 최선의 방법이다.

LNG 분사부(20)는 LNG보다 상대적으로 높은 온도를 가진 증발가스 영역(A10)으로 저온의 LNG를 분사하여 증발가스 영역(A10)의 온도를 강하시킴으로써 증발가스의 발생 속도를 늦추는 작용을 한다. 이를 위해 LNG 분사부(20)는 LNG를 펌핑하는 펌프(21)와, 펌핑된 LNG를 분사하는 제1 노즐(22)과, 펌프(21)와 제1 노즐(22)을 연결하는 연결관(23)을 포함한다.

펌프(21)는 LNG에 잠기도록 탱크 본체(10)의 하부에 위치하며, 제1 노즐(22)은 LNG 수위보다 높은 증발가스 영역(A10)에 위치한다. 제1 노즐(22)은 서로간 거리를 두고 복수개로 구비되어 증발가스 영역(A10)의 여러 부위에 저온의 LNG를 고르게 분사할 수 있다.

연결관(23)은 탱크 본체(10)의 내부와 외부에 걸쳐 위치한다. 예를 들어 연결관(23)은 펌프(21)와 제1 노즐(22)로부터 각각 수직 상방으로 뻗은 두 개의 수직관과, 탱크 본체(10)의 외부에서 두 개의 수직관을 연결하는 수평관으로 구성될 수 있다.

LNG 순환부(30)는 연결관(23)으로부터 분기된 분기관(31)과, 분기관(31)의 단부에 설치된 제2 노즐(32)을 포함한다. 분기관(31)은 제1 노즐(22)과 연결된 수직관의 일 지점(P1, 분기 지점)으로부터 분기되고, 탱크 본체(10)의 하부를 향해 수직으로 뻗어 그 대부분이 LNG에 잠긴다. 제2 노즐(32)은 LNG에 잠긴 분기관(31)의 단부에 위치한다.

연결관(23)은 펌프(21)와 분기 지점(P1) 사이에 위치하는 전단부(231)와, 분기 지점(P1)과 제1 노즐(22) 사이에 위치하는 후단부(232)로 구분될 수 있다. LNG 순환부(30)는 LNG 분사부(20)가 작동하기 전, 연결관(23)의 전단부(231)와 분기관(31)을 통해 저온의 LNG를 순환시킴으로써 연결관(23)의 전단부(231)를 냉각시키는 작용을 한다.

연결관(23)의 일부는 탱크 본체(10)의 외부에 위치하므로 탱크 본체(10)의 내부보다 높은 온도를 가진다. LNG 순환부(30)가 없는 구성을 가정하면, LNG를 펌핑하여 증발가스 영역(A10)으로 LNG를 분사하는 초기 작동 과정에서, 연결관(23)이 가지고 있는 열 에너지 및 펌프(21)의 기계적 손실에 따른 열 에너지가 LNG로 전달되어 LNG의 일부가 기화된다. 그리고 이는 LNG 분사 초기에 탱크 본체(10)의 압력이 갑작스럽게 상승하는 문제로 이어진다.

본 실시예에 따른 LNG 저장 탱크(100)는 LNG 분사부(20)와 더불어 LNG 순환부(30)를 구비함으로써 LNG 분사부(20)가 작동하기 전, LNG 순환부(30)를 작동시켜 연결관(23) 내부로 저온의 LNG를 일정 시간 순환시킨다. 이에 따라 연결관(23)을 충분히 냉각시킨 후 LNG를 분사하므로, LNG 분사 초기에 LNG 기화에 따른 압력 상승 문제를 해소할 수 있다.

LNG 분사부(20)는 연결관(23)의 전단부(231)에 설치된 제1 제어 밸브(24)와, 연결관(23)의 후단부(232)에 설치된 제2 제어 밸브(25)를 포함한다. 제1 제어 밸브(24)는 탱크 본체(10) 외부의 수평관에 위치할 수 있다. LNG 순환부(30)는 분기관(31)에 설치된 제3 제어 밸브(33)를 포함한다. 제3 제어 밸브(33)는 LNG 수위보다 높은 증발가스 영역(A10)에 위치한다.

LNG 저장 탱크(100)는 연결관(23) 내부의 LNG 온도를 측정하는 온도 센서(41)와, 탱크 본체(10)의 압력을 측정하는 압력 센서(42)와, 온도 센서(41)와 압력 센서(42) 및 제1 내지 제3 제어 밸브(24, 25, 33)와 전기적으로 연결되는 제어부(50)를 포함한다. 제어부(50)는 온도 센서(41) 및 압력 센서(42)의 측정 신호에 따라 제1 내지 제3 제어 밸브(24, 25, 33)의 작동을 제어한다.

온도 센서(41)는 연결관(23)의 전단부(231) 중 분기 지점(P1)에 근접 배치되어 전단부(231)를 지나 분기관(31)으로 유입되기 직전의 LNG 온도를 측정한다. 온도 센서(41)는 제어부(50)로 온도 감지 신호를 출력하고, 압력 센서(42)는 제어부(50)로 압력 감지 신호를 출력한다.

제어부(50)는 증발가스로 인해 탱크 본체(10)의 압력이 상승할 때 제1 제어 밸브(24)와 제3 제어 밸브(33)를 열어 LNG를 순환시키고, 온도 센서(41)가 감지한 LNG 온도가 LNG의 포화 온도에 이르면 제3 제어 밸브(33)를 닫고 제2 제어 밸브(25)를 열어 LNG를 증발가스 영역(A10)으로 분사한다. LNG 저장 탱크(100)의 작동 과정에 대해서는 도 2를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 억제 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 증발가스 억제 방법은 탱크 본체(10)의 압력을 측정하는 제1 단계(S10)와, 측정된 압력이 설정 압력 이상이면 LNG 순환부(30)가 작동하여 연결관(23)을 냉각시키는 제2 단계(S20)와, 연결관(23) 내부의 LNG 온도를 측정하는 제3 단계(S30)와, 측정된 온도가 LNG의 포화 온도에 이르면 LNG 순환부(30)의 작동이 중지되고 LNG 분사부(20)가 작동하여 증발가스 영역(A10)으로 LNG를 분사하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

제1 단계(S10)에서는 압력 센서(42)가 탱크 본체(10)의 압력을 측정하고, 측정 신호를 제어부(50)로 출력한다.

제2 단계(S20)에서는 증발가스의 발생으로 인해 탱크 본체(10)의 압력이 설정된 압력을 초과하면 펌프(21)가 작동하고, 제어부(50)가 제1 제어 밸브(24)와 제3 제어 밸브(33)를 열어 LNG 순환부(30)를 작동시킨다.

펌프(21)에서 펌핑된 LNG는 연결관(23)의 전단부(231)와 분기관(31) 내부를 흐르고 제2 노즐(32)을 통해 다시 LNG로 분사되어 순환된다. 이러한 LNG 순환으로 인해 탱크 본체(10) 외부의 전단부(231)는 저온의 LNG에 의해 충분히 냉각된다.

제3 단계(S30)에서는 온도 센서(41)가 연결관(23)의 전단부(231) 내부를 흐르는 LNG의 온도를 측정하고, 측정 신호를 제어부(50)로 출력한다. 온도 센서(41)를 이용한 LNG 온도 측정은 제2 단계(S20)와 동시에 이루어진다.

LNG 순환부(30)의 초기 작동 시에는 전단부(231)의 열 에너지 및 펌프(21)의 기계적 손실에 따른 열 에너지 등이 LNG로 유입되므로 LNG의 측정 온도는 LNG의 포화 온도보다 높은 값을 가진다. 그리고 LNG 순환이 반복됨에 따라 LNG의 측정 온도는 점점 포화 온도에 가깝게 된다.

제4 단계(S40)에서는 감지된 LNG의 온도가 LNG의 포화 온도에 이르면 제어부(50)가 제3 제어 밸브(33)를 닫고, 제2 제어 밸브(25)를 열어 펌핑된 LNG를 제1 노즐(22)로 제공한다. 이로써 LNG보다 상대적으로 고온인 증발가스 영역(A10)에 저온의 LNG를 분사함으로써 증발가스 영역(A10)의 온도를 강하시키고, 증발가스의 발생 속도를 완화시킨다.

이와 같이 본 실시예에 따른 증발가스 억제 방법은 펌핑된 LNG를 바로 증발가스 영역(A10)에 분사하지 않고 초기에 일정량의 LNG를 순환시켜 LNG를 포화 온도에 이르게 한 다음 증발가스 영역(A10)에 LNG를 분사함으로써 LNG 분사부(20)의 작동 초기에 발생할 수 있는 급격한 압력 상승을 효과적으로 억제할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: LNG 저장 탱크 10: 탱크 본체
A10: 증발가스 영역 20: LNG 분사부
21: 펌프 22: 제1 노즐
23: 연결관 24, 25: 제1, 제2 제어 밸브
30: LNG 순환부 31: 분기관
32: 제2 노즐 33: 제3 제어 밸브
41: 온도 센서 42: 압력 센서
50: 제어부

Claims

액화천연가스(LNG)를 저장하는 탱크 본체;
연결관에 의해 상기 LNG를 펌핑하는 펌프와 연결되고 상기 탱크 본체 내부 상부의 증발가스 영역으로 상기 LNG를 분사하는 제1 노즐을 구비하는 LNG 분사부; 및
상기 연결관의 일 지점으로부터 상기 LNG를 향해 분기된 분기관과, 상기 분기관과 연결되고 상기 LNG의 하방에 위치하는 제2 노즐을 구비하여 상기 연결관과 상기 분기관을 통해 상기 LNG를 순환시키는 LNG 순환부를 포함하는 LNG 저장 탱크.
제1항에 있어서,
상기 탱크 본체 내의 압력이 설정 압력 이상일 때, 상기 LNG 순환부가 작동하는 LNG 저장 탱크.
제1항에 있어서,
상기 탱크 본체 내의 온도가 포화 온도에 이르면, 상기 LNG 분사부가 작동하는 LNG 저장 탱크.
제1항에 있어서,
상기 연결관은 상기 탱크 본체의 내부와 외부에 걸쳐 위치하고,
상기 분기관은 상기 탱크 본체의 내부에 위치하는 LNG 저장 탱크.
제4항에 있어서,
상기 연결관은 상기 일 지점을 기준으로 상기 펌프와 연결된 전단부와, 상기 제1 노즐과 연결된 후단부로 구분되며,
상기 전단부의 일부는 상기 탱크 본체의 외부에 위치하는 LNG 저장 탱크.
제5항에 있어서,
상기 LNG 분사부는 상기 전단부에 설치된 제1 제어 밸브와, 상기 후단부에 설치된 제2 제어 밸브를 포함하며,
상기 LNG 순환부는 상기 분기관에 설치된 제3 제어 밸브를 포함하는 LNG 저장 탱크.
제6항에 있어서,
상기 전단부 내부의 LNG 온도를 측정하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서로부터 측정 신호를 제공받고, 상기 제1 내지 제3 제어 밸브와 전기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제3 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 LNG 저장 탱크.
제7항에 있어서,
상기 온도 센서는 상기 전단부 중 상기 분기관에 근접 설치되어 상기 전단부에서 상기 분기관으로 유입되기 직전의 LNG 온도를 측정하는 LNG 저장 탱크.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 LNG 순환부는 상기 LNG 분사부 작동 전에 작동하여 상기 연결관을 냉각시키고,
상기 LNG 분사부는 상기 연결관을 흐르는 LNG의 온도가 포화온도에 도달 시 작동하여 상기 증발가스 영역으로 LNG를 분사하는 LNG 저장 탱크.