KR20160008805A

KR20160008805A - 액체저장탱크의 압력제어 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20160008805A
Application number: KR1020140088988A
Authority: KR
Inventors: 김지은; 최동규; 유병용
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-01-25
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: KR101637415B1

Abstract

해양 구조물에 설치되는 액체저장탱크의 압력제어 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명의 액체저장탱크의 압력제어 방법은, 액체저장탱크의 1차 밀봉벽이 파손되어 상기 액체저장탱크에 저장된 액체가 1차 단열공간으로 침입하는 비상시, 상기 액체저장탱크의 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시켜 상기 탱크 내부공간의 내부압력과 상기 1차 단열공간의 내부압력을 균등하게 유지하는 압력평형단계를 포함한다.

Description

액체저장탱크의 압력제어 방법 및 시스템 {PRESSURE CONTROL METHOD AND SYSTEM FOR LIQUID CARGO TANK}

본 발명은 액체저장탱크의 압력제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체저장탱크의 내부와 1차 단열공간(primary insulation space)를 연결하는 압력평형 파이프(equalizing pipe)를 마련하여 비상시 액체저장탱크의 내부와 1차 단열공간의 압력을 균등하게 유지할 수 있도록 하는 액체저장탱크의 압력제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.

근래 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.

특히 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다.

천연가스(natural gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하고, 소량의 에탄(ethane), 프로판(propane) 등을 포함하는 화석연료로서, 최근 다양한 기술 분야에서 저공해 에너지원으로서 각광받고 있다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화천연가스, 즉 LNG의 형태로 LNG 수송선에 저장되어 원거리 소비처로 운반된다. LNG는 천연가스를 극저온(대략 -163℃ 이하)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

근래에는 육상 설비의 건설에 필요한 부지 확보 문제, 장기간의 건설 공기, 지역 주민 반대 등의 문제를 해결할 수 있는 해상 플랜트의 개발도 활발하게 이루어지고 있는데, 해상 플랜트로서는 예를 들어 LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading), LNG FSRU (Floating Storage and Regasification Unit), FSPP (Floating Storage Power Plant), BMPP (Barge Mounted Power Plant) 등을 들 수 있다.

이러한 선박이나 해상 플랜트에서는 극저온인 액화천연가스를 저장하기 위하여 특수한 구조를 갖춘 저장탱크(흔히, '화물창'이라고도 함)가 설치되는데, 통상 액화천연가스를 저장하는 LNG 저장탱크는 1차 및 2차 밀봉벽과 1차 및 2차 단열벽이 서로 번갈아 적층 설치되어 형성된다.

하지만, 저장탱크 내부와 외부의 온도 차이에 의하여 저장탱크 내부로의 열 침입은 불가피하다. 천연가스의 액화온도는 상압에서 약 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압에서 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. LNG 저장탱크는 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장탱크 내에 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

증발가스는 저장탱크 내부의 압력을 운전 압력보다 높게 만들기 때문에 적절한 방법을 통하여 처리해야 한다.

일반적으로, 선박 운항 중에 발생하는 증발가스를, 각종 엔진, 보일러, Gas Combustion Unit (GCU) 등의 사용처에서 연료로 사용하거나, 액화설비에 의해 재액화하여 저장탱크에 복귀시키는 방식으로 저장탱크 내부의 압력이 상승하는 것을 방지한다.

저장탱크에 저장된 액화천연가스로부터의 증발가스 발생을 억제하기 위하여, 저장탱크로 유입된 열에 의해 기화된 천연가스를 이용하여 저장탱크의 압력을 일정 압력까지 상승시킴으로써 액화천연가스의 비등점을 높여 증발가스의 발생을 억제하는 방법이 최근 제안되었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 멤브레인형 LNG 저장탱크는, 선체(10)의 내측에 2차 단열벽(17), 2차 밀봉벽(13), 1차 단열벽(15) 및 1차 밀봉벽(11)을 순차적으로 적층시켜 만들어진다. 구체적으로는, 저장되어 있는 LNG의 누출을 방지하기 위해서, 선체(10)의 내측에 설치되어 저장된 LNG와 직접 접촉하는 1차 밀봉벽(11), 및 선체(10)와 1차 밀봉벽(11) 사이에 설치되는 2차 밀봉벽(13)을 포함하고, 단열을 위해서, 1차 밀봉벽(11)과 2차 밀봉벽(13) 사이에 개재되는 1차 단열벽(15), 및 2차 밀봉벽(13)과 선체(10) 사이에 개재되는 2차 단열벽(17)을 포함한다.

그러나, 저장탱크 내부의 압력을 높게 유지하는 경우, 1차 밀봉벽(11)에 크랙(C)이 발생하여 LNG가 누출되는 비상시 저장탱크 내부의 LNG가 1차 단열벽(15)의 내부 공간으로 침입하게 되면, 저장탱크 내부와의 압력 차이로 인하여, 1차 단열벽(15)의 내부 공간으로 침입한 LNG가 질소 라인(21 또는 43) 등을 통해 갑판 상부로 넘치는 문제가 발생하여, 선체파손이나 인명사고 등으로 이어질 위험이 있다.

1차 단열벽(15)과 2차 단열벽(17)은 통기성 단열소재로 이루어질 수 있으며, 외부에서 저장탱크 내로 공기가 침입하거나 저장탱크로부터 LNG가 누출되었을 때 누출된 LNG를 기화시켜 배출시키기 위해 1차 단열벽(15)의 내부 공간과 2차 단열벽(17)의 내부 공간을 통하여 불활성 가스를 순환시킨다.

1차 단열벽(15)의 내부 공간(이하, '1차 단열공간(15)' 이라 함)과 2차 단열벽(17)의 내부 공간(이하, '2차 단열공간(17)' 이라 함)은 예컨대 질소가스 등의 불활성 가스에 의해 대기압보다 높고 저장탱크의 내부압력보다는 낮은 압력으로 유지된다.

그런데, 증발가스 발생을 억제하기 위해 저장탱크 내부의 압력을 높게 유지하는 경우, 저장탱크의 내부압력과 1차 단열공간(15)의 내부압력 사이의 차이가 크기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 1차 밀봉벽(11)에 크랙(C)이 생겨 LNG가 누출되면, 1차 단열공간(15)의 LNG 액위가 저장탱크의 내부공간의 LNG 액위보다 높아질 수 있다.

그에 따라, 1차 단열공간(15)에 질소를 공급하는 질소 공급 라인(21) 혹은 1차 단열공간(15)의 내부압력이 지나치게 높아질 경우 질소를 배출하는 질소 배출 라인(43)을 통해 LNG가 유동하여 갑판 위로 넘칠 우려가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 저장탱크의 내부압력을 대기압보다 높게 유지하고 있는 상태에서 1차 단열공간(15)으로 LNG가 누출될 경우에는 1차 단열공간(15)의 내부압력을 저장탱크의 내부압력과 동일하게 상승시켜 압력 평형상태를 만들어 비상시에도 안전성을 확보할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 해양 구조물에 설치되는 액체저장탱크의 압력제어 방법으로서, 내부에 저장된 액체와 접하도록 설치되는 1차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 선체 사이에 설치되는 2차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 상기 2차 밀봉벽 사이에 형성되는 1차 단열공간, 및 상기 2차 밀봉벽과 선체 사이에 형성되는 2차 단열공간을 포함하도록 상기 액체저장탱크를 제작하는 제작단계와; 상기 액체저장탱크에 액체를 공급하는 공급단계와; 상기 1차 밀봉벽이 파손되어 상기 액체저장탱크에 저장된 액체가 상기 1차 단열공간으로 침입하는 비상시, 상기 액체저장탱크의 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시켜 상기 탱크 내부공간의 내부압력과 상기 1차 단열공간의 내부압력을 균등하게 유지하는 압력평형단계; 를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 방법이 제공된다.

상기 압력평형단계에서는, 압력평형 파이프를 통하여 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시킬 수 있다.

상기 압력평형 파이프는, 상기 1차 밀봉벽이 파손되지 않은 정상시에는 상기 탱크 내부공간 및 상기 1차 단열공간과 분리되어 있고, 상기 1차 밀봉벽이 파손된 비상시에 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간을 연통시키도록 설치될 수 있다.

상기 압력평형단계는, 상기 1차 단열공간으로부터 질소를 배출하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결된 질소 배출 라인에 설치되어 있는 개폐 밸브를 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

또, 상기 압력평형단계는, 상기 1차 단열공간에 질소를 공급하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결된 질소 공급 라인에 설치되어 있는 개폐 밸브를 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 공급단계 이후에, 액체가 증발하여 발생하는 증발가스를 상기 액체저장탱크의 외부로 배출시키지 않아 상기 탱크 내부공간의 내부압력을 증가시키는 압력증가단계를 더 포함할 수 있다.

또, 상기 공급단계 이후에, 증발가스를 상기 액체저장탱크의 외부로 배출시키는 배출단계를 더 포함할 수 있다.

상기 배출단계는 상기 액체저장탱크의 내부압력이 사전설정된 압력값에 도달한 경우 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 해양 구조물에 설치되는 액체저장탱크의 압력제어 시스템으로서, 상기 액체저장탱크는, 내부에 저장된 액체와 접하도록 설치되는 1차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 선체 사이에 설치되는 2차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 상기 2차 밀봉벽 사이에 형성되는 1차 단열공간, 및 상기 2차 밀봉벽과 선체 사이에 형성되는 2차 단열공간을 포함하며, 상기 1차 밀봉벽이 파손되어 상기 액체저장탱크에 저장된 액체가 상기 1차 단열공간으로 침입하는 비상시, 상기 액체저장탱크의 탱크 내부공간의 내부압력과 상기 1차 단열공간의 내부압력을 균등하게 유지할 수 있도록 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시키는 압력평형 파이프를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템이 제공된다.

상기 압력평형 파이프는, 상기 탱크 내부공간으로부터 연장하는 제1 연결 라인과, 상기 1차 단열공간으로부터 연장하는 제2 연결 라인에 착탈 가능하게 연결될 수 있다. 본 발명의 액체저장탱크의 압력제어 시스템은, 상기 제1 및 제2 연결라인에 각각 설치되는 개폐 밸브를 포함할 수 있다.

상기 압력평형 파이프는, 상기 탱크 내부공간으로부터 연장하는 제1 연결 라인과, 상기 1차 단열공간으로부터 연장하는 제2 연결 라인에 고정적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 연결라인, 상기 제2 연결라인 및 상기 압력평형 파이프 중 적어도 하나는 개폐 밸브를 포함할 수 있다.

본 발명의 액체저장탱크의 압력제어 시스템은, 상기 1차 단열공간으로부터 질소를 배출하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결되며 개폐 밸브가 설치되어 있는 질소 배출 라인을 포함할 수 있다.

본 발명의 액체저장탱크의 압력제어 시스템은, 상기 1차 단열공간에 질소를 공급하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결되며 개폐 밸브가 설치되어 있는 질소 공급 라인을 포함할 수 있다.

상기 액체저장탱크는, 상부에 형성되어 증발가스용 배관이 설치되는 가스돔과, 상기 가스돔에 설치되어 상기 액체저장탱크의 내부압력이 사전설정된 압력에 도달하면 개방되는 안전 밸브를 포함할 수 있다.

상기 안전 밸브는, 상기 액체저장탱크의 내부압력이 2bar 이하에서 선택된 개방 압력값에 도달하면 개방되도록 설정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 액체저장탱크의 압력제어 방법 및 시스템에서는, 액체저장탱크의 내부와 1차 단열공간(primary insulation space) 사이를 연결하는 압력평형 파이프(equalizing pipe)를 마련하여 비상시 액체저장탱크와 1차 단열공간 내부의 압력을 균등하게 유지할 수 있도록 한다.

그에 따라 액체저장탱크의 압력을 액체화물 자체에서 발생하는 증발가스에 의해 대기압 이상의 설정 압력으로 유지하여 액화천연가스의 비등점을 상승시켜 탱크 내 증발가스 발생을 억제하면서도, 비상시에는 압력평형 파이프를 통해 탱크 내부의 압력을 1차 단열공간의 압력과 균등하게 제어함으로써, 탱크 파손 등이 있더라도 1차 단열공간으로 흘러나온 액화천연가스의 수위가 압력 차에 의해 액체저장탱크의 수위보다 높아지는 현상을 방지할 수 있다.

균등한 압력으로 액체저장탱크의 수위와 1차 단열공간의 수위가 균등하게 유지되므로, 액화천연가스가 데크 상부로 넘치는 현상을 막을 수 있어, 비상시에도 선체파손이나 인명사고 등으로 피해가 확산되는 것을 방지할 수 있고 선박의 안전성을 확보할 수 있게 한다.

도 1은 액체저장탱크의 내부압력을 대기압보다 높게 유지하는 상태에서 1차 밀봉벽에 크랙이 발생하여 탱크에 저장된 액체가 누출되는 상태를 설명하기 위한, 액체저장탱크의 개략적인 측단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체저장탱크의 압력 제어 시스템을 설명하기 위한, 액체저장탱크의 개략적인 평면도, 그리고
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체저장탱크의 압력 제어 시스템에 의해 비상시 액화천연가스의 액위가 균등하게 유지되는 상태를 설명하기 위한, 액체저장탱크의 개략적인 측단면도이다.

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

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

본 발명은, 극저온 상태의 액화가스를 저장할 수 있는 저장탱크가 마련된 해양 구조물이라면, LNG를 운반하는 LNG 운반선(LNG Carrier) 이외에도, LNG RV (Regasification Vessel)와 같은 선박이나 LNG FSRU (Floating Storage and Regasification Unit), LNG FRU (Floating and Regasification Unit), LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading), FSPP (Floating Storage Power Plant), BMPP (Barge Mounted Power Plant)와 같은 플랜트에 적용될 수 있다.

LNG RV는 자력 항해 및 부유가 가능한 액화천연가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 구조물이고, LNG FRU는 저장기능이 생략된 채 별도의 저장탱크와 협력하여 사용되면서 해상에서 액화천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 구조물이고, LNG FPSO는 채굴된 천연가스를 해상에서 정제한 후 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 구조물이다. 그리고 FSPP는 해상에 부유된 선체에 LNG 저장탱크와 발전설비를 탑재하여 해상에서 전기를 생산하기 위해 사용되는 구조물이고, BMPP는 바지선에 발전설비를 탑재하여 해상에서 전기를 생산하기 위해 사용되는 구조물이다.

본 명세서에서 해양 구조물이란, LNG 운반선과 같은 액화가스 운반선, LNG RV 등을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU, LNG FRU, FSPP, BMPP 등의 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.

또, 이어지는 설명에서는 액체저장탱크에 예를 들어 LNG를 저장하여 사용하는 경우를 설명하고 있지만, 본 발명이 적용되는 액체저장탱크는 극저온의 액화천연가스를 수용하기 위한 것일 뿐만 아니라, LPG를 비롯한 다른 액체화물을 수용하기 위한 것일 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 압력제어 방법 및 시스템은, LNG 등의 액체가 저장된 액체저장탱크의 내부압력을 대기압보다 높은 압력으로 유지하는 액체저장탱크에 적용된다.

종래에는 액체저장탱크 내의 압력을 상압 내지 0.25bar 정도의 일정 범위 내에서 유지하도록 함으로써 외부에서의 유입열이 대부분 증발가스 발생에 기여하고, 또한 이와 같이 발생한 증발가스 전부를 액체저장탱크의 외부로 배출시켜 처리하고 있었다.

본 발명의 실시예에 따른 압력제어 방법 및 시스템이 적용되는 액체저장탱크(1)에서는, 외부에서 열이 유입됨에도 불구하고, 액체저장탱크(1) 내의 압력 상승을 허용함으로써 압력 상승에 따르는 포화 온도 상승에 의한 탱크 내의 액체, 예컨대 액화천연가스(LNG) 및 천연가스(Natural Gas; NG)의 현열 증가분에 의해 대부분의 유입 열량이 흡수되도록 하여 증발가스의 발생이 대폭 감소하도록 한다.

예를 들어, LNG를 저장하는 저장탱크의 내부압력이 0.7bar가 되면 포화온도는 초기 0.06bar 대비 약 6℃ 상승한다.

단열벽이 형성된 LNG 운반선용 LNG 저장탱크의 경우를 예로 들어 설명하면, 정상적으로 LNG를 적재했을 때 선적 초기에는 저장탱크 내부의 압력이 0.06bar(게이지압) 정도이며 LNG 운반선의 운항기간 동안에 증발가스가 발생하면서 저장탱크 내부의 압력이 점차 증가한다. 예를 들어, LNG 생산지에서 LNG를 적재한 후 LNG 운반선용 LNG 저장탱크의 내부 압력은 대략 0.06bar 이고, LNG 운반선이 출발하여 약 15 ~ 20 일간 운항한 후 목적지에 도착하면 LNG 저장탱크의 내부 압력은 대략 0.7bar까지 상승할 수 있다.

이를 온도와 관계하여 서술하면, 일반적으로 LNG에는 여러 가지 불순물이 포함되어 순수한 메탄액체의 비점보다 더 낮은 것이 일반적이다. 순수한 메탄은 0.06bar에서 비점이 -161℃ 정도인데 실제 LNG 운반에서 운반되는 LNG는 질소, 에탄 등의 불순물이 다소 포함되어 -163℃ 내외가 비점이 된다. 순수한 메탄을 기준으로 설명하면 LNG 선적후에 0.06bar에서 탱크 내 LNG 온도는 -161℃ 내외가 되고, 이를 이송거리와 BOG 소비량을 고려하여 탱크 내의 증기압력을 0.25bar로 제어하면 LNG 온도는 -159℃ 내외, 탱크 내의 증기압력을 0.7bar로 제어하면 LNG 온도는 -155℃ 내외, 탱크 내의 증기압력을 2bar로 제어하면 LNG 온도는 -146℃ 내외까지 상승하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 압력제어 방법 및 시스템이 적용되는 액체저장탱크(1)는, 단열벽을 구비하는 동시에 증발가스의 발생에 의한 압력 상승을 고려하여 설계된 것으로서, 즉, 증발가스의 발생에 의한 압력 상승분을 견딜 수 있는 강도를 가지도록 설계된 것이다. 따라서, 본 발명이 적용된 액체저장탱크의 사용 중에 액체저장탱크의 내부에서 발생된 증발가스는 외부로 배출되지 않고 액체저장탱크의 내부에 축적된다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 압력제어 방법 및 시스템이 LNG 운반선에 설치되는 액체저장탱크(1), 즉 LNG 저장탱크에 적용될 경우, 액체저장탱크(1)는 바람직하게는 단열벽을 구비하면서 2bar(게이지압)의 압력을 견딜 수 있도록 설계되고, 더 바람직하게는 0.25bar 초과 내지 0.7bar(게이지압)의 압력을 견딜 수 있도록 설계된다. LNG 운반의 거리와 현재의 IGC Code 등을 고려하면, 액체저장탱크(1)는 0.25bar 초과 내지 0.7bar의 압력, 특히 0.7bar 정도의 압력을 견디도록 설계되는 것이 바람직하다. 다만, 이 압력이 너무 낮으면 LNG를 운반하는 거리가 너무 짧아지므로 바람직하지 않고, 너무 높으면 탱크의 제조가 용이하지 않는 문제점이 있다.

또한, 이러한 본 발명의 실시예가 적용되는 액체저장탱크(1)는, 최초 설계시 압력을 견딜 수 있도록 설계(예컨대 두께를 두껍게 설계)하든지, 또는 기존의 일반적인 LNG 저장탱크에 구조상 큰 변화를 주지 않고 단지 보강재를 추가하여 적절한 보강을 하는 것만으로도 충분히 실현 가능하므로 제작 비용면에서 경제적이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예가 적용되는 액체저장탱크(1)는 멤브레인형 저장탱크로서, 선체(10)의 내측에 2차 단열벽(17), 2차 밀봉벽(13), 1차 단열벽(15) 및 1차 밀봉벽(11)을 순차적으로 적층시켜 만들어진다. 구체적으로는, 저장되어 있는 LNG 등의 액체의 누출을 방지하기 위해서, 선체(10)의 내측에 설치되어 저장된 LNG와 직접 접촉하는 1차 밀봉벽(11), 및 선체(10)와 1차 밀봉벽(11) 사이에 설치되는 2차 밀봉벽(13)을 포함하고, 단열을 위해서, 1차 밀봉벽(11)과 2차 밀봉벽(13) 사이에 개재되는 1차 단열벽(15), 및 2차 밀봉벽(13)과 선체(10) 사이에 개재되는 2차 단열벽(17)을 포함한다.

일반적으로, 1차 단열벽(15)의 내부 공간(이하, '1차 단열공간(15)' 이라 함)과 2차 단열벽(17)의 내부 공간(이하, '2차 단열공간(17)' 이라 함)은 예컨대 질소가스를 공급함으로써 대기압보다 높고 액체저장탱크(1)의 내부압력보다는 낮은 압력으로 유지된다.

1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17)에 불활성 가스인 질소가스를 공급하기 위해서, 질소 공급 라인(21, 23)이 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17) 각각에 대하여 설치된다. 각각의 질소 공급 라인(21, 23)에는 개폐 밸브(22, 24)가 설치되어 질소의 공급을 조절한다.

한편, 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17)의 압력이 지나치게 상승하는 것을 방지하기 위해, 또는 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17) 내부의 질소를 순환시켜 외부로 배출시키기 위해, 질소 배출 라인(43, 47)이 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17) 각각에 대하여 설치된다. 각각의 질소 배출 라인(43, 47)에는 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17)의 압력이 설정된 압력에 도달하면 개방되는 안전 밸브(44, 48)가 설치된다.

액체저장탱크(1)의 내부압력이 사전설정된 압력에 도달하면 개방되는 안전 밸브(42)는, 액체저장탱크(1)의 상부에 마련되는 가스돔(30)으로부터 연장하는 증발가스 배출 라인(41)에 설치된다. 가스돔(30)은 증발가스와 관련된 각종 배관들이 설치될 수 있도록 LNG 등을 저장하는 액체저장탱크에 일반적으로 형성되는 것이므로 자세한 설명은 생략한다.

안전 밸브(42)의 개방시 증발가스 배출 라인(41)을 통해 액체저장탱크(1)로부터 배출된 증발가스는, 계속해서 벤트 라인(51)을 통해 벤트 마스트(50)로 유동한 후 배출될 수 있다.

벤트 마스트(50)는 증발가스(즉, NG)의 배출구로서 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17)으로부터의 질소의 배출구로서 활용될 수도 있다. 1차 단열공간(15) 및 2차 단열공간(17)의 내부압력에 따라, 질소가스는 질소 배출 라인(43, 47)과 안전 밸브(44, 48)를 통하여 외부로 배출될 수 있으며, 이때 안전 밸브(44, 48)를 통과한 질소가스는 벤트 라인(53)을 통해 벤트 마스트(50)로 유동한 후 배출될 수 있다.

1차 단열공간(15)으로부터 연장하는 질소 배출 라인(43)에는 개폐 밸브(45)가 설치된다. 후술하는 바와 같이 압력평형을 위해 액체저장탱크(1)의 내부공간, 즉 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)을 압력평형 파이프(35)에 의해 연통시킬 때, 1차 단열공간(15)의 내부압력이 상승하는 것을 허용하기 위해, 질소 배출 라인(43)에 설치된 개폐 밸브(45)는 폐쇄되어야 한다.

도 2에는 벤트 라인(53)을 통해 안전 밸브(44)와 벤트 마스트(50)가 연결되어 있는 것만 도시되어 있지만, 도시하지 않은 벤트 라인을 통해 안전 밸브(48)와 벤트 마스트(50)가 연결되어 있을 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 해양 구조물에 마련되는 액체저장탱크(1)의 비상시 압력 제어를 위하여, 액체저장탱크(1)의 내부공간인 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15) 사이를 연결하는 압력평형 파이프(equalizing pipe, 35)를 마련하여 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)의 압력을 균등하게 유지하게 된다.

가스돔(30)에는, 탱크 내부공간(2)의 압력이 설정된 값 이상일 때 개방되는 안전 밸브(42)가 설치되는 증발가스 배출 라인(41) 이외에도, 압력평형 파이프(35)를 탱크 내부공간(2)과 연결하기 위한 제1 연결 라인(31)과, 압력평형 파이프(35)를 1차 단열공간(15)과 연결하기 위한 제2 연결 라인(33)이 설치될 수 있다.

제1 연결 라인(31)과 제2 연결 라인(33)에는 각각 개폐 밸브(32, 34)가 설치되며, 압력평형 파이프(35)를 통하여 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)을 서로 연통시킬 필요가 없을 때에는 개폐 밸브(32, 34)를 모두 폐쇄시키고, 압력평형 파이프(35)를 통하여 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)을 서로 연통시킬 필요가 있을 때에만 개폐 밸브(32, 34)를 모두 개방시킨다.

도 2에 도시된 실시예에서는 제1 연결 라인(31)과 제2 연결 라인(33)에 각각 설치된 개폐 밸브(32, 34)를 모두 폐쇄시킨 후, 압력평형 파이프(35)를 제1 및 제2 연결 라인(31, 33)으로부터 분리할 수 있다. 압력평형 파이프(35)가 분리되어 있으면 밸브의 오작동을 원천적으로 방지할 수 있다.

도시하지는 않았지만 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 압력평형 파이프(35)는 제1 및 제2 연결 라인(31, 33)에 고정적으로 연결되어 있을 수 있다. 이 경우에는 2개의 개폐 밸브(32, 34) 중 하나의 개폐 밸브만이 설치되어도 좋고, 개폐 밸브가 제1 및 제2 연결 라인(31, 33)이 아니라 압력평형 파이프(35)에 설치되어도 좋다.

또, 지금까지는 본 발명에 따라 압력평형 파이프(35)에 의해 액체저장탱크의 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15) 사이를 연통시키는 것에 대해서만 설명하였으나, 본 발명은, 압력평형 파이프(35)와 동일한 방식으로 탱크 내부공간(2)과 2차 단열공간(17) 사이를 연통시키도록 구체화되거나, 1차 단열공간(15)과 2차 단열공간(17) 사이를 연통시키도록 구체화될 수 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 압력 제어 시스템의 작동에 대해 설명한다.

액체저장탱크(1)의 1차 밀봉벽(11)이 파손되지 않은 정상시, 압력평형 파이프(35)를 통한 액체저장탱크의 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15) 사이의 연통은 차단되어 있다. 이때 연통 차단을 위해, 단순히 제1 및 제2 연결 라인(31, 33)에 설치된 개폐 밸브(32, 34) 중 적어도 하나를 폐쇄시킬 수도 있고, 개폐 밸브(32, 34)를 모두 폐쇄시킨 후 압력평형 파이프(35)를 제1 및 제2 연결 라인(31, 33)으로부터 완전히 분리시킬 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 액체저장탱크(1)의 멤브레인, 즉 1차 밀봉벽(11)이 파손되어 크랙(C)이 발생한 비상시에는, 압력평형 파이프(35)를 통하여 액체저장탱크의 내부공간인 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15) 사이를 연통시킨다.

액체저장탱크(1)의 1차 밀봉벽(11)이 손상되는 비상시에는, 탱크 내부공간(2)으로부터 1차 단열공간(15)으로 액화천연가스가 누설된다. 전술한 바와 같이 액체저장탱크(1)의 내부 압력은 사전설정된 압력값, 예컨대 대략 2bar 이하, 바람직하게는 0.25bar 초과 내지 0.7bar 이하의 범위에서 선택된 압력값으로 설정되어 운용되고 있고, 1차 단열공간(15)의 내부 압력은 대기압보다 조금 높은 정도, 예컨대 0.25bar 이하의 압력값으로 설정되어 운용되고 있으므로, 도 1에 도시된 바와 같이 1차 단열공간(15)의 LNG 액위가 액체저장탱크(1) 내부의 LNG 액위보다 높아지면서 데크 상부로까지 흘러넘칠 수 있다.

본 실시예에서는 이러한 비상시에, 압력평형 파이프(35)로 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)을 연통시키는 동시에, 1차 단열공간으로부터 연장하는 질소 배출 라인(43)에 설치된 개폐 밸브(45)를 폐쇄한다. 개폐 밸브(45)를 폐쇄하고 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)을 서로 연통시킴에 따라, 1차 단열공간(15)의 내부압력은 액체저장탱크의 탱크 내부공간(2)과 동일한 압력까지 상승할 수 있으며, 1차 단열공간(15)의 LNG 액위가 액체저장탱크(1) 내부의 LNG 액위보다 높아지는 것이 방지된다.

또한, 1차 단열공간(15) 내로 질소를 공급하는 질소 공급 라인(21)의 내부압력이 탱크 내부공간(2)의 내부압력보다 낮을 경우에는, 질소 공급 라인(21)에 설치된 개폐 밸브(22)도 폐쇄한다.

비상시에 압력평형 파이프(35)를 통해 액체저장탱크(1)의 내부압력과 1차 단열공간(15)의 내부압력을 균등하게 유지하면, 1차 밀봉벽(11)의 파손으로 LNG가 누설되더라도 탱크 내부와 1차 단열공간 내부의 액화천연가스 액위가 균등하게 유지되므로 데크 상부로까지 액화천연가스가 누설되지 않게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 압력 조절 방법 및 시스템이 적용되는 액체저장탱크(1)의 내부 압력은 저장되어 있는 액체의 양에 따라 다르게 설정될 수 있다. 즉, 액체저장탱크(1)의 안전 밸브(42)는 액체저장탱크의 내부에 저장되어 있는 액체의 양에 따라 둘 이상의 설정값을 가지도록 구성될 수 있다.

액체저장탱크(1)의 안전 밸브(42)의 개방압력 설정치가 0.25bar 일 경우, LNG의 선적시 액체저장탱크(1)의 98% 정도의 부피까지 LNG를 선적하고 나머지 2%는 여유 공간으로 둔다. 98% 이상을 LNG로 채우게 되면 액체저장탱크의 내부압력이 0.25bar 도달시 가스돔(30)으로부터 LNG가 흘러넘칠(overflow) 우려가 있다. 그런데, LNG의 선적 이후에 액체저장탱크의 내부압력 상승을 계속 허용하는 경우, 98% 이하로 LNG를 선적하여도 LNG의 온도 상승으로 인한 LNG 팽창으로 오버플로할 가능성이 있다. 예컨대 LNG 탱크의 증기 압력이 0.7bar 일 경우 LNG의 적재량이 97% 정도에서도 오버플로 현상이 발생할 수 있다.

이런 문제 때문에 액체저장탱크의 상부에 설치되는 안전 밸브(42)의 개방 압력값을 하나의 값으로 고정적으로 유지하는 것보다는, 적재시에는 기존 LNG 운반선에서와 같이 상대적으로 낮은 압력, 예컨대 0.25bar로 설정하고, 선적 이후에 시간이 흘러 BOG를 사용(예컨대, 보일러, 엔진 등에 연료로 사용)함에 따라 액체저장 탱크(1) 내의 LNG 저장량이 감소한 경우에는 안전 밸브(42)의 개방 압력값을 상향 조정하여 초기 선적량의 감소 없이 BOG의 낭비를 줄이거나 BOG 처리의 유연성을 높일 수 있다.

따라서, 안전 밸브(42)의 개방 압력값은 적재시 예를 들어 0.25 바 이하에서 설정되고, 액체저장탱크(1)에서 발생하는 증발가스가 외부로 배출됨에 따라 액체저장탱크 내에 적재된 LNG의 양이 줄어든 이후에 0.25bar 초과 내지 2바 이하, 바람직하게는 0.25bar 초과 내지 0.7바 이하의 범위 내의 값으로 설정된다. 여기에서, 안전 밸브(42)의 개방 압력값은 증발가스의 사용량에 따라(즉, 액체저장탱크 내부의 액체 선적량에 따라), 예를 들어 0.25bar에서 0.4bar로, 그리고 0.4bar에서 0.7bar로 점진적으로 상승될 수 있다.

예를 들어, 액체저장탱크(1) 내에 저장된 LNG의 부피가 98.5%일 때 안전 밸브(42)의 개방 압력치를 0.25bar로 설정하고, LNG의 부피가 98.0%일 때 안전 밸브의 개방 압력치를 0.4bar로 조정하고, LNG의 부피가 97.6%일 때 안전 밸브의 개방 압력치를 0.5bar로 조정하고, LNG의 부피가 97.2%일 때 안전 밸브의 개방 압력치를 0.7bar로 조정할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 해양 구조물에 마련되는 액체저장탱크에서, 정상 운전시 액체저장탱크의 내부에 저장된 액체화물, 예컨대 LNG로부터 발생하는 증발가스(BOG)를 배출시키지 않아 액체저장탱크의 내부압력을 대략 2bar 이하, 바람직하게는 0.25bar 초과 내지 0.7bar 이하의 범위에서 선택된 설정압력까지 상승시키고, 내부압력이 설정압력에 도달하면 안전 밸브를 개방한다.

탱크의 파손을 포함하는 비상시에는, 액체저장탱크의 탱크 내부공간(2)과 1차 단열공간(15)을 연결하는 압력평형 파이프(35)를 통하여 액체저장탱크의 내부 압력과 1차 단열공간의 내부 압력을 균등하게 제어함으로써, 압력 차이로 인해 액화천연가스의 액위가 탱크 내부보다 높아져 데크로까지 넘치는 것을 방지하도록 한다. 오작동을 막기 위해 정상시에는 압력평형 파이프를 가스돔으로부터 분리하도록 구성할 수도 있다.

이와 같은 시스템을 통해 해양 구조물의 정상 운항시에 과도한 증발가스 발생을 억제하여 탱크의 안전성을 확보하면서, 비상시에도 액화천연가스가 데크 상부로 누출되어 선체파손이나 인명사고 등으로 피해가 확산되는 것을 방지하고 선박의 안전성을 확보할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

1: 액체저장탱크
2: (액체저장탱크의) 탱크 내부공간
10: 선체
11: 1차 밀봉벽
13: 2차 밀봉벽
15: 1차 단열벽(또는 1차 단열공간)
17: 2차 단열벽(또는 2차 단열공간)
21, 23: 질소 공급 라인
22, 24: (질소 공급 라인에 설치된) 개폐 밸브
30: 가스돔
31: 제1 연결 라인
32: (제1 연결 라인에 설치된) 개폐 밸브
33: 제2 연결 라인
34: (제2 연결 라인에 설치된) 개폐 밸브
35: 압력평형 파이프
41: 증발가스 배출 라인
42: (액체저장탱크의) 안전 밸브
43: (1차 단열공간으로부터 연장하는) 질소 배출 라인
44: (1차 단열공간의) 안전 밸브
45: (질소 배출 라인의) 개폐 밸브
47: (2차 단열공간으로부터 연장하는) 질소 배출 라인
48: (2차 단열공간의) 안전 밸브
50: 벤트 마스트
51, 53: 벤트 라인

Claims

해양 구조물에 설치되는 액체저장탱크의 압력제어 방법으로서,
내부에 저장된 액체와 접하도록 설치되는 1차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 선체 사이에 설치되는 2차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 상기 2차 밀봉벽 사이에 형성되는 1차 단열공간, 및 상기 2차 밀봉벽과 선체 사이에 형성되는 2차 단열공간을 포함하도록 상기 액체저장탱크를 제작하는 제작단계와;
상기 액체저장탱크에 액체를 공급하는 공급단계와;
상기 1차 밀봉벽이 파손되어 상기 액체저장탱크에 저장된 액체가 상기 1차 단열공간으로 침입하는 비상시, 상기 액체저장탱크의 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시켜 상기 탱크 내부공간의 내부압력과 상기 1차 단열공간의 내부압력을 균등하게 유지하는 압력평형단계;
를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압력평형단계에서는, 압력평형 파이프를 통하여 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시키는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압력평형 파이프는, 상기 1차 밀봉벽이 파손되지 않은 정상시에는 상기 탱크 내부공간 및 상기 1차 단열공간과 분리되어 있고, 상기 1차 밀봉벽이 파손된 비상시에 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간을 연통시키도록 설치되는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압력평형단계는, 상기 1차 단열공간으로부터 질소를 배출하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결된 질소 배출 라인에 설치되어 있는 개폐 밸브를 차단하는 단계를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압력평형단계는, 상기 1차 단열공간에 질소를 공급하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결된 질소 공급 라인에 설치되어 있는 개폐 밸브를 차단하는 단계를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 공급단계 이후에, 액체가 증발하여 발생하는 증발가스를 상기 액체저장탱크의 외부로 배출시키지 않아 상기 탱크 내부공간의 내부압력을 증가시키는 압력증가단계를 더 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 공급단계 이후에, 증발가스를 상기 액체저장탱크의 외부로 배출시키는 배출단계를 더 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 배출단계는 상기 액체저장탱크의 내부압력이 사전설정된 압력값에 도달한 경우 수행되는, 액체저장탱크의 압력제어 방법.
해양 구조물에 설치되는 액체저장탱크의 압력제어 시스템으로서,
상기 액체저장탱크는, 내부에 저장된 액체와 접하도록 설치되는 1차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 선체 사이에 설치되는 2차 밀봉벽, 상기 1차 밀봉벽과 상기 2차 밀봉벽 사이에 형성되는 1차 단열공간, 및 상기 2차 밀봉벽과 선체 사이에 형성되는 2차 단열공간을 포함하며,
상기 1차 밀봉벽이 파손되어 상기 액체저장탱크에 저장된 액체가 상기 1차 단열공간으로 침입하는 비상시, 상기 액체저장탱크의 탱크 내부공간의 내부압력과 상기 1차 단열공간의 내부압력을 균등하게 유지할 수 있도록 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간 사이를 연통시키는 압력평형 파이프를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 압력평형 파이프는, 상기 1차 밀봉벽이 파손되지 않은 정상시에는 상기 탱크 내부공간 및 상기 1차 단열공간과 분리되어 있고, 상기 1차 밀봉벽이 파손된 비상시에 상기 탱크 내부공간과 상기 1차 단열공간을 연통시키도록 설치되는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 압력평형 파이프는, 상기 탱크 내부공간으로부터 연장하는 제1 연결 라인과, 상기 1차 단열공간으로부터 연장하는 제2 연결 라인에 착탈 가능하게 연결되며,
상기 제1 및 제2 연결라인에 각각 설치되는 개폐 밸브를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 압력평형 파이프는, 상기 탱크 내부공간으로부터 연장하는 제1 연결 라인과, 상기 1차 단열공간으로부터 연장하는 제2 연결 라인에 고정적으로 연결되며,
상기 제1 연결라인, 상기 제2 연결라인 및 상기 압력평형 파이프 중 적어도 하나는 개폐 밸브를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 1차 단열공간으로부터 질소를 배출하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결되며 개폐 밸브가 설치되어 있는 질소 배출 라인을 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 1차 단열공간에 질소를 공급하기 위해 상기 1차 단열공간에 연결되며 개폐 밸브가 설치되어 있는 질소 공급 라인을 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 액체저장탱크는, 상부에 형성되어 증발가스용 배관이 설치되는 가스돔과, 상기 가스돔에 설치되어 상기 액체저장탱크의 내부압력이 사전설정된 압력에 도달하면 개방되는 안전 밸브를 포함하는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.
청구항 15에 있어서,
상기 안전 밸브는, 상기 액체저장탱크의 내부압력이 2bar 이하에서 선택된 개방 압력값에 도달하면 개방되도록 설정되는, 액체저장탱크의 압력제어 시스템.