KR20160133986A - 부유식 해양 구조물에서의 lng 하역 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 LNG 운반선의 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계에서, 천연가스로부터 산가스를 제거하는 공정에서 발생하는 이산화탄소를 불활성 가스로 공급하기 위한 부유식 해양 구조물의 LNG 하역 시스템 및 방법에 관한 것이다.
부유식 해양 구조물에서 LNG 운반선으로 LNG를 하역하는 방법에 있어서, 상기 LNG 운반선의 카고 탱크를 건조하는 건조 단계; 상기 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계; 상기 카고 탱크 내 불활성 가스를 천연가스로 교체하는 쿨 다운 단계; 및 상기 부유식 해양 구조물에서 상기 LNG 운반선의 상기 카고 탱크로 LNG를 하역하는 LNG 하역 단계; 를 포함하며, 상기 치환 단계는, 상기 부유식 해양 구조물에서 채취한 천연가스로부터 산가스를 제거하는 산가스 제거 단계; 및 상기 산가스 제거 단계에서 발생하는 이산화탄소를 상기 카고 탱크에 공급하는 불활성 가스 공급 단계를 더 포함하는 LNG 하역 방법을 제공한다.

Description

부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 시스템 및 방법{LNG Offloading System And Method for Floating offshore structure}

본 발명은 부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 LNG 운반선의 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계에서, 천연가스로부터 산가스를 제거하는 공정에서 발생하는 이산화탄소를 불활성 가스로 공급하기 위한 부유식 해양 구조물의 LNG 하역 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 메탄(Methane)을 주성분으로 한 천연가스를 대기압에서 -162℃의 극저온 상태로 냉각시켜 그 부피를 600분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체로서, 기체상태보다 수송 효율이 좋아서 장거리 수송에 경제성이 있는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 액화천연가스는 생산 플랜트의 건설 및 운반선의 건조 비용이 많이 소요되어 경제성을 만족시키기 위해서 대규모, 장거리 수송에 적용되어 왔으며, 이에 반하여, 소규모, 단거리 수송에는 파이프라인이나 CNG(Compressed Natural Gas)가 경제성이 있다고 알려져 있다.

하지만 파이프라인을 이용한 수송의 경우 지리적 제약이 따르며, 환경 파괴의 문제 등을 야기할 수 있고, CNG는 수송 효율이 낮은 단점이 있어, 상압(1bar)인 극저온의 LNG를 적재할 수 있는 저장 용기를 마련한 LNG carrier와 같은 선박으로 수송하는 경우가 많다.

LNG와 같은 액체화물을 해상에서 수송하거나 보관하는 LNG 운반선, LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU, F-LNG 등의 해양 구조물 내에는 LNG를 극저온 상태로 저장하기 위한 카고 탱크가 설치되어 있다. 이러한 LNG 운반선의 경우에는 카고 탱크 내 폭발 방지를 위해 LNG선의 불활성 가스 생성기(Inert Gas Generator, IGG)를 이용하여 카고 탱크 내에 불활성 가스를 도입한다. 이 과정을 통해 카고 탱크의 온도를 높여 주는 워밍업 과정이 진행되며, 이 워밍업 과정에서 카고 탱크 내의 잔류 LNG 성분이 불활성 가스로 치환하게 된다.

일반적으로, LNG 카고 탱크는 2차 배리어(secondary barrier) 온도가 5도가 될 때까지 워밍업 되는데, 종래 기술에 따르면 그러한 워밍업에는 대략 60 ~ 70시간이 소요된다. 그와 같은 긴 시간의 소요는 LNG의 신속한 운송, 선적 또는 하역을 저해한다.

출원번호 제10-2010-7002140호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG 운반선의 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계에서, 천연가스로부터 산가스를 제거하는 공정에서 발생하는 이산화탄소를 불활성 가스로 공급하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 부유식 해양 구조물에서 LNG 운반선으로 LNG를 하역하는 방법에 있어서, 상기 LNG 운반선의 카고 탱크를 건조하는 건조 단계; 상기 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계; 상기 카고 탱크 내 불활성 가스를 천연가스로 교체하는 쿨 다운 단계; 및 상기 부유식 해양 구조물에서 상기 LNG 운반선의 상기 카고 탱크로 LNG를 하역하는 LNG 하역 단계; 를 포함하며, 상기 치환 단계는, 상기 부유식 해양 구조물에서 채취한 천연가스로부터 산가스를 제거하는 산가스 제거 단계; 및 상기 산가스 제거 단계에서 발생하는 이산화탄소를 상기 카고 탱크에 공급하는 불활성 가스 공급 단계를 더 포함하는 LNG 하역 방법을 제공한다.

상기 치환 단계는, 상기 산가스 제거 단계에서 발생하는 이산화탄소가 상기 카고 탱크의 필요량보다 적을 경우 불활성 가스 생성기에서 생성한 불활성 가스를 추가로 공급하는 추가 공급 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 쿨 다운 단계는, 천연가스를 기체 상태로 압축하여 CNG 탱크에 저장되는 단계; 및 상기 CNG 탱크의 천연가스를 상기 카고 탱크로 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 건조 단계 이전에는, 상기 카고 탱크의 단열층 내 공기를 건조 질소로 교체하는 질소 치환 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 질소 치환 단계는 상기 카고 탱크의 단열층 내 산소 농도가 3% 이하로 낮아질 때까지 진행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 부유식 해양 구조물에서 LNG 운반선으로 LNG를 하역하기 위한 시스템에 있어서, 유정에서 채취한 천연가스에서 산가스를 제거하는 산가스 제거 장치; 상기 산가스 제거 장치에서 발생한 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장소; 및 상기 이산화탄소 저장소의 이산화탄소를 LNG 운반선의 카고 탱크로 공급하는 불활성가스 공급라인;을 포함하는, LNG 하역 시스템을 제공한다.

이산화탄소 저장소에서 공급된 이산화탄소가 상기 카고 탱크의 필요량보다 적을 경우 불활성 가스를 추가로 공급하기 위한 불활성 가스 생성기;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 부유식 해양 구조물의 저장 탱크에 저장된 LNG를 상기 LNG 운반선의 카고 탱크로 하역하는 하역라인;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 하역라인의 일단은 상기 부유식 해양 구조물의 저장 탱크 내부에 설치되고, 타단은 상기 LNG 운반선의 카고 탱크 내부에 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, LNG 운반선의 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계에서, 천연가스로부터 산가스를 제거하는 공정에서 발생하는 이산화탄소를 불활성 가스로 공급함으로써, 별도로 불활성 가스를 생성하기 위한 장치 및 에너지가 필요하지 않은 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 방법을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 부유식 해양 구조물에서의 LNG 하역 방법을 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 해양 구조물(100)에서 LNG 운반선(200)으로 LNG를 하역하는 방법에 있어서, LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)를 건조하는 건조 단계(S100); 카고 탱크(210) 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계(S200); 카고 탱크(210) 내 불활성 가스를 천연가스로 교체하는 쿨 다운 단계(S300); 및 부유식 해양 구조물(100)에서 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)로 LNG를 하역하는 LNG 하역 단계(S400); 를 포함하며, 상기 치환 단계(S200)는, 부유식 해양 구조물(100)에서 채취한 천연가스로부터 산가스를 제거하는 산가스 제거 단계; 산가스 제거 단계에서 발생하는 이산화탄소를 카고 탱크(210)에 공급하는 불활성 가스 공급 단계를 더 포함한다.

여기서 부유식 해양 구조물은 천연가스나 원유의 시추가 해상에서 이루어지는 경우 일시적으로 저장을 하거나 그 처리를 위한 해양 부유 구조물인 FPSO (Floating Production, Storage and Offloading) 및 천연가스 생산저장 설비인 FLNG(Floating Liquefied Natural Gas) 등을 의미한다.

즉, FPSO는 시추선에서 포집된 가스나 원유를 받아서 운송선이나 파이프라인을 통하여 운송하기 전에 처리하고, 저장하는 시설을 의미하며, FLNG(Floating Liquefied Natural Gas)는 해상에 부유하며 LNG를 처리하는 해양구조물로서, 대표적으로 LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas - Floating Production, Storage and Offloading)와 LNG-FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)가 이에 포함된다. 특히 LNG-FPSO는 LNG의 생산 및 액화설비 그리고 저장시설을 갖추어, 해상의 가스전에서 시추한 천연가스로 LNG를 생산하여 저장하고 LNG 운반선으로 하역 또는 선적하여 공급할 수 있는 특수선박이다.

부유식 해양 구조물(100)은 유정에서 채취한 천연가스를 공급받아 천연가스에 포함된 불순물을 제거하기 위한 전처리 장치(130)를 구비할 수 있다. 전처리 장치((130)는 천연가스에 포함된 산성물질인 이산화탄소나 황화수소를 제거하는 산가스 제거 장치(Acid gas removal;131), 산가스가 제거된 천연가스에 함유된 수분을 제거하는 탈수 장치(Dehydration;132), 마지막으로 천연가스에서 수은을 제거하기 위한 수은 제거 장치(Mercury removal;133)를 포함할 수 있다.

산가스 제거 장치(131)는 예컨대, 솔벤트 처리 기술을 사용하여 이산화탄소를 제거하는데, 이렇게 분리된 이산화탄소는 이산화탄소 저장소(134)에 저장될 수 있다.

한편, 부유식 해양 구조물(100)은 전처리 장치(130)를 거친 천연가스를 액화장치(140)를 통해 액화하는 공정을 마련하며, 액화되지 않은 가벼운 성분의 가스는 세퍼레이터(141)에서 분리되어 가스 공급 라인을 통해 압축기(142)로 공급될 수 있다. 세퍼레이터(141)를 통해 가스가 분리된 LNG는 저장탱크(110)에 저장될 수 있다.

저장탱크(110)에 저장된 LNG는 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)로 하역하게 되는데, LNG는 대기압에서 -162℃의 극저온 상태로 냉각된 상태이므로, 카고 탱크(210)도 냉각 상태를 유지하여야 한다.

이를 위해 카고 탱크(210)를 건조하는 단계(S100)가 필요하다. 이는 카고 탱크(210)의 습한 공기를 건조하는 것으로 이는 후술할 쿨 다운 단계(S300)에서 얼음이 생성되는 것을 방지할 수 있다. 여름에는 건조 공기가 무거워서 가라 앉으므로 필링 라인(filling line)을 이용하여 카고 탱크(210)의 바닥으로 채우며, 겨울에는 건조 공기가 가벼워서 부유하므로 카고 탱크(210)의 상부부터 채우도록 할 수 있다.

이와 같은 건조 단계(S100) 이전에 카고 탱크(210)의 단열층 내 공기를 건조 질소로(dry nitrogen) 교체하는 질소 치환 단계를 더 포함할 수 있다. 카고 컴프레서 룸에 있는 진공펌프로 단열층을 펌핑한 후 질소를 채우며, 이는 카고 탱크(210)의 단열층 내 산소 농도가 3% 이하로 낮아질 때까지 진행하도록 할 수 있다. 질소 치환 단계를 거침으로써 카고 탱크(210)에서 LNG 누수 시 화염 혼합물 형성을 방지할 수 있고, LNG 누설을 쉽게 파악할 수 있으며, 부식을 방지할 수 있다.

건조 단계(S100)가 완료되면, 카고 탱크(210) 내 건조 공기를 불활성 가스(inert gas)로 교체하는 치환 단계(S200), 즉 가싱 업(gassing-up) 단계를 진행할 수 있다. 이는 후술할 쿨 다운 단계(S300)에서 공급될 천연가스가 공기와 만나면 화학반응을 일으켜 위험해 질 수 있으므로 카고 탱크(210) 내부를 불활성 가스로 채우게 된다.

여기서 불활성 가스는 산가스 제거 장치(131)에서 분리된 이산화탄소로서, 이산화탄소 저장소(134)에 저장되었다가 카고 탱크(210)에 불활성 가스를 공급할 때 이용하게 된다.

이산화탄소가 카고 탱크(210)에서 필요로 하는 양보다 적을 경우 불활성 가스 생성기(136)에서 생성한 불활성 가스를 불활성 가스 공급라인(135)를 통해 추가로 공급할 수 있다.

치환 단계(S200)가 완료되면, 카고 탱크(210) 내 불활성 가스를 천연가스로 교체하여 냉각을 진행하는 쿨 다운 단계(S300)를 진행할 수 있다. 불활성 가스는 이산화탄소를 함유하고 있는데, 불활성 가스 주입 후 냉각 단계에서 -60℃에서 이산화탄소가 얼게 되어 화이트 파우더를 생성함으로써 주변 부품인 밸브, 필터, 노즐을 막히게 되므로 천연가스로 교체하여 냉각을 진행하게 된다.

여기서 공급되는 천연가스는 부유식 해양 구조물(100)에서 천연가스를 액화시키지 않고 기체 상태로 압축하여 저장라인(152)을 통해 CNG 탱크(143)에 저장한 후 카고 탱크(210)에 공급된다.

즉, 쿨 다운 단계(S300)는 천연가스를 기체 상태로 압축하여 저장라인(152)을 통해 CNG 탱크(143)에 저장하는 단계 및 CNG 탱크(143)의 압축된 천연가스를 카고 탱크(210)로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.

쿨 다운 단계(S400)가 완료되면, 부유식 해양 구조물(100)의 저장탱크(110)에 저장되어 있는 LNG를 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)로 하역하는 LNG 하역 단계(S400)를 더 포함할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 부유식 해양 구조물(100)에서의 LNG 하역 방법은 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)를 냉각하기 전 워밍업하기 위한 치환 단계를 거치는데, 이를 위해 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210) 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계에서, 천연가스로부터 산가스를 제거하는 공정에서 발생하는 이산화탄소를 불활성 가스로 카고 탱크(210)에 공급한다.

한편, 본 발명에 따른 부유식 해양 구조물(100)에서 LNG 운반선으로 LNG를 하역하는 시스템은 유정에서 채취한 천연가스를 압축하는 압축기(142); 압축기(142)에서 압축된 천연가스를 저장하는 CNG 탱크(143); 및 CNG 탱크(143)의 천연가스를 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)로 공급하는 공급라인(153);을 포함할 수 있다.

종래에는 액화장치(140)에서 액화된 LNG를 저장 탱크(110)에 저장한 후, LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210)의 냉각을 위해 저장 탱크(110)에 저장된 LNG를 다시 기화하여 카고 탱크(210)에 공급하였으나, 본 발명에서는 액화장치(140)를 거치지 않고 천연가스를 천연가스 분기라인(151)을 통해 바로 압축기(142)로 보내어 천연가스를 단순히 수백 바의 높은 압력으로 압축하고 압력 용기인 CNG 탱크(143)에 저장하였다가 LNG운반선(200)의 카고 탱크(210)에 공급할 수 있다.

부유식 해양 구조물의 저장 탱크에 저장된 LNG를 상기 LNG 운반선의 카고 탱크로 하역하는 하역라인(130);을 더 포함할 수 있다. 하역라인(130)의 일단은 부유식 해양 구조물(100)의 저장 탱크(110) 내부에 설치되고, 타단은 상기 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210) 내부에 설치될 수 있으며, 하역라인(130)의 일단에는 LNG를 하역하기 위한 하역 펌프(120)가 더 설치될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 LNG 하역 시스템 및 방법은 LNG 운반선(200)의 카고 탱크(210) 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계에서, 천연가스로부터 산가스를 제거하는 공정에서 발생하는 이산화탄소를 불활성 가스로 공급함으로써, 별도로 불활성 가스를 생성하기 위한 장치 및 에너지가 필요하지 않은 장점이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 상기 실시례에 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.

100 : 부유식 해양 구조물 110 : 저장 탱크
120 : 하역 펌프 121 : 하역 라인
130 : 전처리 장치 131 : 산가스 제거 장치
132 : 탈수 장치 133 : 수은제거 장치
134 : 이산화탄소 저장소 135 : 이산화탄소 공급라인
136 : 불활성 가스 생성기 140 : 액화장치
141 : 세퍼레이터 142 : 압축기
143 : CNG 탱크 151: 분기라인
152 : 저장라인 153 : 천연가스 공급라인
200 : LNG 운반선 210 : 카고 탱크

Claims (9)

1. 부유식 해양 구조물에서 LNG 운반선으로 LNG를 하역하는 방법에 있어서,
   상기 LNG 운반선의 카고 탱크를 건조하는 건조 단계;
   상기 카고 탱크 내 건조 공기를 불활성 가스로 교체하는 치환 단계;
   상기 카고 탱크 내 불활성 가스를 천연가스로 교체하는 쿨 다운 단계; 및
   상기 부유식 해양 구조물에서 상기 LNG 운반선의 상기 카고 탱크로 LNG를 하역하는 LNG 하역 단계; 를 포함하며,
   상기 치환 단계는,
   상기 부유식 해양 구조물에서 채취한 천연가스로부터 산가스를 제거하는 산가스 제거 단계; 및
   상기 산가스 제거 단계에서 발생하는 이산화탄소를 상기 카고 탱크에 공급하는 불활성 가스 공급 단계를 더 포함하는, LNG 하역 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 치환 단계는,
   상기 산가스 제거 단계에서 발생하는 이산화탄소가 상기 카고 탱크의 필요량보다 적을 경우 불활성 가스 생성기에서 생성한 불활성 가스를 추가로 공급하는 추가 공급 단계를 더 포함하는, LNG 하역 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 쿨 다운 단계는,
   천연가스를 기체 상태로 압축하여 CNG 탱크에 저장되는 단계; 및
   상기 CNG 탱크의 천연가스를 상기 카고 탱크로 공급하는 단계;를 더 포함하는, LNG 하역 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 건조 단계 이전에는,
   상기 카고 탱크의 단열층 내 공기를 건조 질소로 교체하는 질소 치환 단계를 더 포함하는, LNG 하역 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 질소 치환 단계는 상기 카고 탱크의 단열층 내 산소 농도가 3% 이하로 낮아질 때까지 진행되는, LNG 하역 방법.
6. 부유식 해양 구조물에서 LNG 운반선으로 LNG를 하역하기 위한 시스템에 있어서,
   유정에서 채취한 천연가스에서 산가스를 제거하는 산가스 제거 장치;
   상기 산가스 제거 장치에서 발생한 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장소; 및
   상기 이산화탄소 저장소의 이산화탄소를 LNG 운반선의 카고 탱크로 공급하는 불활성가스 공급라인;을 포함하는, LNG 하역 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 이산화탄소 저장소에서 공급된 이산화탄소가 상기 카고 탱크의 필요량보다 적을 경우 불활성 가스를 추가로 공급하기 위한 불활성 가스 생성기;를 더 포함하는, LNG 하역 시스템.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 부유식 해양 구조물의 저장 탱크에 저장된 LNG를 상기 LNG 운반선의 카고 탱크로 하역하는 하역라인;을 더 포함하는, LNG 하역 시스템.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 하역라인의 일단은 상기 부유식 해양 구조물의 저장 탱크 내부에 설치되고, 타단은 상기 LNG 운반선의 카고 탱크 내부에 설치되는, LNG 하역 시스템.

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