KR20180017105A - 액화 가스 저장 탱크의 단열 장벽에 연결된 펌핑 장치 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀폐 단열 탱크(2)와 연계된 펌핑 장치를 제어하는 방법으로, 상기 탱크(2)는 액체 상과 증기 상을 갖는 액화 가스(8)를 포함하고 상기 액화 가스(8)와 접촉하는 밀폐 멤브레인(7) 및 상기 밀폐 멤브레인(7)과 지지 구조(4) 사이에 배치된 단열 장벽(6)을 포함하는 다층 구조를 갖고, 상기 단열 장벽(6)은 고체 물질과 기체 상을 포함하고, 상기 펌핑 장치는 상기 기체 상을 상대 부압(negative relative pressure)에 두기 위해 상기 단열 장벽(6)에 연결된 진공 펌프(16)를 포함하고, 상기 방법은 단열 장벽(6)의 기체 상의 압력(P₁) 측정치와 설정점 압력(P₁)에 따라 진공 펌프(16)를 제어하고, 상기 방법은 또한,
-상기 액화 가스(8)의 액체 상의 온도(T)를 측정하는 단계; 및
-P_c1 = f₁(T) 관계를 통해 설정정 압력(P_c1)을 결정하는 단계를 더 포함하고, f₁ 은 증가하는 단조 함수(monotonous function)이다.

Description

액화 가스 저장 탱크의 단열 장벽에 연결된 펌핑 장치 작동 방법{DEVICE FOR OPERATING A PUMPING DEVICE CONNECTED TO A THERMALLY INSULATING BARRIER OF A TANK USED FOR STORING A LIQUEFIED GAS}

본 발명은 액화 가스를 저장하기 위한 밀폐 단열 멤브레인 탱크 분야에 관한 것이다.

밀폐 단열 멤브레인 탱크는 특히, 액화 천연 가스 (LNG)의 저장에 사용된다.

다층 구조로 된 벽들을 구비한 밀폐 단열 멤브레인 탱크는 종래의 알려진 기술이다. 이러한 다층 구조는, 탱크의 외부에서 내부 방향으로, 지지 구조에 대해 지지되는 절연 요소들을 포함하는 2차 단열 장벽, 2차 단열 장벽에 대해 지지되는 2차 밀폐 멤브레인, 2차 밀폐 멤브레인에 대해 지지되는 절연 요소들을 포함하는 1차 단열 장벽, 그리고 탱크에 포함된 액화 가스와 접촉하고 1차 단열 장벽에 대해 지지되는 1차 밀폐 멤브레인을 포함한다.

이러한 유형의 멤브레인 탱크들은, 멤브레인들 각각의 반대측들 사이의 압력 차, 특히 1차 밀폐 멤브레인의 반대측들 사이의 압력 차에 민감하다. 실제로, 탱크의 내부에 비해 증가된 1차 단열 장벽의 압력은, 1차 밀폐 멤브레인이 떼어지기 쉽게 만든다. 따라서, 1차 밀폐 장벽의 완전한 상태를 보장하기 위해, 1차 단열 장벽 내부의 압력이 탱크 내부의 압력보다 낮게 유지함으로써, 1차 밀폐 멤브레인들의 반대측들 사이의 압력 차가 1차 밀폐 멤브레인들을 2차 단열 장벽에 대해 가압하고 2차 절연 장벽으로부터 떼어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 기본 아이디어는, 탱크의 적어도 하나의 밀폐 멤브레인의 효과적인 보호가 가능한, 밀폐 단열 탱크의 단열 장벽에 연결된 펌핑 장치를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시 예는 밀폐 단열 탱크와 연계된 펌핑 장치를 제어하는 방법으로, 상기 탱크는 액체 상과 증기 상을 갖는 액화 가스를 포함하고 상기 액화 가스와 접촉하는 밀폐 멤브레인 및 상기 밀폐 멤브레인과 지지 구조 사이에 배치된 단열 장벽을 포함하는 다층 구조를 갖는 벽들을 포함하고, 상기 단열 장벽은 고체 물질들과 기체 상을 포함하고, 상기 펌핑 장치는 상기 기체 상을 상대 부압(negative relative pressure)에 두기 위해 상기 단열 장벽에 연결된 진공 펌프를 포함하고, 상기 방법은,

- 상기 단열 장벽의 기체 상의 압력(P₁)을 측정하는 단계;

-등식 P_c1 = f₁(T)를 통해 설정점 압력(P_c1)을 결정하는 단계; 및

-상기 단열 장벽의 기체 상의 압력(P₁)을 상기 설정점 압력(P_c1)에 종속시키도록 상기 진공 펌프를 제어하는 단계를 포함하고,

f₁ 은 증가하는 단조 함수(monotonous function)이고, T는 측정된 상기 액화 가스의 액체 상의 온도 또는 상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉽고 상기 액화 가스 냉각 장치의 동작 상태에 해당하는 최소 온도 한계를 나타내는 변수이다.

이러한 유형의 방법은 특히, 상기 탱크의 압력이 대기압보다 낮을 때 상기 밀폐 멤브레인을 보호하는데 효과적이다(종래 기술에서는 이것이 가능하지 않았다). 이는 특히, 액화 가스가, 과냉각 열역학 상태, 즉 가스가 탱크에 저장되는 압력에서 고려된 가스의 액체-증기 평형 온도보다 낮은 온도에서 탱크에 1차적으로 저장되면 발생하기 쉽다.

출원인은 최근, 탱크에 저장된 일부 액화 가스의 온도를, 그것의 액체-증기 평형 온도 아래로 낮출 수 있는 냉각 장치들을 개발함으로써, 액화 가스의 자연 증발을 제한하고 그것의 장기적인 저장을 가능케 했다. 따라서, 이러한 유형의 방법은, 상기 유형의 냉각 장치들이 구비된 탱크들의 특정 요건들을 충족하는데 특히 적합하다.

실제로, 액화 가스의 과냉각을 사용하는 액화 가스 저장 적용 분야들에서, 탱크의 기체 스카이(gas sky) 내 증기 상과 액화 가스의 액체 상은, 탱크의 모든 곳에서 평형 상태를 이루는 것은 아니다. 증기 상은 가열되기 쉬우며 탱크의 내부에서 층을 이루는 경향이 있다. 따라서, 탱크가 많이 가득 차 있지 않고 기체 상의 온도를 균질화하기 위해 탱크 내에서 교반을 하지 않은 경우에는, 기체 상에서 대략 100°C의 온도 변화를 목격할 수 있다.

증기 상과 액체 상 사이의 인터페이스는 평형 상태에서 고정된다. 바로 이 인터페이스에서, 국부 온도와 압력 조건들에 따라 증기 상이 응축되거나 액체 상이 증발하는 것이다.

또한, 탱크가 선박 안에 배치되고, 상기 선박이 커지게 되면, 증기 상과 액체 상 사이의 인터페이스의 위치 및 구성은 갑자기 변하기 쉽다. 따라서, 탱크 내 화물의 갑작스러운 이동으로, 많은 양의 기체 상이 즉각적으로 응축되기 쉬우며, 결국 탱크 내부 공간 내 압력을 갑자기 떨어뜨릴 수 있다.

이제, 밀폐 멤브레인의 완전한 상태를 보장하기 위해서는, 탱크 내부 공간 안의 압력이 절연 장벽 안의 압력보다 절대 크게 낮아지지 않도록 해야 하며, 이것이 실패할 경우, 이러한 유형의 탱크 내부 공간 내 압력 저하는, 밀폐 멤브레인이 떼어지도록 함으로써 밀폐 멤브레인을 손상시키기 쉽다.

따라서, 탱크 안에 저장된 액체 상의 온도나 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최소 온도 한계를 고려하여 단열 장벽 내부의 목표 압력을 설정함으로써, 불필요한 에너지 비용 없이, 화물의 증기 상의 일부의 즉각적인 응축 시, 단열 장벽 내부 안의 압력이, 내부 공간에서 도달하기 쉬운 압력보다 낮게 유지되도록 충분히 낮출 수 있다.

또 다른 유리한 실시 예들에 따르면, 앞서 설명한 유형의 방법은 하나 이상의 다음과 같은 특징들을 포함할 수 있다:

-상기 변수(T)는, 상기 액화 가스의 액체 상의 온도를 측정하거나 상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 상기 최소 온도 한계를 나타내는 상기 액화 가스 냉각 장치의 동작 파라미터를 측정함으로써 수득된다.

-상기 변수(T)는, 상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 상기 최소 온도 한계를 나타내는 상기 액화 가스 냉각 장치의 동작 파라미터를 수신함으로써 수득된다.

-상기 함수(f₁)는, 상기 액화 가스(8) 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스를 구성하는 성분들 중에서 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수의 아핀 변환(affine transformation)이다.

-상기 함수(f₁)는, f₁(T) = g(T) - ε₁ 형태이고, g는 상기 액화 가스 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스의 성분들 중에서 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이다.

-정수(ε₁)는 가령, 10 내지 30 mbar를 포함한다.

-상기 밀폐 멤브레인은 1차 밀폐 멤브레인이고 상기 단열 장벽은 1차 단열 장벽이고, 상기 다층 구조는 상기 지지 구조에 대해 지지되고 고체 물질들 및 기체 상을 포함하는 2차 단열 장벽, 그리고 상기 2차 단열 장벽과 상기 1차 단열 장벽사이에 배치된 2차 밀폐 멤브레인을 더 포함한다.

-상기 펌핑 장치는, 상기 2차 단열 장벽의 기체 상을 상대 부압에 두기 위해 상기 2차 단열 장벽에 연결된 제2 진공 펌프를 포함하고, 상기 방법은,

-상기 2차 단열 장벽의 기체 상을 압력(P₂)을 측정하는 단계; 및

-상기 단열 장벽의 기체 상의 압력(P₂)을 설정점 압력(P_c2)에 종속시키도록 상기 제2 진공 펌프를 제어하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 설정점 압력(P_c2)은, 등식 P_c2 = f₂(T)를 통해 결정되고, f₂는 증가하는 단조 함수이다.

상기 함수(f₂)는, 상기 액화 가스 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스를 구성하는 성분들 중에서 온도-압력 도표에서 상기 액화 가스의 다수의 성분의 액체-증기 평형 곡선의 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수의 아핀 변환이다.

상기 함수(f₂)는, f₂(T) = g(T) - ε₂의 형태를 갖고, g는 상기 액화 가스 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스의 성분들 중에서 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이고, ε₂은 양의 상수이다.

-정수(ε₂)는 가령, 10 내지 30 mbar를 포함한다.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 설정점 압력(P_c2)은, 등식 P_c2 = h (P₁)을 통해 설정되고, h는 증가하는 단조 함수이다.

상기 함수(h)는, h (P₁) = P₁ - ε'2, 의 형태를 갖고, ε'₂ 는 상수이다.

정수(ε'₁)는 가령, 10 내지 30 mbar를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 본 발명은 제어 방법에 관한 것으로, 상기 방법은,

-상기 단열 장벽의 기체 상 내 압력(P₁)을 측정치 및 설정점 압력(P_c1)에 따른 함수로서 상기 진공 펌프를 제어하는 단계;

-상기 액화 가스의 액체 상의 온도(T)를 측정하는 단계; 및

-등식 P_c1 = f₁(T)을 통해 설정점 압력(P_c1)을 결정하는 단계를 포함하고, f₁ 는 증가하는 단소 함수이다.

본 발명의 또 다른 기본 아이디어는 탱크의 적어도 하나의 밀폐 멤브레인의 효과적인 보호가 가능한, 액체 가스 냉각 장치 제어 방법을 제공하는 것이다.

일 실시 예에 따르면, 본 발명은 액화 가스 저장을 위한 설비와 연계된 액화 가스 냉각 장치를 제어하기 위한 방법으로, 상기 설비는,

-액화 가스를 액체 상 및 증기 상의 2상 형태로 포함하기 위한 밀폐 단열 탱크;

-단열 장벽 내 기체 상의 압력(P₁)을 측정하도록 마련된 압력 센서; 및

-상기 단열 장벽에 연결되고 상기 단열 장벽의 기체 상을 상대 부압에 두도록 마련된 진공 펌프, 및 상기 단열 장벽의 기체 상의 압력(P₁)을 설정점 압력(P_c1)에 종속시키도록 상기 진공 펌프를 제어하도록 마련된 제어 모듈을 포함하는 펌핑 장치;

-상기 탱크는 상기 액화 가스와 접촉하는 밀폐 멤브레인, 및 상기 밀폐 멤브레인과 지지 구조 사이에 배치된 상기 단열 장벽을 포함하는 다층 구조를 갖는 벽들을 포함하고, 상기 단열 장벽은 고체 물질들과 상기 기체 상을 포함하고,

-상기 냉각 장치는 상기 액화 가스가 상기 탱크에 저장된 압력에서 상기 액화 가스의 액체-증기 평형 온도 미만으로 상기 액화 가스의 일부의 온도를 낮추도록 마련되고, 상기 액화 가스 냉각 장치를 제어하는 방법은,

-등식 T_min = f₃(P_c1)을 통해 상기 액화 가스의 최소 온도 한계(T_min)를 결정하는 단계; 및

-상기 액화 가스의 온도가 상기 최저 온도 한계(T_min) 미만으로 낮아지지 않도록 상기 최소 온도 한계(T_min)에 따른 함수로 상기 냉각 장치를 제어하는 단계를 포함하고, f₃ 은 증가하는 단조 함수이다.

또 다른 유리한 실시 예들에 따르면, 앞서 설명한 유형의 방법은 하나 이상의 다음과 같은 특징들을 포함할 수 있다:

-상기 함수(f₃)는 액화 가스 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스를 구성하는 성분들 중 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이다.

-다시 말해, 다시 말해, 최소 온도 한계(T_min)는, 상기 탱크에 포함된 액화 가스의 액체 상의 온도가, 상기 화물이 갑작스럽게 이동할 경우, 상기 단열 장벽 내 감소된 압력보다 큰 상기 탱크의 내부 공간 내 압력의 감소를 일으킬 만큼 충분히 낮은 온도에 도달하지 못하도록, 상기 설정점 압력(P_c1)에서 상기 액화 가스 또는 상기 액화 가스의 다수 성분의 액체-증기 평형 온도에 해당하도록 결정된다.

일 실시 예에 따르면, 본 발명은 또한 액화 가스를 저장하기 위한 설비를 제공하고, 상기 설비는,

-액화 가스를 액체 상 및 증기 상의 2상 형태로 포함하기 위한 밀폐 단열 탱크;

-단열 장벽 내 기체 상의 압력(P₁)을 측정하도록 마련된 압력 센서; 및

-상기 단열 장벽에 연결되고 상기 단열 장벽의 기체 상을 상대 부압에 두도록 마련된 진공 펌프, 및 제어 모듈을 포함하는 펌핑 장치를 포함하고,

상기 탱크는 상기 액화 가스와 접촉하는 밀폐 멤브레인, 상기 밀폐 멤브레인과 지지 구조 사이에 배치된 단열 장벽을 포함하고, 상기 단열 장벽은 고체 물질들과 기체 상을 포함하고,

상기 제어 모듈은

-등식 P_c1 = f₁(T)를 통해 설정점 압력(P_c1)을 결정하고;

-상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상의 압력(P₁)을 상기 설정점 압력(P_c1)에 종속시키도록 상기 진공 펌프을 제어하도록 마련되고,

f₁은 증가하는 단조 함수이고, T는 상기 액화 가스의 액체 상의 실제 온도, 또는 상기 액화 가스를 냉각하기 위한 장치의 특정 동작을 위한 상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최소 온도를 나타내는 변수이다.

또 다른 유리한 실시 예들에 따르면, 앞서 설명한 유형의 방법은 하나 이상의 다음과 같은 특징들을 포함할 수 있다:

-상기 설비는 상기 액화 가스의 액체 상의 온도(T)를 측정하고 상기 측정된 온도(T)를 상기 제어 모듈로 전달하도록 마련되는 온도 센서를 더 포함한다.

-상기 설비는 상기 액화 가스가 상기 탱크에 저장된 압력에서 상기 액화 가스의 일부의 온도를 상기 액화 가스의 액체-증기 평형 온도 미만으로 낮추도록 마련된 상기 액화 가스를 냉각시키기 위한 장치를 더 포함한다.

-상기 냉각 장치는 상기 액화 가스의 액체 상에 대한 최소 온도 한계에 부합하도록 마련되고, 상기 제어 모듈은 상기 냉각 장치에 연결되고 상기 최소 온도 한계를 상기 변수(T)로 하여 상기 설정점 압력(P_c1)을 결정하도록 마련된다.

-상기 설비는 상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최소 한계를 나타내는 상기 액화 가스를 냉각하기 위한 장치의 동작 파라미터를 측정하도록 마련된 센서를 포함한다.

-상기 밀폐 멤브레인은 1차 밀폐 멤브레인이고 상기 단열 장벽은 1차 단열 장벽이고, 상기 다층 구조는 상기 지지 구조에 대해 지지되고 고체 물질들과 기체 상을 포함하는 2차 단열 장벽, 그리고 상기 2차 단열 장벽과 상기 1차 단열 장벽사이에 배치된 2차 밀폐 멤브레인을 더 포함한다.

-상기 설비는 2차 단열 장벽 내 압력(P₂)을 측정하도록 마련된 제2 압력 센서를 더 포함한다.

-상기 펌핑 장치는 상기 2차 단열 장벽의 기체 상을 상대 부압에 두기 위해 상기 2차 단열 장벽에 연결된 제2 진공 펌프를 더 포함한다.

-상기 제어 모듈은, 상기 2차 단열 장벽의 기체 상의 압력(P₂)의 측정치 및 설정점 압력(P_c2)에 따른 함수로서 상기 제2 진공 펌프를 제어하도록 마련된다.

-일 실시 예에 따르면, 상기 액화 가스 냉각 장치는 상기 액화 가스를 냉각시키기 위한 증발 장치로, 상기 증발 장치는,

-상기 탱크의 내부 공간 내에 배치된 증발 챔버,

-상기 탱크 내 액체 상에서 액화 가스의 흐름(flow)을 배출하기 위해 상기 탱크의 내부 공간으로 이어지는 취수구(intake) 및 상기 기체 흐름 배출을 확장시키기 위해 상기 증발 챔버의 내부 공간으로 이어지는 헤드 손실 부재를 포함하는 유입 회로;

-상기 기체 상에서 상기 기체 흐름 배출을 상기 증발 챔버로부터 증기 활용 회로로 탈출시키도록 마련된 배출 회로를 포함하고,

상기 증발 챔버는 상기 증발 챔버의 내부 공간과 상기 탱크의 내부 공간 내 존재하는 액화 가스 사이의 열 교환을 가능케하는 열교환 벽들을 포함하고,

상기 배출 회로는 상기 증발 챔버 내 기체 흐름을 통풍하고, 상기 증기 상 활용 회로 내 기체로 상기 기체 흐름을 배출하고, 상기 증발 챔버에서 대기압 미만의 절대 압력을 유지하도록 마련된 진공 펌프를 포함한다.

-또 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 액화 가스 냉각 장치는 상기 증기 상 내 기체 배출을 위한 회로를 포함하고, 상기 장치는,

-상기 탱크의 최대 충진 높이보다 높게 상기 탱크의 내부 공간으로 이어짐으로써, 상기 탱크가 충진되면, 상기 하부 액체 상과 상기 상부 증기 상을 분리하는 인터페이스 영역과 접촉하는 상기 증기 상의 영역으로 충진되는 취수구; 및

-상기 취수구를 통해 상기 증기 상 영역 내 존재하는 증기 상 내 기체 흐름을 통풍하고, 상기 기체 흐름을 상기 증기 상 활용 회로로 배출하고, 상기 증기 상 영역에서 상기 대기압보다 낮은 압력을 유지함으로써 상기 액체 상의 증발이 상기 인터페이스 영역 높이에서 독려되고, 상기 인터페이스와 접촉하는 상기 액체 가스가 2상 액체-증기 평형 상태에 놓이도록 마련된 진공 펌프를 포함하고, 상기 2상 액체-증기 평형 상태에서는 상기 액화 가스의 온도가 상기 대기압에서 상기 액화 가스의 액체-증기 평형 온도보다 낮다.

앞서 설명한 유형의 설비는 가령 LNG 저장용 지상 저장 설비의 일부를 형성하거나, 해안 또는 심해에서 부유식 구조, 특히 메탄 탱커 선박, 부유식 저장 및 재기화 유닛 (FSRU), 부유식 생산 저장 및 하역 (FPSO) 유닛 등에 설치될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 선박은 이중 선체, 및 앞서 언급한 설비를 포함하고, 액화 가스 저장을 위한 설비의 탱크는 상기 이중 선체에 배치된다.

일 실시 예에 따르면, 본 발명은 또한, 앞서 설명한 유형의 선박의 선적 또는 하역 방법을 제공하는데, 여기서 유체는 단열 파이프들을 통해 부유식 또는 지상 저장 설비와 상기 선박의 탱크 사이에서 공급된다.

일 실시 예에 따르면, 본 발명은 또한, 유체 이송 시스템을 제공하고, 상기 시스템은 앞서 언급한 선박, 상기 선박의 선체에 설치된 탱크를 부유식 또는 지상 저장 설비로 연결하도록 마련된 단열 파이프들, 및 상기 단열 파이프들을 통해 상기 부유식 또는 지상 저장 설비와 상기 선박의 탱크 사이에서 유체를 구동하기 위한 펌프를 포함한다.

본 발명, 그리고 본 발명의 기타 목적, 세부 사항, 특징 및 이점은, 첨부된 도면을 참조로 비한정적 도시의 목적으로 본 발명의 특정 실시 예들을 설명하는 과정에서 보다 명백해질 것이다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 액화 가스 저장 및 냉각 설비를 도시한 것이다.
도 2는 제2 실시 예에 따른 액화 가스 저장 및 냉각 설비를 도시한 것이다.
도 3은 제3 실시 예에 따른 액화 가스 저장 및 냉각 설비를 도시한 것이다.
도 4는 제4 실시 예에 따른 액화 가스 저장 및 냉각 설비를 도시한 것이다.
도 5는 메탄 액체-증기 평형 도표이다.
도 6은 탱크가 마련된 메탄 탱커 선박 및 그러한 탱크를 선적/하역하기 위한 터미널을 내부가 드러나도록 도시한 것이다.

본 발명의 설명 및 청구 범위에서 "기체"는 총칭적인 용어로, 단일 본체로 구성된 기체 또는 복수의 성분들로 이루어진 기체 혼합물을 지칭하는데 호환적으로 사용 가능하다. 따라서, 액화 가스는 낮은 온도에서는 액체 상으로 존재하고 보통의 온도 및 압력 조건에서는 증기 상으로 존재할 화학 본체 또는 화학 본체들의 혼합물을 가리킨다.

도 1에서는, 제1 실시 예에 따른 액화 가스 저장 및 냉각 설비(1)를 도시하고 있다. 이러한 유형의 설비(1)는, 메탄 탱커 선박 또는 액화 또는 재기화 바지선 등과 같은 부유식 구조 상에 설치될 수 있다.

이러한 설비(1)는, 밀폐 단열 멤브레인 탱크(2)를 포함한다. 탱크(2)는, 탱크의 외부에서 내부 방향으로, 지지 구조(4)에 대해 지지되며 절연 요소들 및 기체 상을 포함하는 2차 단열 장벽(3), 2차 단열 장벽(3)에 대해 지지되는 2차 밀폐 멤브레인(5), 2차 밀폐 멤브레인(5)에 대해 지지되는 절연 요소들 및 기체 상을 포함하는 1차 단열 장벽(6), 및 탱크에 포함된 액화 가스(8)와 접촉하기 위한 1차 밀폐 멤브레인(7)을 포함하는 다층 구조를 갖는 벽들을 포함한다. 가령, 이러한 유형의 멤브레인 탱크(2)로는 특허 출원 WO14057221, FR2691520 및 FR2877638이 있다.

일 실시 예에 따르면, 탱크는 탱크의 천장 벽을 통과하며 탱크의 내부 공간의 상부로 이어지는 미도시된 증기 수집 장치를 구비한다. 이러한 유형의 장치는, 탱크(2)의 내부 공간 안의 압력이 한계치 보다 높을 때 탱크의 내부에서 외부로 증기의 탈출을 허용하도록 마련된 밸브를 구비한다. 따라서, 이러한 유형의 증기 수집 장치는 탱크(2)의 내부에서 압력 증가가 발생하는 것을 방지한다. 밸브는 또한, 증기 수집 장치 내 유동하는 기체 흐름이 탱크(2)의 외부에서 내부로 흐르는 것을 방지하도록 구성되며, 이에 따라 탱크(2)의 내부 공간 내 압력이 감소하는 것을 허용한다. 가령, 이러한 유형의 증기 수집 장치는 WO2013093261에 기재되어 있다.

액화 가스(8)는 연소 가능한 기체이다. 액화 가스(8)는 특히, 액화 천연 가스 (LNG), 즉, 대부분의 메탄과 함께, 에탄, 프로판, n-부탄, i-부탄, n-펜탄, i-펜탄, 네오펜탄 및 질소 등의 하나 이상의 기타 탄화수소가 작은 비율로 혼합된 기체 혼합물일 수 있다. 연소 가능한 기체는 또한, 에탄 또는 액화 원유 가스(LPG), 즉, 프로판과 부탄을 주로 포함하는 원유를 정제하여 수득한 탄화수소 혼합물일 수 있다.

액화 가스(8)는 액체-증기 2상 상태로 탱크(2)의 내부 공간에 저장된다. 따라서, 액화 가스(8)는 탱크(2)의 상부에 증기 상으로, 그리고 탱크(2)의 하부에 액체 상으로 존재한다.

이러한 설비(1)는 또한, 액화 가스(8)가 탱크(2)에 저장되는 압력에서 액화 가스(8)의 액체 상의 일부의 온도를 상기 액화 가스(7)의 액체-증기 평형 온도 미만으로 낮추도록 마련된 탱크(2) 내 저장된 액화 가스 냉각 장치를 더 포함한다. 따라서, 액화 가스의 일부는 과냉각 열역학 상태로 배치된다.

이러한 목적으로, 도 1에 도시된 실시 예에서는, 상기 설비는, 탱크(2)로부터 액체 상 내 기체 흐름을 빼내고, 그것을 팽창시켜 기체 증발의 잠열을 사용해 증발시켜 탱크(2) 내 남아 있는 액화 가스(8)를 냉각시킨다.

이러한 유형의 증발 장치(20)의 동작 원리는 도 5에 도시되어 있는데, 여기서는 메탄의 액체-증기 평형 도표를 도시하고 있다. 이 도표는, 메탄이 액체 상으로 존재하는 L이라고 표시된 영역과, 메탄이 증기 상으로 존재하는 V라고 표시된 영역을 가로축에 플롯된 압력과 세로축에 플롯된 온도에 따른 함수로서 나타내고 있다.

P₁ 지점은 대기압 및 약 -162°C의 온도에서 탱크(2) 내 저장된 메탄의 상태에 해당하는 2상 평형 상태를 나타낸다. 이러한 평형 상태의 메탄을 탱크(2)에서 빼내어 증발 장치(20)에서 가령 약 500 mbar의 절대 압력으로 팽창시키면, 팽창된 메탄의 평형은 좌측 P₂ 지점 방향으로 이동한다. 따라서, 팽창된 메탄은 약 7°C의 온도 감소를 겪게 된다. 그런 다음, 배출된 메탄은 증발 장치(20)를 통해 탱크(2)에 남아 있는 메탄과 열 접촉을 함에 따라, 적어도 부분적으로 증발되고, 이러한 증발이 이루어짐에 따라, 탱크(2) 내 저장된 액체 메탄으로부터 그것의 증발에 필요한 열을 추출하는데, 이는 탱크(2) 내 남아 있는 액체 메탄의 냉각을 가능케 한다.

따라서, 탱크(2) 내 남아 있는 메탄은, 탱크(2) 내 메탄이 저장된 압력에서 평형 온도 미만의 온도에 배치된다.

다시 도 1을 참조로, 증발 장치(20)는,

- 탱크(2) 내 저장된 액화 가스(8)의 액체 상에 담기는 취수구(21)를 포함하는 유입 회로;

- 배출된 기체 흐름이 탱크(2) 내 남아 있는 액화 가스와 열 접촉하도록 액화 가스(8)의 액체 상 및/또는 증기 상에 담기고 탱크(2) 내 저장된 액화 가스에 담기는 열교환 벽들을 포함하는 하나 이상의 증발 챔버(22); 및

- 증기 상태의 기체 흐름을 증기 상 활용 회로(25) 내 기체로 탈출시키기 위한 배출 회로(23)를 포함한다.

유입 회로에는 미도시 된 하나 이상의 헤드 손실 부재가 마련됨으로써, 헤드 손실을 생성하고 증발 챔버(22) 내부로 이어지도록 하여 배출된 액화 가스 흐름을 팽창시킨다.

증발 장치에는 또한, 탱크 외부에 배치되고 배출 회로(23)와 연계된 진공 펌프(24)가 마련된다. 진공 펌프(24)는, 탱크(2) 내 저장된 액화 가스 흐름이 증발 챔버(22)로 흡인되어, 증기 상태로 증기 상 활용 회로(25) 내 기체로 배출되도록 한다. 액화 천연 가스를 위해, 증발 챔버(22) 내부 안의 절대 작업 압력은 120 과 950 mbar 사이, 유리하게는 650과 850 mbar 사이, 가령 약 750 mbar이다.

선박 상의 설비의 경우, 증기 상 활용 회로(25) 내 기체는 특히 미도시된 추진 에너지 생성 장비에 연결되어 선박이 추진되도록 할 수 있다. 이러한 유형의 에너지 생성 장비는 특히, 열기관, 연료 전지 및 가스 터빈에서 선택된다.

도 2에서는, 액화 가스(8)가 과냉각 열역학 상태에 배치될 수 있도록 하는, 또 다른 액화 가스 냉각 장치가 마련된 설비(1)를 도시하고 있다.

이러한 목적으로, 설비(1)는 여기서 증기 상의 기체를 배출하기 위한 회로(9)를 포함한다. 증기 상의 기체를 배출하기 위한 회로(9)는, 탱크(2)의 내부에서 외부로 증기 상 탈출을 위한 통로를 형성하기 위해 탱크(2)의 벽을 통과하는 도관(10)을 포함한다. 파이프(10)는, 감압 벨(reduced pressure bell, 31) 내의, 탱크(2)의 내부 공간 안으로 이어지는 취수구(11)를 포함한다. 감압 벨(31)은, 그 상부가 탱크(2) 내 저장된 액화 가스(8)의 증기 상과 접촉하고 증기 상으로 채워지고, 그 하부는 탱크(2) 내 저장된 액화 가스(8)의 액체 상에 담기도록 탱크(2)의 내부 공간의 상부에 배치되는 중공 본체이다. 증기 상의 기체를 배출하기 위한 회로(9)의 취수구(11)는 증발 벨(20)의 상부로 이어진다.

배출 회로(9)는 또한, 증기 상의 기체 활용을 위해 상류측에서는 파이프에 연결되고 하류측에서는 회로(13)에 연결되는 진공 펌프(12)를 포함한다. 따라서, 진공 펌프(12)는, 감압 벨(31)에 존재하는 증기 상의 기체 흐름을 도관(10)을 통해 흡인하고 그것을 증기 상 활용 회로(13) 내 기체로 공급하도록 마련된다. 여기서, 배출 회로(9)는, 진공 펌프(12)의 상류나 하류에 배치된 밸브(19) 또는 확인 밸브를 포함함으로써, 증기 상의 기체 흐름이 탱크(2)의 내부 공간을 향해 되돌아가는 것을 방지할 수 있도록 한다.

진공 펌프(12)는, 감압 벨(31)의 상부에 대기압 미만의 압력을 생성함으로써, 증발 벨(20) 내부에서 액화 가스의 증발을 독려할 수 있도록 한다. 감압 벨(31) 내부 안의 증기 상은 대기압보다 낮은 압력에 놓이기 때문에, 감압 벨(31) 내부의 액체/증기 인터페이스에서는 액화 가스(8)의 증발이 촉진되는 한편, 탱크(2) 내 저장된 액화 가스(8)는 2상 액체-증기 평형 상태에 놓이게 되는데, 이때 액화 가스(8)의 온도는 대기압에서의 상기 액화 가스의 액체-증기 평형 온도보다 낮다.

도 3에 도시된 또 다른 일 실시 예에 따르면, 냉각 장치는, 탱크(2)의 내부 공간 내에 액화 가스를 증기 형태로 수집하도록 마련된 취수구(32), 및 액체 상의 액화 가스를 탱크(2)의 내부 공간 안으로 되돌리도록 마련된 배출구(33)를 포함하는 제1 회로(34)를 포함하는 액화 장치를 포함한다. 액화 장치는 냉각 유체가 순환하는 냉각 회로(35)를 더 포함한다. 냉각 회로(35)는, 압축기(36), 응축기(37), 감압기(38), 및 냉각 액체가 증발됨으로써 제1 회로(34)에서 순환하는 액화 가스로부터 열을 빼앗는 증발기(39)를 포함한다. 이러한 유형의 냉각 장치는 특히 EP2853479에 기재되어 있다.

도 4에 도시된 또 다른 일 실시 예에 따르면, 냉각 장치는 헤어핀 튜브(41)에서 약 -196°C에서 액체 질소를 순환시키는 냉각 유닛(40)을 포함하는데, 여기서의 역할은 튜브(41) 주위에서 액화 가스를 냉각시키는 것이다. 냉동 액화 가스는 더욱 밀도가 증가하면, 탱크(2) 내에서 하부로 이동하고, 아직 냉동이 안된 액화 가스는 상부로 이동한다. 이러한 대류 이동을 탱크(2) 전반에 형성하기 위해 이러한 대류 이동은 대류정(convection well, 42)에 의해 운반된다. 순환함에 따라 액체 질소는 증발되는데, 이로써 질소 증발의 잠열로부터 액화 가스 냉각의 혜택을 볼 수 있다. 튜브(23)를 떠나는 질소는 냉각 유닛(41)에서 재-액화된다. 이러한 유형의 냉각 장치는 특히 출원 FR2785034에 기재되어 있다.

비록 다양한 액체 가스 냉각 장치들을 앞에서 기재했지만, 본 발명은 그 중 하나의 냉각 장치에만 제한되는 것이 아니라, 액체-증기 평형 온도 미만으로 액화 가스를 냉각할 수 있는 냉각 장치라면 어느 것이나 사용 가능하다.

다시 도 1을 참조로, 도시된 실시 예에 따르면, 설비(1)는, 1차 단열 장벽(6)의 내부 공간으로 이어지는 파이프(17)에 연결된 진공 펌프(16) 및 2차 단열 장벽(3)의 내부 공간으로 이어지는 파이프(15)에 연결된 진공 펌프(14)를 포함하는 펌핑 장치를 포함한다. 이러한 유형의 펌핑 장치는 탱크(2)의 내부 공간 내 압력보다 낮은 압력에서 1차 단열 장벽(6)과 2차 단열 장벽(3)의 내부에서 기체 상들을 유지하는 것을 목표로 한다. 따라서, 멤브레인들 사이의 압력 차는 내부를 향해 멤브레인들을 가압하고, 탱크(2)의 내부 방향으로 떼어지지 않도록 하는 경향이 있다.

진공 펌프들(14, 16)은 극저온 펌프, 즉, -150°C 미만의 극저온을 견딜 수 있는 펌프를 말한다. 이들은 또한, ATEX 규제에 부합한다. 즉, 모든 폭발 위험을 방지하도록 설계되었다. 진공 펌프들(14, 16)은 다양한 방법, 가령, 루츠(Roots) 류 (즉, 회전 로브), 또는 페달, 액체 링, 나사, 벤추리(Venturi)류 반응기(effector) 등으로 생성될 수 있다.

설비(1)는 또한, 1차 단열 장벽(6)과 2차 단열 장벽(3)에서 압력들을 규제하도록 진공 펌프(14)와 진공 펌프(16)를 제어하는 제어 모듈(26)을 더 포함한다. 제어 모듈(26)은, 도시된 실시 예에서와 같이 단일 요소를 포함하거나, 2개의 요소를 포함할 수 있는데, 후자의 경우 2개의 진공 펌프들(14, 16) 중 하나와 다른 하나에 각각 연계될 수 있다.

제어 모듈(26)은, 탱크(2) 내 저장된 액화 가스(8)의 액체 상 내에 담기는 적어도 하나의 온도 센서(27)에 연결되고, 이에 따라 탱크(2) 내 저장된 액화 가스(8)의 액체 상의 온도 측정치를 전달할 수 있다. 온도 센서(27)는, 탱크(2) 내 최저 온도들을 나타내는 온도 측정치를 얻기 위해, 탱크(2)의 바닥 근처에 배치되는 것이 유리하다. 온도 센서(27)는 또한, 증발 챔버(22)의 열교환 벽들 근처에 위치되는 것이 바람직하다. 온도 센서(27)는 가령 열전대 또는 플래티넘 저항 프로브(platinum resistance probe) 등 어떠한 종류라도 사용 가능하다.

또한, 설비(1)는 1차 단열 장벽(6) 내부 안의 액체 상의 압력(P₁) 측정치 전달을 할 수 있는 적어도 하나의 압력 센서(28) 및 2차 단열 장벽(3) 내부 안의 기체 상의 압력(P₂)의 측정치 전달이 가능한 압력 센서(29)를 더 포함한다.

제어 모듈(26)은, 압력(P₁)을 설정점 압력(P_c1)에 종속시키기 위해, 설정점 압력(P_c1) 및 1차 단열 장벽(6) 내부 안의 기체 상의 압력(P₁)의 측정치에 따른 함수로서 진공 펌프(16)를 위한 제어 값을 생성하도록 마련된다. 마찬가지로, 제어 모듈(26)은, 압력(P₂)을 설정점 압력(P_c2)에 종속시키기 위해, 설정점 압력(P_c2)과 1차 단열 장벽(6) 내부 안의 기체 상의 압력(P₂)의 측정치에 따른 함수로서의 진공 펌프(14)를 위한 제어 값을 생성하도록 마련된다.

또한, 제어 모듈(26)은, 온도 센서(27)에 의해 측정된 온도에 따른 함수로서 1차 단열 장벽(6)을 위한 설정점 압력(P_c1)을 지속적으로 결정하도록 마련된다. 다시 말해, 설정점 압력(P_c1)은, 다음과 같은 식을 통해 결정된다:

P_c1 = f₁(T)

여기서:

f₁ 은 증가하는 단조 함수이고,

T 는 온도 센서(27)에 의해 전달된 액화 가스(8)의 액체 상의 온도이다.

함수 f₁는 특히, 액화 가스, 또는 무시할 수 없는 양으로(즉, 5% 보다 큰 몰 비율) 존재하는 액화 가스의 다른 성분들 중에서 대기압에서 최저 증발 온도를 갖는 액화 가스의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 곡선을 나타내는 함수 g의 아핀 변환(affine transformation)이다. 또한, 함수 f₁은 가령 다음 형태를 갖는다:

P_c1 = f₁(T) = g(T) - ε₁

여기서,

- g는 온도-압력 도표에서, 액화 가스의 액체-증기 평형 곡선 또는 액화 가스의 무시할 수 없는 양의 가장 휘발성이 강한 성분을 나타내는 함수, 및

- ε₁는 상수로서 가령, 대략 10 내지 30 mbar

함수 g는, 탱크(2) 내 측정된 액체 상의 온도와 연계된 포화 증기 압력을 결정할 수 있게 함으로써, 탱크 내 저장된 액화 가스의 증기 상이 응축할 경우 도달하기 쉬운 절대 압력을 하한으로 하여 압력 값을 결정할 수 있게 한다.

일 실시 예에 따르면, 액화 가스가 복수의 성분으로 이루어진 기체 혼합물인 경우, 함수 g는 무시할 수 없는 양으로 존재하는 성분들 중 가장 휘발성이 강한 성분의 액체-증기 평형 곡선을 나타낸다. 액화 천연 가스의 경우 가령, 함수 g는 순 메탄의 액체-증기 평형 곡선을 나타낸다. 그러면, 가장 휘발성이 강한 성분의 액체-증기 평형 곡선을 참조로, 기체 혼합물의 포화 증기 압력을 하한으로 하여 포화 증기 압력이 결정된다. 이러한 접근은 간단하고 견실하며, 시간에 따라 달라지기 쉬운, 액화 가스의 조성을 실시간으로 결정할 필요가 없게 만든다.

그러나, 또 다른 일 실시 예에 따르면, 탱크 내 저장된 액화 가스에 대해 측정된 온도와 연계된 포화 증기 압력을 보다 정확하게 결정하기 위해, 실제 기체 혼합물의 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수 g를 사용하는 것 또한 동일하게 가능하다.

가령, 온도-압력 도표에서 메탄의 평형 곡선은 다음의 함수에 의해 대략적으로 구할 수 있다:

여기서,

- T는 켈빈(Kelvin) 온도이고,

- g(T)는 밀리바 단위이다.

탱크 내 저장된 액화 가스(8)의 액체 상의 온도 105K를 고려할 때, 앞에서 함수 g에 의해 생성된 이러한 유형의 온도 이미지는 565 밀리바이다. 또한, 액화 가스의 액체 상의 온도가 105 켈빈(Kelvine)이면, 탱크 내 압력은 이론적으로 565 밀리바의 절대 압력 미만으로 떨어지기가 쉽지 않다. 이러한 상황에서, 액체 상 측정의 불확실성 및 탱크 내부 안의 액체 상의 온도의 이종성 현상을 고려하기 위해 상수 ε₁가 20 밀리바와 같다고 할 때, 설정점 압력 P_c1은 545 밀리바가 된다.

따라서, 1차 단열 장벽(6)을 이와 같은 절대 압력 545 밀리바에 배치함으로써, 탱크(2) 내부의 압력은 항상 1차 단열 장벽(6) 내부 안의 압력보다 커지게 되고, 이로써 1차 밀폐 멤브레인(7)은 2차 단열 장벽(3)에 대해 가압될 수 있고 붕괴가 방지된다.

액체 가스의 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수(g)를 사용하면, 설비 동작의 안전성과 동작 안전성을 보장하는데 필요한 에너지 비용 사이에 이상적인 절충점을 이룰 수 있다. 그럼에도 불구하고, 안전성을 줄이고 에너지 비용을 늘리는 것이 수용 가능한 경우에는, 동일한 일반 프로파일을 갖는 매우 상이한 함수(g)를 사용할 수 있다.

게다가, 제어 모듈(26)은 또한, 2차 단열 장벽(6)에 대한 설정점 압력(P_c2)을 결정하도록 마련된다.

일 실시 예에 따르면, 설정점 압력(P_c2)은, 온도 센서(27)가 설정점 압력(P_c2)과 유사한 방식으로 측정한 온도(T)에 따른 함수로서 결정된다. 따라서, 설정점 압력(P_c2)은, 다음 식을 통해 결정된다:

P_c2 = f₂(T)

여기서,

- f₂는 증가하는 단조 함수이고,

- T는 온도 센서(27)에 의해 전달된 액화 가스(8)의 액체 상의 온도이다.

함수(f₁)와 마찬가지로, 함수(f₂)도 다음 형태로 기재할 수 있다:

P_c2 = f₂(T) = g(T) - ε₂

여기서,

- g는 온도-교정 도표에서 액화 가스 또는 액화 가스의 다수 성분의 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이고,

- ε₂는 가령 약 10 내지 30 mbar인 상수이다.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 설정점 압력 P_c2은 온도 센서에 의해 측정된 온도에 따른 함수가 아닌, 다음 식을 통한 1차 단열 장벽(6) 내 기체 상의 압력 P₁에 따른 함수로서 결정된다:

P_c2 = h (P₁)

여기서,

- h는 증가하는 단소 함수이고,

- P₁는 1차 단열 장벽(6)의 기체 상에서 측정된 압력이다.

함수 h는 가령 다음과 같은 형태를 갖는다:

P_c2 = h (P₁)　= P₁ - ε'₂

여기서,

-ε'₂는 상수이다.

일 변형 실시 예에 따르면, ε'₂ 는 양의 상수, 가령 10과 30 mbar 사이를 모두 포함한다. 따라서, 본 방법은 2차 밀폐 멤브레인(5)이 2차 단열 장벽(3)에 대해 가압되도록 2차 단열 장벽(3)의 기체 상의 압력이 언제나 1차 단열 장벽(6)의 압력보다는 크도록 보장한다.

또 다른 일 변형 실시 예에 따르면, ε'₂ 는 음의 상수, 가령 -10과 -30 사이를 모두 포함한다. 따라서 본 방법은 2차 단열 장벽(3)의 기체 상의 압력이 1차 단열 장벽(6)의 압력보다는 언제나 크도록 보장함으로써, 밀폐 멤브레인들(5, 7)의 불량 밀폐 시 액화 가스(8)가 2차 단열 장벽(3)을 향해 흡인되는 것을 방지할 수 있다.

또 다른 대체 실시 예들에 따르면, 1차 단열 장벽(6)에 대한 설정점 압력(P_c1) 및/또는 설정점 압력(P_c2)은, 액화 기체(8)의 온도 측정치에 따른 함수로서가 아닌, 액화 기체 냉각 장치의 특정 동작 상태에 대한 액화 기체의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최저 한계에 해당하는 변수를 앞선 등식들에서 변수(T)로 함으로써 결정된다.

따라서, 도 1에 도시 및 참조된 액화 기체 냉각 장치를 구비한 일 실시 예에 따르면, 설비는, 증발 챔버(22)의 배출구에 배치되고 증발 챔버(22)의 내부에서 순환하는 증기 상의 기체 흐름의 온도 또는 증발 챔버(22)의 벽의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함한다. 냉각 장치의 지속적인 작동 조건하에서, 이러한 방식으로 측정된 온도는 탱크(2)의 내부에 저장된 액화 가스(8)의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최저 온도를 나타낸다. 그러면, 이러한 방식으로 측정된 온도를, 앞선 등식들에서 T 값으로 삼음으로써, 진공 펌프(16) 및 진공 펌프(14) 제어 방법은 또한, 1차 단열 장벽(6) 및 2차 단열 장벽(3)의 내부 안의 기체 상들의 압력들이 언제나 탱크(2)의 내부 공간 내 압력 미만이 되도록 보장할 수 있다.

이와 동일한 방식으로, 액화 가스 냉각 장치가 도 3에 도시된 냉각 회로와 협력하는 액화 가스 순환 회로를 포함하는 액화 장치인 경우, 설비는, 냉각 회로에 배치되고 증발기(39)의 배출구에서 냉각 유체의 회복 온도(return temperature)를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 지속적인 냉각 장치 동작 조건하에서, 이러한 방식으로 측정된 온도는 또한, 탱크(2) 내부에 저장된 액화 기체(8)의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최저 온도를 나타내고, 이에 따라 설정점 압력(P_c1), 선택적으로는 설정점 압력(P_c2)을 결정하는데 사용될 수 있다.

또 다른 일 실시 예에 따르면, 액화 가스 냉각 장치는, 액화 가스의 액체 상에 대한 최저 온도 한계(T_min)에 부합하도록 마련될 수 있다. 다시 말해, 액화 가스 냉각 장치는, 액화 가스의 액체 상의 온도가 상기 온도 한계(T_min) 미만으로 떨어지지 않도록 제어된다. 따라서, 냉각 장치의 동작 파라미터들은, 액화 가스의 액체 상의 온도가 앞서 설명한 한계 미만으로 떨어지지 않도록 설정된다.

가령, 도 1에 도시 및 참조된 바와 같이 액화 가스 냉각 장치를 구비한 설비의 경우, 증발 챔버(22) 내부의 해당하는 한계 압력을 설정함으로써 최저 온도 한계가 보장될 수 있다.

마찬가지로, 도 2에 도시 및 참조된 바와 같이 액화 가스 냉각 장치를 구비한 설비의 경우, 감압 벨(31) 내부의 해당하는 한계 압력을 설정함으로써 최저 온도 한계가 보장될 수 있다.

액화 가스 냉각 장치가, 냉각 회로와 협력하는 기체 순환 회로를 포함하는 액화 장치인 경우, 최저 온도 한계는, 냉각 회로 내 냉각 유체에 대한 유량 또는 한계 압력을 설정함으로써 부합될 수 있다. 또는, 측정된 온도에 따른 함수로서, 상기 온도는 냉각 회로의 증발기의 핀(fin)의 온도 및 적합한 안전 한계로 규제되는 냉각 회로의 전력을 측정함으로써 앞서 설명한 최저 온도 한계에 부합할 수 있다.

또 다른 일 변형 실시 예에 따르면, 온도 한계(T_min)는 미리 설정된 후 제어 모듈(26)로 전달된다. 그런 다음, 식 P_c1 = f₁(T) = g(T) - ε₁에서 온도 한계(T_min)를 T 값으로 함으로써 제어 모듈(26)에 의해 결정된다.

또 다른 변형 일 실시 예에 따르면, 미리 설정된 후 냉각 장치에 전달되는 것은 설정점 압력(P_c1)이다. 이 경우, 온도 한계(T_min)는 다음 식을 통해 결정된다:

T_min = f₃(P_c1)　

여기서,

- f₃는 압력-온도 도표에서 액화 가스 또는 액화 가스의 다수 성분의 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이고,

- P_c1는 1차 단열 장벽(6) 내 설정점 압력이다.

도 6을 참조로, 메탄 탱커 선박(70)의 절단면도에서는 선박의 이중 선체(72)에 장착된 각기둥형 일반 형태의 밀폐 절연 탱크(71)를 도시하고 있다. 탱크(71)의 벽은, 탱크 내 포함된 LNG와 접촉하기 위한 1차 밀폐 장벽, 선박의 이중 선체(72)와 1차 밀폐 장벽 사이에 배치된 2차 밀폐 장벽, 및 1차 밀폐 장벽과 2차 밀폐 장벽 사이, 그리고 2차 밀폐 장벽과 이중 선체(72) 사이에 각각 배치된 2개의 절연 장벽을 포함한다.

그 자체로 알려진 방식에 따라, 선박의 상부 갑판에 배치된 선적/하역 파이프들(73)은 적합한 연결기를 통해 해양 또는 항구 터미널에 연결되어 LNG 화물을 탱크(71)에서 내리거나 싣는데 사용될 수 있다.

도 6에서는 선적 및 하역 스테이션(75), 수중 파이프(76) 및 지상 설비(77)를 포함하는 해양 터미널의 일 예를 도시하고 있다. 선적 및 하역 스테이션(75)은 이동식 암(mobile arm, 74)과 이동식 암(74)을 지지하는 타워(78)를 포함하는 고정식 연안 설비이다. 이동식 암(74)은 선적/하역 파이프들(73)에 연결될 수 있는 절연 유연 파이프(79) 다발을 운반한다. 방향 전환이 가능한 이동식 암(74)은 모든 크기의 메탄 탱커에 맞게 마련된다. 미도시된 연결 파이프는 타워(78)의 내부에서 연장 형성된다. 선적 및 하역 스테이션(75)은 지상 설비(77)로의 메탄 탱커(70)의 선적 및 지상 설비(77)로부터의 하역을 가능케 한다. 지상 설비(77)는, 액화 가스를 저장하기 위한 탱크(80) 및 수중 파이프(76)에 의해 선적 또는 하역 스테이션(75)에 연결된 연결 파이프들(81)을 포함한다. 선적 또는 하역 스테이션(75)과 지상 설비(77) 사이가 가령 5 km 등 멀리 떨어져 있어도 수중 파이프(76)로 인해 액화 가스 수송이 가능하므로, 메탄 탱커 선박도 선적 및 하역 작업 시 해안으로부터 먼 거리를 유지할 수 있다.

선박(70) 상의 펌프 및/또는 지상 설비(77)에 마련된 펌프 및/또는 선적 및 하역 스테이션(75)에 마련된 펌프는 액화 가스 이동에 필요한 압력을 생성하는데 사용된다.

비록 본 발명을 다수의 특정 실시 예들과 연결하여 설명했지만, 그러한 실시 예들에 제한되지 않음은 당연하며, 본 발명의 범위에 해당하는 한, 앞서 설명한 모든 수단의 기술 등가물 및 그 조합을 포함함은 당연하다.

동사 "포함하다", 및 그 모든 동사 활용형의 사용은 청구항에 기재된 것과는 다른 요소나 단계의 존재를 배제하지 않는다. 요소나 단계 언급 시 "하나의"라는 부정관사의 사용은 달리 명시되지 않은 한 복수의 그러한 요소나 단계의 존재를 배제하지 않는다.

청구항에서, 괄호안의 참조 부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석하지 않는다.

Claims (23)

1. 밀폐 단열 탱크(2)와 연계된 펌핑 장치를 제어하는 방법으로서, 상기 탱크(2)는 액체 상과 증기 상을 갖는 액화 가스(8)를 포함하고 상기 액화 가스(8)와 접촉하는 밀폐 멤브레인(7) 및 상기 밀폐 멤브레인(7)과 지지 구조(4) 사이에 배치된 단열 장벽(3, 6)을 포함하는 다층 구조를 갖는 벽들을 포함하고, 상기 단열 장벽(3, 6)은 고체 물질들과 기체 상을 포함하고, 상기 펌핑 장치는 상기 기체 상을 상대 부압(negative relative pressure) 상태에 두기 위해 상기 단열 장벽(3, 6)에 연결된 진공 펌프(14, 16)를 포함하고, 상기 방법은,
   - 상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상의 압력(P₁)을 측정하는 단계;
   - 식 P_c1 = f₁(T)을 통해 설정점 압력(P_c1)을 결정하는 단계; 및
   - 상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상의 압력(P₁)을 상기 설정점 압력(P_c1)에 종속시키도록 상기 진공 펌프(14, 16)를 제어하는 단계;를 포함하고,
   f₁ 은 증가하는 단조 함수(monotonous function)이고, T는 상기 액화 가스(8)의 액체 상의 측정된 온도, 또는 상기 액화 가스(8)의 액체 상에 의해 도달되기 쉽고 상기 액화 가스(8) 냉각 장치의 동작 상태에 해당하는 최소 온도 한계를 나타내는 변수인 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 변수(T)는, 상기 액화 가스(8)의 액체 상의 온도를 측정하거나, 상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 상기 최소 온도 한계를 나타내는 상기 액화 가스 냉각 장치의 동작 파라미터를 측정함으로써, 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 변수(T)는, 상기 액화 가스(8)의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 상기 최소 온도 한계를 나타내는 상기 액화 가스 냉각 장치의 동작 파라미터를 수신함으로써 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 함수(f₁)는, 상기 액화 가스(8)의 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스를 구성하는 성분들 중에서 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스(8)의 성분의 온도-압력 도표에서, 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수의 아핀 변환(affine transformation)인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 함수(f₁)는, f₁(T) = g(T) - ε₁ 형태이고, g는 상기 액화 가스(8)의 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스의 성분들 중에서 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스(8)의 성분의 온도-압력 도표에서 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이고, ε₁은 양의 상수인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밀폐 멤브레인은 1차 밀폐 멤브레인(7)이고, 상기 단열 장벽은 1차 단열 장벽(6)이고, 상기 다층 구조는, 상기 지지 구조(4)에 대해 지지되고 고체 물질들 및 기체 상을 포함하는 2차 단열 장벽(3), 및 상기 2차 단열 장벽(3)과 상기 1차 단열 장벽(6) 사이에 배치된 2차 밀폐 멤브레인(5)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 펌핑 장치는, 상기 2차 단열 장벽(3)의 기체 상을 상대 부압(negative relative pressure)에 두기 위해, 상기 2차 단열 장벽(3)에 연결된 제2 진공 펌프(14)를 포함하고, 상기 방법은,
   - 상기 2차 단열 장벽(3)의 기체 상의 압력(P₂)을 측정하는 단계; 및
   - 상기 단열 장벽의 기체 상의 압력(P₂)을 설정점 압력(P_c2)에 종속시키도록, 상기 제2 진공 펌프(14)를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 설정점 압력(P_c2)은, 식 P_c2 = f₂(T)를 통해 결정되고, f₂는 증가하는 단조 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 함수(f₂)는, 상기 액화 가스(8)의 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스를 구성하는 성분들 중 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스(8)의 성분의 온도-압력 도표에서, 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수의 아핀 변환인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 함수(f₂)는, f₂(T) = g(T) - ε₂의 형태를 갖고, g는 상기 액화 가스(8)의 또는 5% 보다 큰 몰 비율로 존재하는 상기 액화 가스의 성분들 중에서 최저 증발 온도를 갖는 상기 액화 가스(8)의 성분의 온도-압력 도표에서, 액체-증기 평형 곡선을 나타내는 함수이고, ε₂은 양의 상수인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 설정점 압력(P_c2)은, 식 P_c2 = h (P₁)을 통해 설정되고, h는 증가하는 단조 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 함수(h)는, h (P1) = P1 - e의 형태를 갖고, ε'₂ 는 상수인 것을 특징으로 하는 방법.
13. 액화 가스를 저장하기 위한 설비와 연계된 액화 가스 냉각 장치를 제어하는 방법으로서,
    상기 설비는,
    - 액화 가스(8)를 액체 상 및 증기 상의 2상 형태로 포함하기 위한 밀폐 단열 탱크(2)로서, 상기 액화 가스와 접촉하는 밀폐 멤브레인(7) 및 상기 밀폐 멤브레인(7)과 지지 구조(4) 사이에 배치된 상기 단열 장벽(3, 6)을 포함하는 다층 구조를 갖는 벽들을 포함하고, 상기 단열 장벽은 고체 물질들과 상기 기체 상을 포함하는, 밀폐 단열 탱크(2);
    - 단열 장벽(3, 6) 내 기체 상의 압력(P₁)을 측정하도록 마련된 압력 센서(28); 및
    - 상기 단열 장벽(3, 6)에 연결되고 상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상을 상대 부압에 두도록 마련된 진공 펌프(14, 16), 및 상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상의 압력(P₁)을 설정점 압력(P_c1)에 종속시키도록 상기 진공 펌프(16)를 제어하도록 마련된 제어 모듈(26)을 포함하는, 펌핑 장치;를 포함하고,
    - 상기 냉각 장치는 상기 액화 가스가 상기 탱크에 저장된 압력에서 상기 액화 가스의 액체-증기 평형 온도 미만으로 상기 액화 가스의 일부의 온도를 낮추도록 마련되고, 상기 액화 가스 냉각 장치를 제어하는 방법은,
    - 식 T_min = f₃(P_c1)을 통해 상기 액화 가스의 최소 온도 한계(T_min)를 결정하는 단계; 및
    - 상기 액화 가스의 온도가 상기 최저 온도 한계(T_min) 미만으로 낮아지지 않도록 상기 최소 온도 한계(T_min)에 따른 함수로 상기 냉각 장치를 제어하는 단계;를 포함하고,
    f₃ 은 증가하는 단조 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 액화 가스를 저장하기 위한 설비(1)로서,
    - 액화 가스(8)를 액체 상 및 증기 상의 2상 형태로 저장하는 밀폐 단열 탱크로서, 상기 액화 가스와 접촉하는 밀폐 멤브레인(7), 상기 밀폐 멤브레인(7)과 지지 구조(4) 사이에 배치된 단열 장벽(3, 6)을 포함하고, 상기 단열 장벽은 고체 물질들과 기체 상을 포함하는, 밀폐 단열 탱크(2);
    - 단열 장벽(3, 6) 내 기체 상의 압력(P₁)을 측정하도록 마련된 압력 센서(28); 및
    - 상기 단열 장벽(3, 6)에 연결되고 상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상을 상대 부압에 두도록 마련된 진공 펌프(14, 16), 및 제어 모듈(26)을 포함하는 펌핑 장치;를 포함하고,
    상기 제어 모듈(26)은
    ● 식 P_c1 = f₁(T)를 통해 설정점 압력(P_c1)을 결정하고;
    ● 상기 단열 장벽(3, 6)의 기체 상의 압력(P₁)을 상기 설정점 압력(P_c1)에 종속시키도록 상기 진공 펌프(16)을 제어하도록 마련되고,
    f₁은 증가하는 단조 함수이고, T는 상기 액화 가스(8)의 액체 상의 실제 온도, 또는 상기 액화 가스(8) 냉각 장치의 특정 동작에 대하여 상기 액화 가스(8)의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 최소 온도를 나타내는 변수인 것을 특징으로 하는 설비.
15. 제14항에 있어서,
    상기 액화 가스(8)의 액체 상의 온도(T)를 측정하고, 측정된 온도(T)를 상기 제어 모듈(26)로 전달하도록 마련되는, 온도 센서(27)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 액화 가스가 상기 탱크에 저장된 압력에서 상기 액화 가스의 일부의 온도를 상기 액화 가스의 액체-증기 평형 온도 미만으로 낮추도록 마련된, 상기 액화 가스를 냉각시키기 위한 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
17. 제16항에 있어서,
    상기 냉각 장치는 상기 액화 가스의 액체 상에 대한 최소 온도 한계에 부합하도록 마련되고, 상기 제어 모듈(26)은 상기 냉각 장치에 연결되고 상기 최소 온도 한계를 상기 변수(T)로 하여 상기 설정점 압력(P_c1)을 결정하도록 마련된 것을 특징으로 하는 설비.
18. 제16항에 있어서,
    상기 액화 가스의 액체 상에 의해 도달되기 쉬운 상기 최소 한계를 나타내는 상기 액화 가스를 냉각하기 위한 장치의 동작 파라미터를 측정하도록 마련된 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀폐 멤브레인은 1차 밀폐 멤브레인(7)이고 상기 단열 장벽은 1차 단열 장벽(6)이고, 상기 다층 구조는 상기 지지 구조(4)에 대해 지지되고 고체 물질들과 기체 상을 포함하는 2차 단열 장벽(3), 그리고 상기 2차 단열 장벽(3)과 상기 1차 단열 장벽(6) 사이에 배치된 2차 밀폐 멤브레인(5)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 단열 장벽 내 압력(P₂)을 측정하도록 마련된 제2 압력 센서(29)를 더 포함하고, 펌핑 장치는 상기 2차 단열 장벽(3)의 기체 상을 상대 부압에 두기 위해 상기 2차 단열 장벽(3)에 연결된 제2 진공 펌프(14)를 더 포함하고, 상기 제어 모듈(26)은, 상기 2차 단열 장벽(3)의 기체 상의 압력(P₂)의 측정치 및 설정점 압력(P_c2)에 따른 함수로서 상기 제2 진공 펌프(14)를 제어하도록 마련된 것을 특징으로 하는 설비.
21. 이중 선체와 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 설비를 포함하는 선박(70)으로서, 상기 액화 가스 저장 설비의 탱크(2)는 상기 이중 선체 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 선박.
22. 제21항에 따른 선박(70)을 선적하고 하역하는 방법으로서, 부유식 또는 지상 저장 설비(77)와 상기 선박의 탱크(71) 사이에서 절연 파이프들(73, 79, 76, 81)을 통해 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 유체 운반 시스템으로서, 제21항에 따른 선박(70), 상기 선박의 선체 내에 설치된 상기 탱크(71)를 부유식 또는 지상 저장 설비(77)에 연결하도록 마련된 절연 파이프들(73, 79, 76, 81), 및 상기 부유식 또는 지상 저장 설비와 상기 선박의 탱크 사이에서 상기 절연 파이프들을 통해 유체를 전달하기 위한 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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