KR20230016410A - 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

액화가스 연료탱크의 압력제어시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템은, 선박에 마련되며 선내 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 복수의 연료탱크; 상기 복수의 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 마련되는 연결배관; 상기 연결배관을 통해 이동시킨 액화가스를 상기 연료탱크 내부로 분사시키도록 상기 연료탱크에 마련되는 분사노즐; 및 상기 연결배관에 마련되어 연결배관을 개폐하는 컨트롤밸브:를 포함하며, 상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 상기 컨트롤밸브를 열어 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하는 것을 특징으로 한다.

Description

액화가스 연료탱크의 압력제어시스템 및 방법{Pressure Control System And Method For Liquefied Gas Tank}

본 발명은 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선내 연료로 공급될 액화가스가 저장되는 복수의 연료탱크가 마련된 선박에서, 수두차에 의해 한 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하여 연료탱크의 내부 압력을 조절하는 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템 및 방법에 관한 것이다.

지구온난화 현상의 심화에 따라 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있고, 선진국들의 온실가스 감축 의무를 담았던 1997년 교토의정서가 2020년 만료됨에 따라, 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약에서 채택되고 2016년 11월 발효된 파리기후변화협약(Paris Climate Change Accord)에 의해 협정에 참여한 195개 당사국들은 온실가스 감축을 목표로 다양한 노력을 기울이고 있다.

이러한 세계적인 추세와 함께 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다.

액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소 시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다. 그에 따라 근래 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

액화천연가스는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.

최근에는 LPG 또는 LNG 운반선에서 LPG 또는 LNG 및 그로부터 발생하는 증발가스를 추진 연료로 사용하는 연료공급시스템의 적용이 늘어나고 있고, 국제적인 배기가스 배출규제 강화에 따라 LPG 또는 LNG 운반선 외에 일반 선박에서도 LNG 등을 추진 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있다.

연료로 공급될 LNG를 선내에 저장하는 저장탱크는 극저온의 LNG를 액체 상태로 유지하도록 단열처리되는 것이 일반적이다. 그러나 단열처리가 되어 있더라도 외부의 열을 완전히 차단하는 데에는 한계가 있어, 외부의 열이 지속적으로 저장탱크에 전달되므로 LNG는 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다.

저장탱크에서 생성되는 증발가스는 저장탱크의 내압을 상승시키는 요인이 되며, 저장탱크의 내압이 설정된 안전압력 이상이 되면 탱크 파손(rupture) 등 위급상황을 초래할 수 있다.

저장탱크를 과압으로부터 보호하기 위해 탱크에서 발생하는 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구되어 적용되고 있으며, 대표적으로 증발가스를 GCU에서 소각하여 처리하는 방법, 선박의 엔진 등 연료 수요처에 연료로 공급하는 방법, 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 회수하는 방법 또는 이러한 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 방법 등이 있다.

도 1에는 종래 LNG 등 액화가스를 연료로 사용하는 선박에 마련되는 연료탱크의 과압 방지를 위한 조절 방법의 일 예를 개략적으로 도시하였다.

LNG를 연료로 공급하기 위해 2대의 연료탱크(T1, T2)가 마련되는 경우, 그 중 하나의 연료탱크로부터 먼저 선내 연료를 공급한 후 다른 탱크의 LNG를 연료로 공급하게 된다. 그런데 한 연료탱크의 LNG를 모두 연료로 공급한 후에도 연료탱크 바닥에는 LNG가 일부 남게 되며, 이러한 LNG 잔량으로부터 증발가스가 발생하면서 탱크 압력을 상승시킨다.

이 경우 LNG가 충분히 남아있는 다른 연료탱크로부터 연료탱크 내부의 펌프(P)를 활용해 LNG 일부를 이송하여, 비어있는 연료탱크 상부의 스프레이 노즐(S)을 통해 분사하여 연료탱크의 압력 상승을 제어하였다.

그런데 이와 같이 연료탱크의 압력 상승을 조절하는 것은 연료탱크 내부의 펌프를 사용함으로써 전기 에너지를 사용하게 되며, LNG를 펌프에 의해 가압함으로써 LNG에 추가적인 열 유입이 발생하게 되므로 연료탱크 압력 조절에 악영향을 줄 수 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하여 펌프 등 장치 가동에 따른 추가적인 에너지 소비를 줄이고, LNG에 추가적인 열 유입을 방지하여 효과적으로 연료탱크 압력을 조절할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 선내 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 복수의 연료탱크;

상기 복수의 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 마련되는 연결배관;

상기 연결배관을 통해 이동시킨 액화가스를 상기 연료탱크 내부로 분사시키도록 상기 연료탱크에 마련되는 분사노즐; 및

상기 연결배관에 마련되어 연결배관을 개폐하는 컨트롤밸브:를 포함하며,

상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 상기 컨트롤밸브를 열어 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템이 제공된다.

바람직하게는, 각 연료탱크에 마련되어 연료탱크에 저장된 액화가스를 상기 연결배관으로 유입시키는 유입분기배관; 및 상기 유입분기배관에 마련되는 차단밸브를 더 포함하며, 상기 컨트롤밸브를 열어 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 액화가스를 분사할 때 해당 연료탱크에 마련된 유입분기배관의 차단밸브는 닫고, 수두차에 의해 액화가스를 유입시킬 연료탱크에 마련된 유입분기배관의 차단밸브는 열 수 있다.

바람직하게는, 상기 분사노즐은 하부에서 상부로 액화가스를 분사하도록 설치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수의 연료탱크는 하나의 저장탱크가 내부 격벽에 의해 분리되어 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선내 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 복수의 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 연결배관을 마련하고,

상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 상기 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하여 내부 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크로부터 먼저 액화가스를 모두 연료로 공급하여 해당 연료탱크의 바닥에 남은 액화가스 잔량에서 발생하는 증발가스로 인해 내부 압력이 높아지면, 상기 연결배관에 마련되는 컨트롤밸브를 열어 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 해당 연료탱크의 하부에서 상부로 액화가스를 분사할 수 있다.

본 발명에서는 선내 연료로 공급될 액화가스가 저장되는 복수의 연료탱크가 마련된 선박에서, 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 연결배관을 마련하고, 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사함으로써 연료탱크의 내부 압력을 조절할 수 있도록 한다.

이와 같이 비교적 간단한 구성으로 설치비와 운영비를 절감하면서 연료탱크 내 액화가스의 위치에너지에 의한 수두압을 이용해 다른 연료탱크로 액화가스를 분사하여 내부 압력을 조절함으로써 연료탱크 압력 상승을 방지하여 선박 안전을 확보할 수 있다.

또한, 펌프 등 별도의 전기 에너지로 구동되는 설비를 사용하지 않아 선내 전기에너지 사용을 줄일 수 있고, 액화가스를 펌프로 펌핑하지 않으므로 펌프에 의한 가압으로 액화가스에 추가로 열이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 액화가스를 연료로 사용하는 선박에 마련되는 연료탱크의 과압 방지를 위한 조절 방법의 일 예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템의 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 압력제어시스템의 개략적인 평면도이다.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

후술하는 본 발명의 실시예에서 선박은, 선내 추진엔진, 발전엔진 등의 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 탱크가 마련되는 모든 종류의 선박일 수 있다. 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel), LNG 추진선박 등과 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.

또한, 본 실시예는 가스를 저온으로 액화시켜 수송될 수 있고, 저장된 상태에서 증발가스가 발생하며 연료로 사용되는 모든 종류의 액화가스에 적용될 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스일 수 있다.

다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG를 선내 추진엔진의 연료로 사용하는 LNG 추진선박을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템의 개략적인 정면도를 도시하였고, 도 3에는 도 2에 도시된 압력제어시스템의 개략적인 평면도를 도시하였다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예의 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템은, 선박에서 선내 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 복수의 연료탱크(T1, T2)가 마련되는 선박에서 연료탱크의 내부 압력을 조절하기 위한 것으로, 복수의 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 마련되는 연결배관(CL)과, 연결배관을 통해 이동시킨 액화가스를 연료탱크 내부로 분사시키도록 연료탱크에 마련되는 분사노즐(100a, 100b)과, 연결배관에 마련되어 연결배관을 개폐하는 컨트롤밸브(CV)를 포함한다.

각 연료탱크에는 연료탱크에 저장된 액화가스를 연결배관으로 유입시키는 유입분기배관(ELa, ELb)이 마련되고, 각 유입분기배관에는 배관을 개폐하는 차단밸브(IVa, IVb)가 마련된다.

복수의 연료탱크(T1, T2)는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 큰 하나의 저장탱크가 마련되고 슬로싱(sloshing) 방지를 위해 저장탱크 내부가 내부 격벽(B)으로 2개 또는 3개 이상으로 공간 분리되어 이루어지는 것으로 2개가 마련될 수도 있고, 3개 이상의 연료탱크가 마련될 수도 있다. 이와 달리 2개 또는 3개 이상의 연료탱크는 분리된 별도의 탱크일 수도 있다.

본 실시예는 이러한 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관(CL)을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하여 압력을 조절할 수 있도록 한 것이 특징이다.

연료탱크 내부로 액화가스가 분사되는 분사노즐(100a, 100b)은 액화가스 분사 면적을 넓혀 효과적으로 냉각할 수 있도록 하부에서 상부로 액화가스를 분사하도록 설치된다. 분사노즐은 각 연료탱크마다 설치되며, 필요에 따라 연료탱크 내부에 복수의 분사노즐이 마련될 수도 있고, 설치된 위치에서 가능한 연료탱크 내부에 넓게 액화가스를 분사시킬 수 있도록 분사 각도를 조절하여 설치한다.

각 연료탱크에서 유입분기배관 및 분사노즐의 설치 위치는 연료탱크 내 LNG 수두를 활용할 수 있도록 낮게 배치하되, 해당 연료탱크 내 LNG를 연료로 공급한 후 탱크 내부 압력 상승으로 다른 연료탱크로부터 이송된 LNG를 분사할 때 탱크 내부의 LNG 잔량보다는 높은 위치에서 LNG가 분사될 수 있는 위치에 배치되며, 각 연료탱크의 운용 조건에 따라 설치 위치는 다를 수 있다.

본 실시예 시스템에 의한 연료탱크의 압력제어 과정을 살펴보면, 먼저 하나의 연료탱크(T1)로부터 선내 추진 엔진 등으로 LNG를 공급하여 해당 연료탱크(T1)의 LNG가 충분히 연료로 사용되면, 해당 탱크의 압력을 보면서 탱크 내부 압력 상승 시 연결배관(CL)의 컨트롤 밸브(CV)를 연다.

또한, 해당 연료탱크(T1)에 마련된 유입분기배관(ELa)의 차단밸브(IVa)는 닫고, 수두차에 의해 액화가스를 유입시킬 연료탱크(T2)에 마련된 유입분기배관(ELb)의 차단밸브(IVb)는 연다. 그러면 수두차에 의해 LNG를 받아오는 연료탱크(T2)의 유입분기배관(ELb)을 통해 탱크 내 LNG가 유입되어 연결배관(CL)을 따라 이동하여, 연료 사용으로 LNG 액위가 낮아진 연료탱크(T1)의 분사노즐(100a)을 통해 탱크 내부로 분사되어 해당 연료탱크(T1)를 냉각시키고 내부 압력을 낮춘다.

이처럼 본 실시예에서는 펌프 등 별도의 전기 에너지로 구동되는 설비를 사용하지 않고 연료탱크 내 액화가스의 위치에너지에 의한 수두압을 이용해 다른 연료탱크로 액화가스를 분사하여 연료탱크를 냉각하고 내부 압력을 조절함으로써, 선내 전기에너지 사용을 줄이고 펌프에 의한 가압 시 액화가스에 추가로 열이 유입되는 것을 방지할 수 있고, 연료탱크 압력 상승을 방지하여 선박 안전을 확보할 수 있다.

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 자에게 있어서 자명한 것이다.

T1, T2: 연료탱크
B: 격벽
CL: 연결배관
CV: 컨트롤밸브
100a, 100b: 분사노즐
ELa, ELb: 유입분기배관
IVa, IVb: 차단밸브

Claims (6)

1. 선박에 마련되며 선내 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 복수의 연료탱크;
   상기 복수의 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 마련되는 연결배관;
   상기 연결배관을 통해 이동시킨 액화가스를 상기 연료탱크 내부로 분사시키도록 상기 연료탱크에 마련되는 분사노즐; 및
   상기 연결배관에 마련되어 연결배관을 개폐하는 컨트롤밸브:를 포함하며,
   상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 상기 컨트롤밸브를 열어 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   각 연료탱크에 마련되어 연료탱크에 저장된 액화가스를 상기 연결배관으로 유입시키는 유입분기배관; 및
   상기 유입분기배관에 마련되는 차단밸브를 더 포함하며,
   상기 컨트롤밸브를 열어 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 액화가스를 분사할 때 해당 연료탱크에 마련된 유입분기배관의 차단밸브는 닫고, 수두차에 의해 액화가스를 유입시킬 연료탱크에 마련된 유입분기배관의 차단밸브는 여는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 분사노즐은 하부에서 상부로 액화가스를 분사하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 복수의 연료탱크는 하나의 저장탱크가 내부 격벽에 의해 분리되어 마련되는 것인 액화가스 연료탱크의 압력제어시스템.
5. 선내 연료로 공급될 액화가스를 저장하는 복수의 연료탱크 간에 액화가스가 이동되도록 연결배관을 마련하고,
   상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크의 내부 압력이 높아지면, 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 상기 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 내부 압력이 높아진 연료탱크 내부로 분사하여 내부 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 복수의 연료탱크 중 어느 연료탱크로부터 먼저 액화가스를 모두 연료로 공급하여 해당 연료탱크의 바닥에 남은 액화가스 잔량에서 발생하는 증발가스로 인해 내부 압력이 높아지면,
   상기 연결배관에 마련되는 컨트롤밸브를 열어 수두차에 의해 다른 연료탱크로부터 연결배관을 통해 액화가스를 이동시켜 해당 연료탱크의 하부에서 상부로 액화가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 액화가스 연료탱크의 압력제어방법.

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