KR101224918B1 - 액화천연가스 선적 배관 장치 및 이를 이용한 선적 방법 - Google Patents

Abstract

액화천연가스의 선적 배관 장치 및 이를 이용한 선적 방법이 개시된다. 본발명의 일 실시예는 열전달이 가능한 수직 배관 형태를 가지며, 액화천연가스를 충진하도록 화물창 내부에 배치된 적하 배관과,
상기 적하 배관의 끝단부 내측에 마련되며, 상기 적하 배관의 상부 열이 하부쪽으로 전달되고, 액화천연가스의 액주 높이가 상승될 때, 부피가 점진적으로 감소되어 적하 배관의 유로를 점진적으로 넓히는 다이어프램 부재를 포함한다.

Description

액화천연가스 선적 배관 장치 및 이를 이용한 선적 방법{LNG LOADING PIPE DEVICE AND LOADING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 액화천연가스 선적에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스 선적 배관 장치 및 이를 이용한 선적 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 액화천연가스(LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 영하 163℃로 냉각해 그 부피를 대략 6백분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체를 의미한다.

이러한 액화천연가스가 에너지 자원으로 등장함에 따라 이 가스를 에너지로 이용하기 위해서 생산기지로부터 수요지까지 대량으로 수송할 수 있는 효율적인 운송 방안이 검토되어 왔으며, 이러한 노력의 일환으로 대량의 액화천연가스를 해상으로 수송할 수 있는 액화천연가스 운반선이 등장하게 되었다.

그런데, 액화천연가스 운반선에는 초저온 상태로 액화시킨 액화천연가스를 보관 및 저장할 수 있는 화물창(cargo)이 구비되어 있어야 하는데, 액화천연가스는 대략 영하 163℃정도의 비등온도를 갖기 때문에 이러한 액화천연가스를 안전하게 보관하고 저장하기 위해서는 이를 보관 및 저장하는 화물창이 초저온에 견딜 수 있는 재료, 예를 들면, 알루미늄강, 스테인리스강, 35% 니켈강 등으로 제작되어야 하며, 기타 열응력 및 열수축에 강인하고, 열침입을 막을 수 있는 구조로 설계되어야 한다.

이에 따라, 화물창은 예를 들면, 구형 타입(spherical type), 멤브레인 타입(membrane type) 등으로 제조되는데, 멤브레인 타입의 화물창은 구형 타입의 화물창보다 선적용량이 크고, 제작이 간편하여 현재 가장 널리 사용되고 있다.

종래 기술에 따른 액화천연가스 운반선, 부유식 생산저장 선박 또는 부유식 설비는 도 1에 도시된 바와 같이, 화물창(100)에 액화천연가스를 선적(loading) 또는 하역(unloading)시키기 위한 화물창 액체 라인을 포함한 배관망(101)을 가지고 있다.

또한, 종래의 선박 또는 부유식 설비는 배관망(101)의 일측에 연결되어 액화천연가스를 화물창(100)의 외부로 하역시키도록 펌프(104)를 구비한 언로딩 컬럼(103)과, 배관망(101)의 타측에 연결되어 액화천연가스를 화물창(100)의 내부로 선적시키는 수직 배관인 로딩 컬럼(102)을 구비하고 있다. 로딩 컬럼(102)은 배관망(101)으로부터 수직 하향으로 결합되어 화물창(100)의 내부의 저부쪽으로 연장되어 있다.

여기서, 종래의 선박 또는 부유식 설비의 경우에는 화물창(100)내 액화천연가스의 선적을 위한 배관망(101) 또는 그의 로딩 컬럼(102)에는 배관 또는 컬럼 내부 압력 조절을 위한 장치를 구비하고 있지 않는다.

또한, 배관망(101)에 연결된 로딩 컬럼(102)의 출구단과 화물창(100)내의 액화천연가스가 직접 맞닿아 있으므로, 배관 또는 컬럼 내부 압력은 화물창(100)내의 액화천연가스의 액주 높이에 영향을 받게 된다.

선적을 위한 배관망(101)의 수직 배관인 로딩 컬럼(102)의 경우에는, 화물창(100) 내의 액화천연가스의 액주가 낮을 경우, 액주 높이에 따른 정압의 변화 및 유동 가속에 의하여 로딩 컬럼(102)내에 기포(cavity)가 발생할 확률이 상당히 높아지게 된다.

이 경우에는 단상 유동(single phase flow)이 아니라 기포가 포함된 2상 유동(two phase flow)의 형태로 액화천연가스가 이송될 수 있다.

그럴 경우, 해당 배관망(101)내의 압력 변동에 의하여 캐비테이션(cavitation) 혹은 플래싱(flashing)등의 배관망(101) 시스템에 좋지 않은 영향을 미치는 현상들이 발생될 수 있다.

이러한 현상들은 실제 화물창(100) 내의 액화천연가스의 액주 높이가 낮을 경우의 이송(transferring), 순환(circulation), 모드 변경(mode change)등의 시스템 운용에서 빈번하게 보여진다.

또한 이러한 현상은 화물창(100)의 저장탱크 내부로의 초기 선적시에도 발생될 수 있고, 이에 따라 더 많은 과도한 기체 발생으로 이어질 수도 있다.

예컨대 종래 기술에 따른 초기 선적시, 화물창(100)의 상부에서 배관망(101)을 따라 흐르던 액화천연가스는 로딩 컬럼(102)의 내측 상부에 다다랐을 때, 중력에 의해 가속을 받으면서 로딩 컬럼(102)을 따라 하향으로 급속하게 유동을 하게 된다.

이로 인하여 로딩 컬럼(102) 내측 상부에서는 액화천연가스의 압력이 대기압 이하로 감소되고, 결국 액화천연가스에서 다량의 기포가 발생 및 증가될 수 있다.

이렇게 발생되거나 증가된 기포는 화물창(100) 내에 그대로 노출 되므로 초기 선적시에 화물창(100) 내에 많은 기체 가스가 발생하게 되어 화물창(100)의 압력을 높이므로, 별도의 기체 가스 처리를 위한 설비의 설치 또는 운용 비용이 요구되거나, 액화천연가스 선적 관리 및 운용에 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다.

이에 따라, 본 실시예의 일 측면에 따르면, 적하 배관의 하부쪽 끝단부에 다이어프램(diaphragm) 부재를 설치하여, 화물창 내부에 액화천연가스가 채워짐에 따라 변화되는 온도에 의하여 적하 배관 끝단부의 유로의 개폐량을 조절하여, 초기 선적시 적하 배관을 비롯한 배관망 내부의 압력을 대기압 이상으로 증가시킬 수 있어서 증기 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예는 열전달이 가능한 수직 배관 형태를 가지며, 액화천연가스를 충진하도록 화물창 내부에 배치된 적하 배관과, 상기 적하 배관의 끝단부 내측에 마련되며, 상기 적하 배관의 열이 전달되고, 액화천연가스의 액주 높이가 상승될 때, 부피가 점진적으로 감소되어 적하 배관의 유로를 점진적으로 넓히는 다이어프램 부재를 포함하는 액화천연가스 선적 배관 장치를 제공할 수 있다.

또한, 다이어프램 부재는 천연가스 또는 메탄올을 포함한 작동유체가 충진되어 있고 상기 적하 배관의 끝단부에 쌍으로 마련된 몸체부를 포함할 수 있다.

또한, 다이어프램 부재는 상기 적하 배관을 통해 지속적으로 열이 전달되어 급격한 다이어프램 부재의 부피 변화가 방지되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 화물창의 온도 상승에 따라 다이어프램 부재의 유체 부피가 증가되는 단계와, 상기 다이어프램 부재의 확장에 따라 부재쪽 유로가 축소되는 단계와, 상기 화물창에 액화천연가스가 선적되는 단계와, 상기 화물창의 온도 하강에 따라 상기 다이어프램 부재의 유체 부피가 점진적 감소되는 단계와, 상기 다이어프램 부재의 축소에 따라 부재쪽 유로가 점진적 확대되는 단계와, 액화천연가스 선적 완료 후 상기 다이어프램 부재가 원래 축소된 형태로 복원되는 단계를 포함하는 액화천연가스 선적 배관 장치를 이용한 선적 방법을 제공할 수 있다.

또한, 화물창에 액화천연가스가 선적되는 단계에서는 상기 다이어프램 부재의 확장에 따라 상기 액화천연가스가 공급되는 배관망및 적하 배관의 내부 압력이 대기압 이상으로 증가될 수 있다.

또한, 다이어프램 부재는 상기 적하 배관을 통해 지속적으로 열이 전달되어 급격한 다이어프램 부재의 부피 변화가 방지될 수 있다.

본 발명은, 선적 전 화물창 온도가 상대적으로 높을 때 적하 배관의 하부쪽 끝단부에 설치된 다이어프램(diaphragm) 부재가 팽창하여 적하 배관의 유로의 크기를 축소시킬 수 있고, 이런 상태에서 액화천연가스가 배관망 및 적하 배관을 통해 충진됨에 따라, 자연적으로 적하 배관 및 배관망 내부에서 대기압 이상의 압력을 가질 수 있게 된다.

이때, 액화천연가스의 선적을 위한 육상 기지에서 전송하는 압력은 액화천연가스가 미리 정한 범위 내에서 화물창을 채운 경우의 압력을 고려하고 있기 때문에, 초기에 이렇게 관내의 압력을 유지하는 것은 선적에 별 다른 영향을 주지 않으면서 액화천연가스가 적하 배관 내에서 2상 유동으로 변화되는 것을 방지할 수 있게 해줄 수 있다.

따라서 본 실시예는 화물 선적시에 발생되는 화물창 내의 기체 발생량의 감소 및 순환 혹은 액화천연가스 이송 등에서 발생 될 수 있는 기포에 의한 부작용을 완화하는데 많은 기여를 할 수 있다.

도 1은 종래의 로딩 컬럼을 갖는 액화천연가스 화물창을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 다이어프램 부재가 구비된 적하 배관을 갖는 액화천연가스 화물창을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 적하 배관의 끝단부에 설치된 다이어프램 부재가 조절되는 것을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 적하 배관의 끝단부에 설치된 다이어프램 부재를 이용하여 액화천연가스를 선적하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 다이어프램 부재가 구비된 적하 배관을 갖는 액화천연가스 화물창을 예시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 액화천연가스 화물창(200)에 액화천연가스를 선적하기 위한 선적 배관 장치는 화물창(200)의 배관망의 리퀴드 메인 헤드(201)에 연결되고 화물창(200) 내부에 배치된 부분을 지칭하는 적하 배관(202)과, 이런 적하 배관(202)의 하부쪽 끝단부에 설치된 다이어프램 부재(206)를 포함할 수 있다.

적하 배관(202)은 열이 전달되는 수직 배관 형태의 파이프라인(heat pipe line)을 포함할 수 있고, 액화천연가스 화물창(200)의 내부에 배치될 수 있다.

액화천연가스는 선적항 등의 터미널에 마련된 선육간 연결 장치를 통해 선박 또는 부유식 설비의 배관망과, 화물창(200) 내부에 배치된 적하 배관(202)을 통해 화물창(200) 내부로 유입될 수 있다.

여기에서, 적하 배관(202)이 화물창(200)의 상부 열을 하부로 전달하는 역할을 담당할 수 있다.

이를 통해 적하 배관(202)은 다이어프램 부재(206)에 지속적으로 열을 전달하여 이를 구성하는 다이어프램의 급속한 부피 변화를 방지할 수 있다.

그리고, 다이어프램(diaphragm) 부재(206)는 그의 내부에 액화천연가스와 유사한 온도 특성을 갖는 작동유체(예를 들면, 천연가스(NG), 메탄올)를 충진한 구조물을 적하 배관(202)의 끝단부에 쌍으로 마련하여 액화천연가스의 선적시 유로의 크기 또는 배관 내경 사이즈를 조절할 수 있다.

즉, 액화천연가스의 선적 전, 화물창(200)이 비어 있는 경우에는 화물창(200)의 온도는 상승할 수 있다.

이런 경우, 온도 증가에 따른 다이어프램 부재(206) 내부의 작동유체 팽창으로 인하여, 다이어프램 부재(206)가 원래 축소된 상태에서 확장 상태가 되어, 적하 배관(202)의 끝단부측 유로의 직경을 작게 축소시켜 줄 수 있다.

이후, 액화천연가스가 선적될 경우, 유로 축소에 따라 적하 배관(202)을 비롯한 배관망 내부의 압력이 대기압 이상으로 증가될 수 있다.

계속된 액화천연가스의 선적에 따라, 화물창(200)의 내부에서는 액주 높이가 증가하고, 이와 함께 화물창(200) 내부의 온도가 하강될 수 있다.

이때, 적하 배관(202)의 상부는 액화천연가스와 직접적으로 맞닿아 있지 않기 때문에, 적하 배관(202)의 상부측 열이 적하 배관(202)의 하부쪽으로 계속 전달될 수 있다.

결과적으로, 다이어프램 부재(206)의 확장 상태는 급격하게 축소되지 않고, 화물창(200)의 내부 온도 하강과 함께 액주 높이 상승에 따라 점진적으로 축소될 수 있게 된다.

즉, 다이어프램 부재(206)의 내부의 작동유체의 부피 감소는 액화천연가스의 충진이 진행되는 동안 점진적으로 이루어질 수 있다.

이후, 화물창(200)에 액화천연가스가 가득차게 되면 다이어프램 부재(206)는 원래의 형태로 돌아오게 되고, 유로 크기도 원래 사이즈가 될 수 있다.

이러한 과정을 통해서, 액화천연가스 선적 초기, 적하 배관(202) 내부의 압력이 대기압 이상으로 상승될 수 있다.

또한, 충진이 지속적으로 이루어질 경우에, 화물창(200) 내의 액주 높이가 높아짐에 따라 적하 배관(202)에 작용할 압력이 증가됨으로, 결과적으로 적하 배관(202) 내부의 압력은 지속적으로 대기압 이상으로 유지될 수 있다.

즉, 다이어프램 부재(206)은 액화천연가스의 선적 초기, 화물창(200) 내의 액주 높이가 매우 낮아 배관망 또는 적하 배관(202)의 내부 압력이 대기압 이하로 되는 것을 방지하기 위한 용도로 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 선적 배관의 끝단부에 설치된 다이어프램 부재가 조절되는 것을 개략적으로 예시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 다이어프램 부재(206)는 그의 내부에 앞서 언급한 작동유체를 충진한 구조물 형상으로 적하 배관(202)의 끝단부에 쌍으로 마련된 확장 몸체부(206a, 206b) 또는 축소 몸체부(206a', 206b')를 가질 수 있다.

만일, 액화천연가스가 화물창에 선적되기 전이라면, 화물창의 온도는 액화천연가스를 저장할 때보다 상대적으로 높게 유지될 수 있다.

도 3의 좌측과 같이, 다이어프램 부재(206)는 확장 몸체부(206a, 206b)를 가질 수 있다.

이후, 액화천연가스가 화물창에 충진을 시작하여, 액화천연가스와 다이어프램 부재(206)가 직접적으로 접촉할 수 있다.

다이어프램 부재(206)는 상대적으로 온도가 높은 적하 배관(202)의 상부로부터 열을 계속적으로 전달받을 수 있기 때문에 곧바로 축소되지 않을 수 있다.

또한, 액화천연가스 화물창에 선적되는 액화천연가스는 초기에 매우 낮은 액주 높이를 가질 수 있고, 이로 인해 일측 몸체부(206a)와 타측 몸체부(206b)의 부피가 확장된 상태로 유지될 수 있어, 적하 배관(202)의 유로를 작게 만듦과 함께 적하 배관(202) 및 배관망의 내부 압력을 증가시킬 수 있다.

액화천연가스 화물창에 선적되는 액화천연가스가 점점 더 높은 액주 높이를 가질 수 있고, 화물창 내부 온도가 점차적으로 내려갈 수 있다.

그럴 경우 도 3의 우측과 같이, 다이어프램 부재(206)는 곧바로 축소되지 않는 대신, 적하 배관(202)의 상부로부터 열을 전달받는 비율에 따라 점진적으로 축소되어서, 결국 축소 몸체부(206a', 206b')가 될 수 있다.

특히, 화물창의 액주 높이가 높아짐에 따라 다이어프램 부재의 부피 감소에 따른 적하 배관(202)의 유로가 점진적으로 증가하기는 하나, 증가되는 적하 배관(202) 끝단에서의 액화천연가스의 수두압으로 인하여, 결과적으로 적하 배관(202) 및 배관망의 내부 압력도 지속적으로 대기압 이상으로 유지될 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 액화천연가스 선적 배관 장치를 이용한 선적 방법에 대해서 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 선적 배관의 끝단부에 설치된 다이어프램 부재를 이용하여 액화천연가스를 선적하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.

도 4를 참조하면, 원래의 다이어프램 부재의 형태는 거의 플랫하게 축소된 상태이고, 그러한 원래의 다이어프램 부재쪽 유로의 크기도 선적 배관의 유로의 크기와 유사한 상태로 형성되어 있을 수 있다.

이런 상태에서, 액화천연가스 선적 전 화물창이 비어 있는 경우, 화물창의 온도가 상승됨에 따라, 화물창의 적하 배관의 하부쪽 끝단부에 설치된 다이어프램 부재의 유체 부피가 증가할 수 있다(S402). 여기서, 다이어프램 부재의 유체란 앞서 언급한 작동유체를 의미할 수 있다.

이런 경우, 다이어프램 부재의 확장을 유발함에 따라 부재쪽 유로가 축소될 수 있다(S404).

이런 상태에서, 액화천연가스의 화물창 선적이 시작될 수 있다. 즉 선적항의 터미널에 마련된 선육간 연결 장치를 통해 액화천연가스가 배관망 및 적하 배관을 통해 이송된 후, 적하 배관의 하부쪽 끝단부의 다이어프램 부재의 내경을 지나 화물창 내부로 유입될 수 있다(S406).

특히, 다이어프램 부재쪽 유로가 축소되어 있으므로, 액화천연가스 선적 초기에도 배관망 및 적하 배관의 액화천연가스의 압력이 대기압 이상으로 증가될 수 있고, 결국 액화천연가스의 기포 발생을 억제할 수 있다.

이렇게 액화천연가스가 화물창내에 채워지기 시작하면, 화물창 온도 하강에따라 다이어프램 부재의 유체 부피가 점진적으로 감소할 수 있게 된다(S408).

이러한 유체 부피의 감소량은 화물창에 액화천연가스의 충진이 진행되는 동안 점점 증가하게 된다. 이에 따라, 다이어프램 부재가 축소되어, 부재쪽 유로가 점진적으로 확대될 수 있다(S410).

액화천연가스 선적 완료 후, 다이어프램 부재가 원래 축소된 형태로 복원될 수 있다(S412).

특히, 화물창의 액주 높이가 높아짐에 따라 화물창 내부 압력이 증가되고,이로 인하여 적하 배관(202)의 유로가 점진적으로 커짐에도 불구하고, 상기 증가된 화물창 내부 압력이 적하 배관(202) 내부에 작용하여, 결과적으로 적하 배관(202) 및 배관망의 내부 압력도 지속적으로 대기압 이상으로 증기 발생을 억제시킬 수 있는 정도의 적정 압력 크기로 유지될 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예를 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

200 : 화물창 201 : 리퀴드 메인 헤드
202 : 적하 배관 206 : 다이어프램 부재

Claims (6)

1. 열전달이 가능한 수직 배관 형태를 가지며, 액화천연가스를 충진하도록 화물창 내부에 배치된 적하 배관과,
   상기 적하 배관의 끝단부 내측에 마련되며, 상기 적하 배관의 열이 전달되고, 액화천연가스의 액주 높이가 상승될 때, 부피가 점진적으로 감소되어 적하 배관의 유로를 점진적으로 넓히는 다이어프램 부재를 포함하는
   액화천연가스 선적 배관 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다이어프램 부재는
   천연가스 또는 메탄올을 포함한 작동유체가 충진되어 있고 상기 적하 배관의 끝단부에 쌍으로 마련된 몸체부를 포함하는
   액화천연가스 선적 배관 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 다이어프램 부재는
   상기 적하 배관을 통해 지속적으로 열이 전달되어 급격한 다이어프램 부재의 부피 변화가 방지되도록 형성되어 있는
   액화천연가스 선적 배관 장치.
   
4. 화물창의 온도 상승에 따라 다이어프램 부재의 유체 부피가 증가되는 단계와,
   상기 다이어프램 부재의 확장에 따라 부재쪽 유로가 축소되는 단계와,
   상기 화물창에 액화천연가스가 선적되는 단계와,
   상기 화물창의 온도 하강에 따라 상기 다이어프램 부재의 유체 부피가 점진적 감소되는 단계와,
   상기 다이어프램 부재의 축소에 따라 부재쪽 유로가 점진적 확대되는 단계와,
   액화천연가스 선적 완료 후 상기 다이어프램 부재가 원래 축소된 형태로 복원되는 단계를 포함하는
   액화천연가스 선적 배관 장치를 이용한 선적 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 화물창에 액화천연가스가 선적되는 단계에서는
   상기 다이어프램 부재의 확장에 따라 상기 액화천연가스가 공급되는 배관망 및 적하 배관의 내부 압력이 대기압 이상으로 증가될 수 있는
   액화천연가스 선적 배관 장치를 이용한 선적 방법.
   
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 다이어프램 부재는
   상기 적하 배관을 통해 지속적으로 열이 전달되어 급격한 다이어프램 부재의 부피 변화가 방지되는
   액화천연가스 선적 배관 장치를 이용한 선적 방법.

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