KR20010049264A - 액화 가스를 저장 또는 수송하기 위한 냉각 탱크의 보존방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액화가스를 저장 또는 수송하기 위한 냉각탱크의 보존방법에 관한 것으로, 탱크(10) 내의 액화된 가스의 일부를 펌핑(18)에 의해 추출하고, 추출된 액화 가스는 열 교환 시스템(22)에서 반냉각 시킨 다음, 반냉각 된 액화 가스를 탱크에 선택적으로 재주입하는 액화 가스의 저장, 수송을 위해 적어도 하나의 탱크의 냉각을 유지하는 방법으로서, 이 장치에 추가로 포함되는 탱크 내의 증기(16)의 일부는 역시 간헐적으로 추출되고, 이러한 방식으로 추출된 증기는 압축기(36)에서 압축되고, 추출된 압축 공기는 열 교환 시스템에서 완전히 액화되고 반냉각 되는 혼합물을 형성하도록 추출된 액화 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 액화가스 저장 및 수송을 위한 냉각탱크의 보존방법과 그 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 일반적인 액화 가스의 저장 및 수송에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화 가스를 저장 또는 수송하기 위한 냉각 탱크의 보존 방법 및 그 방법을 실현하기 위한 장치에 관한 것이다.
액체 상태의 특정 가스를 극저온과 대기압에 가까운 압력 하에서 저장, 수송하는 것은 종래에도 알려져왔으나, 불행하게도, 액화된 가스를 저장하고 수송하는 탱크는 완벽하게 격리되어 있지 않기 때문에 열 누출의 근원이 되어왔다. 이는 액체를 증발시킴으로써 탱크 내부의 압력은 증가되고, 이와 같은 현상은 빠르게 받아들일 수 없게 되어 증발된 가스를 배출시키게 된다.
그리하여, 액화 가스를 수송하면서 증발에 관한 문제점이 가져야 하는 여러가지 해결책이 고려되어야 한다. 따라서, 증기 추진기가 장착된 메탄 탱커에서, 증발된 가스는 저장 탱크로부터 가열되고, 적절한 기어링을 통해 배의 추진기를 구동하기 위한 증기 회로로 동력을 직접 전달하기 위해 보일러 내에서 연소된다.
그러나, 증기 추진기는 오늘날 디젤 추진기와 같이 보다 큰 에너지 효율을 제공하는 추진 방법으로 점점 대체되어가고 있다. 또한, 다른 방식으로 증발을 제거하는 장치들에 의해 배의 추진기와는 독립적으로 증발 가스를 처리하고자 하는 여러 가지 프로젝트가 존재하게 된다.
예를 들면, 증기를 다시 액화시키고, 그것이 탱크에 다시 재주입되는 것은 공지되고 있다. 그러나, 그 기술은 저장, 수송되는 액화 가스가 순수하지 않을 때 더 복잡하고 고비용인 재액화 유니트의 사용을 필요로 하므로, 일반적으로 증기는 특수 처리되어야 하고, 대기 중으로 파지되어야 할 필요가 있는 응축 불가능한 성분을 포함하므로 안전성 및 환경 보호 차원에서 많은 결점을 가지게 된다.
이를 해결하기 위하여 증발된 가스를 재액화시키지 않고, 액화된 가스를 직접 냉장시키는 방법이 알려져 있다. 미합중국 특허 제3,918,265호는 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 방식으로 탱크를 차갑게 유지하는 데 적절한 장치를 예시하고 있다. 도 3을 참조하면, 액화된 가스가 탱크(50) 밖으로 퍼내어지고, 이러한 방식으로 추출된 액화 가스가 1개 이상의 열 교환기(54 및 56)에서 반냉각되고, 그후 탱크(50)에 재주입되며, 가능하면 다른 탱크(52)에 재주입되는 시스템이 도시되어 있다. 즉, 밸브(58, 60, 62 및 64)는 각각 장치를 통해 흐르는 여러 가지 유체를 조절하는 작용을 한다.
그 해결책은 액화된 가스 압력의 느린 증가를, 즉, 장기간에 걸친 증가를 조절하는 데 있다 (그러한 압력 증가는 LNG에 대해 약 10 mbar/h로 평가될 수 있음). 그러나, 이는 초기에 불량한 열 동력학적 평형 상태에 있는 탱크에 삽입된 액화 가스로 인해 또는 불량하게 냉각된 탱크로 인해 압력의 신속한 증가를 제거하는 데 불충분한 것으로 밝혀졌다.
보다 상세하게는, 액화 가스를 바다에서 수송할 때(예, 배 위의 LNG 탱커), 난해한 항해 조건이 순간적인 증발을 유도하여 10 mbar/분만큼의 압력을 신속히 증가시킨다.
본 발명의 목적은 액화 가스를 저장 및 수송하기 위한 냉각 탱크의 보존방법을 제공함으로써 상기 결점을 완화시키는 것으로, 이 방법은 압력의 느린 상승 및 신속한 상승 모두를 적절하게 제어한다. 본 발명의 목적은 그 방법을 구현하기 위한 장치를 제공하는 것으로, 그 장치는 간단하고 매우 저렴하여 현재 알려진 장치들보다 오염에 관한 피해가 적다.
도 1은 본 발명에 따른 액화 가스의 저장 또는 수송 장치의 원리를 나타내는 도면,
도 2는 도 1의 장치의 변형 실시예를 보여주는 도면,
도 3은 액화 가스 탱크에서 느린 압력 상승을 조절하는 데 적절한 선행 기술의 장치를 보여주는 도면.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10, 40: 탱크 12: 액체
16: 가스 20: 고우 파이프
22: 열 교환기 24: 귀환 파이프
30: 용적계 31, 32: 밸브
36: 압축기 48: 덕트
이 때문에, 본 발명은 액화 가스를 저장 또는 수송하기 위해 적어도 하나의 탱크에서 냉각을 유지하는 방법을 제공하는 것으로, 탱크 내의 액화된 가스의 일부는 펌핑에 의해 추출되고, 이어서, 이러한 방식으로 추출된 액화 가스는 열 교환기 시스템에서 반냉각시키고, 이러한 방식으로 반냉각시킨 액화 가스는 탱크에 선택적으로 재주입되는 방법에 의해서, 탱크 내의 증기 일부는 간헐적으로 추출되고, 추출된 증기는 압축기에서 압축되며, 이러한 방식으로 압축된 추출 공기는 열 교환 시스템에서 완전액화되고 반냉각되는 혼합물을 형성하도록 추출된 액화 가스를 주입시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는 주로 액체인 냉각용 유체를 수용하도록 고안된 열 교환 시스템이 사용된다.
열 교환 시스템으로 주입되는 압축된 액체 가스 혼합물은 50 내지 100 몰% 범위, 바람직하게는 70 내지 100 몰% 범위의 액체 함량을 갖는다.
증기는 압축된 후에 액화 가스의 플로우에 주입함으로써 압력 상승이 서서히 이루어지거나 또는 신속히 이루어지는 지와는 무관하게 제어할 수 있다.
본 발명방법은 복수개의 탱크를 포함하는 세트에 적용될 수 있다. 그러한 상황 하에, 압축된 액체/가스 혼합물이 1개 이상의 탱크로부터 취해지고, 열 교환 시스템에서 완전히 액화되고 반냉각시킨 후, 적어도 하나의 탱크로 재주입시킨다.
또한, 본 발명은 첫째로 액체(LIQ) 및 가스(BOG)를 함유하는 적어도 하나의 액화 가스 탱크 및 둘째로 입구가 펌핑 시스템 및 액체 배출 파이프를 통해 탱크의 액체 레벨과 소통하고, 출구가 조절 밸브를 통해 통과한 후 탱크와 소통하는 열 교환 시스템을 포함하는 방법을 구현하는 장치를 제공하는 것으로, 이 장치는, 완전히 액화되고 반냉각된 혼합물이 탱크에 재주입되어 그의 내용물을 냉각시킴으로써 압력 상승을 제어하는 방식으로, 가스 레벨에서 탱크와 소통하는 입구를 갖고 그의 출구는 주입기 시스템을 통해 입구에서 열 교환기로 액체 배출 파이프와 소통하는 압축기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 유리하게도, 열 교환 시스템은 주로 액체인 냉각용 유체를 수용하도록 고안된 열 교환기를 포함한다.
바람직하게는, 열 교환 시스템에 주입되는 압축된 액체 가스 혼합물은 50 내지 100 몰% 범위, 바람직하게는 70 내지 100 몰% 범위의 액체 함량을 갖는 것이 바람직하다.
열 교환 시스템은 가스상 질소 또는 탱크로부터 나오는 기체의 혼합물과 같이 그 곳을 통과하는 냉각 유체를 가질 수 있다. 유리하게도, 이 시스템은 주입된 압축 액체/가스 혼합물을 1℃ 내지 20℃, 바람직하게는 3℃ 내지 17℃ 만큼 냉각시키도록 구성된다.
열 교환 시스템으로부터 나오는 완전히 액화되고 반냉각된 혼합물은 가스(BOG) 및/또는 액체(LIQ) 상태로 재주입된다.
본 발명의 냉각 탱크 장치에 있어서, 완전히 액화되고 반냉각된 혼합물을 탱크로 복귀시키기 위한 귀환 파이프에 배설한 중간 저장 용적계는 열 교환 시스템의 출구와 조절 밸브 사이에 위치한다.
본 발명에 사용되는 액화 가스는 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스(LPG), 암모니아, 수소 등과 같이 주변 온도보다 더 낮은 온도에서 액체상태로 구입할 수 있는 가스로 구성될 수 있다. 본 발명은 예를 들면 천연 가스 또는 수소와 같이 15℃의 표준 온도에서 또는 어떤 압력에서든지 액체 형태로 입수할 수 없는 가스들에 대해 특히 유리한 방식으로 적용될 수 있다.
액화 가스가 액화 석유 가스(LPG)로 구성될 때, 열 교환 시스템은 프로필렌, 프레온, HCFC, 또는 탱크로부터 나온 기체와 같은 냉각 유체로 구성된다.
본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하고, 비제한적인 지시에 의해 제공된 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 수 있다.
도 1은 액화된 천연 가스(LNG)의 액화 가스를 저장 또는 수송하기 위한 본 발명에 따른 장치를 보여준다. 이 장치는 액체(12) 및 가스를 함유하는 탱크(10)를 가지며, 통상적인 방식으로, 이 탱크는 내부에 저장된 액체 및 가스가 열 누출을 제한하기 위한 여러 가지 열 절연 구조물을 가진다. 액체 분리 표면(14) 상에는 증기 또는 "연료 증발 가스(BOG)"로 구성된 저장 가스를 함유하는 추가의 공간(16)이 존재한다. 펌핑시스템(18)은 탱크 내부에 액체(12) 중에서, 실질적으로 그의 하위 부분에(탱크의 바닥) 배치되지만, 탱크(10) 외부를 포함하여, 액체를 배출하기 위한 고우 파이프(20)의 제 1 단부에 접속되고, 그의 다른 단부가 예를 들면 가스상 질소 또는 탱크로부터 나오는 기질의 혼합물과 함께 제 2 입구와 제 2 출구 사이를 통해 통과하는 냉각 유체(냉장 유체)를 갖는 열 교환기(22)의 제 1 입구에 접속되는 일부 다른 위치에 놓일 수도 있다. 열 교환기(22)로부터 제 1 출구는 제 2 단부가 조절 밸브(26)를 통해 통과한 후 탱크로(탱크가 충전되는 특정 레벨에 따라, 액체 및/또는 증발 가스로) 들어가게 되는 귀환 파이프(24)의 제 1 단부와 접속하게 된다.
본 발명에서, 이 장치는 가스(16)로서, 실질적으로는 그의 상부 위치에서(탱크의 상부) 탱크(10) 내부와 소통하는 한쪽 단부를 갖고, 그의 다른 단부가 밸브(31)를 통해 통과한 후 압축기(36)의 입구와 접속되는 제2 파이프(34)를 추가로 포함한다. 압축기(36)는 냉각 시스템에 연결될 수 있다. 압축기(36)의 출구는 액체를 배출하기 위해 주입기 시스템(35)을 통해 파이프(20)와 소통한다.
조절 밸브(26 및 31), 및 압축기(36)는 모두 적절한 조절기(28)에 의해 제어됨으로써 액체가 탱크로 재주입되고, 가스(16)의 간헐적인 배출은 액체(12) 및 증기(16)의 가열원인인 열 유출에 맞서는 재주입된 액체의 반냉각에 따라 탱크 내부의 압력이 조절되게 된다. 중간저장 용적계(30)는 냉각된 액체를 역으로 공급함으로써 장치를 작동시키는 데 보다 큰 유연성을 제공하도록 열교환기(22)로부터 출구와 조절 밸브(26) 사이의 탱크(10)로의 뒷 길의 귀환 파이프(24) 상에 위치할 수 있게 된다. 또한, 밸브(32)를 부가함으로써 필요할 경우, 중간 저장 용적계(30)에 함유된 증기를 추출할 수 있게 된다.
본 발명 장치에 의해 구현되는 방법은 먼저 외부 냉장 시스템으로부터 나온 냉각 액체에 의해 반냉각되는 경우 고우 파이프(20)에 의해 열 교환기(22)로 전달되는 액체(12)의 일부를 추출하기 위해 펌프(18)를 사용하는 것으로 이루어진다. 열 교환기로부터 출구에서, 반냉각된 액체는 귀환 파이프(24)에 의해 탱크(10) 쪽으로 전달되어 액체가 용적계(30)에 직접적으로 또는 임의의 중간 저장 후에 선택적으로 재주입된다. 냉각된 액체의 이러한 순환은 느린 압력 상승을 제어하기 위해 매우 단순한 방식으로 작용한다. 따라서, 예를 들면, 135,000 m3의 용량을 갖고, 비교적 큰 질소 함량(액체로 약 1.2 몰%)을 갖는 LNG를 수송하는 메탄 탱커를 위해, 이 탱크는 1℃ 내지 20℃ 범위(바람직하게는 3℃ 내지 17℃ 범위)로 놓인 양만큼 반냉각된 수백 m3/h의 LNG의 플로우에 의해 냉각 유지될 수 있다. 보다 정확하게는, 탱크에 액체를 재주입하기 전에 11℃ 만큼 반냉각된 150 m3/h의LNG가 대기 중으로의 임의의 배출 없이 장기간 동안 탱크를 냉각 유지시키는 기능을 잘 수행한다. LNG를 순환시키는 속도는 1개 이상의 재순환 펌프(분무 펌프)에 의해 또는 가능하게는 메탄 탱커가 장착된 종래 유형의 언로딩 펌프들 중의 하나를 사용함으로써 간단히 얻어질 수 있다.
불행하게도, 액체의 이러한 재순환은 빠른 압력 상승을 자력으로 제어하는 데는 충분치 못하다. 상기 방법은 증발 가스(BOG 16)의 일부가 간헐적으로 추출되고, 순차로 열 교환기(22)에서 냉각된 후 고우 파이프(20) 내에서 순환하는 LNG 플로우로 주입기 시스템(35)을 통해 압축된 후(압축기(36) 내에서) 재주입되는 점에서 개선되었다. 열 교환기로 도입되는 플로우는 가스 플로우가 LNG 플로우에 완전히 희석된 경우 액체의 플로우이거나 또는 보다 일반적으로는 주요 액체 함량이 50 내지 100몰% 범위, 보다 바람직하게는 70 내지 100몰% 범위로 놓인 액체 및 증기의 플로우이다. 그러한 상황하에, 열 교환기는 단순한 구조이기는 하나, 소량의 증기가 존재하기 때문에 당연히 2상 열 교환기이다. 따라서, 메탄 탱커의 상기 예로 돌아가서, 10mbar/분의 압력 상승에 거스르는 것이 2,800kg/h의 BOG의 플로우를 150 m3/h의 액체의 플로우에 주입하는 것에 상당하는 것을 알 수 있다. 그의 액체 함량이 98몰%인 혼합물이 완전히 액화되고 13℃ 만큼 냉각된 열 교환기에 주입하고, 그 후 -177℃의 온도에서, 즉 대기압에서 메탄의 결정 온도인 약 -182.6℃보다 더 높은 온도에서 탱크로 재주입한다.
본 발명의 구조에 따라, 대기 중으로 임의의 침해되는 쓰레기의 덤핑 없이 탱크("벌크") 내의 조합된 액체 및 증발된 가스에 의해 우수한 열 교환이 얻어진다. 또한, 배 위에서 사용하는 데 필요한 장비는 상기한 바와 같이 배에 현존하는 장비, 특히 펌프 또는 압축기를 사용할 수 있기 때문에 매우 저렴하다.
도 2는 본 발명의 방법이 탱크 세트에 적용될 수도 있는 것을 나타내는 도 1의 장치의 예를 나타낸다. 충족된(98%) 제 1 탱크 다음에, 거의 비어있고, 액체를 함유하는 구역(42), 액체/증기 분리 표면(44) 및 가스를 함유하는 구역(46)을 갖는 제2 탱크(40)를 볼 수 있다. 2개의 탱크 사이에 있는 덕트(48)는 가스를 함유하는 2개의 구역을 소통시킨다. 제2 탱크는 거의 비어있기 때문에, 반냉각된 압축된 액체/가스 혼합물이 이러한 탱크(40) 내의 가스로 반드시 재주입되는 것을 관찰하게 될 것이다.
도시된 모든 실시예는 액화된 천연 가스(LNG)를 저장하는 것과 특히 관련되지만, 본 발명은 주변 온도보다 더 낮은 온도에서 액체 형태로 입수할 수 있는 임의의 유형의 가스, 예를 들면 액화 석유 가스(LPG), 암모니아, 수소 등에 대해 구현될 수 있음을 관찰하게 될 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에서는 액화가스를 저장 및 수송하기 위한 냉각탱크의 보존방법을 제공함으로써, 압력의 느린 상승 및 신속한 상승에 대해 각각 적합한 제어가 이루어질수 있도록 하며 이에 따라 증발된 액화가스를 대기중에 방출하지 않고 재활용 할 수 있게 되므로 환경보호 차원에서도 크게 기여하게 되는 것이다.
Claims (14)
- 탱크(10) 내의 액화된 가스의 일부는 펌핑(18)에 의해 추출하고, 이어서, 추출된 액화 가스는 열 교환 시스템(22)에서 반냉각시킨 다음, 이러한 방식으로 반냉각된 액화 가스를 탱크에 선택적으로 재주입하는 액화가스의 저장 또는 수송 방법에 있어서, 탱크 내의 증기(16)의 일부는 역시 간헐적으로 추출되고, 이러한 방식으로 추출된 증기는 압축기(36)에서 압축되고, 이러한 방식으로 압축된 공기는 열 교환 시스템에서 완전히 액화되고 반냉각되는 혼합물을 형성하도록 추출된 액화 가스로 주입되는 것을 특징으로 하는, 액화 가스를 저장 또는 수송하기 위한 냉각탱크의 보존 방법.
- 청구항 1에 있어서, 주로 액체인 냉각용 유체를 수용하도록 고안된 열 교환 시스템(22)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 냉각탱크의 보존 방법.
- 청구항 2에 있어서, 열 교환 시스템(22)으로 주입되는 압축된 액체/가스 혼합물은 50 내지 100 몰% 범위의 액체함량을 가짐을 특징으로 하는 냉각탱크의 보존방법.
- 청구항 1 내지 3중 어느 한 항에 있어서, 복수개의 탱크(10, 40)의 세트에 적용되고, 압축된 액체/가스 혼합물이 적어도 하나의 탱크(10)로부터 취해지고, 열 교환기 시스템(22)에서 완전히 액화되고 반냉각된 후, 적어도 하나의 탱크(10, 40)로 재주입되는 것을 특징으로 하는 냉각탱크의 보존방법.
- 첫째로 액체(LIQ 12) 및 가스(BOG 16)를 함유하는 적어도 하나의 액화 가스 탱크(10, 40) 및 둘째로 입구가 펌핑 시스템(18) 및 액체 배출 파이프(20)를 통해 탱크의 액체 레벨(LIQ 12)과 소통하고, 출구가 조절 밸브(26)를 통해 통과한 후 탱크(10)와 소통하는 열 교환기 시스템(22)을 포함하는 장치에 있어서, 완전히 액화되고 반냉각된 혼합물이 탱크에 재주입되어 그의 내용물을 냉각시킴으로써 압력 상승을 제어하는 방식으로, 가스 레벨(16)에서 탱크와 소통하는 입구를 갖고 그의 출구는 주입기 시스템(35)을 통해 입구에서 열 교환기(22)로 액체 배출 파이프(20)와 소통하는 압축기(36)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 제1항에 따른 방법을 구현하기 위한 냉각 유지 장치.
- 청구항 5에 있어서, 열 교환기 시스템(22)이 주로 액체인 냉각용 유체를 수용하도록 고안된 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 6에 있어서, 열 교환기 시스템(22)으로 주입되는 압축된 액체/가스 혼합물은 50 내지 100 몰% 범위, 바람직하게는 70 내지 100 몰% 범위의 액체 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 5에 있어서, 열 교환기 시스템(22)은 가스상 질소 또는 탱크로부터나오는 기질의 혼합물 등과 같이 그것을 통과시키는 냉각 유체를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 8에 있어서, 열 교환기 시스템(22)은 주입된 압축 액체/가스 혼합물을 1℃ 내지 20℃ 만큼 냉각시키도록 구성됨을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 5에 있어서, 완전히 액화되고 반냉각된 혼합물을 탱크(10)로 복귀시키기 위한 귀환 파이프(24) 상에 배치된 중간 저장 용적계(30)를 추가로 포함하고, 이 용적계는 열 교환기 시스템(22)으로부터 출구와 조절 밸브(26) 사이에 위치하도록 된 것을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 5에 있어서, 열 교환기 시스템(22)으로부터 완전히 액화되고 반냉각된 혼합물이 그의 액체 레벨(LIQ 12) 및(또는) 그의 가스(16) 레벨로 탱크(10, 40)에 재주입시킴을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 5 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액화 가스는 천연 가스 또는 수소와 같이 15℃의 표준 온도에서 및 어떤 압력에서든지 액체 형태로 입수할 수 없는 가스로 구성됨을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 5 내지 7중 어느 한 항 및 청구항 10 및 11중 어느 한 항에 있어서, 액화 가스가 액화 석유 가스(LPG)로 구성됨을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
- 청구항 13에 있어서, 열 교환기 시스템(22)은 프로필렌, 프레온, HCFC, 또는 탱크로부터 나온 기질 등과 같이 그를 통해 통과하는 냉각 유체로 이루어짐을 특징으로 하는 냉각 유지 장치.
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