KR20160123323A - 액화 연료 가스 저장 탱크 벽체의 불활성화 방법 및 시스템 - Google Patents

액화 연료 가스 저장 탱크 벽체의 불활성화 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성이고 단열된 탱크(1)의 벽체를 불활성화하기 위한 절차와 관련되어 있으며, 여기서 벽체는 2개의 불침투성 배리어들(2, 4)와 하나의 단열 배리어(3)을 포함하는 복층 구조를 가지며, 상기 절차는:
- 단열 배리어(3)의 기상이 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 상대적 압력 아래로 놓여지는 제1 불활성화 모드를 수행하는 단계;
- 제1 불활성화 모드 동안 단열 배리어(3)의 기상의 압력이 상기 문턱 압력 Ps를 초과하는지 감지하는 단계;
- 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 전환하되, 제2 불활성화 모드는 불활성 가스로 단열 배리어(3)를 씻어내기 위한 준비를 하는 단계
를 준비한다.

Description

액화 연료 가스 저장 탱크 벽체의 불활성화 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR INERTING A WALL OF A LIQUEFIED FUEL GAS-STORAGE TANK}
본 발명은 액화 연료 가스를 수용하도록 된 불침투성 단열 탱크의 벽체의 불활성화에 관련되어 있다.
본 발명은 특히 액화 천연 가스(LNG)를 저장하기 위해 사용되는 멤브레인 탱크의 벽체들을 불활성화하는 데에 적용될 수 있다.
액화 천연 가스 저장을 위한 불침투성 단열 탱크는 두께 방향으로 탱크의 안쪽부터 바깥쪽으로 연이어, 액화 천연 가스와 접촉하도록 된 1차 불침투성 멤브레인(membrane), 1차 단열 배리어(barrier), 2차 불침투성 멤브레인, 2차 단열 배리어 및 탱크의 전반적인 형상을 규정하는 하중 지지 구조체를 포함하는 것으로 알려져 있다.
이런 탱크의 불침투성 멤브레인은 탱크의 안쪽으로부터 1차 및 2차 단열 배리어들 쪽으로 액화 천연 가스의 통과를 이끄는 누설이 있을 수 있다. 그러나 연료 가스에 산화 가스가 존재하고, 연료 가스의 농도가 그 폭발 하한(lower explosive limit, LEL) 및 그 폭발 상한(upper explosive limit, UEL) 사이이며, 산화 가스가 적절한 농도 범위에 있을 때, 연료 가스가 점화되어 폭발할 가능성이 있다.
따라서, 사고를 피하기 위해, 단열 배리어들 내에 질소를 순환시킴으로써 불활성 분위기로 단열 배리어들을 유지하는 것이 알려져 있다. 따라서, 단열 배리어들에 존재할 수 있는 연료와 산화 가스가 희석되어 폭발 조건에 도달하지 않는다. 1차 및/또는 2차 불침투성 배리어들을 통한 액화 천연 가스의 누설을 감지하기 위해, 단열 배리어 내의 연료 가스의 농도를 측정할 수 있도록 하는 가스 분석기를 탱크가 장비하도록 하는 대비도 이루어진다.
또한, 상기 단열 베리어들의 단열 특성을 증대시키기 위해, 단열 배리어들 중 하나 및/또는 다른 하나의 기상(gas phase)을 대기압보다 낮은 절대 압력, 말하자면 상대적 음압으로 유지하는 것도 알려져 있다. 이런 절차는 예를 들어 프랑스 특허 출원 FR2535831에 설명되어 있다.
그러나 대부분의 가스 분석기들은 낮은 압력에서 신뢰성 있는 측정값을 제공하지 못한다. 따라서, 단열 배리어의 불활성 특성이 신뢰성 있게 모니터링될 수 있도록, 단열 배리어들 내부의 압력은 최소한의 압력, 일반적으로 80kPa 정도의 압력 위로 유지되어야 한다. 유사하게, 단열 배리어들 내측의 가스의 순환에 대한 유동 속도 역시 최소한의 유동 속도 위로 유지되어야 한다.
따라서, 단열 배리어의 불활성 특성은 낮은 압력으로 유지될 때에는 신뢰성 있게 모니터링될 수 없다.
본 발명의 기저에 있는 한 아이디어는 신뢰성 있고 탱크의 단열 특성을 증대시킬 수 있도록 하는, 액화 연료 가스를 수용하도록 된 탱크의 벽체를 불활성화하기 위한 절차 및 시스템을 제공하는 것이다.
일실시예에 따르면 본 발명은, 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성이고 단열된 탱크의 벽체를 불활성화하기 위한 절차로서, 상기 벽체는 2개의 불침투성 배리어들과 2개의 불침투성 배리어들 사이에 배치된 하나의 단열 배리어를 포함하고, 상기 단열 배리어는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하며, 상기 절차는:
- 단열 배리어의 기상을 문턱 압력 Ps보다 낮은 설정된 상대적 음압 P1 아래로 두기 위한 펌핑 장치를 작동 개시하는 제1 불활성화 모드를 수행하는 단계로서, 상기 문턱 압력 Ps는 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 단계;
- 제1 불활성화 모드 동안 단열 배리어의 기상의 압력이 상기 문턱 압력 Ps를 초과하는지 감지하는 단계;
- 문턱 압력 Ps를 초과하는 단열 배리어의 기상의 압력의 감지에 응답하여 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 전환하되, 제2 불활성화 모드는 단열 배리어를 불활성 가스로 씻어내기 위해 준비하는 단계
를 준비하는 벽체 불활성화 절차를 제공한다.
따라서, 제1 불활성화 모드는 한편으로는 단열 배리어에 존재하는 기상(gas phase)이 연료 가스의 가연 한계(flammability limit)보다 낮은 압력에 놓이기 때문에 그 불활성 특성을 보장하고, 다른 한편으로는 상기 단열 배리어를 감소된 압력 하에 유지함으로써 탱크의 단열 특성을 증대시키는 것을 가능하게 한다. 이에 더하여, 가연 압력보다 낮은 압력으로 유지하는 것을 방해하는 불침투성 멤브레인들 중 하나의 불침투성 상실의 경우에, 이 절차는 문턱 압력 Ps에 도달하자마자 제2 작동 모드로의 전환을 대비하기 때문에 불활성 특성이 신뢰성 있게 보장되는데, 이 제2 작동 모드에서는 연료 가스 및/또는 산화 가스를 충분히 희석시켜 폭발 조건에 도달하지 않도록 하기 위해 단열 배리어가 불활성 가스로 씻겨진다.
본 설명의 의미 이내라면, 단열 배리어의 불활성화를 위한 절차는, 상기 단열 배리어 내에 수용된 기상이 연료 가스의 폭발 조건 또는 가연 조건 하에 놓이지 않는 것을 보장할 수 있도록 해주는 절차를 의미하는 것으로 이해된다는 것에 주목하여야 한다.
실시예들에 따르면, 이 절차는 다음의 특성들 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
- 제1 불활성화 모드에서, 단열 배리어의 기상을 설정된 상대적 음압 P1 아래로 두기 위해 제어 장치가 펌핑 장치를 작동 개시한다.
- 문턱 압력 Ps는 17,000Pa보다 낮다.
- 문턱 압력 Ps는 25°C, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 상기 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력보다 낮다.
- 문턱 압력 Ps는 25°C, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 상기 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력의 20% 및 35% 사이이다.
- 문턱 압력 Ps는 25°C, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 상기 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력의 30%이다.
- 문턱 압력 Ps는 연료 가스의 인화를 가능하게 하는 산소의 최소 농도와 동등한 산소의 농도에 대응하는 공기의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 공기의 대기압에서의 부분 압력보다 낮다.
- 제2 불활성화 모드에서, 단열 배리어(3)는 대기압에서 불활성 가스로 씻겨진다.
- 연료 가스는 메탄, 에탄, n-부탄, 프로판, 에틸렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
- 탱크는 연료 가스를 액체 상태로 저장하도록 의도되어 있다.
- 연료 가스가 대기압에서 저장된 액화 천연 가스일 때, 연료 가스는 탱크 내에 -163°C 와 0°C 사이, 더욱 특정적으로는 -163°C의 온도로 저장된다.
- 불활성 가스는 이질소, 헬륨, 아르곤 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
- 불침투성 배리어들 중 하나는 하중 지지 구조체로 이루어지고, 다른 불침투성 배리어는 2차 금속 멤브레인으로 이루어지며, 단열 배리어는 2차 단열 배리어이고, 복층 구조는 탱크 내부에 저장된 연료 가스와 접촉하도록 된 1차 금속 멤브레인 및 1차 금속 멤브레인과 2차 금속 멤브레인 사이에 배치된 1차 단열 배리어를 더 포함하고, 상기 1차 단열 배리어는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하며,
o 1차 단열 배리어의 제1 불활성화 모드를 수행하는 단계로서, 제어 장치가 1차 단열 배리어의 기상을 문턱 압력 Ps'보다 낮은 설정된 상대적 음압 P1' 아래로 두기 위해 펌핑 장치를 작동 개시하고, 상기 문턱 압력 Ps'는 연료 가스의 가연 하한 압력 Pi보다 낮은 단계;
o 1차 단열 배리어의 제1 불활성화 모드 동안 상기 1차 단열 배리어 내의 기상의 압력이 문턱 압력 Ps'를 초과하는지 감지하는 단계;
o 문턱 압력 Ps'를 초과하는 1차 단열 배리어의 기상의 압력의 감지에 응답하여 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 전환하는 단계로서, 제2 불활성화 모드는 1차 단열 배리어를 불활성 가스로 씻기 위한 준비를 하는 단계
를 더 준비한다.
- 문턱 압력 Ps는 가변적이고, 1차 단열 배리어의 제1 불활성화 모드가 수행되는 동안 제1 값이 문턱 압력 Ps로 할당되며, 문턱 압력 Ps'를 초과하는 1차 단열 배리어의 기상의 압력의 감지에 응답하여 제2 값이 문턱 압력 Ps로 할당된다.
일실시예에 따르면 본 발명은, 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성이고 단열된 탱크의 벽체를 불활성화하기 위한 시스템으로서, 상기 벽체는 2개의 불침투성 배리어들과 2개의 불침투성 배리어들 사이에 배치된 하나의 단열 배리어를 포함하는 복층 구조를 가지고, 상기 단열 배리어는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하며, 상기 불활성화 시스템은:
- 단열 배리어의 기상을 문턱 압력 Ps보다 낮은 상대적 음압 P1 아래로 두기 위해 배열된 펌핑 장치로서, 상기 문턱 압력 Ps는 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 펌핑 장치;
- 단열 배리어 내부의 기상의 압력의 신호 표본을 제공할 수 있는 압력 센서;
- 한편으로는 불활성 가스 저장소 및/또는 불활성 가스 생성기로 연결되고, 다른 한편으로는 단열 배리어의 내부로 불활성 가스를 공급하기 위한 공급 파이프로 연결된 불활성 가스 분사 장비; 및
- 제어 유닛으로서:
o 단열 배리어의 기상의 압력이 상기 문턱 압력 Ps를 초과하는지 감지하고;
o 문턱 압력 Ps를 초과하는 단열 배리어의 기상의 압력의 감지에 응답하여 불활성 가스 분사 장비를 작동 개시하기 위한 신호를 생성할 수 있는 제어 유닛
을 포함하는 불활성화 시스템도 제공한다.
실시예들에 따르면, 이 불활성화 시스템은 다음의 특성들 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
- 불활성 가스 분사 장비는 이질소 생성기에 연결된다.
- 기상 내의 연료 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 분석기를 포함한다.
일실시예에 따르면 본 발명은, 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성 단열 탱크로서, 2개의 불침투성 배리어들과 2개의 불침투성 배리어들 사이에 배치된 하나의 단열 배리어를 포함하는 복층 구조를 가진 벽체와, 앞서 언급된 불활성화 시스템을 포함하고, 상기 단열 배리어는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하는 불침투성 단열 탱크도 제공한다.
일실시예에서, 불침투성 배리어들 중 하나는 하중 지지 구조체로 이루어지고 다른 하나의 불침투성 배리어는 2차 금속 멤브레인으로 이루어지며, 복층 구조는 탱크 내부에 저장된 연료 가스와 접촉하도록 된 1차 금속 멤브레인과, 1차 금속 멤브레인과 2차 금속 멤브레인 사이에 배치된 단열 배리어를 더 포함한다.
이런 탱크는 예컨대 LNG 저장을 위한 육상 저장 시설의 일부일 수 있으며, 또는 연안 또는 원해의 부유식 구조물, 특히 메탄 수송선, 부유식 가스 저장 재기화 설비(floating storage and regasification unit, FSRU), 부유식 원유생산 저장 하역 설비(floating production storage and offloading unit, FPSO unit) 등에 설치될 수 있다.
일실시예에 따르면, 유체 수송을 위한 수송선은 앞서 언급한 탱크를 포함한다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 또한 이런 수송선을 적재하거나 하역하기 위한 절차도 제공하는데, 여기서 유체는 부유식 또는 육상 저장 시설로부터 수송선의 탱크로, 또는 수송선의 탱크로부터 부유식 또는 육상 저장 시설로 단열된 파이프들을 통해 전달된다.
일실시예에 따르면, 본 발명은 또한 저온 액상 제품 이송 시스템도 제공하는데, 이 시스템은 앞서 언급한 수송선, 수송선의 선체에 설치된 탱크를 부유식 또는 육상 저장 시설로 연결하기 위해 배열된 단열 파이프들, 부유식 또는 육상 저장 시설로부터 수송선의 탱크로, 또는 수송선의 탱크로부터 부유식 또는 육상 저장 시설로 단열된 파이프들을 통해 유체를 구동하기 위한 펌프를 포함한다.
첨부된 도면들을 참조로, 제한하려는 의도 없이 오로지 설명의 방식으로 주어진 본 발명의 몇 가지 특정한 실시예들의 이어지는 설명 과정에서 본 발명이 더욱 잘 이해될 것이며, 기타 그 목적, 상세, 특징 및 장점들이 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 불활성화 시스템에 장비된 탱크의 개략도이다.
도 2는 공기 중에서 메탄의 가연 한계에 대한 압력 및 온도의 영향을 나타낸 곡선이다.
도 3은 불활성화 시스템이 장비될 수 있는 메탄 수송선의 부분 절개된 탱크와 이 탱크를 적재/하역하기 위한 터미널을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 연료 가스 저장을 위해 의도된 탱크(1)가 개략적으로 나타내어져 있다. 탱크(1)의 각 벽체는 탱크(1)의 바깥쪽으로부터 안쪽으로 탱크(1)의 전반적인 형태를 규정하는 하중 지지 구조체(2), 하중 지지 구조체(2)에 대해 놓여진 단열 요소들을 포함하는 2차 단열 배리어(3), 2차 불침투성 멤브레인(4), 2차 불침투성 멤브레인(4)에 대해 놓여진 1차 단열 배리어(5), 탱크(1) 내의 액화 연료 가스와 접촉하도록 의도된 1차 불침투성 멤브레인(6)을 포함하는 복층 구조를 포함한다.
하중 지지 구조체(2)는 특히 자력 지지 금속 시트(sheet)일 수 있으며, 및/또는 수송선의 선체 또는 이중 선체에 의해 형성될 수 있다.
단열 배리어들(3, 5)은 단열 고상(solid) 소재 및 기상을 포함한다. 일실시예에 따르면, 단열 배리어들(3, 5)은 도시하지 않은 보온 박스들로 형성된다. 이 박스들은 예컨대 합판으로 만들어진 베이스 패널과 커버 패널, 베이스 패널과 커버 패널 사이에 삽입된 복수의 이격 요소들을 포함한다. 보온 패킹을 수용하기 위한 칸(compartment)들이 이격 요소들 사이에 만들어진다. 보온 패킹은 적절한 단열 특성을 가진 임의의 소재로부터 만들어질 수 있다. 예를 들어, 보온 패킹은 펄라이트(perlite), 글래스 울(glass wool), 폴리우레탄 폼(polyurethane foam), 폴리에틸렌 폼(polyethylene foam), 폴리비닐 클로라이드 폼(polyvinyl chloride foam), 에어로젤(aerogels) 등과 같은 소재로부터 선택된다.
1차 및 2차 불침투성 멤브레인들(6, 4)은 박스들의 커버에 고정된 융기된 에지(edge)를 가진 금속 스트레이크(strake)의 연속적인 층으로 이루어지는데, 상기 스트레이크들은 그 융기된 에지들에 의해 평행한 용접 지지체에 용접된다.
1차 및 2차 불침투성 멤브레인들(6, 4)은 기체 및 액체에 대해 불침투성이다. 하중 지지 구조체(2) 또한 불침투성이다. 따라서, 본 설명 및 청구범위들의 의미 내에서, '불침투성 배리어'라는 용어는 불침투성 멤브레인들(4, 6)과 하중 지지 구조체(2) 모두를 포괄한다. 따라서, 2차 단열 배리어(3)는 한편으로는 2차 불침투성 멤브레인(4)으로 이루어진 제1 불침투성 배리어에 의해, 다른 한편으로는 하중 지지 구조체(2)로 이루어진 제2 불침투성 배리어에 의해 대기압으로부터 격리된 불침투성 공간 내에 배열되어 있다.
연료 가스는 액화 가스, 다시 말해 액상으로 놓여져 있으며 통상적인 온도 및 압력 조건에서 증기상이 될 화학 물질 또는 화학 물질의 혼합물이다. 액화 가스(3)는 특히 액화 천연 가스(LNG), 즉 대부분 메탄과 하나 또는 그 이상의 에탄(ethane), 프로판(propane), n-부탄(n-butane), i-부탄(i-butane), n-펜탄(n-pentane), i-펜탄(i-pentane)과 같은 다른 탄화수소로 이루어지며 작은 비율로 질소를 포함하는 가스 혼합물이다. 액화 천연 가스는 약 -162℃의 온도에서 대기압으로 저장된다.
연료 가스는 또한 에탄 또는 액화 석유 가스(LPG), 즉 본질적으로 프로판과 n-부탄을 포함하는 석유 정제로부터 귀결된 탄화수소물의 혼합물이다. 연료 가스는 에틸렌(ethylene)일 수도 있다.
다양한 연료 가스들의 대기압에서의 저장 온도가 아래 표에 대조되어 있다:
메탄 -162℃
에탄 -88.5℃
프로판 -42℃
n-부탄 -0.5℃
에틸렌 -103.7℃
불침투성 멤브레인들(4, 6)을 통한 액화 천연 가스의 누설 및/또는 하중 지지 구조체(2)를 통한 공기의 누설로 인하여 탱크(1) 벽체 내부에서 폭발 비율로 존재하는 가스 혼합물을 방지하기 위해, 이 벽체들은 아래에서 상세히 설명될 불활성화 절차를 받게 된다.
설명되고 제시되는 실시예에서, 불활성화 절차는 더욱 특정적으로 2차 단열 배리어(3)의 불활성화를 수행하는 것을 목표로 하고 있음에 주목하여야 한다.
아래에서 상세히 설명될 불활성화 절차 및 시스템은 2개의 뚜렷이 구별되는 불활성화 모드들에 따라 수행될 수 있는 별개의 특징을 갖고 있다.
제1 불활성화 모드에 따르면, 단열 배리어(3) 내에 수용된 기상은 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 설정 압력 P1 근처로 유지된다. 특정적으로, 그 이하에서는 연료 가스가 더 이상 인화될 수 없는 가연 한계 압력 Pi가 존재한다. 설정 압력 P1은 주변 대기압보다 낮은 절대 압력, 즉 상대적 음압이다.
도 2는 일례로서 공기 중에서 메탄의 가연 한계를 압력과 온도의 함수로 도시하고 있다. 따라서 공기 중에서 메탄의 가연 한계 압력 Pi는 25℃에서 130mm 수준의 수은주, 즉 17,331Pa이다. 따라서, 단열 배리어(3)의 기상의 연료 가스와 산소의 비율과 무관하게, 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 설정 압력 P1에 놓이면 이 기상은 점화 및 폭발할 수 없다. 이 제1 불활성화 모드는 또한 단열 배리어(3)의 단열 특성을 증대시키는 장점도 갖고 있다.
예시로서, 아래의 표는 다양한 연료 가스들의 25℃, 공기 중에서의 가연 한계 압력들의 규모를 나타내고 있다.
연료 가스 Pi
메탄 17,331Pa
에탄 26,600Pa
프로판 28,600Pa
부탄 26,600Pa
이런 불활성화 모드를 수행하기 위해, 불활성화 시스템은 파이프(8)에 의해 단열 배리어(3)에 연결된 펌핑 장치(7)를 포함한다. 펌핑 장치(7)는 단열 배리어(3)가 몇 백 또는 몇 천 파스칼 수준의 낮은 압력으로 유지되도록 하기에 적합한 하나 또는 그 이상의 진공 펌프들을 포함한다. 진공 펌핑 장치는 예컨대 베인 펌프(vane pump) 또는 루츠 펌프(roots pump)의 다단화되거나 케스케이드된(cascaded) 조립체이다.
시스템은 또한 단열 배리어(3) 내부의 기상의 압력의 신호 표본을 전달할 수 있도록 하는 압력 센서(9)를 포함한다. 압력 센서(9)는 설정 압력 P1의 함수로서 펌핑 장치(7)를 제어할 수 있도록 하는 압력 제어 장치에 연결된다. 제어 장치는 압력 센서(9)에 의해 측정된 압력이 설정 압력 P1보다 클 때 펌핑 장치(7)를 작동 개시하고, 측정된 압력이 설정 압력 P1보다 낮을 때 펌핑 장치(7)를 작동 정지시킬 수 있다. 제어 장치는 유리하게는 제어 안정성을 향상시킬 수 있게 하는 히스테리시스(hysteresis)가 부여될 수 있다. 제어 장치는 펌핑 장치(7)에 통합되거나 불활성화 시스템의 제어 유닛(10)에 통합되도록 선택될 수 있다.
이에 더하여, 불활성화 시스템은 또한 단열 배리어(3)의 불활성화가 대기압에서 불활성 가스로 씻어내는 것으로 수행되는 제2 모드로 작동하기에도 적합하다. 이 제2 불활성화 모드는 단열 배리어(3)의 경계를 이루는 불침투성 배리어들(2, 4) 중 하나의 불침투성 상실이 발생했을 때 특히 적합한 저하된 작동 모드에 대응한다. 사실, 이런 경우에 단열 배리어(3)는 대기압으로부터 더 이상 격리되지 않으며 따라서 문턱 압력 Ps보다 낮은 상대적 음압으로 유지될 수 없게 된다.
이 제2 불활성화 모드를 수행하기 위해, 불활성화 시스템은 단열 배리어(3)를 불활성 가스로 씻어낼 수 있도록 하는 가스 분사 장비(11)를 포함한다. 분사 장비(11)는 단열 배리어(3) 안으로 개방된 불활성 가스 공급 파이프(14)에 연결된 가압 불활성 가스 저장소(12)를 포함한다. 가압 불활성 가스 저장소(12)는 단열 배리어(3) 안으로 불활성 가스의 분사를 위한 유속 및/또는 압력을 제어할 수 있도록 하는 밸브(16)를 통해 파이프(14)에 연결되어 있다. 가압 불활성 가스 저장소(12)의 크기는, 2차 단열 배리어(3)의 경계를 이루는 불침투성 배리어들(2, 4) 중 하나 및/또는 다른 하나의 불침투성이 상실된 경우에, 분사 장비(11)가 연료 가스 및/또는 산화 가스의 충분한 희석을 보장하여 폭발 한계 농도에 도달하지 않게 할 수 있도록 충분해야 한다. 저장소(12)는 특히 단열 배리어(3) 안의 대기압으로 수용된 기상의 양과 실질적으로 동등한 양의 불활성 가스를 저장할 수 있어야 한다.
불활성 가스는 이질소(dinitrogen), 헬륨(helium), 아르곤(argon) 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 일실시예에서, 사용된 불활성 가스는 이질소이다.
제시되지 않은 본 발명의 일실시예에 따르면, 불활성화 시스템은 가압 불활성 가스 저장소(12)에 더하여, 또는 이를 대체하여 불활성 가스 생성기를 포함한다. 불활성 가스 생성기는 특히 주변 공기로부터 이질소가 추출될 수 있도록 하는 이질소 생성기일 수 있다.
적당한 경우, 특히 분사 장비에 불활성 가스 생성기가 구비된 경우, 불활성 가스의 분사를 수행하기 위해 파이프(14)에도 옵션의 보완 펌프(13)가 구비될 수 있다.
불활성화 시스템은 또한 압력 센서(9), 펌핑 장치(7) 및 불활성 가스 분사 장비(11)에 연결된 제어 유닛(10)을 포함한다. 제어 유닛(10)은 특히 단열 배리어(3)의 경계를 이루는 불침투성 배리어들(2, 4) 중 하나 및/또는 다른 하나의 불침투성 상실로 인해 제1 불활성화 모드가 더 이상 만족할 만한 안전성으로 수행될 수 없을 때, 제2 불활성화 모드를 자동적으로 촉발하는 역할을 가진다.
이를 수행하기 위해, 제어 유닛(10)은 압력 센서(9)에 의해 생성되는 단열 배리어(3)의 기상의 압력의 신호 표본을 수신하고 처리할 수 있다. 제1 불활성화 모드 동안, 제어 유닛(10)은 단열 배리어(3) 내부의 기상의 압력 P를 설정 압력 P1보다 큰 문턱 압력 Ps와 비교한다. 기상의 압력 P가 문턱 압력 Ps를 초과하자마자 제어 유닛(10)은 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 자동적으로 전환한다. 바꾸어 말해, 제어 유닛(10)은 불활성 가스 분사 장비(11)의 작동 개시를 위한 신호와 펌핑 장치(7)의 작동 중지를 위한 신호를 생성한다. 이에 더하여, 일실시예에 따르면, 제어 유닛(10)은 또한 문턱 압력 Ps의 초과가 감지될 때 경고 신호를 생성할 수도 있다.
문턱 압력 Ps 및 그 결과로서의 펌핑 장치(7)의 설정 압력 P1은 불활성 가스의 분사의 영향 아래에서 기상의 대기압으로의 복귀의 안전성을 보장하기 위해 탱크(1)에 수용된 연료 가스의 특성의 함수로서 현명하게 선택되어야 한다. 문턱 압력 Ps는 불침투성 상실이 발생한 경우, 불활성 가스의 분사의 영향 아래에서 기상이 대기압으로 되돌아갈 때 단열 배리어(3) 내의 기상이 폭발 범위 내에 있을 수 있는 비율의 연료 가스 및/또는 산화 가스를 포함할 수 없도록 특정적으로 규정되어야 한다.
이를 수행하기 위해, 문턱 압력 Ps가 25℃, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 농도로 대기압에서 연료 가스의 부분 압력보다 낮은 것이 준비된다.
예시로서, 메탄의 가연 하한은 25℃, 대기압(101,325Pa)에서 부피백분율 5%이다. 따라서 대기압에서 부피백분율 5%인 메탄의 농도에 대응하는 메탄의 부분 압력은 약 5,066Pa이다. 바꾸어 말해, 대기압에서 메탄의 폭발 하한에 대응하는 양의 메탄이 단열 배리어(3)에 수용된 기상 전체를 구성한다면, 그 압력은 5,066Pa이 될 것이다. 따라서, 제1 불활성화 모드 도중 단열 배리어 내의 기상의 압력 P가 5,066Pa보다 낮으면, 질소 내에서 연료 가스의 완전하고도 즉각적인 희석을 고려할 때, 일단 101,325Pa의 대기압으로 되돌려진다면 메탄 농도가 폭발 하한에 도달하는 위험은 없다.
유리하게는, 문턱 압력 Ps는, 특히 단열 배리어(3) 내의 기상의 비균질 혼합 현상과 기상이 대기압으로 되돌아가도록 하기 위해 충분한 양의 불활성 가스를 분사하기 위해 필요한 시간을 감안하기 위해 위에서 언급한 압력에 대해 상대적으로 안전 마진(margin)을 취함으로써 선택된다.
따라서, 그 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도에서 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력의 20%와 35% 사이, 바람직하게는 30% 수준의 문턱 압력 Ps가 선택된다. 그러므로 메탄 저장 탱크의 경우, 1,013Pa과 1,773Pa 사이, 바람직하게는 1,520Pa 수준의 문턱 압력 Ps가 선택될 것이다.
예시로서, 아래의 표는 다양한 연료 가스들의 가연 하한을 재현하고 있으며 그들의 폭발 하한에 대응하는 농도에서 연료 가스들의 대기압에서의 부분 압력의 30%에 상당하는 문턱 압력 Ps를 포함하고 있다.
연료 가스 25℃ 공기중에서 폭발 하한(LEL, 부피 %) Ps (Pa)
메탄 5 1,520
에탄 3 912
n-부탄 1.5 456
프로판 2.2 669
에틸렌 2.7 821
일부 연료 가스들에 대해, 문턱 압력 Ps가 연료 가스의 가연 하한의 함수로써가 아니라 연료 가스의 인화를 가능하게 하는 산화제의 최소 농도의 함수로써 정의될 수 있다. 이는 연료 가스의 인화를 가능하게 하는 공기의 최소 농도가 그 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도보다 낮은 경우에 특히 그러하다. 바꾸어 말해, 안전성을 더욱 강화하기 위해, 연료 가스의 인화를 가능하게 하는 산소의 최소 농도와 동등한 산소 농도에 대응하는 공기의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서, 공기의 대기압에서의 부분 압력보다도 낮은 문턱 압력 Ps을 준비하는 것이 권할 만하다.
제시된 실시예에서, 불활성화 시스템은 기상 내에서 연료 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 분석기(15)를 포함한다는 점도 주목된다. 여기서 가스 분석기(15)는 펌핑 장치(7)의 배출구에 배치되어 있다. 가스 분석기(15)는 특히 촉매 필라멘트 감지기(catalytic filament detector), 적외선 감지기, 특히 흡수율 및/또는 투과율 측정에 의해 작동되는 것들 및 전기화학 셀 감지기(electrochemical cell detector)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 연료 가스 감지기를 포함할 수 있다. 가스 분석기(15)는 단열 배리어(3) 내부의 기상의 압력 P와 문턱 압력 Ps를 비교하는 것에 더하여, 연료 가스들의 누설을 감지하기 위해 제1 불활성화 모드 동안 사용될 수 있다. 그러나 가스 분석기의 작동을 가능하게 하기 위해, 단열 배리어(3)로부터 추출된 기상의 샘플이 그 분석 이전에 불활성 가스로 미리 희석되어야 한다. 게다가, 가스 분석기(15)는 또한 제2 불활성화 모드 동안 정기적인 간격으로 단열 배리어(3)의 기상을 분석하는 데에 사용될 수도 있다. 이 경우, 제어 유닛(10)이 측정된 연료 가스들의 농도의 함수로써 단열 배리어(3) 안으로의 불활성 가스의 분사의 유속을 제어하는 것을 준비하는 것도 계획될 수 있다.
위에서 설명한 불활성화 절차가 보다 특정적으로 2차 단열 배리어(3)의 불활성화를 수행하는 것을 겨냥하고는 있지만, 본 발명은 이런 실시예로 한정되지 않는다는 점에 주목하여야 한다. 사실, 다른 실시예들에 따르면 불활성화 절차는 1차 단열 배리어(5) 에서 수행될 수 있거나, 액화 연료 가스와 접촉하도록 된 불침투성 멤브레인과 하중 지지 구조체 사이에서 연장된 단일한 단열 배리어만을 포함하는 탱크(1)에 적용될 수도 있다. 따라서 일반적으로, 불활성화 절차는 2개의 불침투성 배리어들 사이에 배치되고 상기 불침투성 배리어들에 의해 주변 압력으로부터 격리된 임의의 단열 배리어에 적용될 수 있다.
이에 더하여, 일실시예에서 위에서 설명된 불활성화 절차는 2차 단열 배리어(3)에, 그리고 1차 단열 배리어(5)에 모두 독립적으로 적용된다.
따라서, 불활성화 시스템은 또한:
- 1차 단열 배리어(5)에 수용된 기상의 압력을 대략 설정 압력 P1'으로 유지할 수 있도록 하는 펌핑 시스템;
- 불화성화 가스 분사를 위한 장비로서 1차 단열 배리어(5)를 불활성 가스로 씻을 수 있도록 하는 장비; 및
- 1차 단열 배리어(5) 내부의 기상의 압력의 신호 표본을 전달할 수 있도록 하는 압력 센서를 포함한다.
위와 같이, 제어 유닛(10)은 단열 배리어(5) 내부의 기상의 압력과 설정 압력 P1'보다 큰 문턱 압력 Ps'를 비교하고, 1차 단열 배리어(5) 내에 수용된 기상의 압력이 문턱 압력 Ps'을 초과할 때 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 자동적으로 전환한다.
일실시예에 따르면, 문턱 압력 Ps가 가변되는 것을 준비할 수 있다는 점이 주목된다.
사실, 1차 단열 배리어(5) 내의 압력이 문턱 압력 Ps' 아래로 유지되는 동안, 1차(6) 및 2차 불침투성 배리어(4)는 정확히 불침투성을 보장하는 것으로 여겨질 수 있다. 따라서 2차 단열 배리어(3) 내의 압력 상승은 이들 경우에 하중 지지 구조체(2)의 불침투성 상실로 인한 것일 수밖에 없으며 2차 단열 배리어(3)로 침투한 가스는 공기일 수밖에 없다. 따라서 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드가 수행되는 동안, 연료 가스의 인화를 가능하게 하는 산화제의 최소 농도의 함수로써만 규정된 제1 값이 문턱 압력 Ps로 할당될 수 있다. 그러나 제어 유닛(10)이 문턱 압력 Ps'를 초과하는 1차 단열 배리어(5)의 기상의 압력을 감지하자마자, 제2 값을 문턱 압력 Ps로 할당하는 것을 권할 만한데, 이 값은 또한 위에서 보인 바와 같이 연료 가스의 가연 하한의 함수로써 정의되어야 한다.
동일한 방식으로, 그 초과가 1차 단열 배리어(5)의 제2 불활성화 모드를 촉발할 수 있는 문턱 압력 Ps'이, 2차 단열 배리어(3) 내에서 수행되는 불활성화 모드의 함수로써 가변적인 것이 또한 준비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 메탄 수송선(70)의 부분 절개도가 탱크의 이중 선체에 장착된 전반적으로 다면체 형상인 불침투성이고 단열된 탱크를 보여주고 있다. 그 자체로 알려진 방식으로, 탱크(71)로부터 또는 탱크로 LNG 화물을 이송하기 위해, 수송선의 상부 갑판에 배치된 적재/하역 파이프들(73)이 적절한 커넥터에 의해 해상 또는 항만 터미널에 연결될 수 있다.
도 3은 적재 및 하역 스테이션(75), 해저 파이프(76) 및 육상 시설(77)을 포함하는 해상 터미널의 예를 나타내고 있다. 적재 및 하역 스테이션(75)은 이동식 암(74)과 이동식 암(74)을 지지하는 타워(78)를 포함하는 고정식 연안 시설이다. 이동식 암(74)은 적재/하역 파이프들(73)에 연결될 수 있는 단열된 가요성 호스(79) 다발을 갖고 있다. 방향전환 가능한 이동식 암(74)은 모든 크기의 메탄 수송선들과 호환 가능하다. 나타내지 않은 연결 파이프가 타워(78) 내부로 연장되어 있다. 적재 및 하역 스테이션(75)은 육상 시설(77)로부터 또는 육상 시설로 메탄 수송선(70)의 적재 및 하역을 가능하게 한다. 육상 시설은 가스 저장 탱크(80)와, 해저 파이프(76)를 통해 적재 또는 하역 스테이션(75)으로 연결된 연결 파이프들(81)을 포함한다. 해저 파이프(76)는 원거리, 예컨대 5km에 걸쳐 적재 또는 하역 스테이션(75)과 육상 시설(77) 사이에서 액화 가스의 이송을 가능하게 하는데, 이는 메탄 수송선(70)이 적재 및 하역 작업 도중 해안으로부터 먼 거리에 머물 수 있게 한다.
액화 가스의 이송에 필요한 압력을 생성하기 위해, 수송선(70)의 선상 펌프들 및/또는 육상 시설(77)에 장비된 펌프들 및/또는 적재 및 하역 스테이션(75)에 장비된 펌프들이 채용된다.
본 발명이 몇 가지 특정된 실시예들과 관련하여 설명되었으나, 본 발명은 어떤 식으로도 거기에 한정되지 않으며 본 발명의 범위에 속하는 한 설명된 수단들의 모든 기술적 동등물 및 그들의 조합들을 포함한다는 것은 아주 명백하다.
동사 '포함하다' 또는 '이루어지다' 및 그 변화형은 청구범위에서 언급된 것을 이외의 구성요소나 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 구성요소나 단계에 대한 부정관사 'a' 또는 'an'의 사용(즉, 단수임를 전제로 한 설명)은 따로 언급되지 않는 한 복수의 그 구성요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.
청구범위에서, 괄호안의 임의의 참조부호는 청구범위의 제한으로서 해석되어서는 안된다.

Claims (18)

  1. 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성이고 단열된 탱크(1)의 벽체를 불활성화하기 위한 절차로서, 상기 벽체는 2개의 불침투성 배리어들(2, 4)과 2개의 불침투성 배리어들(2, 4) 사이에 배치된 하나의 단열 배리어(3)를 포함하고, 상기 단열 배리어(3)는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하며, 상기 절차는:
    - 단열 배리어(3)의 기상을 문턱 압력 Ps보다 낮은 설정된 상대적 음압 P1 아래로 두기 위한 펌핑 장치를 작동 개시하는 제1 불활성화 모드를 수행하는 단계로서, 상기 문턱 압력 Ps는 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 단계;
    - 제1 불활성화 모드 동안 단열 배리어(3)의 기상의 압력이 상기 문턱 압력 Ps를 초과하는지 감지하는 단계;
    - 문턱 압력 Ps를 초과하는 단열 배리어(3)의 기상의 압력의 감지에 응답하여 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 전환하되, 제2 불활성화 모드는 단열 배리어(3)를 불활성 가스로 씻어내기 위해 준비하는 단계
    를 준비하는 벽체 불활성화 절차.
  2. 제1항에 있어서,
    문턱 압력 Ps는 25℃, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 상기 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력보다 낮은 벽체 불활성화 절차.
  3. 제2항에 있어서,
    문턱 압력 Ps는 25℃, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 상기 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력의 20% 및 35% 사이인 벽체 불활성화 절차.
  4. 제2항에 있어서,
    문턱 압력 Ps는 25℃, 공기 중에서 상기 연료 가스의 폭발 하한에 대응하는 연료 가스의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 상기 연료 가스의 대기압에서의 부분 압력의 30%인 벽체 불활성화 절차.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서,
    문턱 압력 Ps는 연료 가스의 인화를 가능하게 하는 산소의 최소 농도와 동등한 산소의 농도에 대응하는 공기의 농도를 포함하는 가스 혼합물에서 공기의 대기압에서의 부분 압력보다 낮은 벽체 불활성화 절차.
  6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서,
    제2 불활성화 모드에서, 단열 배리어(3)는 대기압에서 불활성 가스로 씻겨지는 벽체 불활성화 절차.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서,
    연료 가스는 메탄, 에탄, n-부탄, 프로판, 에틸렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 벽체 불활성화 절차.
  8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서,
    불활성 가스는 이질소, 헬륨, 아르곤 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 벽체 불활성화 절차.
  9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서,
    불침투성 배리어들 중 하나는 하중 지지 구조체(2)로 이루어지고, 다른 불침투성 배리어는 2차 금속 멤브레인(4)으로 이루어지며, 단열 배리어는 2차 단열 배리어(3)이고, 복층 구조는 탱크(1) 내부에 저장된 연료 가스와 접촉하도록 된 1차 금속 멤브레인(6) 및 1차 금속 멤브레인(6)과 2차 금속 멤브레인(4) 사이에 배치된 1차 단열 배리어(5)를 더 포함하고, 상기 1차 단열 배리어(5)는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하며,
    - 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드를 수행하는 단계로서, 제어 장치가 1차 단열 배리어(5)의 기상을 문턱 압력 Ps'보다 낮은 설정된 상대적 음압 P1' 아래로 두기 위해 펌핑 장치를 작동 개시하고, 상기 문턱 압력 Ps'는 연료 가스의 가연 하한 압력 Pi보다 낮은 단계;
    - 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드 동안 상기 1차 단열 배리어 내의 기상의 압력이 문턱 압력 Ps'를 초과하는지 감지하는 단계;
    - 문턱 압력 Ps'를 초과하는 1차 단열 배리어(5)의 기상의 압력의 감지에 응답하여 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드로부터 제2 불활성화 모드로 전환하는 단계로서, 제2 불활성화 모드는 1차 단열 배리어(5)를 불활성 가스로 씻기 위한 준비를 하는 단계
    를 더 준비하는 벽체 불활성화 절차.
  10. 제9항에 있어서,
    문턱 압력 Ps는 가변적이고, 1차 단열 배리어(5)의 제1 불활성화 모드가 수행되는 동안 제1 값이 문턱 압력 Ps로 할당되며, 문턱 압력 Ps'를 초과하는 1차 단열 배리어(5)의 기상의 압력의 감지에 응답하여 제2 값이 문턱 압력 Ps로 할당되는 벽체 불활성화 절차.
  11. 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성이고 단열된 탱크(1)의 벽체를 불활성화하기 위한 시스템으로서, 상기 벽체는 2개의 불침투성 배리어들(2, 4)과 2개의 불침투성 배리어들(2, 4) 사이에 배치된 하나의 단열 배리어(3)를 포함하는 복층 구조를 가지고, 상기 단열 배리어(3)는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하며, 상기 불활성화 시스템은:
    - 단열 배리어(3)의 기상을 문턱 압력 Ps보다 낮은 상대적 음압 P1 아래로 두기 위해 배열된 펌핑 장치(7)로서, 상기 문턱 압력 Ps는 연료 가스의 가연 한계 압력 Pi보다 낮은 펌핑 장치;
    - 단열 배리어(3) 내부의 기상의 압력의 신호 표본을 제공할 수 있는 압력 센서(9);
    - 한편으로는 불활성 가스 저장소(12) 및/또는 불활성 가스 생성기로 연결되고, 다른 한편으로는 단열 배리어(3)의 내부로 불활성 가스를 공급하기 위한 공급 파이프로 연결된 불활성 가스 분사 장비(11); 및
    - 제어 유닛(10)으로서:
    o 단열 배리어(3)의 기상의 압력이 상기 문턱 압력 Ps를 초과하는지 감지하고;
    o 문턱 압력 Ps를 초과하는 단열 배리어의 기상의 압력의 감지에 응답하여 불활성 가스 분사 장비(11)를 작동 개시하기 위한 신호를 생성할 수 있는 제어 유닛
    을 포함하는 불활성화 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    불활성 가스 분사 장비(11)는 이질소 생성기에 연결된 불활성화 시스템.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    기상 내의 연료 가스의 농도를 측정하기 위한 가스 분석기를 포함하는 불활성화 시스템.
  14. 액화 연료 가스를 수용하도록 의도된 불침투성 단열 탱크(1)로서, 2개의 불침투성 배리어들(2, 4)과 2개의 불침투성 배리어들(2, 4) 사이에 배치된 하나의 단열 배리어(3)를 포함하는 복층 구조를 가진 벽체와, 제11항 내지 제13항 중 한 항의 벽체를 불활성화하기 위한 시스템을 포함하고, 상기 단열 배리어(3)는 단열 고상 소재들과 기상을 포함하는 불침투성 단열 탱크.
  15. 제14항에 있어서,
    불침투성 배리어들 중 하나는 하중 지지 구조체(2)로 이루어지고 다른 하나의 불침투성 배리어는 2차 금속 멤브레인(4)으로 이루어지며, 복층 구조는 탱크(1) 내부에 저장된 연료 가스와 접촉하도록 된 1차 금속 멤브레인(6)과, 1차 금속 멤브레인(6)과 2차 금속 멤브레인(4) 사이에 배치된 단열 배리어(5)를 더 포함하는 불침투성 단열 탱크.
  16. 제14항 또는 제15항의 액화 가스를 저장하기 위한 탱크(1)를 포함하는 수송선.
  17. 제16항의 수송선(70)을 적재 또는 하역하기 위한 절차로서,
    유체가 부유식 또는 육상 저장 시설(77)로부터 수송선의 탱크(71)로, 또는 수송선의 탱크(71)로부터 부유식 또는 육상 저장 시설(77)로 단열된 파이프들(73, 79, 76, 81)을 통해 전달되는 절차.
  18. 유체 이송 시스템으로서,
    제16항의 수송선(70)과, 수송선의 선체에 설치된 탱크(71)를 부유식 또는 육상 저장 시설(77)로 연결하도록 배열된 단열된 파이프들(73, 79, 76, 81)과, 유체를 부유식 또는 육상 저장 시설로부터 수송선의 탱크로, 또는 수송선의 탱크로부터 부유식 또는 육상 저장 시설로 단열된 파이프들을 통해 구동하기 위한 펌프를 포함하는 시스템.
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