[논문]CNG 및 CO2 겸용 수송을 위한 압력용기 개념 설계에 대한 연구

김영훈

doi:10.5574/ksoe.2013.27.1.051

CNG 및 CO2 겸용 수송을 위한 압력용기 개념 설계에 대한 연구
Study on Conceptual Design of Pressure Vessel to Transport CNG and CO2 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.1 = no.110, 2013년, pp.51 - 58

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Recently, there has been an increase in the demand for natural gas as a source of clean energy, which has increased the demand for LNG carriers. However, LNG carriers require a capital investment to obtain equipment for the regasification process, which prevents fires and explosions. Thus, on account of NIMBY, a CNG carrier is suggested that eliminates the need for regasification equipment. Meanwhile, carbon dioxide emissions are more and more regulated by international conventions such as the Kyoto Protocol. Because of this, $CO_2$ carriers have also received international attention as a methodology to transport and store $CO_2$ cargoes. Several vessels or tanks to transport and store $CO_2$ gas have been studied in various countries. This paper proposes a conceptual design for a 20ft container shaped tank to effectively transport small cargoes of $CO_2$ and CNG. The proposed pressure vessel or tank will be carried by a conventional containership or special cargo ship. The influences of the design parameters for proposed pressure vessel or tank. Including the materials, scantlings, and shape of the pressure vessel, are studied theoretically and computationally.

주제어

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문제 정의

압력탱크에 대한 개념설계를 하고자 한다. 또한 화물수송의 효율성을 높이기 위하여 CNG수송 및 CO₂ 수송을 위한 컨테이너형 압력탱크의 개념설계를 제안하고자 한다. 이를 위해 CNG와 CO₂의 화물특성을 토대로 압력탱크의 구조설계이론에 따른 설계변수를 재질별로 비교 분석하여 CNG와 CO₂ 겸용 압력 탱크의 개념설계의 방향을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 20ft급 컨테이너에 적재 가능한 원통형 압력탱크로 재질별 적재능력, 구조형상 및 구조안전성을 검토하여 CNG 및 CO₂ 수송에 대한 실용 가능성을 평가한다. 본 연구의 전제조건으로는, ①천연가스는 중소가스전의 활용, 재기화설비 비용절감측면에서 고려하여 상온의 고압상태로 수송하고 CO₂에 대해서는 수송효율성 측면에서 액화상태로 수송할 수 있도록 압력탱크를 개념적으로 설계한다.
본 연구에서는 소량 단위의 CO₂를 효율적으로 저장, 수송할 수 있는 CO₂ 압력탱크에 대한 개념설계를 하고자 한다. 또한 화물수송의 효율성을 높이기 위하여 CNG수송 및 CO₂ 수송을 위한 컨테이너형 압력탱크의 개념설계를 제안하고자 한다.

가설 설정

(1) Shell 요소와 Head 요소의 두께를 동일하게 한 경우 설계기준에 의한 이론적 계산시 Shell 요소와 Head 요소의 두께(Table 9 참조)가 달라서 응력집중 가능성 및 실제 제작상의 어려움이 있어 큰 두께로 동일하다고 가정하여 구조해석을 수행하였다. 즉 Case 1과 Case 2에서의 두께를 Shell 두께로 가정하였다.
(1) Shell 요소와 Head 요소의 두께를 동일하게 한 경우 설계기준에 의한 이론적 계산시 Shell 요소와 Head 요소의 두께(Table 9 참조)가 달라서 응력집중 가능성 및 실제 제작상의 어려움이 있어 큰 두께로 동일하다고 가정하여 구조해석을 수행하였다. 즉 Case 1과 Case 2에서의 두께를 Shell 두께로 가정하였다.

제안 방법

(2) Shell 요소와 Head 요소의 두께를 보정한 경우 수치해석 결과를 토대로 각 Case에 대해 허용응력 이상의 응력을 보이는 Shell 요소, Head 요소 및 보강판에 대해 두께를보정하여 허용응력 범위 내에서 응력을 받도록 하였다. 그 과정은 시행오차 방식으로 Table 11과 같은 결과를 얻었다.
20ft급 컨테이너에 적재 가능한 압력탱크를 연강, 고장력강및 알루미늄합금 등의 재질에 대해 단일 원형 및 4개의 원형조합 실린더형의 압력탱크에 대해 다음과 같은 구조해석 결과를 얻었다. CNG 관련 연구(Kim et al, 2005)는 이미 진행되어 여기서는 CO₂화물을 중심으로 평가하였다.
기존의 20ft급 컨테이너에 적재 가능한 CNG 및 CO₂ 겸용 수송 가능한 압력탱크의 개념설계로 앞서 검토한 Case 1과 Case 2의 개념적 모델을 개발하여 구조안전성을 평가하였다. 동 형상 모델의 구조해석은 GeniE/Sestra/Xtract를 이용하였다.
본 연구를 통해서 CNG와 CO₂액화화물을 겸용으로 수송하는 컨테이너 탑재형 압력탱크에 대한 ASME 설계기준에 개념설계 및 전산구조해석을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.
수송에 대한 실용 가능성을 평가한다. 본 연구의 전제조건으로는, ①천연가스는 중소가스전의 활용, 재기화설비 비용절감측면에서 고려하여 상온의 고압상태로 수송하고 CO₂에 대해서는 수송효율성 측면에서 액화상태로 수송할 수 있도록 압력탱크를 개념적으로 설계한다. ②압력탱크의 수송효율성은 소재, 실린더 횡단면 형상, 경판 형상 등 설계 파라미터의 비교, 분석을 통해 방향성을 검토한다(Table 2 참조).
재질별 물리적 특성은 Table 8과 같이 Case 1과 Case 2에 동일하게 적용하였다. 실린더형 압력탱크의 해석모델은 Fig. 5와 같으며, 경계조건으로는 모델의 대칭조건을 이용하여 길이방향 및 원주방향의 경계조건을 대칭적으로 설정하였다.
동 형상 모델의 구조해석은 GeniE/Sestra/Xtract를 이용하였다. 압력탱크의 압력은 CO₂의 상온에서 액화상태인 58.5bar로 하였고, 허용응력은 안전계수 2로 사용하며, Shell 및 Head의 최소두께는 설계기준에 의해 계산된 것을 이용하였다. Case 2의 경우 실린더형의 조합각도는 45도로 하였다.
또한 화물수송의 효율성을 높이기 위하여 CNG수송 및 CO₂ 수송을 위한 컨테이너형 압력탱크의 개념설계를 제안하고자 한다. 이를 위해 CNG와 CO₂의 화물특성을 토대로 압력탱크의 구조설계이론에 따른 설계변수를 재질별로 비교 분석하여 CNG와 CO₂ 겸용 압력 탱크의 개념설계의 방향을 제안하고자 한다.

이론/모형

겸용 수송 가능한 압력탱크의 개념설계로 앞서 검토한 Case 1과 Case 2의 개념적 모델을 개발하여 구조안전성을 평가하였다. 동 형상 모델의 구조해석은 GeniE/Sestra/Xtract를 이용하였다. 압력탱크의 압력은 CO₂의 상온에서 액화상태인 58.

성능/효과

(1) 동일한 Head 형상일 때, 실린더의 횡단면 형상에 따른 압력탱크 중량당 화물적재 중량의 비율은 유사하나 탱크중량과 화물중량을 더한 총중량측면에서는 단일 원형단면일 때가 4개 원형 조합일 때 보다 적기 때문에 선박탑재 수송측면에서 유리하다.
(3) 컨테이너 적재하는 실린더형 압력탱크의 형상은 단일 원형의 횡단면과 타원형 경판의 형태로 구성하는 것이 수송효율측면에서 유리하다.
5bar에서 자중및 액화 CO₂의 하중이 작용하는 경우 구조안정성을 확보하기 위해서는 Mild steel과 Al 5083-H321의 두께가 X70, X80 및 Al 7175-T66에 비해 증가되어 압력용기의 무게가 증가될 뿐만 아니라 액화 CO₂를 적재할 수 있는 적재공간을 줄이는 결과를 가져와 상대적으로 수송효율이 낮다. 적재능력을 보면, 고장력강(X70, X80)과 알루미늄 합금재(Al 5083-H321)의 무게당 적재가능 무게가 2배 이상 증가하여 운송측면에서 고장력강 및 알루미늄 합금재의 압력용기가 유리함을 알 수 있다. 재질별 변형량을 보면, Table 11에서 보는 바와 같이 Mild steel은 다른 재료에 비해 가장 적은데 반해 Al 7175-T66은 Mild steel 재질에 비해 변형량이 6배, 고장력강 및 Al 5083-H321 보다 3배 정도로 높아 구조안정성면에서 불리하다.

후속연구

향후에는 본 연구를 바탕으로 비용측면의 실용 가능성을 평가하기 위하여 동일한 CNG나 CO₂의 수송시 선박일체형 압력탱크와의 수송효율성 비교 검토가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG선이 재기화 설비를 선박 내에 설치하거나 육상에 설치해야 하는 이유는 무엇인가?	최근 고유가에 따라 천연가스의 수요가 증가하고 있어 LNG (Liquified natural gas)선 신조수요도 더욱 증가되었다. LNG선은 기체상태의 천연가스를 -163o C로 냉각시켜 액화상태로 수송하여 재기화 설비를 선박 내에 설치하거나 육상에 설치해야 한다. 이러한 재기화설비 비용을 절약하고 NIMBY(not in my back yard) 로 인한 안전성측면에서 천연가스를 고압가스로 수송하는 CNG 수송에 대한 관심도 높아지고 있다.
	최근 LNG (Liquified natural gas)선 신조수요가 증가하는 이유는 무엇인가?	최근 고유가에 따라 천연가스의 수요가 증가하고 있어 LNG (Liquified natural gas)선 신조수요도 더욱 증가되었다. LNG선은 기체상태의 천연가스를 -163o C로 냉각시켜 액화상태로 수송하여 재기화 설비를 선박 내에 설치하거나 육상에 설치해야 한다.
	LNG선의 재기화설비 비용을 절약하고 NIMBY로 인한 안전성측면에 따라 관심도가 높아지는 것은 무엇인가?	LNG선은 기체상태의 천연가스를 -163o C로 냉각시켜 액화상태로 수송하여 재기화 설비를 선박 내에 설치하거나 육상에 설치해야 한다. 이러한 재기화설비 비용을 절약하고 NIMBY(not in my back yard) 로 인한 안전성측면에서 천연가스를 고압가스로 수송하는 CNG 수송에 대한 관심도 높아지고 있다. LNG선에 비해 화물수송량은 절반 수준이나 재기화설비비용 절약, 중소 유전의 활용에 효율적이어서 개념설계의 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (8)

American Society of Mechanical Engineers (ASME), 1992. Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII, Division 1
Chirkowski J., Cole S., Dowie C., 2006. The Conceptual Design of a $CO_{2}$ Carrier for EOR and $CO_{2}$ Storage.
Chang D.J., 2009. Safety and Reliability Issues for Carriedbased CCS: Liquefaction, Transportation, and Temporary Ocean Storage. DNV user conference.
Harvey, J.F., 1985. Theory and Design of Pressure Vessels. van Nostrand Reinhold Company, New York.
Kim, Y.H., Kim, J.Y., Lee, J.W., Song, J.Y., 2005. A Conceptual Design and Structural Efficiency Evaluation of 20ft Container Shape CNG Tank. the Society of Naval Architects of Korea, 42(5), 142-150.

원문보기 상세보기
Korean Institute of Energy Research(KIER), 1990. Explanation of ASME Boiler & Pressure Vessel Code.
RRC for Transportation System of Yellow Sea, Inha University( CTYS), 2003. Structural Efficiency Evaluation of LNG/ CNG Carriers of Membrane Type(Report).
RRC for Transportation System of Yellow Sea, Inha University( CTYS), 2004. Structural Safety Evaluation of the ALAlloy LNG/CNG Tank(Report).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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