국제해사기구(IMO)의 선박 배출가스 기준 강화로 인해 LNG 연료추진선박의 필요성이 대두되고 있으며 관련 분야에 대한 기술개발 및 실용화 촉진 연구가 활발하게 진행되고 있다. LNG 연료탱크는 운항 중 연료소비로 인하여 잔류량이 70% 미만이 될 경우 슬로싱을 고려하여야 하므로 재액화 장치를 탑재하기 어려운 중소형 LNG 연료추진선박은 Type C 형태의 압력 탱크가 적용될 가능성이 높다. 이러한 LNG 연료추진선박에 적용되는 LNG 탱크는 구조적 안전성과 더불어 LNG를 오래 보관하기 위한 단열성능이 매우 중요하다. 본 연구에서는 Type C LNG Tank에 대한 단열성능 평가 절차를 제안하였고, 실험을 통해 LNG 탱크의 열적 특성으로 인한 온도, 압력, BOG(Boil Off Gas)의 변화를 비교, 분석함으로서 BOR(Boil Off Rate) 테스트 절차에 대한 타당성과 유효성을 검증하였다.
국제해사기구(IMO)의 선박 배출가스 기준 강화로 인해 LNG 연료추진선박의 필요성이 대두되고 있으며 관련 분야에 대한 기술개발 및 실용화 촉진 연구가 활발하게 진행되고 있다. LNG 연료탱크는 운항 중 연료소비로 인하여 잔류량이 70% 미만이 될 경우 슬로싱을 고려하여야 하므로 재액화 장치를 탑재하기 어려운 중소형 LNG 연료추진선박은 Type C 형태의 압력 탱크가 적용될 가능성이 높다. 이러한 LNG 연료추진선박에 적용되는 LNG 탱크는 구조적 안전성과 더불어 LNG를 오래 보관하기 위한 단열성능이 매우 중요하다. 본 연구에서는 Type C LNG Tank에 대한 단열성능 평가 절차를 제안하였고, 실험을 통해 LNG 탱크의 열적 특성으로 인한 온도, 압력, BOG(Boil Off Gas)의 변화를 비교, 분석함으로서 BOR(Boil Off Rate) 테스트 절차에 대한 타당성과 유효성을 검증하였다.
As guidelines for exhaust gases of ship are reinforced by the International Maritime Organization, the necessity for LNG fuelled ship is emerging. The relevant research is actively progressing to develop technologies and promote commercialization. When the residual quantity of LNG fuel tank is less ...
As guidelines for exhaust gases of ship are reinforced by the International Maritime Organization, the necessity for LNG fuelled ship is emerging. The relevant research is actively progressing to develop technologies and promote commercialization. When the residual quantity of LNG fuel tank is less than 70% by consuming fuel during operation, sloshing should be considered. We applied the Type C LNG fuel tank because medium sized LNG fuelled ships are difficult to equip with re-liquefaction system. Structural integrity and thermal performance are very important, especially in LNG fuel tanks that apply to LNG fuelled ship. Through this study, we proposed evaluation procedure of thermal performance for the Type C LNG tank, and verified the validity and effectiveness of BOR(Boil-Off Rate) test Procedure by comparing and analyzing changes in temperature, pressure, BOG(Boil-Off Gas).
As guidelines for exhaust gases of ship are reinforced by the International Maritime Organization, the necessity for LNG fuelled ship is emerging. The relevant research is actively progressing to develop technologies and promote commercialization. When the residual quantity of LNG fuel tank is less than 70% by consuming fuel during operation, sloshing should be considered. We applied the Type C LNG fuel tank because medium sized LNG fuelled ships are difficult to equip with re-liquefaction system. Structural integrity and thermal performance are very important, especially in LNG fuel tanks that apply to LNG fuelled ship. Through this study, we proposed evaluation procedure of thermal performance for the Type C LNG tank, and verified the validity and effectiveness of BOR(Boil-Off Rate) test Procedure by comparing and analyzing changes in temperature, pressure, BOG(Boil-Off Gas).
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 Type C LNG Tank에 적합한 BOR 테스트의 절차를 제시하고, 제시한 절차에 의해서 Type C LNG Tank에 대한 BOR 테스트 및 계산을수행함으로서 제시한 BOR 테스트 절차에 대한 타당성 및 유효성을 검증하였다. 연구 결과는 아래와 같이 정리하였다.
본 연구에서는 Type C LNG Tank에 적합한 BOR 테스트의 절차를 제시하고, 제시한 절차에 의해서 Type C LNG Tank에 대한 BOR 테스트를 수행함으로서 BOR 테스트 절차에 대한 타당성 및 유효성을 검증한다. 또한 실험을 통해 극저온 액화가스를 저장하는 탱크의 내부 온도, 압력, 유량이 변동되는 특성을 분석하였다.
가설 설정
여기서, 식 (1)은 LNG 탱크에서 가장 큰 열손실 인자인 전도(Conduction)에 의한 열 침입량이다. 이는 본 실험에 사용되는 LNG 탱크는 갑판 하부 또는 태양열을 차단해 줄 수 있는 그늘에 설치되므로 복사(Radiation)로 인한 열 침입량은 크지 않다고 가정하였으며, 대류(Convection)의 경우는 본 LNG 탱크가 이중진공단열 시공된 것이므로 대류를 통한 열 침입은 거의 없을 것으로 가정하였다[3].
제안 방법
(1) BOR 테스트를 통해 15일 간의 온도, 압력, BOG량의 변화를 측정하였다. 이 결과 21㎥ IMO Type C Double shell LNG Tank의 평균 BOR은 0.
계산 결과는 Air Liquide社에서 제공하는 Gas Encyclopedia의 N2가스의 압력, 온도, 비용적, 엔트로피, 엔탈피 등의 상태량의 관계를 참조하여, 실제 LNG 탱크에서 하루 당 사용되어지는 엔진의 연료 소모량을 고려하였다. Gas Encyclopedia의 값에서 보간법을 사용하여 엔트로피, 엔탈피 등의 값을 계산하고 특히, 열 침입량 계산 시 내조의 실제 보냉 방법인 진공상태와 펄라이트 단열재의 열전도도를 고려하였는데, 0.05 Torr의 진공 압력 상태에서 펄라이트를 충진하였을 때의 열전도도를 적용하였다[5].
탱크는 액화질소를 적용했을 때 15일간의 열 침입량에 따른 온도, 압력, BOR 변화를 Table 4에 나타내었다. 계산 결과는 Air Liquide社에서 제공하는 Gas Encyclopedia의 N2가스의 압력, 온도, 비용적, 엔트로피, 엔탈피 등의 상태량의 관계를 참조하여, 실제 LNG 탱크에서 하루 당 사용되어지는 엔진의 연료 소모량을 고려하였다. Gas Encyclopedia의 값에서 보간법을 사용하여 엔트로피, 엔탈피 등의 값을 계산하고 특히, 열 침입량 계산 시 내조의 실제 보냉 방법인 진공상태와 펄라이트 단열재의 열전도도를 고려하였는데, 0.
내부 탱크로부터의 열전달 동향을 알아보기 위하여 LN2를 충전한 후부터 1일 간격으로 단열재의 온도를 관찰하였다. 탱크높이 20%, 85% 위치의 단열재 내부에 깊이별로 3개의 온도 센서를 설치하였고 Fig.
본 연구에서는 Type C LNG Tank에 적합한 BOR 테스트의 절차를 제시하고, 제시한 절차에 의해서 Type C LNG Tank에 대한 BOR 테스트를 수행함으로서 BOR 테스트 절차에 대한 타당성 및 유효성을 검증한다. 또한 실험을 통해 극저온 액화가스를 저장하는 탱크의 내부 온도, 압력, 유량이 변동되는 특성을 분석하였다.
현재 시중에 시판 중인 LNG선박용으로 제작된 천연가스 엔진 또는 발전기 엔진은 중형급 이상의 선박에 적용되는 사이즈이고 이를 적용하기에는 연료소모량이 과다하다고 판단하여, 소형 선박에 적용 검토가 되고있는 육상용 LNG 발전기 엔진을 바탕으로 연료소모량을 예측하였다. 선정한 엔진의 1일 연료 소모량은 약 20kg/day로 예측하였고 밸브 조절을 통하여 BOG 배출량을 조절하였다.
실험은 일반적인 단열성능 테스트와 비슷하지만 실제 선박에서 발전기엔진 가동에 의한 연료소모량을 모사하는 상황을 추가하였다. Fig.
)가 동시에 존재하게 된다. 이러한 액화질소와 기화된 질소에 대한 온도를 각각 측정하기 위해 탱크의 95% 지점과 20% 지점에 온도센서를 설치하였으며 측정값을 Fig. 6과 같이 그래프로 나타내었다. 기화된 질소가 존재하는 지점(95%)의 온도 변화를 확인할 수 있으며 충전한 지 3일 후부터 온도가 안정화되고 있음을 보인다.
연료소모량 측정을 위하여 탱크 하부에 Load cell을 설치하고 온도와 압력 측정을 위하여 센서를 부착하였다. 전력 안전성을 위하여 비상전원장치를 포함하였고 15일간 각 포인트에서 측정되는 신호를 Data logger를 통하여 수집하였다.
를 충전한 후부터 1일 간격으로 단열재의 온도를 관찰하였다. 탱크높이 20%, 85% 위치의 단열재 내부에 깊이별로 3개의 온도 센서를 설치하였고 Fig. 4는 온도센서의 위치이다.
탱크의 하부로부터 20%, 95% 지점에 온도센서를 설치하였으며 Cool down 진행 상황을 1시간마다 모니터링 하여 열충격에 대한 안정성을 확보하고자 하였다. Fig.
본 실험에서 사용한 Mock-up Tank인 20㎥급 연료탱크를 적용할 수 있는 선박은 크기가 매우 작다. 현재 시중에 시판 중인 LNG선박용으로 제작된 천연가스 엔진 또는 발전기 엔진은 중형급 이상의 선박에 적용되는 사이즈이고 이를 적용하기에는 연료소모량이 과다하다고 판단하여, 소형 선박에 적용 검토가 되고있는 육상용 LNG 발전기 엔진을 바탕으로 연료소모량을 예측하였다. 선정한 엔진의 1일 연료 소모량은 약 20kg/day로 예측하였고 밸브 조절을 통하여 BOG 배출량을 조절하였다.
대상 데이터
실험은 일반적인 단열성능 테스트와 비슷하지만 실제 선박에서 발전기엔진 가동에 의한 연료소모량을 모사하는 상황을 추가하였다. Fig. 1은 실험장치의 구성이며 실험에는 비가연성인 액체질소(LN2)가 사용되었다. LN2는 액화온도가 대기압에서 -196℃의 초저온 상태이기 때문에 단열성능 테스트에 주로 사용되고 있다[8].
실제 선박의 경우 발전기 엔진은 계속적으로 연료를 소모하게 되는 현상을 모사하였다. 본 실험에서 사용한 Mock-up Tank인 20㎥급 연료탱크를 적용할 수 있는 선박은 크기가 매우 작다. 현재 시중에 시판 중인 LNG선박용으로 제작된 천연가스 엔진 또는 발전기 엔진은 중형급 이상의 선박에 적용되는 사이즈이고 이를 적용하기에는 연료소모량이 과다하다고 판단하여, 소형 선박에 적용 검토가 되고있는 육상용 LNG 발전기 엔진을 바탕으로 연료소모량을 예측하였다.
9절에 의하면 선박이 운항되지 않을 경우 15일 동안 탱크 내부의 압력은 탱크 안전밸브 설정압력 미만으로 유지하여야 한다[1]. 본 연구에서 적용하고자 하는 Type C Tank의 경우 압력탱크로서 재액화 장치 없이 침입하는 열에 의해 상승하는 압력을 탱크가 견딜 수 있게 설계되어 있다. LNG가 탱크 내 저장되는 동안 대류, 전도, 복사로 인한 열침입은 탱크 내부에 BOG (Boil-Off Gas)를 발생시킨다.
실험 대상은 IGC, IGF, ASME Code에 의하여 설계된 IMO Type C LNG Tank이다. 탱크는 이중 벽 구조로써 크게 내조와 외조로 구분되며 내조에는 LNG가 저장되고 외조는 탱크의 단열을 위한 진공 유지와 내조를 보호하는 역할을 한다.
성능/효과
(2) 계산을 통한 BOR 예측 결과, 21㎥ 용량의 IMO Type C Double shell type LNG Tank는 BOR은 약 0.103%/day임을 확인하였다.
(3) 실험에 의한 BOR값 및 계산에 의한 BOR값을 비교한 결과, 실험치가 계산치보다 0.039%/day 크게 나타나고 있으나 외부 실험 조건을 고려하면 이는 실험 오차 정도로 생각할 수 있다. 이런 오차는 실제 탱크의 경우 LNG로 인한 대류, 복사, 전도등의 열전달 현상이 발생하지만 복합적인 열적 현상을 정확하게 계산에 적용하는 것은 한계가 있다는 점이다.
5), 탱크 내조와 근접한 Ch3, Ch6 부분의 단열재 온도는 약 -55℃까지 하강 후 유지를 하였고, 외조와 근접한 Ch1, Ch4 부분의 단열재 온도는 약 10℃의 분포로 유지하였다. 12일 이후부터 단열재의 온도 분포는 대체적으로 일정한 온도 범위 내에서 유지되고 있으므로 단열성능은 양호하다고 판단되며, Cool down 이후 내조로부터 단열재까지의 열평형은 약 12일이 걸렸다.
15일 간 단열재의 온도를 측정한 결과(Fig. 5), 탱크 내조와 근접한 Ch3, Ch6 부분의 단열재 온도는 약 -55℃까지 하강 후 유지를 하였고, 외조와 근접한 Ch1, Ch4 부분의 단열재 온도는 약 10℃의 분포로 유지하였다. 12일 이후부터 단열재의 온도 분포는 대체적으로 일정한 온도 범위 내에서 유지되고 있으므로 단열성능은 양호하다고 판단되며, Cool down 이후 내조로부터 단열재까지의 열평형은 약 12일이 걸렸다.
계산 값과 측정 값에 대해 비교․분석을 진행한 결과, Liquid Weight의 경우 초기부터 118.9kg의 오차가 있었으며, 15일 후 무게 오차는 309kg으로 증가하였다. 이는 전체 무게의 약 2% 수준이다.
6과 같이 그래프로 나타내었다. 기화된 질소가 존재하는 지점(95%)의 온도 변화를 확인할 수 있으며 충전한 지 3일 후부터 온도가 안정화되고 있음을 보인다. 액화질소가 존재하는 지점(20%)의 경우, 초기 온도는 -190.
(1) BOR 테스트를 통해 15일 간의 온도, 압력, BOG량의 변화를 측정하였다. 이 결과 21㎥ IMO Type C Double shell LNG Tank의 평균 BOR은 0.142%/day임을 확인하였다.
후속연구
(4) 향후 BOR의 양을 보다 정확하게 측정하기 위해서는 LNG 탱크의 전체 무게와 더불어 연료소모조건을 모사하기 위해 방출되는 가스의 유량 측정 방법 병행도 필요할 것으로 판단되며, 추후 진행하는 BOR 테스트에 반영할 계획이다.
5% 이하로 제한하는 규제를 추진 중이다. 이러한 선박 연료유의 황 함유량 규제는 신조선, 기존선 모두에 적용될 예정이며 점진적으로 LNG 연료추진선의 발주는 증가되고 LNG 연료탱크의 수요 역시 증가될 것으로 예상된다.
이런 오차는 실제 탱크의 경우 LNG로 인한 대류, 복사, 전도등의 열전달 현상이 발생하지만 복합적인 열적 현상을 정확하게 계산에 적용하는 것은 한계가 있다는 점이다. 하지만 전체적인 수치에서는 큰 차이를 보이지 않기 때문에 본 연구에서 제안한 Type C LNG Tank의 BOR 테스트 절차는 관련 표준 절차 및 기준을 정립하는 연구 활동에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LNG 연료 탱크에서 BOG는 어떠한 요소인가?
이러한 BOG의 발생은 연료탱크 내 압력을 더욱 상승시키며 압력이 탱크의 안전밸브 설정압력보다 커지게 되면 탱크의 안전밸브가 열려 가스가 배출되고 가스연료의 손실이 발생한다. 이와 같이 LNG 연료 탱크에서 BOG는 탱크의 단열성능을 평가하는 중요한 변수임과 동시에 탱크의 경제성을 결정짓는 중요한 요소이므로 탱크의 특성을 고려한 정확한 단열성능 측정방법은 매우 중요하다. 하지만 IGF 및 선급의 LNG연료추진선박 관련 규정에서는 단열성능 평가 방법에 대한 표준 절차 및 기준은 제시하고 있지 않다.
LNG가 탱크 내 저장되는 동안 대류, 전도, 복사로 인한 열침입은 탱크 내부에 무엇을 발생시키는가?
본 연구에서 적용하고자 하는 Type C Tank의 경우 압력탱크로서 재액화 장치 없이 침입하는 열에 의해 상승하는 압력을 탱크가 견딜 수 있게 설계되어 있다. LNG가 탱크 내 저장되는 동안 대류, 전도, 복사로 인한 열침입은 탱크 내부에 BOG (Boil-Off Gas)를 발생시킨다. 이러한 BOG의 발생은 연료탱크 내 압력을 더욱 상승시키며 압력이 탱크의 안전밸브 설정압력보다 커지게 되면 탱크의 안전밸브가 열려 가스가 배출되고 가스연료의 손실이 발생한다.
(본 연구에서) 선정한 엔진의 1일 연료소모량은 얼마로 예측하였는가?
현재 시중에 시판 중인 LNG선박용으로 제작된 천연가스 엔진 또는 발전기 엔진은 중형급 이상의 선박에 적용되는 사이즈이고 이를 적용하기에는 연료소모량이 과다하다고 판단하여, 소형 선박에 적용 검토가 되고있는 육상용 LNG 발전기 엔진을 바탕으로 연료소모량을 예측하였다. 선정한 엔진의 1일 연료 소모량은 약 20kg/day로 예측하였고 밸브 조절을 통하여 BOG 배출량을 조절하였다.
참고문헌 (11)
International Code of Safety for Ship Using Gases or Other Low flashpoint Fuels, IMO. Res. MSC.391 (95), (2015)
Code for Facilities, Technology and Inspection for Manufacturing of High-Pressure Gas Tanks Fixed on Vehicles, (2017)
J. U. Heo, Transient Heat Transfer Analysis of Liquid-Structure Interaction System, department of mechanical design engineering, Pusan national university, korea, (2002)
http://www.lngbunkering.org LNG fuelled vessels
https://encyclopedia.airliquide.com Gas Encyclopedia Air Liquide
2017 GIIGNL LNG Custody Transfer Handbook, http://giignl.org/system/files/giignl_cthb_5.0.web_.pdf, Accessed March, (2017)
Wordu, A. A, Peterside, B, "Estimation of Boiloff Gas BOG from Refrigerated Vessels in Liquefied Natural Gas Plant," International Journal of Engineering and Technology, vol. 3, no. 1, pp. 44-49, (2013)
J. O. Han, Y. W. Lee, "Study on Abiabatic Performance of LNG Storage Tank for Vehicles," Journal of the Korean Institute of Gas, vol. 12, no. 1, pp. 31-35, (2008)
S. Y. Hwang, J. H. Lee, "Comparative Study on the Thermal Insulation of Membrane LNG CCS by Heat Transfer Analysis," Journal of the computational structural engineering institute of Korea, vol. 29, no. 1, pp. 53-60, (2016)
K. C. Han, S. W. Hwang, J. R. Cho, J. S. Kim, J. W. Yoon, O. K. Lim, S. B. Lee, "A Study on the BOIL-off Rate Prediction of LNG Cargo Containment Filled with Insulation Powders, Journal of the computational Structural Engineering Institute of Korea, no. 2, pp. 193-200, (2011)
M. S. Zakaria, "Boil-off Gas Formation Inside Large Scale Liquefied Natural Gas(LNG) Tank based on Specific Parameters," Applied Mechanical and Materials, vols. 229-231, pp. 690-694, (2012)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.