천연가스(LNG) 운반선의 이해 (3/3)

7-1. 모스 탱크(구형 IMO type B LNG 탱크)

 

이 격납 시스템은 탱크를 설계한 회사인 노르웨이의 모스 마리타임의 이름을 땄습니다. 대부분의 모스 타입 선박들은 4~5개의 탱크를 갖고 있습니다. 

탱크 외부에는 두꺼운 단열층이 있으며 패널 또는 탱크에 감긴 보다 현대적인 디자인으로 부착되어 있습니다. 이 단열층 위에는 질소 가스로 둘러싸져 건조한 상태를 유지할 수 있는 "tinfoil"의 얇은 층이 있습니다. 이 가스부는 주기적으로 메탄을 확인하여 탱크 누설 여부를 확인 할 수 있습니다. 또한 탱크 외부를 3개월 주기로 점검하여 단열재 파손을 의미하는 cold spot을 확인합니다.

 

탱크는 equatorial ring에 의해 주변을 지지받으며, equatorial ring은 알루미늄과 철의 독특한 조합으로 된 "data-couple"로 알려진 큰 원형 스커트에 의해 지지됩니다. "data-couple"은 탱크의 무게를 선박의 선체로 전달합니다. 이 스커트는 "쿨다운"과 "warm-up" 작업 시 탱크의 수축과 팽창을 허용하며 이때 약 60cm 수축과 팽창을 할 수 있습니다. 이러한 수축과 팽창 때문에 탱크 상부로 모든 파이프가 연결되고 flexible bellows에 의해 선박의 라인에 연결됩니다. 

 

각 탱크 내부에는 spray head가 설치되어 있습니다. 이 head들은 적도링 부근에 설치되어 온도를 낮추기 위해 탱크 내벽에 LNG를 분사하는 데 사용됩니다.

 

탱크는 일반적으로 working pressure가 22kPa이지만, 비상 양하 시 더 올릴 수 있습니다. 만약 양쪽 카고 펌프가 고장이 난경우, 화물을 제거하기 위해 탱크의 안전밸브를 100kPa(1bar)로 조정합니다. 그러면 탱크의 바닥으로 가는 보충 라인은 본선의 다른 탱크의 보충 라인을 따라서 열립니다. 손상된 펌프들이 설치되어 있는 탱크 압력은 증가하게 되고, 손상된 펌프는 다른 탱크로 화물을 밀게 됩니다.

 

7-2. TGZ Mark III

 

Technigaz에 의해 설계된 이 탱크들은 멤브레인 타입입니다. 멤브레인은 탱크를 쿨다운 할 때 열 수축을 흡수하기 위해 "waffles"로 된 스테인레스 스틸로 구성되어 있습니다. primary barrier는 1.2mm 두께의 파형 스테인레스로 만들어졌으며 화물 액체(또는 탱크가 비어있는 상태에서는 기체)와 직접 접촉합니다. primary insulation은 "triplex"로 불리는 재료로 구성된 secondary barrier로 덮여 있습니다. "triplex"는 glass wool sheets 사이에 끼워져 함께 압축된 기본적인 metal foil입니다. 이것은 다시 secondary insulation으로 감싸집니다. secondary insulation은 바깥쪽에서 선체 구조물에 의해 지지됩니다.

 

탱크의 안쪽에서 바깥쪽으로 층은 다음과 같습니다.

* LNG

* Primary barrier; 1.2mm 두께의 주름진/격자무늬의 304L 스테인레스 스틸.

* Primary insulation (interbarrier space로도 부릅니다)

* Secondary barrier (with triplex membrane)

* Secondary insulation (insulation space로도 부릅니다)

* Ship's hull structure.

 

7-3. NO96  

Gaztransport에 의해 설계된 탱크는 열 수축이 거의 없는 Invar 재료로 만든 primary와 secondary의 얇은 멤브레인으로 구성되어 있습니다. 단열재는 펄라이트로 채워진 합판 상자로 구성되며, 질소로 계속 플러싱 됩니다. 두 멤브레인은 질소 중의 탄화수소 검출에 의해 계속 모니터링됩니다. NG2가 개발되어 불활성 가스와 절연 가스의 플러싱은 질소 대신 아르곤으로 대체됩니다. 아르곤은 질소보다 단열력이 더 좋아 BOG를 10%까지 줄일 수 있습니다.

 

8. BOG (Boil Off Gas)

 

효율적인 운반을 위해 LNG는 대기압에서 약 -163℃까지 냉각되며, 이 지점에서 가스는 액체로 응축됩니다. LNG 운반선에 탑재된 탱크는 저장된 액체 가스가 차가운 상태를 유지하도록 거대한 보온병처럼 효과적인 역할을 합니다.

WGI에 따르면, 일반 항해 중에 단열재의 효율성과 항해 중 날씨 등의 영향에 따라 매일 화물의 0.1~0.25%가 가스로 전환됩니다. 일반적으로 20일 한 항차에서 총적재된 화물의 2~6%가 손실됩니다.

 

일반적으로 LNG 탱커선은 메인 보일러가 설치되어 있으며, 메인 보일러에서 생산된 스팀으로 스팀 터빈으로 추진합니다.

화물창에서 발생한 BOG(Boil Off Gas)는 보일러 연소를 위한 연료로 사용됩니다. BOG는 보일러에 사용 전 가스히터로 20℃ 이상 가열 후 공급됩니다. BOG는 탱크 압력 또는 LD(Low Duty) Compressor에 의해 압력을 증가시켜 보일러에 공급됩니다.

 

선박의 연료는 항해 일수, Cool down을 위해 요구되는 Heel의 양, LNG 대비 유가, 항만 규정 등 여러 요소에 의해 결정됩니다.

 

다음은 메인 터빈을 운전하기 위해 스팀을 생산하는 보일러에 사용되는 가스 연료의 3가지 모드입니다.

 

Minimum BOG / Maximum Oil: 이 모드에서는 탱크 압력을 높게 유지하여 발생되는 BOG양을 줄이고, Fuel Oil 위주로 연료를 사용합니다. 이는 화물 계약시 명시되어 있는 본선 BOR(Boil Off Rate, 탱크에서 손실되는 가스 비율)에 따라 LNG를 연료로 사용하는 것입니다. 주로 LNG 가격이 높을 때 사용하는 방법입니다.

 

Maximum BOG / Minimum Oil: 일반적으로 메인 보일러는 자동모드에서 Gas를 최대한 연료로 사용하고 부족한 연료를 Fuel Oil로 사용합니다. 주로 유가가 높아 연료를 LNG 위주로 사용하는 방법입니다.

 

100% Gas: 환경 규제, 유가 급등 시 보일러의 주 연료를 LNG로 사용하는 방법입니다. 일반적으로 카고 탱크에서 발생하는 BOG만으로는 연료가 부족하므로 화물 탱크의 스프레이 펌프로 액체 상태의 LNG를 이송시켜 Forcing Vaporizer를 통해 기화 시키고 LD 컴프레서를 통해 이송 압력을 높이고 가스히터를 거쳐 보일러에서 요구되는 가스 온도까지 올려 보일러에 공급하게 됩니다.

 

LNG → 스프레이 펌프(액체 상태의 LNG 이송) → Forcing Vaporizer(히터로 액체를 가열하여 기화 시킴) → LD Compressor(BOG를 보일러에 압력을 걸어 보냄) → Gas Heater(보일러에서 BOG를 사용 가능하도록 적정온도로 가열함) → 메인 보일러