KR 웹진 183호

액화 천연가스(LNG)는 메테인을 주성분으로 하는 천연 가스가 저온에서 응축된 형태인 탄화수소 연료입니다. 기체 상태의 천연가스를 대기압에서 -163oC로 냉각하여 액화하며, 기체 상태 대비 600분의 1로 부피가 줄어 저장 및 수송에 유리합니다. 하지만 화물 저장 탱크의 우수한 단열에도 불구하고 LNG는 외부 환경으로부터 순수 열 전달에 의한 온도 변화로 조금씩 증발하게 됩니다.

 

여기서, 조금씩 증발하는 가스를 BOG (Boil off Gas)라고 하며 LNG 화물탱크에서 자연적으로 증발 및 기화하는 천연가스를 의미합니다. BOG의 양은 LNG 탱크 설계 및 선박의 작동 조건에 따라 달라집니다.

 

BOG의 증가는 LNG 탱크의 압력을 증가시킴으로 탱크 내부 압력을 안전한 범위로 유지하려면 BOG를 지속적으로 제거해야 합니다. 탱크 내 압력 상승에 대한 예방 조치로는 탱크의 압력을 완화 할 수 있는 안전 밸브가 설계되어 있어 필요에 따라 BOG를 방출하거나 재액화를 통해 다시 탱크로 이동시켜 저장하게 됩니다.

 

BOG의 발생은 대부분 선박이 LNG를 수송하기 위해 항해 중에 발생하며, BOG 발생 이유는 다음과 같이 분류 할 수 있습니다.

   

   • 화물창과 외부 환경의 온도 차이로 화물창으로의 열 유입이 원인
   • 화물창내 Cooling down 시 BOG 발생
   • 파도에 의한 선박 모션으로 인해 탱크 내 슬로싱 현상으로 BOG가 크게 발생함.

 

선박에 BOG가 발생하는 주된 원인은 열 유입입니다.
여기서, BOR이란 하루 동안 LNG의 자연 증발률으로서 기체로 증발된 양을 액체화물의 총 부피의 비율로

나타낸 것입니다.

 

BOR 계산 조건:

BOR 계산에는 다음과 같은 가정과 조건이 적용되며, 설계 조건은 IMO 권장 사항을 기반으로 합니다.

 

   • LNG 온도는 1차 방벽에 적용

   • 환경 조건으로는
     대기 온도: 45 oC
     해수 온도: 32 oC

   • LNG 특성
     Tank 적재율: 98%
     온 도:  -163 oC
     증발 잠열: 511 KJ/kg (122.05 kcal/kg)

  
화물창 Cofferdam의 Heating 조건을 가정하여 5 oC. 로 적용하고 Aft & Forward cofferdam 온도는 Heating 조건이 없기 때문에 온도분포해석을 통해 온도를 계산하여야 합니다.

 

BOR 계산식:
LNG의 증발 비율은 일반적으로 BOR을 계산하여 평가됩니다. 하루 동안 유입된 열량이 LNG 증발에 모두

사용된다고 가정하면, BOR은 다음 식과 같이 표현 될 수 있습니다.

 

 

여기서,

 

 

LNG 탱크로의 열 유입 계산:
LNG 탱크로 침투하는 총 열량은 분석적 방법 또는 수치적 방법으로 계산할 수 있습니다. 분석적 방법에 있어서, Inner hull의 온도를 계산하기 위해서는 IMO Warm 설계 조건을 고려하여 KR 온도분포해석 지침서에 따라 해석을 수행합니다. 그림1은 IMO Warm 설계 조건을 고려한 분석적 방법으로 계산된 Inner hull 의 온도를 예로 보여주고 있습니다.

 

그림1: 분석적 방법으로 계산한 Inner hull의 온도

 

 

Inner hull의 온도를 계산하면 다음 식을 사용하여 열 유입을 평가할 수 있습니다.

 

여기서,

 

 

총 Heat flux는 외부 환경에서 LNG 탱크 내부로 전달됩니다. Surface 영역과 Corner 영역으로 들어오는 모든 Heat flux는 아래의 식으로 표현 할 수 있습니다.

 

여기서,

Qs = heat flux that penetrates through surface areas
Qc = heat flux that penetrates through corner areas

Membrane형 LNG 탱크의 Surface 영역과 Corner 영역을 그림2와 같이 표현하고 있으며, Surface 영역은 I~X 까지이며, 색깔로 표현된 부분(파란,빨간)은 Corner 영역입니다.

그림2: Membrane형 LNG 탱크에 대한 영역

 

일반적으로 LNG 탱크의 BOR 계산은 Cargo Containment System(CCS) 설계자가 수행하며, 현재까지 GTT(Gaztransport & Technigaz)는 자체 CCS 유형에 대해 본 작업을 수행하고 있습니다. 그러나 조선소, 한국가스공사 및 기타 많은 회사들이 자체적으로 CCS를 개발하고 있습니다. 본 연구는 새로운 CCS 유형 및 LNG 운반선 설계자에게 BOR 계산을 위한 종합적인 지침서를 제공 할 것입니다.