X-DF 엔진 연료공급시스템 용 LNG 연료 Tank 내부 LNG 에이징 현상에 대한 동적 공정모사

Abstract

LNG를 연료로 하는 선박에서 증발 가스에 의한 LNG 탱크내부 밀도의 증가는 중요한 요소이다.

LNG는 대기압에 근접한 압력에서의 증발온도 이하로 연료탱크내부에 극저온 조건으로 저장되어진다. LNG가 저장되는 동안 탱크의 단열외벽, 루프에서 침투되는 열에 대한 보상으로 상대적으로 에탄, 프로판, 부탄등의 중질탄화수소(Heavy Hydro Carbon, HHC)보다 낮은 비등점(Boiling Point)를 가지는 질소, 메탄등의 증발열을 가진 경질탄화수소성분이 연속적으로 증발하게 된다(Sedlaczek, 2008). LNG 에이징으로 알려져 있는 이러한 현상은 LNG의 에너지, 열량(British Petro and International Gas Union, 2017)에 따라 공급되는 LNG를 연료로 하는 선박에서 특히 중요한 요소가 된다.

LNG 에이징현상은 LNG를 연료로 하는 선박의 LNG연료탱크 내부에 잔류하는 LNG조성 중 상대적으로 낮은 증발온도를 가진 성분의 비율을 감소시키고 반대로 높은 증발온도를 가지는 성분의 비율을 증가시킨다. 더욱이, 선박연료로서의 LNG는 몇 가지의 기준, 즉 밀도, 열량, Wobbe Index, 메탄 또는 질소의 함량 등에 의해 분류되어 질수 있다.

본 연구는 가스모드(Gas Mode)에서 오토사이클(Otto cycle)로 전환되는 X-DF 엔진의 요구사항인 메탄가(Methan Number, MN)80 을 만족시키기 위한 방법에 대해 연구 되었다.

X-DF 엔진에서 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 중질성분의 중질탄화수소(HHC)가 LNG연료탱크 내부에 재순환 될 경우 증가되는 LNG의 밀도는 펌프의 용량, 기화기의 크기 및 각종 제어밸브(Control Valve)의 크기에 영향을 미친다.

때문에 본 연구에서는 선박엔진 운전시간, LNG탱크용량 및 LNG의 조성비에 따른 LNG연료탱크 내 물성치의 거동에 대해 Aspen HYSYS를 이용하여 동적 공정모사(Process Dynamic Simulation)를 통하여 분석되었다. 또한 분석된 결과를 이용하여 본 연구에서 고려된 엔진의 연료공급시스템에 대한 문제해결 가이드(Guide)를 제시한다.

|

The increasing density due to boil-off in the LNG storage tank is one of the key factors for LNG fueled ship.

LNG is stored and used in fuel tanks as a cryogenic state, ie. as a liquid at a temperature below its boiling point at near atmospheric pressure. Due to heat ingress into the LNG through tank shell insulation from outside environment, walls and roof of fuel tank during storing and bunkering operation, the lightest component such as N2 and methane(CH4) of the LNG in the tank continuously evaporates generating boil-off gas(BOG), which gradually varys, ranging from –196 ℃ to +69 ℃, the rates of evaporation of more volatile components, such as nitrogen and methane are higher than those of heavier components, ie. ethane, propane and other heavier hydrocarbons(Sedlaczek, 2008). This phenomenon, known as LNG ageing, is especially important in an LNG fueled ship since LNG is supplied depending on its energy content, ie. its density and heat value(British Petro and International Gas Uninon, 2017). The LNG ageing decreases the percentage of content of the lower boiling point components(methane, nitrogen) and increases the percentage content of the higher boiling point.

components(heavy components) in the LNG remaining in LNG fueled ship's tank(Glomski and Michalski, 2011). Moreover, LNG as ship fuel may be classified in accordance with several criteria; density, heat value, Wobbe index, methane or nitrogen amount, and etc. The parameter most commonly used for its classification is density.

In this study, we conduct dynamic simulation by Aspen HYSYS to solve the problem of LNG ageing in fuel storage tank for fuel gas supply system of X-DF.

Adversely the phenomenon is more severe in the FGS process for X-DF engine specifically for Otto cycle internal combustion engine process since the heavier hydrocarbon components has to be removed in the process to satisfy the Methane Number ie. MN80. The heavier hydrocarbon components such as ethane, propane, butane and etc. would be separated in the HHC removal process so that the HHC will be returned and stored again in the LNG storage tank or LNG bunker tank, which will be a cause of equipment failure condition in comparison to steady state design condition. The gradient of LNG density will be increase pump duty, heat exchanger duty and control valve sizing as time goes.

Finally the design case and solution shall be studied intensively for all cases of several LNG specification, in addition, the composition of LNG from bunkering vessels will vary according to the operation condition.