대형 LPG 운반선의 BOG 재액화 시스템 효율 향상을 위한 성능특성 분석 및 개선방안에 관한 연구

Abstract

지구온난화와 기후변화 방지 등 환경보호를 위해 전 세계적으로 에너지 절약과 탄소 배출량 감소에 총력을 다하는 시점에서 액화가스의 중요도와 수요는 지속해서 증가하고 있다. 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas)는 프로판(Propane)과 부탄(Butane) 또는 그 혼합물로서 대표적인 상용 기체연료이며, 연료뿐만 아니라 다양한 분야에서 석유화학 원료와 천연냉매로써도 사용된다. 또한, 미국 셰일 가스전의 개발이 본격화되면서 LPG 가격이 하락 안정화되었으며, 중소형 선박의 연료로 유리한 특성과 시장경쟁력을 갖고 있어 선박용 연료의 황 함유량 제한의 또 다른 대안으로 관심받고 있다. LPG는 세계 물동량의 66% 이상이 초대형 가스 운반선(VLGC; Very Large Gas Carrier)에 의해 해상 운송되며, 운송 중 발생하는 화물 증발가스(BOG; Boil Off Gas)에 의해 화물 탱크의 압력은 설계치를 초과하게 된다. VLGC에 적용된 재액화 설비는 BOG를 완전히 재액화하여 화물 탱크로 되돌려 보내 탱크의 압력을 제어하는 주요 목적을 갖는다. 항해 중 발생하는 BOG뿐만 아니라 BOG의 반송이 허용되지 않는 터미널이 많은 관계로 화물적재 중 단시간 내 발생하는 다량의 BOG까지 재액화해야 한다. 또한, 저온의 화물적재를 위한 탱크의 사전냉각은 물론 잔여 화물의 강제 기화 및 탱크의 가열에도 사용된다. 이렇듯 VLGC에서 재액화 설비의 활용도와 중요성은 매우 높으며, 선박에서 주 추진 다음으로 많은 에너지를 소모하므로 에너지 효율적인 설계는 물론, 이종화물을 적재할 수 있는 VLGC의 특성상 다양한 운전 방식과 폭넓은 운전 범위를 가져야 한다. 이는 설계자와 운용자의 관점에서 과도한 설계 여유 또는 비효율적인 운전이 발생할 수 있는 조건이기도 하다. 이에 본 연구에서는 LPG 화물과 화물 시스템을 고찰하고, 최근 건조된 84K VLGC를 연구 대상 선박으로 선정하여 재액화 시스템의 효율 향상을 위한 성능특성을 분석한다. 다양한 운전 조건에 따른 기존 시스템의 성능 비교·분석을 통해 재액화 성능에 영향을 미치는 조건과 개선이 필요한 부분을 식별하였으며, VLGC의 재액화 시스템에서 일반화된 해수 냉각을 이용한 증기압축식 단일 냉동사이클의 개선을 위해 화물의 적재상태에 따라 운용될 수 있는 캐스케이드 냉동사이클을 제안하였다. 이는 기존 시스템보다 에너지 소모율(SEC; Specific Energy Consumption)이 약 14% 감소한 것으로 분석되어 에너지효율 측면에서 더 우수한 결과를 보였다.|The importance and demand of liquefied gas are continuously increasing at a time when all efforts are being made to save energy and reduce carbon emissions around the world for environmental protection such as global warming and climate change prevention. Liquefied Petroleum Gas(LPG) is a representative commercial gas fuel as propane and butane or a mixture thereof, and is used not only as a fuel but also as a petrochemical raw material and a natural refrigerant in various fields. In addition, as the US shale gas field development began in earnest, LPG prices were lowered and stabilized, and as it has advantageous characteristics and market competitiveness as a fuel for small and medium-sized ships, it is attracting attention as another alternative to limiting the sulfur content of fuel for ships. More than 66% of the world's trade volume of LPG is transported by very large gas carriers(VLGC) at sea. The reliquefaction plant applied to the VLGC has the main purpose of completely reliquefying the BOG and returning it to the cargo tank to control the pressure in the tank. Moreover, since there are many terminals where the return of BOG is not allowed, it is necessary to re-liquefy even a large amount of BOG generated within a short time during cargo loading. And it is used for pre-cooling of tanks for low-temperature cargo loading, as well as forced vaporization of residual cargo and heating of the tank. As such, the utilization and importance of reliquefaction facilities in VLGC are very high. Since it consumes a lot of energy following the main propulsion on a ship, it must have various operating methods and a wide operating range due to the characteristics of VLGC that can carry different types of cargo as well as energy efficient design. This is also a condition that may cause excessive design margin and inefficient operation from the viewpoint of designers and operators. This study consider various LPG cargoes and cargo systems, select the recently built 84K VLGC as the research target vessel, and analyze the performance characteristics for improving the efficiency of reliquefaction system. Through performance comparison and analysis of existing systems under various operating conditions, the conditions that affect the reliquefaction performance and the parts that need improvement were identified. In addition, in order to improve the vapor-compressed single refrigeration cycle using seawater cooling, which is generalized in the reliquefaction system of existing VLGC, a cascade refrigeration cycle that can be operated according to the loading status of LPG cargo was proposed. It showed better results in terms of energy efficiency.