LNG선

3. LNG 탱크

LNG 운반선은 일반적으로 선박 중심선을 따라 4~6개의 탱크를 가지고 있으며, 탱크 주변에는 평형수 탱크, 코퍼댐 및 빈 공간이 조합되어 있어 이중 선체 설계를 제공한다.^[24] 각 탱크 내부에는 3개의 잠수 펌프가 있는데, 2개의 주 화물 펌프는 화물 하역 작업에, 더 작은 스프레이 펌프는 액체 LNG를 연료로 사용하거나 화물 탱크 냉각에 사용된다. 모든 펌프는 펌프 타워에 포함되어 탱크 상단에서 탱크 바닥까지 이어진다. 멤브레인형 선박에는 비상 펌프 타워도 있어 주 화물 펌프 고장 시 비상 화물 펌프를 내려 화물을 펌핑할 수 있다. 모든 화물 펌프는 공통 파이프를 통해 갑판으로 배출되어 화물 매니폴드로 연결된다.

오늘날 신규 건조 선박에는 네 가지 격리 시스템이 사용된다. 자립형 설계 두 가지와 가즈트랜스포트 앤 테크니가즈(GTT)가 특허를 소유한 멤브레인형 설계 두 가지가 있다. 멤브레인형 탱크는 선체 형태를 효율적으로 사용하므로, 동일 용량일 때 모스형 설계보다 수에즈 운하 통과 비용이 저렴하다. 그러나 자립형 탱크는 더 튼튼하고 슬로싱 힘에 강하여 해상 저장에 유리할 수 있다.^[8]

모스형 탱크는 노르웨이 회사 모스 해양(Moss Maritime)이 설계한 구형 IMO B형 LNG 탱크이다. 대부분 4~5개의 탱크를 가지며, 두꺼운 폼 단열재로 덮여 있고, 그 위에 얇은 "주석 호일" 층이 있어 질소 분위기로 단열재를 건조하게 유지한다. 탱크는 적도 링(equatorial ring)과 데이터 커플(data-couple)이라는 스커트(skirt)로 지지되며, 냉각 및 가열 시 60cm 정도 팽창 및 수축한다.

SPB 탱크는 이시카와지마-하리마 중공업(Ishikawajima-Harima Heavy Industries)이 설계했으며 현재 단 두 척의 선박에만 사용된다. B형 탱크는 슬로싱 문제를 제한하여 멤브레인 LNG 운반선 탱크보다 개선되었다.

멤브레인형 탱크는 테크니가즈가 설계했으며 '와플'이 있는 스테인리스강 멤브레인으로 구성되어 열 수축을 흡수한다. 1차 방벽, 1차 단열재, "트리플렉스" 재질의 2차 방벽, 2차 단열재 순으로 구성되며, 외부에서 선체 구조에 의해 지지된다.^[27][28]

가즈트랜스포트(Gaztransport)가 설계한 탱크는 열 수축이 거의 없는 인바(Invar) 재질의 멤브레인과 펄라이트가 채워진 합판 상자 단열재로 구성되며, 질소 가스로 세척된다. NG2에서는 질소를 아르곤으로 대체하여 증발 가스 절감을 제안한다.^[28][29]

CS1 (Combined System Number One)은 가즈트랜스포트 앤 테크니가즈(Gaztransport & Technigaz)가 설계했으며, MkIII 및 No96 시스템의 장점을 결합한 것이다. 1차 방벽은 인바(invar) 0.7mm, 2차 방벽은 Triplex, 단열재는 폴리우레탄 폼 패널로 구성된다.

3. 1. 탱크의 형상

• 모스(Moss)형 (구형): 노르웨이의 모스 해양(Moss Maritime)이 설계한 구형 탱크이다. 대부분 4~5개의 탱크를 가지며, 두꺼운 폼 단열재로 덮여 있다. 탱크는 적도 링(equatorial ring)과 스커트(skirt)로 지지되며, 냉각 및 가열 시 60cm 정도 팽창 및 수축한다.

• 멤브레인(Membrane)형 (각형): 가즈트랜스포트 앤 테크니가즈(GTT)가 특허를 보유한 기술이다. 각기둥 형태로 선체 공간을 효율적으로 사용하며, 모스형보다 적재량이 40% 더 많다.^[51] 얇은 스테인리스강 멤브레인과 단열재로 구성되어 있으며, 열 수축을 흡수하는 '와플' 구조가 특징이다.

대한민국에서는 삼성중공업, 현대중공업, 한진중공업은 GTT 마크 III, 대우조선해운은 GTT NO96을 채택하고 있다.

3. 2. 탱크의 형식

• 구형 탱크 방식: 탱크가 선체로부터 독립되어 자체적으로 내부의 LNG를 가두기 위한 강도를 유지하고, LNG의 무게를 지탱한다. 비교적 얇은 탱크 구조재로 강도를 유지하기 위해 구형으로 만들어진다.
• 멤브레인 방식: 내부의 LNG 무게를 탱크뿐만 아니라 선체도 함께 사용하여 지탱하는 방식이다. 탱크 외벽은 선창 내벽과 밀착되어 있으며, 얇은 탱크는 밀폐와 초저온을 유지하는 기능만을 담당하고, 무게 지지는 선체가 부담한다.

가즈트랜스포트 앤 테크니가즈(GTT)가 특허를 소유하고 있는 멤브레인형을 사용하는 추세가 있다. 이는 각기둥형 멤브레인 탱크가 선체 형태를 더 효율적으로 사용하고, 화물 탱크와 밸러스트 탱크 사이의 빈 공간이 적기 때문이다. 이로 인해, 동일한 용량의 멤브레인 설계에 비해 모스형 설계는 수에즈 운하를 통과하는 데 더 많은 비용이 소요된다.^[8] 그러나 자립형 탱크는 더 튼튼하고 슬로싱 힘에 대한 저항력이 더 크며, 악천후가 중요한 요인이 될 해상 저장에 대해 향후 고려될 수 있다.

3. 2. 1. 모스 (구형 탱크) 방식

• 입열이 작기 때문에 LNG의 증발 가스 (BOG)가 적어진다.
• 열 응력의 집중이 배제될 수 있다.
• 역학적인 구조 해석이 완벽하게 가능하므로, 안전성을 확보하면서 부재 두께를 얇게 할 수 있다.
• 슬로싱 충격이 작다 (선체의 흔들림에 의한 피해를 완화할 수 있다).
• 용접 부위가 적고, 단순한 맞대기 용접만으로 건조할 수 있으므로, 단기간에 제작되며, 품질 관리가 용이하다. 또한 로봇 용접에도 대응하기 쉽다.
• 검사 및 보수를 위한 공간이 선창 내에 확보되어 있다.
• 선체의 약간의 뒤틀림이 그대로 탱크의 변형으로 이어지지 않으므로, 타선과의 충돌이나 좌초 등의 사고 발생 시에도 멤브레인 방식 등과 비교하여 누출 등에 대한 안전성이 높다.

• 구형이므로 선창의 공간 이용 효율이 나쁘다.
• 상갑판 상의 돌출부로 인해 선박의 전방 시야가 나빠진다.
• 구형 강판 제조에는 고도의 기술이 요구된다.
• 신축을 고려하면서 적절한 무게 지지를 수행하는 데 어려움이 따른다.
• 용접 작업의 불비로 균열이 발생하는 등, 예상보다 품질 관리가 어렵다.

3. 2. 2. 멤브레인 방식

멤브레인 방식에서 탱크는 얇은 막이라고 불러도 좋을 정도의 두께를 가진 저온 대응 인바 합금으로 만들어져 수축에 의한 변형에도 유연하게 대응한다. 멤브레인 방식은 다음과 같은 장점과 단점·문제점을 가진다.

; 장점

:* 선창의 공간 이용 효율이 좋기 때문에, 탑재량 증대와 상갑판상의 돌출을 최소화할 수 있다.

:* 탱크의 열 용량이 작기 때문에 싣고 내릴 때 열의 낭비가 적다.

; 단점・문제점

:* 탱크 외부에서 검사・보수를 할 수 없다.

:* 멤브레인, 방열재, 2차 방벽의 부착에 고정밀 작업이 요구된다.

:* 규칙에 의해, 선체는 이중 선체 구조, 횡격벽・갑판도 이중으로 해야 한다.

; 테크니가즈 방식

: 멤브레인 방식의 LNG 탱크는 미충전 시 상온과 충전 시 극저온이라는 격심한 온도 변화에 의해 팽창과 수축을 반복해도 고정 및 부착에 영향을 받지 않도록 미리 탱크 내면을 구성하는 금속판에 주름 모양의 여유를 둔 골판 금속층을 갖게 하는 등의 연구가 이루어졌다. 이 방법은 1960년대에 테크니가스사가 개발했기 때문에 테크니가스 방식이라고도 불린다.

; 가스 트랜스포트 방식

: 인바 특성을 이용하여 금속판을 골판 모양으로 가공하지 않고 평판 금속을 사용할 수 있게 되어 용접이 용이하게 되었다. 이 방법은 1960년대에 가스 트랜스포트사가 개발했기 때문에 가스 트랜스포트 방식(GT 방식)이라고 불린다.

3. 2. 3. GTT 방식

3. 3. 기타 방식

모스 방식으로 대표되는 구형 탱크 방식이나 테크니가스 방식·가스 수송 방식에 대표되는 멤브레인 방식 외에도 다음과 같은 다양한 방식이 제안 및 실험되었다.

;구형 탱크

:세로로 하나의 지지재로 구형 탱크를 지지하는 로렌젠 구형 탱크 방식과 테크니가스 매달기 구형 탱크 방식.

:적도부를 일주하는 수평 링 거더로 구형 탱크를 지지하는 히타치/CBI 거더 지지 구형 탱크 방식.

:구형 탱크의 지지부(스커트)의 원통을 이중통으로 한 스페인의 세너사의 세너 이중벽 스커트 구형 탱크 방식.

;원통형 탱크

:가느다란 원통형 고압 탱크를 세로로 다수 묶은 것(영국 오션 트랜스포트 고압 원통 탱크 방식과 독일 린데사의 다원통형 탱크 방식)

:가느다란 원통형 고압 탱크를 선체에 맞춰 가로로 다수 묶은 것(독일 리퀴드 가스·안라겐사의 제란 탱크 방식)

:멀티 로브로 한 것 - 독일 린데사의 린데 멀티 로브

:4개의 원통형 탱크를 탑재한 LNG 바지선 "매사추세츠"의 미국 슐러&앨런사/미국 테크니가스사 공동의 원통형 탱크 방식, 미국 피츠버그·데모인사/가스 수송사 공동의 PDM/GT 견고형 원통형 탱크 방식, 미국 오션 피닉스사의 오션 피닉스 멀티 로브 탱크, 네덜란드의 페롤메사의 페롤메 견고형 원통 탱크, 구형 탱크의 크기로 바닥이 평평한 것(미쓰비시 견고형 원통 탱크 방식)

;세미 멤브레인

:멤브레인 방식보다 두꺼운 금속을 사용하여 경량화와 용이한 용접 작업을 실현하고 있다. 열 흡수는 탱크 코너의 각의 원호부에서 흡수된다. 브리지스톤의 플랫 멤브레인, IHI(당시의 이시카와지마 하리마 중공업 주식회사)의 플랫 탱크 등.

;사각형 탱크

:-- 사각형 탱크를 선창 내에 만들어 척이나 바닥의 지지부로 지지되는 것.

:과거에는 사각형 탱크의 콘치 방식에서 몇 가지 파생 형식이 만들어졌다.

:1960년대에는 미국 J.J. 맥뮬렌사에 의해 골판지 이중벽 구조의 맥뮬렌 골판지 사각형 탱크(맥뮬렌 방식 탱크)가 고안되었지만 배는 만들어지지 않았다.

:에소사는 1960년대에 에소 이중벽 사각형 탱크를 개발하여 1969년~1970년에 이탈리아에 3척, 스페인에서 1척의 40,000m³급 "에소 브레가"를 건조했다. 내부의 알루미늄 합금제 1차 방벽(1차 탱크) 밖을 T-웹이 지지하고, 알루미늄 합금제 2차 방벽 밖에 150mm~250mm 간격의 폴리우레탄 폼이 합판을 사이에 두고 방열을 담당했다. 탱크 지지의 키가 탱크의 전후 좌우에 있었고, 선체 측의 키웨이를 미끄러지도록 되어 있었다. 이 방식은 비용이 많이 들어 그 후의 채용은 없었다.

:맥뮬렌 방식도 에소 이중벽 사각형 탱크도 모두 내부에 슬로싱을 방지하는 액밀 수직 격벽을 갖추고 있었다.

:1970년경에는 일본의 히타치조선이 히타치 직사각형 탱크를 개발했다. 9% 니켈강을 사용한 1차 방벽(1차 탱크)에 폴리우레탄 폼이 붙여졌고, 2차 방벽으로 합판이 이중 선각 내각면에 붙여졌다. 실험선에 1개가 장착된 것 외에는 채용되지 않았다.

;이색적인 설계 예

:콘크리트제 LNG선(콘트란스토, 미국 다이텀 방식)이나 빙해 LNG선(캐나다 아크틱 프로젝트, 핀란드의 발질라사 안), 빙해 밑을 잠수하는 잠수 LNG선(미국 제너럴 다이내믹스사) 등이 이색적인 아이디어가 존재했지만, 모두 건조까지는 이르지 못했다.

위와 같이 다수의 형상이 고안되었고, 몇몇은 배가 만들어졌지만 주류가 되지는 못했다.

또한, 비교적 최근에 고안되어, 향후 채용이 확대될 가능성이 있는 설계 방식은 다음과 같다.

;사각형 탱크의 발전형

:1982년에 일본의 IHI가 발표한 IHI-SPB(Self-support prismatic shape IMO type-B)는, 일본 고유의 LNG선용 탱크로서는 몇 안 되는 성공 사례이다.

:알루미늄제 사각형 탱크가 단열 지지재 위에 놓여 있고, 경감 이중 방벽이 선창 하부에 설치되어 있다. 탱크 형상이 선창에 맞춰 자유롭게 설계할 수 있으며, 액밀 수직 격벽이 있기 때문에 내부 액량에 관계없이 슬로싱에 강하고, 탱크 외면이 상온 환경에 면해 있기 때문에 인간이 용이하게 점검·보수가 실시할 수 있다는 등의 이점이 있다.

:1993년에는 "폴라 이글"급 2척을 준공했다.

:2002년에는 1차 방벽에 스테인리스강을 사용하는 설계도 승인을 획득했다.

:이후, LNG 탱커로서는 모스·멤브레인 양 방식에 비견할 정도로 채용은 확대되지 않았지만, 사각형 탱크의 특성을 살려, FPSO(부유식 LPG 생산 저장 적출 설비)나 FSRU(부유식 LNG 저장 재가스화 설비)^[39]에도 채용되었다. 그 후 2010년대 후반에 이르러, 일본 국내 건조의 LNG 벙커링선(구조적으로는 LNG 탱커에 해당)에 채용^[40]된 외, LNG 연료선의 연료 탱크로도 제안되고 있다^[41]。

;축압식 원통형 탱크

:원통형 탱크이며, 대기압 이상의 내압 상승을 허용하고, 보일오프 가스를 일정 정도 탱크 내에 봉입할 수 있는 구조의 LNG 탱크.

:2000년대에 들어 일본 국내의 중소 도시 가스 사업자에서 가스 종류의 천연가스로의 전환이 진행됨에 따라, LNG의 수입 기지에서 국내 각지로의 2차 수송이 증가하여, 내항 LNG 탱커의 건조가 시작되었다.^[42]。이러한 일본의 내항 LNG 탱커에서는, 근거리·단일 항해에서의 수송이기 때문에, 외항 LNG 탱커와는 달리 탱크를 3kg/cm² 정도의 내압 구조로 하고, 보일오프 가스를 하역까지 탱크 내에 봉입하는 축압식의 원통형 탱크 방식을 채용하고 있다(외항 LNG 탱커의 탱크는, 대기압 이상으로의 내부 압력 상승을 허용하지 않고, 보일오프 가스는 탱크 밖으로 꺼내 주기관의 연료로 한다.).^[42]。 탱크 배치는, 횡형 원통형 탱크를 탠덤으로 배열한 형태가 되고 있다.^[42]。 주기관도, 보일오프 가스의 처리를 고려할 필요가 없기 때문에, 일반적인 중유 연료의 디젤 엔진으로 하고 있다.^[42]。일본 최초의 LNG 벙커링선 "가구야"에도 이 방식의 탱크가 채용되어 있다.^[43]。

4. 선체

최초의 LNG 운반선은 뷰로 베리타스(Bureau Veritas)에 의해 분류된 ''메테인 파이오니어''(Methane Pioneer, 5,034DWT)였다. 이 선박은 1959년 1월 25일 루이지애나만 연안의 칼카슈강을 떠나 세계 최초로 해상 LNG 화물을 싣고 영국으로 항해하여 화물을 인도했다. 이후 LNG 무역이 확장되면서, 최대 266,000㎥를 운반하는 거대한 LNG선이 전 세계적으로 항해하게 되었다.

''메테인 파이오니어''로 이름이 변경된 특별 개조 C1-M-AV1형 표준 선박 ''노르마티''(Normarti)의 성공으로, 영국 가스위원회와 콘치 인터내셔널 메테인사는 '메테인 프린세스(Methane Princess)'와 '메테인 프로그레스(Methane Progress)'라는 두 척의 특수 건조 LNG 운반선 건조를 주문했다. 이 선박들은 콘치사의 독립 알루미늄 화물 탱크를 장착하고 1964년 알제리 LNG 무역에 투입되었으며, 용량은 27,000㎥였다.

1960년대 후반, 알래스카에서 일본으로 LNG를 수출할 기회가 생겨 1969년 도쿄전력과 도쿄가스와의 무역이 시작되었다. 각각 71,500㎥의 용량을 가진 ''폴라 알라스카''(Polar Alaska)와 ''아크틱 도쿄''(Arctic Tokyo) 두 척이 스웨덴에서 건조되었다. 1970년대 초, 미국 정부는 미국 조선소에 LNG 운반선 건조를 독려하여 총 16척의 LNG선이 건조되었다. 1970년대 후반과 1980년대 초반에는 북극 LNG 선박에 대한 많은 연구가 진행되었다.

화물 용량이 약 143,000㎥로 증가함에 따라, 노르웨이의 모스 로젠베르크(모스형)와 프랑스의 테크니가즈의 〈마크 III〉, 가즈트랑스포르의 〈No.96〉 등 새로운 탱크 설계가 개발되었다.

최근 LNG 운반선의 크기와 용량은 크게 증가했다.^[46] 2005년부터 ''카타르개스''(Qatargas)는 Q-Flex와 Q-Max라는 두 가지 새로운 종류의 LNG 운반선 개발을 주도했다. 각 선박의 화물 용량은 21만 ~26.6만㎥이며, 재액화 플랜트가 장착되어 있었다.

대한민국에서는 현대중공업이 1982년 노르웨이 카바에르네르사로부터 모스형 기술을 도입하여 1991년에 모스형 LNG선인 ‘현대 유토피아’를 처음으로 수주했다. 이후 2006년 6월 울산 조선소에서 마지막 모스형 LNG선을 인도할 때까지 모스형 탱크를 가진 LNG선을 제작했다. 2006년 이후부터 2022년까지는 멤브레인형 LNG선이 대한민국의 주력 제품이 되었다. 대우조선과 삼성중공업은 처음부터 모스형 LNG선을 제작하지 않았고, 1990년 6월 프랑스 GTT사에서 멤브레인형 기술을 도입해 건조 능력을 키워왔다.^[50]

모스 방식과 멤브레인 방식은 LNG의 압력과 중량을 탱크와 선체가 어떻게 분담하는지에 따라 구분된다. 모스 방식은 탱크가 압력과 중량을 모두 지지하는 반면, 멤브레인 방식은 얇은 탱크가 밀폐와 초저온 유지 기능만 담당하고 선체가 압력과 중량을 지지한다.

구형 탱크에는 알루미늄 합금, 9% 니켈 강철, 스테인리스강철이 사용된다.

모스 방식의 독립 구형 탱크는 노르웨이 오슬로 남쪽 50km의 모스시에서 개발되었다. 대한민국에서는 현대중공업에서 13만7천m³급 '''현대유토피아'''호를 건조했으며, 일본에서는 미츠비시, 미츠이, 카와사키가 라이선스 계약을 맺었다. 일본에서는 125,000m³/153,000m³의 LNG선 47척이 건조되었다(2009년 기준).

• 장점
• *입열이 작아 LNG 증발 가스(BOG)가 적다.
• *열응력 집중을 피할 수 있다.
• *역학적 구조 해석이 용이하여 안전성을 확보하면서 부재 두께를 줄일 수 있다.
• *슬로싱이 적다.
• *용접 개소가 적고 단순 맞댐 용접만으로 건조 가능하여 공사 기간 단축, 품질 관리 용이, 자동 용접 대응이 쉽다.
• *선창 내 검사 및 보수 공간 확보가 용이하다.
• *선체 손상이 탱크 변형으로 이어지지 않아 타선 충돌, 좌초 등 사고 시 멤브레인 방식보다 누설 안전성이 높다.
• 단점
• *구형으로 인해 선창 공간 이용 효율이 낮다.
• *상갑판 위 돌출부로 인해 선체 전방 사각지대가 발생한다.
• *구형 강판 제조에 고도의 기술이 필요하다.
• *신축을 고려한 적절한 중량 지지가 어렵다.
• *용접 불량 및 균열 발생 등, 예상보다 품질 관리가 어렵다.

• 장점
• *선창 공간 이용 효율이 높아 탑재량 증대 및 상갑판 돌출 최소화가 가능하다.
• *탱크 열용량이 작아 적사 시 열 손실이 적다.
• 단점
• *탱크 외부에서 검사 및 보수가 불가능하다.
• *멤브레인, 방열재, 2차 방벽 설치에 고정밀, 고난도 작업이 필요하다.
• *규칙에 따라 선체는 이중선각구조, 옆격벽·갑판도 이중 선체 구조 설치가 필수적이다.

4. 1. 구조

4. 2. 설비

5. 추진 방식

과거에는 증기 터빈을 이용하여 기화된 천연가스(BOG, Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 방식이 주류였다. 21세기에 들어서면서, LNG와 중유를 모두 연료로 하는 이중 연료 디젤 엔진(DFD, Dual Fuel Diesel Engine)이나 중유만을 연료로 하는 중유 전소 디젤 엔진(DRL, Diesel Engine with Re-Liquefaction)의 채용이 증가하고 있다. 특히 DRL 방식에서는 BOG를 선상에서 재액화할 수 있는 소형 재액화 장치의 실용화가 이러한 변화의 주요 요인으로 작용하고 있다.

전기 추진 방식도 도입되고 있는데, 2004년 11월에 준공된 74,000m³급 LNG선 "가스 드 프랑스 에너지"가 대표적인 예시이다. 이 선박은 이중 연료 디젤 발전·전기 추진 기관을 채택하였다.

최근에는 IMO 2020 오염 방지 규정^[33]의 영향으로 BOG를 연료로 사용하는 방식이 다시 주목받고 있다. 이 규정은 배기가스 세정 설비를 갖추지 않은 선박에 대해 황 함량이 0.5%를 초과하는 해양 연료유 사용을 금지하고 있다. LNG 운반선은 공간 제약 및 안전 문제로 인해 이러한 설비 설치가 어려워, 저렴하지만 황 함량이 높은 연료유 대신 더 비싸고 공급이 부족한 저유황 연료를 사용해야 하는 상황에 직면했다. 이러한 상황에서 BOG는 더 매력적인 연료 선택지가 되고 있다.

6. 같이 보기

• 액화천연가스 (LNG)
• 액화석유가스 (LPG)
• 천연가스
• 조선
• 대한민국의 조선산업
• 현대중공업
• 대우조선해양
• 삼성중공업
• 한국가스공사

참조

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