This paper proposes a liquid hydrogen (LH2) unloading system assisted by make-up boil-off gas (BOG) compressor and conducts a feasibility study. The cryogenic submerged pumps used in liquefied gas unloading have low efficiency and technical readiness, which transfer a significant amount of heat to cryogenic cargo, causing BOG. To address these issues, make-up BOG compressor-assisted unloading system is proposed. The unloading process modeling was based on mass and energy balance and feasibility study was conducted comparing pump-assisted unloading with compressor-assisted unloading. Furthermore, a sensitivity study was performed to identify factors affecting the unloading process. To evaluate the feasibility of the compressor-assisted unloading system, it was analyzed in terms of pressure, unloading mass and vaporization rate, and energy consumption of the pump and compressor. As a result of the compressor-assisted unloading, the carrier tank unloaded LH2 within the maximum allowable pressure of the tank, 400 kPa. The transferred LH2 mass and vaporization rate were comparable to pump-assisted unloading, and the power consumption was 16 – 33% of pump-assisted unloading. In addition, as a result of the sensitivity study, a substantial amount of make-up BOG reduced the vaporized gas in the carrier tank by 50%, and maintaining thermal stratification in the carrier tank showed the lowest vaporization rate. When the unloading time was reduced, the pressure drop in the pipeline increased, and the pressure of the carrier tank increased. In the case of high temperature of make-up BOG, the system was operated at a less amount of make-up BOG, but the vaporized gas in the carrier tank increased. As a result of LNG unloading, a pressure drop was 10 times higher than the LH2 unloading system, requiring the carrier tank to pressurize 370 kPa above. The vaporization rate was 1.4 times and compressor power consumption was 12 times higher than LH2 unloading, respectively.
본 연구는 컴프레서를 이용한 액체수소 하역 시스템을 설계하고, 기술타당성 분석을 수행하였다. 기존 액화가스 하역 시스템에서 사용하는 극저온 잠입식 펌프는 효율과 기술성숙도가 낮아 액체수소로 다량의 열이 전달되어 수소 증발가스의 원인이 된다. 이를 해결하고자, Make-up BOG compressor를 활용해, 운반선 저장탱크를 가압하여 액체수소를 이송하는 시스템을 제안하고자 한다. 하역과정을 모사하기 위해, mass & energy balance를 기반으로 모델링을 수행하였고, pump-assisted unloading과 compressor-assisted unloading을 비교 분석하였다. 나아가, 하역 과정 중 다양한 상황에 적용하고, 하역에 미치는 요소들을 판별하기 위해 민감도 분석을 수행했으며, 결과를 바탕으로 타당성 분석을 수행했다. Compressor-assisted unloading의 기술타당성을 평가하기 위해, 압력, 액체수소 이송 및 증발량, 그리고 컴프레서 및 펌프의 동력 소모량 관점에서 분석하였다. 수행 결과, Compressor-assisted unloading의 경우, 운반선 저장탱크는 탱크의 최대허용압력인 400 kPa 이하에서 하역이 가능했다. 액체수소 이송 및 증발량은 pump-assisted unloading과 유사한 결과를 나타냈으며, 컴프레서의 동력소모량은 펌프 동력의 16 – 33% 로 운영이 가능했다. 더불어 민감도 분석 결과, 다량의 make-up BOG는 운반선 저장탱크에서 발생하는 수소증발가스를 50% 감소시켰으며, 열성층화를 고려한 경우 가장 낮은 증발량을 보여주었다. 하역시간이 줄어들 경우 배관 내 압력강하가 증가하여 운반선 저장탱크의 압력이 증가했다. Make-up BOG의 온도가 높을 경우, 적은 유량의 make-up BOG로 충분히 하역이 가능했으나, 운반선 저장탱크에서 많은 증발가스가 발생했다. LNG에 대해 적용한 결과, 액체수소 대비 약 10 배 가량의 압력강하가 발생하여, 370 kPa 이상의 압력이 필요했다. LNG 증발량과 컴프레서 소모 동력은 액체수소 대비 각각 1.4 배, 12 배가 소모되었다.
