KR101200100B1

KR101200100B1 - 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101200100B1
Application number: KR1020120053790A
Authority: KR
Inventors: 이경우; 김만응; 천강우; 남연우
Original assignee: 이경우
Priority date: 2012-05-06
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-11-12
Also published as: WO2013176413A1

Abstract

본 발명에 의한 질소 생산 및 공급시스템은 내부에 화물유가 저장되며, 질소 및 공기가 주입되는 불활성기체 주입구와 화물유가 유출입 되는 화물유 입출구를 포함하는 화물탱크; 제어부의 제어신호에 따라, 제 1 순도와 상기 제 1 순도보다 낮은 수순도의 제 2 순도를 가지도록 질소를 생산하는 질소 발생기; 상기 제 1 순도의 질소를 저장하는 질소 저장부; 화물탱크 외부의 공기를 흡입하는 공기흡입유닛; 상기 질소 저장부에 저장된 상기 제 1 순도의 질소와, 상기 질소 발생기가 생성하는 제 2 순도의 질소와, 상기 공기흡입유닛에서 흡입되는 외부 공기를 혼합하는 혼합장치; 및 상기 제어부에 의해 개폐가 제어되어, 상기 화물탱크에 공급되는 질소의 순도를 조절하는 밸브유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템 및 그 제어방법{Nitrogen generating, storage and supply system for tanker ship and control method thereof}

본 발명은 화물유를 저장 및 운반하는 탱커선에 설치되는 질소 발생, 저장 및 공급 시스템 및 그 제어방법에 대한 것이다.

탱커선은 화물유(원유, 석유제품, 화학약품 등)를 운반하는 선박이다. 화물유는 대부분 가연성 물질들이므로, 가연성액체를 수납하는 화물탱크에는 화물유로부터 증발된 다량의 가연성가스가 수납될 수 있다. 이러한 가연성 가스가 일정 수준 이상의 산소농도(화물유의 종류에 따라 달라지나, 일반적으로 13% 이상)에서 점화원과 접촉하게 되면, 폭발사고로 이어져 많은 인명손실 및 환경오염을 유발할 수 있다.

이러한 폭발사고를 방지하기 위해, 국제해사기구(International Maritime Organization, 이하 "IMO")에서는 20,000 DWT(중량톤, deadweight tonnage) 이상의 탱커선에 대해, 화물유를 적하(퍼징 포함) 또는 양하하는 경우, 화물탱크 내부의 산소농도가 8% 이하로 유지될 수 있도록, 상기 화물유가 수납되는 화물탱크 내부를 불활성기체로 채울 수 있는 장치를 선박에 설치하도록 의무화하고 있다.

또한, IMO의 의무조항과는 별도로, 엑손(Exxon), 브리티시 페트롤륨(BP), 쉘(Shell) 등과 같은 대형 석유회사들은 자신들의 화물을 운송하는 선박들에 대해, 화물탱크 내부의 산소농도를 5% 이하로 유지하도록 요구하고 있으며, 대형 석유회사가 전세계 화물유 물동량에서 차지하는 비중은 절대적이므로, 20,000 DWT 이상의 모든 탱커선들은 산소농도를 5% 이하로 유지할 수 있도록 관련 설비를 갖추고 있다.

하지만, 최근에 IMO에서는 소형 탱커선들의 폭발사고에 따른 피해를 줄이기 위해, 20,000 DWT 미만의 소형 탱커선에 대해서도 불활성기체 제조장치를 선박에 갖추도록 의무화하는 방안을 논의하고 있다. 이에 따라 2015년 이후부터는, 8,000 DWT 이상의 모든 탱커선에 대해 관련 규제를 적용할 것으로 보인다.

선박용 불활성기체 제조장치는 통상적으로 IGS(Inert Gas System) 또는 IGG(Inert Gas Generator)가 사용되고 있다.

IGS는 탱커선에 설치되어 있는 보일러를 이용하는 것으로서, 보일러의 버너를 불완전연소상태(공급되는 연료에 비해 적은양의 공기를 공급)로 작동시켜, 산소농도가 5% 이하인 배기가스를 생산하고, 이 배기가스를 해수 스크러버를 통해 세정하여 화물탱크에 불활성기체로서 공급하는 설비이다. 이때 배기가스는 질소가 81~83%, CO2가 12~14%, 산소가 2~4% 정도인 것으로 알려져 있다. IGG는 보일러 대신에 불활성기체를 제조하기 위한 전용의 연소설비를 사용하는 것으로서, 나머지 원리는 IGS와 동일하다.

IGS와 IGG는 배기가스의 산소농도를 5% 이하로 낮추기 위해, 불완전연소 조건에서 운전되며, 불완전연소 시에 많은 양의 연소산화물(Soot, PM 등)이 발생되게 되며, 이러한 연소산화물을 제거하기 위해 해수 스크러버를 이용하여 세정하는 단계를 거치지만, 상당한 양의 연소산화물이 화물탱크로 유입되게 된다. 또한, IGG가 전용의 연소설비를 이용하여 IGS에 비해 좋은 품질의 연료유(통상적으로 MDO)를 사용하기 때문에, IGS에 비해 연소산화물이 적게 배출되지만, IGG를 사용하는 경우에도, 상당한 양의 연소 산화물이 화물탱크로 유입되게 된다.

그런데, 20,000 DWT 이상의 대형 탱커선들은 주로 원유, 석유류 제품 등 비교적 낮은 가격의 화물을 대량으로 운송하는 선박이므로, IGS 또는 IGG에서 배출되는 연소산화물이 화물탱크로 유입되어, 화물유에 혼합되더라도, 그 양이 화물유의 양에 비해 매우 작고, 추가적인 정제과정을 거치는 것이 대부분이므로, 별다른 문제가 되질 않는다.

하지만, 20,000 DWT 미만의 소형 탱커선들은 의약품 원료, 화장품 원료 등 매우 고가의 소량 화물들을 주로 운송하기 때문에, IGS 또는 IGG에서 배출되는 연소산화물이 화물탱크로 유입되는 경우, 연소산화물에 의해서, 화물이 오염될 수 있다는 문제점이 있다.

따라서 IMO에서 8,000 DWT 이상의 모든 탱커선에 대해 불활성기체 제조장치를 설치하도록 의무화하는 규제를 시행할 경우에 대비하여, 소형 탱커선에 적합한 불활성기체 제조장치의 개발이 필요하다. 특히, IGS와 IGG를 대체할 수 있으며, 연소산화물에 의한 화물의 오염을 방지할 수 있는 선박용 불활성기체 제조장치는 질소 발생기가 유일한 상황이다.

질소 발생기는 분리막을 사용하는 분리막방식과, 흡착제를 사용하는 압력교차 흡착방식(Pressure Swing Adsorption)이 있지만, 선박에서는 협소한 설비 설치공간, 원활한 유지보수 등을 고려하여, 분리막방식을 주로 사용하고 있다.

분리막방식은 분리막 내부에서 각종 기체들의 투과속도 차이를 이용하는 것으로서, 약 8~12bar로 압축된 공기를 분리막 모듈에 공급하고, 압축된 공기의 각종 분자(대부분 질소 및 산소)가 분리막 내부에서 나타내는 투과속도의 차이를 이용하여 순도 95% 이상의 질소를 생산하게 된다. 이때 분리막에서 생산되는 질소의 순도는 분리막의 종류에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나, 95~99.9%로 조절이 가능하며, 통상적으로 질소의 순도가 높아질수록 질소 발생기에서 생산되는 질소의 양이 줄어드는 경향을 가진다.

하지만, 질소 발생기는 연소산화물에 의한 화물의 오염을 방지하면서 95% 이상의 순도를 가지는 질소를 생산할 수 있다는 장점은 있으나, 질소를 생산하는데 소요되는 동력이 상대적으로 크다는 문제점이 있다.

또한, 용량이 큰 질소 발생기는 선박의 협소한 공간을 고려할 때 설치가 용이하지 않기 때문에, 질소 발생기를 20,000 DWT 미만의 소형 탱커선에 직접적으로 적용하기가 어려울 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 화물유를 운반하는 탱커선에서 폭발사고를 방지하기 위해 화물탱크 내부에 주입되는 질소를 선박 내에서 생산, 저장 및 공급하는 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 20,000 DWT이하의 소형의 탱커선에서도 한정된 동력으로 질소발생장치를 사용할 수 있도록 개선된 질소 생산 및 공급방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 질소 생산 및 공급시스템은 내부에 화물유가 저장되며, 질소가 주성분인 불활성기체 및 공기가 주입되는 불활성기체 주입구와 벤트관 및 화물유가 유출입 되는 화물유 입출구를 포함하는 화물탱크; 제어부의 제어신호에 따라, 제 1 순도와 상기 제 1 순도보다 낮은 순도의 제 2 순도를 가지도록 질소를 생산하는 질소 발생기; 상기 제 1 순도의 질소를 저장하는 질소 저장부; 화물탱크 외부의 공기를 흡입하는 공기흡입유닛; 상기 질소 저장부에 저장된 상기 제 1 순도의 질소와, 상기 질소 발생기가 생성하는 제 2 순도의 질소와, 상기 공기흡입유닛에서 흡입되는 외부 공기를 혼합하는 혼합장치; 및 상기 제어부에 의해 개폐가 제어되어, 상기 화물탱크에 공급되는 질소의 순도를 조절하는 밸브유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 밸브유닛은, 상기 질소 발생기와 질소 저장부 사이의 유로를 개폐하는 제 1 밸브; 상기 질소 저장부와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 2 밸브; 상기 질소 발생기와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 3 밸브; 상기 공기흡입유닛과 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 4 밸브; 및 상기 혼합장치와 화물탱크 사이의 유로를 개폐하는 제 5 밸브;를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 제 1 밸브가 오픈될 경우, 상기 제 2 내지 제 4 밸브는 폐쇄 되는 것이 좋으며, 상기 제 2 내지 제 4 밸브는, 상기 혼합장치에서 혼합되는 기체의 산소농도에 따라, 개별적으로 오픈량이 제어되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 혼합장치와 상기 화물탱크 내부의 산소농도를 측정하는 산소농도계;를 더 포함하며, 상기 제 5 밸브는 상기 산소농도계의 측정값에 따라 개폐여부가 제어되는 것이 바람직하다.

상기 제 1 농도는 99 내지 99.9% 농도이고, 상기 제 2 농도는 92 내지 95% 농도로 마련될 수 있다.

본 발명에 의한 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 제어방법은, 탱커선의 운행 중인지의 여부를 판단하는 단계; 탱커선이 운행 중일 경우, 질소 발생기로 99 내지 99.9% 농도의 질소를 생산하고, 생산된 고순도 질소는 질소 저장부에 저장하는 단계; 탱커선이 운행 중이 아닌 경우에는, 질소 발생기로 92 내지 95% 농도의 질소를 대량으로 생산하고, 이를 혼합장치에서 상기 질소 저장부에 저장된 고순도 질소와 외부 공기와 혼합하는 단계; 및 서로 다른 순도의 질소가 혼합된 가스를 화물탱크에 공급하여, 화물유의 적하 또는 양하를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 혼합된 가스를 화물탱크에 공급하는 단계는, 상기 질소 발생기와 질소 저장부 사이의 유로를 개폐하는 제 1 밸브를 폐쇄하는 단계; 상기 질소 저장부와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 2 밸브, 상기 질소 발생기와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 3 밸브; 및 상기 공기흡입유닛과 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 4 밸브;를 모두 오픈하는 단계; 및 상기 혼합장치 내부의 산소농도를 검출하여, 화물탱크에 공급할 수 있는 적정 수준의 불활성기체의 조성이 되었을 경우, 제 5 밸브를 오픈하여 화물탱크에 질소 중심의 불활성기체를 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 질소 발생기의 제어 방법을 개선하면서, 고순도의 질소를 보관할 수 있는 질소 저장부를 마련하여, 탱커선의 항해 중에는 소용량이지만, 고순도의 질소를 생산하여 질소 저장부에 이를 저장하고, 화물유의 적하 및 양하 시점에서는 대용량이지만, 저순도의 질소를 생산하여, 항해 중에 저장된 고순도의 질소와 화물유의 적하 및 양하 시점에 생산된 저순도의 질소 및 대기 중의 공기를 혼합하여 화물탱크에 공급하기 때문에, 상대적으로 적은 용량의 질소 발생기로도 화물탱크에 필요한 불활성기체(질소)를 공급할 수 있다.

따라서 본 발명에서 제안된 사항을 적용한다면, IGS 또는 IGG에서 생성되는 연소산화물로 인한 화물 오염에 대한 위험성 때문에 IGS 또는 IGG를 적용하기가 곤란한 20,000 DWT 미만의 탱커선에 적합한 불활성기체 생성 및 공급장치로 질소발생장치를 설치 및 운영할 수 있다.

도 1은 탱커선의 화물유 적하 및 양하 작업 순서를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질소 생산, 저장 및 공급장치의 개념을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질소 생산, 저장 및 공급장치의 제어 블록도, 그리고,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질소 생산, 저장 및 공급장치의 제어 흐름도 이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른, 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템을 도면과 함께 설명한다.

도 1은 탱커선이 화물을 적하하고 양하하는 과정을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, (가) 단계는 퍼징(Purging) 단계로서, 화물을 적재하지 않은 상태의 선박이 화물을 적재하기 전에, 폭발을 방지할 수 있도록 화물탱크(10) 내부의 산소농도를 5~8% 이하로 낮추는 과정을 도시한 것이다. 이를 위해, 화물탱크(10)의 불활성기체 주입구(11)를 오픈하여, 후술할 질소발생장치(200)에서 생성된 질소 중심의 불활성기체(100)를 화물탱크(10)의 내부로 주입한다. 이때, 화물탱크(10)에 설치되어 있는 벤트관(12)을 오픈하여, 상기 화물탱크(10) 내부의 산소가 포함된 공기를 외부로 배출하는 것이 좋다.

상기한 (가) 단계에서 화물탱크(10)의 내부 공간의 산소농도가 요구 수준 이하로 낮춰지면, (나) 단계에 도시한 바와 같이, 화물유(20)를 상기 화물유 입출구(13)를 통해 적하 한다.

한편, 상기 (나) 단계에서 화물유(20)를 적하하는 과정 중에, 외부 공기가 유입되면서 화물탱크(10) 내부의 산소농도가 상승할 수도 있으므로, 상기 화물유(20)를 적하하는 과정인 (다) 단계 중에 상기 불활성기체 주입구(11)를 오픈하여, 추가적으로 질소 중심의 불활성기체(100)를 보충 하는 것이 좋다. 즉, 화물유(20)의 적하가 이뤄지는 동안, 화물탱크(10) 내부의 불활성기체인 질소 중심의 불활성기체(100)는 적하되는 화물유(20)의 양 만큼 화물탱크(10) 외부로 배출되기 때문이다. 일반적으로 화물유(20)의 적하가 완료되면, 최종적으로 화물탱크(10) 체적의 5~10% 정도만이 불활성기체인 질소 중심의 불활성기체(100)로 채워지게 된다.

상기한 (가) 내지 (다) 단계를 통해, 화물탱크(10) 내부에 화물유(20)가 적하되면, 상기 불활성기체 주입구(11), 벤트관(12) 및 화물유 입출구(13)를 폐쇄한 상태로, 탱커선을 이동 운전한다. 한편, 화물유(20)의 적하가 완료된 이후에는 화물유(20)를 양하하기 위한 장소로 항해를 하게 되는데, 탱커선이 항해하는 동안 외부의 열원(태양열 등)으로 인해 화물탱크 내부는 상기 벤트관(12)을 이용하여, 지속적으로 가스의 배출 및 흡입이 가능하도록 설치되므로, 화물탱크(10) 내부의 기상부의 산소농도를 요구되는 수준까지 낮추기 위해서는 질소 중심의 불활성기체(100)를 항해 중에도 지속적으로 보충할 필요가 있다. 이와 같은 질소보충을 패딩(Padding)이라 한다.

한편, 화물유(20)의 양하 단계인 (라) 단계에서는, 상기 화물유 입출구(13)를 통해 화물유(20)를 양하하는 과정 중에, 상기 (다) 단계와 마찬 가지로, 외부 공기 유입에 따른 산소 농도의 상승을 억제할 수 있도록, 상기 불활성기체 주입구(11)를 통해 질소를 계속 보충하면서, 화물유(20)의 양하 공정을 수행하는 것이 좋다. 즉, 화물유(20)를 양하하기 위한 항구에 도착하여 화물유를 양하하게 되면, 화물탱크(10)의 구조적 손상(Buckling) 및 폭발을 방지하기 위해, 양하되는 화물유(20)의 양만큼 외부에서 질소를 공급할 필요가 있기 때문이다. 이와 같은 질소 중심의 불활성기체(100)의 추가 공급은 화물유(20)의 양하가 완료되기까지 연속적으로 이루어질 필요가 있다.

그리고 화물유(20)의 양하가 완료되면, (마) 단계와 같이, 상기 화물탱크(10)의 내부 공간에 채워진 질소 중심의 불활성기체(100)를 상기 벤트관(12)을 통해 배출하고, 외부 공기(A)를 흡입하여 상기 화물탱크(10) 내부를 공기로 채운다. 즉, 화물유(20)의 양하가 완료되면, 화물탱크(10) 내부의 청소 작업등을 위해 작업인력이 화물탱크 내부로 진입할 수 있도록 화물탱크(10) 내부의 산소농도를 약 20%수준으로 올려야 하기 때문이다. 한편, 상기한 바와 같이 화물탱크(10) 내부에 존재하는 화물유(20)의 유증기를 화물탱크 외부로 배출하고, 화물탱크(10) 내부에 공기를 채우는 (마) 단계는 가스프리(Gas Free)라고 한다. 가스프리 이후에 화물탱크 내부의 작업을 완료한 탱커선은 다시 화물을 적하하게 되며, 이때 상기한 (가) 단계인 퍼징 단계를 다시 시작하게 된다.

도 2는 화물탱크(10)의 산소농도 조절에 사용되는 질소 중심의 불활성기체(100)를 생성하기 위한 질소발생장치(200)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 질소발생장치(200)는 질소 발생기(210), 질소 저장부(220), 혼합장치(230) 및 공기흡입유닛(240)을 포함하며, 이들은 복수 개의 밸브들로 구성된 밸브유닛(250)으로 선택적으로 연결될 수 있다.

질소 발생기(210)는 상기 화물탱크(10)의 내부에 공급되는 질소 중심의 불활성기체(100)를 생산하는 장치이다. 한편, 질소 발생기(210)를 다양한 크기의 탱커선에 적용하기 위해서는, 상기 질소 발생기(210)의 질소 발생용량이 탱커선의 화물탱크(10)의 전체 체적에 대해 화물유(20)의 적하 또는 양하가 이뤄지는 시간 동안 질소 중심의 불활성기체(100)를 공급할 수 있도록 구성될 필요가 있다.

예컨대, 20,000 DWT 탱커선의 화물탱크 총 체적은 통상적으로 약 30,000㎥정도이며, 화물의 적하 또는 양하에 소요되는 시간이 약 24시간 이므로, 질소 발생기(210)의 질소생산 용량은 약 1,250㎥/h 급이어야 한다.

또한, 퍼징 단계에는 화물탱크(10) 체적의 최소 3배에 해당하는 질소 중심의 불활성기체(100)가 공급되어야 하기 때문에, 퍼징 단계에서 손실되는 질소의 양을 고려한다면, 질소 발생기(210)는 최소한 3,750 ㎥/h 수준의 질소를 공급할 수 있는 것 이어야 한다. 특히, 분리막 방식을 적용하는 경우에는, 일반적인 질소 토출압력이 8bar인 것을 고려하면, 45℃에서 8bar와 0bar(대기압) 에서의 체적비가 약 8.9배 인 것을 고려하더라도 약 421㎥/h급의 질소 발생기가 필요하며, 분리막방식 질소 발생기가 1㎥/h 당 1~1.5kW의 동력이 필요하다는 것으로 고려하면, 420~630kW급의 동력이 소요된다는 것을 알 수 있다. 이는, 420~630kW급의 동력은 탱커선에 설치되는 발전기 1대의 출력에 육박하는 큰 동력이다.

그러나 본 발명에 의한 질소발생장치(200)의 경우, 탱커선의 화물유(20) 적하 및 양하 단계와 운행단계에 걸쳐, 상기 질소 발생기(210)를 선택적으로 운전하여, 질소 중심의 불활성기체(100)의 생산에 필요로 하는 동력을 크게 절감한 것에 발명의 특징이 있다. 이러한 질소 발생기(210)의 제어 방법은 뒤에 흐름도와 함께 다시 설명한다.

질소 저장부(220)는 상기 질소 발생기(210)에서 생성된 질소 중심의 불활성기체(100) 중, 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 저장하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 입구는 제 1 밸브(251)로 상기 질소 발생기(210)와 연결되고, 출구는 제 2 밸브(220)와 연결될 수 있다.

혼합장치(230)는 상기 질소 발생기(210)에서 생성된 질소 중심의 불활성기체(100) 중, 화물유(20)의 적하 및 양하 과정 중에 생성되는 대용량 저순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 공급받는 곳으로, 도시된 바와 같이 입구는 제 2 밸브(252)로 상기 질소저장부(220)와 연결되고, 제 3 밸브(253)로 상기 질소 발생기(210)와 연결되며, 제 4 밸브(254)로 공기흡입유닛(240)과 연결되고, 출구는 제 5 밸브(255)로 상기 화물탱크(10)와 연결될 수 있다. 따라서 상기 혼합장치(230)에서는 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)와 대용량 저순도의 질소 중심의 불활성기체(100) 및 공기(A)가 혼합되어, 상기 제 5 밸브(255)의 개폐 동작에 의해 상기 화물탱크(10)로 공급될 수 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 질소 발생기(210)와, 공기흡입유닛(240) 및 밸브유닛(250)은 소정의 제어부(C)에 의해 동작 제어되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 화물탱크(10) 내부의 산소농도를 감지하는 산소농도계(15)는 측정된 산소 농도값을 상기 제어부(C)에 출력한다. 그러면, 상기 제어부(C)는 상기 산소농도계(15)에서 측정된 산소농도값에 따라, 화물탱크(10) 내부에 질소 중심의 불활성기체(100)가 추가될 필요가 있다고 판단되면, 상기 질소 발생기(210)를 가동하면서, 상기 밸브유닛(250)을 제어하여, 상기 혼합장치(230)에서 필요로 하는 수준의 농도로 질소 중심의 불활성기체(100)를 형성하고, 제 5 밸브(255)의 개폐동작에 따라, 상기 질소 발생기(210)에서 생성된 질소 중심의 불활성기체(100)를 화물탱크(10) 내부로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제어부(C)는 질소 발생기(210)의 작동 방법을 탱커선의 현재 상태에 따라, 다르게 제어한다. 즉, 상기한 바와 같이, 화물유(20)의 적하 및 양하 과정 중에는 대용량 저순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 생산하도록 제어하고, 선박 운항 중에는 고순도 질소 중심의 불활성기체(100)를 생산하여, 이를 상기 질소 저장부(220)에 미리 저장하도록 제어할 수 있다.

예컨대, 상기한 예시와 같이 20,000 DWT 탱커선의 화물탱크 체적이 약 30,000 ㎥이고, 적하 및 양하에 소요되는 시간을 24시간, 출항지에서 입항지까지 운항기간을 3일, 설치된 질소 발생기가 생산할 수 있는 질소의 순도가 99.5~95%라고 한다면, 항해 중에서는 질소 발생기(210)로 99.5% 순도의 질소를 생산하여 저장하고, 화물유(20)의 적하 또는 양하 시에는 상대적으로 낮은 95%의 순도로 질소를 생산하여, 이를 항해 중에 생성되어 저장된 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)와 적하 또는 양하 시에 생산되는 저순도의 질소 중심의 불활성기체(100) 및 대기 중의 공기를 혼합하여 화물탱크에 공급할 수 있다. 그러면, 질소 발생기(210)에 소요되는 전력을 종래에 비해 크게 줄일 수 있다.

물론, 항해 중에 생산된 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 저장하기 위해 압력용기와 압축기 등으로 구성되는 질소 저장부(220)에 추가로 소요되는 비용, 설치공간 및 동력이 필요하다. 하지만, 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 30bar 이상의 고압으로 압축하여 보관할 경우, 저장용기에 필요한 공간을 최소활 할 수 있으며, 이 때 사용되는 압축기는 저렴하고, 소요 동력이 적은 왕복동식 압축기 또는 스크류형식 압축기를 사용할 수 있으므로, 소요동력 또한 크지 않다.

이와 같은, 본 발명에 의한 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템에 따른 질소 발생기의 제어방법을 도 4의 흐름도와 함께 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(C)는 현재 탱커선이 운행 단계인지의 여부를 판단하여(S10), 만일 탱커선이 운행 중이라고 판단되면, 상기 질소 발생기(210)를 최대로 가동하여, 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 생산하고(S20), 생산된 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)는 제 1 밸브(251)만을 오픈하고, 제 2 내지 제 4 밸브(252~254)는 폐쇄하여, 생산된 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 압축용기 등으로 마련되는 질소 저장부(220)에 저장한다. 상기한 S10 내지 S30 단계는 폐루프로 계속 진행되는데, 상기 질소 저장부(220)에 고순도의 질소가 가득 채워지는 경우 중단되도록 구성될 수 있다.

한편, 상기 S10 단계에서 탱커선이 운행 중이 아니라고 판단되면, 이는 화물유(20)의 적하 또는 양하 단계이므로, 이 경우에는 질소 발생기(210)를 이용하여 대용량 저순도의 질소 중심의 불활성기체(100)를 생산한다. 앞선 S20 단계에서의 질소의 순도가 99% 이상이라면, 본 단계에서의 질소의 순도는 95% 정도이면 충분하다(S40).

상기 S40 단계에서 질소 발생기(210)가 대용량 저순도 질소 중심의 불활성기체(100)를 생산하면, 생산된 질소는 상기 혼합장치(230)에서 상기 질소 저장부(220)에 저장된 고순도 질소 중심의 불활성기체(100)와 상기 공기흡입유닛(240)에서 흡입된 외부 대기 중의 공기와 함께 섞여, 상기 화물탱크(10)로 주입될 수 있다. 이때, 상기 혼합장치(230)의 입구에는 제 2 내지 제 4 밸브(252~254)가 연결되는 것이 바람직한데, 각각의 밸브들(252~254)은 산소농도가 요구되는 농도(5~8%)가 될 수 있도록 적절히 유입되는 기체의 양을 조절할 수 있다. 예컨대 질소저장부(220)에서 상기 혼합장치(230)로 공급되는 고순도의 질소 중심의 불활성기체(100)는 상기 제 2 밸브(252)를 상기 산소농도계(15)와 연동시켜 상기 제 2 밸브(252)의 개폐정도를 자동으로 조절할 수 있다(S50).

상기한 S50 단계에서 적절한 농도의 불활성기체의 조성이 완성되었는지의 여부는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 산소농도계(15)를 통해 확인할 수 있으며, 상기 산소농도계(15)에서 측정된 값을 통해, S50단계에서 생성된 질소 중심의 불활성기체의 조성이 상기 화물탱크(10)에 공급하기에 적절하다고 판단되면, 상기 제어부(C)는 상기 제 5 밸브(255)가 오픈되도록 개방하여, 상기 불활성기체를 상기 질소주입구(11)를 통해 상기 화물탱크(10)의 내부 공간에 충전하면서, 화물탱크(10) 내부로 화물유(20)가 안전하게 적하 및 양하될 수 있다(S60).

이와 같은 본 발명에 따르면, 상기한 예시와 같이 20,000 DWT 탱커선의 화물탱크 체적이 30,000 ㎥이고, 퍼징, 적하 및 양하에 소요되는 시간을 각각 24시간, 출항지에서 입항지까지의 운항기간을 3일, 설치된 분리막방식의 질소 발생기가 생산할 수 있는 질소의 순도가 토출압력 8 bar에서 99.5~95%, 순도 95%에서의 질소 토출유량과 순도 99.5%에서의 질소 토출유량이 일반적인 질소 발생기와 유사하게 3.5배라고 할 경우에, 기존과 같이 화물의 적하(퍼징 포함) 및 양하 시에만 질소 발생기를 작동시킨다면, 전술한 바와 같이, 대기압 45℃ 조건에서 3,750 ㎥/h의 질소를 공급하기 위해 420 ㎥/h급의 질소 발생기가 필요하며, 420~630kW급의 동력이 소요된다.

하지만, 본 발명에서 제안된 방법을 적용한다면, 질소 발생기에 요구되는 동력을 획기적으로 줄일 수 있다. 즉, 대기 중의 공기(A)는 질소 79%, 산소 21%로 구성되어 있으므로, 이 공기(A) 100㎥을 산소농도 5%로 만들기 위해서는 순도 99.5%의 질소(질소 99.5%, 산소 0.5%)를 355.6 ㎥을 혼합하여야 하며, 이때 생산되는 불활성 기체는, 45℃ 8bar 토출압력에서 약 203 ㎥/h급 질소 발생기(210)를 설치하여 생산 할 수 있다. 이는 기존의 방법에 비해 용량 및 압력이 48.3%에 불과한 것이다. 자세한 계산결과는 아래의 표 1과 같다.

요구 불활성기체 유량 (㎥/h)	공기 유입량 (㎥/h)	99.5% 질소 공급량 (㎥/h)	99.5% 질소를 이용한 불활성 기체 (㎥/h)	95% 질소 발생기생산량 (㎥/h)	8bar토 출 발생 기 95% 질소 유 량 (㎥/h)	8bar 토출 99.5% 질소 유량 (㎥/h)	24시간 동안 필 요한 양 99.5% 질 소의 양 (㎥)	8bar 토 출 조건 24시간 동안 필 요한 99.5% 질소의 양 (㎥/h)	99.5% 질소 생 산에 필 요한 시 간(h)
(A)	(B)	(C=B*3.556)	(D=B+C)	(E=A-D)	(F=E/8.9)	(G=F/3.5)	(H=C*24)	(I=H/8.9)	(J=I/G)
3,750	450.0	1,600.0	2,050	1,700.0	191.0	54.6	38,401.1	4,314.7	79,1
3,750	439.0	1,561.0	2,000	1,750.0	196.6	56.2	37,464.4	4,209.5	74.9
3,750	428.0	1,522.0	1,950	1,800.0	202.2	57.8	36,527.8	4,104.3	71.0
3,750	417.0	1,483.0	1,900	1,850.0	207.9	59.4	35,591.2	3,999.0	67.3
3,750	406.1	1,443.9	1,850	1,900.0	213.5	61.0	34,654.6	3,893.8	63.8

이상에서는 불활성기체의 일예로 질소를 예로 하여 설명하였으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 불활성기체를 생성할 수 있는 장비라면 어떠한 것이든 사용 가능하다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10; 화물탱크 11; 불활성기체 주입구
12; 벤트관 13; 화물유 입출구
20; 화물유 100; 질소
200; 질소발생장치 210; 질소 발생기
220; 질소 저장부 230; 혼합장치
240; 공기흡입유닛 250; 밸브유닛
251; 제 1 밸브 252; 제 2 밸브
253; 제 3 밸브 254; 제 4 밸브
255; 제 5 밸브

Claims

내부에 화물유가 저장되며, 질소가 주성분인 불활성기체 및 공기가 주입되는 불활성기체 주입구와 벤트관 및 화물유가 유출입 되는 화물유 입출구를 포함하는 화물탱크;
제어부의 제어신호에 따라, 제 1 순도와 상기 제 1 순도보다 낮은 순도의 제 2 순도를 가지도록 질소를 생산하는 질소 발생기;
상기 제 1 순도의 질소를 저장하는 질소 저장부;
화물탱크 외부의 공기를 흡입하는 공기흡입유닛;
상기 질소 저장부에 저장된 상기 제 1 순도의 질소와, 상기 질소 발생기가 생성하는 제 2 순도의 질소와, 상기 공기흡입유닛에서 흡입되는 외부 공기를 혼합하는 혼합장치; 및
상기 제어부에 의해 개폐가 제어되어, 상기 화물탱크에 공급되는 질소의 순도를 조절하는 밸브유닛;을 포함하는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 밸브유닛은,
상기 질소 발생기와 질소 저장부 사이의 유로를 개폐하는 제 1 밸브;
상기 질소 저장부와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 2 밸브;
상기 질소 발생기와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 3 밸브;
상기 공기흡입유닛과 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 4 밸브; 및
상기 혼합장치와 화물탱크 사이의 유로를 개폐하는 제 5 밸브;를 포함하는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 밸브가 오픈될 경우, 상기 제 2 내지 제 4 밸브는 폐쇄 되는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 내지 제 4 밸브는, 상기 혼합장치에서 혼합되는 기체의 산소농도에 따라, 개별적으로 오픈량이 제어되는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 화물탱크 내부의 산소농도를 측정하는 산소농도계;를 더 포함하며,
상기 제 5 밸브는 상기 산소농도계의 측정값에 따라 개폐여부가 제어되는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 농도는 99 내지 99.9% 농도이고, 상기 제 2 농도는 92 내지 95% 농도인 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템.
탱커선의 운행 중인지의 여부를 판단하는 단계;
탱커선이 운행 중일 경우, 질소 발생기로 99 내지 99.9% 농도의 질소를 생산하고, 생산된 고순도 질소는 질소 저장부에 저장하는 단계;
탱커선이 운행 중이 아닌 경우에는, 질소 발생기로 95% 이하의 농도의 질소를 대량으로 생산하고, 이를 혼합장치에서 상기 질소 저장부에 저장된 고순도 질소와 외부 공기와 혼합하는 단계; 및
서로 다른 순도의 질소가 혼합된 가스를 화물탱크에 공급하여, 화물유의 적하 또는 양하를 수행하는 단계;를 포함하는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템 제어방법.
제 7 항에 있어서, 상기 혼합된 가스를 화물탱크에 공급하는 단계는,
상기 질소 발생기와 질소 저장부 사이의 유로를 개폐하는 제 1 밸브를 폐쇄하는 단계;
상기 질소 저장부와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 2 밸브, 상기 질소 발생기와 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 3 밸브; 및 외부공기를 흡입하는 공기흡입유닛과 상기 혼합장치 사이의 유로를 개폐하는 제 4 밸브;를 모두 오픈하는 단계; 및
상기 혼합장치 내부의 산소농도를 검출하여, 화물탱크에 공급할 수 있는 적정 수준의 불활성기체의 조성이 완성되었을 경우, 제 5 밸브를 오픈하여 화물탱크에 질소 중심의 불활성기체를 공급하는 단계;를 포함하는 탱커선용 질소발생, 저장 및 공급 시스템 제어방법.