KR20150129531A - 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템 및 코퍼댐 히팅 방법 - Google Patents

Abstract

해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템이 개시된다. 본 발명의 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템은, 선체의 길이 방향으로 1열 이상으로 설치되는 복수의 LNG 저장탱크의 사이에 마련되는 코퍼댐; 및 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 유기 랭킨 장치를 포함하고, 유기냉매는 코퍼댐의 냉열을 회수하여 액체 냉매로 상 변환되는 것을 특징으로 한다.

Description

해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템{COFFERDAM HEATING SYSTEM OF OFFSHORE STRUCTURE}

본 발명은, 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 종래의 글리콜 히팅시스템을 유기 랭킨 장치로 대체한 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 천연가스는 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하, 'LNG'라 함)의 상태로 LNG 수송선에 저장되어 원거리의 소비처로 운반된다.

이러한 LNG는 천연가스를 극저온, 예컨대 대략 -163℃로 냉각하여 얻어지는 것으로서, 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 적합하다.

이와 같은 LNG는 LNG 수송선에 실려서 바다를 통해 운반되어 육상 소요처에 하역되거나, LNG RV(LNG Regasification Vessel)에 실려서 바다를 통해 운반되어 육상 소요처에 도달한 후 재기화되어 천연가스 상태로 하역될 수 있는데, LNG 수송선과 LNG RV에는 LNG의 극저온에 견딜 수 있는 LNG 저장탱크('화물창'이라고도 함)가 마련된다.

또한, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 구조물에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며, 이러한 해상 구조물에도 LNG 수송선이나 LNG RV에 설치되는 LNG 저장탱크가 마련된다.

여기서, LNG FPSO는 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요 시 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 해상 구조물이다.

LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후, 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 해상 구조물이다.

이와 같은 LNG 저장탱크는 LNG를 극저온 상태로 저장하기 위한 단열재가 화물의 하중에 직접적으로 작용하는지 여부에 따라 독립탱크형(independent tank type)과 멤브레인형(membrane type)으로 분류되고, 독립탱크형 저장탱크는 MOSS형과 IHI-SPB형으로 나뉘며, 멤브레인형 저장탱크는 GT NO 96형과 TGZ Mark Ⅲ형으로 나뉘어진다.

종래의 LNG 저장탱크 중 멤브레인형인 GT NO 96형은 0.5~0.7㎜ 두께의 인바(Invar) 강(36% Ni)으로 이루어지는 1차 밀봉벽(Primary barrier) 및 2차 밀봉벽(Secondary barrier)이 선체의 내면에 2개의 층으로 설치되되, 1차 밀봉벽이 LNG 측에 위치하고, 2차 밀봉벽이 선체의 내면 측에 위치하도록 설치됨으로써 LNG를 이중으로 감싼다.

또한, 1차 밀봉벽과 2차 밀봉벽 사이의 공간에는 1차 단열벽이 설치되고, 2차 밀봉벽과 내부 선체 사이의 공간에는 2차 단열벽이 설치되는데, 1차 단열벽 및 2차 단열벽은 LNG 저장탱크의 외부의 열이 LNG로 전달되는 것을 최소화한다.

그리고 멤브레인 타입 LNG 저장탱크의 경우에 차가운 LNG 저장탱크를 연속적으로 설치하면 그 사이에 있는 스틸(steel)의 온도가 급격히 떨어져서 취성 파괴(brittle fracture)가 일어날 수 있다.

이를 방지하기 위해 LNG 저장탱크의 사이에 코퍼댐(cofferdam)이라는 공간을 두어서 LNG의 저온에 의한 손상을 막아준다.

하지만 코퍼댐을 설치하더라도 극저온의 LNG에 의해 LNG 화물창에 접한 코퍼댐 벌크헤드 부재의 스틸의 온도가 -60℃ 이하로 떨어지는 경우가 발생한다. 일반적인 스틸은 -60℃에 노출되면 저온 취성으로 손상된다.

이에 대한 방안으로 코퍼댐을 스테인레스 스틸이나 알루미늄 등의 극저온 재질로 제작할 수 있으나, 극저온 재질을 사용하면 선박의 가격이 급격히 증가 된다.

따라서, 코퍼댐과 LNG 저장탱크가 설치된 경우 코퍼댐의 온도를 5℃로 제어하고, 코퍼댐의 벌크 헤드를 상온에서 견디는 비교적 값이 저렴한 스틸로 제작한다.

기존의 LNG 운반선의 경우 코퍼댐의 온도를 5℃로 유지하기 위해 항상 히팅 시스템이 가동된다. 기존의 LNG 운반선은 이를 위해서 글리콜 히팅시스템(glycol heating system)이나 전기 히팅시스템을 갖추고 있다.

도 1은 LNG 운반선에 마련되는 글리콜 히팅시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 글리콜 히팅시스템은 선체를 저온 취성으로부터 보호하기 위해 1:1 비율로 섞은 물과 글리콜 부동액을 스팀 히터 또는 전기 히터에서 일정 온도까지 가열한 뒤 코퍼댐(C)을 순환시키는 밀폐시스템을 구성하고 있다.

LNG 운반선의 경우 LNG를 LNG 저장탱크(T)에 만재하고 항해하는 적하 항해와, LNG를 양하 한 후 항해하는 공선 항해로 나눌 수 있다. 전술한 코퍼댐(C)에서의 냉열은 적하 항해시에 상당량 발생하고, 공선 항해 중에는 그 냉열의 양이 제한적이다.

따라서 적하 항해 시에는 글리콜 히팅시스템에 많은 열원이 공급되고, 공선 항해 시에는 상대적으로 적은 열원이 공급된다.

문제는 기존의 글리콜 히팅시스템이 에너지 효율의 관점에서 매우 비효율적인 시스템이라는 점이다. 이는 선박 내 열원으로 글리콜 부동액을 가열하고, 가열된 고온의 글리콜 부동액을 코퍼댐(C)에 공급하여 코퍼댐(C)의 내부를 가열하는 시스템으로서, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 냉열을 유효하게 활용하지 못하고 있다는 것이다.

특히 최근 들어 새로이 건조되고 있는 LNG FPSO의 경우 탑사이드(topside)에서 생산된 LNG가 지속적으로 LNG 저장탱크로 공급되기 때문에 기존의 글리콜 히팅시스템을 적용할 경우 가열된 글리콜에 의해 버려지는 LNG 냉열의 양이 상당하다.

한국특허등록공보 제10-1191239(대우조선해양 주식회사) 2012.10.09.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 글리콜 히팅시스템이 아닌 유기 랭킨 장치를 적용하여 코퍼댐 히팅시스템을 새롭게 구성함으로써 선체의 보호는 물론 화물창으로부터 발생 되는 냉열을 유효한 응축열로 활용할 수 있는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선체의 길이 방향으로 1열 이상으로 설치되는 복수의 LNG 저장탱크의 사이에 마련되는 코퍼댐; 및 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 유기 랭킨 장치를 포함하고, 상기 유기냉매는 상기 코퍼댐의 냉열을 회수하여 액체 냉매로 상 변환되는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템이 제공될 수 있다.

상기 유기 랭킨 장치는, 터빈에서 배출되는 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 콘덴서; 상기 콘덴서에서 응축된 유기냉매를 압축시켜 기화기로 공급하는 펌프; 및 상기 기화기로부터 터빈과 콘덴서 및 펌프에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 마련하는 관로를 포함하고, 상기 콘덴서는 상기 코퍼댐의 냉열을 회수하여 기상의 유기냉매를 액상으로 상 변환시킬 수 있다.

상기 콘덴서는 상기 코퍼댐에 마련되어 상 변환되는 유기냉매의 이동 통로로 제공되는 전열 파이프일 수 있다.

상기 터빈과 상기 콘덴서 사이의 상기 관로에 마련되는 온도조절밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 콘덴서와 상기 펌프 사이의 상기 관로에 마련되는 수액기를 더 포함할 수 있다.

상기 기화기에서 배출되는 유기냉매를 상기 터빈을 바이 패스(bypass)하여 상기 코퍼댐으로 공급시키는 바이패스부를 더 포함할 수 있다.

상기 바이패스부는, 상기 기화기의 후방의 상기 관로에서 분기되어 상기 터빈의 후방의 상기 관로에 합류되는 바이패스라인; 및 상기 바이패스라인에 마련되어 상기 바이패스라인을 개폐시키는 바이패스밸브를 포함할 수 있다.

상기 바이패스부는, 상기 바이패스밸브의 후방의 상기 바이패스라인에 마련되는 배압 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 바이패스부는, 유기냉매를 상기 관로 또는 상기 바이패스라인으로 선택적으로 흐르도록 제어하는 바이패스 제어기를 더 포함할 수 있다.

상기 바이패스 제어기는 공선 상태 시 상기 바이패스밸브를 개방시켜 유기냉매를 상기 바이패스라인으로 흐르게 할 수 있다.

상기 유기 랭킨 장치에서 기화된 유기냉매를 작동원으로 하여 발전 되는 발전부를 더 포함할 수 있다.

상기 해양구조물은 LNG 운반선, LNG FPSO, LNG RV 및 LNG FSRU 중 선택된 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 LNG 저장탱크의 사이에 코퍼댐이 마련된 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템에 있어서, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하는 유기 랭킨 장치를 상기 해양 구조물에 마련하고, 상기 코퍼댐의 냉열을 상기 유기냉매의 응축열로 이용하는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 기존의 글리콜 히팅시스템이 아닌 유기 랭킨 장치를 적용하여 코퍼댐 히팅시스템을 새롭게 구성함으로써 선체의 보호는 물론 화물창으로부터 발생 되는 냉열을 유효한 응축열로 활용할 수 있다.

도 1은 LNG 운반선에 마련되는 글리콜 히팅시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예의 작동도로서 복수의 LNG 저장탱크에 LNG가 채워진 상태의 코퍼댐 히팅시스템의 작동 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예의 작동도로서 복수의 LNG 저장탱크에 LNG가 거의 없는 상태의 코퍼댐 히팅시스템의 작동 상태를 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템(1)은, 선체의 길이 방향으로 1열 이상으로 설치되는 복수의 LNG 저장탱크(T, 도 1 참조)의 사이에 마련되는 코퍼댐(10)과, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 유기 랭킨 장치(20)와, 기화기(21)에서 배출되는 유기냉매를 터빈(22)을 바이 패스(bypass)하여 코퍼댐(10)으로 공급시키는 바이패스부(30)와, 관로(25)를 흐르는 유량을 제어하는 유량 제어기(40)와, 유기냉매의 압력을 조절하는 압력 가변형 펌프(24)에서 배출되는 유기냉매의 압력을 제어하는 압력 제어기(50)와, 관로(25)를 흐르는 유기냉매의 온도를 제어하는 온도 제어기(60)와, 유기 랭킨 장치(20)에서 기화된 유기냉매를 작동원으로 하여 발전 되는 발전부(70)를 구비한다.

코퍼댐(10)은, 선체의 길이 방향으로 1열 이상으로 설치되는 복수의 LNG 저장탱크(T)의 사이에 마련될 수 있다.

본 실시 예에서 코퍼댐(10)은 선체의 길이 방향으로 다열로 배치되는 복수의 LNG 저장탱크(T)의 사이에 마련되거나, 선체의 폭 방향 및 길이 방향으로 적어도 2열로 배치되는 LNG 저장탱크(T)의 사이에 마련될 수 있다.

본 실시 예에서 코퍼댐(10)은 복수의 LNG 저장탱크(T) 사이에 서로 이격 배치되는 한 쌍의 벌크 헤드와, 한 쌍의 벌크 헤드와 내부 선체에 의해 마련되는 공간부를 포함하며, 한 쌍의 벌크 헤드를 영상의 온도 즉 5℃로 제어함으로써 코퍼댐(10)의 온도를 영상의 온도로 제어할 수 있다.

유기 랭킨 장치(20)는, 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작되는 터빈 사이클이며, 본 실시 예에서 유기냉매는 물보다 비등점이 낮은 R 134a, 245fa, R152a를 사용할 수 있으므로 물을 작동유체로 하는 증기터빈보다 낮은 온도를 열원으로 하여 동작할 수 있어 선박에서 발생되는 200℃ 내외의 폐열원 등을 이용하여 유기냉매를 기화 및 가열 할 수 있다.

본 실시 예에서 유기 랭킨 장치(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 액체 냉매로 상 변환된 유기냉매를 증발시키는 기화기(21)와, 기화기(21)에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전되는 터빈(22)과, 터빈(22)에서 배출된 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 콘덴서(23)와, 콘덴서(23)에서 응축된 유기냉매를 압축시켜 기화기(21)로 제공하는 펌프(24)와, 기화기(21)로부터 터빈(22)과 콘덴서(23) 및 펌프(24)에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 마련하는 관로(25)와, 펌프(24)와 콘덴서(23) 사이의 관로(25)에 마련되어 콘덴서(23)에서 액화된 유기냉매를 일시 저장하는 수액기(26)를 포함한다.

유기 랭킨 장치(20)의 콘덴서(23)는, 코퍼댐(10)의 냉열을 회수하여 기체 상태(기상)의 유기냉매를 액체 상태(액상)의 유기냉매로 상 변환 시킨다.

본 실시 예에서 콘덴서(23)는 코퍼댐(10)의 벌크 헤드에 전면적 또는 부분 면적으로 마련되는 전열파이프일 수 있다.

유기 랭킨 장치(20)의 펌프(24)는, 관로(25)를 흐르는 유기냉매를 요구되는 압력 또는 유량으로 공급할 수 있도록 유기냉매의 공급량을 가변할 수 있는 가변 용량 펌프일 수 있다. 또한 본 실시 예에서 펌프(24)는 후술하는 압력 제어기(50)의 신호를 기초로 원격으로 작동될 수 있다.

유기 랭킨 장치(20)의 수액기(26)는, 콘덴서(23)와 펌프(24) 사이의 관로(25)에 마련되어 콘덴서(23)에서 액화된 유기냉매를 일시 저장하는 용기로서, 펌프(24)로 액화된 유기냉매 만이 흡입되도록 할 수 있다. 또한, 펌프(24)의 기동 시에 발생하는 압력을 일시 흡수할 수 있고, 단위 시간 동안 전달되는 유기냉매의 최대 부하량에 대비하는 역할도 할 수 있다.

바이패스부(30)는, 코퍼댐(10)의 출구에서 유기냉매의 유량이 터빈(22)의 정상 운전이 힘든 영역까지 떨어지면 터빈(22)을 바이 패스(bypass)시켜 관로(25) 상에서 유기냉매가 흐르도록 한다.

즉 코퍼댐(10)의 출구에서 유기냉매의 유량이 터빈(22)을 작동하기에 부족하다는 것은 LNG 저장탱크(T)에서 발생 되는 냉열이 거의 없음을 의미하고, 이는 LNG 저장탱크(T)에 LNG가 거의 없는 상태를 뜻한다.

따라서 코퍼댐(10)으로 유기냉매를 공급해도 콘덴서(23)에서 LNG의 냉열을 회수할 수 없어 액화되기 어렵고, 터빈(22)의 정상 운전이 어려우므로 유기냉매를 코퍼댐(10)과 터빈(22)을 통하지 않고 흐르도록 바이 패스시킨다.

다만, 이 경우 기상의 유기냉매를 액상으로 상 변환이 필요한 데, 이때는 바이 패스 된 유기냉매를 포화 압력보다 낮은 온도를 갖도록 제어하여 유기냉매를 액화시킬 수 있다. 일 예로 압력 제어기(50)로 압력 가변형 펌프(24)의 압력을 조절하여 상온의 열량으로도 유기냉매를 액화시킬 수 있다.

그리고 바이패스라인(31)을 통해 유기냉매를 장시간 순환시키면 시스템 내에서 유기냉매의 온도가 상승 된다. 유기냉매의 온도가 포화 온도의 근처까지 상승하게 되면 포화 압력을 증가시켜 유기냉매의 액체 상태를 유지할 수 있다. 본 실시 예는 일 예로 압력 제어기(50)에서 압력 가변형 펌프(24)의 압력을 증가시킬 수 있다.

이제 바이패스부(30)에 대해 상세히 설명하면, 바이패스부(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기화기(21)의 후방의 관로(25)에서 분기되어 터빈(22)의 후방의 관로(25)에 합류되는 바이패스라인(31)과, 바이패스라인(31)에 마련되어 바이패스라인(31)을 개폐시키는 바이패스밸브(32)와, 바이패스밸브(32)의 후방의 바이패스라인(31)에 마련되는 배압 밸브(33)와, 유기냉매를 관로(25) 또는 바이패스라인(31)으로 선택적으로 흐르도록 제어하는 바이패스 제어기(34)와, 기화기(21)와 터빈(22) 사이의 관로(25)에 마련되는 제1 개폐밸브(35)와, 수액기(26)의 후방 관로(25)에 마련되는 제2 개폐밸브(36)를 포함한다.

바이패스부(30)의 바이패스밸브(32)와 제1 개폐밸브(35)는, 기상의 유기냉매를 관로(25) 또는 바이패스라인(31)으로 선택적으로 이동시켜 터빈(22)의 발전 부하를 조절하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 바이패스밸브(32)는 LNG 저장탱크(T)에 LNG가 채워지거나 채워진 상태에서는 닫혀 있을 수 있고, LNG 저장탱크(T)가 비워진 상태에서는 바이패스 제어기(34)에서 신호를 받아 개방될 수 있다.

따라서, 관로(25)를 흐르는 기상의 유기냉매는 터빈(22)을 바이 패스하여 바이패스라인(31)으로 흐를 수 있다. 이때 터빈(22) 방향으로 흐르는 기상의 유기냉매는 제1 개폐밸브(35)의 닫힘으로 인해 터빈(22)까지 흐르지 않는다.

바이패스부(30)의 배압 밸브(33)는, 바이패스라인(31)으로 유입된 기상 유기냉매의 압력을 감압시키는 역할을 한다. 즉 본 실시 예는 터빈(22)으로의 기상 유기냉매의 유입과 바이패스라인(31)으로의 기상 유기냉매의 유입이 병행될 수 있다. 이 때 바이패스라인(31)으로 유입된 기상 유기냉매의 압력이 터빈(22)에서 나온 유기냉매의 압력 보다 높기 때문에 배압 밸브(33)를 두어 감압시킬 수 있다.

바이패스부(30)의 바이패스 제어기(34)는, 관로(25)를 순환하는 유기냉매의 유량을 기초로 바이패스밸브(32), 제1 개폐밸브(35), 제2 개폐밸브(36)의 개폐를 제어하는 역할을 한다.

구체적으로 LNG 저장탱크(T)에 LNG가 적재되어 있어 코퍼댐(10)의 히팅이 필요한 경우 바이패스 제어기(34)는 바이패스밸브(32)와 제2 개폐밸브(36)를 닫고, 제1 개폐밸브(35)를 개방시켜 유기냉매가 코퍼댐(10)을 순환할 수 있도록 한다.

반대로 LNG 저장탱크(T)가 비어 있는 경우 제1 개폐밸브(35)를 닫고, 바이패스밸브(32)와 제2 개폐밸브(36)를 개방시켜 유기냉매가 터빈(22)과 코퍼댐(10) 방향으로 흐르지 않도록 한다. 이때 코퍼댐(10) 방향으로 흐르는 유기냉매는 코퍼댐(10)의 유입구에 마련된 온도조절밸브(TV)의 닫힘으로 인해 코퍼댐(10)으로 흐르지 않는다.

그리고 바이패스 제어기(34)는 유량 제어기(40)에서 측정되는 코퍼댐(10) 출구 측 유량이 극도로 저하되면 제2 개폐밸브(36)를 열어 본 시스템의 유지를 위한 최소 유량(minimum flow)을 형성한다.

즉 본 실시 예에서 바이패스밸브(32)와 제1 개폐밸브(35)는 터빈(22)의 발전 부하를 위해 적정 비율로 스로틀링(throttling) 될 수 있고, 제2 개폐밸브(36)는 전체 시스템의 유량이 최소 유량 이하로 떨어지면 오픈(open) 되어 본 시스템을 최소 유량으로 유지시킬 수 있다.

유량 제어기(40)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 코퍼댐(10)의 후방과 수액기(26)의 사이의 관로(25)에 마련되는 유량계(FM)에서 측정되는 유기냉매의 유량을 기초로 압력 제어기(50), 온도 제어기(60), 바이패스 제어기(34)를 제어한다.

구체적으로 코퍼댐(10) 출구에서 유기냉매의 유량이 많을 때는 LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 냉열량이 많아 각각의 코퍼댐(10)의 입구에 마련된 온도조절밸브(TV)의 개도가 많이 열려있다.

이때에는 유량 제어기(40)에서 압력 제어기(50)와 온도 제어기(60)의 출력을 증가시켜 유기냉매의 압력을 증가시키고, 그에 따라 유기냉매를 포화 온도 이상의 압력까지 가열하여 후술하는 발전부(70)의 발전 용량을 최대화할 수 있다.

이와는 반대로 코퍼댐(10)의 출구에서 유기냉매의 유량이 적거나 없을 경우 유량 제어기(40)는 바이패스 제어기(34)를 제어하고, 바이패스 제어기(34)는 유기냉매를 바이 패스시켜 유기냉매가 터빈(22)과 코퍼댐(10)으로 흐르지 않도록 한다.

그리고 LNG 저장탱크(T)로부터 발생되는 냉열양이 아주 많지도, 아예 없지도 않아 애매한 때에는 터빈(22)으로 유입되는 유량을 줄이고, 바이패스 되는 유량을 증가시켜야 한다. 그에 따라 유량 제어기(40)도 전체 부하를 감소시킨다.

이에 더하여 LNG의 양이 더욱더 줄어들어 그에 따른 냉열양이 많이 저하되고, 코퍼댐(10)의 온도가 상온 5℃ 이상으로 상승하게 되면 각 코퍼댐(10) 입구의 온도조절밸브(TV)가 닫힌다.

압력 제어기(50)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 펌프(24)와 기화기(21)의 사이에 마련되는 압력 센서(PS)에서 측정된 압력과 유량 제어기(40)의 신호를 기초로 펌프(24)의 토출 압력을 조절한다.

즉 코퍼댐(10)의 출구에서 유기냉매의 유량이 많으면 유량 제어기(40)의 출력도 증가되고, 압력 제어기(50)는 펌프(24)의 출력을 증가시켜 터빈(22)으로 더 많은 유기냉매가 공급될 수 있도록 한다.

반대로 코퍼댐(10)의 출구에서 유기냉매의 유량이 줄어들게 되면 유량 제어기(40)의 출력도 감소하고, 압력 제어기(50)에서 펌프(24)를 조절하여 유기냉매의 압력을 낮춘다.

온도 제어기(60)는, 기화기(21)와 터빈(22) 사이 및 코퍼댐(10)과 수액기(26) 사이에 마련되는 온도 센서(TS)와, 유량 제어기(40)의 제어 신호를 기초로 기화기(21)를 제어한다.

본 실시 예에서 기화기(21)와 터빈(22) 사이에 마련되는 온도 센서(TS)는 기화기(21)에서 배출되는 기상의 유기냉매의 온도를 측정하고, 코퍼댐(10)과 수액기(26) 사이에 마련되는 온도 센서(TS)는 코퍼댐(10)을 순환하거나, 터빈(22) 또는 코퍼댐(10)을 바이 패스하여 순환되는 유기냉매의 온도를 측정한다.

그 결과 본 실시 예에서 온도 제어기(60)는 현재 값으로 기화기(21)의 출구 온도와 코퍼댐(10)을 순환하고 수액기(26)로 유입되는 유기냉매의 온도를 알 수 있다. 따라서, 본 실시 예는 기화기(21)의 출구 온도를 비례제어 변수로 삼고, 코퍼댐(10)을 순환하고 수액기(26)로 유입되는 유기냉매의 온도를 미분제어 변수로 삼아 피드포워드(feedforward) 기능을 함께하는 PID 제어를 할 수 있다.

발전부(70)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 터빈(22)에 연결되어 터빈(22)의 회전력으로 발전되는 것으로서, 발전기를 포함하고, LNG 저장탱크(T)에 LNG가 채워지거나 채워진 상태에서 코퍼댐(10)을 순환하는 유기냉매에 의해 발전 될 수 있다.

본 실시 예에서 터빈(22), 발전기, 수액기(26), 펌프(24), 기화기(21)는 기계실(machinery space)에 배치될 수 있다.

도 3은 본 실시예의 작동도로서 복수의 LNG 저장탱크에 LNG가 채워진 상태의 코퍼댐 히팅시스템의 작동 상태를 도시한 도면이다.

LNG 운반선의 경우 적하 항구에서 LNG를 LNG 저장탱크로 로딩(loading)하거나, LNG FPSO의 경우 상부 시설로부터 생산된 LNG가 LNG 저장탱크로 공급되면 냉열이 코퍼댐(10)으로 방출되기 시작한다.

이에 따라 각각의 코퍼댐(10)의 입구에 마련된 온도조절밸브(TV)가 열리고, 유기냉매의 리턴 라인인 관로(25)에 있는 유량계(FM)에서 이 유량을 감지하여 유량 제어기(40)로 신호를 보낸다. 유량 제어기(40)는 이 신호를 기초로 압력 제어기(50), 온도 제어기(60), 바이패스 제어기(34)를 제어한다.

즉 압력 제어기(50)는 펌프(24)를 작동시켜 기화기(21)로 액상의 유기냉매를 공급하고, 온도 제어기(60)는 기화기(21)를 작동시켜 액상의 유기냉매를 기상의 유기냉매로 상 변환시킨다.

바이패스 제어기(34)는 바이패스밸브(32)와 제2 개폐밸브(36)를 닫아 기상의 유기냉매가 코퍼댐(10)을 순환하도록 한다.

따라서 LNG 저장탱크에 LNG가 채워지거나 채워진 상태에서는 전술한 유기냉매가 기상과 액상으로 상 변환되면서 관로(25)를 순환하게 된다. 발전부(70)는 터빈(22)에 연결되어 있으므로, 순환되는 유기냉매의 동력원으로 터빈(22)이 회전되어 발전부(70)는 발전 용량을 얻을 수 있다.

도 4는 본 실시예의 작동도로서 복수의 LNG 저장탱크에 LNG가 거의 없는 상태의 코퍼댐 히팅시스템의 작동 상태를 도시한 도면이다.

코퍼댐(10)의 출구에서 유기냉매의 유량이 터빈(22)의 정상 운전이 힘든 영역까지 떨어지게 되면, 이는 LNG 저장탱크에서 발생되는 냉열이 거의 없음 즉 LNG 저장탱크에 LNG가 거의 없는 상태를 뜻한다.

이때는 바이패스 제어기(34)가 작동되어 제1 개폐밸브(35)를 닫고, 바이패스밸브(32)와 제2 개폐밸브(36)를 개방시킨다. 그 결과 유기냉매는 터빈(22)과 코퍼댐(10)을 거치지 않고 순환하게 된다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 기존의 글리콜 히팅시스템이 아닌 유기 랭킨 장치를 적용하여 코퍼댐 히팅시스템을 새롭게 구성함으로써 선체의 보호는 물론 화물창으로부터 발생 되는 냉열을 유효한 응축열로 활용할 수 있다.

또한 코퍼댐의 냉열을 응축 열원으로 하는 유기 랭킨 장치를 구성하여 전력원을 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템 10 : 코퍼댐
20 : 유기 랭킨 장치 21 : 기화기
22 : 터빈 23 : 콘덴서
24 : 펌프 25 : 관로
26 : 수액기 30 : 바이패스부
31 : 바이패스라인 32 : 바이패스밸브
33 : 배압 밸브 34 : 바이패스 제어기
35 : 제1 개폐밸브 36 : 제2 개폐밸브
40 : 유량 제어기 50 : 압력 제어기
60 : 온도 제어기 70 : 발전부
C : 코퍼댐 FM : 유량계
PS : 압력 센서 T : LNG 저장탱크
TS : 온도 센서 TV : 온도조절밸브

Claims (13)

1. 선체의 길이 방향으로 1열 이상으로 설치되는 복수의 LNG 저장탱크의 사이에 마련되는 코퍼댐; 및
   물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 유기 랭킨 장치를 포함하고,
   상기 유기냉매는 상기 코퍼댐의 냉열을 회수하여 액체 냉매로 상 변환되는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유기 랭킨 장치는,
   터빈에서 배출되는 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 콘덴서;
   상기 콘덴서에서 응축된 유기냉매를 압축시켜 기화기로 공급하는 펌프; 및
   상기 기화기로부터 터빈과 콘덴서 및 펌프에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 마련하는 관로를 포함하고,
   상기 콘덴서는 상기 코퍼댐의 냉열을 회수하여 기상의 유기냉매를 액상으로 상 변환시키는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 콘덴서는 상기 코퍼댐에 마련되어 상 변환되는 유기냉매의 이동 통로로 제공되는 전열 파이프인 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 터빈과 상기 콘덴서 사이의 상기 관로에 마련되는 온도조절밸브를 더 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 콘덴서와 상기 펌프 사이의 상기 관로에 마련되는 수액기를 더 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 기화기에서 배출되는 유기냉매를 상기 터빈을 바이 패스(bypass)하여 상기 코퍼댐으로 공급시키는 바이패스부를 더 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 바이패스부는,
   상기 기화기의 후방의 상기 관로에서 분기되어 상기 터빈의 후방의 상기 관로에 합류되는 바이패스라인; 및
   상기 바이패스라인에 마련되어 상기 바이패스라인을 개폐시키는 바이패스밸브를 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 바이패스부는,
   상기 바이패스밸브의 후방의 상기 바이패스라인에 마련되는 배압 밸브를 더 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 바이패스부는,
   유기냉매를 상기 관로 또는 상기 바이패스라인으로 선택적으로 흐르도록 제어하는 바이패스 제어기를 더 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 바이패스 제어기는 공선 상태 시 상기 바이패스밸브를 개방시켜 유기냉매를 상기 바이패스라인으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 랭킨 장치에서 기화된 유기냉매를 작동원으로 하여 발전 되는 발전부를 더 포함하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 해양구조물은 LNG 운반선, LNG FPSO, LNG RV 및 LNG FSRU 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.
13. 복수의 LNG 저장탱크의 사이에 코퍼댐이 마련된 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템에 있어서,
    물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하는 유기 랭킨 장치를 상기 해양 구조물에 마련하고,
    상기 코퍼댐의 냉열을 상기 유기냉매의 응축열로 이용하는 것을 특징으로 하는 해양구조물의 코퍼댐 히팅시스템.

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