KR100271192B1 - 저온펌프장치 및 저온펌프장치의 시동을 위한 방법 - Google Patents

저온펌프장치 및 저온펌프장치의 시동을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온펌프 자체와 저온펌프에 연결된 흡수관이 분리된 온도기준 제어기구를 사용하여 연속적으로 적합한 냉각온도를 발생시키는 저온펌프를 시동시키기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

저온펌프장치 및 저온펌프장치의 시동을 위한 방법
제1도는 본 발명의 저온펌프장치의 한 바람직한 실시예를 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 배출관 3 : 고압 저장탱크
5,18 : 증발기 7 : 저압 액체 저장기
8 : 저온펌프 9 : 흡입밸브
10 : 흡입관 9,11,12 : 바이패스밸브
12 : 냉각관 밸브 13 : 배출밸브
15 : 순환밸브 17 : 가스용기
25 : 압력구조관 27 : 열전쌍
본 발명은 일반적으로 저온펌프에 관한 것이며 특히, 저온펌프의 시동을 위한 작동방법에 관한 것이다.
많은 산업상의 환경에서, 산소, 질소, 아르곤, 및 수소와 같은 산업용 가스는 사용지점의 위치에 설치된 파이프 관 또는 생산 플랜트로부터 연속적인 방법으로 사용지점에 공급된다. 그러한 연속적인 사용 상황에 있어서, 사용지점으로 보내지는 산업용 가스가 차단되는 경우에는 초기가스 공급장치가 공급관 상에서 회복될 수 있을 때까지 백업장치가 사용지점에 가스를 공급하는 것이 필수적이다.
상업용 가스 백업장치는 통상 저온액체의 공급을 유지하는 고압 저장 탱크와 저온액체를 증발시키는 증발기를 포함한다. 그 후에, 발생된 산업가스는 그 후 사용지점으로 전달된다. 고압 저장탱크는 소량의 생산물을 저장한다. 만일 초기가스의 공급차단 기간이 연장된다면, 고압 저장탱크는 인공주입을 요구한다. 그러한 경우에, 저온액체는 대량의 저압 저온 액체 저장기로부터 저온펌프를 사용하는 고압 저장탱크로 전달된다.
저온펌프가 대형의 저압 저장기로부터 고압 저장탱크로 저온액체를 통과시키기 전에, 저온펌프가 펌프에 도달하기 전에 저온액체를 증발시키지 않도록 근접 저온으로 냉각되어야 한다. 저온펌프는 증기 또는 액체와 증기의 혼합물로는 작동되지 않을 것이다.
저온액체를 퍼 올리기에 적합한 온도로 저온펌프를 냉각시키기 위해서는 산업용 가스공장에 의해 이용되는 두 가지 방법이 있다. 가장 널리 이용되는 방법은 펌프를 시동시키기 전에 고정 기간 냉각시키는, 시간에 기초한 방법(time-based method)이다. 이러한 방법은 간단하기는 하지만 적절한 냉각시간이 각각의 특정 거리에 대해 가변적이어서 냉각기간은 모든 상황에서 완전한 냉각을 보장하도록 설정되어야만 하기 때문에 낭비적일 수 있다. 게다가, 이 방법은 펌프를 너무 오래 냉각시킬 수 있기 때문에 불리하다. 만일 펌프 내에서 상기 액체가 너무 오래 머무른다면, 주변 열 누출로 인한 증발이 시작될 수 있어서 펌프 작동을 방해할 수 있다. 또 다른 방법은 펌핑에 적합한 유체상태가 얻어지는 때를 지시하도록, 저온유체의 가압된 벌브(bulb)가 펌프로 향하는 흡입관 내에 설치되는 증기 압력법이다. 이 방법은 가압된 벌브가 시간이 흐름에 따라 약해지는 경향이 있기 때문에 신뢰성이 떨어지며, 더욱이 이 방법은 상응 출력압력신호가 외부 온도에 대해 벌브 내의 유체를 응축시키는 것을 요구하기 때문에, 고유 지연시간을 갖는다.
본 발명의 목적은 효과적으로 저온 냉각시킬 수 있는 개선된 저온펌프장치를 제공하여 펌프를 신뢰성 있게 시동하는 것이다.
상기 목적 및 다른 목적은 본 명세서를 판독함으로써 당업자에게 명백하여지는 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 한 양태는 저온펌프장치의 시동을 위한 방법으로서, 저온액체를 저장하고 있는 저압 액체 저장기와, 상기 저장기로부터 저온펌프로 저압액체를 전달하는 흡입관과, 바이패스 밸브를 구비한 바이패스 관을 갖추고 있는 흡입관과, 저온펌프를 구비하여 서로 연통하고 냉각관 밸브를 갖는 냉각관과, 고압 저장탱크와, 그리고 저온펌프로부터 고압 저장탱크로 통해있으며 배출밸브를 갖추고 있는 배출관을 포함하는 저온펌프장치를 시동하기 위한 방법으로서, (a) 흡입관과 바이패스 밸브를 통해 저압 액체 저장기로부터 저온액체를 운반하고, 흡입관의 온도를 모니터하는 단계와, (b) 흡입관의 온도가 소정의 저온상태에 있을 때, 바이패스 밸브를 차단시키고, 흡입관 및 저온펌프를 통해 저압 액체 저장기로부터 저온액체를 운반하고, 그리고 저온펌프의 온도를 모니터하는 단계와, (c) 저온펌프의 온도가 소정의 저온상태에 있을 때, 바이패스 밸브를 개방시키고, 흡입관과 저온펌프 및 냉각관을 가득 채우고, 그 후에 바이패스 밸브와 냉각관 및 냉각밸브를 차단시키고 저온펌프를 시동하는 단계와, 그리고 (d) 배출관 및 배출밸브를 통해 저온펌프로부터 고압 저장탱크 내로 저온액체를 펌핑시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는 저온펌프장치로서, (a) 저압 액체 저장기와, 저온펌프와, 그리고 고압 저장탱크와, (b) 저압 액체 저장기 및 저온펌프와 연통하고, 상기 저온펌프장치의 외부로 유체를 배출하기 위해 바이패스 밸브를 구비한 바이패스 관을 갖고 있는 흡입관과, 그리고 흡입관의 온도를 모니터하기 위한 수단과, (c) 저온펌프와 연통하고 상기 저온펌프장치의 외부로 유체를 배출하기 위한 냉각관 밸브를 갖고 있는 냉각관과, (d) 상기 저온펌프의 온도를 모니터하기 위한 수단과, 그리고 (e) 저온펌프 및 고압 저장탱크와 연통하고 배출밸브 장치를 갖춘 배출관을 포함하는 장치에 관한 것이다.
여기에서 사용된 “저온액체”라는 용어는 통상 약 150°K 이하의 온도에서 액체로 존재할 수 있는 주위압력에서의 유체를 의미한다.
여기에서 사용된 “저온펌프”라는 용어는 저온액체의 압력을 증가시킬 수 있고 도관을 통해 액체를 운반할 수 있는 기계장치를 의미한다.
본 발명은 저온펌프로의 흡입관과 저온펌프 자체가 펌프작동을 하기에 앞서 연속적으로 냉각되는 신규한 온도기준 저온펌프 냉각장치를 포함한다. 연속적인 온도기준 냉각장치는 국부의 초기상태를 추측하지 않은 종래의 냉각절차보다 더 빠르게 적합한 저온으로 하강하도록 하는 펌프의 효과적인 냉각을 가능하게 한다.
본 발명은 그 실시예를 위하여 재활용(back up)되는 산업가스 공급장치를 도시한 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 제1도를 참조하면, 관(1)은 산업가스 사용지점으로 이어진다. 예를 들어, 산소가스는 제강업, 유리제조업, 제지업 등의 설비에 이용될 수가 있고, 질소가스는 열처리, 비활성 작용, 2류 오일과 가스 피복 및 반도체 제조업에 사용될 수가 있으며, 아르곤 가스는 제강 및 전파방해 작동을 위해 사용될 수가 있으며, 그리고 수소가스는 수소화 또는 연소를 위해 사용될 수 있다. 산업가스는 사용지점과 동일한 상황에서의 전용 플랜트와 같은 최초 공급수단에 의해, 또는 대량의 집중된 산업가스 제조 플랜트 또는 플랜트 복합체로부터 파이프 관에 의해 사용지점에 공급된다. 사용지점으로의 산업가스의 초기 유동이 차단되는 경우에, 밸브(2)는 도관(4)을 통해서 가압된 저장탱크(3)로부터 증발기(5) 내로 저온액체의 유동을 개방 및 가압시킨다. 가압된 저온액체는 증발기(5) 내에서 증발되고, 발생된 고압 산업가스는 도관(6) 및 밸브(2)를 통해서 증발기(5)로부터 배출된 후 도관(1)을 통해서 사용지점으로 보내진다. 사용지점으로의 초기 산업가스의 유동이 재개될 때까지 유동은 계속 진행된다.
저온액체는 저장탱크(3) 내에 있는 동안 통상 50 내지 500 psia의 범위 내의 상승된 압력상태로 존재한다. 따라서, 대기중인 큰 부피의 가압된 저온액체를 유지하는 것은 비용이 많이 들기 때문에 고압 저장탱3(3)는 크지 않다. 통상 고압 저장탱크(3)는 사용지점에 약 30분 정도의 산업가스 유동을 제공하는 크기로 된다. 만일 사용지점으로의 초기 산업가스 유동이 정지된다면, 그 시간은 짧지 않으며, 탱크(3) 내의 가압된 저온액체는 다시 채워져야 한다. 본 발명은 효과적으로 상기 가압된 저온액체를 빠르게 공급한다.
본 발명의 저온펌프장치는 저압 액체 저장기(7)와 저온펌프(8)를 포함한다. 저압 액체 저장기(7)는 예를 들어 액체산소, 액체질소, 액체 아르곤 또는 액체수소와 같은 저온액체를 저장한다. 저장기(7) 내의 저온액체는 통상 15 내지 20 psia의 저압상태에 있다. 저압 액체 저장기(7)는 통상 고압 저장탱크(3)용량의 10배 내지 100배의 용량을 갖는다.
대기상태에 있는 동안, 저온펌프(8)는 주위온도 상태에 있으며, 저장기(7)로부터 펌프(8)까지 액체를 운반하는 흡입관(10) 상의 밸브(9)는 차단된다. 또한 바이패스 밸브(11), 냉각관 밸브(12), 배출밸브(13) 및 순환밸브(15)도 차단된다. 저장탱크(3) 내에 저온액체의 재공급이 요구될 때, 밸브(9)는 개방되고 저온액체는 흡입관(10)을 통해 저압 액체 저장기(7)로부터 운반된다. 액체는 통상 30 내지 50 피트(약, 9 내지 15m)인 탱크(7) 내의 액체높이와 통상 15 내지 20 psia인 탱크 부족압력의 조합에 기인하여 유동한다.
바이패스 밸브(11)는 흡입관(10)의 바이패스 관(14) 상에 있으며 밸브(9)의 개방과 함께 개방된다. 냉각관(19) 상의 냉각관 밸브(12)는 또한 상기와 동일한 시간에 개방된다. 저온액체는 저압 액체 저장기(7)로부터 흡입관을 통해서 운반되며, 흡입관(10)의 온도가 모니터되는 동안 바이패스 밸브(11)는 열전쌍(16)에 의해 저온펌프와 가까워진다. 저온액체는 흡입관(10)을 냉각시킴으로써 증발되고, 발생된 증기 및 소량의 잔여 액체는 휘어진 가스용기(17)와 증발기(18)를 통해서 저온펌프장치의 밖으로 배출된다. 소정의 증기 및 소정의 액체는 저온펌프(8)를 통해서 운반되고 밸브(12)를 통해서 저온펌프(8)의 외부로 배출되지만, 만일 유체가 증기라면 저온펌프를 통한 유체의 저항이 높기 때문에, 이러한 펌프의 시동을 거는 상황에서 저장기(7)로부터 운반되고 있는 대부분의 유체의 펌프(8)보다는 바이패스 밸브(14)를 통해서 운반된다.
모니터된 흡입관의 온도가 통상 흡입관이 냉각온도로 되어간다는 것을 가리키는 저온액체의 비등점인 30°K 이내의 낮은 설정점 온도일 때, 바이패스 밸브(11)는 흡입관으로부터 펌프(8)를 통해서 직접 유동하도록 저장기(7)로부터 저온액체를 유발하고 또한 저온펌프(8)를 냉각시키기 위해 페쇄된다. 그런 후, 유체는 하류에 있는 냉각관(19)을 통해서 운반되며, 펌프(8)와 서로 연통된다. 상기와 같이, 소량의 액체와 함께 발생하는 증기는 굽은 가스용기(17) 및 증발기(18)를 통해 저온펌프의 외부로 배출된다. 열전쌍(27)은 냉각관(19)의 온도를 모니터하고 따라서, 저온펌프(8)를 냉각시키기 위해 효과적으로 사용되는 액체를 제공하는 밸브(12)의 개방정도를 조절한다. 열전쌍(27) 및 밸브(12)의 온도 조절 작동없이 액체는 비능률적인 작동을 유발하는 증발이 발생하지 않으면서 펌프를 통해 매우 빠르게 운반될 수 있다.
저온액체가 저온펌프(8)를 통해서 운반되므로 저온펌프(8)의 온도는 열전쌍(20)에 의해 모니터된다. 모니터된 저온펌프의 온도가 요구된 낮은 설정온도일 때, 통상 상기 저온액체의 비등점은 40 내지 50°K 이내 즉, 냉각온도에 있으며, 바이패스 밸브(11)는 재개방되고 밸브(12)는 열전쌍(27)을 통해서 온도조절에서 분리되어 완전히 개방된다. 이것은 흡입관, 저온펌프 및 냉각관을 채우는데 이용된다. 즉, 이상적인 펌프 시동조건을 위한 액체를 구비한 장치를 가득 채우는 증기는 한꺼번에 내뿜어진다. 펌프가 작동되기 전, 밸브(12)는 폐쇄되고 순환밸브(15)는 개방된다. 저온펌프는 개방될 때까지 짧은 시간, 통상 2초 내지 10초 동안 밸브(11)와 함께 바람직하게 작동된 후, 바이패스 밸브(11)는 또한 폐쇄된다. 펌프에서 방출된 액체는 밸브(15) 및 관(21)을 통해서 저장기(7)로 순환된다. 이것은 상승 압력이 되기에 앞서 펌프의 안정을 제공한다. 저압 액체 저장기(7)로의 순환시간은 30초 내지 2분 이내, 통상 약 1분이며, 펌프에서 배출되는 액체는 통상 고압 저장 탱크(3)로 운반된다. 이것은 배출밸브(13)를 개방한 후 순환밸브(15)를 천천히 차단하고 그로 인해 배출관(22)을 통과해서 배출밸브(13) 및 배출체크밸브(23)를 지나 도관(24) 및 탱크(3) 안으로 운반하기 위해 저온펌프 배출을 유발함으로써 달성된다. 탱크(3)에서의 압력은 압력구조관(25)에 의해 스스로 제어된다. 고압 저장탱크로 직접 배출하는 펌프의 배출량은 배출관 상에서 압력조절밸브에 의한 펌프 출력의 압력조절을 위해 전혀 필요하지 않다.
또한, 탱크(3)의 용량은 펌프 출력을 위해 계속 일정한 압력을 제공한다. 순환밸브(15)가 완전히 페쇄될 때, 전 배출량은 펌프(8)로부터 탱크(3)까지 운반되며 이러한 작동은 탱크가 채워질 때까지 계속된다. 사용지점으로의 초기가스의 유동이 정지되는 경우에, 저온펌프(8)는 관(26)을 통해 저압 액체저장기(7)에 복귀하게 되는 잔여유체와 함께 계속 작동한다. 이것은 전력 및 저온액체를 축적함으로써 저온펌프의 반복시동 및 반복정지를 피할 수 있다.
본 발명에 따른 온도기준 제어방법을 이용함으로써, 사용자는 특별한 상태를 위한 특정 펌프 냉각에 꼭 맞는 방법으로 저온 펌프장치를 시동할 수 있으며, 최소량의 저온 액체를 사용하여 필수 냉각조건을 달성할 수 있다. 먼저 흡입관을 냉각하고 그 다음에 저온 펌프를 냉각하는 순서에 의해 종래 방법보다 저온장치를 저온으로 냉각시키는데 필요한 시간을 감소시킨다. 바이패스 관(14) 및 바이패스 밸브(11)를 사용함으로써, 흡입관의 냉각에 의해 발생된 대부분의 증기는 저온펌프를 통해서 운반되지 않는다. 저온펌프는 제한적인 내부 기하학을 가지기 때문에, 상기 펌프를 통한 증기의 유동은 제한되고, 따라서 상기 펌프의 냉각을 달성하기 위해 요구된 전체시간을 증가시킨다. 바이패스 밸브(11)는 저온펌프의 급속한 냉각을 가능하게 하는 초기 냉각단계 중 펌프의 증기가 우회할 수 있게 한다.
본 발명이 특정한 실시예를 참고하여 설명되었지만, 당업자는 청구범위의 사상과 범주 내에 본 발명의 다른 실시예가 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 상업상의 환경에 있어서 펌프 중 하나가 고장날 때 안전하고 연속적인 작동을 보장하기 위하여 2개의 저온펌프를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다는 것은 당업자에게 인식될 수 있을 것이다. 또한, 각각의 온도 의존 밸브는 설정기간 이후에 밸브를 작동시키는 열전쌍 작동장치가 고장나는 경우에 시간 디폴트 스위치(time default switch)를 가질 수도 있다.

Claims (10)

  1. 저온액체를 저장하고 있는 저압 액체 저장기와, 상기 저장기로부터 저온펌프로 저압액체를 전달하도록 바이패스 밸브를 구비한 바이패스 관을 갖추고 있는 흡입관과, 상기 저온펌프와 서로 연통하고 있으며 냉각관 밸브를 갖추고 있는 냉각관과, 고압 저장탱크와, 그리고 상기 저온펌프로부터 상기 고압 저장탱크로 통해있으며 배출밸브를 갖추고 있는 배출관으로 구성된 저온펌프장치의 시동을 위한 방법으로서, (a) 상기 흡입관과 상기 바이패스 밸브를 통해 상기 저압 액체 저장기로부터 저온액체를 운반하고 상기 흡입관의 온도를 모니터하는 단계와, (b) 상기 흡입관의 온도가 소정의 저온상태에 있을 때 상기 바이패스 밸브를 차단시키고, 상기 흡입관과 상기 저온펌프를 통해 상기 저압 액체저장기로부터 저온액체를 운반하고, 그리고 상기 저온펌프의 온도를 모니터하는 단계와, (c) 상기 저온펌프의 온도가 소정의 저온상태에 있을 때 상기 바이패스 밸브를 개방시키고, 상기 흡입관과 상기 저온펌프 및 상기 냉각관을 가득 채우고, 그 후에 상기 바이패스 밸브와 냉각관 밸브를 차단시키고 상기 저온펌프를 시동하는 단계와, 그리고 (d) 상기 배출관 및 상기 배출밸브를 통해 상기 저온펌프로부터 상기 고압 저장탱크 내로 저온액체를 펌핑시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 저온액체가 액체산소, 액체질소, 액체아르곤 및 액체수소로 구성된 집합군으로부터 선택되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 흡입관의 온도가 상기 흡입관의 바이패스 관에서 모니터되는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 흡입관의 상기 소정의 저온이 상기 저온액체의 비등점인 30°K 이내에 있는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 저온펌프의 상기 소정의 저온이 상기 저온액체의 비등점의 40°K 이내에 있는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 고압 저장탱크로부터 상기 저압 액체 저장기로 상기 저온액체의 일부를 운반하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 저온펌프의 배출압력을 조절하기 위한 어떠한 압력조절수단도 사용하지 않고, 상기 저온펌프로부터 상기 고압저장탱크 내로 저온액체를 펌핑시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 저온펌프장치로서, 저압 액체 저장기와, 저온펌프와, 고압 저장탱크와, 상기 저압 액체 저장기 및 상기 저온펌프와 연통하고, 상기 저온펌프장치의 외부로 유체를 배출하기 위해 바이패스 밸브를 구비한 바이패스 관을 갖고 있는 흡입관과, 상기 흡입관의 온도를 모니터하기 위한 수단과, 상기 저온펌프와 연통하고 상기 저온펌프장치의 외부로 유체를 배출하기 위한 냉각관 밸브를 갖고 있는 냉각관과, 상기 저온펌프의 온도를 모니터하기 위한 수단과, 그리고 상기 저온펌프 및 상기 고압 저장탱크와 연통하고 배출밸브장치를 갖춘 배출관을 포함하는 저온펌프장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 저압 액체 저장기의 용량이 상기 고압 저장탱크 용량의 10배 내지 100배인 저온펌프장치.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 고압 저장탱크로부터 상기 저압 액체 저장기로 유체를 운반하기 위한 수단을 더 포함하는 저온펌프장치.
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