KR100934113B1 - 해양 선박용 발라스트 교환 시스템 - Google Patents

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KR100934113B1
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토마스 제이. 스코트
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Abstract

선박의 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법은, 선박이 바다를 통해 이동중인 동안에 탱크의 바닥부에서 측정되는 교환될 발라스트 해수의 압력보다 더 큰 압력을 생성하기 위해 선박의 선수에 있는 하나 이상의 유입 포트를 통해 해수를 받아들이며, 유입된 해수는 발라스트 탱크의 바닥부로 이동되고 교환될 해수는 선박의 측면을 따라 발라스트 탱크의 상부에 위치된 배출 포트를 통해 바다로 배출된다. 이러한 방법은, 원격지의 해수를 유입할 때 환경적 문제를 일으킬 수 있는 해양 유기체와 오염 물질의 운송을 해소하기 위해, 대양간 항해동안에 발라스트 해수의 빈번한 교환을 가능하게 한다.
발라스트, 발라스트 탱크, 해양 선박

Description

해양 선박용 발라스트 교환 시스템{BALLAST EXCHANGE SYSTEM FOR MARINE VESSELS}
본 발명은, 초대형 유조선(VLCC), 컨테이너선, 유조선 등과 같은 해양 선박으로부터 해수 발라스트의 유입, 교환 그리고 배출을 제어하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
화물이 적재되지 않은 또는 부분적으로 화물이 적재된 해양 화물선의 안정성과 안전한 운항을 유지하기 위해, 화물선의 균형을 유지하고 및/또는 예정된 흘수(draft)에 이르기 위해 발라스트 탱크에 해수를 부가할 필요가 있다.
많은 실예에서, 화물선은 제 1 포트에서 발라스트로서 해수를 담고, 수천 마일에 걸쳐 발라스트로서 해수를, 화물이 적재되고 해수 발라스트가 지역 항구나 선착창으로 배출되는, 제 2 포트로 운송한다. 한 지역에서 유입된 해수 발라스트는, 정박 포트에서 지역 해수에 배출되었을 경우에 환경에 유해한 영향을 끼칠 수 있는 미세 박테리아로부터 해양식물, 어류, 갑각류, 기타 해양 생물에 이르기까지 다양한 유기 생명체를 포함할 수 있다. 비록 설치류, 어류, 게 등의 유입을 방지하기 위한 최소한의 조잡한 여과 시스템을 설치함으로써 상기 문제를 감소시키려는 노력들이 이루어져 왔지만, 이러한 노력들은 특별한 효과가 없었다.
전형적으로 대량의 해수가 화물선의 발라스트 탱크로 유입되어야 하고, 대형 상선의 비효율적 로딩(loding)이나 지체(idling)와 관련된 많은 정박료(demurrage fee) 때문에, 가능한 빨리 로딩이 이루어져야 한다. 배출 위치 또는 위치들에서 해양 생태계에 악영향을 끼칠 수 있는 해양 생명체를 포함할 수 있는 다량의 해수를 원격지로 이송하고 배출하는 현 운항 관행과 관계된 악영향을 해소하거나 또는 실질적으로 감소시키기 위해 개선된 방법과 장치가 필요하다.
선수 유입로(bow intake conduit)를 포함하고, 그리고 선박이 항해중인 동안 발라스트 탱크 내의 해수 교환을 실행하기 위해 유체역학적 압력 차이를 이용하는 방법과 장치가 미국 특허 제6,053,121호에 공개되어 있다. 새로운 해수를 담고 있는 주수로(main conduit)로부터 가압된 새로운 해수는 발라스트 탱크의 일 단부의 하부로 유입되고, 발라스트 탱크의 반대편 단부에 있는 밸브가 달린 배수관(valved bottom drain)은 선체 바닥면을 통해 바다로 해수를 배출한다. 상기 특허에 공개된 바와 같이, 실험 데이터를 기초로 하여, 소규모 시스템을 여섯 시간 동안 작동한 후에, 초기 탱크 내의 소금물 용액은 원래 소금 농도의 25%까지 희석되었다. 발라스트 탱크 내의 해수가 발라스트 탱크의 상부에 있는 포트 또는 배출구를 통해서 배출되어야 한다는 기술을 상기 특허 공보에서는 어떠한 제안이나 개시도 없었으며, 또한 발라스트 탱크로부터 해양 생물의 제거에 관한 타당성도 개시하고 있지도 않았다.
따라서 본 발명의 목적은, 해양 유기체를 함유하는 발라스트의 원천으로부터 상당히 거리에 걸쳐 최초 발라스트의 운송을 해소하거나 또는 크게 감소시키는, 화물선으로부터 해수 발라스트를 신속하게 교환하기 위한 방법과 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 선박이 운항 중에 선박의 발라스트 탱크로 해수 발라스트를 유입하고 배출하기 위한, 효율적이고 경제적인 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 선박이 운항 중에 제공되어야 하는 동력 펌프의 사용을 최소화하면서, 선박 내의 하나 이상의 발라스트 탱크에서 해수 발라스트의 위치뿐만 아니라 해수 발라스트의 용량에 대해 즉각적인 제어를 가능하게 하는 방법과 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적과 다른 이점은, 해수가 선박의 선수에 위치된 최소한 하나의 개구(opening)를 통해서 끊임없이 유입되고, 발라스트 탱크를 통해 기존 발라스트 해수를 윗방향으로 이동시키고, 선수 개구와 통하는 하나 이상의 주수로를 통해 발라스트 탱크의 바닥부로 분배하며 전단 스트레이크(shear strake)에 최대한 가까운 발라스트 탱크의 최상부에 위치하는 하나 이상의 흘러넘침 배출 포트 또는 배출구를 통해 바다로 발라스트 해수를 배출하는, 본 발명의 장치와 방법을 통해 달성된다.
선박이 진행해 나갈 때, 해수는 하나 이상의 선수 개구를 통해 유입되고, 발라스트 탱크의 하부 영역으로 분배되며, 유입되었던 발라스트 탱크의 각각에서 배출 포트를 통해 상승하여 흘러 넘치게 된다. 이러한 흘러 넘침 해수는 바다로 배출된다. 선박의 전진 속도가 빠를수록, 주수로를 통한 해수 체적 유동과 그후 발라스트 탱크와 배출 포트를 통한 해수 유동은 커지게 될 것이다.
특히 양호한 실시예에서, 두 개의 선수 개구가 제공되고, 각 개구에는 주수로와 연통하는 최소한 하나의 밸브가 제공되며, 각 주수로는 길이방향을 따라 중심라인 용골(keel)의 어느 한 쪽에 대해 다수의 발라스트 탱크로 연장하거나 그 발라스트 탱크를 통해 연장하는 밸브가 설치된 배출구를 갖는다. 최소한 하나의 유입 티-피팅(T-fitting) 또는 브랜치 라인(branch line)이, 주수로로부터 각 발라스트 탱크 또는 하부 영역으로 새로운 해수를 유도하기 위해 제공된다.
다른 양호한 실시예에서, 기존 발라스트 해수의 교환과 배수 효과(flushing effect)를 촉진하게 하기 위해, 발라스트 탱크의 하부 영역 모두에 대해 유입 해수의 흐름과 분배를 최대화하도록 각 발라스트 탱크에 대한 다수의 유입 개구가 주수로로부터 제공된다. 다수의 유입 개구의 위치는, 기존 격벽(bulkhead), 스트링거(stringers), 배플(baffle) 그리고 각 발라스트 탱크 내부의 구성 부재를 기초로 하여 선택된다.
본 발명의 장치와 방법의 다른 양호한 실시예에서, 발라스트 탱크의 티-피팅 각각에는 유압 작동식 액츄에이터로 제어되는 최소한 하나의, 그러나 가장 양호하게는 두 개의 연속 밸브(sequential valve)가 제공된다. 이 밸브는 주수로와 어떤 흡입 벨마우스(들)(suction bellmouth)의 배출구 사이에 위치된다. 일렬로 된 두 밸브의 사용은, 두 밸브 중의 하나가 오작동하거나 또는 차단될 경우를 대비한 증가된 안전상 여유를 제공한다. 유압식 액츄에이터의 작동은, 적합하게는 화물 제어실, 브리지 및/또는 선박의 다른 조작 영역에 위치되는 제어 패널의 지시를 받는다. 추가적인 안전 대책으로서, 수동으로 조작가능한 밸브 위치조절기가 또한 각 밸브에 제공될 수 있다.
하나 이상의 선수 유입 개구에 최소한 두 개의 밸브를 설치하는 것은 또한 바람직하다. 해수에 잠겨있는 잔해들과의 충돌로부터 밸브를 보호하기 위해, 강철 격자(grid) 또는 스테인레스 스틸 막대와 같은 고강도의 유입구 가드(guard)가 제공될 수 있다. 해수 유입을 위한 주 제어 밸브는 유압식 액츄에이터를 갖는 볼 밸브가 양호하다. 이 볼 밸브 뒤에는 역시 유압식 액츄에이터를 갖는 이중 게이트 밸브가 양호하게 설치된다. 선수 개구는 하나 이상의 유압식으로 작동되는 수문 또는 덮개가 선택적으로 설치될 수 있다. 수력 시스템이 뜻하지 않게 고장을 일으키는 경우에, 선수 수문은 잠김 위치로 안전하게 이동된다. 또한 유입 밸브는 동력이 차단되는 경우에 잠김 위치로 복귀하도록 구성된다.
본 발명의 조작 방법과 장치들은, 발라스트 해수를 위한 유입 포트가 펌프실에 인접한 선박의 후미에 통상 위치되는 선행 기술과는 상이하다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들(이하 '당업자'라 한다)에게 이해되는 바와 같이, 다량의 해수가 이동되어야 한다는 관점에서 펌프에 동력을 공급하는데 상당한 양의 에너지가 필요하다. 게다가, 선행 기술의 조작 방법과 시스템은, 선박의 언로딩 동안 발라스트 탱크로 유입된 해수의 희석에 대해서만 대비하고 있다. 선행 기술의 이러한 한계는, 발라스트 해수가 선행 기술과 같이 탱크의 바닥에서 배출되기 보다는 탱크의 상부에서 배출되도록 윗방향으로 이동되는 본 발명에 의해 극복된다.
최소한의 혼합이 일어나도록 발라스트 탱크의 바닥부로 새로운 해수의 유입은, 발라스트 탱크에 존재하는 기존 해수를 윗방향으로 이동시키게 하여, 발라스트 탱크가 채워질 때 탱크 내부로 유입되는 생물학적 물질과 해양 유기물에 대처할 수 있게 한다. 그래서 본 발명은, 기존 발라스트 해수를 탱크로부터 흘러넘치게 하고 그 해수를 새로운 발라스트 해수로 교환하는 고효율적인 수단을 제공한다.
당업자에게 이해되는 바와 같이, 초대형 유조선("VLCC")을 하역 갑판 또는 계류소(mooring)로부터 이동시킬만큼 충분한 발라스트 해수를 제공하기 위해 기존 펌프를 이용하는 것이 필요할 수도 있다. 그러나 일단 선박이 항해를 시작하면, 선박의 전진 운동으로 인해서 심지어 보통의 속도에서도 발라스트 탱크에서 해수를 밀어올리기에 충분한 수압이 선수에 대해 형성된다. 수압은 입증된 다음 관계식을 기초로 계산될 수 있다.
Figure 112005009220709-pct00001
여기서, d = 유체, 즉 해수의 농도,
v = 해수에서 선박의 상대 속도,
k = 항력 계수로서 1.28로 가정.
아래 표 1은, 여러 상대 속도와 파이프 직경에 따라 상승될 수 있는 해수의 수두 또는 해수 컬럼(수주)을 나타낸다.
표 Ⅰ - 선박의 속도(노트)에 대한 해수 컬럼의 높이
속도 V (노트) 항력 계수 K 상승된 해수 컬럼 (피트)
16 1.28 415
14 1.28 318
12 1.28 234
10 1.28 162
8 1.28 104
6 1.28 58
표 Ⅰ로부터, 14 노트의 상대 속도가 해수의 수두를 318 피트까지 상승시키기에 충분하다는 것을 알 수 있다. 이러한 유체역학적 힘은 선수 밸브, 주수로 또는 수로, 발라스트 탱크 티-피팅, 브랜치 라인, 밸브와 내부 격벽, 배플 또는 배관 등을 통해 유입된 해수를 이동시키기에 충분하고, 발라스트 탱크의 측벽부에 있는 해수가 탱크의 배출 포트를 통해 흘러나가도록 해수를 밀어올리기에 충분하다.
당업자에게 또한 이해되는 바와 같이, 각 발라스트 탱크의 티-피팅에 설치된 개별 밸브들은, 각 발라스트 탱크에 대해 대략적으로 동일한 처리량을 보장하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들면, 유입 발라스트 해수에 대해 부과되는 어떤 유동 제어 없이, 선미 발라스트 탱크는, 마찰 유동 손실 때문에 제 1 선수 탱크보다 효율적으로 낮은 수압 상태에서 해수를 받아들이게 된다. 충분한 유동이 계속적인 흘러넘침을 일으키면서 선미 가장 후미 탱크에 도달하도록, 전방 입구 또는 흘러넘침 배출 밸브는 부분적으로 닫혀질 수 있게 하여, 궁극적으로 선미 탱크에서 감지될 배압(back pressure)을 생성할 수 있다. 다른 대안적인 작동 모드는 대직경의 티-피팅 및/또는 유입 파이프를 고물(aft)에 제공한 상태에서 주수로의 직경을 선수로부터 선미에 이르기까지 감소시키는 것과 및/또는 전방 유동을 제한하기 위해 선수 발라스트 탱크로의 입구 파이프의 직경을 감소시키는 것을 포함한다.
추가적인 실시예에서, 비교적 낮은 유체역학적 힘을 발생시키는 속도로 선박이 이동 중일 경우에, 하나 이상의 발라스트 탱크로 해수의 유입 유동은 감소되거나 차단될 수 있다. 이러한 작동 모드에서, 해수의 완전한 배수와 교환을 이루기 위해, 유입 해수는 하나의 탱크 또는 한 그룹의 탱크로 유도될 수 있다. 하나의 탱크 또는 한 그룹의 탱크에 대해 원하는 정도의 교환이 이루어진 후에, 다른 탱크 또는 다른 그룹의 탱크를 위해 상기 탱크들로의 유동은 감소되거나 및/또는 완전히 차단된다. 선박의 속도와 이와 관련된 수압이 증가함에 따라, 개별 탱크의 교환 속도도 또한 증가하게 된다.
본 발명의 실시에 대한 양호한 실시예에서, 본 발명의 발라스트 로딩과 배출 장치를 구비한 선박은, 선박의 균형을 잡기 위해 필요한 최소량의 해수 발라스트를 적재하고 계류 또는 정박 장소로부터 안전한 이동을 한다. 선박이 계류 장소로부터 멀리 이동하고 속도가 증가된 후에, 입구 포트 또는 포트들이 노출되도록 하나 이상의 선수 수문이 개방된다. 관련된 선수 밸브는 개방되어 제어 밸브에 의해 주 주입구로부터 브랜치 라인으로 유입되는 부가적 해수가 유입되도록 하고, 발라스트 탱크는 예정된 수준으로 채워지게 된다. 일단 원하는 양의 발라스트 해수가 유입되고 선박이 여전히 항해중이라면, 발라스트 배출 밸브는 개방되고, 탱크 내의 발라스트는 정상상태 또는 유입과 배출 유동이 평형을 이룬 상태로 배출된다. 이러한 방법의 실시에 있어서, 발라스트 해수는 선수 유입구로부터 탱크를 통해 계속해서 순환하고, 다시 바다로 배출된다. 물속의 밸브가 항상 열려있는 상태로 있다면, 이러한 유동은 선박과 그 구조에 해를 입히지 않고 계속될 것이다. 이런 방식으로, 본 발명은 지역 해양 생물을 포함하는 발라스트 해수를 유입하여 한 지역에서 수 천 마일 떨어진 다른 지역으로 이송하는 현 상태의 관행을 회피하게 된다.
상기 교환이 계속되도록 항해가 진행되는 동안 상기 방법은 계속될 수 있다. 대안적으로, 항해 과정 대부분 동안 발라스트는 유지되고, 선박이 목적지에 근접하지만 여전히 바다에 있을 때 교환이 시작될 수 있다. 그후 교환에 의해서 발라서트 탱크로 지역 해양 생물이 유입되고, 이에 의해서 포트에서 어떤 필요한 배출도 생태적으로 악영향을 끼치지 않게 될 것이다.
속도 제한, 해류, 흘수선(waterline) 조건의 높이, 기존 선박 구조로 인한 배관 제한 등과 같은 것들이 완전한 교환을 이루기 위해서 충분한 압력을 제공하지 못할 경우에, 예비 발라스트 해수 펌프가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
상기 기술로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 선박이 항해 중일 때 다양한 작동 모드를 구비하고 있다. 이러한 모드들은 주어진 시간에서 선박의 상대 속도에 따라 결정되고, 또한 선박이 항해 중일 때 바다에 대한 속도 변화률에 따라 결정될 것이다.
본 발명의 방법에 그리고 본 발명의 장치와 함께 사용하기에 적합한 전통적인 장치의 사용은, 각 발라스트 탱크의 상태와, 기존 발라스트 해수가 선박이 항해중인 해수와 교환될 정도를 시각적으로 표시하는 수단을 제공할 것이다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 전체 시스템은 적절히 프로그램된 범용 컴퓨터에 의해 선택적으로 제어될 수 있다. 경험적으로 및/또는 이론적 계산을 통해 획득된 교정 데이터를 이용해서, 다양한 유동 속도에서의 상기 교환 횟수와 속도가, 선수 유입구(들)에서의 해수에 대한 선박의 서로 다른 여러 속도에 대해 결정된다. 중심선 파이프 라인 또는 주수로를 따라 서로 다른 여러 위치에 양호하게 설치된 유량계는 실시간으로 정확한 데이터를 제공하며, 이에 의해서 변화하는 조건들에 대해 개별 밸브들 또는 밸브의 그룹들의 자동적이며 프로그램된 조정이 가능하게 된다.
프로그램은 선입후출(first-in, last-out) 방식 또는 그 역도 가능한 방식에 기초한 교환, 또는 모든 발라스트 탱크에 대해 동시에 동일한 유동과 교환에 기초한 교환, 또는 언로딩 시설로부터 선박이 출항 개시 시에 조작자에 의해서 선택된 임의적인 순서에 의한 교환을 포함할 수 있다.
유량계는, 각 발라스트 탱크에서 상대적 해수 교환율을 나타내는 정보를 실시간으로 제어 패널에 전송하기 위해, 흘러넘침 위치에 또한 설치될 수 있다. 유압식 액츄에이터(hydraulic actuator)는, 원하는 균형이 이루어질 때까지 연속적인 밸브들을 통한 유동 속도를 조정하는데 이용될 수 있다. 적절히 프로그램된 범용 컴퓨터는 상기 교정이 자동적으로 이루어지도록 하는데 사용될 수 있다.
부가적인 장치에는 선수 유입구에 위치되는 유입 해수를 위한 온도 센서와, 흘러넘침 포트 및 발라스트 탱크 내에서 하나 이상의 위치에 위치되는 온도 센서를 포함할 수 있다. 발라스트 탱크에 담겨진 해수의 온도가 다르기 때문에, 즉 유입 해수보다 온도가 높거나 낮기 때문에, 이 온도차에 대한 정보는 또한 교환의 정도를 나타내는 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 흘러넘치는 해수와 유입 해수의 온도가 동일할 때, 또는 거의 비슷할 때, 이 교환은 완료된다.
각 발라스트 탱크를 통한 유동 속도는 흘러넘침 피팅의 밸브를 조절함으로써 또한 제어될 수 있다. 내부 압력이 발라스트 탱크 내에서 해수 수두의 정압에 부가하여 생성되기 때문에, 상기와 같은 것은 그리 바람직하지 않다.
상기로부터, 선박이 요구되는 수압을 형성하기에 충분한 속도로 항해하고 선수 개구가 주수로를 통해 새로운 해수를 받아들이고 있는한, 발라스트의 교환은 본질적으로 끊임없이 이루어진다. 이런 방식으로, 선박이 항해를 시작하자마자 한 지역에 특유한 해양 유기체는 해수와 섞이게 되고, 3 체적 교환 내에서 방출 작용에 의해 발라스트 시스템으로부터 완전히 배출된다.
발라스트 탱크는 배플 플레이트와, 배수 코너(flush corner)로 유입 해수를 유도하는 정류기(diverter) 및/또는 그렇지 않으면 정체된 발라스트를 간직하게될 다른 내부 부분을 구비할 수 있다. 효율적인 흘러넘침은 티-피팅 및/또는 유입구 밸브의 하류에 연결된 배관의 매니폴드(manifold) 배출구 및/또는 노즐에 의해 또한 영향을 받을 수 있다.
발라스트 교환 해수의 유동 속도는, 선박이 항해하는 해수에 대한 선박의 상대 속도와, 주수로의 직경, 및 주수로로부터 각 발라스트 탱크로 해수가 유입되는 배관과 각 유입구 티-피팅의 직경을 포함하는 여러 요인들에 의해 좌우된다. 많은 대형 유조선에서, 발라스트 탱크는 외부 선체 플레이트와 탱크 내벽 사이에서 약 6피트로 연장한다. 그래서 벽면을 분할하는 중앙 용골의 각 측면에 하나 이상의 주수로를 설치하기 위한 충분한 공간이 제공된다. 탱크의 상부 흘러넘침 또는 배출구의 조합된 또는 전체 면적은, 유동 마찰로 인한 배압을 최소화하기 위해, 탱크의 바닥부에서 유입 배관의 전체 면적과 최소한 동일해야 한다.
양호한 실시예에서, 대략 20인치의 직경을 갖는 단일 주수로는 좌현(port)과 우현(starboard)의 선수 개구 각각으로부터 최선미(stern-most) 발라스트 탱크까지 연장된다. 단일의 10인치 브렌치 라인 티-피팅은, 주수로를 따라 각 발라스트 탱크에 제공된다. 흘러넘침 배출구는 또한 양호하게 10인치의 직경을 갖거나, 발라스트 탱크의 상부 부근에 위치되는 적절한 외부 플랜지 피팅(flange fitting)을 가진 더 큰 파이프가 될 수 있다. 전통적인 설계에 따라, 발라스트 탱크는 또한 통기구를 갖추게 된다.
선수 밸브를 닫아야할 필요가 있다면, 발라스트는 각 탱크내에 고정된다. 하나 이상의 탱크에서 발라스트를 감소시킬 필요가 있다면, 현재의 선박에 전통적으로 사용되는 것과 같은 예비 배관이 제공될 수 있다. 양호한 실시예에서, 이미 전통적인 수로와 펌프를 구비한 선박은, 하나 이상의 선수 유입 개구를 구비함으로써 그리고 선수 개구와 밸브를 연결하기 위해 선수 발라스트 탱크로부터 현 배관을 연장함으로써 개조된다. 이러한 방법은 현재의 설계와 구조를 가진 선박이 본 발명의 비용 절감과 환경적 이익을 이용할 수 있도록 개조되는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 이하에서 더욱 상세하게 기술되고, 또한 동일한 요소는 동일한 참조번호가 부여된 첨부 도면을 참조하여 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 전형적인 구조를 도시하는 종래 기술의 화물선의 측면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 갖는 도 1과 유사한 해양 선박의 상부 평면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 도시하는 선박의 선체의 일부의 단면을 확대한 측면도.
도 4는 도 3의 실시예를 이용하기 위한 발라스트 유입구와 제어 시스템의 양호한 실시예의 일부를 도시한 개략도.
도 5는 선저(bilge)의 교환 해수의 유동을 개략적으로 도시한 도 3의 발명을 구비한 선박의 단면도.
도면을 참조하면, 도 1은 종래 기술의 전형적인 화물선의 측면도이며, 전방부는 화물칸을 구비하고, 선체 후미부에는 엔진, 펌프실 그리고 다른 기계 장비가 설치되어 있다.
본 발명의 장치와 작동 방법에 대한 실시예는 도 2에 도시되어 있고, 도 2에는 다수의 좌현(port)과 우현(starboard) 발라스트 탱크(2A, 2B 내지 6A, 6B)를 가진 전형적인 유조선(1)이 평면도로 도시되어 있다. 표준 선박 구조에 따라, 유조선은 선수(10)로부터 선미로 연장하는 중심라인 격벽(8)을 가지고 있다. 종래 기술의 전형적인 선박의 선수와 선미의 상부 구조 및 엔진실의 위치는 도 1에 측면도로 도시되어 있다.
본 발명에 따르면, 선박의 선수는, 개방되어 있을 때 최소한 하나의 유입 수로(14)로 해수를 흘려 보내주는 하나 이상의 유압식으로 작동되는 수문(12)을 갖추고 있다. 양호한 실시예에서, 해수 유입구(14)는 와이-피팅(16)에서 좌현과 우현 주수로(18, 20)로 각각 분할되고, 이 주수로는 발라스트 교환을 위해 새로운 해수를 좌현과 우현 발라스트 탱크 각각에 제공하기 위해, 중심라인 격벽(8)의 어느 한면에서 아래를 향해 연장되어 있다.
좌현과 우현 발라스트 탱크 각각은, 최소한 하나의 브랜치 라인 티-피팅(22)에 의해 각각 좌현 또는 우현 주수로(18, 20)에 연결되어 있다. 공급라인(22)은, 해수가 용골 라인을 따라 길이방향 경로로부터 선체를 따라 위치된 개별 발라스트 탱크에 공급될 가로방향 유동으로 방향을 전환할 때, 마찰 손실을 최소화시키는 분기 피팅에 의해 주수로(18, 20)에 연결되어 있다. 양호한 실시예에서, 가로방향 공급라인(22)은, 현재 저장된 발라스트를 혼합하고 순환시에 어떤 해양 생물을 배제하고 유지하여 교환이 완료되었을 때 탱크의 상단에서 유출되도록 하기 위해, 유입 교환 해수가 전체 바닥 영역 또는 발라스트 탱크의 체적에 도달되도록 위치된 다수의 배출구를 가진 벨마우스(bellmouth)에서 끝나게 된다. 벨마우스는, 분리된 피팅을 통해 각 발라스트 탱크의 바닥으로 들어가는 다수의 분할된 파이프들의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 매니폴드는, 발라스트 탱크의 바닥 내부 벽면에 고정된 다수의 배출구를 구비한 탱크 벽면을 통해 단일 입구 위치를 가진 파이프의 형태를 취할 수 있다.
선체를 따라 각 발라스트 탱크는 외벽면의 상단 부근에 위치되는 최소한 하나의 배출 흘러넘침 출구 또는 포트(37)를 구비한다. 배출 포트(37)는 선박의 선체 외부에 있는 개구를 통해 연통하고, 이에 의해 발라스트 해수가 바다로 배출될 수 있다. 선체는 발라스트 해수를 선박의 측면으로부터 바깥 방향으로 내보내서 페인트가 칠해친 선체 외부로 흘러내리는 발라스트 해수의 양을 최소화시켜주는 적절한 피팅을 구비할 수 있다. 적절하게 밸브가 설치된 피팅으로 가압된 해수를 담고 있는 주수로는, 정체된 발라스트 해수의 배출 결과 선체에 축적된 오염물, 해양 생물 등과 같은 것을 제거하기 위해 선체 외부 표면을 씻어낼 수 있도록 발라스트 배출 포트 근처에 또한 제공될 수 있다.
발라스트 교환 과정 동안 유입 해수의 유동을 제어하고 그 과정의 마지막에 탱크내에 발라스트를 유지하기 위해서, 현 해양 안전 기준과 규칙에 따른 제 1 및 제 2 백업 밸브가 제공된다. 선박의 선수에 위치된 유입구 수로(14)는 한 쌍의 게이트 또는 글로브(glove) 밸브(30)를 구비하고, 좌현과 우현 주수로(18, 20) 각각은 탱크 공급 라인(22) 각각을 위한 한 세트의 두개의 버터플라이 분리 밸브(butterfly segregation valve; 34) 각각을 구비한다. 각 발라스트 탱크를 위한 배출 또는 흘러넘침 포트는 한 쌍의 버터플라이 밸브(36)을 양호하게 구비한다. 배출 포트를 위한 상기 백업 밸브가 가능한 선박의 갑판에 근접하게 위치되어야 한다.
본 발명의 작동 방법에 있어서, 선수 수문(들)(12)은 개방되고, 선박이 항해중인 동안 적절한 기계장비를 이용하여 수로(14)의 상류 끝에서의 수압이 측정되어 기록된다. 일단 발라스트 교환을 개시할만한 예정된 최소량의 유체역학적 압력이 형성되면, 흘러넘침 밸브(36)는 완전히 개방되고 하나 이상의 밸브 집단(34)이 개방되어 해수가 좌현 및/또는 우현 주수로(18, 20)로 유입된다. 하나 이상의 좌현 및/또는 우현 발라스트 탱크에서의 발라스트 교환은, 예정된 순서에 따라 밸브(22)를 개방함으로써 시작된다. 예를 들면, 배가 항해중에 바다에 대해 선박의 최대 상대 속도에 도달하기 전에, 상대적인 유체역학적 압력 또는 수압 구배는 모든 발라스트 탱크의 흘러넘침을 일으킬 만큼 충분하지 않을 수도 있다. 주수로(18, 20)와 공급라인(22)의 각각에 있는 압력 게이지로부터 얻어진 정보를 이용할 때, 새로운 해수는 발라스트 교환이 시작되도록 하나 이상의 탱크로 보내지게 된다. 예정된 원하는 양의 새로운 해수가 각 발라스트 탱크로 통해서 들어오고 나갈 때까지, 공급라인(22)을 통한 체적 유동 속도는 전통적인 기계장비를 이용하여 감시된다.
적절히 프로그램된 범용 컴퓨터를 활용하여, 각 주수로와 개별 발라스트 탱크 공급 라인의 적절한 위치에서의 압력 구배와 유동 속도에 관한 데이터는 수집되고 입력되어, 조작자에게 발라스트 해수의 교환 속도와, 완료에 필요한 시간과, 완료 신호에 관계된 정보를 제공한다. 하나 이상의 발라스트 탱크 교환이 완료되었을 때 공급 밸브(34)가 차단되고, 시스템이 안정화될 때 발라스트 탱크 흘러넘침 밸브(36)가 차단되도록 하기 위해, 자동 밸브 제어기는 압력과 유동 속도 데이터 값에 응답하도록 또한 프로그램된다.
주변 해수를 통과하는 선박의 상대 속도가, 부가적인 발라스트 탱크에서 교환에 영향을 미칠만큼 충분한 수준까지 주수로(18, 20)내의 수압을 증가시킬 때, 교환이 이루어질 각 탱크에 대한 적절한 수의 밸브(34, 36)가 개방된다. 조작자 또는 선택적으로 프로그램된 범용 컴퓨터는, 원하는 발라스트 교환 속도에 영향을 미치는 하류 압력 조건이 초과될 경우에, 유입 밸브(30)의 위치를 또한 제어한다. 주수로(18, 20)에서의 압력이 선박의 속력 또는 주변 해수에 대한 선박의 속도의 변화 때문에 예정된 값 이하로 낮아지게 되면, 밸브 제어기는 하나 이상의 밸브 집단을 닫도록 응답한다. 예를 들면, 선박이 긴급히 정지해야할 상황에 놓이게 되면, 선수 유입 밸브(12)는 발라스트 탱크의 내용물을 유지하기 위해 닫히게 된다. 개별 탱크의 내용물은 선박의 전통적인 배관과 밸브를 이용하여 필요한대로 감소될 수 있다.
도 3을 참조하면, 스쿱(scoop; 50)이 선체의 외부 각판(shell plate; 46)에 삽입된 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 스쿱 조립체(50)는 바닥 오리피스(orifice; 52)와 유입구 수로(54), 및 유입구 제어 밸브(56)를 포함한다. 선수 유입구가 개구하는 경우에, 선박이 항해중인 동안에, 바다를 항해하는 선박의 상대적인 움직임에 대한 유체역학적 힘은 해수가 유입구 수로(54)를 통해서 흘러 들어가고 나가기에 그리고 분배 시스템으로 흘러 들어가기에 충분하다. 유입구 제어 밸브는, 선박의 속력이 발라스트 해수의 원하는 높이를 유지하지 못할 경우에, 유입되는 해수의 유동 또는 발라스트 해수의 배출을 차단하기 위해 닫힐 수 있다. 스쿱 조립체(50)는, 유입구 개구(52)를 닫고 밀봉할 수 있는 위치로 이동될 수 있는 수문 또는 해치(58)를 또한 포함할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 스쿱 조립체(50)의 하류에 제공되는 관련된 배관, 밸브 및 펌프의 개략도가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 두 개의 발라스트 펌프(70, 72)는, 펌프들 중 하나가 고장나거나 예정된 정비시의 경우에 작동성을 확보하기 위해 제공된다. 스쿱 조립체(50)의 하류에 배관과 밸브를 배열하는 것은, 종래 기술에 공지된 발라스트 해수의 분배를 위해 확립된 시스템에 따라 제공될 수 있다. 도시된 특정 실시예에서, 참조번호 74로 지시된 밸브들은 버터플라이 밸브이고, 참조번호 76으로 지시된 밸브들은 게이트 밸브이며, 다른 밸브들(78)은 체크 밸브이다. 선택적인 진공 스트리핑 캐니스터(stripping canister; 79)가 각 발라스트 밸브(70, 72)의 상류에 또한 도시되어 있다.
작동 방법에 있어서, 해수가 개구(52)를 통해 유입되어 수로(54)와 개방된 유입구 밸브(56)를 통해 흘러가도록 하기 위해, 스쿱 수문(58)이 개방된다. 유입되는 해수가 발라스트 탱크의 상부로 흘러넘치게 할만큼 압력이 충분하지 못하다면, 발라스트 펌프들(70, 72) 중 어느 하나 또는 둘 모두는 필요한 라인 압력을 제공하기 위해 작동될 수 있다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 수로(54)를 통해 흐르는 해수는 발라스트 펌프(70, 72)를 통해 지나가지 않고 도 1의 실시예와 같이 발라스트 탱크에 직접 연결되어 보내진다. 이러한 것은 마찰 손실을 감소시킬 것이다. 공지된 구성에 따라, 해수 상자(sea chest; 73)는 예비 발라스트 펌프(70, 72)에 부가적으로 해수를 공급할 수 있다.
추가적인 양호한 실시예에서, 피팅의 수와 유입 해수가 발라스트 탱크에 도달하기 전에 반드시 흘러 지나가야 하는 수로의 길이를 감소시키기 위해, 최소한 하나의 부가적인 스쿱 조립체(50)는 선수에 더 가까운 진행 방향 위치에 설치된다. 적절한 밸브 장치와 파이프가 각 펌프(70, 72)의 유입구 포트에 연결을 제공하도록 설치된다.
이러한 실시예의 스쿱 또는 스쿱들의 크기, 위치 및 구성은, 선박의 각 발라스트 탱크들 각각에서 흘러넘침 상황을 확보하기 위해 제공된 유동 조건과 유체정역학적 수두(head)를 기초로 하여 당업자에 의해 쉽게 결정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 스쿱을 통한 유입 해수의 유동은, 원하는 흘러넘침 상황을 달성하기 위한 부가적인 압력을 제공하기 위해, 선박의 현 발라스트 펌프에 또한 연결될 수 있다.
바다에 떠있는 화물선을 나타내는 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 그 선체의 대부분은 해수면 아래에 잠겨있다. 좌현과 우현 발라스트 탱크(A, B)가 주변 해수와 연통하고 있다고 가정한다면, 발라스트 해수는 선박의 이중 선체 내부에서 선체 외부의 해수와 거의 같은 높이가 될 것이다. 이러한 구성에서, 하나 이상의 유입 포트를 통해 유입되는 해수의 유체역학적 힘은, 원하는 교환이 이루어지도록 발라스트 탱크에서 해수의 현 상태의 정압과 조합된다.
당업자에게 자명한 바와 같이, 선박의 발라스트 탱크에서 해수가 교환되는 속도는, 유입 파이프의 직경, 선박의 속도, 예비 발라스트 해수 펌프의 용량 등을 포함하는 다수의 변수 요소에 의존한다. 특정 선박에 있어서 그리고 특정 작동 상황하에서 본 발명의 방법과 장치의 실시를 구현하는데 요구되는 필요한 계산들과 상기 변수들의 결정은 본 기술 분야의 당업자들에 의해 용이하게 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법과 장치에 의해서, 원격지의 발라스트 해수를 유입할 때 환경적 문제를 일으킬 수 있는 해양 유기체와 오염 물질의 운송을 막을 수 있고, 대양간 항해 동안에 발라스트 해수의 빈번한 교환이 가능하게 된다.

Claims (25)

  1. 바다에서 항해중인 선박의 선체의 측벽에 인접하게 형성된 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법으로서,
    상기 선박이 바다를 이동할 때 선박의 선수(bow)에 해수 유입 포트를 제공하는 단계로서, 상기 유입 포트에서 바다의 유체역학적 압력이 상기 선박의 이동에 의해 생성되어 교환될 상기 발라스트 해수의 유체정역학적 압력보다 크며, 상기 발라스트 해수의 압력이 상기 발라스트 탱크 내의 바닥부에서 측정되는 단계와;
    상기 가압된 해수를 상기 유입 포트로부터 상기 발라스트 탱크의 바닥부로 보내는 단계; 및
    상기 발라스트 탱크의 상부에 위치되어 상기 선체의 측벽을 통해 연장하는 최소한 하나의 배출 포트로부터 바다로 직접 발라스트 해수를 배출하는 단계를 포함하는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발라스트 해수는, 상기 발라스트 탱크의 상부에 있는 다수의 배출 포트들을 통해 배출되는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압된 해수는 각 발라스트 탱크의 바닥부를 따라 상기 발라스트 탱크들에 분배되는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 해수는 상기 발라스트 탱크의 벽면에 있는 단일 개구를 통해 상기 발라스트 탱크로 보내어지는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 해수는 상기 발라스트 탱크의 벽면에 있는 다수의 개구를 통해 상기 발라스트 탱크로 보내어지는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 배출 포트로부터 해수의 배출 유동 속도를 측정하는 단계와;
    상기 유동 속도에 기초하여 예정된 시간동안 상기 최소한 하나의 배출 포트로부터 해수의 배출을 계속하는 단계와;
    상기 예정된 시간이 경과한 후에 상기 발라스트의 바닥부로의 해수의 유동을 끝마치는 단계; 및
    상기 발라스트 탱크를 밀봉하기 위해 상기 최소한 하나의 배출 포트를 닫는 단계를 추가로 포함하는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배출은 교환 해수와 교환될 발라스트 해수의 예정된 최소의 효율적인 교환을 실행하기에 충분한 시간 동안 계속되는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 효율적인 교환은 최소한 80%가 되는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    동일 선박의 다른 발라스트 탱크로 해수를 보내는 단계를 포함하는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 교환하기 위한 방법.
  10. 바다를 이동하는 선박의 선체를 따라 형성된 다수의 분리된 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하기 위한 방법으로서,
    상기 선박이 바다를 이동할 때 선박의 선수에 해수 유입 포트를 제공하는 단계로서, 상기 선박의 선체에서 상기 바다의 유체역학적 유압이 교환될 상기 발라스트 해수의 압력보다 크고, 상기 발라스트 해수의 압력이 상기 발라스트 탱크 내의 바닥부에서 측정되는, 단계와;
    상기 가압된 해수를 상기 유입 포트로부터 상기 발라스트 탱크의 바닥부로 보내는 단계; 및
    상기 발라스트 탱크의 상부에 위치되어 상기 선체의 측벽을 통해 연장하는 최소한 하나의 배출 포트로부터 바다로 발라스트 해수를 배출하는 단계를 포함하는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가압된 해수는 하나 이상의 탱크로 동시에 유입되는, 발라스트 탱크 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하기 위한 방법.
  12. 선박의 선체를 따라 형성된 다수의 발라스트 탱크를 갖는 선박 내의 발라스트 해수를, 상기 선박이 바다를 이동하는 동안, 동적으로 교환하는 장치로서,
    상기 선박의 선체에 위치된 수면에 잠겨 있는 해수 유입 포트;
    상기 유입 포트와 연통하는 최소한 하나의 주수로(main conduit);
    동적인 발라스트 교환을 실행하기 위해 상기 다수의 발라스트 탱크 각각의 하부로부터 연장하고, 상기 최소한 하나의 주수로와 해수 연통하는 최소한 하나의 공급라인;
    상기 다수의 발라스트 탱크 각각의 상부에 위치되고 상기 선체의 측벽의 상부를 통해 연장하며, 상기 다수의 발라스트 탱크 내측으로부터 바다로 발라스트 해수를 배출하기 위해 설치되는 최소한 하나의 배출 포트를 포함하고,
    이에 의해, 상기 유입 포트 내로 유입된 해수는 상기 다수의 발라스트 탱크의 하부로 흘러가고, 상기 발라스트 탱크 내의 해수는 상기 각 배출 포트를 통해 배출되는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유입 포트를 덮기 위한 최소한 하나의 보호용 수문을 추가로 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 주수로 각각을 통과하는 유동을 차단하기 위해 위치되는 최소한 하나의 밸브를 추가로 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 발라스트 탱크로의 각 공급라인에 최소한 하나의 밸브를 추가로 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 발라스트 탱크의 상부에 있는 상기 최소한 하나의 배출 포트를 통과하는 상기 해수의 유동을 차단하기 위한 최소한 하나의 밸브를 추가로 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 발라스트 탱크 각각의 바닥부 전체에 걸쳐서 상기 공급라인으로부터 해수를 보내기 위한 분배 매니폴드를 추가로 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    주수로가 상기 다수의 발라스트 탱크의 벽면을 통과하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 유입 포트는 상기 선박의 선수에 위치되는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 주수로는 상기 선수 유입 포트로부터 후미로 연장하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 주수로는 상기 선박의 용골 라인의 대향 측면을 따라 상기 선수로부터 길이방향으로 연장하는 두 개의 주수로를 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 유입 포트는 상기 선체의 바닥부에 위치되는 스쿱(scoop)인, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 최소한 하나의 주수로 및 상기 최소한 하나의 발라스트 공급라인과 해수 연통하는 최소한 하나의 예비 발라스트 펌프를 추가로 포함하고, 이에 의해 상기 발라스트 탱크 내의 유체역학적 압력은 상기 최소한 하나의 예비 발라스트 펌프를 작동시킴으로써 증가되는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 예비 발라스트 펌프와 해수 연통하며 상기 선박의 선체에 설치되는 해수상자(sea chest)를 추가로 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 수면에 잠겨 있는 해수 유입 포트는 상기 선체의 바닥에서 이물과 고물에 위치되는 두개의 스쿱을 포함하는, 선박 내의 발라스트 해수를 동적으로 교환하는 장치.
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