KR101722080B1

KR101722080B1 - 저장탱크 질소 공급 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101722080B1
Application number: KR1020140161025A
Authority: KR
Inventors: 양재구; 오재욱; 양지석
Original assignee: 플로우테크 주식회사; 양재구
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2017-03-31
Also published as: WO2016080651A1; CN107000933A; KR20160059309A

Abstract

본 발명은 대공간 저장탱크에서 외부 대기와의 접촉 차단을 위해 내측 상부에 질소를 충진하고 다시 배출하는 경우, 질소의 소비량을 줄이면서 효율적인 실링이 가능한 대공간 저장탱크의 질소 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명은 질소가스의 농도에 따라 생산 시간을 가감하는 운전 방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 저가의 생산비로 다량의 질소가스를 생산하여 저장탱크를 충진할 수 있다.

Description

저장탱크 질소 공급 시스템 및 그 방법{NITROGEN GAS SUPPLY SYSTEM FOR STORAGE TANK AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 질소 공급 시스템에 관한 것으로, 냉난방 시스템에서의 축열조나 공장·플랜트에서 사용되는 각종 탱크, 원유 등 석유화학 제품 저장탱크와 같은 대공간 저장탱크에서 외부 대기와의 접촉 차단을 위해 내측 상부에 질소를 충진하고 다시 배출하는 경우, 질소의 소비량을 줄이면서 효율적인 실링이 가능한 대공간 저장탱크의 질소 공급 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 지역 냉난방 시스템에 설치되는 축열조에서는 외부 대기와의 접촉을 차단하기 위해 축열조 내측 상부 공간(물이 차지 않은 공간)을 공기 대신 수증기(스팀)를 충진하는데, 이를 소위 '스팀 실링(steam sealing)'이라 한다. 이러한 스팀 실링의 경우 축열조 내측 상부 공간이 대체로 고온(98℃) 다습하기 때문에 축열조 상부 철자재의 부식을 유발하고, 보온재의 수축 팽창에 따라 리크(leak)가 발생하여 수명이 단축되고 교체 비용이 증가하는 단점이 존재한다. 또한, 스팀 발생을 위한 전기 히터와 순환펌프의 동력이 지속적으로 요구되기 때문에 전력 소모가 매우 높다는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 해소하기 위해 스팀 실링 대신에 질소가스를 축열조 내부에 충진하는 '질소 실링' 방식의 적용이 요구된다.

그리고, 공장·플랜트 등에서 공정수를 수처리(순수처리 등) 후 사용 직전 저장탱크에서 일반 대기와 접촉 차단을 위해 질소 실링을 하게 되는데, 저장탱크 내 수위가 변함에 따라 질소가스의 충진 및 배기를 반복적으로 수행해야 한다. 이 경우 질소가스의 1회적인 사용 및 방출로 인한 손실이 커서 실링 비용이 증가하는 단점이 존재한다. 이에, 배기되는 질소가스를 재활용하여 실링 비용을 감소시키는 방안이 요구된다.

또한, 액체 상태의 연료용 가스 및 원유 등 석유화학 제품의 저장탱크에서는 내측 상부를 불연성 질소가스로 실링하는데, 이 경우에도 마찬가지로 질소가스의 과다 배출로 인한 비용이 상승하는 문제가 발생한다. 기타, 많은 경우 폭발방지 및 부식방지 등의 목적으로 탱크 내부에 질소가스를 충진하는데, 이러한 경우 질소가스의 과다 소모로 인한 비용 상승 문제를 해소하는 방안이 요구된다.

한편, 도 1 에는 통상적인 질소 실링에 사용되는 질소발생기의 개략적인 설치 구성도(a) 및 질소발생기에서 발생되는 질소의 시간에 따른 농도와 밸브 개폐 작동을 설명하기 위한 그래프(b)가 도시된다.

도 1 의 (a)에 도시된 바와 같이, 질소 실링에 사용되는 질소발생기(20)는 압축기(10)로부터 압축공기를 공급받아 질소를 생산하고 생산된 질소는 버퍼탱크(30)에 일시 저장되었다가 각종 저장탱크 등 질소 수요처로 공급된다.

여기서, 압축기로부터 질소발생기로 공급되는 압축공기는 대기의 성분 조성과 같이 질소 78%, 산소 21%, 기타 1% 의 조성을 가지며, 질소발생기에서는 압축공기에서 산소를 분리하여 99.0% ~ 99.9999% 정도의 고농도 질소를 생산하여 공급하게 된다.

보다 구체적으로, 도 1 의 (b)에 도시된 바와 같이, 예컨대, 최초 압축공기내 질소의 농도는 78%이고, 압축공기를 질소발생기로 공급하기 위해 도 1 의 (a)의 밸브 A가 개방된다. 그리고, 압축공기의 누출을 막기 위해 질소발생기에 설치된 배기용 밸브 B는 폐쇄된다. 이 때, 질소발생기의 출구측에서 저농도 질소의 배출을 위한 밸브 C는 개방되고 버퍼탱크와 연결된 밸브 D는 폐쇄된 상태에 있다. 이 상태에서 질소발생기가 작동되면, 시간의 경과에 따라 질소의 농도가 증가하여 최초 78%에서 99.9%까지 도달하게 된다. 질소의 농도가 99.9%에 도달하면 밸브 C는 폐쇄하고 밸브 D는 개방하여 질소 실링에 사용될 고순도의 질소를 생산(99.9% 이상의 질소 발생을 '질소 생산'이라 표현함)하여 버퍼탱크로 이송한다. 질소 생산은 일정 시간 동안 지속된 후 중단되어 질소발생기에서 발생되는 질소의 농도는 다시 감소하게 되며 이 때 밸브 D는 폐쇄된다. 그 다음 일정 시간 경과 후 이러한 작동의 반복으로 주기적인 질소 생산이 이루어지게 되며, 통상 질소발생기 2개를 병렬로 설치하여 질소가 어느 정도 지속적으로 생산되도록 한다.

한편, 도 1 의 (b)에 도시된 바와 같이, 농도가 98.0%인 질소가 생산되기 시작하는 시간은 농도가 99.9%인 질소가 생산되기 시작하는 시간보다 더 빨리 도래하고, 농도가 98.0%인 질소가 생산되기 시작하는 시점과 끝나는 시점까지의 시간 T1은 99.9% 질소가 생산되기 시작하는 시점과 끝나는 시점까지의 시간 T2 보다 더 길다. 따라서, 98.0%의 질소 생산량이 99.9%의 생산량 보다 더 많음을 알 수 있다. 그리고, PSA 방식의 질소발생기의 경우 99.9%의 질소를 생산하기 위해서는 통상 압축공기의 4분의 3 정도를 배출해야 하는데(즉, 압축공기의 4분의 1만 회수되고 나머지는 배출되어 소모됨), 이에 반하여, 98.0%의 질소를 생산하기 위해서는 압축공기의 2분의 1 정도를 배출하고 나머지 2분의 1은 회수된다. 즉, 질소발생기로의 질소 생산 농도가 높을수록 질소발생기로 유입되는 압축공기량 대비 질소발생량이 감소하며, 반대로, 질소 생산 농도가 높을수록 압축공기량 대비 질소발생량이 증가하게 된다. 따라서, 99.9% 농도의 질소를 생산하는 경우 보다 98.0%의 질소를 생산하는 경우 압축공기의 소모량이 적어 압축기 가동율이 적을 뿐만 아니라 질소 생산량이 많아 적은 비용으로 다량의 질소 생산이 가능함을 알 수 있다.

이러한 상황에서 종래에는 저장탱크에 처음부터 99.9%의 질소를 충진하는 방식을 채택하였는 바, 질소발생기의 전단과 후단 밸브(밸브 A,B 및 C,D)의 개폐를 99.9%의 질소가 생산되기 시작하는 시간부터 끝나는 시간 간격인 T2 시간 동안 시간차를 두고 일정하게 교호적으로 수행되도록 하는 소위 시간 고정형 개폐 방식을 채택하였다. 그런데, 대용량 저장탱크의 경우, 최초 내측 상부가 일반 공기로 채워진 상태에서 질소를 충진하게 되면, 99.9%의 질소를 충진한다 하더라도 농도가 희석되며, 99.9%의 압축공기 대비 질소 생산량이 적기 때문에 시간도 많이 걸릴 뿐만 아니라 압축공기 소모량도 많아 압축기 가동율과 질소발생기 가동율이 증가하는 등 생산 비용이 증가하는 단점이 존재한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 저장탱크의 질소 실링시 발생되는 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 질소가스의 과다 소모로 인한 실링 비용을 줄이면서 효과적인 실링이 가능하고, 질소가스의 농도에 따라 생산 시간을 가감하는 운전 방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 저가의 생산비로 다량의 질소가스를 생산하여 저장탱크를 충진할 수 있도록 하는 질소가스 공급 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 저장탱크에 질소를 공급하는 시스템으로서, 저장탱크(1)에 질소를 공급하는 시스템으로서, 압축기(10)와; 상기 압축기(10)로부터 압축공기를 공급받아 질소를 생성하는 질소발생수단(21), 상기 질소발생수단(21)에서 생성된 질소의 농도를 측정하는 질소농도계측기(24), 및 상기 질소발생수단(21)에서 생성된 질소를 저장탱크(1)로 공급 또는 차단하기 위한 공급제어밸브(28)를 포함하는 질소발생기(20)와; 상기 질소농도계측기(24)에 의해 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 농도 미만인 경우 개방되어 해당 질소를 외부로 배출하는 제1배기밸브(26)와; 상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에 설치되어 저장탱크(1) 내부에 기 충진되어 있던 공기 또는 기 충진된 질소를 외부로 배출하기 위한 제2배기밸브(80)와; 상기 저장탱크(1) 내부의 질소 농도를 측정하는 탱크농도계측기(70)와; 전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부(100)를 포함하고; 상기 제어부(100)는, 상기 저장탱크(1)에 설치된 제2배기밸브(80)를 개방하여 저장탱크(1) 내 기체를 배기하면서, 상기 압축기(10)를 구동시켜 상기 질소발생수단(21)에서 질소를 생성토록 하고; 상기 질소농도계측기(24)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 초기충진농도 미만인 것으로 판정되면, 상기 제1배기밸브(26)를 개방하여 질소를 외부로 배출하고; 상기 질소농도계측기(24)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 초기충진농도에 도달한 것으로 판정되면, 상기 제1배기밸브(26)를 폐쇄하고, 상기 공급제어밸브(28)를 개방하여 저장탱크(1) 내측 상부 공간에 미리 설정된 초기충진농도의 질소가 충진되도록 하며; 상기 탱크농도계측기(70)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 기준농도에 도달한 것으로 판정되면, 공급제어밸브(28)를 제어하여 질소발생수단(21)으로부터 생산되는 질소의 농도를 미리 설정된 후기충진농도로 증가시켜 저장탱크(1) 내부가 후기충진농도의 질소로 충진되도록 하고; 상기 탱크농도계측기(70)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 목표농도에 도달한 것으로 판정되면, 상기 공급제어밸브(28)를 폐쇄하고, 압축기(10)의 구동을 정지시킨다.
여기서, 상기 공급제어밸브(28)는 개도 조정이 가능한 비례제어밸브인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에는 저장탱크(1)에 기 충진된 질소를 회수하여 상기 압축기(10)로 공급하기 위한 회수밸브(84)가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 일단이 상기 회수밸브(84)와 연결되고 타단은 상기 압축기(10)의 전단에 연결되어, 대기 공기 또는 회수된 질소를 압축기(10)로 선택적으로 유입시키기 위한 유입가스선택밸브(90)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에는 저장탱크(1)에 질소 충진시 최초 저장되어 있던 공기 또는 기 충진된 질소를 외부로 배출하거나, 기 충진된 질소를 회수하여 상기 압축기(10)로 공급하기 위한 배기회수선택밸브(80')가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 일단이 상기 배기회수선택밸브(80')와 연결되고 타단은 상기 압축기(10)의 전단에 연결되어, 대기 공기 또는 회수된 질소를 압축기(10)로 선택적으로 유입시키기 위한 유입가스선택밸브(90)가 추가로 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 저장탱크 질소 공급 방법은, 저장탱크의 내측 상부 공간에 미리 저장되어 있던 기체를 배기하는 단계와; 압축공기로부터 질소를 발생시키는 단계와; 발생된 질소의 농도가 미리 설정된 초기충진농도에 도달하는 경우, 상기 저장탱크 내측 상부 공간에 상기 미리 설정된 초기충진농도를 갖는 질소를 충진하는 단계와; 상기 저장탱크 내 질소 농도가 미리 설정된 기준농도에 도달하는 경우, 상기 저장탱크의 내측 상부 공간에 상기 기준농도 보다 높은 미리 설정된 후기충진농도를 갖는 질소를 저장탱크 내 질소 농도가 미리 설정된 목표농도에 도달할때까지 충진하는 단계를 포함한다.

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상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 저장탱크의 내측 상부를 질소로 실링시 질소가스의 과다 소모로 인한 실링 비용을 줄이면서 효과적인 실링이 가능하고, 질소가스의 농도에 따라 생산 시간을 가감하는 운전 방식을 채택하여 에너지 소모를 줄이고 저가의 생산비로 다량의 질소가스를 생산하여 저장탱크를 충진할 수 있다.

도 1 은 종래 통상적인 질소 실링에 사용되는 질소발생기의 개략적인 설치 구성도(a) 및 질소발생기에서 발생되는 질소의 시간에 따른 농도와 밸브 개폐 작동을 설명하기 위한 그래프(b)이며,
도 2 는 본 발명에 따른 질소 공급 장치의 구성도,
도 3 은 본 발명에 따른 질소 공급 방법을 예시적으로 설명하기 위한 도면,
도 4 는 본 발명에 따른 질소 공급 방법을 단계별로 순서대로 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 질소 가스 공급 장치 및 그 방법을 첨부된 도면과 바람직한 실시예를 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 초기에 일반 공기로 채워져 있는 대공간 저장탱크(1; 축열조, 유류 저장탱크 등) 내부에 고농도(90.0% ~ 99.9999%)의 질소 가스를 공급하고자 하는 것이다. 그런데, 위에서 이미 언급한 바와 같이, 저장탱크(1) 내부를 처음부터 고농도의 질소 가스로 충진한다 하더라도 최초 채워져 있던 공기와 혼합되면서 희석되어 고농도의 질소 가스로 충만되지 않을 뿐만 아니라 데드존(dead zone)이 발생할 우려도 있으며, 질소 가스의 생산비가 많이 드는 단점이 존재하는 바, 이러한 단점을 해결하기 위하여, 초기 충진되는 질소 가스의 농도를 낮게 유지하면서 생산량을 늘려 저가의 생산비로 충진한 후, 저장탱크(1)내 질소 농도가 적정 농도에 도달하면 질소발생기(20)로부터 생산되는 질소 가스의 농도를 높여 최종적으로 요구되는 고농도의 질소 가스로 저장탱크(1) 내부를 치환하는 방식을 채택한다.

이를 위해 본 발명에 따른 질소 가스 공급 장치는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 압축기(10), 유입제어밸브(12), 질소발생기(20), 질소공급관(60), 탱크농도계측기(70), 제2배기밸브(80), 질소회수관(82), 유입가스선택밸브(90) 및 제어부(100)를 포함한다.

압축기(10)는 기체를 압축하여 고압의 압축공기를 후술하는 질소발생기(20)로 공급하는 것으로, 대기중의 일반 공기를 유입시켜 압축공기를 형성하거나, 후술하는 바와 같이 저장탱크(1)에 충진된 질소가스(이하, '공정가스'라 칭함)를 압축하여 공급한다.

유입제어밸브(12)는 상기 압축기(10)의 후단에 구비되어 압축기(10)로부터 발생된 압축공기를 질소발생기(20)로 유입시키거나 유입을 차단하기 위한 밸브로서, 전동밸브 또는 솔레노이드밸브로 구성된다.

질소발생기(20)는 유입제어밸브(12)의 후단에 연결되고, 압축기(10)로부터 공급되는 압축공기 중 산소를 분리 제거하여 질소를 발생시키는 장치로서, 질소발생수단(21), 버퍼탱크(22), 질소농도계측기(24), 제1배기밸브(26), 공급제어밸브(28)를 포함한다. 이러한 질소발생기(20)의 종류는 통상 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식과 멤브레인(membrane) 방식 등이 있는데, 여기서는 주로 PSA 방식에 대해 설명한다. 그러나, PSA 방식의 질소발생기(20)는 하나의 실시예로서 본 발명은 이러한 PSA 방식의 질소발생기(20)에만 한정되는 것은 아니다.

PSA 방식의 질소발생기(20)는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 챔버 형태의 질소발생수단(21) 내부에 CMS(Carbon Molecular Sieve)라는 입자상 흡착제가 충진되어 있는 형태로 구성되는데, 이 CMS는 균일하게 조정된 세공을 갖는 흡착제이며, 세공으로의 확산 속도 차이에 의해 질소 분자(분자 경 4.3)와 비교하여 산소분자(분자 경3.9)가 보다 빨리 흡착된다. 평형 흡착량에는 양자의 차이가 거의 보이지 않으나 흡착 속도는 30배 이상의 차이를 나타내며, 이러한 흡착 속도의 차이를 이용하여 압축공기로부터 산소를 분리 제거하여 순도 높은 질소를 발생시키는 것이다. 이러한 질소발생수단(21)의 구성 및 작동 원리는 이미 공지된 것으로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 한편, 상기 질소발생수단(21)은 챔버 방식으로 구성되는 것이 바람직하나 질소를 효율적으로 발생시킬 수 있다면 그 방식에는 제한이 없다.

유입측 배기밸브(14)는 유입제어밸브(12)의 후단 및 질소발생기(20)의 전단 측에 공통으로 연결되는 밸브로서, 압축기(10)로부터 발생된 압축공기 중의 일부를 외부 대기로 배출하거나 질소발생기(20)에서 생산된 저농도의 질소(미리 설정된 농도 미만의 질소)를 배출하거나, 또는 CMS에 흡착된 산소를 퍼징(furging)하여 외부로 배출하기 위한 밸브이다.

질소발생기 내부의 버퍼탱크(22)는 질소발생수단(21)의 후단에 연결되어 질소발생수단(21)로부터 발생된 질소를 공급받아 일시 저장하는 탱크이다.

질소농도계측기(24)는 질소발생수단(21)에서 발생된 질소 가스의 농도를 측정하는 장치로서, 질소의 농도를 직접적으로 측정하거나, 산소의 농도를 측정한후 질소 농도를 간접적으로 계산하여 산출하는 방식의 계측기가 사용될 수 있다.

제1배기밸브(26)는 상기 질소농도계측기(24)에 의해 측정된 질소가스의 농도가 미리 설정된 농도 미만인 경우 개방되어 해당 질소가스를 외부로 배출하는 밸브이다.

공급제어밸브(28)는 질소발생수단(21)에서 생산되고 버퍼탱크(22)에 일시 저장된 질소 가스를 토출하여 저장탱크(1)에 공급하거나 공급을 차단하기 위한 밸브로서 단순 온오프 밸브로 구성될 수도 있고, 후술하는 바와 같이 질소농도계측기(24)에서 측정된 질소 농도에 따라 개도가 조절되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 공급제어밸브(28)의 작동 방법에 대해서는 후술하기로 한다.

상기 공급제어밸브(28)를 통해 토출되는 질소 가스는 질소공급관(60)을 통하여 저장탱크(1)의 내측 상부 공간으로 충진된다. 그리고, 저장탱크(1)에는 충진된 질소 가스의 농도를 측정하기 위한 탱크농도계측기(70)가 구비된다.

한편, 상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에는 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 저장탱크(1) 내부에 기 충진되어 있던 공기 또는 질소를 외부로 배출시키기 위한 제2배기밸브(80)와 저장탱크(1) 내측 상부 공간에 질소 충진시 최초 저장되어 있던 공기 또는 충진된 질소 가스를 회수하여 후술하는 압축기(10)로 공급하기 위한 회수밸브(84)가 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 더욱 바람직하게는 도2의 (b)에 도시된 바와 같이 제2배기밸브(80) 및 회수밸브(84) 대신에 기 충진된 질소의 배기와 회수를 선택적으로 수행할 수 있는 배기회수선택밸브(80')가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 배기회수선택밸브(80')는 저장탱크(1) 내측 상부 공간에 질소 충진시 최초 저장되어 있던 공기 또는 충진된 질소 가스를 외부로 배출하거나, 충진된 질소가스(이하, '공정가스'라 칭함)를 회수하여 후술하는 압축기(10)로 공급하기 위한 밸브로서, 삼방밸브로 구성되는 것이 바람직하다.

유입가스선택밸브(90)는 일단은 상기 배기밸브(84) 또는 배기회수선택밸브(80')와 연결되고 타단은 상기 압축기(10)의 전단에 연결되어, 대기 공기 또는 회수된 공정가스를 선택적으로 유입시키기 위한 밸브이다. 상기 유입가스선택밸브(90)는 압축기(10)로 유입되는 기체의 종류를 변경하기 위하여 유로를 변경시키는 것으로 3-way 밸브 등으로 구성될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 질소 공급 장치의 전체 작동은 제어부(100)에 의해 자동 제어된다. 이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 질소 공급 장치의 작동 및 질소 공급 방법을 도 2 내지 도 4를 참조로 상세히 설명한다.

저장탱크(1)에 충진되는 질소의 최종 목표농도(이하, '목표농도')는 저장탱크(1)의 용도 등에 따라 다르나 통상 99.0% ~ 99.9%의 고순도로 설정된다. 종래에는 질소발생수단(21)에서 발생되는 질소 가스의 농도가 목표농도에 미달시에는 이를 외부로 배기하고, 목표농도에 도달하는 경우에만 질소 가스를 처음부터 저장탱크(1) 내부 상측 공간에 충진하였다. 그러나, 이미 언급한 바와 같이, 통상 99.9%의 목표농도를 갖는 질소를 생산하는데는 시간도 오래 걸려 압축기(10)와 질소발생수단(21)의 가동율이 증가할 뿐만 아니라, 질소의 생산량 또한 압축공기의 4분의 1 정도로 매우 적다. 그리고, 대공간 저장탱크(1)의 경우 처음부터 목표농도로 충진하여도 저장탱크(1) 내부의 공기와 혼합되면서 희석되므로 고농도의 질소가스로 충만되지 못하고 충진 시간도 매우 오래 소요된다.

이에, 본 발명은 저장탱크(1)에 질소를 충진하는 경우에 있어서, 처음부터 목표농도로 충진하지 않고, 도 3 에 도시된 바와 같이, 초기에는 목표농도 보다 낮은(예컨대, 98.0%) 설정 농도(이하, '초기충진농도')의 질소를 충진하고, 시간의 경과에 따라 저장탱크(1)의 질소 농도가 상승하여 미리 설정된 일정 농도(이하, '기준농도')에 도달하면 기준농도보다 높은(바람직하게는 목표농도 이상의) 설정 농도(이하, '후기충진농도')를 갖는 질소 가스를 목표농도에 도달할때까지 충진한다. 이하, 도 4 를 참조로 이러한 충진 방법을 단계별로 설명한다.

최초, 공기로 채워져 있는 저장탱크(1) 내부 상측 공간을 질소로 치환하기 위하여, 도 4 에 도시된 바와 같이, 먼저, 저장탱크(1) 내 공기를 배기하면서 미리 정해진 초기충진농도로 질소를 충진한다. 질소 가스 충진 전에는 최초 저장탱크(1)의 내부 상측 공간이 공기로 채워져 있고, 이 공기에는 습기나 저장된 액체로부터 발생하는 기타 가스가 다량 포함되어 있어 일반 대기 공기보다 질이 떨어지므로 재사용하지 않고 외부로 배출하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 최초 질소 충진 작업이 개시되면, 제어부(100)는 저장탱크(1)에 연결된 제2배기밸브(80)를 개방하고 압축기(10)를 구동한다. 제2배기밸브(80) 대신 배기회수선택밸브(80')가 구비된 경우, 배기회수선택밸브(80')의 배기측을 개방하여 내부에 채워져 있던 공기를 배기시킨다. 이와 동시에 제어부(100)는 유입가스선택밸브(90)를 대기유입측으로 절환하고 압축기(10)를 구동한다. 압축기(10) 구동에 따라 압축공기가 발생되며, 발생된 압축공기는 제어부(100)에 의해 개방된 유입제어밸브(12)를 통과하여 질소발생기(20)로 공급된다. 질소발생기(20)의 질소발생수단(21)에서는 압축공기 중의 산소가 흡착 분리되어 질소가 발생된다. 질소발생수단(21)에서 초기 발생되는 질소의 농도는 매우 낮으며, 일반 대기의 조성 중 질소의 농도인 78%로부터 시작하여 산소의 흡착 분리에 따라 점차 증가하게 된다.

다시 도 2 를 참조하면, 질소발생수단(21)에서 발생된 질소 가스는 버퍼탱크(22)에 일시 저장되며, 질소농도계측기(24)에서 질소 농도가 측정된다. 상기 질소농도계측기(24)에서 측정된 질소의 농도는 제어부(100)로 전달되고, 제어부(100)는 측정된 질소 농도가 미리 설정된 초기충진농도 미만이면 제1배기밸브(26)를 개방하여 저농도의 질소를 외부로 배출하고, 측정된 질소의 농도가 초기충진농도에 도달하면 제1배기밸브(26)를 폐쇄하고 공급제어밸브(28)를 개방하여 질소공급관(60)을 통해 저장탱크(1) 내측 상부 공간에 초기충진농도를 갖는 질소 가스가 충진된다.

초기충진농도로의 충진이 계속되면 저장탱크(1) 내 질소 가스의 농도는 초기농도(약 78%)로부터 지속적으로 상승하게 되며, 저장탱크(1)에 설치된 탱크농도계측기(70)는 저장탱크(1) 내부의 질소 농도를 측정한다. 탱크농도계측기(70)에서 측정된 질소 농도는 제어부(100)로 전송되며, 제어부(100)는 측정된 질소 농도가 미리 설정된 기준농도(예컨대 97%, 도 3 참조)에 도달하면, 공급제어밸브(28)를 제어(바람직하게는 개도를 조정)하여 기준농도(예컨대, 97%) 보다 높은 후기충진농도(예컨대, 99.9%)로 저장탱크(1)에 충진한다.

이와 같이, 질소 가스의 농도가 기준농도에 도달하는 경우, 충진 농도를 초기충진농도로부터 후기충진농도로 전환하는 작업은 공급제어밸브(28)의 작동에 의해 수행된다. 여기서 상기 공급제어밸브(28)는 개도 조정이 가능한 비례제어밸브로 구성되는 것이 바람직한데, 이는 공급제어밸브(28)의 개폐 정도에 따라 질소발생수단(21)에서 생산되는 질소 가스의 농도가 달라지기 때문이다. 위에서 이미 언급한 바와 같이, 질소발생수단(21)는 내부에 CMS 라는 흡착 분말을 포함하고 있고, 이 CMS 를 압축공기가 통과할때 산소는 흡착되고 질소는 흡착되지 않고 배출됨에 따라 질소 가스가 생산되는 것이다. 이 때, 공급제어밸브(28)가 완전 폐쇄되어 있거나 조금 열려있으면 압축공기가 질소발생수단(21) 내에서 체류하는 시간이 길기 때문에 산소가 많이 흡착되어 질소 가스의 농도는 높아지는 반면, 공급제어밸브(28)가 많이 열려있으면 압축공기가 질소발생수단(21) 내에서 체류하는 시간이 짧기 때문에 산소의 흡착량이 적어 질소 가스의 농도가 낮아지게 된다. 다만, 상기 공급제어밸브(28)가 반드시 비례제어밸브로 구성되어야만 하는 것은 아니고, 단순 온오프 밸브로도 개폐 절환 및 개방 시간 조절, 배기밸브(24)의 개폐 조절 등을 통하여 충진농도의 전환이 가능할 수 있다.

이러한 이유로, 본 발명에서 저장탱크(1) 내부를 초기충진농도의 질소 가스로 충진하다가 탱크농도계측기(70)에서 측정된 저장탱크(1) 내 질소 가스의 농도가 미리 설정된 기준농도에 도달하는 경우, 제어부(100)는 공급제어밸브(28)의 개도를 감소시켜 질소발생수단(21)로부터 생산되는 질소 가스의 농도가 미리 설정된 후기충진농도로 증가되도록 하여 저장탱크(1) 내부를 후기충진농도의 질소 가스로 충진한다.

이와 같이 공급제어밸브(28)의 개도 조정을 통하여 후기충진농도의 질소 가스로 충진되는 저장탱크(1) 내부의 질소 농도는 기준농도로부터 계속 증가한다. 탱크농도계측기(70)는 저장탱크(1)의 질소 농도를 측정하며, 측정된 질소 농도가 미리 설정된 목표농도에 도달하는 경우 제어부(100)는 공급제어밸브(28)를 전폐함과 아울러 제2배기밸브(80), 회수밸브(84) 또는 배기회수선택밸브(80')도 폐쇄하고 압축기(10) 구동을 중지함으로서 저장탱크(1) 내 질소 가스 치환 작업을 완료한다. 이러한 작업의 반복에 의해 저장탱크(1) 내 질소 가스의 치환이 반복적으로 수행될 수 있다.

한편, 저장탱크(1) 내 질소 가스를 공급한 후 재차 새로운 질소 가스로 치환하는 경우, 제2배기밸브(80)를 개방하여 기 충진된 질소를 외부로 배기할 수도 있고, 회수밸브(84)를 개방하여 회수된 공정가스가 질소회수관으로 회수될 수 있다. 이와 같이 공정가스가 회수되는 경우 압축기(10) 전단에 설치된 유입가스선택밸브(90)의 유로를 질소회수관(82) 측으로 절환하여 대기 공기 대신에 회수된 공정가스가 압축기(10)로 유입되도록 할 수 있다. 그리고, 제2배기밸브(80) 및 회수밸브(84) 대신 배기회수선택밸브(80')가 구비되는 경우에는 배기회수선택밸브(80')의 배기측을 개방하여 공정가스를 외부로 배기하고 회수측을 개방하여 회수된 공정가스가 질소회수관(82)으로 회수되도록 할 수 있다. 이 때, 회수된 공정가스에는 습기가 다량 함유되어 있을 수 있으므로 감습을 위하여 압축기(10) 전단에 습기제거기를 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 방식으로 질소 가스의 재활용을 통한 질소 소비량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 질소발생기의 가동율을 감소시킬 수 있으므로 에너지 절약 및 운전비 감소 효과를 얻을 수 있다.

1 : 저장탱크 10 : 압축기
12 : 유입제어밸브 14 : 유입측 배기밸브
20 : 질소발생기 21 : 질소발생수단
22 : 버퍼탱크 24 : 질소농도계측기
26 : 배기밸브 28 : 공급제어밸브
60 : 질소공급관 70 : 탱크농도계측기
80 : 배기밸브 80' : 배기회수선택밸브
82 : 질소회수관 84 : 회수밸브
90 : 유입가스선택밸브 100 : 제어부

Claims

저장탱크(1)에 질소를 공급하는 시스템으로서,
압축기(10)와;
상기 압축기(10)로부터 압축공기를 공급받아 질소를 생성하는 질소발생수단(21), 상기 질소발생수단(21)에서 생성된 질소의 농도를 측정하는 질소농도계측기(24), 및 상기 질소발생수단(21)에서 생성된 질소를 저장탱크(1)로 공급 또는 차단하기 위한 공급제어밸브(28)를 포함하는 질소발생기(20)와;
상기 질소농도계측기(24)에 의해 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 농도 미만인 경우 개방되어 해당 질소를 외부로 배출하는 제1배기밸브(26)와;
상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에 설치되어 저장탱크(1) 내부에 기 충진되어 있던 공기 또는 기 충진된 질소를 외부로 배출하기 위한 제2배기밸브(80)와;
상기 저장탱크(1) 내부의 질소 농도를 측정하는 탱크농도계측기(70)와;
전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부(100)를 포함하고;
상기 제어부(100)는,
상기 저장탱크(1)에 설치된 제2배기밸브(80)를 개방하여 저장탱크(1) 내 기체를 배기하면서, 상기 압축기(10)를 구동시켜 상기 질소발생수단(21)에서 질소를 생성토록 하고;
상기 질소농도계측기(24)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 초기충진농도 미만인 것으로 판정되면, 상기 제1배기밸브(26)를 개방하여 질소를 외부로 배출하고;
상기 질소농도계측기(24)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 초기충진농도에 도달한 것으로 판정되면, 상기 제1배기밸브(26)를 폐쇄하고, 상기 공급제어밸브(28)를 개방하여 저장탱크(1) 내측 상부 공간에 미리 설정된 초기충진농도의 질소가 충진되도록 하며;
상기 탱크농도계측기(70)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 기준농도에 도달한 것으로 판정되면, 공급제어밸브(28)를 제어하여 질소발생수단(21)으로부터 생산되는 질소의 농도를 미리 설정된 후기충진농도로 증가시켜 저장탱크(1) 내부가 후기충진농도의 질소로 충진되도록 하고;
상기 탱크농도계측기(70)에서 측정된 질소의 농도가 미리 설정된 목표농도에 도달한 것으로 판정되면, 상기 공급제어밸브(28)를 폐쇄하고, 압축기(10)의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 공급 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 공급제어밸브(28)는 개도 조정이 가능한 비례제어밸브인 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 공급 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에는 저장탱크(1)에 기 충진된 질소를 회수하여 상기 압축기(10)로 공급하기 위한 회수밸브(84)가 구비되는 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 공급 시스템.
제 5 항에 있어서,
일단이 상기 회수밸브(84)와 연결되고 타단은 상기 압축기(10)의 전단에 연결되어, 대기 공기 또는 회수된 질소를 압축기(10)로 선택적으로 유입시키기 위한 유입가스선택밸브(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 공급 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 저장탱크(1)의 내측 상부 공간 중 하부측에는 저장탱크(1)에 질소 충진시 최초 저장되어 있던 공기 또는 기 충진된 질소를 외부로 배출하거나, 기 충진된 질소를 회수하여 상기 압축기(10)로 공급하기 위한 배기회수선택밸브(80')가 구비되는 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 공급 시스템.
제 7 항에 있어서,
일단이 상기 배기회수선택밸브(80')와 연결되고 타단은 상기 압축기(10)의 전단에 연결되어, 대기 공기 또는 회수된 질소를 압축기(10)로 선택적으로 유입시키기 위한 유입가스선택밸브(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 공급 시스템.
저장탱크 내에 질소 가스를 공급하는 방법으로서,
저장탱크의 내측 상부 공간에 미리 저장되어 있던 기체를 배기하는 단계와;
압축공기로부터 질소를 발생시키는 단계와;
발생된 질소의 농도가 미리 설정된 초기충진농도에 도달하는 경우, 상기 저장탱크 내측 상부 공간에 상기 미리 설정된 초기충진농도를 갖는 질소를 충진하는 단계와;
상기 저장탱크 내 질소 농도가 미리 설정된 기준농도에 도달하는 경우, 상기 저장탱크의 내측 상부 공간에 상기 기준농도 보다 높은 미리 설정된 후기충진농도를 갖는 질소를 저장탱크 내 질소 농도가 미리 설정된 목표농도에 도달할때까지 충진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장탱크 질소 가스 공급 방법.