KR101818128B1 - 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 및 해양플랜트의 저급 연료 예열에 사용되는 전기히터에 자가진단 기능을 구비하여 상기 저급 연료의 온도를 실시간 제어하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터는 전기를 공급받아 HFO에 열을 발산하는 엘리먼트; 상기 엘리먼트에 전기를 공급하고 써모커플의 결선을 방지하기 위한 채널; 플랜지, 노즐, 쉐들, 엔드 플레이트로 구성된 쉘; 상기 HFO 배출온도를 실시간 측정하여 기 설정된 온도가 유지되도록 제어하는 컨트롤 패널;이 구비되어 상기 엘리먼트에 인가되는 전력량을 조절하게 되는 것을 특징으로 한다.

Description

실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터{Real-time temperature controllable electric heater equipped with self-diagnosis function for marine vessel and offshore plant}

본 발명은 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 및 해양플랜트의 저급 연료 예열에 사용되는 전기히터에 자가진단 기능을 구비하여 상기 저급 연료의 온도를 실시간 제어하는 기술에 관한 것이다.

지구온난화와 에너지 고갈에 대한 위기의식이 고조되고 전 산업분야에 걸쳐 환경규제가 이슈화되면서 발전소, 공장, 자동차, 선박 등에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 국제해사기구(IMO)는 선박에서 배출되는 배출가스를 엄격하게 규제를 하고 있다. 선박에서 환경문제를 일으키는 배기가스(Exhaust gas)로는 이산화탄소(CO₂), 질소산화물(NO_X), 황산화물(SO_X) 등이 있으며, 선박에서 배출되는 이산화탄소의 경우, 전 세계의 배출량의 3%를 차지하고 있으며, 질소산화물은 대기오염방지규제(Tier-3)를 종전에 비해 2016년 80%를 감소, 황산화물은 0.1%로 줄이는 것을 목표이다. 선박의 배기가스 원인은 발전기 및 엔진의 연료를 연소시켰을 때 발생한다. 선박의 연료는 디젤유(Diesel Oil, 이하 DO)를 사용하고 점도 낮아 연료이송이 좋지만 금액이 940달러로 고가이므로 중유(Heavy Fuel Oil, 이하 HFO)와 겸용하여 사용되고 있다. 선박의 운항에 따른 연료사용으로 출항(저속: 200rpm 미만)시 DO를 100%사용하고 운항(중속: 800rpm 미만)시 DO 50%, HFO 50%를 사용한다. 또한, 고속 운항(고속: 800rpm 이상)시 HFO 100%를 사용하고 있다. 연료공급시스템을 살펴보면, HFO를 예열한 후 DO로 정제(Purifier)하여 메인 엔진(Main Engine)에 연료를 공급하는 시스템이다. 선박의 연료를 예열하는 장비에는 스팀히터(Steam Heater)와 전기히터(Electric Heater)가 있으며, 주로 스팀히터를 많이 사용하고 있다. 예열장비는 연료를 예열하여 연료의 점도를 낮추어 정제장비까지 부드러운 이송을 목적으로 한다. 스팀보일러(Steam Boiler)는 스팀히터에 스팀을 공급하지만, 스팀을 생성하기 위해 사용하는 연료가 오일이며, 오일을 연소 시 이산화탄소(CO₂) 등 가스배출량에 대한 환경규제로 현재는 스팀히터 보다는 전기히터를 많이 사용하는 추세이다. 선박에서는 기자재제품의 크기가 중요하며, 기존의 전기히터는 와트 밀도 2.5W/cm²로 설계되어 3.5W/cm²보다 제품크기가 크다는 단점을 가지고 있다. 과거에 와트 밀도 3.5W/cm²로 설계 시 엘리먼트(Element)가 과열(Over Heating)되어 온도제어(Thermal Control)가 어렵고 엘리먼트 표면에 탄화물(Carbide)이 생성되어 열전달(Heat Transfer)을 방해함으로 추후 과열로 인한 엘리먼트가 파손되는 문제점이 발생한다.

따라서 본 발명에서는 상기의 문제점을 해결할 수 있는 선박 및 해양플랜트의 저급 연료 예열에 사용되는 전기히터에 자가진단 기능을 구비하고 실시간 온도제어가 가능하게 함으로써 안정적인 운전 효과 및 연료 비용 감소 등의 효과를 기대할 수 있는 전기히터 구현 기술을 제안하고자 한다. 본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터 구현 기술을 개시하려는 유사 선행기술에는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0054057호 '열매체 전기 중유보일러', 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0073666호 '선박용 중유 공급장치', 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0018091호 '탄소나노섬유를 이용한 선박용 연료 예열장치', 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0123967호 '선박용 발전기 엔진의 예열시스템' 등이 있다.

상기한 종래의 유사 선행기술은 전기히터 내에 자가진단 기능을 구비하고 실시간 온도제어가 가능하여 안정적인 운전 효과와 운전 효율을 증대시키는 기술을 제공하지 못하였다.

KR10-2014-0095215(A) KR10-2013-0026637(A) KR10-1180334(B1) KR10-1263712(B1)

본 발명은 상기한 발명의 배경으로부터 요구되는 기술적 필요성을 충족하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 종래의 전기히터로 연료 예열 작업 수행 시 엘리먼트가 과열되어 온도제어가 어렵고 상기 엘리먼트 표면에 탄화물이 생성되어 열전달을 방해함으로써 추후 과열로 인한 엘리먼트가 파손되는 문제를 극복하기 위한 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터 구현 기술을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터는 전기를 공급받아 HFO에 열을 발산하는 엘리먼트; 상기 엘리먼트에 전기를 공급하고 써모커플의 결선을 방지하기 위한 채널; 플랜지, 노즐, 쉐들, 엔드 플레이트로 구성된 쉘; 상기 HFO 배출온도를 실시간 측정하여 기 설정된 온도가 유지되도록 제어하는 컨트롤 패널;이 구비되어 상기 엘리먼트에 인가되는 전력량을 조절하게 되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명은 HFO 예열 전기히터에 자가진단 기능을 구비하여 실시간 온도제어가 가능한 기술을 구현함으로써 상기 전기히터의 안정적인 운전을 수행할 수 있는 효과와 운전 효율이 증대되는 효과가 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 기술적 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터의 모식도;
도 2는 본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터의 컨트롤 패널에 대한 예시도;
도 3은 본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터의 하드웨어적 측면의 자가진단 수단의 예시도이다.

이하에서는, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 각 구성 단계에 대한 상세한 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트용 전기히터는 전기를 공급받아 HFO에 열을 발산하는 엘리먼트; 상기 엘리먼트에 전기를 공급하고 써모커플의 결선을 방지하기 위한 채널; 플랜지, 노즐, 쉐들, 엔드 플레이트로 구성된 쉘; 상기 HFO 배출온도를 실시간 측정하여 기 설정된 온도가 유지되도록 제어하는 컨트롤 패널;이 구비되어 상기 엘리먼트에 인가되는 전력량을 조절하게 되는 것을 특징으로 한다.

도 2는 상기 컨트롤 패널에 대한 예시도이며 상기 컨트롤 패널에는 자가진단 알고리즘이 내장되어 있는데 이는 실시간 온도 모니터링을 기반으로 구현되는 알고리즘이며 상기 HFO 배출온도를 온도센서로 실시간 계측하여 정상상태를 유지하게 하는 것이다. 즉, 상기 HFO 출구 노즐에 상기 온도센서를 설치한 후 상기 온도센서에서 계측된 온도신호를 상기 컨트롤 패널에 전달하는 것으로 본 발명의 전기히터는 정상상태를 판단하는 기준온도를 98℃가 되도록 설계되었다. 만일 상기 HFO 배출온도가 98℃ 이상인 것으로 검지되면 상기 엘리먼트로 전달되는 전력 공급을 감소시키고 상기 HFO 배출온도가 98℃ 이하이면 상기 엘리먼트로 전달되는 전력 공급을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 여기서, 정상상태의 반대 개념인 비상상태를 검지하기 위해서 상기 온도센서를 상기 HFO 출구 노즐 유입 전 위치에 비상 온도센서 추가로 더 구비하여 전술한 정상상태 판단용 온도센서가 고장 등의 원인으로 미작동할 시 상기 비상 온도센서가 상기 정상상태 판단용 온도센서의 역할을 대신할 수 있는 것을 특징으로 한다.

전술한 알고리즘으로만 상기 HFO를 고온으로 유지할 경우 상기 전기히터 자체에 부하가 걸릴 수도 있으므로 상기 자가진단 알고리즘이 효율적으로 적용 및 작동될 수 있도록 상기 전기히터에 추가적인 장치를 구비하였다. 상기 자가진단 알고리즘이 소프트웨어적 측면의 자가진단 수단이라면 도 3에는 하드웨어적 측면의 자가진단 수단이 도시되어 있으며 이는 상기 전기히터에 HFO를 일정한 온도 및 유량으로 공급하고 순환시키기 위한 HFO 탱크;와 HFO 펌프로 구성된 HFO 탱크시스템;의 예시도가 도시되어있다. 여기서, 상기 HFO 탱크는 SUS304 재질로 최소 1.6톤 이상의 HFO를 저장할 수 있고 120℃까지 가열이 가능하도록 설계 및 제작되는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 HFO 펌프는 저급 연료를 사용하기 때문에 유체가 직접적으로 맞닿는 표면부에는 SUS316L 재질을 사용하고 상기 HFO 공급 유량은 단위 시간당 7m³, 총 수두는 50m가 되도록 설계하는 것이 바람직하다.

상기 컨트롤 패널에는 상기 자가진단 알고리즘과 연계되어 구동되는 모니터링 시스템이 내장되어 있는데 상기 모니터링 시스템은 상기 전기히터 운용 시 상기 HFO 유량과 온도를 실시간으로 측정하고 상기 정상상태 판단용 온도센서 및 상기 비상상태 판단용 온도센서와 연동되어 상기 엘리먼트로의 전력 공급 증감량을 제어할 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용, 변형 및 개작을 행하는 것이 가능할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. 실시간 온도제어를 위한 자가진단 기능이 구비된 선박 및 해양플랜트의 저급 연료 예열에 사용되는 전기히터에 있어서,
   전기를 공급받아 저급 연료인 HFO에 열을 발산하는 엘리먼트; 상기 엘리먼트에 전기를 공급하고 써모커플의 결선을 방지하기 위한 채널; 플랜지, 노즐, 쉐들, 엔드 플레이트로 구성된 쉘; 상기 HFO 배출온도를 실시간 측정하여 기 설정된 온도가 유지되도록 제어하는 컨트롤 패널;이 구비되어 상기 엘리먼트에 인가되는 전력량을 조절하게 되고,
   상기 컨트롤 패널에는 자가진단 알고리즘이 내장되어 있는데 이는 실시간 온도 모니터링을 기반으로 구현되는 알고리즘이며 상기 HFO 배출온도를 HFO 배출온도 계측용 온도센서로 실시간 계측하여 정상상태를 유지하게 하여, 상기 저급 연료의 온도를 실시간 제어하고,
   상기 쉘은 서포트에 의해 고정되되 내부에 구비된 상기 엘리먼트는 상하로 꺾이며 연속적으로 이어진 지그재그 형태로 상기 쉘의 길이방향을 따라 배치되고, 상기 HFO 출구 노즐에 상기 HFO 배출온도 계측용 온도센서를 설치한 후 상기 HFO 배출온도 계측용 온도센서에서 계측된 온도신호를 상기 컨트롤 패널에 전달하며 상기 정상상태 판단 기준온도는 98℃이며, 상기 HFO 배출온도가 98℃ 이상인 것으로 검지되면 상기 엘리먼트로 전달되는 전력 공급을 감소시키고 상기 HFO 배출온도가 98℃ 이하이면 상기 엘리먼트로 전달되는 전력 공급을 증가시키며, 비상상태를 검지하기 위해서 상기 HFO 출구 노즐 유입 전 위치에 비상 온도센서를 추가로 구비하고, 상기 HFO 배출온도 계측용 온도센서가 고장으로 미작동할 시 상기 비상 온도센서가 상기 HFO 배출온도 계측용 온도센서의 역할을 대신하며, 상기 자가진단 알고리즘의 소프트웨어적 측면을 보완하기 위한 하드웨어적 측면의 자가진단 수단이 추가로 구비되는데 이는 상기 전기히터에 상기 HFO를 일정한 온도 및 유량으로 공급하고 순환시키기 위한 HFO 탱크;와 HFO 펌프;로 구성된 HFO 탱크시스템;이되, 상기 HFO 탱크는 SUS304 재질로 최소 1.6톤 이상의 HFO를 저장할 수 있고 120℃까지 가열이 가능하도록 설계 및 제작되고, 상기 HFO 펌프는 저급 연료가 직접적으로 맞닿는 표면부에는 SUS316L 재질을 사용하고 상기 HFO 공급 유량은 단위 시간당 최소 7m³, 총 수두는 최소 50m가 되도록 설계하며, 상기 컨트롤 패널에는 상기 자가진단 알고리즘과 연계되어 구동되는 모니터링 시스템이 내장되어 있는데 상기 모니터링 시스템은 상기 전기히터 운용 시 상기 HFO 유량과 온도를 실시간으로 측정하고 상기 HFO 배출온도 계측용 온도센서 및 상기 비상 온도센서와 연동되어 상기 엘리먼트로의 전력 공급 증감량을 제어할 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 전기히터.
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