KR102238262B1 - 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 광원으로부터 복수의 광 센서가 일정 간격으로 배치된 광 섬유에 광을 입사하는 단계와, 상기 광 섬유 내의 각 광 센서마다 상기 광 센서에 대응하는 특정 파장에서 반사되는 반사광을 수광하는 단계와, 상기 수광된 광을 전기 측정 신호로 변환하는 단계와, 기저장된 광 센서별 파장 정보로 식별되는 복수의 광 센서 각각에 대해, 상기 전기 측정 신호와 기측정 저장된 온도별 광 센서 파장 정보에 근거하여 온도를 산출하는 단계와, 상기 산출된 온도에 근거하여, 인접하는 광 센서간 온도차가 기설정된 범위를 초과하는 광 센서 위치와 기저장된 광 센서 배치 간격 정보로부터 유체의 레벨을 측정하는 단계와, 상기 측정된 유체 레벨과 기저장된 상기 유체 저장 탱크의 단면적 정보로부터 실재고량을 산출하는 단계와, 상기 광 센서별로 산출된 온도를 기설정된 표준 온도 범위와 비교하여 이상 온도 발생 여부를 판정하는 단계와, 상기 산출된 실재고량과 기저장된 관리 재고량의 차이를 비교하여, 누출 발생 여부를 판정하는 단계와, 상기 이상 온도 발생 또는 상기 누출 발생시 경보를 발생하는 단계에 의해, 간단한 구성으로 유체 저장 탱크 내의 온도 측정, 유체 레벨 측정, 재고 관리, 경보 관리를 용이하게 관리할 수 있다.

Description

유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF TOTAL SOLUTION FOR FLUID STORAGE TANKS MANAGEMENT CONTROL}

본 발명은 유체 저장 탱크를 통합 관리하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 광 섬유를 이용하여 유체 저장 탱크 내에 잔존하는 유체의 재고 관리, 누출 감지, 온도와 레벨 측정, 밀도 계측, 모니터링 및 경보까지 한꺼번에 통합하여 관리하기 위한 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 유체 저장 탱크 통합 관리 방법에 관한 것이다.

액화 천연 가스(LNG : liquefied natural gas)나 액화 석유 가스(LPG; liquefied petroleum gas), 유류 및 물을 포함하는 유체를 저장하는 입/출하 터미널의 탱크들은 대부분 용량이 커서(통상 10만 ~ 35만 입방미터), 지상에 설치하면 시설물이 점유하는 부지 면적이크고, 외부 노출에 따른 안전 상의 문제점이 있다. 따라서, 유체 저장 탱크는 지하 동굴이(mined-cave)이나 지하 매설 또는 반지하 매설 보온식 탱크 또는 현재 개발이 진행중인 해상 부유식 저장 탱크(FSRU : floating storage re-gasification unit)로 설치된다.

또한, 유류나 극저온 상태인 액화 가스 (LNG: -162°C, 에틸렌: -104°C, 프로필렌: -47.8℃, 프로판: -42.1℃) 제품 등을 운송하는 선박 또는 입/출하 터미널 탱크 운영은, 거래 물량 확인(CTS)의 경우, 탱크 저장 물량을 표준 물량(standard quantity)으로 환산하기 위해 탱크 레벨과, 탱크 내 균분된 온도 측정이 매우 중요하여, 탱크 전체 높이에 대한 실시간 연속 액위 온도(CFTT: continued full-height tank temperature) 변화 추이 측정이 요구된다.

예컨대, 유류 및 액화 가스(LNG/LPG) 제품을 운송하는 선박 또는 저장 탱크를 운영하는 과정 중 (외부) 온도 변화로 인해 탱크 내 제품의 증기 압력이 높아지고, 비점이 낮은 액화 가스에서 일어나는 롤-오버 현상(Roll-over phenomena)에 의해 급격히 변하는 대량의 증발 가스(BOG: boil off gas)가 발생하면, 압력 팽창에 따른 탱크 폭발 및 가스 누출의 안전 사고 발생의 원인이 된다.

현재 일반적으로 보급되어 운용되고 있는 물량 측정 설비(PIMS : product inventory management system) 체계의 RTD 센서는 이를 실현하기 어려워 탱크 하부에서 상부까지 수십에서 수백 개의 온도 측정용 센서가 설치되어 있다,

이와 같은 경우, 시설이 복잡하고 또한 센서가 측정한 온도 값들이 전기적 신호에 의해 물량 측정 설비 또는 중앙 제어 장치(CCR/DCS)로 전송되므로, 기화성 폭발물 이나 인화성 물질을 취급하는 탱크에서는 폭발과 같은 안전성 위험이 상존하여, 기자재 방폭이 필요하다.

또한, 이러한 탱크들에서 발생하는 탱크 롤-오버 현상은, 탱크 내 유체의 화학적 성분 조성비에 따라 형성되는 제품 성층면(stratification)의 밀도가, 도 7∼도 9에 도시된 바와 같이, 탱크 외부 영향으로 성층에 생기는 온도 변화에 의해, 성층간에 밀도 차이가 증가하여 발생하므로, 탱크를 운영하는 회사나 지역에서는, 제품의 화학적 성분 조성비와 운영 회사 규정 및 지역 환경에 의한 각기 다른 요구 조건에 따라, 액화 가스를 저장하는 탱크의 성층간 밀도 차이를 관리하고 있다. 여기에서, 도 7은 액화 가스 저장 탱크의 외부 온도 변화에 의한 제품 밀도 변화 추이와 이에 따라 발생하는 성층 현상(Stratification) 진행을 도시한 예시도이고, 도 8은 제품의 성층현상 발생으로 인한 롤-오버현상 (Rollover Phenomena)과 이에 따른 BOG (Boil Off Gas) 발생을 도시한 예시도이며, 도 9는 롤-오버 발생으로 인한 유체의 전복 현상을 도시한 예시도이다.

기존의, 액화 가스 및 오일 탱크의 저장 물량을 파악 하기 위해 사용되는 물량 측정 설비(PIMS)는, 탱크 저장 물량을 표준 물량(Standard Quantity)으로 환산 하기 위한 여러 종류의 계측 값이 반영되고 있는데, 온도 측정은 RTD 센서, 유체 레벨 계측(Interface)은 전파(Radar/Ultrasonic) 및 자동 부유식 (Servo motor) 또는 부유식 (Float), 제품 밀도는 밀도계(Densitometer), 압력은 압력계(Manometer) 등 각기 다른 장비로 구성되어 있어 체계가 복잡하고, 측정된 여러 계측 값들은 탱크 용량 테이블(volume table)과 서로 연동되어 표준 물량이 산출되지만, 온도 계측 RTD 센서는 연속 액위 온도(RCFTT : real-time continued full-height tank temperature) 변화 추이 측정이 불가능하고, 밀도 계측(Densitometer)은 자동 부유식(Servo motor) 타입 특성상 탱크 전체 높이에 대한 세밀한 연속 액위 상세 밀도(CFDPD : continued full-height detail product density) 추이 데이터를 실시간으로 만들 수 없는 단점이 있다.

특히, 지하 저장 대용량 탱크들은 균열 또는 손상이 발생할 경우 소량의 누출(Leak)이 시작되는 초기 단계에서는, 일반적으로 운영중인 탱크 물량 측정 설비나 육안으로는 누출을 인지하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 누출 문제의 조기 발견을 위해 액화 가스 운송 선박이나 대형 유류 저장 탱크 또는 장거리 이송 배관 라인에는, 현재 국부적으로 광 섬유 브레그 격자(FBG : Fiber Bragg Grating)나 광 누출 탐지(LDS : fiber optic leak detection system)를 시공하여, 광 섬유가 갖는 온도 측정 정밀도(Accuracy 1/100℃)를 활용하여, 누출 부위의 온도 변화를 감지함으로써 시설의 누출을 모니터링 하고 있으나, 이러한 광 섬유의 온도 측정 정밀도를 이용한 탱크 물량 계측 시스템은 개발되어 있지 못한 실정이다.

또한, 종래에는 액위 레벨 관리 장치와, 온도 관리 장치가 별도로 마련되어 있으며, 본 발명에서 선행 발명으로 인용하는 등록특허공보 10-1892732을 참조하더라도, 선행 발명의 도 1을 참조하면 액위 계측부(12)가 보빈(11)을 환요하는 제1 코일(121)과 제2 코일(123)로 구성되고, 플랜지부(18)에 연결된 고정단(151)과 플랜지부(18)로부터 길이가 조절되어 신장 가능한 다접점 측정단(153)으로 구성된 열전대(15)를 마련하는 구성이 개시되어 있지만, 여전히 코일 권선과 열전대 및 그 배선 등 복잡한 구조를 가지고 있어 관리에 어려움이 있으며, 특히, 유체 저장 탱크에 저장되는 것이 인화점이 낮은(예컨대, 약 -20) 유체인 점을 감안하면, 코일과 전기장 및 전기 신호를 이용하는 선행 기술의 경우 폭발의 위험성이 존재하며, 부식으로 인한 열화나 전기장에 의한 오차 등이 존재하는 문제가 있다.

또한, 현재 운영중인 액화 가스 저장 탱크들도 롤-오버의 원인이 되는 성층면간 비중차를 밀도계를 통해 감시하고 있지만, ㎝(10㎜) 단위 높이의 연속 액위 밀도(CFDPD) 변화에 대한 실시간(Real-time) 모니터링은 되지 않는 단점이 있다.

이외에, 산업 플랜트 내 유류 및 공업 용수(IW: industrial water) 저장 탱크 또는 각종 수자원 관리 시설의 저장 물량(stock quantity) 측정을 위해 사용되는 여러 종류 계측 장치 기능(온도, 레벨, 밀도, 압력)은 그 수명이 제한적일 뿐만 아니라, 서로 상이하여, 관리에 어려움이 따른다.

또한, 액화 가스 입/출하 탱크 터미널 운영에서 발생하는 BOG 생성의 원인이 제어가 안됨으로 인하여 발생되는, 필요 이상의 운전 관리 비용과 안전 관리로 발생하는 경제적 손실은 크다.

또한, 유류와 액화 가스의 화학 물질 조성(chemical composition) 특성상 제품 내에 함유된 부식성 물질에 의한 금속성 기자재의 손상과 계측 장비 센서부에 쌓이는 스케일(scale-deposition by electro-chemical effect) 및 수분이나 전기장에 의해 센서들의 계측값 오차가 발생하는 문제점도 있다.

등록특허공보 10-1892732(2018. 08. 22. 등록) "다접점 온도센서를 이용한 광대역 응용금속 액위 측정 장치 및 열 시스템"

따라서, 본 발명은 유체 저장 탱크 내에 잔존하는 유체의 재고 관리, 누출 감지, 온도와 레벨 측정, 밀도 계측, 모니터링 및 경보까지 한꺼번에 통합하여 관리할 수 있는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

유류 및 액화 가스 저장 탱크 물량(stock) 파악을 위해 탱크 내 유체 온도와 레벨, 유체 밀도 및 탱크 압력을 계측, 표준 물량 (standard quantity)으로 환산 하여, 물량 변화 추이를 모니터링함으로써, 탱크 누출 (Leak) 여부를 확인할 수 있는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

기존의 탱크 재고 물량 관리 시스템(PIMS: product inventory management system)이 탱크 내 온도를 균분하게 측정하기 위해 국부적으로 탱크 구간별(elevation)에 설치한 다량의 온도 측정용 RTD 센서 대신에, 광 섬유 센서를 이용하여, 탱크 전체 높이에 대한 연속 액위 온도(CFTT) 변화 추이를 계측하여 CFTT 자료를 연속 액위 상세 밀도(CFDPD)로 변환시킬 수 있는 알고리즘을 개발하고, 탱크 내 유체들 경계 레벨을 보다 높은 정밀도(예컨대, ㎜ 단위 높이)로 측정함으로써, 유체 성층면(stratification)밀도 와 유체 레벨을 모니터링할 수 있는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

인화성 물질을 취급하는 탱크 내에서 전/자기적 열원을 모두 제거하여 안전 사고의 위험을 줄일 수 있는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여러 종류의 계측 센서들이 갖는 복잡한 신호 체계를 단순화함으로써, 설비 운영에 소요되는 운영 비용(OPEX)을 절감하고, 탱크 물량 재고를 효율적으로 관리할 수 있는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 유류와 액화 가스의 화학 물질 조성(chemical composition)에 의한 기자재 손상 및 그에 따른 계측 오차를 해소할 수 있는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 유체 저장 탱크 내에 보유된 유체의 온도 측정, 레벨 측정, 재고 관리, 경보를 통합 관리하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치로서, 복수개의 온도를 감지하기 위한 광 센서가 등간격으로 배치되고, 상기 유체 저장 탱크 내에 수직으로 배치되는 광 섬유와, 상기 광 센서에 입사시킨 광의 반사광으로부터 각 광 센서의 온도를 산출하고, 이웃하는 광 센서간의 온도 변화로부터 상기 유체의 레벨을 측정하는 광 섬유 분석기와, 상기 광 섬유 분석기로부터 산출된 광 센서 온도와 기저장된 광 센서의 온도 비교에 의해 이상 온도 발생 여부를 판정하고, 상기 광 섬유 분석기로부터 산출된 유체의 레벨과 기저장된 상기 유체 저장 탱크의 정보에 기반하여 실재고량을 산출하고, 상기 실재고량과 상기 기저장된 관리 재고량의 차이로부터 누출 여부를 판정하며, 이상 온도 발생 또는 누출 발생시 경보를 발생하는 관제부를 포함하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치를 제공한다.

상술한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 간단한 구성으로 유체 저장 탱크 내의 온도 측정, 유체 레벨 측정, 재고 관리, 경보 관리를 용이하게 관리할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 광 섬유 분석기는, 광을 발광하여 상기 광 섬유에 입사시키는 광원과, 상기 복수의 광 센서 각각에 대응하는 특정 파장의 광이 반사되는 다수의 상이한 파장을 갖는 반사광이 합성된 반사광을 수광하고, 상기 수광한 합성 반사광으로부터 상기 각 광 센서에 대응하는 전기 측정 신호로 변환하는 수광부와, 기준 온도에서 초기에 측정된 광 센서별 파장 정보가 저장되고, 상기 기준 온도에서 기설정된 온도 단위마다 변화하며 측정된 온도별 광 센서 파장 정보가 저장되고, 상기 복수의 광 센서의 배치 간격에 대한 정보가 저장되는 데이터 저장부와, 기설정된 측정 간격으로 상기 광 섬유에 광을 입사하도록 상기 광원을 제어하고, 상기 데이터 저장부에 저장된 상기 광 센서별 파장 정보로 식별되는 각 광 센서에 대해, 상기 수광부에서 변환된 전기 측정 신호와 상기 데이터 저장부에 기측정 저장된 온도별 광 센서 파장 정보에 근거하여 온도를 산출하고, 인접하는 광 센서간 온도차가 기설정된 범위를 초과하는 광 센서 위치와 상기 데이터 저장부에 저장된 광 센서 배치 간격 정보로부터 유체의 레벨을 측정하는 시스템 제어부를 포함하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 관제부는, 상기 유체 저장 탱크 내의 유체 입출고에 기반하여 관리 재고량을 저장하고, 상기 유체 저장 탱크의 크기에 대한 정보를 저장하고, 각 광 센서의 기설정된 표준 온도 범위가 저장된 관리 데이터 저장부와, 상기 시스템 제어부로부터 수신한 각 광 센서별 온도와 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 표준 온도 범위를 비교하여, 이상 온도 발생 여부를 판정하고, 상기 시스템 제어부로부터 수신한 유체 레벨 정보와 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 유체 저장 탱크의 크기 정보에 기반하여 실재고량을 산출하고, 상기 산출된 실재고량과 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 관리 재고량의 차이가 기설정된 차이 이상의 재고량 차이가 발생하는지를 판정함으로써 누출 여부를 판정하고, 이상 온도 또는 누출 발생시 경보를 발생 제어를 행하는 관리 제어부와, 상기 관리 제어부의 경보 발생 제어에 근거하여, 표시 화면, 빛 및/또는 소리로 경보를 발생하는 경보 발생부를 포함하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 유체 레벨 정보는 상기 유체 저장 탱크 내의 가스와 유체 사이의 상부 계면의 레벨 정보와, 상기 유체와 물 사이의 하부 계면의 레벨 정보를 포함하고, 상기 관리 제어부는 상기 상부 계면과 상기 하부 계면의 차이로부터 산출한 재고량 높이와, 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 상기 유체 저장 탱크의 단면적으로부터 재고량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유체 저장 탱크 내에 보유된 유체의 온도 측정, 레벨 측정, 재고 관리, 경보를 통합 관리하는 유체 저장 탱크 통합 관리 방법으로서, 광원으로부터 복수의 광 센서가 일정 간격으로 배치된 광 섬유에 광을 입사하는 단계와, 상기 광 섬유 내의 각 광 센서마다 상기 광 센서에 대응하는 특정 파장에서 반사되는 반사광을 수광하는 단계와, 상기 수광된 광을 전기 측정 신호로 변환하는 단계와, 기저장된 광 센서별 파장 정보로 식별되는 복수의 광 센서 각각에 대해, 상기 전기 측정 신호와 기측정 저장된 온도별 광 센서 파장 정보에 근거하여 온도를 산출하는 단계와, 상기 산출된 온도에 근거하여, 인접하는 광 센서간 온도차가 기설정된 범위를 초과하는 광 센서 위치와 기저장된 광 센서 배치 간격 정보로부터 유체의 레벨을 측정하는 단계와, 상기 측정된 유체 레벨과 기저장된 상기 유체 저장 탱크의 단면적 정보로부터 실재고량을 산출하는 단계와, 상기 광 센서별로 산출된 온도를 기설정된 표준 온도 범위와 비교하여 이상 온도 발생 여부를 판정하는 단계와, 상기 산출된 실재고량과 기저장된 관리 재고량의 차이를 비교하여, 누출 발생 여부를 판정하는 단계와, 상기 이상 온도 발생 또는 상기 누출 발생시 경보를 발생하는 단계를 포함하는 유체 저장 탱크 통합 관리 방법을 제공한다.

상술한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 간단한 구성으로 유체 저장 탱크 내의 온도 측정, 유체 레벨 측정, 재고 관리, 경보 관리를 용이하게 관리할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 광을 입사하는 단계와, 상기 반사광을 수광하는 단계와, 상기 전기 측정 신호로 변환하는 단계와, 상기 온도를 산출하는 단계와, 상기 재고량을 산출하는 단계를 기설정된 횟수만큼 반복하여 각 광 센서별 평균 측정 온도 및 평균 실재고량을 산출하고, 상기 평균 광 센서별 측정 온도 및 상기 평균 실재고량에 근거하여 상기 이상 온도 발생 여부 및 상기 누출 발생 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 통합 관리 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 산출된 각 광 센서별 온도와 상기 산출된 실재고량을 저장하는 단계와, 상기 광을 입사하는 단계와, 상기 반사광을 수광하는 단계와, 상기 전기 측정 신호로 변환하는 단계와, 상기 온도를 산출하는 단계와, 상기 재고량을 산출하는 단계를 반복하는 단계와, 상기 반복해서 산출된 각 광 센서별 온도와 실재고량을 직전 단계에서 산출하여 저장된 상기 광 센서별 온도 및 상기 실재고량과 비교하여, 기설정된 편차 범위 내에 있는 지를 판정하는 단계와, 기설정된 횟수만큼 산출된 광 센서별 온도 및 실재고량이 직전 저장된 광 센서별 온도 및 실재고량이 상기 편차 범위 내에 있다고 판정되면, 각 반복 과정에서 산출된 광 센서별 온도 및 실재고량의 평균값을 산출하는 단계를 더 포함하고, 상기 평균 광 센서별 측정 온도 및 상기 평균 실재고량에 근거하여 상기 이상 온도 발생 여부 및 상기 누출 발생 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 유체 저장 탱크 통합 관리 방법을 제공한다.

본 발명은, 유류 및 액화 가스(LNG/LPG)를 운송하는 선박 또는 입/출하 터미널 의 탱크 내 유체 온도, 레벨, 밀도 및 압력을 계측하여 탱크 저장량(Stock)을 표준 물량(standard quantity)으로 실시간 환산하여 터미널과 선박간 거래 물량(CTS) 및 탱크 재고량을 확인하고 관리할 수 있다. 이로 인해, 탱크 누출에 따른 물량 변화(Loss)를 탱크 내 유체 온도, 유체 밀도 및 탱크 압력에 변화가 진행되고 있더라도 즉시 인지 할 수 있어 탱크 누출을 조기에 발견할 수 있는 장점이 있다.

LIMS(liquefied gas product inventory management system)는 탱크 내 성층면 들의 밀도 변화를 5mm 높이 단위로 모니터링되기 때문에 탱크 내 롤-오버 현상을 미리 예측할 수 있어 선제적 조치로 급격한 BOG 발생을 예방하여 가스 누출이나 탱크 안전 사고를 피할 수 있다.

이는 기존 PIMS의 각기 다른 여러 종류의 계측 장비 기능들을 통합 할 수 있는 광 섬유 센서로 대체함으로써 기존의 기계식 온도계 와 또한 별도로 설치되는 탱크 레벨 계측 설비 및 유체 밀도 계측기를 제거 할 수 있어 탱크 물량 측정 장비 체계가 간단 명료하고 장비 운영이 용이하다.

또한, 탱크 입/출하시 탱크의 제품 저장 한계 높이를 컨트롤하는 ESD(Emergency Shut Down) 레벨 위치와 제품 출하 펌프 또는 탱크 De-watering 펌프의 온/오프를 컨트롤 하는 레벨 위치(Elevation)를 변경하는 것이 기존의 기계식 계측 센서들 보다 용이하여 탱크 자동화 운영을 위한 로직(Logic) 구성이 쉽고 편리하다.

광섬유 센서 케이블에 의한 온도 측정의 근본 원리는, 연속적으로 역 산란되는 신호를 대상으로 하기 때문에 입사되는 레이저 파의 지속시간 (Duration Time)이 최소 측정 간격으로 간주 되며, 측정 점 간격은 필요에 따라 조절이 가능한 장점이 있다. 예컨대, 최소 DTS 0.15m 부터 기본 단위 0.25mr 또는 사용자 요구에 맞게 조절이 가능하다.

긴 거리에 걸쳐 일정 간격 단위의 다수의 지점에서 동시에 온도값을 얻을 수 있다. 예컨대, 2km 거리의 광케이블이 설치되어 온도를 측정할 경우, 수천 곳의 측정 지점에서 온도 및 액위 값을 동시에 얻을 수 있다.

기존의 다량의 RTD 센서와 탱크 레벨 및 밀도 계측 장비들을 광 섬유 케이블로 대체함으로써, 하나로 통합하고, 인화성 물질 내에서 전/자기적 열원을 배제하여 안전성을 확보할 수 있으며, 광 섬유 케이블은 비-금속성이므로 부식 문제에 따른 오차 발생을 방지하고 반영구적으로 제품 수명을 연장할 수 있다.

탱크 전체 높이에 대한 연속 액위 온도(CFTT : continued-full height tank temperature) 변화 추이 측정용 광 섬유로 성층간 온도 변화를 감시하면, 온도 변화 추이를 제품의 밀도 변화 추이(PDP: product density profile)로 실시간 변환(converting)하여 계측하는 것이 가능하므로, 제품 성층간 밀도 변화 선제 관리와 롤-오버를 예방할 수 있어 증발 가스 처리에 드는 비용을 줄이고, 만약 롤-오버 발생시 롤-오버 현상으로 탱크 내에서 밀도가 서로 다른 액체 층이 순간적으로 롤링(Rolling)하는 물리적 전복 현상에서 발생하는 탱크 내부 진동파를 광 센서(Optic-fiber cable)가 실시간 측정함으로써 급 변화 하는 탱크 내부에 대한 비상 경보를 울리고, 롤-오버 초기 안전 대응이 가능하여 액화 가스 저장 탱크 안전 사고도 피할 수 있다.

특히 광 섬유를 이용한 유체 저장 탱크 통합 관리 장치 및 방법은, 유체 저장 탱크 내 CFDPD(continued full-height detail product density) 연속적 밀도 계측과 CFTT(continued full-height tank temperature) 연속적 온도와 액면 레벨 측정 기능이 가능하여 액화 가스 저장 탱크 내 롤-오버 감시와 급격히 변하는 BOG(boil off gas) 예측이 가능하므로, 액화 가스 저장 탱크에 사용됨은 물론, CFTT 와 CFDPD 측정 기능으로 인해 탱크 저장 물량이 표준 물량으로 실시간 환산되어 모니터링되기 때문에, 탱크 내 온도, 밀도, 압력에 변화가 진행 중일 때에도 탱크에 누출이 발생 하면, 초기 단계에서 보다 신속하게 인지 할 수 있다. 즉, 표준 물량으로 실시간 환산되기 때문에 누출에 따른 물량 변화를 보다 신속하고 정학하게 인지할 수 있다.

이와 함께, 시설물 자동화 운영에 필요한 로직(Logic) 구성 이나 온도, 레벨, 밀도 들의 측정 위치 설정이 기존의 기계식 계측 센서들 보다 쉽고 용이하다.

또한, 시설물 여건에 따라 입/출하를 컨트롤하는 ESD(Emergency Shut Down)와 프로세스(process) 관련 기기 또는 각종 펌프들의 온/오프 레벨 위치(Elevation) 변경이 시설 운영 환경에 맞게 상시 가능하므로 향후 산업 플랜트 내 액화 가스 및 유류 저장 탱크 뿐만 아니라, 용수 탱크와 수자원 용수 저장 시설의 물량(stock quantity) 측정에도 적용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 구성되는 광 센서는, 하나의 광 섬유 내에 복수의 광 센서, 예컨대 수십∼수백개의 센서를 직렬로 연결 가능하기 때문에, 기존에 복수개의 온도 센서 및 레벨 센서를 분산 배치하는 구조에 비해, 시스템 구성이 간결하고, 배선 복잡도를 현저히 감소시킬 수 있다. 특히, 유체 저장 탱크 내의 온도 관리, 재고 관리, 유체 레벨 측정 및 경보 관리까지, 광 섬유를 이용하여 통합 관리할 수 있기 때문에, 관리 시스템을 단순화하여, 관리를 용이하게 할 수 있고, 설비 투자비나 운용비를 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 설비 정비를 위해 사람이 드나들거나 교체, 수리, 철거, 추가 등이 어려운 계측 센서 및 배선이 절감되어, 관리해야 할 지점이 줄어들기 때문에, 시스템 전반의 관리가 용이해지고, 고장 및 손상이 발생될 확률을 현저히 줄일 수 있다.

또한, 광 케이블과 광 신호를 이용하므로, 부식에 의한 열화나 수분에 의한 오차, 그리고 전기장 등에 의한 오류를 줄일 수 있어 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. 즉, 관리의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 전기 신호와 전기 대신 광 신호를 이용하므로, 전기 신호의 스파크 등으로 인해 인화점이 낮은 유체의 폭발을 방지할 수 있어, 유체 저장 탱크의 안전성을 높일 수 있다.

또한, 광 센서의 경우, 극저온에서 극고온까지 사용이 가능하기 때문에, 극저온의 LNG, LPG, 액화수소 등에서도 유효하게 사용가능하다.

본 발명은 향후 산업 현장의 육상(on-shore)과 해상(off-shore)에서 시공되어지는 대용량 유류 및 액화 가스 저장 탱크 지하에 건설되는 유류 및 액화 가스 비축 기지(Oil 또는 LPG용 암반 동굴), 해상용 LNG-FPSO(floating production storage and offloading), FSRU(floating storage regasification unit), FLNG(floating liquified natural gas) 선박 등 여러 분야에 유용하게 적용될 수 있다.

본 명세서에 기술된 실시예는 다음의 설명 및 도면을 참조하면 더욱 잘 이해될 수 있다. 도면의 구성 요소는 불필요하게 스케일링되지 않으며, 대신 실시예의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다.
또한, 도면 및 상세한 설명에서 동일한 요소, 그리고 동일한 기능 및/또는 동일한 기술적 또는 물리적 효과를 갖는 요소는, 동일한 참조 번호를 부여하거나 동일한 명칭으로 식별하며, 다른 실시예에서 도시 또는 설명된 요소 및 그 기능의 설명은 서로 교환 가능하거나 다른 실시예에서 서로 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 선행 기술에 따른 응용 금속 액위 측정 장치의 사시도이다.
도 2는 종래의 선행 기술에 따른 열전대(15)의 구성 및 측정단(153)의 길이 변화를 도시한 예시 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크 및 유체 저장 탱크 통합 관리 장치의 시스템 구성도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 섬유(F/O : fiber optic) 분석기의 세부 구성을 도시한 상세 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 광 섬유의 일부 구간에서의 광 센서의 광학 구성을 도시한 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크 통합 관리 방법을 도시한 상세 흐름도이다.
도 7은 액화 가스 저장 탱크의 외부 온도 변화에 의한 제품 밀도 변화와 추이와 이에 따라 발생하는 성층 현상(Stratification) 진행을 도시한 예시도이다.
도 8은 제품의 성층 현상 발생으로 인한 롤-오버 현상(Rollover Phenomena)과 이에 따른 BOG(Boil Off Gas) 발생을 도시한 예시도이다.
도 9는 롤-오버 발생으로 인한 제품의 전복 현상(롤 오버 발생)을 도시한 예시도이다.
도 10은 유체의 측정 과정을 도시한 예시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

후술하는 설명에서, 본 발명에 대한 보다 확실한 이해를 돕기 위해 복수의 세부 사항을 보다 구체적으로 예시한 실시예를 들어 설명하지만, 당업자라면 본 발명의 일 실시예로서 설명한 구체적 세부 사항이 없이도 실시될 수 있다는 것을 명확히 이해할 것이며, 본 발명의 범주는 이들 실시예로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구항에 의해서만 정의된다는 점에 유의해야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 후술되는 다른 실시예의 특징들은 서로 부분적으로 또는 전체적으로 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실질적인 특징부를 보다 명료하게 하기 위해, 잘 알려진 기능 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략하더라도, 기존의 공지된 주지의 기술을 채용하여 구현할 수 있다는 점도 명확히 이해할 것이다.

또한, 일 요소가 다른 요소에 "연결된" 또는 "접속된" 것으로 언급될 때, 다른 요소에 직접 연결 또는 결합될 수 있거나, 중간 요소가 존재할 수 있는 것으로 이해해야 된다. 또한, 별도로 언급하지 않는 다른 유사한 용어, 예를 들어 "사이에", "인접한", "위", "아래", "측면" 등은 그 사이에 게재된 요소가 있거나 간격을 둔 상태에서의 "사이에", "인접한", "위", "아래", "측면" 등에 대해서도, 동일한 방식으로 이해해야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크 및 유체 저장 탱크 통합 관리 장치의 시스템 구성도를 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크 통합 관리 장치는, 도 3에 예를 들어 도시한 바와 같이, 크게 F/O JB로 도시한 광 섬유(F/O, fiber optic)(100), F/O 분석으로 도시한 광 섬유 분석기(200), 모니터링 PC(Monitoring PC)로 도시한 관제부(300)를 포함하여 구성된다.

광 섬유(100)에는 복수의 광 센서(110)가 일정 간격으로 배치되며, 후술하는 광원(230)에서 발생된 광이 광 섬유(100) 내로 입사된 후, 복수의 광 센서(110) 각각에서, 해당 광 센서(110)에 대응하는 특정 파장의 광이 반사되고, 나머지 광은 투과된다. 이때, 광 섬유(100)는 유체 저장 탱크 내에 저장된 유체 및 물에 침지되어 유체 상층의 가스층, 유체층, 물층의 각 광 센서(110) 위치에서의 온도를 검출하는 데 이용된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 광 센서(110)는, FBG(Fiber Bragg Gratings) 센서를 포함하여 광 섬유에 구성되는 다양한 형태의 광 센서가 이용될 수 있다. 예컨대, 일반적으로 광 섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광 섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합 구조가 변형되면서 광 섬유의 굴절률이 변화된다.

광 섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광 섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 이 경우 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광의 파장으로부터 각 광 센서를 구분할 수 있다. 또는, 해당 반사된 광의 입사부터 수광까지 걸린 시간으로부터 광 센서를 구분할 수 있다. 즉, 해당 광 센서의 배치 간격으로부터 유체의 레벨을 판정할 수 있다.

또한, 예컨대, 광 센서 주변의 온도에 따라, 반사광의 파장의 진폭이 변경되며, 이로 인해 특정 광 센서의 온도를 산출할 수 있다. 물론, 채택하는 광 센서의 종류 및 설정에 따라, 다른 방식의 온도 감지 방법도 이용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 구성되는 광 센서는, 하나의 광 센서 내에 복수의 광 센서, 예컨대 수십∼수백개의 센서를 직렬로 연결 가능하기 때문에, 기존에 복수개의 온도 센서 및 레벨 센서를 분산 배치하는 구조에 비해, 시스템 구성이 간결하고, 배선 복잡도를 현저히 감소시킬 수 있다. 즉, 설비 정비를 위해 사람이 드나들거나 교체, 수리, 철거, 추가 등이 어려운 계측 센서 및 배선을 절감하여, 관리해야 할 지점이 줄어들기 때문에, 시스템 전반의 관리가 용이해지고, 고장 및 손상이 발생될 확률을 현저히 줄일 수 있다.

또한, 광 신호를 이용하므로, 부식에 의한 열화나 수분에 의한 오차, 그리고 전기장 등에 의한 오류를 줄일 수 있어 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다. 즉, 관리의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 전기 신호와 전기 (에너지) 대신 광 신호를 이용하므로, 전기 신호의 스파크 등으로 인해 인화점이 낮은 유체의 폭발을 방지할 수 있어, 유체 저장 탱크의 안전성을 높일 수 있다.

또한, 광 센서의 경우, -270℃에서 수백℃까지 극저온에서 극고온까지 사용이 가능하기 때문에, 극저온의 LNG 등에서도 유효하게 사용가능하다.

광 섬유 분석기(200)는 도 4를 참조하면, 타이머(210), 시스템 제어부(220), 광원(230), 수광부(240), 데이터 저장부(250)를 포함하여 구성되며, 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같디,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 F/O(fiber optic) 분석기 및 관제부의 세부 구성을 도시한 상세 블록 구성도이다.

타이머(210)는 관리자 등에 의해 기설정된 측정 시간 간격으로 측정 타이밍을 발생하여 시스템 제어부(220)에 송신한다. 이 타이머(210)는 시스템 제어부(220) 내부의 시스템 클락이 이용될 수도 있다.

시스템 제어부(220)는, 타이머(210)로부터 발생되는 측정 타이밍이 도래하면 광원(230)에서 광 섬유(100)에 광을 입사하도록 광원(230)을 제어한다. 또한, 수광부(240)로부터 수신한 전기 신호로부터 얻어진 측정 반사광 정보와, 데이터 저장부(250) 내에 기저장된 기준 반사광 정보를, 복수의 광 센서(110) 각각에 대해 비교하여 그 차이를 산출하고, 산출된 차이와 데이터 저장부(250) 내에 기저장된 반사광 차이별 온도 정보로부터 해당 광 센서(110)의 온도를 산출한다.

또한, 산출된 각 광 센서(110)의 온도를 이웃하는 광 센서(110) 간에 비교하여, 기설정된 온도 범위 이상 온도차가 발생한 두 광 센서(110)의 위치로부터 유체 레벨을 측정한다. 즉, 이웃하는 두 광 센서(110)의 온도 차이가, 가스의 온도와 유체의 온도 사이의 차이에 근거하여 양자를 식별하도록 기설정된 온도 범위와, 유체의 온도와 물의 온도 사이의 차이에 근거하여 양자를 식별하도록 기설정된 온도 범위 이상 차이가 나면, 해당 광 센서(110)에 해당하는 파장에 대응하여 데이터 저장부(250)에 기저장된 센서 위치로부터 가스와 유체의 계면 위치, 유체와 물의 계면 위치를 판정한다. 즉, 시스템 제어부(220)는 각 광 센서(110)의 파장으로부터 광 센서(110)를 식별 가능하게 하고, 식별된 광 센서(110)의 위치와 각 광 센서의 배치 간격(예를 들어, 25㎝)으로부터 각 광 센서로부터 얻어낸 유체의 레벨, 즉, 가스와 유체의 계면 위치, 유체와 물의 계면 위치를 판정한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 시스템 제어부(220)에 노이즈 제거 등과 같은 신호 처리 알고리즘이 더 내장되어 있을 수도 있다.

또한, 시스템 제어부(220)는 산출한 각 광 센서(110)의 온도 정보와, 가스와 유체의 계면 위치, 유체와 물의 계면 위치에 대한 정보를 원격 관제부(300)에 송신한다.

수광부(240)는 광원(230)으로부터 광 섬유(100)에 입사된 광이 광 섬유(100) 내에 일정 간격으로 배치된 복수의 광 센서(110) 각각에서 반사되어 돌아오는 반사광을 파장별로 분산시킨다. 예컨대, 파장에 따라 굴절이 다르게 이루어지는 프리즘과 같은 분광기를 이용하여, 반사광을 파장별로 분산시켜 분산된 스펙트럼을 생성한 후, 선형으로 배열된 광 감지기를 통해, 각 파장별로 분산된 광을 전기적 신호로 변환한 다음 그 전기적 신호를 시스템 제어부(220)에 송신한다.

즉, 다수 개의 광 센서(110)에서 반사되어 돌아오는 반사광의 파장이 각각 f1, f2, …라 할 때, 이 반사광들이 합쳐진 반사광이 수광부(240)에서 수광되게 되며, 수광부(240)는 이 반사광을 프리즘과 같은 분광기를 통과시켜서, 각각의 파장 f1, f2, …에 따라 각각의 광 센서(110)로부터 반사된 반사광의 굴절률이 다르기 때문에, 굴절률에 따라 선형으로 배열 광감지기의 해당 위치에 각각 입사되게 된다. 따라서, 기준 온도에서 초기 상태에 입사 위치에서 전기 신호로 변환된 값이 해당 광 센서(110)의 기준 반사광 정보이고, 측정시 입사 위치에서 전기 신호로 변환된 값이 해당 광 센서(110)의 측정 반사광 정보이다.

이 때, 필요에 따라 콜리메이터(collimator)를 추가하여 반사광의 구경을 확대시켜 보다 용이하고 명확하게 반사광을 분리시킬 수도 있다.

데이터 저장부(250)에는 초기 상태의 각 광 센서(110)로부터 반사되어 돌아나온 반사광의 파장 및 진폭에 대한 데이터가 저장된다. 즉, 각 광 센서(110)에 특정된 파장의 광이 해당 광 센서(110)에서 반사된 후, 분광기를 거칠 때 해당 파장에 대응하는 굴절률로 굴절되면, 선형으로 배열된 광 감지기 중 특정 위치에 입사되게 되고, 그 위치에 입사된 광 신호가 변환된 전기 신호는 특정 파장과 진폭을 갖게 된다. 한편, 해당 광 센서(110)에서 온도 변화가 있는 경우 그 변화된 온도량 만큼, 데이터 저장부(250)에 기저장된 초기 반사광과는 파장 및/또는 진폭이 변화하게 된다. 따라서, 데이터 저장부(250)에는 반사광의 변화량을 확인하기 위한 기준으로서, 초기 상태의 각 광 센서(110)로부터 반사되어 돌아나온 반사광의 파장 및 진폭에 대한 데이터가 저장된다.

이와 같은 초기 상태에서 반사광의 파장이나 진폭을 측정하는 것은, 공장 초기 상태에서의 제조자 또는 본 발명에 따른 유체 저장 탱크 통합 관리 장치의 관리자에 의해 기설정된 기준 온도(예컨대, 15℃)에서 각 광 센서(110)마다 측정되며, 이 각 광 센서(110)의 기준 온도에서의 측정된 초기 반사광에 대한 정보를 이하 기준 반사광 정보라 한다. 또한, 이 기준 반사광 정보는 다수의 실험을 통해서 특정될 수 있다.

또한, 각 광 센서(110)는 빛을 반사하는 파장이 상이하므로, 이 기준 반사광 정보로부터 각 광 센서(110)를 식별할 수 있다.

또한, 데이터 저장부(250)는 각 광 센서(110)마다 기준 온도에서 일정 단위(예를 들어, 0.1℃∼0.01℃씩)로 온도를 변화시켜 가며 수광부(240)에서 반사광의 측정을 반복하여, 각 반사광의 변화(예컨대, 파장 및/또는 진폭)에 따른 온도 변화에 대한 정보를 저장한다. 이는 기준 반사광 정보를 근거로 측정된 광 센서(110)의 온도를 산출하기 위한 기준 온도 변화값이 된다.

또한, 각 광 센서(110)에 대한 배치 간격에 대한 정보도 데이터 저장부(250)에 저장된다.

다시 도 4로 돌아 가면, 관제부(300)는 유체 저장 탱크와 원격에 위치하는 곳에 배치되며, 관리자 입력부(310), 관리 제어부(320), 관리 데이터 저장부(330)와, 화면 표시부(340)와, 경보 발생부(350)로 구성된다.

관리자 입력부(310)는 키보드, 마우스, 터피 패드, 마이크 등 종래에 알려진 다양한 입력 장치 들을 포함하여 구성되며, 유체 입출고에 대한 입력, 관리자의 설정값 입력, 관리자의 관리 조작 명령의 입력 등, 관리자에 의한 다양한 정보 입력이 이루어진다.

관리 제어부(320)는 광 섬유 분석기(200)로부터 수신한 레벨 정보, 예컨대 가스(vapor)와 유체 사이의 계면에 대한 상부 계면 레벨 정보와, 유체와 물 사이의 계면에 대한 하부 계면 레벨 정보로부터 유체 높이를 산출하고, 관리 데이터 저장부(330)에 기저장된 유체 저장 탱크 단면적과, 산출된 유체 높이로부터 유체 저장 탱크 내에 보유중인 실재고량을 산출한다.

또한, 관리 제어부(320)는 유체 저장 탱크 내에 유체 입고, 출고에 따른 유체 변화량을 유체 입출고시마다 산출하여, 관리 재고량으로서 관리 데이터 저장부(330)에 저장한다.

또한, 관리 제어부(320)는 측정값에 근거하여 산출된 실재고량과 관리 데이터 저장부(330)에 저장된 관리 재고량 사이에 기설정된 범위 이상의 차이가 발생된 경우, 누출이 발생되는 것으로 판정하여, 누출 발생과 관련된 데이터를 화면 표시부(340)을 통해 표시하는 한편, 경보 발생부(350)를 통해 빛과 소리 등을 통해 관리자에게 경보한다.

또한, 관리 제어부(320)는 광 섬유 분석기(200)로부터 수신한 각 광 센서(110)의 온도 정보와, 관리 데이터 저장부(330)에 저장되어 있는 각 광 센서(110)의 정상 온도 범위 정보로부터, 이상 냉각 또는 이상 과열 등의 온도 이상이 발생하는 지를 판정하여, 온도 이상이 발생되었다고 판정되는 경우, 온도 이상 발생과 관련된 데이터를 화면 표시부(340)을 통해 표시하는 한편, 경보 발생부(350)를 통해 빛과 소리 등을 통해 관리자에게 경보한다.

이상, 관리 제어부(320)의 구성 및 기능은 광 섬유 분석기(200)의 시스템 제어부(220)와 기능을 분담하거나, 상호 공유할 수 있으며, 시스템 설계 및 이용 환경에 따라 시스템 제어부(200) 또는 관리 제어부(320) 쪽으로 일부 또는 전체 기능 및 구성을 통합 관리할 수도 있다.

관리 데이터 저장부(330)에는 유체 저장 탱크 내로 유체 입출고 등을 반영하여 관리 중인 관리 재고량 정보가 저장된다.

또한, 관리 데이터 저장부(330)에는 유체 저장 탱크에 대한 정보, 예컨대, 유체 저장 탱크의 높이, 유체 저장 탱크의 단면적 등에 대한 정보가 저장된다.

또한, 관리 데이터 저장부(330)에는 각 광 센서(110)의 정상 온도 범위가 저장된다.

화면 표시부(340)는 모니터 수상기, LCD 모니터, LED 모니터 및 기존의 각종 디스플레이 장치로 구성되며, 관리 제어부(320)의 제어에 의해, 관리에 필요한 정보를 화면 상에 표시하며, 특히 누출이 발생되었다고 판단되는 경우, 관리되고 있는 관리 재고량 정보와 실재고량 정보 및 누출 예상량 정보를 표시함과 아울러, 누출 발생 경보 표시를 화면 상에서 표시한다.

또한, 화면 표시부(340)는 실측정된 광 센서(110)의 온도와 설정 온도에 대한 정보를 화면 상에 표시함과 동시에, 온도 이상이 발생되는 광 센서(110) 및 광 센서의 위치 정보와 이상 발생 온도, 그리고 온도 이상 발생 경보 표시를 화면 상에 표시한다.

경보 발생부(350)는 스피커, 부저 등으로 구성되어, 관리 제어부(320)에 의해 누출 발생 판단 또는 온도 이상 발생 판단시, 관리 제어부(330)의 제어에 따라, 경고음, 음성 안내 등을 통해 관리자에게 이상 발생을 경보한다.

이하, 도 6을 중심으로, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크 통합 관리 방법을 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 광 섬유의 일부 구간에서의 광 센서의 광학 구성을 도시한 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크 통합 관리 방법을 도시한 상세 흐름도이다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 유체 저장 탱크 내에는 최하단에 물이 있고, 그 위에 제품(product)에 해당하는 유류, 액화 가스 등의 유체가 있고, 그 위에는 유체로부터 증발된 순수 제품 가스(pure product vapor) 또는 제품 가스와 불활성 가스 및 공기 등이 혼재한 가스(Vapor) 층이 있다. 또, LNG 같은 증기압이 높고 비점이 낮은 제품의 저장 공간(Tank) 에는 질소 등의 가스층이 있을 수 있다.

이 가스층, 유체, 물을 수직으로 가로질러 광 섬유(F/O)(100)가 침지되어 있다.

예컨대, 전체 광케이블의 길이(L)는 최대 4,000m로 준비하고, 측정 위치까지 도달하기 위한 연장 구간(A)은 약 1∼500m, 온도 레벨 측정 위치는 약 2∼100m로 설정할 수 있으며, 유체 저장 탱크의 크기, 깊이, 및 유조선의 구조, 유체 저장 탱크의 위치 등에 따라, 그 값은 가변 가능하다.

관제부(300) 내의 관리자의 입력에 따라 관리 제어부(320)로부터 측정 지시가 있거나, 광 섬유 분석기(200) 내의 타이머(210)로부터 계측된 시간에 근거하여 측정 타이밍이 도래하여, 타이머(210)로부터 측정 타이밍 신호에 따라, 시스템 제어부(220)로부터 측정 시간이 도래한 것으로 판단되면(S 10), 시스템 제어부(220)는 광 섬유(100)로 광을 입사시키도록 광원(230)을 제어한다. 광원(230)은 시스템 제어부(220)의 제어에 따라 광(예컨대, 백색광)을 발광하여 광 섬유(100)로 입사시킨다(S 20).

도 5에 예를 들어, 브레그 격자로 도시한 바와 같이, 복수의 광 센서(110)는 광 섬유(100) 내에 일정한 간격으로 배치되고, 광원(230)으로부터 입사된 입사관은 각 광 센서(110)에 대응하여 특정된 파장의 광만이 각 광 센서(110)로부터 반사된다. 이 때, 기준 온도에서 초기 상태의 각 광 센서(110)에서 반사되는 반사광에 비해, 온도 변화만큼 반사광의 파장 또는 진폭에 변화가 발생한다. 이상, 진폭, 즉 광의 강도가 변화되는 것을 예를 들어 설명한다. 그러나, 반사광은 진폭의 변화 외에도 파장의 변화, 도달 시간의 변화 등 여러 다양한 측정값으로 측정할 수 있다.

그와 같이 복수의 광 센서(110) 각각에서 반사된 복수의 광, 즉 각기 광 센서(110)마다 특정된 상이한 파장의 복수의 광은 모두 하나의 반사광으로 합성되어 하나의 반사광으로서 수광부(240)에서 수광된다(S 30).

수광부(240)는 단계 S 30에서 광 섬유(100)로부터 수광한 반사광을, 예컨대, 파장에 따라 굴절이 다르게 이루어지는 프리즘과 같은 분광기를 이용하여, 반사광을 파장별로 분산시켜 분산된 스펙트럼을 생성한 후, 선형으로 배열된 광 감지기를 통해, 각 파장별로 분산된 광을 전기적 신호로 변환한 다음 그 전기적 신호를 시스템 제어부(220)에 송신한다.

즉, 다수 개의 광 센서(110)에서 반사되어 돌아오는 반사광의 파장이 각각 f1, f2, …라 할 때, 각기 상이한 파장의 반사광들이 합성된 반사광을, 프리즘과 같은 분광기를 통과시켜서, 굴절류에 따라 상이한 위치로 굴절되는 분리 반사광을 선형으로 배열된 복수의 광 감지기 각각에서 검출하여, 전기 신호로 변환한 후, 시스템 제어부(220)에 송신한다. 따라서, 복수의 광 센서 각각에 대응하는 파장별로 각기 다른 진폭을 갖는 전기적 신호가 시스템 제어부(220)로 인가된다(S 40).

시스템 제어부(220)는 수광부(240)로부터 수신한 각 파장별 진폭과 데이터 저장부(250)에 저장된 기준 진폭을 비교하여, 그 차이로부터 각 파장에 대응하는 광 센서의 온도를 산출한다.

즉, 공장 초기 상태에서의 제조자 또는 본 발명에 따른 유체 저장 탱크 통합 관리 장치의 관리자에 의해 기설정된 기준 온도(예컨대, 15℃)에서 각 광 센서(110)마다 측정되며, 이 각 광 센서(110)의 기준 온도에서의 측정된 값을 기준 반사광 정보로서 저장한다.

또한, 각 광 센서(110)마다 기준 온도에서 일정 단위(예를 들어, 0.1℃씩)로 온도를 변화시켜 가며 수광부(240)에서 반사광의 측정을 반복하여, 각 반사광의 진폭 변화량에 대응하는 온도 변화값을 저장한다. 이는 기준 반사광 정보를 근거로 측정된 광 센서(110)의 온도를 산출하기 위한 기준 온도 변화값이 된다.

이와 같은 산출 과정은, 안정적인 값을 확보할 때까지 다수회 반복되어, 안정적으로 특정된 데이터가 데이터 저장부(250)에 저장된다.

따라서, 시스템 제어부(220)는 수광부(240)로부터 수신한 전기적 신호의 각 파장에서의 진폭과, 데이터 저장부(250)에 저장된 기준 반사광 정보에서의 각 파장의 진폭을 비교하여, 진폭차를 산출하고, 그 산출된 진폭차에 대응하는 온도 변화값을 데이터 저장부(250)에 저장된 기준 온도 변화값으로부터 검색하여, 각 광 센서(110)에서의 온도를 특정한다(S 50).

시스템 제어부(220)는, S 50 단계에서 산출된 각 광 센서(110)의 온도를 이웃하는 광 센서(110) 간에 비교하여, 기설정된 온도 범위 이상의 온도차가 발생한 두 광 센서(110)의 위치로부터 유체의 레벨을 측정한다. 즉, 이웃하는 두 광 센서(110)의 온도 차이가, 가스의 온도와 유체의 온도 사이의 차이에 근거하여 양자를 식별하도록 기설정된 온도 범위와, 유체의 온도와 물의 온도 사이의 차이에 근거하여 양자를 식별하도록 기설정된 온도 범위 이상 차이가 나면, 해당 광 센서(110)에 해당하는 파장에 대응하여 데이터 저장부(250)에 기저장된 센서 위치로부터 가스(vapor)와 유체의 계면 위치, 유체와 물의 계면 위치를 판정한다. 즉, 시스템 제어부(220)는 각 광 센서(110)의 파장으로부터 광 센서(110)를 식별 가능하게 하고, 식별된 광 센서(110)의 위치와 각 광 센서의 배치 간격으로부터 각 광 센서로부터 얻어낸 유체의 레벨, 즉, 가스와 유체의 계면 위치, 유체와 물의 계면 위치를 판정한다(S 60).

이후, 시스템 제어부(220)는 상술한 S 20 내지 S 60 단계의 산출 과정이 반복된 횟수가 기설정된 횟수에 도달했는지를 판정한다. 예컨대, 산출 횟수를 10회로 설정한 경우, 상술한 S 20 내지 S 60 단계의 산출 과정이 10회에 도달했는지를 판정한다(S 70).

S 70 단계의 판정 결과, 아직 기설정된 산출 횟수에 도달하지 못했으면, 상술한 S 20 내지 S 60 단계의 산출 과정을 반복한다.

S 70 단계의 판정 결과, 기설정된 산출 횟수에 도달했으면, 시스템 제어부(220)는 산출한 각 광 센서(110)의 온도 정보와, 가스와 유체의 계면 위치, 유체와 물의 계면 위치에 대한 정보를 원격 관제부(300)에 송신한다(S 80).

이때, 본 발명의 다른 실시예에서는, S 70 단계의 판정 결과, 기설정된 산출 횟수에 도달했으면, 해당 횟수만큼 산출된 값을 산출된 횟수로 제산하여 평균값을 구하는 단계를 더 포함하여(S 75), S 80 단계에서 평균값을 송신할 수 있다.

이러한 과정을 통해서, 측정값의 정확도를 높일 수 있다.

한편, 다른 실시예에서는, 각 광 센서(110)에 대해 현재 산출된 온도값과, 이전에 산출된 온도값을 비교하여, 그 차이가 기설정된 범위 내에 있는 지를 판정하고, 그 차이가 기설정된 범위 내에 있다고 판정된 표준 편차내 횟수가 연속해서 기설정된 횟수(예를 들어, 5회)만큼 연속되는 횟수를 카운트하여, 기설정된 횟수만큼 연속해서 표준 편차 이내의 값이 검출되는 경우, 그 값을 시스템 제어부(220)에 송신하는 방안도 고려될 수 있다(도 6에 도시 생략함). 이 역시, 측정값의 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.

관제부(300) 내의 관리 제어부(320)는 S 80 단계에서 시스템 제어부로 부터 수신한 각 광 센서(110)의 산출 온도를 관리 데이터 저장부(330)에 저장된 각 광 센서의 정상 온도 범위와 비교하여, 이상 온도 발생 여부를 판정한다(S 90).

S 90 단계에서 이상 온도 발생으로 판정되면, 관리 제어부(320)는 이상 온도 발생 관련 정보를 화면 표시부(340)에 표시하도록 제어하고, 이상 온도 발생을 경보하도록 경보 발생부(350)을 제어한다. 그에 따라, 화면 제어부(340)에서는 이상 온도 발생 화면, 예컨대, 이상 온도가 발생된 광 센서(110)의 위치, 정상 온도 범위, 현재 산출된 온도, 정상 온도와 산출된 온도의 온도차, 이상 온도 발생 경보 메시지를 표시한다. 그와 동시에, 경보 발생부(350)에서는 빛과 소리, 음성 안내 등을 통해 관리자에게 이상 온도 발생 경보를 발생한다(S 100).

한편, S 90 단계에서, 이상 온도가 발생하지 않았으면, 관리 제어부(320)는 광 섬유 분석기(200)로부터 수신한 레벨 정보, 예컨대 가스와 유체 사이의 계면에 대한 상부 계면 레벨 정보와, 유체와 물 사이의 계면에 대한 하부 계면 레벨 정보로부터 유체 높이를 산출하고, 관리 데이터 저장부(330)에 기저장된 유체 저장 탱크 단면적과, 산출된 유체 높이로부터 유체 저장 탱크 내에 보유중인 실재고량을 산출한다(S 110).

또한, 관리 제어부(320)는 S110 단계에서 산출된 실재고량과 관리 데이터 저장부(330)에 저장된 관리 재고량 사이에 기설정된 범위 이상의 차이가 발생되는지를 판정한다. 예컨대, 산출된 실재고량이, 온도차에 의한 유체의 부피 변화와, 자연 증발 등에 의한 유체의 부피 감소 등을 감안하여, 기준 온도에서의 다수의 측정에 의해 측정된 유체 저장 탱크 내의 초기 재고량에서, 유체 저장 탱크 내에 유체 입고, 출고에 따른 유체 변화량을 유체 입출고시마다 산출하여 관리되는 관리 재고량의 편차 범위를 벗어나는 지를 판정하여 누출 발생 여부를 판정한다(S 120).

S 120의 판정 결과, 산출된 실재고량이 관리 데이터 저장부(330)에 저장된 관리 재고량의 편차 범위를 벗어난 누출가 발생되는 것으로 판정되면, 관리 제어부(320)는 화면 표시부(340)를 제어하여, 화면 표시부(340) 상에서, 누출 발생과 관련된 데이터, 예컨대, 관리 재고량과, 산출된 실재고량, 관리 재고량과 실재고량의 차이, 허용되는 산출된 실재고량의 허용 편차 범위, 누출 발생 경보 메시지 등을 화면 상에 표시할 수 있다. 이와 동시에, 관리 제어부(320)는 경보 제어부(350)를 제어하여, 빛과 소리, 음성 메시지 등을 통해 누출 발생을 관리자에게 경보한다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 저장 탱크의 통합 관리 방법에 따르면, 하나의 광 섬유 내에 복수의 광 센서, 예컨대 수십∼수백개의 센서를 직렬로 연결 가능하기 때문에, 기존에 복수개의 온도 센서 및 레벨 센서를 분산 배치하는 구조에 비해, 시스템 구성이 간결하고, 배선 복잡도를 현저히 감소시킬 수 있다. 특히, 유체 저장 탱크 내의 온도 관리, 재고 관리, 유체 레벨 측정 및 경보 관리까지, 광 섬유를 이용하여 통합 관리할 수 있기 때문에, 관리 시스템을 단순화하여, 관리를 용이하게 할 수 있고, 설비비를 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 설비 정비를 위해 사람이 드나들거나 교체, 수리, 철거, 추가 등이 어려운 센서 및 배선을 저감하여, 관리해야 할 지점이 줄어들기 때문에, 시스템 전반의 관리가 용이해지고, 고장 및 손상이 발생될 확률을 현저히 줄일 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것이 가능하며, 예를 들어, 각 기능 블록을 세분화 한 기능 블록으로 분리하여 구현할 수도 있고, 두개 이상의 분리된 구성 요소를 통합하여 하나의 기능 블록으로 구현할 수도 있다.

또한, 첨부된 도면에서 도시된 기능 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 또는 모바일 애플리케이션 명령어들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 또는 모바일 애플리케이션 명령어들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 명령어들이 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.

이들 컴퓨터 프로그램 또는 모바일 애플리케이션 명령어들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터, 스마트폰, 스마트 패드 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 모바일 또는 컴퓨터 이용 가능 기록 매체나 모바일 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리) 등에 저장되는 것도 가능하므로, 거기에 저장된 명령어들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능을 수행하는 명령어 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 적어도 하나 이상의 실행 가능한 명령어들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

본 발명의 범위는, 상술한 실시예의 상세한 설명에 의해서 규정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주 내에서, 각 청구항에 의해 규정되는 기술 내용 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태을 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 광 섬유
110 : 광 센서
200 : 광 섬유(F/O) 분석기
210 ; 타이머
220 : 시스템 제어부
230 : 광원
240 : 수광부
250 : 데이터 저장부
300 : 관제부
310 : 관리자 입력부
320 : 관리 제어부
330 : 관리 데이터 저장부
340 : 화면 표시부
350 : 경보 발생부

Claims (5)

1. 유체 저장 탱크 내에 보유된 유체의 온도 측정, 레벨 측정, 밀도 계측, 재고 관리, 경보를 통합 관리하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치로서,
   복수개의 온도를 감지하기 위한 광 센서가 등간격으로 배치되고, 상기 유체 저장 탱크 내에 수직으로 배치되는 광 섬유;
   상기 광 센서에 입사시킨 광의 반사광으로부터 각 광 센서의 온도를 산출하고, 이웃하는 광 센서간의 온도 변화로부터 상기 유체의 레벨을 측정하는 광 섬유 분석기;
   상기 광 섬유 분석기로부터 산출된 광 센서 온도와 기저장된 광 센서의 온도 비교에 의해 이상 온도 발생 여부를 판정하고, 상기 광 섬유 분석기로부터 산출된 유체의 레벨과 기저장된 상기 유체 저장 탱크의 정보에 기반하여 실재고량을 산출하고, 상기 실재고량과 상기 기저장된 관리 재고량의 차이로부터 누출 여부를 판정하며, 이상 온도 발생 또는 누출 발생시 경보를 발생하는 관제부;를 포함하고,
   광 섬유 분석기는,
   기설정된 측정 시간 간격으로 측정 타이밍을 발생하는 타이머;
   광을 발광하여 상기 광 섬유에 입사시키는 광원;
   상기 복수의 광 센서 각각에 대응하는 특정 파장의 광이 반사되는 다수의 상이한 파장을 갖는 반사광이 합성된 반사광을 수광하고, 상기 수광한 합성 반사광으로부터 상기 각 광 센서에 대응하는 전기 측정 신호로 변환하는 수광부;
   기준 온도에서 초기에 측정된 광 센서별 파장 정보가 저장되고, 상기 기준 온도에서 기설정된 온도 단위마다 변화하며 측정된 온도별 광 센서 파장 정보가 저장되고, 상기 복수의 광 센서의 배치 간격에 대한 정보가 저장되는 데이터 저장부;
   기설정된 측정 간격으로 상기 광 섬유에 광을 입사하도록 상기 광원을 제어하고, 상기 데이터 저장부에 저장된 상기 광 센서별 파장 정보로 식별되는 각 광 센서에 대해, 상기 수광부에서 변환된 전기 측정 신호와 상기 데이터 저장부에 기측정 저장된 온도별 광 센서 파장 정보에 근거하여 온도를 산출하고, 인접하는 광 센서간 온도차가 기설정된 범위를 초과하는 광 센서 위치와 상기 데이터 저장부에 저장된 광 센서 배치 간격 정보로부터 유체의 레벨을 측정하는 시스템 제어부;를 포함하며,
   상기 관제부는,
   상기 유체 저장 탱크 내의 유체 입출고에 기반하여 관리 재고량을 저장하고, 상기 유체 저장 탱크의 크기에 대한 정보를 저장하고, 각 광 센서의 기설정된 표준 온도 범위가 저장된 관리 데이터 저장부;
   상기 시스템 제어부로부터 수신한 각 광 센서별 온도와 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 표준 온도 범위를 비교하여, 이상 온도 발생 여부를 판정하고, 상기 시스템 제어부로부터 수신한 유체 레벨 정보와 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 유체 저장 탱크의 크기 정보에 기반하여 실재고량을 산출하고, 상기 산출된 실재고량과 상기 관리 데이터 저장부에 저장된 관리 재고량의 차이가 기설정된 차이 이상의 재고량 차이가 발생하는지를 판정함으로써 누출 여부를 판정하고, 이상 온도 또는 누출 발생시 경보 발생을 제어하는 관리 제어부;
   상기 관리 제어부의 경보 발생 제어에 근거하여, 표시 화면, 빛 및/또는 소리로 경보를 발생하는 경보 발생부;를 포함하는 유체 저장 탱크 통합 관리 장치.
   
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4. 제1항의 유체 저장 탱크 통합 관리 장치를 이용한 유체 저장 탱크 통합 관리 방법으로서,
   유체 저장 탱크 내에 보유된 유체의 온도 측정, 레벨 측정, 재고 관리, 경보를 통합 관리하는 유체 저장 탱크 통합 관리 방법으로서,
   광원으로부터 복수의 광 센서가 일정 간격으로 배치된 광 섬유에 광을 입사하는 단계와,
   상기 광 섬유 내의 각 광 센서마다 상기 광 센서에 대응하는 특정 파장에서 반사되는 반사광을 수광하는 단계와,
   상기 수광된 광을 전기 측정 신호로 변환하는 단계와,
   기저장된 광 센서별 파장 정보로 식별되는 복수의 광 센서 각각에 대해, 상기 전기 측정 신호와 기측정 저장된 온도별 광 센서 파장 정보에 근거하여 온도를 산출하는 단계와,
   상기 산출된 온도에 근거하여, 인접하는 광 센서간 온도차가 기설정된 범위를 초과하는 광 센서 위치와 기저장된 광 센서 배치 간격 정보로부터 유체의 레벨을 측정하는 단계와,
   상기 측정된 유체 레벨과 기저장된 상기 유체 저장 탱크의 단면적 정보로부터 실재고량을 산출하는 단계와,
   상기 광 센서별로 산출된 온도를 기설정된 표준 온도 범위와 비교하여 이상 온도 발생 여부를 판정하는 단계와,
   상기 산출된 실재고량과 기저장된 관리 재고량의 차이를 비교하여, 누출 발생 여부를 판정하는 단계와,
   상기 이상 온도 발생 또는 상기 누출 발생시 경보를 발생하는 단계를 포함하며,
   상기 광을 입사하는 단계와, 상기 반사광을 수광하는 단계와, 상기 전기 측정 신호로 변환하는 단계와, 상기 온도를 산출하는 단계와, 상기 재고량을 산출하는 단계를 기설정된 횟수만큼 반복하여 각 광 센서별 평균 측정 온도 및 평균 실재고량을 산출하고,
   상기 평균 광 센서별 측정 온도 및 상기 평균 실재고량에 근거하여 상기 이상 온도 발생 여부 및 상기 누출 발생 여부를 판정하는 유체 저장 탱크 통합 관리 방법.
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