KR102265200B1 - 공기분리장치의 액체산소펌프 및 액체산소펌프의 실링가스 공급방법 - Google Patents

공기분리장치의 액체산소펌프 및 액체산소펌프의 실링가스 공급방법 Download PDF

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Abstract

공기분리장치의 액체산소펌프가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 공기분리장치에서 생성된 액체산소를 이송시키는 액체산소펌프는 액체산소펌프의 펌프부와 모터부 사이의 샤프트 외면에 결합된 실링 케이싱과, 모터부와 가까운 실링 케이싱 내부의 래버린스 실링부에 질소 실링가스를 주입하는 질소가스 주입관과, 펌프부와 가까운 실링 케이싱 내부의 래버린스 실링부에 산소 실링가스를 주입하는 산소가스 주입관을 포함한 실링가스 공급부 및 실링 케이싱 내부의 실링가스를 배출하도록 질소가스 주입관과 산소가스 주입관 사이에 위치되는 실링가스 배출관을 포함한다.

Description

공기분리장치의 액체산소펌프 및 액체산소펌프의 실링가스 공급방법{LIGUID OXYGEN PUMP FOR AIR SEPARATION PLANT AND METHOF FOR SUPPLYING SEALING GAS OF LIGUID OXYGEN PUMP}
본 발명은 공기분리장치의 액체산소펌프 및 액체산소펌프의 실링가스 공급방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실링 성능이 향상된 공기분리장치의 액체산소펌프 및 실링가스 공급방법에 관한 것이다.
일반적으로 제철소에서는 대기 중의 공기를 흡입, 압축시켰다가 다시 팽창시키면서 온도를 떨어뜨려 비점차에 의하여 공기 중에 포함된 산소와 질소, 아르곤을 분리하는 공기분리설비가 운용되고 있다.
공기분리설비에서 생산된 액체산소는 액체산소 저장탱크에 저장하고, 저장된 액체산소는 액산펌프를 기동하여 수요처로 보내주게 된다.
한편, 액산펌프는 밀봉가스로서 래버린스 실링부에 질소가스가 공급되어, 펌프부와 구동부 사이를 실링하도록 구성된다.
액산펌프에 공급되는 질소가스는 액체산소가 구동부 및 펌프부로 침투되지 않도록 압력조정밸브를 통해 적정압력이 유지되나, 펌프부 내의 압력 변화, 래버린스 실링부의 점진적인 마모, 질소가스의 압력 변화 등 여러 요인들에 인하여 펌프부의 액체산소가 외부로 누출되는 문제가 발생하고, 이는 산소 사용공장의 가동 중단, 펌프부로 침투되는 질소가스로 인한 철강 제품의 순도 불량에 따른 폐기처리가 빈번히 발생하여 막대한 손실을 초래하게 된다.
한국공개특허 제2001-0010121호(2001.02.05 공개)
본 발명의 실시 예들은 실링 성능을 향상시켜 고품질의 산소를 공급할 수 있는 공기분리장치의 액체산소펌프 및 액체산소펌프의 실링가스 공급방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공기분리장치에서 생성된 액체산소를 이송시키는 액체산소펌프에 있어서, 상기 액체산소펌프의 펌프부와 모터부 사이의 샤프트 외면에 결합된 실링 케이싱;과, 상기 모터부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부의 래버린스 실링부에 질소 실링가스를 주입하는 질소가스 주입관과, 상기 펌프부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부의 래버린스 실링부에 산소 실링가스를 주입하는 산소가스 주입관을 포함한 실링가스 공급부; 및 상기 실링 케이싱 내부의 실링가스를 배출하도록 상기 질소가스 주입관과 상기 산소가스 주입관 사이에 위치되는 실링가스 배출관;을 포함하는 공기분리장치의 액체산소펌프가 제공될 수 있다.
상기 실링가스 배출관은 상기 질소 실링가스와 상기 산소 실링가스의 농도를 감지하는 농도센서와, 상기 농도센서의 감지정보에 기초하여 상기 실링가스 배출관의 실링가스 배출량을 제어하는 벤트 제어밸브를 포함한다.
상기 벤트 제어밸브는 상기 실링가스 배출관의 상기 질소 실링가스 비율이 높은 경우 상기 실링가스 배출관의 배출량을 증가시키고, 상기 실링가스 배출관의 산소 실링가스 비율이 높은 경우 상기 실링가스 배출관의 배출량을 줄일 수 있다.
상기 실링가스 배출관의 온도를 감지하는 배출부 온도센서를 더 포함한다.
상기 배출부 온도센서의 감지정보에 기초하여 상기 산소 실링가스의 주입량을 제어하도록 상기 산소가스 주입관에 설치된 산소가스 제어밸브를 더 포함한다.
상기 산소가스 제어밸브는 상기 배출부 온도센서에 의해 감지된 온도가 설정온도 이하로 하락 시 상기 산소 실링가스의 공급량을 증가시킬 수 있다.
상기 모터의 운전을 온,오프 동작시키기 위해 상기 모터 쪽으로 누설되는 실링가스의 온도를 감지하는 온도센서를 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 모터부, 펌프부 및 샤프트에 설치된 레버린스 실링부를 갖는 실링 케이싱을 포함하는 액체산소펌프에 실링가스를 공급하는 방법으로서, 상기 모터부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부로 질소 실링가스를 공급하고, 상기 펌프부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부로 산소 실링가스를 공급하고, 상기 실링 케이싱 외부로 배출되는 실링가스에 혼합된 상기 질소 실링가스와 상기 산소 실링가스의 농도비를 판단하고, 상기 질소 실링가스의 농도가 높은 경우 실링가스의 배출량을 증가시키고, 상기 산소 실링가스의 농도가 높은 경우 실링가스의 배출량을 줄이는 액체산소펌프의 실링가스 공급방법이 제공될 수 있다.
상기 실링 케이싱 외부로 배출되는 실링가스의 온도를 판단하고, 판단된 온도가 설정온도 이하로 하락 시 상기 산소 실링가스의 공급량을 증가시키는 것을 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 실링가스의 압력변화, 펌프부의 압력변화, 래버린스 실링부의 마모 및 손상 등 실링 성능의 저하로 인한 액체산소의 누출 또는 펌프부로 질소 가스의 침투를 방지하여 고품질의 산소를 단절없이 수요처로 공급할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시 예의 공기분리장치의 산소공급장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 실시 예의 액체산소펌프를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 실시 예의 펌프부와 모터 사이의 샤프트에 결합된 실링부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 실시 예의 액체산소펌프의 제어 블록도이다.
도 5는 본 실시 예의 실링 케이싱 내부의 실링가스 흐름을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 실시 예의 공기분리장치의 산소공급장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 실시 예의 액체산소펌프를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 본 실시 예의 펌프부와 모터 사이의 샤프트에 결합된 실링부를 개략적으로 도시한 것이고, 도 4는 본 실시 예의 액체산소펌프의 제어 블록도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 공기분리장치의 산소공급장치(10)는 액체산소가 저장되는 액산탱크(20)와, 액산탱크(20)에 저장된 액체산소를 수요처로 제공하는 산소공급라인(30)에 설치되는 액체산소펌프(40)와, 액체산소펌프(40)에 기밀유지를 위한 실링가스를 공급하는 실링가스 공급부(70)와, 액체산소를 기화시켜 수요처로 제공하는 기화기(50)와, 산소공급라인(30)으로부터 액체산소를 회수하기 위한 회수라인(60)을 포함한다.
공기분리장치는 대기 중의 공기를 흡입, 압축시켰다가 다시 팽창시키면서 온도를 떨어뜨려 비점차에 의해 공기 중에 포함된 산소, 질소, 아르곤을 분리하는 설비로서, 공기압축기를 통해 압축된 고압의 압축공기는 수세냉각탑에서 열교환을 수행한 후 흡착기와 팽창터빈을 거쳐 정류탑으로 보내져 비점차에 의해 산소, 질소, 아르곤 가스로 분리 생산된다.
액산탱크(20)는 공기분리장치에서 분리된 액체산소를 공급받아 저장할 수 있고, 필요에 따라 수요처로 제공된다.
산소공급라인(30)은 액산탱크(20)에 저장된 액체산소를 수요처로 제공하는 배관으로서, 비상 시 번갈아 사용하거나, 또는 수요처에서 필요로 하는 양을 적절히 맞출 수 있도록 두 산소공급라인(30)이 병렬로 연결될 수 있다.
회수라인(60)은 일단이 액체산소펌프(40)의 하류측 산소공급라인(30)에서 분기되고, 타단은 액산탱크(20)와 연결될 수 있다.
회수라인(60)에는 회수라인(60)의 유체 흐름을 제어하는 회수밸브(61)가 설치될 수 있다.
기화기(50)는 액체산소펌프(40)에서 펌핑된 액체산소를 기화시켜 수요처로 제공한다. 기화기(50)는 액체산소를 열교환시켜 기화시키기 위한 다양한 형태의 열교환기로 구성될 수 있다.
일 예로, 기화기(50)는 오픈 랙 기화기 (ORVs, open rack vaporizer), 원통다관형 기화기 (STVs), 중간 유체 기화기(IFVs), 공기 기화기 및 이들의 조합을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
액체산소펌프(40)는 동력을 제공하는 모터부(41)와, 임펠러(Impeller)가 구비된 펌프부(42)와, 모터부(41)의 동력을 펌프부(42)에 전달하는 샤프트(43)와, 펌프부(42)의 액체산소가 샤프트(43)를 통해 모터부(41) 쪽으로 누설되는 것을 방지하도록 샤프트(43) 외면에 결합된 실링 케이싱(80)과, 실링 케이싱(80) 내부로 실링가스를 공급하는 실링가스 공급부(70)를 포함한다.
실링 케이싱(80)은 샤프트(43) 외면을 감싸는 래버린스 씰(labyrinth seal) 구조로 형성된다.
샤프트(43)의 외면과 마주하는 실링 케이싱(80)의 내면에는 실링가스의 압력 강하를 발생시키는 다수의 치형부(81)를 갖는 래버린스 실링부(82)가 형성된다.
다수의 치형부(81)에 의해 형성되는 래버린스 유로는 실링가스의 압력강하에 따른 유체장벽을 형성할 수 있는 구조라면, 그 형태는 제한되지 않는다. 일 예로, 다수의 치형부(81)는 일측이 소정의 경사각을 가지거나, 톱니부 또는 나선 형태를 가질 수 있다.
래버린스 실링부(82)에는 실링가스 공급부(70)를 통해 실링을 위한 실링가스가 공급될 수 있다.
실링가스 공급부(70)는 모터부(41)와 가까운 쪽에 위치된 래버린스 실링부(82)에 질소 실링가스를 주입하는 질소가스 주입관(71)과, 펌프부(42)와 가까운 쪽에 위치된 래버린스 실링부(82)에 산소 실링가스를 주입하는 산소가스 주입관(72)을 포함한다.
질소가스 주입관(71)과 산소가스 주입관(72) 사이의 실링 케이싱(80)에는 실링 케이싱(80) 내부의 실링가스를 배출하는 실링가스 배출관(75)이 연결된다.
질소가스 주입관(71)에서 주입되는 질소 실링가스는 펌프부(42)의 액체산소가 샤프트(43)를 통해 모터부(41)로 침투하는 것을 차단시킨다.
질소가스 주입관(71)은 질소가스가 공급되는 질소주입라인(71a)과 연결되고, 질소가스 주입관(71)에는 실링 케이싱(80) 내부로 공급되는 질소가스의 흐름을 제어하는 질소가스 제어밸브(73)가 설치된다.
질소가스 제어밸브(73)는 유량 조절이 가능한 유량조절밸브를 포함한다.
산소가스 주입관(72)에서 주입되는 산소 실링가스는 질소가스 주입관(71)을 통해 실링 케이싱(80) 내부로 주입된 질소가스가 샤프트(43)를 통해 펌프부(42)로 침투하는 것을 차단시킨다.
산소가스 주입관(72)은 산소가스가 공급되는 산소주입라인(72a)과 연결되고, 산소가스 주입관(72)에는 실링 케이싱(80) 내부로 공급되는 산소가스의 흐름을 제어하는 산소가스 제어밸브(74)가 설치된다.
산소가스 제어밸브(74)는 유량 조절이 가능한 유량조절밸브를 포함한다.
실링가스 배출관(75)은 질소가스 주입관(71)과 산소가스 주입관(72) 사이에 위치되며, 실링 케이싱(80) 내부로 주입된 산소 및 질소 실링가스를 외부로 배출시킨다.
실링가스 배출관(75)에는 질소 실링가스와 산소 실링가스의 농도를 감지하는 농도센서(76)와, 농도센서(76)의 감지정보에 기초하여 실링가스 배출관(75)의 실링가스 배출량을 제어하는 벤트 제어밸브(77)를 포함한다.
벤트 제어밸브(77)는 온,오프 제어 가능한 개폐밸브, 또는 유량 조절이 가능한 유량조절밸브로 구성될 수 있다.
농도센서(76)는 실링가스 배출관(75)에서 배출되는 실링가스의 질소가스와 산소가스의 농도를 계측하고, 계측된 정보를 제어부(90)로 전송한다.
실링가스 배출관(75)에는 실링가스 배출관(75)의 온도를 감지하는 배출부 온도센서(78)가 설치된다.
배출부 온도센서(78)는 실링가스 배출관(75)에서 배출되는 실링가스의 온도를 감지하고, 계측된 정보를 제어부(90)로 전송한다.
제어부(90)는 실링가스 배출관(75)에 설치된 농도센서(76)와 배출부 온도센서(78)의 감지정보에 기초하여 산소가스 제어밸브(74), 질소가스 제어밸브(73) 및 벤트 제어밸브(77)의 개폐 또는 개도를 제어한다.
도면번호 79는 실링 케이싱(80) 내부의 실링가스 압력을 측정하기 위한 압력 도압관이고, 도면번호 91은 모터부(41) 근방의 온도를 계측하고, 계측된 온도가 설정온도로 감지되면 자동으로 모터부(41)의 운전을 정지시키기 위한 온도센서이다.
이하에서는 본 실시 예에 따른 공기분리장치의 액체산소펌프에 주입되는 실링가스의 흐름에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저, 질소가스 주입관(71)과 산소가스 주입관(72)을 통해 실링 케이싱(80) 내부로 주입된 질소 실링가스와 산소 실링가스는 래버린스 실링부(82)를 통한 압력 강하가 발생하여 펌프부(42)로부터 누설된 액체산소가 샤프트(43)를 통해 모터부(41)로 침투하는 것을 차단시킨다.
이 경우, 펌프부(42)와 인접한 위치에서는 산소 실링가스가 주입되므로 펌프부(42) 측으로 실링가스가 침투하게 되더라도 액체산소펌프(40)에 사용처로 공급되는 액체산소에 질소가스를 함유하지 않아, 불량순도의 액체산소를 사용한 철강제품의 불량을 예방할 수 있다.
산소가스 주입관(72)과 질소가스 주입관(71)을 통해 실링 케이싱(80) 양측에 주입된 산소 실링가스와 질소 실링가스는 샤프트(43)를 통해 이동하면서 실링가스 배출관(75)으로 배출된다.
실링가스 배출관(75)에 제공된 농도센서(76)와 배출부 온도센서(78)는 실링가스 배출관(75)을 통해 배출되는 실링가스의 농도 및 온도를 계측하고, 계측된 정보를 제어부(90)로 전송한다.
제어부(90)는 농도센서(76)로부터 전송된 질소 실링가스와 산소 실링가스의 비율을 판단하고, 판단된 정보에 기초하여 산소가스 제어밸브(74), 질소가스 제어밸브(73), 벤트 제어밸브(77)의 동작을 제어한다.
일 예로, 래버린스 실링부(82)의 정상 동작 시 산소 실링가스와 질소 실링가스의 농도비(%)가 50:50인 경우를 가정하면, 제어부(90)는 질소 실링가스의 비율이 높은 경우에는 실링가스 배출관(75)을 통해 배출되는 실링가스의 배출량이 증가되도록 벤트 제어밸브(77)의 개도를 조절하고, 산소 실링가스의 비율이 높은 경우에는 실링가스 배출관(75)을 통해 배출되는 실링가스의 배출량이 줄어들도록 벤트 제어밸브(77)의 개도를 조절한다.
이를 통해, 펌프부(42)의 액체산소가 모터부(41)로 침투되거나, 질소가스 주입관(71)을 통해 주입된 질소 실링가스가 펌프부(42)로 침투되는 것을 차단시킨다.
또한, 제어부(90)는 배출부 온도센서(78)에 의해 감지된 온도 정보에 기초하여 산소가스 제어밸브(74)의 개도를 제어하여 산소가스 주입관(72)을 통해 주입되는 산소 실링가스의 공급량을 조절한다.
일 예로, 실링가스 실링가스 배출관(75)을 통해 배출되는 실링가스의 온도가 설정온도(예로서, -100℃) 이하로 하락 시에는 산소가스 제어밸브(74)의 개도를 조절하여 산소가스 주입관(72)을 통해 주입되는 산소 실링가스의 공급량을 증가시킨다. 이러한 구성을 통하여, 펌프부(42)로부터 샤프트(43)를 통해 실링 케이싱(80) 내부로 침투하는 액체산소의 유입량을 감소시킨다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 산소공급장치, 20: 액산탱크,
30: 산소공급라인, 40: 액체산소펌프,
41: 모터부, 42: 펌프부,
43: 샤프트, 50: 기화기,
60: 회수라인, 70: 실링가스 공급부,
71: 질소가스 주입관, 72: 산소가스 주입관,
73: 질소가스 제어밸브, 74: 산소가스 제어밸브,
75: 실링가스 배출관, 76: 농도센서,
77: 벤트 제어밸브, 78: 배출부 온도센서,
79: 압력 도압관, 80: 실링 케이싱,
82: 래버린스 실링부, 90: 제어부,
91: 온도센서.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 공기분리장치에서 생성된 액체산소를 이송시키는 액체산소펌프에 있어서,
    상기 액체산소펌프의 펌프부와 모터부 사이의 샤프트 외면에 결합된 실링 케이싱;
    상기 모터부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부의 래버린스 실링부에 질소 실링가스를 주입하는 질소가스 주입관과, 상기 펌프부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부의 래버린스 실링부에 산소 실링가스를 주입하는 산소가스 주입관을 포함한 실링가스 공급부; 및
    상기 실링 케이싱 내부의 실링가스를 배출하도록 상기 질소가스 주입관과 상기 산소가스 주입관 사이에 위치되는 실링가스 배출관;을 포함하고,
    상기 실링가스 배출관은 상기 질소 실링가스와 상기 산소 실링가스의 농도를 감지하는 농도센서와, 상기 농도센서의 감지정보에 기초하여 상기 실링가스 배출관의 실링가스 배출량을 제어하는 벤트 제어밸브를 포함하는 공기분리장치의 액체산소펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 벤트 제어밸브는 상기 실링가스 배출관의 상기 질소 실링가스 비율이 상기 산소 실링가스 비율보다 높은 경우 상기 실링가스 배출관의 배출량을 증가시키고, 상기 실링가스 배출관의 산소 실링가스 비율이 상기 질소 실링가스 비율보다 높은 경우 상기 실링가스 배출관의 배출량을 줄이는 공기분리장치의 액체산소펌프.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실링가스 배출관의 온도를 감지하는 배출부 온도센서를 더 포함하는 공기분리장치의 액체산소펌프.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배출부 온도센서의 감지정보에 기초하여 상기 산소 실링가스의 주입량을 제어하도록 상기 산소가스 주입관에 설치된 산소가스 제어밸브를 더 포함하는 공기분리장치의 액체산소펌프.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산소가스 제어밸브는 상기 배출부 온도센서에 의해 감지된 온도가 설정온도 이하로 하락 시 상기 산소 실링가스의 공급량을 증가시키는 공기분리장치의 액체산소펌프.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 모터의 운전을 온,오프 동작시키기 위해 상기 모터 쪽으로 누설되는 실링가스의 온도를 감지하는 온도센서를 더 포함하는 공기분리장치의 액체산소펌프.
  8. 모터부, 펌프부 및 샤프트에 설치된 레버린스 실링부를 갖는 실링 케이싱을 포함하는 액체산소펌프에 실링가스를 공급하는 방법으로서,
    상기 모터부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부로 질소 실링가스를 공급하고,
    상기 펌프부와 가까운 상기 실링 케이싱 내부로 산소 실링가스를 공급하고,
    상기 실링 케이싱 외부로 배출되는 실링가스에 혼합된 상기 질소 실링가스와 상기 산소 실링가스의 농도비를 판단하고,
    상기 질소 실링가스의 농도가 상기 산소 실링가스의 농도 보다 높은 경우 실링가스의 배출량을 증가시키고, 상기 산소 실링가스의 농도가 상기 질소 실링가스의 농도보다 높은 경우 실링가스의 배출량을 줄이는 액체산소펌프의 실링가스 공급방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실링 케이싱 외부로 배출되는 실링가스의 온도를 판단하고, 판단된 온도가 설정온도 이하로 하락 시 상기 산소 실링가스의 공급량을 증가시키는 것을 더 포함하는 액체산소펌프의 실링가스 공급방법.
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