KR20100067791A - 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법 - Google Patents

선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법에 관한 것으로, 상세하게는 선박의 액체화물탱크 내에 저장된 액체화물의 슬로싱을 감시하는 방법에 있어서, 액위측정 센서에 의해 상기 액체화물탱크 내에 저장된 액체화물의 액위를 실시간으로 측정하는 액위측정 단계; 상기 액위측정 단계에서 측정된 신호를 실시간으로 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 저장하는 신호처리 단계; 상기 신호처리 단계에서 저장된 신호를 실시간으로 디스플레이 하는 디스플레이 단계; 상기 디스플레이 단계에서 디스플레이된 신호가 설정 값을 초과할 때 선박의 운항상태를 조정하여 슬로싱을 줄이는 제어 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이에 의하여 선박의 화물탱크 내에 저장된 액체화물의 액위의 변화 상태를 외부에서 실시간으로 관찰할 수 있으므로 이러한 액위 측정신호를 토대로 브릿지에서 선박의 운항상태를 결정하는 자료로 삼거나, 선박의 운항속도, 방향 등을 제어하여 슬로싱을 줄일 수 있게 되어 슬로싱으로 인한 충격을 완화할 수 있다.
선박, 유조선, 액화천연가스, 슬로싱, 감시, 액위, 액체, 화물, 탱크, 센서, 진동, 경보, 레이저

Description

선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법{Monitoring and controlling method of sloshing to liquid cargo in ship}
본 발명은 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박의 액체화물을 저장하는 탱크 내부에 발생하는 슬로싱을 외부에서 모니터링 하고 과도한 슬로싱을 완화하기 위해 선박의 운항상태를 제어하는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법에 관한 것이다.
유조선이나 액화천연가스 운반선은 화물창(cargo tank)에 원유 혹은 액화천연가스와 같은 액체상태의 화물을 적재하여 수송한다.
액체상태의 화물(이하 '액체화물')은 선박이 정지한 상태에서는 액위(level)가 어느 정도 수평을 유지하지만 파도나 해풍이 심한 환경에서는 정지하고 있더라도 피칭(pitching)이나 롤링(rolling) 현상으로 인해 탱크 내에서 슬로싱이 발생한다. 특히, 항해 중인 경우 이러한 슬로싱 현상은 더욱 극심해진다.
슬로싱(sloshing)이란, 액체가 탱크 내부에서 요동치면서 유동하는 액체유동 현상으로 여러 가지 문제점을 야기한다.
가장 큰 문제점은 액체화물이 슬로싱으로 인해 탱크 내벽을 강타하여 탱크 내부 손상을 야기하며, 이러한 슬로싱에 의한 충격이 계속 반복되면 탱크 내부에 피로로 인한 균열(crack)이 발생하여 파괴될 수 있다.
또한, 탱크의 고유주파수와 탱크에 저장된 액체화물 자체가 가지는 고유주파수가 어느 순간 비슷해져 공진(resonance)이 발생하면 탱크의 진동이 극심해져 심한 소음이나 떨림, 심지어 파손되는 위험이 따른다.
이러한 슬로싱 현상에 의한 탱크의 파괴는 초저온의 LNG 운반선의 경우 더욱 문제시 되는데, 이는 금속이 일반적으로 저온으로 냉각되면 약한 충격에도 깨어지기 쉬운 취성(brittle) 상태로 변화하기 때문이다. 이러한 금속재질로 이루어진 LNG 탱크는 그 내부에 초저온의 LNG를 수용하고 있으므로 매우 취약한 상태에 놓이게 되며, 선박의 운행 도중 롤링이나 피칭 등의 선체 요동에 의해 전술한 바와 같은 슬로싱 현상이 야기되면 탱크가 파괴될 위험이 더욱 가중된다.
뿐만 아니라 최근 선박이 대형화 되는 추세이기 때문에 이러한 슬로싱 문제는 점점 중요한 문제로 대두되고 있으며 설계시 고려해야 할 중요한 설계인자가 되고 있다.
이러한 슬로싱을 줄이기 위한 공지기술을 살펴보면 탱크의 구조를 변경하여 슬로싱을 감소시키는 것이 대부분이다.
그러나 선박의 탱크 내에서 출렁이면서 요동하는 유류나 액화천연가스의 요동상태를 측정할 수 있는 시스템이 없는 관계로 실제 선박의 항해 중에 탱크 내에서 어느 정도의 슬로싱이 발생하며, 어떤 유동특성을 가지는 가에 대한 관측 방법이 부재했다.
따라서, 항해 중인 선박의 화물 탱크 내에 저장된 액체화물의 유동상태를 외부에서 모니터링(monitoring)할 수 있는 방법이 요구된다 할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 선박의 화물탱크에 저장된 유류나 액화천연가스와 같은 액체화물의 유동상태, 특히 액위를 외부에서 실시간으로 감시하는 동시에 선박의 운항상태를 제어할 수 있는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선박의 액체화물탱크 내에 저장된 액체화물의 슬로싱을 감시하는 방법에 있어서, 액위측정 센서에 의해 상기 액체화물탱크 내에 저장된 액체화물의 액위를 실시간으로 측정하는 액위측정 단계; 상기 액위측정 단계에서 측정된 신호를 실시간으로 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 저장하는 신호처리 단계; 상기 신호처리 단계에서 저장된 신호를 실시간으로 디스플레이 하는 디스플레이 단계; 상기 디스플레이 단계에서 디스플레이된 신호가 설정 값을 초과할 때 선박의 운항상태를 조정하여 슬로싱을 줄이는 제어 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 액위측정 단계에는 가속도 센서에 의해 상기 액체화물탱크의 진동을 실시간으로 측정하는 진동측정 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 디스플레이 단계에는 액체화물의 액위가 설정 값을 초과하면 경보를 전달하는 경보 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 액위측정 센서는 레이저를 이용하여 액체화물의 액면까지 거리를 측정하는 레이저 거리측정기인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 액위측정 센서는 다수 지점의 액위를 측정하도록 액체화물탱크의 내부에 다수개가 수평으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명의 효과는 선박의 화물탱크 내에 저장된 액체화물의 액위 변화정도를 외부에서 실시간으로 관찰할 수 있으므로 이러한 액위 측정신호를 토대로 브릿지에서 선박의 운항상태를 결정하는 기초로 삼을 수 있다. 즉, 슬로싱이 심한 경우 선박의 선속 및 선수각을 조정하여 슬로싱을 완화할 수 있으며, 이로 인해 슬로싱으로 인한 탱크의 손상을 줄일 수 있게 된다
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 크게 액위측정 단계(100), 신호처리 단계(200), 디스플레이 단계(300), 제어 단계(400)로 구성된다.
먼저, 도 1과 도 2를 참조하여 액위측정 단계(100)에 대해 설명한다.
도 2는 선박의 액체화물의 슬로싱을 감시하고 제어하는 장치를 나타내는 구성도이다.
이하에서, 액위라는 용어는 액체의 깊이 즉, 액면 레벨(level)을 의미하는 것으로 한다.
액위측정 단계(100)는 선박의 액체화물탱크(10) 내에 저장된 액체화물의 액위를 실시간으로 측정하는 것으로서, 액위측정 센서(20)를 이용한다. 상기 액위측정 센서(20)는 액위를 측정하는 센서인데, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 액체화물탱크(10) 내부에 설치된다.
상기 액위측정 센서(20)는 여러 가지가 사용될 수 있는데, 대표적인 것으로 부유센서, 압력센서, 초음파 센서, 전류를 이용한 액면레벨센서 등이 있다.
부유센서는 액체에 떠 있는 부표를 기계적인 결합에 의해 외부에서 인식할수 있도록 하는 것이고, 압력센서는 액체 속에 설치하여 액위의 변화로 인해 발생하는 압력의 변화를 감지하는 것이며, 초음파 센서는 초음파를 발사하여 액체의 상부 표면에 도달하여 반사되는 반송파의 시간을 측정하여 액위의 변화량을 측정하는 것이며, 또 액면레벨센서는 도전체를 액체에 침전시켜 액위의 변화를 전류의 변화로 측정하는 센서이다.
본 발명에서 바람직하게는, 레이저 거리측정기(22)를 이용하여 액위를 실시간으로 정확하게 측정하는 것이 좋은데, 상기 레이저 거리측정기(22)는 도파관(22a)과 부유체(22b)와 레이저빔 발생기(22c)로 이루어지며, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 레이저 거리측정기를 나타내는 구성도이다.
상기 도파관(22a)은 레이저빔이 통과하는 중공관 형상의 파이프로서, 상기 액체화물탱크(10) 내에 세로로 설치되며, 하부는 항상 액체화물에 잠겨있고, 내부로 액체화물이 유입되어 상기 도파관(22a) 내부와 외부의 액위가 동일하게 유지되도록 상기 도파관(22a)의 하단부는 상기 액체화물탱크(10)의 바닥에서 이격되게 설치된다. 또한 상기 도파관(22a)은 합성수지, 금속 등이 적합하나, 액체화물이 액화천연가스인 경우 극저온이므로 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 부유체(22b)는 상기 도파관(22a) 내에 배치되어 액면에 떠 있는 것으로서, 다양한 소재 및 형태로 이루어지며, 특히 측정오차를 줄이기 위해서는 상면이 평평하고, 상기 도파관(22a) 내에서 수평을 유지할 수 있도록 원기둥 형상을 가지는 것이 바람직하다. 상기 부유체(22b)는 액위의 변화에 따라 상하로 움직이게 된다.
또한 상기 레이저빔 발생기(22c)는 레이저를 조사하고 반사하여 되돌아오는 반사빔을 수신하는 수단으로서 공지의 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.
다음은 신호처리 단계(200)에 대해 설명한다.
상기 신호처리 단계(200)는 상기 액위측정 단계(100)의 액위측정 센서(20)에서 측정된 전기적인 미세신호를 실시간으로 증폭하고 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 저장하는 단계이다.
이러한 신호처리 단계(200)는 증폭기와 A/D 변환기 및 메모리로 구성되는 신호처리부에 의해 구현될 수 있다.
보통 액위측정 센서(20)에서 측정되는 전기적인 신호는 약한 신호가 일반적이므로 증폭기(amplifier)를 통해 증폭해야 하며, 증폭된 신호는 연속적인 아날로 그 신호이므로 후술하는 디스플레이 단계(300)에서 시현하고 제어 단계(400)에서 사용되기 위해 A/D 변환기를 통과시켜 디지털로 변환한 후 메모리에 저장해야 한다.
참고로, 상기 신호처리 단계에서 디지털로 저장된 신호들은 후술하는 디스플레이 단계로 제공되며, 더불어 선박 운항 중에 액체화물의 슬로싱 상태를 분석하는 자료로 활용될 수 있다.
다음으로 상기 디스플레이 단계(300)는 상기 신호처리 단계(200)에서 저장된 데이터를 받아 선실의 감시자가 볼 수 있게 하는 것으로 모니터와 디스플레이 프로그램으로 구성되는 디스플레이부에 의해 구현될 수 있다. 상기 디스플레이 프로그램은 액체화물 액위의 실시간 변화를 시간 축에 대해 진폭을 가지는 그래프로 나타낼 수 있는데, 디스플레이 방식이 이것에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 디스플레이 시킬 수 있음은 당연하다.
다음으로 제어 단계(400)는 상기 디스플레이 단계(300)에서 디스플레이된 액위 측정값이 미리 설정해 놓은 액위 설정값과 비교하여 초과하게 되면 선박의 엔진이나 방향타(rudder), 밸러스트(ballast)와 같은 운항에 관계된 장치를 제어하여 선속을 줄이거나 선수각을 조정하여 슬로싱을 완화할 수 있는 단계이다.
상기 제어 단계(400)는 컴퓨터로 이루어진 제어부에 의해 수행될 수 있으며, 상기 컴퓨터 내부에 액위 측정값과 설정값을 실시간으로 비교하여 초과시 선박 엔진이나 방향타에 명령을 전달하도록 프로그램화되어 내장된다.
본 발명에서 상기 액위측정 단계(100)에는 상기 액체화물탱크(10)의 진동을 측정하는 진동측정 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 진동측정 단계(110)는 액체화물의 슬로싱에 의해 상기 액체화물탱크(10)가 진동하는 것을 실시간으로 측정하는 것으로, 가속도 센서(30)를 이용한다.
상기 가속도 센서(30)는 상기 액체화물탱크(10) 외측에 부착되며, 3축 방향의 가속도를 측정할 수 있는 3축 가속도 센서가 바람직하다.
상기 가속도 센서(30)에 의해 측정되는 액체화물탱크(10)의 진동신호는 역시 전기적인 신호이므로 상기 신호처리 단계(200)에서 신호처리부를 통해 증폭, 변환, 저장되어 상기 디스플레이부로 전달된다.
또한, 본 발명에서 상기 디스플레이 단계(300)에는 액체화물의 액위가 설정 값을 초과하면 경보를 발령하여 감시자로 하여금 인식하게 할 수 있는 경보 단계(310)가 더 포함될 수 있다.
부가적으로 본 발명에서 상기 액위측정 센서(20)의 설치 방법에 대해 간략히 설명한다.
도 4는 본 발명의 액위측정 센서의 설치 예를 나타내는 배치도이다.
본 발명에서 액위측정 센서(20)는 상기 액체화물탱크(10) 내부에 설치되되, 상기 레이저 거리측정기(22)의 경우 상하로 긴 도파관(22a)이 액체에 잠기게 설치되는데, 이럴 경우 상기 도파관(22a)이 위치하는 지점의 액위만 측정할 수 있게 된다.
따라서 상기 액체화물탱크(10) 내부의 다른 지점은 액위 변화를 알 수 없게 된다. 그래서 바람직하게는, 다수개의 액위측정 센서(20)를 설치하되, 액체화물탱크(10) 내부의 다수 지점의 액위를 정확하게 측정하기 위해 수평으로 설치하고, 도시된 바와 같이 상호 일정간격을 가지고 메쉬 형태로 배열하는 것이 좋을 것이다.
이하에서는 본 발명의 작동순서를 간략하게 살펴본다.
선박이 운항할 때 상기 액체화물탱크(10) 내의 유류 또는 액화천연가스가 유동하는 슬로싱 현상이 발생하는데, 상기 액위측정 센서(20)에서 실시간으로 액위를 측정하여 전기적인 신호를 생성한다.
상기 액위측정 센서(20)가 상기 레이저 거리측정기(22)인 경우, 상기 레이저빔 발생기(22c)에서 레이저빔을 조사하고 조사된 레이저빔은 상기 부유체(22b)까지 도달한 후 반사되어 다시 상기 레이저빔 발생기(22c)로 수신된다. 이때 레이저빔의 왕복시간을 측정하여 상기 부유체(22b)까지의 거리를 측정하면, 상기 액체화물탱크(10)의 저면에서 상기 레이저빔 발생기(22c)까지의 거리는 정해져 있으므로 위의 측정값으로부터 액체화물의 액위를 산출하게 된다.
이렇게 산출된 액위 측정신호는 상기 신호처리 단계(200)에서 증폭되고 디지털로 변환되어 저장된 후 상기 디스플레이 단계(300)로 보내어진다.
상기 디스플레이 단계(300)에서 모니터를 통해 감시자가 관찰하기 편리하게 시현될 수 있으며, 감시자는 실시간으로 액체화물의 슬로싱 상태(액위변화 상태)를 인식할 수 있게 된다.
만일, 측정된 액위가 설정 값을 초과하게 되면, 다시 말해, 일정 이상의 진폭으로 액위가 변화하면 감시자는 선박의 선속을 줄이거나 선수각을 변경하여 슬로 싱을 완화할 수 있으며, 감시자가 없더라도 상기 제어 단계(400)에서 제어부에 의해 자동으로 선속이나 선수각 제어가 가능한 것이다.
그리고 감시자가 미처 인식하지 못하는 경우에도 상기 경보 단계(310)에 의해 경보를 발령함으로써 감시자에게 알려 줄 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 액체화물의 슬로싱을 실시간으로 감시하고 선박의 운행을 제어할 수 있는 방법을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법을 나타내는 순서도.
도 2는 선박의 액체화물의 슬로싱을 감시하고 제어하는 장치를 나타내는 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 레이저 거리측정기를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 액위측정 센서의 설치 예를 나타내는 배치도.
<< 도면의 주요부분에 대한 설명 >>
10 : 액체화물탱크 20 : 액위측정 센서
22 : 레이저 거리측정기 22a : 도파관
22b : 부유체 22c : 레이저빔 발생기
30 : 가속도 센서
100 : 액위측정 단계 110 : 진동측정 단계
200 : 신호처리 단계 300 : 디스플레이 단계
310 : 경보 단계 400 : 제어 단계

Claims (5)

  1. 선박의 액체화물탱크 내에 저장된 액체화물의 슬로싱을 감시하는 방법에 있어서,
    액위측정 센서에 의해 상기 액체화물탱크 내에 저장된 액체화물의 액위를 실시간으로 측정하는 액위측정 단계;
    상기 액위측정 단계에서 측정된 신호를 실시간으로 증폭하고 디지털 신호로 변환하여 저장하는 신호처리 단계;
    상기 신호처리 단계에서 저장된 신호를 실시간으로 디스플레이 하는 디스플레이 단계;
    상기 디스플레이 단계에서 디스플레이된 신호가 설정 값을 초과할 때 선박의 운항상태를 조정하여 슬로싱을 줄이는 제어 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액위측정 단계에는,
    가속도 센서에 의해 상기 액체화물탱크의 진동을 실시간으로 측정하는 진동측정 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 단계에는,
    액체화물의 액위가 설정 값을 초과하면 경보를 전달하는 경보 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액위측정 센서는,
    레이저를 이용하여 액체화물의 액면까지 거리를 측정하는 레이저 거리측정기인 것을 특징으로 하는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액위측정 센서는,
    다수 지점의 액위를 측정하도록 액체화물탱크의 내부에 다수개가 수평으로 배열되는 것을 특징으로 하는 선박의 액체화물의 슬로싱 감시 및 제어방법.
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