KR20120126996A - 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법 - Google Patents

이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법에 관한 것으로, 압력 탱크에 안전 밸브 및 배기 밸브가 각각 장착되며, 제어부는 압력 탱크와 안전 밸브 및 배기 밸브와 각각 전기적으로 연결된 구조를 적용할 수 있으며, 이를 위하여 액체 이산화탄소를 압력 탱크에 수용하고 운항하되, 컨트롤러로 압력 탱크 내부의 압력을 실시간으로 측정하던 중에 설정 압력을 초과하면 배기 밸브가 개방되어 이산화탄소 증기 및 BOG를 배출시켜 압력 탱크 내부 압력을 강하시키고 다시 차단하는 실시예를 적용할 수 있다.

Description

이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법{PRESS TANK MODULE OF SHIP FOR CARBON DIOXIDE SHIPPING AND CONTROL METHOD OF THIS}
본 발명은 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 압력의 비정상적이고 과도한 상승을 방지하여 안정적인 이산화탄소의 운송이 가능하도록 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구온난화의 원인 중 하나인 온실가스 배출원 중 하나이며, 2005년부터 공식적으로 발효된 교토의정서는 이산화탄소를 대기중에 그대로 방출시키는 것을 제한하고 있다.
따라서, 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon dioxide capture and storage, 이하'CCS')에 대한 관련 기술은 이산화탄소의 대기 중 배출을 줄이기 위한 실질적인 노력의 일환으로서, 그 중요성이 높아지고 있다.
CCS는 석탄을 에너지원으로 하는 화력발전소로부터 대량 배출되는 이산화탄소를 포집하여 폐유정과 같은 큰 공간이 형성된 저장소까지 운송하여 주입하는 일련의 과정을 일컬음이며, 대용량 운송을 위해서는 보통 이산화탄소 운송용 선박을 이용한다.
이산화탄소는 액화하면 기체에 비하여 수백배 이상 압축될 수 있으므로 대용량 운송시 대형 선박에 의하여 적절한 내부 압력을 유지할 수 있도록 설계된 압력 탱크에 수용하여 운송하게 되는 것이다.
그러나, 이산화탄소는 액화천연가스나 액체 질소 등의 극저온 유체와 같은 온도 범위는 아니지만 운송 후 저장소에 주입할 때 압력 변화 및 상변화 등에 유의해야 할 점이 많다.
향후, 전술한 CCS 관련 사업 분야, 특히 이산화탄소 운송용 선박의 압력 탱크 관련 시장이 확장되면, 대용량 압력 탱크의 설계 및 제작은 필연적이며 대용량 압력 탱크는 내압에 견디면서도 대용량의 액체 이산화탄소를 수용하기 위하여 두껍고 크게 제작되어야 하는 것이다.
이에 따라, 전술한 바와 같은 압력 탱크는 제작 비용과 원자재 및 제작 시간이 많이 소요되는 문제점이 있으며, 이를 부분적으로 해소하기 위하여 LNG 운송선과 같은 재액화 장치를 이산화탄소 운송용 선박의 압력 탱크에 적용할 수는 있다.
그러나, 이러한 재액화 장치는 설치에 따른 부품 구성이 지나치게 복잡하고 제작 비용도 매우 높아짐에 따라 전체적인 선박 설계 및 제작 비용의 상승을 피할 수 없다.
그리고, 압력 탱크를 두껍게 제작하면 자체 중량이 증가하게 됨에 따라 그 용적 또한 선박에 적재하는데 제한적일 수 밖에 없을 뿐 아니라, 경제적인 면에서도 매우 비효율적이라 할 수 있다.
그리고, sLNG와 같은 액화가스의 경우는 sLNG가 수용되는 액체화물탱크의 설계 압력을 높게 제작하여 운송할 수 있으며, 액체화물탱크 내부의 일정한 압력 상태를 유지하기 위하여 일정량의 sLNG를 배출시켜 연료로 사용할 수 있지만, 이산화탄소는 연료로도 활용할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 내부 압력의 비정상적이고 과도한 상승을 방지하여 안정적인 이산화탄소의 운송이 가능하도록 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명은 압력 탱크의 설계 압력에 대응하여 원자재의 사용량 및 제작 비용을 줄여 경제적인 효율성을 도모할 수 있도록 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 밀폐 상태로 액체 이산화탄소가 선적된 선박의 압력 탱크 내부의 압력이 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력과 선적 압력보다 높은 압력을 견디도록 제작된 압력 탱크의 설계 압력 범위 내에서 기설정된 압력값을 초과하면 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시켜 압력 탱크 내부의 압력이 강하되도록 배기 밸브가 개방되는 압력 탱크를 포함하는 실시예의 적용이 가능하다.
그리고, 본 발명은 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력보다 높은 설계 압력으로 제작되어 선박에 장착되며 밀폐 상태를 유지하는 압력 탱크와, 압력 탱크의 일측에 장착되어 압력 탱크의 내부 압력이 급격하고 비정상적으로 설계 압력까지 상승하면 개방되면서 압력 탱크에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG(Boil Off Gas)를 배출시켜 압력상승에 의한 탱크 폭파를 방지하는 안전 수단인 안전 밸브와, 압력 탱크의 일측에 장착되어 밀폐된 압력 탱크의 내부 압력이 상승하면 개방되어 압력 탱크에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시켜 압력 탱크 내부의 압력을 일정한 범위 내로 유지할 수 있도록 제어하는 배기 밸브와, 압력 탱크 내부의 압력을 감지하고 기설정된 설정 압력 및 설계 압력의 도달 여부를 파악하여 배기 밸브의 개폐 동작을 조작하는 제어부를 포함하며, 배기 밸브의 작동 압력은 안전 밸브의 작동 압력보다 낮고, 설정 압력은 설계 압력보다 낮으며 선적 압력보다 높으며, 배기 밸브의 개방량은 안전 밸브보다 작은 구조의 실시예를 적용할 수도 있다.
여기서, 전술한 설계 압력은 선적 압력보다 1 내지 5 bar 높은 것이 바람직하며, 예를 들어 안전 밸브가 개방될 때 압력 탱크의 내부 압력의 80~100%가 되도록 한다.
이때, 배기 밸브가 개방될 때 압력 탱크의 내부 압력은 설계 압력의 80~100%인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 밀폐 상태로 액체 이산화탄소가 선적된 선박의 압력 탱크 내부의 압력이 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력과 선적 압력보다 높은 압력을 견디도록 제작된 압력 탱크의 설계 압력 범위 내에서 기설정된 압력값을 초과하면 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시켜 압력 탱크 내부의 압력을 강하시키는 방법의 실시예를 적용할 수 있다.
그리고, 본 발명은 압력 탱크 내부의 압력이 비정상적이며 급격하게 설계 압력까지 상승하면 압력 탱크에 배관 연결된 안전 밸브가 개방되어 액체 이산화탄소의 BOG를 순간적으로 대량 방출하여 압력 탱크의 내부 압력을 급강하시키는 방법의 실시예를 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 선박에 장착되고 액체 이산화탄소가 선적되는 선적 압력보다 높은 설계 압력을 견디도록 제작된 압력 탱크에 액체 이산화탄소를 수용하고 운항하는 제1 단계와, 압력 탱크와 전기적으로 연결된 컨트롤러에 의하여 기설정된 설정 압력을 초과하면 압력 탱크 내부의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 압력 탱크와 배관 연결된 배기 밸브가 개방되어 압력 탱크에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시키는 제2 단계와, 배기 밸브가 개방되어 압력 탱크에 변온층(Thermal cline layer)가 형성되지 않을 정도의 소량의 이산화탄소를 배출시키고 압력 탱크 내부의 압력이 강하하면 컨트롤러가 배기 밸브를 차단하여 압력 탱크를 밀폐 상태로 유지하는 제3 단계를 포함하며, 제2 단계 및 제3 단계는 선박의 운항이 종료될 때까지 반복되고, 설정 압력은 설계 압력보다 낮으며 선적 압력보다 높게 설정되도록 하는 실시예의 적용이 가능함은 물론이다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
우선, 본 발명은 설정 압력을 초과하면 배기 밸브가 개방되어 액체 이산화탄소와 혼재된 이산화탄소 증기 또는 BOG를 배출시켜 압력 탱크 내부를 일정한 압력으로 유지할 수 있도록 하는 구조에 따라 내부 압력의 비정상적이고 과도한 상승을 방지할 수 있으므로, 안정적인 이산화탄소의 운송이 가능하다.
그리고, 본 발명은 전술한 바와 같이 비교적 간단하고 효율적인 메카니즘에 의하여 필요 이상으로 압력 탱크의 두께를 두껍게 설계하는 등에 따른 불필요한 제작 비용 및 원자재 사용량을 절감할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명은 압력 탱크의 깊이에 따라 변온층(thermocline layer) 및 등온층(iso-thermal layer)을 형성하는 액체 이산화탄소의 변온층이 제거되는 정도만큼 극소량의 이산화탄소를 외부로 배출시키면 압력 탱크 내부의 압력 상승을 억제할 수 있을 뿐 아니라, 압력 탱크의 설계 압력 또한 필요 이상으로 높게 설계할 필요가 없을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈의 전체적인 구성을 나타낸 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 제어하는 방법을 나타낸 블록선도
도 3은 만재 운항시 시간에 따른 압력 탱크 내부의 압력 거동을 나타낸 그래프
도 4는 시간 경과에 따른 압력 탱크 내부의 높이에 대응하는 온도 변화를 나타낸 그래프
도 5는 비상 배출 실험이 진행되는 동안 압력 탱크 내부의 증기압 거동을 나타낸 그래프
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이다.
본 발명은 도시된 바와 같이 압력 탱크(100)에 안전 밸브(200) 및 배기 밸브(300)가 각각 장착되며, 제어부(400)는 압력 탱크(100)에 구비된 압력계 또는 온도계 등의 계측기 및 배기 밸브(300)와 각각 전기적으로 연결된 구조임을 파악할 수 있다.
여기서, 압력 탱크(100)는 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력보다 높은 설계 압력으로 제작되어 선박(이하 미도시)에 장착되며 밀폐 상태를 유지하는 것이다.
이때, 안전밸브(200)는 압력 탱크(100)의 설계 압력보다 작은 압력에서 개방되어 압력 탱크(100)의 균열 및 파손을 방지함으로써 안전성을 보장하기 위한 수단이다.
압력 탱크(100)와 같이 밀폐되고 저온의 유체가 수용되는 부재는 외부의 열침입으로 인하여 보일오프가스(Boil Off Gas; 이하 'BOG')가 발생하며, BOG로 인하여 압력이 상승하는 압력증가(self-pressurization) 현상이 일어나므로, 압력증가 현상의 억제를 위한 내압 설계 등이 필요하다.
이에 본 발명자가 실험을 한 결과 압력 탱크(100)의 깊이(h)에 대한 온도(T) 변화 곡선이 도 1의 우측 그래프와 같은 양상을 보임을 확인할 수 있었다.
또한, 급격한 온도 변화를 보이는 부분은 도 1의 좌측과 같이 압력 탱크(100)에 수용된 액체 이산화탄소의 자유 계면(free surface), 즉 압력 탱크(100) 내측 상부의 빈 공간과 접하는 액체 이산화탄소의 표면으로부터 압력 탱크(100) 하부측을 향하여 생성되는 변온층이며, 자유계면의 온도에 상응하는 포화압력(Saturation Pressure)이 압력 탱크(100) 내부의 기체 압력인 바, 자유표면의 온도에 영향을 주는 변온층(Thermalcline layer)의 형성이 급격한 압력 상승의 원인임을 파악할 수 있었다.
여기서, 변온층은 도 1의 우측 그래프에서 점선으로 표시한 영역을 나타내며, 이러한 변온층을 최소화 내지 극소화함으로써 급격한 압력 상승에 따른 압력 탱크(100)를 포함하여 압력 탱크(100)에 연결되는 배관과 밸브류의 파손 및 오작동 또한 방지할 수 있는 것이다.
이때, 이산화탄소는 삼중점에서의 압력이 5.18bar로 비교적 높기 때문에 액체 이산화탄소는 대형 LNG 운송선과 같이 상압 탱크에 저장하는 것은 불가능하며, 전술한 5.18bar 이상의 압력이 유지되는 탱크에 저장되어야 한다.
그러나, 이산화탄소, 특히 수분이 포함된 이산화탄소는 일반적으로 부식성이 매우 큰 물질이므로, 압력 탱크(100)는 내압 설계와 함께 내부식 설계도 병행되어야 함은 물론이다.
따라서, 압력 탱크(100)의 설계는 이산화탄소 운송선 개발의 핵심기술이라 할 수 있다.
즉, 내압을 받는 압력 탱크(100)는 원주응력이 압력과 반경에 비례하고 압력 탱크(100)의 두께에 반비례하므로, 이에 따라 압력 탱크(100)의 적합한 재질이 결정되고, 압력 탱크(100)의 반경이 결정되면 압력이 높을수록 압력 탱크(100)의 두께는 두꺼워지는 것이다.
그러나, 압력 탱크(100)의 두께는 원자재 비용과 제작 여건상 무한정 두껍게 할 수 없으므로, 최소한의 두께로도 적절한 설계 압력에 따른 안정성이 확보될 수 있도록 해야 한다.
여기서, 압력 탱크(100)는 높은 내압을 견디기 위하여 구형 또는 실린더 형상으로 제작되어지되, 액체 이산화탄소가 압력 탱크(100)의 내벽을 따라 부드러운 유동을 허용하도록 상부 형상을 도시된 바와 같이 라운드지게 제작하는 것이 바람직하다.
한편, 안전 밸브(200)는 압력 탱크(100)의 일측에 장착되어 압력 탱크(100)의 내부 압력이 급격하고 비정상적으로 설계 압력까지 상승하면 개방되면서 압력 탱크(100)에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 단시간 내에 대량 배출시킴으로써 압력의 급격한 상승으로 인한 압력탱크의 균열 및 폭발 등의 사고를 미연에 방지하기 위한 기술적 수단이라 할 수 있다.
즉, 안전 밸브(200)는 비상 배출용으로 마련된 것으로, 압력 탱크(100) 내부의 압력을 급강하시킬 필요가 있을 때 액체 이산화탄소의 BOG를 순간적으로 대량 방출시킴으로써 압력 탱크(100) 내부의 압력을 안정화시키는 것이며, 후술할 배기 밸브(300)에 비하여 개방시 유체의 통과량은 훨씬 많은 것을 채택한다.
또한, 선박에서는 IGC Code(International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk) 등의 규정에 의해서 압력 탱크(100)에 반드시 안전 밸브(200)를 설치하여 압력 탱크(100)의 안전성을 보장하도록 되어 있지만, 이러한 안전 밸브(200)의 개폐 동작으로써 압력 탱크(100)의 압력을 제어할 수는 없게 규정하고 있다.
배기 밸브(300)는 압력 탱크(100)의 일측에 장착되어 밀폐된 압력 탱크(100)의 내부 압력이 상승하면 개방되어 압력 탱크(100)에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시키면서 압력 탱크(100) 내부의 압력이 일정한 범위 내에서 유지되도록 하는 것이다.
즉, 배기 밸브(300)는 선박의 운항 중에 수시로 개폐하여 압력 탱크(100) 내부의 압력을 일정하게 유지하는 압력 조정용으로 활용할 수 있으며, 전술한 변온층이 소멸되는 정도의 분량, 더욱 상세하게는 액체 이산화탄소의 표면 부근의 분량 정도를 제거하는 정도의 분량을 배출시키는 것이라 할 수 있다.
배기 밸브(300)는 더욱 상세하게는 전술한 안전 밸브(200)와 압력 탱크(100)를 상호 연결하는 주 배관(101)으로부터 분지된 보조 배관(102) 상에 장착되어 이산화탄소를 소량으로 배출하기 위하여 장착되는 것이다.
제어부(400)는 압력 탱크(100) 내부의 압력을 감지하고 기설정된 설정 압력 및 설계 압력의 도달 여부를 파악하여 배기 밸브(300)를 개폐 조작하는 역할을 수행하는 것이다.
이를 위하여 제어부(400)는 압력 탱크(100) 내부의 압력과 온도를 측정하기 위한 센서(401)를 적어도 하나 이상 압력 탱크(100) 또는 각 배관(101, 102) 상에 장착하는 것이 바람직하다.
여기서, 전술한 배기 밸브(300)의 작동 압력은 안전 밸브(200)의 작동 압력보다 낮아야 하며, 전술한 설정 압력은 압력 탱크(100)의 설계 압력보다 낮되 액체 이산화탄소의 최초 선적 압력보다 높고, 안전 밸브(200)의 개방량은 배기 밸브(300)보다 커야함은 당연한 것이다.
이때, 설계 압력은 더욱 상세하게는 선적 압력보다 1 내지 5 bar 높게 설정하여 압력 탱크(100)를 설계할 수 있으며, 설정 압력은 안전 밸브(200)가 개방될 때 압력 탱크(100)의 내부 압력의 75~98%인 것이 바람직하다.
또한, 안전 밸브(200)가 개방될 때 압력 탱크(100)의 내부 압력은 설계 압력의 85~100%가 되도록 한다.
예를 들어, 본 발명자의 실험예로부터 -30℃ 내외의 온도에 14.3bar의 선적 압력으로 액체 이산화탄소를 선적하였다면, 압력 탱크(100)의 설계 압력은 16.5bar로 하며, 16bar에서 배기 밸브(300)를 개방하여 압력 탱크(100) 내부의 압력을 강하시킨다.
만약, 작업자가 실수로 압력 탱크(100)의 내부 압력을 16.5bar까지 비정상적으로 올렸다든가 배기 밸브(300)가 오작동하여 압력 탱크(100)의 내부 압력이 비정상적으로 급격하게 상승하면 안전 밸브(200)가 자동으로 개방됨으로써 압력 탱크(100)를 보호하게 되는 것이다.
또한, 전술한 실험예를 참고로 하면 -50℃ 내외의 온도에 6.83bar의 선적 압력으로 액체 이산화탄소를 선적한 경우를 가정하면, 압력 탱크(100)의 설계 압력은 10bar로 하고, 9.5bar에서 배기 밸브(300)를 개방하여 압력 탱크(100) 내부의 압력을 강하시키되, 9.7bar까지 비정상적으로 급격하게 압력 탱크(100)의 내부 압력이 상승하면 안전 밸브(200)가 개방되는 것이다.
상기와 같은 실시예의 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 이용한 제어 방법에 대하여 설명하고자 한다.
참고로, 도 2에 표시되지 않은 도면의 부호는 도 1을 참고한다.
본 발명은 도 2와 같이 액체 이산화탄소를 압력 탱크(100)에 수용하고 운항하되, 컨트롤러(400)로 압력 탱크(100) 내부의 압력을 실시간으로 측정하던 중에 설정 압력을 초과하면 배기 밸브(200)가 개방되어 이산화탄소 증기 및 BOG를 배출시켜 압력 탱크(100) 내부 압력을 강하시키고 다시 차단하는 실시예의 적용이 가능함을 알 수 있다.
제1 단계(S10)에서는 액체 이산화탄소가 선적되는 선적 압력보다 높은 설계 압력을 견디도록 제작되어 선박에 장착된 압력 탱크(100)에 액체 이산화탄소를 수용하고 운항을 실시한다.
선박은 폐유정 또는 지하 공동과 같은 지하저장소(이하 미도시)에 액체 이산화탄소를 주입하여 장시간 저장하기 위한 운송 수단이다.
제2 단계(S20)에서는 압력 탱크(100)와 전기적으로 연결된 컨트롤러(400)에 의하여 기설정된 설정 압력을 초과하면, 압력 탱크(100) 내부의 압력을 일정한 범위 내로 유지하기 위하여 압력 탱크(100)와 배관 연결된 배기 밸브(300)가 개방되어 압력 탱크(100)에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시키는 작업이 실시된다.
제3 단계(S30)에서는 배기 밸브(300)가 개방되어 압력 탱크(100) 내부의 압력이 강하하면 컨트롤러(400)가 배기 밸브를 차단하여 압력 탱크(100)를 밀폐 상태로 유지하게 된다.
여기서, 압력 탱크(100) 밖으로 배출되는 이탄화탄소 기체의 양은 변온층이 제거될 정도의 양만을 배기시키더라도 압력 탱크(100) 내부의 압력을 급격하게 강하시킬 수 있다.
이때, 선박의 운용 조건 및 환경 변화에 따라 제2 단계(S20) 및 제3 단계(S30)는 선박의 운항이 종료될 때까지 반복될 수 있으며, 이 때에도 압력 탱크(100) 내부의 압력은 일정한 범위 내에서 유지될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 전술한 실시예 외에도 일정량의 가스, 즉 액체 이산화탄소의 BOG를 일정량만큼 지속적으로 배출시키면서 목적지까지 선박을 운항하는 방법을 적용할 수도 있다.
이러한 방법은 압력 탱크(100) 내부에 변온층이 형성되지 않으므로, 압력의 상승폭이 작으며, 소량의 이산화탄소를 배출시키는 것만으로도 압력 탱크(100)의 두께를 얇게 설계할 수도 있으므로, 원자재 사용량을 줄이고 설계 및 제작 비용의 절감을 도모할 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법의 구현을 위하여 본 발명자가 수행한 실험 결과에 대하여 다음과 같이 설명하고자 한다.
도 3은 만재 운항시 시간에 따른 압력 탱크 내부의 압력 거동을 나타낸 그래프로 실선은 실험치에 따른 압력 거동을, 일점 쇄선은 압력 탱크(100) 내부의 이산화탄소 액체 및 기체 모두 온도가 일정하다는 가정을 한 등온 모델(iso-thermal model) 하의 압력 거동을 각각 나타낸 것이다.
실험 결과는 도 3과 같이 실험치와 등온 모델 공히 압력 탱크 내에서 외부의 열침입으로 인하여 압력이 상승하는 압력증가(self-pressurization) 현상을 보임을 알 수 있으며, 시간에 따른 압력 변화는 아래의 표 1 및 표 2와 같다.
참고로, 표 1은 실험치의 압력 변화를, 표 2는 등온 모델의 압력 변화를 각각 나타낸다.
시간(초) 2,847 10,000 20,000 50,000
압력(bar) 6.82 10.16 12.22 16.41
압력 증가율 1.68bar/h 0.50bar/h
시간(초) 2,847 10,000 20,000 50,000
압력(bar) 6.82 8.13 8.58 9.92
압력 증가율 1.68bar/h 0.50bar/h
실험치는 2,847초에서 10,000초 사이에 압력 상승률이 1.68bar/h이고 20,000초에서 50,000초까지는 압력 상승률이 0.50bar/h로 초반에 급격한 압력 상승이 일어남에 비하여 시간이 지나면 압력 상승률이 완화되는 것을 알 수 있다.
따라서, 실험치는 등온 모델에 비하여 초반에 급격한 압력 상승이 일어남에 비하여 점차 압력 상승률이 감소하는 비선형성을 보인다.
본 발명자는 본 실험을 통하여 등온 모델이 이산화탄소의 압력 상승률을 정확하게 예측할 수는 없음을 파악하였으며, 이는 선박화물로서의 이산화탄소는 실험초기의 압력 상승 경향을 파악하는 것이 중요하지만 도 3의 그래프를 통하여 알 수 있듯이 실험치와 등온 모델의 그래프 비교를 통하여 초기의 압력 거동이 각각 비선형성과 선형성을 보인 바, 양자가 너무 판이하였다.
따라서, 본 발명자는 도 4와 같이 압력 탱크(100)의 높이에 온도가 시간의 경과에 따라 변화하는 거동을 연구하였다.
참고로, 도 4는 시간 경과에 따른 압력 탱크 내부의 높이에 대응하는 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
즉, 도 4는 시간에 따른 온도 변화를 압력 탱크(100)의 각 위치별로 그래프화한 것이며, Tt는 압력 탱크(100) 상단부의 온도(점선)를, Ts는 액체 이산화탄소의 액면의 온도(일점 쇄선)를, Tb는 압력 탱크(100) 저면의 온도(이점 쇄선)를 각각 나타낸다.
참고로, 실선으로 나타낸 직선 그래프는 등온 모델의 온도 거동을 나타낸다.
즉, 압력 탱크(100) 상단부는 액체 이산화탄소의 BOG 등과 같은 기체로 채워져 Tt를 통하여 알 수 있듯이 초기에 급격한 온도 상승을 보인다.
이는, 비열은 액체에 비하여 기체가 작으므로 압력 탱크(100) 외부와의 온도차로 인한 열침입이 일어나면 기체로 채워진 압력 탱크(100) 상단부의 온도가 더 빨리 상승하기 때문임을 알 수 있다.
액면은 Tt를 통하여 알 수 있듯이 압력 탱크(100) 상단부의 온도 상승 거동과 마찬가지로 초반에 급격히 상승하고 시간이 지나면서 온도 상승률이 줄어든다.
이러한 양상은 압력의 상승 양상과 유사하며, 이는 기체와 액체는 액면에서 계속 열교환을 하면서 포화상태를 유지하고 있기 때문에 압력 탱크(100) 상단부의 온도상승은 액면의 온도상승을 유발시키며, 이로 인하여 압력 탱크(100) 저면의 액체 이산화탄소에 비해 온도가 높아질 수 밖에 없는 것이다.
한편, 압력 탱크(100) 저면은 Tb를 통하여 알 수 있듯이 액체 이산화탄소의 온도가 비교적 선형적으로 상승하며, 압력 탱크(100)의 상단부 및 액면에 비하면 현저히 낮은 온도임을 알 수 있다.
따라서, 압력 탱크(100)의 상단부 및 액면과 압력 탱크(100) 저면의 온도차, 즉 기체와 액체 부분의 온도차는 시간 경과에 따라 커지며, 액체 부분 중에서도 액면 부근의 액체 이산화탄소 상층부와 압력 탱크(100) 저면 부근의 액체 이산화탄소 의 온도차 또한 커진다.
실험에서는 50,000초가 경과한 후에는 압력 탱크(100) 상단부의 온도는 -22.4℃, 액면은 -34.4℃, 압력 탱크(100)의 저면은 -45.4℃로 압력 탱크(100) 내에서도 최대 23℃ 가량의 온도차가 발생하고, 액체 이산화탄소 내부에서도 액면과 압력 탱크(100) 저면 상호 간은 11℃의 온도차가 발생하였다.
따라서, 본 발명자는 기존의 연구들과 달리 압력 탱크(100)의 높이 방향으로 조밀하게 온도를 계측하여 온도분포를 구하고자 하였으며, 특정한 시간에서 높이(h)에 따른 온도(T) 분포(도 1의 그래프 참조)를 분석하기 위하여 표 3과 같이 액체 이산화탄소를 선적한 후 20,000초가 경과한 시점에서 온도를 측정하였다.
지점 높이(mm) 온도(℃)
A 2,495 -29.8
B 2,440 -32.3
C 2,380 -34.4
D 2,203 -41.2
E 1,963 -48.2
F 213 -48.5
압력 탱크(100)의 최상부인 A 지점에서는 이산화탄소의 과열기체로 채워져 있으며, 부근의 압력 탱크(100) 벽면으로부터 열침입으로 인하여 -29.8℃의 최고 온도를 나타낸다.
이후, 온도는 기체부분인 B 지점을 거쳐 액면 부근인 C 지점에서는 -34.4℃까지 하강하며 액면 하부를 살펴 보면 D 및 E 지점까지는 온도가 지속적으로 하강하다가 E에서 F지점까지는 균일한 온도 분포를 보인다.
여기서, 액체 이산화탄소는 액면 하부에서 온도가 급격히 하강하는 영역과 온도 변화가 거의 없는 영역으로 구분됨을 알 수 있으며, 압력증가(self- pressurization) 현상 및 밀폐된 압력 탱크(100) 내부의 이산화탄소의 열역학적인 특성의 설명을 위하여 C 내지 E구간과 같은 온도 강하가 급격한 구간을 변온층(thermocline layer)로 정의하고, E 내지 F구간을 등온층(iso-thermal layer)으로 정의하는 것이다.
이때, 압력 탱크(100) 내부의 액면에서는 액체와 기체가 열평형 상태를 이루며 포화상태를 이루고 압력 탱크(100) 내부의 기체 압력은 액면의 온도에 대응하는 액면의 포화 압력과 같다.
따라서, 액면의 온도는 액체 이산화탄소의 선적이 완료되어 압력 탱크(100)를 밀폐한 직후에는 급격히 상승하고, 시간이 경과하면 온도 상승률이 감소하는 현상은 직접적으로 압력 탱크(100) 내부의 압력 변화에 큰 영향을 미친다.
즉, 밀폐된 압력 탱크(100)에 저장된 액체 이산화탄소는 액면 아래에 온도가 급격히 감소하는 변온층이 발달하면서 액면과 압력 탱크(100) 저면 사이의 온도차가 커지고, 이러한 온도 분포는 액체 이산화탄소가 선적된 초기에 급격하게 형성된 변온층으로 인하여 압력 상승의 원인으로 작용하게 되는 것이다.
따라서, 이러한 변온층의 제거가 압력 탱크(100)의 설계 압력을 낮출 수 있는 관건이 될 수 있다.
한편, 본 발명자는 압력 탱크(100) 내부의 압력이 비정상적으로 급격히 상승하는 경우 안전 밸브(200)가 개방되는 경우를 고려하여 비상 배출 실험(Emergency Venting Test)을 실시하였다.
참고로, 도 5는 비상 배출 실험이 진행되는 동안 압력 탱크 내부의 증기압 거동을 나타낸 그래프이다.
여기서, 압력 탱크(100) 내부의 압력은 도 5와 같이 외부의 열침입으로 인하여 계속 상승하다가 안전 밸브(200)가 개방되는 순간 급격히 강하한 후, 안전 밸브(200)를 차단하면 다시 상승하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 내부 압력의 비정상적이고 과도한 상승을 방지하여 안정적인 이산화탄소의 운송이 가능하고, 압력 탱크의 설계 압력에 대응하여 원자재의 사용량 및 제작 비용을 줄여 경제적인 효율성을 도모할 수 있도록 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈 및 이것을 제어하는 방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
100...압력 탱크 200...안전 밸브
300...배기 밸브 400...컨트롤러

Claims (10)

  1. 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력보다 높은 설계 압력으로 제작되어 선박에 장착되며 밀폐 상태를 유지하는 압력 탱크;
    상기 압력 탱크의 일측에 장착되어 상기 압력 탱크의 내부 압력이 급격하고 비정상적으로 상기 설계 압력까지 상승하면 개방되면서 상기 압력 탱크에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG(Boil Off Gas)를 배출시켜 상기 압력 탱크 내부의 압력을 강하시키는 안전 밸브;
    상기 압력 탱크의 일측에 장착되어 밀폐된 상기 압력 탱크의 내부 압력이 상승하면 개방되어 상기 압력 탱크에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시켜 상기 압력 탱크 내부의 압력을 일정한 범위 내로 유지시키는 배기 밸브; 및
    상기 압력 탱크 내부의 압력을 감지하고 기설정된 설정 압력 및 상기 설계 압력의 도달 여부를 파악하여 상기 배기 밸브를 개폐 조작하는 제어부;를 포함하며,
    상기 배기 밸브의 작동 압력은 상기 안전 밸브의 작동 압력보다 낮고,
    상기 설정 압력은 설계 압력보다 낮으며 상기 선적 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 설계 압력은 상기 선적 압력보다 1 내지 5 bar 높은 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 설정 압력은 상기 안전 밸브가 개방될 때 상기 압력 탱크의 내부 압력의 80~100%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기 밸브가 개방될 때 상기 압력 탱크의 내부 압력은 상기 설계 압력의 80~100%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈.
  5. 밀폐 상태로 액체 이산화탄소가 선적된 선박의 압력 탱크 내부의 압력이 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력과 상기 선적 압력보다 높은 압력을 견디도록 제작된 상기 압력 탱크의 설계 압력 범위 내에서 기설정된 압력값을 초과하면 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시켜 상기 압력 탱크 내부의 압력이 강하되도록 상기 배기 밸브가 개방되는 압력 탱크를 포함하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈.
  6. 선박에 장착되고 액체 이산화탄소가 선적되는 선적 압력보다 높은 설계 압력을 견디도록 제작되고, 안전 밸브가 장착된 압력 탱크에 상기 액체 이산화탄소를 수용하고 운항하는 제1 단계;
    상기 압력 탱크와 전기적으로 연결된 컨트롤러에 의하여 기설정된 설정 압력을 초과하면, 상기 압력 탱크 내부의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 상기 압력 탱크와 배관 연결된 배기 밸브가 개방되어 상기 압력 탱크에 수용된 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시키는 제2 단계; 및
    상기 배기 밸브가 개방되어 상기 압력 탱크 내부의 압력이 강하하면 상기 컨트롤러가 상기 배기 밸브를 차단하여 상기 압력 탱크를 밀폐 상태로 유지하는 제3 단계;를 포함하며,
    상기 제2 단계 및 상기 제3 단계는 상기 선박의 운항이 종료될 때까지 반복되고,
    상기 설정 압력은 상기 설계 압력보다 낮으며 상기 선적 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 제어하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 설계 압력은 상기 선적 압력보다 1 내지 5 bar 높은 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 제어하는 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 안전 밸브가 개방될 때 상기 압력 탱크의 내부 압력은 상기 설계 압력의 80~100%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 제어하는 방법.
  9. 밀폐 상태로 액체 이산화탄소가 선적된 선박의 압력 탱크 내부의 압력이 액체 이산화탄소가 선적되는 당시의 선적 압력과 상기 선적 압력보다 높은 압력을 견디도록 제작된 상기 압력 탱크의 설계 압력 범위 내에서 기설정된 압력값을 초과하면 액체 이산화탄소의 BOG를 배출시켜 상기 압력 탱크 내부의 압력을 강하시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 제어하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 압력 탱크 내부의 압력이 비정상적이며 급격하게 상기 설계 압력까지 상승하면 상기 압력 탱크에 배관 연결된 안전 밸브가 개방되어 액체 이산화탄소의 BOG를 순간적으로 대량 방출하여 상기 압력 탱크의 내부 압력을 급강하시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 운송선의 압력 탱크 모듈을 제어하는 방법.
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