KR20170049910A - 선박의 평형수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 평형수 탱크에 평형수를 급수 또는 배수하는 평형수 시스템에 관한 것으로서, 특히 평형수의 위치 수두 및 압력 수두를 이용하여 기존의 평형수 펌프 없이 평형수의 급수 및 배수가 가능하며 더불어 평형수를 열교환을 통해 가열함에 따라 살균 처리할 수 있도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템은 외부에서 유입된 해수를 가열하는 열교환기와, 열교환기에서 배출되는 해수가 채워지는 평형수 탱크와, 열교환기에서 배출되는 해수가 내부로 유입되어 진행함에 따라 평형수 탱크에 채워진 평형수를 내부로 유입하여 해수와 함께 배출시키는 이젝터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

선박의 평형수 시스템{Ballast System of Vessel}

본 발명은 선박의 평형수 탱크에 평형수를 급수 또는 배수하는 평형수 시스템에 관한 것으로서, 특히 평형수의 위치 수두 및 압력 수두를 이용하여 기존의 평형수 펌프 없이 평형수의 급수 및 배수가 가능하며, 더불어 열교환을 통한 평형수의 가열로 평형수를 살균 처리할 수 있게 구성한 것이다.

원유운반선, 컨테이너선, 시추선을 비롯하여 여러 선종의 선박에는 흘수와 트림(trim)을 조정하기 위해 평형수가 채워지는 평형수 탱크가 설치되어 있다. 이러한 평형수 탱크는 선체의 균형 유지와 안정성을 높이는 기능을 수행함과 동시에, 화물이나 적재량에 따라 평형수의 채움이나 배출을 통해서 선체의 부력을 조정하여 선체를 안정화시키며, 화물을 충분히 적재하지 않은 경우 추진기와 방향타가 수중에서 효과적으로 동작하기 위한 보조 기능도 동시에 수행하게 된다.

평형수는 하역항을 출항하기 전에 평형수 탱크 내에 채워지고, 적재항에 입항하기 전 또는 화물을 적재할 때에 평형수 탱크로부터 외부로 배출된다. 따라서, 평형수는 선박에 화물을 적재하고 양륙하는 과정에서 지속적으로 주입 및 배출되며, 선박과 함께 이동하게 된다.

그리고 평형수는 평형수 펌프에 의해 해수유입구(Sea Chest)를 통해 급수되어 선박 내부의 밀폐된 구획을 이루는 평형수 탱크에 채워진다.

도면에서, 도 1은 종래 기술에 따른 평형수 시스템을 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 선체(1)의 내부에는 선체(1)의 외측벽(shell)(1S)의 안쪽으로 평형수 탱크(10)가 형성되고, 평형수 펌프(20)는 선체(1)에 형성된 해수유입구(5)를 통해 해수를 펌핑하여 평형수 탱크(10)에 해수를 채운다.

이와 같이 평형수 탱크(10)에 해수를 채우는 이유는 앞서 설명한 바와 같이, 선체의 균형 유지와 안정성을 높이는 기능뿐만 아니라, 선체의 부력을 조정하여 선체를 안정화시키며, 화물을 충분히 적재하지 않은 경우 추진기와 방향타가 수중에서 효과적으로 동작할 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 선박에 화물을 선적하기 위해서는 평형수 펌프(20)를 작동시켜 평형수 탱크(10)에 채워진 평형수를 바다로 배수한다.

이를 위해 도 1에 보이듯이, 평형수 펌프(20)에는 해수유입구(5)에서 평형수 탱크(10)로 연장된 급수관(21)이 연결되고, 평형수 탱크(10)에서 선체(1) 외부로 연장된 배수관(23)이 연결된다. 급수관(21)과 배수관(23)에는 밸브(25)들이 장착되며, 평형수 펌프(20)의 작동과 밸브(25)들의 개폐에 의해 해수유입구(5)를 통해 유입된 해수는 평형수 탱크(10)에 채워지고, 반대로 평형수 탱크(10)에 채워졌던 평형수는 바다로 배수된다. 여기에서 바다에서 평형수 탱크(10)까지 유입되는 해수와 평형수 탱크(10)에 채워진 해수를 구분하기 위해 평형수 탱크(10)에 채워진 해수를 '평형수(Ballast Water)'라 한다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 평형수 시스템은 평형수의 공급과 배수가 평형수 펌프에 의해 이루어진다. 따라서 평형수의 급수 및 배수 시마다 수시로 평형수 펌프가 작동하게 됨에 따라 고장 발생율이 높다는 단점이 있으며, 많은 양의 평형수를 공급 및 배수함에 따른 전력 소모가 크다.

이와 더불어, 최근에는 평형수의 배수에 의한 국제적 환경오염의 문제가 크게 대두되고 있다.

평형수에는 급수지역에 생식하는 플랑크톤이나 세균 등의 각종 미생물, 조개류 등의 수생 생물이 혼입되며, 이러한 평형수를 적재항 부근의 연안이나 항만 등에 배출하면, 주변 해역의 생태계를 어지럽히게 된다. 또한, 평형수는 장기간에 걸쳐 폐쇄적이면서 빛이 없는 상태로 유지되는 점에서 용존 산소량이 저하되어 있어, 이러한 빈(貧)산소 상태의 평형수를 배출하는 것에 의해서도 주변 해역의 생물에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 평형수가 외국의 항만 등으로 배출되어 원하지 않는 유해한 수중 유기체의 이동 통로로 작용하게 되면, 기존의 토착 해양 생태계를 파괴할 뿐 아니라, 병원균 및 독성 생물체의 인체 유입으로 인해 건강을 위협하게 되며, 외래 생물종의 처리에 많은 비용이 소요된다.

이와 같은 선박의 평형수에 의한 피해가 확산됨에 따라 심각성을 인식한 국제해사기구(International Maritime Organization, 이하, 'IMO'라 함)는 '선박 평형수와 침전물 관리 국제협약'을 채택하여 2011년부터 평형수 교환기준이 적용되고, 2012년부터 FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 등 부유식 해양 구조물(offshore floating vessel)에 평형수 처리장치(ballast water treatment system, BWTS)를 설치하도록 의무화하고, 2017년 이후에는 모든 선박에 IMO가 제정한 평형수 처리 기준을 만족시키는 장치의 설치가 의무화될 예정이다.

이와 같은 평형수를 통하여 유입되는 외래 해양 생물종의 유입을 줄이는 방법으로는 특정 항만에 입항하기 전에 평형수를 해상에서 교환하는 방법이 있다. 이 방법은 평형수의 교환을 위한 해수 유입 및 배출 구성만을 갖추면 가능하기 때문에 비교적 평형수 처리시스템을 단순화할 수 있어 활용 가능성이 높은 방법이다.

그러나, 이 방법은 육지와 상당히 먼 교환장소의 해역에서 수행되므로, 육지 연안에 비해 거친 파도가 존재하고, 해수의 수압이 높으며, 이로 인해 평형수의 선내 이동과정에서 선박의 종 굽힘모멘트가 증가하게 된다. 그 결과 선체 변형이 발생되고, 평형수 교환과정에서 선체 자세 불안 등이 생겨 선박의 안전성 확보가 어렵게 되는 문제점이 대두되고 있다.

다른 방법으로는 연안이나 육상에 평형수 수용 시설(reception facility)과 처리시설을 설치 및 운영하는 방법이 있다. 이 방법은 선박에 별도의 처리장치를 설치하지 않아도 되므로, 선박의 보수 및 위험성이 낮아 최근 각광받는 방법이나, 용량이 큰 수용시설을 설치 및 운영하는데 따르는 비용과 민원이 발생할 수 있고, 아직까지 유용한 장치가 미흡한 실정이다.

또 다른 방법으로는 선박에 평형수 처리장치를 설치하는 방법이 있다. IMO 협약에서는 이 같은 처리시설의 설치를 의무화하고 있다.

이와 같은 세계적 추세에 따라 전 세계 많은 조선소에서는 선박에 설치되는 평형수 처리장치에 대해 연구 개발되고 있다.

그 중 가장 대표적인 방식의 평형수 처리장치는 평형수를 가열하여 평형수에 포함된 플랑크톤이나 세균 등의 각종 미생물, 조개류 등의 수생 생물 등을 살균하는 방식이다.

이와 같은 가열방식의 평형수 처리장치는 대형 보일러가 필수적으로 장착되어야 하며 대형 보일러를 가동하여 평형수를 가열하여 처리함으로써, 평형수의 처리 측면에서 가장 효과적이며 신뢰성이 높다는 장점이 있다.

하지만, 가열방식의 평형수 처리장치는 그 설치비용이 상당하여 선박의 제조 단가를 증가시킬 뿐만 아니라, 부피 또한 상당하여 선박 내부의 공간활용도를 감소시킨다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2008-0007245호(공개일; 2008년01월17일)

본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 해수를 급수함에 있어 해수의 위치 수두와 압력 수두를 이용하여 급수 및 배수함으로써, 기존 평형수 펌프가 갖고 있던 고장 발생 및 전력 소모 등의 문제점을 원천적으로 해결할 수 있는 선박의 평형수 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 평형수 탱크로 유입되는 해수를 열교환기를 통해 가열하여 살균함으로써, 평형수를 배수함에 따른 해상 오염문제를 해결할 수 있도록 구성한 선박의 평형수 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템은 외부에서 유입된 해수를 가열하는 열교환기와, 열교환기에서 배출되는 해수가 채워지는 평형수 탱크와, 열교환기에서 배출되는 해수가 내부로 유입되어 진행함에 따라 평형수 탱크에 채워진 평형수를 내부로 유입하여 해수와 함께 배출시키는 이젝터를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 외부에서 열교환기로 유입된 해수는 LNG를 냉각시키는 냉매로부터 열을 흡수하여 가열된 상태로 배출되어 평형수 탱크 또는 이젝터로 진입한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열교환기는 이젝터보다 높게 위치하며, 이젝터로 유입되는 해수는 열교환기와의 높이 차에 따른 위치 에너지와 열교환기에서 배출되는 압력 에너지를 갖고 이젝터로 유입되며, 상기 위치 에너지와 압력 에너지에 의해 이젝터의 내부를 진행함에 따라 평형수 탱크 내의 평형수가 이젝터의 내부로 유입된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 해수를 상부로 올리는 해수 리프트 펌프와, 해수 리프트 펌프에서 열교환기로 해수를 공급하는 제1급수관과, 열교환기에서 평형수 탱크로 연장된 제2급수관과, 제2급수관에서 분기되어 이젝터로 연장된 분기관과, 평형수 탱크에서 이젝터로 연장된 제1배수관과, 이젝터에 연장되어 선체 외부로 연장되어 해수를 배수하는 제2배수관 및 제2급수관과 분기관에 설치되어 해수의 진행방향을 제어하는 밸브들을 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템은 해수 리프트 펌프를 이용하여 선박의 메인 데크 근처까지 끌어 올린 해수의 위치 수두 및 압력 수두를 이용하여 평형수 탱크에 채워진 평형수를 벤추리 원리의 이젝터를 통해 해수로 배수함으로써, 기존 평형수 펌프에 의해 발생하였던 고장 발생 및 전력 소모 등의 문제점을 원천적으로 해결할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 대용량의 평형수 펌프에 비해 저렴한 이젝터를 사용함에 따라 건조 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템은 FLNG(Floating Liquefied Natural Gas)선의 경우 LNG의 냉각에 필요한 해수를 평형수로 이용함에 따라 열교환기를 통과하면서 흡수한 열에 의해 해수에 포함된 미생물 및 생물 등을 살균할 수 있어 기존 평형수 처리장치의 기능을 대신하거나 기존 평형수 처리장치의 용량을 절감할 수 있어 선박의 건조 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 평형수 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 평형수 시스템을 나타낸 개념도이고,
도 3은 도 2에 도시된 이젝터를 나타낸 개념도이다.

아래에서는 본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 2는 본 발명에 따른 평형수 시스템을 나타낸 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 이젝터를 나타낸 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, FLNG선의 경우 해수를 선체(100) 내부로 유입하는 해수 리프트 펌프(110)는 그 부피가 크고 길이가 긴 구조이기 때문에, 설계상 타 장비와의 간섭 등을 피하기 위해 통상적으로 선체(100)의 외측에 설치되며, 해수 리프트 펌프(110)를 통해 해수를 선체(100) 상부까지 끌어올린 후에 선체(100) 내부로 공급한다.

또한 도 2에 보이듯이, FLNG선의 경우 LNG의 냉각을 위해 복수의 열교환기(120)가 설치되며, 해수 리프트 펌프(110)를 통해 선체(100) 내부로 유입된 해수는 열교환기(120)를 통과하면서 냉매로부터 열을 흡수한다. 종래에서는 열교환기에서 흡열한 해수를 바다로 배수하였다.

본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템은 해수 리프트 펌프(110)를 통해 선체(100)로 유입된 해수가 열교환하여 가열된 상태로 평형수 탱크(130)로 유입되어 평형수 탱크(130)에 채워지며, 특히 평형수 탱크(130)에 채워진 평형수를 배수할 경우 열교환기(120)에서 배출되는 위치 수두와 압력 수두가 높은 해수를 이용하여 평형수 탱크(130)의 평형수를 바다로 배수하는 것에 특징이 있다.

아래에서는 이와 같이 구성된 선박의 평형수 시스템에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 평형수 탱크(130)가 설치된 선체(100)는 그 외측에 설치된 해수 리프트 펌프(110)와, LNG를 냉각시키는 열교환기(120)와, 열교환기(120)보다 낮게 위치하는 이젝터(Ejector)(140)를 포함하며, 해수 리프트 펌프(110)에서 열교환기(120)로 해수를 공급하는 제1급수관(151)과, 열교환기(120)에서 평형수 탱크(130)로 연장된 제2급수관(152)과, 제2급수관(152)에서 분기되어 이젝터(140)로 연장된 분기관(153)을 포함하며, 평형수 탱크(130)에서 연장된 제1배수관(161)은 이젝터(140)에 연결되고, 이젝터(140)에 연장되어 선체(100) 외부로 해수를 배수하는 제2배수관(162)을 포함한다. 그리고 제2급수관(152)과 분기관(153)에는 해수의 진행방향을 제어하는 밸브(152V, 153V)가 각각 설치된다.

이와 같이 구성된 선박의 평형수 시스템에 있어서, 복수의 열교환기(120)는 이젝터(140)보다 높게 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 해수 리프트 펌프(110)를 통해 선체(100) 내부로 유입된 해수는 제1급수관(151)을 통해 열교환기(120)로 유입된다. 열교환기(120)는 LNG를 냉각하기 위한 냉매가 순환하며, 열교환기(120)로 유입된 해수는 냉매와 열교환하면서 가열된 상태로 제2급수관(152)을 통해 배출된다.

열교환기(120)에서 배출된 해수는 제2급수관(152)을 통해 평형수 탱크(130)로 유입된다.

평형수 탱크(130)로 유입되는 해수는 열교환기(120)를 통해 45℃ 내지 65℃로 가열된 상태로 평형수 탱크(130)에 채워진다.

이와 같이 해수가 45℃ 내지 65℃로 가열되면서 해수에 포함된 미생물 및 생물은 살균된다. 특히 상온 보다 낮은 온도의 해수에서 생식하는 미생물 및 생물은 45℃ 내지 65℃에서 대부분 살균되지만, 이보다 더 살균의 신뢰성이 요구될 경우 별도의 평형수 처리장치를 통해 재가열하여 미생물 및 생물을 살균할 수 있다.

이 경우 별도의 평형수 처리장치에 유입되는 해수의 온도가 45℃ 내지 65℃로 예비 가열된 해수가 평형수 처리장치로 유입됨에 따라 예비 가열되지 않은 해수를 가열하는 열량에 비해 작은 열량으로 살균의 신뢰성을 높일 수 있다.

이와 같이 살균된 해수가 평형수 탱크(130)에 채워지며, 살균된 평형수가 채워진 상태로 선박이 목적지에 도착하면 평형수에 채워진 해수를 바다에 배수한다.

이때 제2급수관(152)에 설치된 밸브(152V)를 폐쇄하고, 분기관(153)에 설치된 밸브(153V)를 개방하면 열교환기(120)에서 배수된 해수는 분기관(153)을 통해 이젝터(140)로 유입된다.

열교환기(120)에서 배수되는 해수는 약 3Bar의 압력 수두를 가지며, 더불어 열교환기(120)가 이젝터(140)보다 높게 위치함에 따라 위치 수두가 형성된다.

따라서 제2급수관(152)과 분기관(153)을 통해 이젝터(140)로 유입되는 해수는 압력 수두 및 위치 수두 즉 압력 에너지와 위치 에너지를 가지며, 이런 해수가 이젝터(140)를 통과하면서 벤추리 원리에 의해 평형수 탱크(130)에 채워진 평형수를 제1배수관(161)을 통해 끌어올리게 된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이젝터(140)는 분기관(153)이 연결되는 제1유입구(141)와, 제1배수관(161)이 연결된 제2유입구(142)와, 제1유입구(141)를 통해 유입된 해수와 함께 제2유입구(142)로 유입된 평형수가 함께 배출되는 배출구(144)를 포함하며, 배출구(144)에는 제2배수관(162)이 연결된다.

여기에서 제1유입구(141) 즉 분기관(153)을 통해 유입되는 해수는 앞서 설명한 바와 같이 약 3bar의 압력 에너지와 이젝터(140)보다 높게 위치하는 열교환기(120)로부터 발생하는 위치 에너지를 통해 제1유입구(141)로 유입됨에 따라 해수가 이젝터(140)의 내부를 고속 저압상태로 진행하게 되며, 그에 따라 해수의 진행방향의 수직 하향으로 연결된 제1배수관(161)을 통해 평형수 탱크(130) 내부의 평형수를 이젝터(140)의 내부로 끌어올리게 된다.

고속 저압 상태로 진행하는 해수에 의해 이젝터(140)의 내부로 끌어올린 평형수는 진행하는 해수와 함께 이젝터(140)의 배출구(144)를 통해 제2배수관(162)로 유입되고 제2배수관(162)을 통해 바다로 배수된다.

이와 같이 본 발명에 따른 선박의 평형수 시스템은 기존 평형수 펌프(20)를 이용하여 해수와 평형수를 급수 및 배수하였던 구성을, LNG를 냉각시키기 위해 열교환기(120)로 공급되어진 해수를 평형수로 사용하고, 더불어 해수 리프트 펌프(110)로 끌어올린 해수의 위치 및 압력 에너지를 이용하여 평형수 탱크(130) 내부의 평형수를 배수함으로써, 기존의 평형수 펌프(20) 없이도 평형수의 급수 및 배수가 가능하다는 장점이 있다.

또한 열교환기(120)에서 가열된 해수가 평형수 탱크(130)에 저장됨으로써, 열에 의해 해수에 포함된 미생물 및 생물을 살균할 수 있어 해양 오염을 미연에 예방할 수 있다는 장점이 있다.

100 : 선체
110 : 해수 리프트 펌프
120 : 열교환기
130 : 평형수 탱크
140 : 이젝터
141, 142 : 유입구
144 : 배출구
151, 152 : 급수관
161, 162 : 배수관

Claims (4)

1. 외부에서 유입된 해수를 가열하는 열교환기(120)와,
   열교환기(120)에서 배출되는 해수가 채워지는 평형수 탱크(130)와,
   열교환기(120)에서 배출되는 해수가 내부로 유입되어 진행함에 따라 평형수 탱크(130)에 채워진 평형수를 내부로 유입하여 해수와 함께 배출시키는 이젝터(Ejector)(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 평형수 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   외부에서 열교환기(120)로 유입된 해수는 LNG를 냉각시키는 냉매로부터 열을 흡수하여 가열된 상태로 배출되어 평형수 탱크(130) 또는 이젝터(140)로 진입하는 것을 특징으로 하는 선박의 평형수 시스템.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   열교환기(120)는 이젝터(140)보다 높게 위치하며, 이젝터(140)로 유입되는 해수는 열교환기(120)와의 높이 차에 따른 위치 에너지와 열교환기(120)에서 배출되는 압력 에너지를 갖고 이젝터(140)로 유입되며, 상기 위치 에너지와 압력 에너지에 의해 이젝터(140)의 내부를 진행함에 따라 평형수 탱크(130) 내의 평형수가 이젝터(140)의 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 선박의 평형수 시스템.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   해수를 상부로 올리는 해수 리프트 펌프(110)와, 해수 리프트 펌프(110)에서 열교환기(120)로 해수를 공급하는 제1급수관(151)과, 열교환기(120)에서 평형수 탱크(130)로 연장된 제2급수관(152)과, 제2급수관(152)에서 분기되어 이젝터(140)로 연장된 분기관(153)과, 평형수 탱크(130)에서 이젝터(140)로 연장된 제1배수관(161)과, 이젝터(140)에 연장되어 선체(100) 외부로 연장되어 해수를 배수하는 제2배수관(162) 및 제2급수관(152)과 분기관(153)에 설치되어 해수의 진행방향을 제어하는 밸브(152V, 153V)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 평형수 시스템.

Images