KR20220154219A - 해양 배기 가스 배출에 대한 자율 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터 - Google Patents
해양 배기 가스 배출에 대한 자율 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터 Download PDFInfo
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Abstract
해상 이산화황 배출 전환 모니터링 시스템은 자체 전력이 공급되고 작동을 위해 저전력을 필요로 하는 배출 샘플링 장치를 갖는다. 배출 샘플링 장치는 이산화황 및 이산화탄소를 정량화할 수 있는 민감하고 선택적인 화학적 감지 기술을 갖고 있다. 이산화황 및 이산화탄소 외에 상대 습도, 온도 및 압력 센서들이 배기 가스를 모니터링하는 데 사용된다. 필터들이 선박 엔진 배기 가스에서 고체 및 액체 에어로졸 성분들을 제거하는 데 사용된다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "해상 이산화황 배출 전환 및 모니터링 시스템(MARITIME SULFUR DIOXIDE EMISSIONS SWITCH AND MONITORING SYSTEM)"인 2020년 3월 16일에 출원된 가출원 번호 62/990,226 및 발명의 명칭이 "해상 배기 가스 배출에 대한 자율 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터(AUTONOMOUS REAL-TIME SULFUR DIOXIDE AND CARBON DIOXIDE MONITOR FO MARINE EXHAUST EMISSIONS)"인 2020년 11월 5일에 출원된 가출원 번호 63/110,159에 개시된 하나 이상의 발명들을 청구한다. 미국 가출원들의 35 USC § 119(e)에 따른 이익이 이에 의해 청구되며, 앞서 언급한 출원들은 여기에 참조로 포함된다.
본 발명은 환경 센서 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 해상 배기 가스 배출에서 이산화황 및 이산화탄소의 자율적인 실시간 모니터링을 위한 센서들 및 센서들을 사용하는 방법에 관한 것이다.
해양의 해운 산업은 이산화황(SO2) 배기 가스 배출과 관련하여 국제 해사 기구(IMO) 규정의 적용을 받는다. 이러한 규정을 집행하는 임무를 맡은 전 세계의 해안 경비대는 규정 준수 불이행(non-compliance)을 검출할 수 있는 옵션들이 거의 없다. 존재하는 것들은 비싸고 매우 제한된 범위만을 제공한다. USCG(미국 해안 경비대)와 MCA(영국 해양 해안 경비대)의 해안 경비대는 규정 준수를 모니터링할 효과적인 수단이 없으며 정밀 조사가 필요한 선박들을 식별하는 데 도움이 되는 시스템을 원한다고 공개적으로 밝혔다. 규정들은 2020년 1월 1일부터 더욱 강화될 예정이다.
배기 가스 정화 시스템들과 같은 완화 프로세스를 제외하고 SOx 배기 가스 배출은 연료의 황 함량과 직접적으로 관련이 있다. 효과적으로, 연료의 황 농도는 배기 가스의 황 농도에 대한 대용물이 되며, 연료 전환 규정은 이러한 이해를 반영한다.
규정에 따르면 배기 가스 정화 시스템이 없는 선박들은 그들이 있는 해당 구역에 대한 규정에 준수하는 연료로 전환하고 규정 준수 행동에 대한 기록을 보관해야 한다. 이 법률은 선박들이 SO2 배출 통제 구역(SECA)의 지역 내부와 외부에서 서로 다른 농도의 저유황 연료를 연소하도록 하고 있으며 조사 중 검토를 위해 연료 전환 이벤트의 로그를 보관해야 한다. 로그에 연료 전환을 했다고 기록됐을 때 연료 전환이 실제로 일어났는지를 확인하는 것은 길고 부정확한 과정이 되며 이에 대해 벌금과 감금이 가중된다.
드론, 비행기, 또는 다리 장착 센서들을 사용하여 의심되는 선박들을 탐지하기 위해 선박 위의 공기를 "스니핑(sniffing)"하려는 다양한 시도들은 빈약하고 범위가 제한적이며 종종 비용이 많이 드는 것으로 입증되었다.
영구적인 선박 탑재 센서들은 전반적으로 효과적이다. 그러나, 연료 테스트와 일치시키기에 충분히 정확한 실험실 등급 감지 디바이스들은 설치 및 유지 관리 비용이 너무 많이 든다.
이러한 상황은 세계의 해안 경비대들에게 그들의 주의를 집중할 곳을 알게 하는 효과적인 방법이 없게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 해상 이산화황 배출 전환 모니터링 시스템은 자체 전력이 공급되고 작동을 위해 저전력을 필요로 하는 배출 샘플링 장치(emissions sampling apparatus)를 갖는다. 배출 샘플링 장치는 화학적으로 복잡한 샘플 매트릭스에서 이산화황(SO2) 및 이산화탄소(CO2)를 정량화할 수 있는 민감하고 선택적인 화학적 감지 기술을 가지고 있다. SO2 및 CO2 외에도 상대 습도, 온도 및 압력 센서들을 포함하는 정량화 알고리즘이 배기 가스 모니터링에 사용된다. 필터들이 선박 엔진 배기 가스에서 고체 및 액체 에어로졸 성분들을 제거하는 데 사용된다.
도 1은 해상 이산화황 배출 전환 모니터링 시스템의 개요를 도시한다.
도 2a는 이산화황 배출 장치의 등각도를 도시한다.
도 2b는 이산화황 배출 장치의 평면도를 도시한다.
도 2c는 이산화황 배출 장치의 저면도를 도시한다.
도 2d는 이산화황 배출 장치의 측면도를 도시한다.
도 2e는 이산화황 배출 장치의 배면도를 도시한다.
도 3a는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 제1 도면을 도시한다.
도 3a는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 대안적인 도면을 도시한다.
도 4는 도 3a-3b의 프리필터의 클로즈업을 도시한다.
도 5a는 도 3a-3b의 계층화된 필터의 측면도를 도시한다.
도 5b는 도 3a-3b의 계층화된 필터의 분해 등각도를 도시한다.
도 5c는 도 3a-3b의 계층화된 필터의 분해 측면도를 도시한다.
도 6은 배기 가스 필터 센서 서브시스템의 가스 흡수 셀을 도시한다.
도 7은 해상 배기 가스 배출의 자율적인 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법의 블록도를 도시한다.
도 8a는 단일 퍼널(single funnel)의 한 쌍의 스택들에 대한 전면 장착 설치 옵션을 도시한다.
도 8b는 단일 퍼널의 여러 스택들에 대한 외부 측면 설치를 보여준다.
도 8c는 만곡된 배기 스택(exhaust stack)에 대한 장착 옵션을 도시한다.
도 8d는 단일 퍼널의 복수의 스택들에 대한 후면 장착 옵션을 도시한다.
도 8e는 다중 스택들이 센서 유닛들을 설치하고 있는 다중의 퍼널들을 도시한다.
도 8f는 다중의 배기 스택들을 갖고 센서 유닛을 장착한 유람선 퍼널을 도시한다.
도 9는 방열판의 측면도를 도시한다.
도 10은 열전 발전기(TEG) 및 방열판의 평면도를 도시한다.
도 11은 예시적인 실시예가 구현될 수 있는 모니터링 센터와 연관된 컴퓨터 및 선상 이산화황 배출 장치의 내부 구성요소들을 도시한다.
도 12는 선박 데이터를 클라이언트에 전달하기 위한 예시적인 사용자 인터페이스를 도시한다.
도 13은 선박이 SECA 경계를 횡단할 때의 샘플 전략의 스케치를 도시한다.
도 2a는 이산화황 배출 장치의 등각도를 도시한다.
도 2b는 이산화황 배출 장치의 평면도를 도시한다.
도 2c는 이산화황 배출 장치의 저면도를 도시한다.
도 2d는 이산화황 배출 장치의 측면도를 도시한다.
도 2e는 이산화황 배출 장치의 배면도를 도시한다.
도 3a는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 제1 도면을 도시한다.
도 3a는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 대안적인 도면을 도시한다.
도 4는 도 3a-3b의 프리필터의 클로즈업을 도시한다.
도 5a는 도 3a-3b의 계층화된 필터의 측면도를 도시한다.
도 5b는 도 3a-3b의 계층화된 필터의 분해 등각도를 도시한다.
도 5c는 도 3a-3b의 계층화된 필터의 분해 측면도를 도시한다.
도 6은 배기 가스 필터 센서 서브시스템의 가스 흡수 셀을 도시한다.
도 7은 해상 배기 가스 배출의 자율적인 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법의 블록도를 도시한다.
도 8a는 단일 퍼널(single funnel)의 한 쌍의 스택들에 대한 전면 장착 설치 옵션을 도시한다.
도 8b는 단일 퍼널의 여러 스택들에 대한 외부 측면 설치를 보여준다.
도 8c는 만곡된 배기 스택(exhaust stack)에 대한 장착 옵션을 도시한다.
도 8d는 단일 퍼널의 복수의 스택들에 대한 후면 장착 옵션을 도시한다.
도 8e는 다중 스택들이 센서 유닛들을 설치하고 있는 다중의 퍼널들을 도시한다.
도 8f는 다중의 배기 스택들을 갖고 센서 유닛을 장착한 유람선 퍼널을 도시한다.
도 9는 방열판의 측면도를 도시한다.
도 10은 열전 발전기(TEG) 및 방열판의 평면도를 도시한다.
도 11은 예시적인 실시예가 구현될 수 있는 모니터링 센터와 연관된 컴퓨터 및 선상 이산화황 배출 장치의 내부 구성요소들을 도시한다.
도 12는 선박 데이터를 클라이언트에 전달하기 위한 예시적인 사용자 인터페이스를 도시한다.
도 13은 선박이 SECA 경계를 횡단할 때의 샘플 전략의 스케치를 도시한다.
여기에 설명된 장치 및 방법들은 확인하기 가장 어려운 규정 준수인 연료 전환 측면이 SO2 방출 제어 영역(SECA) 경계에 대해 실제로 올바르게 실행되는지 결정할 수 있다. 그리고 센서 시스템이 사용되어 연료 전환들이 SECA 경계에서 적절하게 발생했다는 불변의 제3자 검증을 제공함으로써 필수 로그 항목을 확증할 수 있다. 선박이 규정에 맞는 연료(즉, 여전히 운영자가 그들의 탱크에 넣고 있는 것을 알 수 있다)를 연소한다고 보장할 수 없지만, 불결한 연료 시스템의 경우와 같이 황 농도가 예기치 않게 변하는 경우 불규칙한 판독값을 나타낼 것이다. 이러한 정보는 집행 행위의 항소 과정에서 선박 운영자에게 유용하며 집행 담당자의 검사 노력을 크게 줄여준다.
시스템은 선박이 연료를 전환했을 때를 검출할 수 있으며 이는 규정 준수 선박에서 그들의 로그 항목들을 확인할 수 있다.
저비용, 저전력 SO2 센서들은 연료 유황 규정 준수 테스트들에 필요한 정확도로 배기가스 내 SO2 농도 계산을 수행하는 데 필요한 ppm 값 범위를 보고하기에 적절하게 넓은 범위를 갖지 않는다. 현재 규정들은 SECA 경계 밖의 해양 중부에 대해 3.5%(35,000ppm) SO2 배출 농도를 허용하고 있다. 2020년 1월 1일에 해당 레벨은 0.5%(5000ppm)로 감소된다. 해안과 항구 근처의 SECA 경계 내에서 한계는 현재이며 0.1%(1000ppm)로 유지될 것이다.
연소 공정은 0.1% 황 연료를 연소할 때 약 20ppm 체적, 0.5% 황 연료를 연소할 때 약 100ppm 체적까지 배기가스 내의 SO2를 감소시킨다. 본 발명의 실시예들에 의해 다루어지는 과제들 중 하나는 대략적인 연료 황 함량을 결정하고 국제 해사 기구(IMO) 규정 준수(compliance) 또는 규정 준수 불이행(non-compliance)을 확립하기 위해 화학적으로 복잡한 배기 매트릭스의 이러한 레벨들에서 SO2를 검출 및/또는 정량화하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 해상 선박의 스택 배기 가스(stack exhaust gas)는 미리 프로그래밍된 간격들로 샘플링되고 프리필터에서 사전 조절되어 입자성 물질(PM)을 제거하고 수증기 함량(WVC)을 지역 주변 환경과 평형화시킨다. 샘플링은 배출 샘플링 장치의 배기 가스 센서 서브시스템을 통해 배기 가스를 끌어당기는 펌프에 의해 구동된다. 배기 가스 센서 서브시스템은 중적외선 스펙트럼 대역에서 CO2 및 SO2의 각자의 대역 중심에서 응답하도록 조정된 비분산 적외선 흡수 분광법(NDIR-AS: Non-Dispersive Infra-Red Absorption Spectrometry)을 통해 배기 가스의 CO2 및 SO2를 측정한다. 비 타겟 가스 특정 기준 대역들(non-target gas specific reference bands)이 SO2 검출 대역에서 내부 기준 및 WVC 배경 보정에 사용된다. 배출 샘플링 장치는 배기 스택 가스와 유입 방지 배기 가스 센서 서브시스템 사이의 온도 차이에 의해 구동되는 열전 발전기(TEG)에 의해 자체 전력이 공급된다. TEG는 또한 예를 들어 선박이 항구에 있을 때 엔진 부하가 낮거나 없기 때문에 TEG가 전달할 수 없을 때 배출 샘플링 장치에 전력을 공급하는 백업 배터리의 충전을 유지하는 역할을 한다. 배출 샘플링 장치는 또한 엔진이 장기간 유휴 상태일 때 자동으로 절전 모드로 전환하고 사용 중일 때 다시 작동할 수 있다. 배출 샘플링 장치는 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)을 추가로 포함하고 통신 링크를 통해 의사 실시간 간격들로 CO2 및 SO2 측정 데이터 및 기타 데이터를 전송할 수 있다.
배출 샘플링 장치는 설치 면적이 작고 자체 전력이 공급되며 유지 보수가 필요 없다.
배출 샘플링 장치는 바람직하게는 2-500ppm 체적의 범위(<0.1%-3.5%의 연료 황 함량(FSC)에 해당) 내에서 배기 가스 SO2 함량을 결정할 수 있다. 이 범위는 극초저유황 연료유(ULSFO), 초저유황 연료유(VLSFO) 및 모든 엔진 부하 조건에서 연소되는 중유(HFO)를 통한 사용을 포함한다. 배기 가스 CO2 함량 검출 범위는 바람직하게는 2 내지 5% 체적이다.
일 실시예에서, 샘플링은 해상 선박이 모니터링 SECA 경계로부터 20 해리 미만일 때 대략 60분 이하의 간격으로 또는 다른 간격으로 발생한다. 다른 샘플링 방식도 구현될 수 있다.
개요
도 1은 해상 이산화황 배출 전환 모니터링 시스템(1)의 개요를 도시한다.
배출 샘플링 장치(10)는 마운트(4)를 통해 해상 선박 퍼널의 적어도 하나의 배기 스택에 부착된다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 배출 샘플링 장치(10)는 먼지, 공기 중 먼지 입자(IP66 또는 NEMA 4x 등급)로부터 장치(10)의 서브시스템들을 둘러싸고 보호하는 하우징(161)을 갖는다. 하우징(161)은 방열판(8) 및 열전 발전기(TEG)(6)를 둘러싸는 방열판 하우징(162)에 연결된다. TEG(6)는 해양 선박의 배기 스택 내에 배출 샘플링 장치(10)의 연결 및 배치를 위한 마운트(4)에 인접한 집열기(heat collector)(130)에 연결된다. 집열기(130)는 집열기 하우징(131)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 배기 스택에 설치될 때, 집열기(130)는 배기 스택으로부터의 배기 가스 스트림 내에 존재한다. 또한 하우징(161) 내부에는 프리필터(12), 펌프(22), 배기 가스 센서 서브시스템(20), 전자 드라이버 및 프로세서(12), 위성 모뎀(14), 글로벌 포지셔닝 시스템(16), 및 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)이 있다.
다시 도 1을 참조하면, 배기 스택으로부터의 배기 가스(50)는 배출 샘플링 장치(10)의 프리필터(12)의 입구를 통해 펌프(22)에 의해 펌핑된다. 프리필터(12)는 또한 아래에서 더 상세히 논의되는 응축기 요소를 포함한다. 배기 가스(51)가 프리필터(12)를 통과한 후, 가스는 적어도 이산화황 함량, 이산화탄소 함량, 배기 가스의 온도, 배기 가스의 압력, 및 상대 습도를 측정하는 배기 가스 센서 서브시스템(20)으로 들어간다. 그리고, 배기 가스(52)는 펌핑되어 배기 가스 센서 서브시스템(20)의 가스 흡수 셀의 배기 출구인 펌프(22)를 통해 배출 샘플링 장치(10) 밖으로 배출된다.
배출 샘플링 장치(10)는 또한 배기 가스 센서 서브시스템(20), 펌프(22) 및 위성 모뎀(14)으로부터의 데이터를 제어, 처리 및 저장하기 위한 전자 드라이버 및 프로세서(18)를 갖는다. 펌프(22), 전자 드라이버 및 프로세서(12), 및 배기 가스 센서 서브시스템(20)은 전력 공급을 위해 TEG(6)와 통신하는 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 추가로 연결된다.
글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)(16)로부터의 위치는 또한 다른 데이터와 함께 네트워크(28)를 통해 모니터링 센터(30)로 전송하기 위해 위성 모뎀(14)에 제공된다. 네트워크(28)는 구리선, 광섬유, 무선 전송, 라우터, 방화벽, 스위치, 게이트웨이 컴퓨터 및/또는 에지 서버를 포함할 수 있다.
해상 선박의 배출 샘플링 장치(10)는 위성(26) 및/또는 무선 통신(27)을 통하여 네트워크(28)를 통해 모니터링 센터(30)와 통신한다.
열전 발전기(TEG)
도 9 및 도 10을 참조하면, 방열판 하우징(162) 내부에는 열전 발전기(TEG)(6) 및 방열판(8)이 있다. TEG(6) 및 방열판(8)의 출력은 배출 샘플링 장치(10)에 전력을 공급하기 위해 전력 관리 및 백업 시스템(24)에 전력을 공급하는 전원 커넥터(133)이다.
집열기(130)는 예를 들어 클램프 및 나사(175)를 사용하여 방열판 하우징(162) 및 TEG(6)에 고정되며 집열기(130)와 TEG(6)를 최소한의 분리로 함께 유지한다. 집열기(130)와 방열판 하우징(162) 사이에는 절연재(insulation)가 존재할 수 있다. 집열기(130)는 배기 스택의 배기 가스 내에 배치된다. 집열기(130)는 스페이서들(172a, 172b, 172c, 172d, 172e)에 의해 이격된 복수의 핀들(171a, 171b, 171c, 171d, 171e)을 갖는 적어도 2개의 열 파이프들(170a, 170b)을 포함한다.
해상 선박의 내연 기관은 작동시 배기 가스 스택들을 통해 배기 가스를 배출하며, 배기 가스는 일반적으로 상승된 온도를 갖는 것에 특징이 있다. 집열기(130)의 핀들(171a, 171b, 171c, 171d, 171e)은 배기 가스 스택의 배기 가스로부터 열을 직접 수집하고 열 파이프들(170a, 170b)을 통해 열을 전달한다. 열 파이프들(170a, 170b)로부터, 열은 열 차폐체(heat shield)(174)를 통해 TEG(6) 및 방열판(8)으로 열을 전달하는 열 캐리어(heat carrier)(173)로 전달된다. 열 차폐체(174)는 열 캐리어(173)와 TEG(6) 사이에 존재한다. 열 차폐체(174)는 열을 차단하여 방열판(8)의 효율성을 향상시킨다. 방열판(8)에 제공된 열은 열 방출면(8a)에서 방출된다. 열 캐리어(173)는 전위(electrical potential)를 생성하기 위해 고온의 배기 가스 스택 및 저온의 방열판(8)에 의해 경계를 이루는 2개의 상이한 전도체들을 포함한다. TEG(6)는 방열판(8)의 열 방출면(8a)을 통해 열의 방출 및 냉각 동안 전력을 생성하여 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 저장 및 전달될 수 있는 전위를 생성하고 및/또는 커넥터(133)를 통해 배출 샘플링 장치(10)에 직접 전력을 공급할 수 있다. 방열판(8)은 TEG(6)로부터 열을 끌어온다.
다른 실시예들에서, TEG(6)는 제한되지는 않지만 태양력 또는 풍력을 포함할 수 있는 다른 자체 전력 공급 옵션들로 대체될 수 있다.
전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)은 배출 샘플링 장치(10)의 배터리의 전압 및 환경 사양에 따라 TEG(8)로부터 배터리 충전을 제어한다. 시간 및 온도에 따른 전압 및 전류 흐름 모니터링에 기반한 충전 상태 계산은 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 의해 수행된다. 충전 상태 값은 배터리에 결함이 있거나 충전량이 부족한 경우 경고가 트리거될 수 있게 한다.
배기 가스 흐름
도 3a-3b는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프를 도시한다. 배기 가스 흐름이 화살표들로 표시된다.
일반적으로, 배기 가스는 프리필터(4)를 통해 펌프(22)에 의해 펌핑된다. 프리필터(4)로부터, 배기 가스는 응축기 요소(33)를 통해 계층화된 필터(34)로 이동한다. 계층화된 필터(34)로부터, 배기 가스는 가스 흡수 셀(35)을 통해 이동하고 배출 샘플링 장치(10) 밖으로 배출된다. 압력/온도 센서(36)가 가스 흡수 셀(35)과 펌프(22) 사이에 존재한다.
프리필터
도 4는 프리필터(12)를 도시한다. 프리필터(12)의 제1 단부(12a)는 배기 가스 유입구(200)를 가지며 배기 가스 스택 내에 존재한다. 프리필터(12)의 제2 단부(12b)는 바람직하게는 스테인리스 스틸로 만들어진 매니폴드(201)를 통해 응축기 요소(33)와 연통한다. 제1 단부(12a)는 배기 가스 유입구를 수용하기 위한 다공성 스테인리스 스틸 필터(203)가 있는 개구(202)를 갖는다. 배기 가스는 필터(203)를 통해 매니폴드(201)를 통과하고 응축기 요소(33)의 제1 단부(33a)에 연결된 배관(204) 내로 통과한다. 스테인리스 스틸 필터(203)는 바람직하게는 0.05 미크론보다 큰 미립자를 제거한다.
응축기
도 3a-3b를 참조하면, 응축기(33)는 배관(204)을 둘러싸는 슬리브(205)로 형성된다. 배관(204)은 바람직하게는 수분이 배관(204)의 내부(204a)로부터 배관(204)의 외부(204b)로 전달되도록 하는 다공성이다. 일 실시예에서, 배관(204)은 폴리머로 만들어지고, 슬리브(205)는 고어텍스(gore-tex) 또는 다른 통기성 재료로 만들어질 수 있다. 슬리브(205)를 통한 주변 공기는 증기가 배관(204)을 통해 이동함에 따라 배기 가스 증기를 냉각하는 데 사용될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 증기가 배관(204)을 통해 이동함에 따라 배기 가스 증기를 냉각시키는 것을 돕기 위해 물 또는 다른 유체가 슬리브(205) 내에서 순환될 수 있다. 배기 가스 증기는 바람직하게는 주변 대기 조건의 이슬점 온도 아래로 냉각된다. 응축기(33)의 제2 단부(33b)는 계층화된 필터(34)와 연통한다.
계층화된 필터
계층화된 필터(34)는 도 5a-5c에 도시된 유입구 플랜지(208)에 결합된 유입구(207)를 통해 배관(206)을 통해 냉각된 공기를 수용한다. 유입구 플랜지(207)로부터, 배기 가스 증기는 제1 개스킷(209), 제1 필터(210), 제2 개스킷(211), 제2 필터(212), 제3 개스킷(213), 제3 필터(214), 제4 개스킷(215), 제4 필터(216) 및 제5 개스킷(217)을 통과하고 배기 플랜지(218)의 배기부(219)를 통해 배기된다. 다중 개스킷들(209, 211, 213, 215, 217) 및 필터들(210, 212, 214, 216)은 플레이트(220) 및 볼트(221)를 통해 배기 플랜지(218)와 유입구 플랜지(208) 사이의 제자리에 유지된다. 플레이트(220)는 또한 파이프(206)에 대한 파이프 연결을 지지한다.
제1 필터(210), 제2 필터(212), 제3 필터(214) 및 제4 필터(216)는 모두 바람직하게는 상이한 입자 크기 필터이다. 예를 들어, 제1 필터(210)는 10μm 필터이고, 제2 필터(212)는 1.0μm 필터이고, 제3 필터(214)는 0.45μm 필터이고, 제4 필터(216)는 와이어 메쉬이다. 필터 크기들은 적외선(IR) 분산을 방지하기 위해 2μm보다 큰 입자의 진입을 적절하게 제거하고 아래에서 논의되는 가스 흡수 셀(240)이 샘플 챔버 내의 작은 입자의 침전 문제를 겪지 않도록 보장하기 위해 2μm 미만인 많은 미립자를 제거하는 임의의 크기일 수 있다.
가스 흡수 셀
비분산 적외선 흡수 분광법(NDIR-AS)을 사용하는 가스 흡수 셀(240)의 예가 도 6에 도시되어 있다. 배기 플랜지(218)의 배기부(219)로부터, 배기 가스 증기는 가스 흡수 셀(240)의 유입구 포트(241)로 통과한다.
가스 흡수 셀(240)은 배출기(242)를 갖는 제1 단부(240a) 및 검출기(243)를 갖는 제2 단부(240b), 및 샘플 챔버(244)를 형성하는 배출기(242)와 검출기(243) 사이의 길이 L을 갖는다. 유입구 포트(241) 및 배기 포트(245)는 가스 흡수 셀(240)의 샘플 챔버(244)의 길이(L)를 따라 배출기(242)와 검출기(243) 사이에 있다. 일 실시예에서, 샘플 챔버(244)는 적어도 28.5cm의 길이를 갖는다.
제1 단부(240a)의 배출기(240)는 반사기(247) 및 적외선 소스(246)를 갖는다. 제2 단부(240b)의 검출기(243)는 하나 이상의 통과대역 필터(248) 및 적외선 검출기(249)를 포함한다. 적외선 소스(246)로부터의 적외선 광은 샘플 챔버(244)를 통해 검출기(243)를 향해 지향된다. 가스 압력 및 가스 온도에 대한 센서들(251)이 샘플 챔버(244) 내에 존재할 수 있다. 도 6에서 센서들(251)의 위치는 단지 예시를 위한 것이며 샘플 챔버(244) 내의 임의의 위치에 있을 수 있다. 샘플 챔버(244) 내의 가스는 특정 파장들의 흡수를 유발하고 이러한 파장들의 감쇠는 가스 농도를 결정하기 위해 검출기(243)에 의해 측정된다. 하나 이상의 통과대역 또는 광학 필터들(248)이 선택된 가스 분자들이 흡수할 수 있는 파장을 제외한 모든 적외선 광을 제거하기 위해 검출기(243) 앞에 위치된다. 검출기(243)는 필터들(248)에 의해 흡수되지 않은 적외선(IR) 광의 양을 측정한다. 샘플 가스 챔버(240)를 통과한 후, 배기 가스 증기는 배기 포트(245)를 통해 가스 흡수 셀을 나간다.
본 발명의 실시예에서, 통과대역 또는 광학 필터들(248)은 이산화황에 특이적이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 통과대역 또는 광학 필터들(248)은 이산화탄소, 이산화황 및 물에 대해 특이적이다.
또 다른 실시예에서, 통과대역 또는 광학 필터들(248)은 이산화탄소 필터, 이산화탄소 기준 필터, 이산화황 필터 및 이산화황 기준 필터에 대응하는 4개의 필터들을 포함한다.
다른 실시예에서, 상대 습도 센서(250)가 배기 가스의 수증기 함량을 측정하기 위해 배기 포트(245)에 존재한다.
대안적인 실시예에서, 가스 흡수 셀(240)은 단일 IR 광원(246)을 갖고, 검출기(243)는 예를 들어 이산화탄소 및 이산화황과 같은 2개의 검출기들 앞의 상이한 가스들에 대한 2개의 상이한 통과대역 필터들(248)에 대응하는 2개의 검출기를 포함한다. 타겟 가스(예: 이산화황 또는 이산화탄소)에 의해 흡수된 적외선 광은 타겟 가스의 검출을 위해 특정 대역폭으로 활성 필터를 통과한다. 타겟 가스와 상호 작용하지 않는 적외선 광은 참조 필터를 통과한다. 이 두 대역폭들에서 투과된 광 강도들 사이의 차이는 가스 농도로 변환된다. 이중 파장 센서는 광원 또는 가스 셀의 노화 효과가 기준 파장의 출력 신호들에 의해 자동으로 보상되므로 장기간 작동 동안 안정적인 측정을 보장한다.
이산화탄소를 위한 필터(248)는 4.65μm을 기준으로 4.45μm가 바람직하다. 이산화황을 위한 필터(248)는 7.85μm을 기준으로 7.3μm가 바람직하다. 배경 보정을 사용하기 위한 수증기 함량의 검출은 4.65μm을 기준으로 7.85μm이다.
다른 실시예에서, 이산화탄소를 위한 하나보다 많은 필터가 존재할 수 있고 이산화황을 위한 하나보다 많은 필터가 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 이산화탄소를 위한 필터(248)는 1.9-2.1μm 사이이다. 다른 실시예에서, 이산화탄소를 위한 필터(248)는 2.6-2.9μm 사이이다. 또 다른 실시예에서, 필터(248)는 4.1-4.5μm 사이이다.
일 실시예에서, 이산화황을 위한 필터(248)는 7.1-7.6 μm 사이이다.
일 실시예에서, 다른 필터들은 이산화탄소 및 이산화황 또는 다른 배기 가스들과 중첩되지 않는 다양한 대역들, 예를 들어 1.3-1.5μm, 1.75-2.0μm, 2.5-3.0μm, 및 5.0-8.0μm에 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 기준 대역들은 또한 필터보다 적은 또는 +/- 0.2μm인 필터(248)로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 기준 필터는 3.09μm, 3.72μm, 3.95μm 및/또는 7.85μm일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 단일 IR 광원(246)은 필터들(248)이 배출기 및 IR 광원(246)에 인접하는 다중 소스들을 포함한다.
가스 농도는 하나 이상의 검출기들에 의해 전자 드라이버 및 프로세서(18)의 프로세서들로 전송된다. 그리고, 배기 가스(52)는 배출 샘플링 장치(10)의 배기 출구 밖으로 펌핑된다.
전자 드라이버/프로세서
프로세서들(18)은 가스 흡수 셀(240) 및 다양한 센서들로부터 스택의 배기 가스와 연관된 데이터를 수신하고 가스와 연관된 데이터 및 기타 데이터를 위성 모뎀(14)으로 모니터링 센터(30)로 전송한다. 데이터는 전송되는 데이터의 양을 줄이기 위해 바이트 어레이로 전송되는 것이 바람직하다. 배출 샘플링 장치(10)로부터의 데이터는 예를 들어 위성 모뎀(14)을 통해 통신 채널을 실행하기 위해 통신하거나 에너지를 비축할 수 있는지 여부에 상관 없이 규칙적인 주기적 방식으로 모니터링 시스템(30)으로 전송된다는 점에 유의해야 한다.
위성(26)이 이용 가능하지 않거나 배출 샘플링 장치(10)가 데이터를 보내기에 충분한 이용 가능한 에너지를 갖지 않는 경우, 타임 스탬프 배기 샘플 데이터가 수집되어 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 RAM(822) 및 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 ROM(824) 또는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스(830)와 같은 메모리에 저장되어 다른 시간에 업로드되도록 한다. 데이터는 필요에 따라 배출 샘플링 장치(10)로부터 추가로 수동으로 추출될 수 있다.
배출 샘플링 장치(10)의 전력 관리 시스템(24)은 데이터 수집을 우선시한다는 점에 또한 주목해야 한다. 전력 관리 시스템(24)은 낮은 배터리 상태 동안 데이터 전송을 중지함으로써 에너지 소비를 줄인다.
전자 드라이버 및 프로세서(18)와 연관된 내부 구성요소들의 예가 도 11에 도시되어 있다. 전자 드라이버 및 프로세서(18)는 하나 이상의 버스들(826) 상의 하나 이상의 프로세서(820), 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 RAM(822) 및 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 ROM(824), 및 하나 이상의 운영 시스템(828) 및 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스(830)를 포함할 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같다. 하나 이상의 운영 시스템(828)은 하나 이상의 RAM(822)(일반적으로 캐시 메모리를 포함함)을 통해 하나 이상의 프로세서(820)에 의한 실행을 위해 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스(830)에 저장된다. 도 11에 도시된 실시예에서, 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스들(830) 각각은 내부 하드 드라이브의 자기 디스크 저장 디바이스이다. 대안적으로, 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스들(830) 각각은 ROM(824), EPROM, 플래시 메모리 또는 컴퓨터 프로그램 및 디지털 정보를 저장할 수 있는 임의의 다른 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스와 같은 반도체 저장 디바이스이다.
내부 구성요소들(800a)은 또한 모니터링 시스템(30)의 일부로서 존재하는 하나 이상의 휴대용 컴퓨터 판독 가능한 유형의 저장 디바이스로부터 판독 및 이에 기록하기 위한 R/W 드라이브 또는 인터페이스(832)를 포함한다.
컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 명령 실행 디바이스에 의해 사용하기 위한 명령들을 보유하고 저장할 수 있는 유형의 디바이스일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 예를 들어 전자 저장 디바이스, 자기 저장 디바이스, 광학 저장 디바이스, 전자기 저장 디바이스, 반도체 저장 디바이스, 또는 전술한 것들의 임의의 적절한 조합일 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체의 보다 구체적인 예의 비배타적인 목록은: 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 지울 수 있는 프로그램 가능한 판독 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 휴대용 컴팩트 디스크 판독 전용 메모리(CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(DVD), 메모리 스틱, 플로피 디스크, 펀치 카드 또는 그 위에 기록된 명령들을 갖는 홈의 융기 구조와 같은 기계적으로 인코딩된 디바이스, 및 전술한 것의 임의의 적절한 조합을 포함한다. 본 명세서에 사용된 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 무선 전파(radio waves) 또는 다른 자유롭게 전파하는 전자기파(other freely propagating electromagnetic waves), 도파관 또는 다른 전송 매체를 통해 전파하는 전자기파(예: 광섬유 케이블을 통과하는 광 펄스), 또는 전선을 통해 전송되는 전기 신호과 같은 일시적인 신호들 그 자체로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에 기술된 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로부터 각자의 컴퓨팅/프로세싱 디바이스들로 다운로드될 수 있거나, 또는 네트워크, 예를 들어, 인터넷, 근거리 통신망, 광역 통신망 및/또는 무선 네트워크를 통해 외부 컴퓨터 또는 외부 저장 디바이스로 다운로드될 수 있다. 네트워크는 구리 전송 케이블, 광 전송 섬유, 무선 전송, 라우터, 방화벽, 스위치, 게이트웨이 컴퓨터 및/또는 에지 서버를 포함할 수 있다. 각각의 컴퓨팅/프로세싱 디바이스의 네트워크 어댑터 카드 또는 네트워크 인터페이스는 네트워크로부터 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들을 수신하고 각자의 컴퓨팅/프로세싱 디바이스 내의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장하기 위해 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들을 전달한다.
본 발명의 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들은 어셈블러 명령어, 명령어 세트 아키텍처(ISA) 명령어, 기계 명령어, 기계 종속 명령어, 마이크로코드, 펌웨어 명령어, 상태 설정 데이터, 집적 회로용 구성 데이터, 또는 객체 지향 프로그래밍 언어 및 절차적 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어를 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어들의 임의의 조합으로 작성된 소스 코드 또는 객체 코드가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 프로그램 가능한 논리 회로, 필드-프로그램 가능한 게이트 어레이(FPGA), 또는 프로그램 가능한 로직 어레이(PLA)를 포함하는 전자 회로는 본 발명의 양태들을 수행하기 위해 상기 전자 회로를 개인화하도록 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들의 상태 정보를 활용함으로써 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들을 실행할 수 있다.
이러한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들은 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치의 프로세서에 제공되어 기계를 생성할 수 있으며, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치의 프로세서를 통해 실행되는 이러한 명령들은 흐름도 및/또는 블록도의 블록 또는 블록들에 지정된 기능들/행위들을 구현하기 위한 수단을 생성한다. 이러한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들은 또한 컴퓨터, 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치, 및/또는 다른 디바이스들을 특정 방식으로 기능하도록 다이렉트할 수 있는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 저장될 수 있고, 그에 따라서, 저장된 명령들을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 흐름도 및/또는 블록도의 블록 또는 블록들에 지정된 기능/행위의 양태들을 구현하는 명령들을 포함하는 제조 항목을 포함한다.
컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들은 또한 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치, 또는 다른 디바이스에 로딩되어 일련의 운용 단계들이 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 장치 또는 다른 디바이스 상에서 실행되게 함으로써 컴퓨터 구현 프로세스를 생성할 수 있고, 그에 따라서, 컴퓨터 또는 다른 프로그램 가능한 장치 또는 다른 디바이스에서 실행되는 명령들은 흐름도 및/또는 블록도 블록 또는 블록들에 지정된 기능/행위들을 구현한다.
샘플링 데이터 수집
일 실시예에서, 데이터는 적어도 매 60분마다 배기 가스로부터 수집된다. 해양 선박이 모니터링 SECA 경계에서 20해리 미만인 경우 수집 속도가 증가할 수 있다.
도 13은 선박이 바다(121)에서 항구(123)로 그리고 다시 바다(122)로 SECA 경계(대시-도트 라인(120))를 횡단할 때의 샘플 전략의 스케치를 보여준다. 선박의 인바운드 경로는 대시 라인(124)으로 표시되고 선박의 아웃바운드 경로는 짧고 긴 대시 라인(125)으로 표시된다. 경로들(124, 125) 각각의 화살표(126)는 대략 1시간의 항해를 나타낸다.
경로들(124, 125)을 따른 원들(127a-127j)은 시스템이 조치를 취하는 지점을 나타내며, 이는 다음 설명에서 자세히 설명될 것이다. 검은색으로 채워진 원들(127g-127h)은 범위를 벗어났거나 "나쁜"(즉, 규정 준수 불이행) 판독값을 나타내는 반면, 개방(백색으로 채워진) 원들(127a-127f 및 127j)은 범위 내에 있는(즉, 규정 준수) 판독값들을 나타낸다. 도트 라인들이 있는 원들은 낮은 배출 판독값들을 나타내고, 솔리드 라인들이 있는 원들은 높은 배출 판독값들을 나타낸다.
예시적인 전략은 다음과 같이 진행되며, 숫자들은 도 11의 포인트를 참조한다:
127a - 이 시점에서, 선박은 인바운드 경로(124)에서 SECA 경계(120) 밖에 있으므로, 고유황 연료가 허용된다. 배출 샘플링 장치(10)로부터의 판독값들은 높지만, 이 시점에서 SECA의 더 제한된 범위가 아직 적용되지 않기 때문에 여전히 규정을 준수한다. 시스템은 예를 들어 도 11에 도시된 바와 같이 매시간 선택된 스케줄에 따라 판독값들을 가져온다. 더 빈번한 또는 덜 빈번한 스케줄들도 적절하게 선택될 수 있다. 판독값이 취해지면, 판독값의 데이터(예: 시간, 위치, 규정 준수 상태, 및 아마도 원시 센서 데이터 숫자들)가 나중에 해안의 모니터링 센터(30)로 전송하기 위해 선박의 저장소에 저장된다.
127b - 선박이 SECA 경계(120)에 접근하고 있다. 시스템은 고유황 연료에서 저유황 연료로의 전환을 보여주는 데이터를 캡처하기 위해 더욱 빈번하게(매 10분마다 또는 더 빈번하게) 판독을 시작한다.
127c - 선박은 요구된 바에 따라 저유황 연료로 변환했고 시스템은 배출이 규정을 준수하는 것을 나타내는 판독값들로 이를 확인한다.
127d - 이 시점에서, 선박은 해안 기반 모바일 전화 네트워크의 범위 내에 있다. 시스템은 네트워크에 연결하고 적어도 온보드 시스템이 정상적으로 작동하고 선박이 규정을 준수하고 있다는 것을 나타내는 상태 보고서를 서버에 전송한다. 원하는 경우, 온보드 저장소로부터의 전체 업로드 데이터가 이 시점에서 중앙 서버로 전송될 수 있다.
127e - 배는 항구(123)에 있다. 시스템은 계속해서 배출을 모니터링하여 규정을 준수하는지 확인한다. 단계 127d에서 그와 같이 수행하지 않은 경우, 이 시점에서 선박이 항구에 있는 동안 저장소의 데이터가 모니터링 센터(30)에 업로드될 수 있다.
127f - 선박이 아웃바운드 경로(125)를 통해 항구를 떠났다. 판독값들은 배출이 내부 SECA 표준 준수을 유지하고 있음을 보여준다.
127g - 시스템이 "나쁜" 또는 범위를 벗어난 판독값의 샘플을 검출했다. 선박이 SECA 경계(120) 외부에서 너무 빨리 고유황 연료로 변경했거나 또는 이러한 것이 불량 샘플 또는 과도 상태로 인한 잘못된 판독일 수 있다.
127h - 샘플이 실제로 규정 준수 불이행 상태를 나타내고 잘못된 판독에 의한 것이 아니라는 것을 확인하기 위해 시스템은 일정 기간 동안 더욱 빈번하게 판독값들을 취한다. 판독값들이 계속해서 범위를 벗어나면 시스템은 이를 규정 준수 불이행 상황으로 기록한다.
127j - 선박이 SECA 경계(120) 밖에 있기 때문에 시스템은 더 높은 범위를 적용할 것이다. 시스템에서 측정한 판독값은 다시 "양호한” 상태가 되며 이는 선박이 이 지역에 적용되는 표준을 준수하고 있음을 나타낸다.
127k - 선박이 (지도 밖의) 다음의 항구에 도착하면, 마지막 업로드 이후 축적된 모든 이력 데이터가 온보드 저장소에서 중앙 서버로 전송된다.
배출 샘플링 장치(10)가 있는 선박의 사용자에게 또는 규정 준수 또는 규정 준수 불이행에 관한 집행 기관 또는 정부 기관에게 경고가 전송될 수 있다.
장착 옵션
도 8a-8f는 선상 배출 샘플링 장치(10)에 대한 설치 옵션의 예를 보여준다. 도 8a-8d 및 8f에는 다중 배기 스택들(141, 143, 144, 145, 146)이 있는 단일 퍼널(140)이 있다. 도 8e는 도 8a에 표시된 종류의 여러 퍼널들(147a, 147b)을 보여준다. 각 도면에서, 배출 샘플링 장치(10)를 설치하기 위한 위치들(142)이 박스들로 표시되어 있다.
도 8a 및 8e는 전면 장착 옵션을 나타내고, 도 8d는 후면 장착 옵션을 보여준다. 도 8b는 아웃보드 측면 설치를 보여준다.
도 8c는 2개의 직선 파이프들(141)에 더하여 만곡된 배기 스택(144)을 갖는 선박을 도시한다. 만곡된 파이프들(144)의 경우, 도시된 바와 같은 측면 마운트(142)가 바람직할 것이다.
도 8f는 다중 배기 스택들(149)이 "날개"의 단부들에서 퍼널(148)을 수평으로 둔 디자인의 유람선 퍼널(148)을 도시한다.
자율 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법
도 7은 해상 배기 가스 배출의 자율적인 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법을 도시한다.
제1 단계에서, 모니터링 센터(30)의 모니터링 시스템은 해상 선박의 배기 가스 분석 데이터 및 진단 데이터를 수신한다(단계 901). 데이터는 데이터 어레이로 모니터링 시스템으로 전송될 수 있다.
배기 가스 배출 분석 데이터는: 날짜, 시간, 위도 및 경도, 이산화황 값, 이산화탄소 값, 가스 습도, 가스 압력, 배출 샘플링 장치(10)의 고도, 해상 선박의 속도 및 해상 선박의 진행 방향, 사용 중인 연료 종류 및 해상 선박의 배기와 연관된 다른 정보를 포함할 수 있다.
해상 선박의 위도 및 경도 데이터, 날짜, 시간, 고도, 진행 방향 및 속도가 GPS 시스템(16)에 제공될 수 있다.
이산화황 값 및 이산화탄소 값은 바람직하게는 통과대역 필터들(248) 뒤의 검출기(243)로부터의 원시 검출기 값이다.
가스 압력 및 가스 온도는 바람직하게는 센서들(251)이 있는 가스 흡수 셀(240)의 샘플 챔버(244) 내에서 취해진다.
가스 습도는 상대 습도 센서(250)에 의해 공급된다. 이산화황 센서 값 및 이산화탄소 센서 값은 가스 흡수 셀(240)에 의해 제공된 판독값들로부터 전자 드라이버 및 프로세서(18)에 의해 계산될 수 있다. 가스 압력은 또한 가스 압력/온도 센서(36)에 의해 제공될 수 있다.
진단 데이터는: 배출 샘플링 장치 내의 온도 센서로부터의 인클로저 온도 또는 열 데이터, 배터리 전압, TEG 전압, 지리적 위치, 샘플 가스 컨디셔닝, 프리필터 또는 계층화된 필터에 존재하는 필터 압력, 및 탬퍼 검출 카운트를 포함할 수 있다.
인클로저 온도는 배출 샘플링 장치를 배출 샘플링 장치의 열 작동 허용 오차에서 벗어나게 하는 환경 조건으로 인해 발생할 수 있는 데이터의 이상(anomalies)을 결정하기 위해 배출 샘플링 장치 내의 내부 가스 압력/온도 센서에 의해 취해진다.
배터리 전압 및 TEG 전압은 열 에너지 수확 효과 및 배터리 용량 및 열화를 모니터링하기 위해 내부 아날로그-디지털(ADC) 변환기를 사용하여 측정된다.
필터 압력은 샘플에 대한 가스를 진공 펌핑하기 전과 펌핑 직후에 가스 경로의 진공 압력 차이를 측정한 것으로, 시간이 지남에 따라 필터가 막히는 경향을 나타낼 수 있다. 가스 압력 센서들은 계층화된 필터(34)의 배기부(219) 또는 유입부(207)에 존재할 수 있다. 추가적으로, 압력/온도 센서(36)가 사용될 수 있다.
탬퍼 카운트는 배출 샘플링 장치(10)의 하우징이 제거되거나 열렸는지 여부를 나타내며, 배출 샘플링 장치가 제조한 이후에 열렸는지 여부를 나타내는 광 검출기가 빛에 노출된 횟수의 집계이며, 이는 카운트가 증가한 후의 값들에 대한 의문을 제기하는 것이다. 탬퍼 검출 카운트가 트리거되면 데이터는 계속 수집되지만 결함 가능성이 있는 것으로 플래그가 지정된다.
데이터 수집 또는 모니터링 센터(30)로의 데이터 전송에 대해 선박 데이터 시스템에 대한 연결이 없음에 유의해야 한다.
모니터링 센터(30)에 제공된 데이터는 추가 선박 데이터로 보완될 수 있다. 예를 들어, 정오 보고서는 연료 소비 및 특정 연료 소비 동안 해상 선박이 놓여 있거나 놓여 있엇던 연관된 기상 조건을 이해하기 위한 추가 데이터를 제공하기 위해 획득될 수 있다.
진단 데이터는 배출 샘플링 장치(10)가 올바르게 기능하는지 여부, 배출 샘플링 장치(10)가 탬퍼링되었는지 여부 또는 배출 샘플링 장치(10)가 장치 수명 종료 전에 교체되어야 하는지 여부를 결정하는 데 사용된다.
모니터링 센터(30)의 모니터링 시스템은 데이터를 추출하고 저장소에 데이터를 저장한다(단계 902).
그리고 모니터링 시스템은 거리 및 시간에 따른 탄소 배출률(carbon emissions rate)을 계산하고 저장소에 탄소 배출 비율을 저장한다(단계 903).
모니터링 시스템은 특정 위치에서 연료 레벨의 황 배출률을 계산하고 황 배출률과 해상 선박의 특정 위치를 저장소에 저장한다(단계 904).
모니터링 시스템은 해상 선박의 특정 위치가 규제 구역에 있는지를 결정한다(단계 905). 규제 구역들은 경계들을 나타내는 위도 및 경도 좌표들의 목록으로 정의된다. 예를 들어, 지오펜스(geofences)가 각 샘플이 경계 내에서 또는 외부에서 취해지는지를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
해상 선박의 특정 위치가 규제 구역 내에 있고(단계 906), 황 배출률이 규제 구역에 대한 요구된 범위 내에 있는 경우(단계 907), 모니터링 시스템은 해상 선박의 연료 규정 준수와 요구된 범위 내에 있는 황 배출률에 관한 통지를 사용자들에게 전송하고(단계 908), 방법이 종료된다. 특정 위치들에서의 황 레벨들과 및 관련 한계 계산은 MARPOL Annex VI의 규정 14에 기초한다.
사용자들은 해상 선박의 소유자들, 해상 선박의 선장 또는 해상 선박에 있는 다른 사람들, 해안 경비대, 다른 법 집행 기관 또는 연료 소비 또는 환경 요인들을 모니터링하는 사용자들, 다른 사용자들일 수 있다.
특정 위치가 규제 구역 내에 있고(단계 906) 황 배출률이 규제 구역에 대한 요구된 범위 내에 있지 않은 경우(단계 907), 모니터링 시스템은 배출 샘플링 장치(10)가 올바르게 기능하는지를 결정한다(단계 909). 배출 샘플링 장치(10)의 기능은 진단 데이터를 미리 결정된 파라미터들 내의 기준점과 비교함으로써 결정될 수 있다. 모니터링 시스템이 배출 샘플링 장치(10)가 미리 결정된 파라미터들 밖에서 기능함으로써 올바르게 기능하지 않거나 탬퍼링된 것으로 결정하는 경우(단계 910), 교체 배출 샘플링 장치(10)가 해상 선박으로 보내지고 계산된 황 배출률과 함께 통지가 사용자들에게 전송되며(단계 911) 방법은 종료된다. 배출 샘플링 장치의 탬퍼링은 수신된 탬퍼 카운트에 의해 결정될 수 있다.
특정 위치가 규제 구역 내에 있고(단계 906) 황 배출률이 규제 구역에 대한 요구된 범위 내에 있지 않은 경우(단계 907), 모니터링 시스템은 이산화황 배출 장치(10)가 올바르게 기능하는지를 결정한다(단계 909). 모니터링 시스템이 배출 샘플링 장치(10)가 미리 결정된 파라미터들 내에서 올바르게 기능하고 탬퍼 카운트가 미리 결정된 양을 초과하지 않았다고 결정하면(단계 910), 계산된 황 배출률 및 규정 준수 불이행에 관한 통지가 사용자에게 보내지고(단계 912), 방법은 종료된다.
특정 위치가 규제 구역 내에 있지 않으면(단계 906), 방법은 종료된다.
본 발명의 양태들은 본 명세서에서 본 방법의 실시예에 따른 방법, 장치(시스템) 및 컴퓨터 프로그램 제품의 흐름도 및/또는 블록도를 참조하여 설명된다. 흐름도 및/또는 블록도의 각각의 블록, 및 흐름도 및/또는 블록도의 블록 조합은 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들에 의해 구현될 수 있음이 이해될 것이다.
도면들의 흐름도 및 블록도는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품의 가능한 구현들의 아키텍처, 기능, 및 운용을 예시한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도의 각 블록은 모듈, 세그먼트, 또는 명령들의 일부를 나타낼 수 있으며, 이는 지정된 논리 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 명령들을 포함한다. 일부 대안적인 구현들에서, 블록들에 언급된 기능들은 도면들에 언급된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 2개의 블록들은 실제로는, 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나 관련된 기능에 따라 블록들이 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 또한, 흐름도 및/또는 블록도의 각각의 블록과 흐름도 및/또는 블록도의 블록들의 조합은 지정된 기능들 또는 행위들을 수행하거나 특수 목적 하드웨어와 컴퓨터 명령들의 조합을 실행하는 특수 목적 하드웨어 기반 시스템들에 의해 구현될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
본 발명은 통합의 가능한 기술 세부 레벨에서 시스템, 방법 및/또는 컴퓨터 프로그램 제품일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 프로세서로 하여금 본 발명의 양태들을 수행하게 하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 명령들을 갖는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(또는 매체들)을 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스
도 12는 선박 데이터를 클라이언트에 전달하기 위한 예시적인 사용자 인터페이스를 도시한다. 디스플레이는 도면에 도시된 바와 같은 태블릿 디스플레이(510)와 같은 원하는 임의의 하드웨어에서 구현될 수 있다. 도면의 예시적인 디스플레이는 지리적 위치(위도/경도)(513) 및 시간(514)에 대한 열이 있는 시간 데이터 섹션(512)으로 나뉜다. 스크롤 바(523)는 당해 기술 분야에서 일반적인 방식으로 테이블을 통해 쉽게 탐색할 수 있도록 제공될 수 있다. 식별 섹션(515)은 사진(524) 및 예시적인 디스플레이에서 "유형: 드라이 벌크”와 같은 다른 정보를 포함할 수 있는 선박의 식별에 관한 정보를 디스플레이하기 위해 제공될 수 있다. 검색 박스(516)가 또한 제공될 수 있다.
맵 디스플레이(511)는 시간 데이터 섹션(512)에 표시된 시간 간격 동안 선박의 경로(118)를 보여준다. 시간 데이터 항목들(521) 중 하나가 선택되고, 그 시간에 경로(518) 상의 선박의 위치가 맵 상에 원(520)으로 표시된다.
맵은 또한 대시-도트 라인(517)으로 SECA의 경계를 표시한다. 항구로 들어오는 선박들은 SECA(517)의 경계를 넘기 전에 저유황 연료로 전환하도록 요구된다.
이 예에서 선박은 연료 전환이 늦었다. 선박이 코스 라인(518)의 점선 부분(519)에 있는 시간 동안, 선박은 여전히 고유황을 연소하고 있었는데, 이는 선박이 이 기간 동안 규정을 준수하지 않았음을 의미한다. 이 규정 준수 불이행 기간에 대응하는 시간 데이터 디스플레이(512) 상의 엔트리들(522)은 위반의 발생을 나타내기 위해 강조 표시된다.
Claims (15)
- 배출 샘플링 장치(emission sampling apparatus)를 사용하여 해상 선박의 적어도 하나의 배기 스택(exhaust stack)으로부터 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법에 있어서:
컴퓨터가 배출 샘플링 장치로부터 배기 가스 배출 데이터 및 진단 데이터를 수신하고 저장소에 저장하는 단계;
컴퓨터가 거리 및 시간에 따른 탄소 배출률을 계산하는 단계;
컴퓨터가 해상 선박의 특정 위치에서 해상 선박에 의해 연소되는 연료의 황 배출률을 계산하는 단계;
컴퓨터가 해상 선박의 특정 위치가 규제 구역에 있는지를 결정하는 단계;
규제 수역 내 해상 선박의 각각의 특정 위치에 대해 컴퓨터가 계산된 유황 배출률이 허용 범위 내에 있는지 여부를 결정하는 단계;
계산된 유황 배출률이 허용 범위 내에 있는 규제 수역 내 해상 선박의 각각의 특정 위치에 대해, 컴퓨터가 사용자에게 특정 위치의 연료 규정 준수에 관한 통지를 전송하는 단계; 및
계산된 황 배출률이 허용 범위를 벗어나는 규제 구역 내 해상 선박의 각각의 특정 위치에 대해, 컴퓨터가 배출 샘플링 장치가 미리 결정된 파라미터들 내에서 기능하는지 여부를 결정하고, 배출 샘플링 장치가 미리 결정된 파라미터들 내에서 기능한다면 컴퓨터가 사용자에게 계산된 황 배출률 및 규제 구역 내 규정 준수 불이행에 대한 통지를 전송하는 단계를 포함하는, 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법. - 제1항에 있어서, 배출 샘플링 장치가 미리 결정된 파라미터들을 벗어나 기능하는 경우, 컴퓨터는 사용자들에게 계산된 황 배출률 및 배출 샘플링 장치의 오작동에 관한 통지를 전송하고 교체 배출 샘플링 장치를 해상 선박에 보내는, 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법.
- 제1항에 있어서, 배기 가스 배출 데이터는: 날짜, 시간, 위도 및 경도, 이산화황 센서 값, 이산화탄소 센서 값, 배기 가스의 가스 습도, 및 배기 가스 압력을 포함하는, 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법.
- 제3항에 있어서, 배기 가스 배출 데이터는 배출 샘플링 장치의 고도, 해상 선박의 속도, 해상 선박의 진행 방향, 및 해상 선박에 의해 사용되는 연료의 종류를 더 포함하는, 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법.
- 제1항에 있어서, 배출 샘플링 장치로부터의 진단 데이터는 배출 샘플링 장치의 집열기 내부 온도, 배출 샘플링 장치의 배터리 전압, 배출 샘플링 장치의 열전 발전기 전압, 배출 샘플링 장치의 지리적 위치, 배출 샘플링 장치의 프리필터 또는 계층화된 필터에 존재하는 필터 압력, 배출 샘플링 장치의 탬퍼 검출 카운트를 포함하는, 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 사용자는 해상 선박의 소유자, 법 집행 기관, 환경 규제 기관, 또는 해상 선박에 존재하는 다른 사람인, 배기 가스를 자율적으로 샘플링하는 방법.
- 해상 선박의 배기 스택으로부터 배기 가스를 샘플링하는 배출 샘플링 장치에 있어서:
해상 선박의 배기 스택에 배기 입구를 갖는 제1 단부, 출구를 갖는 제2 단부 및 배기 입구와 출구 사이의 필터를 포함하는, 배기 가스로부터 미립자들을 제거하기 위한 프리필터;
프리필터의 제2 단부에서 출구에 연결된 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 배기 가스를 냉각하기 위한 응축기 요소로서, 슬리브에 의해 둘러싸인 다공성 배관을 포함하는, 상기 응축기 요소;
응축기 요소의 제2 단부에 연결된 배기 가스로부터 미립자들을 제거하기 위한 계층화된 필터로서, 입구 플랜지에 연결된 입구, 적어도 제1 개스킷, 적어도 제1 필터, 및 배기 플랜지에 연결된 배기부를 포함하는, 상기 계층화된 필터;
배출 샘플링 장치로부터 가스를 배출하기 위한 배기 출구 및 계층화된 필터의 배기부에 연결된 입구를 갖는 배기 가스 내의 이산화황 및 이산화탄소 레벨들을 결정하기 위한 가스 흡수 셀로서, 상기 가스 흡수 셀은 반사기 및 적외선 소스를 포함하는 배출기가 있는 제1 단부, 적어도 하나의 검출기 및 적어도 2개의 통과대역 필터들로서 통과대역 필터 중 하나는 이산화탄소에 특정되고 통과대역 필터들 중 다른 하나는 이산화황에 특정되는 상기 적어도 2개의 통과대역 필터들이 있는 제2 단부를 가지며, 가스 흡수 셀의 제1 단부 및 가스 흡수 셀의 제2 단부는 가스 흡수 셀의 제1 단부와 가스 흡수 셀의 제2 단부 사이의 길이로 연장되는 샘플 가스 챔버에 의해 분리되는, 상기 가스 흡수 셀;
프리필터, 응축기 요소, 계층화된 필터, 가스 흡수 셀 및 배기 출구를 통해 해상 선박의 배기 스택으로부터 배기 가스를 펌핑하기 위한 펌프;
가스 흡수 셀로부터 이산화황 및 이산화탄소 레벨을 수신하고 펌프를 제어하기 위한 프로세서; 및
상기 프로세서, 상기 펌프, 상기 프리필터, 상기 응축기 요소, 상기 계층화된 필터, 및 상기 가스 흡수 셀을 둘러싸는 하우징을 포함하는, 배출 샘플링 장치. - 제7항에 있어서, 상기 프로세서 및 상기 펌프와 연통하는 상기 하우징 내의 전력 관리 시스템 및 배터리 백업을 더 포함하는, 배출 샘플링 장치.
- 제8항에 있어서,
배기 스택 내의 배기 가스로부터 열을 수집하기 위해 스페이서들에 의해 분리된 복수의 핀들을 갖는 적어도 2개의 열 배관들을 포함하는 해상 선박의 배기 스택 내의 집열기;
열 캐리어(heat carrier)를 통해 집열기에 연결된 열전 발전기;
열 캐리어와 열전 발전기 사이의 열 차폐체(heat shield);
상기 집열기 및 상기 열전 발전기로부터 받은 열을 방출하기 위한 상기 열전 발전기에 연결된 방열판; 및
열전 발전기 및 전력 관리 시스템에 연결되어 집열기와 방열판 사이의 열 방출 및 냉각으로부터 전위를 수신하기 위한 커넥터를 포함하는, 배출 샘플링 장치. - 제9항에 있어서, 상기 커넥터, 상기 방열판, 상기 열 차폐체 및 상기 열전 발전기는 배출 샘플링 장치의 하우징에 장착된 방열판 하우징에 의해 둘러싸이는, 배출 샘플링 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 프로세서와 통신하는 모뎀을 더 포함하는, 배출 샘플링 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 계층화된 필터의 입구 플랜지와 출구 플랜지 사이에는 제1 개스킷, 제1 필터, 제2 개스킷, 제2 필터, 제3 개스킷, 제3 필터, 제4 개스킷, 및 제4 필터가 있는, 배출 샘플링 장치.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 필터는 배기 가스로부터 10 미크론의 미립자들을 필터링하고, 상기 제2 필터는 배기 가스로부터 1 미크론의 미립자들을 필터링하고, 상기 제3 필터는 배기 가스로부터 0.45 미크론의 미립자들을 필터링하는, 배출 샘플링 장치.
- 제7항에 있어서, 이산화황에 대한 통과대역 필터는 7.3 미크론이고, 이산화탄소에 대한 통과대역 필터는 4.45 미크론인, 배출 샘플링 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 통과대역 필터는 7.85 미크론의 이산화황 기준 필터 및 4.65 미크론의 이산화탄소 기준 필터를 더 포함하는, 배출 샘플링 장치.
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