KR20230102006A - 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 그 방법 - Google Patents

암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중관으로 된 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간(annular space)에 액상 암모니아의 누설이 발생한 경우 불활성기체로 퍼징하면서, 액상 암모니아는 회수하여 연료로 다시 사용하고, 회수되지 못하고 남아있는 액상 암모니아는 기화시켜 배출해 누설된 암모니아를 처리하는 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 그 방법{Double Wall Pipe Purging System For Ammonia Fuelled ship and Method Thereof}
본 발명은 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중관으로 된 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간(annular space)에 액상 암모니아의 누설이 발생한 경우 불활성기체로 퍼징하면서, 액상 암모니아는 회수하여 연료로 다시 사용하고, 회수되지 못하고 남아있는 액상 암모니아는 기화시켜 배출해 누설된 암모니아를 처리하는 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법에 관한 것이다.
국제해사기구(IMO)는 국제해상운송 부문에서 단위물동량당 이산화탄소 배출을 2030년까지 2008년 배출량 대비 최소 40% 줄이고 2050년까지는 70% 감축한다는 목표를 세워놓고 있으며, 신조선은 물론이고 현존선에 대하여도 선박에너지효율설계지수 등의 기준을 충족해야 함을 발표하였다.
이에, 이산화탄소와 같은 온실가스와 각종 유해물질의 배출이 현저히 적은 LNG, LPG와 같은 액화가스 연료의 사용이 늘어났으나, 국제해사기구(IMO) 2030 온실가스 감축목표 40% 달성은 석유, LNG 등 화석연료로는 불가능하기 때문에 이를 달성하기 위해서는 2030년 이전에 수소나 암모니아 등 대체연료 활용 기술을 개발해 상용화할 수밖에 없다고 판단하고 있다.
수소연료는 미세먼지를 포함하여 이산화탄소와 같은 대기오염물질이 전혀 배출되지 않아 스크러버나 SCR 등의 질소산화물 및 황산화물 저감장치가 필요 없을 뿐만 아니라 연료전지에도 활용할 수 있어 선내 전력공급에도 활용할 수 있고, 전력으로 운항하는 수소연료전지선박으로도 이용할 수 있다. 수소는 가솔린보다 질량당 에너지 밀도는 약 3배 높고 에너지 전환효율은 기존 디젤보다 30%가량 높지만, 단위부피당 에너지 함량은 약 1/4 수준이고, 저장온도가 영하 253℃이하여서 저장성이 매우 낮으므로, 현재로서는 대량으로 수송 및 저장하여 단독 연료로 사용하는 것은 어려움이 있는 실정이다.
이에, 수소와 마찬가지로 탄소중립 연료인 암모니아를 활용하는 다양한 방법이 제시되었으며, 암모니아는 가솔린과 비교하여 kg당 0.44배의 열량인 18.6 MJ/kg을 가지며, LPG와 같이 상온에서도 일정압력을 가하게 되면 액화되므로 저장성이 월등히 좋고, 하버-보슈법에 의해 대량생산이 용이하며, 압축수소 및 액체수소에 비해 단위부피당 에너지 밀도가 높아, 수소에 비하여 경제적이며 기술 장벽도 높지 않다는 장점을 가지고 있다. 따라서 향후 암모니아 연료를 활용할 수 있는 선박엔진 및 관련 시스템 등의 개발이 중요할 것으로 보인다.
현재 암모니아는 탄소중립을 달성하기 위한 탄화수소연료의 대체 연료원이자 차세대 청정 선박 연료원으로서 주목받고 있다. 그러나 암모니아는 신체에 자극적인 염기성 가스로서 유독성 기체이기 때문에 작업장 내 농도기준을 정하여 관리되고 있으며, 대기중으로 배출될 경우 산업현장에서 배출된 황산화물 등 각종 오염물질과 자동차 매연 등과 혼합되어 초미세먼지가 되므로 대기오염의 원인으로 꼽히고 있다. 또한 암모니아 기체는 공기보다 가벼워 건조한 공기중에서는 자체 부력으로 빠르게 상승 및 확산하지만, 해상에서는 공기 중 습기와 빠르게 반응하여 선박표면 가까이에 체류하게 되어, 선체 부식을 야기할 수 있다.
선박에서 연료로 사용되는 액상 암모니아의 누설이 발생하면, 배기 전 연소시켜 질소(N2)와 수소(H2)의 형태로 배출하거나, 기화시킨 후 농도가 낮으면 그대로 대기로 배출하는 방법을 생각해 볼 수 있으나, 액상 암모니아의 사용률을 떨어트리게 되는 문제가 있다.
따라서 선박 엔진에 공급되는 도중이나 엔진에서 소비되지 못한 액상 암모니아가 회수되는 도중에 액상 암모니아의 누설이 발생하면, 누설된 액상 암모니아를 최대한 회수하고, 잔여 암모니아를 안전하게 배출할 수 있는 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 연료공급라인과 연료리턴라인을 이중관으로 하여 그 환체공간(annular space)에 불활성기체를 공급해주면서, 드레인 부 및 벤트 부를 통해 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 회수하고 잔여 암모니아는 기화시켜 배출함으로써, 암모니아 사용률을 높이는 한편, 대기 중 배출을 방지하여 환경 이슈를 야기하지 않고, 선박 내 작업자의 안전성이 보다 담보되는 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 암모니아를 연료로 사용하는 선박에 있어서,
액상 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크;
액상 암모니아를 상기 선박의 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 맞추어 엔진에 공급하는 연료준비룸;
상기 엔진으로 액상 암모니아를 연료로 공급하는 연료공급라인;
상기 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 상기 연료준비룸의 상류로 회수하는 연료리턴라인;
상기 연료공급라인의 환체공간(annular space)에서의 액상 암모니아 누설을 감지하는 제1 누설감지센서;
상기 연료리턴라인의 환체공간에서의 액상 암모니아 누설을 감지하는 제2 누설감지센서;
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급라인;
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 회수하는 드레인(drain) 부; 및
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간의 암모니아 기체를 배출하는 벤트(vent) 부:를 포함하고,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 적어도 일부는, 액상 암모니아가 이동하는 내측관 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되고,
상기 제1 누설감지센서 또는 제2 누설감지센서에서 액상 암모니아의 누설을 감지하면, 상기 불활성기체가 공급되면서, 상기 드레인 부를 통해 액상 암모니아를 회수한 후, 상기 벤트 부를 통해 암모니아 기체를 배출하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관은, 상기 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간에 마련된 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 드레인 부는,
상기 누설된 액상 암모니아를 회수하여 저장하는 암모니아 드레인 탱크;
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 외측관에서 분기되어, 누설된 액상 암모니아를 상기 암모니아 드레인 탱크에 공급하는 드레인라인; 및
상기 드레인라인 상에 마련되어, 드레인라인을 개폐하는 드레인 밸브:를 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 벤트 부는,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 외측관에서 분기되어, 암모니아 기체를 배출하는 벤트라인; 및
상기 벤트라인 상에 마련되어, 벤트라인을 개폐하는 벤트 밸브:를 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 이중관의 환체공간은 불활성기체가 공급되어 가압상태에 있고,
상기 환체공간과 드레인 부 간의 압력 차이에 의해 액상 암모니아가 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 암모니아 드레인 탱크는 불활성기체로 충진되어 있고,
상기 암모니아 드레인 탱크로 액상 암모니아가 공급될 때, 암모니아 드레인 탱크 내 압력을 유지하기 위한 압력 유지부를 더 포함하되,
상기 압력 유지부는,
암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 측정하는 압력측정기;
암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 기준 범위 미만이 되면, 암모니아 드레인 탱크에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급기; 및
암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 기준 범위 초과가 되면, 암모니아 드레인 탱크 내부 기체를 배출하는 배기밸브:를 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제1 누설감지센서 및 제2 누설감지센서는,
환체공간의 압력 변화를 감지하는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 액상 암모니아가 모일 수 있는 드레인 분기점이 마련되고,
상기 드레인라인은 드레인 분기점에서 시작되어 암모니아 드레인 탱크로 연결되며, 액상 암모니아가 중력 방향으로 흘러내릴 수 있는 구조로 설치되고,
상기 암모니아 드레인 탱크는 상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 암모니아 기체가 모일 수 있는 벤트 분기점이 마련되고,
상기 벤트라인은 벤트 분기점에서 시작되어 암모니아 회수드럼 또는 선박 밖으로 연결되고, 암모니아 기체가 배출될 수 있는 구조로 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 암모니아 회수드럼은 벤트 분기점보다 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 드레인라인은,
연료준비룸 후단 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제1 드레인 밸브가 마련되는 제1 드레인라인;
엔진 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제2 드레인 밸브가 마련되는 제2 드레인라인;
연료준비룸 후단 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제3 드레인 밸브가 마련되는 제3 드레인라인; 및
엔진 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제4 드레인 밸브가 마련되는 제4 드레인라인:을 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 벤트라인은,
엔진 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제1 벤트 밸브가 마련되는 제1 벤트라인; 및
엔진 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제2 벤트 밸브가 마련되는 제2 벤트라인:을 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 암모니아 드레인 탱크에 저장된 액상 암모니아를 상기 암모니아 탱크에 공급해주는 이송펌프; 및
상기 암모니아 드레인 탱크와 상기 암모니아 탱크를 연결하는 이송라인:을 더 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 벤트라인을 통해 배출되는 암모니아 기체를 공급받는 암모니아회수드럼을 더 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 암모니아를 연료로 사용하는 선박에서 연료준비룸을 거쳐 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 액상 암모니아를 공급하고,
엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 배관 및 엔진에서 소비되지 않은 액상 암모니아를 회수하는 배관의 적어도 일부는 이중관으로 되어, 그 환체공간(annular space)에서 암모니아의 누설이 발생하면, 마스터 연료 밸브(master fuel valve)를 잠그고,
환체공간에 불활성기체를 주입하면서, 누설된 액상 암모니아를 드레인(drain) 부로 회수하고,
환체공간에 불활성기체를 주입하면서, 암모니아 기체를 벤트(vent) 부로 배출하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 이중관의 환체공간은 불활성기체로 충진되어 가압상태에 있어,
압력 차에 의하여 액상 암모니아를 회수하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법이 제공된다.
바람직하게는, 암모니아 누설로 인한 환체공간의 압력변동으로 암모니아 누설을 감지하고,
상기 환체공간의 압력이 상기 드레인 부의 압력에 대하여 0.5 bar 범위 내에 도달하면, 암모니아 회수를 중단하고,
벤트 부로 공급되는 암모니아 기체의 농도가 기준 값 이하가 되면, 암모니아 기체 배출을 중단하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 드레인 부는, 회수되는 액상 암모니아를 저장하는 암모니아 드레인 탱크를 포함하되,
상기 암모니아 드레인 탱크는 불활성기체로 충진되어 있으며,
누설된 액상 암모니아가 공급되어, 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 높아지면 내부의 불활성기체를 배출하여 암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 일정하게 유지하고,
내부의 불활성기체가 과도하게 배출되어, 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 낮아지면 불활성기체를 공급하여 암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 일정하게 유지하여, 암모니아 드레인 탱크에 저장된 암모니아를 액체 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법이 제공된다.
본 발명의 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템 및 방법에 따르면, 선박의 연료공급라인 및 연료리턴라인에서 누설된 액상 암모니아가 대기로 배출되는 것을 방지하여 환경 이슈를 야기하지 않고, 선박 부식 염려가 적다.
또한 누설된 액상 암모니아를 최대한 회수하여 암모니아 탱크에 다시 저장함으로써, 암모니아의 사용률이 증대된다.
불활성기체로 퍼징하면서, 누설된 액상 암모니아를 처리하므로, 선박 내부 및 유지관리 시 이중관에서의 작업자 안전성이 보다 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조 하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
이하 본 발명에서의 선박은 암모니아를 선내 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되는 모든 종류의 선박을 가리키며, 대표적으로 LPG 운반선(LNG Carrier), LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소운반선, 암모니아운반선 등과 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.
엔진의 연료로 암모니아를 공급받는 엔진이라 함은 LNG, LPG, HFO 등의 다른 선박용 연료와 함께 연료로 공급받는 것과 암모니아를 단독으로 연료로 공급받는 것을 포함하는 의미이고, 선박의 추진용 엔진 및 발전용 엔진을 모두 포함한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템을 개략적으로 도시하였다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 추진 선박의 이중관 퍼징시스템을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 이중관 퍼징시스템은 암모니아를 연료로 사용하는 선박에 있어서, 암모니아 탱크(10), 연료준비룸(FPR, Fuel Preparation Room), 연료공급라인(FSL, Fuel Supply Line), 연료리턴라인(FRL, Fuel Return Line), 제1 누설감지센서(S1), 제2 누설감지센서(S2), 불활성기체공급라인(20), 드레인(drain) 부 및 벤트(vent) 부를 포함하며, 상기 제1 누설감지센서 또는 제2 누설감지센서에서 액상 암모니아의 누설을 감지하면, 불활성기체공급라인을 통해 불활성기체가 공급되면서, 상기 드레인 부를 통해 액상 암모니아를 회수한 후, 상기 벤트 부를 통해 암모니아 기체를 배출하는 것을 특징으로 한다.
암모니아 탱크는 선박의 엔진에 공급되는 액상 암모니아를 저장하며, 기체 암모니아를 가압하거나 탱크의 내부 온도를 낮추거나 가압 및 내부온도 강하를 통하여 액상의 암모니아로 저장할 수 있다. 예를 들면, 암모니아 탱크 내부 온도를 상온(약 25℃)으로 하고 내부 압력을 약 10 bar로 설정하여 암모니아를 액체 상태로 저장할 수 있다.
연료준비룸(FPR, fuel preparation room)은 연료를 엔진으로 공급하기 위하여 선박의 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 맞추어 주며, 연료공급라인(FSL, Fuel Supply Line), 암모니아 탱크에 저장된 액상 암모니아를 연료공급라인(FSL)을 따라 엔진(E)으로 공급하는 저압펌프(1), 저압펌프에서 이송된 암모니아를 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 고압펌프(압축펌프)(2), 고압펌프에서 압축된 암모니아 중 일부를 공급받아 일시적으로 저장하고 다시 고압펌프로 공급해주는 재순환드럼(3), 고압펌프에서 압축된 연료를 가열 또는 냉각하여 엔진에서 필요한 온도로 조절하는 온도조절기(4), 엔진 보호를 위해 연료에 포함된 이물질을 걸러내는 필터(5), 이중차단밸브와 마스터 연료 밸브 등 각종 밸브를 포함하는 밸브유닛(FVU, Fuel Valve Unit), 계기 등을 포함할 수 있으며, 저압펌프, 고압펌프, 온도조절기 및 필터는 연료공급라인 상에 마련될 수 있다. 액체상태의 암모니아를 사용하는 경우, 기화기는 필요하지 않다. 구체적으로 액상 암모니아는 고압펌프에 의해 약 70bar 정도로 가압되고, 온도조절기를 통해 엔진에 요구되는 온도범위(25℃~55℃)에 도달하여, 엔진에 공급될 수 있다.
이중차단밸브(Double block and bleed valve)는 연료가 이동하는 배관에 설치되며, 연료의 효율적인 공급 및 차단을 위하여 이중의 밸브를 설치하고, 그 밸브들 사이에 벤트(vent)관을 분기하여 연료공급장치와 엔진 사이를 효과적으로 개폐할 수 있다.
마스터 연료 밸브(MFV, Master Fuel Valve)는 연료공급라인에 설치되어 연료의 공급을 조절하고, 연료 누설 등 연료 공급 및 처리 등에 이상상태가 발생할 경우 연료공급라인을 차단하여 연료가 더이상 공급되지 않도록 할 수 있다.
연료공급라인(FSL)은 엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 연결 배관이며, 액상 암모니아의 누출 방지를 위하여, 연료공급라인의 적어도 일부는 액상 암모니아가 이동하는 내측관(IP1) 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관(OP1)을 포함하는 이중관으로 마련될 수 있다.
연료리턴라인(FRL)은 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 연료준비룸의 상류로 회수하는 연결 배관이며, 액상 암모니아의 직접적인 누출을 방지하기 위하여, 연료리턴라인의 적어도 일부는 액상 암모니아가 이동하는 내측관(IP2) 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관(OP2)을 포함하는 이중관으로 마련될 수 있다.
연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관은, 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간에 마련될 수 있다. 즉, 각종 엔진, 발전기, 보일러 등 선박 추진에 필요한 장비들이 설치된 엔진룸(engine room) 구역을 지나는 연료공급라인 및 연료리턴라인 부분이 이중관으로 마련되는 것이며, 이는 액상 암모니아의 누설로 인한 폭발 위험 등 선박의 안전성을 보다 향상하기 위함이다.
불활성기체공급라인(20)은 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 불활성기체를 공급하며, 상기 불활성기체는 환체공간 내 산소 함량을 낮춰 누설된 암모니아에 의한 폭발성 분위기 생성을 방지하고, 누설된 암모니아의 회수 및 배출을 보다 원활하기 하는 역할을 할 수 있다. 불활성기체는 질소, 헬륨, 아르곤, 탄산가스, 프레온, 또는 일정 함량 이하의 산소를 포함하는 이들의 조합 등이 있으며, 바람직하게는 질소가스를 사용할 수 있다.
상기 이중관의 내측관 및 외측관 사이의 빈 공간은 환체공간(annular space)으로 불리며, 제1 누설감지센서(S1)는 연료공급라인의 환체공간에서의 액상 암모니아 누설을 감지하고, 제2 누설감지센서(S2)는 연료리턴라인의 환체공간에서의 액상 암모니아 누설을 감지한다.
이중관의 환체공간은 불활성기체공급라인에서 공급된 불활성기체로 충진되어 가압상태에 있을 수 있고, 환체공간의 압력을 드레인 부의 압력보다 높게 하여 압력 차에 의하여 누설된 암모니아가 드레인 부로 회수되도록 할 수 있다.
또한, 환체공간을 불활성기체로 충진하여 환체공간 내 압력을 일정하게 유지하면 액상 암모니아가 누설되었을 때 압력 변화가 발생하므로, 제1 누설감지센서 및 제2 누설감지센서는 환체공간의 압력 변화를 감지하는 압력 센서일 수 있다.
드레인(drain) 부는 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 회수하기 위하여 설치되며, 암모니아 드레인 탱크(30), 드레인라인(DL1~4) 및 드레인 밸브(DV1~4)를 포함할 수 있다.
암모니아 드레인 탱크(30)는 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 회수하여 저장하는 공간이며, 초기에는 불활성기체로 충진되어 있다.
드레인라인(DL1~4)은 연료공급라인 및 연료리턴라인의 외측관에서 분기되어, 누설된 액상 암모니아를 상기 암모니아 드레인 탱크에 공급하는 연결 배관이다. 바람직하게는 연료공급라인 및 연료리턴라인이 배치된 구조에 따라 액상 암모니아가 암모니아 드레인 탱크로 쉽게 흘러내려 모일 수 있는 드레인 분기점에, 더욱 바람직하게는 연료공급라인 및 연료리턴라인 상의 하단부 내지 최하단부에 위치한 드레인 분기점에 하나 또는 복수의 드레인라인 및 드레인 밸브를 설치하여, 액상 암모니아를 최대한 회수할 수 있다. 구체적으로, 상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 배치 구조 조정 또는 불활성가스공급라인 설치 등을 통하여 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 액상 암모니아가 모일 수 있는 드레인 분기점을 마련할 수 있고, 드레인라인은 드레인 분기점에서 시작되어 암모니아 드레인 탱크로 연결되며, 드레인라인은 액상 암모니아가 중력 방향으로 흘러내릴 수 있는 구조로 설치될 수 있다. 또한 암모니아 드레인 탱크는 연료공급라인 및 연료리턴라인의 하부에 설치되어 지구 중력의 도움을 받아 액상 암모니아를 이동시키기 위한 추가 장치 없이도 액상 암모니아를 공급받을 수 있다.
드레인 밸브(DV1~4)는 상기 드레인라인 상에 마련되어, 드레인라인을 개폐하여 누설된 액상 암모니아의 회수를 시작하고 종결한다.
구체적으로, 드레인라인은, 연료준비룸 후단 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제1 드레인 밸브(DV1)가 마련되는 제1 드레인라인(DL1), 엔진 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제2 드레인 밸브(DV2)가 마련되는 제2 드레인라인(DL2), 연료준비룸 후단 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제3 드레인 밸브(DV3)가 마련되는 제3 드레인라인(DL3) 및 엔진 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제4 드레인 밸브(DV4)가 마련되는 제4 드레인라인(DL4)을 포함할 수 있다.
이송펌프(50)는 암모니아 드레인 탱크와 상기 암모니아 탱크를 연결하는 이송라인(AL)을 통해 암모니아 드레인 탱크에 저장된 액상 암모니아를 상기 암모니아 탱크에 공급할 수 있다. 이때 이송되는 액상 암모니아의 역류를 방지하기 위하여 역지밸브가 이송라인 상에 마련될 수 있다.
액상 암모니아는 온도 및 압력에 따라 그 표면에서 암모니아 기체의 증발이 나타난다. 액상 암모니아가 많이 증발될수록, 암모니아 탱크로 이송되는 액체 암모니아량이 감소하게 되므로 암모니아 사용률이 저하된다. 그러므로 암모니아 드레인 탱크 내 불활성기체를 충진하여 유입되는 액상 암모니아의 증발을 억제하고, 액상 암모니아를 저장하는 동안 불활성기체의 압력값을 유지할 필요가 있다.
이러한 목적을 위하여 압력 유지부를 더 포함할 수 있으며, 압력 유지부는 압력측정기(PT), 배기밸브(VV3) 및 불활성기체공급기(NS)를 포함할 수 있다.
압력측정기(PT)는 암모니아 드레인 탱크 내부의 압력을 측정하며, 구체적으로 압력센서 등일 수 있으며, 압력 변화를 감지되면 불활성기체공급기 또는 배기밸브가 작동될 수 있다.
배기밸브(VV3)는 암모니아 드레인 탱크에 액상 암모니아가 공급됨에 따라 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 기준 범위를 초과하게 되면, 암모니아 드레인 탱크 내부 기체를 배출하여 액상 암모니아 유입에 의한 압력상승을 보상함으로써 압력을 유지한다. 액상 암모니아가 유입량에 따라 배기밸브를 개폐할 수 있으며, 액상 암모니아가 유입량은 액위계를 사용하거나 액상 암모니아의 유입 시간을 측정하여 계산할 수 있다.
불활성기체공급기(NS)는 배기밸브를 통해 기체가 과도하게 배출됨에 따라 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 기준 범위 미만이 되면, 암모니아 드레인 탱크에 불활성기체를 공급하여 압력을 유지한다. 구체적으로, 암모니아 드레인 탱크에 질소가스를 충진하여 약 8 bar가 되도록 할 수 있으며, 이는 암모니아 탱크의 설계 압력보다 1~2 bar 정도 낮은 압력이다. 불활성기체는 질소, 헬륨, 아르곤, 탄산가스, 프레온, 또는 일정 함량 이하의 산소를 포함하는 이들의 조합 등이 있으며, 바람직하게는 질소가스를 사용할 수 있다.
벤트(vent) 부는 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 기화시켜 배출하기 위하여 설치되며, 벤트라인(VL1, VL2) 및 벤트 밸브(VV1, VV2)를 포함할 수 있다.
벤트라인(VL1, VL2)은 연료공급라인 및 연료리턴라인의 외측관(OP1, OP2)에서 분기되어, 누설된 액상 암모니아를 기화시켜 배출하는 배관이다.
벤트 밸브(VV1, VV2)는 벤트라인 상에 마련되어, 벤트라인을 개폐하여 누설된 액상 암모니아의 대부분이 회수되고 남은 암모니아의 배출을 시작하고 종결한다. 벤트 밸브가 열리면 환체공간의 압력이 급속하게 감소하므로, 남아있는 액상 암모니아가 빠르게 기화되어 배출된다. 암모니아 농도 센서를 벤트라인 상에 마련하여, 배출되는 기체의 암모니아 농도가 일정 값 미만이 되면 벤트 밸브를 잠가 배출을 종결할 수 있다.
구체적으로, 벤트라인은, 엔진 측의 연료공급라인 외측관(OP1)에서 분기되고, 제1 벤트 밸브(VV1)가 마련되는 제1 벤트라인(VL1) 및 엔진 측의 연료리턴라인 외측관(OP2)에서 분기되고, 제2 벤트 밸브(VV2)가 마련되는 제2 벤트라인(VL2)을 포함할 수 있다. 기화된 암모니아는 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에서 지면(해면)에서 가장 높이 위치한 배관 부위로 이동할 것이므로, 바람직하게는 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 액상 암모니아가 모일 수 있는 벤트 분기점, 더욱 바람직하게는 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 가장 높이 위치한 배관 상단에 형성된 벤트 분기점에 하나 또는 복수의 벤트라인 및 벤트 밸브를 설치하여, 나머지 액상 암모니아를 효율적으로 환체공간 밖으로 배출할 수 있다. 구체적으로 벤트라인은 벤트 분기점에서 시작되어 암모니아 회수드럼으로 연결되거나 선외를 향할 수 있으며, 암모니아 기체가 잘 배출되도록 선박의 상부를 향하여 설치될 수 있다. 또한, 벤트 분기점 방향으로 불활성기체를 퍼징함으로써, 암모니아의 배출을 보다 효율적으로 할 수 있고, 암모니아 회수드럼과 연결할 경우 암모니아 회수드럼은 벤트 분기점의 상부에 설치되어 추가 장치 없이도 암모니아 기체를 공급받을 수 있다. 암모니아 기체의 원활한 배출을 위하여 암모니아 회수드럼은 벤트 분기점보다 상부에 설치되는 것이 바람직하다.
벤트라인을 통해 배출되는 암모니아 기체는 암모니아회수드럼(40)에 공급되거나, 암모니아 농도가 극히 미량인 경우 그대로 대기 중에 배출될 수 있다.
상기 암모니아회수드럼(40)은 기액분리기일 수 있고, 구체적으로 k.o. drum(knock out drum)일 수 있으며, 필터 등을 통해 암모니아 기체로부터 미세한 암모니아 액체방울을 분리하여, 암모니아 액체는 다시 암모니아 탱크로 회수되고, 암모니아 기체는 선박의 SCR시스템에서 환원제로서 활용되거나, 미량인 경우 대기로 배출될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 선박의 이중관 퍼징방법은, 암모니아를 연료로 사용하는 선박에서 연료준비룸을 거쳐 상기 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 액상 암모니아를 공급하고, 상기 엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 배관 및 엔진에서 소비되지 않은 액상 암모니아를 회수하는 배관은 이중관으로 되어 그 환체공간(annular space)에서 암모니아의 누설이 발생하면, 마스터 연료 밸브(MFV, master fuel valve)를 잠가 액상 암모니아의 공급을 제한한 후, 환체공간에 불활성기체를 주입하며 드레인 밸브를 열어, 압력 차에 의해 누설된 액상 암모니아를 드레인 부로 회수하고, 또한 환체공간에 불활성기체를 주입하며 벤트 밸브를 열어, 나머지 액상 암모니아가 기화되어 생성된 암모니아 기체를 벤트 부로 배출할 수 있다.
이중관의 환체공간은 불활성기체로 충진되어 가압상태에 있어, 환체공간과 드레인 부 간의 압력 차에 의하여 액상 암모니아가 회수된다.
환체공간의 암모니아 누설은 압력 센서가 측정한 환체공간 내부 압력 값의 변화를 통해 감지하고, 환체공간의 압력 값이 암모니아 드레인 탱크의 압력 값에 대하여 0.5 bar 범위 내에 도달하면, 드레인 밸브를 잠가 액상 암모니아 회수를 중단하고, 암모니아 회수드럼으로 공급되는 기체(암모니아 기체 및 불활성기체를 포함)의 암모니아 농도 값이 기준 값 이하가 되면, 벤트 밸브를 잠가 암모니아 기체의 배출을 중단할 수 있다.
회수되는 액상 암모니아가 저장되는 암모니아 드레인 탱크는 불활성기체로 충진되어 있으며, 누설된 액상 암모니아가 공급(유입)되어, 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 높아지면 상기 불활성기체를 배출하여 암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 일정하게 유지하고, 상기 불활성기체가 과도하게 배출되어, 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 낮아지면 불활성기체를 공급하여 암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 일정하게 유지하여, 암모니아 드레인 탱크에 저장된 암모니아를 액체 상태로 유지할 수 있다.
이외에 상기한 선박의 이중관 퍼징시스템의 기재와 중복되는 범위에서 동일하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
1: 저압펌프
2: 고압펌프
3: 재순환드럼
4: 온도조절기
5: 필터
10: 암모니아 탱크
20: 불활성기체공급라인
30: 암모니아 드레인 탱크
40: 암모니아 회수드럼
50: 이송펌프
E: 엔진
FSL: 연료공급라인
FRL: 연료리턴라인
NS: 불활성기체공급기
S1, S2: 제1, 제2 누설감지센서
IP1, IP2: 내측관
OP1, OP2: 외측관
MFV: 마스터 연료 밸브
FPR: 연료준비룸
FVU: 연료밸브유닛
PT: 압력측정기
AL: 이송라인
VV1, VV2: 벤트 밸브
DV1~DV4: 드레인 밸브
VL1, VL2: 벤트라인
DL1~DL4: 드레인라인
VV3: 배기밸브

Claims (18)

  1. 암모니아를 연료로 사용하는 선박에 있어서,
    액상 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크;
    액상 암모니아를 상기 선박의 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 맞추어 엔진에 공급하는 연료준비룸;
    상기 엔진으로 액상 암모니아를 연료로 공급하는 연료공급라인;
    상기 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 상기 연료준비룸의 상류로 회수하는 연료리턴라인;
    상기 연료공급라인의 환체공간(annular space)에서의 액상 암모니아 누설을 감지하는 제1 누설감지센서;
    상기 연료리턴라인의 환체공간에서의 액상 암모니아 누설을 감지하는 제2 누설감지센서;
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급라인;
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 회수하는 드레인(drain) 부; 및
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 환체공간의 암모니아 기체를 배출하는 벤트(vent) 부:를 포함하고,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 적어도 일부는, 액상 암모니아가 이동하는 내측관 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되고,
    상기 제1 누설감지센서 또는 제2 누설감지센서에서 액상 암모니아의 누설을 감지하면, 상기 불활성기체가 공급되면서, 상기 드레인 부를 통해 액상 암모니아를 회수한 후, 상기 벤트 부를 통해 암모니아 기체를 배출하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관은, 상기 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간에 마련된 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 드레인 부는,
    상기 누설된 액상 암모니아를 회수하여 저장하는 암모니아 드레인 탱크;
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 외측관에서 분기되어, 누설된 액상 암모니아를 상기 암모니아 드레인 탱크에 공급하는 드레인라인; 및
    상기 드레인라인 상에 마련되어, 드레인라인을 개폐하는 드레인 밸브:를 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 벤트 부는,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 외측관에서 분기되어, 암모니아 기체를 배출하는 벤트라인; 및
    상기 벤트라인 상에 마련되어, 벤트라인을 개폐하는 벤트 밸브:를 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 이중관의 환체공간은 불활성기체가 공급되어 가압상태에 있고,
    상기 환체공간과 드레인 부 간의 압력 차이에 의해 액상 암모니아가 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 암모니아 드레인 탱크는 불활성기체로 충진되어 있고,
    상기 암모니아 드레인 탱크로 액상 암모니아가 공급될 때, 암모니아 드레인 탱크 내 압력을 유지하기 위한 압력 유지부를 더 포함하되,
    상기 압력 유지부는,
    암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 측정하는 압력측정기;
    암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 기준 범위 미만이 되면, 암모니아 드레인 탱크에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급기; 및
    암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 기준 범위 초과가 되면, 암모니아 드레인 탱크 내부 기체를 배출하는 배기밸브:를 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 누설감지센서 및 제2 누설감지센서는,
    환체공간의 압력 변화를 감지하는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 액상 암모니아가 모일 수 있는 드레인 분기점이 마련되고,
    상기 드레인라인은 드레인 분기점에서 시작되어 암모니아 드레인 탱크로 연결되며, 액상 암모니아가 중력 방향으로 흘러내릴 수 있는 구조로 설치되고,
    상기 암모니아 드레인 탱크는 상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인 상에 암모니아 기체가 모일 수 있는 벤트 분기점이 마련되고,
    상기 벤트라인은 벤트 분기점에서 시작되어 암모니아 회수드럼 또는 선박 밖으로 연결되고, 암모니아 기체가 배출될 수 있는 구조로 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 암모니아 회수드럼은 벤트 분기점보다 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  11. 청구항 3에 있어서, 상기 드레인라인은,
    연료준비룸 후단 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제1 드레인 밸브가 마련되는 제1 드레인라인;
    엔진 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제2 드레인 밸브가 마련되는 제2 드레인라인;
    연료준비룸 후단 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제3 드레인 밸브가 마련되는 제3 드레인라인; 및
    엔진 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제4 드레인 밸브가 마련되는 제4 드레인라인:을 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  12. 청구항 4에 있어서. 상기 벤트라인은,
    엔진 측의 연료공급라인 외측관에서 분기되고, 제1 벤트 밸브가 마련되는 제1 벤트라인; 및
    엔진 측의 연료리턴라인 외측관에서 분기되고, 제2 벤트 밸브가 마련되는 제2 벤트라인:을 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 암모니아 드레인 탱크에 저장된 액상 암모니아를 상기 암모니아 탱크에 공급해주는 이송펌프; 및
    상기 암모니아 드레인 탱크와 상기 암모니아 탱크를 연결하는 이송라인:을 더 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 벤트라인을 통해 배출되는 암모니아 기체를 공급받는 암모니아회수드럼을 더 포함하는 선박의 이중관 퍼징시스템.
  15. 암모니아를 연료로 사용하는 선박에서 연료준비룸을 거쳐 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 액상 암모니아를 공급하고,
    엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 배관 및 엔진에서 소비되지 않은 액상 암모니아를 회수하는 배관의 적어도 일부는 이중관으로 되어, 그 환체공간(annular space)에서 암모니아의 누설이 발생하면, 마스터 연료 밸브(master fuel valve)를 잠그고,
    환체공간에 불활성기체를 주입하면서, 누설된 액상 암모니아를 드레인(drain) 부로 회수하고,
    환체공간에 불활성기체를 주입하면서, 암모니아 기체를 벤트(vent) 부로 배출하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 이중관의 환체공간은 불활성기체로 충진되어 가압상태에 있어,
    압력 차에 의하여 액상 암모니아를 회수하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    암모니아 누설로 인한 환체공간의 압력변동으로 암모니아 누설을 감지하고,
    상기 환체공간의 압력이 상기 드레인 부의 압력에 대하여 0.5 bar 범위 내에 도달하면, 암모니아 회수를 중단하고,
    벤트 부로 공급되는 암모니아 기체의 농도가 기준 값 이하가 되면, 암모니아 기체 배출을 중단하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 드레인 부는, 회수되는 액상 암모니아를 저장하는 암모니아 드레인 탱크를 포함하되,
    상기 암모니아 드레인 탱크는 불활성기체로 충진되어 있으며,
    누설된 액상 암모니아가 공급되어, 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 높아지면 내부의 불활성기체를 배출하여 암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 일정하게 유지하고,
    내부의 불활성기체가 배출되어, 암모니아 드레인 탱크 내부 압력이 낮아지면 불활성기체를 공급하여 암모니아 드레인 탱크 내부 압력을 일정하게 유지하여, 암모니아 드레인 탱크에 저장된 암모니아를 액체 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관 퍼징 방법.
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