KR20230104327A - 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법 - Google Patents

선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아를 연료로 하는 선박에서 엔진룸 내부에 마련된 연료공급라인 및 연료리턴라인을 이중관으로 하여 암모니아의 누설에 대응하되, 연료준비룸 후단 측과 엔진 측의 이중관은 가압식 이중관으로 하여 누설된 암모니아가 연료준비룸 및 엔진으로 누출되는 것을 방지하는 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법에 관한 것이다.

Description

선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법{Double Pipe System For Ship, Installation Method, and Ammonia Discharge Method Thereof}
본 발명은 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아를 연료로 하는 선박에서 엔진룸 내부에 마련된 연료공급라인 및 연료리턴라인을 이중관으로 하여 암모니아의 누설에 대응하되, 연료준비룸 후단 측과 엔진 측의 이중관은 가압식 이중관으로 하여 누설된 암모니아가 연료준비룸 및 엔진으로 누출되는 것을 방지하는 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법에 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 사용 효율을 떨어트리게 되는 문제가 있다.
또한 엔진룸에서의 액상 암모니아의 누설을 방지하기 위하여 엔진룸 내부에 설치되는 암모니아 공급라인 및 회수라인은 이중관, 특히 이중관 사이의 환체공간(Annular space)을 환기하는 벤틸레이션시스템(ventilation system)이 구비된 공기순환식 이중관으로 하여 누설된 암모니아를 배출할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 공기가 유입되고 배출되는 지점에서 암모니아 기체가 연료준비룸 및 엔진 측으로 누출되어 작업자의 안전 저해, 선내 설비의 부식, 폭발 위험성 증가 등의 문제를 야기할 수 있다.
공기순환식 이중관의 문제는, 이중관을 밀폐하여 암모니아가 누설되었을 때만 암모니아를 배출할 수 있는 가압식 이중관을 통하여 해결할 수 있으나, 가압식 이중관은 시공상 어려움이 존재한다.
따라서 선박 엔진룸에 마련된 이중관에 누설된 암모니아를 배출할 때, 연료준비룸 및 엔진 측으로 배출되는 암모니아가 유입되지 않도록 하되, 시공상 난이도를 낮출 수 있는 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 엔진룸에 마련된 연료공급라인과 연료리턴라인을 이중관으로 하되, 연료준비룸 측 일부와 엔진 측 일부는 가압식 이중관으로 하고, 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관으로 하여 누설된 암모니아를 배출하더라도 연료준비룸 및 엔진 측으로 암모니아가 누출되지 않는 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법을 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 상기 엔진으로 공급하는 연료준비룸;
액상 암모니아가 이동하는 내측관 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되고, 상기 엔진으로 액상 암모니아를 연료로 공급하는 연료공급라인; 및
액상 암모니아가 이동하는 내측관 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되고, 상기 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 상기 연료준비룸으로 회수하는 연료리턴라인:을 포함하고,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관은, 상기 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간에 마련되고,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 양 말단의 구간은 가압식 이중관이고,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관인 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 가압식 이중관의 환체공간(annular space)은 불활성기체로 충진되어, 일정한 압력으로 유지되며,
상기 공기순환식 이중관의 환체공간은 일정한 방향으로 공기가 유입되고 배출되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 가압식 이중관에는 가압식 암모니아 배출시스템이 마련되되,
상기 가압식 암모니아 배출시스템은,
가압식 이중관의 환체공간에서의 암모니아 누설을 감지하는 압력센서;
가압식 이중관의 환체공간에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급라인;
가압식 이중관의 환체공간에 누설된 암모니아를 배출하는 벤트(vent)라인; 및
상기 벤트라인을 개폐하는 벤트밸브:를 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 가압식 이중관은,
연료공급라인 상의 연료준비룸 후단 측 말단부터 일부 구간에 마련된 제1 가압식 이중관;
연료리턴라인 상의 연료준비룸 후단 측 말단부터 일부 구간에 마련된 제2 가압식 이중관; 및
엔진과 연결된, 연료공급라인 일부와 연료리턴라인 일부를 포함하는 구간에 마련된 제3 가압식 이중관:을 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 압력센서는,
제1 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제1 압력센서;
제2 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제2 압력센서; 및
제3 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제3 압력센서:를 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 불활성기체공급라인은,
제1 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제1 불활성기체공급라인;
제2 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제2 불활성기체공급라인; 및
제3 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제3 불활성기체공급라인:을 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 벤트라인은,
제1 가압식 이중관의 외측관에서 분기되고, 제1 벤트밸브가 마련되는 제1 벤트라인;
제2 가압식 이중관의 외측관에서 분기되고, 제2 벤트밸브가 마련되는 제2 벤트라인;
제3 가압식 이중관 중 연료공급라인의 외측관에서 분기되고, 제3 벤트밸브가 마련되는 제3 벤트라인; 및
제3 가압식 이중관 중 연료리턴라인의 외측관에서 분기되고, 제4 벤트밸브가 마련되는 제4 벤트라인:을 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 벤트라인을 통해 배출된 암모니아가 공급되는 암모니아 회수드럼을 더 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기순환식 이중관에는 공기순환식 암모니아 배출시스템이 마련되되,
상기 공기순환식 암모니아 배출시스템은,
공기순환식 이중관의 환체공간에 공기가 유입되는 공기유입구(Ventilation air inlet);
공기순환식 이중관의 환체공간에 유입된 공기가 배출되는 공기배출구(Ventilation air outlet); 및
공기순환식 이중관의 환체공간 내의 공기 흐름을 형성하는 공기흐름생성기:를 포함하고,
공기순환식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면, 유입된 공기와 함께 공기배출구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기순환식 이중관은,
상기 연료공급라인 상에서, 제1 가압식 이중관 및 제3 가압식 이중관 사이 구간에 마련된 제1 공기순환식 이중관; 및
상기 연료리턴라인 상에서, 제2 가압식 이중관 및 제3 가압식 이중관 사이 구간에 마련된 제2 공기순환식 이중관:을 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기배출구 상에 마련되어, 배출되는 공기 중 암모니아 농도를 측정하는 농도센서를 더 포함하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기흐름생성기는,
상기 공기배출구 측에 마련되어, 환체공간 내의 공기를 흡입하여 배출하는 팬(extraction fan); 또는
상기 공기유입구 측에 마련되어, 환체공간 내에 공기를 주입하는 블로워(blower):인 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 암모니아를 연료로 사용하는 선박에서 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 액상 암모니아를 공급하는 연료준비룸이 마련되고,
상기 엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 연료공급라인 및 엔진에서 소비되지 않은 액상 암모니아를 회수하는 연료리턴라인 중 상기 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간은 이중관으로 마련되되,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관의 양 말단 구간은 가압식 이중관이고,
상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관이어서, 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 양 말단에서의 암모니아 누출이 저감되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템 설치방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 설치방법에 따라 설치된 이중관시스템에 의하여,
상기 가압식 이중관의 환체공간은 불활성기체로 충진되어, 일정한 압력으로 유지되고,
상기 공기순환식 이중관의 환체공간은 일정한 방향으로 공기가 유입되고 배출되며,
가압식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면 환체공간의 압력변화를 감지하여, 불활성기체를 공급하면서, 누설된 암모니아를 배출하고,
공기순환식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면 공기를 따라 배출하여, 누설된 암모니아를 제거하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 가압식 이중관의 환체공간에서 암모니아를 배출한 후, 가압식 이중관의 환체공간에 불활성기체를 공급하여 퍼징하는 것을 더 포함하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 가압식 이중관의 환체공간에서 배출된 암모니아는 암모니아 회수드럼에 공급하고,
상기 암모니아 회수드럼에 공급되는 암모니아의 농도가 기준 값 이하가 되면, 암모니아 배출을 중단하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 암모니아 회수드럼에 공급된 암모니아 중 액상 암모니아는 회수하여 엔진으로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법이 제공된다.
본 발명의 선박의 이중관시스템, 그 설치방법 및 그에 의한 암모니아 배출방법에 따르면, 연료준비룸 및 엔진 측으로 암모니아가 누출되는 것이 방지되어, 작업자의 안전성이 향상되고, 선박 및 선내 설비의 부식 염려가 낮아지며, 누출된 암모니아에 의한 폭발 위험성이 낮아진다.
또한 가압식 이중관을 통해 배출된 암모니아 중 액상 암모니아를 회수하여 엔진에 공급함으로써, 암모니아의 대기 배출이 저감되어 환경 이슈를 야기하지 않고, 암모니아의 사용률을 높일 수 있다.
엔진룸에 마련된 이중관 중 일부를 가압식 이중관으로 하여, 시공상 어려움을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 이중관시스템을 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 선박의 이중관시스템을 개략적으로 도시하였다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 이중관시스템을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 이중관시스템은 암모니아를 연료로 사용하는 선박에 있어서, 암모니아 탱크(10), 연료준비룸(FPR, Fuel Preparation Room), 연료공급라인(FSL, Fuel Supply Line) 및 연료리턴라인(FRL, Fuel Return Line)을 포함하고, 연료공급라인 및 연료리턴라인은 내측관 및 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되되, 이중관은 연료준비룸 후단부터 엔진까지 포함하는 구간에 마련되는 것이고, 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 양 말단 구간은 가압식 이중관이며, 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관으로 된 것을 특징으로 한다.
암모니아 탱크(10)는 선박의 엔진(E)에 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 엔진으로 연료를 공급하고, 연료 누설 등 연료 공급 및 처리 등에 이상상태가 발생할 경우 연료공급라인을 개폐하여 연료가 더이상 공급되지 않도록 한다.
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 연료준비룸으로 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.
연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 연료준비룸 후단 측 및 엔진 측 이중관 부분은 가압식 이중관으로 마련될 수 있다. 가압식 이중관(PA1~PA3) 부분은 내측관 외부를 외측관으로 밀폐한 형태이며, 내측관 및 외측관 사이의 환체공간(Annular space)에 불활성기체로 충진되어 일정한 압력으로 유지될 수 있다. 가압식 이중관의 환체공간의 압력은 내부관 압력에 대하여 바람직하게는 -5~-1 bar 범위를 가지고, 또한 암모니아가 배출되는 공간보다는 높은 압력을 가지는 것이 바람직하다.
본 실시예의 이중관시스템은, 연료공급라인 상의 연료준비룸 후단 측 말단부터 일부 구간에 마련된 제1 가압식 이중관(PA1), 연료리턴라인 상의 연료준비룸 후단 측 말단부터 일부 구간에 마련된 제2 가압식 이중관(PA2) 및 엔진과 연결된, 연료공급라인 일부와 연료리턴라인 일부를 포함하는 구간에 마련된 제3 가압식 이중관(PA3)을 포함한다.
가압식 이중관(PA1~PA3)에는 환체공간으로의 액상 암모니아 누출을 감지하고 이를 배출하는 가압식 암모니아 배출시스템이 마련될 수 있다. 가압식 암모니아 배출시스템은, 가압식 이중관의 환체공간에서의 암모니아 누설을 감지하는 압력센서(PS1~3), 가압식 이중관의 환체공간에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급라인(NS1~3), 가압식 이중관의 환체공간에 누설된 암모니아를 배출하는 벤트(vent)라인(VL1~4) 및 상기 벤트라인을 개폐하는 벤트밸브(VV1~4)를 포함한다. 또한 벤트라인을 통해 배출되는 암모니아를 공급받는 암모니아 회수드럼(20)을 더 포함할 수 있다.
가압식 이중관의 환체공간을 불활성기체로 충진하여 환체공간 내 압력을 일정하게 유지하면 액상 암모니아가 누설되었을 때 압력 변화가 발생하므로, 압력센서(PS1~PS3)에 의해 측정된 압력의 변동에 의해 암모니아의 누설을 감지할 수 있다. 암모니아 누설이 감지되면 벤트 밸브를 열어 벤트라인을 통해 암모니아 배출을 시작한다. 환체공간 내부 압력이 지나치게 낮아지면 불활성기체공급라인을 통해 불활성기체를 공급할 수 있고, 암모니아 배출이 종료되면 환체공간 내 유지 압력에 도달할 때까지 불활성기체를 공급하거나 벤트라인을 통해 불활성기체를 배출할 수 있다.
본 실시예 이중관시스템에서, 압력센서는, 제1 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제1 압력센서(PS1), 제2 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제2 압력센서(PS2) 및 제3 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제3 압력센서(PS3)를 포함한다.
불활성기체공급라인(NS1~NS3)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 원활하게 하는 역할을 할 수 있다. 또한, 암모니아의 배출을 위한 벤트라인의 개방에 따른 환체공간 내부의 압력감소를 보상하여, 환체공간 내부 압력을 벤트라인 또는 암모니아 회수드럼보다 높게 유지하여 암모니아가 원활하게 배출되도록 할 수 있다. 불활성기체는 질소, 헬륨, 아르곤, 탄산가스, 프레온, 또는 일정 함량 이하의 산소를 포함하는 이들의 조합 등이 있으며, 바람직하게는 질소가스를 사용할 수 있다.
본 실시예 이중관시스템에서, 불활성기체공급라인은, 제1 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제1 불활성기체공급라인(NS1), 제2 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제2 불활성기체공급라인(NS2) 및 제3 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제3 불활성기체공급라인(NS3)을 포함하고, 제1 내지 제3 불활성기체공급라인 상에는 불활성기체의 공급을 조절하는 불활성기체공급밸브(NV1~3)가 마련된다.
벤트라인(VL1~4)은 연료공급라인 및 연료리턴라인의 가압식 이중관의 환체공간에 누설된 액상 암모니아를 기화시켜 배출하기 위하여 설치된다. 벤트라인 상의 벤트 밸브(VV1~4)가 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 종결하거나, 벤트 라인을 일정 시간동안 오픈한 후 배출을 종결할 수 있다.
본 실시예 이중관시스템에서, 벤트라인은, 제1 가압식 이중관의 외측관에서 분기되고, 제1 벤트밸브(VV1)가 마련되는 제1 벤트라인(VL1), 제2 가압식 이중관의 외측관에서 분기되고, 제2 벤트밸브(VV2)가 마련되는 제2 벤트라인(VL2), 제3 가압식 이중관 중 연료공급라인의 외측관에서 분기되고, 제3 벤트밸브(VV3)가 마련되는 제3 벤트라인(VL3) 및 제3 가압식 이중관 중 연료리턴라인의 외측관에서 분기되고, 제4 벤트밸브(VV4)가 마련되는 제4 벤트라인(VL4)을 포함한다.
암모니아회수드럼(20)은 기액분리기일 수 있고, 구체적으로 k.o. drum(knock out drum)일 수 있으며, 필터 등을 통해 암모니아 기체와 함께 배출된 미세한 암모니아 액체방울을 분리하여, 암모니아 액체는 다시 암모니아 탱크로 회수하고, 암모니아 기체는 선박의 SCR시스템에서 환원제로서 활용되거나, 미량인 경우 대기로 배출할 수 있다.
본 실시예의 이중관시스템에 따르면, 암모니아 누설이 발생한 가압식 이중관에만의 불활성기체의 공급과 암모니아의 배출이 가능하다.
구체적으로 제1 가압식 이중관(PA1)에서 암모니아 누설이 발생한 경우, 제1 압력센서에 의해 암모니아 누설이 감지되고, 마스터 연료 밸브를 클로즈(Close)하고, 제1 불활성기체공급라인을 통해 불활성기체가 공급되면서 제1 벤트 라인을 통해 암모니아를 배출한 후, 제1 불활성기체공급라인을 통해 불활성기체를 공급하며 환체공간을 퍼징할 수 있다. 제2 가압식 이중관(PA2)에서도 마찬가지이다.
제3 가압식 이중관(PA3)은 제3 압력센서에 의해 암모니아 누설이 감지되면, 마스터 연료 밸브를 클로즈(Close)하고, 제3 불활성기체공급라인을 통해 불활성기체가 공급되되, 연료공급라인 상에서는 제3 벤트라인 통해, 연료리턴라인 상에서는 제4 벤트라인을 통해 암모니아가 배출된 후, 제3 불활성기체공급라인을 통해 불활성기체를 공급하며 환체공간을 퍼징할 수 있다. 제3 가압식 이중관은 연료공급라인 및 연료회수라인이 엔진 내부에서도 외측관에 의해 밀폐되어 제3 압력센서 및 제3 불활성기체공급라인을 공동으로 사용할 수 있다.
연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관으로 마련될 수 있다. 공기순환식 이중관(CA1, CA2) 부분은 내측관과 외측관으로 마련되되, 외측관에는 공기유입구를 통해 공기가 유입되고, 공기배출구를 통해 공기가 배출되어 환체공간 내에서 일정한 방향으로 공기가 유입되고 배출된다.
공기순환식 이중관(CA1, CA2)에는 환체공간에 누출된 암모니아를 배출하는 공기순환식 암모니아 배출시스템이 마련될 수 있다. 공기순환식 암모니아 배출시스템은, 공기순환식 이중관의 환체공간에 공기가 유입되는 공기유입구(ventilation air inlet, VI), 공기순환식 이중관의 환체공간에 유입된 공기가 배출되는 공기배출구(ventilation air outlet, VO) 및 공기순환식 이중관의 환체공간 내의 공기 흐름을 형성하는 공기흐름생성기를 포함한다. 또한 공기배출구(VO) 상에는, 배출되는 공기 중 암모니아 농도를 측정하는 농도센서를 더 포함할 수 있다. 농도센서에서 측정된 값이 배출 허용값보다 높으면 배출되는 공기를 암모니아 회수드럼(20)에 공급하고, 배출 허용값보다 낮으면 대기로 배출할 수 있다.
공기순환식 암모니아 배출시스템에 의하면, 공기순환식 이중관의 환체공간은 내부관의 압력(약 50~70bar)보다 현저히 낮은 압력(예를 들면 대기압)을 가지고, 공기가 지속적으로 순환되므로, 환체공간에 액상 암모니아가 누설되면 곧바로 암모니아 기체로 기화되고, 암모니아 기체는 공기배출구를 향해 이동하는 공기와 함께 배출함으로써, 공기순환식 이중관의 환체공간에서 누출된 암모니아를 제거하는 것이다.
본 실시예 이중관시스템에서, 공기순환식 이중관은, 연료공급라인 상에서, 제1 가압식 이중관(PA1) 및 제3 가압식 이중관 사이 구간(PA3)에 마련된 제1 공기순환식 이중관(CA1) 및 연료리턴라인 상에서, 제2 가압식 이중관(PA2) 및 제3 가압식 이중관(PA3) 사이 구간에 마련된 제2 공기순환식 이중관(CA2)를 포함한다.
제1 및 제2 가압식 이중관 중 외측관 각각에서 분기되어 공기가 유입되는 배관이 만나 하나의 공기유입구(VI)를 형성할 수 있고, 각각 공기유입구를 마련할 수도 있다.
제1 및 제2 가압식 이중관 중 외측관 각각에서 분기되어 공기가 배출되는 배관이 만나 하나의 공기배출구(VO)를 형성할 수 있고, 각각 공기배출구를 마련할 수도 있다.
공기흐름생성기는, 공기배출구(VO) 측에 마련되어, 환체공간 내의 공기를 흡입하여 배출하는 팬(extraction fan, EF) 또는 상기 공기흡입구 측에 마련되어, 환체공간 내에 공기를 주입하는 블로워(blower, 미도시)일 수 있다. 본 실시예 이중관시스템에는 공기를 흡입하여 공기흐름을 형성하는 팬(EF)이 마련된 것이다.
본 실시예의 이중관시스템에 따르면, 암모니아 누설이 발생한 공기순환식 이중관에서만의 암모니아의 배출이 가능하다. 구체적으로 제1 공기순환식 이중관에(CA1)서 암모니아 누설이 발생한 경우, 마스터 연료 밸브를 클로즈(Close)하고, 공기유입구(VI)를 통해 유입된 공기를 따라 누설된 암모니아는 공기배출구(VO)를 통해 배출될 수 있다. 제2 공기순환식 이중관(CA2)에서도 마찬가지이다.
한편, 본 발명에 따른 선박의 이중관시스템 설치방법은, 암모니아를 연료로 사용하는 선박에서 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 액상 암모니아를 공급하는 연료준비룸이 마련되고, 엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 연료공급라인 및 엔진에서 소비되지 않은 액상 암모니아를 회수하는 연료리턴라인 중 상기 연료준비룸 후단부터 엔진까지 포함하는 구간은 이중관으로 마련되되, 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관의 양 말단 구간은 가압식 이중관이고, 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관이어서, 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 양 말단에서의 암모니아 누출이 저감 내지 방지된다.
또한, 상기한 설치방법에 따라 설치된 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법은, 가압식 이중관의 환체공간을 불활성기체로 충진하여, 일정한 압력으로 유지하여, 가압식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면 환체공간의 압력변화를 감지하여, 불활성기체를 공급하면서, 누설된 암모니아를 배출하고, 공기순환식 이중관의 환체공간은 일정한 방향으로 공기가 유입되고 배출되게 하여, 공기순환식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면 공기를 따라 배출하여, 누설된 암모니아를 제거하는 방법이다.
상기 가압식 이중관의 환체공간에서 암모니아를 배출한 후에, 가압식 이중관의 환체공간에 불활성기체를 공급하면서 환체공간 내부를 퍼징할 수 있다.
가압식 이중관의 환체공간에서 배출된 암모니아는 암모니아 회수드럼에 공급하고, 암모니아 회수드럼에 공급되는 암모니아의 농도가 기준 값 이하가 되면, 암모니아 배출을 중단할 수 있다. 암모니아 회수드럼에 공급된 암모니아 중 액상 암모니아는 회수하여 엔진으로 공급할 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.
E: 엔진
FPR: 연료준비룸
FVU: 밸브유닛
FSL: 연료공급라인
FRL: 연료리턴라인
PA1~PA3: 제1, 제2, 제3 가압식 이중관
CA1, CA2: 제1, 제2 공기순환식 이중관
PS1~PS3: 제1, 제2, 제3 압력센서
NS1~NS3: 제1, 제2, 제3 불활성기체공급라인
NV1~NV3: 제1, 제2, 제3 불활성기체공급밸브
MFV: 마스터 연료 밸브
VV1~VV4: 벤트 밸브
VL1~VL4: 벤트라인
VI: 공기유입구
VO: 공기배출구
IP1, IP2: 내측관
OP1, OP2: 외측관
EF: 팬(Extraction fan)
10: 암모니아 탱크
20: 암모니아 회수드럼
1: 저압펌프
2: 고압펌프
3: 재순환드럼
4: 온도조절기
5: 필터

Claims (17)

  1. 암모니아를 연료로 사용하는 선박에 있어서,
    액상 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크;
    액상 암모니아를 상기 선박의 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 맞추어 상기 엔진으로 공급하는 연료준비룸;
    액상 암모니아가 이동하는 내측관 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되고, 상기 엔진으로 액상 암모니아를 연료로 공급하는 연료공급라인; 및
    액상 암모니아가 이동하는 내측관 및 상기 내측관의 외면을 감싸는 외측관을 포함하는 이중관으로 마련되고, 상기 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 상기 연료준비룸으로 회수하는 연료리턴라인:을 포함하고,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관은, 상기 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간에 마련되고,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 양 말단의 구간은 가압식 이중관이고,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관인 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압식 이중관의 환체공간(annular space)은 불활성기체로 충진되어, 일정한 압력으로 유지되며,
    상기 공기순환식 이중관의 환체공간은 일정한 방향으로 공기가 유입되고 배출되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가압식 이중관에는 가압식 암모니아 배출시스템이 마련되되,
    상기 가압식 암모니아 배출시스템은,
    가압식 이중관의 환체공간에서의 암모니아 누설을 감지하는 압력센서;
    가압식 이중관의 환체공간에 불활성기체를 공급하는 불활성기체공급라인;
    가압식 이중관의 환체공간에 누설된 암모니아를 배출하는 벤트(vent)라인; 및
    상기 벤트라인을 개폐하는 벤트밸브:를 포함하는 선박의 이중관시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 가압식 이중관은,
    연료공급라인 상의 연료준비룸 후단 측 말단부터 일부 구간에 마련된 제1 가압식 이중관;
    연료리턴라인 상의 연료준비룸 후단 측 말단부터 일부 구간에 마련된 제2 가압식 이중관; 및
    엔진과 연결된, 연료공급라인 일부와 연료리턴라인 일부를 포함하는 구간에 마련된 제3 가압식 이중관:을 포함하는 선박의 이중관시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 압력센서는,
    제1 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제1 압력센서;
    제2 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제2 압력센서; 및
    제3 가압식 이중관의 환체공간에서의 압력변화를 감지하는 제3 압력센서:를 포함하는 선박의 이중관시스템.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 불활성기체공급라인은,
    제1 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제1 불활성기체공급라인;
    제2 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제2 불활성기체공급라인; 및
    제3 가압식 이중관의 환체공간에서의 불활성기체를 공급하는 제3 불활성기체공급라인:을 포함하는 선박의 이중관시스템.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 벤트라인은,
    제1 가압식 이중관의 외측관에서 분기되고, 제1 벤트밸브가 마련되는 제1 벤트라인;
    제2 가압식 이중관의 외측관에서 분기되고, 제2 벤트밸브가 마련되는 제2 벤트라인;
    제3 가압식 이중관 중 연료공급라인의 외측관에서 분기되고, 제3 벤트밸브가 마련되는 제3 벤트라인; 및
    제3 가압식 이중관 중 연료리턴라인의 외측관에서 분기되고, 제4 벤트밸브가 마련되는 제4 벤트라인:을 포함하는 선박의 이중관시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 벤트라인을 통해 배출된 암모니아가 공급되는 암모니아 회수드럼을 더 포함하는 선박의 이중관시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기순환식 이중관에는 공기순환식 암모니아 배출시스템이 마련되되,
    상기 공기순환식 암모니아 배출시스템은,
    공기순환식 이중관의 환체공간에 공기가 유입되는 공기유입구(Ventilation air inlet);
    공기순환식 이중관의 환체공간에 유입된 공기가 배출되는 공기배출구(Ventilation air outlet); 및
    공기순환식 이중관의 환체공간 내의 공기 흐름을 형성하는 공기흐름생성기:를 포함하고,
    공기순환식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면, 유입된 공기와 함께 공기배출구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템.
  10. 청구항 4에 있어서, 상기 공기순환식 이중관은,
    상기 연료공급라인 상에서, 제1 가압식 이중관 및 제3 가압식 이중관 사이 구간에 마련된 제1 공기순환식 이중관; 및
    상기 연료리턴라인 상에서, 제2 가압식 이중관 및 제3 가압식 이중관 사이 구간에 마련된 제2 공기순환식 이중관:을 포함하는 선박의 이중관시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 공기배출구 상에 마련되어, 배출되는 공기 중 암모니아 농도를 측정하는 농도센서를 더 포함하는 선박의 이중관시스템.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 공기흐름생성기는,
    상기 공기배출구 측에 마련되어, 환체공간 내의 공기를 흡입하여 배출하는 팬(extraction fan); 또는
    상기 공기유입구 측에 마련되어, 환체공간 내에 공기를 주입하는 블로워(blower):인 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템.
  13. 암모니아를 연료로 사용하는 선박에서 엔진에서 요구하는 압력 및 온도로 액상 암모니아를 공급하는 연료준비룸이 마련되고,
    상기 엔진으로 액상 암모니아를 공급하는 연료공급라인 및 엔진에서 소비되지 않은 액상 암모니아를 회수하는 연료리턴라인 중 상기 연료준비룸 후단부터 상기 엔진까지 포함하는 구간은 이중관으로 마련되되,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관의 양 말단 구간은 가압식 이중관이고,
    상기 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 중 가압식 이중관 사이의 구간은 공기순환식 이중관이어서, 연료공급라인 및 연료리턴라인의 이중관 양 말단에서의 암모니아 누출이 저감되는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템 설치방법.
  14. 청구항 13에 따라 설치된 이중관시스템에 의하여,
    상기 가압식 이중관의 환체공간은 불활성기체로 충진되어, 일정한 압력으로 유지되고,
    상기 공기순환식 이중관의 환체공간은 일정한 방향으로 공기가 유입되고 배출되며,
    가압식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면 환체공간의 압력변화를 감지하여, 불활성기체를 공급하면서, 누설된 암모니아를 배출하고,
    공기순환식 이중관의 환체공간에 암모니아가 누설되면 공기를 따라 배출하여, 누설된 암모니아를 제거하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 가압식 이중관의 환체공간에서 암모니아를 배출한 후, 가압식 이중관의 환체공간에 불활성기체를 공급하여 퍼징하는 것을 더 포함하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법.
  16. 청구항 14 또는 15에 있어서,
    상기 가압식 이중관의 환체공간에서 배출된 암모니아는 암모니아 회수드럼에 공급하고,
    상기 암모니아 회수드럼에 공급되는 암모니아의 농도가 기준 값 이하가 되면, 암모니아 배출을 중단하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 암모니아 회수드럼에 공급된 암모니아 중 액상 암모니아는 회수하여 엔진으로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박의 이중관시스템에 의한 암모니아 배출방법.
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