KR-20260060605-A - Apparatus for monitoring gas fuel leaks in double piping

KR20260060605AKR 20260060605 AKR20260060605 AKR 20260060605AKR-20260060605-A

Abstract

연료탱크에 저장된 엔진 구동에 필요한 가스연료를 공급하는 내관과, 내관의 외측부를 감싸는 구조로 형성되어 공기가 통과할 수 있는 공간을 형성하며, 상기 공간을 통해 외부로부터 공급받은 공기를 배기관으로 배출하는 외관을 포함하는 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치가 제공된다. 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치는 외관의 흡입구측에 근접하게 위치된 제1 센서위치에 설치된 제1 유속센서를 포함하는 제1 센서부와, 제1 센서위치에 이격되어 외관의 배기구측에 근접하며, 가스연료 누출로 인하여 외관의 공기의 유속의 변화량이 측정될 수 있는 제2 센서위치에 설치된 제2 유속센서 및 가스센서를 포함하는 제2 센서부와, 제1 센서부와 제2 센서부 사이의 외관의 표면상에 위치되는 제3 센서위치에 설치된 하나 이상의 진동센서를 포함하는 제3 센서부와, 시간에 따른 제1 센서부의 제1 유속신호(S1)와, 제2 센서부의 제2 유속신호(S2)와 가스신호(S3)와, 제3 센서부의 진동신호(S4)를 수신하는 네트워크 인터페이스부와, 제1 센서부의 제1 유속신호(S1)와, 제2 센서부의 제2 유속신호(S2)와 가스신호(S3)와, 제3 센서부의 진동신호(S4)를 이용하여 가스연료 누출 여부를 결정하고, 가스연료가 누출되었다고 결정되는 경우 이중 배관의 가스연료 누출지점정보를 생성하는 제어부를 포함한다. (국문) 본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다. (2021RIS-002) (영문) This research was supported by "Regional Innovation Strategy (RIS)" through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(MOE)(2021RIS-002)

Inventors

이영철
김양곤

Assignees

국립목포해양대학교산학협력단

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241025

Claims (5)

연료탱크에 저장된 엔진 구동에 필요한 가스연료를 공급하는 내관과, 내관의 외측부를 감싸는 구조로 형성되어 공기가 통과할 수 있는 공간을 형성하며, 상기 공간을 통해 외부로부터 공급받은 공기를 배기관으로 배출하는 외관을 포함하는 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치로서, 외관의 흡입구측에 근접하게 위치된 제1 센서위치에 설치된 제1 유속센서를 포함하는 제1 센서부와, 제1 센서위치에 이격되어 외관의 배기구측에 근접하며, 가스연료 누출로 인하여 외관의 공기의 유속의 변화량이 측정될 수 있는 제2 센서위치에 설치된 제2 유속센서 및 가스센서를 포함하는 제2 센서부와, 제1 센서부와 제2 센서부 사이의 외관의 표면상에 위치되는 제3 센서위치에 설치된 하나 이상의 진동센서를 포함하는 제3 센서부와, 시간에 따른 제1 센서부의 제1 유속신호(S1)와, 제2 센서부의 제2 유속신호(S2)와 가스신호(S3)와, 제3 센서부의 진동신호(S4)를 수신하는 네트워크 인터페이스부와, 제1 센서부의 제1 유속신호(S1)와, 제2 센서부의 제2 유속신호(S2)와 가스신호(S3)와, 제3 센서부의 진동신호(S4)를 이용하여 가스연료 누출 여부를 결정하고, 가스연료가 누출되었다고 결정되는 경우 이중 배관의 가스연료 누출지점정보를 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치.
제1항에 있어서, 제어부는 제3 센서부의 진동신호(S4)를 분석하여 가스연료누출에 따른 진동이 감지된 시간인 이상진동감지시간(t1)을 결정하고, 제2 센서부의 가스신호(S3)를 분석하여 이상진동감지시간(t1) 이후 누출된 가스연료가 검출된 시간인 가스감지시간(t2)을 결정하고, 가스감지시간(t2)과 이상진동감지시간(t1)의 시간차(Δt)와 제2 유속신호(S2)에 포함된 이상진동감지시간(t1)의 제2 유속(V2(t1))과 가스감지시간(t2)의 제2 유속(V2(t2))의 차인 제2 유속의 유속변화량(ΔV)을 곱하여, 제2 센서부의 제2 센서위치로부터 가스연료누출지점까지의 거리(ΔL)를 계산하는 것을 특징으로 하는 이중 배관의 가스연료 누출 감지 장치.
제2항에 있어서, 제어부는 제3 센서부의 진동신호(S4)를 분석한 결과 이상진동이 감지되거나 제2 센서부의 가스신호(S3)를 분석한 결과 연료가스가 감지되는 경우, 가스연료의 누출을 나타내는 '이상상태'임을 나타내는 메시지를 네트워크 인터페이스부를 통해 연결된 통신망을 거쳐 외부의 중앙관제장치로 통지하고, 제어부는 제2 센서부의 제2 센서위치로부터 가스연료누출지점까지의 거리(ΔL)가 계산되면, 거리(ΔL) 정보를 가스연료 누출지점정보로 생성하고, '이상상태'임을 나타내는 메시지에 상기 가스연료 누출지점정보를 추가하여 통지하는 것을 특징으로 하는 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치.
제1항에 있어서, 제2 센서위치는 외관의 배기구의 끝단 또는 외관과 엔진의 연결부위인 것을 특징으로 하는 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치.
제1항에 있어서, 제어부는 시간대별로 제1 유속신호(S1)에 포함된 제1 유속과 제2 유속신호(S2)에 포함된 제2 유속을 비교하여, 제1 유속과 제2 유속이 동일하다고 결정되고, 가스신호(S3)에 포함된 가스감지값이 가스연료가 감지되고 있지 않음을 나타내면 '정상상태'라고 판단하고, '정상상태'임을 나타내는 메시지를 네트워크 인터페이스부를 통해 연결된 통신망을 거쳐 외부의 중앙관제장치로 통지하는 것을 특징으로 하는 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치.

Description

이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치{Apparatus for monitoring gas fuel leaks in double piping} 본 발명은 이중 배관의 가스연료 누출을 감시하는 장치에 관한 것이다. 지구온난화 및 기후변화 방지를 위한 환경규제 대비 측면에서 국제적인 선박 배출가스 규제 강화로 인해 세계 각국은 친환경, 저탄소연료 사용 선박 개발에 주력하고 있다. 그리고 전 세계적인 기후변화와 대기오염 증대에 따라 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization), 유럽연합, 미국 등에서 선박으로부터 배출되는 오염물질에 대한 규제가 대폭 강화될 예정이다. 그동안 기존의 화석연료를 대체할 연료로서 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)를 사용하는 방법이 가장 유력하게 고려되어 왔다. 실제로 LNG 선박은 지난해 2018년 9월 기준 432척 이상이 운항중으로 SOx와 NOx의 저감에 큰 역할을 하고 있다. LNG 연료의 단점은, LNG 벙커 항구, 벙커링 선박 등 관련 인프라 구축이 미흡하고, LNG 연료의 가격변동성, LNG 엔진의 메탄 슬립 문제로 온실가스의 증가 우려, 누출이나 화재·폭발의 위험도 상존한다는 것이다. 현재, 국제해사기구(IMO)가 발표한 선박 온실가스와 이산화탄소 저감 목표는 다음과 같다. 1) 선박 온실가스(Greenhouse Gas)　배출 저감 목표: 2008년 국제해운(International Shipping)의 온실가스(GHG, Greenhouse Gas) 배출 대비, 2050년까지 50% 저감을 목표로 추구하고 있다. (참고로, 온실가스에 포함되는 가스는 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 오존(O3), 염화불화탄소(CFCs) 등) 2) 탄소 집약도(Carbon Intensity) 저감 목표: 선박 운송작업(Transport Work) 당 이산화탄소(CO2) 배출량을 2008년 국제 해운(International Shipping) 대비, 2030년까지 40% 저감, 2050까지 70% 저감을 목표로 추구하고 있다. 향후 선박의 온실가스 배출 규제가 2050년까지 주요 기점마다 단계적으로 강화됨에 따라, 기존의 엔진 및 연료만으로는 온실가스 규정을 준수하기 어려울 것으로 전망된다. 이는 현재 선박 온실가스 배출 감소를 위한 대안으로 검증된 LNG 연료도 마찬가지이다. LNG 연료는 CO2의 저감에는 제한적(HFO 대비 15~25%에 불과)이라는 단점이 있기 때문에, 장기적인 관점에서는 기존의 다른 연료들과 마찬가지로 선박 온실가스 규제를 준수하기 어려울 것이다. 2023년부터 국제해사기구(IMO)의 현존선 CO배출규제가 시작됨에 따라 친환경 선박 대체연료 시스템 수요의 증가 예상되고 있다. 또한, 중단기적으로는 기존의 화석연료를 LNG 등의 친환경 연료로 전환하더라도 장기적으로는 더 미래지향적인 대안이 필요할 것으로 보이며, 이러한 대안은 수소, 암모니아(NH3), 바이오연료(Biofuel), 태양에너지, 풍력에너지 등과 같은 비화석연료로 선박의 연료를 대체하는 것이다. 이와 같이 LNG 또는 암모니아 등 탄소 친환경 연료를 선박 연료로 이용하는 경우, 안전을 위해 이중 배관을 사용해야 하고, 외관에 일정한 속도로 공기를 흘려 가스누출 시에 배기관을 통해 선박 외부로 배출시켜야 한다. 또한, 친환경 연료들은 화석연료에 비하여 효율이 낮아 300 Bar 수준의 고압의 연료를 이중관으로 엔진으로 주입하게 된다. 이와 같이 탄소 친환경 연료는 폭발위험성 또는 독성으로 인해 연료의 누출 여부를 정확히 감지하기 위한 기술이 필수적이다. 현재 이중 배관의 내관과 외관에서 용접 부위 이상 유무를 감지하기 위해 배관의 다수의 지점에 보스(boss)를 설처하여 내시경 또는 휴대용 센서로 점검하고 있는 상황이다. 현재의 연료 누출은 폭발의 위험이 있어 외관에 질소나 공기 또는 비활성 가스를 일정한 속도로 흘리고, 외관과 연결된 배기구 끝단에서 감지 센서를 통해 누출 여부만 감지하는 상황으로 정확한 누출 지점을 특정지을 수 없어 신속하고 정확하게 유지보수를 하지 못하는 한계가 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치가 적용된 전체 시스템을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 배관의 가스연료 누출 감시 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 도 3에서 가스연료 누출이 있다고 판단되는 경우 가스연료 누출지점정보를 생성하는 과정을 나타내는 순서도이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치가 적용된 전체 시스템을 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 이중 배관의 가스연료 누출 감시 장치(200)(이하에서, 가스연료 누출 감시 장치(200)라 함)는 연료탱크(10)에 저장된 엔진(20) 구동에 필요한 가스연료를 내관(110)과 외관(120)을 포함하는 이중배관을 통해 엔진(20)으로 공급하는 시스템(100)에 적용된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스연료 누출 감시 장치(200)는 가스연료 누출 여부를 판별하며, 가스연료 누출지점을 특정하도록 동작한다. 내관(110)은 가스연료를 연료탱크(10)로부터 엔진(20)으로 공급하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료는 LNG 또는 암모니아와 같은 친환경 가스 연료이다. 외관(120)은 내관(110)의 외측부를 감싸는 구조로 형성되어 공기가 통과할 수 있는 공간을 형성하며, 상기 공간을 통해 외부로부터 흡입구(122)로 공급받은 공기를 배기구(124)로 배출하도록 구성된다. 여기에서, 설명의 편의를 위하여 외관(120)에 공기가 통과하는 것으로 설명하였으나, 외관(120)에는 공기 외에도, 질소 또는 비활성기체가 공급되어 통과될 수 있다. 외관(120)에는 내관(110)의 손상 등으로 가스연료 누출이 발생하면, 외관(120)의 공기에는 가스연료가 혼입되어 정상상태와 다른 유속 변화가 발생된다. 가스연료 누출 감시 장치(200)는 제1 센서부(210), 제2 센서부(220), 제3 센서부(230), 제어부(240), 네트워크 인터페이스부(250) 및 전원부(260)를 포함한다. 제1 센서부(210), 제2 센서부(220) 및 제3 센서부(230)은 각각 내부에 통신부를 구비하여 통신망에 연결되어 네트워크 인터페이스부(250)를 통해 제어부(240)와 통신할 수 있다. 여기에서, 통신망은 블루투스, 지그비, 와이파이와 같은 무선 통신망이나 유선통신망을 포함할 수 있다. 내관(110)에서 가스연료의 누출이 없는 '정상상태'에서는 제1 유속센서(212)에서 감지하는 공기의 제1 유속(V1)과 제2 유속센서(214)에서 감지되는 공기의 제2 유속(V2)이 거의 동일할 것이다. 제1 유속(V1)과 제2 유속(V2)의 차가 거의 동일하다고 판단될 수 있는 소정의 범위에 있는 경우, 가스연료의 누출이 없다고 결정될 수 있다. 따라서 '정상상태'에서 제1 유속(V1)과 제2 유속(V2)은 소정의 값(V0)으로 설정될 수 있다. 외관(120)의 흡입구(122)에 근접한 제1 센서위치에 제1 유속센서(212)를 포함하는 제1 센서부(210)가 설치된다. 제1 센서부(210)는 제1 유속센서(212), 제1 클럭(216) 및 제1 통신부(218)를 포함한다. 제1 센서부(210)는 소정의 시간에 따라 외관(120)의 흡입구(122)의 공기의 유속을 측정하여 제어부(240)로 전송한다. 제1 센서부(210)는 유속 감지 결과로 제1 유속 및 제1 유속을 측정한 시간정보를 포함하여 제어부(240)로 전달할 수 있다. 제1 센서부(210)에는 하나의 제1 유속센서(212)가 포함되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 외관(120)의 흡입구(122)의 공기의 유속을 정확하게 감지할 수 있는 한 특정한 개수나 배치 구조에 제한되지 않는다. 제1 클럭(216)은 실시간 시간정보를 제공한다. 제1 클럭(216)의 시간정보는 제어부(240)에 의해 초기화 및 동기화될 수 있다. 제1 통신부(218)는 제1 유속센서(212)에 의해 감지된 공기의 제1 유속과 제1 클럭(216)에서 제공된 유속감지시간정보를 포함하는 제1 유속신호(S1)를 생성하여 네트워크 인터페이스부(250)를 통해 제어부(240)로 전송한다. 외관(120)의 흡입구(122)에서 떨어져 외관(120)의 배기구(124)에 근접한 제2 센서위치에는 제2 유속센서(222) 및 가스센서(224)를 포함하는 제2 센서부(220)가 설치된다. 제2 센서부(220)는 제2 유속센서(222), 가스센서(224), 제2 클럭(226) 및 제2 통신부(228)를 포함한다. 제2 센서부(220)는 소정의 시간에 따라 외관(120)의 배기구(124)의 공기의 유속을 측정하여 제어부(240)로 전송한다. 제2 센서위치는 외관(120)의 배기구(124)의 끝단이나 외관(120)과 엔진(20)의 연결부위 등 가스연료 누출로 인하여 외관(120)의 공기의 유속의 변화량을 측정할 수 있는 위치로 정해질 수 있다. 제2 센서부(220)는 유속 감지 결과를 나타내는 제2 유속 및 제2 유속을 측정한 시간정보를 포함하여 제어부(240)로 전달할 수 있다. 제2 센서부(220)에는 하나의 제2 유속센서(222)가 포함되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 외관(120)의 제2 센서위치(124)의 공기의 유속을 정확하게 감지할 수 있는 한 특정한 개수나 배치 구조에 제한