KR102715303B1

KR102715303B1 - 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템

Info

Publication number: KR102715303B1
Application number: KR1020160181685A
Authority: KR
Inventors: 정대민
Original assignee: 한화오션 주식회사
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2024-10-11
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: KR20180076965A

Abstract

본 발명은 FPSO 탑사이드 스택의 배출가스에 이산화탄소를 분사하여 스너핑하는 시스템에 있어서: 상기 스택 상으로 연결되는 분사관(22)과 인젝터(26)를 구비하는 분사수단(20); 상기 분사관(22)의 상류단에 불활성가스조(32)를 구비하는 방화수단(30); 및 상기 분사수단(20)과 방화수단(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, FPSO 탑사이드에 설치된 대기벤트 시스템에서 개방 공간으로 대류 등에 의하여 많은 양의 공기가 유입되어도 충분히 화재를 진압할 수 있고 벤트팁의 온도를 떨어뜨려 재차 발화에 의한 플레어링을 방지하는 효과가 있다.

Description

대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템{CO2 snuffing system with atmospheric vent structure}

본 발명은 FPSO의 이산화탄소 스너핑 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 FPSO의 탑사이드에서 플레어링에 수반되는 화재와 폭발을 방지하는 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템에 관한 것이다.

방화와 관련되는 특정 규정에 의하면 룸플러딩(Room flooding)에 대한 설계 지침으로 한정공간(Confined space)에 대하여 탄소수소 가스(HC gas)가 존재하는 상태에서 공기(산소 포함)의 유입 시 화재/폭발이 발생하지 않을 수 있는 비율의 불활성 가스(CO₂, N₂ 등)를 산정하고 주입하는 시스템을 제공한다. 다만 한정공간에 적용되는 기술로 대기의 흐름 및 전체가 개방되어 있는 공간에 대한 스너핑 설계로 적용할 수 없으므로 화재 발생 시 적절히 소화시키기 어려운 실정이다.

즉, 종래의 스너핑 방식/주입량 등을 개방 공간인 벤트팁(Vent tip)에 적용하여 동일 또는 그 이상의 CO₂ 가스를 분사시킨다고 하더라도 발생할 수 있는 플레어링 상황을 완전히 진압하기 어렵고 재발화할 수 있는 가능성이 높아 오프쇼어 플랜트(Offshore plant)에 적합하지 않다.

이와 관련되어 한국 공개특허공보 제2014-0015251호, 한국 공개특허공보 제2015-0039764호 등의 선행기술문헌을 참조할 수 있다.

전자는 조절 가능한 개구 단면을 포함하고 가연성 가스들을 플레어링하기 위한 장치에서 불활성 가스를 공급함으로써, 고탄소 가스를 블리딩 오프/플레어링할 때 그을음의 형성을 실제적으로 막을 수 있고, 이단 연소에 의해 질소 산화물들의 형성을 성공적으로 방지하는 효과를 기대한다.

후자는 격납 가스의 혼합물 연소에 의해 생산되는 냉각된 생성 가스 혼합물을 배기 화염 방지기를 통해서 소멸시키며, 액체 질소원으로부터의 질소와 같은 불활성 가스를 불활성 가스 주입기를 통해서 선택적으로 주입함으로써 폭연을 제어하기 위한 제어 로직을 실행한다.

그러나, 전자는 환경오염을 방지함을 요체로 하고 후자는 원자력 발전소의 플레어 시스템을 요체로 하므로, FPSO의 개방된 공간에 대한 스너핑으로 화재를 방지하기 미흡하다.

1. 한국 공개특허공보 제2014-0015251호 "가연성 가스들을 플레어링하기 … 원천 가스들을 연소시키기 위한 방법" (공개일자 : 2014.02.06.) 2. 한국 공개특허공보 제2015-0039764호 "냉각재 상실 사고후 완화를 위한 격납식 플레어 시스템" (공개일자 : 2015.04.13.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, FPSO 탑사이드 상에서 플레어 시스템과 별치되는 대기벤트 시스템에 화재가 발생하는 경우 설정된 비율의 불활성가스를 주입하여 탄화수소 가스의 혼합에 의한 화재나 폭발을 차단하기 위한 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 FPSO 탑사이드 스택의 배출가스에 이산화탄소를 분사하여 스너핑하는 시스템에 있어서: 상기 스택 상으로 연결되는 분사관과 인젝터를 구비하는 분사수단; 상기 분사관의 상류단에 불활성가스조를 구비하는 방화수단; 및 상기 분사수단과 방화수단을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분사수단은 스택의 외주면 상으로 복수의 인젝터를 균일한 간격으로 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 방화수단은 스택 상에서 인젝터의 상류측으로 플레임어레스터를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 스택의 하류단에 설치된 벤트팁의 온도로 화재를 감지하는 경우, 스택에서 검출되는 배출가스 유량의 90~100%에 해당하는 유량과 설정된 횟수로 불활성가스조의 이산화탄소를 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 스택 상에서 플레임어레스터의 상류측과 하류측을 연결하는 바이패스관에서 차압을 검출하여 배출가스의 유로를 전환하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, FPSO 탑사이드에 설치된 대기벤트 시스템에서 개방 공간으로 대류 등에 의하여 많은 양의 공기가 유입되어도 충분히 화재를 진압할 수 있고 벤트팁의 온도를 떨어뜨려 재차 발화에 의한 플레어링 현상을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스너핑 시스템을 나타내는 블록 다이아그램
도 2는 본 발명에 따른 시스템에서 분사수단을 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 FPSO 탑사이드 스택의 배출가스에 이산화탄소를 분사하여 스너핑하는 시스템에 관하여 제안한다. FPSO 탑사이드 설비의 하나인 대기벤트 시스템(Atmospheric vent system)을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 이는 서브스택(12), 메인스택(14), 벤트팁(16)을 통하여 저압의 배출가스를 유동시키며, 일반적인 상황에서는 화염을 발생하지 않는 형태로 설계되어 있다. 다만, 우연의 긴급한(Inadvertent jeopardy) 상황에서 많은 양의 탄화수소(HC Gas)가 연속적으로 방출되면서 대기 중에 존재하는 정전기 등에 의한 자연 발화에 따른 플레어링이 유발되어 화재나 폭발 사고로 이어질 수 있다.

본 발명에 따르면 분사수단(20)이 상기 스택 상으로 연결되는 분사관(22)과 인젝터(26)를 구비한다. 도 1에서 다수의 서브스택(12)으로 송출되는 배출가스는 메인스택(14)을 통하여 합류되며, 분사관(22)과 인젝터(26)는 메인스택(14) 상에서 벤트팁(16)에 인접하도록 연결된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 분사수단(20)은 스택의 외주면 상으로 복수의 인젝터(26)를 균일한 간격으로 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 2(a)는 스택의 관경이 상대적으로 큰 경우(예컨대 750㎜ 이상) 4개의 인젝터(26)를 배치한 상태이고, 도 2(b)는 스택의 관경이 상대적으로 작은 경우 2개의 인젝터(26)를 배치한 상태이다. 어느 경우에나 멀티 포인트 방식의 인젝터(26)를 모두 균일한 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 시스템의 공간과 비용을 절감하는 것은 물론 스너핑 가스(이산화탄소)의 믹싱 효율을 증대할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 방화수단(30)이 상기 분사관(22)의 상류단에 불활성가스조(32)를 구비한다. 불활성가스조(32)는 이산화탄소를 고압으로 수용하고 필요에 따라 외부에서 충진 가능한 구조로 설치된다. 분사관(22) 상에서 불활성가스조(32)와 인젝터(26)의 사이에 유로를 단속하도록 복수의 밸브(24)를 구비한다.

한편, 도 1에서 불활성가스조(32)는 하나의 메인스택(14)으로 연결된 상태를 예시하지만, 복수의 대기벤트 시스템(Atmospheric vent system)과 연동하도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 방화수단(30)은 스택 상에서 인젝터(26)의 상류측으로 플레임어레스터(36)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 노멀 상태에서 불활성가스가 연속적으로 제공되어 스너핑하므로 메인스택(14)을 통하여 내부로 산소가 유입되거나 벤트팁(16)에서 발생하는 화염의 일부가 백플로우(역류)되는 것을 방지한다. 다만 스너핑이 원활하지 않는 경우 화염이 메인스택(14)으로 역류하지 않도록 플레임어레스터(36)를 설치하는 것이 좋다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 분사수단(20)과 방화수단(30)을 설정된 알고리즘으로 제어한다. 제어수단(40)은 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 제어기(45)를 기반으로 한다. 설정된 알고리즘은 메모리에 저장하고 갱신된다. 현존하는 규정에서 개방된 벤트 시스템에 대한 설계 지침이 없으므로 시뮬레이션과 실험을 거쳐 알고리즘이 구현된다. 입력인터페이스에는 유량센서(41), 온도센서(42) 등이 연결되고, 출력인터페이스에는 각종 밸브, 모니터링 스크린 등이 연결된다. 유량센서(41)는 메인스택(14) 상에서 상류측으로 설치되고, 온도센서(42)는 벤트팁(16) 상에 복수로 설치된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 스택의 하류단에 설치된 벤트팁(16)의 온도로 화재를 감지하는 경우, 스택에서 검출되는 배출가스 유량의 90~100%에 해당하는 유량과 설정된 횟수로 불활성가스조(32)의 이산화탄소를 공급하는 것을 특징으로 한다. 각종 데이터를 기반으로 오픈 공간에서 플레어링을 진압하고 재발화하는 것을 억제할 수 있는 이산화탄소/공기의 비율을 검증하며, 이후 제어기(45)에 탑재된 최적의 알고리즘으로 방화수단(30)의 이산화탄소를 분사수단(20)의 인젝터(26)로 분사한다.

이때, 탄화수소 가스 / 불활성가스 / 공기의 비율을 LEL/UEL을 기준으로 계산하면, 종래의 불활성가스 1~15%의 비율이 본 발명에서 10~100%로 확대된다.

좀 더 구체적으로, CO₂ 의 개방 공간 분사 시 적정 비율을 메인스택(14)의 배출가스 유량에 대하여 10~100%의 범위로 설정하고 실험을 거친 결과, 최악의 조건으로 배출가스가 메탄으로만 구성된 경우에는 90% CO₂ / 10% 메탄의 혼합이 필요한 것으로 나타난다. 결론적으로 CO₂ 기준으로 경제성, 설계 안전율 등을 고려할 때 배출가스의 90~100% 범위의 유량으로 분사하는 것이 바람직하다.

한편, 제어수단(40)에 의한 작동의 일예로서 60초 간격으로 2회 분사하는 것이 최적의 조건으로 나타난다. 2회 분사 중에서 선행하는 1회는 프로그램에 따라 자동으로 수행하고 후행하는 1회는 작업자의 수동 지령으로 수행한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 스택 상에서 플레임어레스터(36)의 상류측과 하류측을 연결하는 바이패스관(34)에서 차압을 검출하여 배출가스의 유로를 전환하는 것을 특징으로 한다. 바이패스관(34)은 플레임어레스터(36) 사이에 밸브를 개재하여 연결되고, 상류측과 하류측에서 압력을 검출하는 차압센서(43)를 구비한다. 메인스택(14) 상에는 플레임어레스터(36)에 질소 가스를 공급하기 위한 퍼징관(38)이 밸브를 개재하여 연결된다.

이에, 평상시 제어기(45)가 차압센서(43)의 신호로 플레임어레스터(36)의 클로깅 상태를 판단하고, 퍼징관(38)을 통하여 질소를 분사하여 클로깅을 완화할 수 있다. 물론 배출가스의 유무와 무관하게 퍼징관(38)을 개방하여 질소를 유동시키면서 차압센서(43)의 신호를 확인하는 작동도 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

12: 서브스택 14: 메인스택
16: 벤트팁 20: 분사수단
22: 분사관 24: 밸브
26: 인젝터 30: 방화수단
32: 불활성가스조 34: 바이패스관
36: 플레임어레스터 38: 퍼징관
40: 제어수단 41: 유량센서
42: 온도센서 43: 차압센서
45: 제어기

Claims

FPSO 탑사이드 스택의 배출가스에 이산화탄소를 분사하여 스너핑하는 시스템에 있어서:
상기 스택 상으로 연결되는 분사관(22)과 인젝터(26)를 구비하는 분사수단(20);
상기 분사관(22)의 상류단에 불활성가스조(32)를 구비하는 방화수단(30); 및
상기 분사수단(20)과 방화수단(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);을 포함하되,
상기 방화수단(30)은 스택 상에서 인젝터(26)의 상류측으로 플레임어레스터(36)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 분사수단(20)은 스택의 외주면 상으로 복수의 인젝터(26)를 균일한 간격으로 구비하는 것을 특징으로 하는 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(40)은 스택의 하류단에 설치된 벤트팁(16)의 온도로 화재를 감지하는 경우, 스택에서 검출되는 배출가스 유량의 90~100%에 해당하는 유량과 설정된 횟수로 불활성가스조(32)의 이산화탄소를 공급하는 것을 특징으로 하는 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(40)은 스택 상에서 플레임어레스터(36)의 상류측과 하류측을 연결하는 바이패스관(34)에서 차압을 검출하여 배출가스의 유로를 전환하는 것을 특징으로 하는 대기 방출형 이산화탄소 스너핑 시스템.