KR101253964B1 - 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도시가스를 연료로 사용하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템에 관한 것으로서, 특히 이중연료 엔진이 도시가스로 가동할 때에 공급되는 도시가스의 메탄가를 제어하여 녹킹 발생을 예방하고 또한 공급되는 가스성분의 차이를 보상할 수 있도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템은 불활성가스 공급라인과 도시가스라인이 연결되어 불활성가스와 도시가스를 혼합하는 혼합기와, 혼합기에서 혼합된 혼합가스가 유입되는 가스밸브유닛과, 혼합기와 가스밸브유닛을 연결하며 혼합가스가 유동하는 혼합가스라인과, 가스밸브유닛에서 공급되는 연료에 의해 가동하는 이중연료 엔진과, 혼합가스의 메탄가를 분석하는 불활성가스 성분분석기 및, 불활성가스 성분분석기에서 분석된 메탄가에 따라 불활성가스 공급라인에 장착된 유량조절밸브를 제어하여 메탄가 제어기를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템{Natural Gas Methane Number Control System for Duel Fuel Engine}
본 발명은 도시가스를 연료로 사용하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템에 관한 것으로서, 특히 이중연료 엔진이 도시가스로 가동할 때에 공급되는 도시가스의 메탄가를 제어하여 녹킹 발생을 예방하고 또한 공급되는 가스성분의 차이를 보상할 수 있도록 구성한 것이다.
통상적으로 LNG운반선에 탑재되는 이중연료 엔진은 자연기화천연가스와 액화천연가스를 연료로 사용한다.
도면에서 도 1은 종래 기술에 따른 LNG운반선용 이중연료 엔진의 연료공급시스템에 관한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료공급시스템은 고압 압축기(5)의 출구와 연결된 강제기화천연가스 액적 분리기(9)의 기체 배출 배관에 질소 유량 제어 밸브(28) 및 이산화탄소 유량 제어 밸브(29)를 각각 구비한 불활성가스 공급 배관(40)을 더 연결하고, 질소 혹은 이산화탄소 공급 배관(40) 상에는 연료가스 압력 제어 밸브 혹은 유량 제어 밸브(23)와 연료가스 압력 제어기 혹은 유량제어기(35)와 연결된 불활성가스 유량 제어기(36)를 설치하되 질소 혹은 이산화탄소 유량 제어 선택기(37)를 부가 설치하여 연료가스의 압력 혹은 유량에 따라 불활성가스가 비례적으로 공급할 수 있도록 구성된다.
종래 기술에 따른 LNG운반선의 연료 공급시스템은 화물창에 운반되는 LNG를 이용한 것으로 종래 기술에 따른 LNG운반선의 연료 공급시스템은 가스의 유량에 따라 불활성가스를 비례적으로 공급하도록 구성되어 있다. 따라서 내륙에서 공급되는 도시가스를 이용하는 연료공급시스템에 종래 기술에 따른 LNG운반선의 연료 공급시스템을 채택하기에 어려움이 있다. 그 이유는 사용되는 LNG의 메탄가가 다르기 때문이다.
통상적으로 가스를 이용한 이중연료 엔진에 사용되는 가스의 메탄가는 80 이상이고 5.5bar 이상인데 비하여 도시가스의 메탄가는 약 72~74이며 공급압력이 낮아 메탄가의 제어 및 공급 압력의 제어가 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0035223호
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 이중연료 엔진을 가동하기에 적합하도록 도시가스의 메탄가를 제어하여, 녹킹 발생을 예방하며 조성성분이 다른 도시가스라도 용이하게 사용 가능하도록 구성한 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템은 불활성가스 공급라인과 도시가스라인이 연결되어 불활성가스와 도시가스를 혼합하는 혼합기와, 혼합기에서 혼합된 혼합가스가 유입되는 가스밸브유닛과, 혼합기와 가스밸브유닛을 연결하며 혼합가스가 유동하는 혼합가스라인과, 가스밸브유닛에서 공급되는 연료에 의해 가동하는 이중연료 엔진과, 혼합가스의 메탄가를 분석하는 불활성가스 성분분석기 및, 불활성가스 성분분석기에서 분석된 메탄가에 따라 불활성가스 공급라인에 장착된 유량조절밸브를 제어하여 메탄가 제어기를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 불활성가스 공급라인은 불활성가스가 저장탱크에 연결되며, 저장된 불활성가스가 공급라인을 따라 공급된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 불활성가스 공급라인에는 대기식 기화기, 전열식 기화기, 불활성가스 서지탱크, 상기 유량제어밸브가 순차적으로 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도시가스라인은 외부에서 연장된 도시가스공급라인에 연결되고, 도시가스라인으로 공급된 도시가스는 전처리부를 거쳐 혼합기로 공급된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도시가스라인은 병렬로 분기된 후 합지되어 혼합기에 연결되며, 분기된 도시가스라인에는 전처리부가 병렬식으로 배치된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전처리부는 가스압축기, 압축가스 냉각기, 가스서지탱크를 포함하며 순차적으로 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분기된 도시가스라인 중 어느 한 라인에는 도시가스 전용라인이 연결되고, 도시가스 전용라인은 혼합가스라인에 연결되며, 도시가스 전용라인과 혼합가스라인이 연결된 지점에는 삼방변이 장착되어 혼합가스 또는 도시가스를 선택적으로 가스밸브유닛에 공급한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스압축기의 전방과 가스서지탱크의 후방을 연결하는 압력조절라인이 장착되고, 압력조절라인은 분기되어 분기된 각 라인에 압력조절밸브와 릴리프밸브가 각각 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 불활성가스 서지탱크의 전방에는 압력조절밸브가 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도시가스라인에는 혼합기의 전방에 압력조절밸브가 장착된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도시가스 전용라인에는 압력조절밸브가 장착된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 도시가스의 메탄가 제어 시스템은 도시가스가 공급되는 지역 어디에서나 이중연료 엔진을 가동할 수 있다는 장점이 있다. 또한 이중연료 엔진에 공급되는 혼합가스(도시가스+불활성가스)의 메탄가를 분석하여 적절한 혼합가스를 공급함에 따라 녹킹현상을 예방할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 도시가스의 메탄가 제어 시스템은 도시가스의 성분이 다르더라도 적절하게 불활성가스인 이산화탄소의 공급량을 조절함으로써, 도시가스를 이용한 이중연료 엔진을 가동할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 LNG운반선용 이중연료 엔진의 연료가스공급시스템에 관한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템을 나타낸 개념도이다.
아래에서는 본 발명에 따른 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 2는 본 발명에 따른 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도시가스의 메탄가 제어 시스템은 이산화탄소가 저장된 이산화탄소 저장탱크(100)와, 도시가스를 공급하는 도시가스공급라인(300)과, 이산화탄소 저장탱크(100)에서 공급되는 이산화탄소와 도시가스가 혼합되는 혼합기(150)와, 혼합기(150)에서 이중연료 엔진(180)으로 공급되는 혼합가스에 함유된 이산화탄소 함량을 측정하는 이산화탄소 성분분석기(210)와, 이산화탄소 성분분석기(210)에서 분석된 이산화탄소의 함량에 따라 혼합기(150)로 공급되는 이산화탄소의 유량을 제어하는 이산화탄소 유량제어밸브(140)를 포함한다.
아래에서는 이와 같이 구성된 도시가스의 메탄가 제어 시스템에 대해 구체적으로 설명한다.
이산화탄소 저장탱크(100)에서 혼합기(150)까지 이산화탄소 공급라인(101)으로 연결되고, 이산화탄소 공급라인(101)에는 대기식 기화기(110), 전열식 기화기(120), 제1압력조절밸브(125), 이산화탄소 서지탱크(130), 이산화탄소 유량제어밸브(140)가 순차적으로 설치된다. 따라서 이산화탄소 저장탱크(100))에 저장된 이산화탄소는 대기식 기화기(110)를 통과하고, 전열식 기화기(120)를 통과한 후에 제1압력조절밸브(125)를 거쳐 이산화탄소 서지탱크(130)로 유입된다. 그리고 이산화탄소 서지탱크(130)에 저장된 이산화탄소는 이산화탄소 유량제어밸브(140)를 거쳐 혼합기(150)로 유입된다.
한편, 도시가스 공급라인(300)을 통해 도시가스의 메탄가 제어 시스템으로 공급된 도시가스는 도시가스라인(301)을 따라 혼합기(150)로 유동한다. 도시가스 공급라인(300)에 연결된 도시가스라인(301)은 분기되어 병렬로 배치된 제1, 제2전처리부(310a, 310b)와 각각 연결된다. 따라서 도시가스라인(301)으로 공급된 도시가스는 분기된 도시가스라인(301)을 따라 병렬로 배치된 제1, 제2전처리부(310a, 310b)를 거치거나 또는 어느 한 쪽의 전처리부를 거친다.
제1, 제2전처리부(310a, 310b)는 제1솔레노이드밸브(311), 가스압축기(313), 압축가스 냉각기(315), 가스서지탱크(317), 제2솔레노이드밸브(319)를 포함하며, 도시가스는 전처리부(310a, 310b)를 통과한 후에 합지된 도시가스라인(301)을 따라 혼합기(150)로 유입된다.
여기에서, 제2솔레노이드밸브(319)의 후방에 연결된 압력조절라인(302)이 가스압축기(313)의 전방으로 연결된다. 압력조절라인(302)은 두 라인으로 분할되는데, 한 쪽 라인에는 제2압력조절밸브(320)가 장착되고, 다른 라인에는 릴리프밸브(321)가 장착된다.
한편, 병렬식으로 배치된 제1, 제2전처리부(310a, 310b)의 후방에서 합지된 도시가스라인(301)에는 제3압력조절밸브(330)가 장착되며 제3압력조절밸브(330)를 거친 도시가스는 혼합기(150)로 유입된다.
혼합기(150)에서는 이산화탄소 공급라인(101)을 통해 유입된 이산화탄소와 도시가스라인(301)을 통해 유입된 도시가스가 혼합되고, 혼합가스는 삼방변(160)을 거친 후 가스밸브유닛(170)으로 유입되고, 가스밸브유닛(170)을 통과한 혼합가스는 이중연료 엔진(180)으로 공급된다.
한편, 이산화탄소 성분분석기(210)는 혼합기(150)의 후방에 설치되어 혼합가스에 함유된 이산화탄소의 함량비를 측정하는데, 이산화탄소 성분분석기(210)에서는 이산화탄소의 함량비에 따른 전기적신호를 발생하고 전기적신호는 메탄가 제어기(220)로 입력된다. 메탄가 제어기(220)는 이산화탄소의 함량에 따라 이산화탄소 서지탱크(130)의 후방에 위치한 이산화탄소 유량제어밸브(140)의 개도를 제어함으로써, 혼합기(150)로 유입되는 이산화탄소의 유량을 제어한다.
한편, 전처리된 도시가스만이 가스밸브유닛(170)으로 유입될 수 있도록 병렬로 배치된 제1, 제2전처리부(310a, 310b) 중 어느 한 전처리부의 후단에는 도시가스 전용라인(402)이 연장되며 도시가스 전용라인(402)은 삼방변(160)에 연결된다. 따라서 경우에 따라서는 도시가스라인(301)에 장착된 제3압력조절밸브(330)와 이산화탄소 유량제어밸브(140)를 폐쇄하고 도시가스 전용라인(402)에 장착된 제4압력조절밸브(340)를 개방하면 가스밸브유닛(170)으로 전처리된 도시가스만이 유입된다.
아래에서는 도시가스의 메탄가 제어 시스템의 각 구성요소의 기능에 대해 설명한다.
이산화탄소 저장탱크(100)는 메탄가 조정을 위한 이산화탄소를 저장해 두는 탱크이고, 대기식 기화기(110)는 액화상태의 이산화탄소를 기화하는 장치이며, 전열식 기화기(120)는 기화된 이산화탄소의 온도를 조절하는 장치이다. 또한 제1압력조절밸브(125)는 후방의 이산화탄소 서지탱크(130)의 압력을 조절하는 밸브이고, 이산화탄소 서지탱크(130)는 기체 상태의 이산화탄소의 안정적인 공급 및 압력 변동을 최소화하기 위해 설치된 탱크이며, 이산화탄소 유량제어밸브(140)는 메탄가 조정을 위해 혼합기(150)로 공급되는 이산화탄소 공급량을 조절하는 밸브이다.
또한 제1, 제2전처리부(310a, 310b)의 가스압축기(313)는 도시가스 압력을 6bar까지 승압하고, 압축가스 냉각기(315)는 압축된 도시가스를 냉각하며, 가스서지탱크(317)는 압축된 도시가스의 압력 변동을 최소화하기 위한 탱크이고, 제2압력조절밸브(320)는 가스서지탱크(317)의 압력을 조절하기 위한 밸브이다. 그리고 릴리프밸브(321)는 가스서지탱크(317)의 압력을 일정하게 유지하기 위한 밸브이고, 제3압력조절밸브(330)는 후방에 위치한 혼합기(150)로 유입되는 도시가스의 압력을 조절하는 밸브이며, 제4압력조절밸브(340)는 도시가스 전용라인(402)을 통해 삼방변(160)으로 공급되는 도시가스의 압력을 조절하는 밸브이다.
그리고 삼방변(160)은 혼합가스라인(401)에서 공급되는 혼합가스와 도시가스 전용라인(402)에서 공급되는 도시가스 중 어느 한 가스를 선택하여 가스밸브유닛(170)으로 공급하는 역할을 하며, 가스밸브유닛(170)은 이중연료 엔진(180)에 부하별 적정 연료량을 공급하는 장치이다.
아래에서는 이와 같이 구성된 도시가스의 메탄가 제어 시스템의 작동관계에 대해 설명한다.
도시가스라인(301)을 통해 공급된 도시가스는 전처리부(310a, 310b)의 가스압축기(313)에서 가스밸브유닛(170)에서 필요한 6bar 압력으로 승압되고, 압축가스 냉각기(315)를 통해 냉각된 후 가스서지탱크(317)에 충전된다. 이때 제2압력조절밸브(320)에 의해 가스서지탱크(317)내의 압력은 자동으로 조절되며 압력 초과 시 릴리프밸브(321)를 통하여 리턴되도록 설계하여 안전을 확보하고 있다.
필요에 따라서는 병렬로 장착된 제1, 제2전처리부(310a, 310b) 중 어느 한 쪽 전처리부는 예비 전처리부로 이용되며, 다른 한 쪽의 전처리부가 고장 또는 수리 시에 작동된다. 그리고 도시가스라인(301)에 설치된 제3압력조절밸브(330)는 혼합기(150)로 공급되는 도시가스의 필요한 압력을 제어한다.
한편, 앞에서 설명한 바와 같이, 이산화탄소 저장탱크(100)에 저장된 이산화탄소는 대기식 기화기(110), 전열식 기화기(120), 제1압력조절밸브(125), 이산화탄소 서지탱크(130) 및 이산화탄소 유량제어밸브(140)를 거쳐 혼합기(150)로 공급되며, 혼합기(150)에서 도시가스와 이산화탄소가 혼합되고 혼합가스는 혼합가스라인(401)을 따라 삼방변(160)으로 공급된다. 이때 혼합가스라인(401)에 연결된 이산화탄소 성분분석기(210)에서 혼합가스에 포함된 이산화탄소함량에 따른 혼합가스의 메탄가를 계산한 후에 분석치에 따른 전기적신호를 메탄가 제어기(220)로 입력한다.
메탄가 제어기(220)는 설정되거나 또는 입력된 조건 메탄가와 이산화탄소 성분분석기(210)에서 입력된 메탄가 분석치를 비교한 후 이산화탄소 유량제어밸브(140)의 개도를 제어하여 혼합기(150)로 공급되는 이산화탄소의 양을 조절한다.
이와 같이 혼합기(150)에는 메탄가 제어기(220)에서 제어된 유량의 이산화탄소가 유입됨에 따라 혼합기(150)에서 혼합된 혼합가스의 메탄가를 설정 또는 입력된 조건의 메탄가로 조절하여 삼방변(160)으로 공급하게 된다.
또한, 필요에 따라서는 제3압력조절밸브(330)를 폐쇄하고 제4압력조절밸브(340)를 개방하여 전처리된 도시가스가 삼방변(160)으로 유입되게 제어할 수 있다.
따라서 삼방변(160)에서는 공급되는 혼합가스 또는 도시가스를 가스밸브유닛(170)으로 선택적으로 공급 가능하다. 가스밸브유닛(170)에서는 유입된 가스(혼합가스 또는 도시가스)를 이중연료 엔진(180)에 부하별 적정 연료량으로 공급한다.
앞서 설명한 본 발명에 따른 도시가스의 메탄가 제어 시스템에 있어서, 도시가스와 이산화탄소를 혼합하여 이중연료 엔진에 공급하는 것으로 설명하고 있으나, 이산화탄소를 대신하여 불활성가스 즉 질소가스 또는 헬륨가스 등을 사용할 수도 있다.
100 : 이산화탄소 저장탱크
101 : 이산화탄소 공급라인
110 : 대기식 기화기
120 : 전열식 기화기
125, 320, 330, 340 : 압력조절밸브
130 : 이산화탄소 서지탱크
140 : 이산화탄소 유량제어밸브
150 : 혼합기
160 : 삼방변
170 : 가스밸브유닛
180 : 이중연료 엔진
210 : 이산화탄소 성분분석기
220 : 메탄가 제어기
300 : 도시가스공급라인
301 : 도시가스라인
302 : 압력조절라인
310a, 310b : 전처리부
311, 319 : 솔레노이드밸브
313 : 가스압축기
315 : 압축가스 냉각기
317 : 가스서지탱크
401 : 혼합가스라인
402 : 도시가스 전용라인

Claims (11)

  1. 불활성가스 공급라인(101)과 도시가스라인(301)이 연결되어 불활성가스와 도시가스를 혼합하는 혼합기(150)와,
    혼합기에서 혼합된 혼합가스가 유입되는 가스밸브유닛(170)과,
    혼합기와 가스밸브유닛을 연결하며 혼합가스가 유동하는 혼합가스라인(401)과,
    가스밸브유닛에서 공급되는 연료에 의해 가동하는 이중연료 엔진(180)과,
    혼합가스의 메탄가를 분석하는 불활성가스 성분분석기(210) 및,
    불활성가스 성분분석기에서 분석된 메탄가에 따라 불활성가스 공급라인에 장착된 유량제어밸브(140)를 제어하여 메탄가 제어기(220)를 포함하며,
    도시가스라인(301)은 외부에서 연장된 도시가스공급라인(300)에 연결되고, 도시가스라인으로 공급된 도시가스는 전처리부(310a, 310b)를 거쳐 혼합기로 공급되고,
    도시가스라인(301)은 병렬로 분기된 후 합지되어 혼합기에 연결되며, 분기된 도시가스라인에는 전처리부(310a, 310b)가 병렬식으로 배치된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    불활성가스 공급라인(101)은 불활성가스가 저장된 불활성가스 저장탱크(100)에 연결되며, 저장된 불활성가스가 불활성가스 공급라인을 따라 공급되는 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    불활성가스 공급라인(101)에는 대기식 기화기(110), 전열식 기화기(120), 불활성가스 서지탱크(130), 상기 유량제어밸브(140)가 순차적으로 장착된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    전처리부(310a, 310b)는 가스압축기(313), 압축가스 냉각기(315), 가스서지탱크(317)를 포함하며 순차적으로 장착된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    분기된 도시가스라인 중 어느 한 라인에는 도시가스 전용라인(402)이 연결되고, 도시가스 전용라인은 혼합가스라인(401)에 연결되며, 도시가스 전용라인과 혼합가스라인이 연결된 지점에는 삼방변(160)이 장착되어 혼합가스 또는 도시가스를 선택적으로 가스밸브유닛에 공급하는 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    가스압축기의 전방과 가스서지탱크의 후방을 연결하는 압력조절라인(302)이 장착되고, 압력조절라인은 분기되어 분기된 각 라인에 압력조절밸브(320)와 릴리프밸브(321)가 각각 장착된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    불활성가스 서지탱크의 전방에는 압력조절밸브(125)가 장착된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    도시가스라인에는 혼합기의 전방에 압력조절밸브(330)가 장착된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    도시가스 전용라인에는 압력조절밸브(340)가 장착된 것을 특징으로 하는 이중연료 엔진을 위한 도시가스의 메탄가 제어 시스템.
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