KR101775042B1 - Df 엔진 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DF 엔진 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 장치는, 증발가스를 연료로 사용하는 가스 모드 및 증발가스와 오일을 모두 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode) 중 하나로 구동되어 선박을 이동시키는 엔진; 및 상기 엔진이 가스 모드로 구동될 때, 상기 선박의 설정된 이동 속도에 필요한 증발가스의 양과 상기 선박에 저장된 LNG에서 생성된 증발가스의 양을 비교하여, 상기 엔진이 가스모드 및 퓨얼 쉐어링 모드 중 하나로 구동되도록 제어하는 IAS(integrated automation system)를 포함한다. 본 발명에 의하면, 선박의 규정된 운송 속도에 따라 필요한 증발가스의 양을 설정하여, 생성된 증발가스의 양과 설정된 증발가스의 양을 비교하여 DF 엔진에 공급되는 연료를 자동으로 설정할 수 있어, 선박의 운송 속도를 맞추면서 연료비를 절약할 수 있는 효과가 있다.

Description

DF 엔진 제어 장치 및 방법{CONTROL APPARATUS AND METHOD OF DUAL FUEL ENGINE}
본 발명은 DF 엔진 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 퓨얼 쉐어링 모드(Fuel Sharing Mode)로 DF 엔진을 구동할 수 있는 DF 엔진 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
천연가스(natural gas)는 메탄(methane)이 주성분이며, 소량의 에탄(ethane) 및 프로판(propane) 등이 포함된 화학연료이다. 이러한 천연가스는 최근 다양한 기술분야에서 저공해 에너지원으로 각광을 받고 있으며, 특히, LNG는 비교적 저렴하면서도 공해 유발이 적어 발전을 위한 연료로 많이 사용되고 있다.
천연가스는 대체로 해양에서 채굴되어 육지로 운반되는데, 가스 상태로 운반되기도 하고, 액화된 액화천연가스(LNG, liquefied natural gas) 상태로 액화천연가스 운반선(LNGC, liquefied natural gas carrier)에 의해 원거리로 운반되기도 한다. 이때, 액화천연가스는 천연가스를 극저온(약 -163℃ 이하)에서 냉각된 것으로, 가스 상태의 천연가스보다 그 부피가 약 1/600로 줄일 수 있어 해상을 통한 원거리 운반에 적합한 이점이 있다.
액화천연가스는 운반된 다음, LNG 부유식 저장 및 재기화 장치(FSRU, floating storage and regasification unit)이나 육상의 하역 터미널을 거치면서 재기화되어 소비처로 공급된다. 또는 LNG 재기화선(LNG RV, LNG regasification vessel)에 의해 LNG가 수송되는 경우, LNG 재기화선 자체에서 재기화되어 공급될 수 있어, LNG 부유식 저장 및 재기화 장치나 육상의 하역 터미널을 거치지 않고 소비처로 공급될 수도 있다.
한편, 액화천연가스의 액화를 유지하기 위해서는 상압에서 -163℃를 유지하여야 하지만 단열 처리된 LNG 운반선의 LNG 저장탱크에 외부의 상온이 지속적으로 가해져 LNG 저장탱크 내에 LNG가 기화되어 증발 가스(BOG, boil-off gas)가 발생한다. 발생된 증발가스에 의해 LNG 저장탱크 내의 압력이 증가하는 것을 방지하기 위해 종래의 LNG 운반선은 증발가스를 포집하고, 포집한 증발가스를 보일러에서 연소시켜 스팀 터빈을 구동시키는 스팀 터빈 추진 시스템을 통해 증발가스를 처리하였다.
상기와 같은 증발가스 처리는 추진 효율이 낮은 단점이 있어, 증발가스, 해상용 디젤유(DO, marine diesel oil) 및 중유(HFO, heavy fuel oil)를 모두 연료로 사용할 수 있는 DF(dual fuel) 엔진이 개발되어 증발가스를 보다 효율적으로 처리할 수 있게 개선되었다. LNG 운반선에서 DF 엔진은 복수 개가 설치될 수 있으며, 각각의 DF 엔진은 가스를 연료로 사용할 수 있는 가스 모드와 오일을 연료로 사용할 수 있는 오일모드로 구동될 수 있다.
더욱이, 최근, DF 엔진에 가스와 오일을 동시에 연료로 사용할 수 있는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode)로 DF 엔진을 구동할 수 있는 방법이 개발되었다. 상기와 같은 다수 개의 DF 엔진이 이용된 LNG 운반선은 증발가스, 해상용 디젤유 및 중유 중 하나의 연료를 사용하여 DF 엔진을 구동하고, DF 엔진의 구동축에 연결된 발전기를 통해 전력을 생산한다. 생산된 전력은 배전반을 통해 보조기기나 LNG 운반선의 주 추진을 위한 모터를 구동하는데, 이용될 수 있다.
이때, LNG 운반선이 추진되도록 모터를 구동시키기 위해 가변 주파수변환기를 이용하여 모터에 공급되는 전력을 조절하여 모터의 구동을 제어함으로써, LNG 운반선의 추진 속도를 제어할 수 있다.
상기와 같이, DF 엔진을 증발가스, 해상용 디젤유 및 중유 중 하나의 연료로 이용할 때, 해상용 디젤유나 중유는 저장된 오일을 이용하여 DF 엔진을 구동시킬 수 있지만, 증발가스는 LNG 저장탱크에서 생성된 것을 이용한다. 그런데 액화천연가스가 저장된 LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스의 양이 일정하지 않아 생성된 증발가스의 양에 따라 DF 엔진의 구동 속도를 조절하게 된다.
이렇게 생성된 증발가스의 양에 따라 DF 엔진의 구동속도를 조절하면, LNG 운반선의 속도가 느려질 수 있어 정해진 화물 운송기간에 맞추는 것이 어려울 수 있다. 그러므로 생성된 증발가스의 양이 필요한 양만큼 생성되지 않으면, 해상용 디젤유나 중유를 이용하여 DF 엔진을 구동시키도록 모드를 전환하여야 하는데, 지금까지 모드 전환이 수동으로 이루어지고 있어, 모드 전환 시점을 정확히 맞추지 못하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, DF 엔진을 퓨얼 쉐어링 모드로 구동할 수 있도록 DF 엔진을 제어할 수 있는 DF 엔진 제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 장치는, 증발가스를 연료로 사용하는 가스 모드 및 증발가스와 오일을 모두 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode) 중 하나로 구동되어 LNG 운반선을 이동시키는 엔진; 및 상기 엔진이 가스 모드로 구동될 때, 상기 LNG 운반선의 설정된 이동 속도에 필요한 증발가스의 양과 상기 LNG 운반선에 저장된 LNG에서 생성된 증발가스의 양을 비교하여, 상기 엔진이 가스모드 및 퓨얼 쉐어링 모드 중 하나로 구동되도록 제어하는 IAS(integrated automation system)를 포함한다.
이때, 상기 IAS는 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 작으면, 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 구동되도록 제어할 수 있다.
그리고 상기 IAS는 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 많으면, 상기 LNG 운반선의 이동 속도가 증가되도록 상기 엔진에 상기 생성된 증발가스의 증가분을 공급할 수 있다.
또한, 상기 IAS에서 신호를 수신하여 상기 엔진을 제어하는 엔진제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 IAS에서 상기 엔진제어부로 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 동작할 수 있도록 신호를 전송하는 제1 하드 와이어드 라인; 및 상기 IAS에서 상기 엔진제어부로 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 동작할 때, 사용할 증발가스의 양에 대한 정보를 전송하는 제2 하드 와이어드 라인을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 엔진은 듀얼 퓨얼 엔진(dual fuel engine)일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 제어 방법은, LNG 운반선의 LNG 저장탱크에서 생성되는 증발가스의 양을 IAS(integrated automation system)에서 측정하는 제1 단계; 상기 IAS에서 상기 생성된 증발가스의 양과 상기 LNG 운반선이 설정된 이동 속도로 이동할 수 있게 엔진에 공급되는 증발가스의 필요한 양을 비교하는 제2 단계; 및 상기 생성된 증발가스의 양과 상기 필요한 증발가스의 양을 비교에 따라 상기 엔진이 가스모드 및 퓨얼 쉐어링 모드 중 하나로 구동되도록 제어하는 제3 단계를 포함하고, 상기 가스모드는 증발가스를 연료로 사용하여 상기 엔진이 구동되는 모드이며, 상기 퓨얼 쉐어링 모드는 증발가스와 오일을 모두 연료로 사용하여 상기 엔진이 구동되는 모드이다.
이때, 상기 제2 단계에서 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 적은 것으로 판단되면, 상기 제3 단계는 상기 IAS가 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 구동되도록 제어하는 단계일 수 있다.
그리고 상기 제2 단계에서 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양과 동일한 것으로 판단되면, 상기 제3 단계는 상기 IAS가 상기 엔진이 가스모드로 구동되도록 제어하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 제2 단계에서 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 많은 것으로 판단되면, 상기 제3 단계는 상기 LNG 운반선의 이동 속도가 증가되도록 상기 IAS가 상기 엔진에 상기 생성된 증발가스의 증가분을 공급하는 단계일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은, 증발가스를 연료로 사용하는 가스모드 및 증발가스와 오일을 모두 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode) 중 하나로 구동되어 선박을 이동시키는 엔진 및 상기 엔진이 가스모드로 구동될 때, 상기 선박의 설정된 이동 속도에 필요한 증발가스의 양과 상기 선박에 저장된 LNG에서 생성된 증발가스의 양을 비교하여, 상기 엔진이 가스모드 및 퓨얼 쉐어링 모드 중 하나로 구동되도록 제어하는 IAS(integrated automation system)를 포함한다.
본 발명에 의하면, LNG 운반선의 규정된 운송 속도에 따라 필요한 증발가스의 양을 설정하여, 생성된 증발가스의 양과 설정된 증발가스의 양을 비교하여 DF 엔진에 공급되는 연료를 자동으로 설정할 수 있어, LNG 운반선의 운송 속도를 맞추면서 연료비를 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율을 엔진의 부하에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24,000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 3은 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24,000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 4는 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20,000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 5는 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20,000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DF 엔진 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 DF 엔진 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 DF 엔진을 증발가스의 상황에 따라서 가스모드, 오일모드 및 퓨얼 쉐어링 모드로 전환될 수 있도록 제어함으로써, DF 엔진을 장착한 선박의 연료 효율을 극대화하기 위한 발명이다.
그러므로, 본 발명이 적용되는 선박은 LNG 저장탱크가 구비되어 이로부터 발생되는 증발가스를 이용하는 것을 전제로 하고, 가스 및 오일을 연료로 사용하는 DF 엔진이 장착된 선박인 것을 전제로 한다.
그리고, 이러한 DF 엔진은 퓨얼 쉐어링 모드로 운전될 수 있는 것을 또한 전제로 한다.
우선, DF 엔진과 그에 의해 가동되는 퓨얼 쉐어링 모드에 대해서 설명한다.
선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진이 있다. DF엔진은 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진으로, 4행정 발전용 엔진과 2행정 주 추진용 엔진으로 나눌 수 있다.
4행정 발전용 DF엔진은, 통상 DF엔진이라고 일컬어지며, 발전기와 연결되어, 엔진의 부하는 연결된 발전기에 의해 결정된다. 발전기에 연결된 장비들이 더 많은 전력을 요구하면, 발전기를 회전시키는 토크(Torque)가 증가하게 되고, 토크가 증가하면 발전기의 회전수가 줄어들고, 줄어든 회전수를 보상하기 위하여 엔진의 가버너(Governor)가 연료를 더 주입하고, 엔진에 연료가 더 주입되면 엔진의 회전수가 증가하여 기존의 회전속도를 유지하게 된다. 즉, 엔진의 부하는 엔진의 회전속도와 토크에 의해 결정되는데, 엔진의 회전속도는 일정하게 유지되고 토크가 조절되면서 엔진의 부하도 조절된다.
부하 가스 연료유
% (kJ/kWh) (g/kWh)
100 7300 189.0
95 7320 189.2
90 7345 189.5
85 7400 190.0
80 7500 191.0
75 7620 192.0
70 7700 193.4
65 7820 195.0
60 7950 197.5
55 8100 200.5
50 8260 204.0
45 8500 209.0
40 8800 215.0
35 9175 223.0
30 9560 231.0
상기 표 1은, 4행정 발전용 DF엔진이 일정한 속도로 회전하는 경우, 엔진의 부하에 따른 연료의 소모량을 나타낸 표이다. 표 1을 참조하면, 엔진의 부하가 증가할수록 연료소모량은 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 엔진을 높은 부하에서 운전할수록 엔진의 효율이 좋아진다.
한편, 2행정 주 추진용 DF엔진에는, X-DF엔진, ME-GI엔진 등이 있는데, 선박을 추진하기 위한 엔진이므로 발전기가 아닌 프로펠러와 연결된다. 2행정 DF엔진은 4행정 DF엔진과는 달리, 엔진의 부하가 증가할수록 연료소모량이 선형적으로 감소하는 것이 아니라, 저부하에서는 높다가 중부하에서는 낮아지고 고부하에서는 다시 높아지는 특징을 보인다.
기존의 DF엔진은 천연가스와 연료유를 모두 연료로 사용할 수 있기는 하였지만, 둘 중 어느 한 가지만을 사용하여야 하고, 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수는 없었다. 즉, 기존의 DF엔진은 오일 모드(FO Mode; Fuel Oil Mode)와 가스 모드(Gas Mode) 둘 중 어느 하나의 상태로 구동되었다.
한편, 선박용 엔진 운전 방법은 주로 통합자동화시스템(IAS; Integrated Automation System) 상의 전력관리시스템(PMS; Power Management System)과 가스관리시스템(GMS; Gas Management System)이 서로 어떻게 연계되어 운용되는지에 따라 결정되는데, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)의 운용 방법과 가스관리시스템(GMS)의 운용 방법은 다음과 같다.
기존의 DF엔진은 천연가스나 연료유 중 어느 한가지만을 연료로 사용할 수 있으므로, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)은, 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 오일 모드(FO Mode)인 디젤 모드(Diesel Mode), 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 일부는 오일 모드(FO Mode)이고 나머지 일부는 가스 모드(Gas Mode)인 혼합 모드(Mixed Mode) 및 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 가스 모드(Gas Mode)인 가스 단독 모드(Gas Only Mode) 중 어느 하나의 상태로 구동된다.
기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은 저장탱크 내부의 압력을 측정한 후, 저장탱크 내부 압력을 기준으로, 가스 모드로 운전되는 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하를 계산한다. 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보를 사용자에게 제공함과 동시에, 저장탱크의 내부 압력이 떨어지는 경우에는 가스 모드로 운전 중인 엔진을 오일 모드로 강제 전환시키고, 저장탱크의 내부 압력이 올라가는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 연소시키거나 외부로 배출(Venting)시킨다.
따라서, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은 저장탱크 내부의 압력을 일정 수준으로 유지시키는 역할을 수행할 수 있다.
한편, DF엔진이 설치된 선박의 통합자동화시스템(IAS)은 가스관리시스템(GMS)이 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한, 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보에 기초하여, 각각의 가스 모드인 엔진의 부하를 자동으로 할당하는 특별한 기능을 가지기도 한다.
DF엔진이 설치된 선박의 통합자동화시스템(IAS)이, 각각의 가스 모드인 엔진의 부하를 자동으로 할당하는 특별한 기능을 가지는 경우, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 높으면 엔진의 부하가 커져 선박의 속도는 빨라지게 되고, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 낮으면 엔진의 부하가 작아져 선박의 속도는 느려지게 된다.
기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)이, 저장탱크 내부 압력 조절 모드(Tank Pressure Control Mode)에서, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력에 따라 각 엔진의 적절한 부하를 결정하는 방법의 일 예는 다음과 같다.
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 가스 모드로 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "가스 모드인 엔진의 댓수"로 나누어, "각각의 가스 모드 엔진에 할당되는 부하"를 계산한다.
(다) 선박에 필요한 엔진의 출력이 (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"보다 작은 경우에는, 남는 증발가스를 배출하거나 가스연소장치(GCU)에서 태우도록 한다.
(라) 선박에 필요한 엔진의 출력이 (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"보다 큰 경우에는, (나)에서 계산한 "각각의 가스 모드 엔진에 할당되는 부하"가 가스 모드인 각 엔진에 실제로 할당될 수 있도록 가스 모드인 엔진을 운전하고, 모자라는 엔진 출력은 오일 모드인 엔진이 감당하도록 한다.
(마) 저장탱크 내부의 증발가스를 모두 사용하고 오일 모드인 엔진을 모두 사용하여도 선박에 필요한 엔진의 출력을 감당할 수 없으면, 저장탱크 내부의 액화천연가스를 기화 및 압축하여 연료로 사용하도록 한다.
저장탱크 내부의 액화천연가스를 기화시키는 데에는 연료가스공급시스템(FGGS; Fuel Gas Supply System)이 사용된다. 연료가스공급시스템(FGGS)은 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 가동시키기에 충분한 경우에는 증발가스를 엔진으로 보내고, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 모두 가동시키고도 남는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치(GCU)에 보내고, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 가동시키기에 부족한 경우에는 저장탱크 내부의 액화천연가스를 기화시켜 엔진에 보낸다. 가스관리시스템(GMS)은 연료가스공급시스템(FGGS)의 작동을 조절하여 저장탱크 내부의 압력을 유지시킨다.
한편, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM; Fuel Sharing Mode)란 DF엔진이 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용하는 상태를 말한다. 가스 모드(Gas Mode) 또는 오일 모드(FO Mode) 중 어느 하나의 모드에서만 작동될 수 있었던 기존의 DF엔진을, 연료유와 가스를 동시에 분사해도 기존의 연소 성능을 가지도록 개선하여, 가스 모드, 오일 모드 뿐만 아니라, 퓨얼 쉐어링 모드로도 구동될 수 있도록 하였다.
가스 모드(Gas Mode), 오일 모드(FO Mode) 및 퓨얼 쉐어링 모드(FSM) 중 어느 하나의 상태로 운전되는 DF엔진은, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 전환되는 단계, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)에서 연소되는 가스의 비율을 결정하는 단계, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)에서 소모된 가스량을 계산하는 단계 및 연료 분배 모드(FSM)에서의 엔진의 상태를 피드백(Feedback)하는 단계를 포함하는 과정을 통해, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전될 수 있다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은, 종래의 DF엔진에 비하여, 저장탱크 내부에서 발생되는 증발가스를 최대한 사용할 수 있다는 장점이 있다.
10,000kW의 용량을 가지는 DF엔진이 네 대 설치된 선박에서, 선박이 필요로 하는 엔진의 전체 부하가 32,000kW이고, 저장탱크 내부의 증발가스는 30,000kW의 부하를 생산할 수 있는 양이며, 엔진의 최대 부하는 90%인 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
종래의 DF엔진의 경우에는, 가스가 연료유보다 비용이 저렴하다는 점을 고려하여, 가스 모드인 엔진 세 대가 각각 9,000kW의 부하를 감당하고, 남은 5,000kW는 오일 모드인 엔진 한 대가 감당하도록 운전하는 것이 바람직하다. 그런데, 이 경우 27,000kW에 해당하는 증발가스만 사용되고, 남은 3,000kW에 해당하는 증발가스는 버려지게 된다는 문제점이 있었다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우에는, 가스가 연료유보다 비용이 저렴하다는 점을 고려하여, 가스 모드인 엔진 세 대가 각각 9,000kW의 부하를 감당하고, 남은 5,000kW는 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진 한 대가 천연가스 3,000kW 및 연료유 2,000kW의 비율로 감당하도록 운전하면 되므로, 버려지는 증발가스를 최소화할 수 있다.
또한, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은, 종래의 DF엔진과 비교하여, 연료유가 엔진 효율이 높은 지점에서 연소된다는 장점이 있다. 즉, 같은 양의 부하를 생산하는 연료유가, 종래의 DF엔진에 비해 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우에 더 적게 사용된다. 연료유가 300kW의 부하를 생산하는 경우를 예를 들어서 설명하면 다음과 같다.
종래의 DF엔진의 경우, 1,000kW 용량을 가지는 DF엔진을 30%의 부하로 연료유 모드로 운전한다면, 표 1을 참조하면, 231.0g/kWh × 300kW ＝ 69300.0g/h의 연료유를 연료로 소모한다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우, 1,000kW 용량을 가지는 DF엔진을 50%의 부하로 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전하고, 가스가 200kW의 부하를, 연료유가 300kW의 부하를 생산하도록 비율을 설정하면, 표 1을 참조하면, 204.0g/kWh × 300kW ＝ 61200.0g/h의 연료유를 연료로 소모한다.
300kW의 부하를 생산하기 위하여 사용되는 연료유가, 종래의 DF엔진은 69300.0g/h의 양이 사용되고, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전되는 DF엔진은 61200.0g/h의 양이 사용되어, 종래의 DF엔진보다 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 연료유가 엔진 효율이 높은 지점에서 연소된다는 것을 확인할 수 있다.
가스 모드(Gas Mode), 오일 모드(FO Mode) 및 퓨얼 쉐어링 모드(FSM) 중 어느 하나의 상태로 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)의 운용 방법과 가스관리시스템(GMS)의 운용 방법은 다음과 같다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)은, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)와 마찬가지로, 디젤 모드(Diesel Mode), 혼합 모드(Mixed Mode) 및 가스 단독 모드(Gas Only Mode) 중 어느 하나의 상태로 구동될 수 있다. 단, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)은, 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 퓨얼 쉐어링 단독 모드(Fuel Sharing Only Mode), 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 일부는 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)이고 나머지 일부는 오일 모드(FO Mode)인 혼합 모드 및 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 일부는 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)이고 나머지 일부는 가스 모드(Gas Mode)인 혼합 모드 중 어느 하나의 상태로도 구동될 수 있다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크의 내부 압력을 측정한 후, 저장탱크 내부 압력을 기준으로, 가스 모드로 운전되는 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 및 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전되는 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 중 가스로 운전되는 비율을 계산한다.
또한, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한, 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 및 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 중 가스로 운전되는 비율에 관한 정보를 사용자에게 제공함과 동시에, 저장탱크의 내부 압력이 떨어지는 경우에는 가스 모드로 운전 중인 엔진을 오일 모드 또는 퓨얼 쉐어링 모드로 강제 전환시키고, 저장탱크의 내부 압력이 올라가는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 연소시키거나 외부로 배출(Venting)시킨다.
따라서, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)과 마찬가지로, 저장탱크 내부의 압력을 일정 수준으로 유지시키는 역할을 할 수 있다.
한편, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 통합자동화시스템(IAS)이, 가스관리시스템(GMS)이 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한 가스 모드인 엔진 및 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보에 기초하여, 각 엔진의 부하를 자동으로 할당하는 특별한 기능을 가지는 경우, 기존의 DF엔진이 설치된 선박과 마찬가지로, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 높으면 엔진의 부하가 커져 선박의 속도는 빨라지게 되고, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 낮으면 엔진의 부하가 작아져 선박의 속도는 느려지게 된다.
다만, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 퓨얼 쉐어링 단독 모드(Fuel Sharing Only Mode), 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 오일 모드(FO Mode)의 혼합 모드, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드 중 어느 하나의 상태로도 구동될 수 있는 전력관리시스템(PMS)과 연계되므로, 다음과 같은 방식으로도 운용될 수 있다.
전력관리시스템(PMS)이 퓨얼 쉐어링 단독 모드(Fuel Sharing Only Mode)인 경우,
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "전체 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산한다.
(다) (나)에서 계산한 "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 각 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정한다. (일례로, 천연가스 : 연료유 = 7 : 3 )
(라) (다)에서 정한 비율에 따라 연료유 및 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 각 엔진을 운전한다.
(마) 각 엔진을 운전하는 도중에 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (라)의 과정을 반복한다.
전력관리시스템(PMS)이 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 오일 모드(FO Mode)의 혼합 모드인 경우,
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "퓨얼 쉐어링 모드인 엔진의 댓수"로 나누어, "각각의 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산한다.
(다) (나)에서 계산한 "각각의 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정한다. (일례로, 천연가스 : 연료유 = 7 : 3)
(라) 선박에 필요한 엔진의 출력 중, 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에 할당되는 부하를 제외한 나머지는, 오일 모드인 엔진이 감당하도록 한다.
(마) (다)에서 정해진 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율 및 (라)에서 정해진 오일 모드인 엔진이 감당하는 부하에 따라 연료유 및 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 각 엔진을 운전한다.
(바) 각 엔진을 운전하는 도중에 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복한다.
전력관리시스템(PMS)이 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드인 경우,
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진 및 가스 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 먼저 가스 모드인 엔진에 각각 분배한다. 연료유보다 가스의 비용이 더 저렴하므로, 가스 모드인 엔진에 우선적으로 부하를 분배하는 것이 바람직하다.
(다) "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하" 중 (나)에서 가스 모드인 엔진에 분배하고 남은 부하를 "퓨얼 쉐어링 모드인 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산한다.
(라) (다)에서 계산한 "각각의 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여, 각 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정한다. (일례로, 천연가스 : 연료유 = 7 : 3)
(마) (나)에서 정해진 가스 모드인 엔진이 감당하는 부하 및 (라)에서 정해진 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율에 따라 연료유 및 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 각 엔진을 운전한다.
(바) 각 엔진을 운전하는 도중에 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복한다.
(사) 저장탱크 내부의 증발가스의 양이 줄어들 경우, 선박에 필요한 엔진 출력을 감당할 수 있도록, 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진의 연료유 비율을 높인다. 만약, 일정 수준 이상으로 연료유가 필요하게 되면, 가스 모드인 엔진의 일부 또는 전부를 퓨얼 쉐어링 모드로 전환한다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은 선박을 운전하는 사용자에 의해 수동으로 운전될 수도 있다. 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 수동으로 운전되는 경우, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 구동시키기에 충분한 경우에는, 전력관리시스템(PMS) 및 가스관리시스템(GMS)에 의해 허용되는 증발가스의 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점(Point)을 사용자가 직접 판단하여야 한다. 또한, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 구동시키기에 부족한 경우에는, 저장탱크 내부의 액화천연가스를 강제 기화시키는 운전 방식을 유지하는 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점(Point)을 사용자가 직접 판단하여야 한다.
상기 예는, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 사용자에 의해 수동으로 운전되는 경우에, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점(Point)을 제시하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 1은 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율을, 엔진의 부하에 따라 나타낸 그래프이다. 도 1의 가로축은 "엔진의 부하"를 %로 나타낸 값이고, 도 1의 세로축은 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진의 부하 중 "가스를 연료로 사용하는 비율"을 %로 나타낸 값이다. 또한, 도 1의 A는 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최대값"을 엔진 부하에 따라 나타낸 그래프이고, 도 1의 B는 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최소값"을 엔진 부하에 따라 나타낸 그래프이며, 도 1의 C는 엔진의 최소 부하를 나타낸 그래프이고, 도 1의 D는 엔진의 최대 부하를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 엔진의 부하가 너무 높거나(대략 85% 이상) 너무 낮으면(대략 15% 이하), 엔진을 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전할 수 없음을 알 수 있다.
엔진의 부하가 너무 높거나 너무 낮으면, 엔진에 가스를 주입할 때 실린더 간의 연소 폭발 압력의 밸런스를 맞추기 어렵기 때문에, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전될 수 있는 엔진 부하의 범위를 제한한다.
또한, 엔진의 부하 중 "가스를 연료로 사용하는 비율"도 대략 15% 이상 85% 이하로 제한됨을 알 수 있다. 즉, 엔진의 부하에 따라 "가스를 연료로 사용하는 비율"의 범위가 제한되고, 일 예로 가스 5% 비율로 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진을 운전할 수는 없다.
도 1에서는 엔진의 부하가 커질수록 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최대값"은 점점 증가하고, 엔진의 부하가 커질수록 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최소값"은 점점 감소하는 경향을 볼 수 있는데, 이는 엔진의 부하가 커질수록 사용할 수 있는 가스 비율의 범위가 넓어진다는 것을 나타낸다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)는 버려지는 증발가스를 최소화할 수 있다는 장점도 있지만, 가스와 연료유의 두 가지 상이한 연료가 함께 연소되므로 공연비(Air Fuel Ratio)의 세심한 조절이 필요하며, 공연비의 조절이 잘못될 경우 가스가 불연소되어, 배기가스에 연소되지 않은 가스가 포함되어 배출될 수도 있다는 단점이 있다.
또한, 공연비 조절의 어려움으로 인하여 가스가 불연소되는 경우가 많아지면, 엔진 내부 부품이 받는 스트레스는 더욱 커지게 된다. 즉, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)를 사용하는 경우에는, 엔진을 연료유만으로 구동시킬 때보다 엔진이 손상될 위험이 커지게 된다.
뿐만 아니라, 가스만으로 엔진을 구동시킬 때에는 질소산화물의 배출이 적어 IMO의 배출규제를 만족할 수 있지만, 연료 분배 모드(FSM)에서 연료유를 엔진에 주입시키면 질소산화물의 배출이 급격히 증가하여 IMO의 배출규제를 만족시키기 어렵게 되고, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)에서는 액체 연료인 연료유를 연소시키므로 가스만으로 엔진을 구동시킬 때에 비하여 황산화물도 많이 배출된다.
따라서, 전력관리시스템(PMS)이 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드인 경우, 가스 모드인 엔진의 댓수를 최대로 하고, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진의 댓수를 최소로 하면, 엔진의 손상을 방지하고 질소산화물 및 황산화물의 배출을 감소시킬 수 있다.
또한, 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 개별 엔진의 부하를 최대로 하여 구동되는 엔진의 댓수를 최소로 하면, 구동되지 않는 상태의 엔진 댓수가 증가하므로 전체적으로 엔진의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
전력관리시스템(PMS)이 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드인 경우, 가스 모드인 엔진의 댓수를 최대로 하여 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진의 댓수를 최소로 하고, 개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
(가) 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 기대되는 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산한다. "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"는 가스 모드인 엔진의 전체 부하뿐만 아니라 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진의 가스 비율에 따른 부하도 포함한다.
(나) 선박이 필요로 하는 엔진 출력에서 (나)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 공제하여 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산한다. 만약, 선박이 필요로 하는 엔진 출력이 (나)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"보다 더 적으면, 전력관리시스템(PMS)을 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드로 운영하기 보다는 가스 단독 모드(Gas Only Mode)로 운영하고, 남은 증발가스는 가스연소장치(GCU)로 보내 연소시키거나 외부로 배출(Venting)시키는 것이 바람직하다.
(다) 선박이 필요로 하는 엔진 출력 및 각 엔진의 최대 출력을 고려하여 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 몇 대의 엔진을 구동시킬 것인지를 결정한다. 이 때, 각 엔진이 최대로 구동할 수 있도록 하여 가동되는 엔진 댓수가 최소가 될 수 있도록 한다. (이하, "가동 엔진 댓수"라고 한다.)
(라) (가)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 (다)에서 계산한 "가동 엔진 댓수"로 나누어 각 엔진에 공급될 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 부하"를 결정한다. 가능하면, 가스 모드인 엔진 및 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진의 모든 "가스를 연료로 사용하는 엔진 부하"를 동일하게 하는 것이 바람직하나, 모든 엔진의 "가스를 연료로 사용하는 엔진 부하"가 반드시 동일한 것으로 한정되는 것은 아니다. 그러나, 가스 모드인 엔진들의 각 부하가 서로 동일하고, 연료 분배 모드인 각 엔진의 부하가 서로 동일한 것이 바람직하다. (일 예로, 퓨얼 쉐어링 모드 : 가스 모드 : 가스 모드 = 5000 : 5500 : 5500)
(마) 엔진의 최대 부하를 고려하여 (나)에서 계산한 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 몇 대의 엔진이 나누어 부담할지 결정한다. 본 발명의 전원관리시스템(PMS)은 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드이므로, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)인 엔진만이 연료유를 사용하게 되고, 결국, "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 나누어 부담하는 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진이 된다.
도 2는 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24,000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이고, 도 3은 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24,000kW인 경우, 본 발명의 일 예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 예시의 선박용 엔진 운전 방법을 종래의 경우와 비교하여 설명하면 다음과 같다.
선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법은, 네 대의 엔진 중 세 대의 엔진이 모두 퓨얼 쉐어링 모드로 구동되고, 나머지 하나의 엔진은 정지된 상태로 운용되었다. 따라서 각 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 1,000kW : 7,000kW의 비례식을 만족하게 된다.
반면, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 구동되는 세 대의 엔진 중 한 대는 가스 모드로 구동되어 7,000kW의 부하를 감당하게 되고, 나머지 두 대의 엔진만 연료 분배 모드로 구동된다. 따라서 퓨얼 쉐어링 모드인 각 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 1500kW : 7000kW의 비례식을 만족하게 된다.
즉, 본 예시의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 종래의 선박용 엔진 운전 방법에 비해, 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진이 세 대에서 두 대로 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 4는 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20,000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이고, 도 5는 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20,000kW인 경우, 본 발명의 일 예시에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다. 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법을 종래의 경우와 비교하여 설명하면 다음과 같다.
선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 네 대의 엔진이 모두 퓨얼 쉐어링 모드로 구동되었다. 따라서 각 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 1,000kW : 4,000kW의 비례식을 만족하게 된다.
반면, 본 예시의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 네 대의 엔진이 모두 구동되는 것이 아니라 세 대의 엔진만 구동되고, 구동되는 세 대의 엔진 중 두 대의 엔진은 가스 모드로 구동되어 각각 5,500kW를 감당하게 되고, 남은 한 대의 엔진만이 퓨얼 쉐어링 모드로 구동된다. 따라서 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 4,000kW : 5,000kW의 비례식을 만족하게 된다.
선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20,000kW인 경우, 본 발명의 일 예시에 따른 선박용 엔진 운전 방법을, 상기 "개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예" 및 도 5를 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예의 (다)에서와 같이, 선박이 필요료 하는 전체 엔진 출력 20,000kW를 엔진의 최대 출력으로 결정한 9,000kW로 나누어보면, 세 대의 엔진으로도 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력을 감당할 수 있음을 알 수 있다. (∵ 9000kW × 3 > 20000kW) 따라서, 종래의 선박용 엔진 운전 방법에서 네 개의 엔진을 모두 사용하는 것과 달리, 본 예시의 선박용 엔진 운전 방법에서는 세 개의 엔진을 사용하도록 결정한 것이다. 본 예시의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 개별 엔진의 부하를 최대로 하여 구동되는 엔진 댓수를 최소로 함으로써, 엔진의 전체 수명을 연장시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 예시의 (라)에서와 같이, "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"인 16,000kW를 "가동 엔진 댓수"인 3으로 나누어 보면, 각 엔진은 대략 5,000kW 내지 5,500kW의 부하를 감당하는 것이 적절함을 알 수 있다. 따라서, 가스 모드인 엔진들의 각 부하를 동일하게 할 수 있도록, 각 가스 모드인 엔진 부하를 5,500kW로 결정하였다.
엔진의 최대 부하는 9,000kW이므로, 남은 한대의 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진에, 남은 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 부하"를 할당하여도, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 4,000kW : 5,000kW의 비례식을 만족하여 문제가 없다. 본 예시의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 가스 모드로 운전되는 엔진의 개수를 최대로 하고 퓨얼 쉐어링 모드로 운전되는 엔진의 개수를 최소로 하여, 퓨얼 쉐어링 모드에서의 불안정성을 최소화하고 엔진 연소시 발생되는 질소산화물 및 황산화물의 배출을 최소화할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 퓨얼 쉐어링 모드에 의한 운전방법을 바탕으로 한 본 발명의 엔진 제어 장치 및 제어 방법을 도 6 및 도 7을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DF 엔진 제어 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 DF 엔진 제어 장치는 IAS(integrated automation system,110), 엔진 제어부(120), 엔진(150), 연료가스 공급 시스템(160) 및 제1 및 제2 하드 와이어드 라인(hard wired line, 130, 140)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진(150)은 가스를 연료로 사용하는 가스 모드, 오일을 연료로 사용하는 오일 모드 및 가스와 오일을 모두 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드 중 하나로 구동될 수 있으며, DF 엔진이나 MEGI 엔진일 수 있다.
LNG 운반선은 LNG 저장탱크에 LNG를 저장하여 운송하며, LNG 저장탱크에 저장된 LNG가 자연 기화하여 증발가스(BOG)가 생성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진(150)은 LNG가 자연 기화된 증발가스를 이용하여 가스 모드 및 퓨얼 쉐어링 모드로 구동된다.
천연가스는 오일에 비해 저렴하고, 천연가스를 연료로 사용하는 것이 오일에 비해 유해물질이 적게 배출되기 때문에 엔진을 가스 모드로 구동하는 것이 유리하다. 하지만, 엔진(150)이 가스 모드로 동작할 때, LNG 운반선의 추진에 필요한 로드를 변경하는 시간이 오일 모드에서 동작할 때 보다 약 2배 정도의 시간이 소요된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서 엔진(150)은 가스모드로 동작하는 중 LNG 운반선의 로드가 갑자기 증가하면 엔진(150)이 퓨얼 쉐어링 모드로 동작될 수 있다.
IAS(110)는 LNG 운반선을 제어하는 시스템이다. 엔진(150)이 가스 모드로 동작할 때, 선박의 로드가 급격히 증가하는지 여부를 판단하여 선박의 로드가 급격히 증가하면, 엔진(150)이 사용하는 연료 오일의 양을 늘려 퓨얼 쉐어링 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 그에 따라 LNG 운반선의 로드가 갑자기 변하더라도 IAS에서 LNG 운반선의 로드 변화를 감지하여 엔진(150)을 퓨얼 쉐어링 모드로 변환시킨다.
IAS(110)는 LNG 운반선의 로드가 증가하면, 엔진(150)이 퓨얼 쉐어링 모드로 동작하도록 제1 하드 와이어드 라인(130)을 통해 퓨얼 쉐어링 모드 동작 요청을 엔진 제어부(120)로 전송하고, 제2 하드 와이어드 라인(140)을 통해 퓨얼 쉐어링 모드로 동작하면서 엔진(150)이 사용할 가스의 양을 엔진 제어부(120)로 전송한다. 이때, IAS(110)는 엔진(150)에 공급되는 증발가스의 양을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 IAS(110)는 LNG 운반선이 설정된 추진 속도를 낼 때 필요한 증발가스의 양(aR)이 설정되어 저장하고, LNG 저장탱크에서 생성되는 증발가스의 양을 측정한다. LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스는 포집된 이후에 공급되기 때문에 IAS(110)는 포집된 증발가스의 양을 통해 LNG 저장탱크에서 생성된 증발가스의 양(a)을 측정한다.
그에 따라 IAS(110)는 필요한 증발가스의 양(aR)과 생성된 증발가스의 양(a)을 비교하여 생성된 증발가스의 양(a)이 필요한 증발가스의 양(aR)보다 작은 것으로 판단하면, 가스모드로 구동 중인 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 구동되도록 엔진의 모드를 변환한다. 그리고 상기에서 설명한 바와 같이, 부족한 증발가스의 양만큼 오일이 엔진에 공급되도록 제어한다.
그리고 IAS는 필요한 증발가스의 양(aR)과 생성된 증발가스의 양(a)이 동일하면, 가스모드로 구동 중인 엔진이 지속적으로 가스모드로 구동되도록 제어한다. 또한, 필요한 증발가스의 양(aR)보다 생성된 증발가스의 양(a)이 많으면, 필요한 증발가스의 양(aR)보다 많이 생성된 증발가스 양만큼 LNG 운반선의 속도가 증가되도록 엔진을 제어한다.
제1 하드 와이어드 라인(130)은 퓨얼 쉐어링 모드 동작 요청의 전송을 위해 사용되는 케이블이며, 제2 하드 와이어드 라인(140)은 퓨얼 쉐어링 모드로 동작하면서 엔진(150)이 사용할 증발가스의 양을 전송하기 위해 사용되는 케이블이다. 이렇게 제1 및 제2 하드 와이어드 라인이 구비됨에 따라 퓨얼 쉐어링 모드 동작 요청 및 필요한 증발가스의 양을 보다 신속하고 정확하게 전송할 수 있어 신뢰성을 높일 수 있다.
엔진 제어부(120)는 엔진(150)을 제어하며, IAS(110)에서 수신된 퓨얼 쉐어링 모드 동작 요청 신호와 퓨얼 쉐어링 모드로 동작하면서 엔진(150)이 사용할 증발가스의 양에 대한 신호를 수신하여, 증발가스의 양에 따라 엔진(150) 및 연료 가스 공급 시스템을 제어한다.
연료 가스 공급 시스템은 IAS(110)가 엔진 제어부(120)로 전송한 퓨얼 쉐어링 모드로 동작할 때, 엔진(150)이 사용할 증발가스의 양을 엔진으로 공급한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 DF 엔진 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
IAS(110)에는 LNG 운반선이 설정된 속도로 움직일 수 있게 엔진(150)이 가스 모드에서 필요한 증발가스의 양(aR)이 설정되어 저장된다. 그리고 IAS(110)는 LNG 저장탱크에서 생성되어 포집된 증발가스의 양(a)을 측정한다(S201). 그리고 필요한 증발가스의 양(aR)과 생성된 증발가스의 양(a)을 비교한다(S202). 비교한 결과, 생성된 증발가스의 양(a)이 필요한 증발가스의 양(aR)보다 부족한 것으로 판단되면, 엔진(150)이 퓨얼 쉐어링 모드로 구동할 수 있도록 엔진(150)의 모드를 전환한다(S203). 즉, LNG 운반선가 설정된 속도로 동작할 수 있도록 생성된 증발가스의 양(a)이 부족하면, 그 만큼 LNG 운반선의 속도가 감소하는 것을 방지하기 위해 필요한 연료를 오일이 보충할 수 있도록 IAS(110)는 엔진(150)이 퓨얼 쉐어링 모드로 전환한다.
그리고 생성된 증발가스의 양(a)이 필요한 증발가스의 양(aR)과 동일한 것으로 판단되면, IAS는 엔진(150)이 가스 모드로 구동되는 것이 유지되도록 제어한다(S204).
또한, 생성된 증발가스의 양(a)이 필요한 증발가스의 양(aR)보다 많이 생성되는 것으로 판단되면, IAS(110)는 추가로 생성된 증발가스의 양이 엔진(150)에 공급되도록 제어하여 LNG 운반선의 속도를 증가시킨다(S205).
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
110: IAS 120: 엔진제어부
130: 제1 하드 와이어드 라인 140: 제2 하드 와이어드 라인
150: 엔진 160: 연료가스공급 시스템

Claims (11)

  1. 증발가스를 연료로 사용하는 가스 모드 및 증발가스와 오일을 모두 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode) 중 하나로 구동되어 선박을 이동시키는 엔진; 및
    상기 엔진이 가스 모드로 구동될 때, 상기 선박의 설정된 이동 속도에 필요한 증발가스의 양과 상기 선박에 저장된 LNG에서 생성된 증발가스의 양을 비교하여, 상기 엔진이 가스모드 및 퓨얼 쉐어링 모드 중 하나로 구동되도록 제어하는 IAS(integrated automation system);를 포함하고,
    상기 IAS는, 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 작으면 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 구동되도록 제어하고, 상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 많으면, 상기 선박의 이동 속도가 증가되도록 상기 엔진에 상기 생성된 증발가스의 증가분을 공급하고,
    상기 엔진은 DF 엔진이고,
    상기 생성된 증발가스의 양이 상기 필요한 증발가스의 양보다 작은 경우에도, 상기 선박의 속도가 감소되지 않는 것을 특징으로 하며,
    각 엔진은,
    천연가스를 연료로 사용하여 구동되는 가스 모드;
    오일을 연료로 사용하여 구동되는 오일 모드; 및
    천연가스와 오일을 동시에 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(Fuel Sharing Mode);
    중 어느 하나의 모드로 운전되고,
    상기 엔진의 운전 방법은 상기 IAS의 전력관리시스템 및 가스관리시스템이 연계 운용되어 결정되고,
    상기 전력관리시스템은,
    상기 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 오일 모드인 디젤 모드;
    상기 다수개의 엔진의 일부는 오일 모드이고 나머지 일부는 가스 모드인 제 1 혼합 모드;
    상기 다수개의 엔진이 모두 가스 모드인 가스 단독 모드;
    상기 다수개의 엔진이 모두 퓨얼 쉐어링 모드인 퓨얼 쉐어링 단독 모드;
    상기 다수개의 엔진의 일부는 퓨얼 쉐어링 모드이고 나머지 일부는 가스 모드인 제 2 혼합 모드; 및
    상기 다수개의 엔진의 일부는 퓨얼 쉐어링 모드이고 나머지 일부는 오일 모드인 제 3 혼합 모드;
    중 어느 하나의 상태로 구동되는, 엔진 제어 장치.
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  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 IAS에서 신호를 수신하여 상기 엔진을 제어하는 엔진제어부를 더 포함하는 엔진 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 IAS에서 상기 엔진제어부로 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 동작할 수 있도록 신호를 전송하는 제1 하드 와이어드 라인; 및
    상기 IAS에서 상기 엔진제어부로 상기 엔진이 퓨얼 쉐어링 모드로 동작할 때, 사용할 증발가스의 양에 대한 정보를 전송하는 제2 하드 와이어드 라인을 더 포함하는 엔진 제어 장치.
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