KR102019401B1

KR102019401B1 - 엔진 시스템 및 이를 구비한 선박

Info

Publication number: KR102019401B1
Application number: KR1020180098832A
Authority: KR
Inventors: 박건우; 이인호; 강정훈
Original assignee: 한국조선해양 주식회사
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-09-09
Also published as: KR20190109201A; KR20190109208A; KR102053544B1; KR20190109200A; KR102077938B1; KR102376326B1; KR20190109199A; KR20200003766A; KR102053543B1

Abstract

본 발명은 엔진 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 엔진 시스템은, 액화가스를 연료로 사용 가능한 엔진을 구동하는 엔진 시스템으로서, 상기 엔진의 배기가스를 상기 엔진의 흡기가스에 혼합하는 배기가스 재순환라인; 상기 배기가스 재순환라인에 마련되어 상기 배기가스를 처리하는 배기처리 유닛; 상기 배기가스 재순환라인의 배기가스를 활용해 스팀을 생성하는 배기 이코노마이저; 상기 배기가스 재순환라인에서 분기되고 상기 배기 이코노마이저를 경유해 상기 배기가스 재순환라인에 합류되는 배기가스 분기라인; 및 상기 배기가스 분기라인의 유량을 조절하는 바이패스 밸브를 포함한다.

Description

엔진 시스템 및 이를 구비한 선박{ENGINE SYSTEM AND SHIP HAVING THE SAME}

본 발명은 엔진 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.

엔진 시스템은 연소실에 유입된 공기(과급공기)를 고온 고압으로 압축하고 보다 큰 압력의 연료를 분사 및 미립화시켜 점화시킨 후 배기가스를 방출한다. 이러한, 엔진 시스템은 연료가 연소되는 연소실을 구비하는 엔진과, 엔진과 연결되는 터보차저(Turbo Charger; 과급기)를 포함한다.

여기서, 터보차저는 연료의 효율을 상승시키기 위하여, 컴프레서에서 공기를 미리 압축하여 연소실로 공급하게 된다. 이와 같이, 엔진에서 배출되는 배기가스 압력을 이용해 공기를 압축해 주입하는 터보차저가 엔진에 연결된다.

엔진은 고온에서 공기와 연료의 연소가 일어나게 되므로 유해물질인 질소산화물이 다량으로 배출되는데, 환경문제에 대한 규제에 의해 유해물질을 제거할 필요가 있다. 따라서, 엔진의 배기가스를 다시 흡기 쪽으로 재순환시켜 연소시의 배기가스 내에 존재하는 유해물질을 저감시키기도 한다.

여기서, 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)은 배기가스의 일부를 엔진의 과급공기에 공급함으로써, 연소실 온도를 떨어뜨려 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.

그런데, 배기가스 재순환에 의해 엔진 시스템의 질소산화물 발생이 억제되면, 반대로 이산화탄소 발생이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, Tier II에 의한 질소산화물 배출 기준을 최소로 만족하는 범위 내에서 이산화탄소 발생을 최대한 억제하는 방안이 연구되고 있다.

또한, 재순환 배기가스를 열원으로 활용하여 엔진 시스템의 열효율을 증가시키는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, Tier II를 만족하는 범위 내에서 이산화탄소 배출을 감소시키고 열효율이 개선된 엔진 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 엔진 시스템은, 액화가스를 연료로 사용 가능한 엔진을 구동하는 엔진 시스템으로서, 상기 엔진의 배기가스를 상기 엔진의 흡기가스에 혼합하는 배기가스 재순환라인; 상기 배기가스 재순환라인에 마련되어 상기 배기가스를 처리하는 배기처리 유닛; 상기 배기가스 재순환라인의 배기가스를 활용해 스팀을 생성하는 배기 이코노마이저; 상기 배기가스 재순환라인에서 분기되고 상기 배기 이코노마이저를 경유해 상기 배기가스 재순환라인에 합류되는 배기가스 분기라인; 및 상기 배기가스 분기라인의 유량을 조절하는 바이패스 밸브를 포함한다.

구체적으로, 상기 배기가스에 의해 가동하는 터빈과 상기 흡기가스를 압축하는 컴프레서를 갖는 터보차저; 및 상기 배기가스 재순환라인에 마련되어 상기 배기가스를 전달하는 배기 블로어를 더 포함하고, 상기 배기가스 재순환라인은, 상기 터빈의 상류에서 상기 컴프레서의 하류로 연결될 수 있다.

구체적으로, 상기 액화가스를 상기 엔진의 연료로 공급하는 연료공급장치를 더 포함하며, 상기 연료공급장치는, 액화가스를 기화하는 기화기를 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 배기 이코노마이저는, 상기 기화기로 스팀을 전달할 수 있다.

구체적으로, 상기 연료공급장치는, 상기 기화기로 스팀을 공급하는 보일러를 더 포함하고, 상기 기화기는, 상기 보일러에서 생성된 스팀에 상기 배기 이코노마이저에서 생성된 스팀을 추가 사용하여 액화가스를 기화시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 배기재순환 밸브 또는 상기 바이패스 밸브는, 상기 보일러의 스팀 압력에 따라 개도가 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 선박은, 상기 엔진 시스템을 포함한다.

본 발명에 따른 엔진 시스템 및 이를 구비한 선박은, 배기재순환 밸브의 개도 제어를 통해, Tier II를 만족하는 범위 내에서 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다.

또한, 배기가스를 열원으로 재사용함으로써, 엔진 시스템의 열효율을 증가시키고, 보일러 가동비용을 절감할 수 있다.

구체적으로, 배기 이코노마이저에서 생성된 스팀을 이용해 보일러의 스팀 생성 부하를 감소시킴으로써, 보일러 가동비용이 절감될 수 있다.

또한, 배기 이코노마이저에서 리턴되는 배기가스의 온도가 낮아지므로, 배기처리 유닛의 쿨링부하가 저감될 수 있다.

또한, 배기가스에 의해 가열된 냉매를 액체 저장탱크의 가열을 위한 열원으로 이용함으로써, 엔진 시스템의 열효율을 증가시키고 보일러 가동비용을 절감할 수 있다.

또한, 배기가스의 상태에 따라 냉매의 양을 조절하여 최적 운전 조건을 실현하고 소비전력을 저감할 수 있다.

또한, 슬러지 처리를 위한 별도의 수처리장치(WTU), NaOH dosing unit 등의 생략이 가능하여, 공간활용도가 증대되고, 슬러지 처리 비용을 절감할 수 있다.

또한, 배기 이코노마이저에서 생성된 스팀을 슬러지 가열에 이용함으로써, 열효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 구비한 선박의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 처리부를 개념적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 구비한 선박의 개략적인 측면도이다.

본 발명의 엔진 시스템을 구비한 선박(1)은, 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 수천 개 이상의 컨테이너 등의 화물을 화물창(cargo hold)에 싣고 대양을 항해하는 유조선, LNG운반선, LPG운반선, 컨테이너운반선, 자동차운반선, 벌크선, 광물운반선 등의 대형 선박일 수 있으며, 본 실시예에서는 이에 한정되지 않고 액화가스를 연료로 사용 가능한 엔진을 구동하는 엔진 시스템을 구비한 모든 선박(1)을 포함할 수 있음은 물론이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(1)은 액화가스를 수용하는 저장탱크(CT), 엔진 시스템(ES)이 위치하는 엔진룸(ER), 엔진룸(ER) 상에 위치하는 엔진 케이싱(EC), 연돌(F) 및 데크 하우스(DH)를 포함할 수 있다.

저장탱크(CT)는 복수개로 마련될 수 있고, 선체 내부에 나란히 배열될 수 있다. 본 실시예의 저장탱크(CT)는 선체의 길이 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 단, 저장탱크(CT)의 개수, 크기 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다.

일례로 선박(1)이 액화가스 운반선이 아닌 컨테이너운반선 등의 경우, 저장탱크(CT)는 압력 용기(Type C) 형태로 이루어져 갑판 상에 하나 이상 마련될 수도 있다.

액화가스는 LPG, LNG, 에탄 등일 수 있으며, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있다. 또한 액화가스는, 액체 상태 또는 자연기화되거나 강제기화된 기체 상태 등을 모두 포괄하는 용어로 사용될 수 있다.

선박(1)의 선미 측에는 엔진 시스템(ES)이 놓이는 엔진룸(ER)이 마련되는데, 엔진룸(ER) 내에 놓이는 엔진 시스템(E)은, 선박(1)의 추진 동력을 제공하는 엔진을 포함할 수 있다. 구체적으로 도시되지는 않았으나, 엔진은 샤프트를 통해 프로펠러에 연결되어, 연료를 소모해 회전력을 발생시켜 프로펠러를 회전시켜서, 프로펠러의 회전에 따라 발생된 후류가 선박(1)을 전진시키도록 할 수 있다.

엔진 케이싱(EC)은 엔진룸(ER) 상방에 마련된다. 엔진 케이싱(EC)은 엔진 시스템(ES)에서 발생한 배기를 연돌(F)로 전달하는 배기관(도시하지 않음)을 가질 수 있다.

연돌(F)은 엔진 케이싱(EC)의 상방에 마련되며, 외부로 배기를 배출한다.

데크 하우스(DH)는 선체의 상부에 위치하며, 선원의 선내거주를 위한 각종 생활시설 및 선박(1)의 항해를 위한 각종 항해설비가 배치된다. 데크 하우스(DH)는 다수의 층으로 이루어질 수 있고, 선원들이 거주할 수 있는 선실, 조정실, 기타 편의시설 등을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템(ES)은 엔진(10), 터보차저(20), 배기가스 재순환라인(EGRL), 배기처리 유닛(30) 및 제어부(40)를 포함한다.

엔진(10)은 흡기가스를 공급하는 흡기라인(IL) 및 배기가스를 배출하는 배기라인(EL)과 연결된다. 엔진(10)은 그 내부에 연소실을 구비하며, 흡기라인(IL)을 통해 주입된 흡기가스가 엔진(10)에서 연소되어 배출되고, 배출된 배기가스가 터빈(21)을 구동하도록 배기라인(EL)을 거쳐 터빈(21)으로 도입된다.

여기서, 연소실은 연료가 폭발하는 공간으로서, 엔진(10)에 구비되는 실린더(도시하지 않음)의 내부에 피스톤(도시하지 않음)이 왕복될 수 있도록 형성된 공간이 된다. 이러한, 실린더로 흡기가스를 유입시키기 위한 흡기통로가 매니폴드(도시하지 않음)와 연통되어 이루어질 수 있다. 피스톤은 연료의 폭발에 따라 실린더의 안내로 승하강될 수 있다.

이러한, 피스톤에는 크랭크축(도시하지 않음)과 커넥팅로드(도시하지 않음)가 연결되고, 피스톤의 승하강 운동에 연동하여 동력축(도시하지 않음)이 회전될 수 있다. 여기서, 동력축은 피스톤의 직선운동을 전달받아 회전되며, 동력축은 발전기와 연결될 수 있어, 동력축으로부터 발전기가 회전력을 전달받아 전기에너지가 발생될 수 있다. 이와 달리, 동력축에는 프로펠러(도시하지 않음)가 연결되어, 동력축과 함께 프로펠러가 회전하여 선체가 전진 또는 후진될 수도 있다.

엔진(10)에서 연소된 배기가스는 터빈(21)으로 유입되거나 컴프레서(22)에서 압축된 흡기가스와 합류하여 다시 엔진(10)으로 공급될 수 있고, 터빈(21)에서 방출되는 배기가스는 모두 외부로 유출될 수 있다.

엔진(10)은 액화가스를 소비하는 타입으로 ME-GI, XDF, DFDE 등일 수 있으며, 특히 엔진(10)은 액화가스와 디젤을 사용할 수 있는 이종연료엔진일 수 있다. 디젤을 대신하여 액화가스를 사용할 경우, 엔진(10)에서 발생되는 배기에 포함된 질소산화물의 양은 후술하는 Tier II 규제를 만족하는 수준이 될 수 있는바, 액화가스로 엔진(10)을 가동하면 배기의 재순환 없이도 Tier II 규제를 만족시킬 수 있다.

터보차저(20)(Turbo Charger)는 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 고압 및 고온의 에너지를 이용해 공기를 압축시켜 엔진(10)으로 주입하여, 엔진(10)에서 이용되는 연료의 효율을 상승시킨다. 이를 위해, 터보차저(20)는 공기를 미리 압축하여 연소실에 공급하는 것이며, 이러한, 터보차저(20)는 터빈(21)과 컴프레서(22)을 포함한다.

터빈(21)은 배기라인(EL)에 연결되어 엔진(10)으로부터 배기가스를 공급받아 구동되며 회전력을 컴프레서(22)로 전달하도록 축(부호 도시하지 않음)으로 컴프레서(22)와 연결된다. 터빈(21)의 구동은 엔진(10)에서 연소된 배기가스가 유입되어, 배기가스가 가지는 에너지에 의해 터빈(21) 내에 자유롭게 지지된 터빈(21)의 휠(도시하지 않음)이 회전됨으로써 이루어진다. 이때, 터빈(21)에 내장된 휠의 회전 토크가 축에 의해 컴프레서(22)의 휠로 전달되는 것이다.

컴프레서(22)는 흡기라인(IL)에 연결되어 공기를 압축하여 엔진(10)으로 공급한다. 컴프레서(22)에는 외부로부터 공기가 유입되는데, 컴프레서(22)에 내장된 휠(도시하지 않음)의 회전에 의해서 유입된 공기가 압축되어 흡기가스가 될 수 있다.

이러한, 터보차저(20)로부터 배출된 흡기가스가 흡기라인(IL)을 경유하여 엔진(10)으로 유입되는데, 흡기가스의 온도를 저하시키는 에어 쿨러(11)와 흡기가스로부터 습기를 제거하는 습기제거장치(도시 안됨)가 흡기라인(IL) 상에 설치되어, 터보차저(20)에서 배출된 흡기가스는 엔진(10)에서 요구하는 온도로 낮아지고, 불필요한 습기가 제거될 수 있다.

여기서, 에어 쿨러(11)는 물을 냉매로 이용하여 흡기가스와 열교환이 행해져 흡기가스를 냉각시킬 수 있고, 습기제거장치는 공지된 습기제거장치에 갈음하여 구체적인 설명은 생략한다.

배기가스 재순환라인(EGRL)은 배기라인(EL)과 흡기라인(IL)을 연통하여 배기가스를 재순환시킨다. 배기가스 재순환라인(EGRL)의 일단은 터빈(21)의 상류에 연결되고, 배기가스 재순환라인(EGRL)의 타단은 컴프레서(22)의 하류에 연결될 수 있다.

배기가스 재순환라인(EGRL)을 통해 배기가스가 흡기가스와 합류됨으로써, 출력감소를 최소로 하면서 연소최고온도를 낮추어 질소산화물의 배출량 감소시킬 수 있다. 이는, 실린더에 유입되는 흡기가스에 배기가스를 혼입하면, 연소온도와 산소농도가 낮아져 질소산화물의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.

배기가스 재순환라인(EGRL)에는 재순환되는 배기가스의 흐름을 따라 순차적으로 배기재순환 밸브(V1), 배기처리 유닛(30) 및 배기 블로어(13)가 마련될 수 있다.

배기재순환 밸브(V1)는 배기가스 재순환라인(EGRL)을 따라 유동하는 배기가스의 유량을 조절하는 구성으로서, 후술되는 제어부(40)에 의해 배기재순환 밸브(V1)의 개도가 조절될 수 있다.

배기처리 유닛(30)은 배기재순환 밸브(V1)의 하류에 마련되며, 배기가스의 온도를 냉각시키거나 배기가스에 포함된 오염물질을 제거할 수 있다. 이를 위하여, 배기처리 유닛(30)은 배기가스를 냉매로 쿨링하는 배기가스 쿨러(31)와, 요소수를 이용하여 배기가스를 정화하는 배기 스크러버(33)를 포함할 수 있다.

부가적으로, 배기처리 유닛(30)은 물을 분사하여 배기가스를 냉각하는 프리 스프레이(도시 안됨)와, 배기가스에 포함된 물을 분리하는 워터 미스트 캐처(water mist catcher)(도시 안됨)을 더 포함할 수 있다.

배기 블로어(13)는 배기가스 재순환라인(EGRL) 상에서 배기처리 유닛(30)의 하류에 마련되며 배기가스를 흡기라인(IL)으로 강제 유입시킬 수 있다. 이는 배기재순환 밸브(V1)를 경유한 배기가스의 압력이 컴프레서(22)에서 배출되는 고압의 흡기가스에 비하여 상대적으로 낮기 때문에, 배기 블로어(13)가 배기가스 재순환라인(EGRL)를 경유하는 배기가스를 엔진(10)으로 강제 유입시키기 위해서 구비된다.

또한, 엔진 시스템(ES)은 엔진(10)으로 공급되는 흡기가스가 분기되도록 흡기라인(IL)에서 배기라인(EL)까지 연결되는 바이패스라인(BL)을 더 포함할 수 있다. 바이패스라인(BL)은 흡기가스의 유량을 조절하여 터보차저(20)의 이상운전 상태인 서지(surge)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 컴프레서(22)는 서지한계(surge limit)에 의하여 제한되는데, 컴프레서(22)가 서지현상을 일으키면 엔진(10)에 공급되는 흡기가스의 압력과 유량이 감소되어, 컴프레서(22)의 서지가 엔진(10)의 동작에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.

제어부(40)는 엔진 시스템(ES)의 배기가스 순환을 제어하는 구성으로서, 엔진(10)이 선박 배기가스 규제인 Tier II를 만족하기 위해 액화가스를 소비하는 모드에서, 배기재순환 밸브(V1)의 개도를 기설정값 이하로 개방한다. 여기서, Tier II는 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)가 마련한 오염물질 배출 기준을 의미한다.

일 실시예에서, 제어부(40)는 엔진이 선박 배기가스 규제인 Tier II를 만족하기 위해 액화가스를 소비하는 모드에서, 배기재순환 밸브(V1)의 개도를 10% 내지 40%로 제어할 수 있다.

배기가스 재순환에 의해 엔진 시스템(ES)의 질소산화물 발생이 억제되면, 반대로 이산화탄소 발생이 증가될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 엔진 시스템(ES)은 배기가스의 재순환되는 양을 감소시킴으로써, Tier II에 의한 질소산화물 배출 기준을 최소로 만족하는 범위 내에서 이산화탄소 발생을 최대한 억제할 수 있다.

즉 본 실시예는 엔진(10)이 액화가스를 소비하여 이미 Tier II를 만족하는 상황에서도, 배기를 부분적으로 재순환하여 이산화탄소의 증가를 억제해 최적의 운전을 구현할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 배기재순환 밸브(V1)의 개도 제어를 통해, Tier II를 만족하는 범위 내에서 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다.

본 실시예에서, 엔진 시스템(ES)은 배기 이코노마이저(50), 배기가스 분기라인(L1) 및 바이패스 밸브(V2)를 더 포함할 수 있다.

배기 이코노마이저(50)는 배기가스 재순환라인(EGRL)의 배기가스를 활용해 스팀을 생성한다. 배기 이코노마이저(50)는 배기가스 재순환라인(EGRL) 상에 배기재순환 밸브(V1)와 배기처리 유닛(30) 사이에 마련될 수 있다. 배기 이코노마이저(50)는 배기가스 분기라인(L1)을 통해 배기가스 재순환라인(EGRL)을 경유하는 배기가스의 적어도 일부를 공급받을 수 있다.

배기 이코노마이저(50)에 의해 생성된 스팀은 후술될 연료공급장치(60)의 기화기(61)로 제공될 수 있다. 기화기(61)는 보일러에서 생성된 스팀에 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀을 추가 사용하여 액화가스를 기화시키므로, 보일러의 스팀 생성량을 감소시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 배기가스를 열원으로 재사용함으로써, 엔진 시스템(ES)의 열효율을 증가시키고, 보일러 가동비용을 절감할 수 있다.

배기가스 분기라인(L1)은 배기가스 재순환라인(EGRL)에서 분기되고 배기 이코노마이저(50)를 경유해 배기가스 재순환라인(EGRL)에 합류된다. 본 실시예에서, 배기가스 분기라인(L1)은 배기재순환 밸브(V1)의 하류에서 분기되어 배기 이코노마이저(50)를 경유해 배기처리 유닛(30)의 상류에 합류될 수 있다.

바이패스 밸브(V2)는 배기가스 분기라인(L1)의 유량을 조절하는 구성으로서, 배기가스 재순환라인(EGRL) 상에 마련될 수 있다. 이 경우, 바이패스 밸브(V2)의 개도를 증가시키면 배기가스 분기라인(L1)의 유량이 감소하고, 바이패스 밸브(V2)의 개도를 감소시키면 배기가스 분기라인(L1)의 유량이 증가한다.

바이패스 밸브(V2)의 개도는 제어부(40)에 의해 제어될 수 있다. 이때, 제어부(40)는 엔진(10)으로 공급되는 액화가스의 유량 또는 온도에 따라 바이패스 밸브(V2)의 개도를 제어할 수 있다.

예컨대, 액화가스의 유량이 크고 온도가 낮을수록, 연료공급장치(60)의 기화기(61)는 다량의 스팀이 요구되므로, 제어부(40)는 바이패스 밸브(V2)의 개도를 감소시켜 배기 이코노마이저(50)로 유입되는 배기가스 분기라인(L1)의 유량을 증가시킬 수 있다.

배기가스 재순환라인(EGRL)으로부터 배기가스 분기라인(L1)을 경유하는 배기가스는 배기 이코노마이저(50)에 의해 열교환하여 스팀을 발생시키고, 냉각된 상태로 배기가스 재순환라인(EGRL)으로 유입된다. 따라서, 배기 이코노마이저(50)에서 리턴되는 배기가스의 유량이 크고 온도가 낮을수록, 배기 이코노마이저(50)의 하류에 위치하는 배기처리 유닛(30)의 쿨링부하는 감소한다.

이와 같이 본 실시예는, 배기 이코노마이저(50)에서 리턴되는 배기가스의 온도가 낮아지므로, 배기처리 유닛(30)의 쿨링부하가 저감될 수 있다.

본 실시예에서, 엔진 시스템(ES)은 액체 저장탱크(LT), 냉매 순환라인(RL1), 냉매 냉각라인(RL2) 및 냉매 쿨러(70)를 더 포함할 수 있다.

액체 저장탱크(LT)에는 상온 이상의 온도로 가열이 요구되는 액체가 저장된다. 액체 저장탱크(LT)에 저장되는 액체를 가열하는데 고온의 배기가스를 쿨링하는 냉매가 이용될 수 있다. 여기서, 액체 저장탱크(LT)에 저장되는 액체는 엔진(10)에서 연료로 사용 가능한 디젤오일이거나, 배기 스크러버(33)에 공급되는 요소수일 수 있다.

냉매 순환라인(RL1)은 냉매가 배기가스 쿨러(31)와 냉매 쿨러(70)를 순환하도록 한다. 냉매 순환라인(RL1) 상에는 냉매 순환밸브(V3)가 구비되어 냉매 순환라인(RL1)을 따라 유동하는 냉매의 유량을 조절할 수 있다. 배기가스의 온도 또는 배기재순환 밸브(V1) 및 바이패스 밸브(V2)의 개도에 따라 냉매 순환밸브(V3)의 개도가 조절될 수 있다.

예컨대, 배기처리 유닛(30)으로 유입되는 배기가스의 온도가 높을수록 그리고 배기가스의 유량이 많을수록, 냉매 쿨러(70)의 쿨링부하는 증가하므로, 냉매 순환밸브(V3)의 개도는 증가될 수 있다.

냉매 냉각라인(RL2)은 냉매 순환라인(RL1)에서 분기되며, 배기가스에 의해 가열된 냉매가 액체 저장탱크(LT)를 경유하면서 액체에 의해 냉각되도록 한다. 냉매 냉각라인(RL2) 상에는 냉매 냉각밸브(V4)가 구비되어 냉매 냉각라인(RL2)을 따라 유동하는 냉매의 유량을 조절할 수 있다. 액체 저장탱크(LT)에 저장되는 액체의 온도에 따라 냉매 냉각밸브(V4)의 개도가 조절될 수 있다.

예컨대, 액체 저장탱크(LT)에 저장되는 액체의 온도가 낮을수록, 액체의 가열을 위한 냉매 요구량이 증가하므로, 냉매 냉각밸브(V4)의 개도는 증가될 수 있다.

냉매 쿨러(70)는 냉매 순환라인(RL1) 상에 구비되며, 배기가스에 의해 가열된 냉매를 냉각한다. 구체적으로, 전술된 배기가스 쿨러(31)는 배기가스를 냉매로 쿨링하는데, 배기가스와 열교환되어 가열된 냉매는 냉매 순환라인(RL1)을 순환하면서 냉매 쿨러(70)를 경유하고, 냉매 쿨러(70)를 경유한 냉매는 냉각되어 배기가스 쿨러(31)로 유입된다.

부가적으로, 엔진 시스템(ES)은 배기가스에 의해 가열된 냉매를 추가 가열하여 액체 저장탱크로 전달하는 냉매 히터(HT1)를 더 포함할 수 있다. 냉매 히터(HT1)는 냉매 냉각라인(RL2) 상에 액체 저장탱크(LT)의 상류에 구비될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 배기가스에 의해 가열된 냉매를 액체 저장탱크(LT)의 가열을 위한 열원으로 이용함으로써, 엔진 시스템(ES)의 열효율을 증가시키고 보일러 가동비용을 절감할 수 있다.

본 실시예에서, 엔진 시스템(ES)은 냉매를 냉매 쿨러(70)로 전달하는 냉매 펌프(RP)를 더 포함할 수 있다. 냉매 펌프(RP)는 냉매 순환라인(RL1) 상에 냉매 쿨러(70)의 상류에 구비될 수 있다. 냉매 펌프(RP)는 가변용량형(VFD)으로 마련되어 배기가스의 상태에 따라 부하가 조절될 수 있다. 여기서, 배기가스의 상태는 배기가스 재순환라인(EGRL)으로 유동하는 배기가스의 유량 또는 온도일 수 있다.

일 실시예에서, 냉매 펌프(RP)는 배기재순환 밸브(V1)의 개도에 따라 부하가 조절될 수 있다. 배기재순환 밸브(V1)의 개도가 증가하여 배기가스의 유량이 증가할수록, 배기가스 쿨러(31)에서 요구되는 냉매가 증가하므로, 냉매 펌프(RP)의 부하가 증가될 수 있다.

일 실시예에서, 냉매 펌프(RP)는 엔진(10)의 가동 부하에 따라 부하가 조절될 수 있다. 엔진(10)의 가동 부하가 증가하면 액체 저장탱크(LT) 내 액체의 소모량이 증가하므로, 냉매 펌프(RP)의 부하는 증가될 수 있다.

일 실시예에서, 냉매 펌프(RP)는 배기 이코노마이저(50)로 유입되는 배기가스의 상태에 따라 부하가 조절될 수 있다. 또는, 냉매 펌프(RP)는 배기 이코노마이저(50)로부터 리턴되는 배기가스의 상태에 따라 부하가 조절될 수 있다. 즉, 배기 이코노마이저(50)를 경유하는 배기가스의 유량이 작아 바이패스되는 유량이 클수록, 냉매 펌프(RP)의 부하가 증가될 수 있다. 또는, 배기처리 유닛(30)으로 유입되는 배기가스의 온도가 높을수록, 냉매 펌프(RP)의 부하가 증가될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 배기가스의 상태에 따라 냉매의 양을 조절하여 최적 운전 조건을 실현하고 소비전력을 저감할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료공급장치를 개념적으로 도시한 도면이다.

전술한 구성 요소와 동일한 참조 번호를 갖는 구성 요소에 관하여는 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있으며, 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템(ES)은 액화가스를 엔진(10)의 연료로 공급하는 연료공급장치(60)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 연료공급장치(60)는 스팀을 이용해 액화가스를 기화하는 기화기(61)와, 기화기(61)로 스팀을 공급하는 보일러(62)를 포함할 수 있다. 전술된 배기 이코노마이저(50)는 기화기(61)로 스팀을 전달한다. 따라서, 기화기(61)는 보일러(62)에서 생성된 스팀에 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀을 추가 사용하여 액화가스를 기화시킬 수 있다.

배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀은 스팀 순환라인(L2)을 통해 보일러(62)를 경유하여 순환하며, 스팀 순환라인(L2) 상에는 스팀 순환펌프(P1)가 마련되어 스팀을 강제 순환시킬 수 있다.

또한, 보일러(62)에는 스팀의 압력을 측정하는 보일러 센서(63)가 구비될 수 있으며, 보일러 센서(63)를 통해 측정된 보일러(62)의 스팀 압력에 따라 배기재순환 밸브(V1) 및 바이패스 밸브(V2)의 개도가 조절될 수 있다.

예컨대, 보일러(62)의 스팀 압력이 작으면, 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀이 많이 요구되므로, 배기재순환 밸브(V1)의 개도를 증가시키거나 바이패스 밸브(V2)의 개도를 감소시켜, 배기 이코노마이저(50)를 경유하는 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 이에 의하여, 배기 이코노마이저(50)를 경유하는 배기가스의 유량이 증가되면, 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀이 증가한다.

한편, 보일러(62)는 물 공급부(65)를 통해 제공되는 물을 가열하여 스팀을 생성할 수 있으며, 보일러(62)와 물 공급부(65) 사이에 물 공급펌프(P2)가 구비될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀을 이용해 보일러의 스팀 생성 부하를 감소시킴으로써, 보일러 가동비용이 절감될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러지 처리부를 개념적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 시스템(ES)은 배기가스의 재순환 과정에서 발생하는 슬러지를 처리하는 슬러지 처리부(80)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 슬러지 처리부(80)는 슬러지 탱크(81), 슬러지 전달라인(SL1), 슬러지 정화라인(SL2), 필터(FT) 및 슬러지 센서(85)를 포함할 수 있다.

슬러지 탱크(81)는 배기처리 유닛(30)에서 생성된 슬러지를 저장한다. 슬러지 탱크(81)는 저장된 슬러지를 가열하여 수분을 증발시켜 제거하는 히터(HT2)를 포함한다. 여기서, 히터(HT2)는 전술된 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀을 이용하여 슬러지를 가열할 수 있다. 또는, 히터(HT2)는 전술된 보일러(62)에서 생성된 스팀을 이용하여 슬러지를 가열할 수 있다. 수분이 제거된 슬러지는 잔여물로 저장되었다가 육상에서 처리될 수 있다.

슬러지 전달라인(SL1)은 배기처리 유닛(30)에서 슬러지 탱크(81)로 연결되어 배기처리 유닛(30)에서 생성된 슬러지를 전달한다. 슬러지 전달라인(SL1) 상에는 배기처리 유닛(30)에서 생성된 슬러지를 임시 저장하는 버퍼 탱크(82)와, 슬러지를 강제 순환시키는 슬러지 펌프(83)가 구비될 수 있다.

슬러지 정화라인(SL2)은 슬러지 전달라인(SL1)에서 분기되고 필터(FT)를 경유해 배기처리 유닛(30)과 슬러지 탱크(81)로 각각 연결된다. 슬러지 정화라인(SL2)은 슬러지 펌프(83)의 하류에서 분기되며, 슬러지 정화라인(SL2) 상에는 슬러지를 정화하는 필터(FT)와, 슬러지의 상태를 체크하는 슬러지 센서(85)가 구비될 수 있다.

또한, 필터(FT)와 슬러지 센서(85)의 하류에는 삼방 밸브(V5)가 마련되어 슬러지 센서(85)의 측정값에 따라 필터(FT)를 경유한 슬러지를 배기처리 유닛(30) 또는 슬러지 탱크(81)로 전달할 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 슬러지 처리를 위한 별도의 수처리장치(WTU), NaOH dosing unit 등의 생략이 가능하여, 공간활용도가 증대되고, 슬러지 처리 비용을 절감할 수 있다.

또한, 배기 이코노마이저(50)에서 생성된 스팀을 슬러지 가열에 이용함으로써, 열효율을 증가시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출 가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

ES: 엔진 시스템 10: 엔진
11: 에어 쿨러 13: 배기 블로어
BL: 바이패스 라인 20: 터보차저
21: 터빈 22: 컴프레서
EGRL: 배기가스 재순환라인 30: 배기처리 유닛
31: 배기가스 쿨러 33: 배기 스크러버
40: 제어부 V1: 배기재순환 밸브
50: 배기 이코노마이저 L1: 배기가스 분기라인
V2: 바이패스 밸브 LT: 액체 저장탱크
70: 냉매 쿨러 RL1: 냉매 순환라인
RL2: 냉매 냉각라인 V3: 냉매 순환밸브
V4: 냉매 냉각밸브 60: 연료공급장치
61: 기화기 62: 보일러
63: 보일러 센서 65: 물 공급부
L2: 스팀 순환라인 80: 슬러지 처리부
81: 슬러지 탱크 85: 슬러지 센서
SL1: 슬러지 전달라인 SL2: 슬러지 정화라인
FT: 필터

Claims

액화가스를 연료로 사용 가능한 엔진을 구동하는 엔진 시스템으로서,
상기 엔진의 배기가스를 상기 엔진의 흡기가스에 혼합하는 배기가스 재순환라인;
상기 배기가스 재순환라인에 마련되어 상기 배기가스를 처리하는 배기처리 유닛;
상기 배기가스 재순환라인의 배기가스를 활용해 스팀을 생성하는 배기 이코노마이저;
상기 배기가스 재순환라인에서 분기되고 상기 배기 이코노마이저를 경유해 상기 배기가스 재순환라인에 합류되는 배기가스 분기라인; 및
상기 배기가스 분기라인의 유량을 조절하는 바이패스 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 배기가스에 의해 가동하는 터빈과 상기 흡기가스를 압축하는 컴프레서를 갖는 터보차저; 및
상기 배기가스 재순환라인에 마련되어 상기 배기가스를 전달하는 배기 블로어를 더 포함하고,
상기 배기가스 재순환라인은, 상기 터빈의 상류에서 상기 컴프레서의 하류로 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 액화가스를 상기 엔진의 연료로 공급하는 연료공급장치를 더 포함하며,
상기 연료공급장치는, 액화가스를 기화하는 기화기를 갖는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 배기 이코노마이저는, 상기 기화기로 스팀을 전달하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 연료공급장치는, 상기 기화기로 스팀을 공급하는 보일러를 더 포함하고,
상기 기화기는, 상기 보일러에서 생성된 스팀에 상기 배기 이코노마이저에서 생성된 스팀을 추가 사용하여 액화가스를 기화시키는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 바이패스 밸브는, 상기 보일러의 스팀 압력에 따라 개도가 조절되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 상기 엔진 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.