KR102109175B1 - 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법은 엔진에 연료를 공급하는 유입라인과 엔진으로부터 배출되는 잔여 연료유가 이송되는 배출라인과 병렬로 우회라인을 설치하여 엔진으로 공급되는 연료유를 우회라인으로 우회시켜 순환라인으로 통해 냉각장치로 귀환되게 함으로써 우회되는 연료유가 엔진에서 발생한 열에 의해 가열되지 않게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법{fuel circulating equipment and method capable chiller miniaturization/energy-saving}

본 발명은 연료 공급 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 유황 함량이 적은 연료유가 엔진에 의해 가열되는 것을 방지하여 연료 냉각장치가 연료를 냉각시킴에 소요되는 에너지를 절감할 수 있게 한 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법에 관한 것이다.

더욱 상세하게 본 발명은 엔진을 경유하여 순환하는 LSMGO가 엔진을 통과하지 않고 우회할 수 있게 함으로써 엔진의 열에 의해 LSMGO가 가열되는 것을 방지하여 LSMGO의 점도를 높이기 위한 연료 냉각장치에 가해지는 부하를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 냉각장치에 의해 처리되는 연료유의 양이 줄어 냉각장치를 소형화할 수 있게 한 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 지구온난화, 환경오염 등의 환경문제를 해결하기 위해 탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 배출량 규제(MARPOR 부속서 제 14규칙, EU DIRECTIVE 2005/33/EC, 미국 캘리포니아 주의 제한)에 대한 협의가 활발히 이루어지고 있으며 우리나라에서도 정부의 저탄소 녹색성장 등의 친환경적인 산업정책이 대두 되고 있다.

이러한 규제는 조선 업계에도 상당한 영향을 미치고 있고, 주 엔진 혹은 전기 발전엔진이 사용되는 선박의 경우에도 이러한 규제에 대응하기 위한 방안으로 저유황의 연료유를 사용하거나, 선박에 배출되는 황산화물을 처리하기 위한 황산화물 처리장치를 설치하는 것이다.

이러한 규제에 대응하기 위한 황산화물을 비롯한 유해성분 제거를 위한 장치와 관련된 기술로는 특허문헌 1내지 3이 있다.

특허문헌 1은 월플로우 챔버(walled-flow chamber)에 설치된 분사노즐에서 세정액을 분사함으로써 기액 접촉을 통하여 배기가스 중의 유해성분을 포집하고, 유입된 배기가스가 지그재그 형태로 격벽을 충돌하여 통과하여 관성충돌에 의해 물방울에 포집된 입자상물질을 제거할 수 있도록 하는 선박용 디젤엔진의 배기가스 중의 유해성분을 제거하기 위한 세정집진기에 관한 것이고, 특허문헌 2는 기류분배용 다공판에 의하여 구획된 반응공간의 내부에서 오존처리와 과산화수소처리 및 중화처리가 각각 독립적으로 이루어지도록 함에 따라, 배기가스 기류의 균일한 분배조건하에서 각각의 반응이 보다 더 효율적으로 수행될 수 있도록 하는 한편, 선박의 협소한 공간에 적용이 가능한 콤펙트한 처리장치를 제공할 수 있도록 하며, 중화처리과정에서 발생한 고부가가치의 암모늄염을 반응탱크의 바닥부에 구비된 드레인배관을 통하여 집진기와는 별도로 회수토록 함으로서, 암모늄염의 회수율과 재 활용율을 향상시킬 수 있도록 한 선박용 배기가스의 탈황 탈질 처리장치에 관한 것이며,

특허문헌 3은 엔진(Engine)에서 배출되는 배기가스를 일시적으로 저장하여 육지로부터 먼 대양에 배출하도록 함으로서 항구의 대기오염을 방지하도록 된 선박용 배기가스 저장시스템에 관한 것이다.

그러나 상기한 바와 같은 황산화물 처리장치는 복작하고 다양한 장치들을 구비하여야하므로 설치에 많은 비용이 소요됨으로 선박의 가격을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 이를 유지 관리하는데 많은 어려움이 있다.

따라서 황산화물 배출 규제에 대응하는 방법으로 주로 LSMGO(Low-sulphur (<0.1%) Marine Gas Oil)와 같은 저유황의 연료유를 사용하고 있다.

그러나 LSMGO는 점도가 매우 낮으므로 연료펌프에 의한 펌핑이 원활하게 이루어지지 않거나, 엔진의 연료분사 노즐에서 연료의 정확한 양의 연료분사의 제어가 어렵게 되는 문제점 등이 있다. 따라서 이와 같이 주 엔진에서 요구하는 연료의 점도를 만족하기 위해서는 연료를 냉각시켜 점도를 높일 필요가 있고 이를 위해 칠러(CHILLER) 등의 냉각장치(이하, "냉각장치"라 통칭함)를 사용하고 있다.

이러한 연료 냉각 장치와 관련된 기술로는 특허문헌 4 및 5가 있다.

특허문헌 4는 선박용 연료를 저장하는 연료 저장소; 냉매의 증발 잠열을 이용하여 상기 선박용 연료를 냉각시킬 작동유체를 냉각시키는 증발기, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 흡수하는 흡수액이 수용된 흡수기, 상기 냉매의 흡수를 통하여 묽어진 상기 흡수기의 흡수액을 가열시켜 재생시키는 재생기, 및 상기 재생기에서 증발한 냉매를 응축시키는 응축기를 가지는 흡수식 냉동기; 상기 흡수식 냉동기의 재생기 내의 흡수액을 재생시키도록, 상기 흡수식 냉동기의 재생기에 열을 공급하는 열 공급수단; 및 상기 연료 저장소에 저장된 선박용 연료를 공급받아, 상기 선박용 연료와 상기 흡수식 냉동기에서 냉각된 작동유체의 열교환을 수행함으로써, 상기 선박용 연료를 냉각시키는 열교환기를 포함하여 구성된 것이고,

특허문헌 5는 일반 연료유보다 점도가 낮은 저유황 연료유를 연료로서 사용하는 선박 내에 설치되는 연료유 냉각장치로서, 저유황 연료유를 냉각시켜 점도를 높이기 위한 연료유 냉각기와; 상기 연료유 냉각기에서 저유황 연료유와의 열교환을 통하여 가열된 냉매를 냉각시키기 위한 냉매 장치를 포함하여 구성된 것이다.

이렇게 구성된 냉각장치를 구비한 선박에서 연료유는 도 3에 도시한 바와 같이, 연료유 순환 시스템(FUEL OIL CIRC. SYSTEM)에 의해 순환되고, 이중 일부만 엔진실린더(ENGINE CYLINDER) 내에서 연소(BURNING)되고 나머지는 계속 순환한다.

이렇게 순환되는 LSMGO는 쿨링(CHILLER COOLING) → 엔진내 열흡수 → 쿨링을 반복하여 에너지 측면에서 낭비가 될 수 있다. 즉, 엔진에서 소모되는 양 보다 많은 양의 연료유가 엔진을 경유하여 통과되고, 이렇게 엔진을 통과한 잔여 연료유는 엔진으로부터 열을 흡수하여 가열된 상태가 되므로, 이를 다시 냉각시키기 위해는 많은 에너지가 소모되는 문제가 있다. 즉, 냉각장치는 엔진에 의해 가열되어 높은 온도의 연료유를 냉각시켜야 하므로 냉각장치에 과도한 부하가 걸리므로 냉각장치의 용량을 키워야하는 문제가 있는 것이다.

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본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 순환하는 연료유가 엔진의 열에 의해 가열되지 않게 함으로써 연료유를 냉각시키는 냉각장치의 부하를 줄일 수 있게 한 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

보다 상세하게 본 발명은 연료유 순환 시스템을 이용하여 연료를 순환시키되, 엔진에서 필요한 양만을 엔진 측으로 공급하고, 나며지는 우회시켜 바로 냉각장치로 순환시킴으로써 엔진에 의해 가열되는 연료유의 양을 줄여 냉각장치에 걸리는 냉각 부하를 줄일 수 있게 한 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치는 저유황 연료유를 연료로 구동하는 엔진에 연료를 순환하는 순환라인 상에 냉각장치를 구비한 연료 순환장치에 있어서, 상기 엔진에 연료를 공급하는 유입라인과 엔진으로부터 배출되는 잔여 연료유가 이송되는 배출라인과 병렬로 우회라인을 설치하여 엔진으로 공급되는 연료유를 우회라인으로 우회시켜 순환라인으로 통해 냉각장치로 귀환되게 함으로써 우회되는 연료유가 엔진에서 발생한 열에 의해 가열되지 않게 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 우회라인과 유입라인에 밸브를 더 설치하여 연료유의 흐름을 단속하는 것이 바람직하고, 밸브는 전자밸브를 사용할 수 있다.

또한, 상기 순환라인에는 필터를 더 설치하여 연료유가 냉각 및 가열되는 과정에서 발생되는 수분 등의 이물질을 걸러낼 수 있게 하는 것이 바람직하다.

또한 연료유로는 LSMGO(Low-sulphur (<0.1%) Marine Gas Oil)를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일 양상에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환 방법은 상이와 같이 구성된 순환 장치를 이용한 것으로서, 엔진의 구동에 필요한 연료유의 양을 설정하는 단계; 공급된 연료유를 냉각장치에서 냉각시키는 단계; 냉각된 연료유를 엔진에 공급하되 상기 연료유양 설정 단계에서 설정된 양을 제외한 잔여 연료유를 우회라인으로 우회시켜 냉각장치로 공급하는 단계; 엔진의 구동 제어 명령을 수신하여 가속 또는 감속을 판단하는 단계; 가속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 증가시키고, 우회 연료유의 양을 감소시키고, 감속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 감소시키고, 우회 연료유의 양을 증가시켜 엔진을 구동시키는 단계를 반복하여 이루어지고, 엔진 정지 명령이 전송되면 엔진을 정지시키고 연료 순환장치를 정지시켜 연류유의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 연료유의 양은 우회라인과 엔진의 유입라인에 각각 설치된 밸브의 개폐량을 조절함에 위해 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치에 의하면, 순환장치를 통해 순환되는 연료유 중 엔진에 공급되는 남는 잔여 연료유가 엔진을 경유하지 않고 우회함으로써 엔진에 의해 가열되지 않게 되고, 이에 따라 이미 냉각장치에 의해 냉각된 연료가 냉기를 유지하고 있으므로 냉각장치의 냉각양이 줄어 냉각장치에 가해지는 부하를 줄일 수 있는 효과가 있는 것이다.

이렇게 냉각장치의 부하가 감소함으로써 냉각장치의 용량을 줄일 수 있어 소형화가 가능하고, 냉각장치가 소형화됨에 따라 선박의 가용 부하를 증가시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환 장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 3은 종래의 순환장치의 구성도

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 순환펌프(P2)를 포함하는 순환장치에 의해 순환되는 연료유 중 엔진(100)에서 필요로 하고 남는 잔여 연료유를 엔진을 경유하지 않고 우회라인((1)으로 우회시켜 순환되게 한 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 연료 순환장치는 점도가 낮은 저유황 연료유에 적용하기 위한 장치로서 연료유로는 LSMGO(Low-sulphur (<0.1%) Marine Gas Oil)나 MGO(marine gas oil)가 사용된다.

상기 우회라인(1)은 도 1에 도시한 바와 같이 엔진(100)에 연료가 유입되는 유입라인(100i)과 엔진으로부터 연료가 배출되는 배출라인(100o) 사이에 병렬로 연결되어 있으며, 중간에 밸브(v1)가 설치되어 우회되는 여유 연료유의 양을 조절할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

상기 우회라인(1)을 구비한 본 발명의 연료 순환장치는 도시한 바와 같이, 순환라인(400c)의 중간에 순환펌프(P2)를 설치하여 연료유를 펌핑하여 순환시키고, 냉각장치(500)를 구비하여 순환되는 연료유를 냉각시킨다.

상기 냉각장치(500)를 통과하여 순환하는 연료유는 연료유 탱크(300)에 저장된 저유황 연료유로서 탱크(300)에 저장된 연료유의 온도는 약 40℃ 정도이고, 이러한 온도의 연료유는 점도가 낮아 연료펌프에 의한 펌핑이 원활하게 이루어지지 않거나, 엔진의 연료분사 노즐에서 연료의 정확한 양의 연료분사의 제어가 어렵다. 이에 따라 상기 냉각장치(500)를 통해 27℃ 정도로 온도를 낮춘 상태에서 엔진(100)에 공급된다.

이렇게 공급되는 연료유 중에는 엔진(100)에서 충분히 연소되지 않고 남게 되며, 이렇게 남는 연료는 통상적으로 엔진의 열에 의해 가열되지만 본 발명은 잔여 연료유가 엔진(100)으로 공급되지 않고 우회라인(1)으로 우회되게 하여 순환하는 연료유가 가열되는 것을 방지한 것이다.

즉, 종래의 연료 순환장치는 잔여 연료유가 엔진(100)을 경유하고, 엔진으로부터 배출되는 연료유는 엔진에서 발생한 열에 의해 가열되어 40℃이상 온도가 올라가게 되어 점도가 낮아지게 되지만 본 발명의 연료 순환장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 우회유로(1)로 잔여 연료유가 우회하며, 이렇게 우회하는 연료유는 도시한 바와 같이 대기에 의해 가열되는 정도이므로 38℃ 전후가 되므로 냉각장치(500)의 냉각 부하가 줄어들게 되는 것이다.

상기 우회라인(1)으로 우회되는 잔여 연료유의 양을 조절함에 의해 엔진(100)에 공급되는 연료유의 양이 조절될 수 있고, 이렇게 우회라인(1)으로 우회되는 연료유의 양을 조절하기 위해 상기 밸브(1v)를 구비하고 있는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이 유입라인(100i)에도 밸브(2v)를 설치하여 엔진(100)으로 유입되는 연료유의 양을 조절할 수 있게 할 수도 있다. 물론, 상기 밸브(1v, 2v) 중 유입라인(100i)에만 밸브(2v)를 설치하여 이 밸브(2v)의 개폐량을 조절함에 의해 우회되는 잔여 연료유의 양을 제어할 수도 있다.

이러한 밸브(1v, 2v)들의 개폐량을 쉽게 조절할 수 있게 하기 위해서 상기 밸브들은 전자밸브가 사용되어야 하고, 이들은 제어장치(미도시)에 구비된 제어프로그램으로 제어가 될 수 있다.

또한 본 발명의 연료 순환장치는 상기 순환라인(400c)에 리사이클링 챔버(400)를 더 설치할 수 있다. 상기 리사이클링 챔버(400)는 순환라인(400c)을 통해 순환하는 연료가 저장되는 공간으로 냉각장치(500)에 공급되는 연료의 흐름이 잠시 정체될 수 있게 하는 역할을 한다.

본 발명의 다른 일 양상에 따른 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환 방법은 상기와 같이 구성된 순환 장치에 의해 이루어 질 수 있는 것으로서, 엔진의 구동에 필요한 연료유의 양을 설정하는 단계; 공급된 연료유를 냉각장치에서 냉각시키는 단계; 냉각된 연료유를 엔진에 공급하되 상기 연료유양 설정 단계에서 설정된 양을 제외한 잔여 연료유를 우회라인으로 우회시켜 냉각장치로 공급하는 단계; 엔진의 구동 제어 명령을 수신하여 가속 또는 감속을 판단하는 단계; 가속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 증가시키고, 우회 연료유의 양을 감소시키고, 감속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 감소시키고, 우회 연료유의 양을 증가시켜 엔진을 구동시키는 단계를 반복하여 이루어진다.

상기 연료유의 양을 설정하는 단계는 엔진의 기종이나 용량에 따라 다르게 설정될 수 있고 이는 엔진의 구동초기의 연료유의 양이다.

연료유의 양이 설정된 상태에서 엔진이 구동되면 공급펌프(P1)가 구동되어 연료유가 이송되고, 이송된 연료유는 냉각장치(500)에서 냉각되어 점도가 낮아진 상태로 엔진에 공급되고 이때 엔진에 공급되는 연료유의 양은 설정된 양이고, 남은 잔여 연료유는 우회라인을 통과하여 순환라인을 통해 냉각장치로 귀환된다.

이렇게 우회되어 순환라인을 순환하는 연료유는 순환펌프(P2)에 의해 펌핑되고, 엔진의 속도가 가변될 수 있고 이렇게 엔진 속도 가변 명령은 제어실(미도시)에서 제어가 이루어진다.

엔진 속도가 가속될 경우에는 엔진에 공급되는 연료유의 양을 증가하고 우회라인으로 우회하는 잔여 연료유의 양을 줄게 되며, 반대로 엔진 속도가 감속될 경우에는 엔진에 공급되는 연료유의 양을 감소하고 우회라인으로 우회하는 잔여 연료유의 양을 증가하게 된다.

이렇게 연료유의 양을 제어하기 위해 상기 밸브들이 설치되어 있고 이러한 밸브의 제어 역시 제어실의 제거기에 의해 이루어질 수 있다.

물론, 제어실로부터 엔진 정지 명령이 전송되면 엔진을 정지시키고 연료 순환장치를 정지시켜 연류유의 흐름을 차단한다.

1: 우회라인
1v, 2v: 밸브
100: 엔진
100i: 유입라인 100o: 배출라인
400: 필터
500: 냉각장치
P1: 공급펌프 P2: 순환펌프

Claims (8)

1. 저유황 연료유를 연료로 구동하는 엔진(100)에 연료를 순환하는 순환라인(400c) 상에 냉각장치(500)를 구비한 연료 순환장치에 있어서,
   상기 엔진에 연료를 공급하는 유입라인(100i)과 엔진으로부터 배출되는 잔여 연료유가 이송되는 배출라인(100o)과 병렬로 우회라인(1)을 설치하여 엔진으로 공급되는 연료유를 우회라인(1)으로 우회시켜 순환라인으로 통해 냉각장치로 귀환되게 함으로써 우회되는 연료유가 엔진에서 발생한 열에 의해 가열되지 않게 하기 위해,
   상기 연료 순환장치는
   상기 냉각장치에서 냉각된 연료유를 엔진에 공급하되, 상기 엔진의 구동에 필요한 연료유의 양으로 설정된 양 외의 상기 잔여연료유를 우회라인으로 우회시켜 냉각장치에 공급하며,
   제어실의 제어실로부터의 엔진속도 가변 명령에 따라 가속 또는 감속을 판단하고, 가속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 증가시키고, 우회 연료유의 양을 감소시키며, 감속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 감소시키고, 우회 연료유의 양을 증가시켜 엔진을 구동시키는 단계를 반복하여 이루어지고,
   상기 제어실로부터 엔진 정지 명령이 전송되면 엔진을 정지시키고 연료 순환장치를 정지시켜 연류유의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 우회라인(1)에는 밸브가 더 설치된 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 유입라인(100i)에는 밸브가 더 설치된 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 밸브는 전자밸브인 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 순환라인(400c)에는 필터(400)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 연료유는 LSMGO(Low-sulphur (<0.1%) Marine Gas Oil) 또는 MGO(marine gas oil) 인 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환장치.
   
7. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한항으로 이루어진 연료 순환장치를 이용한 연료 순환방법에 있어서,
   엔진(100)의 구동에 필요한 연료유의 양을 설정하는 단계;
   공급된 연료유를 냉각장치에서 냉각시키는 단계;
   냉각된 연료유를 엔진에 공급하되 상기 연료유양 설정 단계에서 설정된 양을 제외한 잔여 연료유를 우회라인으로 우회시켜 냉각장치로 공급하는 단계;
   엔진의 구동 제어 명령을 수신하여 가속 또는 감속을 판단하는 단계;
   가속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 증가시키고, 우회 연료유의 양을 감소시키고, 감속 명령의 경우 엔진에 공급되는 연료유의 양을 감소시키고, 우회 연료유의 양을 증가시켜 엔진을 구동시키는 단계를 반복하여 이루어지고,
   엔진 정지 명령이 전송되면 엔진을 정지시키고 연료 순환장치를 정지시켜 연류유의 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 연료유의 양은 우회라인과 엔진의 유입라인에 각각 설치된 밸브의 개폐량을 조절하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉각장치 소형화와 에너지를 절감할 수 있는 연료 순환 방법.
   
   

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