KR102291721B1

KR102291721B1 - 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법

Info

Publication number: KR102291721B1
Application number: KR1020200056243A
Authority: KR
Inventors: 김창업; 오승묵; 박현욱; 이용규; 강건용
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-08-23

Abstract

본 발명은 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 발열량이 낮은 가스연료가 엔진에 주입될 때 원활하게 시동이 이루어질 수 있도록, 시동 시 rpm이 목표rpm으로 바로 상승되는 대신 여러 번의 상승회차에 걸쳐 단계적으로 상승되도록 하는, 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법을 제공함에 있다.

Description

저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법 {Starting control method for generator using lower calorific fuel gas}

본 발명은 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스연료 발전기 중에서도 특히 저발열량 가스연료를 사용하는 발전기에 있어서 원활하게 시동이 이루어지도록 하는, 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 관한 것이다.

석탄을 이용한 화력 발전 기술은 석탄을 직접 연소시켜 증기를 발생시키고 이 증기로 터빈을 돌려 발전을 하는 기술로, 전통적인 발전 기술 중 하나이다. 화력발전은 상당히 효율이 좋은 발전 기술인 반면 유해한 배기가스 등의 폐부산물의 발생량이 많아 환경에 큰 악영향을 끼치는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하면서 화력 발전의 장점을 더욱 발전시키고자 하는 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며, 이러한 연구의 일환으로 석탄 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle) 기술이 점차 확대되어 가고 있다.

석탄 가스화 복합 발전이란, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 한 합성가스(syngas)로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진(Dust)과 황산화물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 복합 발전을 하는 기술이다. 석탄 가스화 복합 발전 기술은 고전적인 석탄 화력 발전 기술에 비해 더욱 높은 발전 효율을 가지며, 직접 연소 발전에 비해서는 황산화물 90% 이상, 질소산화물 75% 이상, 이산화탄소 25%까지 저감할 수 있는 환경친화적 기술이기 때문에 세계 각국에서 개발에 힘쓰고 있다.

석탄 가스화 공정에서 발생되는 합성가스는 여러 가지 용도로 활용되는데, 특히 이를 FT(Fischer & Tropsh) 반응을 통하면 우리가 일반적으로 사용할 수 있는 연료들(디젤, 등유, 가솔린 등)을 생산할 수 있다. 이 때 FT 반응에 참여하여 반응하지 않고 미활용된 가스(오프가스; off-gas)가 발생되는데, 오프가스의 발열량은 1500~2000 kcal/m³ 정도로서 일반적인 발전기용으로 사용되는 디젤이나 가스연료에 비해 1/5 내지 1/10 정도의 발열량을 갖기 때문에, 미연소가 되거나 연소가 되더라도 열효율이 매우 낮아서 발전용 연료로 사용되기 적합하지 못한 것으로 알려져 있다.

일반적으로는 이러한 오프가스가 모두 버려짐으로써 전체적인 시스템 효율 저하의 원인이 된다. 이러한 문제를 해소하기 위하여, 당업자들 사이에서는 오프가스까지 활용하여 보다 효율적인 발전을 수행하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 오프가스를 활용하여 시스템 효율을 향상시키는 연구로서, 한국특허등록 제2051849호("석탄 가스화 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템", 2019.11.28., 이하 '선행기술')가 있다. 상기 선행기술에서는, 석탄 가스화 공정에 포함되는 부공정인 FT 공정 중에 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 사용하여 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 발전유닛을 포함함으로써, 기존에 그냥 버려졌던 오프가스까지 활용하여 발전함으로써 발전효율을 극대화하는 시스템을 개시하고 있다.

그런데 선행기술과 같은 발전기를 실제로 운용하는 과정에서, 평상시 운용에는 문제가 없으나 시동이 원활하게 이루어지지 못하는 문제가 지적되었다. 일반적으로 엔진은 연료가 주입되어 엔진 내부에서 연소됨으로써 동작이 이루어진다. 이 때 보통의 가스연료에 비해 발열량이 매우 낮은 오프가스가 일반적인 엔진에 주입되면 최초의 연소가 제대로 이루어지지 못하며, 따라서 시동이 걸리지 않거나 걸렸다가도 쉽게 꺼지게 되는 문제가 있는 것이다. 따라서 저발열량 가스연료를 사용하는 경우 일반적인 엔진의 시동제어방법과는 달리 저발열량 가스연료에 적합한 시동제어방법이 개발되어야 할 필요성이 있다.

1. 한국특허등록 제2051849호("석탄 가스화 및 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템", 2019.11.28.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 발열량이 낮은 가스연료가 엔진에 주입될 때 원활하게 시동이 이루어질 수 있게 하는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법은, 저발열량 가스연료를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키되, 상기 엔진으로의 공기공급량을 조절하는 전자쓰로틀밸브 개도가 조절됨으로써 rpm이 조절되는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 있어서, 상기 저발열량 가스연료 발전기의 시동 직후 rpm을 초기rpm이라 하고, 상기 저발열량 가스연료 발전기의 평상 운용 rpm을 목표rpm이라 할 때, 상기 엔진의 rpm이 상기 초기rpm에 도달되는 초기rpm도달단계; 상기 엔진의 rpm이 상기 초기rpm에 미리 결정된 초기유지시간 동안 유지되는 초기rpm유지단계; 상기 엔진의 rpm이 미리 결정된 상승차수 N(N은 2 이상의 정수)회로 나누어 상기 목표rpm까지 순차 상승되는 순차rpm상승단계; 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 순차rpm상승단계는, 상기 엔진의 rpm이 미리 결정된 n차rpm에 도달되는 n차rpm도달단계, 상기 엔진의 rpm이 상기 n차rpm에 미리 결정된 n차rpm유지시간 동안 유지되는 n차rpm유지단계를 포함하되, n이 1에서 N까지 1씩 증가하면서 상기 n차rpm도달단계 및 상기 n차rpm유지단계가 반복 수행되도록 형성될 수 있다.

또한 상기 상승차수는, 2 내지 5 범위 내의 값으로 형성될 수 있다.

또한 상기 n차rpm유지시간은, 1초 내지 3 초 범위 내의 값으로 형성될 수 있다.

또한 상기 순차rpm상승단계는, 각각의 상기 n차rpm 값이 하기의 식을 만족시키도록 형성될 수 있다.

초기rpm ≥ n차rpm - n-1차rpm

보다 구체적으로, 상기 순차rpm상승단계는, 각각의 상기 n차rpm 값이 하기의 식을 만족시키도록 형성될 수 있다.

초기rpm ≥ 1차rpm - 초기rpm ≥ … ≥ n차rpm - n-1차rpm ≥ … ≥ N차rpm - n-1차rpm

또한 상기 저발열량 가스연료는, 1000kcal/m³ 내지 3000kcal/m³ 범위 내의 발열량을 가질 수 있다.

또한 본 발명의 저발열량 가스연료 발전기는, 상술한 바와 같은 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 의하여 시동제어되는 저발열량 가스연료 발전기에 있어서, 전처리된 석탄에 산소를 공급하여 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부; 상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및 상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 발전부; 를 포함하는 석탄 가스화 공정에서의 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템의 상기 발전부일 수 있다.

또한 본 발명의 저발열량 가스연료 발전기는, 상술한 바와 같은 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 의하여 시동제어되는 저발열량 가스연료 발전기에 있어서, 상기 엔진에 포함되는 엔진ECU에 의하여 상기 전자쓰로틀밸브 개도가 조절될 수 있다.

이 때 상기 저발열량 가스연료 발전기는, 상기 엔진ECU에 상기 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 따른 알고리즘이 미리 저장되어 제어될 수 있다.

본 발명에 의하면, 저발열량 가스연료를 사용하는 발전기에서의 시동이 원활하게 이루어지게 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 석탄 가스화 공정에서 발생되는 가스 중 발열량이 너무 낮아 일반적으로 버려지던 오프가스를 재활용함으로써 효율을 향상하는 가스연료 발전기 시스템에서, 일반적인 엔진 시동 알고리즘을 사용할 경우 발열량이 낮기 때문에 시동이 제대로 걸리지 않았던 문제가 있었으나, 본 발명에서는 저발열량 가스연료에 최적화된 시동 알고리즘을 적용함으로써 원활하게 엔진 시동이 걸리도록 할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상술한 바에 따라 오프가스를 재활용하는 가스연료 발전기 시스템을 보다 원활하게 잘 사용할 수 있게 되어, 결과적으로 발전 시스템의 효율 향상에 크게 기여하는 효과가 있다.

도 1은 석탄 가스화 공정에서의 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템.
도 2는 IMEP 3bar 및 WOT 조건에서 상기 발전 시스템 내 저발열량 가스연료 발전기의 효율 그래프.
도 3은 저발열량 가스연료 주입 시 일반적인 시동제어방법으로 운용되는 엔진의 rpm 그래프(정상시동).
도 4는 저발열량 가스연료 주입 시 일반적인 시동제어방법으로 운용되는 엔진의 rpm 그래프(시동실패).
도 5는 본 발명의 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법의 흐름도.
도 6은 저발열량 가스연료 주입 시 본 발명의 시동제어방법으로 운용되는 엔진의 rpm 그래프.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 저발열량 가스연료 발전기

먼저 저발열량 가스연료 발전기에 대하여 간략하게 설명한다. 도 1은 석탄 가스화 공정에서의 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 발전 시스템은 크게 석탄 전처리부(10), 석탄 가스화부(20), 합성가스 클리닝부(30), FT 반응부(40), 발전부(50)로 구성될 수 있다. 이 중에서 상기 발전부(50)가 바로 본 발명의 저발열량 가스연료 발전기에 해당한다. 먼저 상기 발전 시스템 전체 구성에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

석탄 전처리부(10)는 석탄을 전처리하여 고정탄소의 비율을 높인 후의 석탄을 석탄 가스화부(20)로 공급할 수 있도록 하는 부분이다. 보다 상세하게는 석탄은 주로 가연성 성분인 고정탄소 및 휘발성분, 비가연성 성분인 수분, 회분 및 기타 광물 등으로 이루어져 있다. 고정탄소는 석탄 활용의 주성분이 되며 고정탄소의 비율이 높을수록 고급석탄이며 발열량과 전환효율이 높다. 휘발성분은 탄화도가 낮은 경우에 다량 생성되는 것으로, 휘발성분의 비율이 높은 경우 연소가 잘 되지 않는다. 특히 회분은 석탄의 발열량 및 전환효율을 크게 떨어뜨리는 성분이므로, 저급석탄의 활용을 위해서는 반드시 석탄의 전처리가 필요하다. 그리고 탄층에서 캐낸 원탄(run of mine coal)에는 고정탄소 성분이 높은 정탄과 암석의 파괴석인 맥석(gangue)이 혼재되어 있는데, 맥석이 정탄에 함유되어 있으면 정탄의 연소과정에서 열량이 저하되고 유해가스(SOx)가 발생하는 원인이 되므로, 석탄을 석탄 가스화부로 공급하기 전에 석탄의 전처리가 필요하다.

석탄 가스화부(20)는 전처리된 석탄에 산소(O₂)를 공급하여 합성가스(syngas)를 생성하는 부분이다. 보다 상세하게는 석탄 가스화부(20)에서는 탄화수소로 구성된 물질인 석탄, 저급 잔사유, 산업 폐기물, 바이오매스 등을 산소 또는 증기 등과 반응시키는 가스화 과정(gasification)을 통해서 열과 합성가스(CO, H₂)를 생성한다. 여기에서 산소공급을 위한 장치는, 전기분해장치, 압력순환 흡착장치 등 다양한 장치로 구현될 수 있으며, 이를 통해 상기 석탄 가스화부(20)에는 고농도 산소가 공급된다. 한편 가스화 반응은 단일 반응이 아니라 고체 탄화수소 물질이 100℃ 근처에서 수분이 제거되는 건조, 350℃ 내지 550℃ 범위에서 고체상의 휘발 성분이 제거되는 열분해, 500℃ 이상부터 탄소와 산소가 반응하여 열을 만드는 연소, 합성가스를 생성하는 가스화 반응 등이 순차적 또는 동시에 일어나는 복합 반응이다. 열분해를 거치면 고체 탄화수소는 탄화수소 물질들과 회재로만 구성된 숯(char)으로 변하며, 숯을 반응시키기 위해서는 열이 필요하게 된다.

상기 석탄 가스화부(20)에 가스화제로서 수증기와 산소를 사용할 경우에 생성되는 합성가스는 주로 CO와 H₂로 비교적 발열량이 높은 중열량가스(3,000kcal/m³전후) 가 되며, 산소 대신에 공기를 사용하면 생성가스 중에 질소 성분이 증가되어 발열량이 낮은 저열량가스(1,000kcal/m³ 전후)가 된다. 기존의 경우 상기 석탄 가스화부(20)에 공급되는 산소가 질소, 수증기 등 다른 성분이 섞인 대기 형태로 공급되기 때문에, 석탄 가스화 공정 후 만들어지는 합성가스 자체도 발열량이 상당히 낮아 FT 반응조차 일어나기 어려울 수도 있었다. 이 때 상기 석탄 가스화부(20)에 공급되는 산소가 고농도산소가 되게 하면, 상기 시스템에서 만들어지는 합성가스를 FT 반응시킨 후 생산되는 오프가스의 성분은 H₂ 30%, CO 25%, CO₂ 45% 정도의 범위를 가지게 되어, 이를 원활하게 발전에 이용할 수 있다. 한편 고체 탄화수소에 포함된 유황과 질소성분은 가스화 반응으로 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 H₂S, COS, CS₂, NH₃로 변화되어 연소에 의해 배출되는 가스와는 다른 형태의 화합물을 형성한다.

합성가스 클리닝부(30)는 석탄 가스화부(20)에서 가스화 과정을 거친 후 생성된 합성가스에서 이물질 또는 유해가스 등을 제거하는 부분이며, 가스 클리닝 과정을 거친 합성가스는 FT 반응부(40)로 공급되어 FT 반응에 이용될 수 있다.

FT 반응부(40)는 가스 클리닝 과정을 거친 후 공급되는 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료인 디젤 또는 가솔린 등을 생산하는 부분이다. 여기에서 FT 반응은 Fischer 와 Tropsh 라는 사람이 개발해낸 공정으로 석유화학의 기반이 되는 공정으로서, 합성가스인 CO 및 H₂로부터 알칸(CnH(2n+2)) 생성을 타겟으로 하는 반응이다. 그리고 FT 반응부(40)에서는 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스가 발생하게 된다.

발전부(50)는 FT 반응부(40)에서 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시킨다. 기존에는 산소 대신 대기를 석탄 가스화부에 공급하였는데, 이 경우 석탄 가스화부에서 만들어지는 합성가스의 성분은 H₂ 15%, CO 15%, CO₂ 10%, N₂ 60% 정도의 범위를 가지는 것으로 알려져 있으며, 이는 앞서 설명한 저열량가스(발열량 1,000 kcal/m³ 전후)에 해당하여 FT 반응을 일으키기 어려워, 산업용 연료 생산이 어렵다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 석탄 가스화 과정에 고농도 산소를 공급함으로써, 합성가스가 충분한 발열량을 가져 FT 반응을 일으킴으로써 산업용 연료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, FT 반응 후 H₂ 30%, CO 25%, CO₂ 45% 정도의 범위를 가지는, 즉 발열량이 1,700 kcal/m³ 전후인 오프가스를 얻을 수 있게 된다. 이는 앞서 설명한 저열량가스와 중열량가스의 중간 정도 되는 발열량으로, 일반적인 발전기용으로 사용되는 경유나 가스연료와 비교하였을 때 작게는 1/5에서 크게는 1/10 정도의 발열량이다. 기존에 석탄 가스화 반응에 산소 대신 대기를 공급하는 경우 FT 반응을 일으키는 것부터가 어렵기 때문에 합성가스를 직접 이용하여 발전하는 단일 발전 시스템으로밖에 활용할 수 없었다. 그러나 본 발명의 시스템의 경우 FT 반응 후에도 적절한 발열량을 가지는 오프가스를 얻어 이를 엔진에 공급하여 연소시킴으로써 발전에 이용할 수 있으므로, 결과적으로 산업용 연료 및 전기 두 가지를 생산하는 다중 발전 시스템으로 활용이 가능하게 된다.

도 2는 IMEP 3bar 및 WOT 조건에서 상기 발전 시스템 내 저발열량 가스연료 발전기의 효율 그래프를 도시한 것으로, 보다 정확하게는 불꽃점화(SI) 방식의 전소엔진에서의 압축비 및 공기 과잉률(λ)에 따른 열효율을 나타낸 그래프이다. IMEP(Indicated Mean Effective Pressure, 도시평균유효압력) 3bar 조건 및 WOT(Wide Open Throttle, 최대 스로틀 개방) 조건 각각에서, 압축비를 13:1에서 17:1까지 높이면서 실험하였다. 원래 SI 엔진의 경우 압축비를 지나치게 높이면 연료가 스스로 연소해 버리는 자발화(knocking) 현상이 일어나게 되어 동작 효율이 떨어지는 문제가 있어 압축비를 10:1~11:1 정도로 운용하는 것이 일반적다. 그러나 도 2에 도시된 바와 같이, 오프가스와 같은 저발열량 가스연료를 사용하는 경우에는 압축비를 더욱 높여도 자발화 현상에 의한 열효율의 급격 저하 현상이 나타나지 않음(즉 자발화 현상이 일어나지 않음)이 확인된다. 즉 이 경우, 압축비를 17:1까지 높임으로써 약 37% 정도의 매우 높은 열효율을 얻을 수 있음이 도 3의 그래프로 확인된다.

[2] 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법

저발열량 가스연료 발전기란 저발열량 가스연료를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 장치로서, [1]에서 설명된 발전 시스템에서의 발전부에 해당할 수 있다. 물론 [1]의 발전 시스템은 상기 저발열량 가스연료 발전기가 활용되는 구체적인 예시로서 설명한 것일 뿐으로, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명에서 저발열량 가스연료 발전기는 저발열량 가스연료를 사용하여 발전하는 장치 전반을 포함하는 것으로, [1]에서 설명된 바와 같이 오프가스를 사용하여 발전하는 장치일 수도 있고, 또는 합성가스나 바이오가스 등을 사용하여 발전하는 장치일 수도 있다. 보다 구체적으로는, 여기에서 저발열량 가스연료란 1000kcal/m³ 내지 3000kcal/m³ 범위 내의 발열량을 가지는 가스연료를 말한다.

엔진의 동작원리를 간략히 설명하자면, 엔진 내부로 연료 및 공기가 적절한 비율로 주입된 후 엔진에 구비된 실린더가 엔진 내측방향으로 직선운동하여 연료 및 공기의 혼합물을 압축하고, 연료가 폭발 및 연소됨에 따라 실린더가 외측방향으로 직선운동을 하여 외부로 동력이 전달되는 과정이 반복적으로 이루어지게 된다. 실린더의 직선운동은 변환장치를 통해 회전운동으로 변환되며, 이 회전운동에 의하여 발전이 이루어질 수 있게 된다.

엔진에 주입되는 공기는 연료가 원활하게 연소되기 위한 산소를 제공하기 위한 것으로, 연료 및 공기의 비율이 적절하게 설정되어야 연료의 폭발 및 연소가 원활하게 이루어지게 된다. 따라서 일반적으로 엔진에는 상기 엔진으로의 공기공급량을 조절하는 전자쓰로틀밸브가 구비되며, 상기 전자쓰로틀밸브의 개도가 조절됨으로써 엔진의 rpm이 조절된다. 한편 엔진에는 엔진의 다양한 파라미터를 제어하기 위한 엔진ECU가 포함된다. 공기공급량의 조절은 엔진ECU에 의해 이루어지기도 하지만, 엔진에는 공기공급량 이외에도 연료주입량 등 제어해야 하는 파라미터들이 매우 많아 엔진ECU의 계산부하가 지나치게 커질 우려가 있다. 이러한 이유로 엔진ECU에서 공기공급량을 조절하지 않는 대신 (전자쓰로틀밸브의 개도를 조절하여) 공기공급량만을 조절(함으로써 궁극적으로 rpm를 조절)하는 별도의 rpm제어기가 엔진에 구비되도록 하기도 한다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 저발열량 가스연료 발전기는, [1]에서 설명한 바와 같이, 저발열량 가스연료를 사용하되 압축비를 높임으로써 상당히 높은 열효율로 발전을 수행할 수 있다. 그러나 실제로 저발열량 가스연료 발전기를 제작하여 운용하는 과정에서, 연료의 발열량이 낮기 때문에 시동이 잘 되지 않는 문제점이 발생하였다. 이에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 저발열량 가스연료 주입 시 일반적인 시동제어방법으로 운용되는 엔진의 rpm 그래프로서, 정상적으로 시동된 상태를 도시하고 있다. 엔진은 시동 직후 초기rpm인 700~800rpm 정도로 잠시 운용된다. 일반적으로 발전기는 60Hz를 필요로 하며, 이에 따라 기존의 rpm제어기는 일반적으로 시동 직후 현재의 rpm이 1800rpm보다 낮음을 인지하면 rpm이 단번에 1800rpm까지 바로 상승하도록 제어한다. rpm을 증가시키기 위해서는 일반적으로 전자쓰로틀밸브 개도를 증가시켜 공기공급량을 증가시키는 방식이 사용된다. 일반적으로 이렇게 전자쓰로틀밸브가 크게 열려 공기공급량이 증가되면 연료주입량도 함께 증가하게 되고, 이에 따라 미리 설정된 공연비가 유지되면서 엔진 rpm이 급격히 증가할 수 있게 된다. 도 3은 바로 이와 같이, 엔진이 시동 직후 초기rpm(700~800rpm)으로 잠시간 운용되다가 (rpm제어기에 의해 공기공급량이 급격히 증가함에 따라) 엔진 rpm이 목표rpm(1800rpm)으로 급격히 상승한 후 이 상태를 유지하면서 평상 운용되는 과정이 도시된 것이다.

도 4는 저발열량 가스연료 주입 시 일반적인 시동제어방법으로 운용되는 엔진의 rpm 그래프로서, 시동이 실패된 상태를 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 rpm제어기는 시동 직후에 현재 rpm이 목표rpm이 아님을 인지하고 rpm을 급격하게 목표rpm까지 상승시키기 위해 전자쓰로틀밸브를 크게 열어 공기공급량을 일시적으로 급격히 증가시킨다. 이렇게 급격히 많은 양의 공기가 공급됨과 동시에 연료도 함께 엔진 내부로 주입되며, 이 때 공기와 함께 주입되는 연료가 일반적인 고발열량 가스연료(가솔린, 디젤 등)인 경우 공연비가 적절하게 유지되면서 충분히 원활한 연소가 이루어진다. 그러나 저발열량 가스연료는 발열량이 낮기 때문에 연소가 일어나기 위해서는 보다 많은 양의 연료가 주입되어야만 한다. 따라서 고발열량 가스연료 주입 시와 같은 조건으로 엔진을 운용할 경우, 급격히 늘어난 공기공급량에 비해 연소가 일어나기에는 연료주입량이 상당히 부족하게 되며, 따라서 연료 부족으로 인하여 시동이 꺼지게 되는 문제가 발생하였다. 도 4는 바로 이와 같이, 엔진이 시동 직후 초기rpm(700~800rpm)으로 잠시간 운용되다가 (rpm제어기에 의해 공기공급량이 급격히 증가함에 따라) 엔진 rpm이 목표rpm(1800rpm)으로 급격히 상승하려다가 연료 부족으로 인하여 엔진이 꺼져버림으로써 시동이 실패되는 과정이 도시된 것이다.

본 발명의 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법은, 시동 시 rpm이 목표rpm으로 바로 상승되는 대신 여러 번의 상승회차에 걸쳐 단계적으로 상승되도록 함으로써 상술한 바와 같은 문제를 해결한다. 도 5는 본 발명의 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법의 흐름도를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 본 발명의 시동제어방법은, 초기rpm도달단계, 초기rpm유지단계, 순차rpm상승단계를 포함한다. 이하에서, 상기 저발열량 가스연료 발전기의 시동 직후 rpm을 초기rpm이라 하고, 상기 저발열량 가스연료 발전기의 평상 운용 rpm을 목표rpm이라 한다. 앞서 도 3, 4를 참조할 때, 상기 초기rpm 값은 700~800rpm 정도로 결정될 수 있으며, 상기 목표rpm 값은 1800rpm 정도로 결정될 수 있다.

상기 초기rpm도달단계에서는 상기 엔진의 rpm이 상기 초기rpm에 도달되며, 상기 초기rpm유지단계에서는 상기 엔진의 rpm이 상기 초기rpm에 미리 결정된 초기유지시간 동안 유지된다. 여기까지의 과정은 앞서 도 3, 4에서 rpm이 초기rpm(700~800rpm)에 도달하여 유지되는 과정과 동일하다. 종래에는 초기rpm 도달 이후에 rpm이 목표rpm까지 단번에 올라가도록 상기 전자쓰로틀밸브가 급격하게 크게 열렸지만, 본 발명에서는 초기rpm 도달 이후에 상기 순차rpm상승단계가 수행됨으로써 상기 엔진의 rpm이 미리 결정된 상승차수 N(N은 2 이상의 정수)회로 나누어 상기 목표rpm까지 순차 상승되도록 한다.

상기 순차rpm상승단계를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 n차rpm도달단계가 수행됨으로써 상기 엔진의 rpm이 미리 결정된 n차rpm에 도달된다. 다음으로 n차rpm유지단계가 수행됨으로써 상기 엔진의 rpm이 상기 n차rpm에 미리 결정된 n차rpm유지시간 동안 유지된다. 이 때 도 5에 도시된 바와 같이, n이 1에서 N까지 1씩 증가하면서 상기 n차rpm도달단계 및 상기 n차rpm유지단계가 반복 수행되며, n이 N이 되면 rpm이 상기 목표rpm에 도달하게 된다.

도 6은 저발열량 가스연료 주입 시 본 발명의 시동제어방법으로 운용되는 엔진의 rpm 그래프를 도시한 것으로, 도 6 상측도면은 각 n차rpm 및 n차rpm유지시간을 표시한 것이다. 도 6의 실시예에서, [초기rpm = a(=800rpm) / 초기rpm유지시간 = e]로 표시된다. 또한 상기 실시예에서 상승차수 N 값은 3으로서, [1차rpm = b(=1200rpm) / 1차rpm유지시간 = f-e], [2차rpm = c(=1500rpm) / 2차rpm유지시간 = g-f], [3차rpm = d(=1800rpm)]으로 표시된다. 도 6의 실험결과를 얻었던 실제 실험에서 각 n차rpm유지시간은 3초씩으로 설정하였다. N차rpm 도달 이후로는 목표rpm에 도달하였으므로 이 상태 그대로 운용되면 되며, 따라서 마지막 차수의 rpm유지시간(이 경우 3차rpm유지시간)은 실질적으로 큰 의미가 없으므로 어떻게 결정하여도 무방하다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 초기rpm에서 단번에 목표rpm까지 끌어올리는 과정에서, (고발열량 가스연료의 경우 문제가 없었으나) 단번에 지나치게 많이 공급된 공기에 비해 (저발열량 가스연료의 경우 연료 자체의 발열량이 낮기 때문에) 연료가 부족함에 따라 연소가 일어나지 못해 시동이 꺼지는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 단계적으로 조금씩 공기공급량을 늘려가도록 운용한다. 도 6을 기준으로 설명하자면, 초기rpm인 800rpm에 도달한 후 e만큼의 시간 동안 그 상태로 운용함으로써 엔진이 그 상태에 적응되도록 한다. 다음으로 1차rpm인 1200rpm에 도달하도록 전자쓰로틀밸브를 약간 더 열어주는데, 이 때 공기공급량이 종래에 비해 그렇게 급격하게 증가하지 않으므로 연료 부족 현상이 완화되어 연소가 훨씬 안정적으로 이루어질 수 있게 된다. 이 상태로 f-e만큼의 시간 동안 운용하여 엔진이 그 상태에 또다시 적응되도록 한 후, 다시 2차rpm인 1500rpm에 도달하도록 전자쓰로틀밸브를 약간 더 열어준다. 이와 같은 식으로 엔진을 충분히 적응시켜 가면서 공기공급량을 단계적으로 늘림으로써, 급격한 공기공급량 증가로 인한 연료 부족 현상을 훨씬 완화시킬 수 있으며, 궁극적으로 매우 안정적으로 원활하게 목표rpm까지 도달시킬 수 있게 된다.

상기 상승차수가 많고 상기 n차유지시간이 길수록, 더욱 안정적인 시동이 가능하게 될 것은 자명하다. 그러나 상기 상승차수가 지나치게 많거나 상기 n차rpm유지시간이 너무 길게 형성될 경우, 전체 시동시간이 불필요하게 늘어날 우려가 있다. 따라서 상기 상승차수는 2 내지 5 범위 내의 값으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 n차rpm유지시간은 1초 내지 3초 범위 내의 값으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편 상기 n차rpm값도 적절하게 결정될 필요가 있다. 예를 들어 상승차수를 3으로 한다 해도 1차rpm을 1700rpm, 2차rpm을 1750rpm, 3차rpm을 1800rpm으로 잡는다면, 1차rpm 도달 과정에서 공기공급량이 지나치게 급격하게 증가함에 따라 시동이 꺼져버릴 위험성이 당연히 있을 것이다. 여러 실험 등의 경험으로 볼 때 저발열량 가스연료를 사용하더라도 일단 초기rpm에 도달하는 데에는 문제가 없다. 즉 공기가 단시간에 급격히 공급된다 하더라도, 초기rpm에 도달시킬 만큼의 공기공급량이라면 엔진이 꺼지지는 않는다는 것이 확인되는 것이다. 따라서 각 n차rpm 간의 간격이 초기rpm보다 작거나 같게 형성되도록 하면, 안정적인 시동이 가능할 것으로 예상할 수 있다. 즉, 각각의 상기 n차rpm 값이 하기의 식을 만족시키도록 형성되는 것이 바람직하다.

초기rpm ≥ n차rpm - n-1차rpm … (식 1)

한편 목표rpm에 거의 도달했을 때 시동이 꺼져버리면 다시 재시동하는데 시간이 많이 소요되는 문제가 있다. 따라서 이러한 문제를 방지하기 위해서 공기공급량 증가폭(=rpm 상승폭)이 동일하거나 점점 줄어들도록 형성되는 것이 가장 안정적인 운용을 실현할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 즉, 각각의 상기 n차rpm 값이 하기의 식을 만족시키도록 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

초기rpm ≥ 1차rpm - 초기rpm ≥ … ≥ n차rpm - n-1차rpm ≥ … ≥ N차rpm - n-1차rpm … (식 2)

구체적인 예로서, 앞서 도 6의 실시예에서는 [초기rpm = 800rpm / 1차rpm = 1200rpm / 2차rpm = 1500rpm / 3차rpm = 1800rpm]이 되도록 하였다. 이 때 각 n차rpm 간의 간격은 다음과 같이 계산된다.

초기rpm = 800rpm

1차rpm - 초기rpm = 1200rpm - 800rpm = 400rpm

2차rpm - 1차rpm = 1500rpm - 1200rpm = 300rpm

3차rpm - 2차rpm = 1800rpm - 1500rpm = 300rpm

위 값들을 살펴보면, 800 > 400 > 300 = 300으로서 앞서의 식 1, 2를 모두 만족시키고 있음을 알 수 있다. 실제로 도 6의 실험결과에 잘 나타난 바와 같이, 상기 식 1, 2를 만족하도록 n차rpm 값을 정함으로써 안정적인 시동이 원활하게 잘 이루어짐이 확인된다.

한편 이와 같은 시동제어방법은, 일반적으로 상용화된 rpm제어기로는 구현하기 어렵다. 즉 현재 상용화된 rpm제어기의 경우 도 3, 4와 같은 일반적인 시동제어방법에 따른 알고리즘이 저장되어 있을 뿐이며 이를 수정하기 어렵기 때문이다. 반면 엔진ECU의 경우 다양한 제어 알고리즘이 수정 가능한 소프트웨어 형태로 저장되어 있으므로, 알고리즘의 수정이 훨씬 용이하다.

이러한 점을 고려할 때, 본 발명의 시동제어방법이 적용되는 저발열량 가스연료 발전기는, 상기 엔진에 포함되는 엔진ECU에 의하여 상기 전자쓰로틀밸브 개도가 조절되도록 하되, 상기 엔진ECU에 상기 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 따른 알고리즘이 미리 저장되어 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10 : 석탄 전처리부 20 : 석탄 가스화부
30 : 합성가스 클리닝부 40 : FT 반응부
50 : 발전부

Claims

저발열량 가스연료를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키되, 상기 엔진으로의 공기공급량을 조절하는 전자쓰로틀밸브 개도가 조절됨으로써 rpm이 조절되는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 있어서,
상기 저발열량 가스연료 발전기의 시동 직후 rpm을 초기rpm이라 하고,
상기 저발열량 가스연료 발전기의 평상 운용 rpm을 목표rpm이라 할 때,
상기 엔진의 rpm이 상기 초기rpm에 도달되는 초기rpm도달단계;
상기 엔진의 rpm이 상기 초기rpm에 미리 결정된 초기유지시간 동안 유지되는 초기rpm유지단계;
상기 엔진의 rpm이 미리 결정된 상승차수 N(N은 2 이상의 정수)회로 나누어 상기 목표rpm까지 순차 상승되는 순차rpm상승단계;
를 포함하며,
상기 순차rpm상승단계는,
상기 엔진의 rpm이 미리 결정된 n차rpm에 도달되는 n차rpm도달단계,
상기 엔진의 rpm이 상기 n차rpm에 미리 결정된 n차rpm유지시간 동안 유지되는 n차rpm유지단계
를 포함하되,
n이 1에서 N까지 1씩 증가하면서 상기 n차rpm도달단계 및 상기 n차rpm유지단계가 반복 수행되도록 형성되며,
각각의 상기 n차rpm 값이 하기의 식을 만족시키도록 형성됨으로써,
초기rpm > n차rpm - n-1차rpm
저발열량 가스연료의 연소 불안정성으로 인하여 시동 중 상기 엔진이 꺼지는 것을 방지하도록, 상기 엔진의 rpm을 단계별로 상승시키면서 각 단계마다 유지시간을 두어 연소 안정성을 확보하는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 상승차수는,
2 내지 5 범위 내의 값으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법.
제 1항에 있어서, 상기 n차rpm유지시간은,
1초 내지 3초 범위 내의 값으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 순차rpm상승단계는,
각각의 상기 n차rpm 값이 하기의 식을 만족시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법.
초기rpm > 1차rpm - 초기rpm > … > n차rpm - n-1차rpm > … > N차rpm - n-1차rpm
제 1항에 있어서, 상기 저발열량 가스연료는,
1000kcal/m³ 내지 3000kcal/m³ 범위 내의 발열량을 가지는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법.
제 1항에 의한 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 의하여 시동제어되는 저발열량 가스연료 발전기에 있어서,
상기 저발열량 가스연료 발전기는,
전처리된 석탄에 산소를 공급하여 합성가스를 생성하는 석탄 가스화부;
상기 석탄 가스화부로부터 합성가스를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료를 생산하는 FT 반응부; 및
상기 FT 반응부로부터 FT 반응에 참여하지 않은 미활용된 오프가스를 공급받아 엔진을 구동시켜 전기를 발생시키는 발전부;
를 포함하는 석탄 가스화 공정에서의 FT 반응 오프가스를 활용한 발전 시스템의 상기 발전부인 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기.
제 1항에 의한 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 의하여 시동제어되는 저발열량 가스연료 발전기에 있어서,
상기 저발열량 가스연료 발전기는,
합성가스, 오프가스, 바이오가스를 포함하는 저발열량 가스연료를 사용하여 발전하는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기.
제 9항에 있어서, 상기 저발열량 가스연료는,
1000kcal/m³ 내지 3000kcal/m³ 범위 내의 발열량을 가지는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기.
제 1항에 의한 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 의하여 시동제어되는 저발열량 가스연료 발전기에 있어서,
상기 엔진에 포함되는 엔진ECU에 의하여 상기 전자쓰로틀밸브 개도가 조절되는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기.
제 11항에 있어서, 상기 저발열량 가스연료 발전기는,
상기 엔진ECU에 상기 저발열량 가스연료 발전기의 시동제어방법에 따른 알고리즘이 미리 저장되어 제어되는 것을 특징으로 하는 저발열량 가스연료 발전기.