KR102395690B1 - 가스 엔진 파워 플랜트 및 가스 엔진 파워 플랜트를 작동하는 방법 - Google Patents

가스 엔진 파워 플랜트 및 가스 엔진 파워 플랜트를 작동하는 방법 Download PDF

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Abstract

본원은 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 에 관한 것으로서, 상기 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 는, 가스 연료를 연소함으로써 작동하도록 구성된 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12), 상기 엔진 (12) 의 사용을 위해 액화된 형태로 가스 연료를 저장하는 극저온 연료 저장소 (18), 상기 극저온 연료 저장소 (18) 와 상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 사이의 연료 공급 라인 (20), 상기 연료 공급 라인 (20) 에 배치되고 상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 에 의해 사용하기 위해 액화된 가스를 증발시키도록 구성된 메인 가스 증발기 (24), 상기 적어도 하나의 이중 연료 엔진 (12) 으로부터의 열을 열전달 유체로 전달하기 위한 회로에서 열전달 유체를 순환시키도록 구성된 열전달 회로 (11), 상기 열전달 회로 (11) 에 배치된 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 을 포함하고, 상기 메인 가스 증발기 (24) 는 상기 열전달 유체의 유동 방향으로 상기 중앙 유체 냉각 시스템 (40) 이후에 상기 열전달 회로 (11) 와 열전달 연통하도록 배열되어, 상기 메인 가스 증발기 (24) 에 진입하는 상기 열전달 유체 온도가 상기 중앙 냉각 시스템 (40) 에 의해 제어가능하게 된다. 본 발명은 또한 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 를 작동하는 방법에 관한 것이다.

Description

가스 엔진 파워 플랜트 및 가스 엔진 파워 플랜트를 작동하는 방법
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 가스 엔진 파워 플랜트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 방법 독립항의 전제부에 따른 파워 플랜트를 작동하는 방법에 관한 것이다.
엔진에서 연소된 연료에 함유된 에너지의 상당 부분이 실제로 효율적으로 이용될 수 없다는 것은 내연 피스톤 엔진 분야에서 잘 알려져 있다. 연료 중 에너지의 일부는 기계적 작업으로 변환되는데 오직 약 50% 인 반면, 나머지 에너지는 열로 소산된다. 구조적인 그리고 작동적인 이유들로 인해, 엔진 자체에는 냉각 시스템이 제공되는데, 이 냉각 시스템은 물 기반 용액과 같은 냉각 유체가 엔진으로부터의 과도한 열을 수용하고 그 열을 소모기들로 전달하거나 그 열을 환경으로 버리도록 배치된다.
다른 한편으로는, 해상 적용을 위한 연료로서 LNG (액화 천연 가스) 의 사용은 배출물들을 차단하는 효율적인 방식이므로 증가하고 있다. 실제로 환경적으로 건전한 해결책을 만들기 위해서 모든 대부분의 배출물들이 현저하게 감소될 수 있고; 특히 CO2 의 감소는 종래의 오일계 연료에 의해 달성하기 어렵다. NG 의 연소 프로세스는 깨끗하다. 이의 높은 수소-대-석탄 비 (화석 연료들 중에 가장 높음) 는 오일계 연료들과 비교하여 낮은 CO2 배출물들을 의미한다. NG 가 액화될 때, 모든 황이 제거되고, 이는 SOX 배출물이 제로라는 것을 의미한다. NG 의 깨끗한 연소 특성은 또한 오일계 연료들과 비교하여 NOX 및 입자 배출물들을 상당히 감소시킨다. 특히 승객이 탑승하는 크루즈 선박, 페리 및 소위 로팍스 선박에서, 선박 엔진의 배기 가스에서 매연 배출물 및 가시적인 연기가 없다는 것은 매우 중요한 특징이다.
선박에서 NG 를 저장하는 가장 실현가능한 방식은 액체 형태이다. 기존의 선박 설치시, LNG 는 원통형, 단열된 단일 벽 또는 이중 벽으로 된 스테인리스 강 탱크에 저장된다. 탱크 압력은 가스를 연소시키는 엔진들의 요구 조건에 의해 규정되고 일반적으로 5 bar 미만이다. 자연 비등 현상으로 인해, 보다 높은 (전형적으로 9 bar) 탱크 설계 압력이 선택된다.
문헌 US 2016/108857 A1 은 내연 엔진의 체적 효율을 향상시키는 것에 관한 것이다. 이 문헌에는 엔진에 사용하기 위한 LNG 를 증발시키기 위해 엔진의 폐열을 사용하는 메인 가스 증발기가 개시되어 있다.
문헌 US 2008/299848 A1 에는 해양 선박의 HVAC 시스템의 열을 사용하여 액화된 가스 연료를 증발시키는 배열체가 개시되어 있다.
문헌 KR 2010 0015102 A 에는 내연 엔진의 배기 가스의 열을 사용하여 액화된 가스 연료가 증발되는 배열체가 개시되어 있다.
이중 연료 내연 엔진은 가스 작동 모드 또는 디젤 작동 모드에서 연속 작동하도록 설계된 것으로 알려져 있다. URL 주소 https://cdn.wartsila.com/docs/default-source/product-files/engines/df-engine/product-guide-o-e-w31df.pdf 에서 본 특허 출원일에 다운로드가능한 형태인, Wartsila 31 DF Product 가이드 (ⓒ Copyright by WARTSILA FINLAND Oy) 에서는 이중 연료 엔진을 개시하고 있다. Wartsila 31DF 엔진은 고온 회로 (HT-물) 및 저온 회로 (LT-물) 를 포함하는 냉각수 시스템을 포함한다. 고온 회로는 저온 회로보다 더 높은 온도 레벨에서 엔진으로부터 열을 수용하도록 배열된다. 따라서, 고온 회로 및 저온 회로는 각각의 온도 레벨에 따라 엔진의 일부를 냉각시키도록 배열된다. 정상 상태에서 작동하는 엔진에 대해서, HT-물은 실린더 (재킷) 및 저압 2 단 충전 공랭기의 제 1 단을 냉각시킨다. LT-물은 윤활유 냉각기, 저압 2 단 충전 공랭기의 제 2 단 및 고압 1 단 충전 공랭기를 냉각시킨다. 저온 상태에서 작동하는 엔진에 대해서, HT-물은 실린더(재킷)를 냉각시킨다. HT-물 펌프는 회로 내의 냉각수를 순환시키고, 내부 냉각수 시스템에 장착된 온도조절 밸브는 회로의 유출 온도를 제어한다. LT-회로는 윤활유 냉각기 (LOC), 저압 2 단 충전 공랭기의 제 2 단, 고압 1 단 충전 공랭기 및 저압 2 단 충전 공랭기의 제 1 단을 냉각시킨다. 외부 냉각수 시스템에 장착된 LT-온도조절 밸브는 정확한 수용기 온도를 달성하기 위해 엔진으로의 유입 온도를 제어한다. 냉각수 시스템은, 임의의 과열을 수용하고 해양 해결책에서 상기 과열을 바다로 전달하도록 배열된 중앙 냉각기를 포함한다. 또한, 중앙 냉각기의 상류 뿐만 아니라 엔진으로부터 나오는 물로부터 열을 수용하기 위해 증발기 유닛이 HT-회로를 구비하는 것이 개시되어 있다. 생성물 가이드는 물을 생성하기 위한 선상 증발기를 지칭한다.
이중 연료 엔진의 전체 효율, 특히 가스 모드 작동을 증가시키는 목적이 계속 진행되고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 선행 기술의 해결책에 비교하여 성능이 현저히 향상된 가스 엔진 파워 플랜트 및 가스 엔진 파워 플랜트를 작동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 독립항들에서 그리고 본 발명의 상이한 실시형태들의 보다 상세들을 설명하는 다른 청구항들에 개시된 바와 같이 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가스 엔진 파워 플랜트는 가스 연료를 연소함으로써 작동하도록 구성된 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진, 엔진의 사용을 위해 액화된 형태로 가스 연료를 저장하기 위한 극저온 연료 저장소, 극저온 연료 저장소와 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 사이의 연료 공급 라인, 연료 공급 라인에 배치되고 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진에 의해 사용하기 위해 액화된 가스를 증발시키도록 구성된 메인 가스 증발기, 적어도 하나의 이중 연료 엔진으로부터의 열을 열전달 유체로 전달하기 위한 회로에서 열전달 유체를 순환시키도록 구성된 열전달 회로, 및 열전달 회로에 배치된 중앙 열전달 유체 냉각 시스템을 포함한다. 메인 가스 증발기는 열전달 유체의 유동 방향으로 중앙 유체 냉각 시스템 이후에 열전달 회로와 열전달 연통하도록 배열되어, 메인 가스 증발기에 진입하는 열전달 유체 온도가 중앙 냉각 시스템에 의해 제어가능하게 된다.
이는 보다 효율적인 방식으로 엔진(들)으로부터 이용가능한 열을 이용하는 가스 엔진 파워 플랜트를 작동시키는 개선된 방식을 제공한다. 구체적으로, 이는 메인 가스 증발기에 대한 열전달 유체 온도가 원하는 범위 내에 유지될 수 있도록 보장한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 메인 가스 증발기는 열전달 유체의 유동 방향으로 중앙 유체 냉각 시스템 이후에 열전달 회로에 배치된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 회로는 메인 가스 증발기와 평행하고 이를 바이패스하는 채널을 구비한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 회로는 메인 가스 증발기와 평행한 채널의 분기 위치들 사이에 배치된 펌프를 구비한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중앙 열전달 유체 냉각 시스템은 중앙 냉각기 및 그 상류측으로부터 그 하류측으로 중앙 냉각기를 바이패스하도록 구성된 제 1 바이패스 채널, 및 제 1 바이패스 채널 및 중앙 냉각기를 통한 열전달 유체의 유동을 제어하도록 구성된 유동 제어 밸브를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중앙 열전달 유체 냉각 시스템은 유동 제어 밸브를 작동시키도록 배치된 밸브 액추에이터 시스템을 포함하고, 상기 밸브 액추에이터 시스템은 중앙 냉각기의 하류측에서 열전달 회로와 연결되는 온도 프로브를 포함하며, 액추에이터는 온도 프로브로부터 획득가능한 온도 정보에 기초하여 작동하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중앙 냉각기는 해수와 열전달 연통하여 배치되어 모든 사용불가능한 열을 바다로 전달한다.
가스 엔진 파워 플랜트를 작동하는 방법은, 가스 연료를 연소시킴으로써 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진을 작동시키는 단계, 가스 연료를 액화된 형태로 극저온 연료 저장소에 저장하는 단계, 극저온 연료 저장소로부터 연료 라인을 통해 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진에 가스를 공급하는 단계, 연료 라인 내의 메인 가스 증발기에서 열을 전달함으로써 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진에 의해 사용하기 위해 액화된 가스를 증발시키는 단계, 엔진으로부터의 열을 열전달 회로에서 순환하는 열전달 유체로 전달하고 열전달 유체로부터 적어도 중앙 열전달 유체 냉각 시스템으로 열을 전달하는 단계를 포함하고, 그리고 중앙 유체 냉각 시스템 이후에 열전달 유체로부터의 열을 메인 가스 증발기로 전달하고 중앙 유체 냉각기에 대한 하류측에서 메인 가스 증발기에 유입되는 열전달 유체의 온도를 미리 정해진 범위 내로 유지하도록 중앙 열전달 냉각 시스템 내의 열전달을 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중앙 열전달 냉각 시스템에서의 열전달은 열전달 유체로부터의 열을 메인 가스 증발기로 전달한 이후의 위치에서 측정된 열전달 유체의 온도에 의해 제어된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 열전달 유체의 일부는 메인 가스 증발기를 연속적으로 바이패스하도록 배열된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 열은 열전달 유체로부터 증발 가스로 직접 전달된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 열은 열전달 유체로부터 증발 가스로 간접적으로 전달된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 파워 플랜트는 해양 선박에 동력을 제공하고, 중앙 냉각기는 해수에 열을 전달하여 냉각된다.
본 특허 출원에 개시된 본원의 예시적인 실시형태들은 첨부된 청구범위의 적용가능성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하도록" 은 본 특허 출원에서 또한 개시하지 않은 특징들의 존재를 배제하지 않는 개방형 제한으로서 사용된다. 종속 청구항들에 개시된 특징들은 달리 명시하지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다. 본원의 특징으로 고려되는 새로운 특징들은 특히 첨부된 청구범위에 개시되어 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부된 예시적이고 개략적인 도면들을 참고하여 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 파워 플랜트를 도시한다.
도 1 은 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 를 개략적으로 도시하며, 이 가스 엔진 파워 플랜트는 다음의 엔진으로 지칭되는 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 을 포함한다. 이중 연료 엔진은 가스 연료와 액체 연료 모두에서 작동할 수 있는 피스톤 엔진이다. 가스 모드로 작동할 때, 엔진은 희박 공기 연료 혼합물이 연소에 사용되는 오토 프로세스에 따라 작동한다. 디젤 모드로 작동할 때, 엔진은 디젤 프로세스에 따라 작동한다. 엔진은 가스 연료에서 작동하도록 최적화되며 디젤 연료는 백업 연료 작동에 사용된다. 연료들 사이의 전환은 동력 또는 속도의 손실 없이 작동 중에 끊김없이 일어날 수 있다. 도 1 에서, 파워 플랜트 (10) 는 해양 선박 (14) 에 대한 추진력 및/또는 전력을 생성하기 위한 해양 선박 (14) 내에 있다. 선박은 선박 (14) 내의 냉각 목적을 위해 해수를 제공하는 해수 상자 (sea chest; 16) 를 구비한다. 파워 플랜트 (10) 는 극저온 연료 저장소를 포함하고, 이 극저온 연료 저장소의 극저온 탱크 (18) 는 엔진 (12) 에 사용하기 위해 액화된 형태의 액화 천연 가스와 같은 가스 연료를 저장하도록 구성된다. 도 1 에서, 파워 플랜트가 엔진 (12) 을 위한 가스 연료로서 액화된 가스를 사용하기 위해, 파워 플랜트는 각각의 엔진을 위한 가스 밸브 유닛 (54) 과 같은 필요한 장비를 포함함을 입증하기 위해 연료 공급 라인 (20) 만이 개략적으로 도시되어 있다. 도시되지는 않았지만, 탱크 (18) 는 연료 공급 라인 (20) 이 연료 펌프를 반드시 필요로 하지 않도록 탱크 내의 원하는 압력을 유지하기 위한 수단을 구비한다. 탱크는 또한 바람직하게는 엔진의 연료로서 탱크에서 생성된 증발 가스를 사용하기 위한 수단을 구비한다. 연료 공급 라인 (20) 은 탱크 (18) 로부터 엔진 (12) 으로 이어진다. 엔진 (12) 은 연료 공급 라인 (20) 이 연결되는 가스 연료 유입 시스템 (22) 을 구비한다. 연료 유입 시스템 (22) 은 실린더에서 연소될 엔진에 가스 연료를 제어가능하게 공급하기 위해 배치된다. 연료 공급 라인 (20) 은, 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 의 요구에 부합하고 그에 의한 사용을 위해 액화된 가스를 가스 형태로 증발시키도록 구성된 메인 가스 증발기 (24) 를 구비한다.
파워 플랜트 (10) 는 엔진 (12) 이 연결되는 열전달 회로 (11) 를 구비한다. 열전달 회로 (11) 는 적어도 하나의 이중 연료 엔진 (12) 으로부터의 열을 회로 (11) 내에서 유동하는 열전달 유체로, 그리고 추가로 열전달 유체로부터 열 소모기들 및 필요하다면 해수로 전달하기 위해 회로 (11) 내에서 열전달 유체를 순환시키도록 구성된다. 엔진 (12) 이 작동하고 가스 연료가 엔진에서 연소되는 동안, 엔진으로부터 제거되어야 하는 열을 생성한다. 엔진 (12) 의 상이한 부분들에서의 온도들을 원하는 범위들로 유지하기 위해, 엔진은, 파워 플랜트가 사용 중일 때, 물과 같은 열전달 유체가 유동하도록 배열되는 소위 고온 섹션 (26) 및 저온 섹션 (28) 인 2 개의 열전달 회로 섹션들 (26 및 28) 을 구비한다.
엔진의 예시적인 유형을 나타내는 도 1 에서, 고온 (HT) 열전달 회로 섹션 (26) 은 엔진의 실린더 및 실린더 헤드를 냉각시키는 재킷 냉각기 (26.1) 를 포함한다. 또한, 재킷 냉각기 (26.1) 가 열전달 유체의 유동 방향으로 LP-HT 단 연소 공랭기 (26.2) 이전에 있도록, 즉 냉각기들이 일렬로 연결되도록 배열된 저압-고온 (LP-HT) 단 연소 공랭기 (26.2) 가 존재한다. LP-HT 단 연소 공랭기는 2 단 터보 과급기 (미도시) 를 구비한 엔진에 관한 것이다. HT 섹션 (26) 은 열전달 유체의 유동 방향으로 재킷 냉각기 (26.1) 이전 및 LP-HT 단 연소 공랭기 (26.2) 이후의 위치들 사이에서 연장되는 열전달 유체 재순환 채널 (26.4) 을 더 포함한다. HT 섹션 (26) 에서 열전달 유체를 순환시키기 위해 HT 섹션 (26) 에 배치된 순환 펌프 (26.5) 가 있다. 추가적으로, 열전달 유체의 유동 방향으로 LP-HT 단 연소 공랭기 (26.2) 이후에 HT 섹션 (26) 에 배치된 온도조절 밸브 (26.3) 가 있으며, 이는 엔진 재킷 및 실린더 헤드에서 원하는 온도를 유지하기 위해 재순환 채널 (26.4) 에 연결된다. 온도조절 밸브 (26.3) 는 유리하게는 왁스 요소 온도조절 제어 밸브인 엔진 (12) 에 통합된다.
도 1 의 저온 (LT) 열전달 회로 섹션 (28) 은 열전달 유체의 유동 방향으로 일렬로 연결된 윤활유 냉각기 (28.1), 저압-저온 (LP-LT) 단 연소 공랭기 (28.2) 및 고압 (HP) 연소 공랭기 (28.3) 를 포함한다. LT 열전달 회로 섹션 (28) 은 열전달 유체의 유동 방향으로 윤활유 냉각기 (28.1) 이전 및 HP 연소 공랭기 (28.3) 이후의 위치들 사이에서 연장되는 열전달 유체 재순환 채널 (28.5) 을 더 포함한다. HT 섹션 (26) 에서 열전달 유체를 순환시키기 위해 HT 섹션 (26) 에 배치된 순환 펌프 (28.6) 가 있다. 추가로, 연소 공기의 원하는 온도를 유지하기 위해 재순환 채널 (28.5) 에 연결된 HT 단 연소 공랭기 (28.3) 이후에 HT 섹션 (26) 에 배치된 제 1 3-방향 제어 밸브 (28.4) 가 있다. 제 1 제어 밸브 (28.4) 는 엔진 (12) 의 외부에 있다. 제 1 제어 밸브 (28.4) 는 제 1 제어 밸브 (28.4) 를 작동시키도록 배열된 밸브 액추에이터 시스템을 구비한다. 액추에이터 시스템은 엔진의 유입 공기 시스템, 유리하게는 공기 수용기 (32) 와 연결되어 배열된 온도 프로브 (30) 를 포함한다. 제 1 제어 밸브 (28.4) 는, 예를 들어 엔진 부하 및 엔진의 작동 모드 (가스 모드 또는 디젤 모드) 에 따라 가변 설정점 온도를 가질 수 있다.
도 1 에서 볼 수 있는 바와 같이, 저온 섹션 (28) 및 고온 섹션 (26) 은, 가능한 패스 또는 재순환 도관에도 불구하고, 서로 일렬로 배열된다. 열전달 유체의 유동 방향으로 열전달 회로 (11) 를 살펴보면, 고온 (HT) 열전달 회로 섹션 (26) 이후에 배치된 적어도 하나의 고온 열 회수 유닛 (36) 이 존재하며, 이를 통해 엔진에서 생성된 열은 상당히 높은 온도, 전형적으로 약 96℃ 에서 얻어질 수 있다. 열전달 회로 (11) 는 저온 섹션 (28) 과 고온 섹션 (26) 사이의 회로 (11) 내에 제 2 3-방향 제어 밸브 (34) 를 구비하며, 이는 제어 밸브 (34) 와 회로 (11) 의 열 회수 유닛 (36) 이후의 위치 사이에서 연장되는 복귀 채널 (11.1) 에 의해 연결된다. 제 2 제어 밸브 (34) 는 유체 온도 측정을 이용함으로써 고온 열전달 회로 섹션 (26) 에 진입하는 열전달 유체의 온도를 제어하도록 구성된다. 제 2 제어 밸브 (34) 의 설정점은 엔진 부하에 따라 가변적이다. 예를 들어, 디젤 작동시 설정점은 79℃ (100% 엔진 부하) 내지 89.5℃ (50% 엔진 부하) 일 수 있다. 제 2 제어 밸브 (34) 는 엔진의 HT-회로 유입 온도를 제어한다. 전형적으로, HT 회로 펌프 공칭 용량의 대략 10% 는 엔진 빌드-온 (build-on) 왁스 요소 열적 정적 제어 밸브 (26.3) 의 충분한 제어 마진으로서 엔진 유입구로 다시 재순환된다.
또한, 제 1 제어 밸브 (28.4) 와 제 2 제어 밸브 (34) 사이의 회로 (11) 의 위치로부터 고온 열 회수 유닛 (36) 이후의 위치로 연장되도록 배열된 제 2 바이패스 채널 (11.2) 이 있다.
추가로, 열전달 유체의 유동 방향으로 고온 (HT) 열전달 회로 섹션 (26) 이후에, 제 2 바이패스 채널 (11.2) 과 열전달 회로의 접합 지점 (11.a) 이후에 배치되는 적어도 하나의 저온 열회수 유닛 (38) 이 있다. 저온 열 회수 유닛 (38) 내로 유동하는 열전달 유체는 상기 고온 (HT) 열전달 회로 섹션 (26) 과 저온 열전달 회로 섹션 (28) 으로부터 유입되는 유체의 혼합물이다. 저온 열 회수 유닛 (38) 은 고온 열 회수 유닛 (36) 보다 낮은 온도, 예를 들어 엔진 부하, 사용된 작동 모드 (가스 대 디젤) 및 고온 열 회수 유닛 (36) 의 열 교환 동력에 따라 전형적으로 약 65 ~ 85℃ 에서 작동한다.
열전달 회로 (11) 는 열전달 유체의 유동 방향으로 적어도 하나의 저온 열 회수 유닛 (38) 이후에 열전달 회로 (11) 에 배열된 열전달 유체를 위한 중앙 냉각 시스템 (40) 을 더 구비한다. 중앙 냉각 시스템 (40) 은 중앙 냉각기 열 교환기 (42) 를 포함하고, 이는 그 자체로 공지된 방식으로 해상 선박 (14) 의 선체에 배열된 해수 상자 (16) - 이에 따라서 또한 해수와 열전달 연통하도록 배열된다. 전술한 바와 같이, 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 는 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 에 의한 사용을 위해 액화된 가스를 가스 형태로 증발시키도록 구성된 메인 가스 증발기 (24) 를 구비한다. 메인 가스 증발기 (24) 는 열전달 유체의 유동 방향으로 중앙 냉각 시스템 (40) 이후에 열전달 회로에 배열되는데, 이는 도 1 의 회로 (11) 에서 화살표로 표시된다. 이러한 방식으로, 엔진 (12) 또는 몇몇 엔진들에 의해 생성된 열은 엔진에서 연소될 액화된 가스를 증발시키는데 사용된다. 도 1 의 중앙 냉각 시스템은 제 3 유동 제어 밸브 (44) 및 제 1 바이패스 채널 (46) 을 포함하고, 이에 의해 열전달 유체의 일부는 중앙 냉각기 (42) 를 바이패스하도록 배열될 수 있다. 제 1 바이패스 채널 (46) 은 중앙 냉각기 (42) 의 상류측으로부터 중앙 냉각기 (42) 의 하류측으로 연장되도록 배치된다. 제 1 바이패스 채널은 제 3 유동 제어 밸브 (44) 와 결합되어, 중앙 냉각기 (42) 로 유입되는 열전달 유체의 제 1 부분은 중앙 냉각기 (42) 를 통해 유동하도록 지향되고 그 내부에서 냉각되는 반면, 제 2 부분은 바이패스 채널 (46) 을 통해 유동하도록 지향되고, 그 후에 제 1 부분 및 제 2 부분은 메인 가스 증발기 (24) 내로 도입되기 전에 서로 혼합된다. 제 3 유동 제어 밸브 (44) 는 혼합 구성으로 중앙 냉각기 (42) 의 하류측에 배열되며, 이는 보다 안정적인 프로세스 조건을 허용한다. 제 3 유동 제어 밸브 (44) 는 제 1 제어 밸브 (28.4) 를 작동시키도록 배열된 밸브 액추에이터 시스템 (45) 을 구비한다. 도 1 의 실시형태에서, 액추에이터 시스템 (45) 은 열전달 유체의 유동 방향으로 메인 가스 증발기 (24) 이후 다음의 위치에서 열전달 회로 (11) 와 연결하여 배열된 온도 프로브 (48) 를 포함한다. 메인 가스 증발기 (24) 의 다음 하류의 온도 프로브 (48) 의 위치에 의해, 엔진으로 공급되는 열전달 유체의 온도가 항상 원하는 수준에, 약 40℃ 또는 적어도 45℃ 미만에 있도록 보장될 수 있다. 또한, 메인 가스 증발기 (24) 에 진입하는 열전달 유체의 온도가 과도하게 높지 않고, 유리하게는 60℃ 이하인 것이 중요하다. 이는 엔진 (12) 에 공급되는 가스 연료의 온도가 너무 뜨겁지 않은 것이 유리하기 때문이다. 중앙 냉각기 이후에 메인 가스 증발기를 배치하는 이러한 배열로, 메인 가스 증발기에 진입하는 열전달 유체 온도가, 유체가 메인 가스 증발기 (24) 내로 공급되기 전에 중앙 냉각기에서 냉각될 때, 모든 작동 조건에서 원하는 온도 미만이 되는 것이 보장된다.
엔진, 보다 자세하게는 엔진의 LT 열전달 회로 섹션 (28) 및 메인 가스 증발기 (24) 의 열전달 동력에 공급되는 열전달 유체의 온도는, 메인 가스 증발기 이후에 폐쇄 루프 피드백 측정 지점으로 하고, 제 3 유동 제어 밸브 (44) 에 의해 제어된다. MGE 에 진입하는 열전달 유체의 온도는, 예를 들어 엔진 부하에 의존하는 메인 가스 증발기의 열 요구에 의존한다.
이러한 사항들은 가스 엔진 파워 플랜트를 설계하는데, 특히 제 3 제어 밸브 (44) 의 제어 전략을 설정하는데 고려된다. 원하는 작동을 위한 요건들은 적절한 설계에 의한 단일 지점 온도 측정으로 획득될 수 있다.
열전달 유체의 정상 유동 조건이 엔진 (12) 및 메인 가스 증발기 (24) 모두에 제공될 수 있는 것이 유리하다. 전형적으로, 메인 가스 증발기 (24) 를 통한 열전달 유체의 유량 요구는 HT 섹션 (26) 의 엔진 구동 순환 펌프 (28.6) 의 용량의 대략 25 ~ 30% 이다. 따라서, 메인 가스 증발기 (24) 가 불필요하게 과치수화되는 것을 방지하기 위해, 메인 가스 증발기 (24) 와 평행한 채널 (50) 이 배치된다. 이러한 방식으로, 열전달 유체의 일부는 메인 가스 증발기 (24) 를 연속적으로 바이패스할 수 있다.
열전달 회로 (11) 는, 회로 내의 유동이 예를 들어 제 1 제어 밸브 (28.4) 의 위치 또는 폐쇄 백분율에 따라 가변적일 수 있다는 사실에 관계없이, 메인 가스 증발기 (24) 에 열전달 유체의 실질적으로 정적인 유동을 제공하는 메인 가스 증발기 (24) 의 바로 상류에 위치된 보조 펌프 (52) 를 구비한다. 펌프 (52) 는 메인 가스 증발기 (24) 와 평행한 채널 (50) 의 분기 위치들 사이에 배치된다.
가스 엔진 파워 플랜트가 엔진보다 많은 것을 포함하면, 엔진의 열전달 회로는 유리하게는 도 1 의 위치 (11.a) (고온 (HT) 열전달 회로 섹션 (26) 의 하류에 있는 제 2 바이패스 채널 (11.2) 과 열전달 회로의 접합 지점) 및 위치 (11.b) (메인 가스 증발기 (24) 와 엔진 (12) 의 하류에 있는 열전달 회로 (11) 의 위치) 에 서로 평행하게 결합된다.
본 발명은 본원에서 현재 가장 바람직한 실시형태들로 고려되는 것과 관련하여 실시예의 방식으로 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이, 본원의 특징들의 다양한 조합들 또는 변경들, 그리고 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 개의 다른 적용들을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 상세한 설명들은 이런 조합들이 기술적으로 실현가능하다면 또 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 로서,
    가스 연료를 연소함으로써 작동하도록 구성된 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12),
    상기 엔진 (12) 의 사용을 위해 액화된 형태로 가스 연료를 저장하는 극저온 연료 저장소 (18),
    상기 극저온 연료 저장소 (18) 와 상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 사이의 연료 공급 라인 (20),
    상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 으로부터의 열을 열전달 유체로 전달하기 위해 열전달 회로에서 열전달 유체를 순환시키도록 구성된 열전달 회로 (11),
    상기 연료 공급 라인 (20) 및 상기 열전달 회로에 배치되고 상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 에 의해 사용하기 위해 액화된 가스를 증발시키도록 구성된 메인 가스 증발기 (24), 및
    상기 열전달 회로 (11) 에 배치된 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40)
    을 포함하고,
    상기 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 은 상기 열전달 유체를 냉각하기 위한 중앙 냉각기 (42) 및 상기 열전달 회로 (11) 에 배열된 제 1 바이패스 채널 (46), 및 상기 제 1 바이패스 채널 (46) 및 상기 중앙 냉각기 (42) 를 통한 열전달 유체의 유동을 제어하도록 구성된 유동 제어 밸브 (44) 를 포함하고,
    상기 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 은 상기 유동 제어 밸브 (44) 를 작동시키도록 배치된 밸브 액추에이터 시스템 (45) 을 포함하고, 상기 밸브 액추에이터 시스템 (45) 은 상기 메인 가스 증발기 (24) 의 하류측에서 상기 열전달 회로와 연결되어 있는 온도 프로브 (48) 를 포함하며, 액추에이터는 상기 온도 프로브 (48) 로부터 획득가능한 온도 정보에 기초하여 작동하도록 구성되고,
    상기 메인 가스 증발기 (24) 는 상기 열전달 유체의 유동 방향으로 상기 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 의 제 1 바이패스 채널 (46) 및 상기 중앙 냉각기 (42) 이후에 상기 열전달 회로 (11) 와 열전달 연통하도록 배열되어, 상기 메인 가스 증발기 (24) 에 진입하는 상기 열전달 유체의 온도는 상기 열전달 유체의 유동 방향으로 상기 메인 가스 증발기 (24) 이후의 다음 위치에서 상기 열전달 유체의 온도에 기초하여 상기 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 의 제 1 바이패스 채널 (46) 및 상기 중앙 냉각기 (42) 에 의해 제어가능한 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 가스 증발기 (24) 는 상기 열전달 유체의 유동 방향으로 상기 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 이후에 상기 열전달 회로 (11) 에 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 회로는 상기 메인 가스 증발기 (24) 와 평행하며 상기 상기 메인 가스 증발기 (24) 를 바이패스하는 채널 (50) 을 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열전달 회로 (11) 는 상기 메인 가스 증발기 (24) 와 평행한 채널 (50) 의 분기 위치들 사이에 배치된 펌프 (52) 를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트.
  5. 해양 선박 내의 제 1 항에 따른 가스 엔진 파워 플랜트로서,
    상기 중앙 냉각기 (42) 는 해수와 열전달 연통하도록 배치되어 모든 사용불가능한 열을 바다로 전달하는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트.
  6. 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 를 작동하는 방법으로서,
    가스 연료를 연소시킴으로써 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 을 작동시키는 단계,
    가스 연료를 액화된 형태로 극저온 연료 저장소 (18) 에 저장하는 단계,
    상기 극저온 연료 저장소 (18) 로부터 연료 라인 (20) 을 통해 상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 에 가스를 공급하는 단계,
    상기 연료 라인 (20) 내의 메인 가스 증발기 (24) 에서 열을 전달함으로써 상기 적어도 하나의 이중 연료 내연 엔진 (12) 에 의해 사용하기 위해 액화된 가스를 증발시키는 단계,
    상기 엔진 (12) 으로부터의 열을 열전달 회로 (11) 에서 순환하는 열전달 유체로 전달하고 상기 열전달 유체로부터의 열을 중앙 열전달 유체 냉각 시스템 (40) 의 적어도 중앙 냉각기 (42) 로 전달하는 단계,
    상기 중앙 유체 냉각 시스템 (40) 이후에 상기 열전달 유체로부터의 열을 상기 메인 가스 증발기 (24) 로 전달하고 중앙 냉각기 (42) 에 대한 하류측에서 상기 메인 가스 증발기 (24) 에 진입하는 상기 열전달 유체의 온도를 미리 정해진 범위 내로 유지하도록 상기 열전달 유체의 일부를 제 1 바이패스 채널 (46) 을 통하여 안내함으로써 상기 중앙 유체 냉각 시스템 (40) 의 상기 중앙 냉각기 (42) 내의 열전달을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 중앙 유체 냉각 시스템 (40) 에서의 열전달은, 상기 중앙 냉각기 (42) 의 하류측에서 상기 열전달 회로와 연결되어 있는 온도 프로브 (48) 에 의해, 상기 열전달 유체로부터의 열을 상기 메인 가스 증발기로 전달한 이후의 위치에서 측정된 상기 열전달 유체의 온도에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 를 작동하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열전달 유체의 일부는 상기 메인 가스 증발기 (24) 를 연속적으로 바이패스하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 를 작동하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 파워 플랜트는 해양 선박 (14) 에 동력을 제공하고, 상기 중앙 냉각기 (42) 는 해수에 열을 전달함으로써 냉각되는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진 파워 플랜트 (10) 를 작동하는 방법.
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