KR20130042712A

KR20130042712A - 연료가스 공급 시스템 및 상기 시스템의 성능 최적화 운전방법

Info

Publication number: KR20130042712A
Application number: KR1020110106744A
Authority: KR
Inventors: 신현준; 류승각; 유진열; 최동규
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-04-29
Also published as: KR101895782B1

Abstract

본 발명은 LNG를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템에 있어서 고압가스 분사엔진의 급격한 부하 변화에도 안정적인 부하 추종성을 가질 수 있는 연료가스 공급 시스템 및 상기 시스템의 성능 최적화 운전방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 고압 펌프, 고압 기화기 및 석션 드럼을 포함하며, 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서, 상기 고압 펌프 및 상기 고압 기화기를 통하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인과; 상기 고압 펌프의 구동 속도를, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량을 만족할 수 있는 구동 속도보다 높고 고압 펌프의 최대 속도와 같거나 낮은 범위 사이로 설정함으로써 발생하는, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량과 상기 고압 펌프에 의한 연료 공급량 사이의 차이에 상응하는 연료 잉여량을 상기 석션 드럼에 복귀시킬 수 있도록, 상기 고압 펌프의 하류측에서 분기하여 상기 석션 드럼에 연결되는 복귀 라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템 및 그 운전방법이 제공된다.

Description

연료가스 공급 시스템 및 상기 시스템의 성능 최적화 운전방법 {FUEL GAS SUPPLY SYSTEM AND PERFORMANCE OPTIMIZED OPERATION FOR THE SYSTEM}

본 발명은 LNG를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템에 있어서 고압가스 분사엔진의 급격한 부하 변화에도 안정적인 부하 추종성을 가질 수 있는 연료가스 공급 시스템 및 상기 시스템의 성능 최적화 운전방법에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에서 배출되는 폐기가스 중 국제 해사 기구(International Maritime Organization)의 규제를 받고 있는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이며, 이산화탄소(CO₂)의 배출도 규제하려 하고 있다. 특히, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 경우, 1997년 해상오염 방지협약(MARPOL; The Prevention of Marine Pollution from Ships) 의정서를 통하여 제기되고, 8년이라는 긴 시간이 소요된 후 2005년 5월에 발효요건을 만족하여 현재 강제규정으로 이행되고 있다.

따라서, 이러한 규정을 충족시키기 위하여 질소산화물(NOx) 배출량을 저감하기 위하여 다양한 방법들이 소개되고 있는데, 이러한 방법 중에서 LNG 운반선을 위하여 고압 천연가스 분사 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진이 개발되어 사용되고 있다.

이와 같은 ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등과 같은 해상 구조물(본 명세서에서 해상 구조물이란, LNG 운반선, LNG RV, 일반상선 등의 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 플랜트까지도 모두 포함하는 개념이다.)에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하게 되며, 그 부하에 따라 대략 150 ～ 300 bara(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급 압력이 요구된다.

LNG 저장탱크가 설치되지 않은 일반상선 등에 ME-GI 엔진을 적용하기 위해서는 연료로서의 LNG를 수용할 수 있는 LNG 연료탱크가 설치된다.

ME-GI 엔진은 필요시 재액화(liquefaction) 장치가 추가로 설치될 경우, 가스와 연료유 가격의 변화와 배출가스의 규제 정도에 따라 증발가스(Boil Off Gas; BOG)를 연료로 사용할 것인지, 아니면 증발가스를 재액화하여 저장탱크로 보내고 중유(Heavy Fuel Oil; HFO)를 사용할 것인지 선택할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 환경오염과 관련한 특정규제를 받는 해역을 통과시 간편하게 LNG를 기화시켜서 연료로 사용할 수 있으며, 차세대 친환경적인 엔진으로서 효율이 50%에 육박하여 향후에는 LNG 운반선의 메인 엔진으로서 사용될 수 있다.

LNG 저장탱크(혹은 LNG 연료탱크)에 수용되어 있는 LNG(혹은 증발가스)를 연료로서 ME-GI 엔진에 공급하기 위해, 연료가스 공급 시스템(fuel gas supply system)이 구비되어야 한다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호 및 제 WO 2009/136793 호 등에는 이러한 연료가스 공급 시스템의 예가 개시되어 있다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/011497 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 기화기에서 기화시킨 후 ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 상기 기화기에서 LNG와 열교환하여 액화시키는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.

국제특허공개공보 제 WO 2009/136793 호에는, LNG 저장탱크로부터 배출되는 LNG를 고압 펌프에서 압축한 후 증발기에서 증발시켜 ME-GI 엔진과 같은 가스 엔진에 공급하는 동시에, LNG 저장탱크로부터 배출되는 증발가스를 증발가스 압축기에서 압축한 후 극저온 열교환기에서 재액화하여 고압 펌프에 공급되는 LNG와 혼합해서 가스 엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.

이와 같은 연료가스 공급 시스템은 엔진에서 요구하는 상태, 즉 엔진에서 요구하는 온도 및 압력의 연료가스를 공급하기 위하여 필수적인 요소이다. ME-GI 엔진의 운전시, 엔진에 요구되는 출력에 따라 부하를 변화시키기 되는데, 시간에 따라 엔진 부하를 원활하게 추종할 수 있도록 연료가스 공급 시스템을 구성할 필요가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, LNG를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템에 있어서, 고압 펌프에 의해 고압가스 분사엔진에서 요구하는 연료량보다 많은 양의 연료를 고압 기화기로 공급하고, 고압가스 분사엔진의 부하에 맞춰 남는 연료는 고압 펌프의 전단으로 되돌림으로써, 고압가스 분사엔진의 급격한 부하 변화에도 안정적인 부하 추종성을 가질 수 있도록 한 연료가스 공급 시스템 및 상기 시스템의 성능 최적화 운전방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 연료를 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 펌프, 상기 고압 펌프의 하류측에 설치되어 연료를 기화시키는 고압 기화기, 및 상기 고압 펌프의 상류측에 설치되어 연료를 수용하고 있는 석션 드럼을 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서, 상기 고압 펌프 및 상기 고압 기화기를 통하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인과; 상기 고압 펌프의 구동 속도를, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량을 만족할 수 있는 구동 속도보다 높고 고압 펌프의 최대 속도와 같거나 낮은 범위 사이로 설정함으로써 발생하는, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량과 상기 고압 펌프에 의한 연료 공급량 사이의 차이에 상응하는 연료 잉여량을 상기 석션 드럼에 복귀시킬 수 있도록, 상기 고압 펌프의 하류측에서 분기하여 상기 석션 드럼에 연결되는 복귀 라인; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템이 제공된다.

상기 복귀 라인에는 상기 석션 드럼에 복귀하는 연료의 양을 조절함으로써 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 연료의 양을 조절하기 위한 제어 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.

필요시 상기 고압 펌프는 최대 속도로 구동될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연료를 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 펌프, 상기 고압 펌프의 하류측에 설치되어 연료를 기화시키는 고압 기화기, 및 상기 고압 펌프의 상류측에 설치되어 연료를 수용하고 있는 석션 드럼을 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템의 운전방법으로서, 상기 고압 펌프의 구동 속도를, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량을 만족할 수 있는 구동 속도보다 높고 고압 펌프의 최대 속도와 같거나 낮은 범위 사이로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템의 운전방법이 제공된다.

본 발명의 연료가스 공급 시스템의 운전방법에 따르면, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량과 상기 고압 펌프에 의한 연료 공급량 사이의 차이에 상응하는 연료 잉여량은 상기 석션 드럼에 복귀되는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료가스 공급 시스템의 운전방법에 따르면, 상기 고압 펌프의 하류측에서 연료 공급 라인으로부터 분기하여 상기 석션 드럼에 연결되는 복귀 라인에 설치된 제어 밸브에 의해, 상기 석션 드럼에 복귀하는 연료 잉여량의 양을 조절함으로써 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 연료의 양을 조절하는 것이 바람직하다.

필요시 상기 고압 펌프는 최대 속도로 구동될 수 있다.

본 발명에 따르면, LNG를 연료로서 고압가스 분사엔진에 공급하는 연료가스 공급 시스템에 있어서, 고압 펌프에 의해 고압가스 분사엔진에서 요구하는 연료량보다 많은 양의 연료를 고압 기화기로 공급하고, 고압가스 분사엔진의 부하에 맞춰 남는 연료는 고압 펌프의 전단으로 되돌릴 수 있는 연료가스 공급 시스템 및 상기 시스템의 성능 최적화 운전방법이 제공된다.

그에 따라 본 발명에 따르면, 고압가스 분사엔진의 급격한 부하 변화에도 안정적인 부하 추종성을 가질 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 연료가스 공급 시스템의 일반적인 운전방법에 따른 엔진부하 변동시의 추종성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료가스 공급 시스템의 성능 최적화 운전방법에 따른 엔진부하 변동시의 추종성을 나타내는 그래프이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 고압가스 분사엔진, 예컨대 ME-GI 엔진에 연료를 공급하는 연료가스 공급 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 고압가스 분사엔진용 연료가스 공급 시스템은 액화천연가스를 고압가스 분사엔진의 연료로 사용할 수 있는 모든 종류의 해상 구조물, 즉 LNG 운반선, LNG RV, 컨테이너선, 일반상선과 같은 선박을 비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU와 같은 해상 플랜트에 적용될 수 있다.

LNG 운반선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 구비되어 있는 해상 구조물의 경우에는 이 LNG 저장탱크 내의 LNG를 고압가스 분사엔진에 연료로서 공급한다. 또한, 컨테이너선이나 일반상선 등과 같이 LNG의 저장 또는 운반을 위한 LNG 저장탱크가 별도로 구비되어 있지 않은 해상 구조물의 경우에는 연료로서의 LNG를 저장하는 LNG 연료탱크로부터 LNG를 배출시켜 고압가스 분사엔진에 공급한다. 다만, 본 명세서에 있어서, LNG 저장탱크는 LNG 연료탱크를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 고압가스 분사엔진을 갖는 해상 구조물의 연료가스 공급 시스템에 따르면, LNG 저장탱크(또는 LNG 연료탱크)(도시생략)에서 배출된 LNG(또는 증발가스)는, 연료 공급 라인(L1)을 통하여 이송되면서 고압 펌프(3)에서 고압으로 압축되고 고압 기화기(5)에서 기화된 후 ME-GI 엔진 등의 고압가스 분사엔진(1)에 연료로서 공급된다. 증발가스의 경우에는 재액화된 후 이송되는 LNG와 혼합되어 함께 고압가스 분사엔진을 향하여 이송될 수 있다.

고압 펌프(3)는 LNG를 대략 150 내지 300 bara 정도의 고압으로 압축할 수 있는 펌프이다. 본 명세서에서 "고압" 이라는 용어는, ME-GI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진에서 요구하는 연료가스의 압력범위, 예를 들어 대략 150 내지 300 bara 정도의 범위의 압력을 의미한다.

고압 펌프(3)에 의해 고압으로 압축된 액화증발가스(즉, 액화천연가스)는 초임계압 상태이므로 사실상 액상과 기상을 구별할 수 없다. 그렇지만 본 명세서에서는 고압 상태에서 액화증발가스를 주위온도(혹은 고압 천연가스 분사 엔진에서 요구하는 온도)까지 가열하는 것을 기화시킨다고 표현하고 있으며, 고압 상태에서 액화증발가스를 주위온도까지 가열하는 장치를 고압 기화기(5)라고 표현한다.

고압 펌프(3)의 상류측에는, 연료로서의 LNG를 안정적으로 펌핑할 수 있도록 버퍼로서의 기능을 수행할 수 있는 석션 드럼(7)이 설치된다. 석션 드럼(7)에는 저장탱크(도시생략)로부터 LNG가 공급될 수 있다. 또한, 석션 드럼(7)에는 재액화 장치(도시생략)에서 재액화된 BOG, 즉 LBOG가 공급될 수 있다. 즉, 석션 드럼(7)에는 저장탱크로부터의 LNG 및/또는 재액화 장치로부터의 LBOG가 공급된다.

석션 드럼(7)의 내부에서 연료로서의 LNG는 기상과 액상으로 분리되고, 고압 펌프(3)에는 액상의 LNG만이 공급된다. 본 발명에 따르면, 석션 드럼(7)은 재응축기 등의 장치로 대체될 수 있다.

또한, LNG를 고압가스 분사엔진(1)에 공급하는 연료 공급 라인(L1)으로부터 분기하여 LNG, 즉 연료를 석션 드럼(10)으로 복귀시키는 복귀 라인(L3)이 설치되어, 고압가스 분사엔진에 공급되는 연료의 양이 연료 요구량보다 많은 경우에 연료를 석션 드럼(7)으로 되돌리도록 할 수 있다.

복귀 라인(L3)을 통하여 석션 드럼(7)으로 복귀하는 연료의 양은 복귀 라인(L3)에 설치되는 제어 밸브(11)에 의해 조절될 수 있으며, 그에 따라 제어 밸브(11)는 고압가스 분사엔진(1)에 공급되는 연료의 유량과 압력을 조절하는 것이 가능하게 된다.

고압 기화기(5)와 고압가스 분사엔진(1) 사이에는 압력조절밸브(13)가 설치되어 고압가스 분사엔진에 공급되는 연료의 양을 미세하게 조절할 수 있다.

이하, 상술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 연료가스 공급 시스템의 작동을 상세하게 설명한다.

고압가스 분사엔진(1)의 엔진부하에 따라 요구하는 연료량은 변화하게 된다. 고압 펌프(3)와 고압 기화기(5)를 사용하는 연료가스 공급 시스템에 있어서, 일반적으로는 엔진부하에 맞는 압력으로 연료를 공급하기 위해 고압 펌프(3)의 RPM을 조절하며, 경우에 따라서는 압력조절밸브(13)에 의해 연료의 공급압력을 미세하게 조절하기도 하였다.

그러나, 고압 펌프(3)의 RPM, 즉 작동속도를 조절하여 엔진부하를 추종하는 연료가스 공급 시스템의 운전방법은, 도 2에 도시된 바와 같이 급격한 부하 변동시 그 변화를 추종하지 못하는 경우가 발생한다.

본 발명의 운전방법에 따르면, 고압 펌프(3)의 RPM을 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 연료 압력에 맞는 수준보다 높은 수준으로 유지한다. 즉, 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 연료량보다 많은 양의 연료가 고압가스 분사엔진(1)에 공급되도록 고압 펌프(3)를 구동시킨다. 필요시 고압 펌프(3)는 최대 속도로 구동될 수 있다.

그리고 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 연료량 이상의 남는 연료, 즉 고압 펌프(3)에서 공급되는 연료량과 고압가스 분사엔진(1)에서 요구하는 연료량 사이의 차이를 계산하여 그 차이만큼의 연료 여유분, 즉 잉여량은 복귀 라인(L3)을 통하여 석션 드럼(7)으로 복귀시킨다. 제어 밸브(11)의 개방정도를 조절함에 따라 석션 드럼(7)으로 복귀하는 연료의 양을 조절함으로써 고압가스 분사엔진(1)에 공급되는 연료의 양을 제어할 수 있다. 결국, 제어 밸브(11)에 의해 고압가스 분사엔진(1)에 공급되는 연료의 유량과 압력을 조절하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 운전방법에 따르면, 급격한 엔진의 부하 변동시에는 복귀 라인(L3)에 설치된 제어 밸브(11)의 개방정도를 감소시키거나 완전히 폐쇄하여 고압가스 분사엔진(1)에 공급되는 연료량을 급격하게 증가시킬 수 있다.

그에 따라 본 발명의 운전방법에 따르면, 고압 펌프(3)의 구동 속도를, 해당 시점에서 고압가스 분사엔진(1)의 연료 요구량을 만족할 수 있는 구동 속도보다 높고 고압 펌프의 최대 속도와 같거나 낮은 범위 사이로 설정한다. 그렇게 함으로써 엔진의 부하변동에 따른 응답성이 향상되어, 도 3에 도시된 바와 같이 엔진의 급격한 부하 변동을 추종할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법이 LNG 운반선 등의 해상 구조물에 적용된 것을 예로 들어 설명이 이루어졌지만, 본 발명의 연료가스 공급 시스템 및 방법은 육상에서의 고압가스 분사 엔진에 대한 연료 공급에 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

1 : 고압가스 분사엔진 3 : 고압 펌프
5 : 고압 기화기 7 : 석션 드럼
11 : 제어 밸브 13 : 압력조절밸브
L1 : 연료 공급 라인 L3 : 복귀 라인

Claims

연료를 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 펌프, 상기 고압 펌프의 하류측에 설치되어 연료를 기화시키는 고압 기화기, 및 상기 고압 펌프의 상류측에 설치되어 연료를 수용하고 있는 석션 드럼을 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템으로서,
상기 고압 펌프 및 상기 고압 기화기를 통하여 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 라인과;
상기 고압 펌프의 구동 속도를, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량을 만족할 수 있는 구동 속도보다 높고 고압 펌프의 최대 속도와 같거나 낮은 범위 사이로 설정함으로써 발생하는, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량과 상기 고압 펌프에 의한 연료 공급량 사이의 차이에 상응하는 연료 잉여량을 상기 석션 드럼에 복귀시킬 수 있도록, 상기 고압 펌프의 하류측에서 분기하여 상기 석션 드럼에 연결되는 복귀 라인;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 복귀 라인에는 상기 석션 드럼에 복귀하는 연료의 양을 조절함으로써 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 연료의 양을 조절하기 위한 제어 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 고압 펌프는 최대 속도로 구동되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템.
연료를 고압가스 분사엔진에서 요구하는 압력으로 압축시키는 고압 펌프, 상기 고압 펌프의 하류측에 설치되어 연료를 기화시키는 고압 기화기, 및 상기 고압 펌프의 상류측에 설치되어 연료를 수용하고 있는 석션 드럼을 포함하며, 상기 고압가스 분사엔진에 연료를 공급하기 위한 연료가스 공급 시스템의 운전방법으로서,
상기 고압 펌프의 구동 속도를, 상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량을 만족할 수 있는 구동 속도보다 높고 고압 펌프의 최대 속도와 같거나 낮은 범위 사이로 설정하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템의 운전방법.
청구항 4에 있어서,
상기 고압가스 분사엔진의 연료 요구량과 상기 고압 펌프에 의한 연료 공급량 사이의 차이에 상응하는 연료 잉여량은 상기 석션 드럼에 복귀되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템의 운전방법.
청구항 5에 있어서,
상기 고압 펌프의 하류측에서 연료 공급 라인으로부터 분기하여 상기 석션 드럼에 연결되는 복귀 라인에 설치된 제어 밸브에 의해, 상기 석션 드럼에 복귀하는 연료 잉여량의 양을 조절함으로써 상기 고압가스 분사엔진에 공급되는 연료의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템의 운전방법.
청구항 4에 있어서,
상기 고압 펌프는 최대 속도로 구동되는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급 시스템의 운전방법.