KR20130052940A

KR20130052940A - Ｌｎｇ운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법

Info

Publication number: KR20130052940A
Application number: KR1020110118302A
Authority: KR
Inventors: 이진광; 이근보
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-05-23
Also published as: KR101350803B1

Abstract

본 발명은 LNG 운송선의 LNG탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러에 연료용 가스로 공급하기 위하여, BOG가 LNG탱크로부터 보일러측을 향하여 공급되는 배관 상에 장착되는 압축기의 입구측에 장착된 인렛 가이드 베인(Inlet Guide Vane, 이하'IGV') 및 압축기의 구동모터와 각각 전기적으로 연결되는 압축기 부하 컨트롤러가 압축기의 저유량 구간에서는 IGV를 가동시키고, 압축기의 고유량 구간에서는 구동모터의 RPM을 제어하는 실시예로부터 LNG 운송선 등의 액체화물 탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러의 연료가스로 사용함에 있어서 보일러와 같이 저유량 운전이 필요한 시스템에서 압축기 부하를 안정적으로 제어하면서 연료 공급이 원활하게 이루어지도록 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법에 관한 것이다.

Description

ＬＮＧ운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법{COMPRESSOR LOAD CONTROLLING MODULE OF LNG CARRIER AND THE CONTROL METHOD USING THIS}

본 발명은 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 운송선 등의 액체화물 탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러의 연료가스로 사용함에 있어서 보일러와 같이 저유량 운전이 필요한 시스템에서 압축기 부하를 안정적으로 제어하면서 연료 공급이 원활하게 이루어지도록 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법에 관한 것이다.

통상 압축기를 사용하는 산업 현장에서는 압축기의 형태와 압축기가 장착된 시스템의 종류에 따라 다양한 방법으로 압축기를 제어한다.

압축기의 부하는 일반적으로 가변 RPM 방식에 의하여 제어하게 된다.

특히, LNG 운송선과 같이 극저온 액체화물이 수용된 액체화물 탱크로부터는 항상 BOG(Boil off gas)가 발생하게 되며, 이러한 BOG를 선박 내의 보일러로 공급하여 연료용 가스로 활용하는 것을 고려할 수 있는데, 여기서 압축기의 부하 제어는 매우 중요한 관건이라 할 수 있다.

그러나, 보일러와 같이 저 유량 운전이 필요한 시스템에서는 압축기의 서지(Surge) 현상으로 인하여 압축기 운전이 불가능하게 된다.

이는 도 4의 압축비-유량(Pressure ratio-Flow rate) 그래프를 참고로 간단히 설명하고자 한다.

참고로, 도 4에서 실선으로 나타낸 곡선은 압축기의 성능곡선이며, 점선으로 나타낸 곡선은 시스템 저항 곡선을 각각 나타내며, 성능곡선과 시스템 저항 곡선이 교차하는 부분의 '●'표시는 운전점을 나타낸다.

즉, 운전점 이상의 성능곡선과 시스템 저항 곡선이 교차하는 지점에서는 압축기의 구동모터 RPM을 가변시킴으로써 압축기의 부하를 줄일 수 있다.

그러나, 운전점 이하의 구간인 보일러에서 요구되는 저유량 구간(Low flow rate(Boiler Demand))에서는 도 4와 같이 서지 선(Surge line)과 만나게 되어, 즉 압축기에 서지 현상이 일어나게 되어 압축기가 셧다운되면서 연료공급 계통 전체가 마비되어 버리는 치명적인 문제에 직면할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, LNG 운송선 등의 액체화물 탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러의 연료가스로 사용함에 있어서 보일러와 같이 저유량 운전이 필요한 시스템에서 압축기 부하를 안정적으로 제어하면서 연료 공급이 원활하게 이루어지도록 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 LNG 운송선의 LNG탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러에 연료용 가스로 공급하는 배관 상에 장착되는 압축기와, 압축기의 입구측에 장착되어 연료용 가스의 흡입량을 제어하는 인렛 가이드 베인(Inlet Guide Vane, 이하'IGV')와, IGV 및 압축기의 구동모터와 각각 전기적으로 연결되어 압축기의 저유량 구간에서는 IGV를 가동시키고, 압축기의 고유량 구간에서는 구동모터의 RPM을 제어하는 압축기 부하 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 제공할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명은 LNG 운송선의 LNG탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러에 연료용 가스로 공급하기 위하여, BOG가 LNG탱크로부터 보일러측을 향하여 공급되는 배관 상에 장착되는 압축기의 입구측에 장착된 인렛 가이드 베인(Inlet Guide Vane, 이하'IGV') 및 압축기의 구동모터와 각각 전기적으로 연결되는 압축기 부하 컨트롤러가 압축기의 저유량 구간에서는 IGV를 가동시키고, 압축기의 고유량 구간에서는 구동모터의 RPM을 제어하는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법을 제공할 수도 있을 것이다.

여기서, 압축기 부하 컨트롤러는 압축기의 설계점의 0.001 내지 30% 구간에서 IGV를 가동시키는 것이 바람직하다.

이때, 압축기 부하 컨트롤러는 압축기의 설계점의 30 내지 100% 구간에서 구동모터의 RPM을 제어하는 것이 바람직하다.

그리고, 압축기 부하 컨트롤러는 압축기의 설계점의 0.001 내지 30% 구간에서 IGV를 가동시키며, IGV는 압축기측으로 향하는 BOG의 공급량에 대한 압축기의 압축비 증가량을 저감시키면서 압축기의 서지 마진(surge margin)을 증가시키는 것이다.

또한, 압축기 부하 컨트롤러는, 압축기의 설계점의 30 내지 100% 구간에서 구동모터의 RPM을 정상 운전 RPM의 50 내지 99%로 감소시키는 것이 바람직하다.

여기서, 압축기와 보일러 사이의 배관 상에는 보일러 부하 컨트롤 밸브가 더 구비되는 것이 바람직하다.

이때, 압축기의 입구측 배관으로부터 압축기의 출구측 배관까지 바이패스되는 바이패스 배관 상에는 안티 서지 밸브(anti-surge valve)가 더 장착되는 것이 바람직하다.

또한, 압축기와 보일러 사이의 배관 상에 장착되는 보일러 부하 컨트롤 밸브 및 보일러에 내장된 센서와 각각 전기적으로 연결되는 보일러 부하 컨트롤러가 보일러 내부의 연료용 가스 잔량에 따른 보일러 부하 컨트롤 밸브의 개폐를 컨트롤하며, 압축기 부하 컨트롤러는 보일러 부하 컨트롤 밸브의 개방에 연동하여 압축기의 구동모터와 IGV를 컨트롤하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 압축기의 입구측에 압축기 부하 컨트롤러로 컨트롤되는 인렛 가이드 베인을 장착하여 저유량 구간에서 가동되도록 함으로써 서지 마진을 증가시켜 압축비-유량 그래프 상에서 나타나는 운전가능 구역(turndown ration)을 확장시키는 효과를 도모할 수 있다.

따라서, 인렛 가이드 베인의 개폐 정도를 조절하여 저유량 구간에서 안정적인 압축기의 유량 제어가 가능하며 원활한 연료 공급을 도모할 수 있게 된다.

특히, 본 발명은 기존의 압축기를 포함한 일체의 연료공급 시스템에 압축기 부하 컨트롤러 및 인렛 가이드 베인을 모듈화하여 장착할 수 있으므로, 설치 및 운용이 용이함은 물론 유지 관리 또한 편리하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 의 전체적인 구성을 나타낸 개념도
도 2는 저유량 구간에서 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 중 주요부인 압축기 부하 컨트롤러를 이용하여 IGV를 제어한 압축기의 성능곡선
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어 방법을 나타낸 순서도
도 4는 일반적인 RPM 가변 제어 방식에 따른 압축기의 성능곡선

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이며, 도 2는 저유량 구간에서 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 중 주요부인 압축기 부하 컨트롤러를 이용하여 IGV를 제어한 압축기의 성능곡선이다.

참고로, 도 2에서 x축은 유량(Flow rate)을, y축은 압력비(Pressure ratio)를 나타내며, 복수의 실선으로 표시된 곡선은 압축기(100)의 성능곡선을, 점선으로 표시된 곡선은 시스템 저항 곡선을 각각 나타내고, 성능곡선과 시스템 저항 곡선이 교차하는 부분의 '●'은 운전점(Operation Point)를 나타낸다.

본 발명은 도시된 바와 같이 압축기 부하 컨트롤러(300)가 인렛 가이드 베인(200, Inlet Guide Vane, 이하'IGV') 및 구동모터(110)의 RPM을 컨트롤하는 모듈인 것을 파악할 수 있다.

여기서, 미설명 부호로 310은 제어 함수가 내장된 압축기 부하 컨트롤러(310)의 컨트롤 프로그램을, 800은 압축기(100)를 통과한 BOG의 과열을 방지하기 위한 냉각기를 각각 나타낸다.

본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.

본 발명은 압축기(100)와 함께 압축기(100)의 입구측에 IGV(200)가 장착되고, 압축기(100)의 구동모터(110) 및 IGV(200)를 압축기 부하 컨트롤러(300)가 컨트롤하는 실시예를 적용할 수도 있다.

압축기(100)는 LNG 운송선의 LNG탱크(400)로부터 발생하는 BOG를 보일러(500)에 연료용 가스로 공급하는 배관(600) 상에 장착되는 것이다.

IGV(200)는 압축기(100)의 입구측에 장착되어 연료용 가스의 흡입량을 제어하는 것이다.

IGV(200)는 일반적으로 액추에이터의 동작에 따라 회전 각도를 변경하면서 압축기(100)의 입구 면적을 가변시키는 것으로, 무수히 많은 개폐 방식의 것이 공지된 바, 상세한 구조 및 작동 메커니즘에 관하여는 편의상 생략한다.

압축기 부하 컨트롤러(300)는 IGV(200) 및 압축기(100)의 구동모터(110)와 각각 전기적으로 연결되어 압축기(100)의 저유량 구간에서는 IGV(200)를 가동시키고, 압축기(100)의 고유량 구간에서는 구동모터(110)의 RPM을 제어하는 것으로, 보일러(500)가 일반적으로 압축기(100)를 저유량 구간에서 운전하도록 요구하는 것에 착안한 것이다.

즉, 압축기 부하 컨트롤러(300)는 도 2와 같이 압축기(100)의 설계점의 30 내지 100% 구간(그래프에서 운전점 상측의 구역)에서는 구동모터(110)의 RPM을 제어하면서 저유량 운전이 가능하도록 한다.

더욱 상세하게는, 압축기 부하 컨트롤러(300)는 통상 압축기(100)의 설계점의 30 내지 100% 구간에서 구동모터(110)의 RPM을 정상 운전 RPM의 50 내지 99%, 바람직하게는 50% 수준으로 저감시킴으로써 압축기(100)의 저유량 운전을 실현하게 된다.

또한, 압축기(100)가 장착된 배관(600)의 입구측(i)으로부터 압축기(100)가 장착된 배관(600)의 출구측(o)까지 바이패스되는 바이패스 배관(600') 상에는 서지 현상의 발생에 대비하여 안티 서지 밸브(120, anti-surge valve)가 더 장착되는 것이 바람직하다.

그러나, 운전점 이하의 구간에서는 배경 기술에서도 언급한 바와 같이 시스템 저항 곡선과 서지 선(Surge Line)이 교차하면서 서지 현상이 발생하게 되므로, 안티 서지 밸브(120)만으로는 소기의 목적을 달성할 수 없는 바, 별도의 대책이 필요하게 된다.

따라서, 압축기 부하 컨트롤러(300)는 압축기(100)의 설계점의 0.001 내지 30% 구간(그래프에서 운전점 하측의 구역)에서는 IGV(200)를 가동시켜 IGV(200)가 압축기(100)측으로 향하는 BOG의 공급량에 대한 압축기(100)의 압축비 증가량을 저감시키면서 압축기(100)의 서지 마진(surge margin), 즉 서지 선(Surge Line)보다 기울기가 작은 직선 구간을 증가시키게 된다.

즉, 압축기(100)는 도 4의 그래프에 비하여 운전점 이하의 저유량 영역에서 압축기(100)에 발생하는 서지 현상을 방지하면서 안정적인 운전이 가능하게 되는 것이다.

한편, 압축기(400)와 보일러(500) 사이의 배관(600) 상에는 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

여기서, 보일러 부하 컨트롤 밸브(510) 및 보일러(500)에 내장된 센서(이하 미도시)는 별도로 구비된 보일러 부하 컨트롤러(700)와 각각 전기적으로 연결되며, 보일러 부하 컨트롤러(700)는 보일러(500) 내부의 연료용 가스 잔량에 따른 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)의 개폐를 컨트롤하게 된다.

따라서, 압축기 부하 컨트롤러(300)는 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)의 개방에 연동하여 압축기(100)의 구동모터(110)와 IGV(200)를 컨트롤하게 되는 것이다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법에 관하여 도 3을 참고로 설명하고자 한다.

참고로 도 3에 표시되지 않은 도면의 부호는 도 1을 참고한다.

압축기(400)와 보일러(500) 사이의 배관(600) 상에 장착된 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)는 보일러(500)에 내장된 센서에 의하여 연료공급이 필요하다고 판단될 경우 보일러 부하 컨트롤러(700)에 의하여 개방된다.

이후, 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)와 전기적으로 연결된 압축기 부하 컨트롤러(300)는 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)의 개방에 연동하여 압축기(100)의 구동모터(110)와 IGV(200)를 선택적으로 컨트롤하게 되는 것이다.

여기서, 압축기 부하 컨트롤러(300)는 압축기(100)의 설계점보다 30% 이상인 구간, 즉 도 2에서 운전점 상측의 구역에서는 구동모터(110)의 RPM을 제어하면서 저유량 운전이 가능하도록 한다.

이때, 압축기 부하 컨트롤러(300)는 압축기(100)의 설계점보다 30% 이하인 구간, 즉 도 2에서 운전점 하측의 구역에서는 IGV(200)를 가동시켜 IGV(200)가 압축기(100)측으로 향하는 BOG의 공급량에 대한 압축기(100)의 압축비 증가량을 저감시키면서 압축기(100)의 서지 마진(surge margin), 즉 서지 선(Surge Line)보다 기울기가 작은 직선 구간을 증가시키게 된다.

따라서, 압축기(100)는 저유량 운전을 실시하면서 LNG 탱크(400)의 BOG를 안정적으로 보일러(500)에 공급하게 된다.

계속하여, 보일러 부하 컨트롤 밸브(510)는 보일러(500)에 연료공급이 완료되면 차단되면서 일련의 제어가 완료되며, 이후 보일러(500)측에서 연료공급이 필요할 경우에는 전술한 제어방법이 반복 수행될 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명은 LNG 운송선 등의 액체화물 탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러의 연료가스로 사용함에 있어서 보일러와 같이 저유량 운전이 필요한 시스템에서 압축기 부하를 안정적으로 제어하면서 연료 공급이 원활하게 이루어지도록 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈 및 이것을 이용한 제어방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.

그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론일 것이다.

100...압축기 200...인렛 가이드 베인
300...압축기 부하 컨트롤러

Claims

LNG 운송선의 LNG탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러에 연료용 가스로 공급하는 배관 상에 장착되는 압축기;
상기 압축기의 입구측에 장착되어 상기 연료용 가스의 흡입량을 제어하는 인렛 가이드 베인(Inlet Guide Vane, 이하'IGV'); 및
상기 IGV 및 상기 압축기의 구동모터와 각각 전기적으로 연결되어 상기 압축기의 저유량 구간에서는 상기 IGV를 가동시키고, 상기 압축기의 고유량 구간에서는 상기 구동모터의 RPM을 제어하는 압축기 부하 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈.
LNG 운송선의 LNG탱크로부터 발생하는 BOG를 보일러에 연료용 가스로 공급하기 위하여, 상기 BOG가 상기 LNG탱크로부터 상기 보일러측을 향하여 공급되는 배관 상에 장착되는 압축기의 입구측에 장착된 인렛 가이드 베인(Inlet Guide Vane, 이하'IGV') 및 상기 압축기의 구동모터와 각각 전기적으로 연결되는 압축기 부하 컨트롤러가 상기 압축기의 저유량 구간에서는 상기 IGV를 가동시키고, 상기 압축기의 고유량 구간에서는 상기 구동모터의 RPM을 제어하는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기 부하 컨트롤러는,
상기 압축기의 설계점의 0.001 내지 30% 구간에서 상기 IGV를 가동시키는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기 부하 컨트롤러는,
상기 압축기의 설계점의 30 내지 100% 구간에서 상기 구동모터의 RPM을 제어하는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기 부하 컨트롤러는,
상기 압축기의 설계점의 0.001 내지 30% 구간에서 상기 IGV를 가동시키며,
상기 IGV는 상기 압축기측으로 향하는 상기 BOG의 공급량에 대한 상기 압축기의 압축비 증가량을 저감시키면서 상기 압축기의 서지 마진(surge margin)을 증가시키는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기 부하 컨트롤러는, 상기 압축기의 설계점의 30 내지 100% 구간에서 상기 구동모터의 RPM을 정상 운전 RPM의 50 내지 99%로 감소시키는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기와 상기 보일러 사이의 상기 배관 상에는 보일러 부하 컨트롤 밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기의 입구측 배관으로부터 상기 압축기의 출구측 배관까지 바이패스되는 바이패스 배관 상에는 안티 서지 밸브(anti-surge valve)가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.
청구항 2에 있어서,
상기 압축기와 상기 보일러 사이의 배관 상에 장착되는 보일러 부하 컨트롤 밸브 및 상기 보일러에 내장된 센서와 각각 전기적으로 연결되는 보일러 부하 컨트롤러가 상기 보일러 내부의 연료용 가스 잔량에 따른 상기 보일러 부하 컨트롤 밸브의 개폐를 컨트롤하며,
상기 압축기 부하 컨트롤러는 상기 보일러 부하 컨트롤 밸브의 개방에 연동하여 상기 압축기의 구동모터와 상기 IGV를 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 LNG운송선의 압축기 부하 제어용 모듈을 이용한 제어방법.