KR20130124549A

KR20130124549A - 가스 연료 공급 장치, 고압 가스 분사 디젤 기관 및 고압 가스 분사 디젤 기관의 액화 가스 연료 공급 방법

Info

Publication number: KR20130124549A
Application number: KR1020137021796A
Authority: KR
Inventors: 마사루 오카; 요시토모 다나카
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-11-14
Also published as: EP2679795A1; CN103380286B; EP2679795A4; JP6012140B2; EP2679795B1; KR101494119B1; WO2012114839A1; CN103380286A; JP2012177333A

Abstract

가스 연료 공급 장치 (10) 는, 유압 모터 (50) 에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프 (20) 와, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프 (51) 로부터 유압 모터 (50) 에 구동용의 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 (53) 과, 왕복식 펌프 (20) 로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치 (30) 와, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하여 가열 장치 (30) 의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부 (80) 와, 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브 (40) 를 구비하고 있다.

Description

가스 연료 공급 장치, 고압 가스 분사 디젤 기관 및 고압 가스 분사 디젤 기관의 액화 가스 연료 공급 방법{GAS FUEL SUPPLY DEVICE, HIGH-PRESSURE GAS INJECTION DIESEL ENGINE, AND METHOD FOR SUPPLYING LIQUEFIED GAS FUEL FOR HIGH-PRESSURE GAS INJECTION DIESEL ENGINE}

본 발명은, 예를 들어 선박의 주기관이나 발전기 구동 기관 등에 적용되는 천연 가스 등의 가스 연료 공급 장치, 고압 가스 분사 디젤 기관 및 고압 가스 분사 디젤 기관의 액화 가스 연료 공급 방법에 관한 것이다.

종래, 액화 천연 가스 (이하, 「LNG」라고 한다.) 가 기화된 천연 가스를 연료로 하여 운전하는 디젤 기관은 다수 존재하지만, 최근, 현존하는 오일 버닝 저속 디젤 주기관의 환경 배출 성능을 개선하는 대책으로서, 고압 가스 분사형 저속 2 사이클 디젤 기관 (이하, 「SSD-GI」라고 한다.) 이 주목받고 있다. 이 SSD-GI 는, 디젤 기관 중에서는 가장 열효율이 높고 대출력의 기관이며, 또한 저속에서의 출력이 가능한 기관이고, 프로펠러에 직결하여 구동할 수 있다.

그러나, 천연 가스를 연료로 하는 SSD-GI 의 경우에는, 실적이 있는 오일 버닝의 디젤 기관과는 달리, 연소실 내에 천연 가스를 고압 (약 150∼300 bar 까지) 에서 공급하는 고압 분사 기술이 성숙되어 있지 않고, 아직 LNG 연료 공급에 관해서 확립된 기술은 발견되지 않았다.

종래, SSD-GI 가 LNG 선의 주기관 후보로 되어 있었을 즈음에는, 대략 대기압의 보일 오프 가스 (이하, 「BOG」라고 한다.) 를 다단 가스 압축기로 압축하고, 또한, 압축 과정 또는 압축 후에 BOG 를 냉각시키고 나서 엔진 연료에 사용하는 방법이 검토되어 왔다. 그러나, BOG 를 압축 및 냉각시키는 방법은, 대규모 설비를 필요로 하고, 또한 큰 동력을 소비하는 것이 결점이 되어 왔다.

한편, LNG 선에서 BOG 의 재액화 시스템이 실현된 요즈음에는, BOG 를 연료로 하지 않고 액화 보존하는 것이 가능해지고 있다. 이 때문에, BOG 의 유효 이용의 관점에서 종래의 LNG 선에서는 BOG 를 연료로 하는 방법에 힘써 왔지만, LNG 를 주기관의 주연료로 하는 것에 이 점에서의 장해는 없어졌다. 또, LNG 선 이외의 선박에서 LNG 를 연료로 하는 경우에는, 가압 방식의 LNG 탱크를 사용함으로써 BOG 처리가 불필요하다.

이러한 배경에서, 최근의 선박에 있어서는, 주기관 등의 연료로서 양호한 환경 배출 성능을 갖고 있는 LNG 의 사용이 주목받게 되어, LNG 의 사용 방법 등에 관한 여러 가지 연구 개발이 활발해졌다.

그런데, 천연 가스를 고압 분사하여 연료 공급하는 방법으로는, LNG 를 고압화하고 나서 가열·기화시키는 것을 생각할 수 있다. 이러한 LNG 의 고압화는, 왕복 펌프를 사용한 승압이 일반적이다. 이 왕복 펌프는, 사이클 속도가 300 rpm 정도이기 때문에, 일반적인 전동기 속도의 회전 속도인 1800∼3600 rpm 과 비교하면 상당히 저속이 된다. 이 때문에, 왕복 펌프를 전동기에 의해 구동하는 경우에는, 왕복 펌프의 사이클 속도까지 감속하는 기구가 필요하게 된다.

또, 왕복 펌프의 운전에 사용되는 일반적인 감속 기구로는, 기어드 방식이나 풀리 방식이 알려져 있다. 기어드 방식의 감속 기구는, 톱니수가 상이한 복수의 기어를 조합한 감속 기구이고, 풀리 방식의 감속 기구는, V 벨트로 연결한 대소의 휠을 회전시키는 구조이다.

또, 액화 가스의 재가스화 플랜트에 있어서는, 예를 들어 하기의 특허문헌 1 에 개시되어 있는 바와 같이, 저장 탱크 내에서 취출한 액화 가스의 압력을, 액체 상태로 펌프에 의해 승압시켜 고압화하는 것이 실시되고 있다.

일본 공개특허공보 2009-204026호

상기 서술한 바와 같이, 최근의 선박에 있어서는, 주기관의 연료로서 LNG 의 주목도가 증가하고 있지만, 연소실 내에 천연 가스를 고압으로 분사하기 위한 고압 가스 공급 기술은 확립되어 있지 않다. 그리고, 천연 가스를 엔진 연료로서 고압 분사하기 위해서는, 왕복식 펌프에 의한 LNG 의 고압화가 필요해진다고 생각되고 있고, 왕복식 펌프의 구동 제어에 관한 하기의 문제가 지적되고 있다. 즉, 왕복 펌프의 구동원으로서 전동기를 사용하고, 감속 기구를 개재시켜 왕복 펌프의 사이클 속도까지 감속하는 운전 방식을 채용하면, 감속 기구나 전동기에 관해서 하기의 문제가 발생한다.

제 1 문제는, 왕복식 펌프의 전동기 구동에 필요하게 되는 기계적인 감속 기구에 관한 것이다.

구체적으로 설명하면, 기어드 방식의 감속 기구는, 왕복 펌프측으로부터의 토크 변동에 의한 기어 치면이나 이뿌리면으로의 데미지가 예상되므로, 장시간 연속 운전에 대한 내구성을 고려하면, 토크 변동을 완충하기 위한 탄성 이음매나 관성 휠 등, 커플링에 고려가 필요하게 된다.

한편, 풀리 방식의 감속 기구는, 피스톤 펌프 특유의 토크 변동을 벨트의 슬립에 의해 완화시킬 수 있다는 이점을 갖고 있지만, 벨트는 단기간에 교환을 필요로 하는 소모품이므로, 장기간의 연속 사용에 적합하지 않은 방식이다. 또한, 풀리 방식의 감속 기구는, 노출되는 고속 접촉부에서 불꽃의 발생이 염려되므로, 가스 위험 구역으로의 설치는 안전상 바람직하지 않다.

제 2 문제는, 왕복 펌프를 구동하는 전동기에 관한 것이다.

구체적으로 설명하면, 전동기는, 감속 기구에 의해 왕복 펌프의 사이클 속도까지 감속하는 경우, 상기 서술한 기어드 방식 및 풀리 방식 중 어느 방식을 채용해도 주파수 제어 기구 (인버터) 가 필요하게 된다. 그러나, 전동기의 주파수 제어 기구는 저주파수에서의 정밀도에 어려움이 있기 때문에, 제어 범위가 넓고, 상당한 저속 회전 영역에서도 고정밀도의 제어를 필요로 하는 경우에는 불리하다.

또, 전동기 등의 전기 기기류를 가스 위험 구역에 설치하는 경우에는, 사용 가능한 기기의 선택에 제약을 받기 때문에, 전동기 구동의 왕복 펌프를 가스 위험 구역에 설치하기 위해서는 많은 제약을 받게 된다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은, 예를 들어 고압 가스 분사형 저속 2 사이클 디젤 기관과 같이, 연소실 내에 가스 연료 (예를 들어 천연 가스) 를 고압으로 공급하는 고압 가스 분사 디젤 기관에 적용되는 고압 분사 기술에 있어서, 가스 위험 구역에 용이하게 배치 가능한 왕복식 펌프를 사용하여 연료의 액화 가스 (예를 들어 LNG) 가 고압화되는 가스 연료 공급 장치, 이 가스 연료 공급 장치를 구비한 고압 가스 분사 디젤 기관, 및 고압 가스 분사 디젤 기관의 액화 가스 연료 공급 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 하기의 수단을 채용하였다.

본 발명에 관련된 가스 연료 공급 장치는, 고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 가스 연료를 분사하기 위해 액화 가스를 고압으로 공급하는 고압 모드를 구비한 가스 연료 공급 장치로서, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용의 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있다.

본 발명에 관련된 가스 연료 공급 장치에 의하면, 유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용의 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와, 상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비하고 있기 때문에, 왕복식 펌프를 구동하는 유압 모터의 회전 속도가 유압 펌프의 용량 제어 (유량 제어) 에 의해 이루어지고, 기계적인 감속 기구나 전동기의 회전수 제어는 불필요해진다.

또한, 유압 모터로 구동하는 왕복식 펌프와, 유압 모터에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 사이는, 서로를 유압 배관에 의해 접속하여 별도 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프는, 가스 위험 구역 내로의 설치가 용이해진다.

본 발명의 제 1 양태의 가스 연료 공급 장치는, 상기 제어부가, 상기 유압 펌프의 가변 용량 제어에 의해 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지한다. 이것에 의해, 유압 모터의 회전수는, 저회전수 영역에서 고회전수 영역까지 광범위에 걸친 고정밀도의 제어가 가능하게 된다. 따라서, 왕복식 펌프로부터 가열 장치에 공급되는 액화 가스의 고정밀도의 유량 제어가 가능해지고, 이 결과, 가열 장치로부터 기화되어 유출되는 가스 연료의 압력인 가스 연료 출구 압력도 고정밀도의 제어가 가능하게 된다.

본 발명의 제 2 양태의 가스 연료 공급 장치는, 상기 왕복식 펌프로 승압된 액화 가스를 상기 가열 장치의 상류측으로부터 분기시켜 흡입 드럼에 흘리는 유량 조정 밸브를 구비한 재순환 라인을 형성하고, 상기 재순환 라인에 도입되는 재순환 유량이, 상기 제어부의 제어 신호에 기초하여 동작하는 상기 유량 조정 밸브에 의해 조정된다. 이것에 의해, 유압 모터의 회전 속도를 제어할 수 없는 저속 영역이나 위급하고 액화 가스량을 압축시키는 경우에는, 유량 조정 밸브의 개도 조정에 의해 재순환 라인을 흐르는 재순환 유량의 제어에 의한 대응이 가능해진다.

본 발명의 제 3 양태의 가스 연료 공급 장치는, 상기 유압 펌프 유닛과 상기 유압 모터 사이를 접속하는 유압 공급 라인으로부터 분기되어 저압 라인에 접속되고, 상기 유압 공급 라인으로부터 상기 저압 라인을 향하는 방향의 유압 흐름을 저지하는 역지 밸브를 형성한 진공 방지 라인을 구비하고 있다. 이것에 의해, 유압 계통의 긴급 정지시 등에 있어서, 저압 라인으로부터 유압유를 빨아 올림으로써 유압 모터 내가 진공이 되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제 4 양태의 가스 연료 공급 장치는, 상기 왕복식 펌프, 상기 유압 펌프 유닛 및 상기 가열 장치을 구비하여 이루어지는 복수의 가스 연료 공급 계통을 구비하고, 각 가스 연료 공급 계통의 유압 계통이 상호 이용 가능하게 접속되어 있다. 이것에 의해, 유압 계통의 용장성 (冗長性) 을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제 5 양태의 가스 연료 공급 장치는, 상기 엔진 입구 가스 감압 밸브는, 상기 고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 상기 가스 연료를 분사하는 고압 공급 (이하, 「고압 모드」라고 한다.) 과, 상기 가스 연료를 가스 스파크식 오토-사이클 엔진의 연료로서 공급하는 저압 공급 (이하, 「저압 모드」라고 한다.) 을 실현할 수 있다. 저압 모드에 의해, 예를 들어 선내 전력을 조달하는 발전 기관에 동 기관을 장비함으로써, 저압 또한 소량의 가스 연료를 공급하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 관련된 고압 가스 분사 디젤 기관은, 액화 가스를 기화시켜 얻어지는 가스를 연료로 하여 운전되고, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 연료 공급 장치를 구비하고 있다.

본 발명에 관련된 고압 가스 분사 디젤 기관에 의하면, 액화 가스를 기화시켜 얻어지는 가스를 연료로 하여 운전되고, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 연료 공급 장치를 구비하고 있기 때문에, 왕복식 펌프를 구동하는 유압 모터의 회전 속도가 유압 펌프의 용량 제어에 의해 이루어지므로, 감속 기구나 전동기의 회전수 제어가 불필요해지고, 또한 왕복식 펌프의 가스 위험 구역 내 설치가 용이해진다.

본 발명에 관련된 액화 가스 연료 공급 방법은, 고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 가스 연료를 분사하기 위해 액화 가스를 고압으로 공급하는 액화 가스 연료 공급 방법으로서, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프로부터 공급되는 유압을 받아 운전되는 유압 모터 구동의 왕복식 펌프가, 액화 가스를 도입하여 원하는 토출 압력까지 승압시키는 가스 연료 승압 공정과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 가스 연료를 생성하는 가열 기화 공정을 구비하고, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하면서, 상기 연소실의 입구 근방에 형성한 엔진 입구 가스 감압 밸브를 조작하여, 상기 연소실로 분사하는 가스 연료 압력의 조정이 실시된다.

본 발명에 관련된 고압 가스 분사 디젤 기관의 액화 가스 연료 공급 방법에 의하면, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프로부터 공급되는 유압을 받아 운전되는 유압 모터 구동의 왕복식 펌프가, 액화 가스를 도입하여 원하는 토출 압력까지 승압시키는 가스 연료 승압 공정과, 상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 가스 연료를 생성하는 가열 기화 공정을 구비하고, 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하면서, 상기 연소실의 입구 근방에 형성한 엔진 입구 가스 감압 밸브를 조작하여, 상기 연소실로 분사하는 가스 연료 압력의 조정이 실시되기 때문에, 감속 기구나 전동기의 회전수 제어가 불필요해지고, 또한 왕복식 펌프의 가스 위험 구역 내 설치가 용이해진다.

상기 서술한 본 발명에 의하면, 예를 들어 고압 가스 분사형 저속 2 사이클 디젤 기관과 같이, 연소실 내에 가스 연료를 고압으로 공급하여 운전하는 고압 가스 분사 디젤 기관에서, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프를 사용하여 연료의 액화 가스를 고압화하기 때문에, 왕복식 펌프를 가스 위험 구역으로 용이하게 배치 가능해진다.

또한, 풀리 방식이나 기어드 방식의 감속 기구가 없기 때문에, 벨트 교환이나 기어면 마모에 대한 메인터넌스 작업이 불필요해진다.

또한, 전동기의 회전수 제어가 불필요한 장치가 되기 때문에, 왕복식 펌프를 구동하는 유압 모터의 회전수는, 저회전수 영역에서 고회전수 영역까지 광범위에 걸친 고정밀도의 제어가 가능해지고, 광범위에 걸친 고정밀도의 유량 제어가 가능해진다.

도 1 은 본 발명에 관련된 가스 연료 공급 장치의 일 실시형태를 나타내는 계통도이다.
도 2 는 가로축을 운전점 (OP) 으로 하여, 세로축에 왕복식 펌프의 펌프 부하 및 재순환 제어 밸브 (RCV) 개도를 나타내는 「기능 1」의 설명도이다.
도 3 은 가로축을 왕복식 펌프의 펌프 부하로 하여, 세로축에 유압 펌프의 사판 각도를 나타내는 「기능 2」의 설명도이다.

이하, 본 발명에 관련된 가스 연료 공급 장치의 일 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

도 1 에 나타내는 실시형태의 가스 연료 공급 장치 (10) 는, 고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 액화 가스를 기화시킨 가스 연료를 분사하여 공급하는 고압 모드를 구비한 장치이다. 본 실시형태의 고압 가스 분사 디젤 기관으로는, 예를 들어 고압 가스 분사형 저속 2 사이클 디젤 기관 (이하, 「SSD-GI」라고 한다.) 이 있다.

또, 이하의 설명에 있어서는, 액화 가스를 액화 천연 가스 (이하, 「LNG」라고 한다.) 로 하고, LNG 가 기화된 천연 가스를 가스 연료로 하는데, 실시형태의 장치는, 예를 들어 액화 석유 가스 (LPG) 등의 액화 가스를 연료로 하는 기관에도 적용 가능하다.

가스 연료 공급 장치 (10) 는, 왕복식 펌프 (20) 로 LNG 를 승압하고 나서 기화시킨 천연 가스를 고압 가스 분사 기관의 연소실 내에 분사하여 공급하는 LNG 연료계와, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압계와, 유압 모터 (50) 등의 제어를 실시하는 제어부 (80) 를 구비하고 있다. 또, 도시한 구성예에서는, LNG 연료계 및 유압계가 각각 2 세트 설치되어 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

LNG 연료계는, 유압 모터 (50) 에 의해 구동되는 왕복식 펌프 (20) 를 구비하고 있다. 이 왕복식 펌프 (20) 는, 대략 대기압의 상태에 있는 LNG 를 도입하고, 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 펌프이다. 왕복식 펌프 (20) 의 흡입측에 접속되는 LNG 도입 배관 (21) 은, 도시하지 않은 LNG 탱크 등에 접속되어 있다.

왕복식 펌프 (20) 의 토출측에 접속된 LNG 공급 배관 (22) 은, 펌프측으로부터 순서대로 배치된 가열 장치 (30) 및 엔진 입구 가스 감압 밸브 (이하, 「가스 감압 밸브」라고 한다.) (40) 를 구비하고 있다.

가열 장치 (30) 는, 왕복식 펌프 (20) 로부터 공급되는 승압 후의 LNG 를 가열하여 기화시키는 장치이다. 즉, 가열 장치 (30) 에 유입된 고압의 LNG 는, 장치 내에서 가열됨으로써, LNG 가 기화된 천연 가스로서 유출된다.

가열 장치 (30) 의 출구 근방에는 압력 센서 (31) 가 형성되어 있고, 이 압력 센서 (31) 로 검출한 천연 가스 출구 압력 (PV) 이, 가스 연료 출구 압력으로서 제어부 (80) 에 입력된다.

제어부 (80) 는, 천연 가스 출구 압력 (PV) 을 미리 정한 일정한 압력값으로 유지하기 위해, 후술하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정한다.

가열 장치 (30) 로부터 공급되는 천연 가스는, 가스 감압 밸브 (40) 에 의해 원하는 압력으로 조정된 후, 고압의 연소실 내에 분사되어 공급된다. 즉, 가스 감압 밸브 (40) 로 조정되는 천연 가스의 분사 (공급) 압력은, 피스톤에 압축되어 고압의 상태에 있는 연소실 내에 분사되기 때문에, 연소실 내의 압력보다 고압으로 설정할 필요가 있고, 이러한 고압으로 연소실 내로 천연 가스를 분사하는 운전 모드를 「고압 모드」라고 부른다. 또, SSD-GI 의 경우, 고압 모드에 있어서의 천연 가스의 분사 압력은, 대략 150∼300 bar 이다.

가스 감압 밸브 (40) 는, 상기 서술한 「고압 모드」에 추가하여, 가스 연료의 천연 가스를 가스 스파크식 오토-사이클 엔진의 연료로서 공급하는 「저압 모드」를 구비하고 있다. 이「저압 모드」는, 예를 들어 선내 전력을 조달하는 발전 기관 등에 대하여 가스 연료를 공급하는 경우에 사용되고, 「고압 모드」와 비교하여 저압이 된다.

LNG 공급 배관 (22) 은, 가열 장치 (30) 의 상류측에서 분기되는 재순환 라인 (23) 을 구비하고 있다. 이 재순환 라인 (23) 은, 왕복식 펌프 (20) 로 승압된 LNG 를 가열 장치 (30) 의 상류측에서 분기시켜 흡입 드럼 (24) 에 흘리는 배관 계통이고, 흡입 드럼 (24) 의 상류측에는 유량 조정 밸브의 재순환 제어 밸브 (25) 가 형성되어 있다.

이러한 재순환 라인 (23) 을 형성함으로써, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 제어할 수 없는 저속 영역이나 위급하여 LNG 유량을 압축시키는 경우에는, 유량 조정 밸브 (25) 의 개도 조정에 의해 재순환 라인 (23) 을 흐르는 LNG 재순환 유량을 제어하여 대응하는 것이 가능해진다.

구체적으로 설명하면, 예를 들어 도 2 에 나타내는 설명도와 같이, 펌프 부하가 작은 저속 영역에서는 재순환 제어 밸브 (25) 의 개도를 늘려 재순환 유량을 확보하고, 즉, 펌프 부하가 작은 운전점 (OP) 에서는 재순환 유량을 늘림으로써 왕복동 펌프 (20) 를 흐르는 LNG 의 총 유량을 확보하고, 유압 모터 (50) 의 제어가 가능한 회전수 영역에 유지한다. 또한, 위급하여위급하여 압축시키는 경우에는, 재순환 제어 밸브 (25) 의 개도를 늘려 가열 장치 (30) 를 바이패스하는 재순환 유량을 증가시키고, 가열 장치 (30) 로의 공급량을 제한하면 된다. 또, 도 2 의 설명도는, 도 1 의 「기능 1」에 상당한다.

흡입 드럼 (24) 은, LNG 공급 배관 (22) 으로부터 분기시켜 도입된 LNG 를 모으고, 왕복식 펌프 (20) 의 재순환 흡입부에 되돌리는 LNG 용기이다. 재순환 라인 (23) 에 도입되는 LNG 의 재순환 유량은, 제어부 (80) 로부터 출력되는 운전점 (OP) 의 제어 신호에 기초하여 동작하는 재순환 제어 밸브 (25) 에 의해 조정된다. 이 운전점 (OP) 의 제어 신호는, 예를 들어 기관 회전수에 의해 주어지는 설정점 (SP) 과, 압력 센서 (31) 로 검출한 천연 가스 출구 압력 (PV) 에 기초하여, 제어부 (80) 가 출력하는 운전점을 정한 개도 신호이다.

또, 이 경우의 설정점 (SP) 은, 상기 서술한 기관 회전수와 같이, 가스 감압 밸브 (40) 의 제어성이 높은 압력값이 되는 변동값을 채용해도 되고, 또는 설정점 (SP) 을 고정값으로 해도 된다.

유압계는, 도시하지 않은 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프 (51) 를 구비하고, 이 유압 펌프 (51) 로부터 유압유 공급 배관 (유압 공급 라인) (52) 을 개재하여, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 (53) 을 구비하고 있다.

도시한 유압 펌프 유닛 (53) 은, 일정속의 전동 구동으로 한 2 대의 유압 펌프 (51) 를 구비하고 있고, 주 (主) 오일받이 탱크 (54) 로부터 흡입한 유압유를 승압하여 유압 모터 (50) 에 공급한다. 여기서 사용하는 유압 펌프 (51) 는, 예를 들어 사판 펌프와 같은 가변 용량형이 되고, 일정속으로 회전해도 사판 각도의 조정 등에 의해, 유압유 공급량을 조정할 수 있는 펌프이다.

또, 유압 펌프 유닛 (53) 의 유압 펌프 (51) 는, 2 대에 한정되는 것은 아니다.

도 3 의 설명도는, 유압 펌프 (51) 를 사판식으로 하여 2 대 병용하는 경우의 제어예이고, 도 1 의 「기능 2」에 상당한다.

제 1 제어예는, 왕복식 펌프 (20) 의 펌프 부하를 가로축으로 한 경우, 도면 중에 실선으로 나타내는 바와 같이, 펌프 부하의 변화에 따라 2 대의 유압 펌프 (51) 에 관해서 사판 각도를 동일하게 제어하고 있다. 즉, 2 대 병용하는 유압 펌프 (51) 는, 각각이 필요한 유압량의 50 ％ 를 분담하고 있는 운전 제어예이다.

제 2 제어예에서는, 일방이 실선 표시의 사판 각도로 제어되고, 타방이 파선 표시의 사판 각도로 제어되고 있다. 이 경우, 2 대의 유압 펌프 (51) 가 상이한 사판 각도로 설정되고, 어느 일방이 유압량의 다수를 공급하고, 타방이 부족분을 보충하는 운전 제어가 된다.

유압 모터 (50) 를 구동한 유압유는, 유압유 복귀 배관 (55) 을 통과하여 부 (副) 오일받이 탱크 (56) 에 되돌아간다. 도시한 부오일받이 탱크 (56) 는 주오일받이 탱크 (54) 와 별체 구조가 되고, 양 오일받이 탱크 (54, 56) 사이는, 유압유 연결관 (57) 에 의해 접속되어 있다.

부오일받이 탱크 (56) 내의 유압유는, 중력에 의해 되돌릴 수 없는 경우, 유압유 연결관 (57) 에 형성한 오일 이송 펌프 (58) 를 운전하여 주오일받이 탱크 (54) 에 되돌아간다. 이 때, 주오일받이 탱크 (54) 에 되돌리는 유압유는, 유압유 연결관 (57) 에 형성한 오일 냉각기 (59) 를 통과시킴으로써 냉각되어 온도 상승이 방지된다.

주오일받이 탱크 (54) 에는, 부오일받이 탱크 (56) 로부터 중력 복귀를 할 수 없는 경우나, 부오일받이 탱크 (56) 와 일체 구조인 경우에 사용하도록, 필요에 따라 내부의 유압유를 순환시켜 냉각시키는 순환 유로 (60) 가 형성되어 있다. 이 순환 유로 (60) 에는, 오일 순환 펌프 (61) 및 오일 냉각기 (62) 가 형성되어 있기 때문에, 주오일받이 탱크 (54) 내의 유압유를 내부 순환시킴으로써, 오일 냉각기 (61) 를 통과시켜 유온이 상승하지 않도록 냉각시킬 수 있다.

도 1 에 나타내는 유압계에는, 유압 기기 보호용의 진공 방지 라인 (63) 이 형성되어 있다. 이 진공 방지 라인 (63) 은, 유압 펌프 유닛 (53) 과 유압 모터 (50) 사이를 접속하는 유압유 공급 배관 (52) 으로부터 분기되어 저압 라인의 부오일받이 탱크 (56) 에 접속되는 배관이다.

진공 방지 라인 (63) 의 적소에는, 유압유 공급 배관 (52) 으로부터 부오일받이 탱크 (56) 를 향하는 방향의 유압 흐름을 저지하는 역지 밸브 (64) 가 형성되어 있다.

이러한 진공 방지 라인 (63) 을 형성한 것에 의해, 유압 계통의 긴급 정지시 등에 있어서는, 예를 들어 유압 펌프 (51) 를 정지한 경우, 유압의 공급이 없어져도 유압 모터 (50) 가 관성력으로 회전하기 때문에, 저압의 부오일받이 탱크 (56) 로부터 유압유를 빨아 올림으로써 유압 모터 (50) 내가 진공이 되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 통상의 운전시에는 유압 펌프 (51) 로부터 유압이 공급되기 때문에, 역지 밸브 (64) 가 닫혀 유압유 공급 배관 (52) 으로부터 부오일받이 탱크 (56) 를 향하는 흐름은 발생하지 않지만, 유압유의 공급이 없어진 긴급 정지시에는 유압유 공급 배관 (52) 내가 부압 (負厭) 이 되어 부오일받이 탱크 (56) 로부터 유압유를 빨아 올리기 때문에, 유압 모터 (50) 내가 진공이 되는 것을 방지할 수 있다.

또, 유압 펌프 (51) 의 출구 부근에는, 위급 재순환 밸브 (65) 를 구비한 유압유 재순환 라인 (66) 이 형성되어 있다. 이 위급 재순환 밸브 (65) 는, 유압유 공급 배관 (52) 이 소정값 이상의 고압이 된 경우에 열어서 유압유를 주오일받이 탱크 (54) 에 되돌리고, 유압 펌프 (51) 및 그 하류측의 배관이나 유압 기기류를 보호하는 것이다.

도시한 구성예에서는, 왕복식 펌프 (20), 유압 펌프 유닛 (53) 및 가열 장치 (30) 을 구비하여 이루어지는 복수의 가스 연료 공급 계통을 구비하고 있고, 각 가스 연료 공급 계통의 유압 계통이 상호 이용 가능하게 접속되어 있다. 즉, 서로의 유압유 공급 배관 (52) 사이가 연락 공급 배관 (67) 에 의해 접속되고, 서로의 유압유 연결관 (57) 사이가 연락 복귀 배관 (68) 에 의해 접속되어 있다. 또, 연락 공급 배관 (67) 에는 개폐 밸브 (69) 가 설치되고, 연락 복귀 배관 (68) 에는 개폐 밸브 (70) 가 설치되어 있다. 또, 도면 중의 부호 71 은, 유압유를 순환시키는 펌프이다.

이렇게 하여, 연락 공급 배관 (67) 및 연락 복귀 배관 (68) 에 의해 유압의 상호 이용을 가능하게 했기 때문에, 만일 어느 일방의 유압계가 파손된 경우라도, 타방의 유압계에서 공급되는 유압을 사용하여 운전 가능해지는 등, 유압 계통의 용장성이 향상된다.

상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 가스 연료 공급 장치 (10) 는, 유압 모터 (50) 에 의해 구동되어 도입된 LNG 를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프 (20) 와, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프 (51) 로부터 유압 모터 (50) 에 구동용의 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 (53) 과, 왕복식 펌프 (20) 로부터 공급되는 승압 후의 LNG 를 가열하여 기화시키는 가열 장치 (30) 와, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하여 가열 장치 (30) 의 천연 가스 출구 압력 (PV) 을 일정하게 유지하는 제어부 (80) 와, 연소실 내로 분사하는 천연 가스의 압력을 조정하는 가스 감압 밸브 (40) 를 구비하고 있기 때문에, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전 속도는 유압 펌프 (51) 의 용량 제어 (유량 제어) 에 의해 실시 가능하게 된다.

상기 서술한 제어부 (80) 는, 유압 펌프 (51) 의 가변 용량 제어에 의해 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하고, 천연 가스 출구 압력 (PV) 을 일정하게 유지하는 제어를 실시한다. 이 때문에, 유압 모터 (50) 의 회전수는, 저회전수 영역에서 고회전수 영역까지 광범위에 걸친 고정밀도의 제어가 가능하게 된다. 따라서, 왕복식 펌프 (20) 로부터 가열 장치 (30) 에 공급되는 LNG 에 관해서도, 고정밀도의 유량 제어가 가능하게 되기 때문에, 가열 장치 (30) 로부터 기화되어 유출되는 천연 가스의 압력, 즉 천연 가스 연료 출구 압력 (PV) 을 고정밀도로 제어할 수 있다.

이와 같이, 유압 모터 (50) 의 회전 속도, 왕복식 펌프 (20) 의 유량 및 천연 가스 출구 압력 (PV) 은, 서로 상관 관계를 갖고 있기 때문에, 천연 가스 출구 압력 (PV) 을 일정하게 유지하는 제어 대신에, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 제어 대상으로 해도 된다.

상기 서술한 가스 연료 공급 장치 (10) 를 사용하여 SSD-GI 에 LNG 연료를 공급하는 LNG 연료 공급 방법은, 연소실 내로 천연 가스를 분사하여 공급하는 고압 모드를 구비하고 있다.

이 고압 모드는, 전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프 (51) 로부터 공급되는 유압을 받아 운전되는 유압 모터 (50) 를 구동원으로 하는 왕복식 펌프 (20) 가, LNG 를 도입하여 원하는 토출 압력까지 승압시키는 가스 연료 승압 공정과, 가열 장치 (30) 가 왕복식 펌프 (20) 로부터 공급되는 승압 후의 LNG 를 가열하여 천연 가스를 생성하는 가열 기화 공정을 구비하고 있다.

그리고, 본 실시형태의 LNG 연료 공급 방법에서는, 유압 모터 (50) 의 회전 속도를 조정하고, 바꾸어 말하면, 왕복식 펌프 (20) 로부터 가열 장치 (30) 에 공급하는 LNG 량을 조정하고, 가열 장치 (30) 로부터 유출되는 천연 가스 출구 압력 (PV) 을 일정하게 유지하면서, 연소실의 입구 근방에 형성한 가스 감압 밸브 (40) 를 조작하여, 통상 운전시에 연소실로 분사하는 천연 가스 압력의 조정이 실시된다.

이러한 LNG 연료 공급 방법을 채용함으로써, 왕복식 펌프 (20) 의 운전에는, 기계적인 감속 기구나 전동기의 회전수 제어가 불필요해지고, 또한 왕복식 펌프의 가스 위험 구역 내 설치가 용이해진다. 이것은, 유압 모터 (50) 의 회전 속도가, 유압 펌프 (51) 로부터 공급되는 유량에 따라 조정 가능해지기 때문이다.

도 1 의 구체예에서는, 예를 들어 선박의 내부가 벌크 헤드에 의해 가스 위험 구획과 가스 안전 구획으로 분할되고, 전동기에 의해 구동되는 유압 펌프 (51) 를 가스 안전 구획측에 설치할 수 있다. 따라서, 유압 펌프 (51) 를 구동하는 전동기에는, 통상의 비방폭 사양으로 일정속의 것을 사용할 수 있게 되고, 기기 선택의 자유도를 늘릴 수 있다.

한편, 가스 위험 구획측에 설치하는 유압 모터 (50) 는, 전기를 사용하지 않는 구조이므로, 설치 상의 제약을 받는 경우는 없다.

즉, 유압 모터 (50) 로 구동하는 왕복식 펌프 (20) 와, 유압 모터 (50) 에 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛 (53) 의 사이는, 서로를 유압유 공급 배관 (52) 에 의해 접속하여 별도 설치하는 것이 가능하므로, 전기 기기나 감속 기구가 없는 왕복식 펌프 (20) 는, 가스 위험 구역 내로의 설치가 용이해진다.

그리고, 상기 서술한 가스 연료 공급 장치 (10) 를 구비하고, LNG 와 같은 액화 가스를 기화시켜 얻어지는 가스를 연료로 하는 고압 가스 분사 디젤 기관은, 감속 기구나 전동기의 회전수 제어가 불필요해지고, 또한 왕복식 펌프의 가스 위험 구역 내 설치가 용이해진다.

이와 같이, 상기 서술한 본 실시형태에 의하면, 예를 들어 SSD-GI 와 같이, 연소실 내에 천연 가스 등의 가스 연료를 고압으로 공급하여 운전하는 고압 가스 분사 디젤 기관에서, 유압 모터 구동의 왕복식 펌프 (20) 를 사용하여 연료의 액화 가스를 고압화하기 때문에, 왕복식 펌프 (20) 를 가스 위험 구역으로 용이하게 배치하는 것이 가능해진다. 또한, 풀리 방식이나 기어드 방식과 같은 기계식의 감속 기구가 없기 때문에, 벨트 교환이나 기어면 마모에 대한 메인터넌스 작업이 불필요해진다.

또한, 유압 펌프 (51) 에 전동기를 사용하지만, 전동기의 회전수 제어가 불필요한 장치가 되기 때문에, 왕복식 펌프 (20) 를 구동하는 유압 모터 (50) 의 회전수는, 저회전수 영역에서 고회전수 영역까지 광범위에 걸친 고정밀도의 제어가 가능해지고, 광범위에 걸친 고정밀도의 유량 제어가 가능해진다.

또, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 선박의 추진용 주기 (主機) 이외에도 LNG 부체 (浮體) 나 육상 LNG 기지 등의 발전기 구동용 기관에 적용 가능하고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다.

10 : 가스 연료 공급 장치
20 : 왕복식 펌프
23 : 재순환 라인
24 : 흡입 드럼
25 : 재순환 제어 밸브 (유량 조정 밸브)
30 : 가열 장치
40 : 엔진 입구 가스 감압 밸브 (가스 감압 밸브)
50 : 유압 모터
51 : 유압 펌프
53 : 유압 펌프 유닛
63 : 진공 방지 라인
64 : 역지 밸브
67 : 연락 공급 배관
68 : 연락 복귀 배관
80 : 제어부

Claims

고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 가스 연료를 분사하기 위해 액화 가스를 고압으로 공급하는 가스 연료 공급 장치로서,
유압 모터에 의해 구동되어 도입된 액화 가스를 원하는 압력까지 승압하여 토출하는 왕복식 펌프와,
전동기에 의해 구동되는 가변 용량형의 유압 펌프로부터 상기 유압 모터에 구동용의 유압을 공급하는 유압 펌프 유닛과,
상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 기화시키는 가열 장치와,
상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 제어부와,
상기 연소실 내로 분사하는 가스 연료 압력을 조정하는 엔진 입구 가스 감압 밸브를 구비한 가스 연료 공급 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 유압 펌프의 가변 용량 제어에 의해 상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하는 가스 연료 공급 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 왕복식 펌프로 승압된 액화 가스를 상기 가열 장치의 상류측으로부터 분기시켜 흡입 드럼에 흘리는 유량 조정 밸브를 구비한 재순환 라인을 형성하고, 상기 재순환 라인에 도입되는 재순환 유량이, 상기 제어부의 제어 신호에 기초하여 동작하는 상기 유량 조정 밸브에 의해 조정되는 가스 연료 공급 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유압 펌프 유닛과 상기 유압 모터 사이를 접속하는 유압 공급 라인으로부터 분기되어 저압 라인에 접속되고, 상기 유압 공급 라인으로부터 상기 저압 라인을 향하는 방향의 유압 흐름을 저지하는 역지 밸브를 형성한 진공 방지 라인을 구비하고 있는 가스 연료 공급 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 왕복식 펌프, 상기 유압 펌프 유닛 및 상기 가열 장치을 구비하여 이루어지는 복수의 가스 연료 공급 계통을 구비하고, 각 가스 연료 공급 계통의 유압 계통이 상호 이용 가능하게 접속되어 있는 가스 연료 공급 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 엔진 입구 가스 감압 밸브는, 상기 고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 상기 가스 연료를 분사하는 고압 모드와, 상기 가스 연료를 가스 스파크식 오토-사이클 엔진의 연료로서 공급하는 저압 모드를 구비하고 있는 가스 연료 공급 장치.
액화 가스를 기화시켜 얻어지는 가스를 연료로 하여 운전되고, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 가스 연료 공급 장치를 구비하고 있는 고압 가스 분사 디젤 기관.
고압 가스 분사 디젤 기관의 연소실 내로 가스 연료를 분사하기 위해 액화 가스를 고압으로 공급하는 액화 가스 연료 공급 방법으로서,
전동기에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프로부터 공급되는 유압을 받아 운전되는 유압 모터 구동의 왕복식 펌프가, 액화 가스를 도입하여 원하는 토출 압력까지 승압시키는 가스 연료 승압 공정과,
상기 왕복식 펌프로부터 공급되는 승압 후의 액화 가스를 가열하여 가스 연료를 생성하는 가열 기화 공정을 구비하고,
상기 유압 모터의 회전 속도를 조정하여 상기 가열 장치의 가스 연료 출구 압력을 일정하게 유지하면서, 상기 연소실의 입구 근방에 형성한 엔진 입구 가스 감압 밸브를 조작하여, 상기 연소실로 분사하는 가스 연료 압력의 조정이 실시되는 고압 가스 분사 디젤 기관의 액화 가스 연료 공급 방법.