KR20150016571A

KR20150016571A - 가스 공급 장치

Info

Publication number: KR20150016571A
Application number: KR1020147035376A
Authority: KR
Inventors: 라이너 쉐위링; 아네테 칼스바흐; 토마스 클릭; 한스-크리스티안 하르만-퀸
Original assignee: 티지이 마린 개스 엔지니어링 게엠베하; 라이너 쉐위링
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2015-02-12
Also published as: CN104350322B; CN104350322A; EP2815168B1; ES2559835T3; WO2013170964A1; DK2815168T3; KR101648856B1; EP2815168A1; PL2815168T3; JP6026648B2; US9534736B2; JP2015517634A; US20150121903A1

Abstract

본 발명은, 저온 냉각된 액화 가스를 포함하는 저장 탱크(1)로부터, 가스의 압력과 질량 유량(mass flow)에 대한 요건이 크게 변하는 적어도 하나의 소비자(8)로, 제어된 압력의 기화 형태로 가스를 공급하는 장치에 관한 것으로, 액화 가스를 위해 상기 저장 탱크(1)에 연결되는 고압 펌프(3)로서, 상기 액화 가스를 저장 탱크(1)로부터 이송하여, 상기 액화 가스의 압력을 증가시키는 고압 펌프(3), 상기 고압 펌프(3)에 의해 이송된 액화 가스의 질량 유량을 조절하기 위한 조절 장치(19), 상기 고압 펌프(3) 다음에 연결된 압력이 증가한 액화 가스를 위한 증발기(6), 상기 증발기(6) 다음에 연결되어 배출부가 소비자(8)와 연결될 수 있는 기화된 가스를 위한 압력 조절 밸브(10), 제어 변수가 압력 조절 밸브(10) 후방의 기화된 가스의 압력인 제1 조절기(11)로서, 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수는 압력 조절 밸브(10)에 제공되는, 제1 조절기(11), 제어 변수가 상기 고압 펌프(3)와 압력 조절 밸브(10) 사이의 가스 압력인 제2 조절기(15)로서, 상기 제2 조절기(15)의 보정 변수는 질량 유량을 위한 조절 장치(19)에 제공되는, 제2 조절기(15), 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수를 추가로 질량 유량을 위한 조절 장치(19)에 제공하도록, 상기 제1 조절기 및 제2 조절기(11, 15)의 보정 변수를 조합하는 수단(17)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 공급 장치{DEVICE FOR SUPPLYING GAS}

본 발명은 저온 냉각된 액화 가스, 특히 액화 천연 가스(LNG)의 저장소로부터 소비자에게 가스를 공급하기 위한 장치에 관한 것이다. 연소 가스, 예를 들어 모터를 사용하는 소비자의 경우가 여기에 해당한다. 또한, 예를 들어 퍼지 가스(purge gas)를 필요로 하는 또 다른 소비자가 고려될 수 있다. 소비자에게 필요한 것은, 소비자에 의해 설정된, 그리고 정확하게 유지될 수 있는 압력으로 소비자에게 공급되는 것이며, 이러한 압력은 소비자의 작업 상황에 따라 시간상으로 변하며, 또한 갑작스런 변화를 경험할 수도 있다. 일시적인 가스 요구량, 즉 가스의 질량 유동(mass flow)는 일반적으로 항구적이지 않고 소비자의 부하에 의존한다.

본 발명에 적합한 전형적인 소비자는 선박 구동 장치, 또는 선택적으로 가스로 작동되는 전력을 생산하는 작은 발전기용 디젤 엔진이며, 모든 작업 사이클에서 디젤 오일, 소위 파일럿 유(pilot oil)를 사용하는 실린더에 추가로 고압의 일정량 가스가 유입되는 방식으로 실시된다. 이러한 엔진의 가스 수요는 특히 빠르게 변할 수 있다. 요구되는 압력은 엔진의 개별 성능에 의해 좌우되고, LNG의 경우 일반적으로 150 내지 300 bar이다. 특히, 압력 발생시 그리고 가스 질량 유량의 뚜렷하게 심한 변화는 예를 들어 발전기를 사용하는 다수의 소비자, 예를 들어 비상 차단 때문에 이러한 소비자 또는 엔진에 갑자기 가스 공급이 중단되는 경우이다. 그러한 소비자에게 가스를 공급하기 위한 장치는 그러한 변화에 보조를 맞춰야만 한다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안은 소비 패턴을 조절하기 위해 기화된, 즉 가스 형태의 대량의 가스가 소비자의 최대 압력에 맞춰진 높은 압력으로 지속적으로 제공되도록 하는 것이다. 그러나, 이러한 방식은 기술 안전상 매우 많은 비용이 발생하며, 그 이유는 일반적으로 높은 압력에 있는 많은 양의 가스가 위험하기 때문이다.

또 다른 해결 방안은 실제로 필요한 대량의 유동 가스와 관련하여 아직 액화 상태의 가스를 펌프를 이용하여 압력을 가하며, 과잉 상태의 가스를 저장 탱크로부터 공급받고, 필요하지 않은 일정량을 다시 저장 탱크로 되돌려 보내는 것이다. 상기 액화 가스는 압력 증가로 인해 가열되기 때문에 열이 계속해서 저온 냉각된 액화 가스의 탱크로 유입되며, 저장 탱크에 원치 않는 배기 가스, 소위 보일-오프-가스가 형성되는 결과를 수반한다. 이것은 전술한 것과 관련된 압력 상승 때문에 높은 압력을 위해 설계되지 않은 저장 탱크에서, 특히 선박의 바닥에서 문제가 발생할 수 있는 위험 요인이 된다.

압력 하에 있는 버퍼량(buffer quanties) 유지가 포기될 경우, 그리고 공급된 가스의 압력과 질량 유량(mass flow)에 대한 소비자의 요구를 단지 종래의 제어 기술 수단을 통해 충족시키려 한다면, 곧바로 한계에 도달하게 된다. 제어는 짧게, 즉 몇 초 이내에 진행되는 압력 상승 또는 압력 감소를 재생하기 위해 매우 느리거나, 또는 제어가 가스 압력의 제어 되지 않은 진동을 야기하기도 한다.

청구항 1에 한정된 본 발명에 따른 장치는 소비자에게 전달되는 가스의 압력을 소비자 요구사항에 대응하여 정확하게 유지할 수 있고, 또한 정적 및 동적 가스 압력 정확성과 관련하여 매우 높은 요건을 가지는 까다로운 소비자, 예를 들어 디젤-가스 엔진의 경우에도 정확하게 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 경우, 공지된 방식대로 우선 액화 가스가 높은 압력으로 제공되고, 이어서 고압 상태에서 예를 들어 열 교환기(heat exchanger)를 통한 열 공급을 통해 기화, 즉 가스 형태의 상태로 변형된다. 두 개의 조절기(controller)가 제공되며, 그 중 제1 조절기는 소비자에게 전달되는 가스 압력을 유동 방향으로 증발기(evaporator)의 후방에 위치된 압력 조절 밸브를 통해 조절하는 반면, 제2 조절기는 고압 펌프에 의해 이송된 가스의 질량 유량(mass flow)을 조절함으로써 압력 조절 밸브 전방 및 압력 증가를 위해 이용되는 고압 펌프 후방의 가스 압력을 조절한다. 본 발명에 따른 장치의 경우, 이러한 질량 유량은 상기 제2 조절기의 보정 변수에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라, 추가로 상기 증발기 후방의 압력 조절 밸브에 작용하는 제1 조절기의 보정 변수에 의해서도 영향을 받는다.

가스의 질량 유량의 조절은 동시에 가스의 체적 유량 조절을 의미하는데, 그 이유는 두 변수들은, 비례 요소로서 조절 장소에서, 밀도, 더 정확하게는 가스 질량의 부피 밀도와 서로 비례하기 때문이다.

상기 두 조절기의 보정 변수 조합을 위한 바람직한 수단은 청구항 2, 3 및 4에서 특징적으로 기재되어 있다. 질량 유량은 바람직하게는 두 보정 변수의 합에 의해 좌우되며, 경우에 따라 질량 유량을 위한 조절 장치의 허용된 신호 범위에 대응하는 합의 한계치를 가지고, 및 경우에 따라 보정 변수가 또한 질량 유량의 조절을 위해 사용되는 한, 특히 바람직하게는 동적인 전달 기능에 따른 제1 조절기의 보정 변수의 개별 영향을 가진다.

청구항 6에 따르면, 질량 유량 조절은 바람직하게는 질량 유량을 결정하는 고압 펌프의 회전수를 통해 실시되며, 이는 상기 고압 펌프의 구동을 위해 배열된 일반 속도 조절기와 함께 전기 모터가 제공됨으로써 실시되고, 상기 두 보정 변수의 조합은 상기 속도 조절기의 회전수 조절을 위해 사용된다.

청구항 7에 따른 본 발명의 장치의 또 다른 형태는 상기 장치의 계속되는 "초과 작동"을 가능하도록 하는 것을 목적으로 하지 않는다. 오히려, 이러한 형태는 보통의 고압 펌프가 질량 유량의 하한값을 가지고 이러한 하한값 미만에서 고압 펌프는 더 이상 만족스럽게 작동하지 않는 상황을 고려하고 있다. 즉, 상기 펌프가 미달할 수 없는 가장 적은 가스의 질량 유량이 존재한다. 일반적으로, 제3 조절기는, 소비자가 질량 유량이 고압 펌프의 최소값 이하의 낮은 질량 유량을 요청할 경우에만 작동하며, 연관한 제2 압력 조절 밸브를 개방하기 시작하여, 액화 가스를 저장 탱크로 피드백함으로써 실시된다.

제2 조절기 및 제3 조절기는 각각 고유한 압력 센서를 가질 수 있으나, 바람직하게는 공통의 압력 센서에 연결된다. 기본적으로, 상기 압력 센서가 유동 방향으로 증발기 전방에 배열되든 또는 후방에 배열되든 이것은 중요하지 않다. 바람직한 실시 형태에서, 상기 압력 센서는 액화 가스의 압력을 증발기 전방에서 측정한다.

청구항 6 및 8에 특징적으로 기재되어 있는 설정 값은 본 발명에 따른 장치의 규칙적인 작동에 적용된다. 또한, 또 다른 실시 형태, 즉 지속적이거나 또는 특정 예외적인 경우, 예를 들어 소비자가 비상 차단할 경우, 빠른 가스 차단 또는 장치의 배출부에서 가스 압력의 매우 빠른 변화가 일어날 경우에도 적합하다.

본 발명에 따른 장치는 바람직하게는 선박에서 액화 천연 가스(LNG)를 선박 구동 장치에 공급하기 위해 사용되는데, 특히 선박 구동 장치가 전술한 방식의 디젤 오일 및 가스로 작동되는 소위 MEGI-엔진을 포함하는 경우에 해당한다. 이러한 엔진은 미리 정해진 높은 정확성을 갖는 압력을 위해 입력부의 LNG가 상기 엔진에서 처리되도록 실시된다. 압력 값은 큰 압력 범위에서 일반적으로 150 내지 300 bar로 강하게 변할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 빠른 압력 램프 코스를 정확하게 따를 수도 있다. 이것은 본 발명에 따른 장치의 경우 비록 선박 엔진에 의해 이송된 질량 유량이 압력 요구 사항과 무관하게 완전히 서로 다를 수 있다고 하더라도 달성될 수 있다.

또한, 최근에는 LPG(주 구성 성분으로서 프로판, 프로펜, 부탄, 부텐, 이소부탄 및/또는 이소부텐을 갖는 고전적 천연 가스)로 연소 되는 엔진을 장착한 선박 구동 장치에 대한 논의가 있었다. 이러한 매체의 경우, 필요한 압력 레벨은 LNG보다 매우 높으며 600 bar까지 달한다. 다른 한편, 가장 낮은 온도는 LNG 만큼 낮지 않기 때문에 보일-오프-가스의 문제는 거의 언급되지 않았다. 그럼에도 대응하는 선박 엔진에 가스를 공급하기 위한 본 발명에 따른 장치는 공지된 장치보다 선호될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 설명된다. 첨부된 유일한 도면은 본 발명에 따른 장치의 공정 흐름도를 도시한 것이다.

저장 탱크(1)에는 액화 천연 가스(LNG)가 저장되어 있다. 고압 펌프(3)가 배출 라인(2)을 통해 저장 탱크(1)에 연결되어 있으며, 상기 고압 펌프는 전기 모터(4)에 의해 작동된다. 연결 라인(5)은 고압 펌프의 배출부로부터 증발기(6) 방향으로 가이드 되어 있다. 배출 라인(7)은 증발기(6)로부터 디젤 엔진 형태의 소비자(8) 방향으로 가이드 되며, 상기 디젤 엔진은 추가로 고압 가스로 작동될 수 있다. 또한, 상기 고압 펌프의 배출부에 댐퍼(9)가 연결되어 있다.

전기 모터(4)에 의해 작동되는 고압 펌프(3)는 저온 냉각된 액화 가스를 상기 저장 탱크(1)로부터 끌어내고 높은 압력 상태를 유지한다. 부분적으로 액화 가스 및 부분적으로 자가 기화된 가스로 채워진 탱크로서 댐퍼(9)는 액화 가스에서 발생한 압력 진동을 흡수한다. 액화 가스는 고압 펌프(3)로부터 라인(5)을 지나 증발기(6)에 도달한다. 증발기는 상세하게 도시되어 있지 않지만 열 교환기를 포함하며, 열 교환기를 통해 액화 가스가 가열되어 기화된다. 기화된 가스, 즉 가스 형태로 고압 펌프(3)에 의해 생성된 높은 압력을 갖는 이러한 가스는 배출 라인(7)을 통해 디젤-가스 엔진(8)에 도달한다.

상기 배출 라인(7)에는 압력 조절 밸브(10)가 삽입되어 있으며, 이 압력 조절 밸브(10)는 제1 조절기(11)에 의해 조절된다. 상기 조절기(11)는 제어 변수로서 압력 센서(12)를 통해 압력 조절 밸브(10) 후방의 유동 방향의 가스 압력을 측정하고, 이로부터 그리고 외부에서 제공된 설정 값(SP1)으로부터 압력 조절 밸브(10)를 위한 보정 변수를 형성한다.

제2 조절기(15)는 제어 변수로서 압력 센서(16)를 통해 연결 라인(5)에 있는 액화 가스의 압력을 측정하고, 이로부터 그리고 외부에서 제공된 설정 값(SP2)으로부터 보정 변수를 형성하며, 이러한 제어 변수는 가산기(17)의 입력부 가운데 하나의 입력부에 도달한다. 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수는 전달 요소(13)를 통해 가산기(17)의 또 다른 입력부에 도달한다. 상기 전달 요소(13)는 이러한 보정 변수를 수정하고, 상기 보정 변수는 장치의 개별 상태에 맞게 조절될 수 있는 전달 요소에서 실시된 동적인 전달 기능에 따라 상기 가산기(17)에 공급된다.

상기 전기 모터(4)를 위한 속도 조절기(19)가 제한기(18)를 통해 가산기(17)의 출력부에 연결된다. 상기 제한기(18)는 가산기(17)에서 형성된 두 보정 변수의 합을 상기 속도 조절기(19)의 허용된 신호 범위로 제한한다. 상기 속도 조절기(19)는 예를 들어 주파수 컨버터로서 형성되며, 상기 주파수 컨버터는 전기 모터(4)에 공급된 공급 전류의 주파수를 통해 전기 모터의 회전수를 조절기(11 및 12)의 두 보정 변수의 제한된 총계에 따라 조절하고, 고압 펌프(3)에 의해 이송된 액화 가스의 질량 유량(mass flow) 또한 조절한다.

마지막으로, 제2 압력 조절 밸브(20)가 상기 연결 라인(5)에 연결되어 있으며, 이 압력 조절 밸브의 배출부는 리턴 라인(22)을 통해 저장 탱크(1)에 연결되어 있다. 상기 압력 조절 밸브(20)가 개방될 경우, 액화 가스는 리턴 라인(22)을 통해 저장 탱크(1) 방향으로 유동할 수 있다. 상기 압력 조절 밸브(20)는 제3 조절기(21)의 보정 변수를 통해 작동되며, 제3 조절기(21)는 제어 변수로서 제2 조절기(15)와 같이 압력 센서(16)를 통해 고압 펌프(3) 후방에서 액화 가스의 압력을 획득하고, 이로부터 그리고 외부에서 제공된 설정 값(SP3)으로부터 압력 조절 밸브(20)를 위한 보정 변수를 형성한다.

일반적으로, 상기 제2 조절기(15)의 설정 값(SP2)은 제1 조절기(11)의 설정 값(SP1)보다 높고, 제3 조절기(21)의 설정 값(SP3)은 제2 조절기(15)의 설정 값(SP2)보다 높다.

제1 및 제2 조절기(11 및 15)는 함께 기화된 가스의 압력을 조절하고, 기화된 가스는 디젤-가스 엔진(8)에 도달한다. 제3 조절기(21)는 고압 펌프(3)가 낮은 한계 속도에 도달하고 따라서 단지 펌프의 영향으로 인해 압력이 더 이상 감소할 수 없을 경우, 고압 펌프(3)의 배출부에서 가스 압력을 감소시킨다.

제1 조절기(11)는 표준 산업용 Pl-조절기로 형성되어, 빠른 파라미터화, 높은 증폭 계수 및 낮은 적분 시 상수를 위해 조절된다.

제2 조절기(15)는 일반적인 부가 기능을 갖춘 산업용 PlD-조절기로서 형성되어, P-조절기로서 작동한다. 이것은 제3 조절기(21)에도 동일하게 적용된다.

압력, 온도, 가스의 질량 유량(mass flow), 및 두 하중 조건에서 고압 펌프의 회전수에 대한 전형적인 값은 아래와 같다.

1) 하중 조건 25%:

압력:

고압 펌프 전 5.4 bar

고압 펌프 후 203 bar

증발기 후 202 bar

디젤-가스 엔진 전 174 bar

온도:

고압 펌프 전 -157℃

고압 펌프 후 -145℃

증발기 후 50℃

질량 유량(mass flow):

리턴 라인(22) 650 kg/h

배출부 라인(7) 1140 kg/h

회전수:

150 m^-1

2) 하중 조건 85%:

압력:

고압 펌프 전 5.4 bar

고압 펌프 후 291bar

증발기 후 289bar

디젤-가스 엔진 전 278bar

온도:

고압 펌프 전 -157℃

고압 펌프 후 -141℃

증발기 후 50℃

질량 유량(mass flow):

배출부 라인(7) 3580 kg/h

회전수:

300 m^-1

3. 조절 성능

본 실시 예에 따른 장치의 경우, 요구된 설정 값에 대한 압력 및 가스의 질량 유량의 최대 편차는 정적 1% 미만 동적 5% 미만 이었다.

동적인 조절 성능의 조사는 두 경우, 즉 소비자 측의 파워 증가가 2분 내에 0에서 100%인 경우, 및 소비자 측의 파워 감소는 - 비상 차단의 시뮬레이션으로서 - 10초 내에 100%에서 0%인 경우에 기초하였다.

Claims

저온 냉각된 액화 가스를 포함하는 저장 탱크(1)로부터, 가스의 압력과 질량 유량(mass flow)에 대한 요건이 크게 변하는 적어도 하나의 소비자(8)로, 제어된 압력의 기화 형태로 가스를 공급하는 장치로서,
액화 가스를 위해 상기 저장 탱크(1)에 연결되는 고압 펌프(3)로서, 상기 액화 가스를 저장 탱크(1)로부터 이송하여, 상기 액화 가스의 압력을 증가시키는 고압 펌프(3),
상기 고압 펌프(3)에 의해 이송된 액화 가스의 질량 유량을 조절하기 위한 조절 장치(19),
상기 고압 펌프(3) 다음에 연결된 압력이 증가한 액화 가스를 위한 증발기(6),
상기 증발기(6) 다음에 연결되어 배출부가 소비자(8)와 연결될 수 있는 기화된 가스를 위한 압력 조절 밸브(10),
제어 변수가 압력 조절 밸브(10) 후방의 기화된 가스의 압력인 제1 조절기(11)로서, 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수는 압력 조절 밸브(10)에 작용하는, 제1 조절기(11),
제어 변수가 상기 고압 펌프(3)와 압력 조절 밸브(10) 사이의 가스 압력인 제2 조절기(15)로서, 상기 제2 조절기(15)의 보정 변수는 질량 유량을 위한 조절 장치(19)에 작용하는, 제2 조절기(15),
상기 제1 조절기(11)의 보정 변수를 추가로 질량 유량을 위한 조절 장치(19)에 작용하도록, 상기 제1 조절기 및 제2 조절기(11, 15)의 보정 변수를 조합하는 수단(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 질량 유량을 위한 조절 장치(19)의 상류에는, 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수와 제2 조절기(15)의 보정 변수를 위한 가산기(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제2항에 있어서,
상기 질량 유량을 위한 조절 장치(19)의 허용된 신호 범위내에 두 보정 변수들의 합을 유지하는, 두 제어 변수들을 위한 신호 제한기(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
전달 요소(13)를 구비하며, 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수가 상기 질량 유량을 위한 조절 장치(19)에 작용하는 한, 상기 전달 요소의 전달 기능이 상기 제1 조절기(11)의 보정 변수를 변형시키는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 조절기(15)의 설정 값(SP2)은 상기 제1 조절기(11)의 설정 값(SP1) 보다 높은 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
고압 펌프(3)의 구동을 위한 모터(4)를 구비하고, 상기 모터(4)의 회전수는 상기 고압 펌프(3)에 의해 이송되는 액화 가스의 질량 유량을 결정하며,
상기 질량 유량을 위한 조절 장치로서 상기 모터를 위한 속도 조절기(19)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고압 펌프(3) 다음에 이어지는 제2 압력 조절 밸브(20)를 구비하고, 상기 제2 압력 조절 밸브의 배출부에는 상기 저장 탱크(1)로 이어지는 액화 가스를 위한 리턴 라인(22)이 연결되며,
제어 변수가 상기 제2 압력 조절 밸브(20) 전방의 액화 가스 압력인 제3 조절기(21)를 구비하고, 상기 제3 조절기(21)의 보정 변수는 상기 제2 압력 조절 밸브(20)에 작용하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제7항에 있어서,
상기 제3 조절기(21)의 설정 값(SP3)은 상기 제2 조절기(15)의 설정 값(SP2) 보다 높은 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 제2 조절기(15) 및 제3 조절기(21)는 제어 변수를 위해 공통의 압력 센서(16)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 공급 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 가스 공급 장치를, 하나의 선박 디젤 엔진 또는 일 그룹의 선박 디젤 엔진들에 제2 또는 대체 연료로서 가스를 공급하는 사용하는 방법.