KR20170059709A - 가스 발열량 계산 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
가스 발열량 계산 장치 및 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 가스 발열량 계산 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스를 연료로 하는 엔진을 장착한 선박에 적용되는 가스 발열량 계산 장치 및 방법에 관한 것이다.
해상을 항해하는 선박의 경우 자체적인 추진력을 얻거나 선박 내에서 요구하는 에너지를 생산하기 위하여 엔진을 구비하고 있는데 선박에 구비되는 엔진이 필요로 하는 연료는 오일 및 가스 등을 예로 들 수 있다. 특히, 가스를 연료로 하는 엔진의 경우 엔진에서 배출되는 배기가스의 유해성이 상대적으로 낮다는 장점이 있어, 그 수요가 증가하고 있는 실정이다.
한편, 가스를 연료로 하는 엔진을 구비한 선박의 경우 가스를 액체 상태인 액화가스로 저장하기 위한 저장탱크를 구비하는 것이 일반적이다. 이러한 액화가스로는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas) 또는 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas)를 예로 들 수 있다.
한편, 가스를 연료로 하는 엔진에 공급되는 가스는 조성이나 유량이 일정하지 않는 경우가 대부분이다. 즉, 엔진에 공급되는 가스는 (a) 엔진이 가동되는 정도, 즉, 엔진에 걸리는 부하에 따라, 또는, (b) 엔진에 공급되는 가스가 액화가스를 저장하는 저장탱크 내에서 자연적으로 발생하는 자연 증발가스(Natural Boil-off Gas, 또는 nBOG)인지, 저장탱크 내에 저장된 액화가스를 강제로 기화시켜 발생하는 강제 증발가스(Forced Boil-off Gas, 또는 fBOG)인지에 따라 조성 또는 유량이 일정하지 않는 경우가 많다.
가스를 연료로 하는 엔진의 안정적인 작동이 이루어지기 위해서는 엔진에 공급되는 가스를 계측할 필요가 있다. 특히, 가스의 발열량(Calorific Value)이 계측될 필요가 있는데, 이를 위해 가스를 연료로 하는 엔진이 구비된 선박에는 엔진에 공급되는 가스의 발열량을 측정하기 위한 센싱 장치가 구비되는 경우가 많다.
그러나, 이러한 센싱 장치는 엔진에 공급되는 가스의 발열량을 실시간으로 계측하지 못하고 일정한 시간 간격(예를 들어, 3분 내지 4분)을 두고 측정한다. 따라서, 상기의 (a) 및 (b)의 원인에 의해 엔진에 공급되는 가스의 성질, 특히 발열량이 변함에도 이를 엔진의 구동에 반영하지 못하는 경우 엔진의 성능 저하가 발생하는 문제점이 생긴다.
따라서, 본 발명의 목적은 센싱 유닛에 의해 측정된 엔진에 공급되는 가스의 발열량을 토대로 일정한 시간이 지난 후의, 엔진에 공급되는 가스의 발열량을 계산하는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박용 가스 엔진에 공급되는 가스의 발열량 계산 방법에 있어서, 가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 연료가스 공급 과정은, 액화가스를 저장하는 저장탱크 내부에서 자연 증발하여 발생하는 자연 증발가스를 상기 엔진에 공급하는 자연 증발가스 공급 과정; 및 상기 저장탱크 내부에 저장된 상기 액화가스를 강제 증발시켜 발생하는 강제 증발가스를 상기 엔진에 공급하는 강제 증발가스 공급 과정; 을 포함하고, 상기 엔진이 제1 부하(load) 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제1 발열량을 센싱 장치에 의해 측정하는 단계; 및 상기 엔진이 제2 부하 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제2 발열량을 계산식을 통해 상기 제1 발열량 및 상기 제2 부하 상태로부터 계산하는 단계; 를 포함하는 가스 발열량 계산 방법이 제공된다.
상기 계산식은,
상기 는 을 포함하고, 상기 은 상기 연료가스 공급 과정이 상기 자연 증발가스 공급 과정에서 상기 강제 증발가스 공급 과정으로 전환하는 경우의 값이고, 상기 는 상기 연료가스 공급 과정이 상기 강제 증발가스 공급 과정에서 상기 자연 증발가스 공급 과정으로 전환하는 경우의 값이고, 상기 는 상기 및 의 경우를 제외한 경우의 값이고 상기 는 서로 역수 관계일 수 있다.
상기 센싱 장치는 가스 크로마토그래프 센싱 장치일 수 있다.
상기 발열량은 저위 발열량일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박용 가스 엔진에 공급되는 가스의 발열량 계산 장치에 있어서, 상기 선박에는 가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 연료가스 공급 장치; 가 구비되며, 상기 연료가스 공급 장치는, 액화가스를 저장하는 저장탱크 내부에서 자연 증발하여 발생하는 자연 증발가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 자연 증발가스 공급 장치; 및 상기 저장탱크 내부에 저장된 상기 액화가스를 강제 증발시켜 발생하는 강제 증발가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 강제 증발가스 공급 장치; 를 포함하며, 상기 엔진이 제1 부하(load) 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제1 발열량을 측정하는 센싱 장치; 및 상기 엔진이 제2 부하 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제2 발열량을 상기 제1 발열량 및 상기 제2 부하 상태로부터 계산하는 보정 장치; 를 포함하는 가스 발열량 계산 장치가 제공된다.
상기 보정 장치는,
로 표현되는 계산식에 의해 상기 제2 발열량을 계산하고, 상기 및 는 각각 상기 제1 발열량 및 상기 제2 발열량이고, 상기 및 는 각각 상기 제1 부하 및 상기 제2 부하이고, 상기 는 상기 강제 증발가스의 발열량일 수 있다.
상기 는 을 포함하고, 상기 은 상기 연료가스 공급 과정이 상기 자연 증발가스 공급 과정에서 상기 강제 증발가스 공급 과정으로 전환하는 경우의 값이고, 상기 는 상기 연료가스 공급 과정이 상기 강제 증발가스 공급 과정에서 상기 자연 증발가스 공급 과정으로 전환하는 경우의 값이고, 상기 는 상기 및 의 경우를 제외한 경우의 값이고, 상기 는 서로 역수 관계일 수 있다.
상기 센싱 장치은 가스 크로마토그래프 센싱 장치일 수 있다.
상기 발열량은 저위 발열량일 수 있다.
본 발명에 따르 센싱 유닛에 의해 측정된 엔진에 공급되는 가스의 발열량을 토대로 일정한 시간이 지난 후의, 엔진에 공급되는 가스의 발열량을 계산할 수 있어, 엔진의 로드 또는 가스의 성질 변화가 발생하더라도 엔진의 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 발열량 계산 장치 및 방법이 적용될 수 있는 엔진 및 연료가스 공급 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 액화가스를 기화시킨 가스를 연료로 하는 엔진이 구비되는 선박에 적용될 수 있다. 액화가스는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas) 및 액화석유가스(Liquefied Petroleum)를 포함하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 발열량 계산 장치 및 방법이 적용될 수 있는 선박에 구비되는 가스를 연료로 하는 엔진 및 연료가스 공급 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명이 적용될 수 있는 선박은 저장탱크(1)가 구비된다. 저장탱크(1) 내부에는 액화가스가 저장되어 있다.
저장탱크(1) 내부에 저장된 액화가스가 액체 상태를 유지할 수 있도록 저장탱크(1)에는 통상적으로 저장탱크 내부와 외부간의 열 교환을 차단하는 단열재가 구비된다.
그러나, 이러한 단열재를 구비하더라도 저장탱크의 내부와 외부간의 완벽한 열 교환 차단은 불가능하므로 저장탱크 내부는 외부로부터 지속으로 열을 공급받는데 이로 인해 저장탱크(1) 내에서는 지속적으로 액화가스가 기화하여 발생하는 가스인 자연 증발가스(Natural Boil-off Gas, 또는 'nBOG')가 발생한다. '자연 증발가스'는 후술할, 액화가스를 기화기에 의해 강제로 기화시켜 발생하는 '강제 증발가스(Forced Boil-off Gas, 또는 'fBOG')'와 대비되는 개념이다.
이러한 자연 증발가스가 저장탱크(1)에 지속적으로 누적될 경우 압력 상승으로 인해 저장탱크(1)가 폭발할 위험이 커지는 등의 문제가 발생하므로 이러한 자연 증발가스를 외부로 배출하여 처리할 필요가 있다. 이렇게 저장탱크 외부로 배출된 자연 증발가스를 처리하는 방법은 여러가지가 있는데, 본 발명에 따르면 자연 증발가스는 가스를 연료로 하는 엔진(20)에 공급될 수 있다. 그리고, 자연 증발가스를 엔진(20)에서 요구하는 압력으로 압축하여 공급하기 위한 자연 증발가스 공급 장치(12)가 구비될 수 있다. 자연 증발가스 공급 장치(12)는 자연 증발가스를 엔진(20)에서 요구하는 압력으로 압축하기 위한 자연 증발가스 압축기를 포함할 수 있다.
한편, 엔진(20)에는 이러한 자연 증발가스 뿐만 아니라 저장탱크(1)에 저장된 액화가스를 강제로 기화시킨 강제 증발가스도 공급될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 저장탱크(1)에 저장된 액화가스는 저장탱크(1) 내부에 저장된 액화가스를 강제로 증발시켜 발생하는 강제 증발가스를 엔진에 공급하기 위한 강제 증발가스 공급 장치(14)에 의해 증발가스의 형태로 엔진(20)에 공급될 수 있다. 강제 증발가스 공급 장치(14)는 저장탱크(1)로부터 배출된 액화가스를 압축하기 위한 펌프 및 액화가스를 강제로 기화시키기 위한 기화기를 포함할 수 있다. 한편, 자연 증발가스 공급 장치(12) 및 강제 증발가스 공급 장치(14)는 모두 가스를 연료로 하는 엔진(20)에 연료로서의 증발가스를 공급하기 위한 구성으로서, 연료를 엔진에 공급하기 위한 연료가스 공급 장치(10)를 구성하게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 엔진의 정상적인 구동을 위해서는 엔진(20)에 공급되는 증발가스의 발열량(Carorific Value)가 계측될 필요가 있다. 이를 위하여, 자연 증발가스 공급 장치(12) 및 강제 증발가스의 공급 장치(14)의 하류인 동시에 엔진(20)의 상류인 지점에는 엔진(20)에 공급되는 증발가스의 발열량을 측정하기 위한 센싱 장치(30)가 구비될 수 있다. 센싱 장치(30)는 엔진(20)에 공급되는 증발가스를 측정하여 증발가스에 관한 데이터를 엔진(20)에 전달할 수 있다. 센싱 장치(30)에서 측정된 증발가스에 관한 데이터는 증발가스의 발열량을 계산하기 위해 사용된다. 센싱 장치(30)는 가스 크로마토그래프(Gas Chromatograph) 센싱 장치일 수 있다.
엔진(20)에 공급되는 증발가스는 크게 세가지 모드로 공급될 수 있다. 즉, 엔진에 공급되는 증발가스는, (i) 자연 증발가스 공급 장치(12)에 의해 오직 자연 증발가스로서만, (ii) 강제 증발가스 공급 장치(14)에 의해 오직 강제 증발가스로서만, 또는, (iii) 자연 증발가스 공급 장치(12) 및 강제 증발가스 공급 장치(14)가 동시에 구동됨으로써 자연 증발가스와 강제 증발가스가 동시에, 엔진(20)에 공급될 수 있다.
따라서, 증발가스, 즉, 연료가 엔진(20)에 공급되는 모드는 엔진(20)에 걸리는 부하(Load) 또는 저장탱크(1) 내부의 증발가스의 발생량 등에 따라 가변적일 수 있다. 예를 들어, 연료의 공급 모드가 상기의 (i) 모드에서 (ii) 모드로 전환할 수 있고, 반대로 (ii) 모드에서 (i) 모드로 전환할 수 있다. 또한, (iii) 모드로 구동되더라도 엔진(20)에 걸리는 부하에 따라 증발가스가 엔진에 공급되는 모드가 변화할 수 있다.
전술한 바와 같이 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량을 측정하기 위해 엔진의 상류에는 센싱 장치가 구비될 수 있다. 따라서, 센싱 장치에서 측정된 증발가스에 관한 데이터를 토대로 증발가스의 발열량을 계산하게 된다.
그러나, 종래에는 이러한 센싱 장치에서 측정되는 증발가스에 관한 데이터는 실시간으로 측정되는 것이 아니라 일정한 시간 간격(예를 들어, 3분 내지 4분)을 두고 측정된다. 따라서, 특정 시간에 센싱 장치에서 증발가스에 관한 데이터를 측정한 후 다시 증발가스에 관한 데이터를 측정하는 다음 시간에 도달하기 전에 엔진에 걸리는 부하가 변하거나 증발가스가 엔진에 공급되는 모드가 변하는 경우 이러한 변화에 따른 증발가스 발열량의 변화를 엔진의 구동에 반영할 수 없어 엔진의 성능 저하의 원인이 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 특정 시간에 센싱 장치에서 증발가스에 관한 데이터를 측정한 후 다시 증발가스에 관한 데이터를 측정하는 다음 시간에 도달하기 전에 엔진에 걸리는 부하가 변하거나 증발가스가 엔진에 공급되는 모드가 변하는 경우에도 증발가스의 변화한 발열량을 계산함으로써 엔진의 성능 저하를 최소화할 수 있는 발명이다.
이하, 본 발명에 일 실시예에 따른 가스 발열량 계산 방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따르면 증발가스의 발열량은 다음과 같은 계산식에 의해 계산될 수 있다.
는 나중 상태의 증발가스 발열량(이하, '제2 발열량')이다. 제2 발열량은 엔진에 걸리는 부하의 변화 및 증발가스가 엔진에 공급되는 모드의 변화에 따라 제1 발열량으로부터 변화한 발열량일 수 있다.
는 강제 증발가스의 발열량이다. 강제 증발가스 증발량은 저장탱크에 저장된 액화가스의 상태에 의존하는 값으로서 동일한 액화가스를 사용하는 한, 고정값을 가질 수 있다. 즉, 상기 계산식에 표현된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔진에 걸리는 로드가 변하는 경우 강제 증발가스의 공급량을 조절함으로써 엔진에 공급되는 증발가스의 공급량을 조절한다. 이는, 저장탱크에서 배출되는 자연 증발가스의 공급량은 비교적 일정하기 때문에 강제 증발가스의 공급량을 조절함으로써 엔진에 걸리는 로드의 변화에 대응하는 것이 보다 수월하기 때문인 것으로 볼 수 있다.
는 중 어느 하나인 변수이다. 은 증발가스가 상기의 (i) 모드에서 상기의 (ii) 모드로 전환하여 엔진에 공급되는 경우, 즉, 증발가스가 자연 증발가스로서만 엔진에 공급되다가 강제 증발가스로서만 엔진에 공급되는 경우에 적용된다. 는 증발가스가 상기의 (ii) 모드에서 상기의 (i) 모드로 전환하여 엔진에 공급되는 경우, 즉, 증발가스가 강제 증발가스로서만 엔진에 공급되다가 자연 증발가스로서만 엔진에 공급되는 경우에 적용된다. 는 및 가 적용되는 경우 이외의 경우에 적용된다.
는 1일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 엔진에 걸리는 로드의 변화가 없고(즉, ), 증발가스가 엔진에 공급되는 모드의 변화가 없을 때(즉, ), 가 된다. 이는, 엔진에 걸리는 로드의 변화 및 증발가스가 엔진에 공급되는 모드의 변화가 없는 경우 발열량의 변화 역시 없어야 한다는 것을 의미한다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 계산식의 효용성이 보여질 수 있다.
한편, '발열량'은 해당 물질이 산소와 반응하여 이산화탄소와 물을 생성하는 산화반응을 하였을 때, 발생하는 열 에너지를 의미하는 것으로 해석될 수 있다. 이때, '발열량'은 해당 물질이 산소와 100% 산화 반응을 하여 완전 연소 되는 경우를 기준으로 측정될 수 있을 뿐만 아니라, 엔진, 또는 해당 물질의 특성에 따라 해당 물질이 불완전 연소 되는 경우를 기준으로 측정될 수 있다.
한편, 엔진의 출력은 가스와 공기가 만나 발생하는 연소 반응에 의한 발열량에 비례하는데, 이러한 연소 반응에서는 가 수증기 상태로 존재하는 비교적 고온의 상태에 있다. 그러므로, 연소 반응으로 인해 발생하는 발열량을 고려할 때는, 수증기의 열량이 고려되지 않는 저위 발열량(Lower Calorific Value)로써 고려할 필요가 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 '발열량'은 '저위 발열량'일 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용된 '제1 부하' 및 '제2 부하'는 엔진에 최대로 걸릴 수 있는 부하를 100이라고 했을 때의 상대적인 값을 의미하는 것일 수 있다. 예를 들어, '제1 부하' 또는 '제2 부하'가 60이라는 것은 엔진에 최대로 걸릴 수 있는 부하의 60%에 해당한다는 의미일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른, 이러한 제2 발열량의 계산 과정은 보정 장치에 의해 수행된다. 즉, 본 발명에 따른 보정 장치는 상기의 계산식을 통해, 엔진에 걸리는 로드 또는 증발가스가 엔진에 공급되는 모드가 변하는 경우 제1 발열량을 토대로 제2 발열량을 계산할 수 있다. 본 발명에 따른 보정 장치는 가스를 연료로 하는 엔진이 구비된 선박에 구비될 수 있다.
1 - 저장탱크
10 - 연료가스 공급 장치
12 - 자연 증발가스 공급 장치
14 - 강제 증발가스 공급 장치
20 - 엔진
30 - 센싱 장치
10 - 연료가스 공급 장치
12 - 자연 증발가스 공급 장치
14 - 강제 증발가스 공급 장치
20 - 엔진
30 - 센싱 장치
Claims (14)
- 선박용 가스 엔진에 공급되는 가스의 발열량 계산 방법에 있어서,
가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 연료가스 공급 과정은,
액화가스를 저장하는 저장탱크 내부에서 자연 증발하여 발생하는 자연 증발가스를 상기 엔진에 공급하는 자연 증발가스 공급 과정; 및
상기 저장탱크 내부에 저장된 상기 액화가스를 강제 증발시켜 발생하는 강제 증발가스를 상기 엔진에 공급하는 강제 증발가스 공급 과정; 을 포함하고,
상기 엔진이 제1 부하(load) 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제1 발열량을 센싱 장치에 의해 측정하는 단계; 및
상기 엔진이 제2 부하 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제2 발열량을 계산식을 통해 상기 제1 발열량 및 상기 제2 부하 상태로부터 계산하는 단계; 를 포함하는,
가스 발열량 계산 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 센싱 장치는 가스 크로마토그래프 센싱 장치인,
가스 발열량 계산 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 발열량은 저위 발열량인,
가스 발열량 계산 방법. - 선박용 가스 엔진에 공급되는 가스의 발열량 계산 장치에 있어서,
상기 선박에는 가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 연료가스 공급 장치; 가 구비되며,
상기 연료가스 공급 장치는,
액화가스를 저장하는 저장탱크 내부에서 자연 증발하여 발생하는 자연 증발가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 자연 증발가스 공급 장치; 및
상기 저장탱크 내부에 저장된 상기 액화가스를 강제 증발시켜 발생하는 강제 증발가스를 상기 엔진에 공급하기 위한 강제 증발가스 공급 장치; 를 포함하며,
상기 엔진이 제1 부하(load) 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제1 발열량을 측정하는 센싱 장치; 및
상기 엔진이 제2 부하 상태로 구동될 때 상기 연료가스 공급 시스템으로부터 상기 엔진에 공급되는 증발가스의 발열량인 제2 발열량을 상기 제1 발열량 및 상기 제2 부하 상태로부터 계산하는 보정 장치; 를 포함하는,
가스 발열량 계산 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 센싱 장치은 가스 크로마토그래프 센싱 장치인,
가스 발열량 계산 장치. - 청구항 8에 있어서,
상기 발열량은 저위 발열량인,
가스 발열량 계산 장치.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150163990A KR20170059709A (ko) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | 가스 발열량 계산 장치 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020150163990A KR20170059709A (ko) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | 가스 발열량 계산 장치 및 방법 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20170059709A true KR20170059709A (ko) | 2017-05-31 |
Family
ID=59052575
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020150163990A KR20170059709A (ko) | 2015-11-23 | 2015-11-23 | 가스 발열량 계산 장치 및 방법 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20170059709A (ko) |
-
2015
- 2015-11-23 KR KR1020150163990A patent/KR20170059709A/ko unknown
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