KR20180093403A - 선박용 엔진의 연료가스 공급방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법에 관한 것으로서, 특히 고압펌프와 기화기를 통해 LNG저장탱크로부터 강제 기화되어 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 구하는 메탄가 판정 단계, 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가로부터 필요한 불활성가스 주입량을 산정하는 불활성가스 필요주입량 산정 단계, 상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 산정된 주입량에 해당하는 불활성가스를 LNG저장탱크로부터 강제 기화된 연료가스보다 높은 압력을 갖도록 압축하여 연료가스에 주입하는 불활성가스 주입 단계를 포함한다.

Description

선박용 엔진의 연료가스 공급방법{FUEL GAS SUPPLY METHOD FOR SHIP ENGINE}
본 발명은 선박용 엔진의 연료가스 공급방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압펌프와 기화기를 통해 LNG저장탱크로부터 강제 기화시켜 엔진에 연료가스를 공급하는 경우 연료가스의 메탄가를 조절하여 엔진의 노킹현상을 방지하는 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane, CH4)을 주성분으로 하는 천연가스를 저장과 운송을 손쉽게 하기 위해 약 -162℃로 냉각하여 액체로 응축한 것이다. LNG는 가스 상태에서의 천연가스의 1/600 가량의 부피를 갖는다. 이러한 점 때문에 파이프라인이 존재하지 않는 먼 거리 수송의 경우 LNG가 비용적으로 효과가 있게 되며, 운송수단으로는 예를 들어 LNG를 해상으로 수송할 수 있는 LNG 운반선이 사용된다.
LNG의 액화온도는 -162℃의 극저온이므로 LNG저장탱크의 단열 구조에도 불구하고 지속적으로 전달되는 외부의 열로 인해 LNG저장탱크 내 LNG는 지속적으로 자연 기화되면서 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다. 증발가스는 일종의 손실로서 수송효율에 있어서 중요한 문제이며 축적된 증발가스는 탱크 내압을 상승시켜 탱크를 파손할 수도 있기 때문에, 증발가스를 처리하기 위한 다양한 방법이 연구된다. 그 중 하나가 증발가스를 선박 엔진의 에너지원으로 사용하는 것이다.
선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 이중연료디젤(Duel Fuel Diesel Generator, 이하 "DFDG"라 부른다)엔진과 전자제어식 가스분사(Man Electronic Gas-Injection, 이하 "ME-GI"라 부른다)엔진 등이 있다. DFDG는 발전용으로 사용되고 4행정으로 구성된다. 비교적 저압인 6bar 내외의 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다. ME-GI 엔진은 추진용으로 사용되고 2행정으로 구성된다. 300bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
LNG 운반선의 엔진 연료 공급 시스템으로 증발가스가 많은 경우에는 5단 압축기를 사용하여 ME-GI가 필요로 하는 300bar 내외의 연료가스를 공급하고 5단 압축기의 3단에서 분지하여 DFDG가 필요로 하는 6bar 내외의 연료가스를 공급하며, 증발가스가 적은 경우에는 HP Pump(High Pressure Pump)를 사용하여 액체 상태인 LNG를 가압하고 HP Vaporizer(High Pressure Vaporizer)를 통해 이를 증발시켜 ME-GI에 공급하고, 증발시킨 고압의 연료가스를 감압하여 DFDG에 공급하는 방식이 알려져 있다.
그러나 HP Pump를 사용하는 운전시 LNG저장탱크로부터 발생하는 연료가스에는 부탄 또는 펜탄과 같이 탄소가가 높은 물질이 포함되어 있기 때문에 메탄가(Methane Number, MN)가 상대적으로 낮다. 연료가스의 메탄가는 오토 사이클을 따르는 엔진의 운전에서 연료의 연소 품질을 결정하는 가장 중요한 요소로서, 엔진 제작사에서는 메탄가가 80이상인 연료유를 사용하도록 권장하고 있다. 80이하의 메탄가는 오토 사이클을 사용하는 4행정 엔진에서 설계된 압축비에 도달하기 전(피스톤이 상사점에 이르기 전) 폭발하여 엔진에 무리를 일으키는 노킹현상을 유발하다. 엔진에서 노킹현상이 발생하는 경우 엔진 제어 시스템은 충격센서를 통해 그 강도와 주기를 감지하고 일정 수준 이상의 노킹이 발생하는 경우 노킹이 없어질 때까지 연료가스 주입량을 감소시키며, 엔진에서 연소되는 연료의 양을 줄이는 것은 결과적으로 엔진의 출력을 감소시켜 디레이팅(De-rating)된 상태에서 운전하게 한다.
탄소가가 높은 물질이 포함된 연료가스를 사용하는 경우 연소성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 방안과 관련 있는 종래기술로 기액 분리기를 설치하고, 기액 분리기의 기체 배출 배관에 질소나 이산화탄소와 같은 불활성 가스를 주입하는 기술이 알려져 있다. 그러나 이러한 방법은 5단 압축기를 사용하는 모드에서는 사용이 가능하나, HP Pump를 사용하여 LNG를 기화시키는 시스템에서는 HP Pump의 특성상 Pump의 흡입측에 기액 분리기를 설치할 수 없어 적용이 불가능한 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0035223호
본 발명은 증발가스가 많은 경우 다단 압축기를 통해 증발가스를 압축하여 연료가스로 공급하고, 증발가스가 적은 경우 HP Pump와 HP Vaporizer를 통해 LNG를 가압하고 증발시켜 연료가스로 공급하는 시스템에서 DFDG로 공급되는 LNG 강제기화가스의 메탄가 저하로 인한 엔진의 노킹 및 디레이팅을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 방법은 고압펌프와 기화기를 통해 LNG저장탱크로부터 강제 기화되어 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 구하는 메탄가 판정 단계, 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가로부터 필요한 불활성가스 주입량을 산정하는 불활성가스 필요주입량 산정 단계, 상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 산정된 주입량에 해당하는 불활성가스를 LNG저장탱크로부터 강제 기화된 연료가스보다 높은 압력을 갖도록 압축하여 연료가스에 주입하는 불활성가스 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 필요한 불활성가스 주입량은 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이하인 경우 메탄가를 상기 기준치로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량으로 결정한다.
바람직하게는 상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 필요한 불활성가스 주입량은 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이상인 경우 엔진노킹을 없애기 위해 요구되는 메탄가로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량으로 결정한다.
바람직하게는 상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 필요한 불활성가스 주입량은 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이하인 경우 메탄가를 상기 기준치로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량과, 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이상이라도 엔진노킹을 없애기 위해 요구되는 메탄가로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량 중 큰 것으로 결정한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 방법은, 액화천연가스를 압축 후 기화시켜 엔진을 공급하는 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법에 있어서, 액화천연가스가 압축 후 기화된 연료가스의 유량과, 상기 연료가스의 조성과, 상기 연료가스와 혼합되는 불활성가스의 유량에 의해, 상기 연료가스의 메탄가 상승이 필요한지 여부와, 상기 연료가스의 메탄가 상승을 위해 필요로 하는 적정 불활성가스 주입량을 산정한다.
본 발명의 선박용 엔진의 연료공급 방법에 따르면, 고압펌프와 기화기를 사용하여 저장탱크의 LNG를 강제기화시켜 엔진의 연료가스로 사용하는 연료공급 시스템에서도 불활성가스의 주입을 통해 메탄가를 향상시켜 엔진의 노킹 및 디레이팅을 방지하는 것이 가능하다. 강제기화가스의 저메탄가로 인한 엔진의 운전 제약으로 인해 불가피하게 Fuel Oil Mode로 운전해야 하는 시간을 줄임으로써 결과적으로 연료비를 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 방법의 흐름도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로써 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 엔진의 연료 공급 시스템의 개략 구성도가 도시되어 있다.
LNG를 저장하는 저장탱크(1)에서 발생되어 배출된 증발가스는 증발가스 공급라인(L1)을 따라 이송되어 압축기(11)에 의해 대략 300bar 정도의 고압으로 압축된 후 제1분기라인(L11)을 통해 제1 엔진에 연료로서 공급된다.
제1 엔진은 ME-GI엔진일 수 있고, ME-GI엔진은 추진을 위해 프로펠러에 직결되어 사용될 수 있으며, 이를 위해 ME-GI엔진은 저속으로 회전하는 2행정 엔진으로 이루어진다.
압축기(11)는 하나 이상으로 구성될 수 있으며 압축되면서 온도가 상승한 증발가스를 냉각시키기 위한 하나 이상의 냉각기(12)를 추가로 포함할 수 있다. 도 1에서는 5개의 압축기(11)와 5개의 냉각기(12)를 포함하는 다단 압축 시스템이 예시되어 있지만, 압축기와 냉각기의 개수는 필요에 따라 변경될 수 있다.
한편, 압축기(11)에서 압축되거나 단계적으로 압축되고 있는 중간단계의 증발가스를 제2분기라인(L12)을 통해 분기시켜 증발가스 소비수단인 제2 엔진에서 연료로서 사용한다. 본 실시예에서는 5개 압축기(11) 중 3단 압축기 후단에서 분기되어 제2 엔진으로 연료 공급되는 것으로 구성하고 있다.
제2 엔진은 DFDG일 수 있고, DFDG는 디젤유와 천연가스를 혼합하여 연료로 사용하는 것으로 대략 6bar 정도의 저압으로 연료가스를 압축하여 공급하면 된다. DFDG는 구동력에 의해 발전기를 구동시켜 전력을 얻고, 이 전력은 배전반으로 이동되어 이용하여 추진용 모터를 구동시키거나 각종 장치나 설비를 운전한다.
또한, 제1 엔진과 제2 엔진에서 요구하는 연료로서의 증발가스의 양이 저장탱크(1)에서 자연적으로 발생하는 증발가스의 양보다 많을 경우에는 저장탱크(1)에 저장된 LNG를 강제기화라인(L2)을 따라 압축하고 기화시켜 연료가스를 공급하게 된다. 기화된 연료가스는, 강제기화라인(L2)을 따라 제1 엔진에 연료로 공급되고, 일부는 강제기화라인(L2)으로부터 분기하여 강제기화분기라인(L21)을 따라 제2 엔진에 연료로 공급된다.
강제기화라인(L2)은 고압펌프(21) 및 기화기(22)로 구성된다. 고압펌프(21)는 강제기화라인(L2)에서 LNG의 이송에 필요한 펌핑력을 제공하고 LNG를 가압시킨다. 기화기(22)는 고압펌프(21) 후단에 설치됨으로써 고압펌프(21)에 의해 이송되는 LNG를 기화시킨다. 기화기(22)에서는 예를 들어 순환 공급되는 고온의 열매체와의 열교환에 의해 액체 상태의 천연가스가 기화되도록 할 수 있다.
강제기화라인(L2)을 구비함으로써 저장탱크(1)에 저장되어 있는 LNG의 양이 적어 증발가스의 양이 적거나 자연적으로 발생하는 증발가스의 양이 제1 엔진이나 제2 엔진에서 요구하는 연료로서의 증발가스의 양보다 적은 경우에도 안정적인 연료 공급이 가능하게 된다.
한편, 고압펌프(21)와 기화기(22)를 사용하여 운항하는 경우에 제2 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 높이기 위한 구성으로서, 불활성가스 발생장치(31)와, 생성된 불활성가스를 저장하는 불활성가스 저장탱크(32)가 설치된다.
불활성가스 발생장치(31)는 제2 엔진에 공급되는 연료가스에 주입할 불활성가스를 생성하며, 불활성가스 발생장치(31)에 의해 생성된 불활성가스는, 불활성가스 공급라인(L3)을 통해 제2분기라인(L12)으로 공급된다.
불활성가스 공급라인(L3)을 흐르는 불활성가스의 양은 불활성가스 유량계(33)를 통해 측정되고, 후술할 메탄가 조절장치(5)에 의해 결정되는 필요 주입량에 따라 주입되는 불활성가스의 양을 보정할 수 있도록, 불활성가스 유량조절밸브(34)가 설치된다.
제2분기라인(L12)에는 연료가스 가스분석기(42)와 연료가스 유량계(41)가 설치된다. 연료가스 가스분석기(42)와 연료가스 유량계(41)에 의해, 강제기화라인(L2) 및 강제기화분기라인(L21)을 통해 연료가 공급되는 경우, 제2 엔진으로 공급되는 연료가스의 유량정보와 조성정보를 각각 확인할 수 있다.
또한, 제2분기라인(L12)에는 분사장치(43)와 혼합장치(44)가 설치된다. 불활성가스 공급라인(L3)을 통해 불활성 가스가 주입되는 경우, 불활성 가스를 제2분기라인(L12)을 통해 제2 엔진에 공급하기 위해서는 불활성 가스의 압력을 연료가스보다 높은 압력으로 유지해야 하는데, 분사장치(43)는 불활성 가스를 연료 가스의 흐름 방향으로 분사함으로써 연료가스와 불활성 가스가 만나는 부분에서 과도한 난류가 발생하는 것을 방지하여 이상 압력 강하를 방지한다. 혼합장치(44)는 분사장치(43)에 의해 분사된 불활성 가스를 연료가스와 혼합시켜 제2 엔진으로 보낸다.
메탄가 조절장치(5)는, 연료가스 유량계(41), 연료가스 가스분석기(42), 불활성가스 유량계(33)로부터 얻어지는 연료가스의 상태 및 엔진의 노킹정보를 모니터링한다. 공급되는 연료가스의 메탄가 상승이 필요하다고 판단되는 경우 필요로 하는 적정 불활성가스 주입량을 산정하며, 설치된 불활성가스 발생장치(31)를 제어하여 불활성가스를 주입함으로써 연료가스의 메탄가를 상승시킨다.
도 2는 메탄가 조절장치(5)에서 불활성가스의 필요 주입량을 산정하는 로직을 나타낸다. 본 실시예에서는 기준 메탄가가 80인 경우를 예시하나 이는 사용하는 엔진에 따라 변경될 수 있다.
불활성가스의 필요 주입량 산정은 연료가스 유량계(41), 연료가스 분석기(42)를 통해 확인되는 연료가스의 상태와 불활성가스 유량계(33)를 통해 확인되는 측정시점의 불활성가스 주입량으로부터 연료가스의 메탄가를 산정하고, 산정된 메탄가 기준치 이하인지를 판정한다. 메탄가가 기준치 이하인 경우 기준치 이상으로 메탄가를 올리기 위한 불활성가스 필요 주입량을 계산한다.
불활성가스 필요 주입량 산정의 또 다른 방식으로 모니터링된 엔진의 노킹정보를 활용하는 방법이 있다. 엔진 노킹이 발생하는 것으로 판정되는 경우 노킹현상을 제거하기 위해 필요한 메탄가를 산정하고 현재의 메탄가를 필요 메탄가로 개선시키기 위한 불활성가스 필요 주입량을 계산한다.
상기 두 가지 방식은 독립적으로 사용되어도 좋고, 바람직하게는 함께 적용될 수도 있다. 상기 두 가지 방식이 함께 적용되는 경우에는 연료가스의 메탄가로부터 산정된 불활성가스 필요 주입량과 엔진 노킹 제거를 위해 산정된 불활성가스 필요 주입량을 비교하여 더 큰 쪽으로 불활성가스 필요 주입량을 결정한다.
추가적으로, 저장탱크(1)로부터 증발가스가 발생하는 경우에는 경질탄화수소(Light Hydrocarbon) 성분을 함께 고려하여 불활성가스 주입량을 결정하는 것도 가능하다.
L1 : 증발가스 공급라인 L11 : 제1분기라인
L12 : 제2분기라인 L2 : 강제기화라인
L21 : 강제기화분기라인 L3 : 불활성가스 공급라인
11 : 압축기 12 : 냉각기
21 : 고압펌프 22 : 기화기
31 : 불활성가스 발생장치 32 : 불활성가스 저장탱크
33 : 불활성가스 유량계 34 : 불활성가스 유량조절밸브
41 : 연료가스 유량계 42 : 연료가스 분석기
43 : 분사장치 44 : 혼합장치
5 : 메탄가 조절장치

Claims (5)

  1. 고압펌프와 기화기를 통해 LNG저장탱크로부터 강제 기화되어 엔진에 공급되는 연료가스의 메탄가를 구하는 메탄가 판정 단계,
    상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가로부터 필요한 불활성가스 주입량을 산정하는 불활성가스 필요주입량 산정 단계,
    상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 산정된 주입량에 해당하는 불활성가스를 LNG저장탱크로부터 강제 기화된 연료가스보다 높은 압력을 갖도록 압축하여 연료가스에 주입하는 불활성가스 주입 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 필요한 불활성가스 주입량은 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이하인 경우 메탄가를 상기 기준치로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 필요한 불활성가스 주입량은 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이상인 경우 엔진노킹을 없애기 위해 요구되는 메탄가로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량으로 결정하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불활성가스 필요주입량 산정 단계에서 필요한 불활성가스 주입량은 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이하인 경우 메탄가를 상기 기준치로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량과, 상기 메탄가 판정 단계에서 판정된 메탄가가 기준치 이상이라도 엔진노킹을 없애기 위해 요구되는 메탄가로 개선하기 위해 필요한 불활성가스 주입량 중 큰 것으로 결정하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법.
  5. 액화천연가스를 압축 후 기화시켜 엔진을 공급하는 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법에 있어서,
    액화천연가스가 압축 후 기화된 연료가스의 유량과, 상기 연료가스의 조성과, 상기 연료가스와 혼합되는 불활성가스의 유량에 의해, 상기 연료가스의 메탄가 상승이 필요한지 여부와, 상기 연료가스의 메탄가 상승을 위해 필요로 하는 적정 불활성가스 주입량을 산정하는, 선박 엔진용 연료가스의 공급 방법.
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