KR20200102098A - 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법 - Google Patents

선박의 연료유 전환 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서로 다른 연료유의 전환 시간을 단축할 수 있는, 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 연료유 전환 시스템은, 각각 서로 다른 연료유를 저장하는 다수개의 연료유 저장탱크; 상기 연료유 저장탱크로부터 연료유를 공급받아 엔진의 최대 연료 소모량보다 많은 양의 연료유를 순환시키며 엔진으로 연료유를 공급하는 연료유 순환부; 상기 엔진의 연료 소모량만큼의 연료유를 상기 연료유 저장탱크로부터 연료유 순환부로 공급하는 연료유 공급펌프; 상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유 중 일부를 상기 다수개의 연료유 저장탱크 중에서 고유황 연료유를 저장하는 제1 탱크로 유출시키는 전환밸브; 및 연료유 전환 시, 상기 전환밸브를 개방하여, 상기 연료유 공급펌프가 상기 연료유 순환부로 공급하는 유량을 증가시켜 연료유 전환시간을 단축시키는 제어부;를 포함한다.

Description

선박의 연료유 전환 시스템 및 방법 {Fuel Oil Changer Over System and Method for a Vessel}
본 발명은 서로 다른 연료유의 전환 시간을 단축할 수 있는, 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법에 관한 것이다.
선박에 탑재된 엔진의 연료로 사용할 수 있는 연료유에는, HFO(Heavy Fuel Oil), MGO(Marine Gas Oil), MDO(Marine Diesel Oil) 등이 있다.
HFO는 원유에서 휘발유, 등유, 경유 등을 뽑아낸 후 얻어지는 흑갈색의 점성유로, 액체 형태로 얻어지는 석유 제품 중 가장 밀도가 높다. HFO는 점도가 약 180 내지 700 cSt에 이르기 때문에, 100℃ 내지 140℃ 정도로 가열하여야만, 엔진에서 요구하는 약 10 내지 25 cSt 정도의 점도 조건을 만족시킬 수 있다.
MGO와 MDO는, HFO보다 품질이 높은 해상 연료유로서, 잔사유의 포함 여부 및 황 함유량에 따라 구분된다. MGO와 MDO는 점성이 낮아 엔진에서 요구하는 점도 조건을 만족시키기 위해 별도의 가열 공정을 필요로 하지 않는다. 다만, HFO에 비해 고가이고, 사용온도에 따라 점도가 엔진에서 요구하는 최저치보다 낮은 경우도 있어 점도를 높이기 위한 냉각 장치를 필요로 할 수 있다.
또한, MGO와 MDO는 황 함유량이 HFO에 비해 현저히 낮은 저유황 연료유이다. 특히, LSMGO(Low Sulphur Marine Gas Oil)는 배기가스에 황산화물(SOx)이 없거나 거의 없다. 따라서, 선박이 배기가스 배출규제지역을 운항하거나, 배출규제 항구를 출입하는 경우에는 반드시 MGO(특히 LSMGO)나 MDO를 연료로 사용해야 한다.
하지만, LSMGO는 HFO에 비해 고가이므로, 선박의 운항 상황에 따라 적합한 연료유로 변경하여 엔진에 공급해 주는 것이 효율적이다.
선박에는 이와 같은 HFO, MGO 및 MDO를 모두 사용할 수 있는 연료유 공급 시스템이 구비되어 있다.
연료유의 전환은, 서로 다른 연료유의 화학적, 물리적 특성이나 가격 등을 고려하여 수행해야 한다. 또한, 선박의 운항 속도에 영향을 미치지 않고, 엔진이나 연료유 공급 시스템을 구성하는 구성 장치들의 성능과 수명에 영향을 미치지 않도록 해야 하며, 배출 규정을 만족하기 위해 확실하게 전환되었음을 보장할 수 있어야 한다. 또한, HFO에서 상대적으로 고가인 MGO나 MDO로 전환할 때에는 HFO와 혼용되는 시간을 최소화해야 연료비를 최소화할 수 있다.
도 1에는 선박에 일반적으로 설치되는 연료유 전환 시스템을 간략하게 도시하였다. 제1 탱크(T1)에는 고유황 연료유, 즉, HFO가 저장되고, 제2 탱크(T2)에는 저유황 연료유, 예를 들어 MGO가 저장된다.
HFO를 연료유로 사용할 때에는 제1 공급밸브(V11)를 개방하여 HFO를 연료유 공급 배관에 유입시키고, MGO를 연료유로 사용할 때에는 제2 공급밸브(V21)를 개방하여 MGO를 연료유 공급 배관에 유입시킨다. 이때, 제1 공급밸브(V11)와 제2 공급밸브(V21)의 개도량을 조절하면서 연료유 공급 배관으로 유입되는 HFO와 MGO의 비율을 조절한다.
예를 들어, HFO를 연료로 사용하는 모드에서는 제1 공급밸브(V11)의 변위가 개방된 상태에서 고정되어 있고, 제2 공급밸브(V21)는 폐쇄 변위로 고정되어 있다. HFO에서 MGO로 연료유를 전환하고자 할 때에는, 제1 공급밸브(V11)는 서서히 폐쇄하고, 제2 공급밸브(V21)는 서서히 개방하며, 연료유 공급 배관에 MGO가 일정 비율 이상 유입될 때까지 조작을 계속한다. 연료유 공급 배관을 흐르는 연료유가 MGO로 완전히 전환되면, 제2 공급밸브(V21)는 개방 변위로 고정되고, 제1 공급밸브(V11)는 완전히 폐쇄된 변위에 있게 된다. 대부분의 선박에서 제1 공급밸브(V11)와 제2 공급밸브(V21)는 수동으로만 운전되도록 구비된다.
HFO는 고점도이므로 HFO를 연료유로 사용할 때에는, 엔진에서 요구하는 연룡의 점도를 충족시키기 위하여. 가열장치가 가동될 수 있다. 따라서 HFO를 연료로 사용하는 모드에서는, 고온의 연료유가 연료유 배관을 따라 엔진으로 공급된다. 또한, MGO는 저점도이므로 MGO를 연료유로 사용할 때에는 가열장치는 가동되지 않으며 상대적으로 저온의 연료유가 연료유 배관을 따라 엔진으로 공급된다.
이와 같이, 연료유의 전환 시에는, HFO와 MGO의 특성 차이로 인해 고온 연료유에서 저온 연료유 또는 그 반대로 전환되는 과정이 필수적이다. 이는 고온 연료유와 저온 연료유가 혼합되면서, 시간당 온도 변화 조건을 만족하면서도, 엔진 입구에서 연료유의 점도가 10 내지 25 cSt 부근이 되어야 하는 2가지 조건을 모두 만족해야 한다는 의미이다.
연료유 전환 시 비율 조절이 잘못되어 급격한 온도 변화가 일어날 경우에는, 엔진 및 연료유 전환 시스템을 구성하는 장치들이 급격한 열팽창이나 열수축에 의해 공차 감소 또는 증가가 일어날 수 있고, 그로 인해 연료유의 누설 위험이 있다. 또한, 저점도로 인한 윤활 기능 상실 및 마모 등의 영향 또한 받을 수 있다.
이를 방지하기 위해서는, 연료유 전환시 서서히 온도를 변화시키면서도 점도를 유지할 수 있어야 하며, 엔진 업체는 엔진의 각 구성요소의 열적 쇼크에 의한 손상이 없는 범위를 1분에 2℃로 정하고 있다.
단순하게 연료유 전환 시간을 길게 조절하면, 이러한 문제는 방지할 수 있으나, 전환에 소요되는 시간이 길어질수록 고가의 MGO 사용량이 과도해지기 때문에, 연료비 증가가 문제가 된다. 또한, 연료유의 전환이 완료될 때까지, 기관실에서 시스템의 상태를 확인해야 하는 번거로움이 있고 시스템 조작의 정밀도가 떨어지므로 선호도가 낮다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래의 연료유 전환 속도, 온도 조절 및 점도 조절의 어려움을 개선하고자 하는 것으로, 특히, 연료유 전환 시 엔진의 부하가 작아 연료 소모량이 적고 이로 인해 연료유 전환 시간이 오래 걸리는 문제를 극복하고자 하는 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 각각 서로 다른 연료유를 저장하는 다수개의 연료유 저장탱크; 상기 연료유 저장탱크로부터 연료유를 공급받아 엔진의 최대 연료 소모량보다 많은 양의 연료유를 순환시키며 엔진으로 연료유를 공급하는 연료유 순환부; 상기 엔진의 연료 소모량만큼의 연료유를 상기 연료유 저장탱크로부터 연료유 순환부로 공급하는 연료유 공급펌프; 상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유 중 일부를 상기 다수개의 연료유 저장탱크 중에서 고유황 연료유를 저장하는 제1 탱크로 유출시키는 전환밸브; 및 연료유 전환 시, 상기 전환밸브를 개방하여, 상기 연료유 공급펌프가 상기 연료유 순환부로 공급하는 유량을 증가시켜 연료유 전환시간을 단축시키는 제어부;를 포함하는, 선박의 연료유 전환 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료유 순환부는, 상기 연료유 공급펌프로부터 공급받은 연료유를 엔진으로 공급하는 연료유 순환펌프; 및 상기 연료유 순환펌프 및 엔진을 연결하며, 연료유 순환펌프에 의해 순환하는 연료유가 엔진으로 공급되고, 엔진에서 사용하고 남은 연료유는 상기 연료유 순환펌프로 재순환되도록 경로를 제공하는 제5 공급라인;을 포함하며, 상기 제5 공급라인으로부터 상기 엔진의 후단에서 분기되어 상기 제1 탱크로 연결되며, 상기 연료유 순환펌프로 재순환되는 연료유가 상기 제1 탱크로 회수되도록 경로를 제공하는 제6 공급라인;을 더 포함하고, 상기 전환밸브는 상기 제6 공급라인에 설치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료유 공급펌프의 하류에 설치되며, 상기 연료유 순환부로 공급되는 연료유의 유량을 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제1 유량계; 및 상기 제6 공급라인에 설치되며, 연료유 순환부로부터 제1 탱크로 유출되는 연료유의 유량을 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제2 유량계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부에 의해 개폐가 제어되며, 상기 제1 탱크로부터 연료유가 연료유 공급펌프로 공급되도록 하는 제1 공급밸브; 및 상기 제어부에 의해 개폐가 제어되며, 저유황 연료유를 저장하는 제2 탱크로부터 연료유가 연료유 공급펌프로 공급되도록 하는 제2 공급밸브;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 유량계 및 제2 유량계의 측정값에 따라 제1 공급밸브 및 제2 공급밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료유 순환부는, 상기 엔진 입구에서 연료유의 점도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 점도 측정부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료유 순환부는, 상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유를 가열하여 점도를 낮추는 히터; 및 상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유를 냉각시켜 점도를 높이는 쿨러;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 점도 측정부의 측정값에 따라 상기 히터 및 쿨러의 작동 여부를 제어할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 엔진의 최대 연료 소모량보다 많은 양의 연료유를 연료유 순환부를 순환시키면 엔진으로 연료유를 공급하고, 연료유 순환부의 연료유 소모량만큼의 연료유를 연료유 저장탱크로부터 연료유 순환부로 추가 공급하되, 제1 연료유에서 제2 연료유로 연료유를 전환할 때, 상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유 중 일부를 제1 탱크로 유출시켜, 상기 연료유 순환부로 추가 공급하는 양을 증가시킴으로써, 연료유 전환시간을 단축시키는, 선박의 연료유 전환 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 연료유의 점도가 상기 엔진에서 요구하는 점도보다 낮으면, 상기 연료유를 가열할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료유의 점도가 상기 엔진에서 요구하는 점도보다 높으면, 상기 연료유를 냉각시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진의 연료 소모량 및 상기 제1 탱크로 유출시키는 연료유의 유량을 측정함으로써, 상기 연료유 순환부의 제1 연료유의 비율을 계산하여, 상기 제2 연료유의 유입 속도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법은, 서로 다른 특성을 가진 다수 종의 연료유를 전환 공급하는 데 있어, 연료유 전환 작동을 자동으로 실시할 수 있으므로, 안정성 및 정확도를 높일 수 있다.
또한, 연료유를 신속하게 전환할 수 있어 연료유의 전환 시간을 단축할 수 있고, 연료유 소모량을 줄일 수 있으며, 긴급 상황 시에도 빠르게 대처할 수 있다.
특히, 고가의 저유황 연료유의 사용을 줄일 수 있으므로 연료비를 절약할 수 있다.
또한, 엔진의 부하에 따른 연료유 소모량에 따라 엔진에 손상을 주지 않으면서 최적의 연료유 전환 속도를 얻을 수 있다.
또한, 엔진의 부하에 관계없이 지정된 연료유 전환 시간에 맞게 연료유를 전환할 수 있다.
또한, 엔진의 인위적인 부하 변동 없이 연료유 전환 시간을 조절할 수 있다.
또한, 연료유 전환 조작을 자동으로 실시하므로, 엔진에서 요구하는 연료유의 온도 및 점도 조건을 충족시킬 수 있어, 연료유 유입 비율이 잘못되어 장비가 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료유 전환 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료유 전환 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 3은 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 연료유 전환 시간을 비교하여 도시한 그래프이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
하기 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료유 전환 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 3은 종래기술과 본 발명의 일 실시예에 따른 연료유 전환 시간을 비교하여 도시한 그래프이다. 이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.
후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법은, 이중 연료 엔진 또는 오일 연료 엔진이 구비된 선박에 적용될 수 있다.
이중 연료 엔진은, 디젤유(diesel oil), 중유(heavy fuel oil), MGO(Marine Gas Oil) 등 이종 또는 다종의 오일 연료를 연료로 사용할 수 있고, 또한 천연가스(natural gas)와 같은 가스 연료도 연료로 사용할 수 있다. 예를 들어, 이중 연료 엔진으로는, ME-GI 엔진(MAN Electronic Gas Injection Engine), DFDE(Dual Fuel Diesel Electric Engine), X-DF 엔진(eXtra long stroke Dual Fuel Engine) 등이 있다.
또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 엔진은 선박의 추진용 메인엔진 및 전력을 생산하는 발전 엔진을 모두 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료유 전환 시스템 및 방법은, 연료유를 메인엔진 및 발전엔진으로 모두 공급할 수 있다.
다만, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서는 선박의 운항 중에는 부하가 낮은 발전엔진으로 연료유를 공급하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 연료유 전환 시스템은, 다종의 연료유를 각각 저장하는 다수개의 연료유 저장탱크(T1, T2); 연료유 저장탱크(T1, T2)로부터 연료유를 공급받아 엔진(GE)의 최대 연료 소모량보다 많은 양의 연료유를 순환시키며, 엔진(GE)으로 연료유를 공급하는 연료유 순환부; 엔진(GE)에서 소모한 양만큼의 연료유를 연료유 저장탱크(T1, T2)로부터 연료유 순환부로 공급하는 연료유 공급펌프(100); 연료유 전환 시스템을 구성하는 배관에 설치되는 다수개의 밸브;와 다수개의 밸브, 연료유 순환부 및 연료유 공급펌프(100) 등 연료유 전환 시스템의 운전을 제어하는 제어부(500);를 포함한다.
본 실시예의 다수개의 연료유 저장탱크(T1, T2)에는 각각 서로 다른 종류의 연료유가 저장될 수 있다. 연료유로서는, HFO(Heavy Fuel Oil) 등의 고유황 연료유, MGO(Marine Gas Oil) 및 LSMGO(Low Sulphur Marine Gas Oil) 등의 저유황 연료유가 사용될 수 있고, 저유황 연료유는 또한 ULSFO(Ultra Low Sulphur Fuel Oil) 등 초저유황 연료유를 포함할 수 있다.
본 실시예의 연료유 저장탱크는, 도 2에 도시된 바와 같이, 고유황 연료유를 저장하는 제1 탱크(T1); 및 저유황 연료유를 저장하는 제2 탱크(T2); 등 2개의 연료유 저장탱크를 포함하는 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 고유황 연료유로서는 HFO가, 저유황 연료유로서는 MGO가 사용되는 것을 예로 들어 설명한다. 즉, 본 실시예에서 제1 탱크(T1)는 HFO가 저장되는 HFO 저장탱크(T1)이고, 제2 탱크는 MGO가 저장되는 MGO 저장탱크(T2)인 것을 예로 들어 설명하지만, 연료유 저장탱크의 개수와 연료유의 종류가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에서 제1 탱크(T1)에는 고유황 연료유가 저장되고, 제2 탱크(T2)에는 저유황 연료유가 저장되는 것을 예로 들어 설명하지만, 경우에 따라서는, 제1 탱크(T1)에도 저유황 연료유가 저장될 수 있다. 예를 들어, 초저유황 연료유인 ULSFO는 점도에 따라 제1 탱크(T1)에 저장될 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진(GE)은 다수개 설치될 수 있으며, 도 2에는 3대의 엔진(GE)이 설치되는 것을 예로 들어 도시하였다. 본 실시예의 엔진(GE)은, HFO 및 MGO를 연료로서 사용할 수 있고, HFO와 MGO를 혼합한 혼합유도 연료로서 사용할 수 있다. 본 실시예에 따른 선박용 연료유 전환 방법은, HFO로부터 MGO 및 그 역순으로 연료유를 전환하여 엔진(GE)의 연료로 공급할 수 있다.
본 실시예의 연료유 공급펌프(100)는, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있고, 다수대의 펌프를 포함하는 경우 다수대의 펌프는 병렬로 설치될 수 있다. 도 2에는 연료유 공급펌프(100)가 2대의 펌프로 구성되는 것을 예로 들어 도시하였다. 2대의 연료유 공급펌프(100)는 동시에 작동될 수도 있고, 어느 하나만이 작동되어 어느 하나가 연료유를 가압하여 연료유 순환부로 공급할 때 나머지 하나는 리던던시 역할을 하도록 구성될 수 있다.
연료유 공급펌프(100)는 다수개의 탱크(T1, T2)로부터 배출된 연료유를 연료유 순환부로 공급한다. 연료유 공급펌프(100)는, 엔진(GE)에서 소모된 유량만큼의 연료유를 연료유 순환부로 공급할 수 있다.
다수개의 탱크(T1, T2)와 연료유 공급펌프(100)를 각각 연결하는 라인에는 다수개의 밸브가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 탱크(T1)와 연료유 공급펌프(100)를 연결하며 제1 탱크(T1)에 저장된 HFO가 제1 탱크(T1)로부터 연료유 공급펌프(100)로 유입되는 경로를 제공하는 제1 공급라인(L1); 및 제2 탱크(T2)와 연료유 공급펌프(100)를 연결하며 제2 탱크(T2)에 저장된 MGO가 제2 탱크(T2)로부터 연료유 공급펌프(100)로 유입되는 경로를 제공하는 제2 공급라인(L2);을 포함한다.
제1 공급라인(L1)에는, 화재 등 비상상황이 발생할 경우 제1 탱크(T1)로부터의 HFO 유입을 차단하기 위한 제1 긴급차단밸브(도면부호 미부여); 개폐 및 개도량이 제어되어 제1 탱크(T1)로부터 연료유 공급펌프(100)로 유입되는 HFO의 유량을 조절하는 제1 공급밸브(V11); 및 제1 공급라인(L1)을 따라 제1 탱크(T1)로부터 연료유 공급펌프(100)로 공급되는 HFO가 연료유 공급펌프(100) 측으로부터 제1 탱크(T1) 측으로 역류하는 것을 방지하는 제1 역류방지밸브(V12);가 설치된다.
제1 공급밸브(V11)는 제1 탱크(T1)로부터 연료유 공급펌프(100)로 유입되는 HFO의 양을 조절하기 위한 것으로, HFO의 특성과 제1 탱크(T1)의 설치 높이를 고려하여 밸브의 특성을 선택할 수 있다. 일례로, 제1 공급밸브(V11)는 제2 공급밸브(V21)보다 크기가 클 수 있다.
또한, 제2 공급라인(L2)에는, 화재 등 비상상황이 발생할 경우 제2 탱크(T2)로부터의 MGO 유입을 차단하기 위한 제2 긴급차단밸브(도면부호 미부여); 개폐 및 개도량이 제어되어 제2 탱크(T2)로부터 연료유 공급펌프(100)로 유입되는 MGO의 유량을 조절하는 제2 공급밸브(V21); 및 제2 공급라인(L2)을 따라 제2 탱크(T2)로부터 연료유 공급펌프(100)로 공급되는 MGO가 연료유 공급펌프(100) 측으로부터 제2 탱크(T2) 측으로 역류하는 것을 방지하는 제2 역류방지밸브(V22);가 설치된다.
제2 공급밸브(V21)는 제2 탱크(T2)로부터 연료유 공급펌프(100)로 유입되는 MGO의 양을 조절하기 위한 것으로, MGO의 특성과 제2 탱크(T2)의 설치 높이를 고려하여 밸브의 특성을 선택할 수 있다. 일례로, 제2 공급밸브(V21)는 제1 공급밸브(V11)보다 크기가 작을 수 있다.
제1 공급밸브(V11), 제2 공급밸브(V21) 및 연료유 공급펌프(100)는 후술하는 제어부(500)의 통합자동화시스템(IAS; Integrated Automation System)에 의해 제어되어, 제1 탱크(T1)와 제2 탱크(T2)로부터 연료유 공급펌프(100)로 공급되는 연료유의 유량이 조절될 수 있고, 제어부(500)에 의해 자동 제어될 수 있으며, 비상시에는 수동으로 조작이 가능하도록 구성될 수 있다.
연료유 공급펌프(100)로는 제1 공급밸브(V11) 및 제2 공급밸브(V21)의 개폐 제어에 의해 HFO 또는 MGO가 유입될 수 있고, HFO와 MGO의 혼합유가 유입될 수도 있다. 혼합유의 경우, 제1 공급밸브(V11) 및 제2 공급밸브(V21)의 개폐 및 개도량 제어에 의해 HFO 와 MGO가 일정한 비율 변화에 따라 혼합된 후 연료유 공급펌프(100)로 유입된다.
본 실시예에 따르면, 제1 공급라인(L1)과 제2 공급라인(L2)은 제3 공급라인(L3)으로 합류되어 연료유 공급펌프(100)로 연결될 수 있다. 제1 공급라인(L1)과 제2 공급라인(L2)이 합류되는 지점은, 제1 공급라인(L1)의 제1 역류방지밸브(V12)가 설치되는 지점의 하류, 제2 공급라인(L2)의 제2 역류방지밸브(V22)가 설치되는 지점의 하류일 수 있다.
연료유 전환에 있어서, 제1 공급밸브(V11) 및 제2 공급밸브(V21)가 둘 다 개방되는 상태가 존재하게 되는데, 이때에는 탱크의 수위나 배관으로 유입되는 연료유의 유량(압력) 등에 따라, 다수개의 탱크 중 어느 한 탱크로부터 배출된 연료유가 다른 탱크로 유입될 가능성이 있다.
예를 들면, 연료유 전환 시 제1 공급밸브(V11)와 제2 공급밸브(V21)가 모두 개방된 상태에서, 제1 탱크(T1)로부터 배출된 HFO의 일부가 제3 공급라인(L3)으로부터 제2 공급밸브(V21)를 지나 제2 탱크(T2)로 유입될 수도 있고, 또는 제2 탱크(T2)로부터 배출된 MGO의 일부가 제3 공급라인(L3)으로부터 제1 공급밸브(V11)를 지나 제1 탱크(T1)로 유입될 수도 있다. 또는 다수개의 탱크(T1, T2)의 수위에 따른 압력차에 의해 MGO가 HFO 탱크(T1)로 흐르거나 HFO가 MGO 탱크(T2)로 흐르는 경우가 생길 수 있다.
본 실시예에 따르면, 다수개의 역류방지밸브(V12, V22)를 설치함으로써, 어느 한 탱크로부터 배출된 연료유가 다른 탱크로 유입되는 것을 방지하여, 각 탱크(T1, T2) 내에서 이종의 연료유가 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료유 공급펌프(100)로부터 배출된 가압 연료유가 연료유 공급펌프(100)의 상류로 재순환되도록 연료유 공급펌프(100)의 하류에서 분기되어 연료유 공급펌프(100)의 상류로 연결되는 재순환 라인;을 더 포함할 수 있다.
연료유 공급펌프(100)의 토출 압력이 설정값보다 높은 경우 등 필요에 따라서는 공급펌프 재순환 라인(도면부호 미부여)에 설치되는 공급펌프 재순환 밸브(도면부호 미부여)의 개폐 제어에 의해, 연료유를 연료유 공급펌프(100)의 하류에서 상류로 재순환시킬 수 있다.
또한, 연료유 공급펌프(100)는 흡입 및 토출되는 유량이 일정하게 고정되어 있는 유량 고정형일 수 있다. 즉, 연료유 공급펌프(100)가 가압한 연료유 중에서 엔진(GE)에서 소모된 양을 초과하는 연료유, 즉, 연료유 순환부로 공급하고 남은 연료유는, 재순환 라인을 통해 연료유 공급펌프(100)의 상류로 재순환시킬 수 있다.
연료유 공급펌프(100)와 연료유 순환부를 연결하는 제4 공급라인(L4)에는, 연료유 공급펌프(100)로부터 연료유 순환부로 공급되는 연료유의 유량을 측정하는 제1 유량계(M1);가 설치될 수 있다. 제1 유량계(M1)에 의해 측정된 유량은 제어부(500)로 전송되어, 다수개의 밸브를 제어하는 인자로 사용될 수 있다.
또한, 제1 유량계(M1)가 엔진(GE)의 시간당 연료유 소모량과 같은 유량을 지시하도록 시스템을 운용하고, 제1 유량계(M1)가 엔진(GE)의 시간당 연료유 소모량보다 많은 유량을 지시하면 시스템에 문제가 발생했음을 감지하는 수단으로 활용할 수도 있다.
본 실시예의 연료유 순환부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료유 공급펌프(100)로부터 공급받은 연료유가 순환하고, 순환하는 연료유가 엔진(GE)으로 공급되도록 하는 제5 공급라인(L5);를 포함한다.
또한, 제5 공급라인(L5)에는, 연료유 공급펌프(100)로부터 공급받은 연료유의 압력을 엔진(GE)에서 요구하는 압력까지 가압하는 연료유 순환펌프(200); 및 엔진(GE)으로 공급되는 연료유의 점도를 조절하는 점도 조절 수단; 및 다수개의 밸브가 설치될 수 있다.
점도 조절 수단으로는, 필요에 따라 연료유를 가열하여 점도를 낮추는 히터(300); 및 필요에 따라 연료유를 냉각시켜 점도를 높이는 쿨러(400);를 포함할 수 있다.
연료유 순환펌프(200)는, 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있고, 다수대의 펌프를 포함하는 경우 다수대의 펌프는 병렬로 설치될 수 있다. 도 2에는 연료유 순환펌프(200)가 2대의 펌프로 구성되는 것을 예로 들어 도시하였다. 2대의 연료유 순환펌프(200)는 동시에 작동될 수도 있고, 어느 하나만이 작동되어 어느 하나가 연료유를 가압하여 엔진(GE) 측으로 공급할 때 나머지 하나는 리던던시 역할을 하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예의 연료유 순환펌프(200)는, 엔진(GE)의 최대 연료 소모량의 약 3배의 유량을 순환시키고, 연료유 순환부의 압력을 고압으로 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 연료유 순환펌프(200)에 의해 연료유 순환부의 압력은 약 8 barg 내지 10 barg로 유지될 수 있다.
일반적으로 고유황 연료유, 즉 본 실시예의 HFO는 점도가 약 180 cSt 내지 700 cSt로 높기 때문에, 엔진(GE)에서 요구하는 연료유의 점도인 약 10 cSt 내지 25 cSt를 충족시키기 위해서는 히터(300)를 이용하여 HFO를 약 100 내지 140℃로 가열하여야 한다. 이 경우 HFO에 포함된 불순물인 물과 HFO의 성분 중에 증발온도(끓는점)가 낮은 성분은 기화될 수 있다. 이와 같이 HFO의 일부가 기화되면, 기체 성분이 연료유 순환펌프(200)를 손상시킬 우려가 있고, 엔진(GE)으로의 연료유 분사에도 방해가 될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 연료유 순환부를 고압으로 유지시킴으로써, 불순물들의 압력도 높아지므로 끓는점도 높아지며, 결국 HFO가 기화되는 것을 억제할 수 있으므로, 상술한 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
연료유 순환부를 순환하는 연료유는, 엔진(GE)으로 공급되어 연료로 사용되고, 순환하는 연료유 중에서 엔진(GE)으로 공급하고 남은 나머지 잉여의 연료유는 엔진(GE)으로부터 배출되어 다시 연료유 순환부를 순환할 수 있다.
연료유 공급펌프(100)는 엔진(GE)에서 소모된 연료유만큼을 연료유 순환부로 새로 공급하여, 연료유 순환부는 평균적으로 일정한 유량의 연료유가 순환하게 된다. 본 실시예의 연료유 순환부는, 앞서 설명한 바와 같이, 엔진(GE)의 최대 연료 소모량의 약 3배의 유량이 순환하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 히터(300)는, HFO 또는 HFO가 혼합된 혼합유를 엔진(GE)의 연료유로 사용하는 경우 HFO나 혼합유를 가열하여, 연료유의 점도를 엔진(GE)에서 요구하는 점도로 조절할 수 있다.
히터(300)는, 연료유를 가열하기 위한 가열원으로서 증기(steam) 또는 전기를 사용할 수 있다. 본 실시예의 히터(300)는 증기를 가열원으로 하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
MGO나 MDO와 같은 저유황 연료유는 선박이 극저온 지역을 운항하는 경우를 제외하고는 점도가 충분히 낮기 때문에, MGO나 MDO를 엔진(GE)의 연료유로 사용하는 경우에는 히터(300)를 사용하지 않을 수 있다.
또한, 제5 공급라인(L5)에는, 연료유 순환부를 순환하는 연료유의 점도를 측정하는 점도 측정부(M4);가 구비될 수 있다. 점도 측정부(M4)에서 측정한 점도값은 제어부(500)로 전송될 수 있다. 제어부(500)에서는 점도 측정부(M4)에서 측정한 점도값을 이용하여 히터(300)의 작동 여부 및 가열 정도를 조절하여 엔진(GE) 입구에서 연료유의 점도가 엔진(GE)이 요구하는 범위 내에 있도록 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 점도 측정부(M4)는, 현재 엔진(GE)으로 공급되는 연료유의 점도 측정값을 제어부(500)로 전송하는 점도 트랜스미터(VT; Viscosity Transmitter); 및 점도 트랜스미터(VT)에서 제어부(500)로 전송된 정보를 현장(local)에 디스플레이해주는 점도 인디케이터(VI; Viscosity Indicator);를 포함할 수 있다.
점도 트랜스미터(VT)는 히터(300)로 공급되는 스팀의 양을 조절하는 스팀 조절밸브(V33)의 개폐 및 개도량을 제어하는 인자로 사용될 수 있다. 제어부(500)는 점도 트랜스미터(VT)의 측정값에 따라 스팀 조절밸브(V33)의 개폐 및 개도량을 제어하여 연료유의 가열 여부 및 가열 정도(가열 온도)를 제어할 수 있다.
또한, 제5 공급라인(L5)에는, 제2 점도 조절밸브(V35);가 설치될 수 있다. 제2 점도 조절밸브(V35)가 폐쇄되면 연료유는 히터(300)를 경유하여 연료유 순환부를 순환할 수 있고, 제2 점도 조절밸브(V35)가 개방되면 연료유의 적어도 일부 또는 전부가 히터(300)를 우회하여 연료유 순환부를 순환하도록 구비되는 개폐 제어밸브일 수 있다.
본 실시예의 쿨러(400)는, MGO 또는 MGO가 혼합된 혼합유를 엔진(GE)의 연료유로 사용하는 경우, MGO나 혼합유를 냉각시켜, 연료유의 점도를 엔진(GE)에서 요구하는 점도로 조절하기 위하여 설치될 수 있다.
저점도의 MGO를 엔진(GE)의 연료유로 사용할 경우, 엔진(GE)의 요구 점도 이상을 유지하기 위해서는 MGO의 냉각이 필요하다. 쿨러(400)는 MGO 또는 혼합유를 냉각하기 위한 것으로 저온의 냉각수를 냉열원으로 사용하는 등의 냉각장치일 수 있다. 쿨러(400)는 MGO 또는 MGO가 혼합된 연료유를 엔진(GE)의 연료로 사용할 경우 작동될 수 있으며, MGO 또는 혼합유를 냉각시켜 엔진(GE)으로 공급할 수 있다.
또한, 제5 공급라인(L5)에는 연료유 순환부를 순환하는 연료유가 쿨러(400)로 공급되거나 또는 쿨러(400)를 우회하도록 제1 점도 조절밸브(V32);가 구비될 수 있다.
제1 점도 조절밸브(V32)는 도 2에 도시된 바와 같이 3방 밸브일 수 있으며, 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다.
제어부(500)는, 연료유 전환 시, 제1 점도 조절밸브(V32)를 절차 시퀀스(procedure sequence)에 따라 제어하여, 연료유의 흐름 방향을 쿨러(400) 측(cooler side) 또는 쿨러를 우회하는 측(bypass side)으로 결정할 수 있다.
또한, 제어부(500)는, 점도 측정부(M4)의 점도 측정값; 및/또는 연료유 순환부를 순환하는 연료유의 온도를 측정하여 측정값을 제어부(500)로 전송하는 온도 측정부(M3)의 온도 측정값;을 인자로 하여, 제1 점도 조절밸브(V32)의 개폐를 제어할 수 있고, 쿨러(400)에서 냉각되는 연료유의 냉각 정도(온도)를 제어할 수도 있다.
또한, 온도 측정부(M3)의 온도 측정값은, 연료유 전환 시, 제1 공급밸브(V11) 및 제2 공급밸브(V21)의 제어에도 사용될 수 있다.
제어부(500)는, PID 제어(Proportional Integral Derivation Control)를 통해, 제1 공급밸브(V11) 및 제2 공급밸브(V21)를 제어함으로써 온도 변화량을 목표값에 따라 제어한다. 또한, 제어부(500)는 PID 제어를 통해 스팀 조절 밸브(V33)를 제어함으로써, 점도를 목표값에 따라 제어한다. 제어부(500)는 선박용 IAS 또는 전용 컨트롤 패널을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료유 전환 시스템을 구성하는 연료유 배관, 즉, 제1 공급라인(L1), 제2 공급라인(L2), 제3 공급라인(L3), 제4 공급라인(L4), 제5 공급라인(L5), 제6 공급라인(L6) 및 제7 공급라인(L7)은 일반적으로 강관으로 구성될 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 트레이싱(steam tracing)과 단열(insulation)이 적용될 수 있다.
스팀 트레이싱은, 스팀이 흐르면서 열을 전달하도록 코퍼 튜브(copper tube)가 연료유 배관 주위와 접하도록 배치한 것을 의미하고, 단열은 이 스팀 트레이싱이 적용된 연료유 배관을 보온재로 감싸 외부로부터의 열 손실을 최소화하도록 한 것을 의미한다.
HFO를 엔진(GE)의 연료유로 사용하는 경우, 연료유의 온도가 엔진(GE)에서 요구하는 점도를 유지하기 위해 가열된 상태로 유지되므로, 스팀 트레이싱을 코퍼 튜브에 통해 스팀을 공급하고, 공급량을 조절함으로써, 보온재를 통해 열손실을 최소화할 수 있다.
한편, MGO를 엔진(GE)의 연료유로 사용하는 경우에는, 연료유의 온도가 엔진(GE)에서 요구하는 점도를 유지하기 위해 냉각된 상태로 유지되므로, 스팀 트레이싱을 통해 스팀을 공급하면 오히려 저점도에 이르게 되므로, 스팀 트레이싱을 사용하지 않을 수 있다. 극지방에서는 MGO를 엔진(GE)의 연료유로 사용하는 경우에도 스팀 트레이싱을 사용할 수도 있다.
제어부(500)는, 개폐 제어에 의해 연료유 배관으로 스팀을 공급하거나 스팀 공급을 차단하는 스팀 트레이싱 밸브(V34);를 제어하여, 스팀 트레이싱의 사용 여부 및 정도(스팀의 유량 및 온도)를 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연료유의 전환 시에는, 고온 연료유에서 저온 연료유 또는 그 반대로 전환되는 과정이 필수적이며, 이때, 약 130℃ 부근의 HFO와 약 40℃의 MGO가 혼합되는 과정에서, 시간당 온도변화 조건(약 2℃/min)을 만족하면서도, 엔진 입구에서의 점도가 엔진(GE) 요구 조건인 10 내지 25 cSt를 만족해야 한다.
종래에는 이를 만족하기 위해서 연료유 전환 시간을 아주 길게 하였으나, 이는 고가의 MGO의 사용량이 과도해지므로 연료비를 증가시키는 문제가 있었다.
본 실시예에 따르면, 선박의 운항 속도에 영향을 미치지 않고, 시스템을 구성하는 장치들의 성능과 수명에도 영향을 미치지 않으며, 이 2가지 조건을 만족하면서도, 배출 규정을 만족하기 위한 확실한 연료유 전환을 보장할 수 있고, 또한, 상대적으로 높은 가격인 MGO가 HFO와 혼용되는 시간을 최소화하여 연료비를 최소화할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제5 공급라인(L5)으로부터 분기되어, 고유황 연료유가 저장되는 제1 탱크(T1)로 연결되는 제6 공급라인(L6);을 더 포함할 수 있다.
제6 공급라인(L6)에는, 제어부(500)에 의해 개폐 및 개도량이 제어되며, 제5 공급라인(L5)을 따라 엔진(GE)으로 공급되는 연료유의 일부를 제6 공급라인(L6)으로 분기시켜 제1 탱크(T1)로 유출시키는 전환밸브(V31); 및 제6 공급라인(L6)을 따라 연료유 순환부로부터 제1 탱크(T1)로 유출되는 연료유의 유량을 측정하여 측정값을 제어부(500)로 전송하는 제2 유량계(M2);가 구비될 수 있다.
제어부(500)는, 연료유의 전환 시, 전환밸브(V31)를 제어하여, 연료유 순환부를 순환하는 연료유의 일부를 연료유 순환부로부터 제1 탱크(T1)로 유출시킴으로써, 엔진(GE)에서 소모하는 연료유보다 더 많은 양의 연료유가 연료유 순환부로부터 제거되도록 할 수 있다. 이와 같이 연료유 순환부의 연료 소모량을 임의로 증가시킴으로써, 연료유 전환 시 연료유 순환부로의 HFO 또는 MGO의 유입 속도를 증가시킬 수 있고, 결과적으로 연료유 전환 속도를 빠르게 할 수 있다. 저유황 연료유인 MGO는 점도가 낮기 때문에, 고유황 연료유인 HFO와 일부 혼합되어도 사용에 문제가 없으므로, 고유황 연료유를 저장하는 제1 탱크(T1)로 연료유를 유출시킨다.
일반적으로 선박의 연료유 전환 시스템은, 경제적인 목적으로, 대부분 다수대의 발전용 엔진(GE), 예를 들어 3대의 엔진(GE)에 연료유를 공급하도록 설계되며, 3대의 엔진(GE)의 최대 부하에서도 연료유 공급에 문제가 없도록 설계된다. 하지만, 다수대의 발전 엔진(GE)은 주로 선박의 화물에 관한 장비 운전, 예를 들어 원유 운반선의 카고 펌프 운전이나 LNG 운반선의 카고 로딩 운전 등을 위해 설치되므로, 선박의 일반 운항 중에는 전력이 필요한 보조 장비의 부하가 적어 다수 대의 엔진(GE) 중에서 1대의 엔진만을 운전하고, 운전하는 엔진의 부하도 아주 낮다.
이로 인해, 연료유 전환 시간은 하기의 수식 1로 대변되는 현상을 따르는데, 이때, 연료유 소모량(FOC)의 값이 작으므로, 연료유 전환 시간은 아주 길어지게 된다.
Y = V + (Y0-V)e-( FOC /V)* t (수식 1)
수식 1에서 Y는 연료유 순환부를 순환하는 전환하고자 하는 저유황 연료유의 양이고, V는 연료유 순환부를 순환하는 전체 부피(관내 부피 및 설치된 장비 내부의 부피 포함)이고, FOC는 제1 유량계(M1)의 측정값(즉, 엔진(GE)의 연료유 소모량)이고, Y0는 연료유 전환 시작 시 연료유 순환부에 남아있는 초기 저유황 연료유의 양이며, t는 연료유 전환 시작 시점을 0으로 하여 그 이후로 흐른 시간을 의미한다.
본 실시예에 따르면, 하기의 수식 2와 같이, 수식 1에 엔진(GE)의 연료유 소모량(FOC)에, 인위적인 연료유 소모량(FOrtn), 즉, 제6 공급라인(L6)을 통해 연료유를 연료유 순환부로부터 배출시킴으로써 인위적으로 연료유 소모량을 늘려주면, 연료유 전환시간을 더 짧게 할 수 있다.
Y = V + (Y0-V)e-(( FOC + FOrtn )/V)* t (수식 2)
도 3에는, 엔진(GE)이 Wartsila사의 50DF 엔진인 경우를 예로 들어, 종래 기술에 따른 연료유 전환 시간과 본 실시예에 따른 연료유 전환 시간을 비교하여 도시하였다. 도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 연료유 전환 시간(수식 1로 대변됨)은 약 93분인 것에 비해, 본 실시예에 따른 연료유 전환 시간(수식 2로 대변됨)은 약 36분으로 종래 기술에 비해 본 실시예에 따른 연료유 전환 시간은 현저히 단축됨을 확인할 수 있다.
도 3은, 연료유 순환부의 부피(V)가 300L이고, 엔진(GE)의 부하가 30%일 때, MGO에서 HFO로 전환하는 경우, 연료유 소모량은 12L이고, 본 실시예에 따라 제6 공급라인(L6)으로 인위적으로 20L의 연료유를 유출시켜, 연료유 소모량을 32L로 늘려준 경우에 대해, 시간에 따른 HFO의 양을 도시한 것이다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 연료유 전환을 자동화시키는 것에 더해, 제6 공급라인(L6)을 이용하여 빠른 연료유 전환 기능(Quick Change Over)을 추가함으로써, 연료유 전환 속도를 가속시킬 수 있고, 엔진 부하에 따른 연료유 소모량에 따라 엔진에 손상을 주지 않고 최대의 연료유 전환 속도를 얻을 수 있다. 또한, 엔진 부하에 관계없이, 지정된 연료유 전환 시간에 맞게 연료유를 전환할 수 있다.
이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료유 전환 시스템을 이용하여 연료유를 전환하는 방법을 간략하게 설명하기로 한다.
먼저, 도 2 및 표 1을 참조하여, HFO에서 MGO로 연료유를 전환하는 방법을 설명하기로 한다.
또한, 후술하는 본 발명의 일 실시에에 따른 연료유 전환 방법에 있어서, 각 밸브의 개폐 및 개도율 제어, 점도 설정값 입력 및 변경, 히터(300)나 쿨러(400)의 작동 여부 및 히터(300)나 쿨러(400)로부터 배출되는 연료유의 온도 제어 등 각종 조작은 사용자에 의해 수동으로 조작될 수도 있고 제어부(500)에 의해 자동으로 실시될 수 있다.
<CASE 1. HFO → MGO 전환>
HFO를 연료유로 사용하고 있는 중에, 연료유 전환 요구가 발생하면, 일련의 순서대로 MGO로의 전환이 수행된다.
후술하는 전환 공정의 각 단계에는 해당 조건이 충족되어야 다음 단계가 수행된다.
각 단계에서 충족시켜야 할 조건은 표 1을 참조할 수 있다.
Figure pat00001
0. HFO 운전단계(S0)
HFO 운전단계는 HFO를 연료유로 사용하고 있는 상태를 의미한다.
표 1을 참고하면, HFO 운전단계(S0)에서는, 연료유 공급펌프(100)와 연료유 순환펌프(200)는 운전 중에 있고, 스팀 트레이싱 밸브(V34)는 개방된 상태로서, 유동하고 있는 연료유의 점도(온도) 유지를 위하여 스팀 트레이싱이 작동되고 있는 상태에 있다. 또한, 이때 목표 점도는 15 cSt로, 히터(300)를 조절하여, 연료유 순환부를 순환하는 연료유의 점도가 15 cSt를 유지하도록 한다. 제1 유량계(M1)에 의해 측정된 유량은 엔진(GE)의 소모량이고, 제6 공급라인(L6)을 통해 회수되는 연료유의 양이 없으므로, 제2 유량계(M2)에 의해 측정되는 유량은 없다. 또한, HFO가 연료유로서 사용되고 있으므로 제2 공급밸브(V21)의 개도율은 0%, 즉 폐쇄변위에 있고, 제1 공급밸브(V11)의 개도율은 100%, 즉 개방 변위에 고정되어 있다. HFO를 연료유로 사용할 때에는 점도를 높이기 위한 쿨러(400)의 작동이 필요하지 않으므로 제1 점도 조절밸브(V32)는 쿨러(400)를 우회하는 측(bypass side)으로 개방되어 있어, 연료유는 쿨러(400)를 우회하여 연료유 순환펌프(200)로 공급된다. HFO 운전단계(SO)에서는 HFO를 연료로 사용하므로 배관을 유동하는 연료유의 HFO 비율은 100%이다.
표 1에서 굵은 글씨로 표시한 내용은, 사용자 또는 제어부(500)에 의해 조작되어야 하는 것을 의미한다. 예를 들어, 제1 단계(S1)에서는 사용자 또는 제어부에 의해 스팀 트레이싱 밸브(V34)가 폐쇄되어야 하고, 목표 점도는 23 cSt로 입력되어야 한다. 또한 제2 단계(S2)에서는 사용자 또는 제어부에 의해 목표 점도를 충족시키도록 히터(300)에 의해 가열되는 연료유의 온도가 조절되어야 하고, 제2 공급밸브(V21)의 개도율은 혼합유의 HFO 혼합 비율에 따라 점차 개방되어야 한다.
표 1에서 개도율이 0 - 100%라 함은, 밸브의 개방 조작 중에 0 내지 100%의 범위 내에서 개방 및 폐쇄가 조절되는 것을 의미하고, 개도율이 100 - 0%라 함은, 밸브의 폐쇄 조작 중에 100 내지 0%의 범위 내에서 폐쇄 및 개방이 조절되는 것을 의미한다.
또한, 표 1에서 혼합유의 HFO 비율이 100 - 0%라 함은, 100 내지 0% 범위 내에서 비율이 점차 감소하는 것을 의미하고, 혼합유의 HFO 비율이 0 - 100%라 함은, 0 내지 100% 범위 내에서 비율이 점차 증가하는 것을 의미한다.
이하, 후술하는 각 단계에서 표 1에 대한 구체적인 설명이 생략되더라도 이상의 설명을 참고하여 이해될 수 있음은 자명하다.
1. 제1 단계(S1)
사용자(operator) 또는 제어부(500)에 의해 HFO에서 MGO로의 연료유 전환 요청이 입력(changeover signal "ON")되면 제1 단계(S1)가 수행된다.
이하, 후술하는 공정은 자동 제어되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
HFO에서 MFO로의 연료유 전환 요청이 입력되면, 그 즉시 전환 요청이 입력되었음을 알람 등을 통해 사용자가 인지할 수 있도록 할 수 있다(indication activating on MIMIC).
먼저, 제1 단계(S1)에서는, 목표 점도, 즉, 점도 측정부(M4)의 설정을 23 cSt로 변경한다. 엔진(GE) 입구에서 연료유의 요구 점도는 최대값이 25 cSt이므로, 이보다 약간 낮은 23 cSt 값으로 설정값을 바꾼다.
공정이 정상적으로 수행되고 있다면, HFO 운전단계(S0)에서의 목표 점도인 15 cSt에서 23 cSt로 설정값을 변경할 경우, 히터(300)는, 이미 연료유가 설정값(23 cSt)보다 낮은 점도(15 cSt)를 가지게 되었으므로, 부하를 0으로 자동 조절하고, 스팀 조절 밸브(V33)는 거의 폐쇄된다. 여기서, 다음 단계를 위한 조건값은 없다.
이때, 전환밸브(V31)는 사용자의 임의 설정 값으로 조절되어 개방된다. 통상적으로, 전체 엔진 소모량의 3배 유량을 연료유 순환펌프(200)가 순환시키므로, 현재 운전되는 엔진(GE)의 연료유 소모량을 고려하여 정지된 발전용 엔진(GE) 1대의 연료 소모량을 지정해 주는 것이 안전적인 측면에서 바람직하다.
2. 제2 단계(S2)
제2 단계(S2)에서는, 제2 공급밸브(V21)을 개방하기 시작하며, 되먹임 제어(feedback control, 'PID(Proprotional, Integral and Differential) 제어'라고도 함.)를 통해 서서히 개방한다. 제2 공급밸브(V21)를 개방할 때에는, 온도 측정부(M3)에 의해 측정된 온도 변화량이 안전 범위, 즉, 본 실시예에서 분당 2℃씩 낮아지도록 해야 한다.
제2 공급밸브(V21)가 개방되기 시작하면, 연료유 공급펌프(100)에 의해 연료유 순환부로는 MGO가 유입된다.
MGO가 유입되기 시작하면 제1 유량계(M1) 및 제2 유량계(M2)를 통해 연료유 순환부를 순환하는 혼합유의 HFO 비율을 계산한다.
이때, 제1 유량계(M1)에서 측정되는 유량은 엔진(GE) 소모량이고, 제2 유량계(M2)계에서 측정되는 유량은 제6 공급라인(L6)을 통해 제1 탱크(T1)로 유입되는 혼합유의 양으로서, 즉, 연료유 공급펌프(100) 측으로 유입되는 MGO의 양을 의미한다.
혼합유의 HFO의 비율이 100%일 때, 즉, HFO를 연료로 공급할 때 연료유 순환부를 순환하는 연료유의 온도는 약 130℃이다. 연료유 순환부를 순환하는 약 130℃ 연료유가 약 40℃로 변환되어야 하며, 40℃로 변환 완료 시 혼합유의 MGO의 비율은 거의 100%가 되어야 한다.
엔진 업체의 시간당 온도 변화는 2℃/분이므로 약 90℃의 온도 변화는 180분동안 이루어져야 한다. 이것을 연료유의 비율 변화로 바꾸면, 약 180분 동안 HFO 100%에서 HFO 0%로 바뀌어야 하므로, 분당 0.56% 비율로 MGO의 비율이 증가하면 된다.
여기서, PID 제어의 목표값(target)은 연료유 순환부를 순환하는 혼합유의 HFO 비율의 시간당 변화값으로 하고, 제어값을 제2 공급밸브(V21)의 개도율로 하여 제2 공급밸브(V21)를 조절한다.
분당 0.56% 이상의 HFO 비율이 줄어든다면 제2 공급밸브(V21)를 되먹임제어 계산값에 따라 폐쇄하고, 반대일 경우 더 열어주는 방식으로 제어한다.
또한, 분당 0.56%로 HFO 비율을 조절함에도 온도의 변화량이 분당 2℃를 넘어설 경우 현재의 되먹임제어를 멈추고 현재 상태를 유지하여 온도가 분당 2℃가 되도록 MGO의 유입량을 고정한 후 다시 조절의 과정을 수행한다.
점도가 높아질 경우 점도 측정부(M4)의 측정값에 의해 히터(300)가 작동하여 최대 허용 점도치를 넘지 않도록 한다.
제2 공급밸브(V21)의 개도율이 100%가 되면 3단계를 수행한다.
이때 연료유 전환 속도가 너무 빨라 온도의 변화가 2℃/분 이상이 될 경우에는 전환밸브(V31)를 통한 연료유의 유출 유량을 감소시킨다.
3. 제3 단계(S3)
제2 공급밸브(V21)의 개도율이 100%가 되면, 마찬가지로, 온도 변화가 분당 2℃를 넘지 않도록, 서서히 제1 공급밸브(V11)를 되먹임제어를 통해 폐쇄하면서, 제2 단계와 같은 과정을 반복한다. 즉, 온도의 변화가 과도할 경우 제어를 멈추고 시간당 온도 변화가 허용수준으로 떨어질 때까지 기다린다.
안전 기능(safety fuction)으로서, 점도가 설정값(목표값)보다 높아질 경우 히터(300)가 작동할 수 있다.
예를 들어, 점도 측정부(M4)에서 점도 측정값이 설정값인 23 cSt보다 약간 높은, 예를 들어 23.5 cSt이면, 히터(300)가 작동되고 제2 점도 조절밸브(V35)는 폐쇄되어, 연료유의 점도를 낮춘다. 점도 측정부(M4)의 점도 측정값이 설정값인 23 cSt 이하가 되면 히터(300)의 작동이 멈추고, 제2 점도 조절밸브(V35)는 개방된다.
제1 공급밸브(V11)의 개도율이 0%가 되면, 다음 단계로 진행한다.
4. 제4 단계(S4)
제1 공급밸브(V11)의 개도량이 0%가 되어도 연료유 순환부의 HFO 비율은 0%가 아니다. 따라서, 약 98% 수준으로 HFO 비율이 낮아질 때까지 운전을 계속한다.
과도하게 점도가 낮아질 경우 제1 점도 조절밸브(V32)를 쿨러(400) 측으로 개방되도록 조작하여 저점도가 방지되도록 한다.
예를 들어, 온도 측정부(M3)에서의 측정값이 40℃ 이하이고, 점도 측정부(M4)에서 측정값이 설정값인 23 cSt 이하이면, 제1 점도 조절밸브(V32)를 쿨러(400) 측으로 개방될 수 있다.
HFO의 비율이 98% 이상이 되면 다음 단계로 진행한다.
5. 제5 단계(S5)
제5 단계(S5)에서는, 제1 점도 조절밸브(V32)가 쿨러(400) 측으로 개방되며, 쿨러(400)에 의해 연료유를 냉각시켜야 점도 측정부(M4)의 설정값을 만족시킬 수 있다.
여기서, 제1 유량계(M1) 및 제2 유량계(M2)에 의해 측정되는 유량이 엔진(GE) 소모량을 의미하게 된다.
6. MGO 운전 단계( SF )
점도 측정부(M4)의 설정값을 6 cSt로 변경한다.
여기서 현재의 밸브 변위는, 제1 공급밸브(V11)의 변위가 폐쇄(0% open) 상태, 제2 공급밸브(V21)의 변위가 개방(100% open) 상태, 제1 점도 조절밸브(V32)는 쿨러(400) 측(cooler side)으로 개방된 상태에 있는데, 이때, MGO 운전 모드를 바로 활성화시키는 것이 아니라, 일정 시간, 예를 들어 약 30분간 유지시킨 후, MGO 운전 모드를 활성화시킨다.
<CASE 2. MGO → HFO 전환>
MGO에서 HFO로 연료유를 전환하는 경우에는, 도 2 및 표 2를 참고하여, 상술한 HFO에서 MGO로 연료유를 전환하는 공정과 반대의 과정으로 실시될 수 있으며 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 구체적인 설명은 생략하더라도 상술한 HFO에서 MGO로 연료유를 전환하는 방법을 참고하여 이해될 수 있음은 자명하다.
마찬가지로, MGO를 연료유로 사용하고 있는 중에, 연료유 전환 요구가 발생하면, 일련의 순서대로 HFO로의 전환이 수행되고, 전환 공정의 각 단계에는 해당 조건이 충족되어야 다음 단계가 수행된다.
각 단계에서 충족시켜야 할 조건은 표 2를 참조할 수 있다.
Figure pat00002
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
T1, T2 : 연료유 저장탱크
100 : 연료유 공급펌프
200 : 연료유 순환펌프
300 : 히터
400 : 쿨러
500 : 제어부
M1 : 제1 유량계
M2 : 제2 유량계
M3 : 온도 측정부
M4 : 점도 측정부
L1 ~ L6 : 제1 ~ 제6 공급라인
V11 : 제1 공급밸브
V21 : 제2 공급밸브
V31 : 전환밸브
V32 : 제1 점도 조절밸브
V35 : 제2 점도 조절밸브

Claims (10)

  1. 각각 서로 다른 연료유를 저장하는 다수개의 연료유 저장탱크;
    상기 연료유 저장탱크로부터 연료유를 공급받아 엔진의 최대 연료 소모량보다 많은 양의 연료유를 순환시키며 엔진으로 연료유를 공급하는 연료유 순환부;
    상기 엔진의 연료 소모량만큼의 연료유를 상기 연료유 저장탱크로부터 연료유 순환부로 공급하는 연료유 공급펌프;
    상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유 중 일부를 상기 다수개의 연료유 저장탱크 중에서 고유황 연료유를 저장하는 제1 탱크로 유출시키는 전환밸브; 및
    연료유 전환 시, 상기 전환밸브를 개방하여, 상기 연료유 공급펌프가 상기 연료유 순환부로 공급하는 유량을 증가시켜 연료유 전환시간을 단축시키는 제어부;를 포함하는, 선박의 연료유 전환 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료유 순환부는,
    상기 연료유 공급펌프로부터 공급받은 연료유를 엔진으로 공급하는 연료유 순환펌프; 및
    상기 연료유 순환펌프 및 엔진을 연결하며, 연료유 순환펌프에 의해 순환하는 연료유가 엔진으로 공급되고, 엔진에서 사용하고 남은 연료유는 상기 연료유 순환펌프로 재순환되도록 경로를 제공하는 제5 공급라인;을 포함하며,
    상기 제5 공급라인으로부터 상기 엔진의 후단에서 분기되어 상기 제1 탱크로 연결되며, 상기 연료유 순환펌프로 재순환되는 연료유가 상기 제1 탱크로 회수되도록 경로를 제공하는 제6 공급라인;을 더 포함하고,
    상기 전환밸브는 상기 제6 공급라인에 설치되는, 선박의 연료유 전환 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연료유 공급펌프의 하류에 설치되며, 상기 연료유 순환부로 공급되는 연료유의 유량을 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제1 유량계; 및
    상기 제6 공급라인에 설치되며, 연료유 순환부로부터 제1 탱크로 유출되는 연료유의 유량을 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제2 유량계;를 포함하는, 선박의 연료유 전환 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부에 의해 개폐가 제어되며, 상기 제1 탱크로부터 연료유가 연료유 공급펌프로 공급되도록 하는 제1 공급밸브; 및
    상기 제어부에 의해 개폐가 제어되며, 저유황 연료유를 저장하는 제2 탱크로부터 연료유가 연료유 공급펌프로 공급되도록 하는 제2 공급밸브;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 유량계 및 제2 유량계의 측정값에 따라 제1 공급밸브 및 제2 공급밸브의 개도량을 제어하는, 선박의 연료유 전환 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료유 순환부는,
    상기 엔진 입구에서 연료유의 점도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 점도 측정부;를 더 포함하는, 선박의 연료유 전환 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연료유 순환부는,
    상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유를 가열하여 점도를 낮추는 히터; 및
    상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유를 냉각시켜 점도를 높이는 쿨러;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 점도 측정부의 측정값에 따라 상기 히터 및 쿨러의 작동 여부를 제어하는, 선박의 연료유 전환 시스템.
  7. 엔진의 최대 연료 소모량보다 많은 양의 연료유를 연료유 순환부를 순환시키면 엔진으로 연료유를 공급하고,
    연료유 순환부의 연료유 소모량만큼의 연료유를 연료유 저장탱크로부터 연료유 순환부로 추가 공급하되,
    제1 연료유에서 제2 연료유로 연료유를 전환할 때,
    상기 연료유 순환부를 순환하는 연료유 중 일부를 제1 탱크로 유출시켜, 상기 연료유 순환부로 추가 공급하는 양을 증가시킴으로써, 연료유 전환시간을 단축시키는, 선박의 연료유 전환 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료유의 점도가 상기 엔진에서 요구하는 점도보다 낮으면, 상기 연료유를 가열하는, 선박의 연료유 전환 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료유의 점도가 상기 엔진에서 요구하는 점도보다 높으면, 상기 연료유를 냉각시키는, 선박의 연료유 전환 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 엔진의 연료 소모량 및 상기 제1 탱크로 유출시키는 연료유의 유량을 측정함으로써,
    상기 연료유 순환부의 제1 연료유의 비율을 계산하여, 상기 제2 연료유의 유입 속도를 제어하는, 선박의 연료유 전환 방법.
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