KR910009725B1 - 가스연소 디이젤엔진의 가스공급장치 - Google Patents

가스연소 디이젤엔진의 가스공급장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

가스연소 디이젤엔진의 가스공급장치
제1도는 본 발명의 일실시예로서의 가스공급장치의 계통도.
제2도는 제1도에 있어서의 가스상태변화를 설명하기 위한 T-S선도
제3도는 본 발명의 다른 실시예로서의 가스공급장치의 계통도.
제4도는 종래의 가스공급장치의 계통도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 액화천연가스탱크설비 11 : 천연가스탱크
12 : 액화가스 이송펌프 20 : 액화가스첨가장치
21 : 서비스탱크 22 : 액화가스가압펌프
23 : 액화가스첨가노즐 23a,23b,23c,23d : 액화가스첨가노즐
24 : 액적분급기 30 : 고압압축장치
31,32,33,34 : 압축기구 35 : 전동기
40 : 열교환기 41 : 고압가스공급관
50 : 저압압축장치 51 : 저압압축기
52 : 전동기 60 : 열교환기
61 : 저압가스공급관 70 : 디이젤엔진
본 발명은 디이젤엔진의 가스공급장치에 관한 것으로서, 특히 고압가스 분사확산연소방식의 디이젤엔진에 공급하는 가스공급장치에 관한 것이다.
가스를 연료로 하는 디이젤엔진에는 미리 저압가스를 혼합하여 연소하는 저압가스 혼합연소방식과 고압가스분사확산연소방식이 있으며, 종래의 경우 저압가스혼합연소방식이 널리 채용되어 왔다. 이 방법은 흡입행정에서 미리 혼합기체를 흡입하거나 혹은 압축공정초기로 부터 중기에 걸쳐서 가스연료를 실린더에 분사하는 방법이 있으나, 압축공정중의 단열압축에 의한 온도상승등에 의하여 이상연소가 발생하기 쉽고, 오일 연료운전의 경우의 디이젤엔진에 의하여 압축비를 낮추는 등의 처리를 필요로 하기 때문에 열효율과 출력이 낮아지는 문제점이 있었다.
이 때문에 고압가스분사확산연소방식의 개발이 현재 각 회사에 의하여 진행되고 있다. 제4도는 이 고압 가스분사확산연소방식의 일례를 도시한다. 도면에서 액화천연가스탱크(11)로 부터 보일오프(boil off)된 가스가 고압압축장치(30)에 의하여 가압되어, 연교환기(40)에서 해수(海水)에 의하여 상온까지 냉각되며, 고압가스공급관(41)을 통하여 디이젤엔진(70)에 공급된다. 고압압축장치(30)는 왕복형 4단압축기구(31)(32)(33)(34)로 이루어진 전동기(35)에 의하여 구동된다. 제 3단압축기구(33)와 제 4단압축기구(34)와의 사이에는 해수에 의하여 가압가스를 냉각하는 인터쿠울러(36)가 착설되어 있다. 또한 (10)은 액화가스설비이다.
그러나, 고압가스분사확산연소방식에서는 가스를 고압으로 가압하기 때문에 많은 동력을 필요로 한다. 한 실험계산예를 기재하면 액화천연가스탱크용량이 125.000㎥에서 일일(1日)당 그 0.1%가 보일오프할 경우, 그 전량은 258바아(기압)로 가압하기 위하여 필요한 압축기동력은 약 700kw가 된다.
본 발명의 목적은 상기 종래장치의 결점을 해소하고, 보일오프가스의 가압에 필요한 동력이 적은 디이젤 엔진에의 가스공급장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 다음의 구성을 갖춘 것을 특징으로 한다.
(1)디이젤엔진에 연료로서 공급하는 가스의 일부분을 미리 저압가스혼합방식에 의하여 공급하는 통로를 가지고, 나머지는 고압가스분사방식에 의하여 공급하는 통로를 가진다. 저압가스로서 공급되는 가스량은 압축공정에서 이상연소를 발생시키지 않는 범위로 한다.
(2)가스에 액화가스를 첨가해서 압축한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면. 다음과 같은 작용을 한다.
(1)사용되는 고압가스의 양이 적어지므로, 고압가스로 가압하기 위한 소요동력이 적어진다.
(2)보일오프가스의 압축장치 입구온도가 저하한다. 또, 압축과정에 있어서의 가스온도상승이 낮게 억제되므로, 가압하기 위한 소요동력이 적어진다.
(3)상기 (1)과 (2)와의 상승 효과에 의하여 디이젤엔진에의 가스공급장치의 가압소요동력이 대폭적으로 저하한다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 일실시예에 대하여 설명하면, 제1도는 본 발명의 제 1실시예로서, 액화천연가스탱크로 부터의 보일오프가스를 가압해서 디이젤엔진에 공급하는 장치의 계통도, 제2도는 보일오프가스의 가압공정에 있어서의 상태 등을 설명하기 위한 메탄의 T-S선도이다.
제1도에 있어서, (10)은 액화천연가스탱크설비, (20)은 액화가스첨가장치, (30)는 고압압축장치, (40)은 열교환기, (41)은 고압가스공급관, (50)은 저압압축장치, (51)은 저압압축기, (52)는 전동기, (60)은 열교환기, (61)은 저압가스공급관, (70)은 디이젤엔진이다.
또한, (11)은 천연가스탱크, (12)는 액화가스이송펌프, (21)은 서어비스탱크, (22)는 액화가스 가압펌프, (23)은 액화가스 첨가노즐, (24)는 액적분급기, (31)(32)(33)(34)는 압축기구, (35)는 전동기이다.
탱크(11)내의 액화천연가스는 항상 외계로 부터 열이 침입하여 증발해서, 보일오프가스가 발생하고 있다. 보일오프가스의 대부분은 고압압축장치(30)에 의하여 고압으로 가압되고, 열교환기(40)에서 해수에 의하여 상온까지 냉각되며, 고압가스공급관(41)을 통해서 디이젤엔진(70)에 공급된다. 고압압축장치(30)은 왕복형 4단의 압축기구(31)(32)(33)(34)를 가지며, 전동기(35)에 의하여 구동된다. 보일오프가스의 일부분은 저압압축장치(50)에 의하여 저압으로 가압되며 열교환기(60)에서 해수에 의하여 상온까지 가온되어서, 저압가스 공급관(61)을 통하여 디이젤엔진(70)에 공급된다.
디이젤엔진(70)에서는 도시하지 않은 가스분사노즐 및 제어벨브등이 착설되어 있어, 저압가스는 디이젤엔진(70)의 흡입행정에 미리 혼합기체로 공급하나 압축공정의 초기로 부터 중기에 걸쳐서 실린더에 분사된다. 여기에서 분사되는 저압가스량은 단열압축공정중의 온도상승등에 의한 이상연소가 발생하지 않는 범위로 제한된다. 고압가스는 피스톤의 상사점부근에서 실린더에 순간적으로 분사된다. 이 고압가스분사와 거의 동시에, 도시하지 않은 파일럿오일분사장치에 의하여, 착화용의 파일럿오일이 실린더내로 분사된다.
이들 저압가스공급, 고압가스분사 및 파일럿오일분사에 관한 각각의 기본기술은, 저압가스 혼합연소방식 및 고압가스분사확산연소방식의 디이젤엔진으로서 공지이다.
또, 제2도에서, 세로축은 온도(T), 가로축은 엔트로피(S)를 나타내고, 도면에서의 A-B는 포화액선, D-F 포화증기선, E-H는 250바아의 등압선, A-C-F-G는 1바아의 등압선을 각각 표시한다.
상기 장치에 있어서, 탱크(11)내의 액화천연가스는 항상 외계로 부터의 열침입에 의하여 증발해서 보일오프가스가 발생하고 있다. 보일오프가스는 고압압축장치(30)에서 가압되기에 앞서서, 액화가스첨가장치(20)에서 액화가스가 첨가된다.
즉, 상기 액화가스첨가장치(20)의 서어비스탱크(21)는 액화가스이송펌프(12)에 의하여 탱크(11)로 부터 송급된 액화가스를 받아들인다. 서어비스탱크(21)내의 액화가스는 액화가스가압펌프(22)에 의하여 가압되어, 액화가스 첨가노즐(23)에서 보일오프가스로 분사하여 첨가된다.
상기 가스의 분사량이 적으면 첨가된 액화가스의 전량이 증발하나, 보일오프가스가 포화증기온도까지 떨어지는데 필요한 양 이상이 분사첨가되면, 보일오프가스의 기상(氣相)과 미소액적상의 액화가스의 액상으로 이루어진 2상의 흐름상태가 된다.
액상은 가능한 한 액적이 미소한 것이 바람직하며, 이 때문에 액적분급기(24)에 의하여 큰 액적을 제거해서 서어비스 탱크(21)에 복귀시킨다.
큰 액적이 제거된 2상의 흐름은 압축장치 (30)에 의해서 4단계에 걸쳐서 순차적으로 가압된 후, 열교환기(40)에서 해수에 의하여 냉각 또는 승온되어, 디이젤엔진(70)에 연료로서 공급된다.
보일오프가스의 각 과정의 상태변화를 제2도의 T-S선도에서 설명하기 위하여 다음과 같이 조건을 가정한다. 즉, 액화천연가스의 성분은 순수 메탄으로서 취급한다. 보일 오프가스의 온도는 130°K. 압력은 1바아로 하여, 이것에 의하여 상온(약 300°K), 압력 250바다의 가압가스를 얻는 것으로 한다. 또 압축은 같은 엔트로피의 단열압축으로 하고, 보일오프가스와 분사된 액화가스의 액적은 이상적으로 균질하게 혼상되어 있는 것이라고 가정하고, 또한 외계로 부터의 열침입, 기계마찰등은 무시하는 것으로 한다.
처치전의 보일오프가스의 상태는 G점으로 표시된다. 이것을 그대로 단순하게 4단압축으로 해서 250바아로 가압하면 H점에 도달한다. 이것을 250바아의 정압 그대로 해수에 의하여 상온(약 300°K)까지 냉각함으로써 E점에 도달하고, 가스는 이 상태에서 디이젤엔진에 공급된다.
G-H사이의 엔탈피차는 약 170kca1/㎏이고. H-E사이의 엔탈피차는 약 -130kca1/㎏이다. 이것은 보일오프가스 1㎏당 약 170kca1에 상당하는 동력에너지를 소비하여, 대부분 약 130kca1를 해수에 열에너지로서 폐각되고 있는 것을 의미하고 있다.
이어서, 본 발명에 의한 경우를 설명하면, G점의 보일오프가스에 A점의 액화가스가 첨가된다. 첨가되는 액화가스량이 적으면 전체 양이 증발하여, 보일오프가스는 주로 이 증발잠열에 의하여 온도가 떨어져서 G-F 사이에 온다. 예를 들면 G'가 된다. 이것을 4단압축하면 H'가 된다. G'-H'사이의 엔탈피차는 G-H사이의 엔탈피차보다도 적다.
분사첨가되는 액화가스량이 많아짐에 따라, 첨가 후의 가스는 F점까지 온도가 떨어진다. 또한, 첨가량이 증가하면, 이미 첨가후의 가스온도는 F점 이하로는 떨어지지 않아, F점의 가스와 A점의 액화가스와의 2상 흐름이 된다.
G점의 보일오프가스 1㎏에 대하여 A점의 액화가스 0.5㎏을 분사 첨가하였을 경우를 예로 설명하면, 분사 후의 2상의 유체는 C점이 된다 이것을 250바아까지 4단압축하면 E점이 되고, E점의 온도는 약 300°K이다. C점으로 부터 E점까지의 압축과정중, C점으로 부터 D점까지는 2상흐름에서의 압축이다. 기상과 액상을 나누어서 설명하면, 기상분은 F-D의 포화증기선을 따라서 가압되고, 한쪽 액상분은 A-B의 포화액 선을 따라서 그 일부가 증발하면서 가압, 승온되어 가며, 전량이 증발하여 종료함으로써 B점에서 액상분이 없어진다. C-E사이의 엔탈피차는 약 85kca1/㎏이다.
G점의 보일오프가스 1㎏에 대하여 A점의 액화가스 0.5㎏을 첨가하여 C점의 2상흐름 1.5㎏을 얻는다. 이것을 압축해서 E점의 가압가스 1.5㎏으로 하는데 필요한 동력에너지는 85kca1/㎏×1.5≒130kca1에 상당하다. 이와 같이 G점의 보일오프가스를 그대로 압축할 경우와 비교하여 필요로 하는 동력에너지는 적으며, 또한 얻어지는 E점의 가스량은 1.5배이다.
보일오프가스 1㎏에 대하여 첨가하는 액화가스량이 0.5㎏보다 많으면, 얻어지는 2상흐름의 상태는 C점보다도 A점쪽, 예를 들면 C'가 된다. 반대로 적으면 C"가 된다. 이것을 250바아까지 압축하면, 각각 E', E"점의 가스가 되어, 얻어지는 고압가스의 온도가 변함과 동시에 가압에 필요한 동력에너지가 감소 또는 증가한다.
이 온도가 디이젤엔진(70)에 공급하는데 허용되는 범위를 초과하도록 하면, 열교환기(40)에 있어서 해수에 의하여 승온 또는 냉각된다.
또한, 미리 보일오프가스에 대하여 첨가하는 액화가스의 비율을 어떤 한정된 범위에 설정할 수 있으면, 즉 압축장치(30) 출구의 가스온도를 허용범위에 설정하면, 열교환기(40)는 생략할 수 있다.
제3도는 본 발명의 제 2실시예를 도시한 계통도이다.
상기 제 1실시예에 있어서는, 고압가압장치(30)에 들어가는 전(前)단계에서 첨가하여할 액화가스의 전체량을 첨가하였으나, 이 실시예의 경우는 고압압축장치(30)의 4단의 압축기구(31)(32)(33)(34)의 각각에 대응해서 액화가스첨가노즐(23a)(23b)(23c)(23d)을 배설해서 액화가스를 순차적으로 첨가하고 있다.
2상흐름을 압축할 경우, 액상은 가능한 한 미소액적상으로 가스중에 균등하게 분포되어 있는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 한번에 다량으로 액화가스를 첨가할 경우에 비하여 적량을 순차적으로 첨가할 필요가 있다. 이 실시예에 있어서는 압축기구(31)(32)(33)(34)의 각각에 대응해서 액화가스첨가노즐(23a)(23b)(23c)(23b)을 착설하였으므로, 이것을 비교적 용이하게 달성할 수 있다.
본 발명은 상기에 기재한 바와 같이, 고압가스분사확산연소방식의 디이젤엔진의 가스공급에 대해서, (1) 가스연료의 일부를 미리 저압으로 혼합하는 방식에 의하여 공급한다. (2) 가스연료에 액화가스를 첨가해서 압축하는 것을 특징으로 하고 있으며, 상기 (1)의 수단에 의하여 가스전량을 고압가스로 해서 공급하는 종래의 방법에 비하여, 일부를 저압가스 상태로 공급하고 있으므로 가스를 가압하는 소요동력이 적어진다.
또, 상기 (2)의 수단에 의하여 가스압축시의 T-S선상에서의 상태가 액화가스를 첨가하지 않는 종래의 장치에 비하여 저온쪽이 되어 가압소요동력이 적어지나, 수단 (1) 및 (2)를 조합시킴으로서 보일오프가스 및 첨가하는 액화가스의 양이 일정한 조건하에서 단지 고압압축할 가스량이 감소할 뿐만 아니라 고압압축시의 상태가 더욱 저온쪽이 되어 가압소요동력이 다시 1단으로 저하한다.

Claims (2)

  1. 가스연료를 디이젤엔진에 공급하는 장치에 있어서, 고압가스압축장치에 의해서 가압된 고압가스의 통로와 저압가스 압축장치에 의해서 가압된 저압가스의 통로를 각각 형성한 것을 특징으로 하는 가스연소 디이젤엔진의 가스공급장치.
  2. 액화가스로부터 증발한 보일오프가스를 디이젤엔진에 공급하는 장치에 있어서, 상기 엔진과 상기 가스연료가 저장되는 액화가스탱크와의 사이에, 상기 보일오프가스중에 상기 액화가스를 첨가하는 액화가스첨가장치를 착설하고, 상기 보일오프가스 또는 상기 보일가스와 상기 액화가스와의 혼합기체를 압축하는 고압 가스압축장치에 의해서 가압된 고압가스의 통로와 저압가스 압축장치에 의해서 가압된 저압가스의 통로를 각각 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 가스연소 디이젤엔진의 가스공급장치.
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