WO2016010232A1 - 선박용 엔진 운전 방법 - Google Patents

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WO2016010232A1
WO2016010232A1 PCT/KR2015/003369 KR2015003369W WO2016010232A1 WO 2016010232 A1 WO2016010232 A1 WO 2016010232A1 KR 2015003369 W KR2015003369 W KR 2015003369W WO 2016010232 A1 WO2016010232 A1 WO 2016010232A1
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engine
gas
mode
fuel
load
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PCT/KR2015/003369
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English (en)
French (fr)
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남병탁
강신우
권경진
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대우조선해양 주식회사
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    • B63B25/02—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods
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    • B63B25/12—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid closed
    • B63B25/16—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid closed heat-insulated
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an engine of a ship including an engine capable of simultaneously using natural gas and fuel oil as fuel.
  • Natural gas is usually liquefied and transported over long distances in the form of Liquefied Natural Gas (LNG).
  • Liquefied natural gas is obtained by cooling natural gas to an extremely low temperature of about -163 ° C., and its volume is drastically reduced compared to that of gas, so it is very suitable for long distance transportation through sea.
  • the boil-off gas When the pressure of the storage tank exceeds the set safety pressure due to the generation of the boil-off gas, the boil-off gas is discharged to the outside of the storage tank through the safety valve.
  • the boil-off gas discharged out of the storage tank is used as fuel for the ship or liquefied and returned to the storage tank.
  • each engine is driven using natural gas as fuel Gas mode; A fuel oil mode driven by using fuel oil as fuel; And a fuel distribution mode using both natural gas and fuel oil as fuel at the same time.
  • the engine comprising: switching to a fuel distribution mode; Determining a proportion of gas burned in the fuel distribution mode; Calculating the amount of gas consumed in the fuel distribution mode; And feeding back the state of the engine in the fuel distribution mode.
  • the ship engine operating method may be determined by operating in conjunction with the power management system and gas management system of the integrated automation system, the power management system, a diesel mode in which a plurality of engines installed in the vessel all fuel oil mode; A first mixing mode in which some of the plurality of engines are in fuel oil mode and others are in gas mode; A gas only mode in which the plurality of engines are all in gas mode; A fuel distribution only mode in which the plurality of engines are all in fuel distribution mode; A second mixing mode in which some of the plurality of engines are in fuel distribution mode and others are in gas mode; And a third mixing mode in which a part of the plurality of engines is a fuel distribution mode and the other part is a fuel oil mode.
  • the gas management system may include: a total load capable of measuring an internal pressure of a liquefied natural gas storage tank installed in the vessel and assigning the engine to a gas mode based on the measured internal pressure of the storage tank; Alternatively, the ratio of driving the gas among the total loads that can be allocated to the engine in the fuel distribution mode can be calculated.
  • the gas management system may forcibly switch the engine operating in the gas mode to the fuel oil mode or the fuel distribution mode when the internal pressure of the storage tank drops, and when the internal pressure of the storage tank increases, the excess evaporated gas. Can be sent to a gas burner for combustion or discharge to the outside.
  • the integrated automation system loads each engine based on information on the total load that the gas management system can assign to the engine in the gas mode and the engine in the fuel distribution mode, calculated based on the pressure inside the storage tank. Can be assigned automatically.
  • the power management system may be operated in a fuel distribution alone mode, and the gas management system determines the amount of boil-off gas expected to be available as fuel according to the measured pressure of the boil-off gas in the storage tank (a) Calculating a maximum load that can be obtained when the engine is operated in fuel distribution mode using a positive amount of boil-off gas (hereinafter referred to as "maximum engine load that can be produced by evaporation gas”); (B) calculating the "load by the boil-off gas assigned to each engine” by dividing the "maximum engine load that can be produced by evaporation gas” calculated in (a) by "the total number of engines”; (C) determining the ratio of natural gas and fuel oil of the fuel to be used in each engine in consideration of the "load by the boil-off gas allocated to each engine” calculated in (b); (D) operating the respective engines such that fuel oil and the boil-off gas in the storage tank are used as fuels according to the ratio determined in (c); And (e) repeating the steps (a) to (
  • the power management system can be operated in a second mixed mode, the gas management system determines the amount of boil-off gas expected to be available as fuel according to the pressure of the boil-off gas in the storage tank (a) Calculating the maximum load that can be obtained when operating the engine in the fuel distribution mode and the engine in the gas mode using a positive amount of boil-off gas (hereinafter referred to as "maximum engine load that can be produced by evaporation gas”); (B) firstly distributing the "maximum engine load that can be produced by evaporation gas” calculated in (a) to the engine in the gas mode first; (C) In (b) of the "maximum engine load that can be produced by evaporation gas", the remaining load is distributed to the engine in the gas mode, and the remaining load is divided by "the number of engines in the fuel distribution mode" to "the engine in each fuel distribution mode.” Calculating " load by the assigned boil-off gas "; (D) determining the ratio of natural gas and fuel oil of the fuel to be used in the engine in each
  • the power management system can be operated in a third mixing mode, the gas management system determines the amount of boil-off gas expected to be available as fuel according to the pressure of the boil-off gas in the storage tank measured by (a) Calculating a maximum load that can be obtained when the engine is operated in fuel distribution mode using a positive amount of boil-off gas (hereinafter referred to as "maximum engine load that can be produced by evaporation gas”); (B) "Maximum engine load that can be produced by evaporation gas” calculated in (A) is divided by "Number of engines in fuel distribution mode", and "Load by evaporative gas assigned to engine in each fuel distribution mode” Calculating; (C) determining the ratio of natural gas and fuel oil of the fuel to be used in the engine in each fuel distribution mode in consideration of the "load by the boil-off gas allocated to the engine in each fuel distribution mode" calculated in (b); (D) allowing the engine in fuel oil mode to bear the rest of the output of the engine required for the ship except for the load allocated
  • the engine may be manually operated by a user operating the vessel, and when the boil-off gas inside the LNG storage tank installed in the vessel is sufficient to drive the engine, the power management system and the gas management Within the range of boil-off gas allowed by the system, the user can directly determine the point of optimum efficiency, and if the boil-off gas inside the storage tank is insufficient to drive the engine, the inside of the storage tank The user can directly determine the point where the optimum efficiency can be achieved within the range of maintaining the operation method for forcibly vaporizing the liquefied natural gas.
  • the engine may be operated in a fuel distribution mode, and the load of the engine may be determined within a range of 15% to 85% of the total engine load.
  • the engine may be operated in a fuel distribution mode, and the ratio of using gas as fuel among the loads of the engine may be determined within a range of 15% or more and 85% or less of the engine load.
  • the engine may be operated in a fuel distribution mode, and as the load of the engine increases, the maximum value of the ratio of using gas as fuel among the loads of the engine may increase, and as the load of the engine increases, The minimum value of the rate at which gas is used as fuel in the engine load can be reduced.
  • the power management system can be operated in a second mixed mode, allowing the number of engines in gas mode to be maximum and the number of engines in fuel distribution mode to be minimum.
  • the vessel may comprise a plurality of engines, maximizing the load of the individual engines of the engines, so that the number of engines driven is minimized.
  • the engine operation method of the ship (A) calculating the expected "full load of the engine using gas as fuel” according to the pressure of the boil-off gas in the storage tank; (B) calculating "total load of engine using fuel oil” by subtracting "total load of engine using gas as fuel” calculated in (b) from the engine output required by the vessel; ; (C) determining the number of engines among a plurality of engines installed in the vessel in consideration of the engine output required by the vessel and the maximum output of each engine (hereinafter referred to as “the number of movable engines”); .); (D) The total load of engines using gas as fuel calculated in subparagraph (a) is divided by the number of "moving engines” calculated in subparagraph (c). Determining a load "; And (e) determining how many engines share the "full load of an engine using fuel oil” calculated in (b) in consideration of the maximum load of the engine.
  • Each load of engines in gas mode may be equal to each other, and the load of each engine in fuel distribution mode may be equal to each other.
  • the engine may be a four stroke DF engine.
  • the plurality of DF engine in a ship including a plurality of DF engine that can be driven in the fuel distribution mode, is operated in gas mode or fuel distribution mode, A vessel is provided which is operated to maximize the number of DF engines operating in gas mode among the plurality of DF engines and to maximize the load of each of the plurality of DF engines.
  • the marine engine operating method of the present invention since the number of engines operating in the gas mode of the plurality of engines that can be operated in the gas mode (Gas Mode) and also in the fuel sharing mode (Fuel Sharing Mode) is maximized, It is possible to use all of the gas that can be discarded when operating in the fuel distribution mode is efficient, to minimize the instability in the fuel distribution mode, and to minimize the emission of nitrogen oxides and sulfur oxides generated during engine combustion.
  • the engine operated in the fuel distribution mode uses not only gas but also fuel oil, while the gas is burned at a low load and consumes a lot of gaseous fuel, the engine operated in the gas mode can be burned at a high gas load.
  • the marine engine operating method of the present invention since the number of engines operating in the gas mode of the plurality of engines that can be operated in the gas mode (Gas Mode) and also in the fuel sharing mode (Fuel Sharing Mode) is maximized, The consumption of gaseous fuel can be reduced.
  • the number of engines driven by maximizing the load of the individual engines among the plurality of engines installed in the vessel is minimized, there is an effect that can extend the life of the engine as a whole.
  • 1 is a graph showing the ratio of using gas as fuel among the loads of the engine in the fuel distribution mode (FSM) according to the load of the engine.
  • FIG. 2 is a graph showing a conventional marine engine operating method when the total engine output required by the vessel is 24000 kW.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a ship engine operating method according to an embodiment of the present invention when the total engine output required by the ship is 24000 kW.
  • FIG. 4 is a graph showing a conventional marine engine operating method when the total engine output required by the vessel is 20000 kW.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a method for operating a ship engine according to an embodiment of the present invention when the total engine output required by the ship is 20000 kW.
  • the vessel on which the ship engine operating method of the present invention is installed may be a vessel of various uses, such as a LNG carrier, a LNG fuel ship, a drilling ship, and an offshore structure.
  • the engine to which the marine engine operating method of the present invention is applied is preferably a DF engine, but is not limited thereto, and may be applied to any engine capable of using fuel oil and natural gas in double.
  • the case where the marine engine operating method of this invention is applied to a DF engine is demonstrated to an example.
  • the following examples can be modified in many different forms and should not be construed as limited to the scope of the invention.
  • the DF engine is an engine that can use both natural gas and fuel oil, and can be divided into a four-stroke engine and a two-stroke main engine.
  • a DF engine for four-stroke power generation is usually referred to as a DF engine and is connected to a generator, and the load of the engine is determined by the connected generator. If the equipment connected to the generator requires more power, the torque that rotates the generator will increase, and as the torque increases, the engine's governor will decrease to compensate for the reduced speed. If more fuel is injected and more fuel is injected into the engine, the engine speed is increased to maintain the existing rotation speed. That is, the load of the engine is determined by the rotational speed and torque of the engine. The rotational speed of the engine is kept constant and the load of the engine is adjusted while the torque is adjusted.
  • Table 1 is a table showing the consumption of fuel according to the load of the engine when the four-stroke power generation DF engine rotates at a constant speed. Referring to Table 1, it can be seen that as the engine load increases, the fuel consumption decreases linearly. In other words, the more efficient the engine is running at higher loads.
  • the two-stroke main propulsion DF engine X-DF engine, ME-GI engine, etc.
  • the fuel consumption does not decrease linearly as the engine load increases, but is high at low load, low at heavy load, and high again at high load.
  • the existing DF engine could use both natural gas and fuel oil as fuel, it was necessary to use only one of them. It was not possible to use both natural gas and fuel oil as fuel. In other words, the existing DF engine was driven in one of two modes, a fuel oil mode (FO mode) and a gas mode (Gas mode).
  • a fuel oil mode (FO mode)
  • a gas mode (Gas mode).
  • the ship engine operation method is mainly determined by how the power management system (PMS) and the gas management system (GMS) on the integrated automation system (IAS) are linked to each other.
  • the operation method of the power management system (PMS) and the gas management system (GMS) of the ship in which the existing DF engine is installed are as follows.
  • the power management system (PMS) of a ship equipped with a conventional DF engine is a fuel oil mode (FO mode). Diesel mode; A mixed mode in which a plurality of engines installed in the vessel are fuel oil mode (FO mode) and some are gas mode; And a gas only mode in which a plurality of engines installed in the ship are all gas modes. It is driven in either state.
  • the gas management system (GMS) of a ship equipped with an existing DF engine measures the pressure inside the storage tank and then calculates the total load that can be assigned to the engine operating in gas mode based on the pressure inside the storage tank. .
  • the existing gas management system (GMS) of ships equipped with existing DF engines provides the user with information about the total load that can be assigned to the engine in gas mode calculated on the basis of the internal pressure of the storage tank.
  • GCU gas combustion unit
  • the gas management system (GMS) of the vessel in which the existing DF engine is installed may serve to maintain the pressure inside the storage tank at a predetermined level.
  • the integrated automation system (IAS) of a ship equipped with a DF engine is based on information on the total load that the gas management system (GMS) can assign to the engine in gas mode, which is calculated based on the pressure inside the storage tank. It also has the special feature of automatically assigning the engine load in each gas mode.
  • GMS gas management system
  • a fuel gas supply system (FGGS) is used to vaporize the liquefied natural gas inside the storage tank.
  • the fuel gas supply system (FGGS) sends the boil-off gas to the engine when the boil-off gas in the storage tank is sufficient to operate the engine, and the surplus boil-off gas when the boil-off gas in the storage tank can run all the engines.
  • the gas is sent to a gas combustion unit (GCU), and when the evaporated gas in the storage tank is insufficient to operate the engine, the liquefied natural gas in the storage tank is vaporized and sent to the engine.
  • the gas management system (GMS) regulates the operation of the fuel gas supply system (FGGS) to maintain the pressure inside the storage tank.
  • the fuel sharing mode refers to a state in which a DF engine uses natural gas and fuel oil simultaneously as fuel.
  • the existing DF engine which could only be operated in either Gas Mode or FO Mode, has been improved to have conventional combustion performance even when fuel oil and gas are injected simultaneously.
  • fuel oil mode as well as fuel distribution mode can be driven.
  • the DF engine operated in any one of a gas mode, a fuel oil mode (FO Mode), and a fuel distribution mode (FSM) may be converted to a fuel distribution mode (FSM); Determining a proportion of the gas burned in the fuel distribution mode (FSM); Calculating the amount of gas consumed in the fuel distribution mode (FSM); And feeding back the state of the engine in the fuel distribution mode FSM.
  • the process may include driving the fuel distribution mode FSM.
  • the DF engine which is also operated in the fuel distribution mode (FSM), has an advantage in that it can maximize the use of the boil-off gas generated inside the storage tank as compared to the conventional DF engine.
  • FSM fuel distribution mode
  • the total load of the engine required by the ship is 32000 kW
  • the evaporated gas in the storage tank is capable of producing a load of 30000 kW
  • the maximum load of the engine is 90
  • the case of% is as follows.
  • DF engines that also operate in fuel distribution mode (FSM)
  • FSM fuel distribution mode
  • three engines in gas mode each bear a load of 9000 kW and the remaining 5000 kW is the fuel distribution mode. Since one engine can be operated at a ratio of 3000kW of natural gas and 2000kW of fuel oil, it is possible to minimize the evaporated gas that is discarded.
  • the DF engine which is also operated in the fuel distribution mode has the advantage that the fuel oil is combusted at a point where the engine efficiency is high, as compared with the conventional DF engine. That is, fuel oil producing the same amount of load is used less in the case of DF engines that are also operated in fuel distribution mode (FSM) as compared to conventional DF engines.
  • FSM fuel distribution mode
  • a DF engine with a capacity of 1000 kW is operated in fuel distribution mode (FSM) at 50% load, producing 200 kW of gas and 300 kW of fuel oil.
  • FSM fuel distribution mode
  • the fuel oil used to produce a 300 kW load is 69300.0 g / h in conventional DF engines, and 61200.0 g / h in DF engines operated in fuel distribution mode (FSM). It can be seen that the DF engine, which operates in fuel distribution mode (FSM) rather than the DF engine, is burned at the point where the fuel oil has high engine efficiency.
  • FSM fuel distribution mode
  • Operation method of ship power management system (PMS) and gas management system (GMS) equipped with DF engine operated in any one of gas mode, fuel oil mode (FO mode) and fuel distribution mode (FSM) ) Is as follows.
  • the power management system (PMS) of a ship equipped with a DF engine which is also operated in fuel distribution mode (FSM) is similar to the diesel mode and mixed mode (PMS) of a ship equipped with a DF engine. It may be driven in any one of a mixed mode) and a gas only mode.
  • the PMS of a ship equipped with a DF engine which is also operated in fuel distribution mode (FSM) is a fuel sharing only mode in which a plurality of engines installed in the ship are all fuel distribution mode (FSM).
  • FSM fuel distribution mode
  • FO Mode fuel oil mode
  • FSM fuel distribution mode
  • FSM fuel distribution mode
  • a gas management system (GMS) of a vessel equipped with a DF engine which is also operated in fuel distribution mode (FSM), measures the internal pressure of the storage tank and assigns it to the engine operating in gas mode based on the internal pressure of the storage tank. Capable of full load; And a ratio of driving the gas among the total loads that can be allocated to the engine operating in the fuel distribution mode (FSM).
  • FSM fuel distribution mode
  • a gas management system (GMS) of a vessel equipped with a DF engine which is also operated in the fuel distribution mode (FSM)
  • a total load that can be assigned to an engine in a gas mode calculated based on the pressure inside the storage tank includes: a total load that can be assigned to an engine in a gas mode calculated based on the pressure inside the storage tank; And a rate of operating with gas out of the total loads that can be allocated to the engine in fuel distribution mode (FSM); and while the internal pressure of the storage tank is lowered, Forcibly switch to oil mode or fuel distribution mode, and when the internal pressure of the storage tank rises, surplus evaporated gas is sent to the gas combustion unit (GCU) for combustion or venting to the outside.
  • GCU gas combustion unit
  • a gas management system (GMS) of a ship equipped with a DF engine that is also operated in fuel distribution mode (FSM), similar to a gas management system (GMS) of a ship equipped with a conventional DF engine, has a certain level of pressure in the storage tank. It can play the role of maintaining it.
  • FSM fuel distribution mode
  • the integrated automation system (IAS) of a vessel equipped with a DF engine which is also operated in fuel distribution mode (FSM) is an engine and fuel distribution mode, which is a gas mode calculated by the gas management system (GMS) based on the pressure inside the storage tank.
  • the special function of automatically allocating loads for each engine as in the case of ships with existing DF engines, The load of the engine is increased, the speed of the ship is increased, and if the pressure of the boil-off gas in the storage tank is low, the load of the engine is reduced, and the speed of the ship is slowed.
  • the gas management system (GMS) of a ship equipped with a DF engine which is also operated in fuel distribution mode (FSM) has a fuel sharing only mode, fuel distribution mode (FSM) and fuel oil mode (FO mode). It can be operated in the following manner because it is linked to the power management system (PMS) which can be operated in any one of the mixed mode, the fuel distribution mode (FSM) and the mixed mode of the gas mode. have.
  • Each engine is operated so that the fuel oil and the boil-off gas inside the storage tank are used as fuel according to the ratio specified in (D).
  • PMS power management system
  • FSM mixed mode of fuel distribution mode
  • FO Mode fuel oil mode
  • PMS power management system
  • FSM fuel distribution mode
  • Gas Mode gas mode
  • (A) Determine the amount of boil-off gas expected to be used as fuel according to the measured boil-off pressure in the storage tank, and obtain the value when the engine in fuel distribution mode and the engine in gas mode are operated by using a fixed amount of boil-off gas. Calculate the maximum load possible (hereinafter referred to as "maximum engine load that can be produced by evaporation gas").
  • the DF engine which is also operated in fuel distribution mode (FSM) may be manually operated by the user operating the vessel.
  • FSM fuel distribution mode
  • PMS power management system
  • GMS gas management system
  • the user should determine the point that can achieve the best efficiency.
  • a point for optimum efficiency may be provided within a range that maintains an operation method for forcibly vaporizing liquefied natural gas in the storage tank. You must judge it yourself.
  • This embodiment can help to present a point that can achieve the optimum efficiency when the DF engine, which is also operated in the fuel distribution mode (FSM), is manually operated by the user.
  • FSM fuel distribution mode
  • FIG. 1 is a graph showing the ratio of using gas as fuel among the loads of the engine in the fuel distribution mode (FSM) according to the load of the engine.
  • the horizontal axis of FIG. 1 is a value expressing "load of an engine” in%
  • the vertical axis of FIG. 1 is a value expressing "rate of using gas as fuel” in% of the load of the engine in fuel distribution mode (FSM).
  • a of FIG. 1 is a graph which shows the "maximum value of the ratio which uses gas as a fuel” according to engine load
  • B of FIG. 1 shows "the minimum value of the ratio which uses gas as a fuel” according to engine load.
  • FIG. 1C is a graph showing the minimum load of the engine
  • FIG. 1D is a graph showing the maximum load of the engine.
  • the ratio of using gas as fuel among the loads of the engine is also limited to about 15% or more and 85% or less. That is, the range of "the ratio of using gas as fuel” is limited according to the load of the engine, for example, it is not possible to operate the engine in fuel distribution mode (FSM) at the ratio of 5% gas.
  • FSM fuel distribution mode
  • the fuel distribution mode has the advantage of minimizing the evaporated gas that is discarded, but since two different fuels, gas and fuel oil, are burned together, it is necessary to carefully control the air fuel ratio. If it is wrong, there is a disadvantage in that the gas is incombustible and the exhaust gas may contain unburned gas and be discharged. In addition, when the gas is more unburned due to the difficulty of adjusting the air-fuel ratio, the stress on the internal parts of the engine is further increased. That is, when using the fuel distribution mode (FSM), there is a greater risk of damage to the engine than when driving the engine only with fuel oil.
  • the power management system PMS is a mixed mode of the fuel distribution mode FSM and the gas mode
  • the maximum number of engines in the gas mode is maximized, and the number of engines in the fuel distribution mode FSM is maximized.
  • damage to the engine can be prevented and emissions of nitrogen oxides and sulfur oxides can be reduced.
  • the PMS is a mixed mode of fuel distribution mode (FSM) and gas mode
  • FSM mixed mode of fuel distribution mode
  • gas mode the number of engines in gas mode is maximized to minimize the number of engines in fuel distribution mode (FSM).
  • (A) Calculate the expected “full load of engine using gas” according to the pressure of the boil-off gas inside the storage tank.
  • the "full load of engine using gas as fuel” includes not only the total load of the engine in gas mode, but also the load according to the gas ratio of the engine in fuel distribution mode.
  • (B) Calculate "total load of engine using fuel oil” by subtracting "total load of engine using gas as fuel” calculated in (B) from engine output required by the ship. If the engine output required by the ship is less than the "full load of engine using gas as fuel” calculated in (b), the power management system (PMS) is set to fuel distribution mode (FSM) and gas mode ( Rather than operating in a mixed mode of gas mode, it is preferable to operate in a gas only mode, and the remaining evaporated gas is sent to a gas combustion device (GCU) for combustion or venting to the outside.
  • PMS power management system
  • FSM fuel distribution mode
  • GCU gas combustion device
  • (E) Considering the maximum load of the engine, determine how many engines will share the "total load of engine using fuel oil" calculated in (b). Since the power management system PMS of the present invention is a mixed mode of the fuel distribution mode (FSM) and the gas mode (Gas Mode), only the engine in the fuel distribution mode (FSM) uses the fuel oil. Is the engine in fuel distribution mode.
  • FSM fuel distribution mode
  • Gas Mode gas mode
  • FIG. 2 is a graph showing a conventional ship engine operating method when the total engine output required by the ship is 24000 kW
  • FIG. 3 is a graph showing a conventional engine output method required by the ship when the total engine output required by the ship is 24000 kW. It is a graph showing a marine engine operating method according to the embodiment. Referring to Figures 2 and 3, the marine engine operating method of the present embodiment will be described in comparison with the conventional case as follows.
  • the marine engine driving method of the present embodiment it can be seen that compared to the conventional marine engine driving method, the engine in the fuel distribution mode is reduced from three to two.
  • FIG. 4 is a graph showing a conventional marine engine operating method when the total engine output required by the ship is 20000 kW
  • FIG. 5 is a graph illustrating a conventional engine output method required by the ship when the total engine output required by the ship is 20000 kW. It is a graph showing a marine engine operating method according to the embodiment. 4 and 5, the marine engine operating method of the present embodiment will be described as follows in comparison with the conventional case.
  • Engine load to be used 4000kW: Satisfies the proportional expression of 5000kW and there is no problem.
  • the number of engines operated in the gas mode is maximized, and the number of engines operated in the fuel distribution mode is minimized, thereby minimizing instability in the fuel distribution mode and generating engine combustion. It can be seen that the emission of nitrogen oxides and sulfur oxides can be minimized.

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Abstract

천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하는 선박의 엔진 운전 방법이 개시된다. 상기 선박의 엔진 운전 방법에 의하면, 각 엔진은, 천연가스를 연료로 사용하여 구동되는 가스 모드; 연료유를 연료로 사용하여 구동되는 연료유 모드; 및 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용하는 연료 분배 모드;중 어느 하나의 모드로 운전된다.

Description

선박용 엔진 운전 방법
본 발명은 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하는 선박의 엔진 운전 방법에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 액화천연가스는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화천연가스 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단시키는데에는 한계가 있고, 액화천연가스 내부로 전달되는 열에 의해 액화천연가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화하게 된다. 저장탱크 내부에서 기화된 액화천연가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다.
증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전압력 이상이 되면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 선박의 연료로 사용되거나 재액화되어 다시 저장탱크로 돌려보내진다.
본 발명은 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하는 선박의 효율적인 엔진 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하는 선박의 엔진 운전 방법에 있어서, 각 엔진은, 천연가스를 연료로 사용하여 구동되는 가스 모드; 연료유를 연료로 사용하여 구동되는 연료유 모드; 및 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용하는 연료 분배 모드;중 어느 하나의 모드로 운전되는, 선박의 엔진 운전 방법이 제공된다.
상기 엔진은, 연료 분배 모드로 전환되는 단계; 연료 분배 모드에서 연소되는 가스의 비율을 결정하는 단계; 연료 분배 모드에서 소모된 가스량을 계산하는 단계; 및 연료 분배 모드에서의 상기 엔진의 상태를 피드백하는 단계;를 포함하는 과정을 통해 연료 분배 모드로 운전될 수 있다.
상기 선박용 엔진 운전 방법은 통합자동화시스템의 전력관리시스템 및 가스관리시스템이 연계 운용되어 결정될 수 있고, 상기 전력관리시스템은, 상기 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 연료유 모드인 디젤 모드; 상기 다수개의 엔진의 일부는 연료유 모드이고 나머지 일부는 가스 모드인 제 1 혼합 모드; 상기 다수개의 엔진이 모두 가스 모드인 가스 단독 모드; 상기 다수개의 엔진이 모두 연료 분배 모드인 연료 분배 단독 모드; 상기 다수개의 엔진의 일부는 연료 분배 모드이고 나머지 일부는 가스 모드인 제 2 혼합 모드; 및 상기 다수개의 엔진의 일부는 연료 분배 모드이고 나머지 일부는 연료유 모드인 제 3 혼합 모드;중 어느 하나의 상태로 구동될 수 있다.
상기 가스관리시스템은, 상기 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크의 내부 압력을 측정할 수 있고, 상기 측정한 저장탱크 내부 압력을 기준으로 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하; 또는 연료 분배 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 중 가스로 운전되는 비율;을 계산할 수 있다.
상기 가스관리시스템은, 상기 저장탱크의 내부 압력이 떨어지는 경우에는 가스 모드로 운전 중인 엔진을 연료유 모드 또는 연료 분배 모드로 강제 전환시킬 수 있고, 상기 저장탱크의 내부 압력이 올라가는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치로 보내 연소시키거나 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 통합자동화시스템은, 상기 가스관리시스템이 상기 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한, 가스 모드인 엔진 및 연료 분배 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보에 기초하여, 각 엔진의 부하를 자동으로 할당할 수 있다.
상기 전력관리시스템은 연료 분배 단독 모드로 운용될 수 있고, 상기 가스관리시스템은, (가) 측정한 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산하는 단계(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.); (나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "전체 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산하는 단계; (다) (나)에서 계산한 "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 상기 각 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정하는 단계; (라) (다)에서 정한 비율에 따라 연료유 및 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 상기 각 엔진을 운전하는 단계; 및 (마) 상기 각 엔진을 운전하는 도중에 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (라)의 과정을 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전력관리시스템은 제 2 혼합 모드로 운용될 수 있고, 상기 가스관리시스템은, (가) 측정한 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진 및 가스 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산하는 단계(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.); (나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 먼저 상기 가스 모드인 엔진에 각각 분배하는 단계; (다) "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하" 중 (나)에서 상기 가스 모드인 엔진에 분배하고 남은 부하를 "연료 분배 모드인 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산하는 단계; (라) (다)에서 계산한 "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여, 상기 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정하는 단계; (마) (나)에서 정해진 상기 가스 모드인 엔진이 감당하는 부하; 및 (라)에서 정해진 상기 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율;에 따라 연료유 및 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 상기 각 엔진을 운전하는 단계; (바) 상기 각 엔진을 운전하는 도중에 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복하는 단계; 및 (사) 상기 저장탱크 내부의 증발가스의 양이 줄어들 경우 상기 연료 분배 모드인 엔진의 연료유 비율을 높이고, 일정 수준 이상으로 연료유가 필요하게 되면 상기 가스 모드인 엔진의 일부 또는 전부를 연료 분배 모드로 전환하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전력관리시스템은 제 3 혼합 모드로 운용될 수 있고, 상기 가스관리시스템은, (가) 측정한 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산하는 단계(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.); (나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "연료 분배 모드인 엔진의 댓수"로 나누어, "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산하는 단계; (다) (나)에서 계산한 "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 상기 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정하는 단계; (라) 상기 선박에 필요한 엔진의 출력 중 상기 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 부하를 제외한 나머지는 연료유 모드인 엔진이 감당하도록 하는 단계; (마) (다)에서 정해진 상기 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율; 및 (라)에서 정해진 상기 연료유 모드인 엔진이 감당하는 부하;에 따라 연료유 및 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 상기 각 엔진을 운전하는 단계; 및 (바) 상기 각 엔진을 운전하는 도중에 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 엔진은 상기 선박을 운전하는 사용자에 의해 수동으로 운전될 수 있고, 상기 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크 내부의 증발가스가 상기 엔진을 구동시키기에 충분한 경우에는, 상기 전력관리시스템 및 상기 가스관리시스템에 의해 허용되는 증발가스 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점을 사용자가 직접 판단할 수 있고, 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 상기 엔진을 구동시키기에 부족한 경우에는, 상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 강제 기화시키는 운전 방식을 유지하는 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점을 사용자가 직접 판단할 수 있다.
상기 엔진은 연료 분배 모드로 운전될 수 있고, 상기 엔진의 부하는, 상기 엔진 전체 부하의 15%이상 85%이하의 범위 내에서 결정될 수 있다.
상기 엔진은 연료 분배 모드로 운전될 수 있고, 상기 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율은, 상기 엔진 부하의 15%이상 85%이하의 범위 내에서 결정될 수 있다.
상기 엔진은 연료 분배 모드로 운전될 수 있고, 상기 엔진의 부하가 커질수록, 상기 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율의 최대값은 증가할 수 있고, 상기 엔진의 부하가 커질수록, 상기 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율의 최소값은 감소할 수 있다.
상기 전력관리시스템은 제 2 혼합 모드로 운용될 수 있고, 가스 모드인 엔진의 댓수는 최대가 되도록 하고, 연료 분배 모드인 엔진의 댓수는 최소가 되도록 할 수 있다.
상기 선박은 다수개의 엔진을 포함할 수 있고, 상기 엔진 중 개별 엔진의 부하를 최대로 하여, 구동되는 엔진의 댓수가 최소가 되도록 할 수 있다.
상기 선박의 엔진 운전 방법은, (가) 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 기대되는 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산하는 단계; (나) 상기 선박이 필요로 하는 엔진 출력에서 (나)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 공제하여 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산하는 단계; (다) 상기 선박이 필요로 하는 엔진 출력 및 상기 각 엔진의 최대 출력을 고려하여 상기 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 몇 대의 엔진을 구동시킬 것인지를 결정하는 단계(이하, "가동 엔진 댓수"라고 한다.); (라) (가)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 (다)에서 계산한 "가동 엔진 댓수"로 나누어 상기 각 엔진에 공급될 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 부하"를 결정하는 단계; 및 (마) 상기 엔진의 최대 부하를 고려하여 (나)에서 계산한 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 몇 대의 엔진이 나누어 부담할지 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
가스 모드인 엔진 및 연료 분배 모드인 엔진의 모든 "가스를 연료로 사용하는 엔진 부하"는 동일할 수 있다.
가스 모드인 엔진들의 각 부하가 서로 동일하고, 연료 분배 모드인 각 엔진의 부하가 서로 동일할 수 있다.
상기 엔진은 4행정 발전용 DF엔진일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 연료 분배 모드로 구동될 수 있는 DF엔진을 다수개 포함하는 선박에 있어서, 상기 다수개의 DF엔진은 가스 모드 또는 연료 분배 모드로 운전되고, 상기 다수개의 DF엔진 중 가스 모드로 운전되는 DF엔진의 댓수를 최대로 하고, 상기 다수개의 DF엔진 각각의 부하를 최대로 하도록 운전되는, 선박이 제공된다.
본 발명의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 가스 모드(Gas Mode)로도 운전될 수 있고 연료 분배 모드(Fuel Sharing Mode)로도 운전될 수 있는 다수개의 엔진 중 가스 모드로 운전되는 엔진의 댓수를 최대화하므로, 연료 분배 모드로 운전시 버릴 수 있는 가스를 모두 사용할 수 있어 효율적이며, 연료 분배 모드에서의 불안정성을 최소화하고, 엔진 연소시 발생되는 질소산화물 및 황산화물의 배출을 최소화할 수 있다.
연료 분배 모드로 운전되는 엔진에서는 가스뿐만 아니라 연료유를 사용하므로, 가스가 낮은 부하에서 연소되어 가스 연료의 소모량이 많은 반면, 가스 모드로 운전되는 엔진은 가스가 높은 부하에서 연소될 수 있다. 본 발명의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 가스 모드(Gas Mode)로도 운전될 수 있고 연료 분배 모드(Fuel Sharing Mode)로도 운전될 수 있는 다수개의 엔진 중 가스 모드로 운전되는 엔진의 댓수를 최대화하므로, 가스 연료의 소모량을 줄일 수 있다.
본 발명의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 개별 엔진의 부하를 최대로 하여 구동되는 엔진의 개수를 최소로 하므로, 전체적으로 엔진의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 연료 분배 모드(FSM)인 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율을 엔진의 부하에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 3은, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 4는, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
도 5는, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 선박용 엔진 운전 방법이 설치되는 선박은, 액화천연가스 운반선, 액화천연가스 연료선, 시추선, 해양구조물 등 다양한 용도의 선박일 수 있다. 또한, 본 발명의 선박용 엔진 운전 방법이 적용되는 엔진은 DF엔진인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 연료유와 천연가스를 이중으로 사용할 수 있는 모든 엔진에 응용될 수 있다. 이하, 본 발명의 선박용 엔진 운전 방법이 DF엔진에 적용되는 경우를 예를 들어 설명한다. 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로 DF(Dual Fuel)엔진이 있다. DF엔진은, 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진으로, 4행정 발전용 엔진과 2행정 주 추진용 엔진으로 나눌 수 있다.
4행정 발전용 DF엔진은, 통상 DF엔진이라고 일컬어지며, 발전기와 연결되어, 엔진의 부하는 연결된 발전기에 의해 결정된다. 발전기에 연결된 장비들이 더 많은 전력을 요구하면, 발전기를 회전시키는 토크(Torque)가 증가하게 되고, 토크가 증가하면 발전기의 회전수가 줄어들고, 줄어든 회전수를 보상하기 위하여 엔진의 가버너(Governor)가 연료를 더 주입하고, 엔진에 연료가 더 주입되면 엔진의 회전수가 증가하여 기존의 회전속도를 유지하게 된다. 즉, 엔진의 부하는 엔진의 회전속도와 토크에 의해 결정되는데, 엔진의 회전속도는 일정하게 유지되고 토크가 조절되면서 엔진의 부하도 조절된다.
표 1
부하 가스 연료유
% (kJ/kWh) (g/kWh)
100 7300 189.0
95 7320 189.2
90 7345 189.5
85 7400 190.0
80 7500 191.0
75 7620 192.0
70 7700 193.4
65 7820 195.0
60 7950 197.5
55 8100 200.5
50 8260 204.0
45 8500 209.0
40 8800 215.0
35 9175 223.0
30 9560 231.0
상기 표 1은, 4행정 발전용 DF엔진이 일정한 속도로 회전하는 경우, 엔진의 부하에 따른 연료의 소모량을 나타낸 표이다. 표 1을 참조하면, 엔진의 부하가 증가할수록 연료소모량은 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 엔진을 높은 부하에서 운전할수록 엔진의 효율이 좋아진다.
한편, 2행정 주 추진용 DF엔진에는, X-DF엔진, ME-GI엔진 등이 있는데, 선박을 추진하기 위한 엔진이므로 발전기가 아닌 프로펠러와 연결된다. 2행정 DF엔진은, 4행정 DF엔진과는 달리, 엔진의 부하가 증가할수록 연료소모량이 선형적으로 감소하는 것이 아니라, 저부하에서는 높다가 중부하에서는 낮아지고 고부하에서는 다시 높아지는 특징을 보인다.
기존의 DF엔진은 천연가스와 연료유를 모두 연료로 사용할 수 있기는 하였지만, 둘 중 어느 한 가지만을 사용하여야 하고, 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수는 없었다. 즉, 기존의 DF엔진은 연료유 모드(FO Mode; Fuel Oil Mode)와 가스 모드(Gas Mode) 둘 중 어느 하나의 상태로 구동되었다.
한편, 선박용 엔진 운전 방법은 주로 통합자동화시스템(IAS; Integrated Automation System) 상의 전력관리시스템(PMS; Power Management System)과 가스관리시스템(GMS; Gas Management System)이 서로 어떻게 연계되어 운용되는지에 따라 결정되는데, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)의 운용 방법과 가스관리시스템(GMS)의 운용 방법은 다음과 같다.
기존의 DF엔진은 천연가스나 연료유 중 어느 한가지만을 연료로 사용할 수 있으므로, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)은, 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 연료유 모드(FO Mode)인 디젤 모드(Diesel Mode); 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 일부는 연료유 모드(FO Mode)이고 나머지 일부는 가스 모드(Gas Mode)인 혼합 모드(Mixed Mode); 및 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 가스 모드(Gas Mode)인 가스 단독 모드(Gas Only Mode); 중 어느 하나의 상태로 구동된다.
기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크 내부의 압력을 측정한 후, 저장탱크 내부 압력을 기준으로, 가스 모드로 운전되는 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하를 계산한다. 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보를 사용자에게 제공함과 동시에, 저장탱크의 내부 압력이 떨어지는 경우에는 가스 모드로 운전 중인 엔진을 연료유 모드로 강제 전환시키고, 저장탱크의 내부 압력이 올라가는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 연소시키거나 외부로 배출(Venting)시킨다. 따라서, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크 내부의 압력을 일정 수준으로 유지시키는 역할을 수행할 수 있다.
한편, DF엔진이 설치된 선박의 통합자동화시스템(IAS)은, 가스관리시스템(GMS)이 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한, 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보에 기초하여, 각각의 가스 모드인 엔진의 부하를 자동으로 할당하는 특별한 기능을 가지기도 한다.
DF엔진이 설치된 선박의 통합자동화시스템(IAS)이, 각각의 가스 모드인 엔진의 부하를 자동으로 할당하는 특별한 기능을 가지는 경우, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 높으면 엔진의 부하가 커져 선박의 속도는 빨라지게 되고, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 낮으면 엔진의 부하가 작아져 선박의 속도는 느려지게 된다.
기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)이, 저장탱크 내부 압력 조절 모드(Tank Pressure Control Mode)에서, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력에 따라 각 엔진의 적절한 부하를 결정하는 방법의 일실시예는 다음과 같다.
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 가스 모드로 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "가스 모드인 엔진의 댓수"로 나누어, "각각의 가스 모드 엔진에 할당되는 부하"를 계산한다.
(다) 선박에 필요한 엔진의 출력이 (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"보다 작은 경우에는, 남는 증발가스를 배출하거나 가스연소장치(GCU)에서 태우도록 한다.
(라) 선박에 필요한 엔진의 출력이 (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"보다 큰 경우에는, (나)에서 계산한 "각각의 가스 모드 엔진에 할당되는 부하"가 가스 모드인 각 엔진에 실제로 할당될 수 있도록 가스 모드인 엔진을 운전하고, 모자라는 엔진 출력은 연료유 모드인 엔진이 감당하도록 한다.
(마) 저장탱크 내부의 증발가스를 모두 사용하고 연료유 모드인 엔진을 모두 사용하여도 선박에 필요한 엔진의 출력을 감당할 수 없으면, 저장탱크 내부의 액화천연가스를 기화 및 압축하여 연료로 사용하도록 한다.
저장탱크 내부의 액화천연가스를 기화시키는데에는 연료가스공급시스템(FGGS; Fuel Gas Supply System)이 사용된다. 연료가스공급시스템(FGGS)은, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 가동시키기에 충분한 경우에는 증발가스를 엔진으로 보내고, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 모두 가동시키고도 남는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치(GCU)에 보내고, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 가동시키기에 부족한 경우에는 저장탱크 내부의 액화천연가스를 기화시켜 엔진에 보낸다. 가스관리시스템(GMS)은 연료가스공급시스템(FGGS)의 작동을 조절하여 저장탱크 내부의 압력을 유지시킨다.
한편, 연료 분배 모드(FSM; Fuel Sharing Mode)란, DF엔진이 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용하는 상태를 말한다. 가스 모드(Gas Mode) 또는 연료유 모드(FO Mode) 중 어느 하나의 모드에서만 작동될 수 있었던 기존의 DF엔진을, 연료유와 가스를 동시에 분사해도 기존의 연소 성능을 가지도록 개선하여, 가스 모드, 연료유 모드 뿐만 아니라, 연료 분배 모드로도 구동될 수 있도록 하였다.
가스 모드(Gas Mode), 연료유 모드(FO Mode) 및 연료 분배 모드(FSM) 중 어느 하나의 상태로 운전되는 DF엔진은, 연료 분배 모드(FSM)로 전환되는 단계; 연료 분배 모드(FSM)에서 연소되는 가스의 비율을 결정하는 단계; 연료 분배 모드(FSM)에서 소모된 가스량을 계산하는 단계; 및 연료 분배 모드(FSM)에서의 엔진의 상태를 피드백(Feedback)하는 단계;를 포함하는 과정을 통해, 연료 분배 모드(FSM)로 운전될 수 있다.
연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은, 종래의 DF엔진에 비하여, 저장탱크 내부에서 발생되는 증발가스를 최대한 사용할 수 있다는 장점이 있다.
10000kW의 용량을 가지는 DF엔진이 네 대 설치된 선박에서, 선박이 필요로 하는 엔진의 전체 부하가 32000kW이고, 저장탱크 내부의 증발가스는 30000kW의 부하를 생산할 수 있는 양이며, 엔진의 최대 부하는 90%인 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
종래의 DF엔진의 경우에는, 가스가 연료유보다 비용이 저렴하다는 점을 고려하여, 가스 모드인 엔진 세 대가 각각 9000kW의 부하를 감당하고, 남은 5000kW는 연료유 모드인 엔진 한 대가 감당하도록 운전하는 것이 바람직하다. 그런데, 이 경우 27000kW에 해당하는 증발가스만 사용되고, 남은 3000kW에 해당하는 증발가스는 버려지게 된다는 문제점이 있었다.
연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우에는, 가스가 연료유보다 비용이 저렴하다는 점을 고려하여, 가스 모드인 엔진 세 대가 각각 9000kW의 부하를 감당하고, 남은 5000kW는 연료 분배 모드인 엔진 한 대가 천연가스 3000kW 및 연료유 2000kW의 비율로 감당하도록 운전하면 되므로, 버려지는 증발가스를 최소화할 수 있다.
또한, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은, 종래의 DF엔진과 비교하여, 연료유가 엔진 효율이 높은 지점에서 연소된다는 장점이 있다. 즉, 같은 양의 부하를 생산하는 연료유가, 종래의 DF엔진에 비해 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우에 더 적게 사용된다. 연료유가 300kW의 부하를 생산하는 경우를 예를 들어서 설명하면 다음과 같다.
종래의 DF엔진의 경우, 1000kW 용량을 가지는 DF엔진을 30%의 부하로 연료유 모드로 운전한다면, 표 1을 참조하면, 231.0g/kWh × 300kW ＝ 69300.0g/h의 연료유를 연료로 소모한다.
연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우, 1000kW 용량을 가지는 DF엔진을 50%의 부하로 연료 분배 모드(FSM)로 운전하고, 가스가 200kW의 부하를, 연료유가 300kW의 부하를 생산하도록 비율을 설정하면, 표 1을 참조하면, 204.0g/kWh × 300kW ＝ 61200.0g/h의 연료유를 연료로 소모한다.
300kW의 부하를 생산하기 위하여 사용되는 연료유가, 종래의 DF엔진은 69300.0g/h의 양이 사용되고, 연료 분배 모드(FSM)로 운전되는 DF엔진은 61200.0g/h의 양이 사용되어, 종래의 DF엔진보다 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 연료유가 엔진 효율이 높은 지점에서 연소된다는 것을 확인할 수 있다.
가스 모드(Gas Mode), 연료유 모드(FO Mode) 및 연료 분배 모드(FSM) 중 어느 하나의 상태로 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)의 운용 방법과 가스관리시스템(GMS)의 운용 방법은 다음과 같다.
연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)은, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)와 마찬가지로, 디젤 모드(Diesel Mode), 혼합 모드(Mixed Mode) 및 가스 단독 모드(Gas Only Mode) 중 어느 하나의 상태로 구동될 수 있다. 단, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 전력관리시스템(PMS)은, 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 연료 분배 모드(FSM)인 연료 분배 단독 모드(Fuel Sharing Only Mode); 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 일부는 연료 분배 모드(FSM)이고 나머지 일부는 연료유 모드(FO Mode)인 혼합 모드; 및 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 일부는 연료 분배 모드(FSM)이고 나머지 일부는 가스 모드(Gas Mode)인 혼합 모드; 중 어느 하나의 상태로도 구동될 수 있다.
연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크의 내부 압력을 측정한 후, 저장탱크 내부 압력을 기준으로, 가스 모드로 운전되는 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하; 및 연료 분배 모드(FSM)로 운전되는 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 중 가스로 운전되는 비율;을 계산한다.
또한, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한, 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하; 및 연료 분배 모드(FSM)인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 중 가스로 운전되는 비율;에 관한 정보를 사용자에게 제공함과 동시에, 저장탱크의 내부 압력이 떨어지는 경우에는 가스 모드로 운전 중인 엔진을 연료유 모드 또는 연료 분배 모드로 강제 전환시키고, 저장탱크의 내부 압력이 올라가는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치(GCU; Gas Combustion Unit)로 보내 연소시키거나 외부로 배출(Venting)시킨다.
따라서, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 기존의 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)과 마찬가지로, 저장탱크 내부의 압력을 일정 수준으로 유지시키는 역할을 할 수 있다.
한편, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 통합자동화시스템(IAS)이, 가스관리시스템(GMS)이 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한 가스 모드인 엔진 및 연료 분배 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보에 기초하여, 각 엔진의 부하를 자동으로 할당하는 특별한 기능을 가지는 경우, 기존의 DF엔진이 설치된 선박과 마찬가지로, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 높으면 엔진의 부하가 커져 선박의 속도는 빨라지게 되고, 저장탱크 내부의 증발가스의 압력이 낮으면 엔진의 부하가 작아져 선박의 속도는 느려지게 된다.
다만, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 설치된 선박의 가스관리시스템(GMS)은, 연료 분배 단독 모드(Fuel Sharing Only Mode), 연료 분배 모드(FSM)와 연료유 모드(FO Mode)의 혼합 모드, 연료 분배 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드 중 어느 하나의 상태로도 구동될 수 있는 전력관리시스템(PMS)과 연계되므로, 다음과 같은 방식으로도 운용될 수 있다.
전력관리시스템(PMS)이 연료 분배 단독 모드(Fuel Sharing Only Mode)인 경우,
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "전체 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산한다.
(다) (나)에서 계산한 "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 각 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정한다. (일례로, 천연가스 : 연료유 = 7 : 3 )
(라) (다)에서 정한 비율에 따라 연료유 및 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 각 엔진을 운전한다.
(마) 각 엔진을 운전하는 도중에 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (라)의 과정을 반복한다.
전력관리시스템(PMS)이 연료 분배 모드(FSM)와 연료유 모드(FO Mode)의 혼합 모드인 경우,
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "연료 분배 모드인 엔진의 댓수"로 나누어, "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산한다.
(다) (나)에서 계산한 "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정한다. (일례로, 천연가스 : 연료유 = 7 : 3)
(라) 선박에 필요한 엔진의 출력 중, 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 부하를 제외한 나머지는, 연료유 모드인 엔진이 감당하도록 한다.
(마) (다)에서 정해진 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율; 및 (라)에서 정해진 연료유 모드인 엔진이 감당하는 부하;에 따라 연료유 및 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 각 엔진을 운전한다.
(바) 각 엔진을 운전하는 도중에 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복한다.
전력관리시스템(PMS)이 연료 분배 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드인 경우,
(가) 측정한 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진 및 가스 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산한다.(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.)
(나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 먼저 가스 모드인 엔진에 각각 분배한다. 연료유보다 가스의 비용이 더 저렴하므로, 가스 모드인 엔진에 우선적으로 부하를 분배하는 것이 바람직하다.
(다) "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하" 중 (나)에서 가스 모드인 엔진에 분배하고 남은 부하를 "연료 분배 모드인 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산한다.
(라) (다)에서 계산한 "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여, 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정한다. (일례로, 천연가스 : 연료유 = 7 : 3)
(마) (나)에서 정해진 가스 모드인 엔진이 감당하는 부하; 및 (라)에서 정해진 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율;에 따라 연료유 및 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 각 엔진을 운전한다.
(바) 각 엔진을 운전하는 도중에 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복한다.
(사) 저장탱크 내부의 증발가스의 양이 줄어들 경우, 선박에 필요한 엔진 출력을 감당할 수 있도록, 연료 분배 모드인 엔진의 연료유 비율을 높인다. 만약, 일정 수준 이상으로 연료유가 필요하게 되면, 가스 모드인 엔진의 일부 또는 전부를 연료 분배 모드로 전환한다.
연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은 선박을 운전하는 사용자에 의해 수동으로 운전될 수도 있다. 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 수동으로 운전되는 경우, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 구동시키기에 충분한 경우에는, 전력관리시스템(PMS) 및 가스관리시스템(GMS)에 의해 허용되는 증발가스의 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점(Point)을 사용자가 직접 판단하여야 한다. 또한, 저장탱크 내부의 증발가스가 엔진을 구동시키기에 부족한 경우에는, 저장탱크 내부의 액화천연가스를 강제 기화시키는 운전 방식을 유지하는 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점(Point)을 사용자가 직접 판단하여야 한다.
상기 실시예는, 연료 분배 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 사용자에 의해 수동으로 운전되는 경우에, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점(Point)을 제시하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 1은, 연료 분배 모드(FSM)인 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율을, 엔진의 부하에 따라 나타낸 그래프이다. 도 1의 가로축은 "엔진의 부하"를 %로 나타낸 값이고, 도 1의 세로축은 연료 분배 모드(FSM)인 엔진의 부하 중 "가스를 연료로 사용하는 비율"을 %로 나타낸 값이다. 또한, 도 1의 A는 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최대값"을 엔진 부하에 따라 나타낸 그래프이고, 도 1의 B는 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최소값"을 엔진 부하에 따라 나타낸 그래프이며, 도 1의 C는 엔진의 최소 부하를 나타낸 그래프이고, 도 1의 D는 엔진의 최대 부하를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 엔진의 부하가 너무 높거나(대략 85% 이상) 너무 낮으면(대략 15% 이하), 엔진을 연료 분배 모드(FSM)로 운전할 수 없음을 알 수 있다. 엔진의 부하가 너무 높거나 너무 낮으면, 엔진에 가스를 주입할 때 실린더 간의 연소 폭발 압력의 밸런스를 맞추기 어렵기 때문에, 연료 분배 모드(FSM)로 운전될 수 있는 엔진 부하의 범위를 제한한다.
또한, 엔진의 부하 중 "가스를 연료로 사용하는 비율"도 대략 15% 이상 85% 이하로 제한됨을 알 수 있다. 즉, 엔진의 부하에 따라 "가스를 연료로 사용하는 비율"의 범위가 제한되고, 일례로 가스 5% 비율로 연료 분배 모드(FSM)인 엔진을 운전할 수는 없다.
도 1에서는, 엔진의 부하가 커질수록 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최대값"은 점점 증가하고, 엔진의 부하가 커질수록 "가스를 연료로 사용하는 비율의 최소값"은 점점 감소하는 경향을 볼 수 있는데, 이는 엔진의 부하가 커질수록 사용할 수 있는 가스 비율의 범위가 넓어진다는 것을 나타낸다.
연료 분배 모드(FSM)는, 버려지는 증발가스를 최소화할 수 있다는 장점도 있지만, 가스와 연료유의 두 가지 상이한 연료가 함께 연소되므로 공연비(Air Fuel Ratio)의 세심한 조절이 필요하며, 공연비의 조절이 잘못될 경우 가스가 불연소되어, 배기가스에 연소되지 않은 가스가 포함되어 배출될 수도 있다는 단점이 있다. 또한, 공연비 조절의 어려움으로 인하여 가스가 불연소되는 경우가 많아지면, 엔진 내부 부품이 받는 스트레스는 더욱 커지게 된다. 즉, 연료 분배 모드(FSM)를 사용하는 경우에는, 엔진을 연료유만으로 구동시킬 때보다 엔진이 손상될 위험이 커지게 된다.
뿐만 아니라, 가스만으로 엔진을 구동시킬 때에는 질소산화물의 배출이 적어 IMO의 배출규제를 만족할 수 있지만, 연료 분배 모드(FSM)에서 연료유를 엔진에 주입시키면 질소산화물의 배출이 급격히 증가하여 IMO의 배출규제를 만족시키기 어렵게 되고, 연료 분배 모드(FSM)에서는 액체 연료인 연료유를 연소시키므로 가스만으로 엔진을 구동시킬 때에 비하여 황산화물도 많이 배출된다.
따라서, 전력관리시스템(PMS)이 연료 분배 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드인 경우, 가스 모드인 엔진의 댓수를 최대로 하고, 연료 분배 모드(FSM)인 엔진의 댓수를 최소로 하면, 엔진의 손상을 방지하고 질소산화물 및 황산화물의 배출을 감소시킬 수 있다.
또한, 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 개별 엔진의 부하를 최대로 하여 구동되는 엔진의 댓수를 최소로 하면, 구동되지 않는 상태의 엔진 댓수가 증가하므로 전체적으로 엔진의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
전력관리시스템(PMS)이 연료 분배 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드인 경우, 가스 모드인 엔진의 댓수를 최대로 하여 연료 분배 모드(FSM)인 엔진의 댓수를 최소로 하고, 개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
(가) 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 기대되는 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산한다. "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"는 가스 모드인 엔진의 전체 부하뿐만 아니라 연료 분배 모드인 엔진의 가스 비율에 따른 부하도 포함한다.
(나) 선박이 필요로 하는 엔진 출력에서 (나)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 공제하여 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산한다. 만약, 선박이 필요로 하는 엔진 출력이 (나)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"보다 더 적으면, 전력관리시스템(PMS)을 연료 분배 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드로 운영하기 보다는 가스 단독 모드(Gas Only Mode)로 운영하고, 남은 증발가스는 가스연소장치(GCU)로 보내 연소시키거나 외부로 배출(Venting)시키는 것이 바람직하다.
(다) 선박이 필요로 하는 엔진 출력 및 각 엔진의 최대 출력을 고려하여 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 몇 대의 엔진을 구동시킬 것인지를 결정한다. 이 때, 각 엔진이 최대로 구동할 수 있도록 하여 가동되는 엔진 댓수가 최소가 될 수 있도록 한다. (이하, "가동 엔진 댓수"라고 한다.)
(라) (가)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 (다)에서 계산한 "가동 엔진 댓수"로 나누어 각 엔진에 공급될 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 부하"를 결정한다. 가능하면, 가스 모드인 엔진 및 연료 분배 모드인 엔진의 모든 "가스를 연료로 사용하는 엔진 부하"를 동일하게 하는 것이 바람직하나, 모든 엔진의 "가스를 연료로 사용하는 엔진 부하"가 반드시 동일한 것으로 한정되는 것은 아니다. 그러나, 가스 모드인 엔진들의 각 부하가 서로 동일하고, 연료 분배 모드인 각 엔진의 부하가 서로 동일한 것이 바람직하다. (일례로, 연료 분배 모드 : 가스 모드 : 가스 모드 = 5000 : 5500 : 5500)
(마) 엔진의 최대 부하를 고려하여 (나)에서 계산한 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 몇 대의 엔진이 나누어 부담할지 결정한다. 본 발명의 전원관리시스템(PMS)은 연료 분배 모드(FSM)와 가스 모드(Gas Mode)의 혼합 모드이므로, 연료 분배 모드(FSM)인 엔진만이 연료유를 사용하게 되고, 결국, "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 나누어 부담하는 엔진이 연료 분배 모드인 엔진이 된다.
도 2는, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이고, 도 3은, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 24000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법을 종래의 경우와 비교하여 설명하면 다음과 같다.
선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법은, 네 대의 엔진 중 세 대의 엔진이 모두 연료 분배 모드로 구동되고, 나머지 하나의 엔진은 정지된 상태로 운용되었다. 따라서 각 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 1000kW : 7000kW의 비례식을 만족하게 된다.
반면, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 구동되는 세 대의 엔진 중 한 대는 가스 모드로 구동되어 7000kW의 부하를 감당하게 되고, 나머지 두 대의 엔진만 연료 분배 모드로 구동된다. 따라서 연료 분배 모드인 각 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 1500kW : 7000kW의 비례식을 만족하게 된다.
즉, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 종래의 선박용 엔진 운전 방법에 비해, 연료 분배 모드인 엔진이 세 대에서 두 대로 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 4는, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20000kW인 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이고, 도 5는, 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을 도시한 그래프이다. 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법을 종래의 경우와 비교하여 설명하면 다음과 같다.
선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 종래의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 네 대의 엔진이 모두 연료 분배 모드로 구동되었다. 따라서 각 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 1000kW : 4000kW의 비례식을 만족하게 된다.
반면, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 선박에 네 대의 엔진이 설치된 경우, 네 대의 엔진이 모두 구동되는 것이 아니라 세 대의 엔진만 구동되고, 구동되는 세 대의 엔진 중 두 대의 엔진은 가스 모드로 구동되어 각각 5500kW를 감당하게 되고, 남은 한 대의 엔진만이 연료 분배 모드로 구동된다. 따라서 연료 분배 모드인 엔진은, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 4000kW : 5000kW의 비례식을 만족하게 된다.
선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력이 20000kW인 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진 운전 방법을, 상기 "개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예" 및 도 5를 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예의 (다)에서와 같이, 선박이 필요료 하는 전체 엔진 출력 20000kW를 엔진의 최대 출력으로 결정한 9000kW로 나누어보면, 세 대의 엔진으로도 선박이 필요로 하는 전체 엔진 출력을 감당할 수 있음을 알 수 있다. (∵ 9000kW × 3 > 20000kW) 따라서, 종래의 선박용 엔진 운전 방법에서 네 개의 엔진을 모두 사용하는 것과 달리, 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에서는 세 개의 엔진을 사용하도록 결정한 것이다. 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 개별 엔진의 부하를 최대로 하여 구동되는 엔진 댓수를 최소로 함으로써, 엔진의 전체 수명을 연장시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 개별 엔진의 부하를 최대로 하는 구체적인 방법의 일 실시예의 (라)에서와 같이, "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"인 16000kW를 "가동 엔진 댓수"인 3으로 나누어 보면, 각 엔진은 대략 5000kW 내지 5500kW의 부하를 감당하는 것이 적절함을 알 수 있다. 따라서, 가스 모드인 엔진들의 각 부하를 동일하게 할 수 있도록, 각 가스 모드인 엔진 부하를 5500kW로 결정하였다.
엔진의 최대 부하는 9000kW이므로, 남은 한대의 연료 분배 모드인 엔진에, 남은 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 부하"를 할당하여도, 연료유를 연료로 사용하는 엔진 부하 : 천연가스를 연료로 사용하는 엔진 부하 = 4000kW : 5000kW의 비례식을 만족하여 문제가 없다. 본 실시예의 선박용 엔진 운전 방법에 의하면, 가스 모드로 운전되는 엔진의 개수를 최대로 하고 연료 분배 모드로 운전되는 엔진의 개수를 최소로 하여, 연료 분배 모드에서의 불안정성을 최소화하고 엔진 연소시 발생되는 질소산화물 및 황산화물의 배출을 최소화할 수 있음을 확인할 수 있다.
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.

Claims (20)

  1. 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하는 선박의 엔진 운전 방법에 있어서,
    각 엔진은,
    천연가스를 연료로 사용하여 구동되는 가스 모드;
    연료유를 연료로 사용하여 구동되는 연료유 모드; 및
    천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용하는 연료 분배 모드;
    중 어느 하나의 모드로 운전되는, 선박의 엔진 운전 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은,
    연료 분배 모드로 전환되는 단계;
    연료 분배 모드에서 연소되는 가스의 비율을 결정하는 단계;
    연료 분배 모드에서 소모된 가스량을 계산하는 단계; 및
    연료 분배 모드에서의 상기 엔진의 상태를 피드백하는 단계;
    를 포함하는 과정을 통해 연료 분배 모드로 운전되는, 선박의 엔진 운전 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박용 엔진 운전 방법은 통합자동화시스템의 전력관리시스템 및 가스관리시스템이 연계 운용되어 결정되고,
    상기 전력관리시스템은,
    상기 선박에 설치된 다수개의 엔진이 모두 연료유 모드인 디젤 모드;
    상기 다수개의 엔진의 일부는 연료유 모드이고 나머지 일부는 가스 모드인 제 1 혼합 모드;
    상기 다수개의 엔진이 모두 가스 모드인 가스 단독 모드;
    상기 다수개의 엔진이 모두 연료 분배 모드인 연료 분배 단독 모드;
    상기 다수개의 엔진의 일부는 연료 분배 모드이고 나머지 일부는 가스 모드인 제 2 혼합 모드; 및
    상기 다수개의 엔진의 일부는 연료 분배 모드이고 나머지 일부는 연료유 모드인 제 3 혼합 모드;
    중 어느 하나의 상태로 구동되는, 선박의 엔진 운전 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가스관리시스템은,
    상기 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크의 내부 압력을 측정하고,
    상기 측정한 저장탱크 내부 압력을 기준으로 가스 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하; 또는 연료 분배 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하 중 가스로 운전되는 비율;을 계산하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가스관리시스템은,
    상기 저장탱크의 내부 압력이 떨어지는 경우에는 가스 모드로 운전 중인 엔진을 연료유 모드 또는 연료 분배 모드로 강제 전환시키고,
    상기 저장탱크의 내부 압력이 올라가는 경우에는 잉여 증발가스를 가스연소장치로 보내 연소시키거나 외부로 배출시키는, 선박의 엔진 운전 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 통합자동화시스템은,
    상기 가스관리시스템이 상기 저장탱크 내부 압력을 기준으로 계산한, 가스 모드인 엔진 및 연료 분배 모드인 엔진에 할당할 수 있는 전체 부하에 관한 정보에 기초하여, 각 엔진의 부하를 자동으로 할당하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 전력관리시스템은 연료 분배 단독 모드로 운용되고,
    상기 가스관리시스템은,
    (가) 측정한 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산하는 단계(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.);
    (나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "전체 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산하는 단계;
    (다) (나)에서 계산한 "각각의 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 상기 각 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정하는 단계;
    (라) (다)에서 정한 비율에 따라 연료유 및 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 상기 각 엔진을 운전하는 단계; 및
    (마) 상기 각 엔진을 운전하는 도중에 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (라)의 과정을 반복하는 단계;
    를 포함하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 전력관리시스템은 제 2 혼합 모드로 운용되고,
    상기 가스관리시스템은,
    (가) 측정한 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진 및 가스 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산하는 단계(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.);
    (나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 먼저 상기 가스 모드인 엔진에 각각 분배하는 단계;
    (다) "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하" 중 (나)에서 상기 가스 모드인 엔진에 분배하고 남은 부하를 "연료 분배 모드인 엔진 댓수"로 나누어, "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산하는 단계;
    (라) (다)에서 계산한 "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여, 상기 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정하는 단계;
    (마) (나)에서 정해진 상기 가스 모드인 엔진이 감당하는 부하; 및 (라)에서 정해진 상기 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율;에 따라 연료유 및 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 상기 각 엔진을 운전하는 단계;
    (바) 상기 각 엔진을 운전하는 도중에 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복하는 단계; 및
    (사) 상기 저장탱크 내부의 증발가스의 양이 줄어들 경우 상기 연료 분배 모드인 엔진의 연료유 비율을 높이고, 일정 수준 이상으로 연료유가 필요하게 되면 상기 가스 모드인 엔진의 일부 또는 전부를 연료 분배 모드로 전환하는 단계;
    를 포함하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 전력관리시스템은 제 3 혼합 모드로 운용되고,
    상기 가스관리시스템은,
    (가) 측정한 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 연료로 사용할 수 있을 것이라고 기대되는 증발가스량을 정하고, 정해진 양의 증발가스를 사용하여 연료 분배 모드인 엔진을 운전하였을 때 얻을 수 있는 최대 부하를 계산하는 단계(이하, "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"라고 한다.);
    (나) (가)에서 계산한 "증발가스에 의해 생산 가능한 최대 엔진 부하"를 "연료 분배 모드인 엔진의 댓수"로 나누어, "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 계산하는 단계;
    (다) (나)에서 계산한 "각각의 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 증발가스에 의한 부하"를 고려하여 상기 각 연료 분배 모드인 엔진에서 사용할 연료의 천연가스와 연료유의 비율을 정하는 단계;
    (라) 상기 선박에 필요한 엔진의 출력 중 상기 연료 분배 모드인 엔진에 할당되는 부하를 제외한 나머지는 연료유 모드인 엔진이 감당하도록 하는 단계;
    (마) (다)에서 정해진 상기 연료 분배 모드인 엔진의 천연가스와 연료유의 비율; 및 (라)에서 정해진 상기 연료유 모드인 엔진이 감당하는 부하;에 따라 연료유 및 상기 저장탱크 내부의 증발가스가 연료로 사용되도록 상기 각 엔진을 운전하는 단계; 및
    (바) 상기 각 엔진을 운전하는 도중에 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력이 변경될 경우, 변경된 압력에 따라 (가) 내지 (마)의 과정을 반복하는 단계;
    를 포함하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진은 상기 선박을 운전하는 사용자에 의해 수동으로 운전되고,
    상기 선박에 설치된 액화천연가스 저장탱크 내부의 증발가스가 상기 엔진을 구동시키기에 충분한 경우에는, 상기 전력관리시스템 및 상기 가스관리시스템에 의해 허용되는 증발가스 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점을 사용자가 직접 판단하고,
    상기 저장탱크 내부의 증발가스가 상기 엔진을 구동시키기에 부족한 경우에는, 상기 저장탱크 내부의 액화천연가스를 강제 기화시키는 운전 방식을 유지하는 범위 내에서, 최적의 효율을 발휘할 수 있는 지점을 사용자가 직접 판단하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은 연료 분배 모드로 운전되고,
    상기 엔진의 부하는, 상기 엔진 전체 부하의 15%이상 85%이하의 범위 내에서 결정되는, 선박의 엔진 운전 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은 연료 분배 모드로 운전되고,
    상기 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율은, 상기 엔진 부하의 15%이상 85%이하의 범위 내에서 결정되는, 선박의 엔진 운전 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은 연료 분배 모드로 운전되고,
    상기 엔진의 부하가 커질수록, 상기 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율의 최대값은 증가하고,
    상기 엔진의 부하가 커질수록, 상기 엔진의 부하 중 가스를 연료로 사용하는 비율의 최소값은 감소하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 전력관리시스템은 제 2 혼합 모드로 운용되고,
    가스 모드인 엔진의 댓수는 최대가 되도록 하고,
    연료 분배 모드인 엔진의 댓수는 최소가 되도록 하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박은 다수개의 엔진을 포함하고,
    상기 엔진 중 개별 엔진의 부하를 최대로 하여, 구동되는 엔진의 댓수가 최소가 되도록 하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    (가) 상기 저장탱크 내부의 증발가스 압력에 따라 기대되는 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산하는 단계;
    (나) 상기 선박이 필요로 하는 엔진 출력에서 (나)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 공제하여 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 계산하는 단계;
    (다) 상기 선박이 필요로 하는 엔진 출력 및 상기 각 엔진의 최대 출력을 고려하여 상기 선박에 설치된 다수개의 엔진 중 몇 대의 엔진을 구동시킬 것인지를 결정하는 단계(이하, "가동 엔진 댓수"라고 한다.);
    (라) (가)에서 계산한 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 (다)에서 계산한 "가동 엔진 댓수"로 나누어 상기 각 엔진에 공급될 "가스를 연료로 사용하는 엔진의 부하"를 결정하는 단계; 및
    (마) 상기 엔진의 최대 부하를 고려하여 (나)에서 계산한 "연료유를 연료로 사용하는 엔진의 전체 부하"를 몇 대의 엔진이 나누어 부담할지 결정하는 단계;
    를 포함하는, 선박의 엔진 운전 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    가스 모드인 엔진 및 연료 분배 모드인 엔진의 모든 "가스를 연료로 사용하는 엔진 부하"는 동일한, 선박의 엔진 운전 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    가스 모드인 엔진들의 각 부하가 서로 동일하고,
    연료 분배 모드인 각 엔진의 부하가 서로 동일한, 선박의 엔진 운전 방법.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 4행정 발전용 DF엔진인, 선박의 엔진 운전 방법.
  20. 연료 분배 모드로 구동될 수 있는 DF엔진을 다수개 포함하는 선박에 있어서,
    상기 다수개의 DF엔진은 가스 모드 또는 연료 분배 모드로 운전되고,
    상기 다수개의 DF엔진 중 가스 모드로 운전되는 DF엔진의 댓수를 최대로 하고, 상기 다수개의 DF엔진 각각의 부하를 최대로 하도록 운전되는, 선박.
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