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KR102066631B1 - 선박의 차등 엔진시스템 - Google Patents

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KR102066631B1
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Abstract

본 발명에 따른 선박의 차등 엔진시스템은, 가스와 오일을 연료로 사용 가능하고, 3개 이상의 실린더를 가지는 DF(Duel Fuel) 엔진에서, 출력을 낮추기 위해 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정함으로써, 본 발명에 따른 엔진시스템에 의하면, 운항 상황에 따라 엔진을 보다 효율적으로 가동시켜 엔진의 연비를 증강시키고, 에너지 절약에 도움이 되게 한다.

Description

선박의 차등 엔진시스템{ENGINE SYSTEM OF VESSEL}
본 발명은 선박의 추진을 위한 엔진시스템에 관한 것으로서, 특히 엔진의 실린더를 차등 적용시키는 엔진시스템에 관한 것이다.
선박을 추진하기 위한 엔진으로는, 디젤 엔진, 스팀 터빈 엔진, 전기 추진 엔진, 가스 터빈 엔진, 이중 연료 엔진, 원자력 엔진 등이 쓰일 수 있다.
종래에는 오일을 연료로 하는 디젤엔진이나 스팀터빈엔진이 주로 사용되었는데, 고기술 고부가가치 선박의 대표주자로 불리던 LNG선에 효율이 낮은 외연기관인 스팀터빈엔진이 장착돼 있다는 것은 일종의 모순이었다.
그래서 등장하게 된 것이 DF 엔진(Duel Fuel Engine)으로서, DF 엔진은 열효율이 우수한 내연기관으로 천연가스와 디젤오일을 모두 연료로 사용할 수 있는 엔진이다.
DF 엔진을 활용한 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric)는 BOG로 DF 엔진을 돌려 전기를 생산한 뒤, 이 전기로 프로펠러와 연결된 모터를 돌려 선박을 구동하는 방식으로, DF 엔진은 발전용 엔진인 셈이다.
DFDE의 열효율은 약 41~43% 수준이다. 스팀터빈엔진에 비해 엔진 효율이 30% 이상 높은 셈이다. 이는 연간 수백만 달러의 연료비를 절감할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, DFDE는 고온고압의 스팀을 사용하는 스팀터빈엔진에 비해 안전성이 탁월하고, 운항시 발생하는 산화탄소화합물(COx)를 획기적으로 줄인 친환경 시스템이다.
LNG선과 달리, 오늘날 운항하는 대부분의 상선은 벙커C유를 연료로 하는 선박용 디젤엔진을 장착하고 있다. 디젤엔진으로 프로펠러를 직접 돌리는 것이다.
디젤엔진으로 프로펠러를 직접 구동하는 것이 DF엔진으로 전기를 생산해 모터를 돌리는 것보다 추진 효율이 더 좋기 때문에, LNG선의 경우에도 BOG 문제만 해결할 수 있다면 디젤엔진을 장착하는 것이 더 나은 것이다.
그 후, 천연가스를 연료로 사용하면서 프로펠러를 직접 구동하는 새로운 엔진이 개발되었다.
만디젤(MAN D&T) 사가 개발한 ME-GI(Main engine Electric control Gas Injection)엔진과 바칠라(Wartsila) 사의 X-DF(Extra long stroke Duel Fuel) 엔진이 그것이다.
이 두 엔진은 벙커C유와 천연가스 모두를 연료로 사용할 수 있는 이중연료엔진일 뿐 아니라, 기존의 선박용 디젤엔진과 마찬가지로 프로펠러를 직접 구동하기 때문에 엔진 효율이 높다는 장점이 있다.
DFDE 시스템보다 연비가 약 10% 가량 우수하다고 한다.
이와 같은 새로운 엔진시스템은 종전의 DFDE 시스템보다 엔진 효율이 높을 뿐 아니라, 잉여 BOG까지 재액화할 수 있다는 장점에 힘입어 최근 많은 선사의 주목을 받고 있다. 그런 만큼 점차 시장점유율을 확대해, 머지않아 DFDE 시스템을 대체할 것으로도 전망된다.
본 발명은 이러한 DF 엔진시스템에 관한 것이며, LNG 운반선 등에서 DF 엔진은 복수 개가 설치될 수 있으며, 각각의 DF 엔진은 가스를 연료로 사용할 수 있는 가스 모드와 오일을 연료로 사용할 수 있는 오일 모드로 구동될 수 있다.
더욱이, 최근, DF 엔진에 가스와 오일을 동시에 연료로 사용할 수 있는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode)로 DF 엔진을 구동할 수 있는 방법이 개발되었다.
본 발명은 DF엔진을 채용하는 엔진시스템으로서, 운항 상황에 따라 엔진을 보다 효율적으로 가동시켜 엔진의 연비를 증강시키고, 에너지 절약에 도움이 되는 엔진시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 선박의 차등 엔진시스템은, 가스와 오일을 연료로 사용 가능하고, 3개 이상의 실린더를 가지는 DF(Duel Fuel) 엔진에서, 출력을 낮추기 위해 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 각 실린더에 공급하는 가스 또는 오일의 양을 조정함으로써, 상기 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
또는, 일부의 실린더에 공급하는 가스 또는 오일을 차단시킬 수 있다.
또한, 각 실린더의 가동율을 차등적으로 적용하여 상대적으로 가동율이 높은 실린더는 증발가스를 연료로 사용하는 가스 모드로 구동하는 것을 다른 특징으로 한다.
그리고, 각 실린더의 가동율을 차등적으로 적용하여 상대적으로 가동율이 높은 실린더는 증발가스와 오일을 모두 를 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(duel sharing mode)로 구동하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 의한 선박의 차등 엔진시스템은, 가스와 오일을 연료로 사용 가능하고, 3개 이상의 실린더를 가지는 DF(Duel Fuel) 엔진에서, 각 실린더 내의 압력을 차등적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 각 실린더에 압축공기를 공급하는 터빈을 제어하여 상기 각 실린더에 공급하는 압축공기의 양을 조정함으로써, 상기 각 실린더 내의 압력을 차등적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 각 실린더에 공급하는 가스 또는 오일의 양을 상기 각 실린더에 공급하는 압축공기의 양에 대응되게 조정하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명에 의한 선박의 차등 엔진시스템에 의하면, 가스와 오일을 모두 연료로서 사용이 가능한 DF 엔진에서, 저부하로 운항시에는 그 연료 공급을 제어하여 엔진의 일부 실린더의 가동율을 낮춰서 보다 효율적인 운영이 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 선박의 차등 엔진시스템에 의한 차등 가동의 예시를 표시한 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
그리고, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해 필요한 공지의 기술은 필요에 따라 그 설명을 생략하거나 줄이도록 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 선박의 차등 엔진시스템은, 선박이 운항 환경에 따라 저출력으로 운항을 변경하는 경우에, 3개 이상의 실린더를 가진 DF(Duel Fuel) 엔진의 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정하는 시스템이다.
도 1은 그러한 예시를 도시한 것으로서, (a)와 (b) 각각에서 4개의 실린더를 예로 들어 설명한다.
선박이 정상적인 운항일 때, 각 실린더가 80% 내지 90%로 가동되어 선박이 추진되는 상황에서, 저출력으로 운항이 변경되는 등으로의 부하 저하시에 이를 각각 45%씩으로 낮춰서 가동하도록 제어하는 것이 아니라, 1, 4번 실린더는 80%로 가동하고, 2, 3번 실린더는 10%씩으로 가동되도록 조정하는 것이다.
여기서, 실린더는 임의로 도면상 좌측에서 우측으로 번호를 붙여 설명한다.
4개의 실린더의 가동을 균등하게 줄여서 운전하는 것에 비해 차등적으로 특정 실린더의 가동을 대폭 감소시킴으로써 연비에 보다 도움이 된다.
또한, 1, 4번 실린더는 90%로 가동하고, 2,3번 실린더를 휴지 상태로도 조정할 수 있다.
이러한 모드로의 운전도 균등한 경우에 비해서는 효율적이지만, 본 발명은 차등적이되, 휴지상태는 아닌 도 1과 같은 가동율의 운전을 보다 지향한다.
우선, 본 발명에서의 DF 엔진은 가스와 오일을 연료로서 사용이 가능한 것으로서, 이에는 X-DF 엔진 또는 MEGI 엔진 등이 있다.
이러한 DF 엔진은 가스와 오일을 동시에 또는 선택적으로 공급하기 위한 특수성에 따른 복잡한 연료공급체계를 가지고, 이를 여러 경우에 수에 맞게 제어하기 때문에 휴지 상태에서 다시 전환하는 것은 보다 비효율적이다.
그리고, 가스모드 등의 경우에도 파일럿 오일을 필요로 하여 휴지 상태에서 다시 가동을 위한 전환이 보다 불리해진다.
또한, 육상의 경우와 달리 해상에서는 선박에 위험이 발생하면, 자체적인 해결 이외에 다른 도움을 시간 내에 기대하기는 어려운 점이 있다. 그러므로, 휴지에서 급박한 전환 등은 오히려 비안정적인 바, 본 발명에서는 휴지가 아닌 차등적인 운전을 보다 지향한다.
(b)의 경우는 각 실린더가 50% 내지 60%로 가동되어 선박이 추진되는 상황에서, 저출력으로 운항이 변경되는 등으로의 부하 저하시에 이를 각각 30%씩으로 낮춰서 가동하도록 제어하는 것이 아니라, 1, 4번 실린더는 50%로 가동하고, 2, 3번 실린더는 10%씩으로 가동되도록 조정하는 것이다.
이러한 실린더별 차등 적용은 실린더에 공급되는 가스 또는 오일의 양을 조정하는 것에 의해 제어한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 선박의 차등 엔진 시스템은, 선박이 운항 환경에 따라 저출력으로 운항을 변경하는 경우에, 3개 이상의 실린더를 가진 DF(Duel Fuel) 엔진의 각 실린더 내의 압력을 차등적으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
즉, 엔진에 가스 또는 오일을 공급하는 연료공급장치 뿐 아니라, 압축공기 공급장치를 제어할 수 있다.
압축공기는 터빈 등에 의해서 실린더 내의 연소를 위해 공급되며, 본 발명의 다른 일 실시예는 터빈을 제어함으로써 각각의 실린더로 공급되는 압축공기를 차등 적용시킨다.
또한, 이에 대응되도록 가스 또는 오일의 양을 차등 조절하는 것에 의해 앞선 실시예와 같은 차등 운전을 구현한다.
한편, 이와 같이 제어되어 상대적으로 가동율이 높은 실린더, 즉 도시에서 1,4번 실린더는 증발가스를 연료로 사용하는 가스 모드로 구동되거나, 또는 증발가스와 오일을 모두를 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode)로 구동될 수 있다.
본 발명과 같은 차등적인 실린더의 제어는 가스 모드 또는 퓨얼 쉐어링 모드인 경우에 보다 요구되는 상황이다.
즉, 증발가스를 오일과 함께 연료로 사용할 수 있도록 DF 엔진을 구동시키는 엔진시스템에서 증발가스의 상황에 따라서, 선박의 연료 효율을 극대화하기 위해서, 엔진은 가스모드, 오일모드 또는 퓨얼 쉐어링 모드로 전환되도록 제어한다.
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 오일 모드(FO Mode; Fuel Oil Mode)와 가스 모드(Gas Mode) 둘 중 어느 하나의 상태로 구동되었다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM; Fuel Sharing Mode)란 DF엔진이 천연가스와 연료유를 동시에 연료로 사용하는 상태를 말한다. 가스 모드(Gas Mode) 또는 오일 모드(FO Mode) 중 어느 하나의 모드에서만 작동될 수 있었던 기존의 DF엔진을, 연료유와 가스를 동시에 분사해도 기존의 연소 성능을 가지도록 개선하여, 가스 모드, 오일 모드 뿐만 아니라, 퓨얼 쉐어링 모드로도 구동될 수 있도록 하였다.
가스 모드(Gas Mode), 오일 모드(FO Mode) 및 퓨얼 쉐어링 모드(FSM) 중 어느 하나의 상태로 운전되는 DF엔진은, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 전환되는 단계, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)에서 연소되는 가스의 비율을 결정하는 단계, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)에서 소모된 가스량을 계산하는 단계 및 연료 분배 모드(FSM)에서의 엔진의 상태를 피드백(Feedback)하는 단계를 포함하는 과정을 통해, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전될 수 있다.
하기의 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.
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
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진은, 종래의 DF엔진에 비하여, 저장탱크 내부에서 발생되는 증발가스를 최대한 사용할 수 있다는 장점이 있다.
10,000kW의 용량을 가지는 DF엔진이 네 대 설치된 선박에서, 선박이 필요로 하는 엔진의 전체 부하가 32,000kW이고, 저장탱크 내부의 증발가스는 30,000kW의 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 9,000kW의 부하를 감당하고, 남은 5,000kW는 오일 모드인 엔진 한 대가 감당하도록 운전하는 것이 바람직하다. 그런데, 이 경우 27,000kW에 해당하는 증발가스만 사용되고, 남은 3,000kW에 해당하는 증발가스는 버려지게 된다는 문제점이 있었다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우에는, 가스가 연료유보다 비용이 저렴하다는 점을 고려하여, 가스 모드인 엔진 세 대가 각각 9,000kW의 부하를 감당하고, 남은 5,000kW는 퓨얼 쉐어링 모드인 엔진 한 대가 천연가스 3,000kW 및 연료유 2,000kW의 비율로 감당하도록 운전하면 되므로, 버려지는 증발가스를 최소화할 수 있다.
또한, 퓨얼 쉐어링 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 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우에 더 적게 사용된다. 연료유가 300kW의 부하를 생산하는 경우를 예를 들어서 설명하면 다음과 같다.
종래의 DF엔진의 경우, 1,000kW 용량을 가지는 DF엔진을 30%의 부하로 연료유 모드로 운전한다면, 표 1을 참조하면, 231.0g/kWh × 300kW ＝ 69300.0g/h의 연료유를 연료로 소모한다.
퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진의 경우, 1,000kW 용량을 가지는 DF엔진을 50%의 부하로 퓨얼 쉐어링 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, 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로 운전되는 DF엔진은 61200.0g/h의 양이 사용되어, 종래의 DF엔진보다 퓨얼 쉐어링 모드(FSM)로도 운전되는 DF엔진이 연료유가 엔진 효율이 높은 지점에서 연소된다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 엔진 실린더의 가동율을 차등적으로 운용하여 연비를 보다 개선시킬 수 있는 엔진시스템으로서, 앞서 살핀 가스모드, 오일모드 및 퓨얼쉐어링모드로의 전환 제어가 고려되는 경우에 보다 효율적으로 고려된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 선박의 차등 엔진시스템은, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시 예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (8)

  1. 가스와 오일을 연료로 사용 가능하고, 3개 이상의 실린더를 가지는 DF(Duel Fuel) 엔진에서, 출력을 낮추기 위해 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정하고,
    각 실린더의 가동율을 차등적으로 적용하여 상대적으로 가동율이 높은 실린더는 증발가스를 연료로 사용하는 가스 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 차등 엔진시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 실린더에 공급하는 가스 또는 오일의 양을 조정함으로써, 상기 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 차등 엔진시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    일부의 실린더에 공급하는 가스 또는 오일을 차단시키는 것을 특징으로 하는,
    선박의 차등 엔진시스템.
  4. 삭제
  5. 가스와 오일을 연료로 사용 가능하고, 3개 이상의 실린더를 가지는 DF(Duel Fuel) 엔진에서, 출력을 낮추기 위해 각 실린더의 가동율을 차등적으로 조정하고,
    각 실린더의 가동율을 차등적으로 적용하여 상대적으로 가동율이 높은 실린더는 증발가스와 오일 모두를 연료로 사용하는 퓨얼 쉐어링 모드(fuel sharing mode)로 구동하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 차등 엔진시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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