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KR101561073B1 - 점화연료 공급 장치 및 이를 갖는 가스엔진 시스템 - Google Patents

점화연료 공급 장치 및 이를 갖는 가스엔진 시스템 Download PDF

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KR101561073B1
KR101561073B1 KR1020130153913A KR20130153913A KR101561073B1 KR 101561073 B1 KR101561073 B1 KR 101561073B1 KR 1020130153913 A KR1020130153913 A KR 1020130153913A KR 20130153913 A KR20130153913 A KR 20130153913A KR 101561073 B1 KR101561073 B1 KR 101561073B1
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KR
South Korea
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gas
tank
dimethyl ether
pipe
engine
Prior art date
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KR1020130153913A
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이동석
예병희
김기정
이재익
Original Assignee
에스티엑스조선해양 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 점화연료로 사용될 디메틸에테르를 액체 상태로 저장하는 디엠이 탱크; 가스엔진과 상기 디엠이 탱크를 연결하는 디엠이 이송관; 상기 디엠이 이송관에 장착되고, 상기 디엠이 탱크로부터 배출된 디메틸에테르를 가압하여 토출하는 디엠이 펌프; 및 상기 디엠이 이송관에 장착되고, 상기 디엠이 펌프로부터 토출된 디메틸에테르의 온도 및 압력을 조절하는 레귤레이터;를 포함하는 점화연료 공급 장치를 제공한다.

Description

점화연료 공급 장치 및 이를 갖는 가스엔진 시스템{APPARATUS FOR SUPPLYING PILOT FUEL AND GAS ENGINE SYSTEM WITH THE SAME}
본 발명은 점화연료 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주 연료로 사용되는 액화가스의 점화에 필요한 점화연료(pilot fuel)를 가스엔진으로 공급하기 위한 점화연료 공급 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 점화연료 공급 장치를 갖는 가스엔진 시스템에 관한 것이다.
지금까지 각종 선박에는 벙커 C유와 같은 중유(HFO, Heavy Fuel Oil)를 연료로 사용하는 디젤엔진이 주로 사용되어 왔다.
그러나 중유의 연소 시 발생하는 배기가스에는 각종 유해물질이 포함되어 있으므로 디젤엔진은 심각한 환경오염을 초래하게 된다. 특히 환경오염 방지를 위한 규제가 오늘날 점차 강화되고 있는데, 이러한 규제를 충족시키면서 디젤엔진을 사용하려면 비용의 증가를 감수하여야만 한다. 또한, 국지적인 정세불안 등의 요인이 발생하면 중유의 가격이 불가피하게 상승할 수 있는데, 이러하면 디젤엔진의 운영비용이 상승하게 된다.
이러한 디젤엔진의 문제점들로 인해 최근 액화가스(LNG, LPG 등)를 연료로 사용하는 가스엔진이 각종 선박에 채택되는 사례가 늘고 있다. 현재, 선박용으로 제조된 대표적인 가스엔진으로 ME-GI(Man B&W 社의 Gas Injection 엔진)가 알려져 있다. 이 ME-GI는 LNG를 연료로 사용한다.
그런데 액화가스는 자연발화점이 높아서 가스엔진에서 바로 점화될 수 없고, 이로 인해 액화가스의 공급 이전에 점화연료(pilot fuel)인 중유가 가스엔진으로 공급되고 있다. 이러한 경우, 액화가스에 비해 자연발화점이 낮은 중유가 가스엔진으로 공급된 후 바로 점화되고, 중유의 이러한 점화로 인해 가스엔진 내에 형성된 고온 분위기에서 주 연료인 액화가스가 점화된다.
액화가스를 연료로 하는 가스엔진은 상술한 바와 같이 중유 사용으로 인해 발생하는 문제점을 해결하기 위해 개발된 것이다. 그러나 현재의 가스엔진은 중유를 점화연료로 사용함으로써 중유의 사용량을 줄이는데 그치고 있을 뿐, 중유를 사용하지 않는 것은 아니다.
한국공개특허공보 제10-2013-0033537호 (순산소 디젤기관) 한국공개특허공보 제10-2013-0085973호 (조합된 연료 오일 및 연료 가스 동작 모드를 갖는 내부 연소 엔진)
이상과 같이 현재의 가스엔진은 점화연료로 중유를 사용하는바, 환경오염이나 운영비용 상승과 같은 문제를 여전히 갖는다. 따라서 본 발명은 중유를 전혀 사용하지 않는 점화연료 공급 장치 및 이를 포함하는 가스엔진 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은, 점화연료로 사용될 디메틸에테르를 액체 상태로 저장하는 디엠이 탱크; 가스엔진과 상기 디엠이 탱크를 연결하는 디엠이 이송관; 상기 디엠이 이송관에 장착되고, 상기 디엠이 탱크로부터 배출된 디메틸에테르를 가압하여 토출하는 디엠이 펌프; 및 상기 디엠이 이송관에 장착되고, 상기 디엠이 펌프로부터 토출된 디메틸에테르의 온도 및 압력을 조절하는 레귤레이터;를 포함하는 점화연료 공급 장치를 제공한다.
상기 레귤레이터는, 상기 디엠이 펌프로부터 토출된 디메틸에테르의 온도를 상기 가스엔진의 인렛 조건에 맞게 높이는 디엠이 히터; 및 상기 디엠이 히터를 거친 디메틸에테르의 압력을 상기 가스엔진의 인렛 조건에 맞게 낮추는 디엠이 감압기;를 포함한다.
점화연료 공급 장치는, 상기 디엠이 탱크 내 증발가스를 액화시켜 상기 디엠이 탱크로 다시 유입시키는 증발가스 액화부;를 포함한다.
이때, 상기 증발가스 액화부는, 상기 디엠이 탱크로부터 유출된 증발가스를 압축시키는 증발가스 압축기; 상기 증발가스 압축기를 거친 증발가스를 응축시키는 증발가스 응축기; 및 상기 증발가스 응축기에서 응축된 증발가스의 압력을 낮추는 증발가스 감압기;를 포함한다. 그리고 상기 응축기에서는 상기 증발가스가 주 연료인 액화가스에 열을 빼앗겨 응축된다.
본 발명은, 가스엔진; 주 연료인 액화가스를 상기 가스엔진으로 공급하는 주 연료 공급 장치; 및 점화연료인 디메틸에테르를 상기 가스엔진으로 공급하는 점화연료 공급 장치;를 포함하는 가스엔진 시스템을 제공한다.
상기 점화연료 공급 장치는, 상기 디메틸에테르를 액체 상태로 저장하고 있는 디엠이 탱크의 내부 증발가스를 액화시켜 상기 디엠이 탱크로 다시 유입시키는 증발가스 액화부;를 포함한다.
상기 증발가스 액화부는 상기 디엠이 탱크로부터 유출되어 압축된 증발가스를 응축시키는 증발가스 응축기를 포함한다. 그리고 상기 증발가스 응축기에서는, 상기 증발가스의 이송로로 제공되는 증발가스 이송관이 방열관으로 사용되고, 상기 액화가스의 이송로로 제공되는 액화가스 이송관이 흡열관으로 사용된다.
상기 흡열관으로 사용되는 액화가스 이송관은 상기 액화가스를 저장하고 있는 액화가스 탱크와 상기 가스엔진을 연결하는 본관으로부터 분기된 후 다시 상기 본관과 합쳐지는 지관인 것이 좋다.
본 발명에 의하면, 디메틸에테르가 가스엔진의 점화연료로 사용되기 때문에 완전하게 친환경적인 가스엔진 시스템이 실현될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 디엠이 탱크 내 디메틸에테르 증발가스가 액화된 후 다시 디엠이 탱크로 회수되기 때문에 디엠이 탱크의 내부압력이 높아지는 것을 디메틸에테르의 유실 없이 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 디메틸에테르 증발가스의 액화가 상기 증발가스와 주 연료인 액화가스 간 열교환에 의해 이루어지기 때문에 상기 액화가스를 기화시키기 위한 기화기의 부하가 감소할 뿐만 아니라 상기 증발가스의 액화를 위한 별도의 흡열 유체가 불필요하다.
또한, 본 발명에 의하면, 액화가스 이송관의 지관으로 흐르는 액화가스의 유량 조절을 통해 상기 증발가스와 상기 액화가스 간 열교환 성능을 간단히 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 점화연료 공급 장치 및 가스엔진 시스템을 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명에 따른 점화연료 공급 장치 및 이를 갖는 가스엔진 시스템의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 가스엔진 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 가스엔진(110)과, 주 연료 공급 장치(120)와, 점화연료 공급 장치(140)를 포함한다.
상기 주 연료 공급 장치(120)는 주 연료인 액화가스(LNG, LPG 등)를 가스엔진(110)으로 공급하기 위한 것으로서, 액화가스 이송관(121a, 121b)과, 액화가스 탱크(122)와, 액화가스 펌프(124)와, 액화가스 기화기(126)와, 액화가스 히터(128)를 포함한다.
액화가스 탱크(122)는 가스엔진(110)의 주 연료로 사용되는 액화가스를 저장하고 있다. 액화가스 이송관(121a, 121b)은 액화가스의 이송로를 제공하는 것으로서, 본관(121a) 및 지관(121b)을 갖는다. 상기 본관(121a)은 액화가스 탱크(122)와 가스엔진(110)을 연결하고, 상기 지관(121b)은 본관(121a)으로부터 분기된 후 다시 본관(121a)과 합쳐진다.
액화가스 펌프(124)는 액화가스 탱크(122)와 지관(121b) 사이에 위치하도록 본관(121a)에 장착된다. 이러한 액화가스 펌프(124)는 액화가스 탱크(122)로부터 유출된 액화가스를 가압하여 토출한다.
액화가스 기화기(126)는 액화가스 펌프(124)로부터 토출된 액화가스를 기화시키기 위한 것으로서, 지관(121b)과 가스엔진(110) 사이에 위치하도록 본관(121a)에 장착된다. 액화가스 히터(128)는 액화가스 기화기(126)에서 기화된 액화가스의 온도를 가스엔진(110)의 인렛(inlet) 조건에 맞게 상승시키기 위한 것으로서, 액화가스 기화기(126)와 가스엔진(110) 사이에 위치하도록 본관(121a)에 장착된다.
이상과 같은 주 연료 공급 장치(120)는 액화가스를 가스엔진(110)의 인렛 조건에 맞게 변화시킨 후 매 행정마다 상기 가스엔진(110)으로 공급한다. 그런데 액화가스는 자연발화점이 높아 가스엔진(110)에서 스스로 점화할 수 없다. 따라서 가스엔진(110)의 매 행정마다 소량의 점화연료(pilot fuel)가 가스엔진(110)으로 공급되어야 하고, 본 발명에서는 상기 점화연료 공급 장치(140)가 이를 수행한다.
상기 가스엔진 시스템(100)의 일 구성이자 본 발명의 다른 형태이기도 한 점화연료 공급 장치(140)는 중유(HFO)를 점화연료로 공급하는 종래기술과 달리 디메틸에테르(DME, Di-Methyl Ether)를 점화연료로 공급하도록 마련되어 있다.
디메틸에테르는 중유와 비슷한 자연발화점(약 350℃)을 갖는다. 그리고 가스엔진(110)이 작동할 경우 그 내부에는 400℃ 이상의 온도 분위기가 항상 형성된다. 따라서 디메틸에테르는 가스엔진(110) 내에서 스스로 점화할 수 있다. 그러면서도 디메틸에테르는 연소시 유해물질을 전혀 배출하지 않는다. 따라서 디메틸에테르를 점화연료로 사용하면 완전하게 친환경적인 가스엔진 시스템이 실현될 수 있다.
이하, 디메틸에테르를 점화연료로 공급하기 위한 점화연료 공급 장치(140)에 대하여 구체적으로 설명한다.
상기 점화연료 공급 장치(140)는 디엠이(DME) 이송관(141)과, 디엠이 탱크(142)와, 디엠이 펌프(144)와, 레귤레이터(146, 148)를 포함한다.
디엠이 탱크(142)는 가스엔진(110)의 점화연료로 사용되는 디메틸에테르를 액체 상태로 저장하고 있다. 디메틸에테르는 대기압에서 약 -24℃의 액화 온도를 갖기 때문에, 디메틸에테르가 액체 상태로 저장되기 위해서는 디엠이 탱크(142) 내부의 온도가 낮게 유지되어야 한다. 따라서 디엠이 탱크(142)는 단열 기능을 갖도록 마련된다.
디엠이 이송관(141)은 디메틸에테르의 이송로를 제공하는 것으로서, 디엠이 탱크(142)와 가스엔진(110)을 연결한다. 디엠이 펌프(144)는 디엠이 이송관(141)에 장착되고, 디엠이 탱크(142)로부터 유출된 디메틸에테르를 가압하여 토출한다.
레귤레이터(146, 148)는 디엠이 펌프(144)로부터 토출된 디메틸에테르의 온도 및 압력을 조절하기 위해 디엠이 이송관(141)에 장착된 것으로서, 디엠이 히터(146) 및 디엠이 감압기(148)를 갖는다.
디엠이 히터(146)는 디엠이 펌프(144)로부터 토출된 디메틸에테르의 온도를 가스엔진(110)의 인렛 조건(디메틸에테르의 자연발화점보다는 낮으나 가스엔진(110)으로 유입되면 스스로 발화할 수 있을 정도의 온도)에 맞게 높여 준다. 디엠이 감압기(148)는 디엠이 히터(146)를 거친 디메틸에테르의 압력을 가스엔진(110)의 인렛 조건에 맞게 낮추어 준다. 디엠이 감압기(148)로는 감압 밸브가 사용될 수 있다.
이상과 같은 점화연료 공급 장치(140)는 점화연료인 디메틸에테르를 가스엔진(110)의 인렛 조건에 맞게 변화시킨 후 매 행정마다 상기 가스엔진(110)으로 공급한다. 그러면 디메틸에테르는 매 행정마다 가스엔진(110)에서 스스로 점화하고, 이로 인해 가스엔진(110) 내부에는 주 연료 공급 장치(120)에 의해 공급된 액화가스가 점화할 수 있는 분위기가 형성된다.
한편, 디엠이 탱크(142)는 디메틸에테르가 액체 상태로 저장될 수 있는 환경을 제공하기는 하나, 이러한 경우에도 디엠이 탱크(142)에서는 디메틸에테르의 증발가스(BOG, Boil Off Gas)가 발생하게 된다. 이 경우, 디엠이 탱크(142)의 내부압력이 증가하여 디엠이 탱크(142)의 안전성 내지 내구성에 문제가 생길 수 있는바, 이를 방지하기 위해 상기 점화연료 공급 장치(140)는 증발가스 액화부를 갖는다.
상기 증발가스 액화부는 디엠이 탱크(142) 내 증발가스를 액화시킨 후 다시 디엠이 탱크(142)로 유입시키는 것으로서, 증발가스 이송관(151)과, 증발가스 압축기(152)와, 증발가스 응축기(154)와, 증발가스 감압기(156)를 포함한다.
증발가스 이송관(152)은 증발가스의 이송로를 제공하는 것으로서, 디엠이 탱크(142)의 어느 한 부분과 다른 부분을 서로 연결한다. 증발가스 압축기(152)는 증발가스 이송관(152)에 장착되고, 디엠이 탱크(142)로부터 유출된 증발가스를 압축시킨다.
증발가스 응축기(154)는 증발가스 압축기(152)에서 압축된 증발가스를 응축(액화)시키기는 일종의 열교환기이다. 이러한 증발가스 응축기(154)에서는 증발가스 이송관(151)이 방열관으로 사용된다. 따라서 증발가스 이송관(151)을 따라 이동하는 증발가스는 응축기(154)에서 열을 빼앗겨 응축된다. 또한, 상기 증발가스 응축기(154)에서는 액화가스 이송관(121a, 121b)이 흡열관으로 사용된다. 따라서 액화가스 이송관(121a, 121b)을 따라 이동하는 액화가스는 증발가스로부터 열을 빼앗아 기화된다.
위와 같이 액화가스 이송관(121a, 121b)이 증발가스 응축기(154)에서 흡열관으로 사용되면, 액화가스가 증발가스 응축기(154)에서 1차로 기화된 후 액화가스 기화기(126)로 유입된다. 따라서 액화가스 기화기(126)의 부하를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 가스엔진(110)의 작동에 필수적인 액화가스가 흡열 유체로 사용되기 때문에 증발가스의 응축을 위해 별도의 흡열 유체가 불필요한 장점도 있다.
상기 증발가스 응축기(154)에서 흡열관으로 사용되는 액화가스 이송관(121a, 121b)은 본관(121a) 및 지관(121b) 중 어느 것이어도 무방하다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같이 지관(121b)이 상기 흡열관으로 사용되는 것이 좋은데, 이는 지관(121b)으로 흐를 액화가스의 유량을 조절함으로써 증발가스 응축기(154)의 성능을 조절할 수 있기 때문이다.
증발가스 감압기(156)는 증발가스 응축기(154)에서 응축된 증발가스의 압력을 낮추어 주기 위한 것으로서, 증발가스 이송관(151)에 장착된다. 상기 증발가스 감압기(156)로는 감압 밸브가 사용될 수 있다. 한편, 상기 증발가스 감압기(156)를 거친 액체 상태의 증발가스는 디엠이 탱크(142)로 회수된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 가스엔진 시스템 110 : 가스엔진
120 : 주 연료 공급 장치 121a, 121b : 액화가스 이송관
122 : 액화가스 탱크 124 : 액화가스 펌프
126 : 액화가스 기화기 128 : 액화가스 히터
140 : 점화연료 공급 장치 141 : 디엠이 이송관
142 : 디엠이 탱크 144 : 디엠이 펌프
146 : 디엠이 히터 148 : 디엠이 감압기
151 : 증발가스 이송관 152 : 증발가스 압축기
154 : 증발가스 응축기 156 : 증발가스 감압기

Claims (9)

  1. 점화연료로 사용될 디메틸에테르를 액체 상태로 저장하는 디엠이 탱크;
    가스엔진과 상기 디엠이 탱크를 연결하는 디엠이 이송관;
    상기 디엠이 이송관에 장착되고, 상기 디엠이 탱크로부터 배출된 디메틸에테르를 가압하여 토출하는 디엠이 펌프;
    상기 디엠이 이송관에 장착되고, 상기 디엠이 펌프로부터 토출된 디메틸에테르의 온도 및 압력을 조절하는 레귤레이터; 및
    상기 디엠이 탱크 내 증발가스를 액화시켜 상기 디엠이 탱크로 다시 유입시키는 증발가스 액화부;를 포함하되,
    상기 증발가스 액화부는,
    상기 디엠이 탱크로부터 유출된 증발가스를 압축시키는 증발가스 압축기;
    상기 증발가스 압축기를 거친 증발가스를 응축시키는 증발가스 응축기; 및
    상기 증발가스 응축기에서 응축된 증발가스의 압력을 낮추는 증발가스 감압기;를 포함하고,
    상기 응축기에서는 상기 증발가스가 주 연료인 액화가스에 열을 빼앗겨 응축되는 점화연료 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레귤레이터는,
    상기 디엠이 펌프로부터 토출된 디메틸에테르의 온도를 상기 가스엔진의 인렛 조건에 맞게 높이는 디엠이 히터; 및
    상기 디엠이 히터를 거친 디메틸에테르의 압력을 상기 가스엔진의 인렛 조건에 맞게 낮추는 디엠이 감압기;를 포함하는 점화연료 공급 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 가스엔진;
    주 연료인 액화가스를 상기 가스엔진으로 공급하는 주 연료 공급 장치; 및
    점화연료인 디메틸에테르를 상기 가스엔진으로 공급하는 점화연료 공급 장치;를 포함하되,
    상기 점화연료 공급 장치는, 상기 디메틸에테르를 액체 상태로 저장하고 있는 디엠이 탱크의 내부 증발가스를 액화시켜 상기 디엠이 탱크로 다시 유입시키는 증발가스 액화부;를 포함하고,
    상기 증발가스 액화부는 상기 디엠이 탱크로부터 유출되어 압축된 증발가스를 응축시키는 증발가스 응축기를 포함하며,
    상기 증발가스 응축기에서는, 상기 증발가스의 이송로로 제공되는 증발가스 이송관이 방열관으로 사용되고, 상기 액화가스의 이송로로 제공되는 액화가스 이송관이 흡열관으로 사용되는 가스엔진 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 흡열관으로 사용되는 액화가스 이송관은 상기 액화가스를 저장하고 있는 액화가스 탱크와 상기 가스엔진을 연결하는 본관으로부터 분기된 후 다시 상기 본관과 합쳐지는 지관인 가스엔진 시스템.
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