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KR20140046651A - 선박용 대형 엔진의 탈질장치 - Google Patents

선박용 대형 엔진의 탈질장치 Download PDF

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Publication number
KR20140046651A
KR20140046651A KR1020120112016A KR20120112016A KR20140046651A KR 20140046651 A KR20140046651 A KR 20140046651A KR 1020120112016 A KR1020120112016 A KR 1020120112016A KR 20120112016 A KR20120112016 A KR 20120112016A KR 20140046651 A KR20140046651 A KR 20140046651A
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KR
South Korea
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urea
amount
urea injection
engine
scr reactor
Prior art date
Application number
KR1020120112016A
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English (en)
Inventor
김점구
고성훈
유정대
문형순
이석형
Original Assignee
현대중공업 주식회사
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Publication date
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Abstract

선박용 대형 엔진의 탈질장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우레아 분사량을 제어하여 배기가스의 NOx를 저감하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치에 관하여 개시한다.
본 발명은, SCR 반응기를 구비하는 대형 선박의 탈질 장치에 있어서, SCR 반응기의 상류측에 구비되는 우레아분사부; 상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 제1낙스센서; 상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 배기가스 온도센서; 상기 SCR 반응기의 하류측에 구비되는 제2낙스센서; 및 상기 센서들로부터 측정값을 전달받아 상기 우레아분사부의 분사량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치를 제공한다.
상기 제어부는, 상기 엔진의 연료분사량과 배기가스 온도부터 산출된 기준 우레아분사량과, 상기 제2낙스센서에서 감지된 낙스량과 낙스 목표 제거율로부터 산출된 보정 우레아분사량을 합산한 양을 분사하도록 상기 우레아분사부를 제어하는 것이 바람직하다.

Description

선박용 대형 엔진의 탈질장치{UREA INJECTION DEVICE FOR SCR REACTOR OF LARGE-SIZE MARINE DIESEL ENGINE AND IT'S CONTROL METHOD}
본 발명은 선박용 대형 엔진의 탈질장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우레아 분사량을 제어하여 배기가스의 NOx를 저감하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 환경 오염에 대한 관심이 증가하면서 디젤 엔진에서 배출되는 환경오염물질에 대한 규제가 점점 강화되고 있다.
특히 선박의 경우 2005년 5월 국제해사기구(IMO)의 '선박의 대기 오염 물질 배출 규제 협약'이 시행되어 질소 및 황 산화물, 휘발성 유기화합물 등에 대한 배출 규제가 강화되고 있다.
따라서, 이러한 선박 규제안(Tier III)에 대응하기 위해서 각 선박 엔진 제작사에서는 배출가스 후단에서 환원제인 우레아(Urea)를 투입하여 NOx를 정화시키는 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction, SCR) 장치에 대한 연구 및 개발이 현재 활발히 수행되고 있다.
그러나, 기존에 선박용 대형 엔진 분야의 SCR 장치에서 상용화된 우레아 분사 장치 들은 대부분 펌프를 일정속도로 가동하여 일정량의 우레아들을 분사하는 시스템이 대부분이다.
우레아의 분사를 조정하는 것은 대부분 운전자의 판단에 의존한다. 이러한 이유는 대부분 엔진의 부하를 비교적 예측하는 것이 어렵고, 또한 후단에서 발생하는 녹스량을 정확하게 실시간으로 계측하기가 상당히 어렵기 때문이다.
또한, 최근의 실시간 녹스 센서를 사용한다고 하더라도 선박 엔지과 같이 큰 배관에 설치할 경우 계측 오차들이 많이 발생한다. 따라서, 이러한 센서 신호에만 의존하여 우레아량을 실시간으로 피드백 제어하는 방식은 상당한 위험성이 존재하여 실제적으로 상용화 장치에 적용하기에는 한계가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 엔진의 부하 및 배기가스 온도에 따라서 우레아의 분사량을 미리 계산하고, 이러한 계산치를 실시간 녹스 센서를 바탕으로 보정하여 우레아의 분사량을 실시간으로 제어할 수 있는, 선박용 대형 엔진의 탈질장치 및 그 제어방법를 제공함을 그 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, SCR 반응기를 구비하는 대형 선박의 탈질 장치에 있어서, SCR 반응기의 상류측에 구비되는 우레아분사부; 상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 제1낙스센서; 상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 배기가스 온도센서; 상기 SCR 반응기의 하류측에 구비되는 제2낙스센서; 및 상기 센서들로부터 측정값을 전달받아 상기 우레아분사부의 분사량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치를 제공한다.
상기 제어부는, 상기 엔진의 연료분사량과 배기가스 온도부터 산출된 기준 우레아분사량과, 상기 제2낙스센서에서 감지된 낙스량과 낙스 목표 제거율로부터 산출된 보정 우레아분사량을 합산한 양을 분사하도록 상기 우레아분사부를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 보정 우레아분사량은 PID 제어 방법으로 산출된다.
또한, 상기 우레아분사부는 우레아를 저장하는 환원제 탱크와, 상기 환원제 탱크의 우레아의 공급량을 조절하는 서보모터와 정량기어펌프와, 상기 정량기어펌프를 통해 공급되는 우레아를 분사시키기 위한 공압수단을 포함하며,
상기 공압수단은 유량조절밸브를 구비하며, 상기 유량조절밸브는 상기 제어부에 의하여 조절되면 더욱 바람직하다.
본 발명은 낙스 센서를 이용하여 낙스 제거율을 실시간으로 피드백 받고, 피드백 받은 낙스 제거율에 의하여 우레아 분사량을 조절함으로써, 배기가스에 포함되는 낙스량을 원하는 수준으로 조절할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 대형 엔진의 탈질장치를 나타낸 구성도,
도 2는 엔진 배기가스 온도 및 연료량에 대한 우레아 분사맵,
도 3은 서보모터의 회전속도에 따른 우레아 공급량을 나타낸 그래프,
도 4는 노즐 전단의 압력과 우레아 분사량을 통합 공기압 기준맵,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선박용 대형 엔진의 탈질장치의 제어과정을 나타낸 도면임.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박용 대형 엔진의 탈질장치를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 탈질장치는 선박용 디젤 엔진에서 배출된 배기가스에 우레아(Urea)라는 환원제를 공급하고, 공급된 우레아를 공기와 노즐을 통하여 적절히 배합하여 배기가스 속에 분사한다.
이를 통하여 배기 가스와 환원제를 적절히 혼합하여 SCR 반응기의 촉매로 보내진다.
이곳에서 배기가스는 인체에 무해한 질소와 물로 분해되어 디젤엔진의 배기가스를 정화한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탈질 장치는 선박의 엔진(110)에서 발생하는 배기가스가 SCR 반응기(120)를 거치는 배기가스 정화 시스템의 탈질 장치에 있어서,
SCR 반응기(120)의 상류측에 구비되는 우레아분사부(145)와, 우레아분사부(145)의 상류측에 구비되는 제1낙스센서(162)와, 상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 배기가스 온도센서(164)와, 상기 SCR 반응기(162)의 하류측에 구비되는 제2낙스센서(166)와, 상기 센서들로부터 측정값을 전달받아 상기 우레아분사부의 분사량을 조절하는 제어부(160)를 포함한다.
우레아분사부(145)는, 우레아를 저장하는 환원제 탱크(130)와, 상기 환원제 탱크(130)에 연결된 우레아공급라인(132)과, 상기 우레아공급라인(132) 상에 배치되어 우레아의 공급량을 조절하는 정량기어펌프(150)와, 상기 정량기어펌프(150)의 유량을 조절하는 서보모터(152)와, 상기 정량기어펌프(150)를 통해 공급되는 우레아를 분사시키기 위한 공압수단을 포함한다.
여기서 공압수단은 압축공기를 공급하는 압축기(140)와, 상기 압축기(140)에 연결된 공압라인(142)과, 상기 공압라인(142)상에 구비되어 공급되는 압축공기의 유량을 조절하는 유량조절밸브(144)를 포함한다.
제어부(160)는 센서들(162, 164, 166)로부터 측정값을 전달받아, 서보모터(152)와 유량조절밸브(144)를 제어함으로써 우레아 공급량을 조절하게 된다.
이 때, 상기 제어부(160)는 엔진(110)의 연료분사량과 배기가스 온도부터 산출된 기준 우레아분사량과, 상기 제2낙스센서(166)에서 감지된 낙스량과 낙스 목표 제거율로부터 산출된 보정 우레아분사량을 합산한 양을 분사하도록 상기 우레아분사부를 제어한다.
도 2는 엔진 배기가스 온도 및 연료량에 대한 우레아 분사 맵을 나타낸 것이다.
보통 엔진에서 발생하는 낙스(NOx)량은 엔진에 들어가는 엔진의 연료량과 엔진의 연소온도에 따라서 변동된다고 볼 수 있다. 따라서, SCR시스템을 구성한 이후에 엔진 연료량과 배기가스 온도에 따라 목표하는 낙스 제거율에 대한 최적 우레아 분사량을 실험을 통하여 도 2와 같이 정리할 수 있다.
그러나 이러한 실험으로 결정된 각 구간의 최적 우레아 분사량 정보만으로 실제적으로 엔진의 녹스량을 정확하게 제어하기는 상당히 어렵다.
이러한 사전 자료를 근거로 도 2에 도시한 바와 같이 배기가스 온도와 엔진의 연료 분사량에 따른 우레아 분사량 맵을 도출할 수 있고, 이러한 우레아 분사량 맵을 이용하여 제어부(160)가 우레아 분사량을 제어하게 된다.
도 3은 서보모터의 회전속도에 따른 우레아 공급량을 나타낸 그래프이다.
도시한 바와 같이, 정량기어펌프를 서보모터에 의하여 회전시키는 경우, 서보모터의 회전속도와 공급되는 우레아의 압력(P1, P2, P3)에 따라 우레아 공급량이 결정되므로, 제어부(160)에서 서보모터(152)의 회전수를 제어하는 것으로 우레아 공급량을 제어할 수 있다.
도 4는 노즐 전단의 압력과 우레아 분사량을 통합 공기압 기준맵이다.
우레아와 함께 공급되는 공기의 양은 도 4에 도시한 바와 같은 공기량 조절맵에 따라서 조절된다. 이러한 공기량 조절 맵을 기준으로 제어부(160)가 유량조절밸브(144)를 조절하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선박용 대형 엔진의 탈질장치의 제어과정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 실시간 낙스 센서를 통하여 변동적인 사항에 대응할 수 있는 피드백 제어시스템을 구성하였다. 이러한 피드백 제어시스템에 의한 보정을 위한 우레아 입력량은 다음과 같이 결정된다.
일단 목표치와 실체치 사이의 오차량을 결정한다.
Figure pat00001
여기서, Sref 는 앞의 분사맵을 정할 때 결정한 목표 제거율이고, Sreal은 현재 낙스 센서를 사용하여 실제적으로 결정된 실제 제거율이다. e는 맵에서 결정된 목표 제거율과 센서에 의한 실제 제거율 사이의 오차이다.
이러한 오차를 바탕으로 대표적인 피드백에어 알고리즘인 PID알고리즘을 적용하면 보정을 위한 보정 우레아 분사량 Uc는 아래와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00002
여기서 Kp는 비례게인, Ki는 적분게인, Kd는 미분게인을 나타낸다.
변동적인 사항에 대응하기 위하여 입력되는 보정을 위한 PID값과 실험적으로 결정된 제어맵에서의 기 우레아량 값을 더하여 실제적으로 입력되는 전체 우레아 량은 아래와 같다.
Figure pat00003

이러한 과정을 거쳐서 결정된 우레아 분사량은 도 3과 같이 정량 기어 펌프의 특성 곡선에 따라서 서보모터구동속도로 변환되어 구동 모터드라이브에 입력된다.
도 5를 참조하면, 먼저 선박의 엔진의 연료 분사량과 배기가스의 온도로부터 기준 우레아 분사량이 결정되고, 상술한 바와 같이 PID 제어를 통해 보정 우레아 분사량이 결정되면, 이들을 합산한 값이 최종 우레아 분사량이 된다.
제어부(160)는 최종 우레아 분사량을 분사하기 위하여, 그에 해당하는 속도로 서보모터(152)를 구동하여 우레아를 공급하여, 그 우레아 공급량을 기준으로 공기압도 공기압 조절맵을 통하여 공기압 유량조절밸브(144)로 조절된다.
이러한 과정이 반복되며, 실시간으로 우레아 분사량이 조절됨으로써 목표하는 수준으로 낙스를 제거할 수 있게 된다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 엔진
120 : SCR 반응기
130 : 환원제 탱크
140 : 압축기
150 : 정량기어펌프
152 : 서보모터
160 : 제어부

Claims (5)

  1. SCR 반응기를 구비하는 대형 선박의 탈질 장치에 있어서,
    SCR 반응기의 상류측에 구비되는 우레아분사부;
    상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 제1낙스센서;
    상기 우레아분사부의 상류측에 구비되는 배기가스 온도센서;
    상기 SCR 반응기의 하류측에 구비되는 제2낙스센서;
    상기 센서들로부터 측정값을 전달받아 상기 우레아분사부의 분사량을 조절하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 엔진의 연료분사량과 배기가스 온도부터 산출된 기준 우레아분사량과,
    상기 제2낙스센서에서 감지된 낙스량과 낙스 목표 제거율로부터 산출된 보정 우레아분사량을 합산한 양을 분사하도록 상기 우레아분사부를 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보정 우레아분사량은 PID 제어 방법으로 산출되는 것을 특징으로 하는 선박용 대형 엔진의 탈질장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 우레아분사부는
    우레아를 저장하는 환원제 탱크와,
    상기 환원제 탱크의 우레아의 공급량을 조절하는 서보모터와 정량기어펌프와,
    상기 정량기어펌프를 통해 공급되는 우레아를 분사시키기 위한 공압수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 대형 엔진의 탈질 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공압수단은 유량조절밸브를 구비하며, 상기 유량조절밸브는 상기 제어부에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 선박의 대형 엔진의 탈질 장치.
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