2. 액화천연가스운반선의 연료가스공급시스템
2.3 연료가스공급시스템
2.3.2 항해 특성에 따른 연료가스공급시스템 운용
LNGC는 –163℃의 액화천연가스를 이송하는 선박이다. Fig. 12는 LNGC의 항 해에 따른 연료가스공급시스템 운용에 대한 것이다. 만선항해(Laden voyage)와 공선항해(Ballast voyage)로 나눌 수 있다.
Fig. 12 Voyage Profile of LNGC (박희찬, 2009)
(1) 만선항해 (Laden Voyage)
만선항해 시 가장 중요한 것은 화물탱크 압력 제어이다. 외부 열의 침입으로 인해 화물탱크 안에 있는 LNG는 증발하게 되고 BOG가 발생한다. 이로 인해 탱크 압력은 상승한다. 압력이 계속 상승하여 설정치 이상이 되면, 안전장치가 작동하여 BOG를 대기로 분출(Venting)하는 시스템이 적용되어 있다. 탱크 압력 상승 방지를 위해서는 발생하는 BOG를 소모해야한다. BOG는 주기관 및 보조 기관에 연료가스로 공급되어 소모된다. 하지만, BOG 발생량보다 소모량이 적을 경우 탱크 압력은 상승한다. 주기관 및 보조기관에서 소모하는 양이 BOG 발생 량보다 적을 경우, 부분재액화시스템(PRS)을 통해 액화시켜 다시 탱크로 보내 는 방법과 가스연소기(GCU)를 통해 소각시켜 BOG를 소모하는 방법이 있다. 만 선항해 시에는 충분한 BOG가 발생하므로, 연료가스공급시스템의 5단 압축기를 통해 각 기관에 연료 가스를 공급해준다.
(2) 공선항해 (Ballast Voyage)
LNG 화물을 하역작업을 마치고 다시 선적하기 위해 LNG 적하항(Loading port)으로 이동한다. 일부 화물탱크에는 Heel이라는 소량의 LNG가 남아있다.
Heel의 용도는 추진 기관의 연료 및 예냉작업(Cooling down)을 위한 것이다.
Cooling down이란 LNG를 선적하기 위해 Loading Port 입항 전에 화물 탱크를 냉각시켜주는 작업이다. 충분히 냉각되지 않은 상태의 화물 탱크에 –163℃의 LNG가 유입이 되면 급격한 온도 변화에 따른 탱크를 비롯한 탱크 지지대 등 여러 구조물에 열응력을 초래한다. 따라서 열응력 발생을 최소화하기 위해 Loading port 입항 전에 Spray pump를 이용하여 Heel을 이송하여 화물 탱크 상 부에 설치되어 있는 Nozzle을 통해 탱크내부로 분사한다. 분사된 LNG는 기화 를 하고 탱크내부의 온도는 점차 낮아지게 된다. 이를 Cooling down 작업이라 고 한다. 공선항해 기간에는 충분한 BOG가 발생하지 않으므로 강제로 LNG를
2.3.3 이중연료기관의 종류
(1) 디젤 사이클을 적용한 고압이중연료기관
기존의 많은 디젤기관에 적용되어 사용 중인 전자기관(ME Engine ; MAN B&W Electronically Controlled Engine)은 중유 및 디젤연료를 주 연료로 사용하 는 기관이다. 이 기관에 가스연료를 사용 가능하게 개조한 것이 MEGI(MAN B&W Electronically Controlled Gas Injection)기관이며, 기체 상태의 가스연료를 연소실에 300 bar의 압력으로 분사를 시켜주는 별도의 연료가스공급시스템이 필요하다.
전자기관(ME engine)과는 달리 가스공급배관(Gas supply pipes), 가스분사밸브 (Gas injection valves), 가스분배블록(Gas distributor block with internal accumulator) 그리고 분사가스제어용 밸브가 추가로 설치된다. (정진원, 2018)
고압이중연료기관인 MEGI는 300 bar의 고압의 가스 연료를 실린더 상단의 연료 밸브를 통해 실린더 내로 분사하여 연소를 하는 방식으로 디젤기관의 약 50%의 열효율을 유지하며, 압축행정 말기에 실린더 내로 고압의 가스연료를 분 사하기 때문에 가스 연료가 실린더 내에서 연소가 되지 않은 채로 배기가스로 빠져나가는 메탄슬립(Methane slip) 현상이 발생하지 않는다.
디젤사이클(Diesel cycle)을 적용한 고압이중연료기관은 효율은 좋지만 연소 시 실린더 내에 온도 상승으로 인해 질소산화물(NOx)의 배출량이 증가한다. 따 라서 MARPOL의 Tier III 규제를 만족하지 못해 질소산화물의 배출을 줄이기 위 한 별도의 설비를 구축해야 한다. (Dag Stenersen, Ole Thonstad, 2017)
(2) 오토 사이클을 적용한 저압이중연료기관
현재 선박에 적용된 저압이중연료기관은 2행정 기관과 4행정 기관으로 나누 어지며 가스 연료를 사용할 경우 오토 사이클(Otto cycle)이 적용되지만, 중유나 디젤 연료를 사용할 경우 디젤 사이클(Diesel cycle)이 적용되는 기관이다. 2행 정 기관의 경우 약 16 bar, 4행정 기관의 경우 약 6 bar의 연료가스 압력이 요 구되며 오토 사이클을 적용한 경우 연소를 위해 소량의 점화오일(Pilot Oil)이 필요하다.
2행정 저압이중연료기관의 경우 Win GD(Winterthur Gas & Diesel) 사의 X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 기관이 대표적이다. X-DF 기관은 압축행정 중에 실린더 라이너 중간부에서 16 bar의 가스를 분사하여 급기와 가스연료가 혼합이 된다. 공기와 가스연료가 혼합된 기체를 피스톤이 압축하여 상사점(TDC
; Top Dead Center) 인근에서 점화용 연료(Pilot Oil)가 분사되어 착화가 이루어 진다. (천정민, 2017) Fig. 13은 X-DF 기관의 가스 분사와 점화 방식을 보여준 다.
Fig. 14는 4행정 저압이중연료기관의 디젤 모드에서의 행정을 보여준다. 중유 및 디젤유를 사용하는 디젤 모드에서는 디젤 사이클이 적용된다. 먼저 흡기행 정(A)에서 공기가 실린더로 유입된다. 압축행정(B)에서는 유입된 공기를 피스톤 이 TDC까지 상승하여 압축한다. 연소행정(C)에서 압축된 공기에 연료가 분사되 면 연소가 일어나고 실린더를 하사점(BDC ; Bottom Dead Center)까지 하강시 킨다. 배기행정(D)은 다시 피스톤이 상사점까지 상승을 하면서 배기밸브 (Exhaust valve)가 열려 실린더 내의 배기가스가 배출된다.
Fig. 14 Illustrates the different work stages in Diesel Mode (Ignacio et al, 2016)
Fig. 15는 4행정 저압이중연료기관의 가스 모드에서의 행정을 보여준다. 가스 연료를 사용하는 가스 모드에서는 오토 사이클이 적용된다. 흡기행정(A)에서 연 료가스는 공기와 혼합이 이루어지며 실린더 내로 유입이 된다. 여기서 가스 연 료의 유입 압력은 약 6 bar이다. 압축행정(B)에서는 피스톤이 상승하여 연료와 공기가 혼합된 기체를 압축한다. 연소행정(C)에서는 피스톤에 의해 압축된 기체 에 소량의 점화오일(Pilot oil)이 분사되어 연소가 일어나며 피스톤을 하사점까지 밀어준다. 배기행정(D)에서는 디젤 사이클과 마찬가지로 다시 피스톤이 상사점 까지 상승을 하면서 배기밸브(Exhaust valve)가 열려 실린더 내의 배기가스가 배출된다.
Fig. 15 Illustrates the different work stages in Gas Mode (Ignacio et al, 2016)
Table 8은 이중연료기관 형식에 따른 특성 비교이다. 각 기관의 특성에 따라 연료가스공급 압력, 적용된 사이클, 연료가스공급시스템의 차이가 있다.
Table 8 Comparison of Engine type (정진원, 2018)
Engine
MEGI DFDE X-DF
MAN B&W Electronically Controlled Gas
Injection)
Dual Fuel Diesel Electric
eXtra long stroke Dual Fuel
Maker
MDT (MAN Diesel &
Turbo)
Rolls-Royce MDT Wartsila
Hyms
WinGD (Winterthur Gas & Diesel) Required
Fuel Gas pressure
300 bar 5.5 ~ 7.0 bar 16 bar
Adjusted Cycle Diesel Cycle
Otto Cycle (Gas) Otto Cycle (Gas) Diesel Cycle (FO) Diesel Cycle (FO)
FGSS Components
HP Pump HP Vaporizer (HP Compressor
for LNGC)
LP Vaporize + PBC
LP Booster Pump + LP Vaporizer
Tier III Need SCR of EGR
Satisfied in Gas mode
Satisfied in Gas mode Need SCR of
EGR in Diesel mode
Need SCR of EGR in Diesel
mode
오토 사이클을 적용한 이중연료기관의 연소 특성은 노킹 현상이다. 노킹 현 상은 연료가스의 성분들의 연소 시기가 상이하여 메탄이 연소하기 전에 에탄, 프로판, 부탄 등의 성분들이 먼저 연소가 일어나는 현상이다. 노킹 현상으로 인 해 출력 감소 및 소음과 진동이 발생하여 기관의 정상적인 운전을 저해한다.
노킹을 방지하기 위해 정확한 분사시기와 공연비 조절이 중요한 요소이다.
공연비는 기관의 운전에서 평균유효압력을 형성시키는데 중요한 요소이며, 노 킹과 점화실패에 밀접한 관련이 있다. 공연비의 감소는 노킹을 증가시키며, 자 연발화를 유발하기도 한다. (천정민, 2017)
가스모드(Gas mode)에서 이중연료기관은 희박연소(Lean burn) 방식으로 운전 한다. 희박연소란, 완전연소에 필요한 공기의 양보다 더 많은 양을 실린더로 유 입시켜 가스연료와 혼합해서 연소시키는 방식이며, 이 방식은 연소 최고온도를 낮춰주기 때문에 NOx 배출량이 감소된다. 또한, 효율이 증가하고 출력이 상승 한다. Fig 16은 희박연소의 이상적인 운전영역에 대한 것이다. 공연비와 압축비 의 관계에 따라 열효율과 질소산화물 발생량이 변화하는 것을 볼 수 있다.
Fig.16 Ideal Operating Area of Lean Burn Gas Engine