액화천연가스 고압 연료공급시스템의 운전특성에 관한 연구
Operational characteristics of high-pressure LNG fuel gas supply systems
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초록
선박으로부터의 배출되는 유해한 배기배출물을 억제하기 위한 국제해사기구의 규제가 강화됨에 따라 해운 업계에서는 청정연료인 천연가스를 선박용 주 연료로 사용하고자 노력하고 있다. 천연가스는 전통적인 선박 연료인 중질유에비해서 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소를 동시에 저감할 수 있다. 하지만 이를 선박용 엔진에 안전하게 공급하기 위해서는 별도의 연료공급설비를 설치해야한다. 선박용 주 연료로 천연가스를 사용할 수 있는 주기관은 연소실에 기체상태의 천연가스를 분사하는 방법에 따라 일반적으로 두 가지로 분류된다. 하나는 300 bar 이상인 고압의 천연가스를 압축행정 말경에 연소실에 직접 분사하는 것으로 디젤 사이클에 기반을 두고 있다. 다른 하나는 압축행정 중간에 저압의 가스가 연소실에 분사되고 피스톤이 상승됨에 따라 소기와 예혼합되는 것으로 오토사이클에 기반을 두고 있다. 디젤 사이클 기반의 엔진은 오토사이클 기반의 엔진에 비해 높은 열역학적 효율을 갖고 있으나, 연소실에 공급되는 천연가스의압력이 고압으로 해당 설비의 운용 시 많은 문제점이 발생될 우려가 있다. 따라서 본 연구에서는 천연가스를 주 연료로사용할 수 있는 선박용 디젤엔진에 고압의 천연가스를 공급할 수 있는 연료공급시스템의 운전특성을 확인하고, 엔진 부하별로 실험을 시행하여 천연가스를 해당 엔진에 안전하게 공급할 수 있는 설계 개선 방안을 검토하였다.
Abstract
As the regulations of the International Maritime Organization have been strengthened to restrain harmful emissions from vessels, the maritime industry is making efforts to use a clean fuel, namely, natural gas as the main fuel for ships. The use of natural gas can reduce the emission of nitrogen oxides, sulfur oxides and carbon dioxide simultaneously, as compared to the heavy fuel oil used in conventional vessels. However, separate fuel supply facilities must be installed in order to safely supply fuel to engines. The main engines that use natural gas as the primary fuel for ships are generally classified into two types according to the method of injecting gaseous natural gas into the combustion chamber. One engine type uses the Diesel cycle, in which high-pressure natural gas (not less than 300 bar) is directly injected into the combustion chamber at the end of the compression stroke. The other uses the Otto cycle in which low-pressure gas is injected into the combustion chamber during the compression stroke and the piston is raised and premixed with scavenging air. The thermodynamic efficiency of Diesel cycle engines is higher than that of Otto cycle engines, but the high pressure of the natural gas supplied to the combustion chamber could cause a significant number of technical problems during equipment operation. Therefore, this study investigated the optimized operating characteristics of a fuel supply system that could supply high pressure natural gas to a marine Diesel cycle engine operated using natural gas as the main fuel. Experiments corresponding to the engine load for safe supply of natural gas to the engine were conducted, and based on the results, suggestions to improve the design were proposed.
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