본 연구는 석탄을 가스화한 저발열량 합성가스 연료의 가스엔진과 소형가스발전기로의 적용가능성을 보여준다. 석탄을 가스화한 저발열량 합성가스를 가스엔진의 연료로 사용하기 위해 상용 LPG엔진을 부분적으로 변경하였다. 석탄가스화 연료에 적합한 연료공급시스템 -공기유량조절 오리피스, 가스믹서, 기화기, 예열히터, 레귤레이터, 연료탱크-이 집중적으로 변경되었다. 엔진 운전 결과에서 비록 석탄가스화 연료의 엔진 출력이 LPG연료에 비해 다소 떨어지지만 석탄가스화 연료를 사용하는 엔진이 공회전 조건에서부터 교축밸브를 완전 개방한 전부하조건까지 잘 운전됨을 보여주었다. 또한 본 연구에서 개발된 가스엔진발전기는 다양한 부하에서도 잘 작동됨을 보여주었다.
본 연구는 석탄을 가스화한 저발열량 합성가스 연료의 가스엔진과 소형가스발전기로의 적용가능성을 보여준다. 석탄을 가스화한 저발열량 합성가스를 가스엔진의 연료로 사용하기 위해 상용 LPG엔진을 부분적으로 변경하였다. 석탄가스화 연료에 적합한 연료공급시스템 -공기유량조절 오리피스, 가스믹서, 기화기, 예열히터, 레귤레이터, 연료탱크-이 집중적으로 변경되었다. 엔진 운전 결과에서 비록 석탄가스화 연료의 엔진 출력이 LPG연료에 비해 다소 떨어지지만 석탄가스화 연료를 사용하는 엔진이 공회전 조건에서부터 교축밸브를 완전 개방한 전부하조건까지 잘 운전됨을 보여주었다. 또한 본 연구에서 개발된 가스엔진발전기는 다양한 부하에서도 잘 작동됨을 보여주었다.
This paper presents the applicability of low caloric synthetic gas from coal gasification to a gas engine system and small sized generator. A commercial LPG engine is modified to use the low caloric synthetic gas from coal gasification as the gas engine fuel. The modification is focused on the fuel ...
This paper presents the applicability of low caloric synthetic gas from coal gasification to a gas engine system and small sized generator. A commercial LPG engine is modified to use the low caloric synthetic gas from coal gasification as the gas engine fuel. The modification is focused on the fuel supplying system, which includes air flowrate adjusting orifice, gas mixer, vaporizer, preheater, regulators, and fuel tank. From the results of engine performance data, we have demonstrated that the engine modified by using the coal gasification gas is well operated from idle to wide open throttle conditions although the engine power is somewhat reduced relative to LPG fueled engine. And we have also demonstrated that the generator is well operated with various loads.
This paper presents the applicability of low caloric synthetic gas from coal gasification to a gas engine system and small sized generator. A commercial LPG engine is modified to use the low caloric synthetic gas from coal gasification as the gas engine fuel. The modification is focused on the fuel supplying system, which includes air flowrate adjusting orifice, gas mixer, vaporizer, preheater, regulators, and fuel tank. From the results of engine performance data, we have demonstrated that the engine modified by using the coal gasification gas is well operated from idle to wide open throttle conditions although the engine power is somewhat reduced relative to LPG fueled engine. And we have also demonstrated that the generator is well operated with various loads.
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문제 정의
본 연구는 선행연구[6]를 바탕으로 석탄 가스화에서 생성되는 가연 가스를 엔진의 연료로 사용할 수 있도록 가스엔진 시스템을 구성 및 제작(엔진의 연료공급 장치 (gas mixer, vaporizer, pre-heater, regulator & val.,e, fuel tank)와 전기장치, 이외 각종 장치)하여 석탄 가스화 연료를 적용한 소형발전기 개발의 가능성을 제시함에 그 목적이 있다.
본 연구에서는 발열량 5.852MJ/Nm3의 석탄 가스화 연료를 사용한 가스엔진 시스템을 구성 및 제작하고, 석탄 가스화 연료를 적용한 소형발전기 개발의 가능성을 제시하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
5이다. 대상 엔진을 엔진 구동 시의 충격 및 진동을 방지하기 위해 엔진 고정나사에 방진댐퍼 를 부착시킨 엔진 설치대(가로 0.9m, 세로 1.8m, 높이 0.8m)에 설치하였다. 엔진 설치대에는 엔진의 시동을 위한 키스 위치 및 각종 스위치 등과 인디케이터, 배터리 등을 설치하였다.
엔진 설치대에는 엔진의 시동을 위한 키스 위치 및 각종 스위치 등과 인디케이터, 배터리 등을 설치하였다. 또한 엔진 냉각을 위한 냉각수 순환은 엔진 자체에 붙어있는 물 펌프를 사용하나 용량이 부족하므로 냉각 효율을 높이기 위해 50Z 용량의 물탱크를 별도로 설치하였다. 물탱크는 엔진의 냉각수 공급 및 드레인 역할을 한다.
흡기/배기 온도측정은 K-타입 열전대를 믹서 앞부분과 배기 포트 에 설치하였다. 배기가스 측정을 위해 가스 분석기 (Horiba, Mexa554jk)를 배기 라인에 설치하였으며, 연료와 공기의 혼합비를 알기 위해 람다 센서 (ETAS)를 배기 라인의 전반부에 설치하였다.
본 연구에서는 A사의 LPG 엔진(CD800L)을 기초로 하여 가스엔진 시스템을 설계. 구성하고 있다.
8~10은 3가지 부하량에 따른 생산전력, 연료량, 배기가스 농도를 계측하였다. 부하량은 전구 수에 따라 나타내었으며, 부 하량에 따른 엔진 회전속도는 정속 유지 장치가 엔진 회전 속도를 1800rpm으로 유지시키기 위해 스로틀 밸브를 조절하였다.
발전기는 발전기 동체를 구동 시 켜주는 엔진의 회전속도가 일정하지 않으면 안정된 전력을 공급할 수 없다. 부하량의 변동에 따라 엔진 회전 속도를 정속으로 유지하기 위해 흡기매니폴드에 부착된 스로틀 밸브의 개폐를 통해 엔진 회전속도를 조절하였다. 정속 유지 장치는 엔코더, 펄스메타, 컨트롤러, 서 보모 터, 서보모터 드라이버로 구성된다.
석탄 가스화 엔진의 엔진 회전속도를 1800rpm으로 유지하면서 전구를 켜서 생산 전력량을 확인하였다. 최대 생산전력은 엔진 회전속도 1800rpm에서 주파수 60 Hz, 전압 220 V, 최대전류는 11.
엔진은 기관 자체의 반응지연시간이 있으므로 반응 속도와 가감속속도를 조절하며 밸브를 열고 닫는다. 석탄 가스화 연료 발전기를 제작하여 발전기의 성능을 측정하기 위해 부하량을 확인할 수 있도록 100 W의 출력을 내는 전구를 장착하여 부하를 확인하였다. 석탄 가스화 엔진이 구동되면 연결된 발전기 동체를 통하여 동력이 전달되고 1800rpm 내외로 고정되었을 때 발전 기동체의 출력 스위치를 켜면 발전기 동체에 부착된 패 널의 출력단자를 통해서 교류전류가 발생하게 된다.
엔진 회전속도는 엔진의 캠축에 분해능 360 펄스 인 엔코더 (encoder, Omron, E6B2-CWZ3E)를 엔코더 브라켓에 장착하였다. 실린더 압력을 측정하기 위해 점 화플러그타입의 피에조 압력 센서(Kistler, 6117)를 점화 플러그 홀에 설치하였다. 압력 신호는 전하 증폭기 (Kistler, 5051)를 통해 증폭되어 캠축에 설치된 엔코더 의 펄스 신호에 따라 크랭크 각 2。간격으로 데이터처리 장치(LabVIEW, PCI-MIO-16E1)에 저장된다.
엔진의 성능 특성 파악을 위하여 엔진 성능 계측장치 를 구성하였다. 엔진 회전속도, 실린더 압력, 흡기/배기 온도, 배기가스, 공기 과잉률을 측정할 수 있도록 각종 센서를 설치하였으며, 이들의 상태를 관찰하기 위해 각종 인디케이터(indicator)를 엔진 설치대 앞부분에 설치하였다. 엔진 회전속도는 엔진의 캠축에 분해능 360 펄스 인 엔코더 (encoder, Omron, E6B2-CWZ3E)를 엔코더 브라켓에 장착하였다.
엔진의 성능 특성 파악을 위하여 엔진 성능 계측장치 를 구성하였다. 엔진 회전속도, 실린더 압력, 흡기/배기 온도, 배기가스, 공기 과잉률을 측정할 수 있도록 각종 센서를 설치하였으며, 이들의 상태를 관찰하기 위해 각종 인디케이터(indicator)를 엔진 설치대 앞부분에 설치하였다.
연료 공급 시스템은 기존의 LPG 연료 시스템에 부가적으로 석탄 가스화 연료 시스템을 추가함으로서 이중연료 (bi-foel) 엔진 시스템의 개념으로 설계되었으며 각각의 연료공급시스템을 Fig. 1에 나타내었다. LPG 연료시스템은 LPG 탱크에서 기상/액상 솔레노이드 밸브를 거쳐 기화기를 통해 가스 믹서의 연료 흡기구로 들어간다.
2에서 보는 바와 같은 내경이 각기 다른 공기량 조절절 오리피스를 제작하여 공기 흡입구 앞부분에 설치하여 공기량을 조정하였다. 오리피스는 내경 7mm에서 22 mm까지 제작하여 사용하였으며 각각의 오리피스를 사용하여 연료 유량을 조절함으로써 엔진회전속도 변화에 따른 연료 공기 혼합비를 적절히 맞추었다.
석탄 가스화 엔진이 구동되면 연결된 발전기 동체를 통하여 동력이 전달되고 1800rpm 내외로 고정되었을 때 발전 기동체의 출력 스위치를 켜면 발전기 동체에 부착된 패 널의 출력단자를 통해서 교류전류가 발생하게 된다. 이때 발생된 전압과 전류는 전압 측정기와 전류 측정기를 통하여 측정함으로써 발전기의 최대 생산전력을 계산하였다.
석탄 가스화화 연료 시스템은 가스화 공정에서 만들어진 가스가 연료 유량계(Dwyer)에서 연료량이 조절된 후 가스 믹서의 연료 흡기구로 공급된다. 이중연료(bi-fuel) 시스템의 개념으로 개조하기 위해서는 필요에 따라 연료 전환이 가능하도록 설계하였으며, 엔진 설치대 앞부분에 전환스 위치와 솔레노이드밸브, T-피팅을 설치하였다. LPG연 료시스템의 경우에서는 믹서에서 연료 유량을 MAS (main adjust screw)와 공기 유량 결정을 위한 AAS(air - adjust screw)를 적절히 조정하여 적합한 엔진 운전상태를 유지한다.
대상 데이터
Table 1은 본 연구에 사용된 LPG 엔진의 주요 제원이다. 대상 엔진은 수냉식 3기통이며, 전기 점화 방식으로 배기량 796cc, 압축비 9.5이다. 대상 엔진을 엔진 구동 시의 충격 및 진동을 방지하기 위해 엔진 고정나사에 방진댐퍼 를 부착시킨 엔진 설치대(가로 0.
키스 위치는 ON 상태와 START 상태로 단순화시켰으며 ON 상태에 서는 점화장치만으로 전원이 공급되며 START 상태에 서는 점화장치와 시동 장치로 전원이 공급된다. 모든 전기장치의 전원은 자동차용 12 volts 전원을 이용하였다.
발전기의 동체는 1800 rpm의 엔진 회전속도가 요구되 어지고 최대 20kW의 출력을 내는 동체를 선정하였다. 발전기 동체에는 주파수와 전압을 나타내주는 계기와 전원 스위치 및 전원 출력단자가 있다.
발전기 동체는 커플링을 활용하여 엔진 플라이휠 부분과 연결하였다. 본 연구에 사용된 발전기 동체는 정격 엔진 회전 속 도가 1800rpm이며 60 Hz의 주파수를 가지고 최대 20kW의 정격출력을 가진다. 발전기 동체는 정격 엔진 회전속도의 ±5% 내외의 범위에서 전력 발생이 가능하고 따라서 엔진 회전속도를 약 1710rpm~1890rpm 근처에서 유지시켜야 한다.
부하량의 변동에 따라 엔진 회전 속도를 정속으로 유지하기 위해 흡기매니폴드에 부착된 스로틀 밸브의 개폐를 통해 엔진 회전속도를 조절하였다. 정속 유지 장치는 엔코더, 펄스메타, 컨트롤러, 서 보모 터, 서보모터 드라이버로 구성된다. 엔코더의 회전 속도 펄스가 펄스메타에 입력되고 컨트롤러를 거쳐서 보모터를 작동시킨다.
성능/효과
1) LPG 엔진의 연료 장치, 전기장치, 각종 장치 등을 적절히 개조 및 제작하여 석탄 가스화 연료를 공급하여 구동될 수 있는 이중연료 가스엔진 시스템을 완성하였다.
2) 석탄 가스화 연료를 공급하여 LPG 연료와 마찬가지로 4000 rpm 이상의 고회전 출력이 발생함을 확인하였다. 두 연료에 대한 엔진 운전상태를 비교하면, LPG 연료일 때가 좀 더 안정적으로 구동되고 있다.
3) 수정된 가스엔진에 발전기 동체를 선정 및 장착하여 발전시스템을 형성함으로써 석탄 가스화 연료로 구동되는 발전시스템을 개발하였으며 최대생산전력은 약 2.6kW로써 소형발전기로써의 활용 가능성을 제시하게 되었다.
후속연구
가스엔진은 기존의 석유계 연료 엔진에 비해 열효율도 어느 정도 유지할 수 있으며, 특히 유해 배기가스에 의한 대기환경 오염문제 해결에 유리한 면을 갖고 있다. 또한 한정된 석유계 연료에 비하면 양적인 면에서 비교적 장기적으로 활용 가능하여 유망한 저공해 대체 연료로서의 역할을 담당하게 될 것이다. 이러한 관점에서 석탄 가스화 연료는 기존의 석탄을 고체에서 기체로 연료 상태를 바꾸어서 연소시킴 으로서 유해 배기 성분이 훨씬 저감되어 대기 공해를 방지할 뿐만 아니라 석유보다 훨씬 저렴하며 에너지원의 다변화 정책 및 대체연 료로서의 개발면에서도 유리하다.
두 연료에 대한 엔진 운전상태를 비교하면, LPG 연료일 때가 좀 더 안정적으로 구동되고 있다. 이는 본 엔진의 시스템이 LPG 연료의 연소 특성을 기본으로 제 작되었기 때문에 석탄 가스화 연료에 적합한 점화 시기, 점화에너지, 연료공급압력, 공연비, 연소속도, 피스톤 형상 등의 수정을 통하여 보다 안정된 엔진 운전상태를 제시할 수 있다고 생각된다.
두 연료에 대한 엔진 운전상태를 비교하면 LPG 연료일 때가 좀 더 안정적으로 구동되고 있다. 이는 본 엔진의 시스템이 LPG 연료의 연소 특성을 기본으로 제 작되었기 때문이며 석탄 가스화 연료에 적합한 점화 시 기, 점화에너지, 연료공급압력, 공연비, 연소속도, 피스 톤 형상 등의 수정을 통하여 엔진 운전상태가 최적화될 수 있다고 생각된다.
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