가스엔진구동 히트펌프(GHP : Gas Engine Driven Heat Pump)의 연료인 천연가스의 열량이 감소함에 따라 국내에서 생산되는 GHP에 미치는 영향을 평가하였다. 저열량가스($9,800kcal/Nm^3$)를 연료로 사용하여 엔진 단체 실험 및 GHP 현장평가를 실시한 결과 약간의 출력감소가 확인되었으나 시동성, 운전안정성, 배출가스 특성 등은 거의 변화가 없음을 확인하였다. 따라서 천연가스 열량이 $9,800kcal/Nm^3$까지 감소하여도 별도의 조정없이 GHP가 정상운전될 수 있을 것으로 판단된다.
가스엔진구동 히트펌프(GHP : Gas Engine Driven Heat Pump)의 연료인 천연가스의 열량이 감소함에 따라 국내에서 생산되는 GHP에 미치는 영향을 평가하였다. 저열량가스($9,800kcal/Nm^3$)를 연료로 사용하여 엔진 단체 실험 및 GHP 현장평가를 실시한 결과 약간의 출력감소가 확인되었으나 시동성, 운전안정성, 배출가스 특성 등은 거의 변화가 없음을 확인하였다. 따라서 천연가스 열량이 $9,800kcal/Nm^3$까지 감소하여도 별도의 조정없이 GHP가 정상운전될 수 있을 것으로 판단된다.
In general, natural gas is used as GHP(Gas Engine Driven Heat Pump) fuel. On this study, the influences of different natural gas heating value on GHP were evaluated. As a result of engine test & field test using low heating value gas($9,800kcal/Nm^3$) as fuel, the engine power was reduced...
In general, natural gas is used as GHP(Gas Engine Driven Heat Pump) fuel. On this study, the influences of different natural gas heating value on GHP were evaluated. As a result of engine test & field test using low heating value gas($9,800kcal/Nm^3$) as fuel, the engine power was reduced slightly, however the performance of start-up, the stability of operation and the characteristics of emission gas were almost similar. So it is considered that the normal operation of GHP is possible without any tuning when the low heating value($9,800kcal/Nm^3$) of natural gas was used as fuel.
In general, natural gas is used as GHP(Gas Engine Driven Heat Pump) fuel. On this study, the influences of different natural gas heating value on GHP were evaluated. As a result of engine test & field test using low heating value gas($9,800kcal/Nm^3$) as fuel, the engine power was reduced slightly, however the performance of start-up, the stability of operation and the characteristics of emission gas were almost similar. So it is considered that the normal operation of GHP is possible without any tuning when the low heating value($9,800kcal/Nm^3$) of natural gas was used as fuel.
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문제 정의
본 연구에서는 2015년부터 적용될 천연가스 열량 범위제에 따른 최저발열량 (9,800 kcal/Nm3)의 천연가스를 적용하여 국산 GHP에 적용된 엔진의 단체 성능 및 배출가스 특성을 파악하여 문제점 여부를 확인하고, 실외기 조건에서 직접 저발열량의 가스를 적용하여 운전 상태의 이상 유무를 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 공급되는 LNG의 발열량이 지속적으로 감소되고 있는 추세를 고려하여 2015년 기준의 열량제도하에서 허용하는 최저발열량(9,800kcal/Nm3)의 가스가 GHP 시스템에 사용되는 가스엔진의 성능에 어떤 영향을 미치는지를 평가하고 이를 현재 공급 중인 천연가스를 사용한 경우와 서로 비교하였다.
제안 방법
BETA 및 EH23-N 엔진에 대해 표준조건의 가스(Gas A)와 저발열량 가스(Gas B)를 각각 적용하여 전부하 영역에서 출력 및 효율변화를 확인하였다. Fig.
Field에 가동 중인 GHP에 저발열량 가스가 공급되는 상황을 구현하기 위해 GHP 설치 시 제공되었던 ECU 데이타를 그대로 사용하였으며 두가지의 Gas를 각각 공급하여 엔진의 성능과 효율을 확인하고 배출가스 특성을 비교하였다.
엔진의 출력이 부족하면 시스템에서 요구하는 회전수를 추종하지 못할 수 있고 심할 경우 엔진의 시동이 꺼질 수 있다. 상용운전영역 중 사용빈도가 높은 800mbar의 MAP(Manifold absolute pressure)압력 조건에서 출력과 효율 특성을 실험하였다. Fig.
1MPa로 감압하여 사용하였다. 연료 공급량을 계측하기 위해 연료 공급라인에 질량유량계(Emerson CMF010M)를 설치하였으며, EC동력계(MEIDEN EC-80)를 사용하여 엔진 출력을 측정하였다. 배출가스는 배기분석계(MUR Delta1600V)를 사용하고 공연비 측정을 위해 공연비메타(ETAS LA4)가 사용되었다.
대상 데이터
시험연료는 ‘14년 현재 공급 중인 천연가스(Gas A, 10,373kcal/Nm3)와 '15년 1월부터 적용되는 최저발열량으로 제조 된 가스(Gas B, 9,800kcal/Nm3)를 적용하여 실험하였다.
국산 GHP 엔진으로는 현대자동차에서 개발하여 공급한 BETA 엔진과 엔진텍이 개발하여 공급 중인 EH23-N 엔진의 2기종이 있다. 실험은 이 2기종의 엔진을 대상으로 진행하였으며 실험엔진의 제원은 Table 2와 같다. 이 엔진들은 공연비 제어를 하지 않기 때문에 연료공급압력이 변할 경우 엔진성능에 직접적인 영향을 미치므로 안정적인 상태의 연료 공급압력 유지는 무엇보다 중요하다.
이론/모형
연료 공급량을 계측하기 위해 연료 공급라인에 질량유량계(Emerson CMF010M)를 설치하였으며, EC동력계(MEIDEN EC-80)를 사용하여 엔진 출력을 측정하였다. 배출가스는 배기분석계(MUR Delta1600V)를 사용하고 공연비 측정을 위해 공연비메타(ETAS LA4)가 사용되었다.
성능/효과
(1) 저발열량 가스를 적용할 경우 표준가스에 비해 전부하 조건(WOT)에서 평균 1.78%(BETA), 3.61%(EH23-N)의 출력감소가 나타났고, 부분부하 조건(흡기압력 800mbar 조건)에서 평균 8.58%(BETA), 10.08% (EH23 -N)의 출력 감소와, 평균 5.19% (BETA), 6.57 %(EH23-N)의 효율이 감소됨을 확인하였다.
(2) 저발열량 가스를 적용할 경우 표준가스에 비해 전부하 조건(WOT)에서 공기과잉률이 평균 1.49%(BETA), 2.84%(EH23-N) 증가하였으며, CO 배출농도는 BETA 엔진이 평균 31.45%, EH23-N 엔진이 평균 3.65% 감소하였다. 또 부분부하 조건에서는 공기과잉률이 평균 2.
(3) 전부하 시험 조건에서 저발열량 가스를 적용할 경우 엔진 출력감소가 4% 미만 수준으로 GHP에서 요구되는 엔진출력을 충분히 충족할 만한 범위이며, 엔진 시동성 및 운전 안정성에서는 변화가 없기 때문에 저발열량 연료가 적용된다 해도 GHP 실외기에서의 엔진의 정상적인 운전에 별다른 영향이 없을 것으로 판단된다.
두 엔진 모두에서 저열량 가스(Gas B)를 적용한 조건에서 전반적으로 출력이 감소되는 경향이 나타나고 있음을 확인하였다. BETA 엔진은 평균 1.78%, EH23-N 엔진은 평균 3.61%의 출력이 감소되었다.
두 엔진 모두 저발열량 가스의 적용으로 공기과잉률이 증가하고 CO는 감소하는 경향을 보이고 있다. EH23-N 엔진의 경우 전 구간이 희박연소 조건으로 매칭되어 있기 때문에 표준가스에서 배출농도가 기본적으로 낮은 수치를 보여주고 있어 저발열량가스에 의한 배출가스 감소폭이 크지 않은 것으로 판단된다.
두 엔진 모두에서 저열량 가스(Gas B)를 적용한 조건에서 전반적으로 출력이 감소되는 경향이 나타나고 있음을 확인하였다. BETA 엔진은 평균 1.
65% 감소하였다. 또 부분부하 조건에서는 공기과잉률이 평균 2.14%(BETA), 3.46%(EH23-N) 증가하였으며, CO 배출농도는 BETA가 평균 30.77%, EH23-N 엔진이 평균 27.4% 감소하였다.
부분부하 영역에서도 저열량 가스를 적용할 경우 BETA, EH23-N 엔진에서 각각 평균 8.58%, 10.08%의 출력감소와 5.19%, 6.57% 효율이 감소됨을 확인하였다. 전부하 영역보다 부분부하 영역에서 감소폭이 큰 것은 전부하 영역의 경우 농후하게 공연비가 맵핑되어 있어서 저발열량 가스에 의해 공기과잉률이 증가하여도 출력과 효율의 감소폭이 크지 않지만, 부분부하 영역은 희박한 공연비로 맵핑되어 있어서 상대적으로 출력 및 효율의 감소가 크게 나타나는 것으로 판단된다.
저발열량 가스를 적용할 경우 표준가스 대비 공기과잉률은 BETA 엔진에서 2.14%, EH23-N 엔진에서 3.46% 증가하였다. 또 CO 배출농도는 BETA 엔진의 경우 표준가스 대비 30.
BETA 엔진은 전 구간에서 이론공연비보다 농후하게, EH23-N 엔진은 희박하게 매칭되어 있음을 알 수 있다. 저발열량 가스의 적용으로 BETA 엔진은 공기과잉률이 1.49%, EH23-N 엔진은 2.84% 증가하였다.
9에 나타낸 바와 같이, 부분부하 영역에서 표준가스 적용 시 공연비는 BETA 엔진과 EH23-N엔진 모두 이론공연비보다 희박한 조건에서 운전을 하였고 Gas A, B 적용조건 모두 CO의 배출농도가 규제치(2800ppm 이하)를 만족하였다. 전부하(WOT)조건과 동일하게 저열량 가스 공급 시 표준가스 대비 공기과잉률이 증가하였고 이에 따라 CO 배출농도는 그 감소하였다.
효율은 BETA 엔진이 미소하게 증가(평균 0.59%)한 반면 EH23-N 엔진은 평균 1.17% 감소하였다. 이런 상반된 변화는 전부하 영역에서 공연비가 농후하게 설정되어 있던 BETA 엔진이 저열량 가스로 공기과잉률이 증가하면서 이론공연비 영역으로 접근한 결과로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 공급되는 LNG의 평균 발열량이 지속적으로 감소될 것으로 전망하는 이유는?
LNG(Liquefied Natural Gas) 수입선의 다변화로 국내 공급되는 LNG의 평균 발열량은 지속적으로 감소될 전망이다. 도시가스를 연료로 사용하는 GHP(Gas Engine Driven Heat Pump)는 엔진에 유입되는 연료의 발열량에 따라 엔진 성능이나 배출가스특성에 직접적으로 영향을 받는다.
BETA 엔진과 엔진텍이 개발하여 공급 중인 EH23-N 엔진이 안정적인 상태의 연료 공급압력 유지가 요구되는 이유는?
실험은 이 2기종의 엔진을 대상으로 진행하였으며 실험엔진의 제원은 Table 2와 같다. 이 엔진들은 공연비 제어를 하지 않기 때문에 연료공급압력이 변할 경우 엔진성능에 직접적인 영향을 미치므로 안정적인 상태의 연료 공급압력 유지는 무엇보다 중요하다. Fig.
현재 국내에 보급되어 있는 국산 GHP 엔진 발열량의 변화는 곧바로 엔진 성능의 변화로 이어지는 이유는?
도시가스를 연료로 사용하는 GHP(Gas Engine Driven Heat Pump)는 엔진에 유입되는 연료의 발열량에 따라 엔진 성능이나 배출가스특성에 직접적으로 영향을 받는다. 특히 현재 국내에 보급되어 있는 국산 GHP 엔진은 공연비 제어를 하지 않고 있기 때문에 발열량의 변화는 곧바로 엔진 성능의 변화로 이어진다. 저발열량의 연료가 유입되면 엔진 출력이 감소하여 GHP 시스템의 운전성능이 악화될 수 있다.
참고문헌 (3)
Hyungmin Kim, The Effect of Fuel Composition on Emissions and Combustion of CNG Engine at Partial Load, 2006
Young Cheol Ha, Performance and Emission Characteristics of a CNG Engine Under Different Natural Gas Compositions, The Korean Society of Mechanical Engineers, B.2011.35.7.749-755
Cheolwoong Park, Effect of Low Calorific Natural Gas on Performance and Emssion Characteristics of Engine, The Korean Society of Mechanical Engineers, B.2013.37.12.1129-1135
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