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[국내논문] 발전용 대형 디젤 엔진의 천연가스-디젤/부생유(Hi-sene) 혼합연소 시 엔진 성능변화에 미치는 영향
A Effects of Natural Gas-Diesel/Hi-sene Dual Fuel Operation on Performance of a Heavy-Duty Diesel engine for Power Generation 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.25 no.1, 2016년, pp.122 - 130  

조정근 (연세대학교 기계공학과 대학원) ,  박상준 (연세대학교 기계공학과 대학원) ,  송순호 (연세대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 1.5MW급의 발전용 디젤 엔진을 대상으로 상용 프로그램인 GT-Power를 이용하여 천연가스와 디젤 혼합연소 엔진 모델을 구축하였으며 이를 통해 기존의 디젤 연소를 하는 경우와 천연가스-디젤 혼합연소를 하는 경우의 엔진 성능 변화를 부하율(50%, 75%, 100%)에 따라 비교하였다. 또한 도서지역에서 실제로 사용되고 있는 부생유를 적용하는 경우의 영향에 대한 연구를 진행하였다. 그 결과 엔진의 운전 조건 변화 없이 천연가스를 디젤과 60% 혼합비로 연소하는 경우 최대 32%의 BSFC 증가를 보였으며 천연가스와 부생유를 혼합연소 하는 경우에도 디젤을 혼합 연소하는 경우와 크게 다르지 않은 결과를 보였다. 이러한 BSFC 증가의 원인을 연료의 불완전 연소율 증가로 제시하고 이에 대한 최적화를 진행했으며 그 결과 60% 혼소율 조건에서 약 2%의 개선효과를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study is a numerical study using commercial simulation program GT-Power on 1.5MW diesel engine for power generation. Performance comparison has done for diesel operation with dual fuel operation for different engine load(50%, 75%, 100%) using the target engine model with additional gas injectio...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 1-D 상용 엔진 해석 프로그램인 GT-Power를 이용해 1.5MW급 발전용 디젤 엔진과 혼합 연소를 위한 가스 분사장치를 모델링하고 엔진의 부하율에 따라 천연가스/디젤 혼합연소가 엔진 성능에 미치는 영향에 대해 연구했다. 이를 위해 실제 대상 엔진의 실험 데이터를 기반으로 구축한 디젤 엔진 모델의 수치해석 결과와 천연가스를 혼합연소 하는 경우의 결과를 비교 및 분석했다.
  • 또한 최근 도서 지역에서 디젤 대신 사용되고 있는 부생유(Hi-sene)을 수치해석에 실제로 적용하여 천연가스/부생유 혼합연소 시 엔진 성능에 미치는 영향을 천연가스/디젤 혼합 연소 시와 비교 및 분석하였다. 이와 더불어 천연가스와의 혼합 연소 시의 연소 특성을 고려하여 엔진 운전 조건을 최적화하여 개선 가능성에 대해 제시하였다.
  • 본 연구의 최종적인 목표는 각 부하율 조건에서 천연가스-디젤/부생유 혼합연소 시 나타나는 엔진의 성능 변화에 대해 예측하고 엔진 변수의 최적화를 통해 혼합연소의 효율을 극대화하는 방안을 모색하는 것이다. 이를 위해 이전의 연구에서 엔진에 사용되는 총 에너지를 일정하게 유지하여 혼합 비율 40%까지 혼합 연소를 수치해석을 통해 연구를 진행한 바 있다.
  • 그 결과 연료의 혼합 비율이 증가함에 따라 엔진 출력이 감소하는 결과를 보였다.[10] 이와 같은 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서는 실제 발전용 엔진의 운전 조건을 최대한 반영하여 엔진의 출력을 일정하게 고정하고 부하에 따른 엔진의 연소 특성의 변화를 확인하고 그 원인을 분석했다. 또한 이에 따른 엔진의 실제 운전 성능을 정량적으로 파악하였다.
  • 앞서 설명한 바와 같이 기존의 디젤 연소 운전 조건 하에서 천연가스와 디젤을 혼합 연소하는 경우 엔진의 열효율은 급격하게 감소하게 된다. 이러한 열효율의 감소의 원인 분석을 위해 본 연구에서는 엔진 크랭크 각도에 따른 실린더 내부 압력의 변화와 연소 연료 분율 등의 파악을 통해 엔진 열효율 감소의 원인에 대한 분석을 진행했다.
  •  따라서 본 연구에서는 연료분사의 최적화와 함께 천연가스-디젤 혼합연소에 적합한 과급압력을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 최대한 실제 발전소 엔진의 운전조건에 가까운 조건에서의 엔진 성능을 확인하기 위해 디젤을 사용한 경우에 대한 분석과 함께 부생유를 사용한 경우에 대해서도 엔진의 성능을 분석하였다. 우선 혼합 연소를 하지 않은 경우에 동일 출력을 낼 때 단위 출력 당 연료 소모량은 모든 부하율 조건에서 부생유를 사용하는 경우 디젤을 사용하는 경우보다 1% 가량 더 높은 경향성을 보였다.

가설 설정

  • 흡기 포트에 천연가스 인젝터를 추가했으며 인젝터는 디젤 인젝터와 같은 고압 분사 인젝터가 아닌 단위 시간당 유량을 제어하는 개념으로 추가되었다. 천연가스는 순수한 메탄(CH4) 가스로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최근 엔진 분야에서 가장 큰 관심의 영역은 무엇인가? 최근 엔진 분야에서 가장 크게 관심을 받고 있는 분야는 연비와 배출물질의 저감이라고 할 수 있다. 이와 같은 관심으로 다양한 대체연료를 사용하는 엔진에 대한 활발한 연구가 진행되고 있지만 아직까지 기존의 화석연료를 사용하는 엔진을 대체할 수 있는 경제 성과 효율을 갖춘 친환경 엔진에 대한 개발은 아직 더 많은 노력과 시간이 필요할 것으로 보인다.
천연가스를 디젤과 혼합연소 하는 방안의 장점은 무엇인가? 이에 기존의 디젤 엔진 발전기를 천연가스/디젤 혼소 엔진으로 개조하여 디젤에 비해 저렴한 천연가스를 디젤과 혼합연소 하는 방안이 제시되었다.[2,3] 기존의 연구 결과에 따르면 천연 가스를 디젤과 혼합연소 하는 경우 NOX와 Soot과 같은 주요 배출물질의 배출량을 감소시킬 수 있다.[4] 이에 반해 연료 소모율의 경우에는 디젤만을 연소하 는 경우보다 증가하는 경향을 나타낸다.
화석 연료에 대한 의존도가 쉽게 낮아지지 않을 것으로 예상되는 이유는? 이와 같은 관심으로 다양한 대체연료를 사용하는 엔진에 대한 활발한 연구가 진행되고 있지만 아직까지 기존의 화석연료를 사용하는 엔진을 대체할 수 있는 경제 성과 효율을 갖춘 친환경 엔진에 대한 개발은 아직 더 많은 노력과 시간이 필요할 것으로 보인다. 이와 더불어 멀지 않은 시점에 바닥을 드러낼 것으로 예상되었던 화석연료가 시추기술과 탐사기술의 발전 등 기술의 진보로 인해 상당기간 지속 가능할 것으로 보이면서 환경오염의 주범으로 지속적으로 지적받고 있는 화석 연료에 대한 의존도는 쉽게 낮아지지 않을 것으로 보인다.
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참고문헌 (13)

  1. JeongKeun Lee, JungKeuk Park, Kwang-beom Hur. "Evaluation Study of Generator Using Dual Fuel Engine in Korean Islands", KOSCO SYMPOSIUM, 2011, 19-30 

  2. Mattarelli, E., Rinaldini, C. A. and Golovitchev, V. I., "CFD-3D analysis of a light duty Dual Fuel (Diesel/Natural Gas) combustion engine", Energy Procedia, 2014, 45, 929-937 

  3. Liu, Z. and Karim, GA., "Simulation of combustion processes in gas-fuelled diesel engines", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, 1997, 211(A), 159-169 

  4. A.M.L.M Wagemakers and C.A.J. Leermakers, "Review on the Effect of Dual-Fuel Operation, Using Diesel and Gaseous Fuels, on Emissions and Performance", SAE, 2012, 2012-01-0869 

  5. Changup Kim, Seungmook Oh. "A Study on the Characteristics of Dual Fuel Engine Fueled by Natural Gas and Diesel", KIGAS, 2013, 17(6), 20-26 

  6. Cheenkachorn, K., Poompipatpong, C. and Ho, C. G., "Performance and emissions of a heavy-duty diesel engine fuelled with diesel and LNG(liquid natural gas)", Energy, 2013, 53, 52-57 

  7. Seokhwan Lee, Jinwook Lee, Seongjoon Heo, Sungshik Yoon, Yunhyun Roh. "Characteristics of Electronically Controlled 13L LNG-Diesel Dual Fuel Engine", KIGAS, 2007, 11(4), 54-58 

  8. Han, J. O., Chae, J. M., Lee, J. S. and Hong, S. H. "Economical Evaluation of a LNG Dual Fuel Vehicle Converted from 12L Class Diesel Engine", Journal of Energy Engineering, 2010, 19(4), 246-250 

  9. Jeong Ok Han, Jung Min Chae, Jung Sung Lee, Sung Ho Hong, "Economical Evaluation of a LNG Dual Fuel Vehicle Converted from 12L Class Diesel Engine", Journal of Energy Engineering, 2010, 19(4), 246-250 

  10. Jungkeun Cho, Sangjun Park, Soonho Song, Kwangbeom Hur. "A Numerical Study on Performance of a Heavy-Duty Diesel engine for Power Generation under Natural Gas-Diesel Dual Fuel Operation", KIGAS, 2015, 19(2), 29-36 

  11. Bilcan, A., LeCorre, O., Tazerout, M., Ramesh, A. et al. "Characterization of the LPG-Diesel Dual Fuel Combustion," SAE Technical Paper, 2001, 2001-28-0036 

  12. Young Min Kim, Jang Hee Lee, Chun Hee Lee, Dong Sung Shin, Ik Jae Chung. "Combustion Characteristics of the CNG Engine at Various Air Fuel Ratios", KSAE, 1999, 7(2), 77-87 

  13. Heywood, J. B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988 

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