전 세계적으로 해양환경 보호에 대한 관심이 증대됨에 따라 국제해사기구(International Maritime Organization, 이하 IMO)는 선박으로부터의 이산화탄소, 황산화물 그리고 질소산화물 등의 유해물질의 배출을 억제하기 위해 관련 규제를 점차 강화하고 있다. 특히 황산화물의 경우에는 2020년 1월 1일부터 연료유의 황함유량을 0.5% 이하로 제한하기로 하였다. 이를 위해서는 선박용 주 연료로 저유황유나 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG)연료를 사용하던지, 대안으로 배기가스세정장치(Exhaust Gas Cleaning System, 이하 EGCS)를 장착하여야 한다. 온실가스 규제 대응 방식으로는 선박 에너지 효율 향상 장치를 설치하거나 온실가스배출 계수가 낮은 연료를 사용하는 선박으로의 전환이 필요하다. LNG는 온실가스배출계수가 2.75 g/g fuel[1]로 기존연료유(HFO)의 온실가스배출계수인 3.114 g/g fuel[1] 보다 낮기 때문에 온실가스의 발생량을 저감할 수 있으며, 연료 속에 황이 함유되어 있지 않아 황산화물규제까지 만족시킬 수 있는 청정연료로 간주되고 있다. 또한 LNG 연료의 가격은 공급 지역별로 차이가 있으나 장기적인 관점에서는 수요증가로 인해 전통적인 선박 연료인 중질유대비 가격 경쟁력을 확보할 것으로 예상되고 있다[2]. LNG를 선박용 주 연료로 사용하기 위해서는 기존의 전통적인 연료에 비해 LNG를 기관실 내의 엔진에 안전하게 공급할 수 있도록 하기 위한 안전설계가 요구된다. 이를 위해 IMO에서는 2004년 노르웨이가 제출한 IMO BLG48/19를 시작으로 가스연료에 대한 논의를 시작하여 IGF Code (International code of safety for ships using gases or other low-flashpoint fuels)2017년 1월 1일 IGF Code가 발효되었다[3]. IGF Code에 따라 LNG 연료공급시스템의 가스 누설, 화재, 폭발 등과 관련하여 안전성 평가, 위험성 평가를 국내외에서 건조된 선박에 대하여 연구하여 안전성에 대한 검증 연구가 활발하게 이루어지고 있다[4].

LNG 연료 추진선박은 아직까지 그 운영 실적이 미비하여 경험 축적기에 있는 기술로 간주되고 있으며, LNG 연료공급시스템과 엔진 운전 중에 발견된 문제점에 대해서 해당 설비들의 성능 향상을 위한 설계 개선의 필요성이 증대되고 있다. 따라서 LNG를 엔진 실린더 안으로 분사하기 위한 온도, 압력, 유량 등을 형성시켜주는 LNG 연료공급시스템에 대한 운전 및 운항성능에 대한 특성 연구가 필요하다.

본 연구에서는 12S90ME-GI 엔진에 가스연료의 공급이 가능한 LNG 연료공급시스템을 대상으로 이 설비의 운전특성을 확인하고, 엔진 부하별로 실험을 시행하여 천연가스를 해당 엔진에 안전하게 공급하고 성능을 향상시킬 수 있는 설계 개선 방안을 연구·검토하였다.

LNG 연료를 기관실내에 설치된 엔진에 안전하게 공급하기 위해서는 기존의 연료시스템과는 달리 Figure 1에서 보는 바와 같이 기체 상태의 천연가스를 공급할 수 있는 연료공급 시스템을 적용해야 하며, 이는 선박용 엔진에 적용되는 사이클에 따라 그 구성이 상이하다. 디젤 사이클에 기반을 둔 고압형 2행정 가스엔진은 압축 행정 말경에 실린더 헤드 상부에 설치된 연료분사밸브를 통해서 기체 상태의 천연가스를 분사하므로 300bar 이상의 고압상태인 천연가스가 공급되어야 한다. 반면 오토사이클에 기반을 둔 저압형 2행정 가스엔진은 압축 행정 도중에 실린더 라이너 측면에 설치된 연료분사밸브를 통해서 기체 상태의 천연가스를 분사하므로 16bar 정도의 저압상태인 천연가스가 공급된다.

Figure 1: 
HP gas compressor and HP pump application to FGSS for LNG carrier [5]

고압형 2행정 가스엔진에 적용되는 LNG 연료공급시스템은 해당 엔진에 공급되는 가스를 300bar로 가압하는 방법에 따라 두 가지로 분류된다. 하나는 LNG 연료탱크내에 발생된 기체 상태의 천연가스를 압축기를 이용하여 300bar까지 압축하는 방법이며, 다른 하나는 LNG 연료탱크내의 액체상태의 천연가스를 고압펌프를 이용하여 300bar까지 가압한 후 열교환기를 이용하여 상변화를 시킨 후 기체상태인 고압의 천연가스를 엔진에 공급하는 방법이다. 압축기를 사용하는 가압방식은 기존의 증기터빈을 추진기관으로 이용하고 있는 LNG 전용운반선에 적용된 LD(Low duty) 압축기¹⁾와 유사하나 300bar 고압까지 상승시켜야하는 부담이 있으며 압축열로 인한 냉각기의 추가설치, 가스압축으로 인한 높은 소비전력이 요구된다. 그러나 액체상태인 천연가스를 고압펌프(high pressure pump)를 이용하여 직접 가압하는 경우에는 적은 소비전력으로도 목표하는 LNG 가압 및 이송이 가능하기 때문에 에너지 효율 측면에서 큰 이점을 가지게 된다. 따라서 고압펌프는 적은 소비전력과 체적대비 효율이 높아 LNG 연료추진선에 탑재되고 있으며, 최근 건조되는 LNG 전용 운반선에도 고압 압축기(high pressure compressor)와 고압펌프를 탑재하여 BOG(Boiled Off Gas, 이하 BOG) 처리와 LNG 연료공급을 하고 있다. 고압펌프는 대부분 왕복동 형식의 펌프 구조이므로, 기본적으로 맥동 현상이 발생될 우려가 있다. 따라서 LNG 연료를 기관실에 설치된 가스엔진에 안정적으로 공급하기 위한 별도의 조치가 요구된다.

Table 1은 디젤 사이클을 적용한 가스엔진 기술사의 12S90 ME-GI 엔진이 필요로 하는 가스 공급조건이다.

고압형 2행정 가스엔진을 탑재한 LNG 연료추진선박에 적용된 LNG 연료공급 시스템은 Figure 2에서 보는 바와 같이 LNG 연료저장탱크내에 설치된 잠수형 펌프에 의해 액체 상태의 LNG 연료가 고압펌프로 이송되어 가압된 후 열교환기를 통해 기체 상태로 변환시킨 후 가스엔진에 공급된다. LNG 연료저장탱크로는 BOG 제어가 용이한 C형 탱크(C-type tank)가 주로 이용되고 있으며, 해당 탱크는 0bar ~ 10bar의 압력으로 운용된다.

Figure 2: 
Major equipment of LNG FGSS [8]

LNG 연료공급시스템에 연료를 공급할 경우 낮은 압력으로 공급해주는 것이 적절하다. 이는 고압펌프의 △p 가 일정 이상이 되어야만 유량, 압력 변화에 대한 마진 보유, 캐비테이션 방지 등 안정적인 운용이 가능하기 때문이다.

△p = 고압펌프 흡입압력 − LNG 연료탱크 압력

고압펌프 내에는 펌프내의 압축열로 인하여 증발되는 가스를 배출하기 위한 역류방지밸브가 장착되어 연료탱크로 반송을 하게 된다. 따라서 고압펌프의 흡입압력과 연료탱크의 압력차(△p)는 고압펌프의 안정적인 운전을 위한 중요한 인자로 영향을 미치고 있다. 따라서 C형 탱크의 경우 탱크압력을 최대한 낮추어 운용하는 것이 고압펌프의 운전에 유리하다.

저압펌프는 대부분 잠수형(submerged) 원심펌프가 사용되며 크게 2가지 설치 방식으로 분류된다. 연료탱크 내부에 탑재되는 설치방식과 탱크 외부에 별도로 펌프 전용 용기와 함께 설치되는 방식으로 나누어진다. 탱크 내부에 설치되는 잠수형 원심펌프는 액체상태의 LNG 연료속에 설치되어 있으므로 항상 냉각이 된 상태로 운전된다. 이에 따라 예냉, 열변형 등의 문제점이 적지만, 만약 외부에 설치될 경우 예냉, 열변형 등에 대한 주의가 필요하다.

고압펌프는 앞에서 언급한 △p 예냉온도, 캐비테이션 등에 대한 주의가 필요하다. 특히 예냉온도의 경우 수급되는 연료의 특성에 따라, 보관방식, 보관일수 등에 따라 증발점이 변화하기 때문에 예냉온도를 명확하게 정의하는데 어려움이 있다. 따라서 장비 운용자가 예냉에 대한 적절한 기준을 잡고 해당 장비를 운영해야 한다. 만약 해당 장비의 예냉이 적절하지 못하거나, 피스톤 내부에 증발가스를 배출하는 체크밸브가 적절하게 작동하지 않을 경우 압축열로 인하여 증발된 가스에 의해 고압펌프가 손상 될 우려가 있다. 이는 육상에서 사용되는 수소이송용 왕복동 펌프에서도 발생되고 있다. 초기 운전 시 발생되는 증발가스와 실린더 내경의 수축으로 인하여 고압펌프가 손상되며, 고속 운전 시 압축압력이 감소하는 경향이 있고 마찰열에 의하여 고압펌프의 압력 변화가 발생한다고 보고되고 있다[7].

LNG 연료공급시스템의 장비는 대부분 육상에서 오랜기간 동안 운영하여 노하우가 다수 쌓여 있으며 주요 장비의 경우 국내에서도 다양한 연구가 진행 되었다. 그러나 선박에는 적용된 실적이 많지 않으며 LNG 연료공급시스템을 통하여 선박에 탑재 될 것으로 예상됨으로 육상의 사례를 통하여 장비의 특성에 대한 사전 연구와 운용 경험이 필요할 것으로 사료된다.

본 연구를 통하여 디젤 사이클 기반의 12S90ME-GI 엔진에 LNG 연료를 공급하는 LNG 연료공급시스템의 운전특성을 분석하고 실험을 통하여 예상되는 문제점에 대하여 고찰하였다. 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

• (1) 고압 LNG 연료공급시스템은 저압 펌프를 통하여 고압펌프에 흡입양정을 일정하게 공급해주어야 한다. 이때 정상적으로 운전되기 위한 최저 흡입양정이 있는 것을 실험을 통하여 확인하였다. 이 범위는 LNG 연료공급시스템마다 적절한 값이 다를 것으로 예상되어 시운전시 적정 흡입양정 시험을 수행하여 선박 운용자가 참고할 수 있도록 해야 될 것으로 판단된다. 상세한 판단기준에 대해서는 추가 연구를 통하여 해결책이 강구되어야 할 것이다.
• (2) 액체를 가압하는 LNG 연료공급시스템의 경우 기화기를 통과하면서 압력강하가 유량과 비례하여 증가는 것을 실험을 통하여 확인하였다. 따라서 고압펌프의 압력제어 로직에 예상되는 압력강하를 반영한다면 LNG 연료공급시스템의 압력 변동을 줄일 수 있다.
• (3) 왕복동식 펌프를 사용하는 LNG 연료공급시스템은 운전 중에 압력 변동이 크다는 것을 실험을 통하여 확인하였다. 특히 유량이 변동될 경우 압력 변동이 매우 커지기 때문에 변동을 보상해 줄 수 있는 완충탱크(buffer tank) 또는 서지실(surge chamber) 등 압력완화 설비를 추가하여 안정적인 압력을 형성 하는 장치가 필요하다고 판단된다.

현재 LNG 연료추진선박의 수요는 증가 추세에 있으며 고압 LNG 연료공급시스템의 경우 디젤 사이클의 높은 효율과 메탄슬립이 적게 발생하는 이점을 가지고 있기 때문에 운영자에게 높은 선호도를 보일 것으로 예상된다. 왕복동 펌프를 사용하는 고압 LNG 연료공급시스템은 압력 변동을 줄이기 위한 방법으로 완충탱크가 탑재되거나 배관의 길이를 증가시키는 방법을 사용하고 있다. 따라서 압력의 변동이 커지게 되면 완충탱크의 크기가 커지거나 배관의 길이가 길어져 제작비용이 증가된다.

따라서 본 논문에서 제시하는 운전특성을 반영하여 LNG 연료공급시스템 및 각 구성품의 설계, 개발에 참고가 되기를 희망한다.