This study proposes a new boosting system that is capable of increasing the pressure of a low-temperature liquid such as liquefied natural gas (LNG) and supplying it continuously to a ship engine without using cryogenic pumps. The process development, device design, dynamic process simulation with control logics, and experimental study for evaluating the pressurizing performance of the proposed system were carried out in this study. The system consists of two boosters, each of which is equipped with a mini-vaporizer and regulating valves. The two boosters operate alternately to ensure a continuous supply of the low-temperature pressurized liquid. The operating philosophy is that the mini-vaporizer of the first booster increases the internal pressure and supplies the pressurized liquid to the engine while the other booster is filled with the low-pressure fresh liquid, waiting for its turn to supply the liquid to the engine. A parallel-type control option and a cascade-type control option are proposed as methods for controlling the two pressurizing devices. A basic performance test analyzes the pressurization effect in a fluid storage tank injected with superheated vapor. It was found that the pressurizing time reduces as the initial liquid filling ratio and heat input rate increase. Furthermore, a mathematical formulation, which can effectively predict a pressure increase by considering the influence of material and energy transfer at the interface, was suggested and analyzed. The condensable model predicted the experimental value within the error range of approximately 3%. A dynamic process simulation and small-scale experiment were conducted to demonstrate the operational feasibility. The result of the small-scale experiment indicated that the two pressurizing devices alternately operated to continuously deliver the pressurized liquid within the control range. The results of this study provide meaningful information for a decision maker during the early design stages of an LNG fuel gas supply system.
본 연구에서는 LNG 연료추진선박의 LNG 연료 공급시스템에서 초저온 펌프를 대체하여 액화물을 가압할 수 있는 비펌프식 액화물 가압 시스템을 제안하고, 공정 및 장치 개발, 제어로직을 적용한 동적 과정 시뮬레이션, 실험을 통한 가압성능 평가 및 운전성능 검증을 수행 하였다. 비펌프식 액화물 가압 방법은 액화물 저장탱크와 별도로 설치된 소형 액화물 탱크에 연결된 외부 가열기에서 일부의 액화물만을 가열하여 생성되는 고온의 증발가스를 소형 액화물 탱크의 기상부에 재주입하여 액화물 저장탱크를 가압하는 방식이다. 가압된 액화물을 소모처까지 연속적으로 송출하기 위하여 다수의 가압장치를 설치하며, 두개의 가압장치를 제어하기 위한 방법으로 평형제어방식과 다단제어방식을 제안하였다. 기초 성능실험을 수행하여 고온의 증발가스 주입이 액화물 가압에 미치는 영향을 분석하였으며, 압력 상승을 효과적으로 예측할 수 있는 수학모델을 제시하였다. 실험결과, 가압탱크의 초기 액화물 수위와 외부 가열기의 투입 열량이 높을 수록 가압시간이 단축되는 경향을 보였으며, 계면에서의 응축을 고려한 수학모델이 실험값과 대략 3% 오차범위 이내에서 압력상승을 예측하였다. 또한, 동적과정 시뮬레이션을 통해 제어로직을 평가하였으며, 축소실험을 수행하여 실제로 두개의 가압장치가 연속적으로 안정된 압력으로 액화물을 송출할 수 있는지 운용성을 검증하였다. 본 연구 결과는 가열식 액화물 가압장치의 적용 및 설계, 운전 단계에서 활용할 수 있는 유용한 정보를 제공한다.
