A Study on the Development of Methane Number Adjustment System

Abstract

Environmental problems and energy efficiency are closely related to each other, and one of the important goal of the ship design is to address environmental issues by increasing energy efficiency as much as practicable. Liquefied natural gas (LNG) is considered as one of the optimal fuel for reducing amounts of SOx, NOx, and CO2 . In addition, it can be said that LNG carriers (LNGCs) contribute to improvement on the energy efficiency in that the vessel can be moved using the boil-off gas (BOG) generated in the cargo tanks. For these reasons, the LNG has started to pay attention as a ship fuel. During this period, propulsion methods have been changed from steam turbines and dual fuel generator engines, with large fuel consumption, to highly efficient internal combustion engines. However, for the Otto-cycle engines, the fuel gas tailored to the methane number requested by the engine manufacturers must be used. The purpose of this dissertation is to develop a mechanical system configuration and a control method for methane number adjustment. The main mechanical principle involves controlling the upstream gas temperature of the fuel gas supply system (FGSS), in order to supply the fuel gas with the proper methane number. In other words, when the temperature of the boil-off gas inside the cargo tanks is high or the LNG with the low methane number is loaded, the gas temperature at the upstream of the FGSS must be controlled. This is to increase the mole fraction of methane and nitrogen while condensing gases such as ethane and propane that lower the number of methane. In this study, the application of flow control valves, in-line mixers, and separators is put forward for the methane number adjustment system. However, if the discharge pressure of the FG pump is not properly controlled, it may fail to control the methane number. The cascade control is applied for the efficient adjustment of the methane number system. The application of methods using IMC based PID control and direct synthesis for controller design and tuning is suggested. When two processes and one controller are included in the design of the primary controller, it becomes a form of a higher-order transfer function, which causes difficulties in designing the controller. To solve this problem, it is necessary to cancel the poles and the zeros by the IMC based PID control. Then, to obtain the desired control performance of the methane number control system, the controller is designed and tuned using a direct synthesis method in the primary control loop. A simulation is conducted to verify the efficacy of the proposed method, focusing on the disturbance rejection and set-point tracking, in comparison with controllers tuned by other methods. As a conclusion, the proposal showed stable control performances in the assessment indices such as the settling time.|환경 문제와 에너지 효율은 상호간에 밀접한 관계가 있으며, 이러한 측면에 서 선박 설계의 중요한 목표중 하나는 선박 추진에 필요한 에너지 사용 효율을 향상시킴으로 인해 엔진에서 배출되는 황산화물 (SOx) 및 질소산화물 (NOx)과 같은 유해 가스량을 줄여 환경 문제를 해결하는 것이다. 현재 액화천연가스 (LNG)는 황산화물 및 질소산화물의 양을 줄이기 위한 최적의 연료로 평가받고 있으며 이산화탄소의 양을 줄이는 데도 일조하고 있다. 게다가 액화천연가스 운반선은 화물 탱크에서 생성된 증발 가스 (Boil-Off Gas)를 사용하여 선박의 항행이 가능하다는 점에서 에너지 효율 향상에 기여한다. 이러한 이유로 액화 천연가스는 선박의 연료로서 각광을 받고 있다. 선박 연료로 액화천연가스가 사용되면서 선박 추진의 효율성 문제가 대두되 기 시작하였다. 액화천연가스를 사용하는 선박 추진 방식은 연료 소비량이 상 대적으로 큰 증기 터빈의 추진 방식 또는 이중 연료 발전기 엔진을 이용하여 전기 모터로 추진하는 방식으로부터 고효율 내연 기관의 추진 방식으로 변경되 었다. 고효율 내연 기관 중 하나인 오토 사이클 기관 (Otto-cycle engine)은 유해 가스량을 줄이는데 효과적이면서도 증기 터빈의 추진 방식 대비 약 절반의 연료만을 소모한다. 하지만 오토 사이클 기관의 경우 기관 제조사에서 요구하는 메탄 수에 맞는 가스 연료를 사용해야 하는 제약이 따른다. 이러한 요구에 대 응하기 위해 본 논문에서는 메탄 수의 제어를 위한 시스템 구성과 효율적인 제 어 방법을 제안하고자 한다. 적절한 메탄 수를 가진 가스 연료를 공급하기 위해서는 가스 연료 공급 시스템 (Fuel Gas Supply System, FGSS)의 상류 가스 온도를 제어하는 것이 가장 중 요하다. 즉, 화물탱크 내부의 증발 가스의 온도가 높거나 메탄 수가 낮은 액화 천연가스를 적재할 경우에는 가스 연료 공급 시스템의 상류 가스 온도를 적절 히 제어해야 한다. 이는 메탄 수를 낮추는 에탄이나 프로판과 같은 가스를 응 축시키면서 메탄과 질소의 함량을 늘리기 위함이다. 이 연구에서는 에탄 및 프로판과 같이 메탄 수를 낮추는 가스를 응축시키는 제어 시스템의 구성을 위해 유량 제어 밸브, 인라인 믹서, 분리기의 적용을 제 안한다. 또한, 가스 연료 공급 펌프의 토출 압력 제어가 잘 되지 않을 경우, 메 탄 수를 조정하는데 있어 어려움을 겪을 수 있기 때문에 케스케이드 제어를 적 용한다. 제어기 설계 및 튜닝을 위해 IMC 기반 PID 제어 및 직접 합성법의 적 용을 제안한다. 1차 제어기 설계 시 2개의 프로세스와 1개의 제어기를 포함하 면 고차 전달함수의 형태가 되면서 제어기를 설계하는데 어려움이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 극점과 영점의 상쇄가 필요하고, 이에 최적화 된 IMC 기반 PID 제어 방법을 적용하여 2차 제어 루프의 제어기를 튜닝한다. 그 후 메탄 수 조정 시스템이 원하는 제어 성능을 갖추기 위해 1차 제어 루프에 직접 합성법을 이용하여 제어기를 설계 및 튜닝한다. 제안된 제어기의 성능을 검증하기 위해 Ziegler-Nichols 방법과 IMC 기반 PID 제어 방법 등을 이용하여 제어기를 튜닝하고, 설정값 추적 및 외란 제거의 성 능을 검증하기 위한 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션 결과 제안된 방법은 다른 방법으로 튜닝된 제어기에 비해 안정화 시간, 오버슈트 등의 평가 지표에 서 안정적인 제어 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.