1. 대형 선박용 추진기관은 2 행정 디젤엔진이 일반적입니다.
예전에 선박용 초대형 저속 2 행정 디젤기관엔진을 다룬 적이 있습니다. 최대급 기관은 내경 960mm에, 행정 3500mm에 달할 만큼 내경이 크고 행정이 길지만, 회전 속도에서는 70~80 RPM 정도의 저속인 것도 특징입니다. 이 저속 2 행정 디젤의 연료로는 통상 중유를 사용합니다. 종합 열효율이 50%를 넘을 만큼 고효율을 자랑하는 저속 2 행정 디젤엔진이지만, 엄격해지는 환경 기준을 따라가기 위해서 다양한 기술적 시도가 펼쳐지고 있습니다. 이번에는 스위스에 본거지를 둔 윈터툴 가스 & 디젤社가 개발하고, Diesel United가 파일럿 엔진을 제작한 '2 행정 저압 듀얼 퓨얼 엔진인 W6X72 DF에 대해서 기술하겠습니다.
기술적 설명으로 넘어가기 전에 윈터툴 가스&디젤 사는 핀란드의 바르질라사의 2 행정 디젤 사업을 바르질라와 중국선방공업집단공사의 합병회사가 이어받습니다. 이 합병회사가 윈터툴 가스&디젤사입니다. 이번에 설명하려고 하는 W6X72 DF 엔진은 내경이 720mm X 행정 3086mm인 6 기통 엔진입니다. 엔진 회전속도 89 RPM에서 19350kW, BMEP 17.3 bar입니다. 이 X72DF는 세계 최초의 큰 내경 2 행정저압 듀얼 퓨얼 엔진입니다.
먼저 듀얼 퓨얼 설명드린다면, 통상적인 대형 선박용 2 행정 디젤기관 같은 경우는 연료로 C중유를 사용합니다. 하지만 이 X72DF는 C중유와 LNG로 이루어진 듀언 퓨얼화를 계획했습니다. LNG는 메탄을 주성분으로 한 천연가스를 냉각한 다음 액화 시킨 무색투명의 액체로서, 약 -162도℃로 액화하면 체적이 액체 상태에 비해 약 1/600으로 줄어듭니다. 발전이나 도시가스로서 수요가 많아 LNG탱크를 통해서 운반되고 있습니다.
2. LNG를 연료로 사용 시 장점
LNG를 연료로 사용 시 장점은 비용과 환경성능입니다. 현재의 하락한 원유가격에서 C중유와 LNG가격이 거의 비슷하지만 향후 유황 감축이 의무화되면서 C중유의 가격은 상승할 것으로 예상됩니다. 또한 IMO라는 국제해사기관의 해양오염방지조약을 통해 지난 2016년부터 환경기준 IMO Tier3으로 질소 산화물, 황산화물 배출규제를 대폭 강화하고 있습니다. LNG와 예혼합 희박 연소기술을 조합함으로써 NOx는 80~90%, SOx는 거의 제로, CO2는 20~25%의 감축이 가능하다는 LNG의 큰 특징을 살릴 수 있습니다. 앞으로 C중유를 사용한 2 행정 디젤기관에서도 자동차와 마찬가지로 SCR이나 EGR(배기 후처리 장치) 등과 같은 후처리 장치가 필요하게 되는데, 저압 듀얼 퓨얼 엔진의 경우는 그런 후처리장치 없어도 환경기준을 통과할 수 있습니다. 이것은 초기투자라는 측면에서도 큰 이점이 아닐 수 없습니다.
LNG는 비용과 환경성능에서 장점을 가진 한편으로, 문제는 연료인 LNG의 저장입니다. LNG의 비중은 약 0.43으로 C중유의 반 정도밖에 되지 않습니다. 같은 발열량을 확보하기 위해서는 연료탱크 용량이 2배가 필요하다는 뜻입니다. 이것은 화물공간의 감소로 직결되는데 화물운반선의 목적은 감안하면 큰 장애물입니다. 이번에 X72DF를 처음으로 장착하려고 하는 배 종류는 LNG 탱커인데 LNG 탱커는 수송하는 동안 태양열 등으로 인해 어떤 식으로든 LNG가 증발하게 됩니다. 그 양이 하루에 하고 탱크 용량의 약 0.06~0.1%가 된다고 합니다. 그런 증발가스(Boil off gas)를 연료로 유효하게 이용하면 더 효율적이 됩니다.
X72DF 같은 경우, 기동발전에서는 통장석인 중유를 사용한 디젤 사이클, 그 외에는 LNG를 사용한 오토사이클로 운전하는 것을 상정하고 있습니다. 가스모드에서는 파일럿 착화기술을 이용해 불꽃점화가 아니라 예연소실에 1600 bar로 파일럿 연료를 분사하여 불씨를 만든 다음, 그 불씨로 예혼합기를 착화해 연소시킵니다. 연료는 -162℃의 LNG를 기화시킨 가스를 16 bar로 분사, X72DF에서는 피스톤 압축에 의해 연소실내 압력이 상승하기 전에 연료가스 분사를 완료하기 때문에 16 bar라는 저압으로 가능합니다. NOx 감축을 위해서는 희박한 예혼합기를 연소시킬 필요가 있지만, 희박 예혼합기는 착화가 잘 안 되는 특성이 있습니다. 이 장벽을 넘어서기 위해 상사점 근방에서 극히 미량의 파일럿 연료를 분무함으로써 안정적인 착화를 구현했습니다. 사실은 WinGD의 경쟁사인 MAN사는 이미 ME-GI 듀얼 퓨얼 2 행정 엔진을 시판하고 있습니다. MAN사의 경우는 300 bar의 고압가스를 분사하는 디젤 사이클에서의 운전으로서, 환경기준을 통과하려면 EGR이나 SCR등과 같은 후처리장치가 필요합니다. MAN의 300 bar에 비해 WinGD는 16 bar로 분사하기 대문에 X72DF가 저압입니다. 법규상으로는 10 bar를 넘으렴 16 bar나 300 bar 모두 똑같이 고압이지만, 안전성 확보라는 측면에서 300 bar의 고압가스를 사용하는 것에 비하면 16 bar상태의 가스를 취급하는 것이 편하다고 합니다.
3. 마무리하며
WinGD에서는 2013년에 X72DF과 유사한 콘셉트로 내경 50cm인 엔진을 개발하는 데 성공했습니다. 이번의 72cm는 한 단계 위의 '큰 내경'으로서, 대형 선박으로 적용을 넓혀갈 가능성이 높아졌습니다. 종래에는 큰 내경은 혼합기를 균등하게 혼합하는 것이 어렵다고 생각했지만, 내경 50cm 내경에서의 노하우를 바탕으로 비교적 원활하게 개발이 진행되었다고 합니다. 앞으로는 82cm, 92cm로 넓혀 갈 수 있도록, 몇 년에 걸쳐 개발해 나갈 계획이라고 합니다.
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