KR101300714B1 - 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 - Google Patents

선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 Download PDF

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Abstract

선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치가 개시된다. 본 발명의 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치는, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템; 상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키는 배기가스 재순환시스템; 및 상기 배기가스의 배출라인에 마련되어 상기 배기가스가 상기 폐열회수시템 또는 상기 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나로 공급되도록 제어하는 제어유닛를 포함한다.

Description

선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치{ENERGY SAVING SYSTEM OF SHIP BY USING WASTE HEAT AND RECIRCULATING EXHAUST GAS}
본 발명은, 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 배기가스, 증기 또는 엔진의 소기의 열을 포함하는 열원을 기초로 전력을 생산할 수 있는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치에 관한 것이다.
선박 추진의 효율을 높이고 선박의 전체적인 에너지를 절약하는 시스템에 대한 연구가 계속되어 왔다. 통상, 선박은 메인 엔진의 연료 중 일부만이 선박 추진을 위한 에너지로 활용되고 나머지는 폐기 가스의 형태로 대기중에 버려진다. 이에 따라, 메인 엔진의 폐기가스를 모아 다시 엔진의 추진력으로 활용하거나 또 다른 에너지원으로 사용할 수 있게 한 폐열 회수 시스템이 주목받고 있다.
일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 거의 대부분 배기가스의 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해 외부로 배출되는 형태로 소비된다.
이와 같은 형태로 배출되는 열은 기관의 추진이나 발전 등에 유용한 형태로 전환되지 못하고 버려지는 열이라고 할 수 있으며, 따라서 이를 폐열이라고 일컫는다.
그러므로 외부로 배출되는 폐열중 일부라도 회수하여 이를 유용한 에너지로 재활용할 수 있다면 그 만큼 연료의 절약을 도모할 수 있으므로 선박에서 소모하는 전체 에너지를 절감하는 데 크게 기여할 수 있게 된다.
그 결과, 최근에는 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈(또는 파워터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)를 적용하고 있다.
한편 최근에는 2016년부터 적용되는 IMO Tier III(NOx 배출)에 대한 규제 즉, ECA(Emission Control Area)를 운항하는 경우 요구되는 수준으로 NOx 배출을 저감해야 하므로, NOx 배출의 저감을 위한 하나의 방안으로 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.
EGR 시스템은 엔진 배기가스의 일부를 재순환하여 엔진으로 공급되는 소기와 혼합시켜 산소의 농도가 낮은 소기를 엔진에 공급시킴으로써 연소실 내부의 온도를 낮춰 NOx의 생성을 저감시키는 기술이다.
이러한 EGR 시스템은 폐열회수장치 중 가스 터빈을 과급기를 거치지 않은 배기가스로 구동시키는 부분과 상충된다. 실제로 엔진의 성능을 향상시키기 위해 과급기를 바이패스(By-pass)할 수 있는 배기가스의 양은 한정되어 있으므로 EGR 시스템이 적용된 선박에 폐열회수장치를 적용하면 IMO Tier III의 국제 환경 규제를 만족시킴은 물론 선박에서 사용하는 에너지를 절감할 수 있다.
따라서 IMO Tier III의 국제 환경 규제를 만족시키면서 선박에서 사용하는 에너지를 절감할 수 있는 새롭고 진보된 타입의 선박용 에너지 절감 장치의 개발이 요구된다.
한편 전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
한국특허공개공보 제2010-0067247호(대우조선해양 주식회사) 2010. 06. 21.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 요구되는 운행 조건에 따라 폐열회수시스템 또는 EGR 시스템 중 어느 하나의 시스템을 선택하여 선박을 구동시킬 수 있는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템; 상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키는 배기가스 재순환시스템; 및 상기 배기가스의 배출라인에 마련되어 상기 배기가스가 상기 폐열회수시템 또는 상기 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나로 공급되도록 제어하는 제어유닛을 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치가 제공될 수 있다.
상기 제어유닛은, 상기 선박이 NOx를 포함하는 배기가스의 배출이 제한되는 ECA(Emission Control Area)를 운항하는 경우 상기 배기가스를 상기 배기가스 재순환시스템으로 공급시키고, 상기 선박이 ECA 이외의 지역을 운항하는 경우 상기 배기가스를 상기 폐열회수시스템으로 공급시킬 수 있다.
상기 제어유닛은, 상기 엔진과 상기 폐열회수시스템을 연결하는 제1 배출라인에 마련되어 상기 제1 배출라인을 개폐시키는 제1 밸브; 및 상기 엔진과 상기 배기가스 재순환시스템을 연결하는 제2 배출라인에 마련되어 상기 제2 배출라인을 개폐시키는 제2 밸브를 포함할 수 있다.
상기 배기가스 재순환시스템은, 상기 엔진에서 배출되는 고온의 상기 배기가스에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버; 상기 스크러버에 공급되는 고온의 상기 배기가스를 냉각시키는 쿨러; 및 상기 쿨러에서 냉각된 상기 배기가스가 과급기에서 공급되어 상기 엔진으로 유입되는 소기와 혼합되어 상기 엔진으로 공급될 수 있도록 냉각된 상기 배기가스를 불어주는 블로워(blower)를 포함할 수 있다.
상기 배기가스 재순환시스템은, 상기 블로워와 상기 엔진을 연결하는 라인에 마련되어 상기 라인을 개폐시키는 개폐밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러는, 상기 스크러버에서 배출되는 상기 배기가스와 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 액체를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 1차적으로 냉각시키는 제1 쿨러; 및 상기 제1 쿨러에서 배출되는 상기 배기가스와 상기 액체와는 별도의 액체를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 2차적으로 냉각시키는 제2 쿨러를 포함할 수 있다.
상기 폐열회수시스템은 상기 과급기에서 공급되는 소기와 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 액체를 상호 열교환시켜 상기 소기를 냉각시키는 엔진 소기 냉각기를 포함하며, 상기 엔진 소기 냉각기에서 열교환되어 온도가 상승되며 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 액체는 상기 제1 쿨러로 공급되어 상기 스크러버에서 배출되는 상기 배기가스와 열교환될 수 있다.
상기 엔진 소기 냉각기는 저온의 냉각수로도 냉각할 수 있도록 다단으로 마련될 수 있다.
상기 폐열회수시스템은, 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈; 상기 가스 터빈과 연동되며 제공되는 스팀에 의해 상기 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈; 상기 스팀 터빈에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 응축된 응축수가 저장되는 급수탱크; 상기 급수탱크에 저장된 상기 응축수를 펌핑시키는 열교환기 급수펌프; 상기 열교환기 급수펌프에서 공급되는 상기 응축수와 과급기에서 상기 엔진으로 공급되는 소기를 상호 열교환시키는 엔진 소기 냉각기; 상기 엔진 소기 냉각기에서 열교환된 상기 응축수와 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스를 열교환시키는 열교환기; 및 상기 열효환기에서 생성된 증기에서 증기와 물을 분리시키는 스팀 분리기를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 선박이 NOx를 포함하는 배기가스의 배출이 제한되는 지역을 운항하는 경우 상기 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템 또는 상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키는 배기가스 재순환시스템 중 상기 배기가스 재순환시스템으로 상기 배기가스를 공급시켜 상기 선박을 운행시키고, 상기 배기가스의 배출이 제한되는 지역 이외의 지역을 운항하는 경우 상기 폐열회수시스템으로 상기 배기가스를 공급시켜 상기 선박을 운행시키는 것을 특징으로 하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치가 제공될 수 있다.
상기 배기가스의 배출이 제한되는 지역은 ECA(Emission Control Area)일 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 요구되는 운행 조건에 따라 폐열회수시스템 또는 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나의 시스템을 선택하여 선박을 구동시킬 수 있으므로 IMO Tier III의 국제 환경 규제를 만족시키면서 선박에서 사용하는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선바의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치의 사용 상태도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(1)는, 선박의 엔진(E)으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템(100)과, 배기가스의 일부를 재순환시켜 엔진(E)으로 공급시키는 배기가스 재순환시스템(200)과, 배기가스의 배출라인에 마련되어 배기가스가 폐열회수시스템(100) 또는 배기가스 재순환시스템(200) 중 어느 하나로 공급되도록 제어하는 제어유닛(300)을 구비한다.
폐열회수시스템(100)은, 엔진(E)으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하거나 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하여 전력을 생산하는 역할을 한다.
본 실시 예에서 폐열회수시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)에서 배출되는 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기(G)를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈(110)과, 가스 터빈(110)과 연동되며 후술하는 열교환기(180)에서 제공되는 스팀에 의해 발전기(G)를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈(120)과, 스팀 터빈(120)에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기(130)와, 응축기(130)에서 응축된 응축수를 펌핑하는 응축수 펌프(140)와, 응축수 펌프(140)에서 펑핑되어 배출되는 응축수 배출라인에 마련되어 응축수가 후술하는 급수탱크(T)로 이송되거나 응축기(130)로 순환되도록 응축수 배출라인을 개폐시키는 제어밸브(150)와, 응축기(130)에서 응축된 응축수가 저장되는 급수탱크(T)를 포함한다.
또한 본 실시 예에서 폐열회수시스템(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 급수탱크(T)에 저장된 응축수를 후술하는 엔진 소기 냉각기(170)로 펌핑시키는 열교환기 급수펌프(160)와, 열교환기 급수펌프(160)에서 공급되는 응축수와 과급기(TC)에서 엔진(E)으로 공급되는 소기를 상호 열교환시키는 엔진 소기 냉각기(170)와, 엔진 소기 냉각기(170)에서 열교환된 응축수와 엔진(E)에서 배출되는 배기가스를 열교환시켜 스팀 터빈(120)의 구동을 위한 증기를 생성하는 열교환기(180)와, 열교환기(180)에서 생성된 증기에서 증기와 물을 분리시키는 스팀 분리기(190)를 포함한다.
본 실시 예에서 폐열회수시스템(100)의 엔진 소기 냉각기(170)는, 저온의 냉각수로도 냉각을 할 수 있도록 이단으로 마련될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진 소기 냉각기(170)는, 열교환기 급수펌프(160)에서 공급되는 응축수와 과급기(TC)에서 공급되는 소기(Scav. air)를 상호 열교환시켜 소기를 냉각시킴과 동시에 열교환기(180)로 공급되는 응축수의 온도를 상승시키는 제1 소기냉각기(171)와, 제1 소기냉각기(171)에서 열교환되어 온도가 내려간 소기를 외부에서 공급되는 냉각수(Cold FW)와 열교환시켜 2차적으로 냉각시키는 제2 소기냉각기(172)를 포함한다.
본 실시 예에서 제2 소기냉각기(172)에서 2차적으로 냉각된 소기는 배기가스 재순환시스템(200)에서 재순환되는 배기가스와 혼합되어 엔진(E)으로 공급된다. 즉, 도 1에는 편의상 과급기(TC)에서 공급되는 소기가 바로 엔진(E)으로 공급되는 것으로 도시되었으나, 과급기(TC)에서 공급되는 소기는 먼저 엔진 소기 냉각기(170)로 공급되어 열교환된 후 엔진(E)으로 공급된다.
그리고 본 실시 예에서 열교환기(180)는 열교환 효율의 향상을 위해 다단으로 마련될 수 있다.
배기가스 재순환시스템(200)은, 본 실시 예에 따른 선박이 ECA(Emission Control Area)를 운행하는 경우 엔진(E)에서 배출되는 배기가스를 재순환시켜 재순환되는 배기가스가 과급기(TC)에서 공급되는 소기와 함께 엔진(E)으로 공급되도록 하여 NOx의 생성을 저감시키는 역할을 한다.
구체적으로 대부분의 NOx는 엔진(E)의 연소실에서 고온으로 연소가 이루어지는 경우에 생성되며, 일반적으로 산소의 농도가 증가될수록 연소 온도도 증가된다. 즉 산소의 농도와 연소 온도는 비례 관계에 있으므로 연소실로 공급되는 산소의 농도를 줄일 수 있으면 결과적으로 NOx의 생성을 줄일 수 있다. 이는 2016년부터 적용되는 IMO Tier III(NOx 배출)에 대한 규제 즉, ECA(Emission Control Area)를 운항하는 경우 요구되는 수준으로 NOx 배출을 저감해야 하는 규제의 대응측면에서 유익한 이점이 있다.
본 실시 예에서 배기가스 재순환시스템(200)은 엔진(E)에서 연소되어 산소가 거의 없는 배기가스 중 일부를 과급기(TC)에서 공급되는 소기와 혼합시켜 엔진(E)으로 공급시킴으로서 연소시 산소의 농도를 떨어뜨려 연소 온도의 하락으로 NOx의 생성을 저감시킨다.
이제 배기가스 재순환시스템(200)에 대해 상세히 설명하면, 배기가스 재순환시스템(200)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)에서 배출되는 고온의 배기가스에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버(210)와, 스크러버(210)에서 불순물이 제거된 고온의 배기가스를 냉각시키는 쿨러(220)와, 쿨러(220)에서 냉각된 배기가스가 과급기(TC)에서 공급되어 엔진(E)으로 유입되는 소기와 혼합되어 엔진(E)으로 공급될 수 있도록 냉각된 배기가스를 불어주는 블로워(230, blower)와, 블로워(230)와 엔진(E)을 연결하는 라인에 마련되어 이 라인을 개폐시키는 개폐밸브(240)를 포함한다.
본 실시 예에서 배기가스 재순환시스템(200)은 후술하는 제어유닛(300)에 의해 ECA를 운행하는 경우에만 구동될 수 있고, ECA 이외의 지역에서는 구동되지 않을 수 있다.
제어유닛(300)은, 본 실시 예에 따른 선박이 NOx를 포함하는 배기가스의 배출이 제한되는 ECA(Emission Control Area)를 운항하는 경우 NOx의 발생이 최소화되도록 배기가스를 배기가스 재순환시스템(200)으로 공급시키고, 선박이 ECA 이외의 지역을 운항하는 경우 배기가스를 폐열회수시스템(100)으로 공급시켜 선박에 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 하는 역할을 한다.
즉 제어유닛(300)은 배기가스의 배출라인에 마련되어 엔진(E)에서 배출되는 배기가스가 폐열회수시스템(100) 또는 배기가스 재순환시스템(200) 중 어느 하나로 공급되도록 제어하여 ECA와 같은 지역에서 선택적으로 선박을 운행시킬 수 있도록 하는 역할을 한다.
본 실시 예에서 제어유닛(300)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)과 폐열회수시스템(100)의 가스 터빈(110)을 연결하는 제1 배출라인(310)에 마련되어 제1 배출라인(310)을 개폐시키는 제1 밸브(320)와, 엔진(E)과 배기가스 재순환시스템(200)의 스크러버(210)를 연결하는 제2 배출라인(330)에 마련되어 제2 배출라인(330)을 개폐시키는 제2 밸브(340)를 포함한다.
본 실시 예에서 제1 밸브(320) 및 제2 밸브(340)는 전기적 신호에 의해 제어되는 비례제어밸브일 수 있다.
한편 엔진(E)에서 배출되어 폐열회수시스템(100)과 배기가스 재순환시스템(200)으로 공급되지 않은 배기가스는, 도 1에 도시된 바와 같이, 과급기(TC)를 통해 열교환기(180)로 공급되어 증기를 생성하기 위한 용도로 사용될 수 있다.
도 2와 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치의 사용 상태도이다. 이하에서 도 2와 도 3을 참조하여 본 실시 예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(1)의 사용 상태를 간략히 설명한다.
먼저, 도 2는 본 실시 예에 따른 선박이 ECA 즉, IMO Tier III(NOx 배출)에 대한 규제 지역을 운항하는 경우의 사용 상태를 간략히 도시한 도면이다. 선박이 ECA를 운행하는 경우 NOx의 생성을 요구되는 조건으로 맞추어야 하므로 제어유닛(300)은 폐열회수시스템(100)으로 공급되는 배기가스를 차단시키기 위해 제1 밸브(320)를 잠그고, 엔진(E)으로 공급되는 소기 중의 산소 농도를 줄이기 위해 제2 밸브(340)를 개방시킨다.
제2 밸브(340)가 개방되면 엔진(E)에서 배출되는 일부 배기가스는 스크러버(210)에서 불순물이 제거된 후 쿨러(220)로 공급되어 냉각된다. 쿨러(220)에서 냉각된 배기가스는 블로워(230)를 통해 엔진(E)으로 유입되는 소기와 혼합되며, 배기가스 중에는 산소가 거의 없으므로 엔진(E)으로 유입되는 산소의 농도도 떨어진다. 그 결과 전술한 바와 같이 연소 온도가 떨어져 NOx의 생성이 감소되므로 요구되는 규제 조건을 만족시키면서 운행할 수 있다.
전술한 규제 지역을 벗어나면 제어유닛(300)은 제2 밸브(340)를 잠궈 배기가스 재순환시스템(200)으로 공급되는 배기가스를 차단시키고, 제1 밸브(320)를 개방시켜, 도 3에 도시된 바와 같이, 폐열회수시스템(100)으로 배기가스가 공급되도록 하여 폐열을 이용하여 필요한 전력을 생성할 수 있도록 한다.
그리고 폐열회수시스템(100)으로 배기가스가 공급되는 경우 과급기(TC)로 공급되는 배기가스는 과급기(TC)를 통해 열교환기(180)로 공급되어 스팀 터빈(120)을 구동하기 위한 증기를 생성하는 데 이용될 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 요구되는 운행 조건에 따라 폐열회수시스템 또는 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나의 시스템을 선택하여 선박을 구동시킬 수 있으므로 IMO Tier III의 국제 환경 규제를 만족시키면서 선박에서 사용하는 에너지를 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
전술한 실시예의 경우, 배기가스 재순환시스템(200)의 쿨러(220, 도 1 참조)가 단형으로 제작되었다. 하지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치는 저온의 냉각수로도 냉각할 수 있고, 쿨러(220a)에서 버려지는 배기가스의 열과 폐열회수시스템(200a)에서 순환되는 응축수를 열교환시켜 열교환기(180)로 공급되는 응축수의 온도를 높이기 위해 이단으로 쿨러(220a)를 제작할 수 있다.
본 실시 예에서 쿨러(220a)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 스크러버(210)에서 배출되는 배기가스와 폐열회수시스템(100)에서 순환되는 응축수를 상호 열교환시켜 배기가스를 1차적으로 냉각시킴과 더불어 배출되는 응축수의 온도를 상승시키는 제1 쿨러(221a)와, 제1 쿨러(221a)에서 배출되는 배기가스와 응축수와는 별도의 냉각수(Cold FW)를 상호 열교환시켜 배기가스를 2차적으로 냉각시키는 제2 쿨러(223a)를 포함한다.
본 실시 예는 전술한 이점 이외에 쿨러(220a)로 공급되는 냉각수의 유량을 감소시킬 수 있으므로 유량 감소에 따라 소비 전력을 추가적으로 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시 예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치는 제2 실시예와 같이 저온의 냉각수로도 냉각할 수 있고, 쿨러(220a)에서 버려지는 배기가스의 열과 폐열회수시스템(100)에서 순환되는 응축수를 열교환시켜 열교환기(180)로 공급되는 응축수의 온도를 높이기 위해 이단으로 쿨러(220a)를 제작하는 점에서는 동일하다.
다만 본 실시 예는 폐열회수시스템(100)에서 순환되는 응축수가 쿨러(220a)에서 열교환되기 전에 엔진 소기 냉각기(170)에서 먼저 열교환되는 점에서 차이점이 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시 예에 따른 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(1d)는 ECA를 운항 시 배기가스 재순환시스템(200) 및 폐열회수시스템(100)의 스팀 터빈(120)을 사용할 수 있도록 과급기(TC)의 후단에서도 배기가스가 배기가스 재순환시스템(200)으로 공급될 수 있도록 구성한 점에서 전술한 제1 실시예와 차이점이 있다.
즉 배기가스 재순환시스템(200)은 엔진(E)의 배기가스의 일부를 재순환시켜 소기와 혼합하여 엔진(E)에 공급하는 것으로 배기가스를 과급기(TC)의 전단에서 배기가스 재순환시스템(200)으로 순환시킨다(도 1 참조).
그러나 전술한 바와 같이 ECA를 운항하는 경우 배기가스 재순환시스템(200)을 사용하게 되며, 과급기(TC)를 바이 패스(By-pass)할 수 있는 배기가스의 양에 제한이 있으므로(과급기(TC)의 효율 즉 엔진 성능을 고려할 때 과급기(TC)를 바이 패스(By-pass)할 수 있는 배기가스의 양에 제한이 있기 때문이다) 스팀 터빈(120)을 사용할 수 없게된다.
이는 시스템의 효율을 감소시키므로 본 실시 예는 과급기(TC)에 공급되는 배기가스의 양을 일정하게 하여 배기가스 재순환시스템(200)을 사용하면서 스팀 터빈(120)을 구동하 수 있도록 분기유닛(400)을 더 구비한다.
본 실시 예에서 분기유닛(400)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 과급기(TC)에서 배출되는 고압의 배기가스가 배기가스 재순환시스템(200)으로 공급되도록 과급기(TC)와 폐열회수시스템(100)을 연결하는 라인에서 분기되어 배기가스 재순환시스템(200)으로 연결되는 분기라인(410)과, 분기라인(410)에 마련되는 분기라인밸브(420)를 포함한다.
본 실시 예에서 분기라인밸브(420)는 전기적 신호에 의해 작동되는 비례제어밸브일 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치
100 : 폐열회수시스템 110 : 가스 터빈
120 : 스팀 터빈 130 : 응축기
140 : 응축수 펌프 150 : 제어밸브
160 : 열교환기 급수펌프 170 : 엔진 소기 냉각기
180 : 열교환기 190 : 스팀 분리기
200,200a : 배기가스 재순환시스템 210 : 스크러버
220,220a : 쿨러 230 : 블로워
240 : 개폐밸브 300 : 제어유닛
310 : 제1 배출라인 320 : 제1 밸브
330 : 제2 배출라인 340 : 제2 밸브
400 : 분기유닛 410 : 분기라인
420 : 분기라인밸브 E : 엔진
TC : 과급기

Claims (13)

  1. 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템;
    상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키는 배기가스 재순환시스템; 및
    상기 배기가스의 배출라인에 마련되어 상기 배기가스가 상기 폐열회수시스템 또는 상기 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나로 공급되도록 제어하는 제어유닛을 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 선박이 NOx를 포함하는 배기가스의 배출이 제한되는 ECA(Emission Control Area)를 운항하는 경우 상기 배기가스를 상기 배기가스 재순환시스템으로 공급시키고, 상기 선박이 ECA 이외의 지역을 운항하는 경우 상기 배기가스를 상기 폐열회수시스템으로 공급시키는 것을 특징으로 하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 엔진과 상기 폐열회수시스템을 연결하는 제1 배출라인에 마련되어 상기 제1 배출라인을 개폐시키는 제1 밸브; 및
    상기 엔진과 상기 배기가스 재순환시스템을 연결하는 제2 배출라인에 마련되어 상기 제2 배출라인을 개폐시키는 제2 밸브를 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스 재순환시스템은,
    상기 엔진에서 배출되는 고온의 상기 배기가스에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버;
    상기 스크러버에 공급되는 고온의 상기 배기가스를 냉각시키는 쿨러; 및
    상기 쿨러에서 냉각된 상기 배기가스가 과급기에서 공급되어 상기 엔진으로 유입되는 소기와 혼합되어 상기 엔진으로 공급될 수 있도록 냉각된 상기 배기가스를 불어주는 블로워(blower)를 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배기가스 재순환시스템은,
    상기 블로워와 상기 엔진을 연결하는 라인에 마련되어 상기 라인을 개폐시키는 개폐밸브를 더 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 쿨러는,
    상기 스크러버에서 배출되는 상기 배기가스와 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 액체를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 1차적으로 냉각시키는 제1 쿨러; 및
    상기 제1 쿨러에서 배출되는 상기 배기가스와 상기 액체와는 별도의 액체를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 2차적으로 냉각시키는 제2 쿨러를 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 폐열회수시스템은 상기 과급기에서 공급되는 소기와 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 액체를 상호 열교환시켜 상기 소기를 냉각시키는 엔진 소기 냉각기를 포함하며,
    상기 엔진 소기 냉각기에서 열교환되어 온도가 상승되며 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 액체는 상기 제1 쿨러로 공급되어 상기 스크러버에서 배출되는 상기 배기가스와 열교환되는 것을 특징으로 하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진 소기 냉각기는 저온의 냉각수로도 냉각할 수 있도록 이단으로 마련되는 것을 특징으로 하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐열회수시스템은,
    상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈;
    상기 가스 터빈과 연동되며 제공되는 스팀에 의해 상기 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈;
    상기 스팀 터빈에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기;
    상기 응축기에서 응축된 응축수가 저장되는 급수탱크;
    상기 급수탱크에 저장된 상기 응축수를 펌핑시키는 열교환기 급수펌프;
    상기 열교환기 급수펌프에서 공급되는 상기 응축수와 과급기에서 상기 엔진으로 공급되는 소기를 상호 열교환시키는 엔진 소기 냉각기;
    상기 엔진 소기 냉각기에서 열교환된 상기 응축수와 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스를 열교환시켜 상기 스팀 터빈의 구동을 위한 증기를 생성시키는 열교환기; 및
    상기 열교환기에서 생성된 증기에서 증기와 물을 분리시키는 스팀 분리기를 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  10. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 배출라인으로 배출되되 상기 배기가스 재순환시스템으로 공급되지 않는 상기 배기가스를 압축시키는 과급기에서 배출되는 고압의 배기가스가 상기 배기가스 재순환시스템으로 공급되도록 하는 분기유닛을 더 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 분기유닛은,
    상기 과급기에서 배출되는 고압의 배기가스가 상기 배기가스 재순환시스템으로 공급되도록 상기 과급기와 상기 폐열회수시스템을 연결하는 라인에서 분기되어 상기 배기가스 재순환시스템으로 연결되는 분기라인; 및
    상기 분기라인에 마련되는 분기라인밸브를 포함하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  12. 선박이 NOx를 포함하는 배기가스의 배출이 제한되는 지역을 운항하는 경우 상기 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템 또는 상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키는 배기가스 재순환시스템 중 상기 배기가스 재순환시스템으로 상기 배기가스를 공급시켜 상기 선박을 운행시키고, 상기 배기가스의 배출이 제한되는 지역 이외의 지역을 운항하는 경우 상기 폐열회수시스템으로 상기 배기가스를 공급시켜 상기 선박을 운행시키는 것을 특징으로 하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 배기가스의 배출이 제한되는 지역은 ECA(Emission Control Area)인 것을 특징으로 하는 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
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