KR101303985B1 - 선박용 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

주 구동기의 부하의 급격한 변화에 반응한 온보드 공급 전력 정지를 방지할 수 있는 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어 장치를 개시한다. 선박의 주 구동기에 의해 발생된 배기가스의 일부가 가스 터빈에 공급되고 가스 터빈에 의해 배출된 배기가스의 열량이 배기가스 이코노마이저에 안내되는 배열 회수 시스템에 대해서, 이 제어 방법 및 제어 장치는: 배기가스 이코노마이저의 열 에너지 검출 신호에 기초하는 추정 또는 연산된 현재 축열량 (Q) 을 얻고; 보조 발전기의 작동 상태 및 온보드 전력 수요에 기초하여, 보조 발전기가 시동될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 기준 열량 (Qmin) 을 얻고; 현재 축열량 (Q) 과 기준 열량 (Qmin) 을 비교하며; 그리고 이 비교 결과에 기초하여, 정지 작동, 아이들링 작동 또는 구동 작동으로부터 보조 발전기의 작동 상태를 선택한다.

Description

선박용 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어 장치{CONTROL METHOD AND CONTROL DEVICE FOR EXHAUST HEAT RECOVERY SYSTEM FOR MARINE VESSEL}
본 발명은, 선박용 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어장치, 특히 배기가스 이코노마이저 (economizer) 의 축열량에 기초하여 보조 발전기의 작동 상태를 변화시키는 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어장치에 관한 것이다.
선박용 배열 회수 시스템으로서, 주 엔진으로부터의 배기가스를 이용하는 배기가스 이코노마이저를 사용하여 주 엔진으로부터 배출된 배기가스와 열교환을 실행시킴으로써 증기 터빈을 구동시키는 전력 발생 시스템, 및 선박 내 전기 전력 수요를 보충하기 위해 엔진 출력에 의해 축 발전기를 회전시킴으로써 공급 전력을 발생시키는 시스템이 있다. 이런 유형의 시스템은 선박 전력 절약의 견지에서 제안되었다.
배열 회수 시스템은, 선박의 주 구동 유닛, 예컨대 엔진으로부터의 배열을 사용하여 선박 내에서 전기를 발생시킨다. 따라서, 전력 수요 (선박 내의 전기 수요) 가 급격하게 감소하면, 발생한 전기는 잉여가 된다. 그 때문에, 증기 터빈 및 가스 터빈의 회전은 가속되어 터빈에 손상을 유발할 수 있다.
대조적으로, 엔진이 급정지하면 선박 내에 공급 전력 부족이 유발되고, 최악의 경우에는 선박은 정전을 겪을 수 있다.
잉여 전력을 방지하기 위해서, 선박의 주 구동 유닛 (디젤 엔진) 으로부터의 배기가스를 우회시켜 배기가스를 외부로 방출시키거나, 또는 배기가스 이코노마이저에서 발생한 잉여 증기를 응축기에 방출시켜 전기의 생산을 억제하는 것이 가능하다. 엔진이 급정지하고 공급 전력 부족이 있는 경우에는, 필요도가 낮은 전력 수요를 차단하고, 보조 디젤 발전기를 가동시키는 한편 전력 공급을 기다린다. 그러나, 이는 디젤 발전기에 의해 전력이 공급되기 전에 배열 회수 시스템의 전력 발생이 감소될 때 선박이 불가피하게 아직 정정되는 문제를 계속 남겨둔다.
주 구동 유닛의 급정지로 인한 선박 내 공급 전력의 변화가 도 7 에 나타나 있다. 선박 내 전력은, 주 엔진 (엔진) 에 의해 기동되는 축 발전기, 가스 터빈 또는 증기 터빈에 의해 기동되는 발전기, 및 보조 디젤 발전기에 의해 공급된다. 여기서는, 엔진의 급정지로 인해 축 발전기 및 발전기로부터의 양 전력이 정지 또는 저하되는 경우를 설명한다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 주 구동 유닛으로부터의 배기가스에 의해 기동되는 주 발전기는 또한 주 구동 유닛이 정지할 때 정지한다. 도 7 은 주 구동 유닛이 정지한 후의 선박 내 공급 전력의 감소를 시계열 방식으로 나타내고 있다. 도면에서, ST 는 증기 터빈의 회전 속도에 대응하는 주 발전기에 의해 발생되는 전력의 변화를 나타내고, GT 는 가스 터빈의 회전 속도에 대응하는 주 발전기에 의해 발생되는 전력의 변화를 나타내며, DG 는 보조 디젤 발전기에 의해 발생되는 전력의 변화를 나타낸다. 가스 터빈 (GT) 에 의해 발생되는 전력은 증기 터빈 (ST) 에 의해 발생되는 전력보다 더 빠르게 저하된다. 이는, 배열 회수 시스템에 설치된 배기가스 이코노마이저가 큰 열용량을 가지기 때문이다. 배기가스 이코노마이저에 비축된 열량은 통상적인 제어하에서 작동 조건에 따라 변한다. 그러므로, 발전기 (주 발전기) 에 의해 발생된 전력이 급격하게 저하되고 소정량 이상의 축열량이 있을 때, 보조 디젤 발전기 (DG) 가 시동되고 보조 발전기에 의한 전력 발생을 위한 부하 작동을 개시할 필요가 있는 시점 (S) 까지 유지할 충분한 전력이 있다. 그러나, 축열량 (Q) 이 필요 전력 발생보다 작은 경우, 선박은 정전된다. 필요 전력 발생은 정전을 회피하기 위해 보안상 선박 내에 필요한 최소 필요 전력에 대응한다.
주 발전기와 같은 발전기에 의한 전력 발생의 급감소로 인한 정전을 방지하기 위해서, 하기 제어를 실행하는 것이 가능하다. 예컨대, 특허문헌 1 (JP 3804693B) 는 배열의 회수량의 변화에 대한 응답으로의 냉각수의 온도 변화에 주목함으로써 제어 지연을 억제하는 것을 제안한다. 구체적으로는, 특허문헌 1 의 발명은: 배열 회수 유닛의 하류측에서 부하측의 순환 파이프에 배치되고, 그 부하측의 순환수의 온도를 검출하는 온도 센서; 온도 센서에 의해 검출된 순환수의 온도와 제 1 사전설정 온도를 비교하여 비정상적인 유체 상태가 존재하는지의 여부에 따라 방열 신호를 출력하는 양 검출기 (amount detector); 부하측의 순환 파이프에 배치되고 부하측의 순환수의 유체 상태가 통상적인지 또는 비정상적인지의 여부를 검출한 후 유체 상태에 따라 방열 신호를 출력하는 유체 상태 검출기; 냉각수 온도 센서에 의해 검출된 냉각수의 온도가 제 2 사전설정 온도 미만이 될 때까지 방열 신호를 출력하는 유지 수단; 방열 신호에 응답하여, 방열량 조정 수단의 개방이 엔진이 정격 출력에서 작동하는 사전설정 개방보다 작도록 그리고 배열 회수 부하의 배열이 필요하지 않을 때는 필요한 냉각수의 양이 방열을 위한 열 교환기에 공급되도록 제어 신호를 출력하는 피드포워드측 제어 유닛 (feedforward-side control unit); 및 검출된 온도가 높아짐에 따라 방열량이 증가하도록 냉각수의 검출된 온도에 기초하여 방열량 조정 수단을 제어하기 위해 신호를 출력하는 피드백 제어 수단을 포함하며, 방열량 조정 수단은 피드포워드 제어 수단으로부터의 제어 출력과 피드백 제어수단으로부터의 제어 출력의 합에 의해 제어된다.
그러나, 특허문헌 1 의 배열 회수 시스템은, 냉각수의 온도에 주목하여 시스템을 제어하며, 선박의 배기가스 이코노마이저에 저장된 열량 (축열량) 에 주목하는 것은 아니다.
[특허문헌 1] JP 3804693B
상기 문제의 관점에서, 본 발명의 목적은 주 엔진의 급격한 부하 변화로 인한 선박 내의 정전을 방지할 수 있는 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어 장치를 제공하는 것이다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제 1 양태의 제 1 구체적인 실시예로서, 본 발명은, 선박의 주 엔진에서 발생된 배기가스가 과급기를 통해 공급되는 배기가스 이코노마이저, 배기가스 이코노마이저에서 발생된 증기에 의해 기동되는 증기 터빈, 증기 터빈과 함께 발전기를 구동시키는 가스 터빈, 및 발전기에 의한 전력 발생에 기초하여 전기의 감소를 보충하는 보조 발전기를 포함하고, 주 엔진에서 발생된 배기 가스의 일부가 가스 터빈에 공급되어 그 가스 터빈으로부터의 배기가스를 배기가스 이코노마이저에 방출하는 배열 회수 시스템의 제어 방법을 제안하며, 상기 제어 방법은:
배기가스 이코노마이저의 열 에너지 검출 신호에 기초하여 추정 또는 연산된 현재 축열량 (Q) 을 얻는 단계;
보조 발전기의 작동 상태 및 선박 내의 전력 수요에 기초하여, 보조 발전기가 가동될 때까지 필요한 필요 동력을 유지시키는데 필요한 기준 열량 (Qmin) 을 얻는 단계;
현재 축열량 (Q) 과 기준 열량 (Qmin) 을 비교하는 단계; 및
비교 단계의 결과에 기초하여, 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 보조 발전기의 작동 상태를 선택하는 단계를 포함한다.
배기가스 이코노마이저는 구체적으로는 선박을 위한 장치이며 선박의 굴뚝에 설치될 수 있다. 예컨대 열 교환 파이프가 굴뚝에 빽빽하게 설치되고, 물이 파이프를 통해 도입되어 주 엔진으로부터 방출된 배기가스와 열 교환을 실행함으로써 증기를 생산하거나 물을 가열한다.
현재 축열량 (Q) 은, 냉각기 (도 1 의 20 참조) 로부터 배기가스 이코노마이저로 도입된 냉각수 (의 양 및 온도), 과급기 (22) 로부터의 배기가스 (의 양 및 온도), 배기가스 이코노마이저의 열전달 효과, 및 배기가스 이코노마이저로부터 배출되는 증기 및 배기가스 (의 양 및 온도) 로부터 연산될 수 있다. 현재 축열량 (Q) 은, 증기의 출구 온도 (Ts) 및/또는 배기가스의 출구 온도 (Tg) 로부터의 추정식에 의해 획득될 수 있거나, 또는 배기가스 이코노마이저의 파이프와 같은 금속 부분의 금속 온도로부터 추정될 수 있다.
또한, 보조 발전기는 보조 발전기 본체 및 보조 발전기 본체에 직접 또는 간접적으로 연결되는 디젤 엔진과 같은 구동 유닛을 포함한다. 보조 발전기는 이하의 3 개의 작동 상태를 갖는다: 구동 유닛이 정지되는 정지 상태; 보조 발전기가 아직 가동되고 있는 구동 유닛으로부터 분리되고 보조 발전기가 회전되지 않는 (일반적으로, 아이들링 작동이라 함) 대기 상태; 및 보조 발전기 본체 및 구동 유닛이 연결되어 구동 유닛측의 에너지를 보조 발전기측에 전달하는 구동 상태.
본 발명에 따르면, 현재 축열량 (Q) 및 기준 열량 (Qmin) 을 비교하고, 그 비교 단계의 결과에 기초하여, 현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 커지도록 보조 발전기의 작동 상태를 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 선택한다. 결과적으로, 주 엔진의 급격한 출력 저하가 있을 때에도 선박 내의 공급 전력이 필요 전력보다 더 낮아지기 전에 보조 발전기를 시동시키는 것이 가능하고, 따라서 필요 전력 발생 (정전을 회피하기 위해 보안상 필요한 선박 내의 최소 필요 전력에 대응하는 전력 발생) 을 확보할 수 있으며, 선박 내의 정전을 회피할 수 있다.
더 구체적으로는, 제 2 구체적인 실시예로서, 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이, 기준 열량 (Qmin), 및 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태로 될 때까지 필요 전력을 유지시키기 위해 필요한 축열량 (Qstop) 보다 클 때, 즉 Q ≥ Qstop > Qmin 일 때, 보조 발전기는 정지되는 것이 바람직하다.
이로써, 선박 내에 잉여 전력을 발생시키는 일 없이 필요 전력 발생을 유지할 수 있고, 따라서 보조 발전기가 쓸데없이 비정지 작동 (non-stop operation) 상태로 되는 것을 방지한다.
또한, 제 2 구체적인 실시예로서, 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이, 축열량 (Qstop) 보다 더 작고, 또한 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 대기 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태로 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstby) 보다 더 클 때, 즉 Qstop > Q ≥ Qstby > Qmin 일 때, 보조 발전기를 대기 상태로 설정하는 것이 바람직하다.
이런 방식으로, 보조 발전기를 대기 상태에 유지시킴으로써 보조 발전기를 가동시키는 것이 가능하다. 따라서, 주 엔진의 출력이 급격하게 저하될 때에도 선박 내의 정전을 회피할 수 있다.
또한, 제 3 구체적인 실시예로서, 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 축열량 (Qstop) 및 축열량 (Qstby) 양자보다 더 작을 때, 즉 Qstop > Qstby ≥ Q ≥ Qmin 일 때, 보조 발전기를 구동 상태로 설정하는 것이 또한 바람직하다.
배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 축열량 (Qstop) 및 축열량 (Qstby) 보다 더 작을 때, 보조 발전기는 선박 내의 정전을 회피하기 위해서 대기 상태로부터 즉시 가동된다.
그러므로, 본 발명은 하기 요점에 있어서 특별하다.
1. 주 엔진이 여전히 작동중일 때 (주 엔진의 급정지 전) 보조 발전기의 작동 상태를 제어함으로써 Qmin ≥ Q 를 회피한다. 이로써, 주 엔진이 정지 (배기가스의 급격한 에너지 저하에 의해 유발되는 주 발전기의 출력의 급격한 저하) 될 때에도, 정전을 회피하기 위해 보안상 선박 내에서 필요한 최소 필요 전력에 대응하는 전력 발생을 즉시 얻을 수 있다.
이 경우, 연산 또는 추정에 의해 현재 축열량 (Q) 을 얻는다. 그리고, 그 추정/연산된 현재 축열량이 하기 작동 상태 2 ~ 4 중 어느 상태에 있는지를 판정하여, 작동 상태를 선택한다.
2. Qstop > Qstby ≥ Q ≥ Qmin → 구동 상태 지속
3. Qstop > Q ≥ Qstby > Qmin → 대기 상태 (아이들링 작동 상태)
4. Q ≥ Qstop > Qmin → 정지 상태
본 발명의 제 2 양태로서, 상기 제어 방법은 이하의 단계를 더 포함할 수 있다:
배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 크도록 바이패스 밸브의 개방을 조정하는 단계로, 이 바이패스 밸브는 가스 터빈을 우회하여 주 엔진에서 발생된 배기가스의 일부를 배기가스 이코노마이저에 공급하는 바이패스 라인에 배치되고 배기가스의 유량을 조정한다.
이로써, 주 엔진의 출력이 급격하게 저하될 때에도, 배기가스 이코노마이저에 비축된 축열량 (Q) 은 증가될 수 있고, 따라서 보조 발전기가 가동될 때까지 필요한 필요 전력을 유지하는 것이 가능하고, 이로써 선박 내의 정전을 방지한다.
또한, 본 발명의 제 2 양태의 제 1 구체적인 실시예로서, 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태로 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstop) 보다 더 클 때, 바이패스 밸브의 개방을 감소시키는 것이 바람직하다.
이로써, 선박 내에서 전력 잉여를 유발하지 않으면서 필요 전력을 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 양태의 제 2 구체적인 실시예로서, 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태로 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstop) 보다 작을 때 바이패스 밸브의 개방을 증가시키는 것이 또한 바람직하다.
이로써, 배기가스 이코노마이저에 비축된 축열량 (Q) 은 증가되고, 따라서 증기 터빈에서의 열 회수 또한 증가될 수 있다. 결과적으로, 보조 발전기가 정지될 수 있는 기간이 증가되어, 연료를 절약하게 된다.
바람직한 방식으로 상기 방법을 실행하기 위한 장치로서, 본 발명은 또한, 선박의 주 엔진에서 발생된 배기가스가 과급기를 통해 도입되는 배기가스 이코노마이저, 배기가스 이코노마이저에서 발생된 증기에 의해 기동되는 증기 터빈, 증기 터빈과 함께 발전기를 구동시키는 가스 터빈, 발전기에 의한 전력 발생에 기초하여 전기의 감소를 보충하는 보조 발전기를 포함하고, 주 엔진에서 발생된 배기가스의 일부를 가스 터빈에 공급하여 그 가스 터빈으로부터의 배기가스 (의 열량) 를 배기가스 이코노마이저에 방출시키는 배열 회수 시스템의 제어 장치를 제안하며, 상기 제어 장치는:
배기가스 이코노마이저의 열 에너지 검출 신호에 기초하여 현재 축열량 (Q) 을 추정 또는 연산하는 획득 유닛;
보조 발전기의 작동 상태 및 선박 내의 전력 수요에 기초하여, 보조 발전기가 가동될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 기준 열량 (Qmin) 을 얻는 획득 유닛; 및
현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 커지도록, 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 보조 발전기의 작동 상태를 선택함으로써 보조 발전기를 제어하는 제어 유닛을 포함한다.
또한, 상기 제어 장치는 바람직하게는:
가스 터빈을 우회하여 주 엔진에서 발생된 배기가스의 일부를 배기가스 이코노마이저에 공급하는 바이패스 라인;
바이패스 라인에 배치되고 배기가스의 유량을 변화시키는 바이패스 밸브; 및
배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 커지도록 바이패스 밸브의 개방을 조정하는 바이패스 밸브 조정 유닛을 포함한다.
이로써, 상기 방법과 동일한 방식으로, 보조 발전기의 가동을 가속시키거나 또는 보조 발전기의 가동 때까지 필요 전력을 유지시킴으로써, 주 엔진의 급격한 부하 변화에 대해 선박 내의 정전을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진이 급정지하는 경우에도 배기가스 이코노마이저에 비축된 열량에 의해 선박은 한동안 작동될 수 있고, 따라서 배기가스 이코노마이저의 축열량을 미리결정된 양 이상으로 유지시킴으로써 선박 내의 정전을 회피하는 것이 가능하다.
본 발명은 주 엔진의 급격한 부하 변화에 대해 선박 내의 정전을 방지할 수 있는 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어 장치를 성공적으로 제공한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 및 제 2 바람직한 실시형태가 적용되는 배열 회수 시스템이 설치된 선박의 전기 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 y 축에 백업 시간을 x 축에는 축열량을 나타내고 있는 배기가스 이코노마이저의 축열량과 보조 발전기의 백업 시간 사이의 관계를 나타내는 그래프 이다.
도 3 은 제 1 바람직한 실시형태와 관련되는 엔진 급정지시의 시간에 따른 선박 내의 공급 전력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4 는 제 1 바람직한 실시형태와 관련되는 제어 논리 작동을 나타내는 순서도이다.
도 5 는 제 2 바람직한 실시형태에 관련되는 엔진 급정지시의 시간에 따른 선박 내의 공급 전력의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6 은 제 2 바람직한 실시형태에 관련되는 제어 논리 작동을 나타내는 순서도이다.
도 7 은 종래의 경우에 관련되는 엔진 급정지시의 시간에 따른 선박 내의 공급 전력의 변화를 나타내는 그래프이다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 치수, 재질, 형상, 그 상대적인 위치 등은 특별히 특정하지 않는 한 단지 설명을 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니다.
먼저, 본 발명의 제 1 및 제 2 바람직한 실시형태가 적용되는, 배열 회수 시스템이 설치된 선박의 전기 시스템의 구성을 나타내는 블록도인 도 1 을 참조하여 본 발명에 관련된 배열 회수 시스템의 구성을 설명한다. 도 1 의 배열 회수 시스템은, 선박을 추진시키는 엔진 (18), 엔진 (18) 에 의해 기동하는 축 발전기 (16), 엔진 (18) 의 출력에 의해 회전하는 프로펠러 (14), 엔진 (18) 에 공급되는 공기를 압축하는 과급기 (22), 과급기 (22) 로부터의 공기를 냉각시키는 냉각기 (20), 발전기 (6), 및 보조 발전기 (4) 를 포함한다. 그리고, 선박 내의 전력 (2) 이 축 발전기 (16), 발전기 (6) 및 보조 발전기 (4) 에 의해 공급된다. 도면에는 도시되지 않았지만, 배열 회수 시스템은 축 발전기 (16) 를 포함하지 않을 수도 있다.
또한, 본 발명의 배열 회수 시스템에는 배기가스 절약장치 (24) 가 설치되어 있다. 엔진 (18) 으로부터 배출되는 배기가스는 과급기 (22) 또는 가스 터빈을 통해 배기가스 이코노마이저 (24) 에 공급된다. 배기가스 이코노마이저 (24) 는 배기가스로 증기를 발생시키고, 증기 터빈 (8) 이 이 증기에 의해 구동되어 가스 터빈 (10) 의 출력과 함께 발전기 (6) 를 회전시킨다.
도 1 의 파선은 증기 및 물의 공급 라인을 나타낸다. 증기 터빈 (8) 의 하류측에 배치된 응축기 (12) 에서 증기는 물로 복귀된다. 물은 냉각기 (20) 의 열 및 엔진 (18) 의 벽을 냉각하는 열에 의해 가열되고, 그 후 배기가스 이코노마이저 (24) 에 공급되어 증발되며, 따라서 증기를 생성한다.
또한, 보조 발전기 (4) 는, 발전기 본체에 디젤 엔진이 연결된 보조 디젤 발전기 (DG) 로서 기능한다. 보조 발전기는 이하의 3 개의 작동 상태를 갖는다: 디젤 엔진이 정지되는 정지 상태; 보조 발전기 (4) 가 아직 가동되고 있는 디젤 엔진으로부터 분리되고 보조 발전기가 회전되지 않는 (일반적으로는, 저속에서의 아이들링 작동이라 함) 대기 상태; 및 보조 발전기 본체 및 디젤 엔진이 연결되어 전력을 발생시키는 구동 상태.
보조 발전기 (4) 의 작동 중에, 보조 발전기 (4) 는 정전을 회피하기 위해서 보안상 선박 내에 필요한 최소 필요 전력 이상을 발생시킨다.
보조 발전기 (4) 를 위한 제어 회로 (30) 는, 연산 회로 (31), 추정 회로 (32), 비교 유닛 (33), 판정 회로 (34), 보조 발전기 작동 제어 유닛 (35), 및 바이패스 밸브 제어 유닛 (36) 을 포함한다. 연산 회로 (31) 는 보조 발전기의 작동 상태 및 보안상 선박 내에 필요한 필요 전력 (이하 간단히 필요 전력이라 함) 에 기초하여 보조 발전기를 가동시키는데 필요한 기간을 설정하고, 그 후 이 미리 설정된 기간 동안 주 발전기를 구동시키기 위해 증기 터빈을 구동시키기 위한 충분한 증기 에너지를 발생시키는데 필요한 배기가스 이코노마이저의 기준 열량 (Qmin) 을 연산한다. 추정 회로 (32) 는 상기 배기가스 이코노마이저 (24) 로부터의 배기가스의 출구 온도 (Tg) 및/또는 증기의 출구 온도 (Ts) 로부터 배기가스 이코노마이저 (24) 의 현재 축열량 (Q) 을 추정한다. 비교 유닛 (33) 은 현재 축열량 (Q) 과 기준 열량 (Qmin) 을 비교하고, 획득된 비교 결과를 판정 회로 (34) 로 보낸다. 판정 회로의 제어에 의해 보조 발전기 작동 제어 유닛 (35) 및 바이패스 밸브 제어 유닛 (36) 에 의해 적절한 작동 상태가 선택된다.
보조 발전기 작동 제어 유닛 (35) 은, 주 엔진 (주 엔진의 급정지 전) 의 통상적인 작동 중에 상기 보조 발전기를 제어하여, 배기가스 이코노마이저에 비축되는 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 작아지는 것, 즉 Qmin ≥ Q 이 되는 것을 회피하기 위해, 보조 발전기 (4) 의 작동 상태를 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 선택하거나 또는 주 엔진 (엔진 (18)) 의 급정지를 검출하기 위해 엔진측에 배치된 검출 센서에 의해 엔진의 급정지가 검출되는 시점에 보조 발전기를 강제로 시동 (실제 구동) 시킨다.
또한, 선박 내의 전기는 선박의 주 엔진 (엔진) 의 배기가스의 사용에 의해 발생되고, 따라서 부하의 급격한 저하가 있을 때, 발전되는 전력은 잉여가 된다. 그러므로, 가스 터빈의 회전이 가속되어 가스 터빈의 손상을 유발한다. 전력 잉여에 의해 유발되는 문제를 방지하기 위해서, 바이패스 밸브 제어 유닛 (36) 이 제공되어 바이패스 밸브 (11) 를 완전히 개방시키고 그리고/또는 바이패스 밸브 (11) 의 개방을 제어하여 가스 터빈을 우회하여 주 엔진 (디젤 엔진) 으로부터의 배기가스를 공급한다. 이 과정 동안 추정된 현재 축열량 (Q) 을 Qstop 와 비교하여 이하에서 설명되는 도 6 의 제어를 실행한다.
상기 배열 회수 시스템이 설치되어 있는 선박의 급격한 전력 수요 변화에 대해 선박의 정전을 방지하기 위해서, 하기의 제어 값을 미리 설정하는 것이 바람직하다.
Pmin : 정전을 회피하기 위해서 보안상 선박 내에 필요한 최소 필요 전력
Sstop : 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시킬 수 있는 상태가 되는데 필요한 시간 (보조 발전기가 가동되는 지점으로부터 최소 필요 전력 (Pmin) 에 대응하는 구동 부하에 도달하는데 걸리는 시간)
Sstby : 보조 발전기가 아이들링 상태로부터 전력을 발생시킬 수 있는 상태가 되는데 필요한 시간 (아이들링 상태로부터 실제 구동에 의해 최소 필요 전력 (Pmin) 에 대응하는 구동 부하에 도달하는데 걸리는 시간)
Qstop : 시간 Sstop 이상 동안 엔진의 정지 상태로부터 최소 필요 전력 (Pmin) 에 도달하기 위해 증기 터빈에 의한 전력 발생 (Ps) 을 위해 필요한 열량
Qstby : 시간 Sstop 이상 동안 엔진의 정지 상태로부터 최소 필요 전력 (Pmin) 에 도달하기 위해 증기 터빈에 의한 전력 발생 (Ps) 을 위해 필요한 열량
도 2 에서, DG 는 보조 디젤 발전기로서 기능하는 보조 발전기이고, y 축은 백업 시간이며, x 축은 배기가스 이코노마이저의 축열량이다. 상기 제어값은 도 2 에 도시되어 있다. 도 2 의 그래프에 도시된 바와 같이, Sstop > Sstby 와 Qstop > Qstby 사이에는 비례 관계가 있다.
[제 1 바람직한 실시형태]
다음으로, 제 1 바람직한 실시형태에 관련되는 배열 회수 시스템의 제어 방법을 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명한다. 바람직한 실시형태의 배열 회수 시스템은 이미 도 1 에 도시되어 있으며, 따라서 더 설명하지 않는다.
도 3 은 제 1 바람직한 실시형태와 관련되는 엔진 급정지시의 시간에 따른 선박 내의 공급 전력의 변화를 나타내는 그래프이다. 더 구체적으로는, 도 3 은 주 엔진이 정지한 후의 선박 내의 공급 전력 저하를 나타내고, ST 는 증기 터빈의 회전 속도에 응답하는 주 발전기에 의해 발생되는 전력을 나타내며, GT 는 가스 터빈의 회전 속도에 응답하여 주 발전기에 의해 발생되는 전력을 나타내며, DG 는 보조 디젤 발전기에 의해 발생되는 전력을 나타낸다. 선박 내의 전력은, 엔진에 의해 기동되는 축 발전기, 가스 터빈 및 증기 터빈의 출력에 의해 구동되는 발전기, 및 보조 디젤 발전기에 의해 공급된다. 이하, 주 엔진의 급격한 정지에 의해 유발되는 급격한 부하 변화에 대한 제어 방법을 설명한다.
도 3 에 도시되어 있는 바와 같이, 엔진이 급정지하면 가스터빈 (GT) 및 증기 터빈 (ST) 양자에 의한 전력 발생이 저하되고, 따라서 선박 내의 공급 전력은 급격하게 저하된다. 증기 터빈의 전력 저하는 배기가스 이코노마이저의 축열량으로 인해 가스 터빈의 전력 저하보다 늦다.
그러므로, 바람직한 실시형태에 있어서, 도 3 의 화살표 S 로 나타낸 바와 같이 보조 발전기 (DG) 의 가동을 가속화시키도록 제어를 실행한다. 구체적으로는, 보조 발전기는 정전을 회피하기 위해 보안상 선박 내에서 필요한 최소 필요 전력 (Pmin) 에 도달하기 전에 가동되고, 따라서 배기가스 이코노마이저에 비축된 축열량 (Q) 에 주목할 필요가 있다. 연산 또는 추정된 축열량 (Q) 을 어떻게 얻는지를 위에서 이미 설명하였다.
제 1 바람직한 실시형태의 배열 회수 시스템의 제어 방법을 도 4 를 참조하여 설명한다. Q 는 배기가스 이코노마이저에 비축된 열량 (축열량) 이고, Qmin 는 보조 발전기가 가동될 때까지 필요 전력 (Pmin) 을 지속시키기 위해 필요한 필요 열량이다. 필요 열량 (Qmin) 은, 필요 전력 (Pmin), 및 정지 상태 및 대기 상태와 같은 보조 발전기의 작동 상태로부터 획득된다. 보조 발전기 (4) 가 정지되지 않을 때, Qmin = Qstop 이고, 보조 발전기 (4) 가 아이들링될 때, Qmin = Qstby 이다. 주엔진 (엔진 (18)) 이 가동될 때, 보조 발전기는 대기 상태 또는 정지 상태에 있다. 그러나, 선박 내의 전력 수요가 클 때, 보조 발전기는 보충적으로 전력을 발생시킬 수 있다.
먼저, 단계 S1 에서, 배기가스 이코노마이저의 현재 축열량 (Q) 이 배기가스의 출구 온도 (Tg) 또는 증기 온도 (Ts) 로부터 추정된다. 배기가스의 출구 온도 (Tg) 및 증기 온도 (Ts) 는 도 1 에 도시된 바와 같이 배기가스 이코노마이저 (24) 의 출구에서 측정된다. 도면에는 도시되지 않았지만, 현재 축열량 (Q) 은 배기가스 이코노마이저의 파이프와 같은 금속 부분의 금속 온도로부터 추정될 수 있다.
단계 S2 에서, S1 에서 추정된 현재 축열량 (Q) 을 Qstop 와 비교한다. Q > Qstop 인 경우, 보조 발전기는 단계 S3 에서 정지 상태로 설정된다. 그 후, 단계 S4 에서, 시간이 카운트되고 공정은 단계 S1 으로 복귀된다.
Q > Qstop 의 부등식이 충족되지 않는 경우, 단계 S5 에서 Q 를 Qstby 와 비교한다. 단계 S5 에서 Q > Qstby 인 것으로 판정되는 경우, 보조 발전기는 단계 S6 에서 대기 상태로 설정된다. 그 후, 단계 S4 에서, 시간이 카운트되고 공정은 단계 S1 으로 복귀된다. 대조적으로, 단계 S5 에서 Q > Qstby 의 부등식이 충족되지 않는 것으로 판정되는 경우, 보조 발전기는 단계 S7 에서 구동 상태로 설정된다. 그 후, 단계 S4 에서, 시간이 카운트되고 공정은 단계 S1 으로 복귀된다.
이와 같이 하여, 엔진의 급정지와 같은 엔진 출력의 급격한 저하가 일어나는 경우에도 보조 발전기가 더 빠르게 가동될 수 있도록, 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 보조 발전기의 작동 상태를 선택한다. 결과적으로, 선박 내의 정전을 회피하는 것이 가능하다.
[제 2 바람직한 실시형태]
다음으로, 제 2 바람직한 실시형태와 관련되는 배열 회수 시스템의 제어 방법을 도 5 및 도 6 을 참조하여 설명한다. 바람직한 실시형태의 배열 회수 시스템을 이미 도 1 에 도시하였으며, 따라서 더 설명하지 않는다.
선박 내의 전기는 선박의 주 엔진 (엔진) 의 배기가스의 사용에 의해 발생되고, 따라서 전력 수요의 급격한 저하가 있을 때, 발생된 전력은 잉여가 된다. 그 후, 가스 터빈의 회전은 가속되고, 따라서 가스 터빈의 손상을 유발한다. 전력 잉여에 의해 유발되는 문제를 방지하기 위해서, 바이패스 밸브 개방 제어 유닛 (36) 은 선박 내의 전력 수요에 기초하여 바이패스 밸브 (11) 의 개방을 제어하여 바이패스 밸브 (11) 를 완전히 개방시키고 그리고/또는 바이패스 밸브 (11) 의 개방을 제어함으로써 가스 터빈을 위회시켜 주 엔진 (디젤 엔진) 으로부터의 배기가스를 공급한다.
이 상태에서, 배열 회수 시스템을 위한 현재 축열량 (Q) 을 Qstop 와 비교하여 이하에서 설명되는 도 6 의 제어를 실시한다.
도 5 는 제 2 바람직한 실시형태에 관련되는 엔진 급정지시의 시간에 따른 선박 내의 공급 전력의 변화를 나타내는 그래프이다. 제 1 바람직한 실시형태와 동일하게, 도면은 주 엔진이 정지한 후의 선박 내의 공급 전력 저하를 나타내고, ST 는 증기 터빈의 회전 속도에 응답하여 주 발전기에 의해 발생된 전력을 나타내고, GT 는 가스 터빈의 회전 속도에 응답하여 주 발전기에 의해 발생된 전력을 나타내며, DG 는 보조 디젤 발전기에 의해 발생된 전력을 나타낸다. 증기 터빈의 공급 전력 저하는 배기가스 이코노마이저의 축열량으로 인한 가스 터빈의 공급 전력 저하보다 느리다. 그러므로, 바람직한 실시형태에 있어서, 도 5 에서 화살표 S 로 나타낸 바와 같이 보조 발전기가 시동될 때까지 필요 전력 (Pmin) 을 유지시키는 것이 중요하다.
제 2 바람직한 실시형태에 관련되는 배열 회수 시스템의 제어 방법을 도 6 을 참조하여 설명한다. 제 1 바람직한 실시형태와 동일하게, Q 는 배기 가스 이코노마이저에 비축된 열량 (축열) 이고, Qmin 는 보조 발전기가 가동될 때까지 필요 전력 (Pmin) 을 유지하는데 필요한 필요 열량이다. 선박 내의 전력 수요, 필요 전력 (Pmin), 및 정지 상태 및 대기 상태와 같은 보조 발전기의 작동 상태로부터 필요 열량 (Qmin) 을 얻는다. 보조 발전기 (4) 가 정지되지 않을 때, Qmin = Qstop 이고, 보조 발전기 (4) 가 아이들링될 때, Qmin = Qstby 이다.
먼저, 단계 S11 에서, 배기가스 이코노마이저의 현재 축열량 (Q) 을 배기가스의 출구 온도 (Tg) 또는 증기 온도 (Ts) 로부터 추정한다.
단계 S12 에서, S11 에서 추정된 현재 축열량 (Q) 을 Qstop 와 비교한다. Q > Qstop 인 경우, 단계 S13 에서 바이패스 밸브의 개방량은 감소된다. 여기서, 바이패스 밸브는 도 1 에 도시된 가스 터빈 바이패스 밸브 (11) 이고 엔진 (18) 으로부터의 배기가스를 배기가스 이코노마이저 (24) 에 공급할 때 가스 터빈 (10) 을 우회하도록 제공된다. 다음으로, 단계 S14 에서 보조 발전기는 정지되고, 단계 S15 에서 시간이 카운트되며, 공정은 단계 S11 로 복귀된다.
단계 S12 에서 Q > Qstop 의 부등식이 충족되지 않는 경우, 단계 S16 에서 Q 를 Qstby 와 비교한다. 단계 S16 에서 (Qstop >) Q > Qstby 인 것으로 판정되는 경우, 단계 S17 에서 가스 터빈 바이패스 밸브 (11) 가 완전-개방 상태인지 아닌지의 여부가 판정된다. 바이패스 밸브 (11) 가 완전-개방 상태인 것으로 판정되는 경우, 단계 S18 에서 보조 발전기는 대기 상태로 설정된다. 그 후, 단계 S15 에서, 시간 (Sstby) 이 카운트되고, 공정은 단계 S11 로 복귀되어, 공급 전력이 필요 전력 (Pmin) 에 도달한다.
또한, 단계 S16 에서 Q > Qstby 의 부등식이 충족되지 않는 것으로 판정되는 경우, 단계 S19 에서 가스 터빈 바이패스 밸브 (11) 가 완전-개방 상태인지 아닌지의 여부가 계속 판정된다. 바이패스 밸브 (11) 가 완전-개방 상태인 것으로 판정되는 경우, 보조 디젤 엔진을 가동시키고 이 보조 디젤 엔진에 보조 발전기 본체를 연결함으로써 단계 S20 에서 보조 발전기를 구동 상태로 설정한다. 그 후, 단계 S15 에서, 시간 (Sstop) 이 카운트되고 공정은 단계 S11 로 복귀되어, 공급 전력이 필요 전력 (Pmin) 에 도달한다.
대조적으로, 단계 S17 또는 S19 에서 가스 터빈 바이패스 밸브 (11) 가 완전-개방 상태가 아닌 것으로 판정되는 경우, 바이패스 밸브 (11) 의 개방량은 증가된다. 그 후, 단계 S15 에서, 시간이 카운트되고 공정은 단계 S11 로 복귀되어, 공급 전력이 필요 전력 (Pmin) 에 도달한다.
이와 같이 하여, Q > Qmin 가 달성되도록, 보조 발전기의 작동 상태를 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태 중에서 변화시킨다. 또한, 배기가스 이코노마이저의 현재 축열량 (Q) 이 Qstop 보다 커지도록 증기 터빈의 열 회수를 향상시키기 위해서 가스 터빈 바이패스 밸브의 개방량을 증가시킨다. 따라서, 증기 터빈은 가스 터빈보다 더 많은 전력을 발생시킨다.
결과적으로, 도 5 에 도시된 바와 같이 보조 발전기가 가동될 때까지 필요한 필요 전력을 유지시키는 것이 가능하고, 따라서 선박 내의 정전이 방지된다. 그리고, 보조 발전기가 정지되는 기간을 증가시킬 수 있고, 따라서 연료가 절약된다.
또한, 제 1 바람직한 실시형태 및 제 2 바람직한 실시형태 양자에 있어서, 선박 내의 전력 수요의 급격한 저하는 선박 내에 전력 잉여를 유발하고, 따라서 가스 터빈 입구 밸브 (13) (도 1 참조) 의 개방량을 제어하여 가스 터빈의 출력을 억제하거나 잉여 전력의 양에 대응하는 양을 버림으로써 가스 터빈의 회전 속도를 감소시키고 터빈 트립 (turbine trip) 을 방지한다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명에 따르면, 주 엔진의 급격한 부하 변화에 대한 선박 내의 정전이 성공적으로 방지된다. 그러므로, 본 발명을 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 장치에 적용하는 것이 유익하다.

Claims (9)

  1. 선박의 주 엔진에서 발생된 배기가스가 과급기를 통해 공급되는 배기가스 이코노마이저, 배기가스 이코노마이저에서 발생된 증기에 의해 기동되는 증기 터빈, 증기 터빈과 함께 발전기를 구동시키는 가스 터빈, 및 발전기에 의한 전력 발생에 기초하여 전기의 감소를 보충하는 보조 발전기를 포함하고, 주 엔진에서 발생된 배기 가스의 일부가 가스 터빈에 공급되어 그 가스 터빈으로부터의 배기가스를 배기가스 이코노마이저에 방출하는 배열 회수 시스템의 제어 방법으로서, 상기 제어 방법은:
    배기가스 이코노마이저의 열 에너지 검출 신호에 기초하여 추정 또는 연산된 현재 축열량 (Q) 을 얻는 단계;
    보조 발전기의 작동 상태 및 선박 내의 전력 수요에 기초하여, 보조 발전기가 가동될 때까지 필요한 필요 전력을 유지시키는데 필요한 기준 열량 (Qmin) 을 얻는 단계;
    현재 축열량 (Q) 과 기준 열량 (Qmin) 을 비교하는 단계; 및
    비교 단계의 결과에 기초하여, 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 보조 발전기의 작동 상태를 선택하는 단계를 포함하는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태가 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstop) 보다 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 더 클 때 상기 보조 발전기를 정지시키는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이, 축열량 (Qstop) 보다 작고, 또한 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 대기 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태가 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstby) 보다 클 때, 상기 보조 발전기를 대기 상태로 설정하는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 축열량 (Qstop) 및 축열량 (Qstby) 양자보다 작을 때, 상기 보조 발전기를 구동 상태로 설정하는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 커지도록 바이패스 밸브의 개방을 조정하는 단계를 더 포함하고, 바이패스 밸브는 가스 터빈을 우회하여 주 엔진에서 발생된 배기가스의 일부를 배기가스 이코노마이저에 공급하는 바이패스 라인에 배치되고 배기가스의 유량을 조정하는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태가 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstop) 보다 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 더 클 때 상기 바이패스 밸브의 개방을 감소시키는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 주 엔진이 정지될 때 보조 발전기가 정지 상태로부터 전력을 발생시키기 위한 상태가 될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 축열량 (Qstop) 보다 배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 더 작을 때 바이패스 밸브의 개방을 증가시키는, 배열 회수 시스템의 제어 방법.
  8. 선박의 주 엔진에서 발생된 배기가스가 과급기를 통해 도입되는 배기가스 이코노마이저, 배기가스 이코노마이저에서 발생된 증기에 의해 기동되는 증기 터빈, 증기 터빈과 함께 발전기를 구동시키는 가스 터빈, 발전기에 의한 전력 발생에 기초하여 전기의 감소를 보충하는 보조 발전기를 포함하고, 주 엔진에서 발생된 배기가스의 일부를 가스 터빈에 공급하여 그 가스 터빈으로부터의 배기가스 (의 열량) 를 배기가스 이코노마이저에 방출시키는 배열 회수 시스템의 제어 장치로서, 상기 제어 장치는:
    배기가스 이코노마이저의 열 에너지 검출 신호에 기초하여 현재 축열량 (Q) 을 추정 또는 연산하는 획득 유닛;
    보조 발전기의 작동 상태 및 선박 내의 전력 수요에 기초하여, 보조 발전기가 가동될 때까지 필요 전력을 유지시키는데 필요한 기준 열량 (Qmin) 을 얻는 획득 유닛; 및
    현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 커지도록, 정지 상태, 대기 상태 및 구동 상태로부터 보조 발전기의 작동 상태를 선택함으로써 보조 발전기를 제어하는 제어 유닛을 포함하는, 배열 회수 시스템의 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    가스 터빈을 우회하여 주 엔진에서 발생된 배기가스의 일부를 배기가스 이코노마이저에 공급하는 바이패스 라인;
    바이패스 라인에 배치되고 배기가스의 유량을 변화시키는 바이패스 밸브; 및
    배기가스 이코노마이저에 비축된 현재 축열량 (Q) 이 기준 열량 (Qmin) 보다 더 커지도록 바이패스 밸브의 개방을 조정하는 바이패스 밸브 조정 유닛을 더 포함하는, 배열 회수 시스템의 제어 장치.
KR1020117011870A 2008-12-25 2009-12-16 선박용 배열 회수 시스템의 제어 방법 및 제어 장치 KR101303985B1 (ko)

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