KR101426138B1 - 선박의 폐열 회수 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

선박의 폐열 회수 시스템 시스템이 개시된다. 상기 선박의 폐열 회수 시스템은 흡기부와 배기부를 포함하고 가동시 발생하는 배기가스를 상기 배기부를 통하여 배출하는 엔진, 상기 엔진의 배기부를 통하여 배출되는 배기가스의 열에너지에 의해 압축공기를 생성하여 상기 엔진의 흡기부로 공급하는 터보차저, 상기 터보차저를 구동시키면서 배출되는 배기가스를 공급받고, 공급되는 배기가스의 열에너지를 이용하여 급수되는 물을 가열하여 포화증기를 생성하는 이코노마이저, 상기 이코노마이저로부터 공급되는 포화증기를 상기 엔진의 배기가스를 이용하여 재가열함으로써, 포화증기를 과열증기로 변환하여 공급하는 열교환수단, 상기 열교환수단으로부터 출력되는 과열증기를 공급받아 동력을 생성하는 스팀터빈, 및 상기 스팀터빈의 동력에 의하여 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 폐열 회수 시스템 및 그 방법{Waste heat recovery system of the vessel and the method thereof}
본 발명은 폐열 회수 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박의 엔진 가동시 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 전력을 생산하는 선박의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.
선박에는 선박의 추진을 위한 주엔진, 및 선박 내의 시설들에 전력 및 필요한 에너지를 공급하기 위한 보조엔진 등 다수의 엔진이 설치되어 있다.
이러한 주엔진 및 보조엔진을 가동하는 데에는 많은 연료가 소모되고, 이에 상응하여 많은 양의 배기가스가 배출되게 된다.
그런데, 엔진에서 배출되는 배기가스에는 많은 열에너지가 함유되어 있다. 근래에는 이러한 엔진의 배기가스에 포함된 많은 열에너지를 회수하여 전력생산, 난방 등 다양한 에너지원으로 이용하기 위한 다양한 폐열 회수 방법들이 연구되고 있다.
그 중에서도, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진의 배기가스를 이용하여 선박에 필요한 전력을 생산함으로써, 전력생산을 위해 가동되는 보조엔진에서의 연료소모를 줄일 수 방법들에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 선박의 폐열 회수 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 선박의 폐열 회수 시스템(100)은 엔진(110), 터보차저(120), 이코노마이저(130), 스팀터빈(140), 및 발전기(150)를 포함하여 구성된다.
엔진(110)은 흡기부(111)와 배기부(112)를 포함하고, 엔진(110)의 실린더에서 연소시 발생하는 배기가스를 배기부(112)에서 수집하여 압력 및 온도의 평형을 이루어 배출하게 된다.
터보차저(120)는 엔진(110)의 배기부(112)를 통하여 배출되는 배기가스의 고온고압의 열에너지를 이용하여 터빈을 구동하고, 터빈은 컴프레셔를 가동시켜 고압의 압축공기를 생성하여 엔진(110)의 흡기부(111)로 공급한다.
이코노마이저(130)는 터보차저(120)를 가동시킨 후 배출되는 배기가스를 공급받아 배기가스가 포함하고 있는 열에너지에 의해 급수되는 물을 가열하여 증기를 생성하여 스팀터빈(140)으로 공급한다.
스팀터빈(140)은 이코노마이저(130)로부터 공급되는 증기에 의하여 동력을 발생하고, 발전기(150)는 이러한 스팀터빈(140)의 동력을 이용하여 전력을 생산하게 된다.
결국, 발전기(150)의 발전효율은 스팀터빈(140)의 출력효율에 의하여 많은 영향을 받게 된다.
그런데, 엔진의 배기부(112)로부터 배출되는 배기가스는 터보차저(120)를 통과하면서 많은 열손실이 발생하게 된다.
그리고, 이코노마이저(130)는 이러한 열손실에 의하여 열교환 효율이 저하됨으로써, 스팀터빈이 안정적인 출력효율을 얻기 위해 필요한 충분한 온도와 압력을 갖는 과열증기를 생성하지 못하는 문제가 있었다.
이러한 문제를 방지하기 위하여 일반적인 폐열 회수 시스템(100)에서는 이코노마이저(130) 내에 배기가스에 의해 발생한 포화증기를 재가열하여 과열증기를 생성하기 위한 별도의 설비(미도시)를 설치해야만 한다.
그러나, 이러한 방법은 고압 과열증기를 생성하기 위해 이코노마이저(130) 내부의 열교환 면적 증가 및 내부의 설계가 복잡해지고, 이코노마이저(130)의 부피가 커지게 되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이코노마이저에서 생성되는 포화증기를 과열증기로 변환시켜 스팀터빈의 출력효율을 향상시킬 수 있는 선박의 폐열 회수 시스템 및 그 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 선박의 폐열 회수 시스템에 사용되는 이코노마이저의 고압 과열증기 열교환기의 설치가 불필요함에 따라 이코노마이져의 부피 감소 및 시스템 최적화할 수 있는 선박의 폐열 회수 시스템 및 그 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템은 흡기부와 배기부를 포함하고 가동시 발생하는 배기가스를 상기 배기부를 통하여 배출하는 엔진; 상기 엔진의 배기부를 통하여 배출되는 배기가스의 운동에너지에 의해 압축공기를 생성하여 상기 엔진의 흡기부로 공급하는 터보차저; 상기 터보차저를 구동시키면서 배출되는 배기가스를 공급받고, 공급되는 배기가스의 열에너지를 이용하여 급수되는 물을 가열하여 포화증기를 생성하는 이코노마이저; 상기 이코노마이저로부터 공급되는 포화증기를 상기 엔진의 배기가스를 이용하여 재가열함으로써, 포화증기를 과열증기로 변환하여 공급하는 열교환수단; 상기 열교환수단으로부터 출력되는 과열증기를 공급받아 동력을 생성하는 스팀터빈; 및 상기 스팀터빈의 동력에 의하여 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 폐열 회수 방법은 엔진의 배기부로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 포화증기를 생성하는 단계; 상기 생성된 포화증기를 엔진의 배기부 내의 배기가스와의 열교환을 통하여 과열증기로 변환시키는 단계; 상기 과열증기를 스팀터빈에 공급하여 동력을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 동력에 의하여 발전기를 가동시켜 전력을 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템 및 그 방법은 이코노마이저에서 생성되는 포화증기를 과열증기로 변환시켜 스팀터빈으로 공급함으로써 열효율 증대를 통한 발전효율을 향상시켜 선박의 총 연료 사용량을 저감 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템 및 그 방법은 이코노마이저의 부피를 줄임으로써 시스템에 사용되는 이코노마이저의 제작비용 절감 및 선체 내의 공간 활용도를 증대할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 좀더 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 일반적인 선박의 폐열 회수 시스템을 나타내는 시스템도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 열교환수단의 설치위치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선박의 폐열 회수 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 동작상의 이점 및 실시 예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부도면을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 선박의 폐열 회수 시스템(200)은 엔진(210), 터보차저(220), 이코노마이저(230), 열교환수단(240), 스팀터빈(250), 및 발전기(260)를 포함하여 구성된다.
상기 엔진(210)은 배기부(211)와 흡기부(212)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 프로펠러를 회전시켜 선박을 추진하기 위한 주엔진을 예시하였으나, 이에 한정된 것은 아니며, 선박에 필요한 전력을 생산하기 위한 보조엔진일 수도 있다.
배기부(211)는 엔진 가동시 실린더들(미도시)로부터 발생하는 배기가스를 수집하여 압력 및 온도를 일정하게 하여 터보차저(220)로 공급한다. 이때, 터보차저(220)로 공급되는 배기가스의 온도는 약 430℃ ~ 460℃가 된다.
흡기부(212)는 터보차저(220)에서 발생하는 압축공기를 공급받아 엔진(210)의 실린더들(미도시)로 공급한다.
터보차저(220)는 엔진의 배기부(211)를 통하여 배출되는 배기가스의 고온오압의 열에너지에 의해 압축공기를 생성하여 엔진의 흡기부(212)로 공급한다.
즉, 터보차저(220)로 공급되는 배기가스는 터보차저를 구성하는 터빈(T)을 구동하고, 터빈의 구동에 의하여 컴프레셔(C)를 가동하여 고압의 압축공기를 생성하게 된다.
그리고, 터보차저(220)를 구동하고 배출되는 배기가스는 이코노마이저(230)로 공급된다. 이때, 터보차저(220)로부터 배출되는 배기가스의 온도는 약 245℃ ~ 300℃가 된다.
이코노마이저(230)는 터보차저(220)를 통하여 공급되는 배기가스를 공급받고, 공급되는 배기가스의 폐열 에너지를 이용하여 급수펌프(미도시)에 의해 공급되는 물(Feed water)을 가열하여 포화증기(Saturation steam)를 생성한다.
이때, 이코노마이저(230)에서 생성되는 증기의 온도는 약 160℃ ~ 165℃가 된다.
열교환수단(240)은 이코노마이저(230)로부터 공급되는 포화증기를 엔진의 배기부(211) 내에 존재하는 고온의 배기가스와 열교환하여 과열증기(superheated steam)로 변환시켜 스팀터빈(250)으로 공급한다.
이때, 열교환수단(240)에서 변환되는 과열증기의 온도는 약 200℃이상이 된다. 즉, 이코노마이저(230)로부터 생성된 포화증기의 온도는 배기부내의 배기가스와의 열교환에 의하여 약 160℃ ~ 165℃에서 약 200℃ 이상으로 상승하여 과열증기로 변하게 되는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 열교환수단(240)에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 3은 도 2에 도시된 열교환수단의 설치위치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열교환수단(240)은 엔진의 배기부(211) 내부에 설치된다.
열교환수단(240)은 내부가 비어있는 관 형상을 하고, 이코노마이저(230)로부터 공급되는 포화증기를 내부로 통과시킨다.
이때, 열교환수단(240) 내부를 통과하는 포화증기는 엔진의 배기부(211) 내의 고온의 배기가스에 의하여 재가열됨으로써 과열증기로 변환되어 스팀터빈(250)으로 공급된다.
즉, 열교환수단(240)을 통과하는 포화증기는 외부의 고온 배기가스(즉, 배기부 내의 배기가스)와의 온도 차에 의하여 열교환이 발생하게 되고, 일정온도 이상 상승하여 열량이 높은 과열증기가 스팀터빈(250)으로 공급되는 것이다. 이 과열증기를 증기 터빈에 사용하면, 열효율을 향상 시키고 습분의 감소로 터빈 날개의 부식, 마찰, 파손 등의 장해를 방지할 수 있다.
열교환수단(240)은 도 3에 도시된 바와 같이 일정 직경을 갖는 중공형 원통 형상으로 이루어진다. 그러나, 이에 한정된 것은 아니며, 열교환수단(240)은 배기가스와의 접촉면적을 늘려 열교환효율을 향상시킬 수 있도록 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
예컨대, 열교환수단(240)은 외벽이 주름진 형상 또는 요철형상으로 구현될 수 있고, 외벽에 방열핀이 설치될 수도 있다. 또한, 열교환수단(240)은 원통 형상의 관이 나선형상으로 이루어져 배기가스와의 접촉면적을 늘리도록 구현될 수 있다.
스팀터빈(250)은 열교환수단(240)으로부터 공급되는 과열증기를 이용하여 동력을 생성하여 발전기(260)로 공급한다.
발전기(260)는 스팀터빈(250)의 동력을 이용하여 전력을 생산하여 선박의 내의 전력기기들로 공급한다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐열 회수 시스템은 열교환수단(240)을 통하여 이코노마이저(230)로부터 공급되는 포화증기를 과열증기로 변환시키고, 이 과정에서 엔탈피가 증가하여 스팀터빈(260)의 출력이 증가하게 된다.
결국, 스팀터빈(260)의 출력향상에 상응하여 발전기의 발전효율이 향상되어 폐열 회수 시스템 효율 및 스팀터빈 발전 전력양의 증대를 통해 선박의 총 연료 저감을 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 폐열 회수 시스템(200)은 동력전달수단(270)을 더 포함할 수 있다.
동력전달수단(270)은 스팀터빈(250)과 엔진(210)을 기계적으로 결합시켜 스팀터빈(250)의 동력을 엔진(210)으로 전달하여 엔진의 추진력을 보조한다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진이 프로펠러를 구동하는 추진용주기 엔진인 경우 엔진의 추진력을 보조하여 프로펠러의 출력을 증가시킬 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 폐열 회수 시스템(200)은 엔진(210) 가동시 소모되는 연료를 절약할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 폐열 회수 시스템은 제1 배기가스 제어수단(280) 및 제2 배기가스 제어수단(290)을 더 포함할 수 있다.
제1 배기가스 제어수단(280)은 제1 배기밸브(281) 및 제1 배기라인(282)으로 구성된다.
제1 배기가스 제어수단(280)은 엔진(210)의 부하가 일정수준 이상(예컨대, 선박의 고속 운항)인 경우, 제1 배기밸브(281)를 제어하여 엔진의 배기부(211)의 배기가스 중 일부를 제1 배기라인(282)을 통하여 상기 이코노마이저(230)로 직접 공급한다.
제2 배기가스 제어수단(290)은 제2 배기밸브(291) 및 제2 배기라인(292)으로 구성된다.
제2 배기가스 제어수단(290)은 엔진의 부하가 일정수준 이하(예컨대, 선박의 저속 운항)인 경우 제2 배기밸브(291)를 제어하여 이코노마이저(230)로 공급되는 배기가스를 제2 배기라인(292)을 통하여 외부로 바이패스시켜 배출한다.
즉, 엔진(210)의 부하가 일정수준 이하가 되어 배기가스 발생이 충분하지 않게 되면 배기가스의 유속이 느려져 이코노마이저(230) 내부를 통과하는 배기가스에 포함된 탄소화합물 등의 노폐물이 이코노마이저(230) 내벽에 침착하여 이코노마이저(230)의 손상을 야기시키게 된다.
따라서, 제2 배기가스 제어수단(290)은 엔진(210)의 부하가 일정 수준 이하인 경우 이코노마이저(230)로 공급되는 배기가스를 시스템 외부로 바이패스 시켜 이코노마이저(230)가 손상되는 것을 방지한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 폐열 회수 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 선박의 폐열 회수 시스템(S300)이 시작되면, 이코노마이저(230)는 엔진(210)의 배기부(211)로부터 배출되는 배기가스를 공급받아 가동되고 포화증기를 생성한다(S110).
그리고, 열교환수단(240)은 이코노마이저(230)에서 생성된 포화증기를 공급받아 과열증기로 변환한다(S120).
좀더 상세히 설명하면, 열교환수단(230)은 엔진(210)의 배기부(211) 내에 설치되고, 공급되는 포화증기를 엔진(210)의 배기부(211) 내에 있는 고온의 배기가스를 이용하여 가열하여 포화증기로 변환시키게 되는 것이다.
즉, 이코노마이저(230)로부터 공급되는 포화증기의 온도는 약 160℃ ~ 165℃정도이고, 배기부(211) 내의 배기가스의 온도는 약 430℃ ~ 460℃이다. 따라서, 열교환수단(230)으로 공급되는 포화증기는 열교환수단(230)이 설치되는 배기부(211) 내부의 온도와의 열교환에 의하여 온도가 상승하여 약 200℃를 갖는 과열증기로 변환되어 스팀터빈(250)으로 공급되는 것이다.
그리고, 스팀터빈(250)은 열교환수단(240)으로부터 공급되는 과열증기를 공급받아 동력을 생성하고, 발전기(260)는 스팀터빈(250)에서 생성된 동력을 이용하여 전력을 생산하게 된다(S130 ~ S140).
이때, 본 발명에 따른 선박의 폐열 회수 방법은 과열증기에 의해 발생하는 스팀터빈(250)의 동력을 동력전달수단(270)을 통하여 엔진(210)으로 공급하여 엔진(210)의 추진력을 보조하도록 구현될 수도 있다. 즉, 프로펠러 보조동력으로 공급되도록 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 폐열 회수 방법은 엔진(210)의 부하용량이 일정수준 이상인 경우에 엔진 배기부 내의 배기가스 일부를 이코노마이저(230)로 직접 공급하여 포화증기양을 증가시켜 발전 효율을 최적화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박의 폐열 회수 방법은 엔진(210)의 부하용량이 일정수준 이하인 경우 이코노마이저(230)로 공급되는 배기가스를 차단하고, 외부로 바이패스 되도록 구현될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
200: 선박의 폐열 회수 시스템 210: 엔진
211: 배기부 212: 흡기부
220: 터보차저 230: 이코노마이저
240: 열교환수단 250: 스팀터빈
260: 발전기 270: 동력전달수단
280: 제1 배기가스 제어수단 281: 제1 배기밸브
282: 제1 배기라인 290: 제2 배기가스 제어수단
291: 제2 배기밸브 292: 제2 배기라인

Claims (11)

  1. 흡기부와 배기부를 포함하고 가동시 발생하는 배기가스를 상기 배기부를 통하여 배출하는 엔진;
    상기 엔진의 배기부를 통하여 배출되는 배기가스의 열에너지에 의해 압축공기를 생성하여 상기 엔진의 흡기부로 공급하는 터보차저;
    상기 터보차저를 구동시키면서 배출되는 배기가스를 공급받고, 배출되는 배기가스의 폐열 에너지를 이용하여 공급되는 물을 가열하여 포화증기를 생성하는 이코노마이저;
    상기 이코노마이저로부터 공급되는 포화증기를 상기 엔진의 배기가스를 이용하여 재가열함으로써, 포화증기를 과열증기로 변환하여 공급하는 열교환수단;
    상기 열교환수단으로부터 출력되는 과열증기를 공급받아 동력을 생성하는 스팀터빈;
    상기 스팀터빈의 동력에 의하여 전력을 생산하는 발전기; 및
    상기 엔진의 부하용량이 일정수준 이상인 경우 상기 배기부의 배기가스 중 일부를 상기 터보차저를 경유하지 않고 상기 이코노마이저로 직접공급하기 위한 제1 배기가스 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환수단은,
    상기 엔진의 배기부 내부에 설치되며,
    상기 열교환수단으로 공급되는 포화증기는 상기 배기부 내부의 배기가스에 의하여 재가열되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환수단은,
    상기 포화증기가 통과하기 위해 내부가 비어있는 일정 길이를 갖는 중공형 원통 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열교환수단은,
    상기 배기가스와의 접촉면적을 증가시키기 위해 외벽이 주름진 형상 또는 요철 형상을 이루어진 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선박의 폐열 회수 시스템은,
    상기 스팀터빈 구동시 상기 스팀터빈의 기계적 에너지를 상기 엔진으로 전달하여 상기 엔진의 추진력을 보조하기 위한 동력전달수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 선박의 폐열 회수 시스템은,
    상기 엔진의 부하용량이 일정수준 이하인 경우, 상기 이코노마이저로 공급되는 배기가스를 이코노마이저 외부로 바이패스시키는 제2 배기가스 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템.
  8. 엔진의 배기부로부터 배출되는 배기가스를 이용하여 포화증기를 생성하는 단계;
    상기 생성된 포화증기를 엔진의 배기부 내의 배기가스와의 열교환을 통하여 과열증기로 변환시키는 단계;
    상기 과열증기를 스팀터빈에 공급하여 동력을 생성하는 단계;
    상기 생성된 동력에 의하여 발전기를 가동시켜 전력을 생산하는 단계; 및
    상기 엔진의 부하용량이 일정수준 이상인 경우 배기가스의 일부를 상기 엔진의 배기부에서 이코노마이저로 직접 공급하는 단계를 포함하는 선박의 폐열 회수 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선박의 폐열 회수 방법은,
    상기 스팀터빈 가동시 발생하는 동력을 상기 엔진으로 공급하여 상기 엔진의 추진력을 보조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 선박의 폐열 회수 방법은,
    상기 엔진의 부하용량이 일정수준 이하인 경우, 이코노마이저로 공급되는 배기가스를 차단하고, 외부로 바이패스하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 방법.
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