KR101519755B1 - 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클 시스템을 구비한 선박 - Google Patents

선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클 시스템을 구비한 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로서, 더욱 자세 하게는 메인 엔진에서 배출되는 폐열을 이용하여 방한을 구현하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박은 선박에 구비되며 메인 엔진에서 배출된 배기 가스를 상기 메인 엔진에 장착된 배기 가스 리시버를 통해서 터보 차저의 블레이드를 회전시키는 터보 차저부; 상기 터보 차저부로부터 출력된 고온의 배기 가스를 이용하여 스팀을 생성하는 이코노마이저; 상기 이코노마이저로부터 출력된 상기 스팀을 열전달하고 열전달된 유기 냉매를 이용하여 착빙을 방지하도록 열원을 방한 지역에 공급하는 ORC 시스템; 및 상기 ORC 시스템에서 열전달되어 온도가 낮아진 배기 가스를 배출하는 굴뚝부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박에 의하면, 메인 엔진의 폐열을 이용하여 방한함으로 방한 기술 적용시 선박의 발전기 용량의 증가를 방지할 수 있다는 효과를 가진다.

Description

선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클 시스템을 구비한 선박{Vessel equipping ORC system for ice classes using waste heat of ship}
본 발명은 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로서, 더욱 자세 하게는 메인 엔진에서 배출되는 폐열을 이용하여 방한을 구현하는 시스템에 관한 것이다.
최근 북극 해역은 세계 석유 매장량 13%, 천연 가스 매장량 30% 등 대규모 자원 매장 지역으로 밝혀짐과 동시에 지구 온난화로 인해 북극해 항로가 열리면서 열악한 기후 및 빙상 환경 등으로 접근이 어려웠던 극지 자원 개발 및 북극해 항로를 통한 물류 운송에 관심을 갖게 되면서 자원의 탐사와 채굴을 위한 각종 해양 플랜트 및 수송을 위한 쇄빙 선박의 건조가 증가하는 추세이다.
하지만 극지역에서 활동할 수 있는 빙해 선박이라 할지라도 극지역의 Risk(위험 요소)로 인해 빙해 선박의 극지 해역 운항시 주의를 요하고 있다.
Risk 항목은 다음과 같다.
Artic risk : Low temperature, Sea ice(Icing), Darkness, Operation, Remoteness, Environment(Fog, Snow, Wind ...)
이러한 위험 요소 중 Icing(착빙)은 극지역 항해에 있어서 수분(Snow, Rain, Fog, Sea water spray 등)과 환경 조건(Wind, Low temperature, Open sea 등)의 상관 관계로 인해 도 1의 상단 그림처럼 발생하게 된다.
착빙은 선박의 Stability(안정성)에 영향을 주어 Draft, Trim, 저항 성능 등에 변화를 주고 항해 장비(Antenna, Radar, Window 등) 및 노출 갑판 기자재(Life boat, Anchor, Valves, Gangway, Railing 등)에 영향을 주어 선원의 안전과 선박 항해에 문제가 된다.
따라서 이러한 문제는 빙해 선박에 있어서 극지역 운항시 중요한 문제로 인식이 되고 있으며 방한 기술(Winterization)을 선박에 적용하고 있다.
방한 기술은 극지역에서의 위험 요소(착빙)을 줄여주는 역할로 선원의 건강과 안전, 장비의 작동 가능하도록 해주는 것으로 선박의 건조 과정에서 다루어지는 문제로서 강제 규정은 아니지만 선박의 안전 운항 및 저온 환경에서 기자재 및 긴급, 구난 장비 등의 성능과 밀접한 관련이 있는 사항이다.
그러므로 극지 환경에서 상부 구조물의 착빙에 따른 빙해 선박의 안전성 확보 대책과 함께 빙해 선박에 탑재되는 의장품들은 북극해의 저온 상태에서 결빙이 발생하더라도 사용이 가능하도록 설계가 되어야한다.
방한 기술은 크게 2가지로 나누어지는데 첫째로 Anti-icing으로 Radar나 Anchor, Life boat 등 항상 착빙이 될 수 없도록 사전에 방지하는 것을 의미하고 둘째로 De-icing으로 Gangway, Lighting 등 착빙이 되어 있는 기자재를 어느 일정 시간 안에 다시 사용할 수 있도록 하는 것을 의미한다.
선박에서 방한 기술이 적용 고려되어지는 부분은 도 1의 하단 그림과 같다.
최근 스웨덴 Stena사로부터 수주된 극지용 시추선(Ice class drill ship)의 경우 갑판 통로와 루버 등에 열선(Heating cable)을 이용한 결빙 방지 시공 기술이 적용된 사례가 있으며 난간 PV valve, Air vent head 등의 선박 기자재에 대한 저온 성능 평가 시험이 수행된 바 있다.
또한 밸러스트 수의 결빙을 방지하기 위해 에어 버블(Air bubble) 장치 및 도 2의 우측 그림처럼 열선 코일(Heating coil) 설치 등의 방법이 사용되고 있다.
미국 선급에서는 결빙 방지를 위한 설계 온도(Design service temperature,DST)를 -30℃ ~ -10℃로 구분을 하고 있으며, 밸러스트 수의 결빙 방지를 위해 선체 내부에 난류 발생 장치(Turbulence-inducing system) 또는 난방 장치(Heating system)가 사용되고 있다.
대부분의 상선에 적용하는 M/E(Main engine)은 주로 2행정 저속 디젤 엔진으로 전체 효율의 약 50%를 선박 추진에 사용하고 있으며 나머지는 열 에너지 상태로 외부로 방출한다.
특히 배기 가스(Exhaust gas)와 소기(Scavenge air)의 폐열량은 방출 에너지의 약 40%를 차지하고 있으며 이중 배기 가스의 경우 약 25%를 차지한다.
배기 가스의 폐열 온도는 T/C(Turbo charger)를 작동시킨 후 후단에서 약 240℃ ~ 300℃를 보인다.
최근 M/E의 효율을 높이고 환경 규제에 대응하기 위해 설명한 고온의 배기 가스 폐열을 이용하여 Exhaust gas boiler나 Economizer를 통해 선박에 필요한 Steam을 생성한다.
이 때 Steam 생성 후 버려지는 배기 가스 온도는 일반 상선의 M/E 배기 가스 배출 한계 온도 160℃(배기 가스 성분 중 황산화물이 존재하는데 160℃ 이하가 될 경우 황산화물이 침전하여 배관, boiler 등의 기자재의 부식이 발생할 수 있음) 이상인 약 200℃ ~ 220℃를 보인다.
도 2의 좌측 그림은 ORC(Organic rankine cycle) 발전 시스템으로 기존의 랭킨 사이클과 달리 물보다 낮은 온도에서 증발이 일어나는 유기 냉매(Refrigerants)를 작동 유체로 사용하는 랭킨 사이클로 저온의 열원으로도 고온, 고압의 증기를 생성하여 고효율의 전력 생산이 가능한 시스템이다.
지열 발전 등에 상용화되고 있으며 최근 들어 선박 배기 가스의 온실 온도 및 황산화물, 질산화물, 분진 등의 유해 배출 가스 정화 설비 적용 및 연료비 절감을 위한 감속 운항이 지속되면서 선박 배기 가스의 온도가 낮아지고 있어 ORC 시스템을 이용한 폐열 회수 발전 시스템이 주목되고 있다.
ORC 시스템에 적용되는 작동 유체는 다양한데 앞서 설명하였듯이 선박 배기 가스를 Exh. Gas boiler 등을 통해 Steam을 생성한 후 후단의 온도는 약 200℃ ~ 220℃로 지열 발전의 온도 영역과 근사하며 선박 배기 가스 등의 폐열 조건에서 사용 가능한 유기 냉매를 물과 비교하여 다음 표 1에 정리하였다.
유기 냉매 물성치
작동 유체 Water Ammonia Isopentane R134a R235fa
Type Wet Wet Wet Isentropic Dry
화학식 H20 NH3 (CH3)2CHC2H5 CH2FCF3 CHF2CH2CF3
분자량 18 17.03 72.15 102.03 134.05
GWP Natural
Refrigerant		 Natural
Refrigerant		 11 1,300 950
Tc
[임계온도 ℃]		 375.95 132.25 187.8 101.06 154.05
Pc
[임계압력 bar]		 220.64 113.33 32.9 40.59 36.40
Tb
[비점 ℃]		 100.0 -33.33 27.9 -26.07 14.9
Tf
[융점 ℃]		 0 -77.73 -160 -96.6 -67.2
이러한 선박의 결빙 방지에 관한 기술이 대한 조선 학회 논문집(Vol.48,No.1, pp.93-97, February 2011, 극지 운항용 방해 선박의 밸러스트 수 결빙 방지 기법 연구) 및 대한 조선 학회 논문집(Vol.48,No.6, pp.575-580, December 2011, 내빙 선박용 풍우밀 문의 결빙 방지 기법 연구)에 개시된다.
그러나 상기 기술은 연료를 소모하는 발전기의 용량이 커짐으로 엔진의 연료 사용량이 증가함으로 이에 따른 환경 오염을 초래할 수 있다는 문제를 가진다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로 메인 엔진으로부터 배출된 배기 가스를 ORC 시스템을 이용하여 방한 지역에 공급하여 착빙을 방지하는 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박은 선박에 구비되며 메인 엔진에서 배출된 배기 가스를 상기 메인 엔진에 장착된 배기 가스 리시버를 통해서 터보 차저의 블레이드를 회전시키는 터보 차저부; 상기 터보 차저부로부터 출력된 고온의 배기 가스를 이용하여 스팀을 생성하는 이코노마이저; 상기 이코노마이저로부터 출력된 상기 스팀을 열전달하고 열전달된 유기 냉매를 이용하여 착빙을 방지하도록 열원을 방한 지역에 공급하는 ORC 시스템; 및 상기 ORC 시스템에서 열전달되어 온도가 낮아진 배기 가스를 배출하는 굴뚝부;를 포함한다.
여기서, 상기 ORC 시스템은 상기 이코노마이저로부터 출력된 스팀을 이용하여 액체의 유기 냉매를 기화 시켜 스팀으로 변환하고 상기 변환된 스팀을 상기 방한 지역에 공급하는 기화기, 상기 방한 지역을 가열하기 위해 공급된 상기 스팀을 입력받고 온도를 낮추어 유체로 상을 변환하는 콘덴서, 상기 콘덴서로부터 출력된 유체를 저장하는 탱크,와 상기 탱크에 저장된 유기 냉매의 압력을 높여 유기 냉매 순환 파이프를 통하여 다시 상기 기화기로 입력하여 재순환시키는 펌프를 포함한다.
또한, 상기 방한 지역은 선박의 굴뚝부 주변 거주구, 구명 보트, 레이더 장비 및 발라스트 탱크를 포함하며 각각의 방한 지역은 하나 이상의 직렬 또는 병렬 또는 직/병렬 연결되는 파이프로 이루어지며 상기 파이프의 내부에는 방한용 스팀이 공급된다.
또한, 상기 ORC 시스템은 상기 파이프와 상기 콘덴서 사이에 밸브를 더 포함하며, 상기 밸브는 상기 파이프에서 출력된 유기 냉매를 일정한 압력으로 감압하여 상기 콘덴서의 효율을 향상시킨다.
또한, 상기 유기 냉매는 발화점이 없는 발포제이며 HFC,1,1,3,3-펜타플루오로프로판이다.
본 발명에 따른 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박에 의하면, 메인 엔진의 폐열을 이용하여 방한함으로 방한 기술 적용시 선박의 발전기 용량의 증가를 방지할 수 있다는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박에 의하면, 발전기의 용량을 줄여 연료 사용량을 줄일 수 있어 각종 환경 규제 강화에 대비할 수 있다는 효과를 가진다.
도 1은 종래에 따른 착빙, 방한 기술이 고려되는 선박의 각 부분을 도시한 도면;
도 2는 종래에 따른 ORC 발전 시스템의 개념도와 결빙 방지를 위해 선박의 갑판에 설치된 열선을 도시한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 ORC 시스템의 구성도;
도 4는 도 3에 따른 유기 냉매(R245fa)의 T-s 선도를 도시한 도면;
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 아래에서 상세하게 설명한다.
도면 3 내지 도면 4를 참조하면, 본 발명에 따른 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템은 메인 엔진(110), 이코노마이저(120), ORC 시스템(130), 굴뚝부(140) 및 선박 서비스 스팀부(150)를 포함하여 구성된다.
상기 메인 엔진(110)은 배기 가스 리시버(111)와 터보 차저부(112)를 포함하여 구성된다.
상기 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템(130)은 기화기(131), 밸브(133), 콘덴서(134), 탱크(135), 펌프(136) 및 유기 냉매 순환 파이프(131a)를 포함하여 구성된다.
여기서, 메인 엔진(110)으로부터 배출된 배기 가스는 배기 가스 배출 파이프(110a)를 통하여 굴뚝부(140)로부터 배출되며, 이코노마이저(120)로부터 생성된 스팀은 스팀 공급 파이프(120a)를 통하여 선박 서비스 스팀부(150)로 공급된다.
상기 선박 서비스 스팀부(150)는 스팀 내부에 함유된 수분을 제거하는 필터 장치 등을 구비하며 파이프를 통하여 거주구 내의 난방 장치와 온수 생성 장치와 같은 선내 스팀 이용 설비에 건조된 스팀을 공급한다.
상기 메인 엔진(110)은 샤프트를 통하여 발전기 및 추진 프로펠러에 연결되며 선박을 움직이는 에너지를 생성한다.
본 발명은 앞서 설명하였듯이 선박의 배기 가스의 폐열을 이용하여 Exhaust gas boiler나 Economizer를 통해 선박에 필요한 Steam을 생성 후 장비 후단에 배출되는 배기 가스 온도는 약 200℃ ~ 220℃로 배기 가스 배출 한계 온도(160℃) 이상을 보인다.
결국 배기 가스 배출 한계 온도까지 열교환기 등을 통해 재회수가 가능하다는 결론을 얻을 수 있는데 이 때 재회수된 폐열 에너지를 통해 빙해 선박의 방한 기술에 적용을 검토해 보았다.
배기 가스 폐열 회수를 이용한 빙해 선박 방한 기술은 시스템 구성은 도 3과 같다.
먼저 M/E에서 T/C를 작동시킨 후의 배기 가스 폐열을 이용해 Exhaust gas boiler나 Economizer를 통해 청수(Fresh water)와 열교환시켜 선박에 필요한 Steam을 생성한다.
이 후 후단의 배기 가스(약 200℃ ~ 220℃)를 배출 한계 온도인 160℃까지 Vaporizer를 통해 ORC 시스템의 작동 유체인 유기 냉매(Refrigerants)와 열교환시켜 건포화 증기(Dry saturated steam) 이상의 Steam을 생성한다.
생성된 유기 냉매 Steam을 방한 기술이 필요한 공간에 설치된 Pipe에 통과시켜 외부 온도를 대기 온도 이상으로 올려 착빙이 생기지 않도록 한다.
이후 사용된 유기 냉매 Steam은 Valve를 통과시켜 감압시킨 후 Condenser를 거쳐 유체로 상을 바꾼 후 Tank로 유입시키고 다시 Pump를 통해 Vaporizer로 유입시켜 재순환 하도록한다.
여기서, ORC 작동 유체를 앞서 제시한 유기 냉매 중 R245fa로 가정하면 표 1에서 보듯이 대기압에서 끊는점이 14.9℃, 임계 압력 36.4bar, 임계 온도 154.05℃로 저온의 열원으로도 증기 생성이 가능하다.
또한 대기압 상태에서 융점은 극지역의 대기 온도보다 낮은 -67.2℃를 보여 극지역에서 사용하기 적합하다.
R245fa는 도 4에서 보듯이 3bar로 가압시 건포화 증기 온도는 45.81℃, 6bar로 가압시 69.5℃를 보이는데 이 온도 대역의 Steam을 생성시켜 방한 기술 장소에 제공(Pipe) 된다면 대기 온도를 높여 착빙을 방지할 수 있을 것으로 본다.
이러한 시스템은 접근성이 가까운(Funnel 주변) 거주구나 Life boat, Radar 장비 그리고 최근 착빙 문제가 거론되는 Ballast Tank 등에 적용이 가능할 것으로 보이며 시스템 적용시 방한 기술에 필요한 전기 에너지나 열에너지를 줄일 수 있고 기존 발전기의 용량을 줄여 연료 사용량을 줄일 수 있을 것으로 보여진다.
또한 M/E 효율을 증가시킬 수 있고 각종 환경 규제 강화를 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
상기 터보 차저부(112)는 선박에 구비되며 메인 엔진(110)에서 배출된 배기 가스를 상기 메인 엔진(110)에 장착된 배기 가스 리시버(111)를 통해서 터보 차저의 블레이드를 회전시킨다.
상기 이코노마이저(120)는 상기 터보 차저부(112)로부터 출력된 고온의 배기 가스를 이용하여 스팀을 생성하여 ORC 시스템(130) 및 선박 서비스 스팀부(150)에 공급한다.
상기 ORC 시스템(130)은 상기 이코노마이저로(120)부터 출력된 상기 스팀을 열전달하고 열전달된 유기 냉매를 이용하여 착빙을 방지하도록 열원을 방한 지역(132)에 공급한다.
상기 굴뚝부(140)는 상기 ORC 시스템(130)에서 열전달되어 온도가 낮아진 배기 가스를 외부에 배출한다.
또한 상기 기화기(131)는 상기 이코노마이저(120)로부터 출력된 스팀을 이용하여 액체의 유기 냉매를 기화시켜 스팀으로 변환하고 변환된 스팀을 상기 방한 지역(132)에 공급한다.
상기 콘덴서(134)는 방한 지역(132)을 가열하기 위해 공급된 상기 스팀을 입력받고 온도를 낮추어 유체로 상을 변환시킨다.
상기 탱크(135)는 일정 공간을 구비하며 콘덴서(134)로부터 출력된 유체를 저장하한다.
상기 펌프(136)는 상기 탱크(135)에 저장된 유기 냉매의 압력을 높여 유기 냉매 순환 파이프(131a)를 통하여 다시 상기 기화기(131)로 입력하여 재순환시킨다.
여기서, 상기 방한 지역(132)은 선박의 굴뚝부 주변 거주구, 구명 보트, 레이더 장비 및 발라스트 탱크를 포함하며 각각의 방한 지역은 하나 이상의 직렬 또는 병렬 또는 직/병렬 또는 이들의 조합으로 연결되는 파이프(132a)로 이루어지며 상기 파이프(132a)의 내부에는 방한용 스팀이 공급된다.
상기 ORC 시스템(130)은 상기 파이프(132a)와 상기 콘덴서(134) 사이에 밸브(133)를 더 포함하며, 상기 밸브(133)는 상기 파이프(132a)에서 출력된 유기 냉매를 일정한 압력으로 감압하여 상기 콘덴서(134)의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 콘덴서 효율 향상은 펌프를 통하여 기화기에 공급되는 유량을 일정하게 유지하여 기화기의 온도차를 항상 일정하게 유지할 수 있으므로 ORC 시스템의 안정성에 기여할 수 있다.
또한 상기 유기 냉매는 발화점이 없는 발포제이며 시중에서 판매되는 HFC 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판이다.
110 : 메인 엔진 110a : 배기 가스 배출 파이프
111 : 배기 가스 리시버 112 : 터보 차저부
120 : 이코노마이저 120a : 스팀 공급 파이프
130 : ORC 시스템 131 : 기화기
131a : 유기 냉매 순환 파이프 132 : 방한 지역
132a : 히팅 파이프 133 : 밸브
134 : 콘덴서 135 : 탱크
136 : 탱크 140 : 굴뚝부
150 : 선박 서비스 스팀부

Claims (5)

  1. 선박에 구비되며 메인 엔진에서 배출된 배기 가스를 상기 메인 엔진에 장착된 배기 가스 리시버를 통해서 터보 차저의 블레이드를 회전시키는 터보 차저부;
    상기 터보 차저부로부터 출력된 고온의 배기 가스를 이용하여 스팀을 생성하는 이코노마이저;
    상기 이코노마이저로부터 출력된 상기 스팀을 열전달하고 열전달된 유기 냉매를 이용하여 착빙을 방지하도록 열원을 방한 지역에 공급하는 ORC 시스템; 및
    상기 ORC 시스템에서 열전달되어 온도가 낮아진 배기 가스를 배출하는 굴뚝부;를 포함하되,
    상기 방한 지역은 선박의 굴뚝부 주변 거주구, 구명 보트, 레이더 장비 및 발라스트 탱크를 포함하며 각각의 방한 지역은 하나 이상의 직렬 또는 병렬 또는 직/병렬 연결되는 파이프로 이루어지며 상기 파이프의 내부에는 방한용 스팀이 공급되는 것을 특징으로 하는 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 ORC 시스템은
    상기 이코노마이저로부터 출력된 스팀을 이용하여 액체의 유기 냉매를 기화 시켜 스팀으로 변환하고 상기 변환된 스팀을 상기 방한 지역에 공급하는 기화기,
    상기 방한 지역을 가열하기 위해 공급된 상기 스팀을 입력받고 온도를 낮추어 유체로 상을 변환하는 콘덴서,
    상기 콘덴서로부터 출력된 유체를 저장하는 탱크,와
    상기 탱크에 저장된 유기 냉매의 압력을 높여 유기 냉매 순환 파이프를 통하여 다시 상기 기화기로 입력하여 재순환시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 ORC 시스템은 상기 파이프와 상기 콘덴서 사이에 밸브를 더 포함하며, 상기 밸브는 상기 파이프에서 출력된 유기 냉매를 일정한 압력으로 감압하여 상기 콘덴서의 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 냉매는 발화점이 없는 발포제이며 HFC 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판인 것을 특징으로 하는 선박 폐열을 이용한 빙해 방한용 유기 랭킨 사이클(ORC) 시스템을 구비한 선박.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050062975A (ko) * 2003-12-19 2005-06-28 호 박 선박용 공기조화 장치
KR20130032225A (ko) * 2011-09-22 2013-04-01 대우조선해양 주식회사 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치

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