KR101521143B1 - 혼합식 추진 시스템 - Google Patents

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KR101521143B1
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Abstract

본 발명은 가스 터빈 엔진을 포함한 액화 천연 가스 운반선 등의 해양 선박용 혼합식 추진 시스템에 관한 것이다. 그 선박은 1개 이상의 전기 추진 구동장치, 및 발전기를 구동시키기 위해 각각 직접 연결되는 상이한 유형의 복수의 원동기를 포함한다. 상기 복수의 발전기의 출력은, 선박의 소요 동력을 공급하기 위해, 2개 이상의 동력 분배 스위치보드에 연결되고, 어느 하나의 스위치보드로부터 선택적으로 동력을 공급받도록, 각각의 전기 추진 구동장치가 교차 연결되어, 스위치보드 중 하나에서의 단일 결함(single failure), 또는 엔진들 중 일부에서의 단일 결함, 또는 스위치보드 중 하나에서의 단일 결함 및 엔진들 중 일부에서의 단일 결함의 경우에도 불구하고 추진 구동장치 모두에 동력이 공급될 수 있다.
전기 제어 시스템, 원동기, 구동장치, 스위치보드, 출력 장치

Description

혼합식 추진 시스템{MIXED PROPULSION SYSTEM}
본 발명은 해양 선박용 혼합식 추진 시스템에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 여러가지 상이한 연료원에 의해 구동되는 여러 개의 원동기(prime mover)인 혼합식 원동기를 포함한 선박 추진 시스템용 동력 유지 장치에 관한 것이다. 선박 운항자는, 선박 운항 프로파일과 속도를 조절할 수 있고 어떠한 상황에서도 요구되는 즉시 충분한 동력을 전달할 수 있는 유연하고 효율적인 추진 설비를 필요로 한다. 상이한 연료에 의해 작동되는 많은 동력원이 이용될 수 있으며, 이 동력원 각각은 개별적인 장점과 단점을 갖고 있다.
해양선박 동력 시스템은 많은 당면 과제를 만족시켜야 한다. 이를 테면, 해양선박 동력 시스템은 언제나 그리고 어떠한 상태에서도 선박 동력 요건을 만족시킬 수 있어야 하지만, 선박 소유주와 운항자는 환경적 규제와 화물 공간의 경제성을 만족시킬 수 있도록 경제적인 운항을 할 필요가 있다. 순간 소요 동력은 상이한 항해 단계에 따라 달라진다. 추진력을 필요로 하지 않는 정박시 및 화물 적재시에, 전술한 추진 시스템은 자국에서 필요로 하는 선박의 자국내 조건과 선박의 화물 취급 설비의 자국내 조건을 포함한 요건을 만족시켜야 한다. 정박지, 즉 항구 등을 나가고 들어올 경우 저속으로 조종할 때, 전술한 추진 시스템은 순간적으 로 바꿀 수도 있는 넓은 범위의 소요 동력 레벨을 필요로 한다. 그러나, 항해 중에 있을 때에는, 소요 동력은 순항 속도에서 수 시간 동안 또는 몇일 간 대체로 일정하게 유지될 수도 있다.
저급 연료를 이용할 수 있는 동시에 높은 신뢰도의 저유지비로 높은 동력 출력을 이용할 수 있기 때문에, 증기 터빈 추진 설비가 현재의 선박에 상당히 많이 사용된다. 그러나, 증기 터빈 추진 설비의 효율은 기타 다른 동력원에 비해 좋지 못한데, 그 이유는 연료 소모가 높고, 또한 소요 동력에 대한 응답이 상대적으로 느릴 수 있기 때문이다. 그에 비해, 디젤 엔진은 더 효율적이며, 소요 동력 변화에 대해 빠르게 응답할 수 있다. 가스 터빈 엔진은 빠른 부하 변화에 대해 디젤 엔진만큼 응답하지는 못하지만 기타 다른 원동기보다 더 가볍고 작기 때문에, 높은 출력으로 연속 운전하는데 가장 적합하다.
전기 모터에 의해 프로펠러 샤프트를 구동시키는 전기 구동장치의 사용에 의해, 소요 동력을 공급하기 위해 복수의 원동기/발전기 세트를 설치하고, 일반적인 상태에 가장 적합한 원동기를 선택하는 것이 가능하게 되었다. 원동기/발전기 세트는 프로펠러 샤프트에 대한 기계적 연결의 제약에 따라 지정되는 위치보다 선체 내의 최적의 위치에 배치될 수 있다. 그러나, 이에 의해 전기 분배 시스템은, 항상 공급의 지속성을 보장하면서 장애를 견뎌낼 수 있도록 하는 것에 중점을 두고 설계와 배치가 이루어져야 한다. 본 발명은 이들 기준을 만족시키는데 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 해양 선박용 혼합식 추진 및 동력 시스템은, 하나 이상의 전기 추진 구동장치, 및 전기 발전기를 구동시키도록 각각 직접 연결되는 상이한 유형의 복수의 원동기를 포함하고, 발전기의 출력은 선박의 소요 동력을 공급하기 위해 2개 이상의 동력 분배 스위치보드에 연결되며, 각각의 전기 추진 구동장치는 어느 하나의 스위치보드로부터 선택적으로 동력을 공급받기 위해 교차 연결되어, 스위치보드 중 하나에서의 단일 결함(single failure), 또는 엔진들 중 일부에서의 단일 결함, 또는 스위치보드 중 하나에서의 단일 결함 및 엔진들 중 일부에서의 단일 결함의 경우에도 불구하고 추진 구동장치 모두에 동력이 공급될 수 있도록 한다.
바람직하게는, 복수의 원동기는 가스 터빈, 증기 터빈 및 디젤 엔진을 포함한다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조로 하여, 본 발명이 어떻게 적용될 수 있는지 나타내는 적용예를 설명하기로 한다.
도 1은 대형 선박의 원동기의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 선박이 정박하여 화물을 적재할 때, 도 1의 원동기가 본 발명에 따라 어떻게 작동되는지를 나타내는 도면이다.
도 3은, 선박이 제한 수역에서 움직이기 시작하여 출항하면서 조종될 때, 도 1의 원동기가 본 발명에 따라 어떻게 작동되는지를 나타내는 도면이다.
도 4는, 선박이 항해할 때, 도 1의 원동기가 본 발명에 따라 어떻게 작동되는지를 나타내는 도면이다.
도 5는, 선박이 입항하여 화물을 하역할 때, 도 1의 원동기가 본 발명에 따 라 어떻게 작동되는지를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 첨부 도면과 관련하여, 복합식 가스, 전기 및 증기 터빈(COGES, combined gas turbine, electric and steam) 동력 설비를 이용한 액화 천연 가스(LNG) 운반선용 원동기의 구성이 개략도로써 도시되어 있다. 첨부 도면에서, 유사한 부품들은 유사한 참조번호로 나타내고 있다.
액화 천연 가스는 극저온 액체로써 운송되기 때문에 일정한 비등 상태에 있고, 증발가스는 화물공간으로부터 배출되거나, 재압축되어 화물 컨테이너로 다시 보내져야 한다. 화물을 유지하기 위해서, 극저온 설비는, 낮은 화물 온도를 유지하고 증발 가스를 압축하여 다시 화물 탱크 안으로 공급하기 위해, 끊임없이 가동된다. 그러나, 증발 가스는 연료원이기 때문에, 일부 혹은 모든 증발 가스는 선박의 원동기에 의해 소비될 수 있다. LNG 대형운반선은 화물 증발 가스(boil off gas, BOG) 또는 전형적인 선박용 액체 디젤 연료(bunkered liquid diesel fuel)를 소비할 수 있는 가스 터빈을 포함한 2개의 연료 원동기를 이용한다. LNG선용 가스 터빈 추진 수단은 내구성이 강하고, 환경친화적이며, 경제적이다. 그러나, 가스 터빈은 모든 동작 조건에서 가장 비효율적이며 비용면에서도 가장 비효과적이기 때문에, 모든 소요 동력을 충족시키기 위해 균일하고 끊임없이 공급할 수 있는 혼합식 원동기가 고려된다. 극저온 펌프의 추가 및 보조 설비 그리고 그 밖의 설비에 대한 소요 동력은 높으며, 실질적으로는 일정하다. LNG 운반선과 같은 대형 선박에 있어서도, 추진 시스템의 소요 동력은 높으며, 장기적으로는 실질적으로 일정하 기 때문에, 대형 선박을 위한 환경에는 가스 터빈이 매우 적합하다. 천연 가스는 가스 터빈 엔진에 적합한 연료이며, 화물 증발 가스의 적어도 일부를 이용하는 것과 완벽하게 동일하다. 디젤 엔진 기술의 신개발로, 이중 연료 용량은 천연 가스나 종래의 연료유를 사용함으로써 해상운송용 디젤 엔진을 가동할 수 있게 하였다. 그러나, 적어도 LNG 운반선의 경우, 연료의 선택은, 선박이 화물 증발 가스를 이용할 수 있고 운반되는 선박용 연료량을 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 고온의 터빈 배기 가스의 에너지는 전기 분배 시스템에 연결된 발전기와 연결되는 증기 터빈에 의해 회수될 수 있다.
본 발명에 따르면, 도 1은 대형 컨테이너 선박(도시되지 않음), 특히 LNG의 운송을 위해 특별히 설계된 대형 컨테이너 선박에 적합한 원동기 및 교류기/발전기의 구성을 나타내고 있다. 이 선박은, 좌현 및 우현을 나타내는 통상 도면 참조번호 2 및 4로 표시된 2개의 전기 추진 시스템을 포함한다. 전기 모터(6, 8)는 각각 2중 전기 공급 제어/전환 장치를 갖는다. 좌현 구동 모터(6)는, 도면에서 10으로 나타내어지는 동력 전자 전환 장치인 "좌현 구동장치 1" 또는 도면에서 12로 나타내어지는 동력 전자 전환 장치인 "좌현 구동장치 2"를 통해 동력을 공급받는다. 우현 구동 모터(8)는, 도면에서 14로 나타내어지는 동력 전자 전환 장치인 "우현 구동장치 1" 또는 도면에서 16으로 나타내어지는 동력 전자 전환 장치인 "우현 구동장치 2"를 통해 동력을 공급받는다.
원동기의 구성은 가스 터빈 엔진(20), 증기 터빈 엔진(22) 및 2개의 보조 디젤 엔진(24, 26)를 포함한다. 전술한 예에서의 발전기는 11kV의 전기를 발생시키지만, 본 발명에서는 전술한 발전기의 출력 전압과 더불어 전술한 발전기의 출력 전압이 13.8kV 이상의 표준 교류 전압이 채택될 수 있다. 본 발명에 따르면, 원동기 및 발전기 시스템의 제안된 구성은 LNG 운반선의 조건을 충족시키기에 적합하다. 가스 터빈 엔진(20)는 증발 가스나 액상 디젤 연료에 의해 가동하도록 되어있다. 증기 터빈 엔진(22)는, 열 회수 증기 발생기를 통해 증기를 발생시키기 위해, 배기 가스 터빈으로부터 배출된 열을 사용하거나, 또는 동일한 증기 터빈 설비 내에 증기를 발생시키는 보조 연소 보일러(fired boiler)를 사용하여 가동될 수 있다. 이러한 연소 보일러는 증기 가스나 액체 연료를 사용하여 발화될 수 있다. 2개의 보조 디젤 발전기(24, 26)는, 본 실시예에서는 그 구성을 갖추며, 증발 가스나 액상 연료에 의해 가동될 수도 있다.
원동기 및 교류기(prime-mover alternator) 조합은 선박에 필요한 모든 전기를 공급한다. 발전기의 출력은 한 쌍의 동력 분배 스위치보드(28, 30)를 포함하는 주 전기 분배 장치(main electrical distribution arrangement)에 연결된다. 본 도면에서는, 이들 스위치보드(28, 30)는 각각 좌현 스위치보드(Port SWBD) 및 우현 스위치보드(Star SWBD)로 나타내어진다. 일반적으로, 추진 수단, 추진 설비, 보조 설비 및 선박 시스템에 의해 걸리는 모든 부하는 전술한 스위치보드로부터 공급되고, 전체 부하는 가동 중인 발전기 사이에 할당배치된 하나의 원동기/발전기에 의해 공급될 수 있다. 발전 설비의 전압 레벨은 선박의 전체 소요 동력 및 설비의 기술적 제한 요건에 따라 선택되어진다. 일반적으로는, 동력 레벨 요구가 높을수록, 높은 동력 발생 전압이 선택된다. 그 때문에, 예를 들면 전체 동력 레벨이 8MW 내지 10MW 및 그 이상인 시스템에서, 발전 설비는 11kV 만큼의 전기 출력량을 전달하도록 설계된다. 일반적으로, 선박 시스템 및 보조 설비는 6.6kV로 작동되도록 선택되고, 선박의 자국내 조건 및 숙박용 선박의 조건은 440V이다. 본 도면에서는, 비추진시 전기 부하, 즉 좌현 스위치보드(28)로부터 공급되는 좌현 저전압(440V) 부하(32), 우현 스위치보드(30)로부터 공급되는 우현 저전압(440V) 부하(34), 좌현 스위치보드(28)로부터 공급되는 좌현 중간 전압(6.6kV) 부하(36), 및 우현 스위치보드(30)로부터 공급되는 우현 중간 전압(6.6kV) 부하(38)를 개략적으로 나타내고 있다. 각각의 부하는 개략적으로 나타내어지지만, 경우에 따라 11kV의 스위치보드/발전기 전압에서 6.6kV 또는 440V의 소비 분배 전압으로 1차 공급 전압을 낮추는 동력 변환 수단을 포함할 수 있다.
좌현 추진 모터(6) 및 우현 추진 모터(8)의 동력분배장치는, 이들 모터(6, 8)가 각각 좌현 모터용 동력 전자 전환 장치(10, 12) 및 우현 모터용 동력 전자 전환 장치(14, 12) 각각의 둘 중 어느 하나에 의해 선택적으로 구동될 수 있도록 배치된다. 동력 전자 전환 장치(10, 14)는 좌현 스위치보드(28)로부터 11kV의 동력을 공급받도록 연결되며, 동력 전자 전환 장치(12, 16)는 우현 스위치보드(30)로부터 동력을 공급받도록 연결된다. 따라서, 스위치보드(28) 또는 스위치보드(30)의 어느 하나가 작동되지 않더라도, 추진 모터 모두에 동력 공급이 유지될 수 있다. 좌현 및 우현 추진 시스템 구동장치에 대한 공급장치의 전술한 교차연결은, 스위치보드와 원동기의 파손으로 인하여 추진 샤프트 모두에 동력이 공급되지 못할 가능성을 최소화한다.
원동기/발전기 세트(20, 22, 24 및 26)의 동력 출력은 스위치보드(28, 30)의 기반을 각각 형성하는 버스 바(40, 42)에 연결된다. 도시된 구성에 있어서, 가스 터빈 구동형 발전기(20)의 전기 출력은 좌현 스위치보드(28) 내의 버스 바(40)에 연결된다. 증기 터빈 구동형 발전기(22) 및 2개의 디젤 발전기(24, 26)의 전기 출력은 스위치보드(30)의 버스 바(42)에 연결된다.
좌현 부하(32, 36)는 우현 스위치보드(30) 내의 버스 바(42)에 연결되도록 배치된다. 도시된 바와 같이, 버스 바(40)와 버스 바(42)는 연결 링크(44)에 의해 연결될 수 있다. 발전기의 모든 출력, 모든 부하 및 추진 동력 전자 전환 장치는, 발전기와 부하의 임의의 조합이 선택적으로 연결 및 공급될 수 있도록, 회로 차단기를 통해 그들 각각의 버스 바에 연결된다.
도 2는 선박이 정박하여 화물을 적재할 때의 동력 시스템의 구성을 나타낸다. 1개 또는 2개의 보조 디젤 발전기는 전기 회로에 전력을 공급하기 위해 작동 중에 있다.
도 3은 선박이 움직여 출항할 때의 동력 시스템의 구성을 나타낸다. 이러한 구성에 있어서, 전기 시스템은 단일 버스로 구성되고, 연결 링크(44)는 닫혀져 있다. 이러한 구성에 있어서, 전술한 시스템은 한 곳만 고장나면 전체 시스템이 동작하지 않는 결함(single-points of failure)에 대해 원상복구가 가능하다. 어떠한 단일의 원동기 트립도 추진력의 손실이나 조종 속도(약 10 노트일 것으로 추정)의 감소를 야기하지 않을 것이다. 또한, 원동기는 항해할 수 있도록 구성된다. 제한수역, 예를 들어 수에즈 운하에서 저속으로 조종하게 되면, 원동기의 구성은 도 3과 같다. 이 원동기의 구성은, 하나의 원동기가 고장나면 전체 시스템이 동작하지 않는 결함(single prime-mover failure)에 대해 원상복귀가 가능하고, 추진 동력을 10 노트까지 유지시킬 수 있다.
도 4는 선박이 항해할 때의 동력 시스템의 구성을 나타낸다. 보조 연소 보일러는 동력이 차단되고, 배기 가스 터빈은, 증기 터빈 엔진(22)를 위한 증기를 발생시키기 위해, 참조번호 46으로 표시되는 증기 발생기에 열을 공급한다. 이는, 단순 사이클식 가스 터빈이나 전기 추진 디젤 엔진과 비교하여 매우 높은 열효율을 갖는 매우 경제적인 작동 모드이다.
도 5는 선박이 입항하여 LNG 화물을 하역할 때의 동력 시스템의 구성을 나타낸다. 가스 터빈 엔진(20) 및 2개의 디젤 발전기(24, 26)의 이러한 구성은 임의의 하나의 원동기가 고장나면 전체 시스템이 동작하지 않는 결함(any single prime-mover failure)에 대해 원상복귀가 가능하고, 안전한 조종 속도를 항상 유지시킬 수 있다. 또한, 증기 발생 및 증기 교류기 시스템(22)은 좌현 기관의 효율을 위해 반드시 폐쇄된다. 디젤 발전기(24, 26)에 의해서만 좌현 기관에 동력이 공급되기 때문에, 이러한 구성에 의하여 좌현 기관 구성의 꾸준한 전환이 보장된다.

Claims (6)

  1. 해양 선박용 혼합식 추진 시스템으로서,
    2개의 전기 제어 시스템(10, 12 또는 14, 16)을 각각 포함하는, 2개의 전기 추진 구동장치(6, 8),
    가스 터빈 엔진(20), 및
    증기 터빈 엔진(22) 및 2개의 디젤 엔진(24, 26)
    을 포함하고,
    각각의 상기 전기 제어 시스템은 제1 및 제2 동력 분배 스위치보드(28, 30) 각각으로부터 전력을 공급받도록 연결되고,
    상기 가스 터빈 엔진(20)은 상기 제1 동력 분배 스위치보드(28)에 전력을 공급하는 발전기를 구동하도록 직접 연결되고,
    상기 증기 터빈 엔진(22)과 상기 2개의 디젤 엔진(24, 26) 각각은, 상기 제2 동력 분배 스위치보드(30)에 전력을 공급하는 각각의 발전기를 구동하도록 직접 연결되며,
    상기 제1 동력 분배 스위치보드(28)는 연결 링크(44)에 의해 상기 제2 동력 분배 스위치보드(30)에 연결되고,
    상기 제1 및 제2 동력 분배 스위치보드(28, 30)는 선박의 소요 동력을 공급하도록 구성되고,
    상기 전기 추진 구동장치(6, 8) 각각이 상기 제1 및 제2 동력 분배 스위치보드(28 또는 30)로부터 선택적으로 동력을 공급받도록 교차 연결되어, 상기 가스 터빈 엔진(20), 상기 증기 터빈 엔진(22), 및 상기 디젤 엔진(24, 26)의 미리 결정된 배열의 운용이 상기 전기 추진 구동장치(6, 8) 양자 모두에 전기적 동력을 공급하고, 상기 동력 분배 스위치보드 중 하나(28 또는 30)에서의 단일 결함(single failure), 또는 상기 엔진들(20, 22, 24, 26) 중 일부에서의 단일 결함, 또는 상기 스위치보드 중 하나에서의 단일 결함 및 상기 엔진(20, 22, 24, 26)들 중 일부에서의 단일 결함의 경우에도 불구하고, 상기 전기 추진 구동장치 양자 모두로의 전력의 공급이, 결함이 없는 스위치보드와 엔진을 통해 유지될 수 있는,
    해양 선박용 혼합식 추진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 터빈 엔진(20)으로부터 배출된 고온의 배기 가스는 상기 증기 터빈 엔진(22)에서 증기를 발생시키기 위해 이용되는, 해양 선박용 혼합식 추진 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 가스 터빈 엔진(20)을 위한 연료는 천연 가스인, 해양 선박용 혼합식 추진 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 천연 가스는 상기 선박의 화물로부터의 증발 가스(boil-off gas)인, 해양 선박용 혼합식 추진 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
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