KR101544806B1 - 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템 - Google Patents

선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스 등의 연료가스를 엔진에 공급하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 연료가스를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 폐열회수시스템의 폐열을 회수하여 사용하는 연료가스 공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료가스 공급 시스템은, 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진을 구비한 선박에서 연료가스를 엔진에 공급하기 위한 시스템으로서, 상기 액화가스 저장탱크(150)와 상기 엔진(100) 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키는 기화기(200); 상기 기화기(200)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 상기 기화기(200)에 순환시키는 열매체 회로(350); 및 상기 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 열을 흡수하는 폐열회수 시스템(550);을 포함하되, 상기 열매체 회로(350)는 상기 폐열회수 시스템(550)의 제2 폐열을 회수하여 상기 열매체에 전달하는 것;을 특징으로 한다.

Description

선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템{FUEL GAS SUPPLY SYSTEM UTILIZING WASTE HEAT OF SHIP WHRS SYSTEM}
본 발명은 천연가스 등의 연료가스를 엔진에 공급하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 연료가스를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 폐열회수시스템의 폐열을 회수하여 사용하는 연료가스 공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG라 함)의 상태로 만들어진 후 LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 수송된다.
천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 증발된다. LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의해 LNG를 수송하는 도중에 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas)가 발생한다.
종래의 LNG 운반선은 증발가스를 포집하여 히터에서 연소시켜 스팀 터빈을 구동시키는 스팀 터빈 추진 시스템을 사용하였다. 그러나, 이러한 스팀 터빈 추진 시스템은 추진 효율이 낮은 단점이 있다.
다른 한편, 증발가스를 연료로 사용하지 않는 경우 회수하여 경제적인 가치를 높일 수 있다. 이를 위해, 증발가스 재액화 장치를 LNG 운반선에 설치하여 증발가스를 회수하고 추진 효율이 높은 디젤 엔진을 주 추진동력으로 채택한 디젤 엔진 추진 시스템이 개발되었다.
그러나, 고도의 신뢰성이 요구되는 LNG 운반선에서는 디젤 엔진 추진 시스템의 메인 디젤 엔진의 고장시 비상 대처 방안이 요구되는데, 이를 위해 종래에는 메인 디젤 엔진을 통상 3 내지 5개 설치해야만 했으므로 선박의 구조가 복잡해지고 제조 비용 및 유지 보수 경비가 증가하는 문제점이 있다.
최근에는 연료로서 천연가스와 디젤유를 선택적으로 사용할 수 있는 MEGI 엔진(MAN B&W Diesel사 제품)이 LNG 운반선의 추진기관으로서 고려되고 있다.
이 MEGI 엔진은 주로 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스를 연료가스로서 사용하지만, 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스의 양이 MEGI 엔진에서의 필요량보다 적은 경우나 의도적으로 천연가스를 연료가스로서 사용할 필요가 있는 경우에는 저장탱크에 수용된 LNG를 기화시켜 사용해야 한다.
기화기에서 LNG를 기화시키기 위해서는 히터에서 발생하는 스팀 등의 외부 열매체와 LNG를 열교환시켜 LNG에 열을 공급하여야 하므로, LNG의 효율적인 기화를 위해 지속적인 연구 개발이 요구되고 있는 실정이다.
따라서, LNG를 효율적으로 기화시켜 선박에서 사용하는 연료를 절약하고, 선박에서 소모되는 전체 에너지도 절감하기 위해 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 추진이나 발전에 사용되는 양(대략 50% 정도)을 제외하고 외부로 버려지는 열 에너지(이하, 폐열이라 한다)를 일부라도 회수하여 유용한 에너지로 재활용하는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 연료가스를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 폐열회수 시스템에서 발생하는 폐열을 회수하여 사용하는 연료가스 공급 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진을 구비한 선박에서 연료가스를 엔진에 공급하기 위한 시스템으로서, 상기 액화가스 저장탱크(150)와 상기 엔진(100) 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키는 기화기(200); 상기 기화기(200)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 상기 기화기(200)에 순환시키는 열매체 회로(350); 및 상기 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 제1 폐열을 회수하는 폐열회수 시스템(550);을 포함하되, 상기 열매체가 상기 액화가스를 기화하는 데 공급하는 열은 상기 폐열회수 시스템(550)에서 회수한 제1 폐열 및 상기 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 제2 폐열로부터 회수하는 것;을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템을 제공한다.
상기 폐열회수 시스템(550)은, 상기 엔진(100)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 제1 폐열을 회수하는 이코노마이저(500); 상기 이코노마이저(500) 후단의 제1 폐열라인(510) 상에 설치되어 상기 이코노마이저(500)가 회수한 제1 폐열을 공급받아 동력을 생산하는 스팀 터빈(600); 및 상기 스팀 터빈(600) 후단에 설치되어 상기 스팀 터빈(600)에서 배출되는 제2 폐열을 상기 열매체 라인의 열매체로 회수되도록 하는 콘덴서(700);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 이코노마이저(500) 후단의 또 다른 제1 폐열라인(510) 상에 설치되어 상기 이코노마이저(500)가 회수한 제1 폐열을 공급받아 상기 열매체로 회수되도록 하는 히터(400); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열매체 회로(350)는, 상기 열매체를 저장하는 열매체 저장탱크(300); 상기 열매체 저장탱크(300) 후단의 열매체 라인(310) 상에 설치되어 상기 열매체를 순환시키는 열매체 펌프(320); 및 상기 기화기(200) 후단의 열매체 라인(310)에 설치되어 상기 열매체가 상기 폐열회수 시스템(550)의 제2 폐열을 흡수할 수 있도록 하는 콘덴서(700);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열매체 펌프(320)와 상기 기화기(200) 사이의 열매체 라인(310) 상에 설치되어 상기 열매체를 가열하는 히터(400);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 콘덴서(700)는 병렬로 설치되는 것;을 특징으로 한다.
상기 히터(400)는 상기 폐열회수 시스템의 제1 폐열을 공급받아 상기 열매체를 가열하는 것;을 특징으로 한다.
상기 콘덴서(700)의 전단과 후단 사이를 연결하는 제1 바이패스 라인(311);을 더 포함하되, 상기 제1 바이패스 라인(311)은 상기 기화기(200)로부터 공급되는 열매체의 온도가 상기 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에 상기 열매체를 흐르게 하는 것;을 특징으로 한다.
상기 열매체 라인(310)으로부터 상기 제1 바이패스 라인(311)이 분기되는 위치에 제1 삼방향밸브(331);를 설치하되, 상기 제1 삼방향밸브(331)는 상기 열매체의 온도가 상기 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에는 상기 제1 바이패스 라인(311)의 개구를 열고, 상기 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 미만인 경우에는 상기 콘덴서(700)에 연결된 개구를 여는 것;을 특징으로 한다.
상기 히터(400)의 전단과 후단 사이를 연결하는 제2 바이패스 라인(312);을 더 포함하되, 상기 제2 바이패스 라인(312)은 상기 열매체 저장탱크(300)로부터 공급되는 열매체의 온도가 상기 액화가스를 기화시키는 온도 이상인 경우에 상기 열매체를 흐르게 하는 것;을 특징으로 한다.
상기 열매체 라인(310)으로부터 상기 제2 바이패스 라인(312)이 분기되는 위치에 제2 삼방향 밸브(332);를 설치하되, 상기 제2 삼방향 밸브(332)는 상기 열매체 저장탱크(300)로부터 공급되는 열매체의 온도가 상기 액화가스를 기화시키는 온도 이상인 경우에는 상기 제2 바이패스 라인(312)에 연결된 개구를 열고, 상기 액화가스를 기화시키는 온도 미만인 경우에는 상기 히터(400)에 연결된 개구를 여는 것;을 특징으로 한다.
상기 열매체 회로(350) 및 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 응축수를 저장하는 응축수 저장탱크(900);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 선박은 상기 액화가스 저장탱크(150)에서 발생하는 증발가스를 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크(150)로 복귀시키기 위한 재액화 설비;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 열매체는 부동액인 것;을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진을 구비한 선박에서 연료가스를 엔진에 공급하기 위한 시스템으로서, 상기 액화가스 저장탱크(150)와 상기 엔진(100) 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키는 기화기(200); 상기 기화기(200)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 상기 기화기(200)에 순환시키는 열매체 회로(350); 및 상기 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하는 폐열회수 시스템(550);을 포함하되, 상기 열매체가 상기 액화가스를 기화하는 데 공급하는 열은 상기 폐열회수 시스템(550)에서 회수한 폐열 및 상기 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 폐열 중 적어도 하나에서 공급되는 것;을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 액화가스를 저장 및 수송하는 선박의 추진기관에 연료가스를 공급하기 위해서 천연가스를 기화시킬 때, 기화에 필요한 열원으로서 선박의 내부에 설치된 폐열회수 시스템에서 발생하는 폐열을 회수하여 사용하는 연료가스 공급 시스템이 제공될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 연료가스 공급 시스템에 의하면, 선박의 내부에 설치된 폐열회수 시스템에서 외부로 버려지는 폐열을 회수하여 액화가스의 기화에 이용함으로써 히터 운영시간을 감소시켜 히터에서 사용하는 연료를 절감할 수 있고 장비 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 기화기에서 사용된 저온의 열매체를 콘덴서에 사용함으로써 열낙차를 증대시켜 폐열회수 시스템에서 발생된 폐열의 회수 효율을 향상시킬 수 있고, 스팀 터빈의 입출구측 온도차도 크게되어 스팀 터빈의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 히터 또는 콘덴서의 전·후단을 연결하는 바이패스 회로를 설치하여 기화기 또는 콘덴서에서의 상황에 열매체의 흐름을 적절히 바이패스시켜 열매체 회로의 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 연료가스 공급 시스템에서 열매체로 부동액을 사용하므로 기화기에서의 열매체 빙결 현상을 막을 수 있다.
또한, 스팀 터빈의 입출구측 온도차를 크게 하여 스팀 터빈의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐열회수 시스템을 장착한 연료가스 시스템의 참고도면.
도 2는 본 발명에 따른 폐열회수 시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템을 도시한 개념도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 폐열회수 시스템을 장착한 연료가스 시스템의 참고도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 폐열회수 시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템을 도시한 개념도이다.
본 명세서에서 선박이란, LNG와 같이 극저온 상태로 적재되는 액체 화물을 저장하는 저장탱크와 추진기관을 가지면서 해상에서 부유된 채 사용되는 구조물과 선박을 모두 포함하는 개념으로, LNG, LPG 등의 액화가스를 운반하기 위한 액화가스 운반선이나 LNG RV(LNG Regasification Vessel)와 같은 선박을 비롯하여, 예를 들어 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 해상 구조물을 모두 포함하는 것이다.
LNG RV는 자력 항해 및 부유가 가능한 액화가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 액화 천연가스를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화 천연가스를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다. 그리고, LNG FPSO는 채굴된 천연가스를 해상에서 정제한 후 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다.
최근에는 외부로 배출되는 폐열중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 선박 분야에서는 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스 터빈(또는 파워 터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동 유체로 사용하는 스팀 터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)를 개발하고 있다.
참고 도면인 도 1에는, 선박에 적용되는 폐열회수 시스템을 장착한 연료가스 시스템을 예시하였다.
도 1에 예시된 연료가스 공급시스템은, 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크(15)와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진(10)을 구비한 선박에서, 기화기(20) 및 열매체 회로(35), 폐열회수 시스템(55)을 구비하여 연료가스를 엔진(10)에 공급하는 시스템이다.
기화기(20)는 액화가스 저장탱크(15)와 엔진(10) 사이에 설치되어 액화가스를 기화시켜서 엔진(10)으로 공급되도록 하며, 열매체 회로(35)는 기화기(20)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 기화기(20)에 순환시킨다.
폐열회수 시스템(55)은 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하는데, 폐열은 폐열회수 시스템(55)의 이코노마이저(50)에서 열교환에 의해 회수되며, 회수된 폐열은 폐열라인(51)을 통해 열매체회로(350)의 열매체 라인(31)이 통과하는 히터(40)로 공급되어 열매체에 전달된 후 액화가스를 기화시키는 열로써 사용된다.
LNG 등의 액화가스를 저장할 수 있는 액화가스 저장탱크(15)와 기화기(20) 사이에는 액화가스 저장탱크(15) 내에 수용된 액화가스를 이송하기 위한 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있는데, 펌프는 액화가스를 가압하여 엔진으로 공급되도록 할 수 있다.
엔진(10)으로는 액화가스 저장탱크(15)에 수용된 액화가스를 연료로서 사용할 수 있는 것이라면 어떤 것이라도 좋으며, 예를 들어 MEGI 엔진 등의 고압가스 분사 엔진이 사용될 수 있다.
폐열회수 시스템(55)은 이코노마이저(50), 스팀 터빈(600), 콘덴서(70)를 포함하며, 히터(40)를 추가할 수 있다.
이코노마이저(50)는 엔진(10)의 연소후 발생되는 고온의 배기가스에 남아있는 폐열을 이용하여 이코노마이저(50)로 급수되는 물(담수 또는 청수)을 가열하여 스팀을 생산하며, 이코노마이저(50)에서 생산된 스팀은 이코노마이저(50)의 후단에 설치된 스팀 터빈(60)으로 공급되어 동력을 생산하거나, 히터(40)로 공급되어 열매체 회로(35)의 열매체로 열을 공급한다.
스팀 터빈(60)에 의해 생산되는 동력은 다양한 형태를 가지거나, 변경될 수 있으며, 예를 들면, 스팀 터빈(60)에 연결된 발전기(미도시)로 전기를 생산케 하여 선박 내 각종의 전기 수요처로 공급되도록 할 수 있다.
이러한 폐열회수 시스템(55)는 이코노마이저(50)에 의해 생산되는 스팀을 제공받아 작동유체로 사용하는 스팀 터빈으로 전력을 생산하도록 할 뿐만 아니라, 엔진(10)의 배기가스 수집장치(Exhaust gas receiver)로부터 터보 차져(Turbo charger)를 우회하여 빠져나오는 고온의 배기가스를 제공받아 이를 작동유체로 사용하는 가스터빈으로 전력을 생산케 할 수도 있다.
콘덴서(70)는 스팀 터빈(60)을 거친 스팀을 응축시켜 응축수로 만들며, 이러한 응축는 응축수 저장탱크(90)를 추가 설치하여 저장할 수 있다.
콘덴서(70)로 공급되는 스팀을 응축시키는 냉각매체로는 해수(sea water) 또는 청수(fresh water)를 이용할 수 있는데, 도 1에서는 스팀의 냉각매체로 해수를 이용하여 스팀을 응축시키는 것으로 도시하였다.
이때 해수는 해수출입구, 예를 들면, 시체스트(sea cheast;80)의 후단에 설치된 펌프(82)의 펌핑력에 의해 시체스트(80)로부터 콘덴서(70)로 공급될 수 있다.
열매체 회로(35)는 기화기(20), 열매체 저장탱크(30), 히터(40)를 포함한다.
열매체 회로(35)는 이코노마이저(50)에서 생산되는 스팀의 일부를 히터(40)로 공급받아 열매체라인(31)을 순환하는 열매체로 하여금 히터(40)에서 스팀이 가지고 있는 폐열을 전달받도록 하여 액화가스를 기화하는 열원으로 사용할 수 있도록 한다.
콘덴서(70) 또는 히터(40)에서 열원을 빼앗겨서 응축수로 변한 스팀은 응축수 저장탱크(90)로 공급되며, 응축수 저장탱크(90)에 저장된 응축수는 이코노마이저(50)로 공급되는 물로 사용하거나, 기타 다양한 사용처에 사용되도록 할 수 있다.
그러나, 가스를 연료로 사용하는 엔진은 일반 디젤 엔진보다 배기가스의 온도가 낮으므로 폐열회수 시스템이 가용할 수 있는 에너지가 적어 폐열회수 시스템을 선박에 장착하는 것이 비경제적일 수 있고, 또한 일반 디젤 엔진의 경우에도 낮은 부하로 엔진을 운전해야 할 필요가 있는 경우 낮은 부하의 운전으로 인해 배기가스의 온도가 낮게 되어 폐열회수 시스템의 장착이 역시 비경제적일 수가 있게 된다.
부연하자면 참고 도면 1에 도시된 선박의 폐열회수장치(52)는 버려지는 열 에너지 중 비교적 고온의 열을 회수하여 전력을 생산하는데 적합하므로 엔진(10)이 높은 부하로 운전될 때에는 많은 양의 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있지만, 엔진(10)이 낮은 부하로 운전될 때에는 배기가스, 즉 폐열의 온도가 비교적 낮으므로 인해 전력 생산의 효용성이 떨어지게 된다.
또한, 콘덴서(70)로 진공 콘덴서를 사용한다면, 콘덴서의 냉각 매체가 냉각 매체로써는 비교적 높은 온도인 27℃ ~ 32℃의 바닷물인바 이러한 온도의 냉각매체를 이용해 진공 콘덴서(70)가 발생시킬 수 있는 진공압력에는 한계가 있게 되고, 이에 따라 얻을 수 있는 열낙차도 제한적이게 된다. 그 결과 스팀 터빈(60)의 입출구측 온도차가 크지 않게 되어 랭킨 사이클(rankine cycle)을 이용하는 스팀 터빈(60)의 경우 효율도 떨어뜨리는 원인이 된다.
이에 낮은 배기가스의 온도에도 경제적인 폐열회수가 가능하고, 스팀 터빈의 입출구측 온도차도 크게되어 스팀 터빈의 효율도 높일 수 있는 폐열회수 시스템을 고안하였으며, 도 2에 도시하였다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템의 일실시예는, 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진을 구비한 선박에서 연료가스를 엔진에 공급하기 위한 시스템으로서, 기화기(200), 열매체 회로(350), 폐열회수 시스템(550)을 포함하여 연료가스를 엔진(100)에 공급한다.
이하, 본 발명의 각 기술구성 중 참고 도면의 기술구성과 동일한 구성에 대해 상술한 내용과 동일한 부분은 되도록이면 생략하고, 추가되거나 다른 내용에 대해서 주로 설명하도록 한다.
또한, 후술할 내용 중 기화기(200), 히터(400), 콘덴서(700)는 연료가스 공급시스템(1000)에서 명확히 사용상 구분되는 경계를 가지는 기술구성이 아니므로 연료가스 공급 시스템(1000)을 올바르게 설명하기 위해 편의상 열매체 회로(35)나 폐열회수 시스템(550)에 속하는 기술구성으로 중복되어 기술한 부분들이 있다.
열매체 회로(350)는 기화기(200)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 순환시켜 기화기(200)에서 열매체에 의해 액화가스가 기화될 수 있도록 하는데, 열매체 저장탱크(300), 히터(400), 기화기(200), 콘덴서(700)를 포함한다.
열매체 저장탱크(300)는 열매체 회로(350)의 열매체 라인(310)을 순환하는 열매체를 저장하는데, 열매체 라인(310) 상에는 열매체 펌프(320)를 설치하여 열매체가 열매체 회로(35) 내부를 원활히 순환할 수 있도록 펌핑력을 제공하도록 할 수 있다.
이러한 열매체 펌프(320)는 열매체 라인(310) 상에 다양한 곳에 설치될 수 있는데, 도 2에서는 열매체 저장탱크(300) 후단의 열매체 라인(310) 상에 설치하는 것으로 도시하였다.
한편, 기화기(200)에서 액화가스와의 열교환을 통해 저온이 된 열매체는 열매체라인(310)을 통해 콘덴서(700)로 공급되어 제2 폐열을 냉각하는 냉각 매체로 이용되며, 냉각매체로 해수를 사용하는 경우보다 제2 폐열의 온도를 더욱 낮출 수 있어 상술한 바와 같이 스팀 터빈(600)의 입출구측 온도차를 크게 하므로 스팀 터빈의 효율을 더욱 향상시키는 효과도 달성할 수 있다.
콘덴서(700)는 기화기(200) 후단의 열매체 라인(310)에 설치되어 열매체가 폐열회수 시스템(550)의 제2 폐열을 흡수할 수 있도록 하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 터빈(600)으로부터 공급되는 스팀으로부터 열교환을 통해 제2 폐열을 흡수한다.
콘덴서(700)에서 제2 폐열을 흡수한 열매체는 열매체 저장탱크(300)로 보내져 저장된다.
콘덴서(700)의 전단과 후단 사이에는 제1 바이패스 라인(311)을 설치하여 열매체가 일정조건에 해당시 콘덴서(700)를 바이패스하여 열매체 저장탱크(300)로 공급되도록 할 수 있다.
즉, 기화기(200)로부터 공급되는 콘덴서(700)로 공급되는 열매체의 온도가 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에는 제1 바이패스 라인(311)을 통해 열매체를 흐르게 하여 열매체가 콘덴서(700)를 바이패스할 수 있도록 하여 열매체의 열원이 제2 폐열을 통해 손실되는 것을 방지할 수 있도록 한다.
즉, 열매체의 온도가 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에는 열매체로부터 열원이 콘덴서로 공급되는 스팀으로 전달될 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
이러한 바이패스 동작은 제1 바이패스 라인(311)에 제1 삼방향 밸브(331)를 설치함으로써 쉽게 구현할 수 있다.
제1 삼방향밸브(331)는 콘덴서(700) 전단의 열매체 라인(310)으로부터 분기되는 제1 바이패스 라인(311)에 설치할 수 있는데, 제1 삼방향 밸브(331)에 의해 상술한 열매체의 바이패스 동작, 즉 기화기로부터 공급되는 열매체의 온도가 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에는 제1 바이패스 라인(311)의 개구를 열고, 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 미만인 경우에는 콘덴서(700)에 연결된 개구를 여는 동작을 한다.
열매체 회로(350)는 열매체 저장탱크(300)와 기화기(200) 사이에 히터(400)를 추가할 수 있는데, 도 2에서는 열매체 펌프(320)와 기화기(200) 사이의 열매체 라인(310) 상에 히터(400)를 설치하여 폐열회수 시스템(550)의 제1 폐열을 공급받아 열매체를 가열하도록 하였다.
히터(400)는 기화기(200)에 유입되는 열매체의 온도가 액화가스를 충분히 기화시키기에 부족한 열량을 갖는 경우는 엔진(100)에서 요구하는 연료가스가 충분히 공급될 수 있도록 열매체의 온도를 상승시켜 기화되는 액화가스의 양을 증가하도록 한다.
그러나, 열매체의 온도가 액화가스를 충분히 기화시킬 수 있는 열량을 갖는 경우에는 히터(400)의 전단과 후단 사이를 연결하는 제2 바이패스 라인(312)을 통해 열매체가 히터(400)를 바이패스 하도록 하여 연료가스 공급시스템의 에너지를 절감하도록 하는 것이 바람직한데, 이는 열매체가 액화가스를 충분히 기화시킬 수 있는 경우 히터(400)에서 열매체와 제1 폐열을 함유한 스팀 간에 열교환을 할 필요가 없기 때문이다.
이러한 바이패스 동작은 바이패스 라인에 제2 삼방향 밸브(332)를 설치함으로써 쉽게 구현할 수 있다.
제2 삼방향 밸브(332)는 히터(400) 전단의 열매체 라인(310)으로부터 분기되는 제2 바이패스 라인(312)에 설치할 수 있는데, 제2 삼방향 밸브(332)에 의해 상술한 열매체의 바이패스 동작, 즉 열매체 저장탱크(300)로부터 공급되는 열매체의 온도가 액화가스를 기화시키는 온도 이상인 경우에는 제2 바이패스 라인(312)에 연결된 개구를 열고, 액화가스를 기화시키는 온도 미만인 경우에는 히터(400)에 연결된 개구를 여는 동작을 한다.
이러한 히터(400)는 비상시를 대비하여 병렬로 복수개 설치할 수 있다.
히터(400)를 통과한 스팀은 제1 폐열이 열매체로 회수되고 나서 응축되어 응축수로 변하므로 이러한 응축수는 응축수 저장탱크(900)에 저장되고, 저장된 응축수는 상술하였듯이 다양하게 사용될 수 있다.
폐열회수 시스템(550)은 엔진(100)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 제1 폐열을 회수하는데, 이노코마이저(500), 스팀 터빈(600), 콘덴서(700)를 포함하며, 이러한 폐열회수 시스템(550)에서 회수한 제1 폐열 및 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 제2 폐열로부터 열매체 회로(350)의 열매체가 열을 흡수하여 액화가스를 기화하는 데 사용한다.
이코노마이저(500)는 엔진(100)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 제1 폐열을 회수한다.
회수된 제1 폐열은 이코노마이저(500)로 급수되는 물(담수 또는 청수)을 가열하여 스팀을 생산하며, 이코노마이저(500) 후단의 제1 폐열라인(510) 상에는 스팀 터빈(600)을 설치하여 이코노마이저(500)가 회수한 제1 폐열을 공급받아 동력을 생산하도록 한다.
이코노마이저(500) 후단의 또 다른 제1 폐열라인(510) 상에는 상술하였듯이 히터(400)를 설치할 수 있는데, 이코노마이저(500)에서 생산된 스팀은 이코노마이저(500) 후단의 또 다른 제1 폐열라인(510)에 설치되는 히터(400)로 공급되어 열매체 회로(350)의 열매체로 회수될 뿐만 아니라 이코노마이저(500) 후단의 제1 폐열라인(510)에 설치되는 스팀 터빈(600)에서 동력을 생산한 후 스팀 터빈(600)을 나와서 스팀에 남아있는 제2 폐열을 제2 폐열라인(610)에 연결되는 콘덴서(700)에서 열매체 회로(350)의 열매체로 회수하도록 할 수 있다.
이로써 스팀 터빈(600)을 거쳐서 배기가스보다 상대적으로 저온이 되어 있는 스팀의 폐열도 회수함으로써 에너지 절감 효과 및 친환경 디자인을 얻을 수 있게 된다.
콘덴서(700)는 스팀 터빈(600) 후단의 제2 폐열라인(610)에 설치되어 스팀 터빈(600)에서 배출되는 제2 폐열을 열매체 라인의 열매체로 열교환시켜 회수되도록 하며, 비상시를 대비하여 병렬로 복수개 설치할 수 있다.
콘덴서(700)에서 스팀에 포함된 제2 폐열이 회수된 후 배출되는 응축수는 응축수 라인(910)을 통해 응축수 저장탱크(900)에 보내져서 저장되고, 저장된 응축수는 상술하였듯이 다양하게 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료가스 공급시스템은 액화가스 저장탱크(150)에서 자연적으로 발생하는 증발가스를 재액화시켜 다시 액화가스 저장탱크(150)에 복귀시키는 재액화 설비를 추가할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템의 다른 실시예는, 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진을 구비한 선박에서 연료가스를 엔진에 공급하기 위한 시스템으로서, 액화가스 저장탱크(150)와 엔진(100) 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키는 기화기(200)와 기화기(200)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 기화기(200)에 순환시키는 열매체 회로(350)와 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하는 폐열회수 시스템(550)을 포함하되, 열매체가 액화가스를 기화하는 데 공급하는 열은 폐열회수 시스템(550)에서 회수한 폐열 및 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 폐열 중 적어도 하나에서 공급되도록 할 수 있다.
이러한 열매체회로(350)에는 열매체를 가열하기 위한 히터(400)를 추가하여 상술한 실시예에서와 같이 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 폐열의 열원이 액화가스를 충분히 기화시키는 것이 부족한 경우를 대비하도록 할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 언급되는 열매체로는 청수(fresh water), 냉각 부동액 등을 사용할 수 있는데, 열매체가 지속적으로 폐열을 흡수하여 기화되지 않는 경우 기화기 내부에서 낮은 온도의 액화가스(예를 들어, -162°)와 열교환하여 얼 수도 있는 바 부동액을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1: 폐열회수 시스템을 장착한 연료가스 공급시스템
1000: 폐열회수 시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급시스템
10, 100: 엔진 15, 150: 액화가스 저장탱크
20, 200: 기화기 30, 300: 열매체 저장탱크
31, 310: 열매체 라인 311: 제1 바이패스 라인
312: 제2 바이패스 라인 32, 320: 열매체 펌프
331: 제1 삼방향 밸브 332: 제2 삼방향 밸브
35, 350: 열매체 회로 40, 400: 히터
50, 500: 이코노마이저 51: 폐열라인
510: 제1 폐열라인 550: 폐열회수 시스템
60, 600: 스팀 터빈 610: 제2 폐열라인
70, 700: 콘덴서 80: 시체스트
82: 펌프 90, 900: 응축수 저장탱크

Claims (15)

  1. 액화가스를 수용하기 위한 액화가스 저장탱크와 액화가스를 연료가스로서 사용하는 엔진을 구비한 선박에서 연료가스를 엔진에 공급하기 위한 시스템으로서,
    상기 액화가스 저장탱크(150)와 상기 엔진(100) 사이에 설치되어 액화가스를 기화시키는 기화기(200);
    상기 기화기(200)에서 액화가스를 기화하는데 필요한 열을 공급하는 열매체를 상기 기화기(200)에 순환시키는 열매체 회로(350); 및
    상기 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 제1 폐열을 회수하는 폐열회수 시스템(550);을 포함하되,
    상기 열매체가 상기 액화가스를 기화하는 데 공급하는 열은 상기 폐열회수 시스템(550)에서 회수한 제1 폐열 및 상기 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 제2 폐열로부터 회수하며,
    상기 폐열회수 시스템(550)은, 상기 엔진(100)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 제1 폐열을 회수하는 이코노마이저(500); 상기 이코노마이저(500) 후단의 제1 폐열라인(510) 상에 설치되어 상기 이코노마이저(500)가 회수한 제1 폐열을 공급받아 동력을 생산하는 스팀 터빈(600); 및 상기 스팀 터빈(600) 후단에 설치되어 상기 스팀 터빈(600)에서 배출되는 제2 폐열을 상기 열매체 라인의 열매체로 회수되도록 하는 콘덴서(700); 를 포함하며,
    상기 이코노마이저(500) 후단의 또 다른 제1 폐열라인(510) 상에는 상기 이코노마이저(500)가 회수한 제1 폐열을 공급받아 상기 열매체로 회수되도록 하는 히터(400)가 설치되는 것
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 열매체 회로(350)는,
    상기 열매체를 저장하는 열매체 저장탱크(300);
    상기 열매체 저장탱크(300) 후단의 열매체 라인(310) 상에 설치되어 상기 열매체를 순환시키는 열매체 펌프(320); 및
    상기 기화기(200) 후단의 열매체 라인(310)에 설치되어 상기 열매체가 상기 폐열회수 시스템(550)의 제2 폐열을 흡수할 수 있도록 하는 상기 콘덴서(700);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열매체 펌프(320)와 상기 기화기(200) 사이의 열매체 라인(310) 상에 설치되어 상기 열매체를 가열하는 상기 히터(400);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 콘덴서(700)는 병렬로 설치되는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 콘덴서(700)의 전단과 후단 사이를 연결하는 제1 바이패스 라인(311);을 더 포함하되,
    상기 제1 바이패스 라인(311)은 상기 기화기(200)로부터 공급되는 열매체의 온도가 상기 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에 상기 열매체를 흐르게 하는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 열매체 라인(310)으로부터 상기 제1 바이패스 라인(311)이 분기되는 위치에 제1 삼방향밸브(331);를 설치하되,
    상기 제1 삼방향밸브(331)는 상기 열매체의 온도가 상기 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 이상인 경우에는 상기 제1 바이패스 라인(311)의 개구를 열고, 상기 콘덴서(700)로 공급되는 제2 폐열의 온도 미만인 경우에는 상기 콘덴서(700)에 연결된 개구를 여는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 히터(400)의 전단과 후단 사이를 연결하는 제2 바이패스 라인(312);을 더 포함하되,
    상기 제2 바이패스 라인(312)은 상기 열매체 저장탱크(300)로부터 공급되는 열매체의 온도가 상기 액화가스를 기화시키는 온도 이상인 경우에 상기 열매체를 흐르게 하는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 열매체 라인(310)으로부터 상기 제2 바이패스 라인(312)이 분기되는 위치에 제2 삼방향 밸브(332);를 설치하되,
    상기 제2 삼방향 밸브(332)는 상기 열매체 저장탱크(300)로부터 공급되는 열매체의 온도가 상기 액화가스를 기화시키는 온도 이상인 경우에는 상기 제2 바이패스 라인(312)에 연결된 개구를 열고, 상기 액화가스를 기화시키는 온도 미만인 경우에는 상기 히터(400)에 연결된 개구를 여는 것;
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 열매체 회로(350) 및 폐열회수 시스템(550)에서 발생하는 응축수를 저장하는 응축수 저장탱크(900);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박은 상기 액화가스 저장탱크(150)에서 발생하는 증발가스를 재액화시켜 상기 액화가스 저장탱크(150)로 복귀시키기 위한 재액화 설비;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 열매체는 부동액인 것;
    을 특징으로 하는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템.
  15. 삭제
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