KR101637436B1

KR101637436B1 - 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 냉각방법 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법

Info

Publication number: KR101637436B1
Application number: KR1020140138981A
Authority: KR
Inventors: 장나형; 김성배; 최정호; 유창열; 이정무
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR20160044235A

Abstract

본 발명은 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 냉각방법 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법에 관한 것으로, LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 냉열을 냉매(冷媒)로 이용하여 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 냉각하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어와 열 교환하여 예열된 LNG를 기화기로 유입시킴으로써, LNG의 극저온 냉열을 이용하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 연료가스를 공급함에 있어서 LNG를 예열하기 위한 별도의 히팅 설비를 구비하지 않아도 되므로 경제적 측면에서 유리하고, 열 교환하고 가열된 고온의 해수를 다시 냉각시켜서 해양으로 방류하므로 환경규제요건 중의 하나인 해수의 입,출구 온도차이에 대한 요구조건을 만족할 수 있다.

Description

부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 냉각방법 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법{AIR COMPRESSOR COOLING SYSTEM, COOLING METHOD OF FLOATING STORAGE POWER PLANT, AND FUEL GAS SUPPLY METHOD USING THE SYSTEM}

본 발명은 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 냉각방법 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 냉열을 냉매(冷媒)로 이용하여 다단의 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 냉각하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어와 열 교환하여 예열된 LNG를 기화기로 유입시킴으로써, LNG의 극저온 냉열을 이용하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 연료가스를 공급함에 있어서 LNG를 예열하기 위한 별도의 히팅 설비를 구비하지 않아도 되는 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 냉각방법 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법에 관한 것이다.

일반적으로 최근에는 친환경적인 발전에 대한 요구로 천연가스를 이용한 전기 생산에 대한 관심이 증가하고 있다.

전력공급이 원활하지 않은 신흥개발국 등에서 가스 발전에 대한 관심이 높아지고 있는데, 가스 발전은 그 특성상 육지에 가스 저장소 등과 같은 가스 인프라가 갖추어져야만 전기를 생산 가능하기 때문에 개발에 제한이 많다.

기존 육상발전의 경우, 육상에 복합화력발전을 구성하고 발전에 필요한 각종 장비 및 기자재를 육상에 배치한다. 이에 따라 모든 설치 및 배치, 테스트가 현지(Site)에서 수행되어 그에 따른 리스크가 상시 존재하고 모든 시스템이 각 별도의 건물에 독립적으로 위치함에 따라 건물 및 배관, 자재의 소모량이 크다.

근래에는 육상 발전설비 등을 바지(barge)에 탑재하여 전기를 생산하는 BMPP(Barge Mounted Power Plant) 건조에 대한 기술이 제안된바 있다.

BMPP의 경우, 연안에 설치되고 액화가스를 저장하지 못하는 단점이 있는바, 이러한 단점을 해결하기 위하여 최근에는 자체적으로 액화가스 저장탱크를 구비하여 LNG Shuttle, LNG Bunkering, LNG Terminal 등으로부터 LNG를 받아 저장하고, 이를 재기화하여 Gas Turbine 및 HRSG를 통해 Steam Turbine으로 발전하는 신개념의 부유 저장 발전플랜트(Floating Storage Power Plant)가 개발되고 있다.

도 1은 종래 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템을 보인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래 부유 저장식 발전플랜트에는 부유구조물(10)의 내부에 LNG 저장탱크(T)가 설치되고, 부유구조물(10)의 상부에 상기 LNG 저장탱크(T)의 LNG를 연료가스로 사용하여 전력을 생산하기 위한 가스터빈(20)이 설치된다.

LNG 저장탱크(T)와 가스터빈(20)은 LNG 공급라인(L)으로 연결되고, LNG 공급라인(L)에는 LNG를 예열하는 별도의 히팅 유닛(30)과, 예열된 LNG를 기화시켜서 연료가스로 변환하는 기화기(40)가 설치된다.

상기 가스터빈(20)은 에어를 압축하기 위한 에어 컴프레서(21)와, 고온 고압으로 압축된 에어와 연료가스를 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(23)와, 상기 연소기(23)에서 배출되는 배기가스에 의해 회전하는 터빈(25)을 구비한다.

상기 가스터빈(20)에는 상기 가스터빈(20)에 의해 전력을 생산할 수 있는 가스터빈 발전기(50)가 연결된다.

상기 에어 컴프레서(21)를 지나는 고온의 에어를 냉각하여 에어 컴프레싱 효율(Air Compressing Efficiency)을 높이기 위하여 상기 LNG 공급라인(L)에는 해수를 이용하는 인터쿨링 장치(60)가 마련된다.

그러나, 종래 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템에서는, 씨 체스트를 통해서 흡입한 해수를 순환시켜서 에어 컴프레서에 의해 압축된 고온의 에어를 냉각시키는 인터쿨링 장치를 사용하므로, 해수를 흡입하기 위한 별도의 해수 펌프(P)를 더 필요로 하고, 연료가스를 가스터빈(20)에 공급함에 있어서 LNG를 예열하기 위한 별도의 히팅 설비(30)를 구비해야 하므로, 경제적 측면에서 불리함은 물론 운전 측면에서도 매우 어려운 점이 있다.

또한, 종래에는 열 교환하고 가열된 고온의 해수를 해양으로 그대로 방류할 경우, 해양에 유출 시 고온의 해수에 의해서 해양 생태계 교란의 문제가 발생함으로, 환경규제요건 중의 하나인 해수의 입, 출구 온도차이에 대한 요구조건을 만족시킬 수 없는 문제점이 있다.

한편, 종래에 에어 컴프레싱 효율(Air Compressing Efficiency) 및 발전플랜트 출력을 더 높이기 위하여 물을 직접 분사시켜주는 기술도 제안된바 가 있으나, 이 경우 물을 공급하기 위한 추가적인 물공급 설비를 필요로 하고, 물을 직접 분사할 경우 에어 컴프레싱 효율 및 발전플랜트의 출력은 높아지나 발전플랜트의 효율은 감소하는 단점이 있다.

국내 공개특허공보 제2012-0022243호

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 냉열을 냉매(冷媒)로 이용하여 다단의 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 냉각하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어와 열 교환하여 예열된 LNG를 기화기로 유입시킴으로써, LNG의 극저온 냉열을 이용하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 연료가스를 공급함에 있어서 LNG를 예열하기 위한 별도의 히팅 설비를 구비하지 않아도 되므로 경제적 측면에서 유리하고, 열 교환하고 가열된 고온의 해수를 다시 냉각시켜서 해양으로 방류하므로 환경규제요건 중의 하나인 해수의 입, 출구 온도차이에 대한 요구조건을 만족할 수 있는 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 냉각방법, 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법을 제공함에 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에어를 압축하기 위한 에어 컴프레서와, 고온 고압으로 압축된 에어와 연료가스를 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 배기가스에 의해 회전하는 터빈을 구비하는 가스터빈; 상기 가스터빈에 의해 전력을 생산할 수 있는 가스터빈 발전기; 상기 연소기에 연료가스를 공급하기 위하여 LNG 저장탱크와 상기 연소기 사이에 설치된 LNG 공급라인; 및, LNG를 기화시켜서 상기 연소기에 공급하기 위하여 상기 LNG 공급라인에 설치되는 기화기를 포함하는 부유 저장식 발전플랜트에서, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 냉열을 이용하여 상기 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 냉각하기 위하여 상기 LNG 공급라인에 인터쿨링 장치가 마련된다.

LNG 저장탱크를 기준으로 상기 인터쿨링 장치는 상기 기화기 이전에 설치된다.

상기 에어 컴프레서는 저압 에어 컴프레서와 고압 에어 컴프레서로 구성되고, 상기 인터쿨링 장치는 상기 저압 에어 컴프레서와 상기 고압 에어 컴프레서 사이에 배치될 수 있다.

상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG는 상기 LNG 공급라인을 따라 이송되고, 상기 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 상기 인터쿨링 장치에서 열 교환하여 냉각하며, 열 교환되어 가열된 LNG는 상기 기화기를 거쳐서 기화된 후 상기 연소기로 공급되도록 구성된다.

한편, 본 발명은 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용하여 LNG 저장탱크의 LNG를 예열하고 기화시켜서 가스터빈의 연소기로 공급하는 연료가스 공급방법으로서, 상기 LNG 저장탱크와 상기 연소기를 연결하는 LNG 공급라인을 따라 LNG를 펌핑하여 이송하고, 상기 LNG 공급라인에 설치된 인터쿨링 장치를 이용하여 상기 가스터빈의 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 열 교환하여 냉각하며, 열 교환으로 예열된 LNG를 상기 기화기에 공급한 후, 상기 기화기에 의해서 기화된 연료가스를 상기 연소기로 공급한다.

상기 에어 컴프레서는 저압 에어 컴프레서와 고압 에어 컴프레서로 구성되며, 상기 인터쿨링 장치는 상기 저압 에어 컴프레서에서 상기 고압 에어 컴프레서로 이송되는 고온의 에어를 열 교환하여 냉각한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 냉열을 냉매(冷媒)로 이용하여 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 냉각하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어와 열 교환하여 예열된 LNG를 기화기로 유입시킴으로써, LNG의 극저온 냉열을 이용하여 에어 컴프레싱 효율을 높이고, 연료가스를 공급함에 있어서 LNG를 예열하기 위한 별도의 히팅 설비를 구비하지 않아도 되므로 경제적 측면에서 유리하고, 열 교환하고 가열된 고온의 해수를 다시 냉각시켜서 해양으로 방류하므로 환경규제요건 중의 하나인 해수의 입,출구 온도차이에 대한 요구조건을 충족시킬 수 있다.

도 1은 종래 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템을 보인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템을 보인 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 부유 저장식 발전플랜트의 연료가스 공급방법을 보인 블록도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템, 에어 냉각방법, 및 그 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용한 연료가스 공급방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템을 보인 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 부유 저장식 발전플랜트의 연료가스 공급방법을 보인 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 부유 저장식 발전플랜트는 해상에 부유하며 내부에 LNG 저장탱크(T)를 구비하는 부유구조물(10)과, 상기 부유구조물(10)의 상부에 설치되어 전력을 생산하는 발전플랜트(100)와, 컴프레싱 에어 효율을 높이기 위한 에어 컴프레서 냉각시스템, 즉 인터쿨링 장치(200)를 구비한다.

상기 발전플랜트(100)는 발전을 위한 모든 설비를 포함하며, 그 일 예로서 LNG 저장탱크(T)의 LNG를 이용하여 가스터빈(110)과, 가스터빈(110)에 의해 구동되어 전력을 생산하는 가스터빈 발전기(130)를 포함한다.

또한, 상기 발전플랜트(100)는 도면에 도시하지 않은 폐열회수장치, 및 스팀터빈을 포함할 수 있다.

상기 가스터빈(110)은 에어를 압축하기 위한 에어 컴프레서(111)와, 고온 고압으로 압축된 에어와 연료가스를 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(115)와, 상기 연소기(115)에서 배출되는 배기가스에 의해 회전하는 터빈(117)을 구비한다. 상기 에어 컴프레서(111)는 다단의 에어 컴프레셔를 포함한다.

상기 연소기(115)에 연료가스를 공급하기 위하여 LNG 저장탱크(T)와 상기 연소기(115) 사이에 LNG 공급라인(L)이 설치된다.

LNG 공급라인(L)에는 LNG를 기화시켜서 연료가스를 상기 연소기(115)에 공급하기 위한 기화기(300)가 설치된다.

에어는 에어 컴프레서(111)를 거쳐서 압축된 후 연소기(115)로 공급되고, 이와 동시에 기화기(300)를 거쳐서 기화된 연료가스는 연소기(115)로 공급된 후 연소하며, 이때 발생하는 가스압력을 이용하여 터빈(117)을 회전시키고, 터빈(117)의 회전으로 가스터빈 발전기(130)를 구동하여 전력을 생산하도록 구성된다.

본 발명은 에어 컴프레서 냉각시스템으로서, 상기 LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG의 냉열을 이용하여 상기 에어 컴프레서(111)를 지나는 고온의 에어를 냉각하기 위하여 상기 LNG 공급라인(L)에 인터쿨링 장치(200)가 마련된다. 상기 인터쿨링 장치(200)는 LNG 저장탱크(T)를 기준으로 상기 기화기(300) 이전에 설치된다.

상기 에어 컴프레서(111)는 저압 에어 컴프레서(111a)와 고압 에어 컴프레서(111b)로 구성될 수 있고, 상기 인터쿨링 장치(200)는 상기 저압 에어 컴프레서(111a)와 상기 고압 에어 컴프레서(111b) 사이에 배치될 수 있다.

상기 LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG는 펌프(P)에 의해서 상기 LNG 공급라인(L)을 따라 이송되고, 상기 에어 컴프레서(111)를 지나는 고온의 에어를 상기 인터쿨링 장치(200)에서 열 교환하여 냉각하며, 열 교환되어 가열된 LNG는 상기 기화기(300)를 거쳐서 기화된 후 상기 연소기(115)로 공급되도록 구성된다.
다시 말해서, 저압 에어 컴프레서에서 고압 에어 컴프레서로 이송되는 고온의 에어는 인터쿨링 장치와의 열교환에 의해서 냉각된 후 고압 에어 컴프레서의 압축에 의해서 압축된 후 연소기에 곧바로 공급하며, 열 교환으로 예열된 LNG를 기화기에 공급한 후, 상기 기화기에 의해서 기화된 연료가스를 상기 연소기로 공급한다.

이와 같이 본 발명에 따른 부유 저장식 발전플랜트의 에어 냉각방법은 종전과는 달리 에어 컴프레싱 효율을 높이기 위한 에어 컴프레서 냉각시스템과, 가스 터빈에 연료가스를 공급함에 있어서 LNG를 기화기로 이송시키기 전에 예열(豫熱)하기 위한 히팅 시스템을 하나의 시스템으로 구성하는 것으로, 에어 컴프레서(111)를 거치면서 고온 고압으로 압축된 에어의 밀도를 높이기 위하여, 즉 에어 컴프레싱 효율을 높이기 위하여 인터쿨링 장치(200)를 이용하여 압축 에어를 냉각시키며, 또한 LNG를 연료가스(Fuel)로 사용하기 위해서 LNG를 가압 후 기화시키는 과정이 필요하게 되는 데, 인터쿨링 장치(200)와의 열 교환을 통해서 LNG를 예열하도록 함으로써, 다시 말해 인터쿨링 장치(200)를 Pre-vaporizer로 이용하여 기화기(300)에 필요한 열매(heating medium)의 필요량을 낮추도록 한다.

한편, 본 발명은 도 3을 참조하면, 에어 컴프레서 냉각시스템을 이용하여 LNG 저장탱크(T)의 LNG를 예열하고 기화시켜서 가스터빈(110)의 연소기(115)로 공급하는 연료가스 공급방법으로서, 상기 LNG 저장탱크(T)와 상기 연소기(115)를 연결하는 LNG 공급라인(L)을 따라 LNG를 펌핑하여 이송하고(S 10), 상기 LNG 공급라인(L)에 설치된 인터쿨링 장치(200)를 이용하여 상기 가스터빈(110)의 에어 컴프레서(111)를 지나는 고온의 에어를 열 교환하여 냉각하며(S 20), 열 교환으로 예열된 LNG를 상기 기화기(300)에 공급한 후(S 30), 상기 기화기(300)에 의해서 기화된 연료가스를 상기 연소기(115)로 공급한다(S 40). 이와 같이 인터쿨링 장치(200)를 Pre-vaporizer로 이용하여 기화기(300)에 필요한 열매(Heating medium)의 필요량을 낮추도록 한다.

그리고, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10: 부유구조물
100: 발전플랜트
110: 가스터빈
111: 에어 컴프레서
111a: 저압 에어 컴프레서
111b: 고압 에어 컴프레서
115: 연소기
117: 터빈
130: 가스터빈 발전기
200: 인터쿨링 장치
300: 기화기
L: LNG 공급라인
T: LNG 저장탱크

Claims

에어를 압축하기 위한 에어 컴프레서와, 고온 고압으로 압축된 에어와 연료가스를 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 배기가스에 의해 회전하는 터빈을 구비하는 가스터빈; 상기 가스터빈에 의해 전력을 생산할 수 있는 가스터빈 발전기; 상기 연소기에 연료가스를 공급하기 위하여 LNG 저장탱크와 상기 연소기 사이에 설치된 LNG 공급라인; 및 LNG를 기화시켜서 상기 연소기에 공급하기 위하여 상기 LNG 공급라인에 설치되는 기화기를 포함하는 부유 저장식 발전플랜트에서, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG의 냉열을 이용하여 상기 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 냉각하기 위하여 상기 LNG 공급라인에 인터쿨링 장치가 마련되며,
상기 에어 컴프레서는 저압 에어 컴프레서와 고압 에어 컴프레서의 2단으로 구성되고, 상기 인터쿨링 장치는 상기 저압 에어 컴프레서와 상기 고압 에어 컴프레서 사이에 배치되며, 상기 저압 에어 컴프레서에서 상기 고압 에어 컴프레서로 이송되는 고온의 에어는 상기 인터쿨링 장치와의 열교환에 의해서 냉각된 후 상기 고압 에어 컴프레서의 압축에 의해서 압축된 후 상기 연소기에 곧바로 공급되는 것을 특징으로 하는 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 LNG 저장탱크를 기준으로 상기 인터쿨링 장치는 상기 기화기 이전에 설치되는 것을 특징으로 하는 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG는 상기 LNG 공급라인을 따라 이송되고, 상기 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 상기 인터쿨링 장치에서 열 교환하여 냉각하며, 열 교환되어 가열된 LNG는 상기 기화기를 거쳐서 기화된 후 상기 연소기로 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 부유 저장식 발전플랜트의 에어 컴프레서 냉각시스템.
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에어 컴프레서 냉각시스템을 이용하여 LNG 저장탱크의 LNG를 예열하고 기화시켜서 가스터빈의 연소기로 공급하는 연료가스 공급방법에 있어서,
상기 LNG 저장탱크와 상기 연소기를 연결하는 LNG 공급라인을 따라 LNG를 펌핑하여 이송하고, 상기 LNG 공급라인에 설치된 인터쿨링 장치를 이용하여 상기 가스터빈의 에어 컴프레서를 지나는 고온의 에어를 열 교환하여 냉각하며,
상기 에어 컴프레서는 저압 에어 컴프레서와 고압 에어 컴프레서의 2단으로 구성하고, 상기 인터쿨링 장치는 상기 저압 에어 컴프레서와 상기 고압 에어 컴프레서 사이에 배치하며, 상기 저압 에어 컴프레서에서 상기 고압 에어 컴프레서로 이송되는 고온의 에어는 상기 인터쿨링 장치와의 열교환에 의해서 냉각된 후 상기 고압 에어 컴프레서의 압축에 의해서 압축된 후 상기 연소기에 곧바로 공급하며,
열 교환으로 예열된 LNG를 기화기에 공급한 후, 상기 기화기에 의해서 기화된 연료가스를 상기 연소기로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료가스 공급방법.
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