KR101709571B1 - 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템 및 이를 가지는 해양구조물 - Google Patents

흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템 및 이를 가지는 해양구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐기에서 회수한 열을 흡착식 냉동사이클을 열원으로 사용하여 탑사이드에서 쓰임이 많은 냉각 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템에 관한 것으로서, 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 나오는 폐열을 회수하는 폐열회수장치와, 상기 폐열회수장치로부터 회수되어 얻어지는 열원을 이용하여 냉수를 생성하는 흡착식 냉동기와, 상기 흡착식 냉동기에서 생성된 냉수를 이용하여 탑사이드를 냉각시킬 수 있도록 내부 공기를 낮춰주게 되는 팬코일장치를 포함한다.

Description

흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템 및 이를 가지는 해양구조물{TOPSIDE COOLING SYSTEM USING ADSORPTION TYPE REFRIGERATOR AND OFFSHORE PLATFORM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐기에서 회수한 열을 흡착식 냉동사이클을 열원으로 사용하여 탑사이드에서 쓰임이 많은 냉각 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템에 관한 것이다.
일반적으로, FPSO(Floating Production Storage Offloading; 부유식 생산, 저장 및 하역 설비)나 LNG FPSO 등과 같은 부유식 해양구조물의 경우 탑사이드(topside)에 오일 및 가스 처리장치(gas processing equipment)가 설치되는데, 이 중에서 심해 저장소로부터 가스, 물 및 기름을 분리하는 생산 분리기(production separator), 생산된 천연 가스를 압축하는 압축기(compressor) 등과 같은 많은 장비들은 냉각이 필요하다.
이러한 탑사이드 장비의 냉각방식은 일반적으로 2가지가 있는데, 해수(sea water)를 사용하여 냉각하는 직접 냉각(direct cooling)방식과 청수(fresh water)를 사용하는 간접 냉각(indirect cooling)방식이 있으며, 이들 방식의 목적은 모두 동일하나, 냉각기의 형태와 경제적인 면을 감안하여 냉각 방식을 결정하게 된다.
그리고, 해양구조물에는 제너레이터 엔진(generator engine) 등에 필요한 냉각시스템이 선체(hull)에 설치된다.
한편, FPSO와 같은 해양구조물은 선체의 제너레이터 엔진에 냉각시스템이 필요하고 또한 탑사이드(topside) 가스 터빈(gas turbine)의 시동을 위한 냉각시스템이 필요하다.
또한, 해양구조물은 대체로 여러 가지 기계장치가 작동하기 때문에 히팅(heating) 보다는 냉각(cooling)이 많이 사용되는 시스템이다.
하지만 가스 터빈(gas turbine)이나 디젤 엔진(diesel engine) 등에서 연소 후 나오는 잔여 에너지는 고온의 상태이기 때문에 지금까지는 대체로 1차적으로 열매체(heating medium)를 지지하는 역할로만 사용되어 왔다.
종래에는 탑사이드에 가스 터빈에서 연소 과정을 통해서 배출되는 배기가스의 에너지를 이용하는 기술은 많았으나 대부분 고온의 열에너지를 직접 이용하여 열매체를 공급하는 형태로 활용되어 왔으므로 배기가스의 잔여 에너지를 활용하지 못해 에너지 효율이 떨어지며 자원의 낭비를 초래하게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0054546호(2011.05.25.공개) 대한민국 공개특허 제10-2013-0058116호(2013.06.04.공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 가스터빈에서 배출되는 폐열을 회수하고 흡착식 냉동기를 통해서 냉수를 만들고 팬코일장치에서 냉수를 이용하여 탑사이드의 냉각 에너지원으로 활용하게 됨으로써 잔여 에너지를 회수하여 사용함에 따라 에너지 효율을 최대화할 수 있도록 하는 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템 및 이를 가지는 해양구조물을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 폐열을 사용하여 탑사이드를 냉각하는 냉각시스템에 있어서, 가스 터빈(gas turbine) 또는 디젤 제너레이터(diesel generator)에서 사용되어 배출되는 폐열을 회수하는 폐열회수장치와, 상기 폐열회수장치에서 회수된 중저온의 폐열을 회수하여 냉수를 만들게 되는 흡착식 냉동기와, 상기 흡착식 냉동기에서 생성된 냉수를 이용하여 탑사이드를 냉각시킬 수 있도록 내부 공기를 낮춰주게 되는 팬코일장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면 흡착식 냉동기에서 폐열을 회수하여 만들어진 냉수를 팬코일장치에서 탑사이드 전기룸을 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 폐열회수장치는, 상기 가스 터비 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 약 500℃의 배기가스의 폐열을 약 100℃로 낮춰줄 수 있다.
또한, 상기 폐열회수장치에서는 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 폐열을 열매체(heating medium)으로 활용할 수 있다.
본 실시예에 따른 흡착식 냉동기는, 상기 폐열회수장치에서 회수되는 폐열로 인해 얻어지는 열원을 이용하여 흡착 및 탈착을 반복하는 과정에 의해 약 7℃의 냉수를 만들어낼 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기한 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 폐열을 폐열회수장치에서 회수하여 흡착식 냉동기를 통해서 냉수를 만들어 팬코일장치에 의해 탑사이드 내부를 냉각(Cooling)시킬 수 있도록 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템을 가지는 해양구조물을 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템에 따르면 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 폐열을 폐열회수장치에서 회수하여 흡착식 냉동기를 통해 7℃의 냉수를 생성하여 연료를 냉각시키고 팬코일장치를 거쳐 탑사이드 내부의 공기 온도를 낮춰줄 수 있도록 함으로써, 배기가스의 잔여 에너지 회수를 극대화할 수 있으며 탑사이드에서 쓰임이 많은 냉각 에너지원으로 활용할 수 있어 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 탑사이드 냉각시스템의 흡착식 냉동기의 원리를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템을 도시한 개념도이며, 도 2는 본 발명에 따른 탑사이드 냉각시스템의 흡착식 냉동기의 원리를 도시한 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템은, 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)와, 폐열회수장치(200)와, 흡착식 냉동기(300)와, 팬코일장치(400)를 포함하게 된다.
상기 가스 터빈(100)은, 압축 공기와 연료를 혼합 연소시켜 그로 인해 발생하는 고온 고압의 가스로 터빈을 돌려 선박의 동력을 발생시키는 장치이며, 고온 고압의 배기가스(Exhaust Gas)를 배출하게 된다.
본 실시예에 따른 폐열회수장치(200)는, 상기의 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 연소 후 발생하는 배기가스로부터 열을 회수하게 된다.
상기 폐열회수장치(200)에는 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 연소 과정을 통해서 배출되는 배기가스의 고온의 열에너지를 직접 이용하여 열매체(Heating Medium)를 가열하게 된다.
또한, 상기 폐열회수장치(200)는 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 배출되는 약 500℃의 배기가스의 폐열을 열매체로 활용한 후 약 100℃로 낮춰주게 된다.
즉, 상기 폐열회수장치(200)에서 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)로부터 배출되는 폐열을 폐열회수장치(200)에서 회수하고 열매체로 활용하게 되어 고온의 폐열을 중저온으로 감소시켜 상기 흡착식 냉동기(300)에서 회수된 열원을 냉수로 원활하게 생성시킬 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 흡착식 냉동기(300)는, 상기 폐열회수장치(200)에서 회수되는 폐열을 통해 얻어지는 열원을 이용하여 흡착 및 탈착을 반복하는 과정에 의해 약 7℃의 냉수가 생성되어지게 된다.
상기에서 흡착식 냉동기(300)는 흡수식 냉동기와 더불어 비프레온화와 폐열 이용이라는 관점에서 주목을 받고 있는 냉동방식이다.
그리고, 흡착식 냉동기(300)의 냉동원리는 흡수식과 비슷한데 흡수기 대신 흡착기가 있으며, 흡수식에는 흡수용액이 냉매와 같이 순환하지만 흡착식에서는 흡착제는 고정되어 있고 냉매만 순환하게 된다.
이때, 상기 흡착식 냉동기(300)의 흡착제는 제올라이트(zeolite)를 사용하게 된다.
또한, 상기 흡착식 냉동기(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 흡착기(Absorber), 응축기, 증발기, 흡착질(냉매) 용기로 구성되며, 기본 사이클은 흡착사이클과 탈착사이클로 나누어지게 된다.
도 2에서와 같이, 본 실시예에 따른 흡착식 냉동기(300)의 흡착사이클은, 흡수식 냉동기에서와 같이 저압(5~7mmHgabs)의 증발기(320) 내에 물(냉매)를 분사하면 물은 약 5℃에서 증발하게 되고, 이때의 증발잠열로 7℃ 정도의 냉수를 얻을 수 있으며, 이 냉수를 FCU 등에 순환시켜 냉방을 하게 된다.
또한, 증발된 냉매증기는 복수의 제1흡착기(310)와 제2흡착기(311) 중 하나인 제2흡착기(311)에 흡착되어 증발이 계속 진행될 수 있게 하여 준다.
상기 제2흡착기(311)에는 냉각수를 통하게 하여 흡착열을 제거하여 줌으로써 흡착이 잘 진행되게 하여 준다.
또한 흡착이 계속 진행되어 평형상태가 되면(실제는 평형에 도달하기 조금 전) 흡착이 더 이상 진행되지 않으므로 제2흡착기(311)는 탈착(재생)사이클로 전환된다.
본 실시예에 따른 흡착식 냉동기(300)의 탈착(재생)사이클은, 상기 제2흡착기(311)가 흡착사이클일 때 제1흡착기(310)에서는 탈착이 진행되는데, 탈착(재생)은 흡착이 완료된 제2흡착기(311)를 열매체로 가열하여 냉매증기를 이탈시킴으로써 이루어지며, 가열매체로는 LNG나 폐열 등이 이용된다.
그리고 탈착된 냉매증기는 응축기(330)에서 냉각수에 의해 응축되어 다시 증발기(320)로 공급되면서 흡착과 탈착을 반복하게 된다.
즉, 상기 흡착식 냉동기(300)는 냉매로 물을 사용하기 때문에 독성 및 가연성이 없으며, 탈착온도가 약 250℃로 높은 편이므로 보통 LNG 직화식으로 가열하여 탈착(재생)하게 된다.
본 실시예에 따른 팬코일장치(400)는, 상기 흡착식 냉동기(300)에서 얻어진 약 7℃의 냉수를 이용하여 탑사이드 전기룸(500, Topside Electric Room)의 온도를 낮춰 냉각시킬 수 있게 된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전술한 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 나오는 폐열을 폐열회수장치(200)에 의해 회수하고 폐열회수장치(200)로부터 얻은 열원을 흡착식 냉동기(300)에서 약 7℃ 냉수를 만들며 팬코일장치(400)에서 냉수를 이용하여 탑사이드 전기룸(500)을 냉각시킬 수 있도록 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템을 가지는 해양구조물에 적용되어지게 된다.
즉, 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 배출되는 폐열을 회수하여 열원으로 사용되는 폐열회수장치(200)가 설치되고 폐열회수장치(200)에서 회수된 열원을 이용하여 냉수를 생성하는 흡착식 냉동기(300)가 설치되며 흡착식 냉동기(300)에서 얻어진 냉수를 이용하여 탑사이드 전기룸(500)을 냉각시키는 팬코일장치(400)를 설치함으로써 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 나오는 폐열을 폐열회수장치(200)에서 회수하여 흡착식 냉동기(300)를 통해서 약 7℃의 냉수를 만들며 팬코일장치(400)에서 탑사이드 전기룸(500)에서 요구하는 온도를 낮춰줄 수 있어 폐열회수장치(200)에서 폐열을 회수하므로 에너지를 절감할 수 있으며 탑사이드 냉각시스템으로 탑사이드 전기룸(500)에서 원하는 수준까지 냉각시킬 수 있는 모든 해양구조물에 적용할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명의 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템은 선박의 작동을 위해 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)를 작동시킴에 따라 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)로부터 고온 고압의 배기가스가 배출되어지게 된다.
상기 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 배출되는 배기가스로부터 폐열회수장치(200)에서 열을 회수하게 된다.
이때, 상기 폐열회수장치(200)에서 가스 터빈(100) 또는 디젤 제너레이터(110)에서 발생하는 약 500℃의 폐열을 열매체(Heating Medium)의 에너지를 이용한 후 약 100℃의 중저온으로 감소되어지게 된다.
그리고, 상기 폐열회수장치(200)로 회수되는 폐열을 흡착식 냉동기(300)에서 공급받아 흡착 및 탈착을 반복하는 과정을 통해 7℃의 냉수가 생성되어지게 된다.
또한, 상기 흡착식 냉동기(300)를 통해서 냉수가 생성되면 팬코일장치(400)에서 흡착식 냉동기(300)를 통해 얻어진 냉수를 이용하여 탑사이드 전기룸(500) 내부의 온도를 낮춰주어 냉각시켜줄 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 상기 폐열회수장치(200)에서 폐열을 회수하고 상기 흡착식 냉동기(300)에서 폐열회수장치(200)로부터 얻는 열원을 이용하여 냉수를 생성하고 팬코일장치(400)에서 흡착식 냉동기(300)를 통해 얻어진 냉수를 이용하여 탑사이드 전기룸(500)의 온도를 낮춰줄 수 있어 폐열회수장치(200)에서 중저온으로 감소된 배기가스의 에너지를 열매체(Heating Medium)가 아닌 탑사이드(Topside)에서 쓰임이 많은 냉각(Cooling) 에너지원으로 사용할 수 있게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 : 가스 터빈
110 : 디젤 제너레이터
200 : 폐열회수장치
300 : 흡착식 냉동기
310 : 제1흡착기
311 : 제2흡착기
320 : 증발기
330 : 응축기
400 : 팬코일장치
500 : 탑사이드 전기룸

Claims (7)

  1. 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 사용되어 배출되는 고온 고압의 폐열을 회수하여 냉각하는 냉각시스템에 있어서,
    상기 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 나오는 폐열을 회수하는 폐열회수장치;
    상기 폐열회수장치로부터 회수되어 얻어지는 열원을 이용하여 냉수를 생성하는 흡착식 냉동기; 및
    상기 흡착식 냉동기에서 생성된 냉수를 이용하여 탑사이드를 냉각시킬 수 있도록 내부 공기를 낮춰주게 되는 팬코일장치를 포함하며,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 고온의 폐열을 열매체(Heating Medium)로 공급하고,
    상기 폐열회수장치는,
    상기 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 500℃의 배기가스의 폐열을 열매체로 활용한 후 100℃로 낮춰주며,
    상기 팬코일장치에는 흡착식 냉동기에서 폐열을 회수하여 흡착 및 탈착 과정을 반복하면서 생성된 냉수를 이용하여 온도를 낮춰 냉각시킬 수 있도록 하는 탑사이드 전기룸이 설치되는 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착식 냉동기는,
    상기 폐열회수장치에서 회수되는 폐열로 인해 얻어지는 열원을 이용하여 흡착 및 탈착을 반복하는 과정으로 7℃의 냉수를 생성하는 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착식 냉동기에 사용되는 흡착제는 제올라이트인 것을 특징으로 하는 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템.
  7. 제 1 항 및 제 5 항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 가스 터빈 또는 디젤 제너레이터에서 배출되는 폐열을 폐열회수장치에서 회수하여 흡착식 냉동기를 통해서 냉수를 만들어 팬코일장치에 의해 탑사이드 내부를 냉각(Cooling)시킬 수 있도록 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템을 가지는 해양구조물.
KR1020150025351A 2015-02-23 2015-02-23 흡착식 냉동기를 이용한 탑사이드 냉각시스템 및 이를 가지는 해양구조물 KR101709571B1 (ko)

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