KR101847019B1 - 열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물 및 그러한 해상 부유물의 열매체 열교환 방법 - Google Patents

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Abstract

열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물 및 그러한 해상 부유물의 열매체 열교환 방법
본 발명에 따르면 기화기 및 발전 유닛을 구비한 해상 부유물에 있어서, 기화기 및 발전 유닛에서 배출된 냉각수를 폐루프를 갖는 열교환기에 의해 서로 열교환 시킨 후 배출하도록 함으로써 전력 소모 및 냉각수를 공급하기 위한 펌프의 용량을 줄이면서도 냉각수의 배출 온도에 대한 규제를 준수할 수 있다.

Description

열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물 및 그러한 해상 부유물의 열매체 열교환 방법{Floating vessel including device of heat exchange of medium and method of heat exchange of medium of the floating vessel}
본 발명은 열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물 및 그러한 해상 부유물의 열매체 열교환 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액화가스를 기화하기 위한 기화기 및 액화가스를 연료로 전력을 생산하는 발전유닛을 구비한 해상 부유물에 구비되는 열매체 열교환 장치 및 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas)등의 액화가스를 저장 및 취급하는 해상 부유물의 경우 액화가스를 저장하기 위한 저장탱크를 구비하는 것이 일반적이다.
특히, 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 해상 부유물의 경우 저장탱크와 더불어 액화가스를 기화시켜 해상 부유물 내 연료 수요처에 공급하기 위한 기화기(vaporizer)가 구비되는 경우가 많다.
한편, 육상의 발전 플랜트와 달리 해상을 부유하면서 전력을 생산하여 육상의 수요처에 공급하는 FSPP(Floating Storage Power Plant)에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 육상에 발전 플랜트를 설치하기 곤란한 동남아시아의 섬나라 등의 경우 이러한 FSPP에 대한 수요가 크다. 이러한 FSPP 중 액화가스를 연료로 하는 FSPP의 경우 액화가스를 기화하는 기화기 및 이러한 기화된 액화가스를 연료로 하여 전력을 생산하는 발전 유닛이 구비된다. 이러한 발전 유닛은 예를 들어, 기화된 액화가스를 공급받아 전력을 생산하는 가스 터빈, 가스 터빈으로부터 배출된 폐열을 회수한 후 이를 이용하여 스팀을 생산하여 전력을 생산하는 스팀 터빈 및 스팀 터빈에서 배출된 스팀을 응축시키는 응축기를 포함할 수 있다.
이러한 FSPP에 탑재되는 구성 중 기화기 및 응축기는 모두 열매체를 필요로 한다. 즉, 기화기에서는 액화가스와 열교환하여 액화가스에 열에너지를 전달하기 위한 열매체가, 응축기에서는 스팀과 열교환하여 스팀으로부터 열에너지를 전달받기 위한 열매체가 필요하다. 열매체로는 해수 등이 이용될 수 있다.
한편, 해수를 열매체로 사용하는 경우 배출되는 해수의 온도에 대한 규제가 존재한다. 따라서, FSPP에서 해수를 열매체로 사용하는 경우 해당 지역 및 국제법상 규제에 따른 온도를 갖는 해수를 배출할 필요가 있다.
한편, FSPP에서 이러한 열매체의 운용 방법은 여러가지가 있을 수 있는데 도 1은 이러한 열 매체의 운용 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 열매체는 응축기 및 기화기를 거쳐 배출될 수 있다. 즉, 응축기에서는 발전 유닛에서 배출된 스팀과 열교환하여 스팀으로부터 열에너지를 흡수한 후 기화기에 공급되어 액화가스와 열교환함으로써 액화가스에 열에너지를 전달함으로써 액화가스를 기화시키게 된다. 즉, 이러한 열매체의 운용방법은 동일한 열매체를 응축기와 기화기에 순차적으로 공급함으로써 스팀의 열 에너지를 액화가스에 전달하는 방법이라고 볼 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 해수를 열매체로 이용하는 경우 배출되는 해수의 온도를 규제에 맞도록 하기 위해 열매체로서 해수의 유동량을 크게 할 필요가 있다. 이는 FSPP에 해수를 공급하기 위한 해수 냉각수용 펌프의 용량이 증가함을 의미한다. 따라서, FSPP의 가동에 필요한 소모전력이 증가하게 되는 문제점을 야기한다.
따라서, 본 발명의 목적은 기화기 및 발전유닛을 구비한 해상 부유물에 있어서 해수를 열매체를 사용하는 경우 해상 부유물을 해수에 공급하기 위한 펌프의 용량을 줄일 수 있음과 동시에 소모 전력의 감소를 도모할 수 있는 해상 부유물을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스를 저장하기 위한 액화가스 저장탱크를 구비한 해상 부유물에 있어서, 상기 액화가스와 제1 열매체를 열교환하여 상기 액화가스를 기화하는 기화기; 및 상기 기화기에서 기화된 액화가스를 연료로 하여 전력을 생산하는 발전 유닛; 을 포함하고, 상기 발전 유닛은 상기 발전 유닛에서 생성된 스팀을 제2 열매체와 열교환하여 상기 스팀을 응축시키는 응축기; 를 포함하며, 상기 기화기에서 배출된 상기 제1 열매체 및 상기 응축기에서 배출된 상기 제2 열매체가 서로 열교환하는 열교환기; 를 포함하는 열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물이 제공된다.
상기 열교환기는 제3 열매체가 폐루프(closed loop)로 순환하는 폐루프 열교환기; 이고, 상기 폐루프 열교환기에서 상기 제3 열매체는 상기 응축기에서 배출된 상기 제2 열매체와 열교환한 후 상기 기화기에서 배출된 상기 제1 열매체와 열교환함으로써 상기 제1 열매체 및 상기 제2 열매체가 서로 열교환할 수 있다.
상기 폐루프 열교환기는 상기 제1 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 기화기측 열교환기; 및 상기 제2 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 발전유닛측 열교환기; 를 포함할 수 있다.
상기 발전 유닛은 상기 기화기에서 기화된 액화가스를 연료로 하여 전력을 생산하는 가스 터빈; 상기 가스 터빈으로부터 배출된 폐열로부터 열을 회수하여 스팀을 생산하는 스팀 발생기; 및 상기 스팀 발생기에서 생산된 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 스팀 터빈; 을 포함할 수 있다.
상기 제1 열매체 및 상기 제2 열매체는 해수(sea water)일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 액화가스를 저장하기 위한 액화가스 저장탱크를 구비한 해상 부유물의 열매체 열교환 방법에 있어서, 상기 해상 부유물에 구비되는 기화기에서 상기 액화가스와 제1 열매체를 열교환하여 상기 액화가스를 기화하는, 기화 단계; 상기 해상 부유물에 구비되는 발전 유닛에서 배출된 스팀을 제2 열매체와 열교환하여 상기 스팀을 응축하는, 응축 단계; 및 상기 발전 유닛에서 배출된 제1 열매체와 상기 발전 유닛에서 배출된 제2 열매체를 열교환하는, 열매체 열교환 단계; 를 포함하는 해상 부유물의 열매체 열교환 방법이 제공된다.
상기 해상 부유물은 제3 열매체가 폐루프(closed loop)로 순환하는 폐루프 열교환기; 를 더 포함하며, 상기 열매체 열교환 단계는 상기 폐루프 열교환기에서 상기 제3 열매체가 상기 응축기에서 배출된 상기 제2 열매체와 열교환한 후 상기 발전 유닛에서 배출된 상기 제1 열매체와 열교환함으로써 이루어질 수 있다.
상기 폐루프 열교환기는 상기 제1 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 기화기측 열교환기; 및 상기 제2 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 발전유닛측 열교환기; 를 포함할 수 있다.
상기 발전 유닛은 상기 액화가스와 제1 열매체를 열교환하여 상기 액화가스를 기화하는 기화기; 및 상기 기화기에서 기화된 액화가스를 연료로부터 전력을 생산하는 가스 터빈; 및 상기 가스 터빈으로부터 배출된 폐열로부터 열을 회수하여 스팀을 생산하는 스팀 발생기; 를 포함할 수 있다.
상기 제1 열매체 및 상기 제2 열매체는 해수(sea water)일 수 있다.
본 발명에 따르면 기화기 및 발전유닛을 구비한 해상 부유물에 있어서 해수를 열매체를 사용하는 경우 해상 부유물을 해수에 공급하기 위한 펌프의 용량을 줄일 수 있음과 동시에 소모 전력의 감소를 도모할 수 있는 해상 부유물을 건조할 수 있다.
도 1은 기화기 및 응축기를 구비한 해상 부유물에서 열 매체의 운용 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 부유물의 구성을 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명될 것이나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명이 적용될 수 있는 해상 부유물은 액화가스를 기화시키기 위한 기화기 및 기화된 액화가스를 연료로 전력을 생산하는 발전 유닛이 구비된 해상 부유물에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 FSPP(Floating Storage Power Plant)에 적용될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기재된 액화가스란 액화천연가스(Liquefied Natural Gas) 및 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas)를 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
도 2를 참조하면 해상 부유물에는 액화가스를 저장하기 위한 액화가스 저장탱크(1)가 구비될 수 있다.
또한, 액화가스 저장탱크(1)로부터 배출되는 액화가스를 공급받은 후 액화가스와 열매체를 열교환하여 액화가스를 기화시키는 기화기(10)가 구비된다. 이하에서는 기화기(10)에서 액화가스를 기화시키는 열매체를 제1 열매체라 부르기로 한다.
또한, 해상 부유물에는 액화가스를 연료로 전력을 생산하는 발전 유닛(20)이 구비된다. 해상 부유물이 FSPP인 경우 발전 유닛(20)은 생산된 전력을 육상의 수요처로 공급하기 위한 구성일 수 있다.
본 발명에 따르면 발전 유닛(20)은 복합 발전 유닛일 수 있다. 즉, 발전 유닛(20)은 기화기(10)에서 기화된 액화가스를 공급받아 전력을 생산하는 가스 터빈(22), 가스 터빈(22)으로부터 배출된 폐열로부터 열을 회수한 후 열을 이용하여 스팀을 생산하는 스팀 발생기(24), 상기 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 스팀 터빈(26) 및 스팀 터빈에서 배출된 스팀을 열매체와 열교환하여 스팀을 응축시키는 응축기(28)를 포함할 수 있다. 이하에서는 응축기(28)에서 스팀을 응축시키는 열매체를 제2 열매체라 부르기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 열매체와 제2 열매체는 각각 다른 열매체이다. 여기서 다른 열매체라는 의미는 열매체의 종류가 다르다는 의미는 아니며 응축기(28)를 유동하는 열매체는 기화기(10)를 유동하지 않으며, 반대로 기화기(10)를 유동하는 열매체는 응축기(28)를 유동하지 않는다는 의미이다.
한편, 제1 열매체 및 제2 열매체는 외부로부터 끌어다 쓸 수 있다. 예를 들어, 제1 열매체 및 제2 열매체는 해수(sea water)일 수 있다.
또한, 제1 열매체 및 제2 열매체를 각각 기화기(10) 및 응축기(28)에 공급하기 위한 펌프(40)가 구비될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 펌프(40)는 각각 기화기(10)의 상류 및 응축기(28)의 상류에 구비될 수 있다. 제1 열매체 및 제2 열매체가 해수인 경우 펌프(40)는 외부로부터 해수를 끌어와 기화기(10) 및 응축기(28)에 각각 공급하기 위한 펌프일 수 있다.
본 발명에 따르면 기화기(10) 및 응축기(28)에서 각각 액화가스 및 스팀과 열교환을 한 제1 열매체 및 제2 열매체는 열교환기(30)에서 서로 열교환을 한 후 배출된다. 제1 열매체 및 제2 열매체가 해수인 경우 열교환기(30)에서 서로 열교환을 한 후 배출됨으로써 펌프의 용량을 최소화하면서 냉각수 배출에 대한 각종 규제를 준수할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 열매체 및 제2 열매체는 직접 열교환하지 않고 제3 열매체에 의해 간접적으로 열교환할 수 있다. 이와 관련하여 도 2를 참조하면 폐루프 열교환기(30)가 구비된다.
기화기(10)에서는 제1 열매체가 극저온 상태인 액화가스와 열교환을 하게 되므로 기화기(10)에서 배출되는 제1 열매체는 상대적으로 저온 상태에 있게 된다. 반면, 응축기(28)에서 배출되는 제2 열매체는 고온 상태인 스팀과 열교환을 하게 되므로 응축기(28)에서 배출되는 제2 열매체는 상대적으로 고온 상태에 있게 된다. 따라서, 배출되는 해수의 온도에 대한 규제를 만족하기 위해서는 상대적으로 고온인 제2 열매체로부터 열을 회수하여 그 열을 상대적으로 저온인 제1 열매체에 공급할 필요가 있다.
폐루프 열교환기(30)는 이와 같이, 폐루프로 순환하는 제3 열매체를 이용하여 제2 열매체로부터 회수한 열을 제1 열매체에 공급하는 역할을 한다.
이를 위하여, 폐루프 열교환기(30)는 기화기(10)에서 배출되는 제1 열매체와 제3 열매체가 열교환 하는 기화기측 열교환기(32) 및 응축기(28)에서 배출되는 제2 열매체와 제3 열매체가 열교환하는 발전유닛측 열교환기(34)를 포함한다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 부유물의 열매체 열교환 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 기화기(10)에서 액화가스와 제1 열매체를 열교환하여 액화가스를 기화하는, 기화 단계 및 해상 부유물에 구비되는 발전 유닛(20)에서 배출된 스팀을 제2 열매체와 열교환하여 상기 스팀을 응축하는, 응축 단계가 이루어진다. 기화 단계 및 응축 단계의 시간적 선후 관계는 가변적일 수 있다. 즉, 기화 단계가 일어난 후 응축 단계가 일어날 수 있고, 응축 단계가 일어난 후 기화 단계가 일어날 수도 있으며, 기화 단계 및 응축 단계가 동시에 일어날 수도 있다. 따라서, 본 명세서 및 특허청구범위를 해석할 때 기화 단계 및 응축 단계의 시간적 선후 관계를 제한하는 것으로 해석되어서는 안될 것이다.
기화 단계가 끝나게 되면 냉각된 제1 열매체는 기화기측 열교환기(32)에 공급되고, 응축 단계가 끝나게 되면 가열된 제2 열매체는 발전유닛측 열교환기(34)에 공급된다.
기화기측 열교환기(32)에 공급된 제1 열매체는 제3 열매체와 열교환함으로써 가열된 후 배출되고, 발전유닛측 열교환기(34)에 공급된 제2 열매체는 제3 열매체와 열교환함으로써 냉각된 후 배출된다.
한편, 기화기측 열교환기(32)에서 제1 열매체에 의해 냉각된 제3 열매체는 발전유닛측 열교환기(34)에 공급되어 제1 열매체로부터 회수한 냉열을 제2 열매체에 공급함으로써 제2 열매체를 냉각시키게 되고, 발전유닛측 열교환기(34)에서 제2 열매체에 의해 가열된 제3 열매체는 기화기측 열교환기(32)에 공급되어 제2 열매체로부터 회수한 열을 제1 열매체에 공급함으로써 제1 열매체를 가열하게 된다.
1 - 액화가스 저장탱크
10 - 기화기
20 - 발전 유닛
22 - 가스 터빈
24 - 스팀 발생기
26 - 스팀 터빈
28 - 응축기
30 - 폐루프 열교환기
32 - 기화기측 열교환기
34 - 발전유닛측 열교환기
40 - 펌프

Claims (10)

  1. 액화가스를 저장하기 위한 액화가스 저장탱크를 구비한 해상 부유물에 있어서,
    상기 액화가스를 기화시키는 기화기;
    상기 해상 부유물의 발전 유닛에서 사용된 스팀을 응축시키는 응축기;
    상기 기화기로 유동하며, 상기 액화가스를 기화시키는 제1 열매체;
    상기 응축기로 유동하며, 상기 스팀을 응축시키는 제2 열매체;
    상기 액화가스를 기화시키고 기화기로부터 배출되는 제1 열매체 및 상기 스팀을 응축시키고 응축기로부터 배출되는 제2 열매체가 열교환하는 열교환기;를 포함하고,
    상기 제1 열매체와 제2 열매체는 각각 다른 열매체이며,
    상기 제2 열매체로부터 회수한 열을 상기 제1 열매체로 공급하는 제3 열매체;를 더 포함하여,
    상기 제1 열매체와 제2 열매체는 상기 열교환기에서 상기 제3 열매체에 의해 간접 열교환하여, 상기 액화가스를 기화시키면서 냉각된 저온의 제1 열매체는 가열되고, 상기 스팀을 응축시키면서 가열된 제2 열매체는 냉각되어 배출되는, 열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는,
    제3 열매체가 폐루프(closed loop)로 순환하는 폐루프 열교환기; 이고,
    상기 폐루프 열교환기에서 상기 제3 열매체는 상기 응축기에서 배출된 상기 제2 열매체와 열교환한 후 상기 기화기에서 배출된 상기 제1 열매체와 열교환함으로써 상기 제1 열매체 및 상기 제2 열매체가 서로 열교환하는,
    열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 폐루프 열교환기는,
    상기 제1 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 기화기측 열교환기; 및
    상기 제2 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 발전유닛측 열교환기; 를 포함하는,
    열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기화기에서 기화된 액화가스를 연료로 하여 전력을 생산하는 가스 터빈;
    상기 가스 터빈으로부터 배출된 폐열로부터 열을 회수하여 스팀을 생산하는 스팀 발생기; 및
    상기 스팀 발생기에서 생산된 스팀을 이용하여 전력을 생산하는 스팀 터빈; 을 더 포함하고,
    상기 스팀 터빈에서 전력을 생산한 후 배출되는 스팀이 상기 응축기로 공급되는, 열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열매체 및 상기 제2 열매체는 해수(sea water)인,
    열매체 열교환 장치를 구비한 해상 부유물.
  6. 액화가스를 저장하기 위한 액화가스 저장탱크를 구비한 해상 부유물의 열매체 열교환 방법에 있어서,
    상기 해상 부유물에 구비되는 기화기에서 상기 액화가스와 제1 열매체를 열교환하여 상기 액화가스를 기화하는, 기화 단계;
    상기 해상 부유물에 구비되는 발전 유닛에서 배출된 스팀을 제2 열매체와 열교환하여 상기 스팀을 응축하는, 응축 단계; 및
    상기 발전 유닛에서 배출된 제1 열매체와 상기 발전 유닛에서 배출된 제2 열매체를 열교환하는, 열매체 열교환 단계; 를 포함하되,
    상기 제1 열매체와 제2 열매체는 각각 다른 열매체이며,
    상기 열매체 열교환 단계에서는,
    제3 열매체가 상기 제2 열매체로부터 회수한 열을 상기 제1 열매체에 공급하고,
    상기 제3 열매체가 상기 제1 열매체로부터 회수한 냉열을 상기 제2 열매체에 공급함으로써,
    상기 제3 열매체에 의해 상기 제1 열매체 및 제2 열매체는 간접 열교환하여 제1 열매체는 가열시켜 배출시키고 제2 열매체는 냉각시켜 배출시키는, 해상 부유물의 열매체 열교환 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 해상 부유물은,
    제3 열매체가 폐루프(closed loop)로 순환하는 폐루프 열교환기; 를 더 포함하며,
    상기 열매체 열교환 단계는,
    상기 폐루프 열교환기에서 상기 제3 열매체가 응축기에서 배출된 상기 제2 열매체와 열교환한 후 상기 발전 유닛에서 배출된 상기 제1 열매체와 열교환함으로써 이루어지는,
    해상 부유물의 열매체 열교환 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 폐루프 열교환기는,
    상기 제1 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 기화기측 열교환기; 및
    상기 제2 열매체와 상기 제3 열매체가 열교환하는 발전유닛측 열교환기; 를 포함하는,
    해상 부유물의 열매체 열교환 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 발전 유닛은,
    상기 액화가스와 제1 열매체를 열교환하여 상기 액화가스를 기화하는 기화기; 및
    상기 기화기에서 기화된 액화가스를 연료로부터 전력을 생산하는 가스 터빈; 및
    상기 가스 터빈으로부터 배출된 폐열로부터 열을 회수하여 스팀을 생산하는 스팀 발생기; 를 포함하는,
    해상 부유물의 열매체 열교환 방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 열매체 및 상기 제2 열매체는 해수(sea water)인,
    해상 부유물의 열매체 열교환 방법.
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