KR102055399B1 - 소형 발전플랜트의 운영 방법 - Google Patents

Abstract

소형 발전플랜트의 운영 방법이 개시된다. 본 발명의 소형 발전플랜트의 운영 방법은, 컨테이너형으로 제작된 몸체 내부에 엔진과 상기 엔진에 의해 구동되는 발전기를 마련한 복수의 소형 발전소로 이루어진 발전플랜트의 운영 방법에 있어서, 소형 발전소의 외부에는 상기 엔진에서 사용되는 연료가 저장되며 이동 및 교체 가능한 저장탱크가 마련되되, 각각의 소형 발전소에는 복수의 저장탱크가 연결되어 복수의 저장탱크 중 어느 하나의 공급 중단시 소형 발전소로 연료공급을 지속시키는 것을 특징으로 한다.

Description

소형 발전플랜트의 운영 방법{Operating Method Of Packaged Power Plant}

본 발명은 소형 발전플랜트의 운영 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소형 발전소의 엔진에 연료를 공급하는 이동 및 교체 가능한 저장탱크를 마련하되, 각각의 소형 발전소에는 복수의 저장탱크를 연결함으로써 복수의 저장탱크 중 어느 하나의 공급 중단시 소형 발전소로 연료공급을 지속시켜 발전할 수 있는 소형 발전플랜트의 운영 방법에 관한 것이다.

천연가스는 경제성이 있고 친환경적인 에너지로 많이 소비되고 있다. 그러나 천연가스 상태로 이송하기에는 부피로 인해 운송 효율이 떨어진다.

이러한 점을 보완하기 위해, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 상태로 운송하는 방법이 제시되었다. 액화천연가스는 메탄(Methane, CH₄)을 주성분으로 한 천연가스를 대기압에서 -162℃의 극저온 상태로 냉각시켜 그 부피를 600분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체로서, 기체상태보다 수송 효율이 좋아서 장거리 수송에 경제성이 있는 것으로 알려져 있다.

이와 같은 액화천연가스는 생산 플랜트의 건설 및 운반선의 건조 비용이 많이 소요되어 경제성을 만족시키기 위해서 대규모, 장거리 수송에 주로 적용되어 왔다.

그러나 LNG는 기체상태인 천연가스에 비해 월등히 수송효율이 우수하지만, -163℃의 극저온으로 온도변화에 민감하여 취급이 까다로우며 선적과 하역을 위해서는 일반 화물용 컨테이너를 취급하는 항만시설과는 다른 특수한 시설들을 갖추어야만 하였다. 또한 극저온용 저장용기를 갖추고 LNG를 이송하는 LNG carrier는 일반 화물선에 비해 제작비용이 높고 저장설비의 파손이 있을 경우 보수하기 까다롭고 비용과 시간이 많이 소요되었다. 따라서 항만 시설과 배관망 등의 인프라가 구축되지 않은 저개발국가들에서는 LNG를 공급받아 발전연료로 이용하는데 어려움이 있었다.

이에 따라 최근에는 디젤연료보다 발전단가가 낮고 청정연료로 각광받고 있는 LNG를 연료로 발전하는 발전플랜트를, 이와 같이 관련 인프라가 구축되기 어려운 저개발국가나 도서지역에 적용할 수 있도록 소형 발전 플랜트, 즉 컨테이너형으로 발전소를 제작하는 기술의 개발이 이루어지고 있다.

본 발명은 천연가스 배관망 등 관련 인프라의 구축을 위한 고가의 비용을 요하지 않으면서도, 이동 및 교체가능한 복수의 저장탱크를 컨테이너형으로 된 소형 발전소에 연결하여, 연료 공급중단 없이 지속적으로 발전소를 가동할 수 있는 소형 발전플랜트의 운영 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 컨테이너형으로 제작된 몸체 내부에 엔진과 상기 엔진에 의해 구동되는 발전기를 마련한 복수의 소형 발전소로 이루어진 발전플랜트의 운영 방법에 있어서,

상기 소형 발전소의 외부에는 상기 엔진에서 사용되는 연료가 저장되며 이동 및 교체 가능한 저장탱크가 마련되되,

각각의 상기 소형 발전소에는 복수의 저장탱크가 연결되어 상기 복수의 저장탱크 중 어느 하나의 공급 중단시 상기 소형 발전소로 연료공급을 지속시키는 것을 특징으로 하는 소형 발전플랜트의 운영 방법이 제공된다.

상기 발전플랜트에는 상기 소형 발전소에 연결되지 않은 복수의 저장탱크가 더 보유됨으로써, 상기 발전플랜트의 안전재고율이 유지될 수 있다.

상기 저장탱크는 선박 또는 차량으로 운반가능한 상용 LNG ISO 탱크이고, 상기 저장탱크에는 LNG가 저장될 수 있다.

소형 발전플랜트의 운영 방법에서, 상기 엔진은 LNG를 연료로 사용하며, 상기 컨테이너형 몸체의 내부에는 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 폐열로 상기 LNG를 열교환시켜 상기 엔진으로 공급하는 예열기가 포함된 연료공급시스템이 마련될 수 있다.

각각의 상기 소형 발전소에서는 선입선출로 상기 복수의 저장탱크에 저장된 연료를 소비하며, 상기 소형 발전소에는 상기 저장탱크에 저장된 BOG(Boil-Off Gas)를 처리하는 재액화 장치를 포함하는 BOG 처리 시설이 마련되지 않을 수 있다.

상기 발전플랜트에는 상기 저장탱크의 저장용량을 상기 엔진의 일일 연료소비량으로 나눈 상기 저장탱크의 교체주기에 맞추어 주기적으로 복수의 상기 저장탱크가 운송될 수 있다.

본 발명의 소형 발전플랜트의 운영 방법을 통해, 천연가스 배관망 등 관련 인프라의 구축을 위한 고가의 비용을 요하지 않으면서도, 이동 및 교체가능한 복수의 저장탱크를 컨테이너형으로 된 소형 발전소에 연결하여, 연료 공급중단 없이 지속적으로 발전소를 가동할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있는 컨테이너형의 소형 발전소의 구성개념을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에서 연료공급시스템의 구성개념을 도시한다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소형 발전플랜트의 운영 방법은, 컨테이너형으로 제작된 몸체 내부에 엔진(13)과 엔진(13)에 의해 구동되는 발전기(14)를 마련한 복수의 소형 발전소(10)로 이루어진 발전플랜트의 운영 방법으로서, 소형 발전소(10)의 외부에는 엔진(13)에서 사용되는 연료가 저장되며 이동 및 교체 가능한 저장탱크(20)가 마련되되, 각각의 소형 발전소(10)에는 복수의 저장탱크(20)가 연결되어 복수의 저장탱크(20) 중 어느 하나의 공급 중단시 소형 발전소(10)로 연료공급을 지속시키는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에서, 엔진(13)은 LNG를 연료로 사용하며, 컨테이너형 몸체(11)의 내부에는 엔진(13)에서 배출된 배기가스의 폐열로 LNG를 열교환시켜 엔진(13)으로 공급하는 예열기(35)가 포함된 연료공급시스템(12)이 마련될 수 있다.

도 1에는 이와 같이 본 실시예가 적용될 수 있는 컨테이너형의 소형 발전소(10)의 구성을 개략적으로 도시하였다. 이와 같은 소형 발전소(10)가 복수로 배치되어 발전플랜트를 이루게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이 소형 발전소(10)는, 컨테이너형 몸체(11)의 내부에 LNG를 연료로 운전되는 엔진(13)과, 엔진(13)에 의해 구동되는 발전기(14)와, 저장탱크(20)에 저장된 LNG를 엔진(13)으로 공급하기 위한 연료공급시스템(12)과, 각각의 장비들을 제어하는 제어패널 등으로 이루어진 제어부(15) 등이 마련된다. 소형 발전소(10)의 외부에는 교체 및 이동가능한 저장탱크(20)가 연결되고, 엔진(13) 등의 냉각을 위한 라디에이터(16), 엔진(13)에서 배출되는 배기가스를 배출시키기 위한 배기장치(17) 등이 설치될 수 있다. 이와 같은 장치들이 마련되는 컨테이너형 몸체(11)는 일반적으로 널리 사용되는 40피트 컨테이너를 부분적으로 개조하여 제작할 수 있다.

도 2에는 이러한 소형 발전소(10)에서 저장탱크(20)로부터 엔진(13)으로 LNG를 공급하는 연료공급시스템(12) 부분만을 좀더 구체화하여 도시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이 연료공급시스템(12)은, 저장탱크(20)에 저장된 LNG를 엔진(13)으로 공급하는 공급라인(L1)에 설치되는 운전 펌프(33), 엔진(13)의 상류 측에 마련되어 LNG를 기화시키는 기화기(34), 운전 펌프(33)에 안정적으로 LNG를 공급하기 위한 버퍼 탱크(32), 저장탱크(20)로부터 버퍼 탱크(32)까지 LNG를 이송하는 이송 펌프(31)를 포함할 수 있다.

버퍼 탱크(32)는 운전 펌프(33)에 액체 상태의 LNG만 공급될 수 있도록 기체와 액체를 분리하는 기능도 수행하며, 기체상태의 증발가스는 제1 배출 라인(L6)과 배기 라인(L3)을 통해 배출될 수 있다.

엔진(13) 구동시 연료 연소로 배출되는 배기가스는 배기 라인(L3)을 통해 외부로 배출되는데, 배기가스의 폐열을 회수할 수 있도록, 기화기(34) 전단에 예열기(35)를 마련하여 고온의 배기가스 폐열로 LNG를 1차적으로 열교환시켜 가열한 다음 기화기(34)로 도입시켜 2차로 가열하여 기화시킨다.

발전플랜트에는 소형 발전소(10)에 연결되지 않은 복수의 저장탱크(20)가 더 보유됨으로써, 발전플랜트의 안전재고율을 유지할 수 있다.

즉, 각각의 소형 발전소(10)에는 중복설계(redundancy)를 고려하여 복수, 예를 들어 2개의 저장탱크(20)를 연결하여, 어느 하나의 저장탱크(20)가 파손되거나 다른 이상이 있는 등으로 연료공급을 할 수 없는 때에도 다른 저장탱크(20)로부터 계속 연료공급이 이루어짐으로써 중단없이 발전이 이루어질 수 있다. 또한 외부로부터의 연료수급에 차질이 있는 때를 대비하여 소형 발전소(10)에 직접 연결되지 않는 복수의 저장탱크(20)를 발전플랜트에 더 보유함으로써, 안전재고율을 유지하여 더욱 안정적으로 발전이 이루어지게 된다. 중복설계가 이루어지고 안전재고율을 20%로 유지한다면, 발전플랜트에는 <소형발전소의 설치 개수 X 2 X 1.2>개의 저장탱크(20)가 구비될 수 있다.

저장탱크(20)는 선박 또는 차량으로 운반가능한 상용 LNG ISO 탱크이고, 저장탱크(20)에는 LNG가 저장될 수 있다.

ISO 탱크는 20피트, 40피트 등 정규규격의 컨테이너형으로 상용 제작되는 탱크인데, 본 실시예는 표준화된 상용 LNG ISO 탱크를 저장탱크(20)로 이용함으로써, 별도의 배관망, 하역 설비, 극저온용 저장시설 등의 인프라에 대한 구축비용을 요하지 않으므로 이러한 인프라가 구축되기 어려운 저개발 국가나 산간벽지, 재해지역 등에서 디젤연료보다 저렴한 LNG를 이용해 수월하게 발전플랜트를 운용하여 전력을 공급할 수 있게 된다.

각각의 소형 발전소(10)에서는 선입선출로 복수의 저장탱크(20)에 저장된 연료를 소비하며, 소형 발전소(10)에는 저장탱크(20)에 저장된 BOG(Boil-Off Gas)를 처리하는 재액화 장치를 포함하는 BOG 처리 시설이 마련되지 않을 수 있다.

소형 발전소(10)에는 중복설계를 위해 복수의 저장탱크(20)가 연결되되, 선입선출로 먼저 공급된 저장탱크(20)에 저장된 LNG를 먼저 소비하고, 후에 공급된 저장탱크(20)의 연료를 소비한다.

이를 위해 발전플랜트에는 저장탱크(20)의 저장용량을 엔진(13)의 일일 연료소비량으로 나눈 저장탱크(20)의 교체주기에 맞추어 주기적으로 복수의 저장탱크(20)가 운송될 수 있다.

즉 저장탱크(20)의 교체주기에 맞추어 외부로부터 발전플랜트에 마련된 소형 발전소(10)의 개수만큼 저장탱크(20)를 공급받고, 각각의 소형 발전소(10)에 연결된 저장탱크(20) 중 연료소비가 완료된 저장탱크(20)를 분리한 후, 외부로부터 운송된 저장탱크(20)를 연결한다. 이때 소형 발전소(10)는 새로 교체된 저장탱크(20)의 연료는 사용하지 않고, 교체시점 이전에 연결되었으나 사용하지 않은 저장탱크(20)의 연료를 공급받아 발전한다. 다음 교체주기가 도래하면, 이 저장탱크(20)를 소형 발전소(10)에서 분리하고 운송된 저장탱크(20)를 연결하되, 이전 교체주기에 연결해 둔 저장탱크(20)의 연료를 소비한다.

40피트 상용 LNG ISO 탱크에서는 0.4%/day의 BOG가 발생하며, 18bar까지의 압력을 견딜 수 있는 구조로 이루어지는데, 이에 따라 BOG(Boil-Off Gas)를 처리하는 처리 시설을 마련하지 않고도 25 내지 50일까지 LNG를 저장할 수 있다. 그러므로 본 실시예에서는 이러한 상용 LNG ISO 탱크를 소형 발전소(10)에 연결하여 발전함으로써, 발전플랜트에 재액화 장치를 포함한 별도의 BOG 처리 시설을 마련하지 않고 운용되는 것을 특징으로 한다.

저장탱크(20)의 교체주기는 저장탱크(20)의 저장용량을 엔진(13)의 일일 연료소비량으로 나누어 계산할 수 있다. 예를 들어 990kW급 가스발전소에서 엔진(13)을 24시간 Full Load로 연속 가동할 경우 엔진(13)의 SFC는 178g/kWh이므로, 1대당 LNG 연료소비량은 4.23ton/day이 필요하다. 40피트 상용 LNG ISO 탱크의 유효하중(payload)은 18.12ton/EA이므로 이를 엔진(13)의 연료소비량인 4.23ton/day로 나누면, 엔진(13) 1대에 연료를 공급할 수 있는 기간은 4.3일이 되고, 연료탱크 교체주기는 4일 7시간 정도이다. 따라서 발전플랜트는 4 내지 5일 주기로 LNG가 저장된 저장탱크(20)를 외부로부터 공급받을 수 있다. 저장탱크(20)의 교체시간(4.3일)을 고려하면 40피트 LNG ISO 탱크를 4일, 4일, 4일, 5일의 간격으로 소형 발전소의 개수만큼 공급받을 수 있을 것이다.

한편, 40피트 LNG ISO 탱크는 LNG 생산설비에서 해상 운송선(바지선 또는 소형 컨테이너선)까지, 또 소비지의 접안시설에서 발전플랜트까지 컨테이너운송 트럭으로 이동할 수 있다. 본 실시예를 적용할 수 있는 발전플랜트는 LNG 생산설비에서 거리가 약 1000km 내외인 도서지역 등에 설치될 수 있다. 1000km의 거리를 27노트로 해상 운송할 경우 1일, 항만 적하역 및 내륙 운송 시간을 1일로 계산하면, LNG ISO 탱크에 최초 LNG 주입 시점부터 발전플랜트까지 운송하고, 소형 발전소(10)에 교체 연결하고 비축 후 연료를 전부 사용할 때까지 걸리는 시간은 약 15일 이내이므로, 별도의 BOG 처리 시설 없이도 운용가능하다. 특히 선입선출로 저장탱크(20)를 운영함으로써, 저장기간이 길어질 때 BOG에 의해 LNG ISO 탱크의 내부압력이 과도하게 상승하는 것을 막을 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 소형 발전플랜트의 운영 방법을 적용함으로써, 천연가스 배관망 등 관련 인프라의 구축을 위한 고가의 비용을 요하지 않으면서도, 이동 및 교체가능한 복수의 저장탱크(20)를 컨테이너형으로 된 소형 발전소(10)에 연결하여, 연료 공급중단 없이 지속적으로 발전소를 가동할 수 있다. 또한 발전플랜트 설치 지역의 전력 수요에 따라 소형 발전소(10)의 설치 대수를 신축적으로 늘리거나 줄이는 탄력적 운영이 가능하고, 경제적이며 친환경적으로 전력수요를 충족시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10: 소형 발전소 11: 컨테이너형 몸체
12: 연료공급시스템 13: 엔진
14: 발전기 15: 제어부
16: 라디에이터 17: 배기장치
20: 저장탱크 31: 이송 펌프
32: 버퍼 탱크 33: 운전 펌프
34: 기화기 35: 예열기
L1: 공급라인 L3: 배기 라인
L5: 복귀 라인 L6: 제1 배출 라인
L7: 제2 배출 라인

Claims (6)

1. 컨테이너형으로 제작된 몸체 내부에 엔진과 상기 엔진에 의해 구동되는 발전기를 마련한 복수의 소형 발전소로 이루어진 발전플랜트의 운영 방법에 있어서,
   상기 소형 발전소의 외부에는 상기 엔진에서 사용되는 연료가 저장되며 이동 및 교체 가능한 저장탱크가 마련되되,
   각각의 상기 소형 발전소에는 복수의 저장탱크가 연결되어 상기 복수의 저장탱크 중 어느 하나의 공급 중단 시 상기 소형 발전소로 연료공급을 지속시키고,
   상기 발전플랜트에는 상기 소형 발전소에 연결되지 않은 복수의 저장탱크가 더 보유됨으로써, 상기 발전플랜트의 안전재고율이 유지되며,
   상기 소형 발전소에는 상기 저장탱크에 저장된 BOG(Boil-Off Gas)를 처리하는 재액화 장치를 포함하는 BOG 처리 시설이 마련되지 않고,
   상기 발전플랜트에는 상기 저장탱크의 저장용량을 상기 엔진의 일일 연료소비량으로 나눈 상기 저장탱크의 교체주기에 맞추어 주기적으로 복수의 상기 저장탱크가 운송되고, 각각의 소형 발전소에 연결된 저장탱크 중 연료소비가 완료된 저장탱크를 분리한 후, 외부로부터 운송된 저장탱크를 연결하되, 소형 발전소에서는 새로 교체된 저장탱크의 연료는 사용하지 않고, 교체시점 이전에 연결되었으나 사용하지 않은 저장탱크의 연료를 공급받아 발전하여, 각각의 상기 소형 발전소에서는 선입선출로 상기 복수의 저장탱크에 저장된 연료를 소비하고,
   상기 엔진은 LNG를 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 소형 발전플랜트의 운영 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 저장탱크는 선박 또는 차량으로 운반가능한 상용 LNG ISO 탱크이고, 상기 저장탱크에는 LNG가 저장되는 것을 특징으로 소형 발전플랜트의 운영 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 컨테이너형 몸체의 내부에는 상기 엔진에서 배출된 배기가스의 폐열로 상기 LNG를 열교환시켜 상기 엔진으로 공급하는 예열기가 포함된 연료공급시스템이 마련되는 것을 특징으로 하는 소형 발전플랜트의 운영 방법.
5. 삭제
6. 삭제

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