KR102117630B1 - 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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KR102117630B1
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곽영렬
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한국조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 선박에 탑재된 액화가스 저장탱크의 가스연료 또는 오일 저장탱크의 오일연료를 소비하여 상기 선박의 추진을 위한 전기를 생산하는 복수의 발전엔진과 연료전지를 구비한 전기추진 시스템으로서, 어느 하나의 상기 발전엔진에서 배출되는 배기나 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용하여 청수를 스팀으로 변화시키는 제1 보일러; 다른 하나의 상기 발전 엔진에서 배출되는 배기나 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용하여 청수를 스팀으로 변화시키는 제2 보일러; 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러로 청수를 분배하는 청수 유입라인; 및 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 생성된 스팀을 혼합해 스팀 수요처로 공급하는 스팀 공급라인을 포함하며, 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 청수를 가열하는 열원의 종류에 따라, 상기 청수 유입라인에서의 청수 분배량 또는 상기 스팀 공급라인에서의 스팀 혼합량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박{Electric propulsion system and ship having the same}
본 발명은 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.
최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 선박에서 배출되는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키면서 추진할 수 있는 기술들이 연구되고 있다.
종래 기술에 따른 선박은 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키기 위해 Scrubber, SCR 등과 같은 환경오염물질 저감장치를 설치하였다.
그러나, 종래 기술에 따른 선박은 환경규제가 점점 강화됨에 따라 환경오염물질 저감장치만으로는 환경규제를 만족시킬 수 없는 문제가 있다. 환경규제가 강화될수록 환경오염물질 저감장치의 처리용량이 커져야 하는데, 처리용량은 저감장치의 크기에 비례하기 때문이다.
공간이 제한적인 선박에서 환경오염물질 저감장치가 차지하는 비율이 높아지면, 상대적으로 화물을 선적하는 공간이나 사람을 태우기 위한 공간이 감소될 뿐만 아니라 저감장치의 무게로 인해 연비도 증가되기 때문에 비효율적이다. 따라서, 환경 친화적이면서 고효율로 추진할 수 있는 선박에 대한 개발이 절실히 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 연료전지를 활용하여 친환경적이면서 고효율로 추진이 가능한 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기추진 시스템은, 선박에 탑재된 액화가스 저장탱크의 가스연료 또는 오일 저장탱크의 오일연료를 소비하여 상기 선박의 추진을 위한 전기를 생산하는 복수의 발전엔진과 연료전지를 구비한 전기추진 시스템으로서, 어느 하나의 상기 발전엔진에서 배출되는 배기나 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용하여 청수를 스팀으로 변화시키는 제1 보일러; 다른 하나의 상기 발전 엔진에서 배출되는 배기나 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용하여 청수를 스팀으로 변화시키는 제2 보일러; 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러로 청수를 분배하는 청수 유입라인; 및 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 생성된 스팀을 혼합해 스팀 수요처로 공급하는 스팀 공급라인을 포함하며, 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 청수를 가열하는 열원의 종류에 따라, 상기 청수 유입라인에서의 청수 분배량 또는 상기 스팀 공급라인에서의 스팀 혼합량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러는, 가스연료 또는 오일연료를 연소하여 청수를 스팀으로 변화시키는 버너를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는, 상기 청수 유입라인에서 상기 제1 보일러 또는 상기 제2 보일러의 상류에 마련되는 청수 유입밸브를 제어하거나, 상기 스팀 혼합라인에서 상기 제1 보일러 또는 상기 제2 보일러의 하류에 마련되는 스팀 혼합밸브를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러는, 서로 다른 열원으로 스팀을 생성할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는, 상기 버너를 이용하는 어느 하나의 보일러에서의 청수 유입량 또는 스팀 혼합량이, 상기 발전엔진의 배기를 이용하는 다른 하나의 보일러에서의 청수 유입량 또는 스팀 혼합량보다 상대적으로 많도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 발전엔진은, 서로 다른 발전량을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는, 상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 청수를 가열하는 열원의 온도 또는 유량에 따라, 상기 청수 분배량 또는 상기 스팀 혼합량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는, 상기 선박의 정박 또는 운항 시 상기 발전엔진의 가동 프로파일에 따라, 상기 청수 분배량 또는 상기 스팀 혼합량을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 전기추진 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 전기를 생산하여 추진하게 되므로 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx)과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 효율 및 연비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 명세서에서 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 에탄, 암모니아 등과 같이 상온에서 기체 상태로 기화되는 모든 물질을 포괄하는 의미로 사용될 수 있지만, 이하에서 편의상 액화가스는 LNG인 것으로 가정하여 설명한다.
또한 액화가스는 저장을 위해 액화된 가스, 증발가스는 자연기화된 가스를 의미하며, 액화가스나 증발가스의 상태를 각각 액체, 기체로 한정하는 것은 아니다.
본 발명은 이하에서 설명하는 전기추진 시스템과, 전기추진 시스템을 포함하는 선박에 대한 것으로서, 이때 선박은 액화가스를 수송하는 액화가스 운반선, 또는 액화가스를 추진연료로 탑재하면서 액화가스 외의 화물을 탑재하는 일반상선 등을 포괄한다. 더 나아가 본 명세서에서 선박이라 함은, 일반상선 외에 추진이 필요한 모든 해양구조물을 포괄하는 의미로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 가스연료를 소비하여 선박의 추진을 위한 전기를 생산하는 시스템으로서, 액화가스 저장탱크(10), 발전엔진(20a, 20b), 연료전지(30), 이코노마이저(40), 보일러(50a, 50b)를 포함한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스가 LNG일 경우 액화가스 저장탱크(10)는 -160도 이하의 온도로 액화가스를 저장할 수 있고, 액화가스가 액상을 유지할 수 있도록 단열 구조를 구비할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)는 제한되지 않는 타입으로 마련되며, 일례로 멤브레인형, 독립형, 가압형 등으로 마련될 수 있다. 또한 선박에서 선내에 탑재되거나, 갑판 상부에 탑재될 수 있다.
선박이 액화가스 운반선일 경우 액화가스 저장탱크(10)는 카고탱크일 수 있으며, 선박이 액화가스 운반선 외의 일반상선인 경우 액화가스 저장탱크(10)는 별도로 설치되는 연료탱크일 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 외부 열침투로 인해 적어도 일부가 기화하며, 이로 인해 액화가스 저장탱크(10) 내에는 증발가스가 발생한다. 액화가스와 증발가스는 성분에서 차이가 있긴 하지만, 모두 후술하는 발전엔진(20a, 20b)과 연료전지(30) 등에서 소비되는 가스연료일 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 발전엔진(20a, 20b)과 연료전지(30)로는 가스연료가 공급되는 액화가스 공급라인(L1)/증발가스 공급라인(L2)이 마련될 수 있고, 각 라인에는 액화가스 공급밸브(V1)/증발가스 공급밸브(V2)가 구비되어 가스연료의 공급 유량이 조절될 수 있다.
발전엔진(20a, 20b)은, 가스연료를 소비하여 전기를 생산한다. 발전엔진(20a, 20b)은 적어도 하나 이상으로 마련될 수 있고, 일례로 도면과 같이 둘 이상으로 마련될 수 있다.
복수의 발전엔진(20a, 20b)은 서로 다른 발전량을 가질 수 있다. 일례로 제1 발전엔진(20a)은 2 내지 3MW 내외의 발전량을 갖고, 제2 발전엔진(20b)은 8MW 내외의 발전량을 가질 수 있다.
종래에는 발전엔진(20a, 20b)을 복수로 구비할 경우에는 동일한 발전량을 갖는 발전엔진(20a, 20b)을 다수 배치하는 것이 일반적이었다(일례로 총 10MW의 발전량을 확보하기 위해 5MW의 발전엔진(20a, 20b) 2대를 설치).
그런데 선박이 정박한 상태에서 필요한 전기량(화물 선적이나 하역, 선실 내 전기공급, 기본 장비들의 가동 등에 필요한 전기량을 의미)은 선박의 운항 시 필요한 전기량(10MW)을 발전엔진(20a, 20b)의 대수(2대)로 나눈 것보다 작으므로(2~3MW), 종래의 경우에는 하나의 발전엔진(20a, 20b)을 저부하로 가동해야 한다.
반면 본 발명은, 발전엔진(20a, 20b)이 저부하로 가동할 경우 효율이 떨어지는 것을 고려하여, 제1 발전엔진(20a)의 발전량(연료전지(30)의 발전량을 더할 수 있음)이 선박의 정박 시 필요한 전기량에 대응되는 발전량을 갖도록 하며, 제1 발전엔진(20a) 대비 2배 이상의 발전량을 갖는 제2 발전엔진(20b)을 구비할 수 있다.
이 경우 본 발명은, 발전엔진(20a, 20b)의 100% 부하 가동을 전제하면서도, 제1 발전엔진(20a)의 발전량(2MW 내외), 제2 발전엔진(20b)의 발전량(8MW 내외), 발전엔진(20a, 20b)의 총 발전량(10MW 내외) 순으로, 발전엔진(20a, 20b) 대수보다 많은 세 단계의 발전량 선택이 가능하다.
또한 선박의 정박 시에는 제1 발전엔진(20a)을 100%로 가동하고 제2 발전엔진(20b)은 가동하지 않도록 하여, 본 발명은 발전엔진(20a, 20b)의 저부하 가동으로 인한 효율 저하를 억제할 수 있다.
물론 본 발명에서 발전엔진(20a, 20b)(발전엔진(20a, 20b) 몇 연료전지(30))은, 선박의 운항 시 필요한 전기량에 대응되는 총 발전량을 가질 수 있으며, 일례로 제2 발전엔진(20b)의 발전량은, 선박의 운항 시 필요한 전기량에서 선박의 정박 시 필요한 전기량을 제외한 만큼에 대응될 수 있다.
따라서 본 발명은 동일한 제원의 발전엔진(20a, 20b)을 다수 배치하던 종래와 달리, 서로 다른 발전량의 발전엔진(20a, 20b)들을 조합함으로써, 정박 시/운항 시 모두 발전엔진(20a, 20b)의 고부하 고효율 운전을 보장할 수 있다.
발전엔진(20a, 20b)은 액화가스나 증발가스 등의 가스연료를 소비하여 전기를 생산하며, 이때 발전엔진(20a, 20b)에서는 400도 내외의 고온 배기가 발생한다. 이러한 고온 배기는 스팀의 생성에 사용될 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다.
연료전지(30)는, 가스연료를 소비하여 선박의 추진을 위한 전기를 생산한다. 연료전지(30)는 발전엔진(20a, 20b)보다 상대적으로 작은 발전량을 가질 수 있고(일례로 제1 발전엔진(20a) 대비 0.5배 이하인 1MW 내외), 기저부하로 항상 가동하여 선박에서의 최소 발전량을 항상 유지해줄 수 있다.
본 발명에서 연료전지(30)는 SOFC일 수 있고, SOFC의 경우 300도 내외의 고온 배기를 생성하게 된다. 이때 고온 배기는 앞서 언급한 발전엔진(20a, 20b)의 배기와 함께 스팀 생산에 사용될 수 있다.
연료전지(30)는 순수한 수소를 사용하여 전기를 생산하는데, 액화가스는 수소를 포함하고 있긴 하나 탄소원자 하나에 수소원자 4개가 결합된 메탄(CH4)을 주성분으로 포함하는 것이어서 독립된 수소원자/수소분자를 주성분으로 갖는 것은 아니다.
따라서 수소에 탄소가 결합된 상태의 액화가스를 연료전지(30)에서 사용할 수 있는 상태(탄소가 분리된 수소원자/수소분자)로 변화시키기 위해서는 개질(Reform)이 필요하며, 이를 위해 액화가스 저장탱크(10)와 연료전지(30) 사이에는 액화가스에서 수소를 분리하는 개질기(31)(Reformer)가 마련될 수 있다. 다만 개질기(31)의 구체적인 구성은 종래와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
발전엔진(20a, 20b) 및 연료전지(30)에 의해 생성된 전기가 선박에서 필요한 전기량을 초과하는 경우, 잉여분의 전기는 에너지저장 시스템(ESS, 도시하지 않음)에 저장되거나 로드뱅크(load bank, 도시하지 않음) 등에 의해 소비될 수 있다.
본 발명이 에너지저장 시스템을 구비하는 경우, 에너지저장 시스템에 저장된 잉여분의 전기는 발전엔진(20a, 20b)의 저부하 가동에 의해 생성될 수 있는 전기가 필요한 경우 대신 사용되어 발전엔진(20a, 20b)의 효율을 보장할 수 있다.
다만 본 발명은 바다를 항해하는 선박에 적용되는 것으로, 항해 시 잉여분의 전기가 발생하면 선속을 높여 소비해버릴 수 있고, 정박 시에는 발전엔진(20a, 20b)을 일부만 가동함에 따라 저장이 필요할 정도의 잉여 전기가 발생하지 않게 되므로, 에너지저장 시스템을 구비하지 않을 수 있다.
이코노마이저(40)는, 연료전지(30)에서 배출되는 배기를 이용하여 청수를 가열한다. 다만 본 명세서에서 청수라 함은 기화 시 스팀이 되는 물질로서 불순물이 없는 fresh water외에도, 스팀으로 변화 가능한 모든 물질(해수 등)을 포괄하는 용어로 해석될 수 있다.
이코노마이저(40)는 청수를 고온수로 가열한다. 즉 이코노마이저(40)에 의해 가열된 청수는, 적어도 대부분이 상변화되지 않고 액상으로 남아있을 수 있다. 이는 연료전지(30)가 발전엔진(20a, 20b)보다 작은 발전량을 가짐에 따라, 연료전지(30)에서 이코노마이저(40)로 유입되는 배기의 유량이 충분하지 않기 때문이다.
물론 본 발명에서 이코노마이저(40)로부터 배출된 고온수라 함은, 스팀으로 변화하지 못한 청수를 의미하는 것이지만, 스팀이 전혀 포함되지 않은 상태만을 한정하는 것은 아니다.
이코노마이저(40)에는 청수 유입라인(L20)이 연결되고, 이코노마이저(40)로 유입되는 청수의 유량은 청수펌프(41), 청수 유입밸브(V20) 등에 의해 조절될 수 있으며, 청수 유입라인(L20)은 이코노마이저(40)를 경유하여 후술할 보일러(50a, 50b)로 연결될 수 있다.
이때 청수 유입라인(L20)을 따라 흐르는 청수는, 이코노마이저(40)에 의해 고온수로 변화한 뒤, 보일러(50a, 50b)에 의해 스팀으로 상변화할 수 있다. 즉 이코노마이저(40)와 보일러(50a, 50b)는 청수 유입라인(L20)에서 청수의 흐름을 기준으로 직렬로 배치될 수 있다.
반면 연료전지(30)의 배기는 연료전지 배기라인(L11)을 통해 이코노마이저(40)로 전달되며, 이코노마이저(40)에서 청수를 가열하면서 냉각된 뒤, 이코노마이저(40)에서 연장된 연료전지 배기라인(L11)을 따라 연돌, 벤트마스트 등을 통해 외부로 배출될 수 있다.
보일러(50a, 50b)는, 이코노마이저(40)에서 가열된 청수를 발전엔진(20a, 20b)에서 배출되는 배기를 이용하여 스팀으로 변화시킨다. 앞서 설명한 바와 같이 이코노마이저(40)와 보일러(50a, 50b)는 청수의 흐름을 기준으로 직렬로 마련되며, 청수는 이코노마이저(40)에서 고온수로 가열되고 이후 보일러(50a, 50b)에서 스팀으로 상변화하여 스팀 수요처(100)로 공급될 수 있다. 여기서 스팀 수요처(100)는 스팀 터빈, 액화가스를 가열하는 기화기 등일 수 있지만 특별히 한정되지 않는다.
본 발명은 발전량이 발전엔진(20a, 20b) 대비 적은 연료전지(30)를 기저부하로 두면서, 연료전지(30)의 배기로는 스팀이 생성되지 못하는 문제를 해소하기 위해, 이코노마이저(40)와 직렬로 보일러(50a, 50b)를 마련해 스팀 생성을 보장할 수 있다.
이때 보일러(50a, 50b)는 발전엔진(20a, 20b)마다 할당될 수 있으며, 제1 발전엔진(20a)의 배기로 청수를 가열하는 제1 보일러(50a)와, 제2 발전엔진(20b)의 배기로 청수를 가열하는 제2 보일러(50b)를 구비할 수 있고, 다만 제1 보일러(50a) 및 제2 보일러(50b)는, 청수의 흐름을 기준으로 병렬로 배치될 수 있다.
즉 청수는, 이코노마이저(40)를 거쳐 고온수로 변화한 뒤, 제1 보일러(50a) 및 제2 보일러(50b)로 분배되고, 보일러(50a, 50b)에서 발전엔진(20a, 20b)의 배기를 통해 스팀으로 변화할 수 있다. 이를 위해 청수 유입라인(L20)은, 이코노마이저(40)를 경유하여 제1 보일러(50a) 및 제2 보일러(50b)로 분기 연결되어 청수를 분배할 수 있고, 제1 보일러(50a)와 제2 보일러(50b)에서 생성된 스팀을 스팀 수요처(100)로 공급하기 위해, 보일러(50a, 50b)에서 스팀 수요처(100)로 스팀 공급라인(L21)이 연결될 수 있다.
보일러(50a, 50b)에서 사용되는 발전엔진(20a, 20b)의 배기는 연료전지(30)의 배기보다 높은 온도인 400도 내외를 가질 수 있고 유량 역시 연료전지(30)의 배기보다 많을 수 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다.
일례로 발전엔진(20a, 20b)의 부하에 따라 배기의 유량이 충분하지 않을 경우엔, 연료전지(30)의 배기와 발전엔진(20a, 20b)의 배기만으로는 스팀 생성이 이루어지지 않을 수 있다. 따라서 보일러(50a, 50b)는 가스연료를 직접 연소하여 청수를 스팀으로 변화시키는 버너(51)를 구비할 수 있다.
버너(51)는 가스연료를 연소하면서 발전엔진(20a, 20b)의 배기(약 400도) 보다 높은 1,000도 이상을 발생시킬 수 있고, 따라서 발전엔진(20a, 20b)의 부하가 줄어들더라도 스팀을 충분히 생성해낼 수 있다.
앞서 설명한 발전엔진(20a, 20b)과 연료전지(30)로 연결되는 액화가스 공급라인(L1)/증발가스 공급라인(L2)은, 보일러(50a, 50b) 내의 버너(51)로 연결될 수 있다. 즉 보일러(50a, 50b)는 발전엔진(20a, 20b)의 배기 또는 가스연료를 열원으로 하여 고온수를 스팀으로 변화시킬 수 있으며, 버너(51)로 가스연료가 공급되는 것은 발전엔진(20a, 20b)의 부하에 따라 액화가스 공급밸브(V1) 등의 개도 조절에 의해 제어될 수 있다.
보일러(50a, 50b)는 위와 같이 서로 다른 온도를 갖는 열원을 사용하여 스팀을 생성하며, 발전엔진(20a, 20b)의 배기와 버너(51)의 배기를 배출할 수 있다. 이 경우 발전엔진(20a, 20b)의 배기를 배출하는 발전엔진 배기라인(L10)과 버너(51)의 배기를 배출하는 버너 배기라인(L12)은, 보일러(50a, 50b)에서 독립적으로 연장되어 있을 수 있고, 이코노마이저(40)를 경유해 연장되는 연료전지 배기라인(L11)에서의 내용과 마찬가지로, 연돌 등에 연결되어 외부로 배기를 배출할 수 있다.
이때 보일러(50a, 50b)의 배기(본 명세서에서 발전엔진(20a, 20b)의 배기 및 버너(51)의 배기를 포괄함)와 이코노마이저(40)의 배기는 혼합되어 연돌 등을 통해 배출되거나, 연돌 등에서 배출되면서 자연스럽게 혼합될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 스팀의 생산에 연료전지(30)의 배기와 발전엔진(20a, 20b)의 배기를 활용하되, 연료전지(30)가 발전엔진(20a, 20b)보다 적은 발전량을 갖고 기저부하로 항상 가동하도록 하면서, 이코노마이저(40)와 보일러(50a, 50b)를 직렬로 배치해 스팀 생산을 보장할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 이는 이하의 다른 실시예에서도 마찬가지임을 알려둔다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 버너(51)의 배기를 가스연료의 가열에 사용할 수 있다.
앞선 실시예에서 설명한 바와 같이 보일러(50a, 50b)는 가스연료를 연소하여 청수를 스팀으로 변화시키는 버너(51)를 갖는데, 버너(51)의 배기와 발전엔진(20a, 20b)의 배기를 독립적으로 배출할 수 있다.
이때 버너(51)의 배기는 발전엔진(20a, 20b)의 배기보다 상대적으로 고온이므로, 버너(51)의 배기와 발전엔진(20a, 20b)의 배기가 혼합 배출되면 버너(51)의 배기에 포함된 열에너지가 버려지게 된다.
따라서 본 실시예는, 발전엔진(20a, 20b)의 배기 대비 버너(51)의 배기에 더 포함되어 있는 열을 회수할 수 있으며, 구체적으로 버너(51)의 배기는, 보일러(50a, 50b)에서 발전엔진(20a, 20b)의 배기와 독립적으로 배출된 후 가스연료의 가열에 사용된 뒤, 별도로 처리되거나 발전엔진(20a, 20b)의 배기와 혼합되어 배출될 수 있다.
버너(51)의 배기로 가열되는 가스연료는 연료전지(30)로 공급되는 가스연료일 수 있다. 액화가스 저장탱크(10)와 연료전지(30) 사이에는 개질기(31)가 마련되는데, 본 실시예는 개질기(31)로 유입되는 가스연료를 가열하는 열교환기(311)를 더 포함할 수 있다.
이때 열교환기(311)는, 버너(51)의 배기를 이용하여 가스연료를 가열하여, 가스연료가 액화가스일 경우에는 기화시키고, 가스연료가 증발가스일 경우에는 온도를 상승시킬 수 있다.
물론 버너(51)의 배기는 발전엔진(20a, 20b)으로 공급되는 가스연료의 가열에 활용될 수도 있겠으나, 버너(51)를 사용한다는 것은 발전엔진(20a, 20b)의 가동이 없거나 낮은 부하인 경우이고, 연료전지(30)는 일정한 발전량으로 항상 가동하므로, 버너(51)의 배기는 연료전지(30)에 공급되는 가스연료의 가열에 주로 활용될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 보일러(50a, 50b)에서 배출되는 버너(51)의 배기에 포함된 폐열을 회수하여 연료전지(30)의 가스연료 가열에 활용함으로써, 개질 효율 및 에너지 사용 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 오일을 저장하는 오일 저장탱크(11)를 갖는 선박(오일 운반선으로 한정되지 않음)에 적용되는 것으로서, 오일 저장탱크(11)에는 오일 하역펌프(111)가 할당되고 오일 하역라인(L30)이 연결된다.
오일 하역펌프(111)는, 오일 저장탱크(11)의 오일을 하역하기 위해 마련된다. 오일 하역펌프(111)는 회전력을 이용하여 오일의 펌핑을 구현할 수 있는데, 특히 본 실시예의 오일 하역펌프(111)는 연료전지(30) 및 발전엔진(20a, 20b)에 의해 생성되는 전기를 이용하여 가동할 수 있다.
오일 하역은 선박의 정박 시 이루어지는데, 종래의 경우 선박이 정박한 상태에서는 발전량이 오일 하역펌프(111)의 가동을 커버할 정도가 되지 못하였다. 이로 인해 종래에는 보일러(50a, 50b)를 구동하고, 보일러(50a, 50b)에서 발생하는 스팀을 통해 오일 하역펌프(111)를 가동하였다. 즉 종래의 오일 하역펌프(111)는 스팀을 이용하여 가동하는 타입으로 마련되었다.
그러나 본 발명은, 연료전지(30)를 기저부하로 사용하며 발전엔진(20a, 20b)에 의해 전기를 생산하게 되므로, 정박 시 충분한 전기의 생산이 가능하다. 따라서 본 발명의 오일 하역펌프(111)는, 스팀이 아닌 전기를 이용하여 가동하는 타입으로 마련될 수 있다.
이 경우 본 발명은 오일 하역펌프(111)를 구동하기 위한 보조 보일러(50a, 50b)를 별도로 구비할 필요 없고, 또한 정박 시 보일러(50a, 50b)를 가동하면서 발생하는 배기의 처리 문제를 해결할 필요도 없다는 장점을 갖는다.
특히 정박 지역에서는 환경규제가 강화되므로 보일러(50a, 50b) 배기의 처리가 큰 문제인데, 본 발명은 그러한 문제의 소지를 원천 제거할 수 있다. 또한 정박 시에는 하역 등으로 인해 가스연료 등이 충분하지 않아 보일러(50a, 50b)의 가동부하가 보장되지 못할 수 있고, 오일 하역을 위해 오일연료를 사용하면 하역 대상을 소진하게 되어 화물주의 불만을 사게 되나, 본 발명은 연료전지(30)를 활용해 오일 하역펌프(111)를 전기 가동타입으로 둠으로써, 위와 같은 문제를 모두 해결할 수 있다.
본 실시예는, 히팅부(60)를 더 포함한다. 히팅부(60)는 오일의 하역 전에 오일 저장탱크(11)의 오일을 히팅한다. 오일은 액화가스와는 달리 상온에서 액상으로 보관될 수 있으며, 이때 오일은 온도가 낮은 점도가 높아지면서 흐름이 저해됨에 따라 하역에 지장을 줄 수 있다. 따라서 본 실시예는 하역 전에 오일을 히팅하여 점도를 낮춰줌으로써 하역 효율을 높일 수 있다.
이를 위한 히팅부(60)는 오일 저장탱크(11) 내부에 코일 형태로 마련되어 있을 수 있으며, 오일 대비 상대적으로 고온의 물질을 코일에 순환시키면서 오일 저장탱크(11)에 저장된 오일의 온도를 높여줄 수 있다.
다만 종래의 경우 오일의 점도를 낮추기 위해 보일러(50a, 50b)에서 생성하는 스팀을 사용하였는데, 이때 스팀은 오일과 열교환하면서 응축됨에 따라, 응축 시 10% 내외의 열에너지 손실이 발생한다.
이러한 열에너지 손실을 해소하기 위해, 본 발명은 스팀을 대신하여 열유(Thermal oil)를 사용할 수 있다. 이때 열유는 오일과 성분이 다른 물질일 수 있고, 상변화 없이 히팅부(60)에 의해 사용된다.
히팅부(60)는, 열유를 가열하고 가열된 열유를 이용해 오일을 가열하게 되는데, 히팅부(60)는 보일러(50a, 50b)의 배기를 이용하여 열유를 가열할 수 있다. 이때 보일러(50a, 50b)의 배기라 함은 버너(51)의 배기 또는 발전엔진(20a, 20b)의 배기일 수 있다.
히팅부(60)는, 열유 가열기(61)와 열유 히터(62)를 포함한다. 열유 가열기(61)는 보일러(50a, 50b)의 배기와 열유를 열교환하여 열유를 가열할 수 있으며, 복수의 열유 가열기(61)가 병렬로 마련되면서, 각 열유 가열기(61)가 보일러(50a, 50b)마다 할당될 수 있다.
열유탱크(부호 도시하지 않음), 열유펌프(부호 도시하지 않음)를 경유하는 열유를 열유 가열기(61)로 분배하기 위해 열유 공급라인(L40)이 마련될 수 있으며, 열유 가열기(61)에서 가열된 열유는 열유 공급라인(L40)을 따라 혼합된 후 열유 히터(62)로 유입된다.
열유 히터(62)는 열유 가열기(61)의 하류에 마련되어 열유를 가열한다. 열유 히터(62)는 연료 또는 전기를 사용할 수 있으며, 오일의 가열에 필요한 온도로 열유을 최종 가열할 수 있다.
다만 열유 히터(62)에 의해 가열되는 열유는 여전히 액상일 수 있으며, 따라서 열유는 액상을 유지한 채 열유 가열기(61), 열유 히터(62), 그리고 오일 저장탱크(11) 내에 마련되는 코일 등을 경유할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 스팀 대신 전기로 가동하는 오일 하역펌프(111)를 마련해 보조 보일러(50a, 50b)를 생략할 수 있고, 보일러(50a, 50b)의 배기를 이용해 스팀이 아닌 열유를 가열하고 오일의 점도 조절에 활용하여, 스팀의 응축 시 발생하는 열에너지 손실 문제를 해소할 수 있다.
앞서 설명한 제1 내지 제3 실시예의 경우에는 액화가스를 연료로 하여 전기를 생산하는 액화가스 전용 시스템이며, 이하에서 후술하는 제4 실시예 등은 액화가스 또는 오일을 연료로 하여 전기를 생산하는 액화가스/오일 이종연료 시스템이다.
다만 앞선 제1 내지 제3 실시예에 대해, 이하에서 설명하는 오일을 연료로 공급하는 구성이 부가될 수 있고, 반대로 후술하는 제4 실시예 등에 대해 오일을 연료로 공급하는 구성이 생략될 수 있음은 물론이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 발전엔진(20a, 20b)이 가스연료 외에 오일연료도 사용 가능하게 마련된다.
이를 위해 선박에는 가스연료를 저장하는 액화가스 저장탱크(10)와, 오일연료를 저장하는 오일 저장탱크(11)가 마련되며, 액화가스 저장탱크(10)에서 발전엔진(20a, 20b)과 연료전지(30)로는 액화가스 공급라인(L1)(또는 증발가스 공급라인(L2))이 마련되고, 오일 저장탱크(11)에서 발전엔진(20a, 20b)으로는 오일 공급라인(L3)이 추가로 마련된다.
오일 공급라인(L3)에는 오일 공급밸브(V3)가 마련되어, 가스연료의 공급량과 연동하여 오일연료의 공급량이 조절될 수 있다. 또한 액화가스 공급라인(L1)에서와 마찬가지로, 오일 공급라인(L3)은 보일러(50a, 50b)의 버너(51)에도 연결될 수 있다.
다만 본 실시예에서 연료전지(30)는 가스연료로만 구동될 수 있는데, 이 경우 본 실시예는 앞선 실시예들과 마찬가지로, 오일연료를 연료전지(30)에 공급하지 않으므로 오일연료를 탈황하기 위한 구성을 마련하지 않을 수 있다.
본 실시예에서 보일러(50a, 50b)는, 발전엔진(20a, 20b)의 배기 또는 버너(51)의 연소열을 사용하여 스팀을 생산하는데, 버너(51)는 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용할 수 있다.
그런데 보일러(50a, 50b)가 발전엔진(20a, 20b)의 배기를 사용할 경우에는 청수에 가해지는 열의 온도는 400도 내외인 반면, 버너(51)의 연소열을 사용할 경우에는 1,000도 내외일 수 있고, 버너(51)가 소비하는 연료의 종류에 따라 차이가 발생할 수 있다.
즉 보일러(50a, 50b)가 어떠한 열원을 사용하는지에 따라 청수에 공급되는 열의 온도가 달라지는 바, 본 실시예는 이를 고려하여 스팀의 생성을 효율적으로 제어할 수 있다.
일례로 제1 발전엔진(20a) 및 제2 발전엔진(20b)에 각각 할당되는 제1 보일러(50a)와 제2 보일러(50b)가 구비되는 경우, 제1 보일러(50a) 및 제2 보일러(50b)에서 청수를 가열하는 열원의 종류에 따라, 청수 유입라인(L20)에서의 청수 분배량 또는 스팀 공급라인(L21)에서의 스팀 혼합량이 제어부에 의해 제어될 수 있다.
구체적으로 제어부는, 복수의 보일러(50a, 50b)로 고온수를 분배하는 청수 유입라인(L20)에서 제1 보일러(50a) 또는 제2 보일러(50b)의 상류에 마련되는 청수 유입밸브(V20)를 제어할 수 있고, 및/또는 복수의 보일러(50a, 50b)에서 연장된 후 합류되어 스팀 수요처(100)로 연결되는 스팀 혼합라인에서 제1 보일러(50a) 또는 제2 보일러(50b)의 하류에 마련되는 스팀 혼합밸브(V21)를 제어할 수 있다.
즉 본 실시예는, 복수의 보일러(50a, 50b)가 서로 다른 열원으로 스팀을 생성함에 따라 스팀 생성 능력이 상호 동일하지 않을 수 있으므로, 제어부를 이용하여 각 보일러(50a, 50b)로 공급되는 청수의 유량/각 보일러(50a, 50b)에서 배출되는 스팀의 유량을 제어하여, 스팀 수요처(100)에서 요구하는 온도/유량을 맞춰줄 수 있다.
제1 보일러(50a)와 제2 보일러(50b)가 서로 다른 열원으로 스팀을 생성할 경우, 제어부는 버너(51)를 이용하는 어느 하나의 보일러(50a, 50b)에서의 청수 유입량/스팀 혼합량이, 발전엔진(20a, 20b)의 배기를 이용하는 다른 보일러(50a, 50b)에서의 청수 유입량/스팀 혼합량보다 상대적으로 많도록 제어할 수 있다.
또는 제1 발전엔진(20a)과 제2 발전엔진(20b)의 발전량이 달라, 제1 보일러(50a)와 제2 보일러(50b)의 제원에서 차이가 존재하는 경우, 제어부는 이를 고려하여 복수의 보일러(50a, 50b)가 서로 다른 열원을 사용하지 않는 경우에도, 제1 보일러(50a) 및 제2 보일러(50b)에서 청수를 가열하는 열원의 온도 또는 유량에 따라, 청수 분배량 또는 스팀 혼합량을 제어할 수 있다.
또한 제어부는, 선박의 정박 또는 운항 시 발전엔진(20a, 20b)의 가동 프로파일에 따라, 청수 분배량 또는 스팀 혼합량을 제어할 수 있다. 발전엔진(20a, 20b)의 가동 프로파일이라 함은 발전엔진(20a, 20b)의 배기가 발생하는지, 버너(51)의 가동이 필요한지를 의미하는 발전엔진(20a, 20b)의 가동 여부와, 발전엔진(20a, 20b)의 배기량/버너(51)의 가동 부하를 의미하는 발전엔진(20a, 20b)의 가동 부하 등의 정보를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 서로 다른 제원을 갖고 서로 다른 열원을 사용할 수 있는 복수의 보일러(50a, 50b)를 통해 스팀을 생성하면서, 스팀의 생성량을 효율적으로 제어하여 스팀 수요처(100)의 가동을 안정적으로 유지할 수 있다.
이하에서는 오일연료의 공급이 추가된 제4 실시예를 기본으로 하여, 각 실시예에서 달라지는 점을 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 개질기(31)로 유입되는 가스연료를 가열하는 열교환기(311)를 구비하며, 열교환기(311)는 이코노마이저(40)에서 가열된 청수를 이용하여 가스연료를 가열할 수 있다.
앞선 제2 실시예의 경우 열교환기(311)가 버너(51)의 배기를 활용하여 가스연료를 가열하였는데, 이와 달리 본 실시예는 이코노마이저(40)에서 연료전지(30)의 배기로 가열된 액상의 고온수를 활용할 수 있다.
이를 위해 본 실시예는, 청수 유입라인(L20)에서 청수 분기라인(L22)이 분기되어 있을 수 있다. 청수 분기라인(L22)은 청수 유입라인(L20)에서 부분적으로 분기되어 열교환기(311)를 경유하도록 마련된다.
구체적으로 청수 분기라인(L22)은, 청수 유입라인(L20)에서 이코노마이저(40)의 하류로부터 분기되고 열교환기(311)를 거친 뒤, 청수 유입라인(L20)에서 보일러(50a, 50b)의 상류로 합류된다. 이때 청수 분기라인(L22)에는 분기되는 청수의 유량 조절을 위한 청수 분기밸브(V22)가 마련되며, 청수 분기밸브(V22)는 제어부(도시하지 않음)에 의해 제어된다.
제어부는, 연료전지(30)로 공급되는 가스연료의 유량 또는 청수 유입라인(L20)의 청수 유량을 고려하여, 청수 분기라인(L22)의 청수 유량을 제어할 수 있다. 제어부는 청수 분기밸브(V22)를 제어하거나 청수 유입라인(L20)에 마련되는 청수펌프(41)를 제어할 수 있는데, 특히 제어부는 열교환기(311)에서 청수의 결빙을 방지하도록 청수 분기밸브(V22) 또는 청수펌프(41)를 제어할 수 있다.
청수는 이코노마이저(40)에서 연료전지(30)의 배기에 의해 가열되나 상변화되지 못하고 고온수로 변화할 수 있고, 일례로 청수는 이코노마이저(40) 하류에서 약 90도 내외의 온도를 가질 수 있다.
이때 고온수를 활용하여 가스연료를 가열하게 되면, 가스연료의 저온으로 인해 고온수가 0도 이하로 냉각됨에 따라 응결될 우려가 있는바, 제어부는 고온수의 유속을 빠르게 하거나 고온수의 유량을 증가시키는 등의 제어를 통해, 열교환기(311)에서 고온수의 결빙을 방지할 수 있다.
또한 열교환기(311)로 청수가 전달되면, 보일러(50a, 50b)로 유입되는 청수의 온도는 열교환기(311)로 전달되어 가스연료에 의해 냉각된 청수의 유량만큼 낮아질 수 있으므로, 보일러(50a, 50b)는 열교환기(311)로 전달되는 청수의 유량에 따라, 버너(51)의 가동부하를 조절할 수 있다.
즉 열교환기(311)를 경유하는 청수의 유량이 증가할 경우 버너(51)의 가동부하를 높여서, 가스연료에 의해 고온수 일부가 냉각되더라도 보일러(50a, 50b)에서는 스팀이 충분히 생성되도록 할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 이코노마이저(40)에서 배출되는 고온수를 이용하여 연료전지(30)로 공급되는 가스연료를 가열하여, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 연료전지(30)를 발전량이 일정한 기저부하로 가동시키며, 반면 발전엔진(20a, 20b)을 발전량이 가변되는 보조부하로 가동시킬 수 있다.
연료전지(30)는 발전엔진(20a, 20b)보다 작은 1MW 내외의 발전량을 갖고 항상 가동하여 일정한 전기의 생산을 유지시켜줄 수 있으며, 이를 위해 본 실시예는, 연료전지(30)가 액화가스 저장탱크(10)의 액화가스를 소비하도록 한다.
액화가스 저장탱크(10)에는 액화가스가 저장되어 있고, 외부 열침투에 의해 증발가스가 발생한다. 액화가스의 저장량은 소비에 의해서만 달라지지만, 증발가스의 저장량은 소비뿐만 아니라 외부 열침투 등 계산하기 어려운 요인들에 의해 달라질 수 있다.
따라서 연료전지(30)가 증발가스를 주 연료로 사용하게 되면 연료전지(30)의 부하를 조절해야 할 수 있는바, 본 실시예는 연료전지(30)가 액화가스를 소비하여 발전량이 일정하게 유지되도록 한다.
반면 발전엔진(20a, 20b)은, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 소비하면서 발전량이 가변되는 보조부하로 가동할 수 있다. 이때 보조부하라 함은 발전량이 적다는 의미가 아니며, 기저부하인 연료전지(30)의 발전량에 더하여 추가로 발전량을 더해주는 부하임을 의미한다.
이와 같이 구성하기 위해, 액화가스 저장탱크(10)에서 연료전지(30)로는 액화가스 공급라인(L1)만이 연결되며, 연료전지(30)는 증발가스는 물론이고 오일연료도 사용하지 않아 탈황기(32)를 생략할 수 있다.
반면 액화가스 저장탱크(10)에서 발전엔진(20a, 20b)으로는 증발가스 공급라인(L2) 및 오일 공급라인(L3)이 연결될 수 있으며, 오일 공급밸브(V3)는 증발가스의 공급량에 따라 조절되어 발전엔진(20a, 20b)의 부하 변동을 줄일 수 있다.
일례로 선박의 정박 시 필요한 전기량에 대응되는 발전량을 갖는 제1 발전엔진(20a)은, 선박이 정박한 상태에서 증발가스를 소비하면서 발전량이 일정하게 가동할 수 있도록, 오일을 함께 사용할 수 있다.
또한 액화가스 저장탱크(10)에서 보일러(50a, 50b)의 버너(51)로 증발가스 공급라인(L2)이 연결되며, 보일러(50a, 50b)는 발전엔진(20a, 20b)과 마찬가지로 증발가스를 소비하면서 스팀의 생성량이 가변될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 연료전지(30)의 발전량을 일정하게 유지하기 위하여 연료전지(30)는 액화가스를 사용하고, 유량이 달라지는 증발가스를 발전엔진(20a, 20b)과 버너(51) 등에서 소비하도록 하여, 연료전지(30) 가동부하가 달라지지 않도록 함으로써 연료전지(30) 내구성을 확보할 수 있다.
고온 환경에서 작동하는 SOFC인 연료전지(30)는 부하가 달라지면 내부 온도가 변화하면서 내구성이 저하될 수 있지만, 본 실시예는 그러한 문제를 해소하여 연료전지(30)의 수명을 보장할 수 있다.
다만 본 실시예에서 연료전지(30)는 증발가스를 사용하지 않는 것으로 한정되나, 발전엔진(20a, 20b)은 증발가스를 사용하면서 액화가스를 함께 사용할 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제7 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 오일 저장탱크(11)에 저장된 오일연료를 연료전지(30)에 공급한다.
연료전지(30)는 수소를 이용하여 전기를 생산하는 구성이므로, 메탄으로 이루어진 액화가스를 연료전지(30)에 공급하기 위해서는 메탄에서 탄소를 분리해내는 개질 작업이 필요하므로, 개질기(31)를 구비하게 된다.
여기에 더 나아가, 오일연료를 연료전지(30)에 공급하기 위해서는, 오일연료에 포함되어 있는 황 성분을 제거하고, 수소에 결합되어 있는 탄소를 분리해내는 개질작업이 필요하다.
이를 위해 본 실시예는, 오일 저장탱크(11)에서 연료전지(30)로 연결되는 오일 공급라인(L3)에서, 연료전지(30)의 상류에 탈황기(32), 개질기(31)를 차례로 마련할 수 있다. 이때 개질기(31)는 가스연료의 개질과 오일연료의 개질을 동시에/이시에 구현 가능한 구성일 수 있고, 액화가스 공급라인(L1) 또는 오일 공급라인(L3)에 각각 마련되는 분리형이거나, 일체형으로 마련될 수 있다.
탈황기(32)는, 연료전지(30)로 공급되는 오일연료를 탈황하며, 탈황 원리는 기존에 널리 알려져 있는 물리적/화학적 방식을 제한없이 사용할 수 있다.
또한 탈황기(32)는 전개질기(Pre-reformer, 도시하지 않음)와 일체형으로 마련될 수 있으며, 이 경우 개질기(31)는 전개질된 오일연료를 최종적으로 개질할 수 있다.
본 실시예는 연료전지(30)에 가스연료 외에 오일연료를 공급하기 위해 탈황기(32) 등을 마련하는 것이며, 이하에서 설명하는 제8 실시예는 본 실시예를 기반으로 함을 알려둔다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제8 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 탈황기(32)가 이코노마이저(40)에서 가열된 청수를 이용하여 가열되는 오일연료를 탈황할 수 있다.
오일 저장탱크(11)에 저장된 오일연료의 온도는 상온일 수 있으므로, 탈황 시 효율을 높이기 위해서는 80도 내외의 온도로 높여주는 것이 바람직함은 해당 분야에서 널리 알려져 있다.
이를 고려하여 본 실시예는, 탈황되어야 하는 오일연료를 가열하되, 이코노마이저(40)에서 배출되는 고온수를 오일연료의 가열에 활용할 수 있다.
이때 본 실시예는 탈황기(32)로 유입되는 오일연료를 고온수로 가열하는 가열기(321)를 탈황기(32)의 상류 또는 탈황기(32)의 내부에 마련할 수 있고, 탈황될 오일연료의 가열을 위하여 청수 유입라인(L20)에서 이코노마이저(40)의 하류로부터 가열기(321)로 분기되는 청수 전달라인(L23)이 마련될 수 있다.
또는 본 실시예는 가열기(321)가 생략되고 청수 전달라인(L23)이 탈황기(32)에 직접 연결되어, 탈황기(32)에 이코노마이저(40)에서 가열된 고온수를 공급하여, 탈황기(32)가 자체적으로 오일연료의 가열 및 탈황을 동시에 구현하도록 할 수도 있다.
탈황되어야 하는 오일연료의 가열에 사용되는 고온수는 황성분 등의 이물질을 포함하게 될 가능성이 높으므로, 스팀으로 변화시켜 스팀 수요처(100)로 공급하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 따라서 청수 전달라인(L23)은 청수 유입라인(L20)에서 분기될 뿐 청수 유입라인(L20)으로 합류되지 않도록 마련될 수 있다.
또한 이코노마이저(40)에서 청수로 전달되는 열은 청수 전달라인(L23)을 따라 오일연료에 대부분 전달될 수 있도록, 청수 유입라인(L20)에서 부분적으로 분기되어 이코노마이저(40)를 우회하는 청수 우회라인(L24)이 마련될 수 있다.
즉 고온수는 청수 전달라인(L23)을 따라 가열기(321) 등으로 전달되며, 보일러(50a, 50b)에서의 스팀 생성을 위해 이코노마이저(40) 상류의 청수 유입라인(L20)에서 청수 우회라인(L24)을 따라 보일러(50a, 50b)로 청수가 충분히 전달될 수 있다.
이때 보일러(50a, 50b)로 공급되는 청수의 유량은 청수 우회밸브(V24)에 의해 조절될 수 있으며, 청수 우회라인(L24)에 마련되는 청수 우회밸브(V24)는 연료전지(30)로 공급되는 오일연료의 유량을 고려하여 제어부에 의해 제어됨에 따라, 청수 우회라인(L24)을 따라 보일러(50a, 50b)로 전달되는 청수 유량이 적절하게 설정될 수 있다.
다만 이코노마이저(40)를 우회한 청수가 보일러(50a, 50b)로 유입될 경우 고온수가 유입되는 경우와 대비할 때 상대적으로 많은 가열이 필요하므로, 보일러(50a, 50b)는 버너(51)를 사용할 수 있다.
청수 우회라인(L24)을 구비하는 경우에는 고온수의 일부를 청수 전달라인(L23)으로 전달하고 나머지를 보일러(50a, 50b)로 전달하게 되나, 위의 경우와 달리 본 실시예는 청수 유입라인(L20) 자체를 이코노마이저(40)와 보일러(50a, 50b)로 분배 연결하는 것도 가능하다.
즉 청수 유입라인(L20)은 이코노마이저(40)와 보일러(50a, 50b)에 각각 청수를 분배하며, 청수 전달라인(L23)은 이코노마이저(40)의 하류로부터 가열기(321) 등으로 연장될 수 있다. 이때 연료전지(30)로 공급되는 오일연료의 유량을 고려하여, 청수 유입라인(L20)의 청수 분배량을 제어부로 제어할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 고온수를 이용하여 탈황되는 오일연료의 가열에 활용함으로써, 탈황 효율을 높여 연료전지(30)의 발전효율을 극대화할 수 있고, 환경오염을 방지할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들 중 적어도 둘 이상의 조합 또는 적어도 하나 이상의 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.
일례로 도 8에 나타난 제8 실시예와, 도 2에 나타난 제2 실시예가 부분적으로 조합된 제9 실시예를 더 포함할 수 있다. 제 9 실시예는, 탈황기(32)가 버너(51)의 배기를 이용하여 가열되는 오일연료를 탈황할 수 있다.
탈황 효율 향상을 위해, 오일 저장탱크(11)에 저장되어 있는 오일의 온도보다 높게 오일을 가열하는 것이 바람직함은 앞서 설명한 바와 같은데, 제9 실시예는 가스연료의 가열에 버너(51)의 배기를 활용했던 제2 실시예를 참고하여, 버너(51)의 배기를 탈황되어야 하는 오일연료의 가열에 활용할 수 있다.
이때 탈황기(32)로 유입되는 오일연료를 버너(51)의 배기를 이용하여 가열하는 가열기(321)가 사용되거나, 탈황기(32) 자체가 버너(51)의 배기를 전달받아, 버너(51)의 배기를 이용하여 오일연료가 가열되는 동시에 탈황되도록 할 수 있음은 앞선 제8 실시예의 내용과 유사하다.
물론 상기에서 설명한 제9 실시예 외에도, 앞서 설명한 실시예의 특징들의 조합이 얼마든지 본 발명의 범주로 포함될 수 있을 것이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 전기추진 시스템 10: 액화가스 저장탱크
11: 오일 저장탱크 111: 오일 하역펌프
20a: 제1 발전엔진 20b: 제2 발전엔진
30: 연료전지 31: 개질기
311: 열교환기 32: 탈황기
321: 가열기 40: 이코노마이저
41: 청수펌프 50a: 제1 보일러
50b: 제2 보일러 51: 버너
60: 히팅부 61: 열유 가열기
62: 열유 히터 100: 스팀 수요처
L1: 액화가스 공급라인 V1: 액화가스 공급밸브
L2: 증발가스 공급라인 V2: 증발가스 공급밸브
L3: 오일 공급라인 V3: 오일 공급밸브
L10: 발전엔진 배기라인 L11: 연료전지 배기라인
L12: 버너 배기라인 L20: 청수 유입라인
V20: 청수 유입밸브 L21: 스팀 공급라인
V21: 스팀 혼합밸브 L22: 청수 분기라인
V22: 청수 분기밸브 L23: 청수 전달라인
L24: 청수 우회라인 V24: 청수 우회밸브
L30: 오일 하역라인 L40: 열유 공급라인

Claims (9)

  1. 선박에 탑재된 액화가스 저장탱크의 가스연료 또는 오일 저장탱크의 오일연료를 소비하여 상기 선박의 추진을 위한 전기를 생산하는 복수의 발전엔진과 연료전지를 구비한 전기추진 시스템으로서,
    어느 하나의 상기 발전엔진에서 배출되는 배기나 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용하여 청수를 스팀으로 변화시키는 제1 보일러;
    다른 하나의 상기 발전 엔진에서 배출되는 배기나 가스연료 또는 오일연료의 연소열을 이용하여 청수를 스팀으로 변화시키는 제2 보일러;
    상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러로 청수를 분배하는 청수 유입라인; 및
    상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 생성된 스팀을 혼합해 스팀 수요처로 공급하는 스팀 공급라인을 포함하며,
    상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러는, 가스연료 또는 오일연료를 연소하여 청수를 스팀으로 변화시키는 버너를 가지되, 서로 다른 열원으로 스팀을 생성하는 것이며,
    상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 청수를 가열하는 열원의 종류에 따라, 상기 청수 유입라인에서의 청수 분배량 또는 상기 스팀 공급라인에서의 스팀 혼합량을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기추진 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 청수 유입라인에서 상기 제1 보일러 또는 상기 제2 보일러의 상류에 마련되는 청수 유입밸브를 제어하거나, 상기 스팀 공급라인에서 상기 제1 보일러 또는 상기 제2 보일러의 하류에 마련되는 스팀 혼합밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 전기추진 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 버너를 이용하는 어느 하나의 보일러에서의 청수 유입량 또는 스팀 혼합량이, 상기 발전엔진의 배기를 이용하는 다른 하나의 보일러에서의 청수 유입량 또는 스팀 혼합량보다 상대적으로 많도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기추진 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 발전엔진은,
    서로 다른 발전량을 갖는 것을 특징으로 하는 전기추진 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제1 보일러 및 상기 제2 보일러에서 청수를 가열하는 열원의 온도 또는 유량에 따라, 상기 청수 분배량 또는 상기 스팀 혼합량을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기추진 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 선박의 정박 또는 운항 시 상기 발전엔진의 가동 프로파일에 따라, 상기 청수 분배량 또는 상기 스팀 혼합량을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기추진 시스템.
  9. 제 1 항, 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 상기 전기추진 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.
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