KR102197284B1 - 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은, 오일 또는 가스를 이용하여 에너지를 생산하는 기관; 상기 기관의 폐열을 회수하여 스팀을 생성하는 폐열회수장치; 상기 폐열회수장치에서 생성된 스팀을 공급받는 스팀터빈; 및 선박에 설치되며 상기 스팀을 소비하는 적어도 하나 이상의 스팀 수요처를 포함하되, 상기 폐열회수장치에서 상기 스팀 수요처로 연결되는 스팀 공급라인은, 상기 스팀터빈을 경유하도록 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

발전 시스템{Power generation system}
본 발명은 발전 시스템에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.
이러한 선박은 엔진을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 중유 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 하는 엔진으로서, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.
그러나 최근에는, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급 방식이 사용되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.
일반적으로, LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이러한 LNG는 주성분인 메탄을 1기압 하에서 -162℃도 이하로 온도를 내려서 액체 상태로 보관하는 것이 일반적인데, 액화된 메탄의 부피는 표준상태인 기체상태의 메탄 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.42로 원유비중의 약 2분의 1이 된다.
그러나 엔진이 구동되기 위해 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 LNG의 상태와는 다를 수 있다. 따라서 최근에는 액체 상태로 저장되는 LNG의 온도 및 압력 등을 제어하여 엔진에 공급하는 기술에 대하여, 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
특히, LNG 운반선에서 선박에 사용되는 공정용 스팀을 생산하기 위하여 별도의 보일러를 설치하여 운전함으로써 공간 활용 제약과 설비에 대한 투자비용이 발생되는 우려가 있어 개선이 요구되는 실정이다.
본 발명은 종래기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스팀을 생성하기 위해 스팀 생성용 보일러를 추가로 설치할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있으며, 연료비를 절감할 수 있는 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은, 오일 또는 가스를 이용하여 에너지를 생산하는 기관; 상기 기관의 폐열을 회수하여 스팀을 생성하는 폐열회수장치; 상기 폐열회수장치에서 생성된 스팀을 공급받는 스팀터빈; 및 선박에 설치되며 상기 스팀을 소비하는 적어도 하나 이상의 스팀 수요처를 포함하되, 상기 폐열회수장치에서 상기 스팀 수요처로 연결되는 스팀 공급라인은, 상기 스팀터빈을 경유하도록 마련되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 기관에서 상기 폐열회수장치로 상기 기관의 폐열을 전달하는 폐열 전달라인이 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 스팀 수요처에서 상기 폐열회수장치로 응축수를 전달하는 응축수 전달라인이 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 스팀터빈에서 상기 응축수 전달라인으로 응축수를 전달하는 응축수 회수라인이 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 응축수 회수라인에 마련되는 콘덴서를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 콘덴서는, 상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀 또는 응축수 중 스팀을 냉각하여 응축시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 스팀 수요처는, 선박에 설치되는 난방시스템 또는 유체의 가열을 위한 열교환기일 수 있다.
본 발명에 따른 발전 시스템은, 추진 등을 위한 기관으로 사용되는 엔진 또는 가스터빈의 폐열을 이용하여 폐열회수장치 또는 스팀터빈의 공정에 필요한 스팀을 추출하여 사용함으로써 스팀 생성용 보일러를 별도로 설치할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 연료효율이 향상되어 연료비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템을 도시한 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템(100)은 기관(110), 폐열회수장치(120), 스팀터빈(130), 스팀 수요처(140), 콘덴서(150)를 포함한다.
기관(110)은 선박에 마련되어 프로펠러(도시하지 않음)의 구동을 위해 추진력을 발생시킬 수 있도록, 오일 또는 가스를 이용하여 에너지를 생산할 수 있다. 예를 들어, 기관(110)은 가스터빈 또는 엔진일 수 있다.
기관(110)은 특히, 가스터빈은 증발가스 또는 기화기(도시하지 않음)에 의해 강제로 생성된 증발가스를 공급받아 증발가스를 압축된 공기와 함께 연소해서 터빈 휠(도시하지 않음)을 회전시킬 수 있다.
여기서, 가스터빈은 터빈발전기(도시하지 않음)와 연결될 수 있으며 가스터빈에 의해 증발가스가 소비됨에 따라 터빈발전기가 동력을 생산할 수 있다.
또한, 기관(110)의 폐열이 전달되도록 폐열 전달라인(111)이 마련될 수 있고, 폐열 전달라인(111)은 기관(110)에서 폐열회수장치(120)까지 연결될 수 있다.
폐열회수장치(120)(HRSG)는 기관(110)의 폐열을 회수하여 스팀을 생성한다. 즉, 폐열회수장치(120)는 기관(110)에서 발생된 배기의 배기열을 이용하여 증기를 생성할 수 있는데, 폐열 전달라인(111)을 통해 공급된 폐열을 통해 폐열회수장치(120)가 증기를 생성하여 스팀터빈(130)으로 공급할 수 있다.
이때, 폐열회수장치(120)에서 생성되는 스팀의 온도는, 스팀터빈(130)의 작동에 의해 가열되는 스팀의 최고 온도에 비하여 상대적으로 낮은 온도로 이루어질 수 있으며, 섭씨 40도 내외로 이루어질 수 있다. 또한, 폐열회수장치(120)의 운행에 의한 스팀의 온도는 거의 일정하게 이루어질 수 있다.
이러한 폐열회수장치(120)는 가스터빈의 배기열을 이용하여 대기로 방출되는 폐열의 낭비를 방지할 수 있다. 다만, 스팀터빈(130)으로부터 배출되는 스팀을 활용하여 폐열회수장치(120)에서 생산되는 스팀의 온도보다 낮은 온도를 요구하는 조건에 대응시킬 수 있도록, 스팀터빈(130)으로부터 배출되는 스팀을 스팀 수요처(140)로 공급하여 이용할 수 있다. 이에 따라, 조건에 따라 서로 다른 온도를 요구하는 스팀 수요처(140)에서 스팀을 효율적으로 이용할 수 있다.
스팀터빈(130)은 보조발전기(부호 도시하지 않음)가 마련되어 동력을 생산할 수 있도록 구동되면서도, 특히 본 실시예에서는 폐열회수장치(120)에서 생산되는 스팀보다 낮은 온도의 스팀을 요구하는 스팀 수요처(140)에 스팀을 공급한다.
스팀터빈(130)은 폐열회수장치(120)에서 생성된 스팀을 공급받아, 터빈 휠(도시하지 않음)을 회전시켜 가스터빈과 동일 또는 유사하게 별도의 보조발전기가 마련되어 동력을 생산할 수 있다. 여기서, 터빈발전기가 연결된 가스터빈이 구동되어 배기가 생성되는 경우 보조발전기가 연결된 스팀터빈(130)이 구동될 수 있어, 보조발전기는 터빈발전기를 보조하여 작동될 수 있다.
특히, 스팀터빈(130)은 구동에 따라 스팀의 온도가 섭씨 40도 내지 500도로 가변될 수 있는데, 스팀 수요처(140)는 각 프로세스(열교환기 등)에서 요구되는 온도가 상이할 수 있으며, 이에 대응하여 스팀터빈(130)으로부터 스팀이 배출되어 각각의 스팀 수요처(140)로 스팀이 공급될 수 있다.
여기서, 스팀터빈(130)은 하나의 축에 여러 개의 터빈 휠(도시하지 않음)이 맞물린 형태를 이룰 수 있어, 스팀터빈(130)에 유입된 스팀이 복수개의 터빈 휠 중 하나 또는 둘 이상의 터빈휠을 지난 후 빠져나와 스팀 수요처(140)로 공급될 수 있어, 스팀의 온도 및 압력이 조절될 수 있다. 이때, 스팀이 경유하는 터빈 휠의 수가 많아질수록 스팀의 압력 및 온도는 낮아질 수 있다.
또한, 후술되는 스팀 공급라인(131) 상에서 스팀터빈(130)의 하류에는 온도계 및 압력계가 마련될 수 있어 스팀 공급라인(131)을 경유하는 스팀의 온도 및 압력을 측정하여 각각의 스팀 수요처(140)에서 요구하는 스팀의 스펙(온도, 압력 등)에 대응하여 스팀 공급라인(131)의 개도를 조절함으로써 스팀의 공급을 조절할 수 있다.
아울러, 도면에 도시하지는 않았으나, 스팀 공급라인(131), 폐열 전달라인(111), 응축수 전달라인(145), 응축수 회수라인(132) 등의 라인 상에는 밸브가 마련되어 밸브의 개도 조절에 의해 스팀의 공급 및 유량이 조절될 수도 있다.
스팀 수요처(140)는 선박(도시하지 않음)에 설치되며 스팀을 소비하고, 적어도 하나 이상 마련될 수 있다. 여기서, 스팀 수요처(140)는 선박에 설치되는 난방시스템(141) 또는 유체의 가열을 위한 열교환기(142)일 수 있다.
예를 들어, 난방시스템(141)은 열교환기(142)보다 낮은 온도를 요구할 수 있으며, 난방시스템(141)이 섭씨 100도 내외의 스팀을 요구하고, 열교환기(142)는 섭씨 140도 내외의 스팀을 요구할 수 있다.
이와 같이, 각각의 스팀 수요처(140) 마다 요구하는 스팀의 온도는 상이할 수 있는데, 스팀터빈(130)의 구동 진행에 따라 온도가 변경되는(스팀이 경유하는 터빈휠의 수 증가에 따름) 스팀을 공급받을 수 있도록, 스팀 공급라인(131)이 스팀터빈(130)으로부터 스팀 수요처(140)로 연결될 수 있다.
이때, 스팀터빈(130)으로 공급되는 스팀은 폐열회수장치(120)로부터 공급될 수 있으며, 이에 따라, 스팀 공급라인(131)은 폐열회수장치(120), 스팀터빈(130), 스팀 수요처(140) 각각을 경유하여 연결될 수 있다. 즉, 스팀 공급라인(131)은 폐열회수장치(120)에서 스팀 수요처(140)로 연결되며, 스팀터빈(130)을 경유하도록 마련된다.
여기서, 난방시스템(141)과 열교환기(142) 등은 요구되는 스팀의 온도를 달리 이루므로, 스팀 공급라인(131)은 난방시스템(141)과 열교환기(142) 각각에 연결되도록 분기될 수 있다.
아울러, 각각의 스팀 수요처(140)에서 사용된 후 배출된 스팀은 하나의 콘덴서(150)로 공급될 수 있으며, 응축수 전달라인(145)이 각각의 스팀 수요처(140)에서 합류되어 폐열회수장치(120)까지 연결되어 폐열회수장치(120)로 응축수를 전달할 수 있다.
콘덴서(150)는 스팀터빈(130)에서 배출된 스팀을 재활용하기 위해서, 스팀을 냉각시켜 응축수를 생성한 후 폐열회수장치(120)에 공급하는 구성으로서, 콘덴서(150)는 스팀터빈(130)에서 배출되는 스팀 또는 응축수 중 스팀을 냉각하여 응축시킬 수 있어, 콘덴서(150)에서 응축된 증기는 폐열회수장치(120)로 공급된다.
여기서, 응축수 회수라인(132)이 스팀터빈(130)에서 응축수 전달라인(145)까지 연결되어 응축수를 전달할 수 있으며, 응축수 회수라인(132) 상에 콘덴서(150)가 마련되어, 스팀터빈(130)으로부터 배출된 스팀이 콘덴서(150)에서 응축되어 스팀 수요처(140)에서 배출된 스팀과 합류할 수 있다. 이러한 스팀은 응축수 전달라인(145)을 통해 폐열회수장치(120)로 공급될 수 있다.
이때, 폐열회수장치(120)에 유입된 응축수는 기관(110)의 배기에 의해 스팀으로 변환되어 스팀터빈(130)으로 다시 유입되는 바와 같이, 스팀의 발생, 응축, 발생의 과정이 반복될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 추진 등을 위한 기관(110)으로 사용되는 엔진 또는 가스터빈의 폐열을 이용하여 폐열회수장치(120) 또는 스팀터빈(130)의 공정에 필요한 스팀을 추출하여 사용함으로써 스팀 생성용 보일러를 별도로 설치할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 연료효율이 향상되어 연료비를 절감할 수 있다.
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.
100: 발전 시스템 110: 기관
111: 폐열 전달라인 120: 폐열회수장치
130: 스팀터빈 131: 스팀 공급라인
132: 응축수 회수라인 140: 스팀 수요처
141: 난방시스템 142: 열교환기
145: 응축수 전달라인 150: 콘덴서

Claims (7)

  1. 오일 또는 가스를 이용하여 에너지를 생산하는 기관;
    상기 기관의 폐열을 회수하여 스팀을 생성하는 폐열회수장치;
    상기 폐열회수장치에서 생성된 스팀을 공급받는 스팀터빈; 및
    선박에 설치되며 상기 스팀을 소비하는 적어도 하나 이상의 스팀 수요처를 포함하되,
    상기 폐열회수장치에서 상기 스팀 수요처로 연결되는 스팀 공급라인은,
    상기 스팀터빈을 경유하도록 마련되고,
    상기 스팀터빈이 하나의 축에 여러 개의 터빈 휠이 마련되며,
    상기 스팀터빈에 유입된 스팀이 복수 개의 상기 터빈 휠 중 일부를 경유한 후 배출되어 상기 스팀 수요처로 공급되어, 상기 폐열회수장치에서 상기 스팀 수요처로 전달되는 스팀의 온도 및 압력이 상기 스팀터빈에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기관에서 상기 폐열회수장치로 상기 기관의 폐열을 전달하는 폐열 전달라인이 마련되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스팀 수요처에서 상기 폐열회수장치로 응축수를 전달하는 응축수 전달라인이 마련되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스팀터빈에서 상기 응축수 전달라인으로 응축수를 전달하는 응축수 회수라인이 마련되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 응축수 회수라인에 마련되는 콘덴서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 콘덴서는,
    상기 스팀터빈에서 배출되는 스팀 또는 응축수 중 스팀을 냉각하여 응축시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스팀 수요처는,
    선박에 설치되는 난방시스템 또는 유체의 가열을 위한 열교환기인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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