KR102334536B1 - 선박의 발전장치 - Google Patents

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Abstract

선박의 발전장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 의한 선박의 발전장치는 서로 공통유로를 통해 연결되며, 제1피스톤을 가진 제1실린더와 제2피스톤을 가진 제2실린더; 가열유체에 의해 제1실린더 내의 작동유체를 가열시키는 제1열교환부; 저장탱크로부터 엔진으로 공급되는 액화가스를 기화시키는 과정에서 발생하는 냉열을 이용하여 제2실린더 내로 이동한 작동유체를 냉각시키는 제2열교환부; 및 제1피스톤과 제2피스톤의 반복 동작에 의해 회동되는 회전축의 회전력을 기초로 전기를 발생시키는 발전부;를 포함하되, 제1실린더 내의 작동유체는 제1열교환부에 의해 가열 팽창하면서 공통유로를 통해 제2실런더로 흘러 들어가 제2실린더 내의 제2피스톤을 위쪽으로 밀어내고, 제2실린더 내로 유입된 작동유체는 제2열교환부에 의해 냉각 수축되면서 제2피스톤을 아래쪽으로 끌어 내려 기계적으로 연결된 제1피스톤을 처음 위치로 복귀시킨다.

Description

선박의 발전장치{GENERATING APPARATUS OF SHIP}
본 발명은 선박의 발전장치에 관한 것이다.
온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다.
연료가스 중에서 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변환시켜 저장 및 운반을 하고 있다.
이러한 액화가스는 선체에 단열 처리되어 설치되는 저장탱크에 수용되어 저장 및 수송되며, 선박의 엔진은 액화가스 또는 증발가스(Boiled Off Gas) 등을 연료가스로 공급받아 구동된다. 여기서, 증발가스는 저장탱크 내부에 수용된 액화가스가 자연적으로 기화하여 발생되는 자연증발가스 및 액화가스를 강제적으로 기화시켜 생산한 강제증발가스를 포함한다. 액화가스 또는 증발가스는 압축 및 기화 등의 처리과정을 거쳐 엔진이 요구하는 조건에 맞추어 공급된다.
한편, 통상적으로 저장탱크에 저장된 액화가스는 예컨대 대략 14도 정도의 해수와 열교환되어 기화된 후, 엔진의 연료공급조건에 맞게 대략 160도 정도의 보일러 스팀과 열교환되어 가열된다. 이때, 액화가스 기화 과정에서 발생하는 냉열 에너지는 재활용되지 못하고 외부로 배출되었다.
이에, 종래에는 냉열을 회수하여 발전 등에 이용하는 다양한 방법을 제시한 바 있다. 관련된 종래기술로서, 한국공개특허 제10-2012-0010334호(2012.02.03. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2012-0010334호(2012.02.03. 공개)
본 발명의 실시 예는 선박의 보일러 스팀 및 액화가스 기화 시 발생하는 냉열 간의 온도 차를 이용하여 서로 공통유로를 통해 연결된 두 실린더의 작동유체가 가열 팽창 및 냉각 수축 작용을 하도록 하고, 이를 통해 발전을 수행하도록 하여, 발전의 효율성 및 구성의 간편성, 제어의 우수성을 높일 수 있는 선박의 발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 공통유로를 통해 연결되며, 제1피스톤을 가진 제1실린더와 제2피스톤을 가진 제2실린더; 가열유체에 의해 상기 제1실린더 내의 작동유체를 가열시키는 제1열교환부; 저장탱크로부터 엔진으로 공급되는 액화가스를 기화시키는 과정에서 발생하는 냉열을 이용하여 상기 제2실린더 내로 이동한 상기 작동유체를 냉각시키는 제2열교환부; 및 상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤의 반복 동작에 의해 회동되는 회전축의 회전력을 기초로 전기를 발생시키는 발전부;를 포함하되, 상기 제1실린더 내의 작동유체는 상기 제1열교환부에 의해 가열 팽창하면서 상기 공통유로를 통해 제2실런더로 흘러 들어가 상기 제2실린더 내의 제2피스톤을 위쪽으로 밀어내고, 상기 제2실린더 내로 유입된 상기 작동유체는 상기 제2열교환부에 의해 냉각 수축되면서 상기 제2피스톤을 아래쪽으로 끌어 내려 기계적으로 연결된 상기 제1피스톤을 처음 위치로 복귀시키는 선박의 발전장치가 제공될 수 있다.
상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤의 각각의 피스톤축은 회전축을 중심으로 회전하는 플라이휠의 고정축을 공통접점으로 하여 서로 회동 가능하게 연결될 수 있다.
상기 작동유체는 헬륨, 수소 및 프로판 중 어느 하나를 포함하고, 상기 가열유체는 해수 및 선박 내의 스팀 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 선박의 발전장치는 선박의 보일러 스팀 및 액화가스 기화 시 발생하는 냉열 간의 온도 차를 이용하여 서로 공통유로를 통해 연결된 두 실린더의 작동유체가 가열 팽창 및 냉각 수축 작용을 하도록 하고, 이를 통해 발전을 수행하도록 하여, 발전의 효율성 및 구성의 간편성, 제어의 우수성을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 연료공급시스템에서, 액화가스 기화 시 발생하는 냉열을 발전장치로 공급하는 모습을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 발전장치의 세부 구성도이다.
도 3a와 도 3b는 도 2에 도시된 발전장치의 동작 과정을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 연료공급시스템(100)은 선박 엔진이 요구하는 메탄가에 맞게 연료가스를 효과적으로 공급할 수 있다. 또, 연료공급시스템(100)은 액화가스 기화 시 발생하는 냉열을 후술할 발전장치(101)으로 공급할 수 있다. 이하에서는 연료공급시스템(100)을 먼저 설명하고, 이어서 발전장치(101)을 설명한다.
연료공급시스템(100)은 발전장치(100)와 함께 예컨대 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 각종 선박에 구비될 수 있다.
연료공급시스템(100)은 액화가스 및 액화가스의 증발가스를 저장하는 저장탱크(10)와, 저장탱크(10)로부터 증발가스를 공급받아 압축하는 압축부(20)와, 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스를 저장하는 압력탱크(25)와, 열교환부(30)와, 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스를 열교환부(30)로 전달하며, 열교환부(30), 기화기(40), 기액분리기(50), 히터(55) 및 엔진(E)을 연결하는 연료공급라인(L1)과, 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스의 증발가스를 압축부(20)로 전달하며, 압축부(20), 압력탱크(25), 열교환부(30) 및 저장탱크(10)를 연결하는 메탄가충족라인(L2)과, 메탄가충족라인(L2)의 압력탱크(25) 후단에 마련된 제어밸브(60)와, 제어밸브(60)의 개폐를 제어하는 제어부(80)를 포함한다.
여기서, 제어부(80)는 엔진(E)에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 연료공급라인(L1)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 제어밸브(60)를 개방시켜, 압력탱크(25)에 저장된 상술한 압축된 증발가스가 열교환부(30)로 공급되도록 한다.
그리고, 열교환부(30)는 제어밸브(60) 개방에 따라 압력탱크(25)로부터 공급된 압축된 증발가스를 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스와 열교환시켜 액화시킨다. 이후, 열교환부(30)에 의해 액화된 증발가스는 메탄가충족라인(L2)을 통해 저장탱크(10)에 저장된다.
이하, 연료공급시스템(100)에 대해서 구체적으로 설명한다.
상술한 저장탱크(10)는 예컨대 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장할 수 있으며, 다른 예에서는 엔진(E)의 연료로 사용되며, 액화 가능한 다른 물질을 저장할 수도 있다. 저장탱크(10)는 단열상태를 유지하면서 연료를 액화상태로 저장하는 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크 등을 포함할 수 있다. 상술한 엔진(E)은 예컨대, DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진 등과 같은 저압(약 5~8bar)의 분사엔진, 중압(약 16~18bar)의 연료가스로 연소가 가능한 중압가스 분사엔진 등을 포함할 수 있다.
저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 증발가스는 메탄가충족라인(L2)을 통해 압축부(20)로 공급된다. 메탄가충족라인(L2)은 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 증발가스를 압축부(20)로 보내며, 압축부(20), 압력탱크(25), 열교환부(30) 및 저장탱크(10)를 연결한다.
압축부(20)는 다단의 압축기(21)와 냉각기(22)를 포함할 수 있으며, 저장탱크(10)로부터 공급받은 액화가스의 증발가스를 설정된 압력에 따라 압축시킨다.
압력탱크(25)는 압축부(20)에 의해 압축된 증발가스를 저장한다. 압력탱크(25)에 저장된 압축된 증발가스는 제어밸브(60) 개방 시 설정된 압력으로 열교환부(30)로 공급될 수 있다.
저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 연료공급라인(L1)을 통해 열교환부(30)로 거쳐 엔진(E) 쪽으로 공급된다.
연료공급라인(L1)는 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스를 열교환부(30)로 전달하며, 열교환부(30), 기화기(40), 기액분리기(50), 히터(55) 및 엔진(E)을 연결한다.
평상 시, 메탄성분 함유량이 높은 저장탱크(10)의 증발가스는 엔진(E)의 연료로 소비되지 않고, 압력탱크(25)에 저장된다.
따라서, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스는 별도의 열교환을 수행하지 않고 열교환부(30)를 통과하여 기화기(40)로 이동한다.
기화기(40)는 열교환부(30)를 통과하여 공급된 상술한 액화가스를 공급받아 기화시킨다. 여기서, 기화기(40)는 액화가스를 예컨대 해수와 열교환하여 기화시킬 수 있다. 이때 액화가스 기화 시 발생하는 냉열은 콜드 에너지(Cold Energy)로서 후술할 발전장치(101)의 제2열교환부(140)로 공급될 수 있다.
기액분리기(50)는 기화기(40)에 의해 기화된 액화가스를 액체성분과 기체성분으로 분리시킨다. 여기서, 기액분리기(50)에 의해 분리된 액체성분은 회수라인(L3)을 통해 저장탱크(10)에 저장되고, 기체성분은 연료공급라인(L1)을 통해 히터(55)로 공급된다.
히터(55)는 기액분리기(40)에 의해 분리된 기체성분을 엔진(E)의 연료공급조건에 맞게 가열시킨다.
이와 같은 구성을 통해, 메탄성분 함유량이 높은 저장탱크(10)의 증발가스는 엔진(E)의 연료로 소비되지 않고, 압력탱크(25)에 지속적으로 저장된 상태에서, 액화가스를 엔진(E)의 연료로 공급할 수 있다.
이러한 연료공급시스템(100)은 엔진(E)의 출력 또는 연료공급라인(L1)의 엔진(E) 전단의 압력값을 측정하는 센서부(70)를 마련할 수 있다.
제어부(80)는 센서부(70)에 의해 측정된 값을 기초로, 엔진(E)에서 요구하는 연료의 메탄성분 함유량에 비해 연료공급라인(L1)을 통해 엔진(E)으로 공급되는 연료의 메탄성분 함유량이 낮다고 판단된 경우, 제어밸브(60)를 개방시킨다.
이 경우, 압력탱크(25)에 저장된 압축된 증발가스는 열교환부(30)로 공급되며, 저장탱크(10)로부터 공급된 액화가스와 열교환을 수행하여 액화된다.
열교환부(30)를 거쳐 액화된 증발가스는 메탄가충족라인(L2)을 통해 저장탱크(10)로 저장되고, 열교환부(30)를 거쳐 열교환된 액화가스는 상술한 기화기(40)로 흘러간다.
여기서, 메탄가충족라인(L2)의 열교환부(30) 후단에는 감압밸브(90)가 마련되어, 열교환부(30)를 거쳐 액화된 증발가스를 감압시킬 수 있다. 열교환부(30)를 거쳐 액화된 증발가스는 감압밸브(90)에 의해 온도가 내려간 상태에서 저장탱크(10)로 주입되며, 이를 통해 저장탱크(10) 내의 전체적인 메탄성분 함유량을 맞추는 동시에 메탄 증발을 억제하여 메탄가를 일정하게 유지시킬 수 있다.
상술한 구성을 통해 엔진(E)이 요구하는 적정 메탄가를 효과적으로 맞출 수 있어, 엔진 피스톤의 마모, 엔진 효율 저하, 노킹 등의 문제를 사전에 방지할 수 있다.
한편, 종래에는 저장탱크에 저장된 액화가스는 예컨대 대략 14도 정도의 해수와 열교환되어 기화된 후, 엔진의 연료공급조건에 맞게 대략 160도 정도의 보일러 스팀과 열교환되어 가열된다. 이러한 과정에서 발생하는 냉열 에너지는 활용되지 못하고 외부로 배출되었다.
그러나, 본 발명은 상술한 바와 같이 액화가스를 기화시키는 과정에서 발생하는 냉열을 발전장치(101)으로 보내어, 발전에 활용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 발전장치(101)는 서로 공통유로(R)를 통해 연결되며, 제1피스톤(111)을 가진 제1실린더(110)와 제2피스톤(121)을 가진 제2실린더(120)와, 가열유체에 의해 제1실린더(110) 내의 작동유체를 가열시키는 제1열교환부(130)와, 기화기(40)에 의해 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 기화시키는 과정에서 발생하는 냉열을 이용하여 제2실린더(120) 내로 이동한 작동유체를 냉각시키는 제2열교환부(140)와, 제1피스톤(111)과 제2피스톤(121)의 반복 동작에 의해 회동되는 회전축(161)의 회전력을 기초로 전기를 발생시키는 발전부(150)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에서는 기화기(40)에 의해 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 기화시키는 과정에서 발생하는 냉열을 이용하여 제2실린더(120) 내로 이동한 작동유체를 냉각시키는 것을 예로 들어 설명하지만, 다른 실시 예에서는 기화기(40)에 의해 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 기화시키는 과정에서 발생하는 냉열뿐 아니라, 어떤 과정을 통해 발생된 냉열 에너지든 제2실린더(120) 내로 이동한 작동유체를 냉각시킬 수 있는 정도라면 사용 가능하다.
여기서, 제1피스톤(111)과 제2피스톤(121)의 각각의 피스톤축(111a, 121a)은 플라이휠(160)의 고정축(X)을 공통접점으로 하여 서로 회동 가능하게 연결될 수 있다. 플라이휠(160)은 회전축(161)을 중심으로 회전할 수 있다.
또, 제1피스톤(111)과 제2피스톤(121)은 90도 위상차를 갖고 동작할 수 있다. 그리고, 상술한 작동유체는 헬륨, 수소 및 프로판 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 가열유체는 해수 및 선박 내의 스팀 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
발전장치(101)의 동작을 위해, 제1실린더(110) 내의 작동유체는 제1열교환부(130)에 의해 가열 팽창하면서 공통유로(R)를 통해 제2실런더(120)로 흘러 들어가 제2실린더(120) 내의 제2피스톤(121)을 위쪽으로 밀어낸다. 이후, 제2실린더(120) 내로 유입된 작동유체는 제2열교환부(140)에 의해 냉각 수축되면서 제2피스톤(121)을 끌어 내려 기계적으로 연결된 제1피스톤(111)을 처음 위치로 복귀시킨다.
이하, 선박의 발전장치(101)의 세부 동작 과정에 대해서 설명한다.
도 3a의 (a)를 참조하면, 제1실린더(110) 내의 작동유체는 제1열교환부(130)에 의해 가열 팽창하고, 제1피스톤(111)을 밀어 올리면서 공통유로(R)를 통해 제2실린더(120)로 흘러 들어가게 된다.
다음으로, 도 3a의 (b)를 참조하면, 가열 팽창하여 공통유로(R)를 통해 제2실린더(120)로 유입된 작동유체의 압력으로 제2피스톤(121)이 위로 밀려 올라가면서 외부에 일을 하는 동안 제1피스톤(111)은 거의 제자리에 머물게 된다.
다음으로, 도 3b의 (c)를 참조하면, 상승한 제2피스톤(121)이 거의 제자리에 머물러 있는 동안, 제2실린더(120) 내로 유입된 작동유체는 제2열교환부(140)에 의해 냉각 수축된다.
다음으로, 도 3b의 (d)를 참조하면, 냉각 수축된 작동유체는 제2피스톤(121)을 끌어 내려 기계적으로 연결된 제1피스톤(111)을 처음 위치로 복귀시킨다. 제2피스톤(121)이 회전 관성과 냉각된 작동유체의 수축에 의해 아래로 내려오는 동안 제1피스톤(111)은 제2실린더(120) 출입구를 차단하면서 거의 제자리에 머물러 있게 된다.
상술한 과정을 반복하는 동안, 발전부(150)는 제1피스톤(111)과 제2피스톤(121)의 반복 동작에 의해 회동되는 회전축(161)의 회전력을 기초로 전기를 발생시키게 된다.
종래에는 압축기, 터빈 등을 이용한 발전을 수행하였으나, 본 발명은 상술한 바와 같이 제1열교환기(130)와 제2열교환기(140)를 이용한 온도 차에 의해 발전을 효과적으로 수행할 수 있으며, 장치 구성의 단순화와 함께 제어를 원활하게 수행할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
10: 저장탱크 20: 압축부
25: 압력탱크 30: 열교환부
60: 제어밸브 70: 센서부
80: 제어부 90: 감압밸브
101: 발전장치 110: 제1실린더
111: 제1피스톤 120: 제2실린더
121: 제2피스톤 130: 제1열교환부
140: 기화기 150: 발전부
160: 플라이휠 161: 회전축

Claims (3)

  1. 서로 공통유로를 통해 연결되며, 제1피스톤을 가진 제1실린더와 제2피스톤을 가진 제2실린더;
    가열유체에 의해 상기 제1실린더 내의 작동유체를 가열시키는 제1열교환부;
    저장탱크로부터 엔진으로 공급되는 액화가스를 기화시키는 선박 연료공급시스템의 기화기로부터 기화 과정에서 발생하는 냉열을 공급받아 상기 제2실린더 내로 이동한 상기 작동유체를 냉각시키는 제2열교환부; 및
    상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤의 반복 동작에 의해 회동되는 회전축의 회전력을 기초로 전기를 발생시키는 발전부;를 포함하되,
    상기 제1실린더 내의 작동유체는 상기 제1열교환부에 의해 가열 팽창하면서 상기 공통유로를 통해 제2실런더로 흘러 들어가 상기 제2실린더 내의 제2피스톤을 위쪽으로 밀어내고,
    상기 제2실린더 내로 유입된 상기 작동유체는 상기 제2열교환부에 의해 냉각 수축되면서 상기 제2피스톤을 아래쪽으로 끌어 내려 기계적으로 연결된 상기 제1피스톤을 처음 위치로 복귀시키는 선박의 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1피스톤과 상기 제2피스톤의 각각의 피스톤축은 상기 회전축을 중심으로 회전하는 플라이휠의 고정축을 공통접점으로 하여 서로 회동 가능하게 연결된 선박의 발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 헬륨, 수소 및 프로판 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 가열유체는 해수 및 선박 내의 스팀 중 어느 하나를 포함하는 선박의 발전장치.
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