KR102452417B1 - 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 연소시켜 발생하는 연소가스와 가스 터빈의 구동 후 배출되는 배기가스를 열원으로 공급받아 초임계 이산화탄소 발전부를 구동시키는 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 발전 시스템은 가스 터빈에 의해 구동하는 가스 터빈 발전부; 및 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는, LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스(BOG)를 연소시키는 BOG 연소장치;를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소는 상기 BOG 연소장치로부터 열을 공급받을 수 있다.

Description

복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박 {Complex power generating system and ship having the same}
본 발명은 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 연소시켜 발생하는 연소가스와 가스 터빈의 구동 후 배출되는 배기가스를 열원으로 공급받아 초임계 이산화탄소 발전부를 구동시키는 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
선박이나 해상에 마련되는 해양 플랜트에는 추진이나 각종 장치들의 구동 등을 위해 동력이 필요하다. 따라서 이러한 동력을 공급하기 위한 동력 생산 시스템이 구비될 필요가 있다.
예컨대, 증기 터빈을 포함하는 발전 설비는 연료를 연소시킬 때 발생하는 연소열로 증기를 발생시켜 이를 이용해 발전한다. 발전 설비의 증기 사이클에서 발전기 구동 후 배출된 증기를 복수시키는 것은 증기 사이클 효율과 관련된 중요한 과정이다. 에너지 활용 측면에서 보면 화력 발전기의 경우 투입 연료의 40% 정도만 전기로 변환되고, 13% 정도는 연소과정과 발전기에서 손실되고, 47% 정도는 냉각수에 의해 손실되고 있다. 또한 증기의 복수 과정에서 사용된 냉각수는 온도가 상승하므로 그대로 배출하게 되면 환경에 중대한 영향을 끼치며, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스 발생도 문제된다.
따라서, 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있으며, 최근 들어 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 31℃, 74 기압으로, 임계점이 373.95℃, 217.7 기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 550℃에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다. 또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.
따라서, 증기 터빈 대신에 이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 고려한 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0024495호(2016.03.07.)
본 발명은 상기와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 연소시켜 발생하는 연소가스와 가스 터빈의 구동 후 배출되는 배기가스를 열원으로 공급받아 초임계 이산화탄소 발전부를 구동시키는 복합 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 가스 터빈에 의해 구동하는 가스 터빈 발전부; 및 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는, LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스(BOG)를 연소시키는 BOG 연소장치;를 포함하며, 상기 초임계 이산화탄소는 상기 BOG 연소장치로부터 열을 공급받는, 복합 발전 시스템을 제공한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 초임계 이산화탄소가 상기 가스 터빈에서 배출하는 배기가스와 열 교환되는 제 1 리큐퍼레이터; 상기 제 1 리큐퍼레이터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 BOG 연소가스와 열 교환되는 상기 BOG 연소장치; 상기 BOG 연소장치에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 초임계 이산화탄소 터빈; 상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기;를 포함하며, 상기 압축기에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 다시 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되어 재순환되는 것이 바람직하다.
상기 압축기와 상기 제 1 리큐퍼레이터를 연결하는 제 1 연결배관; 상기 초임계 이산화탄소 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 2 연결배관; 및 상기 제 1 연결배관과 상기 제 2 연결배관에 설치되는 제 2 리큐퍼레이터;를 포함하며, 상기 제 2 리큐퍼레이터에서는, 상기 압축기에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되는 것이 바람직하다.
상기 가스 터빈 발전부는, 대기에서 공급되는 공기를 압축하는 공기 압축기; 상기 공기 압축기에 의해 압축된 공기를 냉각하는 공기 냉각기; 상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기 및 연료가 공급되는 연소실; 및 상기 연소실에서 연소된 배기가스가 공급되는 가스터빈;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기에서 산소를 분리하는 스크러버;를 포함하며, 상기 스크러버에서 분리된 산소는 상기 연소실에 공급되는 것이 바람직하다.
상기 연소실에 공급되는 연료의 양을 조절하는 밸브 제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 압축기는 가변주파수구동(VFD) 모터를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소는 해수나 청수에 의해 냉각되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 복합 발전 시스템을 이용하는 선박을 제공한다.
본 발명에 따르면, LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 대기로 방출하지 않고, 연료로 소비하여 열원으로 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 가스 터빈의 폐열을 활용하므로 선박의 전체적인 연료 소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상의 높은 발전 효율을 가지며, 설치 면적이 크게 감소하여 선박에 설치될 경우 화물 적재량을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 가스 터빈과 초임계 이산화탄소 터빈으로 복합 발전하여 생산된 잉여 전력을 배터리 충전 장치에 저장하여 사용함으로써 전력을 효율적으로 활용하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 발전 시스템(100)은 가스 터빈(136)에 의해 구동하는 가스 터빈 발전부(130); 및 초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전부(110);를 포함할 수 있으며, 초임계 이산화탄소 발전부(110)는 LNG 저장탱크(120)에서 발생하는 증발가스(BOG)를 연료로서 연소시키는 BOG 연소장치(118);를 포함하며, 초임계 이산화탄소는 BOG 연소장치(118)로부터 열을 공급받을 수 있다.
가스 터빈 발전부(130)는 대기에서 공급되는 공기를 압축하는 공기 압축기(131), 공기 압축기(131)에 의해 압축된 공기를 냉각하는 공기 냉각기(133), 공기 냉각기(133)에서 냉각된 공기와 연료가 공급되는 연소실(135), 및 연소실(135)에서 연소된 고온, 고압의 배기가스가 공급되는 가스터빈(136)을 포함할 수 있다.
외부로부터 유입되는 공기를 압축한 후 연소실(135)로 보내어 연료혼합물이 연소되도록 하며, 연소되어 생성되는 연소 기체에 의하여 작동되는 가스 터빈(136)은 비행기에 주로 사용되는 동력수단으로 액화 천연가스 수송선(LNG선)의 저장탱크 내부에서 자연 기화된 증발가스(BOG)와 마린 가스 오일 모두를 연료로 사용할 수 있다. 마린 가스 오일은 자동차의 연료인 경유보다는 질이 낮고, 종래의 선박의 엔진으로 사용되었던 슬로우 디젤 엔진의 연료보다는 질이 좋은 디젤 오일의 한 종류이다.
또한, 공기 냉각기(133)에서 냉각된 공기는 스크러버(134)에 공급되어 응축된 수분을 제거할 수 있으며, 수분이 제거된 공기는 연소실(135)에 공급될 수 있다.
연소실(135)에 공급되는 연료의 양을 조절하는 밸브 제어부(미도시)가 포함될 수 있으며, 공기 압축기(131)는 가변 주파수 구동(VFD)형태의 제 1 모터(132)를 마련하고, 인버터를 장착하여 공기 압축기(131)의 압축비를 조절함으로써, 가스터빈 발전부(130)의 출력을 제어할 수 있다.
한편, 초임계 이산화탄소 발전부(110)는 초임계 이산화탄소가 가스 터빈(136)에서 배출하는 배기가스와 열 교환되는 제 1 리큐퍼레이터(117), 제 1 리큐퍼레이터(117)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 BOG 연소가스와 열 교환되는 BOG 연소장치(118), BOG 연소장치(118)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 초임계 이산화탄소 터빈(111), 초임계 이산화탄소 터빈(111)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기(114), 및 냉각기(114)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기(115);를 포함할 수 있으며, 압축기(115)에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 다시 제 1 리큐퍼레이터(117)로 공급되어 재순환될 수 있다.
천연가스의 액화온도는 상압에서 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. 예컨대, LNG 운반선의 LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 운반선에 의한 LNG 수송과정에서 LNG가 LNG 저장탱크 내에서 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.
증발가스는 일종의 LNG 손실로서 LNG의 수송효율에 있어서 중요한 문제이며, LNG 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 LNG 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, LNG 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리하는 것은 매우 중요한 문제이다.
최근에 증발가스를 처리하는 여러 가지 방법들이 연구되고 있으며, 본 발명에서는 이러한 증발가스를 초임계 이산화탄소 발전에 활용함으로써 증발가스를 불가피하게 연소하는 문제를 해결할 수 있다.
즉, LNG 저장 탱크(120)에서 배출되는 증발가스는 증발가스 공급라인(121)을 통해 BOG 연소장치(118)로 공급되며, 증발가스 공급량은 증발가스 제어밸브(122)에 의해 제어될 수 있으며, BOG 연소장치(118)에 공급된 증발가스는 연료로 사용되어 초임계 이산화탄소에 열을 공급하는 열원으로 이용될 수 있다.
한편, 가스터빈 발전부(130)의 가스 터빈(136)에서 배출되는 배기가스는 제 1 리큐퍼레이터(117)에서 열 교환된 후, 가스 정화 장치(미도시)를 거쳐 대기로 배출될 수 있다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전부(110)는 압축기(115)와 제 1 리큐퍼레이터(117)를 연결하는 제 1 연결배관(125)과 초임계 이산화탄소 터빈(111)과 냉각기(114)를 연결하는 제 2 연결배관(126)이 마련되며, 제 1 연결배관(125)과 제 2 연결배관(126)에 설치되는 제 2 리큐퍼레이터(113)를 포함할 수 있다.
제 2 리큐퍼레이터에서(113)에서는 압축기(115)에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 초임계 이산화탄소 터빈(111)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환될 수 있다.
상술한 바와 같이, 초임계 이산화탄소는 제 2 리큐퍼레이터(113), 제 1 리큐퍼레이터(117), BOG 연소장치(118)를 차례로 통과하면서 열을 공급받게 되는 것으로, 1 단계는 초임계 이산화탄소 터빈(111)의 배기가스와 열교환되고, 2 단계는 가스터빈(136)의 배기가스와 열교환되며, 3 단계는 BOG 연소장치(118)를 이용하여 가열되게 된다.
압축기(115)는 상술한 공기 압축기(131)와 마찬가지로, 가변 주파수 구동(VFD)형태의 제 2 모터(116)가 연결되고, 인버터를 장착하여 압축기(131)의 압축비를 조절할 수 있다.
한편, 가스 터빈(136)에 의해 전력을 생산하는 제 1 발전기(137)와 초임계 이산화탄소 터빈(111)에 의해 전력을 생산하는 제 2 발전기(112)로부터 생산된 전력은 선박의 추진용 모터에 인가하여 회전력을 생성하도록 하며, 추진용 모터의 회전력에 의해 선박의 프로펠러에 추진력을 생성하도록 할 수 있다.
냉각기(114)와 공기 냉각기(133)는 해수나 청수 또는 다른 냉매에 의해 냉각되도록 구성될 수 있다. 해수를 이용할 경우, 해수를 공급하는 펌프(미도시)에 의해 해수를 냉각기(114)나 공기 냉각기(133)에 공급하여 초임계 이산화탄소나 공기와 열 교환하게 한 후 다시 바다로 해수를 배출하게 되므로 별도의 냉각 장치가 필요하지 않다.
이상과 같이 본 발명에 따른 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박은 LNG 저장 탱크에서 발생하는 증발가스를 대기로 방출하지 않고, 연료로 소비하여 열원으로 확보할 수 있으며, 가스 터빈의 폐열을 활용하므로 선박의 전체적인 연료 소비를 줄일 수 있는 이점이 있으며, 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상의 높은 발전 효율을 가지며, 설치 면적이 1/20로 크게 감소하여 설치 면적이 한정된 선박에 설치함으로써 화물 적재량을 증가시킬 수 있는 큰 장점이 있다.
또한, 엔진의 경우 다수의 부품으로 이루어져 있고, 내연기관 특성상 고온,고압의 연소 환경으로 인하여 엔진 내 부품, 특히 실린더, 피스톤, 베어링, 흡기&배기 밸브 등에 대한 정기적인 교환 및 수리가 필요하지만, 가스 터빈의 경우 외연기관으로 터빈 블레이드(turbine blade)를 관리해줄 경우 유지관리 비용이 엔진에 비해 휠씬 줄어드는 이점이 있다.
또한, 가스 터빈과 초임계 이산화탄소 터빈으로 복합 발전하여 생산된 잉여 전력을 배터리 충전 장치에 저장하여 사용함으로써 전력을 효율적으로 활용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : 초임계 이산화탄소 발전부 111 : 초임계 이산화탄소 터빈
112 : 제 2 발전기 113 : 제 2 리큐퍼레이터
114 : 냉각기 115 : 압축기
116 : 제 2 모터 117 : 제 1 리큐퍼레이터
118 : BOG 연소장치 120 : LNG 저장탱크
125 : 제 1 연결배관 126 : 제 2 연결배관
130 : 가스 터빈 발전부 131 : 공기 압축기
132 : 제 1 모터 133 : 공기 냉각기
134 : 스크러버 135 : 연소실
136 : 가스 터빈 137 : 제 1 발전기

Claims (9)

  1. 가스 터빈에 의해 구동하는 가스 터빈 발전부; 및
    초임계 이산화탄소를 운동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부는,
    LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스(BOG)를 연소시키는 BOG 연소장치;를 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소는 상기 BOG 연소장치로부터 열을 공급받으며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부는,
    초임계 이산화탄소가 상기 가스 터빈에서 배출하는 배기가스와 열 교환되는 제 1 리큐퍼레이터;
    상기 제 1 리큐퍼레이터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 BOG 연소가스와 열 교환되는 상기 BOG 연소장치;
    상기 BOG 연소장치에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 초임계 이산화탄소 터빈;
    상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기; 및
    상기 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기;를 포함하며,
    상기 압축기에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 다시 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되어 재순환되는, 복합 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기와 상기 제 1 리큐퍼레이터를 연결하는 제 1 연결배관;
    상기 초임계 이산화탄소 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 2 연결배관; 및
    상기 제 1 연결배관과 상기 제 2 연결배관에 설치되는 제 2 리큐퍼레이터;를 포함하며,
    상기 제 2 리큐퍼레이터에서는,
    상기 압축기에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되는, 복합 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 터빈 발전부는,
    대기에서 공급되는 공기를 압축하는 공기 압축기;
    상기 공기 압축기에 의해 압축된 공기를 냉각하는 공기 냉각기;
    상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기 및 연료가 공급되는 연소실; 및
    상기 연소실에서 연소된 배기가스가 공급되는 가스터빈;을 포함하는, 복합 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기에서 산소를 분리하는 스크러버;를 포함하며,
    상기 스크러버에서 분리된 산소는 상기 연소실에 공급되는, 복합 발전 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 연소실에 공급되는 연료의 양을 조절하는 밸브 제어부;를 더 포함하는, 복합 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기는 가변주파수구동(VFD) 모터를 구비하는, 복합 발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소는 해수나 청수에 의해 냉각되는, 복합 발전 시스템.
  9. 청구항 1, 및 청구항 3 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 복합 발전 시스템을 이용하는 선박.
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