KR102492649B1 - 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 가스 터빈에 의해 제 1 발전기를 구동시키고, 가스 터빈의 구동 후 배출되는 배기가스의 열원을 이용하여 초임계 이산화탄소 터빈을 구동시키며, 초임계 이산화탄소 터빈은 제 2 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 발전 시스템은 가스 터빈; 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 공급되는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저에서 열 교환된 초임계 이산화탄소가 열매체로 사용되는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하는, 복합 발전 시스템을 제공한다.

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 가스 터빈에 의해 제 1 발전기를 구동시키고, 가스 터빈의 구동 후 배출되는 배기가스의 열원을 이용하여 초임계 이산화탄소 터빈을 구동시키며, 초임계 이산화탄소 터빈은 제 2 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 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, 가스 터빈에 의해 제 1 발전기를 구동시키고, 가스 터빈의 구동 후 배출되는 배기가스의 열원을 이용하여 초임계 이산화탄소 터빈을 구동시키며, 초임계 이산화탄소 터빈은 제 2 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 복합 발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 가스 터빈; 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 공급되는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저에서 열 교환된 초임계 이산화탄소가 열매체로 사용되는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하는 복합 발전 시스템을 제공한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 상기 이코노마이저에서 열 교환된 초임계 이산화탄소가 공급되는 초임계 이산화탄소 터빈; 상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 냉각된 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기;를 포함하며, 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소는 상기 이코노마이저로 공급되어 열 교환되고 재순환되는 것이 바람직하다.
상기 초임계 이산화탄소 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 1 연결배관과 상기 압축기와 상기 이코노마이저를 연결하는 제 2 연결배관에 설치되는 리큐퍼레이터;를 포함하며, 상기 리큐퍼레이터에서는, 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소와 상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되는 것이 바람직하다.
상기 가스 터빈에 의해 전력을 생산하는 제 1 발전기; 상기 초임계 이산화탄소 터빈에 의해 전력을 생산하는 제 2 발전기; 상기 제 1 발전기 또는 상기 제 2 발전기로부터 전력을 공급받는 스위칭보드; 상기 스위칭 보드에서 전력을 인가 받아 회전력을 생성하는 추진용 모터; 및 상기 추진용 모터로부터 인가 받은 회전력에 의해 추진력을 생성하는 프로펠러;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스위칭 보드는 보조 전력 소비처에도 전력을 공급하는 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, 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.
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 선박에 설치되는 가스 터빈(110)과, 가스 터빈(110)으로부터 배출되는 배기가스가 공급되는 이코노마이저(120) 및 이코노마이저(120)에서 열 교환된 초임계 이산화탄소가 열매체로 사용되는 초임계 이산화탄소 발전부(130);를 포함한다.
외부로부터 유입되는 공기를 압축한 후 연소실로 보내어 연료혼합물이 연소되도록 하며, 연소되어 생성되는 연소 기체에 의하여 작동되는 가스 터빈(110)은 비행기에 주로 사용되는 동력수단으로 액화 천연가스 수송선(LNG선)의 저장탱크 내부에서 자연 기화된 가스(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.
가스 터빈(110)이 작동한 후 발생하는 배기가스는 이코노마이저(120)에 공급되고, 이코노마이저(120) 내부에서 초임계 이산화탄소와 열 교환된 후, 배출관을 통해 선체 외부로 배출된다.
이코노마이저(120)에서 배기가스와 열 교환한 후, 열을 회수한 초임계 이산화탄소는 초임계 이산화탄소 발전부(130) 내부에서 순환한 후, 다시 이코노마이저(120)로 공급되어 열을 회수하게 된다.
초임계 이산화탄소 발전부(130)는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 동작시키기 위한 것으로, 초임계 이산화탄소가 공급되는 초임계 이산화탄소 터빈(131), 초임계 이산화탄소 터빈(131)에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 냉각기(133), 냉각기(133)에서 냉각된 초임계 이산화탄소를 압축시키는 압축기(134)를 포함할 수 있다.
압축기(134)에서 압축된 초임계 이산화탄소는 이코노마이저(120)로 공급되어 열 교환되고 재순환될 수 있다.
냉각기(133)에서는 초임계 이산화탄소가 해수나 청수에 의해 냉각되도록 구성될 수 있다. 해수를 이용할 경우, 해수를 공급하는 펌프(미도시)에 의해 해수를 냉각기(133)에 공급하여 초임계 이산화탄소와 열 교환하게 한 후 다시 바다로 해수를 배출하게 된다.
한편, 초임계 이산화탄소 발전부(130)에는 리큐퍼레이터(135)가 포함될 수 있으며, 리큐퍼레이터(135)는 초임계 이산화탄소 터빈(131)과 냉각기(133)를 연결하는 제 1 연결배관(138)과 압축기(134)와 이코노마이저(120)를 연결하는 제 2 연결배관(139)에 설치될 수 있다.
리큐퍼레이터(135)에서는 압축기(134)에서 압축된 초임계 이산화탄소와 초임계 이산화탄소 터빈(131)에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되어 압축기(134)에서 압축된 초임계 이산화탄소가 이코노마이저(120)로 공급되기 전에 열을 회수할 수 있다.
한편, 가스 터빈(110)에 의해 전력을 생산하는 제 1 발전기(115)와 초임계 이산화탄소 터빈(131)에 의해 전력을 생산하는 제 2 발전기(132)로부터 전력을 공급받는 스위칭보드(Switching Board,140)가 설치될 수 있다. 스위칭보드(140)는 추진용 모터(141)에 전력을 인가하여 회전력을 생성하도록 하며, 추진용 모터(141)의 회전력에 의해 선박의 프로펠러(142)에 추진력을 생성하도록 할 수 있다.
또한, 스위칭 보드(140)는 선박에 필요한 보조 전력 소비처(143)에도 전력을 공급할 수 있다. 보조 전력은 선박에 추진, 즉 프로펠러를 구동하는 모터를 제외한 모든 필요 전력을 의미하는 것으로, 보조 전력 소비처로는 예컨대, 각종 펌프, 팬(Fan), 압축기(compressor), 크레인/엘리베이터, 조명, 전기 장비 등이 해당될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 복합 발전 시스템 및 이를 구비한 선박은 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.
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 : 가스 터빈 115 : 제 1 발전기
120 : 이코노마이저 130 : 초임계 이산화탄소 발전부
131 : 초임계 이산화탄소 터빈 132 : 제 2 발전기
133 : 냉각기 134 : 압축기
135 : 리큐퍼레이터 138 : 제 1 연결배관
139 : 제 2 연결배관 140 : 스위칭보드
141 : 추진용 모터 142 : 프로펠러
143 : 보조 전력 소비처

Claims (7)

  1. 가스 터빈;
    상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 공급되는 이코노마이저; 및
    상기 이코노마이저에서 배기가스와 열 교환된 초임계 이산화탄소가 열매체로 사용되는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부는,
    상기 이코노마이저에서 열 교환된 초임계 이산화탄소가 공급되는 초임계 이산화탄소 터빈;
    상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기;
    상기 냉각기에서 냉각된 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기; 및
    상기 초임계 이산화탄소 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 1 연결배관과 상기 압축기와 상기 이코노마이저를 연결하는 제 2 연결배관에 설치되는 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소는 다시 상기 이코노마이저로 공급되어 재순환되며,
    상기 리큐퍼레이터에서는,
    상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소와 상기 초임계 이산화탄소 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 열 교환되는, 복합 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 터빈에 의해 전력을 생산하는 제 1 발전기;
    상기 초임계 이산화탄소 터빈에 의해 전력을 생산하는 제 2 발전기;
    상기 제 1 발전기 또는 상기 제 2 발전기로부터 전력을 공급받는 스위칭보드;
    상기 스위칭 보드에서 전력을 인가 받아 회전력을 생성하는 추진용 모터; 및
    상기 추진용 모터로부터 인가 받은 회전력에 의해 추진력을 생성하는 프로펠러;를 포함하는, 복합 발전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스위칭 보드는 보조 전력 소비처에도 전력을 공급하는, 복합 발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각기에서 초임계 이산화탄소는 해수나 청수에 의해 냉각되는, 복합 발전 시스템.
  7. 청구항 1 및 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 복합 발전 시스템을 이용하는 선박.
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