KR20130099616A - 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화천연가스 연료 추진 선박에서 발생하는 폐열을 회수하여 발전하는 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스 연료 추진 선박에서 유기냉매의 응축을 위한 냉각수로써 연료로 사용되기 위해 기화되어야 하는 액화천연가스를 사용함으로써 발전 효율을 더욱 높인 것을 특징으로 하는, 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 및 방법{Power generation system and method with organic rankine cycle using LNG fuel of LNG fuel vessel}
본 발명은 액화천연가스 연료 추진 선박에서 발생하는 폐열을 회수하여 발전하는 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화천연가스 연료 추진 선박에서 유기냉매의 응축을 위한 냉각수로써 연료로 사용되기 위해 기화되어야 하는 액화천연가스를 사용함으로써 발전 효율을 더욱 높인 것을 특징으로 하는, 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 및 방법을 제공한다.
도 3은 특허출원 제10-2007-7013530호의 선박의 추진기관에서 발생하는 폐열을 회수하여 발전하는 설비에 관한 것이다(이하, ‘종래기술’이라 함).
종래기술의 경우 유기냉매는 중저온에서도 쉽게 기화하는 성질을 가지므로 폐열 회수에 적절한 냉매로 사용된다. 선박에서 발생하는 폐열을 유기 랭킨 사이클의 열원으로 이용하여 스팀 고압의 유기냉매를 증발시키고 이를 가스터빈에서 팽창시킴으로써 전력을 생성한다. 유기냉매는 해수에 의해 응축된 후 펌프에 의해 가압되어 다시 증발기로 공급되어 순환한다.
발전 효율을 결정하는 중요한 요인은 가스터빈 전후의 압력 차이인데, 이는 냉매 고유의 특성, 열원의 온도, 냉각수의 온도에 의해 결정된다. 그런데 종래기술의 경우에는 냉각수로 해수를 이용하기 때문에 유기냉매의 냉각수 온도가 35~40℃로 다소 높아 효율을 높이는 데 한계가 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 액화천연가스 연료 추진 선박에서 유기냉매의 응축을 위한 냉각수로써 연료로 사용되기 위해 기화되어야 하는 액화천연가스를 사용함으로써 발전 효율을 더욱 높인 것을 특징으로 하는, 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
액화천연가스 연료 추진 선박의 추진기관에서 발생하는 폐열가스를 이용하여 증기 혹은 뜨거운 물과 같은 열공급매체의 온도를 상승시키는 열매체열교환기;
유기냉매펌프에 의해 고압으로 가압된 유기냉매를 고온의 열공급매체와 열교환시켜 증발시키는 유기냉매증발기;
증발된 고압의 유기냉매를 팽창시켜 전기를 생성하는 가스터빈 및;
팽창된 유기냉매를 액화천연가스와 열교환시켜 응축시키는 액화천연가스 연료 기화기;
를 포함하는 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은,
열매체열교환기가 액화천연가스 연료 추진 선박의 추진기관에서 발생하는 폐열가스를 이용하여 증기 혹은 뜨거운 물과 같은 열공급매체의 온도를 상승시키는 단계;
유기냉매증발기가 유기냉매펌프에 의해 고압으로 가압된 유기냉매를 고온의 열공급매체와 열교환시켜 증발시키는 단계;
가스터빈이 증발된 고압의 유기냉매를 팽창시켜 전기를 생성하는 단계 및;
액화천연가스 연료 기화기가 팽창된 유기냉매를 액화천연가스와 열교환시켜 응축시키는 단계;
를 포함하는 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 액화천연가스 연료 추진 선박에서 발생하는 폐열을 회수하여 발전을 함에 있어서 유기냉매의 응축을 위한 냉각수로써 연료로 사용되기 위해 기화되어야 하는 액화천연가스를 사용함으로써 발전 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템을 보여준다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 유기냉매 중의 하나인 R134A의 선도를 보여준다.
도 3은 특허출원 제10-2007-7013530호의 선박의 추진기관에서 발생하는 폐열을 회수하여 발전하는 설비를 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템을 보여준다.
본 발명에 따른 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은, 유기냉매의 응축을 위한 냉각수로써 연료로 사용되기 위해 기화되어야 하는 액화천연가스를 사용함으로써 발전 효율을 더욱 높인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은, 열매체열교환기(3), 유기냉매증발기(7), 가스터빈(9) 및 액화천연가스 연료 기화기(11)를 포함하여 이루어지는바, 이러한 열매체열교환기(3), 유기냉매증발기(7), 가스터빈(9) 및 액화천연가스 연료 기화기(11)가 순차적으로 작용하여 하나의 순환 사이클을 형성하게 된다.
먼저, 열매체열교환기(3)가 액화천연가스 연료 추진 선박의 추진기관(1)에서 발생하는 배기가스(exhaust gas)와 같은 폐열가스(2)를 이용하여 증기(steam) 혹은 뜨거운 물(hot water)과 같은 열공급매체(4)의 온도를 상승시킨다.
다음으로, 유기냉매증발기(7)가 유기냉매펌프(5)에 의해 고압으로 가압된 유기냉매(6)를 고온의 열공급매체(4)와 열교환시켜 증발시킨다. 본 발명에서 유기냉매(6)는 안정적이고 중저온에서도 쉽게 기화되는 형태의 것으로 R245FA, R134A, R600, RE134, RE245, R123, R152A 등을 사용한다.
다음으로, 가스터빈(9)이 증발된 고압의 유기냉매(8)를 팽창시켜 전기를 생성한다.
마지막으로, 액화천연가스 연료 기화기(11)가 팽창된 유기냉매(10)를 액화천연가스(12)와 열교환시켜 응축시키며, 응축된 유기냉매(9)는 유기냉매펌프(5)에 의해 다시 고압으로 가압된다(6). 이 때, 액화천연가스(12)는 연료저장탱크(13)에서 액화천연가스 펌프(14)에 의해 가압되거나 우회라인(15)을 거쳐 액화천연가스 연료 기화기(11)에서 유기냉매(10)와의 열교환을 통해 기화된 후 열교환기(16)에 의해 적절한 온도로 조절된 후 추진기관(1)으로 보내어져 연료로 사용된다.
냉각수의 온도가 낮아지면 유기냉매(10)의 응축 온도가 낮아지고 이는 가스터빈(9)에서 더 낮은 압력까지 팽창시킬 수 있다는 것을 의미한다. 액화천연가스 연료 추진 선박에서 액화천연가스(12)가 연료로 사용되기 위해서는 기화되는 과정을 거쳐야 하는데, 본 발명에서는 기화를 위한 열원으로 유기냉매(10)를 사용하여 액화천연가스(12)를 기화시키고 유기냉매(10)는 낮은 온도에서 응축되도록 한다.
이와 관련한 예로서 본 발명에서 사용되는 유기냉매 중의 하나인 R134A의 선도를 도 2에 도시하였다.
도 2의 선도에서, 35℃의 해수를 이용해 냉각시킬 경우 유기냉매(10)는 약 40℃가량으로 냉각되고 이 때의 응축 압력은 9.5bar이다. 반면 액화천연가스(12)를 이용해 냉각시킬 경우 유기냉매(10)는 약 -9℃가량으로 냉각되고 이 때의 응축 압력은 1.1bar이다. 이와 관련하여 해수를 냉각수로 사용할 경우 가스터빈(9)에서의 압력 차이는 dP1이며, 액화천연가스(12)를 냉각수로 사용할 경우 가스터빈(9)에서의 압력 차이는 dP2이다. 즉, 압력 차이에 의해 결정되는 일량은 W2(액화천연가스(12)를 냉각수로 사용할 경우)가 W1(해수를 냉각수로 사용할 경우)보다 큰 것을 확인할 수 있는 것이다.
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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 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.
1 : 액화천연가스 연료 추진 선박의 추진기관
2 : 폐열가스 3 : 열매체열교환기
4 : 열공급매체 5 : 유기냉매펌프
6, 8, 10 : 유기냉매 7 : 유기냉매증발기
9 : 가스터빈
11 : 액화천연가스 연료 기화기
12 : 액화천연가스 13 : 연료저장탱크
14 : 액화천연가스 펌프 15 : 우회라인
16 : 열교환기

Claims (4)

  1. 액화천연가스 연료 추진 선박의 추진기관(1)에서 발생하는 폐열가스(2)를 이용하여 증기 혹은 뜨거운 물과 같은 열공급매체(4)의 온도를 상승시키는 열매체열교환기(3);
    유기냉매펌프(5)에 의해 고압으로 가압된 유기냉매(6)를 고온의 열공급매체(4)와 열교환시켜 증발시키는 유기냉매증발기(7);
    증발된 고압의 유기냉매(8)를 팽창시켜 전기를 생성하는 가스터빈(9) 및;
    팽창된 유기냉매(10)를 액화천연가스(12)와 열교환시켜 응축시키는 액화천연가스 연료 기화기(11);
    를 포함하는 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기냉매(6)는 R245FA, R134A, R600, RE134, RE245, R123, R152A 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 시스템.
  3. 열매체열교환기(3)가 액화천연가스 연료 추진 선박의 추진기관(1)에서 발생하는 폐열가스(2)를 이용하여 증기 혹은 뜨거운 물과 같은 열공급매체(4)의 온도를 상승시키는 단계;
    유기냉매증발기(7)가 유기냉매펌프(5)에 의해 고압으로 가압된 유기냉매(6)를 고온의 열공급매체(4)와 열교환시켜 증발시키는 단계;
    가스터빈(9)이 증발된 고압의 유기냉매(8)를 팽창시켜 전기를 생성하는 단계 및;
    액화천연가스 연료 기화기(11)가 팽창된 유기냉매(10)를 액화천연가스(12)와 열교환시켜 응축시키는 단계;
    를 포함하는 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유기냉매(6)는 R245FA, R134A, R600, RE134, RE245, R123, R152A 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 액화천연가스 연료의 기화를 이용한 액화천연가스 연료 추진 선박용 유기 랭킨 사이클 발전 방법.
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