KR20130101723A - 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템 - Google Patents

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Abstract

증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 폐열회수시스템은, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템에 있어서, 상기 폐열회수시스템의 급수 유로에 마련되어 상기 급수 유로를 통해 흐르는 급수에 존재하는 용존 산소를 증기없이 진공으로 제거하는 진공탈기부를 포함한다.

Description

증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템{WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM FOR SHIP THAT CAN REMOVE DISSOLVED OXYGEN BY MINIMIZING STEAM CONSUMPTION}
본 발명은, 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열교환기나 증기 설비 부식의 가장 큰 원인인 급수(feed water)내에 존재하는 용존 산소를 증기의 소모없이 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템에 관한 것이다.
선박 추진의 효율을 높이고 선박의 전체적인 에너지를 절약하는 시스템에 대한 연구가 계속되어 왔다. 통상, 선박은 메인 엔진의 연료 중 일부만이 선박 추진을 위한 에너지로 활용되고 나머지는 폐기 가스의 형태로 대기중에 버려진다. 이에 따라, 메인 엔진의 폐기가스를 모아 다시 엔진의 추진력으로 활용하거나 또 다른 에너지원으로 사용할 수 있게 한 폐열 회수 시스템이 주목받고 있다.
일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 거의 대부분 배기가스의 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해 외부로 배출되는 형태로 소비된다.
이와 같은 형태로 배출되는 열은 기관의 추진이나 발전 등에 유용한 형태로 전환되지 못하고 버려지는 열이라고 할 수 있으며, 따라서 이를 폐열이라고 일컫는다.
그러므로 외부로 배출되는 폐열중 일부라도 회수하여 이를 유용한 에너지로 재활용할 수 있다면 그 만큼 연료의 절약을 도모할 수 있으므로 선박에서 소모하는 전체 에너지를 절감하는 데 크게 기여할 수 있게 된다.
그 결과, 최근에는 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈(또는 파워터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)를 적용하고 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술의 일 실시예는 엔진(E)에서 배출되는 고온의 배기가스와 열교환기(HE)로 공급되는 급수를 상호 열교환시켜 생성되는 증기를 원동력으로 하여 스팀 터빈(ST)을 구동시켜 전력을 생산하거나 엔진(E)에서 배출되는 배기가스로 가스 터빈(GT)을 구동시켜 전력을 생산한다.
스팀 터빈(ST)은 열교환기(HE)에서 생성된 증기를 원동력으로 하여 전력을 생산하므로 증기의 양에 따라 전력을 생산할 수 있는 능력이 결정된다.
한편 종래 기술의 폐열회수시스템은 열교환기(HE) 및 증기 설비의 부식을 방지하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기(HE)에서 생성된 증기를 급수탱크로 공급시킨다.
이는 열교환기(HE) 및 증기 설비 부식의 가장 큰 원인인 급수(feed water)내에 존재하는 용존 산소를 제거하기 위해서다. 즉, 급수 내에 존재하는 용존 산소의 양은 급수의 온도에 반비례하므로, 열교환기(HE)에서 생성된 고온의 증기를 급수탱크로 공급시키면 급수의 온도 상승으로 인해 급수 내의 용존 산소의 양이 줄어들게 되고, 이는 결과적으로 열교환기(HE) 등의 부식을 지연시키는 역할을 한다.
하지만 열교환기(HE)에서 생성된 증기를 용존 산소의 제거를 위해 급수탱크로 공급시키면 스팀 터빈(ST)으로 공급되는 증기의 양이 감소되므로 스팀 터빈(ST)의 구동력 저하로 전력 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 열교환기 및 증기 설비에서 부식을 방지하면서도 효율적으로 전력을 생산할 수 있는 새로운 폐열회수시스템의 개발이 요구된다.
전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
한국특허공개공보 제2010-0067247호(대우조선해양 주식회사) 2010. 06. 21.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 열교환기 및 증기 설비에서 증기없이 용존 산소를 제거하여 부식을 방지하면서도 효율적으로 전력을 생산할 수 있는 선박의 폐열회수시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템에 있어서, 상기 폐열회수시스템의 급수 유로에 마련되어 상기 급수 유로를 통해 흐르는 급수에 존재하는 용존 산소를 증기없이 진공으로 제거하는 진공탈기부를 포함하는 선박의 폐열회수시스템이 제공될 수 있다.
상기 진공탈기부는 내부가 진공 상태로 유지되며, 공급되는 급수에 존재하는 용존 산소를 진공압으로 제거시키는 진공탈기탱크일 수 있다.
상기 배기가스를 기초로 생성된 증기를 진공으로 응축시키는 진공응축기를 더 포함하며, 상기 진공탈기부에서 제거된 용존 산소는 상기 진공응축기로 공급될 수 있다.
상기 진공탈기부와 상기 진공응축기를 연결하는 라인에 마련되어 상기 진공탈기부의 진공압이 유지될 수 있도록 하는 오리피스를 더 포함할 수 있다.
상기 배기가스와 상기 진공탈기부에서 용존 산소가 제거된 급수를 상호 열교환시키는 열교환기를 더 포함하며, 상기 진공탈기부에서 상기 열교환기로 공급되는 급수는 엔진 재킷 냉각수의 폐열과 열교환되어 온도가 상승된 상태로 상기 열교환기로 공급될 수 있다.
상기 엔진 재킷 냉각수의 폐열과 열교환되어 온도가 상승된 급수가 상기 열교환기로 공급되기 전에 상기 급수를 과급기에서 공급되는 소기와 상호 열교환시켜 상기 급수의 온도를 상승시키는 엔진 소기 쿨러를 더 포함할 수 있다.
상기 엔진 소기 쿨러는, 상기 온도가 상승된 급수와 과급기에서 공급되는 소기를 상호 열교환시켜 상기 온도가 상승된 급수의 온도를 더 상승시키는 제1 소기쿨러; 및 상기 제1 소기쿨러에서 냉각된 소기와 저온 냉각수를 상호 열교환시켜 상기 소기를 냉각시키는 제2 소기쿨러를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하며 상기 배기가스와 열교환되는 급수에 존재하는 용존 산소를 증기없이 진공으로 제거하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템을 제공할 수 있다.
상기 급수에 존재하는 용존 산소는 내부가 진공 상태로 유지되는 진공탈기탱크에서 제거될 수 있다.
상기 배기가스와 열교환되는 급수는 상기 배기가스와 열교환되기 전에 엔진 재킷 냉각수의 폐열과 열교환되어 온도가 상승될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 열교환기 및 증기 설비에서 증기없이 진공압으로 용존 산소를 제거할 수 있어 열교환기에서 생성되는 증기의 소모없이 부식을 방지할 수 있고, 부식을 방지하기 위해 증기를 소모시킬 필요가 없으므로 동일 배기가스 폐열원 대비 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 선박의 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템(1)은, 엔진(E)에서 배출되는 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기(20)를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈(10)과, 가스 터빈(10)과 연동되며 후술하는 열교환기(100)에서 제공되는 스팀에 의해 발전기(20)를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈(30)과, 스팀 터빈(30)에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기(40)와, 응축기(40)에서 응축된 급수를 펌핑하는 급수 펌프(50)와, 급수 펌프(50)에서 펑핑되어 배출되는 급수 배출라인에 마련되어 급수가 응축기(40)로 순환되도록 급수 배출라인을 개폐시키는 개폐밸브(V)와, 급수 펌프(50)에서 공급되는 급수 내에 존재하는 용존 산소를 진공으로 제거하는 진공탈기부(60)를 포함한다.
또한 본 실시예에서 폐열회수시스템(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 진공탈기부(60)와 응축기(40)를 연결하는 라인에 마련되어 진공탈기부(60)에서 급수가 응축기(40)로 넘어가지 않도록 적정 차압을 유지시켜주는 오리피스(70)와, 진공탈기부(60)에서 용존 산소가 제거된 급수를 후술하는 엔진 소기 쿨러(90)로 펌핑시키는 열교환기 급수펌프(80)와, 열교환기 급수펌프(80)에서 공급되는 급수와 과급기(TC)에서 엔진(E)으로 공급되는 소기를 상호 열교환시키는 엔진 소기 쿨러(90)와, 엔진 소기 쿨러(90)에서 열교환된 급수와 엔진(E)에서 배출되는 배기가스를 열교환시켜 스팀 터빈(30)의 구동을 위한 증기를 생성하는 열교환기(100)와, 열교환기(100)에서 생성된 증기에서 스팀과 물을 분리시키는 스팀 분리기(110)를 포함한다.
진공탈기부(60)는, 내부가 진공 상태로 유지되며, 공급되는 급수에 존재하는 용존 산소를 진공압으로 제거시키는 진공탈기탱크(60)일 수 있다.
이하에서 진공탈기탱크(60)에서 급수 내에 존재하는 용존 산소가 제거되는 원리를 간략히 설명한다.
먼저 본 실시 예에서 진공탈기탱크(60) 내부의 진공압은 대략 700mmHg 진공압일 수 있다. 진공탈기탱크(60)로 공급된 급수 내에 존재하는 용존 산소는 온도 상승이 아닌 압력을 낮춤으로써 낮은 온도에서 제거될 수 있다.
구체적으로 헨리의 법칙(Henry's law, ─法則)에 의하면 압력이 낮을 수록 액체에 용해될 수 있는 기체의 양이 적어지므로, 진공탈기탱크(60)의 내부의 진공압에서는 급수에 용해될 수 있는 산소의 양이 대기압 대비 적어진다.
따라서 진공탈기탱크(60)의 내부 압력을 진공압으로 낮추면 산소의 용해도가 감소되어 산소는 기체 형태로 급수로부터 분리되므로 급수의 내부에 존재하는 용존 산소를 제거할 수 있다.
한편 진공탈기탱크(60)에서 제거된 산소는 응축기(40)로 공급되어 응축기(40)에서 배출된다. 그리고 진공탈기탱크(60)와 응축기(40)를 연결하는 라인 상에는 전술한 오리피스(70)가 마련된다. 이 오리피스(70)는 진공탈기탱크(60)에서 급수가 응축기(40)로 넘어가지 않도록 적정 차압을 유지시켜 진공탈기탱크(60)의 진공압을 유지시키는 역할을 한다.
엔진 소기 쿨러(90)는, 열교환기(100)로 공급되는 급수를 과급기(TC)에서 공급되는 소기와 열교환시켜 급수의 온도를 상승시킴과 더불어 소기를 냉각시키는 역할을 한다.
본 실시 예에서 엔진 소기 쿨러(90)는 저온의 냉각수로도 소기를 냉각을 할 수 있도록 이단으로 마련될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 소기 쿨러(90)는, 열교환기 급수펌프(80)에서 공급되는 급수와 과급기(TC)에서 공급되는 소기(Scav. air)를 상호 열교환시켜 소기를 냉각시킴과 동시에 열교환기(100)로 공급되는 급수의 온도를 상승시키는 제1 소기쿨러(91)와, 제1 소기쿨러(91)에서 열교환되어 온도가 내려간 소기를 외부에서 공급되는 냉각수(Cold Fw)와 열교환시켜 2차적으로 냉각시키는 제2 소기쿨러(92)를 포함한다.
본 실시 예에서 응축기(40)는 진공응축기일 수 있고, 열교환기(100)는 열교환 효율의 향상을 위해 다단으로 마련될 수 있다. 미 설명 도면부호 T는 진공탈기부(60)로 급수를 보충하는 급수탱크(T)이다.
한편 열교환기(100)에 공급되는 급수의 온도가 너무 낮을 경우(응축기의 진공압에 따라 온도가 달라지나 현재 적용되는 응축기(40)의 압력을 고려했을 경우 약 30~40℃일 수 있다.)에는 열교환기(100)에서 증기를 생성하는 데 필요한 폐열의 양이 더욱 많이 필요하다.
즉 동일 증기량을 생성하기 위해서는 더 많은 배기가스의 폐열이 필요하고, 동일 배기가스의 폐열원에서는 증기의 생성량이 줄어들 수 밖에 없다. 그 결과 스팀 터빈(30)에서 사용할 수 있는 스팀의 양이 줄어들게 되므로 단순히 진공탈기탱크(60)를 적용하는 것은 폐열회수시스템의 효율측면에서 큰 이득이 없다고 볼 수도 있다.
그러므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(E)을 냉각시키기 위해 사용되는 엔진 재킷 시스템(200)에서 버려지는 폐열을 이용하여 열교환기(100)로 공급되는 급수의 온도를 엔진 소기 쿨러(90) 이외에 추가적으로 상승시킬 수 있도록 하여 열교환기(100)에서 동일한 증기 생성에 필요한 배기가스의 폐열량이 동일하도록 할 수 있다.
본 실시 예에서 엔진 재킷 시스템(200)은, 냉각수인 열원을 순환시켜 엔진(E)을 냉각하는 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 재킷(210)과, 엔진 재킷(210)에서 냉각수의 열을 전달받아 온도가 상승된 재킷수와 열교환기 급수펌프(80)에서 펑핑되는 급수를 상호 열교환시키는 엔진 재킷 열교환기(220)와, 엔진 재킷 열교환기(220)에서 공급되는 냉각수를 냉각시키는 엔진 재킷 쿨러(230)와, 엔진 재킷 쿨러(230)에서 냉각된 열원인 냉각수를 엔진 재킷(210)으로 펌핑하는 엔진 재킷 펌프(240)를 포함한다.
이하에서 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템(1)의 작동 상태를 간략히 설명한다.
먼저 엔진(E)에서 배출되는 배기가스는 과급기(TC)를 거쳐 열교환기(100)로 공급되거나 가스 터빈(10)으로 공급되어 가스 터빈(10)을 구동시킨다. 열교환기(100)로 공급된 배기가스는 열교환기(100)로 공급되는 급수와 열교환되어 공급된 급수를 증기로 상변환시킨다.
상변환된 증기는 스팀 분리기(110)에서 스팀과 물로 분리되며, 분리된 스팀은 스팀 터빈(30)으로 공급되어 스팀 터빈(30)의 구동 동력원으로 사용된다. 스팀 터빈(30)에서 배출되는 스팀은 응축기(40)에서 응축되어 액체 상태인 급수로 상변환되고, 상변환된 급수는 개폐밸브(V)의 개폐 방향에 따라 진공탈기부(60) 또는 응축기(40)로 공급된다.
진공탈기부(60)로 공급된 급수 내부에 존재하는 용존 산소는 진공탈기부(60)의 내부에서 진공압에 의해 제거되어 응축기(40)로 공급되고, 용존 산소가 제거된 급수는 열교환기 급수펌프(80)에서 펌핑되어 엔진 소기 쿨러(90)로 공급된다.
열교환기 급수펌프(80)에서 펌핑되는 급수는 엔진 소기 쿨러(90)로 공급되기 전에 엔진 재킷 시스템(200)의 폐열과 열교환되어 1차적으로 온도가 상승되고, 온도가 상승된 급수는 엔진 소기 쿨러(90)의 제1 소기쿨러(91)에서 과급기(TC)에서 공급되는 소기와 열교환되어 2차적으로 온도가 상승된다.
2차적으로 온도가 상승된 급수는 열교환기(100)에서 배기가스와 열교환되어 증기로 상변환되고, 이 증기는 스팀 분리기(110)에서 스팀과 물로 분리되며 분리된 스팀은 스팀 터빈(30)으로 공급되어 전술한 과정이 반복된다.
열교환기(100)로 공급되는 급수는 엔진 재킷 시스템(200) 및 엔진 소기 쿨러(90)에서 미리 열교환되어 온도가 상승되므로 급수를 증기로 상변환시키기 위해 요구되는 열원인 배기가스의 양을 줄일 수 있다.
또한 열교환기(100)로 공급되는 급수는 진공탈기부(60)에서 미리 용존 산소가 제거되므로 열교환기(100)에서 부식이 발생되는 것을 방지 및 지연시킬 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 열교환기 및 증기 설비에서 증기없이 진공압으로 용존 산소를 제거할 수 있어 열교환기에서 생성되는 증기의 소모없이 부식을 방지할 수 있고, 부식을 방지하기 위해 증기를 소모시킬 필요가 없으므로 동일 배기가스 폐열원 대비 전력 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템
10 : 가스 터빈 20 : 발전기
30 : 스팀 터빈 40 : 응축기
50 : 급수 펌프 60 : 진공탈기부(진공탈기탱크)
70 : 오리피스 80 : 열교환기 급수펌프
90 : 엔진 소기 쿨러 100 : 열교환기
110 : 스팀 분리기 200 : 엔진 재킷 시스템
210 : 엔진 재킷 220 : 엔진 재킷 열교환기
230 : 엔진 재킷 쿨러 240 : 엔진 재킷 펌프
E : 엔진 T : 급수탱크
TC : 과급기 V : 개폐밸브

Claims (10)

  1. 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템에 있어서,
    상기 폐열회수시스템의 급수 유로에 마련되어 상기 급수 유로를 통해 공급되는 급수에 존재하는 용존 산소를 증기없이 진공으로 제거하는 진공탈기부를 포함하는 선박의 폐열회수시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공탈기부는 내부가 진공 상태로 유지되며, 공급되는 급수에 존재하는 용존 산소를 진공압으로 제거시키는 진공탈기탱크인 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스를 기초로 생성된 증기를 진공으로 응축시키는 진공응축기를 더 포함하며,
    상기 진공탈기부에서 제거된 용존 산소는 상기 진공응축기로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 진공탈기부와 상기 진공응축기를 연결하는 라인에 마련되어 상기 진공탈기부의 진공압이 유지될 수 있도록 하는 오리피스를 더 포함하는 선박의 폐열회수시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기가스와 상기 진공탈기부에서 용존 산소가 제거된 급수를 상호 열교환시키는 열교환기를 더 포함하며,
    상기 진공탈기부에서 상기 열교환기로 공급되는 급수는 엔진 재킷 냉각수의 폐열과 열교환되어 온도가 상승된 상태로 상기 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 엔진 재킷 냉각수의 폐열과 열교환되어 온도가 상승된 급수가 상기 열교환기로 공급되기 전에 상기 급수를 과급기에서 공급되는 소기와 상호 열교환시켜 상기 급수의 온도를 상승시키는 엔진 소기 쿨러를 더 포함하는 선박의 폐열회수시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 엔진 소기 쿨러는,
    상기 온도가 상승된 급수와 과급기에서 공급되는 소기를 상호 열교환시켜 상기 온도가 상승된 급수의 온도를 더 상승시키는 제1 소기쿨러; 및
    상기 제1 소기쿨러에서 냉각된 소기와 저온 냉각수를 상호 열교환시켜 상기 소기를 냉각시키는 제2 소기쿨러를 포함하는 선박의 폐열회수시스템.
  8. 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하며 상기 배기가스와 열교환되는 급수에 존재하는 용존 산소를 증기없이 진공으로 제거하는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 급수에 존재하는 용존 산소는 내부가 진공 상태로 유지되는 진공탈기탱크에서 제거되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 배기가스와 열교환되는 급수는 상기 배기가스와 열교환되기 전에 엔진 재킷 냉각수의 폐열과 열교환되어 온도가 상승되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열회수시스템.
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