KR20130131643A - 선박용 해수 담수화 발전 시스템 - Google Patents

선박용 해수 담수화 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

선박용 해수 담수화 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 선박용 해수 담수화 발전 시스템은 선박을 포함한 해상 설비에 구비된 발전 및 담수화 설비로서, 화력 또는 복합화력을 포함한 선박 내 다른 발전 시스템의 복수기에서 배출되는 해수를 공급수로 공급받아 증발시켜 증기를 생성하는 증발기; 증발기에서 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기; 및 터빈 발전기에서 배출된 증기를 심층수와 열교환시켜 담수를 생산하는 복수기를 포함한다.

Description

선박용 해수 담수화 발전 시스템{Seawater Desalination And Electricity Generation System For Ship}
본 발명은 선박용 해수 담수화 발전 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 화력 또는 복합화력을 포함한 선박 내 다른 발전 시스템의 복수기에서 배출되는 해수를 증발시켜 발전한 후 심층수로 응축시켜 담수를 생산하는 선박을 포함한 해상 설비용 해수 담수화 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 증기 터빈을 이용하는 발전은, 보일러에서 증기를 발생시키고 이러한 증기를 이용하여 터빈을 가동시켜 발전기를 구동시키는 것을 기본 사이클로 한다.
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 상승된 상태로 배출되면 환경에 중대한 영향을 끼친다.
도 1은 통상적인 발전 설비 시스템을 도시한 도면으로, 발전소의 운전을 도 1을 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
보일러 드럼(112)에 전달된 급수는 튜브를 통해 보일러 내부로 공급되고, 연료의 연소열에 의해 증기로 변환되며, 다시 과열기(114)에서 상당한 고온으로 과열되어 고온 고압의 과열 증기로 된다. 과열된 증기는 고압 터빈(116)으로 공급되어 고압 터빈(116)을 회전시킨 후 재열기(118)로 보내진다. 재열기(118)에서는 고압 터빈(116)을 거친 저온 재열 증기를 과열도가 높은 고온의 재열 증기로 변환한다. 형성된 재열 증기는 중압 터빈(120)으로 유입된다. 중압 터빈(120)을 회전시키고 배출되는 증기는 최종적으로 저압 터빈(122)을 회전시킨 후에 복수기(102)로 전달된다.
복수기(102)에서 냉각수에 의해 응축된 물(복수)은 복수 펌프(Condensate Extraction Pump, CEP: 104)에 의해 저압 급수 가열기(106)로 전달된다. 저압 급수 가열기(106)에서는 저압 터빈(122)에서 공급된 추기(Extraction Steam)에 의해 급수가 가열된다.
저압 급수 가열기(106)에서 가열된 급수는 탈기기(Deaerator: 미도시)를 거치면서 용존 가스가 제거된다.
탈기기를 거친 급수는 급수 펌프(Boiler Feedwater Pump, BFP: 108)에 의해 고압 급수 가열기(110)로 공급된다. 급수 펌프(108)에 의해 고압 급수 가열기(110)로 공급된 급수는 고압 또는 중압 터빈(120)에서 공급된 고온의 추기에 의해 추가로 가열된 후 보일러 드럼(112: 순환형 보일러에 해당)으로 공급되면서 순환 사이클이 이루어진다.
이와 같은 종래의 발전소에서는 고온의 증기를 복수하면서 상당한 온도로 가열된, 복수기에서 사용된 후 배출되는 냉각수가 그대로 배출됨으로써, 가열된 냉각수가 환경적 영향을 미칠 뿐만 아니라 열 활용의 측면에서도 바람직하지 못한 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화력이나 원자력 등의 선박 내 발전설비 복수기에서 배출되는 냉각수를 발전에 활용하고 담수를 생산함으로써, 고온 냉각수의 배출로 인한 환경적 영향을 줄이고, 냉각수에 열교환으로 전달된 열을 활용할 수 있는 선박용 해수 담수화 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 선박을 포함한 해상 설비에 구비된 발전 및 담수화 설비에 있어서,
화력 또는 복합화력을 포함한 선박 내 다른 발전 시스템의 복수기에서 배출되는 해수를 공급수로 공급받아 증발시켜 증기를 생성하는 증발기;
상기 증발기에서 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기; 및
상기 터빈 발전기에서 배출된 증기를 심층수와 열교환시켜 담수를 생산하는 복수기를 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 시스템이 제공된다.
상기 증발기 내부는 저압 상태로 설정됨에 따라 상기 공급수로부터 상기 증기가 생성될 수 있다.
상기 복수기에서 상기 증기와 열교환하여 온도가 상승된 상기 심층수의 적어도 일부가 상기 증발기에 공급수로 도입될 수 있다.
선박용 해수 담수화 발전 시스템은 상기 복수기에서 생성된 담수가 저장되는 원수 탱크를 더 포함할 수 있다.
선박용 해수 담수화 발전 시스템은 상기 증발기 내의 상기 공급수의 염도를 감지하는 염도 센서와, 상기 공급수가 설정된 농도 이상이 되면 상기 공급수를 상기 증발기 외부로 배출시키는 배출 펌프와, 상기 복수기에서 상기 증기를 상변화시키는데 사용되어 온도가 상승된 상기 심층수의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선박을 포함한 해상 설비에서 복수기 배출수를 활용하는 발전 방법에 있어서,
1) 선박 내 화력, 원자력 등의 발전 시스템에서 배출되는 복수기 배출 해수를 공급받아 저압에서 증기를 형성시키는 단계;
2) 상기 증기를 터빈발전기에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및
3) 전력을 생산한 후 배출된 증기를 심층수와 열교환으로 응축시켜 담수를 생산하고, 온도가 상승된 상기 심층수를 상기 단계 1)로 공급하는 단계를 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 방법이 제공된다.
본 발명의 선박용 해수 담수화 발전 시스템은, 선박 내 다른 발전 시스템의 복수기에서 배출되는 냉각수를 발전에 활용하고 담수를 생산함으로써, 고온 냉각수의 배출로 인한 환경적 영향을 줄이고, 냉각수에 열교환으로 전달된 열을 효과적으로 활용할 수 있으며, 선박에 필요한 전력과 담수를 경제적으로 생산할 수 있다.
도 1은 통상적인 발전 설비 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 해수 담수화 발전 시스템을 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 해수 담수화 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 해수 담수화 발전 시스템은, 선박을 포함한 해상 설비에 구비된 발전 및 담수화 설비에 있어서, 화력 또는 복합화력을 포함한 선박(S) 내 다른 발전 시스템(GS)의 복수기에서 배출되는 해수(W)를 공급수로 공급받아 증발시켜 증기를 생성하는 증발기(210)와, 증발기(210)에서 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기(220)와, 터빈 발전기(220)에서 배출된 증기를 심층수와 열교환시켜 담수를 생산하는 복수기(230)를 포함한다.
즉, 본 실시예의 시스템은 기존 화력, 복합화력, 원자력 등의 선박(S)에 설치된 다른 발전 시스템(GS)에서 가온되어 배출되는 복수기 냉각 해수(W)에 포함되어 버려지는 폐열을 효과적으로 활용하기 위한 시스템으로서, 기 설치된 발전 시스템(GS)에 추가로 본 실시예의 시스템을 설치하게 된다.
발전 시스템의 복수기 냉각수로 사용된 심층수는, 증기에 포함된 열의 47% 정도를 흡수하므로 상당한 정도로 온도가 상승한다. 따라서 이를 작동 유체로 증발기(210)에 도입시킬 수도 있으며, 이러한 경우 복수과정에서 냉각용 해수에 흡수되어 버려지던 폐열을 이용할 수 있게 된다.
증발기(210) 내부는 저압 상태로 설정됨에 따라 공급수로부터 증기가 생성될 수 있다.
공급수가 증발기(210)로 도입되면, 저압의 증발기(210) 내부 압력에 의해 상 변화하면서 증기를 형성하게 된다. 증발기(210)로 도입되는 공급수의 온도를 30℃ 정도로 가정한다면, 증발기(210) 내부 압력을 약 0.041329 kgf/㎠ 내외로 설정하면 될 것이다.
본 실시예는 이렇게 증발기(210) 내부의 압력을 낮출 수 있는 저압 설비(미도시), 예를 들어 진공 펌프나 에어 이젝터 등을 더 포함할 수 있다.
복수기(230)에서 증기와 열교환하여 온도가 상승된 심층수의 적어도 일부가 증발기(210)에 공급수로 도입될 수 있다.
본 실시예의 복수기(230)에서 증기를 응축시키면서 심층수가 가열되므로 이러한 복수기 배출수를 증발기(210)에 도입시키면, 기 설치된 발전 시스템(GS)이 없는 경우에 본 실시예의 시스템에서 발생하는 복수기(230) 냉각수만을 공급수로 이용하는 독립적인 시스템으로 가동하는 것도 가능하다.
본 실시예의 시스템이 화력 또는 원자력 등의 기존 선박 내 발전 시스템(GS)에 추가로 설치되는 경우, 기존 발전 시스템의 복수기 배출 냉각수(W)만으로 본 시스템에 충분한 공급수가 공급될 수도 있다. 이러한 경우, 본 실시예 시스템의 복수기(230)에서 수증기를 상변화시켜 온도가 상승된 심층수는 바다로 배출될 수도 있다.
선박용 해수 담수화 발전 시스템은 복수기(230)에서 생성된 담수가 저장되는 원수 탱크(240)를 더 포함할 수 있다.
증발기(210)에 공급되는 공급수는 심층수, 즉 해수인데, 복수기(230)에서 상변화를 통해 형성되는 물은 담수로 얻을 수 있어 본 실시예는 해수의 담수화 기능도 가지게 된다. 본 실시예는 형성된 담수를 저장하기 위해 원수 탱크(240)를 마련하였다.
선박용 해수 담수화 발전 시스템은 증발기(210) 내의 공급수의 염도를 감지하는 염도 센서와, 공급수가 설정된 농도 이상이 되면 상기 공급수를 상기 증발기(210) 외부로 배출시키는 배출 펌프와, 복수기(230)에서 증기를 상변화시키는데 사용되어 온도가 상승된 심층수의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
증발기(210)에서 도입된 해수의 증발에 따라 증기가 형성되면, 도입된 해수의 염도는 점점 높아지다가 결국 소금이 형성되는데, 이러한 소금 결정은 설비의 작동 이상을 초래할 수 있으므로, 적절히 제거되거나 사전에 소금 결정의 형성을 차단해야 한다. 이를 위해 본 실시예는 증발기(210)에 마련되어 증발기(210) 내의 해수 염도를 감지하는 염도 센서(미도시) 및 설정된 농도 이상으로 농축된 염수를 증발기(210) 외부로 배출시키는 배출 펌프(미도시)를 구비한다.
복수기(230)에서 수증기를 상변화시켜 온도가 상승된 심층수는 바다로 배출될 수도 있는데, 이 경우 배출 온도가 표층수의 수온보다 높으면 해양 생태계에 영향을 줄 수 있으므로, 본 실시예는 이를 위해 온도 센서를 구비하였다.
온도 센서에서 감지된 배출수의 온도가 표층수 온도보다 높은 경우에는 이를 증발기(210)로 유도하고, 표층수 온도와 같거나 낮은 경우에는 바다로 배출함으로써 해양 생태계에 대한 영향을 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선박을 포함한 해상 설비에서 복수기 배출수를 활용하는 발전 방법에 있어서,
1) 선박 내 화력, 원자력 등의 발전 시스템에서 배출되는 복수기 배출 해수를 공급받아 저압에서 증기를 형성시키는 단계;
2) 상기 증기를 터빈발전기에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및
3) 전력을 생산한 후 배출된 증기를 심층수와 열교환으로 응축시켜 담수를 생산하고, 온도가 상승된 상기 심층수를 상기 단계 1)로 공급하는 단계를 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 방법이 제공된다.
본 실시예는 화석 및 원자력을 포함한 선박 내 발전 설비의 복수기에서 배출되는 냉각 해수를 발전에 활용하고 담수를 생산함으로써, 가온된 냉각수의 배출로 인한 환경적 영향을 줄이고, 냉각수에 열교환으로 전달된 열을 효과적으로 활용할 수 있다. 가온된 냉각수를 발전 시스템의 작동 유체로 공급함으로써 가온되지 않은 작동 유체를 이용할 때에 비해 단시간에 증기 형성이 가능해지고, 이로 인해 발전 시스템의 가동 시간도 단축될 수 있다.
또한 화석 연료나 전기 에너지를 사용하지 않고 경제적이고 친환경적으로 선박에 필요한 전력과 담수를 생산하여 공급할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S: 선박
GS: 선박 내 다른 발전 시스템
W: 다른 발전 시스템의 복수기 배출 해수
210: 증발기
220: 터빈 발전기
230: 복수기
240: 원수 탱크

Claims (6)

  1. 선박을 포함한 해상 설비에 구비된 발전 및 담수화 설비에 있어서,
    화력 또는 복합화력을 포함한 선박 내 다른 발전 시스템의 복수기에서 배출되는 해수를 공급수로 공급받아 증발시켜 증기를 생성하는 증발기;
    상기 증발기에서 증기를 공급받아 전력을 생산하는 터빈 발전기; 및
    상기 터빈 발전기에서 배출된 증기를 심층수와 열교환시켜 담수를 생산하는 복수기를 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 증발기 내부는 저압 상태로 설정됨에 따라 상기 공급수로부터 상기 증기가 생성되는 것을 특징으로 하는 선박용 해수 담수화 발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수기에서 상기 증기와 열교환하여 온도가 상승된 상기 심층수의 적어도 일부가 상기 증발기에 공급수로 도입되는 것을 특징으로 하는 선박용 해수 담수화 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수기에서 생성된 담수가 저장되는 원수 탱크를 더 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 증발기 내의 상기 공급수의 염도를 감지하는 염도 센서;
    상기 공급수가 설정된 농도 이상이 되면 상기 공급수를 상기 증발기 외부로 배출시키는 배출 펌프; 및
    상기 복수기에서 상기 증기를 상변화시키는데 사용되어 온도가 상승된 상기 심층수의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 시스템.
  6. 선박을 포함한 해상 설비에서 복수기 배출수를 활용하는 발전 방법에 있어서,
    1) 선박 내 화력, 원자력 등의 발전 시스템에서 배출되는 복수기 배출 해수를 공급받아 저압에서 증기를 형성시키는 단계;
    2) 상기 증기를 터빈발전기에 공급하여 전력을 생산하는 단계; 및
    3) 전력을 생산한 후 배출된 증기를 심층수와 열교환으로 응축시켜 담수를 생산하고, 온도가 상승된 상기 심층수를 상기 단계 1)로 공급하는 단계를 포함하는 선박용 해수 담수화 발전 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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