KR20130133502A

KR20130133502A - 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치

Info

Publication number: KR20130133502A
Application number: KR1020120056807A
Authority: KR
Inventors: 백은성; 김주태; 윤완배; 김발영; 한주석
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-12-09

Abstract

본 발명은 발전기의 일편에 스팀 및 파워 터빈을 연결 배치하고, 타편에 가스 터빈과 연소기 및 압축기를 연결 배치하여, 엔진 저부하 운전 조건에서 가스터빈을 구동시킴으로써 스팀 및 파워 터빈의 구동력이 미흡하더라도 발전기의 구동이 정상적으로 유지될 수 있도록 하고, 또한, 가스 터빈을 통과한 연소가스가 이코너마이저로 공급되는 엔진의 배기가스와 혼합되어 고온 고압의 스팀을 충분히 발생시킴으로써 엔진 저부하 운전 조건에서도 스팀 터빈의 구동이 정상적으로 유지될 수 있도록 하며, 또한, 복합발전장치의 구성 요소에 대한 동작 상황이나 전기의 요구 조건에 따라 각 터빈을 선택적으로 제어하는 동력 전달이 가능하도록 한 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치에 관한 것이다.

Description

폐열과 가스를 이용한 복합발전장치{Combined Generating Equipment Using Waste Heat and Gas}

본 발명은 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전기의 일 편과는 스팀 및 파워 터빈을 연결하고, 타 편과는 가스 터빈과 연소기 및 압축기를 연결하여 엔진 저 부하 운전시에 가스 터빈의 구동력으로 발전기를 가동시킴으로써 엔진 저 부하 운전시 스팀 및 파워 터빈의 구동력이 미흡하더라도 발전기의 가동이 정상적으로 유지될 수 있도록 한 것이다.

또한, 가스 터빈을 통과한 연소가스가 이코너마이저로 공급되는 배기가스와 혼합되도록 함으로써 이코너마이저에서 고온 고압의 스팀이 충분히 발생 될 수 있도록 하여 엔진 저부하 운전 시에도 스팀 터빈의 구동이 정상적으로 이루어질 수 있도록 한다.

또한, 복합발전장치의 구성 요소에 대한 동작 상황이나 전기의 요구 조건에 따라 각 터빈을 선택적으로 제어하는 동력 전달이 가능하도록 한다.

선박에 장착되는 발전기의 가동을 위해 엔진 폐열을 이용한 발전장치가 사용된다. 이러한 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 메인 엔진(주로 디젤엔진)(10)의 구동시에 발생하는 잉여 배기가스(폐열)의 일부를 이용하여 구동되는 파워터빈(20)과, 메인 엔진(주로 디젤엔진)(10)의 구동시 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 생산하는 이코너마이저(Economizer)(30)와, 생산된 스팀을 이용하여 구동되는 스팀 터빈(40)과, 상기 파워터빈(20) 및 스팀 터빈(40)의 구동력으로 가동되어 전력을 생산하는 발전기(50)를 포함하여 구성되어 있다.

구체적으로, 상기 메인 엔진(10)의 상부에는 배기가스 저장소(11)가 형성되어 있고, 메인 엔진(10)의 하부에는 흡입공기 저장소(12)가 형성되어 있다.

또한, 상기 메인 엔진(10)의 배기가스는 터보차져의 터빈(T)을 거쳐서 다시 이코너마이저(30)로 들어가고, 터보차져를 구성하는 터빈(T)은 압축기(C)와 연결되어 메인 엔진(10)으로 압축공기를 공급하게 된다.

또한, 상기 파워 터빈(20)과 스팀 터빈(40)은 직렬로 연결되어 있어서 그 사이에 감속기어(60)와 클러치(61)가 설치되어 있고, 스팀터빈(40)과 발전기(50) 사이에도 감속기어(62)와 클러치(63)가 연결되어 있다.

위와 같이 구성된 상기 폐열회수를 이용한 발전장치에서 메인 엔진(10)의 저부하 운전시에는 메인 엔진(1)으로부터 발생하는 배기가스는 배기량이 적고, 아울러 배기가스의 유속이 느리며 온도가 낮게 형성된다. 연소 중에 생성된 배기가스의 삼산화황은 수증기와 작용하여 황산 증기를 생성하고 금속 온도가 산의 노점(160도) 이하인 곳에서 증기는 황산 액으로 응축되며 부식을 초래하게 된다. 이러한 문제로 엔진 저부하 운전시에는 배기가스 폐열 회수가 어렵게 되며, 이코노마이져에서 생성할 수 있는 스팀 양이 적기 때문에 스팀터빈을 원활히 구동할 수 없어 발전기의 가동이 미흡하게 되며 전력 생산이 충분하지 못한 문제가 있었다. 더욱이, 폐열회수를 이용한 발전장치는 발전기(50)의 연결 구조상 파워 터빈(20)에서 발전기(50)까지 연결된 구성요소 중 어느 하나라도 문제가 발생하면 발전기(50)까지 동력을 전달하지 못하는 연결 구조를 취하고 있어 발전 기능이 상실되는 구조적인 문제점도 있었다.

또한, 엔진의 저부하 운전시에는, 배기 가스가 이코너마이저(30)를 빠르게 통과하지 못하므로 배기 가스에 포함된 오염원(예를 들면 탄소화합물)이 이코너마이저(30) 내부 열교환기에 누적되어, 이코너마이저(30)의 기능이 저하 및 화재 발생 우려가 있다. 느린 유속은 배기가스 내의 탄소화합물이 이코노마이져 내부 열교환기에 밀착되어 튜브 등을 오염시킬 수 있으며,

등록실용신안 제 20-442067호

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진 저 부하 운전시에 가스 터빈의 구동력으로 발전기를 가동시킴으로써 엔진 저 부하 운전시 스팀 및 파워 터빈의 구동력이 미흡하더라도 발전기의 가동이 정상적으로 유지될 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.

또한, 가스 터빈을 통과한 연소가스가 이코너마이저로 공급되는 배기가스와 혼합되도록 함으로써 이코너마이저에서 고온 고압의 스팀이 충분히 발생 될 수 있도록 하여 엔진 저부하 운전 시에도 스팀 터빈의 구동이 정상적으로 이루어질 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.

또한, 복합발전장치의 구성 요소에 대한 동작 상황이나 전기의 요구 조건에 따라 각 터빈을 선택적으로 제어하는 동력 전달이 가능하도록 하는 것에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 해결 수단은, 발전기의 일 편에는 메인 엔진의 구동시에 발생하는 배기가스의 일부가 제1라인을 통해 제공되어 구동하게 되는 파워터빈과, 배기가스 폐열을 회수하여 스팀을 생산하도록 제2라인으로 메인 엔진과 연결되는 이코너마이저와, 생산된 스팀에 의해 구동되는 스팀 터빈과, 파워 터빈 및 스팀 터빈의 구동력으로 구동으로 발전기를 포함하는 복합발전장치로서, 상기 발전기의 타 편에 메인 엔진의 저부하 운전시 배기 가스의 분기 공급을 위해 제1라인으로부터 분기 되는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인과 연결되어 배기 가스를 공급받게 되는 연소기와, 상기 연소기로부터 발생하는 연소가스가 제공되어 구동하게 되는 가스 터빈과, 상기 연소기와 연결되어 연소공기를 제공하는 공기 압축기와, 상기 가스 터빈을 통과한 연소가스가 이코너마이저로 공급되는 배기가스와 혼합될 수 있도록 메인 엔진과 이코너마이저를 연결하는 제2라인에 가스터빈과 연결되는 제3라인이 연결되는 구조로 포함하여 구성되는 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치가 제공된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치를 사용하게 되면, 엔진 저부하 운전시에 가스 터빈을 구동시킴으로써 스팀 및 파워 터빈의 구동력이 미흡하더라도 발전기의 구동이 정상적으로 유지될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치를 사용하게 되면, 가스 터빈을 통과한 연소가스가 이코너마이저로 공급되는 엔진의 배기가스와 혼합되어 이코너마이저에서 고온 고압의 스팀이 충분히 발생하도록 함으로써 엔진 저부하 운전에서도 스팀 터빈의 구동이 정상적으로 유지될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치를 사용하게 되면, 복합발전장치의 구성 요소에 대한 동작 상황이나 전기의 요구 조건에 따라 각 터빈을 선택적으로 제어하는 동력 전달이 가능한 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 선박 엔진용 폐열회수를 이용한 발전장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치의 개략도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 2에서 보듯이 발전기(50)의 일 편은 메인 엔진(10)의 구동시 제1라인(70)을 통해 제공되는 잉여 배기가스(폐열)의 일부를 이용하여 구동되는 파워터빈(20)과, 제2라인(84)을 통해 메인 엔진(10)에서 발생하는 배기가스 폐열을 회수하여 스팀을 생산하는 이코너마이저(Economizer)(30)와, 생산된 스팀에 의해 구동되는 스팀터빈(40)과, 상기 파워터빈(20) 및 스팀 터빈(40)의 구동력으로 구동하는 발전기(50)를 포함하여 구성된다. 여기서, 본 발명은 상기 제1라인(70)으로부터 분기되는 바이패스 라인(72)과, 이 바이패스 라인과 연결되는 연소기(74)와, 상기 연소기(74)로부터 발생하는 연소가스를 이용하여 구동하는 가스 터빈(76)과, 상기 연소기(74)와 연결되어 압축 공기를 연소기(74)로 제공하는 공기 압축기(78)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 가스 터빈(76)도 발전기(50)와 직렬로 연결되는데, 이때 가스 터빈(76)과 발전기(50) 사이에도 감속기(80)와 클러치(82)가 연결된다.

또한, 상기 가스 터빈(76)과 연결되는 제3라인(86)은 메인 엔진(10)과 이코너마이저(30)를 연결하고 있는 제2라인(84)의 합류지점(S)에 연결된다.

기타 도 1과 동일한 구성은 동일한 참조를 부여하고 중복설명을 피하고자 생략한다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 메인 엔진(10)의 저부하 운전시, 종래에는 배기 가스의 배기량이 적고 유속이 느리며, 온도도 낮게 형성되는 배기 가스가 이코너마이저(30)와 파워 터빈(20)으로 공급되기 때문에 앞서 언급된 제반문제와 같이 발전기(50)의 발전 기능이 미흡하게 된다.

그러나, 본 발명에서는 메인 엔진(10)의 구동시 발생하는 잉여 배기가스가 제1라인(70)을 따라 흐르게 될 때 배기 가스의 유속이 느리므로 그 일부가 자연스럽게 바이 패스 라인(72)을 따라 연소기(74)로 공급하게 된다. 아울러 공기 압축기(78)도 함께 구동을 하게 되어 연소공기로 작용하게 되는 압축 공기를 연소기(74)로 제공하게 된다.

위와 같이 연소기(74)에서는 고압의 압축공기, 배기가스, 연료를 혼합하고 이를 연소 가열하여 형성된 연소가스를 배출하게 되며, 이와 같이 배출되는 연소가스를 이용하여 가스 터빈(76)을 구동하게 됨으로써 발전기(50)의 구동이 정상적으로 유지될 수 있게 된다.

특히, 상기 가스 터빈(76)을 구동시키고 빠져 나온 연소가스는 고온 고압을 형성하는 상태로 제3라인(86)을 따라 제2라인(84)의 합류지점(S)으로 이동하여 이코너마이저(30)로 공급되는 배기가스와 합쳐지게 된다.

위와 같이 연소가스가 제2라인(84)의 합류지점(S)에서 배기가스와 합류하게 되면, 제2라인(84)을 따라 흐르는 배기가스의 부족량을 충족하게 됨은 물론, 배기가스의 유속이 빨라지고 온도도 높아지게 된다. 이와 같이 형성된 배기가스가 이코너마이저(30)로 공급되게 되면, 엔진 저부하 운전 시에도 스팀 터빈(40)의 구동력으로 작용하게 되는 스팀량을 충분히 생산하게 된다.

그와 더불어 배기가스가 이코너마이저(30)를 신속하게 빠져나가게 되므로 배기가스에 포함된 오염원(예를 들면 탄소화합물 및 황산화물 등)이 이코너마이저(30)에 쌓이지 않게 된다.

한편, 상기 발전기(50)의 일 편과 연결되는 파워 터빈(20), 스팀 터빈(40), 이코너마이저(30) 중 어느 하나의 고장이나 점검으로 인해 발전기(50)로의 동력 전달이 차단될 경우, 반대편에 구비된 가스 터빈(76)의 가동을 통해 발전기(50)의 정지 없이 구동시킬 수 있어 전력 수급에 따른 문제를 해소할 수 있게 되며 발생된 스팀은 선체 내에서 필요로 하는 Service steam으로 활용할 수 있다.

위와 같이 가스 터빈(76)의 가동만으로 발전기(50)를 구동하게 될 때에는 가스 터빈(76)의 구동력이 스팀 터빈으로 전달되지 않도록 스팀 터빈(40)과 발전기(50) 사이에 구비되는 클러치(63)를 이용하여 동력을 차단하도록 한다.

즉, 상기 발전기(50)의 스팀 터빈(40) 측 및 파워 터빈(20) 측에 각각 구비된 클러치(61, 63)와 가스 터빈(76) 측 클러치(82)를 이용하여 동력을 선택적으로 단속시킬 수 있게 됨으로써 선택적 운전이 가능하게 된다.

이와 같이, 본 발명은 기술적 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 도면은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의거 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 메인 엔진 20 : 파워 터빈
30 : 이코너마이저 40 : 스팀 터빈
50 : 발전기 60, 62, 80 : 감속기
61, 63, 82 : 클러치 70 : 제1라인
72 : 바이 패스 라인 74 : 연소기
76 : 가스 터빈 78 : 공기 압축기
84 : 제2라인 86 : 제3라인

Claims

발전기(50)의 일 편에는 메인 엔진(10)의 구동시에 발생하는 배기가스의 일부가 제1라인(70)을 통해 제공되어 구동하게 되는 파워터빈(20)과, 배기가스 폐열을 회수하여 스팀을 생산하도록 제2라인(84)으로 메인 엔진(10)과 연결되는 이코너마이저(30)와, 생산된 스팀에 의해 구동되는 스팀 터빈(40)과, 파워 터빈(20) 및 스팀 터빈(40)의 구동력으로 구동으로 발전기(50)를 포함하는 복합발전장치로서,
상기 발전기(50)의 타 편에 메인 엔진(10)의 저부하 운전시 배기 가스의 분기 공급을 위해 제1라인(70)으로부터 분기 되는 바이 패스 라인(72)과, 상기 바이 패스 라인(72)과 연결되어 배기 가스를 공급받게 되는 연소기(74)와, 상기 연소기(74)로부터 발생하는 연소가스가 제공되어 구동하게 되는 가스 터빈(76)과, 상기 연소기(74)와 연결되어 연소공기를 제공하는 공기 압축기(78)와, 상기 가스 터빈(76)을 통과한 연소가스가 이코너마이저(30)로 공급되는 배기가스와 혼합될 수 있도록 메인 엔진(10)과 이코너마이저(30)를 연결하는 제2라인(84)에 가스터빈(76)과 연결되는 제3라인(86)이 연결되는 구조로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폐열과 가스를 이용한 복합발전장치.