KR20150088516A

KR20150088516A - 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치

Info

Publication number: KR20150088516A
Application number: KR1020140008929A
Authority: KR
Inventors: 이승기
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-08-03
Also published as: KR102117381B1

Abstract

선박의 에너지 절감 장치가 개시된다. 본 발명의 선박의 에너지 절감 장치는, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템; 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템; 및 폐열회수시스템의 스팀 터빈 구동을 위해 열교환기로 공급되는 급수를 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 유기냉매와 열교환시키는 급수 열교환부를 포함한다.

Description

유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치{ENERGY SAVING APPARATUS OF A SHIP USING WASTE HEAT}

본 발명은, 선박의 에너지 절감 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 버려지는 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치에 관한 것이다.

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 폐열 중 일부라도 회수하여 이를 유용한 에너지로 재활용할 수 있다면 그만큼 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 요구되고 있다. 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.

최근 들어 선박을 저속으로 운항하여 연료비의 절감을 요구하는 선주들이 많아지므로 인해 선박을 저속으로 운항할 경우, 엔진의 출력은 최대 출력의 30%~50% 정도만 사용하게 된다.

이렇게 낮은 부하로 엔진을 운전하면 배기가스의 온도가 낮기 때문에 고온의 열을 이용하는 기존의 폐열회수장치는 그 역할을 제대로 하지 못하게 된다. 즉, 종래 폐열회수장치의 가스터빈과 증기터빈은 그 특성상 섭씨 약 250도 정도 이상의 열원으로부터만 열을 회수하여 이를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있었으나, 그 이하 온도의 열은 여전히 활용하지 못하고 버려질 수밖에 없는 문제를 안고 있다.

부연하자면 종래 선박의 폐열회수장치는 버려지는 열 에너지 중 비교적 고온의 열을 회수하여 전력을 생산함으로 인해 엔진이 높은 부하로 운전될 때 많은 양의 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있지만, 엔진이 낮은 부하로 운전될 때에는 배기가스, 즉 폐열의 온도가 비교적 낮아 전력 생산의 효용성이 떨어지게 된다.

따라서 섭씨 약 100도 내지 250도 정도의 중저온 폐열을 열원으로 하여 동작할 수 있는 장치가 요구되고, 이러한 장치는 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 한국등록특허공보 제10-1328401호(2013.11.06)에 개시되어 있다.

즉 중저온 폐열회수장치는 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 터빈 사이클이며, 이를 통상 ORC(Organic Rankine Cycle) 장치라고 일컫는다. 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 사용하므로 물을 작동유체로 사용하는 증기터빈보다 낮은 온도를 열원으로 하여 동작할 수 있으며, 선박에서 발생하는 섭씨 250도 이하의 폐열을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.

전술한 실시 예는 선박에서 버려지는 폐열을 중저온 폐열회수장치의 증발기로 공급하여 이용하는 것에 한정되어 있고, 콘덴서에서의 응축 과정에서 그대로 버려지는 유기냉매의 열원에 대해서는 아무런 논의가 없다. 즉 중저온 폐열회수장치의 콘덴서로 공급되는 작동유체인 유기냉매는 콘덴서로 공급되는 약 36도의 청수(fresh water)에 의해 응축되는 데, 이 과정에서 유기냉매가 가지고 있는 열은 청수에 의해 모두 버려진다.

한국특허등록공보 제10-1328401호(대우조선해양 주식회사) 2013.11.06

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 폐열회수시스템의 스팀 터빈의 구동을 위해 열교환기로 공급되는 급수를 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 유기냉매와 열교환 할 수 있도록 하여 폐열회수의 극대화에 따른 에너지를 절감할 수 있는 선박의 에너지 절감 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템; 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템; 및 상기 폐열회수시스템의 스팀 터빈 구동을 위해 열교환기로 공급되는 급수를 상기 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 상기 유기냉매와 열교환시키는 급수 열교환부를 포함하는 선박의 에너지 절감 장치가 제공될 수 있다.

상기 급수 열교환부는, 상기 열교환기의 선단 라인에서 분기되어 상기 콘덴서를 통과한 후 상기 선단 라인으로 복귀되는 분기라인; 및 상기 분기 라인과 상기 선단 라인의 교차 영역에 마련되어 상기 급수를 상기 콘덴서 또는 상기 콘덴서를 바이패스하여 상기 열교환기로 공급시키는 방향제어밸브를 포함할 수 있다.

상기 급수 열교환부와 별도로 상기 콘덴서로 청수(fresh water)를 공급하여 상기 유기냉매의 부족한 냉각용량을 보충할 수 있다.

상기 엔진의 냉각을 위한 냉각수가 흐르는 메인유로를 구비하며 상기 중저온 폐열회수시스템의 증발기로 상기 냉각수의 폐열을 공급하는 냉각수 순환시스템을 더 포함할 수 있다.

상기 급수 열교환부와 상기 열교환기 사이의 라인에 마련되어 상기 열교환기로 유입되는 상기 급수를 가열시키는 엔진 소기 냉각유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키되 상기 열교환기의 선단 라인에서 상기 배기가스와 상기 급수를 열교환시키는 배기가스 재순환시스템을 더 포함할 수 있다.

상기 배기가스의 배출라인에 마련되어 상기 배기가스를 상기 폐열회수시스템 또는 상기 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나로 공급시키는 제어유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 폐열회수시스템은, 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈; 상기 가스 터빈과 연동되며 제공되는 스팀에 의해 상기 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈; 상기 스팀 터빈에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 응축된 급수에서 용존 산소를 진공으로 제거하는 진공탈기부; 상기 진공탈기부에서 탈기된 급수를 펌핑시키는 열교환기 급수펌프; 및 상기 콘덴서에서 열교환 된 상기 급수와 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스를 열교환시켜 상기 스팀 터빈의 구동을 위한 증기를 생성시키는 열교환기를 포함할 수 있다.

상기 배기가스 재순환시스템은, 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버; 상기 스크러버에 공급되는 상기 배기가스를 냉각시키는 쿨러; 및 상기 쿨러에서 냉각된 상기 배기가스가 과급기에서 공급되어 상기 엔진으로 유입되는 소기와 혼합되어 상기 엔진으로 공급되도록 냉각된 상기 배기가스를 불어주는 블로워(blower)를 포함할 수 있다.

상기 쿨러는, 상기 스크러버에서 배출되는 상기 배기가스와 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 급수를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 1차적으로 냉각시키는 제1 쿨러; 및 상기 제1 쿨러에서 배출되는 상기 배기가스와, 상기 급수와는 별도의 액체를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 2차적으로 냉각시키는 제2 쿨러를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 버려지는 폐열을, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템의 열교환기로 공급되는 급수를 가열시키는 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 절감 장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 폐열회수시스템의 스팀 터빈의 구동을 위해 열교환기로 공급되는 급수를 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 유기냉매와 열교환 할 수 있도록 하여 폐열회수를 극대화하여 에너지를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 작동 상태도로서 폐열회수시스템의 급수가 중저온 폐열회수장치의 콘덴서를 거쳐 공급되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 작동 상태도로서 폐열회수시스템의 급수가 중저온 폐열회수장치의 콘덴서를 바이패스하여 공급되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.

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 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박의 에너지 절감 장치(1)는, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템(100)과, 선박의 엔진(E)으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템(200)과, 폐열회수시스템(200)의 스팀 터빈(220) 구동을 위해 열교환기(280)로 공급되는 급수를 중저온 폐열회수시스템(100)의 콘덴서(140)에서 유기냉매와 열교환시키는 급수 열교환부(300)와, 엔진(E)의 냉각을 위한 냉각수가 흐르는 메인유로(410)를 구비하며 중저온 폐열회수시스템(100)의 증발기(110)로 냉각수의 폐열을 공급하는 냉각수 순환시스템(400)을 구비한다.

중저온 폐열회수시스템(100)은, 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작되는 터빈 사이클이며, 통상 유기 랜킨사이클(ORC;Organic Rankine Cycle)이라고도 한다.

본 실시 에에서 중저온 폐열회수시스템(100)는 물보다 비등점이 낮은 유기냉매 예를 들어, R 134a를 사용할 수 있으므로 물을 작동유체로 하는 증기터빈보다 낮은 온도를 열원으로 하여 동작할 수 있어 선박에서 발생되는 100℃ 내외의 폐열을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다.

또한 본 실시예에서는 통상 선박에서 사용되는 스팀보다 온도가 낮은 열원인 엔진 냉각수(Jacket Cooling Fresh Water)를 중저온 폐열회수시스템(100)의 작동유체인 유기냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 사용하므로 그만큼의 연료를 절약할 수 있어 선박에서 소모되는 전체 에너지를 절감할 수 있는 이점이 있다.

이제 중저온 폐열회수시스템(100)를 상세히 설명하면, 중저온 폐열회수시스템(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)에서 전달되는 냉각수와의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기(110)와, 증발기(110)에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전되는 터빈(120)과, 터빈(120)의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기(130)와, 터빈(120)에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 콘덴서(140, condenser)와, 콘덴서(140)에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 증발기(110)로 제공하는 펌프(150)와, 증발기(110)로부터 터빈(120)과 콘덴서(140) 및 펌프(150)에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 관로(160)를 포함한다.

본 실시 예에서 엔진(E)에서 공급되는 냉각수인 열원은 대략 80℃ 정도의 온도를 가지나, 자세히 후술하겠지만 덤핑 콘덴서 유닛(440)을 거치면서 대략 86℃ 정도로 온도가 상승 되고, 엔진 소기 냉각유닛(450)을 거치면서 대략 106℃ 정도로 온도가 상승된다. 이렇게 온도가 상승 된 냉각수인 열원은 증발기(110)와 열교환 된 후에는 대략 80℃ 정도로 떨어진다.

그리고 중저온 폐열회수시스템(100)는 다른 터빈 시스템과 마찬가지로 증발기(110)에서 가열된 고온부의 온도와 콘덴서(140)에서 냉각된 저온부의 온도 차이가 클수록 높은 효율을 얻을 수 있는 특징이 있다. 즉 증발기(110)로 유입되어 증발기(110)에 열을 전달하는 고온부의 온도가 높을수록, 콘덴서(140)로 유입되어 유기냉매를 응축시키는 저온부의 온도가 낮을수록 효율이 높아진다.

폐열회수시스템(200)은, 엔진(E)으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하거나 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하여 전력을 생산하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 폐열회수시스템(200)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)에서 배출되는 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈(210)과, 가스 터빈(210)과 연동되며 후술하는 열교환기(280)에서 제공되는 스팀에 의해 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈(220)과, 스팀 터빈(220)에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기(230)와, 응축기(230)에서 응축된 급수를 펌핑하는 급수 펌프(240)와, 급수 펌프(240)에서 펌핑되어 배출되는 급수 배출라인에 마련되어 급수가 후술하는 진공탈기부(260)로 이송되거나 응축기(230)로 순환되도록 응축수 배출라인을 개폐시키는 제어밸브(250)와, 응축기(230)에서 응축된 응축수가 저장되는 진공탈기부(260)를 포함한다. 미설명 도면부호 T는 급수탱크이고, 진공탈기부(260)는 진공으로 공급되는 급수에서 용존 산소를 제거하는 진공탈기탱크일 수 있다.

또한 본 실시 예에서 폐열회수시스템(200)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 급수탱크(260)에 저장된 급수를 후술하는 급수 열교환부(300) 방향으로 펌핑시키는 열교환기 급수펌프(270)와, 열교환기 급수펌프(270)에서 열교환 된 급수와 엔진(E)에서 배출되는 배기가스를 열교환시켜 스팀 터빈(220)의 구동을 위한 증기를 생성하는 열교환기(280)와, 열교환기(280)에서 생성된 증기에서 증기와 물을 분리시키는 스팀 분리기(290)를 포함한다.

그리고 본 실시 예에서 열교환기(280)는 열교환 효율의 향상을 위해 다단으로 마련될 수 있다.

급수 열교환부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기 급수펌프(270)와 열교환기(280) 사이의 라인에 마련되어 스팀 터빈(220) 구동을 위해 열교환기(280)로 공급되는 급수를 중저온 폐열회수시스템(100)의 콘덴서(140)에서 유기냉매와 열교환 시키는 역할을 한다.

종래의 방법 즉, 콘덴서에서 유기냉매를 응축시키기 위해 냉각수인 청수(fresh water)를 공급하는 방법은 유기냉매의 열원을 그대로 버릴 수밖에 없었다. 참고로 콘덴서를 응축시키기 위해 공급되는 청수의 온도는 약 36도이다.

하지만, 본 실시 예에서는 스팀 터빈(220)의 구동을 위해 열교환기(280)로 공급되는 급수(약 27~30도로서 콘덴서(140)의 냉각수로 공급되는 약 36도의 청수의 온도보다 낮다)를 급수 열교환부(300)를 통해 중저온 폐열회수시스템(100)의 콘덴서(140)에서 유기냉매와 열교환 할 수 있도록 마련한다.

그 결과 중저온 폐열회수시스템(100)의 콘덴서(140)에서 버려지는 유기냉매의 폐열을 회수할 수 있으므로 폐열 회수를 극대화하여 에너지를 절감할 수 있다.

본 실시 예에서 급수 열교환부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기(280)의 선단 라인에서 분기되어 중저온 폐열회수시스템(100)의 콘덴서(140)를 통과한 후 선단 라인으로 복귀되는 분기라인(310)과, 분기라인(310)과 선단 라인의 교차 영역에 마련되어 급수를 콘덴서(140) 또는 콘덴서(140)를 바이패스하여 열교환기(280)로 공급시키는 방향제어밸브(320)를 포함한다.

급수 열교환부(300)의 방향제어밸브(320)는, 열교환기 급수펌프(270)와 열교환기(280)를 연결하는 라인에, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍이 이격 마련될 수 있다. 한 쌍의 방향제어밸브(320) 중 열교환기 급수펌프(270)에 가장 가깝게 배치된 방향제어밸브(320)는 열교환기 급수펌프(270)에서 공급되는 급수를 콘덴서(140) 또는 콘덴서(140)를 바이패스하여 열교환기(280)로 공급하는 역할을 한다. 나머지 방향제어밸브(320)는 콘덴서(140)를 바이패스하는 급수가 콘덴서(140)로 역류되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.

본 실시 예에서 방향제어밸브(320)는 삼방밸브일 수 있고, 삼방밸브는 전기적 신호에 의해 작동되는 전자제어밸브일 수 있다. 또한, 열교환기(280)에 가장 가깝게 배치되는 방향제어밸브(320)는 체크밸브일 수도 있다.

한편, 본 실시 예는 급수 열교환부(300)에서 공급되는 급수의 냉각 능력 부족으로 유기냉매가 충분히 냉각되지 않을 경우 중저온 폐열회수시스템(100)의 효율 저하 또는 장비문제가 발생 될 수 있다.

본 실시 예는 이러한 문제점을 방지하기 위해 콘덴서(140)에 약 36도의 청수가 흐르는 별도의 라인을 마련하고, 별도의 라인을 통해 공급되는 청수와 유기냉매를 열교환시켜 급수의 냉각 능력 부족을 보충하여 시스템의 안정성을 높일 수 있다.

그리고 별도의 라인을 흐르는 청수와, 분기라인(310)을 흐르는 급수와, 유기냉매가 흐르는 라인은 서로 병합되지 않는 독립된 라인으로 마련될 수 있다.

냉각수 순환시스템(400)은 냉각수인 열원을 순환시켜 엔진(E)을 냉각하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)과 메인유로(410)로 연결되어 엔진(E)을 통과한 열원인 냉각수를 냉각시키는 재킷 쿨러(420, jacket cooler)와, 재킷 쿨러(420)와 엔진(E)을 연결하는 메인유로(410)에 마련되어 재킷 쿨러(420)에서 냉각된 열원인 냉각수를 엔진(E)으로 펌핑하는 냉각수 펌프(430)와, 냉각수 순환시스템(400)으로부터 제공되는 열원을 선박의 증기계통에서 전달되는 덤핑 스팀(dumping steam)과 열교환 시켜 중저온 폐열회수시스템(100)으로 전달되는 냉각수의 온도를 상승시키며 열교환 된 덤핑 스팀을 응축시키는 덤핑 콘덴서 유닛(440, dumping condenser unit)과, 덤핑 콘덴서 유닛(440)에서 열교환 되어 온도가 상승 된 냉각수를 엔진(E)의 과급기(TC)에서 공급되는 소기 공기와 열교환시켜 중저온 폐열회수시스템(100)으로 전달되는 냉각수의 온도를 더 상승시키며 열교환 된 소기 공기를 냉각시키는 엔진 소기 냉각유닛(450)을 포함한다.

냉각수 순환시스템(400)의 엔진(E)은, 2행정 디젤엔진과 같은 내열기관을 사용할 수 있고 선박을 구동하는 메인 엔진일 수 있다.

냉각수 순환시스템(400)의 덤핑 콘덴서 유닛(440)은, 선박 내에서 사용되고 남은 스팀을 저온 냉각수로 냉각하여 물로 응축시키는 역할을 한다.

본 실시 예에서 덤핑 콘덴서 유닛(440)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수와 덤핑 스팀을 상호 열교환시켜 냉각수의 온도를 상승시키는 제1 콘덴서 모듈(441)과, 제1 콘덴서 모듈(441)을 통해 열교환된 덤핑 스팀을 냉각하여 응축시키는 제2 콘덴서 모듈(442)과, 제1 콘덴서 모듈(441)의 후방 라인에 마련되어 냉각수를 제1 콘덴서 모듈(441)로 흐르게 하거나 제1 콘덴서 모듈(441)을 통과한 청수를 메인유로(410) 방향으로 흐리지 못하도록 하는 제1 방향제어밸브(443)와, 제1 콘덴서 모듈(441)의 전방 라인에 마련되어 제1 콘덴서 모듈(441)을 통과한 냉각수를 엔진 소기 냉각유닛(450)으로 흐르게 하거나 제2 콘덴서 모듈(442)에서 덤핑 스팀을 냉각하기 위해 공급되는 청수가 제1 콘덴서 모듈(441)이나 엔진 소기 냉각유닛(450) 방향으로 흐르지 못하도록 하는 제2 방향제어밸브(444)를 포함한다.

본 실시 예에서 제1 방향제어밸브(443)와 제2 방향제어밸브(444)는 삼방밸브 일 수 있다.

이하에서 덤핑 콘덴서 유닛(440)의 작동 상태를 중저온 폐열회수시스템(100)의 작동 또는 비 작동으로 분류하여 간략히 설명한다.

중저온 폐열회수시스템(100)이 작동되는 경우 메인유로(410)에서 공급되는 냉각수는 제1 방향제어밸브(443)와, 제1 콘덴서 모듈(441)과, 제2 방향제어밸브(444)와 엔진 소기 냉각유닛(450)을 거쳐 중저온 폐열회수시스템(100)의 증발기(110)로 공급된다.

이때 제1 방향제어밸브(443)는 제1 콘덴서 모듈(441)로만, 제2 방향제어밸브(444)는 엔진 소기 냉각유닛(450)으로만 냉각수를 흐르게 할 수 있다.

중저온 폐열회수시스템(100)이 작동되지 않는 경우 덤핑 콘덴서 유닛(440) 방향으로 냉각수가 흐르지 않으므로 제1 덤핑 콘덴서 모듈로 공급되는 스팀은 냉각수와 열교환되지 않고 바로 제2 콘덴서 모듈(442)로 공급된다. 이 경우 덤핑 스팀의 응축은 제2 콘덴서 모듈(442)로 공급되는 청수에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 제2 방향제어밸브(444)와 제1 방향제어밸브(443)에 의해 제1 콘덴서 모듈(441)로 공급되는 청수에 의해 제1 콘덴서 모듈(441)에서 덤핑 스팀의 1차 응축이 일어날 수도 있다. 즉, 제2 콘덴서 모듈(442)에 연결되며 청수가 흐르는 라인을 제2 방향제어밸브(444)에 연결하고, 제2 콘덴서 모듈(442)에 연결되며 청수가 배출되는 라인을 제1 방향제어밸브(443)에 연결하여 제2 콘덴서 모듈(442)로 유입되는 청수의 일부를 제2 방향제어밸브(444)를 통해 제1 콘덴서 모듈(441)로 공급하고, 제1 콘덴서 모듈(441)에서 배출되는 청수를 제1 방향제어밸브(443)를 통해 제2 콘덴서 모듈(442)과 연결된 라인을 통해 배출할 수 있다.

엔진 소기 냉각유닛(450)은, 덤핑 콘덴서 유닛(440)에서 열교환 되어 온도가 상승 된 냉각수를 엔진(E)의 과급기(TC)에서 공급되는 소기 공기와 열교환시켜 중저온 폐열회수시스템(100)으로 전달되는 냉각수의 온도를 더 상승시키며 열교환 된 소기 공기를 냉각시키는 역할을 한다.

즉 본 실시 예는 엔진 소기 냉각유닛(450)에 의해 중저온 폐열회수시스템(100)의 증발기(110)로 전달되는 열원의 온도를 추가적으로 더 상승시켜 증발기(110)로 전달되는 열원의 온도를 대략 106℃ 정도로 높일 수 있으므로 중저온 폐열회수시스템(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 실시 예에서 엔진 소기 냉각유닛(450)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 덤핑 콘덴서 유닛(440)을 통해 온도가 상승 된 냉각수와 과급기(TC)에서 공급되는 소기 공기를 상호 열교환시켜 냉각수의 온도를 상승시키는 제1 스테이지모듈(451)과, 제1 스테이지모듈(451)을 통과한 소기 공기를 냉각시키는 제2 스테이지모듈(452)과, 제1 스테이지모듈(451)의 후방 라인과 전방 라인에 각각 마련되어 중저온 폐열회수시스템(100)이 작동되지 않는 경우 제1 스테이지모듈(451)로 청수를 공급하여 제1 스테이지모듈(451)의 드라이 런닝(dry runing)을 방지하는 제3 방향제어밸브(453)와 제4 방향제어밸브(454)를 포함한다.

본 실시 예에서 제3 방향제어밸브(453)와 제4 방향제어밸브(454)는 삼방밸브 일 수 있다.

이하에서 엔진 소기 냉각유닛(450)의 작동 상태를 중저온 폐열회수시스템(100)의 작동 또는 비 작동으로 분류하여 간략히 설명한다.

중저온 폐열회수시스템(100)이 작동되는 경우 제1 콘덴서 모듈(441)에서 공급되는 냉각수는 제3 방향제어밸브(453)와, 제1 스테이지모듈(451)과, 제4 방향제어밸브(454)를 거쳐 중저온 폐열회수시스템(100)의 증발기(110)로 공급된다.

이때 제3 방향제어밸브(453)는 제1 스테이지모듈(451)로만, 제4 방향제어밸브(454)는 증발기(110)로만 냉각수를 흐르게 할 수 있다.

중저온 폐열회수시스템(100)이 작동되지 않는 경우 제1 스테이지모듈(451)로 냉각수가 흐르지 않으므로 공급되는 고온의 소기(약 200℃)에 의해 제1 스테이지모듈(451)은 냉각수 없이 작동되는 드라이 런닝이 발생 될 수 있다.

이렇게 되면 엔진 소기 냉각유닛(450)의 제1 스테이지모듈(451)에 정체된 냉각수의 온도는 과급기(TC)를 통해서 공급되는 고온 압축된 소기 공기에 의해 지속적으로 상승되어 비등점을 넘게 되고, 증기가 발생 되어 라인의 압력이 상승할 수 있다.

물론 압력 배출을 위한 안전밸브(미도시)가 설치되어 있어 일정 압력 이상으로는 압력이 상승 되지 않지만 비상시에 작동하도록 설계된 안전밸브가 수시로 작동된다면 바람직하지 않다.

또한 엔진 소기 냉각유닛(450)의 제1 스테이지모듈(451)에서 소기 공기의 냉각이 이루어지지 않으므로 소기 공기를 냉각시키는 제2 스테이지모듈(452)에 부담을 줄 수 있으며, 경우에 따라서는 소기 공기의 냉각이 원하는 만큼 이루어지지 않아 엔진 성능에 영향을 줄 수도 있다.

본 실시 예는 제3 방향제어밸브(453)와 제4 방향제어밸브(454)에 의해 제1 스테이지모듈(451)로 공급되는 청수로 제1 스테이지모듈(451)의 드라이 런닝을 방지할 수 있다. 즉, 제2 스테이지모듈(452)에 연결되며 청수가 흐르는 라인을 제4 방향제어밸브(454)에 연결하고, 제2 스테이지모듈(452)에 연결되며 청수가 배출되는 라인을 제3 방향제어밸브(453)에 연결하여 제2 스테이지모듈(452)로 유입되는 청수의 일부를 제4 방향제어밸브(454)를 통해 제1 스테이지모듈(451)로 공급하고, 제1 스테이지모듈(451)에서 배출되는 청수를 제3 방향제어밸브(453)를 통해 제2 스테이지모듈(452)과 연결된 라인을 통해 배출할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 냉각수 순환시스템(400)은 엔진(E)에서 배출되는 냉각수가 덤핑 콘덴서 유닛(440)으로 공급되지 않고 즉, 중저온 폐열회수시스템(100)을 바이패스 하여 재킷 쿨러(420)로 공급되도록 하는 바이패스라인(460)에 마련되는 컨트롤 밸브(470)와, 재킷 쿨러(420) 후단의 메인라인에 마련되는 온도 센서(480)를 더 포함한다.

본 실시 예는 재킷 쿨러(420) 후단의 메인유로(410)에 온도 센서(480)를 구비하여 이 지점의 온도가 과도하게 상승하는 경우, 즉 중저온 폐열회수시스템(100)에서 엔진 소기 냉각유닛(450)을 통해 온도가 상승된 냉각수의 열을 모두 흡수하지 못하는 경우 컨트롤 밸브(470)를 개방하여 바이패스라인(460)을 통해 냉각수가 흐르게 할 수 있다.

도 2는 도 1의 작동 상태도로서 폐열회수시스템의 급수가 중저온 폐열회수장치의 콘덴서를 거쳐 공급되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 작동 상태도로서 폐열회수시스템의 급수가 중저온 폐열회수장치의 콘덴서를 바이패스하여 공급되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

중저온 폐열회수시스템(100)과 폐열회수시스템(200)이 작동 중인 경우 중저온 폐열회수시스템(100)의 콘덴서(140)로 유입되는 유기냉매는 콘덴서(140)에서 응축이 필요한 데, 본 실시 예는 유기냉매의 응축 열원으로 별도의 청수를 공급할 필요 없이, 도 2에 도시된 바와 같이, 급수 열교환부(300)를 통해 폐열회수시스템(200)에서 콘덴서(140)로 공급되는 급수로 유기냉매를 응축할 수 있다.

즉, 종래에 콘덴서(140)에서 그냥 버려지는 유기냉매의 열을 급수 열교환부(300)를 통해서 공급되는 급수의 가열 열원으로 이용할 수 있으므로 폐열회수를 극대화하여 에너지를 절감할 수 있다.

그리고 급수 열교환부(300)에서 공급되는 급수의 냉각 능력 부족으로 유기냉매가 충분히 냉각되지 않을 경우 중저온 폐열회수시스템(100)의 효율 저하 또는 장비문제가 발생 될 수 있다.

한편, 중저온 폐열회수시스템(100)이 작동되지 않는 경우 콘덴서(140)에서 폐열을 얻을 수 없으므로 열교환기 급수펌프(270)에서 공급되는 급수는, 도 3에 도시된 바와 같이, 콘덴서(140)를 바이패스하여 바로 열교환기(280)로 공급된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.

본 실시 예에 따른 선박의 에너지 절감 장치(1a)는 제1 실시예에 개시된 엔진 소기 냉각유닛(450, 도 1 참조)을 중저온 폐열회수시스템(100)에 연결되는 라인이 아닌, 도 4에 도시된 바와 같이, 급수 열교환부(300)와 열교환기(280) 사이의 라인에 마련한 점에서 제1 실시예와 차이점이 있다.

이 경우 소기 공기는 약 200℃의 고온이므로 열교환기(280)에 앞서 엔진 소기 냉각유닛(450)에서 급수를 가열할 수 있으므로 열교환기(280)의 부하를 줄일 수 있다. 또한, 중저온 폐열회수시스템(100)의 작동 여부에 관계없이 추가적으로 급수를 미리 가열할 수 있는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.

본 실시 예에 따른 선박의 에너지 절감 장치(1b)는, 전술한 중저온 폐열회수시스템(100), 폐열회수시스템(200), 급수 열교환부(300) 외에 배기가스 재순환시스템(500)과 제어유닛(600)을 포함한다.

배기가스 재순환시스템(500)은, 본 실시 예에 따른 선박이 ECA(Emission Control Area)를 운행하는 경우 엔진(E)에서 배출되는 배기가스를 재순환시켜 재순환되는 배기가스가 과급기(TC)에서 공급되는 소기와 함께 엔진(E)으로 공급되도록 하여 NOx의 생성을 저감시키는 역할을 한다.

구체적으로 대부분의 NOx는 엔진(E)의 연소실에서 고온으로 연소가 이루어지는 경우에 생성되며, 일반적으로 산소의 농도가 증가 될수록 연소 온도도 증가 된다. 즉 산소의 농도와 연소 온도는 비례 관계에 있으므로 연소실로 공급되는 산소의 농도를 줄일 수 있으면 결과적으로 NOx의 생성을 줄일 수 있다. 이는 2016년부터 적용되는 IMO Tier III(NOx 배출)에 대한 규제 즉, ECA를 운항하는 경우 요구되는 수준으로 NOx 배출을 저감해야 하는 규제의 대응 측면에서 유익한 이점이 있다.

본 실시 예에서 배기가스 재순환시스템(500)은 엔진(E)에서 연소 되어 산소가 거의 없는 배기가스 중 일부를 과급기(TC)에서 공급되는 소기와 혼합시켜 엔진(E)으로 공급함으로써 연소시 산소의 농도를 떨어뜨려 연소 온도의 하락으로 NOx의 생성을 저감시킨다.

이제 배기가스 재순환시스템(500)에 대해 상세히 설명하면, 배기가스 재순환시스템(500)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(E)에서 배출되는 고온의 배기가스에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버(510)와, 스크러버(510)에서 불순물이 제거된 고온의 배기가스를 냉각시키는 쿨러(520)와, 쿨러(520)에서 냉각된 배기가스가 과급기(TC)에서 공급되어 엔진(E)으로 유입되는 소기와 혼합되어 엔진(E)으로 공급될 수 있도록 냉각된 배기가스를 불어주는 블로워(530, blower)와, 블로워(230)와 엔진(E)을 연결하는 라인에 마련되어 이 라인을 개폐시키는 개폐밸브(540)를 포함한다.

본 실시 예에서 배기가스 재순환시스템(500)은 후술하는 제어유닛(600)에 의해 ECA를 운행하는 경우에만 구동될 수 있고, ECA 이외의 지역에서는 구동되지 않을 수 있다.

본 실시예는 저온의 냉각수로도 냉각할 수 있고, 쿨러(520)에서 버려지는 배기가스의 열과 폐열회수시스템(200)에서 순환되는 급수를 열교환시켜 열교환기(280)로 공급되는 응축수의 온도를 높이기 위해 이단으로 쿨러(520)를 제작할 수 있다.

본 실시 예에서 쿨러(520)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 스크러버(510)에서 배출되는 배기가스와 폐열회수시스템(200)에서 순환되는 응축수를 상호 열교환시켜 배기가스를 1차적으로 냉각시킴과 더불어 배출되는 응축수의 온도를 상승시키는 제1 쿨러(521)와, 제1 쿨러(521)에서 배출되는 배기가스와 응축수와는 청수를 상호 열교환시켜 배기가스를 2차적으로 냉각시키는 제2 쿨러(522)를 포함한다.

본 실시 예는 전술한 이점 이외에 쿨러(520)로 공급되는 냉각수의 유량을 감소시킬 수 있으므로 유량 감소에 따라 소비 전력을 추가적으로 감소할 수 있는 이점이 있다.

제어유닛(600)은, 본 실시 예에 따른 선박이 NOx를 포함하는 배기가스의 배출이 제한되는 ECA(Emission Control Area)를 운항하는 경우 NOx의 발생이 최소화되도록 배기가스를 배기가스 재순환시스템(500)으로 공급시키고, 선박이 ECA 이외의 지역을 운항하는 경우 배기가스를 폐열회수시스템(200)으로 공급시켜 선박에 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 하는 역할을 한다.

즉 제어유닛(600)은 배기가스의 배출라인에 마련되어 엔진(E)에서 배출되는 배기가스가 폐열회수시스템(200) 또는 배기가스 재순환시스템(500) 중 어느 하나로 공급되도록 제어하여 ECA와 같은 지역에서 선택적으로 선박을 운행할 수 있도록 하는 역할을 한다.

본 실시 예에서 제어유닛(600)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 엔진(E)과 폐열회수시스템(200)의 가스 터빈(210)을 연결하는 배기가스 배출라인에 마련되어 배기가스 배출라인을 개폐시키는 제1 밸브(610)와, 엔진(E)과 배기가스 재순환시스템(500)의 스크러버(510)를 연결하는 배기가스 배출라인에 마련되어 배기가스 배출라인을 개폐시키는 제2 밸브(620)를 포함한다.

본 실시 예에서 제1 밸브(610) 및 제2 밸브(620)는 전기적 신호에 의해 제어되는 비례제어밸브일 수 있다.

한편 엔진(E)에서 배출되어 폐열회수시스템(200)과 배기가스 재순환시스템(500)으로 공급되지 않은 배기가스는, 도 5에 도시된 바와 같이, 과급기(TC)를 통해 열교환기(280)로 공급되어 증기를 생성하기 위한 용도로 사용될 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 폐열회수시스템의 스팀 터빈의 구동을 위해 열교환기로 공급되는 급수를 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 유기냉매와 열교환 할 수 있도록 하여 폐열회수를 극대화하여 에너지를 절감할 수 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.

1,1a,1b : 선박의 에너지 절감 장치 100 : 중저온 폐열회수시스템
110 ; 증발기 120 : 터빈
130 : 발전기 140 : 콘덴서
150 : 펌프 160 : 관로
200 : 폐열회수시스템 210 : 가스 터빈
220 : 스팀 터빈 230 : 응축기
240 : 급수 펌프 250 : 제어밸브
260 : 급수탱크 270 : 열교환기 급수펌프
280 : 열교환기 290 : 스팀 분리기
300 : 급수 열교환부 310 : 분기라인
320 : 방향제어밸브 400 : 냉각수 순환시스템
410 : 메인유로 420 : 재킷 쿨러
430 : 냉각수 펌프 440 : 덤핑 콘덴서 유닛
450 : 엔진 소기 냉각유닛 460 : 바이패스라인
470 : 컨트롤 밸브 480 : 온도 센서
500 : 배기가스 재순환시스템 510 : 스크러버
520 : 쿨러 530 : 블로워
540 : 개폐밸브 600 : 제어유닛
610 : 제1 밸브 620 : 제2 밸브
E : 엔진 TC : 과급기

Claims

물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템;
선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템; 및
상기 폐열회수시스템의 스팀 터빈 구동을 위해 열교환기로 공급되는 급수를 상기 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 상기 유기냉매와 열교환시키는 급수 열교환부를 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 급수 열교환부는,
상기 열교환기의 선단 라인에서 분기되어 상기 콘덴서를 통과한 후 상기 선단 라인으로 복귀되는 분기라인; 및
상기 분기 라인과 상기 선단 라인의 교차 영역에 마련되어 상기 급수를 상기 콘덴서 또는 상기 콘덴서를 바이패스하여 상기 열교환기로 공급시키는 방향제어밸브를 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 급수 열교환부와 별도로 상기 콘덴서로 청수(fresh water)를 공급하여 상기 유기냉매의 부족한 냉각용량을 보충하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 엔진의 냉각을 위한 냉각수가 흐르는 메인유로를 구비하며 상기 중저온 폐열회수시스템의 증발기로 상기 냉각수의 폐열을 공급하는 냉각수 순환시스템을 더 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 급수 열교환부와 상기 열교환기 사이의 라인에 마련되어 상기 열교환기로 유입되는 상기 급수를 가열시키는 엔진 소기 냉각유닛을 더 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 배기가스의 일부를 재순환시켜 상기 엔진으로 공급시키되 상기 열교환기의 선단 라인에서 상기 배기가스와 상기 급수를 열교환시키는 배기가스 재순환시스템을 더 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 배기가스의 배출라인에 마련되어 상기 배기가스를 상기 폐열회수시스템 또는 상기 배기가스 재순환시스템 중 어느 하나로 공급시키는 제어유닛을 더 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 폐열회수시스템은,
상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스에 의해 직접 구동되어 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 가스 터빈;
상기 가스 터빈과 연동되며 제공되는 스팀에 의해 상기 발전기를 회전시키는 구동력을 제공하는 스팀 터빈;
상기 스팀 터빈에서 배출되는 스팀을 응축시키는 응축기;
상기 응축기에서 응축된 급수에서 용존 산소를 진공으로 제거하는 진공탈기부;
상기 진공탈기부에서 탈기된 급수를 펌핑시키는 열교환기 급수펌프; 및
상기 콘덴서에서 열교환 된 상기 급수와 상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스를 열교환시켜 상기 스팀 터빈의 구동을 위한 증기를 생성시키는 열교환기를 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 배기가스 재순환시스템은,
상기 엔진에서 배출되는 상기 배기가스에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버;
상기 스크러버에 공급되는 상기 배기가스를 냉각시키는 쿨러; 및
상기 쿨러에서 냉각된 상기 배기가스가 과급기에서 공급되어 상기 엔진으로 유입되는 소기와 혼합되어 상기 엔진으로 공급되도록 냉각된 상기 배기가스를 불어주는 블로워(blower)를 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 쿨러는,
상기 스크러버에서 배출되는 상기 배기가스와 상기 폐열회수시스템에서 순환되는 급수를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 1차적으로 냉각시키는 제1 쿨러; 및
상기 제1 쿨러에서 배출되는 상기 배기가스와, 상기 급수와는 별도의 액체를 상호 열교환시켜 상기 배기가스를 2차적으로 냉각시키는 제2 쿨러를 포함하는 선박의 에너지 절감 장치.
물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 중저온 폐열회수시스템의 콘덴서에서 버려지는 폐열을, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 전력을 생산하는 폐열회수시스템의 열교환기로 공급되는 급수를 가열시키는 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 절감 장치.