KR20150101824A

KR20150101824A - 열전발전 장치

Info

Publication number: KR20150101824A
Application number: KR1020140023594A
Authority: KR
Inventors: 김용규; 김재관; 이동길; 이호기
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-04

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치는 저장탱크에 저장된 액화연료의 증발가스를 압축하는 압축기, 상기 압축기를 지난 유체와 상기 저장탱크로부터 공급된 액화연료 사이의 온도차를 통하여 발전하는 열전발전부 및 상기 열전발전부를 통과한 상기 유체 및 상기 액화연료를 기화시켜 엔진에 공급하는 기화기를 포함한다.

Description

열전발전 장치{APPARATUS FOR THERMOELECTRIC GENERATION}

본 발명은 열전발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액화연료는 천연가스 생산지에서 극저온으로 액화시킨 후 목적지까지 수송된다. 예를 들어, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)는 천연가스를 -162℃로 냉각시킨 후 부피를 천연가스의 600분의 1로 줄여서 수송하게 된다.

액화천연가스 및 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas)와 같은 액화연료는 수송되는 도중에 저장탱크 내에서 지속적으로 기화되어 자연 증발가스(BOG: Boil Off Gas)가 발생된다. 이와 같은 증발가스는 저장탱크의 외부로 배출되어 선박 연료로 사용되거나 또는 재액화되어 저장탱크로 수송된다.

증발가스의 재액화 방법은 일반적으로 저장탱크에서 배출된 증발가스를 복수의 압축기에서 압축시키고, 극저온의 냉매를 이용하여 액화시킨 후 가스와 액체를 분리하여 액체만 저장탱크로 보내게 된다.

선행문헌은 냉열회수용 열교환기를 갖는 연료 공급 시스템에 관한 것으로 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축, 재액화 및 응축 과정을 거쳐 액화가스 및 기화가스를 생성하고, 기액분리기를 사용하여 액화가스 및 기화가스를 분리하여 액화가스는 저장탱크로 복귀시키고, 기화가스는 선박의 연료로 사용할 수 있다.

또한, 선행문헌은 기화기에 공급되기 전의 액화가스와 증발가스를 연교환기에서 열교환을 시킴으로써 재액화 장치에 공급되는 증발가스의 온도를 낮추어 재액화 장치의 재액화 에너지를 절감할 수 있다.

한국등록특허 10-1298626 (등록일: 2013.08.14)

본 발명은 증발가스를 압축시킨 후 기화기에 공급하여 선박의 연료로 사용하는 열전발전 장치를 제안하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 증발가스를 압축하는 과정에 소모하는 전력 및 액화연료를 승압시켜 이송하는 과정에 소모하는 전력을 절감할 수 있는 열전발전 장치를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 저장탱크에 저장된 액화연료의 증발가스를 압축하는 압축기, 상기 압축기를 지난 유체와 상기 저장탱크로부터 공급된 액화연료 사이의 온도차를 통하여 발전하는 열전발전부 및 상기 열전발전부를 통과한 상기 유체 및 상기 액화연료를 기화시켜 엔진에 공급하는 기화기를 포함하는 열전발전 장치가 제공된다.

본 발명의 일 측면에 따른 열전발전 장치는, 상기 압축기와 연결되어 상기 유체의 온도를 낮추는 냉각기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 증발가스는 복수의 상기 압축기 및 복수의 상기 냉각기를 통과하여 상기 기화기로 유입될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 열전발전 장치는, 상기 유체가 상기 기화기로 이동하는 통로를 제공하고, 상기 열전발전부의 일면과 접촉하는 제1배관 및 상기 액화연료가 상기 기화기로 이동하는 통로를 제공하고, 상기 열전발전부의 타면과 접촉하는 제2배관을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 열전발전 장치는, 상기 제2배관에 설치되어 상기 액화연료를 승압시켜 이송하는 제1펌프, 상기 제1펌프와 상기 기화기 사이에 설치되어 상기 제1펌프로부터 유출된 상기 액화연료를 승압시키는 제2펌프 및 상기 열전발전부가 생성한 전기를 변환시켜 상기 압축기, 상기 제1펌프 및 상기 제2펌프에 공급하는 변환부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1배관 및 상기 제1배관 중 하나는 다른 하나의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 열전발전부는 상기 제1배관과 상기 액화연료가 접촉하지 않도록 상기 제1배관 및 상기 액화연료 사이에 격벽으로 사용될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 기화기는 상기 유체 및 상기 액화연료가 유입되는 인입부와 기화연료가 인출되는 인출부를 연결시키는 이동관을 포함하고, 상기 이동관과 열교환하는 해수가 흐르는 공간을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 열전발전부를 통과한 상기 유체 및 상기 액화연료가 합쳐지도록 상기 제1배관 및 상기 제2배관이 연결될 수 있다.

본 발명의 열전발전 장치는 압축기를 통과한 증발가스를 기화기로 공급하여 엔진의 연료로 사용하므로, 증발가스에 대한 응축과정 및 재액화 과정이 생략되어 구조가 간단할 수 있다.

본 발명의 열전발전 장치는 압축된 증발가스와 액화연료 사이의 온도차를 통하여 생성된 전력을 증발가스 압축기, 제1펌프 및 제2펌프에 공급하므로 압축기, 제1펌프 및 제2펌프에서 사용되는 전력을 절감할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 발명의 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 기화기 단면도를 나타낸다.
도 3은 열전소자의 일예를 나타낸다.
도 4 내지 도 6은 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부를 나타낸다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 실시예에 따른 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 실시예에 따른 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열전발전 장치는 압축기(100), 열전발전부(200) 및 기화기(300)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(100)는 저장탱크(400)에 저장된 액화연료의 증발가스를 압축하고, 압축에 의하여 형성된 유체를 공급할 수 있다.

저장탱크(400)에 저장된 증발가스는 온도가 매우 낮아 저장탱크(400)로부터 유출되어 압축기(100)로 이동하는 속도가 느릴 수 있다.

따라서, 저장탱크(400)와 압축기(100) 사이에 발열부(505)를 배치하여 증발가스를 가열시킬 수 있다. 예를 들어, 히터 또는 하드와이어(hardwire)를 포함할 수 있으며, 이와 같은 발열부(505)는 일례일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치는 냉각기(500)를 더 포함할 수 있으며, 냉각기(500)는 압축기(100)와 연결되어 유체의 온도를 낮출 수 있다.

증발가스는 복수의 압축기(100) 및 복수의 냉각기(500)를 통과하여 기화기(300)로 유입될 수 있다.

복수의 압축기(100)를 사용하는 것에 비하여, 단일 압축기(100)를 사용하면 압축기(100)의 압축비가 커지고, 압축 후 온도가 높아지므로 압축효율이 낮을 수 있다. 또한 압축에 따른 유체의 온도가 과도하게 증가하여 압축기(100)가 과열될 수 있으며 이로 인해 압축기(100)에서 소모하는 전력이 증가할 수 있다.

따라서, 복수의 압축기(100)를 사용하여 압축효율을 증가시키고, 또한 복수의 냉각기(500)를 사용하여 유체의 온도를 낮추어 압축기(100)에서 사용하는 전력을 감소시킬 수 있다.

이때, 복수의 냉각기(500)를 통과한 유체의 온도는 액화연료의 온도보다 높을 수 있다.

유체는 냉각기(500)와 기화기(300)를 연결시키는 제1배관(520)을 통하여 이동될 수 있고, 액화연료는 저장탱크(400)와 기화기(300)를 연결시키는 제2배관(530)을 통하여 이동될 수 있다.

즉, 제1배관(520)은 유체가 기화기(300)로 이동하는 통로를 제공하고, 열전발전부(200)의 일면과 접촉할 수 있다. 그리고, 제2배관(530)은 액화연료가 기화기(300)로 이동하는 통로를 제공하고, 열전발전부(200)의 타면과 접촉할 수 있다.

따라서, 열전발전부(200)는 압축기(100)를 지난 유체와 저장탱크(400)로부터 공급된 액화연료 사이의 온도차를 통하여 발전할 수 있다. 즉, 압축에 의하여 유체의 온도는 액화연료보다 높아지므로 열전발전부(200)는 유체와 액화연로의 온도차를 통하여 발전할 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 액화연료가 저장탱크(400)로부터 기화기(300)로 이동하는 과정에 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)를 통과하게 된다.

제1펌프(540)는 제2배관(530)에 설치되어 액화연료를 승압시켜 이송할 수 있고, 제2펌프(545)는 제1펌프(540)와 기화기(300) 사이에 설치되어 제1펌프(540)로부터 유출된 액화연료를 승압시킬 수 있다.

즉, 액화연료는 제1펌프(540)에 의하여 저장탱크(400)로부터 유출되어 제2배관(530)을 흐르게 되고, 제2펌프(545)에서 승압되어 기화기(300)로 유입될 수 있다.

선박의 ME-GI 엔진의 경우 150에서 400 bar(절대압력) 정도의 고압의 가스 공급이 요구된다.

따라서, 액화연료가 ME-GI 엔진에 공급될 경우, 예를 들어, 제1펌프(540)는 부스터펌프일 수 있고, 제2펌프(545)는 고압펌프 일 수 있다.

즉, 제1펌프(540)를 통하여 저장탱크(400)에 저장된 액화연료의 압력이 제2펌프(545)의 유입압력으로 승압되어 이송되고, 압력이 상승된 액화연료는 제2펌프(545)를 통하여 ME-GI 엔진의 공급에 요구되는 압력으로 승압될 수 있다.

이와 같은, 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)는 일례일 뿐 이에 한정되지 않으며 엔진에 따라 다양한 펌프가 사용될 수 있다.

한편, 유체와 액화연료는 열전발전부(200)를 통과한 후 합쳐질 수 있다. 열전발전부(200)를 통과한 유체 및 액화연료가 합쳐지도록 제1배관(520) 및 제2배관(530)이 연결될 수 있다.

따라서, 유체의 온도에 의해 액화연료의 온도가 올라갈 수 있으므로 저온의 액화연료를 기화시키는 것에 비하여 기화기(300)의 기화 효율이 상승될 수 있다.

기화기(300)는 열전발전부(200)를 통과한 유체 및 액화연료를 기화시켜 엔진에 공급할 수 있다.

이와 같은 기화기(300)는 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치는 변환부(550)를 더 포함할 수 있다.

변환부(550)는 열전발전부(200)가 생성한 전기를 변환시켜 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)에 공급할 수 있다.

예를 들어, 열전발전부(200)에서 생성된 전기의 전압이 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)의 정격 전압에 맞추기 위한 변압기 등을 포함할 수 있거나, 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)에 공급되는 전기의 주파수를 변환시킬 수 있다. 이와 같은 전기의 변환은 이에 하정되지 않으며 다양한 변환 방법이 있을 수 있다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치는 증발가스를 기화시켜 엔진의 연료로 사용하므로 증발가스를 재액화시키는 과정이 필요하지 않아 구조가 간단할 수 있다.

또한, 열전발전부(200)에서 생성된 전기를 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)에 공급하여 전력을 절감할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 기화기를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기화기(300)는 유체 및 액화연료가 유입되는 인입부(600)와 기화연료가 인출되는 인출부(610)를 연결시키는 이동관(620)을 포함하고, 이동관(620)과 열교환하는 해수가 흐르는 공간을 제공할 수 있다.

도 1에 설명한 바와 같이, 유체와 액화연료가 합쳐지면, 유체의 온도에 의해 액화연료의 온도가 상승하게 된다.

유체 및 액화연료는 이동관(620)을 통과하는 과정에 기화기(300) 내부에 흐르는 해수에 의해 가열되어 기화연료로 변할 수 있다.

도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 액화연료의 온도가 상승되므로, 기화기(300)의 기화효율이 상승할 수 있다.

도 3은 열전소자의 일예를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열전소자(510)는 N형 소자와 P형 소자로 이루어진 반도체로서, 온도차가 있는 제1 매체와 제2 매체의 열이 열전소자(510)의 일면 및 타면과 접촉할 때 열전소자(510)는 제백효과(Seebeck effect)를 통하여 발전할 수 있다.

제백효과는 두 금속 또는 반도체 사이에 온도차가 발생하면 두 금속 또는 반도체를 연결하는 폐회로에 전류가 흐르게 되는 열전현상이다.

따라서, 열전발전부(200)는 직렬 연결되거나 병렬 연결된 열전소자(510)들로 이루어지고, 열전발전부(200)의 일면과 타면의 온도차를 통하여 발전할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 유체와 액화연료 사이의 온도차를 통하여 발전할 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 열전발전부(200)는 유체가 흐르는 제1배관(520) 및 액화연료가 흐르는 제2배관(530) 사이에 배치될 수 있다.

이때, 열전발전부(200)의 일면은 제1배관(520)과 접촉하고, 열전발전부(200)의 타면은 제2배관(530)과 접촉하며, 열전발전부(200)는 유체와 액화연료 사이의 온도차를 통하여 발전할 수 있다.

또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 열전발전부(200)는 제1배관(520) 및 제2배관(530) 사이에 위치하고, 제1배관(520) 및 제2배관(530) 중 하나는 다른 하나의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다.

예를 들어, 열전발전부(200)의 일면이 제2배관(530)과 접촉하면, 열전발전부(200)의 타면은 유체가 흐르는 제1배관(520)과 접촉할 수 있다. 또는 이와 반대로, 열전발전부(200)의 일면이 제1배관(520)과 접촉하면, 열전발전부(200)의 타면은 액화연료가 흐르는 제2배관(520)과 접촉할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 열전발전부(200)는 제1배관(520)과 액화연료가 접촉하지 않도록 제1배관(520) 및 액화연료 사이에 격벽으로 사용될 수도 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 열전발전부(200)가 제1배관(520)을 둘러싸므로 제1배관(520)과 액화연료가 직접 접촉할 수 없다.

이와 다르게, 제1배관(520)과 액화연료가 직접 접촉하게 되면, 제1배관(520)과 액화연료 사이 열교환이 이루어져 제1배관(520)을 흐르는 유체와 액화연료 사이의 온도차가 작아 질 수 있다.

따라서, 열전발전부(200)에서 생성되는 전기량이 감소할 수 있으므로 제1배관(520)과 액화연료는 분리되어야 한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 열전발전부(200)에서 생성된 전기는 앞서 도 1에 설명한 변환부(550)를 통하여 변환될 수 있다.

변환부(550)에서 변환시킨 전기는 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)에 공급되어 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)에서 소모하는 전력을 절감할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치는 액화연로 저장탱크(400)에서 발생하는 증발가스를 압축 및 냉각 시킨 후 기화기(300)로 유입시켜 엔진의 연료로 사용할 수 있어, 증발가스를 액화연료로 변환시키는 과정이 생략되므로 구조가 간단할 수 있다.

또한, 유체와 액화연료의 온도차를 통하여 전기를 생성하고, 생성된 전기를 압축기(100), 제1펌프(540) 및 제2펌프(545)에 공급함으로써 전력을 절감할 수 있다.

본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 압축기 200: 열전발전부
300: 기화기 400: 저장탱크
500: 냉각기 505: 발열부
510: 열전소자 520: 제1배관
530: 제2배관 540: 제1펌프
545: 제2펌프 550: 변환부
600: 인입부 610: 인출부
620: 이동관

Claims

저장탱크에 저장된 액화연료의 증발가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기를 지난 유체와 상기 저장탱크로부터 공급된 액화연료 사이의 온도차를 통하여 발전하는 열전발전부; 및
상기 열전발전부를 통과한 상기 유체 및 상기 액화연료를 기화시켜 엔진에 공급하는 기화기;를 포함하는 열전발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 압축기와 연결되어 상기 유체의 온도를 낮춰주는 냉각기를 더 포함하는 열전발전 장치.
제2항에 있어서,
상기 증발가스는 복수의 상기 압축기 및 복수의 상기 냉각기를 통과하여 상기 기화기로 유입되는 열전발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 유체가 상기 기화기로 이동하는 통로를 제공하고, 상기 열전발전부의 일면과 접촉하는 제1배관; 및
상기 액화연료가 상기 기화기로 이동하는 통로를 제공하고, 상기 열전발전부의 타면과 접촉하는 제2배관;을 더 포함하는 열전발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 제2배관에 설치되어 상기 액화연료를 승압시켜 이송하는 제1펌프;
상기 제1펌프와 상기 기화기 사이에 설치되어 상기 제1펌프로부터 유출된 상기 액화연료를 승압시키는 제2펌프; 및
상기 열전발전부가 생성한 전기를 변환시켜 상기 압축기, 상기 제1펌프 및 상기 제2펌프에 공급하는 변환부;를 더 포함하는 열전발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1배관 및 상기 제2배관 중 하나는 다른 하나의 적어도 일부를 둘러싸는 열전발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 열전발전부는 상기 제1배관과 상기 액화연료가 접촉하지 않도록 상기 제1배관 및 상기 액화연료 사이에 격벽으로 사용되는 열전발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 기화기는 상기 유체 및 상기 액화연료가 유입되는 인입부와 기화연료가 인출되는 인출부를 연결시키는 이동관을 포함하고, 상기 이동관과 열교환하는 해수가 흐르는 공간을 제공하는 열전발전 장치.
제4항에 있어서,
상기 열전발전부를 통과한 상기 유체 및 상기 액화연료가 합쳐지도록 상기 제1배관 및 상기 제2배관이 연결되는 열전발전 장치.