KR20160128938A - 선박 추진의 배기가스 폐열을 이용하기 위한 장치 - Google Patents

선박 추진의 배기가스 폐열을 이용하기 위한 장치 Download PDF

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헤르만 크니쉬
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Abstract

본 발명에 따라 선박 추진 샤프트 및 제너레이터에 회전 연결된 디젤 엔진을 포함하고, 상기 제너레이터는 사이에 직류 전압-중간 회로를 갖는 모터-컨버터 및 온보드 네트워크-컨버터에 의해 온보드 네트워크에 연결되어 온보드 네트워크 내로 에너지를 공급하거나 보조 모터로서 온보드 네트워크로부터 제공하여 디젤 엔진을 지원하고, 또한 디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈 및/또는 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈을 포함하며, 상기 터빈들은 터보 제너레이터를 구동하는, 선박 추진을 위한 장치는 터보 제너레이터의 에너지 출력이 모터- 및 온보드 네트워크-컨버터의 전압-중간 회로 내로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박 추진의 배기가스 폐열을 이용하기 위한 장치{DEVICE FOR USING A EXHAUST GAS HEAT OF A SHIP PROPULSION}
본 발명은 선박 추진 샤프트와 제너레이터에 회전 연결된 디젤 엔진을 포함하는 선박 추진을 위한 장치에 관한 것이다. 이 경우 제너레이터는 사이에 직류 전압-중간 회로를 갖는 모터-컨버터 및 온보드 네트워크-컨버터에 의해 온보드 네트워크에 연결되고, 온보드 네트워크 내로 에너지를 공급하거나, 보조 모터로서 온보드 네트워크로부터 제공하여 디젤 엔진을 지원한다. 이러한 장치는 또한 디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈 및/또는 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈을 포함하고, 상기 터빈들은 터보 제너레이터를 구동한다.
선박 추진 장치를 위한 최근의 디젤 엔진들은 대략 50%의 효율을 갖는다. 일차 에너지의 대략 25%는 배기가스 폐열로 소실된다. 상기 에너지의 회수는 이미 수십 년 전부터 성공적으로 실현되고 있다. 따라서 선박 작동 시 상기 에너지는 온보드 네트워크의 전력 공급을 위해 이용될 수 있거나, 소위 부스터-모터에 의해서도 샤프트를 추가로 구동할 수 있다.
작동에 기인한 터빈의 에너지 변동은 그러나 온보드 네트워크에서는 바람직하지 않다. 따라서 일반적으로 추가 조절 밸브들이 사용되고, 이로써 터빈 제너레이터를 너무 신속한 부하 변동으로 작동하지 않을 수 있다. 그러나 이 경우 효율 손실이 단점이고, 이러한 효율 손실은 조절 밸브에 압력 손실을 발생시킨다. 터빈이 조절되지 않고 작동되면, 공급되는 에너지가 변동하고, 이는 온보드 네트워크의 바람직하지 않은 주파수 변동을 야기한다.
본 발명의 과제는 사이에 직류 전압-중간 회로를 갖는 모터-컨버터 및 온보드 네트워크-컨버터에 의해 온보드 네트워크에 연결되어 온보드 네트워크 내로 에너지를 공급하거나 보조 모터로서 온보드 네트워크로부터 제공하여 디젤 엔진을 지원하는 제너레이터에 회전 연결된 디젤 엔진을 포함하고 터보 제너레이터를 구동하는, 디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈 및/또는 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈을 포함하며, 개선된 효율을 갖는, 선박 추진을 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징을 포함하는 장치에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 제시된다.
선박 추진을 위한 본 발명에 따른 장치는 디젤 엔진(소위 선박의 메인 엔진)을 포함하고, 상기 디젤 엔진은 선박 추진 샤프트와 제너레이터에 회전 연결된다. 제너레이터는 - 사이에 직류 전압-중간 회로를 갖는 - 모터-컨버터에 의해 및 온보드 네트워크-컨버터에 의해 - 온보드 네트워크에 연결되어 온보드 네트워크 내로 에너지를 공급하거나, 보조 모터로서 온보드 네트워크로부터 제공하여 디젤 엔진을 지원한다. 상기 장치는 또한 디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈 및/또는 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈을 포함하고, 상기 터빈들은 터보 제너레이터를 구동한다.
본 발명에 따라 터보 제너레이터의 에너지 출력은 모터- 및 온보드 네트워크-컨버터의 전압 중간 회로 내로 공급된다.
바람직하게 터보 제너레이터의 에너지 출력과 회전 속도 조절은 여자 장치에 의해 제어된다. 대안은 예를 들어 모터 컨버터에 의해 사전 설정된 중간 회로의 전압에 의한 조절이다.
디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈 및 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈이 함께 터보 제너레이터를 구동하면, 상기 터빈들은 기어단에 의해 "공통의 샤프트 트레인" 위로 작동할 수 있다. 상기 터빈들은 기어단에 의해 공통의 터보 제너레이터-구동 샤프트에 회전 연결될 수 있다.
바람직하게는 부분 부하 범위에서 터보 제너레이터의 회전 속도는, 터빈들 중 적어도 하나의 터빈이 회전 속도-출력-특성 곡선에 따라 최대 에너지 생성의 작동점에서 작동하도록 여자 장치에 의해 조절된다. 일반적으로 회전 속도에 따른 출력의 해당 다이어그램에 특성필드로서 제시된 터빈을 위한 회전 속도-출력-특성 곡선에서 상기 터빈의 출력은 상기 터빈의 회전 속도에 의존한다.
배기가스 터빈과 증기 터빈 사이의 전술한 기어단들 중 하나의 기어단은, 2개의 터빈이 그것의 회전 속도-출력-특성에 따라 최대 에너지 생성의 작동점에서 작동하도록 조절되거나 조절 가능하다.
바람직하게는 모터 컨버터는, 직류 전압-중간 회로의 전압이 일정하도록 조절된다. 디젤 엔진의 부스팅을 위한 (보조 모터로서 제너레이터를 이용한 지원) 또는 온보드 네트워크 에너지의 공급을 위한 에너지는 상응하게 조절된다.
특히 바람직하게 네트워크 컨버터는 온보드 네트워크에서 무효 부하 정역학 및 유효 부하 정역학으로 작동된다. 즉, 네트워크 컨버터는 거기에 접속되어 다른 디젤 제너레이터와 동시 작동할 수 있다. 전체 시스템의 전력 관리는 네트워크 컨버터의 에너지 흐름을 조절할 수 있으므로, 필요에 따라 그리고 경제적인 최적화 기준에 따라 터보 제너레이터에 추가하여 중간 회로 내로 에너지가 공급되거나 터보 제너레이터 및/또는 모터 컨버터의 에너지를 온보드 네트워크에 공급한다.
본 발명은 실질적으로, 에너지 이용이 최적으로 달성되도록 배기가스- 및 증기 터빈을 작동하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 추가 조절 밸브들은 생략될 수 있다. 왜냐하면 스로틀 밸브들의 사용은 항상 효율 손실을 수반하기 때문이다. 온보드 네트워크에 대해서 복잡한 조정 과정들도 또한 방지될 수 있는데, 그 이유는 에너지는 주어진 샤프트 제너레이터/부스터 모터의 전압-중간 회로 내로 공급되기 때문이다. 또한 터보 제너레이터는 이제 회전 속도 가변적으로 작동될 수 있다. 터보 제너레이터는 고정적 네트워크 주파수를 갖는 온보드 네트워크에 의존하지 않고, 에너지 흐름은 터보 제너레이터의 계자 전류에 의해 조절될 수 있다. 이는 터빈의 회전 속도-출력-특성 곡선을 최적의 출력의 작동점에서 진행시키기 위한 자유도를 제공하고, 이 경우 다른 주파수 컨버터는 필요하지 않다.
구성 요소들, 터보 제너레이터, 모터 컨버터, 네트워크 컨버터의 조절 회로들은 독립적으로 작동할 수 있고, 조절 기술적으로 서로 매칭되지 않아도 된다.
안정화 요소는 모터 컨버터이다. 상기 모터 컨버터는 중간 회로의 직류 전압을 실질적으로 일정하게 유지한다. 상기 모터 컨버터에 의해, 보조- 또는 부스터 모터 내로 100%가 공급될 수 있도록, 또는 100% 에너지가 인출되어 온보드 네트워크 내로 공급될 수 있도록 에너지 흐름이 조절될 수 있다.
예를 들어 배기가스 제너레이터의 에너지 변동은 온보드 네트워크에 의해 안정화되지 않아도 되고, 부스터 모터에 의해 보상될 수 있다. 프로펠러 샤프트에 대한 반작용은 미미한데, 그 이유는 메인 엔진은 바람직하게 배기가스 터빈보다 수배 강력하기 때문이다.
터보 제너레이터의 여자 장치는, 대응 전압이 일정할 때 허용된 회전 속도 범위에서 출력이 자유롭게 조절되도록 설정될 수 있는데, 그 이유는 모터 컨버터가 일반적으로 항상, 터보 제너레이터의 출력을 부스터 모터 내로 공급할 수 있기 때문이다.
네트워크 컨버터는 바람직하게 샤프트 제너레이터처럼 작동하고, 상기 샤프트 제너레이터는 프로펠러 샤프트의 변동이 작은 주파수를 일정한 네트워크 주파수로 변환한다. 상기 네트워크 컨버터는 무효- 및 유효 부하를 온보드 네트워크 내로 공급한다. 이로써 넓은 작동 범위에서 터보 제너레이터와 샤프트 제너레이터로부터 온보드 네트워크 에너지가 공급될 수 있다. 또한 상기 작동 컨셉은 보조 모터에 전력 공급을 가능하게 한다(부스터 작동).
본 발명의 다른 장점, 실시예 및 세부사항들은 계속해서 첨부된 도면과 관련해서 실시예들의 설명에 기술된다.
도 1은 선행기술에 따른 선박 추진을 위한 장치를 도시한 개략도.
도 2는 선박 추진을 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한 개략도.
도 1 및 도 2의 선박 추진을 위한 최근의 디젤 엔진은 대략 50%의 효율을 갖는다.
일차 에너지의 대략 25%는 배기가스 폐열로 소실된다. 상기 에너지의 회수는 예를 들어 도 1에 따른 바와 같이 이미 수십 년 전부터 성공적으로 실현되고 있다. 따라서 선박 작동 시 상기 에너지는 온보드 네트워크(4')의 전력 공급을 위해 이용될 수 있거나, 보조 모터(6'), 즉 소위 부스터 모터에 의해서도 샤프트를 추가로 구동할 수 있다.
선박 추진을 위한 종래의 장치는 디젤 엔진(2'; 소위 선박의 메인 엔진)을 포함하고, 상기 디젤 엔진은 선박 추진 샤프트(8')와 제너레이터(10')에 회전 연결된다. 제너레이터는 - 사이에 직류 전압-중간 회로(16')를 갖는 - 모터-컨버터(12') 및 온보드 네트워크-컨버터(14')에 의해 온보드 네트워크에 연결되고, 온보드 네트워크(4') 내로 에너지를 공급하거나, (언급한 보조 모터(6')로서) 온보드 네트워크(4')로부터 제공하여 디젤 엔진(2')을 지원한다. 또한 추가의 디젤 제너레이터(18')는, 예를 들어 메인 엔진(2')이 작동하지 않는 경우, 온보드 네트워크(4')에 전력을 공급할 수 있다.
상기 장치는 또한 디젤 엔진(2')의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈(20') 과 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈(22')을 포함하고, 상기 터빈들은 터보 제너레이터(24')를 구동한다. 이 경우 도 1에 따른 선행기술에서 작동에 기인한 터빈(20', 22')의 에너지 변동은 그러나 온보드 네트워크(4)에서는 바람직하지 않다. 따라서 일반적으로 추가 조절 밸브들(26';예를 들어 증기 터빈(22')에 도시됨)이 사용되고, 이로써 터빈 제너레이터(24')를 너무 신속한 부하 변동으로 작동하지 않을 수 있다. 그러나 이 경우 예를 들어 효율 손실이 단점이고, 이러한 효율 손실은 조절 밸브(26')에서 압력 손실을 발생시킨다. 터빈(20', 22')이 조절되지 않고 작동되면, 공급되는 에너지가 변동하고, 이는 온보드 네트워크의 바람직하지 않은 주파수 변동을 야기한다.
선박 추진을 위한 도 2에 따른 본 발명에 따른 장치는 또한 디젤 엔진(2; 선박의 소위 메인 엔진)을 포함하고, 상기 디젤 엔진은 선박 추진 샤프트(8)와 제너레이터(10)에 회전 연결된다. 이 경우에도 제너레이터(10)는 - 사이에 직류 전압-중간 회로(16)를 갖는 - 모터-컨버터(12) 및 온보드 네트워크-컨버터(14)에 의해 온보드 네트워크에 연결되고, 온보드 네트워크(4) 내로 에너지를 공급하거나, 보조 모터(6)로서 온보드 네트워크(4)로부터 제공하여 디젤 엔진(2)을 지원한다. 상기 장치도 또한 디젤 엔진(2)의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈(20)과 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈(22)을 포함하고, 상기 터빈들은 터보 제너레이터(24)를 구동한다.
그와 달리 도 2에 따른 본 발명에 따라 예를 들어 다이오드 정류기(28)를 통해 모터-컨버터(12) 및 온보드 네트워크-컨버터(14)의 (커패시터(30)를 포함하는) 전압-중간 회로(16) 내로 터보 제너레이터(24)의 에너지 출력이 공급되고, 온보드 네트워크(4) 내로 직접 공급되지 않는다.
배기가스 터빈(20)과 증기 터빈(22)은 함께 터보 제너레이터(24)를 구동하고, 기어단(30)에 의해 "공통의 샤프트"(32) 위로 작동한다. 상기 터빈들은 기어단(34)에 의해 공통의 터보 제너레이터-구동 샤프트(36)에 회전 연결된다.
바람직하게 부분 부하 범위에서 터보 제너레이터(24)의 회전 속도는, 기어장치(30)에 의해 커플링된 터빈(20, 22)이 그것의 회전 속도-출력-특성 곡선에 따라 최대 에너지 생성의 작동점에 작동하도록 여자 장치(36)에 의해 조절된다.
배기가스 터빈과 증기 터빈 사이의 기어단(30)은, 2개의 터빈(20, 22)이 그것의 회전 속도-출력-특성 곡선에 따라 최대 에너지 생성의 작동점에서 작동하도록 조절된다.
모터 컨버터(12)는, 직류 전압-중간 회로(16)의 전압이 일정하도록 조절된다. 디젤 엔진(2)의 부스팅을 위한 (보조 모터(6)로서 제너레이터(10)를 이용한 지원) 또는 온보드 네트워크 에너지의 공급을 위한 에너지는 상응하게 조절된다.
네트워크 컨버터(14)는 온보드 네트워크(4)에서 무효 부하 정역학 및 유효 부하 정역학으로 작동된다. 즉, 상기 컨버터는 거기에 접속되어 다른 디젤 제너레이터(18)와 동시 작동한다. 전체 시스템의 전력 관리(도시되지 않음)는 네트워크 컨버터(14)의 에너지 흐름을 조절하므로, 필요에 따라 그리고 경제적인 최적화 기준에 따라 터보 제너레이터(24)에 추가하여 온보드 네트워크(4)로부터 중간 회로 내로 에너지가 공급되거나, 터보 제너레이터(24) 및/또는 모터 컨버터(12)의 에너지를 온보드 네트워크(4)에 공급한다.
본 발명은 실질적으로, 에너지 이용이 최적으로 달성되도록 배기가스 터빈(20)과 증기 터빈(22)을 작동하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 추가 조절 밸브들(도 1)은 생략될 수 있다. 온보드 네트워크(4)에 대해서 복잡한 조정 과정들도 방지될 수 있는데, 그 이유는 에너지는 주어진 샤프트 제너레이터(10)/부스터 모터(6)의 전압-중간 회로(16) 내로 공급되기 때문이다. 또한 터보 제너레이터(24)는 이제 회전 속도 가변적으로 작동될 수 있다. 터보 제너레이터는 고정적 네트워크 주파수를 갖는 온보드 네트워크(4)에 의존하지 않고, 에너지 흐름은 터보 제너레이터에 의해, 예를 들어 계자 전류에 의해 조절될 수 있다. 이는 터빈(20, 22)의 회전 속도-출력-특성 곡선을 최적의 출력의 작동점에서 진행시키기 위한 자유도를 제공하고, 이 경우 예를 들어 터보 제너레이터(24')와 온보드 네트워크(4; 도 1) 사이에 다른 주파수 컨버터는 필요하지 않다.
구성 요소들, 터보 제너레이터(24), 모터 컨버터(12), 네트워크 컨버터(14)의 조절 회로들은 독립적으로 작동할 수 있고, 조절 기술적으로 서로 매칭되지 않아도 된다.
안정화 요소는 이 경우 모터 컨버터(12)이다. 상기 모터 컨버터는 중간 회로(16)의 직류 전압을 실질적으로 일정하게 유지한다. 상기 모터 컨버터에 의해, 보조- 또는 부스터 모터(6) 내로 에너지가 공급될 수 있도록, 또는 에너지가 인출되어 온보드 네트워크(4) 내로 공급될 수 있도록 에너지 흐름이 조절될 수 있다.
예를 들어 배기가스 제너레이터(20)의 에너지 변동은 온보드 네트워크(4)에 의해 안정화되지 않아도 되고, 부스터 모터(6)에 의해 보상될 수 있다. 프로펠러 샤프트(8)에 대한 반작용은 미미한데, 그 이유는 메인 엔진(2)은 배기가스 터빈(20)보다 수배 강력하기 때문이다.
터보 제너레이터(20)의 여자 장치는, 대응 전압이 일정할 때 허용된 회전 속도 범위에서 출력이 자유롭게 조절되도록 설정될 수 있는데, 그 이유는 모터 컨버터(12)가 설계에 의해 일반적으로 항상, 터보 제너레이터(24)의 출력을 부스터 모터(6) 내로 공급할 수 있기 때문이다.
네트워크 컨버터(14)는 샤프트 제너레이터처럼 작동하고, 상기 샤프트 제너레이터는 프로펠러 샤프트(8)의 변동이 작은 주파수를 일정한 네트워크 주파수로 변환한다. 상기 네트워크 컨버터는 무효- 및 유효 부하를 온보드 네트워크(4) 내로 공급한다. 이로써 넓은 작동 범위에서 터보 제너레이터(24)와 샤프트 제너레이터(10)로부터 온보드 네트워크 에너지가 공급될 수 있다. 또한 상기 작동 컨셉은 보조 모터(6)에 전력 공급을 가능하게 한다(부스터 작동).
2 디젤 엔진
4 온보드 네트워크
8 선박 추진 샤프트
10 제러네이터
20 배기가스 터빈
22 증기 터빈
24 터보 제너레이터

Claims (7)

  1. 선박 추진을 위한 장치로서,
    - 선박 추진 샤프트와 제너레이터에 회전 연결된 디젤 엔진을 포함하고, 상기 제너레이터는 사이에 직류 전압-중간 회로를 갖는 모터-컨버터 및 온보드 네트워크-컨버터에 의해 온보드 네트워크에 연결되어 온보드 네트워크 내로 에너지를 공급하거나 보조 모터로서 온보드 네트워크로부터 제공하여 디젤 엔진을 지원하고,
    - 디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈 및/또는 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈을 포함하고, 상기 터빈들은 터보 제너레이터를 구동하는 장치에 있어서,
    - 터보 제너레이터의 에너지 출력은 모터-컨버터 및 온보드 네트워크-컨버터의 전압-중간 회로 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 터보 제너레이터의 에너지 출력과 회전 속도 조절은 상기 터보 제너레이터의 여자 장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 디젤 엔진의 배기가스가 공급되는 배기가스 터빈과 상기 디젤 엔진의 폐열이 공급되는 증기 터빈은 터보 제너레이터를 구동하고, 상기 터빈들은 이를 위해 기어단에 의해 공통의 터보 제너레이터-구동 샤프트에 회전 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 부분 부하 범위에서 터보 제너레이터의 회전 속도는, 터빈들 중 적어도 하나의 터빈이 상기 터빈의 회전 속도-출력-특성 곡선에 따라 최대 에너지 생성의 작동점에서 작동하도록 여자 장치에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항 및 제 4 항에 있어서, 배기가스 터빈과 증기 터빈 사이의 기어단은, 상기 2개의 터빈이 그것의 회전 속도-출력-특성 곡선에 따라 최대 에너지 생성의 작동점에서 작동하도록 조절되거나 조절 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 모터 컨버터는, 직류 전압-중간 회로의 전압이 일정하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 네트워크 컨버터는 그것의 무효 부하 정역학 및 유효 부하 정역학으로 에너지를 온보드 네트워크 내로 공급하거나 온보드 네트워크로부터 에너지를 인출하는 것을 특징으로 하는 장치.
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