KR20170054214A - 가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 선박의 추진을 위해 전기를 생성하는 가스터빈; 상기 가스터빈에서 발생하는 배기열을 회수하여 스팀을 생성하는 배열회수장치; 상기 배열회수장치에서 발생하는 스팀을 이용하여 전기를 생성하는 스팀터빈; 및 상기 가스터빈 및 상기 스팀터빈과 별도로 전기를 생성하는 발전엔진을 포함하고, 상기 가스터빈은, 상기 선박에 마련된 액화가스 저장탱크로부터 전달되는 증발가스 이용하여 구동되고, 상기 발전엔진은, 상기 선박에 마련된 오일 저장탱크로부터 전달되는 오일을 이용하여 구동되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박{Electronic propulsion system using gas turbine and a ship having the same}
본 발명은 가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.
이러한 선박은 엔진 등을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 가솔린 또는 디젤을 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 함으로써, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하는 것이 일반적이었다.
그러나 최근에는, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 운반하는 LNG 운반선에서 LNG를 연료로 사용하여 엔진을 구동하는 LNG 연료공급 방식이 사용되고 있으며, 이와 같이 엔진의 연료로 LNG를 사용하는 방식은 LNG 운반선 외의 다른 선박에도 적용되고 있다.
일반적으로, LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하다고 알려져 있고, 채광과 이송기술이 발달함에 따라 그 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이러한 LNG는 주성분인 메탄을 1기압 하에서 -162℃도 이하로 온도를 내려서 액체 상태로 보관하는 것이 일반적인데, 액화된 메탄의 부피는 표준상태인 기체상태의 메탄 부피의 600분의 1 정도이고, 비중은 0.42로 원유비중의 약 2분의 1이 된다.
그러나 엔진이 구동되기 위해 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 LNG의 상태와는 다를 수 있다. 따라서 최근에는 액체 상태로 저장되는 LNG의 온도 및 압력 등을 제어하여 엔진 등에 공급하는 기술에 대하여, 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 추진을 위한 에너지를 생성하기 위해 가스터빈과 스팀터빈으로 발전하면서 최적의 효율을 창출하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스터빈 기반의 전기추진 시스템은, 선박의 추진을 위해 전기를 생성하는 가스터빈; 상기 가스터빈에서 발생하는 배기열을 회수하여 스팀을 생성하는 배열회수장치; 상기 배열회수장치에서 발생하는 스팀을 이용하여 전기를 생성하는 스팀터빈; 및 상기 가스터빈 및 상기 스팀터빈과 별도로 전기를 생성하는 발전엔진을 포함하고, 상기 가스터빈은, 상기 선박에 마련된 액화가스 저장탱크로부터 전달되는 증발가스 이용하여 구동되고, 상기 발전엔진은, 상기 선박에 마련된 오일 저장탱크로부터 전달되는 오일을 이용하여 구동되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 액화가스 저장탱크에서 상기 가스터빈으로 연결되고 압축기가 마련되며 증발가스를 공급하는 가스 공급라인; 및 상기 액화가스 저장탱크에서 상기 가스터빈으로 연결되고 액화가스 펌프가 마련되며 액화가스를 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 선박에 마련된 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 연소하는 가스연소장치를 포함하며, 상기 배열회수장치는, 상기 가스터빈에서 발생하는 배기 또는 상기 가스연소장치가 상기 증발가스 또는 상기 액화가스를 연소할 때 발생하는 배기를 전달받아 스팀을 생성할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기 및 상기 액화가스 펌프의 작동이 정지될 경우, 상기 액화가스 펌프는, 상기 발전엔진에 의해 생성되는 전기로 재가동되고, 상기 배열회수장치는, 상기 가스연소장치가 재가동된 상기 액화가스 펌프로부터 공급받은 액화가스를 연소할 때 발생하는 배기를 전달받아 스팀을 생성하며, 상기 압축기는, 상기 배열회수장치에서 발생하는 스팀을 이용하여 상기 스팀터빈에 의해 생성되는 전기로 재가동될 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기는, 상기 액화가스 펌프의 재가동 이후에 재가동될 수 있다.
구체적으로, 상기 가스터빈은, 재가동된 상기 압축기로부터 공급받은 증발가스를 소비하여 발전할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화가스 펌프의 재가동을 위해 필요한 전력은, 상기 압축기의 재가동을 위해 필요한 전력 대비 상대적으로 적을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스터빈 기반의 전기추진 시스템이 탑재되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스터빈 기반의 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 추진용 가스터빈과 발전용 스팀터빈을 마련하고 가스터빈으로의 가스 공급을 포함하는 유체의 전달을 최적화하며, 선박 내에 가스터빈 등이 설치될 때 공간 활용성을 고려해 최적의 배치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 기반의 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 부분 측면도이다.
도 3 및 도 4는 도 2에서 A, B의 단면도이다.
도 5는 도 2에서 C의 단면도이다.
도 6은 도 2에서 D의 단면도이다.
도 7은 종래의 선박의 측면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 측면도이다.
도 10 및 도 11은 도 9에서 E-E의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 측면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박의 측면도이다.
도 14는 도 13에서 F-F의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 액화가스는 LPG, LNG, 에탄 등일 수 있으며, 예시적으로 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있으며, 증발가스는 자연 기화된 LNG 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다.
또한 액화가스는 액체 상태, 기체 상태, 액체와 기체 혼합 상태, 과냉 상태, 초임계 상태 등과 같이 상태 변화와 무관하게 지칭될 수 있으며, 증발가스 역시 마찬가지임을 알려 둔다.
이하에서는 가스를 공급하는 과정에서 이루어지는 각종 유체(가스, 배기, 스팀 등)의 유동에 대한 내용과, 구조적인 특징에 대한 내용으로 나누어 설명하도록 한다.
- 유체의 유동에 대한 내용
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 기반의 전기추진 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 기반의 전기추진 시스템(1)은, 선박(100)에 탑재되며, 액화가스 저장탱크(10), 오일 저장탱크(20), 가스터빈(30), 배열회수장치(40), 스팀터빈(50), 가스연소장치(60), 발전엔진(70), 전력 분배반(90)을 포함한다.
액화가스 저장탱크(10)는, 액화가스를 저장한다. 이때 액화가스는 액화가스 저장탱크(10) 내에서 액상으로 저장될 수 있으며, 다만 외부로부터의 열 침투로 인하여 액화가스 저장탱크(10) 내에는 액화가스가 기화된 증발가스가 존재할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스 및 증발가스는 가스로 통칭될 수 있으며, 이하에서 가스는 액화가스 및 증발가스 중 적어도 어느 하나를 의미하는 표현임을 알려둔다.
액화가스 저장탱크(10)에 저장된 가스(액화가스 또는 증발가스)는 가스터빈(30), 가스연소장치(60) 등에 의해 소비될 수 있으며, 가스터빈(30) 또는 가스연소장치(60)로 가스를 공급하기 위해 가스공급유닛(가스 공급라인(12), 압축기(13), 액화가스 공급라인(15), 액화가스 펌프(16) 등)이 마련될 수 있다.
오일 저장탱크(20)는, 오일을 저장한다. 이때 오일은 MGO 등일 수 있으며, 상온에서도 액체 상태를 갖는 유체일 수 있다. 오일의 종류는 특별하게 한정하지 않으며 현재 선박(100) 분야에서 다양하게 사용되고 있는 모든 유체 연료를 의미할 수 있다.
오일 저장탱크(20)에 저장된 오일은 가스터빈(30), 가스연소장치(60) 등에 의해 소비될 수 있으며, 가스터빈(30) 또는 가스연소장치(60)로 오일을 공급하기 위해 오일공급유닛(오일 공급라인(21), 오일 펌프(22) 등)이 마련될 수 있다.
가스터빈(30)은, 선박의 추진을 위해 전기를 생성하며, 구체적으로는 액화가스 저장탱크(10)로부터 공급되는 가스를 소비하여 발전한다. 가스터빈(30)은 발전기(부호 도시하지 않음)를 구비하며 가스의 연소에 의해 발생하는 임펠러(도시하지 않음)의 회전력을 이용하여 에너지(전력)를 생성할 수 있다.
가스터빈(30)은 액화가스 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스 또는 액화가스를 소비할 수 있다. 이를 위하여 액화가스 저장탱크(10)에서 가스터빈(30)으로 가스 공급라인(12) 및 액화가스 공급라인(15)이 연결될 수 있으며 각 라인에는 증발가스 또는 액화가스의 유량을 조절하기 위한 밸브(121, 151)가 마련될 수 있다.
가스 공급라인(12)에는, 예열기(14)와 압축기(13)가 마련될 수 있다. 예열기(14)는 액화가스 저장탱크(10)에서 극저온으로 저장되어 있는 증발가스를 예열하여 압축기(13)의 부하를 절감하고 압축기(13)를 보호하며, 다양한 열원을 이용할 수 있다.
압축기(13)는 다단으로 구성되며, 예열기(14)에 의해 예열된 증발가스를 압축하여 가스터빈(30)으로 공급한다. 압축기(13)가 압축하는 증발가스의 압력은 10 내지 50bar일 수 있고 일례로 30bar 내외일 수 있다.
액화가스 공급라인(15)에는, 액화가스 펌프(16), 기화기(17), 기액분리기(18), 액화가스 열교환기(19)가 마련될 수 있다. 액화가스 펌프(16)는, 액화가스 저장탱크(10)의 내부 및 외부 중 적어도 어느 하나에 마련되어 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 액화가스 공급라인(15)으로 이송한다.
액화가스 펌프(16)는 액화가스를 10 내지 50bar로 가압할 수 있으며, 액화가스 펌프(16)가 압축기(13) 하류의 증발가스가 갖는 압력까지 액화가스를 가압할 경우에는 액화가스 공급라인(15)이 압축기(13)의 하류에서 가스 공급라인(12)과 합류할 수 있다.
다만 액화가스 펌프(16)가 가압한 액화가스의 압력이 압축기(13) 하류의 증발가스가 갖는 압력에 미치지 못할 경우, 액화가스 공급라인(15)은 압축기(13)의 상류에서 또는 다단 압축기(13)의 중간에서 가스 공급라인(12)에 합류될 수 있다.
기화기(17)는, 액화가스 펌프(16)에 의해 이송되는 액화가스를 기화시킨다. 이때 기화는 반드시 액체 상태에서 기체 상태인 것을 의미하는 것은 아니며, 가열을 의미할 수 있다.
기액분리기(18)는, 기화된 액화가스를 기체와 액체로 분리한다. 액체는 기액분리기(18)에서 액화가스 저장탱크(10)로 연결되는 액화가스 회수라인(181)을 따라 액화가스 저장탱크(10)로 회수될 수 있다.
일반적으로 기액분리기(18)는 메탄가를 높이기 위해 사용될 수 있는데, 기화기(17)가 액화가스 내의 메탄만 기상으로 변화되도록 가열하면, 헤비카본(프로판, 부탄)은 액상으로 잔류할 수 있다. 이때 기액분리기(18)가 액화가스를 기체와 액체로 분리하면, 액체인 헤비카본 대비 메탄의 비중이 높은 액화가스가 가스터빈(30)으로 공급될 수 있다.
다만 본 발명은, 액화가스가 가스터빈(30)에 의해 소비되는 것이며, 가스터빈(30)은 메탄가에 영향을 받지 않는다. 따라서 본 발명의 기액분리기(18)는 단순히 액상의 액화가스가 가스터빈(30)으로 유입되는 것을 차단하는 역할을 하며, 메탄가 조절과는 직접적인 관련이 없을 수 있다. 따라서 기액분리기(18) 및 이에 연결된 액화가스 회수라인(181)은 생략 가능하다.
액화가스 열교환기(19)는, 기액분리기(18)에서 분리된 기체 상태의 액화가스(강제증발가스에 해당하며, 앞서 설명한 증발가스는 자연증발가스임)를 가스터빈(30)의 요구 온도에 맞게 가열할 수 있다. 이때 가스터빈(30)의 요구 온도는 0 내지 50도일 수 있다.
액화가스 열교환기(19)에서 가열된 액화가스는 압축기(13)에서 압축된 증발가스와 합류하여 가스터빈(30)으로 공급될 수 있다. 이때 증발가스는 압축기(13)의 하류에서 별도로 가열되지 않을 수 있는데, 이는 압축기(13)가 가스터빈(30)의 요구온도까지 증발가스를 압축할 때 수반되는 온도 상승 때문이다.
물론 압축기(13)에서 토출되는 증발가스의 온도가 가스터빈(30)의 요구온도를 충족하지 못할 경우를 대비해, 액화가스 열교환기(19)가 가스터빈(30)의 요구온도보다 높은 온도로 액화가스를 가열하고, 액화가스가 증발가스에 혼합되면서 혼합된 가스가 가스터빈(30)의 요구온도를 충족시키도록 할 수도 있다.
이와 같이 액화가스 및/또는 증발가스를 공급받는 가스터빈(30)은, 전기를 생산하여 선박(100)의 추진을 구현할 수 있다. 즉 가스터빈(30)에 의해 생산된 에너지는, 프로펠러(도시하지 않음)가 마련된 회전축(94)의 회전을 위해 모터(93)를 가동하는데 사용될 수 있다.
배열회수장치(40)는, 배기(또는 배기열)을 회수하여 열매를 생성한다. 이때 열매는 스팀일 수 있으며, 배열회수장치(40)는 이코노마이저(economizer)일 수 있다. 이하에서 편의상 열매는 스팀인 것을 한정해 설명한다. 배열회수장치(40)는 물을 배기로 가열하여 스팀을 만들고, 스팀을 스팀터빈(50)에 공급할 수 있다.
이때 배열회수장치(40)가 사용하는 배기는 가스터빈(30)에서 발생하는 배기일 수 있다. 즉 가스터빈(30)이 가스를 소비하면서 배기를 방출할 때, 방출되는 배기는 배기 회수라인(41)을 따라 배열회수장치(40)로 공급되어 스팀 생산에 일조할 수 있다.
또한 배열회수장치(40)는 가스연소장치(60)가 증발가스를 연소할 때 발생하는 배기를 전달받아 스팀을 생성할 수 있다. 가스연소장치(60)는 액화가스 저장탱크(10)의 증발가스를 연소시키는데, 이때 배기는 열 에너지를 보유하고 있는 에너지 소스이므로, 본 발명은 가스연소장치(60)에서 배출되는 배기 중 적어도 일부를 배열회수장치(40)로 전달할 수 있다. 이를 위해 가스연소장치(60)에서 배기가 빠져나가는 배기 배출라인(62)으로부터 배열회수장치(40)로 배기 전달라인(63)이 마련될 수 있다.
배기 전달라인(63)은, 가스연소장치(60)에서 배기 회수라인(41)으로 연결되며, 가스터빈(30)의 배기는 가스연소장치(60)의 배기와 합류되어 배열회수장치(40)로 공급될 수 있다. 이때 배기 전달라인(63)과 배기 회수라인(41)의 합류지점에 밸브(412)가 마련될 수 있다.
배열회수장치(40)는 가스터빈(30)의 100% 가동 시 발생하는 배기를 모두 소화할 수 있는 용량으로 마련될 수 있는데, 다만 배열회수장치(40)의 가동에 문제가 발생하여 배열회수장치(40)의 작동이 정지될 경우, 배기 회수라인(41)을 통해 공급되는 배기의 처리가 문제될 수 있다. 따라서 본 발명은 배열회수장치(40)의 가동 중단 등의 상황을 대비하기 위해서, 가스터빈(30)의 배기가 배열회수장치(40)를 우회하여 외부로 배출되도록 하는 배기 방출라인(42)을 마련할 수 있다.
또한 배열회수장치(40)가 정상작동 하더라도 배열회수장치(40)에서 발생되는 스팀을 소비하는 스팀터빈(50)에 문제가 발생하여 작동이 정지될 경우에는 배열회수장치(40)의 작동을 멈춰야 할 수도 있다. 따라서 본 실시예는, 배기 방출라인(42)이 배열회수장치(40)와 스팀터빈(50)의 fail을 대비하기 위하여 마련된다.
배기 방출라인(42)은, 배기 회수라인(41)에서 분기되어 배기를 외부로 배출할 수 있다. 이때 배기 방출라인(42)이 배기 회수라인(41)에서 분기되는 지점은, 배기 회수라인(41)에 배기 전달라인(63)이 합류되는 지점보다 상류일 수 있으며, 외부는 본 시스템에서 언급되지 않는 별도의 수요처이거나 대기중일 수 있다.
배기 회수라인(41)에서 배기 방출라인(42)이 분기되는 지점에는 밸브(411)가 마련되며, 밸브(411)는 제어부(80)에 의하여 개도가 조절될 수 있다. 배열회수장치(40)가 처리하지 못하는 잉여분의 배기가 발생하면, 제어부(80)가 밸브(411)를 조절해 잉여분의 배기가 배열회수장치(40) 대신 외부로 배출되도록 할 수 있다.
배열회수장치(40)가 가스연소장치(60)에 의한 배기와 가스터빈(30)에 의한 배기를 이용하여 스팀을 생성할 경우 발생되는 스팀은 스팀터빈(50)의 100% 가동을 보장하는 양일 수 있다. 그런데 가스터빈(30)에 의해 배기가 생성되는 것은 가스터빈(30)의 가동에 의해 에너지가 생성되고 있음을 의미하므로, 스팀터빈(50)이 100%로 가동될 필요는 없다.
따라서 스팀 중 일부는 스팀터빈(50)에 의해 소비되지 못하는 잉여분이 되며, 이는 후술할 스팀 분기라인(52)을 통해 외부로 빠져나갈 수 있다. 다만 본 실시예는, 잉여분의 스팀을 발생시키지 않고 배열회수장치(40)로 적정한 배기가 전달되도록, 제어부(80)가 가스터빈(30)의 부하를 고려해 가스터빈(30)의 부하가 기준값 이상이면 밸브(411)의 개도를 일정값 이상으로 높여서 배기 방출라인(42)을 통한 배기의 방출량을 증대할 수 있다.
배기 방출라인(42)은, 외부로 직접 연결되거나 및/또는 배기 배출라인(62)을 경유하여 배기를 외부로 배출할 수 있는데, 후자의 경우 배기 방출라인(42)은 배기 방출라인(42)과 배기 배출라인(62)을 서로 연결하는 배기 연통라인(43)을 통해 가스연소장치(60)의 배기 배출라인(62)에 합류될 수 있으며, 배기 연통라인(43)이 배기 배출라인(62)에 합류되는 지점은 배기 배출라인(62)에서 배기 전달라인(63)이 분기되는 지점의 하류일 수 있다.
따라서 가스연소장치(60)의 배기와 가스터빈(30)의 배기는 혼합되어 외부로 배출될 수 있다. 물론 가스연소장치(60)의 배기가 배기 연통라인(43)을 통해 배기 방출라인(42)에 합류될 수 있다. 또한 배기 배출라인(62) 또는 배기 방출라인(42)은, 외부로 연결되지 않고 배기 연통라인(43)을 통해 배기 방출라인(42) 또는 배기 배출라인(62)에 연결될 수 있다.
스팀터빈(50)은, 배열회수장치(40)로부터 스팀을 공급받아 전기를 생성한다. 스팀터빈(50)은 배열회수장치(40)로부터 공급받은 스팀을 이용하여 다단의 임펠러 (도시하지 않음)를 돌려 에너지를 생산할 수 있고, 스팀터빈(50)에 의해 생산된 에너지는 추진 등에 활용될 수 있다.
다만 스팀터빈(50)에 의하여 생산될 수 있는 에너지는 가스터빈(30)의 가동을 전제로 할 수 있다. 따라서 스팀터빈(50)에 의해 생산되는 에너지의 양은 가스터빈(30) 대비 작을 수 있다.
배열회수장치(40)에서 스팀터빈(50)으로 스팀 공급라인(51)이 연결될 수 있다. 스팀 공급라인(51)은 배열회수장치(40)에서 생성된 스팀을 스팀터빈(50)으로 전달한다. 이때 스팀은 스팀터빈(50)을 돌린 후 응축될 수 있고, 응축수는 스팀터빈(50)에서 배열회수장치(40)로 연결된 스팀 회수라인(53)을 따라 회수될 수 있다. 스팀 회수라인(53)에는 스팀 펌프(54)가 마련되어 응축수를 이송할 수 있다.
다만 스팀터빈(50)의 가동에 문제가 발생하였을 경우(일례로 스팀터빈(50)의 작동이 정지되는 fail 시), 배열회수장치(40)에서 생성된 스팀의 처리가 문제된다. 스팀터빈(50)의 가동은 멈추더라도 가스터빈(30)의 가동은 유지된다면, 스팀은 지속 생성될 수 있기 때문이다.
따라서 본 발명은 스팀을 외부로 배출하는 스팀 분기라인(52)을 마련할 수 있다. 스팀 분기라인(52)은 스팀 공급라인(51)에서 분기되거나 스팀터빈(50)에서 분기되어 스팀을 외부로 배출하는데, 이때 외부는 본 시스템의 구성들이 아닌 별도의 스팀 수요처(도시하지 않음, 선박 내에서 난방을 구현하거나 온수를 생성하는 구성 등일 수 있음)이거나 또는 대기중을 의미할 수 있다.
스팀 분기라인(52)이 스팀터빈(50)에서 분기되는 것은, 스팀터빈(50)이 다단의 임펠러를 포함할 때 스팀이 일부의 임펠러를 돌린 후 분기되어 배출되는 것을 의미한다. 스팀터빈(50)은 약 10 내지 40bar(일례로 35bar), 약 400도의 스팀을 공급받아 가동될 수 있는데, 일반적으로 스팀을 소비하는 스팀 수요처의 경우, 스팀터빈(50)이 공급받는 스팀보다는 낮은 압력 및 낮은 온도의 스팀을 필요로 할 수 있다.
따라서 스팀 분기라인(52)은, 스팀이 스팀터빈(50) 내 1~2단의 임펠러를 부분적으로 돌린 후 스팀터빈(50)에서 분기되어 빠져나오도록 하여, 임펠러를 돌리면서 감압 및 냉각된 스팀이 스팀 수요처로 공급되도록 할 수 있다.
즉 스팀터빈(50)이 요구하는 스팀의 에너지와 스팀 수요처가 요구하는 스팀의 에너지가 서로 다른데, 본 실시예는 그 차이만큼 임펠러를 부분적으로나마 돌려서 전기를 생산할 수 있으므로 효율적인 에너지 회수가 가능하다. 또한 감압 및 냉각된 스팀을 스팀 수요처로 전달하게 되므로 스팀 수요처를 보호할 수 있다.
스팀 분기라인(52)은, 배열회수장치(40)로부터 스팀터빈(50)으로 공급되는 스팀에 잉여분이 발생할 경우, 잉여분을 외부의 스팀 수요처로 배출할 수 있다. 스팀터빈(50)의 가동이 완전히 멈추게 되면 배열회수장치(40)에서 생성되는 스팀의 전량이 잉여분으로서 외부로 배출될 수 있다.
스팀터빈(50)의 fail 시에는 스팀터빈(50)에 포함된 임펠러의 회전이 이루어지지 못할 수 있으므로, 이를 대비해 스팀 분기라인(52)은 스팀터빈(50) 대신 스팀 공급라인(51)에서 분기될 수 있다. 물론 스팀 분기라인(52)은 스팀 공급라인(51) 및 스팀터빈(50)에서 각각 분기된 후 합류되어 스팀 수요처로 연결되도록 마련될 수도 있다. 또는 스팀 분기라인(52)은 배열회수장치(40)에서 스팀 수요처로 직접 연결될 수 있다.
다만 스팀터빈(50)이 가동되더라도 스팀을 소비할 수 있는 유량이 줄어들 수 있는바, 본 발명은 스팀터빈(50)의 부하 및 스팀 공급라인(51)을 따라 흐르는 스팀의 유량을 토대로, 스팀 분기라인(52)을 통해 외부로 배출하는 스팀의 유량이 조절되도록 할 수 있으며, 이를 위해 제어부(80)가 마련될 수 있다.
제어부(80)는, 스팀터빈(50)의 부하와 스팀 공급라인(51)으로 흐르는 스팀의 유량을 감지하고, 스팀 분기라인(52)의 개폐(및/또는 개도)를 조절할 수 있다. 스팀터빈(50)의 부하는 스팀터빈(50)에 의해 소비될 수 있는 스팀의 유량을 나타내는 지표이므로, 제어부(80)는 스팀터빈(50)에 공급될 스팀의 유량을 스팀 공급라인(51)에서의 스팀 유량과 대비하여, 잉여분을 산출해 스팀 분기라인(52)에 마련되는 밸브(521)를 제어할 수 있다.
또한 제어부(80)는, 스팀 분기라인(52)에 마련되는 밸브(521)의 개도를 조절하여, 스팀 분기라인(52)에서 스팀터빈(50)으로 공급되는 스팀의 압력을 조절할 수 있다. 즉 잉여분보다 많은 양의 스팀이 외부로 배출되도록 밸브(521)를 열어두면 스팀의 압력이 저하될 것이고, 잉여분보다 적은 양의 스팀이 외부로 배출되도록 밸브(521)를 열어두거나 밸브(521)를 열지 않으면 스팀의 압력이 상승할 것이다. 이러한 원리로 제어부(80)는 스팀터빈(50)의 스팀 공급압력을 조절할 수 있다.
가스연소장치(60)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 연소한다. 이를 위해 가스연소장치(60)로는 가스 연소라인(61)이 연결될 수 있으며, 가스 연소라인(61)은 가스 공급라인(12)에서 압축기(13)의 하류(또는 다단 압축기(13)의 중간단 등)에서 분기되어 가스연소장치(60)로 연결될 수 있고, 가스 연소라인(61)에는 증발가스의 압력을 가스연소장치(60)에서 연소되기 위한 압력으로 조절(감압 등)하기 위한 밸브(611)가 마련될 수 있다.
가스연소장치(60)가 증발가스를 연소하는 과정에서 발생하는 배기는 배기 배출라인(62)을 통하여 외부로 배출되거나, 또는 배기 배출라인(62)에서 분지된 배기 전달라인(63)을 통하여 배열회수장치(40)로 공급될 수 있다. 따라서 본 실시예는 증발가스를 연소하여 배기열을 배열회수장치(40)에 전달하는 덕트버너 및 스팀을 생성하여 스팀터빈에 전달하는 보일러를 생략하더라도, 배열회수장치(40)가 충분한 배기열을 회수할 수 있으므로 스팀 생성을 안정적이고 원활하게 구현할 수 있다.
배기 전달라인(63)은 배기 배출라인(62)에서 분기되어 배기 회수라인(41)으로 연결될 수 있고, 배기 전달라인(63)이 배기 배출라인(62)에서 분기되는 지점에 밸브(631)가 마련될 수 있다. 이러한 밸브들(본 명세서에서 설명하는 밸브들 포함)은 다수 개의 플랩(flap)을 갖는 구조 등으로 이루어지며, 제어부(80)에 의하여 제어될 수 있다.
제어부(80)는 배기 회수라인(41)에서 배기 방출라인(42)이 분기되는 지점에서의 밸브(411)를, 배기 배출라인(62)에서 배기 전달라인(63)이 분기되는 지점의 밸브(631)와 연동하여 제어할 수 있다. 일례로 배기 배출라인(62)의 밸브(631)가 개방되면 가스연소장치(60)의 배기가 배기 회수라인(41)으로 유입되는 것이므로, 배기 방출라인(42)의 밸브(411)는 적어도 부분적으로 밀폐되어 배기의 역류(배기 방출라인(42)을 통한 배기 배출라인(62)으로의 역류, 배기 회수라인(41)을 통한 가스터빈(30)으로의 역류 등)를 막을 수 있다.
다만 가스연소장치(60)의 배기가 배열회수장치(40)로 전달될 때 배기 방출라인(42)의 밸브(411)를 차단하는 경우는, 블랙아웃 시 가스연소장치(60)는 사용하되 가스터빈(30)을 사용하지 않는 상황일 수 있다.
가스연소장치(60)는 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 100%를 처리할 수 있는 대용량으로 마련되므로, 배기 전달라인(63)을 통해 전달되는 배기의 양이 배열회수장치(40)에 의해 스팀으로 전환되면, 스팀은 스팀터빈(50)의 100% 가동 시의 소비량을 넘어설 수 있다. 따라서 제어부(80)를 이용하여 가스연소장치(60)의 배기 중 적절한 유량을 배열회수장치(40)로 전달할 수 있다.
그런데 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 유량이 적을 경우(기준값 미만), 가스연소장치(60)에서 충분한 배기가 생산되지 못할 수 있다. 가스터빈(30)이 가동 중이라면 크게 문제되지 않으나, 가스터빈(30)의 가동에 문제가 발생한 상황(일례로 가스터빈(30)의 fail 시)일 경우에는 가스터빈(30)의 가동에 종속되는 배열회수장치(40) 및 스팀터빈(50)의 가동에도 문제가 발생하며, 최종적으로는 선박(100) 내 에너지가 소진되는 심각한 사태(블랙아웃: Black Out)에 다다를 수 있다.
따라서 본 발명은, 가스연소장치(60)가 가스공급유닛을 통해 공급받는 증발가스 외에 오일도 연소할 수 있도록 한다. 즉 가스연소장치(60)는, 오일공급유닛을 통해 오일 저장탱크(20)로부터 공급되는 오일을 연소하여 배기를 생성할 수 있다. 이를 위해 오일 저장탱크(20)에서 가스연소장치(60)까지 오일 공급라인(21)이 마련될 수 있다.
즉 가스연소장치(60)는 가스터빈(30)의 가동에 문제가 발생하여 에너지의 생산이 중단되는 경우(또는 가스공급유닛의 가동에 문제가 발생하여 가스 공급이 정지될 경우)를 대비하여, 오일을 이용하여 배기를 생성하고 배기가 배열회수장치(40)를 거쳐 스팀으로 스팀터빈(50)에 공급되도록 하여, 에너지 생산의 중단을 최소화할 수 있다. 이를 위해 가스연소장치(60)는 가스 버너(도시하지 않음)에 더하여 오일 버너(도시하지 않음)를 마련할 수 있다.
따라서 가스연소장치(60)는, 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 유량이 기준값 미만일 경우 또는 가스터빈(30)의 작동이 정지될 경우, 오일을 공급받아 배열회수장치(40)에서 필요한 배기열을 제공할 수 있다.
반대로 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 유량이 기준값 이상일 경우, 배열회수장치(40)는 가스터빈(30)에서 발생하는 배기 및/또는 가스연소장치(60)가 증발가스를 연소하여 발생하는 배기를 전달받아 스팀을 생성할 수 있다.
증발가스의 유량은 액화가스 저장탱크(10)에 마련되는 압력계(11)에 의해 측정될 수 있다. 압력이 높으면 증발가스의 유량이 많은 것이고, 압력이 낮으면 증발가스의 유량이 적은 것을 의미한다. 물론 압력계(11)는 가스 공급라인(12)에 마련되는 유량계(도시하지 않음)로 대체될 수 있다.
본 발명은 제어부(80)가 압력계(11)를 토대로 가스 및 오일의 공급을 제어하도록 할 수 있다. 제어부(80)는 증발가스의 유량이 기준값 미만이면, 오일 공급라인(21)에 마련된 밸브(211)를 조절하여 오일이 가스연소장치(60)로 전달되도록 하며, 반대로 증발가스의 유량이 기준값 이상이면, 가스 연소라인(61)에 마련된 밸브(611)를 조절하여 증발가스가 가스연소장치(60)로 전달되도록 할 수 있다. 제어부(80)는 밸브(211, 611)의 개폐 및 개도를 조절하여, 증발가스 및/또는 오일의 공급 여부와 공급 유량을 제어할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에서 가스연소장치(60)로는 가스 공급라인(12) 및 가스 연소라인(61)이 마련될 뿐만 아니라, 프리플로우 라인(64)이 마련될 수 있다.
프리플로우 라인(64)은, 가스 공급라인(12)에서 분기되어 가스연소장치(60)로 연결되어 증발가스를 가스연소장치(60)에 전달하는 구성이며, 가스 공급라인(12)에서 압축기(13)가 마련되는 부분과 병렬로 배치될 수 있다.
즉 프리플로우 라인(64)은, 가스 공급라인(12)에서 예열기(14) 또는 압축기(13)의 상류에서 분기되며, 가스 연소라인(61)과 독립적으로 가스연소장치(60)에 연결되거나 또는 가스 연소라인(61)과 합류되어 가스연소장치(60)로 연결될 수 있다. 이때 프리플로우 라인(64)은 액화가스 저장탱크(10)와 가스연소장치(60)의 압력 차이를 통해 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스를 압축하지 않고 가스연소장치(60)로 전달할 수 있다.
액화가스 저장탱크(10)에 증발가스가 많아져 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 상승하면, 증발가스는 자연스럽게 프리플로우 라인(64)을 따라 가스연소장치(60)로 흐를 수 있다. 반대로 액화가스 저장탱크(10)의 증발가스가 줄어들면 액화가스 저장탱크(10)의 내압이 하강하므로, 프리플로우 라인(64)을 따라 흐르는 증발가스의 유량이 줄어들거나 없어질 수 있다.
프리플로우 라인(64)은 액화가스 저장탱크(10)의 내압에 따라 증발가스를 전달할 뿐이므로, 프리플로우 라인(64)을 통해 전달되는 증발가스의 압력은, 압축기(13)의 하류에서 가스 연소라인(61)을 통해 전달되는 증발가스의 압력보다 상대적으로 낮을 수 있다.
이 경우 프리플로우 라인(64)을 따라 흐르는 증발가스의 유량과 가스 연소장치를 따라 흐르는 증발가스의 유량을 맞춰주기 위해, 프리플로우 라인(64)의 직경은 가스 공급라인(12) 및 가스 연소라인(61) 대비 상대적으로 클 수 있다.
프리플로우 라인(64)의 전체 압력은 액화가스 저장탱크(10)의 압력에 귀속되는데, 이는 프리플로우 라인(64)에 압축기(13)가 마련되지 않아 액화가스의 유동에 저항이 없기 때문이다. 이때 프리플로우 라인(64)은 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 100%를 소화할 수 있는 직경을 갖는다.
이에 반해 가스 연소라인(61)은, 직경이 상대적으로 작으므로 액화가스 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 100%를 가스연소장치(60)로 공급하기 위해서는, 유동 압력을 높여야 한다. 따라서 가스 연소라인(61)의 유동 압력이 최저 5bar 이상을 유지하도록, 가스 연소라인(61)은 압축기(13)의 하류 또는 다단으로 마련되는 압축기(13)의 중간단에 연결될 수 있다.
프리플로우 라인(64)에는 증발가스를 가열하는 히터(65)가 마련될 수 있다. 이때 히터(65)가 가열하는 증발가스와 예열기(14)가 가열하는 증발가스는 압력이 서로 동일할 수 있는데, 이는 예열기(14)가 압축기(13)의 상류에 마련되기 때문이다.
발전엔진(70)은, 오일 저장탱크(20)로부터 전달되는 오일을 소비하여 발전한다. 발전엔진(70)은 액화가스 저장탱크(10)의 가스가 부족하거나, 가스를 공급하는 구성에 문제가 발생하거나, 가스터빈(30)과 스팀터빈(50)의 가동에 문제가 발생할 경우를 대비하는 여분의 발전 설비일 수 있다.
발전엔진(70)이 공급받는 오일의 압력은 약 5bar 일 수 있으며, 이는 오일 펌프(22)에 의하여 맞춰질 수 있다. 오일 저장탱크(20)의 오일 저장 압력은 1bar 내외이지만, 오일 펌프(22)에 의하여 오일이 압축되어 발전엔진(70)으로 전달될 수 있다.
전력 분배반(90)은, 가스터빈(30), 스팀터빈(50), 발전엔진(70)에서 생산된 에너지를 처리한다. 전력 분배반(90)은 가스터빈(30) 등에서 생산된 에너지인 전기를 선박(100) 내의 각종 수요처로 전달해줄 수 있으며, 이때 수요처 중 가장 대표적인 것은 선박(100)의 추진을 위해 회전축(94)을 돌리는 모터(93)일 수 있다.
이하에서는 본 발명이 블랙아웃 발생 시 가동을 재개하는 프로세스에 대하여 설명하도록 한다.
블랙아웃은 전력이 모두 소진되어 압축기(13)나 액화가스 펌프(16), 가스터빈(30), 스팀터빈(50) 등의 각종 구성들의 가동이 중단되는 경우를 의미한다. 다만 블랙아웃 시 오일의 공급은 가능한 상황임을 가정한다.
본 발명은 블랙아웃이 발생하면, 발전엔진(70)을 이용하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 토대로 액화가스 펌프(16)를 재가동할 수 있다. 가스터빈(30) 등의 정상가동을 회복하기 위해서는 액화가스 또는 증발가스의 공급이 필요한데, 액화가스 펌프(16)와 압축기(13)가 모두 가동이 중단되었을 때 액화가스 펌프(16)를 재가동하기 위하여 필요한 에너지는, 압축기(13)를 재가동하기 위하여 필요한 에너지 대비 적을 수 있다. 따라서 본 발명은 발전엔진(70)을 통해 생산된 전력을 이용하여 압축기(13)가 아닌 액화가스 펌프(16)의 가동을 재개할 수 있다.
가동이 재개된 액화가스 펌프(16)는 액화가스를 액화가스 공급라인(15)으로 전달하는데, 액화가스는 가스 연소라인(61)을 따라 가스연소장치(60)로 공급될 수 있고, 가스연소장치(60)는 액화가스를 연소해 배기를 생성할 수 있다.
액화가스 펌프(16)에 의하여 공급되는 액화가스를 가스터빈(30)이 아닌 가스연소장치(60)로 공급하는 것은, 재가동되는 액화가스 펌프(16)는 낮은 부하로 간신히 가동되는 것이어서 액화가스 펌프(16)에 의하여 가압되는 액화가스는 가스터빈(30)이 요구하는 압력을 갖지 못할 수 있기 때문이다.
가스연소장치(60)가 배기를 생성하면, 배기는 배기 전달라인(63)을 따라 배열회수장치(40)로 전달된다. 이때 배열회수장치(40)가 배기를 이용하여 스팀을 생성하면 스팀터빈(50)의 가동이 이루어질 수 있다.
스팀터빈(50)의 가동을 통해 에너지가 충분히 확보되면, 압축기(13)의 가동을 재개할 수 있다. 압축기(13)는 재가동 시 소비하는 에너지가 액화가스 펌프(16) 대비 많으므로, 본 발명은 블랙아웃 발생 시 우선 액화가스 펌프(16)를 재가동하여 가스터빈(30)을 대신해 스팀터빈(50)을 이용하여 에너지를 생산하고, 이후 압축기(13)를 재가동하여 가스터빈(30)의 가동을 개시할 수 있다.
따라서 본 발명은 블랙아웃이 발생하더라도 비교적 단시간 내에 전체 시스템을 복구시킬 수 있으므로 시스템 안정성을 확보할 수 있다.
- 구조적 특징에 대한 내용
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 부분 측면도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에서 A, B의 단면도이며, 도 5는 도 2에서 C의 단면도이고, 도 6은 도 2에서 D의 단면도이다.
도 7은 종래의 선박의 측면도이며, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 측면도이고, 도 10 및 도 11은 도 9에서 E-E의 단면도이며, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박의 측면도이다. 또한 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박의 측면도이고, 도 14는 도 13에서 F-F의 단면도이다.
도 2 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박(100)은, 어퍼데크(110)를 갖는 선체와 선체 내에 마련되는 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)를 포함하는 액화가스 운반선일 수 있다.
이때 선체에서 어퍼데크(110)의 하부(선체의 내부)에는 메인엔진(201) 설치를 위한 공간인 엔진룸(103)과, 액화가스 저장탱크(10)의 설치를 위한 공간인 홀드(105)가 마련될 수 있다. 엔진룸(103)은 후방에 엔진룸 격벽(104)이 마련되고, 홀드(105)에는 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)의 전후에 홀드 격벽(106)이 마련될 수 있으며, 홀드 격벽(106) 또는 홀드 격벽(106)과 엔진룸 격벽(104)의 이중 격벽 구조에 의해 엔진룸(103)과 홀드(105)가 구획될 수 있다.
선체에서 어퍼데크(110)의 상부에는 엔진 케이싱(107)과 선실(108) 등이 마련될 수 있다. 본 발명에 따른 선박(100)은, 엔진룸(103)에 메인엔진(201)이 생략되고 메인엔진(201)을 대체하는 가스터빈(30)을 엔진룸(103)의 외부에 둘 수 있는데, 이때 외부는 엔진 케이싱(107)을 의미한다.
엔진 케이싱(107)은, 선체의 어퍼데크(110)에서 선실(108)의 후방에 마련되어 상방으로 돌출되는 공간을 형성하며, 내부에 가스터빈(30)과 배열회수장치(40)가 마련된다. 일반적으로 추진을 위한 기관(터빈이나 메인엔진(201) 등)은 엔진룸(103)에 마련되나, 본 발명은 추진을 위한 가스터빈(30)이 엔진룸(103)의 외부인 엔진 케이싱(107)에 마련된다.
또한 엔진 케이싱(107)에는 가스연소장치(60)가 마련되는데, 가스터빈(30), 배열회수장치(40), 가스연소장치(60)는 서로 간섭되지 않도록 위치할 수 있다. 일례로 배열회수장치(40)는 가스터빈(30)의 상부에 마련된다. 이는 가스터빈(30)에서 상방으로 배출되는 배기를 배열회수장치(40)로 전달하기 위함이다.
다만 가스연소장치(60)는, 배열회수장치(40)의 전방에 마련될 수 있다. 이때 엔진 케이싱(107)이 선실(108)의 후방에 위치하므로, 배열회수장치(40)는 가스연소장치(60)보다 선실(108)에서 먼 측에 마련될 수 있다. 이는 배열회수장치(40)가 작동 시 가스연소장치(60)의 작동 시 대비 상대적으로 큰 소음을 발생시킬 수 있어 선실(108)에 거주하는 승선원에게 불편함을 제공할 수 있기 때문이다.
엔진 케이싱(107)의 상부에는 연돌(도시하지 않음, funnel)이 마련되며, 연돌을 통해 가스연소장치(60)의 배기, 가스터빈(30)의 배기 등이 외부로 배출될 수 있다.
엔진 케이싱(107)은, 무어링데크(111)의 상측에 마련될 수 있다. 선박(100)은 계류를 위하여 선미(101)에 무어링데크(111)를 마련하고, 무어링데크(111)는 어퍼데크(110)보다 낮은 위치에 마련되는데, 본 발명은 무어링데크(111)에 지지대(112)(pillar)를 설치해 두고, 지지대(112)를 이용하여 엔진 케이싱(107)을 지지하면서 엔진 케이싱(107)이 무어링데크(111)의 상측에 놓이도록 할 수 있다. 이 경우 엔진 케이싱(107)의 하면은 어퍼데크(110)의 높이와 나란할 수 있다.
엔진 케이싱(107)이 무어링데크(111)에 놓이지 않고 어퍼데크(110)에만 마련될 경우에는, 무어링데크(111)의 전후 폭만큼 엔진 케이싱(107)이 선미(101)로부터 전방에 위치하게 된다. 이 경우 엔진 케이싱(107)의 전방에 선실(108)이 배치되고 액화가스 저장탱크(10)는 선실(108)보다 앞쪽에 배치되어야 함을 고려할 때, 무어링데크(111)에 엔진 케이싱(107)이 설치되지 못하면 액화가스 저장탱크(10)의 전체 용량을 충분히 확보하지 못할 수 있다.
그러나 본 발명은 무어링데크(111)가 지지대(112)를 갖는 피로티(piloti) 구조가 되도록 하고, 무어링데크(111)의 상부에 엔진 케이싱(107)을 배치하여 엔진 케이싱(107)이 지지대(112)에 의해 지지되도록 할 수 있다. 이때 계류를 위한 각종 장비들(윈치, 초크 등)(도시하지 않음)은 엔진 케이싱(107)의 하부에서 무어링데크(111)에 놓일 수 있다.
따라서 본 발명은 엔진 케이싱(107)을 선미(101)에 인접한 후방에 배치함에 따라, 선실(108)도 후방으로 이동시키면서 액화가스 저장탱크(10)의 전체 용량을 확대할 수 있다. 이때 엔진 케이싱(107)은 후면이 스턴보스(109)보다 후방에 위치할 수 있다.
다만 본 발명은 엔진 케이싱(107)에 배열회수장치(40)가 마련되고 엔진룸(103)에 스팀터빈(50)이 마련되는데, 배열회수장치(40)에서 스팀터빈(50)으로 스팀 공급라인(51)을 연결하기 위하여, 엔진 케이싱(107)은 무어링데크(111) 및 어퍼데크(110)의 상부에 놓일 수 있다. 즉 엔진 케이싱(107)은 전면이 엔진룸(103)의 후면보다 전방에 위치하여, 엔진 케이싱(107)의 하면 중 일부분이 엔진룸(103)의 상면 중 일부분과 겹치게 배치될 수 있고, 겹치는 부분(도 2에서 일점쇄선으로 표시)을 통해 스팀 공급라인(51)이 마련될 수 있다.
다만 엔진 케이싱(107)의 후면이 엔진룸(103)의 후면보다 후방에 위치하게 됨에 따라, 엔진 케이싱(107)은 하면 중 일부분만 엔진룸(103)의 상면과 겹치게 배치되고, 하면 중 나머지 부분은 엔진룸(103)의 상면과 어긋나게 배치(후방에 배치)될 수 있다.
엔진 케이싱(107)에 마련되는 가스터빈(30)은(가스터빈(30)이 차지하는 공간은), 일측의 길이가 길고 일측과 수직인 타측의 길이가 상대적으로 짧은 형태일 수 있다. 이때 길이가 긴 방향의 일측에 공기를 빨아들이는 흡기덕트(31)가 마련된다. 다만 흡기덕트(31)가 공기를 빨아들이는 방향은 가스터빈(30)의 배치에 따라 달라질 수 있다.
도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 가스터빈(30)은 길이가 긴 방향이 선체의 횡방향과 나란하도록 마련될 수 있다. 이 경우 흡기덕트(31)는 좌현 또는 우현에서 중앙을 향하는 방향으로 공기를 빨아들이도록 마련될 수 있다.
이 경우 도 3의 (B)에 도시된 바와 같이, 가스터빈(30)의 상부에는 배열회수장치(40)가 마련되고 배열회수장치(40)의 전방에는 가스연소장치(60)가 마련되는데, 가스연소장치(60)는 가스터빈(30) 및 배열회수장치(40)의 전방에 마련될 수 있다.
이와 같이 가스터빈(30)을 횡방향으로 배치하게 되면, 엔진 케이싱(107)의 전후 폭이 줄어들 수 있다. 엔진 케이싱(107)의 전후 폭이 감소되는 것은 선실(108)의 후퇴 및 액화가스 저장탱크(10)의 전체 용량 증대로 이어질 수 있다.
반면 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이, 가스터빈(30)은 길이가 긴 방향이 선체의 종방향과 나란하도록 마련될 수 있고, 흡기덕트(31)는 선미(101)에서 전방을 향하는 방향으로 공기를 빨아들이도록 마련될 수 있다.
선박(100)의 좌우 흔들림을 억제하기 위해 가스터빈(30)은 중앙에 둘 수 있지만, 본 발명은 이와 달리 종방향으로 놓인 가스터빈(30)을 좌현 또는 우현 중 일측에 마련할 수 있다.
즉 가스터빈(30) 선체의 좌우 중심으로부터 좌현 또는 우현으로 치우쳐 배치되며, 이때 흡기덕트(31)는 후방에서 전방을 향하는 방향으로 공기를 빨아들일 수 있다. 또한 가스터빈(30)의 상부에는 배열회수장치(40)가 마련되는데, 가스연소장치(60)는 가스터빈(30) 및 배열회수장치(40)의 횡방향 일측에 마련될 수 있다.
이와 같이 배열할 경우에도, 가스터빈(30)을 선체의 종방향으로 배열하면서 가스터빈(30)의 전방에 가스연소장치(60) 등을 배치하는 경우 대비, 엔진 케이싱(107)의 전후 폭을 축소할 수 있는바, 액화가스 저장탱크(10)의 전체 용량 증가가 가능하다.
상기에서 액화가스 저장탱크(10)의 전체 용량 증가 효과는, 액화가스 저장탱크(10)의 전체 용량을 유지하되 선체의 좌우 폭을 줄이거나 및/또는 선체를 날렵하게 변형하는 효과로 대체될 수 있다. 즉 엔진 케이싱(107)의 전후 폭이 감소함에 따라 선미(101)로부터 엔진룸(103) 전방의 엔진룸 격벽(104)까지의 거리가 줄어들 수 있는데, 이 경우 액화가스 저장탱크(10)의 용량은 유지하면서 폭을 줄일 수 있는 여유가 생기게 된다. 이러한 내용에 대해서는 도 7 내지 도 14를 통해 후술하도록 한다.
엔진룸(103)에는, 스팀터빈(50)이 마련될 수 있다. 엔진룸(103)과 엔진 케이싱(107)은 수직 방향으로 어퍼데크(110)에 의하여 구분되는데, 가스터빈(30)과 배열회수장치(40)는 어퍼데크(110)의 상부에 마련되고, 스팀터빈(50)은 어퍼데크(110)의 하부에 마련된다. 어퍼데크(110)의 상부라 함은 선체의 외부라고 할 수 있으므로, 가스터빈(30)과 배열회수장치(40)는 스팀터빈(50)과 달리 선체의 외부에 마련된다고 볼 수 있다.
엔진룸(103)은, 스팀터빈(50)을 지지하는 데크(113)를 포함하여 상하로 이격된 적어도 둘 이상의 데크(113, 114, 115, 116)를 가질 수 있다. 이때 데크(113, 114, 115, 116)는 엔진룸(103)의 일정 높이의 평단면 전체에서 상하를 서로 다른 층으로 구분하는 형태를 갖는다.
도 7에 도시된 바와 같이 엔진룸(103)에 메인엔진(201)이 마련될 경우에는, 엔진(201)이 갖는 크기로 인하여 엔진룸(103) 내부에 데크를 마련한다 하더라도 데크는 상하를 다른 층으로 구분하는 형태가 아니라, 단지 메인엔진(201)의 주위를 부분적으로 두르는 발판 형태일 뿐이다.
그러나 본 발명은 메인엔진(201)을 대체하여 추진을 위한 메인 기관인 가스터빈(30)이 어퍼데크(110)에서 엔진 케이싱(107)의 내부에 위치하게 되므로, 엔진룸(103)에는 스팀터빈(50)만 설치하면 충분하다.
따라서 엔진룸(103)은, 평단면에서 상하를 서로 다른 층으로 구분하는 데크(113, 114, 115, 116)를 가질 수 있다. 엔진룸(103)에 마련되어야 하는 구성은 스팀터빈(50) 외에도 스위치보드(91), 컨버터(92), 모터(93)가 있으므로, 엔진룸(103)에는 제2 데크(113) 내지 제4 데크(115)가 마련될 수 있다. 즉 어퍼데크(110)를 기준으로 하방으로 제2 데크(113), 제3 데크(114), 제4 데크(115), 그리고 탱크탑(116)이 차례로 마련될 수 있다.
제2 데크(113)는, 어퍼데크(110)에서 하방으로 이격되도록 마련되고 무어링데크(111)와 동일한 높이에 마련될 수 있으며, 스팀터빈(50)이 마련될 수 있다. 이때 스팀터빈(50)에는 배열회수장치(40)로부터 스팀이 공급되기 위한 스팀 공급라인(51)이 연결되는데, 스팀 공급라인(51)은 엔진룸(103)의 어퍼데크(110)를 관통하여 엔진 케이싱(107)의 내부에 위치한 배열회수장치(40)까지 연장될 수 있다. 이를 위해 엔진 케이싱(107)의 하면과 엔진룸(103)의 상면은 적어도 일부분 중첩될 수 있다.
제3 데크(114)는, 제2 데크(113)에서 하방으로 이격되도록 마련되며, 스위치보드(91)가 마련될 수 있다. 스위치보드(91)는 가스터빈(30) 및 스팀터빈(50)에서 발생된 에너지를 제어한다. 또한 제3 데크(114)에는 발전엔진(70)이 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 데크(113) 및/또는 제3 데크(114)에서의 양측면에는 오일 저장탱크(20)가 마련될 수 있다. 다만 오일 저장탱크(20)는 코퍼댐(23)에 의하여 선측외판(118)으로부터 내부로 이격되어 있을 수 있으며, 이는 선측외판(118)의 파손 시 오일 누출을 방지하기 위함이다.
제4 데크(115)는, 제3 데크(114)에서 하방으로 이격되도록 마련되며, 컨버터(92)가 마련될 수 있다. 컨버터(92)는 스위치보드(91)에 연결되어 에너지를 소비 가능한 상태로 변환할 수 있다.
탱크탑(116)(tank top)은 제4 데크(115)에서 하방으로 이격되도록 마련되며, 액화가스 저장탱크(10)가 놓이는 높이의 데크일 수 있다. 탱크탑(116)은 선저(117)로부터 상방으로 일정 높이 이격된 데크이며, 선저(117)의 파손 시 해수의 내부유입 등을 방지한다.
탱크탑(116)에는 컨버터(92)로부터 에너지를 전달받아 회전축(94)을 회전시키는 모터(93)를 포함한다. 회전축(94)의 후단에는 프로펠러가 마련되므로, 모터(93)는 가스터빈(30) 및 스팀터빈(50)에 의해 발생된 에너지를 이용하여 프로펠러를 돌려서 추진력을 발생시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 가스터빈(30)은 고온부인 핫섹션(32)(hot section)을 갖는데, 핫섹션(32)은 가스터빈(30)의 핵심 구동부로서, 유지보수가 반드시 이루어져야 하는 부분이다. 이때 핫섹션(32)은 교체 가능하게 마련될 수 있다.
다만 핫섹션(32)을 가스터빈(30)의 내부에서 꺼내어 교체하기 위하여, 본 발명은 빔(33)(beam)과 해치(34)(hatch)를 포함할 수 있다. 빔(33)은 가스터빈(30)의 상측에 설치되어 핫섹션(32)의 이동 경로를 형성할 수 있다.
빔(33)은 I빔일 수 있으며, 빔(33)에는 빔(33)을 따라 이동 가능하며 핫섹션(32)을 들어올려 이송하는 트롤리(도시하지 않음)이 마련될 수 있다. 즉 가스터빈(30)의 핫섹션(32)의 교체가 필요할 경우, 트롤리가 가스터빈(30)의 핫섹션(32)을 들어올려서 빔(33)을 따라 이동하여 핫섹션(32)을 이송할 수 있다.
해치(34)는, 가스터빈(30)의 상방에서 빔(33)과 어긋나게 마련되어 핫섹션(32)을 외부로 배출시킨다. 다만 해치(34)는 가스터빈(30)의 직상방에서 벗어난 위치에 마련될 수 있는데, 이는 가스터빈(30)의 상부에 배열회수장치(40)가 마련되기 때문이다.
즉 가스터빈(30)의 직상방에는 배열회수장치(40)가 마련되므로 해치(34)를 가스터빈(30)의 직상방에 두면 핫섹션(32)을 상방으로 꺼낼 수 없게 된다. 따라서 해치(34)는 가스터빈(30)의 상방에서 어긋난 위치에 마련하고, 빔(33)은 가스터빈(30)의 직상방에서 해치(34)에 인접한 위치까지 이동 경로를 형성하도록 마련될 수 있다.
빔(33)은 엔진 케이싱(107) 내에서 가스터빈(30)의 상측에 마련될 수 있으며, 해치(34)는 엔진 케이싱(107) 상면에서 빔(33)과 어긋난 위치에 마련될 수 있다. 이때 엔진 케이싱(107)은 배열회수장치(40)을 지지하기 위해 엔진룸(103)과 유사하게 여러 개의 데크가 마련되는 구조일 수 있는데, 해치(34)는 엔진 케이싱(107)의 상면과 각 데크마다 마련되어, 가스터빈(30)이 마련되는 엔진 케이싱(107)의 내부를 외부와 연통시킬 수 있다.
핫섹션의 교체는 다음과 같이 이루어진다. 먼저 가스터빈(30)의 상측에 마련된 빔(33)에 트롤리가 위치하고, 트롤리가 가스터빈(30)에서 핫섹션(32)을 들어올린다.
이후 트롤리는 빔(33)에 의해 형성되는 이동 경로를 따라 해치(34)에 인접한 위치까지 움직인다. 다만 빔(33)과 해치(34)는 서로 어긋나게 배치되므로, 트롤리에 매달려있는 핫섹션은, 사람 등의 힘에 의해 밀려서 빔의 직하방에서 벗어난 위치, 즉 해치(34)의 직하방에 대응되는 위치에 내려 놓아질 수 있다.
즉 트롤리는, 핫섹션을 이동 경로에서 벗어난 위치인 해치의 하측에 내려놓을 수 있지만, 이 경우 사람 또는 다른 장비의 도움이 요구될 수 있다.
또는 트롤리는, 복수 개로 마련되며 복수 개의 트롤리가 함께 핫섹션을 이송하여, 핫섹션이 2개의 트롤리 사이에서 들어 올려지도록 할 수 있으며, 2개의 트롤리 사이는 빔(33)이 없고 해치(34)가 마련되는 위치일 수 있다. 따라서 본 실시예는 이러한 방법을 통해서도 핫섹션을 이동 경로에서 벗어난 해치의 하측에 내려놓을 수 있다.
이후 적어도 하나 이상의 해치(34)가 모두 개방되면, 엔진 케이싱(107)의 외부에 마련되는 크레인(shore crane)이 핫섹션(32)을 들어올려서, 핫섹션(32)이 엔진 케이싱(107)의 외부로 배출되도록 할 수 있다. 물론 새로운 핫섹션(32)을 가스터빈(30)에 설치하는 방법은 상기 내용을 반대로 적용하면 된다.
이하에서는 도 7 내지 도 14를 다시 참조하여 본 발명의 선박(100)이 갖는 전체적인 형태에 대해 설명하도록 한다.
도 7을 참조하면, 종래의 선박(200)은, 메인엔진(201)(ME-GI 엔진 등)이 엔진룸(103)에 마련되므로, 엔진룸(103)의 전후 폭이 충분히 길어야 했다. 또한 엔진 케이싱(107)이 무어링데크(111)가 아닌 어퍼데크(110)에 놓이므로, 선실(108)의 위치는 선미(101)로부터 충분히 전방에 위치하여야 했다.
그런데 도 8을 참조하면, 본 발명의 선박(100)은, 엔진룸(103)에 마련되던 메인엔진(201)에 의한 추진을 가스터빈(30)에 의한 전기추진으로 변경하면서, 가스터빈(30)이 엔진 케이싱(107) 내에 마련되도록 하므로, 엔진룸(103)에 배치되는 장비를 축소할 수 있다. 즉 가스터빈(30)과 배열회수장치(40)가 엔진룸(103)의 외부에 마련되고, 스팀터빈(50)이 엔진룸(103)의 내부에 마련되므로, 엔진룸(103)이 확보해야 하는 공간이 축소될 수 있다.
이 경우 메인엔진(201)을 가스터빈(30)으로 대체하면서 엔진룸(103)의 전후 폭이 대폭 축소될 수 있으며, 일례로 엔진룸(103)의 전후 폭은 약 10 내지 25%(약 5 내지 10m) 축소될 수 있다. 즉 도 8에 나타난 바와 같이 엔진룸(103)과 홀드(105) 사이에 활용 가능한 여유 공간이 발생할 수 있다.
이때 본 발명은 여유 공간을 활용하는 방식에 따라 아래와 같은 3가지 실시예를 갖는다.
첫 번째 실시예로, 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 선박(100)은 액화가스 저장탱크(10)의 저장용량을 유지하면서 엔진룸(103)의 전후 폭 및 선체의 좌우 폭을 축소할 수 있다.
이 경우 최후방의 홀드 격벽(106)과 최전방의 홀드 격벽(106) 사이의 거리는 메인엔진(201)에 의한 추진을 가스터빈(30)에 의한 전기추진으로 변경하면서 확장된다. 따라서 액화가스 저장탱크(10)의 저장용량이 확대될 여지가 생긴다.
다만 본 실시예는 액화가스 저장탱크(10)의 저장용량을 확대하지 않고 유지하는 대신 선체의 좌우 폭을 축소할 수 있다. 즉 도 9에 나타난 바와 같이 홀드(105)의 전후 길이가 늘어남에 따라 액화가스 저장탱크(10)의 전후 길이도 늘어날 수 있지만, 도 10에 나타난 바와 같이 액화가스 저장탱크(10)의 좌우 폭이 줄어들게 되므로 액화가스 저장탱크(10)의 총 저장용량은 유지될 수 있다.
이때 본 실시예는, 선체의 폭을 줄이게 되어 선체가 날렵한 형태를 가질 수 있다. 따라서 본 실시예는 선체의 추진 시 발생하는 저항을 대폭 줄일 수 있고, 이를 통해 연료 소비를 절감할 수 있다.
또한 도 9 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 선박(100)은 메인엔진(201)에 의한 추진을 가스터빈(30)에 의한 전기추진으로 변경하되, 액화가스 저장탱크(10)의 저장용량을 유지하면서 엔진룸(103)의 전후 폭 및 선체의 방형계수를 낮출 수 있다. 이는 선체가 날씬해짐을 의미하며, 앞서 선체의 폭을 줄이는 것과 비슷한 저항 감소 효과를 얻을 수 있다.
다만 도 9에 따르면 본 실시예는 메인엔진(201)에 의한 추진을 가스터빈(30)에 의한 전기추진으로 변경하면서 선체의 전장은 유지하는 것으로 도시되어 있지만, 선체의 좌우 폭을 축소하거나 및/또는 선체의 방형계수를 낮추면서 동시에 선체의 전장을 줄일 수 있다.
선체의 전장을 유지할 경우, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 전체 무게중심이 후방으로 이동하게 되므로(G0->G1), 선미(101) 트림이 발생할 수 있다. 따라서 선체의 안정성 등을 고려하여, 본 실시예에서도 선체의 전장 축소가 수반될 수 있다.
두 번째 실시예로, 도 12를 참조하면, 본 발명의 선박(100)은 메인엔진(201)에 의한 추진을 가스터빈(30)에 의한 전기추진으로 변경하되, 액화가스 저장탱크(10)의 저장용량을 유지하면서 엔진룸(103)의 전후 폭 및 선체의 전장을 축소할 수 있다.
이 경우 단면은 도 7에 나타난 종래의 선박(200)과 동일할 수 있어 저항 저감 효과는 앞선 실시예 대비 적을 수 있지만, 복수 개의 액화가스 저장탱크(10)에 저장된 액화가스의 전체 무게중심이 후방으로 크게 이동하게 되며(G0->G2), 무게중심에서 선수(102)까지의 거리는 유지되고 무게중심으로부터 선미(101)까지의 수평거리는 축소되는바, 선미(101) 트림이 발생하지 않도록 할 수 있다.
세 번째 실시예로, 도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 선박(100)은 메인엔진(201)에 의한 추진을 가스터빈(30)에 의한 전기추진으로 변경하되, 선체의 전장을 유지하면서 엔진룸(103)의 전후 폭을 축소하고 반대로 액화가스 저장탱크(10)의 저장용량을 확대할 수 있다.
즉 이 경우 본 실시예는, 엔진룸(103)의 전후 폭이 줄어든 만큼 확보된 여유공간을 액화가스 저장탱크(10)의 증대에 활용하여, 동일한 추진 성능을 갖는 선형에 대해서 저장용량을 높여 운항 효율성을 향상시킬 수 있다.
물론 상기 3가지의 실시예는 조합될 수 있으며, 선박(100)의 선수(102), 선미(101) 형태나 운항하는 항해 조건, 선주의 요구사항 등에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 가스터빈 기반의 전기추진 시스템 10: 액화가스 저장탱크
20: 오일 저장탱크 30: 가스터빈
40: 배열회수장치 50: 스팀터빈
60: 가스연소장치 70: 발전엔진
80: 제어부 90: 전력 분배반
100: 선박 200: 종래의 선박

Claims (8)

  1. 선박의 추진을 위해 전기를 생성하는 가스터빈;
    상기 가스터빈에서 발생하는 배기열을 회수하여 스팀을 생성하는 배열회수장치;
    상기 배열회수장치에서 발생하는 스팀을 이용하여 전기를 생성하는 스팀터빈; 및
    상기 가스터빈 및 상기 스팀터빈과 별도로 전기를 생성하는 발전엔진을 포함하고,
    상기 가스터빈은, 상기 선박에 마련된 액화가스 저장탱크로부터 전달되는 증발가스 이용하여 구동되고,
    상기 발전엔진은, 상기 선박에 마련된 오일 저장탱크로부터 전달되는 오일을 이용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에서 상기 가스터빈으로 연결되고 압축기가 마련되며 증발가스를 공급하는 가스 공급라인; 및
    상기 액화가스 저장탱크에서 상기 가스터빈으로 연결되고 액화가스 펌프가 마련되며 액화가스를 공급하는 액화가스 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선박에 마련된 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 연소하는 가스연소장치를 포함하며,
    상기 배열회수장치는, 상기 가스터빈에서 발생하는 배기 또는 상기 가스연소장치가 상기 증발가스 또는 상기 액화가스를 연소할 때 발생하는 배기를 전달받아 스팀을 생성하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 압축기 및 상기 액화가스 펌프의 작동이 정지될 경우,
    상기 액화가스 펌프는, 상기 발전엔진에 의해 생성되는 전기로 재가동되고,
    상기 배열회수장치는, 상기 가스연소장치가 재가동된 상기 액화가스 펌프로부터 공급받은 액화가스를 연소할 때 발생하는 배기를 전달받아 스팀을 생성하며,
    상기 압축기는, 상기 배열회수장치에서 발생하는 스팀을 이용하여 상기 스팀터빈에 의해 생성되는 전기로 재가동되는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 가스 공급 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 압축기는,
    상기 액화가스 펌프의 재가동 이후에 재가동되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 가스터빈은,
    재가동된 상기 압축기로부터 공급받은 증발가스를 소비하여 발전하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 액화가스 펌프의 재가동을 위해 필요한 전력은, 상기 압축기의 재가동을 위해 필요한 전력 대비 상대적으로 적은 것을 특징으로 하는 가스터빈 기반의 전기추진 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 가스터빈 기반의 전기추진 시스템이 탑재되는 것을 특징으로 하는 선박.

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