KR20170062850A - 엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저 - Google Patents

엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진으로부터 연소 후 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 에너지원으로 활용하는 엔진의 폐열 회수 시스템과, 엔진의 보조장치인 터보차저를 활용하여 추가적인 에너지를 더 생산할 수 있는 발전기가 구비된 터보차저에 관한 것이다.
본 발명에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템은, 엔진(Engine)으로부터 배출되는 배기가스(Exhaust Gas)를 공급받는 배기가스 리시버(Receiver); 및 상기 배기가스 리시버로부터 배기가스를 공급받아 압축 동력과 전기 에너지를 생산하는 터보차저(Turbo Charger);를 포함하고, 상기 터보차저는, 상기 배기가스의 에너지로 회전하는 터빈 휠(Turbine Wheel); 상기 터빈 휠의 에너지로 구동되는 컴프레서 휠(Compressor Wheel); 상기 터빈 휠의 에너지로 전기 에너지를 생산하는 발전기(Generator);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저 {Waste Heat Recovery System of Engine and Turbo Charger with Generator}
본 발명은 엔진으로부터 연소 후 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 에너지원으로 활용하는 엔진의 폐열 회수 시스템과, 엔진의 보조장치인 터보차저를 활용하여 추가적인 에너지를 더 생산할 수 있는 발전기가 구비된 터보차저에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 거의 대부분 배기가스 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환 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.
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.
최근에는 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두하고 있다.
이에 따라, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열 회수 시스템(WHRS : Waste Heat Recovery System)을 적용하고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 폐열 회수 시스템의 일례를 나타낸 도면이다. 종래에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(100)에서 연소 후 배출되는 배기가스를 포집하여(110) 배기가스의 일부를 파워 터빈(Power Turbine)(160)으로 보내고, 일부는 분기(Bypass)시켜 보일러(130)로 보내 스팀(Steam)을 생성시키고, 생성된 스팀을 이용하여 스팀 터빈(140)을 회전시키며 파워 터빈(160)과 스팀 터빈(140)의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생산하였다.
그러나 이러한 종래의 폐열 회수 시스템은 운전 방법에 따라 약 5% 정도의 연료절감 효과가 있으나, 고가의 장비이기 때문에 일부 선사에서만 채택하고 있으며, 구성이 복잡하여 사용자와 제작사에서 유지보수 및 생산에 어려움이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0042323호 (2014.04.07. 공개)
본 발명의 목적은 엔진의 배기가스를 엔진보조장치인 터보차저(Turbo Charger)를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있으며, 비용을 절감하고, 구성이 간단한 엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 엔진(Engine)으로부터 배출되는 배기가스(Exhaust Gas)를 공급받는 배기가스 리시버(Receiver); 및 상기 배기가스 리시버로부터 배기가스를 공급받아 압축 동력과 전기 에너지를 생산하는 터보차저(Turbo Charger);를 포함하고, 상기 터보차저는, 상기 배기가스의 에너지로 회전하는 터빈 휠(Turbine Wheel); 상기 터빈 휠의 에너지로 구동되는 컴프레서 휠(Compressor Wheel); 상기 터빈 휠의 에너지로 전기 에너지를 생산하는 발전기(Generator);를 포함하는, 엔진의 폐열 회수 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 터빈 휠, 컴프레서 휠 및 발전기는 하나의 축에 연결되며, 압축 동력 및 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 터보차저에서 배출되는 배기가스를 공급받아 열교환하는 배기 보일러(Boiler); 상기 배기 보일러에서 상기 배기가스와 열교환하여 생산되는 스팀으로 운전되는 스팀 터빈; 및 상기 스팀 터빈과 연결되며, 스팀 터빈의 회전력으로 전기 에너지를 생산하는 스팀 터빈 발전기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배기 보일러로 공급되는 배기가스는, 상기 엔진으로부터 상기 터보차저를 통과한 후 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진의 폐열 회수 시스템은, 배기가스에 의해 구동되는 파워 터빈을 포함하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 회수하여 상기 엔진의 출력을 높이는 터보차저에 있어서, 터빈(Turbine); 컴프레서(Compressor); 및 발전기(Generator);를 포함하여, 상기 배기가스의 에너지를 이용하여 컴프레서를 구동시켜 상기 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air)를 압축시키고, 상기 배기가스의 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는, 발전기가 구비된 터보차저가 제공된다.
바람직하게는, 상기 터빈은 상기 배기가스의 에너지로 회전하는 터빈 휠;을 포함하고, 상기 컴프레서는 상기 터빈 휠의 회전력으로 구동되는 컴프레서 휠;을 포함하며, 상기 발전기는 상기 터빈 휠의 회전력을 전기 에너지로 전환할 수 있다.
바람직하게는, 상기 터빈 휠, 컴프레서 휠 및 발전기는 상기 터보차저의 하나의 축에 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐열을 회수하여 추가적인 에너지원을 생산함으로써 연료를 절감할 수 있다.
또한, 엔진룸에 마련되는 파워 터빈을 삭제할 수 있어, 그에 따른 배관 등 배치 구성이 간단해지고, 제작이 간단하여 비용을 절감할 수 있으며, 스팀 터빈을 배기 보일러 가까이에 배치할 수 있어 열손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 폐열 회수 시스템을 간단하게 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저를 간단하게 나타낸 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 엔진이란, 디젤유를 연료로 하는 디젤엔진 또는 가솔린을 연료로 하는 가솔린엔진, 액체연료와 가스연료를 모두 연료로 공급받을 수 있는 DF(Dual Fuel) 엔진 등 흡입, 압축, 연소 및 배기 행정 사이클을 피스톤의 4행정 또는 2행정으로 완료하여 동력을 발생시키는 기관을 말한다.
또한, 상술한 바와 같은 엔진은 선박, 예를 들어 액체화물을 화물로써 적재하거나 연료로써 사용하는 모든 종류의 선박, 즉 원유 운반선, 정유 운반선, LNG 운반선, LPG 운반선, 액화이산화탄소 운반선, LNG RV, FPSO, LNG FPSO, LNG FSRU 및 LNG Bunkering Vessel, Chemical Tanker, Ethylene Carrier 등에 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 선박이라는 개념은, 자력으로 항해가 가능한 일반적인 의미의 선박은 물론, 해상에서 부유하여 사용할 수 있는 해상 플랜트까지도 모두 포함되는 것으로 간주하여야 한다.
또한, 선박에 한정하지 않고, 자동차 등 엔진에서 가솔린, 경유 등의 연료를 연소시켜 동력을 얻어 육상을 주행하며, 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 할 수 있는 이동수단에 적용하여도 동일한 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저를 간략하게 도시한 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(200)으로부터 배출되는 배기가스(Exhaust Gas)를 공급받는 배기가스 리시버(Receiver)(210), 배기가스 리시버(210)로부터 배기가스를 공급받아 압축 동력과 전기 에너지를 생산하는 터보차저(Turbo Charger)(220)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저(220)는 발전기(Generator)(223)가 구비되는 것을 특징으로 하며, 배기가스의 에너지로 회전하는 터빈(Turbine)(221), 터빈(221)의 회전력으로 구동되는 컴프레서(Compressor)(222)를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(223)가 구비된 터보차저(220)의 터빈(221)은, 공급받은 배기가스의 압력으로 터빈 휠(Turbine Wheel)(미도시)을 회전시키고, 터빈 휠의 회전력에 의해 컴프레서(222)의 컴프레서 휠(Compressor Wheel)(미도시)을 구동시키는데, 컴프레서(222)에서는 엔진(200)의 급기로 공급되는 소기(Scavenge Air)를 압축시킨다.
즉, 터보차저(220)에서 배기가스의 에너지를 활용하여 소기를 압축시켜 엔진(200)으로 공급함으로써 엔진(200)에 공기를 과급할 수 있으므로 엔진(200)의 출력을 향상시킬 수 있다. 따라서 터보차저(220)에는 터빈(221)으로 배기가스를 공급하는 배기가스 공급부(미도시)와 터빈 휠을 회전시킨 후 배기가스를 배출하는 배기가스 배출부(미도시), 컴프레서(222)로 외부공기(Ambient Air)를 공급하는 공기 공급부(미도시)와 컴프레서(222)에서 압축된 공기를 배출하는 공기 배출부(미도시)를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저(220)는 발전기(223)를 포함하는데, 발전기(223)는 터빈 휠의 회전력에 의해 전기 에너지를 생산할 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저(220)는 터빈(221), 발전기(223), 컴프레서(222)를 포함하며, 바람직하게는, 터빈(221), 발전기(223), 컴프레서(222)가 하나의 축, 회전축(Rotor Shaft)(220a)에 연결될 수 있다.
하나의 회전축(220a)에 연결된 터빈(221), 발전기(223), 컴프레서(222)는 배기가스의 에너지에 의해 회전하는 터빈 휠의 회전력에 의해 발전기(223), 컴프레서(222)가 구동되며, 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저(220)는 컴프레서(222)의 압축 동력과 발전기(223)로부터의 전기 에너지를 동시에, 함께 생산할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔진의 폐열 회수 시스템에서 배기가스에 의해 구동되어 전기 에너지를 생산하는 파워 터빈을 삭제하고, 터보차저(220)에 발전기(223)를 구비하여 터보차저(220)의 터빈(221)이 엔진의 폐열 회수 시스템의 파워 터빈의 역할을 수행할 수 있으며, 따라서 종래의 폐열 회수 시스템과 비교하여, 파워 터빈 및 파워 터빈으로 배기가스를 공급하는 배관 라인 등의 구성을 삭제하면서도 배기가스를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.
발전기(223)는 전자기유도작용으로 기전력을 발생시키는 원리로 기계적 에너지, 즉 터빈(221)의 회전력을 전기 에너지로 변환시키는데, 크게 자기장을 발생시키는 자석(Magnet)과 기전력을 발생시키는 도체(Conductor)로 구성된다.
예를 들어, 발전기(223)의 회전자가 자석일 경우, 발전기(223)는 교류 발전기일 수 있으며, 회전자에 코일을 감고, 터빈(221)의 회전력에 의해 회전자가 회전하면서 회전자를 둘러싸며 고정되어 있는 고정자, 즉 도체에 기전력을 발생시킨다. 이 때, 회전자의 회전 속도에 따라 기전력의 주파수가 달라진다..
터빈 휠의 회전속도는 터빈(221)으로 공급되는 배기가스량에 따라 조절될 수 있는데, 회전속도는 컴프레서(222)에서 엔진(200)으로 공급되는 소기를 압축하기 위해 필요한 압축 동력에 맞추어 설정되는 것이 바람직하며 그에 따라 터빈(221)으로 공급되는 배기가스량을 조절할 수 있다.
발전기(223)의 회전자는 컴프레서(222)에서 요구되는 압축 동력에 맞추어 설정된 회전속도와 동일한 속도로 회전하면서 전기 에너지를 생산하고, 생산된 전기 에너지는 주파수 변환 장치에서 전기 수요처에서 필요로 하는 주파수로 변환되어 공급될 수 있으며 또는, 축전지에 저장될 수도 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 터보차저(220)의 터빈(221)이 배기가스에 의해 회전하고, 그 회전력에 의해 컴프레서(222)를 구동시키며, 그와 동시에 터보차저(220)의 발전기(223)는 터빈(221)의 동력을 전기 에너지로 전환시킨다.
회전축(220a)에는 터빈 휠과 회전자가 직결되어 연결될 수 있고, 또는 터빈 휠과 컴프레서 휠이 직결되어 연결될 수도 있으며, 회전자는 컴프레서 휠과 직결되어 연결될 수 있다.
즉, 회전축(220a)에 동일선상에 연결되는 터빈(221), 컴프레서(222), 발전기(223)는 터빈(221), 컴프레서(222), 발전기(223)의 순서로 연결될 수 있으며, 바람직하게는, 터빈(221), 발전기(223), 컴프레서(222)의 순서로 연결될 수 있으며, 터빈(221)은 회전축(220a)의 일단에 연결되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 터보차저(220)에서 터빈(221)을 통과한 배기가스를 공급받아 폐열을 회수하는 배기 보일러(Exhaust Boiler)(230)를 더 포함할 수 있다. 배기 보일러(230)에서는 배기가스를 공급받아 배기가스의 폐열을 이용하여 물을 가열시켜 스팀(Steam)을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템은 배기 보일러(230)에서 생산된 스팀을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 스팀 터빈(240)을 더 포함할 수 있고, 스팀 터빈(240)에는 스팀 터빈 발전기(250)가 더 구비될 수 있다.
스팀 터빈(240)에서 터빈(240)의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생산한 후 배출되는 스팀은 배기 보일러(230)로 재순환 될 수 있으며, 배기 보일러(230)에는 물을 공급하는 물 공급라인(미도시)이 마련될 수 있고, 재순환되는 적어도 일부가 응축된 스팀을 재공급받는 스팀 재공급라인(미도시)으로부터 분기되어 마련될 수 있다.
배기 보일러(230)에서 물(Water)과 열교환하여 스팀을 생산한 후 배출되는 배기가스는 외부로 배출될 수 있으며, 스택(Stack)으로 이송되어 연소시켜 처리하거나, 이산화탄소 포집부로 이송되어 배기가스로부터 이산화탄소를 회수한 후 배출될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진의 폐열 회수 시스템 및 발전기가 구비된 터보차저에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 폐열 회수 시스템에서 배기가스로부터 전기 에너지를 생산하기 위해 마련되는 파워 터빈(160)과 파워 터빈(160)으로 배기가스를 공급하기 위해 추가로 마련해야 했던 배관, 밸브 등 각종 설비를 삭제할 수 있고 따라서 폐열 회수 시스템의 구성을 간단하게 할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래에 스팀 터빈(240)과 스팀 터빈 발전기(250)를 공유하던 배기가스를 이용하여 구동되는 파워 터빈을 삭제함에 따라, 엔진에서 회수되는 배기가스는 배기가스 리시버(210) 및 터보차저(230)를 거쳐서 배기 보일러(230)로 공급되므로, 스팀 터빈(240) 및 스팀 터빈 발전(250) 측으로 직접 배기가스를 공급할 필요가 없으므로, 스팀 터빈(240)을 배기 보일러(240)에 종속적으로 위치시킬 수 있고, 제작이 용이하며, 배관 배치가 간단해질 수 있고, 배기 보일러(240)와 스팀 터빈(240)의 거리가 가까워짐에 따라 열손실 및 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
단, 종래에 배기가스로부터 직접 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하던 배관 라인을 삭제함에 따라, 더욱 많은 양의 배기가스를 공급받을 수 있도록, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저(220), 더 구체적으로 터보차저(220)의 터빈(221)은 종래의 것보다 더 큰 용량(Capacity)를 갖는 것으로 마련될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100, 200 : 엔진(Engine)
110, 210 : 배기가스 리시버(Exhaust Gas Receiver)
220 : 발전기가 구비된 터보차저(Turbo Charger with Generator)
220a : 회전축(Rotor Shaft)
221 : 터빈(Turbine)
222 : 컴프레서(Compressor)
223 : 발전기(Generator)
130, 230 : 배기 보일러(Exhaust Boiler)
140, 240 : 스팀 터빈(Steam Turbine)
150, 250 : 스팀 터빈 발전기
160 : 파워 터빈(Power Turbine)

Claims (8)

  1. 엔진(Engine)으로부터 배출되는 배기가스(Exhaust Gas)를 공급받는 배기가스 리시버(Receiver); 및
    상기 배기가스 리시버로부터 배기가스를 공급받아 압축 동력과 전기 에너지를 생산하는 터보차저(Turbo Charger);를 포함하고,
    상기 터보차저는,
    상기 배기가스의 에너지로 회전하는 터빈 휠(Turbine Wheel);
    상기 터빈 휠의 에너지로 구동되는 컴프레서 휠(Compressor Wheel);
    상기 터빈 휠의 에너지로 전기 에너지를 생산하는 발전기(Generator);를 포함하는, 엔진의 폐열 회수 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈 휠, 컴프레서 휠 및 발전기는 하나의 축에 연결되며,
    압축 동력 및 전기 에너지를 동시에 생산하는, 엔진의 폐열 회수 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 터보차저에서 배출되는 배기가스를 공급받아 열교환하는 배기 보일러(Boiler);
    상기 배기 보일러에서 상기 배기가스와 열교환하여 생산되는 스팀으로 운전되는 스팀 터빈; 및
    상기 스팀 터빈과 연결되며, 스팀 터빈의 회전력으로 전기 에너지를 생산하는 스팀 터빈 발전기;를 더 포함하는, 엔진의 폐열 회수 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 배기 보일러로 공급되는 배기가스는,
    상기 엔진으로부터 상기 터보차저를 통과한 후 공급되는, 엔진의 폐열 회수 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 엔진의 폐열 회수 시스템은, 배기가스에 의해 구동되는 파워 터빈을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 엔진의 폐열 회수 시스템.
  6. 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 회수하여 상기 엔진의 출력을 높이는 터보차저에 있어서,
    터빈(Turbine);
    컴프레서(Compressor); 및
    발전기(Generator);를 포함하여,
    상기 배기가스의 에너지를 이용하여 컴프레서를 구동시켜 상기 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air)를 압축시키고,
    상기 배기가스의 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는, 발전기가 구비된 터보차저.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 터빈은 상기 배기가스의 에너지로 회전하는 터빈 휠;을 포함하고,
    상기 컴프레서는 상기 터빈 휠의 회전력으로 구동되는 컴프레서 휠;을 포함하며,
    상기 발전기는 상기 터빈 휠의 회전력을 전기 에너지로 전환하는, 발전기가 구비된 터보차저.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 터빈 휠, 컴프레서 휠 및 발전기는 상기 터보차저의 하나의 축에 연결되는, 발전기가 구비된 터보차저.
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