KR20180021588A - 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법 - Google Patents

선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180021588A
KR20180021588A KR1020160106353A KR20160106353A KR20180021588A KR 20180021588 A KR20180021588 A KR 20180021588A KR 1020160106353 A KR1020160106353 A KR 1020160106353A KR 20160106353 A KR20160106353 A KR 20160106353A KR 20180021588 A KR20180021588 A KR 20180021588A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
engine
cooling water
temperature
waste heat
low
Prior art date
Application number
KR1020160106353A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102542462B1 (ko
Inventor
이승기
최철환
Original Assignee
대우조선해양 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대우조선해양 주식회사 filed Critical 대우조선해양 주식회사
Priority to KR1020160106353A priority Critical patent/KR102542462B1/ko
Publication of KR20180021588A publication Critical patent/KR20180021588A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102542462B1 publication Critical patent/KR102542462B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/02—Driving of auxiliaries from propulsion power plant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/38—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like
    • B63H21/383—Apparatus or methods specially adapted for use on marine vessels, for handling power plant or unit liquids, e.g. lubricants, coolants, fuels or the like for handling cooling-water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J2/00—Arrangements of ventilation, heating, cooling, or air-conditioning
    • B63J2/12—Heating; Cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J4/00—Arrangements of installations for treating ballast water, waste water, sewage, sludge, or refuse, or for preventing environmental pollution not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/085—Sulfur or sulfur oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices
    • B63B2035/4433—Floating structures carrying electric power plants
    • B63B2770/00—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/04—Sulfur or sulfur oxides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system
    • Y02T70/5281—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

본 발명은 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법에 관한 것으로, 기존의 폐열회수시스템과는 달리 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하는 중저온 폐열회수시스템을 구비하여, 선박 내에 여러 형태로 버려지는 250℃ 이하의 중저온의 열원을 사용하여 선박에서 사용하는 에너지를 더욱 절감할 수 있고, 중저온 폐열회수시스템과는 독립적으로 열원을 이용할 수 있어 중저온 폐열회수 시스템을 작동시키지 않는 경우에도 시스템 안정성을 확보할 수 있으며, 황산화물(SOx) 배출 규제를 만족하기 위해 설치된 황산화물 제거 시스템의 운전시 발생하는 폐열을 추가로 회수하여 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있다.

Description

선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법{System and method for saving energy by using waste heat in ship}
본 발명은 2 행정 디젤엔진과 같은 내연기관을 사용하는 선박 엔진 및 보일러에서 발생하는 중저온의 폐열을 회수하여 전기(電氣)를 생산할 수 있는 에너지 절감 시스템 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 엔진 냉각수 순환 및 스팀, 엔진의 소기(scavenge air), 그리고 추가로 배기가스 내의 황산화물 제거 과정에서 발생하는 열을 열원(heat source)으로 하여 중저온 폐열회수시스템의 가스터빈을 구동함으로써 전기를 효율적으로 생산할 수 있는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서는 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중에서 약 50% 정도는 각각 추진이나 발전(發電)에 사용하지만, 나머지 대부분의 열 에너지는 배기가스의 형태로 선박 외부로 배출되어 폐기되거나 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해서 선박 외부로 배출된다.
이와 같은 형태로 선박 외부로 배출되는 열 에너지는 선박 추진이나 발전에 유용한 형태로 전환되지 못하고 폐기되는 데, 이러한 열 에너지를 폐열이라고 일컫는다.
선박 외부로 배출되는 폐열 중에서 일부를 회수하여 유용한 에너지로 재활용할 수 있다면, 그만큼 연료 절약을 도모할 수 있으므로, 선박에서 소모하는 전체 에너지를 절감하는 데 크게 기여할 수 있다.
최근 선박 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수하여 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두하고 있는데, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동 유체로 사용하는 가스터빈(또는 파워 터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동 유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 폐열회수시스템(WHRS: Waste Heat Recovery System)을 적용하고 있다.
그러나 종래 폐열회수시스템의 가스터빈 및 증기터빈은 그 특성상 약 200℃ 내지 250℃의 열원으로부터 열을 회수할 수 있으며, 그 이하 온도의 열은 여전히 폐기될 수밖에 없다.
따라서 100℃ 내지 250℃ 정도의 중저온의 폐열을 열원으로 하여 작동할 수 있는 중저온의 폐열회수시스템을 구비하면, 선박 내 다양한 중저온의 열을 효과적으로 에너지 절감에 활용할 수 있다.
중저온 폐열회수시스템은 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 동작하는 터빈 사이클이며, 이를 통상 ORC(Organic Rankine Cycle)라고 일컫는다.
중저온 폐열회수시스템은 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 사용하므로 물을 작동 유체로 사용하는 증기터빈보다 낮은 온도를 열원으로 하여 동작할 수 있으며, 선박에서 발생하는 250℃ 이하의 폐열을 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있다.
종래에는 기존 선박에서 버려지는 열 에너지 중에서 비교적 고온의 열을 회수하여 전력을 생산함으로써 엔진이 높은 부하로 운전될 때 많은 양의 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있으나, 엔진이 낮은 부하로 운전될 때에는 배기가스의 폐열의 온도가 비교적 낮으므로 폐열회수시스템의 효용성이 떨어지는 문제가 있다.
한편, 에너지 절감과 더불어 국제적으로 이슈가 되고 있는 것은, 엔진의 배기가스로부터 발생하는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx)의 배출 문제인데, 현재 황산화물 또는 질소산화물의 배출량 규제가 적용되며, 지역에 따라 그 규제범위가 다른 실정이다. 특히, 황산화물의 배출량은 MARPOL ANNEX Ⅳ에 따라 도 1의 그래프에 나타난 것처럼 규제되고 있으며, 2015년을 기준으로 Global limitation 지역은 3.5% 이하, SOx Emission Control Area(ECA)는 0.1 % 이하로 규제되고 있다.
Global limitation 지역을 운항할 때에는 황산화물 배출량 규제 농도가 3.5% 이하로서 다소 낮기 때문에, 단순히 저유황 중유(Low Sulphur Heavy Fuel Oil, LSHFO)를 사용함으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있으나, SOx ECA를 운항할 때는 규제 농도가 0.1 %로 매우 낮기 때문에, 황이 0.1 % 미만으로 함유된 저유황 해저가스오일(Low Sulphur Marine Gas Oil, LSMGO)을 연료로 사용하거나, 배기가스 내의 황산화물을 제거하기 위한 배기가스 스크루버(Exhaust Gas Scrubber)를 사용하여야 한다.
초기 배기가스 스크루버는 설치비용이 많이 들고 장비의 크기가 커서 선박 내 설치가 어려워 대부분의 선박 들은 LSMGO를 사용하는 방향으로 운항하는 추세였다. 그러나 SOx ECA를 운항하는 선박들이 많아지고, LSMGO의 적은 생산성으로 인해 LSMGO의 가격이 상승하여 선박의 운항비가 과도하게 증가하는 문제가 발생하면서, 배기가스 스크루버를 설치하는 선박이 늘어나고 있다.
한편, 배기가스 스크루버가 적용되는 시스템은 다음과 같이 크게 3가지 종류로 구분될 수 있다.
첫 번째는 도 2에 도시된 바와 같이, 해수를 직접적으로 배기가스 스크루버(Exhaust Gas Scrubber)에 분사하여 해수에 포함된 알칼리 성분을 통해 황산화물을 제거하는 Open Loop System으로서, 가장 단순하면서 운용 비용이 적게 든다는 장점이 있으나, 사용된 해수를 선박 외부로 배출하기 때문에 해수배출에 관련된 규제가 강한 지역에서는 적용 불가능하다는 단점이 있다.
두 번째는 도 3에 도시된 바와 같이, 수산화나트륨(NaOH) 등의 첨가제가 포함된 청수를 배기가스 스크루버에 분사하여 황산화물을 제거하는 Closed Loop System으로서, 상기 Open Loop System과 달리 지역적인 규제와 무관하게 적용 가능하지만, 청수(淸水)가 계속 선박 내에서 계속 순환하기 때문에 황산화물의 염이 축적되어 스케일 등이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
세 번째는 도 4에 도시된 바와 같이, Open Loop와 Closed Loop를 복합적으로 적용한 Hybrid System으로서, 각각의 장점을 채용할 수 있으나, 그만큼 시스템이 복잡해져 설치 비용 및 운용 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
이와 같은 배기가스 스크루버를 선박에 적용하는 종래의 기술에 관한 특허로서, 등록특허 제1,387,560호, 공개특허 제2014-0117949호 등이 있는데, 종래의 배기가스 스크루버 시스템에서는 배기가스를 정화하는 과정에서 배기가스로부터 해수 또는 청수로 전달된 열이 재사용되지 못하고 냉각수 등을 통해서 폐기되는 문제점이 있었다.
따라서, 이러한 배기가스 스크루버 시스템에서 배기가스의 폐열을 효율적으로 활용하여 에너지를 절감할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.
등록특허 제1,387,560호 (2014.04.15.) 공개특허 제2014-0117949호 (2014.10.08.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 폐열회수시스템과 달리 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하는 중저온 폐열회수시스템을 구비하여, 선박 내에 여러 형태로 버려지는 250℃ 이하의 중저온의 열원을 사용하여 선박에서 사용하는 에너지를 더욱 절감할 수 있고, 중저온 폐열회수시스템과는 독립적으로 열원을 이용할 수 있어 중저온 폐열회수 시스템을 작동시키지 않는 경우에도 시스템 안정성을 확보할 수 있으며, 황산화물(SOx) 배출 규제를 만족하기 위해 설치된 황산화물 제거 시스템의 운전시 발생하는 폐열을 추가로 회수하여 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명은, 선박에서 사용하는 스팀보다 온도가 낮은 엔진 냉각수(Jacket Cooling Fresh Water)를 중저온 폐열회수시스템의 작동 유체인 유기 냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 이용한다. 중저온 폐열회수시스템(200)의 효율을 높이기 위하여 엔진 냉각수의 온도를 높일 수 있도록 선박에서 사용되는 스팀의 일부 또는 사용하고 남은 스팀, 또는 엔진으로 유입되는 소기(scavenge air), 추가로 황산화물 제어시스템과 열교환을 하여서 좀 더 높은 온도의 엔진 냉각수를 열원으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템은, 엔진의 냉각을 위한 엔진 냉각수가 순환되는 엔진 냉각수 순환시스템; 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 작동하되, 상기 엔진 냉각수 순환시스템에서 제공되는 상기 엔진 냉각수를 열원으로 하여 상기 작동 유체를 증발시켜 전력을 생산하기 위하여 엔진 냉각수 순환라인에 설치되는 중저온 폐열회수시스템; 상기 엔진 냉각수 순환시스템과 상기 중저온 폐열회수시스템을 연결하는 엔진 냉각수 순환라인에 설치되며, 상기 엔진 냉각수 순환시스템으로부터 상기 중저온 폐열회수시스템으로 공급되는 상기 냉각수의 온도를 높이기 위하여 상기 엔진 냉각수와 상기 엔진으로 공급되는 소기(scavenge air)와 상호 열 교환시켜서 상기 소기의 온도를 하강시키는 엔진 소기 냉각 시스템; 상기 엔진에서 배출되는 배기가스로부터 황산화물을 제거하기 위하여 배기가스 배출라인에서 분기되는 황산화물 제거 시스템; 및 상기 중저온 폐열회수시스템의 효율을 높이기 위하여 상기 황산화물 제거 시스템을 거친 배기가스의 열을 열원으로 하여 상기 중저온 폐열회수시스템의 유기 냉매를 예열할 수 있도록 상기 중저온 폐열회수시스템의 증발기의 전단에 설치되는 제1차 열교환기;를 포함한다.
본 발명에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, SOx ECA 지역 운항시, 상기 황산화물 제거 시스템 쪽으로 상기 엔진의 배기가스가 공급되도록 엔진의 배기가스 배출라인에 설치된 바이패스 댐퍼(By-pass damper)는 차단되고, 배기가스 공급라인에 설치된 차단댐퍼(Isolation damper)는 개방되며, SOx ECA 지역 이외 운항시, 황산화물 제거 시스템으로 엔진의 배기가스가 공급되지 않도록 배기가스 배출라인에 설치된 상기 바이패스 댐퍼는 개방되고, 상기 배기가스 공급라인에 설치된 상기 차단댐퍼는 차단된다.
본 발명에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 중저온 폐열회수시스템의 비 사용시, SOx ECA 지역 운항시에 해수를 이용하여 상기 황산화물 제거 시스템의 냉각기능을 위해서 제2차 열교환기가 추가로 설치되고, 상기 제2차 열교환기에는 해수 냉각펌프가 연결되고, 상기 제2차 열교환기에는 상기 해수 냉각펌프 사이에 온도조절 밸브가 설치된다.
본 발명에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 상기 제2차 열교환기의 후단에 온도센서가 설치되며, 상기 제2차 열교환기에는 해수 냉각펌프가 연결되고, 상기 해수 냉각펌프에 주파수 변환기가 설치된다. 주파수 변환기는 상기 해수 냉각펌프의 모터 회전수를 제어하여 해수유량을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서, 엔진 소기 냉각시스템은 상대적으로 고온의 냉각수를 이용하여 소기를 냉각하는 제1차 소기 냉각기와, 상대적으로 저온의 냉각수를 이용하여 소기를 냉각하는 제2차 소기 냉각기로 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선박에서 폐기되는 열 에너지 중에서 중저온의 열을 회수하여 전력을 생산하되, 기존에 활용할 수 없었던 열을 추가로 회수하여 재활용할 수 있다. 즉, 황산화물 제거 시스템의 운전시 발생하는 폐열을 추가로 회수하여 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 기존의 폐열회수시스템과 독립적인 열원을 이용함으로써, 기존 폐열회수시스템과 함께 선박에 적용될 수 있으며, 에너지 절감을 통해서 경제적, 환경적 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 엔진이 높은 부하로 운전될 때에 좀 더 넓은 범위의 온도의 폐열을 이용함으로써, 더욱 많은 에너지를 절감할 수 있으며, 또한 낮은 부하로 운전될 때에도 폐열회수가 가능하므로 시스템의 효용성을 유지할 수 있고, 요즘과 같이 엔진을 낮은 부하로 운전하는 'slow steaming'이 보편적으로 사용되는 때에 일정한 시스템 효율을 확보할 수 있다는 측면에서 더욱 큰 의미가 있다.
또한, 중저온 폐열회수 시스템의 작동이 중지된 경우에도 전체적인 시스템 안정성을 확보할 수 있고, SOx 배출 규제를 만족하기 위해 황산화물 제거 시스템(Exhaust Gas SOx Scrubber)이 적용되었을 경우 그 시스템의 폐열을 회수하여 에너지 절감효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 MARPOL ANNEX Ⅳ에 따라 규제되는 황산화물(SOx)의 배출량을 나타낸 그래프
도 2는 종래의 배기가스 스크루버 시스템에 있어서, Open Loop System을 도식적으로 나타낸 도면
도 3은 종래의 배기가스 스크루버 시스템에 있어서, Closed Loop System을 도식적으로 나타낸 도면
도 4는 종래의 배기가스 스크루버 시스템에 있어서, Hybrid Loop System을 도식적으로 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 구성도
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 구성도
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 구성도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에 대하여 상세하게 설명한다. 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대하는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1차 열교환기(500)는 제2차 열교환기(600)로 명명될 수 있고, 제2차 열교환기(600)도 제1차 열교환기(500)로 명명될 수 있다. 본 명세서 전체에서, 특정 부재의 "전단"이라는 용어는 임의의 유체가 특정 부재로 유입되어 들어오는 모든 방향을 의미하며, 마찬가지로 특정 부재의 "후단"이라는 용어는 임의의 유체가 특정 부재로 배출되어 나가는 모든 방향을 의미한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템은 엔진 냉각수 순환시스템(100), 중저온 폐열회수시스템(200), 엔진 소기 냉각 시스템(300), 황산화물 제거 시스템(400), 제1차 열교환기(500), 및 제2차 열교환기(600)를 포함한다.
황산화물 제거 시스템(400)은 엔진(110)에서 배출되는 배기가스로부터 황산화물을 제거하기 위하여 배기가스 배출라인(101)에서 분기된다. 배기가스 배출라인(101)에는 바이패스 댐퍼(By-pass damper)(102)가 설치되고, 배기가스 분기라인(103)에 차단댐퍼(Isolation damper)(104)가 설치된다.
황산화물(SOx) ECA(Emission Control Area) 지역의 운항시, 황산화물 제거 시스템(400)으로 엔진(110)의 배기가스가 공급되도록 바이패스 댐퍼(By-pass damper)(102)는 차단되고, 차단댐퍼(Isolation damper)(104)는 개방된다, 그에 비해서, SOx ECA 지역 이외 운항시, 황산화물 제거 시스템(400)으로 엔진(110)의 배기가스가 공급되지 않도록 바이패스 댐퍼(102)는 개방되고, 차단댐퍼(104)는 차단된다.
엔진 냉각수 순환시스템(100)은 엔진(110)의 엔진 냉각수를 순환시켜 엔진(110)을 냉각하는 장치로, 엔진(110)과, 엔진 냉각수가 순환하는 엔진 냉각수 순환라인(120)과, 엔진 냉각수 순환라인(120)으로 연결되어 엔진(110)을 통과한 열원인 엔진 냉각수를 냉각시키는 재킷 쿨러(jacket cooler)(130)와, 재킷 쿨러(130)와 엔진(110)을 연결하는 엔진 냉각수 순환라인(120)에 마련되어 재킷 쿨러(130)에서 냉각된 엔진 냉각수를 엔진(110)으로 펌핑(pumping)하는 제1 펌프(140)를 포함한다.
엔진 냉각수 순환라인(120)은, 엔진(110)과 재킷 쿨러(130)를 연결하는 제1 엔진 냉각수 순환라인(121)과, 재킷 쿨러(130)와 제1 펌프(140)를 연결하는 제2 엔진 냉각수 순환라인(122)과, 제1 펌프(140)와 엔진(110)을 연결하는 제3 엔진 냉각수 순환라인(123), 및 엔진(110)에서 빠져나온 엔진 냉각수가 냉각수 펌프인 제1 펌프(140)로 바로 공급되도록 하는 바이패스 라인(124)을 포함한다.
엔진 냉각수 순환라인(120)에 온도 센서(126)가 설치되고, 바이패스 라인(124)에는 컨트롤 밸브(125)가 설치될 수 있다. 온도 센서(126) 및 컨트롤 밸브(125)는 엔진 냉각수의 온도가 과도하게 상승하는 않도록 엔진(110)에서 빠져나온 엔진 냉각수가 바이패스 라인(124)을 통해서 바로 냉각수 펌프인 제1 펌프(140)로 공급되도록 한다.
엔진 냉각수 순환시스템(100)의 엔진(110)은 2 행정 디젤엔진과 같은 내연기관을 사용할 수 있고, 선박을 구동하는 메인 엔진일 수 있다.
중저온 폐열회수시스템(200)은 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 작동하되, 엔진 냉각수 순환시스템(100)에서 제공되는 엔진 냉각수를 열원으로 하여 작동 유체를 증발시켜 전력을 생산하기 위하여 엔진 냉각수 순환라인(120)에 설치된다.
중저온 폐열회수시스템(200)은 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 동작하는 터빈 사이클이며, 통상 유기 랜킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)이라고도 한다.
중저온 폐열회수시스템(200)은 물보다 비등점이 낮은 유기 냉매, 예를 들어 R 134a를 사용할 수 있으므로, 물을 작동 유체로 하는 증기터빈보다 낮은 온도를 열원으로 하여 동작할 수 있으므로 선박에서 발생하는 100℃ 내외의 폐열을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다.
본 실시 예에서는, 통상 선박에서 사용되는 스팀보다 온도가 낮은 열원인 엔진 냉각수(Jacket Cooling Fresh Water)를 중저온 폐열회수시스템(200)의 작동 유체인 유기 냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 사용하므로, 그만큼의 연료를 절약할 수 있어 선박에서 소모되는 전체 에너지를 절감할 수 있다.
중저온 폐열회수시스템(200)은 엔진(110)에서 전달되는 냉각수와의 열교환을 통해 유기 냉매를 증발시키는 증발기(210)와, 증발기(210)에 의해 증발된 유기 냉매를 매개로 회전되는 터빈(220)과, 터빈(220)의 회전에 따라 연동하여 전력을 생산하는 발전기(230)와, 터빈(220)에서 나온 유기 냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기(240)와, 응축기(240)에서 나온 응축된 유기 냉매를 압축시켜 증발기(210)로 제공하는 제2 펌프(250)를 포함한다.
엔진 소기 냉각 시스템(300)은 엔진 냉각수 순환시스템(100)과 중저온 폐열회수시스템(200)을 연결하는 엔진 냉각수 순환라인(123)에 설치되는데, 엔진 냉각수 순환시스템(100)으로부터 중저온 폐열회수시스템(200)으로 공급되는 엔진 냉각수의 온도를 높이기 위하여, 엔진 냉각수와 엔진(110)으로 공급되는 소기(scavenge air)를 상호 열 교환시켜서 소기의 온도를 하강시키고 엔진 냉각수의 온도는 상승시킨다.
엔진 소기 냉각 시스템(300)은 엔진 냉각수와 과급기(미도시)에서 공급되는 소기를 상호 열 교환시키는 제1 소기 냉각기(310)와, 제1 소기 냉각기(310)에서 냉각된 소기를 약 30~40℃의 저온 냉각수와 상호 열 교환시키는 제2 소기 냉각기(320)를 포함한다. 과급기는 공지의 기술에 해당하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 엔진 소기 냉각 시스템(300)은 엔진 냉각수를 제1 소기 냉각기(310)로 공급시키는 방향전환밸브, 예를 들어 삼방 밸브(330)와, 제1 소기 냉각기(310)와 중저온 폐열회수시스템(200)을 연결하는 냉각수 순환라인(120)에 마련되어 제1 소기 냉각기(310)로 공급된 저온 냉각수가 중저온 폐열회수시스템(200)으로 공급되지 않고 배출되도록 저온 냉각수의 배출 방향을 전환시키는 삼방 밸브(340)를 포함한다.
또한, 중저온 폐열회수시스템(200)이 미작동 중인 경우, 제1 소기 냉각기(310)의 온도 상승으로 인한 압력 증가 등을 방지하기 위해 저온 냉각수를 제1 소기 냉각기(310)로 공급시키고 공급된 저온 냉각수가 중저온 폐열회수시스템(200)으로 공급되지 않고 배출되도록 하는 역할을 한다. 그리고 본 실시 예에서 삼방 밸브(330)(340)는 전기적 신호에 의해 제어되는 비례 제어밸브일 수 있다.
황산화물 제거 시스템(400)은 해수(海水)를 직접적으로 황산화물 스크루버(410)에 분사하여 해수(海水)에 포함된 알칼리 성분을 통해 황산화물을 제거할 수 있다.
황산화물 제거 시스템(400)은 엔진 배기가스에서 황산화물(SOx)을 제거하는 황산화물 스크루버(SOx scrubber)(410), 황산화물 스크루버(410)에 공급되는 NaOH를 저장하는 NaOH 탱크(420), 황산화물 스크루버(410)의 청수를 저장 및 NaOH가 공급되는 순환탱크(430), 황산화물 스크루버(410)에 청수를 순환시키는 순환펌프(440), 황산화물 스크루버(410)에서 열을 냉각시키기 위해 해수를 공급하는 해수냉각펌프(450), 황산화물 스크루버(410)에서 배기가스로부터 발생한 불순물을 선박 외부로 배출할 수 있도록 제거하는 수처리 장치(460), 황산화물 제거 시스템(400)에서 발생한 불순물이 분리되어 저장되는 슬러지 탱크(Sludge Tank)(470), 수처리 장치(460)에서 수처리 후 선박 외부로 배출하기 전에 수질(Water quality)을 측정하는 워시 워터 모니터 장치(Wash Water Monitor System)(480), 황산화물 스크루버(410)의 후단에서 황산화물(SOx)을 제거한 후 배기가스 내의 황산화물 함유량을 측정하는 배기가스 모니터 장치(490)를 포함한다.
황산화물 스크루버(410)는 배기가스 내에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하여
배기가스를 정화하는 장치로서, 황산화물 등을 포함한 오염된 배기가스가 황산화물
스크루버(410)에 공급되면, 상단에서 청수(fresh water)가 분사된다. 이때, 배기가스 내에 포함되어 있던 황산화물이 청수에 녹아 제거됨으로써, 배기가스가 정화되고, 정화된 배기가스는 선박 외부로 배출된다. 선박 외부로 배기가스가 배출되는 배관라인(411) 상에 설치된 배기가스 모니터 장치(490)가 배기가스 내에 포함된 황산화물 등의 오염물질 농도를 측정함으로써, 선박 외부로 배출되는 배기가스의 오염 정도를 확인할 수 있다.
제1차 열교환기(500)는 중저온 폐열회수시스템(200)의 효율을 높이기 위하여 황산화물 제거 시스템(400)을 거친 배기가스의 열을 열원으로 하여, 중저온 폐열회수시스템(200)의 유기 냉매를 예열할 수 있도록 중저온 폐열회수시스템(200)의 증발기(210)의 전단에 설치될 수 있다.
제2차 열교환기(600)는 중저온 폐열회수시스템(200)의 비 사용시, 황산화물(SOx) ECA 지역 운항시, 해수를 이용하여 황산화물 제거 시스템(400)의 냉각하는 역할을 한다. 상기 제2차 열교환기의 후단에는 온도센서(S)가 설치되며, 제2차 열교환기(600)에는 해수 냉각펌프(450)가 연결되고, 제2차 열교환기(600)에는 해수 냉각펌프(450) 사이에 온도조절밸브(451)가 설치될 수 있다. 온도센서(S)는 제2차 열교환기(600)를 거친 순환 청수(Fresh water)가 황산화물 스크루버(410)로 공급될 때, 설정된 온도를 유지할 수 있도록 온도를 감지한다.
본 실시 예에서는, 순환펌프(440)의 후단에서 제1차 열교환기(500)로 연결되는 위치에 설치되는 제1 파이프 라인(L1), 제2차 열교환기(600)에서 황산화물 스크루버(410)로 연결되는 위치에 설치되는 제2 파이프 라인(L2), 중저온 폐열회수시스템(200)의 압축펌프(250)의 후단에서 제1차 열교환기(500)로 연결되는 위치에 설치되는 제3 파이프 라인(L3), 제1차 열교환기(500)에서 증발기(210)로 연결되는 제4 파이프 라인(L4), 황산화물 스크루버(410)의 미작동 시, 유기 냉매가 제2차 열교환기(600)를 바이패스(By-pass) 시킬 수 있는 바이패스 라인(By-pass line)(L5)이 구비된다.
온도조절밸브(451)는 일정한 순환 청수가 황산화물 스크루버(410)로 공급될 수 있도록 제2차 열교환기(600)에 공급되는 해수의 유량을 조절하고, 과잉 공급되는 해수는 온도조절밸브(451)를 통해서 바이패스(By-pass) 하여 선박 외부로 배출한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 선박에서 사용하는 스팀보다 온도가 낮은 엔진 냉각수 (Jacket Cooling Fresh Water)를 중저온 폐열회수시스템(200)의 작동 유체인 유기 냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 이용한다.
본 발명에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감방법은 엔진 냉각수 순환시스템의 냉각수 순환라인을 흐르는 엔진 냉각수(Jacket Cooling Fresh Water)를 중저온 폐열회수시스템(200)의 작동 유체인 유기 냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 이용하여 전기를 생산하되, 상기 중저온 폐열회수시스템(200)의 효율을 높이기 위하여 상기 냉각수 순환라인에 엔진 소기 냉각시스템(300)과 황산화물 제거 시스템을 설치하고, 소기 냉각 및 황산화물 제거 과정에서 발생하는 열을 열원으로 하여 엔진 냉각수의 온도를 높일 수 있다.
즉, 중저온 폐열회수시스템(200)의 효율을 높이기 위하여 엔진 냉각수의 온도를 높일 수 있도록 선박에서 사용되는 스팀의 일부 또는 사용하고 남은 스팀, 또는 엔진으로 유입되는 소기(scavenge air), 또는 황산화물 제어시스템(400)과 열교환을 하여 좀 더 높은 온도의 엔진 냉각수를 열원으로 사용할 수 있다.
엔진(110)의 소기 냉각 시스템(300)은 2단으로 구성되어 엔진 냉각수의 온도를 높이는 동시에 소기의 냉각도 원하는 만큼 원활하게 이루어진다.
본 발명에서는 중저온 폐열회수 시스템(200)을 작동시키지 않는 경우, 중저온 폐열회수 시스템(200)의 안정성을 유지하기 위하여, 엔진 냉각수가 유입되는 제1차 소기 냉각기(310)의 입구와 출구에 방향전환밸브(330)(340)가 각각 구비된다.
중저온 폐열회수 시스템(200)이 작동하지 않을 때에는 제1차 소기 냉각기(310)에 엔진 냉각수가 순환하지 않는데(dry running), 이 경우 제1차 소기 냉각기(310) 내에 정체된 엔진 냉각수의 온도가 지속적으로 상승하여 비등점을 넘게 되고 증기가 발생하여 엔진 냉각수 순환라인(120)의 압력이 상승할 수 있으나, 안전밸브(미도시)가 설치되어 일정압력 이상으로는 올라가지 않는다.
또한, 제1차 소기 냉각기(310)에서 냉각이 일어나지 않으므로 제2차 소기 냉각기(320)에 부담을 줄 수 있으며, 경우에 따라서는 소기의 냉각이 원하는 만큼 이루어지지 않아 엔진(110)의 성능에 영향을 줄 수 있다.
즉, 본 발명에서는 제1차 소기 냉각기(310)를 통과하는 엔진 냉각수 라인(120)의 제1차 소기 냉각기(310)의 입구와 출구에 각각 방향전환밸브(3 way valve)(330)(340)를 설치함으로써, 중저온 폐열회수 시스템(200)이 정지되어 있을 때에는 방향전환밸브(330)(340)가 작동하여 고온의 엔진 냉각수 대신 저온의 냉각수가 흐를 수 있도록 한다. 즉, 방향전환밸브(330)(340)의 역할은 고온의 엔진 냉각수 또는 저온의 냉각수가 운전 모드에 따라서 선택적으로 제1차 소기 냉각기(310)에 유입될 수 있도록 제어한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 온도 센서(126) 및 컨트롤 밸브(125)가 엔진 냉각수의 온도가 과도하게 상승하는 것을 방지한다. 본 발명의 엔진(110)에서 빠져나온 엔진 냉각수가 바이패스 라인(124)을 통해 바로 엔진 냉각수 냉각 및 냉각수 펌프(140)로 공급될 수도 있고, 중저온 폐열회수 장치(200)에 열을 공급하기 위하여 엔진 소기 냉각시스템(300)을 통과하여 중저온 폐열회수 시스템(200)의 증발기(210)를 거쳐 다시 바이패스 라인(124)과 합류하여 냉각수 펌프(140)로 들어갈 수도 있다. 특히, 중저온 폐열회수 시스템(200)을 작동시키지 않는 경우에 엔진 냉각수의 전량은 바이패스 라인(124)을 통해 순환된다. 반대로, 중저온 폐열회수 시스템(200)을 작동시키면, 바이패스 라인(124)은 차단하고 전량 중저온 폐열회수 시스템(200)을 거쳐서 순환된다.
하지만, 엔진 소기 냉각시스템(300)에서 공급받는 열 에너지가 중저온 폐열회수 시스템(200)으로 전달하는 열 에너지보다 많게 되면, 엔진 냉각수의 온도는 상승하게 되어 전체 시스템 효율 및 안정성에 영향을 줄 수 있기 때문에, 본 발명의 제1 실시 예에서는 중저온 폐열회수 시스템(200)의 증발기(210)를 빠져나와 바이패스 라인(124)과 합류한 이후의 지점에서, 온도 센서(126)에 의해서 엔진 냉각수의 온도가 허용치를 초과하면(예를 들어, 기존 엔진냉각수 순환 온도 대비 약 3℃ 이상 상승하면), 바이패스 라인(124) 상에 설치된 컨트롤 밸브(125)가 바이패스 라인(124)을 통과하는 유량, 즉 반대급부로 중저온 폐열회수 시스템(200)을 통과하는 유량을 조절하여서 전체 엔진 냉각수의 온도를 조절하도록 한다.
추가로, 엔진을 빠져나온 엔진 냉각수의 온도와 엔진 소기 냉각시스템(300) 그리고 중저온 폐열회수 시스템(200)을 통과한 엔진 냉각수의 온도가 동일한 경우는 전체 엔진 냉각 시스템의 성능이 그대로 유지되는 경우이며, 이 경우 중저온 폐열회수 시스템(200)을 작동시키는 열원은 엔진 소기 냉각시스템(300)에서 흡수하는 열이 되며, 엔진 냉각수는 열원의 역할은 아니고 단순히 열 전달 매체로 역할을 하는 것이라고 할 수 있다. 그에 비해서, 중저온 폐열회수 시스템(200)을 거친 엔진 냉각수의 온도가 엔진을 빠져나온 온도보다 낮아진 경우는 엔진 냉각수 또한 열원으로서의 역할을 한다.
한편, 본 발명은 황산화물(SOx) 규제에 대한 것과 관련이 있으므로 질소산화물(NOx) 규제에 대해서는 언급하지 않는다. 황산화물 규제는 MARPOL ANNEX VI에 의해 규제되고 있는바, MARPOL Annex VI에 규정되는 SOx(Sulphur oxides) 배출 규제를 만족하기 위한 방안으로 황산화물 제거 시스템(400)의 폐열을 열원으로 이용하는 방법을 들 수 있다.
황산화물 제거 시스템(400)은 엔진(110)에서 배출되는 배기가스로부터 황산화물을 제거하기 위하여 배기가스 배출라인(103)에서 분기되는 장치로서, 본 발명은 황산화물 제거 시스템(400)이 적용된 선박에서, 황산화물 제거 시스템(400)의 폐열을 추가적인 열원으로 회수할 수 있도록 구성하여 기존에 냉각을 통해 버려졌던 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 황산화물 제거 시스템의 황산화물 스크루버(Exhaust Gas Scrubber: Closed loop system base including hybrid)가 적용된 선박에서, 냉각을 통해서 버려졌던 열을 중저온 폐열회수 시스템에서 기존 폐열 원에 추가로 회수하여 전력 생산을 극대화할 수 있도록 한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 연료 소모량 절감, CO2 배출 절감 등의 경제적, 환경적 측면으로 기여할 수 있다는 점에서 향후 기대 효과가 뛰어나다고 할 수 있다.
특히, 최근에는 선박을 저속으로 운항하여 연료비를 절감하는 선주들이 많으며, 저속으로 운항할 경우 엔진의 출력은 최대 출력의 30%~50% 정도만 사용하게 되는데, 이렇게 낮은 부하로 엔진을 운전하면 배기가스의 온도가 낮을 수 있기 때문에 기존과 같이 고온의 열을 이용하는 기존의 폐열회수시스템은 그 역할을 제대로 하지 못하는 반면, 중저온의 열을 이용하는 본 발명은 낮은 엔진 부하에서도 효력을 발휘할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 중저온 폐열회수시스템(200)의 비 사용시, SOx ECA 지역 운항시, 해수를 이용하여 황산화물 제거 시스템(400)의 냉각기능을 위해서 제2차 열교환기(600)가 설치되고, 제2차 열교환기(600)에는 해수 냉각펌프(450)가 연결되고, 해수 냉각펌프(450)에는 주파수 변환기(453)가 설치될 수 있다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 제2차 열교환기(600)를 거친 순환 청수(Fresh water)가 황산화물 스크루버(410)로 공급될 때, 설정된 온도를 유지할 수 있도록 온도를 감지하는 온도센서(S)가 설치된다. 온도조절밸브(451: 도 1 참조) 대신 제2차 열교환기(600)에서 필요한 해수 유량만큼 해수량을 조절하기 위하여 해수 냉각펌프(450)에 주파수 변환기(453)가 설치될 수 있다. 주파수 변환기(453)는 해수 냉각펌프(450)의 모터 회전수(또는 속도)를 조절하여 제2차 열교환기(600)에서 필요한 해수 유량만큼 해수량을 조절하므로 도 5에 도시된 온도조절밸브(451)를 필요로 하지 않는다.
한편, 도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템은, 엔진 냉각수 순환시스템(100)으로부터 중저온 폐열회수시스템(200)으로 공급되는 엔진 냉각수의 온도를 높이기 위하여 엔진 소기 냉각시스템(300)과 엔진(110) 사이의 엔진 냉각수 순환라인(123)에 설치되는 덤핑 콘덴서 시스템(800)을 더 포함할 수 있다.
엔진 소기 냉각시스템(300)과 엔진(110) 사이의 엔진 냉각수 순환라인(123)에 덤핑 콘덴서 시스템(800)이 더 설치됨으로써, 엔진 냉각수 순환시스템(100)으로부터 중저온 폐열회수시스템(200)으로 공급되는 엔진 냉각수의 온도를 더욱 높일 수 있다. 스팀의 열을 이용하여 엔진 냉각수의 온도를 올리기 위해서 덤핑 콘덴서(사용하고 남은 스팀을 냉각하여 물로 응축시키는 장치)에서 엔진 냉각수와 스팀 사이의 열교환을 하도록 구성한다. 기존 덤핑 콘덴서에서는 엔진 냉각수(Jacket cooling water 통상 80~90℃로 유지)로 스팀을 냉각하지 않고 저온의 냉각수(통상, 30~40℃로 유지됨)를 사용하여 냉각을 하였으나, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템에서는, 엔진 냉각수를 이용하여 1차로 열교환을 하고, 스팀을 완전히 물로 응축시키기 위하여 제2차로 기존 저온의 냉각수를 사용하도록 한다.
2단으로 구성된 덤핑 콘덴서 시스템(800)은 하나의 장비 내에 2단을 모두 포함할 수도 있고, 직렬로 연결된 별도의 2개의 장비로 구성할 수도 있다. 엔진 냉각수는 스팀으로부터 열을 흡수하여 온도를 더 높일 수 있고, 스팀은 엔진 냉각수뿐만 아니라 저온의 냉각수와의 열교환을 통해 응축될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선박에서 폐기되는 열 에너지 중에서 중저온의 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있으므로, 기존에 활용할 수 없었던 열을 추가로 회수하여 재활용할 수 있다. 즉, 황산화물 제거 시스템의 운전시 발생하는 폐열을 추가로 회수하여 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 기존의 폐열회수시스템과 독립적인 열원을 이용함으로써, 기존 폐열회수시스템과 함께 선박에 적용될 수 있으며, 에너지 절감을 통한 경제적, 환경적 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 엔진이 높은 부하로 운전될 때에 좀 더 넓은 범위의 온도의 폐열을 이용함으로써, 더욱 많은 에너지를 절감할 수 있으며, 또한 낮은 부하로 운전될 때에도 폐열회수가 가능하므로 시스템의 효용성을 유지할 수 있고, 요즘과 같이 엔진을 낮은 부하로 운전하는 'slow steaming'이 보편적으로 사용되는 때에 일정한 시스템 효율을 확보할 수 있다는 측면에서 더욱 큰 의미가 있다.
또한, 중저온 폐열회수 시스템의 작동이 중지된 경우에도 전체적인 시스템 안정성을 확보할 수 있고, SOx 배출 규제를 만족하기 위해 황산화물 제거 시스템(Exhaust Gas SOx Scrubber) 적용되었을 경우 시스템의 폐열을 회수하여 에너지 절감효과를 극대화할 수 있다.
본 발명의 기술은 엔진 냉각수, 덤핑 콘덴서, 엔진 소기 냉각시스템을 통해서 기존에 버려졌던 중저온의 폐열을 회수하여 연료 효율을 높이기 위한 목적과, 시스템의 안정성을 확보하기 위한 목적을 달성하기 위한 구성으로, 본 명세서에 포함된 것은 구체적인 실시의 예들로 본 발명은 여기에 국한되지 아니하며, 해당 분야의 통상의 지식을 가진 사람이 행할 수 있는 여러 변용을 포함함은 자명한 것이다.
엔진 냉각수를 열 전달 매체로 직접 이용하는 대신에, 별도의 매개체, 예를 들어 써멀오일(thermal oil), 스팀(steam) 등을 사용한 순환 사이클을 중간에 더 포함함으로써, 이를 통해서 엔진 냉각수 순환시스템, 덤핑 콘덴서 시스템, 엔진 소기 냉각 시스템의 열을 중저온 폐열회수 시스템에 전달할 수도 있다.
100: 엔진 냉각수 순환시스템
110: 엔진
120: 엔진 냉각수 순환라인
200: 중저온 폐열회수시스템
210: 증발기
300: 소기 냉각 시스템
310: 제1차 소기 냉각기
320: 제2차 소기 냉각기
330,340: 방향전환밸브
400: 황산화물 제거 시스템
410: 황산화물 스크루버
411: 배관라인
420: NaOH 탱크
430: 순환탱크
440: 순환펌프
450: 해수냉각펌프
450: 해수 냉각펌프
451: 온도조절밸브
460: 수처리 장치
470: 슬러지 탱크(Sludge Tank)
480: 워시 워터 모니터 장치(Wash Water Monitor System)
490: 배기가스 모니터 장치
500: 제1차 열교환기
600: 제2차 열교환기
800: 덤핑 콘덴서 시스템
S: 온도센서
L1: 제1 파이프 라인
L2: 제2 파이프 라인
L3: 제3 파이프 라인
L4: 제4 파이프 라인
L5: 바이패스 라인(By-pass line)

Claims (10)

  1. 엔진의 냉각을 위한 엔진 냉각수가 순환되는 엔진 냉각수 순환시스템;
    물보다 비등점이 낮은 유기 냉매를 작동 유체로 하여 작동하되, 상기 엔진 냉각수 순환시스템에서 제공되는 상기 엔진 냉각수를 열원으로 하여 상기 작동 유체를 증발시켜 전력을 생산하기 위하여 엔진 냉각수 순환라인에 설치되는 중저온 폐열회수시스템;
    상기 엔진 냉각수 순환시스템과 상기 중저온 폐열회수시스템을 연결하는 엔진 냉각수 순환라인에 설치되며, 상기 엔진 냉각수 순환시스템으로부터 상기 중저온 폐열회수시스템으로 공급되는 상기 냉각수의 온도를 높이기 위하여 상기 엔진 냉각수와 상기 엔진으로 공급되는 소기(scavenge air)와 상호 열 교환시켜서 상기 소기의 온도를 하강시키는 엔진 소기 냉각 시스템; 및
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스로부터 황산화물을 제거하기 위하여 배기가스 배출라인에서 분기되는 황산화물 제거 시스템;을 포함하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중저온 폐열회수시스템의 효율을 높이기 위하여 상기 황산화물 제거 시스템을 거친 배기가스의 열을 열원으로 하여 상기 중저온 폐열회수시스템의 유기 냉매를 예열할 수 있도록 상기 중저온 폐열회수시스템의 증발기의 전단에 설치되는 제1차 열교환기; 및
    상기 중저온 폐열회수시스템의 비 사용시, SOx ECA 지역의 운항시 해수를 이용하여 상기 황산화물 제거 시스템의 냉각기능을 위한 제2차 열교환기;를 더 포함하고,
    상기 제2차 열교환기의 후단에는 온도센서가 설치되며, 상기 제2차 열교환기에는 해수 냉각펌프가 연결되고, 상기 제2차 열교환기에는 상기 해수 냉각펌프 사이에 온도조절밸브가 설치되는 것을 특징을 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 센서에 측정된 온도가 설정 온도 범위 미만이거나 설정 온도 범위를 초과하면, 상기 온도조절밸브를 제어하여 선박 외부로 배출되는 해수의 양을 증가시키거나 감소시키는 것을 특징으로 하는, 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진 냉각수 순환시스템으로부터 상기 중저온 폐열회수시스템으로 공급되는 상기 엔진 냉각수의 온도를 높이기 위하여 상기 엔진 소기 냉각시스템과 상기 엔진 사이의 엔진 냉각수 라인에 설치되는 덤핑 콘덴서 시스템을 더 포함하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    SOx ECA 지역 운항시, 상기 황산화물 제거 시스템으로 상기 엔진의 배기가스가 공급되도록 배기가스 배출라인에 설치된 바이패스 댐퍼(By-pass damper)는 차단되고, 배기가스 공급라인에 설치된 차단댐퍼(Isolation damper)는 개방되며,
    SOx ECA 지역 이외 운항시, 상기 황산화물 제거 시스템으로 상기 엔진의 배기가스가 공급되지 않도록 상기 배기가스 배출라인에 설치된 상기 바이패스 댐퍼는 개방되고, 상기 배기가스 공급라인에 설치된 상기 차단댐퍼는 차단되는 것을 특징으로 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진 소기 냉각시스템은 상대적으로 고온의 냉각수를 이용하여 소기를 냉각하는 제1차 소기 냉각기와, 상대적으로 저온의 냉각수를 이용하여 소기를 냉각하는 제2차 소기 냉각기로 구성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템.
  7. 엔진 냉각수 순환시스템의 냉각수 순환라인을 흐르는 엔진 냉각수(Jacket Cooling Fresh Water)를 중저온 폐열회수시스템의 작동 유체인 유기 냉매를 증발시키는 열원 및 열전달 물질로 이용하여 전기를 생산하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 방법으로서,
    상기 중저온 폐열회수시스템의 효율을 높이기 위하여 상기 냉각수 순환라인에 황산화물 제거 시스템을 설치하고, 황산화물 제거 과정에서 발생하는 열을 열원으로 하여 엔진 냉각수의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 중저온 폐열회수시스템의 효율을 높이기 위하여 상기 냉각수 순환라인에 엔진 소기 냉각시스템을 더 설치하고, 소기 냉각 과정에서 발생하는 열을 열원으로 하여 엔진 냉각수의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    엔진 냉각수의 온도가 과도하게 상승하는 경우, 상기 냉각수 순환라인에 설치된 온도 센서가 엔진 냉각수의 온도를 감지하고, 바이패스 라인에 설치된 컨트롤 밸브가 엔진에서 빠져나온 엔진 냉각수를 상기 바이패스 라인을 통해서 상기 냉각수 순환라인의 냉각수 펌프인 제1 펌프로 공급하는 것을 특징으로 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 중저온 폐열회수 시스템을 작동시키지 않는 경우에 엔진 냉각수의 전량을 상기 바이패스 라인을 통해서 상기 냉각수 순환라인의 냉각수 펌프인 제1 펌프로 공급하여 순환시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감방법.
KR1020160106353A 2016-08-22 2016-08-22 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법 KR102542462B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160106353A KR102542462B1 (ko) 2016-08-22 2016-08-22 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160106353A KR102542462B1 (ko) 2016-08-22 2016-08-22 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180021588A true KR20180021588A (ko) 2018-03-05
KR102542462B1 KR102542462B1 (ko) 2023-06-14

Family

ID=61726804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160106353A KR102542462B1 (ko) 2016-08-22 2016-08-22 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102542462B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210028859A (ko) * 2019-09-05 2021-03-15 한국조선해양 주식회사 배기가스 처리장치 및 이를 포함하는 선박
CN114655414A (zh) * 2022-04-02 2022-06-24 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种高能效的船舶冷却系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140042323A (ko) * 2012-09-28 2014-04-07 대우조선해양 주식회사 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템
KR101387560B1 (ko) 2010-11-26 2014-04-23 대우조선해양 주식회사 선박용 내연기관 시스템 및 이에 적합한 배기가스 정화 시스템
KR101390495B1 (ko) * 2013-03-29 2014-04-30 삼성중공업 주식회사 선박의 냉각 시스템 및 선박의 냉각 시스템의 제어방법
KR20140117949A (ko) 2013-03-27 2014-10-08 한국해양대학교 산학협력단 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치
KR101519542B1 (ko) * 2014-03-27 2015-05-12 대우조선해양 주식회사 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치
KR20160077474A (ko) * 2014-12-23 2016-07-04 주식회사 에이치케이터빈 선박용 폐열 회수 시스템

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101387560B1 (ko) 2010-11-26 2014-04-23 대우조선해양 주식회사 선박용 내연기관 시스템 및 이에 적합한 배기가스 정화 시스템
KR20140042323A (ko) * 2012-09-28 2014-04-07 대우조선해양 주식회사 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템
KR20140117949A (ko) 2013-03-27 2014-10-08 한국해양대학교 산학협력단 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치
KR101390495B1 (ko) * 2013-03-29 2014-04-30 삼성중공업 주식회사 선박의 냉각 시스템 및 선박의 냉각 시스템의 제어방법
KR101519542B1 (ko) * 2014-03-27 2015-05-12 대우조선해양 주식회사 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치
KR20160077474A (ko) * 2014-12-23 2016-07-04 주식회사 에이치케이터빈 선박용 폐열 회수 시스템

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210028859A (ko) * 2019-09-05 2021-03-15 한국조선해양 주식회사 배기가스 처리장치 및 이를 포함하는 선박
CN114655414A (zh) * 2022-04-02 2022-06-24 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种高能效的船舶冷却系统
CN114655414B (zh) * 2022-04-02 2024-04-09 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种高能效的船舶冷却系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR102542462B1 (ko) 2023-06-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101310964B1 (ko) 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치
KR101356005B1 (ko) 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감장치
KR102313221B1 (ko) 선박 내 배기가스 스크러버 및 폐열 회수 장치에서 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 및 이를 이용한 에너지 회수 방법
CN109268099B (zh) 一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机余热回收系统及其方法
KR101185444B1 (ko) 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템
KR101818525B1 (ko) 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법
KR20130012125A (ko) 화석 연료 발전소로부터의 배출 가스로부터 이산화탄소의 분리를 위한 방법 및 장치
JP6122300B2 (ja) エンジンシステム及び船舶
KR20180021588A (ko) 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법
CN103380277A (zh) 用于具有涡轮增压器的海上船舶的吸入空气冷却系统
KR101403622B1 (ko) 증기의 소모없이 용존산소를 제거할 수 있는 선박의 폐열회수시스템
KR20180019890A (ko) 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법
KR20180076922A (ko) 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템
KR101922026B1 (ko) 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템
KR101914812B1 (ko) 엔진 폐열을 이용한 흡기 냉각 제어시스템
KR101300714B1 (ko) 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치
KR101519542B1 (ko) 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치
CN203837320U (zh) Fpso 船主机高温水热回收利用装置
CN219974615U (zh) 一种工业发电用内燃机缸套水冷却提升系统
KR20100113756A (ko) 선박 기관의 소기 냉각 장치
RU2466289C1 (ru) Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск
CN216429735U (zh) 一种混合式船舶脱硫系统的余热发电系统
RU180005U1 (ru) Газотурбинная воздухонезависимая установка подводного аппарата
KR20150088516A (ko) 유기냉매의 폐열을 이용한 선박의 에너지 절감 장치
RU162436U1 (ru) Устройство охлаждения судового дизеля

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right