KR20180046628A

KR20180046628A - 가스터빈 발전용 해수 담수화 장치

Info

Publication number: KR20180046628A
Application number: KR1020160142012A
Authority: KR
Inventors: 이상호
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-09
Also published as: KR102016320B1

Abstract

본 발명의 가스터빈 발전용 담수화 장치는 가스터빈, 상기 가스터빈의 배기가스 및 해수가 열교환되면서 상기 배기가스의 열원을 회수하는 배기가스열교환유닛, 상기 배기가스열교환유닛에서 배출되는 해수가 유입되어 스팀과 고염도해수로 상분리되는 상분리기 및 상기 상분리기에서 생성된 스팀을 이용하여 상기 가스터빈으로 유입되는 액화연료를 가열하고, 청수를 생산하는 기화열교환기유닛을 포함할 수 있다.

Description

가스터빈 발전용 해수 담수화 장치{SEA WATER DESALINATION APPARATUS FOR GAS TURBINE GENERATOR}

본 발명은 폐열을 회수하면서 가열된 해수를 상분리기를 통하여 스팀 및 고염도 해수로 상 분리하고, 상 분리된 스팀 및 고염도 해수를 가스터빈 기화기의 열원으로 사용하면서 담수를 확보하는 가스터빈 발전용 해수 담수화 장치에 관한 것이다.

선박을 포함하는 해상구조물에는 해상구조물 운영을 위하여 필요한 전력의 생산하기 위한 다양한 발전장치가 구비된다.

또한 최근에는 발전시스템 자체가 해상구조물 위에 구비되는 경우가 있고, 이에 따라 재난 등에 의하여 해당 지역의 전력공급이 안되는 경우, 또는 충분한 발전설비가 구비되는 않는 지역의 근해에 배치되어 전력을 공급하는 다양한 형태의 전력선들에 대한 개념이 제안되고 있다.

이러한 선박에는 다양한 형태의 발전설비를 구비할 수 있으나, 최근에 액화천연가스를 주연료로 하는 가스터빈발전 및 가스터빈발전에서 발생하는 폐열을 회수하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있도록 구성된 가스터빈발전장치가 많이 사용되고 있다.

그리고 전체 시스템의 구동에 필요한 열원으로 해상구조물임에 따라 확보가 용이한 해수를 이용하는 것이 일반적이다.

그러나 종래에는 담수화 목적의 해수를 선박의 냉각열원으로 사용하기 위한 다양한 시도는 있었지만, 담수화 과정에서 발생하는 고농축 해수의 활용방안에 대한 시도는 없었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0131641호

본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박의 냉각열원으로 사용된 후 가열된 해수를 상 분리하고, 상 분리된 고염도 해수 및 스팀을 활용하여 기화 및 담수를 추출하기 위한 내용의 발명이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명의 가스터빈발전용 담수화 장치는 가스터빈, 상기 가스터빈의 배기가스 및 해수가 열교환되면서 상기 배기가스의 열원을 회수하는 배기가스열교환유닛, 상기 배기가스열교환유닛에서 배출되는 해수가 유입되어 스팀과 고염도 해수로 상 분리되는 상분리기 및 상기 상분리기에서 생성된 스팀을 이용하여 상기 가스터빈으로 유입되는 액화연료를 가열하고, 청수를 생산하는 기화열교환기유닛을 포함한다.

여기서 상기 기화열교환기유닛은 유입되는 액화연료를 기화시키는 기화기 및 상기 기화기를 통과한 기상연료를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 스팀은 기화기로 유동할 수 있다.

또한, 상기 배기가스열교환유닛은 가스터빈에서 배출되는 배기가스를 이용하여 스팀터빈을 구동하기 위한 스팀을 발생시키는 스팀발생기 및 상기 스팀발생기를 통과한 배기가스를 이용하여 해수를 가열할 수 있다.

그리고 상기 배기가스열교환유닛은 해수를 가열하는 해수가열기 및 상기 기화열교환기유닛에서 배출되는 청수를 가열하는 청수가열기를 포함할 수 있다. 여기서 상기 상분리기는 상기 해수가열기에서 배출되는 해수를 상분리하는 해수상분리기 및 상기 청수가열기에서 배출되는 청수를 상분리하는 청수상분리기를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 기화열교환기유닛은 유입되는 액화연료를 기화시키는 기화기 및 상기 기화기를 통과한 기상연료를 가열하는 가열기를 포함하고, 상기 상분리기에서 배출되는 스팀은 상기 가열기로 유동하고, 상기 상분리기에서 배출되는 고염도해수는 상기 기화기로 유동할 수 있다.

본 발명의 가스터빈 발전장치 및 스타트업 구동방법은 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 해수를 열원으로 활용하여 별도의 담수화 열원 필요 없이 담수를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

둘째, 고염도 해수를 활용하여 액화가스를 기화한다. 이에 따라 어는점 내림 현상에 따라 기화기의 아이싱 현상을 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.

이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스터빈 발전용 담수화장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스터빈 발전용 담수화장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 제4실시예에 따른 가스터빈 발전용 담수화장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.

제1실시예

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스터빈 발전용 담수화 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 가스터빈 발전용 담수화 장치는 가스터빈(10), 배기가스열교환유닛(20), 상분리기(30) 및 기화열교환기유닛(40)을 포함한다.

가스터빈(10)은 공급되는 연료에 의하여 구동되어 발전을 하고, 구동에 필요한 연료는 기화열교환기유닛(40)을 통하여 기화된 다음 가스터빈(10)으로 공급된다.

그리고 가스터빈(10)에서 연소된 연료에 의한 배기가스의 열은 후술하는 배기가스열교환유닛(20)를 통과하면서 유입되는 유체를 통하여 회수되게 된다.

한편, 가스터빈(10)에는 흡입되는 공기를 냉각하기 위한 냉각기(11)가 구비될 수 있다.

배기가스열교환유닛(20)은 가스터빈(10)의 배기가스 및 해수가 열교환되면서 상기 배기가스의 열원을 회수한다. 배기가스열교환유닛(20)은 해수와 배기가스가 직접 열교환할 수도 있으나, 본 실시예에서는 스팀발생기(22) 및 해수가열기(21)를 포함한다.

스팀발생기(22)는 배기가스와 유체(일반적으로 청수)가 열교환되고, 배기가스의 열을 회수하여 유체가 증발하여 스팀을 생성한다. 그리고 본 실시예에서는 발생하는 스팀을 이용하여 스팀터빈(61)를 구동하고, 스팀터빈에서 배출되는 스팀을 응축하는 응축기(62)를 포함하는 스팀발전시스템(60)을 포함한다.

응축기(62)에서 스팀을 응축하기 위한 열원으로는 선박의 다양한 열원이 사용될 수 있고, 응축기(62)에서 응축된 스팀은 다시 스팀발생기(22)로 유동하면서 폐사이클을 형성하게 된다.

해수가열기(21)는 스팀발생기(22)를 통과한 배기가스를 이용하여 해수를 가열한다. 한편, 해수가열기(21)를 통과하면서 가열된 해수는 후술하는 상분리기(30)로 유입되고, 해수가열기(21) 및 이로 유입되는 해수의 용량은 상분리기(30)에서 해수가 스팀 및 고염도해수로 상분리되는데 필요한 열량에 따라 설정될 수 있을 것이다.

상분리기(30)는 배기가스열교환기(20)에서 가열된 해수가 유입되고, 스팀 및 고염도해수로 상분리가 된다. 상분리기(30)로는 유체가 액상 및 기상으로 분리될 수 있는 공지되어 있는 다양한 구조의 상분리기가 채택될 수 있을 것이다.

기화열교환기유닛(40)은 상분리기(30)에서 생성된 스팀을 이용하여 가스터빈(10)으로 유입되는 액화연료를 가열하고, 청수를 생산하게 된다. 기화열교환기유닛(40)으로는 공지되어 있는 액화연료 기화를 위한 다양한 구성이 채택될 수 있고, 스팀이 응축되면서 청수가 생산될 수 있도록 열교환기의 용량이 설정될 수 있을 것이다.

구체적으로 본 실시예에서의 기화열교환기유닛(40)은 유입되는 액화연료를 기화시키기 위한 기화기(41) 및 기화기(41)를 통과한 기상연료를 가열하기 위한 가열기(42)를 포함한다.

그리고 상분리기(30)에서 생성된 스팀은 기화기(41)로 유동하면서 액화연료와 열교환을 한다. 이러한 열교환에 의하여 액화가스는 스팀에서 제공되는 열에 의하여 기화되고, 스팀은 액화가스에 열을 빼앗기면서 응축되어 청수로 상변화 되게 된다.

한편, 기화기(41)로 유입되는 연료는 다양한 방식으로 공급될 수 있고, 본 실시예에서는 LNG화물창에 연결된 액상라인(51) 및 BOG라인(52)를 포함한다. 그리고 BOG라인(52)에는 유동하는 BOG를 가압하기 위한 압축기(53)이 설치될 수 있고, 액상라인(51) 및 BOG라인(52)은 재응축기(Re-condensor: 54)로 연결된다.

그리고 재응축기(54)에서 응축된 액화연료는 고압펌프(55)를 통하여 가압되어 기화기(10)로 유입되게 된다. 한편, 본 실시예에서는 고압펌프(55)에서 가압된 액화연료의 일부가 회수라인(56)을 통하여 재응축기(54)로 유입될 수 있도록 설계될 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 가스터빈(10) 및 스팀터빈(61)을 구비한 시스템에 있어서, 해수는 스팀터빈발전시스템(60)에 열을 공급하고, 버려지는 배기가스의 폐열원을 활용하여 상분리가 되고, 가스터빈(10)에 공급되는 액화가스를 기화시키기 위한 기화열교환기유닛(40)에서 제공되는 냉열원에 의하여 응축되면서 청수를 생산하게 된다.

제2실시예

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 가스터빈 발전용 담수화 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 배기가스 열교환유닛(120)은 청수가열기(123)을 더 포함한다. 그리고 상분리기(130)는 해수상분리기(131) 및 청수상분리기(132)를 더 포함한다.

본 실시예는 상기 청수가열기(123)가 추가로 구비되는 구성 및 상분리기(130)가 해수상분리기(131) 및 청수상분리기(132)를 포함하는 구성 이외에 다른 구성은 상기 제1실시예와 동일한 바 이하 설명을 생략하고, 상기 제1실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.

청수가열기(123)는 기화열교환기(40)에서 배출되는 청수를 가열한다.

해수의 담수화 과정에서 가열 해수의 상 분리가 된다고 하더라도, 기화열교환기(40)에서 배출되는 청수의 경우 염분이 완전하게 제거되지 않는 것이 일반적이다.

이에 따라 미량의 염분이 포함된 청수의 염분함량을 줄여서 순수 순도를 높이기 위하여 버려지는 배기가스를 재활용하여 청수를 다시 가열하게 된다.

한편, 청수가열기(123) 및 이로 공급되는 청수의 양 역시 상기 해수가열기와 동일하게 청수가 청수 상분리기(132)를 통하여 상 분리될 수 있을 정도의 열량을 확보할 수 있도록 설계될 수 있을 것이다.

상분리기(130)는 해수상분리기(131) 및 청수상분리기(132)를 포함한다. 청수상분리기(132)는 청수가열기(123)에서 가열된 청수를 다시 스팀 및 청수(염도가 있음)로 분리한다.

그리고 염도가 있는 청수는 해수상분리기(131)에서 기화기(41)로 유동하는 스팀라인(130a)과 혼합되어 해수상분리기(131)에서 기화기(41)로 유동하는 스팀과 함께 액화되게 된다.

그리고 기화기(41)를 통과한 청수는 다시 청수가열기(123)으로 유동하면서 청수의 순도를 높일 수 있게 된다.

한편, 청수가열기(123)에서 생성되는 스팀은 별도의 저장장소로 공급되어 액화된 다음 청수공급처로 제공될 수 있다. 그리고 본 실시예에서는 가열기(42)로 유입되어 기화된 액화가스의 가열을 위한 열원으로 사용될 수 있다. 그리고 가열기(42)를 통과하면서 액화되어 청수 공급처로 제공되게 된다.

또한, 청수가열기(123)에서 배출된 스팀이 기화기(41)로 유동을 하면서 해수상분리기(131)에서 배출되는 스팀과 같이 기화기(41)로 유입될 수도 있을 것이다.

즉 본 실시예에서는 배출되는 배기가스의 폐열을 추가로 회수하는 청수가열기(123) 및 청수상분리기(132)를 통하여 1차 생성된 청수를 순환시켜면서 순도가 높은 청수의 생산이 가능하다는 장점이 있다.

제3실시예

도 3는 본 발명의 제3실시예에 따른 가스터빈 발전용 담수화 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 3를 참조하면, 본 실시예에서는 상분리기(230)에서 상분리된 해수는 기화기(141)를 유동하면서 액화가스를 기화시킨다. 그리고 상분리된 스팀은 가열기(142)를 유동하면서 기화된 액화가스를 가열하게 된다.

일반적으로 기화기를 유동하는 액화가스의 경우 극저온이므로 기화기를 통과하는 열매체의 아이싱이 발생하는 문제가 발생한다.

한편, 본 실시예에서의 상분리기(230)에서 스팀과 분리된 해수는 선체로 유입되는 해수에 비하여 상대적으로 높은 염도를 가지게 된다. 이에 따라 해수의 어는점은 일반해수에 비하여 낮게 되고, 이러한 해수를 이용하여 열교환을 하는 경우 일반해수를 통하여 열교환을 하는 경우와 비교하여 상대적으로 기화기에 아이싱이 발생하는 효과를 저감시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 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.

10: 가스터빈 20, 120: 배기가스열교환유닛
21: 스팀발생기 22: 해수가열기
123: 청수가열기 30, 130: 상분리기
131: 해수상분리기 132: 청수상분리기
40: 기화열교환유닛 41: 기화기
42: 가열기 60: 스팀발전시스템

Claims

가스터빈;
상기 가스터빈의 배기가스 및 해수가 열교환되면서 상기 배기가스의 열원을 회수하는 배기가스열교환유닛;
상기 배기가스열교환유닛에서 배출되는 해수가 유입되어 스팀과 고염도해수로 상분리되는 상분리기; 및
상기 상분리기에서 생성된 스팀을 이용하여 상기 가스터빈으로 유입되는 액화연료를 가열하고, 청수를 생산하는 기화열교환기유닛;을 더 포함하는 가스터빈발전용 담수화장치.
제1항에 있어서,
상기 기화열교환기유닛은 유입되는 액화연료를 기화시키는 기화기 및 상기 기화기를 통과한 기상연료를 가열하는 가열기를 포함하고,
상기 스팀은 기화기로 유동하는 가스터빈발전용 담수화장치.
제1항에 있어서,
상기 배기가스열교환유닛은
가스터빈에서 배출되는 배기가스를 이용하여 스팀터빈을 구동하기 위한 스팀을 발생시키는 스팀발생기 및 상기 스팀발생기를 통과한 배기가스를 이용하여 해수를 가열하는 해수가열기를 포함하는 가스터빈발전용 담수화장치.
제1항에 있어서,
상기 배기가스열교환유닛은,
해수를 가열하는 해수가열기; 및
상기 기화열교환기유닛에서 배출되는 청수를 가열하는 청수가열기를 포함하고,
상기 상분리기는 상기 해수가열기에서 배출되는 해수를 상분리하는 해수상분리기 및 상기 청수가열기에서 배출되는 청수를 상분리하는 청수상분리기를 더 포함하는 가스터빈발전용 담수화장치.
제1항에 있어서,
상기 기화열교환기유닛은 유입되는 액화연료를 기화시키는 기화기 및 상기 기화기를 통과한 기상연료를 가열하는 가열기를 포함하고,
상기 상분리기에서 배출되는 스팀은 상기 가열기로 유동하고,
상기 상분리기에서 배출되는 고염도해수는 상기 기화기로 유동하는 가스터빈발전용 담수화장치.