KR20180127087A - 부유식 발전 시스템 - Google Patents

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KR20180127087A
KR20180127087A KR1020170062449A KR20170062449A KR20180127087A KR 20180127087 A KR20180127087 A KR 20180127087A KR 1020170062449 A KR1020170062449 A KR 1020170062449A KR 20170062449 A KR20170062449 A KR 20170062449A KR 20180127087 A KR20180127087 A KR 20180127087A
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송용석
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 해상 등 수상에 부유되는 부유체에 설치되어 액화 가스를 이용하여 전기를 생산하는 부유식 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 부유식 발전 시스템은, 액화 가스를 저장하는 저장 탱크와; 액화 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 가스 터빈 및, 상기 가스 터빈이 액화 가스를 연소하여 자체적으로 동작되기 전에 가스 터빈의 터빈을 회전시키는 스타터(Startor)를 가지는 가스 발전 모듈과; 상기 저장 탱크에 저장된 액화 가스를 상기 가스 터빈으로 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하되, 상기 스타터는, 상기 터빈을 회전시키는 모터와; 상기 모터에 전기를 공급하는 축전지를 포함한다.

Description

부유식 발전 시스템{FLOATING GENERATING SYSTEM}
본 발명은 수상에 부유된 상태에서 전기를 생산하는 부유식 발전 시스템에 관한 것이다.
액화 천연 가스(LNG) 등의 액화 가스를 연료로 사용하는 발전 설비는 주로 육상에 설치되는데, 이를 위해서는 부지를 매입해야 하고, 송전선 등을 설치해야 하므로 과도한 설치 비용이 발생하였다.
이에 따라, 최근에는 원료 수급이 용이하고 용지확보 비용이 저렴한 해안가에 부유식 발전 시스템을 설치하는 사례가 늘어나고 있다.
일반적으로, 부유식 발전 시스템은, 액화 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 가스 터빈 및 가스 터빈이 자체적으로 동작되기 전에 가스 터빈의 터빈을 일정 알피엠(rpm) 이상으로 회전시키는 스타터(Starter)를 포함한다. 일반적으로 스타터는 별도의 연료를 연소하여 발생되는 에너지를 이용하여 터빈을 회전시킨다. 이 경우, 별도의 연료를 공급하고 연소시켜 에너지를 발생시키기 위한 별도의 구성이 요구되고, 그에 따라 구성의 설치 비용 및 운용/유지 비용 등이 발생된다. 또한, 연료를 연소함으로써 발생되는 배기 가스는 환경에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명은 스타터에 연료를 연소하여 터빈을 회전시키기 위한 에너지를 발생시키는 별도의 구성이 요구되지 않는 부유식 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 스타터에 연료를 연소하여 터빈을 회전시키기 위한 에너지를 발생시키는 별도의 구성의 설치 비용과 운용 및 유지 비용을 절감할 수 있는 부유식 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 해상 등 수상에 부유되는 부유체에 설치되어 액화 가스를 이용하여 전기를 생산하는 부유식 발전 시스템을 제공한다. 일 실시 예에 따르면, 부유식 발전 시스템은, 액화 가스를 저장하는 저장 탱크와; 액화 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 가스 터빈 및, 상기 가스 터빈이 액화 가스를 연소하여 자체적으로 동작되기 전에 가스 터빈의 터빈을 회전시키는 스타터(Startor)를 가지는 가스 발전 모듈과; 상기 저장 탱크에 저장된 액화 가스를 상기 가스 터빈으로 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하되, 상기 스타터는, 상기 터빈을 회전시키는 모터와; 상기 모터에 전기를 공급하는 축전지를 포함한다.
상기 축전지는 상기 가스 터빈이 발생시키는 전기에 의해 충전된다.
상기 축전지는 상기 가스 터빈이 최초로 가동되기 전에 충전된 상태로 제공된다.
다른 실시 예에 따르면, 부유식 발전 시스템은, 액화 가스를 저장하는 저장 탱크와; 액화 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 가스 터빈을 가지는 가스 발전 모듈과; 상기 저장 탱크에 저장된 액화 가스를 상기 가스 터빈으로 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하되, 상기 가스 터빈은, 회전됨으로써 전기를 생산하는 터빈과; 액화 가스를 연소시켜 발생된 가스를 터빈으로 분사하는 연소기와; 상기 연소기로 압축 공기를 공급하는 압축기(Compressor)를 포함하고, 상기 가스 발전 모듈은 상기 가스 터빈이 액화 가스를 연소하여 자체적으로 동작되기 전에 상기 터빈을 회전시키는 스타터(Startor)를 더 포함하며, 상기 스타터는 상기 터빈에 압축 공기를 분사하여 상기 터빈을 회전시키는 압축 공기 분사 유닛을 포함한다.
상기 압축 공기 분사 유닛은 내부에 압축 공기가 저장되는 저장 공간이 형성되고, 상기 저장 공간에는 상기 압축기로부터 상기 연소기로 공급되는 압축 공기가 분지되어 저장된다.
상기 저장 공간에는 상기 가스 터빈이 최초로 가동되기 전에 압축 공기가 일정 압력 이상으로 저장되어 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 본 발명의 부유식 발전 시스템은 스타터에 연료를 연소하여 터빈을 회전시키기 위한 에너지를 발생시키는 별도의 구성이 요구되지 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 본 발명의 부유식 발전 시스템은 스타터에 연료를 연소하여 터빈을 회전시키기 위한 에너지를 발생시키는 별도의 구성의 설치 비용과 운용 및 유지 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 발전 시스템을 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 도 1의 가스 발전 모듈을 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부유식 발전 시스템을 나타낸 블록 구성도이다.
도 4는 도 3의 가스 발전 모듈을 나타낸 블록 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 발전 시스템(10)을 나타낸 블록 구성도이다. 도 1을 참조하면, 부유식 발전 시스템(10)은 부유체에 설치되어 액화 가스를 이용하여 전기를 생산한다. 부유체는 해상 또는 강물 등의 수상에 부유되고, 부유식 발전 시스템(10)이 설치되는 선박 또는 해양 구조물로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 부유식 발전 시스템(10)은 저장 탱크(1000), 가스 발전 모듈(2000), 가스 공급 모듈(3000) 및 증기 발전 모듈(4000)을 포함한다. 설명의 편의를 위해 도면 및 명세서에는 기재되지 않았으나, 부유식 발전 시스템(10)은 부유식 발전 시스템(10)의 운용에 당연히 요구되는 펌프, 압축기 및 밸브 등의 필수 구성을 포함하는 것으로 가정한다.
저장 탱크(1000)에는 액화 가스가 저장된다. 액화 가스는 상온에서는 기체 상태인 가스가 액체 상태로 응축된 가연성 물질이다. 예를 들면, 액화 가스는 액화천연가스(LNG)로 제공된다.
가스 발전 모듈(2000)은 저장 탱크(1000)로부터 공급된 액화 가스를 이용하여 전기를 생산한다. 일 실시 예에 따르면, 가스 발전 모듈(2000)은 가스 터빈(2100), 공기 냉각기(2200) 및 스타터(Starter, 2300)를 포함한다.
도 2는 도 1의 가스 발전 모듈(2000)을 나타낸 블록 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 가스 터빈(2100)은 저장 탱크(1000)로부터 기체 상태로 공급된 액화 가스를 연소하여 터빈(Turbine)을 회전시킴으로써 전기를 생산한다. 가스 터빈(2100)은 터빈(2110), 연소기(2120) 및 압축기(Compressor, 2130)를 포함한다.
터빈(2110)은 연소기(2120)에서 발생된 고온 고압의 가스에 의해 회전된다. 터빈(2110)은 연소기(2120)로부터 분사된 가스에 의해 회전됨으로써 전기를 생산한다.
연소기(2120)는 가스 공급 모듈(3000)에 의해 공급된 액화 가스를 연소시켜 고온 고압의 가스를 발생시킨다. 연소기(2120)는 상기 가스를 터빈(2110)으로 분사하여 터빈(2110)을 회전시킨다. 일 실시 예에 따르면, 터빈(2110)을 회전시킨 후의 가스인 배기 가스는 증기 발생기(4100)에서 열교환 된 후, 배기구(7000)를 통해 외부로 배기된다.
압축기(2130)는 연소기(2120)에서 액화 가스가 연소될 수 있도록 압축 공기를 연소기(2120)로 공급한다. 일 실시 예에 따르면, 압축기(2130)는 공기 냉각기(2200)에 의해 냉각된 외부 공기를 압축하여 연소기(2120)로 공급할 수 있다.
공기 냉각기(2200)는 가스 터빈(2100)의 압축기(2130)에 유입되는 외부 공기를 냉각한다. 연소기(2120)에 유입되는 공기의 온도를 낮출수록 연소기(2120)에 동일 시간 동안 공급되는 공기의 질량이 증가하여 가스 터빈(2100)의 출력을 높일 수 있다. 가스 발전 모듈(2000)은 공기 냉각기 우회관(미도시)을 더 포함할 수 있다. 공기 냉각기 우회관은 외부 공기가 공기 냉각기(2200)를 우회하여 흐르도록 제공된다. 예를 들면, 가스 터빈(2100)으로 공급되는 외부 공기의 온도가 충분히 낮아 별도의 냉각이 요구되지 않는 경우, 외부 공기는 공기 냉각기(2200)로 유입되지 않고, 공기 냉각기 우회관을 통해 압축기(2130)으로 공급된다. 가스 터빈(2100)이 공급되는 외부 공기의 온도에 민감하지 않은 기종으로 제공되는 경우, 공기 냉각기(2200)는 선택적으로 제공되지 않을 수 있다.
가스 터빈(2100)이 액화 가스를 이용하여 동작하기 위해서는 일반적으로 일정 알피엠(rpm) 이상의 터빈(2110)의 회전이 요구된다. 따라서, 스타터(2300)는 가스 터빈(2100)이 액화 가스를 연소하여 자체적으로 동작되기 전에 가스 터빈(2100)의 터빈(2110)을 상기 일정 알피엠 이상으로 회전시킨다. 일 실시 예에 따르면, 스타터(2300)는 모터(2310) 및 축전지(2320)를 포함한다.
모터(2310)는 축전지(2320)로부터 공급받은 전력을 이용하여, 가스 터빈(2100)의 터빈(2110)을 회전시킨다. 모터(2310)는 터빈(2110)을 상기 일정 알피엠 이상으로 회전시킨다.
축전지(2320)는 모터(2310)에 전기를 공급한다. 축전지(2320)는 가스 터빈(2100)이 발생시키는 전기 중 일부에 의해 충전된다. 축전지(2320)는 가스 터빈(2100)이 발전시키는 전기에 의해 충전되므로, 가스 터빈(2100)의 시동을 위한 축전지(2320)가 최초로 부유식 발전 시스템(10)에 설치되는 경우, 축전지(2320)는 가스 터빈(2100)이 발전시키는 전기에 의해 충전될 수 없다. 따라서, 축전지(2320)는 부유식 발전 시스템(10)에 설치된 후, 가스 터빈(2100)이 최초로 가동되기 전에 충전된 상태로 제공된다.
가스 공급 모듈(3000)은 저장 탱크(1000)에 저장된 액화 가스를 가스 터빈(2100)으로 공급한다. 일 실시 예에 따르면, 가스 공급 모듈(3000)은 재응축기(3100), 연료 공급관(3200), 액화 가스 기화기(3300), 공급 펌프(3400), 액화 가스 공급관(3500), 증발 가스관(3600) 및 증발 가스 압축기(3700)를 가진다.
재응축기(3100)는 저장 탱크(1000) 내의 액화 가스로부터 발생된 증발 가스를 재응축한다. 재응축기(3100)의 내부에는 상부로부터 저장 탱크(1000)에서 액화 가스가 증발된 증발 가스가 공급되고, 액체 상태의 액화 가스가 저장 탱크(1000)로부터 공급된다. 재응축기(3100)로 공급된 증발 가스는 액체 상태의 액화 가스와의 열교환을 통해 냉각되어 액체 상태로 재응축된다. 일 실시 예에 따르면, 재응축기(3100) 내로 공급되는 액체 상태의 액화 가스 중 일부는 재응축기(3100) 내에서 스프레이 방식으로 분사되어 공급된다. 따라서, 증발 가스와의 접촉 면적이 증가되어 액체 상태의 액화 가스와 증발 가스 간에 열교환이 보다 용이해진다.
연료 공급관(3200)은 재응축기(3100)와 가스 터빈(2100)을 연결한다. 따라서, 재응축기(3100)에서 재응축된 액화 가스는 연료 공급관(3200)을 통해 액화 가스 기화기(3300)에서 기화된 후 가스 터빈(2100)으로 공급된다. 연료 공급관(3200)에는 이송 펌프(3210)가 설치될 수 있다. 이송 펌프(3210)는 재응축기(3100) 내의 액화 가스가 가스 터빈(2100)으로 이송되도록 액화 가스에 압력을 인가한다.
액화 가스 기화기(3300)는 가스 터빈(2100)에서 연료로 사용될 수 있도록, 가스 터빈(2100)으로 공급되기 전에 액화 가스를 기화시킨다. 액화 가스 기화기(3300)는 연료 공급관(3200)에 설치된다.
공급 펌프(3400)는 저장 탱크(1000) 내의 액체 상태의 액화 가스를 재응축기(3100)로 이송시킨다. 즉, 공급 펌프(3400)는 저장 탱크(1000) 내의 액화 가스가 액화 가스 공급관(3500)을 따라 재응축기(3100)로 이동되도록 액화 가스에 압력을 인가한다.
액화 가스 공급관(3500)은 공급 펌프(3400)와 재응축기(3100)를 연결한다. 따라서, 공급 펌프(3400)에 의해 압력이 가해진 액화 가스는 액화 가스 공급관(3500)을 따라 재응축기(3100)로 이송된다.
증발 가스관(3600)은 저장 탱크(1000) 및 재응축기(3100)를 연결한다. 저장 탱크(1000)에서 발생된 증발 가스는 증발 가스관(3600)을 따라 증발 가스 압축기(3700)을 지나 증발 가스 압축기(3700)에서 압축된 후 재응축기(3100)로 이송된다.
증발 가스 압축기(3700)는 저장 탱크(1000)에서 발생된 증발 가스를 재응축기(3100)로 공급되기 전에 압축한다. 증발 가스는 증발 가스 압축기(3700)에 의해 압축된 상태에서 재응축기(3100)로 공급됨으로써, 재응축기(3100) 내에서 보다 용이하게 액체 상태로 응축될 수 있다.
가스 공급 모듈(3000)은 가스 온도 조절기(3800)를 더 포함할 수 있다. 가스 온도 조절기(3800)는 가스 터빈(2100)의 효율을 높이기 위해, 액화 가스 기화기(3300)에서 기화된 액화 가스를 가스 터빈(2100)의 효율이 최적화되는 온도로 가열하여 가스 터빈(2100)으로 공급한다. 예를 들면, 가스 온도 조절기(3800)는 증기 발전 모듈(4000)에서 가스 터빈(2100)의 배기 가스와 열교환 된 증기와의 열교환을 통해 액화 가스를 가열할 수 있다.
증기 발전 모듈(4000)은 가스 터빈(2100)의 배기 가스의 열에 의해 발생된 증기압을 이용해 전기를 생산한다. 따라서, 가스 터빈(2100)의 전기 생산을 위한 가스 연소 후 배기 가스의 폐열을 이용해 전기를 생산하므로, 부유식 발전 시스템(10)의 전기 생산 효율을 높일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 증기 발전 모듈(4000)은 증기 발생기(4100), 증기 터빈(4200), 증기 응축기(4300) 및 배기 가스관(4400)을 포함한다.
증기 발생기(4100)는 가스 터빈(2100)이 전기 생산을 위해 액화 가스를 연소시킴으로써 발생시킨 배기 가스와의 열 교환을 통해 증기를 발생시킨다.
증기 터빈(4200)은 증기 발생기(4100)로부터 발생된 증기의 압력을 이용하여 회전됨으로써 전기를 발생시킨다.
증기 응축기(4300)는 증기 터빈(4200)에서 터빈을 회전시킨 증기를 냉각 시킴으로써 응축시킨다. 응축된 증기는 증기 발생기(4100)로 이동된다.
배기 가스관(4400)은 가스 터빈(2100)에서 배출된 배기 가스가 증기 발생기(4100)에서 열교환되고 배기구(7000)로 이동되도록 제공된다. 증기 발생기(4100)에서 열교환된 배기 가스는 배기구(7000)를 통해 외부로 배기된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부유식 발전 시스템(20)을 나타낸 블록 구성도이다. 도 4는 도 3의 가스 발전 모듈(2000a)를 나타낸 블록 구성도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 도 1 및 도 2의 경우와 달리, 스타터(2300a)는 압축 공기 분사 유닛(2330)을 포함한다.
압축 공기 분사 유닛(2330)은 가스 터빈(2100)의 터빈(2110)에 압축 공기를 분사하여 터빈(2110)을 회전시킨다. 따라서, 스타터(2300a)는 가스 터빈(2100)이 자체적으로 동작하기 전에, 압축 공기 분사 유닛(2330)을 이용하여 터빈(2110)에 압축 공기를 분사하여 터빈(2110)을 상기 일정 알피엠으로 회전시킨다. 압축 공기 분사 유닛(2330)은 내부에 압축 공기가 저장되는 저장 공간(2331)이 형성된다. 압축 공기 분사 유닛(2330)은 저장 공간(2331)에 저장된 압축 공기를 터빈(2110)에 분사하여 터빈(2110)을 회전시킨다. 저장 공간(2331)에는 가스 터빈(2100)의 압축기(2130)로부터 연소기(2120)로 공급되는 압축 공기가 분지되어 저장된다. 따라서, 가스 터빈(2100)의 시동을 위한 압축 공기 분사 유닛(2330)이 최초로 부유식 발전 시스템(20)에 설치되는 경우, 저장 공간(2331)은 가스 터빈(2100)의 압축기(2130)에 의해 압축 공기를 공급받을 수 없다. 따라서, 저장 공간(2331)에는 압축 공기 분사 유닛(2330)이 부유식 발전 시스템(20)에 설치된 후, 가스 터빈(2100)이 최초로 가동되기 전에 압축 공기가 일정 압력 이상으로 저장된 상태로 제공된다. 예를 들면, 저장 공간(2331)은 가스 터빈(2100)이 최초로 가동되기 전에 별도의 압축 공기 공급 부재(미도시)에 의해 압축 공기가 공급될 수 있다. 부유식 발전 시스템(20)의 그 외 구조, 구성 및 기능은 도 1의 부유식 발전 시스템(10)과 유사하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 부유식 발전 시스템(10, 20)은 각각, 가스 터빈(2100)에 의해 충전되는 축전지(2320) 또는 압축기(2130)로부터 압축 공기를 공급 받는 압축 공기 분사 유닛(2330)이 제공됨으로써, 스타터(2300, 2300a)에 연료를 공급하기 위한 별도의 구성이 요구되지 않는다. 그러므로, 상기 별도의 구성의 설치 비용 및 운용/유지 비용을 절감할 수 있다. 또한, 스타터(2300, 2300a)를 작동시키기 위해 별도의 연료를 연소시키지 않으므로 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
10, 20: 부유식 발전 시스템 1000: 저장 탱크
2000, 2000a: 가스 발전 모듈 2100: 가스 터빈
2110: 터빈 2120: 연소기
2130: 압축기 2200: 공기 냉각기
2300, 2300a: 스타터 2310: 모터
2320: 축전지 2330: 압축 공기 분사 유닛
2331: 저장 공간 3000: 가스 공급 모듈
3100: 재응축기 3200: 연료 공급관
3300: 액화 가스 기화기 3400: 공급 펌프
3500: 액화 가스 공급관 3600: 증발 가스관
4000: 증기 발전 모듈 4100: 증기 발생기
4200: 증기 터빈 4300: 증기 응축기
7000: 배기구

Claims (6)

  1. 부유체에 설치되어 액화 가스를 이용하여 전기를 생산하는 부유식 발전 시스템에 있어서,
    액화 가스를 저장하는 저장 탱크와;
    액화 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 가스 터빈 및, 상기 가스 터빈이 액화 가스를 연소하여 자체적으로 동작되기 전에 가스 터빈의 터빈을 회전시키는 스타터(Startor)를 가지는 가스 발전 모듈과;
    상기 저장 탱크에 저장된 액화 가스를 상기 가스 터빈으로 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하되,
    상기 스타터는,
    상기 터빈을 회전시키는 모터와;
    상기 모터에 전기를 공급하는 축전지를 포함하는 부유식 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축전지는 상기 가스 터빈이 발생시키는 전기에 의해 충전되는 부유식 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 축전지는 상기 가스 터빈이 최초로 가동되기 전에 충전된 상태로 제공되는 부유식 발전 시스템.
  4. 부유체에 설치되어 액화 가스를 이용하여 전기를 생산하는 부유식 발전 시스템에 있어서,
    액화 가스를 저장하는 저장 탱크와;
    액화 가스를 이용하여 전기를 발생시키는 가스 터빈을 가지는 가스 발전 모듈과;
    상기 저장 탱크에 저장된 액화 가스를 상기 가스 터빈으로 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하되,
    상기 가스 터빈은,
    회전됨으로써 전기를 생산하는 터빈과;
    액화 가스를 연소시켜 발생된 가스를 터빈으로 분사하는 연소기와;
    상기 연소기로 압축 공기를 공급하는 압축기(Compressor)를 포함하고,
    상기 가스 발전 모듈은 상기 가스 터빈이 액화 가스를 연소하여 자체적으로 동작되기 전에 상기 터빈을 회전시키는 스타터(Startor)를 더 포함하며,
    상기 스타터는 상기 터빈에 압축 공기를 분사하여 상기 터빈을 회전시키는 압축 공기 분사 유닛을 포함하는 부유식 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압축 공기 분사 유닛은 내부에 압축 공기가 저장되는 저장 공간이 형성되고,
    상기 저장 공간에는 상기 압축기로부터 상기 연소기로 공급되는 압축 공기가 분지되어 저장되는 부유식 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 저장 공간에는 상기 가스 터빈이 최초로 가동되기 전에 압축 공기가 일정 압력 이상으로 저장되어 제공되는 부유식 발전 시스템.
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