KR20190042964A - 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템 - Google Patents

가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템 Download PDF

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Abstract

가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템이 개시된다. 본 발명은 LNG선의 화물창에 저장된 저온의 LNG를 활용하여, 가스터빈 발전부의 흡기 공기(inlet air)의 온도를 낮춰주거나, 스팀터빈 발전부에 구비되는 열교환기에 공급되는 냉각수의 온도를 낮춰줌으로써, 높은 효율의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템을 구축할 수 있다.

Description

가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템 {Combined Gas turbine Electric And Steam System}
본 발명은 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 LNG선의 화물창에 저장된 저온의 LNG를 활용하여 가스터빈의 흡기 및 스팀터빈의 냉각수의 온도를 낮춰줌으로써, 발전 효율을 높이는 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 LNG선의 추진 동력을 얻기 위한 방법으로, 효율이 높고 연소가스로 인한 공해발생이 적다는 장점이 있는 가스터빈 전기추진(Gas Turbine Electric Propulsion) 시스템이 적용되었다.
한편, 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 대부분 배기가스의 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해 외부로 배출되는 형태로 소비된다.
최근에는 이와 같이 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수하여 다시 엔진의 추진력으로 활용하거나 다른 에너지원으로 사용할 수 있게 한 폐열회수시스템이 주목받고 있다. 외부로 배출되는 폐열 중 일부라도 회수하여 이를 유용한 에너지로 재활용하면, 그만큼 연료의 절약을 도모할 수 있으므로, 선박에서 소모하는 전체 에너지를 절감하는데 기여할 수 있다.
선박의 폐기가스를 이용하는 방법으로, 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 발생시키고, 이를 스팀터빈(Steam Turbine)로 공급하여 전력을 발생시키는, 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진(Combined Gas turbine Electric & Steam, 이하 'CoGES'라 함) 시스템이 이미 소개된 바 있다.
도 1은 종래 LNG선의 CoGES 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 LNG의 CoGES 시스템은, 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈 발전부(10); 가스터빈 발전부(10)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(20); 이코노마이저(20)에서 생산된 스팀을 작동유체로 사용하는 스팀터빈 발전부(30);를 포함한다.
가스터빈 발전부(10)는 가스터빈 발전기(GTG; Gas Turbine Generator)를 구비하며, 가스의 연소에 의해 발생하는 터빈의 회전력을 이용하여 선박의 추진을 위한 전기를 생산한다.
가스터빈 발전부(10)에서 배출되는 배기가스의 폐열로부터 스팀을 생산한 다음, 생산된 스팀을 스팀터빈 발전부(30)로 공급하는 스팀 공급원으로서, 이코노마이저(EGE; Exhaust Gas Economizer, 20)가 사용될 수 있다.
이코노마이저(20)는 가스터빈 발전부(10)로부터 배출되는 배기가스 흐름 경로 상에 설치되며, 스팀터빈 발전부(30)의 구동에 필요한 스팀의 생산을 위해 가스터빈 발전부(10)로부터 발생한 배기가스가 이코노마이저(20)에 폐열을 지속적으로 공급한다.
스팀터빈 발전부(30)는 스팀터빈 발전기(STG; Steam Turbine Generator)를 구비하며, 이코토마이저(20)에서 생산된 스팀을 작동유체로 하여 전기를 생산한다.
가스터빈 발전부(10)와 스팀터빈 발전부(30)에서 생산된 전력은 선박의 추진을 위한 엔진 또는 기타 전기설비로 공급될 수 있다. 도 1에서 전기가 공급되는 라인은 점선으로 표시하였다.
한편, 종래의 CoGES 시스템은 기존의 2-stroke 엔진이 설치된 선박보다 효율 측면에서 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다.
또한, 종래의 CoGES 시스템은 선박의 운항 환경에 따라 출력 및 효율이 낮아질 수 있다는 문제점이 있다. CoGES 시스템의 출력 및 효율은 공기의 온도 또는 해수의 온도 등 외기 환경에 의해 영향을 받기 때문이다. 특히 LNG선이 고온의 대기와 높은 온도의 해수 지역을 통과하는 경우 출력 및 효율이 크게 떨어질 수 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 LNG선의 화물창에 저장된 저온의 LNG를 활용하여, 가스터빈 발전부의 흡기 공기(inlet air)의 온도를 낮춰주거나, 스팀터빈 발전부에 구비되는 열교환기에 공급되는 냉각수의 온도를 낮춰줌으로써, CoGES 시스템의 전체적인 발전 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 선박의 엔진에서 발생하는 고온의 배기가스를 작동유체로 전기를 생산하는 가스터빈 발전부; 상기 가스터빈 발전부로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하는 이코노마이저; 및 상기 이코노마이저에서 생산된 스팀을 작동유체로 전기를 생산하는 스팀터빈 발전부;를 포함하고, 상기 가스터빈 발전부는 가스터빈으로 흡입되는 흡기 공기의 온도를 낮춰주는 가스터빈 흡기쿨러를 포함하고, 상기 스팀터빈 발전부는 스팀터빈 운전 후 배출되는 증기를 응축시키는 스팀터빈 열교환기를 포함하며, 상기 가스터빈 흡기쿨러 또는 상기 스팀터빈 열교환기로 냉매가 공급되되, 상기 냉매는 화물창에 저장되는 LNG와의 열교환에 의해 냉각된 것을 특징으로 하는, LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템은, 상기 화물창으로부터 공급받은 LNG와의 열교환을 통해 냉매를 냉각한 후, 상기 가스터빈 흡기쿨러 또는 상기 스팀터빈 열교환기로 상기 냉매를 공급하는 저온냉매 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템은, 상기 저온냉매 열교환기와 상기 가스터빈 흡기쿨러 사이를 순환하는 제1 냉매순환라인; 및 상기 저온냉매 열교환기와 상기 스팀터빈 열교환기 사이를 순환하는 제2 냉매 순환라인;을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 냉매순환라인은 상기 제1 냉매순환라인 상에서 분기될 수 있다.
상기 제2 냉매순환라인이 분기되기 전의 상기 제1 냉매순환라인 상에 냉매의 이송력을 제공하는 펌프가 설치될 수 있다.
상기에서 설명한 냉매는 글리콜(glycol)일 수 있다.
본 발명에 따른 LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템은, 상기 LNG선은 엔진으로부터 발생하는 고온의 배기가스를 작동유체로 구동되는 가스터빈과, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 생산된 스팀을 작동유체로 구동되는 스팀터빈으로부터 전력을 공급받고, 상기 가스터빈으로 흡입되는 흡기 공기의 온도를 낮춰주는 가스터빈 흡기쿨러와, 상기 스팀터빈 운전 후 배출되는 증기를 응축시키는 스팀터빈 열교환기로 냉매가 공급되되, 상기 냉매는 화물창에 저장되는 LNG와의 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 가스터빈 흡기쿨러 및 상기 스팀터빈 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, LNG선의 화물창에 저장된 저온의 LNG를 활용하여, 가스터빈 발전부의 흡기 공기의 온도를 낮추고, 스팀터빈 발전부에 구비되는 열교환기에 저온의 냉매를 공급함으로써, CoGES 복합발전 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래 LNG선의 CoGES 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 LNG선의 CoGES 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 LNG선의 CoGES 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LNG선의 CoGES 시스템은, 선박의 운항 중에 엔진에서 발생하는 고온의 배기가스를 작동유체로 사용하는 가스터빈 발전부(100); 가스터빈 발전부(100)로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하는 이코노마이저(200); 이코노마이저(200)에서 생산된 스팀을 작동유체로 사용하는 스팀터빈 발전부(300); 및 화물창(400)에 저장된 LNG와의 열교환에 의해 냉각된 냉매를 가스터빈 발전부(100)에 구비된 가스터빈 흡기쿨러(110) 또는 스팀터빈 발전부(300)에 구비된 스팀터빈 열교환기(310)로 공급하는 저온냉매 열교환기(500);를 포함한다.
가스터빈 발전부(100)는 가스터빈 발전기(GTG; Gas Turbine Generator)를 구비하며, 가스의 연소에 의해 발생하는 터빈의 회전력을 이용하여 선박의 추진을 위한 전기를 생산한다.
가스터빈 발전부(100)의 배기가스의 폐열로부터 스팀을 생산한 다음, 생산된 스팀을 스팀터빈 발전부(300)로 공급하는 스팀 공급원으로서, 이코노마이저(EGE; Exhaust Gas Economizer, 200)가 사용될 수 있다.
이코노마이저(200)는 가스터빈 발전부(100)로부터 배출되는 배기가스 흐름 경로 상에 설치되며, 스팀터빈 발전부(300)의 구동에 필요한 스팀의 생산을 위해 가스터빈 발전부(100)로부터 발생한 배기가스가 이코노마이저(200)에 폐열을 지속적으로 공급한다.
스팀터빈 발전부(300)는 스팀터빈 발전기(STG; Steam Turbine Generator)를 구비하며, 이코노마이저(200)에서 생산된 스팀을 작동유체로 하여 전기를 생산한다.
가스터빈 발전부(100)와 스팀터빈 발전부(300)에서 생산된 전력은, 전기분배시스템(SWBD)에 의해 선박의 추진을 위한 엔진 또는 기타 전기설비로 공급될 수 있다. 도 2에서 전기가 공급되는 라인은 점선으로 표시하였다.
한편, 가스터빈과 가스터빈에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하는, CoGES 복합발전 시스템의 효율 증가를 위해서는, 가스터빈 발전부(100)에서 가스터빈으로 흡입되는 흡기 공기의 온도를 낮추거나, 스팀터빈 발전부(300)에서 스팀터빈 운전 후 배출되는 증기를 응축시키는 스팀터빈 열교환기(310)에 공급되는 냉각수의 온도를 낮춰주어야 한다.
이를 위해, 본 실시예에서는 가스터빈 발전부(100)에서 가스터빈의 전단에 흡기 공기의 온도를 낮춰주는 가스터빈 흡기쿨러(110)를 구비하고, 가스터빈 흡기쿨러(110) 측으로 저온의 냉매가 공급되도록 한다.
또한, 스팀터빈 열교환기(310) 측으로는 기존의 시스템에서 공급되던 냉각수를 대신하여 저온의 냉매가 공급되도록 한다.
가스터빈 흡기쿨러(110)와 스팀터빈 열교환기(310)로 공급되는 냉매는 글리콜(glycol)일 수 있으며, 상기 냉매는 화물창(400)에 저장된 극저온의 LNG와의 열교환을 통해 저온으로 냉각(cooling)된 후, 가스터빈 흡기쿨러(110) 및 스팀터빈 열교환기(310)로 공급될 수 있다.
저온냉매 열교환기(500)에서는 화물창(400)에 저장된 LNG와 상기 냉매와의 열교환이 이루어지고, LNG와의 열교환에 의해 냉각된 냉매는 제1 냉매순환라인(L1)과 제2 냉매순환라인(L2)를 통해 각각 가스터빈 흡기쿨러(110)와 스팀터빈 열교환기(310)로 공급된다.
저온냉매 열교환기(500)와 가스터빈 흡기쿨러(110) 사이를 순환하는 제1 냉매순환라인(L1) 상에 냉매의 이송력을 제공하는 펌프(510)가 설치될 수 있다.
제2 냉매순환라인(L2)는 제1 냉매순환라인(L1) 상에서 분기되어, 저온냉매 열교환기(500)와 스팀터빈 열교환기(310) 사이에서 냉매가 순환할 수 있도록 구비될 수 있다.
이때, 펌프(510)는 제1 냉매순환라인(L1)과 제2 냉매순환라인(L2) 모두에 이송력을 제공할 수 있도록, 제2 냉매순환라인(L2)이 분기되기 전의 제1 냉매순환라인(L1) 상에 설치될 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 LNG선의 CoGES 시스템에 의하면, LNG선의 화물창에 저장된 LNG의 낮은 온도를 활용하여, CoGES 복합발전 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
특히, 선박이 고온의 대기와 높은 온도의 해수 지역을 운항하는 경우에도, LNG선의 화물창에 저장된 저온의 LNG를 활용하여, 가스터빈 발전부의 흡기 공기의 온도를 낮추고, 스팀터빈 발전부에 구비되는 열교환기에 저온의 냉매를 공급함으로써, CoGES 시스템의 높은 효율을 상시 유지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정 실시예를 중심으로 하여 설명하였지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술 분야에 있을 수 있으며, 따라서 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 가스터빈 발전부 110 : 가스터빈 흡기쿨러
200 : 이코노마이저 300 : 스팀터빈 발전부
310 : 스팀터빈 열교환기 400 : 화물창
500 : 저온냉매 열교환기 510 : 펌프
L1 : 제1 냉매순환라인 L2 : 제2 냉매순환라인

Claims (7)

  1. 선박의 엔진에서 발생하는 고온의 배기가스를 작동유체로 전기를 생산하는 가스터빈 발전부;
    상기 가스터빈 발전부로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생산하는 이코노마이저; 및
    상기 이코노마이저에서 생산된 스팀을 작동유체로 전기를 생산하는 스팀터빈 발전부;를 포함하고,
    상기 가스터빈 발전부는 가스터빈으로 흡입되는 흡기 공기의 온도를 낮춰주는 가스터빈 흡기쿨러를 포함하고,
    상기 스팀터빈 발전부는 스팀터빈 운전 후 배출되는 증기를 응축시키는 스팀터빈 열교환기를 포함하며,
    상기 가스터빈 흡기쿨러 또는 상기 스팀터빈 열교환기로 냉매가 공급되되, 상기 냉매는 화물창에 저장되는 LNG와의 열교환에 의해 냉각된 것을 특징으로 하는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화물창으로부터 공급받은 LNG와의 열교환을 통해 냉매를 냉각한 후, 상기 가스터빈 흡기쿨러 또는 상기 스팀터빈 열교환기로 상기 냉매를 공급하는 저온냉매 열교환기;를 더 포함하는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 저온냉매 열교환기와 상기 가스터빈 흡기쿨러 사이를 순환하는 제1 냉매순환라인; 및
    상기 저온냉매 열교환기와 상기 스팀터빈 열교환기 사이를 순환하는 제2 냉매 순환라인;을 더 포함하는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 냉매순환라인은 상기 제1 냉매순환라인 상에서 분기되는 것을 특징으로 하는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 냉매순환라인이 분기되기 전의 상기 제1 냉매순환라인 상에 냉매의 이송력을 제공하는 펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉매는 글리콜(glycol)인 것을 특징으로 하는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
  7. 상기 LNG선은 엔진으로부터 발생하는 고온의 배기가스를 작동유체로 구동되는 가스터빈과, 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 생산된 스팀을 작동유체로 구동되는 스팀터빈으로부터 전력을 공급받고,
    상기 가스터빈으로 흡입되는 흡기 공기의 온도를 낮춰주는 가스터빈 흡기쿨러와, 상기 스팀터빈 운전 후 배출되는 증기를 응축시키는 스팀터빈 열교환기로 냉매가 공급되되,
    상기 냉매는 화물창에 저장되는 LNG와의 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 가스터빈 흡기쿨러 및 상기 스팀터빈 열교환기로 공급되는,
    LNG선의 가스터빈 및 스팀터빈 복합발전 전기추진 시스템.
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CN114251643A (zh) * 2021-12-21 2022-03-29 华电电力科学研究院有限公司 一种多能互补综合能源系统

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CN114251643A (zh) * 2021-12-21 2022-03-29 华电电力科学研究院有限公司 一种多能互补综合能源系统
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