KR20190142735A - 저압 배전이 적용된 lng 운반선 - Google Patents

Abstract

실시예들은, 필수부하에 연관된 제1 전력 계통; 및 서비스부하에 연관된 제2 전력 계통을 포함하는, 필수부하 및 서비스 부하를 갖는 LNG 운반선에 관련된다.

Description

저압 배전이 적용된 LNG 운반선{LNG CARRIER APPLIED WITH LOW-VOLTAGE DISTRIBUTION}

본 발명은 저압 배전이 적용된 LNG 운반선에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필수부하(Essential, Important Load)와 서비스부하(Service Load)로 나뉘어지는 LNG 운반선 전력 부하를 부하 특성에 따라 상이한 전력 계통으로 분리하여 (예컨대, 440V와 같은) 저압 배전이 가능하고, 또한, 필수부하 계통 및/또는 서비스부하 계통 내에서 부하 소요전력에 최적화된 교류 및/또는 직류 배전을 통해 부하에 전력을 공급할 수 있는 전력 계통이 적용된 LNG 운반선에 관련된다.

LNG는 일반적으로 극저온(예컨대, -160°C)의 액체상태로 특수 제작된 화물탱크(Cargo Tank)에 저장되어 해상 운송된다. 일반 항해 도중에 상기 화물탱크의 온도, 압력을 제어하지 않고는 LNG를 해상 수송하는 것이 불가능하다.

따라서, LNG 운반선은 선박을 운행하기 위해 추진되도록 구성됨과 동시에, LNG를 안전하게 해상 수송하도록 구성된다.

LNG 운반선 내 전력 부하는 운항과 연관된 필수부하(예, Essential & Important Load - Fuel oil supply pump, Fuel valve cooling pump등)와 운항과 연관되지 않는 서비스부하(예, Service Load)를 포함할 수 있다.

LNG 운반선 내 필수부하는 쓰러스터 모터(Thruster Motor), 추진 모터(Propulsion Motor), 냉각 펌프(Cooling Sea Water Pump) 및 윤활유 펌프(L.O Pump) 등 추진 및 항해를 위한 전기 모터이다. LNG 운반선 내 서비스부하는 LNG 운반선의 파이프라인 및 화물탱크의 외부 온도에 따라 냉각, 압축 공정 시스템이 동작하도록 구성된 LNG 보관용 부하, 및 LNG로부터 발생한 BOG(Boil-Off Gas)를 연료로 사용하기 위한 LNG 연료용 부하를 포함한다.

이러한 LNG 운반선의 필수부하와 서비스부하는 운전 시 일정한 전력을 소모하는 연속부하와, 운전 특성에 따라 전력 소모량이 변화하는 가변부하를 포함할 수 있다. 통상적으로 LNG 운반선은 교류 계통의 전력 공급 시스템이 적용되어 있으며 연속부하와 가변부하가 혼재되어 단일 전력 계통에 연계되어 있다.

종래의 경우, 추진을 위한 필수부하와 LNG 보관용 부하 및 LNG 연료용 부하와 같은 서비스부하가 단일 계통으로 구성되어 있어, 시스템 전체의 전력용량이 매우 크다. 단일 계통 내 대형 LNG 운반선의 모든 부하에 전력을 공급하게 되면 전력 공급 케이블 물량이 급증하게 된다. 또한, LNG 운반선의 전력부하는, 대형 모터부하를 제외한 대부분이 690V이하의 저압을 정격 전압으로 가진다. 발전기에서부터 곧바로 690V 이하의 저압으로 전력이 공급되도록 전력 계통을 설계하게 되면 계통 용량 대비 배전 전압이 낮아 배전반에 매우 높은 전류가 흐르게 된다. 따라서, 계통 내 높은 전류로 인하여 계통 사고를 보호하기 위하여 고가의 고압용 차단 설비가 필요하게 된다. 정격정류가 4000~5000A 이상인 경우 상용 차단 설비가 있지 않으므로 단일 전력 계통은 용량의 한계로 인해 저압 기반의 전력 공급에 있어 한계가 발생하게 된다.

따라서, 특정 규모 이상의 전력계통이 적용되는 LNG 운반선의 경우 저압 계통의 고전류로 인한 케이블 물량, 계통 용량 한계를 해소하기 위하여 부득이 고압으로 전력을 생성하여 이를 저압으로 변압하여 부하에 전력을 공급하는 전력 공급 시스템을 가진다.

따라서, LNG 운반선의 모든 부하에 전력을 공급하기 위해서는 발전기로부터 발전된 전력을 고압으로 전달하는 고압 배전이 적용된다.

도 1은, 종래의 일 실시예에 따른, 필수부하, 서비스부하가 혼재되어 단일 계통으로 구성된 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 시스템 구조도를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 단일 전력 계통 내에 필수부하, 서비스부하가 혼재되어 있는 종래의 LNG 운반선용 전력 공급 시스템은 고압 발전부(10); 고압 배전반(21); 고압 배전반(21)의 고압 전기 신호를 감압하는 변압기(31, 32, 33, 34); 저압 배전반(41, 42, 43); 연속부하 및 가변부하가 혼재되어 있는 부하부(50)를 포함한다.

도 1과 같이, 단일 계통 LNG 운반선용 전력 공급 시스템을 LNG 운반선에 적용 시 계통 규모가 일정 크기 이상일 경우, 부하의 정격전압이 저압일지라도 주 배전은 고압 배전을 적용하고 부하가 연계되어 있는 하위 계통으로 분기될 때 고압을 저압으로 감압하는 감압 변압기(31, 32, 33, 34)를 통해 전력을 공급한다.

도 1의 배전반(20)에는 6.6kV 고압이 적용되어 있으면, 부하까지 전력 공급 과정은 다음과 같다: 6.6kV 발전기 -> 6.6kV 고압 주배전반(high voltage main switchboard) -> 6.6kV/440V 변압기 -> 440V 이하의 저압 하위배전반(low voltage sub-switchboard). 즉, 도 1의 LNG 운반선용 전력 공급 시스템은 고압으로 전력을 생성하고, 이를 저압으로 감압하여 부하에 전력을 공급한다.

도 2는, 도 1의 LNG 운반선용 전력 공급 시스템을 갖는 종래의 LNG 운반선의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, LNG 운반선(1000)은 엔진 룸(1030)을 포함한다. 엔진 룸(1030) 내부는 발전기 등과 같은 다양한 엔진 설비, 및 엔진 설비에 연결된 기타 설비들을 포함하며, 엔진을 제어하는 ECR(Engine control Room) 및/또는 배전반이 배치되는 공간인 ECR-배전반 실(1005), 그리고 감압 변압기(31, 32, 33, 34)가 배치되는 공간인 변압기 실(transformer room)(1007)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 고압 배전이 일부 적용된 도 1의 전력 계통은 부하에 전력을 공급하기 위하여 대용량의 감압 변압기(31, 32, 33, 34)가 요구된다. 대용량 부하를 갖는 LNG 운반선에서 고압 배전이 수행되기 때문에, 감압 변압기(31, 32, 33, 34)가 배치되는 변압기 실(1007)의 크기는 상당하다.

결국, 다수의 감압 변압기(도 1의 31, 32, 33, 34)가 차지하는 공간만큼 선내의 활용 가능한 공간이 줄어들게 된다.

또한, 도 1의 전력 공급 시스템은 단일 전력 계통으로 구성되어 있어 발전 효율 측면에서도 낮은 성능을 가진다.

LNG 운반선에 적용되는 발전기는 통상적으로 고정 RPM 발전기이다. 상기 고정 RPM 발전기는 부하율이 대략 75 내지 85% 사이의 값인 경우에 맞추어 발전할 경우, 높은 연료 효율을 가진다.

한편, 발전부(10)에 포함된 고정 RPM 발전기의 발전 용량은 연속부하, 가변부하의 최대부하전력을 기반으로 산정된다. LNG 운반선의 필수부하는 대부분 연속부하이므로, 필수부하의 부하율의 변동이 크지 않다.

반면, 선박의 추진과 관련 없이 LNG Tank Operation, LNG Fuel Supply와 관련된 동작을 수행하는, LNG 운반선의 서비스부하 대부분은 시간에 따라 부하율이 변동되는 가변부하에 해당된다.

예를 들어, LNG 운반선은 화물 파트(Cargo part) 부하를 서비스부하로 포함할 수 있다. 도 1의 시스템이 적용된 LNG 운반선에서 화물 파트(Cargo part) 전체의 부하 용량은 대략 5.5MW이며, 운전모드별(operation mode)로 대략 30 내지 100 사이의 급격한 부하율(load factor)을 가진다.

결국, 고정 RPM 발전기가 적용된 도 1의 전력 공급 시스템은 서비스부하와 필수부하가 단일 계통에 혼재되어 있어, 중부하 또는 저부하 구간에서 전력 공급 시스템의 발전 효율이 저하되는 문제가 있다

공개특허공보 제10-2017-0118285호

본 발명의 다른 일 측면에 따르면 필수부하(Essential, Important Load)와 서비스부하(Service Load)로 나뉘어지는 선박 전력 부하를 필수부하 전력 계통 및 서비스부하 전력 계통으로 분리하여 (예컨대, 440V와 같은) 저압 배전을 통해 부하에 전력을 공급할 수 있는 LNG 운반선용 전력 공급 시스템이 적용된 LNG 운반선을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 필수부하 및 서비스부하를 갖는 LNG 운반선은: 필수부하에 연관된 제1 전력 계통; 및 서비스부하에 연관된 제2 전력 계통을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통은 제1 발전부, 제1 배전반, 및 선박의 운항에 요구되는 연속부하를 포함한 제1 부하부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 전력 계통은 제2 발전부 및 제2 배전반; 및 가변부하를 포함한 제2 부하부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통 및 제2 전력 계통은 저압이 적용되어 부하에 전력을 공급하는 저압 배전반 만을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통 및 제2 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함하고, 상기 제2 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 전력 계통은, 상기 가변 RPM 발전기로부터 수신된 전기 신호의 주파수를 제2 배전반의 주파수와 매칭하기 위한 전력변환기를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 전력 계통은, 발전부에서 출력된 교류(AC) 전기 신호를 직류(DC) 전기 신호로 변환하는 교류(AC)/직류(DC) 컨버터; 및 상기 직류(DC) 전기 신호를 교류(AC) 전기 신호로 변환하는 직류(DC)/교류(AC) 인버터를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 적어도 제2 전력 계통은 고압이 적용되어 부하에 전력을 공급하는 고압 배전반을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통 및 제2 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함하고, 상기 제2 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, LNG 운반선이 갖는 저압 배전 기반 전력 계통은 부하 특성에 따라 필수부하 전력 계통, 그리고 서비스부하 전력 계통으로 분리 구성된다. 필수부하 전력 계통은 LNG 운반선의 운전에 관련된 필수 부하(예컨대, 쓰러스터 모터, 추진 모터, 엔진 윤활유 펌프모터 등)를 포함하며, 필수부하의 대부분은 연속부하에 해당된다. 서비스부하 전력 계통은 LNG 운반선의 운전에는 필수적이지 않으나, LNG 운반선에 의한 서비스를 제공하는 것과 관련된 부하(예컨대, 카고 펌프(Cargo Pump), HD 컴프레서, LD 컴프레서, 기화기(Vaporizer) 등)를 포함하며, 서비스부하의 대부분은 가변부하에 해당된다.

이러한 부하 분리로 인해 각 전력 계통의 용량이 기존 단일 계통 대비 줄어 들게 되어 저압 배전으로만 각 전력 계통 내 부하에 대해 전력을 공급할 수 있게 된다. 따라서, 고압 배전이 필요치 않게 되어 고압을 저압으로 감압하는 대용량의 감압 변압기가 필요치 않게 된다. 감압 변압기를 사용하지 않음으로써, CAPEX(Capital expenditures) 측면에서 원가 절감 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 기존에 감압 변압기를 위해 제공되었던 공간(즉, 변압기 실)은 다양한 다른 목적으로 활용 가능하다. 일반적으로 해당 감압 변압기는 장비 밀집도가 높은 엔진 룸 내에 위치하고 있어 선내 공간 활용도 개선에 미치는 영향이 크다.

그리고, 필수부하용 전력계통과 서비스부하용 전력계통을 분리 구성함으로써 각 계통의 안정성도 높아지게 된다. 기존의 경우 서비스부하단에 계통사고가 발생하게 되면 단일 계통으로 구성되어 있어 필수부하에도 영향을 미치게 된다. 계통을 분리 구성하게 되는 경우 서비스부하 단의 사고 발생 시 해당 계통 사고는 서비스부하용 전력계통 내에서만 확산되므로 필수부하용 전력계통에는 영향을 미치지 않게 된다. 마찬가지로 계통 분리 시 필수부하 단의 사고 시에도 해당 사고가 서비스부하단으로 확산되지 않는다.

또한, 전력 계통이 분리되었기 때문에, 각 전력 계통은 독립적인 계통 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 각 전력 계통의 발전기 유형, 배전을 위한 전압 또는 전기 신호 유형이 독립적으로 구성 및 운영될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 시스템은, 높은 발전 효율을 가질 수 있도록, 부하 특성에 최적화된 발전기를 구성 및 운영하도록 구성된다. 예를 들어, 연속부하를 주로 포함하는 전력 계통에는 연속부하 전력공급에 보다 적합한 고정 RPM 발전기를 설치하여 연속부하 전력공급에 최적효율을 나타내는 발전용량을 갖도록 고정 RPM 으로 운전하고, 또한 가변부하를 주로 포함하는 전력 계통에는 가변부하 전력 공급에 보다 적합한 가변 RPM 발전기를 설치하여 가변부하 전력공급에 최적효율을 갖는 가변 RPM으로 운전한다.

그 결과, LNG 운반선에 소모되는 연료의 량이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

다른 일 실시예에서, 상기 시스템은 가변부하를 주로 포함한 전력 계통에도 고정 RPM 발전기를 이용하여 전력을 공급할 수 있다. 상기 고정 RPM 발전기의 이용으로 인해, 발전기 비용이 감소하고, 가변속 발전기 적용 시 필요한 전력 변환기가 요구되지 않는 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 각각의 전력 계통 내 배전 방식을 저압 직류 배전 및/또는 저압 교류 배전이 가능하도록 구성할 수 있다. 즉, 직류 배전이 어려운 종래의 전력 공급 시스템과 달리 배전 형태를 자유롭게 설정할 수 있어, 발전부와 부하의 특성에 따라 유연한 전력 공급이 가능할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 시스템은 서비스부하 전력 계통에서, 선수부에 위치하며 입/출항시에만 운전되는, 쓰러스터 모터로 전력 공급을 하도록 구성된다. 이로 인해, 필수부하 전력 계통의 발전 용량을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 종래의 일 실시예에 따른, 필수부하, 서비스부하가 혼재되어 단일 계통으로 구성된 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 시스템 구조도를 도시한 도면이다.
도 2는, 도 1의 LNG 운반선용 전력 공급 시스템을 갖는 종래의 LNG 운반선의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 분리된 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 서비스부하 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 갖도록 구성된 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 5는 전력 계통 내 부하단의 부하율과 상기 부하단에 전력을 발전기의 연료 소모량 간의 관계를 도시한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 필수부하 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 갖고 교류 배전을 수행하도록 구성되고, 서비스부하 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 갖고 부분적으로 직류 배전을 수행하도록 구성된 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 7은, 본 발명의 다른 실시예들에 따른, 분리된 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선의 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른, 분리된 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선의 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 영역, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 및/또는 성분을 구체화하는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 영역, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 및/또는 성분의 존재 또는 부가를 제외시키는 것이 아니다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서, 부하 계통이 필수부하 계통과 서비스부하 계통으로 분리되었다는 것은 필수부하와 서비스부하가 동일 계통에 혼재되지 않고, 상이한 계통에 각각 포함되어 상이한 주배전반에 의해 전력을 공급받도록 구성된 것을 지칭한다. 부하 계통의 분리는 영구적인 것이 아니며, 상이한 부하 계통은 전력 공급 구성요소 사이를 전기적으로 연결 가능한 임의의 구성요소(예컨대, SPDT 스위치, 또는 버스 연결 차단기(Bus-tie breaker) 등)에 의해 연결될 수 있다.

본 명세서에서, 실시예들은 LNG 운반선의 전력 시스템에 관한 것이다. LNG 운반선의 경우 저압의 범위는 국제 규정에 직류 저압은 1500V 이하로 규정되고, 교류 저압은 1000V 이하로 규정되고 있으므로, 특별한 한정이 없으면, 본 명세서에서 용어 "저압"은 직류의 경우 1500V 이하, 교류의 경우 1000V 이하에 해당되는 전압을 지칭한다.

본 발명의 실시예들에 따른 LNG 운반선용 전력 공급 시스템은 주로 필수부하를 포함한 필수부하 전력 계통과, 주로 서비스부하를 포함한 서비스부하 전력 계통으로 전력 계통이 분리되어 구성된다. 상기 필수부하와 서비스부하는 배전반을 공유하지 않는다. 계통의 분리로 인해 단일 전력 계통 대비 부하의 용량이 감소하여 저압 배전이 가능하도록 구성된다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 분리된 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

도 3을 참조하면, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 하나 이상의 전력 계통(100, 200 등)을 포함한다. 전력 계통(100)은 발전부(110), 주배전반을 포함한 배전반(130) 및 필수부하를 포함한 필수부하부(150)를 포함한다. 전력 계통(200)은 발전부(210), 주배전반을 포함한 배전반(230) 및 서비스부하를 포함한 서비스부하부(250)를 포함한다.

또한, 상기 LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 전력 계통의 상태를 모니터링하고 전력 공급을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 전력관리시스템(PMS; Power Management System), 에너지관리시스템(EMS: Energy Management System), 에너지 전력 관리 시스템(EPMS: Energy Power Management System) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

이하, 설명의 명료성을 위해 LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 2개의 전력 계통(100, 200)을 포함하는 것으로 서술되나, 이에 제한되는 것으로 해석되진 않는다. 또한, 경우에 따라 2개의 구성요소에 대한 상세한 설명은 1개의 구성요소에 대한 상세한 설명으로 대표하여 서술된다.

도 3에 도시된 바와 같이, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 필수부하와 서비스부하 별로 전력 계통이 각각 분리된 상태로 구성된다.

발전부(110)는 배전반(130)를 통해 필수부하부(150)로 전력을 공급하여 필수부하부(150)의 부하가 전력을 소모하고 구동하게 한다.

발전부(110)는 교류 전기 신호를 출력하며, 복수의 발전기(예컨대, 도 3의 발전기(111, 112)를 포함한다. 발전기(111, 112)의 발전 유형 및 발전 용량은 부하에 의존한다. 예를 들어, LNG 운반선의 운용을 위한 모터 부하가 정출력 부하인 경우, 교류 발전기가 사용될 수 있다. 또한, 발전기의 수용율이 85%이고, 부하 용량이 1MW인 경우, 발전기의 발전 용량은 약 1.2MW일 수 있다.

발전부(110)에 포함된 발전기 하나의 용량은 일반항해 모드에서 필수부하부(150)에 전력을 공급하게 충분한 용량을 가진다. 이 경우, 상기 복수의 발전기(111, 112) 중 적어도 하나는 대기 발전기로 지정되며, 상기 대기 발전기는 일반 항해 시에는 동작하지 않도록 설정된다.

일 실시예에서, 필수부하 전력 계통(100)에서 동작 중인 발전기(예컨대, 111)의 사고가 발생한 경우, 상기 전력 공급 시스템(1)은 상기 필수부하 전력 계통(100)에 포함된 대기 발전기(예컨대, 112)로부터 필수부하부(150)로 전력이 공급되도록 구성된다.

일 실시예에서, 필수부하 전력 계통(100)의 대기 발전기는 서비스부하 전력 계통(200)의 서비스부하에 전력을 공급하기 위해 동작할 수 있다. 이에 대해서는 아래의 도 7 및 도 8을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.

발전기(111, 112)는 디젤발전기, 복합연료발전기, 가스연료발전기, 가스터빈 등이 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 또한, 발전부(110)는 상황에 따른 전력 공급 제어를 위해 하나 이상의 스위치, 및/또는 단로기를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 두 개의 발전기(111, 112)를 포함한 경우, 두 개의 스위치를 더 포함할 수 있다.

배전반(130)에서는 교류(AC)로 전력 공급이 실시된다. 일 실시예에서, 배전반(130)은 전력 계통(100)의 주배전반을 포함할 수 있다. 상기 주배전반은 버스 케이블로 구성되며, 이 경우 버스 케이블은 메인 버스로 지칭될 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 배전반(130)은 복수의 버스케이블을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 배전반(130)은 발전기(111)에 전기적으로 연결된 메인버스(131), 발전기(112)에 전기적으로 연결된 메인버스(132)와 같이, 복수의 버스케이블을 포함할 수 있다. 이 경우, 배전반(130)은 복수의 메인버스(131, 132)를 평소에는 전기적으로 연결하나, 비상 및/또는 사고 시 전기적 연결이 차단되는 버스 연결 차단기(bus tie breaker)(133)를 더 포함할 수 있다.

배전반(130)에는 저압이 적용될 수 있어, 전력 계통(100)은 저압 배전이 가능하다. 예를 들어, 도 3의 메인버스(131) 및 메인버스(132)에 440V의 저압이 적용되어 전력을 부하로 공급할 수 있다.

전력 계통(100)의 구성요소는 상호작용하도록 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 발전부(110)로부터 배전반(130)를 통해 필수부하부(150)까지를 전기적으로 연결하는 전력 공급선을 사용하여 필수부하에 전력을 공급할 수 있다.

전력 계통(100)의 필수부하부(150)는 선박 운항을 위해 필수적으로 동작이 요구되는 필수부하(Essential, Important Load)를 포함한다. 상기 필수부하(Essential, Important Load)는 선박 규정이 정의하는 필수부하(Essential load) 및 선박 운항을 위해 필수적으로 동작이 요구되나, 선박 규정 상 필수부하(Essential load)에는 포함되지 않는 준-필수부하(secondary essential load)(예컨대, 중요부하(important load))를 포함한다.

LNG 운반선의 운용을 위해 사용되는 필수부하는, 예를 들어, 추진 모터, 발라스트 펌프, 윤활유 펌프, 엔진 연료공급 펌프, 냉각펌프, 워터 스프레이 펌프(water spray pump) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되진 않는다. 필수부하부(150)에 포함된 필수부하의 대부분은 부하율이 거의 변하지 않는 연속부하에 해당된다.

일부 실시예에서, 필수부하부(150)는 가변주파수제어(VFD, Variable Frequency Drive) 기반 부하를 더 포함할 수도 있다. 가변주파수제어 기반 부하는 냉각 시스템((Central Cooling System)과 같이, 운항 특성에 맞게 부하단의 전력소모를 최적화하는 필수부하이다. 예를 들어, VFD 부하는 냉각수의 온도를 제어 가능하도록 구성된 냉각 펌프 등과 같은 온도, 압력 등을 제어하도록 구성된 필수부하를 포함한다.

전술한 바와 같이, 배전반(130)은 저압 배전이 실시되도록 구성된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 적어도 일부 필수부하는 별도의 변압기가 필요 없이 전기적으로 연결되어 전력을 공급받을 수 있다.

또한, 필수부하부(150)는 배전반(130)의 전압과 동일하거나, 보다 낮은 전압으로 전력을 공급하는 한 개 이상의 하위 배전반을 포함할 수 있다. 이 경우, 필수부하부(150)는 배전반(130)과 하위 배전반 사이에 배치되어 전압을 감압하는 변압기(155)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 필수부하부(150)는 (예컨대, 450V가 적용된) 배전반(130)과 (예컨대, 220V가 적용된) 하위 배전반 사이에 변압기(155A, 155B, 155C, 155D)를 포함할 수 있다.

상기 변압기(155)는 저압을 더 낮은 전압(예컨대, 220V)으로 감압하는 변압기로서, 고압을 저압으로 감압하는 도 1의 감압 변압기(31, 32, 33, 34)와 비교하여 소형화된 변압 사양을 가진다.

또한, 전력 계통(100)은 블랙 아웃과 같은 비상 상황시 전력을 공급하는 비상 발전기 및, 이 때 동작하는 부하를 포함한 비상 배전반을 더 포함할 수도 있다. 상기 비상 배전반은 쇼어 파워(shore power), 비상용 부하 등을 포함할 수 있다.

전력 계통(200)의 구성요소 및 동작은 전력 계통(100)의 구성요소 및 동작과 상당부분 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.

반면, 전력 계통(200)의 서비스부하부(250)는 LNG 운반선의 운항 이외에 부가적으로 사용되는 서비스 부하를 포함한다. 또한, 가변부하부(250)는 배전반(230) 보다 낮은 전압으로 전력을 공급하는 한 개 이상의 하위 배전반(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

서비스부하부(250)는 LNG를 보관하는데 사용되는 LNG 보관용 부하, LNG로부터 발생한 및 LNG 운반선의 탑승자의 편의를 위해 사용되는 사용자 편의용 부하 등을 포함한다.

LNG는 가연성 물질로서, LNG 운반선은 LNG를 쉽게 선적 또는 하역하기 위해 화물탱크 또는 파이프라인의 온도, 압력을 제어해야 한다. 또한, LNG를 해상으로 안전하게 수송하기 위해 일반 항해 시에도 화물 탱크의 온도, 압력을 지속적으로 제어해야 한다.

따라서, LNG 운반선에 LNG를 선적, 하역, 저장하기 위해 동작하는 부하, 그리고 운항 도중에 저장된 LNG의 관리(예컨대, LNG 냉각, 압축 등)을 위해 동작하는 부하를 포함한 LNG 보관용 부하는 가변부하에 해당된다.

또한, 서비스부하부(250)는 BOG(Boil-Off Gas)를 연료로 사용하기 위한 LNG 연료용 부하를 포함할 수 있다.

LNG 운반선은 환경 규제로 인해 이중연료엔진(Dual Fuel Engine) 시스템이 설치되어 운용된다. 상기 이중연료엔진 시스템은 LNG 연료용 부하 중 적어도 일부를 Gas Mode 또는 HFO Mode로 제어할 수 있다. 여기서, Gas Mode는 화물탱크 내 자연 발생하는 BOG, 및 강제 기화시킨 BOG를 LNG 운반선의 연료로 사용하는 모드이고, HFO Mode는 고유황 연료유, 벙커유와 같은, HFO(Heavy Fuel Oil)를 LNG 운반선의 연료로 사용하는 모드이다.

따라서, 이러한 BOG를 연료로 사용하기 위한 LNG 연료용 부하 또한 가변부하에 해당된다. 이로 인해, 서비스부하의 대부분은 부하율이 변동하는 가변부하에 해당된다.

상기 LNG 보관용 부하는, 예를 들어, HD 컴프레서(High duty compressor), 카고 펌프, 카고 보조 기기(Cargo Auxiliary Machine) 등을 포함하나, 이에 제한되진 않는다.

상기 LNG 연료용 부하는, 예를 들어, LD 컴프레서(Low duty compressor), 기화기(Vaporizer) 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 가변부하부(250)는 배전반(230) 보다 낮은 전압으로 전력을 공급하는 한 개 이상의 하위 배전반(미도시)을 더 포함할 수도 있다.

일부 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 필수부하부(150) 또는 서비스부하부(250)의 적어도 일부 전력부하는 부하의 동작 시 수신하는 전력량을 제어하는 구성요소(예컨대, 스타터 패널(Starter Panel, S/T)를 포함할 수 있다.

또한, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)의 분리된 각 전력 계통(100, 200)은 독립적인 계통 구성을 가짐으로써, 각 계통의 안정성도 높아지게 된다. 기존의 경우 서비스부하단에 계통사고가 발생하게 되면 단일 계통으로 구성되어 있어 필수부하에도 영향을 미치게 된다. 계통을 분리 구성하게 되는 경우 서비스부하 단의 사고 발생 시 해당 계통 사고는 서비스부하용 전력계통 내에서만 확산되므로 필수부하용 전력계통에는 영향을 미치지 않게 된다. 마찬가지로 계통 분리 시 필수부하 단의 사고 시에도 해당 사고가 서비스부하단으로 확산되지 않는다.

또한, 개별 전력 계통의 규모가 단일 전력 계통 대비 축소된다. 예를 들어, 14MW의 전력 용량을 갖는 단일 전력 계통을 필수부하 전력 계통(100)은 9MW, 서비스부하 전력 계통(200)은 5MW 규모로 도 3과 같이 분리된 경우, 개별 전력 계통의 규모는 14MW에서 9MW로, 14MW에서 5MW로 각각 축소된다.

그리고, 6.6kV 이상의 고압 대신 저압(예컨대, 440V)이 적용된 주배전반을 통해 전력 공급이 가능하다. 이로 인해, 도 1의 대용량의 감압 변압기(31, 32, 33, 34)를 더 이상 요구하지 않는다. 따라서, CAPEX(Capital expenditures) 측면에서 원가 절감 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 대용량의 감압 변압기(31, 32, 33, 34)가 요구되지 않아, 도 2에 도시된 변압기 실(1007)의 기존의 감압 변압기(31, 32, 33, 34)가 차지했던 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 전력 공급 시스템(1)이 LNG 운반선에 적용될 경우, 변압기 실(1007)의 공간을 다수의 감압 변압기의 배치를 위한 용도 대신에 (예컨대, 화물선적 등) 다른 용도로 활용할 수 있다.

나아가, 전력 계통(100, 200)은 계통의 분리로 인해, 설계 목적에 따라 다양하거나 상이하게 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 각 전력 계통(100, 200)은 주로 포함된 부하 특성에 최적화된 유형의 발전기를 구성 및 운영하도록 구성된다. 예를 들어, 필수부하 전력 계통(100)은 고정 RPM 발전기를 포함하고, 서비스부하 전력 계통(200)은 가변 RPM 발전기를 포함할 수 있다.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 서비스부하 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 갖도록 구성된 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

상기 도 4의 전력 공급 시스템(1)은 도 3의 전력 공급 시스템(1)과 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.

도 4를 참조하면, 필수부하 전력 계통의 발전기(111, 112)는 고정 RPM 발전기, 서비스부하 전력 계통(200)의 발전기(211, 212)는 가변 RPM 발전기다. 연속부하의 경우 정출력 특성으로 인하여 부하변동이 없으므로, 부하율의 변화가 거의 없는 반면, 가변부하는 부하율이 변하는 것이 특징이다.

필수부하 전력 계통(100)의 부하 대부분은 부하율이 변하지 않는 연속부하에 해당하므로, 최적 효율구간(즉, 75 내지 85%의 부하율 범위)에서 동작하도록 고정 RPM 발전기를 운전한다.

도 1에 도시된 종래의 단일 계통 기반 전력 공급 시스템에서는 LNG 운반선의 전력부하가 단일 계통에 혼재되어 있어, 가변부하로 인하여 전체 시스템의 부하율이 낮은 부하 구간이 발생하게 된다. 이로 인해, 고정 RPM 발전의 발전 효율이 저하된다.

반면, 도 4의 전력 공급 시스템(1)은 LNG 운반선의 대부분 가변부하가 전력 계통(100)로부터 분리되어 있어 서비스부하 전력 계통(200)의 가변 부하에 의한 부하율 변화가 필수부하 전력 계통(100)의 필수부하에 영향을 미치지 않는다.

따라서, 필수부하 전력 계통(100)에 고정 RPM 발전기를 적용하여도, 중부하 또는 저부하 구간에서 높은 발전효율을 가진다.

반면, 전술한 바와 같이, 서비스부하 전력 계통(200)의 부하 대부분은 부하율이 변하는 가변부하이다.

따라서, 도 3의 전력 공급 시스템(1)의 서비스부하 전력 계통(200)은 전력 계통(200)의 부하율 변동에 맞추어 가변속 운전이 가능한 가변 RPM 발전기를 운전하도록 구성된다.

이러한 가변 RPM 발전기를 포함한 서비스부하 전력 계통(200)에 있어서, 부하 구간별로 최적의 발전 효율을 가지는 RPM으로 가변 RPM 발전기의 회전 속도를 제어할 경우, 단일 계통 내에 연속부하, 가변부하가 혼재된 경우에 비해, 가변 부하에 전력을 공급하는 발전기의 연료 효율을 향상시킬 수 있다.

도 5는 전력 계통 내 부하단의 부하율과 상기 부하단에 전력을 발전기의 연료 소모량 간의 관계를 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이 종래의 단일 전력 계통에서는 고정 RPM 발전기를 이용하여 가변 부하(예컨대, LNG 보관용 부하)에 전력을 공급하였다. 화물 파트 전체의 서비스부하는 30 내지 100% 수준의 평균 부하율을 가진다.

이와 같이 중부하 또는 저부하로 변동하는 LNG 운반선의 서비스부하 전체에 종래와 같이 고정 RPM 발전기를 이용하여 전력을 공급할 경우, 부하율이 낮은 중부하 또는 저부하 구간에서는 낮은 발전 효율을 가진다.

반면, 본 발명의 일 실시예와 같이 가변 RPM 발전기를 이용하여 부하율이 변동하는 서비스부하에 전력을 공급할 경우, 도 1의 전력 공급 시스템과 비교하여, 부하율이 낮은 저부하 구간에서 발전 효율이 향상된다.

도 5를 참조하면, 도 1의 전력 공급 시스템은 저부하 구간의 예시로서 45%의 부하율에서 P_F에 해당하는 연료 효율을 가진다. 반면, 도 4의 전력 공급 시스템(1)은 P_V에 해당하는 연료 효율을 가진다. P_F와 P_V의 비교 시, 도 4의 전력 공급 시스템(1)이 1kwh의 전력을 발전하는데 보다 적은 연료 량을 소모하는 것을 나타낸다. 결국, 도 4의 전력 공급 시스템(1)은 LNG 운반선의 서비스부하를 위한 동일 전력을 발전하는데 있어 도 1의 전력 공급 시스템에 비해 대략 8%의 연료 소모율의 개선 결과를 갖는 것으로 산출된다.

상기 8%는 단순한 예시로서, 서비스부하가 시간 대 별로 부하율이 변동하는 부하 구간을 갖도록 구성되는 경우, 부하 구간에 대응하는, 최적의 발전 효율을 가지는 RPM으로 발전기 회전 속도를 제어함으로써 발전 효율을 더 개선할 수 있다.

LNG 운반선 부하에 있어서, 저부하 구간(L1)은 부하율이 10~40%인 구간으로서 대략 285~210g/kwh의 연료 소모량을 가진다. 중부하 구간(L2)은 부하율이 40~60%인 구간으로서, 대략 210~194g/kwh의 연료 소모량을 가진다. 고부하 구간(L3)은 부하율이 80~100%인 구간으로서, 대략 185~190g/kwh의 연료 소모량을 가진다. 도 3의 전력 공급 시스템(1)은 고부하 구간(L3)에서 연료 소모가 도 1의 전력 공급 시스템과 거의 유사하다. 그러나, 저부하 구간(L1)에서는 도 1 대비 kwh 당 연료 소모율이 대략 6~10% 개선되고, 중부하 구간(L2)에서는 도 1 대비 kwh 당 연료 소모율이 대략 10~35% 개선된다.

이와 같이, 도 4의 서비스 전력 계통(200)의 가변 RPM 발전기는 각 부하 구간의 부하율에 기초하여 RPM을 제어함으로써, 발전부(210)의 발전 효율을 개선할 수 있다.

한편, 상기 서비스부하 전력 계통(200)이 교류 배전을 하는 경우, 배전반(230)은 특정 주파수(예컨대, 50Hz 또는 60Hz)를 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우, 발전부(210)는 각 부하 구간의 부하율에 기초하여 교류 전력을 발전하고, 상기 배전반(230)의 주파수에 매칭하는 주파수(예컨대, 50Hz, 또는 60Hz)를 갖는 교류(AC) 전기 신호를 출력하도록 구성된다.

일 실시예에서, 발전부(210)는 발전기(211) 및 배전반(230) 사이에 위치한 교류(AC)/교류(AC) 컨버터(214)를 포함한다. 상기 교류(AC)/교류(AC) 컨버터(214)는 가변 RPM 발전기에서 발전된 교류(AC) 전기 신호의 주파수를 배전반(230)의 특정 주파수(예컨대, 50Hz 또는 60Hz)로 변환하도록 구성된다.

그 결과, 각 부하 구간의 부하율에 기초한 가변 RPM 발전기(211)의 RPM 변화가 있어도, 발전부(210)는 배전반(230)의 특정 주파수를 갖는 교류(AC) 전기 신호를 출력할 수 있다.

또한, 상기 LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 저압 배전이 가능하기 때문에, 각각의 전력 계통(100, 200) 내 배전 방식을 저압 직류(DC) 배전 및/또는 저압 교류(AC) 배전이 가능하도록 구성할 수 있다.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 필수부하 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 갖고 교류 배전을 수행하도록 구성되고, 서비스부하 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 갖고 부분적으로 직류 배전을 수행하도록 구성된 LNG 운반선용 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

상기 도 6의 전력 공급 시스템(1)은 도 4의 전력 공급 시스템(1)과 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.

도 6을 참조하면, 서비스부하 전력 계통(200)은 부분적으로 직류 배전이 가능하도록 더 구성된다. 상기 전력 공급 시스템(1)에서 발전기(111, 112)는 고정 RPM 발전기이고, 발전기(211, 212)는 가변 RPM 발전기이다.

일 실시예에서, 발전부(210)는 교류(AC) 전기 신호를 수신하여 직류(DC) 전기 신호로 변환하는 교류(AC)/직류(DC) 인버터(216)를 더 포함하고, 상기 제2 부하부는 직류(DC) 전기 신호를 수신하여 교류(AC) 전기 신호로 변환하는 직류(DC)/교류(AC) 인버터(226)를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 직류 배전이 수행되는 경우, 주파수 및 위상 동기화, 무효 전력으로 인한 전력 손실을 방지할 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 전력 계통(200)은 발전부(210)와 배전반(230) 사이에 직류(DC) 메인버스(221)를 포함한 직류(DC) 배전반(220)을 더 포함할 수 있다. 상기 직류(DC) 배전반(220)를 이용하면 운반선 내에 배치된 복수의 서비스부하에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다. 이 경우, 전력 계통(200은 배전반(220)과 배전반(230) 각각의 서비스부하 사이를 전기적으로 연결하는 복수의 직류(DC)/교류(AC) 인버터(226A 내지 226B)를 포함할 수 있다.

교류(AC)/직류(DC) 인버터(216)와 직류(DC)/교류(AC) 인버터(226)에 의해, 전력 계통(200)에서는 발전부(210)와 배전반(230) 사이의 부분에서 직류 배전이 가능하다.

이와 같이, 전력 공급 시스템(1)은, 필수부하 전력 계통은 고정 RPM 발전기 기반 교류배전, 서비스 부하 전력 계통은 가변 RPM 발전기 기반 직류 또는 교류배전으로 구성될 수 있다.

또한, 전력 공급 시스템(1)은 각 전력 계통(100, 200)의 배전을 위한 전압을 서로 상이하게 구성할 수 있다.

일 실시예에서, 전력 공급 시스템(1)은 필수부하 전력 계통(100)에서는 배전반(130)을 통해 저압 배전을 수행하고, 서비스부하 전력 계통(200)에서는 배전반(230)를 통해 고압 배전을 수행하도록 구성된다. 여기서, 필수부하 전력 계통(100)의 저압 배전은 고정 RPM 발전기를 이용하여 수행되고, 서비스부하 전력 계통(200)의 고압 배전은 가변 RPM 발전기를 이용하여 수행될 수 있다. 이 경우, 서비스부하 전력 계통(200)의 발전부(210)는 고압(예컨대, 6.6kV) 전기 신호를 배전반(230)으로 출력하도록 구성된다.

추가적으로, 전력 계통(100, 200)은 부품 공급 측면에서 효율적이도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 서비스부하 전력 계통(200)은 배전반(230)를 통해 저압 배전을 수행하되, 상기 저압 배전은 고정 RPM 발전기를 이용하여 수행될 수 있다. 다시 도 3을 참조하면, 서비스부하 전력 계통(200)은 발전부(210), 저압 배전반(230) 및 서비스부하부(250)를 포함한다.

배전반(230)에서는 계통 분리에 따른 저압 배전이 수행된다. 상기 배전반(230)이 교류(AC) 전력을 배전하는 경우, 배전반(230)의 주파수는 특정 주파수(예컨대, 50Hz 또는 60Hz)이다.

발전부(210)는 상기 배전반(230)의 주파수에 매칭하는 주파수(예컨대, 50Hz, 또는 60Hz)를 갖는 전력을 발전하도록 구성된다. 예를 들어, 발전부(210)는 상기 배전반(230)의 주파수에 매칭하는 주파수를 위한 고정 RPM으로 운전하는 고정 RPM 발전기를 포함할 수 있다. 대용량 발전기의 경우, 고정 RPM 발전기가 가변 RPM 발전기에 비해 가격이 보다 저렴하고 수급이 용이한 장점을 가진다.

일부 실시예에서, 발전부(210)는 복수의 고정 RPM 발전기(211, 212)를 포함할 수 있다. 상기 고정 RPM 발전기(211, 212)의 발전 용량은 서비스부하(250)의 전력 용량 이상일 수 있다. 고정 RPM 발전기(211 또는 212)는 중부하 또는 저부하 구간에서 서비스부하 전력 계통(200)에 전력을 공급하기 충분한 발전 용량을 가진다.

이러한 발전부(210)와 배전반(230) 간의 주파수 매칭 구조로 인해, 상기 서비스부하 전력 계통(200)은 저압 배전반과 발전부 간의 주파수 매칭을 위한 추가적인 전력 기기(예컨대, 전력 변환기)가 요구되지 않으면서, 배전반(230)에서 저압 교류(AC) 배전이 수행될 수 있다.

예를 들어, 서비스부하 전력 계통(200)의 발전기(211 또는 212)는 가변 RPM 발전기로서, 속도에 따라 가변주파수 범위(예컨대, 37Hz 내지 60Hz)에서의 주파수를 가지는 전력을 발전할 수 있다. 이 경우, 특정 주파수(예컨대, 50Hz 또는 60Hz)를 갖는 배전반(230)과 상기 가변 RPM 발전기(211) 사이에는 주파수 매칭을 위해 발전부(210)에서 출력되는 전력의 주파수를 배전반(230)의 주파수로 변환해주는 전력변환기(예컨대, 매트릭스 컨버터(Matrix Converter))가 요구되는데, 선박에 사용되는 발전기의 발전 용량(예컨대, 3MW)을 변환하는 대용량 컨버터를 공급하는 것은 쉽지 않다. 더욱이, 통상적으로 가변 RPM 발전기의 가격이 고정 RPM 발전기의 가격 보다 고가이다.

결국, 고정 RPM 발전기를 포함한 서비스부하 전력 계통(200)은 저압 배전의 장점을 유지함과 동시에 가변속 발전기 적용 시 필요한, 저압 배전반과의 주파수 매칭을 위한 추가적인 전력 기기(예컨대, 전력 변환기)가 요구되지 않고, 보다 저렴하게 저압 배전 기반 전력 공급 시스템을 선박에 구축할 수 있다. 나아가, 서비스부하 전력 계통(200)의 일부를 기존 공급 가능한 고정 RPM 발전 기준으로 구성할 수 있어, 설계의 용이성이 있다.

한편, 상기 고정 RPM 발전기를 포함한 서비스부하 전력 계통(200)은 배전반(230)에 저압이 적용되어 교류(AC) 배전하는, 저압 교류(AC) 배전 구조로 제한되지 않는다. 다른 일 실시예에서, 상기 고정 RPM 발전기를 포함한 서비스부하 전력 계통(200)은, 도 6과 유사하게, 저압 직류(DC) 배전 구조로 구성될 수 있다. 또 다른 일 실시예에서, 상기 고정 RPM 발전기를 포함한 서비스부하 전력 계통(200)은 고압 교류(AC) 배전 구조로 구성될 수 있다.

추가적으로, 상기 선박용 전력 공급 시스템(1)은 쓰러스터 모터(152)와 필수부하 전력 계통(100)이 연계되지 않도록 구성될 수 있다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시예들에 따른, 분리된 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선의 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

상기 도 7의 전력 공급 시스템(1)은 도 3의 전력 공급 시스템(1)의 구성과 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.

도 3에서, 쓰러스터 모터(152)와 연계된 필수부하 전력 계통(100)의 발전 용량은 상기 쓰러스터 모터(152)의 전력 용량, 그리고 선박 규정(Rule)에서 필수부하로 정의된, 연속적인 전력 공급이 요구되는 연속부하의 전력 용량 모두에 기초하여 설정된다. 쓰러스터 모터(152)는 입/출항 시 단시간 동안만 운전되지만, 대용량의 부하로서 선박의 운항에 필수적이기 때문에, 도 3의 전력 공급 시스템(1)에서는 필수부하 전력 계통(100)에 포함된다.

한편, 연속부하가 대부분 포함된 필수부하 전력 계통(100)에 쓰러스터 모터(152)가 연계되는 경우, 필수부하 전력 계통(100) 내에서는 쓰러스터 모터(152)가 운전하지 않는 대부분의 선박 운행 시간 동안 부하에서 소모되는 전력 용량과 발전 용량의 상당한 차이가 발생한다. 즉, 실질적으로 필수 부하 전력 계통(100)에서 요구되는 발전 용량 보다 오버스펙의 발전기를 설치해야 하여, 실질적으로 요구되는 발전기 비용 보다 고가의 발전기 비용이 요구된다.

일 실시예에서, 쓰러스터 모터(152)는 필수부하 전력 계통(100) 이외의 전력 계통인 서비스부하 전력 계통(200)에 연계되어, 필수부하 전력 계통(100)의 발전 용량을 설정하는데 있어 쓰러스터 모터(152)의 전력 용량이 고려되지 않도록 구성된다. 또한, 상기 서비스부하 전력 계통(200)은 쓰러스터 모터(152)가 운전되는 단 시간 동안 전력을 교차 사용함으로써 대용량의 부하(즉, 쓰러스터 모터(152))와 연계됨에도 불구하고, 추가적인 발전 용량의 증가가 없도록 구성된다. 이 경우, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 쓰러스터 모터(152)의 동작 여부에 따라 전력 공급을 제어하도록 더 구성된다.

도 7을 참조하면, 쓰러스터 모터(152)는 배전반(230)을 통해 발전부(210)의 전력을 수신한다. 일 실시예에서, 발전부(210)는 가변 RPM 발전기를 포함한다. 다른 일 실시예에서, 발전부(210)는 고정 RPM 발전기를 포함한다.

쓰러스터 모터(152)는 기능적인 측면에서 선박 운행에서 중요한 중요부하(Important Load)이지만, 선박 운행 동안 연속적으로 전력 공급이 필요하진 않은 준-필수부하(Secondary Essential Load)에 해당된다. 따라서, 필수부하에 연속적으로 전력을 공급하는 필수부하 전력 계통(100)에 연계되지 않는 구성이 가능하다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 쓰러스터 모터(152A, 152B)는 서비스부하 전력 계통(200)의 배전반(230)에 연계된다.

이와 같이, 필수부하 전력 계통(100)과 쓰러스터 모터(152)가 연계되지 않아, 필수부하 전력 계통(100)은 일반 항해 시 부하율이 증가하게 된다. 그 결과, 연료효율이 더욱 증가하게 되고, 운영 비용을 절감할 수 있다. 그리고, 필수부하 전력 계통(100)의 발전 용량은 쓰러스터 모터(152)와 연계된 경우(예컨대, 도 3)에 비해 감소하므로, 보다 소형화된 발전기를 필수부하 전력 계통(100)에 적용할 수 있어, 발전기 비용을 절감할 수 있다.

또한, 서비스부하 전력 계통(200)은 쓰러스터 모터(152)의 추가 연계에 따른 발전부(210)의 발전 용량의 추가가 없도록, 스위칭부(125)를 포함한다. 상기 스위칭부(125)에 의해, 서비스부하 전력 계통(200)에 연계된 쓰러스터 모터(152)가 동작하여도 다른 서비스부하로의 전력 공급이 부족하지 않게 된다.

일 실시예에서, 스위칭부(125)는 발전부(110)의 전력을 배전반(230)을 통해 쓰러스터 모터(152)에 공급하게 한다. 스위칭부(125)는, 도 7에 도시된 바와 같이, SPDT(Single Pole Double Throw)를 포함할 수 있다. 상기 SPDT는 발전부(110)(예컨대, 발전기(112))로부터 배전반(130)으로 진행하는 제1 경로, 또는 상기 발전부(110) (예컨대, 발전기(112))로부터 서비스부하 전력 계통(200)의 배전반(230)으로 진행하는 제2 경로를 연결하도록 구성된다.

스위칭부(125)에 의한 전력 공급은 다음과 같이 설명될 수 있다: LNG 운반선의 출항을 위해, 제어부에 의해 스위칭부(125)는 상기 제2 경로를 연결하도록 스위칭되고, 발전부(110)의 전력이 배전반(230)을 통해 쓰러스터 모터(152)에 공급된다. 출항이 완료된 이후, 제어부에 의해 스위칭부(125)는 상기 제1 경로를 연결하도록 스위칭되고, 일반 항해 동안에는 쓰러스터 모터(152)가 동작하지 않는다. 다시 LNG 운반선의 입항을 위해, 제어부에 의해 스위칭부(152)는 상기 제2 경로를 연결하도록 스위칭되고, 발전부(110)의 전력이 배전반(230)을 통해 쓰러스터 모터(152)에 공급된다.

이러한 스위칭 구조로 인해, 쓰러스터 모터(152)가 서비스부하 전력 계통(200)에 추가 연계되어도, 서비스부하 전력 계통(200)의 발전 용량이 추가 증가하지 않는다.

한편, 상기 도 7의 전력 계통(100, 200)은 저압 교류(AC) 배전에 제한되지 않는다. 전술한 바와 같이 전력 계통(200)의 특성에 맞게 고정 RPM 발전기, 또는 가변 RPM 발전기를 적용할 수 있다. 또한, 저압 교류(AC) 배전, 고압 교류(AC) 배전, 또는 저압 직류(DC) 구조로 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 도 7의 전력 계통(100, 200)은 고압 교류(AC) 배전을 수행하도록 구성된다. 이 경우, 발전부(110, 210)는 고압 전기 신호(예컨대, 6.6KV)를 출력하도록 구성된다.

도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른, 분리된 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선의 전력 공급 시스템의 개략적인 시스템 구조도이다.

도 8의 전력 공급 시스템(1)은 도 7의 전력 공급 시스템(1)과 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.

도 8을 참조하면, 필수부하 전력 계통(100)은 배전반(130)을 통해 저압 배전을 수행하고, 서비스부하 전력 계통(200)은 배전반(230)을 통해 고압 배전을 수행하도록 구성된다. 이 경우, 발전부(110)는 저압 전기 신호(예컨대, 440V)를 출력하도록 구성되고, 발전부(21)는 고압 전기 신호(예컨대, 6.6kV)를 출력하도록 구성된다.

이 실시예에서, 발전부(110)에서 출력되는 전력은 교차전력용 변압기(126)를 통해 쓰러스터 모터(152)에 제공된다. 상기 교차전력용 변압기(126)는 발전부(110)에서 출력된 저압 전기 신호를 승압하여, 고압이 적용된 배전반(230)를 통해 쓰러스터 모터(152)에 제공한다. 상기 교차전력용 변압기(126)의 입력 전압은 발전부(110)의 출력 전압에 의존하고, 변압기(126)의 출력 전압은 배전반(230)의 적용 전압에 의존한다.

도 7 및 도 8을 참조하여 서술한 바와 같이, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 쓰러스터 모터(152)를 필수부하 전력 계통(100) 이외의 전력 계통에 연계하면서, 서비스부하 전력계통 내 부하단의 특성에 맞게 다양한 발전기(예컨대, 고정 RPM 또는 가변 RPM 발전기)를 적용하거나, 다양한 배전 구조(예컨대, 저압 직류(DC) 배전, 저압 교류(AC) 배전 또는 고압 교류(AC) 배전)로 구성할 수 있다.

본 명세서에서, 도 3을 중심으로 도시된 전력 공급 시스템(1)의 구조는 LNG 운반선에 포함된 부하 용량과 같은 LNG 운반선 환경에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 전력 계통(100)에 포함된 발전기는 3개일 수 있다. 또한, 3개의 발전기의 발전 용량은 동일하거나, 또는 모두 동일하지 않을 수도 있다.

또한, 도 3의 배전반(130)에 적용된 440V은 단지 도 1의 6.6kV에 비해 낮은 전압을 나타내는 예시적인 전압으로서, 배전반(130, 230)은 경우에 따라 상이한 전압으로 전력을 공급할 수도 있다. 예를 들어, 상이한 부하의 정격 전압에 따라 450V가 배전반(130)에 적용될 수도, 또는 교류(AC)/직류(DC) 인버터에 의해 690V가 배전반(230)에 적용될 수도 있다.

추가적으로, 전력 공급 시스템(1)은 시간대(또는 운전 모드)에 따라 발전기의 운전을 제어하고, 부하부에 공급되는 전력 공급량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 전력 계통(100)의 필수부하부(150)가 두 개의 발전기(111, 112)의 발전 용량을 필요로 하지 않는 경우, LNG 운반선용 전력 공급 시스템(1)은 적어도 하나의 발전기(예컨대, 발전기(111))를 대기 발전기로 설정하여 운전을 중지하고, 필요한 경우에 대기 발전기를 이용하여 필수부하부(150)로의 전력 공급 및 그외 목적으로 사용할 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

1: LNG 운반선용 전력 공급 시스템 200: 서비스부하 전력 계통
100: 필수부하 전력 계통 210: 서비스부하 발전부
110: 필수부하 발전부 211, 212: 발전기
111, 112: 발전기 213: 스위치
125: 스위칭부 216: AC/DC 컨버터
130: 배전반 230: 배전반
131, 132: 메인버스 231, 232: 메인버스
133: 버스 연결 차단기 233: 버스 연결 차단기
150: 필수부하부 250: 서비스부하부
152: 쓰러스터 모터
155: 변압기

Claims (11)

1. 필수부하 및 서비스부하를 갖는 LNG 운반선에 있어서,
   필수부하에 연관된 제1 전력 계통; 및
   서비스부하에 연관된 제2 전력 계통을 포함하는 LNG 운반선.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전력 계통은 제1 발전부, 제1 배전반, 및 선박의 운항에 요구되는 연속부하를 포함한 제1 부하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전력 계통은 제2 발전부 및 제2 배전반; 및 가변부하를 포함한 제2 부하부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전력 계통 및 제2 전력 계통은 저압이 적용되어 부하에 전력을 공급하는 저압 배전반 만을 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 전력 계통 및 제2 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함하고, 상기 제2 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 제2 전력 계통은,
   상기 가변 RPM 발전기로부터 수신된 전기 신호의 주파수를 제2 배전반의 주파수와 매칭하기 위한 전력변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
   
8. 제4항에 있어서, 상기 제2 전력 계통은,
   발전부에서 출력된 교류(AC) 전기 신호를 직류(DC) 전기 신호로 변환하는 교류(AC)/직류(DC) 인버터; 및
   상기 직류(DC) 전기 신호를 교류(AC) 전기 신호로 변환하는 직류(DC)/교류(AC) 인버터를 포함하는 LNG 운반선.
   
9. 제1항에 있어서,
   적어도 제2 전력 계통은 부하에 전력을 공급하기 위한 고압 배전반을 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전력 계통 및 제2 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전력 계통은 고정 RPM 발전기를 포함하고, 상기 제2 전력 계통은 가변 RPM 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선.

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