KR20200140575A - 열교환 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 열교환 시스템은, 열매를 저장하는 열매 저장부; 상기 열매를 수요처로 순환시키는 순환라인; 상기 순환라인 상에 구비되며, 상기 열매를 배기가스와 열교환하는 폐열 회수 유닛(Waste Heat Recovery Unit); 상기 열매 저장부에 마련된 제1 센서 및 제2 센서로부터 온도를 검출하는 온도 센서부; 및 상기 제1 센서 및 제2 센서로부터 검출된 온도차가 기준치 이상일 경우, 상기 열매 저장부에 수용된 열매를 혼합하는 혼합장치를 포함한다.

Description

열교환 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물{HEAT EXCHANGE SYSTEM AND OFFSHORE STRUCTURE HAVING THE SAME}

본 발명은 열교환 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것이다.

최근에는 외부로 배출되는 폐열 중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 이미 선박 분야에서는 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한, 이른바 폐열 회수 장치(Waste Heat Recovery Unit)를 적용하고 있다.

또한, 원유나 천연가스를 생산하는 해양 플랜트의 경우에도, 전용 보일러를 설치하거나 또는 가스터빈에 상기한 폐열 회수 장치를 설치하여 스팀이나 히팅오일 등 중간 열전달 매체를 이용해 각 수요처에 열을 공급할 수 있다. 이와 같이 폐열 회수 장치를 이용한 열교환 시스템은 비용 절감을 위해 효율 개선이 요구되고 있다.

한편, 설비 고장으로 인한 운전 정지를 방지하기 위하여 각 설비 별로 운전 신뢰성을 높이기 위하여 추가 열 생산 설비를 설치해야 하는데 폐열 회수 장치의 경우 차지하는 부피가 크고, 배관 등의 연결 시스템이 있기 때문에 설치에 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 열매 히팅 효율이 향상되고 컴팩트한 사이즈의 열교환 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 열교환 시스템은, 열매를 저장하는 열매 저장부; 상기 열매를 수요처로 순환시키는 순환라인; 상기 순환라인 상에 구비되며, 상기 열매를 배기가스와 열교환하는 폐열 회수 유닛(Waste Heat Recovery Unit); 상기 열매 저장부에 마련된 제1 센서 및 제2 센서로부터 온도를 검출하는 온도 센서부; 및 상기 제1 센서 및 제2 센서로부터 검출된 온도차가 기준치 이상일 경우, 상기 열매 저장부에 수용된 열매를 혼합하는 혼합장치를 포함한다.

구체적으로, 상기 혼합장치는, 상기 열매 저장부 내부에 회전 가능하게 마련된 샤프트; 상기 샤프트에 결합된 복수의 혼합날개; 및 상기 샤프트를 회전시키는 구동부를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 수요처는, 복수 개로 마련되고, 상기 복수 개의 수요처에 대해 공통적으로 하나의 상기 폐열 회수 유닛이 할당될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 센서는 상기 열매 저장부의 중심에 위치하고, 상기 제2 센서는 상기 열매 저장부의 외벽에 위치할 수 있다.

구체적으로, 상기 열매 저장부는 팽창 드럼일 수 있다.

구체적으로, 상기 열매 저장부에 수용된 열매를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 히터는 초기 가동시 사용될 수 있다.

구체적으로, 상기 히터는 상기 폐열 회수 유닛의 작동에 문제가 발생하는 경우 사용될 수 있다.

구체적으로, 상기 히터는 전기를 이용해 가열하는 전열기(Electric Heater)일 수 있다.

구체적으로, 상기 순환라인 상에 구비되어 상기 열매를 강제 순환시키는 펌프를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 해양 구조물은, 상기 열교환 시스템을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 열매 저장부 내 온도차에 따라 열매를 혼합하는 혼합장치를 구비함으로써, 열매 히팅 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 열매 저장부 내 히터를 구비함으로써, 여분의 폐열 회수 유닛을 생략하여 장비의 중량 감소 및 배치에 이점이 있다.

또한, 상기 히터는 폐열 회수 유닛이 가동되지 않는 조건에서만 사용하여 열공급 신뢰성을 확보하고, 전체적인 에너지 사용을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 구조물의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템의 구성도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 구조물의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 구조물(1)은 가스터빈(10), 열교환 시스템(20) 및 수요처(30)를 포함할 수 있다.

가스터빈(10)은 천연가스를 연소시켜 동력을 발생시킬 수 있다. 가스터빈(10)은 한 개일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복수 개일 수도 있다. 가스터빈(10)은 관로를 통해 발전설비(미도시)의 천연가스 수급관에 연결됨으로써, 접안설비(미도시)를 통해 공급되는 천연가스를 공급받을 수 있다.

다른 실시예에서, 가스터빈(10)은 연료를 연소하여 배기가스를 배출하는 엔진 등의 다양한 연소장치로 대체될 수 있다.

열교환 시스템(20)은 가스터빈(10)에서 천연가스가 연소되어 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀(Steam)을 발생시킬 수 있다. 열교환 시스템(20)의 일단은 가스터빈(10)에서 배기가스가 배출되는 배기관에 연결되고, 열교환 시스템(20)의 타단은 열 에너지를 필요로 하는 수요처(30)에 연결될 수 있다.

이에 따라, 열교환 시스템(20)은 가스터빈(10)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 열원으로 열매를 가열시킴으로써, 예컨대, 물을 스팀(Steam)으로 상변화시킬 수 있다. 열교환 시스템(20)의 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

수요처(30)는 열교환 시스템(20)으로부터 제공된 열 에너지를 소비하는 기관이다. 예컨대, 수요처(30)는 전력을 생산하는 발전기, 천연가스를 기화시키는 기화기, 또는 물을 가열하는 보일러일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 해양 구조물(1)은 육상이나 해양에 위치한 가스정으로부터 생산된 가스를 전달받아 가공, 정제, 액화하여 저장하고 수요처로 공급하는 시설로서, FLNG, FSRU 등과 같은 해양플랜트를 의미할 수 있다.

물론 본 발명의 해양 구조물(1)은 폐열을 회수할 수 있는 열교환 시스템(20)이 탑재될 수 있다면 일반 상선도 포괄하는 개념으로 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템(20)은 열매 저장부(21), 순환라인(22), 폐열 회수 유닛(23), 온도 센서부(24) 및 혼합장치(25)를 포함할 수 있다.

열매 저장부(21)는 열매를 임시 저장한다. 열매 저장부(21)는 열매를 저장하는 탱크 형태를 가질 수 있으며, 수요처(30)에 공급되는 열매의 유량을 보장해줄 수 있다. 열매 저장부(21)는 팽창 드럼으로 구성될 수 있다.

구체적으로 도시되지는 않았으나, 열매 저장부(21)에는 내압을 측정하기 위해 드럼 압력센서(미도시)가 마련될 수 있으며, 열매 저장부(21)의 내압이 과도할 경우에는 열매 저장부(21)에 마련되는 안전밸브(미도시)가 개방되어 열매가 열매 저장부(21)의 외부로 배출될 수 있다.

반대로 열매 저장부(21)에는 외부로부터 열매가 보충될 수 있다. 비록 열매가 폐루프를 순환하는 형태로 마련됨으로써 열매의 손실이 거의 일어나지 않는다 하더라도, 예상치 못한 열매의 누출로 인한 열매 보충, 또는 정비를 위한 열매 배출 및 보충을 위해, 팽창 드럼이 이용될 수 있다.

히터(HT)는 열매 저장부(21)에 수용된 열매를 가열한다. 히터(HT)는 폐열이 아닌 전력을 이용해 열에너지를 공급할 수 있다. 예컨대, 히터(HT)는 전기를 이용해 가열하는 전열기(Electric Heater)로 구성될 수 있다.

히터(HT)는 열매를 히팅하는 폐열 회수 유닛(23)의 보조 또는 백업으로 구동될 수 있다. 일 실시예에서, 히터(HT)는 열교환 시스템(20)의 초기 가동시 사용될 수 있다. 초기 가동시에는 폐열 회수 유닛(23)이 가동되어도 열매 순환에 시간이 소요되므로, 열매가 원하는 정도로 충분히 가열되지 않는다. 따라서, 초기 가동시 히터(HT)를 사용해 열매를 한꺼번에 빠르게 가열시킬 수 있다.

또한, 히터(HT)는 폐열 회수 유닛(23)의 작동에 문제가 발생하는 경우 백업으로 사용될 수 있다. 폐열 회수 유닛(23)이 고장으로 정지되어도 히터(HT)를 가동해 열매를 가열시켜 열에너지를 공급함으로써, 전체 시스템의 안정성이 향상될 수 있다.

수요처(30)는 복수 개로 마련되고, 복수 개의 수요처(30)에 대해 공통적으로 하나의 폐열 회수 유닛(23)이 할당된다.

열교환 시스템(20)에 있어서, 설비 고장으로 인한 운전 정지를 방지하고 운전 신뢰성을 높이기 위하여 추가 열 생산 설비를 설치해야 하는데, 폐열 회수 유닛(23)의 경우 차지하는 부피가 크고, 배관 등의 연결 시스템이 있기 때문에 추가 설치에 어려움이 있다.

이에 본 발명의 열교환 시스템(20)은 폐열 회수 유닛(23)을 하나만 구비하되, 추가 열 생산 설비로서 열매 저장부(21) 내 히터(HT)를 구비함으로써, 여분의 폐열 회수 유닛을 생략하여 장비의 중량 감소 및 배치에 이점이 있다.

순환라인(22)은 열매를 수요처(30)로 순환시킨다. 열매 저장부(21)와 후술할 펌프(RP) 및 폐열 회수 유닛(23)은 폐루프를 이루는 순환라인(22)을 통해 연결될 수 있고, 열매는 열매 저장부(21)로부터 폐열 회수 유닛(23)을 거쳐 수요처(30)로 유입된 후, 펌프(RP)를 거쳐 다시 열매 저장부(21)로 회수될 수 있다.

이를 위해 순환라인(22)은 열매 저장부(21)와 폐열 회수 유닛(23), 그리고 수요처(30)와 펌프(RP)를 순차적으로 연결하는 폐루프 구조를 가질 수 있으며, 순환라인(22)에서 폐열 회수 유닛(23)의 상류나 수요처(30)의 하류 등에는 열매의 온도를 체크하기 위한 열매 온도센서(미도시)가 마련될 수 있다.

폐열 회수 유닛(23)은 순환라인(22) 상에 구비되며, 열매를 배기가스와 열교환한다. 예를 들면, 폐열 회수 유닛(23)은 가스터빈(10) 등의 연소장치로부터 발생된 배기가스가 이동되도록 하는 공간을 제공하는 열교환통과, 열교환통의 내부 공간을 이동하도록 지그재그로 구성되는 열교환튜브로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 열교환 시스템(20)에서 폐열 회수 유닛(23)은 선박의 엔진이나 보일러 또는 이들 모두에서 발생하여 버려지는 폐열을 회수하여 전기와 같은 에너지를 생산할 수 있도록 한다. 다만, 폐열 회수 유닛(23)의 폐열원은 가스터빈(10)의 배기가스뿐만 아니라, 증기터빈의 스팀 등 다양한 실시예를 가질 수 있다.

펌프(RP)는 순환라인(22) 상에 구비되어 열매를 강제 순환시킨다. 펌프(RP)는 수요처(30)를 거친 열매를 열매 저장부(21)로 전달할 수 있다. 펌프(RP)는 열매의 유동을 위하여 마련될 수 있으며, 열교환 효율 상승을 위하여 열매를 다소 가압해 유동시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 펌프(RP)는 복수 개로 구성되어 병렬로 마련될 수 있으며, 적어도 어느 하나는 메인으로 구동하고 다른 하나는 보조 또는 백업으로 구동될 수 있다.

온도 센서부(24)는 열매 저장부(21)에 마련된 제1 센서(S1) 및 제2 센서(S2)로부터 온도를 검출한다. 여기서, 제1 센서(S1)와 제2 센서(S2)는 열매 저장부(21)의 서로 다른 장소에 마련된다. 본 실시예에서, 제1 센서(S1)는 열매 저장부(21)의 중심에 위치하고, 제2 센서(S2)는 열매 저장부(21)의 외벽에 위치한다. 즉, 제1 센서(S1)는 열매 저장부(21)의 내부 원통 단면상 중심에 위치하고, 제2 센서(S2)는 열매 저장부(21)의 외벽에 설치될 수 있다.

다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예에서 제1 센서(S1)는 열매 저장부(21)의 하단 외벽에 위치하고, 제2 센서(S2)는 열매 저장부(21)의 상단 외벽에 위치할 수 있다.

혼합장치(25)는 제1 센서(S1) 및 제2 센서(S2)로부터 검출된 온도차가 기준치 이상일 경우, 열매 저장부(21)에 수용된 열매를 혼합한다. 혼합장치(25)는 열매 저장부(21) 내 히터(HT)가 사용될 때 함께 작동하여, 열매의 온도 상승을 효과적으로 촉진시킬 수 있다.

본 실시예에서, 혼합장치(25)는 열매 저장부(21) 내부에 회전 가능하게 마련된 샤프트(251), 샤프트(251)에 결합된 복수의 혼합날개(253), 및 샤프트(251)를 회전시키는 구동부(255)를 포함할 수 있다.

열매 저장부(21)에 수용된 열매는 액체 자중(Gravity Flow)에 의해 고른 가열이 어려우므로, 열매 저장부(21)의 중심 및 외벽에 온도 센서를 설치하여 온도차가 미리 설정된 기준치 이상 발생하면 혼합날개(Swirler)를 회전시켜 유체의 혼합을 유도하여 고른 열전달이 가능하게 한다. 이때, 검출된 온도차에 따라 혼합날개(253)의 RPM이 조절될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 열교환 시스템(20) 및 이를 포함하는 해양 구조물(1)은, 열매 저장부(21) 내 온도차에 따라 열매를 혼합하는 혼합장치(25)를 구비함으로써, 열매 히팅 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 열매 저장부(21) 내 히터(HT)를 구비함으로써, 여분의 폐열 회수 유닛을 생략하여 장비의 중량 감소 및 배치에 이점이 있다.

또한, 상기 히터(HT)는 폐열 회수 유닛(23)이 가동되지 않는 조건에서만 사용하여 열공급 신뢰성을 확보하고, 전체적인 에너지 사용을 최소화할 수 있다.

본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 적어도 어느 하나의 실시예와 공지기술의 조합 또는 적어도 둘 이상의 실시예의 조합 등에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 해양 구조물 10: 가스터빈
20: 열교환 시스템 30: 수요처
21: 열매 저장부 22: 순환라인
HT: 히터 RP: 펌프
23: 폐열 회수 유닛 24: 온도 센서부
S1: 제1 센서 S2: 제2 센서
25: 혼합장치 251: 샤프트
253: 혼합날개 255: 구동부

Claims (11)

1. 열매를 저장하는 열매 저장부;
   상기 열매를 수요처로 순환시키는 순환라인;
   상기 순환라인 상에 구비되며, 상기 열매를 배기가스와 열교환하는 폐열 회수 유닛(Waste Heat Recovery Unit);
   상기 열매 저장부에 마련된 제1 센서 및 제2 센서로부터 온도를 검출하는 온도 센서부; 및
   상기 제1 센서 및 제2 센서로부터 검출된 온도차가 기준치 이상일 경우, 상기 열매 저장부에 수용된 열매를 혼합하는 혼합장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합장치는,
   상기 열매 저장부 내부에 회전 가능하게 마련된 샤프트;
   상기 샤프트에 결합된 복수의 혼합날개; 및
   상기 샤프트를 회전시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 수요처는, 복수 개로 마련되고,
   상기 복수 개의 수요처에 대해 공통적으로 하나의 상기 폐열 회수 유닛이 할당되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 센서는 상기 열매 저장부의 중심에 위치하고, 상기 제2 센서는 상기 열매 저장부의 외벽에 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열매 저장부는 팽창 드럼인 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 열매 저장부에 수용된 열매를 가열하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 히터는 초기 가동시 사용되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 히터는 상기 폐열 회수 유닛의 작동에 문제가 발생하는 경우 사용되는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 히터는 전기를 이용해 가열하는 전열기(Electric Heater)인 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환라인 상에 구비되어 상기 열매를 강제 순환시키는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 상기 열교환 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 구조물.

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