KR20210009599A - 선박의 전력공급시스템 - Google Patents

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이상민
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권은현
박윤식
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은 선박 내 전력 수요처에 전력을 공급함에 있어서, 전력 수요처에 필요한 전력을 2행정 엔진에 의해 구동되는 주전력 발전기에 의해 생산 및 공급하되, 전력 수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치를 운용함에 있어서, 고부하 장치의 가동시에는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력이나 배터리에 저장된 전력을 활용하여 고부하 장치의 기동전력을 공급하거나, 또는 주전력 발전기의 후단에 설치되어 전력의 주파수를 가변시키는 VFD의 DC 링크에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써 2행정 엔진의 응답성을 확보하고, 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우에는, 대형 부하의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 전력공급시스템을 제공한다.

Description

선박의 전력공급시스템 {Power Supply System for Ship}
본 발명은 선박의 전력공급시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2행정 엔진의 느린 응답성을 제어적으로 극복하여 선박의 주 전력공급장치로 활용하는 것이 가능한 선박의 전력공급시스템에 관한 것이다.
천연가스는 액화되어 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG') 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. LNG는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
LNGC(Liquefied Natural Gas Carrier)는, LNG와 같은 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 하역하기 위한 대표적인 선박으로, 천연가스와 연료유(Fuel Oil)를 모두 연료로 사용할 수 있는 엔진을 사용한다.
통상적으로 LNGC에는 두 대의 추진용 엔진과 네 대의 발전용 엔진이 마련되는데, 추진용 엔진으로는 ME-GI 엔진과 같은 2행정 고압가스 분사엔진을 사용하고, 선박 내 필요한 전력을 생산하기 위한 발전용 엔진으로는 기본적으로 4행정 DF 엔진을 사용한다.
4행정 엔진(4-stroke Engine)은 메탄 슬립(methane slip)과 낮은 효율로 인하여 2행정 엔진(2-stroke Engine)에 비해 CO2 배출량에서 불리한 점이 있지만, 급격한 부하 변동(load variation)에 즉각적으로 반응할 수 있는 빠른 응답성을 가지고 있어 선박의 전력공급장치로 활용되어 왔다.
도 1은 2행정 엔진과 4행정 엔진의 효율을 비교한 도면이고, 도 2는 부하 변동에 따른 2행정 엔진의 응답성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 2행정 엔진은 4행정 엔진보다 효율이 좋은 것으로 알려져 있지만, 부하 변동에 따른 응답 속도는 느리다. 따라서 부하 변동이 큰 고부하 장치의 운용에 2행정 엔진을 사용하면, 느린 응답성으로 인하여 도 2의 그래프 상에 나타난 차이만큼 전력 품질이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로는, 고부하 장치의 운전이 개시되는 경우(①로 표시된 부분), 2행정 엔진은 급격한 부하 변동에 즉각적인 대응이 어려워 주파수 저하 및 전압 강하가 발생하고, 이에 따라 전력 공급의 불안정이 야기될 수 있다.
또한, 고부하 장치의 운전이 중단되는 경우(②로 표시된 부분)에는, 대형 부하의 탈락에 따라 전압 상승(voltage rising), 주파수 변동 등이 발생하고, 이에 따라 잉여전력이 발생하는 문제가 있다.
즉, 2행정 엔진의 느린 응답성은 부하의 인입시 뿐만 아니라 부하의 탈락시에도 전력 품질을 저하시키는 문제가 있을 수 있으며, 이러한 이유로 종래의 LNGC는 발전용 엔진으로 2행정 엔진이 아닌 4행정 엔진을 채택하여 사용해왔던 것이다.
상술한 바와 같이, 2행정 엔진은 느린 응답속도로 인해 부하 변동에 즉각 대응이 어려운 관계로 종래의 선박에서 전력공급장치로 활용되기 어려웠다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CO2 배출량이 적고 높은 효율을 가지는 2행정 엔진의 느린 응답성을 제어적으로 극복하여 선박의 주 전력공급장치로 사용하는 것이 가능하고, 급격한 부하 변동 발생시에도 전력 품질의 저하를 방지하는 선박의 전력공급시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 선박 내 전력 공급이 필요한 선내 전력수요처; 2행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력을 상기 선내 전력수요처에 공급하는 주전력 공급부; 및 상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 운용시 기동전력을 생산 및 공급하는 기동전력 공급부를 포함하고, 상기 고부하 장치를 가동하는 경우, 상기 고부하 장치는, 가동이 개시될 때부터 가동 이후 시간에 대한 부하의 변화가 없는 정상상태로 돌입시까지는 상기 기동전력 공급부로부터 전력을 공급받되, 상기 정상상태로 돌입된 이후에는 상기 주전력 공급부로부터 전력을 공급받아 운용되고, 상기 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 회생전력 소비부에서 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 전력공급시스템을 제공한다.
상기 기동전력 공급부는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산된 전력 또는 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 기동전력을 공급할 수 있다.
상기 주전력 공급부로부터 전력이 공급되는 주전력 배전계통은, 주전력 BUS를 통해 상기 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치를 제외한 나머지 일반 장치와 연결되고, 상기 기동전력 공급부로부터 전력이 공급되는 기동전력 배전계통은, 기동전력 BUS를 통해 상기 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치와 연결되며, 상기 주전력 배전계통과 상기 기동전력 배전계통은 서로 독립적으로 구성되되, 상기 주전력 BUS와 상기 기동전력 BUS는 버스 타이(Bus Tie)에 의해 접속이 가능하게 마련되어, 상기 버스 타이의 연결에 의해 상기 주전력 공급부에서 생산되는 전력이 상기 고부하 장치로도 공급이 가능할 수 있다.
상기 기동전력 공급부와 상기 기동전력 BUS 사이에는, 상기 기동전력 공급부로부터 상기 기동전력 BUS로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제1 회로차단기가 설치될 수 있다.
상기 회생전력 소비부는, 상기 기동전력 BUS와 연결되어 상기 기동전력 BUS에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기를 포함할 수 있다.
상기 제동 저항기와 상기 기동전력 BUS 사이에는, 상기 기동전력 BUS로부터 상기 제동 저항기로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제2 회로차단기가 설치될 수 있다.
상기 회생전력 소비부는, 상기 제동 저항기에서 발생하는 폐열을 보일러로 공급하여 온수를 생산하거나, 또는 상기 폐열을 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로 공급하여 전력을 생산할 수 있다.
상기 2행정 엔진은 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)이며, 상기 고부하 장치는, 상기 선박 내 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 엔진의 연료로써 공급하기 위한 기화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 엔진의 연료로써 공급하기 위한 액화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 이송하기 위하여 마련되는 고압 펌프 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양은, 선박 내 전력 공급이 필요한 선내 전력수요처; 및 상기 선내 전력수요처에 공급하는 주전력 공급부를 포함하고, 상기 주전력 공급부는, 2행정 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 주전력 발전기와, 상기 주전력 발전기에 의해 생산된 전력의 주파수를 가변시키는 VFD(Variable Frequency Drive)를 포함하되, 상기 VFD의 DC 링크에는 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 장착되며, 상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 회생전력 소비부에서 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 전력공급시스템을 제공한다.
상기 주전력 공급부에서 생산되는 전력은 BUS를 통해 상시 선내 전력수요처로 공급되고, 상기 회생전력 소비부는, 상기 BUS와 연결되어 상기 BUS에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기를 포함할 수 있다.
상기 제동 저항기와 상기 BUS 사이에는, 상기 BUS로부터 상기 제동 저항기로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 회로차단기가 설치될 수 있다.
상기 회생전력 소비부는, 상기 제동 저항기에서 발생하는 폐열을 보일러로 공급하여 온수를 생산하거나, 또는 상기 폐열을 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로 공급하여 전력을 생산할 수 있다.
상기 2행정 엔진은 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)이며, 상기 고부하 장치는, 상기 선박 내 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 엔진의 연료로써 공급하기 위한 기화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 엔진의 연료로써 공급하기 위한 액화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 이송하기 위하여 마련되는 고압 펌프 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 태양은, 선박 내 전력 수요처에 전력을 공급함에 있어서, 상기 전력 수요처에 필요한 전력을 2행정 엔진에 의해 구동되는 주전력 발전기에 의해 생산 및 공급하되, 상기 전력 수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치를 운용함에 있어서, 상기 고부하 장치의 가동시에는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력이나 배터리에 저장된 전력을 활용하여 상기 고부하 장치의 기동전력을 공급하거나, 또는 상기 주전력 발전기의 후단에 설치되어 전력의 주파수를 가변시키는 VFD(Variable Frequency Drive)의 DC 링크에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써, 상기 2행정 엔진의 응답성을 확보하고, 상기 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우에는, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 전력공급시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템은, 종래에는 응답성 문제로 주로 4행정 엔진으로 구비되었던 발전용 엔진을, CO2 배출량은 적고 높은 효율을 가지는 2행정 엔진으로 대체시킴으로써, 보다 친환경적으로 선내 전력을 생산하여 공급하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 2행정 엔진을 주 전력공급장치로 사용함에 있어서, 2행정 엔진의 느린 응답성을 제어적으로 극복함으로써 급격한 부하 변동 발생시에도 전력 품질의 저하를 방지할 수 있다.
더불어, 본 발명은 발전용 엔진으로 4행정 엔진보다 효율이 좋은 2행정 엔진을 채택함으로써, 종래 대비 발전용 엔진의 설치 및 사용 대수를 줄일 수 있고, 이에 따라 엔진의 설치 면적 및 선박의 무게가 감소하므로 선박 설계상 이점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않는 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 2행정 엔진과 4행정 엔진의 효율을 비교한 도면이다.
도 2는 부하 변동에 따른 2행정 엔진의 응답성을 나타낸 도면이다.
도 3은 직입 기동식 장치의 시간에 따른 부하 변동을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 LNGC에 적용되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 LNGC에 적용되는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 LNGC에 적용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)는 기존 커패시터의 충방전 특성을 나타낸 도면이고, 도 10의 (b)는 용량에 따른 커패시터의 충방전 특성을 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 후술되는 실시예에서 다루고 있는 LNGC를 포함하여, LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit), LNG FPSO(Floating Production Storage and Offloading), LNG RV(Regasification Vessel) 등과 같은 액화가스 운반선에 바람직하게 적용될 수 있다. 그러나 본 발명의 핵심사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 선내 전력을 생산하기 위한 발전용 엔진을 구비하는 모든 선박 및 해상부유물에 적용 가능함을 밝힌다.
본 발명은 상기와 같은 선박 내에서 필요로 하는 전력을 공급하는 주 전력공급장치로서 CO2 배출량이 적고 높은 효율을 가지는 2행정 엔진을 활용하고자 하는 목적 달성을 위하여, 2행정 엔진의 느린 응답성을 제어적으로 극복하는 것을 최우선의 과제로 한다.
본 발명은 2행정 엔진의 응답성을 제어적으로 극복하기 위한 선박의 전력공급시스템으로서 후술하는 세 가지 실시예를 제공한다. 도 4 및 5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 도면이고, 도 6 및 7은 본 발명의 제2 실시예에 관한 도면이며, 도 8 및 9는 본 발명의 제3 실시예에 관한 도면이다.
실시예들을 살펴보기에 앞서 선내에서 전력 공급을 필요로 하는 장비에 대해서 먼저 살펴볼 필요가 있다.
도 4, 도 6 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 선박은 전력 공급을 필요로 하는 선내 전력수요처(100)를 포함하며, 선내 전력수요처(100)는 제1 부하장치(110)와 제2 부하장치(120)로 구분될 수 있다. 여기서 제1 부하장치(110)는 기동(起動)시에도 부하 변동이 안정적(stable)인 장치를 의미하고, 제2 부하장치(120) 기동시 부하 변동 폭이 큰 장치를 의미한다.
제1 부하장치(110)는 기동시 순간적인 피크 부하가 발생하지 않는 일반 장치로서, 제2 부하장치(120)를 제외한 나머지 장치를 의미할 수 있다.
제2 부하장치(120)는 제1 부하장치(110)에 비하여 상대적으로 기동시 부하의 변동 폭이 큰 고부하 장치일 수 있다. 고부하 장치란 구체적으로 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 장치를 의미할 수 있으며, 예컨데 쓰러스터(Thruster), 고압 펌프, 고압 압축기 등 직입 기동식 모터를 사용하는 장치를 포함할 수 있다.
본 발명이 LNGC에 적용되는 경우에는, 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 카고 펌프(Cargo Pump), 스트리핑 펌프(Stripping Pump) 등의 장치가 제2 부하장치(120)에 포함될 수 있다.
기화 LNG 공급장치('HICOM'이라고도 함)는 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스(이하 'BOG')를 엔진의 연료로 공급하는 장치이며, 액화 LNG 공급장치('HIVAR'라고도 함)는 LBG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제로 기화시켜 엔진의 연료로 공급하는 장치이다.
기화 LNG 공급장치는 BOG를 엔진에서 요구하는 압력으로 가압하기 위한 다단 압축기를 포함한다. 다단 압축기는 복수의 고압 압축기로 구성될 수 있으며, 복수의 고압 압축기 사이에는 압축 과정에서 온도가 상승한 BOG를 냉각하는 냉각기가 설치될 수 있다. 그리고 액화 LNG 공급장치는 액화 상태의 LNG를 필요한 압력까지 상승시키기 위한 고압 펌프와, 고압 펌프에 의해 압축된 LNG를 강제 기화시키는 고압 기화기를 포함한다. 기화 LNG 공급장치 및 액화 LNG 공급장치에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명하도록 한다.
도 3에는 직입 기동식 장치의 시간에 따른 부하 변동이 나타나 있다. 도 3을 참조하면, 직입 기동식 장치의 경우 기동시 순간적인 피크 부하가 발생하여 기동과 동시에 상당히 높은 피크 전류(일반 장치의 약 5~6배)가 발생한다.
이와 같이 기동시 순간적인 피크 부하가 발생하는 제2 부하장치(120)는 빠른 응답성을 요구하게 된다. 그런데 배경기술에서 언급하였듯이, 2행정 엔진은 응답성이 느리기 때문에 빠른 응답성을 요구하는 제2 부하장치(120)의 가동을 위한 전력 공급원으로는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
띠라서 2행정 엔진을 선박의 주 전력공급장치로 활용하고자 하는 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는, 2행정 엔진의 느린 응답성 문제가 반드시 해결되어야 한다.
이하에서는 2행정 엔진의 응답성을 제어적으로 극복하기 위해 제안되는 본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템을 실시예별로 살펴본다.
제1 실시예
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 LNGC에 적용되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 주전력 공급부(200)와, 선내 전력수요처(100) 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 제2 부하장치(120)의 운용시 기동전력을 생산 및 공급하는 기동전력 공급부(300)를 포함한다.
주전력 공급부(200)는, 2행정 엔진(210)과, 2행정 엔진(210)에 의해 구동되어 전력을 생산하는 주전력 발전기(220) 및 주전력 발전기(220)에 의해 생산된 전력의 주파수를 가변시키는 제1 VFD(Variable Frequency Drive, 230)로 구성되며, 필요시 주전력 발전기(220)와 주전력 BUS(B1) 사이에 설치되어 주전력 발전기(220)에서 생산된 전력을 적절한 전압으로 변환시키는 제1 변압기(Transformer, 240)를 더 포함할 수 있다.
2행정 엔진(210)은 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진, 예컨대 MEGI 엔진 또는 X-DF 엔진과 같은 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)으로 마련될 수 있다.
본 실시예에서 2행정 엔진(210)의 구동에 의해 생산되는 전력은 각종 선내 전력수요처(100)에 공급될 수 있음은 물론, 선박의 추진을 위해 마련되는 프로펠러의 회전 동력을 생성하는 모터에 공급될 수도 있다. 이에 따르면, 선박의 추진 동력을 생산하는 추진용 엔진과 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산하는 발전용 엔진이 단일화된 엔진으로 구비될 수도 있다.
기동전력 공급부(300)는, 4행정 엔진(311)과, 4행정 엔진(311)에 의해 구동되어 전력을 생산하는 기동전력 발전기(312)로 구성된다.
기동전력 공급부(300)는 빠른 응답성을 가지는 4행정 엔진(311)을 이용하여 전력을 생산 및 공급하되, 제2 부하장치(120)의 가동 초기에 필요한 전력(기동전력)의 생산 및 공급에만 관여한다. 즉, 본 실시예에서 4행정 엔진(311)은 제2 부하장치(120)의 기동시 전력을 공급하는 보조 엔진으로서의 기능만 하는 것이다.
4행정 엔진(311)은 2행정 엔진(210)에 비하여 빠른 응답성을 가지는 엔진으로서, 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진, 예컨대 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진과 같은 4행정 DF 엔진(4-stroke Dual Fuel Engine)으로 마련될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 4행정 엔진(311)은 제2 부하장치(120)의 급격한 부하 변동에 대응이 가능하도록 빠른 응답성을 가지는 것이라면 어떠한 엔진이라도 적용될 수 있으며, 4행정 디젤 엔진(4-stroke Diesel Engine)으로 마련될 수도 있을 것이다.
본 실시예에서 주전력 공급부(200)로부터 전력이 공급되는 주전력 배전계통은 주전력 BUS(B1)를 통해 제1 부하장치(110)와 연결되고, 기동전력 공급부(300)로부터 전력이 공급되는 기동전력 배전계통은 기동전력 BUS(B2)를 통해 제2 부하장치(120)와 연결된다.
즉, 주전력 공급부(200)에 구비되는 2행정 엔진(210)은 주로 부하 변동이 거의 없는 장치와 연결되고, 기동전력 공급부(300)에 구비되는 4행정 엔진(311)은 기동시 부하 변동 폭이 큰 장치와 연결된다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 주전력 공급부(200)로부터 제1 부하장치(110)로 전력을 공급하는 주전력 배전계통과, 기동전력 공급부(300)로부터 제2 부하장치(120)로 전력을 공급하는 기동전력 배전계통이 서로 분할되어 독립적으로 구성될 수 있다.
이때 주전력 공급부(200)로부터 공급되는 전력이 모이는 주전력 BUS(B1)는, 버스 타이(Bus Tie, BT)에 의해 기동전력 BUS(B2)와 접속이 가능하게 마련되어, 버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)에서 공급되는 전력이 제2 부하장치(120)로도 공급될 수 있다.
또한, 기동전력 공급부(300)와 기동전력 BUS(B2) 사이에는 제1 회로차단기(CB1)가 설치되어, 기동전력 공급부(300)로부터 기동전력 BUS(B2)로 공급되는 전력을 차단시킬 수 있다.
계속 도 4를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에 의해 선내 전력수요처(100)에 전력이 공급되는 동작을 살펴본다.
본 실시예에서 제2 부하장치(120)의 운용이 필요하지 않은 경우에는, 주전력 공급부(200)를 이용하여 제1 부하장치(110)의 운용에 필요한 전력을 생산 및 공급한다. 즉, 2행정 엔진(210)에 의해 구동되는 주전력 발전기(220)에서 전력을 생산하고, 이를 적절한 주파수 및 전압으로 변환하여 주전력 BUS(B1)를 통해 제1 부하장치(110)로 공급한다. 이때 주전력 BUS(B1)와 기동전력 BUS(B2) 사이에 설치되는 버스 타이(BT)는 열린 상태로 유지되고, 제2 부하장치(120)는 운용되지 않으므로 기동전력 공급부(300)에 의한 전력 생산은 없다.
제2 부하장치(120)의 운용이 예상되는 경우에는, 제2 부하장치(120)의 기동전력을 바로 생산 및 공급할 수 있도록 기동전력 공급부(300)를 대기(stand-by) 상태로 전환한다. 여기서 기동전력 공급부(300)의 대기 상태란, 4행정 엔진(311)을 운전 가능한 상태로 준비하는 것을 의미할 수 있다.
제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지는 과정을 살펴보면, 우선 제2 부하장치(120)의 가동은 4행정 엔진(311)에 의해 개시된다. 이후 제2 부하장치(120)의 부하가 안정적(stable)인 '정상상태'가 되면, 버스 타이(BT)를 연결하여 주전력 BUS(B1)와 기동전력 BUS(B2)를 접속시키고, 주전력 공급부(200)에서 생산되는 전력으로 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지도록 한다. 여기서 '정상상태'란 과도적 상태를 경과한 이후 시간에 대한 부하의 변화가 없는 상태를 의미한다.
주전력 공급부(200)에서 공급되는 전력에 의해 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지면, 4행정 엔진(311)의 운전을 중지하거나 제1 회로차단기(CB1)를 오픈(open)하여 기동전력 공급부(200)에 의한 전력 공급을 중단할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락이 발생하는데, 대형 모터 부하의 경우 전원을 오프(off)시켜도 관성에 의한 회전으로 유도 발전기로 동작하게 되며, 이때 발생하는 회생전력이 발전기 단의 전압 상승을 야기할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 상기와 같이 부하의 탈락시 발생하는 회생전력으로 인한 전력의 품질 저하를 방지하기 위하여, 회생전력을 열(heat)로 소비시키는 회생전력 소비부(400)를 더 포함한다.
회생전력 소비부(400)는 기동전력 BUS(B2)와 연결되어 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 소비시킴으로써, 회생전력이 발전기 단으로 유입되는 것을 방지한다.
회생전력 소비부(400)는, 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기(braking resistor, 410)를 포함할 수 있다. 또한, 회생전력 소비부(400)는 제동 저항기(410)에서 발생하는 폐열을 버리기보다는 보일러(420)를 통하여 온수를 만드는데 사용하거나, 폐열회수시스템(WHRS: Waste Heat Recovery System)을 설치하여 전력으로 사용할 수도 있다.
회생전력 소비부(400)와 기동전력 BUS(B2) 사이에는 상호간을 연결하는 라인을 접속 또는 차단시키는 제2 회로차단기(CB2)가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 주전력 공급부(200)와 기동전력 공급부(300), 그리고 회생전력 소비부(400)를 포함하는 전력 계통의 제어는 전력관리시스템(PMS: Power Management System)에 의해 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 특히 LNGC와 같이 액화가스를 엔진의 연료로 사용하는 선박에 적용될 수 있다.
LNGC의 운항시 가장 큰 부하 변동 사항으로는,
1. LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 선박의 엔진의 연료로 공급하기 위해 기화 LNG 공급장치를 가동하는 경우;
2. 상기 1에서 선박의 엔진의 연료로 공급되는 BOG가 부족할 시, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 엔진으로 공급하기 위해 액화 LNG 공급장치를 가동하는 경우;
3. 입항(port in) 또는 출항(port out)시 쓰러스터를 가동하는 경우; 및
4. LNG의 하역(unloading)시, LNG 저장탱크로부터 LNG를 터미널로 보내기 위하여 각 저장탱크에 구비되는 펌프를 가동하는 경우를 들 수 있다.
제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 쓰러스터 및 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프는, 초기 기동상태로부터 정상상태로 전환될 때까지 기동전력 공급부(300)로부터 전력을 공급받고, 이후 정상상태로 전환된 이후에는 버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)로부터 전력을 연속적으로 공급받을 수 있다.
즉, 본 실시예는 부하의 변동 폭이 큰 제2 부하장치(120)의 가동 초기에 4행정 엔진(311)에 의해 응답성을 확보하고, 부하가 안정적인 상태로 전환된 이후에는 효율이 좋은 2행정 엔진(210)으로 연속 운용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 제2 회로차단기(CB2)를 클로즈(close)하여 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 회생전력 소비부(400)에서 열로 소비시킴으로써, 부하의 탈락시에도 전력의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기의 예들 중에서 1. 기화 LNG 공급장치 그리고 2. 액화 LNG 공급장치에 전력이 공급되는 동작을 더욱 자세히 살펴본다.
본 실시예에 따른 선박은, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 엔진(210, 311)으로 공급하는 기화 LNG 공급장치(10)와, LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 엔진(210, 311)으로 공급하는 액화 LNG 공급장치(20)를 구비한다.
기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)의 구성을 다시 한 번 설명하면, 기화 LNG 공급장치(10)는 BOG를 엔진(210, 311)에서 요구하는 압력으로 압축하기 위해 다단으로 마련되는 복수의 고압 압축기(11)와, 고압 압축기(11)에 의한 압축 과정에서 온도가 상승한 BOG를 냉각하는 복수의 냉각기(12)를 포함하고, 액화 LNG 공급장치(20)는 LNG를 엔진(210, 311)에서 요구하는 압력까지 상승시키기 위한 고압 펌프(21)와, 고압 펌프(21)에 의해 압축된 LNG를 기화시키는 고압 기화기(22)를 포함한다.
이때 2행정 엔진(210)과 4행정 엔진(311)이 요구하는 압력 및 온도가 각각 다를 수 있으므로, 2행정 엔진(210) 또는 4행정 엔진(311)으로 분기되는 라인의 분기점이 다르게 형성되거나, 분기되는 라인마다 별도의 압축기나 히터가 더 구비될 수도 있음은 자명한 사항이며, 이러한 내용은 본 발명의 핵심사상을 설명하는데 있어 중요한 내용은 아니므로 별론으로 한다.
고압 압축기(11)를 포함하는 기화 LNG 공급장치(10)와, 고압 펌프(21) 등을 포함하는 액화 LNG 공급장치(20)는 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류된다.
따라서 기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)는, 가동 초기의 기동전력은 기동전력 공급부(300)로부터 공급받고, 부하가 정상상태로 전환된 이후의 운용 전력은 버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)로부터 연속적으로 공급받을 수 있다.
버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)로부터 기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)로의 전력 공급이 이루어지면, 이와 동시에 기동전력 공급부(200)에 의한 전력 공급은 중단시킬 수 있다.
한편, 기동전력 공급부(300)에 구비되는 4행정 엔진(311)은, 기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)의 가동 전에는 BOG 또는 LNG를 연료로써 공급받을 수 없으므로, 기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)의 기동전력을 공급하기 위한 4행정 엔진(311)의 운전은 연료유를 연소하여 이루어질 수 있다.
제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 회생전력 소비부(400)에서 열로 소비시킬 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 부하 변동의 폭이 큰 제2 부하장치(120)의 기동시 응답성을 4행정 엔진(311)에 의해 확보하고, 제2 부하장치(120)의 부하 변동이 안정적인 상태가 된 이후에는 버스 타이(BT)를 연결하여 2행정 엔진(210)으로 전력 공급원을 전환시킴으로써, 효율이 좋지 않은 4행정 엔진(311)의 운전 시간을 최소화한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 두 대의 2행정 엔진(210)과 보조적으로 제공되는 한 대의 4행정 엔진(311)을 구비할 수 있다. 즉, 본 실시예는 발전용 엔진으로서 2행정 엔진(210)을 사용함으로써, 종래 기술에서 발전용 엔진으로 마련되는 4행정 엔진의 대수를 감소시키는 효과가 있다.
선박의 추진체인 프로펠러의 회전 동력을 발생시키는 모터의 운용이 2행정 엔진(210)에 의해 이루어지는 경우에는, 2행정 엔진(210)이 선박의 추진용 엔진으로서의 기능까지 겸하게 되므로, 선박 내 구비되는 총 엔진의 대수가 더욱 획기적으로 감소될 수 있을 것이다.
그러나 본 실시예에서 구비되는 엔진의 대수가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 엔진의 대수는 선박의 규모 또는 선내 전력 수요에 따라 증감될 수 있음은 물론이다.
제2 실시예
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 7은 LNGC에 적용되는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 주전력 공급부(200)와, 선내 전력수요처(100) 중 제2 부하장치(120)의 운용시 기동전력을 생산 및 공급하는 기동전력 공급부(300), 그리고 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우 부하의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부(400)를 포함한다.
본 실시예에서 기동전력 공급부(300)를 제외한 나머지 구성들은 제1 실시예에서와 동일하므로 편의상 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 기동전력 공급부(300)는, 전력이 저장되는 배터리(321)와, 배터리(321)로부터 공급되는 전력의 주파수를 가변시키는 제2 VFD(322)로 구성되며, 필요시 배터리(321)와 기동전력 BUS(B2) 사이에 설치되어 배터리(321)로부터 공급되는 전력을 적절한 전압으로 변환시키는 제2 변압기(323)를 더 포함할 수 있다. 여기서 배터리(321)는 ESS(Energy Storage System)와 같은 에너지 저장 장치일 수 있다.
본 실시예에서 주전력 공급부(200)에 구비되는 2행정 엔진(210)은 주로 부하 변동이 거의 없는 장치와 연결되고, 기동전력 공급부(300)에 구비되는 배터리(321)는 기동시 부하 변동 폭이 큰 장치와 연결된다.
제1 실시예가 4행정 엔진(311)의 구동에 의해 생산되는 전력을 이용하여 제2 부하장치(120)의 기동전력을 공급하는 것이라면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 제2 부하장치(120)의 가동 초기 기동전력을 배터리(321)에 저장된 전력을 활용하여 공급함으로써 2행정 엔진(210)의 느린 응답성을 제어적으로 극복하고자 하는 것이다.
계속 도 6을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에 의해 선내 전력수요처(100)에 전력이 공급되는 동작을 살펴본다.
본 실시예에서 제2 부하장치(120)의 운용이 필요하지 않은 경우, 주전력 공급부(200)를 이용하여 제1 부하장치(110)의 운용에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 것은 제1 실시예에서와 동일하다. 이때 주전력 BUS(B1)와 기동전력 BUS(B2) 사이에 설치되는 버스 타이(BT)는 열린 상태로 유지되고, 제2 부하장치(120)는 운용되지 않으므로 기동전력 공급부(300)에 의한 전력의 생산은 없다.
제2 부하장치(120)의 운용이 예상되는 경우에는, 제2 부하장치(120)의 기동전력을 바로 공급할 수 있도록 기동전력 공급부(300)를 대기(stand-by) 상태로 전환한다. 여기서 기동전력 공급부(300)의 대기 상태란, 배터리(321)에 의한 전력 공급이 바로 이루어질 수 있도록 준비하는 것을 의미할 수 있다.
제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지는 과정을 살펴보면, 우선 제2 부하장치(120)의 가동은 배터리(321)에 의해 개시된다. 이후 제2 부하장치(120)의 부하가 안정적(stable)인 '정상상태'가 되면, 버스 타이(BT)를 연결하여 주전력 BUS(B1)와 기동전력 BUS(B2)를 접속시키고, 주전력 공급부(200)에서 생산되는 전력으로 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지도록 한다.
주전력 공급부(200)에서 공급되는 전력에 의해 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지면, 제1 회로차단기(CB1)를 오픈(open)하여 기동전력 공급부(200)에 의한 전력 공급을 차단할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우에 발생하는 회생전력을 배터리(321)를 충전시키는데 사용하는 것이 가능하다.
구체적으로는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)에서 배터리(321)의 충전 상태에 관한 정보를 받아, 배터리(321)의 충전이 필요한 경우에는 제1 회로차단기(CB1)를 클로즈(close)하여 회생전력으로 배터리(321)를 충전시킨다. 이때 제2 회로차단기(CB2)는 오픈(open)된 상태를 유지한다.
또한, 배터리(321)가 완충되어 있는 경우에는 제1 회로차단기(CB1)는 오픈(open)하고 제2 회로차단기(CB2)를 클로즈(close)하여 회생전력을 제1 실시예에서와 같이 회생전력 소비부(400)에서 소비시킴으로써 배터리(321)가 과충전되지 않도록 한다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 주전력 공급부(200)와 기동전력 공급부(300), 그리고 회생전력 소비부(400)를 포함하는 전력 계통의 제어는 전력관리시스템(PMS)에 의해 이루어지고, 기동전력 공급부(300)에서 배터리(321)에 의 제어는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 이루어질 수 있다.
제1 실시예와 마찬가지로 본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 특히 LNGC와 같이 액화가스를 엔진의 연료로 사용하는 선박에 적용될 수 있다.
LNGC에서 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 쓰러스터 및 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프는, 초기 기동상태로부터 정상상태로 전환될 때까지 기동전력 공급부(300)로부터 전력을 공급받고, 이후 정상상태로 전환된 이후에는 버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)로부터 전력을 연속적으로 공급받을 수 있다.
다만, 본 실시예에서는 제2 부하장치(120)의 기동전력은 배터리(321)로부터 공급되므로, 제2 부하장치(120)에 대한 응답성은 배터리(321)에 의해 확보되는 것이라 할 수 있다.
도 7을 참조하여, 전술한 예들 중에서 1. 기화 LNG 공급장치 그리고 2. 액화 LNG 공급장치에 전력이 공급되는 동작을 더욱 자세히 살펴본다.
본 실시예에 따른 선박은, 선박 내 마련되는 LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 2행정 엔진(210)으로 공급하는 기화 LNG 공급장치(10)와, LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 2행정 엔진(210)으로 공급하는 액화 LNG 공급장치(20)를 구비한다.
기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)의 구성을 다시 한 번 설명하면, 기화 LNG 공급장치(10)는 BOG를 2행정 엔진(210)에서 요구하는 압력으로 압축하기 위해 다단으로 마련되는 복수의 고압 압축기(11)와, 고압 압축기(11)에 의한 압축 과정에서 온도가 상승한 BOG를 냉각하는 복수의 냉각기(12)를 포함하고, 액화 LNG 공급장치(20)는 LNG를 2행정 엔진(210)에서 요구하는 압력까지 상승시키기 위한 고압 펌프(21)와, 고압 펌프(21)에 의해 압축된 LNG를 기화시키는 고압 기화기(22)를 포함한다.
제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치(10) 및 액화 LNG 공급장치(20)는 가동 초기의 기동전력은 기동전력 공급부(300)의 배터리(321)로부터 공급받고, 기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)의 부하가 정상상태로 전환된 이후의 운용 전력은 버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)로부터 연속적으로 공급받을 수 있다.
즉, 본 실시예는 부하의 변동의 폭이 큰 제2 부하장치(120)의 기동시 응답성을 배터리(321)에 의해 확보하고, 제2 부하장치(120)의 부하 변동이 안정적인 상태가 된 이후에는 버스 타이(BT)를 연결하여 효율이 좋은 2행정 엔진(210)에 의해 전력이 공급되도록 하는 것이다.
버스 타이(BT)의 연결에 의해 주전력 공급부(200)로부터 기화 LNG 공급장치(10)와 액화 LNG 공급장치(20)로의 전력 공급이 이루어지면, 이와 동시에 배터리(321)로부터의 전력 공급은 중단시킬 수 있다.
제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 배터리(321)의 충전용으로 사용하거나 회생전력 소비부(400)에서 열로 소비시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 두 대의 2행정 엔진(210)을 구비할 수 있으며, 종래 기술에서 발전용 엔진으로 마련되는 4행정 엔진의 대수를 감소시키거나 또는 아예 구비하지 않을 수도 있다. 그러나 본 실시예에서 구비되는 엔진의 대수가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 엔진의 대수는 선박의 규모 또는 선내 전력 수요에 따라 증감될 수 있음은 물론이다.
제3 실시예
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 LNGC에 적용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 주전력 공급부(200)와, 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우 부하의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부(400)를 포함한다.
본 실시예는 제1 및 제2 실시예에서와 다르게 기동전력 공급부(300)를 포함하지 않는 것을 알 수 있다.
본 실시예는 제2 부하장치(120)의 운용에 있어서 2행정 엔진(210)의 느린 응답성을 극복하기 위하여, 제2 부하장치(120)의 기동전력을 공급하는 별도의 장치를 구비하는 것이 아니라, 주전력 발전기(220)의 후단에 설치되는 제1 VFD(230)의 DC 링크에 설치되는 커패시터를 고용량의 슈퍼 커패시터(super capacitor)로 대체하는 방법을 제시한다.
통상적으로 VFD는 발전기에서 생산된 전압을 정류하여 직류전압을 생성하는 정류기, 정류기에서 출력된 에너지를 저장하는 DC 링크, 그리고 직류전압을 교류전원으로 변환하는 인버터를 포함한다.
이때 DC 링크에는 커패시터가 마련되어 DC 링크 전압을 안정화하는 역할을 하는데, 부하의 급격한 변동이 발생하는 경우에는 DC 링크의 전압을 일정하게 유지하는 것이 어렵다.
본 발명의 배경기술에서도 설명하였듯이, 기존의 2행정 엔진은 부하의 급격한 변동시 전압 강하가 발생하는 것이 전력 품질을 저하시키는 원인이 되는데, 본 실시예에서는 이러한 전압 강하 문제를 해결함으로써 2행정 엔진(210)의 응답성을 확보하고자 하는 것이다.
도 10을 참조하여 알 수 있듯이, 커패시터는 용량에 따라 충방전 특성이 달라지는데, 용량이 클수록 방전시 전압 강하가 느리게 나타난다.
본 실시예는 이에 착안하여 제1 VFD(230)의 DC 링크에 마련되는 커패시터를 슈퍼 커패시터로 대체 장착함으로써, 급격한 부하 변동에도 DC 링크 전압이 최대한 일정하게 유지되도록 한다.
슈퍼 커패시터는 커패시터의 전기용량 성능을 중점적으로 강화한 것으로서, 일반 커패시터보다 정전용량이 300배 이상 크며, 높은 충방전 효율을 가진 에너지 저장장치이다. 즉, 본 실시예는 제1 VFD(230)에 기존 커패시터의 전기용량 성능을 중점적으로 강화한 슈퍼 커패시터를 장착함으로써 DC로 변환된 전력의 전압 강하가 최대한 천천히 일어나게 하고, 이에 따라 급격한 부하 변동에도 DC 링크 전압이 최대한 일정하게 유지될 수 있도록 한 것이다.
따라서 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선내 전력수요처(100) 중 제2 부하장치(120)의 가동에 의해 부하 변동이 크게 발생하더라도, 슈퍼 커패시터가 장착된 제1 VFD(230)에 의해 DC로 변환된 전력의 전압 강하가 천천히 일어나게 되므로, 2행정 엔진(210)이 충분한 응답성을 가질 수 있다.
본 실시예에서 주전력 공급부(200)에서 생산되는 전력은 BUS(B)를 통해 선내 전력수요처(100)로 공급될 수 있다. 본 실시예의 BUS(B)는 제1 및 제2 실시예에서와 같이 주전력 BUS(B1)와 기동전력 BUS(B2)로 분할 구성될 필요는 없다.
상술한 내용을 제외한 나머지 구성들은 제1 실시예에서와 동일하므로 편의상 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다. 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우 발생하는 회생전력을 회생전력 소비부(400)에서 소비시킬 수 있음도 제1 실시예에서 다룬 바와 동일하다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 주전력 공급부(200)와 회생전력 소비부(400)를 포함하는 전력 계통의 제어는 전력관리시스템(PMS)에 의해 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 실시예와 마찬가지로 본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 특히 LNGC와 같이 액화가스를 엔진의 연료로 사용하는 선박에 적용될 수 있다.
LNGC에서 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 쓰러스터 및 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프는, 기동시 부하 변동이 크게 발생하는 경우에도 슈퍼 커패시터가 장착된 제1 VFD(230)에 의해 2행정 엔진(210)이 충분한 응답성을 가질 수 있으므로 전력의 공급이 안정적으로 이루어질 수 있다.
도 9에는 본 실시예에 따른 선박에 구비되는 기화 LNG 공급장치(10) 및 액화 LNG 공급장치(20)에 전력이 공급되는 동작이 나타나 있다. 본 실시예의 기화 LNG 공급장치(10) 및 액화 LNG 공급장치(20)의 구성 및 동작은 제2 실시예에서와 동일하게 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 슈퍼 커패시터가 장착된 제1 VFD(230)에 의해 2행정 엔진(210)의 응답성이 충분히 확보되므로, 고부하 장치로 분류되는 기화 LNG 공급장치(10) 및 액화 LNG 공급장치(20)의 가동시에도 전압 강하에 의한 전력 품질 저하 없이 안정적인 전력 공급이 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 슈퍼 커패시터가 장착된 제1 VFD(230)에 의해 2행정 엔진(210)의 응답성을 충분히 확보할 수 있다.
제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 회생전력 소비부(400)에서 열로 소비시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 두 대의 2행정 엔진(210)을 구비할 수 있으며, 종래 기술에서 발전용 엔진으로 마련되는 4행정 엔진의 대수를 감소시키거나 또는 아예 구비하지 않을 수도 있다. 그러나 본 실시예에서 구비되는 엔진의 대수가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 엔진의 대수는 선박의 규모 또는 선내 전력 수요에 따라 증감될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템은, 종래에는 응답성 문제로 주로 4행정 엔진으로 구비되었던 발전용 엔진을, CO2 배출량은 적고 높은 효율을 가지는 2행정 엔진으로 대체시킴으로써, 보다 친환경적으로 선내 전력을 생산하여 공급하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 2행정 엔진을 주 전력공급장치로 사용함에 있어서, 2행정 엔진의 느린 응답성을 4행정 엔진 또는 배터리와의 연계 활용에 의해 제어적으로 극복하거나, 또는 2행정 엔진의 VFD에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써 제어적으로 극복함으로써, 급격한 부하 변동 발생시에도 전력 품질의 저하를 방지할 수 있다.
더불어, 본 발명은 발전용 엔진으로 4행정 엔진보다 효율이 좋은 2행정 엔진을 채택함으로써, 종래 대비 발전용 엔진의 설치 및 사용 대수를 줄일 수 있고, 이에 따라 엔진의 설치 면적 및 선박의 무게가 감소하므로 선박 설계상 이점이 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 선내 전력수요처 110 : 제1 부하장치
120 : 제2 부하장치
200 : 주전력 공급부 210 : 2행정 엔진
220 : 주전력 발전기 230 : 제1 VFD
240 : 제1 변압기
300 : 기동전력 공급부
311 : 4행정 엔진 312 : 기동전력 발전기
321 : 배터리 322 : 제2 VFD
323 : 제2 변압기
B1 : 주전력 BUS B2 : 기동전력 BUS
BT : 버스 타이
CB1 : 제1 회로차단기 CB2 : 제2 회로차단기

Claims (14)

  1. 선박 내 전력 공급이 필요한 선내 전력수요처;
    2행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력을 상기 선내 전력수요처에 공급하는 주전력 공급부; 및
    상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 운용시 기동전력을 생산 및 공급하는 기동전력 공급부를 포함하고,
    상기 고부하 장치를 가동하는 경우, 상기 고부하 장치는, 가동이 개시될 때부터 가동 이후 시간에 대한 부하의 변화가 없는 정상상태로 돌입시까지는 상기 기동전력 공급부로부터 전력을 공급받되, 상기 정상상태로 돌입된 이후에는 상기 주전력 공급부로부터 전력을 공급받아 운용되고,
    상기 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 회생전력 소비부에서 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기동전력 공급부는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산된 전력 또는 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 기동전력을 공급하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 주전력 공급부로부터 전력이 공급되는 주전력 배전계통은, 주전력 BUS를 통해 상기 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치를 제외한 나머지 일반 장치와 연결되고,
    상기 기동전력 공급부로부터 전력이 공급되는 기동전력 배전계통은, 기동전력 BUS를 통해 상기 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치와 연결되며,
    상기 주전력 배전계통과 상기 기동전력 배전계통은 서로 독립적으로 구성되되, 상기 주전력 BUS와 상기 기동전력 BUS는 버스 타이(Bus Tie)에 의해 접속이 가능하게 마련되어, 상기 버스 타이의 연결에 의해 상기 주전력 공급부에서 생산되는 전력이 상기 고부하 장치로도 공급 가능한 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기동전력 공급부와 상기 기동전력 BUS 사이에는, 상기 기동전력 공급부로부터 상기 기동전력 BUS로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제1 회로차단기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 회생전력 소비부는,
    상기 기동전력 BUS와 연결되어 상기 기동전력 BUS에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제동 저항기와 상기 기동전력 BUS 사이에는, 상기 기동전력 BUS로부터 상기 제동 저항기로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제2 회로차단기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회생전력 소비부는,
    상기 제동 저항기에서 발생하는 폐열을 보일러로 공급하여 온수를 생산하거나, 또는 상기 폐열을 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로 공급하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 2행정 엔진은 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)이며,
    상기 고부하 장치는, 상기 선박 내 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 엔진의 연료로써 공급하기 위한 기화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 엔진의 연료로써 공급하기 위한 액화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 이송하기 위하여 마련되는 고압 펌프 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  9. 선박 내 전력 공급이 필요한 선내 전력수요처; 및
    상기 선내 전력수요처에 공급하는 주전력 공급부를 포함하고,
    상기 주전력 공급부는, 2행정 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 주전력 발전기와, 상기 주전력 발전기에 의해 생산된 전력의 주파수를 가변시키는 VFD(Variable Frequency Drive)를 포함하되, 상기 VFD의 DC 링크에는 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 장착되며,
    상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 회생전력 소비부에서 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 주전력 공급부에서 생산되는 전력은 BUS를 통해 상시 선내 전력수요처로 공급되고,
    상기 회생전력 소비부는, 상기 BUS와 연결되어 상기 BUS에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제동 저항기와 상기 BUS 사이에는, 상기 BUS로부터 상기 제동 저항기로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 회로차단기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 회생전력 소비부는,
    상기 제동 저항기에서 발생하는 폐열을 보일러로 공급하여 온수를 생산하거나, 또는 상기 폐열을 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로 공급하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 2행정 엔진은 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)이며,
    상기 고부하 장치는, 상기 선박 내 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 엔진의 연료로써 공급하기 위한 기화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 상기 엔진의 연료로써 공급하기 위한 액화 LNG 공급장치, 상기 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 이송하기 위하여 마련되는 고압 펌프 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
  14. 선박 내 전력 수요처에 전력을 공급함에 있어서,
    상기 전력 수요처에 필요한 전력을 2행정 엔진에 의해 구동되는 주전력 발전기에 의해 생산 및 공급하되,
    상기 전력 수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치를 운용함에 있어서,
    상기 고부하 장치의 가동시에는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력이나 배터리에 저장된 전력을 활용하여 상기 고부하 장치의 기동전력을 공급하거나, 또는 상기 주전력 발전기의 후단에 설치되어 전력의 주파수를 가변시키는 VFD(Variable Frequency Drive)의 DC 링크에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써, 상기 2행정 엔진의 응답성을 확보하고,
    상기 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우에는, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는,
    선박의 전력공급시스템.
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