KR20210010082A - 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 갖춘 LNG FSRU에 있어서, 클러치에 의해 추진체와 분리 가능하게 연결되는 2행정 엔진을 포함하고, LNG FSRU의 운항시에는 2행정 엔진과 추진체를 결합하여 추진력을 발생시키고, LNG FSRU의 재기화 동작시에는 2행정 엔진과 추진체의 결합을 분리하여, 2행정 엔진의 샤프트에 설치된 샤프트 발전기 모터에 의해 재기화 동작에 필요한 전력을 생산하며, LNG FSRU의 운항시 또는 재기화 동작시에 운용되는 장비 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치를 가동하는 경우에는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력이나 배터리에 저장된 전력을 활용하여 고부하 장치의 기동전력을 공급하거나 또는 샤프트 발전기 모터의 후단에 설치되어 전력의 주파수를 가변하는 VFD(Variable Frequency Drive)의 DC 링크에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써 2행정 엔진의 응답성을 확보하고, 고부하 장치의 운용을 중단하는 경우에는, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는, 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공한다.

Description

액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템 {Power Supply System of Ship equipped with Liquefied Gas Regasification System}
본 발명은 액화가스를 재기화시켜 재기화 가스를 육상 등 가스 수요처로 공급하는 액화가스 재기화 선박의 추진 및 재기화 동작(Regas operation)시 필요한 전력을 생산 및 공급하는, 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템에 관한 것이다.
일반적으로 천연가스는 생산지에서 극저온으로 액화된 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)의 상태로 만들어진 후, LNG 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 운반된다. LNG는 천연가스를 상압에서 약 -163℃의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로서, 가스 상태인 천연가스일 때보다 부피가 대략 1/600로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
LNG 운반선은 LNG를 싣고 바다를 운항하여 육상의 천연가스 수요처에 LNG를 하역하는데, 이러한 LNG 운반선은 LNG 저장탱크 내의 LNG가 액화된 상태 그대로 육상 터미널에 하역하며, 하역된 LNG는 육상 터미널에 설치된 LNG 재기화 설비에 의해 재기화된 후 각 소비처로 공급된다.
그런데 육상 터미널의 LNG 재기화 설비는, 천연가스의 수요가 계절적 또는 단기적으로 한정되어 있는 수요처에 설치되는 경우에는 높은 설치비와 운영비로 인해 경제적으로 불리하다. 또한, 자연재해 등에 의해 파괴될 위험이 있고, 파괴될 경우에는 복구될 때까지 LNG를 재기화시켜 각 소비처로 공급해줄 수 없는 등 본질적인 한계를 가지고 있다.
이에 따라, 종래 육상 LNG 재기화 설비 대신에, 해상 플랜트나 선박에 LNG 재기화 설비를 마련하여 해상에서 액화천연가스를 재기화하고, 재기화를 통해 얻어진 천연가스를 육상으로 공급하는 해상 LNG 재기화 설비가 각광받고 있다.
이러한 해상 LNG 재기화 설비를 갖춘 해상 구조물의 대표적인 예로서는, LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 플랜트나 LNG RV(LNG Regasification Vessel)와 같은 선박 등을 들 수 있다.
특히, LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 운반선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 구조물로서, 재기화 동작시 전력 소모량이 많기 때문에 발전용 엔진으로서 대형 또는 다수의 4행정 DF 엔진(4-stroke Dual Fuel Engine)이 마련되고, 이동시에는 고가의 Elec Motor를 구동하여 추진한다.
그런데 4행정 엔진(4-stroke Engine)의 경우 2행정 엔진(2-stroke Engine)보다 효율이 떨어지고, 유지보수 비용이 높은 문제가 있다.
또한, 4행정 엔진은 메탄 슬립(methane slip)과 낮은 효율로 인하여 2행정 엔진에 비해 CO2 배출량에서 불리한 점이 있지만, 급격한 부하 변동(load variation)에 즉각적으로 반응할 수 있는 빠른 응답성을 가지고 있어서, 선박 내에 필요한 전력을 생산하기 위한 발전용 엔진으로는 기본적으로 4행정 엔진을 채택하여 사용해 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 LNG FSRU는 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 LNG FSRU에서 전력공급장치로 활용되기 어려웠다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 LNG FSRU에서는 응답성 문제로 전력공급장치로 활용되기 어려웠던 2행정 엔진을 LNG FSRU의 주 전력공급장치로 활용하는 것이 가능하게 함으로써, 높은 효율을 가지고 친환경적으로 선내 전력을 생산하여 공급하는 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 CO2 배출량이 적고 높은 효율을 가지는 2행정 엔진을 LNG FSRU의 주 전력공급장치로 사용함에 있어서, 2행정 엔진의 느린 응답성을 제어적으로 극복하여 급격한 부하 변동 발생시에도 전력 품질의 저하를 방지하는 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 LNG FSRU에 추진용으로 설치되는 고가의 Elec Motor 대신 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)에 의해 연소가 가능한 2행정 엔진을 적용하고 엔진 축에 대용량 발전기를 설치하여, 운항 중에는 2행정 엔진을 사용하여 추진력과 전력을 동시에 발생시키고, 재기화 동작시에는 2행정 엔진으로 발전기를 정속 가동하여 재기화 장비에 필요한 전력을 생산함으로써, 운항하지 않는 경우의 전력 소모가 큰 LNG FSRU에 최적화된 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공하고자 한다.
더불어, 본 발명은 특히 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용되는 것으로서, 2행정 엔진의 연료로서 BOG를 공급하는 연료공급부와 LNG를 재기화시켜 수요처로 공급하는 재기화부가 서로 연계되도록 설계함으로써, LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG의 활용도를 더욱 높여 결과적으로는 LNG의 손실을 줄일 수 있는, 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 포함하는 선내 전력수요처; 상기 선박에 필요한 추진력과 상기 선내 전력수요처에 필요한 전력을 생산하는 전력 공급부; 및 상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부를 포함하고, 상기 전력 공급부는, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진; 상기 메인엔진의 동력을 상기 선박의 추진체로 전달하는 샤프트에 연결되어 상기 메인엔진의 동력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기 모터; 및 상기 메인엔진과 상기 추진체의 접속을 분리시키는 클러치를 포함하며, 상기 선내 전력수요처 중에서 상기 고부하 장치를 가동하는 경우, 상기 고부하 장치는 가동이 개시될 때부터 가동 이후 시간에 대한 부하의 변화가 없는 정상상태로 돌입시까지는 상기 메인엔진보다 응답성이 뛰어난 보조전원으로부터 전력을 공급받고, 상기 정상상태로 돌입된 이후에는 상기 메인엔진으로부터 전력을 공급받아 운용되는 것을 특징으로 하는, 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공한다.
상기 메인엔진으로부터 전력이 공급되는 제1 배전계통은, 제1 버스를 통해 상시 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치를 제외한 나머지 일반 장치와 연결되고, 상기 보조전원으로부터 전력이 공급되는 제2 배전계통은, 제2 버스를 통해 상기 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치와 연결되며, 상기 제1 배전계통과 상기 제2 배전계통은 서로 독립적으로 구성되되, 상기 제1 버스가 상기 제2 버스와 버스 타이(Bus Tie)에 의해 접속이 가능하게 마련되어, 상기 버스 타이의 연결에 의해 상기 메인엔진에서 생산되는 전력이 상기 고부하 장치로도 공급이 가능할 수 있다.
상기 보조전원과 상기 제2 버스 사이에는, 상기 보조전원으로부터 상기 제2 버스로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제1 회로차단기가 설치될 수 있다.
상기 회생전력 소비부는, 상기 제2 버스와 연결되어 상기 제2 버스에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기를 포함할 수 있다.
상기 제동 저항기와 상기 제2 버스 사이에는, 상기 제2 버스로부터 상기 제동 저항기로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제2 회로차단기가 설치될 수 있다.
상기 보조전원은, 4행정 엔진으로 마련되는 보조엔진의 동력을 이용하여 전력을 생산할 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 보조전원은, 전력이 저장되는 ESS(Energy Storage System)일 수 있다.
상기 고부하 장치의 가동 중단에 따라 발생하는 상기 회생전력은, 상기 ESS의 충전용으로 사용되거나 또는 상기 제동 저항기에 의해 열로 변환될 수 있다.
상기 회생전력이 상기 ESS의 충전용으로 사용되는 경우, 상기 제1 회로차단기는 클로즈(close), 상기 제2 회로차단기는 오픈(open)되며, 상기 회생전력이 상기 제동 저항기에서 열료 변환되는 경우에는, 상기 제1 회로차단기는 오픈(open), 상기 제2 회로차단기는 클로즈(close)될 수 있다.
상기 회생전력이 상기 제동 저항기에서 열로 변환되는 경우, 상기 제동 저항기에서 발생하는 폐열을 보일러로 공급하여 온수를 생산하거나, 또는 상기 폐열을 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로 공급하여 전력을 생산할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 태양은, 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 포함하는 선내 전력수요처; 상기 선박에 필요한 추진력과 상기 선내 전력수요처에 필요한 전력을 생산하는 전력 공급부; 및 상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부를 포함하고, 상기 전력 공급부는, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진; 상기 메인엔진의 동력을 상기 선박의 추진체로 전달하는 샤프트에 연결되어 상기 메인엔진의 동력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기 모터; 상기 샤프트 발전기 모터에 의해 생산되는 전력의 주파수를 가변시키며, DC 링크에 슈퍼 커패시터가 장착되는 VFD(Variable Frequency Drive); 및 상기 메인엔진과 상기 추진체의 접속을 분리시키는 클러치를 포함하며, 상기 선박의 운항 중에는 상기 메인엔진을 이용하여 추진력을 발생시키고, 상기 선박의 재기화 동작시에는 상기 클러치에 의해 상기 메인엔진과 상기 추진체와의 접속을 분리하여 상기 메인엔진을 이용하여 상기 재기화 동작에 필요한 전력을 생산하고, 상기 VFD의 DC 링크에는 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 장착되어 상기 2행정 엔진의 응답성을 보완하는 것을 특징으로 하는, 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공한다.
아울러, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 태양은, LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 갖춘 LNG FSRU에 있어서, 클러치에 의해 추진체와 분리 가능하게 연결되는 2행정 엔진을 포함하고, 상기 LNG FSRU의 운항시에는, 상기 2행정 엔진과 상기 추진체를 결합하여 추진력을 발생시키고, 상기 LNG FSRU의 재기화 동작시에는, 상기 2행정 엔진과 상기 추진체의 결합을 분리하여, 상기 2행정 엔진의 샤프트에 설치된 샤프트 발전기 모터에 의해 상기 재기화 동작에 필요한 전력을 생산하며, 상기 운항시 또는 상기 재기화 동작시에 운용되는 장비 중, 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치를 가동하는 경우에는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력이나 배터리에 저장된 전력을 활용하여 상기 고부하 장치의 기동전력을 공급하거나 또는 상기 샤프트 발전기 모터의 후단에 설치되어 전력의 주파수를 가변하는 VFD(Variable Frequency Drive)의 DC 링크에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써, 상기 2행정 엔진의 응답성을 확보하고, 상기 고부하 장치의 운용을 중단하는 경우에는, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는, 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템은, 종래에는 LNG FSRU의 주 전력공급장치로 활용되기 어려웠던 2행정 엔진의 응답성 문제를 제어적으로 극복함으로써, 2행정 엔진을 LNG FSRU의 주 전력공급장치로 사용하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명은 2행정 엔진을 이용하여 보다 높은 효율로 선내 전력을 생산하여 공급할 수 있고, LNG FSRU의 재기화 동작에 필요한 높은 소모 전력을 생산하기 위한 발전기의 설치 및 사용 댓수를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 엔진의 설치 면적 및 선박의 무게가 감소하므로 설계상 이점이 있다.
또한, 본 발명은 LNG FSRU의 추진용 엔진으로 마련되는 2행정 엔진의 동력을 클러치에 의해 추진체로 선택적으로 전달되게 함으로써, 재기화 동작시에는 클러치에 의해 2행정 엔진과 추진체와의 연결을 분리하여 2행정 엔진의 동력을 고스란히 재기화 동작에 필요한 전력 생산에 사용할 수 있으므로, 재기화 동작시 전력 소모가 큰 LNG FSRU에 최적화된 발명이라고 할 수 있다.
더불어, 본 발명은 특히 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용되는 것으로서, 2행정 엔진의 연료로서 BOG를 공급하는 연료공급부와 LNG를 재기화시켜 수요처로 공급하는 재기화부가 서로 연계되도록 설계함으로써, LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG의 활용도를 더욱 높여 결과적으로는 LNG의 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 2행정 엔진과 4행정 엔진의 효율을 비교한 도면이다.
도 2는 부하의 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 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 메인엔진이 고압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 6은 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 메인엔진이 저압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 메인엔진이 고압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 9는 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 메인엔진이 저압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 메인엔진이 고압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 12는 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 메인엔진이 저압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 13의 (a)는 기존 커패시터의 충방전 특성을 나타낸 도면이고, 도 13의 (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.
이하 본 명세서에서 선박은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 모두 포함하는 개념이며, 특히 본 발명은 액화가스를 재기화시키는 설비를 갖춘 선박, 예컨대 LNG FSRU나 LNG RV 등의 선박에 바람직하게 적용될 수 있다.
또한, 이하 본 명세서에서 액화가스는, LNG, LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같이, 저온으로 액화시켜 저장 및/또는 수송될 수 있고 저장된 상태에서 증발가스가 발생하여 엔진의 연료로 공급될 수 있는 모든 종류의 액화가스를 포함하는 개념이다.
후술하는 실시예에서는 설명의 편의상 액화가스 재기화 설비를 갖춘 대표적인 선박 중 하나인 LNG FSRU를 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명은 LNG FSRU에 추진용으로 설치되는 고가의 Elec Motor 대신 BOG에 의해 연소가 가능한 2행정 엔진을 적용하되, 선박의 추진용 엔진으로 마련되는 2행정 엔진에 의한 전력 생산이 가능하도록 설계함으로써, 종래에는 전력 소모가 큰 재기화 동작을 위해 대형 또는 다수로 구비되었던 4행정 엔진을, CO2 배출량은 적고 높은 효율을 가지는 2행정 엔진으로 대체시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 선박의 주 전력공급장치로서 CO2 배출량이 적고 효율이 좋은 2행정 엔진을 활용하기 위하여, 2행정 엔진의 느린 응답성을 제어적으로 극복하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 2행정 엔진의 응답성을 제어적으로 극복하기 위한 선박의 전력공급시스템으로서 후술하는 세 가지 실시예를 제공한다. 도 4 내지 6는 본 발명의 제1 실시예에 관한 도면이고, 도 7 내지 9은 본 발명의 제2 실시예에 관한 도면이며, 도 10 내지 12는 본 발명의 제3 실시예에 관한 도면이다.
실시예들을 살펴보기에 앞서 선내에서 전력 공급을 필요로 하는 장비에 대해서 먼저 살펴볼 필요가 있다.
도 4, 도 7 및 도 10을 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 LNG FSRU에 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 본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템을 실시예별로 살펴본다.
제1 실시예
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선박의 추진장치 및 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 전력공급부(200)를 포함한다.
전력공급부(200)는, 메인엔진(210)과, 메인엔진(210)에 연결되는 샤프트 발전기 모터(Shaft Generator Motor, 220)를 포함한다.
메인엔진(210)은 효율이 좋은 2행정 엔진일 수 있으며, 천연가스와 연료유를 모두 사용할 수 있는 엔진, 예컨대 MEGI 엔진(고압가스 분사엔진) 또는 X-DF 엔진(저압가스 분사엔진)과 같은 2행정 DF 엔진(2-stroke Dual Fuel Engine)으로 마련될 수 있다.
메인엔진(210)은 샤프트(S)에 의해 프로펠러로 마련되는 추진체(P)와 연결되어, 메인엔진(210)의 동력이 샤프트(S)에 의해 추진체(P)에 전달될 수 있다.
메인엔진(210)과 추진체(P) 사이에는 클러치(clutch, C)가 설치되어, 메인엔진(210)의 동력이 추진체(P)에 선택적으로 전달되게 할 수 있다. 선박의 운항 시에는 클러치(C)에 의해 샤프트(S) 축이 접속되어 메인엔진(210)의 동력이 추진체(P)로 전달되고, 선박의 정박 시에는 클러치(C)에 의해 샤프트(S) 축이 분리되어 메인엔진(210)의 동력은 추진체(P)로 전달되지 않는다.
샤프트 발전기 모터(220)는 메인엔진(210)의 샤프트(S)에 설치되어, 메인엔진(210)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하거나 추진체(P)의 추진을 위한 부스팅 모터로 사용된다. 즉, 샤프트 발전기 모터(220)는 메인엔진(210)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기로서의 기능과, 메인엔진(210)의 파워가 부족한 경우 부스팅 모터에 파워를 공급하여 추진을 돕는 모터로서의 기능을 할 수 있다.
샤프트 발전기 모터(220)는 제1 버스(B1)에 전기적으로 접속된다. 샤프트 발전기 모터(220)와 제1 버스(B1) 사이에는 샤프트 발전기 모터(220)에서 생산된 전력의 주파수를 가변시키는 제1 VFD(Variable Frequency Drive, 230)가 설치될 수 있고, 필요시 이를 적절한 전압으로 변환시키는 변압기(TR)가 더 설치될 수 있다.
샤프트 발전기 모터(220)가 발전기로 기능하는 경우, 샤프트 발전기 모터(220)에서 생산된 전력은 제1 버스(B1)를 통해 각종 선내 전력수요처(100)에 공급될 수 있다.
샤프트 발전기 모터(220)가 모터로 기능하는 경우, 제1 VFD(230)는 샤프트 발전기 모터(220)의 구동속도를 제어하여 선박의 추진 속도를 조절할 수 있다.
본 실시예에서 선박의 운항 시에는, 메인엔진(210)과 샤프트 발전기 모터(220), 그리고 클러치(C)가 모두 연결되어 선내 전력을 공급하면서 선박의 추진이 가능하다. 이때 메인엔진(210)의 동력은 대부분 선박의 추진력에 사용되고, 잉여의 동력이 샤프트 발전기 모터(220)에 의해 발전하여 선내 전력수요처(100)에 전력을 공급하거나, 모터로서 기능하는 샤프트 발전기 모터(220)에 파워를 공급할 수 있다.
선박의 정박 시에는, 메인엔진(210)과 샤프트 발전기 모터(220)는 연결되되, 클러치(C)의 접속을 해제하여 메인엔진(210)의 동력이 추진체(P)로 전달되지 않게 할 수 있고, 메인엔진(210)의 동력은 샤프트 발전기 모터(220)에 의해 발전하여 선내 전력수요처(100)에 전력을 공급할 수 있다.
본 실시예는 특히 정박한 상태에서 재기화 동작에 소모되는 전력이 큰 LNG FSRU와 같이 액화가스를 재기화시키는 설비를 갖춘 선박에 바람직하게 적용되기 위한 것으로서, 클러치(C)에 의해 메인엔진(210)의 동력이 추진체(P)로 선택적으로 전달될 수 있게 구성함으로써, 재기화 동작시에는 메인엔진(210)와 추진체(P)와의 연결을 분리하고, 선박의 추진용 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)을 이용하여 재기화 동작에 소모되는 전력을 생산하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)의 응답성을 보완하기 위하여, 메인엔진(210) 외에 보조적으로 제공되는 보조엔진(240)과, 보조엔진(240)에 의해 구동되어 제2 부하장치(120)의 가동 초기에 필요한 전력(기동전력)을 생산하는 보조 발전기(250)를 더 포함한다.
보조엔진(240)은 2행정 엔진에 비하여 빠른 응답성을 가지는 4행정 엔진일 수 있으며, 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 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 보조엔진(240)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 메인엔진(210)으로부터 전력이 공급되는 제1 배전계통은 제1 버스(B1)를 통해 제1 부하장치(110)와 연결되고, 보조엔진(240)으로부터 전력이 공급되는 제2 배전계통은 제2 버스(B2)를 통해 제2 부하장치(120)와 연결된다.
즉, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)은 주로 부하 변동이 거의 없는 장치와 연결되고, 4행정 엔진으로 마련되는 보조엔진(240)은 기동시 부하 변동 폭이 큰 장치와 연결된다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 메인엔진(210)으로부터 제1 부하장치(110)로 전력을 공급하는 제1 배전계통과, 보조엔진(240)으로부터 제2 부하장치(120)로 전력을 공급하는 제2 배전계통이 서로 분할되어 독립적으로 구성될 수 있다.
이때 메인엔진(210)으로부터 공급되는 전력이 모이는 제1 버스(B1)는, 버스 타이(Bus Tie, BT)에 의해 제2 버스(B2)와 접속이 가능하게 마련되어, 버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 공급되는 전력이 제2 부하장치(120)로도 공급될 수 있다.
또한, 보조 발전기(250)와 제2 버스(B2) 사이에는 제1 회로차단기(CB1)가 설치되어, 보조 엔진(240)으로부터 제2 버스(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, 메인엔진(210)을 이용하여 제1 부하장치(110)의 운용에 필요한 전력을 생산 및 공급한다. 즉, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)에 의해 구동되는 샤프트 발전기 모터(220)에서 전력을 생산하고, 이를 적절한 주파수 및 전압으로 변환하여 제1 버스(B1)를 통해 제1 부하장치(110)로 공급한다. 이때 제1 버스(B1)와 제2 버스(B2) 사이에 설치되는 버스 타이(BT)는 열린 상태로 유지되고, 제2 부하장치(120)는 운용되지 않으므로 보조엔진(240)에 의한 전력 생산은 없다.
제2 부하장치(120)의 운용이 예상되는 경우에는, 제2 부하장치(120)의 기동전력을 바로 생산 및 공급할 수 있도록 보조엔진(240)을 대기(stand-by) 상태로 전환한다. 여기서 대기 상태란 보조엔진(240)을 운전 가능한 상태로 준비하는 것을 의미할 수 있다.
제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지는 과정을 살펴보면, 우선 제2 부하장치(120)의 가동은 4행정 엔진으로 마련되는 보조엔진(240)에 의해 개시된다. 이후 제2 부하장치(120)의 부하가 안정적(stable)인 '정상상태'가 되면, 버스 타이(BT)를 연결하여 제1 버스(B1)와 제2 버스(B2)를 접속시키고, 메인엔진(210)에 의해 생산되는 전력으로 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지도록 한다. 여기서 '정상상태'란 과도적 상태를 경과한 이후 시간에 대한 부하의 변화가 없는 상태를 의미한다.
메인엔진(210)에서 공급되는 전력에 의해 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지면, 보조엔진(240)의 운전을 중지하거나 제1 회로차단기(CB1)를 오픈(open)하여 보조엔진(240)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(500)를 더 포함한다.
회생전력 소비부(500)는 제2 버스(B2)와 연결되어 제2 버스(B2)에 잔여하는 회생전력을 소비시킴으로써, 회생전력이 발전기 단으로 유입되는 것을 방지한다.
회생전력 소비부(500)는, 제2 버스(B2)에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기(braking resistor, 510)를 포함할 수 있다. 또한, 회생전력 소비부(500)는 제동 저항기(510)에서 발생하는 폐열을 버리기보다는 보일러(520)를 통하여 온수를 만드는데 사용하거나, 폐열회수시스템(WHRS: Waste Heat Recovery System)을 설치하여 전력으로 사용할 수도 있다.
회생전력 소비부(500)와 제2 버스(B2) 사이에는 상호간을 연결하는 라인을 접속 또는 차단시키는 제2 회로차단기(CB2)가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 전력 공급부(200)와 회생전력 소비부(500)를 포함하는 전력 계통의 제어는 전력관리시스템(PMS: Power Management System)에 의해 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 특히 LNG FSRU와 같이 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용될 수 있다.
따라서 본 실시예에서 선박은 크게 바다를 항해하는 운항 모드와, 어느 한 지역에 머물면서 액화가스의 재기화 동작을 수행하는 재기화 모드의 두 가지 모드를 포함하여 운용될 수 있다.
운항 모드에서, 본 실시예에 따른 선박의 전력 공급 시스템은, 메인엔진(210)의 동력을 대부분 선박의 추진력에 사용하고, 잉여의 동력을 샤프트 발전기 모터(220)에 의해 발전하여 각종 선내 전력수요처(100)에 공급하거나, 모터로서 기능하는 샤프트 발전기 모터(220)에 파워를 공급할 수 있다.
재기화 모드에서, 본 실시예에 따른 선박의 전력 공급 시스템은, 클러치(C)의 동작에 의해 메인엔진(210)과 추진체(P)의 접속을 분리시키고, 메인엔진(210)의 동력은 샤프트 발전기 모터(220)에 의해 발전하여 선내 전력수요처(100)에 전력을 공급할 수 있다.
운항 모드에서 LNG FSRU의 부하 변동이 크게 일어나는 사항으로는,
1. 선박의 추진용 엔진으로서 기능하는 메인엔진(210)의 연료로서 BOG를 공급하기 위해 기화 LNG 공급장치를 가동하는 경우;
2. 상기 1에서 메인엔진(210)의 연료로 공급되는 BOG가 부족할 시, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 엔진으로 공급하기 위해 액화 LNG 공급장치를 가동하는 경우; 및
3. 입항(port in) 또는 출항(port out)시 쓰러스터를 가동하는 경우를 들 수 있다.
또한, 재기화 모드에서 LNG FSRU의 부하 변동이 크게 일어나는 사항으로는,
4. 선박의 발전용 엔진으로서 기능하는 메인엔진(210)의 연료로서 BOG를 공급하기 위해 기화 LNG 공급장치를 가동하는 경우;
5. 상기 4에서 메인엔진(210)의 연료로 공급되는 BOG가 부족할 시, LNG 저장탱크에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 엔진으로 공급하기 위해 액화 LNG 공급장치를 가동하는 경우;
6. LNG를 재기화시키기 위해 재기화 설비를 가동하는 경우; 및
7. LNG의 재기화 뿐만 아니라, LNG의 선적(loading) 또는 하역(unloading)을 위해 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프를 가동하는 경우를 들 수 있다.
본 실시예에 따른 선박이 운항 모드 또는 재기화 모드로 동작시, 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 쓰러스터, 재기화 설비에 마련되는 각종 펌프, 그리고 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프 등은, 초기 기동상태로부터 정상상태로 전환될 때까지 보조엔진(240)으로부터 전력을 공급받고, 이후 정상상태로 전환된 이후에는 버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 전력을 연속적으로 공급받을 수 있다.
즉, 본 실시예는 부하의 변동 폭이 큰 제2 부하장치(120)의 가동 초기에 4행정 엔진으로 마련되는 보조엔진(240)에 의해 응답성을 확보하고, 부하가 안정적인 상태로 전환된 이후에는 효율이 좋은 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)에 의해 연속 운용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 제2 회로차단기(CB2)를 클로즈(close)하여 제2 버스(B2)에 잔여하는 회생전력을 회생전력 소비부(500)에서 열로 소비시킴으로써, 부하의 탈락시에도 전력의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6은 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 각각 메인엔진이 고압가스 분사엔진, 저압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
본 실시예는 특히 LNG FSRU와 같이 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용되기 위한 것으로서, 이하에서는 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크로부터 BOG를 엔진의 연료로서 공급하는 연료공급부와, LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 수요처에 공급하는 재기화부의 구성까지 포함하도록 설계된, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 더욱 자세히 살펴보도록 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 상술한 전력공급부(200) 외에도, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG 또는 LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 엔진(210, 240)의 연료로서 공급하는 연료공급부(300)와, LNG 저장탱크(T) 내에 저장되는 LNG를 재기화시켜 수요처에 공급하는 재기화부(400)를 더 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서 메인엔진(210)은 MEGI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 마련된다.
연료공급부(300)는, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 엔진(210, 240)으로 공급하는 기화 LNG 공급장치(310)와, LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 엔진(210, 240)으로 공급하는 액화 LNG 공급장치(320)를 포함한다.
기화 LNG 공급장치(310)는 BOG를 엔진(210, 240)에서 요구하는 압력으로 압축하기 위해 복수의 단위 컴프레서(311)로 마련되는 다단 압축기(310)로 마련될 수 있다. LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG는 복수의 단위 컴프레서(311) 전부 또는 일부를 거치면서 메인엔진(210)과 보조엔진(240)에서 요구하는 압력으로 각각 압축되어 공급될 수 있다.
액화 LNG 공급장치(320)는 LNG를 메인엔진(210)에서 요구하는 압력으로 압축하는 제1 고압펌프(321)와, 제1 고압펌프(321)에 의해 압축된 LNG를 기화시키는 제1 고압기화기(322)를 포함한다. LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG는 스트리핑 펌프(SP)에 의해 탱크 외부로 토출될 수 있으며, 이후 제1 고압펌프(321) 및 제1 고압기화기(322)에 의해 압축 및 기화되어 메인엔진(210)으로 공급될 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 액화 LNG 공급장치(320)에 의해 압축 및 기화된 LNG는 갑압장치(미도시)에 의해 감압된 후 보조엔진(240)으로 공급될 수도 있다. 그러나 본 실시예에서 보조엔진(240)은 제2 부하장치(120)의 가동 전력을 공급하기 위해 보조적으로 마련되는 엔진이므로, LNG를 강제 기화시켜 연료로서 공급할 경우는 거의 발생하지 않을 것으로 예상된다.
재기화부(400)는, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 공급받아 압축하는 LD 컴프레서(401)와, LD 컴프레서(401)에 의해 압축된 BOG를 공급받아 LNG 저장탱크(T)로부터 공급되는 LNG와 혼합하여 응축시키는 리컨덴서(402)와, 리컨덴서(402)에서 응축된 LNG를 공급받아 고압으로 압축하는 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압펌프에서 압축된 LNG를 공급받아 기화시키는 제2 고압기화기(404)를 포함하고, 제2 고압기화기(404)에 의해 재기화된 가스는 계측유닛(metering unit, 405), 열교환기(406) 및 매니폴드(407)를 거쳐 수요처로 공급될 수 있다.
리컨덴서(402)는 LD 컴프레서(401)에 의해 압축된 BOG와 카고 펌프(CP)에 의해 LNG 저장탱크(T)로부터 공급되는 LNG를 혼합하여 응축시킨다. 리컨덴서(402)에 의해 BOG를 재응축시키는 것은, 재기화된 가스를 매니폴드(407)의 출구단으로 공급하기 위한 충분한 압력을 제공하기 위함이다.
리컨덴서(402)에서 응축된 LNG는 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압기화기(404)에 의해 압축 및 기화된 후, 계측유닛(405), 열교환기(406) 및 매니폴드(407)를 순차적으로 거쳐 수요처로 공급될 수 있다. 또한, 리컨덴서(402)에서 응축된 LNG는 LNG 저장탱크(T)로 회수될 수도 있다.
제2 고압펌프(403)는 리컨덴서(402)에서 응축된 LNG를 압축시켜 제2 고압기화기(404) 측으로 전달한다. 또한, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG는 리컨덴서(402)를 거치지 않고 피드 펌프(Feed Pump, FP)에 의해 제2 고압펌프(403)로 바로 공급될 수도 있다.
제2 고압기화기(404)는 해수 펌프(미도시)로부터 간접적으로 해수를 공급받아 LNG를 기화시킬 수 있다. 즉, 해수 펌프에 의해 공급받은 해수를 해수를 글리콜 워터와 같은 중간열매와 열교환시키고, 중간열매가 폐루프를 순한하며 LNG와 열교환을 통해 해수로부터의 열에너지를 전달하여 LNG를 재기화시키는 간접 재기화 방식이 적용될 수 있다.
본 실시예는 다단 압축기(310)에 마련되는 복수의 단위 컴프레서(311) 중 일부(또는 전부)를 거친 BOG를, L1 라인을 통해 제2 고압기화기(404)의 후단 측으로 합류시켜, 재기화 가스와 함께 수요처로 공급되도록 할 수 있다.
또한, 본 실시예는 반대로 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압기화기(404)를 거쳐 재기화된 가스를 L2 라인을 통해 보조엔진(240)의 연료로서 공급하거나, 또는 LD 컴프레서(401)에서 압축된 BOG를 L3 라인을 통해 보조엔진(240)의 연료로서 공급할 수 있다. L2 라인과 L3 라인 상에는 각각 FG 히터(H)가 설치될 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압기화기(404)를 거쳐 재기화된 가스 그리고 LD 컴프레서(401)에서 압축된 BOG를, 메인엔진(210)의 연료로서 공급하는 것도 고려될 수 있음은 물론이다.
즉, 본 실시예는 엔진(210, 240)에서 연료로서 소모되고 남는 BOG가 발생하는 경우 이를 수요처에 공급되는 재기화 가스의 송출량에 포함시킬 수 있고, 또는 육상에서 가스 소비가 적어 재기화 가스의 이송률이 낮아지는 경우에는 재기화 가스를 보조엔진(240)의 연료로서 소모시킬 수 있다.
이와 같은 본 실시예는, 연료공급부(300)와 재기화부(400) 상호간에 BOG 또는 재기화 가스의 상호 보완적인 공급이 가능하도록, 연료공급부(300)와 재기화부(400)를 서로 연계하여 설계함으로써, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG의 활용도가 향상되고 결과적으로 LNG의 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 실시예에서 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)과 4행정 엔진으로 마련되는 보조엔진(240)이 요구하는 압력 및 온도가 각각 다를 수 있으므로, 각각의 엔진으로 BOG 또는 재기화 가스를 연료로서 공급하는 라인에는 필요에 따라 히터 또는 감압장치가 구비되거나 또는 별도의 압축기가 추가로 배치될 수도 있음은 자명한 사항이며, 이러한 내용은 본 발명의 핵심사상을 설명하는데 있어 중요한 내용은 아니므로 별론으로 한다.
한편, 연료공급부(300)에 구비되는 다단 압축기(310) 및 제1 고압펌프(321), 그리고 재기화부(400)에 구비되는 스트리핑 펌프(SP), 카고 펌프(CP), 피드 펌프(FP), LD 컴프레서(401), 제2 고압펌프(403) 및 해수 펌프(미도시) 등의 장치는 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류될 수 있다.
따라서 상기 장치들(310, 321, 400, SP, CP, FP, 401, 403 등)의 가동 초기의 기동전력은 보조엔진(240)으로부터 공급받고, 이들 장치의 부하가 정상상태로 전환된 이후의 운용 전력은 버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 연속적으로 공급받을 수 있다.
버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 전력 공급이 이루어지면, 이와 동시에 보조엔진(240)에 의한 전력 공급은 중단시킬 수 있다.
제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 제2 버스(B2)에 잔여하는 회생전력을 회생전력 소비부(500)에서 열로 소비시킬 수 있다.
도 6에는 메인엔진(210)이 저압가스 분사엔진인 X-DF 엔진으로 마련되는 경우의 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템이 도시되어 있다.
도 5에 도시된 실시예와 비교하여, 도 6에 도시된 실시예에서는 다단 압축기(310)로 마련되는 기화 LNG 공급장치(310)가 삭제되고, 대신에 BOG를 X-DF 엔진(메인엔진)에서 요구하는 압력으로 감압시키기 위한 감압장치(R)가 설치될 수 있다. 이를 제외한 나머지 구성들은 도 5에 도시된 실시예와 동일하며, 도 5에서 설명된 본 발명의 핵심 사상이 그대로 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
제2 실시예
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 그리고 도 8 및 도 9는 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 각각 메인엔진이 고압가스 분사엔진, 저압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선박의 추진장치 및 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 전력공급부(200)와, 선내 전력수요처(100) 중 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우 부하의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부(500)를 포함한다.
본 실시예는 전력 공급부(200)에서 제2 부하장치(120)의 기동시 전력을 공급하기 위한 구성을 제외한 나머지 구성들은 제1 실시예에서와 동일하므로 편의상 중복되는 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)의 응답성을 보완하기 위하여, 메인엔진(210) 외에 보조적으로 제공되어 제2 부하장치(120)의 가동 초기 기동전력을 공급하는 배터리(260)를 더 포함한다.
제1 실시예가 4행정 엔진의 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(260)에 저장된 전력을 활용하여 공급함으로써 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)의 느린 응답성을 제어적으로 극복하고자 하는 것이다.
배터리(260)는 ESS(Energy Storage System)와 같은 에너지 저장장치일 수 있으며, 제2 버스(B2)에 전기적으로 접속된다. 배터리(260)와 제2 버스(B2) 사이에는 배터리(260)에 저장된 전력의 주파수를 가변시키는 제2 VFD(270)가 설치될 수 있으며, 필요시 이를 적절한 전압으로 변환시키는 변압기(TR)가 더 설치될 수 있다.
본 실시예에서 메인엔진(210)으로부터 전력이 공급되는 제1 배전계통은 제1 버스(B1)를 통해 제1 부하장치(110)와 연결되고, 배터리(260)로부터 전력이 공급되는 제2 배전계통은 제2 버스(B2)를 통해 제2 부하장치(120)와 연결된다.
즉, 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)은 주로 부하 변동이 거의 없는 장치와 연결되고, 배터리(260)는 기동시 부하 변동 폭이 큰 장치와 연결된다.
계속 도 7을 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, 메인엔진(210)을 이용하여 제1 부하장치(110)의 운용에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 것은 제1 실시예에서와 동일하다. 이때 제1 버스(B1)와 제2 버스(B2) 사이에 설치되는 버스 타이(BT)는 열린 상태로 유지되고, 제2 부하장치(120)는 운용되지 않으므로 배터리(260)에 의한 전력 공급은 필요하지 않다.
제2 부하장치(120)의 운용이 예상되는 경우에는, 제2 부하장치(120)의 기동전력을 바로 공급할 수 있도록 배터리(260)를 대기(stand-by) 상태로 전환한다.
제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지는 과정을 살펴보면, 우선 제2 부하장치(120)의 가동은 배터리(260)에 의해 개시된다. 이후 제2 부하장치(120)의 부하가 안정적(stable)인 '정상상태'가 되면, 버스 타이(BT)를 연결하여 제1 버스(B1)와 제2 버스(B2)를 접속시키고, 메인엔진(210)에 의해 생산되는 전력으로 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지도록 한다.
메인엔진(210)에서 공급되는 전력에 의해 제2 부하장치(120)의 운용이 이루어지면, 제1 회로차단기(CB1)를 오픈(open)하여 배터리(260)로부터의 전력 공급을 차단할 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우에 발생하는 회생전력을 배터리(260)를 충전시키는데 사용하는 것이 가능하다.
구체적으로는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)에서 배터리(260)의 충전 상태에 관한 정보를 받아, 배터리(260)의 충전이 필요한 경우에는 제1 회로차단기(CB1)를 클로즈(close)하여 회생전력으로 배터리(260)를 충전시킨다. 이때 제2 회로차단기(CB2)는 오픈(open)된 상태를 유지한다.
또한, 배터리(260)가 완충되어 있는 경우에는 제1 회로차단기(CB1)는 오픈(open)하고 제2 회로차단기(CB2)를 클로즈(close)하여 회생전력을 제1 실시예에서와 같이 회생전력 소비부(500)에서 소비시킴으로써 배터리(260)가 과충전되지 않도록 한다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 전력 공급부(200)와 회생전력 소비부(500)를 포함하는 전력 계통의 제어는 전력관리시스템(PMS)에 의해 이루어지고, 전력 공급부(200)에서 배터리(260)의 제어는 배터리 관리시스템(BMS)에 의해 이루어질 수 있다.
제1 실시예와 마찬가지로 본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 특히 LNG FSRU와 같이 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용될 수 있다.
본 실시예의 선박이 운항 모드 또는 재기화 모드로 동작시, 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 쓰러스터, 재기화 설비에 마련되는 각종 펌프, 그리고 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프 등은, 초기 기동상태로부터 정상상태로 전환될 때까지 배터리(260)로부터 전력을 공급받고, 이후 정상상태로 전환된 이후에는 버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 전력을 연속적으로 공급받을 수 있다.
즉, 본 실시예는 부하의 변동 폭이 큰 제2 부하장치(120)의 가동 초기에 배터리(260)에 의해 응답성을 확보하고, 부하가 안정적인 상태로 전환된 이후에는 효율이 좋은 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)에 의해 연속 운용될 수 있다.
도 8을 참조하여, 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크로부터 BOG를 엔진의 연료로서 공급하는 연료공급부와, LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 수요처에 공급하는 재기화부의 구성까지 포함하도록 설계된, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 더욱 자세히 살펴보도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 상술한 전력공급부(200) 외에도, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG 또는 LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 메인엔진(210)의 연료로서 공급하는 연료공급부(300)와, LNG 저장탱크(T) 내에 저장되는 LNG를 재기화시켜 수요처에 공급하는 재기화부(400)를 더 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에서 메인엔진(210)은 MEGI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 마련된다.
연료공급부(300)는, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 메인엔진(210)으로 공급하는 기화 LNG 공급장치(310)와, LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG를 강제 기화시켜 메인엔진(210)으로 공급하는 액화 LNG 공급장치(320)를 포함한다.
기화 LNG 공급장치(310)는 BOG를 메인엔진(210)에서 요구하는 압력으로 압축하기 위해 복수의 단위 컴프레서(311)로 마련되는 다단 압축기(310)로 마련될 수 있다. LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 다단 압축기(310)를 거치면서 메인엔진(210)에서 요구하는 압력으로 압축되어 공급될 수 있다.
액화 LNG 공급장치(320)는 LNG를 메인엔진(210)에서 요구하는 압력으로 압축하는 제1 고압펌프(321)와, 제1 고압펌프(321)에 의해 압축된 LNG를 기화시키는 제1 고압기화기(322)를 포함한다. LNG 저장탱크(T) 내에 저장된 LNG는 스트리핑 펌프(SP)에 의해 탱크 외부로 토출될 수 있으며, 이후 제1 고압펌프(321) 및 제1 고압기화기(322)에 의해 압축 및 기화되어 메인엔진(210)으로 공급될 수 있다.
재기화부(400)는, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG를 공급받아 압축하는 LD 컴프레서(401)와, LD 컴프레서(401)에 의해 압축된 BOG를 공급받아 LNG 저장탱크(T)로부터 공급되는 LNG와 혼합하여 응축시키는 리컨덴서(402)와, 리컨덴서(402)에서 응축된 LNG를 공급받아 고압으로 압축하는 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압펌프에서 압축된 LNG를 공급받아 기화시키는 제2 고압기화기(404)를 포함하고, 제2 고압기화기(404)에 의해 재기화된 가스는 계측유닛(405), 열교환기(406) 및 매니폴드(407)를 거쳐 수요처로 공급될 수 있다.
리컨덴서(402)는 LD 컴프레서(401)에 의해 압축된 BOG와 카고 펌프(CP)에 의해 LNG 저장탱크(T)로부터 공급되는 LNG를 혼합하여 응축시킨다.
리컨덴서(402)에서 응축된 LNG는 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압기화기(404)에 의해 압축 및 기화된 후, 계측유닛(405), 열교환기(406) 및 매니폴드(407)를 순차적으로 거쳐 수요처로 공급될 수 있다. 또한, 리컨덴서(402)에서 응축된 LNG는 LNG 저장탱크(T)로 회수될 수도 있다.
제2 고압펌프(403)는 리컨덴서(402)에서 응축된 LNG를 압축시켜 제2 고압기화기(404) 측으로 전달한다. 또한, LNG 저장탱크(T)에 저장된 LNG는 리컨덴서(402)를 거치지 않고 피드 펌프(FP)에 의해 제2 고압펌프(403)로 바로 공급될 수도 있다.
제2 고압기화기(404)는 해수 펌프(미도시)로부터 간접적으로 해수를 공급받아 LNG를 기화시킬 수 있다.
본 실시예는 다단 압축기(310)에 마련되는 복수의 단위 컴프레서(311) 중 일부(또는 전부)를 거친 BOG를, L1 라인을 통해 제2 고압기화기(404)의 후단 측으로 합류시켜, 재기화 가스와 함께 수요처로 공급되도록 할 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 제2 고압펌프(403) 및 제2 고압기화기(404)를 거쳐 재기화된 가스 그리고 LD 컴프레서(401)에서 압축된 BOG를, 메인엔진(210)의 연료로서 공급하는 것도 고려될 수 있음은 물론이다.
즉, 본 실시예는 연료공급부(300)와 재기화부(400) 상호간에 BOG 또는 재기화 가스의 상호 보완적인 공급이 가능하도록, 연료공급부(300)와 재기화부(400)를 서로 연계하여 설계함으로써, LNG 저장탱크(T)에서 발생하는 BOG의 활용도가 향상되고 결과적으로 LNG의 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
한편, 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 다단 압축기(310), 제1 고압펌프(321), 스트리핑 펌프(SP), 카고 펌프(CP), 피드 펌프(FP), LD 컴프레서(401), 제2 고압펌프(403) 및 해수 펌프(미도시) 등의 장치는, 가동 초기의 기동전력은 배터리(260)로부터 공급받고, 이들 장치의 부하가 정상상태로 전환된 이후의 운용 전력은 버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 연속적으로 공급받을 수 있다.
버스 타이(BT)의 연결에 의해 메인엔진(210)으로부터 전력 공급이 이루어지면, 이와 동시에 배터리(260)에 의한 전력 공급은 중단시킬 수 있다.
제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 제2 버스(B2)에 잔여하는 회생전력을 배터리(260)의 충전용으로 사용하거나 회생전력 소비부(500)에서 열로 소비시킬 수 있다.
도 9에는 메인엔진(210)이 저압가스 분사엔진인 X-DF 엔진으로 마련되는 경우의 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템이 도시되어 있다.
도 9에 도시된 실시예는, 기화 LNG 공급장치(310)가 삭제되는 대신 BOG를 X-DF 엔진(메인엔진)에서 요구하는 압력으로 감압시키기 위한 감압장치(R)가 설치되는 것을 제외한 나머지 구성들은 도 8에 도시된 실시예와 동일하며, 도 8에서 설명된 본 발명의 핵심 사상이 그대로 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
제3 실시예
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 그리고 도 11 및 도 12는 LNG FSRU에 적용되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 선력공급시스템을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 각각 메인엔진이 고압가스 분사엔진, 저압가스 분사엔진으로 마련되는 경우를 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 선박의 추진장치 및 선내 전력수요처(100)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 전력공급부(200)와, 선내 전력수요처(100) 중 제2 부하장치(120)의 운용이 중단되는 경우 부하의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부(500)를 포함한다.
본 실시예는 제1 및 제2 실시예와 다르게 제2 부하장치(120)의 초기 가동시 기동전력을 공급하는 구성(240, 250 또는 260, 270)을 포함하지 않는다.
본 실시예는 제2 부하장치(120)의 운용에 있어서 2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)의 느린 응답성을 극복하기 위하여, 제2 부하장치(120)의 기동전력을 공급하는 별도의 장치를 구비하는 것이 아니라, 샤프트 발전기 모터(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 엔진으로 마련되는 메인엔진(210)의 응답성을 확보하고자 하는 것이다.
도 13을 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, 메인엔진(210)이 충분한 응답성을 가질 수 있다.
본 실시예에서 전력 공급부(200)에서 생산되는 전력은 버스(B)를 통해 선내 전력수요처(100)로 공급될 수 있다. 본 실시예의 버스(B)는 제1 및 제2 실시예에서와 같이 제1 버스(B1)와 제2 버스(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(500)에서 소비시킬 수 있음도 제1 실시예에서 다룬 바와 동일하다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템에서, 전력 공급부(200)와 회생전력 소비부(500)를 포함하는 전력 계통의 제어는 전력관리시스템(PMS)에 의해 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 실시예와 마찬가지로 본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 특히 LNG FSRU와 같이 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용될 수 있다.
본 실시예의 선박이 운항 모드 또는 재기화 모드로 동작시, 제2 부하장치(120)(고부하 장치)로 분류되는 기화 LNG 공급장치, 액화 LNG 공급장치, 쓰러스터, 재기화 설비에 마련되는 각종 펌프, 그리고 LNG 저장탱크에 구비되는 각종 펌프 등은, 기동시 부하 변동이 크게 발생하는 경우에도 슈퍼 커패시터가 장착된 제1 VFD(230)에 의해 메인엔진(210)이 충분한 응답성을 가질 수 있으므로 전력의 공급이 안정적으로 이루어질 수 있다.
도 11 및 도 12에는 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크로부터 BOG를 엔진의 연료로서 공급하는 연료공급부와, LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 수요처에 공급하는 재기화부의 구성까지 포함하도록 설계된, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템이 도시되어 있다.
도 11에 도시된 실시예의 메인엔진(210)은 MEGI 엔진과 같은 고압가스 분사엔진으로 마련되고, 도 12에 도시된 실시예의 메인엔진(210)은 X-DF 엔진과 같은 저압가스 분사엔진으로 마련되는 것이다.
본 실시예의 연료공급부(300)와 재기화부(400)의 구성 및 동작은 제2 실시예에서와 동일하게 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 전력공급시스템은, 커패시터가 장착된 제1 VFD(230)에 의해 메인엔진(210)의 응답성이 충분히 확보되므로, 고부하 장치로 분류되는 다단 압축기(310), 제1 고압펌프(321), 스트리핑 펌프(SP), 카고 펌프(CP), 피드 펌프(FP), LD 컴프레서(401), 제2 고압펌프(403) 및 해수 펌프(미도시) 등의 가동시에도 전압 강하에 의한 전력 품질 저하 없이 안정적인 전력 공급이 이루어질 수 있다.
제2 부하장치(120)의 가동이 중단되면, 기동전력 BUS(B2)에 잔여하는 회생전력을 회생전력 소비부(500)에서 열로 소비시킬 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 전력공급시스템은, 종래에는 LNG FSRU의 주 전력공급장치로 활용되기 어려웠던 2행정 엔진의 응답성 문제를 제어적으로 극복함으로써, 2행정 엔진을 LNG FSRU의 주 전력공급장치로 사용하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명은 2행정 엔진을 이용하여 보다 높은 효율로 선내 전력을 생산하여 공급할 수 있고, LNG FSRU의 재기화 동작에 필요한 높은 소모 전력을 생산하기 위한 발전기의 설치 및 사용 댓수를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 엔진의 설치 면적 및 선박의 무게가 감소하므로 설계상 이점이 있다.
또한, 본 발명은 LNG FSRU의 추진용 엔진으로 마련되는 2행정 엔진의 동력을 클러치에 의해 추진체로 선택적으로 전달되게 함으로써, 재기화 동작시에는 클러치에 의해 2행정 엔진과 추진체와의 연결을 분리하여 2행정 엔진의 동력을 고스란히 재기화 동작에 필요한 전력 생산에 사용할 수 있으므로, 재기화 동작시 전력 소모가 큰 LNG FSRU에 최적화된 발명이라고 할 수 있다.
더불어, 본 발명은 특히 액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박에 적용되는 것으로서, 2행정 엔진의 연료로서 BOG를 공급하는 연료공급부와 LNG를 재기화시켜 수요처로 공급하는 재기화부가 서로 연계되도록 설계함으로써, LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG의 활용도를 더욱 높여 결과적으로는 LNG의 손실을 줄일 수 있는 효과가 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 : 전력공급부
210 : 메인엔진
220 : 샤프트 발전기 모터
230 : 제1 VFD
240 : 보조엔진
250 : 보조 발전기
260 : 배터리
270 : 제2 VFD
300 : 연료공급부
310 : 기화 LNG 공급장치
320 : 액화 LNG 공급장치
400 : 재액화부
500 : 회생전력 소비부
510 : 제동 저항기
520 : 보일러

Claims (13)

  1. 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 포함하는 선내 전력수요처;
    상기 선박에 필요한 추진력과 상기 선내 전력수요처에 필요한 전력을 생산하는 전력 공급부; 및
    상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부를 포함하고,
    상기 전력 공급부는,
    2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진;
    상기 메인엔진의 동력을 상기 선박의 추진체로 전달하는 샤프트에 연결되어 상기 메인엔진의 동력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기 모터; 및
    상기 메인엔진과 상기 추진체의 접속을 분리시키는 클러치를 포함하며,
    상기 선내 전력수요처 중에서 상기 고부하 장치를 가동하는 경우, 상기 고부하 장치는 가동이 개시될 때부터 가동 이후 시간에 대한 부하의 변화가 없는 정상상태로 돌입시까지는 상기 메인엔진보다 응답성이 뛰어난 보조전원으로부터 전력을 공급받고, 상기 정상상태로 돌입된 이후에는 상기 메인엔진으로부터 전력을 공급받아 운용되는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인엔진으로부터 전력이 공급되는 제1 배전계통은, 제1 버스를 통해 상시 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치를 제외한 나머지 일반 장치와 연결되고,
    상기 보조전원으로부터 전력이 공급되는 제2 배전계통은, 제2 버스를 통해 상기 선내 전력 수요처 중 상기 고부하 장치와 연결되며,
    상기 제1 배전계통과 상기 제2 배전계통은 서로 독립적으로 구성되되, 상기 제1 버스가 상기 제2 버스와 버스 타이(Bus Tie)에 의해 접속이 가능하게 마련되어, 상기 버스 타이의 연결에 의해 상기 메인엔진에서 생산되는 전력이 상기 고부하 장치로도 공급 가능한 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 보조전원과 상기 제2 버스 사이에는, 상기 보조전원으로부터 상기 제2 버스로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제1 회로차단기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 회생전력 소비부는,
    상기 제2 버스와 연결되어 상기 제2 버스에 잔여하는 회생전력을 열로 변환하는 제동 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제동 저항기와 상기 제2 버스 사이에는, 상기 제2 버스로부터 상기 제동 저항기로의 전력의 공급을 개시 또는 중단시킬 수 있도록 제2 회로차단기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 보조전원은, 4행정 엔진으로 마련되는 보조엔진의 동력을 이용하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 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,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 보조전원은, 전력이 저장되는 ESS(Energy Storage System)인 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 고부하 장치의 가동 중단에 따라 발생하는 상기 회생전력은, 상기 ESS의 충전용으로 사용되거나 또는 상기 제동 저항기에 의해 열로 변환되는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 회생전력이 상기 ESS의 충전용으로 사용되는 경우, 상기 제1 회로차단기는 클로즈(close), 상기 제2 회로차단기는 오픈(open)되며,
    상기 회생전력이 상기 제동 저항기에서 열료 변환되는 경우에는, 상기 제1 회로차단기는 오픈(open), 상기 제2 회로차단기는 클로즈(close)되는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 회생전력이 상기 제동 저항기에서 열로 변환되는 경우, 상기 제동 저항기에서 발생하는 폐열을 보일러로 공급하여 온수를 생산하거나, 또는 상기 폐열을 폐열회수시스템(Waste Heat Recovery System)으로 공급하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  12. 선박 내에 마련되는 LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 포함하는 선내 전력수요처;
    상기 선박에 필요한 추진력과 상기 선내 전력수요처에 필요한 전력을 생산하는 전력 공급부; 및
    상기 선내 전력수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치의 가동을 중단하는 경우, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 회생전력 소비부를 포함하고,
    상기 전력 공급부는,
    2행정 엔진으로 마련되는 메인엔진;
    상기 메인엔진의 동력을 상기 선박의 추진체로 전달하는 샤프트에 연결되어 상기 메인엔진의 동력으로 전력을 생산하는 샤프트 발전기 모터;
    상기 샤프트 발전기 모터에 의해 생산되는 전력의 주파수를 가변시키며, DC 링크에 슈퍼 커패시터가 장착되는 VFD(Variable Frequency Drive); 및
    상기 메인엔진과 상기 추진체의 접속을 분리시키는 클러치를 포함하며,
    상기 선박의 운항 중에는 상기 메인엔진을 이용하여 추진력을 발생시키고, 상기 선박의 재기화 동작시에는 상기 클러치에 의해 상기 메인엔진과 상기 추진체와의 접속을 분리하여 상기 메인엔진을 이용하여 상기 재기화 동작에 필요한 전력을 생산하고,
    상기 VFD의 DC 링크에는 슈퍼 커패시터(super capacitor)가 장착되어 상기 2행정 엔진의 응답성을 보완하는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
  13. LNG 저장탱크에 저장되는 LNG를 재기화시켜 재기화 가스 수요처에 공급하는 재기화 설비를 갖춘 LNG FSRU에 있어서,
    클러치에 의해 추진체와 분리 가능하게 연결되는 2행정 엔진을 포함하고,
    상기 LNG FSRU의 운항시에는, 상기 2행정 엔진과 상기 추진체를 결합하여 추진력을 발생시키고,
    상기 LNG FSRU의 재기화 동작시에는, 상기 2행정 엔진과 상기 추진체의 결합을 분리하여, 상기 2행정 엔진의 샤프트에 설치된 샤프트 발전기 모터에 의해 상기 재기화 동작에 필요한 전력을 생산하며,
    상기 운항시 또는 상기 재기화 동작시에 운용되는 장비 중, 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치를 가동하는 경우에는, 4행정 엔진의 구동에 의해 생산되는 전력이나 배터리에 저장된 전력을 활용하여 상기 고부하 장치의 기동전력을 공급하거나 또는 상기 샤프트 발전기 모터의 후단에 설치되어 전력의 주파수를 가변하는 VFD(Variable Frequency Drive)의 DC 링크에 슈퍼 커패시터를 장착함으로써, 상기 2행정 엔진의 응답성을 확보하고,
    상기 고부하 장치의 운용을 중단하는 경우에는, 대형 부하(heavy load)의 탈락에 따라 발생하는 회생전력을 열로 소비시키는 것을 특징으로 하는,
    액화가스 재기화 설비를 갖춘 선박의 전력공급시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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