KR20210157515A - 부유식 발전 플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부유식 발전 플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 증발가스를 응축시킨 후의 LNG의 냉열을 활용하여 부유식 발전 플랜트의 가스터빈 출력을 증대시킬 수 있는 부유식 발전 플랜트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 부유식 발전 플랜트는, 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스와 액화가스를 열교환시켜 상기 증발가스를 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 증발가스를 응축시키면서 냉열이 회수된 액화가스의 냉열을 더 회수하여 공기를 냉각시키고 액화가스는 기화시켜 재기화 가스를 생성하는 공기 냉각기; 상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기와 상기 재기화 가스를 연소시켜 전력을 생산하는 가스 발전부;를 포함하고, 상기 공기 냉각기는, 상기 액화가스가 유동하는 다수개의 배관이 다발 형상으로 구비되는 액화가스 분기라인;을 포함한다.

Description

부유식 발전 플랜트 {Floating Storage Power Plant}
본 발명은 부유식 발전 플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 증발가스를 응축시킨 후의 LNG의 냉열을 활용하여 부유식 발전 플랜트의 가스터빈 출력을 증대시킬 수 있는 부유식 발전 플랜트에 관한 것이다.
발전플랜트를 육상에 고정한 형태에서 벗어나 선박이나 해상 구조물에 탑재한 부유식 발전 플랜트(FSPP; Floating, Storage, Power Plant) 기술들이 개발되고 있다. 선박이나 해상 구조물은 플랜트를 설치하기 위한 용지 구입 비용이나, 기초 공사 비용을 절감할 수 있으면서도, 연료 수급이 용이한 곳이나 전력 공급이 필요한 곳에 시의적절하게 배치할 수 있다는 점에서 유리하다.
부유식 발전 플랜트에는, LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 LNG 저장탱크, LNG를 재기화시키는 LNG 재기화 설비 및 재기화 가스를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 발전 설비가 탑재되며, 부유식 발전 플랜트를 활용하여 선상에서 생산된 전력을 육상으로 송전할 수 있다.
기존의 부유식 발전 플랜트에서는 재기화 가스를 연소시켜 가스 터빈을 구동시키고, 발전기를 이용하여 가스 터빈의 구동력을 전기 에너지로 전환함으로써 전력을 생산한다. 그런데 기존의 부유식 발전 플랜트는 가스 터빈의 발전 효율이 낮고, LNG의 냉열 등이 효과적으로 활용되지 못하고 그대로 버려짐으로써, 부유식 발전 플랜트의 에너지 효율이 낮다는 단점이 있었다.
한편, 부유식 발전 플랜트의 기화기에서는, LNG를 기화시키기 위한 열원으로서 해수나 글리콜 워터를 사용한다. 기화기에서의 열교환에 의해 LNG는 기화되고, 해수나 글리콜 워터 등 열매체는 냉각되어 배출된다. 열매체가 해수인 경우 기화기로부터 배출된 저온의 해수는 바다로 그대로 배출되고, 열매체가 글리콜 워터인 경우에는 글리콜 워터 순환 시스템을 통해 가열된 후 재순환된다. 즉, 기화기에서 열매체가 회수한 LNG의 냉열은 효과적으로 활용되지 못하고 그대로 버려지고 있다.
따라서, 본 발명은 버려지는 LNG의 냉열을 회수하여 공기를 냉각시킨 후 가스 발전부로 공급함으로써 가스터빈의 출력을 증대시킬 수 있는 부유식 발전 플랜트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스와 액화가스를 열교환시켜 상기 증발가스를 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 증발가스를 응축시키면서 냉열이 회수된 액화가스의 냉열을 더 회수하여 공기를 냉각시키고 액화가스는 기화시켜 재기화 가스를 생성하는 공기 냉각기; 상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기와 상기 재기화 가스를 연소시켜 전력을 생산하는 가스 발전부;를 포함하고, 상기 공기 냉각기는, 상기 액화가스가 유동하는 다수개의 배관이 다발 형상으로 구비되는 액화가스 분기라인;을 포함하는, 부유식 발전 플랜트가 제공된다.
바람직하게는, 상기 공기 냉각기의 액화가스 분기라인은 코일 형태로 구성되며, 상기 공기 냉각기를 통과하는 공기는 상기 액화가스 분기라인의 외면을 따라 유동하면서 냉각될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스 발전부는, 상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기를 압축하는 공기 압축기; 상기 공기 압축기에 의해 압축된 공기와 상기 재기화 가스를 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 터빈을 구동시키고 전력을 생산하는 가스터빈;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 압축하여 상기 응축기로 공급하는 액화가스 공급펌프; 상기 응축기로 공급되는 액화가스 중 일부를 더 압축하는 고압펌프; 상기 고압펌프에 의해 압축된 액화가스를 기화시키는 기화기; 및 상기 기화기에 의해 기화된 재기화 가스를 상기 연소기로 공급하는 액화가스 공급라인;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 냉각기에 의해 기화된 재기화 가스는 상기 기화기 하류의 액화가스 공급라인으로 합류될 수 있다.
바람직하게는, 상기 기화기에 의해 기화된 재기화 가스를 상기 연소기에서 요구하는 온도로 가열하는 트림히터;를 더 포함하고, 상기 공기 냉각기에 의해 기화된 재기화 가스는 상기 트림히터에서 더 가열된 후 상기 연소기로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 부유식 발전 플랜트는, 별도의 냉동 사이클을 포함하지 않고도, 기화시킬 액화가스의 냉열을 회수하여 가스 발전부로 공급되는 공기를 냉각시킴으로써, 가스터빈의 출력을 증대시킬 수 있다.
특히, 액화가스를 이용하여 증발가스를 응축시킴으로써 증발가스는 액화시켜 회수하는 것은 물론, 증발가스를 응축시키고 남은 액화가스의 냉열을 더 회수하여 공기를 냉각시킴으로써, 액화가스의 냉열을 효과적으로 최대한 활용할 수 있을 뿐 아니라, 액화가스를 기화시키기 위한 히팅 듀티를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 발전 플랜트의 발전 설비를 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 냉각기의 배관 시스템 구성을 간략하게 나타낸 개념도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스는, 가스를 저온으로 액화시켜 수송할 수 있는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화 석유화학 가스일 수 있다. 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 부유식 발전 플랜트는, 추진 능력을 갖는 선박일 수도 있고, BMPP(Barge Mounted Power Plant), FSPP(Floating Storage Power Plant)와 같이 추진 능력을 갖지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물을 포함할 수 있다. 다만, 후술하는 실시예에서는 FSPP에 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 발전 플랜트 및 부유식 발전 플랜트의 운용 방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 부유식 발전 플랜트는, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(100); LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG가 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)와, 기화시킬 LNG를 열교환시켜 증발가스를 응축시키는 응축기(500); 응축기(500)에서 증발가스와 열교환하면서 온도가 높아진 LNG의 냉열을 더 회수하여 공기(air)를 냉각시키고 LNG는 기화시키는 공기 냉각기(600); LNG 저장탱크(100)로부터 이송된 LNG를 기화시키는 기화기(300); 및 공기 냉각기(600)와 기화기(300) 중 어느 하나 이상으로부터 이송된 재기화 LNG, 즉 천연가스를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 가스 발전부(700);를 포함한다.
본 실시예의 가스 발전부(700)는, 천연가스를 연소시키는 연소기(720); 공기 냉각기(600)에 의해 냉각된 공기를 압축하여 연소기(720)로 공급하는 공기 압축기(710); 및 연소기(720)로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 구동되는 가스터빈(730);을 포함하며, 가스터빈(730)의 구동력은 발전기(미도시)에 의해 전력으로 전환된다.
또한, 공기 압축기(710)와 가스터빈(730)은 동축(shaft)으로 연결되어, 가스터빈(730)의 구동력에 의해 공기 압축기(710)가 작동되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 부유식 발전 플랜트는, 가스터빈(730)으로부터 배출되는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 생성하는 폐열회수 스팀 발생기(HRSG; Heat Recovery Steam Generator); 및 폐열회수 스팀 발생기(HRSG)에서 생성된 스팀을 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키고, 터빈의 구동력을 전력으로 전환시켜 전력을 생산하는 스팀 발전기(미도시);를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 LNG 저장탱크(100)에 저장된 LNG는 LNG 공급펌프(110)에 의해 가압되며, LNG 공급펌프(110)에 의해 LNG 저장탱크(100)로부터 배출되는 LNG는, LNG 공급펌프(110)와 기화기(300)를 연결하는 LNG 공급라인(LL)을 통해 기화기(300)로 이송되거나, 또는 LNG 공급라인(LL)으로부터 기화기(300) 상류에서 분기되는 LNG 분기라인(LL1)을 통해 응축기(500)로 이송된다.
LNG 공급펌프(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 LNG 저장탱크(100)의 내부에 설치되는 반잠수식 펌프일 수도 있고, LNG 저장탱크(100)의 밖에 설치되는 펌프일 수도 있다.
또한, 본 실시예의 LNG 공급라인(LL)에는, LNG 공급펌프(110)에 의해 이송된 LNG를 더 가압하여 기화기(300)로 공급하는 고압펌프(200);가 구비될 수 있다. 고압펌프(200)는 LNG를 가스 발전부(600)에서 요구하는 압력까지 압축시킬 수 있다.
본 실시예의 기화기(300)에서는, 열전달 매체(SW)와 고압펌프(200)에 의해 압축된 압축 LNG와의 열교환에 의해, 압축 LNG가 기화된다. 기화기(300)에서 압축 LNG와 열교환되는 열전달 매체는, 해수 또는 글리콜 워터일 수 있으며, 본 실시예에서는 해수인 것을 예로 들어 설명한다.
기화기(300)에서 기화된 천연가스는, 기화기(300)와 연소기(720)를 연결하는 LNG 공급라인(LL)을 따라 연소기(720)로 이송된다.
또한, 본 실시예에 따른 부유식 발전 플랜트는, 연소기(720)로 공급되는 천연가스를 연소기(720)에서 요구하는 온도까지 가열하는 트림히터(400);를 더 포함할 수 있다. 즉, 기화기(300)에서 기화된 천연가스는, 트림히터(400)에서 더 가열된 후 연소기(720)로 공급될 수 있다.
한편, 본 실시예의 LNG 저장탱크(100)로부터 배출되는 증발가스는, 증발가스 라인(BL)을 따라 응축기(500)로 이송된다.
응축기(500)에서는, 증발가스 라인(BL)을 따라 이송된 증발가스와 LNG 분기라인(LL1)을 따라 이송된 LNG와의 열교환에 의해 증발가스는 응축되고 LNG는 가열된다.
응축기(500)에서 LNG와의 열교환에 의해 응축된 증발가스는, 응축기(500)와 LNG 저장탱크(100)를 연결하는 증발가스 라인(BL)을 통해 응축기(500)로부터 LNG 저장탱크(100)로 회수될 수 있다.
응축기(500)에서 증발가스를 응축시키면서 가열된 LNG는 응축기(500)와 공기 냉각기(600)를 연결하는 LNG 분기라인(LL1)을 통해 공기 냉각기(600)로 이송된다.
공기 냉각기(600)에서는, 공기 라인(AL)을 통해 공기 냉각기(600)로 공급되는 공기와, LNG 분기라인(LL1)을 통해 응축기(500)로부터 이송된 가열된 LNG가 열교환하여, 공기는 냉각되고 LNG는 기화될 수 있다.
또한, 공기 냉각기(600)에서 냉열이 회수되면서 기화된 천연가스는, LNG 공급라인(LL)을 따라 기화기(300)로부터 트림히터(400)로 이송되는 천연가스 흐름에 합류되어, 트림히터(400)를 거쳐 연소기(720)로 이송된다.
공기 냉각기(600)에서 열교환에 의해 냉각된 공기는, 공기 냉각기(600)와 공기 압축기(710)를 연결하는 공기 라인(AL)을 통해 공기 냉각기(600)로부터 공기 압축기(710)로 공급되며, 공기 압축기(710)에서 압축된 공기는 연소기(720)로 공급되어, LNG 공급라인(LL)을 통해 이송된 LNG와 연소반응한다.
본 실시예와 같이, 공기 냉각기(600)에서 LNG의 냉열을 회수하여 공기를 냉각시킴으로써 공기의 밀도를 높이고, 고밀도의 공기를 공기 압축기(710)로 공급함으로써 가스 발전부(700)의 출력을 증대시킬 수 있다.
공기 압축기(710)를 통해 연소기(720)로 공급되는 공기를 냉각시켜 밀도를 높이면 가스터빈(730)의 출력을 증대시킬 수 있는데, 공기를 냉각시키기 위해 별도의 냉동시스템(랭킨사이클)을 구비한다면 시스템이 복잡하고 냉매를 압축하기 위한 압축 동력 등 추가 동력이 필요하여 전체적인 에너지 효율이 현저히 떨어진다는 단점이 있다.
그러나, 본 발명에 따르면, 공기를 냉각시키기 위한 냉동사이클을 포함하지 않고, 공기 냉각기(600)를 활용하여, LNG와 공기를 열교환시킴으로써 LNG는 기화시켜 가스 발전부(700)의 연료로 공급하고, 공기는 냉각시켜 가스 발전부(700)로 공급하므로, 냉동사이클을 활용하는 경우와 동일한 수준으로 가스터빈(730)의 출력을 증대시킬 수 있다.
또한, 응축기(500)에서 증발가스를 응축시키면서 가열되어 배출되는 LNG는 연소기(720)로 공급하기에는 낮은 온도, 즉 충분한 냉열을 지니고 있으므로, 응축기(500)에서 가열된 LNG의 냉열을, 공기 냉각기(600)에서 더 회수하여 공기 압축기(710)로 공급할 공기를 냉각시킬 수 있다는 점에서도 이점이 있다.
그뿐 아니라, 연소기(720)로 공급하기 위해 기화시킬 LNG를, 열전달 매체와의 열교환에 의해 LNG를 기화시키는 기화기(300)와, 응축기(500) 및 공기 냉각기(600)를 활용하여 기화시킬 수 있으므로, 기화기(300)의 히팅 듀티를 저감할 수 있어 에너지 효율도 증대시킬 수 있다.
본 실시예의 공기 냉각기(600)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 관 다발 형태의 배관시스템으로 구성될 수 있다.
즉, 공기 냉각기(600)를 통과하는 LNG의 경로를 제공하는 배관을 둘 이상 포함하는 다발로 구성하고, 공기는 LNG가 통과하는 관 다발, 즉 공기 냉각기(600)에 포함되는 LNG 분기라인(LL1)의 외면을 통과하면서 LNG의 냉열에 의해 냉각되도록 한다. 이와 같이 공기 냉각기(600)를 구성함으로써 열전달 면적을 최대화하여 열교환 효율을 높일 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 다발로 형성되는 다수개의 배관, 즉 LNG 분기라인(LL1)은 코일 형태로 구성되어, 열전달 면적을 최대화시킬 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기가 공기 냉각기(600)로 유입되는 입구부 면적을, 공기가 공기 냉각기(600)로부터 배출되는 배출부 면적보다 넓게 함으로써, 냉각된 공기의 흐름이 공기 압축기(710) 측으로 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : LNG 저장탱크
200 : 고압 펌프
300 : 기화기
400 : 트림히터
500 : 응축기
600 ; 공기 냉각기
700 : 가스 발전부
710 : 공기 압축기
720 : 연소기
730 : 가스터빈

Claims (6)

  1. 액화가스 저장탱크;
    상기 액화가스 저장탱크에서 생성된 증발가스와 액화가스를 열교환시켜 상기 증발가스를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기에서 증발가스를 응축시키면서 냉열이 회수된 액화가스의 냉열을 더 회수하여 공기를 냉각시키고 액화가스는 기화시켜 재기화 가스를 생성하는 공기 냉각기;
    상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기와 상기 재기화 가스를 연소시켜 전력을 생산하는 가스 발전부;를 포함하고,
    상기 공기 냉각기는,
    상기 액화가스가 유동하는 다수개의 배관이 다발 형상으로 구비되는 액화가스 분기라인;을 포함하는, 부유식 발전 플랜트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 냉각기의 액화가스 분기라인은 코일 형태로 구성되며,
    상기 공기 냉각기를 통과하는 공기는 상기 액화가스 분기라인의 외면을 따라 유동하면서 냉각되는, 부유식 발전 플랜트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 발전부는,
    상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기를 압축하는 공기 압축기;
    상기 공기 압축기에 의해 압축된 공기와 상기 재기화 가스를 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기로부터 배출되는 배기가스를 작동유체로 하여 터빈을 구동시키고 전력을 생산하는 가스터빈;을 포함하는, 부유식 발전 플랜트.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 압축하여 상기 응축기로 공급하는 액화가스 공급펌프;
    상기 응축기로 공급되는 액화가스 중 일부를 더 압축하는 고압펌프;
    상기 고압펌프에 의해 압축된 액화가스를 기화시키는 기화기; 및
    상기 기화기에 의해 기화된 재기화 가스를 상기 연소기로 공급하는 액화가스 공급라인;을 더 포함하는, 부유식 발전 플랜트.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기 냉각기에 의해 기화된 재기화 가스는 상기 기화기 하류의 액화가스 공급라인으로 합류되는, 부유식 발전 플랜트.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 기화기에 의해 기화된 재기화 가스를 상기 연소기에서 요구하는 온도로 가열하는 트림히터;를 더 포함하고,
    상기 공기 냉각기에 의해 기화된 재기화 가스는 상기 트림히터에서 더 가열된 후 상기 연소기로 공급되는, 부유식 발전 플랜트.
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