KR20220105536A - Electric propulsion system and ship having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.The present invention relates to an electric propulsion system and a ship including the same.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.In general, ships use diesel engines to generate driving power using diesel oil, gas engines to generate driving power using gas such as LNG, and dual fuel engines to generate driving power by mixing diesel oil and gas. is promoted using
최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 선박에서 배출되는 이산화탄소, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키면서 추진할 수 있는 기술들이 연구되고 있다.Recently, as the demand for eco-friendly/high-efficiency engines increases due to the strengthening of IMO environmental regulations, research on propulsion systems using various fuels is being actively conducted. In particular, technologies that can be promoted while reducing the emission of environmental pollutants such as carbon dioxide, sulfur oxides (SOx) and nitrogen oxides (NOx) emitted from ships are being studied.
종래 기술에 따른 선박은 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등과 같은 환경오염물질의 배출량을 감소시키기 위해 Scrubber, SCR 등과 같은 환경오염물질 저감장치를 설치하였다.Ships according to the prior art have installed environmental pollutant reduction devices such as scrubbers and SCRs in order to reduce the emission of environmental pollutants such as sulfur oxides (SOx) and nitrogen oxides (NOx).
그러나, 종래 기술에 따른 선박은 환경규제가 점점 강화됨에 따라 환경오염물질 저감장치만으로는 환경규제를 만족시킬 수 없는 문제가 있다. 환경규제가 강화될수록 환경오염물질 저감장치의 처리용량이 커져야 하는데, 처리용량은 저감장치의 크기에 비례하기 때문이다. However, there is a problem in that ships according to the prior art cannot satisfy the environmental regulations only with the environmental pollutant reduction device as the environmental regulations are gradually strengthened. As environmental regulations are strengthened, the processing capacity of the environmental pollutant reduction device should be increased, because the processing capacity is proportional to the size of the reduction device.
공간이 제한적인 선박에서 환경오염물질 저감장치가 차지하는 비율이 높아지면, 상대적으로 화물을 선적하는 공간이나 사람을 태우기 위한 공간이 감소될 뿐만 아니라 저감장치의 무게로 인해 연비도 증가되기 때문에 비효율적이다. 따라서, 환경 친화적이면서 고효율로 추진할 수 있는 선박에 대한 개발이 절실히 필요하다.In a ship with limited space, if the proportion of environmental pollutant reduction devices increases, it is inefficient because not only the space for loading cargo or people is relatively reduced, but also fuel economy increases due to the weight of the reduction device. Therefore, there is an urgent need to develop a ship that is environmentally friendly and can be propelled with high efficiency.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기를 이용하여 선박의 추진력을 발생시키는 전기 추진부 및 이를 포함하는 전기추진 시스템을 제공하여, 환경오염물질의 배출량을 저감할 수 있는 선박을 제공하는 것이다. 특히, 선박 내 가스연료의 연소에 따라 발생하는 이산화탄소의 배출량을 저감할 수 있는 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.The present invention was created to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide an electric propulsion unit for generating propulsion of a ship using electricity and an electric propulsion system including the same, thereby reducing environmental pollutants. It is to provide a ship that can reduce emissions. In particular, it is to provide an electric propulsion system capable of reducing the emission of carbon dioxide generated according to the combustion of gas fuel in a ship and a ship including the same.
또한, 본 발명의 목적은 선박에 필요한 추진력을 제공함과 동시에 선내 공간 활용성을 극대화할 수 있는 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.In addition, it is an object of the present invention to provide an electric propulsion system capable of maximizing the use of space in a ship while providing the necessary propulsion force to the ship and a ship including the same.
본 발명의 일 측면에 따른 전기추진 시스템은, 선박의 추진력을 발생시키는 전기 추진부를 포함하는 것으로, 상기 선박에 탑재된 액화가스 저장탱크의 가스연료를 연소하여 연소가스를 생성하는 가스연소유닛, 상기 연소가스를 구동유체로 이용하여 작동하는 터빈, 상기 터빈에 연결되어 상기 전기 추진부에 공급하기 위한 전기를 생산하는 발전기, 상기 터빈에서 토출되는 구동유체를 열매로 냉각시키는 열교환기, 및 상기 열교환기에서 토출되는 구동유체를 가압하여 상기 가스연소유닛으로 공급하는 압축기를 포함할 수 있다.An electric propulsion system according to an aspect of the present invention includes an electric propulsion unit for generating propulsion force of a ship, and a gas combustion unit for generating combustion gas by burning gas fuel in a liquefied gas storage tank mounted on the ship, the A turbine operating using combustion gas as a driving fluid, a generator connected to the turbine to produce electricity for supplying the electric propulsion unit, a heat exchanger for cooling the driving fluid discharged from the turbine to a heat medium, and the heat exchanger It may include a compressor that pressurizes the driving fluid discharged from and supplies it to the gas combustion unit.
구체적으로, 상기 전기추진 시스템은, 상기 가스연소유닛에 연결되어 구동유체가 순환하는 구동유체 순환라인을 더 포함하며, 상기 터빈, 상기 열교환기 및 상기 압축기는, 상기 구동유체 순환라인에 마련되는 것일 수 있다.Specifically, the electric propulsion system further includes a driving fluid circulation line connected to the gas combustion unit to circulate a driving fluid, and the turbine, the heat exchanger and the compressor are provided in the driving fluid circulation line. can
구체적으로, 상기 전기추진 시스템은, 상기 구동유체 순환라인을 유동하는 구동유체의 적어도 일부를 이산화탄소 저장탱크에 공급하는 이산화탄소 공급라인을 더 포함하며, 상기 이산화탄소 공급라인은, 상기 구동유체 순환라인에서, 상기 열교환기의 하류에서 분기하는 것일 수 있다.Specifically, the electric propulsion system further includes a carbon dioxide supply line for supplying at least a portion of a driving fluid flowing through the driving fluid circulation line to a carbon dioxide storage tank, wherein the carbon dioxide supply line is, in the driving fluid circulation line, It may be branching downstream of the heat exchanger.
구체적으로, 상기 열교환기는, 상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 연료가스, 상기 선박으로부터 공급되는 청수 및 해수 중 적어도 하나를 열매로 구동유체를 냉각시킬 수 있다.Specifically, the heat exchanger, fuel gas supplied from the liquefied gas storage tank, fresh water and seawater supplied from the ship may cool the driving fluid as a heat medium.
구체적으로, 상기 전기추진 시스템은, 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 가스연소유닛으로 공급하는 액화가스 공급라인, 및 상기 액화가스 저장탱크 내부에서 발생하는 증발가스를 상기 가스연소유닛으로 공급하는 증발가스 공급라인을 더 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 액화가스 공급라인에 마련되는 것일 수 있다.Specifically, the electric propulsion system supplies a liquefied gas supply line for supplying the liquefied gas stored in the liquefied gas storage tank to the gas combustion unit, and the boil-off gas generated in the liquefied gas storage tank to the gas combustion unit. and a boil-off gas supply line, wherein the heat exchanger may be provided in the liquefied gas supply line.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 전기추진 시스템은, 선박의 추진력을 발생시키는 전기 추진부 및 메인 엔진을 포함하는 것으로, 상기 메인 엔진에서 발생하는 폐열로 구동유체를 가열하는 제2 열교환기, 상기 제2 열교환기에서 가열된 구동유체로 작동하는 터빈, 상기 터빈에 연결되어 상기 전기 추진부에 공급하기 위한 전기를 생산하는 발전기, 상기 터빈에서 토출되는 구동유체를 열매로 냉각시키는 열교환기, 및 상기 열교환기에서 토출되는 구동유체를 가압하여 상기 제2 열교환기로 공급하는 압축기를 포함할 수 있다.An electric propulsion system according to another aspect of the present invention includes an electric propulsion unit and a main engine for generating propulsion of a ship, and includes a second heat exchanger that heats a driving fluid with waste heat generated in the main engine, the second heat exchanger 2 a turbine operating with a driving fluid heated in a heat exchanger, a generator connected to the turbine to generate electricity for supplying the electric propulsion unit, a heat exchanger for cooling the driving fluid discharged from the turbine into a heat medium, and the heat exchange It may include a compressor that pressurizes the driving fluid discharged from the unit and supplies it to the second heat exchanger.
구체적으로, 상기 전기추진 시스템은, 상기 제2 열교환기에 연결되어 구동유체가 순환하는 구동유체 순환라인을 더 포함하며, 상기 터빈, 상기 열교환기 및 상기 압축기는, 상기 구동유체 순환라인에 마련되는 것일 수 있다.Specifically, the electric propulsion system further includes a driving fluid circulation line connected to the second heat exchanger through which a driving fluid circulates, and the turbine, the heat exchanger, and the compressor are provided in the driving fluid circulation line. can
구체적으로, 상기 전기추진 시스템은, 상기 메인 엔진에 가스 연료를 공급하는 액화가스 저장탱크를 더 포함하며, 상기 열교환기는, 상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 연료가스, 상기 선박으로부터 공급되는 청수 및 해수 중 적어도 하나를 열매로 구동유체를 냉각시킬 수 있다.Specifically, the electric propulsion system further includes a liquefied gas storage tank for supplying gas fuel to the main engine, and the heat exchanger includes fuel gas supplied from the liquefied gas storage tank, fresh water and seawater supplied from the ship. At least one of them may be used as a heat medium to cool the driving fluid.
구체적으로, 상기 전기추진 시스템은, 상기 메인 엔진에서 발생하는 폐열을 상기 제2 열교환기로 공급하는 폐열회수라인을 더 포함하며, 상기 폐열회수라인은, 상기 메인 엔진의 배기가스, 또는 상기 폐열회수라인 상에 마련되는 이코노마이저에서 상기 배기가스를 이용하여 생성한 스팀을 상기 제2 열교환기로 공급할 수 있다.Specifically, the electric propulsion system may further include a waste heat recovery line for supplying waste heat generated from the main engine to the second heat exchanger, wherein the waste heat recovery line is an exhaust gas of the main engine or the waste heat recovery line Steam generated by using the exhaust gas in the economizer provided on the top may be supplied to the second heat exchanger.
본 발명에 따른 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 선박에 화물 또는 연료로 저장되는 액화가스를 가스연료로 사용하며, 가스연료의 연소에 따라 발생하는 연소가스를 구동유체로 전기를 생산하여 전기 추진에 이용할 수 있다. 이에 따라, 연소가스 중에 포함된 환경오염물질의 선외 배출량을 저감하거나 배출하지 않을 수 있다.The electric propulsion system and the ship including the same according to the present invention use liquefied gas stored as cargo or fuel in the ship as a gas fuel, and generate electricity by using the combustion gas generated according to the combustion of the gas fuel as a driving fluid. can be used for promotion. Accordingly, it is possible to reduce or not discharge the outboard emission of environmental pollutants contained in the combustion gas.
또한, 본 발명에 따른 전기추진 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 선박의 메인 엔진에서 발생하는 폐열을 구동유체에 공급하여, 상기 구동유체로 전기를 생산하여 전기 추진에 이용할 수 있다.In addition, the electric propulsion system according to the present invention and a ship including the same can supply waste heat generated from the main engine of the ship to a driving fluid, and use the driving fluid to generate electricity and use it for electric propulsion.
또한, 본 발명에 따른 전기추진 시스템은 초임계 상태의 구동유체를 이용하여 전기를 생산함에 따라, 종래 스팀 터빈을 이용하여 전기를 생산하는 시스템 대비 월등히 우수한 선내 공간 활용성을 제공할 수 있다.In addition, as the electric propulsion system according to the present invention produces electricity using a driving fluid in a supercritical state, it is possible to provide significantly superior space utilization in the ship compared to a system for generating electricity using a conventional steam turbine.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기추진 시스템을 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating an electric propulsion system according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating an electric propulsion system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 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.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. In the present specification, in adding reference numbers to the components of each drawing, it should be noted that only the same components are given the same number as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하에서, 고압, 저압, 고온, 저온 및 유량은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.Hereinafter, it should be noted that high pressure, low pressure, high temperature, low temperature, and flow rate are relative and do not represent absolute values.
이하에서, 액화가스는 LNG 또는 LPG, 에틸렌, 에탄, 암모니아 등과 같이 상온에서 기체 상태로 기화되는 모든 물질을 포괄하는 의미로 사용될 수 있지만, 이하에서 편의상 액화가스는 LNG인 것으로 가정하여 설명한다. 또한, 액화가스는 저장을 위해 액화된 가스, 증발가스는 자연기화된 가스를 의미하며, 액화가스나 증발가스의 상태를 각각 액체, 기체로 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, liquefied gas may be used to encompass all substances that are vaporized in a gaseous state at room temperature, such as LNG or LPG, ethylene, ethane, ammonia, etc., but hereinafter, for convenience, it is assumed that the liquefied gas is LNG. In addition, the liquefied gas means a gas liquefied for storage, and the boil-off gas means a gas naturally vaporized, and the state of the liquefied gas or the boil-off gas is not limited to liquid and gas, respectively.
이하에서, 선박은 액화가스를 수송하는 액화가스 운반선, 또는 액화가스를 추진연료로 탑재하면서 액화가스 외의 화물을 탑재하는 일반상선 등을 포괄하여 의미한다. 더 나아가 본 명세서에서 선박이라 함은, 액화가스 운반선, 일반상선 외에 추진이 필요한 모든 해양구조물을 포괄하는 의미로 해석될 수 있다.Hereinafter, a ship means a liquefied gas carrier for transporting liquefied gas, or a general merchant ship carrying cargo other than liquefied gas while loading liquefied gas as a propelling fuel. Furthermore, in this specification, the term "ship" may be interpreted as encompassing all offshore structures that require propulsion in addition to liquefied gas carriers and general merchant ships.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기추진 시스템을 설명한다.1, an electric propulsion system according to an embodiment of the present invention will be described.
본 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은, 액화가스 저장탱크(100), 가스연소유닛(120), 터빈(121), 발전기(122), 열교환기(123), 압축기(124), 이산화탄소 저장탱크(125), 산소 생성기(130), 배전반(140), 전력저장장치(150) 및 전기 추진부(160) 등을 포함한다.The
액화가스 저장탱크(100)는, 액화가스를 저장한다. 액화가스가 LNG일 경우 액화가스 저장탱크(100)는 -160도 이하의 온도로 액화가스를 저장할 수 있고, 액화가스가 액상을 유지할 수 있도록 단열 구조를 구비할 수 있다.The liquefied
액화가스 저장탱크(100)는 제한되지 않는 타입으로 마련되며, 일례로 멤브레인형, 독립형, 가압형 등으로 마련될 수 있다. 또한 선박에서 선내에 탑재되거나, 갑판 상부에 탑재될 수 있다.The liquefied
선박이 액화가스 운반선일 경우 액화가스 저장탱크(100)는 카고탱크일 수 있으며, 선박이 액화가스 운반선 외의 일반상선인 경우 액화가스 저장탱크(100)는 별도로 설치되는 연료탱크일 수 있다. 예를 들어, 선박이 액화가스 운반선일 경우 복수 개의 액화가스 저장탱크(100)가 선내에 나란히 배치될 수 있다.When the vessel is a liquefied gas carrier, the liquefied
액화가스 저장탱크(100)에 저장된 액화가스는 외부 열침투로 인해 적어도 일부가 자연 증발하며, 이로 인해 액화가스 저장탱크(100) 내에는 증발가스가 발생한다. 액화가스와 증발가스는 성분에서 차이가 있을 수 있지만, 모두 후술하는 가스연소유닛(120)에서 소비되는 가스연료일 수 있다.At least a portion of the liquefied gas stored in the liquefied
액화가스 저장탱크(100)에 저장된 액상의 액화가스는 펌프(101)를 통해 인출되어 액화가스 공급라인(L100)을 통해 수요처로 공급될 수 있다. 본 실시예에서는, 액화가스 공급라인(L100)은 액화가스를 가스연소유닛(120)으로 공급할 수 있다. 액화가스 공급라인(L100) 상에는 열교환기(123)가 마련되어, 액화가스의 냉열로 열교환기(123)로 공급되는 구동유체를 냉각시킬 수 있다. 열교환기(123)를 거친 액화가스는 적어도 일부가 기화되어 가스연소유닛(120)으로 공급될 수 있다.The liquid liquefied gas stored in the liquefied
액화가스 저장탱크(100) 내부에서 발생하는 증발가스는 액화가스 저장탱크(100)의 상부를 통해 인출되어 증발가스 공급라인(L110)을 통해 수요처로 공급될 수 있다. 본 실시예에서는, 증발가스 공급라인(L110)은 증발가스를 가스연소유닛(120)으로 공급할 수 있다. 증발가스 공급라인(L110) 상에는 증발가스 압축기(110) 및 증발가스 냉각기(111)가 마련될 수 있다. 액화가스 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스의 유량은 선박이 위치한 환경, 운항 조건 등에 따라 달라질 수 있는데, 증발가스 압축기(110)는 가스연소유닛(120)에서 요구하는 압력으로 증발가스를 가압하여 공급할 수 있다. 증발가스 냉각기(111)는 증발가스가 증발가스 압축기(110)에서 가압되면서 가스연소유닛(120)에서 요구하는 온도보다 높은 온도로 가열된 경우 증발가스를 냉각시켜 공급할 수 있다.BOG generated inside the liquefied
가스연소유닛(120)은 액화가스 저장탱크(100)로부터 공급되는 액화가스 및 증발가스 중 적어도 하나를 가스연료로 연소하여 연소가스를 생성할 수 있다. 바람직하게는, 가스연소유닛(120)은 액화가스 공급라인(L100)을 통해 열교환기(123)를 거치면서 강제 기화된 액화가스를 공급받아 연소시켜 연소가스를 생성하는 것일 수 있다. 가스연소유닛(120)은 선박 내에 마련되는 산소 생성기(130)에서 생산되는 산소를 산소 공급라인(L130)을 통해 공급받아 가스연료를 연소시킬 수 있다.The
도시하지 않았으나, 가스연소유닛(120)은 내부에 가스연료가 연소되기 위한 공간과 가스연료의 연소에 따라 발생하는 연소가스를 임시 저장하기 위한 공간을 포함할 수 있다. 연소가스는 액화가스의 연소에 따라 발생하는 이산화탄소와 수증기를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은 이산화탄소를 포함하는 연소가스를 구동유체로 생산한 전기를 선박의 추진에 이용할 수 있다. Although not shown, the
가스연소유닛(120)에는 구동유체 순환라인(L120)이 연결되어 가스연소유닛(120)에서 배출되는 연소가스가 구동유체로서 상기 구동유체 순환라인(L120)을 따라 유동할 수 있다. 구동유체 순환라인(L120)상에는, 가스연소유닛(120)에서 배출되는 구동유체의 흐름을 기준으로 터빈(121), 열교환기(123) 및 압축기(124)가 마련될 수 있으며, 압축기(124)에서 토출되는 구동유체는 다시 가스연소유닛(120)으로 공급될 수 있다. 구체적으로, 이산화탄소를 포함하는 구동유체는 초임계 상태로 구동유체 순환라인(L120)을 따라 유동하면서 이산화탄소의 브레이튼 사이클을 구성할 수 있다.A driving fluid circulation line L120 is connected to the
가스연소유닛(120)에서 가스연료가 연소되면서 발생하는 연소가스는 가스연소유닛(120) 내부에서 가열되어 등압팽창될 수 있다. 가스연소유닛(120)에서 배출되는 연소가스는 구동유체 순환라인(L120)을 통해 터빈(121)으로 공급될 수 있다. The combustion gas generated while the gas fuel is burned in the
터빈(121)은 가스연소유닛(120)으로부터 공급되는 구동유체의 압력에 의해 회전력을 발생시킬 수 있다. 터빈(121)에 공급되는 구동유체는 터빈(121)의 블레이드를 회전시키며 단열팽창할 수 있다. The
발전기(122)는 상기 터빈(121)에 연결되어 구동유체에 의해 발생하는 회전력을 이용하여 전기를 생산할 수 있으며, 생산된 전기를 전기 추진부(160)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 발전기(122)에서 생산된 전기는 선박 내에 마련되는 배전반(140)을 통해 전기 추진부(160)로 공급될 수 있다. 배전반(140)은 선박 내의 전기 수요처에 연결되어 발전기(122)에서 생산되는 전기를 분배 및 공급할 수 있으며, 배전반(140)에는 전력저장장치(ESS, 150)가 연결될 수도 있다. 전력저장장치(150)는 공급되는 전기를 저장하였다가 필요시 다시 배전반(140) 등을 통해 수요처로 공급하기 위한 것으로 배터리 등을 포괄하여 의미할 수 있다. 발전기(122)에서 생산된 전기는 배전반(140)을 통해 전기 추진부(160)로 공급될 수 있으며, 잉여 전기는 전력저장장치(150)에 저장되었다가 필요시 인출되어 사용될 수 있다. 전기 추진부(160)는 전기를 공급받아 프로펠러를 작동시켜 선박에 추진력을 공급할 수 있다.The
본 실시예에서는 종래 스팀 대비 에너지 밀도가 월등히 높은 초임계 상태의 이산화탄소를 포함하는 연소가스를 구동유체로 사용함에 따라, 터빈(121)의 크기를 종래 스팀 터빈의 1/10 수준으로 감소시킬 수 있어 선박의 공간 활용성을 극대화할 수 있게 된다. 터빈(121)에서 배출되는 구동유체는 구동유체 순환라인(L120)을 통해 열교환기(123)로 공급될 수 있다.In this embodiment, the size of the
열교환기(123)는 터빈(121)에서 토출되는 구동유체를 냉각하여, 상기 구동유체를 등압압축시키기 위한 것이다. 열교환기(123)는 액화가스 저장탱크(100)로부터 공급되는 연료가스, 선박으로부터 공급되는 청수 및 해수 중 적어도 하나를 열매와 구동유체를 열교환시켜, 상기 구동유체를 냉각시킬 수 있다. The
예를 들어, 열교환기(123)는 액화가스 공급라인(L100)과 구동유체 순환라인(L120) 상에 마련되어, 액화가스 저장탱크(100)로부터 공급되는 액상의 액화가스를 열매로 구동유체를 냉각시킬 수 있다. 이러한 경우, 열교환기(123)를 거치며 냉열을 공급한 액화가스는 적어도 일부가 기화되어 가스연소유닛(120)에서 연소될 수 있게 된다. 선박이 액화가스를 연료로 이용하는 액화가스 추진선인 경우, 열교환기(123)를 거치며 기화된 액화가스는 가스연소유닛(120)뿐만 아니라 메인 엔진(도시하지 않음)과 같은 연료 수요처로 공급되어 사용될 수도 있다.For example, the
예를 들어, 열교환기(123)는 선내에 저장된 청수 또는 해수를 이용하여 구동유체를 냉각시키는 것일 수 있다. 이러한 경우, 열교환기(123)를 거치며 냉열을 공급한 청수는 스팀이 되어 선내 스팀 수요처로 공급하여 사용할 수 있으며, 선박 내에 스팀 생산을 위해 사용되는 보일러의 크기를 절감할 수 있게 된다.For example, the
도시하지 않았으나, 열교환기(123)는 복수 개가 병렬로 마련될 수 있으며, 구동유체 순환라인(L120)은 복수 개의 열교환기(123)에 대해 구동유체를 각각 공급하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 열교환기(123)는 각각 상이한 열매를 이용하여 구동유체를 냉각시키는 것일 수 있으며, 전기추진 시스템(1)은 구동유체 순환라인(L120)을 통해 유동하는 구동유체의 전체 유량에 따라 필요한 냉열을 결정하여 각각의 열교환기(123)에 공급되는 구동유체의 유량을 결정할 수 있다. 열교환기(123)에서 배출되는 구동유체는 구동유체 순환라인(L120)을 통해 압축기(124)로 공급될 수 있다.Although not shown, a plurality of
압축기(124)는 열교환기(123)에서 토출되는 구동유체를 가압하여, 상기 구동유체를 단열압축시키기 위한 구성이다. 구동유체는 압축기(124)에서 가압되는 과정에서 가열될 수 있으며, 압축기(124)에서 배출되는 구동유체는 구동유체 순환라인(L120)을 통해 다시 가스연소유닛(120)으로 공급되어 전술한 순환 과정을 반복할 수 있다.The
본 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)에서, 구동유체의 유량이 터빈(121)을 구동하기 위한 유량보다 많거나, 전기추진 시스템(1)을 작동시키지 않는 경우에는 구동유체 순환라인(L120)을 순환하는 구동유체의 적어도 일부를 별도로 회수하여 저장할 수 있다. 구동유체는 액화가스 저장탱크(100)로부터 공급되는 가스연료를 연소한 연소가스로서 대부분 이산화탄소와 물로 구성되어 있는데, 이산화탄소를 전기추진 시스템(1)의 외부로 배출하는 대신, 이산화탄소 저장탱크(125)에 임시 저장하여 온실가스 배출 규제에 부합하는 선박을 제공할 수 있게 된다.In the
구체적으로, 전기추진 시스템(1)은 구동유체 순환라인(L120)으로부터 분기하는 이산화탄소 공급라인(L121)을 더 포함할 수 있다. 이산화탄소 공급라인(L121)은 구동유체 순환라인(L120)을 통해 유동하는 이산화탄소 중 적어도 일부를 분기시켜 이산화탄소 저장탱크(125)에 공급할 수 있다. 이산화탄소 저장탱크(125)는 액상의 이산화탄소 및 이로부터 증발한 이산화탄소를 저장하기에 적합한 압력 탱크일 수 있다. 이산화탄소 공급라인(L121)은 구동유체 순환라인(L120)에서 열교환기(123)의 하류에서 분기하여 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크(125)로 공급하는 것일 수 있다. 구동유체 중의 이산화탄소는 열교환기(123)에서 냉각되며 적어도 일부가 액화되어 이산화탄소 저장탱크(125)에 저장될 수 있다. 이산화탄소 저장탱크(125)에 저장된 이산화탄소는 선내에서 불활성가스로 사용되거나, 항만에 정박한 후 하역할 수 있게 되어 운항 중에는 배출되지 않을 수 있다.Specifically, the
이처럼, 본 실시예에 따른 전기추진 시스템(1)은 가스연료를 연소시켜 발생하는 구동유체로 전기를 생산하여 선박의 추진에 이용할 수 있다. 상기 구동유체는 초임계 상태의 이산화탄소를 포함하여 에너지 밀도가 높은 것이어서, 터빈(121)은 종래 스팀 터빈 대비 크기가 대폭 감소된 것을 사용할 수 있게 되어 선내 공간 활용성을 극대화시킬 수 있게 된다. As such, the
예를 들어, 전기추진 시스템(1)의 크기가 감소됨에 따라 선박 엔진룸의 공간 또한 축소될 수 있으며, 전기추진 시스템(1)으로 메인 엔진 등 다른 추진 수단을 완전히 대체함에 따라 엔진 케이싱, 연돌과 같은 구성을 완전히 제거할 수 있는 새로운 선박을 제공할 수 있다.For example, as the size of the
또한, 이 과정에서 사용된 이산화탄소는 구동유체 순환라인(L120)을 통해 재순환시키거나 이산화탄소 저장탱크(125)에 저장시켜 전기추진 시스템(1) 외부로 배출하지 않을 수 있어 온실가스 배출 규제에 부합하는 선박을 제공할 수 있으며, 포집된 이산화탄소는 선박 또는 항만에서 다른 용도로 사용하도록 제공할 수 있게 된다.In addition, carbon dioxide used in this process may be recycled through the driving fluid circulation line (L120) or stored in the carbon
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기추진 시스템의 개념도이다.2 is a conceptual diagram of an electric propulsion system according to another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기추진 시스템(2)은, 액화가스 저장탱크(200), 제2 열교환기(220), 터빈(221), 발전기(222), 열교환기(223), 압축기(224), 메인 엔진(230) 및 전기 추진부(260) 등을 포함한다. 이하에서는, 전술한 것과 동일한 구성에 대해서는 앞선 실시예의 설명으로 갈음하기로 한다.Referring to FIG. 2 , the electric propulsion system 2 according to another embodiment of the present invention includes a liquefied
본 실시예에 따른 전기추진 시스템(2)은 메인 엔진(230) 및 전기 추진부(260)를 모두 포함하여, 이들 중 어느 하나 이상에 의해 선박의 추진력을 생산할 수 있는 것이다.The electric propulsion system 2 according to the present embodiment includes both the
메인 엔진(230)은 액화가스 저장탱크(200)에 저장된 액화가스를 연료로 공급받아 추진력을 발생시키는 것으로 ME-GI 엔진, X-DF 엔진 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 액화가스 공급라인(L200)은 액화가스 저장탱크(200)에 저장된 액상의 액화가스를 인출하여 메인 엔진(230)으로 공급할 수 있으며, 메인 엔진(230)에서 요구하는 온도 및 압력 조건으로 공급하기 위해 펌프(202) 및 히터(203)를 구비할 수 있다. 증발가스 공급라인(L210)은 증발가스를 가압하여 공급하기 위한 증발가스 압축기(210) 및 가압 과정에서 가열된 증발가스를 메인 엔진(230)에서 요구하는 온도로 맞추기 위한 증발가스 냉각기(211)를 구비할 수 있다. 도 2에서는 액화가스 공급라인(L200)과 증발가스 공급라인(L210)이 합류하여 메인 엔진(230)에 연결되는 것으로 도시하였으나, 메인 엔진(230)의 종류에 따라 어느 하나 이상을 연료로 하여 공급받을 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The
본 실시예에 따른 전기추진 시스템(2)은 메인 엔진(230)에서 액화가스를 연소시킴에 따라 따라 발생하는 폐열을 이용하여, 구동유체 순환라인(L220)을 따라 유동하는 구동유체를 가열할 수 있다. 구동유체는 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 유체의 혼합물일 수 있으며, 구동유체 순환라인(L220) 내에서 초임계 상태로 순환하는 것일 수 있다. 예를 들어, 최초 메인 엔진(230)에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 구동유체 순환라인(L220)에 공급하여 구동유체로 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구동유체 순환라인(L220) 상에는 구동유체의 흐름을 기준으로 제2 열교환기(220), 터빈(221), 열교환기(223) 및 압축기(224)가 마련될 수 있으며, 압축기(224)에서 토출되는 구동유체는 다시 제2 열교환기(220)로 공급될 수 있다.The electric propulsion system 2 according to this embodiment can heat the driving fluid flowing along the driving fluid circulation line L220 by using the waste heat generated by burning the liquefied gas in the
제2 열교환기(220)는 메인 엔진(230)에서 발생하는 폐열과 구동유체 순환라인(L220)의 구동유체를 열교환시켜 구동유체를 가열할 수 있다. 메인 엔진(230)과 제2 열교환기(220)는 폐열회수라인(L230)을 통해 연결될 수 있다. 폐열회수라인(L230)은 메인 엔진(230)에서 배출되는 고온의 배기가스를 제2 열교환기(220)의 열매로 직접 공급하거나, 배기가스에 의해 가열되는 별도의 열매를 공급하는 것일 수 있다.The
예를 들어, 폐열회수라인(L230) 상에는 이코노마이저(231)가 마련될 수 있다. 이코노마이저(231)는 메인 엔진(230)의 배기가스를 이용하여 청수 또는 해수를 가열하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀이 폐열회수라인(L230)을 통해 제2 열교환기(220)로 공급되어 구동유체를 가열하는 것일 수 있다.For example, the
제2 열교환기(220)에서는 이산화탄소를 포함하는 구동유체가 열매에 의해 가열되어 등압팽창할 수 있으며, 제2 열교환기(220)에서 토출되는 구동유체는 터빈(221)으로 공급되어 단열팽창하면서 회전력을 발생시킬 수 있다. 발전기(222)는 터빈(221)에 연결되어 전기를 생산하여, 생산된 전기를 전기 추진부(260)에 공급할 수 있다. 배전반(240)은 선박 내의 전기 수요처에 연결되어 발전기(222)에서 생산되는 전기를 분배 및 공급할 수 있다. In the
배전반(240)은 전기 추진부(260) 및 전력저장장치(250)와 연결될 수 있는데, 추가로 메인 엔진(230)에 마련되는 샤프트 제너레이터(도시하지 않음)와도 연결될 수 있다. 메인 엔진(230)의 출력에 따라 배기가스의 온도가 충분히 높지 않아, 제2 열교환기(220)에서 구동유체의 가열을 충분히 할 수 없는 경우에는 터빈(221) 구동을 통한 발전기(222)에서의 전기 생산량이 부족할 수 있다. 이러한 경우, 메인 엔진(230)에 연결된 샤프트 제너레이터에서 생산된 전기를 전기 추진부(260)에 공급하여 추진력을 확보할 수 있게 된다.The
전술한 실시예와 마찬가지로, 초임계 상태의 이산화탄소를 구동유체로 순환시키면서 터빈(121)을 회전시킴에 따라 종래 스팀 터빈 대비 크기가 1/10 수준으로 감소한 터빈(121)을 사용할 수 있게 되어 선박 내의 공간 활용성을 극대화시킬 수 있게 된다.As in the above-described embodiment, as the
열교환기(223)는 터빈(221)에서 토출되는 구동유체를 냉각하여 구동유체를 등압압축시킬 수 있다. 열교환기(223)는 액화가스 저장탱크(200)로부터 공급되는 연료가스, 선박으로부터 공급되는 청수 및 해수 중 적어도 하나를 열매와 구동유체를 열교환시켜, 상기 구동유체를 냉각시킬 수 있다. The
예를 들어, 열교환기(223)는 액화가스 공급라인(L200) 상에 마련되어, 액상의 액화가스를 열매로 구동유체를 냉각시킬 수 있다. 구동유체 냉각에 사용된 액화가스는 적어도 일부가 기화되어 메인 엔진(230)으로 공급될 수 있으며, 펌프(202) 및 히터(203)를 거치면서 완전히 기화되어 메인 엔진(230)으로 공급될 수도 있다.For example, the
압축기(224)는 열교환기(223)에서 토출되는 구동유체를 가압하여, 상기 구동유체를 단열압축시킬 수 있다. 압축기(224)에서 배출되는 구동유체는 구동유체 순환라인(L220)을 통해 다시 제2 열교환기(220)로 공급되어 전술한 순환 과정을 반복할 수 있다.The
본 실시예에 따른 전기추진 시스템(2)은 메인 엔진(230)과 전기 추진부(260)를 모두 구비하되, 메인 엔진(230)에서 발생하는 폐열을 이용하여 전기 추진부(260)에서 사용하기 위한 전기를 생산하도록 하여 선박의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다. The electric propulsion system 2 according to this embodiment includes both the
예를 들어, 선박의 스타트업 시에는 메인 엔진(230)을 구동하여 추진력을 확보하고, 메인 엔진(230)에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 구동유체로 이용하여 전기를 생산함으로써, 최초 구동 이후에는 메인 엔진(230)과 전기 추진부(260) 모두를 이용하여 추진력을 확보하거나 전기 추진부(260)만을 이용하여 추진력을 확보할 수 있게 된다. 이때, 메인 엔진(230)에서 생성되는 폐열이 충분하지 않은 경우, 터빈(221) 및 발전기(222)에서 생산한 전기와 상기 메인 엔진(230)의 샤프트 제너레이터에서 생산한 전기를 함께 이용하여 전기 추진할 수 있다.For example, when starting a ship, the
또는, 이산화탄소가 구동유체로 확보된 경우 메인 엔진(230)의 폐열을 이용하여 곧바로 전기를 생산할 수 있으며, 초임계 상태의 이산화탄소를 구동유체로 이용함에 따라 터빈(221)은 종래 스팀 터빈 대비 크기가 대폭 감소된 것을 사용할 수 있게 되어 선내 공간 활용성을 극대화시킬 수 있게 된다.Alternatively, when carbon dioxide is secured as the driving fluid, electricity can be directly produced by using the waste heat of the
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and a combination of the embodiments or a combination of at least one of the embodiments and a known technology may be included as another embodiment.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been described focusing on the embodiments of the present invention, but this is only an example and does not limit the present invention. It will be appreciated that various combinations or modifications and applications not illustrated in the embodiments are possible within the scope. Accordingly, descriptions related to variations and applications that can be easily derived from the embodiments of the present invention should be interpreted as being included in the present invention.
1, 2: 전기추진 시스템
100, 200: 액화가스 저장탱크
101, 201: 펌프
110, 210: 증발가스 압축기
111, 211: 증발가스 냉각기
120: 가스연소유닛
121, 221: 터빈
122, 222: 발전기
123, 223: 열교환기
124, 224: 압축기
125: 이산화탄소 저장탱크
130: 산소 생성기
140, 240: 배전반
150, 250: 전력저장장치
160, 260: 전기 추진부
202: 펌프
203: 히터
220: 제2 열교환기
230: 메인 엔진
231: 이코노마이저
L100, L200: 액화가스 공급라인
L110, L210: 증발가스 공급라인
L120, L220: 구동유체 순환라인
L121: 이산화탄소 공급라인
L130: 산소 공급라인
L230: 폐열 회수라인1, 2: Electric propulsion system
100, 200: liquefied
110, 210: boil-off
120:
122, 222:
124, 224: compressor 125: carbon dioxide storage tank
130:
150, 250:
202: pump 203: heater
220: second heat exchanger 230: main engine
231: economizer
L100, L200: liquefied gas supply line L110, L210: boil-off gas supply line
L120, L220: Driving fluid circulation line L121: Carbon dioxide supply line
L130: oxygen supply line L230: waste heat recovery line
Claims (9)
상기 선박에 탑재된 액화가스 저장탱크의 가스연료를 연소하여 연소가스를 생성하는 가스연소유닛;
상기 연소가스를 구동유체로 이용하여 작동하는 터빈;
상기 터빈에 연결되어 상기 전기 추진부에 공급하기 위한 전기를 생산하는 발전기;
상기 터빈에서 토출되는 구동유체를 열매로 냉각시키는 열교환기; 및
상기 열교환기에서 토출되는 구동유체를 가압하여 상기 가스연소유닛으로 공급하는 압축기를 포함하는 전기추진 시스템.An electric propulsion system comprising an electric propulsion unit for generating propulsion of a ship, the electric propulsion system comprising:
a gas combustion unit for generating combustion gas by burning gas fuel in a liquefied gas storage tank mounted on the ship;
a turbine operating using the combustion gas as a driving fluid;
a generator connected to the turbine to generate electricity for supplying the electric propulsion unit;
a heat exchanger for cooling the driving fluid discharged from the turbine as a heat medium; and
and a compressor that pressurizes the driving fluid discharged from the heat exchanger and supplies it to the gas combustion unit.
상기 가스연소유닛에 연결되어 구동유체가 순환하는 구동유체 순환라인을 더 포함하며,
상기 터빈, 상기 열교환기 및 상기 압축기는, 상기 구동유체 순환라인에 마련되는 것인, 전기추진 시스템.The method of claim 1,
Further comprising a driving fluid circulation line connected to the gas combustion unit to circulate the driving fluid,
The turbine, the heat exchanger and the compressor are provided in the driving fluid circulation line, the electric propulsion system.
상기 구동유체 순환라인을 유동하는 구동유체의 적어도 일부를 이산화탄소 저장탱크에 공급하는 이산화탄소 공급라인을 더 포함하며,
상기 이산화탄소 공급라인은,
상기 구동유체 순환라인에서, 상기 열교환기의 하류에서 분기하는 것인, 전기추진 시스템.3. The method of claim 2,
Further comprising a carbon dioxide supply line for supplying at least a portion of the driving fluid flowing through the driving fluid circulation line to the carbon dioxide storage tank,
The carbon dioxide supply line is
in the driving fluid circulation line, branching downstream of the heat exchanger.
상기 열교환기는,
상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 연료가스, 상기 선박으로부터 공급되는 청수 및 해수 중 적어도 하나를 열매로 구동유체를 냉각시키는 것인, 전기추진 시스템.The method of claim 1,
the heat exchanger,
Fuel gas supplied from the liquefied gas storage tank, at least one of fresh water and seawater supplied from the ship to cool the driving fluid as a heat medium, the electric propulsion system.
상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 상기 가스연소유닛으로 공급하는 액화가스 공급라인; 및
상기 액화가스 저장탱크 내부에서 발생하는 증발가스를 상기 가스연소유닛으로 공급하는 증발가스 공급라인을 더 포함하며,
상기 열교환기는,
상기 액화가스 공급라인에 마련되는 것인, 전기추진 시스템.The method of claim 1,
a liquefied gas supply line for supplying the liquefied gas stored in the liquefied gas storage tank to the gas combustion unit; and
Further comprising a boil-off gas supply line for supplying boil-off gas generated inside the liquefied gas storage tank to the gas combustion unit,
the heat exchanger,
Which will be provided in the liquefied gas supply line, electric propulsion system.
상기 메인 엔진에서 발생하는 폐열로 구동유체를 가열하는 제2 열교환기;
상기 제2 열교환기에서 가열된 구동유체로 작동하는 터빈;
상기 터빈에 연결되어 상기 전기 추진부에 공급하기 위한 전기를 생산하는 발전기;
상기 터빈에서 토출되는 구동유체를 열매로 냉각시키는 열교환기; 및
상기 열교환기에서 토출되는 구동유체를 가압하여 상기 제2 열교환기로 공급하는 압축기를 포함하는 전기추진 시스템.An electric propulsion system comprising an electric propulsion unit and a main engine for generating propulsion of a ship, the electric propulsion system comprising:
a second heat exchanger for heating the driving fluid with waste heat generated from the main engine;
a turbine operating with the driving fluid heated in the second heat exchanger;
a generator connected to the turbine to generate electricity for supplying the electric propulsion unit;
a heat exchanger for cooling the driving fluid discharged from the turbine as a heat medium; and
and a compressor that pressurizes the driving fluid discharged from the heat exchanger and supplies it to the second heat exchanger.
상기 제2 열교환기에 연결되어 구동유체가 순환하는 구동유체 순환라인을 더 포함하며,
상기 터빈, 상기 열교환기 및 상기 압축기는, 상기 구동유체 순환라인에 마련되는 것인, 전기추진 시스템.7. The method of claim 6,
It further includes a driving fluid circulation line connected to the second heat exchanger through which the driving fluid circulates,
The turbine, the heat exchanger and the compressor are provided in the driving fluid circulation line, the electric propulsion system.
상기 메인 엔진에 가스 연료를 공급하는 액화가스 저장탱크를 더 포함하며,
상기 열교환기는,
상기 액화가스 저장탱크로부터 공급되는 연료가스, 상기 선박으로부터 공급되는 청수 및 해수 중 적어도 하나를 열매로 구동유체를 냉각시키는 것인, 전기추진 시스템.7. The method of claim 6,
Further comprising a liquefied gas storage tank for supplying gas fuel to the main engine,
the heat exchanger,
Fuel gas supplied from the liquefied gas storage tank, at least one of fresh water and seawater supplied from the ship to cool the driving fluid as a heat medium, the electric propulsion system.
상기 메인 엔진에서 발생하는 폐열을 상기 제2 열교환기로 공급하는 폐열회수라인을 더 포함하며;
상기 폐열회수라인은,
상기 메인 엔진의 배기가스, 또는 상기 폐열회수라인 상에 마련되는 이코노마이저에서 상기 배기가스를 이용하여 생성한 스팀을 상기 제2 열교환기로 공급하는 것인, 전기추진 시스템.7. The method of claim 6,
a waste heat recovery line for supplying waste heat generated from the main engine to the second heat exchanger;
The waste heat recovery line,
The exhaust gas of the main engine or steam generated by using the exhaust gas from an economizer provided on the waste heat recovery line is supplied to the second heat exchanger.
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