KR20230034526A - System for controlling waste heat and heat source by using organic rankine cycle of ship and ship having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 선박의 모든 운항 상황에 따라 열원의 상태를 확인하고, 선박 운항 상황에 적합한 열원을 유기 랭킨 사이클로 선택적으로 공급하여 가동 시간, 가동률 및 전력 생산량을 증대시킬 수 있는, 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.The present invention checks the state of the heat source according to all operating conditions of the ship and selectively supplies a heat source suitable for the ship operating situation to the organic Rankine cycle to increase operation time, operation rate, and power production. The organic Rankine cycle of the ship It relates to a used waste heat and heat source control system and a ship equipped with the same.
선박의 에너지효율에 대한 연구가 필요하며 선박에서 버려지는 에너지를 활용하는 방안에 대해 각 분야에서 활발히 연구 중에 있다. 이에 최근에는 배기가스의 열원을 활용하는 폐열회수시스템(WHRS: Waste Heat Recovery System)이 개발되어 활용되고 있다.Research on the energy efficiency of ships is necessary, and active research is being conducted in each field on how to utilize the energy discarded from ships. Accordingly, recently, a waste heat recovery system (WHRS) that utilizes a heat source of exhaust gas has been developed and used.
한편, 폐열회수시스템은 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 시스템이다.On the other hand, the waste heat recovery system additionally installs a gas turbine that directly uses the high-temperature exhaust gas discharged from the engine as a working fluid and a steam turbine that uses some of the steam generated by using the heat of the high-temperature exhaust gas as a working fluid. It is a system designed to generate electricity.
이와 관련한 선행기술로서, 한국 등록특허공보 제10-2011859호가 개시되어 있는데, 종래기술에 의한 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감시스템은, 도 1에 예시된 바와 같이, 배기가스 이코노마이저(EE)로 공급되는 배기가스의 폐열을 회수하여 배기가스 이코노마이저(EE)로 공급되는 액체를 가열시켜 습증기를 생성하는 폐열회수증기발생장치(100')와, 습증기에서 스팀이 분리되고 남은 액체와 열교환되며 물보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 전기를 생산하되 폐열회수증기발생장치(100')에서 생산된 스팀과 추가적으로 열교환되는 유기랭킨사이클 발전장치(200')를 구비하여서, 배기가스의 폐열을 회수하여 효과적으로 이용하고자 한다.As a prior art related to this, Korean Patent Registration No. 10-2011859 is disclosed, and an energy saving system using waste heat of a ship according to the prior art, as illustrated in FIG. 1, is supplied to an exhaust gas economizer (EE) A waste heat recovery steam generator (100') that recovers waste heat from exhaust gas and heats the liquid supplied to the exhaust gas economizer (EE) to generate wet steam, and the steam is separated from the wet steam and exchanges heat with the remaining liquid, and has a boiling point higher than water An organic Rankine cycle generator (200') that generates electricity using a low organic refrigerant as a working fluid and exchanges additional heat with the steam produced by the waste heat recovery steam generator (100') is provided to effectively recover waste heat from exhaust gas. want to use
하지만, 배기가스의 폐열을 이용하여 작동유체와 열교환하여 전력을 생산하여, 열원의 이용이 제한적이고, 배기가스만을 이용한 전력생산은 환경오염규제를 극복하기 어려운 측면이 있다.However, since waste heat of exhaust gas is used to generate power by heat exchange with a working fluid, the use of a heat source is limited, and power generation using only exhaust gas is difficult to overcome environmental pollution regulations.
이에, 보다 다양한 열원을 이용하여 유기 랭킨 사이클에 의해 전력을 생산하도록 하고, 선박의 운항 상황을 고려하여 환경오염규제를 충족할 수 있는 열원을 이용할 수 있는 기술이 요구된다.Accordingly, a technology capable of generating power by an organic Rankine cycle using more diverse heat sources and using a heat source capable of satisfying environmental pollution regulations in consideration of ship operating conditions is required.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선박의 모든 운항 상황에 따라 열원의 상태를 확인하고, 선박 운항 상황에 적합한 열원을 유기 랭킨 사이클로 선택적으로 공급하여 가동 시간, 가동률 및 전력 생산량을 증대시킬 수 있는, 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템 및 이를 구비한 선박을 제공하는 데 있다.The technical problem to be achieved by the spirit of the present invention is to check the state of the heat source according to all operating conditions of the ship, and to selectively supply the heat source suitable for the ship operating condition through an organic Rankine cycle to increase operation time, operation rate and power output. It is to provide a waste heat and heat source control system using an organic Rankine cycle of a ship and a ship equipped with the same.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 항해 중 선박의 선내 설비에서 발생하는 하나 이상의 열원, 또는 정박 중 상기 선박의 선내 설비나 외부 설비에서 발생하는 하나 이상의 열원을 회수하여 공급하는 열원 공급부; 상기 열원 공급부의 열원의 종류 또는 특성에 따라 그룹핑된 상기 하나 이상의 열원과 연결된 N개의 다기관; 유기작동유체의 유기 랭킨 사이클을 통해 전력을 생산하는 유기 랭킨 사이클 전력부; 상기 N개의 다기관 별로 형성되어, 상기 다기관의 열원과 상기 유기 랭킨 사이클 전력부의 상기 유기작동유체와 열교환하는 N개의 열교환기; 및 항해, 정박, 열원의 종류 또는 열원의 특성에 따라 상기 열원의 공급 및 상기 유기작동유체의 순환을 제어하는 제어부;를 포함하는, 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템을 제공한다(여기서, N은 자연수를 의미한다).In order to achieve the above object, the present invention is a heat source supply unit for recovering and supplying one or more heat sources generated from inboard facilities of a ship during voyage, or one or more heat sources generated from inboard facilities or external facilities of the ship during berth; N manifolds connected to the one or more heat sources grouped according to the type or characteristics of the heat sources of the heat source supply unit; an organic Rankine cycle power unit generating electric power through an organic Rankine cycle of an organic working fluid; N heat exchangers formed for each of the N manifolds to exchange heat with a heat source of the manifold and the organic working fluid of the organic Rankine cycle power unit; And a control unit for controlling the supply of the heat source and the circulation of the organic working fluid according to navigation, anchorage, type of heat source or characteristics of the heat source; Here, N means a natural number).
또한, 상기 다기관은 배기가스의 폐열을 열원으로 공급하는 상기 선내 설비와 제1공급라인을 통해 연결되거나, 혹은 증기 또는 열수를 열원으로 공급하는 상기 선내 설비 또는 상기 외부 설비와 제2공급라인을 통해 연결될 수 있다.In addition, the manifold is connected to the inboard facility that supplies waste heat of exhaust gas as a heat source through a first supply line, or is connected to the inboard facility or external facility that supplies steam or hot water as a heat source through a second supply line. can be connected
또한, 상기 제1공급라인 및 상기 제2공급라인을 유동하는 각 열원의 상태 정보를 상기 제어부로 전송하는 트랜스미터, 및 각 열원의 유량을 조절하는 제1댐퍼 또는 제1밸브를 각 공급라인 별로 더 포함할 수 있다.In addition, a transmitter for transmitting state information of each heat source flowing through the first supply line and the second supply line to the control unit, and a first damper or a first valve for adjusting the flow rate of each heat source are further provided for each supply line. can include
또한, 상기 유기 랭킨 사이클 전력부와 상기 열교환기 사이의 유기작동유체 순환배관의 유량을 조절하는 제2댐퍼 또는 제2밸브를 더 포함할 수 있다.In addition, a second damper or a second valve for adjusting the flow rate of the organic working fluid circulation pipe between the organic Rankine cycle power unit and the heat exchanger may be further included.
또한, 상기 제어부는, 상기 트랜스미터로부터 전송되는 상기 열원의 상태 정보에 따른 열원의 상태를 확인하고, 상기 선박의 운항 상황에 적합한 열원을 상기 열교환기로 선택적으로 공급하여 열교환하도록 상기 제1댐퍼 또는 상기 제1밸브를 제어하고, 열원이 공급되는 공급라인에 따라 상기 제2댐퍼 또는 상기 제2밸브를 제어할 수 있다.In addition, the control unit checks the state of the heat source according to the state information of the heat source transmitted from the transmitter, and selectively supplies a heat source suitable for the ship's operation situation to the heat exchanger to exchange heat with the first damper or the first damper. The first valve may be controlled, and the second damper or the second valve may be controlled according to a supply line through which a heat source is supplied.
또한, 상기 트랜스미터는 온도센서, 압력센서 및 유량센서 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the transmitter may include any one or more of a temperature sensor, a pressure sensor, and a flow sensor.
또한, 상기 열원은, 주기엔진의 배기가스, 발전기의 배기가스, 보일러의 증기나 증기를 생성하는 배기가스, 절탄기의 증기나 증기를 생성하는 배기가스, 연료전지의 열수 또는 증기, 및 상기 외부 설비의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, the heat source may include exhaust gas from a main engine, exhaust gas from a generator, exhaust gas from a boiler that generates steam or steam, exhaust gas that generates steam or steam from an economizer, hot water or steam from a fuel cell, and the external It may contain any one or more of the facility's hot water or steam.
이때, 상기 외부 설비는 지열설비를 포함할 수 있다.In this case, the external facility may include a geothermal facility.
또한, 상기 N개의 다기관 중 제1다기관은 배기가스 계통으로 그룹핑된 열원과 연결되고, 제2다기관은 증기와 열수 계통으로 그룹핑된 열원과 연결될 수 있다.Also, among the N manifolds, a first manifold may be connected to a heat source grouped into an exhaust gas system, and a second manifold may be connected to a heat source grouped into a steam and hot water system.
또한, 항해 중에는, 상기 주기엔진과 상기 발전기의 배기가스, 상기 절탄기로부터 배출되는 배기가스나 배기가스에 의해 생성되는 증기, 및 상기 연료전지의 폐열 중 어느 하나 이상을 열원으로 이용할 수 있다.In addition, during sailing, at least one of exhaust gas from the main engine and the generator, exhaust gas discharged from the economizer or steam generated by the exhaust gas, and waste heat from the fuel cell may be used as a heat source.
또한, 정박 중에는, 상기 발전기의 배기가스, 상기 보일러의 배기가스 또는 배기가스에 의해 생성된 증기, 상기 연료전지의 열수, 및 상기 외부 설비의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 열원으로 이용할 수 있다.In addition, at least one of exhaust gas from the generator, exhaust gas from the boiler or steam generated by the exhaust gas, hot water from the fuel cell, and hot water or steam from the external facility can be used as a heat source during the mooring.
또한, 상기 제1다기관에 상응하는 상기 N개의 열교환기 중 제1열교환기를 통과한 배기가스는 탈황 및 탈질 처리되어 대기로 방출될 수 있다.In addition, the exhaust gas passing through the first heat exchanger among the N heat exchangers corresponding to the first manifold may be subjected to desulfurization and denitrification treatment and discharged into the atmosphere.
또한, 상기 제2다기관에 상응하는 상기 N개의 열교환기 중 제2열교환기를 통과한 증기와 열수는 선내 순환되거나, 상기 외부 설비로 회수될 수 있다.In addition, steam and hot water passing through the second heat exchanger among the N heat exchangers corresponding to the second manifold may be circulated in the ship or recovered to the external facility.
또한, 상기 유기 랭킨 사이클 전력부에 의해 생산된 전력을 ESS로 공급하여 충전할 수 있다.In addition, power generated by the organic Rankine cycle power unit may be supplied to the ESS for charging.
한편, 본 발명의 다른 실시예는 전술한 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템을 구비한 선박을 제공한다.Meanwhile, another embodiment of the present invention provides a ship equipped with a waste heat and heat source control system using the aforementioned organic Rankine cycle of the ship.
본 발명에 의하면, 선박의 모든 운항 상황에 따라 열원의 상태를 확인하고, 선박 운항 상황에 적합한 열원을 유기 랭킨 사이클로 선택적으로 공급하여 가동 시간, 가동률 및 전력 생산량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the state of the heat source is checked according to all operating conditions of the ship, and the heat source suitable for the ship operating condition is selectively supplied through an organic Rankine cycle to increase operation time, operation rate, and power output.
또한, 본 발명에 의하면, 친환경적인 방법으로, 다양한 열원을 통해 전력을 생산하여 충전하거나 선내 전력수요처로 공급할 수 있고, 전력생산을 위한 선내 연료소비를 절감하고, 전력생산시 수반되는 항내 환경오염물질 배출을 최소화할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, in an environmentally friendly way, it is possible to generate and charge electric power through various heat sources or supply it to power demanders on board, reduce fuel consumption on board for power generation, and reduce environmental pollutants in the port accompanying power generation. It has the effect of minimizing emissions.
도 1은 종래기술에 의한 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감시스템을 예시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템에 이용되는 열원의 온도 특성을 나타낸 그래프를 예시한 것이다.1 illustrates an energy saving system using waste heat of a ship according to the prior art.
Figure 2 shows a schematic configuration diagram of a waste heat and heat source control system using an organic Rankine cycle of a ship according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a graph showing temperature characteristics of a heat source used in the waste heat and heat source control system using the organic Rankine cycle of the ship of FIG. 2 .
이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention having the above-described characteristics will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예에 의한 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템은, 항해 중 선박의 선내 설비에서 발생하는 하나 이상의 열원, 또는 정박 중 선박의 선내 설비나 외부 설비에서 발생하는 하나 이상의 열원을 회수하여 공급하는 열원 공급부(110), 열원 공급부(110)의 열원의 종류 또는 특성에 따라 그룹핑된 하나 이상의 열원과 연결된 N개의 다기관(120), 유기작동유체의 유기 랭킨 사이클을 통해 전력을 생산하는 유기 랭킨 사이클 전력부(130), N개의 다기관(120) 별로 형성되어, 다기관(120)의 열원과 유기 랭킨 사이클 전력부(130)의 유기작동유체와 열교환하는 N개의 열교환기(140), 및 항해, 정박, 열원의 종류 또는 열원의 특성에 따라 열원의 공급 및 유기작동유체의 순환을 제어하는 제어부(150)를 포함하여(여기서, N은 자연수를 의미한다), 선박의 모든 운항 상황에 따라 열원의 상태를 확인하고, 선박 운항 상황에 적합한 열원을 유기 랭킨 사이클로 공급하여 가동 시간 및 전력 생산량을 증대시키는 것을 요지로 한다.The waste heat and heat source control system using the organic Rankine cycle of the ship according to an embodiment of the present invention is one or more heat sources generated in the ship's inboard facilities during voyage, or one or more heat sources generated in the ship's inboard facilities or external facilities during berth A heat
본 발명의 실시예에 있어 선박은 해양구조물 또는 해양플랜트를 포함하는 개념일 수 있다.In an embodiment of the present invention, a ship may be a concept including an offshore structure or an offshore plant.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 전술한 구성의 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.Hereinafter, referring to FIGS. 2 and 3, the waste heat and heat source control system using the organic Rankine cycle of the vessel having the above configuration will be described in detail.
우선, 열원 공급부(110)는, 항해 중 선박 내부 설비에서 발생하는 하나 이상의 열원을 회수하여 해당 다기관(120)을 통해 열교환기(140)로 공급하거나, 정박 중 선박 내부 설비 또는 외부 설비에서 발생하는 하나 이상의 열원을 회수하여 해당 다기관(120)을 통해 열교환기(140)로 공급한다.First, the heat
한편, 열원은, 주기엔진(main engine)(M/E)(111)으로부터 터보차저(turbo charger)를 통과하거나 바이패스된 배기가스, 디젤 등의 화석연료를 연소하여 전력을 생산하는 발전기(G/E)(112)로부터의 배기가스, 보일러(BLR)(113)의 증기 또는 증기를 생성하기 위해 연소된 화석연료의 배기가스, 절탄기(EGE;Exhaust Gas Economizer)(114)의 증기 또는 증기를 생성하기 위해 주기엔진(111)으로부터 공급되는 배기가스, 연료전지(FC)(115)의 냉각수(열수) 또는 증기, 및 외부 설비로서 외부 지열설비(116)의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않고 항해 및 정박 중 선내 에너지 생산 설비 또는 정박 중 외부 에너지 생산 설비로부터 발생할 수 있는 다양한 열원을 포함할 수도 있다.On the other hand, the heat source is a generator (G) that generates power by burning fossil fuels such as exhaust gas, diesel, etc., which are passed through a turbo charger from the main engine (M/E) 111 or bypassed. /E) Exhaust gas from 112, steam from boiler (BLR) 113 or exhaust gas from fossil fuels burned to produce steam, steam or steam from Exhaust Gas Economizer (EGE) 114 Exhaust gas supplied from the main engine 111, cooling water (hot water) or steam of the fuel cell (FC) 115, and hot water or steam of the external geothermal facility 116 as an external facility to generate at least one of It may include, but is not particularly limited thereto, and may include various heat sources that may be generated from inboard energy production facilities during sailing and berth or from external energy production facilities during berth.
여기서, 연료전지로는, 사용되는 전해질에 따라, 알칼리 연료전지(AFC), PAFC, 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등이 적용될 수 있다.Here, the fuel cell is an alkaline fuel cell (AFC), PAFC, molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), and direct methanol fuel cell, depending on the electrolyte used. (DMFC), etc. may be applied.
다음, 다기관(manifold)(120)은 N개로 구성되어, 앞서 나열된 열원 공급부(110)의 열원의 종류 또는 특성에 따라 그룹핑된 하나 이상의 열원과 각각 연결된다.Next,
도 2를 참고하면, N개의 다기관(120) 중 제1다기관(121)은 배기가스 계통으로 그룹핑된 주기엔진(111)과 발전기(112)와 보일러(113)와 연료전지(115)의 열원과 각각 연결되고, 제2다기관(122)은 증기와 열수 계통으로 그룹핑된 보일러(113)와 절탄기(114)와 연료전지(115)와 지열설비(116)의 열원과 각각 연결될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the first manifold 121 among
구체적으로, N개의 다기관(120)은 배기가스의 폐열을 열원으로 공급하는 선내 설비와 제1공급라인(121-1)을 통해 연결되거나, 증기 또는 열수를 열원으로 공급하는 선내 설비 또는 외부 지열설비(116)와 제2공급라인(122-1)을 통해 연결될 수 있다.Specifically, the N number of
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 이외의 항해 및 정박 중 선내 에너지 생산 설비 또는 정박 중 외부 에너지 생산 설비로부터 발생할 수 있는 열원을 종류 또는 특성에 따라 그룹핑하고 그룹핑된 열원 별로 개별 다기관 및 개별 열교환기와 1:1로 대응하여 복수 개로 설치할 수도 있다.On the other hand, as mentioned above, heat sources that may be generated from other inboard energy production facilities during voyage and berth or from external energy production facilities during berth are grouped according to types or characteristics, and individual manifolds and individual heat exchangers and 1: Corresponding to 1, it is also possible to install a plurality of them.
예컨대, 배기가스의 경우, 연소과정에서 생성된 탄소 찌꺼기 또는 탄화수소 찌꺼기가 제1공급라인(121-1)을 구성하는 배관 내부에 흡착되어 이로 인해 유량 감소와 열손실이 발생하여 열교환 효율이 저하될 가능성이 있을 수 있으므로 열원의 종류 또는 특성에 따라 공급라인과 다기관을 설계하여 복수로 설치하고 열원의 종류 또는 특성에 따라 적합한 열교환기를 설계하여 복수로 설치할 수 있다.For example, in the case of exhaust gas, carbon residue or hydrocarbon residue generated in the combustion process is adsorbed inside the pipe constituting the first supply line 121-1, resulting in a decrease in flow rate and heat loss, resulting in a decrease in heat exchange efficiency. Since there may be a possibility, a plurality of supply lines and manifolds can be designed and installed according to the type or characteristics of the heat source, and a suitable heat exchanger can be designed and installed in multiple according to the type or characteristics of the heat source.
한편, 다기관(120)은, 제1공급라인(121-1) 및 제2공급라인(122-1)을 유동하는 각 열원의 온도, 압력 또는 유량 등의 상태 정보를 전송라인을 통해 제어부(150)로 전송하는 트랜스미터(transmitter)(T), 및 각 열원의 유량을 조절하는 제1댐퍼(123) 또는 제1밸브(124)를 각 공급라인 별로 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the
여기서, 배기가스가 유동하는 제1공급라인(121-1)에는 제1댐퍼(123)가 설치되고, 증기 또는 열수가 유동하는 제2공급라인(122-1)에는 제1밸브(124)가 설치되는 것이 바람직할 수 있다.Here, a
예컨대, 트랜스미터(T)는 온도센서, 압력센서 및 유량센서 중 어느 하나 이상을 포함하되, 제1공급라인(121-1)에서는 배기가스의 온도를 계측하고, 제2공급라인(122-1)에서는 증기의 압력 또는 열수의 온도와 유량을 계측하여 유무선의 전송라인을 통해 제어부(150)로 전송하여서, 선박 운항 상황을 기준으로 지속적인 유기 랭킨 사이클 전력부(130) 가동이 가능한 열원을 선택하도록 할 수 있다.For example, the transmitter T includes one or more of a temperature sensor, a pressure sensor, and a flow sensor, but measures the temperature of the exhaust gas in the first supply line 121-1, and the second supply line 122-1 Measures the pressure of steam or the temperature and flow rate of hot water and transmits them to the control unit 150 through wired/wireless transmission lines to select a heat source capable of continuously operating the organic Rankine
참고로, 주기엔진(111)으로부터의 배기가스는 300℃ 이상의 폐열을 제공하고, 절탄기(114)를 통과하면서 100℃ 이상의 폐열을 제공하기도 한다.For reference, the exhaust gas from the main engine 111 provides waste heat of 300° C. or higher, and also provides waste heat of 100° C. or higher while passing through the economizer 114.
한편, 도 3은 도 2의 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템에 이용되는 열원의 온도 특성을 나타낸 그래프를 예시한 것으로서, 이와 같은 열원의 특성에 따라 운항 상황에 따라 활용할 수 있는 열원을 분류하여 고온의 열원 또는 중저온의 열원에 상관없이 가장 활용도가 높은 열원을 선택하여 이용하도록 하고, 연료전지(115) 또는 지열설비(116)의 친환경적인 열원을 선택하여 활용하면 항내에서 환경오염물질 배출없이 유기 랭킨 사이클 전력부(130)를 가동할 수 있다.On the other hand, FIG. 3 illustrates a graph showing the temperature characteristics of the heat source used in the waste heat and heat source control system using the organic Rankine cycle of the ship of FIG. Classify the heat source to select and use the heat source with the highest utilization regardless of the high-temperature heat source or the medium-low temperature heat source, and select and use the environmentally friendly heat source of the fuel cell 115 or geothermal facility 116 to prevent environmental pollution in the port The organic Rankine
다음, 유기 랭킨 사이클(ORC;Organic Rankine Cycle) 전력부(130)는 유기작동유체(organic working fluid)의 유기 랭킨 사이클을 통해 전력을 생산한다.Next, the organic rankine cycle (ORC)
예컨대, 유기 랭킨 사이클은 열교환기(140)에서 열원과 열교환되어 기화된 유기작동유체를 단열 팽창시켜 터빈을 회전시켜서, 열에너지를 운동에너지로 변환하여 전기에너지(전력)를 생성하고, 기화된 유기작동유체를 응축기에 의해 응축하여 액화시키고 펌프에 의해 순환시키는 과정으로 이루어진다.For example, the organic Rankine cycle heat-exchanges with a heat source in the
한편, 유기 랭킨 사이클 전력부(130)와 열교환기(140) 사이의 유기작동유체가 순환하는 유기작동유체 순환배관의 유량을 조절하는 제2댐퍼 또는 제2밸브(131)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, a second damper or a
다음, 열교환기(heat exchanger)(140)는 N개의 다기관(120) 별로 1:1로 대응하여 N개로 형성되어, 다기관(120)의 열원과 유기 랭킨 사이클 전력부(130)의 유기작동유체와 열교환한다.Next,
예컨대, 도 2를 참고하면, 제1다기관(121)에 상응하여 제1열교환기(141)가 설치되고, 제1열교환기(141)를 통과한 배기가스는 선내 탈황 및 탈질 설비에 의해 탈황 및 탈질 처리되어 대기로 방출될 수 있고, 제2다기관(122)에 상응하여 제2열교환기(142)가 설치되고, 제2열교환기(142)를 통과한 증기와 열수는 선내 순환되거나 외부 지열설비(116)로 회수될 수 있다.For example, referring to FIG. 2, a first heat exchanger 141 is installed corresponding to the first manifold 121, and the exhaust gas passing through the first heat exchanger 141 is desulfurized and desulfurized by an onboard desulfurization and denitrification facility. It can be denitrified and released to the atmosphere, and the second heat exchanger 142 is installed corresponding to the second manifold 122, and the steam and hot water that have passed through the second heat exchanger 142 are circulated in the ship or external geothermal facilities. (116).
다음, 제어부(150)는 항해 또는 정박의 선박 운항 상황, 열원의 종류 또는 열원의 특성에 따라 다기관(120)으로의 열원의 공급 및 열교환기(140)로의 유기작동유체의 순환을 제어하여, 선박의 모든 운항 상황에 따라 열원의 상태를 확인하고, 선박 운항 상황에 적합한 열원을 유기 랭킨 사이클로 공급하여 가동 시간 및 전력 생산량을 증대시킨다.Next, the control unit 150 controls the supply of the heat source to the manifold 120 and the circulation of the organic working fluid to the
예컨대, 제어부(150)는 제1댐퍼(123) 또는 제1밸브(124)를 제어하여 제1공급라인(121-1) 또는 제2공급라인(122-1)을 통과하는 열원의 유동을 단속하거나 유동량을 조절하고, 열원이 공급되는 공급라인에 따라, 제2댐퍼 또는 제2밸브(131)를 제어하여 유기작동유체의 유동을 단속하거나 유동량을 조절하여서, 트랜스미터(T)로부터 전송되는 온도와 압력과 열원의 상태 정보에 따라 열원의 상태를 확인하고, 항해 또는 정박의 선박의 운항 상황에 적합한 열원을 열교환기(140)로 선택적으로 공급하여 열교환하도록 할 수 있다.For example, the controller 150 controls the
즉, 제어부(150)는 제1댐퍼(123)를 개방하여 제1다기관(121)을 통해 제1열교환기(141)로 배기가스 계통의 열원이 공급되도록 하고, 제1열교환기(141)에 연결된 제2밸브(131)를 개방하여 유기작동유체를 순환시켜 열교환하도록 하고, 제1밸브(124)를 개방하여 제2다기관(122)을 통해 제2열교환기(142)로 증기 또는 열수 계통의 열원이 공급되도록 하고, 제2열교환기(142)에 연결된 제2밸브(131)를 개방하여 유기작동유체를 순환시켜 열교환하도록 할 수 있다.That is, the control unit 150 opens the
한편, 선박의 항해 또는 정박에 따른 열원의 발생 여부를 표로 정리하면 다음과 같다.On the other hand, the following table summarizes the occurrence of heat sources according to the sailing or anchoring of the ship.
배기가스 계통
exhaust system
증기 또는 열수 계통
steam or hydrothermal system
이와 같이, 항해 중에는, 주기엔진(111)과 발전기(112)의 배기가스, 절탄기(114)로부터 배출되는 배기가스 또는 배기가스에 의해 생성된 증기, 또는 연료전지(115)의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 열원으로 이용하도록 하고, 정박 중에는, 발전기(112)의 배기가스, 보일러(113)의 배기가스 또는 배기가스에 의해 생성된 증기, 연료전지(115) 또는 외부 지열설비(116)의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 열원으로 이용하도록 하여서, 모든 선박 운항 상황에서 활용가능한 열원을 확보하여서 유기 랭킨 사이클 전력부(130)의 가동률을 향상시킬 수 있다. 즉, 항해중이거나 항내에 접안하여 환경규제, 탄소세 등에 따라 전력생산을 위한 발전시스템의 구동에 제약이 발생할 수 있는 상황에서도, 연료전지, 육상 지열설비 등의 다양한 열원을 활용하여 유기 랭킨 사이클 전력부(130)의 가동률을 높이고 발전기(112)의 부하 상승 없이 전력을 생산할 수 있다.In this way, during the voyage, the exhaust gas of the main engine 111 and the generator 112, the exhaust gas discharged from the economizer 114, or the steam generated by the exhaust gas, or the hot water or steam of the fuel cell 115 Any one or more is used as a heat source, and during anchorage, the exhaust gas of the generator 112, the exhaust gas of the boiler 113, or the steam generated by the exhaust gas, the fuel cell 115, or the external geothermal facility 116 By using at least one of hot water or steam as a heat source, it is possible to improve the operation rate of the organic Rankine
여기서, 발전기의 구동없이도, 친환경적인 방법으로, 다양한 열원을 통해 유기 랭킨 사이클 전력부(130)에 의해 생산된 전력을 ESS(Energy Storage System)로 공급하여 충전하거나 선내 전력수요처로 공급할 수 있다.Here, the power generated by the organic Rankine
한편, 본 발명의 다른 실시예는 앞서 언급한 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템을 구비한 선박을 제공한다.Meanwhile, another embodiment of the present invention provides a ship equipped with a waste heat and heat source control system using the aforementioned organic Rankine cycle of the ship.
또한, LNG 재기화 선박(LNG RV) 또는 부유식 가스저장 재기화 설비(FSRU)에 전술한 시스템을 탑재하는 경우, 유기 랭킨 사이클 전력부(130)의 전력 생산시 발생(활용)하는 열원을 재기화 시스템으로 공급하여 LNG를 재기화하도록 하여서, 재기화 가스를 배관망을 통해 육상의 가스 수요처로 공급하도록 할 수도 있다.In addition, when the above-described system is mounted on an LNG regasification vessel (LNG RV) or a floating gas storage regasification facility (FSRU), the organic Rankine
이러한 활용 및 적용은 LNG에 국한되는 것은 아니며, LPG, LEG, 액화 수소, 액화 암모니아 등의 재기화 설비에도 활용할 수 있음은 물론이다.These uses and applications are not limited to LNG, and can be used for regasification facilities such as LPG, LEG, liquefied hydrogen, and liquefied ammonia.
따라서, 전술한 바와 같은 선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템에 의해서, 선박의 모든 운항 상황에 따라 열원의 상태를 확인하고, 선박 운항 상황에 적합한 열원을 유기 랭킨 사이클로 선택적으로 공급하여 가동 시간, 가동률 및 전력 생산량을 증대시킬 수 있고, 친환경적인 방법으로, 다양한 열원을 통해 전력을 생산하여 충전하거나 선내 전력수요처로 공급할 수 있고, 전력생산을 위한 선내 연료소비를 절감하고, 전력생산시 수반되는 항내 환경오염물질 배출을 최소화할 수 있다.Therefore, by the waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle as described above, the state of the heat source is checked according to all ship operating conditions, and the heat source suitable for the ship's operating situation is selectively supplied to the organic Rankine cycle to operate It can increase time, operation rate, and power production, and can generate and charge power through various heat sources in an eco-friendly way, or supply it to power demanders on board, reduce fuel consumption on board for power generation, and It is possible to minimize the discharge of environmental pollutants in the port.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so various equivalents that can replace them at the time of this application. It should be understood that there may be waters and variations.
110: 열원 공급부
111: 주기엔진
112: 발전기
113: 보일러
114: 절탄기
115: 연료전지
116: 지열설비
120: 다기관
121: 제1다기관
122: 제2다기관
121-1: 제1공급라인
122-1: 제2공급라인
123: 제1댐퍼
124: 제1밸브
130: 유기 랭킨 사이클 전력부
131: 제2밸브
140: 열교환기
141: 제1열교환기
142: 제2열교환기
150: 제어부
T: 트랜스미터110: heat source supply unit 111: main engine
112: generator 113: boiler
114: economizer 115: fuel cell
116: geothermal facility 120: manifold
121: first manifold 122: second manifold
121-1: first supply line 122-1: second supply line
123: first damper 124: first valve
130: organic Rankine cycle power unit 131: second valve
140: heat exchanger 141: first heat exchanger
142: second heat exchanger 150: control unit
T: Transmitter
Claims (15)
상기 열원 공급부의 열원의 종류 또는 특성에 따라 그룹핑된 상기 하나 이상의 열원과 연결된 N개(여기서, N은 자연수)의 다기관;
유기작동유체의 유기 랭킨 사이클을 통해 전력을 생산하는 유기 랭킨 사이클 전력부;
상기 N개의 다기관 별로 형성되어, 상기 다기관의 열원과 상기 유기 랭킨 사이클 전력부의 상기 유기작동유체와 열교환하는 N개의 열교환기; 및
항해, 정박, 열원의 종류 또는 열원의 특성에 따라 상기 열원의 공급 및 상기 유기작동유체의 순환을 제어하는 제어부;를 포함하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.A heat source supply unit for recovering and supplying one or more heat sources generated from inboard facilities of a ship during voyage, or one or more heat sources generated from inboard facilities or external facilities of the ship during berth;
N manifolds (where N is a natural number) connected to the one or more heat sources grouped according to the type or characteristics of the heat sources of the heat source supply unit;
an organic Rankine cycle power unit for generating electric power through an organic Rankine cycle of an organic working fluid;
N heat exchangers formed for each of the N manifolds to exchange heat with a heat source of the manifold and the organic working fluid of the organic Rankine cycle power unit; and
A controller for controlling the supply of the heat source and the circulation of the organic working fluid according to navigation, anchorage, type of heat source or characteristics of the heat source;
Waste heat and heat source control system using ship's organic Rankine cycle.
상기 다기관은 배기가스의 폐열을 열원으로 공급하는 상기 선내 설비와 제1공급라인을 통해 연결되거나, 혹은 증기 또는 열수를 열원으로 공급하는 상기 선내 설비 또는 상기 외부 설비와 제2공급라인을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 1,
The manifold is connected to the inboard facility that supplies waste heat of exhaust gas as a heat source through a first supply line, or is connected to the inboard facility or the external facility that supplies steam or hot water as a heat source through a second supply line characterized in that,
Waste heat and heat source control system using ship's organic Rankine cycle.
상기 제1공급라인 및 상기 제2공급라인을 유동하는 각 열원의 상태 정보를 상기 제어부로 전송하는 트랜스미터, 및 각 열원의 유량을 조절하는 제1댐퍼 또는 제1밸브를 각 공급라인 별로 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 2,
Further comprising a transmitter for transmitting state information of each heat source flowing through the first supply line and the second supply line to the control unit, and a first damper or a first valve for adjusting the flow rate of each heat source for each supply line characterized in that,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 유기 랭킨 사이클 전력부와 상기 열교환기 사이의 유기작동유체 순환배관의 유량을 조절하는 제2댐퍼 또는 제2밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 3,
Characterized in that it further comprises a second damper or a second valve for adjusting the flow rate of the organic working fluid circulation pipe between the organic Rankine cycle power unit and the heat exchanger,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 제어부는, 상기 트랜스미터로부터 전송되는 상기 열원의 상태 정보에 따른 열원의 상태를 확인하고, 상기 선박의 운항 상황에 적합한 열원을 상기 열교환기로 선택적으로 공급하여 열교환하도록 상기 제1댐퍼 또는 상기 제1밸브를 제어하고, 열원이 공급되는 공급라인에 따라 상기 제2댐퍼 또는 상기 제2밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 4,
The control unit checks the state of the heat source according to the state information of the heat source transmitted from the transmitter, and selectively supplies a heat source suitable for the ship's operation condition to the heat exchanger to exchange heat with the first damper or the first valve. And controlling the second damper or the second valve according to the supply line through which the heat source is supplied,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 트랜스미터는 온도센서, 압력센서 및 유량센서 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 5,
Characterized in that the transmitter includes any one or more of a temperature sensor, a pressure sensor, and a flow sensor,
Waste heat and heat source control system using ship's organic Rankine cycle.
상기 열원은, 주기엔진의 배기가스, 발전기의 배기가스, 보일러의 증기나 증기를 생성하는 배기가스, 절탄기의 증기나 증기를 생성하는 배기가스, 연료전지의 열수 또는 증기, 및 상기 외부 설비의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 1,
The heat source is the exhaust gas of the main engine, the exhaust gas of the generator, the exhaust gas that generates steam or steam from the boiler, the exhaust gas that generates steam or steam from the economizer, the hot water or steam from the fuel cell, and the external equipment Characterized in that it contains any one or more of hot water or steam,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 외부 설비는 지열설비를 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 7,
Characterized in that the external facility includes a geothermal facility,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 N개의 다기관 중 제1다기관은 배기가스 계통으로 그룹핑된 열원과 연결되고, 제2다기관은 증기와 열수 계통으로 그룹핑된 열원과 연결되는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 7,
Characterized in that, among the N manifolds, a first manifold is connected to a heat source grouped in an exhaust gas system, and a second manifold is connected to a heat source grouped in a steam and hot water system.
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
항해 중에는, 상기 주기엔진과 상기 발전기의 배기가스, 상기 절탄기로부터 배출되는 배기가스나 배기가스에 의해 생성되는 증기, 및 상기 연료전지의 폐열 중 어느 하나 이상을 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 7,
Characterized in that, during voyage, at least one of the exhaust gas of the main engine and the generator, the exhaust gas discharged from the economizer or steam generated by the exhaust gas, and the waste heat of the fuel cell is used as a heat source,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
정박 중에는, 상기 발전기의 배기가스, 상기 보일러의 배기가스 또는 배기가스에 의해 생성된 증기, 상기 연료전지의 열수, 및 상기 외부 설비의 열수 또는 증기 중 어느 하나 이상을 열원으로 이용하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 7,
Characterized in that, during anchorage, at least one of the exhaust gas of the generator, the exhaust gas or steam generated by the exhaust gas of the boiler, the hot water of the fuel cell, and the hot water or steam of the external facility is used as a heat source,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 제1다기관에 상응하는 상기 N개의 열교환기 중 제1열교환기를 통과한 배기가스는 탈황 및 탈질 처리되어 대기로 방출되는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 9,
Characterized in that the exhaust gas passing through the first heat exchanger of the N heat exchangers corresponding to the first manifold is subjected to desulfurization and denitrification treatment and discharged to the atmosphere.
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 제2다기관에 상응하는 상기 N개의 열교환기 중 제2열교환기를 통과한 증기와 열수는 선내 순환되거나, 상기 외부 설비로 회수되는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 9,
Characterized in that steam and hot water passing through the second heat exchanger among the N heat exchangers corresponding to the second manifold are circulated in the ship or recovered to the external facility,
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
상기 유기 랭킨 사이클 전력부에 의해 생산된 전력을 ESS로 공급하여 충전하는 것을 특징으로 하는,
선박의 유기 랭킨 사이클을 이용한 폐열 및 열원 제어 시스템.According to claim 1,
Characterized in that the electric power produced by the organic Rankine cycle power unit is supplied to the ESS for charging.
Waste heat and heat source control system using the ship's organic Rankine cycle.
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- 2021-09-03 KR KR1020210117381A patent/KR102576053B1/en active IP Right Grant
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