KR20250068942A

KR20250068942A - 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템

Info

Publication number: KR20250068942A
Application number: KR1020230155074A
Authority: KR
Inventors: 문성재
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2023-11-10
Filing date: 2023-11-10
Publication date: 2025-05-19

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 제1 연료와 소기(scavenge air)를 연소하여 동력을 발생시키는 메인엔진과, 메인엔진에서 생성된 제1 배기가스를 배출하는 제1 배기관 상에 설치되어 제1 배기가스의 압력으로 회전하는 구동터빈과, 메인엔진의 흡기관에 설치되며 구동터빈과 축결합되어 구동력을 전달받아 흡기관을 유동하는 소기를 압축하여 메인엔진으로 공급하는 압축터빈을 포함하는 과급기와, 구동터빈 후단의 제1 배기관 상에 설치되며 제1 배기가스와 제1 피드워터를 열교환하여 스팀소비처로 공급할 제1 스팀을 생성하는 제1 폐열회수부와, 제1 폐열회수부 후단에서 제1 배기가스와 제2 피드워터를 열교환하여 제1 고온수를 생성하는 제2 폐열회수부를 포함하는 제1 이코노마이저와, 압축터빈 후단의 흡기관 상에 설치되어 압축터빈에서 압축된 소기와 제3 피드워터를 열교환하여 제2 고온수를 생성하는 열교환기와, 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나를 냉매와 열교환하는 가열기를 포함하여 전기를 생성하는 전기생성유닛, 및 가열기로 공급되는 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정하는 유속조절부를 포함할 수 있다.

Description

폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템{Power generating system of ships using waste heat}

본 발명은 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스의 폐열과, 소기를 압축하는 과정에서 발생되는 폐열을 활용하여 전기를 생산 가능한 동력 발생 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에 설치된 메인엔진은 연료와, 압축 및 냉각 과정을 거친 소기(scavenge air)를 공급받아 연소하여 추진력을 생성하며, 연료의 연소에 따른 배기가스를 배출한다. 이러한 배기가스가 보유한 약 200~300℃의 폐열을 회수하여 재사용할 경우 에너지를 절감할 수 있으므로, 통상, 배기관 상에 절탄기(economizer)를 설치하여 폐열을 회수하고 있다.

절탄기는 내부에 급수관을 배치하여 배기가스와 급수의 열교환을 통해 스팀을 생성하는데, 메인엔진의 로드에 따라 변동되는 배기가스의 양과 온도에 대응하여 스팀생성량도 가변되므로, 보일러에서 별도로 생성한 스팀을 스팀소비처에 공급하고 부족한 경우 절탄기에서 생성된 스팀으로 보완하고 있다. 이처럼, 절탄기에서 생성된 스팀이 부족분을 보완하는데 사용됨에 따라, 배기가스의 폐열이 충분히 회수되지 못하는 문제가 있다.

또한, 소기는 메인엔진의 로드에 맞추어 필요한 압력으로 가압되는데, 가압 과정에서 온도가 90~200℃까지 증가하므로, 30~34℃로 강제 냉각하여 메인엔진에 공급하고 있다. 가압되어 온도가 증가한 소기를 냉각하는 과정에서 폐열이 발생되는데, 종래에는 이러한 폐열이 회수되지 못하고 그대로 버려져 에너지가 낭비되는 문제가 있다.

이에, 배기가스의 폐열과, 소기의 폐열을 회수하여 활용할 수 있는 동력 발생 시스템을 제안하게 되었다.

대한민국 공개실용신안 제20-2020-0001353호 (2020.06.23.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 배기가스의 폐열과, 소기를 압축하는 과정에서 발생되는 폐열을 활용하여 전기를 생산 가능한 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 제1 연료와 소기(scavenge air)를 연소하여 동력을 발생시키는 메인엔진과, 상기 메인엔진에서 생성된 제1 배기가스를 배출하는 제1 배기관 상에 설치되어 상기 제1 배기가스의 압력으로 회전하는 구동터빈과, 상기 메인엔진의 흡기관에 설치되며 상기 구동터빈과 축결합되어 구동력을 전달받아 상기 흡기관을 유동하는 상기 소기를 압축하여 상기 메인엔진으로 공급하는 압축터빈을 포함하는 과급기와, 상기 구동터빈 후단의 상기 제1 배기관 상에 설치되며 상기 제1 배기가스와 제1 피드워터를 열교환하여 스팀소비처로 공급할 제1 스팀을 생성하는 제1 폐열회수부와, 상기 제1 폐열회수부 후단에서 상기 제1 배기가스와 제2 피드워터를 열교환하여 제1 고온수를 생성하는 제2 폐열회수부를 포함하는 제1 이코노마이저와, 상기 압축터빈 후단의 상기 흡기관 상에 설치되어 상기 압축터빈에서 압축된 상기 소기와 제3 피드워터를 열교환하여 제2 고온수를 생성하는 열교환기와, 상기 제1 고온수와 상기 제2 고온수 중 적어도 하나를 냉매와 열교환하는 가열기를 포함하여 전기를 생성하는 전기생성유닛, 및 상기 가열기로 공급되는 상기 제1 고온수와 상기 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정하는 유속조절부를 포함한다.

상기 유속조절부는, 상기 제2 폐열회수부 내 상기 제2 피드워터의 유속을 측정하는 제1 센서부의 측정값이 기준값 이상이 되도록 상기 제2 폐열회수부로 공급되는 상기 제2 피드워터의 압력을 조절하는 제1 압력조절밸브와, 상기 열교환기 내 상기 제3 피드워터의 유속을 측정하는 제2 센서부의 측정값이 기준값 이상이 되도록 상기 열교환기로 공급되는 상기 제3 피드워터의 압력을 조절하는 제2 압력조절밸브를 포함할 수 있다.

상기 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 상기 제1 폐열회수부 내 상기 제1 피드워터의 유속을 측정하는 제3 센서부의 측정값이 기준값 이상이 되도록 상기 제1 폐열회수부로 공급되는 상기 제1 피드워터의 압력을 조절하는 제3 압력조절밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 전기생성유닛은, 폐루프 독립 사이클을 구성하여 상기 냉매가 순환하며, 상기 가열기가 설치되는 냉매순환라인과, 상기 가열기 전단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 가열기로 공급되는 상기 냉매를 가압하는 압축기와, 상기 가열기 후단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 가열기에서 가열된 상기 냉매를 팽창하는 팽창터빈과, 상기 팽창터빈 후단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 팽창터빈에서 팽창된 상기 냉매를 냉각하는 냉각기, 및 상기 팽창터빈에 연결되어 상기 팽창터빈의 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기를 포함할 수 있다.

상기 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 상기 가열기를 통과한 상기 제1 고온수와 상기 제2 고온수 중 적어도 하나와, 상기 스팀소비처에서 응축된 응축수를 냉각하여 저장하는 피드워터탱크와, 상기 피드워터탱크에 저장된 물을 고압으로 가압하는 가압펌프를 더 포함하되, 상기 가압펌프 후단에서 상기 제1 피드워터, 상기 제2 피드워터, 상기 제3 피드워터, 제4 피드워터로 분기될 수 있다.

상기 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 제2 연료를 연소하여 전력을 생산하는 발전기엔진고 상기 발전기엔진에서 생성된 제2 배기가스를 배출하는 제2 배기관 상에 설치되며, 상기 제2 배기가스와 상기 제4 피드워터를 열교환하여 제3 고온수를 생성하는 제2 이코노마이저를 더 포함하되, 상기 가열기는 상기 제1 고온수, 상기 제2 고온수, 상기 제3 고온수를 공급받아 상기 냉매를 가열할 수 있다.

상기 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 상기 열교환기 후단의 상기 흡기관 상에 설치되며 상기 소기를 청수와 열교환하여 상기 메인엔진에서 요구하는 온도로 냉각하는 소기쿨러와, 내부에 상기 청수가 순환하며 상기 소기쿨러와 청수쿨러를 경유하는 청수순환라인을 더 포함할 수 있다.

상기 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은, 상기 소기쿨러 후단의 상기 흡기관 상에 설치되어 상기 소기의 온도를 측정하는 온도센서, 및 상기 온도센서의 측정값에 대응하여 상기 소기쿨러로 공급되는 상기 청수의 양을 조절하는 유량조절밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배기가스와 피드워터를 열교환하여 생성한 제1 고온수와, 압축된 소기와 피드워터를 열교환하여 생성한 제2 고온수 중 적어도 하나를 전기생성유닛의 가열기로 공급하여 전기를 생성하는데 활용하므로, 배기가스의 폐열과 소기의 폐열을 충분히 회수할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다. 특히, 유속조절부가 가열기로 공급되는 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정하므로, 메인엔진의 로드에 따라 배기가스의 유량과 온도, 및 소기의 압력과 온도가 변동되더라도 폐열을 최대한 회수할 수 있어 에너지 절감효과가 극대화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은 연료를 연소하여 선박에 필요한 동력과 전력을 발생시키고, 연료의 연소에 따른 배기가스의 폐열과 소기의 폐열을 최대한 회수하여 활용할 수 있는 시스템으로, 선박에 적용될 수 있다.

폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템은 배기가스와 피드워터를 열교환하여 생성한 제1 고온수와, 압축된 소기와 피드워터를 열교환하여 생성한 제2 고온수 중 적어도 하나를 전기생성유닛의 가열기로 공급하여 전기를 생성하는데 활용하므로, 배기가스의 폐열과 소기의 폐열을 충분히 회수할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다. 특히, 유속조절부가 가열기로 공급되는 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정하므로, 메인엔진의 로드에 따라 배기가스의 유량과 온도, 및 소기의 압력과 온도가 변동되더라도 폐열을 최대한 회수할 수 있어 에너지 절감효과가 극대화될 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1을 참조하여, 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템(1)은 메인엔진(10), 과급기(20), 제1 이코노마이저(30), 열교환기(40), 전기생성유닛(50), 및 유속조절부(60)를 포함한다.

메인엔진(10)은 제1 연료와 소기를 연소하여 동력을 발생시키는 것으로, 여기서, 제1 연료라 함은, 가스 연료, 액상 연료, 가스와 액상의 혼합 연료 중 하나일 수 있다. 메인엔진(10)은 연료공급관(13)을 통해 공급받은 제1 연료와, 흡기관(12)을 통해 공급받은 소기를 연소하여 선박의 추진에 필요한 추진력을 발생시키며, 제1 연료의 연소에 따라 생성된 제1 배기가스를 제1 배기관(11)으로 배출한다. 제1 배기관(11) 상에는 후술할 과급기(20)를 비롯하여 제1 이코노마이저(30)가 설치될 수 있다.

과급기(20)는 제1 배기가스의 압력으로 메인엔진(10)으로 공급되는 소기를 압축시키는 것으로, 제1 배기관(11) 상에 설치되어 제1 배기가스의 압력으로 회전하는 구동터빈(21)과, 흡기관(12)에 설치되며 구동터빈(21)과 축결합되어 구동력을 전달받아 흡기관(12)을 유동하는 소기를 압축하여 메인엔진(10)으로 공급하는 압축터빈(22)을 포함한다. 압축터빈(22)에서 압축된 소기는 흡기관(12)을 통해 메인엔진(10)의 연소실로 공급되어 연소효율을 증가시킬 수 있다. 과급기(20)는 공지된 기술이므로, 구조에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.

제1 이코노마이저(30)는 구동터빈(21) 후단의 제1 배기관(11) 상에 설치되며, 제1 배기가스와 제1 피드워터를 열교환하여 스팀소비처(C1)로 공급할 제1 스팀을 생성하는 제1 폐열회수부(31)와, 제1 폐열회수부(31) 후단에서 제1 배기가스와 제2 피드워터를 열교환하여 제1 고온수를 생성하는 제2 폐열회수부(32)를 포함할 수 있다. 즉, 메인엔진(10)에서 생성된 제1 배기가스는 구동터빈(21)을 통과한 후, 제1 폐열회수부(31)와 제2 폐열회수부(32)를 차례로 지나 대기 중에 배출된다. 제1 폐열회수부(31)와 제2 폐열회수부(32)는 제1 이코노마이저(30) 내부가 구획되어 형성되며, 각각, 제1 피드워터가 공급되는 제1 급수관(72)과, 제2 피드워터가 공급되는 제2 급수관(73)이 관통할 수 있다. 제1 피드워터는 제1 급수관(72)을 따라 제1 폐열회수부(31)를 유동하며 제1 배기가스의 폐열을 전달받아 제1 스팀으로 상변화되고, 제1 스팀은 스팀소비처(C1)로 공급된다. 제1 스팀의 생성량은 메인엔진(10)의 로드에 따라 가변되므로, 스팀소비처(C1)는 보일러부(160)에서 생성된 제2 스팀을 먼저 공급받고, 제2 스팀만으로 부족한 경우 제1 스팀을 추가로 공급받을 수 있다. 보일러부(160)는 제5 급수관(76)을 통해 제5 피드워터를 공급받고, 연료관(161)을 통해 공급받은 제3 연료를 연소하여 제2 스팀을 생성하며, 제2 스팀은 스팀공급관(162)을 통해 스팀소비처(C1)로 공급될 수 있다. 한편, 제2 피드워터는 제2 급수관(73)을 따라 제2 폐열회수부(32)를 유동하며 제1 배기가스의 폐열을 전달받아 제1 고온수가 될 수 있다. 스팀소비처(C1)로 공급되는 제1 스팀과 제2 스팀 중 일부는 분기되어 제1 고온수에 합류될 수도 있다.

전술한 압축터빈(22) 후단의 흡기관(12) 상에는 열교환기(40)가 설치된다. 열교환기(40)는 압축터빈(22)에서 압축되어 온도가 증가한 소기와 제3 피드워터를 열교환하여 제2 고온수를 생성하는 것으로, 제3 피드워터가 공급되는 제3 급수관(74)이 관통할 수 있다. 제3 피드워터는 제3 급수관(74)을 따라 열교환기(40)를 유동하며 소기의 폐열을 전달받아 제2 고온수가 될 수 있다.

열교환기(40) 후단의 흡기관(12) 상에는 소기쿨러(120)와 온도센서(140)가 차례로 설치될 수 있다. 소기쿨러(120)는 소기와 청수를 열교환하여 메인엔진(10)에서 요구하는 온도로 냉각하며, 청수는 소기쿨러(120)와 청수쿨러(131)를 경유하는 청수순환라인(130) 내부를 순환할 수 있다. 즉, 청수쿨러(131)에서 냉각된 청수는 청수순환라인(130)을 따라 적어도 일부가 소기쿨러(120)로 유동하여 소기를 냉각시키고, 다시 청수쿨러(131)로 순환된다. 소기쿨러(120)와 청수쿨러(131) 사이의 청수순환라인(130) 상에는 청수를 냉각하는 보조쿨러(133)가 추가로 설치될 수 있으며, 보조쿨러(133) 후단에는 청수를 가압하는 청수펌프(132)가 설치될 수 있다. 보조쿨러(133)와 청수펌프(132) 사이의 청수순환라인(130)에는 청수를 추가 공급하는 청수공급관(도면부호 미도시)과, 청수를 배출하는 청수배출관(도면부호 미도시)이 연결될 수 있다.

온도센서(140)는 소기쿨러(120) 후단의 흡기관(12) 상에 설치되어 소기의 온도를 측정하며, 유량조절밸브(150)와 연동될 수 있다. 유량조절밸브(150)는 온도센서(140)의 측정값에 대응하여 청수쿨러(131)에서 소기쿨러(120)로 공급되는 청수의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 온도센서(140)의 측정값이 기준온도, 예를 들어, 30~34℃를 초과한 경우, 유량조절밸브(150)는 소기쿨러(120)로 공급되는 청수의 양을 증가시켜 소기의 온도를 기준온도로 낮출 수 있다. 반대로, 온도센서(140)의 측정값이 기준온도 미만인 경우, 유량조절밸브(150)는 청수가 소기쿨러(120)를 우회하도록 제어할 수 있다.

전술한 제2 폐열회수부(32)에서 생성된 제1 고온수와, 열교환기(40)에서 생성된 제2 고온수 중 적어도 하나는 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급될 수 있다. 전기생성유닛(50)은 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나의 열을 전달받아 냉매를 상변화시켜 전기를 생성하는 것으로, 여기서, 냉매라 함은, 물보다 증발 온도가 낮고 증기압이 높은 열매체, 예를 들어, Refrig-113(플루오르탄소 화합물, C2CI3F3)와 같이, 0bar, 20℃ 이하에서 액상이고, 5bar, 100℃ 이상에서 기상인 물질일 수 있다. 전기생성유닛(50)은 냉매순환라인(52), 압축기(53), 가열기(51), 팽창터빈(54), 냉각기(55), 및 발전기(56)를 포함하여 랭킨 사이클(Rankine cycle)을 구성할 수 있다.

냉매순환라인(52)은 폐루프 독립 사이클을 구성하여 냉매가 순환하는 것으로, 압축기(53), 가열기, 팽창터빈(54), 냉각기(55)가 설치될 수 있다. 압축기(53)는 가열기(51) 전단에 설치되어 가열기(51)로 공급되는 냉매를 가압하며, 가열기(51)는 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나와 냉매를 열교환하여 냉매를 가열 및 증발시킬 수 있다. 가열기(51)가 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나를 공급받아 냉매를 가열 및 증발시킴으로써, 제1 배기가스의 폐열과 소기의 폐열을 활용할 수 있는 장점이 있다. 팽창터빈(54)은 가열기(51) 후단에 설치되어 가열기(51)에서 가열 및 증발된 냉매를 팽창시켜 감압시키며, 냉각기(55)는 팽창터빈(54) 후단에 설치되어 팽창터빈(54)에서 팽창된 냉매를 냉각시킬 수 있다. 냉각기(55)에서 냉각된 냉매는 다시 압축기(53)로 공급될 수 있다. 발전기(56)는 팽창터빈(54)에 축결합되어 팽창터빈(54)의 회전력에 의해 전기를 생산하며, 생산된 전기는 후술할 전력관리시스템(100)으로 공급될 수 있다. 이처럼, 전기생성유닛(50)이 가변압력 방식의 랭킨 사이클을 형성함으로써, 기존 시스템보다 폐열 회수 효율이 향상될 수 있고, 메인엔진(10)의 로드에 따라 최적의 압력에서 운전될 수 있어 시스템 효율도 높은 장점이 있다.

가열기(51)를 통과한 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나와, 스팀소비처(C1)에서 스팀이 응축되어 형성된 응축수는 쿨러(72)에서 냉각된 후 피드워터탱크(70)에 저장되며, 피드워터탱크(70)에 저장된 물은 가압펌프(71)에서 고압, 예를 들어, 9bar로 가압되어 제1 피드워터, 제2 피드워터, 제3 피드워터, 제4 피드워터, 제5 피드워터로 분기될 수 있다.

한편, 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나가 가열기(51)로 공급될 때, 유속조절부(60)는 가열기(51)로 공급되는 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가압펌프(71)는 피드워터탱크(70)에 저장된 물을 고압, 예를 들어, 9bar로 가압하여 제2 피드워터, 제3 피드워터로 공급하는데, 메인엔진(10)의 로드에 따라 배기가스의 양과 온도가 변하므로, 제2 폐열회수부(32)를 통과하는 제2 피드워터와, 열교환기(40)를 통과하는 제3 피드워터의 유속이 느려질 수 있다. 제2 폐열회수부(32)와 열교환기(40)는 각각, 설계 시 침전 방지를 위한 피드워터의 최소 튜브 유속(tube velocity)이 정해져 있으므로, 피드워터의 유속이 최소 튜브 유속 이하가 되는 것을 방지하기 위해서는, 튜브 수를 줄이거나 피드워터의 유량을 늘릴 필요가 있다. 그러나, 튜브 수를 줄일 경우, 폐열회수량이 줄어 들어 최대한으로 폐열을 회수할 수 없는 문제가 있고, 유량을 늘릴 경우, 가압펌프(71)에서 소모되는 전력량이 증가하여 효율이 저하되는 문제가 있다. 제2 폐열회수부(32)와 열교환기(40)의 출구단 온도 조건에 대응하여 피드워터가 포화 상태가 되는 압력으로 맞출 경우, 피드워터가 일부 스팀화되면서 물 대비 부피가 증가하므로 유속이 빨라질 수 있다. 즉, 유속조절부(60)는 피드워터의 압력을 조절하여 피드워터의 유속을 조절하고, 피드워터의 유속 조절을 통해 고온수의 유속을 기준 유속 이상으로 조정할 수 있다.

유속조절부(60)는, 제2 폐열회수부(32)로 공급되는 제2 피드워터의 압력을 조절하는 제1 압력조절밸브(61)와, 열교환기(40)로 공급되는 제3 피드워터의 압력을 조절하는 제2 압력조절밸브(62)를 포함할 수 있다. 제1 압력조절밸브(61)는 제2 폐열회수부(32) 내 제2 피드워터의 유속을 측정하는 제1 센서부(32a)의 측정값이 기준 값 이상이 되도록 제2 피드워터의 압력을 조절하며, 제2 압력조절밸브(62)는 열교환기(40) 내 제3 피드워터의 유속을 측정하는 제2 센서부(40a)의 측정값이 기준 값 이상이 되도록 제3 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 유속조절부(60)가 피드워터의 압력을 조절하여 고온수의 유속을 기준 유속 이상으로 조정함으로써, 메인엔진(10)의 로드에 따라 배기가스의 유량과 온도, 및 소기의 압력과 온도가 변동되더라도 폐열을 최대한 회수할 수 있어 에너지 절감효과가 극대화될 수 있다. 한편, 메인엔진(10)의 로드가 특정 값 또는 특정 구간일 경우, 열교환기(40)의 최소 튜브 유속이 제한되지 않으므로, 제2 압력조절밸브(62)는 소기의 폐열을 최대한 회수할 수 있는 압력으로 제3 피드가스의 압력을 조절할 수 있다.

또한, 메인엔진(10)의 로드에 따라 제1 폐열회수부(31)를 통과하는 제1 피드워터의 유속이 느려져 최소 튜브 유속 이하가 될 수 있으므로, 유속조절부(60)는 제1 폐열회수부(31)로 공급되는 제1 피드워터의 압력을 조절하는 제3 압력조절밸브(63)도 포함할 수 있다. 제3 압력조절밸브(63)는 제1 폐열회수부(31) 내 제1 피드워터의 유속을 측정하는 제3 센서부(31a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 제1 피드워터의 압력을 조절할 수 있다.

선내 필요한 전력은 발전기엔진(80)에서도 생성될 수 있다. 발전기엔진(80)은 제2 연료를 연소하여 전력을 생산하는 것으로, 여기서, 제2 연료라 함은, 가스 연료, 액상 연료, 가스와 액상의 혼합 연료 중 하나일 수 있으며 제1 연료와 동일 성분의 연료일 수도 있고 다른 성분의 연료일 수도 있다. 발전기엔진(80)은 제2 연료의 연소에 따라 생성된 제2 배기가스를 제2 배기관(81)으로 배출하며, 제2 배기관(81) 상에는 제2 이코노마이저(90)가 설치될 수 있다. 즉, 발전기엔진(80)에서 생성된 제2 배기가스는 제2 이코노마이저(90)를 지나 대기 중에 배출된다.

제2 이코노마이저(90)는 제2 배기가스와 제4 피드워터를 열교환하여 제3 고온수를 생성하고, 생성된 제3 고온수를 가열기(51)로 공급할 수 있다. 다시 말해, 가열기(51)는 제1 고온수, 제2 고온수, 제3 고온수를 공급받아 냉매를 가열할 수 있다. 제2 이코노마이저(90)는 제4 피드워터가 공급되는 제4 급수관(75)이 관통하며, 제4 피드워터는 제4 급수관(75)을 따라 제2 이코노마이저(90)를 유동하며 제2 배기가스의 폐열을 전달받아 제3 고온수가 될 수 있다.

발전기엔진(80)의 로드에 따라 제2 이코노마이저(90)를 통과하는 제4 피드워터의 유속이 느려져 최소 튜브 유속 이하가 될 수 있으므로, 유속조절부(60)는 제2 이코노마이저(90)로 공급되는 제4 피드워터의 압력을 조절하는 제4 압력조절밸브(64)도 포함할 수 있다. 제4 압력조절밸브(64)는 제2 이코노마이저(90) 내 제4 피드워터의 유속을 측정하는 제4 센서부(90a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 제4 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 한편, 발전기엔진(80)의 로드가 특정 값 또는 특정 구간일 경우, 제2 이코노마이저(90)의 최소 튜브 유속이 제한되지 않으므로, 제4 압력조절밸브(64)는 제2 배기가스의 폐열을 최대한 회수할 수 있는 압력으로 제4 피드가스의 압력을 조절할 수 있다.

전기생성유닛(50)에서 생산된 전기와, 발전기엔진(80)에서 생성된 전력은 전력관리시스템(100)으로 공급될 수 있다. 전력관리시스템(100)은 전기생성유닛(50)에서 공급받은 전기와, 발전기엔진(80)에서 공급받은 전력을 선내 전력소비처(C2)로 공급하거나 배터리(110)에 저장하여 필요 시 전력소비처(C2)로 공급할 수 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 2 및 도 3은 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템(1)은 배기가스와 피드워터를 열교환하여 생성한 제1 고온수와, 압축된 소기와 피드워터를 열교환하여 생성한 제2 고온수 중 적어도 하나를 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급하여 전기를 생성하는데 활용하므로, 배기가스의 폐열과 소기의 폐열을 충분히 회수할 수 있어 에너지를 절감할 수 있다. 특히, 유속조절부(60)가 가열기(51)로 공급되는 제1 고온수와 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정하므로, 메인엔진(10)의 로드에 따라 배기가스의 유량과 온도, 및 소기의 압력과 온도가 변동되더라도 폐열을 최대한 회수할 수 있어 에너지 절감효과가 극대화될 수 있다.

도 2는 메인엔진의 로드가 100%인 경우의 제1 배기가스, 소기, 제1 내지 제3 고온수의 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 메인엔진의 로드가 70%인 경우의 제1 배기가스, 소기, 제1 내지 제3 고온수의 상태를 도시한 도면이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 메인엔진(10)은 연료공급관(13)을 통해 공급받은 제1 연료와, 흡기관(12)을 통해 공급받은 소기를 연소하여 동력을 발생시키고, 제1 연료의 연소에 따라 생성된 제1 배기가스를 제1 배기관(11)으로 배출한다. 제1 배기관(11) 상에 설치된 과급기(20)의 구동터빈(21)은 제1 배기가스의 압력으로 회전하며, 흡기관(12) 상에 설치되어 구동터빈(21)에 축결합된 압축터빈(22)은 구동력을 전달받아 소기를 압축한다.

메인엔진(10)의 로드가 100%일 경우, 구동터빈(21)에서 배출된 제1 배기가스의 온도는 약 225℃일 수 있으며, 압축터빈(22)에서 압축된 소기의 온도는 약 197℃일 수 있다. 압축터빈(22)에서 압축된 고온의 소기는 열교환기(40)에서 제3 급수관(74)을 유동하는 제3 피드워터와 열교환하여 1차로 냉각되고, 소기쿨러(120)에서 청수순환라인(130)을 유동하는 청수와 열교환하여 약 30~34℃로 냉각된 후 흡기관(12)을 통해 메인엔진(10)으로 공급될 수 있다. 이 때, 온도센서(140)는 메인엔진(10)으로 공급되는 소기의 온도를 측정하고, 유량조절밸브(150)는 온도센서(140)의 측정값에 대응하여 청수쿨러(131)에서 소기쿨러(120)로 공급되는 청수의 양을 조절할 수 있다. 제3 피드워터는 소기의 폐열을 전달받아 제2 고온수가 되는데, 이 때, 제2 압력조절밸브(62)는 열교환기(40) 내 제3 피드워터의 유속을 측정하는 제2 센서부(40a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 가압펌프(71)에서 가압되어 열교환기(40)로 공급되는 제3 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 제2 고온수는 7.7bar, 170℃의 상태로 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급된다.

구동터빈(21)에서 배출된 제1 배기가스는 제1 배기관(11)을 통해 제1 이코노마이저(30)로 공급되어 제1 폐열회수부(31)에서 제1 급수관(72)을 유동하는 제1 피드워터와 열교환하여 약 190℃로 냉각되며, 제2 폐열회수부(32)에서 제2 급수관(73)을 유동하는 제2 피드워터와 열교환하여 상온으로 냉각된 후 대기 중에 배출된다. 제1 피드워터는 제1 배기가스의 폐열을 전달받아 약 9bar, 200℃의 제1 스팀이 되며, 이 때, 제3 압력조절밸브(63)는 제1 폐열회수부(31) 내 제1 피드워터의 유속을 측정하는 제3 센서부(31a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 가압펌프(71)에서 가압되어 제1 폐열회수부(31)로 공급되는 제1 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 제1 스팀은 스팀소비처(C1)로 공급되는데, 스팀소비처(C1)는 보일러부(160)에서 생성된 제2 스팀을 먼저 공급받고 제2 스팀만으로 부족한 경우 제1 스팀을 공급받을 수 있다. 제2 피드워터는 제1 배기가스의 폐열을 전달받아 제1 고온수가 되며, 이 때, 제1 압력조절밸브(61)는 제2 폐열회수부(32) 내 제2 피드워터의 유속을 측정하는 제1 센서부(32a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 가압펌프(71)에서 가압되어 제2 폐열회수부(32)로 공급되는 제2 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 제1 고온수는 5.4bar, 155℃의 상태로 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급된다.

발전기엔진(80)은 제2 연료를 연소하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 전력관리시스템(100)으로 공급한다. 제2 연료의 연소에 따라 생성된 제2 배기가스는 제2 배기관(81)으로 배출되어 제2 이코노마이저(90)로 공급되며, 제2 이코노마이저(90)에서 제4 급수관(75)을 유동하는 제4 피드워터와 열교환하여 상온으로 냉각된 후 대기 중에 방출된다. 제4 피드워터는 제2 배기가스의 폐열을 전달받아 제3 고온수가 되는데, 제2 이코노마이저(90)의 최소 튜브 유속이 제한되지 않는 경우, 제4 압력조절밸브(64)는 제2 배기가스의 폐열을 최대한 회수할 수 있는 압력으로 제4 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 제3 고온수는 8.5bar, 170℃의 상태로 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급된다.

제1 고온수, 제2 고온수, 제3 고온수는 혼합되어 약 5bar, 155℃의 상태로 가열기(51)로 공급되며, 가열기(51)는 제1 고온수, 제2 고온수, 제3 고온수가 혼합된 혼합수의 열을 전달받아 압축기(53)에서 가압된 냉매를 가열 및 증발시킨다. 팽창터빈(54)은 가열기(51)에서 가열 및 증발된 냉매를 팽창시켜 감압시키며, 팽창터빈(54)에서 감압된 냉매는 냉매순환라인(52)을 통해 냉각기(55)로 공급되어 냉각된 후 다시 압축기(53)로 순환될 수 있다. 팽창터빈(54)에 축결합된 발전기(56)는 팽창터빈(54)의 회전력에 의해 전기를 생산하며, 생산된 전기를 전력관리시스템(100)으로 공급한다. 전력관리시스템(100)은 전기생성유닛(50)에서 공급받은 전기와, 발전기엔진(80)에서 공급받은 전력을 선내 전력소비처(C2)로 공급하거나 배터리(110)에 저장할 수 있다.

가열기(51)를 통과한 혼합수는 스팀소비처(C1)에서 배출된 응축수와 혼합되어 쿨러(72)에서 냉각된 후 피드워터탱크(70)에 저장되며, 피드워터탱크(70)에 저장된 물은 가압펌프(71)에서 약 9bar로 가압되어 제1 피드워터, 제2 피드워터, 제3 피드워터, 제4 피드워터, 제5 피드워터로 분기될 수 있다.

도 3을 참조하면, 메인엔진(10)은 연료공급관(13)을 통해 공급받은 제1 연료와, 흡기관(12)을 통해 공급받은 소기를 연소하여 동력을 발생시키고, 제1 연료의 연소에 따라 생성된 제1 배기가스를 제1 배기관(11)으로 배출한다. 제1 배기관(11) 상에 설치된 과급기(20)의 구동터빈(21)은 제1 배기가스의 압력으로 회전하며, 흡기관(12) 상에 설치되어 구동터빈(21)에 축결합된 압축터빈(22)은 구동력을 전달받아 소기를 압축한다.

메인엔진(10)의 로드가 70%일 경우, 구동터빈(21)에서 배출된 제1 배기가스의 온도는 약 205℃일 수 있으며, 압축터빈(22)에서 압축된 소기의 온도는 약 150℃일 수 있다. 압축터빈(22)에서 압축된 고온의 소기는 열교환기(40)에서 제3 급수관(74)을 유동하는 제3 피드워터와 열교환하여 1차로 냉각되고, 소기쿨러(120)에서 청수순환라인(130)을 유동하는 청수와 열교환하여 약 30~34℃로 냉각된 후 흡기관(12)을 통해 메인엔진(10)으로 공급될 수 있다. 이 때, 온도센서(140)는 메인엔진(10)으로 공급되는 소기의 온도를 측정하고, 유량조절밸브(150)는 온도센서(140)의 측정값에 대응하여 청수쿨러(131)에서 소기쿨러(120)로 공급되는 청수의 양을 조절할 수 있다. 제3 피드워터는 소기의 폐열을 전달받아 제2 고온수가 되는데, 메인엔진(10)의 로드가 70%인 경우, 열교환기(40)의 최소 튜브 유속이 제한되지 않으므로, 제2 압력조절밸브(62)는 소기의 폐열을 최대한 회수할 수 있는 압력으로 제3 피드가스의 압력을 조절할 수 있다. 제2 고온수는 5.6bar, 127℃의 상태로 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급된다.

구동터빈(21)에서 배출된 제1 배기가스는 제1 배기관(11)을 통해 제1 이코노마이저(30)로 공급되어 제1 폐열회수부(31)에서 제1 급수관(72)을 유동하는 제1 피드워터와 열교환하여 약 185℃로 냉각되며, 제2 폐열회수부(32)에서 제2 급수관(73)을 유동하는 제2 피드워터와 열교환하여 상온으로 냉각된 후 대기 중에 배출된다. 제1 피드워터는 제1 배기가스의 폐열을 전달받아 약 6bar, 180℃의 제1 스팀이 되며, 이 때, 제3 압력조절밸브(63)는 제3 센서부(31a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 가압펌프(71)에서 가압되어 제1 폐열회수부(31)로 공급되는 제1 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 제1 스팀은 스팀소비처(C1)로 공급되는데, 스팀소비처(C1)는 보일러부(160)에서 생성된 제2 스팀을 먼저 공급받고 제2 스팀만으로 부족한 경우 제1 스팀을 공급받을 수 있다. 제2 피드워터는 제1 배기가스의 폐열을 전달받아 제1 고온수가 되며, 이 때, 제1 압력조절밸브(61)는 제1 센서부(32a)의 측정값이 기준값 이상이 되도록 가압펌프(71)에서 가압되어 제2 폐열회수부(32)로 공급되는 제2 피드워터의 압력을 조절할 수 있다. 제1 고온수는 3.6bar, 140℃의 상태로 전기생성유닛(50)의 가열기(51)로 공급된다.

제1 고온수, 제2 고온수, 제3 고온수는 혼합되어 약 3.6bar, 140℃의 상태로 가열기(51)로 공급되며, 가열기(51)는 제1 고온수, 제2 고온수, 제3 고온수가 혼합된 혼합수의 열을 전달받아 압축기(53)에서 가압된 냉매를 가열 및 증발시킨다. 팽창터빈(54)은 가열기(51)에서 가열 및 증발된 냉매를 팽창시켜 감압시키며, 팽창터빈(54)에서 감압된 냉매는 냉매순환라인(52)을 통해 냉각기(55)로 공급되어 냉각된 후 다시 압축기(53)로 순환될 수 있다. 팽창터빈(54)에 축결합된 발전기(56)는 팽창터빈(54)의 회전력에 의해 전기를 생산하며, 생산된 전기를 전력관리시스템(100)으로 공급한다. 전력관리시스템(100)은 전기생성유닛(50)에서 공급받은 전기와, 발전기엔진(80)에서 공급받은 전력을 선내 전력소비처(C2)로 공급하거나 배터리(110)에 저장할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템
10: 메인엔진 11: 제1 배기관
12: 흡기관 20: 과급기
21: 구동터빈 22: 압축터빈
30: 제1 이코노마이저 31: 제1 폐열회수부
32: 제2 폐열회수부 40: 열교환기
50: 전기생성유닛 51: 가열기
60: 유속조절부 61: 제1 압력조절밸브
62: 제2 압력조절밸브 63: 제3 압력조절밸브
64: 제4 압력조절밸브 70: 피드워터탱크
71: 가압펌프 80: 발전기엔진
81: 제2 배기관 90: 제2 이코노마이저
100: 전력관리시스템 110: 배터리
120: 소기쿨러 130: 청수순환라인
140: 온도센서 150: 유량조절밸브
160: 보일러부
C1: 스팀소비처 C2: 전력소비처

Claims

제1 연료와 소기(scavenge air)를 연소하여 동력을 발생시키는 메인엔진;
상기 메인엔진에서 생성된 제1 배기가스를 배출하는 제1 배기관 상에 설치되어 상기 제1 배기가스의 압력으로 회전하는 구동터빈과, 상기 메인엔진의 흡기관에 설치되며 상기 구동터빈과 축결합되어 구동력을 전달받아 상기 흡기관을 유동하는 상기 소기를 압축하여 상기 메인엔진으로 공급하는 압축터빈을 포함하는 과급기;
상기 구동터빈 후단의 상기 제1 배기관 상에 설치되며 상기 제1 배기가스와 제1 피드워터를 열교환하여 스팀소비처로 공급할 제1 스팀을 생성하는 제1 폐열회수부와, 상기 제1 폐열회수부 후단에서 상기 제1 배기가스와 제2 피드워터를 열교환하여 제1 고온수를 생성하는 제2 폐열회수부를 포함하는 제1 이코노마이저;
상기 압축터빈 후단의 상기 흡기관 상에 설치되어 상기 압축터빈에서 압축된 상기 소기와 제3 피드워터를 열교환하여 제2 고온수를 생성하는 열교환기;
상기 제1 고온수와 상기 제2 고온수 중 적어도 하나를 냉매와 열교환하는 가열기를 포함하여 전기를 생성하는 전기생성유닛, 및
상기 가열기로 공급되는 상기 제1 고온수와 상기 제2 고온수 중 적어도 하나의 유속을 기준 유속 이상으로 조정하는 유속조절부를 포함하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 유속조절부는,
상기 제2 폐열회수부 내 상기 제2 피드워터의 유속을 측정하는 제1 센서부의 측정값이 기준값 이상이 되도록 상기 제2 폐열회수부로 공급되는 상기 제2 피드워터의 압력을 조절하는 제1 압력조절밸브와,
상기 열교환기 내 상기 제3 피드워터의 유속을 측정하는 제2 센서부의 측정값이 기준값 이상이 되도록 상기 열교환기로 공급되는 상기 제3 피드워터의 압력을 조절하는 제2 압력조절밸브를 포함하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 제1 폐열회수부 내 상기 제1 피드워터의 유속을 측정하는 제3 센서부의 측정값이 기준값 이상이 되도록 상기 제1 폐열회수부로 공급되는 상기 제1 피드워터의 압력을 조절하는 제3 압력조절밸브를 더 포함하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 전기생성유닛은,
폐루프 독립 사이클을 구성하여 상기 냉매가 순환하며, 상기 가열기가 설치되는 냉매순환라인;
상기 가열기 전단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 가열기로 공급되는 상기 냉매를 가압하는 압축기;
상기 가열기 후단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 가열기에서 가열된 상기 냉매를 팽창하는 팽창터빈;
상기 팽창터빈 후단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 팽창터빈에서 팽창된 상기 냉매를 냉각하는 냉각기, 및
상기 팽창터빈에 연결되어 상기 팽창터빈의 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기를 포함하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 가열기를 통과한 상기 제1 고온수와 상기 제2 고온수 중 적어도 하나와, 상기 스팀소비처에서 응축된 응축수를 냉각하여 저장하는 피드워터탱크;
상기 피드워터탱크에 저장된 물을 고압으로 가압하는 가압펌프를 더 포함하되,
상기 가압펌프 후단에서 상기 제1 피드워터, 상기 제2 피드워터, 상기 제3 피드워터, 제4 피드워터로 분기되는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제5 항에 있어서,
제2 연료를 연소하여 전력을 생산하는 발전기엔진;
상기 발전기엔진에서 생성된 제2 배기가스를 배출하는 제2 배기관 상에 설치되며, 상기 제2 배기가스와 상기 제4 피드워터를 열교환하여 제3 고온수를 생성하는 제2 이코노마이저를 더 포함하되,
상기 가열기는 상기 제1 고온수, 상기 제2 고온수, 상기 제3 고온수를 공급받아 상기 냉매를 가열하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 열교환기 후단의 상기 흡기관 상에 설치되며 상기 소기를 청수와 열교환하여 상기 메인엔진에서 요구하는 온도로 냉각하는 소기쿨러;
내부에 상기 청수가 순환하며 상기 소기쿨러와 청수쿨러를 경유하는 청수순환라인을 더 포함하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 소기쿨러 후단의 상기 흡기관 상에 설치되어 상기 소기의 온도를 측정하는 온도센서, 및
상기 온도센서의 측정값에 대응하여 상기 소기쿨러로 공급되는 상기 청수의 양을 조절하는 유량조절밸브를 더 포함하는 폐열을 활용한 선박의 동력 발생 시스템.