KR20230136270A - 동력발생시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 동력발생시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생시스템은, 액화천연가스를 연소하여 동력을 생성하는 연소기관과, 연소기관에 액화천연가스를 공급하는 연료공급관과, 연소기관에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배기관과, 배기관 상에 설치되어 배기가스를 강제로 배출시키는 블로어와, 배기관 상에 설치되며 배기가스에 냉각수를 분사하는 냉각탑, 및 냉각탑에 냉각수를 공급하는 냉각수공급관을 포함하며, 냉각수는 액화천연가스의 냉열로 냉각되어 냉각탑으로 공급될 수 있다.

Description

동력발생시스템{Power generating system}

본 발명은 동력발생시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소 포집공정 및 액화공정의 전력사용량을 줄여 발전기에서 사용되는 연료 소모량, 및 이산화탄소의 추가 발생량을 줄이고, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량도 용이하게 만족시킬 수 있는 동력발생시스템에 관한 것이다.

대기오염이 증가함에 따라 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 질소산화물과 황산화물뿐만 아니라 이산화탄소도 유엔산하기관인 국제 해사기구(IMO; International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있다. 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스는 압력이 상압 수준이고 이산화탄소 농도가 낮으므로, 아민 계열의 흡수제를 이용한 습식 포집 방식이 효과적이다. 습식 포집 방식은, 흡수제가 존재하는 흡수부에 배기가스를 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 재생부에 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하는 방식으로, 이산화탄소포집장치를 통해 이산화탄소 포집공정이 진행된다.

그러나, 전술한 바와 같이, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스는 이산화탄소 농도가 4~5% 수준으로 낮고 산소 농도는 15% 수준으로 높으므로, 효율적인 공정 설계에 어려움이 있다. 특히, 흡수제에 흡수된 이산화탄소의 분리 시 흡수제의 온도를 높이기 위해 고온의 스팀이 필요한데, 스팀 생성을 위해 보일러가 가동되므로, 보일러 가동에 필요한 연료로부터 발생하는 이산화탄소의 양을 고려하여 이산화탄소포집장치의 설계 용량을 결정해야 한다. 즉, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시키기 위해 포집되는 이산화탄소 양이 증가할수록 보일러 가동에 필요한 연료 소모량이 증가하여 더 많은 양의 이산화탄소를 포집해야 하는 문제가 발생되는 것이다. 또한, 포집되는 이산화탄소의 양이 증가하려면, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량도 증가해야 하므로, 이산화탄소포집장치의 크기를 크게 해야 하며, 이에 따라, 선내 공간 활용도를 저하시키는 문제도 있다. 또한, 포집공정에 사용되는 블로어, 이산화탄소 액화공정에 사용되는 컴프레서 등은 전력사용량이 많은데, 기본효율이 낮은 선박용 발전기를 이용하여 저부하 운전 조건으로 포집공정 및 액화공정에 필요한 전력을 추가로 생산함에 따라, 발전효율이 더욱 저하되어 연료 소모량이 증가하는 문제도 있다. 전술한 바와 같이, 연료 소모량의 증가는 이산화탄소의 추가 발생량이 증가하는 것을 의미하므로, 더 많은 양의 이산화탄소를 포집해야 하는 악순환을 초래한다.

이에, 이산화탄소 포집공정 및 액화공정의 전력사용량을 줄여 발전기에서 사용되는 연료 소모량, 및 이산화탄소의 추가 발생량을 줄이고, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량도 용이하게 만족시킬 수 있는 구조의 동력발생시스템이 필요하게 되었다.

대한민국 등록특허 제10-2121670호 (2020.06.04.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이산화탄소 포집공정 및 액화공정의 전력사용량을 줄여 발전기에서 사용되는 연료 소모량, 및 이산화탄소의 추가 발생량을 줄이고, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량도 용이하게 만족시킬 수 있는 동력발생시스템을 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 동력발생시스템은, 액화천연가스를 연소하여 동력을 생성하는 연소기관과, 상기 연소기관에 상기 액화천연가스를 공급하는 연료공급관과, 상기 연소기관에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배기관과, 상기 배기관 상에 설치되어 상기 배기가스를 강제로 배출시키는 블로어와, 상기 배기관 상에 설치되며 상기 배기가스에 냉각수를 분사하는 냉각탑, 및 상기 냉각탑에 상기 냉각수를 공급하는 냉각수공급관을 포함하며, 상기 냉각수는 상기 액화천연가스의 냉열로 냉각되어 상기 냉각탑으로 공급된다.

상기 동력발생시스템은, 상기 연료공급관에 설치되어 상기 액화천연가스를 기화시키는 기화기와, 상기 냉각수공급관에 설치되는 제1 냉각기, 및 상기 기화기와 상기 제1 냉각기 사이를 순환하여 상기 액화천연가스와 상기 냉각수 사이에 냉열을 전달하는 냉매가 순환하는 냉매순환관을 더 포함할 수 있다.

상기 냉각탑은, 상기 냉각수로 해수가 사용되는 제1 냉각탑과, 상기 냉각수로 청수가 사용되는 제2 냉각탑이 순차적으로 연결될 수 있다.

상기 블로어는, 상기 제2 냉각탑 후단이나 상기 제1 냉각탑과 상기 제2 냉각탑 사이에 설치될 수 있다.

상기 냉각수공급관은 상기 냉각탑에서 배출된 상기 냉각수를 다시 냉각탑으로 순환시켜 공급할 수 있다.

상기 냉각수공급관은, 상기 제1 냉각기가 설치되며 상기 해수가 유동하는 제1 냉각수공급관과, 상기 청수가 유동하는 제2 냉각수공급관을 포함하고, 상기 동력발생시스템은, 상기 제2 냉각수공급관 상에 설치되어 상기 청수를 상기 제1 냉각기를 통과한 상기 해수와 열교환하여 냉각하는 제2 냉각기를 더 포함할 수 있다.

상기 동력발생시스템은, 상기 제2 냉각기 전단의 상기 제2 냉각수공급관에서 분기되어 제2 냉각기를 우회하는 우회관과, 상기 우회관 상에 설치되어 상기 청수를 재생하는 조수기모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 동력발생시스템은, 상기 기화기 후단의 상기 연료공급관에 설치되며, 기화된 상기 액화천연가스를 상기 제1 냉각기로 공급되는 상기 냉각수와 열교환하여 가열하는 가열기를 더 포함할 수 있다.

상기 동력발생시스템은, 상기 제1 냉각기 후단의 상기 냉매순환관에 설치되며, 상기 제1 냉각기를 통과한 상기 냉매를 상기 냉각탑으로 공급되는 상기 배기가스와 열교환하여 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.

상기 블로어는, 상기 연소기관과 상기 냉각탑 사이의 상기 배기관 상에 적어도 하나가 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 액화천연가스의 냉열을 회수하여 냉각탑으로 공급되는 냉각수를 냉각시킴으로써, 배기가스가 보다 효과적으로 냉각될 수 있으며, 이에 따라, 배기가스의 부피가 감소하여 배기가스를 강제 유동시키는 블로어의 전력사용량이 감소할 수 있다. 블로어의 전력사용량이 감소함에 따라, 선박용 발전기의 연료 소모량이 감소하게 되며, 이에 따라, 이산화탄소의 추가 발생량도 감소하게 되어 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 용이하게 만족시킬 수 있음은 물론, 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다.

또한, 배기가스가 냉각탑에서 충분히 냉각되어 블로어의 전력사용량이 감소함에 따라, 추가 냉각장치(after cooler)를 설치하지 않고도 블로어를 냉각탑 후단에 설치하는 것이 가능하며, 이에 따라, 블로어의 효율이 증가함은 물론 추가 냉각장치의 생략에 따른 비용을 절감할 수 있다.

또한, 냉각탑을 해수가 냉각수로 사용되는 제1 냉각탑, 및 청수가 냉각수로 사용되는 제2 냉각탑으로 구성함으로써, 냉각탑에서 사용되는 청수의 양을 줄일 수 있어 선박 내 다른 사용처에 청수를 활용할 수 있으며, 해수를 냉각수로 사용함에 따른 배기가스 내 염분이 청수에 의해 제거 가능한 장점도 있다.

또한, 액화천연가스의 냉열을 회수한 냉매를 냉각수와 열교환하여 미리 가열함으로써, 냉매를 재가열하는데 사용되는 에너지를 절감할 수 있어 엔진 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 동력발생시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생시스템의 작동도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템의 작동도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템의 작동도이다.

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 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생시스템에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 동력발생시스템은 연료를 연소하여 선박의 구동에 필요한 동력을 생성하고, 연료의 연소에 따른 배기가스를 효과적으로 냉각시키는 장치로, 선박에 적용될 수 있다.

동력발생시스템은 액화천연가스의 냉열을 회수하여 냉각탑으로 공급되는 냉각수를 냉각시키므로, 배기가스가 보다 효과적으로 냉각될 수 있으며, 이에 따라, 배기가스의 부피가 감소하여 배기가스를 강제 유동시키는 블로어의 전력사용량이 감소할 수 있다. 블로어의 전력사용량이 감소함에 따라, 선박용 발전기의 연료 소모량이 감소하게 되며, 이에 따라, 이산화탄소의 추가 발생량도 감소하게 되어 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 용이하게 만족시킬 수 있음은 물론, 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기가스가 냉각탑에서 충분히 냉각되어 블로어의 전력사용량이 감소함에 따라, 추가 냉각장치(after cooler)를 설치하지 않고도 블로어를 냉각탑 후단에 설치하는 것이 가능하며, 이에 따라, 블로어의 효율이 증가함은 물론 추가 냉각장치의 생략에 따른 비용을 절감할 수 있다. 또한, 냉각탑을 해수가 냉각수로 사용되는 제1 냉각탑, 및 청수가 냉각수로 사용되는 제2 냉각탑으로 구성함으로써, 냉각탑에서 사용되는 청수의 양을 줄일 수 있어 선박 내 다른 사용처에 청수를 활용할 수 있으며, 해수를 냉각수로 사용함에 따른 배기가스 내 염분이 청수에 의해 제거 가능한 장점도 있다. 또한, 액화천연가스의 냉열을 회수한 냉매를 냉각수와 열교환하여 미리 가열함으로써, 냉매를 재가열하는데 사용되는 에너지를 절감할 수 있어 엔진 효율이 향상될 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1을 참조하여, 동력발생시스템(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생시스템을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 동력발생시스템(1)은 연소기관(10), 연료공급관(20), 배기관(30), 블로어(40), 냉각탑(50), 및 냉각수공급관(60)을 포함한다.

연소기관(10)은 액화천연가스를 연소하여 동력을 생성하는 것으로, 예를 들어, 추진력을 생성하는 메인 엔진일 수 있다. 연소기관(10)은 연료공급관(20)으로부터 액화천연가스를 공급받으며, 연료공급관(20)은 연료탱크(21)와 연소기관(10) 사이를 연결하여 연료탱크(21)에 저장된 액화천연가스를 연소기관(10)으로 공급할 수 있다. 연료공급관(20) 상에는 기화기(70)와 가열기(130)가 설치된다. 기화기(70)는 액화천연가스를 기화시키는 것으로, 후술할 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매와 열교환하여 액화천연가스를 기화시킬 수 있다. 가열기(130)는 기화기(70) 후단의 연료공급관(20)에 설치되며, 기화기(70)에서 기화된 액화천연가스를 후술할 제1 냉각기(80)로 공급되는 냉각수와 열교환하여 가열할 수 있다. 연료탱크(21)에 저장된 액화천연가스가 기화기(70)와 가열기(130)를 차례로 통과하며 기화 및 가열됨으로써, 연소기관(10)에서 요구하는 연료 상태가 되어 연소가 효과적으로 이루어질 수 있다. 필요에 따라, 기화기(70)와 가열기(130) 사이의 연료공급관(20) 상에는 보조히터(도면부호 미도시)가 설치될 수 있으며, 보조히터는 예를 들어, 액화천연가스를 암모니아와 열교환하여 가열할 수 있다. 보조히터에서 액화천연가스와 열교환하여 냉각된 암모니아는 이산화탄소 액화공정으로 공급되어 이산화탄소를 액화시키는 냉열원으로 활용될 수 있다. 연소기관(10)은 액화천연가스를 연료로 하여 연소하므로, 배기가스가 생성되며, 생성된 배기가스에는 이산화탄소가 포함되어 있으므로, 이산화탄소포집장치(CCS)를 통과시켜 제거할 필요가 있다. 이산화탄소포집장치(CCS)는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 것으로, 후술할 냉각탑(50)으로부터 공급된 배기가스에 흡수제를 분사하는 흡수탑(도시되지 않음), 및 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는 재생탑(도시되지 않음)을 포함한다. 이산화탄소포집장치(CCS)는 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

연소기관(10)과 이산화탄소포집장치(CCS)는 배기관(30)으로 연결되며, 배기관(30)은 연소기관(10)에서 배출되는 배기가스를 이산화탄소포집장치(CCS)로 유동시킨다. 배기관(30) 상에는 블로어(40)와 냉각탑(50)이 설치될 수 있다. 블로어(40)는 배기가스를 강제로 배출시켜 유동을 돕고, 냉각탑(50)은 배기가스에 냉각수를 분사하여 배기가스를 냉각시킨다. 연소기관(10)에서 배출되는 배기가스는 약 150~400℃의 고온이므로, 이러한 배기가스를 흡수탑에 그대로 공급할 경우, 이산화탄소가 흡수제에 제대로 흡수되지 않게 된다. 즉, 흡수탑에서 분사되는 흡수제는 약 30~50℃에서 이산화탄소의 흡수 효율이 높으므로, 냉각탑(50)에서 미리 배기가스를 냉각시키는 것이다. 냉각탑(50)으로 공급되는 배기가스는 냉각수와 열교환을 통해 적정 온도로 냉각되며, 배기가스와 열교환하여 온도가 증가한 냉각수는 냉각탑(50)에서 배출되어 일련의 냉각 과정을 거친 후 다시 냉각탑(50)으로 순환될 수 있다.

냉각탑(50)은 냉각수공급관(60)을 통해 냉각수를 공급받으며, 냉각수공급관(60)은 액화천연가스의 냉열로 냉각된 냉각수를 냉각탑(50)으로 공급할 수 있다. 액화천연가스의 냉열로 냉각된 냉각수가 냉각탑(50)으로 공급됨으로써, 배기가스가 보다 효과적으로 냉각될 수 있으며, 이에 따라, 배기가스의 부피가 감소하여 배기가스를 강제 유동시키는 블로어(40)의 전력사용량이 감소할 수 있다. 블로어(40)의 전력사용량이 감소함에 따라, 선박용 발전기의 연료 소모량이 감소하게 되며, 이에 따라, 이산화탄소의 추가 발생량도 감소하게 되어 이산화탄소포집장치(CCS)가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 용이하게 만족시킬 수 있음은 물론, 이산화탄소포집장치(CCS)의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기가스가 냉각탑(50)에서 충분히 냉각되어 블로어(40)의 전력사용량이 감소함에 따라, 추가 냉각장치(after cooler)를 설치하지 않고도 도시된 바와 같이, 블로어(40)를 냉각탑(50) 후단에 설치하는 것이 가능하며, 이에 따라, 블로어(40)의 효율이 증가함은 물론 추가 냉각장치의 생략에 따른 비용을 절감할 수 있다.

보다 구체적으로, 냉각수공급관(60) 상에는 제1 냉각기(80)가 설치되며, 제1 냉각기(80)는 냉각수를 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매와 열교환하여 냉각시킬 수 있다. 냉매는 예를 들어, 글리콜 워터(glycol water)일 수 있다. 냉매순환관(90)은 기화기(70)와 제1 냉각기(80)를 경유하므로, 냉매는 기화기(70)와 제1 냉각기(80)를 순환하여 액화천연가스와 냉각수 사이의 냉열을 전달할 수 있다. 즉, 기화기(70)에서 액화천연가스와 열교환하여 냉각된 냉매는 제1 냉각기(80)에서 냉각수와 열교환하여 냉각수를 냉각시키고, 가열된 상태로 후술할 히터(140)로 공급되어 추가로 가열된 후 다시 기화기(70)로 순환된다. 액화천연가스의 냉열을 회수한 냉매를 냉각수와 열교환하여 미리 가열함으로써, 냉매를 재가열하는데 사용되는 에너지를 절감할 수 있어 엔진 효율을 향상될 수 있다. 필요에 따라, 기화기(70)와 제1 냉각기(80) 사이의 냉매순환관(90) 상에는 기액분리기(도면부호 미도시)와 펌프(도면부호 미도시)가 설치될 수도 있다. 히터(140)는 제1 냉각기(80) 후단의 냉매순환관(90)에 설치되어, 제1 냉각기(80)를 통과한 냉매를 냉각탑(50)으로 공급되는 배기가스와 열교환하여 가열할 수 있다. 냉각탑(50)으로 공급되는 배기가스가 히터(140)에서 냉매와 열교환하여 미리 냉각됨으로써, 냉각탑(50)의 냉각 용량을 줄일 수 있으며, 이에 따라, 냉각탑(50)의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도가 증대될 수 있다. 필요에 따라, 히터(140)와 기화기(70) 사이의 냉매순환관(90) 상에는 보조히터(도면부호 미도시)가 설치될 수도 있다.

냉각탑(50)은, 냉각수로 해수가 사용되는 제1 냉각탑(51)과, 냉각수로 청수가 사용되는 제2 냉각탑(52)이 순차적으로 연결되어 형성될 수 있다. 이 때, 냉각탑(50)은 도시된 바와 같이, 하나의 탑 내부가 구획되어 제1 냉각탑(51) 상단에 제2 냉각탑(52)이 형성될 수도 있고, 두 개의 탑으로 분리되어 제1 냉각탑(51) 상단에 제2 냉각탑(52)이 형성될 수도 있다. 냉각탑(50)이 하나의 탑 내부가 구획되어 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)을 형성하는 경우, 블로어(40)는 제2 냉각탑(52) 후단에 형성될 수 있으며, 냉각탑(50)이 두 개의 탑으로 분리되어 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)을 형성하는 경우, 블로어(40)는 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52) 사이에 설치될 수 있다. 냉각탑(50)이, 냉각수로 해수가 사용되는 제1 냉각탑(51)과, 냉각수로 청수가 사용되는 제2 냉각탑(52)이 순차적으로 연결되어 형성됨으로써, 냉각탑(50)에서 사용되는 청수의 양을 줄일 수 있어 선박 내 다른 사용처에 청수를 활용할 수 있으며, 해수를 냉각수로 사용함에 따른 배기가스 내 염분이 청수에 의해 제거될 수도 있다. 이하, 냉각탑(50)이 하나의 탑 내부가 구획되어 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)을 형성하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.

제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)은 냉각탑(50) 내부가 구획되어 형성되며, 각각, 다공성 구조물로 형성되어 배기가스와 냉각수의 접촉 면적을 증가시키는 패킹유닛(도시되지 않음)이 설치될 수 있다. 이 때, 제1 냉각탑(51)에 설치되는 패킹유닛은, 배기가스가 상대적으로 많은 양이 공급되는 해수와 열교환하여 해수의 온도와 유사하게 냉각될 수 있도록 비정형화된 패킹(random packing)이 적용될 수 있으며, 제2 냉각탑(52)에 설치되는 패킹유닛은, 제1 냉각탑(51)에서 1차로 냉각된 배기가스가 청수와 충분히 접촉하면서 냉각됨과 동시에 염분이 제거될 수 있도록 정형화된 패킹(structured packing)이 적용될 수 있다. 제2 냉각탑(52)에서 배기가스에 포함된 염분이 제거됨으로써, 염분으로 인한 이산화탄소포집장치(CCS)의 성능 저하를 방지할 수 있다.

냉각수공급관(60)은, 제1 냉각탑(51)에서 배출된 해수를 다시 제1 냉각탑(51)으로 순환시키는 제1 냉각수공급관(61)과, 제2 냉각탑(52)에서 배출된 청수를 다시 제2 냉각탑(52)으로 순환시키는 제2 냉각수공급관(62)을 포함한다. 제1 냉각수공급관(61) 상에는 펌프(도면부호 미도시)를 비롯하여 전술한 가열기(130)와 제1 냉각기(80)가 설치되며, 제2 냉각수공급관(62) 상에는 청수를 제1 냉각기(80)를 통과한 해수와 열교환하여 냉각하는 제2 냉각기(100)가 설치될 수 있다. 즉, 제1 냉각탑(51)에서 배출된 해수는, 가열기(130)와 제1 냉각기(80)를 차례로 통과하며 냉각된 후 제2 냉각기(100)를 거쳐 제1 냉각탑(51)으로 순환되고, 제2 냉각탑(52)에서 배출된 청수는, 제2 냉각기(100)에서 해수와 열교환하여 냉각된 후 제2 냉각탑(52)으로 순환된다. 제2 냉각기(100) 후단의 제1 냉각수공급관(61)은 외부로부터 유입된 해수를 제1 냉각탑(51)으로 공급하는 해수공급관(63)에 연결될 수 있으며, 해수공급관(63)은 해수유입펌프(63a)에 연결되어 해수를 공급받을 수 있다. 또한, 가열기(130) 전단의 제1 냉각수공급관(61) 상에는 해수저장탱크(150)에 연결되는 분기관(64)이 분기될 수 있으며, 분기관(64)을 통해 해수저장탱크(150)에 저장된 해수는 필요 시 회수관(151)을 통해 후술할 조수기모듈(120)로 공급되거나 배출관(152)을 통해 방류될 수 있다. 또한, 제2 냉각기(100) 전단의 제2 냉각수공급관(62) 상에는 제2 냉각기(100)를 우회하는 우회관(110)이 분기되며, 우회관(110) 상에는 청수를 재생하는 조수기모듈(120)이 설치될 수 있다. 청수는 제2 냉각탑(52)에서 배출되어 제2 냉각수공급관(62)을 통해 제2 냉각탑(52)으로 다시 순환하므로, 시간이 경과하면 청수 내 염분 농도가 증가할 수 있다. 청수 내 염분 농도가 증가하면, 이산화탄소포집장치(CCS)의 성능 저하를 유발하므로, 청수를 재생할 필요가 있다. 우회관(110)은 제2 냉각기(100) 전단의 제2 냉각수공급관(62) 상에 설치된 분리기(도면부호 미도시)에 연결되어 청수를 조수기모듈(120)로 공급하며, 조수기모듈(120)은 전술한 회수관(151)을 통해 공급된 해수와, 우회관(110)을 통해 공급된 청수를 재생시켜 우회관(110)을 통해 다시 제2 냉각탑(52)으로 공급할 수 있다. 필요에 따라, 분리기 후단의 제2 냉각수공급관(62) 상에는 펌프(도면부호 미도시)가 설치될 수도 있다.

한편, 청수와 냉매를 직접 열교환하는 것도 가능하나, 제1 냉각탑(51) 상단에서 폐루프로 운전되는 제2 냉각수공급관(62)의 배관 배치를 고려하여, 해수와 냉매를 먼저 열교환 후 해수를 청수와 열교환하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 제1 냉각기(80)에서 냉매와 열교환하는 해수는 해수유입펌프(63a)에서 유입된 해수를 일부 분기하여 공급할 수도 있으나, 제1 냉각탑(51) 하단에서 배출되는 고온의 해수를 분기하여 공급하는 것이 냉열 회수 효율면에서 바람직할 것이다.

이하, 도 2를 참조하여, 동력발생시스템(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 도 1의 동력발생시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명에 따른 동력발생시스템(1)은 액화천연가스의 냉열을 회수하여 냉각탑(50)으로 공급되는 냉각수를 냉각시키므로, 배기가스가 보다 효과적으로 냉각될 수 있으며, 이에 따라, 배기가스의 부피가 감소하여 배기가스를 강제 유동시키는 블로어(40)의 전력사용량이 감소할 수 있다. 블로어(40)의 전력사용량이 감소함에 따라, 선박용 발전기의 연료 소모량이 감소하게 되며, 이에 따라, 이산화탄소의 추가 발생량도 감소하게 되어 이산화탄소포집장치(CCS)가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 용이하게 만족시킬 수 있음은 물론, 이산화탄소포집장치(CCS)의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기가스가 냉각탑(50)에서 충분히 냉각되어 블로어(40)의 전력사용량이 감소함에 따라, 추가 냉각장치(after cooler)를 설치하지 않고도 블로어(40)를 냉각탑(50) 후단에 설치하는 것이 가능하며, 이에 따라, 블로어(40)의 효율이 증가함은 물론 추가 냉각장치의 생략에 따른 비용을 절감할 수 있다. 또한, 냉각탑(50)을 해수가 냉각수로 사용되는 제1 냉각탑(51), 및 청수가 냉각수로 사용되는 제2 냉각탑(52)으로 구성함으로써, 냉각탑(50)에서 사용되는 청수의 양을 줄일 수 있어 선박 내 다른 사용처에 청수를 활용할 수 있으며, 해수를 냉각수로 사용함에 따른 배기가스 내 염분이 청수에 의해 제거 가능한 장점도 있다. 또한, 액화천연가스의 냉열을 회수한 냉매를 냉각수와 열교환하여 미리 가열함으로써, 냉매를 재가열하는데 사용되는 에너지를 절감할 수 있어 엔진 효율이 향상될 수 있다.

연료탱크(21)에 저장된 액화천연가스는 연료공급관(20)을 통해 기화기(70)로 이동하고, 기화기(70)에서 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매와 열교환하여 기화된다. 기화된 액화천연가스는 연료공급관(20)을 통해 가열기(130)로 이동하며, 가열기(130)에서 제1 냉각수공급관(61)을 순환하는 해수와 열교환하여 가열된다. 가열기(130)에서 가열된 액화천연가스는 연소기관(10)으로 공급되며, 연소기관(10)은 기화 및 가열된 액화천연가스를 연소하여 동력을 생성한다. 연소기관(10)에서 연료의 연소에 따라 발생된 배기가스는 배기관(30)으로 배출되며, 히터(140)에서 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매와 열교환하여 냉각된 후 냉각탑(50)으로 공급된다. 배기가스는 제1 냉각탑(51) 하부로 공급되어 상방으로 유동하며 해수와 기액 접촉하면서 냉각된다. 이 때, 해수는 해수공급관(63)을 통해 공급된 것일 수 있다. 배기가스와 기액 접촉한 해수는 제1 냉각수공급관(61)으로 배출되어, 일부가 가열기(130), 제1 냉각기(80)를 차례로 통과하며 냉각된 후 제2 냉각기(100)를 경유하여 제1 냉각탑(51)으로 순환되고, 나머지 일부는 분기관(64)으로 분기되어 해수저장탱크(150)에 저장된다. 해수저장탱크(150)에 저장된 해수는 필요에 따라 회수관(151)을 통해 조수기모듈(120)로 공급되거나 배출관(152)을 통해 방류될 수 있다. 제1 냉각탑(51)에서 1차로 냉각된 배기가스는 제2 냉각탑(52) 하부로 공급되어 상방으로 유동하며 청수와 기액 접촉하면서 2차로 냉각된 후 배기관(30)으로 배출된다. 배기관(30) 상에는 블로어(40)가 설치되므로, 배기가스는 제2 냉각탑(52)으로부터 용이하게 배출되어 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급될 수 있다. 한편, 배기가스와 기액 접촉한 청수는 제2 냉각수공급관(62)으로 배출되어, 제2 냉각기(100)에서 해수와 열교환하여 냉각된 후 제2 냉각탑(52)으로 순환된다. 이 때, 청수 내 염분 농도가 기준치 이상인 경우, 우회관(110)이 개방되어 제2 냉각수공급관(62)으로 배출된 청수 중 일부가 제2 냉각기(100)를 우회하여 조수기모듈(120)로 공급될 수 있다. 청수 내 염분 농도의 측정을 위해, 제2 냉각수공급관(62) 상에는 염분 농도를 측정하는 농도센서(도시되지 않음)가 설치될 수 있다.

이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-1)에 관하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생시스템의 작동도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-1)은 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)이 분리되어 배기관(30)으로 연결되고, 블로어(40)가 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52) 사이의 배기관(30)에 설치된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-1)은 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)이 분리되어 배기관(30)으로 연결되고, 블로어(40)가 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52) 사이의 배기관(30)에 설치되는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.

제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)은 서로 분리되어 형성되고, 블로어(40)는 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52) 사이를 연결하는 배기관(30) 상에 설치될 수 있다. 하나의 탑 내부를 구획하여 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)을 형성하는 경우, 높이 제한 등의 이유로 선박에 적용이 불가할 수 있으며, 이러한 이유로 탑의 높이를 낮추면 배기가스와 냉각수가 접촉하는 시간 및 면적이 줄어 배기가스의 냉각 효과가 저하되는 문제가 있다. 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)을 분리하고 배기관(30)으로 연결하면, 높이를 낮출 수 있어 선박에 적용이 용이한 장점이 있다. 블로어(40)어의 위치는 한정될 것은 아니며, 도시된 바와 같이, 제1 냉각탑(51)과 제2 냉각탑(52)을 연결하는 배기관(30) 상에 설치될 수도 있고, 제2 냉각탑(52) 후단이 배기관(30) 상에 설치될 수도 있다

이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-2)에 관하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템의 작동도이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-2)은 전술한 해수공급관(63)과 분기관(64)이 생략되고, 제1 냉각수공급관(61)이 해수저장탱크(150)를 관통하여 제1 냉각탑(51)에 연결되며, 연소기관(10)과 냉각탑(50) 사이의 배기관(30) 상에 적어도 하나의 블로어(40)가 설치된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-2)은 전술한 해수공급관(63)과 분기관(64)이 생략되고, 제1 냉각수공급관(61)이 해수저장탱크(150)를 관통하여 제1 냉각탑(51)에 연결되며, 연소기관(10)과 냉각탑(50) 사이의 배기관(30) 상에 적어도 하나의 블로어(40)가 설치되는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.

제1 냉각수공급관(61)은 해수저장탱크(150)를 관통하여 양단이 제1 냉각탑(51)의 하단과 상단에 각각 연결되고, 제1 냉각기(80)와 제2 냉각기(100)는 해수저장탱크(150) 후단의 제1 냉각수공급관(61) 상에 위치할 수 있다. 해수공급관(63)과 분기관(64)이 생략되고, 제1 냉각수공급관(61)이 해수저장탱크(150)를 관통하여 제1 냉각탑(51)에 연결됨으로써, 해수공급관(63)에 연결된 해수유입펌프(63a)의 전력 소모를 줄일 수 있고 배관 배치를 간소화할 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 블로어(40)는 연소기관(10)과 냉각탑(50) 사이의 배기관(30) 상에 적어도 하나가 설치될 수 있다. 도면 상에는 블로어(40)가 히터(140)의 전단과 후단에 각각 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 블로어(40)는 히터(140)의 전단과 후단 중 어느 하나에만 설치될 수도 있다.

이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-3)에 관하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템의 작동도이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-3)은 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매가 이산화탄소를 액화시키는 냉열원으로 활용된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생시스템(1-3)은 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매가 이산화탄소를 액화시키는 냉열원으로 활용되는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.

연소기관(10)에 연결된 연료공급관(20) 상에는 기화기(70)와 가열기(130)가 설치된다. 기화기(70)는 액화천연가스를 냉매순환관(90)을 순환하는 냉매와 열교환하여 기화시키며, 가열기(130)는 기화된 액화천연가스를 제1 냉각수공급관(61)을 통해 제1 냉각기(80)로 공급되는 냉각수와 열교환하여 가열한다. 이 때, 냉매는 한정될 것은 아니나, 예를 들어, 프로필렌일 수 있다. 냉매가 프로필렌으로 형성되는 경우, 액화천연가스의 냉열로 냉각수를 냉각시킴과 동시에 이산화탄소도 액화시킬 수 있어 시스템이 보다 효율적으로 운용될 수 있다.

보다 구체적으로, 기화기(70)에서 액화천연가스와 열교환하여 냉각된 냉매는 감압밸브(도면부호 미도시)를 통과하며 팽창된 후 적어도 일부가 액화되어 기액분리기(91)로 공급되며, 기액분리기(91)에서 분리된 액상의 냉매는 펌프(92)를 거쳐 일부가 제1 냉각기(80)로 공급되고 나머지 일부가 제1 보조히터(93)로 공급된다. 제1 냉각기(80)로 공급된 액상의 냉매는 냉각수와 열교환하여 냉각수를 냉각시키고, 가열되어 기화된 상태로 히터(140)로 공급되어 추가로 가열된 후 다시 기화기(70)로 순환된다. 히터(140)와 기화기(70) 사이의 냉매순환관(90) 상에는 제2 보조히터(94)와 압축기(95)가 설치되므로, 냉매는 가열 및 가압 후 기화기(70)로 순환될 수 있다. 제1 보조히터(94)로 공급된 액상의 냉매는 이산화탄소와 직접 열교환하여 이산화탄소를 액화시키고, 가열되어 기화된 상태로 제2 보조히터(94) 전단으로 합류된다. 기액분리기(91)에서 분리된 기상의 냉매 역시 제2 보조히터(94) 전단으로 합류될 수 있다. 도면 상에는 기액분리기(91)에서 분리된 기상의 냉매가 제1 보조히터(93)를 통과한 기상의 냉매에 합류되어 제2 보조히터(94) 전단으로 합류되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 기액분리기(91)에서 분리된 기상의 냉매는 제2 보조히터(94) 전단으로 직접 합류될 수도 있다.한편, 해수공급관(63)으로 유입된 해수는 분기되어 일부가 제1 냉각탑(51)으로 공급되고, 나머지 일부는 제1 냉각기(80)로 공급되는 냉각수의 흐름에 합류될 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: 동력발생시스템
10: 연소기관 20: 연료공급관
21: 연료탱크 30: 배기관
40: 블로어 50: 냉각탑
51: 제1 냉각탑 52: 제2 냉각탑
60: 냉각수공급관 61: 제1 냉각수공급관
62: 제2 냉각수공급관 63: 해수공급관
64: 분기관 70: 기화기
80: 제1 냉각기 90: 냉매순환관
91: 기액분리기 92: 펌프
93: 제1 보조히터 94: 제2 보조히터
95: 압축기 100: 제2 냉각기
110: 우회관 120: 조수기모듈
130: 가열기 140: 히터
150: 해수저장탱크 151: 회수관
152: 배출관
CCS: 이산화탄소포집장치

Claims (10)

1. 액화천연가스를 연소하여 동력을 생성하는 연소기관;
   상기 연소기관에 상기 액화천연가스를 공급하는 연료공급관;
   상기 연소기관에서 배출되는 배기가스가 유동하는 배기관;
   상기 배기관 상에 설치되어 상기 배기가스를 강제로 배출시키는 블로어;
   상기 배기관 상에 설치되며 상기 배기가스에 냉각수를 분사하는 냉각탑, 및
   상기 냉각탑에 상기 냉각수를 공급하는 냉각수공급관을 포함하며,
   상기 냉각수는 상기 액화천연가스의 냉열로 냉각되어 상기 냉각탑으로 공급되는 동력발생시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 연료공급관에 설치되어 상기 액화천연가스를 기화시키는 기화기와,
   상기 냉각수공급관에 설치되는 제1 냉각기, 및
   상기 기화기와 상기 제1 냉각기 사이를 순환하여 상기 액화천연가스와 상기 냉각수 사이에 냉열을 전달하는 냉매가 순환하는 냉매순환관을 더 포함하는 동력발생시스템.
3. 제2 항에 있어서, 상기 냉각탑은,
   상기 냉각수로 해수가 사용되는 제1 냉각탑과, 상기 냉각수로 청수가 사용되는 제2 냉각탑이 순차적으로 연결되는 동력발생시스템.
4. 제3 항에 있어서, 상기 블로어는,
   상기 제2 냉각탑 후단이나 상기 제1 냉각탑과 상기 제2 냉각탑 사이에 설치되는 동력발생시스템.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 냉각수공급관은 상기 냉각탑에서 배출된 상기 냉각수를 다시 냉각탑으로 순환시켜 공급하는 동력발생시스템.
6. 제5 항에 있어서, 상기 냉각수공급관은,
   상기 제1 냉각기가 설치되며 상기 해수가 유동하는 제1 냉각수공급관과,
   상기 청수가 유동하는 제2 냉각수공급관을 포함하고,
   상기 제2 냉각수공급관 상에 설치되어 상기 청수를 상기 제1 냉각기를 통과한 상기 해수와 열교환하여 냉각하는 제2 냉각기를 더 포함하는 동력발생시스템.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제2 냉각기 전단의 상기 제2 냉각수공급관에서 분기되어 제2 냉각기를 우회하는 우회관과,
   상기 우회관 상에 설치되어 상기 청수를 재생하는 조수기모듈을 더 포함하는 동력발생시스템.
8. 제2 항에 있어서,
   상기 기화기 후단의 상기 연료공급관에 설치되며, 기화된 상기 액화천연가스를 상기 제1 냉각기로 공급되는 상기 냉각수와 열교환하여 가열하는 가열기를 더 포함하는 동력발생시스템.
9. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 냉각기 후단의 상기 냉매순환관에 설치되며, 상기 제1 냉각기를 통과한 상기 냉매를 상기 냉각탑으로 공급되는 상기 배기가스와 열교환하여 가열하는 히터를 더 포함하는 동력발생시스템.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 블로어는, 상기 연소기관과 상기 냉각탑 사이의 상기 배기관 상에 적어도 하나가 설치되는 동력발생시스템.