선박메인엔진 냉각수를 활용한 선박폐열발전-담수화 시스템 성능평가 시뮬레이션

2.1 선박 폐열 발생량

선박의 대형화가 진행됨에 따라 메인엔진의 규모도 지속적으로 증가하였으며, 최근 14,500TEU급 컨테이너 선박의 경우 10S90ME 규모의 메인엔진이 적용되어 58MW급 추진력을 보이고 있다. 이때 메인엔진 냉각 이후 발생되는 냉각수(Jacket cooling water)는 최대 90℃에 달하며, 순환하는 유량은 490m³/h에 달한다. 메인엔진 냉각수는 조수기를 이용한 담수화를 통해 미활용열이 일부 재활용되나 메인엔진 출력이 증가할수록 재활용열 대비 버려지는 폐열이 증가하게 된다.

메인엔진의 유형은 총 다섯 종류를 적용하였으며, 320,000dwt급 VLCCs 유조선박에 적용된 6S90ME급 엔진부터 14,500TEU 컨테이너 선박에서 사용되는 10S90ME급 엔진까지 기통이 증가에 따른 냉각수 유량을 적용하였다. Table 1은 메인엔진의 기통변화에 따른 출력 및 냉각수 유량을 나타낸다.

Table 1:

Engine power and Jacket cooling water flow rate according to Engine type

선박의 냉각수는 메인엔진의 연소로 인한 과열을 방지하기 위하여 표면을 냉각 및 순환하며, 80℃에서 최대 90℃까지 온도를 유지한다. 최대 온도가 상승함에 따라 순환되는 냉각수의 유량은 감소하나 일반적으로 90℃를 초과하는 온도에서는 메인엔진의 마모를 유발하며, 스케일 발생이 증가하게 된다. 반면, 공급되는 냉각수 온도가 60℃ 이하로 내려갈 경우 열 충격 현상이 발생하여 메인엔진에 손상을 일으키므로 60℃에서 90℃까지 약 30℃의 온도차이만큼 열을 제거할 필요가 있다.

본 연구에서는 현재 국제 선박에서 적용되고 있는 메인엔진의 용량과 냉각수의 온도 변화에 따라 선박폐열 발전-담수화 설비의 성능과 해수로 배출되는 폐열량을 비교하였다.

2.2 선박 폐열 발전-담수 사이클

현재 선박에서 이용되는 담수화 장치는 Figure 2와 같이 약 90℃의 메인엔진 냉각수의 일부 또는 전체 유량을 공급 받아 75℃의 상대적 고온으로 배출되며 냉각기(Jacket water cooler)를 통과 후 60℃로 공급된다. 대부분의 냉각수 폐열을 담수화에 활용가능하나 선박 사용량에 비교하여 다량의 담수가 생산되어 현재는 약 30~40m³/day로 담수를 생산하고 있다. 이때 소요되는 냉각수 유량은 총 50m³/h이며, 담수화를 위해 공급되는 해수는 약 5m³/h이다.

Figure 2:

Current ship waste heat utilization model and cooling system

적용된 침관형 담수화 장치의 작동원리는 가열관을 증발기 내에 넣어 해수를 가열 증발시켜, 발생증기를 증류기에 공급 후 냉각 및 응축시키는 것이며, 증발기 내부의 압력은 진공식을 적용하였다[6].

침관형의 열평형식은 식 (1)과 같으며, 증기발생율은 식(2)와 같다. Figure 3는 침관식 증발 담수화의 증발 원리를 나타낸다.

Figure 3:

Inner-tube evaporative desalination principle [6]

여기서 W_s는 가열증기량, W_f는 급수(Feed water)량, W_b는 브라인수(Brin water)의 유량, W_υ는 발생증기량을 나타내며, t_f와 t_b는 가열기 입구급수온도와 브라인수 온도를 나타낸다. 또한, i_s와 i_d는 증기의 엔탈피와 배출수(Drain water) 엔탈피를 나타내며, C_f와 C_b는 급수 및 브라인수의 비열을 나타낸다.

반면 선박폐열발전-담수화 시스템의 성능을 비교하기 위하여 현재 대양에서 운항하고 있는 선박의 메인엔진 용량에 따른 냉각수 활용 ORC(Organic Rankine Cycle) 발전을 적용하여 전력을 생산하고 ORC 발전 이후 배출된 냉각수와 ORC 발전의 응축 열원으로 활용한 해수를 활용하여 저압 증발식 담수화를 통한 생산 사이클을 설계하였다.

선박폐열발전-담수화 시스템은 Figure 4와 같이 냉각수를 ORC 발전의 열원으로 활용하여 10℃의 온도변화가 발생하며, 80℃의 냉각수가 저압 담수화 장치로 공급되어 65℃로 배출되도록 설계하였다. 현재 국내외 해양을 순항하는 선박의 메인엔진 냉각수는 약 80℃-95℃로 유지하며, 메인엔진에 공급되는 에너지의 약 5%는 냉각수를 해수로 열교환하는데 사용된다. 따라서 스팀을 이용한 SRC(Steam Rankine Cycle)를 이용하기에는 온도가 매우 낮다[7]. 열원의 온도는 발전의 방식과 효율에 영향을 미치며, 메인엔진 냉각수는 운항방식과 유형에 따라 80℃, 85℃, 90℃로 다양하게 적용된다. 최근 선박 저온부식의 발생 증가로 냉각수 시스템 개선 전에는 냉각수 제어온도를 80℃, 흡입구 압력을 3.5-4.5bar 적용하였으나, 추후 저온부식 대응책으로 2012년에 온도를 90℃로 변경하고 끓는점을 높이기 위해서 압력을 4.0-5.0bar 증가시켰다[8]. 저압 증발을 위한 담수화설비의 내부 압력은 60℃의 물의 증발압력인 20kPa을 적용 하였으며, 최대 24kPa에서 최소 16kPa까지 증발압력이 변화하면서 생산되는 유량변화를 비교하였다. 저압 증발을 이용한 담수화 설비는 내부 압력의 변화에 따라 증발량과 증발온도가 변화하며, 담수생산량에 영향을 미친다. 현재 선박에서 사용하고 있는 담수화 설비는 내부 진공을 형성하기 위하여 이젝터를 활용하며, 증발된 해수를 응축하기 위한 냉각 해수를 펌프를 통해 순환하고 펌프 출구에 이젝터를 연결하여 증발기 내부에 진공을 형성한다[9]. Table 2는 선박폐열 발전-담수화 설비의 운전 특성을 나타낸다.

Figure 4:

Ship wasted heat recovery-desalination Model and Cooling System

Table 2:

Operational characteristics of wasted heat recovery-desalination system (10S90ME class ship)

선박폐열온도차발전의 증발열량과 응축열량은 식 (3)과 식 (4)와 같으며, 발생된 발전출력은 식 (5)와 같고, 선박폐열온도차발전에 소요되는 자체 소비전력인 작동유체 펌프와 담수펌프는 각각 식 (6)과 식 (7)과 같다.

여기서 W_tur는 터빈출력이며, W_pump는 작동유체펌프, W_desal,pump는 담수화펌프 출력량을 나타내며, m_r는 작동유체의 유량을 나타낸다. 또한, Q_eυa는 증발기 열량 Q_con는 응축기에서의 열량을 나타내며, i_eυa,in와 i_eυa,out는 증발기 입출구의 엔탈피를 나타낸다. η_t, η_pump와 η_desal,pump는 터빈, 작동유체펌프 및 담수펌프의 출력을 나타낸다.

선박폐열발전에서 얻어진 순수 출력은 식 (8)과 같으며, 이때 효율은 식 (9)와 같다.

시뮬레이션 해석 방법으로는 기본적인 유기랭킨사이클을 해석하기 위해 공정설계프로그램인 Aspentech HYSYS (V11)을 사용하여 설계 하였다.

2.3 폐열발전 작동유체 선정

작동유체(Working Fluid)는 적용하고자 하는 ORC의 운전 조건에 따라서 그 선택이 다양하며, 또한 발전 성능에 영향을 미친다. 폐열발전에 적용하고자 하는 작동유체는 최근 환경문제를 통해 저 GWP 냉매를 적용하기 위하여 R1233zd, R1234yf, R1234ze, R600a, Ammonia를 비교하였으며, 기존 80-90℃의 열원에 주로 사용되는 R245fa 작동유체를 비교하였다.

작동유체별 성능변화를 비교하기 위하여 10S90ME급 선박의 냉각수 유량과 온도를 적용하였으며, 증발기와 응축기, 터빈 등에서 발전량, 최고압력, 최저압력, 증발열량과 응축열량 등의 항목을 비교하였다.

Table 3과 Table 4는 각각 작동유체 비교를 위한 물리적 특성과 10S90ME급 선박의 선박폐열발전 성능특성을 나타낸다. 각 냉매별 선박폐열발전의 터빈 성능을 비교한 결과 자연냉매인 Ammonia에서 최대 출력인 618.0kW를 보이는 반면, 순환 냉매량은 5.06 kg/s로 가장 적은 수치를 보였다. 암모니아 및 R600a는 각각 B2와 A3로 독성과 폭발성의 이유로 안전성이 낮다. 이를 고려한 대체 냉매로서 R245fa와 R1234yf가 각각 581.3kW와 582.7kW로 7% 미만의 차이를 보였으며, 그 중 Low GWP 신냉매로 분류되는 R1234yf은 증발압력이 2,800kPa으로 높고 냉매순환량이 37.98kg/s로 타 냉매와 비교하여 많아 R245fa가 높은 안정성과 발전 성능을 보유한 선박폐열 발전에 적합한 것으로 예상되었다.

Table 3:

The properties of working fluids

Table 4:

Performance change by working fluid (10S90ME class ship)

또한, 증발기와 응축기에서의 성능을 비교한 결과 열교환기의 열전달 성능 지표인 총괄 열전달계수에서 R245fa가 가장 높은 1,597.8 kJ/℃-s과 1,756.3 kJ/℃-s를 보이며, R600a 및 Ammonia, R245fa는 신냉매인 R1233zd, R1234yf, R1234ze와 비교하여 총 발열량이 약 4%가량 높게 발생하는 것을 확인하였다. 또한, LMTD 비교에서는 R245fa가 가장 낮은 응축기와 증발기 온도인 3.1℃과 3.7℃를 나타내고 있다. 각 냉매별 성능 비교는 Figure 5와 Figure 6과 같다.

Figure 5:

Performance characteristics of turbine of Ship wasted heat recovery by Refrigerant

Figure 6:

Performance characteristics of heat exchanger of Ship wasted heat recovery by Refrigerant

선행 냉매별 비교를 바탕으로 선박폐열발전-담수화 시뮬레이션에 적용된 작동유체(Working Fluid)는 중저온 열원에 적합한 R245fa를 적용하였으며, 메인엔진의 유형과 냉각수 유량에 따른 발전 출력과 폐열 발생량을 비교하였다.

3.1 선박의 메인엔진 출력에 따른 성능평가

10S90ME급 선박의 메인엔진 냉각수 이용하여 발전 시스템을 구성할 경우 490M3/h 유량에서 581.6kW급 발전량을 확인하였다. 또한 메인엔진의 모델 변화에 따라 6S90ME급 엔진을 보유한 선박에서는 260M³/h 유량에서 308.6kW급 발전량을 확인하였다. 각 엔진의 용량에 따른 발전 효율은 9.8%로서 동일하며, 10S90ME 메인엔진의 ORC 발전량은 2,000kW를 소요 전력으로 사용하는 14,500TEU급 컨테이너 선박의 약 30%를 차지하는 수준이다. 이때 소요되는 전력은 냉매를 순환하는 순환펌프와 담수를 공급하는 담수펌프가 있으나 10S90ME급 선박에서 각각 16.7kW와 0.17kW로 이를 적용하여도 순수출력은 총 564.4kW이며 순수 효율은 9.5%를 보인다. 선박 메인엔진에 따른 발전량 변화는 Figure 7과 같다.

Figure 7:

Changes in power output and heat loss at sea according to engine power

이때 생산되는 담수의 유량은 1.278M³/h로 기존 선박담수화 장치의 담수 생산량과 유사하며, 이와 같은 결과는 6S90ME급 선박의 전체 선박폐열 유량의 19.2%만을 열원으로 사용하므로 최대 5배의 담수생산 증가가 가능할 것으로 보인다. 또한, 기존 10S90ME급 선박에서 해수로 배출되는 폐열의 양이 16,860kW에서 10,940kW로 35%가량 감소하며, 6S90ME급 선박에서도 기존 8,541kW에서 5,411kW로 감소량을 확인하였다.

3.2 메인엔진 냉각수 온도에 따른 발전 및 담수 변화량

냉각수 온도에 따른 ORC 발전량의 변화와 해수로 배출되는 폐열의 열량을 비교하였으며, 10S60ME 메인엔진의 냉각수 유량과 담수화 장치의 용량을 적용하였다. 기존 저압 담수화 설비를 운용하는 선박에서 80℃의 냉각수 열원을 사용하는 경우 10,890kW의 버려지는 폐열이 발생하며, 90℃의 열원대비 35%의 감소량을 보인다. 하지만 ORC를 추가로 적용한 선박에서는 90℃ 열원에서 10,940kW를 보이며 80℃열원에서 5,030kW까지 폐열량을 감소할 수 있게 되었다. 그러나 ORC 발전 출력은 기존 90℃의 냉각수 열원에서 581.3kW인 반면 80℃의 열원은 475.6kW로 18.2%의 감소를 보였다. Figure 8은 선박 냉각수 온도변화에 따른 폐열량 변화와 ORC 출력 변화를 나타내고 있다.

Figure 8:

Change of heat loss at sea and ORC power according to ship jacket cooling water temperature change

3.3 증발 압력에 따른 증발량 및 온도 변화

저압 증발 담수화 설비의 내부 압력을 24kPa에서 운전할 경우 증발을 위한 열원이 최소 64.2℃로 공급돼야 하며, 생산되는 담수량도 1.247M³/h를 보였다. 반면 압력을 점차 감소하여 16kPa에 이르면 증발온도가 55.5℃로 약 9.7℃가 감소하며, 생산되는 담수량도 1.315M³/h로 약 5.5% 증가하였다. 증발압력에 따른 증발온도와 담수량의 변화는 Figure 9와 같다.

Figure 9:

Evaporation temperature and freshwater production change with vacuum pressure change

Author Contributions

Conceptualization, S. T. Lim and H. S. Lee; Methodology, S. T. Lim; Software, J. H. Moon; Validation, S. T. Lim and H. J. Kim; Formal Analysis, S. T. Lim; Data Curation, H. S. Lee; Writing—Original Draft Preparation, H. J. Kim; Writing—Review & Editing, Visualization, S. T. Lim; Supervision, H. J. Kim; Project Administration, H. S. Lee; Funding Acquisition H. S. Lee;