부유식 발전 플랜트{BARGE MOUNTED POWER GENERATION PLANT}

본 고안은 부유식 발전 플랜트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바지선 본체와 발전장치가 장착되는 파운데이션을 분리하고, 그 사이에 탄성체를 개재시켜서 안정적인 발전 작업이 가능한 부유식 발전 플랜트에 관한 것이다.

일반적인 발전 방법으로는 수력발전 플랜트, 화력발전 플랜트, 원자력발전 플랜트 등을 들 수 있는데, 이러한 발전방법 등은 대규모의 발전설비와 부지를 필요로 하고, 특히 발전 플랜트 주변의 환경오염을 유발하는 등, 환경적인 측면에서 큰 문제점이 되고 있다.

한편, 전력 예비율이란 현재 사용되는 전기보다 추가전력을 얼마다 더 공급할 수 있느냐를 보여주는 수치로서, 수치가 높으면 공급량이 충분하여 전기를 여유있게 사용할 수 있으나, 낮을 경우에는 여름과 겨울 전력 성수기에 문제가 발생할 수 있다.

전력은 저장을 할 수 없으므로 수치가 너무 높을 경우 에너지를 낭비하고, 전기요금의 부담도 커지는 등 경제적 손실을 초래하기 때문에 적정수준을 유지하는 것이 필요하며 대체로 15% 내외의 전력 유지율을 유지하는 것이 적당한 것으로 판단되고 있다.

그렇지만, 전력 수요가 급증하여 전력 예비율을 적정수준으로 유지할 수 없을 것이라 예측되거나, 전력 수급이 원활하지 못한 상황이 급작스럽게 발생할 수 있고, 이러한 전력위기 상황에 능동적으로 대처할 수 있는 방안이 심각하게 대두되고 있다.

이 방안의 일환으로, 복합화력 발전소를 바지선 위에 제작하는 신개념 플랜트로서, 조선소에서 복합화력 발전기의 완제품을 제작한 뒤 바지선에 탑재해 운영함으로써, 필요에 따라 발전설비를 다른 지역으로 이동시킬 수 있는 부유식 발전 플랜트(BMPP; barge-mounted power plant)가 대안으로 각광받고 있다.

이와 같이 BMPP는 선박과 발전 플랜트가 결합함에 따라, 육상에서 평균 4년 이상의 건설기간이 소요되는 복합화력 발전소에 비해 순수 제작기간이 1년 3개월 정도(구매, 설계, 운송기간 제외)로 짧고, 또한 부지매입과 송전선로 건설이 따로 필요치 않아 비용 절감이 가능할 뿐 아니라, 쉽게 증설 가능한 장점을 가진다.

BMPP의 설비용량은 원자력 발전(1기당 용량 1,000㎿)의 20%에 해당하는 200MW에 달하며, 전력 수요에 따른 탄력적 운영이 가능하여 전력 위기 시 해결방안으로 검토되는 것이다.

현재 개발된 BMPP는 베네수엘라에 설치된 340㎿가 최대이지만, 건설기자재 및 고급 현장 건설인력 수급이 어려운 해외 육상발전소 건설에 비해 품질 및 납기를 개선할 수 있고, 생산 및 건설관리가 상대적으로 용이한 조선소에서 플랜트 제작을 끝낸 후, 이를 발전소 부지로 해상 운송해 설치 및 현장 시운전을 거치게 된다.

또한, 플랜트 제작이 완료된 상태에서 운송되기 때문에, 국가 전력망 연결이 어려운 미얀마, 앙골라 등 동남아 도서지역에서의 탄력적 운용이 가능하다.

뿐만 아니라 기동성 활용 시에는 노후화 등으로 기존 발전소를 폐기하고 신규 플랜트를 건설할 때 발생하는 단기적 전력 공백을 대체할 수도 있다.

아울러 육상 발전소의 건설에 비해 지역 주민의 반대와 테러 위험으로부터 자유롭고, 노후 발전소를 교체할 때 일반적으로 발생하는 전력 공급의 공백도 해소할 수 있으며, 부지 매입, 환경 승인 등의 발전소 건설 규정이 까다로운 일부 선진국에서의 활용도 기대된다.

고안의 배경기술이 되는 선행기술로서 BMPP와 관련되는 특허문헌으로 검색되고 있지 않다.

도 1에는 기존의 BMPP를 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 기존의 BMPP는 일반적인 형태의 바지선(barge) 위의 파운데이션(foundation)(2)에 터빈(turbine)(4)과 발전기(generator)(6)로 구성되는 발전장치(10)가 장착되고, 터빈(4)과 발전기(6)를 샤프트(shaft)(8)로 연결되도록 구성된다.

바지선 위에 저장된 연료를 이용하여 스팀을 생성하고, 그 스팀을 이용하여 터빈(4)을 회전시키면, 터빈(4)의 회전력은 샤프트(8)를 통해서 발전기(6)에 전달되고, 그 결과 발전기(6)가 구동됨에 따라 전기를 생산하게 된다.

그리고 바지선의 파운데이션(2)에는 해상의 주변 환경, 예를 들어 바람(wind)와 파도(wave)에 의해서 바지선이 영향을 받지 않도록 해저 면에 고정될 수 있는 파일(12)이 장착된다.

그런데, 이러한 기존의 BMPP는 부유 작동(floating operation) 시, 굽힘 모우멘트(bending moment)로 인한 호깅(hogging)과 새깅(sagging)이 발생하게 되며, 이에 발전장치의 운용에 치명적인 문제점을 상정할 수 있다.

즉, 부유체인 바지선이 해상에서 운용되기 때문에, 부유상태에서 파랑 하중이 평형하지 않은 적재 하중을 받게 되면, 부유체의 세로 모멘트가 선체 상층부에는 인장력이 발생하고, 하층부에는 압축력이 발생하도록 작용하는 상태가 발생함으로써, 부유체의 중앙부가 들어 올려지듯이 변형되는 상태가 될 수 있다.

따라서 기존의 BMPP는 다양한 해상상태에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 파운데이션(2)의 중앙부가 들어 올려지듯이 변형됨에 따라 발전기(4)와 터빈(6)의 위상 차를 초래함으로써, 샤프트(8)가 변형되거나 파손(fail)될 수 있는 문제점을 상정할 수 있다.

또한, 현재의 BMPP에 사용되는 발전장치(10)의 샤프트(8)는 대부분 육상용으로 제작되기 때문에 이상과 같은 샤프트의 변형을 고려하는 해상용으로 적용하기에는 많은 어려움을 상정할 수 있다.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 부유식 구조물인 바지선 본체와 발전장치가 장착되는 파운데이션을 분리하고, 그 사이에 탄성체를 개재시킴으로써 굽힘 모멘트로 인한 인장력과 압축력에 의한 파운데이션의 변형을 흡수하여 파운데이션의 변형에 상관없이 해상 환경이 좋지 않은 상태에서도 안정적인 발전 작업이 가능한 부유식 발전 플랜트를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 일 관점에 따르는 부유식 발전 플랜트는 해상에 부유하는 바지선 본체; 발전유닛이 설치되도록 상기 바지선 본체의 상부에 설치되는 파운데이션; 및 상기 바지선 본체와 파운데이션의 사이에 개재되는 탄성체를 포함한다.

상기 바지선 본체에는 중공부가 형성되며, 상기 파운데이션은 상기 바지선 본체와 분리되도록 상기 중공부 상에 설치되는 플레이트인 것을 특징으로 한다.

상기 탄성체는 복수의 탄성 스프링으로, 상기 탄성 스프링의 각각은 상기 발전유닛이 설치된 상기 파운데이션의 무게 중심을 기준으로 서로 등 간격으로 상기 바지선 본체와 파운데이션의 사이에 장착될 수 있다.

상기 중공부의 전후 및 좌우방향에는 상기 파운데이션의 횡 이동 방지쿠션이 부착될 수 있다.

상기 발전유닛은 상기 파운데이션의 무게중심을 기준으로 서로 등 간격으로 설치되는 복수 개의 발전유닛을 포함할 수 있다.

이때, 상기 복수 개의 발전유닛 중, 어느 하나의 발전유닛을 가스 발전기와 터빈으로 구성하거나, 다른 하나의 발전유닛을 스팀 발전기와 터빈으로 구성하거나, 또는 이들을 조합하여 구성할 수 있다.

본 고안의 실시 예에 따르면, 바지선 본체와 파운데이션이 탄성체가 개재되어 분리됨에 따라, 파랑 하중에 의해 바지선 본체가 변형되더라도 발전장치 하부의 파운데이션은 그 변형이 흡수되기 때문에 샤프트의 라인이 유지되고, 파운데이션에 대한 진동 문제가 해결되는 효과를 가진다.

또한, 본 고안의 실시 예에 따르면, 별도의 해상용 발전장치의 샤프트를 개발할 필요가 없어지며, 해상 환경에 따른 운용 제한 범위가 넓어지는 효과를 가진다.

도 1은 기존의 BMPP를 나타내는 개념도이고,
도 2는 도 1의 BMPP에 있어서, 파운데이션의 변형에 따라 발생하는 발전기와 터빈의 위상 차에 의해 샤프트가 변형되는 상태를 나타내는 예시도이고,
도 3은 본 고안의 일 실시 예에 따른 부유식 발전 플랜트의 구성을 나타내는 측면 개략도이고,
도 4는 도 3의 평면도이고,
도 5는 도 4의 단면도이다.

이하, 본 고안의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 어떠한 부분이 어떠한 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 3 내지 도 5는 본 고안의 일 실시 예에 따른 부유식 발전 플랜트의 구성을 나타내고 있다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 고안의 일 실시 예에 따른 부유식 발전 플랜트는 바지선 본체(30)와 발전유닛(40)이 설치되는 파운데이션(50)을 분리하되, 바지선 본체(30)와 파운데이션(50)의 사이에 탄성체(60)가 개재시킨 것이 특징이다.

이러한 구성에 의해 본 고안 부유식 발전 플랜트는 파랑 하중이 바지선 본체(30)에 가해지더라도 발전유닛(40)이 설치된 파운데이션(50)이 탄성 지지됨으로서, 발전유닛(40)의 샤프트(42)가 변형되지 않고 유지될 수 있고, 파운데이션(50)에 진동이 가해져도 그 진동을 흡수할 수 있다.

해상에 부유할 수 있는 바지선 본체(30)는 내부에 중공부(32)가 형성되며, 발전유닛(40)이 설치되는 파운데이션(50)은 바지선 본체(30)와 분리되도록 중공부(32)의 상부에 설치될 수 있다.

파운데이션(foundation)(50)은 평탄한 플레이트로서, 이러한 파운데이션(50)에는 터빈(turbine)(44)과 발전기(generator)(46)가 샤프트(shaft)(42)로 연결되도록 구성된 통상적인 발전유닛(40)이 장착될 수 있다.

바지선 본체(30)와 파운데이션(50)의 사이에는 탄성체(60)로서, 복수의 탄성 스프링(62)이 개재된다.

이때, 각각의 탄성 스프링(62)은 발전유닛(40)과 파운데이션(50)의 무게 중심을 기준으로 바지선 본체(30)와 파운데이션(50)의 사이에 중공부(32)에 서로 등 간격으로 장착됨에 따라, 부유 작동(floating operation) 시, 굽힘 모멘트로 인한 인장력과 압축력에 의해 중앙부가 들어 올려지듯이 파운데이션(50)이 변형되더라도, 이러한 변형을 복수의 탄성 스프링(62)이 균등하게 흡수함으로써, 파운데이션(50) 상에 설치된 발전유닛(40)의 터빈(44)과 발전기(46)에는 위상 차가 발생하지 않게 될 수 있다.

부유 작동(floating operation) 시, 파운데이션(50)이 전후 좌우로 심하게 변형되어 바지선 본체(30)에 부딪치게 되면, 파운데이션(50)과 바지선 본체(30)가 손상될 우려가 있다.

이를 방지하기 하고자, 파운데이션(50)이 위치되는 바지선 본체(30)의 중공부(32)의 전후 및 좌우방향에는 파운데이션(50)의 횡 이동을 제한할 수 있는 소재, 예를 들어 우드(wood) 재질의 횡 이동 방지쿠션(64) 또는 서포트(support)을 부착될 수 있다.

한편, 본 고안의 실시 예에 있어서, 발전유닛(40)은 터빈(44)과 발전기(46)로 구성된 하나의 발전유닛(40)으로 도시하였으나, 이와 달리 복수 개의 발전유닛으로 구성할 수 있다.

이때 각각의 발전유닛들을 파운데이션(50)의 무게 중심을 중심으로 서로 등 간격으로 설치될 수 있고, 예들 들어 어느 하나의 발전유닛을 가스 발전기와 터빈으로 구성하거나, 다른 하나의 발전유닛을 스팀 발전기와 터빈으로 구성할 수 있고, 또한 이들을 적절히 조합하여 구성할 수도 있다.

이 경우에도, 바지선 본체(30)와 파운데이션(50)의 사이에 개재되는 복수의 탄성 스프링(62)의 각각은 복수의 발전유닛(40)들이 설치된 파운데이션(50)의 무게 중심을 기준으로 바지선 본체(30)와 파운데이션(50)의 사이에 중공부(32)에 서로 등 간격으로 장착되어 부유 작동(floating operation) 시의 파운데이션(50)의 전후 좌우로의 변형을 균등하게 흡수함으로써, 파운데이션(50) 상에 설치된 발전유닛(40)의 터빈(44)과 발전기(46)에는 위상 차가 발생하지 않게 된다.

이상과 같이 구성된 본 고안의 부유식 발전 플랜트는 바지선 본체(30)와 발전유닛(40)이 설치되는 파운데이션(50)의 사이에 복수의 탄성 스프링(62)이 개재되어 분리되어 있으므로, 부유 작동(floating operation) 시, 굽힘 모멘트로 인한 인장력과 압축력이 가해짐에 따라 파운데이션(50)이 전후 좌우로 변형하게 되더라도, 이를 복수의 탄성 스프링(62)이 균등하게 흡수함으로써, 파운데이션(50) 상에 설치된 발전유닛(40)의 터빈(44)과 발전기(46)에는 위상 차가 발생하지 않게 되어 해상 환경이 좋지 않은 상태에서도 발전 작업을 안정적으로 행할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 고안에 따른 부유식 발전 플랜트의 바람직한 실시 예에 불과한 것으로서, 본 고안은 상기한 실시 예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 고안의 기술적 정신이 있다고 할 것이다. 그리고 본 고안의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.

30 : 바지선 본체
32 : 중공부
40 : 발전유닛
42 : 샤프트
44 : 터빈
46 : 발전기
50 : 파운데이션
60 : 탄성체
62 : 탄성 스프링
64 : 횡 이동 방지쿠션