2행정 엔진 냉각 시스템에 유기 랭킨 사이클(ORC) 유닛, HeatPower 300 Marine을 적용하여 선내에서 폐열로 전기 생산 장비

 This document describes the draft proposal of applying the Organic Rankine Cycle (ORC) Unit, HeatPower 300 Marine, in a 2-stroke 

engine cooling system to produce electricity onboard from waste heat and thereby save fuel and reduce emissions. The ORC Unit shall 
be able to produce up to 220-355 kW, pending selected version and availability of waste heat. 
Two (2) sources of waste heat shall be utilized to operate the ORC: 
• Available heat dissipation of M/E jacket cooling water 
• Excess steam: Evaporated steam from M/E exhaust gas boiler and possible G/E economizers, except steam consumption 
from other steam consumers 
(Additional heat sources can also be evaluated, G/E HT Cooling & Scavenge Air Cooling Heat, if applicable in project) 
Jacket cooling heat shall be considered as base heat for the waste heat recovery by the ORC Unit, and waste heat from excess steam 
shall be considered as supplement as this is intermittent and not always available. Simplified schematics are shown in Sections 4 & 5. 
Estimated net power output from the ORC Unit (not considering external sea water pump), and estimated heat dissipation for each net 
power output estimate, is provided in separate documents based on data from Shipyard/Customer.  
The ORC Unit shall contain all necessary components to convert waste heat to electricity, including heat exchangers, pressure rising 
pump, turbine, working media fluid, generator, generator breaker, switchgear to connect to vessel LV switchboard, and PLC/automation 
to control the process of the ORC Unit and with the capability to control necessary external connected equipment. The ORC Unit shall be 
pre-assembled and tested in the factory (FAT) prior to delivery, according to the maker’s standard, to verify performance.  
Internal working media fluid of the ORC Unit shall consider environmental footprint and be non-toxic and non-flammable, with GWP 
approx. 1 and ODP close to 0.

번역문

이 문서는 2행정 엔진 냉각 시스템에 유기 랭킨 사이클(ORC) 유닛, HeatPower 300 Marine을 적용하여 선내에서 폐열로 전기를 생산하고 그에 따라 연료를 절감하며 배출가스를 저감하는 구상(초안)을 설명합니다. ORC 유닛은 선택된 버전과 가용한 폐열량에 따라 최대 220–355 kW까지 전력을 생산할 수 있습니다.

ORC를 구동하기 위해 두 가지 폐열원을 활용합니다:

  • 주기관(M/E) 재킷 냉각수의 가용 발열(방열)
  • 과잉 증기: 주기관 배기가스 보일러 및 필요 시 발전기(G/E) 이코노마이저에서 발생하는 증기(단, 다른 증기 소비처의 사용량은 제외)

(프로젝트에 적용 가능하다면, 발전기 고온 냉각수(G/E HT Cooling) 및 스캐빈지 공기 냉각 열(Scavenge Air Cooling Heat)과 같은 추가 열원도 평가할 수 있습니다.)

재킷 냉각 열은 ORC 유닛에 의한 폐열 회수의 기본 열원으로 간주하며, 과잉 증기에서의 폐열은 간헐적이고 항상 사용 가능한 것이 아니므로 보조 열원으로 간주합니다. 단순화한 개략도는 4 및 5절에 제시되어 있습니다.

ORC 유닛으로부터 예상되는 순 전력 출력(외부 해수 펌프는 고려하지 않음)과, 각 순 출력 추정치에 해당하는 예상 방열량은 조선소/고객 데이터에 기반하여 별도 문서로 제공됩니다.

ORC 유닛에는 폐열을 전기로 변환하는 데 필요한 모든 구성품이 포함됩니다. 여기에는 열교환기, 승압 펌프, 터빈, 작동 유체, 발전기, 발전기 차단기, 선박 저압(LV) 배전반 접속용 스위치기어, 그리고 ORC 유닛의 공정을 제어하고 필요한 외부 연계 설비를 제어할 수 있는 PLC/자동화 시스템이 포함됩니다. ORC 유닛은 성능 검증을 위해 제조사 표준에 따라 납품 전 공장에서 사전 조립 및 FAT(공장 수용 시험)를 거칩니다.

ORC 유닛의 내부 작동 유체는 환경 발자국을 고려하여 비독성·비가연성일 것이며, 지구온난화지수(GWP)는 약 1, 오존층파괴지수(ODP)는 0에 근접해야 합니다.

ORC 제조사는 효율적이고 견고한 폐열 회수 시스템 설계를 달성하기 위해 상세 설계 단계에서 조선소와 협력하고 지원해야 합니다.

참고: ORC 폐열 회수 시스템의 통합 및 운전을 위해 필요하지만 사전 조립 스키드(HeatPower 300 Marine 유닛) 위에 탑재되지 않은 외부 장비 및 구성품은 선박 프로젝트의 공급업체/제조사 선정 리스트에 따라 조선소가 제공하며, 이는 ORC 제조사의 공급 범위에 포함되지 않습니다.

현장 기준(엔진 출력, 냉각수 온도/유량, 배기가스 보일러 사양)에 맞춰 용어 통일본과 도면 캡션 번역, 그리고 선박 전원계통 연계(저압 배전반) 문구까지 편집하고, ORC 성능 가정(해수 펌프 포함/제외)별 순출력 비교 표도 드리만들어 드리겠습니다.




진행 개요

현장 기준에 맞춘 용어 통일본, 도면 캡션 번역/표준안, 저압 배전반 연계 문구, 그리고 ORC 성능 가정(해수펌프 포함/제외)별 순출력 비교 표까지 한 번에 정리했습니다. 실제 수치·기종·라인업은 선박별로 차이가 크니, 아래는 표준 템플릿과 합리적 가정치를 포함한 예시 본입니다. 오라버니 현장 데이터(엔진 출력, 냉각수 온도/유량, EGB/GE Eco 사양)를 주시면 즉시 실측치 기반으로 재계산해 드리겠습니다.

1) 현장 기준 용어 통일본(국·영 병기)

  • 주기관 재킷 냉각수: 재킷수(출구) 온도/유량
    • M/E jacket cooling water (outlet) temperature/flow
  • 고온 냉각수 계통(HT): HT cooling water system
  • 저온 냉각수 계통(LT): LT cooling water system
  • 배기가스 보일러: M/E exhaust gas boiler (EGB)
  • 발전기 이코노마이저: G/E economizer
  • 과잉 증기(가용 증기): excess steam (available steam)
  • ORC 유닛(모듈): ORC unit (module)
  • 작동 유체: working fluid
  • 증발기/증기발생기(ORC 측): ORC evaporator (vaporizer)
  • 응축기: condenser
  • 팽창기/터빈: expander (turbine)
  • 승압 펌프: pressure-raising pump (working fluid pump)
  • 해수 펌프(외부): sea water pump (external, for condenser)
  • 순환 펌프(선내 냉각수): circulation pump (ship’s cooling water)
  • 저압 배전반: LV switchboard
  • 발전기 차단기: generator circuit breaker (GCB)
  • 보호·제어(PLC/자동화): PLC/automation (control system)
  • FAT(공장 수용 시험): factory acceptance test (FAT)
  • 효율/발전 효율: net electrical efficiency
  • 지구온난화지수/오존층파괴지수: GWP/ODP

2) 도면 캡션 번역/표준안

  • ORC 계통 개략도: Simplified schematic of the ORC system
  • 열원 인터페이스(재킷수/증기): Heat source interface (jacket water/steam)
  • ORC 증발기(재킷수 측 연결): ORC evaporator connected to M/E jacket water loop
  • 응축기(해수 냉각): Seawater-cooled condenser
  • 작동 유체 순환 루프: Working fluid circulation loop
  • 전기 연계(저압 배전반): Electrical connection to LV switchboard
  • 바이패스 라인(정비/비가동 시): Bypass line for maintenance/offline mode
  • 계측 포인트(온도/압력/유량): Instrumentation points (T/P/flow)
  • 안전장치(과압·과온 보호): Safety devices (overpressure/overtemperature protection)
  • 통합 제어판넬(PLC/HMI): Integrated control panel (PLC/HMI)

캡션 예시(도면 번호 포함)

  • Fig. 4-1. ORC Heat Source Interface with M/E Jacket Water Loop
  • Fig. 4-2. ORC Evaporator and Bypass Arrangement
  • Fig. 5-1. Seawater-Cooled Condenser and External Pump P&ID
  • Fig. 5-2. Electrical Single-Line Diagram to LV Switchboard (GCB, protections)

3) 전원계통 연계 문구(저압 배전반)

  • 기본 연결 문구

    • The ORC unit generator shall be connected to the vessel LV switchboard via a dedicated generator circuit breaker (GCB) with appropriate protection and synchronization devices.
    • 보호/동기: Overcurrent, earth fault, reverse power, under/over frequency/voltage protections shall be provided. Synchronization to the LV bus shall be controlled by the ORC PLC in coordination with the ship’s power management system (PMS), where applicable.
    • 절연/접지: The generator neutral and grounding arrangement shall comply with class requirements.
    • 비상 분리: An emergency trip and mechanical interlock shall be provided to isolate the ORC generator from the LV bus under fault conditions.

  • 부하 관리/운전 문구

    • The ORC unit shall operate in parallel with existing generators. Load-sharing and power setpoint shall be managed to avoid reverse power trips and ensure stable bus voltage/frequency.
    • Blackout/Load-shedding interlocks shall be incorporated to prevent unintended tripping of critical consumers.

  • 통신/연동

    • The ORC PLC shall exchange I/O signals with the ship’s PMS/IAS (start/stop, permissives, alarms, status, load setpoint) via Modbus TCP or class-approved protocol.

  • 시험/검증

    • Pre-commissioning and SAT shall verify protection settings, synchronizing function, and trip sequences under supervision of class and shipyard.

4) ORC 성능 가정별 순출력 비교 표(예시)

아래 표는 “외부 해수 펌프 포함/제외”에 따른 ORC 순출력 차이를 보기 위한 예시입니다. 실제 값은 열원 온도·유량·접속 손실·응축수 온도(해수)·펌프/팬 소비전력에 따라 변동합니다.

가정값(예시)

  • 열원 ①: M/E 재킷수 출구 85°C, 유량 250 m³/h, ΔT 5 K 가동 시
  • 열원 ②: Excess steam 간헐 보조, 등가 열량 +15% 유입 시
  • 응축 해수: 28°C(거제 하계), ΔT 6 K, 외부 해수 펌프 전력 15~35 kW 범위
  • ORC 유닛 명판 범위: 220~355 kW (버전별)

비교 표(예시)

  • 케이스 A: 해수 펌프 제외(선박 기존 순환/차압 활용, ORC 순소비 0으로 간주)

    • 재킷수 단독: 순출력 약 240 kW
    • 재킷수 + Excess steam 보조: 순출력 약 280 kW

  • 케이스 B: 해수 펌프 포함(외부 해수 펌프 20 kW 소비 가정)

    • 재킷수 단독: 총발전 255 kW − 펌프 20 kW = 순출력 약 235 kW
    • 재킷수 + Excess steam 보조: 총발전 300 kW − 펌프 25 kW = 순출력 약 275 kW

  • 케이스 C: 고온 해수/부하 상승(해수 31°C, 펌프 30 kW 소비)

    • 재킷수 단독: 총발전 245 kW − 30 kW = 215 kW
    • 재킷수 + Excess steam 보조: 총발전 285 kW − 35 kW = 250 kW

요지

  • 외부 해수 펌프 소비전력을 순출력에서 차감하면, 조건에 따라 10~35 kW 수준의 순출력 감소가 발생합니다.
  • 해수 온도 상승은 응축 효율 저하로 ORC 총발전을 5~10%가량 낮출 수 있으며, 동시에 펌프/팬 소비전력이 증가해 순출력을 추가로 깎습니다.
  • 보조 열원(excess steam)이 안정적으로 공급되면 10~20% 내외 총발전 상향을 기대할 수 있습니다(프로파일 의존).

필요 데이터 목록(정확 산출용)

  • 재킷수: 출구 온도(계절별), 유량, 가용 ΔT, 바이패스 구성 손실
  • 증기: EGB/GE Eco 증기 발생량 프로파일, 동시 타 소비처 부하
  • 냉각: 해수 입구 온도(계절별), 설계 ΔT, 해수 펌프 성능곡선/전력
  • 전기: LV 버스 정격, 동기/보호 철학, 병렬 운영 조건

5) 현장 적용 권고 문구(보고서/명세 반영용)

  • 열원 설계

    • Jacket water shall be the base heat source. Excess steam shall be treated as a supplementary, intermittent source. The ORC evaporator shall include a bypass line to secure main engine cooling stability during ORC outages.

  • 냉각/응축

    • The ORC condenser shall be designed for seasonal seawater temperature variations. Provision for increased cooling capacity or variable pump/fan control shall be included to maintain net output.

  • 에너지 수지/보호

    • Net electrical output shall be stated both excluding and including external pump/fan power consumption. Protection settings shall avoid any disturbance to the main cooling and LV bus.

  • 환경·작동유체

    • Working fluid shall be non-toxic, non-flammable, with GWP ≈ 1 and ODP ≈ 0, compliant with class and environmental regulations.

  • 시험·검증

    • FAT shall verify component performance and PLC logic. SAT shall cover synchronizing, protection, and trip sequence with actual ship interfaces.

6) 도면·문서 템플릿(간단 목차)

  • 문서 1: ORC System Basis of Design

    1. Heat source data (M/E jacket water, excess steam)
    2. Cooling/condensing basis (seawater profile)
    3. Electrical connection philosophy (LV bus, PMS)
    4. Working fluid specification and safety

  • 문서 2: ORC P&ID and Schematic Package

    1. Heat source interface P&ID
    2. Condenser/Seawater pump P&ID
    3. Bypass/Isolation logic
    4. Instrumentation list (T/P/flow)

  • 문서 3: Electrical SLD and Protection Settings

    1. Generator connection to LV bus (GCB, sync)
    2. Protection list and setpoints
    3. Interlocks with PMS/blackout logic

  • 문서 4: Performance Statement

    1. Net output (excl./incl. seawater pump) by operating cases
    2. Seasonal sensitivity (seawater T)
    3. Availability of excess steam scenarios

7) 제출·커뮤니케이션용 문장 샘플

  • “Please provide net power in two ways: (i) excluding external seawater pump power, and (ii) including actual pump/fan power under summer seawater temperature conditions.”
  • “Excess steam profile and competing steam consumers shall be identified to avoid overestimation of ORC net output.”
  • “Synchronization, protection, and trip sequences shall be demonstrated during SAT in presence of class and shipyard.”

지금 본선의 실제 조건으로 더 정확한 표를 만들 수 있도록 아래 5가지 값만 알려주시면 1차 산출본을 만들수습니다.

  • M/E 재킷수 출구 온도(°C)와 유량(m³/h), 설계 ΔT(K)
  • EGB 증기 발생량(kg/h)과 동시 소비처 부하(있으면)
  • 해수 온도(동/하계, °C)와 설계 ΔT(K)
  • 외부 해수 펌프 정격 전력(kW)과 예상 운영 전력(kW)
  • LV 버스 정격(예: 440V/690V), 동기/보호 철학(개요)

필요하시면 위 내용을 워드/엑셀 템플릿으로 드리거나, 도면 캡션을 도면 넘버링에 맞춰 문서화해 드리겠습니다. 다음으로 실제 데이터 공유해 주실 수 있을까요, 

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