KR101553196B1 - 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 ORC 시스템을 통한 열에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템에 관한 것으로서, 그 특징적인 구성은, 배열과의 열교환으로 유체를 가열시키는 과열기와; 상기 과열기로부터 상기 유체를 공급받아 기계적 에너지를 생성하는 터빈과; 상기 터빈의 동력축에 연결되어 전력을 생산하는 발전기와; 상기 터빈을 통과한 기체와 액체 상태의 상기 유체를 수용하는 응축기와; 상기 응축기 내의 액체 상태에 있는 상기 유체를 펌핑하는 펌프와; 상기 펌프와 과열기 사이의 유체라인 상에 설치하여 기체와 액체 상태의 상기 유체를 수용하는 버퍼탱크와; 상기 터빈의 동력축에 연결하고, 상기 응축기와 버퍼탱크 각각에 대하여 각각 분기라인으로 연결하여, 상기 터빈의 동력으로 상기 응축기로부터 상기 유체를 흡입하고, 흡입한 상기 유체를 압축 및 가열시켜 상기 버퍼탱크로 공급하는 압축기; 및 상기 버퍼탱크와 응축기를 연결한 바이패스라인에 설치하여 상기 버퍼탱크와 응축기 사이의 압력 차이로 유동하는 상기 유체를 강제 기화시키는 팽창밸브;를 포함하여 이루어지고, 상기 유체는 상기 터빈, 응축기, 펌프, 버퍼탱크, 과열기 순으로 이어지는 제 1 사이클 라인과 상기 압축기, 버퍼탱크, 팽창밸브, 응축기 순으로 이어지는 제 2 사이클 라인을 공유하는 단일 유체이다.
Description
본 발명은 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 ORC와 히트펌프 사이클을 단일의 유체로 공유하여 구동시켜 열에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템에 관한 것이다.
현대 사회에서의 환경 및 에너지 산업은, 21 세기에 가장 각광받는 유망산업으로 인식될 뿐 아니라 국가경쟁력을 평가하는 주요한 척도로 인식되고 있다.
또한, 현대 사회는, 직면한 지구온난화 문제를 해결하기 위한 방법으로, 화석연료 에너지를 대체할 만한 신재생 에너지의 개발과 그 확대보급이 필수적이라는데 대하여 인식을 같이하고 있다.
따라서, 많은 국가들은 신재생 에너지 산업을 부가가치가 높은 차세대 산업으로 인식하면서 관련 산업 육성을 지속적으로 지원하고 있다.
특히, 신재생 에너지의 이용에 있어서, 시스템의 효율향상은, 주요 관심사항이고, 그 기술 개발 또한 선결 과제로서 주목받고 있다.
이러한 노력의 일환으로 산업폐열이나 신재생 에너지를 이용하는 유기 랭킨 사이클 기술분야는 효율향상을 위한 기술 연구가 많이 진행되고 있다.
일반적인 랭킨 사이클(Rankine cycle) 발전시스템은, 과열기(evaporator)를 통과하면서 고압이 된 증기가 터빈(turbine)을 회전시킴으로써 발생되는 축동력을 전기에너지로 변환시키는 시스템이다.
기존의 랭킨 사이클은 유체(working fluid)로서 물(water)을 사용하였으며, 물은 고온의 열원에 대해서는 효율적인 작동 유체이지만, 열원 온도가 중저온(70~400℃)인 경우에는 시스템의 효율 저하로 인한 경제성 문제로 그 적용이 어려웠다.
중저온 열원의 적용시에 발생되는 기존 랭킨 사이클의 효율저하 문제를 극복하기 위한 유기 랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 유체로서 물을 대신하여 유기혼합물(organic compound)을 사용한다.
즉, 유기 랭킨 사이클 발전시스템은 화력발전 시스템과 기본 구성은 동일하지만 유기 혼합물을 유체로 사용하는 발전시스템이다.
유기 랭킨 사이클은, 기존의 랭킨 사이클과는 달리 비교적 엑서지(exergy)가 낮은 저열원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템으로서, 낮은 에너지 열원에서 작동해야 하기 때문에 유체로는 비등점이 낮고, 증기압이 높아야 하며, 터빈의 입구 질량유량을 증가시키기 위해 잠열(latent heat)이 작고, 밀도가 큰 것이 상대적으로 유리하다.
또한, 유기 랭킨 사이클은, 중저온의 열원을 사용함으로 인해 사이클 효율이 10% 내외로 낮기 때문에 주로 산업공정에서 발생하는 폐열이나 배열을 회수하는 하부 사이클(bottoming cycle)로 활용된다.
이렇게 유기 랭킨 사이클의 유체로 사용되는 유기 혼합물은 비등점이 낮아 저온에서도 기화되기 때문에 중저온 배열, 태양열, 지열 등을 이용하여 운용할 수 있어야 하며, 주로 사용되는 유기 혼합물은 프레온(freon) 계열의 냉매와 프로판(propane) 등의 탄화수소계(hydrocarbon series) 물질 등이 있다.
일반적인 유기 랭킨 사이클 구성은, 도 1의 구성도와 도 2의 운전선도에서 볼 수 있듯이, 펌프(pump)(18), 과열기(증발기:10), 터빈(12) 및 응축기(condensor)(16)로 구성되어 있다.
이에 따른 유체의 사이클 과정은, 펌프(18)에 의한 압축과정, 과열기(10)에서의 흡열 과정, 터빈(12)에서의 팽창 과정, 응축기(16)에서의 방열 과정의 순환으로 이루어진다.
이에 대하여 더욱 구체적으로 살펴보면, 터빈(12)의 출구에서 과열(superheated) 상태의 유기혼합물은, 도 1, 2에서 이해될 수 있는 바와 같이, 응축기(16)에서 응축(②-③ 과정)되어 포화(saturated) 액상으로 펌프(18)에 의해 압축(③-④ 과정)된다.
이어서, 펌프(18)의 압축에 의해 과냉(subcooled) 상태로 된 유기혼합물은, 과열기(10)에서 열원과의 열교환을 통해 포화증발온도에 도달(④-⑤ 과정)한 후, 기상으로 증발(⑤-① 과정)하게 된다. 과열기(10) 출구에서의 포화증기 유기혼합물은 터빈(12)에서 팽창(①-② 과정)되고, 이로부터 발생한 팽창일(expansion work)은 기계적 에너지로 변환되며, 이렇게 변환된 기계적 에너지는 터빈(12)과 연결된 발전기(14)를 구동시킴으로써 전력을 생산하게 한다. 터빈(12) 출구에서의 유기혼합물은 과열상태로 응축기로 유입되어, 다시 응축되는 과정을 반복하는 순환과정을 갖는다.
기존 랭킨 시스템의 작동 유체인 물이 포화 증기점에서 터빈을 통해 팽창되는 경우에 터빈 출구에서 2상(two_phase)상태로 유지되는 것과는 달리, 유기 혼합물은 과열 증기 상태로 유지된다. 따라서, 유기 혼합물은 유기랭킨시스템의 터빈 내에서는 액적(liquid droplet)이 적게 발생되어 터빈 회전익(rotating brade)에 스트레스가 적어지고, 과열기 출구에서 과열영역이 필요 없는 포화 사이클 시스템을 구성할 수 있다.
하지만, 현재까지 유기 랭킨 사이클은, 아직까지 그 효율이 미비한 수준이고, 이를 극복하기 위한 많은 연구와 노력이 집중되고 있는 실정이다.
본 발명은, 상술한 바와 같이, 유기 랭킨 사이클의 효율을 더욱 높이기 위해 안출한 것으로서, 구체적으로는 단일의 유체로 유기 랭킨 사이클과 히트펌프 사이클에 공유하여 구동시킴으로써 열의 낭비를 줄임과 동시에 동력의 효율적 이용으로 발전의 효율을 높이도록 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템의 특징적인 구성은, 배열과의 열교환으로 유체를 가열시키는 과열기와; 상기 과열기로부터 상기 유체를 공급받아 기계적 에너지를 생성하는 터빈과; 상기 터빈의 동력축에 연결되어 전력을 생산하는 발전기와; 상기 터빈을 통과한 기체와 액체 상태의 상기 유체를 수용하는 응축기와; 상기 응축기 내의 액체 상태에 있는 상기 유체를 펌핑하는 펌프와; 상기 펌프와 과열기 사이의 유체라인 상에 설치하여 기체와 액체 상태의 상기 유체를 수용하는 버퍼탱크와; 상기 터빈의 동력축에 연결하고, 상기 응축기와 버퍼탱크 각각에 대하여 각각 분기라인으로 연결하여, 상기 터빈의 동력으로 상기 응축기로부터 상기 유체를 흡입하고, 흡입한 상기 유체를 압축 및 가열시켜 상기 버퍼탱크로 공급하는 압축기; 및 상기 버퍼탱크와 응축기를 연결한 바이패스라인에 설치하여 상기 버퍼탱크와 응축기 사이의 압력 차이로 유동하는 상기 유체를 강제 기화시키는 팽창밸브;를 포함하여 이루어지고, 상기 유체는 상기 터빈, 응축기, 펌프, 버퍼탱크, 과열기 순으로 이어지는 제 1 사이클 라인과 상기 압축기, 버퍼탱크, 팽창밸브, 응축기 순으로 이어지는 제 2 사이클 라인을 공유하는 단일 유체이다.
또한, 상기 터빈은 스크류 터빈, 용적식 터빈, 터보 터빈 중 어느 하나를 선택 적용할 수 있다.
그리고, 상기 발전기와 압축기는 상기 터빈의 동력축에 연결하여 함께 구동하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 응축기에는 기체 상태의 상기 유체를 열교환으로 냉각시키는 냉각라인을 더 연결토록 함이 바람직하다.
또한, 상기 응축기와 버퍼탱크는, 다수의 관통공을 갖는 분리판 복수개를 각각의 내부에 상하 방향으로 간격을 두고 배치하여 이루어지고, 상기 복수의 분리판은 수용한 상기 유체의 대류 현상을 지연시켜 기체 및 액체 상태인 상기 유체의 온도 분포를 복수의 층으로 분리 구분토록 함이 바람직하다.
본 발명의 구성에 따르면, 유체가 터빈, 응축기, 펌프, 버퍼탱크, 과열기 순으로 순환하는 ORC 시스템의 제 1 사이클 라인과; 압축기, 버퍼탱크, 팽창밸브, 응축기 순으로 순환하는 히트펌프 사이클인 제 2 사이클 라인을 단일 매체로 공유하고, 제 1, 2 사이클 라인의 공통 구성인 버퍼탱크와 응축기에서 상호 보완 관계를 이룸으로써 열에너지 손실을 줄일 뿐 아니라 압축기는 터빈의 동력축에 연결하여 함께 구동함으로써 기계적 에너지의 효율성을 높이며, 이에 따른 발전의 효율을 높이는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 유기 랭킨 사이클을 나타낸 계통도이다.
도 2는 일반적인 유기 랭킨 사이클의 운전선도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템의 구동 관계를 설명하기 위한 계통도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템에 따른 에너지 효율관계를 설명하기 위한 운전선도이다.
도 5는 도 3의 버퍼탱크를 기초하여 응축기와 버퍼탱크 각 내부에 분리판이 설치되는 관계와 그에 따른 작용관계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 유체의 특성을 나타낸 표이다.
도 2는 일반적인 유기 랭킨 사이클의 운전선도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템의 구동 관계를 설명하기 위한 계통도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템에 따른 에너지 효율관계를 설명하기 위한 운전선도이다.
도 5는 도 3의 버퍼탱크를 기초하여 응축기와 버퍼탱크 각 내부에 분리판이 설치되는 관계와 그에 따른 작용관계를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 유체의 특성을 나타낸 표이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용하는 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석될 것이 아니라, '발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다'는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시한 구성은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과한 것일 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
그리고, 본 발명의 설명에 앞서서, 본 발명에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템은, 내연기관 또는 산업시설로부터 배출되는 배열로부터 열에너지를 회수하여 발전의 효율을 높이는 것으로 의도하고 있다.
즉, 본 발명은 종래 기술과 비교하여 유체의 응축을 위한 냉각을 최대한 억제하여 열 손실을 줄이고, 그 열을 발전에 재사용토록 하기 위해 안출한 것이다.
따라서, 본 발명은 상온 이하의 냉각 공조를 위한 기술 적용을 배제하고 있으며, 상온 이상의 히팅 공조를 위한 기술에는 그 적용이 병행될 수 있으나 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템은, 도 3에 도시한 바와 같이, 외부 시설로부터 열을 회수하여 유체를 가열하는 과열기(10)와; 과열기(10)를 거쳐 가열된 유체의 팽창 에너지를 발전기(24)를 구동시키기 위한 기계적 에너지로 변환 생성하는 터빈(20)과; 터빈(20)을 통과한 유체를 기체와 액체 상태로 수용하는 응축기(28); 및 응축기(28) 내의 액상 유체를 과열기(10)로 공급하는 펌프(30); 순으로 이어지는 ORC 시스템인 제 1 사이클 구간을 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템은, 상술한 펌프(30)와 과열기(10) 사이의 유체라인(L5, L5') 상에 연통 설치되어 일정량의 유체를 수용하는 버퍼탱크(32)와; 상술한 터빈(20)의 동력축에 연결되고, 응축기(28)와 버퍼탱크(32)에 각각 분기라인(L6, L7)으로 연결되며, 터빈(20)의 동력으로 응축기(28)로부터 유체를 흡입하여 고온 고압으로 압축하여 버퍼탱크(32)로 공급하는 압축기(26); 및 상술한 버퍼탱크(32)와 응축기(28) 사이를 연결하는 바이패스라인(L8)에 설치되어 버퍼탱크(32)에서 응축기(28)로 유동하는 유체의 양을 제어하는 팽창밸브(34); 순으로 이어지는 히트펌프 사이클인 제 2 사이클 구간을 위의 제 1 사이클 구간과 병행하여 구비한다.
상술한 제 1, 2 사이클 구간을 통해 순환하는 유체는, 동일할 뿐 아니라 제 1, 2 사이클 구간이 상호 공유하는 응축기(28)와 버퍼탱크(32) 각 내부에서 상호 혼합되고, 또 응축기(28)와 버퍼탱크(32) 각 내부에서 액체·기체 상태 및 온도 편차에 따라 구분되어 분리되는 과정을 갖는다.
따라서, 본 발명은, 상술한 제 1, 2 사이클 구간을 병렬 및 혼합관계로 연결되어 각각의 순환 구조를 이룸으로써 바이너리 사이클(binary cycle)구조를 이룬다.
이상에서 살펴본 본 발명의 각 구성에 대하여 더욱 구체적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 과열기(10)는, 내연기관 또는 산업시설로부터 배출되는 배열라인(H)과 연결되고, 배열라인(H)으로부터 열을 열교환 방식으로 열을 회수하여 수용되는 유체의 가열을 담당한다.
여기서, 본 발명의 적용을 위한 운전 조건 중 상술한 배열라인(H)을 통해 유동하는 열원은, 과열기(10) 내의 이미 설정한 유체의 가열 온도 이상인 것을 전제로 한다. 그 일 예로서, 후술하는 바와 같이, 과열기(10) 내에서 유체의 가열 온도가 85~120℃ 범위에 있도록 하는 것에 대하여 그 이상 온도조건을 만족하는 것으로 전제할 수 있다. 그리고, 일 예로서 제시한 온도는 도 6에서 확인되는 특성의 유체(R245fa)를 기준으로 한 것이다.
또한, 터빈(20)은, 상술한 과열기(10)와 연결된 유체라인(L1)을 통해 공급되는 포화 상태의 유체를 팽창하게 하고, 이를 통해 기계적 에너지로 변환하는 기능을 담당한다.
여기서, 제 1, 2 사이클 구간 내에서의 압력 편차가 작고, 제 1, 2 사이클 구간 내에서 유체의 상변환에 따른 온도 편차 또한 작아, 터빈(20)을 포함한 제 1, 2 사이클 구간 내에서 작용매체인 유체의 상변환이 공존할 수 있다.
따라서, 터빈(20)은, 블레이드를 이용하는 터보형 팽창기(터보형 터빈)보다는 스크류형 팽창기(스크류형 터빈) 또는 용적식 팽창기(용적식 터빈)를 적용함이 바람직하다.
즉, 본 발명에 적용하고자 하는 유체는, 후술하는 바와 같이, 저온인 40~70℃ 온도범위에서 포화 증기상태의 압력이 2.5~6.0bar 범위, 액상엔탈피 250~295kJ/kg 범위 및 기상엔탈피 430~455kJ/kg 범위에 있고, 고온인 85~120℃ 온도범위에서 포화 증기상태의 압력이 9.0~19.0bar 범위, 액상엔탈피 320~370kJ/kg 범위 및 기상엔탈피 470~485kJ/kg 범위에 있는 유기 유체 중 선택된 일종이다.
이에 따라 터빈(20) 내에서 고온인 85~120℃ 온도범위에 있는 유체는, 액체 상태가 공존할 수 있다.
이와 같이 액체상태의 유체가 기체 상태의 유체와 함께 고압으로 팽창할 경우에는, 터보형 팽창기의 블레이드와의 충돌하고, 그 충격으로 블레이드를 포함한 터보형 터빈의 내구성 및 구동 안정성에 문제를 야기할 수 있기 때문이다.
물론, 유체가 터빈(20) 입구에서 충분히 건증기 상태를 유지할 수 있는 경우에는 스크류형 팽창기 또는 용적식 팽창기에 비교하여 효율이 높은 터보형 팽창기가 적용될 수 있다.
또한, 터빈(20)의 동력축(22)에는 터빈(20)의 구동에 의해 생성된 기계적 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전기(24)가 연결된다.
이러한 발전기(24)는 다양한 적용 예가 있을 수 있는 관계로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상술한 터빈(20)의 동력축(22)에는, 발전기(24) 이외에 터빈(20)의 구동에 의해 생성된 기계적 에너지를 이용하여 구동함으로써, 후술하는 바와 같이, 응축기(28)와 연결된 분기관(L6)을 통해 응축기(28) 내의 유체를 흡입하고, 흡입한 유체를 압축 및 가열하며, 이것을 후술하는 버퍼탱크(32)와 연결된 분기관(L7)을 통해 버퍼탱크(32) 내부로 공급하는 압축기(26)가 연결된다.
이러한 압축기(26)는, 상술한 바와 같이, 응축기(28) 내에 있는 기체 상태의 유체를 흡입하고, 흡입한 유체를 압축 및 가열하여 버퍼탱크(32)로 공급하는 일련의 과정을 수행한다.
따라서, 상술한 터빈(20)과 발전기(24) 및 압축기(26)는 터빈(20)의 동력축(22)으로 연결되어 있으며, 발전기(24)와 압축기(26)는 터빈(20)의 구동으로부터 연동하여 동력을 제공받는다.
한편, 응축기(28)는, 터빈(20)으로부터 팽창에 따른 기체 상태와 가열된 액체 상태의 유체를 공급받아 수용한다.
본 발명에서의 응축기(28)는, 기체 상태에 있는 유체를 응축시키기 위해 응축열을 강제로 제거하기 위한 냉각라인(C) 또는 팬(도시 안됨) 구성을 반듯이 필요로 하지는 않는다.
즉, 응축기(28) 내부는, 상술한 압축기(26)와 연결된 분기라인을 통해 기체 상태의 유체가 방출됨으로써 저압을 이루고, 또 후술하는 바와 같이, 적용되는 유기 유체가 40~70℃ 범위의 비등점을 갖는 것이 채택되고, 더불어 팽창 온도인 85~120℃에 비교하여 온도 편차가 작을 뿐 아니라, 터빈(20)과 응축기(28) 사이의 유체라인(L2)을 통한 유동과정에서 자연적인 응축이 이루어질 수 있기 때문이다.
무엇보다도 응축기(28) 내의 유체를 응축시키기 위한 직접적인 냉각 작용은, 후술하는 팽창밸브(34)가 바이패스라인(L8)을 따라 버퍼탱크(32)에서 응축기(28)로 유동하는 유체를 강제 기화시키는 것에 의해 이루어진다.
따라서, 응축기(28)에서 유체의 응축열을 강제로 회수하기 위한 기본 구성은, 팽창밸브(34)이고, 상술한 냉각라인(C) 또는 팬은 유체를 응축시키는 팽창밸브(34)에 보조하여 보다 정확한 제어를 위해 설치함이 바람직하다.
그리고, 응축기(28) 내부의 온도는, 팽창밸브(34)를 통해 유체가 강제 기화함에 따른 냉각작용과 이에 보조적으로 유체를 강제로 냉각시키는 냉각라인(C) 또는 팬의 구동 제어를 통해 유체의 비등점인 40~70℃ 범위에 있도록 조절함이 바람직하다.
또한, 응축기(28)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 그 내부에 다수의 관통공을 갖는 판상의 분리판(28a) 복수개를 상하 방향으로 간격을 두고 배치한 것으로 이루어진다.
이들 복수의 분리판(28a)은, 관통공을 통해 응축기(28) 내의 액상 유체의 흐름을 지연시키고, 기체상 유체의 흐름은 원활하게 하여 응축기(28) 내부에 수용되는 액상 유체의 대류 현상을 지연시킴으로써 분리판(28a)들의 위치 간격으로 유체의 온도 분포가 차등을 갖도록 한다.
이에 따라 터빈(20)으로부터 유체라인(L2)를 통해 응축기(28) 내부로 유입된 유체 중 기체 상태의 유체는 응축기(28)의 상부에 위치하고, 액체 상태의 유체는 응축기(28)의 하부에 고이면서 분리판(28a)들의 간격 단위로 온도편차를 이루게 된다.
여기서, 상술한 압축기(26)와 연결되는 분기라인(L6)은, 그 단부가 응축기(28)의 상부의 기체 상태의 유체 위치에 대응시키고, 압축기(26)의 구동에 따라 응축기(28) 내부의 기체 상태의 유체가 빠져나가게 함으로써 응축기(28) 내부의 압력을 유체라인(L2)보다 상대적으로 저압을 이루도록 한다.
본 발명에 있어서, 펌프(30)는 상술한 응축기(28) 내부의 응축된 액상 유체를 흡입하여 과열기(10) 방향으로 이미 설정된 압력으로 가압 펌핑한다.
펌프(30)와 과열기(10)로 이어지는 유체라인(L4~L5) 사이에는 유체의 흐름을 일시적으로 저장하는 버퍼탱크(32)가 설치된다.
이러한 버퍼탱크(32)의 내부에는, 도 5의 참조와 상술한 응축기(28)에서와 같이, 내부에 수용되는 유체를 기체와 액체 상태로 분리함과 동시에 상하 방향으로 유체의 온도 분포의 차등을 갖도록 하는 분리판(32a)의 설치가 이루어진다.
버퍼탱크(32) 내부의 분리판(32a)에 의하면, 기체 상태의 유체는 버퍼탱크(32)의 상부에 위치하고, 액상의 유체는 자중에 의해 버퍼탱크(32)의 하부에 위치한다.
상술한 압축기(26)로부터 공급되는 고온·고압의 유체는, 연결된 분기라인(L7)의 연결을 통해 버퍼탱크(32)로 공급되고, 펌프(30)의 구동에 의해 유입되어 고이는 액상의 유체와 희석되어 열교환 한다.
이렇게 압축기(26)로부터 공급되는 유체와 펌프(30)로부터 공급되는 유체가 상호 열교환이 이루어지는 부위는, 버퍼탱크(32) 중 유체가 액체 상태로 있는 부위의 상부에 위치하며, 이 부위에 있는 유체는, 도 5에 도시한 바와 같이, 분리판(32a)들에 의해 대류가 억제된 상태에 있으므로, 그 상부 또는 하부의 액체 상태로 있는 유체보다 높은 온도로 예열된다.
이로부터, 버퍼탱크(32)에서 과열기(10)로 이어지는 유체라인(L5)는, 버퍼탱크(32) 내부 중 상술한 예열과정을 통해 상대적으로 고온으로 상태에 있는 유체에 대응하여 설치된다.
이때, 과열기(10)로 공급되는 유체의 예열온도(pre-heating temperature)는 과열기(10)를 통한 유체의 가열 효율을 안정적으로 형성하기 위한 것으로서, 0℃에서 과열기(10)에 의한 팽창 전의 포화 상태의 유체 온도 사이를 기준으로 할 때에 유체의 포화 상태의 유체 온도의 85~90% 범위에 있도록 한다.
이러한 유체의 예열온도는 과열기(10)를 통한 유체의 가열 온도가 불안정한 경우를 대비하여 더욱 안정적으로 형성 및 유지하는 효과를 창출한다.
또한, 버퍼탱크(32)의 내부는 펌프(30)와 압축기(26)의 구동에 의해 유입되는 유체의 압력이 상승하고, 기체 상태의 유체가 공존한다.
따라서, 버퍼탱크(32) 내부는, 압력이 이미 설정한 상태에 있도록 조절이 필요하며, 이를 위해 버퍼탱크(32) 내부에서 액체 상태로 있는 유체를 응축기(28)로 유도하는 바이패스라인(L8)이 설치된다.
그리고, 바이패스라인(L8)에는, 버퍼탱크(32) 내부의 압력과 응축기(28) 내부의 압력 차이로 유동하는 유체를 강제 기화시켜 응축기(28) 내부로 투입시키도록 하는 팽창밸브(34)가 설치된다.
즉, 팽창밸브(34)에 의해 강제 기화된 유체는, 응축기(28) 내부를 냉각시켜 터빈(20)으로부터 유입되는 유체를 응축시키게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 터빈(20), 응축기(28), 펌프(30), 버퍼탱크(32), 과열기(10) 순으로 이어지는 ORC 시스템인 제 1 사이클라인과 압축기(26), 버퍼탱크(32), 팽창밸브(34), 응축기(28) 순으로 이어지는 히트펌프 시스템인 제 2 사이클 라인이 단일의 유체를 공유하며, 터빈(20)과 압축기(26)가 동력축으로 연결됨으로써 제 1, 2 사이클 라인이 상호 연동하게 한 것이다.
또한, 상술한 응축기(28)는, 제 1 사이클 라인에서 유체를 응축시키는 일반적인 응축기의 기능을 하고, 제 2 사이클 라인에서의 응축기(28)는 증발기로서 작용하게 된다.
그리고, 버퍼탱크(32)는, 제 1 사이클 라인에서 과열기(10)를 보조하여 유체를 증발시키는 증발기로서 작용하고, 동시에 제 2 사이클 라인에서는 응축기로서 기능한다.
따라서, 본 발명에 따른 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템은, 단일의 유기 유체를 이용하여 ORC 시스템과 히트펌프 시스템을 동시에 작동시켜 열에너지의 손실을 줄이도록 한 것이다.
이를 통한 발전 효율 관계는, 도 4a에서 확인되는 바와 같이, 점선인 포화증기곡선을 기준으로 하여 유기 랭킨 사이클(ORC 시스템)인 제 1 사이클 라인에 따른 효율(W1)과 도 4b에서 확인되는 바와 같이, 히트펌프 사이클인 제 2 사이클 라인에 따른 효율(W2)이 이루어지고, 이들 각 효율(W1 and W2)이 상호 중복되는 것을 감안할 때에도, 도 4c에 표시한 바와 같이, 더욱 상승된 효율을 창출하게 된다.
10: 과열기 12, 20: 터빈
14, 24: 발전기 16, 28: 응축기
18, 30: 펌프 22: 동력축
26: 압축기 32: 버퍼탱크
34: 팽창밸브
14, 24: 발전기 16, 28: 응축기
18, 30: 펌프 22: 동력축
26: 압축기 32: 버퍼탱크
34: 팽창밸브
Claims (5)
- 배열과의 열교환으로 유체를 가열시키는 과열기와;
상기 과열기로부터 상기 유체를 공급받아 기계적 에너지를 생성하는 터빈과;
상기 터빈의 동력축에 연결되어 전력을 생산하는 발전기와;
상기 터빈을 통과한 기체와 액체 상태의 상기 유체를 수용하는 응축기와;
상기 응축기 내의 액체 상태에 있는 상기 유체를 펌핑하는 펌프와;
상기 펌프와 과열기 사이의 유체라인 상에 설치하여 기체와 액체 상태의 상기 유체를 수용하는 버퍼탱크와;
상기 터빈의 동력축에 연결하고, 상기 응축기와 버퍼탱크 각각에 대하여 각각 분기라인으로 연결하여, 상기 터빈의 동력으로 상기 응축기로부터 상기 유체를 흡입하고, 흡입한 상기 유체를 압축 및 가열시켜 상기 버퍼탱크로 공급하는 압축기; 및
상기 버퍼탱크와 응축기를 연결한 바이패스라인에 설치하여 상기 버퍼탱크와 응축기 사이의 압력 차이로 유동하는 상기 유체를 강제 기화시키는 팽창밸브;를 포함하여 이루어지고,
상기 유체는 상기 터빈, 응축기, 펌프, 버퍼탱크, 과열기 순으로 이어지는 제 1 사이클 라인과 상기 압축기, 버퍼탱크, 팽창밸브, 응축기 순으로 이어지는 제 2 사이클 라인을 공유하는 단일 유체인 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 터빈은 스크류 터빈, 용적식 터빈, 터보 터빈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 발전기와 압축기는 상기 터빈의 동력축에 연결하여 함께 구동하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 응축기에는 기체 상태의 상기 유체를 열교환으로 냉각시키는 냉각라인을 더 연결하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 응축기와 버퍼탱크는, 다수의 관통공을 갖는 분리판 복수개를 각각의 내부에 상하 방향으로 간격을 두고 배치한 것으로 이루어지고,
상기 복수의 분리판은 수용한 상기 유체의 대류 현상을 지연시켜 기체 및 액체 상태인 상기 유체의 온도 분포를 복수의 층으로 분리하는 것임을 특징으로 하는 유기 랭킨 바이너리 사이클 발전시스템.
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