KR101726685B1 - 열병합발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열병합발전 시스템을 개시한다. 본 발명은, 가스터빈에 연결되어 상기 가스터빈으로부터 방출되는 상기 연소가스가 유동하는 연소가스배기관과, 상기 연소가스배기관으로부터 분지되어 상기 연소가스를 안내하는 복수개의 분지배기관과, 상기 복수개의 분지배기관 중 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 통하여 온수 또는 증기를 생성하는 폐열회수보일러와, 상기 복수개의 분지배기관 중 다른 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수하는 열회수장치와, 상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 설치되어 상기 연소가스배기관으로부터 상기 복수개의 분지배기관 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어하는 유량조절부를 포함한다.
Description
본 발명은 열병합발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전비 조절이 가능한 열병합발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 열병합발전 시스템은 가스터빈을 포함하여 가스터빈에 공급되는 연료와 공기를 혼합하여 연소시킴으로써 동력을 생성하는 시스템이다. 특히, 상기와 같은 열병합발전 시스템은 공기를 흡입하여 연료와 연소시킨 후 발전을 통하여 전기를 생산하는 소형 열병합발전 시스템(CHP, Combined Heat and power system)을 포함할 수 있다. 이때, 소형 열병합발전 시스템은 중저온 열에너지를 동력으로 전환하여 전기와 열을 동시에 생산할 수 있다.
상기와 같은 열병합발전 시스템은 소형화를 통하여 다양한 분야에 활용되고 있다. 예를 들면, 가정에 설치되어 열과 전력을 동시에 생산하거나 병원 등과 같은 곳에 설치되어 자체 열과 전력을 생산함으로써 사용자에게 직접 제공할 수 있다.
이때, 열병합발전 시스템은 계절별 변동되는 열부하를 추종할 수 있도록 설계될 수 있다. 또한, 열병합발전 시스템은 열부하를 추종하는 것 이외에도 열전비를 조절하도록 설계될 수도 있다. 특히 상기와 같이 열부하를 추종하거나 열전비를 조절하기 위하여 열병합발전 시스템에는 다양한 장치 또는 방법들이 연구 개발되어 적용되고 있다.
상기와 같은 열병합발전 시스템으로는 증기분사 사이클(Cheng Cycle or steam injection cycle)이 제안되었으나 스팀을 분사하도록 개조하면 스팀을 분사하지 않는 경우 효율이 개조 전 대비 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기와 같은 시스템은 스팀을 사용하지 않는 열병합발전 시스템에는 적용이 불가능하다.
한편, 일반적인 열병합발전 시스템은 한국등록특허 제0254273호(발명의 명칭 : 가스터어빈 열병합발전 시스템, 특허권자 : 삼성항공산업 주식회사 유무성)에 구체적으로 개시되어 있다.
상기와 같은 열병합발전 시스템은 소형화를 통하여 다양한 분야에 활용되고 있다. 예를 들면, 가정에 설치되어 열과 전력을 동시에 생산하거나 병원 등과 같은 곳에 설치되어 자체 열과 전력을 생산함으로써 사용자에게 직접 제공할 수 있다.
이때, 열병합발전 시스템은 계절별 변동되는 열부하를 추종할 수 있도록 설계될 수 있다. 또한, 열병합발전 시스템은 열부하를 추종하는 것 이외에도 열전비를 조절하도록 설계될 수도 있다. 특히 상기와 같이 열부하를 추종하거나 열전비를 조절하기 위하여 열병합발전 시스템에는 다양한 장치 또는 방법들이 연구 개발되어 적용되고 있다.
상기와 같은 열병합발전 시스템으로는 증기분사 사이클(Cheng Cycle or steam injection cycle)이 제안되었으나 스팀을 분사하도록 개조하면 스팀을 분사하지 않는 경우 효율이 개조 전 대비 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기와 같은 시스템은 스팀을 사용하지 않는 열병합발전 시스템에는 적용이 불가능하다.
한편, 일반적인 열병합발전 시스템은 한국등록특허 제0254273호(발명의 명칭 : 가스터어빈 열병합발전 시스템, 특허권자 : 삼성항공산업 주식회사 유무성)에 구체적으로 개시되어 있다.
본 발명의 실시예들은 선택적으로 가스터빈으로부터 방출되는 연소가스를 폐열회수보일러 또는 열회수장치로 공급하여 열전비를 조절함으로써 효율적인 운용이 가능한 열병합발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 가스터빈에 연결되어 상기 가스터빈으로부터 방출되는 상기 연소가스가 유동하는 연소가스배기관과, 상기 연소가스배기관으로부터 분지되어 상기 연소가스를 안내하는 복수개의 분지배기관과, 상기 복수개의 분지배기관 중 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 통하여 온수 또는 증기를 생성하는 폐열회수보일러와, 상기 복수개의 분지배기관 중 다른 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수하는 열회수장치와, 상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 설치되어 상기 연소가스배기관으로부터 상기 복수개의 분지배기관 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어하는 유량조절부를 포함하는 열병합발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 분지배기관 중 하나에 설치되어 외부로부터 유입되는 급수를 상기 폐열회수보일러로 공급하는 급수공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스터빈의 압축기 부분과 연결되고, 상기 열회수장치와 연결되며, 상기 열회수장치에서 상기 연소가스와 열교환된 공기를 상기 가스터빈에 상기 연료가 공급되는 부분으로 공급하는 순환관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 순환관은, 상기 가스터빈의 압축기부 부분 및 열회수장치와 연결되어 상기 압축기 부분의 공기를 상기 열회수장치로 공급하는 제 1 공급관과, 상기 열회수장치와 상기 가스터빈에 연료가 공급되는 부분과 연결되어 상기 열교환된 공기를 상기 가스터빈으로 공급하는 제 2 공급관과, 상기 제 1 공급관과 상기 제 2 공급관을 연결하는 연결관을 구비할 수 있다.
또한, 상기 제 1 공급관에 설치되는 제 1 단속밸브와, 상기 제 2 공급관에 설치되는 제 2 단속밸브와, 상기 연결관에 설치되는 제 3 단속밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단속밸브, 제 2 단속밸브 및 제 3 단속밸브 중 적어도 하나는 상기 유량조절부의 작동에 근거하여 개폐될 수 있다.
또한, 상기 유량조절부는, 상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 회동 가능하도록 설치되며, 상기 복수개의 분지배기관을 선택적으로 개폐하는 개폐부와, 상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 설치되어 상기 개폐부의 회동각도를 조절하는 각도조절부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 유량조절부는 상기 가스터빈에서 배출되는 상기 연소가스의 온도 및 상기 배기가스의 유량에 근거하여 상기 복수개의 분지배기관 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 분지배기관 중 하나에 설치되어 외부로부터 유입되는 급수를 상기 폐열회수보일러로 공급하는 급수공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스터빈의 압축기 부분과 연결되고, 상기 열회수장치와 연결되며, 상기 열회수장치에서 상기 연소가스와 열교환된 공기를 상기 가스터빈에 상기 연료가 공급되는 부분으로 공급하는 순환관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 순환관은, 상기 가스터빈의 압축기부 부분 및 열회수장치와 연결되어 상기 압축기 부분의 공기를 상기 열회수장치로 공급하는 제 1 공급관과, 상기 열회수장치와 상기 가스터빈에 연료가 공급되는 부분과 연결되어 상기 열교환된 공기를 상기 가스터빈으로 공급하는 제 2 공급관과, 상기 제 1 공급관과 상기 제 2 공급관을 연결하는 연결관을 구비할 수 있다.
또한, 상기 제 1 공급관에 설치되는 제 1 단속밸브와, 상기 제 2 공급관에 설치되는 제 2 단속밸브와, 상기 연결관에 설치되는 제 3 단속밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단속밸브, 제 2 단속밸브 및 제 3 단속밸브 중 적어도 하나는 상기 유량조절부의 작동에 근거하여 개폐될 수 있다.
또한, 상기 유량조절부는, 상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 회동 가능하도록 설치되며, 상기 복수개의 분지배기관을 선택적으로 개폐하는 개폐부와, 상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 설치되어 상기 개폐부의 회동각도를 조절하는 각도조절부를 구비할 수 있다.
또한, 상기 유량조절부는 상기 가스터빈에서 배출되는 상기 연소가스의 온도 및 상기 배기가스의 유량에 근거하여 상기 복수개의 분지배기관 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 가스터빈에서 방출되는 연소가스를 폐열회수보일러 또는 열회수장치의 수명, 유지보수 등과 같은 특성을 고려하여 선택적으로 폐열회수보일러 또는 열회수장치에 공급함으로써 시스템의 가동률을 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 연소부에 가열의 필요성이 낮을 때에 선택적으로 폐열을 회수하여 시스템을 작동시킴으로써 가스터빈의 발전효율을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합발전 시스템을 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템의 제 1 작동 상태를 보여주는 작동도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유량조절부의 제 1 작동을 보여주는 작동도이다.
도 4는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템의 제 2 작동 상태를 보여주는 작동도이다.
도 5는 도 4에 도시된 유량조절부의 제 2 작동을 보여주는 작동도이다.
도 6은 도 1에 도시된 열병합발전 시스템의 제 3 작동 상태를 보여주는 작동도이다.
도 7은 도 6에 도시된 유량조절부의 제 3 작동을 보여주는 작동도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템의 제 1 작동 상태를 보여주는 작동도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유량조절부의 제 1 작동을 보여주는 작동도이다.
도 4는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템의 제 2 작동 상태를 보여주는 작동도이다.
도 5는 도 4에 도시된 유량조절부의 제 2 작동을 보여주는 작동도이다.
도 6은 도 1에 도시된 열병합발전 시스템의 제 3 작동 상태를 보여주는 작동도이다.
도 7은 도 6에 도시된 유량조절부의 제 3 작동을 보여주는 작동도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합발전 시스템(100)을 보여주는 개념도이다.
도 1을 참고하면, 열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110)과 가스터빈(110)에 연결되는 발전기(120)를 포함할 수 있다. 가스터빈(110)은 외부로부터 유입되는 공기를 압축하는 압축기부(111)와, 압축기부(111)에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소부(112)와, 연소부(112)에서 연소되어 발생하는 연소가스에 의해 회전하는 터빈부(113)를 포함할 수 있다. 이때, 가스터빈(110)은 일반적인 가스터빈과 동일하므로 압축기부(111), 연소부(112), 터빈부(113)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110)과 연결되어 가스터빈(110)으로부터 방출되는 상기 연소가스가 유동하는 연소가스배기관(130)을 포함할 수 있다. 구체적, 연소가스배기관(130)은 터빈부(113)와 연결되어 터빈부(113)에서 방출되는 상기 연소가스가 유동할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 연소가스배기관(130)으로부터 분지되어 외부와 연결되는 복수개의 분지배기관(140)을 포함할 수 있다. 이때, 복수개의 분지배기관(140)은 상기 연소가스를 외부로 안내할 수 있다. 구체적으로 복수개의 분지배기관(140)은 연소가스배기관(130)과 연결되는 제 1 분지배기관(141)을 포함할 수 있다. 또한, 복수개의 분지배기관(140)은 연소가스배기관(130)과 연결되는 제 2 분지배기관(142)을 포함할 수 있다.
이때, 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 서로 한 부분에서 연결될 수 있다. 구체적으로 연소가스배기관(130)과 제 1 분지배기관(141)은 일정 각도로 연결될 수 있다. 이때, 제 2 분지배기관(142)은 연소가스배기관(130)과 제 1 분지배기관(141) 연결되는 부분에서 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 일정 각도로 연결될 수 있다.
예를 들면, 연소가스배기관(130)과 제 1 분지배기관(141)은 서로 일직선으로 연결될 수 있다. 이때, 제 2 분지배기관(142)은 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 직각으로 형성될 수 있다.
또한, 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 서로 일정 각도를 형성할 수 있다. 구체적으로 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 서로 'Y' 형태로 연결될 수 있다.
이때, 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 상기에 한정되지 않고 다양한 각도로 연결될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)은 일자로 연결되고, 제 2 분지배기관(142)은 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 직각으로 연결되는 경우로 설명하기로 한다.
한편, 열병합발전 시스템(100)은 복수개의 분지배기관(140) 중 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 통하여 온수 또는 증기를 생성하는 폐열회수보일러(150)를 포함할 수 있다. 구체적으로 폐열회수보일러(150)는 제 1 분지배기관(141)에 설치되어 외부로부터 유입되는 급수와 상기 연소가스 사이에 열교환을 통하여 온수 또는 증기를 생성할 수 있다. 이때, 폐열회수보일러(150)는 제 1 분지배기관(141)에 설치되는 보일러(151)와, 보일러(151)와 연결되어 증기와 온수를 구분하는 기수분리기(152)를 포함할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 외부로부터 폐열회수보일러(150)로 급수를 공급하는 급수공급부(155)를 포함할 수 있다. 이때, 급수공급부(155)는 펌프 등을 포함하여 외부로부터 급수를 공급할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 복수개의 분지배기관(140) 중 다른 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수하는 열회수장치(160)를 포함할 수 있다. 이때, 열회수장치(160)는 제 2 분지배기관(142)에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 연소가스배기관(130)과 복수개의 분지배기관(140)이 연결되는 부분에 설치되어 복수개의 분지배기관(140) 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어하는 유량조절부(170)를 포함할 수 있다.
이때, 유량조절부(170)는 상기 연소가스배기관(130)과 복수개의 분지배기관(140)이 연결되는 부분에 회동 가능하도록 설치되며, 복수개의 분지배기관(140)을 선택적으로 개폐하는 개폐부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 유량조절부(170)는 연소가스배기관(130)과 복수개의 분지배기관(140)이 연결되는 부분에 설치되어 상기 개폐부의 회동각도를 조절하는 각도조절부(미도시)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 개폐부는 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 부분에 설치될 수 있다. 이때, 상기에서 설명한 바와 같이 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 제 2 분지배기관(142)이 서로 직교하도록 연결되는 경우, 제 1 분지배기관(141)과 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 부분에 상기 개폐부가 설치될 수 있다.
다만, 상기 개폐부의 위치는 상기에 한정되지 않고 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 형태에 따라 다양하게 설치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 개폐부가 제 1 분지배기관(141)과 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 부분에 설치되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
상기 개폐부는 플레이트 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 개폐부의 외경은 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)의 내경과 동일하도록 형성될 수 있다. 따라서 상기 개폐부는 회동함으로써 제1 분지배기관(140) 및 제 2 분지배기관(142)을 선택적으로 개폐할 수 있으며, 개폐하는 정도를 자유롭게 조절할 수 있다.
한편, 상기 각도조절부는 상기 개폐부와 연결되어 상기 개폐부의 각도를 조절할 수 있다. 상기 각도조절부는 상기 개폐부의 각도를 조절 가능하도록 회동 시키는 모든 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 각도조절부는 상기 개폐부를 회동시키는 모터를 포함할 수 있다. 특히, 상기 모터는 정밀하게 구동 가능한 스텝 모터일 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110)의 압축기부(111) 부분과 연결되고, 열회수장치(160)와 연결되는 순환관(180)을 포함할 수 있다. 순환관(180)은 열회수장치(160)에서 상기 연소가스와 열교환된 공기를 혼합하여 가스터빈(110)에 상기 연료가 공급되는 부분으로 공급할 수 있다. 구체적으로 순환관(180)은 상기 연소가스와 상기 공기를 가스터빈(110)의 연소부(112)로 공급할 수 있다.
순환관(180)은 압축기부(111) 부분 및 열회수장치(160)와 연결되어 압축기부(111) 부분의 공기를 열회수장치(160)로 공급하는 제 1 공급관(181)을 포함할 수 있다. 순환관(180)은 열회수장치(160)와 연소부(112)와 연결되어 열교환된 상기 공기를 가스터빈(110)으로 공급하는 제 2 공급관(182)을 포함할 수 있다.
또한, 순환관(180)은 제 1 공급관(181)과 제 2 공급관(182)을 연결하는 연결관(183)을 포함할 수 있다. 특히 연결관(183)은 압축기부(111)과 연결되는 제 1 공급관(181) 부분과 연소부(112)와 연결되는 제 2 공급관(182) 부분을 연결할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 단속밸브(191)는 제 1 공급관(181)에 설치될 수 있으며, 제 2 단속밸브(193)는 제 2 공급관(182)에 설치될 수 있다. 또한, 제 3 단속밸브(195)는 연결관(183)에 설치될 수 있다. 이때, 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195) 중 적어도 하나는 유량조절부(170)의 작동에 근거하여 개폐될 수 있다.
한편, 이하에서는 열병합발전 시스템(100)의 제어에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템(100)의 제 1 작동 상태를 보여주는 작동도이다. 도 3은 도 2에 도시된 유량조절부(170)의 제 1 작동을 보여주는 작동도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 열병합발전 시스템(100)이 작동하는 경우 가스터빈(110)이 작동할 수 있다. 구체적으로 외부로부터 입력신호가 입력되면, 가스터빈(110)이 작동할 수 있다. 이때, 가스터빈(110)은 연소부(112)에서 연소가 발생하면, 연소에 의하여 압축기부(111) 및 터빈부(113)가 작동할 수 있다.
압축기부(111)가 작동하면, 외부로부터 공기가 압축되어 연소부(112)로 공급될 수 있다. 이때, 연소부(112)는 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시킴으로써 가스터빈(110)을 지속적으로 작동시킬 수 있다.
상기와 같이 작동하는 경우 가스터빈(110)의 작동 및 여러 가지 조건에 따라 열병합발전 시스템(100)은 다양하게 작동할 수 있다. 이때, 열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110), 유량조절부(170), 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195), 열회수장치(160) 및 폐열회수보일러(150)를 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 가스터빈(110)이 상기와 같이 작동하는 경우 상기 제어부는 외부로부터 열수요가 입력되는지 판단할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 외부로부터 열수요입력신호가 입력되는지 판단할 수 있다.
이때, 상기 열수요입력신호는 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 열수요입력신호는 사용자로부터 온수공급을 입력 받는 온수입력신호를 포함할 수 있다. 또한, 상기 열수요입력신호는 사용자로부터 온수공급 시간 또는 가동시간과 같은 시간을 입력 받는 시간입력신호를 포함할 수 있다.
상기 열수요입력신호는 난방온도 등과 같은 온도를 입력 받는 온도입력신호를 포함할 수 있다. 또한, 상기 열수요입력신호는 여러 가지 공정에 필요한 증기의 양을 입력 받는 증기입력신호를 포함할 수 있다.
상기 열수요입력신호는 상기에 한정되지 않고, 폐열회수보일러(150)를 작동시킬 수 있는 모든 입력신호를 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 열수요입력신호가 상기 온도입력신호인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
상기 온도입력신호가 입력되면, 유량조절부(170)는 상기 연소가스가 제 1 분지배기관(141)으로 유동하도록 제 1 분지배기관(141)을 개방할 수 있다. 이때, 유량조절부(170)는 상기 온도입력신호에 따라 제 1 분지배기관(141)을 개방하는 정도를 제어할 수 있다.
구체적으로 상기 온도입력신호가 입력되면, 상기 제어부는 각도조절부(171)에 신호를 입력할 수 있다. 이때, 각도조절부(171)는 상기 신호에 따라 개폐부(172)의 각도를 조절할 수 있다.
특히, 상기 제어부가 각도조절부(171)를 제어하는 경우, 상기 제어부는 가스터빈(110)에서 방출되는 연소가스 온도 측정값 및 연소가스의 유량 측정값 중 적어도 하나를 기준으로 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 이때, 연소가스배기관(130)에는 연소가스의 온도를 측정하는 연소가스온도측정부(133)와, 연소가스의 유량을 계산하는 연소가스유량측정부(135)가 설치될 수 있다. 하기에서는 경우에 따라 상기 제어부가 각도조절부(171)를 제어하는 방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
상기와 같이 상기 온도입력신호가 입력되는 경우, 상기 제어부는 입력된 난방공간의 온도와 실제 난방공간의 온도의 차를 계산할 수 있다. 상기 제어부는 상기 온도의 차를 계산한 후 연소가스온도측정부(133)에서 측정된 연소가스의 온도와 연소가스유량측정부(135)에서 측정된 연소가스의 유량을 전송 받을 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량을 근거로 필요한 온수의 양 또는 열량을 계산할 수 있다.
구체적으로 실제 난방공간의 온도가 15℃이고, 입력된 난방공간의 온도가 60℃인 경우 상기 제어부는 상기 온도의 차 45℃를 계산할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량을 근거로 상기 온도의 차에 따른 개폐부(172)의 개방 정도를 계산할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량에 따라 상기 온도 차에 비례적으로 폐열회수보일러(150)에서 열교환되는 온수의 양 또는 열량을 테이블화하여 저장할 수 있다.
예를 들면, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량에 따른 상기 온도 차에 비율적으로 개폐부(172)의 개방 정도, 즉 개방 각도를 테이블화하여 저장할 수 있다. 구체적으로 상기 연소가스의 온도가 10℃ 올라가거나 상기 연소가스의 유량이 10% 증가할 때, 개폐부(172)의 개방 각도는 1°정도 선형적으로 또는 비례적으로 가변하도록 상기 제어부는 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기와 같이 상기 연소가스의 온도 및 상기 연소가스의 유량 정도 중 어느 하나에 따라 상기 온도 차에 따른 개폐부(172)의 개방 각도를 계산하여 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 온도 차 45℃에 해당하는 개폐부(172)의 개방 각도를 결정할 수 있다. 특히 상기 제어부는 상기와 같은 경우 개폐부(172)의 개방 각도를 제 1 분지배기관(141)의 단면으로부터 90°를 형성하도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
상기와 같이 개폐부(172)의 개방 각도가 90°를 형성하는 경우 개폐부(172)는 제 2 분지배기관(142)을 완전히 폐쇄하고 제 1 분지배기관(141)을 완전히 개방할 수 있다. 이때, 상기 연소가스는 제 1 분지배기관(141)을 통하여 외부로 유동할 수 있다.
한편, 상기와 같은 작업이 수행되는 동안, 상기 제어부는 폐열회수보일러(150)를 작동시킬 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 폐열회수보일러(150)로 급수를 공급하는 급수공급부(155)를 작동시킬 수 있다.
급수공급부(155)가 작동하는 경우 급수공급부(155)는 외부로부터 폐열회수보일러(150)에 급수를 공급할 수 있다. 폐열회수보일러(150)는 상기 연소가스와 급수를 열교환하여 온수를 난방이 필요한 난방공간으로 순환시킬 수 있다.
특히 상기와 같이 폐열회수보일러(150)가 작동하는 경우, 상기 제어부는 제 1 단속밸브(191)와 제 2 단속밸브(193)를 폐쇄시키도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 제 3 단속밸브(195)를 개방시키도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 제어되면, 압축기부(111)에서 압축된 공기는 제 1 공급관(181)을 통하여 연결관(183)을 통과한 후 제 2 공급관(182)의 끝단으로 유동할 수 있다. 특히 제 2 공급관(182)의 끝단으로 유동하는 공기는 제 2 공급관(182)과 연결된 연소부(112)의 연료가 공급되는 부분으로 공급될 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템(100)은 열부하가 있는 경우, 즉 폐열을 사용하여 온수 또는 증기를 공급하는 경우 유량조절부(170)를 통하여 제 1 분지배기관(141)으로 연소가스를 유동시킴으로써 폐열을 회수하여 열부하에 필요한 열량을 용이하고 간편하게 공급할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템(100)의 제 2 작동 상태를 보여주는 작동도이다. 도 5는 도 4에 도시된 유량조절부(170)의 제 2 작동을 보여주는 작동도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 상기와 같이 열부하가 큰 경우가 아닌 열부하가 작은 경우 상기 제어부는 상기와 유사하게 유량조절부(170)를 제어할 수 있다.
예를 들면, 난방공간의 온도가 15℃인 상태에서 사용자가 입력하는 상기 온도입력신호가 난방공간의 온도를 20℃가 되도록 하는 신호라면, 온도차인 5℃만큼 상승하도록 상기 제어부는 유량조절부(170)를 제어할 수 있다.
구체적으로 상기와 같이 상기 온도입력신호가 입력되면, 상기 제어부는 각도조절부(171)를 제어하여 개폐부(172)가 제 1 분지배기관(141)을 개방하도록 제어할 수 있다. 이때, 각도조절부(171)는 제 1 분지배기관(141)의 개방 각도를 조절할 수 있다.
예를 들면, 상기와 같이 온도차가 5℃인 경우, 상기 제어부는 제 1 분지배기관(141)을 20% 개방하도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 이때, 연소가스온도측정부(133)는 측정된 상기 연소가스의 온도를 상기 제어부로 전송할 수 있다. 또한, 연소가스유량측정부(135)는 측정된 상기 연소가스의 유량을 상기 제어부로 전송할 수 있다.
한편, 상기 제어부는 상기와 같이 측정된 온도와 유량을 근거로 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 상기와 같이 측정된 온도와 유량을 통하여 난방공간의 온도를 상승시키기 위한 온수의 양 또는 열량 등을 계산할 수 있다. 특히 상기 제어부는 측정된 온도와 유량에 따라 생성되는 온수의 양 또는 열량을 테이블화하여 저장함으로써 측정된 온도와 유량을 통하여 비례적으로 필요한 온수의 양 또는 열량을 계산할 수 있다.
상기 제어부가 상기와 같이 필요한 온수의 양 또는 열량을 계산하면, 상기 제어부는 제 1 분지배기관(141)의 단면을 기준으로 일정 각도 정도 제 2 분지배기관(142) 측으로 개폐부(172)를 회동시키도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 계산된 온수의 양 또는 열량에 따라 개폐부(172)의 회동각도를 비례적으로 계산하여 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부가 상기와 같이 제어하면, 개폐부(172)는 제 1 분지배기관(141)의 단면을 기준으로 18° 회전할 수 있다. 이때, 개폐부(172)가 18° 회전하는 경우 제 2 분지배기관(142)은 제 2 분지배기관(142)의 단면을 기준으로 72°가 개방될 수 있다. 이때, 상기 연소가스는 연소가스배기관(130)을 통하여 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동할 수 있다. 특히 상기 연소가스는 개폐부(172)의 회동각도에 따라 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동하는 양이 결정될 수 있다.
상기와 같이 상기 연소가스가 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동하는 경우 상기 제어부는 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)를 작동시킬 수 있다. 이때, 폐열회수보일러(150)가 작동하는 경우 상기에서 설명한 바와 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
열회수장치(160)가 작동하는 경우 상기 제어부는 상기에서 설명한 바와 같이 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)를 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 제 1 단속밸브(191)와 제 2 단속밸브(193)는 개방시키고, 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)가 제어되면, 압축기부(111)에서 압축된 공기는 제 1 공급관(181)을 통하여 열회수장치(160)로 공급될 수 있다.
열회수장치(160)는 제 1 공급관(181)에서 공급된 공기와 제 2 분지배기관(142)을 유동하는 상기 연소가스와 열교환시켜 상기 공기의 온도를 상승시킬 수 있다. 온도가 상승한 공기는 열회수장치(160)로부터 제 2 공급관(182)을 유동할 수 있다.
제 2 공급관(182)을 유동하는 공기는 상기에서 설명한 바와 같이 연소부(112)의 연료가 주입되는 부분에서 연료와 혼합되어 연소부(112)로 공급될 수 있다. 이때, 상기에서 설명한 바와 같이 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되어 연결관(183)을 통하여 온도가 상승한 공기가 압축기부(111)로 역류하거나 압축기부(111)의 공기가 연결관(183)을 통하여 연소부(112)로 공급되는 것을 방지할 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템(100)은 열부하가 다소 적게 필요한 경우 각도조절부(171)를 통하여 개폐부(172)의 회동 각도를 제어함으로써 필요한 열부하를 공급함과 동시에 가스터빈(110)의 발전효율을 증대시킬 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 열병합발전 시스템(100)의 제 3 작동 상태를 보여주는 작동도이다. 도 7은 도 6에 도시된 유량조절부(170)의 제 3 작동을 보여주는 작동도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 상기의 경우 이외에도 열병합발전 시스템(100)이 설치되는 공간 또는 작업장에 열부하가 필요 없는 경우가 발생할 수 있다. 예를 들면, 상기 열수요입력신호가 입력되지 않는 경우나 공정상 증기 또는 온수가 필요 없는 경우, 여름철과 같이 주변온도가 높은 경우에는 열부하가 필요하지 않을 수 있다.
상기와 같이 열부하가 필요하지 않는 경우 상기 제어부는 각도조절부(171)를 통하여 개폐부(172)를 회동시킬 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 개폐부(172)가 제 1 분지배기관(141)을 완전히 폐쇄하고 제 2 분지배기관(142)을 완전히 개방하도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 특히 상기와 같은 경우 개폐부(172)는 회동하여 제 1 분지배기관(141)의 단면과 일치하도록 배치될 수 있다.
상기와 같이 개폐부(172)가 제 1 분지배기관(141)을 폐쇄하면, 연소가스배기관(130)을 통하여 유동하는 상기 연소가스는 전부 제 2 분지배기관(142)을 통하여 외부로 유출될 수 있다.
이때, 상기 제어부는 열회수장치(160)를 작동시키도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기에서 설명한 바와 같이 제 1 단속밸브(191)와 제 2 단속밸브(193)는 개방하고, 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)가 제어되면, 압축기부(111)에서 압축된 공기는 제 1 공급관(181)을 통하여 열회수장치(160)로 유동할 수 있다.
이때, 열회수장치(160)는 상기에서 설명한 바와 같이 제 2 분지배기관(142)을 유동하는 상기 연소가스와 제 1 공급관(181)을 유동하는 공기를 열교환시켜 상기 공기의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기와 같이 온도가 상승한 공기는 제 2 공급관(182)을 통하여 연소부(112)로 공급될 수 있다. 이때, 온도가 상승한 공기는 연소부(112)로 유입되는 연료와 혼합하여 연소부(112)로 공급될 수 있다.
한편, 상기와 같은 작업이 진행되는 동안, 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되어 온도가 상승한 공기가 연결관(183)을 통하여 압축기부(111)로 유동하거나 압축기부(111)로부터 연결관(183)으로 유동하는 공기가 연소부(112)로 공급되는 것을 차단할 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템(100)은 상기와 같이 제어됨으로써 열부하가 필요 없는 경우 열회수장치(160)를 통하여 가스터빈(110)의 성능을 향상시킬 수 있다. 특히 열병합발전 시스템(100)은 열부하의 종류에 따라 외부로 배출되는 상기 연소가스의 폐열을 흡수함으로써 에너지 효율을 증대시킬 수 있다. 열병합발전 시스템(100)은 폐열을 흡수함으로써 열로 인한 주변의 열 오염을 줄일 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 열교환기의 특성, 즉 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)의 수명, 유지보수 등을 고려하여 선택적으로 가동시킴으로써 전체 시스템의 가동율을 높일 수 있다.
또한, 열병합발전 시스템(100)은 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)으로 분리하여 상기 연소가스를 배출하고, 각각 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)를 배치함으로써 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)에 인한 가스터빈(110) 출구쪽의 압력 강하를 최소화할 수 있다. 특히 열병합발전 시스템(100)은 상기와 같이 압력 강하를 최소화함으로써 가스터빈(110)의 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
마지막으로 열병합발전 시스템(100)은 각도조절부(171)를 통하여 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동하는 상기 연소가스의 양을 정밀하게 제어함으로써 시스템 전체의 열전비(Heat to electricity ratio)를 정밀하게 조절할 수 있다. 특히 열병합발전 시스템(100)은 연소부(112)의 작동의 필요성이 낮을 때에 선택적으로 시스템을 운영할 수 있으므로 열병합발전 시스템(100)의 전체 효율을 제고할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합발전 시스템(100)을 보여주는 개념도이다.
도 1을 참고하면, 열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110)과 가스터빈(110)에 연결되는 발전기(120)를 포함할 수 있다. 가스터빈(110)은 외부로부터 유입되는 공기를 압축하는 압축기부(111)와, 압축기부(111)에서 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소부(112)와, 연소부(112)에서 연소되어 발생하는 연소가스에 의해 회전하는 터빈부(113)를 포함할 수 있다. 이때, 가스터빈(110)은 일반적인 가스터빈과 동일하므로 압축기부(111), 연소부(112), 터빈부(113)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110)과 연결되어 가스터빈(110)으로부터 방출되는 상기 연소가스가 유동하는 연소가스배기관(130)을 포함할 수 있다. 구체적, 연소가스배기관(130)은 터빈부(113)와 연결되어 터빈부(113)에서 방출되는 상기 연소가스가 유동할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 연소가스배기관(130)으로부터 분지되어 외부와 연결되는 복수개의 분지배기관(140)을 포함할 수 있다. 이때, 복수개의 분지배기관(140)은 상기 연소가스를 외부로 안내할 수 있다. 구체적으로 복수개의 분지배기관(140)은 연소가스배기관(130)과 연결되는 제 1 분지배기관(141)을 포함할 수 있다. 또한, 복수개의 분지배기관(140)은 연소가스배기관(130)과 연결되는 제 2 분지배기관(142)을 포함할 수 있다.
이때, 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 서로 한 부분에서 연결될 수 있다. 구체적으로 연소가스배기관(130)과 제 1 분지배기관(141)은 일정 각도로 연결될 수 있다. 이때, 제 2 분지배기관(142)은 연소가스배기관(130)과 제 1 분지배기관(141) 연결되는 부분에서 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 일정 각도로 연결될 수 있다.
예를 들면, 연소가스배기관(130)과 제 1 분지배기관(141)은 서로 일직선으로 연결될 수 있다. 이때, 제 2 분지배기관(142)은 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 직각으로 형성될 수 있다.
또한, 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 서로 일정 각도를 형성할 수 있다. 구체적으로 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 서로 'Y' 형태로 연결될 수 있다.
이때, 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)은 상기에 한정되지 않고 다양한 각도로 연결될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)은 일자로 연결되고, 제 2 분지배기관(142)은 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 직각으로 연결되는 경우로 설명하기로 한다.
한편, 열병합발전 시스템(100)은 복수개의 분지배기관(140) 중 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 통하여 온수 또는 증기를 생성하는 폐열회수보일러(150)를 포함할 수 있다. 구체적으로 폐열회수보일러(150)는 제 1 분지배기관(141)에 설치되어 외부로부터 유입되는 급수와 상기 연소가스 사이에 열교환을 통하여 온수 또는 증기를 생성할 수 있다. 이때, 폐열회수보일러(150)는 제 1 분지배기관(141)에 설치되는 보일러(151)와, 보일러(151)와 연결되어 증기와 온수를 구분하는 기수분리기(152)를 포함할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 외부로부터 폐열회수보일러(150)로 급수를 공급하는 급수공급부(155)를 포함할 수 있다. 이때, 급수공급부(155)는 펌프 등을 포함하여 외부로부터 급수를 공급할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 복수개의 분지배기관(140) 중 다른 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수하는 열회수장치(160)를 포함할 수 있다. 이때, 열회수장치(160)는 제 2 분지배기관(142)에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 연소가스배기관(130)과 복수개의 분지배기관(140)이 연결되는 부분에 설치되어 복수개의 분지배기관(140) 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어하는 유량조절부(170)를 포함할 수 있다.
이때, 유량조절부(170)는 상기 연소가스배기관(130)과 복수개의 분지배기관(140)이 연결되는 부분에 회동 가능하도록 설치되며, 복수개의 분지배기관(140)을 선택적으로 개폐하는 개폐부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 유량조절부(170)는 연소가스배기관(130)과 복수개의 분지배기관(140)이 연결되는 부분에 설치되어 상기 개폐부의 회동각도를 조절하는 각도조절부(미도시)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 개폐부는 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 부분에 설치될 수 있다. 이때, 상기에서 설명한 바와 같이 연소가스배기관(130) 및 제 1 분지배기관(141)과 제 2 분지배기관(142)이 서로 직교하도록 연결되는 경우, 제 1 분지배기관(141)과 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 부분에 상기 개폐부가 설치될 수 있다.
다만, 상기 개폐부의 위치는 상기에 한정되지 않고 연소가스배기관(130), 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 형태에 따라 다양하게 설치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 개폐부가 제 1 분지배기관(141)과 제 2 분지배기관(142)이 연결되는 부분에 설치되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
상기 개폐부는 플레이트 형태로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 개폐부의 외경은 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)의 내경과 동일하도록 형성될 수 있다. 따라서 상기 개폐부는 회동함으로써 제1 분지배기관(140) 및 제 2 분지배기관(142)을 선택적으로 개폐할 수 있으며, 개폐하는 정도를 자유롭게 조절할 수 있다.
한편, 상기 각도조절부는 상기 개폐부와 연결되어 상기 개폐부의 각도를 조절할 수 있다. 상기 각도조절부는 상기 개폐부의 각도를 조절 가능하도록 회동 시키는 모든 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 각도조절부는 상기 개폐부를 회동시키는 모터를 포함할 수 있다. 특히, 상기 모터는 정밀하게 구동 가능한 스텝 모터일 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110)의 압축기부(111) 부분과 연결되고, 열회수장치(160)와 연결되는 순환관(180)을 포함할 수 있다. 순환관(180)은 열회수장치(160)에서 상기 연소가스와 열교환된 공기를 혼합하여 가스터빈(110)에 상기 연료가 공급되는 부분으로 공급할 수 있다. 구체적으로 순환관(180)은 상기 연소가스와 상기 공기를 가스터빈(110)의 연소부(112)로 공급할 수 있다.
순환관(180)은 압축기부(111) 부분 및 열회수장치(160)와 연결되어 압축기부(111) 부분의 공기를 열회수장치(160)로 공급하는 제 1 공급관(181)을 포함할 수 있다. 순환관(180)은 열회수장치(160)와 연소부(112)와 연결되어 열교환된 상기 공기를 가스터빈(110)으로 공급하는 제 2 공급관(182)을 포함할 수 있다.
또한, 순환관(180)은 제 1 공급관(181)과 제 2 공급관(182)을 연결하는 연결관(183)을 포함할 수 있다. 특히 연결관(183)은 압축기부(111)과 연결되는 제 1 공급관(181) 부분과 연소부(112)와 연결되는 제 2 공급관(182) 부분을 연결할 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1 단속밸브(191)는 제 1 공급관(181)에 설치될 수 있으며, 제 2 단속밸브(193)는 제 2 공급관(182)에 설치될 수 있다. 또한, 제 3 단속밸브(195)는 연결관(183)에 설치될 수 있다. 이때, 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195) 중 적어도 하나는 유량조절부(170)의 작동에 근거하여 개폐될 수 있다.
한편, 이하에서는 열병합발전 시스템(100)의 제어에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템(100)의 제 1 작동 상태를 보여주는 작동도이다. 도 3은 도 2에 도시된 유량조절부(170)의 제 1 작동을 보여주는 작동도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 열병합발전 시스템(100)이 작동하는 경우 가스터빈(110)이 작동할 수 있다. 구체적으로 외부로부터 입력신호가 입력되면, 가스터빈(110)이 작동할 수 있다. 이때, 가스터빈(110)은 연소부(112)에서 연소가 발생하면, 연소에 의하여 압축기부(111) 및 터빈부(113)가 작동할 수 있다.
압축기부(111)가 작동하면, 외부로부터 공기가 압축되어 연소부(112)로 공급될 수 있다. 이때, 연소부(112)는 압축된 공기와 연료를 혼합하여 연소시킴으로써 가스터빈(110)을 지속적으로 작동시킬 수 있다.
상기와 같이 작동하는 경우 가스터빈(110)의 작동 및 여러 가지 조건에 따라 열병합발전 시스템(100)은 다양하게 작동할 수 있다. 이때, 열병합발전 시스템(100)은 가스터빈(110), 유량조절부(170), 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195), 열회수장치(160) 및 폐열회수보일러(150)를 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 가스터빈(110)이 상기와 같이 작동하는 경우 상기 제어부는 외부로부터 열수요가 입력되는지 판단할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 외부로부터 열수요입력신호가 입력되는지 판단할 수 있다.
이때, 상기 열수요입력신호는 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 열수요입력신호는 사용자로부터 온수공급을 입력 받는 온수입력신호를 포함할 수 있다. 또한, 상기 열수요입력신호는 사용자로부터 온수공급 시간 또는 가동시간과 같은 시간을 입력 받는 시간입력신호를 포함할 수 있다.
상기 열수요입력신호는 난방온도 등과 같은 온도를 입력 받는 온도입력신호를 포함할 수 있다. 또한, 상기 열수요입력신호는 여러 가지 공정에 필요한 증기의 양을 입력 받는 증기입력신호를 포함할 수 있다.
상기 열수요입력신호는 상기에 한정되지 않고, 폐열회수보일러(150)를 작동시킬 수 있는 모든 입력신호를 포함할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 상기 열수요입력신호가 상기 온도입력신호인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
상기 온도입력신호가 입력되면, 유량조절부(170)는 상기 연소가스가 제 1 분지배기관(141)으로 유동하도록 제 1 분지배기관(141)을 개방할 수 있다. 이때, 유량조절부(170)는 상기 온도입력신호에 따라 제 1 분지배기관(141)을 개방하는 정도를 제어할 수 있다.
구체적으로 상기 온도입력신호가 입력되면, 상기 제어부는 각도조절부(171)에 신호를 입력할 수 있다. 이때, 각도조절부(171)는 상기 신호에 따라 개폐부(172)의 각도를 조절할 수 있다.
특히, 상기 제어부가 각도조절부(171)를 제어하는 경우, 상기 제어부는 가스터빈(110)에서 방출되는 연소가스 온도 측정값 및 연소가스의 유량 측정값 중 적어도 하나를 기준으로 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 이때, 연소가스배기관(130)에는 연소가스의 온도를 측정하는 연소가스온도측정부(133)와, 연소가스의 유량을 계산하는 연소가스유량측정부(135)가 설치될 수 있다. 하기에서는 경우에 따라 상기 제어부가 각도조절부(171)를 제어하는 방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
상기와 같이 상기 온도입력신호가 입력되는 경우, 상기 제어부는 입력된 난방공간의 온도와 실제 난방공간의 온도의 차를 계산할 수 있다. 상기 제어부는 상기 온도의 차를 계산한 후 연소가스온도측정부(133)에서 측정된 연소가스의 온도와 연소가스유량측정부(135)에서 측정된 연소가스의 유량을 전송 받을 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량을 근거로 필요한 온수의 양 또는 열량을 계산할 수 있다.
구체적으로 실제 난방공간의 온도가 15℃이고, 입력된 난방공간의 온도가 60℃인 경우 상기 제어부는 상기 온도의 차 45℃를 계산할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량을 근거로 상기 온도의 차에 따른 개폐부(172)의 개방 정도를 계산할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량에 따라 상기 온도 차에 비례적으로 폐열회수보일러(150)에서 열교환되는 온수의 양 또는 열량을 테이블화하여 저장할 수 있다.
예를 들면, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도와 상기 연소가스의 유량에 따른 상기 온도 차에 비율적으로 개폐부(172)의 개방 정도, 즉 개방 각도를 테이블화하여 저장할 수 있다. 구체적으로 상기 연소가스의 온도가 10℃ 올라가거나 상기 연소가스의 유량이 10% 증가할 때, 개폐부(172)의 개방 각도는 1°정도 선형적으로 또는 비례적으로 가변하도록 상기 제어부는 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기와 같이 상기 연소가스의 온도 및 상기 연소가스의 유량 정도 중 어느 하나에 따라 상기 온도 차에 따른 개폐부(172)의 개방 각도를 계산하여 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 온도 차 45℃에 해당하는 개폐부(172)의 개방 각도를 결정할 수 있다. 특히 상기 제어부는 상기와 같은 경우 개폐부(172)의 개방 각도를 제 1 분지배기관(141)의 단면으로부터 90°를 형성하도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
상기와 같이 개폐부(172)의 개방 각도가 90°를 형성하는 경우 개폐부(172)는 제 2 분지배기관(142)을 완전히 폐쇄하고 제 1 분지배기관(141)을 완전히 개방할 수 있다. 이때, 상기 연소가스는 제 1 분지배기관(141)을 통하여 외부로 유동할 수 있다.
한편, 상기와 같은 작업이 수행되는 동안, 상기 제어부는 폐열회수보일러(150)를 작동시킬 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 폐열회수보일러(150)로 급수를 공급하는 급수공급부(155)를 작동시킬 수 있다.
급수공급부(155)가 작동하는 경우 급수공급부(155)는 외부로부터 폐열회수보일러(150)에 급수를 공급할 수 있다. 폐열회수보일러(150)는 상기 연소가스와 급수를 열교환하여 온수를 난방이 필요한 난방공간으로 순환시킬 수 있다.
특히 상기와 같이 폐열회수보일러(150)가 작동하는 경우, 상기 제어부는 제 1 단속밸브(191)와 제 2 단속밸브(193)를 폐쇄시키도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 제 3 단속밸브(195)를 개방시키도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 제어되면, 압축기부(111)에서 압축된 공기는 제 1 공급관(181)을 통하여 연결관(183)을 통과한 후 제 2 공급관(182)의 끝단으로 유동할 수 있다. 특히 제 2 공급관(182)의 끝단으로 유동하는 공기는 제 2 공급관(182)과 연결된 연소부(112)의 연료가 공급되는 부분으로 공급될 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템(100)은 열부하가 있는 경우, 즉 폐열을 사용하여 온수 또는 증기를 공급하는 경우 유량조절부(170)를 통하여 제 1 분지배기관(141)으로 연소가스를 유동시킴으로써 폐열을 회수하여 열부하에 필요한 열량을 용이하고 간편하게 공급할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 열병합발전 시스템(100)의 제 2 작동 상태를 보여주는 작동도이다. 도 5는 도 4에 도시된 유량조절부(170)의 제 2 작동을 보여주는 작동도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 상기와 같이 열부하가 큰 경우가 아닌 열부하가 작은 경우 상기 제어부는 상기와 유사하게 유량조절부(170)를 제어할 수 있다.
예를 들면, 난방공간의 온도가 15℃인 상태에서 사용자가 입력하는 상기 온도입력신호가 난방공간의 온도를 20℃가 되도록 하는 신호라면, 온도차인 5℃만큼 상승하도록 상기 제어부는 유량조절부(170)를 제어할 수 있다.
구체적으로 상기와 같이 상기 온도입력신호가 입력되면, 상기 제어부는 각도조절부(171)를 제어하여 개폐부(172)가 제 1 분지배기관(141)을 개방하도록 제어할 수 있다. 이때, 각도조절부(171)는 제 1 분지배기관(141)의 개방 각도를 조절할 수 있다.
예를 들면, 상기와 같이 온도차가 5℃인 경우, 상기 제어부는 제 1 분지배기관(141)을 20% 개방하도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 이때, 연소가스온도측정부(133)는 측정된 상기 연소가스의 온도를 상기 제어부로 전송할 수 있다. 또한, 연소가스유량측정부(135)는 측정된 상기 연소가스의 유량을 상기 제어부로 전송할 수 있다.
한편, 상기 제어부는 상기와 같이 측정된 온도와 유량을 근거로 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 상기와 같이 측정된 온도와 유량을 통하여 난방공간의 온도를 상승시키기 위한 온수의 양 또는 열량 등을 계산할 수 있다. 특히 상기 제어부는 측정된 온도와 유량에 따라 생성되는 온수의 양 또는 열량을 테이블화하여 저장함으로써 측정된 온도와 유량을 통하여 비례적으로 필요한 온수의 양 또는 열량을 계산할 수 있다.
상기 제어부가 상기와 같이 필요한 온수의 양 또는 열량을 계산하면, 상기 제어부는 제 1 분지배기관(141)의 단면을 기준으로 일정 각도 정도 제 2 분지배기관(142) 측으로 개폐부(172)를 회동시키도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 계산된 온수의 양 또는 열량에 따라 개폐부(172)의 회동각도를 비례적으로 계산하여 각도조절부(171)를 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부가 상기와 같이 제어하면, 개폐부(172)는 제 1 분지배기관(141)의 단면을 기준으로 18° 회전할 수 있다. 이때, 개폐부(172)가 18° 회전하는 경우 제 2 분지배기관(142)은 제 2 분지배기관(142)의 단면을 기준으로 72°가 개방될 수 있다. 이때, 상기 연소가스는 연소가스배기관(130)을 통하여 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동할 수 있다. 특히 상기 연소가스는 개폐부(172)의 회동각도에 따라 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동하는 양이 결정될 수 있다.
상기와 같이 상기 연소가스가 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동하는 경우 상기 제어부는 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)를 작동시킬 수 있다. 이때, 폐열회수보일러(150)가 작동하는 경우 상기에서 설명한 바와 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
열회수장치(160)가 작동하는 경우 상기 제어부는 상기에서 설명한 바와 같이 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)를 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 제 1 단속밸브(191)와 제 2 단속밸브(193)는 개방시키고, 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)가 제어되면, 압축기부(111)에서 압축된 공기는 제 1 공급관(181)을 통하여 열회수장치(160)로 공급될 수 있다.
열회수장치(160)는 제 1 공급관(181)에서 공급된 공기와 제 2 분지배기관(142)을 유동하는 상기 연소가스와 열교환시켜 상기 공기의 온도를 상승시킬 수 있다. 온도가 상승한 공기는 열회수장치(160)로부터 제 2 공급관(182)을 유동할 수 있다.
제 2 공급관(182)을 유동하는 공기는 상기에서 설명한 바와 같이 연소부(112)의 연료가 주입되는 부분에서 연료와 혼합되어 연소부(112)로 공급될 수 있다. 이때, 상기에서 설명한 바와 같이 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되어 연결관(183)을 통하여 온도가 상승한 공기가 압축기부(111)로 역류하거나 압축기부(111)의 공기가 연결관(183)을 통하여 연소부(112)로 공급되는 것을 방지할 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템(100)은 열부하가 다소 적게 필요한 경우 각도조절부(171)를 통하여 개폐부(172)의 회동 각도를 제어함으로써 필요한 열부하를 공급함과 동시에 가스터빈(110)의 발전효율을 증대시킬 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 열병합발전 시스템(100)의 제 3 작동 상태를 보여주는 작동도이다. 도 7은 도 6에 도시된 유량조절부(170)의 제 3 작동을 보여주는 작동도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 상기의 경우 이외에도 열병합발전 시스템(100)이 설치되는 공간 또는 작업장에 열부하가 필요 없는 경우가 발생할 수 있다. 예를 들면, 상기 열수요입력신호가 입력되지 않는 경우나 공정상 증기 또는 온수가 필요 없는 경우, 여름철과 같이 주변온도가 높은 경우에는 열부하가 필요하지 않을 수 있다.
상기와 같이 열부하가 필요하지 않는 경우 상기 제어부는 각도조절부(171)를 통하여 개폐부(172)를 회동시킬 수 있다. 구체적으로 상기 제어부는 개폐부(172)가 제 1 분지배기관(141)을 완전히 폐쇄하고 제 2 분지배기관(142)을 완전히 개방하도록 각도조절부(171)를 제어할 수 있다. 특히 상기와 같은 경우 개폐부(172)는 회동하여 제 1 분지배기관(141)의 단면과 일치하도록 배치될 수 있다.
상기와 같이 개폐부(172)가 제 1 분지배기관(141)을 폐쇄하면, 연소가스배기관(130)을 통하여 유동하는 상기 연소가스는 전부 제 2 분지배기관(142)을 통하여 외부로 유출될 수 있다.
이때, 상기 제어부는 열회수장치(160)를 작동시키도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기에서 설명한 바와 같이 제 1 단속밸브(191)와 제 2 단속밸브(193)는 개방하고, 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되도록 제어할 수 있다.
상기와 같이 제 1 단속밸브(191) 내지 제 3 단속밸브(195)가 제어되면, 압축기부(111)에서 압축된 공기는 제 1 공급관(181)을 통하여 열회수장치(160)로 유동할 수 있다.
이때, 열회수장치(160)는 상기에서 설명한 바와 같이 제 2 분지배기관(142)을 유동하는 상기 연소가스와 제 1 공급관(181)을 유동하는 공기를 열교환시켜 상기 공기의 온도를 상승시킬 수 있다.
상기와 같이 온도가 상승한 공기는 제 2 공급관(182)을 통하여 연소부(112)로 공급될 수 있다. 이때, 온도가 상승한 공기는 연소부(112)로 유입되는 연료와 혼합하여 연소부(112)로 공급될 수 있다.
한편, 상기와 같은 작업이 진행되는 동안, 제 3 단속밸브(195)는 폐쇄되어 온도가 상승한 공기가 연결관(183)을 통하여 압축기부(111)로 유동하거나 압축기부(111)로부터 연결관(183)으로 유동하는 공기가 연소부(112)로 공급되는 것을 차단할 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템(100)은 상기와 같이 제어됨으로써 열부하가 필요 없는 경우 열회수장치(160)를 통하여 가스터빈(110)의 성능을 향상시킬 수 있다. 특히 열병합발전 시스템(100)은 열부하의 종류에 따라 외부로 배출되는 상기 연소가스의 폐열을 흡수함으로써 에너지 효율을 증대시킬 수 있다. 열병합발전 시스템(100)은 폐열을 흡수함으로써 열로 인한 주변의 열 오염을 줄일 수 있다.
열병합발전 시스템(100)은 열교환기의 특성, 즉 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)의 수명, 유지보수 등을 고려하여 선택적으로 가동시킴으로써 전체 시스템의 가동율을 높일 수 있다.
또한, 열병합발전 시스템(100)은 제 1 분지배기관(141) 및 제 2 분지배기관(142)으로 분리하여 상기 연소가스를 배출하고, 각각 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)를 배치함으로써 폐열회수보일러(150)와 열회수장치(160)에 인한 가스터빈(110) 출구쪽의 압력 강하를 최소화할 수 있다. 특히 열병합발전 시스템(100)은 상기와 같이 압력 강하를 최소화함으로써 가스터빈(110)의 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
마지막으로 열병합발전 시스템(100)은 각도조절부(171)를 통하여 제 1 분지배기관(141) 또는 제 2 분지배기관(142)으로 유동하는 상기 연소가스의 양을 정밀하게 제어함으로써 시스템 전체의 열전비(Heat to electricity ratio)를 정밀하게 조절할 수 있다. 특히 열병합발전 시스템(100)은 연소부(112)의 작동의 필요성이 낮을 때에 선택적으로 시스템을 운영할 수 있으므로 열병합발전 시스템(100)의 전체 효율을 제고할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 열병합발전 시스템 155 : 급수공급부
110 : 가스터빈 160 : 열회수장치
111 : 압축기부 170 : 유량조절부
112 : 연소부 171 : 각도조절부
113 : 터빈부 172 : 개폐부
120 : 발전기 180 : 순환관
130 : 연소가스배기관 181 : 제 1 공급관
140 : 분지배기관 182 : 제 2 공급관
141 : 제 1 분지배기관 183 : 연결관
142 : 제 2 분지배기관 191 : 제 1 단속밸브
150 : 폐열회수보일러 193 : 제 2 단속밸브
151 : 보일러 195 : 제 3 단속밸브
152 : 기수분리기
110 : 가스터빈 160 : 열회수장치
111 : 압축기부 170 : 유량조절부
112 : 연소부 171 : 각도조절부
113 : 터빈부 172 : 개폐부
120 : 발전기 180 : 순환관
130 : 연소가스배기관 181 : 제 1 공급관
140 : 분지배기관 182 : 제 2 공급관
141 : 제 1 분지배기관 183 : 연결관
142 : 제 2 분지배기관 191 : 제 1 단속밸브
150 : 폐열회수보일러 193 : 제 2 단속밸브
151 : 보일러 195 : 제 3 단속밸브
152 : 기수분리기
Claims (8)
- 가스터빈에 연결되어 상기 가스터빈으로부터 방출되는 연소가스가 유동하는 연소가스배기관;
상기 연소가스배기관으로부터 분지되어 상기 연소가스를 안내하는 복수개의 분지배기관;
상기 복수개의 분지배기관 중 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 통하여 온수 또는 증기를 생성하는 폐열회수보일러;
상기 복수개의 분지배기관 중 다른 하나에 설치되어 상기 연소가스의 폐열을 회수하는 열회수장치; 및
상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 설치되어 상기 연소가스배기관으로부터 상기 복수개의 분지배기관 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어하는 유량조절부;를 포함하고,
상기 유량조절부는 상기 가스터빈에서 배출되는 상기 연소가스의 온도 및 상기 연소가스의 유량에 근거하여 상기 복수개의 분지배기관 중 적어도 하나로 유동하는 상기 연소가스의 양을 제어하고,
상기 유량조절부는,
상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 회동 가능하도록 설치되며, 상기 복수개의 분지배기관을 선택적으로 개폐하는 개폐부; 및
상기 연소가스배기관과 상기 복수개의 분지배기관이 연결되는 부분에 설치되어 상기 개폐부의 회동각도를 조절하는 각도조절부;를 구비하는 열병합발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수개의 분지배기관 중 하나에 설치되어 외부로부터 유입되는 급수를 상기 폐열회수보일러로 공급하는 급수공급부;를 더 포함하는 열병합발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 가스터빈의 압축기 부분과 연결되고, 상기 열회수장치와 연결되며, 상기 열회수장치에서 상기 연소가스와 열교환된 공기를 연료가 공급되는 상기 가스터빈 부분으로 공급하는 순환관;을 더 포함하는 열병합발전 시스템. - 삭제
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