KR102010145B1 - Supercritical CO2 Power generation plant - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 및 그 제어방법에 관한 것으로, 복수개의 열교환기에 공급되는 이산화탄소량을 제어하는 복수개의 밸브 차압에 기초하여 메인펌프를 제어함으로써 발전플랜트를 보다 안정시킴과 동시에 전체적인 효율을 향상시키는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 및 그 제어방법을 제공하는 것이다. The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power plant and a control method thereof, by controlling the main pump based on a plurality of valve differential pressures for controlling the amount of carbon dioxide supplied to the plurality of heat exchangers, thereby making the power plant more stable and improving overall efficiency. It is to provide an improved supercritical carbon dioxide power plant and a control method thereof.
Description
본 발명은 이산화탄소를 이용하여 전기를 생성하는 발전플랜트에 관한 것으로, 더 상세하게는 이산화탄소를 가압하여 이송시키는 메인 펌프의 제어방법을 개선하여 안정성 및 효율을 향상시킨 초임계 상태의 이산화탄소 발전플랜트에 관한 것이다. The present invention relates to a power plant for generating electricity using carbon dioxide, and more particularly, to a supercritical carbon dioxide power plant in which the stability and efficiency are improved by improving the control method of the main pump for pressurizing and transporting carbon dioxide. will be.
국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있으며, 그 중 하나로 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전플랜트(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.As the need for efficient power generation is increasing internationally, and as the movement to reduce the generation of pollutants becomes more active, various efforts are being made to increase the power generation while reducing the generation of pollutants. As disclosed in Korean Patent Publication No. 2012-145092, research and development on a power generation system using Supercritical CO2 using supercritical carbon dioxide as a working fluid is being activated.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전플랜트은 섭씨 550도에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.Supercritical carbon dioxide has a gas-like viscosity at a density similar to that of a liquid state, which can minimize the size of the device and minimize the power consumption required for fluid compression and circulation. At the same time, the critical point is 31.4 degrees Celsius, 72.8 atm, the threshold is 373.95 degrees Celsius, it is much lower than the water of 217.7 atmospheres, there is an advantage that it is easy to handle. This supercritical carbon dioxide power plant has a net power generation efficiency of about 45% when operated at 550 degrees Celsius, and it is possible to reduce the turbo equipment to one-tenth level with power generation efficiency improvement of more than 20% compared to the power generation efficiency of the existing steam cycle. There is an advantage.
이러한 초임계 이산화탄소 발전플랜트은, 상기 이산화탄소를 플랜트 내부에서 순환하기 위한 메인 펌프를 포함하고, 또한 이산화탄소를 가열하기 위하여 폐열과 같은 외부열원과 열교환하는 열교환 유닛을 포함한다. 상기 열교환 유닛은 열교환효율을 높이기 위하여 위한 두 개 이상의 열교환기로 이루어진다. This supercritical carbon dioxide power plant includes a main pump for circulating the carbon dioxide inside the plant, and also includes a heat exchange unit for heat exchange with an external heat source such as waste heat to heat the carbon dioxide. The heat exchange unit includes two or more heat exchangers for increasing heat exchange efficiency.
상기 이산화탄소를 가압하여 공급하는 상기 펌프는 상기 열교환기에 이산화탄소를 공급하고, 이산화탄소 발전플랜트 내부의 이산화탄소유량을 조절하며 이산화탄소를 초임계 상태로 유지하도록 하는 것으로, 전체적인 발전플랜트의 안정화 및 효율적인 운전을 위하여 적절하게 제어되어야 한다. The pump for pressurizing and supplying the carbon dioxide supplies carbon dioxide to the heat exchanger, adjusts the carbon dioxide flow rate in the carbon dioxide power plant, and maintains the carbon dioxide in a supercritical state, and is suitable for stabilization and efficient operation of the entire power plant. Should be controlled.
그러나, 종래에는 단순히 흡입압력보다 조금 높게 운전점을 가져가는 식으로 상기 펌프를 운전함으로써, 외부열원의 변동 등의 외란이 발생하는 경우 시스템의 안전성 및 효율이 떨어지는 문제점이 발생하였다. However, conventionally, by operating the pump in such a way that the operating point is slightly higher than the suction pressure, there is a problem in that the safety and efficiency of the system is lowered when disturbance such as fluctuation of external heat source occurs.
본 발명은, 복수개의 열교환기에 공급되는 이산화탄소량을 제어하는 복수개의 제어밸브에서 발생하는 차압에 기초하여 펌프를 제어함으로써 발전플랜트의 안정성을 향상시킴과 동시에 전체적인 효율을 향상시키는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a supercritical carbon dioxide power plant that improves the stability of the power plant and improves overall efficiency by controlling the pump based on the differential pressure generated by the plurality of control valves controlling the amount of carbon dioxide supplied to the plurality of heat exchangers. It is to provide a control method.
본 발명은, 작동유체를 압축시키는 펌프; 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제1열교환기; 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제2열교환기; 상기 펌프와 상기 제2열교환기 사이에 배치되어 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 복열기; 일단은 상기 펌프와 연결되고, 타단은 상기 제1열교환기와 연결되어 상기 펌프로부터 상기 제1교환기로 작동유체가 이송되는 제1이송라인; 상기 제1이송라인에 설치되어, 상기 제1이송라인을 통하여 이동하는 작동유체의 유량을 조절하는 제1조절밸브; 상기 제1조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제1압력센서; 상기 제1이송라인으로부터 분기되며, 일단이 상기 복열기와 연결되는 제2이송라인; 상기 제2이송라인에 형성되어 상기 제2이송라인으로 이송되는 작동유체의 유량을 제어하는 제2조절밸브; 상기 제2조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제2압력센서; 일단이 상기 제2열교환기와 연결되고, 타단은 상기 복열기와 연결되는 제3이송라인; 일단은 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단은 상기 제3이송라인과 연결되어 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 상기 제3이송라인으로 공급하는 제4이송라인; 상기 제2열교환기를 통과한 작동유체를 이용하여 전력을 생산하는 터빈; 일단은 상기 터빈과 연결되며, 상기 복열기를 경유하며, 타단은 상기 펌프와 연결되는 리턴라인; 상기 리턴라인에 형성되어, 상기 펌프로 공급되는 작동유체를 냉각시키는 응축기; 및 상기 제1압력센서의 측정치 및 상기 제2압력센서의 측정치에 기초하여 상기 펌프의 n운전을 제출력r제1압력센서의 측정치와 상기 제2압력센서의 측정치 중 상대적으로 높은 값에 기초하여 상기 펌프의 운전점을 결정하여 제어하되, 상기 제1압력센서의 측정치와 상기 제2압력센서의 측정치 중 높은 값 보다 소정압력만큼 높은 압력으로 상기 펌프의 출력압력을 설정하여 상기 펌프의 출력압력 제어할 수 있으며, 상기 소정압력은 5bar~10bar 사이의 값일 수 있다. The present invention, the pump for compressing the working fluid; A first heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump; A second heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump; A recuperator disposed between the pump and the second heat exchanger to heat a working fluid supplied from the pump; A first transfer line, one end of which is connected to the pump and the other end of which is connected to the first heat exchanger so that a working fluid is transferred from the pump to the first exchanger; A first control valve installed at the first transfer line to adjust a flow rate of the working fluid moving through the first transfer line; A first pressure sensor for measuring the pressure of the working fluid passing through the first control valve; A second transfer line branched from the first transfer line, one end of which is connected to the recuperator; A second control valve formed in the second transfer line to control a flow rate of the working fluid transferred to the second transfer line; A second pressure sensor for measuring the pressure of the working fluid passing through the second control valve; A third transfer line having one end connected to the second heat exchanger and the other end connected to the recuperator; A fourth transfer line, one end of which is connected to the first heat exchanger and the other end of which is connected to the third transfer line and supplies a working fluid that has passed through the first heat exchanger to the third transfer line; A turbine for producing electric power using the working fluid passing through the second heat exchanger; A return line, one end of which is connected to the turbine, via the recuperator, and the other end of which is connected to the pump; A condenser formed on the return line to cool the working fluid supplied to the pump; And n operation of the pump based on the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor based on the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor. The operation point of the pump is determined and controlled, and the output pressure of the pump is controlled by setting the output pressure of the pump to a pressure higher than a higher value between the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor. It may be, the predetermined pressure may be a value between 5bar ~ 10bar.
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그리고, 본 발명은, 상기 펌프의 출구측에 설치되어, 상기 펌프로부터 토출되는 작동유체의 압력을 측정하는 제3압력센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1압력센서와 상기 제3압력센서의 측정치의 차인 제1차값과, 상기 제2압력센서와 상기 제3압력센서의 측정치의 차인 제2차값을 구하고, 상기 제1차값과 상기 제2차값 중 큰 값이 소정압력 이하로 되도록 상기 펌프의 출력압력을 설정하여 상기 펌프를 제어하되, 상기 소정압력은 5bar~10bar 사이의 값일 수 있다. The present invention further includes a third pressure sensor installed at an outlet side of the pump to measure the pressure of the working fluid discharged from the pump, wherein the control unit includes the first pressure sensor and the third pressure. Obtain a first difference value that is a difference between the measured values of the sensor and a second difference value that is a difference between the measured values of the second pressure sensor and the third pressure sensor, wherein the larger one of the first difference value and the second difference value is equal to or less than a predetermined pressure. Control the pump by setting the output pressure of the pump, the predetermined pressure may be a value between 5bar ~ 10bar.
또한, 본 발명은, 상기 제1열교환기 일측에 설치되어, 상기 제1열교환기를 통과한 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1온도센서의 측정온도에 기초하여 상기 제1조절밸브를 제어할 수 있다. The present invention may further include a first temperature sensor installed at one side of the first heat exchanger and measuring a temperature of the exhaust gas passing through the first heat exchanger, wherein the control unit measures the measured temperature of the first temperature sensor. It is possible to control the first control valve based on.
그리고, 본 발명은 상기 복열기 양측의 리턴라인에 설치되어, 상기 복열기에 유입되기 전의 작동유체의 온도 및 상기 복열기를 통과하고 난 이후의 작동유체의 온도를 각각 측정하는 제2-1온도센서 및 제2-2온도센서와, 상기 복열기 양측의 제2이송라인 및 상기 제3이송라인에 각각 설치되어, 상기 제2이송라인을 통하여 상기 복열기로 유입되는 작동유체의 온도와 상기 제3이송라인을 통하여 상기 복열기로부터 배출되는 작동유체의 온도를 각각 측정하는 제2-3온도센서 및 제2-4온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제2-1 온도센서 내지 상기 제2-4온도센서의 측정온도에 기초하여 상기 제2조절밸브를 제어할 수 있다. In addition, the present invention is installed on the return line on both sides of the recuperator, the second temperature for measuring the temperature of the working fluid before entering the recuperator and the temperature of the working fluid after passing through the recuperator, respectively A sensor and a second temperature sensor, a second transfer line on both sides of the recuperator, and a third transfer line, respectively, and the temperature of the working fluid flowing into the recuperator through the second transfer line and the first transfer line; And a second temperature sensor and a second temperature sensor for measuring the temperature of the working fluid discharged from the recuperator through the three transfer lines, respectively, and the control unit includes the second temperature sensor and the second temperature sensor. The second control valve may be controlled based on the measured temperature of the second to fourth temperature sensors.
또한, 본 발명은, 상기 제4이송라인에 설치되어, 상기 제4이송라인을 통하여 이송되는 작동유체의 온도를 측정하는 제3온도센서 및 상기 복열기 일측의 상기 제3이송라인에 설치되어, 상기 복열기를 통과하여 상기 제3이송라인을 통하여 이송되는 작동유체의 온도를 측정하는 제2-4온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제3온도센서 및 상기 제2-4온도센서의 측정온도에 기초하여 상기 제2조절밸브를 제어할 수 있다. In addition, the present invention is installed in the fourth transfer line, the third temperature sensor for measuring the temperature of the working fluid conveyed through the fourth transfer line and the third transfer line on one side of the recuperator, And a second-4 temperature sensor for measuring a temperature of the working fluid that is passed through the recuperator through the third transfer line, and the control unit includes the third temperature sensor and the second-4 temperature sensor. The second control valve may be controlled based on the measured temperature of.
상기 제어부는, 상기 제3온도센서의 측정온도와 상기 제2-4온도의 측정온도의 차가 감소하도록 상기 제2조절밸브를 제어할 수 있다. The controller may control the second control valve to reduce a difference between the measured temperature of the third temperature sensor and the measured temperature of the second to fourth temperatures.
그리고 본 발명은, 일단은 상기 응축기 전측의 리턴라인에 연결되고, 타단은 상기 펌프의 출구 측 제1이송라인에 연결되어, 상기 펌프로부터 토출된 작동유체의 일부를 상기 응축기로 이송시키는 제5이송라인과, 상기 제5이송라인에 설치되어, 상기 제5이송라인을 통하여 이송되는 작동유체의 유량을 제어하는 제3조절밸브를 더 포함할 수 있다. And the present invention, one end is connected to the return line of the front side of the condenser, the other end is connected to the first transfer line of the outlet side of the pump, the fifth transfer for transferring a portion of the working fluid discharged from the pump to the condenser And a third control valve installed at the fifth transfer line to control the flow rate of the working fluid transferred through the fifth transfer line.
다른 한편으로, 본 발명은, 상기 제1압력센서의 측정치 및 상기 제2압력센서의 측정치에 기초하여 상기 펌프의 운전을 제어하되, 상기 제1압력센서의 측정치와 상기 제2압력센서의 측정치 중 상대적으로 높은 값을 가지는 측정치에 기초하여 상기 펌프의 운전점을 결정하여 제어하는 초임계 이산화탄소 발전플랜트의 제어방법을 제공할 수 있다. On the other hand, the present invention controls the operation of the pump based on the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor, wherein the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor It is possible to provide a control method for a supercritical carbon dioxide power plant that determines and controls an operating point of the pump based on a measured value having a relatively high value.
이 경우, 상기 제1압력센서의 측정치와 상기 제2압력센서의 측정치 중 높은 값 보다 소정압력만큼 높은 압력으로 상기 펌프의 출력압력을 설정하여 상기 펌프를 제어할 수 있고, 상기 소정압력은 5bar~10bar 사이의 값일 수 있다. In this case, the pump may be controlled by setting the output pressure of the pump to a pressure higher than the higher value of the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor by a predetermined pressure, wherein the predetermined pressure is 5 bar to It can be a value between 10 bar.
또 다른 한편으로, 본 발명은, 작동유체를 압축시키는 펌프; 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제1열교환기; 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제2열교환기; 상기 펌프와 상기 제2열교환기 사이에 배치되어 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 복열기; 일단은 상기 펌프와 연결되고, 타단은 상기 제1열교환기와 연결되어 상기 펌프로부터 상기 제1교환기로 작동유체가 이송되는 제1이송라인; 상기 제1이송라인에 설치되어, 상기 제1이송라인을 통하여 이동하는 작동유체의 유량을 조절하는 제1조절밸브; 상기 제1조절밸브의 입구와 출구의 압력차를 측정하는 제1차압센서; 상기 제1이송라인으로부터 분기되며, 일단이 상기 복열기와 연결되는 제2이송라인; 상기 제2이송라인에 형성되어 상기 제2이송라인으로 이송되는 작동유체의 유량을 제어하는 제2조절밸브; 상기 제2조절밸브의 입구와 출구의 압력차를 측정하는 제2차압센서; 일단이 상기 제2열교환기와 연결되고, 타단은 상기 복열기와 연결되는 제3이송라인; 일단은 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단은 상기 제3이송라인과 연결되어 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 상기 제3이송라인으로 공급하는 제4이송라인; 상기 제2열교환기를 통과한 작동유체를 이용하여 전력을 생산하는 터빈; 일단은 상기 터빈과 연결되며, 상기 복열기를 경유하며, 타단은 상기 펌프와 연결되는 리턴라인; 상기 리턴라인에 형성되어, 상기 펌프로 공급되는 작동유체를 냉각시켜 응축시키는 응축기; 및 상기 제1차압센서의 측정치 및 상기 제2차압센서의 측정치에 기초하여 상기 펌프의 출력압력을 제어하는 제어부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전플랜트를 제공한다. On the other hand, the present invention, a pump for compressing the working fluid; A first heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump; A second heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump; A recuperator disposed between the pump and the second heat exchanger to heat a working fluid supplied from the pump; A first transfer line, one end of which is connected to the pump and the other end of which is connected to the first heat exchanger so that a working fluid is transferred from the pump to the first exchanger; A first control valve installed at the first transfer line to adjust a flow rate of the working fluid moving through the first transfer line; A first differential pressure sensor for measuring a pressure difference between an inlet and an outlet of the first control valve; A second transfer line branched from the first transfer line, one end of which is connected to the recuperator; A second control valve formed in the second transfer line to control a flow rate of the working fluid transferred to the second transfer line; A second differential pressure sensor for measuring a pressure difference between an inlet and an outlet of the second control valve; A third transfer line having one end connected to the second heat exchanger and the other end connected to the recuperator; A fourth transfer line, one end of which is connected to the first heat exchanger and the other end of which is connected to the third transfer line and supplies a working fluid that has passed through the first heat exchanger to the third transfer line; A turbine for producing electric power using the working fluid passing through the second heat exchanger; A return line, one end of which is connected to the turbine, via the recuperator, and the other end of which is connected to the pump; A condenser formed on the return line to cool and condense the working fluid supplied to the pump; And a control unit for controlling the output pressure of the pump based on the measured value of the first differential pressure sensor and the measured value of the second differential pressure sensor.
상기 제어부는, 상기 제1차압센서와 상기 제2차압센서의 측정값 중 작은 값이 소정압력 이하로 되도록 상기 펌프를 제어하되, 상기 소정압력은 5bar~10bar 사이의 값일 수 있다. The controller may control the pump such that a smaller value of the measured values of the first differential pressure sensor and the second differential pressure sensor is equal to or less than a predetermined pressure, and the predetermined pressure may be a value between 5 bar and 10 bar.
본 발명에 따르면, 열교환기에 작동유체를 공급하는 공급관로에 설치된 밸브의 차압에 기초하여 메인펌프의 토출압을 제어함으로써 발전플랜트의 안정성 및 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 및 그 제어방법을 제어할 수 있다. According to the present invention, a supercritical carbon dioxide power plant that can improve the stability and efficiency of the power plant by controlling the discharge pressure of the main pump based on the differential pressure of the valve installed in the supply line for supplying the working fluid to the heat exchanger and its control method Can be controlled.
도 1는 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 플랜트를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 플랜트를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 플랜트를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 플랜트를 도시한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a first embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a second embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a third embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a fourth embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
초임계 작동유체를 이용하는 발전 시스템은 발전에 사용된 작동유체를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이룬다. 상기 작동유체로서 초임계 이산탄소를 사용하는 경우, 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 복합 발전 시스템에도 사용될 수 있다.Power generation systems using supercritical working fluids have a close cycle that does not discharge the working fluids used for power generation to the outside. In the case of using supercritical carbon dioxide as the working fluid, exhaust gas discharged from a thermal power plant can be used, and thus it can be used not only in a single power generation system but also in a combined power generation system with a thermal power generation system.
사이클 내의 이산화탄소는 펌프를 통과한 후, 열교환기 등을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 작동유체는 터빈을 구동시킨다. 상기 터빈에는 발전기가 연결되며, 발전기는 상기 터빈으로부터 받은 회전동력 이용하여 전기를 생산한다. The carbon dioxide in the cycle passes through the pump, and then is heated while passing through a heat exchanger or the like to become a supercritical state of high temperature and high pressure, and the supercritical working fluid drives the turbine. A generator is connected to the turbine, and the generator produces electricity using the rotational power received from the turbine.
상기 터빈을 통과한 이산화탄소는 응축기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 펌프로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.The carbon dioxide passing through the turbine is cooled while passing through a condenser, and the cooled working fluid is supplied to the pump and circulated in the cycle. A plurality of turbines or heat exchangers may be provided.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 사이클 내에서 유동하는 이산화탄소 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 이산화탄소의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.The supercritical carbon dioxide power generation system according to various embodiments of the present invention means not only a system in which all of the carbon dioxide flowing in the cycle is in a supercritical state, but also a system in which most of the carbon dioxide is in a supercritical state and the rest is a subcritical state. Used.
본 발명의 발전플랜트에서 사용되는 작동유체는 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 혼합물을 포함할 수 있으며, 발전플랜트 내부에서 상기 작동유체는 초임계상태로 이용될 수 있다. 또한 작동 유체는, 이산화탄소와 프로판, 또는 이산화탄소와 암모니아, 또는 다른 유사한 기체들의 조합일 수 있다.The working fluid used in the power plant of the present invention may include carbon dioxide or a mixture containing carbon dioxide, and the working fluid may be used in a supercritical state inside the power plant. The working fluid can also be a combination of carbon dioxide and propane, or carbon dioxide and ammonia, or other similar gases.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트는, 이산화탄소를 이용하여 전기를 발생시키는 것으로서, 이산화탄소를 가압하여 토출하는 펌프(110), 외부열원과 열교환시켜 이산화탄소를 가열하는 제1,2열교환기(120)(125), 상기 제1,2열교환기(120)(125)로 작동유체를 이송시키는 제1 내지 3 이송라인(140)(141)(142), 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열하는 복열기(130), 상기 제1,2이송라인의 유량을 각각 조절하는 제1,2조절밸브(150)(151), 상기 제1,2조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제1,2압력센서(160)(161), 터빈(180), 리턴라인(145) 및 제어부(190)로 이루어진다. Referring to Figure 1, the supercritical carbon dioxide power plant according to an embodiment of the present invention, as generating electricity using carbon dioxide,
상기 펌프(110)는 플랜트 내부의 이산화탄소의 유량을 제어하고, 초임계 상태로 유지시키는 것으로, 이산화탄소를 가압하여 상기 제1,2열교환기(120)(125)로 공급한다. The
상기 제1열교환기(120)와 상기 제2열교환기(125)는 서로 이격되어 배치되며, 외부열원인 고온의 배기가스가 순차적으로 상기 제1,2열교환기(120)(125)를 통과하게 된다. 상기 배기가스는 보일러 또는 화력발전소 등에서 배출되는 고온의 배기가스일 수 있다. 상기 제1열교환기(120)는 상기 펌프(110)로부터 공급되는 작동유체를 외부열원인 배기가스와 열교환하여 가열시킨다. 상기 제2열교환기(125)는 상기 제1열교환기(120)와 이격되어 배치되며, 상기 배기가스의 유동로에 상기 제1열교환기(120)와 순차적으로 배치된다. 이에 따라 상기 배기가스는 상기 제1,2열교환기(120)(125)를 순차적으로 통과하며, 상기 제1,2열교환기(120)(125)를 통과하는 작동유체를 순차적으로 가열한다. The
상기 제1열교환기(120)와 상기 펌프(110) 사이에는 제1이송라인(140)이 설치된다. 상기 제1이송라인(140)의 일단은 상기 펌프(110)와 연결되고, 타단은 상기 제1열교환기(120)와 연결되어 상기 펌프(110)에서 가압된 작동유체가 상기 제1이송라인(140)을 통하여 상기 제1열교환기(120)로 공급된다. A
상기 제1이송라인(140)에는 상기 제1이송라인(140)의 작동유체 유량을 조절하는 제1조절밸브(150)가 장착된다. 상기 제1조절밸브(150)는 후술할 제어부(190)에 의하여 개도량이 조절된다. 상기 제1조절밸브(150)는 상기 제1열교환기(120)에 공급되는 작동유체의 유량을 제어한다. The
그리고, 상기 제1조절밸브(150)의 일측에는, 상기 제1조절밸브(150)를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제1압력센서(160)가 장착된다. 상기 제1압력센서(160)는 상기 제1조절밸브(150)의 후측의 작동유체 압력을 측정함으로써 상기 제1조절밸브(150)에서 발생하는 차압을 측정하거나 계산할 수 있다. Then, one side of the
한편, 상기 펌프(110)와 상기 제2열교환기(125) 사이에는 복열기(130)가 배치된다. 상기 복열기(130)는, 터빈(180)으로부터 배출된 고온의 작동유체를 이용하여 상기 펌프(110)로부터 공급된 작동유체를 가열한 후, 가열된 작동유체를 상기 제2열교환기(125)로 공급한다. Meanwhile, a
상기 제2열교환기(125)에는 상기 복열기(130)에서 가열된 작동유체가 공급되며, 상기 제2열교환기(125)는 상기 복열기(130)로부터 이송된 작동유체를 가열시킨다. The working fluid heated in the
상기 복열기(130)와 상기 제1이송라인(140) 사이에는 제2이송라인(141)이 형성된다. 상기 제2이송라인(141)은 상기 제1이송라인(140)에서 분기되어 형성되며, 일단이 상기 복열기(130)와 연결된다. 상기 제2이송라인(141)은, 펌프로부터 가압되어 토출된 작동유체의 일부를 상기 복열기(130)로 이송시킨다. A
상기 제2이송라인(141)에는 상기 제2이송라인(141)의 작동유체 유량을 조절하는 제2조절밸브(151)가 장착된다. 상기 제2조절밸브(151)는 후술할 제어부(190)에 의하여 개도량이 조절되며, 상기 복열기(130)에 공급되는 작동유체의 유량을 조절한다. The
그리고, 상기 제2조절밸브(151)의 일측에는, 상기 제2조절밸브(151)를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제2압력센서(161)가 장착된다. 상기 제2압력센서(161)는 상기 제2조절밸브(151)의 후측의 작동유체 압력을 측정함으로써 상기 제2조절밸브(151)에서 발생하는 차압을 측정하거나 계산할 수 있다. And, one side of the
상기 제2열교환기(125)와 상기 복열기(130)의 사이에는 제3이송라인(142)이 설치된다. 상기 제3이송라인(142)의 일단은 상기 제2열교환기(125)와 연결되고, 타단은 상기 복열기(130)와 연결되어, 상기 복열기(130)에서 가열된 작동유체는 상기 제3이송라인(142)을 통하여 상기 복열기(130)로 이송된다. A
상기 제1열교환기(120)와 상기 제3이송라인(142) 사이에는 제4이송라인(143)이 설치된다. 상기 제4이송라인(143)은, 일단이 상기 제1열교환기(120)와 연결되고, 타단이 상기 제3이송라인(142)과 연결되어, 상기 제1열교환기(120)에서 가열된 작동유체는 상기 제4이송라인(143)을 통하여 제3이송라인(142)으로 이송된 후, 상기 제3이송라인에서 상기 복열기(130)를 통하여 이송된 작동유체와 혼합되어 상기 제2열교환기(125)로 공급된다. A
상기 제2열교환기(125)의 일측에는 상기 제2열교환기(125)에서 가열된 작동유체를 공급받아, 이를 이용하여 전력을 생산하는 터빈(180)이 설치된다. One side of the
상기 터빈(180)은 상기 제2열교환기(125)에서 생성된 고온고압의 작동유체를 이용하여 회전동력을 발생시키고, 상기 회전동력을 이용하여 전기를 생산한다.The
상기 터빈(180)과 상기 펌프(110) 사이에는 리턴라인(145)이 형성된다. 상기 리턴라인(145)은 일단이 상기 터빈(180)과 연결되며, 타단은 상기 펌프(110)와 연결된다. 상기 터빈(180)에서 회전동력을 발생시키고 배출된 작동유체는 상기 리턴라인(145)을 통하여 상기 펌프(110)의 입구로 이송된다. 상기 리턴라인(145)에는 상기 복열기(130)가 배치되어, 상기 터빈(180)에서 상기 리턴라인(145)을 통하여 이송된 작동유체와 상기 제2이송라인을 통하여 펌프로부터 공급된 작동유체를 서로 열교환시켜 상기 터빈(180)으로부터 이송된 작동유체는 냉각되고, 상기 펌프로부터 공급된 작동유체는 가열된다. A
그리고, 상기 복열기(130) 일측의 리턴라인(145)에는 응축기(185)가 설치된다. 상기 응축기(185)는 상기 복열기(130)를 통과하여 이송된 작동유체를 냉각시켜 응축시킨다. In addition, a
상기 제어부(190)는 상기 제1압력센서(160)의 측정치 및 상기 제2압력센서(161)의 측정치에 기초하여 상기 펌프(110)의 토출압력을 제어한다. The
본 발명의 제1실시예에 따른 발전플랜트의 제어부(190)는, 상기 제1조절밸브(150)를 통과한 작동유체의 압력인 상기 제1압력센서(160)의 측정치와 상기 제2조절밸브(151)를 통과한 작동유체의 압력인 상기 제2압력센서(161)의 측정치를 비교하여, 이들 측정치 중 높은 값을 결정한다. 상기 제어부(190)는 결정된 높은 값 보다 소정압력만큼 높은 압력으로 상기 펌프의 출력압력을 결정하고, 상기 출력압력으로 상기 펌프를 작동시킨다. 예를 들어, 상기 제1압력센서(160)의 측정치가 10bar이고, 상기 제2압력센서(161)의 측정치가 15bar로 측정된 경우, 상기 제어부(190)는 상기 제1압력센서(160)의 측정치와 상기 제2압력센서(161)의 측정치를 비교하여, 이들 중 높은 값인 15bar를 설정기준압력으로 결정하고, 상기 설정기준압력보다 소정압력(5bar)만큼 높은 압력인 20bar를 펌프의 출력압력으로 설정하여 상기 펌프를 작동시킨다. 본 실시에에서는 소정압력을 5bar로 설명하였으나, 소정압력의 수치는 플랜트의 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 바람직하게는 5bar~10bar사이의 압력이다. The
이와 같이 20bar로 상기 펌프(110)를 작동시키는 경우, 제1조절밸브(150)에서의 압력차는 10bar가 되고, 상기 제2조절밸브(151)에서의 차압은 5bar가 되므로, 상기 제1,2조절밸브에서 발생하는 차압을 감소시켜 상기 제1,2조절밸브에서 차압이 과도하게 발생하는 것을 방지함으로써 효율적인 운전을 할 수 있도록 한다. When the
또한, 상기 20bar로 상기 펌프(110)를 작동시킨 후, 외부열원의 변화 등으로 인하여 상기 제1,2압력센서의 측정치가 변화되는 경우, 상기 제1,2압력센서의 측정치에 기초하여 상기 설정기준압력을 다시 정하고, 이에 기초하여 펌프의 출력압력을 재설정하여 상기 펌프를 효율적으로 제어할 수 있다. In addition, after the
상기 제어부(190)는 이와 같은 과정을 연속적으로 반복함으로써, 상기 제1,2조절밸브(150)(151)에서 과도한 차압이 발생하는 것을 방지하여 시스템을 효율적으로 운전시킬 수 있다. The
종래와 같이 상기 펌프의 출력압력을 초기의 계산치에 따라 펌프를 연속적으로 운전하는 경우, 외부 열원 등의 변화가 생기면 상기 제1,2조절밸브(150)(151)에서는 과도한 차압이 발생하여 발전플랜트의 출력이 감소하고, 반응속도가 느리게 된다. In the case of continuously operating the pump according to the initial calculated value of the output pressure of the pump as in the prior art, when a change in an external heat source or the like occurs, the first and
이에 비하여 본 발명의 제어부는 상기 제1,2압력센서(160)(161)의 측정치에 기초하여 펌프의 바람직한 출력압력을 산출하고, 이에 기초하여 펌프(110)를 제어함으로써 제1,2조절밸브(150)(151)에서 과도한 차압이 발생하는 것을 방지하여 발전플랜트를 안정적으로 운영할 수 있을 뿐만 아니라, 펌프(110)에 소모되는 에너지를 감소시키고 이를 발전에 이용하여 플랜트의 효율도 증가시킨다는 장점을 가진다. On the other hand, the controller of the present invention calculates the desired output pressure of the pump based on the measured values of the first and
상기 제1열교환기(120) 일측에는 제1온도센서(170)가 설치된다. 상기 제1온도센서(170)는 상기 제1열교환기(120)를 통과한 배기가스의 출구온도를 측정한다. 상기 제어부(190)는 상기 제1온도센서(170)의 측정온도에 따라 상기 제1조절밸브(150)를 제어한다. One side of the
예를 들어, 상기 제1열교환기(120)를 통과한 배기가스의 출구온도가 열정산 (heat balance diagram)보다 5~10% 정도 높으면 상기 제어부 (190)은 상기 제1조절밸브(150)의 개도를 증가시켜 상기 제1열교환기(120)에 흐르는 유량을 증가시킨다. 반대로, 상기 제1열교환기(120)를 통과한 배기가스의 출구온도가 열정산 (heat balance diagram)보다 5~10% 정도 낮으면 상기 제어부 (190)은 상기 제1조절밸브(150)의 개도를 감소시켜 제1열교환기(120)에 흐르는 유량을 감소시킨다. For example, when the outlet temperature of the exhaust gas passing through the
또한, 상기 복열기(130) 양측의 리턴라인(145)에는 제2-1온도센서(175) 및 제2-2온도센서(176)가 설치된다. 상기 제2-1온도센서(175)는 상기 복열기(130)에 유입되기 전의 작동유체의 온도를 측정하고, 상기 제2-2온도센서(176)는 상기 복열기(130)를 통과한 이 후의 작동유체의 온도를 각각 측정한다. In addition, the second-
그리고 상기 복열기(130) 양측의 제2이송라인(141) 및 제3이송라인(142)에는 제2-3온도센서(177) 및 제2-4온도센서(178)가 각각 설치된다. 상기 제2이송라인(141)에 설치된 제2-3온도센서(177)는 상기 제2이송라인(141)을 통하여 복열기(130)로 유입되는 작동유체의 온도를 측정하고, 상기 제3이송라인(142)에 설치된 제2-4온도센서(178)는 상기 제3이송라인(142)을 통하여 복열기(130)로부터 배출되는 작동유체의 온도를 각각 측정한다. A
상기 제어부(190)는, 상기 제2-1온도센서 내지 상기 제2-4온도센서(175)(176)(177)(178)의 측정온도에 기초하여 상기 제2조절밸브(151)를 제어한다. The
상기 제1열교환기(120)로 유입되는 작동유체의 유량을 조절하는 제1조절밸브(150)와 복열기로 이송되는 작동유체의 유량을 조절하는 제2조절밸브(151)는 기본적으로 열정산(heat balance diagram)에서 계산된 값에 기초하여 개도가 조정되고, 추가적으로 상기 제2-1내지 제2-4온도센서(175)(176)(177)(178)의 측정온도에 따라 상기 복열기(130)로 유입 또는 유출되는 유량이 계산되고, 이에 기초하여 제2조절밸브(151)의 개도가 조절된다. The
예를 들어, 상기 제2-1 ~ 2-4온도센서(175)(176)(177)(178)는 각 복열기로 입출입되는 작동유체의 온도를 실시간으로 측정하고, 상기 제어부는 상기 제2-1 ~ 2-4온도센서(175)(176)(177)(178)에서 측정된 온도를 기초로 Q=CM△T 식에 의해 유량 값을 계산한다. 계산에 의하여 산출된 유량 값이 기 설정된 열정산에서 계산된 값의 5~10% 차이가 나게 되면 차이를 감소시키기 위하여 제어부는 제2조절밸브를 조절한다. For example, the 2-1 to 2-4
즉, 제어부 (190)는 4개의 온도센서에서 측정된 측정온도를 통해 유량 값을 계속 계산하고, 계산된 유량 값이 열정산(heat balance diagram)을 통해 설정된 값과 어느 정도 이상의 편차가 날 경우 제2조절밸브 (151)의 개도를 조절한다. That is, the
그리고 상기 리턴라인과 상기 제1이송라인의 사이에는 제5이송라인이 설치된다. 상기 제5이송라인의 일단은 상기 응축기 전측의 리턴라인에 연결되고, 타단은 상기 펌프의 출구 측 제1이송라인에 연결되어, 상기 제5이송라인은 상기 펌프로부터 토출된 작동유체의 일부를 상기 응축기로 이송시킨다. 상기 제5이송라인에는 제3조절밸브가 설치된다. 상기 제3조절밸브는 상기 제5이송라인을 통하여 이송되는 작동유체의 유량을 제어한다. A fifth transfer line is provided between the return line and the first transfer line. One end of the fifth transfer line is connected to the return line of the front side of the condenser, the other end is connected to the first transfer line of the outlet side of the pump, the fifth transfer line is a part of the working fluid discharged from the pump Transfer to condenser. The third transfer valve is installed in the fifth transfer line. The third control valve controls the flow rate of the working fluid conveyed through the fifth transfer line.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트를 도시한 개념도이다. 2 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a second embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산환탄소 발전플랜트는, 이산화탄소를 이용하여 전기를 발생시키는 것으로서, 이산화탄소를 가압하여 토출하는 펌프(2110), 외부열원과 열교환시켜 이산화탄소를 가열하는 제1,2열교환기(2120)(2125), 상기 제1,2열교환기(2120)(2125)로 작동유체를 이송시키는 제1 내지 3 이송라인(2140)(2141)(2142), 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열하는 복열기(2130), 상기 제1,2이송라인의 유량을 각각 조절하는 제1,2조절밸브(2150)(2151), 상기 제1,2조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제1,2압력센서(2160)(2161), 터빈(2180), 리턴라인(2145) 및 제어부(2190)로 이루어진다. Referring to Figure 2, the supercritical discrete ring carbon power plant according to the second embodiment of the present invention, as generating electricity using carbon dioxide, the
본 발명의 제2실시예에 따른 발전플랜트는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 발전플랜트에서 상기 제1,2조절밸브(2150)(2151)의 차압측정 및 이를 이용하여 제어하는 방법을 변형한 것이다. In the power generation plant according to the second embodiment of the present invention, the differential pressure measurement of the first and
본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 상기 제1,2조절밸브(2150)(2151)의 차압측정 및 이를 이용하여 제어하는 구성에 관하여 설명하기로 한다. In the configuration of the supercritical carbon dioxide power plant according to the second embodiment of the present invention, a description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the first and second control valves different from the first embodiment will be omitted. The differential pressure measurement (2150) (2151) and the configuration to control using the same will be described.
본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트는, 상기 펌프(2110)에서 토출되는 작동유체의 압력을 측정하는 제3압력센서(2162)를 더 포함한다. The supercritical carbon dioxide power plant according to the second embodiment of the present invention further includes a
상기 제3압력센서(2162)는 상기 펌프 출구의 제2이송라인(2140)에 설치되어 상기 펌프로부터 토출되어 상기 제2이송라인을 통하여 이송되는 작동유체의 압력을 측정한다. 본 실시예에서는 상기 제3압력센서가 제2이송라인에 설치되는 것으로 설명되었으나, 상기 펌프로부터 토출되는 작동유체의 압력을 측정할 수 있는 위치라면 상기 제3압력센서는 어디든지 설치될 수 있음은 물론이다. The
상기 제어부(2190)는, 제1압력센서(2160)에서 측정된 제1조절밸브(2150)를 통과한 작동유체의 압력과 상기 제3압력센서(2162)에서 측정된 펌프로부터 토출된 작동유체의 압력 간의 제1차값을 구한다. 그리고 상기 제어부(2190)는, 제2압력센서(2161)에서 측정된 제2조절밸브(2151)를 통과한 작동유체의 압력과 상기 제3압력센서(2162)에서 측정된 펌프로부터 토출된 작동유체의 압력 간의 제2차값을 구한다.The
제1차값과 제2차값이 구해지면, 상기 제어부(2190)는 상기 제1차값과 상기 제2차값 중 큰 값이 소정압력(5bar~10bar)이하로 되도록 상기 펌프의 출력압력을 설정하여 상기 펌프를 작동시킨다. When the first and second difference values are obtained, the
일예로, 상기 제1압력센서(2160)의 측정값이 15bar이고, 상기 제2압력센서(2161)의 측정값이 20bar이며, 상기 제3압력센서(2162)의 측정값이 30bar 인 경우, 제1차값은 15bar이고, 제2차값은 10bar 이다. 이 경우, 상기 제1,2차값 중 큰 값인 상기 제1차값을 소정압력인 5bar 이하로 조절하기 위하여 상기 제어부는 펌프의 토출압력을 20bar로 설정하여 상기 펌프를 작동시킨다.For example, when the measured value of the
이 경우, 상기 제1,2조절밸브에서 발생하는 차압은 각각 5bar 정도 감소하므로, 에너지 손실이 감소하게 되어 전체 플랜트의 효율이 증가한다. In this case, since the differential pressure generated in the first and second control valves is reduced by about 5 bar, respectively, the energy loss is reduced and the efficiency of the entire plant is increased.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트를 도시한 개념도이다. 3 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a third embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트는, 이산화탄소를 이용하여 전기를 발생시키는 것으로서, 이산화탄소를 가압하여 토출하는 펌프(3110), 외부열원과 열교환시켜 이산화탄소를 가열하는 제1,2열교환기(3120)(3125), 상기 제1,2열교환기(3120)(3125)로 작동유체를 이송시키는 제1 내지 3 이송라인(3140)(3141)(3142), 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열하는 복열기(3130), 상기 제1,2이송라인의 유량을 각각 조절하는 제1,2조절밸브(3150)(3151), 상기 제1,2조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제1,2압력센서(3160)(3161), 터빈(3180), 리턴라인(3145) 및 제어부(3190)로 이루어진다. Referring to FIG. 3, the supercritical carbon dioxide power plant according to the third embodiment of the present invention generates electricity by using carbon dioxide, and the
본 발명의 제3실시예에 따른 발전플랜트는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 발전플랜트에서 배기가스의 온도, 상기 제1열교환기로부터 배출되는 작동유체의 온도 및 상기 복열기로부터 배출되는 작동유체의 온도에 기초하여 상기 제1,2조절밸브의 유량을 조절하는 구성을 더 추가한 것이다. The power plant according to the third embodiment of the present invention, the temperature of the exhaust gas, the temperature of the working fluid discharged from the first heat exchanger and the discharge from the recuperator in the power plant according to the first embodiment of the present invention described above It is further added to the configuration for adjusting the flow rate of the first and second control valve based on the temperature of the working fluid.
본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 배기가스의 온도, 상기 제1열교환기로부터 배출되는 작동유체의 온도 및 상기 복열기(3130)로부터 배출되는 작동유체의 온도에 기초하여 상기 제1,2조절밸브(3150)(3151)의 유량을 조절하는 구성에 관하여 설명하기로 한다. In the configuration of the supercritical carbon dioxide power plant according to the third embodiment of the present invention, a description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the temperature of the exhaust gas, which is different from the first embodiment, will be omitted. A configuration of adjusting the flow rate of the first and
본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트는 제3온도센서(3179) 및 제2-4온도센서(3178)를 포함한다. 상기 제3온도센서(3179)는 제4이송라인(3143)에 설치되어 상기 제1열교환기(3120)를 통과하여 제4이송라인(3143)으로 이송되는 작동유체의 온도를 측정한다. The supercritical carbon dioxide power plant according to the third embodiment of the present invention includes a
그리고 상기 제2-4온도센서(3179)는 상기 복열기(3130) 일측의 제3이송라인(3142)에 설치되어, 상기 복열기(3130)를 통과하여 상기 제3이송라인(3142)을 통하여 이송되는 작동유체의 온도를 측정한다. The 2-4
제어부(3190)는 상기 제3온도센서(3179)에서 측정된 작동유체의 온도와 상기 제2-4온도센서(3178)에서 측정된 온도에 기초하여 상기 제2조절밸브(3151)의 개도를 조절한다. The
구체적으로, 제어부(3190)는 기본적으로 열정산(heat balance diagram)에서 계산된 추천값을 통하여 밸브개도를 조정한다. 그 이후 상기 제어부(3190)는 상기 제3온도센서(3179)에서 측정된 제1열교환기(3120)를 통과한 작동유체의 온도와 상기 제2-4온도센서(3178)가 측정한 복열기 후단의 온도 차이를 최소로 하도록 제2조절밸브(3151)의 개도를 조절한다. Specifically, the
예를 들어, 상기 제1열교환기 (3120)을 통과한 작동유체의 온도가 237 ℃이고 상기 제2-4 온도센서 (3178)에서 측정된 복열기 후단의 온도가 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체의 온도보다 높은 245 ℃ 일 경우, 상기 제어부(3190)는 상기 제2조절밸브의 개도를 증가시킨다. 다른 한편, 상기 제2-4 온도센서 (3178)에서 측정된 복열기 후단의 온도가 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체의 온도보다 낮은 230 ℃일 경우, 상기 제어부는 상기 제2조절밸브의 개도를 감소시킨다. For example, the temperature of the working fluid passing through the
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트를 도시한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power plant according to a fourth embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트는, 이산화탄소를 이용하여 전기를 발생시키는 것으로서, 이산화탄소를 가압하여 토출하는 펌프(4110), 외부열원과 열교환시켜 이산화탄소를 가열하는 제1,2열교환기(4120)(4125), 상기 제1,2열교환기(4120)(4125)로 작동유체를 이송시키는 제1 내지 3 이송라인(4140)(4141)(4142), 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열하는 복열기(4130), 상기 제1,2이송라인의 유량을 각각 조절하는 제1,2조절밸브(4150)(4151), 상기 제1,2조절밸브의 차압을 측정하는 제1,2차압센서(4165)(4166), 터빈(4180), 리턴라인(4145) 및 제어부(4190)로 이루어진다. Referring to FIG. 4, the supercritical carbon dioxide power plant according to the fourth embodiment of the present invention generates electricity by using carbon dioxide, a
본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 제1,2조절밸브(4150)(4151)의 차압을 측정하는 구성을 설명하기로 한다. In the configuration of the supercritical carbon dioxide power plant according to the fourth embodiment of the present invention, a description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the first and second control valves having different configurations from the first embodiment ( A configuration for measuring the differential pressure of 4150 and 4141 will be described.
본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전플랜트는, 제1,2차압센서(4165)(4166)를 구비한다. The supercritical carbon dioxide power plant according to the fourth embodiment of the present invention includes first and second
상기 제1차압센서(4165)는, 상기 제1조절밸브(4150)의 입구와 출구의 압력차를 측정하고, 상기 제2차압센서(4166)는 상기 제2조절밸브(4151)의 입구와 출구의 압력차를 측정한다. The first
제어부(4190)는, 상기 제1차압센서(4165)의 측정치 및 상기 제2차압센서(4166)의 측정치에 기초하여 상기 펌프(4110)의 운전을 제어한다. 상기 제어부(4190)는 상기 제1차압센서(4165)의 측정치와 상기 제2차압센서(4166)의 측정치 중 높은 값이 상기 소정압력(5bar~10bar) 이하로 되도록 상기 펌프의 출력압력을 조정한다. The
일예로, 상기 제1차압센서의 측정값이 7bar이고, 제2차압센서의 측정값이 4bar인 경우, 상기 제1차압센서의 측정값 및 상기 제2차압센서의 측정값 중 높은 값인 상기 제2차압센서의 측정값을 소정압력인 5bar 이하로 조절하기 위하여 상기 제어부는 펌프의 토출압력을 현재 토출압력보다 증가시켜 펌프를 운전한다. For example, when the measured value of the first differential pressure sensor is 7 bar and the measured value of the second differential pressure sensor is 4 bar, the second measured value of the first differential pressure sensor and the measured value of the second differential pressure sensor are higher values. In order to adjust the measured value of the differential pressure sensor to a predetermined pressure of 5 bar or less, the controller operates the pump by increasing the discharge pressure of the pump than the current discharge pressure.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
100 : 발전플랜트 110 : 펌프
120 : 제1열교환기 125 : 제2열교환기
130 : 복열기 140 : 제1이송라인
150 : 제1조절밸브 151 : 제2조절밸브
160 : 제1압력센서 161 : 제2압력센서
162 : 제3압력센서 170 : 제1온도센서
180 : 터빈 185 : 응축기
190 : 제어부100: power plant 110: pump
120: first heat exchanger 125: second heat exchanger
130: recuperator 140: the first transfer line
150: first control valve 151: second control valve
160: first pressure sensor 161: second pressure sensor
162: third pressure sensor 170: first temperature sensor
180
190: control unit
Claims (22)
상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제1열교환기;
상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제2열교환기;
상기 펌프와 상기 제2열교환기 사이에 배치되어 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 복열기;
일단은 상기 펌프와 연결되고, 타단은 상기 제1열교환기와 연결되어 상기 펌프로부터 상기 제1열교환기로 작동유체가 이송되는 제1이송라인;
상기 제1이송라인에 설치되어, 상기 제1이송라인을 통하여 이동하는 작동유체의 유량을 조절하는 제1조절밸브;
상기 제1조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제1압력센서;
상기 제1이송라인으로부터 분기되며, 일단이 상기 복열기와 연결되는 제2이송라인;
상기 제2이송라인에 형성되어 상기 제2이송라인으로 이송되는 작동유체의 유량을 제어하는 제2조절밸브;
상기 제2조절밸브를 통과한 작동유체의 압력을 측정하는 제2압력센서;
일단이 상기 제2열교환기와 연결되고, 타단은 상기 복열기와 연결되는 제3이송라인;
일단은 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단은 상기 제3이송라인과 연결되어 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 상기 제3이송라인으로 공급하는 제4이송라인;
상기 제2열교환기를 통과한 작동유체를 이용하여 전력을 생산하는 터빈;
일단은 상기 터빈과 연결되며, 상기 복열기를 경유하며, 타단은 상기 펌프와 연결되는 리턴라인;
상기 리턴라인에 형성되어, 상기 펌프로 공급되는 작동유체를 냉각시키는 응축기;
상기 제1압력센서의 측정치 및 상기 제2압력센서의 측정치에 기초하여 상기 펌프의 운전을 제어하는 제어부;
상기 펌프의 출구측에 설치되어, 상기 펌프로부터 토출되는 작동유체의 압력을 측정하는 제3압력센서;
상기 복열기 양측의 리턴라인에 설치되어, 상기 복열기에 유입되기 전의 작동유체의 온도 및 상기 복열기를 통과하고 난 이후의 작동유체의 온도를 각각 측정하는 제2-1온도센서 및 제2-2온도센서; 및
상기 복열기 양측의 제2이송라인 및 상기 제3이송라인에 각각 설치되어, 상기 제2이송라인을 통하여 상기 복열기로 유입되는 작동유체의 온도와 상기 제3이송라인을 통하여 상기 복열기로부터 배출되는 작동유체의 온도를 각각 측정하는 제2-3온도센서 및 제2-4온도센서를 포함하되,
상기 제어부는, 상기 제1압력센서와 상기 제3압력센서의 측정치의 차인 제1차값과,
상기 제2압력센서와 상기 제3압력센서의 측정치의 차인 제2차값을 구하고,
상기 제1차값과 상기 제2차값 중 큰 값이 소정압력 이하로 되도록 상기 펌프의 출력압력을 설정하여 상기 펌프의 토출압을 제어하고,
상기 제2-1 온도센서 내지 상기 제2-4온도센서의 측정온도에 기초하여 상기 제2조절밸브를 제어하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 .
A pump for compressing the working fluid;
A first heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump;
A second heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump;
A recuperator disposed between the pump and the second heat exchanger to heat a working fluid supplied from the pump;
A first transfer line, one end of which is connected to the pump and the other end of which is connected to the first heat exchanger to transfer a working fluid from the pump to the first heat exchanger;
A first control valve installed at the first transfer line to adjust a flow rate of the working fluid moving through the first transfer line;
A first pressure sensor for measuring the pressure of the working fluid passing through the first control valve;
A second transfer line branched from the first transfer line, one end of which is connected to the recuperator;
A second control valve formed in the second transfer line to control a flow rate of the working fluid transferred to the second transfer line;
A second pressure sensor for measuring the pressure of the working fluid passing through the second control valve;
A third transfer line having one end connected to the second heat exchanger and the other end connected to the recuperator;
A fourth transfer line, one end of which is connected to the first heat exchanger and the other end of which is connected to the third transfer line and supplies a working fluid passing through the first heat exchanger to the third transfer line;
A turbine for producing electric power using the working fluid passing through the second heat exchanger;
A return line, one end of which is connected to the turbine, via the recuperator, and the other end of which is connected to the pump;
A condenser formed on the return line to cool the working fluid supplied to the pump;
A control unit which controls the operation of the pump based on the measured value of the first pressure sensor and the measured value of the second pressure sensor;
A third pressure sensor installed at an outlet side of the pump to measure a pressure of a working fluid discharged from the pump;
2-1 temperature sensors and 2- installed on return lines on both sides of the recuperator to measure the temperature of the working fluid before entering the recuperator and the temperature of the working fluid after passing through the recuperator. 2 temperature sensors; And
Installed in the second transfer line and the third transfer line on both sides of the recuperator, respectively, the temperature of the working fluid flowing into the recuperator through the second transfer line and discharged from the recuperator through the third transfer line. It includes a 2-3 temperature sensor and a 2-4 temperature sensor for measuring the temperature of the working fluid to be respectively,
The control unit may include a first difference value which is a difference between the measured values of the first pressure sensor and the third pressure sensor,
Obtaining a second difference value which is a difference between the measured values of the second pressure sensor and the third pressure sensor,
The discharge pressure of the pump is controlled by setting an output pressure of the pump such that a larger value of the first difference value and the second difference value is equal to or less than a predetermined pressure,
A supercritical carbon dioxide power plant for controlling the second control valve based on the measured temperature of the 2-1 temperature sensor to the 2-4 temperature sensor.
상기 소정압력은 5bar~10bar 사이의 값인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트.
The method according to claim 5,
The predetermined pressure is a supercritical carbon dioxide power plant, characterized in that the value between 5bar ~ 10bar.
상기 제1열교환기 일측에 설치되어, 상기 제1열교환기를 통과한 배기가스의 온도를 측정하는 제1온도센서를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 .
The method according to claim 5,
And a first temperature sensor installed at one side of the first heat exchanger, the first temperature sensor measuring a temperature of exhaust gas passing through the first heat exchanger.
상기 제어부는, 상기 제1온도센서의 측정온도에 기초하여 상기 제1조절밸브를 제어하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 .
The method according to claim 8,
The control unit, the supercritical carbon dioxide power plant for controlling the first control valve based on the measured temperature of the first temperature sensor.
일단은 상기 응축기 전측의 리턴라인에 연결되고, 타단은 상기 펌프의 출구 측 제1이송라인에 연결되어, 상기 펌프로부터 토출된 작동유체의 일부를 상기 응축기로 이송시키는 제5이송라인과,
상기 제5이송라인에 설치되어, 상기 제5이송라인을 통하여 이송되는 작동유체의 유량을 제어하는 제3조절밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트.
The method according to claim 5,
A fifth transfer line, one end of which is connected to the return line of the front side of the condenser and the other end of which is connected to the first transfer line of the outlet side of the pump, for transferring a part of the working fluid discharged from the pump to the condenser;
And a third control valve installed in the fifth transfer line and controlling a flow rate of the working fluid transferred through the fifth transfer line.
상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제1열교환기;
상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 제2열교환기;
상기 펌프와 상기 제2열교환기 사이에 배치되어 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열시키는 복열기;
일단은 상기 펌프와 연결되고, 타단은 상기 제1열교환기와 연결되어 상기 펌프로부터 상기 제1열교환기로 작동유체가 이송되는 제1이송라인;
상기 제1이송라인에 설치되어, 상기 제1이송라인을 통하여 이동하는 작동유체의 유량을 조절하는 제1조절밸브;
상기 제1조절밸브의 입구와 출구의 압력차를 측정하는 제1차압센서;
상기 제1이송라인으로부터 분기되며, 일단이 상기 복열기와 연결되는 제2이송라인;
상기 제2이송라인에 형성되어 상기 제2이송라인으로 이송되는 작동유체의 유량을 제어하는 제2조절밸브;
상기 제2조절밸브의 입구와 출구의 압력차를 측정하는 제2차압센서;
일단이 상기 제2열교환기와 연결되고, 타단은 상기 복열기와 연결되는 제3이송라인;
일단은 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단은 상기 제3이송라인과 연결되어 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 상기 제3이송라인으로 공급하는 제4이송라인;
상기 제2열교환기를 통과한 작동유체를 이용하여 전력을 생산하는 터빈;
일단은 상기 터빈과 연결되며, 상기 복열기를 경유하며, 타단은 상기 펌프와 연결되는 리턴라인;
상기 리턴라인에 형성되어, 상기 펌프로 공급되는 작동유체를 냉각시켜 응축시키는 응축기;
상기 제1차압센서의 측정치 및 상기 제2차압센서의 측정치에 기초하여 상기 펌프의 운전을 제어하는 제어부;
상기 복열기 양측의 리턴라인에 설치되어, 상기 복열기에 유입되기 전의 작동유체의 온도 및 상기 복열기를 통과하고 난 이후의 작동유체의 온도를 각각 측정하는 제2-1온도센서 및 제2-2온도센서; 및
상기 복열기 양측의 제2이송라인 및 상기 제3이송라인에 각각 설치되어, 상기 제2이송라인을 통하여 상기 복열기로 유입되는 작동유체의 온도와 상기 제3이송라인을 통하여 상기 복열기로부터 배출되는 작동유체의 온도를 각각 측정하는 제2-3온도센서 및 제2-4온도센서를 포함하되,
상기 제어부는, 상기 제1차압센서와 상기 제2차압센서의 측정값 중 높은 값이 소정압력 이하로 되도록 상기 펌프의 토출압을 제어하고,
상기 제2-1 온도센서 내지 상기 제2-4온도센서의 측정온도에 기초하여 상기 제2조절밸브를 제어하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 .
A pump for compressing the working fluid;
A first heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump;
A second heat exchanger for heating the working fluid supplied from the pump;
A recuperator disposed between the pump and the second heat exchanger to heat a working fluid supplied from the pump;
A first transfer line, one end of which is connected to the pump and the other end of which is connected to the first heat exchanger to transfer a working fluid from the pump to the first heat exchanger;
A first control valve installed at the first transfer line to adjust a flow rate of the working fluid moving through the first transfer line;
A first differential pressure sensor for measuring a pressure difference between an inlet and an outlet of the first control valve;
A second transfer line branched from the first transfer line, one end of which is connected to the recuperator;
A second control valve formed in the second transfer line to control a flow rate of the working fluid transferred to the second transfer line;
A second differential pressure sensor for measuring a pressure difference between an inlet and an outlet of the second control valve;
A third transfer line having one end connected to the second heat exchanger and the other end connected to the recuperator;
A fourth transfer line, one end of which is connected to the first heat exchanger and the other end of which is connected to the third transfer line and supplies a working fluid passing through the first heat exchanger to the third transfer line;
A turbine for producing electric power using the working fluid passing through the second heat exchanger;
A return line, one end of which is connected to the turbine, via the recuperator, and the other end of which is connected to the pump;
A condenser formed on the return line to cool and condense the working fluid supplied to the pump;
A control unit controlling the operation of the pump based on the measured value of the first differential pressure sensor and the measured value of the second differential pressure sensor;
2-1 temperature sensors and 2- installed on return lines on both sides of the recuperator to measure the temperature of the working fluid before entering the recuperator and the temperature of the working fluid after passing through the recuperator. 2 temperature sensors; And
Installed in the second transfer line and the third transfer line on both sides of the recuperator, respectively, the temperature of the working fluid flowing into the recuperator through the second transfer line and discharged from the recuperator through the third transfer line. It includes a 2-3 temperature sensor and a 2-4 temperature sensor for measuring the temperature of the working fluid to be respectively,
The control unit controls the discharge pressure of the pump so that a higher value among the measured values of the first differential pressure sensor and the second differential pressure sensor is equal to or less than a predetermined pressure,
A supercritical carbon dioxide power plant for controlling the second control valve based on the measured temperature of the 2-1 temperature sensor to the 2-4 temperature sensor.
상기 소정압력은 5bar~10bar 사이의 값인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 플랜트 . The method of claim 20,
The predetermined pressure is a supercritical carbon dioxide power plant, characterized in that the value between 5bar ~ 10bar.
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| KR1020170139283A KR102010145B1 (en) | 2017-10-25 | 2017-10-25 | Supercritical CO2 Power generation plant |
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| Publication number | Publication date |
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| KR20190046105A (en) | 2019-05-07 |
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Legal Events
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