KR102036817B1 - 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 열병합 발전 유닛 및 열병합 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 유닛은, 발전기를 구동시키고 열이 발생되는 엔진과, 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기와, 엔진에서 발생된 열을 급탕부에 전달하는 급탕 열교환기와, 열매체가 엔진, 급탕 열교환기 및 방열기를 순환하도록 엔진, 방열기 및 급탕 열교환기를 연결하는 열매체 순환 유로와, 열매체 순환 유로를 흐르는 열매체의 유동을 조절하는 유동 조절기와, 급탕 열량에 따른 운전 모드를 기초로, 유동 조절기를 제어하여, 엔진으로 바이패스되는 열매체의 유량을 가변하는 제어부를 포함한다. 이에 따라, 급탕 열량을 유연하게 가변할 수 있다.

Description

열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템{COGENERATION UNIT AND SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 급탕 열량을 효율적으로 가변할 수 있는, 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 발전 시스템은, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템을 말한다.
예를 들어, 열병합 발전 시스템은 발전기를 구동시켜 전력을 생성시킴과 아울러 발전기의 구동시 발생 된 열을 이용하는 것으로서, 발전기에서 생성된 전력을 발전기가 설치된 건물 내의 조명이나 각종 전기기기에 공급하며, 발전기에서 발생 된 열을 급탕부 등의 열수요처에 제공한다.
한편, 열병합 발전 시스템에서, 엔진을 냉각하기 위한 냉각수를 급탕부 등의 급탕 열원으로 사용하는 경우, 냉각수의 온도가 소정 온도 이하로 떨어지게 되면, 엔진의 가용 효율성이 저하되고, 저하된 가용 효율성으로 인해, 급탕부의 급탕 요구가 있는 경우에도 급탕부의 가열이 중단된다.
특히, 종래 열병합 발전 시스템은, 급탕 요구도에 상관 없이 급탕부에 열을 전달하므로, 엔진 성능의 저하 및 급탕 출수 온도의 감소로 인해 사용자 불편을 초래할 우려가 있다.
즉, 종래 열병합 발전 시스템은, 사용자의 급탕 요구도에 따라 급탕 열량이 유연하게 가변되도록 할 수 없고, 따라서 열병합 발전 시스템을 사용자의 요구에 부응하여 효율적으로 운영하지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 급탕 열량을 효율적으로 가변할 수 있는, 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 급탕 열량을 가변하기 위하여 냉각수 온도를 신속하게 가변할 수 있는 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 사용자의 설정에 의해 급탕 열량을 가변할 수 있는 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 유닛은, 발전기를 구동시키고 열이 발생되는 엔진과, 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기와, 엔진에서 발생된 열을 급탕부에 전달하는 급탕 열교환기와, 열매체가 엔진, 급탕 열교환기 및 방열기를 순환하도록 엔진, 방열기 및 급탕 열교환기를 연결하는 열매체 순환 유로와, 열매체 순환 유로를 흐르는 열매체의 유동을 조절하는 유동 조절기와, 급탕 열량에 따른 운전 모드를 기초로, 유동 조절기를 제어하여, 엔진으로 바이패스되는 열매체의 유량을 가변하는 제어부를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은, 전력과 열을 발생하고, 전력과 열을 공급하는 열병합 발전 유닛 및 열병합 발전 유닛에서 발생된 열을 전달 받는 급탕부를 포함하고, 열병합 발전 유닛은, 발전기를 구동시키고 열이 발생되는 엔진과, 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기와, 엔진에서 발생된 열을 급탕부에 전달하는 급탕 열교환기와, 열매체가 엔진, 급탕 열교환기 및 방열기를 순환하도록 엔진, 방열기 및 급탕 열교환기를 연결하는 열매체 순환 유로와, 열매체 순환 유로를 흐르는 열매체의 유동을 조절하는 유동 조절기와, 급탕 열량에 따른 운전 모드를 기초로, 유동 조절기를 제어하여, 엔진으로 바이패스되는 열매체의 유량을 가변하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 유닛은, 추가 구성이나, 복잡한 배관 열결 없이, 엔진으로 바이패스 되는 열매체의 유량을 조절하여, 급탕 열량을 유연하게 가변할 수 있다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 사용자의 온수 요구가 없는 경우, 열매체를 방열기로 인가하여, 엔진의 과열을 방지하면서도, 발전 효율을 높이고, 사용자의 온수 요구가 있는 경우, 열매체를 급탕 열교환기로 인가하여, 발전 효율은 낮추더라도, 급탕 열량을 상승시키므로, 발전 효율 및 급탕 열량을 고려한 효율적인 시스템 제어가 가능하다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 열매체의 유동만을 변경하는 것이므로, 발전 효율을 낮추는 경우라도, 총 발전량을 유지할 수 있다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 열매체의 유동을 유동 조절기를 통해 가변할 수 있고, 유동 조절기는, 삼방 밸브로 구성될 수 있어, 급탕 열량 조절을 위한 제조 비용이 절감된다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 급탕 모드에서 열매체가 제1 유동 조절기 및 제2 유동 조절기를 통해, 급탕 유로에 곧바로 유입되기 때문에, 신속한 급탕 모드 실현이 가능하다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 모드 설정부를 포함할 수 있고, 사용자는 모드 설정부를 통해 급탕 열량의 가변이 가능하므로 사용자 편의성이 향상된다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 온도 센서를 통해, 열매체의 온도를 감지하고, 열매체의 온도를 기초로 급탕 열량을 연산하므로, 급탕 열량의 정확한 제어가 가능하고, 안정적으로 급탕 출수 온도를 유지할 수 있다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 운전 모드 수행 전, 엔진의 회전수 변동, 흡입 압력 변화, 열매체의 온도 및 운전 모드 유지 시간을 기초로, 안정화 상태 검사를 수행하므로, 시스템의 안정성이 향상된다.
또한, 열병합 발전 유닛은, 엔진 열 뿐만 아니라 배기가스 열도 회수 하여, 열수요처에 공급하므로, 에너지 효율이 극대화되는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은, 추가 구성이나, 복잡한 배관 열결 없이, 엔진으로 바이패스 되는 열매체의 유량을 조절하여, 급탕 열량을 유연하게 가변할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 제어 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른, 열매체의 유량 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른, 열매체의 유량 변화를 나타내는 도면이다.
도 5a는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른, 급탕 열량에 변화를 도시하는 도면이다.
도 5b는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른, 열매체 온도 변화 및 급탕수 온도 변화를 도시하는 도면이다.
도 6은, 발전 효율에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는, 본 발명의 설명에 참조되는 도면이다.
도 8은, 본발명의 실시예에 따른 열병합 발전 유닛의 동작 방법을 도시한 순서도이다.
도 9는, 도 8의 안정화 상태 검사 방법을 도시한 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것들의 존재, 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 개략도이고, 도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템의 제어 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 시스템(1)은, 열병합 발전 유닛(10)과 열수요처를 포함할 수 있다.
열병합 발전 유닛(10)은, 연료를 통해 전력과 열을 생성하고, 발생된 전력을 전력 소비기기인 조명이나 가전기기 등으로 공급하며, 발생된 열을 열수요처로 전달할 수 있다.
열수요처는, 엔진(14)에서 발생된 열을 공급 받아 건물 내로 온수를 공급하는 급탕부(60)나, 엔진(14)에서 발생된 열을 공급 받아 건물 내부를 공조 시키는 공기조화기인 것도 가능하다. 이하, 본 실시예에서의 열 수요처는, 급탕부(60)인 것으로 설명한다.
열병합 발전 유닛(10)은, 엔진(14)과, 엔진(14)에서 연결되어 전력을 생성하는 발전기(100)와, 급탕부(60)와 물 순환 유로(18)로 연결된 급탕 열교환기(16)와, 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기(320)와, 엔진(14)에서 발생된 열을 급탕 열교환기(16) 및 방열기(320)로 전달하도록, 엔진(14), 급탕 열교환기(16) 및 방열기(320)를 연결하는 열매체 순환 유로(40)와, 열매체 순환 유로(40)를 흐르는 열매체의 유동을 조절하는 유동 조절기(25a, 25b, 이하 구분의 필요가 없는 경우 25라 함)와, 열매체의 온도를 측정하는 온도 센서(27)와, 열매체를 펌핑하는 열매체 펌프(33)를 포함할 수 있다.
엔진(14)은, 가스 또는 석유 등 화석 연료로 구동되어 발전기(100)를 구동시키고 열을 발생시킬 수 있다.
엔진(14)은, 흡기 라인(20) 및 배기라인(30)과 연결되어 혼합기의 연소로 동력을 발생시킬 수 있다. 혼합기 흡기 라인(24)을 통해 엔진(14)으로 공급된 혼합기는 엔진(14) 내에서 연소 후에 배기라인(30)을 통해 배기가스로 배출될 수 있다.
엔진(14)은, 혼합기가 연소하는 실린더 헤드(14b)와, 실린더 헤드(14b) 내로 혼합기를 유동시키는 흡기 매니폴드(14a)와, 연소된 배기가스를 배기라인(30)으로 유동시키는 배기 매니폴드(14c)를 포함할 수 있다.
흡기 라인(20)은, 공기와 함께 연료가 혼합된 혼합기가 유입될 수 있다. 흡기 라인(20)은, 공기와 연료를 흡기하여, 공기와 연료를 혼합 한 후, 흡기 압축기(300) 및 엔진(14)에 공급할 수 있다. 연료는, 가스 또는 석유 등 화석 연료는 물론 매립가스를 포함할 수도 있다.
흡기 라인(20)은, 외기, 연료 저장소(미도시), 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a) 및 흡기 압축기(300)와 연결될 수 있다.
예를 들어, 흡기 라인(20)은, 공기가 유입되는 공기 흡기 라인(21)과, 연료가 유입되는 연료 흡기 라인(22)과, 공기 흡기 라인(21) 및 연료 흡기 라인(22)과 연결되어 공기와 연료를 혼합하는 믹서(23)와, 믹서(23)와 연결되어 혼합기를 엔진(14)에 공급하는 혼합기 흡기 라인(24)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 믹서(23)를 제외한 공기 흡기 라인(21), 연료 흡기 라인(22) 및 혼합기 흡기 라인(24)을 흡기 라인(20)이라고 명명할 수도 있다.
공기 흡기 라인(21)은, 공기를 유동시킬 수 있다. 공기 흡기 라인(21)의 일단은 외기와 연결되고, 타단은 믹서(23)와 연결될 수 있다. 공기 흡기 라인(21)에는 흡기된 공기를 정화하는 공기 필터(41a)와, 사일런스(미도시) 등이 배치될 수 있다.
연료 흡기 라인(22)은, 연료를 유동시킬 수 있다. 연료 흡기 라인(22)의 일단은 연료 저장소(미도시)와 연결되고, 타단은 믹서(23)와 연결될 수 있다.
믹서(23)는, 연료 흡기 라인(22), 공기 흡기 라인(21) 및 혼합기 흡기 라인(24)과 연결될 수 있다. 믹서(23)는, 공기와 연료를 적절한 비율로 혼합하고, 그 혼합된 혼합기를 혼합기 흡기 라인(24)에 제공할 수 있다.
혼합기 흡기 라인(24)은, 믹서(23)에서 혼합된 혼합기를 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)에 제공할 수 있다. 혼합기 흡기 라인(24)은, 일단이 믹서(23)에 연결되고, 타단이 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)에 연결될 수 있다.
흡기 압축기(300)는, 흡기 라인(20)으로 공급된 혼합기를 압축하여 엔진(14)에 제공할 수 있다.
흡기 압축기(300)는, 혼합기 흡기 라인(24)을 유동하는 혼합기를 일정한 압력으로 압축할 수 있다. 흡기 압축기(300)는, 흡기 라인(24)과 연결될 수 있다. 구체적으로 흡기 압축기(300)는 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)와 믹서(23) 사이의 혼합기 흡기 라인(24)에 연결될 수 있다.
흡기 압축기(300)는 배기가스 외에 다른 별도의 동력원에 의해 작동되거나, 배기라인(30)으로 배출되는 배기가스에 의하여 회전하여 흡기 라인(20)으로 공급된 혼합기를 압축할 수 있다. 이하에서 흡기 압축기(300)는 배기가스를 동력원으로 작동되는 것을 전제로 설명한다. 배기가스에 의하여 흡기 압축기(300)가 작동되는 경우, 별도의 에너지를 흡기 압축기(300)에 공급할 필요가 없기 때문에 에너지가 절약되는 이점이 있다.
흡기 압축기(300)는, 터보 차저를 구비할 수 있고, 터보 차저는 공기와 연료가 혼합된 상태에서 터보 차저를 통해 혼합기를 압축할 수 있다. 이 경우, 별도의 연료 가압 장치 및 레귤레이터 없이 연료를 안정적으로 공급하면서 발전 출력이 향상된다는 이점이 있다.
한편, 흡기 압축기(300)를 사용하는 경우, 엔진(14)으로 유동되는 혼합기의 온도와 압력이 매우 높아지게 되는데, 이러한 고온 고압의 혼합기가 외부로 유출 시에 폭발의 우려가 존재하고, 엔진(14)으로 유입 시에 연료 량이 상대적으로 적어지므로, 출력이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 흡기 압축기(300)에서 압축된 혼합기를 냉각하는 쿨러(50)를 더 포함할 수 있다. 쿨러(50)는 흡기 압축기(300)에서 압축된 혼합기를 냉각하여 엔진(14)에 제공할 수 있다.
쿨러(50)는, 흡기 압축기(300)에서 압축된 혼합기를 냉각하여 엔진(14)에 제공할 수 있다.
쿨러(50)는, 외기와 냉매를 열교환하는 쿨러 방열기(52)와, 혼합기 흡기 라인(24)을 유동하는 혼합기와 냉매를 열교환하는 쿨러 열교환기(51) 및 내부에 냉매가 유동되고, 쿨러 열교환기(51)와 쿨러 방열기(52) 사이를 순환하는 쿨러 순환 유로(53)를 포함할 수 있다.
쿨러(50)에 의해 압축된 혼합기가 냉각되면, 혼합기의 온도가 낮아지고, 체적이 작아지므로, 엔진(14)에 공급되는 연료 양을 증가시켜서, 발전 효율을 향상시키고, 혼합기가 누출 시에 폭발을 방지할 수 있는 이점이 존재한다.
발전기(100)는, 엔진(14)의 출력축에 회전자가 연결되어 출력축의 회전시, 전력을 생산하고, 생산된 전력을 통해 열병합 발전기가 설치된 건물 내의 조명이나 가전기기 등의 전력 소비기기로 공급할 수 있다.
급탕부(60)는, 건물 내의 수도관이나 온수 배관과 연결되고, 내부에 급탕수가 수용되는 급탕조(12)와, 급탕수가 급탕 열교환기(16)와 급탕조(12)를 순환하도록, 급탕 열교환기(16)와 급탕조(12)를 연결하는 물 순환 유로(18)를 포함할 수 있다. 급탕부(60)는, 급탕조(12)의 온도를 조절하는 온도 조절기를 더 포함할 수 있다.
급탕 열교환기(16)는, 엔진(14)에서 발생된 열을, 급탕부(60)에 전달할 수 있다. 구체적으로, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체는, 엔진(14)에서 발생된 열을 회수하여, 급탕 열교환기(16)에 전달할 수 있다. 이때, 급탕 열교환기(16)는, 물 순환 유로(18)와의 열교환을 통해, 엔진(14)에서 발생된 열을 급탕부(60)에 전달하게 되다.
한편, 본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 그 운전시 전력과 함께 열을 생성하는 것으로서, 급탕부(60)로부터의 급탕 부하와 전력 소비기기의 전력 부하가 함께 있을 경우, 운전되는 것이 바람직하나, 전력 부하와 급탕 부하 중 어느 하나만 있더라도 운전되게 되는 바, 전력 부하가 있고 급탕 부하가 없을 경우, 엔진(14)을 보호 하기 위해, 엔진(14)으로부터의 열을 회수하여 외부로 방열시킬 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기(320)를 더 포함할 수 있다. 이때, 방열기(320)는, 열매체가 통과하는 방열 유로(19a, 19b, 이하, 구분의 필요가 없는 경우 19라 함)를 구비할 수 있다.
방열기(320)는 열매체에서 전달되는 열을 물 등의 냉각수에 의해 수냉식으로 냉각하는 것도 가능하고, 공기에 의해 공랭식으로 냉각되는 것도 가능하며, 이하 공랭식으로 냉각되는 것으로 설명한다. 이를 위해 방열기(320)는 방열 팬을 더 구비할 수 있다.
열매체 순환 유로(40)는, 열매체가 엔진(14), 급탕 열교환기(16) 및 방열기(320)를 순환하도록, 엔진(14), 급탕 열교환기(16) 및 방열기(320)를 연결할 수 있다.
열매체 순환 유로(40) 상의 열매체는, 엔진(14)에서 발생된 열을 회수하여 급탕부(60)에 전달할 수 있다. 이를 위해, 열매체 순환 유로(40)는, 열매체 공급 유로(11), 바이패스 유로(17), 급탕 유로(15a, 15b, 이하 구분의 필요가 없는 경우 15람 함), 열매체 회수 유로(26) 및 방열 유로(19)를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 열매체가 엔진(14)을 직접 통과하면서 엔진(14)의 열, 즉 엔진 동체의 열을 회수하는 것도 가능하고, 별도의 엔진 냉각 열교환기를 포함하여, 열매체가 엔진(14)과 엔진 냉각 열교환기를 통과하면서 엔진 냉각 열교환기로 전달된 열을 회수하는 것도 가능하다. 또한 이하에서 열매체는 냉각수를 의미할 수 있다.
열매체 순환 유로(40)는, 열매체가 엔진(14)을 통과한 후, 열매체 공급 유로(11)를 통해, 바이패스 유로(17) 및/또는 급탕 유로(15)를 거쳐, 엔진(14)으로 순환되게 형성될 수 있다.
또한, 급탕 유로(15) 상의 열매체는, 후술하는 유동 조절기(25)에 의해, 방열 유로(19)를 거쳐, 엔진(14)으로 회수될 수 있다.
보다 상세하게는, 열매체 공급 유로(11)는, 엔진(14)의 일단에 배치되어, 엔진(14)에서 발생된 열을 공급할 수 있다. 급탕 유로(15)는, 열매체 공급 유로(11)의 제1 분기점에서 분기되어, 엔진(14)에서 발생된 열을 급탕 열교환기(16)에 전달할 수 있다. 바이패스 유로(17)는, 상기 제1 분기점에서 분기되어, 열매체 공급 유로 상의 열매체가 엔진(14)으로 바이패스되도록 형성될 수 있다. 방열 유로(19)는, 급탕 유로(15)의 제2 분기점에서 분기되어 엔진(14)에서 발생된 열을 방열기(320)에 전달할 수 있다.
급탕 유로(15)는 제1 급탕 유로(15a) 및 제2 급탕 유로(15b)를 포함할 수 있다. 제1 급탕 유로(15a)는 제1 분기점에 연결되어 열매체를 제2 분기점으로 안내할 수 있다. 제2 급탕 유로(15b)는, 제2 분기점 및 바이패스 유로(17)를 연결할 수 있다.
방열 유로(19)는 급탕 유로(15), 특히, 제1 급탕 유로(15a) 상의 열매체를 방열기(320)로 흡입하기 위한 방열 흡입 유로(19a)와, 방열기(320)에 흡입된 열매체를 토출하기 위한 방열 토출 유로(19b)를 포함할 수 있다.
방열 흡입 유로(19a)는, 제2 분기점에 연결되어, 제1 급탕 유로(15a) 상의 열매체를 방열기(320)로 안내할 수 있다. 방열 토출 유로(19b)는, 방열기(320) 및 바이패스 유로(17)를 연결할 수 있다.
유동 조절기(25)는 열매체 순환 유로(40)에 배치되어 열매체의 유동을 조절할 수 있다. 유동 조절기(25)는, 제1 유동 조절기(25a)와 제2 유동 조절기(25b)를 포함할 수 있다.
제1 유동 조절기(25a)는, 제1 분기점에 배치되어, 열매체 공급 유로(40) 상의 열매체가 바이패스 유로(17) 또는 급탕 유로(19) 중 어느 하나로 선택적으로 흐르도록 하거나, 열매체가 바이패스 유로(17) 및 급탕 유로(19)로 동시에 흐르도록 열매체의 유동을 조절할 수 있다.
제2 유동 조절기(25b)는, 제2 분기점에 배치되어, 급탕 유로(19) 상의 열매체가 방열 유로(19) 또는 급탕 유로(15) 중 어느 하나로 선택적으로 흐르도록 하거나, 열매체가 방열 유로(19) 및 급탕 유로(15)로 동시에 흐르도록 열매체의 유동을 조절할 수 있다.
구체적으로, 열매체 공급 유로(11)는, 엔진(14)의 일단에 연결되어 제1 유동 조절기(25a)로 연장될 수 있다. 제1 급탕 유로(15a)는, 제1 유동 조절기(25a)에 연결되어, 열매체 공급 유로(11) 상의 열매체를 제2 유동 조절기(25b)로 안내할 수 있다. 제2 급탕 유로(15b)는, 일단이 제2 유동 조절기(25b)에 연결되고 타단이 바이패스 유로(17)에 합지될 수 있다.
방열 흡입 유로(19a)는, 제2 유동 조절기(25b)에 연결되어, 제1 급탕 유로(15a) 상의 열매체를 방열기(320)로 안내할 수 있다. 방열 토출 유로(19b)는, 일단이, 방열기(320)에 연결되고, 타단이 바이패스 유로(17)에 합지될 수 있다.
한편 바이패스 유로(17)는, 일단이 제1 유동 조절기(25a)에 연결되고 타단이 제2 급탕 유로(15b) 및 방열 토출 유로(19b)에 합지될 수 있다.
열매체 회수 유로(26)는, 바이패스 유로(17)와, 방열 토출 유로(19b)와, 제2 급탕 유로(15b)가 합지되는 합지점에 연결되어, 엔진(14)으로 연장될 수 있다.
한편, 도 1에서는, 방열 토출 유로(19b) 및 바이패스 유로(17)의 합지점과, 제2 급탕 유로(15b) 및 바이패스 유로(17)의 합지점의 위치가 상이한 것으로 도시되나, 방열 토출 유로(19b) 상의 열매체와, 바이패스 유로(17)상의 열매체와, 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체가 열매체 회수 유로(26)를 통해 엔진(14)으로 인가되므로 방열 토출 유로(19b), 바이패스 유로(17) 및 제2 급탕 유로(15b)의 합지점이 동일한 위치에 배치될 수도 있다.
제1 유동 조절기(25a)는 삼방 밸브를 구비하여, 운전 모드에 따라, 열매체 공급 유로(11) 상의 열매체를 바이패스 유로(17) 및/또는 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 할 수 있다.
제2 유동 조절기(25b)는 삼방 밸브를 구비하여, 운전 모드에 따라, 제2 급탕 유로(15a) 상의 열매체를 방열 흡입 유로(19a) 및/또는 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 할 수 있다.
유동 조절기(25)가 삼방 밸브로 구성되는 경우 제조 비용이 저감될 수 있다.
한편, 본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 열매체 또는 급수의 온도를 감지하거나, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체 유량을 감지하는 감지부(270)를 포함할 수 있다.
감지부(270)는, 제1 온도 센서(27), 제2 온도 센서(28) 및 제3 온도 센서(29)를 구비할 수 있다.
제1 온도 센서(27)는, 열매체 순환 유로(40)에 배치되어, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체 온도를 측정할 수 있다. 보다 바람직하게는 제1 온도 센서(27)는, 열매체 회수 유로(26)에 배치되어, 엔진(14)으로 회수되는 열매체의 온도를 측정할 수 있다.
제2 온도 센서(28)는, 물 순환 유로(18) 상에 배치될 수 있다. 보다 바람직하게는 제2 온도 센서(28)는, 급탕조(12)의 입수구에 배치되어 급탕조(12)에 입수되는 물의 온도를 측정할 수 있다.
제3 온도 센서(29), 물 순환 유로(18) 상에 배치될 수 있다. 보다 바람직하게는 제3 온도 센서(29)는, 급탕조(12) 의 출수구에 배치되어, 급탕조(12)에서 출수되는 물의 온도를 측정할 수 있다.
제어부(240)는, 제2 온도 센서(28) 및 제3 온도 센서(29)를 통해, 급탕조(12)의 급탕 열량을 연산할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 급탕조(12)에 입수되는 물의 입수 온도와, 급탕조(12)에서 출수되는 물의 출수 온도를 기초로, 열량 공식을 통해, 급탕조(12)의 급탕 열량을 연산할 수 있다.
한편, 제어부(240)는, 급탕 열량에 따라 운전 모드를 설정할 수 있고, 급탕 열량은, 제1 온도 센서(27)에서 감지된 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체 온도를 통해 도출될 수 있다.
예를 들어, 제어부(240), 제2 온도 센서(28) 및 제3 온도 센서(29)를 통해, 급탕조(12)의 급탕 열량을 연산하고, 이때 제1 온도 센서(27)에서 감지된 온도를 측정하여 제1 온도 센서(27)에서 감지된 열매체 온도와 급탕 열량과의 관계를 데이터 베이스화 할 수 있다. 제어부(240)는, 데이터 베이스(DB)를 기초로, 제1 온도 센서(27)의 온도를 통해 급탕 열량을 연산할 수 있다.
한편, 본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 제1 온도 센서(27)가 열매체 회수 유로(26) 상에 배치되므로, 바이패스 유로(17), 방열 유로(19) 및 급탕 유로(15)에 각각 온도 센서를 배치하는 경우보다 제조 비용이 저감된다. 또한, 제1 온도 센서(27)가 열매체 회수 유로(26) 상에 배치됨으로써, 열매체 순환 유로(40) 상에 흐르는 전체 열매체의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템(1)은, 전체 열매체의 온도를 측정함으로써, 급격한 유량 변화에 따른 온도 변화가 적어, 급탕 열량 측정의 정확성과 신뢰성을 제공한다.
감지부(270)는, 열매체의 유량을 측정하는 유량 센서(28)를 구비할 수 있다. 유량 센서(28)는, 열매체 순환 유로(40) 상에 배치되어, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체 유량을 측정할 수 있다. 제어부(240)는, 유량 센서(28)에서 감지된 유량을 기초로, 유동 조절기(25)의 개폐 정도를 제어하여, 보다 정확한 유량 제어가 가능하도록 한다.
모드 설정부(230)는, 사용자의 운전 모드 설정 명령을 입력 받을 수 있다. 운전 모드는 급탕 열량에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 운전 모드는, 급탕 열량이 최소인 급탕 미사용 모드와, 급탕 열량이 최소값 보다 큰 급탕 사용 모드로 구분될 수 있다. 급탕 사용 모드는 급탕 열량에 따라, 제1 운전 모드, 제1 운전 모드 보다 큰 급탕 열량을 출력하는 제2 운전 모드, 제2 운전 모드 보다 큰 급탕 열량을 출력하는 제3 운전 모드로 구분될 수 있다.
모드 설정부(230)는, 열병합 발전 유닛(10)에 배치될 수도 있고, 급탕조(12)에 배치될 수도 있다. 또는 열병합 발전 유닛(10) 및 급탕조(12)에 각각 배치될 수도 있다.
펌프(33)는, 열매체 순환 유로(40) 상에 적어도 하나 이상 설치되어 열매체를 순환시킬 수 있다. 펌프(33)는, 열매체 순환 유로(40) 중, 열매체 회수 유로(26)에 배치될 수 있고, 펌프(33)의 열매체 입구에는, 제1 온도 센서(27)가 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 열매체 순환 유로(40)에 배치되어, 엔진(14)에서 배출된 배기가스 열을 교환하는 배기 가스 열교환기(13)를 더 포함할 수 있다.
배기가스 열교환기(13)는, 배기라인(30)을 통과하는 배기가스와 열매체 순환 유로(40)를 순환하는 열매체 사이에 열교환시킬 수 있다. 배기가스 열교환기(13)는, 배기라인(30)의 배기가스 열 에너지를 열매체 순환 유로(40)로 전달할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 엔진 열 뿐만 아니라 배기가스 열도 회수 하여, 열수요처에 공급하므로, 에너지 효율이 극대화되는 효과가 있다.
도 3a 내지 도 3c 및 도 4는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른 열매체의 유량 변화를 나타내는 도면이다.
보다 상세하게는, 도 3a 내지 도 3c는, 급탕 모드에서 열병합 발전 유닛(10)의 열매체의 유량 변화를 나타내는 도면이고, 도 4는, 급탕 미사용 모드에서 열매체의 유량 변화를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 3a에서, 제어부(240)는, 제1 급탕 모드에서 제1 열매체 유량을 엔진으로 바이패스 시켜, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체가 제1 열매체 온도가 되도록 제어할 수 있다.
구체적으로 제어부(240)는, 제1 급탕 모드에서, 제1 유동 조절기(25a)를 조절하여, 열매체 공급 유로(11) 상의 열매체가, 바이패스 유로(17) 및 제1 급탕 유로(15a)로 동시에 흐르도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는, 제1 유동 조절기(25a)를 조절하여, 제1 열매체 유량이 바이패스 유로(17)에 흐르도록 제어하고, 제1 급탕 유량이 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 열매체 공급 유로(11) 상의 전체 열매체 유량 중, 30%를 바이패스 유로(17)로 흐르도록 제어하고, 나머지 70%를 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는, 제1 급탕 모드에서, 제2 유동 조절기(25b)를 선택적으로 개폐하여, 제1 급탕 유로(15a) 상의 열매체 전체(제1 급탕 유량)가 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체와, 바이패스 유로(17) 상의 열매체는 합지되어 열매체 회수 유로(26)에 유입될 수 있다. 이때, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도는 제1 열매체 온도일 수 있다.
한편, 급탕 열교환기(16)는, 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체와, 물 순환 유로(18) 상의 열매체 사이를 열교환 시킬 수 있다. 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체는, 물 순환 유로(18)에 열 에너지를 전달하고, 급탕조(12)는, 제1 급탕 열량을 출력할 수 있다.
도 3b에서, 제어부(240)는, 제2 급탕 모드에서, 제1 열매체 유량 보다 적은 제2 열매체 유량을 엔진(14)으로 바이패스 시켜, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체가 제1 열매체 온도 보다 낮은 제2 열매체 온도가 되도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는, 제2 급탕 모드에서, 제1 유동 조절기(25)를 조절하여, 제1 열매체 유량 보다 적은 제2 열매체 유량이 바이패스 유로(17)에 흐르도록 제어하고, 제1 급탕 유량 보다 많은 제2 급탕 유량이 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 열매체 공급 유로(11) 상의 전체 열매체 유량 중, 15%를 바이패스 유로(17)로 흐르도록 제어하고, 나머지 85%를 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는, 제2 유동 조절기(25b)를 선택적으로 개폐시켜, 제1 급탕 유로(15a) 상의 열매체 전체(제2 급탕 유량)가 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체와, 바이패스 유로(17) 상의 열매체는 합지되어 열매체 회수 유로(26)에 유입될 수 있다. 이때, 제2 급탕 모드에서, 급탕 열교환기(16)를 통과한 열매체의 양이, 제1 급탕 모드에서, 급탕 열교환기(16)를 통과한 열매체의 양 보다 크므로, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도는 제1 열매체 온도 보다 작은 제2 열매체 온도일 수 있다.
한편, 급탕 열교환기(16)는, 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체와, 물 순환 유로(18) 상의 열매체 사이를 열교환 시킬 수 있다. 급탕 열교환기(16)에 제1 급탕 모드 보다 많은 열 에너지가 전달되므로, 급탕조(12)는, 제1 급탕 열량 보다 큰 제2 급탕 열량을 출력할 수 있다.
도 3c에서, 제어부(240)는, 제3 급탕 모드에서, 열매체 공급 유로(11) 상의 열매체 전부를 급탕 열교환기(16)로 보내, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체가 제3 열매체 온도가 되도록 제어할 수 있다. 제3 급탕 모드는, 최대 급탕 모드로 명명할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는, 제3 급탕 모드에서, 제1 유동 조절기(25a)를 선택적으로 개폐시켜, 열매체 공급 유로(11) 상의 열매체가 바이패스 유로(17)에 흐르지 않도록 제어할 수 있다. 이때, 제3 열매체 유량이 제1 급탕 유로(15a)에 흐를 수 있다.
즉, 제3 열매체 유량은, 열매체 공급 유로(11)를 흐르는 전체 유량일 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 열매체 공급 유로(11)를 흐르는 전체 유량(100%)이 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는, 제2 유동 조절기(25b)를 선택적으로 개폐시켜, 제1 급탕 유로(15a) 상의 열매체 유량 전부(제3 급탕 유량)가 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체는, 열매체 회수 유로(26)에 유입될 수 있다. 이때, 제3 급탕 모드에서, 급탕 열교환기(16)를 통과한 열매체의 양이, 제2 급탕 모드에서, 급탕 열교환기(16)를 통과한 열매체의 양 보다 크므로, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도는 제2 열매체 온도 보다 작은 제3 열매체 온도일 수 있다
한편, 급탕 열교환기(16)는, 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체와, 물 순환 유로(18) 상의 열매체 사이를 열교환 시킬 수 있다. 급탕 열교환기(16)에 제2 급탕 모드 보다 많은 열 에너지가 전달되므로, 급탕조(12)는, 제2 급탕 열량 보다 큰 제3 급탕 열량을 출력할 수 있다.
한편, 상술한 예에서, 바이패스 유로(17)에 흐르는 열매체의 유량은, 열매체 회수 유로(26)에 흐르는 열매체의 온도를, 기설정된 열매체 온도에 맞추기 위한 예시로서, 본 발명은, 30%, 15%, 0%와 같은, 유량 비율에 구속될 것은 아니다. 즉, 본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도가, 급탕 열량에 따른 기설정된 열매체 온도가 되도록, 엔진(14)으로 바이패스 되는 열매체의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 바이패스 유로(17)가 제1 유동 조절기(25a)를 통해, 열매체 공급 유로(11)에 직접 연결되므로, 엔진(14)으로 바이패스되는 열매체의 유량을 신속하게 가변하여, 급탕 모드 변경에 민첩하게 대응할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 복잡한 추가 구성 없이, 제1 유동 조절기(25a) 및 제2 유동 조절기(25b)를 이용하여 열매체의 유량을 유연하게 가변할 수 있다는 장점도 있다.
도 4에서, 제어부(240)는, 급탕 미사용 모드에서, 유동 조절기(25)를 제어하여, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체가, 방열기(320) 및 급탕 열교환기(16)를 동시에 통과하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는, 급탕 미사용 모드에서, 제1 유동 조절기(25a)를 조절하여, 제4 열매체 유량이 바이패스 유로(17)에 흐르도록 제어하고, 제4 급탕 유량이 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 열매체 공급 유로(11) 상의 전체 열매체 유량 중, 30%를 바이패스 유로(17)로 흐르도록 제어하고, 나머지 70%를 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는, 급탕 미사용 모드에서, 제2 유동 조절기(25b)를 조절하여, 열매체 공급 유로(11) 상의 열매체가, 방열 유로(19) 및 급탕 유로(15)에 동시에 흐르도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 제1 급탕 유로(15a) 상의 전체 열매체 유량 중, 80%를 방열 유로(19)로 흐르도록 제어하고, 나머지 20%를 제2 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다.
한편, 급탕 열교환기(16)는, 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체와, 물 순환 유로(18) 상의 열매체 사이를 열교환 시킬 수 있다. 제2 급탕 유로(15b) 상의 열매체는, 물 순환 유로(18)에 열 에너지를 전달하고, 급탕조(12)는, 최소 급탕 열량을 출력할 수 있다.
본 발명의 열병합 발전 유닛(10)은, 급탕 미사용 모드에서, 제2 유동 조절기(25b)를 조절하여, 최소 급탕 열량이 급탕부(60)에 공급되도록 제어하므로, 급탕 미사용 모드에서 급탕 모드로 변경시, 목표 급탕 열량에 신속하게 도달 가능하다.
도 5a는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른, 급탕 열량의 변화를 도시하는 도면이고, 도 5b는, 도 1의 열병합 발전 유닛의 운전 모드 변경에 따른, 열매체 온도 변화 및 급탕수 온도 변화를 도시하는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 5a에서, 엔진 회전 수가 증가함에 따라, 엔진(14)에서 발생된 열 에너지가 증가하므로, 엔진 회전 수가 증가함에 따라, 급탕 열교환기(16)로 전달되는 열에너지가 증가할 수 있다.
또한, 급탕 열교환기(16)는, 급탕부(60)에 열 에너지를 전달하므로, 엔진 회전수가 증가함에 따라, 급탕 열량이 증가될 수 있다. 한편, 급탕 열량은, 엔진 회전수가 증가함에 따라, 일정 급탕 열량에 수렴할 수 있다.
수렴되는 급탕 열량은 해당 운전 모드에서 출력할 수 있는 최대 급탕 열량이라 할 수 있고, 운전 모드는 최대 급탕 열량을 기초로 설정될 수 있다. 이하에서는 그 설명의 편의를 위해 최대 급탕 열량과 급탕 열량은 혼용하여 사용될 수 있다. 또한, 같은, 이치로 도 5b에서, 최소 열매체 온도와 열매체 온도는 혼용하여 사용될 수 있다. 또한, 도 5b에서, 최대 급탕수 온도와 급탕수 온도는 혼용하여 사용될 수 있다.
제어부(240)는, 제1 급탕 모드(모드 1)에서, 급탕부(60)가 제1 급탕 열량(H2)을 출력하도록 유동 조절기(25)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체의 온도가, 제1 급탕 열량(H2)에 대응하는 제1 열매체 온도(T2)가 되도록 유동 조절기(25)를 조절할 수 있다.
이를 위해, 제어부(240)는, 제1 유동 조절기(25a)를 조절하여, 열매체 공급 유로(15a) 상의 전체 열매체 유량 중, 제1 열매체 유량을, 바이패스 유로(17)에 흐르도록 제어하고, 제2 유동 조절기(25b)를 조절하여, 제1 급탕 유량이, 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 제어할 수 있다.
급탕 열교환기(16)는, 제1 급탕 유량과 물 순환 유로(18) 사이를 열교환 시킬 수 있다. 이때, 급탕조(12)가 출수하는 급탕수 온도는 제1 급탕수 온도(T5)일 수 있다.
제어부(240)는, 제2 급탕 모드(모드 2)에서, 급탕부(60)가 제1 급탕 열량(H2) 보다 큰 제2 급탕 열량(H3)을 출력하도록 유동 조절기(25)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는, 열매체 순환 유로(40) 상의 열매체 온도가, 제2 급탕 열량(H3)에 대응하는 제2 열매체 온도(T1)가 되도록 유동 조절기(25)를 조절할 수 있다. 제2 급탕 열량(H3)이 제1 급탕 열량(H2) 보다 크므로, 제2 열매체 온도(T1)는, 제1 열매체 온도(T1) 보다 작은 것이 바람직하다.
이를 위해, 제어부(240)는, 제1 유동 조절기(25a)를 조절하여, 열매체 공급 유로(15a) 상의 전체 열매체 유량 중, 제1 열매체 유량 보다 작은 제2 열매체 유량을, 바이패스 유로(17)에 흐르도록 제어하고, 제2 유동 조절기(25b)를 조절하여, 제1 급탕 유량 보다 큰, 제2 급탕 유량이, 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 제어할 수 있다.
급탕 열교환기(16)는, 제2 급탕 유량과 물 순환 유로(18) 사이를 열교환 시킬 수 있다. 제2 급탕 유량이, 제1 급탕 유량 보다 크므로, 급탕조(12)가 출수하는 급탕수 온도는 제1 급탕수 온도(T5) 보다 큰 제2 급탕수 온도(T6)일 수 있다.
도 6은, 발전 효율에 대한 설명에 참조되는 도면이고, 도 7a 내지 도 7c는, 본 발명의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하여 설명하면, 도 6에서, 열병합 발전 시스템(1)은, 제1 운전 모드에서 제2 운전 모드로 운전 모드를 변경한 시점(t1)부터, 급탕 열량이 점차 증가될 수 있다.
급탕 열량이 H4에서 H5로 증가됨에 따라, 급탕 유로(15)에 흐르는 급탕 유량이 증가될 수 있다. 또한, 급탕 유량이 증가됨에 따라, 엔진(14)으로 바이패스되는 열매체 유량은 감소될 수 있다.
따라서, 열매체 순환 유로(26)에서 감지된 열매체 온도는, 급탕 열량 증가에 따라, T8에서 T7으로 감소될 수 있다.
한편, 열매체 온도가 감소함에 따라, 엔진(14) 내부의 실린더와 엔진 오일 등의 마찰이 증가하여, 엔진(14)의 연료 소비가 커질 수 있다. 연료 소비가 커질수록 발전 효율은 감소될 수 있다.
도 6에서, 급탕 열량이 증가됨에 따라, 열매체 온도는, 점차 감소되고, 따라서, 발전 효율은, P1에서 P2로 감소될 수 있다.
도 7a에서, S610은, 제1 급탕 모드에서의 엔진 회전수에 따른 발전 효율을 나타내며, 도 S630은, 제2 급탕 모드에서의 엔진 회전수에 따른 발전 효율을 나타낸다.
제1 급탕 모드에서, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도는, 제1 열매체 온도일 수 있다. 또한, 제2 급탕 모드에서, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도는, 제1 열매체 온도 보다 작은 제2 열매체 온도 일수 있다.
제1 열매체 온도가 제2 열매체 온도보다 크므로, 제1 급탕 모드에서의 발전 효율(P5)이 제2 급탕 모드에서의 발전 효율(P4)보다 클 수 있다.
예를 들어, 도 7b에서, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도가 30도인 경우, 급탕부(60)는, 51Kw의 급탕 열량을 출력할 수 있고, 이때, 발전 효율은, 30.7일 수 있다.
또한, 도 7c에서, 열매체 회수 유로(26) 상의 열매체 온도가 25도인 경우, 급탕부(60)는, 55Kw의 급탕 열량을 출력할 수 있고, 이때, 발전 효율은, 30.2로 다소 저하될 수 있다.
본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 발전 효율이 높게 필요한 상황과, 급탕 열량이 필요한 상황을 고려하여, 효율적으로 시스템을 운용을 할 수 있다.
즉, 본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 사용자의 온수 요구가 없는 경우, 열매체를 방열기(320)로 인가하여, 엔진(14)의 과열을 방지하면서도, 발전 효율을 높일 수 있다. 또한, 사용자의 온수 요구가 있는 경우, 열매체를 급탕 열교환기(16)로 인가하여, 발전 효율은 낮추더라도, 급탕 열량을 상승킬 수 있다.
한편, 본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 열매체의 유동만을 변경하여, 급탕 모드를 수행하므로, 발전 효율을 낮추는 경우라도, 총 발전량은 유지될 수 있다.
도 8은, 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 유닛의 동작 방법을 도시한 순서도이고, 도 9는, 도 8의 안정화 상태 검사 방법을 도시한 순서도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 모드 설정부(230)는, 사용자의 운전 모드 설정 명령을 입력 받을 수 있다. 제어부(240)는, 운전 모드를 체크할 수 있다(S810).
운전 모드는, 급탕 열량이 최소인 급탕 미사용 모드와, 급탕 열량이 최소값 보다 큰 급탕 모드로 구분될 수 있다. 급탕 모드는 급탕 열량에 따라, 제1 운전 모드, 제1 운전 모드 보다 큰 급탕 열량을 출력하는 제2 운전 모드, 제2 운전 모드 보다 큰 급탕 열량을 출력하는 제3 운전 모드로 구분될 수 있다.
제어부(240)는, 체크된 운전 모드가 급탕 모드에 해당되는지 연산할 수 있다(S830).
제어부(240)는, 체크된 운전 모드가 급탕 미사용 모드인 경우, 제1 유동 조절기(25a) 및 제2 유동 조절기(25b)를 조절하여, 열매체 공급 유로 상의 열매체가, 바이패스 유로(17), 급탕 유로(15) 및 방열 유로(19)에 흐르도록 제어할 수 있다.
제어부(240)는, 체크된 운전 모드가 급탕 모드인 경우, 시스템 안정 상태 검사를 수행할 수 있다(S850).
먼저, 제어부(240)는, 엔진 회전수 변동폭 검사를 수행할 수 있다(S910). 제어부(240)는, 엔진 회전수 변동폭이 기설정된 엔진 회전수 변동폭 이내인 경우, 엔진 회전수 변동폭이 정상이라고 연산할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는 엔진 회전수가 30rpm 이내인 경우, 엔진 회전수 변동폭이 정상이라고 연산할 수 있다.
제어부(240)는, 흡입 압력 변동폭 검사를 수행할 수 있다(S930). 이를 위해, 열병합 발전 유닛(10)은, 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)에 맵(Manifold Absolute Pressure: MAP)센서를 더 포함할 수 있다.
제어부(240)는, 흡입 압력 변동폭이 기설정된 흡입 압력 변동폭 이내인 경우, 흡입 압력 변동폭이 정상이라고 연산할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 흡입 압력 변동폭이 10MAP 이내인 경우, 흡입 압력 변동폭이 정상이라고 연산할 수 있다.
제어부(240)는, 열매체 온도 검사를 수행할 수 있다(S950). 제어부(240)는, 열매체 회수 유로(26)에서 측정된 열매체 온도가 기설정된 온도 이상인 경우, 열매체 온도가 정상이라고 연산할 수 있다.
열매체 온도는, 운전 모드에 따라 달리 설정될 수 있다. 예를 들어, 급탕 미사용 모드에서는, 기준 열매체 온도가 70도일 수 있다. 또한, 제1 급탕 모드에서는, 기준 열매체 온도가 30도일 수 있다.
제어부(240)는, 급탕 미사용 모드에서, 제1 급탕 모드 설정 명령을 수신 받은 경우, 온도 센서(27)에서 측정된 열매체 온도가 70도 이상이라면, 열매체 온도가 정상이라고 연산할 수 있다.
제어부(240)는, 운전 모드 유지 시간 검사를 수행할 수 있다(S970). 제어부(240)는, 운전 모드 유지 시간이 기설정된 운전 모드 유지 시간 이상인 경우, 유량 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(240)는, 5분 동안, 모드 설정부(230)에 모드 설정 명령이 수신 되지 않은 경우, 유동 조절기(25)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(240)는, S910 내지 S970의 단계 중 어느 하나라도, 기설정된 조건을 만족하지 못하는 경우, 유량 제어 단계에 진입하지 않고 그 오류를 출력할 수 있다.
본 발명의 열병합 발전 시스템(1)은, 급탕 모드 수행 전, 안정화 상태 검사를 수행하므로, 시스템의 안정성을 향상시키고, 안정적으로 급탕을 공급할 수 있다는 장점이 있다.
제어부(240)는, 안정화 상태 검사 후, 급탕 모드에 따라 유동 조절기(25)를 제어할 수 있다(S870).
제어부(240)는, 급탕 모드에 따라, 제1 유동 조절기(25a)를 조절하여, 열매체 공급 유로(15a) 상의 열매체를, 바이패스 유로(17) 및/또는 제1 급탕 유로(15a)에 흐르도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(240)는, 제2 유동 조절기(25b)를 선택적으로 개폐하여, 열매체 공급 유로(15a) 상의 열매체를, 제2 급탕 유로(15b)에 흐르도록 제어할 수 있다.
열매체 순환 유로(40) 상의 열매체 유량이 변화함에 따라, 급탕 열교환기(16)를 통과하는 열매체의 유량이 가변되어, 급탕 열량이 가변될 수 있다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나, 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
14: 엔진
15: 급탕 유로
16: 급탕 열교환기
17: 바이패스 유로
19: 방열 유로
25a: 제1 유동 조절기
25b: 제2 유동 조절기
40: 열매체 순환 유로
240: 제어부
320: 방열기

Claims (11)

  1. 발전기를 구동시키고, 열이 발생되는 엔진;
    상기 엔진의 일단에 배치되고, 상기 엔진에서 발생된 열에 의해 가열되어, 상기 엔진으로부터 토출되는 열매체가 유동하는 열매체 공급 유로;
    상기 엔진으로부터 토출된 열매체가 상기 엔진으로 유입되도록, 상기 엔진의 타단에 배치되는 열매체 회수 유로;
    상기 열매체를 통해, 상기 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기;
    상기 열매체를 통해, 상기 엔진에서 발생된 열을 급탕부에 전달하는 급탕 열교환기;
    상기 열매체 공급 유로에 연결되고, 상기 열매체 공급 유로를 통해 유입되는 상기 열매체를 상기 열매체 회수 유로, 상기 방열기 및 상기 급탕 열교환기 중 적어도 하나로 토출하는 제1 유동 조절기;
    상기 제1 유동 조절기와 상기 열매체 회수 유로를 연결하는 바이패스 유로;
    상기 제1 유동 조절기로 유입된 열매체 중, 상기 바이패스 유로를 통해 토출되는 열매체를 제외한 나머지 열매체가 유입되고, 상기 제1 유동 조절기로부터 유입된 열매체를 상기 방열기 및 상기 급탕 열교환기 중 적어도 하나로 토출하는 제2 유동 조절기;
    상기 제2 유동 조절기로부터 토출되는 열매체 중 적어도 일부를 상기 급탕 열교환기로 전달하고, 상기 급탕 열교환기로부터 토출되는 열매체를 상기 열매체 회수 유로로 전달하는 급탕 유로;
    상기 제2 유동 조절기로부터 토출되는 열매체 중, 상기 급탕 열교환기로 전달되는 열매체를 제외한 나머지 열매체를 상기 방열기로 전달하고, 상기 방열기로부터 토출되는 열매체를 상기 열매체 회수 유로로 전달하는 방열 유로; 및
    급탕 열량에 따른 운전 모드를 기초로, 상기 제1 유동 조절기 및 상기 제2 유동 조절기를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    급탕 미사용 모드에서,
    상기 열매체 공급 유로로부터 유입된 열매체 중 적어도 일부가 상기 바이패스 유로로 토출되고, 상기 바이패스 유로로 토출된 열매체를 제외한 나머지 열매체가 상기 제2 유동 조절기로 토출되도록, 상기 제1 유동 조절기를 제어하고,
    상기 제1 유동 조절기로부터 유입된 열매체 중 적어도 일부가 상기 방열기로 토출되고, 상기 방열기로 토출된 열매체를 제외한 나머지 열매체가 상기 급탕 열교환기로 토출되도록, 상기 제2 유동 조절기를 제어하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제1 급탕 모드에서, 상기 열매체 회수 유로를 통해 유동하는 열매체의 온도가 제1 열매체 온도가 되도록,
    상기 열매체 공급 유로로부터 유입된 열매체 중 제1 유량의 열매체를 상기 바이패스 유로로 토출하고, 상기 제1 유량의 열매체를 제외한 나머지를 제2 유동 조절기로 토출하도록, 상기 제1 유동 조절기를 제어하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제2 급탕 모드에서, 상기 열매체 회수 유로를 통해 유동하는 열매체의 온도가 상기 제1 열매체 온도 보다 낮은 제2 열매체 온도가 되도록,
    상기 열매체 공급 유로로부터 유입된 열매체 중, 상기 제1 유량 보다 적은 제2 유량의 열매체를 상기 바이패스 유로로 토출하고, 상기 제2 유량의 열매체를 제외한 나머지를 제2 유동 조절기로 토출하도록, 상기 제1 유동 조절기를제어하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 운전 모드 수행 전, 상기 엔진의 회전수 변동 폭, 흡입 압력 변화, 상기 열매체의 온도 및 운전 모드 유지 시간을 기초로, 안정화 상태 검사를 수행하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 회수 유로를 통해 유동하는 열매체가 상기 엔진으로 유입되도록, 상기 열매체를 펌핑하는 열매체 펌프; 및
    상기 열매체 회수 유로에 배치되어, 상기 엔진에서 배출된 배기가스와 상기 열매체 회수 유로를 통해 유동하는 열매체 간에 열교환이 이루어지는 배기가스 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 회수 유로에 배치되어, 상기 열매체 회수 유로를 통해 유동하는 열매체의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 유닛.
  11. 전력과 열을 발생하고, 상기 전력과 열을 공급하는 열병합 발전 유닛; 및
    상기 열병합 발전 유닛에서 발생된 열을 전달 받는 급탕부를 포함하고,
    상기 열병합 발전 유닛은,
    발전기를 구동시키고, 열이 발생되는 엔진;
    상기 엔진의 일단에 배치되고, 상기 엔진에서 발생된 열에 의해 가열되어, 상기 엔진으로부터 토출되는 열매체가 유동하는 열매체 공급 유로;
    상기 엔진으로부터 토출된 열매체가 상기 엔진으로 유입되도록, 상기 엔진의 타단에 배치되는 열매체 회수 유로;
    상기 열매체를 통해, 상기 엔진에서 발생된 열을 방열시키는 방열기;
    상기 열매체를 통해, 상기 엔진에서 발생된 열을 상기 급탕부에 전달하는 급탕 열교환기;
    상기 열매체 공급 유로에 연결되고, 상기 열매체 공급 유로를 통해 유입되는 상기 열매체를 상기 열매체 회수 유로, 상기 방열기 및 상기 급탕 열교환기 중 적어도 하나로 토출하는 제1 유동 조절기;
    상기 제1 유동 조절기와 상기 열매체 회수 유로를 연결하는 바이패스 유로;
    상기 제1 유동 조절기로 유입된 열매체 중, 상기 바이패스 유로를 통해 토출되는 열매체를 제외한 나머지 열매체가 유입되고, 상기 제1 유동 조절기로부터 유입된 열매체를 상기 방열기 및 상기 급탕 열교환기 중 적어도 하나로 토출하는 제2 유동 조절기;
    상기 제2 유동 조절기로부터 토출되는 열매체 중 적어도 일부를 상기 급탕 열교환기로 전달하고, 상기 급탕 열교환기로부터 토출되는 열매체를 상기 열매체 회수 유로로 전달하는 급탕 유로;
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    급탕 열량에 따른 운전 모드를 기초로, 상기 제1 유동 조절기 및 상기 제2 유동 조절기를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
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