KR102116815B1 - 초임계 사이클 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계 사이클 시스템에 관한 것으로서, 펌프와, 제1분기부와, 제2분기부와, 제1합류부와, 제1열교환기와, 파워 터빈과, 드라이브 터빈과, 제2합류부와, 냉각기를 포함한다. 펌프는 임계조건 이상에서 유지되는 작동유체 회로 전반에 작동유체를 순환시키도록 작동유체를 가압한다. 제1분기부는 펌프와 유동상 연결되고, 펌프로부터 방출된 작동유체를 제1질량유동과 제2질량유동으로 분기한다. 제2분기부는 제1분기부와 유동상 연결되고, 제2질량유동을 받아들여 제3질량유동과 제4질량유동으로 분기한다. 제1합류부는 제1분기부 및 제2분기부와 유동상 연결되고, 제1분기부에서 분기된 제1질량유동 및 제2분기부에서 분기된 제3질량유동이 합류된다. 제1열교환기는 제1합류부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 제1질량유동과 제3질량유동을 받아들이고 열원의 열에너지를 제1질량유동과 제3질량유동으로 전달한다. 파워 터빈은 제1열교환기와 유동상 연결되고, 제1열교환기를 경유한 제1질량유동과 제3질량유동을 팽창시킨다. 드라이브 터빈은 제2분기부와 유동상 연결되고, 제2분기부에서 분기된 제4질량유동을 팽창시켜 펌프를 구동한다. 제2합류부는 파워 터빈 및 드라이브 터빈과 유동상 연결되고, 파워 터빈에서 방출된 제1질량유동, 제3질량유동 및 드라이브 터빈에서 방출된 제4질량유동이 합류된다. 냉각기는 제2합류부와 유동상 연결되고, 제2합류부에서 방출된 작동유체를 냉각시킨다.

Description

초임계 사이클 시스템{Supercritical cycle system}
본 발명은 초임계 사이클 시스템에 관한 것으로서, 임계조건 이상의 압력으로 압축된 작동유체(예를 들어, 이산화탄소)를 임계조건보다 높은 온도로 가열하여 터빈을 구동하는 초임계 사이클 시스템에 관한 것이다.
초임계 이산화탄소를 이용한 발전기술은 임계조건 이상의 압력 및 온도 조건으로 가압, 가열된 이산화탄소를 이용하여 터빈을 구동하는 가스 브레이튼 사이클 방식의 발전기술이다. 21세기 초반 미국 MIT는 차세대 원자력 발전기술을 개발하는 과정 중에 초임계 이산화탄소를 이용한 발전기술이 기존의 다른 원자력 발전 방식에 비해 효율이 높고 단순한 구성과 핵심기기의 소형화가 가능하다는 것을 이론적으로 증명하였다. 그 후 10 여년이 지난 현재 미국을 중심으로 관련 기술의 실증연구가 진행되고 있다.
초임계 이산화탄소 발전 사이클은 현재 사용되고 있는 대다수의 열원(원자력, 화력, 태양열 등)에 적용할 수 있어 대형 발전플랜트는 물론 소규모 분산전원이나 해상 플랜트용 전원으로도 적용될 수 있다. 여기서 초임계(Supercritical) 조건이라고 함은 액체-기체의 상변화를 하는 일반적인 물질상태에서 특이점인 임계점(Critical point)을 넘는 온도, 압력 조건을 말하며, 초임계 이산화탄소 발전 사이클에 포함된 대부분의 구성부는 작동 온도와 압력이 32℃, 74 기압 이상인 초임계조건에서 운전된다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체와 기체의 특성을 동시에 가지고 있으며, 액체와 같은 작은 압축일과 기체와 같은 작은 유동저항이라는 장점을 모두 가지고 있다. 초임계 상태의 이산화탄소는 액체와 유사한 높은 밀도에 기체와 비슷한 점성을 나타내고 있어 초임계 이산화탄소 사이클의 터빈과 펌프 및 열교환기의 크기를 소형화할 수 있으며 이로 인하여 초임계 이산화탄소 발전플랜트의 건설공기 및 제작단가를 낮춰 높은 경제성을 확보할 수 있다.
한편 초임계 이산화탄소 발전 사이클은 전 발전 계통이 고온 고압으로 유지되어도 높은 에너지 밀도로 인하여 향상된 열효율을 나타내므로, 기존의 수냉식 쿨러는 물론이고 이와 더불어 공냉식 쿨러 방식의 적용도 가능하다는 장점이 있다. 즉, 초임계 이산화탄소 발전 사이클은 이산화탄소의 임계점 근처에서의 물성 변화를 최대한 이용하여 높은 열효율, 고출력 소형 시스템 구성, 복잡하지 않은 시스템 구성, 발전플랜트의 부지제한성 극복과 같은 특성이 있다.
최근 발전 운영의 측면에서 수 MW ~ 수백 MW의 발전 용량 및 연계 열원의 다양화로 신규 전력 비즈니스 모델이 도출될 전망이며, 초임계 이산화탄소 발전 사이클은 이러한 신규 전력 비즈니스 모델에서 활용되기 위하여 그 효율을 향상시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있는 실정이다.
초임계 사이클 시스템의 성능을 높이기 위해서는 외부의 발전기 등과 연결되는 파워 터빈에 유입되는 작동유체의 유량을 증가시켜야 하는데, 작동유체 회로 내부에 순환하는 전체 유량을 증가시킬 경우 열교환기 등 기타 구성요소의 성능이 기존보다 높아져야 하므로, 전체 시스템의 대형화 및 비용의 상승 등의 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1138223호(2012.04.13 등록, 발명의 명칭 : 혼합 가스를 이용한 임계점 이동을 통한 초임계 브레이튼 사이클의 효율 향상 시스템)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작동유체의 복수 회 분기를 통해 파워 터빈과 드라이브 터빈의 구동에 필요한 작동유체의 유량을 효율적으로 분배함으로써, 작동유체의 정해진 유량을 가지고 전체 사이클의 열효율을 향상시킬 수 있는 초임계 사이클 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 초임계 사이클 시스템은, 임계조건 이상에서 유지되는 작동유체 회로 전반에 작동유체를 순환시키도록 작동유체를 가압하는 펌프; 상기 펌프와 유동상 연결되고, 상기 펌프로부터 방출된 작동유체를 제1질량유동과 제2질량유동으로 분기하는 제1분기부; 상기 제1분기부와 유동상 연결되고, 상기 제2질량유동을 받아들여 제3질량유동과 제4질량유동으로 분기하는 제2분기부; 상기 제1분기부 및 상기 제2분기부와 유동상 연결되고, 상기 제1분기부에서 분기된 제1질량유동 및 상기 제2분기부에서 분기된 제3질량유동이 합류되는 제1합류부; 상기 제1합류부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 상기 제1질량유동과 상기 제3질량유동을 받아들이고 상기 열원의 열에너지를 상기 제1질량유동과 상기 제3질량유동으로 전달하는 제1열교환기; 상기 제1열교환기와 유동상 연결되고, 상기 제1열교환기를 경유한 제1질량유동과 제3질량유동을 팽창시키는 파워 터빈; 상기 제2분기부와 유동상 연결되고, 상기 제2분기부에서 분기된 제4질량유동을 팽창시켜 상기 펌프를 구동하기 위한 드라이브 터빈; 상기 파워 터빈 및 상기 드라이브 터빈과 유동상 연결되고, 상기 파워 터빈에서 방출된 제1질량유동, 제3질량유동 및 상기 드라이브 터빈에서 방출된 제4질량유동이 합류되는 제2합류부; 및 상기 제2합류부와 유동상 연결되고, 상기 제2합류부에서 방출된 작동유체를 냉각시키는 냉각기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 제1분기부 및 상기 제1합류부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 상기 열원의 열에너지를 상기 제1분기부에서 상기 제1합류부로 유동되는 제1질량유동으로 전달하는 제2열교환기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 펌프 및 상기 제1분기부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 상기 열원의 열에너지를 상기 펌프에서 상기 제1분기부로 유동되는 작동유체로 전달하는 제2열교환기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 파워 터빈과 유동상 연결되고, 상기 파워 터빈으로부터 방출되는 제1질량유동 및 제3질량유동의 열에너지를 상기 제1분기부에서 상기 제2분기부로 유동되는 제2질량유동으로 전달하는 제1재생기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 제2합류부 및 상기 펌프와 유동상 연결되고, 상기 제2합류부에서 방출되는 작동유체의 열에너지를 상기 펌프에서 상기 제1분기부로 유동되는 작동유체로 전달하는 제2재생기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 제1분기부와 유동상 연결되고, 상기 드라이브 터빈의 입구 온도를 상승시키기 위하여 상기 제1분기부에서 분기되어 상기 드라이브 터빈 측으로 유동되는 제2질량유동의 유량을 조절하는 제1유량밸브;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 제2분기부와 유동상 연결되고, 상기 드라이브 터빈의 출력과 상기 펌프의 소모동력이 실질적으로 동일해지도록 상기 제2분기부에서 분기되어 상기 드라이브 터빈으로 유동되는 제4질량유동의 유량을 조절하는 제2유량밸브;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템에 있어서, 상기 작동유체는 이산화탄소를 포함할 수 있다.
본 발명의 초임계 사이클 시스템에 따르면, 작동유체의 정해진 유량을 가지고 전체 사이클의 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 초임계 사이클 시스템에 따르면, 파워 터빈의 출력을 향상시키고, 드라이브 터빈의 입구 온도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 초임계 사이클 시스템에 따르면, 전체적으로 열교환기의 소형화를 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 초임계 사이클 시스템에 따르면, 드라이브 터빈으로 유입되는 작동유체의 2차 가열을 통해 드라이브 터빈의 입구 온도를 더욱 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 사이클 시스템을 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 사이클 시스템을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 초임계 사이클 시스템의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 초임계 사이클 시스템에서 유동하는 작동유체(m)는 이산화탄소(CO2)를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 본 발명의 초임계 사이클 시스템에서 유동하는 작동유체(m)가 이산화탄소(CO2)일 수 있으며, 어떤 특정한 유형, 순도, 또는 등급의 이산화탄소(CO2)로 제한되는 것은 아니다.
또한, 작동유체(m)가 이산화탄소(CO2) 및 하나 이상의 다른 혼화성 유체의 조합일 수 있다. 예를 들어, 작동유체가 이산화탄소(CO2)와 프로판, 또는 이산화탄소(CO2)와 암모니아의 조합일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 사이클 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 초임계 사이클 시스템(100)은 임계조건 이상의 압력으로 압축된 작동유체를 임계조건보다 높은 온도로 가열하여 터빈을 구동하는 것으로서, 펌프(110)와, 제1분기부(161)와, 제2열교환기(122)와, 제2분기부(162)와, 제1합류부(171)와, 제1열교환기(121)와, 파워 터빈(131)과, 드라이브 터빈(132)과, 제2합류부(172)와, 냉각기(140)와, 제1재생기(151)와, 제2재생기(152)와, 제1유량밸브(181)와, 제2유량밸브(182)를 포함한다.
상기 펌프(110)는 임계조건 이상에서 유지되는 작동유체 회로 전반에 작동유체(m)를 순환시키도록 작동유체(m)를 가압한다.
본 실시예의 초임계 사이클 시스템(100)의 작동유체 회로 내에서 유동되는 작동유체(m)는 임계조건 이상의 상태를 유지하면서 작동유체 회로 내를 유동한다. 일반적으로 작동유체(m)로 이용되는 이산화탄소의 임계온도와 임계압력은 32도, 75기압 정도로 알려져 있다.
펌프(110)는 후술하는 냉각기(140)에서 방출된 저온저압의 작동유체(m)를 사이클 내에 설정된 최고 압력까지 가압함으로써, 작동유체 회로 전반에 작동유체(m)를 순환시킬 수 있다.
상기 제1분기부(161)는 펌프(110)와 유동상 연결되고, 펌프(110)로부터 방출된 작동유체(m)를 제1질량유동(m1)과 제2질량유동(m2)으로 분기한다. 제1분기부(161)에서 분기된 제1질량유동(m1)은 파워 터빈(131) 측으로 유동되고, 제1분기부(161)에서 분기된 제2질량유동(m2)은 제2분기부(162) 측으로 유동된다.
본 명세서에서 제1질량유동(m1)과 제2질량유동(m2)을 합산한 유량은 작동유체 회로 전반에서 순환하는 작동유체(m)의 유량과 실질적으로 동일하다.
상기 제2분기부(162)는 제1분기부(161)와 유동상 연결되고, 제2질량유동(m2)을 받아들여 제3질량유동(m3)과 제4질량유동(m4)으로 분기한다. 제2분기부(162)에서 분기된 제3질량유동(m3)은 다시 파워 터빈(131) 측으로 유동되고, 제2분기부(162)에서 분기된 제4질량유동(m4)은 드라이브 터빈(132) 측으로 유동된다.
본 명세서에서 제3질량유동(m3)과 제4질량유동(m3)을 합산한 유량은 제2질량유동(m2)의 유량과 실질적으로 동일하다.
상기 제1합류부(171)는 제1분기부(161) 및 제2분기부(162)와 유동상 연결되고, 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)이 합류된다. 제1분기부(161)에서 분기되고 제2열교환기(122)를 경유한 제1질량유동(m1)과, 제2분기부(162)에서 분기된 제3질량유동(m3)은 제1합류부(171)에서 서로 합류되어, 파워 터빈(131) 측으로 유동된다.
상기 제1열교환기(121)는 제1합류부(171)와 유동상 연결되고, 열원(101)과 열교환하도록 구성된다.
본 발명의 열원(101)은 다양한 고온 소스로부터 열에너지(Q1)를 끌어낼 수 있다. 예를 들어, 열원(101)은 기체 터빈 배기, 공정 스트림 배기, 노(furnace) 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 연소 생산 배기 스트림과 같은 폐열 스트림일 수 있다. 따라서, 초임계 사이클 시스템(100)은 기체 터빈, 디젤 기관 발전 장치, 산업 폐열(예를 들어, 정유 공장 및 압축 공장 등에서의 폐열) 회수 장치, 핵분열 및 핵융합 등의 핵반응을 일으키는 원자로에서 폐열을 전기로 변환하도록 구성될 수 있다. 다른 한편으로 본 발명의 열원(101)은 태양열원 또는 지열원 등과 같은 재생 가능한 열원으로부터 열에너지(Q1)를 끌어낼 수도 있다.
제1합류부(171)에서 합류된 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)은 제1열교환기(121)로 유입되고, 제1열교환기(121)는 열원(101)의 열에너지(Q1)를 제1합류부(171)를 경유한 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)으로 전달하여 사이클 내에 설정된 최고 온도까지 가열한다.
상기 제2열교환기(122)는 제1분기부(161) 및 제1합류부(171)와 유동상 연결되고, 열원(101)과 열교환하도록 구성된다.
제1분기부(161)에서 분기된 제1질량유동(m1)은 제2열교환기(122)로 유입되고, 제2열교환기(122)에서는 열원(101)의 열에너지(Q1)의 일부를 제1분기부(161)에서 제1합류부(171)로 유동되는 제1질량유동(m1)으로 전달한다.
열원(101)의 열에너지(Q1)를 공급하는 별도의 유체는 제1열교환기(121)와, 제2열교환기(122)를 순차적으로 경유한 후 외부로 배출된다. 이러한 별도의 순환 유체의 흐름에 따라, 열원(101)의 열에너지(Q1)의 일부가 제1열교환기(121)에서 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)으로 우선 전달되고, 열원(101)의 열에너지(Q1)의 나머지 일부는 제2열교환기(122)에서 제1질량유동(m1)으로 전달된다.
따라서, 제1열교환기(121)에서 전달되는 열에너지와 비교하여 제2열교환기(122)에서 전달되는 열에너지는 상대적으로 낮으므로, 제1열교환기(121)는 고온 열교환기에 해당하고, 제2열교환기(122)는 저온 열교환기에 해당한다.
제1질량유동(m1)은 제1열교환기(121)에 유입되기 전 제2열교환기(122)에 의해 1차적으로 예열될 수 있고, 이를 통해 제1열교환기(121)의 열적 부하를 줄일 수 있으므로, 전체적으로 열교환기의 소형화를 이룰 수 있다.
본 실시예의 제1열교환기(121)와 제2열교환기(122)는 동일한 형태로 구성될 수 있다.
상기 파워 터빈(131)은 제1열교환기(121)와 유동상 연결되도록 구성된다.
제1열교환기(121)를 경유한 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)은 파워 터빈(131)으로 유입되고, 제1열교환기(121)의 하류에 배치된 파워 터빈(131)은 제1열교환기(121)를 경유한 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)을 받아들이고, 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)을 팽창시켜 외부의 발전기 등을 구동한다.
파워 터빈(131)은 발전기 또는 축 일(shaft work)을 받아들이도록 구성된 다른 장치 또는 시스템에 작동상 연결될 수 있으며, 발전기는 파워 터빈(131)에 의해 발생된 기계적 일을 유용한 전력으로 변환할 수 있다.
상기 드라이브 터빈(132)은 제2분기부(162)와 유동상 연결되도록 구성된다.
드라이브 터빈(132)은 제2분기부(162)의 하류에 배치되어, 제2분기부(162)에서 분기된 제4질량유동(m4)을 받아들이고, 제4질량유동(m4)을 팽창시켜 펌프(110)를 구동한다.
이와 같이 드라이브 터빈(132)을 이용하여 펌프(110)를 구동함으로써, 펌프(110)를 구동하는데 소요되는 일을 줄일 수 있으며, 이를 통해 터빈 일과 펌프 일의 차이로 나타내지는 순일(net work)의 양을 증가시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 작동유체(m)가 파워 터빈(131) 및 드라이브 터빈(132)으로 유입되기 전에 제1분기부(161)에서 제1질량유동(m1) 및 제2질량유동(m2)으로 분기되고, 제2질량유동(m2)은 다시 제2분기부(162)에서 제3질량유동(m3) 및 제4질량유동(m4)으로 분기된다. 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)은 제1합류부(171)에서 합류된 후 파워 터빈(131)으로 유입되어 팽창하고, 제2분기부(162)에서 분기된 제4질량유동(m4)은 드라이브 터빈(132)으로 유입되어 팽창한다.
한편, 파워 터빈(131)에서 팽창된 후 방출되는 제1질량유동(m1)과 제3질량유동(m3)은 후술할 제1재생기(151)로 유입된다.
상기 제1재생기(151)는 파워 터빈(131)과 유동상 연결되도록 구성된다.
본 실시예의 제1재생기(151)는 직접 접촉 열교환기, 트림 냉각 장치, 기계적 냉각 장치 또는 그들의 조합과 같은 작동유체의 온도를 강하시키기에 적합한 어떤 장치든 될 수 있다. 제1재생기(151)에는 하나 이상의 인쇄회로 열교환 패널이 설치될 수 있으며, 이러한 열교환기 또는 패널들은 해당 기술분야에서 널리 알려져 있는 사항이므로, 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 제1재생기(151)와 후술할 제2재생기(152)는 동일한 형태로 구성될 수 있다.
제1재생기(151)에서는 파워 터빈(131)에서 방출되는 제1질량유동(m1) 및 제3질량유동(m3)과, 제1분기부(161)에서 제2분기부(162)로 유동되는 제2질량유동(m2) 사이에서 열교환이 이루어진다.
즉, 제1재생기(151)에서는 파워 터빈(131)에서 방출되는 제1질량유동(m1) 및 제3질량유동(m3)의 열에너지를, 제1분기부(161)에서 제2분기부(162)로 유동되는 제2질량유동(m2)으로 전달함으로써, 제2질량유동(m2)의 일부인 제4질량유동(m4)이 드라이브 터빈(132)에서 원하는 입구 온도까지 가열될 수 있다.
상기 제2합류부(172)는 파워 터빈(131) 및 드라이브 터빈(132)과 유동상 연결되고, 제1질량유동(m1), 제3질량유동(m3) 및 제4질량유동(m4)이 합류된다. 즉, 작동유체 회로에서 순환되는 전체 작동유체(m)가 합류된다.
파워 터빈(131)에서 방출되고 제1재생기(151)를 경유한 제1질량유동(m1) 및 제3질량유동(m3)과, 드라이브 터빈(132)에서 방출된 제4질량유동(m4)이 제2합류부(172)에서 합류되어, 냉각기(140) 측으로 유동된다.
상기 제2재생기(152)는 제2합류부(172) 및 펌프(110)와 유동상 연결되도록 구성된다.
제2재생기(152)에서는 제2합류부(172)에서 방출되는 작동유체(m)와, 펌프(110)에서 제1분기부(161)로 유동되는 작동유체(m) 사이에서 열교환이 이루어진다.
즉, 제2재생기(152)에서는 파워 터빈(131)과 드라이브 터빈(132)에서 방출되어 제2합류부(172)에 합류된 작동유체(m)의 열에너지를, 펌프(110)에서 제1분기부(161)로 유동되는 작동유체(m)로 전달함으로써, 작동유체(m)가 제2열교환기(122) 및 제1열교환기(121)를 경유하면서 최고 온도로 가열되기 전 미리 일정 온도까지 예열될 수 있다.
상기 냉각기(140)는 제2합류부(172)와 유동상 연결되도록 구성된다.
제1재생기(151) 및 제2재생기(152)와 마찬가지로 본 실시예의 냉각기(140)는 직접 접촉 열교환기, 트림 냉각 장치, 기계적 냉각 장치 또는 그들의 조합과 같은 작동유체의 온도를 강하시키기에 적합한 어떤 장치든 될 수 있다. 냉각기(140)에는 하나 이상의 인쇄회로 열교환 패널이 설치될 수 있으며, 이러한 열교환기 또는 패널들은 해당 기술분야에서 널리 알려져 있는 사항이므로, 상세한 설명은 생략한다.
냉각기(140)에서는 외부의 냉각수 등을 이용하여 제2합류부(172)를 거쳐 제2재생기(152)로부터 방출되는 작동유체(m)를 저온으로 냉각시키며, 냉각된 작동유체(m)는 다시 펌프(110)로 유동된 후 펌프(110) 내에서 가압됨으로써, 전체적으로 순환 사이클을 형성하게 된다.
상기 제1유량밸브(181)는 제1분기부(161)와 유동상 연결되도록 구성된다.
제1재생기(151)에서 공급되는 열에너지의 양이 일정한 경우, 제1재생기(151)에서 방출되는 유체의 온도는 유입되는 유체의 유량에 의해 결정된다. 즉, 제1재생기(151)로 적은 유량의 유체가 유입될수록 열용량이 적어지므로 제1재생기(151)에서 방출되는 유체의 온도는 상승하게 된다.
본 실시예의 작동유체 회로를 살펴보면, 제1재생기(151)의 출구 온도와 드라이브 터빈(132)의 입구 온도는 실질적으로 동일하므로, 제1재생기(151)로 유입되는 제2질량유동(m2)의 유량이 적을수록 드라이브 터빈(132)으로 유입되는 제4질량유동(m4)의 온도 즉, 드라이브 터빈(132)의 입구 온도가 상승하게 된다.
잘 알려진 바와 같이, 터빈의 입구 온도가 상승할수록 터빈의 출력은 향상되므로, 제1유량밸브(181)를 이용하여 제1분기부(161)에서 분기되어 드라이브 터빈(132) 측으로 유동되는 제2질량유동(m2)의 유량이 과다하지 않도록 조절함으로써, 드라이브 터빈(132)의 입구 온도를 높일 수 있다.
도 1에서 제1유량밸브(181)는 제2질량유동(m2)이 유동되는 라인에 설치되는 것으로 도시하였으나, 제2질량유동(m2)의 유량을 조절하는 기능을 수행하는 것이라면 제1질량유동(m1)이 유동되는 라인에 설치되어도 무방하다.
상기 제2유량밸브(182)는 제2분기부(162)와 유동상 연결되도록 구성된다.
파워 터빈(131)의 출력은 향상시키기 위해서는 파워 터빈(131)으로 유입되는 유체의 유량이 많은 것이 바람직하다. 또한, 드라이브 터빈(132)에 유입되는 유량은 과다한 유량은 필요치 않고, 드라이브 터빈(132)의 출력과 펌프(110)의 소모동력이 실질적으로 동일해질 정도의 유량만 필요하다.
따라서, 제2분기부(162)에서 제2유량밸브(182)를 이용하여 드라이브 터빈(132)으로 유동되는 제4질량유동(m4)의 유량을, 드라이브 터빈(132)의 출력과 펌프(110)의 소모동력이 실질적으로 동일해질 정도의 유량으로 조절하고, 그 외 나머지 유량은 제3질량유동(m3)으로 하여 파워 터빈(131) 측으로 유동시킴으로써, 전체적으로 파워 터빈(131)의 출력을 향상시킬 수 있다.
도 1에서 제2유량밸브(182)는 제4질량유동(m4)이 유동되는 라인에 설치되는 것으로 도시하였으나, 제4질량유동(m4)의 유량을 조절하는 기능을 수행하는 것이라면 제3질량유동(m3)이 유동되는 라인에 설치되어도 무방하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초임계 사이클 시스템을 도시한 도면이다.
도 2에 있어서, 도 1에 도시된 부재들과 동일한 부재번호에 의해 지칭되는 부재들은 동일한 구성 및 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 초임계 사이클 시스템(200)은 제2열교환기(222)의 설치 위치에 있어서 도 1에 도시된 실시예와 차이가 있을 뿐 나머지 구성요소는 도 1에 도시된 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일하다.
상기 제2열교환기(222)는 펌프(110) 및 제1분기부(161)와 유동상 연결되고, 열원(101)과 열교환하도록 구성된다.
펌프(110)에서 방출된 작동유체(m)는 제2재생기(152)를 경유하여 제2열교환기(222)로 유입되고, 제2열교환기(222)에서는 열원(101)의 열에너지(Q1)를 펌프(110)에서 제1분기부(161)로 유동되는 작동유체(m)로 전달한다.
도 1에 도시된 실시예와 달리, 드라이브 터빈(132)으로 유입되는 유체를 제2열교환기(222)를 통해 1차 가열하고, 제1재생기(151)를 통해 2차 가열하므로, 드라이브 터빈(132)의 입구 온도를 더욱 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 초임계 사이클 시스템은, 작동유체의 복수 회 분기를 통해 파워 터빈과 드라이브 터빈에 필요한 작동유체의 유량을 효율적으로 분배함으로써, 작동유체의 정해진 유량을 가지고 전체 사이클의 열효율을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 초임계 사이클 시스템은, 제1유량밸브와 제2유량밸브를 이용하여 파워 터빈 및 드라이브 터빈으로 유입되는 유량을 조절함으로써, 파워 터빈의 출력을 향상시키고, 드라이브 터빈의 입구 온도를 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 초임계 사이클 시스템은, 파워 터빈으로 유입되는 제1질량유동을 제2열교환기를 통해 1차적으로 예열하고, 이후 제1열교환기을 통해 터빈 입구 온도로 가열함으로써, 전체적으로 열교환기의 소형화를 이룰 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 초임계 사이클 시스템은, 드라이브 터빈으로 유입되는 작동유체를 2차에 걸쳐 가열함으로써, 드라이브 터빈의 입구 온도를 더욱 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 초임계 사이클 시스템
110 : 펌프
121 : 제1열교환기
131 : 파워 터빈
132 : 드라이브 터빈
140 : 냉각기
161 : 제1분기부
162 : 제2분기부
171 : 제1합류부
172 : 제2합류부

Claims (8)

  1. 임계조건 이상에서 유지되는 작동유체 회로 전반에 작동유체를 순환시키도록 작동유체를 가압하는 펌프;
    상기 펌프와 유동상 연결되고, 상기 펌프로부터 방출되어 하나의 유동경로를 따라 이동되는 작동유체를 제1질량유동과 제2질량유동으로 분기하는 제1분기부;
    상기 제1분기부와 유동상 연결되고, 상기 제2질량유동을 받아들여 제3질량유동과 제4질량유동으로 분기하는 제2분기부;
    상기 제1분기부 및 상기 제2분기부와 유동상 연결되고, 상기 제1분기부에서 분기된 제1질량유동 및 상기 제2분기부에서 분기된 제3질량유동이 합류되는 제1합류부;
    상기 제1합류부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 상기 제1질량유동과 상기 제3질량유동을 받아들이고 상기 열원의 열에너지를 상기 제1질량유동과 상기 제3질량유동으로 전달하는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기와 유동상 연결되고, 상기 제1열교환기를 경유한 제1질량유동과 제3질량유동을 팽창시키는 파워 터빈;
    상기 제2분기부와 유동상 연결되고, 상기 제2분기부에서 분기된 제4질량유동을 팽창시켜 상기 펌프를 구동하기 위한 드라이브 터빈;
    상기 파워 터빈 및 상기 드라이브 터빈과 유동상 연결되고, 상기 파워 터빈에서 방출된 제1질량유동, 제3질량유동 및 상기 드라이브 터빈에서 방출된 제4질량유동이 합류되는 제2합류부; 및
    상기 제2합류부와 유동상 연결되고, 상기 제2합류부에서 방출된 작동유체를 냉각시키는 냉각기;
    상기 제1분기부와 유동상 연결되고, 상기 드라이브 터빈의 입구 온도를 상승시키기 위하여 상기 제1분기부에서 분기되어 상기 드라이브 터빈 측으로 유동되는 제2질량유동의 유량을 조절하는 제1유량밸브; 및
    상기 제2분기부와 유동상 연결되고, 상기 드라이브 터빈의 출력과 상기 펌프의 소모동력이 실질적으로 동일해지도록 하고, 상기 파워 터빈으로 이동되는 제3질량유동을 증가시키기 위하여 상기 제2분기부에서 분기되어 상기 드라이브 터빈으로 유동되는 제4질량유동의 유량을 조절하는 제2유량밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1분기부 및 상기 제1합류부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 상기 열원의 열에너지를 상기 제1분기부에서 상기 제1합류부로 유동되는 제1질량유동으로 전달하는 제2열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 및 상기 제1분기부와 유동상 연결되고, 열원과 열교환하며, 상기 열원의 열에너지를 상기 펌프에서 상기 제1분기부로 유동되는 작동유체로 전달하는 제2열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 사이클 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파워 터빈과 유동상 연결되고, 상기 파워 터빈으로부터 방출되는 제1질량유동 및 제3질량유동의 열에너지를 상기 제1분기부에서 상기 제2분기부로 유동되는 제2질량유동으로 전달하는 제1재생기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 사이클 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2합류부 및 상기 펌프와 유동상 연결되고, 상기 제2합류부에서 방출되는 작동유체의 열에너지를 상기 펌프에서 상기 제1분기부로 유동되는 작동유체로 전달하는 제2재생기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 사이클 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 사이클 시스템.
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