KR102185002B1 - Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion - Google Patents

Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion Download PDF

Info

Publication number
KR102185002B1
KR102185002B1 KR1020190083572A KR20190083572A KR102185002B1 KR 102185002 B1 KR102185002 B1 KR 102185002B1 KR 1020190083572 A KR1020190083572 A KR 1020190083572A KR 20190083572 A KR20190083572 A KR 20190083572A KR 102185002 B1 KR102185002 B1 KR 102185002B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nitrogen
power generation
generation system
heat exchanger
temperature
Prior art date
Application number
KR1020190083572A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이정익
허진영
손성민
김도규
김남일
자말 아퀼
Original Assignee
한국과학기술원
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원, 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190083572A priority Critical patent/KR102185002B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102185002B1 publication Critical patent/KR102185002B1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/02—Plants modified to use their waste heat, other than that of exhaust, e.g. engine-friction heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

The present invention relates to a liquid nitrogen power generation system for improving the overall thermal efficiency of a pure oxygen combustion power generation system, which includes: a liquefied nitrogen tank storing nitrogen discharged from an air separation device of the pure oxygen combustion power generation system; a low-temperature pump compressing nitrogen provided from the liquefied nitrogen tank to predetermined pressure; at least one heat exchanger increasing the temperature of the nitrogen by using compressed heat generated by the air separation device; and at least one nitrogen turbine allowing the nitrogen passing through the heat exchanger to be converted into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to a rotating blade while expanding.

Description

순산소 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 적용된 액화 질소 발전 시스템{LIQUID NITROGEN POWER GENERATION SYSTEM APPLIED TO SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE POWER GENERATIOIN SYSTEM WITH OXY FUEL COMBUSTION}Liquid nitrogen power generation system applied to pure oxygen supercritical carbon dioxide power generation system {LIQUID NITROGEN POWER GENERATION SYSTEM APPLIED TO SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE POWER GENERATIOIN SYSTEM WITH OXY FUEL COMBUSTION}

본 발명은 액화 질소 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 부하대응 전력을 실시간으로 생산할 수 있는 액화 질소 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquefied nitrogen power generation system, and more specifically, to a liquefied nitrogen power generation system capable of producing load-responsive power in real time by using excess liquefied nitrogen generated in an air separation device of a pure oxygen combustion power generation system. .

일반적으로 복합 화력 발전 시스템은 가스터빈의 출구 온도가 500℃ 내지 600℃로 높게 유지되므로, 이러한 고온의 폐열을 이용하여 유용한 일을 만들어 내고자 증기 랭킨 사이클을 도입하였다. 하지만, 증기 랭킨 사이클은 우수한 열 효율에도 불구하고 터빈에서 증기가 팽창할 때, 터빈 날개의 부식과 증기 터빈을 비롯한 열 교환기의 커다란 부피가 문제로 제기되었다. 이에 따라, 증기를 이용하는 랭킨 사이클이 아닌 이산화탄소(CO2)를 작동 유체로 하는 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클에 대한 연구가 진행되고 있다.In general, in a combined thermal power generation system, since the outlet temperature of the gas turbine is kept high at 500°C to 600°C, a steam Rankine cycle was introduced in order to create useful work using such high-temperature waste heat. However, in the steam Rankine cycle, when steam expands in the turbine despite its excellent thermal efficiency, corrosion of the turbine blades and the large volume of heat exchangers including the steam turbine have been raised as problems. Accordingly, research on a supercritical carbon dioxide Brayton cycle using carbon dioxide (CO 2 ) as a working fluid, not a Rankine cycle using steam, is being conducted.

초임계 브레이튼 사이클은 해당 사이클의 모든 부분에서 작동 유체가 임계점(threshold) 이상의 조건을 유지하며, 해당 사이클의 최저운전온도와 압력 조건인 압축기 유입조건이 임계점 바로 위에 위치하는 열역학 사이클을 의미한다.The supercritical Brayton cycle refers to a thermodynamic cycle in which the working fluid maintains a condition above the critical point in all parts of the cycle, and the compressor inlet condition, which is the minimum operating temperature and pressure condition of the cycle, is located just above the critical point.

초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 발전 시스템은, 이산화탄소의 임계점(30.98℃, 7.37MPa) 근처의 온도 및 압력 조건에서 압축 시 압축 일을 줄일 수 있어 열원의 온도가 450℃ 내지 750℃인 경우 열역학적으로 증기 랭킨 사이클과 동등한 수준의 열효율을 보이고 있다. 또한, 발전 시스템의 전반에 걸쳐 비 체적이 작게 유지되므로 주요 구성기기인 압축기, 터빈, 열 교환기 등의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 원자력 분야를 비롯하여 태양열, 폐열 회수, 지열, 연료전지 등과 같은 다양한 열원과 연계한 발전 시스템에 대한 연구가 진행 중이다.The power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid can reduce compression work during compression under temperature and pressure conditions near the critical point of carbon dioxide (30.98°C, 7.37 MPa), so that the temperature of the heat source is 450°C or higher. At 750°C, thermal efficiency is thermodynamically equivalent to that of the steam Rankine cycle. In addition, since the specific volume is kept small throughout the power generation system, there is an advantage of reducing the size of the main components such as compressors, turbines, and heat exchangers. Therefore, research on power generation systems in connection with various heat sources such as solar heat, waste heat recovery, geothermal heat, and fuel cells, as well as the nuclear field, is in progress.

한편, 기존의 복합 화력 발전 시스템은 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소하여 발전시키고, 전통적으로 산화제로서 공기를 이용하는 공기 연소(air combustion)가 적용되어 왔다. 하지만, 이러한 전통적인 공기 연소방식은 공기 내에 불활성가스인 질소가 대략 79% 정도 함유되어 있으므로 공기 연소 시 발열량 중의 상당 부분이 질소를 가열하는데 소모되어 화염 온도가 저하되고, 연소 후에 고온가스의 배출에 따른 열 손실이 상당히 크며, 아울러 배가스(flue gas) 중 이산화탄소의 농도가 13~16% 정도로 낮고, 배가스의 유량도 많아지므로 고농도의 이산화탄소 회수에 상당한 비용이 소요될 뿐만 아니라 질소 산화물(NOx)의 제거가 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 연료의 산화제로서 공기 대신에 산소(O2) 특히, 95% 이상의 순산소를 이용하여 연료를 연소시키는 순산소 연소 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.Meanwhile, conventional combined cycle power generation systems generate power by burning fossil fuels such as coal, oil, and natural gas, and traditionally, air combustion using air as an oxidizing agent has been applied. However, this traditional air combustion method contains about 79% of nitrogen, an inert gas, in the air, so a significant portion of the calorific value is consumed to heat nitrogen during air combustion, resulting in lower flame temperature, and The heat loss is quite large, and the concentration of carbon dioxide in the flue gas is as low as 13 to 16%, and the flow rate of the flue gas is also increased, so it takes considerable cost to recover high-concentration carbon dioxide and removes nitrogen oxides (NO x ). There is a difficult drawback. Accordingly, research on a pure oxygen combustion power generation system in which fuel is combusted by using oxygen (O 2 ), particularly, more than 95% pure oxygen instead of air as an oxidizing agent of the fuel, is being conducted.

순산소 연소 발전 시스템은 기존 가스터빈 발전 시스템과 달리 연소를 연소기 내부에서 산소와 연료만을 이용하여 수행하는 시스템을 의미한다. 순산소 연소 발전 시스템은 대기 중의 공기가 아닌 순산소를 이용하여 연소를 수행하기 때문에 연소 조건 내에 질소가 존재하지 않아, 환경오염 문제의 주요 원인인 질소 산화물(NOx) 배출을 원천적으로 차단할 수 있는 친환경 발전 방법으로 크게 주목 받고 있다.Unlike the conventional gas turbine power generation system, the pure oxygen combustion power generation system refers to a system that performs combustion using only oxygen and fuel inside the combustor. Since the pure oxygen combustion power generation system uses pure oxygen instead of air in the atmosphere, nitrogen does not exist in the combustion conditions, so it can fundamentally block the emission of nitrogen oxides (NO x ), which are the main causes of environmental pollution. It is receiving great attention as an eco-friendly power generation method.

이러한 최근 기술 동향에 따라, 초임계 브레이튼 사이클을 순산소 발전 사이클에 접목한 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템과 해당 발전 시스템의 열효율을 향상시키기 위한 방안들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In accordance with these recent technological trends, a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) in which the supercritical Brayton cycle is combined with the pure oxygen power generation cycle as a working fluid and a plan to improve the thermal efficiency of the power generation system Research on the field is being actively conducted.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 순산소 발전 사이클에서 발생하는 폐열과 해당 사이클의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 순산소 연소 발전 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제공함에 있다.It is an object of the present invention to solve the above and other problems. Another object is to provide a liquid nitrogen power generation system capable of improving the overall thermal efficiency of the pure oxygen combustion power generation system by using waste heat generated in the pure oxygen power generation cycle and excess liquid nitrogen generated in the air separation device of the cycle.

또 다른 목적은 공기 분리 장치의 압축열과 외부의 대기열(大氣熱)을 열원으로 사용하여 하나 이상의 질소 터빈들을 구동할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제공함에 있다.Another object is to provide a liquid nitrogen power generation system capable of driving one or more nitrogen turbines by using compressed heat of an air separation device and an external queue as a heat source.

또 다른 목적은 공기 분리 장치의 압축열과 순산소 발전 사이클의 액화열을 열원으로 사용하여 하나 이상의 질소 터빈들을 구동할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제공함에 있다.Another object is to provide a liquid nitrogen power generation system capable of driving one or more nitrogen turbines by using compressed heat of an air separation device and liquefied heat of a pure oxygen power generation cycle as a heat source.

또 다른 목적은 공기 분리 장치의 압축열과 순산소 발전 사이클의 액화열과 외부의 대기열을 열원으로 사용하여 하나 이상의 질소 터빈들을 구동할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제공함에 있다.Another object is to provide a liquefied nitrogen power generation system capable of driving one or more nitrogen turbines using compressed heat of an air separation device, liquefied heat of a pure oxygen generation cycle, and an external queue as heat sources.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치에서 배출되는 질소를 저장하는 액화 질소 탱크; 상기 액화 질소 탱크에서 제공하는 질소를 미리 결정된 압력으로 압축시키는 저온 펌프; 상기 공기 분리 장치에서 발생하는 압축열을 이용하여 상기 질소의 온도를 상승시키는 하나 이상의 열 교환기; 및 상기 열 교환기를 통과한 질소가 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 하나 이상의 질소 터빈을 포함하는 액화 질소 발전 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or other objects, a liquid nitrogen tank for storing nitrogen discharged from the air separation device of the pure oxygen combustion power generation system; A low-temperature pump for compressing nitrogen provided from the liquefied nitrogen tank to a predetermined pressure; At least one heat exchanger for increasing the temperature of the nitrogen by using the compressed heat generated by the air separation device; And it provides a liquefied nitrogen power generation system including one or more nitrogen turbines for converting into mechanical energy by applying impulsive or reaction force to the rotating blade while the nitrogen passing through the heat exchanger expands.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 질소 발전 시스템은 저온 펌프와 열 교환기 사이에 배치되어, 외부의 대기열(大氣熱)을 이용하여 상기 저온 펌프에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 증발기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 액화 질소 발전 시스템은 저온 펌프와 열 교환기 사이에 배치되어, 순산소 연소 발전 시스템에서 발생하는 폐열을 이용하여 상기 저온 펌프에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 예냉기를 더 포함할 수 있다. More preferably, the liquefied nitrogen power generation system may further include an evaporator disposed between the low-temperature pump and the heat exchanger to increase the temperature of nitrogen discharged from the low-temperature pump by using an external queue (大氣熱). have. In addition, the liquefied nitrogen power generation system may further include a precooler disposed between the low temperature pump and the heat exchanger to increase the temperature of nitrogen discharged from the low temperature pump using waste heat generated from the pure oxygen combustion power generation system.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 질소 발전 시스템은 외부의 대기열을 이용하여 저온 펌프에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 증발기와, 순산소 연소 발전 시스템에서 발생하는 폐열을 이용하여 상기 증발기에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 예냉기를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 액화 질소 발전 시스템은 질소 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 질소 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함할 수 있다.More preferably, the liquefied nitrogen power generation system includes an evaporator that increases the temperature of nitrogen discharged from a low-temperature pump using an external queue, and nitrogen discharged from the evaporator using waste heat generated from the pure oxygen combustion power generation system. It may further include a precooler to increase the temperature of. In addition, the liquefied nitrogen power generation system may further include a generator that is axially connected to the nitrogen turbine to rotate and drive, and converts kinetic energy received from the nitrogen turbine into electrical energy.

좀 더 바람직하게는, 상기 액화 질소 발전 시스템은 공기 분리 장치로부터 제공받은 고온의 열유를 저장하고, 상기 고온의 열유를 열 교환기로 제공하는 열유 저장 탱크를 더 포함할 수 있다. 상기 액화 질소 발전 시스템에 설치된 열 교환기가 복수 개인 경우, 복수의 열 교환기는 열유 저장 탱크와 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 열유 저장 탱크에서 배출되는 열유는 복수의 열 교환기를 거쳐 공기 분리 장치로 유입될 수 있다. 또한, 상기 공기 분리 장치로 유입되는 열유의 온도는 주변의 대기 온도에 대응할 수 있다.More preferably, the liquefied nitrogen power generation system may further include a hot oil storage tank for storing high temperature hot oil provided from an air separation device and providing the high temperature hot oil to a heat exchanger. When there are a plurality of heat exchangers installed in the liquefied nitrogen power generation system, the plurality of heat exchangers may be connected in series or in parallel with the hot oil storage tank. The hot oil discharged from the hot oil storage tank may be introduced into the air separation device through a plurality of heat exchangers. In addition, the temperature of the hot oil introduced into the air separation device may correspond to the ambient air temperature.

본 발명의 실시 예들에 따른 액화 질소 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effects of the liquid nitrogen power generation system according to embodiments of the present invention will be described as follows.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 순산소 발전 사이클에서 발생하는 폐열과 해당 사이클의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 부하대응 전력을 실시간으로 생산함으로써, 순산소 연소 발전 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, by using the waste heat generated in the pure oxygen power generation cycle and the excess liquid nitrogen generated in the air separation device of the cycle to generate load-responsive power in real time, the pure oxygen combustion power generation system There is an advantage in that the overall thermal efficiency can be improved.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 기 설치된 순산소 발전 사이클에 부하대응 발전이 가능한 액화 질소 발전 사이클을 추가함으로써, 수용가에서 요구하는 전력량에 대응하는 발전량을 신속하게 추가할 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, by adding a liquefied nitrogen power generation cycle capable of generating load-responsive power to the pre-installed pure oxygen power generation cycle, it is possible to quickly add a power generation amount corresponding to the amount of power required by the customer. There is this.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 액화 질소 발전 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the liquid nitrogen power generation system according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are common in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be clearly understood by those who have knowledge.

도 1은 일반적인 순산소 연소 발전 시스템의 전체 구성도;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 전체 구성도;
도 3은 공기 분리 장치에서 공기 압축 과정을 통해 열원을 제공하는 방법을 설명하기 위해 참조되는 도면;
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 전체 구성도;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 전체 구성도;
도 6은 열유 저장 탱크와 복수의 열 교환기 사이를 병렬로 연결한 구조를 나타내는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도.1 is an overall configuration diagram of a general pure oxygen combustion power generation system;
2 is an overall configuration diagram of a liquid nitrogen power generation system according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram referred to for explaining a method of providing a heat source through an air compression process in an air separation device;
4 is an overall configuration diagram of a liquid nitrogen power generation system according to another embodiment of the present invention;
5 is an overall configuration diagram of a liquid nitrogen power generation system according to another embodiment of the present invention;
6 is a view showing a structure in which a heat oil storage tank and a plurality of heat exchangers are connected in parallel;
7 is a flow chart illustrating an operation process of a liquid nitrogen power generation system according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 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.In describing the embodiments disclosed in the present specification, when it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the subject matter of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed in the present specification is not limited by the accompanying drawings, and all modifications included in the spirit and scope of the present invention It should be understood to include equivalents or substitutes.

본 발명은 순산소 발전 사이클에서 발생하는 폐열과 해당 사이클의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 순산소 연소 발전 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 공기 분리 장치의 압축열과 외부의 대기열(大氣熱)을 열원으로 사용하여 하나 이상의 질소 터빈들을 구동할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 공기 분리 장치의 압축열과 순산소 발전 사이클의 액화열을 열원으로 사용하여 하나 이상의 질소 터빈들을 구동할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 공기 분리 장치의 압축열과 순산소 발전 사이클의 액화열과 외부의 대기열을 열원으로 사용하여 하나 이상의 질소 터빈들을 구동할 수 있는 액화 질소 발전 시스템을 제안한다.The present invention proposes a liquid nitrogen power generation system capable of improving the overall thermal efficiency of the pure oxygen combustion power generation system by using waste heat generated in the pure oxygen generation cycle and excess liquid nitrogen generated in the air separation device of the cycle. In addition, the present invention proposes a liquefied nitrogen power generation system capable of driving one or more nitrogen turbines using compressed heat of an air separation device and an external queue as a heat source. In addition, the present invention proposes a liquefied nitrogen power generation system capable of driving one or more nitrogen turbines using compressed heat of an air separation device and liquefied heat of a pure oxygen power generation cycle as a heat source. In addition, the present invention proposes a liquefied nitrogen power generation system capable of driving one or more nitrogen turbines using compressed heat of an air separation device, liquefied heat of a pure oxygen power generation cycle, and an external queue as heat sources.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일반적인 순산소 연소 발전 시스템의 전체 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a general pure oxygen combustion power generation system.

도 1을 참조하면, 순산소 연소 발전 시스템(100)은 폐 루프 사이클(Close Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 공기 분리 장치(Air Separation Unit, 110), 연소기(Combustor, 120), 터빈(turbine, 130), 발전기(generator, 140), 복열기(recuperator, 150), 예냉기(precooler, 160), 물 분리기(water separator, 170) 및 압축기(compressor, 180) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 순산소 연소 발전 시스템(100)은 해당 발전 시스템(100)을 구성하는 장치들(110~190)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the pure oxygen combustion power generation system 100 is a power generation system having a Close Loop Cycle, and includes an air separation unit 110, a combustor 120, and a turbine. , 130), a generator (140), a recuperator (150), a precooler (160), a water separator (170) and a compressor (compressor, 180). On the other hand, although not shown in the drawing, the pure oxygen combustion power generation system 100 may further include a control device capable of overall controlling the operation of the devices 110 to 190 constituting the power generation system 100. have.

순산소 연소 발전 시스템(100)은 공기 또는 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 사용하여 해당 발전 사이클을 순환하면서 에너지를 생산하는 발전 시스템이다. 이하, 본 명세서에서는, 설명의 편의상, 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 사용하는 순산소 연소 발전 시스템(100)에 대해 상세히 설명하도록 한다.The pure oxygen combustion power generation system 100 is a power generation system that generates energy while circulating a corresponding power generation cycle using air or supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid. Hereinafter, in the present specification, for convenience of explanation, a pure oxygen combustion power generation system 100 using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid will be described in detail.

공기 분리 장치(110)는 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 미리 결정된 압력으로 압축시킨 다음, 압축 공기 주변의 온도를 떨어뜨리면서 물질의 끊는점 차이를 이용하여 산소(O2), 질소(N2) 및 아르곤(Ar) 등을 순차적으로 분리할 수 있다.The air separation device 110 compresses air introduced from the outside to a predetermined pressure, and then reduces the temperature around the compressed air and uses the difference in the boiling point of the material to reduce oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ). ) And argon (Ar) can be sequentially separated.

공기 분리 장치(110)는 연소기(120)와 연결된 제1 유로를 통해 저온의 순산소(O2)를 상기 연소기(120)로 제공할 수 있다. 또한, 공기 분리 장치(110)는 액화 질소 탱크(미도시)와 연결된 제2 유로를 통해 저온의 질소(N2)를 상기 액화 질소 탱크로 제공할 수 있다.The air separation device 110 may provide low-temperature pure oxygen (O 2 ) to the combustor 120 through a first passage connected to the combustor 120. In addition, the air separation device 110 may provide low-temperature nitrogen (N 2 ) to the liquefied nitrogen tank through a second flow path connected to the liquefied nitrogen tank (not shown).

연소기(120)는 공기 분리 장치(110)에서 공급되는 순산소(O2)를 이용하여 연료 공급부(미도시)에서 주입되는 연료(가령, CH4)를 연소시킬 수 있다. 이때, 산소와 연료는 별도의 압축기(미도시)를 거쳐 연소기(120)로 공급될 수 있다. 이는 연소기(120) 내부로 주입되는 산소와 연료의 압력을 연소기(120)의 내부 압력과 동일하거나 혹은 그 이상으로 높이기 위함이다.The combustor 120 may burn fuel (eg, CH 4 ) injected from a fuel supply unit (not shown) by using pure oxygen (O 2 ) supplied from the air separation device 110. In this case, oxygen and fuel may be supplied to the combustor 120 through a separate compressor (not shown). This is to increase the pressure of oxygen and fuel injected into the combustor 120 to be equal to or higher than the internal pressure of the combustor 120.

연소기(120)에서는 하기 반응식에 따른 연소 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)가 발생하게 된다.In the combustor 120, carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O) are generated through a combustion reaction according to the following reaction equation.

[반응식][Reaction Scheme]

Figure 112019070927582-pat00001
Figure 112019070927582-pat00001

연소기(120)는 연료(CH4)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 순산소 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)를 가열할 수 있다. 이때, 상기 이산화탄소(CO2)는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소(S-CO2)로 된다. 상기 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다.The combustor 120 may heat carbon dioxide (CO 2 ), which is a working fluid of a pure oxygen generation cycle, based on thermal energy generated through a combustion reaction between fuel CH 4 and oxygen O 2 . At this time, the carbon dioxide (CO 2 ) becomes supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) under conditions of a critical temperature and a critical pressure or higher. The supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) has a high density characteristic and a low viscosity characteristic. That is, supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) has high density gas characteristics.

연소기(120)는 순산소 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)와 연소 반응 생성물인 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)를 포함하는 고온/고압의 가스 매질을 터빈(130)으로 출력할 수 있다.The combustor 120 converts a high-temperature/high-pressure gas medium including carbon dioxide (CO 2 ), which is a working fluid of a pure oxygen power generation cycle, and carbon dioxide (CO 2 ), and water vapor (H 2 O), as a combustion reaction product to the turbine 130. Can be printed.

터빈(130)은 연소기(120)에서 출력된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈(130)의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.The turbine 130 may convert the high temperature/high pressure gas medium output from the combustor 120 into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine 130 while expanding.

터빈(130)에는, 압축기(180)와 마찬가지로, 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 일 실시 예로, 상기 터빈(130)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 다단 축류식 터빈의 기본 구조는 증속류를 만들어 내는 정익과 그것을 회전 에너지로 변환시키는 동익으로 구성되며, 고온/고압의 가스 매질을 서서히 증속 팽창시켜 회전 에너지를 추출해 낸다.Like the compressor 180, the turbine 130 has two types, an axial flow type and a centrifugal type, and their use is divided according to the power generation capacity. As an example, the turbine 130 may be a multi-stage axial flow type, but is not limited thereto. The basic structure of a multi-stage axial turbine is composed of a stator blade that creates an increased velocity flow and a rotor blade that converts it into rotational energy, and extracts rotational energy by gradually increasing and expanding the high-temperature/high-pressure gas medium.

터빈(130)을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기(180)에서 이산화탄소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(140)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.Mechanical energy obtained through the turbine 130 is supplied as energy required to compress carbon dioxide in the compressor 180, and the rest is supplied as energy required to generate electricity in the generator 140.

발전기(140)는 터빈(130)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(140)는 터빈(130)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(140)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.The generator 140 is connected to the turbine 130 by a shaft (or a rotor) to rotate. The generator 140 may generate electricity by converting mechanical energy supplied from the turbine 130 into electrical energy. As the generator 140, either a DC generator or an AC generator may be used, and more preferably, an AC generator may be used.

복열기(150)는 터빈(130)에서 배출되는 가스 매질과 압축기(180)에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 복열기(150)는 터빈(130)에서 배출되는 가스 매질의 열을 흡수하여 압축기(180)에서 배출되는 이산화탄소로 전달할 수 있다. 이러한 복열기(150)는 초임계 이산화탄소를 이용한 발전 시스템(100)에서 외부로 낭비되는 열의 양을 최소화시킴으로써, 해당 발전 시스템(100)의 열효율을 개선하는데 도움을 주게 된다.The recuperator 150 may perform heat exchange between the gas medium discharged from the turbine 130 and carbon dioxide discharged from the compressor 180. That is, the recuperator 150 may absorb heat of a gas medium discharged from the turbine 130 and transmit it to carbon dioxide discharged from the compressor 180. This recuperator 150 helps to improve the thermal efficiency of the power generation system 100 by minimizing the amount of heat wasted to the outside in the power generation system 100 using supercritical carbon dioxide.

복열기(150)는 터빈(130)과 연결된 유로를 통해 제공받은 가스 매질을 예냉기(160)로 전달할 수 있다. 또한, 복열기(150)는 압축기(180)와 연결된 유로를 통해 제공받은 이산화탄소를 연소기(120)로 전달할 수 있다.The recuperator 150 may deliver a gas medium provided through a flow path connected to the turbine 130 to the precooler 160. In addition, the recuperator 150 may transfer carbon dioxide provided through a flow path connected to the compressor 180 to the combustor 120.

예냉기(160)는, 복열기(150)와 물 분리기(170) 사이에 배치되어, 상기 복열기(150)를 통과한 가스 매질을 냉각시킬 수 있다. 상기 예냉기(160)의 냉각 방식으로는 공랭식 또는 수랭식이 사용될 수 있다. 또한, 상기 예냉기(160)의 냉매로는 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(S-CO2) 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The precooler 160 may be disposed between the recuperator 150 and the water separator 170 to cool the gas medium that has passed through the recuperator 150. Air cooling or water cooling may be used as a cooling method of the precooler 160. In addition, air, water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) , supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ), etc. may be used as the refrigerant of the pre-cooler 160 , and must be limited thereto. It doesn't work.

예냉기(160)는 가스 매질을 냉각하여 물(또는 수증기, H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 상기 생성된 물과 이산화탄소를 물 분리기(170)로 제공할 수 있다.The precooler 160 may cool a gas medium to generate water (or steam, H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ), and provide the generated water and carbon dioxide to the water separator 170.

물 분리기(170)는 예냉기(160)와 연결된 유로를 통해 제공받은 물과 이산화탄소 중에서 물을 분리할 수 있다. 이에 따라, 물 분리기(170)는 압축기(180)와 연결된 유로를 통해 이산화탄소만을 상기 압축기(180)로 제공할 수 있다.The water separator 170 may separate water from water and carbon dioxide provided through a flow path connected to the precooler 160. Accordingly, the water separator 170 may provide only carbon dioxide to the compressor 180 through a flow path connected to the compressor 180.

압축기(180)는 터빈(130)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 물 분리기(170)로부터 유입되는 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 상기 압축기(180)를 통과한 고압의 이산화탄소 중 일부는 복열기(150)를 거쳐 연소기(120)로 주입될 수 있고, 나머지는 이산화탄소(CO2) 저장 탱크(미도시)로 이동하여 저장될 수 있다.The compressor 180 may compress carbon dioxide introduced from the water separator 170 using mechanical energy provided from the turbine 130. Some of the high-pressure carbon dioxide that has passed through the compressor 180 may be injected into the combustor 120 through the recuperator 150, and the rest may be moved to and stored in a carbon dioxide (CO 2 ) storage tank (not shown). have.

압축기(180)는 공기 분리 장치(110, ASU)에서 추출되는 저온의 산소 및 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 이를 위해, 압축기(180)는 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키기 위한 열 교환기를 포함할 수 있다. 이러한 열 교환기를 이용하여 이산화탄소를 냉각시키면 이산화탄소의 밀도가 증가하게 되고, 밀도가 증가된 이산화탄소를 압축하게 되면 압축에 필요한 압축 일(compression work)이 감소하게 된다.The compressor 180 may cool carbon dioxide in the compression process using at least one of low temperature oxygen and nitrogen extracted from the air separation device 110 (ASU). To this end, the compressor 180 may include a heat exchanger for cooling carbon dioxide during the compression process. When the carbon dioxide is cooled by using such a heat exchanger, the density of carbon dioxide increases, and when the increased carbon dioxide is compressed, the compression work required for compression decreases.

압축기(180)는 터빈(130)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 상기 압축기(180)로는 축류식 압축기와 원심식 압축기 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 이러한 압축기(180)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.The compressor 180 is connected to the turbine 130 by a shaft (or a rotor) to rotate. Any one of an axial compressor and a centrifugal compressor may be used as the compressor 180. The compressor 180 may be composed of one or more rotor blades that rotate to provide energy to the fluid and one or more stator blades that increase pressure by decelerating the fluid.

이상 상술한 바와 같이, 순산소 연소 발전 시스템(100)은 발전 사이클인 연소기(120), 터빈(130), 복열기(150), 예냉기(160), 물 분리기(170) 및 압축기(180)를 순차적으로 순환하는 작동 유체(가령, 초임계 이산화탄소)를 이용하여 친환경적인 에너지를 생산하게 된다.As described above, the pure oxygen combustion power generation system 100 includes a combustor 120, a turbine 130, a recuperator 150, a precooler 160, a water separator 170, and a compressor 180, which are power generation cycles. Eco-friendly energy is produced by using a working fluid (for example, supercritical carbon dioxide) sequentially circulating.

그런데, 순산소 연소 발전 시스템(100)은 순도가 높은 산소를 연소기로 제공하기 위해 많은 전력을 소모하는 공기 분리 장치(110, ASU)를 사용해야 되기 때문에, 해당 시스템의 전체 열효율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 순산소 발전 사이클에서 발생하는 잉여 액화 질소와 폐열 등을 이용하여 순산소 연소 발전 시스템(100)의 전체 열효율을 개선하는 방안이 필요하다.However, since the pure oxygen combustion power generation system 100 needs to use the air separation device 110 (ASU) that consumes a lot of power to provide oxygen with high purity to the combustor, there is a problem that the overall thermal efficiency of the system is deteriorated. Accordingly, there is a need for a method of improving the overall thermal efficiency of the pure oxygen combustion power generation system 100 by using excess liquid nitrogen and waste heat generated in the pure oxygen power generation cycle.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 전체 구성도이다.2 is an overall configuration diagram of a liquid nitrogen power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템(200)은 액화 질소 탱크(Liquid Nitrogen Tank, 210), 저온 펌프(cryogenic pump, 220), 증발기(Evaporator, 230), 열 교환기(Heat Exchanger, 240), 질소 터빈(Nitrogen Turbine, 250), 발전기(Generator, 260) 및 열유 저장 탱크(Thermal Oil Storage Tank, 270) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 액화 질소 발전 시스템(200)은 해당 발전 시스템(200)을 구성하는 장치들(210~270)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.Referring to Figure 2, the liquid nitrogen power generation system 200 according to an embodiment of the present invention is a liquid nitrogen tank (Liquid Nitrogen Tank, 210), a low temperature pump (cryogenic pump, 220), an evaporator (Evaporator, 230), heat It may include a heat exchanger (240), a nitrogen turbine (Nitrogen Turbine, 250), a generator (Generator, 260), and a thermal oil storage tank (Thermal Oil Storage Tank, 270). On the other hand, although not shown in the drawing, the liquid nitrogen power generation system 200 may further include a control device capable of overall controlling the operation of the devices (210 to 270) constituting the power generation system 200. have.

순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치(110)는 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 미리 결정된 압력으로 압축시킨 다음, 압축 공기 주변의 온도를 떨어뜨리면서 물질의 끊는점 차이를 이용하여 산소(O2), 질소(N2) 및 아르곤(Ar) 등을 순차적으로 분리할 수 있다.The air separation device 110 of the pure oxygen combustion power generation system compresses air introduced from the outside to a predetermined pressure, and then reduces the temperature around the compressed air and uses oxygen (O 2) by using the difference in the boiling point of the material. ), nitrogen (N 2 ) and argon (Ar) can be sequentially separated.

액화 질소 탱크(210)는 순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치(110)와 하나 이상의 유로를 통해 기계적으로 연결될 수 있다. 상기 액화 질소 탱크(210)는 공기 분리 장치(110)와 연결된 유로를 통해 저온의 질소(즉, 액화 질소)를 제공받아 저장할 수 있다.The liquefied nitrogen tank 210 may be mechanically connected to the air separation device 110 of the pure oxygen combustion power generation system through one or more flow paths. The liquefied nitrogen tank 210 may receive and store low-temperature nitrogen (ie, liquefied nitrogen) through a flow path connected to the air separation device 110.

액화 질소 탱크(210)는 순산소 연소 발전 시스템의 동작이 종료될 때까지 액화 질소를 계속 저장할 수 있다. 한편, 상기 순산소 연소 발전 시스템의 동작과 별개로, 액화 질소 발전 시스템(200)의 동작이 개시되면, 액화 질소 탱크(210)는 미리 저장된 액화 질소를 저온 펌프(220)로 제공한다.The liquid nitrogen tank 210 may continue to store liquid nitrogen until the operation of the pure oxygen combustion power generation system is terminated. On the other hand, apart from the operation of the pure oxygen combustion power generation system, when the operation of the liquid nitrogen power generation system 200 is started, the liquid nitrogen tank 210 provides pre-stored liquid nitrogen to the low temperature pump 220.

저온 펌프(220)는 액화 질소 탱크(210)와 연결된 유로를 통해 액화 질소를 제공받을 수 있다. 상기 저온 펌프(220)는 액화 질소 탱크(210)로부터 제공받은 액화 질소를 미리 결정된 압력으로 압축시킬 수 있다. 이때, 미리 결정된 압력은 100 내지 200 기압일 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The low temperature pump 220 may receive liquid nitrogen through a flow path connected to the liquid nitrogen tank 210. The low temperature pump 220 may compress liquid nitrogen provided from the liquid nitrogen tank 210 to a predetermined pressure. In this case, the predetermined pressure may be 100 to 200 atmospheres, but is not necessarily limited thereto.

저온 펌프(220)는 고압 상태의 액화 질소를 증발기(230)로 제공할 수 있다. 본 실시 예에서, 저온 펌프(220)는 액체 상태의 질소에 소정의 압력을 인가하기 때문에, 압축에 필요한 압축 일(compression work)을 최소화할 수 있다.The low temperature pump 220 may provide liquid nitrogen in a high pressure state to the evaporator 230. In this embodiment, since the low temperature pump 220 applies a predetermined pressure to liquid nitrogen, it is possible to minimize a compression work required for compression.

증발기(230)는, 일종의 열 교환기로서, 저온 펌프(220)에서 배출되는 액화 질소와 외부에서 유입되는 공기 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 증발기(230)는 외부에서 유입되는 공기로부터 대기열(大氣熱)을 흡수하고, 상기 흡수된 대기열을 저온 펌프(220)에서 배출되는 액화 질소로 전달할 수 있다.The evaporator 230 is a type of heat exchanger, and may perform heat exchange between liquid nitrogen discharged from the low temperature pump 220 and air introduced from the outside. That is, the evaporator 230 may absorb the queue from the air introduced from the outside, and transfer the absorbed queue to the liquid nitrogen discharged from the low temperature pump 220.

증발기(230)는 외부에서 유입되는 공기로부터 대기열을 흡수한 다음 차가워진 공기를 외부로 배출할 수 있다. 이때, 상기 증발기(230)에서 배출되는 차가운 공기는 공기 분리 장치(110)에서 공기를 냉각하는데 사용될 수 있다. The evaporator 230 may absorb the queue from the air introduced from the outside and then discharge the cooled air to the outside. In this case, the cold air discharged from the evaporator 230 may be used to cool the air in the air separation device 110.

증발기(230)는 무한히 제공되는 대기열을 이용하여 저온 펌프(220)로부터 제공받은 액화 질소의 온도를 상승시킨 다음 제1 열 교환기(240a)로 전달할 수 있다. 즉, 상기 증발기(230)는 액체 상태의 질소를 기체 상태의 질소를 변환하여 제1 열 교환기(240a)로 전달할 수 있다.The evaporator 230 may increase the temperature of the liquid nitrogen provided from the low temperature pump 220 by using an infinitely provided queue and then transfer it to the first heat exchanger 240a. That is, the evaporator 230 may convert liquid nitrogen into gaseous nitrogen and transfer it to the first heat exchanger 240a.

제1 열 교환기(240a)는 증발기(230)에서 배출되는 질소와 제2 열 교환기(240b)에서 유입되는 열유(thermal oil) 간의 1차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 제1 열 교환기(240a)는 제2 열 교환기(240b)에서 유입되는 열유의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 증발기(230)에서 배출되는 질소로 전달할 수 있다.The first heat exchanger 240a may perform a primary heat exchange treatment between nitrogen discharged from the evaporator 230 and thermal oil introduced from the second heat exchanger 240b. That is, the first heat exchanger 240a may absorb heat of the hot oil flowing from the second heat exchanger 240b and transfer the absorbed heat to nitrogen discharged from the evaporator 230.

제1 열 교환기(240a)는 제2 열 교환기(240b)와 연결된 유로를 통해 제공받은 열유를 공기 분리 장치(110)로 전달할 수 있다. 이때, 공기 분리 장치(110)의 동작 안정성을 위해, 제1 열 교환기(240a)에서 배출되는 열유의 온도는 주변의 대기 온도와 동일하거나 유사하도록 설계될 수 있다. 또한, 제1 열 교환기(240a)는 증발기(230)와 연결된 유로를 통해 제공받은 질소를 제1 질소 터빈(250a)으로 전달할 수 있다.The first heat exchanger 240a may transfer the hot oil provided through a flow path connected to the second heat exchanger 240b to the air separation device 110. In this case, for stability of the operation of the air separation device 110, the temperature of the hot oil discharged from the first heat exchanger 240a may be designed to be the same as or similar to the ambient air temperature. In addition, the first heat exchanger 240a may transfer nitrogen provided through a flow path connected to the evaporator 230 to the first nitrogen turbine 250a.

제1 질소 터빈(250a)은 제1 열 교환기(240a)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 그리고, 제1 질소 터빈(250a)은 제1 열 교환기(240a)로부터 제공받은 질소를 이용하여 터빈의 회전 날개를 구동한 후 제2 열 교환기(240b)로 제공할 수 있다.The first nitrogen turbine 250a may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the first heat exchanger 240a into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. In addition, the first nitrogen turbine 250a may be provided to the second heat exchanger 240b after driving the rotating blades of the turbine using nitrogen provided from the first heat exchanger 240a.

제2 열 교환기(240b)는 제1 질소 터빈(250a)에서 배출되는 질소와 제3 열 교환기(240c)에서 유입되는 열유 간의 2차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 제2 열 교환기(240b)는 제3 열 교환기(240c)에서 유입되는 열유의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 제1 질소 터빈(250a)에서 배출되는 질소로 전달할 수 있다.The second heat exchanger 240b may perform a secondary heat exchange treatment between nitrogen discharged from the first nitrogen turbine 250a and hot oil introduced from the third heat exchanger 240c. That is, the second heat exchanger 240b may absorb heat of the hot oil introduced from the third heat exchanger 240c and transfer the absorbed heat to the nitrogen discharged from the first nitrogen turbine 250a.

제2 열 교환기(240b)는 제3 열 교환기(240c)와 연결된 유로를 통해 제공받은 열유를 제1 열 교환기(240a)로 전달할 수 있다. 또한, 제2 열 교환기(240b)는 제1 질소 터빈(250a)과 연결된 유로를 통해 제공받은 질소를 제2 질소 터빈(250b)으로 전달할 수 있다.The second heat exchanger 240b may transfer the hot oil provided through the flow path connected to the third heat exchanger 240c to the first heat exchanger 240a. In addition, the second heat exchanger 240b may transfer nitrogen provided through a flow path connected to the first nitrogen turbine 250a to the second nitrogen turbine 250b.

제2 질소 터빈(250b)은 제2 열 교환기(240b)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 그리고, 제2 질소 터빈(250b)은 제2 열 교환기(240b)로부터 제공받은 질소를 이용하여 터빈의 회전 날개를 구동한 후 제3 열 교환기(240c)로 제공할 수 있다.The second nitrogen turbine 250b may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the second heat exchanger 240b into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. In addition, the second nitrogen turbine 250b may be provided to the third heat exchanger 240c after driving the rotating blades of the turbine using nitrogen provided from the second heat exchanger 240b.

제3 열 교환기(240c)는 제2 질소 터빈(250b)에서 배출되는 질소와 제4 열 교환기(240d)에서 유입되는 열유 간의 3차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 제3 열 교환기(240c)는 제4 열 교환기(240d)에서 유입되는 열유의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 제2 질소 터빈(250b)에서 배출되는 질소로 전달할 수 있다.The third heat exchanger 240c may perform a third heat exchange treatment between nitrogen discharged from the second nitrogen turbine 250b and hot oil introduced from the fourth heat exchanger 240d. That is, the third heat exchanger 240c may absorb heat of the hot oil flowing from the fourth heat exchanger 240d and transfer the absorbed heat to nitrogen discharged from the second nitrogen turbine 250b.

제3 열 교환기(240c)는 제4 열 교환기(240d)와 연결된 유로를 통해 제공받은 열유를 제2 열 교환기(240b)로 전달할 수 있다. 또한, 제3 열 교환기(240c)는 제2 질소 터빈(250b)과 연결된 유로를 통해 제공받은 질소를 제3 질소 터빈(250c)으로 전달할 수 있다.The third heat exchanger 240c may transfer the hot oil provided through a flow path connected to the fourth heat exchanger 240d to the second heat exchanger 240b. In addition, the third heat exchanger 240c may transfer nitrogen provided through a flow path connected to the second nitrogen turbine 250b to the third nitrogen turbine 250c.

제3 질소 터빈(250c)은 제3 열 교환기(240c)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 그리고, 제3 질소 터빈(250c)은 제3 열 교환기(240c)로부터 제공받은 질소를 이용하여 터빈의 회전 날개를 구동한 후 제4 열 교환기(240d)로 제공할 수 있다.The third nitrogen turbine 250c may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the third heat exchanger 240c into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. In addition, the third nitrogen turbine 250c may be provided to the fourth heat exchanger 240d after driving the rotor blades of the turbine using nitrogen provided from the third heat exchanger 240c.

제4 열 교환기(240d)는 제3 질소 터빈(250c)에서 배출되는 질소와 열유 저장 탱크(270)에서 유입되는 열유 간의 4차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 즉, 제4 열 교환기(240d)는 열유 저장 탱크(270)에서 유입되는 열유의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 제3 질소 터빈(250c)에서 배출되는 질소로 전달할 수 있다.The fourth heat exchanger 240d may perform a fourth heat exchange treatment between nitrogen discharged from the third nitrogen turbine 250c and the hot oil introduced from the hot oil storage tank 270. That is, the fourth heat exchanger 240d may absorb heat of the hot oil introduced from the hot oil storage tank 270 and transfer the absorbed heat to nitrogen discharged from the third nitrogen turbine 250c.

제4 열 교환기(240d)는 열유 저장 탱크(270)와 연결된 유로를 통해 제공받은 열유를 제3 열 교환기(240c)로 전달할 수 있다. 또한, 제4 열 교환기(240d)는 제3 질소 터빈(250c)과 연결된 유로를 통해 제공받은 질소를 제4 질소 터빈(250d)으로 전달할 수 있다.The fourth heat exchanger 240d may transfer the hot oil provided through the flow path connected to the hot oil storage tank 270 to the third heat exchanger 240c. In addition, the fourth heat exchanger 240d may transfer nitrogen provided through a flow path connected to the third nitrogen turbine 250c to the fourth nitrogen turbine 250d.

제4 질소 터빈(250d)은 제4 열 교환기(240d)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 그리고, 제4 질소 터빈(250c)은 제4 열 교환기(240d)로부터 제공받은 질소를 이용하여 터빈의 회전 날개를 구동한 후 외부로 배출할 수 있다.The fourth nitrogen turbine 250d may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the fourth heat exchanger 240d into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. Further, the fourth nitrogen turbine 250c may be discharged to the outside after driving the rotor blades of the turbine using nitrogen provided from the fourth heat exchanger 240d.

제1 내지 제4 질소 터빈(250a~250d)은 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 일 실시 예로, 상기 제1 내지 제4 질소 터빈(250a~250d)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 다단 축류식 터빈의 기본 구조는 증속류를 만들어 내는 정익과 그것을 회전 에너지로 변환시키는 동익으로 구성되며, 고온/고압의 가스 매질을 서서히 증속 팽창시켜 회전 에너지를 추출해 낸다.There are two types of the first to fourth nitrogen turbines 250a to 250d, the axial flow type and the centrifugal type, and their use is divided according to the power generation capacity. As an example, the first to fourth nitrogen turbines 250a to 250d may use a multistage axial flow type, but are not limited thereto. The basic structure of a multi-stage axial turbine is composed of a stator blade that creates an increased velocity flow and a rotor blade that converts it into rotational energy, and extracts rotational energy by gradually increasing and expanding the high-temperature/high-pressure gas medium.

제1 내지 제4 질소 터빈(250a~250d)을 통해 획득한 기계적 에너지는 저온 펌프(220)에서 액화 질소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(260)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.The mechanical energy obtained through the first to fourth nitrogen turbines 250a to 250d is supplied as energy required to compress liquid nitrogen in the low temperature pump 220, and the rest is energy required to generate electricity in the generator 260. Is supplied.

발전기(260)는 제1 내지 제4 질소 터빈(250a~250d)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(260)는 제1 내지 제4 질소 터빈(250a~250d)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(260)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.The generator 260 is connected to the first to fourth nitrogen turbines 250a to 250d through a shaft (or a rotor) to rotate. The generator 260 may generate electricity by converting mechanical energy supplied from the first to fourth nitrogen turbines 250a to 250d into electrical energy. As the generator 260, any one of a DC generator and an AC generator may be used, and more preferably an AC generator may be used.

한편, 순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치(110)는 외부로부터 유입되는 공기를 압축하는 과정에서 발생하는 압축열을 열 교환 사이클을 순환하는 열유(thermal oil)에 전달할 수 있다. Meanwhile, the air separation device 110 of the pure oxygen combustion power generation system may transfer compressed heat generated in the process of compressing air introduced from the outside to thermal oil circulating through a heat exchange cycle.

가령, 도 3에 도시된 바와 같이, 공기 분리 장치(110)는 복수의 압축기(111)와 복수의 열 교환기(113)를 포함할 수 있다. 복수의 압축기(111)는 공기를 압축하는 과정에서 발생하는 압축열(약 250℃ 내지 400℃)을 복수의 열 교환기(113)로 제공할 수 있다. 복수의 열 교환기(113)는 복수의 공기 압축기(111)에서 배출되는 공기와 액화 질소 발전 시스템(200)의 제1 열 교환기(240a)에서 유입되는 열유 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 복수의 열 교환기(113)는 복수의 압축기(111)에서 배출되는 공기로부터 압축열을 흡수하고, 상기 흡수된 압축열을 해당 열 교환기(113)를 통과하는 열유로 전달할 수 있다. 이러한 열 교환기들(113)을 통과하면서 압축열을 흡수한 열유는 열유 저장 탱크(270)로 이동한다.For example, as shown in FIG. 3, the air separation device 110 may include a plurality of compressors 111 and a plurality of heat exchangers 113. The plurality of compressors 111 may provide compression heat (about 250°C to 400°C) generated in the process of compressing air to the plurality of heat exchangers 113. The plurality of heat exchangers 113 may perform heat exchange between air discharged from the plurality of air compressors 111 and hot oil introduced from the first heat exchanger 240a of the liquid nitrogen power generation system 200. That is, the plurality of heat exchangers 113 may absorb compressed heat from the air discharged from the plurality of compressors 111, and transfer the absorbed compressed heat to the heat oil passing through the corresponding heat exchanger 113. The hot oil absorbing the compressed heat while passing through the heat exchangers 113 moves to the hot oil storage tank 270.

열유 저장 탱크(270)는 공기 분리 장치(110)로부터 제공받은 고온의 열유를 저장할 수 있다. 열유 저장 탱크(270)는 자신과 직렬로 연결된 제1 내지 제4 열 교환기(240a~240d)로 고온의 열유를 제공할 수 있다. 상기 열유 저장 탱크(270)에서 제공하는 열유의 온도는 제1 내지 제4 열 교환기(240a~240d)를 거치면서 점점 낮아지게 된다. 그리고, 상기 제1 내지 제4 열 교환기(240a~240d)를 순차적으로 통과하면서 열을 빼앗긴 열유는 다시 공기 분리 장치(110)로 유입된다. 이처럼, 열유는 열유 저장 탱크(270), 복수의 열 교환기(240a~240d) 및 공기 분리 장치(110)를 순환하면서 열을 흡수하거나 열을 방출하는 과정을 반복하게 된다.The hot oil storage tank 270 may store the high temperature hot oil provided from the air separation device 110. The hot oil storage tank 270 may provide high-temperature hot oil to the first to fourth heat exchangers 240a to 240d connected in series with itself. The temperature of the hot oil provided by the hot oil storage tank 270 gradually decreases as it passes through the first to fourth heat exchangers 240a to 240d. In addition, the hot oil that has been deprived of heat while passing through the first to fourth heat exchangers 240a to 240d sequentially flows back into the air separation device 110. In this way, the process of absorbing heat or releasing heat while circulating the hot oil storage tank 270, the plurality of heat exchangers 240a to 240d, and the air separation device 110 is repeated.

한편, 본 실시 예에서는, 액화 질소 발전 시스템(200)이 4개의 열 교환기와 4개의 질소 터빈을 구비하는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 그 보다 더 적거나 혹은 더 많은 개수의 열 교환기 및 질소 터빈을 구비할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.On the other hand, in the present embodiment, it is illustrated that the liquefied nitrogen power generation system 200 includes four heat exchangers and four nitrogen turbines, but is not necessarily limited thereto, and there are fewer or more heat exchangers. And it will be apparent to those skilled in the art that a nitrogen turbine may be provided.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템은 순산소 발전 사이클에서 발생하는 폐열과 해당 사이클의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 부하대응 전력(즉, 보조 전력)을 실시간으로 생산함으로써, 순산소 연소 발전 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있다.As described above, the liquefied nitrogen power generation system according to an embodiment of the present invention uses the waste heat generated in the pure oxygen generation cycle and the excess liquid nitrogen generated in the air separation device of the cycle to provide load response power (i.e. Electric power) can be produced in real time, thereby improving the overall thermal efficiency of the pure oxygen combustion power generation system.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 전체 구성도이다.4 is an overall configuration diagram of a liquid nitrogen power generation system according to another embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템(400)은 액화 질소 탱크(410), 저온 펌프(420), 예냉기(430), 열 교환기(440), 질소 터빈(450), 발전기(460) 및 열유 저장 탱크(470) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 액화 질소 발전 시스템(400)은 해당 발전 시스템(400)을 구성하는 장치들(410~470)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.4, a liquefied nitrogen power generation system 400 according to another embodiment of the present invention includes a liquefied nitrogen tank 410, a low temperature pump 420, a precooler 430, a heat exchanger 440, a nitrogen turbine ( 450), a generator 460, and a hot oil storage tank 470. On the other hand, although not shown in the drawing, the liquid nitrogen power generation system 400 may further include a control device capable of controlling the overall operation of the devices (410 to 470) constituting the power generation system 400. have.

액화 질소 발전 시스템(400)의 액화 질소 탱크(410), 저온 펌프(420), 열 교환기(440), 질소 터빈(450), 발전기(460) 및 열유 저장 탱크(470)는 상술한 도 2에 도시된 액화 질소 발전 시스템(200)의 액화 질소 탱크(210), 저온 펌프(220), 열 교환기(240), 질소 터빈(250), 발전기(260) 및 열유 저장 탱크(270)와 동일 또는 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.The liquid nitrogen tank 410, the low temperature pump 420, the heat exchanger 440, the nitrogen turbine 450, the generator 460 and the hot oil storage tank 470 of the liquid nitrogen power generation system 400 are shown in FIG. The same or similar to the liquid nitrogen tank 210, the low temperature pump 220, the heat exchanger 240, the nitrogen turbine 250, the generator 260 and the hot oil storage tank 270 of the illustrated liquid nitrogen power generation system 200 Therefore, a detailed description thereof will be omitted.

액화 질소 발전 시스템(400)의 동작이 개시되면, 액화 질소 탱크(410)는 미리 저장된 액화 질소를 저온 펌프(420)로 제공한다. 저온 펌프(420)는 액화 질소 탱크(410)로부터 제공받은 액화 질소를 미리 결정된 압력으로 압축시킨 다음 예냉기(430)로 제공할 수 있다. 여기서, 상기 예냉기(430)는 순산소 연소 발전 시스템(100)에 사용되는 예냉기일 수 있다.When the operation of the liquefied nitrogen power generation system 400 is started, the liquefied nitrogen tank 410 provides pre-stored liquefied nitrogen to the low temperature pump 420. The low temperature pump 420 may compress the liquid nitrogen provided from the liquid nitrogen tank 410 to a predetermined pressure and then provide it to the precooler 430. Here, the precooler 430 may be a precooler used in the pure oxygen combustion power generation system 100.

순산소 연소 발전 시스템(100)의 예냉기(430)는 복열기와 물 분리기 사이에 배치되어, 상기 복열기를 통과한 가스 매질을 냉각시킬 수 있다. 상기 예냉기(430)의 냉각 방식으로는 공랭식이 사용될 수 있다. 상기 예냉기(430)의 냉매로는 액화 질소가 사용될 수 있다.The precooler 430 of the pure oxygen combustion power generation system 100 may be disposed between the recuperator and the water separator to cool the gas medium passing through the recuperator. Air cooling may be used as a cooling method of the precooler 430. Liquid nitrogen may be used as the refrigerant of the precooler 430.

예냉기(430)는, 일종의 열 교환기로서, 저온 펌프(420)에서 배출되는 액화 질소와 순산소 발전 사이클의 복열기에서 유입되는 가스 매질 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 예냉기(430)는 순산소 발전 사이클의 복열기에서 유입되는 가스 매질로부터 액화열을 흡수하고, 상기 흡수된 액화열을 저온 펌프(420)에서 배출되는 액화 질소로 전달할 수 있다.The precooler 430 is a type of heat exchanger and may perform heat exchange between liquid nitrogen discharged from the low temperature pump 420 and a gas medium introduced from the recuperator of the pure oxygen power generation cycle. That is, the precooler 430 may absorb liquefied heat from a gas medium introduced from the recuperator of the pure oxygen power generation cycle, and transfer the absorbed liquefied heat to liquefied nitrogen discharged from the low temperature pump 420.

예냉기(430)는 순산소 발전 사이클에서 제공하는 폐열을 이용하여 저온 펌프(420)로부터 제공받은 액화 질소의 온도를 상승시킨 다음 제1 열 교환기(440a)로 전달할 수 있다. 즉, 상기 예냉기(430)는 액체 상태의 질소를 기체 상태의 질소를 변환하여 제1 열 교환기(440a)로 전달할 수 있다.The precooler 430 may increase the temperature of the liquid nitrogen provided from the low temperature pump 420 by using waste heat provided from the pure oxygen generation cycle, and then transfer it to the first heat exchanger 440a. That is, the precooler 430 may convert liquid nitrogen into gaseous nitrogen and transfer it to the first heat exchanger 440a.

제1 열 교환기(440a)는 예냉기(430)에서 배출되는 질소와 제2 열 교환기(440b)에서 유입되는 열유(thermal oil) 간의 1차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 제2 열 교환기(440b)는 제1 질소 터빈(450a)에서 배출되는 질소와 제3 열 교환기(440c)에서 유입되는 열유 간의 2차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 제3 열 교환기(440c)는 제2 질소 터빈(450b)에서 배출되는 질소와 제4 열 교환기(440d)에서 유입되는 열유 간의 3차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 제4 열 교환기(440d)는 제3 질소 터빈(450c)에서 배출되는 질소와 열유 저장 탱크(470)에서 유입되는 열유 간의 4차 열 교환 처리를 수행할 수 있다.The first heat exchanger 440a may perform a primary heat exchange treatment between nitrogen discharged from the precooler 430 and thermal oil introduced from the second heat exchanger 440b. The second heat exchanger 440b may perform a secondary heat exchange treatment between nitrogen discharged from the first nitrogen turbine 450a and hot oil introduced from the third heat exchanger 440c. The third heat exchanger 440c may perform a third heat exchange treatment between nitrogen discharged from the second nitrogen turbine 450b and hot oil introduced from the fourth heat exchanger 440d. The fourth heat exchanger 440d may perform a fourth heat exchange treatment between nitrogen discharged from the third nitrogen turbine 450c and the hot oil introduced from the hot oil storage tank 470.

제1 질소 터빈(450a)은 제1 열 교환기(440a)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 제2 질소 터빈(450b)은 제2 열 교환기(440b)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 제3 질소 터빈(450c)은 제3 열 교환기(440c)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 제4 질소 터빈(450d)은 제4 열 교환기(440d)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.The first nitrogen turbine 450a may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the first heat exchanger 440a into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. The second nitrogen turbine 450b may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the second heat exchanger 440b into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. The third nitrogen turbine 450c may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the third heat exchanger 440c into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. The fourth nitrogen turbine 450d may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the fourth heat exchanger 440d into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding.

제1 내지 제4 질소 터빈(450a~450d)을 통해 획득한 기계적 에너지는 저온 펌프(420)에서 액화 질소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(460)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.The mechanical energy obtained through the first to fourth nitrogen turbines 450a to 450d is supplied as energy required to compress liquid nitrogen in the low temperature pump 420, and the rest is energy required to generate electricity in the generator 460. Is supplied.

발전기(460)는 제1 내지 제4 질소 터빈(450a~450d)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(460)는 제1 내지 제4 질소 터빈(450a~450d)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다.The generator 460 is connected to the first to fourth nitrogen turbines 450a to 450d through a shaft (or a rotor) to rotate. The generator 460 may generate electricity by converting mechanical energy supplied from the first to fourth nitrogen turbines 450a to 450d into electrical energy.

열유 저장 탱크(470)는 공기 분리 장치(110)로부터 제공받은 고온의 열유를 저장할 수 있다. 열유 저장 탱크(470)는 자신과 직렬로 연결된 제1 내지 제4 열 교환기(440a~440d)로 고온의 열유를 제공할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 열 교환기(440a~440d)를 순차적으로 통과하면서 열을 빼앗긴 열유는 다시 공기 분리 장치(110)로 유입된다.The hot oil storage tank 470 may store the high temperature hot oil provided from the air separation device 110. The hot oil storage tank 470 may provide high temperature hot oil to the first to fourth heat exchangers 440a to 440d connected in series with itself. The hot oil that has been deprived of heat while passing through the first to fourth heat exchangers 440a to 440d sequentially is introduced into the air separation device 110 again.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템은 순산소 발전 사이클에서 발생하는 폐열과 해당 사이클의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 부하대응 전력(즉, 보조 전력)을 실시간으로 생산함으로써, 순산소 연소 발전 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있다.As described above, the liquefied nitrogen power generation system according to another embodiment of the present invention uses the waste heat generated in the pure oxygen generation cycle and the excess liquid nitrogen generated in the air separation device of the cycle to provide load response power (i.e. Electric power) can be produced in real time, thereby improving the overall thermal efficiency of the pure oxygen combustion power generation system.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 전체 구성도이다.5 is an overall configuration diagram of a liquid nitrogen power generation system according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템(500)은 액화 질소 탱크(510), 저온 펌프(520), 증발기(530), 예냉기(540), 열 교환기(550), 질소 터빈(560), 발전기(570) 및 열유 저장 탱크(580) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 액화 질소 발전 시스템(500)은 해당 발전 시스템(500)을 구성하는 장치들(510~580)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.5, a liquefied nitrogen power generation system 500 according to another embodiment of the present invention includes a liquefied nitrogen tank 510, a low temperature pump 520, an evaporator 530, a precooler 540, a heat exchanger ( 550), a nitrogen turbine 560, a generator 570, and a hot oil storage tank 580. On the other hand, although not shown in the drawings, the liquid nitrogen power generation system 500 may further include a control device capable of controlling overall operations of the devices 510 to 580 constituting the power generation system 500. have.

액화 질소 발전 시스템(500)의 액화 질소 탱크(510), 저온 펌프(520), 증발기(530), 열 교환기(550), 질소 터빈(560), 발전기(570) 및 열유 저장 탱크(580)는 상술한 도 2에 도시된 액화 질소 발전 시스템(200)의 액화 질소 탱크(210), 저온 펌프(220), 증발기(230), 열 교환기(240), 질소 터빈(250), 발전기(260) 및 열유 저장 탱크(270)와 동일 또는 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.The liquid nitrogen tank 510, the low temperature pump 520, the evaporator 530, the heat exchanger 550, the nitrogen turbine 560, the generator 570 and the hot oil storage tank 580 of the liquid nitrogen power generation system 500 are The liquid nitrogen tank 210, the low temperature pump 220, the evaporator 230, the heat exchanger 240, the nitrogen turbine 250, the generator 260 of the liquid nitrogen power generation system 200 shown in FIG. Since it is the same or similar to the hot oil storage tank 270, a detailed description thereof will be omitted.

액화 질소 발전 시스템(500)의 동작이 개시되면, 액화 질소 탱크(510)는 미리 저장된 액화 질소를 저온 펌프(520)로 제공한다. 저온 펌프(520)는 액화 질소 탱크(510)로부터 제공받은 액화 질소를 미리 결정된 압력으로 압축시킨 다음 증발기(530)로 제공할 수 있다. When the operation of the liquefied nitrogen power generation system 500 is started, the liquefied nitrogen tank 510 provides pre-stored liquefied nitrogen to the low temperature pump 520. The low temperature pump 520 may compress the liquid nitrogen provided from the liquid nitrogen tank 510 to a predetermined pressure and then provide it to the evaporator 530.

증발기(530)는, 일종의 열 교환기로서, 저온 펌프(520)에서 배출되는 액화 질소와 외부에서 유입되는 공기 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 증발기(530)는 외부에서 유입되는 공기로부터 대기열(大氣熱)을 흡수하고, 상기 흡수된 대기열을 저온 펌프(520)에서 배출되는 액화 질소로 전달할 수 있다.The evaporator 530 is a type of heat exchanger, and may perform heat exchange between liquid nitrogen discharged from the low temperature pump 520 and air introduced from the outside. That is, the evaporator 530 may absorb the queue from the air introduced from the outside, and transfer the absorbed queue to the liquid nitrogen discharged from the low temperature pump 520.

증발기(530)는 외부에서 유입되는 공기로부터 대기열을 흡수한 다음 차가워진 공기를 외부로 배출할 수 있다. 또한, 증발기(530)는 무한히 제공되는 대기열을 이용하여 저온 펌프(520)로부터 제공받은 액화 질소의 온도를 상승시킨 다음 예냉기(540)로 전달할 수 있다. 여기서, 상기 예냉기(540)는 순산소 연소 발전 시스템(100)에 사용되는 예냉기일 수 있다.The evaporator 530 may absorb the queue from the air introduced from the outside and then discharge the cooled air to the outside. In addition, the evaporator 530 may increase the temperature of the liquid nitrogen provided from the low-temperature pump 520 by using an infinitely provided queue and then transfer it to the precooler 540. Here, the precooler 540 may be a precooler used in the pure oxygen combustion power generation system 100.

순산소 연소 발전 시스템(100)의 예냉기(540)는 복열기와 물 분리기 사이에 배치되어, 상기 복열기를 통과한 가스 매질을 냉각시킬 수 있다. 상기 예냉기(540)의 냉각 방식으로는 공랭식이 사용될 수 있다. 상기 예냉기(540)의 냉매로는 액화 질소가 사용될 수 있다.The precooler 540 of the pure oxygen combustion power generation system 100 may be disposed between the recuperator and the water separator to cool the gas medium that has passed through the recuperator. Air cooling may be used as a cooling method of the precooler 540. Liquid nitrogen may be used as a refrigerant for the precooler 540.

예냉기(540)는, 일종의 열 교환기로서, 증발기(530)에서 배출되는 질소와 순산소 발전 사이클의 복열기에서 유입되는 가스 매질 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 예냉기(540)는 순산소 발전 사이클의 복열기에서 유입되는 가스 매질로부터 액화열을 흡수하고, 상기 흡수된 액화열을 증발기(530)에서 배출되는 질소로 전달할 수 있다.The precooler 540 is a type of heat exchanger, and may perform heat exchange between nitrogen discharged from the evaporator 530 and a gas medium introduced from the recuperator of the pure oxygen power generation cycle. That is, the precooler 540 may absorb the heat of liquefaction from the gas medium introduced from the recuperator of the pure oxygen power generation cycle, and transfer the absorbed heat of liquefaction to nitrogen discharged from the evaporator 530.

예냉기(540)는 순산소 발전 사이클에서 제공하는 폐열을 이용하여 증발기(530)로부터 제공받은 질소의 온도를 상승시킨 다음 제1 열 교환기(550a)로 전달할 수 있다. 본 실시 예에서는, 증발기(530)뿐만 아니라 예냉기(540)를 통해 열원을 제공받기 때문에, 제1 열 교환기(550a)로 유입되는 질소의 온도는 더 높아지게 된다.The precooler 540 may increase the temperature of nitrogen provided from the evaporator 530 by using waste heat provided from the pure oxygen power generation cycle, and then transfer it to the first heat exchanger 550a. In this embodiment, since the heat source is provided through the precooler 540 as well as the evaporator 530, the temperature of nitrogen flowing into the first heat exchanger 550a is higher.

제1 열 교환기(550a)는 예냉기(540)에서 배출되는 질소와 제2 열 교환기(550b)에서 유입되는 열유(thermal oil) 간의 1차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 제2 열 교환기(550b)는 제1 질소 터빈(560a)에서 배출되는 질소와 제3 열 교환기(550c)에서 유입되는 열유 간의 2차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 제3 열 교환기(550c)는 제2 질소 터빈(560b)에서 배출되는 질소와 제4 열 교환기(550d)에서 유입되는 열유 간의 3차 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 제4 열 교환기(550d)는 제3 질소 터빈(560c)에서 배출되는 질소와 열유 저장 탱크(580)에서 유입되는 열유 간의 4차 열 교환 처리를 수행할 수 있다.The first heat exchanger 550a may perform a primary heat exchange treatment between nitrogen discharged from the precooler 540 and thermal oil introduced from the second heat exchanger 550b. The second heat exchanger 550b may perform a secondary heat exchange treatment between nitrogen discharged from the first nitrogen turbine 560a and hot oil introduced from the third heat exchanger 550c. The third heat exchanger 550c may perform a third heat exchange treatment between nitrogen discharged from the second nitrogen turbine 560b and hot oil introduced from the fourth heat exchanger 550d. The fourth heat exchanger 550d may perform a fourth heat exchange treatment between nitrogen discharged from the third nitrogen turbine 560c and the hot oil introduced from the hot oil storage tank 580.

제1 질소 터빈(560a)은 제1 열 교환기(550a)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 제2 질소 터빈(560b)은 제2 열 교환기(550b)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 제3 질소 터빈(560c)은 제3 열 교환기(550c)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 제4 질소 터빈(560d)은 제4 열 교환기(550d)를 통과한 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.The first nitrogen turbine 560a may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the first heat exchanger 550a into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. The second nitrogen turbine 560b may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the second heat exchanger 550b into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. The third nitrogen turbine 560c may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the third heat exchanger 550c into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding. The fourth nitrogen turbine 560d may convert the high-temperature/high-pressure nitrogen gas passing through the fourth heat exchanger 550d into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while expanding.

제1 내지 제4 질소 터빈(560a~560d)을 통해 획득한 기계적 에너지는 저온 펌프(520)에서 액화 질소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(570)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.The mechanical energy obtained through the first to fourth nitrogen turbines 560a to 560d is supplied as energy required to compress liquid nitrogen in the low temperature pump 520, and the rest is energy required to produce electricity in the generator 570. Is supplied.

발전기(570)는 제1 내지 제4 질소 터빈(560a~560d)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(570)는 제1 내지 제4 질소 터빈(560a~560d)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다.The generator 570 is connected to the first to fourth nitrogen turbines 560a to 560d through a shaft (or a rotor) to rotate. The generator 570 may generate electricity by converting mechanical energy supplied from the first to fourth nitrogen turbines 560a to 560d into electrical energy.

열유 저장 탱크(580)는 공기 분리 장치(110)로부터 제공받은 고온의 열유를 저장할 수 있다. 열유 저장 탱크(580)는 자신과 직렬로 연결된 제1 내지 제4 열 교환기(550a~550d)로 고온의 열유를 제공할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 열 교환기(550a~550d)를 순차적으로 통과하면서 열을 빼앗긴 열유는 다시 공기 분리 장치(110)로 유입된다.The hot oil storage tank 580 may store the high temperature hot oil provided from the air separation device 110. The hot oil storage tank 580 may provide high-temperature hot oil to the first to fourth heat exchangers 550a to 550d connected in series with itself. The hot oil that has been deprived of heat while passing through the first to fourth heat exchangers 550a to 550d sequentially flows back into the air separation device 110.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템은 순산소 발전 사이클에서 발생하는 폐열과 해당 사이클의 공기 분리 장치에서 발생하는 잉여 액화 질소를 이용하여 부하대응 전력(즉, 보조 전력)을 실시간으로 생산함으로써, 순산소 연소 발전 시스템의 전체 열효율을 개선할 수 있다.As described above, the liquefied nitrogen power generation system according to another embodiment of the present invention uses the waste heat generated in the pure oxygen power generation cycle and the excess liquid nitrogen generated in the air separation device of the cycle to provide load response power (ie, By producing auxiliary power) in real time, it is possible to improve the overall thermal efficiency of the pure oxygen combustion power generation system.

한편, 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 액화 질소 발전 시스템들(200, 400, 500)은 열유 저장 탱크와 복수의 열 교환기 사이를 직렬로 연결한 구조를 갖는다. 하지만, 실시 형태에 따라, 열유 저장 탱크와 복수의 열 교환기 사이를 병렬로 연결할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 열유 저장 탱크(620)에서 배출되는 열유는 네 방향으로 분기되어 제1 내지 제4 열 교환기(610a~610d)로 유입될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 열 교환기(610a~610d)를 각각 통과한 열유는 하나의 유로로 합쳐져서 공기 분리 장치(110)로 유입될 수 있다.Meanwhile, the liquefied nitrogen power generation systems 200, 400, and 500 according to various embodiments of the present invention have a structure in which a hot oil storage tank and a plurality of heat exchangers are connected in series. However, it will be apparent to those skilled in the art that according to the embodiment, it is possible to connect the hot oil storage tank and the plurality of heat exchangers in parallel. For example, as shown in FIG. 6, the hot oil discharged from the hot oil storage tank 620 may be branched in four directions and introduced into the first to fourth heat exchangers 610a to 610d. The hot oil passing through each of the first to fourth heat exchangers 610a to 610d may be combined into one flow path and introduced into the air separation device 110.

전자의 직렬 연결 구조는 열유 저장 탱크의 온도 범위를 최대로 활용할 수 있고 병렬 연결 구조에 비해 요구되는 열유의 양이 적다는 장점이 있는 반면, 터빈의 최고 온도가 높지 않다는 단점이 있다. 한편, 후자의 병렬 연결 구조는 직렬 연결 구조에 비해 터빈의 최고 온도를 높게 유지할 수 있는 장점이 있는 반면, 압축기 열원의 온도 범위가 최대로 활용되지 못하며 직렬 연결 구조에 비해 요구되는 열유의 양이 많다는 단점이 있다.The former series connection structure has the advantage that the temperature range of the hot oil storage tank can be maximized and the amount of hot oil required is less than that of the parallel connection structure, while the maximum temperature of the turbine is not high. On the other hand, the latter parallel connection structure has the advantage of maintaining the highest temperature of the turbine higher than that of the series connection structure, while the temperature range of the compressor heat source is not fully utilized, and the amount of heat oil required is higher than that of the series connection structure. There are drawbacks.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 질소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도이다.7 is a flow chart illustrating an operation process of a liquid nitrogen power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 액화 질소 발전 시스템은, 개방 루프 사이클(Open Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 액화 질소 탱크, 저온 펌프, 증발기, 열 교환기, 질소 터빈, 발전기 및 열유 저장 탱크 및 제어 장치 등을 포함할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 제어 장치는 순산소 연소 발전 시스템 및 액화 질소 발전 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.Referring to FIG. 7, the liquid nitrogen power generation system is a power generation system having an open loop cycle, such as a liquid nitrogen tank, a low temperature pump, an evaporator, a heat exchanger, a nitrogen turbine, a generator and a hot oil storage tank and a control device. It may include. Hereinafter, in this embodiment, the control device may control the overall operation of the pure oxygen combustion power generation system and the liquid nitrogen power generation system.

순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 압축한 다음 주변의 온도를 떨어뜨려 질소(N2)를 분리할 수 있다. 공기 분리 장치는 공기에서 분리된 질소를 액화 질소 탱크로 제공할 수 있다.The air separation device of the pure oxygen combustion power generation system may separate nitrogen (N 2 ) by compressing air introduced from the outside and then lowering the ambient temperature according to a control command of the control device. The air separation device may provide nitrogen separated from air to a liquid nitrogen tank.

액화 질소 탱크는 공기 분리 장치와 연결된 유로를 통해 저온의 질소(즉, 액화 질소)를 제공받아 저장할 수 있다(S710). 이때, 상기 액화 질소 탱크는 순산소 연소 발전 시스템의 동작이 종료될 때까지 액화 질소를 계속 저장할 수 있다.The liquefied nitrogen tank may receive and store low-temperature nitrogen (ie, liquefied nitrogen) through a flow path connected to the air separation device (S710). In this case, the liquefied nitrogen tank may continue to store liquefied nitrogen until the operation of the pure oxygen combustion power generation system is terminated.

한편, 순산소 연소 발전 시스템의 동작과 별개로 액화 질소 발전 시스템을 구성하는 장치들의 준비가 완료되면, 제어 장치는 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라 액화 질소 발전 시스템의 동작을 개시할 수 있다(S720).On the other hand, when the preparation of the devices constituting the liquefied nitrogen power generation system is completed separately from the operation of the pure oxygen combustion power generation system, the control device may start the operation of the liquefied nitrogen power generation system according to a control command of the system operator (S720). .

먼저, 액화 질소 탱크는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 미리 저장된 액화 질소를 저온 펌프로 제공할 수 있다. 저온 펌프는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 액화 질소 탱크로부터 제공받은 액화 질소를 미리 결정된 압력으로 압축시킬 수 있다(S730). 저온 펌프는 고압 상태의 액화 질소를 증발기로 제공할 수 있다.First, the liquefied nitrogen tank may provide pre-stored liquefied nitrogen to a low temperature pump according to a control command of the control device. The low-temperature pump may compress liquid nitrogen supplied from the liquid nitrogen tank to a predetermined pressure according to a control command of the control device (S730). The low temperature pump can provide high pressure liquid nitrogen to the evaporator.

증발기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 저온 펌프에서 배출되는 액화 질소와 외부에서 유입되는 공기 간의 1차 열 교환 처리를 수행할 수 있다(S740). 즉, 증발기는 외부에서 유입되는 공기로부터 대기열(大氣熱)을 흡수하고, 상기 흡수된 대기열을 저온 펌프에서 배출되는 액화 질소로 전달할 수 있다. 증발기는 무한히 제공되는 대기열을 이용하여 저온 펌프로부터 제공받은 액화 질소의 온도를 상승시킨 다음 복수의 열 교환기와 복수의 질소 터빈으로 전달할 수 있다.The evaporator may perform a primary heat exchange process between liquid nitrogen discharged from the low temperature pump and air introduced from the outside according to a control command of the control device (S740). That is, the evaporator may absorb the queue from the air introduced from the outside, and transfer the absorbed queue to the liquid nitrogen discharged from the low-temperature pump. The evaporator can use an infinitely provided queue to raise the temperature of the liquid nitrogen supplied from the low temperature pump and then transfer it to a plurality of heat exchangers and a plurality of nitrogen turbines.

복수의 열 교환기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 제1 유로를 통과하는 질소와 제2 유로를 통과하는 열유(thermal oil) 간의 2차 열 교환 처리를 수행할 수 있다(S750). 즉, 복수의 열 교환기는 제2 유로를 통과하는 열유의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 제1 유로를 통과하는 질소로 전달할 수 있다.The plurality of heat exchangers may perform secondary heat exchange processing between nitrogen passing through the first flow path and thermal oil passing through the second flow path according to a control command of the control device (S750). That is, the plurality of heat exchangers may absorb heat of the hot oil passing through the second flow path and transfer the absorbed heat to nitrogen passing through the first flow path.

복수의 질소 터빈은, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 복수의 열 교환기를 통과하는 고온/고압의 질소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다(S760). 복수의 질소 터빈을 통해 획득한 기계적 에너지는 저온 펌프에서 액화 질소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.The plurality of nitrogen turbines may be converted into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blades of the turbine while the high temperature/high pressure nitrogen gas passing through the plurality of heat exchangers expands according to a control command of the control device (S760). . Mechanical energy obtained through a plurality of nitrogen turbines is supplied as energy required to compress liquid nitrogen in a low-temperature pump, and the rest is supplied as energy required to generate electricity in a generator.

이러한 복수의 질소 터빈 중 마지막 질소 터빈은, 마지막 열 교환기로부터 제공받은 질소를 이용하여 터빈의 회전 날개를 구동한 후 외부로 배출할 수 있다(S770).The last nitrogen turbine among the plurality of nitrogen turbines may be discharged to the outside after driving the rotor blades of the turbine using nitrogen provided from the last heat exchanger (S770).

발전기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 복수의 질소 터빈에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기가 직류 발전기인 경우, 직류 전원을 생산할 수 있고, 상기 발전기가 교류 발전기인 경우, 교류 전원을 생산할 수 있다.The generator may generate electricity by converting mechanical energy supplied from a plurality of nitrogen turbines into electrical energy according to a control command of the control device. When the generator is a DC generator, DC power can be produced, and when the generator is an AC generator, AC power can be produced.

이후, 제어 장치는, 시스템 운영자의 제어 명령에 따라 발전 시스템의 동작이 종료될 때까지, 상술한 730 단계 내지 770 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다(S780).Thereafter, the control device may repeatedly perform the operations of steps 730 to 770 described above until the operation of the power generation system is terminated according to the control command of the system operator (S780).

한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, although specific embodiments of the present invention have been described above, various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by the claims to be described later, as well as those equivalent to the claims.

200/400/500: 액화 질소 발전 시스템 210/410/510: 액화 질소 탱크
220/420/520: 저온 펌프 230/530: 증발기
430/540: 예냉기 240/440/550: 열 교환기
250/450/560: 질소 터빈 260/460/570: 발전기
270/470/580: 열유 저장 탱크200/400/500: liquid nitrogen power generation system 210/410/510: liquid nitrogen tank
220/420/520: low temperature pump 230/530: evaporator
430/540: precooler 240/440/550: heat exchanger
250/450/560: nitrogen turbine 260/460/570: generator
270/470/580: hot oil storage tank

Claims (10)

순산소 연소 발전 시스템의 공기 분리 장치에서 배출되는 질소를 저장하는 액화 질소 탱크;
상기 액화 질소 탱크에서 제공하는 질소를 미리 결정된 압력으로 압축시키는 저온 펌프;
상기 공기 분리 장치에서 발생하는 압축열을 이용하여 상기 질소의 온도를 상승시키는 하나 이상의 열 교환기;
상기 열 교환기를 통과한 질소가 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 하나 이상의 질소 터빈; 및
상기 공기 분리 장치로부터 제공받은 고온의 열유(thermal oil)를 저장하고, 상기 고온의 열유를 상기 열 교환기로 제공하는 열유 저장 탱크를 포함하는 액화 질소 발전 시스템.A liquid nitrogen tank for storing nitrogen discharged from the air separation device of the pure oxygen combustion power generation system;
A low-temperature pump for compressing nitrogen provided from the liquefied nitrogen tank to a predetermined pressure;
At least one heat exchanger for increasing the temperature of the nitrogen by using the compressed heat generated by the air separation device;
At least one nitrogen turbine for converting the nitrogen passing through the heat exchanger into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotating blade while expanding; And
A liquefied nitrogen power generation system comprising a hot oil storage tank for storing high-temperature thermal oil provided from the air separation device and providing the high-temperature hot oil to the heat exchanger. 제1항에 있어서,
상기 저온 펌프와 상기 열 교환기 사이에 배치되어, 외부의 대기열(大氣熱)을 이용하여 상기 저온 펌프에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 증발기를 더 포함하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1,
Liquefied nitrogen power generation system further comprising an evaporator disposed between the low temperature pump and the heat exchanger to increase the temperature of nitrogen discharged from the low temperature pump by using an external queue (大氣熱). 제1항에 있어서,
상기 저온 펌프와 상기 열 교환기 사이에 배치되어, 상기 순산소 연소 발전 시스템에서 발생하는 폐열을 이용하여 상기 저온 펌프에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 예냉기를 더 포함하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1,
A liquefied nitrogen power generation system further comprising a precooler disposed between the low temperature pump and the heat exchanger to increase the temperature of nitrogen discharged from the low temperature pump by using waste heat generated from the pure oxygen combustion power generation system. 제1항에 있어서,
외부의 대기열을 이용하여 상기 저온 펌프에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 증발기; 및
상기 순산소 연소 발전 시스템에서 발생하는 폐열을 이용하여 상기 증발기에서 배출되는 질소의 온도를 상승시키는 예냉기를 더 포함하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1,
An evaporator for increasing the temperature of nitrogen discharged from the low temperature pump using an external queue; And
Liquefied nitrogen power generation system further comprising a precooler for increasing the temperature of nitrogen discharged from the evaporator using waste heat generated from the pure oxygen combustion power generation system. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 열 교환기가 복수 개인 경우,
복수의 열 교환기는 상기 열유 저장 탱크와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1, wherein when there are a plurality of heat exchangers,
A liquid nitrogen power generation system, characterized in that a plurality of heat exchangers are connected in series with the hot oil storage tank. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기가 복수 개인 경우,
복수의 열 교환기는 상기 열유 저장 탱크와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1, wherein when there are a plurality of heat exchangers,
Liquid nitrogen power generation system, characterized in that the plurality of heat exchangers are connected in parallel with the hot oil storage tank. 제1항에 있어서,
상기 열유 저장 탱크에서 배출되는 열유는 상기 열 교환기를 거쳐 상기 공기 분리 장치로 유입되는 것을 특징으로 하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1,
The liquefied nitrogen power generation system, characterized in that the hot oil discharged from the hot oil storage tank is introduced into the air separation device through the heat exchanger. 제8항에 있어서,
상기 공기 분리 장치로 유입되는 열유의 온도는 주변의 대기 온도에 대응하는 것을 특징으로 하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 8,
Liquid nitrogen power generation system, characterized in that the temperature of the hot oil flowing into the air separation device corresponds to the ambient air temperature. 제1항에 있어서,
상기 질소 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 질소 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 액화 질소 발전 시스템.The method of claim 1,
Liquefied nitrogen power generation system further comprising a generator that is connected to the nitrogen turbine by a shaft to rotate and converts kinetic energy received from the nitrogen turbine into electrical energy.
KR1020190083572A 2019-07-11 2019-07-11 Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion KR102185002B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190083572A KR102185002B1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190083572A KR102185002B1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102185002B1 true KR102185002B1 (en) 2020-12-01

Family

ID=73790748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190083572A KR102185002B1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102185002B1 (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113670003A (en) * 2021-07-29 2021-11-19 北京科技大学 High-safety energy storage, power generation and substance recovery external compression air separation process flow
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11486330B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11493029B2 (en) 2021-04-02 2022-11-08 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US20220389841A1 (en) * 2021-06-04 2022-12-08 Southwest Research Institute Charge, Storage, and Discharge Energy System Using Liquid Air and sCO2
US11578706B2 (en) 2021-04-02 2023-02-14 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature
US11644015B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11644014B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11905934B2 (en) 2021-04-02 2024-02-20 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11959466B2 (en) 2021-04-02 2024-04-16 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009203860A (en) * 2008-02-27 2009-09-10 Takeo Tomota Prime mover system
KR101051306B1 (en) * 2010-10-05 2011-07-22 한국기계연구원 Compressed air energy storage generation system
KR20160036683A (en) * 2014-09-25 2016-04-05 현대중공업 주식회사 Integrated gasification combined cycle system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009203860A (en) * 2008-02-27 2009-09-10 Takeo Tomota Prime mover system
KR101051306B1 (en) * 2010-10-05 2011-07-22 한국기계연구원 Compressed air energy storage generation system
KR20160036683A (en) * 2014-09-25 2016-04-05 현대중공업 주식회사 Integrated gasification combined cycle system

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11644014B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11946459B2 (en) 2021-04-02 2024-04-02 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11486330B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11493029B2 (en) 2021-04-02 2022-11-08 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11624355B2 (en) 2021-04-02 2023-04-11 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11542888B2 (en) 2021-04-02 2023-01-03 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11549402B2 (en) 2021-04-02 2023-01-10 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11572849B1 (en) 2021-04-02 2023-02-07 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11578706B2 (en) 2021-04-02 2023-02-14 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature
US11598320B2 (en) 2021-04-02 2023-03-07 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11971019B2 (en) 2021-04-02 2024-04-30 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature
US11959466B2 (en) 2021-04-02 2024-04-16 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11761353B2 (en) 2021-04-02 2023-09-19 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11668209B2 (en) 2021-04-02 2023-06-06 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11680541B2 (en) 2021-04-02 2023-06-20 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11732697B2 (en) 2021-04-02 2023-08-22 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature
US11644015B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11761433B2 (en) 2021-04-02 2023-09-19 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11773805B2 (en) 2021-04-02 2023-10-03 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11879409B2 (en) 2021-04-02 2024-01-23 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11905934B2 (en) 2021-04-02 2024-02-20 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11933280B2 (en) 2021-04-02 2024-03-19 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11933279B2 (en) 2021-04-02 2024-03-19 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US20220389841A1 (en) * 2021-06-04 2022-12-08 Southwest Research Institute Charge, Storage, and Discharge Energy System Using Liquid Air and sCO2
CN113670003A (en) * 2021-07-29 2021-11-19 北京科技大学 High-safety energy storage, power generation and substance recovery external compression air separation process flow
CN113670003B (en) * 2021-07-29 2022-08-09 北京科技大学 High-safety energy storage, power generation and substance recovery external compression air separation process flow

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102185002B1 (en) Liquid nitrogen power generation system applied to supercritical carbon dioxide power generatioin system with oxy fuel combustion
KR102075550B1 (en) Oxy-fuel combustion power generation system
JP6591524B2 (en) Power generation method and system with improved efficiency
JP2873235B2 (en) Retrofit of a simple cycle gas turbine for compressed air storage.
US5778675A (en) Method of power generation and load management with hybrid mode of operation of a combustion turbine derivative power plant
EP2227624B1 (en) Methods and systems for generating power from a turbine using pressurized nitrogen
US5678401A (en) Energy supply system utilizing gas and steam turbines
CN112780409B (en) Continuous detonation-based gas turbine and liquid compressed air energy storage coupling system and method
KR101705657B1 (en) Electricity Generation Device and Method
JP2003518710A (en) High efficiency fuel cell system
JP2014148934A (en) Thermal power generation system
GB2493791A (en) A compressed air energy storage system
US20210239041A1 (en) Apparatus, process and thermodynamic cycle for power generation with heat recovery
CN114135349A (en) Thermal power plant waste heat recycling method and energy storage power generation system coupled with thermal power plant
US12009667B2 (en) Power generation system employing power amplifying thermo-mechanical inverter technology
Kabeyi et al. Performance analysis of an open cycle gas turbine power plant in grid electricity generation
AU2014282782A1 (en) Direct-drive power conversion system for wind turbines compatible with energy storage
CN112922685A (en) Closed air Brayton-organic Rankine combined cycle system
AU760916B2 (en) Multistep steam power operating method for generating electric power in a cycle and device for the implementation thereof
EP3901437A1 (en) Hybrid compressed air energy storage system
CN214741682U (en) Combustion engine and liquid compressed air energy storage coupling system adopting continuous detonation
KR20220020609A (en) Nuclear power load response generation system using carbon dioxide compression storage system
Fathi et al. Nuclear systems for a low carbon electrical grid
CN114396328A (en) Liquid nitrogen power generation system for improving overall heat efficiency of power generation system
CN112303960A (en) Cold power engine

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant