KR20170134127A - 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템 - Google Patents

복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 팽창기를 구비하여 부하의 변동에 대응할 수 있는 열병합 발전시스템에 관한 것이다. 본 발명은 작동 유체가 흐르는 순환배관 및 상기 순환배관에 설치되어 상기 작동 유체를 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환배관에 흐르는 상기 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 가스 상태로 변환시키는 열원과, 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체의 팽창력을 회전력으로 변환하며, 병렬로 연결되어 있는 복수의 팽창기와, 상기 팽창기에서 배출된 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체와 열교환을 하여, 상기 작동 유체를 저온·저압의 액체 상태로 변환시키는 응축기와, 상기 팽창기들 중에서 적어도 하나 이상에 유입되는 작동 유체를 차단하도록 설치된 차단밸브와, 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체가 상기 팽창기를 우회하도록 상기 열원의 하류 측 순환배관과 상기 응축기의 상류 측 순환배관을 연결하는 우회 라인과, 상기 우회 라인에 설치되는 차압밸브와, 상기 응축기와 연결된 온수 부하에서 요구되는 열량에 따라서 상기 차단밸브와 차압밸브를 제어하는 제어기를 포함하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템을 제공한다.

Description

복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템{COMBINED HEAT AND POWER SYSTEM WITH MULTIPLE EXPANDERS}
본 발명은 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 팽창기를 구비하여 부하의 변동에 대응할 수 있는 열병합 발전시스템에 관한 것이다.
아파트 단지 등 공동주택단지의 난방방식은 난방하는 장소에 열량을 공급하는 방법에 따라서 중앙난방, 지역난방, 개별난방이 있다.
중앙난방은 지하실 또는 별도의 장소에 보일러 등의 열원을 설치하고, 이로부터 각 가정에 증기, 온수 또는 온풍 등의 열매체를 공급하여 난방하는 방식이다.
지역난방은 아파트 단지 등에 개별적으로 열 생산 시설을 갖추는 대신에 열병합발전소, 쓰레기 소각로 등 집중된 대규모의 열 생산 시설에서 생산된 온수를 지하에 매설된 배관을 통하여 일정 지역의 아파트 단지 등에 공급하는 난방방식이다.
개별난방은 각각의 가정에서 개별의 난방기를 채용하여 단독으로 난방하는 방식이다. 개별난방은 각 가정이 원하는 시간에 난방을 하도록 조절할 수 있고, 사용한 만큼만 요금을 내는 장점이 있다. 그러나 개별난방은 소규모 보일러를 사용하기 때문에 열효율이 떨어져 연료비가 지역난방보다 더 든다는 단점이 있다.
이와 같은 단점을 해결하기 위한 방안으로서 에너지 효율이 높은 열병합 발전시스템(Combined Heat and Power System)이 제시되고 있다. 열병합 발전시스템은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 종합 에너지 시스템으로 일반적으로 고온부는 전력을 생산하기 위한 동력원으로 사용하고, 저온부는 열원으로 사용한다. LPG 또는 도시가스를 열원으로 하는 가정용 초소형 열병합 발전시스템은 가스를 연소하여 얻어지는 열에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하여 전기를 생산하고, 또한 남은 열로 난방 또는 온수를 공급한다.
도 1은 종래의 열병합 발전시스템을 간략하게 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러(1)에서 작동 유체를 가열한 후 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체를 이용해서 교류 발전기(4)와 연결된 팽창기(2)를 가동시켜 전기를 생산한 후 팽창기(2)에서 배출되는 저온·저압의 작동 유체를 이용하여 열교환 방식으로 온수통(3)에 저장된 온수를 가열한다. 교류 발전기(4)는 정류회로(5)와 연결되며, 정류회로(5)는 인버터(6)와 연결된다. 인버터(6)는 직류를 입력으로 요구하므로, 교류 발전기(4)에서 발생한 전기를 정류회로(5)를 통해서 먼저 직류로 변환한 후 인버터(6)에서 다시 가정에서 사용할 수 있는 교류로 변환한다.
등록특허공보 10-1596485 등록특허공보 10-1596486 등록특허공보 10-1587253 등록특허공보 10-1264249 등록특허공보 10-1249445 등록특허공보 10-1587256
열병합 발전시스템은 부하의 크기가 일정하지 않아, 단일 발전모듈로는 높은 효율로 운전하기가 어렵다는 문제가 있었다. 본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 복수의 발전모듈을 구비하며, 부하 변동에 따라서 발전모듈의 운전 대수를 조절할 수 있는 열병합 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 작동 유체가 흐르는 순환배관 및 상기 순환배관에 설치되어 상기 작동 유체를 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환배관에 흐르는 상기 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 가스 상태로 변환시키는 열원과, 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체의 팽창력을 회전력으로 변환하며, 병렬로 연결되어 있는 복수의 팽창기와, 상기 팽창기에서 배출된 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체와 열교환을 하여, 상기 작동 유체를 저온·저압의 액체 상태로 변환시키는 응축기와, 상기 팽창기들 중에서 적어도 하나 이상에 유입되는 작동 유체를 차단하도록 설치된 차단밸브와, 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체가 상기 팽창기를 우회하도록 상기 열원의 하류 측 순환배관과 상기 응축기의 상류 측 순환배관을 연결하는 우회 라인과, 상기 우회 라인에 설치되는 차압밸브와, 상기 응축기와 연결된 온수 부하에서 요구되는 열량에 따라서 상기 차단밸브와 차압밸브를 제어하는 제어기를 포함하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 온수 부하에서 요구되는 열량이 증가하면, 가동되는 팽창기 수가 줄어들도록 상기 차단밸브를 제어하고, 상기 우회 라인을 통해서 흐르는 상기 작동 유체의 유량이 증가하도록 상기 차압밸브를 조절하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 온수 부하에 공급되는 온수의 온도에 따른 전기신호를 송신하는 제1온도센서와, 상기 온수 부하에서 회수되는 온수의 온도에 따른 전기신호를 송신하는 제2온도센서와, 상기 온수 부하에 흐르는 온수의 유량에 따른 전기신호를 송신하는 유량센서를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 제1온도센서, 제2온도센서 및 유량센서에서 수신된 전기신호를 통해서 상기 온수 부하에서 요구되는 열량을 연산하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어기는 상기 팽창기의 양단의 차압을 유지하도록 상기 차압밸브를 조절하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템을 제공한다.
또한, 상기 순환배관에는 상기 팽창기 전단의 작동 유체의 압력에 따른 전기신호를 송신하는 제1압력센서와, 상기 팽창기 후단의 작동 유체의 압력에 따른 전기신호를 송신하는 제2압력센서가 설치되며, 상기 제어기는 상기 제1압력센서와 제2압력센서에서 수신된 전기신호를 통해서 상기 팽창기 양단의 차압을 측정하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템은 부하변동에 따라서 팽창기의 운전 대수를 조절할 수 있다. 따라서 부하가 요구하는 열량이 일정하지 않을 경우에도 높은 효율로 운전할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 일부 팽창기의 고장 시에도 전체 시스템의 정지 없이 고장 난 팽창기만을 교체 또는 수리할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 일부 팽창기를 가동할 경우에는 교번 운전이 가능하다는 장점도 있다.
도 1은 종래의 열병합 발전시스템을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 2와 3은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 일실시예를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 4는 도 2에 도시된 팽창기를 간략하게 도시한 개념도이다.
이하, 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2와 3은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 일실시예를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 2와 3을 참고하면, 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 일실시예는 작동 유체가 흐르는 순환배관(10) 및 순환펌프(11), 작동 유체를 가열하기 위한 열원(20), 복수의 팽창기(30), 응축기(40) 및 제어기(50)를 포함한다.
작동 유체는 온도 및 상 변화에 의해서 열에너지를 흡수하고 방출하는 역할을 한다. 작동 유체는 열병합 발전시스템의 각각의 구성요소들을 서로 연결하고 있는 순환배관(10)을 따라서 이용하면서 열에너지를 전달한다.
본 발명에서 작동 유체로는 메탄올, 에탄올, HFC계열의 냉매 또는 HCFC계열의 냉매를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열병합 발전시스템에서는 응축기(40)로 주로 온수통을 사용하므로, 온수통에 저장된 온수의 온도에 비해서 작동 유체의 응축온도가 높아야 응축기(40)에서의 열교환을 통해 작동 유체가 응축되기 때문이다. 순환펌프(11)는 액체만 펌핑할 수 있으므로, 작동 유체는 팽창 후 반드시 응축되어야 한다. 응축온도가 낮은 다른 작동 유체를 사용할 경우에는 온수통 외에 별도의 응축기가 더 필요할 수 있다.
순환배관(10)에는 작동 유체를 순환시키기 위한 순환펌프(11)가 설치된다. 순환펌프(11)는 순환펌프(11)를 윤활하기 위한 오일이 필요하다.
열원(20)은 물이나 기름이 저장된 탱크와 그 탱크를 가열하는 가열장치를 포함하는 보일러일 수 있다. 가열장치는 탱크의 아래에 배치되며, 가열장치(22)에 공급되는 기름이나 가스와 같은 연료를 태워서 탱크를 가열한다. 또한, 열원(20)은 엔진 배기 열, 연소 가스 배기 열, 다양한 공정에서 버려지는 폐열 등일 수도 있다.
기화기(21)는 열원(20)으로부터 공급되는 가열된 물이나 기름 등과 작동 유체의 열교환이 일어나는 열교환기일 수 있다. 기화기(21)를 통과한 작동 유체는 열원(20)에 의해 가열된 물이나 기름으로부터 열을 흡수하여 고온·고압의 가스 형태로 변환된다. 또한, 기화기(21)는 열원(20)과 일체로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 기화기(21)는 보일러의 탱크 내부에 열교환을 위한 코일형태의 배관으로 설치될 수도 있다.
순환배관(10)은 기화기(21) 하류 측에서 네 개로 분리된다. 그리고 분할된 순환배관(10a 내지 10d)에는 각각 팽창기(30a 내지 30d)가 설치된다. 팽창기(30a 내지 30d)에는 각각 회전 교류발전기(미도시)가 연결되어 있어서, 팽창기(30a 내지 30d)의 회전 운동에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 그리고 각각의 팽창기(30a 내지 30d)의 상류 측에는 차단밸브(15a 내지 15d)가 하나 씩 설치된다.
도 4는 도 2에 도시된 팽창기를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 4를 참고하면, 팽창기(30)는 하우징(33)과 회전자(34)를 포함한다.
하우징(33)은 작동 유체 유입 영역(351)과 폐 작동 유체 유출 영역(352)으로 나뉘는 내부공간(35)을 형성한다. 하우징(33)에는 팽창기(30) 상류 측 순환배관(10)과 연결되어 작동 유체 유입 영역(351)에 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체를 공급하는 유입구(36)가 형성된다. 또한, 폐 작동 유체 유출 영역(352)과 연결되어 저온·저압의 가스 상태로 변화된 작동 유체를 팽창기(30) 하류 측 순환배관(10)에 공급하는 유출구(37)가 형성된다.
회전자(34)는 하우징(33)의 내부공간(35)에 설치되어 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체의 열에너지에 의해서 회전하면서 작동 유체의 열에너지를 소비하여 작동 유체를 저온·저압의 가스 상태로 변환시키는 역할을 한다. 회전자(34)는 회전자 샤프트(341)와 회전자 샤프트(341)의 길이 방향을 따라서 설치된 날개(342)를 포함한다.
회전자(34)가 원활하게 회전하기 위해서는 고온·고압 상태에서도 점성을 유지하는 오일이 작동 유체와 함께 팽창기(30)의 내부로 공급되어야 한다. 오일은 유입구(36)를 통해서 작동 유체와 함께 팽창기(30)의 내부로 공급된다. 그리고 유출구(37)를 통해서 작동 유체와 함께 배출된다.
다시, 도 2와 3을 참고하면, 순환배관(10)에는 팽창기(30)를 우회하는 우회 라인(14)이 설치된다. 우회 라인(14)의 일단은 기화기(21)와 팽창기(30) 사이의 순환배관(10)과 연결되며, 타단은 팽창기(30)와 응축기(40) 사이의 순환배관(10)에 연결된다.
우회 라인(14)에는 차압밸브(19)가 설치된다. 차압밸브(19)는 팽창기(30) 전단에 설치된 제1압력센서(12)와 팽창기(30) 후단에 설치된 제2압력센서(13)의 차압에 따라서 개폐된다.
팽창기(30)에서 배출된 작동 유체는 응축기(40)를 통과하면서 저온·저압의 액체 형태로 상변화를 일으키면서 열에너지를 온수 부하(1)에 전달한다.
응축기(40)와 온수 부하(1)의 입구를 연결하는 공급관(41)에는 제1온도센서(16)가 설치되며, 온수 부하(1)의 출구와 응축기(40)를 연결하는 회수관(42)에는 제2온도센서(17)가 설치된다. 또한, 회수관(42)에는 유량센서(18)도 설치된다.
제어기(50)는 온수 부하(1)의 변동에 따라서 차단밸브(15)와 차압밸브(19)를 제어하는 역할을 한다. 온수 부하(1)의 변동은 제1온도센서(16), 제2온도센서(17) 및 유량센서(18)로부터 수신한 온수 부하(1)에 공급된 온수의 온도 및 회수된 온수의 온도 및 유량을 통해서 확인할 수 있다. 즉, 제어기는 온도 차이와 유량을 통해서 온수 부하(1)에서 필요로 하는 열량을 계산할 수 있다.
온수 부하(1)에서 요구되는 열량이 특별히 많지 않을 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 네 개의 팽창기(30a 내지 30d)를 모두 가동하고, 우회 라인(19)은 차단한다.
만약, 온수 부하(1)에 공급된 온수와 회수된 온수의 온도 차이가 크며, 유량이 많아서, 팽창기(30)를 모두 가동하면서 온수 부하의 요구에 대응할 수 있는 한계를 넘었다고 판단되는 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 가동되는 팽창기(30) 수를 줄이기 위해서 차단밸브(15) 중에서 일부를 닫는다. 도 3에서는 도면상 위쪽 두 개의 차단밸브(15a, 15b)가 닫힌 것으로 도시되어 있다. 그리고 차압밸브(19)를 열어서, 기화기(21)에서 배출된 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체의 일부가 우회 라인(14)을 통해서, 팽창기(30) 대신에 응축기(40)에 직접 공급되도록 함으로써, 온수 부하(1)의 요구에 대응한다.
또한, 제어기(50)는 팽창기(30) 양단의 차압에 따라서 차압밸브(19)를 미세하게 제어하는 역할을 한다. 제어기(50)는 순환 펌프(11)를 제어하여, 액체 상태의 작동 유체의 흐름을 제어함으로써 1차적으로 차압을 조절할 수 있으나, 미세한 조절은 가스 상태의 작동 유체의 흐름을 제어하는 차압밸브(19)를 통해서 제어한다. 제어기(50)는 제1압력센서(12)와 제2압력센서(13)에서 수신한 전기신호를 통해서 팽창기(30) 양단의 차압을 계산하고, 이를 통해서 차압밸브(19)를 조절함으로써 팽창기(30) 양단의 차압을 일정하게 유지하는 역할을 한다. 차압이 증가하면, 차압밸브(19)를 일부 개방하여, 작동 유체가 우회 라인(14)을 통해서 흐르도록 함으로써, 팽창기(30)의 전단의 압력을 낮춰 차압을 줄일 수 있다. 차압을 일정하게 유지하면, 팽창기(30)와 연결된 교류 발전기에서 대체로 일정한 전기를 생산할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 교류 발전기와 연결된 정류회로(미도시) 및 인버터(미도시)의 손상도 방지할 수 있다.
도 2에는 차압 밸브(19)가 완전히 닫힌 것으로 도시되어 있으나, 차압 유지를 위해서 차압 밸브(19)의 일부가 개방될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
예를 들어, 열원(20)으로 보일러를 사용하는 것으로 설명하였으나, 순환배관(10)을 직접 가열하는 방식의 열원도 사용될 수 있다. 이때, 열전달 효율을 향상시키기 위해 가열되는 위치의 순환배관(10)에는 핀이 설치될 수 있다.
10: 순환배관 11: 펌프
12: 제1압력센서 13: 제2압력센서
14: 우회 라인 15: 차단밸브
16: 제1온도센서 17: 제2온도센서
18: 유량센서 19: 차압밸브
20: 열원 21: 기화기
30: 팽창기 40: 응축기
50: 제어기

Claims (5)

  1. 작동 유체가 흐르는 순환배관 및 상기 순환배관에 설치되어 상기 작동 유체를 순환시키는 순환펌프와,
    상기 순환배관에 흐르는 상기 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 가스 상태로 변환시키는 열원과,
    고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체의 팽창력을 회전력으로 변환하며, 병렬로 연결되어 있는 복수의 팽창기와,
    상기 팽창기에서 배출된 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체와 열교환을 하여, 상기 작동 유체를 저온·저압의 액체 상태로 변환시키는 응축기와,
    상기 팽창기들 중에서 적어도 하나 이상에 유입되는 작동 유체를 차단하도록 설치된 차단밸브와,
    고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체가 상기 팽창기를 우회하도록 상기 열원의 하류 측 순환배관과 상기 응축기의 상류 측 순환배관을 연결하는 우회 라인과,
    상기 우회 라인에 설치되는 차압밸브와,
    상기 응축기와 연결된 온수 부하에서 요구되는 열량에 따라서 상기 차단밸브와 차압밸브를 제어하는 제어기를 포함하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 온수 부하에서 요구되는 열량이 증가하면, 가동되는 팽창기 수가 줄어들도록 상기 차단밸브를 제어하고, 상기 우회 라인을 통해서 흐르는 상기 작동 유체의 유량이 증가하도록 상기 차압밸브를 조절하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온수 부하에 공급되는 온수의 온도에 따른 전기신호를 송신하는 제1온도센서와, 상기 온수 부하에서 회수되는 온수의 온도에 따른 전기신호를 송신하는 제2온도센서와, 상기 온수 부하에 흐르는 온수의 유량에 따른 전기신호를 송신하는 유량센서를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 제1온도센서, 제2온도센서 및 유량센서에서 수신된 전기신호를 통해서 상기 온수 부하에서 요구되는 열량을 연산하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 팽창기의 양단의 차압을 유지하도록 상기 차압밸브를 조절하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 순환배관에는 상기 팽창기 전단의 작동 유체의 압력에 따른 전기신호를 송신하는 제1압력센서와, 상기 팽창기 후단의 작동 유체의 압력에 따른 전기신호를 송신하는 제2압력센서가 설치되며, 상기 제어기는 상기 제1압력센서와 제2압력센서에서 수신된 전기신호를 통해서 상기 팽창기 양단의 차압을 측정하는 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템.
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