KR20180029957A - 신규 다중루프 가스 터빈 및 그 작동 방법 - Google Patents

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KR20180029957A
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스리크리쉬나 카쉬나스 세인
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노스트럼 에너지 피티이. 리미티드
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Abstract

본 개시는 예를 들어, 환경 친화적인 방식의 화력 발전에서 적용되는 신규 가스 터빈에 관한 것이다. 다양한 실시예들에서, 본 개시는 에릭슨/카스노 사이클에 근접한 향상된 효율을 갖는 다중루프 가스 터빈과 다중루프 가스 터빈을 작동하는 방법을 제공한다.

Description

신규 다중루프 가스 터빈 및 그 작동 방법
지난 50년 동안, 가스터빈 기술 개발은 보편적으로, 예컨대 고성능 압축기, 터빈 블레이드 냉각 및 재료, 희박 연소하는 연소기, 디지털 제어 및 복합 사이클과 같은 첨단 기술에 의해 주도되었다. 향후 50년간의 기술 개발에는, 예컨대 최소한의 비 CO2 유출(specific CO2 efflux), 재생 가능한 열에너지(예를 들어, 태양열)로 효율적으로 작동할 수 있는 능력, 분산된 발전/소비 패턴에 적합한 설계, 물 사용의 최소화 또는 제거 및 글로벌 신흥 시장의 경제성을 통한 수용성과 같은, 변화하는 글로벌 요건을 고려하기 위한 다른 일련의 동인이 필요할 것이다.
종래 기술에는 이러한 모든 니즈를 해결하는 가스 터빈 사이클 개념이 없다. 본 명세서에 개시된 신규 가스 터빈 사이클 개념의 다양한 실시예는 전술한 요건들의 전부는 아니더라도 대부분을 해결할 수 있다. 본 명세서에 기술된 신규 사이클의 다양한 실시예는 실질적으로 실현 가능한 모든 범위의 압력비 및 연소기 배출 온도에 대해 카르노 한계에 가장 근접하는 열효율로 작동할 수 있다. 본 명세서에 기술된 신규 사이클의 실시예는 후대의 가스 터빈 기술에 대한 사이클 최적화의 훨씬 더 큰 가능성을 제공한다.
도 1은 다양한 도면에 사용되는 구성요소들의 아이콘을 나타낸다. 사이클, 주변 조건(Po, To), 공기 질량 유량(w) 및 상태량(property)(R, Cp, γ)을 정의하는 데 사용되는 다양한 파라미터가 있다. 이러한 변수들의 정의는 첨부된 부록 A에 있다. 또한, 두 개의 파라미터 θ와 π을 정의해야 한다. θ는 사이클 온도비(Tmax/Tmin)이고, π는 사이클 압력비(Pmax/Pmin)이다. 사이클 압력비(π)는 전체 압축 압력비이므로, γ가 비열의 비, Cp/Cv일 때, 등엔트로피 압축 온도비(τ)는 πγ -1/ γ 이다. "등온" 프로세스, 즉 τT = const=1 일 때에도, [R Ln(π) = Cp Ln(τ)] 이므로, 분석적인 도출에서 'τ'는 'π'보다 더 편리한 변수이다.
단순 개방 사이클 가스 터빈은 브레이턴(BRO) 사이클에서 작동하고, 직렬로 3가지 구성 요소를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이들 3개의 구성 요소는 압축기(201), 연소기(203), 그리고 터빈(205)이다. 또한, 도 1에는 연료(207)가 도시되어있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 밀폐형 에릭슨 사이클(ERC)은 외부 냉각(301)을 갖는 등온 압축, 외부 가열(303)을 갖는 등온 팽창, 그리고 완전한 재생기(305)를 포함한다.
재생 개방 가스 터빈(RGO)은 직렬로 4개의 구성 요소로 구성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이들 4개의 구성 요소는 압축기(401), 재생기(403), 연소기(405) 및 터빈(407)이다. 또한, 도 4에는 연료(409)가 도시되어있다. 재생 개방형 가스 터빈의 작동 이론은 τ<√θ 일 때, 유효하다.
그러나, 단순한 개방 사이클 가스 터빈에서, 배기가스가 배기 파이프를 통해 공기 중에 배출되며, 이는 전체적으로 낭비다. 따라서, 브레이턴 사이클에서는 높은 비 동력과 높은 열효율이 동시에 달성되지 않는다. 실용적인 한계도 있었다. 사이클 압력비(π)는 항공-기계적으로 제한되었고, 최대 가스 온도 또는 사이클 온도비(θ)는 사용 가능한 고가의 고온 재료 및 냉각 기술에 의해 제한되었다. 단순 개방 사이클 가스 터빈은 주변 압력 경계 사이에서 작동하며, 항상 대량의 배기 열 손실을 초래한다. 복합 사이클은 보토밍(bottoming) 랭킨 사이클을 연결함으로써 이를 해결했지만, 복잡한 냉각 시스템과 보토밍 랭킨 사이클을 위한 추가 작동 매체로서 필요한 물을 추가했다. 이때, 배기 증기의 전체 잠열은, 예를 들어, 대형 응축기, 예컨대 호수 및 강과 같은 대형 냉각수 체 및 대형 냉각탑을 사용함으로써 대기로 배출되어야 한다.
복합 사이클 기술에서, 가스 터빈의 배기가스 내의 열은 열 회수 증기 발생기로 공급되어 증기를 발생시킨다. 이 증기는 그 다음 증기 터빈을 구동하는 데 사용된다. 이는 전체적으로 화력 발전소의 효율을 높이고, 환경으로의 유해한 배출을 감소시킨다. 전술한 바와 같이, 복합 사이클은 복잡성을 증가시킨다.
부록 B는 상대적인 비 사이클 동력(ω) (무차원 형태이거나 wCpTo로 지칭됨)와 사이클 열효율(η)에 대한 전술된 3가지 사이클의 분석적 기반을 제공한다. 부록 B는 또한, CO₂유출의 민감성에 대해 논의한다.
예를 들어, 부록 B에서 볼 수 있듯이, 에릭슨 사이클은 높은 비출력(specific power) 및 카르노 한계와 동등한 효율을 제공한다. 3가지 관리 프로세스 중 2가지(등온 압축 및 완전 재생)가 앞으로 나아갈 수 있고 그럴 필요가 있다. 그러나 등온 팽창은 그러한 것으로 간주될 수 없어서, 재가열을 통한 단계적 팽창으로 대체되어야 한다.
또한, 재생이 모든 압력비(τ≥√θ)에 대해 유효한 옵션으로 유지되기 위해서는 등온 압축 또는 준-등온 압축과 결합되어야 한다.
더욱이, 단계적 팽창은 밀폐 사이클 구성을 위한 단계적 압축, 재생 및 배기 재압축과 연결(network)되어야 한다.
따라서, 비-응축 가스 매체에 대해 카르노의 원리를 실제적인 현실의 영역으로 가져오는 위대한 발걸음이었던 에릭슨 사이클이 기본 모델이며, 이는 열효율과 비출력에 도달하는 것만을 목표로 할 수 있다.
또한, 다음과 같은 사항이 주목된다. (a)열효율이 향상되는 결과로 비 CO2 유출이 감소될 것이다. 석탄 기반의 플랜트들은 일반적으로 가스 기반 플랜트들에 비하여 환경적으로 경쟁력을 갖기 위해서 67% 더 높은 열효율로 작동해야 한다. (b)천연 가스를 태우는 동안 생성되는 물의 재생은 특정한 경우에 중요할 수 있다. (c)예컨대 집광형 태양열과 같은 재생 가능한 열에너지로 작동하는 소규모 플랜트들은 비용을 감당할 수 있도록 하기 위해서 적당한/낮은 최대 온도와 압력비로 작동될 수 있다. (d)물이 부족하거나 전혀 사용할 수 없는 곳에서는 보토밍 랭킨 사이클을 그만두어야 한다.
이하에 기술된 다양한 개시된 실시예들은 위에서 제기된 문제점들을 해결하고 그에 대한 해결책을 제공한다.
본 명세서에는 사실상 실현 가능한 모든 범위의 압력비 및 연소기 배출 온도에 대하여 에릭슨/카르노 한계에 가장 근접한 열효율로 작동할 수 있는 신규 다중-루프 가스 터빈이 개시된다.
일 실시예에서, 제1 압축기와 제2 압축기; 제1 재생기와 제2 재생기; 제1 연소 유닛과 제2 연소 유닛; 및 제1 터빈 및 제2 터빈을 포함하는 발전 시스템으로; 제1 압축기는 제1 압축기로부터 압축된 가스를 제1 재생기에 제공하기 위해, 제1 재생기와 작동 가능하게 연통하고; 제1 재생기는 제1 재생기로부터 가열된 가스를 제1 연소 유닛에 제공하기 위해 제1 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제1 연소 유닛은 제1 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제1 터빈에 제공하기 위해 제1 터빈과 작동 가능하게 연통하고; 제2 압축기는 제2 압축기로부터 압축된 가스를 제2 재생기에 제공하기 위해 제2 재생기와 작동 가능하게 연통하고; 제2 재생기는 제2 재생기로부터 가열된 가스를 제2 연소 유닛에 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제2 연소 유닛은 제2 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제2 터빈에 제공하기 위해 제2 터빈과 작동 가능하게 연통하고; 제1 터빈은 제1 터빈으로부터 팽창된 가스를 제2 연소 유닛에 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하며; 제2 터빈은 제 2 터빈으로부터의 팽창 된 가스를 제1 재생기 및 제2 재생기에 제공하기 위해 제1 재생기 및 제2 재생기와 작동 가능하게 연통하는, 발전 시스템이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 제1 압축기, 제2 압축기 및 제3 압축기; 제1 재생기, 제2 재생기 및 제3 재생기; 제1 연소 유닛, 제2 연소 유닛 및 제3 연소 유닛; 제1 터빈, 제2 터빈 및 제3 터빈을 포함하는 발전 시스템으로; 제1 압축기는 제1 압축기로부터 압축된 가스를 제1 재생기에 제공하기 위해 제1 재생기와 작동 가능하게 연통하고; 제1 재생기는 제1 재생기로부터 가열된 가스를 제1 연소 유닛에 제공하기 위해 제1 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제1 연소 유닛은 제1 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제1 터빈에 제공하기 위해 제1 터빈과 작동 가능하게 연통하고; 제2 압축기는 제2 압축기로부터 압축된 가스를 제2 재생기에 제공하기 위해 제2 재생기와 작동 가능하게 연통하고; 제2 재생기는 제2 재생기로부터 가열된 가스를 제2 연소 유닛에 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제2 연소 유닛은 제2 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제2 터빈에 제공하기 위해 제2 터빈과 작동 가능하게 연통하고; 제3 압축기는 제3 압축기로부터 압축된 가스를 제3 재생기에 제공하기 위해 제3 재생기와 작동 가능하게 연통하고; 제3 재생기는 제3 재생기로부터 가열된 가스를 제3 연소 유닛에 제공하기 위해 제3 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제3 연소 유닛은 제3 연소 유닛으로부터 배기가스를 제3 터빈에 제공하기 위해 제3 터빈과 작동 가능하게 연통하고; 제1 터빈은 제1 터빈으로부터 팽창된 가스를 제2 연소 유닛에 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제2 터빈은 제2 터빈으로부터 팽창된 가스를 제3 연소 유닛에 제공하기 위해 제3 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 제3 터빈은 제3 터빈으로부터 제1 재생기, 제2 재생기 및 제3 재생기 팽창된 가스를 제공하기 위해 제1 재생기, 제2 재생기 및 제3 재생기와 작동 가능하게 연통하는, 발전 시스템이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 발전 시스템으로, 발전 시스템은: 복수의 기능 유닛을 포함하되, 복수의 기능 유닛의 수는 1보다 큰 정수인 n과 동일하며; 각각의 복수의 기능 유닛은: 압축기, 재생기, 연소 유닛 및 터빈을 포함하고; 압축기는 압축기로부터 압축가스를 재생기에 제공하기 위해 재생기와 작동 가능하게 연통하고; 재생기는 재생기로부터 가열된 가스를 연소 유닛에 제공하기 위해 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 연소 유닛은 연소 유닛으로부터의 배기가스를 터빈에 제공하기 위해 터빈과 작동 가능하게 연통하며; n번째 기능 유닛 이외의 기능 유닛들 각각에 대해, 터빈은 터빈으로부터 후속하는(successive) 기능 유닛의 연소 유닛에 팽창된 가스를 제공하기 위해 상기 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고; 상기 n번째 기능 유닛에 대하여, 터빈은 터빈으로부터 각각의 선행하는 기능 유닛의 재생기에 팽창된 가스를 제공하기 위해 각각의 선행하는 기능 유닛의 재생기와 작동 가능하게 연통하는, 발전 시스템이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 제1 압축기로부터 압축 가스를 제1 재생기로 유도하는 단계; 제1 재생기로부터 가열된 가스를 제1 연소 유닛으로 유도하는 단계; 제1 연소 유닛으로부터 배기가스를 제1 터빈으로 유도하는 단계; 제2 압축기로부터 압축 가스를 제2 재생기로 유도하는 단계; 제2 재생기로부터 가열된 가스를 제2 연소 유닛으로 유도하는 단계; 제2 연소 유닛으로부터 배기가스를 제2 터빈으로 유도하는 단계; 제1 터빈으로부터 팽창된 가스를 제2 연소 유닛으로 유도하는 단계; 및 제2 터빈으로부터 팽창된 가스를 제1 재생기 및 제2 재생기로 유도하는 단계를 포함하는, 발전 방법이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 제1 압축기로부터 압축 가스를 제1 재생기로 유도하는 단계; 제1 재생기로부터 가열된 가스를 제1 연소 유닛으로 유도하는 단계; 제1 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제1 터빈으로 유도하는 단계; 제2 압축기로부터 압축 가스를 제2 재생기로 유도하는 단계; 제2 재생기로부터 가열된 가스를 제2 연소 유닛으로 유도하는 단계; 제2 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제2 터빈으로 유도하는 단계; 제3 압축기로부터 압축 가스를 제3 재생기로 유도하는 단계; 제3 재생기로부터 가열된 가스를 제3 연소 유닛으로 유도하는 단계; 제3 연소 유닛으로부터의 배기가스를 제3 터빈으로 유도하는 단계; 제1 터빈으로부터 팽창된 가스를 제2 연소 유닛으로 유도하는 단계; 제2 터빈으로부터 팽창된 가스를 제3 연소 유닛으로 유도하는 단계; 및 제3 터빈으로부터 팽창 된 가스를 제1 재생기, 제2 재생기 및 제3 재생기로 유도하는유도하는하는, 발전 방법이 제공된다.
또 다른 실시예에서, 복수의 기능 유닛을 제공하되, 복수의 기능 유닛의 각각은 압축기, 재생기, 연소 유닛 및 터빈을 포함하고, 복수의 기능 유닛 수는 n과 같되, n은 1보다 큰 정수인 단계; 기능 유닛들 각각에 대해 압축기로부터 재생기로 압축 가스를 유도하는 단계; 기능 유닛들 각각에 대해 재생기로부터 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계; 기능 유닛들 각각에 대해 연소 유닛으로부터 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계; n번째 기능 유닛 이외의 각각의 기능 유닛에 대해, 터빈으로부터 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛에 팽창된 가스를 제공하기 위해 터빈으로부터 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛으로 팽창된 가스를 유도하는 단계; 및 n번째 기능 유닛에 대해, 터빈으로부터의 각각의 선행하는 기능 유닛의 재생기로 팽창된 가스를 유도하여 터빈으로부터 각각의 선행하는 기능 유닛의 재생기에 팽창된 가스를 제공하는 단계를 포함하는, 발전 방법이 제공된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점들은 이하의 설명, 첨부된 청구범위 및 첨부된 도면들(도면 중 일부는 축척대로 그려지지 않을 수 있고, 일부는 표시된 축척으로 그려질 수 있으며, 또한 축척 및/또는 치수가 제공되는 경우, 이들은 단지 예시로서 제공된다)과 관하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 도면들에 사용되는 다양한 컴포넌트 아이콘들을 도시한다.
도 2는 브레이턴 개방 사이클(종래 기술)을 도시한다.
도 3은 에릭슨 밀폐 사이클(종래 기술)을 도시한다.
도 4는 재생 개방 사이클(종래 기술)을 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 신규한 개방 사이클 설계를 도시한다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 신규한 개방 사이클 설계를 도시한다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 신규한 개방 사이클 설계를 도시한다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 신규한 밀폐 사이클 설계를 도시한다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 신규한 밀폐 사이클 설계를 도시한다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 신규한 밀폐 사이클 설계를 도시한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 신규 사이클의 석탄에 대한 성능의 그래프를 도시한다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 신규 사이클의 태양열 에너지에 대한 성능의 그래프를 도시한다.
부록 리스트
부록 A는 본 명세서에서 사용되는 다양한 명칭들을 나타낸다.
부록 B는 본 명세서에서 설명되는 다양한 사이클에 대한 분석적 기초를 제
한다. 부록 B는 또한 CO₂유출의 민감도에 대해 논의한다.
부록 C는 본 개시의 실시예들에 따른 다양한 신규 사이클들의 성능에 대한 논의를 제공한다. 부록 C는 또한, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 제한된 시뮬레이션의 결과 및 구성 요소 공통성의 원리를 설명한다.
부록 D는 본 명세서에서 사용되는 식의 상세한 유도를 제공한다.
부록 E는 본 명세서에서 언급되는 다양한 참조들을 나타낸다.
부록 F는 추가적인 역사적 관점을 논의한다.
본 개시의 상세한 실시예들이 본 명세서에서 설명된다. 그러나, 개시된 실시예들은 다양한 형태로 구현될 수 있는 본 발명의 구성, 구조 및 방법을 설명하기 위한 것임을 이해해야 한다. 또한, 다양한 실시예들과 관련하여 주어진 각각의 예들은 예시적인 것이며, 제한하려는 것은 아니다. 또한, 도면들은 반드시 일정한 축척을 갖는 것은 아니며, 일부 특징들은 특정 구성 요소의 세부 사항을 나타내기 위해 과장될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시되는 특정 구조 및 기능의 세부사항들은 제한적으로 해석되어서는 안되며, 단지 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서에 개시되는 조합, 구조 및 방법을 다양하게 사용하도록 교시하는 대표적인 기반으로서 해석되어야 한다. 본 명세서에서 "일 실시예", "실시예", "예시적인 실시예" 등은 기술된 실시예가 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있음을 나타낼 수 있다. 하지만, 모든 실시예가 반드시 특정 특징, 구조, 또는 특성을 포함하지 않을 수도 있다. 또한, 이러한 문구들은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
본 발명을 설명하고 청구할 목적으로, "재생기"라는 용어는 열교환기의 한 유형(예를 들어, 평행류 열교환기, 역류 열교환기 또는 횡류 열교환기)를 지칭하도록 의도된다. 하나의 특정 예시에서, 재생기는 공기-가스 열교환기(예를 들어, 압축기를 떠나는 공기가 터빈을 떠나는 가스에 의해 가열되어, 공기와 가스의 혼합이 최소가 됨)일 수 있다.
본 발명을 설명하고 청구할 목적으로, "내부 연소 유닛"이라는 용어는 가스 유동 경로(예를 들어, 모두 개방 사이클 구성에서 직렬로 연결되는 입구-압축기-연소 유닛-터빈-배기부를 포함하는 터빈 엔진 시스템의 가스 유동 경로)에 대해 내부에 있는 예컨대 버너와 같은 연소 유닛을 지칭하도록 의도된다.
본 발명을 설명하고 청구할 목적으로, "외부 연소 유닛"이라는 용어는 가스 유동 경로(예를 들어, 모두 개방 사이클 구성에서 직렬로 연결되는 입구-압축기-연소 유닛-터빈-배기부를 포함하는 터빈 엔진 시스템의 가스 유동 경로)에 대해 외부에 있는 예컨대 버너와 같은 연소 유닛을 지칭하도록 의도된다.
본 발명을 설명하고 청구할 목적으로, "버너"라는 용어는 (a)예컨대 모든 개방 사이클 구성과 관련된 "내부 연소 체임버"; 또는 (b)예컨대 "외부 히터"로서 사용되는, 그리고 예컨대 모든 밀폐 사이클 구성과 관련되는 "외부 연소 체임버"를 지칭하도록 의도된다.
이하에서 설명되는 실시예들은 종종 신규 밀폐(NCn) 사이클 및 신규 개방(NOn) 사이클 방식으로 지칭되며, 이때 n은 압축/팽창 단계의 수(n=1, 2, 3, ...)이다. 하나의 특정 예시에서, n은 2이다. 또 다른 특정 예시에서, n은 3이다. 또 다른 특정 예시에서, n은 4이다.
본원에 기술된 실시예는 예컨대 항공, 발전계통(Stationary), 기관차, 해양과 같은 일반적인 가스 터빈 엔진에 적용 가능하다. 당 업계에 공지된 임의의 가스 터빈 소프트웨어 모델링 도구를 사용할 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 10을 참조하면, 등온 압축, 재생 및 재가열을 통한 n = 1, 2 및 3 압축/팽창 단계에 대한 다양한 신규 개방 사이클 및 신규 밀폐 사이클 설계가 도시되어있다. 이들은 직렬로 작동하고 개방 사이클에 대해 공기를 연료로 소모하는 데에 제한이 있는 종래의 재가열 설계와 다르다. 게다가, 실질적으로 루프에 압축기를 추가함으로써 비출력이 증가할 가능성이 있다. 일 예시에서, 냉각된 배기의 재압축이 밀폐 사이클에 사용된다. 하지만, 이는 개방 사이클에서 유효하다.
단지 단순화의 목적으로, 다양한 신규 사이클 개념들은 완전한 프로세스의 이상적인 조건 및 일정한 상태량 하에서 도시된다. 성능 표현 식의 완전한 유도가 부록 C에 제공된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기본 신규 개방 사이클(n = 1)은 압축기(501), 재생기(503), 연소기(505) 및 터빈(507)을 이용한다. 또한, 도 5에는 연료(509)가 도시되어 있다. 기준 신규 개방 사이클(n=1)은 단열 대신 이상적으로 등온인 압축을 제외하고는 도 4의 개방 재생 사이클(RGO)과 유사하다. 추가적으로 더해진 특징은, 압축의 가능한 정도까지의 내부 냉각(예를 들어, 주위의 고온 하에서, 포화까지의 냉각) 및 재생기 배기가스로부터의 물 재포집(recapture)을 위한 물의 사용이다. 이 프로세스에서 1kg의 메탄은 2.25kg의 물을 생성한다.
이하에서 도 6을 참조하면, 도시된 2단 신규 개방 사이클(n=2)은 압축기(601A, 601B), 재생기(603A, 603B), 연소기(605A, 605B) 및 터빈(607A, 607B)을 이용한다. 또한, 도 6에는 연료(609)가 도시되어있다. 또한, 도 6의 2단 신규 개방 사이클(n=2)에 대하여, 각 팽창 단계의 압력비는 π1 /2이다. 두 압축 단계는 각각 π와 π1 /2의 압력비를 갖는다. 제1 터빈(607A)의 배기가스는 제2 단계의 버너(605B)에 보내져, 재생기(603B)에 의해 재생 가열되고 난 후의 제2 압축기(601B)로부터의 신선한 공기와 혼합된다. 제2 터빈(607B)으로부터의 배기가스는 2개의 동일한 부분으로 분할되어 2개의 재생기(603A, 603B)로 보내지고, 스택으로 보내진다. 압축기(601A, 60B)는 물을 분무하여 내부적으로 냉각된다. 물은 재생기 배기 유동 양쪽에서 재포집된다. 제2 버너(605B)에서의 공기 대 연료 비율은 안정적이고 완전한 연소의 한계 내에 있어야 한다. 또한, 각 압축기는 단일 단계 또는 다단일 수 있다(도 6에 도시된 이 예시에서, 압축기(601A)는 적어도 2단이다).
도 7을 참조하면, 도시된 3단계 신규 개방 사이클(n=3)은 압축기(701A, 701B, 701C), 재생기(703A, 703B, 703C), 연소기(705A, 705B, 705C) 및 터빈(707A, 707B, 707C)을 이용한다. 또한, 도 7에는 연료(709)가 도시되어있다. 또한, 도 7의 3단 신규 개방 사이클(n=3)에 대하여, 각 팽창 단계의 압력비는 π1 /3이다. 3개의 압축 단계는 각각 π, π2 /3 및 π1 /3의 압력비를 갖는다. 제1 터빈(707A)의 배기가스는 제2 단계의 버너(705B)로 보내져, 재생기(703B)에 의해 재생 가열된 후의 제2 압축기(701B)로부터의 신선한 공기와 혼합된다. 제2 터빈(707B)의 배기가스는 제3 단계의 버너(705C)로 보내지며, 재생기(703C)에 의해 재생 가열된 후의 제3 압축기(701C)로부터의 신선한 공기와 혼합된다. 제3 터빈(707C)으로부터의 배기가스는 3개의 동일한 부분으로 분할되어 3개의 재생기(703A, 703B, 703C)로 보내지고, 스택으로 보내진다. 나머지 작업은 위와 유사하므로 반복하지 않겠다. 제2 버너 및 제3 버너(705B, 705C)의 공기 대 연료 비율은 안정적이고 완전한 연소의 한계 내에 있어야 한다. 또한, 각각의 압축기는 단일 단계 또는 다단일 수 있다(도 7에 도시된 이 예시에서, 압축기(701A)는 적어도 3단이고, 압축기(701B)는 적어도 2단이고 압축기(701C)는 1단이다).
도 8에 도시된 바와 같이, 기준이 되는 신규 밀폐 사이클(n=1)은 압축기(801), 재생기(803), 연소기(805) 및 터빈(807)을 이용한다. 기준이 되는 신규 밀폐 사이클(n=1)은 이상적인 등온 팽창 대신 단열 팽창인 팽창을 제외하면, 도 3의 에릭슨 사이클(ERC)과 유사하다. 도 3의 내부 연소 버너는 외부 연소 히터 또는 예컨대 농축 태양열(CST) 또는 바이오 가스 버너 또는 지열과 같은 재생 가능한 열원으로 대체된다. 이 실시예에서, 터빈으로부터의 배기가스는 고온의 공기를 포함하고 있으며, 재생기를 통과한 후 재압축된다. 실현가능 및 바람직하다면, 연료가 많은 양의 메탄을 함유하고 있는 경우, 외부 연소 버너의 배기가스를 냉각시킴으로써 물을 재포집할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 밀폐 사이클은 작동을 위해 공기 또는 예컨대 CO2와 같은 임의의 다른 가스를 사용할 수 있다.
이하에서 도 9를 참조하면, 도시된 2단 신규 밀폐 사이클(n=2)은 압축기(901A, 901B), 재생기(903A, 903B), 연소기(905A, 905B) 및 터빈(907A, 907B)을 이용한다. 또한, 각각의 압축기는 단일 단계 또는 다단일 수 있다(도 9에 도시된 이 예시에서, 압축기(901A)는 적어도 2단이고, 압축기(901B)는 적어도 1단이다). 또한, 도 9의 2단 신규 밀폐 사이클(n=2)은 도 6의 개방 사이클 설계와 유사하되, 유사하게 분할되어 재생 냉각된 후의 터빈 배기가스가 재압축을 위해 각각의 압축기로 가는 것을 제외하고 도 6의 개방 사이클 설계와 유사하다.
도 10을 참조하면, 도시된 3단 신규 밀폐 사이클(n=3)은 압축기(1001A, 1001B, 100C), 재생기(1003A, 1003B, 1003C), 연소기(1005A, 1005B, 1005C) 및 터빈(1007A, 1007B, 1007C)을 이용한다. 또한, 각각의 압축기는 단일 단계 또는 다단일 수 있다(도 10에 도시된 이 예시에서, 압축기(1001A)는 적어도 3단이고, 압축기(1001B)는 적어도 2단이고, 압축기 (1001C)는 1단이다). 또한, 도 10의 3단 신규 밀폐 사이클(n=3)은 도 7의 개방 사이클의 설계와 유사한데, 유사한 분할 및 재생 냉각 후에 터빈 배기가스가 재압축을 위해 각각의 압축기로 가는 것을 제외하고 도 7의 개방 사이클 설계와 유사하다.
신규 사이클들의 "밀폐" 및 "개방" 설계에서의 열역학은 정확히 동일하다는 것이 명백하다. 이전과 같이, 사이클은 동일한 압축 압력비(π)와 동일한 사이클 온도비(θ)로 작동한다.
공정한 비교를 위해, 신규 사이클들의 성능은 유사한 복잡성의 n개의 에릭슨 사이클의 합, 사이클 압력비(π) 및 사이클 온도비(θ)와 비교되어야 한다. n이 증가함에 따라 신규 사이클은 에릭슨 사이클에 접근하지만, 비출력 및 열효율 모두에서 빠른 감소가 개선될 것으로 예측된다. 그러므로, 일 예시에서, n=2 또는 n=3 인 것이 실제로 구현하기에 합리적이고 충분한 것으로 고려된다. 부록 C는 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 신규 사이클들의 성능에 대한 논의를 제공한다.
다양한 실시예들에서, 예컨대 최소한의 비 CO2 유출, 재생 가능한 열 에너지(예를 들어, 태양열)로 효율적으로 작동할 수 있는 능력, 분산된 발생/소비 패턴에 적합한 설계, 물 사용의 최소화 또는 제거, 및 글로벌 신흥 시장의 경제성을 통한 수용성과 같은 변화하는 글로벌 요건들을 고려하기 위한 메커니즘들이 제공된다.
다양한 실시예들에서, 압축기는 예컨대 물 또는 공기와 같은 냉각재에 의해 외부에서 냉각될 수 있다. 그러한 일 실시예에서, 냉각은 압축기 외부 벽을 가로지르는 열 교환(소위 단계-사이의 냉각기(inter-stage cooler) 또는 중간 냉각기)을 통해 이루어질 수 있다. 다른 실시 예에서, 압축기는 예컨대 물 또는 물-메탄올 혼합물과 같은 액체의 증발에 의해 내부적으로 냉각될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각은 외부 냉각 및/또는 내부 증발 냉각일 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각재는 증발 또는 잠열을 위해 큰 에너지를 소비하는 냉각재일 수 있다.
다른 실시예에서, 재생 가능한 에너지원은 (a)태양열(예를 들어, 집광형 태양열), (b)지열, (c)동물과 식물로부터의 수많은 형태의 바이오매스, 및 (d)해양 온도 차를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 집광형 태양열은 내부/외부 가열과 통합될 수 있으며, 전자는 열교환기를 필요로하지 않는다.
본 명세서에 기술된 바와 같이, 메커니즘들은 (a)준-등온 내부 냉각 압축, (b)병렬 재가열 루프에 의한 단계화된 팽창, (c)버너/히터에서의 연속적인 팽창 질량 유동의 조합, (d)배기가스의 분리, 재순환, 재생(재압축-밀폐 사이클)을 이용함으로써, 본질적으로 브레이턴 사이클과 에릭슨 사이클 사이의 간격을 줄인다. 일 실시예에서, 직렬 병렬 루프로, 3개의 재생, 준-등온 압축 개방 사이클의 연결이 제공된다. 또 다른 실시예에서, 직렬 병렬 루프로 3개의 재생, 준-등온 압축 밀폐 사이클의 연결이 제공된다.
이하에는, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 신규 사이클들의 일부 예시적인 적용예를 참조할 것이다.
이러한 적용예들 중 첫 번째는 가스 터빈 연료로서 석탄을 사용하는 것이다. 이와 관련하여, 신규 밀폐/개방 사이클 설계들은, 예컨대 석탄과 같이 보다 저렴하고 국지적으로 이용 가능한 연료로 작동함으로써 환경적으로 수용 가능하고 상업적으로 경쟁적인 방식으로 기존의 가스 연소 플랜트를 전환하는 것과 같은, 다양한 선진적인 요구사항에 적용될 수 있다.
도 B-3(부록 B)을 보면, 이러한 변환을 위해서는 본질적으로 기존 플랜트의 터보-기계 하드웨어와 동일한 것을 사용하여, 열효율을 1.667배 증가시켜야 함을 알 수 있다. 기존의 가스-연소 플랜트의 압축기 블레이드들은 2단 또는 3단 압축기 레이아웃을 구성하도록 이용될 수 있다. 원래의 터빈 여러 개가 사용될 수 있다. 상대적인 열효율이 원래의 기본적인 가스 터빈의 1.667배일 때의 다양한 사이클 온도비(θ) 값에 대한 비출력과 압력비의 상대적인 값들이 도 11에 제시되어있다. 이는, 석탄 연소가 천연 가스의 주성분인 메탄에 비해, 연소의 단위 열량당 CO2가 1.667배 더 많이 생성되기 때문이다.
상대적인 비출력은 n=2 및 n=3에 대해 2배 또는 3배가 되어 추가된 복잡성을 정당화할 수 있음을 알 수 있다.
또 다른 적용예는 태양열 발전용 가스 터빈의 배경에 있다. 이와 관련하여, 신규 개방 사이클 및 밀폐 사이클의 설계가, 예를 들어 집광형 태양열 발전 적용예에서 활용될 수 있다. 현재, 많은 태양열 또는 태양열-연료 하이브리드 설계가 기존의 가스 터빈 하드웨어 또는 기타 [2, 4, 5] 주위에서 연구되고 있다. 개방 사이클 설계[4]의 경우, 전형적인 사이클 온도비는 약 3 내지 4.5이고, 압력비는 약 9 내지 15 정도이다. 초임계 CO2 기반 밀폐 사이클[5]의 경우, 전형적인 사이클 온도비는 약 3이고, 압력비는 약 3 내지 6으로 낮다. 일 예시에서, 신규 개방 및 밀폐 사이클 설계들이 이러한 적용예에 적용될 수 있다. 그림 12에서 θ=3의 사이클 온도비와 π=3 내지 π=15의 사이클 압력비에 대한 이들 신규 사이클들의 시뮬레이션된 성능이 도 12에 제시된다. 여기서, 동일한 π와 θ의 기준이 되는 브레이턴 사이클에 참조되는 신규 사이클들의 비출력 및 열효율은 각각 'RW'와 'REta'로 표시된다. 데이터는 n=2 및 n=3에 대해 제시된다.
도 12에서 볼 수 있듯이, 신규 개방 및 밀폐 사이클의 설계는 복잡성이 증가하더라도, 모든 압력비에 대해 높은 비출력을 제공한다. 이러한 사이클들의 열효율은 n=2 및 n=3의 경우 낮은 압력비(3 내지 6)에서 훨씬 우수하고(150 내지 240%), 15의 높은 압력비에서는 약 11 내지 15% 높다. 따라서, 신규 사이클들은 초임계 CO2 기반 밀폐 사이클에 매우 적합하다. 이 예시에서 압축기들은 외부적으로만 냉각될 수 있다.
전술한 바와 같이, 단순화를 위해, 완전한 프로세스 및 일정한 상태량의 이상적인 조건에서 다양한 신규 사이클 개념이 설명된다. 이와 관련하여, 일정한 상태량 및 질량 유량을 갖는 이상적인 사이클 분석은 비출력 및 열효율에 대한 성능 경향을 정확하게 포착하므로, 이러한 경향은 실제 사이클 조건 하에서 일관성이 있을 것으로 여겨진다. 본 명세서에 제시되는 분석 및 제한된 시뮬레이션 결과에 기초하여 다음과 같은 네 가지 주요 결론을 도출할 수 있다.
(1) 분석된 바와 같이, 신규 개방 사이클 및 신규 밀폐 사이클 설계는 바닥 랭킨 사이클 없이, 높은 비출력 및 열효율을 동시에 달성하는 기본적인 목표를 충족시킨다.
(2) 신규 사이클의 개념은, 예컨대 바람직한 에너지 원(예를 들어, 석탄, 천연 가스 또는 집광형 태양열), (예컨대, 건조지역에서의)물 보존, 및/또는 물 생성과 같은 특정 요구사항에 대해 사이클을 최적화하면서, 사이클 압력비(π) 및 사이클 온도비(θ)의 설계 값을 선택하는 데 필요한 유연성을 제공한다.
(3) 신규 사이클들은, 예를 들어, 분산된 발전/소비 모델에서 선호되는 옵션들로, 낮은 압력비/온도비를 갖는 중소 규모의 플랜트에 적합하다.
(4) 전반적인 취득 비용을 줄이고 경제성을 향상시키는 구성 요소 공통성의 원칙이 수립되며, 향후 플랜트 구성에 고려될 수 있다.
일 실시예에서, 다중 루프 가스 터빈은, 연소 목적을 위해 공기 또는 다른 가스를 끌어들이는 적어도 하나의 압축기, 압축된 공기 또는 다른 가스를 냉각시키는 냉각재, 압축 공기 또는 다른 가스뿐만 아니라 고온 팽창된 공기 또는 다른 가스를 열 전도벽을 갖는 별개의 통로의 최종 루프의 터빈으로부터 유입시키는 재생기, 압축된 공기 또는 다른 가스 및 연료의 연소를 위한 연소 유닛, 및 적어도 하나의 터빈을 포함하며, 선행하는 루프의 터빈의 배기가스 유동은 다음 루프의 연소 유닛으로 보내지고, 제1 루프의 배기가스 유동과 다음 루프의 고온의 압축 공기 또는 다른 가스의 혼합을 허용하며, 최종 루프의 터빈으로부터의 고온 팽창된 배기가스는 각 루프의 재생기로 복귀되어, 배기열을 회복함으로써 효율을 향상시키며, 냉각재는 각 루프의 재생기로부터 재포집된다.
다양한 실시예들에서, 다중 루프 가스 터빈은 개방 사이클 또는 밀폐 사이클 터빈이다. 개방 사이클 다중 루프 가스 터빈의 일 실시예에서, 연소 유닛은 내연 연소 버너이지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 밀폐 사이클 다중 루프 가스 터빈의 일 실시예에서, 연소 유닛은 외부 연소 히터 또는 예컨대 태양열 또는 지열과 같은 재생 가능한 열원이지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 압축기들은, 예컨대 물을 분무함으로써, 냉각재에 의해 내부적으로 냉각될 수 있다. 물은 재생기 배기 유동에서 재포집될 수 있다.
일 예시에서, 다중 루프 가스 터빈은 3-루프 가스 터빈이며, 제1 루프에 3단 압축기를, 제2 루프에 2단 압축기를, 그리고 제3 루프에 1단 압축기를 포함한다.
다른 예에서, 다중 루프 가스 터빈은 2-루프 가스 터빈이며, 제1 루프에 2단 압축기를, 그리고 제2 루프에 1단 압축기를 포함한다.
또한, 본 명세서에는 다중 루프 가스 터빈을 작동하는 방법이 다음과 같이 개시된다. (i)선행 루프의 터빈으로부터 배기가스를 생성하는 단계, (ii)선행 루프의 배기가스를 다음 루프의 가열 유닛으로 보내, 제1 루프의 배기가스 유동이 다음 루프의 압축 공기 또는 다른 가스와 혼합될 수 있도록 하는 단계, (iii)최종 루프의 터빈으로부터 고온의 팽창된 배기가스를 각 루프의 재생기로 복귀시켜 열 에너지를 회복함으로써 효율을 향상시키는 단계, 및 (iv)필요할 경우, 정제 후 냉각을 위해 각 루프로부터 물을 회수하여 재순환시키는 단계. 천연 가스를 연료로 사용하는 개방 사이클 작동에서는 일반적으로 충분한 물이 생성되어, 특히 건조한 지역에서는 이러한 물을 포집하여 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 모든 압축기는 동일한 질량 유량 및 입구 조건으로 작동한다. 이 실시예에서, (3 루프 구성 중) 제1 루프의 압축기는 3단 압축기일 수 있고, 각각의 압축기 단계는 π1 /3의 압력비를 갖는다. 이 실시예에서 제2 루프의 압축기는 2단 압축기일 수 있고, 각각의 압축기 단계는 π1 /3의 압력비를 갖는다. 이 실시예의 제3 루프에는 단지 하나의 압축기 스테이지가 있다. 이 실시예의 터빈들은 동일한 압력비 및 동일한 진입 온도로 작동한다. 이 실시예의 모든 재생기는 동일한 고온-측 유동 조건을 갖는다. 저온-측에서는 질량 유량과 온도가 동일하다. 하지만, 압력은 각각 πPo, π2 / 3Po 및 π1 / 3Po으로 다르다. 이 실시예의 모든 가열 유닛은 동일한 온도 한계 사이에서 작동하지만, 질량 유동 용량 및 압력 수준은 서로 다르다. 이 실시예의 제1 루프 내의 가열 유닛은 압력 πPo에서 질량 유량 w로 작동한다. 이 실시예의 가열 유닛의 수는 터빈의 수와 동일하다.
일 실시예에서, 본 명세서에 기술된 임의의 하나 이상의 압축/팽창 단계의 터빈 블레이드들(예를 들어, 회전자 블레이드들, 고정자 블레이드들)은 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, 크기, 형상 및 중량과 같은 치수 면에서, 그리고 재료 면에서 동일할 수 있다).
일 실시예에서, 터빈 블레이드들은 동일하거나 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에 기술된 임의의 하나 이상의 압축/팽창 단계의 압축기 블레이드들(예를 들어, 회전자 블레이드들, 고정자 블레이드들)은 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, 크기, 형상 및 중량과 같은 치수 면에서, 그리고 재료 면에서 동일할 수 있다).
일 실시예에서, 압축기 블레이드들은 동일하거나 상이 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에 기술된 임의의 하나 이상의 압축/팽창 단계의 재생기들은 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, 크기, 형상 및 중량과 같은 치수 면에서, 그리고 재료 면에서 동일할 수 있다).
일 실시예에서, 재생기들은 동일하거나 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에 기술된 임의의 하나 이상의 압축/팽창 단계의 연소 유닛들(예를 들어, 버너들)은 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, 크기, 형상 및 중량과 같은 치수 면에서, 그리고 재료 면에서 동일할 수 있다).
일 실시 예에서, 연소 유닛들은 동일하거나 상이할 수 있다.
신규 밀폐/개방 사이클들은 실질적으로 효율 및 비출력 면에서 성능을 상당히 향상시킨다.
본 발명은, 특히 발전 시스템이 구성요소 공통성을 활용하는 경우에 비용-효과적이다. 가스 터빈 하드웨어의 주요 비용 요소는, 축류 압축기 및 터빈, 특히 내부 냉각 터빈의 회전자 및 고정자 블레이드들의 서로 다른 유형의 수이다. 동일하거나 실질적으로 유사한 구성 요소, 예컨대 유사한 압축기 블레이드들, 유사한 터빈 블레이드들, 유사한 재생기들, 유사한 연소 유닛들 등을 사용하면, 마스터, 다이스, 지그 및 고정 장치, 기계-공구 및 균형 리그들의 일회 "NRE"비용이 공유되기 때문에 전체 비용이 감소될 것이다. 이러한 특징은 본 명세서에서 주요 구성 요소에 대해 설명된다.
본 발명의 기술된 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 모든 실시예를 나타내는 것은 아니다. 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고, 다음의 청구항들에 기술되는 문자 그대로 및 법률상 인정되는 균등물들 모두로부터 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.
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Claims (26)

  1. 발전 시스템으로,
    제1 압축기와 제2 압축기;
    제1 재생기와 제2 재생기;
    제1 연소 유닛과 제2 연소 유닛; 및
    제1 터빈과 제2 터빈을 포함하고,
    제1 압축기는, 제1 압축기로부터 제1 재생기로 압축된 가스를 제공하기 위해 제1 재생기와 작동 가능하게 연통하고;
    제1 재생기는, 제1 재생기로부터 제1 연소 유닛으로 가열된 가스를 제공하기 위해 제1 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고;
    제1 연소 유닛은, 제1 연소 유닛으로부터 제1 터빈으로 배기가스를 제공하기 위해 제1 터빈과 작동 가능하게 연통하고;
    제2 압축기는, 제2 압축기로부터 제2 재생기로 압축된 가스를 제공하기 위해 제2 재생기와 작동 가능하게 연통하고;
    제2 재생기는, 제2 재생기로부터 제2 연소 유닛으로 가열된 가스를 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고;
    제2 연소 유닛은, 제2 연소 유닛으로부터 제2 터빈으로 배기가스를 제공하기 위해 제2 터빈과 작동 가능하게 연통하고;
    제1 터빈은, 제1 터빈으로부터 제2 연소 유닛으로 팽창된 가스를 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하며; 그리고
    제2 터빈은, 제2 터빈으로부터 제1 재생기 및 제2 재생기로 팽창된 가스를 제공하기 위해 제1 재생기 및 제2 재생기와 작동 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 연소 유닛과 제2 연소 유닛 각각은 연소 공급부로부터 공급받은 연료를 이용하여 연소를 수행하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    발전 시스템은 연료 공급부를 포함하는 연료 저장소를 추가적으로 포함하고, 상기 연료 저장소는 제1 연소 유닛과 제2 연소 유닛 각각과 작동 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    연료 공급부는 (a)천연 가스, (b)메탄, (c)등유, (d)경유, (e)휘발유, (f)석탄, (g)가연성 오일, (h)가연성 목재, (i)임의의 가연성 재료, (j)액체 탄화수소, (k)기체 탄화수소, (l)수소, (m)제트 연료 및 (n)이들의 임의의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 압축기와 제2 압축기 각각은 냉각재를 이용하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    제1 재생기는 제1 압축기로부터 제1 압축기에서 사용되는 냉각재의 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    발전 시스템은 냉각재 포집 저장부를 추가적으로 포함하고, 상기 냉각재 포집 저장부는 제1 재생기와 제2 재생기 각각으로부터 회수되는 냉각재를 수용하기 위해 제1 재생기와 제2 재생기 각각과 작동 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    제1 압축기는 제1 재생기로부터 회수되는 냉각재를 다시 수용하도록 구성되고, 그리고
    제2 압축기는 제2 재생기로부터 회수되는 냉각재를 다시 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    냉각재는 (a)물, (b)메탄올, (c)에탄올 및 (d)이들의 임의의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    제1 재생기는 열 교환기이고, 그리고
    제2 재생기도 열 교환기인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    각 열 교환기는 역류형 열 교환기인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    제1 연소 유닛은 제1 내부 연소 버너를 포함하고, 그리고
    제2 연소 유닛은 제2 내부 연소 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    제1 연소 유닛은 제1 외부 연소 버너를 포함하고, 그리고
    제2 연소 유닛은 제2 외부 연소 버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    제1 연소 유닛은 원자력을 이용하고, 그리고
    제2 연소 유닛도 원자력을 이용하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    제1 연소 유닛과 제2 연소 유닛 각각은 재생 가능한 동력원을 이용하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    재생 가능한 동력원은 (a)집광형 태양열, (b)지열, (c)바이오매스 연료, (d)해양 온도차 및 (e)이들의 임의의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    제1 압축기는 다단 압축기이고,
    제2 압축기도 다단 압축기이며, 및
    제1 압축기는 제2 압축기보다 많은 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    제1 터빈의 회전이 제1 발전기의 회전을 야기하도록 제1 터빈과 작동 가능하게 연통하는 제1 발전기, 및
    제2 터빈의 회전이 제2 발전기의 회전을 야기하도록 제2 터빈과 작동 가능하게 연통하는 제2 발전기를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    제1 압축기로부터의 압축된 가스는 공기이고, 그리고
    제2 압축기로부터의 압축된 가스도 공기인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  20. 발전 시스템으로,
    제1 압축기, 제2 압축기 및 제3 압축기,
    제1 재생기, 제2 재생기 및 제3 재생기,
    제1 연소 유닛, 제2 연소 유닛 및 제3 연소 유닛, 및
    제1 터빈, 제2 터빈 및 제3 터빈을 포함하고,
    제1 압축기는 제1 압축기로부터 제1 재생기로 압축된 가스를 제공하기 위해 제1 재생기와 작동 가능하게 연통하고,
    제1 재생기는 제1 재생기로부터 제1 연소 유닛으로 가열된 가스를 제공하기 위해 제1 터빈과 작동 가능하게 연통하고,
    제1 연소 유닛은 제1 연소 유닛으로부터 제1 터빈으로 배기가스를 제공하기 위해 제1 터빈과 작동 가능하게 연통하고,
    제2 압축기는 제2 압축기로부터 제2 재생기로 압축된 가스를 제공하기 위해 제2 재생기와 작동 가능하게 연통하고,
    제2 재생기는 제2 재생기로부터 제2 연소 유닛으로 가열된 가스를 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고,
    제2 연소 유닛은 제2 연소 유닛으로부터 제2 터빈으로 배기가스를 제공하기 위해 제2 터빈과 작동 가능하게 연통하고,
    제3 압축기는 제3 압축기로부터 제3 재생기로 압축된 가스를 제공하기 위해 제3 재생기와 작동 가능하게 연통하고,
    제3 재생기는 제3 재생기로부터 제3 연소 유닛으로 가열된 가스를 제공하기 위해 제3 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고,
    제3 연소 유닛은 제3 연소 유닛으로부터 제3 터빈으로 배기가스를 제공하기 위해 제3 터빈과 작동 가능하게 연통하고,
    제1 터빈은 제1 터빈으로부터 제2 연소 유닛으로 팽창된 가스를 제공하기 위해 제2 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고,
    제2 터빈은 제2 터빈으로부터 제3 연소 유닛으로 팽창된 가스를 제공하기 위해 제3 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하며, 그리고
    제3 터빈은 제3 터빈으로부터 제1 재생기, 제2 재생기, 제3 재생기로 팽창된 가스를 제공하기 위해 제1 재생기, 제2 재생기, 제3 재생기와 작동 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  21. 복수의 기능 유닛들을 포함하는 발전 시스템으로, 복수의 기능 유닛들의 수는 1 보다 큰 정수인 n개이고,
    복수의 기능 유닛들의 각각은,
    압축기, 재생기, 연소 유닛 및 터빈을 포함하고,
    압축기는 압축기로부터 재생기로 압축된 가스를 제공하기 위해 재생기와 작동 가능하게 연통하고,
    재생기는 재생기로부터 연소 유닛으로 가열된 가스를 제공하기 위해 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고,
    연소 유닛은 연소 유닛으로부터 터빈으로 배기가스를 제공하기 위해 터빈과 작동 가능하게 연통하며,
    n번째 기능 유닛이 아닌 기능 유닛들의 각각에 대해서, 터빈은 터빈으로부터 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛에 팽창된 가스를 제공하기 위해 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛과 작동 가능하게 연통하고, 그리고
    n번째 기능 유닛에 대해서, 터빈은 터빈으로부터 각 선행하는 기능 유닛의 재생기로 팽창된 가스를 제공하기 위해 각 선행하는 기능 유닛의 재생기와 작동 가능하게 연통하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    n은 2, 3 또는 4인 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  23. 발전 방법으로,
    제1 압축기로부터 제1 재생기로 가압된 가스를 유도하는 단계,
    제1 재생기로부터 제1 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계,
    제1 연소 유닛으로부터 제1 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계,
    제2 압축기로부터 제2 재생기로 가압된 가스를 유도하는 단계,
    제2 재생기로부터 제2 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계,
    제2 연소 유닛으로부터 제2 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계,
    제1 터빈으로부터 제2 연소 유닛으로 팽창된 가스를 유도하는 단계, 및
    제2 터빈으로부터 제1 재생기 및 제2 재생기로 팽창된 가스를 유도하는 단계를 포함하는 것을 특지응로 하는 발전 방법.
  24. 발전 방법으로,
    제1 압축기로부터 제1 재생기로 가압된 가스를 유도하는 단계,
    제1 재생기로부터 제1 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계,
    제1 연소 유닛으로부터 제1 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계,
    제2 압축기로부터 제2 재생기로 가압된 가스를 유도하는 단계,
    제2 재생기로부터 제2 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계,
    제2 연소 유닛으로부터 제2 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계,
    제3 압축기로부터 제3 재생기로 가압된 가스를 유도하는 단계,
    제3 재생기로부터 제3 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계,
    제3 연소 유닛으로부터 제3 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계,
    제1 터빈으로부터 제2 연소 유닛으로 팽창된 가스를 유도하는 단계,
    제2 터빈으로부터 제3 연소 유닛으로 팽창된 가스를 유도하는 단계, 및
    제3 터빈으로부터 제1 재생기, 제2 재생기 및 제3 재생기로 팽창된 가스를 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  25. 발전 방법으로,
    복수의 기능 유닛을 제공하는 단계로, 복수의 기능 유닛들 각각은 압축기, 재생기, 연소 유닛 및 터빈을 포함하고, 복수의 기능 유닛의 수는 n개이되, n은 1보다 큰 정수인 단계,
    각각의 기능 유닛에 대해서, 압축기로부터 재생기로 압축된 가스를 유도하는 단계,
    각각의 기능 유닛에 대해서, 재생기로부터 연소 유닛으로 가열된 가스를 유도하는 단계,
    각각의 기능 유닛에 대해서, 연소 유닛으로부터 터빈으로 배기가스를 유도하는 단계,
    n번째 기능 유닛을 제외한 각각의 기능 유닛에 대해서, 터빈으로부터 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛으로 팽창된 가스를 제공하기 위해, 터빈으로부터 후속하는 기능 유닛의 연소 유닛으로 팽창된 가스를 유도하는 단계, 및
    n번째 기능 유닛에 대해서, 터빈으로부터 각 선행하는 기능 유닛의 재생기로 팽창된 가스를 제공하기 위해, 터빈으로부터 각 선행하는 기능 유닛의 재생기로 팽창된 가스를 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    n은 2, 3 또는 4인 것을 특징으로 하는 발전 방법.
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