KR20180124534A - 냉각 모듈과 이를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템 및 이를 이용한 초임계 유체 공급 방법 - Google Patents

냉각 모듈과 이를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템 및 이를 이용한 초임계 유체 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 모듈과 이를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템 및 이를 이용한 초임계 유체 공급 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈은 냉각부와 버퍼부를 포함한다. 냉각부에서는 기체 상태의 작동 유체가 냉각되어 액화되며, 버퍼부는 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 저장하여 외부로 공급한다.
이에 따라 본 발명은 초임계 유체 발전 시스템에서 작동 유체를 안정적으로 공급할 수 있다.

Description

냉각 모듈과 이를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템 및 이를 이용한 초임계 유체 공급 방법 {Cooling module and supercritical fluid power generation system comprising it and method of supplying supercritical fluid using it}
본 발명은 냉각 모듈과 이를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템 및 이를 이용한 초임계 유체 공급 방법에 관한 것이다.
국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있으며, 그 중 하나로 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550도에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.
일본특허공개 제2012-145092호
본 발명은 작동 유체 공급을 안정적으로 수행할 수 있는 냉각 모듈 및 이를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템 및 이를 이용한 초임계 유체 공급 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈은 냉각부와 버퍼부를 포함한다. 냉각부는 작동 유체 유입구, 냉각 소스 유동부를 구비한다. 작동 유체 유입구는 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입된다. 냉각 소스 유동부는 외부로부터 공급된 냉각 소스가 유동한다. 냉각부에서는 작동 유체 유입구로 유입된 기체 상태의 작동 유체가 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화된다. 버퍼부는 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 저장된 액체 상태의 작동 유체를 외부로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부는 단면에서 측면의 길이가 저면의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 냉각 소스 유동관은 냉각 소스가 냉각부의 일측에서 유입되고 배출되도록 형성될 수 있다. 일 실시예에서 냉각 소스 유동관은 U자 형으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부는 외부로부터 액체 상태의 작동 유체를 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부는 냉각부와 이격되어 위치할 수 있다. 버퍼부는 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부로 이송하기 위한 이송관로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부 내부를 유동하는 냉매 유로를 구비한 보조 냉각부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 보조 냉각부는 냉각부의 내부를 유동하는 냉매 유로를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부의 상부의 적어도 일부에는 액체 상태로 상변화된 작동 유체가 슬라이딩하여 버퍼부로 유입되도록 하는 경사면이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부의 상부에는 개폐 가능한 개폐부가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈은 하우징, 냉각부, 버퍼부를 포함한다. 하우징은 하방향으로 연장되어 형성된다. 냉각부는 작동 유체 유입구와 냉각 소스 유동부를 구비한다. 작동 유체 유입구는 하우징의 일측에 형성되며 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입된다. 냉각 소스 유동부는 외부로부터 공급된 냉각 소스가 하우징의 일측으로부터 상측으로 유동하도록 한다. 작동 유체 유입구로 유입된 기체 상태의 작동 유체가 하강하면서 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화된다. 버퍼부는 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 저장된 액체 상태의 작동 유체를 외부의 펌프로 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 냉각부와 버퍼부는 일체로 형성되어 하우징을 이룰 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 버퍼부에 내부를 유통하는 냉매 유로를 구비한 보조 냉각부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈은 냉각부와 버퍼부를 포함한다. 냉각부는 기체 상태의 작동 유체가 유입되어 액체 상태로 냉각되며, 하부의 적어도 일부분이 개방된다. 버퍼부는 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 저장된 액체 상태의 작동 유체를 외부로 공급한다. 냉각부의 하부와 버퍼부의 상부는 적어도 일부분이 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈에서 냉각부의 하부와 버퍼부의 상부가 일부만 일체인 경우, 버퍼부는 하부의 길이가 냉각부의 하부 길이의 1/2이하이며, 측면의 길이가 하부의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈에서 냉각부의 하부와 버퍼부의 상부가 전체가 일체인 경우, 버퍼부의 측면과 냉각부의 측면의 길이의 합이 버퍼부 하부의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈에서 냉각부는 작동 유체와 열교환할 수 있는 냉각 소스가 유동하는 냉각 소스 유동부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템은 냉각 모듈과 유체 펌프를 포함한다. 냉각 모듈은 작동 유체 유입구와 냉각 소스 유동부를 구비한다. 작동 유체 유입구는 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입된다. 냉각 소스 유동부는 외부로부터 공급된 냉각 소스가 유동한다. 냉각부에서는 작동 유체 유입구로 유입된 기체 상태의 작동 유체가 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화된다. 버퍼부는 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장한다. 유체 펌프는 냉각 모듈의 버퍼부에 저장된 액체 상태의 작동 유체를 공급받아 펌핑한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템은 레벨 측정부를 더 포함할 수 있다. 레벨 측정부는 버퍼부에 저장된 액체 상태의 작동 유체의 수위 레벨을 측정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템은 보조 공급부를 더 포함할 수 있다. 보조 공급부는 레벨 측정부의 측정값에 따라 버퍼부에 액체 상태의 작동 유체를 외부로부터 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템은 보조 냉각부를 더 포함할 수 있다. 보조 냉각부는 버퍼부 내부를 유동하는 냉매 유로를 구비한다.
본 발명의 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템의 냉각 방법은 기체 상태의 작동 유체를 액체 상태로 냉각하는 단계와, 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 저장하는 단계와, 버퍼부에 저장된 액체 상태의 작동 유체를 유체 펌프로 공급하는 단계와, 유체 펌프에서 액체 상태의 작동 유체를 압축하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템의 냉각 방법은 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 저장하는 단계에서 버퍼부 내부를 유동하는 냉매 유로에 의해 버퍼부에 저장된 작동 유체에 존재하는 냉각되지 않은 기체 상태의 작동 유체가 액체 상태로 냉각될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 초임계 유체 발전 시스템에서 작동 유체 공급을 안정적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템이 도시된 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 모듈이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 모듈이 도시된 도면이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 모듈이 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
일반적으로 초임계 유체 발전 시스템은 발전에 사용된 작동 유체를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소, 초임계 상태의 질소, 초임계 상태의 아르곤, 초임계 상태의 헬륨 등을 이용한다.
초임계 유체 발전 시스템은 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어서, 단독 발전 시스템 뿐만 아니라, 가스 터빈 발전 시스템, 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다.
사이클 내의 작동 유체는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 작동 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 전력의 생산에 이용된 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 유체 발전 시스템이란 싸이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템이 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템은 냉각 모듈(100), 유체 펌프(200), 제1 내지 제3 열교환기(310, 320, 330), 적어도 하나 이상의 터빈(400), 발전기(500)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템은, 예를 들어 초임계 상태의 이산화탄소, 초임계 상태의 질소, 초임계 상태의 아르곤, 초임계 상태의 헬륨 등 중 적어도 어느 하나를 작동 유체로 사용한다. 이하에서 작동 유체로서 이산화탄소(CO2)를 사용하는 것으로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.
터빈(400)은 작동 유체에 의해 구동되며, 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(500)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 하며, 작동 유체는 터빈(400)을 통과하면서 팽창되므로, 터빈(400)은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다.
냉각 모듈(100)에는 기체 상태의 작동 유체가 유입된다. 유입된 기체 상태의 작동 유체는 냉각되면서 액체 상태로 상변화를 일으킨다.
유체 펌프(200)는 냉각에 의해 액체 상태로 상변화된 작동 유체를 공급 받고, 작동 유체를 압축시켜서 작동 유체가 저온고압 상태가 되게 한다. 유체 펌프(200)는 하나의 구동축(S)으로 터빈(400)과 연결되어, 터빈(400) 회전시 함께 회전하는 회전식 펌프일 수 있다.
유체 펌프(200)를 통과한 작동 유체의 일부는 제1 열교환기(310)에서 중온저압의 작동 유체와 열교환하여 중온고압 상태가 되고, 제3 열교환기(330)에서 고온의 외부 배기 가스에 의해 가열되어 고온고압 상태가 된다.
유체 펌프(200)를 통과한 작동 유체의 나머지는 제2 열교환기(320)에서 고온의 외부 배기 가스에 의해 가열되어 중온고압 상태가 되고, 제3 열교환기(330)에서 고온의 외부 배기 가스에 의해 가열되어 고온고압 상태가 된다.
고온고압의 작동 유체는 터빈(400)을 통과하면서 중온저압 상태가 되고 제1 열교환기(310)를 통과하면서 유체 펌프(200)를 통과한 저온고압의 작동 유체의 일부와 열교환하면서 저온저압 상태가 되어 냉각 모듈(100)로 유입된다.
본 발명의 실시예에서 냉각 모듈(100)은 제1 열교환기(310)와 유체 펌프(200) 사이에 위치한다. 냉각 모듈(100)은 기체 상태의 작동 유체를 액체 상태의 작동 유체로 상변환시키고, 상변환된 작동 유체를 저장하여 유체 펌프(200)로 공급한다. 즉, 냉각 모듈(100)은 쿨러(cooler)의 기능과 버퍼(buffer)의 기능을 병행한다. 초임계 유체 발전 시스템은 냉각 모듈(100)을 통해 액체 상태의 작동 유체를 안정적으로 유체 펌프(200)로 공급할 수 있다. 또한, 냉각 모듈(100)은 액체 상태의 작동 유체의 용량 변화에 따른 수위 레벨 변화가 커서 안정적인 레벨 제어가 가능하다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈(100)을 설명한다. 도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 모듈이 도시된 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 모듈(100)은 냉각부(110)와 버퍼부(120)를 포함한다. 냉각부(110)와 버퍼부(120)는 각각 소정 형상의 하우징을 구비하며, 냉각부 하우징(111)과 버퍼부 하우징(121)은 일체로 형성되거나, 또는 분리 형성되거나, 또는 분리 형성 후 냉각부 하우징(111)의 저면과 버퍼부 하우징(121)의 상면을 접합하여 형성될 수 있다.
냉각부(110)는 작동 유체 유입구(112)와 냉각 소스 유동부(113)를 구비한다. 작동 유체 유입구(112)를 통해 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입된다. 예를 들어, 제1 열교환기(310)로부터 저온저압의 기체 상태 작동 유체가 작동 유체 유입구(112)를 통해 냉각 모듈(100)로 유입된다.
냉각 소스 유동부(113)는 냉각부 하우징(111) 내에 형성되며, 외부로부터 공급된 냉각 소스(Cooling Source)는 냉각 소스 유동부(113)를 통해 냉각부(110) 내를 유동한다. 냉각 소스 유동부(113)는 예를 들어 관 형상으로 형성되며, 냉각 소스는 관 내부를 유동하면서 관 외부에 있는 기체 상태의 작동 유체로부터 열을 전달받는다. 기체 상태의 작동 유체는 냉각 소스로 열을 주면서 액체 상태로 상변화된다. 냉각 소스는 기체 상태의 작동 유체보다 낮은 온도의 액체 또는 기체이며, 예를 들어, 액화 천연 가스(LNG, liquefied natural gas), 물 등이 될 수 있다.
냉각 소스 유동부(113)는, 도 2와 같이, 냉각 소스가 냉각부 하우징(111)의 일측에서 유입되어 타측으로 배출되도록 일자 형태로 형성될 수 있으며, 또한, 도 3과 같이, 냉각 소스가 냉각부 하우징(111)의 일측에서 유입되고 배출되도록 U자 형태로 형성될 수 있다.
냉각 소스 유동부(113)가 일자 형태로 형성되는 경우, 작동 유체 유입구(112)는 버퍼부(120)가 형성되지 않은 위치에 형성되는 것이 바람직하고, 냉각 소스 유동부(113)가 U자 형태로 형성되는 경우, 작동 유체 유입구(112)는 버퍼부(120)가 형성된 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
냉각 소스 유동부(113)가 U자 형태로 형성되는 경우, 상부 유동부(113a)와 하부 유동부(113b)로 이루어질 수 있으며, 상부 유동부(113a)를 유동하는 냉각 소스는 작동 유체 유입구(112)를 통해 유입되는 작동 유체와 먼저 열교환하고, 하부 유동부(113b)를 유동하는 냉각 소스는 상부 유동부(113a)에서 열교환한 작동 유체와 다시 열교환할 수 있다.
이때, 냉각 소스는 하부 유동부(113b)에서 유입되어 상부 유동부(113a)로 유동하는 것이 바람직하다. 냉각 소스는 하부 유동부(113b)에서 열교환하고 다시 상부 유동부(113a)에서 열교환하므로, 상부 유동부(113a)를 유동하는 냉각 소스는 하부 유동부(113b)를 유동하는 냉각 소스에 비해 상대적으로 고온이다. 작동 유체 유입구(112)를 통해 유입된 작동 유체는 상부 유동부(113a)의 냉각 소스와 1차 열교환을 수행하고, 하부 유동부(113b)의 냉각 소스와 2차 열교환을 수행한다. 작동 유체는 상대적으로 고온의 냉각 소스와 열교환한 후, 상대적으로 저온의 냉각 소스와 열교환하게 된다. 즉, 상부 유동부(113a) 근방에서 열교환을 거치지 않은 고온의 작동 유체와 열교환을 거친 고온의 냉각 소스가 1차 열교환하고, 하부 유동부(113b) 근방에서 열교환을 거친 저온의 작동 유체와 열교환을 거치지 않은 저온의 냉각 소스가 2차 열교환하게 되어 열교환 효율이 향상될 수 있다.
냉각부 하우징(111)의 하면 중 버퍼부 하우징(121)의 연결되지 않는 부분에는 액체 상태로 상변화된 작동 유체가 슬라이딩하여 버퍼부(120)로 유입되도록 하는 경사면(114)이 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각부 하우징(111)의 하면에는 개폐부(115)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서 개폐부(115)는 수평 방향으로 전진 또는 후진하여 버퍼부(120)를 개폐할 수 있다. 개폐부(115)는 단열 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 개폐부(115)를 구비함으로써 버퍼부(120)에 저장된 액체 상태의 작동 유체가 냉각되지 않은 기체 상태의 작동 유체에 의해 기화되어 냉각부(110)로 역류하는 것을 방지한다. 개폐부(115)는 모터(M)나 액츄에이터(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 도 4에서 개폐부(115)는 냉각부 하우징(111)의 하면에 형성되는 것을 예시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 버퍼부 하우징(121) 상부에 형성될 수도 있다.
버퍼부(120)는 상부가 개방된 형태로 냉각부(110)의 하부에 형성될 수 있다. 구체적으로 상부가 개방된 버퍼부 하우징(121)이 하부 일부가 개방된 냉각부 하우징(111)과 일체로 형성될 수 있다. 버퍼부(120) 하부에는 작동 유체 유출구(122)가 형성된다.
버퍼부(120)는 냉각부(110)에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 작동 유체 유출구(122)를 통해 액체 상태의 작동 유체를 외부로 공급한다. 예를 들어, 저장된 액체 상태의 작동 유체는 작동 유체 유출구(122)를 통해 유체 펌프(200)로 공급된다.
버퍼부(120)는 하방향으로 연장된 버퍼부 하우징(121)을 구비하며, 도 2와 같이, 단면을 기준으로 버퍼부(120) 측면의 길이(L1)가 저면의 길이(L2)보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 버퍼부(120)의 종횡비가 1보다 크게 형성되도록 하여 버퍼부(120)에 저장된 액체 상태 작동 유체의 수위 조절이 용이하도록 할 수 있다. 기존의 쿨러(cooler)는 단면을 기준으로 저면의 길이가 길고 측면의 길이가 작게 형성되어 있었는데, 이에 따라 냉각 소스에 의해 냉각된 작동 유체는 넓은 저면에 낮은 수위로 모이게 되고, 액화된 작동 유체는 출렁거림 현상에 의해 정확한 수위 조절이 어려워서 유체 펌프(200)로의 공급량 조절이 용이하지 않았다.
본 발명의 실시예에서는 냉각 소스에 의해 냉각된 작동 유체가 상대적으로 높은 종횡비를 갖는 버퍼부(120)에 높은 수위로 모이게 되어, 액화된 작동 유체의 출렁거림 현상을 감소시킬 수 있게 되고, 높은 수위로 저장되므로 버퍼부(120) 하부의 작동 유체 유출구(122)를 통해 유체 펌프(200)로의 공급량 조절을 용이하게 할 수 있게 된다. 작동 유체 유출구(122)를 통한 공급량 조절은 제어 밸브(미도시)를 통해 수행될 수 있다.
버퍼부(120)에는 냉각 모듈의 버퍼부(120)에 저장된 액체 상태의 작동 유체의 수위 레벨을 측정하는 레벨 측정부(LT)가 설치될 수 있다. 안정적인 작동 유체 공급을 위해 버퍼부(120)는 일정한 수위 레벨을 유지할 필요가 있다. 버퍼부(120)의 수위 레벨이 기설정된 기준 레벨 이하인 경우, 냉각 모듈 외부에서 액체 상태의 작동 유체를 공급하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에서는 버퍼부(120)에 액체 상태의 작동 유체를 공급하는 보조 공급부(130)를 구비한다.
초임계 유체 발전 시스템의 제어부(미도시)는 레벨 측정부(LT)의 측정값과 기설정된 기준 레벨을 비교하여, 그 차이값 만큼의 작동 유체가 버퍼부(120)로 공급되도록 보조 공급부(130)를 제어한다.
도 2 내지 도 4는 냉각부(110)와 버퍼부(120)가 일체로 형성되는 것을 예시하고 있으나, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각부(110)와 버퍼부(120)는 일체로 형성되지 않고, 이격되어 분리 형성될 수 있다.
이 경우, 냉각부(110)와 버퍼부(120) 사이에는 냉각부(110)에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부(120)로 이송하기 위한 이송관로(123)가 설치된다. 도 5는 냉각부(110)와 버퍼부(120)가 이격되면서 냉각 소스 유동부(113)가 일자 형태로 형성된 냉각 모듈이며, 도 6은 냉각부(110)와 버퍼부(120)가 이격되면서 냉각 소스 유동부(113)가 U자 형태로 형성된 냉각 모듈이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 모듈이 도시된 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 모듈은 하우징(H), 냉각부(110), 버퍼부(120)를 포함한다.
본 실시예의 냉각 모듈은 전술한 제1 실시예와는 달리 수직형으로 형성된다. 본 실시예에서 하우징(H)은 하방향으로 연장되어 형성되고, 하우징(H)의 상부는 냉각부(110)를 구성하고, 하우징(H)의 하부는 버퍼부(120)를 구성한다.
냉각부(110)는 작동 유체 유입구(112)와 냉각 소스 유동부(113)를 구비한다. 본 실시예에서 작동 유체 유입구(112)는 하우징(H)의 일측에 형성된다. 냉각 소스 유동부(113)는 외부로부터 공급된 냉각 소스가 하우징(H)의 일측으로부터 상측으로 유동하도록 형성된다. 즉, 냉각 소스 유동부(113)의 입구는 하우징(H)의 일측에 작동 유체 유입구(112)의 하부에 형성되고, 냉각 소스 유동부(113)의 출구는 하우징(H)의 상측에 형성된다.
버퍼부(120)는 상부가 개방된 형태로 냉각부(110)의 하부에 형성된다. 버퍼부(120) 하부 일측에는 작동 유체 유출구(122)가 형성된다. 냉각부(110)와 버퍼부(120)는 일체로 형성되어 하우징(H)을 형성한다.
본 실시예의 냉각 모듈은 냉각부(110)의 하부와 버퍼부(120)의 상부가 전체가 일체로 형성된 경우이며, 높은 종횡비를 구현하기 위해, 냉각부(110)의 측면 길이(L3)와 버퍼부(120)의 측면 길이(L4)의 합은 버퍼부(120) 하부 길이(L5)보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 버퍼부(120)의 측면 길이(L4)가 버퍼부(120) 하부 길이(L5)보다 크게 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
본 실시예에서도 냉각 모듈은 버퍼부(120)에 저장된 액체 상태의 작동 유체의 수위 레벨을 측정하는 레벨 측정부(LT)와 버퍼부(120)에 액체 상태의 작동 유체를 공급하는 보조 공급부(130)를 구비할 수 있다.
작동 유체 유입구(112)로 유입된 기체 상태의 작동 유체는 하강하면서 냉각 소스 유동부(113)를 유동하는 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화되어 버퍼부(120)에 저장된다.
버퍼부(120)는 냉각부(110)에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 저장하고, 작동 유체 유출구(122)를 통해 액체 상태의 작동 유체를 외부로 공급한다. 예를 들어, 저장된 액체 상태의 작동 유체는 작동 유체 유출구(122)를 통해 유체 펌프(200)로 공급된다.
본 실시예의 냉각 모듈에 의하면, 냉각 소스에 의해 냉각된 작동 유체는, 기존의 수평식 냉각 모듈에 비해 상대적으로 높은 종횡비를 갖는, 버퍼부(120)에 높은 수위로 모이게 된다. 이에 따라, 액화된 작동 유체의 출렁거림 현상을 감소시킬 수 있게 되고, 높은 수위로 저장되므로 버퍼부(120) 하부의 작동 유체 유출구(122)를 통해 유체 펌프(200)로의 공급량 조절을 용이하게 할 수 있게 된다.
다음으로, 도 8 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 모듈을 설명한다. 도 8 내지 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 모듈이 도시된 도면이다.
도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉각 모듈은 전술한 제1 및 제2 실시예의 냉각 모듈에 냉매 유로(141, 142)를 구비한 보조 냉각부(Chiller, 140)를 더 포함한다.
보조 냉각부(140) 내부에는 냉각 소스가 저장된다. 냉각 소스는 액체 상태의 작동 유체보다 낮은 온도의 액체, 기체이면 충분하며, 예를 들어, 액화 천연 가스(LNG, liquefied natural gas), 물 등이 될 수 있다.
보조 냉각부(140)에 저장된 냉각 소스는 냉매 유로(141, 142)를 통해 버퍼부(120) 또는 냉각부(110)를 유동할 수 있다. 냉매 유로(141, 142)는 예를 들어 관 형상으로 형성되며, 냉각 소스는 관 내부를 유동하면서 관 외부에 있는 작동 유체와 열교환한다.
시스템 운전 중, 보조 냉각부(140)는 냉각 소스 유동부(113)를 유동하는 냉각 소스의 양이 불충분하여 냉각부(110)에서 냉각이 되지 않고, 버퍼부(120)로 유입된 여분의 기체 상태 작동 유체를 냉각하여 냉각 모듈의 냉각 효율을 향상시킨다.
또한, 시스템 운전 중, 보조 냉각부(140)는 버퍼부(120)에 저장된 액체 상태의 작동 유체가 시스템에서 발생하는 열 또는 외부열에 의해 기화되어 냉각부(110)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 시스템 운전 중, 냉각 소스 유동부(113)를 유동하는 냉각 소스의 양이 불충분한 경우, 보조 냉각부(140)는 냉각부(110) 내부를 유동하는 냉매 유로(142)에 의해 추가적인 열교환이 이루어져서 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 시스템 정지시에는 버퍼부(120) 내부를 유동하는 냉매 유로(141)에 의해 지속적인 열교환이 이루어져서 버퍼부(120)에 저장된 액체 상태의 작동 유체가 시스템에서 발생하는 열 또는 외부열에 의해 기화되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예들에 따른 냉각 모듈을 이용하여 초임계 유체 발전 시스템의 냉각 방법을 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 초임계 유체 발전 시스템의 냉각 방법으로 냉각을 하기 위해서는 기체 상태의 작동 유체를 액체 상태로 냉각한다. 냉각부(110)에 형성된 작동 유체 유입구(112)를 통해 외부(예를 들어, 제1 열교환기(310))로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입되고, 기체 상태의 작동 유체는 냉각 소스 유동부(113)를 통해 유동하는 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태로 냉각된다. 냉각 소스 유동부(113)를 유동하는 냉각 소스의 양이 불충분한 경우, 냉매 유로(142)를 유동하는 냉각 소스에 의해 추가적인 열교환이 이루어지도록 한다.
다음, 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 저장한다. 냉각 소스 유동부(113) 또는 추가적으로 냉매 유로(142)의 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태로 냉각된 작동 유체는 낙하하여 버퍼부(120)에 저장된다. 이때, 액체 상태의 작동 유체는 냉각부 하우징(111)의 저면 또는 경사면(114)을 타고 버퍼부(120)로 유입되면서 저장될 수 있다. 버퍼부(120)는 액체 상태 작동 유체의 수위 조절이 용이하도록 종횡비가 1보다 크도록 형성된다.
버퍼부(120)에 유입된 작동 유체에 냉각되지 않은 기체 상태의 작동 유체가 있을 수 있으므로, 버퍼부(120) 내부를 유동하는 냉매 유로(141)는 여분의 기체 상태 작동 유체가 액체 상태로 상변화되도록 한다. 또한, 냉매 유로(141)는 저장된 액체 상태의 작동 유체가 시스템에서 발생하는 열 또는 외부열에 의해 기화되는 것을 방지한다. 버퍼부(120)의 수위 레벨이 기설정된 기준 레벨 이하인 경우, 보조 공급부(130)를 통해 액체 상태의 작동 유체를 보충하여 안정적인 작동 유체 공급이 수행될 수 있도록 한다.
버퍼부(120)에 저장된 액체 상태의 작동 유체는 유체 펌프(200)로 공급된다. 유체 펌프(200)는 작동 유체를 압축시켜서 작동 유체가 저온고압 상태가 되게 한 후, 작동 유체가 초임계 유체 발전 시스템의 각종 이송관을 통해 유동되도록 한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 냉각 모듈 110 : 냉각부
120 : 버퍼부 130 : 보조 공급부
140 : 보조 냉각부 200 : 유체 펌프
310 ~ 330 : 열교환기 400 : 터빈
500 : 발전기

Claims (23)

  1. 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입되는 작동 유체 유입구와, 외부로부터 공급된 냉각 소스가 유동하는 냉각 소스 유동부를 구비하며, 상기 작동 유체 유입구로 유입된 기체 상태의 작동 유체가 상기 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화되는 냉각부; 및
    상기 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 상기 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 저장된 액체 상태의 작동 유체를 외부로 공급하는 버퍼부;를 포함하는 냉각 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부는 단면에서 측면의 길이가 저면의 길이보다 길게 형성되는 냉각 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 소스 유동관은 상기 냉각 소스가 냉각부의 일측에서 유입되고 배출되도록 형성되는 냉각 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부는 외부로부터 상기 액체 상태의 작동 유체를 공급받는 냉각 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부는 상기 냉각부와 이격되어 위치하며,
    상기 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 상기 버퍼부로 이송하기 위한 이송관로를 포함하는 냉각 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부 내부를 유동하는 냉매 유로를 구비한 보조 냉각부를 더 포함하는 냉각 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 냉각부는 상기 냉각부의 내부를 유동하는 냉매 유로를 더 구비하는 냉각 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부의 상부의 적어도 일부에는 액체 상태로 상변화된 작동 유체가 슬라이딩하여 상기 버퍼부로 유입되도록 하는 경사면이 형성된 냉각 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼부의 상부에는 개폐 가능한 개폐부가 형성된 냉각 모듈.
  10. 하방향으로 연장되어 형성된 하우징;
    상기 하우징의 일측에 형성되며 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입되는 작동 유체 유입구와, 외부로부터 공급된 냉각 소스가 상기 하우징의 일측으로부터 상측으로 유동하는 냉각 소스 유동부를 구비하며, 상기 작동 유체 유입구로 유입된 기체 상태의 작동 유체가 하강하면서 상기 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화되는 냉각부; 및,
    상기 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 상기 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 저장된 액체 상태의 작동 유체를 외부의 펌프로 공급하는 버퍼부;를 포함하는 냉각 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각부와 상기 버퍼부는 일체로 형성되어 상기 하우징을 이루는 냉각 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 버퍼부에 내부를 유통하는 냉매 유로를 구비한 보조 냉각부를 더 포함하는 냉각 모듈.
  13. 기체 상태의 작동 유체가 유입되어 액체 상태로 냉각되며, 하부의 적어도 일부분이 개방된 냉각부; 및
    상기 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 상기 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하고, 저장된 액체 상태의 작동 유체를 외부로 공급하는 버퍼부;를 포함하며,
    상기 냉각부의 하부와 상기 버퍼부의 상부는 적어도 일부분이 일체인 냉각 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각부의 하부와 상기 버퍼부의 상부가 일부만 일체인 경우,
    상기 버퍼부는 하부의 길이가 상기 냉각부의 하부 길이의 1/2이하이며, 측면의 길이가 하부의 길이보다 길게 형성되는 냉각 모듈.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 냉각부의 하부와 상기 버퍼부의 상부가 전체가 일체인 경우,
    상기 버퍼부의 측면과 상기 냉각부의 측면의 길이의 합이 상기 버퍼부 하부의 길이보다 길게 형성되는 냉각 모듈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 냉각부는 작동 유체와 열교환할 수 있는 냉각 소스가 유동하는 냉각 소스 유동부를 구비하는 냉각 모듈.
  17. 외부로부터 기체 상태의 작동 유체가 유입되는 작동 유체 유입구 및 외부로부터 공급된 냉각 소스가 유동하는 냉각 소스 유동부를 구비하며, 상기 작동 유체 유입구로 유입된 기체 상태의 작동 유체가 상기 냉각 소스와 열교환하여 액체 상태의 작동 유체로 상변화되는 냉각부와, 상기 냉각부의 하부에 형성되며, 상부가 개방되어 상기 냉각부에서 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 유입받아 저장하는 버퍼부를 구비하는 냉각 모듈; 및
    상기 냉각 모듈의 버퍼부에 저장된 액체 상태의 작동 유체를 공급받아 펌핑하는 유체 펌프;를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 버퍼부에 저장된 액체 상태의 작동 유체의 수위 레벨을 측정하는 레벨 측정부를 더 포함하는 초임계 유체 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 레벨 측정부의 측정 값에 따라 상기 버퍼부에 상기 액체 상태의 작동 유체를 외부로부터 공급하는 보조 공급부를 더 포함하는 초임계 유체 발전 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 버퍼부 내부를 유동하는 냉매 유로를 구비한 보조 냉각부를 더 포함하는 초임계 유체 발전 시스템.
  21. 기체 상태의 작동 유체를 액체 상태로 냉각시키는 단계;
    냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 저장하는 단계;
    상기 버퍼부에 저장된 액체 상태의 작동 유체를 유체 펌프로 이송시키는 단계; 및
    상기 유체 펌프에서 액체 상태의 작동 유체를 펌핑하는 단계;를 포함하는 초임계 유체 발전 시스템의 냉각 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 저장하는 단계에서,
    상기 버퍼부 내부를 유동하는 냉매 유로에 의해 상기 버퍼부에 저장된 작동 유체에 존재하는 냉각되지 않은 기체 상태의 작동 유체가 액체 상태로 냉각되는 초임계 유체 공급 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 냉각된 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 저장하는 단계에서,
    상기 버퍼부의 수위 레벨이 기준 레벨 이하인 경우 액체 상태의 작동 유체를 버퍼부에 보충하는 초임계 유체 공급 방법.
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