KR20190057971A - 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템 에 관한 것으로, 연료를 연소해 연소열을 발생시키는 퍼니스와, 상기 연소열을 이용해 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기가 구비된 보일러와, 상기 보일러에서 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서에서 냉각된 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 작동 유체는 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환 비효율을 제거하고 기수 분리를 위한 드럼 및 응축수 펌프가 없는 고효율 간소화 발전이 가능한 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 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 있다. 그러한 노력의 하나로 한국공개특허 제2013-0036180호에 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 550에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 축소할 수 있는 장점이 있다.
한편, 석탄 화력 발전의 경우, 석탄과 같은 화석 연료를 이용해 물을 가열하여 증기를 만들고, 증기로 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 발전이다. 도 1은 종래의 석탄 화력 발전 시스템을 도시한 모식도, 도 2는 도 1의 작동 유체에 따른 온도와 비열용량(TS) 관계를 도시한 그래프 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 석탄 화력 발전은 보일러(furnace, 60)의 퍼니스(furnace, 61)에서 석탄을 연소시켜 연소열을 발생시키고, 연소열은 보일러 측면의 수냉벽(water wall) 및 수냉벽 튜브(wall tube, 62)의 물을 증기로 변환시킨다(도 2의 wall tube 구간). 증기는 수퍼 히터(과열기, 63)에서 재가열된(도 2의 superheater 구간) 후 스팀 터빈(10)으로 공급되어(도 2의 ①-② 구간) 전력을 생산하는 발전기를 작동시킨다. 스팀 터빈(10)을 거친 물은 컨덴서(복수기, 20)에서 응축되어 다시 물로 전환된 뒤(도 2의 ②-③ 구간) 컨덴서 펌프(30)에서 승압되어 급수기(feed water tank and heater, 40)로 보내진다. 급수기(40)에서 탈기되고 가열된 물은 공급수 펌프(feed water pump, 50)를 통해 보일러의 이코노마이저(절탄기, 64)로 공급되어(도 2의 ③-⑦ 구간) 가열된 후 보일러(60)의 수냉벽 튜브(62)로 공급된다.
이때 이코노마이저(64)에서 물이 일부 증기 상태로 상변화되므로 드럼(drum, 65)의 설치가 필수적이며, 드럼(65)에서 분리된 물은 이송관(66)을 따라 수냉벽 튜브(62)로 순환되어 보일러(60)의 화로벽을 냉각시키는데 사용한다.
화로벽의 냉각을 위해 물을 공급할 때 중간에 상변화가 발생하므로 물과 증기의 밀도 차이에 의한 속도차로 인한 수냉벽 튜브(62)의 파손을 방지하기 위해 보일러(60)의 아래에서 위쪽을 향해 유로가 생성된다.
이처럼 뜨거운 가스가 유동하는 부분과 차가운 물이 만나 열교환을 하므로(concurrent 열교환) 비효율적이고, 터빈과 이코노마이저 입구의 온도와 압력이 결정되면 이코노마이저와 수퍼 히터의 열용량이 고정되는 단점이 있다(도 2의 wall tube 구간을 보면 압력에 따라 포화 온도가 결정되므로). 따라서 전체 시스템의 효율을 높이기 위해서는 터빈 내부의 증기 중 일부를 추기해 급수 온도를 올려주어야 하므로 시스템 효율 향상을 위해서는 터빈 설계가 복잡해지는 문제가 있다.
또한, 증기를 물로 변환시키는 컨덴서의 설치가 필요해 응축수 펌프의 설치가 불가피하고 드럼 등의 구성품이 필수적이므로 시스템을 간소화시키기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 목적은 열교환 비효율을 제거하고 기수 분리를 위한 드럼 및 응축수 펌프가 없는 고효율 간소화 발전이 가능한 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템은, 연료를 연소해 연소열을 발생시키는 퍼니스와, 상기 연소열을 이용해 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기가 구비된 보일러와, 상기 보일러에서 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서에서 냉각된 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 작동 유체는 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 상기 보일러의 상측에 설치되어 상기 보일러로 유입되는 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터와, 상기 보일러의 배출단에 구비되어 상기 연료를 연소한 후 배출되는 연소 가스로부터 열을 흡수해 상기 보일러로 유입되는 작동 유체를 가열하는 이코노마이저를 포함한다.
상기 압축기의 후단에 구비되며, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저로 각각 분기하는 세퍼레이터를 더 포함한다.
상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 복열된 뒤 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 이코노마이저로 분기된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되어 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 보일러의 외부에 구비되며, 상기 세퍼레이터에서 분기되어 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저를 각각 거친 상기 작동 유체를 혼합해 상기 보일러로 공급하는 믹서를 더 포함한다.
상기 보일러는 상기 보일러의 내측에 길이 방향을 따라 구비되며, 내부에 상기 믹서를 거친 상기 작동 유체가 순환하여 상기 퍼니스를 냉각시키는 유체벽 튜브를 더 포함한다.
상기 유체벽 튜브는 상기 보일러의 상측에서 하측 방향으로 상기 작동 유체가 이동하는 것을 특징으로 한다.
상기 유체벽 튜브를 통과한 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터로 공급되고, 상기 수퍼 히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 이코노마이저로 분기(m1)되어 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도와, 상기 압축기를 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 분기(m2)되어 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도가 같도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 연료를 연소해 연소열을 발생시키는 퍼니스와, 상기 보일러의 상측에 설치되어 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터와, 상기 보일러의 배출단에 구비되어 상기 연료를 연소한 후 배출되는 연소 가스로부터 열을 흡수해 상기 작동 유체를 가열하는 이코노마이저와, 내부에 상기 작동 유체가 순환하여 상기 퍼니스를 냉각하는 유체벽 튜브가 구비된 보일러와, 상기 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서에서 냉각된 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 작동 유체는 상기 보일러 내에서 가열되어 상기 터빈으로 공급되며, 상기 보일러 내에서 단상(one phase)인 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.
상기 작동 유체는 상기 유체벽 튜브의 상측으로 유입되어 상기 퍼니스의 하측으로 배출되는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기의 후단에 구비되며, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저로 각각 분기하는 세퍼레이터를 더 포함한다.
상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 복열된 뒤 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 이코노마이저로 분기된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되어 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 보일러의 외부에 구비되며, 상기 세퍼레이터에서 분기되어 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저를 각각 거친 상기 작동 유체를 혼합해 상기 보일러로 공급하는 믹서를 더 포함한다.
상기 유체벽 튜브 내에서의 상기 작동 유체의 유동 방향은 상기 연소 가스의 유동 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 한다.
상기 유체벽 튜브를 통과한 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터로 공급되고, 상기 수퍼 히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 이코노마이저로 분기(m1)되어 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도와, 상기 압축기를 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 분기(m2)되어 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도가 같도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 이코노마이저에서 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후 상기 작동 유체의 온도가 상기 리큐퍼레이터에서 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도보다 크면 상기 이코노마이저로 공급되는 상기 작동 유체의 유량 비율이 높아지도록 제어되고, 상기 이코노마이저에서 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후 상기 작동 유체의 온도가 상기 리큐퍼레이터에서 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도보다 낮으면 상기 이코노마이저로 공급되는 상기 작동 유체의 유량 비율이 낮아지도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템은 단상의 작동 유체를 이용하므로 효율적인 발전 시스템 구성이 가능하고, 드럼 및 승압 펌프의 삭제가 가능해 발전 시스템을 간소화하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 석탄 화력 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 도 1의 작동 유체에 따른 온도와 비열용량(TS) 관계를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 도 1에 따른 작동 유체의 열교환 흐름을 도시한 도면,
도 5는 도 3에 따른 작동 유체의 열교환 흐름을 도시한 도면,
도 6은 도 3에 따른 작동 유체의 온도와 비열용량(TS) 관계를 도시한 그래프,
도 7은 도 3에 따른 이코노마이저 열용량 변화 별 수냉벽 튜브 입구 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1의 작동 유체에 따른 온도와 비열용량(TS) 관계를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 도 1에 따른 작동 유체의 열교환 흐름을 도시한 도면,
도 5는 도 3에 따른 작동 유체의 열교환 흐름을 도시한 도면,
도 6은 도 3에 따른 작동 유체의 온도와 비열용량(TS) 관계를 도시한 그래프,
도 7은 도 3에 따른 이코노마이저 열용량 변화 별 수냉벽 튜브 입구 온도 변화를 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다(석탄화력 발전 시스템의 일부 구성에 대해서는 도 1 및 도 2를 참조하기로 함).
본 발명의 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템은 석탄화력 발전 시스템에 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 접목한 하이브리드 발전 시스템으로, 작동 유체의 상변화 없이 발전 사이클을 구성하는 것이 특징이다.
본 발명의 하이브리드 발전 시스템은 작동 유체로 초임계 이산화탄소를 사용하며, 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이룬다.
작동 유체는 보일러(600)의 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다. 사이클 내에서 유동하는 작동 유체는 초임계 상태로 존재하거나, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태일 수도 있다.
또한, 본 발명에서 기술한 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명에서 저온 및 고온이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
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(본 발명에서 이송관은 괄호 안의 숫자로 표기하기로 한다).
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템은 석탄화력 발전 시스템의 일부 구성인 보일러(600), 보일러(600)의 내부에 설치된 퍼니스(610), 수퍼 히터(630), 이코노마이저(640)와, 연소를 위해 유입되는 공기를 예열하기 위한 공기 예열기(650)를 구비한다. 또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구성인 초임계 이산화탄소 작동 유체에 의해 구동되는 터빈(400) 및 발전기(미도시)와, 작동 유체의 냉각 및 복열을 위한 리큐퍼레이터(200)와, 작동 유체의 냉각을 위한 컨덴서(500)와, 작동 유체의 압축을 위한 압축기(100)를 구비한다.
보일러(600) 내부 하측에는 화석 연료 등을 연소하는 퍼니스(610)가 구비되고, 보일러(600)의 내부 상측에는 대류 열전달을 통해 작동 유체의 온도를 최종적으로 높여주는 수퍼 히터(630)가 구비된다. 수퍼 히터(630)를 지난 보일러(600)의 후단 쪽에는 이코노마이저(640)가 구비되어 연소 후 배가스의 열을 흡수해 연소 효율을 높여주는 역할을 한다. 배가스가 배출되는 보일러(600)의 배출단에는 에어 프리히터()가 구비되어 배가스의 열을 흡수해 퍼니스(610)로 공급되는 공기를 예열하는 역할을 한다. 보일러(600)의 상부에서 하부 퍼니스(610)를 향해 기존의 수냉벽 대신 초임계 이산화탄소 작동 유체가 유동하는 유체벽 튜브(620)가 구비된다.
연료가 연소된 후 연소 가스는 퍼니스(610)에서 수퍼 히터(630) 및 이코노마이저(640)를 거친 후 보일러(600) 외부로 배출되며, 작동 유체의 흐름은 이코노마이저(640), 퍼니스(610) 및 유체벽 튜브(620), 수퍼 히터(630)의 순으로 이루어진다(이에 관해서는 후술하기로 함).
보일러(600)의 수퍼 히터(630)를 거친 고온 고압의 작동 유체는 터빈(400)으로 공급되어(①) 터빈(400)을 구동시킨다. 터빈(400)에는 발전기가 연결될 수 있으며, 터빈(400)의 회전 구동에 의해 발전기가 작동해 전력을 생산한다. 터빈(400)은 복수 개로 구비될 수 있으며, 전력의 생산이나 압축기의 구동용 등의 용도로 각각 사용될 수 있다. 터빈(400)으로 공급된 작동 유체는 팽창하면서 온도와 압력이 감소하여 터빈(400)의 입력단에 비해 상대적으로 낮은 온도와 압력을 가진 상태로 터빈(400)의 출력단으로 배출된다.
터빈(400)을 거친 작동 유체는 리큐퍼레이터(200)로 보내지며(2), 리큐퍼레이터(200)에서 열교환해 1차로 냉각된 뒤 컨덴서(500)로 보내진다(3).
리큐퍼레이터(200)는 후술할 압축기(100)의 후단에서 분기된 작동 유체와 터빈(400)을 거친 작동 유체를 열교환하며, 터빈(400)을 거친 작동 유체는 냉각되고 압축기(100)의 후단에서 분기된 작동 유체는 가열된다.
컨덴서(500)는 리큐퍼레이터(200)에서 1차로 냉각된 작동 유체를 다시 한번 냉각시키는 역할을 하며, 외부 공기와의 열교환을 통해 작동 유체를 냉각하는 공냉식 쿨러일 수 있다. 컨덴서(500)를 거친 작동 유체는 압축기(100)로 공급된다(4).
압축기(100)는 컨덴서(500)에서 냉각된 작동 유체를 압축해 고압 상태로 만들며, 압축기(100)를 거친 작동 유체는(5, 유량 m) 세퍼레이터(S)에서 분기되어 리큐퍼레이터(200)와(6, 유량 m2) 이코노마이저(6, 유량 m1) 쪽으로 각각 공급된다(작동 유체의 유량 분기 제어에 대해서는 후술하기로 함).
세퍼레이터(S)에서 리큐퍼레이터(200) 쪽으로 분기된 작동 유체는(6) 리큐퍼레이터(200)에서 터빈(400)을 거친 작동 유체와 열교환한다. 터빈(400)을 거친 작동 유체는 세퍼레이터(S)에서 리큐퍼레이터(200) 쪽으로 분기된 작동 유체보다 상대적으로 고온이므로 열을 빼앗겨 냉각된다. 세퍼레이터(S)에서 리큐퍼레이터(200) 쪽으로 분기된 작동 유체는 터빈(400)을 거친 작동 유체로부터 열을 받아 복열되어 이코노마이저(640) 후단의 믹서(M)로 공급된다(8).
세퍼레이터(S)에서 이코노마이저(640) 쪽으로 분기된 작동 유체는(7) 배기되는 배가스로부터 열을 흡수해 작동 유체를 재가열한다. 재가열된 작동 유체는 믹서(M)로 보내진다(9).
믹서(M)는 리큐퍼레이터(200) 및 이코노마이저(640)로부터 공급된 작동 유체를 혼합해 유체벽 튜브(620)로 공급한다.
유체벽 튜브(620)는 내부에 작동 유체가 유동하는 튜브 집합체로, 보일러(600)의 상부에서 하부 퍼니스(610)를 향하는 방향으로 작동 유체가 유동하도록 설치되어 있다. 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소이므로 유체벽 튜브(620) 내에서 상변화가 이루어지지 않아 유체벽 튜브(620)의 내부에서 상(phase) 분리가 일어나지 않는다. 따라서 열교환 효율을 높일 수 있도록 유체벽 튜브(620)의 위에서 아래로의 유체 흐름이 가능하다(count current flow). 작동 유체는 유체벽 튜브(620)를 따라 유동하면서 퍼니스(610)에서 연료의 연소로 발생하는 열을 흡수해 가열되어 수퍼 히터(630)로 공급된다(11).
수퍼 히터(630)에서 최종 가열된 작동 유체는 초고온 상태가 되어 터빈(400)으로 순환된다(1).
전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 작동 유체의 유량 제어에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다.
세퍼레이터(S)에서 분기되는 비율은 이코노마이저(640)로 분기되는 작동 유체(유량 m1)가 연소 가스의 열을 흡수한 후의 온도(9에서의 온도)와, 압축기(100)를 거쳐 리큐퍼레이터(200)로 분기된 작동 유체(유량 m2)가 터빈(100)을 거친 작동 유체의 열을 흡수한 후의 온도(8에서의 온도)가 같도록 조절된다. 즉, 후술할 믹서(M)의 유입 온도가 같도록 제어된다. 이때, 리큐퍼레이터(200)의 고온 유체측 출구(3)와 저온 유체 측 입구(6)의 온도차를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
따라서, 이코노마이저(640)의 통과 후 온도(9에서의 온도)가 리큐퍼레이터(200)를 거친 후 온도(8에서의 온도)보다 크면 이코노마이저(640)로 공급되는 작동 유체의 유량(m1) 비율이 높아지도록 제어된다. 반대로 이코노마이저(640)의 통과 후 온도(9에서의 온도)가 리큐퍼레이터(200)를 거친 후 온도(8에서의 온도)보다 낮으면 이코노마이저(640)로 공급되는 작동 유체의 유량(m1) 비율이 낮아지도록 제어된다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템과 종래의 스팀 발전 시스템의 보일러 내 열교환 흐름을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 도 1에 따른 작동 유체의 열교환 흐름을 도시한 도면, 도 5는 도 3에 따른 작동 유체의 열교환 흐름을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 화력 발전 시스템에서 보일러(600)의 연소열을 포함한 연소 가스는 보일러(600)의 하부 퍼니스(610)에서 보일러(600)의 상부 쪽으로 이동한다(Hot Gas 흐름 참조). 이때, 드럼(65)에서 분리된 물은 유로(9)를 따라 보일러(600)의 하부로 들어가고, 수냉벽을 따라 보일러(600)의 하부에서 상부로 순환하게 된다(10). 작동 유체인 물/스팀의 유동 방향이 보일러(600)의 하부에서 상부를 향하는 방향이므로 연소가스의 순환 방향과 동일한 방향을 따라 흐르며 열교환이 일어나게 된다(Concurrent flow).
연소 가스는 보일러(600) 하부 쪽의 온도가 상대적으로 높고 상부로 갈수록 온도가 낮아지며, 물/스팀은 보일러(600) 하부 쪽의 온도가 상대적으로 낮고 상부로 갈수록 온도가 높아진다(도 4의 우측 그래프). 그런데 연소 가스와 물/스팀의 유동 방향이 동일하므로 고온의 연소 가스와 저온의 물/스팀이 열교환을 하게 되고, 상대적으로 저온인 연소 가스와 고온의 물/스팀이 열교환을 하게 된다. 따라서 보일러(600) 하부의 연소 가스 온도가 최고 온(100%)라고 가정하면 보일러(600) 상부의 연소 가스 온도는 대략 50%의 온도로 볼 수 있다. 보일러(600) 하부로 공급되는 물/스팀의 온도를 최저 온도(0%)라고 가정하면 보일러 상부의 물/스팀 온도는 대략 50%의 온도로 볼 수 있다. 이에 따라 보일러(600)의 하부와 상부의 연소 가스 및 물/스팀의 열교환 변화도(exchange gradient)는 대략 50%가 된다.
이에 비해 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 발전 시스템에서 보일러(600)의 연소열을 포함한 연소 가스는 보일러(600)의 하부 퍼니스(610)에서 보일러(600)의 상부 쪽으로 이동한다(Hot Gas 흐름 참조). 이때, 믹서(M)를 통해 공급되는 작동 유체는 보일러(600)의 상부로 유입되고, 유체벽()을 따라 보일러(600)의 상부에서 하부로 순환하게 된다. 작동 유체인 초임계 이산화탄소의 유동 방향이 보일러(600)의 상부에서 하부를 향하는 방향이므로 연소가스의 순환 방향과 반대 방향을 따라 흐르며 열교환이 일어나게 된다(Counter current flow).
연소 가스는 보일러(600) 하부 쪽의 온도가 상대적으로 높고 상부로 갈수록 온도가 낮아지며, 작동 유체는 보일러(600) 상부 쪽의 온도가 상대적으로 낮고 하부로 갈수록 온도가 높아진다(도 4의 우측 그래프). 그런데 연소 가스와 물/스팀의 유동 방향이 반대 방향이므로 고온의 연소 가스와 고온의 작동 유체가 열교환을 하게 되고, 상대적으로 저온인 연소 가스와 저온의 작동 유체가 열교환을 하게 된다. 보일러(600) 하부의 연소 가스 온도가 최고 온(100%)라고 가정하면 보일러(600) 상부의 연소 가스 온도는 대략 0%의 온도로 볼 수 있다. 보일러(600) 상부로 공급되는 작동 유체의 온도를 최저 온도(0%)라고 가정하면 보일러 하부의 작동 유체 온도는 대략 100%의 온도로 볼 수 있다. 이에 따라 보일러(600)의 하부와 상부의 연소 가스 및 작동 유체의 열교환 변화도(exchange gradient)는 대략 100%가 된다.
도 6은 도 3에 따른 작동 유체의 온도와 비열용량(TS) 관계를 도시한 그래프, 도 7은 도 3에 따른 이코노마이저 열용량 변화 별 수냉벽 튜브 입구 온도 변화를 도시한 그래프이다(스팀 발전에 관한 설명은 도 2를 참조하기로 함).
작동 유체로 물/스팀을 이용하는 스팀 발전은 퍼니스의 냉각을 위해 수냉벽 튜브(62)에 물/스팀이 순환하게 되는데, 순환하는 물/스팀의 온도는 드럼(65)의 압력에 따라 포화 온도가 결정된다(도 2의 wall tube 구간). 따라서 이코노마이저(64) 입구(도 2의 3번 지점)의 온도와 수퍼 히터(63) 출구(도 2의 1번 지점)의 온도가 제한되면, 각 열교환기(이코노마이저, 수퍼 히터 등)의 열용량이 결정된다.
이에 비해 본 발명의 하이브리드 발전 시스템은 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하므로 발전 시 도 6에 도시된 바와 같이, 작동 유체는 포화 온도에 제약이 없다(도 6의 wall tube 구간의 온도가 계속 상승함). 따라서 이코노마이저(640) 입구(도 6의 7번 지점)의 온도가 결정되더라도 이코노마이저(640)의 열용량을 조절해 유체벽 튜브(620)의 입구(도 6의 9. 10번 지점) 온도를 조절할 수 있다. 유체벽 튜브(620)의 입/출구 온도는 튜브 재질에 의해서만 제한되며, 도 7에 도시된 바와 같이, 수퍼 히터(630)의 출구(도 6의 1번 지점) 온도가 제한되면 이코노마이저(640)의 열용량과 수퍼 히터(630)의 열용량은 트레이드 오프(Trade-off) 관계를 갖는다. 따라서 각 열교환기(이코노마이저, 수퍼 히터 등)는 열용량 배분에 따라 제어될 수 있어 고효율 발전 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 작동 유체의 상변화가 없으므로 기수분리를 위한 드럼의 설치가 불필요하며, 터빈에서 팽창된 유체의 압력이 충분히 높아 쿨러(컨덴서) 후단에 별도의 승압 펌프가 필요하지 않다. 이에 발전 시스템을 간소화하여 구성할 수 있는 장점이 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
100: 압축기
200: 리큐퍼레이터
400: 터빈 500: 컨덴서
600: 보일러 610: 퍼니스
620: 유체벽 튜브 630: 수퍼 히터
640: 이코노마이저 650: 공기 예열기
S: 세퍼레이터 M: 믹서
400: 터빈 500: 컨덴서
600: 보일러 610: 퍼니스
620: 유체벽 튜브 630: 수퍼 히터
640: 이코노마이저 650: 공기 예열기
S: 세퍼레이터 M: 믹서
Claims (20)
- 연료를 연소해 연소열을 발생시키는 퍼니스와, 상기 연소열을 이용해 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기가 구비된 보일러와,
상기 보일러에서 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과,
상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터와,
상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와,
상기 컨덴서에서 냉각된 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며,
상기 작동 유체는 초임계 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 보일러의 상측에 설치되어 상기 보일러로 유입되는 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터와, 상기 보일러의 배출단에 구비되어 상기 연료를 연소한 후 배출되는 연소 가스로부터 열을 흡수해 상기 보일러로 유입되는 작동 유체를 가열하는 이코노마이저를 포함하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 압축기의 후단에 구비되며, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저로 각각 분기하는 세퍼레이터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 복열된 뒤 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 이코노마이저로 분기된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되어 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 보일러의 외부에 구비되며, 상기 세퍼레이터에서 분기되어 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저를 각각 거친 상기 작동 유체를 혼합해 상기 보일러로 공급하는 믹서를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 보일러는 상기 보일러의 내측에 길이 방향을 따라 구비되며, 내부에 상기 믹서를 거친 상기 작동 유체가 순환하여 상기 퍼니스를 냉각시키는 유체벽 튜브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 유체벽 튜브는 상기 보일러의 상측에서 하측 방향으로 상기 작동 유체가 이동하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 유체벽 튜브를 통과한 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터로 공급되고, 상기 수퍼 히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 이코노마이저로 분기(m1)되어 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도와, 상기 압축기를 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 분기(m2)되어 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도가 같도록 조절되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 연료를 연소해 연소열을 발생시키는 퍼니스와, 상기 보일러의 상측에 설치되어 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터와, 상기 보일러의 배출단에 구비되어 상기 연료를 연소한 후 배출되는 연소 가스로부터 열을 흡수해 상기 작동 유체를 가열하는 이코노마이저와, 내부에 상기 작동 유체가 순환하여 상기 퍼니스를 냉각하는 유체벽 튜브가 구비된 보일러와,
상기 작동 유체에 의해 구동되는 터빈과,
상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터와,
상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와,
상기 컨덴서에서 냉각된 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며,
상기 작동 유체는 상기 보일러 내에서 가열되어 상기 터빈으로 공급되며, 상기 보일러 내에서 단상(one phase)인 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 작동 유체는 상기 유체벽 튜브의 상측으로 유입되어 상기 퍼니스의 하측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 압축기의 후단에 구비되며, 상기 압축기를 거친 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저로 각각 분기하는 세퍼레이터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환해 복열된 뒤 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 이코노마이저로 분기된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되어 상기 보일러로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 보일러의 외부에 구비되며, 상기 세퍼레이터에서 분기되어 리큐퍼레이터 및 상기 이코노마이저를 각각 거친 상기 작동 유체를 혼합해 상기 보일러로 공급하는 믹서를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 유체벽 튜브 내에서의 상기 작동 유체의 유동 방향은 상기 연소 가스의 유동 방향과 반대 방향인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 유체벽 튜브를 통과한 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터로 공급되고, 상기 수퍼 히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 이코노마이저로 분기(m1)되어 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도와, 상기 압축기를 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 분기(m2)되어 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체의 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도가 같도록 조절되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템. - 제19항에 있어서,
상기 이코노마이저에서 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후 상기 작동 유체의 온도가 상기 리큐퍼레이터에서 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도보다 크면 상기 이코노마이저로 공급되는 상기 작동 유체의 유량 비율이 높아지도록 제어되고, 상기 이코노마이저에서 상기 연소 가스의 열을 흡수한 후 상기 작동 유체의 온도가 상기 리큐퍼레이터에서 열을 흡수한 후의 상기 작동 유체의 온도보다 낮으면 상기 이코노마이저로 공급되는 상기 작동 유체의 유량 비율이 낮아지도록 제어되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 작동 유체를 이용한 하이브리드 발전 시스템.
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