KR100604308B1 - 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템 - Google Patents

열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 연료 개스를 공급 받아 축동력을 발생시키는 개스 터빈 엔진 및, 상기 축동력에 의해 발전을 수행하는 발전기가 구비된 개스 터빈 발전기와; 상기 발전기로부터 발생된 전력을 각 전기 부하에 공급하는 제 1 전력 공급로와; 상기 개스 터빈 발전기에서 배출되는 고온의 배기 개스로써 고온 고압의 증기를 발생시키는 폐열 회수 보일러와; 상기 폐열 회수 보일러에서 발생된 증기와 냉난방 작동 유체 사이의 열교환을 수행하는 열교환기와; 상기 열교환기에서 교환된 열로 상기 냉난방 작동 유체를 가열 순환시킴으로써 난방을 수행하는 난방 코일과; 상기 폐열 회수 보일러에서 발생된 증기를 이용하여 상기 냉난방 작동 유체를 냉각시키는 흡수식 냉동기와; 상기 흡수식 냉동기에서 발생된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 팬 냉각기;를 구비하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템이 제공된다.

Description

열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템{System for supplying electric power and air conditioning by heat amalgmation}
도 1은 본 발명에 따른 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >
1. 개스 공급관 2. 개스 압축기
3. 개스 터빈 발전기 4. 폐열 회수 보일러
5. 증기 헤더 6. 흡수식 냉동기
7. 열교환기 8. 난방 코일
9. 건물 10. 발전기 부하 조정 장치
본 발명은 열병합 발전 및, 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공동 주택이나 상가등에 열병합 발전 장치를 채용함으로써 전기 및, 난방 에너지 비용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 열병합 발전 및, 냉난방 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 공동 주택이나 대단위 주거 단지등에 대한 에너지 공급 시스템은 전력을 공급하는 시스템과 냉난방을 공급하는 시스템으로 이원화되어 있다. 예를 들면, 전력은 한국 전력과 같은 전력 회사로부터 전기 선로를 통해 공급을 받게 되며, 냉난방은 중앙 집중식 냉난방이나 또는 세대별로 구비된 보일러나 에어컨과 같은 냉난방기를 통해서 자체적으로 실시하는 개별 냉난방이 이루어진다. 다른 예에서는 지역 난방 공사를 통해서 난방이 이루어질 수 있다.
상기와 같은 전력 공급 시스템과 냉난방 시스템의 이원화 및, 냉난방 기기의 다양화등은 많은 문제점을 내포하고 있다. 우선, 전력 회사로부터 전기 선로를 통해 공급 받는 전력 공급 시스템은 전기 선로가 연장될수록 전력의 손실이 증가하므로 전력 이용의 비효율화를 초래한다. 또한 전력 회사로부터의 전력 공급이 차단되면 그 어떤 대체 전력도 존재하지 않기 때문에 비상시에는 속수 무책이 될 수 밖에 없으며, 전력에 의존하는 냉난방기의 가동, 수돗물 공급, 승강기 운행등이 전면적으로 중단되어 위기 상황을 초래하게 된다.
한편, 중앙 집중식 난방의 경우에는 간헐 운전 방식에 따라서 실내 쾌적성이 떨어질 수 밖에 없으며, 기기 용량의 대형화를 초래하게 되낟. 개별 냉난방의 경우에는 개개인이 보일러나 에어콘을 개별적으로 설치하고 유지 보수하여야 하므로 수요자의 부당을 유발시키게 된다. 지역 난방의 경우에는 대단위 택지 및, 대규모 공사에 따른 문제점이 있으므로 한정된 지역에 대해서만 공급이 가능하다는 문제점이 있다. 특히, 냉방에 있어서는 냉방 수요가 하절기에 집중되고 냉방기의 가동이 전적으로 전력에 의존하므로 하절기 전력 수요가 폭증하는 주요 원인이 되고 있는 것 이다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전력 공급 시스템과 냉난방 공급 시스템을 일원화시킬 수 있는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전력 손실이 최소화되고, 대체 전력 수단이 구비된 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효율적이고 쾌적한 냉난방이 가능한 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료 개스를 공급 받아 축동력을 발생시키는 개스 터빈 엔진 및, 상기 축동력에 의해 발전을 수행하는 발전기가 구비된 개스 터빈 발전기와; 상기 발전기로부터 발생된 전력을 각 전기 부하에 공급하는 제 1 전력 공급로와; 상기 개스 터빈 발전기에서 배출되는 고온의 배기 개스로써 고온 고압의 증기를 발생시키는 폐열 회수 보일러와; 상기 폐열 회수 보일러에서 발생된 증기와 냉난방 작동 유체 사이의 열교환을 수행하는 열교환기와; 상기 열교환기에서 교환된 열로 상기 냉난방 작동 유체를 가열 순환시킴으로써 난방을 수행하는 난방 코일과; 상기 폐열 회수 보일러에서 발생된 증기를 이용하여 상기 냉난방 작동 유체를 냉각시키는 흡수식 냉동기와; 상기 흡수식 냉동기에서 발생된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 팬 냉각기;를 구비하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 열교환기 및, 상기 흡수식 냉동기에 증기를 공급할 수 있도록 보일러를 하나 이상 더 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제 1 전력 공급로와 병렬로 연결된 것으로서 외부 전원으로부터 제 2 전력 공급로가 더 구비된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 가스 터빈 발전기의 과부하를 방지할 수 있도록 각 전기 부하에 연결된 발전기 부하 조정 장치를 더 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 난방 코일 및, 팬 냉각기를 통해서 유동하는 냉난방 작동 유체는 단일의 유체이다.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 것은 본 발명에 따른 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도면을 참조하면, 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템은 연료 개스를 공급 받아 축동력을 발생시키는 개스 터빈 엔진 및, 상기 축동력에 의해 발전을 수행하는 발전기가 구비된 개스 터빈 발전기(3)와, 상기 개스 터빈 발전기(3)에서 배출되는 고온의 배기 개스로써 고온 고압의 증기를 발생시키는 폐열 회수 보일러(4)와, 상기 폐열 회수 보일러(4)에서 발생된 증기와 열교환을 수행하는 열교환기(7)와, 상기 열교환기(7)에서 교환된 열로써 난방을 수행하는 난방 코일(8)과, 상기 폐열 회수 보일러(4)에서 발생된 증기를 이용하여 저온의 냉각수를 발생시키는 흡수식 냉동기(6)와, 상기 흡수식 냉동기(6)에서 발생된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 팬 냉각기(25)를 구비한다. 상기의 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템은 제 1 보일러(16) 및, 제 2 보일러(17)에 의한 난방과, 외부 전원(55)에 의한 전력 공급과 함께 병렬적으로 연결됨으로써 대체 가능한 에너지 공급 시스템을 구성하게 된다.
개스 공급관(1)을 통해서 공급되는 연료 개스는 개스 압축기(2)에서 압축된 후에 개스 터빈 발전기(3)에 공급된다. 개스 터빈 발전기(3)에는 상기한 바와 같이 개스 터빈 엔진 및, 발전기가 구비되어 있다. 압축된 연료 개스는 개스 터빈 엔진에서 공기와 함께 혼합기를 형성하여 연소됨으로써 축동력을 발생시킨다. 개스 터빈 엔진의 축동력에 의해 발전기가 작동함으로써 전력이 생산된다. 이렇게 발생된 자체 전력은 발전기 부하 조정 장치(10)를 통해서 제 1 전력 공급로(51)를 통해 공급된다. 도면에 도시된 바와 같이 제 1 전력 공급로(51)는 외부 전원(55)으로부터 공급되는 제 2 전력 공급로(52)와 병렬로 연결됨으로써, 어느 하나의 전원이 차단되더라도 다른 하나의 전원으로부터 전력 공급이 가능하도록 구성된다.
한편, 도면 번호 56 으로 표시된 것은 전력 부하 제어 라인이다. 이러한 전력 부하 제어 라인(56)은 각 전력 부하에 연결된다. 전력 부하는 예를 들면 세대별 전기(71), 공동 전기(72), 승강기(73), 산업용 전기(74), 가로등(74), 기타 전기(76)등이다. 상기 전력 부하들이 제 1 전력 공급로(51)를 통해서 전력을 공급 받을 경우에는 제어 라인(56)을 통해서 제어를 받게 된다. 이는 개스 터빈 발전기(3)가 공급할 수 있는 전력 용량에 한계가 있기 때문에 과부하를 방지하기 위한 것이다. 예를 들면 제 2 전력 공급로(52)를 통한 외부 전력 공급이 차단되었을때, 발전기 부하 조절 장치(10)가 상기 전력 부하들중 필수적인 것에 대해서만 전력을 공급할 수 있도록 제어 기능을 수행한다.
상기 폐열 회수 보일러(4)는 상기 개스 터빈 발전기(3)의 개스 터빈 엔진으로부터 배출되는 배기 개스를 이용하여 증기를 발생하는 장치이다. 개스 터빈 엔진은 연료 개스를 연소시킨 후에 고온 고압의 연소 개스를 외부로 배출시키는데, 이러한 고온 고압의 배출 연소 개스를 회수하여 폐열 회수 보일러(4)에서 증기 발생의 열원으로 이용하는 것이다. 폐열 회수 보일러(4)에서 발생한 증기는 제 3 증기 배관(13)을 통해서 증기 헤더(5)로 유입된다.
증기 헤더(5)에는 폐열 회수 보일러(4)로부터의 제 3 증기 배관(13) 이외에 제 1 보일러(16) 및, 제 2 보일러(17)로부터의 제 1 증기 배관(11) 및, 제 2 증기 배관(12)이 각각 연결되어 있다. 제 1 보일러(16) 및, 제 2 보일러(17)는 통상적인 보일러이며, 개스 공급관(1)을 통해서 공급되는 연료 개스를 연소시킴으로써 증기를 발생시킨다.
증기 헤더(5)를 통과한 증기는 그로부터 연장된 제 4 증기 배관(14) 및, 제 5 증기 배관(15)을 통해서 열교환기(7) 및, 흡수식 냉동기(6)로 각각 공급될 수 있다. 열교환기(7)에서는 증기와 냉난방 작동 유체 사이에 열교환이 이루어지게 되며, 증기는 열교환이 이루어진 후에 응축되어서 제 1 응축수 회수 배관(41)을 통해 회수된다. 제 1 응축수 회수 배관(41)은 도면에 도시된 바와 같이 제 1 보일러(16), 제 2 보일러(17) 및, 폐열 회수 보일러(4)에 연결되어 있다. 따라서 증기의 열교환이 이루어진 이후에 생성된 응축수는 보일러(16,17,4)들에 공급될 수 있다.
증기 헤더(5)로부터 제 5 증기 배관(15)을 통해서 흡수식 냉동기(6)로 공급되는 증기는 흡수식 냉동기(6)의 작동에 의해서 냉난방 작동 유체를 냉각시키는 작용을 수행한 이후에 응축된다. 흡수식 냉동기(6)에서 응축된 응축수는 제 2 응축수 회수 배관(42)을 통해서 제 1 보일러(16), 제 2 보일러(17) 및, 폐열 회수 보일러(4)에 각각 공급될 수 있다.
한편, 냉난방 작동 유체는 냉난방 공급 배관(29) 및, 냉난방 회수 배관(26)으로 구성되는 폐회로를 유동하게 된다. 냉난방 작동 유체가 냉방 작용을 수행할 경우에는 냉각수 작동 유체가 냉각수 공급 배관(28)과 냉각수 회수 배관(27)을 통해 유동하게 된다. 상기 폐회로에는 난방 코일(8) 및, 팬 냉각기(25)가 구비되어 있다. 냉난방 작동 유체는 열교환기(7)에서 증기의 열을 받아서 가열될 수 있으며, 흡수식 냉동기(6)에서는 냉각 작용을 받아서 냉각될 수 있다. 가열된 냉난방 작동 유체는 난방 코일(8)에서 열을 방출함으로써 난방 작용을 수행할 수 있고, 냉각된 냉난방 작동 유체는 팬 냉각기(25)에서 냉각된 공기를 방출함으로써 냉방 작용을 수행할 수 있다. 팬 냉각기(25)는 저온의 냉각수가 흐르는 열교환 부분에 팬을 이용하여 공기를 순환시킴으로써 공기를 냉각시키는 장치이다. 팬 냉가기는 예를 들면 벽체에 부착되거나 또는 천정에 매립형으로 설치될 수 있다. 상기에 설명된 바와 같이, 냉난방 작동 유체가 냉방 작용을 수행할 경우에는 냉각수 작동 유체가 냉각수 공급 배관(28)과 냉각수 회수 배관(27)을 통해 유동하게 된다.
냉난방 작동 유체에 의한 냉난방 작용은 밸브(21,22,23,24,61)를 개폐함으로써 선택적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 하절기를 제외한 계절에 냉방 작용이 불필요할 때는 밸브(21,22,61)를 폐쇄시킴으로써 냉난방 작동 유체가 흡수식 냉동기(6)로 유동하는 것을 방지할 수 있다. 유량 조절 밸브(24)는 각 냉난방 기기에 공급되는 작동 유체의 유량을 조절함으로써 냉난방 용량을 조절할 수 있으며, 열량계(57)에서 냉난방 공급량을 측정할 수 있다.
상기의 흡수식 냉동기(6)는 흡수식 냉동 사이클을 이용한 냉동 장치이다. 흡수식 냉동 사이클은 공지된 것이지만, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 아래에 간단히 설명하기로 한다.
흡수식 냉동기는 응축기로부터 유입된 냉매(물)를 저진공 상태의 증발기에서 살포할때 약 5℃의 온도에서 물이 증발하는 성질을 이용하는 냉동 사이클을 이용한 것이다. 흡수식 냉동기(6)에 구비된 냉매는 응축기(미도시)에서 응축됨으로써 응축수가 되고, 상기 응축수를 저진공 상태의 증발기(미도시)로 유입시켜서 살포하면 냉매 증기가 발생하게 되는데, 이때 주위로부터 증발 잠열을 빼앗아가게 된다. 상기 증발 잠열을 공급하는 것은 냉각수 공급 배관(28)과 냉각수 회수 배관(27)을 통해 흐르는 냉난방 작동 유체이다. 즉, 냉난방 작동 유체는 흡수식 냉동기(6)의 냉매에 열을 빼앗김으로써 냉각되며, 상기의 냉각된 냉난방 작동 유체가 팬 냉각기(25)를 통해 유동함으로써 냉방 작용이 수행될 수 있다.
증발기(미도시)에서 발생된 냉매 증기는 흡수기(미도시)로 유동하여 리튬브로마이드(LiBr)와 같은 흡수제에 흡수된다. 리튬브로마이드 용액은 냉매 증기를 흡 수함으로써 농도가 낮아지게 된다. 농도가 희석된 상기의 리튬브로마이드 용액은 다시 펌프(미도시)를 통해서 재생기(미도시)로 보내진다. 재생기에서는 열을 이용하여 리튬브로마이드 용액을 가열하게 되는데, 이때 사용되는 열이 상기 제 5 증기 배관(15)을 통해 공급되는 증기로부터 가해지는 열이다. 열이 가해지면 리튬브로마이드 용액은 냉매 증기와 리튬브로마이드 용액으로 분리된다. 상기와 같이 발생된 냉매 증기는 다시 상기의 응축기(미도시)로 보내져서 응축되고, 리튬브로마이드 용액은 농후화되어 다시 흡수기(미도시)로 보내진다. 상기에 설명된 흡수 냉동 사이클의 구성 요소인 응축기, 증발기, 흡수기 및, 재생기는 상기 흡수식 냉동기(6)에 구비되어 있으며, 자체적으로 구비된 냉매를 이용하여 냉동 사이클을 구성하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템의 작용을 개략적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템은 제 1 및, 제 2 보일러(16,17)와, 외부 전원(55)에 대하여 독립적으로 작동할 수 있다. 연료 개스 공급관(1)을 통해 공급된 연료 개스를 연소시킴으로써 개스 터빈 발전기(3)는 전력과 고온 고압의 배출 개스를 발생시킨다. 개스 터빈 발전기(3)에서 발생된 전력은 제 2 전력 공급로(52)를 통해서 각 전기 부하(71~76)에 공급될 수 있으며, 이때 전기 과부하를 방지하기 위하여 발전기 부하 조정 장치(10)가 함께 작용하게 된다.
개스 터빈 발전기에서 발생된 고온 고압의 배출 개스는 폐열 회수 보일러(4)에서 증기를 발생시킨다. 증기는 증기 헤더(5)를 통해서 열교환기(7)나 또는 흡수 식 냉동기(6)에 공급될 수 있다. 열교환기(7)에서는 냉난방 공급 배관(29)과 냉난방 회수 배관(26)을 통해 유동하는 냉난방 작동 유체와의 열교환이 이루어지며, 냉난방 작동 유체는 난방 코일(8)을 통해 유동함으로써 난방 작용이 이루어진다.
한편, 흡수식 냉동기(6)에 공급된 증기는 소정의 냉동 사이클을 통해서 냉각 작용을 수행함으로써, 냉각수 공급 배관(28)과 냉각수 회수 배관(27)을 통해서 상기의 냉난방 공급 배관(29)과 냉난방 회수 배관(26)을 통해서 흐르는 냉난방 작동 유체를 냉각시키게 된다. 냉각된 냉난방 작동 유체는 팬 냉각기(25)를 통해 유동함으로써 냉방 작용을 수행하게 된다.
상기와 같은 전력 공급 및, 냉난방 공급 작용은 다른 장치와 독립적으로 수행될 수 있다. 즉, 제 1 보일러(16)와 제 2 보일러(17)에서 발생된 증기는 상기 열교환기(7) 및, 흡수식 냉동기(6)에 각각 공급됨으로써 상기에 설명된 바와 같은 난방 및, 냉방 작용을 개스 터빈 발전기(3)의 작용에 대해 독립적으로 수행할 수 있다. 마찬가지로 외부 전원(55)에 의한 전력 공급도 개스 터빈 발전기(3)의 작용에 대해 독립적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템은 개스 터빈 발전기를 구비함으로써 비상시에도 전력 공급이 가능하며, 상기 개스 터빈 발전기에서 발생되는 폐열을 재활용함으로써 열효율을 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한 단일의 작동 유체를 이용하여 난방 및, 냉방을 수행할 수 있으며, 상대적으로 저렴한 비용으로 고효율의 냉난방 및, 전력 공급 시스템을 구축할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예지적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 연료 개스를 공급 받아 축동력을 발생시키는 개스 터빈 엔진 및, 상기 축동력에 의해 발전을 수행하는 발전기가 구비된 개스 터빈 발전기와;
    상기 발전기로부터 발생된 전력을 각 전기 부하에 공급하는 제 1 전력 공급로와;
    상기 개스 터빈 발전기에서 배출되는 고온의 배기 개스로써 고온 고압의 증기를 발생시키는 폐열 회수 보일러와;
    상기 폐열 회수 보일러에서 발생된 증기와 냉난방 작동 유체 사이의 열교환을 수행하는 열교환기와;
    상기 열교환기에서 교환된 열로 상기 냉난방 작동 유체를 가열 순환시킴으로써 난방을 수행하는 난방 코일과;
    상기 폐열 회수 보일러에서 발생된 증기를 이용하여 상기 냉난방 작동 유체를 냉각시키는 흡수식 냉동기와;
    상기 흡수식 냉동기에서 발생된 냉각수를 이용하여 냉방을 수행하는 팬 냉각 기;를 구비하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기 및, 상기 흡수식 냉동기에 증기를 공급할 수 있도록 보일러를 하나 이상 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제 1 전력 공급로와 병렬로 연결된 것으로서 외부 전원으로부터 제 2 전력 공급로가 더 구비된 것을 특징으로 하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전기의 과부하를 방지할 수 있도록 각 전기 부하에 연결된 발전기 부하 조정 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 난방 코일 및, 팬 냉각기를 통해서 유동하는 냉난방 작동 유체는 단일의 유체인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 및, 냉난방 공급 시스템.
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