KR100731165B1 - 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트 - Google Patents

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KR100731165B1 KR1020060051143A KR20060051143A KR100731165B1 KR 100731165 B1 KR100731165 B1 KR 100731165B1 KR 1020060051143 A KR1020060051143 A KR 1020060051143A KR 20060051143 A KR20060051143 A KR 20060051143A KR 100731165 B1 KR100731165 B1 KR 100731165B1
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Abstract

본 발명은 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트에 관한 것으로, 증기를 생산하는 보일러와, 상기 보일러에서 생산된 증기를 활용하여 전기를 생산하는 증기터빈과, 상기 증기터빈으로부터 배출되는 과열증기의 온도를 낮추는 감온기와, 상기 감온기에서 배출되는 증기를 대부분 증기 소비공정으로 공급하는 증기헤더와, 상기 증기헤더로부터 일부 증기를 유입시켜 발전 공정용 급수를 탈기시키기 위한 탈기기와, 상기 탈기기에서 탈기된 발전 공정용 급수를 가압하여 공급하는 보일러 주급수펌프가 구비된 발전 플랜트에 있어서, 상기 증기터빈과 감온기 사이에 감온엑서지를 회수하고 상기 보일러 주급수펌프에서 유입되는 발전 공정용 급수를 가열하여 상기 보일러에 공급하기 위한 감온엑서지 회수 급수가열기를 포함하여, 상기 보일러로 유입되는 발전 공정용 급수의 온도를 감온엑서지 회수 급수가열기에 의해 상승시킬 수 있도록 증기 사이클을 재생 사이클로 변환시킴으로써 증기 및 전력의 생산을 증산하도록 구성된다. 이러한 본 발명은 보일러 주급수펌프에서 가압된 발전 공정용 급수가 감온엑서지 회수 급수가열기에 의해 가열된 후 보일러에 급수됨으로써 기존에 감온기를 통하여 낭비되었던 엑서지 손실을 전력으로 회수될 수 있고, 추가적인 연료의 투입 없이 전력을 생산하게 되는 시스템을 구현할 수 있으며, 보다 저렴한 전력의 생산이 가능하게 된다.

Description

감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트{POWER PLANT TO ENGAGE SYSTEM COLLECTING DETEMPERATURE EXERGY FOR ELECTRIC}
도 1은 종래 발전 플랜트의 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 발전 플랜트의 블록 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 보일러 110 : 증기터빈
120 : 감온기 130 : 증기헤더
140 : 탈기기 150 : 보일러 주급수펌프
160 : 급수예열기 170 : 감온엑서지 회수 급수가열기
200 : 증기 소비공정
본 발명은 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트에 관한 것으로, 특히 기존의 증기터빈과 감온기 사이에 감온엑서지 회수 급수가열기를 설치하여 보일러로 투입되는 급수를 예열함으로써 발전 플랜트로부터 배출되는 증기의 감온설비로부터 발생되는 엑서지 소비를 저감시켜 추가적인 연료 소모 없이 전력을 생산할 수 있는 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 발전 플랜트는 열과 전기를 생산하는데 증기터빈을 이용하는 경우 증기터빈으로부터 배출된 증기는 현장이나 사용처에서 필요로 하는 포화조건이 아닌 과열조건으로 배출된다. 따라서 현장에서 필요로 하는 조건을 맞추기 위하여 감온기를 설치하여 증기에 물을 살포함으로써 온도를 맞추는 방식을 채택하고 있으며, 이와 같이 감온을 통한 온도 조절 방식은 기존의 열역학 1법칙에 나타난 엔탈피를 기준으로 하는 에너지 보존 법칙에 의하면 효율이 좋은 설비로서 개선의 여지가 없고 에너지 낭비가 전혀 없는 것으로 평가되어 진다. 그러나 에너지의 질적인 부분을 평가하는 열역학 2법칙의 엔트로피를 기준으로 하는 평가에 의하면 에너지 손실이 크게 발생하여 효율이 아주 낮은 기기로 분석되어 진다.
이하, 도면에 의하여 설명하면 도 1은 종래 발전 플랜트의 블록 구성도를 보인 것으로, 이에 도시한 바와 같이 증기를 생산하는 보일러(100)와, 상기 보일러(100)에서 생산된 증기를 활용하여 전기를 생산하는 증기터빈(110)과, 상기 증기터빈(110)으로부터 배출되는 과열증기를 증기 소비공정(200)에 필요한 온도까지 낮추기 위하여 물을 살포하여 증기의 조건을 맞추는 감온기(120)와, 증기 소비공정(200) 또는 작업자가 원하는 온도까지 감온한 이후에 증기를 대부분 증기 소비공정(200)으로 공급하는 분배설비인 증기헤더(130)와, 상기 증기헤더(130)로부터 일부 증기를 유입시켜 발전 공정용 급수를 탈기시키기 위한 탈기기(140)와, 상기 탈기기(140)에서 불응축성 가스 등이 배출된 발전 공정용 급수를 발전 플랜트가 필요로 하는 압력까지 가압하여 공급하는 보일러 주급수펌프(150)와, 상기 보일러 주급 수펌프(150)에서 가압된 발전 공정용 급수를 가열하여 보일러(100)에 투입시키기 위한 급수예열기(160)를 포함하여 구성되어 있다.
이와 같은 종래의 발전 플랜트는 석탄, 석유, 가스 또는 별도의 연료를 보일러연료로 활용하고, 급기를 하여 보일러(100)에서 증기를 생산하고, 폐가스를 배기하며, 상기 보일러(100)에서 생산된 증기를 활용하여 증기터빈(110)에서 전기를 생산하며, 증기터빈(110)으로부터 배출되는 과열증기를 상기 감온기(120)에서 물을 살포하여 증기 소비공정(200)에 필요한 온도까지 증기의 조건을 맞춘다.
이와 같이 하여 증기 소비공정(200) 또는 작업자가 원하는 온도까지 감온된 이후에 증기의 공급을 위한 분배설비인 증기헤더(130)로 유입된 증기는 대부분 증기 소비공정(200)으로 보내지며, 일부는 발전 공정용 급수의 탈기를 위한 탈기기(140)로 유입된 후에 포함되어진 불응축성 가스 등이 배출되고 보일러 주급수펌프(150)를 통하여 발전 플랜트가 필요로 하는 압력까지 가압되어진다.
이때 보일러 주급수펌프(150)에서 감온기(120)에 필요한 급수가 추가되어 감온기(120)로 보내지며, 보일러 주급수펌프(150)로부터 배출된 발전 공정용 급수는 보일러(100)로 직접 유입되거나 급수예열기(160)를 거쳐 보일러(100)에 투입되며, 이와 같은 사이클이 반복된다.
이와 같이 종래의 발전 플랜트는 증기터빈(110)으로부터 배출되는 과열증기의 감온은 보일러 주급수펌프(150)의 동력을 소모시킨 후에 낮은 압력으로 감온기(120)에 투입되므로 압력 손실로 인한 보일러 주급수펌프(150)의 전력 소모 또한 발생하게 된다.
이와 같은 발전 플랜트의 증기터빈 배기증기 감온 시스템은 열역학 제1법칙에 의한 에너지 보존의 원리에 따르면 감온기 전후의 앤탈피 변화는 존재하지 않으므로 효율이 100%에 달하는 기기이다. 따라서 이제까지 이를 개선하기 위한 어떠한 노력도 이루어지지 않는 상태이다.
그러나 에너지의 질적인 평가를 수행할 수 있는 엔트로피나 엑서지 측면에서 이러한 감온은 에너지 효율이 매우 낮아서 에너지의 질적인 손실이 대량으로 발생하는 기기임을 쉽게 알 수 있다.
따라서 에너지의 질적인 측면에서의 이러한 손실을 회복시키기 위하여 엔트로피를 회수할 수 있는 장치를 설치하여 엔트로피 증가를 저하시켜야 할 것이며, 이를 통하여 엑서지를 회수하여야 한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 증기터빈(배압터빈)이 설치되어진 발전 플랜트의 증기터빈 배기 위치에 설치되어진 감온기에서 낭비되는 엑서지를 전력의 형태로 회수할 수 있는 시스템을 개발함으로써 보다 향상된 수준의 발전 플랜트를 구현하고자 함에 목적이 있다.
이와 같이 회수된 전력은 추가적인 에너지의 투입 없이 발생하는 것으로 이제까지 알려져 왔던 감온기의 효율이 100%라는 상식적인 개념을 쇄신하기 위한 것이며, 또한 회수된 엑서지를 발전소 운영에 활용하여 연료의 추가 소비 없이 발전 플랜트 전력 증산에 기여함으로써 에너지 절감과 온실 가스 저감이라는 두 가지 과제를 동시에 해결하고자 하는 것이다
위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트는 증기를 생산하는 보일러와, 상기 보일러에서 생산된 증기를 활용하여 전기를 생산하는 증기터빈과, 상기 증기터빈으로부터 배출되는 과열증기의 온도를 낮추는 감온기와, 상기 감온기에서 배출되는 증기를 대부분 증기 소비공정으로 공급하는 증기헤더와, 상기 증기헤더로부터 일부 증기를 유입시켜 발전 공정용 급수를 탈기시키기 위한 탈기기와, 상기 탈기기에서 탈기된 발전 공정용 급수를 가압하여 공급하는 보일러 주급수펌프가 구비된 발전 플랜트에 있어서, 상기 증기터빈과 감온기 사이에 감온엑서지를 회수하고 상기 보일러 주급수펌프에서 유입되는 발전 공정용 급수를 가열하여 상기 보일러에 공급하기 위한 감온엑서지 회수 급수가열기를 포함하여, 상기 보일러로 유입되는 발전 공정용 급수의 온도를 감온엑서지 회수 급수가열기에 의해 상승시킬 수 있도록 증기 사이클을 재생 사이클로 변환시킴으로써 증기 및 전력의 생산을 증산하도록 구성된다.
상기 보일러 주급수펌프에서 가압된 발전 공정용 급수를 예열한 후, 상기 감온엑서지 회수 급수가열기에 공급하기 위한 급수예열기가 더 포함되어 구성된다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 발전 플랜트의 블록 구성도를 보인 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 증기를 생산하는 보일러(100)와, 상기 보일러(100)에서 생산된 증기를 활용하여 전기를 생산하는 증기터빈(110)과, 상기 증기터빈(110)으로부터 배 출되는 과열증기를 증기 소비공정(200)에 필요한 온도까지 낮추기 위하여 물을 살포하여 증기의 조건을 맞추는 감온기(120)와, 증기 소비공정(200) 또는 작업자가 원하는 온도까지 감온한 이후에 증기를 대부분 증기 소비공정(200)으로 공급하는 분배설비인 증기헤더(130)와, 상기 증기헤더(130)로부터 일부 증기를 유입시켜 발전 공정용 급수를 탈기시키기 위한 탈기기(140)와, 상기 탈기기(140)에서 불응축성 가스 등이 배출된 발전 공정용 급수를 발전 플랜트가 필요로 하는 압력까지 가압하여 공급하는 보일러 주급수펌프(150)와, 상기 보일러 주급수펌프(150)에서 가압된 발전 공정용 급수를 가열하여 보일러(100)에 투입시키기 위한 급수예열기(160)와, 상기 증기터빈(110)과 감온기(120) 사이에 감온엑서지를 회수하고 상기 급수예열기(160)에서 유입되는 발전 공정용 급수를 가열하여 상기 보일러(100)에 공급하기 위한 감온엑서지 회수 급수가열기(170)를 포함하여, 상기 보일러(100)로 유입되는 발전 공정용 급수의 온도를 감온엑서지 회수 급수가열기(170)에 의해 상승시킬 수 있도록 증기 사이클을 재생 사이클로 변환시킴으로써 보다 많은 증기의 생산이 가능해지고, 이로부터 증기터빈(110)의 전력 생산이 기존 보다 증산되도록 구성된다.
이와 같은 종래의 발전 플랜트는 석탄, 석유, 가스 또는 별도의 연료를 보일러연료로 활용하고, 급기를 하여 보일러(100)에서 증기를 생산하고, 폐가스를 배기하며, 상기 보일러(100)에서 생산된 증기를 활용하여 증기터빈(110)에서 전기를 생산하며, 증기터빈(110)으로부터 배출되는 과열증기를 상기 감온기(120)에서 물을 살포하여 증기 소비공정(200)에 필요한 온도까지 증기의 조건을 맞춘다.
이와 같이 하여 증기 소비공정(200) 또는 작업자가 원하는 온도까지 감온된 이후에 증기의 공급을 위한 분배설비인 증기헤더(130)로 유입된 증기는 대부분 증기 소비공정(200)으로 보내지며, 일부는 발전 공정용 급수의 탈기를 위한 탈기기(140)로 유입된 후에 포함되어진 불응축성 가스 등이 배출되고 보일러 주급수펌프(150)를 통하여 발전 플랜트가 필요로 하는 압력까지 가압되어진다.
이때 보일러 주급수펌프(150)에서 감온기(120)에 필요한 급수가 추가되어 감온기(120)로 보내지며, 보일러 주급수펌프(150)로부터 배출된 발전 공정용 급수는 보일러(100)로 직접 유입되거나 급수예열기(160)와 감온엑서지 회수 급수가열기(170)를 거쳐 보일러(100)에 투입되며, 이와 같은 사이클이 반복된다.
상기 급수예열기(160)를 필요에 따라 설치하지 않을 수도 있으며, 급수예열기(160)를 설치하지 않을 때에는 상기 보일러 주급수펌프(150)에서 가압된 발전 공정용 급수가 감온엑서지 회수 급수가열기(170)에 바로 투입된다.
또한 상기 감온엑서지 회수 급수가열기(170)에서는 증기 소비공정(200)에 원하는 수준으로 정확한 제어가 어렵기 때문에 기존의 감온기(120)는 그대로 유지시킨 것이며, 이때 감온수의 양은 현저하게 줄어들게 된다.
보다 구체적으로 설명하면 산업용 또는 발전 열병합 발전 플랜트는 보일러(100), 증기터빈(배압터빈)(110)을 주기기로 하여 구성되며, 증기터빈(110)으로부터 배출되는 증기는 과열된 상태이다. 그러나 현장에서 필요로 하는 증기는 포화증기가 대부분이기 때문에 부득이하게 과열증기에 물을 분무하여 온도를 낮추는 감온기(120)를 설치하여 온도 조절을 수행하게 되는 것이며, 이와 같이 감온되어진 포화증기는 증기헤더(130)로부터 증기 소비공정(200)에 필요한 부분에 공급되고, 일부는 소내 증기로서 탈기기(140)에 공급되어 탈기용 증기로 대부분 사용되고, 나머지는 보일러 계통의 증기식 공기 예열기 및 폐수처리장 등으로 공급된다.
그러나 증기터빈(110)으로부터 배출되는 증기는 해당 압력에 비하여 항상 과열된 상태이므로 보일러 주급수펌프(150) 중간 또는 후단으로부터 추기하여 감온기(120)로 온수를 분무하여 적절할 온도까지 과열도를 낮추어 현장에 공급하게 된다.
이러한 감온은 증기 흐름의 엔탈피는 동일하게 유지하지만 엔트로피를 증가시켜 질적인 측면에서의 손실을 발생시키는 요인이 되고 있으며, 이와 같이 엔탈피는 유지되고 엔트로피가 증가되는 시스템은 기존의 에너지 보존의 법칙에 의하여 파악하기 어렵기 때문에 이제까지 손실이 아닌 절적한 시스템으로 간주되어 현장에 널리 이용되고 있는 것이었다.
본 발명에서는 이러한 엔트로피 상승을 억제하고 감온시스템의 엑서지를 회수할 수 있는 발전 플랜트를 제공하는 것으로 증기터빈(110)으로부터 배출되어진 과열증기의 감온을 수행하기 이전에 발전용 보일러(100)에 공급되는 발전 공정용 급수를 예열할 수 있는 감온엑서지 회수 급수가열기(170)를 증기터빈(110)과 감온기(120) 사이에 설치하여, 감온으로 낮아지는 온도의 대부분을 회수하여 발전 공정용 급수의 온도를 높이는데 사용한다.
이때 보일러(100)에 공급되는 발전 공정용 급수는 기존의 발전 플랜트에 급수예열기(160)가 있는 경우에는 급수예열기(160) 후단의 발전 공정용 급수를 보일러(100)로 직접 투입하지 않고, 감온엑서지 회수 급수가열기(170)를 거쳐 보일 러(100)로 유입시킴으로써 보일러(100) 급수의 온도를 높일 수 있게 된다.
그리고 현재 발전 플랜트에 급수예열기(160)가 없는 경우에는 발전 공정용 급수를 보일러 주급수펌프(150) 후단에서 직접 감온엑서지 회수 급수가열기(170)로 유입시켜 가열한 후, 예열되어진 발전 공정용 급수를 보일러(100)로 유입시키게 된다.
이와 같이 보일러(100)로 유입되는 발전 공정용 급수의 온도가 높아지게 되는 경우에는 보일러(100)로 투입되는 발전 공정용 급수의 양을 증가시킬 수 있게 됨으로써 보일러(100)에서 추가적인 증기의 생산이 가능하게 되어 보일러(100)에서 더 생산되어진 증기를 활용하여 전력을 생산하는 증기터빈(110)의 출력 또한 증가시킬 수 있게 된다.
또한 추가적인 증기 생산은 보일러(100)로 유입되는 증기의 온도가 높아지게 됨으로써 발생되는 것이므로 보일러(100) 내부에 추가적인 연료의 투입은 필요 없게 되어 연료의 추가 투입 없이 전력을 더 생산할 수 있게 되는 것이다.
따라서 이제까지 감온기(120)를 통하여 낭비되는 엑서지를 본 발명에서 제시한 감온엑서지 회수 급수가열기(170)를 설치하여 회수할 수 있게 됨으로써 발전 플랜트 계통이 에너지 절약형으로의 개선이 가능하게 된다.
이와 같은 본 발명은 각종 연료를 사용하는 모든 열병합 및 산업체 발전 플랜트 계통에 적용되어질 수 있으며, 여타의 감온시스템에도 동일하게 적용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같은 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트는 보일러 주급수펌프에서 가압된 발전 공정용 급수가 감온엑서지 회수 급수가열기에 의해 가열된 후 보일러에 급수됨으로써 기존에 감온기를 통하여 낭비되었던 엑서지 손실을 전력으로 회수될 수 있고, 추가적인 연료의 투입 없이 전력을 생산하게 되는 시스템을 구현할 수 있으며, 보다 저렴한 전력의 생산이 가능하게 된다.
이와 같이 본 발명은 기존의 발전 플랜트 계통에 비하여 운영의 위험요소가 증가되지 않는 상태에서 추가적인 연료의 투입 없이 전력의 증산이 가능해짐으로써 기존의 에너지 효율이 100%라고 간주되었던 비효율적인 시스템으로부터 에너지 회수가 가능한 시스템으로 전환된 것이며, 이와 같은 본발명에 의해 생산된 전력은 연료의 추가 투입 없이 더 생산된 것이므로 전력 생산 단가가 아주 낮아서 매우 경제적인 시스템이 되는 것이다.

Claims (2)

  1. 증기를 생산하는 보일러(100)와, 상기 보일러(100)에서 생산된 증기를 활용하여 전기를 생산하는 증기터빈(110)과, 상기 증기터빈(110)으로부터 배출되는 과열증기의 온도를 낮추는 감온기(120)와, 상기 감온기(120)에서 배출되는 증기를 대부분 증기 소비공정(200)으로 공급하는 증기헤더(130)와, 상기 증기헤더(130)로부터 일부 증기를 유입시켜 발전 공정용 급수를 탈기시키기 위한 탈기기(140)와, 상기 탈기기(140)에서 탈기된 발전 공정용 급수를 가압하여 공급하는 보일러 주급수펌프(150)가 구비된 발전 플랜트에 있어서, 상기 증기터빈(110)과 감온기(120) 사이에 감온엑서지를 회수하고 상기 보일러 주급수펌프(150)에서 유입되는 발전 공정용 급수를 가열하여 상기 보일러(100)에 공급하기 위한 감온엑서지 회수 급수가열기(170)를 포함하여, 상기 보일러(100)로 유입되는 발전 공정용 급수의 온도를 감온엑서지 회수 급수가열기(170)에 의해 상승시킬 수 있도록 증기 사이클을 재생 사이클로 변환시킴으로써 증기 및 전력의 생산을 증산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보일러 주급수펌프(150)에서 가압된 발전 공정용 급수를 예열한 후, 상기 감온엑서지 회수 급수가열기(170)에 공급하기 위한 급수예열기(160)가 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 감온엑서지 회수시스템을 채용한 발전 플랜트.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104864732A (zh) * 2015-05-15 2015-08-26 西安热工研究院有限公司 一种用于火电厂小汽轮机乏汽冷凝的蒸发式冷凝器系统

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JPH0565808A (ja) * 1991-09-04 1993-03-19 Fuji Electric Co Ltd 熱併給蒸気タービンプラント
US6041604A (en) 1998-07-14 2000-03-28 Helios Research Corporation Rankine cycle and working fluid therefor
JP2005030320A (ja) 2003-07-07 2005-02-03 Yyl:Kk 発電装置及び発電方法

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