KR100976226B1 - 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

이 발명은, 배가스 흡수식 냉온수기를 채택하여, 이용 가능 폐열량, 대기 온도 그리고 냉난방 부하를 고려하여 폐열을 실내의 냉방, 난방 그리고 마이크로터빈 입구 공기 냉각에 적절하게 분배함으로써 효율과 이용성을 극대화시켜서 에너지 절약을 유도할 수 있으며, 마이크로터빈 폐열 이용에 있어 분산형열병합 시스템에 보다 적합하고 이용성이 높도록 하며,마이크로터빈 분산형 열병합 냉난방 시스템의 운영자가 폐열 에너지량, 대기 온도 조건 및 냉난방 수요에 따라 최적화된 운전 모드를 구현할 수 있도록 하는, 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템에 관한 것으로서,

터빈으로 발전기를 구동하여 전력을 생성하는 마이크로터빈과, 상기 마이크로터빈의 폐열을 이용하여 냉수 또는 온수를 생산하는 배가스 흡수식 냉온수기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 입력되는 냉수와 외부 공기를 열교환시켜서 냉각된 공기를 마이크로터빈으로 보내주는 입구공기 냉각 열교환기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 상기 입구공기 냉각 열교환기로 전송되는 냉수의 유량 제어를 위한 제1 자동 제어 밸브와, 냉난방 수요가 발생되는 건물의 실내에 설치되어 있으며 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 입력되는 냉수 또는 온수를 이용하여 실내의 공기를 냉각 또는 가열하는 열교환기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 상기 건물내 열교환기로 전송되는 냉수 또는 온수의 유량 제어를 위한 제2 자동 제어 밸브와, 상기 입구공기 냉각 열교환기와 건물내 열교환기에 연결되어 있는 냉 온수 라인을 통해서 입력되는 온도가 높아진 냉수의 온도를 떨어뜨려서 배가스 흡수식 냉온수기로 보내지도록 하는 냉각탑과, 상기 냉온수 라인과 냉각탑의 사이에 설치되어 있는 냉각탑 냉수입구 밸브와, 상기 냉온수 라인을 통해서 입력되는 온도가 낮아진 온수가 냉각탑을 거치지 않고 곧바로 배가스 흡수식 냉온수기로 보내지도록 하는 냉각탑 바이패스 밸브를 포함하여 이루어진다.

열교환기, 냉각탑, 마이크로터빈, 자동 제어밸브

Description

마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템{Microturbine CHP heating and cooling system including microturbine inlet air cooling equipment}

이 발명은 발전 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 배가스 흡수식 냉온수기를 채택하여, 이용 가능 폐열량, 대기 온도 그리고 냉난방 부하를 고려하여 폐열을 실내의 냉방, 난방 그리고 마이크로터빈 입구 공기 냉각에 적절하게 분배함으로써 효율과 이용성을 극대화시켜서 에너지 절약을 유도할 수 있으며, 마이크로터빈 폐열 이용에 있어 분산형열병합 시스템에 보다 적합하고 이용성이 높도록 하며,마이크로터빈 분산형 열병합 냉난방 시스템의 운영자가 폐열 에너지량, 대기 온도 조건 및 냉난방 수요에 따라 최적화된 운전 모드를 구현할 수 있도록 하는, 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템에 관한 것이다.

대형발전소 중심의 전력수급 체계는 최근 수요 관리와 제어를 고려한 체계로 변화하려 하고 있으며, 더 나아가 다양한 에너지원의 효율적 활용이 가능한 분산형 발전 시스템의 개발과 도입이 진행되고 있다. 이와 같은 분산형 발전 시스템중에서 최근에 각광받고 있는 마이크로터빈은, 다양한 연료의 이용이 가능하고, 디젤엔진과 같은 다른 발전원에 비해서 질소산화물(NOx)의 발생량이 매우 적어 친환경적이 고, LNG 등의 청정연료의 적용이 가능하고, 열병합발전 운용시 상대적으로 높은 열효율을 실현할 수 있고, 또한 단위면적당 출력이 우수하다는 장점을 가지고 있다.

미국과 유럽에서는 이와 같은 마이크로터빈이 널리 보급되어 사용되고 있다. 이에 반하여 국내에서는 아직 마이크로터빈의 보급이 저조한 편에 속하나, 최근에는 대단위 아파트 단지를 중심으로 조금씩 그 보급이 늘어나고 있는 추세이다.

국내에서 마이크로터빈을 보급하는데 있어서 가장 큰 걸림돌은 계속해서 증가하는 도시가스의 가격으로 인한 생산성 악화와, 정부의 전기요금 규제로 인한 수익성 악화이다. 따라서, 도시가스 가격과 전기요금에 의한 영향을 상쇄시킬 수 있을 정도의, 마이크로터빈 이용 시스템의 효율을 높이는 것은 마이크로터빈의 보급에 있어서 매우 중요한 요구사항이라고 할 수 있다.

이와 같은 요구에 충족하기 위하여, 국내에 보급된 마이크로터빈은 폐열의 대부분을 온수 공급을 위한 보조 에너지원으로서 사용할 수 있는 구조를 가지고 있다.

그러나, 이와 같이 폐열을 온수 공급의 보조 에너지원으로서 사용하는 기술은, 온수 수요가 많은 겨울철을 제외하고 나면 그 이용효율이 떨어지므로, 보다 이용 부가가치와 이용성이 높은 방법을 찾는 것이 필요하다.

참고로, 터빈의 페열을 이용하는 기술의 일예로서, 가스터빈의 폐열을 이용하여 발생된 증기를 흡수식 냉동기의 열원으로 입력하여 가스터빈 흡기 공기 온도를 낮추는 기술이 대한민국 특허등록번호 10-0316229(공고일자 2002년 2월 28일)의 "가스터빈 흡기냉각장치"에서 개시된 바 있다.

그러나 상기 특허등록번호 10-0316229에서 개시되어 있는 폐열 이용기술은, 증기를 열원으로 사용하는 이중효율흡수식 냉동기를 채택함에 따라, 가스터빈 배가스를 열교환하여 생산한 증기를 흡수식냉동기의 열원으로서 사용하는 구조로 이루어지므로, 열교환 손실이 높고, 대기온도가 높은 여름철을 제외하고는 효용성이 크게 떨어지고, 결정적으로 분산형 열병합 설비에 적합하다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배가스 흡수식 냉온수기를 채택하여, 이용 가능 폐열량, 대기 온도 그리고 냉난방 부하를 고려하여 폐열을 실내의 냉방, 난방 그리고 마이크로터빈 입구 공기 냉각에 적절하게 분배함으로써 효율과 이용성을 극대화시켜서 에너지 절약을 유도할 수 있는, 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 마이크로터빈 폐열 이용에 있어 분산형열병합 시스템에 보다 적합하고 이용성이 높도록 하는, 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 마이크로터빈 분산형 열병합 냉난방 시스템의 운영자가 폐열 에너지량, 대기 온도 조건 및 냉난방 수요에 따라 최적화된 운전 모드를 구현할 수 있도록 하는, 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 터빈으로 발전기를 구동하여 전력을 생성하는 마이크로터빈과, 상기 마이크로터빈의 폐열을 이용하여 냉수 또는 온수를 생산하는 배가스 흡수식 냉온수기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 입력되는 냉수와 외부 공기를 열교환시켜서 냉각된 공기를 마이크로터빈으로 보내주는 입구공기 냉각 열교환기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 상기 입구공기 냉각 열교환기로 전송되는 냉수의 유량 제어를 위한 제1 자동 제어 밸브와, 냉난방 수요가 발생되는 건물의 실내에 설치되어 있으며 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 입력되는 냉수 또는 온수를 이용하여 실내의 공기를 냉각 또는 가열하는 열교환기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 상기 건물내 열교환기로 전송되는 냉수 또는 온수의 유량 제어를 위한 제2 자동 제어 밸브와, 상기 입구공기 냉각 열교환기와 건물내 열교환기에 연결되어 있는 냉온수 라인을 통해서 입력되는 온도가 높아진 냉수의 온도를 떨어뜨려서 배가스 흡수식 냉온수기로 보내지도록 하는 냉각탑과, 상기 냉온수 라인과 냉각탑의 사이에 설치되어 있는 냉각탑 냉수입구 밸브와, 상기 냉온수 라인을 통해서 입력되는 온도가 낮아진 온수가 냉각탑을 거치지 않고 곧바로 배가스 흡수식 냉온수기로 보내지도록 하는 냉각탑 바이패스 밸브를 포함하여 이루어진다.

이 발명의 구성은, 상기한 마이크로터빈은 내부에 공기 압축기를 포함하여 이루어지면 바람직하다.

이 발명의 구성은, 상기한 열교환기에는 송풍기가 설치되어 있는 구조로 이루어지면 바람직하다.

이 발명의 구성은, 상기한 제1 자동밸브, 제2 자동밸브, 냉각탑 냉수입구 밸브, 냉각탑 바이패스 밸브는 컴퓨터 제어부에 의해 제어되는 전자식 밸브로 이루어지면 바람직하다.

이 발명은, 배가스 흡수식 냉온수기를 채택하여, 이용 가능 폐열량, 대기 온도 그리고 냉난방 부하를 고려하여 폐열을 실내의 냉방, 난방 그리고 마이크로터빈 입구 공기 냉각에 적절하게 분배함으로써 효율과 이용성을 극대화시켜서 에너지 절약을 유도할 수 있으며, 마이크로터빈 폐열 이용에 있어 분산형열병합 시스템에 보다 적합하고 이용성이 높도록 하며,마이크로터빈 분산형 열병합 냉난방 시스템의 운영자가 폐열 에너지량, 대기 온도 조건 및 냉난방 수요에 따라 최적화된 운전 모드를 구현할 수 있도록 하는, 효과를 갖는다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템의 구성도이다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템의 구성은, 터빈으로 발전기를 구동하여 전력을 생성하는 마이크로터빈(1)과, 상기 마이크로터빈(1)의 폐열을 이용하여 냉수 또는 온수를 생산하는 배가스 흡수식 냉온수기(2)와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기(2)에 연결되어 있는 배관(14)과, 상기 배가스 흡수식 냉온수기(2)로부터 배관(14)을 거쳐서 입력되는 냉수와 외부 공기(10)를 열교환시켜서 냉각된 공기를 마이크로터빈(1)으로 보내주는 입구공기 냉각 열교환기(3)와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기(2)로부터 배관(14)을 거쳐서 상기 입구공기 냉각 열교환기(3)로 전송되는 냉수의 유량 제어를 위한 제1 자동 제어 밸브(8)와, 냉난방 수요가 발생되는 건물(5)의 실내에 설치되어 있으며 상기 배가스 흡수식 냉온수기(2)로부터 배관(14)을 거쳐서 입력되는 냉수 또는 온수를 이용하여 실내의 공기를 냉각 또는 가열하는 열교환기(6)와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기(2)로부터 배관(14)을 거쳐서 상기 건물(5)내 열교환기(6)로 전송되는 냉수 또는 온수의 유량 제어를 위한 제2 자동 제어 밸브(9)와, 상기 입구공기 냉각 열교환기(3)와 건물(5)내 열교환기(6)에 연결되어 있는 냉온수 라인(17)과, 상기 냉온수 라인(17)을 통해서 입력되는 온도가 높아진 냉수의 온도를 떨어뜨려서 배가스 흡수식 냉온수기(2)로 보내지도록 하는 냉각탑(4)과, 상기 냉온 수 라인(17)과 냉각탑(4)의 사이에 설치되어 있는 냉각탑 냉수입구 밸브(18)와, 상기 냉온수 라인(17)이 냉각탑(4)을 거치지 않고 곧바로 배가스 흡수식 냉온수기(2)로 보내지도록 하는 냉각탑 바이패스 밸브(19)와, 상기한 냉각탑(4) 및 냉각탑 바이패스 밸브(19)를 거친 냉온수가 상기 배가스 흡수식 냉온수기(2)로 피드백되도록 하는 재순환라인(20)을 포함하여 이루어진다.

상기한 마이크로터빈(1)은 내부에 공기 압축기(7)를 포함하는 구조로 이루어진다.

상기한 배가스 흡수식 냉온수기(2)는 계절 또는 냉난방 부하에 따라 사용자에 의해 냉수발생모드 또는 온수발생모드로 설정되는 구조로 이루어진다.

상기한 열교환기(6)에는 송풍기(13)가 설치되어 있는 구조로 이루어진다.

상기한 냉각탑(4)에도 송풍기가 설치되어 있는 구조로 이루어진다.

상기한 제1 자동밸브(8),제2 자동밸브(9), 냉각탑 냉수입구 밸브(18), 냉각탑 바이패스 밸브(19)는 컴퓨터 제어부(도시되지 않음)에 의해 제어되는 전자식 밸브로 이루어진다.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템의 작용은 다음과 같다.

터빈으로 발전기를 구동하여 전력을 생성하는 마이크로터빈(1)으로부터 발생되는 배기가스는 일반적으로 마이크로터빈(1)에 내장되어 있는 리큐페레이터에서 열교환되어 입구 공기의 온도를 높인다. 그 이후에 배기가스관(12)을 통하여 마이크로터빈(1)의 외부로 배출되는 약 260-300℃의 배기가스는 배가스 흡수식 냉온수 기(2)로 입력되고, 배가스 흡수식 냉온수기(2)는 마이크로터빈(1)으로부터 입력되는 배기가스를 열원으로 이용하여 냉수발생모드에서는 약 12℃의 물을 약 5℃로 냉각시킴으로써 냉수를 발생시키고, 온수발생모드에서는 약 25℃의 물을 약 70℃의 물로 높여줌으로써 온수를 발생시킨다.

계절 또는 냉난방 부하에 따라 사용자가 배가스 흡수식 냉온수기(2)를 냉수발생모드 또는 온수발생모드로 설정하게 되면, 설정된 모드에 따라 발생된 냉수 또는 온수는 배관(14)을 따라 이동하게 되며, 부하에 따라 유량이 조절가능한 제1 자동밸브(8) 및 제2 자동 밸브(9)를 거쳐서 입구공기 냉각 열교환기(3) 또는 건물(5)로 각각 보내진다. 입구공기 냉각 열교환기(3)와 연결되는 제1 자동 밸브(8)의 개도는 건물 냉난방 부하가 낮은 시기에는 높아지고 냉난방 부하가 전혀 없는 경우에는 완전히 열린 상태를 유지한다. 이와 반대로, 건물(5)의 열교환기(6)와 연결되는 제2 자동 밸브(9)의 개도는 겨울철에 난방용으로 사용되거나 시스템 운전자의 판단에 의해 입구 공기 냉각을 하지 않는 경우에는 완전히 닫힌 상태를 유지한다.

배가스 흡수식 냉온수기(2)로부터 발생되어 배관(14)과 제1 자동 밸브(8)를 거쳐서 냉각수 라인(15)으로 유입되는 냉수는 입구공기 냉각 열교환기(3)에서 외부 공기(10)와 열교환됨으로써 외부 공기(10)보다 온도가 낮은 마이크로터빈 입구공기(11)가 마이크로터빈(1)내의 공기 압축기(7)로 보내지도록 한다. 마이크로터빈(1)의 효율은 입구 공기 온도와 상관관계를 가지고 있다. 입구 공기 온도가 낮을수록 효율이 높아지는데 대표적인 마이크로터빈 생산업체인 미국 캡스톤(Capstone)사의 C30 기종 성능 자료에 의하면 입구 공기 온도가 여름철 한낮 온도인 35℃에서 약 15.6℃로 낮아질 경우 효율이 24.2%에서 30%로 5.8%가 증가하는데, 증가율은 무려 24%에 이른다. 따라서 마이크로터빈 열병합발전에 있어서 폐열에 포함된 에너지를 입구 공기 온도 냉각에 사용하는 것은 전체 시스템 효율 향상에 크게 도움이 된다.

또한, 배가스 흡수식 냉온수기(2)로부터 발생되어 배관(14)으로부터 제2 자동 밸브(9)를 거친 냉방 부하용 냉수 또는 온수는 건물 냉난방용 냉온수 라인(16)을 따라서 건물(5)내의 공기를 냉각 또는 가열을 하는 열교환기(6)로 보내짐으로써 건물(5)의 내부의 공기가 이 열교환기(6)에서 냉각되거나 가열되도록 한다. 따라서 건물(5)의 내부가 여름철에는 시원해지도록 하도록 하고 겨울철에는 따뜻해지도록 한다. 상기한 열교환기(6)에는 송풍기(13)가 달려 있어서 건물(5) 내부의 냉각 또는 가열 효율을 높여준다.

한편, 입구공기 냉각 열교환기(3)와 건물(5)내 열교환기(6)에서의 열교환 과정에 의해서 온도가 높아진 냉수는 냉온수 라인(17)과 냉각탑 냉수입구 밸브(18)를 거쳐 냉각탑(4)으로 보내지고, 냉각탑(4)에 의해서 온도가 떨어진 냉수는 재순환라인(20)을 거쳐 배가스 흡수식 냉온수기(2)로 보내져 다시 온도가 떨어짐으로써 냉수 상태를 유지한다.

반면에, 건물(5)내의 열교환기(6)에서의 열교환 과정에 의해서 온도가 낮아진 온수의 경우에는 냉온수 라인(17)과 냉각탑 바이패스 밸브(19)를 거쳐서, 냉각탑(4)을 거치지 않고, 곧바로 재순환 라인(20)을 통해 배가스 흡수식 냉온수기(2)로 보내져서 가열됨으로써 온수 상태를 유지한다.

이와 같이 본 발명은 마이크로터빈(1)을 이용하여 전력 및 냉난방을 생산하는 분산형 열병합시스템에 있어서, 마이크로터빈(1)의 효율 증가를 위해 입구 공기 냉각 장치가 결합된 시스템으로서, 종래의 마이크로터빈 열병합 시스템 보다 효율 및 이용성이 월등히 향상되며, 전력 수요 및 냉난방 수요를 해소함은 물론 운전모드에 따라 잉여 폐열을 이용하여 입구 공기를 냉각하여 효율을 증가시킬 수 있도록 시스템을 구성하여 열병합발전의 이용성도 크게 확장시킬 수가 있다.

도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템의 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 마이크로터빈 2 : 배가스 흡수식 냉온수기

3 : 입구공기 냉각 열교환기 4 : 냉각탑

5 : 건물 6 : 열교환기

8 : 제1 자동 제어 밸브 9 : 제2 자동 제어 밸브

14 : 배관 17 : 냉온수라인

18 : 냉각탑 냉수입구 밸브 19 : 냉각탑 바이패스 밸브

Claims (4)

1. 터빈으로 발전기를 구동하여 전력을 생성하는 마이크로터빈과, 상기 마이크로터빈의 폐열을 이용하여 냉수 또는 온수를 생산하는 배가스 흡수식 냉온수기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 입력되는 냉수와 외부 공기를 열교환시켜서 냉각된 공기를 마이크로터빈으로 보내주는 입구공기 냉각 열교환기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 상기 입구공기 냉각 열교환기로 전송되는 냉수의 유량 제어를 위한 제1 자동 제어 밸브와, 냉난방 수요가 발생되는 건물의 실내에 설치되어 있으며 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 입력되는 냉수 또는 온수를 이용하여 실내의 공기를 냉각 또는 가열하는 열교환기와, 상기 배가스 흡수식 냉온수기로부터 상기 건물내 열교환기로 전송되는 냉수 또는 온수의 유량 제어를 위한 제2 자동 제어 밸브와, 상기 입구공기 냉각 열교환기와 건물내 열교환기에 연결되어 있는 냉온수 라인을 통해서 입력되는 온도가 높아진 냉수의 온도를 떨어뜨려서 배가스 흡수식 냉온수기로 보내지도록 하는 냉각탑과, 상기 냉온수 라인과 냉각탑의 사이에 설치되어 있는 냉각탑 냉수입구 밸브와, 상기 냉온수 라인을 통해서 입력되는 온도가 낮아진 온수가 냉각탑을 거치지 않고 곧바로 배가스 흡수식 냉온수기로 보내지도록 하는 냉각탑 바이패스 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기한 마이크로터빈은 내부에 공기 압축기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기한 열교환기에는 송풍기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기한 제1 자동밸브, 제2 자동밸브, 냉각탑 냉수입구 밸브, 냉각탑 바이패스 밸브는 컴퓨터 제어부에 의해 제어되는 전자식 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 열병합 냉난방 시스템.

Images