KR101138223B1 - System for increasing supercritical Brayton cycle efficiency through shift of critical point using gas mixture - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루고, 이 폐회로를 작동유체가 순환하며, 상기 작동유체는 단성분의 작동유체에 하나 또는 그 이상의 다른 성분의 유체를 혼합한 혼합 작동유체이며, 상기 작동유체를 통해 임계온도는 열침원(Heat sink)의 온도 부근으로, 또한 임계압력은 터빈일과 압축기일의 차이인 순일을 최대화시킬 수 있는 사이클 압력 범위를 얻을 수 있는 방향으로 이동시킨다. 상기 압축기로 유입되는 상기 혼합 작동유체의 압축기 유입온도(K) 및 압축기 유입압력(MPa)을 상기 혼합 작동유체의 임계압력 및 임계온도 근방으로 유지하도록 제어하는 제어부를 구비하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서, 상기 열재생기와 냉각기를 연결하는 연결라인3과, 상기 냉각기와 상기 압축기를 연결하는 연결라인4를 더 구비하며, 상기 냉각기는, 상기 연결라인3의 주위로 냉각수를 흐르게 하는 냉각라인과, 이 냉각라인으로 냉각제를 공급하는 공급수단을 구비하며, 상기 제어부는, 상기 연결라인3을 통해 상기 냉각기로 유입되는 혼합 작동유체의 온도 및 압력을 감지하는 감지수단를 구비하며, 이 감지수단에 의한 감지에 따라서 상기 공급수단을 조절하는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공한다. According to the present invention, a heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit, and the working fluid is circulated through the closed circuit, and the working fluid is one or more different from the single working fluid. A mixed working fluid in which a component fluid is mixed, and through the working fluid, the critical temperature is near the temperature of the heat sink, and the critical pressure is a cycle pressure range that can maximize the net work which is the difference between the turbine work and the compressor work. Move in the direction of obtaining. Supercritical Brayton cycle system having a control unit for controlling the compressor inlet temperature (K) and the compressor inlet pressure (MPa) of the mixed working fluid flowing into the compressor to maintain near the critical pressure and the critical temperature of the mixed working fluid And a connection line 3 for connecting the heat regenerator and a cooler, and a connection line 4 for connecting the cooler and the compressor, wherein the cooler includes: a cooling line for flowing coolant around the connection line 3; And a supply means for supplying a coolant to the cooling line, wherein the control unit includes a sensing means for sensing the temperature and pressure of the mixed working fluid flowing into the cooler through the connection line 3. It provides a supercritical Brayton cycle system, characterized in that for adjusting the supply means in accordance with the detection.

Description

혼합 가스를 이용한 임계점 이동을 통한 초임계 브레이튼 사이클의 효율 향상 시스템{System for increasing supercritical Brayton cycle efficiency through shift of critical point using gas mixture}System for increasing supercritical Brayton cycle efficiency through shift of critical point using gas mixture

본 발명은 초임계 유체를 작동유체로 사용하는 열역학 사이클의 열이용 효율을 개선하는 시스템에 관한 것이다. 구체적으로는, 단성분의 작동유체에 다른 종류의 유체를 적어도 한가지 이상 혼합함으로써 임계점을 변화시켜 단일한 상을 유지하는 초임계 영역을 변화시켜, 그에 따라 열역학 사이클의 작동온도와 압력을 변화시킴으로써 열역학 사이클의 효율을 향상하는 시스템에 관한 것이다.
The present invention is directed to a system for improving the heat utilization efficiency of thermodynamic cycles using supercritical fluids as working fluids. Specifically, by mixing at least one other type of fluid with a single component working fluid, the critical point is changed to change the supercritical region to maintain a single phase, thereby changing the operating temperature and pressure of the thermodynamic cycle. The present invention relates to a system for improving cycle efficiency.

기존의 화력, 원자력 발전소에서는 물과 수증기를 작동유체로 하는 랭킨 사이클을 이용함으로써 전력을 생산하고 있다. 그런데, 터빈 유입 온도가 높아지게 되면 단상의 가스를 이용하는 브레이튼 사이클의 효율이 더 높다는 것은 익히 알려져 있다.Conventional thermal and nuclear power plants generate power by using Rankine cycles, which use water and steam as working fluids. However, it is well known that the higher the turbine inlet temperature, the higher the efficiency of the Brayton cycle using single-phase gas.

특히, 사이클의 모든 부분에서 작동유체가 임계점 이상의 조건을 유지하며, 사이클의 최저 운전온도 및 압력 조건인 압축기 유입조건이 임계점 바로 위에 위치하는 열역학 사이클을 초임계 브레이튼 사이클이라고 한다. 또한, 초임계 브레이튼 사이클을 이용하여 발전하는 발전소(발전설비)를 초임계압력 발전소라고 한다. 또한, 초임계압력 발전소에서 사용되는 통상의 작동유체(초임계 작동유체)는, 임계압력 225.65kg/㎠ 이상, 임계온도 374℃(647K) 이상의 증기(작동유체)를 사용한다. 즉, 작동유체의 임계온도 및 임계압력이 상온, 상압보다 매우 높은 값을 갖는다. 이 의미는, 상기 초임계 브레이튼 사이클을 구현하기 어렵다는 것이다. 구체적으로는, 냉각기를 거쳐 압축기로 유입되는 작동유체에서 상변화가 일어나거나 또는, 작동유체를 상기 임계압력 및 임계온도까지 다시 상승시켜야 한다는 의미이다. In particular, a thermodynamic cycle in which the working fluid maintains a condition above the critical point in all parts of the cycle and the compressor inlet condition, which is the lowest operating temperature and pressure condition of the cycle, is located directly above the critical point, is called a supercritical Brayton cycle. In addition, a power plant (power plant) that generates power using a supercritical Brayton cycle is called a supercritical pressure power plant. In addition, the normal working fluid (supercritical working fluid) used in the supercritical pressure power plant uses steam (working fluid) having a critical pressure of 225.65 kg / cm 2 or more and a critical temperature of 374 ° C. (647 K) or more. That is, the critical temperature and the critical pressure of the working fluid have a value higher than the normal temperature and the normal pressure. This means that it is difficult to implement the supercritical Brayton cycle. Specifically, it means that the phase change occurs in the working fluid flowing into the compressor via the cooler, or the working fluid must be raised again to the critical pressure and the critical temperature.

한편, 차세대 원자력 발전설비 중 활발히 연구되고 있는 소듐 고속 냉각로의 경우, 랭킨 사이클을 이용할 경우, 원자로 내부의 열을 전달하는 매체인 소듐과 전력 변환 계통에서 쓰이는 물이 열교환기 파단 사고로 인해 접촉시 폭발적인 반응으로 인한 심각한 안전성의 문제가 발생한다. On the other hand, in the case of sodium high-speed cooling furnace, which is being actively studied among the next generation nuclear power plants, when using the Rankine cycle, sodium, which is a medium that transfers heat inside the reactor, and water used in the power conversion system are contacted due to heat exchanger breakdown. Serious safety problems arise from explosive reactions.

따라서, 물을 쓰는 랭킨 사이클이 아닌 이산화탄소를 작동유체로 하는 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
Therefore, research on the supercritical carbon dioxide Brayton cycle using carbon dioxide as a working fluid rather than the Rankine cycle using water is being actively conducted.

상기 초임계 브레이튼 사이클은 다음과 같은 이점을 가진다. The supercritical Brayton cycle has the following advantages.

1) 사이클 내에서 상변화가 일어나지 않기 때문에 터빈이나 압축기에서 이상류에 의한 블레이드의 파괴 우려가 없다. 2) 그리고, 압축기의 유입 조건이 임계점 부근에 위치함으로써 작동유체의 높은 밀도로 인해 압축기가 마치 펌프와 같이 동작하여 소모 일이 크게 줄어든다. 결과적으로, 터빈 일(work)과 압축기 일의 차이로 나타내지는 순일의 양이 증가하여 사이클의 열이용 효율이 크게 증가한다.1) Since there is no phase change in the cycle, there is no fear of blade damage due to abnormal flow in turbine or compressor. 2) And because the inflow condition of the compressor is located near the critical point, the high density of the working fluid causes the compressor to behave like a pump, greatly reducing the consumption work. As a result, the amount of net work represented by the difference between turbine work and compressor work is increased, which greatly increases the heat utilization efficiency of the cycle.

초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클의 경우, 최고 온도와 최고 압력은 원자로의 운전 조건과 구조적 재료의 한계 등에 따라 제약을 받는다. 예를 들어, 최저 온도와 최저 압력의 경우, 작동유체가 2상으로 분리될 수 있는 임계점 아래로 내려가지 않도록 조절되어야 한다. 또한, 높은 밀도에 따른 압축기 일의 감소와 더불어 최대의 사이클 운전 온도범위와 최적의 압력범위를 얻도록 초임계 브레이튼 사이클의 최저온도와 최저압력은 작동유체의 임계점 바로 위에 위치하게 된다. In the case of the supercritical carbon dioxide Brayton cycle, the maximum temperature and maximum pressure are limited by the operating conditions of the reactor and the limitations of the structural materials. For example, in the case of the lowest temperature and the lowest pressure, the working fluid should be adjusted so that it does not go below the critical point where it can separate into two phases. In addition, the minimum and minimum pressures of the supercritical Brayton cycle are positioned just above the critical point of the working fluid to achieve maximum cycle operating temperature range and optimum pressure range, with a reduction in compressor work due to high density.

여러 유체 중에서 이산화탄소가 초임계 브레이튼 사이클의 작동유체로 선택되는 이유는 이산화탄소의 임계온도가 상온 근방임에 따라 냉각이 용이하며, 임계압력이 그 밖의 작동유체에 비해 낮은 편이라 초임계 상태로 만들기 쉬우며, 브레이튼 사이클 구성시 높은 압력비에 따른 출력 일의 상승을 기대할 수 있기 때문이다. 여기서, 임계온도를 더 낮춤으로써 열역학적으로 카르노 효율에 따른 효율 증대를 기대할 수 있으며, 임계압력을 변화시킴으로써 보다 높은 사이클 효율을 얻을 수 있는 압력비로 조절할 수 있다.
The reason why carbon dioxide is selected as the working fluid of the supercritical Brayton cycle among various fluids is that it is easy to cool down because the critical temperature of carbon dioxide is near room temperature, and the critical pressure is lower than that of other working fluids. This is because the output work can be expected to increase due to the high pressure ratio in the Brayton cycle configuration. Here, by further lowering the critical temperature can be expected to increase the efficiency according to the carnot efficiency thermodynamically, by changing the critical pressure can be adjusted to the pressure ratio to obtain a higher cycle efficiency.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 단성분의 작동유체에 다른 종류의 유체를 적어도 하나 혼합함으로써 임계점을 변화시켜 단일한 상을 유지하는 초임계 영역을 변화시키고, 그에 따라 열역학 사이클의 작동온도와 압력을 변화시킴으로써 열역학 사이클의 효율을 향상하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made in view of the above circumstances, and by mixing at least one different type of fluid with a single component working fluid, the critical point is changed to change the supercritical region for maintaining a single phase, and thus It is an object to provide a system that improves the efficiency of thermodynamic cycles by varying operating temperatures and pressures.

부가적으로는, 사이클의 열효율 증대를 위해 일반적으로 쓰이는 다수의 열재생기, 예열기 및 복수의 터빈이나 압축기를 설치할 필요 없이, 작동유체의 임계점을 변화시킴으로써 사이클 작동범위를 더 넓혀 효율 증대를 얻을 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
In addition, it is possible to increase the efficiency of the cycle by widening the operating range of the cycle by changing the critical point of the working fluid without having to install a plurality of heat regenerators, preheaters, and a plurality of turbines or compressors that are commonly used to increase the thermal efficiency of the cycle. It is an object to provide a system.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. There will be.

본 발명의 기술적 특징은, 초임계 브레이튼 사이클에 사용되는 작동유체의 임계점을 이동시킴으로써 사이클의 온도와 압력 범위를 더 높은 효율을 달성할 수 있는 방향으로 변화시키는 것이다. The technical feature of the present invention is to change the temperature and pressure range of the cycle in a direction to achieve higher efficiency by moving the critical point of the working fluid used in the supercritical Brayton cycle.

초임계 브레이튼 사이클의 임계점을 변화시키기 위해서는 작동유체 자체를 다른 임계점을 가지는 유체로 바꾸는 방법이 있으나, 이는 물질마다 고유의 임계점이 정해져 있어 적합한 임계점을 가진, 초임계 브레이튼 사이클의 최고 온도와 압력에서 화학적 안전성을 지니는 적합한 물질을 구하기 어렵다. In order to change the critical point of the supercritical Brayton cycle, there is a method of changing the working fluid itself into a fluid having a different critical point, but each material has its own critical point, so that the maximum temperature and pressure of the supercritical Brayton cycle having an appropriate threshold point It is difficult to find suitable materials with chemical safety at.

따라서, 본 발명에서는 각 사용용도에 적합한 초임계 브레이튼 사이클에 있어서 작동유체에 하나 이상의 다른 종류의 유체를 혼합함으로써 임계점을 변화시켜 보다 높은 효율을 달성하는 방법을 제공한다. 실시예로서는, 현재 가장 널리 연구되고 있는 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클을 이산화탄소에 헬륨과 같은 다른 물질을 혼합함으로써 임계점을 이동시켜 보다 넓은 사이클 온도범위와 변화된 압력비에 따른 사이클 열이용 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method of achieving higher efficiency by varying the critical point by mixing one or more different types of fluids into the working fluid in a supercritical Brayton cycle suitable for each use. As an example, the supercritical carbon dioxide Brayton cycle, currently the most widely studied method, can be used to mix the carbon dioxide with other materials such as helium to shift the critical point to increase cycle heat utilization efficiency over a wider cycle temperature range and with varying pressure ratios. To provide.

구체적으로, 제1측면에 따른 본 발명은, 열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서,상기 작동유체는 2종류 이상의 작동유체를 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공한다. Specifically, the present invention according to the first aspect, in the supercritical Brayton cycle system in which a heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit, and the working fluid circulates the closed circuit. , The working fluid provides a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid is a mixture of two or more kinds of working fluid.

또한, 제2측면에 따른 본 발명은, 열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서, 상기 작동유체는 이산화탄소와 헬륨을 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공한다. In addition, according to the second aspect of the present invention, in the supercritical Brayton cycle system in which a heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit, the working fluid circulates the closed circuit, The working fluid provides a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid is a mixture of carbon dioxide and helium.

또한, 제3측면에 따른 본 발명은, 원자력열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서, 상기 작동유체는 2종류 이상의 작동유체를 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공한다. In addition, the present invention according to the third aspect, in the supercritical Brayton cycle system in which a nuclear heat source, a power generation turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit, and the working fluid circulates the closed circuit. The working fluid provides a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid is a mixture of two or more kinds of working fluid.

또한, 제4측면에 따른 본 발명은, 원자력열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서, 상기 작동유체는 이산화탄소와 헬륨을 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공한다. In addition, the present invention according to the fourth aspect, in the supercritical Brayton cycle system in which a nuclear heat source, a power generation turbine, a heat regenerator, a cooler and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit, and the working fluid circulates the closed circuit. In addition, the working fluid provides a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid mixed with carbon dioxide and helium.

또한, 제5측면에 따른 본 발명은, 원자력열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루고, 이 폐회로를 작동유체가 순환하며, 상기 작동유체는 이산화탄소와 헬륨을 혼합한 혼합 작동유체이며, 상기 압축기로 유입되는 상기 혼합 작동유체의 압축기 유입온도(K) 및 압축기 유입압력(MPa)을 상기 혼합 작동유체의 임계압력 및 임계온도 근방으로 유지하도록 제어하는 제어부를 구비하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서, 상기 열재생기와 냉각기를 연결하는 연결라인3과, 상기 냉각기와 상기 압축기를 연결하는 연결라인4를 더 구비하며, 상기 냉각기는, 상기 연결라인3의 주위로 냉각수를 흐르게 하는 냉각라인과, 이 냉각라인으로 냉각제를 공급하는 공급수단을 구비하며, 상기 제어부는, 상기 연결라인3을 통해 상기 냉각기로 유입되는 혼합 작동유체의 온도 및 압력을 감지하는 감지수단를 구비하며, 이 감지수단에 의한 감지에 따라서 상기 공급수단을 조절하는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공한다.
In addition, according to the fifth aspect of the present invention, a nuclear heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit, and the working fluid is circulated through the closed circuit, and the working fluid is carbon dioxide and helium. And a control unit for controlling the compressor inlet temperature (K) and the compressor inlet pressure (MPa) of the mixed working fluid flowing into the compressor to be maintained near the critical pressure and the critical temperature of the mixed working fluid. A supercritical Brayton cycle system comprising: a connection line 3 for connecting the heat regenerator and a cooler, and a connection line 4 for connecting the cooler and the compressor, wherein the cooler is surrounded by the connection line 3. A cooling line through which the cooling water flows, and supply means for supplying a coolant to the cooling line. It is provided with a sensing means for sensing the temperature and pressure of the mixed working fluid flowing into the cooler through, it provides a supercritical Brayton cycle system, characterized in that for adjusting the supply means in accordance with the detection by the sensing means.

상기와 같은 본원 발명에 의하면, 고효율의 초임계 브레이튼 사이클을 구성함으로써 발전소의 전력 변환 계통의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 현재 대부분 발전소가 랭킨 사이클을 쓰고 있으나, 브레이튼 사이클을 사용함으로써 보다 작은 크기와 터빈과 압축기의 제작이 가능해져 초기 투자 비용을 절감할 수 있다.
According to the present invention as described above, it is possible to increase the efficiency of the power conversion system of the power plant by configuring a high-efficiency supercritical Brayton cycle. In addition, although most power plants now use Rankine cycles, the use of the Brayton cycles allows for smaller sizes, turbines and compressors, which can reduce initial investment.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 나타낸 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic diagram showing a supercritical Brayton cycle system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하 설명하는 내용을 일실시예에 이해되어야 한다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. On the other hand, the present invention can be implemented in various forms, the contents described below should be understood in one embodiment.

[실시예][Example]

도 1은 본 발명의 혼합 가스를 이용해 구성할 수 있는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 구성도이다. 일례로서, 이러한 초임계 브레이튼 사이클은 원자력 발전소 설비일 수 있다. 한편, 이하 설명되는 본 발명에 기재된 열원은, 일례로서 핵분열 및 핵융합을 포함하는 핵반응을 일으키며, 초임계의 작동유체를 사용하는 원자로로 이해될 수 있지만, 그 밖의 초임계 작동유체를 사용하는 열원을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 is a block diagram of a supercritical Brayton cycle system that can be configured using the mixed gas of the present invention. As one example, such a supercritical Brayton cycle may be a nuclear power plant facility. On the other hand, the heat source described in the present invention described below, as an example causes a nuclear reaction including nuclear fission and fusion, and can be understood as a reactor using a supercritical working fluid, other heat sources using a supercritical working fluid It is to be understood to include all.

도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 본 발명의 초임계 브레이튼 사이클 시스템은, 원자로일 수 있는 원자력열원(1)과, 팽창과정을 통해 일을 생성하는 터빈(2)과, 사이클 중간과정의 열을 회수하여 효율을 높이는 열재생기(3)와, 압축을 위해 작동유체를 냉각시키는 냉각기(4)와, 작동유체를 압축시켜 폐사이클을 완성하는 압축기(5)로 구성된다. 본 발며은 상기 작동유체를 통해 임계온도는 열침원(Heat sink)의 온도 부근(+50K)으로, 또한 임계압력은 터빈일과 압축기일의 차이인 순일을 최대화시킬 수 있는 사이클 압력 범위를 얻을 수 있는 방향으로 이동시킨다. Referring to Figure 1, the supercritical Brayton cycle system of the present invention according to an embodiment, a nuclear heat source (1), which may be a reactor, a turbine (2) to generate work through the expansion process, and the cycle intermediate process A heat regenerator (3) for recovering heat and improving efficiency, a cooler (4) for cooling the working fluid for compression, and a compressor (5) for compressing the working fluid to complete a closed cycle. The working fluid allows the critical temperature to be near the temperature of the heat sink (+ 50K), and the critical pressure to obtain a cycle pressure range that can maximize the net work, which is the difference between the turbine work and the compressor work. Move in the direction of

보다 구체적으로 상기 폐사이클을 설명하면, 상기 원자력열원(1)과 터빈(2)은 연결라인1(11)로 연결되어, 상기 원자력열원에 의해 소정의 임계 온도 및 압력 이상으로 가열된 초임계의 작동유체가 터빈(2)에 공급됨에 따라, 작동유체의 팽창과정을 거치면서 터빈을 회전시킨다. In more detail, the waste cycle, the nuclear heat source 1 and the turbine 2 is connected to the connection line 1 (11), the supercritical of the heating by the nuclear heat source above a predetermined threshold temperature and pressure As the working fluid is supplied to the turbine 2, the turbine is rotated while the working fluid is expanded.

또한, 상기 터빈(2)은 연결라인2(12)를 통해 상기 열재생기(3)로 연결되며, 이 열재생기(3)는 연결라인2(12)로부터의 열을 회수한다. 또한, 열재생기(3)는 연결라인3(13)을 통해 상기 냉각기(4)에 연결된다. 따라서, 상기 터빈(2) 내에서 팽장과정을 통해 팽창된 초임계의 작동유체는 상기 열재생기(3)를 거쳐 상기 냉각기(4)로 유입된다. The turbine 2 is also connected to the heat regenerator 3 via a connection line 2 12, which recovers heat from the connection line 2 12. In addition, the heat regenerator 3 is connected to the cooler 4 via a connection line 3 (13). Therefore, the supercritical working fluid expanded through the expansion process in the turbine 2 is introduced into the cooler 4 via the heat regenerator 3.

여기서, 상기 냉각기(4)에는, 초임계의 작동유체가 통과하는 연결라인3(13)을 복수회 권취하는 냉각라인(41)과, 이 냉각라인(41)을 통해 상기 연결라인3(13) 주위를 유동하며 열 교환하는 냉각제(예를 들면, 해수)를 저장하는 냉각원(42) 및, 상기 냉각원(42)으로부터의 냉각제 공급을 제어하는 제어부(43)가 구비됨에 따라, 상기 연결라인3(13)을 통해 냉각기(4)로 유입되는 초임계 작동유체의 온도를 소정의 온도로 제어하여 배출할 수 있게 된다. Here, the cooler 4 has a cooling line 41 winding a plurality of connecting lines 3 (13) through which a supercritical working fluid passes, and the connecting line 3 (13) through the cooling line 41. The connection line is provided with a cooling source 42 for storing a coolant (for example, seawater) that flows around and heat exchanges therebetween, and a control unit 43 for controlling the supply of coolant from the cooling source 42. It is possible to control and discharge the temperature of the supercritical working fluid flowing into the cooler 4 through the 3 (13) to a predetermined temperature.

한편, 상기 압축기(5)로의 상기 초임계 작동유체 유입조건은, 작동유체 임계점(압축기 유입온도 및 압축기 유입압력)에 가까울수록 압축기(5)가 펌프와 같이 작동함에 따라, 압축기 일이 일반 브레이튼 사이클의 경우보다 상당히 줄어들게 된다. On the other hand, the supercritical working fluid inflow condition into the compressor 5 is closer to the working fluid critical point (compressor inlet temperature and compressor inlet pressure), so that the compressor 5 works as a pump, so that the compressor works as a normal Brayton. This is considerably less than in the case of a cycle.

따라서, 상기 제어부(43)는, 일례로서 냉각기(4)로 유입되는 연결라인3(13) 내의 작동유체의 온도 및 압력을 센서(S)를 이용해서 감지하고, 이 감지 데이터를 참조로 펌프(P)를 이용하여 상기 냉각제 공급량을 조절함으로써, 상기 압축기 유입 온도 및 압축기 유입 압력을 제어할 수 있다. Accordingly, the control unit 43 senses the temperature and the pressure of the working fluid in the connection line 3 (13) flowing into the cooler 4 as an example using the sensor S, and the pump (see FIG. By adjusting the coolant supply amount using P), the compressor inlet temperature and the compressor inlet pressure can be controlled.

또한, 상기 냉각기(4)는 연결라인4(14)를 통해 상기 압축기(5)로 연결되며, 이 압축기(5)는 초임계 작동유체를 압축하게 된다. In addition, the cooler 4 is connected to the compressor 5 via a connecting line 4 14, which compresses the supercritical working fluid.

또한, 상기 압축기(5)는 연결라인5(15)를 통해 상기 열재생기(3)로 연결되며, 이 열재생기(3)는 상기 냉각기(4) 및 압축기(5)를 거치면서 냉각된 초임계 작동유체를 상기 연결라인2(12)으로부터 회수된 열을 이용해서 소정 온도로 가열하게 된다. In addition, the compressor (5) is connected to the heat regenerator (3) through a connecting line 5 (15), the heat regenerator (3) is supercritical cooled while passing through the cooler (4) and the compressor (5) The working fluid is heated to a predetermined temperature using the heat recovered from the connection line 2 (12).

또한, 상기 압축기(5)는 연결라인6(16)을 통해 상기 원자력열원(1)으로 연결되며, 다시 상기 연결라인(1)과 연결된다. In addition, the compressor 5 is connected to the nuclear heat source 1 through the connection line 6 (16), and is connected to the connection line (1) again.

한편, 상기 압축기(5)와 터빈(2)은 운동전달수단으로 연결되며(예를 들면, 축연결되며), 상기 터빈(2)의 회전력에 의해 상기 압축기(5)가 회전된다. 또한, 상기 터빈(2)은 도시 생략된 발전기와 운동전달수단으로 연결됨에 따라, 터빈의 회전력에 의한 발전이 이루어지게 된다. On the other hand, the compressor (5) and the turbine (2) is connected by the movement transmission means (for example, axial connection), the compressor (5) is rotated by the rotational force of the turbine (2). In addition, the turbine 2 is connected to the generator and the movement transmission means (not shown), the power is generated by the rotational force of the turbine.

한편, 도 1에 있어서 화살표는 연결라인상에서의 작동유체의 진행방향을 나타낸다.
On the other hand, the arrow in Figure 1 indicates the direction of the working fluid on the connection line.

본 발명의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. Referring to the principle of operation of the present invention.

기존의 작동유체에 하나 이상의 다른 종류의 유체를 혼합함으로써 임계점을 변화시킨다. 그리고, 변화된 임계점 근방에서, 상기 초임계 작동유체가 압축기에 유입되도록 유입조건, 즉 전체 사이클의 압력비, 냉각기(4)에서 냉각정도를 변화시켜 전체 사이클의 작동범위를 더 높은 효율을 달성할 수 있는 방향으로 조절한다. The critical point is changed by mixing one or more different types of fluid with existing working fluid. In the vicinity of the changed critical point, the supercritical working fluid is introduced into the compressor, so that the inflow condition, that is, the pressure ratio of the entire cycle, and the degree of cooling in the cooler 4 can be changed to achieve higher efficiency over the entire cycle. Direction.

이하의 표 1에는, 본 발명의 일례로서, 600MW 열출력의 원자로와 연결된 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클이 경우, 이산화탄소 작동유체에 헬륨을 혼합함으로써 임계점 이동이 이루어지고, 그에 따른 효율 증대를 보이고 있다.
In the following Table 1, as an example of the present invention, in the case of the supercritical carbon dioxide Brayton cycle connected to the reactor of 600MW heat output, the critical point shift is achieved by mixing helium in the carbon dioxide working fluid, thereby increasing efficiency.

임계온도 (K)Critical temperature (K) 304304 302302 300300 298298 296296 294294 292292 압축기 유입온도 (K)Compressor Inlet Temperature (K) 305305 303303 301301 299299 297297 295295 293293 임계압력 (MPa)Critical pressure (MPa) 7.3777.377 7.3307.330 7.2897.289 7.2517.251 7.2167.216 7.1847.184 7.1567.156 압축기 유입압력 (MPa)Compressor Inlet Pressure (MPa) 7.3797.379 7.3407.340 7.3447.344 7.2637.263 7.2267.226 7.1957.195 7.1667.166 초임계 사이클 효율 (%)Supercritical Cycle Efficiency (%) 39.7739.77 40.0640.06 40.2840.28 40.6140.61 40.8940.89 41.1641.16 41.4541.45

상기와 같은 표1를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 있어서는, 이산화탄소와 4몰% 농도의 헬륨을 혼합함으로써, 임계온도(K) 및 임계압력(MPa), 즉 임계점 이동이 273~304K 및 7.012~7.377MPa 범위 내로 되도록 했다. 상기 헬륨의 농도 범위는 4 내지 10몰%가 바람직하며, 상기 범위를 벗어나는 경우, 원하는 수준의 임계점 이동이 어렵다.Referring to Table 1 as described above, in one embodiment of the present invention, by mixing carbon dioxide and helium at a concentration of 4 mol%, the critical temperature (K) and the critical pressure (MPa), that is, the critical point movement is 273 ~ 304K and It was set in the range of 7.012-7.377 MPa. The concentration range of helium is preferably 4 to 10 mol%, and if it is out of the range, it is difficult to move the desired level of critical point.

상기와 같은 본 발명에 따른 작동유체의 임계점 이동의 의미는, 통상의 초임계 작동유체(임계압력 225.65kg/㎠ 이상, 임계온도 374℃(647K) 이상)에 비해서, 임계온도 및 임계압력이 상온, 상압 근방으로 설정된다는 것이다. The meaning of the critical point movement of the working fluid according to the present invention as described above, the critical temperature and the critical pressure is room temperature compared to the normal supercritical working fluid (critical pressure 225.65kg / ㎠ or more, critical temperature 374 ℃ (647K) or more) In other words, it is set near the normal pressure.

또한, 상기 제어부(43)에 의한 압축기 유입온도(K) 및 압축기 유입압력(MPa) 제어는, 바람직하게는 압축기 유입온도 273~304K 및 7.012~7.377MPa로 설정되도록 할 수 있다.
In addition, the control of the compressor inlet temperature K and the compressor inlet pressure MPa by the controller 43 may be preferably set to the compressor inlet temperatures 273 to 304K and 7.012 to 7.77 MPa.

본 발명의 특징은 사이클의 열효율 증대를 위해 일반적으로 쓰이는 다수의 열재생기, 예열기 및 복수의 터빈이나 압축기를 설치할 필요 없이, 작동유체의 임계점을 변화시킴으로써 사이클 작동범위를 더 넓혀 효율 증대를 얻을 수 있다는 점이다. 본 발명의 예시로 쓰인 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클의 경우, 단지 4% 몰 농도의 헬륨을 첨가하는 것만으로 1.67%의 효율 증대를 나타내게 된다.
A feature of the present invention is that it is possible to increase the efficiency of the cycle by widening the operating range of the cycle by changing the critical point of the working fluid without having to install a plurality of heat regenerators, preheaters, and a plurality of turbines or compressors that are generally used to increase the thermal efficiency of the cycle. Is the point. In the case of the supercritical carbon dioxide Brayton cycle used as an example of the present invention, the addition of only 4% molar concentration of helium shows an efficiency increase of 1.67%.

한편, 대형 발전소의 전력 변환 계통 이외의 소규모 전력 변환 사이클의 경우는 작동 온도와 압력범위가 상대적으로 작기 때문에 임계점 이동에 따른 사이클 작동범위 변화가 더 커지고 그에 따라 효율 향상도 더 커질 수 있다.
On the other hand, in the case of small power conversion cycles other than the power conversion system of a large power plant, since the operating temperature and the pressure range are relatively small, the change in the cycle operating range due to the shift of the critical point may be increased, and thus the efficiency improvement may be further increased.

1 : 원자력열원, 2 : 터빈,
3 : 열재생기, 4 : 냉각기,
5 : 압축기
1: nuclear heat source, 2: turbine,
3: heat regenerator, 4: cooler,
5: compressor

Claims (15)

열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서,
상기 작동유체는 2종류 이상의 작동유체를 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
In a supercritical Brayton cycle system in which a heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by connecting lines to form a closed circuit, and the closed circuit circulates with the working fluid.
The working fluid is a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid is a mixture of two or more kinds of working fluid.
열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서,
상기 작동유체는 이산화탄소와 헬륨을 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
In a supercritical Brayton cycle system in which a heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by connecting lines to form a closed circuit, and the closed circuit circulates with the working fluid.
The working fluid is a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid mixed carbon dioxide and helium.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 혼합에 의해, 혼합 작동유체의 임계온도는 열침원(Heat sink)의 온도 부근으로, 또한 임계압력은 터빈일과 압축기일의 차이인 순일을 최대화시킬 수 있는 사이클 압력 범위를 얻을 수 있는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method according to claim 1 or 2,
By the mixing, the critical temperature of the mixing working fluid moves near the temperature of the heat sink, and the critical pressure moves in a direction to obtain a cycle pressure range that can maximize the net work which is the difference between the turbine work and the compressor work. Supercritical Brayton cycle system, characterized in that.
제2항에 있어서,
상기 혼합 작동유체에는, 상기 헬륨이 4~10몰%농도 함유되는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 2,
The mixed working fluid, the supercritical Brayton cycle system, characterized in that the helium contains 4 to 10 mol% concentration.
제3항에 있어서,
상기 혼합 작동유체의 임계점이 273~304K 및 7.012~7.377MPa 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 3,
The critical point of the mixed working fluid has a range of 273 ~ 304K and 7.012 ~ 7.77 MPa.
제5항에 있어서,
압축기로 유입되는 혼합 작동유체의 유입온도(K) 및 유입압력(MPa)은, 293~305K 및 7.166~7.379MPa 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 5,
The supercritical Brayton cycle system, characterized in that the inlet temperature (K) and inlet pressure (MPa) of the mixed working fluid flowing into the compressor has a range of 293 ~ 305K and 7.166 ~ 7.79 MPa.
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 7 was abandoned upon payment of a set-up fee. 원자력열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서,
상기 작동유체는 2종류 이상의 작동유체를 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
In a supercritical Brayton cycle system in which a nuclear heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connecting line to form a closed circuit, and the closed circuit circulates the working fluid.
The working fluid is a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid is a mixture of two or more kinds of working fluid.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 8 was abandoned when the registration fee was paid. 원자력열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루며, 이 폐회로를 작동유체가 순환하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서,
상기 작동유체는 이산화탄소와 헬륨을 혼합한 혼합 작동유체인 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
In a supercritical Brayton cycle system in which a nuclear heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler, and a compressor are connected by a connecting line to form a closed circuit, and the closed circuit circulates the working fluid.
The working fluid is a supercritical Brayton cycle system, characterized in that the mixed working fluid mixed carbon dioxide and helium.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 9 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 혼합에 의해, 혼합 작동유체의 임계점은 임계온도는 열침원(Heat sink)의 온도 부근으로, 또한 임계압력은 터빈일과 압축기일의 차이인 순일을 최대화시킬 수 있는 사이클 압력 범위를 얻을 수 있는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method according to claim 7 or 8,
By the mixing, the critical point of the mixing working fluid is a direction in which a cycle pressure range can be obtained in which the critical temperature is near the temperature of the heat sink and the critical pressure is the maximum net work which is the difference between the turbine work and the compressor work. Supercritical Brayton cycle system, characterized in that moving to.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 10 has been abandoned due to the setting registration fee. 제8항에 있어서,
상기 혼합 작동유체에는, 상기 헬륨이 4~10몰% 농도 함유되는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 8,
The mixed working fluid, the supercritical Brayton cycle system, characterized in that the helium contains 4 to 10 mol% concentration.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 11 was abandoned upon payment of a setup registration fee. 제9항에 있어서,
상기 혼합 작동유체의 임계점이 273~304K 및 7.012~7.377MPa 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
10. The method of claim 9,
The critical point of the mixed working fluid has a range of 273 ~ 304K and 7.012 ~ 7.77 MPa.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.Claim 12 is abandoned in setting registration fee. 제11항에 있어서,
압축기로 유입되는 혼합 작동유체의 유입온도(K) 및 유입압력(MPa)은, 273~304K 및 7.012~7.377MPa 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 11,
The supercritical Brayton cycle system, characterized in that the inlet temperature (K) and inlet pressure (MPa) of the mixed working fluid flowing into the compressor has a range of 273 ~ 304K and 7.012 ~ 7.77 MPa.
원자력열원과, 발전터빈, 열재생기, 냉각기 및 압축기가 연결라인으로 연결되어 폐회로를 이루고, 이 폐회로를 작동유체가 순환하며, 상기 작동유체는 이산화탄소와 헬륨을 혼합한 혼합 작동유체이며, 상기 압축기로 유입되는 상기 혼합 작동유체의 압축기 유입온도(K) 및 압축기 유입압력(MPa)을 상기 혼합 작동유체의 임계압력 및 임계온도 근방으로 유지하도록 제어하는 제어부를 구비하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서,
상기 열재생기와 냉각기를 연결하는 연결라인3과, 상기 냉각기와 상기 압축기를 연결하는 연결라인4를 더 구비하며,
상기 냉각기는, 상기 연결라인3의 주위로 냉각수를 흐르게 하는 냉각라인과, 이 냉각라인으로 냉각제를 공급하는 공급수단을 구비하며,
상기 제어부는, 상기 연결라인3을 통해 상기 냉각기로 유입되는 혼합 작동유체의 온도 및 압력을 감지하는 감지수단를 구비하며, 이 감지수단에 의한 감지에 따라서 상기 공급수단을 조절하는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
A nuclear heat source, a power turbine, a heat regenerator, a cooler and a compressor are connected by a connection line to form a closed circuit. The working circuit circulates the closed circuit, and the working fluid is a mixed working fluid mixed with carbon dioxide and helium. In the supercritical Brayton cycle system having a control unit for controlling the compressor inlet temperature (K) and the compressor inlet pressure (MPa) of the mixed working fluid flowing in the vicinity of the critical pressure and the critical temperature of the mixed working fluid,
And a connection line 3 for connecting the heat regenerator and a cooler, and a connection line 4 for connecting the cooler and the compressor.
The cooler includes a cooling line for flowing the cooling water around the connection line 3, and supply means for supplying a coolant to the cooling line.
The control unit is provided with a sensing means for sensing the temperature and pressure of the mixed working fluid flowing into the cooler through the connection line 3, the supercritical, characterized in that for adjusting the supply means in accordance with the sensing means Brayton Cycle System.
제13항에 있어서,
상기 혼합 작동유체에는, 상기 헬륨이 4~10몰% 농도 함유되는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 13,
The mixed working fluid, the supercritical Brayton cycle system, characterized in that the helium contains 4 to 10 mol% concentration.
제14항에 있어서,
상기 혼합 작동유체의 임계점이 273~304K 및 7.012~7.377MPa 범위를 갖고,
상기 제어부는, 상기 압축기로 유입되는 혼합 작동유체의 유입온도(K) 및 유입압력(MPa)을 273~304K 및 7.012~7.377MPa 범위로 조정하는 것을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 시스템.
The method of claim 14,
The critical point of the mixed working fluid has a range of 273 ~ 304K and 7.012 ~ 7.77 MPa,
The control unit, the supercritical Brayton cycle system, characterized in that for adjusting the inlet temperature (K) and inlet pressure (MPa) of the mixed working fluid flowing into the compressor in the range of 273 ~ 304K and 7.012 ~ 7.77 MPa.
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