KR101184715B1 - 랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 터빈 후단과 재열기 전, 후단의 압력과 사이클 효율을 지속적으로 모니터링하고, 그에 따라 터빈의 전단 온도를 제어함으로써 최적의 사이클 운영이 가능하다.

Description

랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법{Rankine cycle system and method of controlling the same}
본 발명은 랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈 후단과 재열기 전, 후단의 압력과 사이클 효율을 지속적으로 모니터링하고, 그에 따라 터빈의 전단 온도를 제어함으로써 최적의 사이클 운영을 가능하게 하는 랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 랭킨사이클(Rankine Cycle)은 펌프, 증발기, 터빈, 응축기로 구성되는 것으로서, Carnot 사이클에서는 실현 불가능한 등온팽창, 압축과정을 정압팽창, 압축과정으로 대치하여 실현가능 상태로 만든 사이클이다.
랭킨사이클을 이용한 발전 또는 동력시스템의 구조는 도 1에서 나타낸 것과 같이, 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30) 및 펌프(40) 순으로 사이클이 구성되고, 상기 증발기(10)의 전, 후방에 각각 예열기(11)와 과열기(12)가 마련되며, 응축기(30) 후방에 응축수를 저장하기 위한 응축탱크(35)가 구비되어 있다. 또한 상기 응축탱크(35)를 지난 액체 상태의 냉매의 유량을 측정하기 위해 별도의 유량계를 더 구비할 수 있다.
이러한 랭킨사이클 시스템에 있어서 주로 유기매체를 작동유체로 사용하는 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle) 시스템이 널리 활용되고 있는데, 유기랭킨사이클 시스템은 비교적 저온의 온도 범위 (60 ~ 200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템이다.
저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야 하는 유기랭킨시스템의 특성상, 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매가 사용된다.
한편, 증기 동력 사이클의 이상적인 사이클인 랭킨사이클에 대하여 첨부된 도 2에서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도면에 나타낸 것과 같이, 1-2 과정은 압축 과정으로서, 여기서는 펌프에서 작동유체의 등엔트로피 압축이 이루어지는데, 포화 액체 상태에서 보일러 작동압력까지 압축이 일어난다.
그리고, 2-3 과정이 가열 과정으로서, 여기서는 보일러에서 정압 가열이 이루어지며, 작동유체가 압축 액체 상태로 보일러로 들어가 과열 증기 상태가 된다. 이때, 곡선 아래의 영역이 열전달 양을 나타낸다.
한편, 3-4 과정은 팽창 과정이고, 여기서는 작동유체가 터빈에서 발전기의 축을 회전시켜 일을 생산하며 이때, 증기의 압력과 온도는 낮아져서 4의 상태가 된다.
또한, 4-1 과정은 응축 과정으로서, 여기서는 작동유체가 나머지 열을 호수나 강 또는 대기와 같은 저열원으로 방출하고 일정한 압력으로 응축된 후 다시 펌프로 돌아가게 된다. 이때, 4-1 아래의 면적은 방출된 열량을 나타낸다.
그런데, 이러한 랭킨사이클 시스템을 운용함에 있어서 작동유체 유량과 관련하여 압력강하가 발생하여 터빈 효율이 감소하는 문제점이 발생한다. 그리고, 터빈 효율의 감소는 사이클 효율 감소로 직결되어 원가 손실로 이어질 수 있다.
따라서, 압력강하를 실시간으로 파악하여 이를 방지할 수 있는 랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 터빈 후단과 재열기 전, 후단의 압력과 사이클 효율을 지속적으로 모니터링하고, 그에 따라 터빈의 전단 온도를 제어함으로써 최적의 사이클 운영을 가능하게 하는 랭킨사이클 시스템 및 그 제어방법을 제공한다.
본 발명에 의한 랭킨사이클 시스템은 작동유체에 고열원으로부터 열을 공급하여 증발시키는 증발기;와, 상기 증발기에서 증발된 작동유체가 고압으로 분사되어 열에너지가 운동에너지로 변환되며 일을 생산하는 터빈;과, 상기 작동유체를 재가열하여 상기 터빈으로 재공급하는 재열기;와, 상기 터빈에서 일을 생산한 작동유체의 열이 저열원으로 방출되는 응축기;와, 상기 작동유체를 등엔트로피 상태로 압축시키는 펌프; 및 상기 터빈 후단과, 상기 재열기 전, 후단의 압력을 모니터링하고, 그에 따라 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 제어하는 제어부를; 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 터빈 후단과, 재열기 전, 후단에서 작동유체의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 조절하기 위한 온도조절수단을 더 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 온도조절수단은 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 측정하여 상기 제어부로 전달하는 온도센서와, 상기 제어부로부터 수신되는 명령에 따라 작동유체가 가열되는 온도를 조절하는 가열온도 조절부를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 재열기에서 압력강하가 발생하는 경우 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시키고, 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시킨 후, 사이클 효율이 감소하는 경우 상기 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 다시 상승시키도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 랭킨사이클 시스템의 제어방법은 증발기에서 고열원으로부터 열을 공급하여 작동유체를 증발시키는 단계;와, 상기 증발기에서 증발된 작동유체가 고압으로 분사되어 열에너지가 운동에너지로 변환되며 터빈에서 일을 생산하는 단계;와, 재열기에서 상기 작동유체를 재가열하여 상기 터빈으로 재공급하는 단계;와, 응축기에서 작동유체의 열이 저열원으로 방출되는 단계; 및 펌프에서 작동유체를 등엔트로피 상태로 압축시키는 단계;를 포함하며, 상기 터빈 후단과, 상기 재열기 전, 후단의 압력을 모니터링하고, 그에 따라 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 제어하는 단계;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
특히, 본 발명에 의한 랭킨사이클 시스템의 제어방법은 상기 재열기에서 압력강하가 발생하는 경우 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시키고, 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시킨 후, 사이클 효율이 감소하는 경우 상기 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 다시 상승시키도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 터빈 후단과 재열기 전, 후단의 압력과 사이클 효율을 지속적으로 모니터링하고, 그에 따라 터빈의 전단 온도를 제어함으로써 최적의 사이클 운영이 가능하다.
둘째, 시스템 효율을 항상 최적의 상태로 운영하여 비용절감과 함께 시스템의 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술의 랭킨사이클 시스템을 도시한 구성도
도 2는 일반적인 랭킨사이클을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템을 도시한 구성도
도 4는 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템의 개념도와 그래프
도 5는 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템에서 재열 과정을 증가시켰을 경우 등온과정으로 접근하게 되는 것을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템을 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템의 개념도와 그래프이며, 도 5는 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템에서 재열 과정을 증가시켰을 경우 등온과정으로 접근하게 되는 것을 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템은 크게 작동유체에 고열원으로부터 열을 공급하여 증발시키는 증발기(10);와, 상기 증발기(10)에서 증발된 작동유체가 고압으로 분사되어 열에너지가 운동에너지로 변환되며 일을 생산하는 터빈(20);과, 상기 작동유체를 재가열하여 상기 터빈(20)으로 재공급하는 재열기(15);와, 상기 터빈(20)에서 일을 생산한 작동유체의 열이 저열원으로 방출되는 응축기(30);와, 상기 작동유체를 등엔트로피 상태로 압축시키는 펌프(40); 및 상기 터빈(20) 후단과, 상기 재열기(15) 전, 후단의 압력을 모니터링하고, 그에 따라 상기 터빈(20) 전단의 작동유체 온도를 제어하는 제어부(미도시)를; 포함하여 이루어질 수 있다.
먼저, 증발기(10)에서는 고열원으로부터 열을 공급하여 작동유체를 증발시킨다.
그리고, 상기 증발기(10)에서 증발된 작동유체가 상기 터빈(20)으로 고압으로 분사되어 열에너지가 운동에너지로 변환되며 일을 생산한다.
또한, 상기 재열기(15)에서는 일을 생산하고 회수된 상기 작동유체를 재가열하여 상기 터빈으로 재공급하게 된다.
상기 터빈(20) 후단의 작동유체는 재열기(15)를 통해 열을 회수하게 되며, 상기 재열기(15)를 통해 사이클 효율이 증가하게 된다. 터빈(20)으로 들어가기 전의 증기는 매우 높은 온도까지 과열되는데 재열기(15)는 이러한 터빈(20)에 들어가는 증기를 두 단계로 팽창 시키는 것으로서, 이와 같이 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템은 재열 과정이 추가된다.
그런데, 도 5에서 보는 바와 같이, 재열이 이루어지는 단의 수가 증가하면 우측의 그림과 같이 등온과정으로 접근하게 되므로, 두개 이상의 재열은 비현실적이며, 단일 재열 효과의 1/2인 것으로 알려져 있다.
이때, 최적 재열 압력은 최대 압력의 1/4이며, 예를 들어 증발기(10) 압력이 12MPa인 사이클에서는 최적 재열 압력은 3MPa이다. 재열 사이클의 목적은 팽창 과정에서의 증기의 수분 함유량을 감소시키는 것도 포함한다.
한편, 상기 응축기(30)에서는 작동유체의 열이 저열원으로 방출되고, 상기 펌프(40)에서 작동유체를 등엔트로피 상태로 압축시킨 후 작동유체를 증발기(10) 재공급한다.
그런데, 위 과정에서 작동유체 유량이 재열기(15) 크기에 비해 클 경우 압력강하가 발생하여 터빈(20) 후단 압력이 증가하여 터빈(20) 효율이 감소하게 되고, 터빈(20) 효율 감소는 사이클 효율로 직결되어 원가 손실 등의 문제를 유발한다.
따라서, 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템은 상기 터빈(20) 후단과, 재열기(15) 전, 후단에서 작동유체의 압력을 측정하는 압력센서(50)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 상기 압력센서(50)는 상기 터빈(20) 후단과, 재열기(15) 전 후단에 설치되어 작동유체의 압력을 실시간으로 모니터링하게 된다.
원래, 재열기(15)에서 압력강하가 발행하지 않으면 터빈(20) 후단과 재열기(15) 전단 그리고 후단에서의 압력은 동일하여야 한다. 그러나, 터빈(20) 전단 압력이 증가할 경우 작동유체 유량이 증가하고, 그로 인하여 일정 수준에서 재열기(15)에서 압력강하가 발생한다.
따라서, 사이클 효율을 지속적으로 모니터링을 해서 재열기(15) 압력상승으로 인해 사이클 효율이 적정 수치 이하로 내려갈 경우 터빈(20) 전단 온도를 떨어뜨려야 한다.
터빈(20) 전단 온도를 떨어뜨리면 터빈(20) 전 후단 압력차가 감소하므로 유량이 감소하여 재열기(15)에서의 강하가 감소하므로 터빈(20) 후단 압력이 감소하여 터빈(20) 효율이 증가하게 된다.
이를 위해, 본 발명에 따른 랭킨사이클 시스템은 상기 터빈(20) 전단의 작동유체 온도를 조절하기 위한 온도조절수단을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 온도조절수단은 상기 터빈(20) 전단의 작동유체 온도를 측정하여 상기 제어부로 전달하는 온도센서(60)와, 상기 제어부로부터 수신되는 명령에 따라 작동유체가 가열되는 온도를 조절하는 가열온도 조절부(미도시)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제어부는 마이크로 프로세서를 포함하며, 각종 센서들로부터 보내지는 정보를 취합하여 계산하고, 그에 따른 필요한 명령을 각 구성요소들에 전달하게 된다.
이와 같은 구성에 의하여 상기 제어부는 상기 재열기(15)에서 압력강하가 발생하는 경우 상기 터빈(20) 전단의 작동유체 온도를 하강시킴으로써, 터빈(20) 효율이 일정 수준 이하로 떨어지는 것을 방지한다.
그러나 터빈(20) 전단 온도를 떨어뜨리면 터빈(20)에서의 엔탈피 낙차가 감소하므로 터빈(20) 효율을 이상적이라고 가정한 아이센트로픽 사이클 효율은 감소한다.
그러므로, 상기 제어부는 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시킨 후, 사이클 효율이 감소하는 경우 상기 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 다시 상승시킨다.
이때, 상기 제어부는 아래와 같은 수식에 의하여 작동유체로의 열전달량(qin)과 열방출량(qout)을 측정하여 시스템의 사이클 효율을 측정한다.
여기서 열전달량은 증발기(10)에서 열전달량과 재열기(15)에서의 열전달량을 더한 값이다.
Figure 112010024859902-pat00001
따라서 상기 제어부는 재열기(15)의 압력 강하와, 사이클 효율을 지속적으로 모니터링하여 적정 수치가 유지되도록 터빈(20) 전단 온도를 제어함으로써, 사이클 효율을 최적으로 유지하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 증발기　　　 11 : 예열기
12 : 과열기　　　 15 : 재열기
20 : 터빈 30 : 응축기
35 : 응축탱크 40 : 펌프
50 : 압력센서 60 : 온도센

Claims (9)

  1. 작동유체에 고열원으로부터 열을 공급하여 증발시키는 증발기;
    상기 증발기에서 증발된 작동유체가 고압으로 분사되어 열에너지가 운동에너지로 변환되며 일을 생산하는 터빈;
    상기 작동유체를 재가열하여 상기 터빈으로 재공급하는 재열기;
    상기 터빈에서 일을 생산한 작동유체의 열이 저열원으로 방출되는 응축기;
    상기 작동유체를 등엔트로피 상태로 압축시키는 펌프; 및
    상기 터빈 후단과, 상기 재열기 전, 후단의 압력을 모니터링하고, 그에 따라 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 제어하는 제어부를; 포함하는 랭킨사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 후단과, 재열기 전, 후단에서 작동유체의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하는 랭킨사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 조절하기 위한 온도조절수단을 더 포함하는 랭킨사이클 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도조절수단은 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 측정하여 상기 제어부로 전달하는 온도센서와,
    상기 제어부로부터 수신되는 명령에 따라 작동유체가 가열되는 온도를 조절하는 가열온도 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 재열기에서 압력강하가 발생하는 경우 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시킨 후, 사이클 효율이 감소하는 경우 상기 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 다시 상승시키는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 시스템.
  7. 증발기에서 고열원으로부터 열을 공급하여 작동유체를 증발시키는 단계;
    상기 증발기에서 증발된 작동유체가 고압으로 분사되어 열에너지가 운동에너지로 변환되며 터빈에서 일을 생산하는 단계;
    재열기에서 상기 작동유체를 재가열하여 상기 터빈으로 재공급하는 단계;
    응축기에서 작동유체의 열이 저열원으로 방출되는 단계; 및
    펌프에서 작동유체를 등엔트로피 상태로 압축시키는 단계;를 포함하며,
    상기 터빈 후단과, 상기 재열기 전, 후단의 압력을 모니터링하고, 그에 따라 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 제어하는 단계;를 더 포함하는 랭킨사이클 시스템의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 재열기에서 압력강하가 발생하는 경우 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 시스템의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 하강시킨 후, 사이클 효율이 감소하는 경우 상기 상기 터빈 전단의 작동유체 온도를 다시 상승시키는 것을 특징으로 하는 랭킨사이클 시스템의 제어방법.
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