KR101236070B1 - 발전소 복수기의 온배수를 이용한 고효율 온도차 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소를 포함하여 터빈을 사용하여 전력을 생산하는 각종 발전소의 복수기에서 배출되어 버려지는 온배수에 포함된 에너지를 재사용하는 발명에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발전소 복수기에서 배출되는 온배수를 해수의 온도차를 이용한 온도차 발전시스템을 통하여 재사용하고, 온도차 발전시스템에서 사용되었던 물을 다시 발전소 복수기 냉각수로 공급하는 폐회로를 구성하여 전력을 생산하는 고효율 온도차 발전시스템에 관한 것이다.

Description

발전소 복수기의 온배수를 이용한 고효율 온도차 발전시스템{High efficiency differential temperature power system using the thermal effluents of power plant condenser}

본 발명은 원자력 발전소를 포함하여 터빈을 사용하여 전력을 생산하는 각종 발전소의 복수기에서 배출되어 버려지는 온배수에 포함된 에너지를 재사용하는 발명에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발전소 복수기에서 배출되는 온배수를 해수의 온도차를 이용한 온도차 발전시스템을 통하여 재사용하고, 온도차 발전시스템에서 사용되었던 물을 다시 발전소 복수기 냉각수로 공급하여 전력을 생산하는 고효율 온도차 발전시스템에 관한 것이다.

발전소에서 터빈을 통과한 배출증기를 복수시키는 것은 효율과 관련하여 매우 중요한데, 현재 대부분의 발전소는 그 발전효율이 40%를 상회하지 못하고 있다.

도 1은 기존의 발전소 발전시스템을 설명하기 위해 도시된 개략적인 시스템도이다. 도 1에 나타난 것과 같이, 기존의 발전소 발전시스템은 보일러(1), 터빈(2), 발전기(3), 복수기(4) 및 급수펌프(5)로 구성되며, 작동원리는 다음과 같다.

작동유체(물)는 급수펌프(5)를 통하여 보일러(1)에 공급되며, 보일러(1)의 열에 의해 증발이 일어나 과열증기 상태로 보일러(1)를 나오게 된다. 이 증기가 터빈(2)을 가동시킴으로써 발전기(3)에서 전기를 생산한다. 터빈(2)을 빠져나온 배출증기는 물-증기의 2상 상태가 되어 복수기(4)로 유입된다. 2상 상태의 배출증기는 복수기(4)에서 냉각수인 해수와 열교환을 하여 물로 상태변화를 하며, 과냉된 상태로 복수기(4)로부터 나오게 된다. 마지막으로 작동유체는 사이클을 완성하기 위해 급수펌프(5)에 의해 압력이 상승하며 보일러(1)로 다시 공급된다.

여기에서 복수기는 발전소의 발전시스템에서 매우 중요한 역할을 하며, 복수기의 냉각수로는 물을 사용한다. 특히 해수를 많이 사용하고 있으며, 이 때문에 원자력 발전소를 포함한 많은 발전소들이 해안가에 위치하게 된다.

이처럼 발전소의 발전효율이 그리 높지 못하는 가장 큰 이유는 터빈을 통과한 증기를 응축하는 과정에서 복수기를 통해 대부분의 열량이 해양으로 배출되기 때문이다.

뿐만 아니라 복수기의 냉각수로 해수를 사용하면 새우 등의 유기물 부착과 스케일 생성, 미생물 부식과 해수부식 등이 발생하여 복수기의 내부에 있는 열교환기를 손상시키고, 효율을 감소시키는 등의 문제가 발생된다.

또한 복수기에서 배출되는 온배수를 해양으로 그대로 방출하기 때문에 열수로 인한 수온상승이 일어나고, 이에 따라 해양생태계가 교란되는 등의 해양오염이 발생하는 문제점이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 방편으로서 발전소 온배수를 이용한 양어방법 등이 제시되고 있으나, 이는 발전소에서 배출되는 온배수의 양을 모두 처리하기에는 어려울 뿐만 아니라 온배수 배출 문제에 대한 원천적인 해결방안은 못된다는 한계가 있다.

본 발명은 종래 터빈을 통과한 증기를 응축하는 복수기에서 방출되는 대량의 온배수를 통해 대부분의 열량이 해양으로 배출됨에 따라 발전소 효율이 낮을 수밖에 없었던 문제점을 해결하는 것에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 종래 발전소의 복수기에서 나온 온배수를 그대로 해양에 방출함으로써 빚어졌던 해양오염의 문제점을 원천적으로 해결하는 것에 또 하나의 목적이 있다.

본 발명에 따른 고효율 온도차 발전시스템은, 보일러에서 생산된 과열증기로 터빈을 가동시켜 상기 터빈에 연결된 발전기로부터 전기를 생산하고, 상기 터빈에서 배출된 증기를 복수기에서 냉각수로 과냉시킨 후 다시 상기 보일러로 순환시키는 발전시스템; 및 냉매증발기에서 생산된 과열증기상태의 냉매로 냉매터빈을 가동시켜 상기 냉매터빈에 연결된 냉매발전기로부터 전기를 생산하고, 상기 냉매터빈에서 배출된 냉매증기를 냉매응축기에서 심층수로 과냉시킨 후 다시 상기 냉매증발기로 순환시키는 해양온도차발전 시스템;을 포함하고, 상기 복수기에서 상기 증기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수를 상기 냉매증발기로 공급하고, 상기 냉매증발기에서 상기 냉매를 과열증기상태로 만들면서 냉각된 상기 냉각수를 상기 복수기로 다시 공급하는 상기 복수기 냉각수의 폐순환회로를 구비한다.

그리고, 상기 복수기에서 배출되는 냉각수를 상기 냉매증발기로 공급하는 것은 바이패스라인을 통해 이루어지고, 상기 바이패스라인을 통해 상기 냉각수의 일부가 외부로 방출될 수도 있다.

이때 상기 바이패스라인은 상기 복수기에서 배출되는 냉각수의 전량을 외부로 방출할 수 있는 용량을 가질 수 있다.

또한 상기 냉매증발기에서 배출되는 상기 냉각수를 상기 복수기로 공급하는 것은 보충수공급라인을 통해 이루어지고, 상기 보충수공급라인을 통해 상기 복수기에 보충냉각수를 공급할 수도 있다.

이때 상기 보충수공급라인은 비상시 상기 발전시스템에서 요구하는 냉각수의 전량을 공급할 수 있는 용량을 가질 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에서 상기 복수기와 상기 냉매증발기 사이를 순환하는 냉각수는 담수일 수 있다.

본 발명은 발전소의 복수기에서 버려지는 온배수의 에너지를 해양온도차발전 시스템의 작동유체인 냉매를 과열시키는 고열원으로 재사용할 수 있기 때문에 발전소의 전체적인 발전효율을 크게 증가시킬 수 있다는 효과를 가진다.

그리고 본 발명은 발전시스템의 복수기와 해양온도차발전 시스템의 냉매증발기 사이에 구성된 폐회로를 따라 냉각수가 순환되기 때문에 복수기 온배수의 해양방류로 인한 환경오염을 방지하는데 효과적이라는 장점이 있다.

아울러 복수기 냉각수가 폐회로를 순환하기 때문에 해수 대신 담수를 냉각수로 사용할 수 있고, 따라서 유기물 부착과 스케일 생성, 미생물 부식과 해수부식 등에 의한 복수기 내부의 열교환기를 손상을 회피할 수 있어 발전효율의 감소를 방지할 수 있다.

그리고 본 발명은 종래 해양온도차발전 시스템에서 고열원으로 사용하였던 표층수보다 더 높은 온도를 가진 복수기 냉각수를 고열원으로 사용함에 따라 해양온도차발전 시스템의 저효율 문제를 개선할 수 있으므로, 해양온도차발전 시스템의 상용화 가능성을 제고시킬 수 있다.

또한 본 발명은 대부분의 발전소가 다량의 복수기 냉각수를 확보하기 위해 해안가에 건립된다는 점을 고려할 때, 현실적으로도 기존의 발전소 시스템에 용이하게 적용할 수 있다는 이점을 가진다.

도 1은 종래 발전소의 발전시스템의 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 종래 해양온도차발전 시스템의 구성을 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 고효율 온도차 발전시스템의 전체적인 구성을 설명하기 위한 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전소 복수기의 온배수를 이용한 고효율 온도차 발전시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다.

또한 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 하며, 상대적인 위치를 지시하는 전후(前後)나 상하좌우(上下左右), 내외(內外) 등의 용어는 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다.

본 발명에 따른 고효율 온도차 발전시스템의 전체적인 구성을 요약한다면, 발전소 복수기에서 배출되는 온배수를 고효율 온도차 발전시스템에 공급하여 다시금 전력 생산에 이용함으로써 발전소 전체 시스템의 효율을 향상시키는 동시에 해양에 그대로 방류되는 복수기 온배수를 원천적으로 제거한다는 것에 있다고 할 수 있다.

따라서 본 발명의 이해를 위해서는 종래의 해양온도차발전(OTEC, Ocean Thermal Energy Conversion) 시스템에 대해 설명할 필요가 있으며, 도 2는 이를 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 해양온도차발전 시스템은 크게 표층수 공급펌프(7), 냉매증발기(9), 냉매터빈(10), 냉매발전기(11), 냉매응축기(12), 심층수 공급펌프(13) 및 냉매공급펌프(14)로 구성되어 있다.

그 작동원리를 설명하면, 과냉된 냉매가 냉매공급펌프(14)에 의해 냉매증발기(9)로 들어가며, 냉매가 표층수 공급펌프(7)에 의해 공급된 따뜻한 표층수와의 열교환을 통하여 증발이 일어나 과열증기상태로 냉매증발기를 나오게 된다. 이 과열된 냉매증기는 냉매터빈(10)을 가동시킨 후 냉매발전기(11)를 통하여 전기를 생산하고, 2상 상태가 되어 냉매응축기(12)로 유입된다. 그리고 냉매응축기(12)에서 심층수 공급펌프(13)에 의해 공급된 차가운 심층수와 열교환을 하여 작동유체의 대부분이 과냉된 상태로 냉매응축기(12)로부터 나오게 되며, 마지막으로 냉매공급펌프(14)에 의해 냉매증발기(9)로 다시 들어가게 된다. 즉 해양온도차발전 시스템은 고열원으로서 표층수를 사용하고 저열원으로서 심층수를 사용하는 시스템이며, 이 때문에 해양온도차발전 시스템으로 불리는 것이다.

여기서 해양온도차발전 시스템의 작동유체인 냉매는 표층수 온도 정도(예를 들어, 열대지방에서는 약 26∼28℃ 정도의 온도)에서 기화가 일어날 수 있어야 하기 때문에 저온비등 냉매를 사용하여야 하는데, R32를 냉매로 사용할 경우 표층수와 심층수의 온도차가 최소 15℃이상일 때 전기를 생산할 수 있다. 따라서 표층수의 온도에 따라서는 상당히 깊은 수심의 심층수를 뽑아 올려야 시스템 운용이 가능하기 때문에 건설비가 과도해질 수 있다는 문제가 있다. 또한 근본적으로는 표면해수와 심해해수 사이의 얼마 안 되는 온도차를 이용한 발전이기 때문에 효율이 낮아 경제성이 떨어진다는 것이 단점이 있고, 따라서 아직까지는 상용화시키기 어려운 기술이라 할 수 있다.

본 발명은 위와 같이 상용화가 어려웠던 해양온도차발전 시스템을 기존의 발전소 시스템, 특히 복수기의 냉각수(해수)와 결합함으로써 발전시스템 전체의 효율 향상을 도모하고, 복수기 온배수의 해양 방류에 따른 환경오염 문제를 일거에 해소시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 고효율 온도차 발전시스템의 전체적인 구성은 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 참조하여 본 발명에서 제시하는 새로운 개념의 고효율 온도차 발전시스템(20)을 설명하면, 본 발명은 보일러(21), 터빈(22), 발전기(23), 복수기(24), 급수펌프(25), 바이패스라인(26), 온배수공급펌프(28), 냉매증발기(29), 냉매터빈(30), 냉매발전기(31), 냉매응축기(32), 심층수 공급펌프(33), 냉매공급펌프(34), 보충수공급라인(35) 및 냉각수공급펌프(36)로 구성된다.

이해의 편의를 돕기 위해 기존의 발전시스템과 연관지어 설명한다면, 보일러(21), 터빈(22), 발전기(23), 복수기(24), 급수펌프(25) 및 냉각수공급펌프(36)는 발전소 시스템에 관한 것이고, 온배수공급펌프(28), 냉매증발기(29), 냉매터빈(30), 냉매발전기(31), 냉매응축기(32), 심층수 공급펌프(33) 및 냉매공급펌프(34)는 해양온도차발전 시스템에 관한 것이라 할 수 있다. 물론 본 발명은 별개의 발전시스템을 유기적으로 결합시킨 것이기 때문에 위와 같이 구분하는 것은 단순히 이해의 편의를 돕기 위한 것임에 불과함을 유의해야 할 것이다.

도 3에 도시된 고효율 온도차 발전시스템(20)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 여기서 본 발명의 작동원리는 작동유체의 이동경로를 따라 설명될 것이며, 따라서 위에 나열된 각 구성요소 사이의 결합관계 내지는 순서 역시 작동유체의 이동경로에 준해서 파악할 수 있다. 다만 특별히 더 상세히 설명해야 할 구성이 있다면, 이에 대해서는 별도로 상술키로 한다.

도 3에서의 좌측 시스템은 일반적인 발전시스템인데, 작동유체인 물이 급수펌프(25)를 통하여 보일러(21)에 공급되며, 보일러(21)의 열에 의해 증발이 일어나 과열증기 상태로 보일러(21)를 나오게 된다. 이 증기가 터빈(22)을 가동시킴으로써 발전기(23)에서 전기를 생산한다. 터빈(22)을 빠져나온 배출증기는 물-증기의 2상 상태가 되어 복수기(24)로 유입된다. 그리고 복수기(24)에서 과냉된 물은 사이클을 완성하기 위해 급수펌프(25)에 의해 압력이 상승하며 보일러(21)로 다시 공급된다.

여기서 복수기(24)에 유출입하는 냉각수의 흐름이 본 발명에서 중요한데, 먼저 복수기(24)에서 2상 상태의 배출증기와 열교환을 하여 물로 상태변화를 시키는 과정에서 열을 흡수한 온배수의 배출 흐름에 대해 설명하면, 상기 고온의 온배수는 해양온도차발전 시스템(도 3에서의 우측 발전시스템)의 온배수공급펌프(28)로 공급된다.

고온의 온배수의 100% 전부가 온배수공급펌프(28)로 전달될 수 있으며, 해양온도차발전 시스템의 용량이나 기타 안전상의 문제 등을 고려하여 필요하다면 온배수 중의 일부는 바이패스라인(26)을 통해 해양으로 배출될 수도 있다. 다만 바이패스라인(26)은 비상시에 발전소 복수기(24)에서 배출되는 온배수의 전량을 해양으로 배출할 수 있는 정도의 충분한 용량을 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.

온배수공급펌프(28)로 공급된 온배수는 냉매증발기(29)로 유입되고, 냉매증발기(29)로 유입된 고온의 온배수는 냉매공급펌프(34)에 의해 유입된 냉매와 열교환을 한다. 열을 전달받은 냉매는 증발이 일어나 과열증기상태로 상변화된다.

여기서 냉매증발기(29)에서 냉매로 열을 전달하여 냉각된 물은 다시 발전소 복수기의 냉각수로 이용할 수 있도록 복수기(24)의 냉각수 입구라인과 밀폐형으로 연결되어 흘러간다.

발전소의 복수기(24)에서 배출되는 고온의 온배수를 100% 이용할 경우에는 냉매증발기(29)를 통해 배출되어 복수기(24)로 다시 유입되는 냉각수를 보충수공급라인(35)에서 따로 보충냉각수를 공급하지 않고, 냉각수공급펌프(36)을 통하여 바로 발전소 복수기 냉각수로 이용하게 된다. 만약 100% 전부를 이용하지 않을 경우에는 해양으로 배출한 온배수의 양만큼 보충수공급라인(35)에서 보충냉각수를 공급하여 발전소 복수기의 냉각수로 공급한다.

이러한 복수기(24) 냉각수를 해양온도차발전 시스템의 관점에서 보면, 고온의 표층수 역할을 하는 것이라 할 수 있다. 그러나 복수기(24)에서 배출되는 온배수는 해양 표층수보다 훨씬 고온이기 때문에 해양온도차발전 시스템의 효율이 향상된다.

또한 냉매증발기(29)에 공급되는 물의 온도가 고온이기 때문에 냉매의 증발온도 폭이 확장되므로, 해양온도차발전 시스템에 사용될 수 있는 냉매 선택의 폭이 넓어진다. 따라서 본 발명에 포함된 해양온도차발전 시스템에는 R22, R125, R143a, R410a, R1270, R32, R134a, R290, NH₃, R141b, R123, R245fa, R245ca 등의 다양한 냉매가 적용될 수 있다. 아울러 포함된 해양온도차발전 시스템에서의 고열원의 온도가 높아짐에 따라 저열원에 요구되는 온도를 다소 상승시킬 수 있는 여력이 생기므로, 필요하다면 심층수를 뽑아 올리는 수심을 종전보다 낮게 설정하는 것도 가능해진다.

더 나아가 본 발명은 복수기(24)와 냉매증발기(29) 사이를 순환하는 냉각수 라인이 폐회로를 구성하고 있다. 즉 복수기(24), 바이패스라인(26), 온배수공급펌프(28), 냉매증발기(29), 보충수공급라인(35), 냉각수공급펌프(36)가 밀폐형으로 구성되어 있어 복수기(24)의 냉각수가 폐회로를 순환하기 때문에 종래처럼 고온의 복수기(24) 온배수 방류에 따른 환경 오염의 위험을 현저히 낮출 수 있다. 또한 복수기(24)의 냉각수가 폐회로를 순환하기 때문에 반드시 해수를 냉각수로 사용하지 않고 담수를 사용하는 것도 가능해진다. 만일 냉각수로 담수를 사용한다면, 기존 발전소의 복수기에서 발생되는 새우 등의 유기물 부착, 스케일 발생, 미생물 부식 및 해수 부식 등의 문제점도 해결할 수 있다.

한편 보충수공급라인(35)은 비상시 발전소에서 요구하는 냉각수의 전량을 공급할 수 있는 용량으로 설계되는 것이 바람직하다.

도 3의 우측에 도시된 해양온도차발전 시스템을 마저 설명한다면, 냉매증발기(9)에서 과열증기상태로 상변화한 냉매증기는 냉매터빈(30)을 가동시킨 후 냉매발전기(31)를 통하여 전기를 생산하고, 이 과정에서 에너지를 소모함으로써 2상 상태로서 냉매응축기(32)에 유입된다. 그리고 냉매응축기(32)에서는 심층수 공급펌프(33)에 의해 공급된 차가운 심층수와 냉매가 열교환을 하여 작동유체인 냉매의 대부분이 과냉된 상태에서 냉매응축기(32)로부터 나오게 된다. 그리고 마지막으로 사이클을 완성하기 위하여 과냉된 냉매는 냉매공급펌프(34)를 통해 냉매증발기(29)로 다시 들어가게 된다.

여기서 해양온도차발전 사이클로는 단순 랜킨 사이클, 재생 사이클, 칼리나 사이클, 혼합형 사이클 등이 모두 적용될 수 있다. 이들 사이클은 모두 기본적으로 증발기, 응축기, 터빈, 펌프로 구성되어 있으며, 물론 사이클의 특징에 따라 몇몇 구성요소가 추가되거나 삭제될 수는 있다.

이상 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 본 발명이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
20: 고효율 온도차 발전시스템 21: 보일러
22: 터빈 23: 발전기
24: 복수기 25: 급수펌프
26: 바이패스라인 28: 온배수공급펌프
29: 냉매증발기 30: 냉매터빈
31: 냉매발전기 32: 냉매응축기
33: 심층수 공급펌프 34: 냉매공급펌프
35: 보충수공급라인 36: 냉각수공급펌프

Claims (6)

1. 보일러(21)에서 생산된 과열증기로 터빈(22)을 가동시켜 상기 터빈(22)에 연결된 발전기(23)로부터 전기를 생산하고, 상기 터빈(22)에서 배출된 증기를 복수기(24)에서 냉각수로 과냉시킨 후 다시 상기 보일러(21)로 급수펌프(25)에 의해 순환시키는 발전시스템; 및
   냉매증발기(29)에서 생산된 과열증기상태의 냉매로 냉매터빈(30)을 가동시켜 상기 냉매터빈(30)에 연결된 냉매발전기(31)로부터 전기를 생산하고, 상기 냉매터빈(30)에서 배출된 냉매증기를 냉매응축기(32)에서 심층수로 과냉시킨 후 다시 상기 냉매증발기(29)로 냉매공급펌프(34)에 의해 순환시키는 해양온도차 발전시스템;을 포함하고,
   상기 복수기(24)에서 상기 증기를 냉각시킨 후 배출되는 냉각수를 상기 냉매증발기(29)로 공급하고, 상기 냉매증발기(29)에서 상기 냉매를 과열증기상태로 만들면서 냉각된 상기 냉각수를 상기 복수기(24)로 다시 공급하는 상기 복수기 냉각수의 폐순환회로를 구비하며,
   상기 복수기(24)에서 배출되는 냉각수를 상기 냉매증발기(29)로 공급하는 것은 바이패스라인(26)을 통해 이루어지고, 상기 바이패스라인(26)을 통해 상기 냉각수의 일부가 외부로 방출될 수 있는 것을 특징으로 하는 고효율 온도차 발전시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 바이패스라인(26)은 상기 복수기(24)에서 배출되는 냉각수의 전량을 외부로 방출할 수 있는 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 고효율 온도차 발전시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉매증발기(29)에서 배출되는 상기 냉각수를 상기 복수기(24)로 공급하는 것은 보충수공급라인(35)을 통해 이루어지고, 상기 보충수공급라인(35)을 통해 상기 복수기(24)에 보충냉각수를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 고효율 온도차 발전시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 보충수공급라인(35)은 비상시 상기 발전시스템에서 요구하는 냉각수의 전량을 공급할 수 있는 용량을 가지는 것을 특징으로 하는 고효율 온도차 발전시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 복수기(24)와 상기 냉매증발기(29) 사이를 순환하는 냉각수는 담수인 것을 특징으로 하는 고효율 온도차 발전시스템.

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