KR101257727B1 - 하이브리드 팽창기 구동 ｏｒｃ 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법 - Google Patents

하이브리드 팽창기 구동 ｏｒｃ 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ORC 시스템에 스크류형과 터보형 팽창기를 각각을 장착하여 열원 온도가 충분히 높아 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 충분히 높을 경우 시스템 효율을 고려하여 고효율 터보 팽창기를 구동하고, 열원 온도가 낮아져 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 하락할 경우 터보 팽창기의 블레이드의 파손과 안정적인 시스템 구동을 할 수 있는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전시스템 및 이를 이용한 발전 방법에 관한 것이다. 이를 통하여 본 발명은 외부 열원의 온도 하락으로 터빈 입구에서의 작동 유체의 건도가 낮아질 때, 작동유체 액체 방울이 고속으로 운동하면서 터빈 날개에 충격을 주어 발생하는 시스템의 내구성 및 구동 안정성 저하를 방지할 수 있다.

Description

하이브리드 팽창기 구동 ＯＲＣ 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법{ORC Power Generation System Driven By Hybrid Expander, And Power Generation Method Using The Same}
본 발명은 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ORC 시스템에 스크류형과 터보형 팽창기를 각각을 장착하여 열원 온도가 충분히 높아 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 충분히 높을 경우 시스템 효율을 고려하여 고효율 터보 팽창기를 구동하고, 열원 온도가 낮아져 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 하락할 경우 스크류 팽창기를 구동하여, 터보 팽창기의 블레이드의 파손을 방지하고 안정적인 시스템 구동을 할 수 있는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전시스템 및 이를 이용한 발전 방법에 관한 것이다.
21 세기에 들어오면서, 환경, 에너지 문제는 전 세계 모든 나라에서 중요한 이슈가 되고 있으며, 환경, 에너지 산업은 21 세기에 가장 각광받는 유망산업 및 국가경쟁력을 좌우하는 중요한 요소가 되고 있다. 또한, 지구온난화 문제에 대응하고 고유가 시대에 대비하기 위해서는 현재의 화석연료 에너지를 대체할 만한 신재생 에너지의 보급, 확대가 필수적이며, 전세계적으로 신재생 에너지 산업을 부가가치가 높은 차세대 산업으로 인식하고 관련 산업 육성을 지속적으로 지원하고 있다.
특히, 화석연료가 아닌 신재생 에너지를 이용하는 시스템의 효율향상을 위한기술 개발이 선결 문제로서 가장 주목받고 있으며, 그러한 노력의 일환으로 산업폐열이나 신재생 에너지를 이용한 유기랭킨 사이클의 효율향상에 대한 기술 연구가 많이 진행되고 있다.
일반적인 랭킨 사이클(Rankine cycle) 발전시스템은 증발기(evaporator)를 통과하면서 고압이 된 증기가 터빈(turbine)을 회전시킴으로써 발생되는 축동력을 전기에너지로 변환시키는 시스템이다. 기존의 랭킨사이클은 작동유체(working fluid)로서 물(water)을 사용하고 있으며, 고온의 열원에 대해서는 효율적인 작동유체이지만, 열원 온도가 중저온(70~400℃)일 경우에는 시스템 효율 저하로 인한 경제성의 문제로 그 적용이 어려운 실정이었다.
중저온 열원의 적용시에 발생되는 기존 랭킨 사이클의 효율저하 문제를 극복하기 위한 대안인 유기랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 작동유체로서 물을 사용하지 않고 유기혼합물(organic compound)을 사용한다. 즉, 유기랭킨 사이클 발전시스템은 화력발전 시스템과 기본 구성은 동일하지만 유기 혼합물을 작동유체로 사용하는 발전시스템으로 정의할 수 있다.
유기랭킨 사이클은 기존의 랭킨 사이클과는 달리 비교적 엑서지(exergy)가 낮은 저열원을 이용하여 전력을 생산해내는 시스템으로 낮은 에너지 열원에서 작동해야 하기 때문에 작동유체로는 비등점이 낮고, 증기압이 높아야 하며, 터빈의 입구 질량유량을 증가시키기 위해 잠열(latent heat)이 작고, 밀도가 큰 것이 상대적으로 유리하다. 중저온 열원을 사용함으로 인해 사이클 효율이 10% 내외로 낮기 때문에 주로 산업공정에서 발생하는 폐열이나 배열을 회수하는 하부 사이클(bottoming cycle)로 활용된다.
유기 혼합물은 비등점이 낮아 저온에서도 기화되기 때문에 중저온 배열, 태양열, 지열 등을 이용하여 랭킨 사이클 시스템을 운용할 수 있으며, 주로 사용되는 유기 혼합물은 프레온(freon) 계열의 냉매와 프로판(propane) 등의 탄화수소계(hydrocarbon series) 물질 등이 적용되고 있다.
일반적인 유기랭킨 사이클은 도면 1의 구성도와 도 2의 운전선도에서 볼 수 있듯이, 펌프(pump), 증발기, 터빈 그리고 응축기(condensor)로 구성되어 있으며, 이상적인 사이클의 각 과정은 퍼프에서의 압축과정, 증발기에서의 흡열 과정, 터빈에서의 팽창 과정, 응축기에서의 방열 과정으로 구성된다. 터빈 출구에서의 과열(superheated) 상태의 유기혼합물은 응축기에서 응축(2-3 과정)되어 포화(saturated) 액상으로 펌프에 의해 압축(3-4 과정)된다. 펌프의 압축에 의해 과냉(subcooled) 상태로 된 유기혼합물은 증발기에서 열원과의 열교환을 통해 포화증발온도에 도달(4-5 과정)한 후, 기상으로 증발(5-1 과정)하게 된다. 증발기 출구에서의 포화증기 유기혼합물이 터빈에서 팽창(1-2 과정)됨으로써 발생되는 팽창일(expansion work)은 기계적 에너지로 변환되며, 터빈과 연결된 발전기에 의해 전력이 생산된다. 터빈 출구에서의 유기혼합물은 과열상태로 응축기로 유입되어, 다시 응축되는 과정을 반복하게 된다.
기존 랭킨 시스템의 작동 유체인 물이 포화 증기점에서 터빈을 통해 팽창되는 경우에 터빈 출구에서 이상(two-phase) 상태로 유지되는 것과는 달리, 유기 혼합물은 과열 증기 상태로 유지된다. 따라서, 유기 혼합물을 작동 유체로 사용하는 랭킨시스템의 터빈 내에서는 액적(liquid droplet)이 적게 발생되어 터빈 회전익(rotating brade)에 스트레스가 적어지고, 증발기 출구에서 과열영역이 필요 없는 포화 사이클 시스템을 구성할 수 있다.
그러나, 기존 ORC는 효율이 타 팽창 시스템보다 높은 터보 팽창기를 사용하여 발전을 하며, 터보 팽창기는 작동 유체가 건증기 상태를 유지하여야 하는 제약을 지닌다. 일반적으로 ORC는 산업공정이나 열기기의 배열 회수용으로 활용되기 때문에 이 경우 열원의 온도는 공정 상황이나 열 발생 기기의 작동 상황 등에 따라서 변화하게 되기 때문에, 열원 온도가 낮아질 경우 ORC의 가열기의 작동 온도가 떨어져 터빈 입구에서의 작동유체를 항상 건증기 상태로 유지하기 어렵게 되는 문제가 발생한다.
외부 열원의 온도 하락으로 터빈 입구에서의 작동 유체의 건도가 낮아질 경우, 작동유체 액체 방울이 고속으로 운동하면서 터빈 날개에 충격을 주어 시스템의 내구성 및 구동 안정성에 문제를 야기하게 되며, 이는 ORC 시스템의 수명이 짧아지거나, 시스템 구동이 불안정해져 안정적으로 발전을 할 수 없는 문제를 발생시킨다.
이에, 본 발명자는 변화하는 외부 열원의 온도에 맞추어 터빈의 종류를 변화시켜 터보 팽창기의 블레이드의 파손을 방지하고 안정적인 시스템 구동을 할 수 있는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전시스템 및 이를 이용한 발전 방법을 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 외부 열원의 온도 하락으로 터빈 입구에서의 작동 유체의 건도가 낮아질 경우, 작동유체 액체 방울이 고속으로 운동하면서 터빈 날개에 충격을 주어 시스템의 내구성 및 구동 안정성을 저하하는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 증발기, 터빈, 응축기 및 펌프를 포함하며 외부 배열을 회수하여 발전을 수행하는 유기랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle) 시스템에 있어서, 상기 터빈이 터보 팽창기 및 스크류 팽창기로 구성되는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템을 제공한다.
이때, 상기 터보 팽창기는 외부 배열 온도가 팽창기 입구 작동유체를 건증기 상태로 만들 수 있을 정도로 충분히 높을 경우에 구동하여 발전을 수행하고, 상기 스크류 팽창기는 외부 배열 온도가 낮아 팽창기 입구 작동유체의 건도가 낮을 경우에 구동하여 발전을 안정적으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 ORC 시스템은 외부 배열 온도를 감지하여 상기 터보 팽창기와 스크류 팽창기의 작동을 제어하는 제어부를 추가로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 증발기, 터보 팽창기와 스크류 팽창기로 구성된 터빈, 응축기 및 펌프를 포함하는 유기랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle) 시스템을 이용한 발전 방법으로서, 외부 배열 온도가 팽창기 입구 작동유체를 건증기 상태로 만들 수 있을 정도로 충분히 높을 경우에는 고효율의 터보 팽창기를 구동하여 발전을 수행하고, 외부 배열 온도가 낮아 팽창기 입구 작동유체의 건도가 낮을 경우에는 스크류 팽창기를 구동하여 안정적으로 발전을 수행하도록, 상기 터보 팽창기와 스크류 팽창기의 작동이 제어되는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템을 제공한다.
이때, 상기 터보 팽창기와 스크류 팽창기의 선택적인 구동은 외부 배열 온도를 감지하여 각각의 팽창기의 작동 여부를 결정하는 제어부에 의해서 조절될 수 있다.
본 발명의 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템을 이용함으로써, 열원의 온도가 공정 상황이나 열 발생 기기의 작동 상황 등에 따라서 변화하게 되면서 열원의 온도가 낮아질 때, ORC의 가열기의 작동 온도가 떨어져 터빈 입구에서의 작동유체를 항상 건증기 상태로 유지하기 어려운 문제를 해결할 수 있다.
즉, ORC 시스템에 스크류형과 터보형 팽창기를 각각을 장착하여 열원 온도가 충분히 높아 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 충분히 높을 경우 시스템 효율을 고려하여 고효율 터보 팽창기를 구동하고, 열원 온도가 낮아져 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 하락할 경우 터보 팽창기의 블레이드의 파손과 안정적인 시스템 구동을 할 수 있게 함으로써, 외부 열원의 온도 하락으로 터빈 입구에서의 작동 유체의 건도가 낮아질 때, 작동유체 액체 방울이 고속으로 운동하면서 터빈 날개에 충격을 주어 시스템의 내구성 및 구동 안정성 저하를 가져오는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 유기랭킨사이클을 나타낸 구성도이다.
도 2는 일반적인 랭킨사이클의 운전선도이다.
도 3은 본 발명의 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법을 첨부된 도면을 참조하여 이하 상세하게 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전시스템은 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30) 및 펌프(40)를 포함하며 외부 배열을 회수하여 발전을 수행하는 유기랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle) 시스템에 있어서, 상기 터빈(20)이 터보 팽창기(21) 및 스크류 팽창기(22)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 터보 팽창기(21)는 외부 배열 온도가 팽창기 입구 작동유체를 건증기 상태로 만들 수 있을 정도로 충분히 높을 경우에 구동하여 발전을 수행하고, 상기 스크류 팽창기(22)는 외부 배열 온도가 낮아 팽창기 입구 작동유체의 건도가 낮을 경우에 구동하여 발전을 안정적으로 수행한다. 이때, 외부 배열 온도를 감지하여 상기 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)의 작동을 제어하기 위하여 상기 시스템은 제어부를 추가로 포함할 수 있다.
일반적인 유기랭킨 사이클은 도 1에 도시된 바와 같이 효율이 높은 터보 팽창기를 사용하여 발전을 하고 있지만, 터보 팽창기는 작동 유체가 건증기 상태를 유지하여야 하는 제약을 지닌다.
일반적으로 ORC는 산업공정이나 열기기의 배열 회수용으로 활용되기 때문에 열원의 온도가 공정 상황이나 열 발생 기기의 작동 상황 등에 따라서 변화하게 되고, 열원의 온도가 낮아질 경우 ORC 가열기의 작동 온도 또한 떨어져 작동유체 액체 방울이 고속으로 운동하면서 터빈 날개에 충격을 주어 시스템의 내구성 및 구동 안정성을 저하시킨다.
본 발명은 도 3과 같이 ORC 시스템의 터빈 부분에 스크류형과 터보형 팽창기을 각각 장착하여 열원 온도가 충분히 높아 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 충분히 높을 경우 시스템 효율을 고려하여 고효율 터보 팽창기를 구동하고, 열원 온도가 낮아져 팽창기 입구에서의 작동유체 건도가 하락할 경우 스크류 팽창기를 구동하여, 터보 팽창기의 블레이드의 파손을 방지하고 안정적인 시스템 구동을 할 수 있다.
본 발명의 터빈 부분을 구성하는 각 팽창기를 상세히 살펴보면, 상기 터보 팽창기는 노즐과 회전익 그리고 회전축으로 구성되며 회적익은 약 40,000rpm 이상의 속도로 회전운동을 하며 발전기를 구동시켜 전기를 생산하며, 발전 효율이 약 70% 수준으로 발전용 팽창 시스템 중에서 효율이 가장 높다.
그러나, 작동유체가 건증기 상태를 유지하여야 한다는 제약 조건을 지니기 때문에, 터보 팽창기의 고효율 특성을 감안하여 외부 열원 온도가 충분히 높아 팽창기 입구 증기를 건증기 상태로 유지할 수 있을 경우에만 터보 팽창기를 구동하여 고효율 발전을 한다.
반면에, 스크류 팽창기는 팽창기 입구와 출구에서의 작동유체의 용적 비의 변화에 의해 스크류를 약 2,000rpm의 속도로 회전시켜 발전기를 구동하여 전기를 생산한다. 효율은 약 30~40% 수준으로 터보 팽창기에 비해 낮지만, 작동유체의 건도가 매우 낮아도 정상적으로 구동이 가능한 장점을 지닌다. 따라서 외부 열원의 온도가 갑자기 낮아져 터빈 입구의 작동유체의 건도가 낮아질 경우 본 팽창기를 통해서 안정적인 발전을 할 수 있다.
한편, 본 발명의 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 방법은 상기에서 설명한 유기랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle) 시스템을 이용하여, 외부 배열 온도가 팽창기 입구 작동유체를 건증기 상태로 만들 수 있을 정도로 충분히 높을 경우에는 고효율의 터보 팽창기(21)를 구동하여 발전을 수행하고, 외부 배열 온도가 낮아 팽창기 입구 작동유체의 건도가 낮을 경우에는 스크류 팽창기(22)를 구동하여 안정적으로 발전을 수행하도록, 상기 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)의 작동이 제어되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)의 선택적인 구동이 외부 배열 온도를 감지하여 각 팽창기의 작동 여부를 결정하는 제어부에 의해서 조절될 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명을 이용하여 외부 열원의 온도 하락으로 터빈 입구에서의 작동 유체의 건도가 낮아질 때, 작동유체 액체 방울이 고속으로 운동하면서 터빈 날개에 충격을 주어 발생하는 ORC 발전 시스템의 내구성 및 구동 안정성 저하를 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예를 기존의 공지기술과 단순히 주합 적용한 실시예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명을 단순 변형하여 이용할 수 있는 정도의 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
10 : 증발기 20 : 터빈
21 : 터보 팽창기 22 : 스크류 팽창기
30 : 응축기 40 : 펌프
50 : 발전기

Claims (6)

  1. 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30) 및 펌프(40)를 포함하며 외부 배열을 회수하여 발전을 수행하는 유기랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle) 시스템에 있어서, 상기 터빈(20)이 터보 팽창기(21) 및 스크류 팽창기(22)로 구성되되,
    상기 터보 팽창기(21)는 외부 배열 온도가 상기 팽창기 입구 작동유체를 건증기 상태로 만들 수 있을 정도로 충분히 높을 경우에 구동하고,
    상기 스크류 팽창기(22)는 외부 배열 온도가 낮아 팽창기 입구 작동유체의 건도가 낮을 경우에 구동하며,
    외부 배열 온도를 감지하여 상기 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)의 작동을 제어하는 제어부를 추가로 포함하는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 증발기(10), 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)로 구성된 터빈(20), 응축기(30) 및 펌프(40)를 포함하는 유기랭킨 사이클 시스템을 이용한 발전 방법으로서,
    외부 배열 온도가 팽창기 입구 작동유체를 건증기 상태로 만들 수 있을 정도로 충분히 높을 경우에는 고효율의 터보 팽창기(21)를 구동하고, 외부 배열 온도가 낮아 팽창기 입구 작동유체의 건도가 낮을 경우에는 스크류 팽창기(22)를 구동하도록, 상기 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)의 작동이 제어되고,
    상기 터보 팽창기(21)와 스크류 팽창기(22)의 선택적인 구동이 외부 배열 온도를 감지하여 각 팽창기의 작동 여부를 결정하는 제어부에 의해서 조절되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 팽창기 구동 ORC 발전 방법.
  6. 삭제
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