KR101360599B1

KR101360599B1 - 작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법

Info

Publication number: KR101360599B1
Application number: KR1020110142537A
Authority: KR
Inventors: 오혁진; 조한창; 양희성
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-02-12
Also published as: KR20130074467A

Abstract

본 발명은 작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법에 관한 것으로, 가열유체와 작동유체를 열교환시켜 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기, 이 증발기에 연결되며 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기, 이 분리기의 농후류 출구에 연결되며 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단, 이 에너지 전환수단과 연결되며 에너지 전환수단을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 분리기에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합부, 이 혼합부와 연결되며 혼합된 작동유체를 외부의 냉각유체와 열교환시켜 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기, 및 이 응축기와 증발기 사이에 연결되며 응축기를 통과한 작동유체를 가압하는 펌핑수단을 구비하는 발전부; 이 발전부의 작동유체의 순환 경로 중에 구비되며, 작동유체의 일부를 우회시켜 농도를 측정토록 제공되는 순환형 농도측정수단; 및 발전부의 작동유체의 순환 경로 중에 구비되며, 순환형 농도측정수단에서 측정된 작동유체의 농도값에 대응하여 작동유체의 농도를 조절토록 제공되는 농도조절부를 포함하여서, 응축기에서의 냉각유체 사용량과 공급열량을 감소시켜 열효율이 향상되며, 독성이 강한 암모니아를 안전하고 손쉽게 확보하여 작동유체 내 암모니아의 농도를 측정하고, 측정된 농도를 바탕으로 희망하는 농도까지 용이하게 조절하는 효과를 기대할 수 있다.

Description

작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법 {Power System For Control Type of The Working Fluid And The Control Method Of The Working Fluid In The Same}

본 발명은 작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법에 관한 것으로, 구체적으로 2 이상의 성분이 혼합된 작동유체를 사용하여 동력을 생산하는 발전시스템에서 운전 중인 작동유체의 특정 성분의 농도를 측정하고 특정성분의 농도를 조절할 수 있으며, 열원을 순환하는 가열유체와의 열교환을 통해 열효율을 향상토록 구성된 작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법에 관한 것이다.

석탄, 오일 또는 가스를 연료로 하는 화력발전은 통상적으로 물을 작동유체로 이용한다. LNG 복합발전의 경우에도 가스터빈에서 나온 배가스가 500~600℃로 상당히 높기 때문에 그 열로 물을 스팀으로 상전환시켜 스팀 터빈을 구동시켜 발전을 하게 된다.

100~500℃로 기존의 스팀발전보다 낮은 온도의 배열원을 이용하여 발전하기 위한 중저온 배열발전기술이 점차 개발, 확대되고 있다. 낮은 온도에서 발전하기 위해서는 낮은 온도에서 끓는점(boiling point)을 갖는 작동유체, 즉 냉매 또는 탄화수소계 연료가 이용된다. 작동유체의 특성 또는 시스템 구성에 따라 유기랭킨 사이클(organic Rankine cycle), 카리나 사이클(Kalina cycle), 그리고 우에하라 사이클(Uehara cycle) 등으로 크게 구별된다. 유기랭킨 사이클은 하나의 작동유체를 이용하고 카리나와 우에하라 사이클은 암모니아와 물을 혼합한 혼합물을 이용한다.

유기랭킨 사이클은 통상의 랭킨사이클인 도 1과 같이 증발기(40), 터빈(50), 응축기(20), 펌프(30)의 기본요소로 구성되어 있으며, 상기 터빈(50)에는 발전기(50)가 연결되어 터빈(50)에서 변환된 기계적 에너지를 전기에너지로 전환한다. 증발기(40)는 작동유체가 열을 받아 기체로 상변화되는 곳이고 터빈(50)은 증발기(40)와 응축기(20) 간의 압력차이를 일로 바꾸어 주는 역할을 하며, 응축기(20)는 터빈(50)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 상변화해주는 역할을 한다. 펌프(30)는 응축기 내 저압의 작동유체를 증발기로 공급하기 위한 역할을 한다. 도 1에서 미설명부호 55는 발전기를 표시한다.

이 랭킨사이클에서 저온저압의 작동유체(1)는 펌프(30)를 통과하며 저온 고압의 작동유체(2)가 되며, 증발기(40)를 통과하면서 고온고압의 작동유체(3)가 되었다가, 터빈(50)을 통과한 후 저압의 작동유체(4)가 된 후, 응축기(20)를 거치면서 다시 저온저압의 작동유체(1)가 되며, 이러한 사이클을 작동유체가 순환함으로써 유용한 에너지를 생성한다. 유기랭킨 사이클이 랭킨사이클과 다른 것은 물보다 끓는점이 낮은 유기물질을 이용하여 저온에서 증발되는 작동유체에 있다. 유기랭킨 사이클은 작동유체가 하나의 성분으로 구성된 유기물질이 이용된다.

한편, 카리나 사이클은 순수물질을 작동유체로 사용하는 유기랭킨 사이클과 달리 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 작동유체로 사용한다. 구체적으로는 도 2와 같이 저온저압의 작동유체(1)는 펌프(30)를 통해 고압의 작동유체(2)로 토출되며, 예열기 혹은 재생기(45)에서 예열되어 중온의 작동유체(5)가 된다. 이후 증발기(40)를 통해 증기화되어 고온고압의 작동유체(3)가 되며, 이 작동유체(3)는 기액분리기(60)에 유입된다. 이곳에서 물이 많이 포함된 포화액으로 암모니아가 적은 희박류(7)와 암모니아가 주성분인 포화증기인 농후류(6)로 분리되며, 농후류(6)는 터빈(50)으로 공급되어 저압의 작동유체로 변환되는데, 터빈(50)은 화학 에너지를 기계적 에너지로 전환하고 그 기계적 에너지는 발전기(미도시)를 통해 전기를 생산한 후 농후류(6)는 소모된 농후류(4)가 된다.

고온상태인 희박류(7)는 예열기 혹은 재생기(45)로 보내져 작동유체(2)를 예열하면서 열을 회수하여 열교환된 작동유체(8)가 되며, 이 열교환된 작동유체(8)는 스로틀 밸브와 같은 압력 제어기(70)를 통과하면서 압력이 터빈(50) 후단의 압력까지 낮아져 저압의 희박류(9)가 된다. 저압의 희박류(9)와 소모된 농후류(4)는 흡수기(80)에서 혼합되어 작동유체(10)가 된다. 작동유체(10)는 응축기(20)로 공급되고 여기에 저온의 냉각수에 의해 작동유체(10)가 응축된 상태로 작동유체(1)가 된다.

증발기(40)에는 고온의 열원을 갖는 가열유체가 공급 및 배출되고, 응축기 (20)에는 냉각수가 공급 및 배출된다. 카리나 사이클은 기액분리기(60)의 레벨을 조절하면서 압력 제어기(70)의 개도를 조절할 수 있다.

미국 특허 제5,953,918호, 제5,572,871호, 제5,440,882호, 제4,982,568호를 참고하면 카리나 사이클에 대한 내용을 보완할 수 있다.

그런데 기존의 카리나 사이클에서는 원하는 농도의 작동유체를 공급하기 위해 해당 농도의 물과 암모니아 혼합액을 시스템 내부로 주입하는 방법을 주로 사용하고 있다. 이는 매우 간단한 방법이나 원하는 농도의 물과 암모니아 혼합액이 상용제품으로 존재하지 않을 경우 사용할 수 없으며 운전 중 암모니아 누출이 발생했을 경우 해당 농도로 재설정하기 어렵다. 카리나 사이클을 중단하고 물과 암모니아 혼합액을 주입해야 하므로 장시간 동력생산이 중단된다는 문제도 있다. 그리고 시스템의 내부 압력보다 암모니아 주입탱크의 압력이 높아야 하는 제한이 있어 기존의 상용 암모니아 용기(15bar 이하)를 사용하는 데에 어려움이 있다. 더하여, 종래의 농도 측정시에는 측정 지점별로 용기 또는 테트라백에 암모니아수를 받아 암모니아를 증발시킨 후 물의 무게를 측정하는 방법을 사용하여 연속적인 모니터링이 불가능하였다. 특히 독성이 강한 암모니아 가스의 특성으로 인해 측정을 위한 샘플 확보가 어렵고 작업자의 안전상의 문제도 발생한다.

또한, 카리나 사이클의 설계에 있어 증발기(40)로 들어가는 작동유체(5)는 통상 작동압력에서 얻을 수 있는 포화액의 온도로 공급하게 된다. 이렇게 하면 증발기의 효율을 극대화할 수 있기 때문이다. 하지만, 작동유체(5)를 포화액의 온도로 공급하는 경우에, 기액분리기(60)에서 분리된 희박류(7)가 예열기(45)에서 펌프(30)를 통해 공급된 작동유체(2)를 예열하면서 열량(Q)을 소비하지만, 그 열량(Q)이 크지 않아서 작동유체(10)는 상대적으로 높은 온도를 유지하게 된다. 이에 따라 그 열은 응축기(20)에서 냉각수에 의해 모두 냉각을 시켜야 한다. 즉, 응축기(20)에 공급되는 냉각수량이 증가하여야 하며 응축기 자체도 커져야 한다. 이것은 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율이 낮아지는 영향을 주게 된다.

본 발명은 카리나 사이클에서 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전출력에는 영향 없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 카리나 사이클에서 독성이 강한 암모니아를 안전하고 손쉽게 샘플을 확보하여 작동유체 내 암모니아의 농도를 측정하고, 측정된 농도를 바탕으로 작업자가 희망하는 농도까지 용이하게 조절하도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 다음과 같은 작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법을 제공한다.

본 발명인 발전시스템은 가열유체와 적어도 2 이상의 성분이 함유된 작동유체를 열교환시켜 상기 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기, 상기 증발기에 연결되며 상기 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기, 상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단, 상기 에너지 전환수단과 연결되며 상기 에너지 전환수단을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합부, 상기 혼합부와 연결되며 혼합된 작동유체를 외부의 냉각유체와 열교환시켜 상기 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기, 및 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결되며 상기 응축기를 통과한 상기 작동유체를 가압하는 펌핑수단을 구비하며, 상기 작동유체가 순환되는 발전부; 상기 발전부의 상기 작동유체의 순환 경로 중에 구비되며, 상기 작동유체의 일부를 우회시켜 농도를 측정토록 제공되는 순환형 농도측정수단; 및 상기 발전부의 상기 작동유체의 순환 경로 중에 구비되며, 상기 순환형 농도측정수단에서 측정된 상기 작동유체의 농도값에 대응하여 상기 작동유체의 농도를 조절토록 제공되는 농도조절부를 포함하며, 상기 순환형 농도측정수단은, 상기 펌핑수단의 출구에 설치되고, 상기 작동유체를 우회토록 제공되는 바이패스 밸브; 및 상기 바이패스 밸브에 연결된 제1 보관용기에 일시 저장되었다가 펌프에 의해 제2 보관용기로 이동한 상기 작동유체의 농도를 측정토록 상기 제2 보관용기에 설치되어 제공되는 농도측정센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

그리고 상기 농도조절부는, 상기 응축기의 출구와 펌핑수단의 입구 사이에 설치되고, 2 이상의 성분 중 어느 하나를 공급토록 제공되는 작동유체 공급부재와; 상기 에너지 전환수단의 출구와 혼합기의 입구 사이에 설치되고, 2 이상의 성분 중 어느 하나를 배출토록 제공되는 작동유체 배출부재; 및 상기 순환형 농도측정수단에서 측정된 작동유체의 농도값에 대응하여 농도조성물의 공급 또는 배출을 조절토록 제공되는 농도제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

더하여, 상기 분리기와 예열기 사이에 설치되고, 상기 분리기에서 배출된 희박류와 가열유체가 열교환토록 제공되는 열교환기를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 가열유체가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부, 상기 증발기 및 열교환기를 순환하도록, 상기 가열유체가 순환하는 가열유체 순환구조를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명인 작동유체의 농도제어 방법은 바이패스 밸브를 개방하는 단계와; 펌핑수단을 구동하여 작동유체의 일부를 바이패스 밸브로 우회시키고 제1 보관용기에 저장하는 단계와; 제1 보관용기에 저장된 작동유체를 펌프를 구동하여 제2 보관용기로 보내 물과 함께 희석시키는 단계와; 희석된 작동유체의 농도를 측정하는 단계; 및 작동유체의 농도 측정 후 펌프를 역으로 가동하여 제1 보관용기로 보낸 다음에 바이패스 밸브를 통해 우회시키는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

더하여, 상기 측정된 작동유체의 농도를 판단하고 작동유체의 특정성분을 주입 또는 배출하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명인 발전시스템 및 작동유체의 농도제어 방법의 일 실시예는 위와 같은 구성을 통하여, 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전출력에는 영향 없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 독성이 강한 암모니아 혼합액의 샘플을 작업자의 안전을 해하지 않으면서 손쉽게 채취하여 농도를 측정할 수 있는 효과가 있다.

그리고 카리나 사이클에서 작동유체를 우회시켜 측정하므로 혼합유체 중 암모니아 농도의 지속적인 모니터링이 가능한 효과가 있다.

더하여, 펌프를 이용하여 암모니아가 주입되어 있는 작동유체 공급부재에서 암모니아를 사이클 내로 공급하게 되므로 공급탱크 내의 압력이 사이클 내의 압력보다 높지 않아도 공급이 원활하게 진행되는 효과가 있다.

또한, 암모니아의 공급과 배출이 간단하고 빠르게 이루어지게 되므로 주입과정에서 발전시스템을 중단하는 시간이 단축됨으로써, 차질없는 동력생산이 가능하다는 효과도 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 랭킨사이클의 구성도이다.
도 2는 종래의 카리나 사이클의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발전시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 발전시스템의 다른 구성도이다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 발전시스템에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.

이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 아래 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다.

따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다.

그리고 아래 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

본 발명과 관련된 실시예들은 기본적으로, 카리나 사이클에서 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전출력에는 영향 없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키며, 카리나 사이클에서 독성이 강한 암모니아를 안전하고 손쉽게 샘플을 확보하여 작동유체 내 암모니아의 농도를 측정하고, 측정된 농도를 바탕으로 작업자가 희망하는 농도까지 용이하게 조절토록 하는 것을 기초로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 발전시스템의 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 발전시스템의 다른 구성도이다.

먼저, 도 3을 참고하면, 본 발명인 발전시스템(100)은 적어도 2 이상의 성분이 함유된 작동유체와 가열유체를 열교환시켜 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기(150)와; 상기 증발기(150)에 연결되며, 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기(160)와; 상기 분리기(160)의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단(170)과; 상기 에너지 전환수단(170)과 연결되며, 상기 에너지 전환수단(170)을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합부(190)와; 상기 혼합부(190)와 연결되며, 혼합된 작동유체를 외부의 냉각유체와 열교환시켜 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기(110)와; 상기 응축기(110)와 증발기(150) 사이에 연결되며, 상기 응축기(110)를 통과한 작동유체를 가압하는 펌핑수단(120)을 구비하는 발전부(A)를 포함한다. 또한, 본 발명의 발전시스템(100)은, 상기 펌핑수단(120)의 출구에 설치되고 작동유체의 일부를 우회시켜 농도를 측정하는 순환형 농도측정수단(200), 및 상기 순환형 농도측정수단(200)에서 측정된 작동유체의 농도값에 대응하여 작동유체의 농도를 조절토록 제공되는 농도조절부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 2 이상의 성분이 함유된 작동유체는 낮은 끓는점을 가지는 성분과 높은 끓는점을 가지는 성분을 포함하는 다성분 작동류이다. 이런 선호되는 작동류로는 암모니아수 혼합물, 두 가지 이상의 탄화수소, 두 가지 이상의 프레온, 탄화수소와 프레온 혼합물이 있다. 일반적으로 작동유체는 유리한 열역학적 특성과 용해성을 가지는 여러 성분으로 이루어진 혼합물이다. 여기서, 특히 선호되는 작동류는 물과 암모니아 혼합물이 사용될 수 있다. 이하에서는 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 본 발명에서 사용되는 작동유체로 한정하여 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 작동유체는 상기 혼합부(190)에서 시작하여 응축기(110), 증발기(150)를 지나 상기 분리기(160)에 들어가 농후류와 희박류로 분리되기 전까지는 동일한 농도를 유지한다.

응축기(110)에서 응축된 작동유체(S1)는 펌핑수단(120)에 의해서 고압으로 펌핑되어, 고압의 작동유체(S2)를 생성한다. 고압의 작동유체(S2)는 예열기(130)에서 희박류(S9)와 열교환하여, 승온된 작동유체(S3)가 된다. 승온된 작동유체(S3)는 증발기(150)로 유입되며, 상기 증발기(150)에서 작동유체는 가열유체와 열교환하면서 상변화하여 증발된 작동유체(S4)가 된다. 이때, 열에너지가 화학적 에너지로 전환된다.

증발된 작동유체(S4)는 분리기(160)로 공급되며, 분리기(160)에서 증기상태의 농후류(S5)와 액체상태의 희박류(S9)로 분리된다. 여기서, 농후류(S5)란 암모니아와 같은 저 비등점 유체가 작동유체에서 상대적으로 농도가 높은 것을 의미하며, 희박류(S9)란 암모니아와 같은 저 비등점 유체가 작동유체에서 상대적으로 농도가 낮은 것을 의미하는 것으로, 분리기(160)에서 기체는 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 높으며, 액체는 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 낮다.

여기서, 상기 분리기(160)에서 분리된 기체는 암모니아의 농도가 상대적으로 높으므로 농후류에 해당할 것이며, 액체는 암모니아의 농도가 상대적으로 낮으므로 희박류에 해당될 것이다.

농후류(S5)는 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)으로 공급되며, 이 에너지 전환수단(170)에서 농후류(S5)는 압력이 하강하며, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)에는 발전기(180)가 연결되어 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 농후류(S5)는 터빈과 같은 에너지 전환수단(170)을 통과하면서 에너지가 소모되어 소모 농후류(S6)가 된다. 소모 농후류(S6)는 스로틀 밸브를 통과한 후 이 작동유체(S7)가 희박류(S11)와 상기 혼합부(190)에서 혼합, 합류하여 다시 분리되기 전의 작동유체(S8)의 상태가 된다.

한편, 희박류(S9)는 상기 분리기(160)에서 분리되어 상기 예열기(130)로 유동한다. 상기 예열기(130)에서는 펌핑수단(120)에 의해 가압되어 이동하는 고압의 작동유체(S2)가 통과하고 있으며, 이때 상기 희박류(S9)의 온도가 상기 고압의 작동유체(S2)의 온도보다 높기 때문에 상기 희박류(S9)에서 상기 고압의 작동유체(S2)로 열이 이동하여 상기 고압의 작동유체(S2)는 승온된 작동유체(S3)가 되고 상기 희박류(S9)는 온도가 낮아진 희박류(S11)가 된다.

그런데 여기서 도 4에 도시된 바와 같이 다른 실시예에 의하면, 상기 희박류(S9)는 상기 예열기(130)를 통과하기 전에 열원과 연계되어 있는 가열유체와 먼저 열교환을 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예는 상기 분리기(160)와 예열기(130) 사이에 설치되고, 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류(S9)와 가열유체(H2)가 열교환토록 제공되는 열교환기(450)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그에 따라, 상기 가열유체(H2)가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부(410), 상기 증발기(150) 및 열교환기(450)를 순환하도록 상기 가열유체(H2)가 순환하는 가열유체 순환구조(420)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

자세하게는, 상기 분리기(160)에서 분리된 희박류(S9)는 상기 예열기(130)를 통과하기 전에 상기 분리기(160)와 예열기 사이에 설치되어 있는 열교환기(450)에서 가열유체(H2)와 열을 교환한다.

이때, 증발기(150)를 통과한 후의 가열유체(H2)의 온도가 희박류(S10)보다 낮기 때문에, 희박류(S10)로부터 가열유체(H2)로 열에너지가 전달된다. 따라서, 희박류(S10)는 열교환기(450)를 통과하면서 저온의 희박류(S11)가 되는 반면에, 가열유체(H2)는 열교환기(450)를 통과하면서 온도가 올라간 가열유체(H3)가 된다. 이렇게 저온의 희박류(S10)는 다시 예열기(130)를 통과하면서 고압의 작동유체(S2)와 열교환을 실시하여 다시 한번 온도가 낮아진 희박류(S11)가 되는 것이다.

상기 예열기(130)를 통과한 희박류(S11)는 스로틀 밸브와 같은 압력조절수단(V)을 통과하면서 에너지 전환수단(170) 후단의 압력으로 떨어져 저압의 희박류(S12)가 된다. 이때, 압력조절수단은 분리기(160)의 액면에 따라서 개도가 조절될 수 있으며, 그로 인하여 저압의 희박류(S12)는 혼합부(190)에서 소모 농후류(S6)와 합류하여 작동유체(S8)가 되며, 작동유체(S8)는 응축기(110)로 제공된다.

상기 응축기(110)에서 작동유체(S8)는 냉각수와 같은 냉각유체에 의해서 액상으로 모두 응축되며, 액상의 응축 작동유체(S1)가 된다. 이렇게 작동유체는 1 순환하면서 가열유체로부터 받은 열에너지를 전기 에너지로 전환한다.

본 발명과 같은 열에너지를 유용한 에너지(예를 들면, 전기 에너지)로 전환하는 장치에서는 분리기(160)에서 분리된 희박류(S9)의 경우에 에너지 전환수단(170)에 공급되지 않는다. 종래에서는 중간에 작동유체(2; 도 2 참고)와 희박류(7; 도 2 참고)가 예열기(45; 도 2 참고)를 통과한 후 응축기(20; 도 2 참고)로 들어가기에, 예열기에서 희박류의 온도가 충분히 낮아지지 않는 경우에 응축기(20)에서 응축부하가 크게 걸리며, 이는 응축기를 크게 하여 장치 전체의 사이즈를 증대시킬 뿐만 아니라, 응축수를 많이 필요하게 된다.

이에 희박류(S9)가 상기 혼합부(190)에서 소모 농후류(S6)와 합류하기 전 예열기(130)의 열교환 양을 증대시켜 응축기(110)의 부하를 낮추는 것도 고려하여 볼 수 있으나, 배경기술에서 언급한 바와 같이 증발기(150)의 열교환 효율을 상승시키기 위하여 증발기(150)의 입구단에서 포화액으로 넣어야 하기 때문에, 예열기(130)의 열교환 양은 제한될 수밖에 없다.

이에 본 발명에서는 상기 희박류(S9)는 열교환기(450)로 공급되며, 열교환기(450)에서 열에너지의 일부를 다시 가열유체(H2)로 반환한다.

상기 열교환기(450)의 역할은 에너지 전환수단(170)으로 공급되지 않아서 응축기(110)를 통하여 버려져야 하는 작동유체가 가지고 있던 에너지의 일부를 다시 가열유체(H2)로 공급하는 것인데, 이는 에너지 전환수단(170)에서 전환되는 에너지량(즉, Qout)에는 영향을 주지 않으면서, 시스템으로 유입되는 에너지량(즉, Qin)을 감소시키는 것이다. 이는, 발전효율 = 발전출력(Qout)/공급열량(Qin)이라는 점을 고려할 때, 발전량이 유지되면서 유입 에너지량이 감소하는 것이므로, 사이클효율이 상승하는 것임을 알 수 있다.

특히, 2 이상의 성분이 함유된 작동유체를 사용하는 본 발명과 같은 발전시스템에서는 배가스나 폐열원을 열원으로 사용하는 경우인데, 이들 열원의 조건에 따라 증발기(150)로 바로 공급할 수 있다. 또한, 열원을 증발기(150)로 바로 공급하지 않는 경우는, 배가스가 발생하는 배가스 발생부(430)에서 열을 뽑아서 열교환부(410)를 통하여 가열유체(H1)를 가열시키며, 가열유체(H1)는 증발기(150), 열교환기(450) 및 열교환부(410)를 순환하면서 배가스와 같은 폐열원으로부터의 열을 증발기(150)를 통하여 작동유체(S3)에 전달한다. 따라서, 가열유체(H2)를 가열하는 것은 가열유체(H1)가 열교환부(410)를 통하여 받아들이는 열을 감소시키는 것이며, 가열유체를 포함하는 전체 사이클에서 유입 에너지량(즉, Qin)을 감소시키는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 증발기(150)로 유입되는 가열유체(H1)의 온도는 150℃이며, 작동유체(S3)의 온도는 116℃이며, 증발기(150)를 빠져나가는 가열유체(H2)의 온도는 120℃이며, 작동유체(S4)의 온도는 142℃이다. 작동유체(S4)는 분리기(160)에서 온도 변화없이 희박류(S9)와 농후류(S5)로 분리되므로, 열교환기(450)로 공급되는 작동유체(S9)의 온도는 142℃이며, 열교환기(450)로 공급되는 가열유체(H2)의 온도는 120℃여서, 열교환기(450)에서는 증발기(150)와는 반대로 작동유체(S9)로부터 가열유체(H2)로 열이 전달된다. 열교환기(450)를 통과한 후 작동유체(S10)의 온도는 125℃로 떨어졌으며, 가열유체(H3)는 124℃로 상승하였다.

위 실시예와 같이 일부의 사용되지 않는 에너지를 다시 가열유체(H2)에 반환함으로써, 열교환기(450) 없이 증발기(150)의 후단 가열유체(H2)를 증발기(150)의 전단 가열유체(H1)로 가열해야했던 열교환부(410)를 통하여 유입되는 열량이 열교환기(450)를 통하여 대략 13.3%만큼 감소하는 것이 가능하며, 이를 통하여 사이클 전체의 효율향상이 가능하다.

또한, 희박류의 온도가 낮아짐으로써, 응축기(110)에서 냉각 부하가 감소할 수 있으며, 이는 발전전력으로 구동시키는 응축기(110)의 펌프(미도시)에 공급전력이 감소할 뿐만 아니라, 응축기(110) 자체의 크기도 감소시키는 것이 가능하다.

한편, 상기 순환형 농도측정수단(200)은 상기 펌핑수단(120)의 출구에 설치되고, 작동유체를 우회토록 제공되는 바이패스 밸브(210, 220) 및 상기 바이패스 밸브(210, 220)에 연결된 제1 보관용기(230)에 일시 저장되었다가 펌프(240)에 의해 제2 보관용기(250)로 이동한 작동유체의 농도를 측정토록 상기 제2 보관용기 (250)에 설치되어 제공되는 농도측정센서(260)를 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 펌핑수단(120)과 예열기(130)가 설치된 라인의 사이에는 상기 작동유체(S2)의 일부를 우회시킬 수 있는 바이패스 밸브(210)가 설치되어 있다. 작업자는 상기 작동유체(S2) 중 암모니아의 농도를 측정하기 위해 상기 바이패스 밸브(210)를 열고 운전 중인 사이클에서 작동유체(S2)의 일부를 축출하게 된다.

축출된 작동유체(S2)는 상기 바이패스 밸브(210)와 연결된 제1 보관용기(230)에 일시 저장된다. 그리고 펌프(240)를 통해 물이 함유되어 있는 제2 보관용기(250)로 이동된다. 암모니아는 독성이 강하고 상기 작동유체 상에서 암모니아의 농도는 통상 높게 적용되어 사이클을 운전하므로, 농도측정센서(260)로 암모니아의 농도를 측정하려면 희석이 필요하다. 작동유체의 일부가 물과 충분히 희석되면 이제 농도측정센서(260)로 암모니아의 농도를 측정하고, 측정이 완료되면 다시 펌프(240)를 구동하여 제1 보관용기(230)로 이동시킨 후 바이패스 밸브(220)를 통해 상기 발전시스템으로 순환시킨다.

다시 우회 순환되는 작동유체(S2)는 상기 농도조절부(300)를 통해 다시 원래의 작동유체의 농도로 맞추어 줄 수 있기 때문에 작동유체의 일부가 물에 희석되어 전체 작동유체에서 미세한 농도변화가 있더라도 다시 원래대로 바로 잡을 수 있다.

순환형 농도측정수단(200)은 위와 같은 구성을 통해 손쉽게 강한 독성을 가진 암모니아 혼합유체의 샘플을 채취하여 농도측정이 가능하며, 상기 암모니아 혼합유체를 우회시켜 측정하므로 혼합유체 중 암모니아 농도의 지속적인 모니터링이 가능하게 된다.

다음으로, 상기 농도조절부(300)는, 상기 응축기(110)의 출구와 펌핑수단(120)의 입구 사이에 설치되고, 2 이상의 성분 중 어느 하나를 공급토록 제공되는 작동유체 공급부재(340)와; 상기 에너지 전환수단(170)의 출구와 혼합부(190)의 입구 사이에 설치되고, 2 이상의 성분 중 어느 하나를 배출토록 제공되는 작동유체 배출부재(310); 및 상기 순환형 농도측정수단(200)에서 측정된 작동유체의 농도값에 대응하여 농도조성물의 공급 또는 배출을 조절토록 제공되는 농도제어부(370)를 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로 상기 작동유체의 순환형 농도측정수단(200)에 의해 측정된 암모니아의 농도값과 작업자가 희망하는 운전기준 암모니아의 농도값이 차이가 있는 경우 상기 농도조절부(300)에 의해 암모니아를 주입하거나 배출하게 된다. 암모니아의 농도가 저농일 때에는 암모니아를 주입하게 되는데, 이는 먼저 시스템을 중지한 상태에서 내부의 작동유체를 작동유체 저장탱크(115)로 이동시켜 작동유체 저장탱크(115)를 가득 채워놓고 분리기(160)에는 공간을 많이 확보해 둔다.

여기서 작동유체 공급부재(340)는 카리나 사이클에서 작동유체 저장탱크(115)와 펌핑수단(120) 사이에 연결된다. 작업자는 작동유체 저장탱크(115)와 상기 작동유체 공급부재(340) 사이에 있는 유량제어밸브(360)를 닫아 상기 사이클 상의 작동유체의 순환을 일시 정지시킨 뒤 작동유체 공급부재(340)와 연결된 밸브(350)를 개방한다.

그 후 펌핑수단(120)을 가동시켜 시스템 내부의 압력과 무관하게 작동유체 공급부재(340)로부터 암모니아를 공급받게 된다. 이는 종래 암모니아 주입시 암모니아를 저장하는 용기의 압력이 사이클 압력보다 높아 압력차에 의해 암모니아가 주입되는 것과는 다른 방식으로서, 비록 암모니아 주입용기의 압력이 사이클 압력보다 낮더라도 펌프의 가동으로 암모니아가 주입될 수 있도록 한 것이다.

암모니아의 농도가 과농일 때는 작동유체를 배출하여 암모니아의 농도를 낮추어야 하는데, 암모니아는 독성이 강한 물질이므로 외부에 노출시키거나 작업자가 가스에 노출되는 사고가 없어야 한다. 또한, 암모니아를 외부로 배출시키는 경우 노출지점에서는 암모니아 증발현상이 발생하고, 이에 의해 온도강하 현상이 발생하여 배관이나 설비에 성애가 발생되게 된다.

이러한 현상을 방지하면서 안정적으로 암모니아를 배출하기 위해 에너지 전환수단(170)의 후단에 작동유체 배출라인을 설치할 수 있다. 에너지 전환수단(170)에서 작동을 마치고 나온 작동유체는 암모니아의 농도가 높은 농후류(S6)의 기체상태이므로 상기 카리나 사이클 상의 다른 위치보다 배출이 수월한 측면이 있다.

암모니아 기체를 배출하기 위해서는 우선 상기 농도조절부(300)에 의해 유량제어밸브(330)를 닫아 상기 카리나 발전시스템에서 암모니아 기체의 유동을 제한하고 작동유체 배출부재(310)와 연결된 밸브(320)를 열어 배출라인을 형성한다. 여기서 배출라인은 직경이 작은 튜브나 파이프를 외부로 연결하여 그 튜브나 파이프는 최종적으로 저온의 물을 함유하는 작동유체 배출부재(310)와 연결되어 암모니아가 외부나 공기 중으로 직접 배출되는 것을 방지한다. 암모니아의 수용성 특성을 이용하여 배출된 암모니아를 물로 처리함으로써 환경문제에 대응할 수 있다.

이상과 같은 구성을 통해 카리나 사이클에서 분리기(160)를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기(110)에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전출력에는 영향 없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 카리나 사이클에서 독성이 강한 암모니아를 안전하고 손쉽게 샘플을 확보하여 작동유체 내 암모니아의 농도를 측정하고, 측정된 농도를 바탕으로 작업자가 희망하는 농도까지 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

이상의 사항은 작동유체 농도제어형 발전시스템 및 이를 이용한 작동유체의 농도제어 방법의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.

따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.

110...응축기 120...펌핑수단
130...예열기 150...증발기
160...분리기 170...에너지 전환수단
180...발전기 190...혼합부
200...농도측정수단 210,220...바이패스 밸브
230,250...제1,2 보관용기 260...농도측정센서
300...농도조절부 310...작동유체 배출부재
340...작동유체 공급부재 330,360...유량제어밸브
410...열교환부 420...가열유체 순환구조
430...배가스 발생부 450...열교환기

Claims

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가열유체와 적어도 2 이상의 성분이 함유된 작동유체를 열교환시켜 상기 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기(150), 상기 증발기(150)에 연결되며 상기 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기(160), 상기 분리기(160)의 농후류 출구에 연결되며 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단(170), 상기 에너지 전환수단(170)과 연결되며 상기 에너지 전환수단(170)을 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합부(190), 상기 혼합부(190)와 연결되며 혼합된 작동유체를 외부의 냉각유체와 열교환시켜 상기 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기(110), 및 상기 응축기(110)와 상기 증발기(150) 사이에 연결되며 상기 응축기(110)를 통과한 상기 작동유체를 가압하는 펌핑수단(120)을 구비하며, 상기 작동유체가 순환되는 발전부(A);
상기 발전부(A)의 상기 작동유체의 순환 경로 중에 구비되며, 상기 작동유체의 일부를 우회시켜 농도를 측정토록 제공되는 순환형 농도측정수단(200); 및
상기 발전부(A)의 상기 작동유체의 순환 경로 중에 구비되며, 상기 순환형 농도측정수단(200)에서 측정된 상기 작동유체의 농도값에 대응하여 상기 작동유체의 농도를 조절토록 제공되는 농도조절부(300);
를 포함하며,
상기 순환형 농도측정수단(200)은,
상기 펌핑수단(120)의 출구에 설치되고, 상기 작동유체를 우회토록 제공되는 바이패스 밸브(210,220); 및
상기 바이패스 밸브(210,220)에 연결된 제1 보관용기(230)에 일시 저장되었다가 펌프(240)에 의해 제2 보관용기(250)로 이동한 상기 작동유체의 농도를 측정토록 상기 제2 보관용기(250)에 설치되어 제공되는 농도측정센서(260);
를 포함하는 작동유체 농도제어형 발전시스템.
제3항에 있어서,
상기 농도조절부(300)는,
상기 응축기(110)의 출구와 상기 펌핑수단(120)의 입구 사이에 설치되고, 2 이상의 성분 중 어느 하나를 공급토록 제공되는 작동유체 공급부재(340);
상기 에너지 전환수단(170)의 출구와 상기 혼합부(190)의 입구 사이에 설치되고, 2 이상의 성분 중 어느 하나를 배출토록 제공되는 작동유체 배출부재(310); 및
상기 순환형 농도측정수단(200)에서 측정된 상기 작동유체의 농도값에 대응하여 농도조성물의 공급 또는 배출을 조절토록 제공되는 농도제어부(370);
를 포함하는 작동유체 농도제어형 발전시스템.
제4항에 있어서,
상기 분리기(160)와 예열기(130) 사이에 설치되고, 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류와 가열유체가 열교환토록 제공되는 열교환기(450)를 더 포함하는 작동유체 농도제어형 발전시스템.
제5항에 있어서,
상기 가열유체가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부(410), 상기 증발기(150) 및 상기 열교환기(450)를 순환하도록, 상기 가열유체가 순환하는 가열유체 순환구조(420)를 더 포함하는 작동유체 농도제어형 발전시스템.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 작동유체 농도제어형 발전시스템을 이용한 작동유체의 농도를 제어하는 방법에 있어서,
바이패스 밸브를 개방하는 단계;
펌핑수단을 구동하여 작동유체의 일부를 상기 바이패스 밸브로 우회시키고 제1 보관용기에 저장하는 단계;
상기 제1 보관용기에 저장된 상기 작동유체를 펌프를 구동하여 제2 보관용기로 보내 물과 함께 희석시키는 단계;
상기 희석된 작동유체의 농도를 측정하는 단계; 및
상기 작동유체의 농도 측정 후 상기 펌프를 역으로 가동하여 상기 작동유체를 상기 제1 보관용기로 보낸 다음에 상기 바이패스 밸브를 통해 우회시키는 단계;
를 포함하는 작동유체의 농도제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 측정된 작동유체의 농도를 판단하고 상기 작동유체의 특정성분을 주입 또는 배출하는 단계를 더 포함하는 작동유체의 농도제어 방법.