KR101664895B1 - 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템 - Google Patents

브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템 Download PDF

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임동렬
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차재민
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Abstract

본 발명은 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료를 연소하는 연소장치에서 배출되는 열원으로, 초임계 상태의 이산화탄소를 작동유체로 하는 브레이튼 사이클을 통해 전기를 생산하는 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템에 있어서, 연료를 연소시키는 연소장치; 상기 연소장치에서 배출되는 열원이 공급되는 열교환기 유닛; 상기 열교환기 유닛에서 열원과 열교환되는 작동유체가 공급되는 터빈; 상기 터빈에서 팽창된 고온의 작동유체를 냉각하는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 냉각된 작동유체를 압축하는 주 압축기;를 포함하며, 상기 터빈에서 배출되어 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 1 연결배관에서 분기된 제 1 분기배관을 통해 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛으로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 열교환기 유닛으로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템을 제공한다.

Description

브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템{Power generation system based on Brayton cycle}
본 발명은 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료를 연소하는 연소장치에서 배출되는 열원으로, 이산화탄소를 작동유체로 하는 브레이튼 사이클을 통해 전기를 생산하는 발전 시스템에 관한 것이다.
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.
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 랭킨 사이클을 이용하여 발전하는 발전소(발전설비)를 초임계압력 발전소라고 한다. 초임계압력 발전소의 터빈에서 사용되는 통상의 작동유체(초임계 작동유체)는, 임계압력 225.65kg/㎠ 이상, 임계온도 374℃(647K) 이상의 수증기(작동유체)를 사용한다. 즉, 작동유체의 임계온도 및 임계압력이 상온, 상압보다 매우 높은 값을 갖는다. 이 의미는, 상기 초임계 랭킨 사이클을 구현하기 어렵다는 것이다. 구체적으로는, 냉각기에서 상변화가 일어나거나 또는, 작동유체를 상기 임계압력 및 임계온도까지 다시 상승시켜야 한다는 의미이다.
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.
따라서, 물을 쓰는 랭킨 사이클이 아닌 이산화탄소를 작동유체로 하는 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
상기 초임계 브레이튼 사이클은 사이클의 모든 부분에서 작동유체가 임계점 이상의 조건을 유지하여 사이클 내에서 상변화가 일어나지 않기 때문에 터빈이나 압축기에서 이상류에 의한 블레이드의 파괴 우려가 없으며, 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 증가하는 이점이 있다.
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.
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 쉽기 때문이다. 여기서, 최저 온도를 더 낮춤으로써 열역학적으로 카르노 효율에 따른 효율 증대를 기대할 수 있으며, 최저 압력을 변화시킴으로써 보다 높은 사이클 효율을 얻을 수 있는 압력비로 조절할 수 있다.
그런데, 종래의 화력 보일러의 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클 시스템의 경우 초임계 이산화탄소 터빈의 팽창비가 낮기 때문에 터빈에서 배출되는 온도가 상대적으로 높고 이에 따라 화력 보일러 후단에서 발전에 사용되지 않고 배출되는 열원이 400℃ 이상으로 높은 단점이 있었다.
(문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1138223호(2012.04.13.)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 안출된 것으로, 2단 재열 공정 및 열원 후단에서 배출되는 열에너지를 회수할 수 있는 저온 열원 회수 공정을 이용하여 전체 공정의 효율을 높인 브레이튼 사이클을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템에 있어서, 연료를 연소시키는 연소장치; 상기 연소장치에서 배출되는 열원이 공급되는 열교환기 유닛; 상기 열교환기 유닛에서 열원과 열교환되는 작동유체가 공급되는 터빈; 상기 터빈에서 팽창된 고온의 작동유체를 냉각하는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 냉각된 작동유체를 압축하는 주 압축기;를 포함하며, 상기 터빈에서 배출되어 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 1 연결배관에서 분기된 제 1 분기배관을 통해 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛으로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 열교환기 유닛으로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템을 제공한다.
상기 제 1 연결배관에 설치되는 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 리큐퍼레이터에서는 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 주 압축기에서 배출되는 작동유체가 열 교환되며, 상기 리큐퍼레이터에서 배출되어 상기 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 제 1 연결배관에서 상기 리큐퍼레이터 하류에 설치되는 상기 제 1 분기배관을 통해 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 주 압축기에서 상기 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 리큐퍼레이터로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 연결배관에 설치되는 제 1 리큐퍼레이터와 제 2 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 제 1 리큐퍼레이터에서는 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 배출되는 작동유체가 열 교환되고, 상기 제 2 리큐퍼레이터에서는 상기 제 1 리큐퍼레이터에서 배출되는 작동유체와 상기 압축기에서 배출되는 작동유체가 열 교환되며, 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 배출되어 상기 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 제 1 연결배관에서 상기 제 2 리큐퍼레이터 하류에 설치되는 상기 제 1 분기배관을 통해 재순환 압축기에서 압축되고, 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 압축기에서 배출된 작동유체는 제1단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 고압 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 고압 터빈에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 중압 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 중압 터빈에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 저압 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 저압 터빈에서 배출된 작동유체는 상기 냉각기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 리큐퍼레이터에서 배출된 작동유체는 제1단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 고압 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 고압 터빈에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 중압 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 중압 터빈에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 저압 터빈에 공급되어 팽창되며, 상기 저압 터빈에서 배출된 작동유체는 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 재순환 압축기를 거친 작동유체는 상기 열교환기 유닛의 제 1 저온 열원 회수 열교환기에서 열을 회수하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 분기배관을 통해 상기 재순환 압축기에 공급되는 작동유체 유량은 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 냉각기로 공급되는 작동유체 유량의 35 ~ 45%인 것이 바람직하다.
상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛으로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛을 연결하는 제 2 연결배관에서 분기된 제 2 분기배관을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기에 공급되어 열을 회수한 후, 상기 압축기에서 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는 작동유체와 합류되어 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛을 연결하는 제 2 연결배관에서 상기 제 2 리큐퍼레이터 하류에서 분기된 제 2 분기배관을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기에 공급되어 열을 회수한 후, 상기 제 1 리큐퍼레이터에서 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는 작동유체와 합류되어 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 분기배관을 통해 상기 제 2 저온 열원 회수 열교환기에 공급되는 작동유체 유량은 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체 유량의 8 ~ 10% 인 것이 바람직하다.
상기 작동유체는 초임계 상태의 이산화탄소인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 2단 재열 공정과 저온 열원을 추가로 회수하기 위한 공정이 적용되어 전체 공정의 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 초임계 상태의 이산화탄소를 작동유체로 사용하여, 작동유체의 밀도가 액체와 같이 높고 점성이 기체와 같이 낮고, 비열이 크기 때문에 열전도성이 향상되어, 동일 열량을 전력으로 전환하기 위해서 공급되는 작동유체의 질량 유량이 크게 증가되어 총발전량(Gross power)이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템의 온도-엔트로피 선도를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템(100)은 연료를 연소시키는 연소장치(10), 연소장치(10)에서 배출되는 열원이 공급되는 열교환기 유닛(110), 열교환기 유닛(110)에서 열원과 열교환된 작동유체가 공급되며, 작동유체에 의해 일을 하는 터빈(120), 터빈(120)에서 팽창된 고온의 작동유체를 냉각하는 냉각기(140) 및 냉각기(140)에서 냉각된 작동유체를 압축하는 주 압축기(150)를 포함하며, 터빈(120)에서 배출되어 냉각기(140)로 공급되는 작동유체 일부는, 터빈(120)과 냉각기(140)를 연결하는 제 1 연결배관(160)에서 분기된 제 1 분기배관(161)을 통해 열교환기 유닛(110)에서 열 교환된 후, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)으로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 열교환기 유닛(110)으로 공급될 수 있다.
연소장치(10)는 예컨대, 화력보일러일 수 있으며, 석탄, 폐기물, 중유, 벙커 C유, 천연가스 등과 같은 연료가 공급될 수 있다. 연소장치(10)에서 연료의 연소 반응에 의해 발생한 배기가스는 연소 가스 덕트(13)를 통해 열교환기 유닛(110)에 공급되어 열원으로 사용되며, 연소장치(10)에서 연소되지 않은 미반응 연료는 연료 회수용 사이클론(11)에서 배기가스와 분리되어 재순환 공급라인(12)을 통해 연소장치(10)에 다시 공급될 수 있다.
작동유체는 연소 가스 덕트(13)를 통해 공급된 배기가스 열원과 열교환기 유닛(110)에서 열 교환을 통해 열을 회수한 후 터빈(120)으로 공급된다. 터빈(120)에 공급된 작동유체는 터빈(120)에 회전력을 제공하며, 터빈(120)의 회전력에 의해 전기를 생산하기 위한 동력이 발생하게 된다. 한편, 터빈(120)에서 팽창하는 과정을 거친 작동유체는 냉각기(140)를 통해 냉각된 후, 주 압축기(150)를 통해 압축되어 다시 열교환기 유닛(110)으로 공급된다.
냉각기(140)는 냉각수를 공급하는 펌프(미도시)를 통해 냉각수로 작동유체를 냉각할 수 있다.
열교환기 유닛(110)은 배기가스가 유입되는 측부터 제3단, 제2단, 제1단 재열 열교환기(113,112,111), 제2 저온 열원 회수 열교환기 및 제1 저온 열원 회수 열교환기(115,114)를 포함할 수 있으며, 열원인 배기가스가 제3단, 제2단, 및 제1단 재열 열교환기(113,112,111) 순으로 열교환 되며 통과하므로 열교환기 유닛(110) 후단으로 갈수록 온도가 점차 낮아지게 되며, 열교환기 유닛(110)의 제일 하단에 있는 제1, 제2 저온 열원 회수 열교환기(114,115)는 열교환기 유닛(110)의 열교환기 중 상대적으로 낮은 온도의 열이 공급될 수 있다.
터빈(120)은 고압 터빈(121), 중압 터빈(122), 저압 터빈(123)을 포함할 수 있으며, 열교환기 유닛(110)의 제1단, 제2단, 및 제3단 재열 열교환기(111, 112, 113)와 대응되며 작동유체 흐름이 진행될 수 있다.
주 압축기(150)에서 배출된 작동유체는 열교환기 유닛(110)으로 공급되어 열 교환을 통해 열을 회수한 후 터빈(120)으로 공급되는데, 더 구체적으로는 제1단 재열 열교환기(111)를 통해 열을 회수하여 고압 터빈(121)에 공급되어 팽창되며, 고압 터빈(121)에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기(112)를 통해 열을 회수하여 중압 터빈(122)에 공급되어 팽창되며, 중압 터빈(122)에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기(113)를 통해 열을 회수하여 저압 터빈(123)에 공급되어 팽창되며, 저압 터빈(123)에서 배출된 작동유체는 냉각기(140)로 공급될 수 있다.
한편, 일반적인 브레이튼 사이클의 작동유체는 열원으로부터 열을 회수하며, 터빈(120), 냉각기(140), 주 압축기(150) 순으로 통과한 후, 다시 열원과 열교환하며 재순환하게 된다.
여기서, 본 발명은 브레이튼 사이클의 효율을 높이기 위해, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)으로 공급되는 작동유체 중 일부를, 열교환기 유닛(110)의 후단에서 저온의 열원으로 먼저 열 교환한 후, 다시 고온의 열원과 열 교환하게 하는 단계를 거침으로써, 버려질 수 있는 저온의 열원을 다시 회수할 수 있다.
즉, 터빈(120)에서 배출되어 냉각기(140)로 공급되는 작동유체 중 일부는, 터빈(120)과 냉각기(140)를 연결하는 제 1 연결배관(160)에서 분기된 제 1 분기배관(161)을 통해 열교환기 유닛(110)에서 열 교환된 후, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)으로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 열교환기 유닛(110)으로 공급될 수 있다.
한편, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)으로 공급되는 작동유체 일부는, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)을 연결하는 제 2 연결배관(162)에서 분기된 제 2 분기배관(163)을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기(115)에 공급되어 열을 회수한 후, 주 압축기(150)에서 배출되는 작동유체와 합류되어 제1단 재열 열교환기(111)로 공급될 수 있다.
다른 실시례로서, 저압 터빈(123)을 통과한 고온의 작동유체의 열을 이용하기 위해, 저압 터빈(123)에서 냉각기(140)로 공급되는 작동유체는 주 압축기 (150)에서 배출된 작동유체와 리큐퍼레이터(130)에서 열교환 함으로써, 저압 터빈(123)을 통과한 고온의 작동유체 열이 주 압축기(150)에서 배출된 작동유체로 전달될 수 있다.
즉, 저압 터빈(123)과 냉각기(140)를 연결하는 제 1 연결배관(160)과 주 압축기(150)와 열교환기 유닛(110)을 연결하는 제 2 연결배관(162)에 리큐퍼레이터(130)가 설치되며, 리큐퍼레이터(130)에서는 저압 터빈(123)에서 배출되는 작동유체와 주 압축기(150)에서 배출되는 저온의 작동유체가 열 교환되며, 리큐퍼레이터(130)에서 배출되어 냉각기(140)로 공급되는 작동유체 일부는, 제 1 연결배관(160)에서 리큐퍼레이터(130) 하류에 설치되는 제 1 분기배관(161)을 통해 제 1 저온 열원 회수 열교환기(114)에서 열교환된 후, 주 압축기(150)에서 리큐퍼레이터(130)로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 리큐퍼레이터(130)로 공급될 수 있다.
주 압축기(150)에서 리큐퍼레이터(130)로 공급되는 작동유체 일부는, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)을 연결하는 제 2 연결배관(162)에서 분기된 제 2 분기배관(163)을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기(115)에 공급되어 열을 회수한 후, 리큐퍼레이터(130)에서 제1단 재열 열교환기(111)로 공급되는 작동유체와 합류되어 제1단 재열 열교환기(111)로 공급될 수 있다.
리큐퍼레이터(130)에서 배출된 작동유체는 제1단 재열 열교환기(111)를 통해 열을 회수하여 고압 터빈(121)에 공급되어 팽창되며, 고압 터빈(121)에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기(112)를 통해 열을 회수하여 중압 터빈(122)에 공급되어 팽창되며, 중압 터빈(122)에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기(113)를 통해 열을 회수하여 저압 터빈(123)에 공급되어 팽창되며, 저압 터빈(123)에서 배출된 작동유체는 리큐퍼레이터(130)로 공급될 수 있다.
또 다른 실시례로서, 터빈(120)과 냉각기(140)를 연결하는 제 1 연결배관(160)과 주 압축기(150)와 열교환기 유닛(110)을 연결하는 제 2 연결배관(162)에 제 1 리큐퍼레이터(131)와 제 2 리큐퍼레이터(132)를 설치하며, 제 1 리큐퍼레이터(131)에서는 저압 터빈(123)에서 배출되는 작동유체와 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 배출되는 작동유체가 열 교환되고, 제 2 리큐퍼레이터(132)에서는 제 1 리큐퍼레이터(131)에서 배출되는 작동유체와 주 압축기(150)에서 배출되는 작동유체가 열 교환되며, 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 배출되어 냉각기(140)로 공급되는 작동유체 일부는, 제 1 연결배관(160)에서 제 2 리큐퍼레이터(132) 하류에 설치되는 제 1 분기배관(161)을 통해 재순환 압축기(151)에서 압축되고, 제 1 저온 열원 회수 열교환기(114)에서 열 교환된 후, 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급될 수 있다.
제 1 리큐퍼레이터(131)에서 배출된 작동유체는 제1단 재열 열교환기(111)를 통해 열을 회수하여 고압 터빈(121)에 공급되어 팽창되며, 고압 터빈(121)에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기(112)를 통해 열을 회수하여 중압 터빈(122)에 공급되어 팽창되며, 중압 터빈(122)에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기(113)를 통해 열을 회수하여 저압 터빈(123)에 공급되어 팽창되며, 저압 터빈(123)에서 배출된 작동유체는 다시 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급될 수 있다.
한편, 제 1 분기배관(161)을 통해 재순환 압축기(151)를 거친 작동유체는 열교환기 유닛(110)의 제 1 저온 열원 회수 열교환기(114)에서 열을 회수한 후, 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되며, 제 1 분기배관(161)을 통해 재순환 압축기(151)에 공급되는 작동유체 유량은 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 냉각기(140)로 공급되는 작동유체 전체 유량의 35 ~ 45% 가 바람직하다.
제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되는 작동유체 일부는, 주 압축기(150)에서 열교환기 유닛(110)을 연결하는 제 2 연결배관(162)에서 분기된 제 2 분기배관(163)을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기(115)에 공급되어 열을 회수한 후, 제 1 리큐퍼레이터(131)에서 제1단 재열 열교환기(111)로 공급되는 작동유체와 합류되어 제1단 재열 열교환기(111)로 공급되며, 제 2 분기배관(163)을 통해 제 2 저온 열원 회수 열교환기(115)에 공급되는 작동유체 유량은 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되는 작동유체 전체 유량의 8 ~ 10% 인 것이 바람직하다.
본 발명의 브레이튼 사이클의 각 스트림의 온도와 압력 등의 상태를 살펴보면 다음과 같다.
냉각기(140)를 통해 냉각된 32~35˚C/75~80 bar의 작동유체 스트림(stream) a는 주 압축기(150)에 공급되고, 주 압축기(150)에서 200~300 bar까지 압축된 작동유체 스트림 b는 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 180~200˚C 까지 예열되며, 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 예열된 후 배출된 작동유체 스트림 c에서 작동유체의 8~10%는 스트림 d에서 스트림 p로 흘러 제 2 저온 열원 회수 열교환기(115)로 공급되어 450~500˚C로 예열된 후 작동유체는 제 1 리큐퍼레이터(131)에서 제1단 재열 열교환기(111)로 공급되는 작동유체 스트림 f와 합류되어 스트림 g 상태로 제1단 재열 열교환기(111)로 공급될 수 있다.
제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되며, 제 2 분기배관(163)을 통해 분기되지 않은 작동유체 스트림의 90~92%는 제 1 리큐퍼레이터(131)에 공급되며, 제 1 리큐퍼레이터(131)에서 450~500˚C로 예열된 스트림 f는, 제 2 저온 열원 회수 열교환기(145)에서 배출된 작동유체와 합류하여 스트림 g를 통해 제1단 재열 열교환기(111)로 공급된다.
제1단 재열 열교환기(111)에서 약 550~650˚C까지 승온된 작동유체 스트림 h는 고압 터빈(121)에 공급되고, 고압 터빈(121)을 거쳐 160bar~140bar로 팽창되며 팽창된 고온/중압의 작동유체는 제2단 재열 열교환기(112)를 통해 약 550~650˚C까지 다시 승온된다. 승온된 고온/중압의 작동유체는 중압 터빈(122)에서 140~120 bar로 팽창되고 팽창된 고온/저압의 작동유체는 제3단 재열 열교환기(113)에서 약 550~650˚C까지 또 다시 승온된 후 저압 터빈(123)에서 85~80 bar 까지 팽창된다.
각각의 고압/중압/저압 터빈에서 팽창일을 통해 전력이 생산되고 저압 터빈(123)에서 배출되는 고온/저압의 작동유체 스트림 i는 제1 리큐퍼레이터(131)로 공급되며, 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되는 작동유체와 열교환된다. 저압 터빈(123)에서 배출되는 약 475~520˚C/85~80 bar 상태의 작동유체 스트림 i는 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급되는 작동유체와 열교환한 후에 220~200˚C 온도로 제 2 리큐퍼레이터(132)로 공급되며, 제 1 리큐퍼레이터(131)에서 제 2 리큐퍼레이터(132)로 공급되는 작동유체 스트림 j는 주 압축기(150)에서 제 2 리큐퍼레이터(132)로 공급되는 작동유체 스트림 b와 제 2 리큐퍼레이터(132)에서 열교환 되며, 120~100˚C로 배출되는 작동유체 스트림 k는 냉각기(140)에 공급된다.
제 2 리큐퍼레이터(132)에서 냉각기(140)로 공급되는 작동유체 스트림 k에서 약 35 ~ 45%는 스트림 m 으로 흘러 재순환 압축기(151)에서 200~300 bar로 압축되고, 재순환 압축기(151)에서 약 150~200˚C로 승온된 작동유체 스트림 n 은 제 1 저온 열원 회수 열교환기(114)로 공급되어 약 250~270˚C로 승온되고, 승온된 작동유체 스트림 o는 작동유체 스트림 d와 합류되어 함께 제 1 리큐퍼레이터(131)로 공급될 수 있다. 작동유체 스트림 k에서 재순환 압축기(151)로 분기되지 않은 작동유체 스트림 l은 냉각기(140)로 공급될 수 있다.
여기서 작동유체는 초임계 상태의 이산화탄소이다.
도 2는 본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템의 온도-엔트로피 선도를 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 주요 스트림에 대한 온도, 압력, 및 엔트로피를 선도로 표현한 것으로써, 빨간색 선은 포화선도를 나타내며, 검은색 선은 정압선도를 나타낸 것으로 가장 오른쪽이 80 bar 이며, 왼쪽으로 20 bar 씩 상승하여 가장 왼쪽은 200 bar를 나타낸다.
표 1에 종래의 초임계 증기사이클과 본 발명의 실시례의 성능이 비교되어 있다.
초임계 증기 사이클 본 발명
Coal input(HHV) 1446.6 1446.6 MW
Auxiliary load
Coal handling 0.5 0.5 MW
Pulverizer 0.12 0.12 MW
Ash handling 1.3 1.3 MW
PA fan 4.04 4.38 MW
FD fan 1.1 0.955 MW
ID fan 6.87 7.19 MW
Cooling water pump 0.78 7.5 MW
Cooling tower fan 3.1 7.5 MW
Air cooled fan 5.23 - MW
Main compressor - 85 MW
Recompressor - 132 MW
Total power
consumption
23.04 238.945 MW
Gross power 578.4 844 MW
Net power 555.36 605.055 MW
Net power
(transfomer loss)
548.70 597.79 MW
Net efficiency 37.93% 41.32%
+3.39%p
표 1에 기재된 바와 같이, 석탄 화력 보일러를 이용한 초임계 증기 사이클의 경우 일반적으로 알려진 대로 약 38%의 발전 효율이 나타나는 것으로 확인되었으며, 본 발명에서 제안된 기술의 경우 저온 열원을 추가로 회수하기 때문에 종래 기술에 비해서 약 3.4% 포인트 효율이 향상되는 것으로 확인되었다.
이상과 같이 본 발명에 따른 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템은 2단 재열 공정과 저온 열원을 추가로 회수하기 위한 공정이 적용되어 전체 공정의 효율이 크게 향상되는 이점이 있다.
또한, 초임계 상태의 이산화탄소를 작동유체로 사용하여, 작동유체의 밀도가 액체와 같이 높고 점성이 기체와 같이 낮고, 비열이 크기 때문에 열전도성이 향상되어, 동일 열량을 전력으로 전환하기 위해서 공급되는 작동유체의 질량 유량이 크게 증가되어 총발전량(Gross power)이 향상되는 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : 열교환기 유닛 111 : 제1단 재열 열교환기
112 : 제2단 재열 열교환기 113 : 제3단 재열 열교환기
114 : 제1 저온 열원 열교환기 115 : 제2 저온 열원 열교환기
120 : 터빈 121 : 고압 터빈
122 : 중압 터빈 123 : 저압 터빈
130 : 리큐퍼레이터 131 : 제 1 리큐퍼레이터
132 : 제 2 리큐퍼레이터 140 : 냉각기
150 : 주 압축기 151 : 재순환 압축기
160 : 제 1 연결배관 161 : 제 1 분기배관
162 : 제 2 연결배관 163 : 제 2 분기배관

Claims (11)

  1. 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템에 있어서,
    연료를 연소시키는 연소장치;
    상기 연소장치에서 배출되는 열원이 공급되는 열교환기 유닛;
    상기 열교환기 유닛에서 열원과 열교환되는 작동유체가 공급되는 터빈;
    상기 터빈에서 팽창된 고온의 작동유체를 냉각하는 냉각기; 및
    상기 냉각기에서 냉각된 작동유체를 압축하는 주 압축기;를 포함하며,
    상기 터빈에서 배출되어 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는,
    상기 터빈과 상기 냉각기를 연결하는 제 1 연결배관에서 분기된 제 1 분기배관을 통해 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛으로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 열교환기 유닛으로 공급되며,
    상기 제 1 연결배관에 설치되는 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 리큐퍼레이터에서는 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 주 압축기에서 배출되는 작동유체가 열 교환되며,
    상기 리큐퍼레이터에서 배출되어 상기 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는,
    상기 제 1 연결배관에서 상기 리큐퍼레이터 하류에 설치되는 상기 제 1 분기배관을 통해 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 주 압축기에서 상기 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 리큐퍼레이터로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 연결배관에 설치되는 제 1 리큐퍼레이터와 제 2 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 제 1 리큐퍼레이터에서는 상기 터빈에서 배출되는 작동유체와 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 배출되는 작동유체가 열 교환되고,
    상기 제 2 리큐퍼레이터에서는 상기 제 1 리큐퍼레이터에서 배출되는 작동유체와 상기 주 압축기에서 배출되는 작동유체가 열 교환되며,
    상기 제 2 리큐퍼레이터에서 배출되어 상기 냉각기로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 제 1 연결배관에서 상기 제 2 리큐퍼레이터 하류에 설치되는 상기 제 1 분기배관을 통해 재순환 압축기에서 압축되고, 상기 열교환기 유닛에서 열교환된 후, 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체와 합류되어 함께 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 압축기에서 배출된 작동유체는 제1단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 고압 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 고압 터빈에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 중압 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 중압 터빈에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 저압 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 저압 터빈에서 배출된 작동유체는 상기 냉각기로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 리큐퍼레이터에서 배출된 작동유체는 제1단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 고압 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 고압 터빈에서 배출된 작동유체는 제2단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 중압 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 중압 터빈에서 배출된 작동유체는 제3단 재열 열교환기를 통해 열을 회수하여 저압 터빈에 공급되어 팽창되며,
    상기 저압 터빈에서 배출된 작동유체는 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 재순환 압축기를 거친 작동유체는 상기 열교환기 유닛의 제 1 저온 열원 회수 열교환기에서 열을 회수하는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 분기배관을 통해 상기 재순환 압축기에 공급되는 작동유체 유량은 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 냉각기로 공급되는 작동유체 유량의 35 ~ 45%인, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛으로 공급되는 작동유체 일부는,
    상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛을 연결하는 제 2 연결배관에서 분기된 제 2 분기배관을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기에 공급되어 열을 회수한 후, 상기 주 압축기에서 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는 작동유체와 합류되어 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체 일부는, 상기 주 압축기에서 상기 열교환기 유닛을 연결하는 제 2 연결배관에서 상기 제 2 리큐퍼레이터 하류에서 분기된 제 2 분기배관을 통해, 제 2 저온 열원 회수 열교환기에 공급되어 열을 회수한 후, 상기 제 1 리큐퍼레이터에서 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는 작동유체와 합류되어 상기 제1단 재열 열교환기로 공급되는, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 분기배관을 통해 상기 제 2 저온 열원 회수 열교환기에 공급되는 작동유체 유량은 상기 제 2 리큐퍼레이터에서 상기 제 1 리큐퍼레이터로 공급되는 작동유체 유량의 8 ~ 10% 인, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동유체는 초임계 상태의 이산화탄소인, 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템.
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