KR101678829B1 - 액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 적용한 고효율 해양온도차 발전 시스템 - Google Patents

액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 적용한 고효율 해양온도차 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기와; 상기 증발기 출구에 설치되어 액체와 기체 상태의 냉매를 각각 분리시키는 기액분리기와; 상기 증발기 입구에 설치되어 증발기로 유입되는 배관을 다방면으로 분리시키는 분배기와; 상기 기액분리기 혹은 상기 증발기로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈과; 상기 분배기에서 분지되어 나오거나 기액분리기로부터 분리된 액상태의 냉매를 승압시키는 작동부 펌프와; 상기 터빈을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 상기 작동부 펌프를 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 액-증기 이젝터와; 상기 액-증기 이젝터에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기와; 상기 응축기에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분배기, 액-증기 이젝터 그리고 작동부 펌프를 이용한 고효율 해양온도차 발전시스템에 관한 것이다.

Description

액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 적용한 고효율 해양온도차 발전 시스템 {High-efficiency ocean thermal energy conversion (OTEC) applying a liquid-vapor ejector and a motive pump}
본 발명은 고효율 해양온도차 발전 시스템 사이클의 효율 증대 방안으로써, 액-증기 이젝터 (Liquid-vapor ejector)의 작동부(Motive part)에 작동부 펌프(Motive pump)를 설치함으로써 기존 해양온도차 발전 시스템 대비 발전 효율의 증가를 도모할 수 있다. 터빈 출구측은 이젝터의 흡입부로 연결되어 있는데, 이를 통해 기본 해양온도차 발전 시스템에 비해 더 낮은 터빈 출구 압력을 얻게 되어 발전량을 증가시킬 수 있다. 이에 추가적으로 이젝터의 작동부(Motive part)로 들어가는 액 상태의 작동유체를 펌프를 통해 승압시켜 줌으로써 더 큰 터빈 입출구 압력차 즉, 증가된 발전량 및 향상된 시스템 효율을 얻을 수 있다. 더불어,증가된 터빈 일량으로 인해 동일 발전량 기준 요구되는 작동유체의 유량이 감소하여 더 낮은 증발 열량이 소요되기 때문에 열교환기의 소형화가 가능하여 경제성 향상에 기여한다.
해양 온도차 발전은 높은 수온의 해양 표층수로부터 기화열을 얻고, 수온이 낮은 해양 심층수를 이용한 응축열을 활용하여 전기를 생산하는 발전 시스템이다. 해양 온도차 발전 시스템의 안정적인 작동과 경제적인 실현을 위해서는 특정 온도의 해양 심층수 및 표층수가 연속적이고 대량으로 확보 되어야 한다. 이에 대해, 냉각수로 사용되는 해양 심층수는 국내 동해안에 수온 2℃ 이하의 활용 가능한 양이 무한하다. 반면 해양 표층수는 우리나라의 기후 특성상 연중 하절기에만 수온 약 25℃를 초과하기 때문에 연중 고온의 표층수를 얻는 것이 어려운 환경이다. 하지만, 우리나라에는 해안가에 화력 및 원자력 발전소가 다수 위치하고 있는데, 이러한 발전소에서는 일일 수백만 톤 이상의 고온수를 배출한다. 이렇게 대개 25 ~ 35 ℃의 고온으로 배출되는 배출수는 해양 온도차 발전에 이용되어 기후조건의 한계를 극복, 개선 할 수 있다. 하지만 여전히 고열원인 표층수와 저열원인 심층수 사이의 온도차이가 25 ℃ 내외정도밖에 되지 않기 때문에 다른 발전 방식과 비교하였을 때 낮은 발전 효율을 나타낼뿐더러 상용화 단계도 단순한 1차 기본 사이클로 구성되어 있기 때문에 발전 효과가 미미한 상태이다.
대한민국 등록특허공보 10-1556914호(2015.09.24.등록)
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 냉매 순환 펌프를 통해 증발기로 유입되기 전에 작동유체가 분지되어 다량이 이젝터의 작동부로 유입되기 때문에 증발기의 증발열량을 감소시킨다.
또한, 이젝터의 작동부에 펌프를 설치하여 작동유체의 압력을 승압시킴에 따라 더 낮은 흡입부 압력을 얻게 한다. 이로인해, 터빈 입구와 출구의 압력 차이가 증가되어 발전량의 상승 및 시스템 효율의 향상을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기와;
상기 증발기 출구에 설치되어 액체와 기체 상태의 냉매를 각각 분리시키는 기액분리기와;
상기 증발기 입구에 설치되어 증발기로 유입되는 배관을 다방면으로 분리시키는 분배기와;
상기 기액분리기 혹은 상기 증발기로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈과;
상기 분배기에서 분지되어 나오거나 기액분리기로부터 분리된 액상태의 냉매를 승압시키는 작동부 펌프와;
상기 터빈을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 상기 작동부 펌프를 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 액-증기 이젝터와;
상기 액-증기 이젝터에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기와;
상기 응축기에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분배기, 액-증기 이젝터 그리고 작동부 펌프를 이용한 고효율 해양온도차 발전시스템에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 분배기, 기액분리기, 액-증기 이젝터 그리고 작동부 펌프를 이용한 고효율 해양온도차 발전 시스템으로써, 기액분리기의 설치로 인해 증발기 출구에서의 건도를 조정함으로써 액-증기 이젝터의 작동부 유체로 사용 할 냉매액을 확보하는 동시에 증발열량의 감소하여 시스템 효율의 증가 및 증발기의 크기를 줄이는 것이 가능하다.
또한, 분배기를 사용할 경우, 증발기로 유입되는 냉매액의 다수를 액-증기 이젝터의 작동부 유체로 사용하기 위해 분배기를 이용하여 다방면으로 분지시켜 증발기에서 요구되는 증발 열량이 감소시킨다.
더불어, 액-증기 이젝터의 작동부로 유입되는 냉매의 압력을 작동부 펌프를 통해 승압시킴으로써 액-증기 이젝터 흡입부의 압력, 즉 터빈 출구측 압력을 감소시켜 터빈 입출구 압력차이를 증가시킨다. 이에 따라, 터빈 전력 생산량이 증가하며 감소된 증발열량과 함께 시스템 효율 증가에 기여하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분배기, 작동부펌프와 액-증기 이젝터를 포함한 고효율 해양 온도차 발전시스템을 나타낸 공정도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분배기, 작동부펌프와 액-증기 이젝터를 포함한 고효율 해양 온도차 발전시스템의 P-h 선도를 나타낸 그래프도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분배기, 기액분리기, 동부펌프와 다단 액-증기 이젝터를 포함한 고효율 해양 온도차 발전시스템을 나타낸 공정도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분배기, 기액분리기, 작동부펌프와 다단 액-증기 이젝터를 포함한 고효율 해양 온도차 발전시스템의 P-h 선도를 나타낸 그래프도이다.
본 발명은 그에 따른 바람직한 2가지 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 구체적인 기술적 특징은,
이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기(10)와;
상기 증발기(10)로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈(20)과;
상기 터빈(20)을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 작동부 펌프(30)를 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 액-증기 이젝터(40)와;
상기 액-증기 이젝터(40)에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기(50)와;
상기 응축기(50)에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프(60)와;
상기 냉매순환펌프(60)로부터 가압된 냉매를 상기 증발기(10) 및 작동부 펌프(30)로 각각 분배하는 분배기(70);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 적용한 고효율 해양온도차 발전 시스템이다.
이에 대하여, 도 1 및 도 2에 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 분배기, 작동부펌프와 액-증기 이젝터를 포함한 고효율 해양 온도차 발전 시스템을 나타낸 공정도이고, 도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 고효율 해양 온도차 발전시스템의 P-h선도를 나타낸 그래프도이다.
도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1실시예는 이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기(10)와; 상기 증발기 입구(10)에 설치되어 증발기(10)로 유입되는 배관을 다방면으로 분리시키는 분배기(70)와; 상기 증발기(10)로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈(20)과; 상기 분배기(70)에서 분지된 액상태의 냉매를 승압시키는 작동부 펌프(30)와; 상기 터빈(20)을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 상기 작동부 펌프(30)를 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 액-증기 이젝터(40)와; 상기 액-증기 이젝터(40)에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기(50)와; 상기 응축기(50)에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프(60)로 구성되어 있다.
여기서, 상기 분배기(70)는 증발기로 유입되는 냉매액의 다수를 액-증기 이젝터(40)의 작동부 유체로 사용하기 위해 다방면으로 분지시켜 증발기(10)에서 요구되는 증발 열량이 감소시킨다.
그리고, 상기 분배기(70)에서 분지된 냉매 액은 작동부펌프(30)에 의해 가압되어 압력이 상승하기 때문에 액-증기 이젝터(40)의 흡입부의 압력을 크게 감소시킬 수 있어서 터빈입출구 압력차이를 크게 하고, 이에 따라 터빈(20)에서 생산하는 전력량이 증가하게 된다.
따라서, 감소된 증발열량 및 액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 동시에 사용함으로써 얻는 발생 전력량의 상승으로 인해 이 해양온도차 발전 사이클의 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제2실시예로는, 다음과 같으며, 이는
이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기(10)와;
상기 증발기(10)로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈(20)과;
상기 터빈(20)을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 저단 작동부 펌프(31)를 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 저단 액-증기 이젝터(41)와;
상기 저단 액-증기 이젝터(41)에서 혼합된 냉매에서 액체와 기체 상태의 냉매로 각각 분리시키는 기액분리기(100)와;
상기 기액분리기(100)를 통과한 냉매와, 기액분리기(100)로부터 분리된 액상태의 냉매를 가압시키는 고단 작동부 펌프(32)를 통과한 냉매가 유입되는 고단 액-증기 이젝터(42)와;
상기 고단 액-증기 이젝터(42)에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기(50)와;
상기 응축기(50)에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프(60)와;
상기 냉매순환펌프(60)로부터 가압된 냉매를 상기 증발기(10) 및 저단 작동부 펌프(31)로 각각 분배하는 분배기(70);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 적용한 고효율 해양온도차 발전 시스템이다.
상기 제 2실시를 도 3 및 도 4에 의하여 상세히 설명하면,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분배기, 기액분리기, 작동부펌프와 다단 액-증기 이젝터를 포함한 고효율 해양 온도차 발전 시스템을 나타낸 공정도이고, 도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 고효율 해양 온도차 발전시스템의 P-h선도이다.
이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기(10)와; 상기 증발기 입구(10)에 설치되어 증발기로 유입되는 배관을 다방면으로 분리시키는 분배기(70)와; 상기 증발기(10)로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈(20)과; 상기 분배기(70)에서 분지된 액상태의 냉매를 승압시키는 저단 작동부 펌프(31)과; 상기 터빈(20)을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 상기 저단 작동부 펌프(31)을 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 저단 액-증기 이젝터(41)과; 상기 저단 액-증기 이젝터(41)에서 혼합 및 토출된 액증기 혼합 냉매를 기체와 액체 상태의 냉매로 각각 분리 시키는 기액분리기(100)와; 상기 기액분리기(100)로부터 분리된 액상태 냉매를 승압시키는 고단 작동부 펌프(32)와; 상기 기액분리기(100)로부터 이송된 기체 상태의 냉매를 흡입부 유체로 사용하며, 상기 고단 작동부 펌프(32)에서 승압된 고압의 액상태 냉매를 작동부 유체로 사용하여 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 고단 액-증기 이젝터(42)와; 상기 고단 액-증기 이젝터(42)에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기(50)와; 상기 응축기(50)에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프(60)로 구성되어 지는 것이다.
여기서, 상기 분배기(70)는 증발기로 유입되는 냉매액의 다수를 저단 액-증기 이젝터 (41)의 작동부 유체로 사용하기 위해 다방면으로 분지시켜 증발기에서 요구되는 증발 열량이 감소시킨다.
그리고, 상기 분배기(70)에서 분지된 냉매 액은 저단 작동부 펌프(31)에 의해 가압되어 압력이 상승하기 때문에 저단 액-증기 이젝터(41)의 흡입부의 압력을 크게 감소시킬 수 있어서 터빈입출구 압력차이를 크게 하고, 이에 따라 터빈(20)에서 생산하는 전력량이 증가하게 된다.
뿐만 아니라, 고단 액-증기 이젝터(42)에서 토출되는 냉매를 응축기(50)로 보내는 것이다.
상기 고단 액-증기 이젝터(42)를 추가적으로 설치함으로써 저단 액-증기 이젝터(41)의 토출부 압력이 더 낮게 형성되면서 저단 액-증기 이젝터(41)의 흡입부 압력과 터빈 출구 압력이 감소하여 터빈에서 생산하는 전력량이 증가하게 된다.
따라서, 감소된 증발열량 및 다단 액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 동시에 사용함으로써 얻는 발생 전력량의 상승으로 인해 이 해양온도차 발전 사이클의 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1실시예 또는 제2실시예에 있어서,
상기 분배기(70)를 지난 냉매액은 냉매순환펌프를 통해 증발기(10)에 전달되며, 분지된 냉매 액은 상기 액-증기 이젝터(40,41)의 작동부 유체로 사용되는 것이다.
또한, 상기 제1실시예 또는 제2실시예에 있어서,
냉매액이 작동부 펌프(30,31,32)를 통해 승압되어 액-증기 이젝터(40,41,42)의 작동부로 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제2실시예에 있어서, 상기 고단 액-증기 이젝터(42)를 추가적으로 설치함으로써 저단 액-증기 이젝터(41)의 토출부 압력이 더 낮게 형성되면서 저단 액-증기 이젝터(41)의 흡입부 압력과 터빈 출구 압력이 감소하여 터빈에서 생산하는 전력량이 증가하게 된다.
10 : 증발기 20 : 터빈
30 : 작동부 펌프 40 : 액-증기 이젝터
31 : 저단 작동부 펌프 41 : 저단 액-증기 이젝터
32 : 고단 작동부 펌프 42 : 고단 액-증기 이젝터
50 : 응축기 60 : 냉매순환펌프
70 : 분배기 100 : 기액분리기

Claims (5)

  1. 이송된 냉매액을 표층수와 열교환시켜 고온고압의 냉매증기로 변환 시키는 증발기(10)와;
    상기 증발기(10)로부터 이송된 고압의 기체상태의 냉매를 이용해 전력을 생산하는 터빈(20)과;
    상기 터빈(20)을 통과한 저압의 기체상태의 냉매와 저단 작동부 펌프(31)를 통과한 고압의 액상태 냉매를 혼합시켜 팽창과 압축 과정을 가지는 저단 액-증기 이젝터(41)와;
    상기 저단 액-증기 이젝터(41)에서 혼합된 냉매에서 액체와 기체 상태의 냉매로 각각 분리시키는 기액분리기(100)와;
    상기 기액분리기(100)를 통과한 냉매와, 기액분리기(100)로부터 분리된 액상태의 냉매를 가압시키는 고단 작동부 펌프(32)를 통과한 냉매가 유입되는 고단 액-증기 이젝터(42)와;
    상기 고단 액-증기 이젝터(42)에서 혼합된 냉매와 심층수를 열교환 시켜 냉매를 응축시키는 응축기(50)와;
    상기 응축기(50)에서 응축된 냉매를 증발압력까지 승압 및 순환 시켜주는 냉매순환펌프(60)와;
    상기 냉매순환펌프(60)로부터 가압된 냉매를 상기 증발기(10) 및 저단 작동부 펌프(31)로 각각 분배하는 분배기(70);를 포함하여 구성되며,
    상기 분배기(70)를 지난 냉매액은 냉매순환펌프를 통해 증발기(10)에 전달되며, 분지된 냉매 액은 상기 저단 액-증기 이젝터(41)의 작동부 유체로 사용되고,
    냉매액이 작동부 펌프(31,32)를 통해 승압되어 저단 액-증기 이젝터(41) 및 고단 액-증기 이젝터(42)의 작동부로 유입되며,
    상기 고단 액-증기 이젝터(42)를 추가적으로 설치함으로써 저단 액-증기 이젝터(41)의 토출부 압력이 더 낮게 형성되면서 저단 액-증기 이젝터(41)의 흡입부 압력과 터빈 출구 압력이 감소하여 터빈에서 생산하는 전력량이 증가하게 되는 것을 특징으로 하는 액-증기 이젝터와 작동부 펌프를 적용한 고효율 해양온도차 발전 시스템.
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