KR101680963B1 - 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 작동 유체를 압축하는 제1 압축기와, 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 1차로 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 2차로 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 고압 터빈과, 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 저압 터빈과, 상기 제1 압축기의 전단에 연결되어 상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 제1 압축기로 공급하는 쿨러와, 상기 제2 열교환기와 상기 고압 터빈의 사이에 구비되어 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제3 열교환기와, 상기 고압 터빈과 상기 저압 터빈의 사이에 구비되어 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제4 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 큰 압력비로 작동 유체를 팽창하도록 함으로써 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 고압 터빈 또는 저압 터빈의 단독 운전 또는 병용 운전 등 다양한 운전이 가능해 수요 측의 출력 요구에 따라 시스템의 제어가 용이한 장점이 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 generation system}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있으며, 그 중 하나로 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 31.4?, 72.8기압으로, 임계점이 373.95?, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 550?에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.
그런데 이러한 종래의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 고압 터빈과 저압 터빈의 압력차가 작아 양쪽 모두에서 일의 출력이 적으며, 시스템의 운전 모드 및 자유도에 있어 제약을 받는다. 또한, 작동 유체인 초임계 이산화탄소의 유량 분배 측면에서 고압 터빈과 저압 터빈의 유량이 40:60 또는 50:50에서 가장 높은 효율로 구동하나, 펌프 출구의 유량 대비 고압 터빈 측 유량이 작아 시스템 전체 효율이 낮은 문제가 있다.
일본특허공개 제2012-145092호 (공개일 2012. 08. 02)
본 발명의 목적은 시스템의 발전 효율을 향상시키고, 수요 측의 출력 요구에 따라 시스템의 제어가 용이한 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축하는 제1 압축기와, 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 1차로 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 2차로 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 고압 터빈과, 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 저압 터빈과, 상기 제1 압축기의 전단에 연결되어 상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 제1 압축기로 공급하는 쿨러와, 상기 제2 열교환기와 상기 고압 터빈의 사이에 구비되어 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제3 열교환기와, 상기 고압 터빈과 상기 저압 터빈의 사이에 구비되어 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제4 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기는 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기로 보내지며, 상기 저압 터빈 및 제1 열교환기를 거친 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈으로부터 상기 제4 열교환기 쪽으로 분기되는 분기점(분기점 C)이후에서 분기되어 상기 제2 열교환기에 연결되는 고온측 작동 유체 이송관과, 상기 고온측 작동 유체 이송관 상에 설치된 고온측 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 고압 터빈을 거쳐 분기되어 상기 작동 유체 이송관을 통해 상기 제2 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열교환기와 상기 쿨러의 사이에 구비되며, 상기 저압 터빈과 제1 열교환기를 차례로 거친 상기 작동 유체를 압축하는 제2 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 고압 터빈 및 제2 열교환기를 차례로 거친 상기 작동 유체는, 상기 제2 압축기를 거친 상기 작동 유체와, 상기 제2 압축기와 상기 쿨러의 사이(분기점 D)에서 혼합되어 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 쿨러의 후단과 상기 제1 압축기의 전단 사이에 구비되어 상기 작동 유체를 임시 저장하는 플래쉬 탱크(flash tank)를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러의 전단과 상기 플래쉬 탱크를 연결하는 탱크 순환 바이패스 라인을 더 포함하며, 상기 플래쉬 탱크로 유입된 기체 상태의 상기 작동 유체가 상기 탱크 순환 바이패스 라인을 통해 상기 쿨러의 전단으로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 플래쉬 탱크의 후단과 상기 제1 압축기의 후단을 연결하는 제1 압축기 순환 라인; 상기 제1 압축기 순환 라인 상에 설치되는 제1 압축기 순환 밸브; 상기 제1 압축기 순환 라인이 분기되는 분기점(분기점 A) 이후에 구비되며 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 압축기 출구측 조절 밸브를 더 포함한다.
상기 제1 압축기의 초기 기동 시 상기 압축기 출구측 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 제1 압축기 순환 밸브가 개방되어 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체가 상기 제1 압축기의 전단으로 재 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 압축기의 후단과 상기 쿨러의 전단을 연결하는 작동 유체 이송관 상에서 분기(분기점 B)되어 상기 제2 압축기의 후단과 상기 플래쉬 탱크의 전단을 연결하는 부스팅 우회 라인과, 상기 부스팅 우회 라인 상에 설치되는 부스팅 조절 밸브를 더 포함하며, 상기 부스팅 조절 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것이 특징이다.
상기 제2 압축기의 전단과 후단을 연결하는 제2 압축기 우회 라인과, 상기제2 압축기 우회 라인 상에 설치되는 우회 밸브를 더 포함하며, 상기 우회 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈 및 저압 터빈의 전단에 각각 설치된 고압 터빈측 유량 조절밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브와, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 고압 터빈의 후단을 연결하는 고압 터빈측 터빈 우회 라인과, 상기 고압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 고압 터빈 우회 밸브와, 상기 저압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 저압 터빈의 후단을 연결하는 저압 터빈측 터빈 우회 라인과, 상기 저압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 저압 터빈 우회 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 고압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈측유량 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 저압 터빈 우회 밸브는 개방되는 것을 특징으로 한다.
상기 저압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브는 개방되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈 및 저압 터빈을 모두 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브는 개방되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 실질적으로동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 작동 유체를 압축하는 제1 압축기와, 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 1차로 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 2차로 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기와 상기 고압 터빈의 사이에 구비되어 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 최종 열교환하는 제3 열교환기와, 상기 제3 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 고압 터빈과, 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 재 가열하는 제4 열교환기와, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 저압 터빈과, 상기 제1 압축기의 전단에 연결되어 상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 제1 압축기로 공급하는 쿨러와, 상기 쿨러의 전단에 연결되어 상기 쿨러로 유입되는 상기 작동 유체와 열교환하는 제5 열교환기를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.
상기 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제5 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)이고, 상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기는 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열교환기와 상기 제5 열교환기의 사이에 구비되며, 상기 저압 터빈 및 제1 열교환기를 거친 상기 작동 유체를 압축하는 제2 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기로 보내지며, 상기 저압 터빈 및 제1 열교환기를 거친 상기 작동 유체는 상기 제2 압축기를 거쳐 상기 제5 열교환기로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 제5 열교환기는 상기 제1 압축기의 후단 및 상기 제1 열교환기의 전단과 연결되며, 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하여 상기 제1 열교환기로 보내는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈으로부터 상기 제4 열교환기 쪽으로 분기되는 분기점(분기점 C)이후에서 분기되어 상기 제2 열교환기에 연결되는 고온측 작동 유체 이송관과, 상기 고온측 작동 유체 이송관 상에 설치된 고온측 조절 밸브를 더 포함한다.
상기 고압 터빈을 거쳐 분기되어 상기 작동 유체 이송관을 통해 상기 제2 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체는 상기 제5 열교환기로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈 및 제2 열교환기를 차례로 거친 상기 작동 유체는, 상기 제2 압축기를 거친 상기 작동 유체와, 상기 제2 압축기와 상기 제5 열교환기의 사이(분기점 D)에서 혼합되어 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 쿨러의 후단과 상기 제1 압축기의 전단 사이에 구비되어 상기 작동 유체를 임시 저장하는 플래쉬 탱크(flash tank)를 더 포함할 수 있다.
상기 쿨러의 전단과 상기 플래쉬 탱크를 연결하는 탱크 순환 바이패스 라인을 더 포함하며, 상기 플래쉬 탱크로 유입된 기체 상태의 상기 작동 유체가 상기 탱크 순환 바이패스 라인을 통해 상기 쿨러의 전단으로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 플래쉬 탱크의 후단과 상기 제1 압축기의 후단을 연결하는 제1 압축기 순환 라인; 상기 제1 압축기 순환 라인 상에 설치되는 제1 압축기 순환 밸브; 및 상기 제1 압축기 순환 라인이 분기되는 분기점(분기점 A) 이후에 구비되며 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 압축기 출구측 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 압축기의 초기 기동 시 상기 압축기 출구측 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 제1 압축기 순환 밸브가 개방되어 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체가 상기 제1 압축기의 전단으로 재 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 압축기의 후단과 상기 쿨러의 전단을 연결하는 작동 유체 이송관 상에서 분기(분기점 B)되어 상기 제2 압축기의 후단과 상기 플래쉬 탱크의 전단을 연결하는 부스팅 우회 라인과, 상기 부스팅 우회 라인 상에 설치되는 부스팅 조절 밸브를 더 포함하며, 상기 부스팅 조절 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것이 특징이다.
상기 제2 압축기의 전단과 후단을 연결하는 제2 압축기 우회 라인과, 상기제2 압축기 우회 라인 상에 설치되는 우회 밸브를 더 포함하며, 상기 우회 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈 및 저압 터빈의 전단에 각각 설치된 고압 터빈측 유량 조절밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브와, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 고압 터빈의 후단을 연결하는 고압 터빈측터빈 우회 라인과, 상기 고압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 고압 터빈 우회 밸브와, 상기 저압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 저압 터빈의 후단을 연결하는 저압 터빈측 터빈 우회 라인과, 상기 저압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 저압 터빈 우회 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 고압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈측유량 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 저압 터빈 우회 밸브는 개방되는 것을 특징으로 한다.
상기 저압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브는 개방되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
상기 고압 터빈 및 저압 터빈을 모두 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브는 개방되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 큰 압력비로 작동 유체를 팽창하도록 함으로써 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 고압 터빈 또는 저압 터빈의 단독 운전 또는 병용 운전 등 다양한 운전이 가능해 수요 측의 출력 요구에 따라 시스템의 제어가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성을 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 압력-엔탈피 다이어그램,
도 3은 도 1의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 온도-엔트로피 다이어그램,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성을 도시한 블록도,
도 5는 도 4의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 압력-엔탈피 다이어그램,
도 6은 도 4의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 온도-엔트로피 다이어그램이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다.
사이클 내의 이산화탄소는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 이산화탄소 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 전력의 생산에 이용된 이산화탄소는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 기본적인 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 복수의 압축기 및 터빈, 리히터를 구비하고 작동 유체를 다단으로 압축 및 팽창, 재열함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제안한다. 시스템 내에서 작동 유체가 흐르는 유로를 작동 유체 이송관이라고 정의하며, 작동 유체 이송관에서 별도로 분기되는 유로에 대해서는 별도의 명칭으로 정의하기로 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 싸이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 작동 유체를 압축시키는 제1 압축기(200)와, 제1 압축기(200)를 통과한 작동 유체와 1차로 열교환하는 제1 열교환기(300)와, 제1 열교환기(300)를 통과한 작동 유체와 2차로 열교환하는 제2 열교환기(400)와, 제2 열교환기(400)를 통과한 작동 유체와 최종 열교환하는 제3 열교환기(500)와, 제3 열교환기(500)를 통과한 작동 유체에 의해 구동되는 고압 터빈(600)과, 고압 터빈(600)을 통과한 작동 유체에 의해 구동되는 저압 터빈(700)과, 제1 압축기(200)로 유입되기 전 작동 유체를 냉각시키는 쿨러(100)를 포함한다. 여기에 제3 열교환기(500)를 통과한 작동 유체를 재열하는 제4 열교환기(530)를 추가로 포함한다. 본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.
고압 터빈(600) 및 저압 터빈(700)은 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(미도시)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 하며, 고압 터빈(600) 및 저압 터빈(700)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다.
여기서 고압 터빈(600)과 저압 터빈(700)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 압력을 기준값으로 하여 그보다 높으면 고압이고 그보다 낮으면 저압이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
고온 고압의 작동 유체가 고압 터빈(600)과 저압 터빈(700)을 차례로 거치면서 보다 큰 팽창 압력비를 가능하게 하므로 터빈의 출력 일(work)을 증가시킬 수 있다. 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
기존 단일 터빈 단일 압력비를 갖는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 최종 팽창 압력은 통상 6,000kPa 이상이다. 시스템의 저압 한계는 쿨러의 2차 작동 유체의 온도(통상 10~40oC)에 의해 정해진다.
쿨러의 2차 작동 유체 온도가 높을수록 발전 시스템의 저압 한계는 상승한다. 시스템의 저압 한계가 상승하면 압축비가 감소하고, 시스템의 고압이 결정되어 있을 때 얻어낼 수 있는 출력 일의 양이 적어진다.
그러나 본 발명과 같이 고온 고압의 작동 유체가 고압 터빈(600)과 저압 터빈(700)을 차례로 거치면서 팽창하고, 제1 압축기(200)와 제2 압축기(800)로 다단 압축되는 사이클을 갖게 되면 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 저압 한계가 쿨러(100)의 2차 작동유체의 온도에 관계없이 제어될 수 있어 시스템의 저압 한계가 6,000 kPa 이하로도 제어 가능한 장점이 있다. 이를 통해, 기존의 단일 압력비를 갖는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 압력비 수준보다 더욱 높은 압력비를 구현할 수 있고, 쿨러측 2차 작동 유체의 온도 변화에 상관없이 더 많은 출력 일을 안정적으로 얻을 수 있다. 이는 궁극적으로 효율 향상에 기여한다.
둘째, 고압 터빈(600)과 저압 터빈(700) 간의 유량을 조정할 수 있어, 제3 열교환기(500)에서 흡수되는 열량을 능동적으로 제어할 수 있다. 이는 발전 시스템의 운영자가 폐열의 온도 및 유량 변화에 맞춰 시스템의 용량을 능동적으로 제어할 수 있도록 하므로 발전 시스템이 최적의 효율로 운전되는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발전 시스템에서, 고압 터빈(600)을 거쳐 1차로 팽창된 작동 유체는 제4 열교환기(530)로 보내져 재 가열(re-heating)되고, 제4 열교환기(530)를 거친 작동 유체는 저압 터빈(700)으로 보내진다.
저압 터빈(700)을 통과하며 2차로 팽창된 작동 유체는 다시 제1 열교환기(300)로 회수되어 제2 압축기(800)에서 1차로 가압된 뒤 쿨러(100)로 유입되고 다시 제1 압축기(200)로 공급된다. 또한, 고압 터빈(600)과 제2 열교환기(400)의 사이에는 고온측 조절 밸브(632)가 구비되며, 고온측 조절 밸브(632)를 통해 제2 열교환기(400)로 보내진 작동 유체는, 제1 열교환기(300)를 거쳐 제2 압축기(800)를 통과한 작동 유체와 혼합된 뒤 쿨러(100)로 보내진다.
전술한 제1 열교환기(300)는 작동 유체를 1차로 복열하는 저온 리큐퍼레이터(recuperator)이며, 제2 열교환기(400)는 작동 유체를 2차로 복열하는 고온 리큐퍼레이터이다. 여기서 저온 및 고온의 의미는 제1 열교환기(300)가 제2 열교환기(400)에 비해 상대적으로 저온이고 제2 열교환기(400)가 제1 열교환기(300)에 비해 상대적으로 고온임을 의미한다.
제3 열교환기(500) 및 제4 열교환기(530)는 열원으로부터 열을 전달받아 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체에 전달한다. 여기서 열원으로는 예컨대 철강공장, 화학공장, 발전소, 연료운송라인 등 폐열을 배출하는 시설이나 기기 등의 될 수 있으며, 제3 열교환기(500)는 상기 열원들 이외에도 다양한 열원들로부터 열을 전달받는 데에 적합한 구조를 갖는 구성이 채용될 수 있다.
예를 들어, 열원의 온도가 600?라고 한다면, 제3 열교환기(500)에는 약 570 ?의 열이 전달될 수 있고, 제4 열교환기(530)에는 약 550?의 열이 전달될 수 있다. 이는 열원으로부터 제3 열교환기(500)까지의 거리와 제4 열교환기(530)까지의 거리가 상이한 경우를 예로 한 것이나, 열원으로부터의 제3 열교환기(500) 및 제4 열교환기(530) 각각으로 열 전달 경로를 구성하여 동일한 온도의 열을 흡수하도록 할 수도 있다. 열을 제3 열교환기(500) 및 제4 열교환기(530) 각각으로 전달하는 경로를 구비하는 것이 열효율 측면에서는 좀더 유리한 효과가 있다.
제1 압축기(200), 제1 열교환기(300) 및 제2 열교환기(400)를 차례로 거쳐가는 작동 유체의 유량은 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템 전체의 유량에 해당한다. 작동 유체 전체의 유량이 제3 열교환기(500)를 통과하면서 열을 흡수하고, 제4 열교환기(530)에서 재열됨으로써 폐열을 효과적으로 회수하는 역할을 한다. 이에 따라, 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다(이에 대해서는 도 2 및 3을 참조하여 후술하기로 함).
한편, 고압 터빈(600)에서 제4 열교환기(530) 쪽으로 분기되는 분기점 C 이후에는 제2 열교환기(400)로 분기되는 고온측 작동 유체 이송관(630)이 구비되며, 고온측 작동 유체 이송관(630)상에 전술한 고온측 조절 밸브(632)가 구비됨으로써 제2 열교환기(400)로 흐르는 유량을 조절할 수 있다. 또한, 제2 열교환기(400)로 흐르는 유량을 제어함으로써 제3 열교환기(500)로 흐르는 유체의 온도를 조정할 수 있다.
제2 열교환기(400)로 흐르는 유량을 늘리면 상대적으로 제3 열교환기(500)로 유입되는 작동유체의 온도가 증가하여 제3 열교환기에서 상대적으로 적은 열을 흡수하게 된다.
반대로 제2 열교환기(400)로 흐르는 유량을 감소시키면 제3 열교환기(500)로 유입되는 작동 유체의 온도가 낮아져 제3 열교환기(500)에서 상대적으로 많은 열을 흡수하게 된다. 이런 원리로 제3 열교환기(500)에서 흡수하는 열량을 제어할 수 있다.
이하에서는 전술한 작동 유체의 다단 압축 및 팽창을 이용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다(단, 전술한 설명과 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체 공급기(50)와, 쿨러(100)와 제1 압축기(200)의 사이에 구비된 플래쉬 탱크(flash tank, 150)를 더 포함할 수 있다. 또한, 복수의 밸브와 작동 유체를 우회(bypass) 시킬 수 있는 복수의 바이패스 라인을 더 포함할 수 있다.
작동 유체는 작동 유체 공급기(50)에 연결되어 있는 주입 밸브(54)를 통해 시스템 내로 주입된다. 주입된 기체 상태의 작동 유체는 쿨러(100)로 주입되어 냉각된다.
쿨러(100)로 주입된 기체 상태의 작동 유체는 냉각되면서 액체 상태로 상변화를 일으킨다. 쿨러(100)의 후단에는 쿨러 유량 조절 밸브(102)가 구비되며, 플래쉬 탱크(150)로 주입되는 액체 상태의 작동 유체의 유량을 조절한다.
플래쉬 탱크(150)는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 랭킨 사이클로 구성됨으로써 작동 유체가 액체 상태와 기체 상태간의 상변화가 이루어지므로 액상의 작동 유체가 쿨러(100) 쪽으로 역류되지 않도록 하기 위한 구성이다. 쿨러(100)의 전단과 플래쉬 탱크(150)는 탱크 순환 바이패스 라인(160)에 의해 연결되고, 탱크 순환 바이패스 라인(160) 상에 탱크 순환 조절 밸브(164)가 설치된다. 탱크 순환 조절 밸브(164)가 개방되면 액화가 되지 않고 기체 상태로 남아있는 작동 유체가 탱크 순환 바이패스 라인(160)을 타고 쿨러(100)로 보내진다. 플래쉬 탱크(150)를 거친 액상의 작동 유체는 제1 압축기(200)에서 고압으로 압축된다.
제1 압축기(200)에서 압축된 고압의 작동 유체는 제1 압축기(200)의 후단에 구비된 압축기 출구측 조절 밸브(202)를 통해 제1 열교환기(300)로 보내진다. 압축기 출구측 조절 밸브(202)와 제1 압축기(200)의 사이(분기점 A)와 제1 압축기(200)와 플래쉬 탱크(150)의 사이에는 제1 압축기 순환 라인(210)이 연결되며, 제1 압축기 순환 라인(210) 상에 제1 압축기 순환 밸브(212)가 구비된다. 제1 압축기 순환 밸브(212)에 의해 제1 압축기(200)를 통과한 작동 유체가 제1 열교환기(300) 쪽으로 가지 않고 제1 압축기(200)의 전단 쪽으로 바이패스될 수 있다. 제1 압축기 순환 밸브(212)는 시스템의 초기 기동 시(제1 압축기의 초기 기동 시) 개방되며, 작동 유체가 터빈을 구동할 수 있을 정도로 웜 업(warm up)되기 전까지 작동 유체를 순환시키는 역할을 한다. 또한, 비상 시 안전 밸브 역할도 한다. 제1 압축기 순환 밸브(212)가 개방될 때에는 압축기 출구측 조절 밸브(202)는 폐쇄될 수 있다.
또한, 제2 압축기 우회 라인(810)의 일단은 제2 압축기(800)의 후단에 연결되고, 제2 압축기 우회 라인(810)의 타단은 제1 열교환기(300)로부터 제2 압축기(800)의 전단까지 이어지는 라인에 연결되며, 제2 압축기 우회 라인(810) 상에 우회 밸브(812)가 구비된다. 그리고 제2 압축기 우회 라인(810)을 지난 제2 압축기(800)의 후단(분기점 B)에는 플래쉬 탱크(150)의 전단에 연결되는 부스팅 우회 라인(820)이 구비되고, 부스팅 우회 라인(820) 상에 부스팅 조절 밸브(822)가 구비된다.
제2 압축기 우회 라인(810) 상에 설치된 우회 밸브(812)는 시스템의 초기 기동 시 개방되며, 제1 압축기 순환 밸브(212)만 개방될 때보다 부스팅 시 효율을 향상시킬 수 있도록 한다. 부스팅 조절 밸브(822) 역시 시스템의 초기 기동 시에 개방되며, 신속한 시스템의 스타트 업(start-up) 및 순간 유량 증대 역할을 할 수 있다.
시스템의 초기 구동 및 작동 유체의 웜업이 완료되면 제1 압축기 순환 밸브(212), 우회 밸브(812), 부스팅 조절 밸브(822)가 모두 폐쇄되어 제1 압축기(200)를 통과한 작동 유체는 제1 열교환기(300) 및 제2 열교환기(400)로 공급된다. 제3 열교환기(500)에서 열을 흡수해 가열된 작동 유체는 고압 터빈(600)으로 공급되고, 고압 터빈(600)을 거친 후 제4 열교환기(530)로 유입된다. 제4 열교환기(530)에서 재열된 작동 유체는 저압 터빈(700)으로 공급되며, 고압 터빈(600) 및 저압 터빈(700)의 전단에는 각각 유량 조절 밸브(510, 620)가 구비되어 고압 터빈(600) 및 저압 터빈(700)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 제어한다.
고압 터빈(600)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(520)가 구비된다. 배기 밸브(520)는 유량 조절 밸브(510) 이후에 설치되며, 유량 조절 밸브(510)와 배기 밸브(520)의 사이에 고압 터빈(600)으로 작동 유체가 유입되는 분기점이 구비된다.
제3 열교환기(500)와 고압 터빈 측 유량 조절 밸브(510)의 사이와 고압 터빈(600)의 후단은 고압 터빈측 터빈 우회 라인(610)에 의해 연결된다. 저압 터빈 측 유량 조절 밸브(620)의 전단과 저압 터빈(700)의 후단은 저압 터빈측 터빈 우회 라인(710)에 의해 연결된다. 고압 터빈측 터빈 우회 라인(610)과 저압 터빈측 터빈 우회 라인(710) 상에는 각각 고압 터빈 우회 밸브(612)와 저압 터빈 우회 밸브(712)가 설치된다. 고압 터빈 우회 밸브(612) 및 저압 터빈 우회 밸브(712)는 고압 터빈(600) 또는 저압 터빈(700)만 운용하고자 하는 경우에 선택적으로 개폐될 수 있다.
즉, 사이클에서 고압 터빈(600)만을 운용하려는 경우, 고압 터빈 우회 밸브(612)는 폐쇄되고, 저압 터빈 우회 밸브(712)는 개방되며, 저압 터빈 측 유량 조절 밸브(620)는 폐쇄되어 작동 유체가 고압 터빈(600)만을 거치도록 할 수 있다.
반대로 사이클에서 저압 터빈(700)만을 운용하려는 경우, 고압 터빈 우회 밸브(612)는 개방되고, 고압 터빈 측 유량 조절 밸브(510)는 폐쇄되며, 저압 터빈 우회 밸브(712)는 폐쇄되어 작동 유체가 저압 터빈(700)만을 거치도록 할 수도 있다.
일반적으로는 고압 터빈(600)과 저압 터빈(700)을 모두 운용하며, 이 때에는 고압 터빈 우회 밸브(612) 및 저압 터빈 우회 밸브(712) 모두 폐쇄되어 작동 유체가 고압 터빈(600)과 저압 터빈(700)을 순차적으로 거쳐 팽창될 수 있도록 한다.
또한, 분기점 C를 지나 제2 열교환기(400) 쪽으로 분기되어 고온측 조절 밸브(632)를 거쳐 제2 열교환기(400)를 통과한 일부의 작동 유체는, 제2 압축기(800)를 통과한 작동 유체와 분기점 B 이후에 위치하는 작동 유체 이송관 상의 임의의 지점(분기점 D)에서 혼합되어 쿨러(100)로 유입된다. 이 때, 분기점 D와 주입 밸브(54)사이의 작동 유체 이송관 상에는 쿨러 입구측 조절 밸브(104)가 설치된다. 쿨러 입구측 조절 밸브(104)는 쿨러(100)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절함으로써 쿨러(100)에서 작동 유체가 원활하게 냉각될 수 있도록 한다.
전술한 실시 예에 따른 작동 유체의 다단 압축 및 팽창을 이용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 사이클의 구간 별 작동 유체의 압력과 엔탈피의 관계를 설명하면 다음과 같다(작동 유체가 흐르는 작동 유체 이송관의 번호를 참조하여 설명하기로 함).
도 2는 도 1의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 압력-엔탈피 다이어그램이고, 도 3은 도 1의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 온도-엔트로피 다이어그램이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 작동 유체는 제1 압축기(200)에서 1차로 압축되면서 약 220bar, 70℃에 이르게 되고(1-2 구간), 제1 열교환기(300) 및 제2 열교환기(400), 그리고 제3 열교환기(500)를 거치면서 약 570℃까지 가열된다(2-5 구간). 그리고 고압 터빈(600)을 거치면서 1차로 팽창되고(5-6 구간) 온도는 약 450℃까지 떨어지게 된다. 터빈이 한 개만 구비된 경우 작동 유체가 열교환기를 거쳐 쿨러(100)로 유입되면서(6-10 구간) 도 2의 상부 사각형 면적만큼의 출력 일을 터빈이 발생시키게 된다.
그러나 본 발명의 경우 작동 유체가 저압 터빈(700)을 거치면서 한번 더 팽창된 후(6-8 구간) 제1 열교환기(300)를 거쳐(8-9 구간) 제2 압축기(800)에서 재압축되므로(9-10 구간) 도 2의 하부 사각형 면적만큼의 출력 일이 추가로 발생된다.
또한, 작동 유체가 저압 터빈(700)으로 유입되기 전 제4 열교환기(530)에 의해 한번 더 가열되므로 도 2의 하부 사각형에서 빗금 표시된 부분만큼의 출력 일이 추가로 발생된다.
도 3을 기준으로 설명하면, 작동 유체가 압축기와 제1 열교환기(300), 제2 열교환기(400), 제3 열교환기(500)를 차례로 거치면서 온도가 점점 상승하고(1-5 구간), 고압 터빈(600)을 지나면서 팽창하여 온도가 감소된다(5-6구간). 그 후 작동 유체는 제4 열교환기(530)를 거치면서 다시 한번 가열되어 온도가 상승한다(6-8 구간).
제4 열교환기(530)가 추가로 구비됨으로써 도 3에서 빗금으로 표시된 면적만큼의 출력 일이 추가로 발생되는 것이다. 또한, 5번 포인트와 8번 포인트의 높이 차이는 제3 열교환기(500)와 제4 열교환기(530)의 온도 차에 해당하므로 이 차이를 줄이는 것이 시스템의 효율을 향상시키는 것이 된다. 따라서 전술한 바와 같이, 제3 열교환기(500)와 제4 열교환기(530)로 동일한 온도의 폐열이 공급되면 시스템의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 2 및 도 3에 대한 위 설명에서 언급된 작동 유체의 온도와 압력은 본 발명이 구현되는 특정 실시 예에 관한 것으로서, 본 발명의 사상을 변경하지 않는 선에서 작동 유체의 온도와 압력은 적절하게 변화 및 수정될 수 있음을 분명하게 밝혀둔다.
전술한 실시 예에서는 제1 내지 제4 열교환기를 구비한 작동 유체의 다단 압축 및 팽창을 이용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하였으나, 추가로 열교환기가 더 구비될 수도 있다(편의상 전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체를 최종적으로 복열할 수 있는 제5 열교환기(900)를 더 포함할 수 있다.
제5 열교환기(900)는 분기점 D의 후단과 쿨러 입구측 조절 밸브(104)의 사이에 설치될 수 있으며, 특정 운전 상황에서 E 지점의 온도가 일반적인 운전 모드에서보다 상대적으로 높은 경우 최종적으로 한번 더 작동 유체를 복열하는 용도로 사용될 수 있다. 즉, 제5 열교환기(900)는 쿨러(100)를 통해 사이클 외부로 버려지는 열 에너지로 제1 압축기(200)에서 토출된 작동 유체를 복열하며, 이를 통해 쿨러에서 작동 유체가 쉽게 액화될 수 있도록 함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 제5 열교환기(900)는 압축기 출구측 조절 밸브(202)의 후단과 연결되어 작동 유체가 제1 열교환기(300)로 보내지기 전 한번 더 가열된 후 제1 열교환기(300)로 보내지도록 한다. 이에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5는 도 4의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 압력-엔탈피 다이어그램이고, 도 6은 도 4의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 온도-엔트로피 다이어그램이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제5 열교환기(900)가 구비되면 제1 열교환기(300) 및 제2 열교환기(400)만 구비될 때보다 작동 유체의 최종 가열 온도(도 5에서는 570℃)까지 상승시키는데 필요한 열량(4-5 구간)이 감소된다. 이는 흡열량이 감소된다는 것이므로 동일한 출력 일을 낸다는 조건 하에서 볼 때 효율이 상승하는 것으로 볼 수 있다(시스템의 '효율'은 출력 일을 흡열량으로 나눈 값이므로).
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제5 열교환기(900)가 구비되면 제1 내지 제4 열교환기(300, 400, 500, 530)에서 작동 유체의 가열에 필요한 열량이 감소되며, 작동 유체가 쿨러(100)로 유입되기 전 제5 열교환기(900)에서 열이 회수되어 100℃ 이하로 냉각된다. 따라서 쿨러(100)에서의 냉각 부하가 감소하는 효과가 있으며, 이는 쿨러(100)의 용량 감소 및 원가 절감을 가능하게 한다. 회수된 열은 제1 열교환기(300)로 유입되기 전 작동 유체를 복열하는데 사용된다.
도 5 및 6에 대한 위 설명에서 언급된 작동 유체의 온도와 압력은 본 발명이 구현되는 특정 실시 예에 관한 것으로서, 본 발명의 사상을 변경하지 않는 선에서 작동 유체의 온도와 압력은 적절하게 변화 및 수정될 수 있음을 분명하게 밝혀둔다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 작동 유체의 다단 압축 및 팽창을 이용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 큰 압력비로 작동 유체를 팽창하도록 함으로써 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 고압 터빈 또는 저압 터빈의 단독 운전 또는 병용 운전 등 다양한 운전이 가능해 수요 측의 출력 요구에 따라 시스템의 제어가 용이한 장점이 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
50: 작동유체 공급기 100: 쿨러
150: 플래쉬 탱크 200: 제1 압축기
300: 제1 열교환기 400: 제2 열교환기
500: 제3 열교환기 530: 제4 열교환기
600: 고압 터빈 700: 저압 터빈
800: 제2 압축기 900: 제5 열교환기

Claims (40)

  1. 작동 유체를 압축하는 제1 압축기와,
    상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 1차로 열교환하는 제1 열교환기와,
    상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 2차로 열교환하는 제2 열교환기와,
    상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 고압 터빈과,
    상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 저압 터빈과,
    상기 제1 압축기의 전단에 연결되어 상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 제1 압축기로 공급하는 쿨러와,
    상기 제1 열교환기와 상기 쿨러의 사이에 구비되며, 상기 저압 터빈과 제1 열교환기를 차례로 거친 상기 작동 유체를 압축하는 제2 압축기와,
    상기 제2 열교환기와 상기 고압 터빈의 사이에 구비되어 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제3 열교환기와,
    상기 고압 터빈과 상기 저압 터빈의 사이에 구비되어 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제4 열교환기를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기는 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기로 보내지며, 상기 저압 터빈 및 제1 열교환기를 거친 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고압 터빈으로부터 상기 제4 열교환기 쪽으로 분기되는 분기점(분기점 C)에서 분기되어 상기 제2 열교환기에 연결되는 고온측 작동 유체 이송관과, 상기 고온측 작동 유체 이송관 상에 설치된 고온측 조절 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고압 터빈을 거쳐 분기되어 상기 작동 유체 이송관을 통해 상기 제2 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체는 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고압 터빈 및 제2 열교환기를 차례로 거친 상기 작동 유체는, 상기 제2 압축기를 거친 상기 작동 유체와, 상기 제2 압축기와 상기 쿨러의 사이(분기점 D)에서 혼합되어 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 쿨러의 후단과 상기 제1 압축기의 전단 사이에 구비되어 상기 작동 유체를 임시 저장하는 플래쉬 탱크(flash tank)를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 쿨러의 전단과 상기 플래쉬 탱크를 연결하는 탱크 순환 바이패스 라인을 더 포함하며, 상기 플래쉬 탱크로 유입된 기체 상태의 상기 작동 유체가 상기 탱크 순환 바이패스 라인을 통해 상기 쿨러의 전단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 플래쉬 탱크의 후단과 상기 제1 압축기의 후단을 연결하는 제1 압축기 순환 라인;
    상기 제1 압축기 순환 라인 상에 설치되는 제1 압축기 순환 밸브;
    상기 제1 압축기 순환 라인이 분기되는 분기점(분기점 A) 이후에 구비되며 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 압축기 출구측 조절 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 압축기의 초기 기동 시 상기 압축기 출구측 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 제1 압축기 순환 밸브가 개방되어 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체가 상기 제1 압축기의 전단으로 재 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 압축기의 후단과 상기 쿨러의 전단을 연결하는 작동 유체 이송관 상에서 분기(분기점 B)되어 상기 제2 압축기의 후단과 상기 플래쉬 탱크의 전단을 연결하는 부스팅 우회 라인과, 상기 부스팅 우회 라인 상에 설치되는 부스팅 조절 밸브를 더 포함하며, 상기 부스팅 조절 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 압축기의 전단과 후단을 연결하는 제2 압축기 우회 라인과, 상기제2 압축기 우회 라인 상에 설치되는 우회 밸브를 더 포함하며, 상기 우회 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 고압 터빈 및 저압 터빈의 전단에 각각 설치된 고압 터빈측 유량 조절밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브와, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 고압 터빈의 후단을 연결하는 고압 터빈측 터빈 우회 라인과, 상기 고압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 고압 터빈 우회 밸브와, 상기 저압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 저압 터빈의 후단을 연결하는 저압 터빈측 터빈 우회 라인과, 상기 저압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 저압 터빈 우회 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 고압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈측유량 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 저압 터빈 우회 밸브는 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 저압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브는 개방되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 고압 터빈 및 저압 터빈을 모두 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브는 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  19. 제3항에 있어서,
    상기 제3 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  20. 제3항에 있어서,
    상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 실질적으로동일한 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  21. 작동 유체를 압축하는 제1 압축기 및 제2 압축기와,
    상기 작동 유체를 팽창시키기 위한 고압 터빈 및 저압 터빈과,
    상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 1차로 열교환하는 제1 열교환기와,
    상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 2차로 열교환하는 제2 열교환기와,
    상기 제2 열교환기와 상기 고압 터빈의 사이에 구비되어 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체와 최종 열교환하는 제3 열교환기와,
    상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 재 가열하는 제4 열교환기와,
    상기 제1 압축기의 전단에 연결되어 상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 제1 압축기로 공급하는 쿨러와,
    상기 쿨러의 전단에 연결되어 상기 쿨러로 유입되는 상기 작동 유체와 열교환하는 제5 열교환기를 포함하고,
    상기 고압 터빈은 상기 제3 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며, 상기 저압 터빈은 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 것을 특징으로 하고,
    상기 저압 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기로 보내지며, 상기 저압 터빈 및 제1 열교환기를 거친 상기 작동 유체는 상기 제2 압축기를 거쳐 상기 제5 열교환기로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제5 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)이고, 상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기는 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 제21항에 있어서,
    상기 제5 열교환기는 상기 제1 압축기의 후단 및 상기 제1 열교환기의 전단과 연결되며, 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하여 상기 제1 열교환기로 보내는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 고압 터빈으로부터 상기 제4 열교환기 쪽으로 분기되는 분기점(분기점 C)에서 분기되어 상기 제2 열교환기에 연결되는 고온측 작동 유체 이송관과, 상기 고온측 작동 유체 이송관 상에 설치된 고온측 조절 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 고압 터빈을 거쳐 분기되어 상기 작동 유체 이송관을 통해 상기 제2 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체는 상기 제5 열교환기로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 고압 터빈 및 제2 열교환기를 차례로 거친 상기 작동 유체는, 상기 제2 압축기를 거친 상기 작동 유체와, 상기 제2 압축기와 상기 제5 열교환기의 사이(분기점 D)에서 혼합되어 상기 쿨러로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 쿨러의 후단과 상기 제1 압축기의 전단 사이에 구비되어 상기 작동 유체를 임시 저장하는 플래쉬 탱크(flash tank)를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 쿨러의 전단과 상기 플래쉬 탱크를 연결하는 탱크 순환 바이패스 라인을 더 포함하며, 상기 플래쉬 탱크로 유입된 기체 상태의 상기 작동 유체가 상기 탱크 순환 바이패스 라인을 통해 상기 쿨러의 전단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 플래쉬 탱크의 후단과 상기 제1 압축기의 후단을 연결하는 제1 압축기 순환 라인;
    상기 제1 압축기 순환 라인 상에 설치되는 제1 압축기 순환 밸브; 및
    상기 제1 압축기 순환 라인이 분기되는 분기점(분기점 A) 이후에 구비되며 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 보내는 압축기 출구측 조절 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 압축기의 초기 기동 시 상기 압축기 출구측 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 제1 압축기 순환 밸브가 개방되어 상기 제1 압축기를 통과한 상기 작동 유체가 상기 제1 압축기의 전단으로 재 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 제2 압축기의 후단과 상기 쿨러의 전단을 연결하는 작동 유체 이송관 상에서 분기(분기점 B)되어 상기 제2 압축기의 후단과 상기 플래쉬 탱크의 전단을 연결하는 부스팅 우회 라인과, 상기 부스팅 우회 라인 상에 설치되는 부스팅 조절 밸브를 더 포함하며, 상기 부스팅 조절 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 제2 압축기의 전단과 후단을 연결하는 제2 압축기 우회 라인과, 상기제2 압축기 우회 라인 상에 설치되는 우회 밸브를 더 포함하며, 상기 우회 밸브는 상기 제1 압축기의 초기 기동 시 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  35. 제26항에 있어서,
    상기 고압 터빈 및 저압 터빈의 전단에 각각 설치된 고압 터빈측 유량 조절밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브와, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 고압 터빈의 후단을 연결하는 고압 터빈측터빈 우회 라인과, 상기 고압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 고압 터빈 우회 밸브와, 상기 저압 터빈측 유량 조절 밸브의 전단과 상기 저압 터빈의 후단을 연결하는 저압 터빈측 터빈 우회 라인과, 상기 저압 터빈측 터빈 우회 라인 상에 설치되는 저압 터빈 우회 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 고압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈측유량 조절 밸브는 폐쇄되고 상기 저압 터빈 우회 밸브는 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  37. 제35항에 있어서,
    상기 저압 터빈만 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브는 개방되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  38. 제35항에 있어서,
    상기 고압 터빈 및 저압 터빈을 모두 운용하는 경우, 상기 고압 터빈 우회 밸브 및 저압 터빈 우회 밸브는 폐쇄되고, 상기 고압 터빈측 유량 조절 밸브 및 저압 터빈측 유량 조절 밸브는 개방되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  39. 제21항에 있어서,
    상기 제3 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  40. 제21항에 있어서,
    상기 제3 열교환기 및 제4 열교환기로 전달되는 열원의 온도는 실질적으로동일한 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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