KR101856165B1 - 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101856165B1
KR101856165B1 KR1020170049803A KR20170049803A KR101856165B1 KR 101856165 B1 KR101856165 B1 KR 101856165B1 KR 1020170049803 A KR1020170049803 A KR 1020170049803A KR 20170049803 A KR20170049803 A KR 20170049803A KR 101856165 B1 KR101856165 B1 KR 101856165B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon dioxide
power generation
generation unit
organic refrigerant
heat
Prior art date
Application number
KR1020170049803A
Other languages
English (en)
Inventor
박종민
김익철
김대복
김명석
강경두
김덕호
Original Assignee
한국전력기술 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력기술 주식회사 filed Critical 한국전력기술 주식회사
Priority to KR1020170049803A priority Critical patent/KR101856165B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101856165B1 publication Critical patent/KR101856165B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

본 발명은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템에 관한 것으로, 연료를 태워 고온의 연소가스로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 화력 발전 유닛; 상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환 시키며, 열교환된 이산화탄소를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 유닛; 및 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 유기 냉매를 열교환시키며, 열교환된 유체를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 유기 냉매 발전 유닛; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템 {Combined cycle power system using supercritical carbon dioxide power cycle}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 복합화력 발전은 가스터빈-발전기와 증기터빈-발전기를 조합하여 발전하는 시스템이다. 복합화력 발전은 연료의 연소열을 가스터빈에서 1차로 이용하고, 이를 배열회수보일러에서 다시 이용하는 방식으로 에너지의 이용 효율성을 높이고 있다.
구체적으로 도 1을 참고하면, 종래의 복합화력 발전 시스템은 압축기(10)로 공기(11)를 주입하고, 연소장치(20)에 연료(21)를 주입하여 연료(21)를 연소시킨다. 연료(21)가 연소되어 발생한 고온의 연소가스로 가스터빈(30)을 돌려 제1발전기(40)를 통해 1차로 전기를 생산한다. 그 이후 배출되는 배기가스에 남아 있는 열을 이용하기 위하여, 배열회수보일러(50)에 배기가스를 주입하고, 배열회수보일러(50)의 보일러 열교환기(51)를 통해 물을 가열하여 고온, 고압의 증기를 만든다. 고온, 고압의 증기를 통해 증기터빈(60)을 돌리고, 제2발전기(70)를 통해 2차로 전기를 생산한다. 증기터빈(60)을 회전시킨 후 증기는 복수기(80)에 의해 냉각되며, 냉각된 물은 펌프(90)에 의해 배열회수보일러(50)로 다시 공급된다.
그러나 종래의 복합화력 발전 시스템은 다음과 같은 문제점이 있다. 종래의 복합화력 발전 시스템은 연소열의 이용 효율성을 높일 수 있으나, 증기를 물로 냉각시키는 과정 중 복수기(80)에서 발생하는 온배수 폐열과 배열회수보일러(50)에서 발생하는 배가스(52)의 잔열에 의해 다량의 열손실이 발생한다. 이러한 폐열 및 잔열을 회수하지 못하면 발전소 전체의 효율을 떨어뜨리며, 냉각을 위해 다량의 냉각수가 소용되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 더욱 상세하게는 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템은, 연료를 태워 고온의 연소가스로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 화력 발전 유닛; 상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환 시키며, 열교환된 이산화탄소를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 유닛; 및 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 유기 냉매를 열교환시키며, 열교환된 유체를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 유기 냉매 발전 유닛; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템의 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛은, 상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환시키는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 제1터빈과, 상기 제1터빈을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 이산화탄소를 열교환시키는 제2열교환기와, 상기 제2열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 제2터빈을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 제1교환기 및 제2열교환기는 복수 개가 마련되는 것이 바람직하다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템의 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛은, 적어도 1개 이상의 이산화탄소 압축기를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛에 사용되는 이산화탄소는, 초임계 상태의 이산화탄소인 것이 바람직하다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템의 상기 유기 냉매 발전 유닛은, 비등점이 물보다 낮은 유기 냉매와, 상기 유기 냉매를 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열교환 시키는 제3열교환기와, 상기 제3열교환기를 통해 열교환된 유기 냉매를 이용하여 전기를 생산하는 제3터빈을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 유기 냉매는, R134a, R22, 프로판(C3H8), 펜탄(C4H10), 암모니아(NH3) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템의 상기 유기 냉매 발전 유닛은 복수 개가 마련되는 것이 바람직하며, 상기 유기 냉매 발전 유닛은 제1유기 냉매 발전 유닛과 제2유기 냉매 발전 유닛으로 이루어지며, 상기 제1유기 냉매 발전 유닛과 상기 제2유기 냉매 발전 유닛에는 제4열교환기가 마련되는 것이 바람직하며, 상기 유기 냉매 발전 유닛은, 상기 유기 냉매를 응축시킬 수 있는 응축기와, 상기 유기 냉매를 이동시킬 수 있는 펌프를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높이며, 각수 소요량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 적용함에 따라 시스템을 소형화할 수 있는 장점이 있으며, 초임계 이산화탄소 발전 유닛과 함께 유기 냉매 발전 유닛을 사용함에 따라, 배기가스의 온도가 500도 이하에서도 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 복합화력 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 효율과 비교예의 발전 효율을 비교한 표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 사용량과 비교예의 냉각수 사용량을 비교한 표이다.
본 발명은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 설명한다.
초임계 이산화탄소 발전 유닛(120)은 작동유체로 초임계 이산화탄소를 사용하는 것으로, 발전효율의 향상 및 시스템의 소형화가 가능한 발전 시스템이다. 초임계 상태는 물질의 특이점인 임계점(Critical Point) 이상의 온도와 압력상태를 의미하며, 이산화탄소는 31.04℃, 72.8 기압 이상에서 초임계 상태로 존재하게 된다.
초임계 이산화탄소 발전 유닛(120)은 압축, 가열, 팽창, 냉각 과정을 거치는 동안 전 계통이 초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 것으로, 브레이튼 사이클(Brayton Cycle) 방식으로 전력을 생산하는 것이다. 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 초임계 상태의 이산화탄소는 액체와 기체의 특성을 동시에 갖고 있으며, 브레이튼 사이클에 적용 시 액체와 같은 작은 압축일과 기체와 같은 작은 유동저항이라는 장점을 통해 고효율, 소형화 전력생산 시스템을 구성할 수 있는 것이다.
도 2를 참조하면, 이러한 초임계 이산화탄소 발전 유닛(120)은 이산화탄소 압축기(121), 이산화탄소 냉각기(122), 제1열교환기(130), 제1터빈(131), 제2열교환기(140), 제2터빈(141)을 포함하여 이루어질 수 있다.
초임계 이산화탄소 발전 유닛(120)은 상기 이산화탄소 압축기(121)를 통해 압축된 이산화탄소와, 화력 발전 유닛에서 배출된 배기가스를 상기 제1열교환기(130)에서 열교환시키고, 열교환된 이산화탄소를 통해 상기 제1터빈(131)을 돌려 발전을 하는 것이다. 상기 제1터빈(131)을 통과한 이산화탄소는 상기 제2열교환기(140)에서 이산화탄소와 다시 열교환하여 상기 제2터빈(141)을 통해 한 번 더 발전을 하는 것이다. 상기 제2터빈(141)을 통과한 이산화탄소는 상기 이산화탄소 냉각기(122)로 유입되어 냉각되고, 다시 재사용된다.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 유닛(120)은 연료의 효율을 높이고, 시스템을 소형화할 수 있으나, 화력 발전 유닛에서 배출되는 배기가스의 온도가 500도 이하의 낮은 온도에서는 기존의 복합화력 발전 시스템 대비 높은 열효율 향상을 기대하기 어렵다. 따라서 시스템을 소형화하면서 연료의 열 효율을 높이기 위해서는, 초임계 이산화탄소 발전 유닛과 함께 비등점이 물보다 낮은 유기 냉매 발전 유닛을 함께 사용하여야 한다.
이에 본 발명은 화력 발전 유닛(210)을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛(250)을 통해 3차로 발전할 수 있도록 하는 것이다. 도 3을 참조하면, 본 발명은 화력 발전 유닛(210), 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220), 유기 냉매 발전 유닛(250)을 포함하여 이루어진다.
상기 화력 발전 유닛(210)은 기존의 복합 화력 발전 시스템에 사용하는 것과 동일한 것으로, 연료를 태워 고온의 연소가스로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이다. 상기 화력 발전 유닛(210)은 기존의 복합 화력 발전 시스템과 같이 압축기, 연소장치, 터빈, 발전기를 포함하여 이루어질 수 있는 것으로 그 상세한 설명은 생략한다. 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스는 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)으로 유입된다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)은 상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환 시키며, 열교환된 이산화탄소를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것으로, 제1열교환기(230), 제1터빈(231), 제2열교환기(240), 제2터빈(241)을 포함하여 이루어진다.
상기 제1열교환기(230)는 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환 시킬 수 있는 것이다. 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스의 잔열을 상기 제1열교환기(230)를 통해 이산화탄소에 전달하고, 이를 통해 이산화탄소의 온도를 높일 수 있다.
여기서 상기 제1열교환기(230)는 복수 개가 마련될 수 있다. 복수 개의 상기 제1열교환기(230)를 마련하고, 이를 통해 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스의 잔열을 효과적으로 이산화탄소로 회수할 수 있게 된다.
상기 제1열교환기(230)를 통해 열교환된 이산화탄소는 고온, 고압(450도, 270bar)을 형성하며, 이를 통해 상기 제1터빈(231)을 돌려 전기를 생산할 수 있게 된다.
상기 제2열교환기(240)는 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)의 열효율을 높이기 위해 마련되는 것으로, 상기 제2열교환기(240)는 상기 제1터빈(231)을 거쳐 배출되는 이산화탄소의 잔열을 추가적으로 회수하기 위한 것이다. 상기 제2열교환기(240)는 상기 제1터빈(231)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 이산화탄소(냉각 후 가압된 이산화탄소)를 열교환 시키며, 상기 제2열교환기(240)를 통해 열교환된 이산화탄소는 상기 제2터빈(241)을 돌려 전기를 생산하게 된다.
여기서, 상기 제2열교환기(240)에 공급되는 냉각 후 가압된 이산화탄소는 상기 제1터빈(231)을 거친 이산화탄소와 다른 것이다. 구체적으로, 도 3을 참조하면, 이산화탄소 압축기(221,221a)를 거친 이산화탄소는 상기 제1열교환기(230), 상기 제2열교환기(240) 두 갈래로 나누어서 공급된다. 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)를 거친 이산화탄소를 제1이산화탄소라 하면, 상기 제1열교환기(230)에서는 상기 제1이산화탄소와 상기 화력 발전 유닛(210)에서 배출되는 배기가스가 열교환 하게 된다. 상기 제1이산화탄소는 제1열교환기(230)에서 열교환되어 고온, 고압이 되고, 이를 통해 상기 제1터빈(231)을 돌리게 된다.
상기 제1터빈(231)을 돌린 고온, 고압의 이산화탄소를 제2이산화탄소라 하면, 제2이산화탄소는 잔열이 존재하기 때문에 이를 회수 하기 위해 상기 제2열교환기(240)를 이용한다. 상기 제2열교환기(240)에는 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)에서 공급된 제1이산화탄소가 마련되고, 상기 제1이산화탄소가 상기 제1터빈(231)을 거친 상기 제2이산화탄소와 열교환하게 된다. 상기 제2열교환기(240)에 마련된 상기 제1이산화탄소는 상기 제1터빈(231)을 거친 상기 제2이산화탄소로부터 열을 공급받아 온도가 올라가고, 이를 통해 상기 제2터빈(241)을 돌려 전기를 생산하게 된다.
상기 제2열교환기(240)는 복수 개가 마련될 수 있다. 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)의 터빈 팽창비는 2~3:1로 증기발전시스템의 터빈 팽창비 100:1보다 작게 형성되어 있다. 따라서, 복수 개의 상기 제2열교환기(240)를 마련함에 따라 열 회수 효율을 높일 수 있다.
상기 유기 냉매 발전 유닛(250)은 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 유기 냉매를 열교환시키며, 열교환된 유체를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이다. 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)은 비등점이 물보다 낮은 유기 냉매와, 상기 유기 냉매를 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열교환시키는 제3열교환기(260,260a)를 포함하여 이루어진다.
구체적으로 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소가 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)의 상기 제3열교환기(260,260a)로 유입되고, 상기 제3열교환기(260,260a)에서 상기 유기 냉매와 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소가 열교환된다. 이때, 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소의 온도는 대략 80도 내지 100도로 이루어져 있다.
상기 유기 냉매는 비등점이 물보다 낮은 것으로, 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소로부터 열을 받아 증발하여, 상기 제3터빈(261,261a)을 돌려 전기를 생산할 수 있는 것이다. 상기 유기 냉매는, R134a, R22, 프로판(C3H8), 펜탄(C4H10), 암모니아(NH3) 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 상기 유기 냉매의 종류는 이에 한정되는 것은 아니며, 비등점이 물보다 낮다면 다양한 유기 냉매가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 유기 냉매 발전 유닛(250)에는 응축기(253,253a)와 펌프(254,254a)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 제3터빈(261,261a)을 거쳐 배출되는 유기 냉매는 상기 응축기(253,253a)를 통해 응축되며, 응축된 유기 냉매는 상기 펌프(254,254a)를 통해 이동 동력을 제공 받아 이동한다. 상기 펌프(254,254a)를 통해 이동된 유기 냉매는 다시 이산화탄소와 열교환 되는 상기 제3열교환기(260,260a)로 유입되고, 이산화탄소로부터 열을 받아 증발하여 상기 제3터빈(261,261a)을 돌려 전기를 생산할 수 있게 된다.
상기 유기 냉매 발전 유닛(250)은 복수 개가 마련될 수 있다. 바람직하게는 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)은 제1유기 냉매 발전 유닛(251)과 제2유기 냉매 발전 유닛(252), 2개로 이루어질 수 있다. 이와 같이 복수 개의 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)을 마련함에 따라 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)에서 배출되는 이산화탄소의 잔열을 효과적으로 회수할 수 있다.
구체적으로 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소는 상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)의 제3열교환기(260)에서 열교환을 한 번 하고, 다시 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)의 제3열교환기(260a)에서 열교환을 한 번 더하여 전기를 생산하게 된다.
상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)과 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)에는 제4열교환기(270)가 마련될 수 있다. 상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)과 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252) 사이에 상기 제4열교환기(270)가 마련되어 상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)의 열을 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)으로 일부 전달할 수 있게 된다.
상기 유기 냉매 발전 유닛(250)은 이산화탄소를 냉각시키는 동시에 이산화탄소의 열원을 통해 유기 냉매를 증발시켜 전기를 생산할 수 있는 것이다. 기존의 초임계 이산화탄소 발전 유닛은 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)을 사용하지 않아 별도의 이산화탄소 냉각기(122)를 사용해야 했다. 그러나 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)을 사용함에 따라 이산화탄소를 냉각시키면서, 별도로 전기도 생산할 수 있게 되는 것이다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)은 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)을 통해 냉각되지만, 적어도 1개 이상의 별도의 이산화탄소 압축기(221,221a)가 마련되어 사용될 수도 있다. 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)는 상기 제3열교환기(260,260a)를 거쳐 배출되는 이산화탄소를 압축하여 재사용할 수 있게 하는 것이다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)에 사용되는 이산화탄소는 초임계 상태의 이산화탄소가 사용된다. 구체적으로, 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)의 작동유체로 초임계 이산화탄소를 사용하는 것으로, 이를 통해 발전효율의 향상 및 시스템의 소형화가 가능하다.
초임계 상태는 물질의 특이점인 임계점(Critical Point) 이상의 온도와 압력상태를 의미하며, 이산화탄소는 31.04℃, 72.8 기압 이상에서 초임계 상태로 존재하게 된다. 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)에 사용되는 초임계 상태의 이산화탄소는 액체와 기체의 특성을 동시에 갖고 있으며, 브레이튼 사이클에 적용 시 액체와 같은 작은 압축일과 기체와 같은 작은 유동저항이라는 장점을 통해 고효율, 소형화 전력생산 시스템을 구성할 수 있는 것이다.
상술한 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템의 구체적인 작동방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 상기 화력 발전 유닛(210)에서 연료를 태워 고온의 연소가스로 터빈을 돌려 전기를 생산하고, 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스가 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)으로 유입된다. 구체적으로, 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스는 상기 제1열교환기(230)로 유입되고, 상기 제1열교환기(230)에서 이산화탄소와 열교환하여 이산화탄소의 온도를 높일 수 있다.
상기 제1열교환기(230)에서 열교환 된 고온의 이산화탄소는 상기 제1터빈(231)을 돌려 전기를 생산한다. 여기서 상기 제1열교환기(230)에 공급되는 이산화탄소는 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)를 통해 냉각 가압되어 초임계 상태를 유지하고 있는 이산화탄소이다. (이하, 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)를 통해 유입된 이산화탄소를 제1이산화탄소라 한다.)
상기 제1열교환기(230)는 복수 개가 마련될 수 있으며, 복수 개의 상기 제1열교환기(230)를 통해 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스와 상기 제1이산화탄소의 열교환은 복수 번 일어난다.
상기 제1터빈(231)을 거쳐 배출되는 이산화탄소(이하, 상기 제1터빈(231)을 거쳐 배출되는 이산화탄소를 제2이산화탄소라 한다.)는 상기 제2열교환기(240)로 유입된다. 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)를 통해 유입되는 제1이산화탄소는 상기 제1열교환기(230)와 상기 제2열교환기(240) 두 갈래로 나눠지게 되는데, 상기 제2열교환기(240)에서는 상기 제1이산화탄소가 상기 제2이산화탄소와 열교환하게 된다. 상기 제1이산화탄소는 상기 제2이산화탄소로부터 열을 공급받아 증발하고, 이를 통해 상기 제2터빈(241)을 돌려 전기를 생산하게 된다.
상기 제2열교환기(240)는 복수 개가 마련될 수 있으며, 복수 개의 상기 제2열교환기(240)를 통해 상기 제1이산화탄소와 상기 제2이산화탄소의 열교환은 복수 번 일어난다.
상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소는 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)의 상기 제3열교환기(260,260a)로 유입된다. 여기서 상기 유기 냉매 발전 유닛(250)은 복수 개로 이루어질 수 있으며, 상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)과 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)으로 이루어질 수 있다. 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소는 상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)의 제3열교환기(260)로 유입된다.
상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)의 제3열교환기(260)에는 비등점이 물보다 낮은 유기 냉매가 마련되어 있으며, 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 유기 냉매가 열교환하여 유기 냉매가 증발한다. 증발된 유기 냉매는 상기 제3터빈(261)을 돌려 전기를 생산하게 된다. 상기 제3터빈(261)을 거쳐 배출되는 유기 냉매는 상기 응축기(253)를 통해 응축되고, 상기 펌프(254)를 통해 상기 제3열교환기(260)로 이동하여 재사용된다.
상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)의 제3열교환기(260)를 거쳐 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 압축기(221)에 의해서 압축된 후, 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)의 제3열교환기(260a)로 다시 유입될 수 있다. 이를 통해 이산화탄소에 남아있는 잔열로 유기 냉매를 한번 더 증발시켜 발전할 수 있게 되고, 이와 동시에 이산화탄소를 냉각시킬 수 있게 된다.
구체적으로 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)의 제3열교환기(260a)에는 비등점이 물보다 낮은 유기 냉매가 마련되어 있으며, 상기 제2터빈(241a)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 유기 냉매가 열교환하여 유기 냉매가 증발한다. 증발된 유기 냉매는 상기 제3터빈(261a)을 돌려 전기를 생산하게 된다. 상기 제3터빈(261a)을 거쳐 배출되는 유기 냉매는 상기 응축기(253a)를 통해 응축되고, 상기 펌프(254a)를 통해 상기 제3열교환기(260a)로 이동하여 재사용된다.
상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)의 제3열교환기(260a)를 거쳐 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 압축기(221a)를 통해 한 번 더 압축되고, 초임계 상태의 이산화탄소는 다시 제1열교환기(230) 및 상기 제2열교환기(240)로 유입되어 재사용된다.
상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)과 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252) 사이에는 상기 제4열교환기(270)가 마련될 수 있으며, 상기 제1유기 냉매 발전 유닛(251)의 잔열을 상기 제2유기 냉매 발전 유닛(252)으로 분배함에 따라 상기 응축기(253)의 부하를 낮추는 동시에 제2유기 냉매 발전 유닛(252)의 유체에 열을 공급할 수 있게 된다.
상술한 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템의 효과를 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높이며, 냉각수 소요량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 4는 증기 터빈을 사용하는 기존의 복합화력 발전 시스템(비교예1)과 증기 터빈 대신 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 적용한 복합화력 발전 시스템(비교예2)과 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전하는 복합화력 발전 시스템(실시예)의 발전 효율을 비교해 놓은 표이다.
도 4를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 본 발명의 복합화력 발전 시스템이 1,2,3차의 합계 출력이 높게 나타나며, 특히 2,3차의 합계 출력인 가스 터빈 하부 출력이 비교예 1,2에 비하여 높게 나타나는 것을 알 수 있다. (비교예 1 대비 15.64% 증가)
비교예 2의 경우, 비교예 1에서 증기 터빈 대신 초임계 이산화탄소 발전 유닛만을 적용한 것이다. 그러나 비교예 2는 오히려 비교예 1보다 1,2,3차의 합계 출력이 및 2,3차의 합계 출력이 저하되는 것을 알 수 있다. 즉, 초임계 이산화탄소 발전 유닛만을 적용할 경우 오히려 기존의 복합화력 발전 시스템보다 열효율이 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 연료를 연소시켜 가스 터빈을 돌린 후 배출되는 배기가스의 온도가 500도 이하이기 때문이다. 이와 같이 배기가스의 온도가 500도 이하에서는 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 효율 향상이 제한적이게 되고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛만을 사용하기 어려운 문제점이 있다.
그러나 본원발명은 초임계 이산화탄소 발전 유닛과 함께 유기 냉매 발전 유닛을 사용함에 따라, 배기가스의 온도가 500도 이하에서도 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 구체적으로 유기 냉매 발전 유닛을 사용함에 따라 초임계 이산화탄소 발전 유닛에서 터빈을 돌리고 발생하는 이산화탄소의 잔열을 이용하여 발전을 할 수 있게 되고, 동시에 이산화탄소를 냉각시킬 수 있게 된다.
도 5는 증기 터빈을 사용하는 기존의 복합화력 발전 시스템(비교예1)과 증기 터빈 대신 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 적용한 복합화력 발전 시스템(비교예2)과 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 유기 냉매 발전 유닛을 통해 3차로 발전하는 복합화력 발전 시스템(실시예)의 냉각수 사용량을 비교해 놓은 표이다.
도 5를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 본 발명의 복합화력 발전 시스템의 냉각수 사용량이 작은 것을 알 수 있으며, 비교예 1 대비 13%의 냉각수를 절감한 것을 알 수 있다. 실시예 1은 비교예 2에 비하여도 냉각수 사용량을 절감하였는데, 이는 유기 냉매 발전 유닛을 통해 발전을 하면서 이산화탄소를 냉각하였기 때문에 냉각수 사용량을 절감한 것이다.
또한, 본원발명은 초임계 이산화탄소 발전 유닛 및 유기 냉매 발전 유닛을 적용함에 따라 기존의 증기 터빈 발전을 사용하는 종래의 복합화력 발전 시스템 보다 시스템을 소형화 할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
210...화력 발전 유닛 220...초임계 이산화탄소 발전 유닛
221...이산화탄소 압축기 230...제1열교환기
231...제1터빈 240...제2열교환기
241...제2터빈 250...유기 냉매 발전 유닛
251...제1유기 냉매 발전 유닛 252...제2유기 냉매 발전 유닛
253,253a...응축기 254,254a...펌프
260,260a...제3열교환기 261,261a...제3터빈
270...제4열교환기

Claims (10)

  1. 연료의 연소열을 이용하는 복합화력 발전 시스템에 있어서,
    연료를 태워 고온의 연소가스로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 화력 발전 유닛;
    상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환 시키며, 열교환된 이산화탄소를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 유닛; 및
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 유기 냉매를 열교환시키며, 열교환된 유체를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 유기 냉매 발전 유닛; 을 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛은,
    상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 이산화탄소를 열교환시키는 제1열교환기와,
    상기 제1열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 제1터빈과,
    상기 제1터빈을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 이산화탄소를 열교환시키는 제2열교환기와,
    상기 제2열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 제2터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환기 및 제2열교환기는 복수 개가 마련되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛은,
    적어도 1개 이상의 이산화탄소 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛에 사용되는 이산화탄소는, 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기 냉매 발전 유닛은,
    비등점이 물보다 낮은 유기 냉매와,
    상기 유기 냉매를 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열교환 시키는 제3열교환기와,
    상기 제3열교환기를 통해 열교환된 유기 냉매를 이용하여 전기를 생산하는 제3터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유기 냉매는,
    R134a, R22, 프로판(C3H8), 펜탄(C4H10), 암모니아(NH3) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유기 냉매 발전 유닛은 복수 개가 마련되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유기 냉매 발전 유닛은 제1유기 냉매 발전 유닛과 제2유기 냉매 발전 유닛으로 이루어지며,
    상기 제1유기 냉매 발전 유닛과 상기 제2유기 냉매 발전 유닛에는 제4열교환기가 마련되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 유기 냉매 발전 유닛은,
    상기 유기 냉매를 응축시킬 수 있는 응축기와, 상기 유기 냉매를 이동시킬 수 있는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템.
KR1020170049803A 2017-04-18 2017-04-18 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템 KR101856165B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170049803A KR101856165B1 (ko) 2017-04-18 2017-04-18 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170049803A KR101856165B1 (ko) 2017-04-18 2017-04-18 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101856165B1 true KR101856165B1 (ko) 2018-05-09

Family

ID=62200992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170049803A KR101856165B1 (ko) 2017-04-18 2017-04-18 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101856165B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011085025A (ja) * 2009-10-13 2011-04-28 Toyota Industries Corp 廃熱回生システム
US20120125002A1 (en) * 2010-11-19 2012-05-24 General Electric Company Rankine cycle integrated with organic rankine cycle and absorption chiller cycle
JP2013119856A (ja) * 2011-12-06 2013-06-17 Nuovo Pignone Spa 二酸化炭素圧縮並びに圧縮及び液化システムでの熱回収
CN105484812A (zh) * 2016-01-11 2016-04-13 苟仲武 一种利用超低温液态气体发电的方法和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011085025A (ja) * 2009-10-13 2011-04-28 Toyota Industries Corp 廃熱回生システム
US20120125002A1 (en) * 2010-11-19 2012-05-24 General Electric Company Rankine cycle integrated with organic rankine cycle and absorption chiller cycle
JP2013119856A (ja) * 2011-12-06 2013-06-17 Nuovo Pignone Spa 二酸化炭素圧縮並びに圧縮及び液化システムでの熱回収
CN105484812A (zh) * 2016-01-11 2016-04-13 苟仲武 一种利用超低温液态气体发电的方法和装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2551458C2 (ru) Комбинированная тепловая система с замкнутым контуром для рекуперации отработанного тепла и способ ее эксплуатации
CA2652243C (en) A method and system for generating power from a heat source
JP5567961B2 (ja) 二重再熱ランキンサイクルシステム及びその方法
Yagli et al. Comparison of toluene and cyclohexane as a working fluid of an organic Rankine cycle used for reheat furnace waste heat recovery
KR101320593B1 (ko) 히트펌프를 사용하는 열병합 발전시스템
US9038391B2 (en) System and method for recovery of waste heat from dual heat sources
US11215087B2 (en) Organic Rankine cycle system with supercritical double-expansion and two-stage heat recovery
EP3803064A1 (en) System for recovering waste heat and method thereof
US10309259B2 (en) CO2 power generation system
JP6058680B2 (ja) 改善された海洋熱エネルギー変換方法およびシステム
KR101752230B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템 및 열침원 온도에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템 운전 방법
KR101282091B1 (ko) 냉열 발전 시스템
KR101386179B1 (ko) 히트펌프를 이용하여 가스 터빈 출력 증대가 가능한 지역난방수 공급 시스템
JP2000204909A (ja) 液化天然ガス冷熱利用発電装置
KR101936327B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템
JP4563730B2 (ja) フューム処理方法
CN109488401B (zh) 热泵式余热利用系统
JP2015031268A (ja) 廃熱回収装置
KR101856165B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 복합화력 발전 시스템
Klemencic et al. Comparison of conventional and CO2 power generation cycles for waste heat recovery
RU91487U1 (ru) Устройство преобразования низкопотенциальной теплоты в электрическую энергию
KR101403174B1 (ko) 열에너지를 전환하는 방법
KR101588929B1 (ko) 랭킨 사이클 장치 및 이를 포함하는 발전시스템
Altinkaynak Thermodynamic and exergo-environmental assessment of the organic Rankine cycle and S-CO2 Brayton cycle for heat recovery in a gas turbine
KR20170141515A (ko) 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant