KR101883875B1 - 초임계 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 제1히터로부터 토출되는 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 제1터빈으로부터 토출되는 제1작동유체와 가압기를 거친 제2작동유체를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기, 제1복열기를 거친 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 제1복열기를 거친 제1작동유체와 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 제1히터로 유입되기 이전의 제1작동유체와 열교환하여, 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
상기한 바에 따르면, 제1작동유체와 제2작동유체와 혼합 작동유체가 갖고 있는 열의 활용도를 높일 수 있도록 하여 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.

Description

초임계 발전 시스템 {Supercritical power plant}
본 발명은 초임계 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초임계상태의 이산화탄소를 작동유체로 하여 고효율의 발전을 이룰 수 있는 초임계 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위한 여러 가지 노력을 기울이고 있다. 이에 일반적으로 사용되는 증기 대신 작동 유체로서 초임계 상태의 이산화탄소를 이용하는 발전기술이 개발되고 있으며 이러한 기술로 일본특허공개 제2012-145092호의 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)이 개시된 바 있다.
한편, 상기한 초임계 발전 시스템은 임계압 이상의 초고압으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈을 구동하는 초고효율 발전기술로서, 초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지고 있어 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있으며, 동시에 임계점이 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이하고, 기존 스팀사이클의 발전효율과 비교하여 보다 높은 발전효율 얻을 수 있다.
그런데, 상기한 종래의 초임계 발전 시스템은 작동유체 열의 활용도가 낮고, 이로 인하여 발전 시스템의 효율 증가가 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
일본특허공개 제2012-145092호
본 발명은, 작동유체가 갖고 있는 열의 활용도를 높일 수 있도록 하여 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기를 거친 제1작동유체(First working fluid)를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체(Combined working fluid)와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기, 상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기, 상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기, 상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브 및 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기, 상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기, 상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기, 상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브, 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브 및 상기 제1복열기로부터 토출되는 상기 제2작동유체를 가열하여 상기 제2터빈으로 공급하는 제2히터를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기, 상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기, 상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기, 상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브, 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브 및 상기 제2터빈의 후방에 위치하여 상기 제2터빈으로부터 토출되는 상기 제2작동유체를 가열하는 제3히터를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기, 상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기, 상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기, 상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브, 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브 및 상기 제1복열기의 전방 상기 분기라인 상에 위치하고 상기 제1히터로부터 회수한 폐열을 통하여 상기 제2작동유체를 가열하여 상기 제1복열기로 공급하는 제4히터를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기, 상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체가 유동하는 제1공간과, 상기 제1공간의 일측에 인접하게 형성되고 상기 토출라인과 연결되어, 상기 제1작동유체와 상기 혼합 작동유체가 열교환하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1히터로 공급하는 제2공간과, 상기 제1공간의 타측에 인접하게 형성되고 상기 분기라인과 연결되어, 상기 제2작동유체와 상기 혼합 작동유체가 열교환하여 상기 제2작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1복열기로 공급하는 제3공간이 각각 형성된 제2복열기, 상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기, 상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브 및 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 가압기, 상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터, 상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈, 상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator), 상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈, 상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기, 상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기, 상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브, 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브 및 상기 제2복열기를 거쳐 상기 제1히터로 공급되는 제1작동유체를 상기 제1복열기를 거친 제1작동유체와 열교환하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1히터로 공급하는 제3복열기를 포함하는 초임계 발전 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 초임계 발전 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 제1작동유체와 제2작동유체와 혼합 작동유체가 갖고 있는 열의 활용도를 높일 수 있도록 하여 효율을 최대한 향상시킬 수 있다.
둘째, 제1복열기와 제2복열기를 통하여 제1히터로 공급하는 제1작동유체와 제2터빈으로 공급되는 제2작동유체를 가열함으로써 효율을 향상시킬 수 있다.
셋째, 제1복열기를 통하여 제1터빈으로부터 토출되는 제1작동유체의 열을 이용하여 제2터빈으로 공급되는 제2작동유체를 가열함으로써 제1터빈으로부터 토출되는 제1작동유체의 열회수율을 향상시키고, 제2터빈과 제1복열기로부터 토출되는 혼합 작동유체의 열을 회수하여 제1히터로 공급되는 제1작동유체를 가열함으로써 발전 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 발전 시스템(610)은, 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(Recuperator;410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)를 포함한다.
상기 가압기(100)는 상기 냉각기(500)로부터 토출된 혼합 작동유체(35)를 가압하는 역할을 하며, 압축기 또는 펌프로 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 가압기(100)로 유입되는 작동유체가 액상인 경우 상기 가압기(100)는 펌프가 되며, 상기 가압기(100)로 유입되는 작동유체가 초임계 상태이면 상기 가압기(100)는 압축기가 된다.
한편, 상기 가압기(100)로부터 토출되는 작동유체는, 토출라인(11)과 상기 토출라인(11)으로부터 분기된 분기라인(12)을 통하여 작동유체가 토출되며, 상기 토출라인(11)을 통하여 상기 제2복열기(420)와 상기 제1히터로 제1작동유체(31)를 공급하고, 상기 분기라인(12)을 통하여 상기 제1복열기(410)로 제2작동유체(32)를 공급한다.
여기서, 상기 초임계 발전 시스템은 상기 토출라인(11)으로부터 상기 분기라인(12)이 분기되는 지점에 제1밸브(610)를 설치하여, 상기 제1작동유체(31)와 상기 제2작동유체(32) 각각의 유량을 조절할 수 있다. 이때, 상기 제1밸브는 제1히터(210)에 유입되는 열에너지의 변화에 따라 상기 토출라인(11)과 분기라인(12) 각각의 유량을 70:30 내지 30:70 비율로 할 수 있다.
상기 제1히터(210)는, 상기 제2복열기(420)의 후방에 설치되어 상기 가압기(100)를 거친 제1작동유체(First working fluid;31)를 가열하여 상기 제1터빈(310)으로 공급하며, 상기 제1작동유체(31)를 가열하여 초임계 상태로 토출되게 한다.
상기 제1히터(210)는, 외부히터(independent boiler)를 통하여 외부열원을 공급받아 제1작동유체(31)를 가열할 수 있으며, 또는 사이클 내 회수된 폐열(Waste heat) 또는 태양열 등과 같은 재생에너지원(renewable energy)을 이용하여 가열할 수 있는 등 상기한 작동유체를 가열할 수 있다면 다양한 구성이 적용될 수 있다.
상기 제1터빈(310)은, 상기 제1히터(210)로부터 토출되는 제1작동유체(31)를 팽창시키는 역할을 하며, 도시하지 않았지만 발전장치와 연결되어 일을 생성한다.
상기 제1복열기(410)는 상기 제1터빈(310)과 상기 제2터빈(320) 사이에 배치되어, 상기 제1터빈(310)으로부터 토출되는 제1작동유체(31)와 상기 가압기(100)를 거쳐 상기 분기라인(12)을 통하여 공급되는 제2작동유체(Second flow;32)를 열교환하여 상기 제2터빈(320)으로 공급되는 제2작동유체(32)의 온도를 증가시키는 역할을 한다.
상기 제2터빈(320)은, 상기 제1복열기(410)의 후방에 배치되어 상기 제1복열기(410)를 거친 상기 제2작동유체(32)를 팽창시키는 역할을 하며, 이 또한 도시하지 않았지만 발전장치와 연결되어 일을 생성한다.
상기 제2복열기(420)는 상기 가압기(100)와 상기 제1히터(210) 사이에 배치되어, 상기 제1복열기(410)를 거친 제1작동유체(31)와 상기 제2터빈(320)으로부터 토출된 제2작동유체(32)가 합류된 혼합 작동유체(Combined working fluid;35)와, 상기 제1히터(210)로 유입되기 이전의 제1작동유체(31)와 열교환하여, 상기 제1작동유체(31)의 온도를 상승시키는 역할을 한다.
여기서, 상기 초임계 발전 시스템은 상기 제1작동유체(31)와 상기 제2작동유체(32)가 합류되는 지점에 상기 제1작동유체(31)와 상기 제2작동유체(32) 각각의 유량을 조절하는 제2밸브(620)를 설치하여, 상기 제1작동유체(31)와 상기 제2작동유체(32) 각각의 유량을 조절할 수 있다. 가령, 상기 제2밸브(620)는 상기 제2작동유체(32)와 상기 제1작동유체(31)의 온도에 따라 상기 제1작동유체(31)와 제2작동유체(32) 각각의 유량을 조절할 수 있으며 제2밸브(620) 합류직전 제1작동유체(31)와 제2작동유체(32)의 온도차를 최소화시키는 제어목표에 따라 70:30 내지 30:70 비율 범위로 유량을 조절할 수 있다.
상기 냉각기(500)는 상기 제2복열기(420)로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체(35)를 냉각하여 상기 가압기(100)로 공급하는 역할을 한다.
상기한 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 발전 시스템의 작동에 대하여 살펴보면 먼저, 상기 가압기(100)는 상기 냉각기(500)로부터 공급된 혼합 작동유체(35)를 가압하여 토출라인(11)과 분기라인(12)으로 각각 공급하며, 이 중 상기 토출라인(11)을 통하여 공급되는 제1작동유체(31)는 제2복열기(420)를 거쳐 상기 제1히터로(210)공급된다. 이렇게 상기 제1히터(210)를 거친 제1작동유체(31)는 가열되어 초임계 상태로 된 후 상기 제1터빈(310)으로 공급되고, 상기 제1터빈(310)에서 팽창된 후 상기 제1복열기(410)로 공급된다.
상기 제1복열기(410)는 상기 분기라인(12)을 통하여 공급되는 제2작동유체(32)를 상기 제1터빈(310)을 거친 제1작동유체(31)와 열교환하여 온도를 상승시킨 후 상기 제2터빈(320)으로 공급하여, 상기 제2터빈(320)의 효율을 향상시키도록 한다.
한편, 상기 제2터빈으로부터 토출되는 제2작동유체(32)와 상기 제1복열기(410)에서 열교환되어 토출되는 제1작동유체(31)는 합류되어 혼합 작동유체(35)가 되고, 상기 혼합 작동유체(35)는 상기 제2복열기(420)로 공급된다. 상기 제2복열기(420)는 상기 제1히터(210)로 공급되기 전 제1작동유체(31)를 상기 혼합 작동유체(35)와 열교환하여 온도를 상승시킨 후 상기 제1히터(210)로 공급한다.
상기 초임계 발전 시스템(610)은 초임계 상태의 이산화탄소를 작동유체로 하여 브레이튼사이클(Brayton cycle)을 구성할 수 있지만, 랭킨사이클(Rankine cycle)로의 구성도 가능함은 물론이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 발전 시스템(620)은, 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)를 포함하며, 제1실시예와는 달리 제2히터(220)를 더 포함한다. 여기서, 상기 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)는 전술한 도 1의 구성과 작동일부가 대응되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 이와 대별되는 부분만을 중점적으로 살펴보기로 한다.
상기 제2히터(220)는 상기 제1복열기(410)와 상기 제2터빈(320) 사이에 배치되어, 상기 제1복열기(410)로부터 토출되는 제2작동유체(32)를 가열하여 상기 제2터빈(320)으로 공급하여 상기 제2터빈(320)에서 보다 많은 일을 생산할 수 있도록 한다. 이때, 상기 제2히터(220)는, 상기 제1복열기(410)로부터 토출되는 제2작동유체(32)를 외부로부터 공급받은 열원을 통하여 가열할 수 있으며, 상기 제2작동유체(32)를 가열하는 상기한 목적을 달성할 수 있다면 다양한 수단을 이용할 수 있다.
한편, 상기한 초임계 발전 시스템(620)은, 상기 제2히터(220)의 폐열을 상기 제1히터(210)가 이용할 수 있도록 한다. 이에 따라 상기 제1히터(210)는 상기 제2히터(220)로부터 회수한 폐열을 이용하여 제1작동유체(31)를 가열한다.
이에, 상기 초임계 발전 시스템(620)은 상기 제1복열기(410)를 거친 제2작동유체(32)를 상기 제2터빈(320)으로 공급하기 전 상기 제2히터(220)를 통하여 다시 가열함으로써 상기 제2터빈(320)에서 생산되는 일을 증가하고 효율을 향상시키도록 하며, 상기 제1히터(210)가 상기 제2히터(220)로부터 회수한 폐열을 활용할 수 있도록 하여 열회수율 및 효율을 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 발전 시스템(630)은, 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)를 포함하며, 제1실시예와는 달리 제3히터(230)를 더 포함한다. 여기서, 상기 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)는 전술한 도 1의 구성과 작동일부가 대응되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 이와 대별되는 부분만을 중점적으로 살펴보기로 한다.
상기 제3히터(230)는 상기 제2터빈(320)의 후방에 위치하여 상기 제2터빈(320)으로부터 토출되는 상기 제2작동유체(32)를 가열하여 상기 제1작동유체(31)와 합류하게 함으로써 혼합 작동유체(35)의 온도를 상승시키고, 이를 통해 상기 제2복열기(420)에서 열교환되는 상기 제1작동유체(31)의 온도를 더욱 상승시킬 수 있도록 한다.
한편, 상기 초임계 발전 시스템(630)은 도시하지 않았지만 상기 제3히터(230)가 상기 제1히터(210)의 폐열을 활용할 수 있도록 할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 도 2의 제2히터(220)의 폐열 활용 원리와 실질적으로 동일하므로 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 초임계 발전 시스템(640)은, 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)를 포함하며, 제1실시예와는 달리 제4히터(240)를 더포함한다. 여기서, 상기 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(420)와, 냉각기(500)는 전술한 도 1의 구성과 작동일부가 대응되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 이와 대별되는 부분만을 중점적으로 살펴보기로 한다.
상기 제4히터(240)는 상기 가압기(100)의 후방과 상기 제1복열기(410) 전방 상기 분기라인(12) 상에 위치하여, 상기 가압기(100)로부터 토출되는 제2작동유체(32)를 가열하여 상기 제1복열기(410)로 공급하며, 상기 제1복열기(410)로 공급되는 제2작동유체(32)의 온도를 상승시켜 상기 제2터빈(320)의 효율을 향상시킨다. 여기서, 상기 제4히터(240)는 상기 제1히터(210)로부터 폐열을 회수하여 제1작동유체(31)를 가열할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 초임계 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 초임계 발전 시스템(650)은, 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(430)와, 냉각기(500)를 포함한다. 여기서, 상기 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 냉각기(500)는 전술한 도 1의 구성과 작동일부가 대응되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 이와 대별되는 부분만을 중점적으로 살펴보기로 한다.
상기 제2복열기(430)는 3개의 공간으로 이루어져, 제1복열기(410)로부터 토출되는 제1작동유체(31)와 제2터빈(320)으로부터 토출되는 제2작동유체(32)가 합류된 혼합 작동유체(35)와, 상기 가압기(100)로부터 토출되어 토출라인(11)과 분기라인(12) 각각으로 유동하는 제1작동유체(31)와, 제2작동유체(32)가 서로 열교환하도록 되어 있다.
상세하게, 상기 제2복열기(430)는 혼합 작동유체(35)가 일 방향으로 유동하는 제1공간(431)과, 상기 제1공간(431)의 일측에 인접하게 형성되고 상기 토출라인(11)을 통하여 공급되는 제1작동유체(31)가 타방향으로 유동하는 제2공간(432)과, 상기 제1공간(431)의 타측에 인접하게 형성되고 상기 분기라인(12)을 통하여 공급되는 제2작동유체(32)가 타방향으로 유동하는 제3공간(433)을 포함하여 형성된다.
이에, 상기 제2복열기(430)는 상기 혼합 작동유체(35)와 상기 제1작동유체(31)와 상기 제2작동유체(32)가 각각 열교환할 수 있도록 하여, 상기 혼합 작동유체(35)의 열을 이용하여 상기 제1작동유체(31)와 상기 제2작동유체(32)를 각각 가열함으로써 상기 제1히터(210)와 상기 제1복열기(410)의 효율을 증가시킬 수 있도록 되어 있다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 초임계 발전 시스템(660)을 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제6실시예에 따른 초임계 발전 시스템(660)은, 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 제2복열기(441)와, 냉각기(500)를 포함하고, 제1실시예와는 달리 제3복열기(442)를 더 포함하여, 2개의 터빈(2T)과, 3개의 복열기(3R)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 가압기(100)와, 제1히터(210)와, 제1터빈(310)과, 제2터빈(320)과, 제1복열기(410)와, 냉각기(500)는 전술한 도 1의 구성과 작동일부가 대응되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고 이와 대별되는 부분만을 중점적으로 살펴보기로 한다.
상기 제3복열기(442)는 상기 제2복열기(441)와 상기 제1히터(210) 사이에 위치하여 상기 제2복열기(441)를 거쳐 상기 제1히터(210)로 공급되는 제1작동유체(31)를 상기 제1복열기(410)를 거친 제1작동유체(31)와 열교환하여 상기 제1작동유체(31)의 온도를 상승시켜 상기 제1히터(210)로 공급한다.
이에, 상기 제2복열기(441)는 토출라인(11)의 제1작동유체(31)를, 상기 제3복열기(442)를 거친 제1작동유체(31)와 상기 제2터빈(320)으로부터 토출되는 제2작동유체(32)가 합류한 혼합 작동유체(37)와 열교환하여 온도를 상승시켜 상기 제1히터(210)로 공급한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
11... 토출라인 12... 분기라인
100... 가압기 210... 제1히터
220... 제2히터 230... 제3히터
240... 제4히터 310... 제1터빈
320... 제2터빈 410... 제1복열기
420,430,441... 제2복열기 431... 제1공간
432... 제2공간 433... 제3공간
442... 제3복열기 500... 냉각기
610,620,630,640,650,660... 초임계 발전 시스템

Claims (19)

  1. 가압기를 거친 제1작동유체(First working fluid)를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체(Combined working fluid)와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기를 포함하는 초임계 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가압기와 연결되는 토출라인을 통하여 상기 제1작동유체를 상기 제1히터로 공급하고, 상기 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 제2작동유체를 상기 제1복열기로 공급하는 초임계 발전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1히터는, 회수한 폐열, 외부히터 및 재생에너지원 중 선택된 어느 하나를 통하여 상기 제1작동유체를 가열하는 초임계 발전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1복열기로부터 토출되는 상기 제2작동유체를 가열하여 상기 제2터빈으로 공급하는 제2히터를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1히터는,
    상기 제2히터로부터 회수한 폐열을 통하여 상기 제1작동유체를 가열하는 초임계 발전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2터빈의 후방에 위치하여 상기 제2터빈으로부터 토출되는 상기 제2작동유체를 가열하는 제3히터를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1복열기의 전방 상기 분기라인 상에 위치하여 상기 제2작동유체를 가열하여 상기 제1복열기로 공급하는 제4히터를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제4히터는, 상기 제1히터로부터 회수한 폐열을 통하여 상기 제2작동유체를 가열하는 초임계 발전 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2복열기는,
    상기 혼합 작동유체가 유동하는 제1공간과, 상기 제1작동유체가 유동하고 상기 제1공간의 일측에 인접하게 형성되어 상기 혼합 작동유체와 열교환하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1히터로 공급하는 제2공간과, 상기 가압기로부터 토출되는 상기 제2작동유체가 유동하고 상기 제1공간의 타측에 인접하게 형성되어 상기 혼합 작동유체와 열교환을 통하여 상기 제2작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1복열기로 공급하는 제3공간을 포함하는 초임계 발전 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2복열기를 거쳐 상기 제1히터로 공급되는 제1작동유체를 상기 제1복열기를 거친 제1작동유체와 열교환하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1히터로 공급하는 제3복열기를 더 포함하는 초임계 발전 시스템.
  14. 가압기;
    상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기;
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기;
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브; 및
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브를 포함하는 초임계 발전 시스템.
  15. 가압기;
    상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기;
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기;
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브;
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브; 및
    상기 제1복열기로부터 토출되는 상기 제2작동유체를 가열하여 상기 제2터빈으로 공급하는 제2히터를 포함하는 초임계 발전 시스템.
  16. 가압기;
    상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기;
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기;
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브;
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브; 및
    상기 제2터빈의 후방에 위치하여 상기 제2터빈으로부터 토출되는 상기 제2작동유체를 가열하는 제3히터를 포함하는 초임계 발전 시스템.
  17. 가압기;
    상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기;
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기;
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브;
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브; 및
    상기 제1복열기의 전방 상기 분기라인 상에 위치하고 상기 제1히터로부터 회수한 폐열을 통하여 상기 제2작동유체를 가열하여 상기 제1복열기로 공급하는 제4히터를 포함하는 초임계 발전 시스템.
  18. 가압기;
    상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체가 유동하는 제1공간과, 상기 제1공간의 일측에 인접하게 형성되고 상기 토출라인과 연결되어, 상기 제1작동유체와 상기 혼합 작동유체가 열교환하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1히터로 공급하는 제2공간과, 상기 제1공간의 타측에 인접하게 형성되고 상기 분기라인과 연결되어, 상기 제2작동유체와 상기 혼합 작동유체가 열교환하여 상기 제2작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1복열기로 공급하는 제3공간이 각각 형성된 제2복열기;
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기;
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브; 및
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브를 포함하는 초임계 발전 시스템.
  19. 가압기;
    상기 가압기와 연결된 토출라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제1작동유체를 가열하여 초임계 상태로 토출하게 하는 제1히터;
    상기 제1히터로부터 토출되는 상기 제1작동유체를 팽창시키는 제1터빈;
    상기 제1터빈으로부터 토출되는 상기 제1작동유체와 토출라인으로부터 분기된 분기라인을 통하여 상기 가압기를 거친 제2작동유체(Second flow)를 열교환하여 온도를 증가시키는 제1복열기(Recuperator);
    상기 제1복열기를 거친 상기 제2작동유체를 팽창시키는 제2터빈;
    상기 제1복열기를 거친 상기 제1작동유체와 상기 제2터빈으로부터 토출된 제2작동유체가 합류된 혼합 작동유체와, 상기 제1히터로 유입되기 이전의 상기 제1작동유체와 열교환하여, 상기 제1작동유체의 온도를 상승시키는 제2복열기;
    상기 제2복열기로부터 열교환되어 토출되는 상기 혼합 작동유체를 냉각하여 상기 가압기로 공급하는 냉각기;
    상기 토출라인으로부터 상기 분기라인이 분기되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제1밸브;
    상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체가 합류되는 지점에 설치되어 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체 각각의 유량을 조절하는 제2밸브; 및
    상기 제2복열기를 거쳐 상기 제1히터로 공급되는 제1작동유체를 상기 제1복열기를 거친 제1작동유체와 열교환하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시켜 상기 제1히터로 공급하는 제3복열기를 포함하는 초임계 발전 시스템.
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