KR101936327B1 - 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템 Download PDF

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박종민
김대복
강경두
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한국전력기술 주식회사
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Abstract

본 발명은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 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 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스 및 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열수를 열교환시켜, 열수요처에 상기 열수를 공급할 수 있는 지역 난방 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템 {Combined Heat and power system using supercritical carbon dioxide power cycle}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 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.
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.
이와 달리 열병합 발전 시스템은 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 동일 연료원으로부터 열과 전기를 동시에 생산하여 공급하는 것이다. 복합화력 발전 시스템은 투입된 에너지 중 많은 양이 복수기(80)에서 냉각 손실로 버려지나, 열병합 발전 시스템의 경우 터빈 배기 증기를 열 에너지로 다시 사용하므로 효율을 높일 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 종래의 열병합 발전 시스템은 가스터빈(10a)에 연료(11a)를 주입하여 연료(11a)를 연소시키고, 연료(11a)가 연소되어 발생한 고온의 연소가스로 가스터빈(10a)을 돌려 제1발전기(20a)를 통해 1차로 전기를 생산한다. 그 이후, 배출되는 배기가스에 남아 있는 열을 이용하기 위하여, 배열회수보일러(30a)에 배기가스를 주입하고, 배열회수보일러(30a)의 보일러 열교환기(31a)를 통해 물을 가열하여 고온, 고압의 증기를 만든다. 고온, 고압의 증기를 통해 증기터빈(40a)을 돌리고, 제2발전기(50a)를 통해 2차로 전기를 생산한다.
증기터빈(40a)을 회전시킨 증기는 열교환기(60a)에서 열수를 가열시킬 수 있게 되고, 가열된 열수(61a)는 열수요처에 공급될 수 있게 된다. 이때, 증기는 열수(61a)에 열을 공급하면서 냉각될 수 있게 되고, 냉각된 물은 펌프(70a)를 통해 다시 배열회수보일러(30a)로 공급된다.
종래의 열병합 발전 시스템은 열수요처에 열원을 공급함에 따라 에너지 종합효율은 높일 수 있지만, 전력용 발전효율은 일반적인 복합화력 발전 시스템보다 낮은 문제점이 있다.
따라서, 종래의 열병합 발전 시스템은 열수요가 집중된 신도시, 집단공업지역에서는 열원을 공급함에 따라 경제성이 있을 수 있으나, 그 외의 지역에서는 전력용 발전효율이 낮음에 따라 경제성을 얻기 어려운 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, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 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 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스 및 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열수를 열교환시켜, 열수요처에 상기 열수를 공급할 수 있는 지역 난방 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 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 제1열교환기 및 제2열교환기는 복수 개가 마련되는 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 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 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템의 상기 지역 난방 유닛은, 상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 상기 열수를 열교환 시키는 제3열교환기와, 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 상기 열수를 열교환시키는 제4열교환기와, 상기 제3열교환기와 상기 제4열교환기를 거친 상기 열수를 열수요처에 공급할 수 있는 열원장치를 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템의 상기 제4열교환기는 복수 개가 마련되는 것이 바람직하며, 상기 지역 난방 유닛은, 상기 열수를 냉각시킬 수 있는 냉각기를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템의 상기 지역 난방 유닛은, 작동 유체를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 제5터빈과 상기 작동 유체와 상기 열수를 열교환시킬 수 있는 제5열교환기를 포함하는 유기 랭킨 사이클을 더 포함하여 이루어지며, 상기 작동 유체는 상기 열수와 열교환되어 상기 제5터빈을 통해 전기를 생산하는 것이 바람직하며, 상기 유기 랭킨 사이클은, 상기 작동 유체를 이동시킬 수 있는 유기 랭킨 사이클 펌프와 상기 작동 유체를 냉각시킬 수 있는 유기 랭킨 사이클 냉각기를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용함에 따라 종래의 열병합 발전 시스템 대비 전력용 발전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 전력용 발전효율이 높아짐과 동시에 열 수요처에 다량의 열원을 공급함으로써 높은 에너지 종합효율을 갖는 장점이 있으며, 열 수요처에 다량의 열원을 공급함에도 복합화력 발전 시스템과 유사하거나 더 높은 전력용 발전효율을 갖는 장점이 있다.
도 1은 종래의 복합화력 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 열병합 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클 및 유기 랭킨 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 발전효율 및 종합효율을 복합화력 발전 시스템의 발전효율 및 종합효율과 비교한 표이다.
본 발명은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.
초임계 이산화탄소 발전 유닛(120)은 작동 유체로 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 3을 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, 열효율을 높이기 위해서는 여열을 최대한으로 회수하는 것이 바람직하다.
이에 본 발명은 화력 발전 유닛(210)을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 통해 2차로 발전하며, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용할 수 있는 것이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템은 화력 발전 유닛(210), 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220), 지역 난방 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 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 4를 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 지역 난방 유닛(250)은 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스와 열수를 열교환시키며, 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열수를 열교환시키는 것이다. 즉, 상기 지역 난방 유닛(250)의 열수는 상기 화력 발전 유닛(210)과 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)으로부터 각각 여열을 공급받을 수 있는 것으로, 상기 지역 난방 유닛(250)은 열 수요처에 상기 열수를 공급할 수 있는 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 지역 난방 유닛(250)은 제3열교환기(251), 제4열교환기(252,252a), 열원장치(253)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제3열교환기(251)는 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스와 열수를 열교환시킬 수 있는 것이다. 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스의 잔열을 상기 제3열교환기(251)를 통해 열수에 전달하고, 이를 통해 열수의 온도를 높일 수 있다.
여기서, 상기 화력 발전 유닛(210)을 거쳐 배출되는 배기가스는 상기 제1열교환기(230)를 통해 이산화탄소와 열교환된 이후에 상기 제3열교환기(251)로 유입될 수 있는 것으로, 상기 제3열교환기(251)를 통해 상기 화력 발전 유닛(210)의 배기가스의 잔열을 한 번 더 회수할 수 있게 된다. 이때, 상기 제1열교환기(230)를 거쳐 배출되는 배기가스의 온도는 대략 125도 내지 150도로 이루어져 있다.
상기 제4열교환기(252,252a)는 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열수를 열교환시킬 수 있는 것이다. 구체적으로, 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소가 상기 제2열교환기(240)를 거쳐 상기 지역 난방 유닛(250)의 상기 제4열교환기(252,252a)로 유입되고, 상기 제4열교환기(252,252a)에서 열수와 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소가 열교환된다. 이때, 상기 제2터빈(241)과 상기 제2열교환기(240)를 거쳐 상기 제4열교환기(252,252a)로 유입되는 이산화탄소의 온도는 대략 80도 내지 100도로 이루어져 있다.
또한, 상기 제4열교환기(252,252a)는 2개가 마련될 수 있는데, 이때, 첫 번째 상기 제4열교환기(252)와 이산화탄소 압축기(221)를 거쳐 두 번째 상기 제4열교환기(252a)로 유입되는 이산화탄소의 온도는 대략 60도 내지 80도로 이루어져 있다.
상기 제4열교환기(252,252a)는 복수 개가 마련될 수 있다. 이와 같이 복수 개의 상기 제4열교환기(252,252a)를 마련함에 따라 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)에서 배출되는 이산화탄소의 잔열을 효과적으로 회수할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소는 첫 번째 상기 제4열교환기(252)에서 열수와 열교환하고, 다시 두 번째 상기 제4열교환기(252a)에서 열수와 열교환하여 열수에 열원을 전달할 수 있게 된다.
상기 열원장치(253)는 상기 제3열교환기(251)와 상기 제4열교환기(252,252a)를 거친 열수를 열수요처에 공급할 수 있는 장치이다. 열수는 상기 제4열교환기(252,252a)에서 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)을 통해 열원을 공급받고, 다시 상기 제3열교환기(251)에서 상기 화력 발전 유닛(210)을 통해 열원을 공급받아 상기 열원장치(253)를 통해 열수요처에 공급될 수 있다.
상기 지역 난방 유닛(250)은 열수를 냉각시킬 수 있는 냉각기(254)와 열수의 이동 동력을 제공할 수 있는 펌프(255)가 더 포함되어 이루어질 수 있다. 상기 냉각기(254)는 지역의 난방 수요, 즉 열수에 대한 수요가 감소할 때 열수를 다시 냉각시킬 수 있는 것으로, 열수요량에 따라 열수의 공급량을 조절하는 역할을 할 수 있는 것이다. 상기 펌프(255)는 열수가 이동할 수 있는 동력을 제공할 수 있는 것으로, 상기 펌프(255)는 열수의 이동 동력이 필요한 다양한 지점에 설치될 수 있다.
상기 지역 난방 유닛(250)은 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)으로부터 여열을 공급받아 열수에 열원을 공급할 수 있는 것이다. 기존의 초임계 이산화탄소 발전 유닛은 상기 지역 난방 유닛(250)을 사용하지 않아 별도의 이산화탄소 냉각기(122)를 사용해야 했다. 그러나 상기 지역 난방 유닛(250)을 사용함에 따라 이산화탄소를 냉각시키면서, 별도로 열수에 열원을 공급할 수 있게 된다. 즉, 상기 지역 난방 유닛(250)을 통해 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)의 냉각 부하를 감소시킬 수 있게 되는 것이다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛(220)은 상기 지역 난방 유닛(250)을 통해 냉각되지만, 별도의 냉각기(222,222a)가 마련될 수도 있으며, 적어도 1개 이상의 별도의 이산화탄소 압축기(221,221a)가 마련되어 사용될 수도 있다. 상기 이산화탄소 압축기(221,221a)는 상기 제4열교환기(252,252a)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 작동 유체로 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.
상기 지역 난방 유닛(250)은 유기 랭킨 사이클(260)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 5를 참조하면, 상기 유기 랭킨 사이클(260)은 작동 유체를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 제5터빈(262)과 상기 작동 유체와 상기 열수를 열교환시킬 수 있는 제5열교환기(261)를 포함하여 이루어질 수 있는 것이다.
상기 유기 랭킨 사이클(260)의 상기 작동 유체는 상기 열수를 열교환되어 상기 제5터빈(262)을 통해 전기를 생산할 수 있는 것으로, 상기 유기 랭킨 사이클(260)을 통해 상기 지역 난방 유닛(250)의 추가적인 잔열을 활용할 수 있는 것이다.
구체적으로, 상기 유기 랭킨 사이클(260)은 상기 지역 난방 유닛(250)의 상기 냉각기(254) 대신 설치될 수 있는 것으로, 상기 유기 랭킨 사이클(260)을 통해 지역의 열수 공급량을 조절하는 동시에 추가적으로 전력을 생산할 수 있는 것이다. 즉, 상술한 바와 같이 지역의 열수에 대한 수요가 감소할 때, 상기 유기 랭킨 사이클(260)의 상기 제5열교환기(261)를 통해 열수와 작동 유체를 열교환시킴에 따라, 열수를 냉각시키면서 전력을 생산할 수 있는 것이다.
상기 유기 랭킨 사이클(260)은 작동 유체를 이동시킬 수 있는 동력을 제공할 수 있는 유기 랭킨 사이클 펌프(264)와 작동 유체를 냉각시킬 수 있는 유기 랭킨 사이클 냉각기(263)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템의 작동방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 4 및 도 5를 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 온도가 올라가고, 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 제1터빈(231) 및 상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소는 상기 지역 난방 유닛(250)의 상기 제4열교환기(252,252a)로 유입된다. 여기서, 상기 제4열교환기(252,252a)는 2개로 이루어질 수 있다.(상기 제4열교환기(252,252a)는 복수 개로 이루어질 수 있으나, 이하, 상기 제4열교환기(252,252a)가 2개인 것을 중심으로 설명한다.)
상기 제2터빈(241)을 거쳐 배출되는 이산화탄소는 첫 번째 상기 제4열교환기(252)로 유입되고, 첫 번째 상기 제4열교환기(252)에서 열수와 열교환하여 열수에 열원을 공급하게 된다. 첫 번째 상기 제4열교환기(252)를 거쳐 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 압축기(221)에 의해서 압축된 후, 두 번째 상기 제4열교환기(252a)로 다시 유입될 수 있다. 이를 통해 이산화탄소에 남아있는 잔열을 열수에 한 번 더 공급할 수 있게 되고, 이와 동시에 이산화탄소를 냉각시킬 수 있게 된다. (상기 제4열교환기(252,252a)가 복수 개인 경우 동일한 과정이 반복될 수 있다.)
두 번째 상기 제4열교환기(252a)를 거쳐 배출되는 이산화탄소는 이산화탄소 압축기(221a)를 통해 한 번 더 압축되어 초임계 상태로 돌아갈 수 있게 되고, 초임계 상태의 이산화탄소는 다시 제1열교환기(230) 및 상기 제2열교환기(240)로 유입되어 재사용된다.
상기 제4열교환기(252,252a)를 거친 열수는 상기 제3열교환기(251)에 유입되며, 상기 제3열교환기(251)를 통해 상기 화력 발전 유닛(210)의 배기가스와 열교환하게 된다. 열수는 상기 제3열교환기(251)를 통해 상기 화력 발전 유닛(210)의 배기가스로부터 열원을 공급받을 수 있게 되고, 상기 제3열교환기(251)를 거친 열수는 상기 열원장치(253)로 유입된다. 상기 열원장치(253)로 유입된 열수는 필요한 열수요처에 공급될 수 있게 된다.
상기 지역 난방 유닛(250)은 지역의 열수 수요에 따라 열수를 냉각시키게 되는데, 이를 위해 상기 냉각기(254)가 사용될 수도 있으며, 상기 유기 랭킨 사이클(260)이 사용될 수 있다. 도 4는 상기 지역 난방 유닛(250)에 냉각기(254)를 사용하는 것으로, 상기 냉각기(254)를 통해 열수에 대한 수요가 감소할 때, 열수를 냉각시켜 열수의 공급량을 조절할 수 있게 된다.
도 5는 상기 지역 난방 유닛(250)에 상기 유기 랭킨 사이클(260)을 사용한 것으로, 열수에 대한 수요가 감소할 때, 상기 유기 랭킨 사이클(260)을 통해 열수를 냉각시키면서 전력을 생산할 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 제5열교환기(261)를 통해 열수와 작동 유체를 열교환시키고, 이를 통해 열수는 냉각시킬 수 있게 되며, 작동 유체에는 열원을 공급하여 상기 제5터빈(262)을 통해 전력을 생산할 수 있게 된다.
상술한 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템의 효과를 살펴보면 다음과 같다.
종래의 열병합 발전 시스템은 열수요처에 열원을 공급함에 따라 에너지 종합효율은 높일 수 있지만, 전력용 발전효율은 일반적인 복합화력 발전 시스템보다 낮은 문제점이 있다. 따라서, 열병합 발전 시스템은 열수요가 집중된 신도시, 집단공업지역에서는 열원을 공급함에 따라 경제성이 있을 수 있으나, 그 외의 지역에서는 전력용 발전효율이 낮음에 따라 경제성을 얻기 어려운 문제점이 있다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템은 화력 발전 유닛을 통해 1차로 발전하고, 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 통해 2차로 발전하며, 화력 발전 유닛과 초임계 이산화탄소 발전 유닛의 여열을 지역 난방 유닛에 사용함에 따라 열 회수율 및 발전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템과 복합화력 발전 시스템의 전력용 발전효율과 에너지 종합효율을 비교한 것이다. 여기서, 도 4는 상기 지역 난방 유닛(250)에 상기 냉각기(254)를 적용한 실시 예이며, 도 5는 상기 지역 난방 유닛(250)에 상기 유기 랭킨 사이클(260)을 적용한 실시 예이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템은 전력용 발전 효율을 54~55% 정도로 높일 수 있는 것으로, 종래의 열병합 발전 시스템의 전력용 발전 효율(25~40%)에 비해 전력용 발전 효율을 현저하게 높일 수 있게 된다. 이는 복합화력 발전 시스템의 전력용 발전 효율과 유사한 수준으로 전력용 발전 효율을 높일 수 있는 것이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템은 복합화력 발전 시스템의 전력용 발전 효율과 유사한 수준으로 전력용 발전 효율을 높일 수 있는 동시에, 열수요처에 가열된 열수를 공급할 수 있는 장점이 있는 것이다. 이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템은 에너지 종합효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 실시 예 중 도 5와 같이 상기 지역 난방 유닛(250)에 상기 유기 랭킨 사이클(260)을 적용하면, 종래의 복합화력 발전 시스템의 전력용 발전효율(54.8%)보다 높은 전력용 발전효율(55.9%)을 기대할 수도 있는 장점도 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
221,221a...이산화탄소 압축기 230...제1열교환기
231...제1터빈 240...제2열교환기
241...제2터빈 250...지역 난방 유닛
251...제3열교환기 252,252a...제4열교환기
253...열원장치 254...냉각기
255...펌프 260...유기 랭킨 사이클
261...제5열교환기 262...제5터빈
263...유기 랭킨 사이클 냉각기 264...유기 랭킨 사이클 펌프

Claims (10)

  1. 연료의 연소열을 이용하는 열병합 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 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스 및 상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 열수를 열교환시켜, 열수요처에 상기 열수를 공급할 수 있는 지역 난방 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 포함하며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛은, 이산화탄소 압축기를 포함하며, 상기 이산화탄소 압축기를 거친 이산화탄소는 두 갈래로 나누어져 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환기 및 제2열교환기는 복수 개가 마련되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛에 사용되는 이산화탄소는, 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지역 난방 유닛은,
    상기 화력 발전 유닛을 거쳐 배출되는 배기가스와 상기 열수를 열교환 시키는 제3열교환기와,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 유닛을 거쳐 배출되는 이산화탄소와 상기 열수를 열교환시키는 제4열교환기와,
    상기 제4열교환기와 상기 제3열교환기를 거친 상기 열수를 열수요처에 공급할 수 있는 열원장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제4열교환기는 복수 개가 마련되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지역 난방 유닛은,
    상기 열수를 냉각시킬 수 있는 냉각기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 지역 난방 유닛은,
    작동 유체를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 제5터빈과 상기 작동 유체와 상기 열수를 열교환시킬 수 있는 제5열교환기를 포함하는 유기 랭킨 사이클을 더 포함하여 이루어지며,
    상기 작동 유체는 상기 열수와 열교환되어 상기 제5터빈을 통해 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유기 랭킨 사이클은,
    상기 작동 유체를 이동시킬 수 있는 유기 랭킨 사이클 펌프와
    상기 작동 유체를 냉각시킬 수 있는 유기 랭킨 사이클 냉각기를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 적용한 열병합 발전 시스템.
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