KR101951568B1 - 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 부유식 복합 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부유식 복합 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 선박 등과 같은 수상에 위치되는 부유 설비에 복합 발전 설비를 설치하여, 육상에 발전 설비를 설치함에 따르는 공간적인 문제, 민원 발생의 등과 같은 문제점을 해결할 수 있다.
또한 본 발명에 부유식 복합 발전 시스템은 액화 천연 가스의 냉열을 활용하여 발전 효율을 높이는 동시에 발전 설비의 플루 가스의 폐열을 이용하여 액화 천연 가스를 재기화할 수 있다.

Description

액화 천연 가스의 냉열을 이용한 부유식 복합 발전 시스템 {Floating type combined power generation system using cold heat of liquefied natural gas}
본 발명은 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 효율을 높이는 부유식 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
천연가스(Natural Gas)란 지하에서 천연적으로 산출되어 지표 조건에서 기체상을 이루는 탄화수소물 및 비탄화수소 물질을 모두 일컫는다. 천연가스는 산지에 따라 약간씩 차이가 있으나 메탄(CH4)이 80~90%를 차지하고 있으며 나머지는 에탄(C2H6), 프로판(C3H8)등의 가연성 기체를 포함하고 있다. 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 천연가스를 저온(약 -160도)에서 인공으로 액화한 것을 말한다.
천연 가스는 유전에서 채굴되는데, 원활한 채굴을 위해 유전에 증기, 지하수, 해수, 이산화탄소 등과 같은 충진제를 주입한다. 채굴된 천연 가스는 액화 천연 가스와 같은 액화 상태로 소비지로 운송된다. 액화 천연 가스의 운송은 주로 선박을 이용해서 해상으로 운송한다. 액화 천연 가스 운송을 위한 LNG 선박은 액화 천연 가스 보관을 위한 특수한 설비를 갖추고 있다.
소비지로 운송된 액화 천연 가스는 LNG 저장 설비에 저장된다. 액화 천연 가스가 주로 선박으로 운송되므로, LNG 저장 설비도 주로 해안가에 위치한다.
소비지로 운송된 액화 천연 가스는 사용 또는 분배를 위해서 재기화(regasification)될 필요가 있다. 액화 천연 가스의 재기화를 위해서 해수를 사용할 수 있다. 그러나 이러한 해수의 사용은 해양 생태계에 예상하지 못한 영향을 미칠 수 있다. 다른 시스템에서는 천연 가스를 연소시켜 열을 발생시켜 액화 천연 가스를 재기화할 수도 있다. 그러나 이러한 재기화 방식은 에너지의 낭비를 초래하게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0096985호 (명칭: 부유식 발전 구조물)
본 발명의 목적은 수상에 위치하는 부유 설비에 복합 발전 설비를 설치하여 공간 활용도를 높이며, 액화 천연 가스의 냉열을 활용하여 발전 효율을 높일 수 있는 부유식 복합 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 LNG 저장 설비, 가스 터빈 발전 설비, 초임계 유체 발전 설비, 폐열 회수 열교환 설비, LNG 열교환 설비, 부유 설비를 포함한다. LNG 저장 설비는 액화 천연 가스를 저장한다. 가스 터빈 발전 설비는 천연 가스를 이용해서 발전한다. 초임계 유체 발전 설비는 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전한다. 폐열 회수 열교환 설비에서는 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 초임계 유체 발전 설비의 작동 유체가 열교환한다. LNG 열교환 설비에서는 초임계 유체 발전 설비로부터 배출되는 작동 유체와 LNG 저장 설비로부터 유입된 액화 천연 가스가 열교환하여, 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되며 작동 유체는 냉각된다. 부유 설비에는 가스 터빈 발전 설비, 초임계 유체 발전 설비, 폐열 회수 열교환 설비, LNG 열교환 설비가 설치된다. 부유 설비는 수상에서 부유 가능하다. LNG 열교환 설비에서 냉각된 작동 유체는 폐열 회수 열교환 설비로 유입되어 온도가 상승된 후 초임계 유체 발전 설비로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 작동 유체 열교환기를 더 포함할 수 있다. 작동 유체 열교환기에서는 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체와 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 작동 유체가 열교환한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 LNG 저장 설비는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 LNG 열교환 설비는 액화 천연 가스와 작동 유체의 열교환을 수행하는 매개 유체 순환부를 구비할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 LNG 열교환 설비는 완충부를 구비할 수 있다. 완충부는 매개 유체로 인한 폭발을 방지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 냉각부를 더 포함할 수 있다. 냉각부는 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체를 해수를 이용해 냉각시킨다. 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 일부는 제1 유로를 따라 LNG 열교환 설비로 유입되며, 다른 일부는 제2 유로를 따라 냉각부로 유입되고, LNG 열교환 설비 및 냉각부를 통과한 작동 유체는 합쳐져 유동한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 해수 열교환부를 더 포함할 수 있다. 해수 열교환부는 LNG 열교환 설비에서 냉각된 작동 유체가 폐열 회수 열교환 설비로 유입되기 전에 해수와 열교환하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 공기 열교환부를 더 포함할 수 있다. 공기 열교환부는 LNG 열교환 설비에서 냉각된 작동 유체가 폐열 회수 열교환 설비로 유입되기 전에 가스 터빈 발전 설비로 유입되는 공기와 열교환하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 초임계 유체 발전 설비의 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소, 초임계 상태의 질소, 초임계 상태의 아르곤일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 LNG 저장 설비, 가스 터빈 발전 설비, 초임계 유체 발전 설비, LNG 열교환 설비, 제1 폐열 회수 열교환 설비, 제2 폐열 회수 열교환 설비, 부유 설비를 포함한다. LNG 저장 설비는 액화 천연 가스를 저장한다. 가스 터빈 발전 설비는 천연 가스를 이용해서 발전한다. 초임계 유체 발전 설비는 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전한다. LNG 열교환 설비에서는 초임계 유체 발전 설비로부터 배출되는 작동 유체와 LNG 저장 설비로부터 유입된 액화 천연 가스가 열교환하여, 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되며 작동 유체는 냉각된다. 제1 폐열 회수 열교환 설비에서는 LNG 열교환 설비를 통과하여 제3 유로로 이동한 작동 유체와 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스가 열교환한다. 제2 폐열 회수 열교환 설비에서는 LNG 열교환 설비를 통과하여 제4 유로로 이동한 작동 유체와 제1 폐열 회수 열교환 설비를 통과한 작동 유체가 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환한다. 부유 설비에는 가스 터빈 발전 설비, 초임계 유체 발전 설비, LNG 열교환 설비, 제1 폐열 회수 열교환 설비, 제2 폐열 회수 열교환 설비가 설치된다. 부유 설비는 수상에서 부유 가능하다. 제2 폐열 회수 열교환 설비를 통과한 작동 유체는 초임계 유체 발전 설비로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 작동 유체 열교환기를 더 포함할 수 있다. 작동 유체 열교환기에서는 초임계 유체 발전 설비로부터 배출되는 작동 유체와 LNG 열교환 설비를 통과하여 제4 유로로 이동하는 작동 유체가 열교환한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 LNG 저장 설비는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 LNG 열교환 설비는 액화 천연 가스와 작동 유체의 열교환을 수행하는 매개 유체 순환부를 구비할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템에서 LNG 열교환 설비는 완충부를 구비할 수 있다. 완충부는 매개 유체로 인한 폭발을 방지한다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 냉각부를 더 포함할 수 있다. 냉각부는 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체를 해수를 이용해 냉각시킨다. 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 일부는 제1 유로를 따라 LNG 열교환 설비로 유입되며, 다른 일부는 제2 유로를 따라 냉각부로 유입되고, LNG 열교환 설비 및 냉각부를 통과한 작동 유체는 합쳐져 유동한다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 해수 열교환부를 더 포함할 수 있다. 해수 열교환부는 LNG 열교환 설비에서 냉각된 작동 유체가 제3 유로와 제4 유로로 분기되기 전에 해수와 열교환하도록 한다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 공기 열교환부를 더 포함할 수 있다. 공기 열교환부는 제3 유로로 유동하는 작동 유체가 가스 터빈 발전 설비로 유입되는 공기와 열교환하도록 한다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 제3 유로에서 공기 열교환부를 통과한 작동 유체가 해수와 열교환하도록 하는 해수 열교환부를 더 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 제3 유로로 유동하는 작동 유체가 가스 터빈 발전 설비로 유입되는 공기와 열교환하도록 하는 공기 열교환부 및 제4 유로로 유동하는 작동 유체가 해수와 열교환하도록 하는 해수 열교환부를 더 포함할 수 있다.
발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템은 제4 유로에 작동 유체 열교환기를 통과하지 않도록 하는 작동 유체 바이패스 유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, LNG 저장 설비와 가까운 수상의 부유 설비에 복합 발전 설비를 설치하여 육상에 발전 설비를 설치함에 따르는 공간적인 문제, 민원 발생의 등과 같은 문제점을 해결할 수 있다.
또한 액화 천연 가스의 냉열을 활용하여 발전 효율을 높이는 동시에 발전 설비의 플루 가스의 폐열을 이용하여 액화 천연 가스를 재기화할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체 열교환기를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체 순환부를 구비하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 열교환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 열교환부를 더 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 두개의 폐열 회수 열교환 설비를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두개의 폐열 회수 열교환 설비와 작동 유체 열교환기를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체 순환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 열교환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 열교환부를 더 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 열교환부와 공기 열교환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2h는 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체 열교환기에 작동 유체 바이패스 유로가 형성된 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체 열교환기를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체 순환부를 구비하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 1e는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 열교환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 열교환부를 더 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템(1000)은 LNG 저장 설비(1100), 부유 설비(1200), 가스 터빈 발전 설비(1300), 초임계 유체 발전 설비(1400), 폐열 회수 열교환 설비(1500), LNG 열교환 설비(1600)를 포함한다.
LNG 저장 설비(1100)는 액화 천연 가스를 저장한다. LNG 저장 설비(1100)는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비일 수 있다. 일 실시예에서 LNG 저장 설비(1100)는 LNG 선박이 될 수도 있다. 다른 실시예에서 LNG 저장 설비(1100)는 FSRU(Floating, Storage, Re-gasification Unit)일 수 있다.
부유 설비(1200)는 수상에 건물이나 장치를 설치하기 위한 설비로, 플로팅(floating) 설비라고도 한다. 본 실시예에서 부유 설비(1200)는 선박이지만, 이에 한정되지 않고 다양한 종류의 설비가 될 수 있다. 부유 설비(1200)에는 가스 터빈 발전 설비(1300), 초임계 유체 발전 설비(1400), 폐열 회수 열교환 설비(1500), LNG 열교환 설비(1600)가 설치된다.
가스 터빈 발전 설비(1300)는 천연 가스를 이용하여 발전한다. 가스 터빈 발전 설비(1300)는 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연료는 천연 가스가 될 수 있다. 연소로 인해 발생된 플루 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 발전기를 회전시켜 발전을 한다.
초임계 유체 발전 설비(1400)는 가스 터빈 발전 설비(1300)의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전한다. 초임계 유체 발전 설비(1400)는 발전에 사용된 작동 유체를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이룬다. 작동 유체로는 초임계 상태의 이산화탄소, 초임계 상태의 질소, 초임계 상태의 아르곤, 초임계 상태의 헬륨 등이 사용된다. 작동 유체는 폐열 회수 열교환 설비(1500)를 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 작동 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 발전을 한다.
폐열 회수 열교환 설비(1500)에는 가스 터빈 발전 설비(1300)에서 배출되는 플루 가스가 통과한다. 플루 가스는 초임계 유체 발전 설비(1400)의 작동 유체가 열교환하며, 이에 따라 초임계 유체 발전 설비(1400)의 작동 유체는 고온으로 가열된다.
LNG 저장 설비(1100)에 저장된 액화 천연 가스는 LNG 열교환 설비(1600)로 유입되며, 초임계 유체 발전 설비(1400)에서 배출된 작동 유체도 액화 천연 가스와 다른 경로로 LNG 열교환 설비(1600)로 유입된다. LNG 열교환 설비(1600)에서는 초임계 유체 발전 설비(1400)에서 배출된 작동 유체와 LNG 저장 설비(1100)에 저장된 액화 천연 가스가 열교환한다. 액화 천연 가스는 작동 유체와 열교환을 통해 천연 가스로 재기화(regasification)되며, 작동 유체는 냉각된다. 이와 같이 액화 천연 가스를 천연 가스로 재기화하면, 재기화를 위한 별도의 에너지 공급이 필요 없다. 또한 작동 유체를 냉각시키기 위한 별도의 냉각기가 필요 없다. 따라서 복합 발전 시스템 전체에서 에너지가 절감된다.
재기화된 천연 가스는 파이프를 통해 소비자에게 공급되어 다양한 장치의 연료로 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 재기화된 천연 가스의 일부가 가스 터빈 발전 설비(1300)에 연료로 공급된다. 천연 가스를 연소시켜 발전한 가스 터빈 발전 설비(1300)는 플루 가스를 배출한다. 배출된 플루 가스는 폐열 회수 열교환 설비(1500)를 통과하면서 초임계 유체 발전 설비(1400)의 작동 유체와 열교환을 한다.
폐열 회수 열교환 설비(1500)에서 가열된 작동 유체는 초임계 유체 발전 설비(1400)로 유입되며, 이를 이용해서 초임계 유체 발전 설비(1400)는 발전을 한다. 초임계 유체 발전 설비(1400)는 작동 유체를 LNG 열교환 설비(1600)로 배출한다.
LNG 열교환 설비(1600)에서 작동 유체는 액화 천연 가스와 열교환하여, 액화 천연 가스는 천연 가스로 재기화되며 작동 유체는 냉각된다. 냉각된 작동 유체는 펌프(P)를 통해 폐열 회수 열교환 설비(1500)로 보내진다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(1000)이 작동 유체 열교환기(1700)를 더 포함할 수 있다. 작동 유체 열교환기(1700)는 초임계 유체 발전 설비(1400)에서 배출된 작동 유체가 이동하는 경로와 LNG 열교환 설비(1600)를 통과한 작동 유체가 이동하는 경로가 만나는 지점에 위치한다.
작동 유체 열교환기(1700)에서는 LNG 열교환 설비(1600)에서 열교환된 작동 유체와 초임계 유체 발전 설비(1400)에서 배출되는 작동 유체가 열교환을 한다. 일 실시예에서 작동 유체 열교환기(1700)는 복열기(recuperator)일 수 있다.
작동 유체 열교환기(1700)에서는 폐열 회수 열교환 설비(1500)로 유입되는 작동 유체가 가열되므로, 폐열 회수 열교환 설비(1500)에서 열교환 효율이 개선된다. 따라서 가스 터빈 발전 설비(1300)의 폐열의 활용 효율이 개선되며, 초임계 유체 발전 설비(1400)의 효율이 좋아지는 등 전체적인 발전 효율이 좋아진다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 1c에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(1000)의 LNG 열교환 설비(1600)가 매개 유체 순환부(1610)를 구비할 수 있다.
매개 유체 순환부(1610)는 순환하는 유로로 구성되며, 유로를 따라 매개 유체가 흐른다. 매개 유체는 질소, 아르곤 등과 같이 안정성 높은 유체가 될 수 있다. 매개 유체는 매개 유체 순환부(1610)를 따라 이동하면서 작동 유체 및 액화 천연 가스와 열교환한다. 즉, 매개 유체는 작동 유체로부터 고온의 열을 전달받아 액화 천연 가스로 전달한다. 이를 통해 액화 천연 가스는 재기화된다.
본 실시예의 부유식 복합 발전 시스템(1000)에서 LNG 저장 설비(1100)와 LNG 열교환 설비(1600)는 다른 공간에 설치된다. 즉, LNG 열교환 설비(1600)는 부유 설비(1200)에 설치되고, LNG 저장 설비(1100)는 육상 또는 다른 부유 설비에 설치된다. 따라서 LNG 저장 설비(1100)의 액화 천연 가스는 파이프 등을 통해 LNG 열교환 설비(1600)로 이동하여 재기화된다. 그러나, 액화 천연 가스가 파이프 등을 통해 수상으로 이동하는 것은 위험할 수 있다. 그러나 안정성이 높은 매개 유체가 파이프 등을 통해 수상에서 이동하면 액화 천연 가스가 이동하는 것보다 안정적이다.
다른 실시예에서 LNG 열교환 설비(1600)는 완충부(1620)를 구비할 수 있다. 완충부(1620)는 매개 유체의 팽창으로 인해 폭발하는 것을 방지한다. 완충부(1620)는 밸브를 구비해서 매개 유체 순환부(1610)로부터 완충부(1620)로 유입되는 매개 유체의 유입량을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 1d에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(1000)이 냉각부(1600-1)를 더 포함할 수 있다.
냉각부(1600-1)는 해수를 이용해서 초임계 유체 발전 설비(1400)로부터 배출되는 작동 유체를 냉각시킨다. 냉각부(1600-1), 초임계 유체 발전 설비(1400), LNG 열교환 설비(1600)가 해상의 부유 설비(1200)에 위치하므로, 해수는 쉽게 구할 수 있다.
냉각부(1600-1)는 LNG 열교환 설비(1600)에 병렬로 연결된다. 따라서 초임계 유체 발전 설비(1400)로부터 배출된 작동 유체의 일부는 제1 유로(P1)를 따라 LNG 열교환 설비(1600-1)로 유입되며, 작동 유체의 다른 일부는 제2 유로(P2)를 따라 냉각부(1600-1)로 유입된다. 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2)가 분기되는 지점에서 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2)로 유입될 작동 유체의 유량을 조절하는 제1 밸브(V1)가 설치될 수 있다.
LNG 열교환 설비(1600)로 유입된 작동 유체는 액화 천연 가스의 냉열로 냉각이 되며, 냉각부(1600-1)로 유입된 작동 유체는 해수로 냉각이 된다. 제1 밸브(V1)는 LNG 열교환 설비(1600)로 유입되는 액화 천연 가스의 유량에 따라 LNG 열교환 설비(1600)로 유입되는 작동 유체는 유량을 조절할 수 있다. LNG 열교환 설비(1600)로 유입되는 액화 천연 가스의 유량이 적은 경우에는 작동 유체가 충분히 냉각되지 않을 수 있으므로, 냉각부(1600-1)로 유입되는 작동 유체의 유량을 늘려야 한다.
LNG 열교환 설비(1600)와 냉각부(1600-1)를 통과한 작동 유체는 합쳐져서 펌프(P)로 유입된다. 펌프(P)는 작동 유체를 순환시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 1e에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(1000)이 해수 열교환부(1800)를 더 포함할 수 있다.
해수 열교환부(1800)는 LNG 열교환 설비(1600)에서 냉각된 작동 유체가 폐열 회수 열교환 설비(1500)로 유입되기 전에 해수와 열교환되도록 한다. 본 실시예에서 해수 열교환부(1800)는 LNG 열교환 설비(1600)를 통과한 작동 유체를 순환시키기 위한 펌프(P)와 작동 유체 열교환기(1700) 사이에 위치한다.
해수와 열교환된 작동 유체는 온도가 상승한다. 따라서 추가 연료 공급 없이도 초임계 유체 발전 설비(1400)의 전체 효율이 향상된다. 초임계 유체 발전 설비(1400), LNG 열교환 설비(1600), 해수 열교환부(1800)가 해상의 부유 설비(1200)에 위치하므로, 해수를 구하기 위한 비용의 증가는 거의 없다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 1f에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(1000)이 공기 열교환부(1900)를 더 포함할 수 있다.
공기 열교환부(1900)는 LNG 열교환 설비(1600)에서 냉각된 작동 유체가 폐열 회수 열교환 설비(1500)로 유입되기 전에 가스 터빈 발전 설비(1300)로 유입되는 공기와 열교환되도록 한다. 이를 위해 공기 열교환부(1900)는 공기가 지나가는 유로와 작동 유체가 지나가는 유로를 구비한다. 본 실시예에서 공기 열교환부(1900)는 LNG 열교환 설비(1600)를 통과한 작동 유체를 순환시키기 위한 펌프(P)와 작동 유체 열교환기(1700) 사이의 유로에 위치한다.
가스 터빈 발전 설비(1300)는 연소를 위해 공기를 흡입하는데, 본 실시예에서는 공기 열교환부(1900)를 통과한 공기가 가스 터빈 발전 설비(1300)로 유입된다. 공기 열교환부(1900)를 통과하면서, 공기는 냉각이 되며 작동 유체는 가열이 된다. 가스 터빈 발전 설비(1300)로 유입되는 공기의 온도가 낮아지면, 부유식 복합 발전 시스템(1000)의 출력이 개선된다. 또한 작동 유체가 가열되어 작동 유체 열교환기(1700)로 유입되면 초임계 유체 발전 설비(1400)의 출력이 개선된다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 두개의 폐열 회수 열교환 설비를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두개의 폐열 회수 열교환 설비와 작동 유체 열교환기를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체 순환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 열교환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 열교환부를 더 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 열교환부와 공기 열교환부를 포함하는 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2h는 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체 열교환기에 작동 유체 바이패스 유로가 형성된 부유식 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 복합 발전 시스템(2000)은 LNG 저장 설비(2100), 부유 설비(2200), 가스 터빈 발전 설비(2300), 초임계 유체 발전 설비(2400), 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1), 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2), LNG 열교환 설비(2600)를 포함한다. 도 1a에서 설명한 것과 동일한 구성은 자세한 설명을 생략한다.
제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)와 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2)는 가스 터빈 발전 설비(2300)의 플루 가스가 배출되는 유로에 위치한다. 가스 터빈 발전 설비(2300)의 플루 가스는 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2)를 통과한 후 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)를 통과하여 스택으로 배출된다.
LNG 열교환 설비(2600)에서 열교환된 작동 유체의 일부는 제3 유로(P3)를 따라 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)로 유입되어, 가스 터빈 발전 설비(2300)의 플루 가스와 열교환을 한다. LNG 열교환 설비(2600)에서 열교환된 작동 유체의 다른 일부는 제4 유로(P4)를 따라 이동한다. 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)를 통과한 작동 유체는 제4 유로(P4)를 따라 이동한 작동 유체와 서로 혼합되어 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2)로 유입된다.
이와 같이, LNG 열교환 설비(2600)에서 열교환된 작동 유체가 제3 유로(P3)와 제4 유로(P4)로 나누어져 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)와 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2)에서 플루 가스와 열교환하면, 열교환 효율이 개선된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)이 작동 유체 열교환기(2700)를 더 포함할 수 있다. 작동 유체 열교환기(2700)는 초임계 유체 발전 설비(2400)에서 배출되는 작동 유체의 유로와 제4 유로(P4)가 만나는 지점에 위치한다.
작동 유체 열교환기(2700)에서는 LNG 열교환 설비(2600)에서 열교환된 작동 유체 중 제4 유로(P4)를 따라 이동하는 작동 유체와 초임계 유체 발전 설비(2400)에서 작동 유체를 배출하는 유로를 따라 이동하는 작동 유체가 열교환을 한다. 이러한 열교환을 통해 제4 유로(P4)를 따라 이동하는 작동 유체는 가열된다. 일 실시예에서 작동 유체 열교환기(2700)는 복열기(recuperator)일 수 있다.
작동 유체 열교환기(2700)에서는 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2)로 유입되는 작동 유체가 가열되므로, 제2 폐열 회수 열교환 설비(2500-2)에서 열교환 효율이 개선된다. 따라서 가스 터빈 발전 설비(2300)의 폐열의 활용 효율이 개선되며, 초임계 유체 발전 설비(2400)의 효율이 좋아지는 등 전체적인 발전 효율이 좋아진다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)의 LNG 열교환 설비(2600)가 매개 유체 순환부(2610)를 구비할 수 있다. 또한 LNG 열교환 설비(2600)는 완충부(2620)를 구비할 수 있다. 매개 유체 순환부(2610)와 완충부(2620)는 도 1c에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2d에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)이 냉각부(2600-1)를 더 포함할 수 있다. 냉각부(2600-1)는 도 1d에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2e에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)이 해수 열교환부(2800)를 더 포함할 수 있다.
해수 열교환부(2800)는 LNG 열교환 설비(2600)에서 냉각된 작동 유체가 제3 유로(P3)와 제4 유로(P4)로 분기되기 전에 해수와 열교환되도록 한다. 본 실시예에서 해수 열교환부(2800)는 LNG 열교환 설비(2600)를 통과한 작동 유체를 순환시키기 위한 펌프(P)를 지나서 위치한다.
LNG 열교환 설비(2600)에서 액화 천연 가스와 열교환을 통해 냉각된 작동 유체는 해수 열교환부(2800)를 통과하면서 온도가 상승한다. 따라서 추가 연료 공급 없이도 초임계 유체 발전 설비(2400)의 전체 효율이 향상된다. 초임계 유체 발전 설비(2400), LNG 열교환 설비(2600), 해수 열교환부(2800)가 해상의 부유 설비(2200)에 위치하므로, 해수를 구하기 위한 비용의 증가는 거의 없다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2f에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)이 공기 열교환부(2900)를 더 포함할 수 있다.
공기 열교환부(2900)는 LNG 열교환 설비(2600)에서 냉각된 작동 유체 중 제3 유로(P3)를 따라 이동하는 작동 유체가 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)로 유입되기 전에 가스 터빈 발전 설비(2300)로 유입되는 공기와 열교환되도록 한다. 이를 위해 공기 열교환부(2900)는 공기가 지나가는 유로와 작동 유체가 지나가는 유로를 구비한다. 본 실시예에서 공기 열교환부(2900)는 제3 유로(P3)에 위치한다.
가스 터빈 발전 설비(2300)는 연소를 위해 공기를 흡입하는데, 본 실시예에서는 공기 열교환부(2900)를 통과한 공기가 가스 터빈 발전 설비(2300)로 유입된다. 공기 열교환부(2900)를 통과하면서, 공기는 냉각이 되며 작동 유체는 가열이 된다. 가스 터빈 발전 설비(2300)로 유입되는 공기의 온도가 낮아지면, 부유식 복합 발전 시스템(2000)의 출력이 개선된다. 또한 제3 유로(P3)를 따라 이동하는 작동 유체가 가열되어 제1 폐열 회수 열교환 설비(2500-1)로 유입되면 초임계 유체 발전 설비(2400)의 출력이 개선된다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2g에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)이 해수 열교환부(2800)와 공기 열교환부(2900)를 더 포함할 수 있다.
해수 열교환부(2800)는 제4 경로(P4)에 위치한다. 본 실시예에서는 해수 열교환부(2800)는 작동 유체 열교환기(2700) 전에 위치하여, 작동 유체가 해수 열교환부(2800)를 통과한 후 작동 유체 열교환기(2700)로 유입된다. 작동 유체는 해수 열교환부(2800)를 통과하면서 가열되므로, 작동 유체 열교환기(2700)에서 열교환 효율이 좋아진다.
공기 열교환부(2900)는 제3 유로(P3)에 위치한다. 공기 열교환부(2900)는 도 2f에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2h에 도시된 바와 같이, 부유식 복합 발전 시스템(2000)의 작동 유체 열교환기(2700)에 작동 유체 바이패스 유로(Pb)가 형성될 수 있다.
작동 유체 바이패스 유로(Pb)는 제4 유로(P4)에 위치하며, 제4 유로(P4)를 통과하는 작동 유체가 작동 유체 열교환기(2700)를 통과하지 않도록 한다.
LNG 열교환 설비(2600) 및/또는 냉각기(2600-1)에서 열교환된 작동 유체가 바이패스 유로(Pb)로 이동하면 초임계 발전 설비(2400)에서 배출되는 작동 유체와 열교환을 하지 않는다. 따라서 LNG 열교환 설비(2600) 및/또는 냉각기(2600-1)로 유입시 작동 유체는 고온을 유지하게 된다.
재기화할 액화 천연 가스의 양이 많은 경우 초임계 유체 발전 설비(2400)의 발전 효율이 다소 저하되더라도, LNG 열교환 설비(2600)로 유입되는 작동 유체는 고온일 필요가 있다. 이러한 경우 제2 밸브(V2)를 조절하여 작동 유체 열교환기(2700) 대신 바이패스 유로(Pb)로 작동 유체가 이동하도록 하며, 제1 밸브(V1)를 조절하여 LNG 열교환 설비(2600)로 작동 유체가 이동하도록 한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000, 2000 : 부유식 복합 발전 시스템
1100, 2100 : LNG 저장 설비 1200, 2200 : 부유 설비
1300, 2300 : 가스 터빈 발전 설비
1400, 2400 : 초임계 유체 발전 설비
1500 : 폐열 회수 열교환 설비 1600, 2600 : LNG 열교환 설비
1610, 2610 : 매개 유체 순환부 1600-1, 2600-1 : 냉각부
1620, 2620 : 완충부
1700, 2700 : 작동 유체 열교환기 1800, 2800 : 해수 열교환부
1900, 2900 : 공기 열교환부
2500-1 : 제1 폐열 회수 열교환 설비
2500-2 : 제2 폐열 회수 열교환 설비

Claims (20)

  1. 액화 천연 가스를 저장하는 LNG 저장 설비;
    천연 가스를 이용하여 발전하는 가스 터빈 발전 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전하는 초임계 유체 발전 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비의 작동 유체가 열교환하는 폐열 회수 열교환 설비;
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출되는 작동 유체와 상기 LNG 저장 설비로부터 유입된 액화 천연 가스가 열교환하여, 상기 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되며 상기 작동 유체는 냉각되는 LNG 열교환 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비, 상기 초임계 유체 발전 설비, 상기 폐열 회수 열교환 설비, 상기 LNG 열교환 설비가 설치되며, 수상에서 부유 가능한 부유 설비; 및
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체를 해수를 이용해 냉각시키는 냉각부;를 포함하며,
    상기 LNG 열교환 설비에서 냉각된 작동 유체는 상기 폐열 회수 열교환 설비로 유입되어 온도가 상승된 후 상기 초임계 유체 발전 설비로 유입되고,
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 일부는 제1 유로를 따라 상기 LNG 열교환 설비로 유입되며, 다른 일부는 제2 유로를 따라 상기 냉각부로 유입되고,
    상기 LNG 열교환 설비 및 상기 냉각부를 통과한 작동 유체는 합쳐져 유동하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체와 상기 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 작동 유체가 열교환하는 작동 유체 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 LNG 저장 설비는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비인 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비는 상기 액화 천연 가스와 상기 작동 유체의 열교환을 수행하는 매개 유체 순환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비는 상기 매개 유체 순환부의 매개 유체로 인한 폭발을 방지하는 완충부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비에서 냉각된 작동 유체가 상기 폐열 회수 열교환 설비로 유입되기 전에 상기 가스 터빈 발전 설비로 유입되는 공기와 열교환하도록 하는 공기 열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소, 초임계 상태의 질소, 초임계 상태의 아르곤인 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  10. 액화 천연 가스를 저장하는 LNG 저장 설비;
    천연 가스를 이용하여 발전하는 가스 터빈 발전 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전하는 초임계 유체 발전 설비;
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출되는 작동 유체와 상기 LNG 저장 설비로부터 유입된 액화 천연 가스가 열교환하여, 상기 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되며 상기 작동 유체는 냉각되는 LNG 열교환 설비;
    상기 LNG 열교환 설비를 통과하여 제3 유로로 이동한 작동 유체와 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스가 열교환하는 제1 폐열 회수 열교환 설비;
    상기 LNG 열교환 설비를 통과하여 제4 유로로 이동한 작동 유체와 상기 제1 폐열 회수 열교환 설비를 통과한 작동 유체가 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환하는 제2 폐열 회수 열교환 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비, 상기 초임계 유체 발전 설비, 상기 LNG 열교환 설비, 상기 제1 폐열 회수 열교환 설비, 상기 제2 폐열 회수 열교환 설비가 설치되며, 수상에서 부유 가능한 부유 설비; 및
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체를 해수를 이용해 냉각시키는 냉각부;를 포함하며,
    상기 제2 폐열 회수 열교환 설비를 통과한 작동 유체는 상기 초임계 유체 발전 설비로 유입되고,
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 일부는 제1 유로를 따라 상기 LNG 열교환 설비로 유입되며, 다른 일부는 제2 유로를 따라 상기 냉각부로 유입되고,
    상기 LNG 열교환 설비 및 상기 냉각부를 통과한 작동 유체는 합쳐져 유동하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출되는 작동 유체와 상기 LNG 열교환 설비를 통과하여 상기 제4 유로로 이동하는 작동 유체가 열교환하는 작동 유체 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 LNG 저장 설비는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비인 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비는 상기 액화 천연 가스와 상기 작동 유체의 열교환을 수행하는 매개 유체 순환부를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비는 상기 매개 유체 순환부의 매개 유체로 인한 폭발을 방지하는 완충부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 유로로 유동하는 작동 유체가 상기 가스 터빈 발전 설비로 유입되는 공기와 열교환하도록 하는 공기 열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제4 유로로 이동하는 작동 유체가 해수와 열교환하도록 하는 해수 열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  19. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 유로로 유동하는 작동 유체가 상기 가스 터빈 발전 설비로 유입되는 공기와 열교환하도록 하는 공기 열교환부; 및
    상기 제4 유로로 유동하는 작동 유체가 해수와 열교환하도록 하는 해수 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제4 유로에 상기 작동 유체 열교환기를 통과하지 않도록 하는 작동 유체 바이패스 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 부유식 복합 발전 시스템.

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