KR101984403B1 - 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전 플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 작동유체를 냉각시키기 위하여 공급되는 냉열유체의 온도를 작동유체의 응고점 이상의 온도로 유지하여 공급함으로써 작동유체가 응고되는 것을 방지하는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공하기 위한 것으로, 작동유체를 이송, 공급하는 작동유체공급라인; 상기 작동유체공급라인을 통하여 공급된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기의 일측에 배치되며, 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 2차 냉각시키는 제2열교환기; 상기 제2열교환기로 냉열유체를 공급하는 냉열유체공급라인; 일단이 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단이 상기 제2열교환기와 연결되어, 상기 제2열교환기를 통과한 냉열유체를 상기 제1열교환기로 공급하는 제1냉각라인; 상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 배출시키는 냉열유체배출라인; 상기 냉열유체배출라인으로 이송되는 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시키는 냉열유체재순환부를 포함하는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공한다.

Description

작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전 플랜트{Apparatus for cooling working fluid and Power generation plant using the same}
본 발명은 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트에 관한 것으로, 더 상세하게는 초임계 상태의 작동유체를 이용하여 전기를 발생시키는 발전플랜트에 사용되는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트에 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 상태의 작동 유체를 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)과 같은 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 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550도에서 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.
도 1을 참조하면, 이러한 초임계 상태의 작동유체를 이용하는 발전플랜트의 경우, 작동유체를 펌프에서 가압하고, 열교환기에서 가열한 후, 가열된 작동유체를 터빈으로 공급하여 전기를 발생시킨 후, 작동유체냉각장치에서 냉각, 응축 후 다시 펌프로 이송시킨다.
작동유체로 초임계 이산화탄소를 사용하는 경우, 상기 작동유체냉각장치로서 액화천연가스의 냉열을 이용하는 것이 있다. 액화천연가스와 이산화탄소를 열교환시켜 이산화탄소를 -50℃ 또는 -40℃인 액체이산화탄소로 응축 냉각시킨다.
그러나 이 과정에서 이산화탄소가 과냉되어 -57℃ 이하의 온도로 냉각되면 이산화탄소는 응고되어 고체상태로 된다. 이산화탄소가 고체상태가 되면 열교환기는 막히게 되고, 이에 따라 이산화탄소의 흐름이 정지하게 되며, 터빈 전후단 압력이 상승하게 되어 폭발 위험이 발생한다는 문제점이 발생한다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 작동유체를 냉각시키기 위하여 공급되는 냉열유체의 온도를 작동유체의 응고점 이상의 온도로 유지하여 공급함으로써 작동유체가 응고되는 것을 방지하는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 작동유체를 이송, 공급하는 작동유체공급라인; 상기 작동유체공급라인을 통하여 공급된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기의 일측에 배치되며, 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 2차 냉각시키는 제2열교환기; 상기 제2열교환기로 냉열유체를 공급하는 냉열유체공급라인; 일단이 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단이 상기 제2열교환기와 연결되어, 상기 제2열교환기를 통과한 냉열유체를 상기 제1열교환기로 공급하는 제1냉각라인; 상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 배출시키는 냉열유체배출라인; 상기 냉열유체배출라인으로 이송되는 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시키는 냉열유체재순환부를 포함하는 작동유체냉각장치를 제공한다.
본 발명은, 상기 냉열유체공급라인에 설치되어, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 유동하는 작동유체의 유량을 제어하는 제1컨트롤밸브, 상기 제2열교환기의 일측에 설치되어, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 작동유체의 온도를 측정하는 작동유체온도센서 및 상기 작동유체센서의 측정치에 기초하여 상기 제1컨트롤밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 냉열유체재순환부는, 일단이 상기 냉열유체배출라인과 연결되고 타단은 상기 냉열유체공급라인과 연결되는 재순환라인과, 상기 재순환라인에 설치되어 상기 재순환라인을 통하여 이송되는 냉열유체의 유량을 조절하는 재순환밸브와, 상기 재순환라인에 설치되어 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인 측으로 이송시키는 재순환펌프를 포함하고, 상기 냉열유체공급라인에 설치되어 상기 냉열유체공급라인을 통하여 상기 제2열교환기로 공급되는 냉열유체의 온도를 측정하는 제1냉열유체온도센서 및 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치에 기초하여 상기 재순환밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이상인 경우에는 상기 재순환밸브의 개도를 감소시키고, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이하인 경우에는 상기 재순환밸브의 개도를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치에 기초하여 상기 재순환펌프를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이상인 경우에는 상기 재순환펌프의 토출량을 감소시키고, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이하인 경우에는 상기 재순환펌프의 토출량을 증가시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은, 상기 제1열교환기의 일측의 냉열유체배출라인에 설치되어, 상기 제1열교환기로부터 배출된 냉열유체를 가열하여 승온시키는 제3열교환기를 더 포함하고, 상기 제3열교환기는 해수를 이용하여 상기 냉열유체를 승온시키며, 상기 냉열유체재순환부는, 상기 제3열교환기와 상기 제1열교환기 사이의 냉열유체배출라인에 연결되거나, 상기 제3열교환기를 통과한 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시킬 수 있다.
본 발명은, 일단이 상기 냉열유체공급라인과 연결되고, 타단이 상기 제1냉각라인과 연결되어, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급되는 냉열유체를 상기 제1냉각라인으로 공급하는 제2냉각라인을 더 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명은, 작동유체를 이송, 공급하는 작동유체공급라인; 상기 작동유체공급라인을 통하여 공급된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시키는 열교환유닛; 상기 열교환유닛으로 냉열유체를 공급하는 냉열유체공급라인; 상기 열교환유닛을 통과한 냉열유체를 배출시키는 냉열유체배출라인; 상기 냉열유체배출라인으로 이송되는 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시키는 냉열유체재순환부를 포함하고, 상기 냉열유체재순환부는, 일단이 상기 냉열유체배출라인과 연결되고 타단은 상기 냉열유체공급라인과 연결되는 재순환라인과, 상기 재순환라인에 설치되어 상기 재순환라인을 통하여 이송되는 냉열유체의 유량을 조절하는 재순환밸브와, 상기 재순환라인에 설치되어 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인 측으로 이송시키는 재순환펌프를 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명은 작동유체를 압축시키는 펌프; 상기 펌프로부터 공급된 작동유체를 외부 열원과 열교환시켜 가열시키는 열교환장치; 상기 열교환장치를 통하여 가열된 작동유체를 이용하여 회전력을 발생시키고 이를 이용하여 전기를 생성하는 터빈장치; 및 상기 터빈장치로부터 배출된 작동유체를 냉각시킨 후 상기 펌프로 공급하는 작동유체냉각장치를 포함하는 발전플랜트를 제공한다.
본 발명의 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트에 따르면, 작동유체를 냉각시키는 냉열유체의 온도를 적정온도로 조절하여 작동유체가 응고되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 냉열유체의 순환구조를 개선하여 별도의 열원 없이 냉열유체의 온도를 적정온도로 조절할 수 있다.
도 1는 초임계 작동유체를 이용하는 발전플랜트의 작동유체의 압력-온도 선도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용하여 구성한도시한 발전플랜트의 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
초임계 작동유체를 이용하는 발전 시스템은 발전에 사용된 작동유체를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이룬다. 상기 작동유체로서 초임계 이산탄소를 사용하는 경우, 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 복합 발전 시스템에도 사용될 수 있다.
사이클 내의 작동유체는 펌프를 통과한 후, 열교환기 등을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 작동유체는 터빈을 구동시킨다. 상기 터빈에는 발전기가 연결되며, 발전기는 상기 터빈의 구동력을 이용하여 전기를 발생시킨다.
터빈을 통과한 이산화탄소는 작동유체냉각장치에 의하여 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 펌프로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 작동유체 발전 시스템이란 사이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명의 발전플랜트에서 사용되는 작동유체는 이산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 혼합물을 포함할 수 있으며, 발전플랜트 내부에서 상기 작동유체는 초임계상태로 이용될 수 있다. 또한 작동 유체는, 질소, 아르곤, 이산화탄소와 프로판, 또는 이산화탄소와 암모니아, 또는 다른 유사한 기체들의 조합일 수 있다.
도 1은 이산화탄소 발전플랜트에서 작동하는 작동유체의 압력-온도 선도(P-T 선도)이다.
도 1을 참조하면, 작동유체는 펌프에 의하여 고압의 액체로 변화되고, 열교환기에서 가열되어 초임계 상태의 작동유체로 변화된다. 열교환기에서 가열된 작동유체는 터빈을 통과하며 회전동력을 발생시키며, 회전동력을 발생시킨 후 온도 및 압력이 감소되면 기체상태로 변환된다.
상기 터빈을 통과한 작동유체는 작동유체냉각장치에서 냉각, 응축되어 액체 상태로 변환되는데, 상기 작동유체냉각장치가 냉열원으로 극저온 냉매(예를 들어, -150℃ 액화천연가스)를 사용하는 경우, 도 1의 냉각영역 "A"에서 작동유체의 온도가 -57℃ 이하로 낮아져 응고되어 고체로 되는 문제가 발생할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치(100)는, 작동유체공급라인(110), 제1,2열교환기(121) (122), 냉열유체공급라인(130), 제1냉각라인(131), 냉열유체배출라인(132), 제어부(170) 및 냉열유체재순환부(180)로 이루어진다.
상기 작동유체공급라인(110)은 내부로 작동유체가 이송되는 공간을 형성하는 관형태로 이루어지며, 상기 작동유체공급라인(110)은 제1열교환기(121)로 작동유체를 공급한다.
상기 제1열교환기(121)는, 상기 작동유체공급라인(110)과 연결되어, 상기 작동유체공급라인(110)을 통하여 이송된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시킨다. 상기 제1열교환기(121)의 내부에는 작동유체와 냉열유체의 유동공간이 각각 형성되어 있으며, 상기 작동유체와 냉열유체는 상기 제1열교환기의 내부에서 서로 열교환을 하여 상기 작동유체는 냉각되고, 상기 냉열유체는 온도가 상승하게 된다.
상기 제2열교환기(122)는 상기 제1열교환기(121)의 일측에 배치된다. 상기 제2열교환기(122)는 상기 제1열교환기(121)에서 배출된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 2차냉각시킨다.
상기 냉열유체공급라인(130)은, 상기 제2열교환기(122)와 연결되어, 상기 제2열교환기(122)로 냉열유체를 공급한다. 본 실시예에서는 냉열유체로서 액화천연가스가 사용된다. 냉열유체는 작동유체를 냉각시킬 수 있는 저온의 유체이면 액화천연가스 이외의 질소가스, 저온부동액 등 다른 물질도 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 냉열유체공급라인(130)에는 제1컨트롤밸브(140)가 설치되고, 상기 제2열교환기(122)의 작동유체 배출측에는 작동유체온도센서(150)가 설치된다. 상기 제1컨트롤밸브(140)는 상기 냉열유체공급라인(130)을 통하여 공급되는 냉열유체의 유량을 밸브의 개도를 조절하여 제어하고, 상기 작동유체온도센서(150)는 상기 제2열교환기(122)를 통하여 배출되는 작동유체의 온도를 측정한다.
상기 제어부(170)는, 상기 작동유체온도센서(150) 및 상기 제1컨트롤밸브(140)와 연결된다. 상기 제어부(170)는 상기 작동유체온도센서(150)의 측정치에 기초하여 상기 제1컨트롤밸브(140)의 개도를 조절하여 상기 냉열유체공급라인(130)으로 이송되는 냉열유체의 양을 조절한다. 예컨데, 상기 작동유체의 온도가 작동유체기준온도인 -40℃보다 높은 경우 상기 제어부(170)는 상기 제1컨트롤밸브(140)의 개도를 증가시켜 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체를 증가시킴으로써 상기 작동유체의 온도를 저감시킨다.
상기 제1열교환기(121)와 상기 제2열교환기(122)의 사이에는 냉열유체를 이송하는 제1냉각라인(131)이 형성된다. 상기 제1냉각라인(131)은 일단이 상기 제1열교환기(121)와 연결되고, 타단이 상기 제2열교환기(122)와 연결되어, 상기 제2열교환기(122)를 통과한 냉열유체를 상기 제1열교환기(121)로 이송시킨다.
그리고 상기 제1열교환기(121)의 일측에는 냉열유체배출라인(132)이 형성된다. 상기 냉열유체배출라인(132)은 관 형태로 이루어지며, 상기 제1열교환기(121)를 통과한 냉열유체를 배출시킨다.
상기 냉열유체배출라인(132)에는 제3열교환기(160)가 설치된다. 상기 제3열교환기(160)는 상기 제1열교환기(121)로부터 배출된 -10℃의 냉열유체(액화천연가스)를 해수와 열교환시켜 가열, 승온시킨다. 상기 제3열교환기(160)에서 가열, 승온된 냉열유체는 10℃의 온도로 외부로 이송된다. 본 실시예에서는 냉열유체를 해수와 열교환시켜 가열, 승온시키나, 공기와 같은 해수 이외의 다른 물질을 이용하여 냉열유체를 열교환시켜 가열, 승온시키는 것도 가능함은 물론이다.
상기 제3열교환기(160)의 배출 측 상기 냉열유체 배출라인(132)에는 상기 냉열유체배출라인(132)과 연결되어 상기 제3열교환기를 통과한 10℃의 냉열유체의 일부를 상기 냉열유체공급라인(130)으로 재순환시키는 냉열유체재순환부(180)가 형성된다.
상기 냉열유체재순환부(180)는, 재순환라인(181), 재순환밸브(182) 및 재순환펌프(183)로 이루어진다. 상기 재순환라인(181)은 내부에 냉열유체가 유동하는 공간이 형성된 관 형상으로 형성되며, 일단이 상기 냉열유체배출라인(132)과 연결되고 타단이 상기 냉열유체공급라인(130)과 연결된다. 상기 재순환라인(181)은 상기 냉열유체배출라인(132)을 통하여 이송되는 냉열유체의 일부를 상기 냉열유체공급라인(130)으로 재순환 시킨다.
상기 재순환밸브(182)는, 상기 재순환라인(181)에 설치되어 재순환라인(181)을 통하여 이송되는 냉열유체의 유량을 조절한다. 그리고 상기 재순환밸브(182)의 일측에는 재순환펌프(183)가 설치된다. 상기 재순환펌프(183)는 상기 재순환라인(181)에 설치되어 상기 냉열유체배출라인(132)으로부터 이송된 냉열유체 중 일부를 상기 냉열유체공급라인(130) 측으로 이송시킨다. 상기 재순환펌프(183)는 토출량을 조절함으로써 상기 냉열유체공급라인(130) 측으로 이송되는 냉열유체의 유량을 조절할 수 있다.
상기 제2열교환기(122) 일측의 냉열유체공급라인(130)에는 제1냉열유체온도센서(151)가 설치된다. 상기 제1냉열유체온도센서(151)는 상기 냉열유체공급라인(130)을 통하여 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 측정하여 제어부(170)로 송신한다.
상기 제어부(170)는 제1냉열유체온도센서(151), 재순환밸브(182) 및 재순환펌프(183)와 연결된다. 상기 제어부(170)는 상기 제1냉열유체온도센서(151)가 측정한 냉열유체의 온도에 기초하여 상기 재순환밸브(182) 또는 재순환펌프(183)를 제어하여 상기 재순환라인(181)을 통하여 상기 냉열유체공급라인(130)으로 이송되는 냉열유체의 유량을 조절함으로써, 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 적정온도로 제어한다. 작동유체가 이산화탄소인 경우 작동유체의 온도의 응고를 방지하기 위하여 냉열유체는 -57℃ 이상의 온도를 유지하여야 한다.
이를 위하여 본 실시예에서는 재순환라인(181)을 통하여 공급되는 10℃의 냉열유체와, 냉열유체공급라인(130)을 통하여 공급되는 -150℃의 냉열유체를 적정비율로 혼합하여 -57℃의 냉열유체가 상기 제2열교환기(122)로 공급될 수 있도록 한다.
이를 위하여, 상기 제어부(170)는, 상기 제1냉열유체온도센서(151)가 측정한 냉열유체의 온도가 기준온도 -57℃ 이하인 경우에는 상기 재순환밸브(182)의 개도를 증가시켜 상기 재순환라인(181)을 통하여 공급되는 10℃의 냉열유체의 유량을 증가시킴으로써 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 -57℃로 승온시킨다.
반대로, 상기 제1냉열유체온도센서(151)가 측정한 냉열유체의 온도가 기준온도 -57℃ 이상인 경우에는 상기 재순환밸브(182)의 개도를 감소시켜 상기 재순환라인(181)을 통하여 공급되는 10℃의 냉열유체의 유량을 감소시킴으로써 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 -57℃로 감온시킨다.
상기 제어부(170)는, 상기 재순환밸브(182)를 조절하는 것 이외에도, 상기 재순환펌프(183)의 토출량을 제어하여 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 조절할 수 있다. 상기 제어부(170)는, 상기 제1냉열유체온도센서(151)가 측정한 냉열유체의 온도가 기준온도 -57℃ 이하인 경우에는 상기 재순환펌프(183)의 토출량을 증가시켜 상기 재순환라인(181)을 통하여 공급되는 10℃의 냉열유체의 유량을 증가시킴으로써 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 -57℃로 승온시킨다. 반대로, 상기 제1냉열유체온도센서(151)가 측정한 냉열유체의 온도가 기준온도 -57℃ 이상인 경우에는 상기 재순환펌프(183)의 토출량을 감소시켜 상기 재순환라인(181)을 통하여 공급되는 10℃의 냉열유체의 유량을 감소시킴으로써 상기 제2열교환기(122)로 공급되는 냉열유체의 온도를 -57℃로 감온시킨다. 본 실시예에서는 냉열유체의 기준온도를 -57℃로 설명하였으나, 이는 하나의 예시이며, 기준온도는 작동유체, 냉열유체 및 운전조건에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치(200)는, 작동유체공급라인(210), 제1,2열교환기(221) (222), 냉열유체공급라인(230), 제1냉각라인(231), 냉열유체배출라인(232), 제어부(270) 및 냉열유체재순환부(280)로 이루어진다.
본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치(200)는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치의 냉열유체재순환부와 냉열유체배출라인과의 연결구조를 변형한 것이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 냉열유체재순환부와 냉열유체배출라인과 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 냉열유체재순환부(280)는, 재순환라인(281), 재순환밸브(282) 및 재순환펌프(283)로 이루어진다. 상기 재순환라인(281)은 내부에 냉열유체가 유동하는 공간이 형성된 관 형상으로 형성되며, 일단이 제3열교환기(260)와 상기 제1열교환기(221) 사이의 냉열유체배출라인(232)에 연결되고 타단이 상기 냉열유체공급라인(230)과 연결된다.
상기 냉열유체재순환부(280)는, 상기 제1열교환기(221)를 통과한 -10℃의 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인(230)으로 재순환시켜, 상기 냉열유체공급라인(230)을 통하여 이송되는 -150℃의 냉열유체와 혼합하여 -57℃의 냉열유체가 상기 제2열교환기(122)로 공급될 수 있도록 한다.
본 실시예에서는, 10℃의 냉열유체를 재순환시키는 본 발명의 제1실시예에 비하여 상기 제1열교환기(221)에서 배출되는 -10℃의 저온의 냉열유체를 재순환함으로써, 비교적 적은 량의 재순환 냉열유체로 상기 제2열교환기(222)로 공급되는 냉열유체의 온도를 제어할 수 있다는 장점을 가진다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)는, 작동유체공급라인(310), 제1,2열교환기(321) (322), 냉열유체공급라인(330), 제1냉각라인(331), 제2냉각라인(333), 냉열유체배출라인(332), 냉열유체재순환부(380) 및 제어부(370)로 이루어진다.
본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치에 제2냉각라인(333)을 추가하여, 냉각효율을 개선한 것이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 제2냉각라인(333)과 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 제2냉각라인(333)은, 일단이 상기 냉열유체공급라인(330)과 연결되고, 타단이 상기 제1냉각라인(331)과 연결되어, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급되는 냉열유체를 상기 제1냉각라인으로 공급한다. 본 실시예의 제2냉각라인은 상기 제1냉각라인을 통하여 상기 제1열교환기로 냉열유체를 공급하는 구조이나, 본 실시예의 제2냉각라인은 상기 제1열교환기(321)와 직접 연결되어 상기 제1열교환기(321)로 냉열유체를 공급할 수도 있다.
본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)는, 상기 냉열유체공급라인(330)을 통하여 공급되는 -150℃ 냉열유체의 일부를 상기 제2냉각라인(333)을 통하여 제1열교환기(321)로 공급한다.
그리고, 상기 작동유체냉각장치는, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급된 나머지 -150℃ 냉열유체를, 제3열교환기(360)를 통과한 후 냉열유체재순환부(380)에 의하여 재순환되는 10℃의 냉열유체와 혼합하여 -57℃의 온도로 감온 시킨 후 제2열교환기(322)로 공급한다.
이러한 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)는 -150℃의 냉열유체를 제1열교환기(321)로 직접 공급함으로써 작동유체의 냉각효율을 증가시키고, 이와 동시에 제2열교환기(322)에는 -57℃ 온도 냉열유체를 공급하여 응고를 방지할 수 있다는 장점을 가진다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치(400)는, 작동유체공급라인(410), 제1,2열교환기(421) (422), 냉열유체공급라인(430), 제1냉각라인(431), 냉열유체배출라인(432), 제어부(470) 및 냉열유체재순환부(480)로 이루어진다.
본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치(400)는, 상술한 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치의 냉열유체재순환부와 냉열유체배출라인과의 연결구조를 변형한 것이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 발전플랜트의 구성 중 상술한 제3실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제3실시예와 상이한 구성인 냉열유체재순환부와 냉열유체배출라인과 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 냉열유체재순환부는, 재순환라인(481), 재순환밸브(482) 및 재순환펌프(483)로 이루어진다. 상기 재순환라인(481)은 내부에 냉열유체가 유동하는 공간이 형성된 관 형상으로 형성되며, 일단이 제3열교환기(460)와 상기 제1열교환기(421) 사이의 냉열유체배출라인(432)에 연결되고 타단이 상기 냉열유체공급라인(430)과 연결된다.
상기 냉열유체재순환부(480)는, 상기 제1열교환기(421)를 통과한 -10℃의 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인(430)으로 재순환시켜 상기 냉열유체공급라인(430)을 통하여 이송되는 -150℃의 냉열유체와 혼합하여 -57℃로 감온시킨 후 상기 제2열교환기(422)로 공급하도록 한다.
본 실시예에서는, 10℃의 냉열유체를 재순환시키는 본 발명의 제3실시예에 비하여 상기 제1열교환기(421)에서 배출되는 -10℃의 저온의 냉열유체를 재순환시킴으로써, 재순환시키는 냉열유체의 유량을 적게 하고도 상기 제2열교환기(422)로 공급되는 냉열유체의 온도를 제어할 수 있다는 장점을 가진다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치를 도시한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치(500)는, 작동유체공급라인(510), 열교환유닛(520), 냉열유체공급라인(530), 냉열유체배출라인(532), 제어부(570) 및 냉열유체재순환부(580)로 이루어진다.
본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치(580)는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치의 제1,2열교환기의 구조를 변형한 것이다.
본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 열교환유닛(520)과 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치의 열교환유닛(520)은 작동유체공급라인(530)을 통하여 공급되는 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시킨다. 상기 열교환유닛(520)의 일측(도6의 상측)으로는 작동유체가 유입되며, 타측(도 6의 하측)으로는 열교환유닛(520)을 통과한 작동유체가 배출되며, 다른 한측(도 6의 좌측)으로는 냉열유체가 유입 및 유출되는 라인이 연결된다.
상기 열교환유닛(520)으로 유입되는 작동유체 및 냉열유체는 서로 열교환되어, 작동유체는 냉각되고, 냉열유체는 가열된다.
본 발명의 제5실시예는, 한 개의 열교환유닛(520)을 이용하여 작동유체를 냉각시키는 구조로, 냉열유체재순환부(580)를 이용하여 상기 냉열유체배출라인(532)의 작동유체를 냉열유체공급라인(530)으로 재순환시켜 상기 열교환유닛으로 공급되는 냉열유체의 온도를 -57℃로 조절함으로써 작동유체가 열교환유닛에서 응고되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용하는 발전플랜트의 개요도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용하는 발전플랜트는, 펌프(1100), 열교환장치(1200), 터빈장치(1300), 작동유체냉각장치(100) 및 복열기(1400)으로 이루어진다.
상기 펌프(1100)는 작동유체를 압축시켜 상기 열교환장치(1200)로 공급한다. 상기 열교환장치(1200)는 상기 펌프(110)로부터 공급된 작동유체와 외부열원과 열교환시켜 상기 작동유체를 가열한다. 상기 외부열원은 고온의 배기가스와 같이 폐열을 갖는 기체가 사용될 수 있다.
상기 터빈장치(1300)는, 상기 열교환장치(1200)를 통과하여 공급되는 작동유체를 이용하여 회전동력을 발생시키고, 발전기(1310)는 상기 터빈장치의 회전동력을 이용하여 전기를 생성한다.
상기 터빈장치를 통과한 작동유체는 작동유체회수라인을 통하여 작동유체냉각장치(100)로 이송된다.
상기 작동유체회수라인에는 복열기(1400)가 설치된다. 상기 복열기는 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체와 상기 터빈에서 배출된 작동유체를 서로 열교환시켜 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열함과 동시에, 상기 터빈으로부터 배출된 작동유체를 냉각시킨다.
상기 작동유체냉각장치(100)는 상기 복열기(1400)의 후측에 배치되며, 상기 터빈장치(1300)에서 배출된 후 상기 복열기(1400)를 통과한 작동유체를 냉각하여 응축시킨다.
본 실시예에서, 상기 작동유체냉각장치는 상술한 제1실시예의 작동유체냉각장치(100)로 설명되었으나, 제2 내지 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치(200)(300)(400)(500) 중 어느 하나가 이용될 수 있음은 물론이다.
상기 작동유체냉각장치(100)에서 냉각, 응축된 작동유체는 상기 펌프(1100)로 다시 이송되며, 상기 펌프(1100)는 이송된 작동유체를 가압하여 열교환장치(1200)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.
100 : 작동유체냉각장치 110 : 작동유체 공급라인
120 : 열교환유닛 130 : 냉열유체 공급라인
131 : 제1냉각라인 132 : 냉열유체 배출라인
140 : 제1컨트롤밸브 150 : 작동유체온도센서
151 : 제1냉열유체온도센서 160: 제3열교환기
170 : 제어부 180 : 냉열유체재순환부

Claims (25)

  1. 작동유체를 이송, 공급하는 작동유체공급라인;
    상기 작동유체공급라인을 통하여 공급된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시키는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기의 일측에 배치되며, 상기 제1열교환기를 통과한 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 2차 냉각시키는 제2열교환기;
    상기 제2열교환기로 냉열유체를 공급하는 냉열유체공급라인;
    일단이 상기 제1열교환기와 연결되고, 타단이 상기 제2열교환기와 연결되어, 상기 제2열교환기를 통과한 냉열유체를 상기 제1열교환기로 공급하는 제1냉각라인;
    상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 배출시키는 냉열유체배출라인; 및
    상기 냉열유체배출라인으로 이송되는 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시켜 상기 제2열교환기로 공급되는 냉열유체의 온도를 상기 작동유체의 응고점보다 높게 형성시키는 냉열유체재순환부를 포함하고,
    상기 냉열유체재순환부는, 일단이 상기 냉열유체배출라인과 연결되고 타단은 상기 냉열유체공급라인과 연결되는 재순환라인과, 상기 재순환라인에 설치되어 상기 재순환라인을 통하여 이송되는 냉열유체의 유량을 조절하는 재순환밸브와, 상기 재순환라인에 설치되어 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인 측으로 이송시키는 재순환펌프와, 상기 냉열유체공급라인에 설치되어 상기 냉열유체공급라인을 통하여 상기 제2열교환기로 공급되는 냉열유체의 온도를 측정하는 제1냉열유체온도센서와, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치에 기초하여 상기 재순환밸브를 제어함으로써 상기 제2열교환기로 공급되는 냉열유체의 온도를 상기 작동유체의 응고점보다 높게 형성시키는 제어부를 포함하는 작동유체냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉열유체공급라인에 설치되어, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 유동하는 냉열유체의 유량을 제어하는 제1컨트롤밸브 및
    상기 제2열교환기의 일측에 설치되어, 상기 제2열교환기로부터 배출되는 작동유체의 온도를 측정하는 작동유체온도센서를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 작동유체온도센서의 측정치에 기초하여 상기 제1컨트롤밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이상인 경우에는 상기 재순환밸브의 개도를 감소시키는 작동유체냉각장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이하인 경우에는 상기 재순환밸브의 개도를 증가시키는 작동유체냉각장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1냉열유체온도센서의 측정치에 기초하여 상기 재순환펌프를 제어하는 제어부를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이상인 경우에는 상기 재순환펌프의 토출량을 감소시키는 작동유체냉각장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치가 기준온도 이하인 경우에는 상기 재순환펌프의 토출량을 증가시키는 작동유체냉각장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열교환기의 일측의 냉열유체배출라인에 설치되어, 상기 제1열교환기로부터 배출된 냉열유체를 가열하여 승온시키는 제3열교환기를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제3열교환기는 해수 또는 공기를 이용하여 상기 냉열유체를 가열, 승온시키는 것을 특징으로 하는 작동유체냉각장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉열유체재순환부는, 상기 제3열교환기와 상기 제1열교환기 사이의 냉열유체배출라인에 연결되는 작동유체냉각장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉열유체재순환부는, 상기 제3열교환기를 통과한 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시키는 작동유체냉각장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    일단이 상기 냉열유체공급라인과 연결되고, 타단이 상기 제1열교환기와 연결되어, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급되는 냉열유체를 상기 제1열교환기로 공급하는 제2냉각라인을 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    일단이 상기 냉열유체공급라인과 연결되고, 타단이 상기 제1냉각라인과 연결되어, 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급되는 냉열유체를 상기 제1냉각라인으로 공급하는 제2냉각라인을 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제1열교환기의 일측의 냉열유체배출라인에 설치되어, 상기 제1열교환기로부터 배출된 냉열유체를 가열하여 승온시키는 제3열교환기를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 냉열유체재순환부는, 상기 제3열교환기와 상기 제1열교환기 사이의 냉열유체배출라인에 연결되는 작동유체냉각장치.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 냉열유체재순환부는, 상기 제3열교환기를 통과한 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시키는 작동유체냉각장치.
  21. 작동유체를 이송, 공급하는 작동유체공급라인;
    상기 작동유체공급라인을 통하여 공급된 작동유체를 냉열유체와 열교환시켜 냉각시키는 열교환유닛;
    상기 열교환유닛으로 냉열유체를 공급하는 냉열유체공급라인;
    상기 열교환유닛을 통과한 냉열유체를 배출시키는 냉열유체배출라인;
    상기 냉열유체배출라인으로 이송되는 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인으로 재순환시켜 상기 열교환유닛으로 공급되는 냉열유체의 온도를 상기 작동유체의 응고점보다 높게 형성시키는 냉열유체재순환부를 포함하고,
    상기 냉열유체재순환부는, 일단이 상기 냉열유체배출라인과 연결되고 타단은 상기 냉열유체공급라인과 연결되는 재순환라인과, 상기 재순환라인에 설치되어 상기 재순환라인을 통하여 이송되는 냉열유체의 유량을 조절하는 재순환밸브와, 상기 재순환라인에 설치되어 냉열유체를 상기 냉열유체공급라인 측으로 이송시키는 재순환펌프와, 상기 냉열유체공급라인에 설치되어 상기 냉열유체공급라인을 통하여 상기 열교환유닛으로 공급되는 냉열유체의 온도를 측정하는 제1냉열유체온도센서와, 상기 제1냉열유체온도센서의 측정치에 기초하여 상기 재순환밸브를 제어함으로써 상기 열교환유닛으로 공급되는 냉열유체의 온도를 상기 작동유체의 응고점보다 높게 형성시키는 하는 제어부를 포함하는 작동유체냉각장치.
  22. 삭제
  23. 청구항 1 내지 3, 7 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동유체는 이산화탄소, 질소, 아르곤 중 어느 하나인 작동유체냉각장치.
  24. 청구항 1 내지 3, 7 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉열유체는 액화천연가스(LNG)인 작동유체냉각장치.
  25. 작동유체를 압축시키는 펌프;
    상기 펌프로부터 공급된 작동유체를 외부 열원과 열교환시켜 가열시키는 열교환장치;
    상기 열교환장치를 통하여 가열된 작동유체를 이용하여 회전력을 발생시키고 이를 이용하여 전기를 생성하는 터빈장치; 및
    상기 터빈장치로부터 배출된 작동유체를 냉각시킨 후 상기 펌프로 공급하는 작동유체냉각장치를 포함하고,
    상기 작동유체냉각장치는 청구항 1 내지 3, 7 내지 청구항 21 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발전플랜트.
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