KR101995114B1 - 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재압축 펌프를 구비하여 저온 부식에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 재압축 펌프를 이용해 컨덴서로 버려지는 열을 펌프 후단의 저온 작동 유체와 혼합함으로써 작동 유체의 온도를 폐열 기체의 이슬점 온도 이상으로 가열해 외부 열교환기로 공급할 수 있다. 따라서 저온측 외부 열교환기의 저온 부식 현상을 저감해 외부 열교환기의 수명을 증가시키고, 외부 열교환기 및 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재압축 펌프를 구비하여 저온 부식에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 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 있다. 그러한 노력의 하나로 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 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.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 국가별 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.
그러나 기존의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 일정 규모 이상으로 대용량화하기가 어려워 필요 전력량의 일부만을 공급할 수 있는 한계가 있다. 또한, 석탄화력 발전의 경우 전력 생산 효율은 증가시키면서도 공해물질의 배출량은 줄여야하는 과제가 있다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템의 효율을 증가시키기 위해 미국특허공개 2014-0102098호에 개시된 바와 같이, 화력 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같은 폐열을 회수할 수 있는 외부 열교환기를 구비해 작동 유체에 열을 추가로 공급하는 방법을 사용할 수 있다.
일반적으로 폐열 기체와 열교환을 할 경우, 외부 열교환기의 저온측 작동 유체의 온도가 폐열 기체에 포함된 황산의 이슬점보다 낮으면 고온측(폐열 가스가 유입되는 쪽)에서 수분이 응축될 수 있다. 응축된 물방울이 외부 열교환기의 금속 튜브에 부착 및 축적되면 부식의 원인이 된다. 이러한 부식 현상을 저온 부식(Cold-End Corrosion)이라고 한다.
저온 부식 현상은 외부 열교환기의 수명을 단축시켜 신뢰성을 저하시킴과 동시에 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 신뢰성 저하의 원인이 되므로 이를 해결할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 재압축 펌프를 구비하여 저온 부식에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있는 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축시키는 펌프와, 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 펌프로 공급하는 컨덴서를 포함하며, 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체의 일부는 상기 열교환기 중 저온측 열교환기로 분기되고, 상기 컨덴서의 유입단으로부터 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 저온측 열교환기의 유입단으로 공급되고 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 저온측 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 컨덴서의 유입단과 상기 저온측 열교환기의 유입단 사이에 설치되어 상기 컨덴서의 유입단으로부터 분기된 상기 작동 유체를 재압축하는 재압축 펌프를 더 포함한다.
상기 열교환기는 폐열 기체를 열원으로 사용하며, 상기 외부 열원으로부터 상기 폐열 기체가 유입되는 입구단에 인접한 고온측 열교환기와, 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단에 가까운 상기 저온측 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 온도는 상기 저온측 열교환기로 상기 폐열 기체가 공급되는 상기 폐열 기체의 이슬점 온도 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 재압축 펌프의 배출단에는 상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 컨트롤 밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 재압축 펌프에는 상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 모터 VFD가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온측 열교환기의 입구단에 설치되어 상기 작동 유체의 온도를 측정하는 복수의 온도 전송 지시계(Temperature Transmitter Indicator)를 더 포함한다.
상기 온도 전송 지시계와 연결되어 상기 온도 전송 지시계에서 측정된 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브 또는 상기 모터 VFD를 제어하는 제어기를 더 포함한다.
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 작동 유체를 압축시키는 펌프와, 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 작동 유체를 가열하는 고온 또는 중온측 열교환기 및 저온측 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동되며, 상기 펌프 및 발전기를 각각 구동시키는 복수의 터빈과, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 펌프로 공급하는 컨덴서와, 상기 컨덴서의 유입단에 연결되어 상기 컨덴서로 공급되는 상기 작동 유체의 일부를 재압축하는 재압축 펌프를 포함하며, 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체의 일부는 상기 저온측 열교환기로 분기되고, 상기 재압축 펌프를 거친 상기 작동 유체가 상기 펌프로부터 분기된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 저온측 열교환기로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 폐열 기체를 열원으로 사용하며, 상기 고온측 열교환기는 상기 외부 열원으로부터 상기 폐열 기체가 유입되는 입구단에 인접하고, 상기 저온측 열교환기는 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단에 가까운 상기 저온측 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 온도는 상기 저온측 열교환기로 상기 폐열 기체가 공급되는 상기 폐열 기체의 이슬점 온도 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하도록 상기 재압축 펌프의 배출단에 설치되는 컨트롤 밸브 또는 상기 재압축 펌프에 설치되는 모터 VFD를 더 포함한다.
상기 저온측 열교환기의 입구단에 설치되어 상기 작동 유체의 온도를 측정하는 복수의 온도 전송 지시계(Temperature Transmitter Indicator)를 더 포함한다.
상기 온도 전송 지시계와 연결되어 상기 온도 전송 지시계에서 측정된 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브 또는 상기 모터 VFD를 제어하는 제어기를 더 포함한다.
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키고, 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키고, 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 재압축 펌프를 이용해 컨덴서로 버려지는 열을 펌프 후단의 저온 작동 유체와 혼합함으로써 작동 유체의 온도를 폐열 기체의 이슬점 온도 이상으로 가열해 외부 열교환기로 공급할 수 있다. 따라서 저온측 외부 열교환기의 저온 부식 현상을 저감해 외부 열교환기의 수명을 증가시키고, 외부 열교환기 및 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 도 1 내지 3의 재압축 펌프 측 세부 구성을 도시한 모식도,
도 5는 도 1 내지 3의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 외기 온도와 재압축 펌프의 작동 유체 유량의 관계를 도시한 그래프,
도 6은 도 1 내지 3의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 외부 열교환기의 입구 온도와 재압축 펌프의 작동 유체 유량의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 도 1 내지 3의 재압축 펌프 측 세부 구성을 도시한 모식도,
도 5는 도 1 내지 3의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 외기 온도와 재압축 펌프의 작동 유체 유량의 관계를 도시한 그래프,
도 6은 도 1 내지 3의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 외부 열교환기의 입구 온도와 재압축 펌프의 작동 유체 유량의 관계를 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐 사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 초임계 상태의 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다.
사이클 내의 초임계 이산화탄소(이하 작동 유체)는 펌프를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 작동 유체가 되어 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기 또는 펌프가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 펌프에 연결된 터빈을 이용해 펌프를 구동한다. 터빈을 통과한 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 펌프로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 사이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명에서 저온 및 고온이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다. 저압 및 고압이라는 용어 역시 상대적인 의미로 이해되어야 한다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(숫자를 붙인 각 라인을 의미함)에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다. 작동 유체의 흐름은 이송관의 번호를 기재하여 설명하기로 한다.
이하에서 설명하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 다양한 시스템 구성의 일 예일뿐, 기재된 구성에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체의 압축 및 순환을 위한 압축기 또는 펌프(100), 작동 유체를 가열하기 위한 리큐퍼레이터(200), 외부 열원인 폐열 기체로부터 폐열을 회수해 작동 유체를 추가로 가열하는 복수의 외부 열교환기(300)와, 작동 유체에 의해 구동되어 전력을 생산하는 복수의 터빈(400), 작동 유체의 냉각을 위한 컨덴서(500)로 구성될 수 있다.
펌프(100)는 후술할 제2 터빈(430)에 의해 구동되며(도 1의 점선 참조), 작동 유체를 압축한다. 펌프(100)를 거친 작동 유체는(1) 리큐퍼레이터(200) 및 외부 열교환기(300) 중 저온측 열교환기로 각각 분기된다(8, 2B)).
리큐퍼레이터(200)는 터빈(400)을 거친 작동 유체를(6) 펌프(100)를 거친 작동 유체와(1) 열교환하며, 터빈(400)을 거친 작동 유체를 1차로 냉각시켜 컨덴서(500)로 보내고, 펌프(100)를 거친 작동 유체는 가열해 외부 열교환기(300) 중 고온측 열교환기로 보낸다(2A).
외부 열교환기(300)는 필요에 따라 복수 개로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서는 2개의 열교환기가 구비되는 것을 예로 하여 설명한다. 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용한다. 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 폐열 기체와 작동 유체를 열교환하여 폐열 기체로부터 공급된 열로 작동 유체를 가열하는 역할을 한다.
또한, 제1 및 제2 열교환기(310, 330)는 폐열 기체의 온도에 따라 상대적으로 저온, 중온, 고온 등으로 구분할 수 있다. 즉, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽에 가까울수록 고온에서의 열교환이 가능하고, 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽에 가까울수록 저온에서의 열교환이 된다.
본 실시 예에서 제1 열교환기(310)는 제2 열교환기(330)에 비해 상대적으로 고온 또는 중온의 폐열 기체를 사용하는 열교환기이고, 제2 열교환기(330)는 상대적으로 중온 또는 저온인 폐열 기체를 사용하는 열교환기일 수 있다. 즉, 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330)가 순차적으로 배치된 것을 예로 하여 설명하기로 한다.
터빈(400)은 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)으로 구성되며, 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 제1 터빈(410)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 제2 터빈(430)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다. 따라서 제1 터빈(410)이 제2 터빈(430)에 비해 상대적으로 고압인 터빈일 수 있다.
제1 열교환기(310)를 거쳐 가열된 작동 유체는 제1 터빈(410)과 제2 터빈(430)으로 각각 분기되며(4A, 4B), 제1 터빈(410)과 제2 터빈(430)을 거친 작동 유체는 제2 터빈(430)의 후단에서 혼합되어 리큐퍼레이터(200)로 공급된다(6).
컨덴서(500)는 공기 또는 냉각수를 냉매로 사용해 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체를 냉각하는 쿨러 역할을 한다. 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체는 컨덴서(500)로 공급되어 냉각된 뒤, 다시 펌프(100)로 순환된다(9).
한편, 컨덴서(500)의 유입단과 제2 열교환기(330)의 유입단의 사이에는 재압축 펌프(600)가 구비된다. 재압축 펌프(600)는 컨덴서(500)의 전단에서 작동 유체가 분기되어 유입되며(7C), 재압축된 뒤 제2 열교환기(330)의 유입단으로 공급된다(7D).
일반적인 연소계에서 연소 가스의 온도 변화에 따라 물리적, 화학적 변화가 일어난다. 이 중에서도 중요한 것은 수증기와 삼산화황(Sulfur trioxide)이 반응하여 황산(Sulfuric Acid)이 생성되는 것이다. 즉, 연소 가스의 온도가 조금씩 내려감에 따라 기체 상태의 황산이 발생하는데, 황산 증기의 온도보다 더 낮은 온도 표면에 접촉하면 황산 증기가 액체상태의 황산으로 응축된다.
일반적으로 이슬점 부식은 황이나 황화합물을 함유한 연료의 연소와 밀접한 관계가 있는데, 연료 중 황이 산화되어 이산화황(Sulfur Dioxide)이 형성되기 때문이다. 황산화물의 1 ~ 3 %는 보일러의 화염 속 산소 원자와 직접 반응하여 삼산화황을 발생시킨다. 또한, 촉매 역할을 하는 산화 제1철(Ferrous Oxide), 바나듐(Vanadium Pentaoxide)이 존재하면 산화반응이 일어나 삼산화황이 생성된다. 이 때 온도가 이슬점(Dew Point) 이하로 떨어지면 황산이 생성되어 금속과 반응하여 부식이 일어나게 된다.
부식이 일어나는데 중요한 것은 연소 가스의 온도가 아닌 금속의 표면 온도이다. 이는 연소 가스의 온도가 이슬점 이상이더라도, 부식은 금속 표면의 온도가 이슬점 보다 낮은 곳에서 일어나기 때문이다.따라서 금속으로 이루어진 열교환기의 튜브 표면 온도를 이슬점 온도 이상으로 상승시킬 필요가 있다. 이러한 저온 부식 문제는 특히 저온의 폐열 기체와 열교환하는 저온측 열교환기에서 자주 발생하므로, 본 발명에서는 저온측 열교환기로 공급되는 작동 유체의 온도를 조절하는 방법을 제안하는 것이다.
저온측 열교환기의 저온 부식 방지를 위해 전술한 실시 예에서와 같이 재압축 펌프(600)를 구비함으로써 컨덴서(500)로 버려지는 작동 유체의 열을 일부 회수하게 된다. 또한, 재압축 펌프(600)에서 작동 유체를 압축하여 다시 한번 가열해 제2 열교환기(330)로 공급하므로, 작동 유체는 폐열 기체의 이슬점 온도 이상으로 가열되어 공급된다. 통상 리큐퍼레이터(200)에서 컨덴서(500)로 배출되는 작동 유체의 온도는 섭씨 0도~50도 범위이며, 재압축 펌프(600)를 거친 작동 유체는 섭씨 50~60도 범위이다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(단, 전술한 실시 예와 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도, 도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도, 도 4는 도 1 내지 3의 재압축 펌프 측 세부 구성을 도시한 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 도 1의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 사이클에 외부 열교환기 및 리큐퍼레이터를 추가해 구성될 수 있다.
즉, 고온의 폐열 기체로부터 폐열을 회수하는 제1 열교환기(310a)와, 중온의 폐열 기체로부터 폐열을 회수하는 제2 열교환기(330a)와, 저온의 폐열 기체로부터 폐열을 회수하는 제3 열교환기(350a)가 순차적으로 배치될 수 있다.
또한, 직렬 배치되어 제1 터빈(410a) 및 제2 터빈(430a)을 통과한 작동 유체는 냉각시키고 펌프(100a)를 통과한 작동 유체는 가열하는 제1 리큐퍼레이터(210a) 및 제2 리큐퍼레이터(230a)가 구비될 수 있다. 제1 리큐퍼레이터(210a)는 제1 터빈(410a) 및 제2 터빈(430a)을 통과한 작동 유체가 바로 유입되므로 제2 리큐퍼레이터(230a)에 비해 상대적으로 고온의 작동 유체와 열교환하게 된다. 따라서 제1 리큐퍼레이터(210a)는 고온측, 제2 리큐퍼레이터(230a)는 저온측 리큐퍼레이터가 된다.
제2 실시 예에 따른 발전 사이클의 작동 유체 흐름을 간단히 설명하면 다음과 같다.
펌프(100a)를 통과하면서 압축된 저온의 작동 유체는 펌프(100a)의 후단에서 분기되어 제2 리큐퍼레이터(230a)와 제3 열교환기(350a)로 각각 공급된다(10, 1).
펌프(100a)를 통과한 작동 유체 중 제3 열교환기(350a)로 공급된 작동 유체는(1) 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열된 뒤 제1 리큐퍼레이터(210a)로 공급된다(2).
펌프(100a)를 통과한 작동 유체 중 제2 리큐퍼레이터(230a)로 보내진 작동 유체는(10) 제1 리큐퍼레이터(210a)를 거친 작동 유체와 열교환해 1차로 가열된 뒤 제2 열교환기(330a)로 이송된다(11). 터빈(400a)을 거친 작동 유체가 제1 리큐퍼레이터(210a) 바로 유입되므로 제2 리큐퍼레이터(230a)로 공급되는 작동 유체보다 높은 온도의 작동 유체와 열교환한다.
제2 리큐퍼레이터(230a)에서 1차로 가열된 뒤 제2 열교환기(330a)로 보내진 작동 유체는(11) 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열된 후 제2 터빈(430a)으로 공급된다(12). 제1 리큐퍼레이터(210a)를 거친 작동 유체는 제1 열교환기(310a)로 보내져(3) 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열된 후 제1 터빈(410a)으로 공급된다(4).
제1 터빈(410a) 및 제2 터빈(430a)을 거친 작동 유체는(5, 13) 제2 터빈(430a)의 후단에서 혼합되어 제1 리큐퍼레이터(210a)로 공급되며, 제1 열교환기(310a)를 거친 작동 유체와 열교환해 1차로 냉각된다. 냉각된 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230a)로 보내져(6, 7) 재냉각된 후 컨덴서(500a)로 공급된다(8).
컨덴서(500a)의 유입단에서 작동 유체의 일부가 분기되어 재압축 펌프(600)로 공급되며(8A), 재압축 펌프(600)에서 압축된 작동 유체는 열교환기의 튜브 표면 온도를 이슬점 온도 이상인 섭씨 50~60도로 가열되어 제3 열교환기(350a)로 공급된다(8B).
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 상대적으로 고온의 폐열 기체로부터 폐열을 회수하는 제1 열교환기(310b)와, 중온 또는 저온의 폐열 기체로부터 폐열을 회수하는 제2 열교환기(330b)가 직렬 배치될 수 있다.
리큐퍼레이터(200b)는 제1 리큐퍼레이터(210b) 및 제2 리큐퍼레이터(230b)가 직렬 설치될 수 있다.
터빈(400b)은 제1 열교환기(310b)를 거쳐 가열된 작동 유체를 공급받는 제1 터빈(410b)과, 제1 리큐퍼레이터(210b)로부터 복열된 작동 유체를 공급받는 제2 터빈(420b)으로 구성될 수 있다. 이때 제1 터빈(410b)은 발전기(450b)를 구동시키고, 제2 터빈(430b)은 펌프(100b)를 구동시키도록 구성될 수 있다.
제3 실시 예에 따른 발전 사이클의 작동 유체 흐름을 간단히 설명하면 다음과 같다.
펌프(100b)를 통과한 작동 유체는(1) 펌프(100b)의 후단에서 분기되어 제2 리큐퍼레이터(230b) 및 제2 열교환기(330b)로 각각 공급된다(2A, 2B). 제2 리큐퍼레이터(230b)를 거쳐 1차로 가열된 작동 유체는(2A) 제2 열교환기(330b)를 거친 작동 유체와 혼합되어(3) 일부는 제1 열교환기(310b)로 공급되고(4A), 일부는 제1 리큐퍼레이터(210b)로 공급된다(4B).
제1 열교환기(310b)로 공급된 작동 유체는 재가열되어 제1 터빈(410b)으로 공급되고(5A), 제1 터빈(410b)을 구동시킨 후 제1 리큐퍼레이터(210b)로 보내진다(6A). 제2 열교환기(330b)를 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210b)로 분기된 작동 유체는(4B) 제1 터빈(410b)을 거친 작동 유체와 열교환해 다시 가열된 뒤 제2 터빈(430b)으로 공급된다(5B). 제2 터빈(430b)을 거친 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210b)의 후단으로 공급된다(6B).
제1 터빈(410b) 및 제1 리큐퍼레이터(210b)를 거쳐 1차로 냉각된 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230b)로 보내져(7A) 펌프(100b)를 거친 작동 유체와 열교환해 냉각된다. 냉각된 작동 유체는 컨덴서(500b)로 보내져(8A) 냉각된 후 다시 펌프(100b)로 순환된다(9).
컨덴서(500b)의 유입단에서 작동 유체의 일부가 분기되어 재압축 펌프(600)로 공급되며(8B), 재압축 펌프(600)에서 압축된 작동 유체는 열교환기의 튜브 표면 온도를 이슬점 온도 이상인 섭씨 50~60도로 가열되어 제2 열교환기(330b)로 공급된다(8C).
전술한 구성을 갖는 본 발명의 실시 예들에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 외부 열교환기로 유입되는 작동 유체의 온도가 이슬점 온도보다 높게 유지되도록 보조적인 가열 수단 역할을 하는 재압축 펌프의 유량 조절 방법을 설명하기로 한다(편의상 도 1의 참조부호를 기준으로 설명하기로 하나, 도 4의 세부 구성은 전술한 실시 예들에 공통적으로 적용되는 구성임).
컨덴서(500)의 전단에서 분기되는 작동 유체의 유량은 외부 열교환기로 유입되는 작동 유체의 설정 온도(예를 들어, 섭씨 55도)가 유지되도록 제어되며, 컨트롤 밸브에 의해 조절될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 재압축 펌프(600)의 배출단에는 컨트롤 밸브(700)가 구비될 수 있다. 또한, 외부 열교환기인 제2 열교환기(330)로 작동 유체가 유입되는 부분에 복수의 온도 전송 지시계(Temperature Transmitter Indicator, 710)가 설치되어 제2 열교환기(330)로 공급되는 작동 유체의 온도를 측정할 수 있다.
온도 전송 지시계(710)는 통합 온도 제어기(TICA, temperature indicator, controller and alarm, 730)에 연결되며, 온도 전송 지시계(710)에서 측정된 온도값은 통합 온도 제어기(730)로 로 전송된다. 통합 온도 제어기(730)에는 보조 제어기(750, Interlock)가 연결되고, 재순환 펌프(600)에는 펌프 구동을 위한 모터의 동력을 제어하는 동력 제어기(VFD, variable frequency driver, 770)가 구비된다.
통합 온도 제어기(730)는 온도 관련 표시 및 제어, 알람의 기능을 하는 제어 장치이고, 보조 제어기(750)는 온도 뿐만 아니라, 압력 등을 보상적으로 확인해 운전을 제어하는 장치이다. 동력 제어기(770)는 낮은 압력 또는 적은 유량으로 시스템 운전이 가능한 경우, 모터의 회전수를 조절해 모터 동력을 줄여주는 장치이다.
제2 열교환기(330)의 입구단 온도를 측정하는 복수의 온도 전송 지시계(710)를 통해 제2 열교환기(330)의 입구단 온도를 기준으로 메인 제어가 이루어진다. 또한, 보조적으로 재순환 펌프(600)의 후단 온도와 펌프(100) 후단의 압력을 측정할 수 있다. 이를 위해, 펌프(100) 후단에는 압력 전송 지시계(PIT, pressure indicator and transmitter, 790)가 설치될 수 있다. 보조 제어기(750)가 온도 및 압력값을 기준으로 제어 운전이 가능하므로, 펌프(100)의 압력과 동등한 수준의 압력을 재순환 펌프(600)가 생성할 수 있도록 보조적인 수단으로 활용하기 위해 펌프(100) 후단의 압력을 측정한다.
따라서 온도 전송 지시계(710)의 신호를 받는 통합 온도 제어기(730)의 제어 신호와 압력 전송 지시계(790)의 측정 신호는 보조 제어기(750)로 전송된다. 보조 제어기(750)에 의해 컨트롤 밸브(700)의 개도 및 동력 제어기(770)의 동력이 제어된다.
예를 들어, 압력 제어의 경우, 펌프(100)에서 토출되는 작동 유체의 압력과 동력 제어기(770)에서 토출되는 작동 유체의 압력 차이가 클 경우 동력 제어기(770)의 동력이 낭비될 수 있다. 이를 방지하기 위해 특정 압력 차이 이상으로 압력 차가 발생하는 경우 동력 제어기(770)의 동력을 감소시키거나, 컨트롤 밸브(700)의 개도를 열어주는 보조적인 제어가 가능하다.
온도 제어의 경우, 미리 보조 제어기(750)에 열역학적인 함수를 내장하여, 온도 전송 지시계(710)를 통해 복수 개소의 온도를 측정한 후 작동 유체의 유량을 추정할 수 있다. 그 후 열역학적인 계산 결과를 바탕으로 동력 제어기(770) 및 컨트롤 밸브(700)의 개도를 피드 포워드(feed forward) 방식으로 제어할 수 있다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 리큐퍼레이터(200)에서 컨덴서(500)로 보내지는 작동 유체의 온도가 대략 섭씨 0도 내지 100도의 범위이고, 펌프(100)를 거친 작동 유체의 온도가 대략 섭씨 0도 내지 50도의 범위이므로 컨덴서(500)로 버려지는 열이 발생하게 된다.
따라서 전술한 실시 예들에서와 같이 재압축 펌프(600)를 이용해 컨덴서(500)로 버려지는 열을 펌프(100) 후단에서 나오는 차가운 작동 유체와(2B) 혼합해 제2 열교환기(330)로 공급되는 작동 유체의 온도를 높이는데 사용할 수 있다. 이를 통해 외부 열교환기의 폐가스 이슬점보다 높은 온도의 작동 유체를 공급할 수 있다.
외기 온도에 따라 펌프(100) 후단의 온도가 달라지므로, 재압축 펌프(600) 후단의 작동 유체 유량은 전술한 바와 같이 컨트롤 밸브(700)의 개도 제어를 통해 제어된다.
외기 온도와 작동 유체의 유량간의 관계를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 도 1 내지 3의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 외기 온도와 재압축 펌프의 작동 유체 유량의 관계를 도시한 그래프, 도 6은 도 1 내지 3의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 외부 열교환기의 입구 온도와 재압축 펌프의 작동 유체 유량의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 외기 온도에 따른 제2 열교환기(330)의 입구 유량 대비 재압축 펌프(600)로 보내야 하는 유량의 비율은 외기 온도에 따라 큰 차이를 나타낸다.
외기 온도가 낮을 경우, 펌프(100) 후단의 온도가 낮기 때문에 재압축 펌프(600)로 보내줘야 하는 유량이 증가되어야 한다. 반대로 외기 온도가 높을 경우, 펌프(100) 후단의 온도가 높기 때문에 재압축 펌프(600)로 보내줘야 하는 유량기 감소하거나 점차 줄어들어 0이 될 수 있다.
컨덴서(500)의 외기 온도 또는 냉각수의 온도가 섭씨 30도 내지 45도 이상에서는 펌프(100) 후단의 온도가 섭씨 55도 이상이 되기 때문에 별도의 재압축 유량을 필요로하지 않는다. 그러나 외기 온도 또는 냉각수의 온도가 낮아짐에 따라 저 많은 재압축 유량을 필요로한다.
재압축 펌프(600)로의 유량은 모터 VFD(770)로 재압축 펌프(600)의 스피드를 조절함으로써 조절이 가능하다. 그러나 펌프(100)에 모터 VFD를 구비하지 않는 경우 펌프(100)는 고정 속도로 운전되며, 이때에는 컨트롤 밸브(700)의 개도로 유량 조절이 가능하다. 모터 VFD(770)의 소모 동력을 최소화하기 위해 재압축 펌프(600)의 유량 조절을 기본으로 하고, 컨트롤 밸브(700)의 차압을 측정해 보상적인 운전을 수행할 수도 있다.
도 6을 예로 하여 전술한 재압축 유량 제어를 간단히 설명하면 다음과 같다.
제2 열교환기(330)의 입구측 온도를 온도 센서로 측정해 측정된 온도가 설정값 보다 낮을 경우, 재압축 펌프(600)로 보내는 유량을 증가시키도록 제어할 수 있다.
반대로 측정된 온도가 설정값 보다 높을 경우, 재압축 펌프(600)로 보내는 유량을 감소시켜 제2 열교환기(330)의 입구측 온도를 설정값 범위(정상 운전 범위) 내로 회복시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 재압축 펌프를 이용해 컨덴서로 버려지는 열을 펌프 후단의 저온 작동 유체와 혼합함으로써 작동 유체의 온도를 폐열 기체의 이슬점 온도 이상으로 가열해 외부 열교환기로 공급할 수 있다. 따라서 저온측 외부 열교환기의 저온 부식 현상을 저감해 외부 열교환기의 수명을 증가시키고, 외부 열교환기 및 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
100: 펌프 200: 리큐퍼레이터
300: 열교환기 400: 터빈
500: 컨덴서 600: 재압축 펌프
700: 컨트롤 밸브
300: 열교환기 400: 터빈
500: 컨덴서 600: 재압축 펌프
700: 컨트롤 밸브
Claims (20)
- 작동 유체를 압축시키는 펌프와,
외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와,
상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과,
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와,
상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 펌프로 공급하는 컨덴서를 포함하며,
상기 펌프를 거친 상기 작동 유체의 일부는 상기 열교환기 중 저온측 열교환기로 분기되고,
상기 컨덴서의 유입단으로부터 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 저온측 열교환기의 유입단으로 공급되고 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 저온측 열교환기로 공급되며,
상기 컨덴서의 유입단과 상기 저온측 열교환기의 유입단 사이에 설치되어 상기 컨덴서의 유입단으로부터 분기된 상기 작동 유체를 재압축하는 재압축 펌프를 더 포함하고,
상기 재압축 펌프는, 상기 저온측 열교환기의 부식을 방지하기 위해, 상기 컨덴서의 유입단에서 분기된 상기 작동유체를 폐열 기체의 이슬점 온도 이상으로 가열하여 상기 저온측 열교환기로 공급하되,
상기 열교환기는 폐열 기체를 열원으로 사용하며, 상기 외부 열원으로부터 상기 폐열 기체가 유입되는 입구단에 인접한 고온측 열교환기와, 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단에 가까운 상기 저온측 열교환기를 포함하고,
상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 온도는 상기 저온측 열교환기로 상기 폐열 기체가 공급되는 상기 폐열 기체의 이슬점 온도 이상이며,
상기 재압축 펌프의 배출단에는 상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 컨트롤 밸브가 설치되고,
상기 재압축 펌프에는 상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 모터 VFD가 설치되며,
상기 저온측 열교환기의 입구단에 설치되어 상기 작동 유체의 온도를 측정하는 복수의 온도 전송 지시계(Temperature Transmitter Indicator)를 더 포함하고,
상기 온도 전송 지시계와 연결되어 상기 온도 전송 지시계에서 측정된 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브 또는 상기 모터 VFD를 제어하는 제어기를 더 포함하며,
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키고,
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키며,
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키고,
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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- 작동 유체를 압축시키는 펌프와,
외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 작동 유체를 가열하는 고온 또는 중온측 열교환기 및 저온측 열교환기와,
상기 작동 유체에 의해 구동되며, 상기 펌프 및 발전기를 각각 구동시키는 복수의 터빈과,
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와,
상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 펌프로 공급하는 컨덴서와,
상기 컨덴서의 유입단과 상기 저온측 열교환기의 유입단 사이에 설치되어 상기 컨덴서의 유입단으로부터 분기된 상기 작동유체를 재압축하는 재압축 펌프를 포함하고,
상기 펌프를 거친 상기 작동 유체의 일부는 상기 저온측 열교환기로 분기되고,
상기 재압축 펌프를 거친 상기 작동 유체가 상기 펌프로부터 분기된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 저온측 열교환기로 공급되며,
상기 재압축 펌프는, 상기 저온측 열교환기의 부식을 방지하기 위해, 상기 컨덴서의 유입단에서 분기된 상기 작동유체를 폐열 기체의 이슬점 온도 이상으로 가열하여 상기 저온측 열교환기로 공급하되,
상기 열교환기는 폐열 기체를 열원으로 사용하며, 상기 고온측 열교환기는 상기 외부 열원으로부터 상기 폐열 기체가 유입되는 입구단에 인접하고, 상기 저온측 열교환기는 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단에 가까운 상기 저온측 열교환기를 포함하고,
상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 온도는 상기 저온측 열교환기로 상기 폐열 기체가 공급되는 상기 폐열 기체의 이슬점 온도 이상이며,
상기 저온측 열교환기로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하도록 상기 재압축 펌프의 배출단에 설치되는 컨트롤 밸브 또는 상기 재압축 펌프에 설치되는 모터 VFD를 더 포함하고,
상기 저온측 열교환기의 입구단에 설치되어 상기 작동 유체의 온도를 측정하는 복수의 온도 전송 지시계(Temperature Transmitter Indicator)를 더 포함하며,
상기 온도 전송 지시계와 연결되어 상기 온도 전송 지시계에서 측정된 온도에 따라 상기 컨트롤 밸브 또는 상기 모터 VFD를 제어하는 제어기를 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키고, 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 폐열 기체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키며,
상기 제어기는 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 낮으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키고, 상기 저온측 열교환기로 유입되는 상기 작동 유체의 온도가 설정 온도보다 높으면 상기 재압축 펌프로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 저온 부식 방지를 위한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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Patent Citations (1)
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