KR102005157B1 - 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전 플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 액화천연가스와 같은 저온의 냉열유체를 사용하는 경우, 안정성이 높은 열전달유체를 이용하여 냉열을 작동유체로 공급하여 작동유체를 간접적으로 냉각함으로써 작동유체가 응고되는 것을 방지하여 안정성을 향상시키는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공하기 위한 것으로, 냉열유체를 이송, 공급하는 냉열유체공급라인; 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급된 냉열유체를 이용하여 내부를 통과하는 열전달유체를 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기와 이격되어 설치되며, 상기 제1열교환기로부터 이송된 열전달유체를 이용하여 작동유체를 냉각, 응축시키는 제2열교환기; 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기에 사이에 형성되어, 열전달유체를 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이를 순환시키는 열전달유체순환라인; 및 상기 제2열교환기로 작동유체를 공급하는 작동유체공급라인을 포함하고, 상기 열전달유체는, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, R14(CF4), R22(CHCLF2), R23(CHF3), R116(c2F2), R218(C3F8), 실리콘오일 중 어느 하나인 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.
또한, 종래의 작동유체냉각장치는 냉열유체로 사용되는 가연성인 액화천연가스가 누출되는 경우 폭발위험성이 높다는 문제점을 가진다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 액화천연가스와 같은 저온의 냉열유체를 사용하는 경우, 안정성이 높은 열전달유체를 이용하여 냉열을 작동유체로 공급하여 작동유체를 간접적으로 냉각함으로써 작동유체가 응고되는 것을 방지하여 안정성을 향상시키는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 냉열유체로 인화성을 가지는 물질을 사용하는 경우, 냉열유체의 누출을 감소시켜 폭발위험성을 감소시키는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 냉열유체를 이송, 공급하는 냉열유체공급라인; 상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급된 냉열유체를 이용하여 내부를 통과하는 열전달유체를 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기와 이격되어 설치되며, 상기 제1열교환기로부터 이송된 열전달유체를 이용하여 작동유체를 냉각, 응축시키는 제2열교환기; 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기에 사이에 형성되어, 열전달유체를 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이를 순환시키는 열전달유체순환라인; 및 상기 제2열교환기로 작동유체를 공급하는 작동유체공급라인을 포함하고, 상기 열전달유체는, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, R14(CF4), R22(CHCLF2), R23(CHF3), R116(C2F2), R218(C3F8), 실리콘오일 중 어느 하나인 작동유체냉각장치를 제공한다.
상기 냉열유체는 천연액화가스일 수 있고, 상기 작동유체는 이산화탄소, 질소, 아르곤 중의 어느 하나일 수 있다.
그리고, 바람직하게 본 발명은 상기 열전달유체순환부의 일측에 배치되는 열전달유체탱크; 상기 열전달유체순환부와 상기 열전달유체탱크 사이에 형성되어, 상기 열전달유체순환부로부터 상기 열전달유체탱크로 열전달유체를 공급하는 제1라인; 상기 열전달유체순환부와 상기 열전달유체탱크 사이에 형성되어, 상기 열전달유체탱크로부터 상기 열전달유체순환부로 열전달유체를 이송시키는 제2라인; 상기 제2라인에 설치되어 상기 열전달유체탱크에 저장된 열전달유체를 상기 열전달유체순환부로 가압하는 열전달유체펌프; 상기 열전달유체순환부에 설치되어, 상기 열전달유체순환부를 통하여 이송되는 열전달유체의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 압력센서에서 측정된 압력에 기초하여 상기 열전달유체펌프를 제어하는 제어부; 상기 제1라인에 설치되어 상기 제1라인을 통하여 이송되는 열전달유체의 유량을 제어하는 제1조절밸브; 및 상기 제2라인에 설치되어 상기 제2라인을 통하여 이송되는 열전달유체의 유량을 제어하는 제2조절밸브를 포함할 수 있고, 상기 제어부는, 압력센서에서 측정된 열전달유체의 압력에 기초하여 상기 제1조절밸브 및 제2조절밸브를 제어할 수 있다. 더 바람직하게 상기 제어부는, 상기 압력센서에서 측정된 열전달 유체의 압력이 정상범위 이상인 경우, 상기 제1조절밸브를 개방하여 상기 열전달유체순환부로부터 상기 열전달유체탱크로 열전달유체가 유동되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 압력센서에서 측정된 열전달 유체의 압력이 정상범위 이하인 경우, 상기 제2조절밸브를 개방하여 상기 열전달유체탱크로부터 상기 열전달유체순환부로 열전달유체가 유동되도록 제어할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기 냉열유체공급라인으로부터 분기되며, 일단이 상기 열전달유체탱크와 연결되는 탱크냉각라인; 상기 탱크냉각라인으로부터 공급된 냉열유체를 이용하여 상기 열전달유체탱크를 냉각시키는 탱크냉각기; 냉매를 압축하여 공급하는 냉매펌프와, 상기 냉매펌프로부터 공급된 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 팽창기와, 상기 팽창기를 통과한 냉매와 상기 열전달유체탱크의 열전달유체를 열교환시켜 상기 열전달유체탱크의 열전달유체를 냉각시키는 증발기를 포함할 수 있다.
본 발명은 일단이 상기 응축기와 연결되고, 타단이 열전달유체순환라인과 연결되어 상기 열전달유체순환라인을 이동하는 열전달유체 일부를 응축기로 공급하는 제1보조라인을 포함하고, 상기 응축기는 상기 제1보조라인을 통하여 공급된 열전달유체와 냉매를 열교환시켜 냉매를 냉각, 응축시키고, 상기 제2열교환기를 통과한 작동유체의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 온도센서의 측정치에 따라 상기 냉매펌프를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2열교환기를 통과한 작동유체의 온도가 정상범위보다 높은 경우, 상기 제어부는 상기 냉매펌프의 유량을 증가시키도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 외부로 배출시키는 냉열유체배출라인; 및 상기 냉열유체배출라인에 형성되어 상기 냉열유체의 온도를 조절하는 냉열유체조절부를 더 포함하고, 상기 냉열유체조절부는, 상기 냉열유체와 해수 또는 공기를 열교환시켜 상기 냉열유체를 승온시킬 수 있다.
그리고 본 발명은, 일단이 상기 냉열유체공급라인과 연결되고, 타단은 상기 냉열유체배출라인과 연결되는 바이패스라인과, 상기 바이패스라인에 설치되며, 해수와 상기 바이패스라인을 통과하는 냉열유체를 열교환시켜 상기 냉열유체를 기화시키는 기화기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명은 상기 열전달유체순환부에 형성되어 상기 열전달유체의 온도를 조절하는 열전달유체조절부를 더 포함하되, 상기 열전달유체조절부는, 상기 열전달유체와 해수 또는 공기를 열교환시켜 상기 열전달유체를 승온시킬 수 있다.
그리고 본 발명은, 상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 외부로 배출시키는 냉열유체배출라인; 및 상기 냉열유체배출라인에 설치되며, 해수와 상기 냉열유체배출라인을 통과하는 냉열유체를 열교환시켜 냉열유체를 기화시키는 기화기를 더 포함할 수 있다.
다른 한편으로 본 발명은, 작동유체를 압축시키는 작동유체펌프; 상기 작동유체펌프로부터 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, 안정성이 높은 열전달유체를 이용하여 냉열유체의 냉열을 작동유체로 공급하여 작동유체를 간접적으로 냉각함으로써 작동유체가 응고되는 것을 방지하여 안정성을 향상시키는 작동유체냉각장치 및 이를 이용한 발전플랜트를 제공할 수 있다.
도 1은 초임계 작동유체를 이용하는 발전플랜트의 작동유체의 압력-온도 선도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 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)를 이용한 발전플랜트(1)은, 작동유체펌프(10), 열교환장치(20), 터빈장치(30), 작동유체냉각장치(100) 및 복열기(40)으로 이루어진다.
상기 작동유체펌프(10)는 작동유체를 압축시켜 상기 열교환장치(20)로 공급한다. 상기 열교환장치(20)는 상기 펌프(10)로부터 공급된 작동유체와 외부열원과 열교환시켜 상기 작동유체를 가열한다. 상기 외부열원은 가스터빈(GT)에서 나오는 고온의 배기가스와 같이 폐열을 갖는 기체가 사용될 수 있다.
상기 터빈장치(30)는, 상기 열교환장치(20)를 통과하여 공급되는 작동유체를 이용하여 회전동력을 발생시키고, 발전기(31)는 상기 터빈장치의 회전동력을 이용하여 전기를 생성한다.
상기 터빈장치(30)를 통과한 작동유체는 작동유체회수라인을 통하여 작동유체냉각장치(100)로 이송된다.
상기 작동유체회수라인에는 복열기(40)가 설치된다. 상기 복열기(40)는 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체와 상기 터빈에서 배출된 작동유체를 서로 열교환시켜 상기 펌프로부터 공급되는 작동유체를 가열함과 동시에, 상기 터빈장치로부터 배출된 작동유체를 냉각시킨다.
상기 작동유체냉각장치(100)는 상기 복열기(40)의 후측에 배치되며, 상기 터빈장치(30)에서 배출된 후 상기 복열기(40)를 통과한 작동유체를 냉각하여 응축시킨다.
상기 작동유체냉각장치(100)에서 냉각, 응축된 작동유체는 상기 작동유체펌프(10)로 다시 이송되며, 상기 작동유체펌프(10)는 이송된 작동유체를 가압하여 열교환장치(20)로 공급한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 상기 작동유체냉각장치(100)는, 냉열유체공급라인(105), 제1열교환기(110), 제2열교환기(120), 열전달유체순환부(130), 작동유체공급라인(140), 열전달유체탱크(151), 제1,2라인(152)(153) 및 열전달유체펌프(154)로 이루어진다.
상기 냉열유체공급라인(105)은 냉열유체를 상기 제1열교환기(110)로 이송공급한다. 본 실시예에서는 냉열유체로서 액화천연가스(LNG)가 사용된다. 냉열유체는 열전달유체를 냉각시킬 수 있는 저온의 유체이면 액화천연가스 이외의 질소가스, 저온부동액 등 다른 물질도 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 냉열유체공급라인(105)의 일측에는 제1열교환기(110)가 배치된다. 상기 제1열교환기(110)는 상기 냉열유체공급라인(105)을 통하여 공급된 냉열유체를 공급받아, 이를 이용하여 내부를 통과하는 열전달유체를 냉각시킨다. 상기 열전달유체는, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, R14(CF4), R22(CHCLF2), R23(CHF3), R116(c2F2), R218(C3F8), 실리콘오일 중 어느 하나의 물질로 이루어진다. 상기 냉열유체는 상기 제1열교환기(110)의 내부를 통과한 후, 냉열유체배출관(106)을 통하여 외부로 배출된다.
상기 제2열교환기(120)는 상기 제1열교환기(110)와 이격되어 설치되며, 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(120)의 사이에는 열전달유체순환부(130)가 형성된다. 상기 열전달유체순환부(130)을 통하여 상기 제1열교환기(110)와 상기 제2열교환기(120) 사이에서 열전달유체가 순환이동한다. 상기 열전달유체순환부(130)는 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기를 연결하는 열전달순환라인(131)과 상기 열전달유체순환라인(131)에 형성되어 상기 열전달유체순환라인을 이동하는 열전달유체를 가압이송시키는 열전달유체순환펌프(132)로 이루어진다. 열전달유체는 상기 제1열교환기(110)에서 냉열유체에 의하여 냉각된 후, 상기 제2열교환기(120)로 공급되어, 상기 제2열교환기(120)를 통과하는 작동유체를 냉각시킨다. 냉열유체로 가연성이 있는 천연액화가스와 같은 유체를 사용하는 경우, 본 발명은 냉열유체와 작동유체를 열전달유체를 통하여 간접적으로 냉각함으로써 냉열유체의 누출로 인한 폭발 위험성을 감소시킬 수 있다. 또한, 냉열유체가 저온의 천연액화가스이고 열전달유체가 질소이며, 작동유체가 이산화탄소인 경우, 본 발명은, 열전달유체로 안정성 높은 질소가스를 사용하여 작동유체인 이산화탄소를 간접적으로 냉각함으로써 저온의 천연액화가스로 직접 작동유체인 이산화탄소를 냉각시키는 경우에 비하여 이산화탄소가 응고되는 문제점을 방지할 수 있으며, 이에 따라 발전플랜트의 안정성을 향상시킬 수 있다.
그리고 작동유체가 이산화탄소 또는 질소 등과 같이 0℃ 이하에도 작동가능한 물질 인 경우, 스팀대비 낮은 온도로 냉열을 공급하는 것이 필요하다. 이 경우 열전달유체로서 질소와 같은 안정성 높은 유체를 -56℃이상으로 공급하면 작동유체인 이산화탄소의 응고를 방지하여 발전플랜트의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 열전달유체탱크(151)는 상기 열전달유체순환부(130)의 일측에 배치되며, 내부에 열전달유체를 저장하는 공간을 구비한다. 상기 열전달유체탱크(151)는 여름철 정지 시 온도 상승에 의하여 부피가 증가되는 열전달유체의 일부를 저장한다.
상기 열전달유체순환부(130)와 상기 열전달유체탱크(151) 사이에는 제1,2라인(152)(153)이 형성된다. 상기 제1라인(152)은 상기 열전달유체순환부(130)와 상기 열전달유체탱크(151) 사이에 형성되어, 상기 열전달유체순환부(130)로부터 상기 열전달유체탱크(151)로 열전달유체를 공급한다.
그리고, 상기 제2라인(153)은 상기 열전달유체순환부(130)와 상기 열전달유체탱크(151) 사이에 형성되어, 상기 열전달유체탱크(151)로부터 상기 열전달유체순환부(130)로 열전달유체를 이송시키고, 상기 제2라인(153)에는 상기 열전달유체탱크(151)에 저장된 열전달유체를 상기 열전달유체순환부(130)로 가압하는 열전달유체펌프(154)가 설치된다. 상기 제1라인(152)에는 상기 제1라인을 통하여 이송되는 열전달유체의 유량을 조절하는 제1조절밸브(155)가 설치되고, 상기 제2라인(153)에는 상기 제2라인을 통하여 이송되는 열전달유체의 유량을 조절하는 제2조절밸브(156)가 설치된다.
한편, 상기 열전달유체순환부(130)에는 상기 열전달유체순환부를 통하여 이송되는 열전달유체의 압력을 측정하는 압력센서(133)가 설치된다. 상기 압력센서(133)에서 측정된 열전달유체의 압력은 제어부(160)로 보내진다. 상기 제어부(160)는 상기 압력센서에서 측정된 압력에 기초하여 상기 열전달유체펌프(154) 및 상기 제1,2조절밸브(155)(156)를 제어한다.
상기 제어부(160)는, 열전달유체순환부(130) 내부의 압력이 증가하여 정상범위 이상이면 상기 제1라인(152)의 제1조절밸브(155)를 개방하여 상기 열전달유체순환부(130)의 열전달유체를 상기 열전달유체탱크(151)로 이송, 저장시킨다. 또한, 상기 제어부(160)는 상기 열전달유체순환부(130)의 압력이 강하하여 정상범위 이하로 떨어지게 되면, 상기 제2조절밸브(156)를 개방하고 상기 열전달유체펌프(154)를 작동시켜 상기 열전달유체탱크(151)에 저장되어 있는 열전달유체를 상기 열전달유체순환부로 가압, 이송시킨다.
이와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 작동유체 냉각장치(100)는, 온도변화 등의 외란에 의하여 상기 열전달유체순환부의 압력조건이 변화하는 경우에도, 상기 열전달유체탱크에 열전달유체의 일부를 선택적으로 저장함으로써 상기 열전달유체순환부의 압력을 정상범위 내에서 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치(200)는, 냉열유체공급라인(205), 제1열교환기(210), 제2열교환기(220), 열전달유체순환부(230), 작동유체공급라인(240), 열전달유체탱크(251), 제1,2라인(252)(253) 및 열전달유체펌프(254), 탱크냉각라인(271) 및 탱크냉각기(272)로 이루어진다.
본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체냉각장치(200)의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 탱크냉각라인(271) 및 탱크냉각기(272)와 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 탱크냉각라인(271)은, 상기 냉열유체공급라인(205)으로부터 분기되며, 일단은 상기 열전달유체탱크(251)와 연결되어 상기 냉열유체공급라인(205)을 통하여 공급되는 냉열유체의 일부를 상기 열전달유체탱크(251) 측으로 공급한다.
상기 탱크냉각기(272)는 상기 열전달유체탱크(251)의 내부에 설치되는 열교환기로 이루어지며, 내부에는 상기 탱크냉각라인(271)을 통하여 공급되는 냉열유체가 유동하는 유로를 형성하여, 냉열유체와 상기 열전달유체탱크(251) 내부에 저장된 열전달유체를 열교환시켜 상기 열전달유체를 냉각, 초임계 또는 액체상태로 저장할 수 있도록 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 작동유체 냉각장치(200)에 의하면, 냉열유체의 일부를 이용하여 상기 열전달유체탱크(251) 내의 열전달유체를 냉각시켜 열전달유체를 초임계 또는 액체상태로 저장하도록 함으로써 별도의 냉각장치 없이도 열전달유체를 효율적으로 저장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)는, 냉열유체공급라인(305), 제1열교환기(310), 제2열교환기(320), 열전달유체순환라인부(330), 작동유체공급라인(340), 열전달유체탱크(351), 제1,2라인(352)(353) 및 열전달유체펌프(354), 냉매펌프(381), 응축기(382), 팽창기(383), 증발기(384), 제1보조라인(385), 온도센서(386) 및 제어부(360)로 이루어진다.
본 발명의 제3실시예에 따른 작동유체냉각장치(300)의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 냉매펌프, 냉매펌프(381), 응축기(382), 팽창기(383), 증발기(384), 제1보조라인(385), 온도센서(386) 및 제어부(360)와 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 냉매펌프(381), 응축기(382), 팽창기(383) 및 증발기(384)는 냉매를, 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 통하여 순환시키는 냉동사이클을 구현하는 냉동시스템이다. 상기 냉동시스템은 냉매를 이용하여 상기 열전달유체탱크(351)에 저장된 열전달유체를 냉각시킨다.
상기 제1보조라인(385)은 일단이 상기 응축기와 연결되고, 타단이 열전달유체순환라인(331)과 연결되어 상기 열전달유체순환라인(331)을 이동하는 열전달유체 일부를 응축기(382)로 공급한다. 상기 응축기(382)는 상기 제1보조라인(385)을 통하여 공급되는 열전달유체를 냉매와 열교환시켜 냉매를 냉각, 응축시킨 후, 팽창기(383)로 공급한다. 상기 팽창기(383)는 상기 응축기(382)로부터 공급된 냉매를 팽창시킨 후 상기 증발기(384)로 공급한다.
상기 증발기(384)는 상기 열전달유체탱크(351)의 내부에 설치되며, 상기 팽창기(383)로부터 공급된 냉매를 이용하여 상기 열전달유체탱크(351)의 열전달유체를 냉각시킨다. 이에 따라 상기 열전달유체탱크(351)의 열전달유체는 초임계상태 또는 액체상태로 저장된다.
상기 증발기(384)를 통과한 냉매는 상기 냉매펌프(381)로 공급되며, 상기 냉매펌프(381)는 냉매를 압축하여 상기 응축기(382)로 공급한다.
한편, 상기 제2열교환기(320)의 일측에는, 상기 제2열교환기(320)를 통과한 작동유체의 온도를 측정하는 온도센서(386)가 설치된다. 상기 온도센서(386)는 측정된 작동유체의 온도를 제어부(360)로 보낸다.
상기 제어부(360)는 제2열교환기로부터 배출되는 작동유체의 온도에 기초하여 상기 냉매펌프(381)의 작동을 제어한다. 작동유체의 온도가 정상범위보다 높은 경우, 상기 제어부(360)는 상기 냉매펌프의 유량을 증가시켜 상기 열전달유체탱크(351)에 저장된 열전달유체의 온도를 저하시키고, 이에 따라 온도가 저하된 열전달유체가 상기 열전달유체순환부(330)를 통하여 제2열교환기(320)로 공급되며, 상기 제2열교환기(320)로 공급된 작동유체는 온도가 저하된 열전달유체와 열교환되어 정상범위의 온도로 조정된다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치(400)는, 냉열유체공급라인(405), 제1열교환기(410), 제2열교환기(420), 열전달유체순환라인부(430), 작동유체공급라인(440), 열전달유체탱크(451), 냉열유체배출라인(406), 냉열유체조절부(490), 바이패스라인(402) 및 기화기(403)로 이루어진다.
본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치의 구성 중 상술한 제1실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제1실시예와 상이한 구성인 냉열유체조절부(490), 바이패스라인(402) 및 기화기(403)와 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
작동유체발전플랜트의 성능을 최대한으로 높이는 경우 냉열유체가 소비자(C)가 요구하는 온도(액화천연가스인 경우 대략 10℃)보다 낮게 배출된다. 배출되는 냉열유체를 소비자가 요구하는 온도로 조절하기 위하여 본 발명의 제4실시예에 따른 작동유체냉각장치는 냉열유체배출라인(406) 및 냉열유체조절부(490)를 포함한다.
상기 냉열유체배출라인(406)은 상기 제1열교환기(410)와 연결되어, 상기 제1열교환기(410)를 통과한 냉열유체를 외부로 배출시킨다.
냉열유체가 액화천연가스인 경우, 상기 냉열유체조절부(490)는, 상기 냉열유체라인에 설치되며 냉열유체를 해수 또는 공기와 열교환시켜 상기 냉열유체의 온도를 승온시켜 대략 10℃로 조절하여 외부의 소비자에게 공급한다.
그리고, 상기 냉열유체공급라인(405)과 상기 냉열유체배출라인(406) 사이에는 바이패스라인(402)이 형성되며, 상기 바이패스라인(402)에는 기화기(403)가 설치된다. 상기 바이패스라인(402)을 통하여 상기 냉열유체공급라인(405)으로 공급되는 냉열유체의 일부는 상기 기화기(403)로 공급되어 기화된다.
상기 기화기(403)는 해수(S)와 상기 냉열유체를 열교환시켜 상기 냉열유체를 기화시킨 후, 상기 냉열유체배출라인(406)으로 공급한다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치(500)는, 냉열유체공급라인(505), 제1열교환기(510), 제2열교환기(520), 열전달유체순환라인부(530), 작동유체공급라인(540), 열전달유체탱크(551), 열전달유체조절부(595)로 이루어진다.
본 발명의 제5실시예에 따른 작동유체냉각장치의 구성 중 상술한 제4실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제4실시예와 상이한 구성인 열전달유체조절부(595)와 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 열전달유체조절부(595)는 상기 열전달유체순환부(530)에 형성되어, 상기 제1열교환기(510)로 공급되는 열전달유체를 선택적으로 승온시킨다. 상기 제1열교환기(510)로 공급된 열전달유체는 상기 제1열교환기(510)에서 냉열유체와 열교환되어 냉각되며, 이와 동시에 상기 냉열유체의 온도를 상승시켜 냉열유체가 적정한 온도로 승온되어 소비자(C)에게 공급된다.
상기 열전달유체조절부(595)는, 열전달유체와 해수 또는 공기를 열교환시켜 상기 열전달유체를 선택적으로 승온시켜 상기 제1열교환기(510)로 공급할 수 있다.
도 7 본 발명의 제6실시예에 따른 작동유체냉각장치를 이용한 발전플랜트를 도시한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제6실시예에 따른 작동유체냉각장치(600)는, 냉열유체공급라인(605), 제1열교환기(610), 제2열교환기(620), 열전달유체순환라인부(630), 작동유체공급라인(640), 열전달유체탱크(651), 냉열유체배출라인(606) 및 기화기(605)로 이루어진다.
본 발명의 제6실시예에 따른 작동유체냉각장치(600)의 구성 중 상술한 제5실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 제5실시예와 상이한 구성인 기화기(605)와 관련된 구성에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 제6실시예에 따른 작동유체냉각장치(600)의 상기 제1열교환기(610)의 일측에는 상기 제1열교환기(610)를 통과한 냉열유체를 외부로 배출시키는 냉열유체배출라인(606)이 형성된다.
그리고 상기 냉매유체배출라인(606)에는 상기 냉매유체배출라인을 통하여 배출되는 냉열유체를 열교환시켜 기화시키는 기화기(605)가 설치된다. 상기 기화기(605)는 제1열교환기(610)에서 배출된 냉열유체를 승온, 기화시켜 적정 온도로 소비자에게 공급하므로, 냉열유체의 배출온도를 조절하는 별도의 구성이 요구되지 않으므로 원가가 절감된다는 장점이 있다.
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 : 제1열교환기
120 : 제2열교환기 130 : 열전달유체순환부
140 : 작동유체공급라인 151 : 열전달유체탱크
154 : 열전달유체펌프 155, 156 : 제1,2조절밸브
160 : 제어부

Claims (21)

  1. 냉열유체를 이송, 공급하는 냉열유체공급라인;
    상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급된 냉열유체를 이용하여 내부를 통과하는 열전달유체를 냉각시키는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기와 이격되어 설치되며, 상기 제1열교환기로부터 이송된 열전달유체를 이용하여 작동유체를 냉각, 응축시키는 제2열교환기;
    상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기에 사이에 형성되어, 열전달유체를 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이를 순환시키는 열전달유체순환부;
    상기 제2열교환기로 작동유체를 공급하는 작동유체공급라인;
    상기 열전달유체순환부의 일측에 배치되는 열전달유체탱크;
    상기 열전달유체순환부와 상기 열전달유체탱크 사이에 형성되어, 상기 열전달유체순환부로부터 상기 열전달유체탱크로 열전달유체를 공급하는 제1라인;
    상기 열전달유체순환부와 상기 열전달유체탱크 사이에 형성되어, 상기 열전달유체탱크로부터 상기 열전달유체순환부로 열전달유체를 이송시키는 제2라인;
    상기 제2라인에 설치되어 상기 열전달유체탱크에 저장된 열전달유체를 상기 열전달유체순환부로 가압하는 열전달유체펌프를 포함하는 작동유체 냉각라인;
    상기 냉열유체공급라인으로부터 분기되며, 일단이 상기 열전달유체탱크와 연결되는 탱크냉각라인; 및
    상기 탱크냉각라인으로부터 공급된 냉열유체를 이용하여 상기 열전달유체탱크를 냉각시키는 탱크냉각기를 포함하는 작동유체냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉열유체는 천연액화가스인 작동유체냉각장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 작동유체는 이산화탄소, 질소, 아르곤 중의 어느 하나인 작동유체냉각장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전달유체는, 질소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨, R14(CF4), R22(CHCLF2), R23(CHF3), R116(C2F2), R218(C3F8), 실리콘오일 중 어느 하나인 작동유체냉각장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열전달유체순환부에 설치되어, 상기 열전달유체순환부를 통하여 이송되는 열전달유체의 압력을 측정하는 압력센서; 및
    상기 압력센서에서 측정된 압력에 기초하여 상기 열전달유체펌프를 제어하는 제어부를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1라인에 설치되어 상기 제1라인을 통하여 이송되는 열전달유체의 유량을 제어하는 제1조절밸브; 및
    상기 제2라인에 설치되어 상기 제2라인을 통하여 이송되는 열전달유체의 유량을 제어하는 제2조절밸브를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는, 압력센서에서 측정된 열전달유체의 압력에 기초하여 상기 제1조절밸브 및 제2조절밸브를 제어하는 작동유체냉각장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 압력센서에서 측정된 열전달 유체의 압력이 정상범위 이상인 경우, 상기 제1조절밸브를 개방하여 상기 열전달유체순환부로부터 상기 열전달유체탱크로 열전달유체가 유동되도록 제어하는 작동유체냉각장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 압력센서에서 측정된 열전달 유체의 압력이 정상범위 이하인 경우, 상기 제2조절밸브를 개방하여 상기 열전달유체탱크로부터 상기 열전달유체순환부로 열전달유체가 유동되도록 제어하는 작동유체냉각장치.
  10. 삭제
  11. 냉열유체를 이송, 공급하는 냉열유체공급라인;
    상기 냉열유체공급라인을 통하여 공급된 냉열유체를 이용하여 내부를 통과하는 열전달유체를 냉각시키는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기와 이격되어 설치되며, 상기 제1열교환기로부터 이송된 열전달유체를 이용하여 작동유체를 냉각, 응축시키는 제2열교환기;
    상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기에 사이에 형성되어, 열전달유체를 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이를 순환시키는 열전달유체순환부;
    상기 제2열교환기로 작동유체를 공급하는 작동유체공급라인;
    상기 열전달유체순환부의 일측에 배치되는 열전달유체탱크;
    상기 열전달유체순환부와 상기 열전달유체탱크 사이에 형성되어, 상기 열전달유체순환부로부터 상기 열전달유체탱크로 열전달유체를 공급하는 제1라인;
    상기 열전달유체순환부와 상기 열전달유체탱크 사이에 형성되어, 상기 열전달유체탱크로부터 상기 열전달유체순환부로 열전달유체를 이송시키는 제2라인;
    상기 제2라인에 설치되어 상기 열전달유체탱크에 저장된 열전달유체를 상기 열전달유체순환부로 가압하는 열전달유체펌프를 포함하는 작동유체 냉각라인;
    냉매를 압축하여 공급하는 냉매펌프;
    상기 냉매펌프로부터 공급된 냉매를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기를 통과한 냉매를 팽창시키는 팽창기; 및
    상기 팽창기를 통과한 냉매와 상기 열전달유체탱크의 열전달유체를 열교환시켜 상기 열전달유체탱크의 열전달유체를 냉각시키는 증발기를 포함하는 작동유체냉각장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    일단이 상기 응축기와 연결되고, 타단이 열전달유체순환라인과 연결되어 상기 열전달유체순환라인을 이동하는 열전달유체 일부를 응축기로 공급하는 제1보조라인을 더 포함하고,
    상기 응축기는 상기 제1보조라인을 통하여 공급된 열전달유체와 냉매를 열교환시켜 냉매를 냉각, 응축시키는 작동유체냉각장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제2열교환기를 통과한 작동유체의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 온도센서의 측정치에 따라 상기 냉매펌프를 제어하는 제어부를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2열교환기를 통과한 작동유체의 온도가 정상범위보다 높은 경우, 상기 제어부는 상기 냉매펌프의 유량을 증가시키도록 제어하는 작동유체냉각장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 외부로 배출시키는 냉열유체배출라인; 및
    상기 냉열유체배출라인에 형성되어 상기 냉열유체의 온도를 조절하는 냉열유체조절부를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 냉열유체조절부는, 상기 냉열유체와 해수 또는 공기를 열교환시켜 상기 냉열유체를 승온시키는 작동유체냉각장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    일단이 상기 냉열유체공급라인과 연결되고, 타단은 상기 냉열유체배출라인과 연결되는 바이패스라인과,
    상기 바이패스라인에 설치되며, 해수와 상기 바이패스라인을 통과하는 냉열유체를 열교환시켜 상기 냉열유체를 기화시키는 기화기를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전달유체순환부에 형성되어 상기 열전달유체의 온도를 조절하는 열전달유체조절부를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 열전달유체조절부는, 상기 열전달유체와 해수 또는 공기를 열교환시켜 상기 열전달유체를 승온시키는 작동유체냉각장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1열교환기를 통과한 냉열유체를 외부로 배출시키는 냉열유체배출라인; 및 상기 냉열유체배출라인에 설치되며, 해수와 상기 냉열유체배출라인을 통과하는 냉열유체를 열교환시켜 냉열유체를 기화시키는 기화기를 더 포함하는 작동유체냉각장치.
  21. 작동유체를 압축시키는 작동유체펌프;
    상기 작동유체펌프로부터 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 작동유체펌프로 공급하는 작동유체냉각장치를 포함하고,
    상기 작동유체냉각장치는 청구항 1 내지 9, 청구항 11 내지 청구항 20 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발전플랜트.
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