KR102073736B1 - System for combined cycle and district heating - Google Patents

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KR102073736B1
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조종영
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Abstract

본 발명은 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템에 관한 것이다.
일례로, 가스터빈의 배가스로부터 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들어 작동유체로서 공급하는 복합화력발전 유닛; 상기 복합화력발전 유닛으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아 수용가의 발전용 또는 난방용으로 사용하고, 사용된 이산화탄소를 HDR(Hot Dry Rock)으로 수송하여 초임계 상태로 만드는 지역난방발전 유닛; 및 상기 HDR에서 만들어진 초임계 이산화탄소를 상기 복합화력발전 유닛으로 재순환하는 이산화탄소 재순환 유닛을 포함하는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템을 개시한다.The present invention relates to a combined cycle power generation and district heating generation system.
For example, the combined cycle power generation unit for supplying the carbon dioxide collected from the exhaust gas of the gas turbine in a supercritical state of high temperature and high pressure as a working fluid; A district heating power generation unit receiving supercritical carbon dioxide from the combined cycle power generation unit and using the same for power generation or heating of a consumer, and transporting the used carbon dioxide to a hot dry rock (HDR) to make a supercritical state; And a carbon dioxide recycling unit for recycling supercritical carbon dioxide produced in the HDR to the combined cycle power generation unit.

Description

복합화력발전 및 지역난방발전 시스템{SYSTEM FOR COMBINED CYCLE AND DISTRICT HEATING}Combined Cycle Power Plant and District Heating System {SYSTEM FOR COMBINED CYCLE AND DISTRICT HEATING}

본 발명은 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a combined cycle power generation and district heating generation system.

기후변화가 세계적인 이슈로 부상됨에 따라 이에 대한 각국의 대응도 활발해지고 있으며, 주요국들은 온실가스 감축을 위한 다양한 정책을 도입하고 있다. 우리 나라도 70년대부터 현재까지 화석연료사용량 및 이산화탄소 배출량이 급격히 증가하고 있는 추세이다. 2005년 교토의정서가 정식으로 발효되면서, 우리 나라도 온실가스 감축의무를 피해갈 수 없는 상황에 놓여 있지만, 온실가스 배출량 증가 추세를 끌어내리기에는 부족한 실정이다. 이에 따라 복합화력발전소의 가스터빈으로부터 발생되는 이산화탄소의 적절한 처리 및 관리가 요구된다.As climate change emerges as a global issue, countries are responding to it and major countries are introducing various policies to reduce greenhouse gases. In Korea, fossil fuel consumption and carbon dioxide emissions are increasing rapidly from the 70s to the present. As the Kyoto Protocol entered into force in 2005, Korea is in a situation where it cannot escape the obligation to reduce greenhouse gases, but it is not enough to reduce the trend of increasing greenhouse gas emissions. Accordingly, proper treatment and management of carbon dioxide generated from gas turbines of combined cycle power plants is required.

또한, 지역난방시스템은 복합화력발전소로부터 발생되는 증기 또는 배가스의 폐열을 열원으로 하여 지역난방열이나 전력발전을 위한 분산전원을 활용하여 운영된다. 현재 복합화력발전소 등에서는 고온의 증기 또는 배가스를 작동유체로 하여 지역난방시스템으로 열원을 공급하는데, 대부분 지역난방시스템을 통해 한번 사용된 증기 또는 배가스는 별도의 활용 없이 간단한 정화처리를 통해 그대로 방출되고 있다.
In addition, the district heating system is operated using a distributed power source for district heating or electric power generation using waste heat of steam or exhaust gas generated from a combined cycle power plant as a heat source. Currently, combined cycle power plants supply heat sources to district heating systems using high-temperature steam or flue gas as a working fluid. Most of the steam or flue gas used once through district heating system is discharged as it is through simple purification treatment without additional use. have.

본 발명은, 복합화력발전소에서 발생되는 이산화탄소를 작동유체로서 활용하여 이산화탄소를 저감시키고, 지역난방시스템에서 HDR(Hot Dry Rock)과 가스 재순환 경로를 구성하여 에너지 효율성과 작동유체 활용도를 높일 수 있는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템을 제공한다.
The present invention is to reduce the carbon dioxide by using the carbon dioxide generated from the combined cycle power plant as the working fluid, and to configure the energy (HDR) and gas recirculation path in the district heating system to increase energy efficiency and working fluid utilization Provide thermal power generation and district heating system.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템은, 가스터빈의 배가스로부터 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들어 작동유체로서 공급하는 복합화력발전 유닛; 상기 복합화력발전 유닛으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아 수용가의 발전용 또는 난방용으로 사용하고, 사용된 이산화탄소를 HDR(Hot Dry Rock)으로 수송하여 초임계 상태로 만드는 지역난방발전 유닛; 및 상기 HDR에서 만들어진 초임계 이산화탄소를 상기 복합화력발전 유닛으로 재순환하는 이산화탄소 재순환 유닛을 포함한다.The combined cycle power generation and district heating power generation system according to an embodiment of the present invention, the combined cycle power generation unit for supplying the carbon dioxide collected from the exhaust gas of the gas turbine in a supercritical state of high temperature and high pressure as a working fluid; A district heating power generation unit receiving supercritical carbon dioxide from the combined cycle power generation unit and using it for power generation or heating of a consumer, and transporting the used carbon dioxide to a hot dry rock (HDR) to make a supercritical state; And a carbon dioxide recycling unit for recycling the supercritical carbon dioxide produced in the HDR to the combined cycle power generation unit.

또한, 상기 복합화력발전 유닛은, 가스터빈의 연소로부터 생성되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들도록 설치될 수 있다.In addition, the combined cycle power unit may be installed to capture carbon dioxide in the exhaust gas generated from the combustion of the gas turbine, and to make the collected carbon dioxide into a supercritical state of high temperature and high pressure.

또한, 상기 HDR은, 적어도 1000m 이상의 지하에 위치하여 이산화탄소를 고압 상태로 만들고, 지열원을 제공하여 고온 상태로 만들도록 설치될 수 있다.
In addition, the HDR may be installed to be located in the basement of at least 1000m or more to make the carbon dioxide to a high pressure state, to provide a geothermal source to a high temperature state.

본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템은, 가스터빈의 배가스로부터 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들어 작동유체로서 공급하는 복합화력발전 유닛; 및 상기 복합화력발전 유닛으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아 수용가의 발전용 또는 난방용으로 사용하고, 사용된 이산화탄소의 일부는 HDR(Hot Dry Rock)으로 수송하여 초임계 상태로 만들어 수용가의 발전용 또는 난방용으로 재사용하고, 나머지는 이산화탄소 저장소에 저장하는 지역난방발전 유닛을 포함한다.In accordance with another embodiment of the present invention, a combined cycle power generation and district heating system includes a combined cycle power generation unit configured to supply carbon dioxide collected from exhaust gas of a gas turbine into a supercritical state at high temperature and high pressure, and supply it as a working fluid; And receiving supercritical carbon dioxide from the combined cycle power generation unit and using it for power generation or heating of a consumer, and transporting a portion of the used carbon dioxide to a hot dry rock (HDR) to make a supercritical state for power generation or heating for a consumer. The district heating unit is reused and the rest is stored in a carbon dioxide reservoir.

또한, 상기 복합화력발전 유닛은, 가스터빈의 연소로부터 생성되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들도록 설치될 수 있다.In addition, the combined cycle power unit may be installed to capture carbon dioxide in the exhaust gas generated from the combustion of the gas turbine, and to make the collected carbon dioxide into a supercritical state of high temperature and high pressure.

또한, 상기 HDR은, 지하 1000m 이상의 지하에 위치하여 이산화탄소를 고압 상태로 만들고, 지열원을 제공하여 고온 상태로 만들도록 설치될 수 있다.In addition, the HDR may be installed to be located in the basement 1000m or more underground to make the carbon dioxide to a high pressure state, to provide a geothermal source to a high temperature state.

또한, 상기 HDR에서 만들어진 초임계 이산화탄소를 상기 지역난방발전 유닛의 지역발전장치 또는 지역난방장치로 재순환하는 이산화탄소 재순환 유닛을 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a carbon dioxide recycling unit configured to recycle the supercritical carbon dioxide produced in the HDR to a regional power generation unit or a district heating unit of the district heating unit.

또한, 상기 이산화탄소 저장소는 지중에 설치될 수 있다.In addition, the carbon dioxide reservoir may be installed underground.

또한, 상기 이산화탄소 저장소는, 저장된 이산화탄소를 상기 HDR에 공급할 수 있도록 설치될 수 있다.In addition, the carbon dioxide reservoir may be installed to supply stored carbon dioxide to the HDR.

또한, 상기 이산화탄소 저장소는 이산화탄소를 격리 처분되도록 저장할 수 있다.
In addition, the carbon dioxide reservoir may store carbon dioxide for sequestration.

본 발명에 따르면, 복합화력발전소에서 발생되는 이산화탄소를 작동유체로서 활용하여 이산화탄소를 저감시키고, 지역난방시스템에서 HDR(Hot Dry Rock)과 가스 재순환 경로를 구성하여 에너지 효율성과 작동유체 활용도를 높일 수 있는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템을 제공할 수 있다.
According to the present invention, by reducing the carbon dioxide by using the carbon dioxide generated from the combined cycle power plant as a working fluid, by configuring a hot dry rock (HDR) and gas recirculation path in the district heating system can increase the energy efficiency and working fluid utilization Combined cycle power generation and district heating generation system can be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 이산화탄소의 포집 방식을 나타낸 도면이다.
도 4는 Sandia National Lab에서 구성한 이산화탄소 사이클 개념도를 나타낸 도면이다.
도 5는 이산화탄소 사이클의 T-S 선도를 나타낸 도면이다.
도 6은 이산화탄소의 초임계화를 위한 압력 조건을 나타낸 도면이다.
도 7은 압력과 밀도에 범위에 따른 이산화탄소의 다양한 수송 방법을 나타낸 그래프이다.1 is a block diagram showing the configuration of a combined cycle power generation and district heating generation system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a combined cycle power generation and district heating generation system according to another embodiment of the present invention.
3 is a view showing a collection method of carbon dioxide.
4 is a diagram illustrating a carbon dioxide cycle conceptual diagram configured in Sandia National Lab.
5 shows a TS diagram of the carbon dioxide cycle.
6 is a diagram showing the pressure conditions for supercritical carbon dioxide.
7 is a graph showing various methods of transporting carbon dioxide depending on pressure and density.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings so that those skilled in the art can easily practice the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a combined cycle power generation and district heating generation system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템(1000)은, 복합화력발전 유닛(100), 지역난방발전 유닛(200) 및 재순환 유닛(230)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the combined cycle power generation and district heating system 1000 according to an embodiment of the present invention includes a combined cycle power generation unit 100, a district heating generation unit 200, and a recycling unit 230. do.

복합화력발전 유닛(100)은 가스터빈(130)의 배가스로부터 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들어 작동유체로서 공급할 수 있다. 구체적으로, 복합화력발전 유닛(100)은 연료 콤프레샤(110)와 에어 콤프레샤(120)를 통해 연료와 공기를 가스터빈(130)에 공급하여 가스터빈을 가동(130)시키고, 가스터빈(130)으로부터 배출되는 가스는 HRSG(Heat Recovery Steam Generator, 140)에 열을 공급하여 물을 증기로 만들어 증기터빈(150)을 가동시키는데 사용하고, 이산화탄소 포집부(160)로 전달하여 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 중간 콤프레샤(170)를 통해 압축시킨 후 HRSG(140)로 전달한다. HRSG(140)로 전달된 이산화탄소는 열을 공급받아서 고온 및 고압의 초임계 상태로 만든 후, 배관망을 통해 지역난방발전 유닛(200)으로 전달한다.
The combined cycle power generation unit 100 may supply carbon dioxide collected from the exhaust gas of the gas turbine 130 into a supercritical state at high temperature and high pressure, and supply it as a working fluid. Specifically, the combined cycle power generation unit 100 supplies fuel and air to the gas turbine 130 through the fuel compressor 110 and the air compressor 120 to operate the gas turbine 130, and the gas turbine 130. The gas discharged from the heat is supplied to the heat recovery steam generator (HRSG) 140 to make water into steam and used to operate the steam turbine 150, and delivered to the carbon dioxide collecting unit 160 to collect and collect carbon dioxide. The compressed carbon dioxide is compressed through the intermediate compressor 170 and then transferred to the HRSG 140. The carbon dioxide delivered to the HRSG 140 is supplied with heat to make a supercritical state of high temperature and high pressure, and then transferred to the district heating unit 200 through a pipe network.

지역난방발전 유닛(200)은 복합화력발전 유닛(100)으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아 수용가(20)의 발전용 또는 난방용으로 사용하고, 사용된 이산화탄소를 HDR(Hot Dry Rock, 220)로 수송하여 초임계 상태로 만들 수 있다. 구체적으로, 지역난방발전 유닛(200)의 지역발전장치 또는 지역난방장치(210)는 복합화력발전 유닛(100)으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아, 초임계 이산화탄소의 열원으로 터빈을 구동시켜 발전하여 분산전원을 얻는데 사용하거나, 수용가(20)의 난방을 위해 사용할 수 있다. 또한, 발전용 또는 난방용으로 사용된 이산화탄소는 HDR(220)로 수송된다. HDR(220)은 1000m 이상의 지하에 위치하여 수송된 이산화탄소를 고압 상태로 만들고, 지열원을 제공하여 고온의 상태로 만들 수 있다. The district heating unit 200 receives supercritical carbon dioxide from the combined cycle power generation unit 100 and uses it for power generation or heating of the customer 20, and transports the used carbon dioxide to a hot dry rock (HDR) 220. It can be made supercritical. Specifically, the district power generation unit or district heating unit 210 of the district heating unit 200 receives the supercritical carbon dioxide from the combined cycle power unit 100, by driving the turbine as a heat source of supercritical carbon dioxide to generate and distribute It may be used to obtain a power source or to heat the customer 20. In addition, carbon dioxide used for power generation or heating is transported to the HDR 220. The HDR 220 may be located in a basement of 1000 m or more to make the transported carbon dioxide into a high pressure state and provide a geothermal source to a high temperature state.

재순환 유닛(230)은 HDR(220)을 통해 고온 및 고압 상태의 이산화탄소를 복합화력발전 유닛(100)으로 전달할 수 있다.
The recirculation unit 230 may deliver carbon dioxide in a high temperature and high pressure state to the combined cycle power generation unit 100 through the HDR 220.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a combined cycle power generation and district heating generation system according to another embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템(2000)은 복합화력발전 유닛(300)과 지역난방발전 유닛(400)을 포함한다. 2, the combined cycle power generation and district heating generation system 2000 according to another embodiment of the present invention includes a combined cycle power generation unit 300 and a district heating generation unit 400.

본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 유닛(300)은 일 실시예에 따른 복합화력발전 유닛(100)의 구성과 유사하므로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 유닛(300)에 대한 구성 설명은 일 실시예에 따른 복합화력발전 유닛(100)에 대한 구성 설명으로 대체하도록 한다.Since the combined cycle power generation unit 300 according to another embodiment of the present invention is similar to the configuration of the combined cycle power generation unit 100 according to an embodiment, the combined cycle power generation unit 300 according to another embodiment of the present invention may be used. The description of the configuration will be replaced by the description of the combined cycle power generation unit 100 according to an embodiment.

다만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합화력발전 유닛(300)은 일 실시예에 따른 복합화력발전 유닛(100)의 구성과 비교하여 지역난방발전 유닛(400)에 대한 구성이 상이하다. However, the combined cycle power generation unit 300 according to another embodiment of the present invention is different from the configuration of the district heating generation unit 400 compared to the configuration of the combined cycle power generation unit 100 according to an embodiment.

지역난방발전 유닛(400)의 지역발전장치 또는 지역난방장치(410)는, 복합화력발전 유닛(300)으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아 수용가(40)의 발전용 또는 난방용으로 사용하고, 사용된 이산화탄소의 일부는 HDR(Hot Dry Rock, 420)로 수송하여 초임계 상태로 만든 후 수용가(40)의 발전용 또는 난방용으로 재사용하고, 나머지는 이산화탄소 저장소(440)에 저장할 수 있다. The district power generation unit or district heating unit 410 of the district heating unit 400 receives supercritical carbon dioxide from the combined cycle power generation unit 300, and is used for power generation or heating of the consumer 40, and used carbon dioxide. A portion of the hot water may be transported to a hot dry rock (HDR) 420 to be in a supercritical state, and reused for generation or heating of the customer 40, and the rest may be stored in the carbon dioxide storage 440.

여기서, HDR(420)를 통해 고온 및 고압 상태로 변형된 이산화탄소는 이산화탄소 재순환 유닛(430)을 통해 지역난방발전 유닛(400)의 지역발전장치 또는 지역난방장치(410)로 재순환되며, 지역발전장치 또는 지역난방장치(410)는 HDR(420)로부터 공급된 이산화탄소의 열원을 이용하여 발전용 또는 난방용으로 재사용할 수 있다. Here, the carbon dioxide transformed into the high temperature and high pressure state through the HDR 420 is recycled to the district generator or district heating unit 410 of the district heating unit 400 through the carbon dioxide recycling unit 430, the district generator Alternatively, the district heating apparatus 410 may be reused for power generation or heating by using a heat source of carbon dioxide supplied from the HDR 420.

또한, 지역난방발전 유닛(400)은, 수용가(20)의 발전용 또는 난방용으로 사용하지 않은 이산화탄소를 지중의 이산화탄소 저장소(440)에 저장하며, 필요 시 이산화탄소 저장소(440)로부터 이산화탄소를 HDR(420)로 공급하여 재사용하며, 이산화탄소 저장소(440)의 공간이 충분히 확보될 경우 재순환 없이 저장상태로 격리 처분할 수 있다.
In addition, the district heating unit 400 stores carbon dioxide, which is not used for power generation or heating of the customer 20, in the underground carbon dioxide storage 440, and stores the carbon dioxide from the carbon dioxide storage 440 when it is HDR 420. ) To be supplied and reused, and when the space of the carbon dioxide storage 440 is sufficiently secured, it can be segregated and disposed of in a storage state without recycling.

도 3은 이산화탄소의 포집 방식을 나타낸 도면이며, 하기의 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 각 지점에서 이산화탄소의 개략적인 온도 및 압력값을 예측한 것이다.3 is a view showing a capture method of carbon dioxide, Table 1 below is a rough temperature and pressure estimate of the carbon dioxide at each point of the system according to an embodiment of the present invention.

Figure 112013088911926-pat00001
Figure 112013088911926-pat00001

이산화탄소 포집기술은 도 3과 같이 크게 세가지로 분류된다. 국내 특성에 부합하는 포집 방법은 연소 후 포집법이며 연소 후 포집법에 의한 수송 유체에서 이산화탄소의 농도는 99.9%이상으로 불순물이 거의 함유되어 있지 않아 순수한 CO2와 거의 흡사한 압력변화, 밀도 변화, 임계 조건을 보인다. 따라서 이산화탄소의 수송 시 불순물에 의한 유체 특성의 변화는 크게 고려하지 않아도 무방하다 판단된다. 따라서, 본 발명의 구현에는 가스터빈 연소 후 포집된 방식을 이용하는 것이 용이하다고 볼 수 있다.
Carbon dioxide capture technology is largely classified into three as shown in FIG. Collecting methods in compliance with the domestic property is absorption method and combustion after collecting method the concentration of carbon dioxide in the transport fluid by more than 99.9% of the impurity is because you are not substantially contain substantially similar to pure CO 2 pressure change due to after-burning, the density change, See critical conditions. Therefore, the change in the fluid characteristics due to impurities during the transport of carbon dioxide may be considered large. Therefore, it can be seen that it is easy to use the collected method after the gas turbine combustion in the implementation of the present invention.

도 4는 Sandia National Lab에서 구성한 초임계 이산화탄소 사이클 개념도를 나타낸 도면이며, 도 5는 이산화탄소 사이클의 T-S 선도를 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating a supercritical carbon dioxide cycle conceptual diagram constructed by Sandia National Lab, and FIG. 5 is a diagram illustrating a T-S diagram of a carbon dioxide cycle.

도 5에 T-S(온도-엔트로피) 선도에서 볼 수 있듯이 도 4에 도시된 사이클은 브레이튼 사이클과 유사하다. 압축된 초임계 이산화탄소가 LT Recuperator 및 HT recuperator에서 터빈 배가스와 열교환을 하고, Heater를 통해 가열되어 터빈으로 들어가서 전력을 생산하게 된다. 압축기의 운전 조건은 임계점에서 약간 위에 위치하며(약 305K, 7.58MPa), 12.5MPa까지 압축된다. 유체의 온도는 LT Recuperator와 HT recuperator에 의해 330K에서 505K까지 예열되고, Heater에 의해 615K까지 올라간다.As can be seen from the T-S (temperature-entropy) diagram in FIG. 5, the cycle shown in FIG. 4 is similar to the Brayton cycle. The compressed supercritical carbon dioxide exchanges heat with the turbine flue gas in the LT Recuperator and HT recuperator, and is heated through the heater to enter the turbine to produce power. The operating conditions of the compressor are slightly above the critical point (approximately 305 K, 7.58 MPa) and are compressed to 12.5 MPa. The temperature of the fluid is preheated from 330K to 505K by the LT Recuperator and HT recuperator and raised to 615K by the heater.

이산화탄소의 임계점은 7.37 MPa, 31℃이며, 임계 압력 근처에서 유체의 고밀도는 에너지 밀도를 높게 만들고, 터보기기를 소형으로 만들 수 있으며, 압축일도 줄일 수 있다. 300MWe 스팀 발전 플랜트인 경우 5m 직경, 22∼30의 Stages가 요구되지만, 초임계 이산화탄소 발전 플랜트인 경우에 터빈은 1m 직경, 3 stages면 가능하다. 수용가에서 냉매와 물이 직선적으로 온도 변화하면서 열효율이 좋게 열교환할 수 있으며 이산화탄소는 silica dissolution, precipitation과 같은 스케일링 문제를 줄일 수 있다. 초임계(Supercriticality)는 하이브리드 상태이다. 초임계 유체는 액체처럼 밀도가 높지만, 가스처럼 팽창하여 공간을 차지한다. 임계온도 근처에서 온도의 작은 변화는 밀도의 큰 변화를 유발한다. 즉, 열용량이 높아지게 된다. 뿐만 아니라, 점성에서도 변화가 생긴다. 밀도가 높은 액체 같은 유체에서 증기 같은 유체로 변화하기 때문이며, 자유표면이 없기 때문에 bubble 또는 drop이 생기지 않는다. 이러한 물리적 특성으로 인하여 초임계 이산화탄소가 브레이튼 사이클 가스터빈의 작동유체로 관심을 높이는 이유를 설명할 수 있다. The critical point of carbon dioxide is 7.37 MPa, 31 ° C, and the high density of the fluid near the critical pressure makes the energy density high, making the turbomachine compact, and reducing the work of compression. For 300MWe steam power plants, 5m diameter, 22-30 stages are required, but for supercritical carbon dioxide power plants, turbines can be 1m diameter, 3 stages. The heat and heat can be efficiently exchanged as the refrigerant and water change linearly in the water, and carbon dioxide can reduce scaling problems such as silica dissolution and precipitation. Supercriticality is a hybrid state. Supercritical fluids are dense, like liquids, but expand and occupy space like gases. Small changes in temperature near the critical temperature cause large changes in density. That is, the heat capacity becomes high. In addition, changes occur in viscosity. This is because it changes from a dense liquid-like fluid to a vapor-like fluid, and because there is no free surface, no bubble or drop occurs. These physical properties may explain why supercritical carbon dioxide is of increasing interest as a working fluid for Brayton cycle gas turbines.

초임계 이산화탄소발전의 장점은 임계점 근처에서 고밀도이므로 압축일을 줄일 수 있고, 동일한 전력용량에서 컴팩트한 터보기기를 활용할 수 있다. 압축기, 터빈의 stage수가 적어도 되며, intercooling이 필요 없는 등 덜 복잡한 구조를 지니고 있다. 임계온도가 상온 근처이므로, 평균 heat-rejection 온도가 낮게 되어 효율이 상승된다. 사이클의 최고 압력, 온도가 낮아지므로 안전성이 향상되며, 운전 온도 범위에서 일반적인 재료가 적용될 수 있고, 대부분의 열원에서 사용가능하다. 그리고, 다른 프레온 냉매에 비해 오존층을 파괴하지 않고, 지구온난화 계수가 낮아 친환경 적이다. 뿐만 아니라, 이산화탄소는 풍부하여 비용이 적게 들며, 다루기에 익숙한 것도 장점이다.The advantages of supercritical carbon dioxide generation are high density near the critical point, which reduces the work of compression and makes use of compact turbomachinery at the same power capacity. It has a less complicated structure such as a minimum number of stages in the compressor and turbine and no need for intercooling. Since the critical temperature is near room temperature, the average heat-rejection temperature is lowered to increase efficiency. The maximum pressure and temperature of the cycle are lowered to improve safety, common materials can be applied in the operating temperature range, and can be used in most heat sources. In addition, the ozone layer is not destroyed compared to other freon refrigerants, and the global warming coefficient is low, which is environmentally friendly. In addition, carbon dioxide is rich, low cost, and familiar to handle.

이산화탄소의 액화 또는 초임계화는 이산화탄소 배출원에서 격리처분장까지 수송을 위한 중요한 수단으로써 CCS, EOR, EGR 기술과 관련이 있으며, 최근 미국, 일본, 유럽에서 CCS기술의 대규모 실증과 저장소 확보를 위한 사업이 진행중이다. 일반적으로 상업적인 응용의 이산화탄소 액화 또는 초임계화 방법은 14~20 기압의 압력에서 암모니아 냉동기 등으로 온도를 -20℃이하로 낮춰서 액화하는 것이다. 그러나 영하 50℃ 이하에서 액화하는 경우에는 외부냉동기를 사용하는 것이 복잡하고 비효율적이므로, CO2 자체를 냉매로 사용하는 액화사이클을 사용하는 것이 효율적이다. 영하 50℃이하에서는 이산화탄소를 냉매로 사용하여 액화하는 기술이 대용량 액화에 적합하며 그림 과 같이 CO2를 고압 압축한 후, 이를 팽창하여 얻은 냉각열을 이산화탄소 액화에 이용한다. 이 경우 액화된 이산화탄소가 저압, 고밀도 상태가 되므로 대용량 저장 및 수송에 적합하여 연간 0.5~2.5 백만톤 규모의 이산화탄소 액화 플랜트에 적용가능 하며, 대용량 이산화탄소 수송을 위한 경제적, 효율적인 공정으로 사용 가능하다.
Liquefaction or supercritical carbon dioxide is an important means for transporting carbon dioxide sources to containment sites and is related to CCS, EOR and EGR technologies. Recently, projects to secure large scale demonstration and storage of CCS technologies in the US, Japan and Europe are underway. to be. In general, the carbon dioxide liquefaction or supercritical method for commercial applications is to liquefy by lowering the temperature below -20 ℃ with an ammonia freezer at a pressure of 14 to 20 atm. However, when liquefaction is below 50 ℃ or less, using an external refrigerator is complicated and inefficient, it is efficient to use a liquefaction cycle using CO 2 itself as a refrigerant. Below 50 ℃, the technology of liquefaction using carbon dioxide as a refrigerant is suitable for large-capacity liquefaction. As shown in the figure, the high-pressure compression of CO 2 is used to expand the cooling heat. In this case, the liquefied carbon dioxide becomes low pressure and high density, so it is suitable for large-capacity storage and transportation, and can be applied to a carbon dioxide liquefaction plant of 0.5 ~ 2.5 million tons per year, and can be used as an economical and efficient process for transporting large-capacity carbon dioxide.

도 6은 이산화탄소의 초임계화를 위한 압력 조건을 나타낸 도면이다. 6 is a diagram showing the pressure conditions for supercritical carbon dioxide.

이산화탄소의 초임계화를 위해서는 다단 원심 압축기가 적당하다. 도 6에 도시된 바와 같이, 원심 압축기는 낮은 압력의 기체를 압축한 후 각 단과 단 사이의 내부에서 냉각하는 과정을 반복하여 원하는 수송 조건을 얻는다. 이산화탄소는 삼중점과 임계점 사이의 온도(-56.4∼31.1℃) 범위에서 적절한 압력이 가해지면 액체상태로 존재한다. 액체상태의 밀도는 임계점(73.8기압, 31.1℃) 근처에서 약 600Multistage centrifugal compressors are suitable for supercritical carbon dioxide. As shown in FIG. 6, the centrifugal compressor compresses the gas of low pressure and then cools the inside of each stage to obtain desired transport conditions. Carbon dioxide is in a liquid state when the appropriate pressure is applied in the temperature range between the triple point and the critical point (-56.4-31.1 ° C.). Liquid density is about 600 near the critical point (73.8 atm, 31.1 ° C)

kg/㎥이고, 삼중점(5.1기압, -56.4℃)근처에서는 약 1,200 kg/㎥으로 임계점에 비해 약kg / m3 and around 1,200 kg / m3 near triple point (5.1 atm, -56.4 ° C)

2배의 밀도를 지니고, 부피는 2배 감소하게 된다. CO2의 대용량 수송을 위한 효율적인 방법은 가능한 높은 밀도를 가지는 것이 필요하며 액체, 고체 또는 초임계 상태로 수송할 수 있다.
With twice the density, the volume is reduced by two times. Efficient methods for mass transport of CO 2 need to have the highest density possible and can be transported in liquid, solid or supercritical states.

도 7은 압력과 밀도에 범위에 따른 이산화탄소의 다양한 수송 방법을 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing various methods of transporting carbon dioxide depending on pressure and density.

이산화탄소의 밀도가 온도와 압력의 함수로서 수송과 어떻게 연관되는지를 보여준다. CO2는 삼중점과 임계점 사이에서 액체상태가 가능하고 삼중점 근처에서는 임계점 근처의 조건에 비하여 밀도가 약 2배 정도 증가하여 부피가 크게 감소하므로 수송에 유리한 점이 있다. 뿐만 아니라 낮은 압력에서 수송하므로 압력용기, 배관 등의 제작 비용이 고압인 경우에 비해 경제적이다. 일반적으로 이산화탄소 배출원과 격리장 사이가 육상에서는 1,700km 이내, 근해상에서는 1,000km 이내일 경우 배관상태를 통하여 초임계상태로 격리처분장으로 수송되고, 이보다 거리가 멀어질 경우에는 기차 및 선박으로 수송하게 된다. 우리나라의 육상 수송과 근해로의 수송에서 가장 경제적인 수송 방법은 배관을 이용한 수송이며 배관을 이용한 CO2의 수송은 이미 EOR산업에서 안정성과 경제성이 입증되었다. 또한 이산화탄소의 수송 배관은 천연가스 수송 배관과 비슷한 특성을 가지고 있으며 설계 기준이 존재하기 때문에 가장 적절한 수송 방법이다.
It shows how the density of carbon dioxide is related to transport as a function of temperature and pressure. CO 2 has an advantage in transport because it can be in a liquid state between the triple point and the critical point, and near the triple point, the density is increased by about two times compared to the conditions near the critical point and the volume is greatly reduced. In addition, since it is transported at a low pressure, the production cost of pressure vessels, pipes, etc. is more economical than high pressure. In general, if the CO2 source and the sequestration site are within 1,700km on land and less than 1,000km offshore, they will be transported to the quarantine disposal site in supercritical state through piping, and if it is farther away, they will be transported by train and ship. . The most economical transportation method for land transport and offshore transportation in Korea is by pipe transport, and CO 2 transport by pipe has already been proved to be stable and economical in the EOR industry. In addition, carbon dioxide transport pipes have similar characteristics to natural gas transport pipes and design standards exist, which is the most suitable transport method.

본 발명의 실시예는, 복합화력발전 유닛 가스터빈의 폐가스에서 발생하는 이산화탄소를 포집하고, 이를 작동유체로 하여 HRSG에서 열을 공급받아 초임계 상태로 이산화탄소 터빈을 구동하고, 기존 증기터빈도 병행하여 운용될 수 있다. 또한, 이산화탄소 터빈을 구동하고 나온 초임계 이산화탄소를 지역난방 시스템의 순환 유체로 활용하여 수용가로 열원을 보내는 동시에, 수용가 근처의 HDR(Hot Dry Rock)으로 보내어 지열을 통해 초임계 CO2를 재가열하고, 이산화탄소 터빈을 재가동하여 분산전원으로 활용 및 난방을 추가로 구성할 수 있다. 분산전원 및 난방을 거친 이산화탄소는 복합화력발전소로 재순환되거나, 근거리의 지하에 격리되어 저장되는 복합화력발전의 Bottoming Cycle을 구성하고 지역난방의 활용매체로 활용하며 이산화탄소의 지중저장까지 연계된다. According to an embodiment of the present invention, the carbon dioxide generated from the waste gas of the combined cycle power unit gas turbine is collected, the heat is supplied from the HRSG using this as a working fluid, and the carbon dioxide turbine is driven in a supercritical state, and the existing steam turbine is also parallel. Can be operated. In addition, by using the supercritical carbon dioxide from the carbon dioxide turbine as a circulating fluid of the district heating system, the heat source is sent to the customer, and the supercritical CO 2 is reheated through geothermal heat by sending it to a hot dry rock (HDR) near the customer. The CO2 turbines can be restarted to provide additional power and heating as a distributed source. Carbon dioxide, which has been distributed and heated, is recycled to a combined cycle power plant, or forms a bottoming cycle of a combined cycle power plant that is isolated and stored in the basement at a short distance, and is used as a medium for district heating and carbon dioxide storage.

이에 따라, 복합화력발전소에서 발생되는 이산화탄소를 작동유체로서 활용하여 이산화탄소를 저감시키고, 지역난방시스템에서 HDR(Hot Dry Rock)과 가스 재순환 경로를 구성하여 에너지 효율성과 작동유체 활용도를 높일 수 있다. 더불어, 이산화탄소 의무 감축 및 탄소 배출권 사업 시 주도권을 선점에 유리하며, 복합화력발전이나 지역난방에 도입시켜 이산화탄소 저감과 에너지 효율을 높여 녹색성장 주도 가능성이 높다.
Accordingly, carbon dioxide generated from the combined cycle power plant can be utilized as a working fluid to reduce carbon dioxide, and the gas heating route can be constructed in a district heating system to improve energy efficiency and working fluid utilization. In addition, it is advantageous to take the lead in reducing carbon dioxide obligations and carbon credits, and it is highly likely to lead green growth by reducing carbon dioxide and increasing energy efficiency by introducing it into combined cycle power generation or district heating.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다. What has been described above is just one embodiment for implementing the combined cycle power generation and district heating power generation system according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, the scope not departing from the technical gist of the present invention It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made therein.

1000, 2000: 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템
100, 300: 복합화력발전 유닛
200, 400: 지역난방발전 유닛
230, 430: 이산화탄소 재순환 유닛 1000, 2000: Combined Cycle Power Plant and District Heating Generation System
100, 300: combined cycle power unit
200, 400: district heating unit
230, 430: carbon dioxide recycling unit

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 가스터빈의 배가스로부터 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들어 작동유체로서 공급하는 복합화력발전 유닛; 및
상기 복합화력발전 유닛으로부터 초임계 이산화탄소를 공급받아 수용가의 발전용 또는 난방용으로 사용하고, 사용된 이산화탄소의 일부는 HDR(Hot Dry Rock)으로 수송하여 초임계 상태로 만들어 수용가의 발전용 또는 난방용으로 재사용하고, 나머지는 이산화탄소 저장소에 저장하는 지역난방발전 유닛을 포함하며,
상기 복합화력발전 유닛은, 가스터빈의 연소로부터 생성되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 고온 및 고압의 초임계 상태로 만들도록 설치되고,
상기 HDR은, 지하 1000m 이상의 지하에 위치하여 이산화탄소를 고압 상태로 만들고, 지열원을 제공하여 고온 상태로 만들도록 설치되며,
상기 HDR에서 만들어진 초임계 이산화탄소를 상기 지역난방발전 유닛의 지역발전장치 또는 지역난방장치의 압축기로 재순환하는 이산화탄소 재순환 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템.A combined cycle power generation unit which makes the carbon dioxide collected from the exhaust gas of the gas turbine into a supercritical state of high temperature and high pressure and supplies it as a working fluid; And
Supercritical carbon dioxide is supplied from the combined cycle power generation unit and used for power generation or heating of a customer, and a portion of the used carbon dioxide is transported to a hot dry rock (HDR) to make a supercritical state and reused for power generation or heating for a customer. And, the rest includes a district heating unit that stores in the carbon dioxide storage,
The combined cycle power generation unit is installed to capture carbon dioxide in the exhaust gas generated from combustion of the gas turbine, and to make the captured carbon dioxide into a supercritical state of high temperature and high pressure,
The HDR is located in the basement 1000m or more underground to make the carbon dioxide high pressure, to provide a geothermal source to be installed in a high temperature state,
And a carbon dioxide recycling unit for recycling the supercritical carbon dioxide produced in the HDR to a regional power generator of the district heating unit or a compressor of a district heating unit. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 4 항에 있어서,
상기 이산화탄소 저장소는 지중에 설치되는 것을 특징으로 하는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템.The method of claim 4, wherein
The carbon dioxide reservoir is a combined cycle thermal power generation and district heating generation system, characterized in that installed in the ground. 제 4 항에 있어서,
상기 이산화탄소 저장소는, 저장된 이산화탄소를 상기 HDR에 공급할 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템.The method of claim 4, wherein
The carbon dioxide storage, the combined cycle power generation and district heating power generation system, characterized in that installed to supply the stored carbon dioxide to the HDR. 제 4 항에 있어서,
상기 이산화탄소 저장소는 이산화탄소를 격리 처분되도록 저장하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전 및 지역난방발전 시스템.The method of claim 4, wherein
The carbon dioxide reservoir is a combined cycle power generation and district heating generation system, characterized in that for storing the carbon dioxide to be segregated.
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