KR102075550B1 - Oxy-fuel combustion power generation system - Google Patents

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KR102075550B1
KR102075550B1 KR1020180112006A KR20180112006A KR102075550B1 KR 102075550 B1 KR102075550 B1 KR 102075550B1 KR 1020180112006 A KR1020180112006 A KR 1020180112006A KR 20180112006 A KR20180112006 A KR 20180112006A KR 102075550 B1 KR102075550 B1 KR 102075550B1
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KR1020180112006A
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이정익
허진영
백승준
손성민
김남일
김도규
권진수
정용주
자말 아퀼
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한국과학기술원
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

The present invention relates to a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO_2) as a working fluid, including: an air separator that separates oxygen (O_2) and nitrogen (N_2) by compressing air flowing in from the outside; a combustor transferring thermal energy generated through a combustion reaction between oxygen and fuel supplied from the air separator to supercritical carbon dioxide, which is the working fluid; and a cooling compressor that compresses the supercritical carbon dioxide and cools the supercritical carbon dioxide in a compression process using at least one of low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator.

Description

순산소 연소 발전 시스템{OXY-FUEL COMBUSTION POWER GENERATION SYSTEM}Oxy-oxygen combustion power generation system {OXY-FUEL COMBUSTION POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a pure oxygen combustion power generation system, and more particularly, to a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid.

기존의 복합 화력 발전 시스템은 가스터빈의 출구 온도가 500℃ 내지 600℃로 높게 유지되어, 이러한 고온의 폐열을 이용하여 유용한 일을 만들어 내고자 증기 랭킨 싸이클을 도입하였다. 하지만, 증기 랭킨 싸이클은 우수한 열 효율에도 불구하고 터빈에서 증기가 팽창할 때, 터빈 날개의 부식과 증기 터빈을 비롯한 열 교환기의 커다란 부피가 문제로 제기된다. 이에 따라, 증기를 이용하는 랭킨 싸이클이 아닌 이산화탄소를 작동 유체로 하는 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클에 대한 연구가 진행 중이다.The existing combined cycle power generation system has maintained the gas turbine outlet temperature as high as 500 ℃ to 600 ℃, introduced a steam Rankine cycle to create a useful work using this high temperature waste heat. However, steam Rankine cycles, despite their excellent thermal efficiency, present problems with the expansion of steam in turbines and the corrosion of turbine blades and the large volume of heat exchangers, including steam turbines. Accordingly, research is being conducted on supercritical carbon dioxide braton cycles using carbon dioxide as a working fluid rather than a Rankine cycle using steam.

초임계 브레이튼 싸이클은 해당 싸이클의 모든 부분에서 작동 유체가 임계점 이상의 조건을 유지하며, 해당 싸이클의 최저운전온도와 압력 조건인 압축기 유입조건이 임계점(threshold) 바로 위에 위치하는 열역학 싸이클을 의미한다.A supercritical braton cycle is a thermodynamic cycle in which the working fluid maintains a condition above the critical point in all parts of the cycle and the compressor inlet condition, which is the minimum operating temperature and pressure condition for that cycle, is directly above the threshold.

초임계 이산화탄소를 작동 유체로 하는 발전 시스템은, 이산화탄소의 임계점(30.98℃, 7.37MPa) 근처의 온도 및 압력 조건에서 압축 시 압축 일을 줄일 수 있어 열원의 온도가 450℃ 내지 750℃인 경우 열역학적으로 증기 랭킨 싸이클과 동등한 수준의 열효율을 보이고 있다. 또한, 발전 시스템의 전반에 걸쳐 비 체적이 작게 유지되므로 주요 구성기기인 압축기, 터빈, 열 교환기 등의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 원자력 분야를 비롯하여 태양열, 폐열 회수, 지열, 연료전지 등과 같은 다양한 열원과 연계한 발전 시스템에 대한 연구가 진행 중이다.A power generation system using supercritical carbon dioxide as a working fluid can reduce the compression work during compression at temperature and pressure conditions near the critical point of carbon dioxide (30.98 ° C, 7.37 MPa), and thermodynamically when the heat source temperature is between 450 ° C and 750 ° C. Thermal efficiency is on par with steam Rankine cycles. In addition, since the specific volume is kept small throughout the power generation system, there is an advantage that can reduce the size of the compressor, turbine, heat exchanger and the like as the main components. Therefore, research on power generation systems in connection with various heat sources such as solar energy, waste heat recovery, geothermal heat, fuel cells, etc., is being conducted.

한편, 기존의 복합 화력 발전 시스템은 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소하여 발전시키고, 전통적으로 산화제로서 공기를 이용하는 공기 연소(air combustion)가 적용되어 왔었다. 하지만, 이러한 전통적인 공기 연소방식은 공기 내에 불활성가스인 질소가 대략 79% 정도 함유되어 있으므로 공기 연소 시 발열량 중의 상당 부분이 질소를 가열하는데 소모되어 화염 온도가 저하되고, 연소 후에 고온가스의 배출에 따른 열 손실이 상당히 크며, 아울러 배가스(flue gas) 중 이산화탄소의 농도가 13~16% 정도로 낮고, 배가스의 유량도 많아지므로 고농도의 이산화탄소 회수에 상당한 비용이 소요될 뿐만 아니라 질소 산화물(NOx)의 제거가 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 연료의 산화제로서 공기 대신에 산소 특히, 95% 이상의 순산소를 이용하여 연료를 연소시키는 순산소 연소 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. On the other hand, conventional combined cycle power generation system has been developed by burning fossil fuels such as coal, petroleum, natural gas, etc., traditionally air combustion using air as an oxidant has been applied. However, since this traditional air combustion method contains about 79% of nitrogen as an inert gas in air, a large part of the calorific value during air combustion is consumed to heat the nitrogen, and the flame temperature is lowered. significant heat loss greater, as well as off-gas to remove the (flue gas) of low concentration is about 13 ~ 16% of the carbon dioxide, flow rate, the more because high concentrations of nitrogen oxides (NO x) as well as a significant cost take in carbon dioxide recovery in the exhaust gas It has a hard disadvantage. Accordingly, studies have been made on a pure oxygen combustion power generation system that burns fuel by using oxygen, in particular, 95% or more of pure oxygen instead of air as an oxidant of a fuel.

순산소 연소 발전 시스템은 기존 가스터빈 발전 시스템과 달리 연소를 연소기 내부에서 산소와 연료만을 이용하여 수행하는 시스템을 의미한다. 순산소 연소 발전 시스템은 대기 중의 공기가 아닌 순산소를 이용하여 연소를 수행하기 때문에 연소 조건 내에 질소가 존재하지 않아, 주요 환경오염 문제의 원인인 질소 산화물(NOx) 배출을 원천적으로 차단할 수 있는 친환경 발전 방법으로 주목 받고 있다.The oxy-fuel combustion power generation system, unlike the conventional gas turbine power generation system, refers to a system that performs combustion using only oxygen and fuel in a combustor. Since the oxy-fuel combustion power generation system performs combustion using pure oxygen instead of air in the atmosphere because there is no nitrogen in the combustion conditions, which may inherently blocks a major pollution causes nitrogen oxide (NO x) emissions in question It is attracting attention as an eco-friendly development method.

이러한 최근의 기술 동향에 따라, 초임계 브레이튼 싸이클을 순산소 연소 발전 싸이클에 접목한 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템과 해당 발전 시스템의 효율을 향상시키기 위한 방안들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In accordance with these recent technological trends, we have improved the efficiency of oxy-fueled power generation systems and their power generation systems using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ), which combines supercritical Brayton cycles with oxy-combustion power cycles. There is an active research on the plans.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템을 제공함에 있다.The present invention aims to solve the above-mentioned problem and other problems. Another object is to provide a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid.

또 다른 목적은 발전 싸이클을 순환하는 초임계 이산화탄소를 압축 및 냉각시키기 위한 냉각 압축기를 구비하는 순산소 연소 발전 시스템을 제공함에 있다.Still another object is to provide a oxy-combustion power generation system having a cooling compressor for compressing and cooling supercritical carbon dioxide circulating in a power cycle.

또 다른 목적은 공기 분리기(ASU)에서 발생하는 저온의 산소 및 질소를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 순산소 연소 발전 시스템을 제공함에 있다.Still another object is to provide a pure oxygen combustion power generation system for cooling supercritical carbon dioxide in a compression process using low temperature oxygen and nitrogen generated in an air separator (ASU).

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 있어서, 외부로부터 유입되는 공기를 압축하여 산소(O2)와 질소(N2)를 분리하는 공기 분리기; 상기 공기 분리기에서 공급된 산소와 연료 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 상기 작동 유체인 초임계 이산화탄소로 전달하는 연소기; 및 상기 초임계 이산화탄소를 압축시키고, 상기 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 냉각 압축기를 포함하는 순산소 연소 발전 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or another object, in a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid, by compressing the air flowing from the outside oxygen (O 2 ) And an air separator separating nitrogen (N 2 ); A combustor for transferring thermal energy generated through a combustion reaction between oxygen supplied from the air separator and fuel to the supercritical carbon dioxide, the working fluid; And a refrigeration compressor for compressing the supercritical carbon dioxide and cooling the supercritical carbon dioxide in the compression process by using at least one of low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator.

좀 더 바람직하게는, 상기 냉각 압축기는, 초임계 이산화탄소를 압축시키는 압축기와 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 열 교환 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 냉각 압축기는, 냉각 원심형 압축기 또는 냉각 측류형 압축기임을 특징으로 한다. 또한, 상기 냉각 원심형 압축기는, 임펠러(impeller)의 전단부를 냉각시키는 포워드 쿨링(forward cooling) 방식이 적용된 압축기임을 특징으로 한다. More preferably, the cooling compressor includes a compressor for compressing supercritical carbon dioxide and a heat exchange device for cooling the supercritical carbon dioxide of the compression process. The cooling compressor may be a cooling centrifugal compressor or a cooling side flow compressor. The cooling centrifugal compressor may be a compressor to which a forward cooling method for cooling the front end of the impeller is applied.

좀 더 바람직하게는, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 연소기에서 배출되는 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 터빈에서 배출되는 가스 매질과 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행하는 복열기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 복열기를 통과한 가스 매질을 냉각시키는 예냉기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 순산소 연소 발전 시스템은 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the oxy-fueled power generation system is characterized in that it further comprises a turbine to convert the mechanical energy to impulse or reaction force to the rotating blades while the hot / high pressure gas medium discharged from the combustor expands. In addition, the oxy-fuel combustion power generation system is characterized in that it further comprises a recuperator for performing heat exchange between the gas medium discharged from the turbine and the carbon dioxide discharged from the cooling compressor. In addition, the oxy-fuel combustion power generation system is characterized in that it further comprises a precooler for cooling the gas medium passing through the recuperator. In addition, the oxy-fuel combustion power generation system is connected to the turbine and the shaft is driven in rotation, characterized in that it further comprises a generator for converting the kinetic energy received from the turbine into electrical energy.

좀 더 바람직하게는, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 연소기에서의 연소 반응을 통해 생성된 물(H2O)을 제거하는 물 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 물 분리기는, 냉각 압축기와 연결된 유로를 통해 초임계 이산화탄소를 상기 냉각 압축기로 제공하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the oxy-fuel fired power generation system further comprises a water separator for removing water (H 2 O) generated through the combustion reaction in the combustor. In addition, the water separator is characterized in that for providing the supercritical carbon dioxide to the cooling compressor through a flow path connected to the cooling compressor.

본 발명의 실시 예들에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the effect of the oxy-fuel combustion power generation system according to the embodiments of the present invention.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 초임계 이산화탄소가 순산소 연소 발전 사이클을 반복적으로 순환함으로써, 종래의 복합 화력 발전 시스템에 비해 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 환경 오염 물질의 발생을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, the supercritical carbon dioxide repeatedly cycles the oxy-fuel combustion power generation cycle, thereby improving power generation efficiency and minimizing the generation of environmental pollutants compared to the conventional combined cycle power generation system. There is an advantage that it can.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소 및 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 압축 과정에 필요한 압축 일(compression work)을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 전체 발전 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, by using the low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator to cool the carbon dioxide of the compression process, it is possible to reduce the compression work (compression work) required for the compression process Therefore, there is an advantage in that the efficiency of the entire power generation system can be increased accordingly.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 순산소 연소 발전 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effect that can be achieved by the pure oxygen combustion power generation system according to the embodiments of the present invention is not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are generally described in the art to which the present invention pertains. It will be clearly understood by those who have the knowledge of God.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 전체 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 근사 등온 압축 과정과 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 3은 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압력-온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 원심형 압축기의 구성을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 측류형 압축기의 구성을 도시하는 도면;
도 6은 냉각 압축기에서 저온의 산소 및 질소를 적용한 냉각 위치를 예시하는 도면;
도 7은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 온도-엔트로피 변화와 압력-압축 일 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 8은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 압축 일과 순 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도.1 is an overall configuration diagram of a pure oxygen combustion power generation system according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing a result of simulating the temperature-entropy change of the approximate isothermal compression process and the conventional compression process according to the present invention;
3 is a diagram showing a result of simulating the pressure-temperature change of the oxy-fuel combustion power generation cycle applying the approximate isothermal compression process and the oxy-fuel combustion power generation cycle applying the conventional compression process;
4 is a view showing the configuration of a cooling centrifugal compressor according to an embodiment of the present invention;
5 is a view showing the configuration of a cooling side flow compressor according to an embodiment of the present invention;
6 illustrates a cooling position in which cold oxygen and nitrogen are applied in a cooling compressor;
7 is a view showing a result of simulating a change in temperature-entropy and a change in pressure-compression work according to a cooling position of a cooling compressor;
8 is a view showing a simulation result of the compression work and the net efficiency according to the cooling position of the cooling compressor;
9 is a flow chart illustrating an operating process of the oxy-fuel combustion power generation system according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the following description of the embodiments disclosed herein, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easily understanding the embodiments disclosed in the present specification, the technical idea disclosed in the specification by the accompanying drawings are not limited, and all changes included in the spirit and scope of the present invention. It should be understood to include equivalents and substitutes.

본 발명은 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 발전 싸이클을 순환하는 초임계 이산화탄소를 냉각 및 압축시키는 냉각 압축기를 구비하는 순산소 연소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 공기 분리기(ASU)에서 발생하는 저온의 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 순산소 연소 발전 시스템을 제안한다.The present invention proposes a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) as a working fluid. The present invention also proposes a pure oxygen combustion power generation system having a cooling compressor for cooling and compressing supercritical carbon dioxide circulating in a power cycle. In addition, the present invention proposes a pure oxygen combustion power generation system that cools supercritical carbon dioxide in a compression process using low temperature oxygen and nitrogen generated in an air separator (ASU).

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 전체 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a pure oxygen combustion power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전 시스템(100)은 공기 분리기(Air Separation unit, 110), 연소기(Combustor, 120), 터빈(turbine, 130), 발전기(generator, 140), 복열기(recuperator, 150), 예냉기(precooler, 160), 물 분리기(water separator, 170) 및 냉각 압축기(cooling compressor, 180) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 순산소 연소 발전 시스템(100)은 해당 발전 시스템(100)을 구성하는 장치들(110~190)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.1, the pure oxygen combustion power generation system 100 according to the present invention is an air separator (Air Separation unit, 110), combustor (Combustor, 120), turbine (turbine, 130), generator (generator, 140), A recuperator 150, a precooler 160, a water separator 170, a cooling compressor 180, and the like. On the other hand, although not shown in the drawings, the oxy-fuel combustion power generation system 100 may further include a control device that can control the overall operation of the devices 110 to 190 constituting the power generation system 100. have.

공기 분리기(110)는 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 미리 결정된 압력으로 압축시킨 다음, 압축 공기 주변의 온도를 떨어뜨려 끊는 점 차이를 이용하여 산소(O2), 질소(N2) 및 아르곤(Ar) 등을 분리할 수 있다.The air separator 110 compresses the air flowing from the outside to a predetermined pressure, and then uses oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), and argon by using a difference in point at which the temperature around the compressed air is dropped. (Ar) etc. can be isolate | separated.

공기 분리기(110)는 냉각 압축기(180)와 연결된 제1 유로를 통해 저온의 순산소(O2)를 제공할 수 있다. 또한, 공기 분리기(110)는 냉각 압축기(180)와 연결된 제2 유로를 통해 저온의 질소(N2)를 제공할 수 있다.The air separator 110 may provide low temperature pure oxygen (O 2 ) through a first flow path connected to the cooling compressor 180. In addition, the air separator 110 may provide low temperature nitrogen (N 2 ) through a second flow path connected to the cooling compressor 180.

연소기(120)는 공기 분리기(110)에서 공급된 순산소(O2)를 이용하여 연료 공급부(미도시)에서 주입되는 연료(가령, CH4)를 연소시킬 수 있다. 이때, 산소와 연료는 별도의 압축기(미도시)를 거쳐 연소기(120)로 공급될 수 있다. 이는 연소기(120) 내부로 주입되는 산소와 연료의 압력을 연소기(120)의 내부 압력과 동일하거나 혹은 그 이상으로 높이기 위함이다.The combustor 120 may burn fuel (eg, CH 4 ) injected from a fuel supply unit (not shown) using pure oxygen (O 2 ) supplied from the air separator 110. At this time, the oxygen and the fuel may be supplied to the combustor 120 through a separate compressor (not shown). This is to increase the pressure of oxygen and fuel injected into the combustor 120 to the same or higher than the internal pressure of the combustor 120.

연소기(120)에서는 하기 반응식의 연소 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)가 발생하게 된다.In the combustor 120, carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O) are generated through the combustion reaction of the following reaction formula.

[반응식][Scheme]

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연소기(120)는 연료(CH4)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)를 가열할 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2)는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소(S-CO2)로 된다. 상기 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다.The combustor 120 may heat carbon dioxide (CO 2 ), which is a working fluid of a power generation cycle, based on thermal energy generated through a combustion reaction between fuel CH 4 and oxygen (O 2 ). The carbon dioxide (CO 2 ) becomes supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) at conditions above the critical temperature and the critical pressure. The supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) has a high density and at the same time a low viscosity. That is, supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ) has a high density of gas characteristics.

연소기(120)는 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)와 연소 반응 생성물인 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)를 포함하는 고온/고압의 가스 매질을 터빈(130)으로 출력할 수 있다.The combustor 120 may output a high temperature / high pressure gas medium including carbon dioxide (CO 2 ), which is a working fluid of a power generation cycle, and carbon dioxide (CO 2 ), and water vapor (H 2 O), which are combustion reaction products, to the turbine 130. Can be.

터빈(130)은 연소기(120)에서 출력된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈(130)의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.The turbine 130 may be converted into mechanical energy by impulsating or reacting the rotating blades of the turbine 130 while the gas medium of the high temperature / high pressure output from the combustor 120 expands.

터빈(130)에는, 냉각 압축기(180)와 마찬가지로, 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 본 실시 예에서, 상기 터빈(130)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 다단 축류식 터빈의 기본 구조는 증속류를 만들어 내는 정익과 그것을 회전 에너지로 변환시키는 동익으로 구성되며, 고온/고압의 가스 매질을 서서히 증속 팽창시켜 회전 에너지를 추출해 낸다.Like the cooling compressor 180, the turbine 130 has two types, axial flow type and centrifugal type, and its use is divided according to power generation capacity. In this embodiment, the turbine 130 may be a multi-stage axial flow type is not limited thereto. The basic structure of a multistage axial turbine consists of a stator that creates a high speed flow and a rotor that converts it into rotational energy, and extracts rotational energy by gradually expanding and expanding the hot / high pressure gas medium.

터빈(130)을 통해 획득한 기계적 에너지는 냉각 압축기(180)에서 이산화탄소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(140)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.Mechanical energy obtained through the turbine 130 is supplied to the energy required to compress the carbon dioxide in the cooling compressor 180, the rest is supplied to the energy required to produce electricity in the generator 140.

발전기(140)는 터빈(130)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(140)는 터빈(130)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(140)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.The generator 140 is connected to the turbine 130 by a shaft (or a rotor) to drive rotation. The generator 140 may generate electricity by converting mechanical energy supplied from the turbine 130 into electrical energy. As the generator 140, any one of a DC generator and an alternator may be used, and more preferably, an alternator may be used.

복열기(150)는 터빈(130)에서 배출되는 가스 매질과 냉각 압축기(180)에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 복열기(150)는 터빈(130)에서 배출되는 가스 매질의 열을 흡수하여 냉각 압축기(180)에서 배출되는 이산화탄소로 전달할 수 있다. 이러한 복열기(150)는 초임계 이산화탄소를 이용한 발전 시스템(100)에서 외부로 낭비되는 열의 양을 최소함으로써, 해당 발전 시스템(100)의 열 효율을 개선하는데 도움을 주게 된다.The recuperator 150 may perform heat exchange between the gas medium discharged from the turbine 130 and the carbon dioxide discharged from the cooling compressor 180. That is, the recuperator 150 may absorb heat of the gas medium discharged from the turbine 130 and transmit the heat to the carbon dioxide discharged from the cooling compressor 180. The recuperator 150 helps to improve the thermal efficiency of the power generation system 100 by minimizing the amount of heat wasted to the outside in the power generation system 100 using supercritical carbon dioxide.

복열기(150)는 터빈(130)과 연결된 유로를 통해 수신된 가스 매질을 예냉기(160)로 제공할 수 있다. 또한, 복열기(150)는 냉각 압축기(180)와 연결된 유로를 통해 수신된 이산화탄소를 연소기(120)로 제공할 수 있다. The recuperator 150 may provide the gas medium received through the flow path connected with the turbine 130 to the precooler 160. In addition, the recuperator 150 may provide the carbon dioxide received through the flow path connected to the cooling compressor 180 to the combustor 120.

예냉기(160)는, 복열기(150)와 물 분리기(170) 사이에 배치되어, 상기 복열기(150)를 통과한 가스 매질을 냉각할 수 있다. 상기 예냉기(160)의 냉각 방식으로는 공랭식 또는 수랭식이 사용될 수 있다. 또한, 상기 예냉기(160)의 냉매로는 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(S-CO2) 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The precooler 160 may be disposed between the recuperator 150 and the water separator 170 to cool the gas medium passing through the recuperator 150. As the cooling method of the precooler 160, air cooling or water cooling may be used. In addition, as the refrigerant of the precooler 160, air, water (H 2 O), hydrogen (H 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) , supercritical carbon dioxide (S-CO 2 ), and the like may be used. It doesn't work.

예냉기(160)는 가스 매질을 냉각하여 물(또는 수증기, H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 상기 생성된 물과 이산화탄소를 물 분리기(170)와 연결된 유로를 통해 제공할 수 있다.The precooler 160 may cool the gas medium to generate water (or water vapor, H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ), and provide the generated water and carbon dioxide through a flow path connected to the water separator 170. have.

물 분리기(170)는 예냉기(160)와 연결된 유로를 통해 수신된 물과 이산화탄소 중에서 물을 분리할 수 있다. 이에 따라, 물 분리기(170)는 냉각 압축기(180)와 연결된 유로를 통해 이산화탄소만을 제공할 수 있다.The water separator 170 may separate water from water and carbon dioxide received through a flow path connected to the precooler 160. Accordingly, the water separator 170 may provide only carbon dioxide through a flow path connected to the cooling compressor 180.

냉각 압축기(또는 근사등온 압축기(near-isothermal compressor), 180)는 터빈(130)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 물 분리기(170)로부터 유입되는 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 상기 냉각 압축기(180)를 통과한 고압의 이산화탄소 중 일부는 복열기(150)를 거쳐 연소기(120)로 주입될 수 있고, 나머지는 저장 탱크부(미도시)로 이동하여 저장될 수 있다.The cooling compressor (or near-isothermal compressor 180) may compress the carbon dioxide flowing from the water separator 170 using the mechanical energy provided by the turbine 130. Some of the high pressure carbon dioxide that has passed through the cooling compressor 180 may be injected into the combustor 120 through the recuperator 150, and the rest may be moved to and stored in a storage tank unit (not shown).

냉각 압축기(180)는 공기 분리기(ASU)에서 추출되는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 이를 위해, 냉각 압축기(180)는 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키기 위한 열 교환 장치를 포함할 수 있다. 이러한 열 교환 장치를 이용하여 이산화탄소를 냉각시키면 이산화탄소의 밀도가 증가하게 되고, 밀도가 증가된 이산화탄소를 압축하게 되면 압축에 필요한 압축 일(compression work)이 감소하게 되며, 그에 따라 전체 발전 시스템의 효율을 개선할 수 있게 된다.The cooling compressor 180 may cool the carbon dioxide in the compression process by using at least one of low temperature oxygen and nitrogen extracted from the air separator (ASU). To this end, the cooling compressor 180 may include a heat exchange device for cooling the carbon dioxide of the compression process. Cooling carbon dioxide using this heat exchanger increases the density of carbon dioxide, and compressing the increased carbon dioxide reduces the compression work required for compression, thereby reducing the efficiency of the entire power generation system. It can be improved.

공기 분리기(ASU)에서 발생하는 산소와 질소가 이미 과 냉각된 상태이기 때문에, 냉각 압축기(180)는 별도의 냉각에 필요한 일을 소모하지 않고 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 냉각 압축기(180)의 외부를 통과하는 질소는 발전 시스템의 외부로 배출되고, 해당 압축기(180)의 외부를 통과하는 산소는 별도의 압축기를 거쳐 연소기(120)로 주입된다. Since oxygen and nitrogen generated in the air separator (ASU) are already overcooled, the cooling compressor 180 can cool the carbon dioxide in the compression process using oxygen and nitrogen without consuming work required for separate cooling. have. Nitrogen passing through the outside of the cooling compressor 180 is discharged to the outside of the power generation system, oxygen passing through the outside of the compressor 180 is injected into the combustor 120 through a separate compressor.

냉각 압축기(180)로는 축류식 압축기와 원심식 압축기 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 상기 축류식 압축기 또는 원심식 압축기의 구성 요소들에 관한 자세한 설명은 후술하도록 한다.As the cooling compressor 180, any one of an axial compressor and a centrifugal compressor may be used. Detailed description of the components of the axial compressor or centrifugal compressor will be described later.

냉각 압축기(180)는 터빈(130)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 냉각 압축기(180)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과, 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.The cooling compressor 180 is connected to the turbine 130 by a shaft (or a rotor) to drive rotation. The cooling compressor 180 may be composed of one or more rotors that rotate to provide energy to the fluid and one or more vanes that decelerate the fluid to raise the pressure.

이처럼, 초임계 이산화탄소는 순산소 연소 발전 사이클인 연소기(120), 터빈(130), 복열기(150), 예냉기(160), 물 분리기(170) 및 냉각 압축기(180)를 순차적으로 순환하면서 에너지를 생산하게 된다.As such, the supercritical carbon dioxide circulates sequentially through the combustor 120, the turbine 130, the recuperator 150, the precooler 160, the water separator 170, and the cooling compressor 180, which are pure oxygen combustion power generation cycles. Will produce energy.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전 시스템은, 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 압축 과정에 필요한 압축 일을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 전체 발전 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.As described above, the pure oxygen combustion power generation system according to the present invention reduces the compression work required for the compression process by cooling the carbon dioxide in the compression process by using at least one of low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator. It is possible to increase the efficiency of the entire power generation system accordingly.

도 2는 본 발명에 따른 근사 등온 압축 과정과 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이고, 도 3은 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압력-온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다. 2 is a view showing a simulation result of the temperature-entropy change between the approximate isothermal compression process and the conventional compression process according to the present invention, and FIG. 3 is a net of the oxycombustion power generation cycle applying the approximate isothermal compression process and the conventional compression process. It is a figure which shows the result of simulating the pressure-temperature change of an oxygen combustion power cycle.

도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 압축 과정에서는 압축기를 통해 이산화탄소를 압축하게 되면 압축 시 발생하는 열로 인하여 작동 유체인 이산화탄소의 온도가 상승하게 된다. 하지만, 본 발명에 따른 근사 압축 과정에서는 저온의 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키게 되면 엔트로피가 감소하며 작동 유체인 이산화탄소의 온도가 완만하게 상승하게 된다. 따라서, 근사 압축 과정을 적용한 이산화탄소의 온도는 기존 압축 과정에 비해 약 12℃ 정도 낮아지게 된다. 그 결과, 주어진 설계 조건에서 약 9% 이상의 압축 일 감소 효과를 획득할 수 있다.As shown in FIG. 2, in the conventional compression process, when the carbon dioxide is compressed through the compressor, the temperature of the working fluid carbon dioxide is increased due to the heat generated during the compression. However, in the approximate compression process according to the present invention, when cooling the carbon dioxide in the compression process using low temperature oxygen and nitrogen, the entropy is reduced and the temperature of the working fluid carbon dioxide is gradually increased. Therefore, the temperature of the carbon dioxide to which the approximate compression process is applied is about 12 ° C. lower than the conventional compression process. As a result, a compression work reduction effect of about 9% or more can be obtained at a given design condition.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클에서는 압력이 증가함에 따라 온도가 증가하는 폭이 큰 반면, 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클에서는 압력이 증가함에 따라 온도가 증가하는 폭이 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클은 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클에 비해 효율이 개선되는 것을 기대할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 3, in a pure oxygen combustion power generation cycle to which a conventional compression process is applied, the temperature increases as the pressure increases, whereas in a pure oxygen combustion power cycle to which an approximate isothermal compression process is applied, the pressure is increased. It can be seen that as the temperature increases, the width of the increase is small. Therefore, the pure oxygen combustion power generation cycle applying the approximate isothermal compression process can be expected to have improved efficiency compared to the pure oxygen combustion power generation cycle applying the conventional compression process.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 원심형 압축기의 구성을 도시하는 도면이다. 4 is a view showing the configuration of a cooling centrifugal compressor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 원심형 압축기는 임펠러(Impeller, 410), 슈라우드(Shroud, 420), 허브(Hub, 430), 디퓨저(Diffuser, 440) 및 와류실(collector scroll, 450) 등으로 구성된 원심형 압축기(400)와 상기 원심형 압축기(400)를 냉각시키기 위한 열 교환 장치(미도시)를 포함할 수 있다.4, the cooling centrifugal compressor according to the present invention is an impeller (410), shroud (Shroud, 420), hub (Hub, 430), diffuser (Diffuser, 440) and the vortex chamber (collector scroll, 450) And a heat exchange device (not shown) configured to cool the centrifugal compressor 400 and the centrifugal compressor 400.

원심형 압축기(400)는 원심력을 이용하여 작동 유체인 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 원심형 압축기(400)는 임펠러(410)가 고속으로 회전하면서 임펠러(410) 중심 근처의 흡입구로부터 이산화탄소를 흡입하고, 회전에 의한 원심력을 이용하여 이산화탄소를 바깥쪽으로 밀어내면서 속도를 증가시켜 디퓨저(440) 부분으로 이동시킨다. 디퓨저(440)에서는 이산화탄소(유체)의 속도에 의한 운동 에너지가 압력 에너지로 변환되며, 압력 에너지로 변환된 이산화탄소는 와류실(450)을 거쳐 배출구로 출력된다.The centrifugal compressor 400 may compress carbon dioxide which is a working fluid by using centrifugal force. The centrifugal compressor 400 sucks carbon dioxide from an inlet near the center of the impeller 410 while the impeller 410 rotates at a high speed, and increases the speed while pushing the carbon dioxide outward by using the centrifugal force caused by the rotation. ) To the In the diffuser 440, the kinetic energy due to the speed of carbon dioxide (fluid) is converted into pressure energy, and the carbon dioxide converted into pressure energy is output to the outlet through the vortex chamber 450.

열 교환 장치는 냉매를 원심형 압축기(400)의 임펠러(410) 주변으로 통과시키면서 해당 압축기(400)에 의해 압축되는 이산화탄소(CO2)를 냉각시킬 수 있다. 이때, 상기 열 교환 장치는 공기 분리기(110)에서 발생하는 저온의 산소와 질소를 냉매로 사용할 수 있다.The heat exchanger may cool the carbon dioxide (CO 2 ) compressed by the compressor 400 while passing the refrigerant around the impeller 410 of the centrifugal compressor 400. In this case, the heat exchanger may use low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator 110 as a refrigerant.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 측류형 압축기의 구성을 도시하는 도면이다.5 is a view showing the configuration of a cooling side flow compressor according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 측류형 압축기는 복수의 동익들(rotors, 510)과 복수의 정익들(stators, 520)이 다단으로 구성된 측류형 압축기(500)와, 상기 측류형 압축기(500)를 냉각시키기 위한 열 교환 장치(미도시)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 5, the cooling side flow compressor according to the present invention includes a side flow compressor 500 including a plurality of rotors 510 and a plurality of stators 520, and the side flow compressor. And a heat exchange device (not shown) for cooling the 500.

동익(510)은 유체의 흐름을 직선으로 유도하는 역할을 수행하고, 정익(520)은 전방에서 흡입된 유체의 속도를 감소하여 압력을 상승시키는 역할을 수행한다. The rotor blade 510 serves to guide the flow of the fluid in a straight line, the vane 520 increases the pressure by reducing the speed of the fluid sucked from the front.

측류형 압축기(500)는 베르누이 원리(Bernoulli's　theorem)를 이용하여 작동 유체인 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 즉, 동익(510)의 각　루트 사이에 유체 통로를 형성하고,　이 유체 통로 단면은 입구가 좁고 출구가 넓게 형성된다.　외부로부터 유입되는 유체가 이 통로를 지나게 되면, 베르누이 원리에 의한 확산 작용에 따라 유체의 속도 에너지 일부가 압력 에너지로 변화되어 속도가 감소하고 압력의 증가를 얻을 수 있게 된다.The side flow compressor 500 may compress the working fluid carbon dioxide using Bernoulli's theorem. That is, a fluid passage is formed between each root of the rotor blade 510, and the cross section of the fluid passage has a narrow inlet and a wide outlet. When the fluid flowing from the outside passes through this passage, part of the velocity energy of the fluid is changed to pressure energy by the diffusion effect according to the Bernoulli principle, so that the velocity decreases and the pressure increases.

열 교환 장치는 냉매를 측류형 압축기(500)의 정익(520) 주변으로 통과시키면서 해당 압축기(500)에 의해 압축되는 이산화탄소(CO2)를 냉각시킬 수 있다. 이때, 상기 열 교환 장치는 공기 분리기(110)에서 발생하는 저온의 산소와 질소를 냉매로 사용할 수 있다.The heat exchanger may cool the carbon dioxide (CO 2 ) compressed by the compressor 500 while passing the refrigerant around the vane 520 of the side flow compressor 500. In this case, the heat exchanger may use low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator 110 as a refrigerant.

도 6은 냉각 압축기에서 저온의 산소 및 질소를 적용한 냉각 위치를 예시하는 도면이고, 도 7은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 온도-엔트로피 변화와 압력-압축 일 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이며, 도 8은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 압축 일과 순 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다. 본 실시 예에서, 상기 냉각 압축기는 냉각 원심형 압축기임을 가정하여 설명하도록 한다.FIG. 6 is a diagram illustrating a cooling position using oxygen and nitrogen at a low temperature in a cooling compressor, and FIG. 7 is a diagram illustrating a result of simulating a temperature-entropy change and a pressure-compression work change according to a cooling position of a cooling compressor. 8 is a view showing the results of simulating the compression work and the net efficiency according to the cooling position of the cooling compressor. In the present embodiment, it will be described on the assumption that the cooling compressor is a cooling centrifugal compressor.

도 6에 도시된 바와 같이, 저온의 산소와 질소를 이용하여 냉각 압축기를 냉각하는 방식으로는, 임펠러(impeller)의 전체를 고르게 냉각시키는 이븐 쿨링(even cooling) 방식, 임펠러의 전단부를 냉각시키는 포워드 쿨링(forward cooling) 방식, 임펠러의 중앙부를 냉각시키는 센터 쿨링(center cooling) 방식, 임펠러의 후단부를 냉각시키는 백 쿨링(back cooling) 방식이 있다. 네 가지의 쿨링 방식들 중 어느 하나의 방식이 냉각 압축기에 적용될 수 있다. 냉각 압축기에 적용된 쿨링 방식의 종류에 따라 이산화탄소를 압축하는데 필요한 압축 일이 가변하게 된다.As shown in FIG. 6, in a method of cooling a cooling compressor using low temperature oxygen and nitrogen, an even cooling method of uniformly cooling the entire impeller and a forward cooling part of the impeller. There is a forward cooling method, a center cooling method for cooling the center of the impeller, and a back cooling method for cooling the rear end of the impeller. Any one of the four cooling schemes can be applied to the refrigeration compressor. The compression work required to compress carbon dioxide varies according to the type of cooling method applied to the cooling compressor.

네 가지의 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정들과 기존의 압축 과정을 시뮬레이션한 결과, 상기 근사 등온 압축 과정들의 온도-엔트로피 변화에 관한 그래프들과 상기 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화에 관한 그래프는 서로 다른 형태를 갖는 것을 확인할 수 있다. 가령, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 기존의 압축 과정에서는 압축기를 통해 이산화탄소를 압축하게 되면 엔트로피가 증가하여 이산화탄소의 온도가 급격하게 상승하게 된다. 이에 반해, 네 가지의 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 냉각 압축기를 통해 이산화탄소를 압축하게 되면 엔트로피가 감소하게 되어 최종 이산화탄소의 온도가 낮아지게 된다.As a result of simulating the approximate isothermal compression processes applying the four cooling methods and the conventional compression process, the graphs of the temperature-entropy change of the approximate isothermal compression processes and the temperature-entropy change of the conventional compression process are It can be seen that they have different forms. For example, as shown in (a) of FIG. 7, in the conventional compression process, when the carbon dioxide is compressed through the compressor, the entropy is increased to rapidly increase the temperature of the carbon dioxide. On the other hand, in the approximate isothermal compression process using four cooling methods, the compression of carbon dioxide through a cooling compressor reduces entropy and thus lowers the temperature of the final carbon dioxide.

다만, 이븐 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러 전체를 고르게 냉각하기 때문에 압축 과정 전체에 걸쳐 이산화탄소 온도가 완만하게 상승하게 된다. 포워드 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 전단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 전반부에는 이산화탄소의 온도가 느리게 상승하게 되고, 압축 과정의 중반부와 후반부에는 이산화탄소의 온도가 빠르게 상승하게 된다. However, in the approximate isothermal compression process using the even cooling method, since the entire impeller is uniformly cooled, the carbon dioxide temperature gradually increases throughout the compression process. In the approximate isothermal compression process using forward cooling, the front end of the impeller is cooled, so the temperature of carbon dioxide rises slowly in the first half of the compression process, and the temperature of carbon dioxide rises rapidly in the middle and second half of the compression process.

센터 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 중앙부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 중반부에는 이산화탄소의 온도가 느리게 상승하고, 압축 과정의 초반부와 후반부에는 이산화탄소의 온도가 빠르게 상승하게 된다. 또한, 백 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 후단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 후반부에는 이산화탄소의 온도가 느리게 상승하고, 압축 과정의 초반부와 중반부에는 이산화탄소의 온도가 빠르게 상승하게 된다.In the approximate isothermal compression process using the center cooling method, the central portion of the impeller is cooled, so the temperature of carbon dioxide rises slowly in the middle of the compression process, and the temperature of carbon dioxide rises rapidly in the early and second parts of the compression process. In addition, since the rear end of the impeller cools the rear end of the impeller in the approximate isothermal compression process using the back cooling method, the temperature of the carbon dioxide rises slowly in the second half of the compression process, and the temperature of the carbon dioxide rises rapidly in the early and middle portions of the compression process.

또한, 네 가지의 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정들을 시뮬레이션한 결과, 상기 근사 등온 압축 과정들의 압력-압축 일 변화에 관한 그래프들은 서로 다른 형태를 갖는 것을 확인할 수 있다. 가령, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 이븐 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러 전체를 고르게 냉각하기 때문에 압축 과정 전체에 걸쳐 압축 일(compression work)이 완만하게 상승하게 된다. 포워드 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 전단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 전반부에는 압축 일이 크게 증가하지 않지만, 압축 과정의 중반부와 후반부에는 압축 일 빠르게 증가하게 된다.In addition, as a result of simulating the approximate isothermal compression processes applying the four cooling schemes, it can be seen that the graphs of the pressure-compression work changes of the approximate isothermal compression processes have different shapes. For example, as shown in FIG. 7B, in the approximate isothermal compression process using the even cooling method, since the entire impeller is uniformly cooled, the compression work gradually rises throughout the compression process. In the approximate isothermal compression process with forward cooling, the front end of the impeller is cooled, so the compression work does not increase greatly in the first half of the compression process, but the compression work rapidly increases in the middle and second half of the compression process.

센터 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 중앙부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 중반부에는 압축 일이 크게 증가하지 않지만, 압축 과정의 초반부와 후반부에는 압축 일이 빠르게 증가하게 된다. 또한, 백 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 후단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 후반부에는 압축 일이 크게 증가하지 않지만, 압축 과정의 초반부와 중반부에는 압축 일이 빠르게 증가하게 된다.In the approximate isothermal compression process using the center cooling method, since the central part of the impeller is cooled, the compression work does not increase greatly in the middle of the compression process, but the compression work rapidly increases in the early and late parts of the compression process. In addition, in the approximate isothermal compression process using the back cooling method, since the rear end of the impeller is cooled, the compression work does not increase greatly in the second half of the compression process, but the compression work rapidly increases in the early and mid parts of the compression process.

한편, 상기 근사 등온 압축 과정들을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클을 시뮬레이션한 결과, 상기 순산소 연소 발전 싸이클들의 압축 일과 순 효율이 서로 상이함을 확인할 수 있다. 가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 포워드 쿨링 방식의 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압축 일이 가장 작고, 순 효율이 가장 높음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전 시스템은 포워드 쿨링 방식을 갖는 냉각 압축기를 사용하는 것이 바람직하다. On the other hand, as a result of simulating the oxy-fuel combustion power cycle applying the approximate isothermal compression processes and the oxy-fuel combustion power cycle applying the conventional compression process, it can be seen that the compression work and the net efficiency of the oxy-combustion power generation cycles are different from each other. . For example, as shown in Figure 8, it can be confirmed that the compression work of the oxy-fuel combustion power generation cycle applying the approximate isothermal compression process of the forward cooling method is the smallest, the highest net efficiency. Therefore, the oxy-fuel combustion power generation system according to the present invention preferably uses a cooling compressor having a forward cooling system.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도이다.9 is a flowchart illustrating an operating process of a oxy-fuel combustion power generation system according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 순산소 연소 발전 시스템은, 폐 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 공기 분리기, 연소기, 터빈, 발전기, 복열기, 예냉기, 물 분리기, 냉각 압축기 및 제어 장치 등을 포함할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 제어 장치는 초임계 이산화탄소를 동작 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.Referring to FIG. 9, the oxy-fuel combustion power generation system is a power generation system having a closed loop cycle, and includes an air separator, a combustor, a turbine, a generator, a recuperator, a precooler, a water separator, a cooling compressor, and a control device. And the like. In the present embodiment, the control device may control the overall operation of the pure oxygen combustion power generation system using the supercritical carbon dioxide as the working fluid.

순산소 연소 발전 시스템을 구성하는 장치들의 준비가 완료되면, 제어 장치는 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라 순산소 연소 발전 시스템의 동작을 개시할 수 있다(S910).When preparation of the devices constituting the oxy-fuel combustion power generation system is completed, the control device may start the operation of the oxy-fuel combustion power generation system according to a control command of the system operator (S910).

먼저, 공기 분리기(ASU)는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 압축한 다음 주변의 온도를 떨어뜨려 산소(O2)와 질소(N2)를 분리할 수 있다(S920). 상기 공기 분리기(ASU)는 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키기 위한 산소와 질소를 냉각 압축기로 제공할 수 있다.First, the air separator (ASU) can separate oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) by compressing air introduced from the outside according to a control command of the control device and then lowering the ambient temperature. There is (S920). The air separator (ASU) may provide oxygen and nitrogen to the cooling compressor to cool the carbon dioxide in the compression process.

냉각 압축기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 물 분리기로부터 유입되는 이산화탄소를 압축할 수 있다(S930). 또한, 냉각 압축기는 공기 분리기(ASU)에서 추출된 저온의 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 이러한 압축 과정에서의 냉각을 통해 순산소 연소 발전 시스템의 압축 일을 효과적으로 감소할 수 있다. 상기 냉각 압축기를 통과한 고압의 이산화탄소는 복열기를 거쳐 연소기로 주입된다.The cooling compressor may compress the carbon dioxide flowing from the water separator according to the control command of the controller (S930). In addition, the cooling compressor may cool the carbon dioxide of the compression process using low temperature oxygen and nitrogen extracted from the air separator (ASU). Cooling in this compression process can effectively reduce the compression work of the oxy-combustion power generation system. The high pressure carbon dioxide passed through the cooling compressor is injected into the combustor through a recuperator.

연소기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 공기 분리기에서 공급된 순산소(O2)를 이용하여 연료 공급부에서 주입되는 연료(가령, CH4)를 연소시킬 수 있다(S940). 또한, 연소기는 연료(CH4)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)를 가열할 수 있다.The combustor may combust fuel (eg, CH 4 ) injected from the fuel supply unit using pure oxygen O 2 supplied from the air separator according to a control command of the control device (S940). In addition, the combustor may heat carbon dioxide (CO 2 ), which is the working fluid of the power generation cycle, based on thermal energy generated through the combustion reaction between fuel (CH 4 ) and oxygen (O 2 ).

터빈은, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 연소기에서 배출되는 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다(S950). 터빈을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기에서 가스 매질을 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.According to a control command of the control device, the turbine may convert into mechanical energy by giving an impulse or reaction force to the rotary blades of the turbine while expanding the hot / high pressure gas medium discharged from the combustor (S950). The mechanical energy obtained through the turbine is supplied by the compressor with the energy needed to compress the gas medium, with the remainder supplied by the generator with the energy needed to produce electricity.

발전기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 상기 터빈에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기가 직류 발전기인 경우, 직류 전원을 생산할 수 있고, 상기 발전기가 교류 발전기인 경우, 교류 전원을 생산할 수 있다.The generator may produce electricity by converting mechanical energy supplied from the turbine into electrical energy according to a control command of the control device. When the generator is a direct current generator, it is possible to produce a direct current power, and when the generator is an alternator, it may produce an alternating current power.

복열기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 터빈에서 배출되는 가스 매질과 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행할 수 있다(S960). 즉, 복열기는 터빈에서 배출되는 가스 매질의 열을 흡수하여 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소로 전달할 수 있다. 상기 복열기를 통과한 가스 매질은 예냉기를 거쳐 물 분리기로 주입된다.The recuperator may perform heat exchange between the gas medium discharged from the turbine and the carbon dioxide discharged from the cooling compressor according to the control command of the controller (S960). That is, the recuperator may absorb heat of the gas medium discharged from the turbine and transfer it to the carbon dioxide discharged from the cooling compressor. The gas medium passing through the recuperator is introduced into the water separator via a precooler.

물 분리기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 연소기에서의 연소 반응을 통해 생성된 물(또는 수증기, H2O)을 분리할 수 있다(S970). 물 분리기는 물을 분리하고 남은 이산화탄소를 냉각 압축기로 제공할 수 있다.The water separator may separate the water (or water vapor, H 2 O) generated through the combustion reaction in the combustor according to a control command of the controller (S970). The water separator may separate the water and provide the remaining carbon dioxide to the cooling compressor.

이후, 제어 장치는, 시스템 운영자의 제어 명령에 따라 발전 시스템의 동작이 종료될 때까지, 상술한 920 단계 내지 970 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다(S980).Thereafter, the control device may repeatedly perform the above-described operations of steps 920 to 970 until the operation of the power generation system is terminated according to the control command of the system operator (S980).

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the art without departing from the spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

100: 순산소 연소 발전 시스템 110: 공기 분리기
120: 연소기 130: 터빈
140: 발전기 150: 복열기
160: 예냉기 170: 물 분리기
180: 냉각 압축기100: pure oxygen combustion power generation system 110: air separator
120: combustor 130: turbine
140: generator 150: recuperator
160: precooler 170: water separator
180: refrigeration compressor

Claims (10)

초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 있어서,
외부로부터 유입되는 공기를 압축하여 산소(O2)와 질소(N2)를 분리하는 공기 분리기;
상기 공기 분리기에서 공급된 산소와 연료 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 상기 작동 유체인 초임계 이산화탄소로 전달하는 연소기; 및
상기 초임계 이산화탄소를 압축시킴과 동시에, 상기 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 냉각 압축기를 포함하고,
상기 냉각 압축기는, 상기 초임계 이산화탄소를 압축시키는 압축기와 상기 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 열 교환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템.In a pure oxygen combustion power generation system using supercritical carbon dioxide (S-CO2) as a working fluid,
An air separator for compressing air introduced from the outside to separate oxygen (O 2) and nitrogen (N 2);
A combustor for transferring thermal energy generated through a combustion reaction between oxygen supplied from the air separator and fuel to the supercritical carbon dioxide, the working fluid; And
And a cooling compressor for compressing the supercritical carbon dioxide and cooling the supercritical carbon dioxide of the compression process by using at least one of low temperature oxygen and nitrogen generated in the air separator,
The cooling compressor comprises a compressor for compressing the supercritical carbon dioxide and a heat exchange device for cooling the supercritical carbon dioxide of the compression process. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 냉각 압축기는, 냉각 원심형 압축기 또는 냉각 측류형 압축기임을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 1,
The cooling compressor is a pure oxygen combustion power generation system, characterized in that the cooling centrifugal compressor or a cooling side flow compressor. 제3항에 있어서,
상기 냉각 원심형 압축기는, 임펠러(impeller)의 전단부를 냉각시키는 포워드 쿨링(forward cooling) 방식이 적용된 압축기임을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 3,
The cooling centrifugal compressor is a pure oxygen combustion power generation system, characterized in that the compressor is applied forward cooling (forward cooling) system for cooling the front end of the impeller (impeller). 제1항에 있어서,
상기 연소기에서 배출되는 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 터빈을 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 1,
And a turbine converting the rotating blades into mechanical energy by impulse or reaction force as the hot / high pressure gas medium discharged from the combustor expands. 제5항에 있어서,
상기 터빈에서 배출되는 가스 매질과 상기 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행하는 복열기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 5,
And a recuperator for performing heat exchange between the gas medium discharged from the turbine and the carbon dioxide discharged from the cooling compressor. 제6항에 있어서,
상기 복열기를 통과한 가스 매질을 냉각시키는 예냉기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 6,
And a precooler for cooling the gas medium passing through the recuperator. 제5항에 있어서,
상기 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 5,
And a generator connected to the turbine and connected to the shaft to rotate and converting the kinetic energy received from the turbine into electrical energy. 제1항에 있어서,
상기 연소기에서의 연소 반응을 통해 생성된 물(H2O)을 제거하는 물 분리기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 1,
And a water separator for removing water (H 2 O) generated through the combustion reaction in the combustor. 제9항에 있어서,
상기 물 분리기는, 상기 냉각 압축기와 연결된 유로를 통해 상기 초임계 이산화탄소를 상기 냉각 압축기로 제공하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템.The method of claim 9,
The water separator, the pure oxygen combustion power generation system, characterized in that for providing the supercritical carbon dioxide to the cooling compressor through a flow path connected to the cooling compressor.
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