KR102122873B1

KR102122873B1 - 폐쇄냉각회로를 포함한 orc 터빈형 발전시스템

Info

Publication number: KR102122873B1
Application number: KR1020190050476A
Authority: KR
Inventors: 이원진; 정재훈; 오성룡; 최여울
Original assignee: (주)지티씨
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-06-15

Abstract

본 발명은 에너지 효율을 높일 수 있는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템에 관한 기술로서, 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되는 터빈; 상기 터빈과 동축으로 배치되되, 터빈축과 직결되는 회전자를 갖는 제너레이터; 상기 터빈으로 연결되어 증발기로부터 공급되는 고온,고압의 작동유체를 공급하는 인렛부; 응축기로 연결되게 상기 하우징 일측에 마련되는 아웃렛부; 상기 아웃렛부에 인접하여 일단이 연결되고 타단은 상기 하우징 타측에 연결되어 상기 터빈을 거치면서 저온, 저압으로 변한 작동유체 일부를 상기 제너레이터를 향하도록하여 자체냉각이 이루어질 수 있도록 하는 바이패스관; 상기 제너레이터에 인접하게 연결되어 상기 제너레이터의 열을 빼앗은 작동유체를 상기 아웃렛부로 배출되게 연결되는 회수관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템{ORC turbine power generation system with closed cooling circuit}

본 발명은 에너지 효율을 높일 수 있는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템에 관한 기술이다.

일반적으로 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클로서 비교적 저온의 온도범위의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템이다.

도 1은 일반적인 ORC 시스템의 구성도이며, 유기랭킨사이클(ORC)는 증발기(1), 터빈(2), 응축기(3), 펌프(4)를 기본 구성요소로 한다. 증발기(1)는 작동유체에 열을 전달하여 터빈 구동에 필요한 온도까지 가열시키고, 터빈(2)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 응축기(3)는 터빈(2)에서 나온 작동유체를 냉각시키며, 펌프(4)는 응축기(3)에서 나온 저압의 작동유체를 증발 압력까지 가압하는 역할을 한다.

한편, 도 2는 종래의 유기랭키사이클에 적용되는 발전 시스템의 단면도를 나타낸 것이다. 도시된 것처럼, 터빈 하우징(20)과 발전기 하우징(10)이 결합한 구조이며, 터빈 하우징(20)에 수납된 터빈 블레이트(22)와 발전기로터(12)는 회전축(25)에 의해 연결된다.

터빈 노즐(21)에서 분사된 작동유체는 터빈 블레이드(22)를 통과하면서 저온, 저압 상태로 변화하면서 팽창하며 엔트로피를 터빈 블레이드(22)의 회전운동 에너지로 변환한다. 그 결과 터빈 블레이드(22)는 고속으로 회전운동을 하며, 이에 따라 회전축(11)이 회전하고 궁극적으로 발전기 로터(12)를 회전시켜서 발전이 이루어지도록 하는 것이다. 터빈 블레이드를 거친 작동유체는 응축기로 유도되어 액상으로 가압되는데 고온의 작동유체는 가압효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 제시된 종래기술로 대한민국 공개특허 제10-2012-0021509호의 "2단 구심 터빈형 ORC 발전 시스템"이 있었다.

도 3은 종래기술에 의한 2단 구심 터빈형 ORC 발전 시스템의 구성도이다.

도시된 바와 같이 종래기술은, 하우징(10)의 전방에 위치하며 내부의 제1 터빈 블레이드(21)가 회전축(11)에 결합되는 제1 터빈 하우징(20)과; 발전기 하우징(10)의 후방에 위치하며 내부의 제2 터빈 블레이드(31)가 회전축(11)에 결합되는 제2 터빈 하우징(30)을 포함하며, 제1 터빈 하우징(20)은 증발기(1)에서 배출된 작동 유체가 유입되는 제1 유입구(22)와, 제1 유입구(22)로 유입된 작동 유체를 제1 터빈 블레이드(21)에 분사시키는 제1 터빈 노즐(23)과, 제1 터빈 블레이드(21)의 후면에는 작동 유체를 배출하기 위한 제1 배출구(24)를 구비하고, 제2 터빈 하우징(30)은 제1 배출구(24)에서 배출된 작동 유체가 유입되는 제2 유입구(32)와, 제2 유입구(32)로 유입된 작동 유체를 제2 터빈 블레이드(31)에 분사시키는 제2 터빈 노즐(33)과, 제2 터빈 블레이드(31)의 후면에는 작동 유체를 외부로 배출하기 위한 제2 배출구(34)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0021509호

본 발명에서는 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템을 제공하되, 콤팩트한 구조로 소형화가 가능하고, 고온고압 상태로 터빈으로 공급되는 작동유체의 안정화를 통해 우수한 운전특성을 제공할 수 있는 ORC 발전 시스템을 제시하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명의 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템은, 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되는 터빈; 상기 터빈과 동축으로 배치되되, 터빈축과 직결되는 회전자를 갖는 제너레이터; 상기 터빈으로 연결되어 증발기로부터 공급되는 고온,고압의 작동유체를 공급하는 인렛부; 응축기로 연결되게 상기 하우징 일측에 마련되는 아웃렛부; 상기 아웃렛부에 인접하여 일단이 연결되고 타단은 상기 하우징 타측에 연결되어 상기 터빈을 거치면서 저온, 저압으로 변한 작동유체 일부를 상기 제너레이터를 향하도록하여 자체냉각이 이루어질 수 있도록 하는 바이패스관; 상기 제너레이터에 인접하게 연결되어 상기 제너레이터의 열을 빼앗은 작동유체를 상기 아웃렛부로 배출되게 연결되는 회수관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 아웃렛부에 연결되는 상기 회수관의 일단은 상기 바이스패스관의 일단보다 상기 터빈으로부터 먼거리에 위치되게 설치되도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 증발기와 상기 인렛부를 연결하는 고온고압관에는 기수분리기가 마련되어 상기 작동유체의 안정화가 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 기수분리기 내부에는 유입되는 상기 작동유체가 부딪히는 1차타격판이 구비되고, 상기 1차타격판 상단부근으로 다수의 돌출된 유도판이 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템은 소형화를 달성하면서도 고효율의 발전 시스템을 제공할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 터빈으로 유입되는 고온고압의 작동유체를 기수분리기를 거치도록 하여 안정화를 유도함으로써 발전 시스템의 효율향상 및 동작특성의 안정을 유도할 수 있다는 효과도 있다.

도 1은 일반적인 ORC 시스템의 구성도.
도 2는 종래의 유기랭키사이클에 적용되는 발전 시스템의 단면도.
도 3은 종래기술에 의한 2단 구심 터빈형 ORC 발전 시스템의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템의 사시도.
도 5는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템의 정면도
도 6은 본 발명의 주요부에 대한 사시도.
도 7은 도 6의 정면도.
도 8은 기수분리기의 예시도.

이하, 본 발명에 의한 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템에 대해 보다 상세한 설명을 하도록 하며, 첨부되는 도면을 참조하는 것으로 한다. 단, 제시되는 도면 및 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 기술적 사상에 따른 하나의 실시 가능한 예를 설명하는 것인 바, 본 발명의 기술적 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템의 사시도이며, 도 5는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템의 정면도이며, 도 6은 본 발명의 주요부에 대한 사시도이며, 도 7은 도 6의 정면도이며, 도 8은 기수분리기의 예시도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템은 주요한 구성요소로 하우징(100), 터빈(200), 제너레이터(300), 인렛부(400), 아웃렛부(500), 바이패스관(600), 회수관(700)을 포함하여 이루어질 수 있다.

기본적으로 익히 알려져 있는 바와 같이, 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템은 작동유체를 매개로 하여 동작되며, 증발기(E), 응축기(C), 터빈(200), 제너레이터(300)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예와 같이 베이스프레임(F) 위에 주요 구성요소들이 설치되는데, 하우징(100)의 일측은 응축기(C)로 연결되고, 하우징(100) 타측 근처에 내장되는 터빈(200)으로 증발기로부터 공급되는 고온고압의 작동유체가 유입되도록 연결된다.

하우징(100)은 길다란 관 형태를 이루게 되며, 하우징(100) 내부 대략 중간 부위에 터빈(200)이 설치된다.

터빈(200)과 동축으로 제너레이터(300)가 하우징(100) 내부로 설치되는데, 제너레이터(300)를 이루는 회전자는 터빈축과 직결됨으로써 제너레이터에서 전기를 생산할 수 있게 된다.

하우징(100)에 터빈(200)으로 연결되는 인렛부(400)가 마련되는데, 인렛부(400)는 증발기(E)와 연결되어 고온, 고압의 작동유체를 터빈(200)으로 유입되게 한다.

바람직하게 증발기(E)와 인렛부(400)를 연결하는 고온고압관(800)이 마련되며, 고온고압관(800)의 대략 중간지점에 기수분리기(900)가 설치된다. 증발기(E)로부터 배출되는 작동유체는 기수분리기(900)로 유입된 후 안정화가 이루어지는데, 이를 위해 기수분리기(900) 내부에는 1차타격판(910)과 유도판(920)이 구비된다.

기수분리기(900)를 이용한 작동유체의 안정화란 증발기에서 생성되어 고온고압관을 통해 이동되는 작동유체의 이동 과정중에 상하층간의 온도차가 미소하게나마 발생하게 되는데, 이러한 작동유체를 고온고압관(800)의 중간에 설치되는 기수분리기(900)로 유입시켜서 작동유체가 고르게 섞이도록 한 후 다시 배출되어 유동되게 함으로써 작동유체가 보다 균일한 특성을 갖도록 하는 것을 의미한다.

기수분리기(900) 내부에 수직방향으로 세워지는 1차타격판(910)이 마련되며, 작동유체는 기수분리기(900)로 유입된 후 1차타격판(910)에 부딪히게 된다. 한편, 1차타격판(910) 상단 부근으로 다수의 수평방향으로 돌출되는 유도판(920)이 마련되며, 1차타격판(910)에 부딪힌 작동유체는 상승되면서 유도판(920)에 의해 다시 충돌되면서 난류가 형성되어 작동유체는 보다 균일하게 혼합될 수 있다.

유도판(920)을 거친 작동유체는 기수분리기(900)의 배출구를 통해 배출되어 고온고압관(800)을 따라 터빈(200)과 연결된 인렛부(400)를 향해 이동하게 된다.

하우징(100)의 일측에는 아웃렛부(500)가 마련되는데, 아웃렛부(500)는 응축기(C)와 연결되게 구성된다.

즉, 기본적으로 고온고압의 작동유체는 인렛부(400)를 통해 터빈(200)으로 유입되어 터빈을 고속으로 회전시킨 후 아웃렛부(500)를 향해 이동하여 응축기(C)로 향하게 된다.

한편, 바이패스관(600)이 구비되는데, 바이패스관(600)의 일단은 아웃렛부(500)에 인접하여 연결되며, 바이패스관(600)의 타단은 하우징(100) 타측에 연결된다. 아웃렛부(500)에 연결된 바이패스관(600)을 통해 터빈(200)을 거치면서 저온, 저압으로 변한 작동유체의 일부가 바이패스관(600)을 따라 이동하여 제너레이터(300)를 자체냉각시키기 위해 유동하게 된다.

이처럼 아웃렛부(500)로 배출되는 저온저압의 작동유체 일부가 바이패스관(600)을 통해 유입되어 하우징(100) 내부에 설치된 제너레이터(300)의 냉각을 위해 공급됨으로써 별도의 냉각수단을 사용하지 않고 작동유체를 이용하여 자체냉각이 이루어지도록 함으로써 에너지효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템에는 회수관(700)이 구비되며, 회수관(700)은 바이패스관(600)을 통해 유입되어 제너레이터(300)의 열을 빼앗은 작동유체를 받아서 아웃렛부(500)로 배출되게 하는 기능을 한다.

즉, 바이패스관(600)을 통해 유입되어 제너레이터(300)를 냉각되게 한 작동유체는 다소 온도와 압력이 높아진 채로 아웃렛부(500)로 다시 유입된다.

보다 구체적으로 아웃렛부(500)에 연결되는 회수관(700)의 일단은 바이패스관(600)의 일단 보다 터빈(200)으로부터 먼거리에 위치되게 설치되도록 함으로써 바이패스관(600)으로 유입되는 저온저압의 작동유체가 회수관(700)을 따라 아웃렛부(500)로 이동되는 작동유체에 의해 영향을 받지 않도록 할 수 있다.

또한, 회수관(700)은 좌우 한 쌍으로 구비되어 제너레이터(300)를 냉각되게 한 후의 작동유체가 아웃렛부(500)로 고르게 배출될 수 있도록 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템은 작동유체의 흐름을 개선하여 제너레이터에 대한 자체냉각이 원활하게 이루어지게 함으로써 시스템의 소형화 및 에너지효율 향상을 기대할 수 있다.

본 발명은 고효율의 ORC 발전 시스템의 구축에 활용될 수 있는 유용한 기술이다.

100 : 하우징
200 : 터빈
300 : 제너레이터
400 : 인렛부
500 : 아웃렛부
600 : 바이패스관
700 : 회수관
800 : 고온고압관
900 : 기수분리기
910 : 1차타격판
920 : 유도판
F : 베이스프레임
E : 증발기
C : 응축기

Claims

ORC 발전 시스템에 있어서,
하우징;
상기 하우징 내부에 설치되는 터빈;
상기 터빈과 동축으로 배치되되, 터빈축과 직결되는 회전자를 갖는 제너레이터;
상기 터빈으로 연결되어 증발기로부터 공급되는 고온,고압의 작동유체를 공급하는 인렛부;
응축기로 연결되게 상기 하우징 일측에 마련되는 아웃렛부;
상기 아웃렛부에 인접하여 일단이 연결되고 타단은 상기 하우징 타측에 연결되어 상기 터빈을 거치면서 저온, 저압으로 변한 작동유체 일부를 상기 제너레이터를 향하도록하여 자체냉각이 이루어질 수 있도록 하는 바이패스관;
상기 제너레이터에 인접하게 연결되어 상기 제너레이터의 열을 빼앗은 작동유체를 상기 아웃렛부로 배출되게 연결되는 회수관;을 포함하되,
상기 아웃렛부에 연결되는 상기 회수관의 일단은 상기 바이패스관의 일단보다 상기 터빈으로부터 먼거리에 위치되게 설치되도록 하는 것을 특징으로 하는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 증발기와 상기 인렛부를 연결하는 고온고압관에는 기수분리기가 마련되어 상기 작동유체의 안정화가 이루어질 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 기수분리기 내부에는 유입되는 상기 작동유체가 부딪히는 1차타격판이 구비되고, 상기 1차타격판 상단부근으로 다수의 돌출된 유도판이 결합되는 것을 특징으로 하는 폐쇄냉각회로를 포함한 ORC 터빈형 발전시스템.