KR102230950B1 - 스팀히트펌프를 활용한 스팀공급시스템 및 스팀공급방법. - Google Patents

스팀히트펌프를 활용한 스팀공급시스템 및 스팀공급방법. Download PDF

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Abstract

본 출원은 화학공정의 스팀히트펌프를 활용한 스핌공급시스템 및 스팀공급방법에 대한 것으로, 본 출원의 스팀공급시스템 및 스팀공급방법을 통하여 화학 공정에서 사용되는 스팀의 사용량을 절감할 수 있다.

Description

스팀히트펌프를 활용한 스팀공급시스템 및 스팀공급방법. {STEAM SUPLLY SYSTEM AND METHOD FOR STEAM SUPPLYING}
본 출원은 화학공정의 스팀히트펌프를 활용한 스팀공급시스템 및 스팀공급방법에 대한 것이다.
화학 공정에서 스팀은 에너지 공급을 위한 열원으로, 반응물 또는 생성물의 운송 및 건조, 공정의 불순물을 제거하기 위한 스트리핑용으로, 탱크나 배관의 방열손실에 의해 제품이 굳거나 점도가 상승하는 것을 방지하기 위한 스팀 트레이싱용 등으로 다양하게 사용되고 있다. 또한 제품이나 원료를 수송하기 위한 펌프, 압축기의 구동원으로 모터 대신 터빈을 사용하는 경우도 있다. 이러한 스팀은 생산 원가에서 많은 부분을 차지하는 에너지 자원임과 동시에 효율적인 에너지 원으로 사용되며 다량의 스팀이 사용되고 있다,
공정에서 사용되는 스팀은 유증기를 냉각하는 과정에서 발생하는 스팀을 활용하거나, 열병합 발전소 등의 외부로부터 공급받거나 또는 스팀보일러를 통하여 생산된다. 특히, 화학 공정에서는, 고온, 고압의 스팀이 주로 사용되고 있으며 많은 양의 에너지 소모를 필요로 한다. 따라서 공정에서 사용되는 스팀을 효율적으로 관리하여 사용량을 줄이는 것이 요구된다.
특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 제 2009-198072호
본 출원은 스팀을 사용하는 공정에서 스팀사용량을 줄인 효율적인 스팀공급시스템 및 상기 스팀공급시스템을 활용한 스팀공급방법을 제공한다.
본 출원은 스팀공급시스템 및 스팁공급방법에 관한 것이다.
본 출원의 스팀공급시스템에 의하면, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정에서 사용되는 스팀을, 스팀 수요 장치에서 사용 후 응축시키고 이를 히트펌프의 열원으로 사용하거나, 기타 공정의 폐열을 히트 펌프의 열원으로 사용하여, 공정에서 사용되기 위한 스팀의 사용량을 절감할 수 있어, 에너지 절감 효율을 극대화시킬 수 있다. 또한 본 출원의 스팀공급시스템에 의하면, 공정에서 감압이 필요한 스팀을 터빈으로 공급하여 에너지를 생산하고 이를 활용함으로써 에너지 절감 효율을 극대화 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원을 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 출원의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 본 출원의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 출원의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다
본 명세서에서 각 장치들은 배관을 통하여 연결되어 있을 수 있고, 「라인」은 실질적으로 배관과 같은 의미일 수 있으며, 「흐름」은 라인 또는 배관을 통한 유체의 이동을 의미할 수 있고, 본 명세서에서 라인, 배관 및 흐름은 동일한 도면 부호를 공유할 수 있다.
도 1은 본 출원의 예시적인 스팀공급시스템을 모식적으로 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본출원에 따른 예시적인 스팀공급시스템은 스팀 발생 장치, 스팀 분배 장치, 스팀 수요 장치, 터빈 및 히트 펌프를 포함할 수 있다, 상기 스팀 공급 시스템은 상기 스팀 발생 장치에서 제 1 스팀이 생산되며, 이를 스팀 분배 장치에서 터빈을 통과한 후 스팀 수요 장치로 분배하여 공급할 수 있다. 상기 스팀 수요 장치에서 사용된 스팀은 고온의 유체로 배출되며, 상기 유체는 히트 펌프로 공급되고, 상기 히트 펌프는 상기 유체의 폐열을 이용하여 제 2 스팀을 생산하여 이를 스팀 분배 장치로 공급할 수 있다.
상기 스팀 발생 장치는 스팀을 생산하여 공급할 수 있는 장치로 종류 및 형태 등은 특별히 제한되지 않으며, 상기 스팀 분배 장치는 스팀 발생 장치에서 공급된 스팀을 하나 이상의 스팀 수요 장치로 분배하여 공급하는 장치일 수 있고, 예를 들어 스팀 배관일 수 있다. 상기 스팀 수요 장치는 스팀을 사용하는 다양한 장치가 포함될 수 있으며, 예를들어 스팀을 열원으로 사용하는 가열 장치 등을 포함할 수 있다.
상기 히트 펌프는 냉매의 압축 및 팽창을 이용하여 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열을 방출하는 장치로, 기술분야에서 알려진 다양한 히트펌프를 사용할 수 있으며, 예를들어 오픈루프 히트 펌프 또는 클로즈드 루프 히트 펌프일 수 있다. 상기 히트 펌프는 상기 스팀 수요 장치에서 사용후 배출되는 유체 또는 기타 공정의 폐열을 열원으로 사용하여, 외부로부터 유입되는 물 또는 사용된 스팀의 응축수를 가열하고 제 2 스팀으로 유출시킬 수 있다. 상기 히트 펌프에서 유출되는 제 2 스팀은 상기 스팀 분배 장치로 유입되어 스팀 수요처로 공급될 수 있다. 이와 같이 공정에서 사용된 스팀으로부터 폐열을 회수하여 스팀을 생산함으로써 전체 스팀 사용량을 절감할 수 있다.
상기 터빈은 유체의 흐름이 가진 에너지를 기계적인 동력으로 변환시키는 장치를 의미할 수 있으며, 유체의 흐름을 여러개의 깃(blade) 또는 날개에 부딪쳐서 그 충돌작용 또는 반동 작용에 의해 축을 회전시키는 회전식 원동기 일 수 있고, 예를들어, 증기 터빈일 수 있다. 상기 터빈 발전기와 연결되어 전력을 생산하여 상기 히트 펌프 또는 압축기에 공급하거나, 또는 직접 상기 히트 펌프 또는 압축기와 연결되어 동력을 공급할 수 있다. 이와 같이 터빈을 이용하여 히트 펌프 또는 압축기에 에너지를 공급함으로써, 스팀 사용량을 절감하는 것과 동시에 히트 펌프 또는 압축기에서 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 출원의 열 회수 장치 및 방법에 의하면, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정, 예를 들면 석유 화학 제품의 제조 공정에서 배출되는 120℃ 이하의 저급 열원을 버리지 않고 이용하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀을 다양한 공정에 사용할 수 있으므로, 반응기 또는 증류탑에 사용되기 위한 외부 열원인 고온 스팀의 사용량을 절감할 수 있다. 또한, 터빈을 이용하여 에너지를 생산하고 이를 히트 펌프 또는 압축기에 공급함으로써 에너지 절감 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 출원의 스팀공급시스템을 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 스팀공급시스템을 설명하는 구성도이다.
도 3은 종래의 스팀공급시스템에 히트 펌프를 도입한 스팀공급시스템을 모식적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 출원의 예시적인 실시형태에 따른 스팀공급시스템을 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원을 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 출원의 예시적인 실시형태를 도시한 것으로, 이는 본 출원의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 출원의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 출원의 예시적인 실시형태에 따른 스팀 공급 시스템을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 출원에 따른 스팀 공급 시스템은 제 1 스팀 발생 장치(103); 상기 제 1 스팀 발생 장치(103)로부터 공급되는 제 1 스팀을 분배하는 스팀 분배 장치(203, 303, 403); 상기 스팀 분배 장치(203, 303, 403)로부터 분배된 스팀을 이용하여 에너지를 생산하는 터빈(5003, 6003); 상기 스팀 분배 장치(203, 303, 403)로부터 분배된 스팀을 사용하는 하나 이상의 스팀 수요 장치(503, 603, 703) 및 상기 스팀 수요 장치로부터 사용된 후 유출되는 응축 유체를 사용하여 제 2 스팀을 생산하는 히트펌프를 포함할 수 있다.
상기 예시에서 상기 터빈(5003, 6003)은 발전 장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 터빈은(5003, 6003) 배관을 통해 흐르는 유체의 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 수차(hydraulic turbine)일 수 있으며, 상기 수차를 이용할 경우, 히트 펌프 또는 압축기에서 사용되는 전력을 자체적으로 생산할 수 있으므로, 상기 스팀공급시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 하나의 예시에서 상기 터빈은 히트 펌프 또는 압축기와 직결되어 직접 동력을 공급할 수 있다.
상기 스팀 발생 장치(101)는 석탄 보일러, 가스 보일러, 반응기 열회수 장치 혹은 가스 터빈의 열회수 장치일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스팀 분배 장치(201, 301, 400)는 공급된 스팀을 하나 이상의 스팀 수요 장치로 나누어 공급하는 장치 일수 있으며, 예를들어 하나 이상의 스팀 배관을 포함할 수 있다. 상기 스팀 수요 장치(501, 601, 701)는 증류탑의 리보일러, 반응기의 가열기 혹은 각종 히터일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기에서 히트펌프는 오픈 루프 히트펌프 혹은 클로즈드 루프 히트펌프일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기의 예시에서, 상기 장치들은 배관을 통해 유체연결 되어 있을 수 있다. 상기 배관은 상기 스팀 발생 장치(103)에서 유출된 스팀을 상기 스팀 분배 장치(203)로 유입시키고, 상기 스팀 분배 장치(203)에서 유출된 스팀을 상기 스팀 수요 장치(503)로 유입시키며, 상기 스팀 수요 장치에서 사용된 스팀을 히트펌프로 유입시키도록 유체연결(fluidically connected) 되어 있을 수 있다.
상기 히트펌프는 공정의 폐열을 열원으로 이용할 수 있으며, 예를들어 스팀 수요 장치에서 사용 후 응축된 응축수를 열원으로 이용할 수 있다. 상기 히트 펌프로 유입된 응축수는 상기 히트펌프의 냉매와 열교환하고, 상기 히트펌프의 냉매는 가열되어 외부로부터 공급되는 물 또는 사용된 스팀의 응축수와 열교환하며, 상기 외부로부터 공급되는 물 또는 사용된 스팀의 응축수는 스팀으로 변환되어 배출되고, 상기 배출되는 스팀은 압축기에서 가압되어 상기 스팀 분배 장치로 유입될 수 있다.
상기 압축기로는, 기상의 흐름을 압축시킬 수 있는 압축 장치라면, 기술 분야에서 알려진 다양한 압축 장치를 제한 없이 사용할 수 있으며, 하나의 예시에서, 상기 압축기는 콤프레셔일 수 있으나, 이에 제한되는 것은아니다.
하나의 예시에서, 본 출원의 스팀 공급 시스템은 필요 압력이 다른 제 1 스팀 수요 장치(503)와 제 2 스팀 수요 장치(603) 및 터빈(5003, 6003)을 포함할 수 있다. 상기 스팀 분배 장치에서 분리 유출된 스팀은 상기 제 1 스팀 수요 장치(503) 및 상기 터빈(5003, 6003)으로 유입되며, 상기 터빈(5003, 6003)을 통과한 스팀은 제 2 스팀 수요 장치(603)로 유입될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 스팀 공급 시스템은 재증발기(533), 제 3 스팀 수요 장치(703), 제 1 스팀 분배 장치(203), 제 2 스팀 분배 장치(303), 제 3 스팀 분배 장치(403), 제 1 압력 강하 장치(223) 및 제 2 압력 강하 장치(333)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 제 1 스팀 분배 장치(203)는 유입된 스팀을 상기 제 1 스팀 수요 장치(503), 터빈(5003, 6003) 및 상기 제 1 압력 강하 장치(223)로 분리 유출하고, 상기 제 1 압력 강하 장치(223) 및 터빈(5003, 6003)을 통해 감압된 스팀은 제 2 스팀 분배 장치(303)로 유입되며, 상기 제 2 스팀 분배 장치(303)로 유입된 스팀은 상기 제 2 스팀 수요 장치(603) 및 상기 제 2 압력 강하 장치(333)로 분리 유출되고, 상기 제 2 압력 강하 장치(333)를 통해 감압된 스팀은 상기 제 3 스팀 수요 장치(703)로 유입시킬 수 있다. 상기 제 1 스팀 수요 장치(503)에서 유출되는 응축수는 재증발기(533)로 유입될 수 있으며, 상기 응축수에서 재증발된 스팀은 제 3 스팀 분배 장치(403)로 유입되고, 나머지 응축수는 회수될 수 있다. 또한, 상기 제 2 스팀 수요 장치(603)에서 유출되는 응축수는 재증발기(633)로 유입될 수 있으며, 상기 응축수에서 재증발된 스팀은 제 3 스팀 분배 장치(403)로 유입되고, 나머지 응축수는 회수될 수 있다.
상기 압력 강하 장치(223, 333)는, 예를 들어 상기 스팀 분배 장치에서 유출된 스팀이 흐르는 배관에 설치된 컨트롤 밸브일 수 있다. 상기 재증발기(533, 633)는 고온의 응축수를 감압하여 재증발증기와 응축수로 분리하는 장치일 수 있다, 상기 재증발기는 245℃의 응축수를 140 내지 160℃, 3.3 내지 4.2kg/cm2G의 스팀으로 분리 유출할 수 있다.
상기 히트 펌프는 냉매가 흐르는 배관을 통하여 유체 연결된 제 1 열교환기(1003), 압축기(2003), 제 2 열교환기(1203), 제 3 열교환기(1103) 및 압력 강하 장치(1123)를 포함하고, 상기 제 1 열교환기(1003)로 유입되는 냉매 흐름은 제 1 유체 흐름(833)과 열교환되며, 상기 제 1 열교환기에서 유출되는 냉매 흐름(1013)은 상기 제 3 열교환기(1103)로 유입된 후에 상기 압축기(2003)로 유입되고, 상기 압축기(2003)에서 유출되는 냉매 흐름(2013)은 상기 제 2 열교환기(1203)로 유입되어 상기 제 2 열교환기(1203)로 유입되는 제 2 유체 흐름(1223)과 열교환되며, 상기 제 2 열교환기(1203)에서 유출되는 냉매 흐름(1213)은 상기 제 3 열교환기(1103)로 유입된 후에 상기 압력 강하 장치(1123)로 유입되고, 상기 압력 강하 장치(1123)에서 유출되는 냉매 흐름(1133)은 상기 제 1 열교환기(1003)로 유입되며, 상기 제 1 열교환기(1003)에서 유출되는 냉매 흐름(1013)과 상기 제 2 열교환기에서 유출되는 냉매 흐름(1213)은 상기 제 3 열교환기(1103)에서 열교환될 수 있다.
상기 제 1 열교환기(1003)는, 냉매 흐름과 외부에서 유입되는 유체 흐름을 열교환시키기 위하여, 본 출원의 히트펌프에 포함되며, 상기 열교환을 통하여, 냉매는 기화된 후 상기 제 1 열교환기(1003)로 유입되는 냉매 흐름보다 상대적으로 고온의 기상 흐름으로 상기 제 1 열교환기(1003)로부터 유출될 수 있다. 상기에서 「기상」은 냉매 흐름 전체 성분 중 기체 성분 흐름이 농후(rich)한 상태를 의미하며, 예를 들어, 상기 냉매 흐름 전체 성분 중 기체 성분 흐름의 몰분율이 0.9 내지 1.0인 상태를 의미한다.
상기 제 1 열교환기(1003)로 유입되는 제 1 유체 흐름(833)은, 예를 들어, 폐열 흐름 또는 응축기를 통과한 응축수의 흐름일 수 있으며, 상기 폐열 흐름은, 예를 들어, 발열 반응기의 냉각수일 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다. 본 출원에서는 특히, 120℃ 이하, 예를 들어, 50 내지 120℃ 수준의 현열 상태의 저급 열원의 폐열 흐름을 바람직하게 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 열교환기(1003)로는 유체 연결된 배관을 통하여 냉매 흐름(1133) 및 폐열 흐름 등의 제 1 유체 흐름(833)이 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(1133) 및 제 1 유체 흐름(833)은 상기 제 1 열교환기(1003) 에서 상호 열교환된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 상기 제 1 열교환기(1003)에서 각각 유출될 수 있다.
상기 제 1 열교환기(1003)로 유입되는 제 1 유체 흐름(833)의 온도는 50℃ 내지 120℃, 예를 들어, 55℃ 내지 75℃, 90℃ 내지 105℃, 60℃ 내지 85℃ 또는 70℃ 내지 100℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 제 1 열교환기(1003)에서 유출되는 냉매 흐름(1013)의 온도는, 40℃ 내지 110℃, 예를 들어, 45℃ 내지 65℃, 80℃ 내지 95℃, 50℃ 내지 75℃, 또는 60℃ 내지 90℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
이 경우, 상기 제 1 열교환기(1003)에서 상기 냉매 흐름과 열교환된 후에 유출되는 상기 제 1 유체 흐름(1013)의 온도는 45℃ 내지 115℃, 예를 들어, 50℃ 내지 70℃, 85℃ 내지 100℃, 55℃ 내지 80℃, 또는 65℃ 내지 95℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 열교환기(1203)는, 상기 압축기(2003)에서 유출된 냉매 흐름(2013)과 외부에서 유입되는 제 2 유체 흐름(1223)을 열교환시키기 위하여, 본 출원의 히트펌프에 포함되며, 상기 열교환을 통하여, 냉매는 응축된 후 상기 압축기에서 유출되는 냉매 흐름(2013)에 비하여 상대적으로 저온의 액상 흐름으로 유출될 수 있으며, 상기 제 2 유체 흐름(1223)은 상기 냉매가 응축시에 발생하는 잠열을 흡수할 수 있다. 상기에서 「액상」은 냉매 흐름 전체 성분 중 액체 성분 흐름이 농후한 상태를 의미하며, 예를 들어, 상기 냉매 흐름 전체 성분 중 액체 성분 흐름의 몰분율이 0.9 내지 1.0인 상태를 의미한다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 열교환기(1203)로 유입되는 제 2 유체는 물(make-up water) 또는 사용된 스팀의 응축수일 수 있으며, 이 경우, 상기 제 2 열교환기(1203)에서 열교환된 물 또는 응축수는 상기 냉매가 응축시에 발생하는 잠열을 흡수하여 기화되고, 제 2 스팀으로 배출될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 열교환기(1203)로는 유체 연결된 배관을 통하여 압축기(2003)로부터 유출된 냉매 흐름(2013) 및 상기 냉매 흐름(2013)을 열교환 시키기 위한 제 2 유체 흐름(1223)이 유입될 수 있으며, 유입된 상기 냉매 흐름(2013) 및 제 2 유체 흐름(1223)은 상기 제 2 열교환기(1203)에서 상호 열교환된 후에, 상기 유체 연결된 배관을 통하여 상기 제 2 열교환기(1203)에서 각각 유출될 수 있다.
상기 제 2 열교환기(1203)로 유입되는 제 2 유체 흐름(1223)의 온도 및 압력은 특별히 제한되지 않으며, 다양한 온도 및 압력의 제 2 유체 흐름을 상기 제 2 열교환기(1203)로 유입시킬 수 있다. 예를 들어, 20℃ 내지 120℃, 예를 들어, 20℃ 내지 80℃, 또는 70℃ 내지 100℃의 온도 및 0.1 내지 20 kgf/cm2g, 예를 들어, 2 내지 10 kgf/cm2g의 압력으로 제 2 유체 흐름(1223)을 상기 제 2 열교환기(1203)로 유입될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 압축기(2003)에서 유출된 고온 고압의 냉매(2013)와 상기 제 2 열교환기(1203)에서 열교환된 제 2 유체 흐름(1233)은 100℃ 내지 140℃, 예를 들어, 100℃ 내지 110℃, 105℃ 내지 125℃, 또는 110℃ 내지 130℃의 온도 및 0 내지 2.5 kgf/cm2g, 예를 들어, 1 내지 2 kgf/cm2g의 압력을 가지는 제 2 스팀으로 상기 제 2 열교환기(1203)에서 유출될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 열교환기(1203)에서 유출되는 제 2 스팀은 압축기로 유입될 수 있다. 상기 제 2 열교환기(1203)에서 유출되는 제 2 스팀은 스팀 분배 장치를 통과하며 분리 유출되어 중압 압축기 및 저압 압축기로 유입될 수 있다. 상기 압축기에서 유출되는 제 2 스팀은 제 3 스팀 분배 장치(403)으로 유입될 수 있다. 상기 중압 압축기에서 유출되어 상기 제 2 스팀 분배 장치로 유입되는 제 2 스팀은 170℃ 내지 350℃, 예를 들어, 160℃ 내지 175℃, 170℃ 내지 200℃, 또는 180℃ 내지 190℃의 온도 및 7 내지 20 kgf/cm2g, 예를 들어, 8 내지 12 kgf/cm2g의 압력을 가지는 스팀일 수 있다. 또한 상기 저압 압축기(4103)에서 유출되어 상기 제 3 스팀 분배 장치(403)로 유입되는 제 2 스팀은 150℃ 내지 240℃, 예를 들어, 155℃ 내지 175℃, 180℃ 내지 220℃, 또는 185℃ 내지 215℃의 온도 및 3 내지 7 kgf/cm2g, 예를 들어, 4 내지 5.5 kgf/cm2g의 압력을 가지는 스팀일 수 있다.
본 출원의 또한 스팀공급방법을 제공한다.
예시적인 스팀공급방법은, 전술한 스팀공급시스템에 의해 수행될 수 있으며, 이를 통하여, 전술한 바와 같이, 산업 현장 또는 다양한 화학 공정, 예를 들면 석유 화학 제품의 제조 공정에서 배출되는 120℃ 이하의 저급 열원을 버리지 않고 이용하여 스팀을 생성할 수 있으며, 생성된 스팀을 다양한 공정에 사용할 수 있으므로, 반응기 또는 증류탑에 사용되기 위한 외부 열원인 고온 스팀의 사용량을 절감할 수 있어, 에너지 절감 효율을 극대화 시킬 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따른 스팀공급방법은, 상기 스팀 공급 시스템을 활용하여 스팀을 공급하는 방법으로서, 제 1 스팀 발생 장치로부터 공급되는 제 1 스팀을 스팀 분배 장치에서 분리 유출하고, 상기 스팀 분배 장치로부터 분리 유출된 스팀을 하나 이상의 스팀 수요 장치 및 터빈으로 유입시키며, 상기 스팀 수요 장치 및 터빈으로부터 사용된 후 유출되는 응축수를 히트펌프로 유입시기고, 상기 응축수의 폐열을 이용하여 상기 히트펌프에서 제 2 스팀을 생산하는 단계; 및 상기 제 2 스팀을 상기 스팀 분배 장치로 유입시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 스팀공급방법에서, 상기 스팀 분배 장치, 스팀 공급 장치, 히트펌프, 터빈 및 압축기에 관한 자세한 설명은, 전술한 스팀 공급 시스템에서 설명한 바와 동일한 바, 생략하기로 한다.
하나의 예시에서, 상기 터빈에서 생산되는 에너지는 0.1내지 10 MW, 0.2 내지 8 MW, 0.3 내지 7 MW 일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 히트펌프로 유입되는 응축수의 온도는 50℃ 내지 120℃, 예를 들어, 55℃ 내지 75℃, 90℃ 내지 105℃, 60℃ 내지 85℃ 또는 70℃ 내지 100℃일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 압축기(2001)에서 유출된 고온 고압의 냉매(2011)와 상기 제 2 열교환기(1201)에서 열교환된 물(1231)은 100℃ 내지 140℃, 예를 들어, 100℃ 내지 110℃, 105℃ 내지 125℃, 또는 110℃ 내지 130℃의 온도 및 0 내지 2.5 kgf/cm2g, 예를 들어, 1 내지 2 kgf/cm2g의 압력을 가지는 제 2 스팀으로 상기 제 2 열교환기(1201)에서 유출될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 히트펌프에서 유출되는 제 2 스팀은 압축기(4001, 4101)로 유입될 수 있다. 상기 히트펌프에서 유출되는 제 2 스팀은 스팀 분배 장치(3001)을 통과하며 분리 유출되어 중압 압축기(4001) 및 저압 압축기(4101)로 유입될 수 있다. 상기 압축기(4001, 4101)에서 유출되는 스팀은 제 2 스팀 분배 장치(301) 또는 제 3 스팀 분배 장치(400)으로 유입될 수 있다. 상기 중압 압축기(4001)에서 유출되어 상기 제 2 스팀 분배 장치(301)로 유입되는 스팀은 170℃ 내지 350℃, 예를 들어, 160℃ 내지 175℃, 170℃ 내지 200℃, 또는 180℃ 내지 190℃의 온도 및 7 내지 20 kgf/cm2g, 예를 들어, 8 내지 12 kgf/cm2g의 압력을 가지는 스팀일 수 있다. 또한 상기 저압 압축기(4101)에서 유출되어 상기 제 3 스팀 분배 장치(301)로 유입되는 스팀은 150℃ 내지 240℃, 예를 들어, 155℃ 내지 175℃, 180℃ 내지 220℃, 또는 185℃ 내지 215℃의 온도 및 3 내지 7 kgf/cm2g, 예를 들어, 4 내지 5.5 kgf/cm2g의 압력을 가지는 스팀일 수 있다.
이하, 본 출원에 따르는 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
도 4의 스팀공급시스템을 이용하여, 각 스팀사용처에 스팀을 공급하였다.
스팀 발생 장치(103)에서 공급되는 290℃, 35.8 kgf/cm2g의 스팀을 제 1 스팀 분배 장치(203)에서 분리 유출하여 제 1 스팀 수요 장치(503)와 압력 강하 장치(223) 및 터빈(5003, 6003)으로 유입시켰다. 상기 압력 강하 장치(223) 및 터빈(5003, 6003)을 통해 290℃, 13.3 kgf/cm2g로 감압된 스팀은 제 2 스팀 분배 장치(303)에서 분리 유출하여 제 2 스팀 수요 장치(603)와 압력 강하 장치(333)로 유입시켰다. 상기 압력 강하 장치(333)를 통해 294.7℃, 3.9 kgf/cm2g로 감압된 스팀은 제 3 스팀 수요 장치(703)로 유입시켰다. 상기 제 1 스팀 수요처(503)에서 사용된 스팀은 재증발기(533)에서 스팀과 응축수로 분리되며, 상기 분리된 151.4℃, 3.9 kgf/cm2g 스팀은 제 3 스팀 분배 장치(403)로 유입시키고 상기 응축수는 재증발기(743)로 유입시켰다. 상기 제 2 스팀 수요 장치(603)에서 사용된 스팀은 재증발기(633)에서 151.4℃, 3.9 kgf/cm2g의 스팀과 응축수로 분리되며, 상기 분리된 스팀은 제 3 스팀 분배 장치(403)로 유입시키고 상기 응축수는 재증발기(743)로 유입시켰다.
상기 재증발기(743)를 통해 회수된 105℃ 의응축수는 히트펍프로 공급되어 냉매와 열교환되고, 상기 히트펌프에서 열교환 및 가압되어 고온, 고압의 상태의 냉매와 제 2 유체 흐름(1223)은 열교환되며, 상기 제 2 유체 흐름(1221)은 히트펌프에서 가열되어 스팀으로 배출되고, 상기 스팀은 중압 압축기 및 저압 압축기 유입시켜 349 ℃, 13.3 kgf/cm2g 및 208.5 ℃, 3.9 kgf/cm2g의 스팀으로 가압한 후 제 2 스팀 분배 장치(303) 및 제 3 스팀 분배 장치(403)로 유입시켰다.
상기 터빈(5003, 6003)은 발전기와 연결하여 3.0MW의 전력을 생산하였으며 이를 히트 펌프로 공급하였다.
<비교예 1>
도 2의 스팀공급도를 이용하여, 각 스팀 수요처에 스팀을 공급하였다. 상기 실시예와 비교하여, 응축수를 히트펌프로 유입시키는 것 및 터빈을 이용하여 전력을 생산하는 것을 제외하고는 본 출원에 따르는 스팀공급시스템과 동일한 조건으로 스팀을 공급하였다.
<비교예2>
도 3의 스팀공급도를 이용하여, 각 스팀 수요처에 스팀을 공급하였다. 상기 실시예와 비교하여 터빈을 이용하여 전력을 생산하는 것을 제외하고는 본 출원에 따르는 스팀공급시스템과 동일한 조건으로 스팀을 공급하였다.
스팀공급량 실시예 비교예 1 비교예 2
보일러 HP 94.1 T/H HP 99.9 T/H HP 94.1 T/H
재증발기 LP 20 T/H LP 20 T/H LP 20 T/H
히트펌프 MP 2.9 T/H, LP 2.9 T/H - MP 2.9 T/H, LP 2.9 T/H
히트펌프전력사용량 0 0 1416
실시예 및 표 1에서 나타나듯이, 본 출원의 실시예에 따른 스팀공급시스템을 이용하여 스팀을 공급할 경우, 비교예 1에 비하여 최대 5.8T/H의 스팀 사용량을 절감할 수 있음을 확인할 수 있으며, 비교예 2에 비해 히트 펌프에 공급되는 에너지 1416kW의 에너지를 절감할 수 있음을 확인할 수 있다.
200, 201, 203: 제 1 스팀 분배 장치
300, 301, 303: 제 2 스팀 분배 장치
400, 4033: 제 3 스팀 분배 장치
220, 221, 223, 330, 331, 333, 1121, 1123: 압력 강하 장치
500, 501, 503: 제 1 스팀 수요처
600, 601, 603: 제 2 스팀 수요처
700, 701, 703: 제 3 스팀 수요처
530, 531, 533, 630, 631, 633, 740, 741, 743: 재증발기
1001, 1003: 제 1 열교환기
1201, 1203: 제 2 열교환기
1101, 1103: 제 3 열교환기
831, 833: 제 1 유체 흐름 라인
1011, 1111, 1131: 제 1 냉매 라인
1131, 1211, 3011 : 제 2 냉매 라인
1221: 제 2 유체 흐름 라인
4001, 4103: 압축기
5003, 6003: 터빈

Claims (16)

  1. 제 1 스팀 발생 장치;
    상기 제 1 스팀 발생 장치로부터 공급되는 제 1 스팀을 분배하는 스팀 분배 장치;
    상기 스팀 분배 장치로부터 분배된 스팀을 이용하여 에너지를 생산하는 터빈;
    상기 스팀 분배 장치로부터 분배된 스팀을 사용하는 하나 이상의 스팀 수요 장치;
    상기 스팀 수요 장치로부터 사용된 후 유출되는 응축수 또는 기타 공정의 폐열을 사용하여 제 2 스팀을 생산하는 히트펌프; 및
    상기 제 2 스팀은 상기 스팀 분배 장치로 유입되고,
    상기 스팀 수요 장치는 서로 필요 압력이 다른 제 1 스팀 수요 장치와 제 2 스팀 수요 장치를 포함하고,
    상기 스팀 분배 장치에서 분리 유출된 스팀은 상기 제 1 스팀 수요 장치, 상기 터빈 및 압력 강하 장치로 유입되며, 상기 터빈 및 상기 압력 강하 장치를 통과한 스팀은 상기 제 2 스팀 수요 장치로 유입되는 스팀 공급 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈으로부터 생산된 에너지를 상기 히트펌프 또는 압축기로 공급하는 스팀 공급 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스팀 수요 장치는 제 3 스팀 수요 장치를 추가로 포함하고,
    상기 스팀 분배 장치는 제 1 스팀 분배 장치, 제 2 스팀 분배 장치를 추가로 포함하며,
    상기 압력 강하 장치는 제 1 압력 강하 장치 및 제 2 압력 강하 장치를 추가로 포함하고,
    상기 제 1 스팀 분배 장치는 유입된 스팀을 상기 제 1 스팀 수요 장치, 터빈 및 제 1 압력 강하 장치로 유출하고, 상기 터빈 및 제 1 압력 강하 장치를 통해 감압된 스팀은 제 2 스팀 분배 장치로 유입되며, 상기 제 2 스팀 분배 장치로 유입된 스팀은 상기 제 2 스팀 수요 장치 및 상기 제 2 압력 강하 장치로 유출되고, 상기 제 2 압력 강하 장치를 통해 감압된 스팀은 상기 제 3 스팀 수요 장치로 유입시키는 스팀 공급 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 스팀 공급 시스템은 재증발기 및 압축기를 추가로 포함하고, 상기 재증발기는 상기 제 1 및 2 스팀 수요 장치로부터 유출되는 응축수를 재증발시켜 스팀은 스팀 수요 분배 장치로 유입시키고, 응축수는 상기 히트펌프로 유입시켜 상기 히트펌프의 냉매와 열교환하고, 외부로부터 유입되는 물을 상기 히트펌프에서 가열하여 제 2 스팀으로 유출시키며, 상기 히트펌프에서 유출되는 제 2 스팀은 압축기를 통해 승압되어 상기 스팀 분배 장치로 유입시키는 스팀 공급 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 히트 펌프는 냉매가 흐르는 배관을 통하여 유체 연결된 제 1 열교환기, 압축기, 제 2 열교환기, 제 3 열교환기 및 압력 강하 장치를 포함하고,
    상기 제 1 열교환기로 유입되는 냉매 흐름은 상기 재증발기에서 유출된 응축수와 열교환되며, 상기 제 1 열교환기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 3 열교환기로 유입된 후에 상기 압축기로 유입되고, 상기 압축기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 2 열교환기로 유입되어 상기 제 2 열교환기로 유입되는 물과 열교환되며, 상기 제 2 열교환기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 3 열교환기로 유입된 후에 상기 압력 강하 장치로 유입되고, 상기 압력 강하 장치에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 1 열교환기로 유입되며, 상기 제 1 열교환기에서 유출되는 냉매 흐름과 상기 제 2 열교환기에서 유출되는 냉매 흐름은 상기 제 3 열교환기에서 열교환되는 스팀 공급 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 제 1 열교환기로 유입되는 응축수 또는 기타 폐열의 온도는 50℃ 내지 120℃인 스팀 공급 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 제 2 열교환기에서 열교환된 물 또는 응축수는 제 2 스팀으로 유출되는 스팀 공급 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제 2 스팀의 온도는 100 내지 140℃이고, 상기 스팀의 압력은 0 내지 2.5 kgf/cm2g인 스팀 공급 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 스팀 공급 시스템은 상기 제 2 스팀을 압축하는 압축기를 추가로 포함하고,
    상기 압축기에서 유출되는 제 2 스팀은 온도가 140℃ 내지 170℃이고, 압력은 2.5kgf/cm2g 내지 7 kgf/cm2g인 스팀 공급 시스템.
  11. 제 1항의 스팀 공급 시스템을 활용하여 스팀을 공급하는 방법으로서,
    상기 제 1 스팀 발생 장치로부터 공급되는 제 1 스팀을 스팀 분배 장치에서 분리 유출하고, 상기 스팀 분배 장치로부터 분리 유출된 스팀을 하나 이상의 스팀 수요 장치 및 터빈으로 유입시키며,
    상기 스팀 수요 장치로부터 사용된 후 유출되는 응축수를 히트펌프로 유입시기고, 상기 히트펌프는 제 2 스팀을 생산하는 단계; 및,
    상기 제 2 스팀을 상기 스팀 분배 장치로 유입시키는 단계를 포함하는 스팀 공급 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 히트펌프에서 유출되는 제 2 스팀을 압축기에서 가압하여 상기 스팀 분배 장치로 유입시키는 단계를 추가로 포함하는 스팀 공급 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 터빈에서 생산되는 에너지를 상기 히트 펌프 또는 압축기로 공급하는 단계를 추가로 포함하는 스팀 공급 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 히트펌프로 유입되는 응축수의 온도는 50 내지 120℃인 스팀 공급 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 상기 히트펌프에서 유출되는 제 2 스팀의 온도는 100 내지 140℃이고, 압력은 0 내지 2.5 kgf/cm2g인 스팀 공급 방법.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 압축기에서 유출되는 제 2 스팀의 온도는 140 내지 170℃이고, 압력은 2.5 내지 7 kgf/cm2g인 스팀 공급 방법.

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