KR102276368B1 - 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 발전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 발전방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 발전 방법에 관한 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 발전방법{Power Generation System and Method Using Supercritical Carbon Dioxide}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 발전방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 발전방법에 관한 것이다.
선박이나 해상에 마련되는 해양 플랜트에는 추진이나 각종 장치들의 구동 등을 위해 동력이 필요하다. 따라서 이러한 동력을 공급하기 위한 동력 생산 시스템이 구비될 필요가 있다.
예컨대, 증기 터빈을 포함하는 발전 설비는 연료를 연소시킬 때 발생하는 연소열로 증기를 발생시켜 이를 이용해 발전한다. 발전 설비의 증기 사이클에서 발전기 구동 후 배출된 증기를 복수시키는 것은 증기 사이클 효율과 관련된 중요한 과정이다. 에너지 활용 측면에서 보면 화력 발전기의 경우 투입 연료의 40% 정도만 전기로 변환되고, 13% 정도는 연소과정과 발전기에서 손실되고, 47% 정도는 냉각수에 의해 손실되고 있다. 또한 증기의 복수 과정에서 사용된 냉각수는 온도가 상승하므로 그대로 배출하게 되면 환경에 중대한 영향을 끼치며, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스 발생도 문제된다.
따라서, 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있으며, 최근 들어 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 31℃, 74 기압으로, 임계점이 373.95℃, 217.7 기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 550℃에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다. 또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.
따라서, 증기 터빈 대신에 이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 고려한 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0024495호(2016.03.07.)
본 발명은 상기와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 초임계 이산화탄소 사이클을 선박 발전을 위해 적용할 수 있도록 하고, 특히 선내에는 보일러를 비롯한 여러 증기사용처가 있는데, 이러한 증기사용처에서 필요로 하는 스팀을 효과적으로 생산하고 공급할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템이 제공된다.
상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 가열되는 히터; 상기 히터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 터빈부; 및 상기 터빈부에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생성하는 제1 열교환기; 를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열교환기에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 상기 압축기로 공급되어, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는 폐사이클(closed cycle)로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 상기 터빈부는, 상기 압축기로부터 압축되어 상기 히터로부터 열교환된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제1 터빈; 및 상기 제1 터빈으로부터 팽창되어 상기 히터를 거쳐 추가 가열된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제2 터빈; 을 포함하여, 적어도 두 개의 터빈으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 히터에서 배출되는 배기가스를 공급받아 배기가스 폐열로 스팀을 생산하는 제2 열교환기; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 압축 및 가열된 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키고 발전하는 제1 단계; 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 제2 단계를 포함하는, 초임계 이산화탄소 발전 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 터빈은 압축 및 가열된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제1 터빈과, 상기 제1 터빈으로부터 팽창된 초임계 이산화탄소가 추가 가열되어 공급되고 팽창되는 제2 터빈을 포함하여, 적어도 두 개의 터빈으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 단계에서 초임계 이산화탄소를 가열한 후 배출되는 배기 폐열로부터 스팀을 생산하여 상기 선박에 공급하는 제3 단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 초임계 이산화탄소 사이클을 적용하여 효과적으로 전력을 생산할 수 있고, 추가적인 연료 소모 없이 발전부의 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소의 폐열을 통해 스팀을 생산하여 이를 선내에 공급할 수 있도록 함으로써 에너지 효율을 높이는 효과가 있다.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상 발전 효율을 높일 수 있고, 설치 면적이 1/20로 크게 감소하여 설치 면적이 한정된 선박에 적용함으로써 화물 적재량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부(100)를 포함하며, 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 것을 특징으로 한다.
초임계 이산화탄소 사이클은 기본적으로 압축/가열/팽창/냉각의 단계를 거치게 된다.
이를 위해 초임계 이산화탄소 발전부(100)는, 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기(120)와, 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 가열되는 히터(130) 또는 보일러와, 히터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되어 팽창되는 터빈부(110)와, 터빈부에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생성하는 제1 열교환기(140)를 포함하여 구성된다.
히터(130) 또는 보일러에서는 연료를 연소시켜 초임계 이산화탄소를 가열하도록 구성될 수 있다. 이와는 달리, 선내 엔진으로부터의 고온 배기가스를 열원으로 공급받도록 구성할 수도 있다.
히터에서 가열된 초임계 이산화탄소는 터빈부(110)로 공급되어 터빈을 구동시키며 팽창된다. 터빈에 의해 전력을 생산하는 발전기(미도시)는 생산된 전력을 선박의 추진용 모터에 인가하여 회전력을 생성하도록 하며, 추진용 모터의 회전력에 의해 선박의 프로펠러에 추진력을 생성하도록 할 수 있다.
압축기(120)를 터빈과 기어 시스템(미도시)에 의해 서로 연결시켜, 터빈에서 발생하는 팽창일의 일부를 이용하여 구동시킬 수 있다. 터빈을 기어 시스템과 하나의 회전축에 의해 연결하고, 기어 시스템을 통해 터빈에 의해 전달되는 회전수(rpm)를 보정하여 압축기에 적절한 회전수를 전달할 수 있다.
터빈부(110)에서 배출된 초임계 이산화탄소는 제1 열교환기(140)로 공급된다. 제1 열교환기에서는 선내에서 펌프(미도시)를 통해 청수와 같은 피드워터(feed water)를 공급받아, 초임계 이산화탄소가 지닌 열에너지를 이용하여 스팀을 생산하여 이를 선내 증기 사용처(예컨대, LNG 기화기(LNG Vaporizer), 글리콜 워터 히터(Glycol Water heater), 일반 서비스(General Service), 연료 탱크 히팅(Fuel tank heating), 히터(heater))로 공급할 수 있도록 한다. 또한 제1 열교환기(140)에서 피드워터와의 열교환을 통해 냉각된 초임계 이산화탄소는 압축기(120)로 순환된다. 이로써, 초임계 이산화탄소 발전부(100)는 폐사이클(closed cycle)로 이루게 된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시례에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2의 제2 실시례는 제1 실시예의 터빈부를 복수의 터빈을 포함하도록 구성한 것이다. 일 예로 터빈부(110a)는 압축기(120a)로부터 압축되어 히터(130a)로부터 열교환된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제1 터빈(111a)과, 제1 터빈으로부터 팽창되어 히터를 거쳐 추가 가열된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제2 터빈(112a)을 포함하여 두 개의 터빈으로 구성될 수 있다.
복수의 터빈으로 구성할 경우, 단독 터빈으로 구성할 때보다 전략 생산량이 증대되고 터빈 사이즈가 감소하며 폐열을 효과적으로 활용하는 이점이 있다.
다른 구성이나 작용은 앞서 설명한 제 1 실시예와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 실시예는 제2 실시예에 추가로 제2 열교환기(150b)를 구비하며, 제2 열교환기(150b)에서는 히터(130b)에서 배출되는 배기가스와 피드워터가 열교환되어, 배기가스 폐열로 피드워터가 스팀으로 상변화하게 된다. 상변화된 스팀은 제1 열교환기(140b)에서 생성된 스팀이 배출되는 라인에 합류되어 선내 증기 사용처로 공급될 수 있다. 초임계 이산화탄소를 가열하고 히터(130b)에서 배출되는 배기가스 또한 스팀 생산을 위한 충분한 열원이 될 수 있다.
본 실시예는 이러한 배기가스 폐열을 회수할 수 있도록 제2 열교환기(150b)를 추가 구성함으로써 선내에 필요로 하는 스팀 생산량을 늘릴 수 있고, 시스템의 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다.
다른 구성이나 작용은 앞서 설명한 전술한 실시예들과 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는, 1) 압축 및 가열된 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키고 발전하는 제1 단계; 2) 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 제2 단계를 포함함으로써, 초임계 이산화탄소 사이클로 전력을 생산하여 공급하고 사이클에서의 폐열을 이용하여 별도의 연료 소모 없이 스팀을 생산하여 선내에 공급할 수 있도록 한다.
터빈부를 복수의 터빈을 포함한 다단으로 구성하거나, 초임계 이산화탄소를 가열한 후 배출되는 배기 폐열로부터 추가로 스팀을 생산할 수 있도록 구성함으로써, 시스템을 더욱 효과적으로 운용할 수 있다.
본 실시예들은 초임계 이산화탄소 사이클의 폐열을 활용하는 동시에 초임계 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 선박의 전체적인 연료 소비를 줄이고 선박의 에너지 효율을 높을 수 있다.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상 발전 효율을 높일 수 있고, 시스템이 컴팩트하여 설치 면적이 1/20로 크게 감소하므로, 설치 면적이 한정된 선박에 적용하면 선내 공간활용도를 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100, 100a, 100b : 초임계 이산화탄소 발전부
110, 110a, 110b : 터빈부
111a, 111b: 제1 터빈
112a, 112b: 제2 터빈
120, 120a, 120b : 압축기
130, 130a, 130b : 히터
140, 140a, 140b : 제1 열교환기
150b : 제2 열교환기

Claims (8)

  1. 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하며,
    상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생산하여 선박에 공급하는 것을 특징으로 하며,
    상기 초임계 이산화탄소 발전부는,
    초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 가열되는 히터;
    상기 히터에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 공급되는 터빈부; 및
    상기 터빈부에서 배출되는 초임계 이산화탄소를 열원으로 스팀을 생성하는 제1 열교환기를 포함하며,
    상기 제1 열교환기에서 냉각된 초임계 이산화탄소는 상기 압축기로 공급되어, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는 폐사이클(closed cycle)로 이루어지며,
    상기 터빈부는,
    상기 압축기로부터 압축되어 상기 히터로부터 열교환된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제1 터빈; 및
    상기 제1 터빈으로부터 팽창되어 상기 히터를 거쳐 추가 가열된 초임계 이산화탄소를 팽창시키는 제2 터빈을 포함하며, 적어도 두 개의 터빈으로 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 히터에서 배출되는 배기가스를 공급받아 배기가스 폐열로 스팀을 생산하는 제2 열교환기를 더 포함하며,
    제1 열교환기에서 생성된 스팀이 배출되는 라인은 제2 열교환기에서 생성된 스팀이 배출되는 라인과 합류되어 선내 증기 사용처인 LNG 기화기, 글리콜 워터 히터, 연료 탱크 히팅, 히터로 공급되는, 초임계 이산화탄소 발전시스템.
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