KR102281175B1 - 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

열 기관 시스템을 제어하는 시스템 및 방법이 제공된다. 한 가지 방법은, 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 펌프를 제어함으로써, 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통과하는 작동 유체의 유동을 시작하는 단계와, 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것을 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 고압측에 위치 설정할 것인지를 결정함으로써 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 작동 유체 회로의 결정된 구성을 기초로 하여, 복수 개의 밸브 각각에 대해, 각각의 밸브를 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치에 위치 설정할 것인지를 결정하는 단계와, 복수 개의 밸브 각각을 결정된 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치로 구동시키는 단계를 포함한다.

Description

선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템의 제어 방법{CONTROL METHODS FOR HEAT ENGINE SYSTEMS HAVING A SELECTIVELY CONFIGURABLE WORKING FLUID CIRCUIT}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2014년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/475,640호; 2014년 9월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/475,678호; 2013년 9월 5일자로 출원된 미국 가출원 제61/874,321호; 2014년 6월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/010,731호; 2014년 6월 11일자로 출원된 미국 가출원 제62/010,706호를 우선권 주장한다. 이들 우선권 출원은 본 출원과 일치하는 범위까지 참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 통합된다.
기술분야
본 발명은, 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
산업용 공정 장비의 작동 온도를 유지하기 위한 노력의 일환으로 고온 액체, 기체 또는 유체의 유동 스트림이 환경으로 배출되거나 어떤 방식으로 제거되어야만 하는 경우, 산업 공정들의 부산물로서 폐열이 종종 생성된다. 어떤 산업 공정들은 다른 공정 스트림들을 통해 폐열을 포획하고 공정에 다시 재활용하기 위해 열 교환기 디바이스들을 이용한다. 그렇지만, 폐열의 포획 및 재활용은 일반적으로 고온을 이용하거나 불충분한 질량 유동 또는 다른 바람직하지 않은 조건들을 가지는 산업 공정들에 의해서는 실행 가능하지 않다.
따라서, 폐열이 랜킨 사이클(Rankine cycle) 또는 다른 동력 사이클과 같은 열역학적 방법을 채용하는 다양한 터빈 발전기 또는 열 기관 시스템에 의해 유용한 에너지로 변환될 수 있다. 랜킨 사이클 및 유사한 열역학적 사이클은 통상적으로 발전기, 펌프, 또는 다른 디바이스에 연결된 터빈, 터보 또는 기타 팽창기(expander)를 구동시키는 증기를 발생시키기 위해 폐열을 회수하여 이용하는 증기 기반 공정(steam-based process)이다.
유기 랜킨 사이클(organic Rankine cycle)은, 종래의 랜킨 사이클 동안 물 대신에 저비점(lower boiling-point) 작동 유체를 이용한다. 예시적인 저비점 작동 유체로는 경질 탄화수소(light hydrocarbon)(예컨대, 프로판 또는 부탄) 및 할로겐화 탄화수소(halogenated hydrocarbon)[HCFC(hydrochlorofluorocarbon) 또는 HFC(hydrofluorocarbon)(예컨대, R245fa) 등]와 같은 탄화수소를 포함한다. 보다 최근에, 저비점 작동 유체의 열적 불안정성, 유독성, 인화성, 및 생산 비용과 같은 문제들을 고려하여, 암모니아와 같은 비탄화수소 작동 유체를 순환시키도록 몇몇의 열역학 사이클들이 수정되었다.
동력 사이클 또는 다른 열역학적 사이클을 작동할 때에 전체 시스템 효율에 영향을 미치는 주요 인자들 중 하나는 열 추가 단계에서 효율적인 것이다. 조악하게 설계된 열 기관 시스템들 및 사이클들은 일을 수행하는 데에 대형 열 교환기를 필요로 하는 것에 추가하여 열 대 전력 변환에 있어서 비효율적일 수 있다. 그러한 시스템은 고도로 최적화된 시스템보다 킬로와트 당 훨씬 더 높은 비용으로 동력을 전달한다. 그러한 높은 압력 및 온도를 취급할 수 있는 열 교환기는 일반적으로 열 기관 시스템의 총 비용 중에서 많은 부분을 차지한다.
따라서, 열 에너지로부터 일 또는 전기를 발생시키면서 개선된 효율을 제공하는 열 기관 시스템 및 그러한 시스템을 제어하는 방법이 요구된다.
일 실시예에서, 열 기관 시스템은 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 구성되는 펌프를 포함한다. 제1 팽창기는 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 복수 개의 폐열 교환기는 열원 스트림의 유동로를 따라 연속하여 배치되고 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 작동 유체로 전달하도록 각각 구성된다. 열 기관 시스템은 또한 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터의 열 에너지를 고압측을 통해 유동하는 작동 유체로 전달하도록 각각 구성되는 복수 개의 환열기, 그리고 개방 위치, 폐쇄 위치, 및 부분 개방 위치에 위치 설정되도록 각각 구성되는 복수 개의 밸브를 포함한다. 밸브 컨트롤러는 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 것이 고압측에 위치 설정되는지, 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것이 저압측에 위치 설정되는지를 선택적으로 제어하기 위해 복수 개의 밸브 각각을 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치로 구동시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 열 기관 시스템의 제어 방법은, 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 펌프를 제어함으로써, 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통과하는 작동 유체의 유동을 시작하는 단계, 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것을 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 고압측에 위치 설정할 것인지를 결정함으로써 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계, 및 작동 유체 회로의 결정된 구성을 기초로 하여, 작동 유체 회로를 통해 유동하는 작동 유체로부터 작동 유체의 일부를 격리시키도록 복수 개의 밸브 가운데 어느 것을 폐쇄 위치에 위치 설정할 것인지를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 작동 유체 회로를 통해 유동하는 작동 유체의 측정된 온도 및/또는 압력에 대응하는 데이터를 수신하는 단계, 측정된 온도 및/또는 압력이 예정된 문턱값을 초과하는지를 결정하는 단계, 및 측정된 온도 및/또는 압력이 예정된 문턱값을 초과하면, 폐쇄 위치에 위치 설정된 복수 개의 밸브 중 하나 이상을 구동시켜 이들 하나 이상의 밸브를 개방 위치 또는 부분 개방 위치에 위치 설정함으로써 작동 유체의 격리된 부분 중 적어도 일부가 작동 유체 회로를 통해 유동할 수 있게 하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 열 기관 시스템의 제어 방법은, 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 펌프를 제어함으로써, 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통과하는 작동 유체의 유동을 시작하는 단계, 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것을 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 고압측에 위치 설정할 것인지를 결정함으로써 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계, 작동 유체 회로의 결정된 구성을 기초로 하여, 복수 개의 밸브 각각에 대해, 각각의 밸브를 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치에 위치 설정할 것인지를 결정하는 단계, 및 복수 개의 밸브 각각을 결정된 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치로 구동시키는 단계를 포함한다.
본 개시는 첨부 도면들과 함께 읽을 때에 이하의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 업계에서의 표준 실무에 따라, 다양한 피쳐(feature)들이 축척대로 그려져 있지 않다는 것을 강조한다. 사실상, 다양한 피쳐들의 치수가 논의의 명확성을 위해 임의적으로 확대 또는 축소되어 있을 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 열 기관 시스템용 전자 제어 시스템의 예시적인 구성요소의 블럭도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로를 갖는 열 기관 시스템을 도시한다.
도 3은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 2에 도시된 열 기관 시스템을 선택적으로 구성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 시스템 시동 및/또는 중단 중에 도 2에 도시된 열 기관 시스템을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 2에 도시된 작동 중인 열 기관 시스템을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예에 따른, 동력 출력을 최적화하기 위해 도 2에 도시된 열 기관 시스템을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1은 도 2에 도시된 열 기관 시스템(100)의 작동을 제어할 수 있는 전자 제어 시스템(80)의 일 실시예의 예시적인 구성요소의 블럭도이다. 전자 제어 시스템(80)은, 소정의 용례에 따라 좌우될 수 있는, 선택된 양 및 타입의 유체 취급 또는 프로세싱 구성요소를 통해 작동 유체가 경로 설정될 수 있도록 작동 유체 회로를 선택적으로 구성하기 위해 사용될 수 있는 밸브 시스템(82)을 포함한다. 예컨대, 일 실시예에서, 밸브 시스템(82)은 도 2에 도시된 작동 유체 회로(102)를 선택적으로 구성하도록 사용될 수 있어, 작동 유체의 유동로가 하나 이상의 폐열 교환기(120a, 120b, 120c, 120d), 그리고 하나 이상의 환열기(recuperator; 130a, 130b, 130c), 터빈 또는 팽창기(160a, 160b), 하나 이상의 펌프(150a, 150b, 150c), 하나 이상의 응축기(140a, 140b, 140c)의 임의의 원하는 조합을 통해 성립될 수 있다. 그러한 실시예에서, 밸브 시스템(82)은, 작동 유체가 회로(102)를 통해 선택적으로 유동하게 하도록 개방 위치, 폐쇄 위치, 및 부분 개방 위치 또는 부분 폐쇄 위치에서 각각 이용될 수 있는, 바이패스 밸브(116a, 116b, 116c, 116d), 정지 또는 제어 밸브(118a, 118b, 118c, 118d), 정지 또는 제어 밸브(128a, 128b, 128c), 및 정지 또는 스로틀 밸브(158a, 158b)를 포함할 수 있다.
밸브 컨트롤러(84)가 밸브 시스템(82)에서 밸브들 각각의 위치를 선택적으로 제어하도록 프로세서(86)로부터 데이터를 수신하기 위한 기반 시설을 제공할 수 있다. 예컨대, 밸브 컨트롤러(84)는 밸브 시스템(82)에서 밸브들 각각의 위치에 있어서 하나 이상의 변화를 일으키도록 프로세서(86)로부터의 제어 명령을 프로세싱하기 위한 제어 로직을 포함할 수 있다. 일단 제어 로직이 프로세싱되면, 밸브 컨트롤러(84)는 밸브 시스템(82)에서 밸브들 각각을 선택적으로 구동하여 밸브들 각각을 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치 또는 부분 폐쇄 위치에 위치 설정할 수 있다. 특정 실시예에서, 밸브 컨트롤러(84)는 또한 하나 이상의 집적 회로 및 레지스터, 전위차계, 전압 레귤레이터, 구동 장치 등과 같은 관련 구성요소를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 밸브 컨트롤러(84)는 프로세서(86)와 통합될 수 있다.
밸브 컨트롤러(84)는 또한 하나 이상의 공정 조건 센서(88)로부터 수신된 데이터에 응답할 수 있다. 공정 조건 센서(88)는 온도 센서, 압력 센서, 유량 센서, 또는 작동 유체 회로(102)의 파라미터, 회로를 통해 유동하는 작동 유체, 또는 시스템(100)의 다른 구성요소로부터의 파라미터(예컨대, 온도, 압력, 회전 속도, 주파수, 전압 등)를 측정하도록 구성되는 임의의 다른 센서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 도 6과 관련하여 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 밸브 컨트롤러(84)는 열 기관 시스템(100)의 동력 출력을 최대화하기 위하여 작동 전반에 걸쳐 공정 조건 센서(88)에 의해 측정된 공정 조건에 계속해서 응답할 수 있다. 예컨대, 밸브 컨트롤러(84)는, 현재의 공정 조건을 고려해 볼 때에 열 기관 시스템(100)의 가능한 최대 동력 출력을 얻기 위하여 공정 조건 센서(88)로부터의 데이터 및/또는 프로세서(86)로부터의 데이터에 응답하여 밸브 시스템(82)의 밸브들 각각의 위치를 반복적으로 조절할 수 있다. 시스템(100)의 일 실시예에서, 밸브 컨트롤러(84)는 변화하는 공정 조건 하에서 시스템(100)의 열 교환기와 환열기에서 작동 유체 유동 및 열 전달을 최대화하기 위하여 밸브 시스템(82)의 위치를 주기적으로 조절하도록 구성될 수 있다.
프로세서(86)는, 전자 제어 시스템(80)의 작동 시스템, 프로그램, 인터페이스, 및 임의의 다른 기능을 실행하는 프로세싱 능력을 제공하는 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 관련된 칩 세트; 데이터, 프로그램 정보, 또는 다른 실행 가능한 명령어를 저장할 수 있는 컴퓨터/기계 판독 가능한 메모리, 범용 마이크로프로세서, 특수 목적 마이크로프로세서, 또는 이들의 조합, 캐싱(caching) 목적을 위한 온 보드 메모리, 명령어 세트 프로세서 등을 포함할 수 있다.
전자 제어 시스템(80)은 또한 전자 제어 시스템(80)이 하나 이상의 외부 디바이스(예컨대, 외부 데이터 소스)에 커플링되게 할 수 있는 하나 이상의 입력/출력(I/O) 포트(90)를 포함할 수 있다. I/O 컨트롤러(92)는, 프로세서(86)와 I/O 포트(90)를 통해 연결된 I/O 디바이스 간에 데이터를 교환하기 위한 및/또는 하나 이상의 입력 디바이스(94)를 통해 유저 입력을 수신하기 위한 기반 시설을 제공할 수 있다.
저장 디바이스(96)가 프로세서(86), 밸브 컨트롤러(84), I/O 컨트롤러(92), 또는 이들의 조합에 의해 사용되는 하나 이상의 프로그램 및/또는 명령어와 같은 정보를 저장할 수 있다. 예컨대, 저장 디바이스(96)는 전자 제어 시스템(80)을 위한 펌웨어(firmware), 프로그램, 어플리케이션, 또는 전자 제어 시스템(80)에 의해 실행되는 루틴, 프로세서 기능 등을 저장할 수 있다. 저장 디바이스(96)는, 리드 온리 메모리(ROM; read-only memory), 랜덤 엑세스 메모리(RAM; random access memory), 솔리드 스테이트 메모리(예컨대, 플래시 메모리), CD-ROM, 하드 드라이브, 유니버셜 시리얼 버스(USB; universal serial bus) 드라이브, 임의의 다른 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 하나 이상의 비일시적이고 유형(有形)인 기계 판독 가능 매체를 포함할 수 있다. 저장 매체는 본 명세서에 개시된 방법에서 제시된 로직 또는 로직의 일부를 작동시키도록 프로세서(86)에 의해 실행될 수 있는 펌웨어 등의 인코딩된 명령어를 저장할 수 있다.
전자 제어 시스템(80)은 또한 로컬 영역 네트워크(LAN; Local Area Network), 와이드 영역 네트워크(WAN; Wide Area Network), 또는 인터넷 등의 네트워크를 통해 외부 디바이스와 통신하기 위한 네트워크 디바이스(98)를 포함할 수 있고 전력원(99)에 의해 통전될 수 있다. 전력원(99)은 교류(AC) 전력원(예컨대, 전기 콘센트), 휴대용 에너지 저장 디바이스(예컨대, 배터리 또는 배터리 팩), 이들의 조합, 또는 임의의 다른 적절한 이용 가능 전력원일 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 전자 제어 시스템(80)의 구성요소들의 일부 또는 전부는, 전자 제어 시스템(80)의 구성요소들의 일부 또는 전부를 지지하도록 및/또는 둘러싸도록 구성될 수 있는 하우징 내에 제공될 수 있다.
도 2는 작동 유체의 유동로가 복수 개의 폐열 교환기(120a, 120b, 120c, 120d), 복수 개의 환열기(130a, 130b, 130c), 터빈 또는 팽창기(160a, 160b), 펌프(150a, 150b, 150c), 및 응축기(140a, 140b, 140c)의 임의의 원하는 조합을 통해 지향될 수 있도록 전자 제어 시스템(80)에 의해 선택적으로 구성될 수 있는 작동 유체 회로(102)를 갖는 열 기관 시스템(100)의 실시예를 도시한다. 이를 위해, 바이패스 밸브(116a, 116b, 116c, 116d), 정지 또는 제어 밸브(118a, 118b, 118c, 118d), 정지 또는 제어 밸브(128a, 128b, 128c), 및 정지 또는 스로틀 밸브(158a, 158b)는 또한 원하는 구성요소들을 통한 작동 유체의 경로 설정을 가능하게 하도록 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치 또는 부분 폐쇄 위치에서 각각 선택적으로 위치 설정될 수 있다.
한 가지 예시적인 실시예에서, 열 기관 시스템(100) 요소들의 다양한 조합을 통한 작동 유체의 경로 설정은 사용자/조작자에 의해 결정 또는 선택될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체의 경로 설정은 하나 이상의 입력값을 기초로 하여 전자 제어 시스템(80)에 의해 자동적으로 결정될 수 있고, 입력값은 열원의 특성, 발전 시스템의 요건, 주위 온도 등과 같은 시스템 파라미터를 나타낸다. 전자 제어 시스템(80)이 밸브 위치를 자동적으로 결정하는 실시예에서, 이러한 결정은 예정된 시스템 구성을 기초로 할 수 있거나, 또는 대안으로, 밸브 컨트롤러(84)가 열 기관 시스템(100)의 파라미터를 변화시키기 위해(예컨대, 효율을 증가시키기 위해) 밸브 위치에 대한 조절을 행할 수 있다. 이 실시예에서, 밸브 조절이 원하는 변화를 달성하지 못하면, 밸브 컨트롤러(84)는 피드백 또는 피드포워드(feed forward) 타입의 제어 구성에 있어서 추가적인 변화를 행할 수 있다.
작동 유체 회로(102)는 일반적으로 고압측과 저압측을 갖고 작동 유체를 고압측 및 저압측을 통해 유동시키도록 구성된다. 도 2의 한 가지 선택적으로 구성 가능한 실시예에서, 고압측은, 팽창기(160a, 160b)가 작동 유체 회로(102)에 포함되어 있는지에 따라, 펌프(150c)로부터 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)로의 작동 유체의 유동로를 따라 연장될 수 있고, 저압측은 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)로부터 펌프(150a)로의 작동 유체의 유동로를 따라 연장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 작동 유체는 저압측으로부터 펌프 바이패스 밸브(141)를 경유하여 고압측으로 전달될 수 있다.
소정의 실시의 특징에 따라, 작동 유체 회로(102)는, 이용 가능 구성요소[예컨대, 폐열 교환기(120a, 120b, 120c, 120d)와 환열기(130a, 130b, 130c)] 각각이 작동 유체 회로의 고압측 및 저압측에 선택적으로 위치 설정되거나(예컨대, 유동적으로 커플핑되거나) 또는 격리되도록(예컨대, 유동적으로 커플링되지 않도록) 구성될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 전자 제어 시스템(80)은 도 3에 도시된 방법(250)에 나타낸 제어 로직을 실행하기 위해 프로세서(86)를 이용할 수 있다. 이 실시예에서, 프로세서(86)는 하나 이상의 실행 특정 최적화 파라미터에 대응하는 데이터를 수신할 수 있다(블럭 252). 예컨대, 프로세서(86)는 입력 디바이스(94; 예컨대, 사용자 인터페이스)로부터 I/O 컨트롤러(92)를 경유하여 이용 가능 열원(108)의 유형에 관한 데이터를 수신할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실행 특정 최적화 파라미터는, 열원(108), 열 기관 시스템(100)이 이용되는 위치(예컨대, 선박, 육지 등), 소정 용례에 필요한 전력량, 주위 환경의 온도 등에 관한 것이거나 이들을 포함할 수 있다.
상기 방법(250)에 따르면, 프로세서(86)는 또한 폐열 교환기(120a, 120b, 120c) 가운데 어느 것이 고압측에 위치하는지를 결정하고(블럭 254), 환열기(130a, 130b, 130c) 가운데 어느 것이 고압측에 위치하는지를 결정하며(블럭 256), 환열기(130a, 130b, 130c) 가운데 어느 것이 저압측에 위치하는지를 결정할 수 있다(블럭 258). 프로세서(86)는, 예컨대 참조 프로그램, 룩업 테이블, 참조값, 센서 입력값, 저장 디바이스(96)에 저장된 정보, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 전술한 결정을 행할 수 있다. 또한, 밸브 시스템(82)에서 각 밸브에 대해, 프로세서(86)는 밸브가 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치 또는 부분 폐쇄 위치에 배치되어야 하는지를 결정할 수 있다(블럭 260). 프로세서(86)는 또한 소정의 실행을 위해 원하는 작동 유체 회로 구성을 달성하도록 밸브 시스템(82)의 각 밸브들을 선택적으로 개방 또는 폐쇄할 수 있다(블럭 262). 유체 회로 구성을 선택하는 밸브 시스템(82)에 추가하여, 밸브 시스템은 또한 선택된 구성의 각 레그(leg) 또는 분기부를 통과하는 유체의 용적 또는 유량을 선택할 수 있고, 예컨대 밸브 시스템(82)은 선택된 구성의 선택된 요소를 통과하는 작동 유체 유동을 조절할 수 있다.
전술한 도 3의 실시예에서, 상기 방법(250)은 프로세서(86)에 의한 실행에 대해 설명되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 개시된 컨트롤러들 중 임의의 컨트롤러 또는 임의의 다른 적절한 컨트롤러가 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 밸브 컨트롤러(84)는 밸브 시스템(82)의 밸브들에 대해 원하는 위치 변화를 실행하도록 프로세서(86)를 위한 기반 시설을 제공할 수 있거나, 또는 밸브 컨트롤러(84)가 도 3의 방법(250)을 실행할 수 있다. 또한, 폐열 교환기(120a, 120b, 120c, 120d)와 환열기(130a, 130b, 130c)는 단지 예이고, 다른 실시예에서, 임의의 개수의 폐열 교환기 및 환열기가 방법(250)에 따라 제어될 수 있다.
도 2의 작동 유체 회로(102)의 몇몇 실시예에서, 터보펌프는 제2 팽창기(160b)와 펌프(150c)를 커플링하는 샤프트(162)에 의해 형성될 수 있어, 제2 팽창기(160b)는 제2 팽창기(160b)에 의해 발생되는 기계적 에너지를 이용하여 펌프(150c)를 구동할 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 방법(250)에 따라, 펌프(150c)로부터 제2 팽창기(160b)로의 작동 유체 유동로는, 밸브(116d, 128c, 128b, 116b, 118b, 116a, 158b)를 개방 위치에 위치 설정함으로써, 환열기(130c, 130b)와 폐열 교환기(120b)를 고압측에 선택적으로 유동적으로 커플링시켜 성립될 수 있다. 이 실시예에서의 작동 유체 유동로는 펌프(150c)로부터, 환열기(130c)를 통해, 환열기(130b)를 통해, 폐열 교환기(120b)를 통해, 그리고 제2 팽창기(160b)로 연장된다. 예컨대, 본 실시예에서 저압측을 통과하는 작동 유체 유동로는, 제2 팽창기(160b)로부터 터빈 방출 라인(170b)을 통해, 환열기(130a, 130b, 130c)를 통해, 그리고 응축기(140a, 140b, 140c) 및 펌프(150a, 150b, 150c)로 연장될 수 있다.
또한, 상기 방법(250)에 따른 다른 실시예에서, 작동 유체 유동로는 환열기(130c), 폐열 교환기(120c), 환열기(130a), 및 폐열 교환기(120a)를 고압측에 유동적으로 커플링함으로써 펌프(150c)로부터 제1 팽창기(160a)까지 성립될 수 있다. 그러한 실시예에서, 고압측을 통과하는 작동 유체 유동로는 펌프(150c)로부터 밸브(116d)를 통해, 밸브(128c)를 통해, 환열기(130c)를 통해, 바이패스 밸브(116c)를 통해, 정지 또는 제어 밸브(118c)를 통해, 폐열 교환기(120c)를 통해, 바이패스 밸브(116b)를 통해, 밸브(128a)를 통해, 환열기(130a)를 통해, 바이패스 밸브(116a)를 통해, 정지 또는 제어 밸브(118a)를 통해, 폐열 교환기(120a)를 통해, 정지 또는 스로틀 밸브(158a)를 통해, 그리고 제1 팽창기(160a)로 연장된다. 본 실시예에서 저압측을 통과하는 작동 유체 유동로는 제1 팽창기(160a)로부터 터빈 방출 라인(170a)을 통해, 환열기(130a, 130b, 130c)를 통해 그리고 응축기(140a, 140b, 140c)와 펌프(150a, 150b, 150c)로 연장될 수 있다.
현재 예상되는 실시예는 임의의 개수의 폐열 교환기, 임의의 개수의 환열기, 임의의 개수의 밸브, 임의의 개수의 펌프, 임의의 개수의 응축기, 임의의 개수의 팽창기를 포함할 수 있고, 도 2에 도시된 것으로 제한되지 않는다는 것을 유념해야 한다. 도 2의 도시된 실시예에서 그러한 구성요소들의 수량은 단지 일례이고, 이들 구성요소들의 임의의 적절한 수량이 다른 실시예에서 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 복수 개의 폐열 교환기(120a-120d)는 제1 폐열 교환기(120a), 제2 폐열 교환기(120b), 제3 폐열 교환기(120c), 및 제4 폐열 교환기(120d) 등과 같이 4개 이상의 폐열 교환기들을 포함할 수 있다. 각각의 폐열 교환기(120a-120d)는, 작동 유체 회로(102)를 소정의 용례의 요구에 맞게 조정하기 위해 전자 제어 시스템(80)에 의해 결정된 바와 같이, 작동 유체 회로(102)의 고압측에 선택적으로 유동적으로 커플링되어 해당 고압측과 열 연통하게 배치될 수 있다. 각각의 폐열 교환기(120a-120d)는 열원 스트림(110)에 유동적으로 커플링되고 해당 열원 스트림과 열 연통하게 구성되며, 열원 스트림(110)으로부터의 열 에너지를 고압측 내의 작동 유체에 전달하도록 구성될 수 있다. 폐열 교환기(120a-120d)는 열원 스트림(110)의 유동 방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 한 가지 구성에서, 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동과 관련하여, 제2 폐열 교환기(120b)는 제1 폐열 교환기(120a)의 상류측에 배치될 수 있고, 제3 폐열 교환기(120c)는 제2 폐열 교환기(120b)의 상류측에 배치될 수 있으며, 제4 폐열 교환기(120d)는 제3 폐열 교환기(120c)의 상류측에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 복수 개의 환열기(130a-130c)는 제1 환열기(130a), 제2 환열기(130b), 및 제3 환열기(130c) 등과 같이 3개 이상의 환열기를 포함할 수 있다. 각각의 환열기(130a-130c)는 작동 유체 회로(102)에 선택적으로 유동적으로 커플링될 수 있고, 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 때에 작동 유체 회로(102)의 고압측과 저압측 간에 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 환열기(130a-130c)는 제2 팽창기(160b)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)의 고압측에 연속적으로 배치될 수 있다. 제2 환열기(130b)는 제1 환열기(130a)의 상류측에 배치될 수 있고, 제3 환열기(130c)는 고압측에서 제2 환열기(130b)의 상류측에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 환열기(130a), 제2 환열기(130b), 및 제3 환열기(130c)는 작동 유체 회로(102)의 저압측에 연속적으로 배치될 수 있어, 제2 환열기(130b)는 제1 환열기(130a)의 하류측에 배치될 수 있고, 제3 환열기(130c)는 저압측에서 제2 환열기(130b)의 하류측에 배치될 수 있다. 제1 환열기(130a)는 저압측에서 제1 팽창기(160a)의 하류측에 배치될 수 있고, 제2 환열기(130b)는 저압측에서 제2 팽창기(160b)의 하류측에 배치될 수 있다.
열원 스트림(110)은, 한정하는 것은 아니지만, 가스 터빈 배기 스트림, 산업용 공정 배기 스트림, 또는 열원(108)으로부터 나오거나 유도되는 노(furnace) 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 타입의 연소 생성물 배기 스트림 등의 폐열 스트림일 수 있다. 몇몇의 예시적인 실시예에서, 열원(108)은 가스 터빈 동력/전기 발생기 또는 가스 터빈 제트 엔진 등의 가스 터빈일 수 있고, 열원 스트림(110)은 가스 터빈으로부터의 배기 스트림일 수 있다. 열원 스트림(110)은 약 100℃ 내지 약 1,000℃ 범위 내의 온도, 또는 1,000℃보다 큰 온도, 그리고 몇몇 예에서는 약 200℃ 내지 약 800℃ 범위 내의 온도, 보다 좁게는 약 300℃ 내지 약 600℃ 범위 내의 온도를 나타낼 수 있다. 열원 스트림(110)은 공기, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 또는 증기, 질소, 산소, 아르곤, 또는 이들의 파생물, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열원 스트림(110)은 태양열 소스 또는 지열 소스 등의 재생 가능한 열 에너지 소스로부터 열 에너지를 유도할 수 있다.
열 기관 시스템(100)은 또한 적어도 하나의 응축기(140c) 및 적어도 하나의 펌프(150c)를 포함하지만, 몇몇 실시예에서 복수 개의 응축기(140a-140c) 및 복수 개의 펌프(150a-150c)를 포함한다. 제1 응축기(140c)는 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하고 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다. 제1 펌프(150c)는 작동 유체 회로(102)의 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 수 있고 작동 유체 회로(102) 내에서 작동 유체를 순환 또는 압축하도록 구성될 수 있다. 제1 펌프(150c)는 작동 유체 회로(102) 내에서 작동 유체의 질량 유량, 압력, 또는 온도를 제어하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 응축기(140b)와 제3 응축기(140a)는 각각 독립적으로 작동 유체 회로(102)의 저압측의 작동 유체와 유동적으로 커플링될 수 있고 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하여 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다. 또한, 제2 펌프(150b)와 제3 펌프(150a)는 각각 독립적으로 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유동적으로 커플링될 수 있고 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체를 순환 또는 압축시키도록 구성될 수 있다. 제2 펌프(150b)는 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동 방향을 따라 제1 펌프(150c)의 상류측에 그리고 제3 펌프(150a)의 하류측에 배치될 수 있다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 제1 펌프(150c)는 순환 펌프이고, 제2 펌프(150b)는 압축기로 대체되며, 제3 펌프(150a)는 압축기로 대체된다.
몇몇 예에서, 제3 펌프(150a)는 제1단 압축기로 대체되고, 제2 펌프(150b)는 제2단 압축기로 대체되며, 제1 펌프(150c)는 제3단 펌프이다. 제2 응축기(140b)는 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동 방향을 따라 제1 응축기(140c)의 상류측에 그리고 제3 응축기(140a)의 하류측에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 열 기관 시스템(100)은 제1 펌프/응축기 단, 제2 펌프/응축기 단, 및 제3 펌프/응축기 단과 같이 3개의 단의 펌프와 응축기를 포함한다. 제1 펌프/응축기 단은 제3 펌프(150a)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 제3 응축기(140a)를 포함할 수 있고, 제2 펌프/응축기 단은 제2 펌프(150b)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 제2 응축기(140b)를 포함할 수 있으며, 제3 펌프/응축기 단은 제1 펌프(150c)의 상류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 제1 응축기(140c)를 포함할 수 있다.
몇몇 예에서, 열 기관 시스템(100)은 제1 펌프(150c), 제2 펌프(150b), 및/또는 제3 펌프(150a)에 커플링되는 가변 주파수 구동 장치를 포함할 수 있다. 가변 주파수 구동 장치는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 질량 유량, 압력, 또는 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 열 기관 시스템(100)은 제1 펌프(150c), 제2 펌프(150b), 또는 제3 펌프(150a)에 커플링되는 구동 터빈을 포함할 수 있다. 구동 터빈은 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 질량 유량, 압력, 또는 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 구동 터빈은 제1 팽창기(160a), 제2 팽창기(160b), 다른 팽창기 또는 터빈, 또는 이들의 조합일 수 있다.
다른 실시예에서, 구동 샤프트(162)가 제1 팽창기(160a) 및 제2 팽창기(160b)에 커플링될 수 있어, 구동 샤프트(162)는 제1 팽창기(160a) 및 제2 팽창기(160b)의 조합에 의해 생성된 또는 달리 발생된 기계적 에너지에 의해 디바이스를 구동하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 디바이스는 펌프(150a-150c), 압축기, 직류 발전기(164), 교류 발전기, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일 실시예에서, 열 기관 시스템(100)은 구동 샤프트(162)에 의해 제1 팽창기(160a)에 커플링되는 직류 발전기(164) 또는 교류 발전기를 포함할 수 있다. 직류 발전기(164) 또는 교류 발전기는 제1 팽창기(160a)에 의해 생성된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 구동 샤프트(162)는 제2 팽창기(160b) 및 제1 펌프(150c)에 커플링될 수 있어, 제2 팽창기(160b)는 제2 팽창기(160b)에 의해 생성된 기계적 에너지를 이용하여 제1 펌프(150c)를 구동시키도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 열 기관 시스템(100)은 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유동적으로 커플링되고 저압측과 열 연통하는 공정 가열 시스템(230)을 포함할 수 있다. 공정 가열 시스템(230)은, 저압측에 커플링된 유체 라인 상에 작동적으로 배치되고 제어 시스템(101)의 제어 하에 있는 공정 열 교환기(236) 및 제어 밸브(234)를 포함할 수 있다. 공정 열 교환기(236)는 작동 유체 회로(102)의 저압측에 있는 작동 유체로부터의 열 에너지를, 공정 열 교환기(236)를 통해 유동하는 열 전달 유체로 전달하도록 구성될 수 있다. 몇몇의 예에서, 공정 열 교환기(236)는 예열 단계 중에 작동 유체 회로(102)의 저압측에 있는 작동 유체로부터의 열 에너지를 메탄으로 전달하여 가열된 메탄 유체를 형성하도록 구성될 수 있다. 열 에너지는 메탄 유체로 직접적으로 전달되거나, (예컨대, 열 전달 유체를 통해) 간접적으로 전달될 수 있다. 열원 스트림(110)은 가스 터빈 전기 발생기와 같이 가열된 메탄 유체를 연소시키도록 구성된 열원(108)으로부터 유도될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 열 기관 시스템(100)은, 작동 유체 회로(102)의 저압측에 유동적으로 커플링되고 저압측과 열 연통하는 환열기 버스 시스템(220; recuperator bus system)을 포함할 수 있다. 환열기 버스 시스템(220)은 터빈 방출 라인(170a, 170b), 제어 밸브(168a, 168b), 바이패스 라인(210)과 바이패스 밸브(212), 유체 라인(222, 224), 및 제1 팽창기(160a) 및/또는 제2 팽창기(160b)의 하류측에서 그리고 응축기(140a)의 하류측에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링되는 다른 라인 및 밸브를 포함할 수 있다. 일반적으로, 환열기 버스 시스템(220)은 제1 팽창기(160a) 및/또는 제2 팽창기(160b)로부터 복수 개의 환열기(130a-130c)로, 그리고 또한 저압측 상의 하류측으로 연장된다. 일례에서, 유체 라인(222)의 일단부는 터빈 방출 라인(170b)에 유동적으로 커플링될 수 있고, 유체 라인(222)의 타단부는 환열기(130c)의 하류측에 그리고 응축기(140a)의 상류측에 배치되는, 작동 유체 회로(102) 상의 지점에 유동적으로 커플링될 수 있다. 다른 예에서, 유체 라인(224)의 일단부는 터빈 방출 라인(170b), 유체 라인(222), 또는 공정 가열 라인(232)에 유동적으로 커플링될 수 있고, 유체 라인(224)의 타단부는 환열기(130b)의 하류측에 그리고 저압측에서 환열기(130c)의 상류측에 배치되는, 작동 유체 회로(102) 상의 지점에 유동적으로 커플링될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102)에서 순환되거나, 유동되거나, 달리 이용될 수 있는 작동 유체의 종류는 탄소 산화물, 탄화수소, 알콜, 케톤, 할로겐화 탄화수소, 암모니아, 아민, 수분, 또는 이들의 조합을 포함한다. 열 기관 시스템(100)에 이용될 수 있는 예시적인 작동 유체는, 이산화탄소, 암모니아, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 이들의 파생물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 할로겐화 탄화수소는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC; hydrochlorofluorocarbon), 하이드로플루오로카본(HFC; hydrofluorocarbon)[예컨대, 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(R245fa)], 플루오로카본, 이들의 파생물, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명한 많은 실시예에서, 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102), 및 본 명세서에 개시된 다른 예시적인 회로에서 순환되거나, 유동되거나, 또는 달리 이용되는 작동 유체는 이산화탄소(CO2) 및 이산화탄소를 함유하는 혼합물일 수 있거나 이들을 함유할 수 있다. 일반적으로, 작동 유체 회로(102)의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체(예컨대, sc-CO2)를 수용한다. 동력 발생 사이클을 위해 작동 유체로서 사용되거나 작동 유체에 함유되는 이산화탄소는 작동 유체로서 통상적으로 사용되는 다른 화합물에 비해 많은 이점을 갖는데, 그 이유는 이산화탄소가 무독성과 난연성의 특성을 갖고 또한 쉽게 이용 가능하며 비교적 저렴하기 때문이다. 부분적으로 이산화탄소의 비교적 높은 작동 압력으로 인해, 이산화탄소 시스템은 다른 작동 유체를 사용하는 시스템보다 훨씬 더 콤팩트할 수 있다. 다른 작동 유체에 관하여 이산화탄소의 높은 밀도 및 용적 열 용량은, 이산화탄소가 더 "에너지 집약적"이 되도록 하는데, 이는 모든 시스템 구성요소의 크기가 성능 손실 없이 상당히 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(sc-CO2), 또는 아임계 이산화탄소(sub-CO2)라는 용어의 사용은 임의의 특정한 종류, 소스, 순도, 또는 등급의 이산화탄소로 제한되도록 의도되지 않는다는 것을 유념해야 한다. 예컨대, 산업 등급의 이산화탄소가 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 작동 유체에 함유되고 및/또는 작동 유체로서 사용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체는 2성분 작동 유체 혼합물, 3성분 작동 유체 혼합물, 또는 다른 작동 유체 혼합물일 수 있다. 작동 유체 혼합물 또는 조합물은 본 명세서에 설명되는 바와 같이 열 회수 시스템 내의 유체 조합물이 보유한 특유의 속성을 위해 선택될 수 있다. 예컨대, 그러한 한 가지 유체 조합물은, 이산화탄소를 압축하는 데에 요구되는 것보다 낮은 에너지 입력 상태에서 조합된 유체가 고압으로 그리고 액체 상태에서 펌핑되게 할 수 있는 액체 흡수제 및 이산화탄소 혼합물을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 이산화탄소(예컨대, sub-CO2 또는 sc-CO2)와 하나 이상의 다른 혼화성 유체 또는 화학 합성물의 조합일 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 이산화탄소와 프로판, 또는 이산화탄소와 암모니아의 조합일 수 있다.
작동 유체 회로(102)는 일반적으로 고압측과 저압측을 갖고 작동 유체 회로(102) 내에서 순환되는 작동 유체를 수용한다. "작동 유체"라는 용어의 사용은 작동 유체의 해당 상태 또는 상(相)을 제한하도록 의도되지 않는다. 예컨대, 작동 유체 또는 작동 유체의 일부는 액체상, 기체상, 유체상, 아임계 상태, 초임계 상태, 또는 열 기관 시스템(100) 또는 열역학적 사이클 내의 임의의 하나 이상의 지점에서의 임의의 다른 상 또는 상태로 있을 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 예컨대 시동 공정 중에, 작동 유체는 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102)의 특정한 부분(예컨대, 고압측)에 걸쳐서 초임계 상태로 있고 열 기관 시스템(100)의 작동 유체 회로(102)의 다른 부분(예컨대, 저압측)에 걸쳐서 아임계 상태로 있다. 다른 실시예에서, 전체적인 열역학 사이클은, 작동 유체가 열 기관 시스템(100)의 전체적인 작동 유체 회로(102)에 걸쳐서 초임계 상태로 유지되도록 작동될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예에서, 넓은 의미로, 실행 특정 고려 사항, 예컨대 이용 가능한 열원의 종류; 온도, 압력, 유량을 비롯한 공정 조건, 그리고 각각의 개별적인 펌프(150a, 150b, 또는 150c)가 펌프 또는 압축기인지의 여부 등에 따라, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 임의의 펌프(150a, 150b, 또는 150c)의 하류측에 그리고 임의의 팽창기(160a 또는 160b)의 상류측에 배치될 수 있고, 작동 유체 회로(102)의 저압측은 임의의 팽창기(160a 또는 160b)의 하류측에 그리고 임의의 펌프(150a, 150b, 또는 150c)의 상류측에 배치될 수 있다. 한 가지 예시적인 실시예에서, 펌프(150a, 150b)는 압축기로 대체될 수 있고, 펌프(150c)는 펌프이며, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 펌프(150c)의 방출 출구와 같이 펌프(150c)의 하류측에서 시작하고 임의의 팽창기(160a 또는 160b)에서 종결될 수 있고, 작동 유체 회로(102)의 저압측은 임의의 팽창기(160a 또는 160b)의 하류측에서 시작하고 펌프(150c)의 입구와 같이 펌프(150c)의 상류측에서 종결될 수 있다.
일반적으로, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 약 15 MPa 이상, 예컨대 약 17 MPa 이상, 또는 약 20 MPa 이상, 또는 약 25 MPa 이상, 또는 약 27 MPa 이상의 압력의 작동 유체(예컨대, sc-CO2)를 수용한다. 몇몇의 예에서, 작동 유체 회로(102)의 고압측은 약 15 MPa 내지 약 40 MPa 범위 내의 압력, 보다 좁게는 약 20 MPa 내지 약 35 MPa 범위 내의 압력, 그리고 더욱 좁게는 약 25 MPa 내지 약 30 MPa 범위 내의 압력, 예컨대 약 27 MPa의 압력을 가질 수 있다.
작동 유체 회로(102)의 저압측은 15 MPa 미만, 예컨대 12 MPa 이하, 또는 약 10 MPa 이하의 압력의 작동 유체(예컨대, CO2 또는 sub-CO2)를 포함한다. 몇몇의 예에서, 작동 유체 회로(102)의 저압측은 약 1 MPa 내지 약 10 MPa 범위 내의 압력, 보다 좁게는 약 2 MPa 내지 약 8 MPa 범위 내의 압력, 그리고 더욱 좁게는 약 4 MPa 내지 약 6 MPa 범위 내의 압력, 예컨대 5 MPa의 압력을 가질 수 있다.
열 기관 시스템(100)은 또한 팽창기(160a), 팽창기(160b), 및 샤프트(162)를 포함한다. 각각의 팽창기(160a, 160b)는 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 수 있고 고압측과 저압측 사이에 배치되며 작동 유체의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성될 수 있다. 구동 샤프트(162)는 팽창기(160a), 팽창기(160b), 또는 팽창기(160a) 및 팽창기(160b) 양자 모두에 커플링될 수 있다. 구동 샤프트(162)는 발생된 기계적 에너지를 이용하여, 직류 발전기 또는 교류 발전기[예컨대, 발전기(164)], 모터, 발전기/모터 유닛, 펌프 또는 압축기[예컨대, 펌프(150a-150c)], 및/또는 기타 디바이스들과 같은 하나 이상의 디바이스를 구동하도록 구성될 수 있다.
발전기(164)는, 직류 발전기, 교류 발전기(예컨대, 영구 자석 교류 발전기), 또는 예컨대 샤프트(162)와 팽창기(160a, 160b) 중 하나 이상으로부터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 다른 디바이스일 수 있다. 전기 콘센트(도시 생략)가 발전기(164)에 전기적으로 커플링되고 발전기(164)로부터 발생된 전기 에너지를 전기 그리드(166)로 전달하도록 구성될 수 있다. 전기 그리드(166)는 전기 그리드, 전기 버스(electrical bus)[예컨대, 플랜트 버스(plant bus)], 전력 전자기기, 다른 전기 회로, 또는 이들의 조합이거나 이들을 포함할 수 있다. 전기 그리드(166)는 일반적으로 적어도 하나의 교류 전류 버스, 교류 전류 그리드, 교류 전류 회로, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일례에서, 발전기(164)는 직류 발전기이고 전기 콘센트를 통해 전기 그리드(166)에 전기적으로 그리고 작동 가능하게 접속된다. 다른 예에서, 발전기(164)는 교류 발전기이고 전기 콘센트를 통해 전력 전자기기(도시 생략)에 전기적으로 그리고 작동 가능하게 접속된다. 다른 예에서, 발전기(164)는 전기 콘센트에 전기적으로 접속된 전력 전자기기에 전기적으로 접속된다.
열 기관 시스템(100)은 또한 적어도 하나의 펌프/압축기와 적어도 하나의 응축기/쿨러를 포함하지만, 특정 실시예는 일반적으로 복수 개의 응축기(140a-14c)(예컨대, 응축기 또는 냉각기)와 펌프(150-150c)(예컨대, 펌프 또는 압축기로 대체됨)를 포함한다. 각각의 응축기(140a-140c)는 독립적으로 응축기 또는 냉각기일 수 있고 독립적으로 기체 냉각식(예컨대, 공기, 질소, 또는 이산화탄소를 이용함) 또는 액체 냉각식(예컨대, 물, 솔벤트, 또는 이들의 혼합물을 이용함)일 수 있다. 각각의 펌프(150a-150c)는 독립적으로 펌프일 수 있거나 압축기로 대체될 수 있고, 독립적으로 작동 유체 회로(102)의 저압측과 고압측 사이에서 작동 유체 회로(102)에 유동적으로 커플링될 수 있다. 또한, 각각의 펌프(150a-150c)는 작동 유체를 작동 유체 회로(102) 내에서 순환 및/또는 압축시키도록 구성될 수 있다. 응축기(140a-140c)는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체와 열 연통하고 작동 유체 회로(102)의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성될 수 있다.
펌프(150c)에서 빠져나간 후에, 작동 유체는 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)에 진입하기 전에 폐열 교환기(120a-120d) 및/또는 환열기(130a-130c)를 통해 유동할 수 있다. 바이패스 밸브(116a-116d), 정지 또는 제어 밸브(118a-118d), 정지 또는 제어 밸브(128a-128c), 및 정지 또는 스로틀 밸브(158a, 158b)를 포함하는 일련의 밸브 및 라인(예컨대, 도관 또는 파이프)이 가변적인 개방 위치들 및 폐쇄 위치들에 사용되어 폐열 교환기(120a-120d) 및/또는 환열기(130a-130c)를 통과하는 작동 유체의 유동을 제어할 수 있다. 따라서, 그러한 밸브는 팽창기(160a) 및/또는 팽창기(160b)에 진입하는 작동 유체의 온도에 대한 제어 및 조절성을 제공할 수 있다. 밸브는 제어 가능식 밸브, 고정식 밸브(오리피스), 전환 밸브, 3방향 밸브이거나, 심지어는 몇몇 실시예에서 제거될 수 있다. 유사하게, 각각의 추가적인 구성요소(예컨대, 추가적인 폐열 교환기 및 환열기)가 특정 실시예에서 사용되거나 제거될 수 있다. 예컨대, 환열기(130b)는 특정 용례에서 사용되지 않을 수 있다.
공동의 샤프트 또는 구동 샤프트(162)가 채용될 수 있거나, 다른 실시예에서, 2개 이상의 샤프트가 펌프(150a-150c), 팽창기(160a, 160b), 발전기(164), 및/또는 다른 구성요소와 함께 또는 독립적으로 사용될 수 있다. 일례에서, 팽창기(160b) 및 펌프(150c)는 공동의 샤프트를 공유하고, 팽창기(160a)와 발전기(164)는 다른 공동의 샤프트를 공유한다. 다른 예에서, 팽창기(160a, 160b), 펌프(150c), 및 발전기(164)는 구동 샤프트(162)와 같은 공통 샤프트를 공유한다. 다른 펌프들이 역시 샤프트와 통합될 수 있음은 물론이다. 다른 실시예에서, 공정 가열 시스템(230)은 열원 연료에 열 에너지를 제공하는 루프, 예컨대 연료(예컨대, 메탄), 공정 증기, 또는 다른 유체를 예열하는 가스 터빈일 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 샤프트(162)는 동일한 속도로 수반되는 회전을 위해 부착되는(대체로 함께 볼트 체결되는) 개별적인 샤프트일 수 있다.
도 4는 시동 또는 중단 중에 열 기관 시스템(100)을 제어하기 위해 프로세서(86), 또는 임의의 다른 적절한 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 이용될 수 있는 방법(264)의 실시예를 도시한다. 도시된 방법(264)은 시동 또는 중단이 시작되었는지에 관한 질문(블럭 266)을 포함한다. 시동 또는 중단이 시작되지 않았다면, 상기 방법(264)은 정상 작동 제어 로직을 실행하는 것(블럭 268)을 포함한다. 그러나, 시동 또는 중단이 시작되었다면, 상기 방법(264)은 격리 단계(270)로 진행한다. 격리 단계(270) 중에, 프로세서(86)는 고압측으로부터 격리할 작동 유체의 양을 결정하고(블럭 272), 복수 개의 폐열 교환기(120a-120d) 중 어느 폐열 교환기를 고압측으로부터 격리할 것인지를 결정하며(블럭 274), 원하는 폐열 교환기를 고압측으로부터 격리하기 위해 복수 개의 밸브 중 어느 밸브를 폐쇄 위치에 위치 설정할 것인지를 결정한다(블럭 276). 그러한 결정을 기초로 하여, 프로세서(86)는 복수 개의 밸브 중 각각의 밸브를 선택적으로 개방 또는 폐쇄할 수 있다(블럭 278).
즉, 격리 단계(270) 중에, 프로세서(86)는 작동 유체를 포함하는 작동 유체 회로(102)의 어느 부분을 선택적으로 구성된 작동 유체 회로(102)의 고압측 및 저압측을 통해 유동하는 작동 유체의 유동로로부터 격리할 것인지를 결정한다. 그렇게 하면, 프로세서(86)는 고압측과 저압측을 통해 유동하는 작동 유체와 상이한 공정 조건(예컨대, 온도, 압력 등)으로 작동 유체를 보유하는 작동 유체 회로(102)의 배관을 효과적으로 격리시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 격리된 작동 유체는 이후에 작동 유체 회로(102)의 내부에 있는 작동 유체 공급원으로서 이용될 수 있다. 이러한 방식으로 내부 작동 유체 공급원을 제공함으로써, 특정 실시예는 작동 유체 회로(102)의 외측에 있는 저장 탱크에 대한 필요성을 감소시키거나 또는 제거할 수 있다.
도시된 방법(264)에서, 분석 단계(280)는 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 온도 및/또는 압력을 측정하는 것(블럭 282)과 측정된 온도 및/또는 압력이 예정된 문턱값을 초과하는지에 관해 질문하는 것(블럭 284)을 포함할 수 있다. 예정된 문턱값은, 예컨대 열 기관 시스템(100)의 이전 작동으로부터의 성능 데이터, 작동 유체 회로(102)의 구성 요소 각각에 관해 취급 등급이 매겨진 열량 등을 기초로 하여 결정될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 분석 단계(280)는 작동 유체 회로(102)를 통과하는 작동 유체의 유동과 관련된 공정 조건을 보여주는 임의의 파라미터를 나타내는 데이터의 측정 또는 수신을 포함할 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에서, 작동 유체의 온도 및/또는 압력은 유동 파라미터, 이전 작동으로부터 얻어진 데이터와의 비교 등을 기초로 하여 추산될 수 있다. 사실상, 분석 단계(280)에서 도시된 블럭들은 현재 예상되는 실시예를 제한하는 것이 아니라 예시하도록 의도된다.
도시된 실시예에서, 온도 및/또는 압력이 문턱값을 초과하지 않았다면, 블럭(278)에서 선택적으로 폐쇄되는 밸브가 폐쇄 위치에 유지되어(블럭 286) 고압측과 저압측을 통해 유동하는 작동 유체의 유동로로부터 격리된 작동 유체의 일부를 유지한다. 그러나, 온도 및/또는 압력이 문턱값을 초과하면, 상기 방법(264)은 경감 단계(288)로 진행하고, 경감 단계에서는 폐쇄된 밸브들 중 하나 이상이 선택적으로 개방되어 격리된 작동 유체의 일부 또는 전부를 고압측에 유동적으로 커플링시킨다(블럭 290). 선택된 밸브가 일단 개방되면, 격리된 작동 유체의 일부 또는 전부는 고압측과 저압측을 통해 유동하는 작동 유체와 혼합된다. 몇몇 실시예에서, 고압측을 통해 유동하는 작동 유체가 격리된 작동 유체보다 대체로 높은 온도를 갖기 때문에, 블럭(290)에서 밸브들의 선택적인 개방은 외부 소스에 엑세스할 필요 없이 작동 유체 회로(102)를 통해 유동하는 작동 유체의 온도를 감소 가능하게 할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 상기 방법(264)은 또한 문턱값과 측정된 온도 및/또는 압력 사이의 차이(Δ)를 결정하는 것과, 이 차이의 크기를 기초로 하여, 개방할 밸브들의 수량을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 측정된 온도 및/또는 압력이 문턱값보다 약간 높으면, 측정된 값이 문턱값보다 크게 높은 경우보다 더 적은 개수의 밸브가 개방될 수 있다.
도 2에 도시된 열 기관 시스템(100)의 실시예를 참조하면, 도 4의 방법(264)의 한 가지 예시적인 실시예에서, 밸브(118d, 116c, 116b)는 폐열 교환기(120b, 120c, 120d)를 격리시키도록 격리 단계(270) 중에 선택적으로 폐쇄되어 그러한 폐열 교환기 및 관련 배관 내의 작동 유체를 격리시킬 수 있다. 또한, 작동 유체 회로(102)를 통해 유동하는 작동 유체의 온도가 증가함에 따라, 밸브(118d, 116c, 116b) 중 하나 이상이 개방되어 작동 유체 회로(102)를 통해 유동하는 작동 유체의 온도를 감소시키고 외부 저장 탱크를 이용할 필요 없이 압력 증가를 허용할 수 있다.
다른 예의 경우, 폐열 교환기(120a, 120b, 120c, 120d) 및 관련 배관 내에 작동 유체의 용적은 몇몇 실시예에서 작동 유체 회로(102) 내의 총 용적의 대략 50% 내지 대략 70%일 수 있다. 시동 중에, 폐열 교환기(120b, 120c, 120d)가 격리되면, 작동 유체 회로(102) 내의 작동 유체의 총 용적의 대략 30%가 고압측 및 저압측을 통해 유동하는 작동 유체의 유동로로부터 격리될 수 있다. 일 실시예에서, 열 기관 시스템(100)의 평균 압력은 약 10 MPa일 수 있고, 열 기관 시스템(100)의 평균 온도는 약 100℃일 수 있으며, 열 기관 시스템(100)의 평균 밀도는 약 188.5 kg/m3일 수 있다. 열 기관 시스템(100) 내에 대략 1885 kg의 작동 유체가 존재한다면, 평균 온도가 대략 300℃로 증가하고, 평균 압력은 등체적 열 추가 공정에서 (예컨대, 325 MJ의 열 추가로부터) 대략 19.7 MPa로 상승할 수 있다. 이어서, 폐열 교환기(120b)가 격리로부터 제거되고 고압측 및 저압측을 통해 유동하는 작동 유체에 유동적으로 커플링되면, 질량 증가 없이 추가적인 대략 10%의 작동 유체 용적이 고압측 및 저압측을 통해 유동하는 작동 유체에 추가될 수 있으며, 이에 따라 평균 밀도는 대략 165 kg/m3이 된다. 전술한 용적 추가는, 작동 유체 회로(102)로부터의 작동 유체 질량을 제거하여 이 질량을 외부 저장 탱크로 펌핑하는 일 없이 평균 압력을 대략 19.7 MPa로부터 대략 17 MPa로 감소시킬 수 있다.
도 5는 열 기관 시스템(100)의 성능 및 동력 출력을 제어하도록 프로세서(86), 또는 임의의 다른 적절한 컨트롤러에 의해 이용될 수 있는 방법(292)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 상기 방법(292)은 N번째 폐열 교환기의 출구에 근접한 작동 유체의 온도를 결정하는 것(블럭 294)과 N번째 환열기의 출구에 근접한 작동 유체의 온도를 결정하는 것(블럭 296)을 포함한다. 즉, 상기 방법(292)은 선택적으로 구성 가능한 작동 유체 회로에서 대응하는 폐열 교환기와 환열기의 출구들에 근접한 작동 유체의 온도를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 실시예에서, 폐열 교환기(120d)는 환열기(130c)에 대응할 수 있고, 폐열 교환기(120c)는 환열기(130b)에 대응할 수 있으며, 폐열 교환기(120b)는 환열기(130a)에 대응할 수 있다.
상기 방법(292)은 또한 N번째 폐열 교환기의 출구에 근접한 작동 유체의 온도와 N번째 환열기의 출구에 근접한 작동 유체의 온도 간에 차이가 예정된 허용 가능한 범위 내에 있는지에 관한여 질문하는 것(블럭 298)을 포함한다. 온도차가 예정된 허용 가능한 범위 내에 있다면, 상기 방법(292)은 대응하는 폐열 교환기와 환열기의 각 세트에 대해 온도차를 점검함으로써 진행한다. 그러나, 온도차가 예정된 허용 가능한 범위 내에 있지 않다면, 상기 방법(292)은 N번째 폐열 교환기의 출구에 근접한 작동 유체와 N번째 환열기에 근접한 작동 유체를 유동적으로 커플링시키도록 N번째 밸브를 구동시키는 것(블럭 300)을 포함한다. 예컨대, 도 2의 실시예에서, 폐열 교환기(120d)의 출구 근처에서 측정된 온도가 환열기(130c)의 출구 근처에서 측정된 온도와 대략 동일하지 않다면, 바이패스 밸브(116c)가 구동되어 2개의 측정 위치에서의 작동 유체 간에 혼합을 가능하게 하고 온도 평형을 회복시킬 수 있다.
도 6은 열 기관 시스템(100)에 의해 발생되는 동력을 최대화시키도록 작동 유체 회로(102)를 제어하는 방법(302)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 프로세서(86), 밸브 컨트롤러(84), 또는 임의의 다른 적절한 컨트롤러는 상기 방법(302)의 로직에 따른 연속적인 동력 최대화 전략을 채용할 수 있다. 보다 구체적으로, 그러한 실시예에서, 프로세서(86)는, 하나 이상의 조건이 작동 중에 변할 때에 열 기관 시스템(100)의 동력 출력을 최대화시키기 위해 작동 전반에 걸쳐서 특별한 설정점으로 제한되지 않는 보다 높은 동력 출력을 계속적으로 탐색할 수 있다.
상기 방법(302)은 하나 이상의 공정 조건에 대응하는 데이터를 수신하는 것(블럭 304)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 공정 조건은 압력, 온도, 유량 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 데이터는, 예컨대 공정 조건 센서(88)로부터 밸브 컨트롤러(84)에 의해 수신되고 하나 이상의 제약을 받는 자코비안(Jacobian)(즉, 제어 변수의 도함수)의 계산을 위해 프로세서(86)로 전달될 수 있다(블럭 306). 상기 방법(302)은 또한 작동 유체 유동을 제어하는 복수 개의 밸브 각각을 자코비안의 일부에 의해 조절하는 것(블럭 308)을 포함한다. 예컨대, 일 실시예에서, 밸브(116a, 118a, 116b, 118b, 128a)는 상기 방법(302)의 제어점으로서 이용될 복수 개의 밸브로서 선택될 수 있다. 그러한 실시예에서, 프로세서(86)는 최대 동력 출력을 가장 빠른 방식으로 달성하기 위하여 각 밸브(116a, 118a, 116b, 118b, 128a)가 부분적으로 개방 또는 폐쇄되어야 하는 정도를 확인할 수 있다. 일단 확인되면, 프로세서(86)는 밸브 조절을 밸브 컨트롤러(84)에 전송할 수 있고, 밸브 컨트롤러는 원하는 밸브 위치 설정을 달성하기 위하여 각 밸브(116a, 118a, 116b, 118b, 128a)를 선택적으로 구동함으로써 밸브 조절을 실행한다.
일단 밸브 조절이 이루어지면, 상기 방법(302)은 아이들링(idling)(블럭 310)과, 열 기관 시스템(100)의 동력 출력이 안정 상태에 도달하였는지에 관하여 질문하는 것(블럭 312)을 포함한다. 열 기관 시스템(100)의 동력 출력이 안정 상태에 도달하지 못하면, 상기 방법(302)은 아이들 상태를 유지한다(블럭 310). 그러나, 열 기관 시스템(100)의 동력 출력이 안정 상태에 도달하면, 상기 방법(302)은 열 기관 시스템(100)의 동력 출력을 더 증가시키기 위해 반복된다. 이 방식에서, 상기 방법(302)은, 하나 이상의 공정 조건이 작동 중에 변화할 때에 동력 출력을 최대화시키기 위해 열 기관 시스템(100)의 작동에 걸쳐 연속적으로 이용될 수 있다.
본 개시는 본 발명의 상이한 피쳐들, 구조들, 또는 기능들을 구현하기 위한 몇 개의 예시적인 실시예들을 기술하고 있다는 것을 잘 알 것이다. 본 개시를 간소화하기 위해 구성요소들, 배열들 및 구성들의 예시적인 실시예들이 본 명세서에 기술되어 있지만, 이 예시적인 실시예들은 단지 예로서 제공되며, 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 게다가, 본 개시는 다양한 예시적인 실시예들에서 그리고 본 명세서에 제공된 도면들에 걸쳐 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간소성 및 명확성을 위한 것이고, 그 자체가 다양한 도면들에서 논의되는 다양한 예시적인 실시예들 및/또는 구성들 간의 관계를 구속하지는 않는다. 더욱이, 본 개시에서 제2 피쳐 상부에 또는 그 위에 제1 피쳐를 형성하는 것은 제1 피쳐 및 제2 피쳐가 직접 접촉하게 형성되는 실시예들을 포함할 수 있고, 또한 제1 피쳐와 제2 피쳐가 직접 접촉하지 않을 수 있도록 제1 피쳐와 제2 피쳐 사이에 부가의 피쳐가 형성될 수 있는 실시예들을 포함할 수 있다. 마지막으로, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예들은 여러 방식들의 임의의 조합으로 결합될 수 있고, 예컨대, 본 개시의 범주를 벗어남이 없이, 하나의 예시적인 실시예로부터의 임의의 요소가 임의의 다른 예시적인 실시예에서 사용될 수 있다.
게다가, 기재된 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐 특정의 구성요소를 지칭하기 위해 특정의 용어가 사용된다. 통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 다양한 엔티티(entity)들이 동일한 구성요소를 상이한 명칭들로 지칭할 수 있고, 그에 따라, 본 명세서에 기술된 요소들에 대한 명명 규칙은, 본 명세서에서 달리 구체적으로 정의되지 않는 한, 본 개시의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 명명 규칙은 기능이 아니라 이름이 상이한 구성요소들을 구별하기 위한 것이 아니다. 또한, 기재된 설명 및 청구범위에서, "포함하는", "가지는", 및 "구비하는"이라는 용어는 개방형(open-ended) 방식으로 사용되고, 따라서 "~를 포함하지만 이들로 제한되지 않음"을 의미하는 것으로 해석되어야만 한다. 본 개시에서의 모든 수치값은, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 정확한 값 또는 근사적인 값일 수 있다. 그에 따라, 본 개시의 다양한 실시예들이, 의도된 범주를 벗어남이 없이, 본 명세서에 개시된 숫자, 값, 및 범위로부터 벗어날 수 있다. 더욱이, 청구범위 또는 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "또는"은 배타적인(exclusive) 경우 및 포괄적인(inclusive) 경우 둘 다를 포함하기 위한 것이고, 즉, "A 또는 B"는, 본 명세서에서 달리 명확히 언급되지 않는 한, "A와 B 중 적어도 하나"와 동의어인 것으로 보아야 한다.
이상에서는 통상의 기술자가 본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록 몇 개의 실시예들의 특징들을 간략하게 기술하였다. 통상의 기술자라면 본 명세서에 소개된 실시예들과 동일한 목적들을 수행하고 그리고/또는 동일한 장점들을 달성하기 위해 다른 프로세스들 및 구조물들을 설계하거나 수정하기 위한 기초로서 본 개시를 손쉽게 사용할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 통상의 기술자라면 또한 이러한 등가의 구성들이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는다는 것, 그리고 본 개시 내용의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 본 명세서에서의 다양한 변경들, 치환들, 및 수정들을 행할 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

Claims (20)

  1. 열 기관 시스템으로서,
    고압측 및 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 구성되는 펌프;
    상기 고압측으로부터 작동 유체를 받아들이고 작동 유체에서의 압력 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성되는 제1 팽창기;
    열원 스트림의 유동로를 따라 연속하여 배치되고 열원 스트림으로부터의 열 에너지를 작동 유체로 전달하도록 각각 구성되는 복수 개의 폐열 교환기;
    상기 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터의 열 에너지를 상기 고압측을 통해 유동하는 작동 유체로 전달하도록 각각 구성되는 복수 개의 환열기;
    개방 위치, 폐쇄 위치, 및 부분 개방 위치에 위치 설정되도록 각각 구성되는 복수 개의 밸브;
    복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것이 고압측에 위치 설정되는지, 복수 개의 환열기 가운데 어느 것이 고압측에 위치 설정되는지, 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것이 저압측에 위치 설정되는지를 선택적으로 제어하기 위해, 복수 개의 밸브 각각을 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치로 구동시키도록 구성되어, 상기 작동 유체 회로를 선택적으로 구성하는 밸브 컨트롤러
    를 포함하는 열 기관 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    최적화 파라미터에 대응하는 데이터를 수신하고, 이 수신된 데이터를 기초로 하여, 복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것을 고압측에 위치 설정하는지를 결정하거나, 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 고압측에 위치 설정하는지를 결정하거나, 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 저압측에 위치 설정하는지를 결정하거나, 또는 이들의 조합을 결정하도록 구성되는 프로세서
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 최적화 파라미터는 열원 스트림을 제공하는 열원의 유형인 것인 열 기관 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸브 컨트롤러는, 복수 개의 밸브의 서브세트(subset)를 구동하여 상기 서브세트를 폐쇄 위치에 위치 설정함으로써 고압측 및 저압측을 통해 유동하는 작동 유체로부터 작동 유체의 일부를 격리시키도록 또한 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 밸브 컨트롤러는, 고압측, 저압측, 또는 양측 모두를 통해 유동하는 작동 유체의 측정된 온도, 압력, 또는 양자 모두에 대응하는 데이터를 수신하고 수신된 데이터가 예정된 문턱값을 초과하는지를 결정하도록 또한 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 밸브 컨트롤러는, 상기 수신된 데이터가 예정된 문턱값을 초과하는 것으로 결정되면, 상기 복수 개의 밸브의 서브세트 중 하나 이상을 개방 위치 또는 부분 개방 위치로 선택적으로 구동시키도록 또한 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 컨트롤러에 통신 가능하게 연결되는 하나 이상의 공정 조건 센서
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하나 이상의 공정 조건 센서 각각은 작동 유체의 온도, 작동 유체의 압력, 작동 유체의 유량, 또는 이들의 조합을 측정하도록 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 밸브 컨트롤러는, 열 기관 시스템의 작동 전반에 걸쳐서 하나 이상의 공정 조건 센서로부터 하나 이상의 공정 조건에 대응하는 데이터를 수신하고, 열 기관 시스템의 작동 전반에 걸쳐서 열 기관 시스템의 동력 출력을 증가시키기 위해 상기 복수 개의 밸브 중 하나 이상을 선택적으로 구동하도록 또한 구성되는 것인 열 기관 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체와 열 연통하도록 구성되고 상기 작동 유체 회로의 저압측에서 작동 유체로부터 열 에너지를 제거하도록 구성되는 응축기
    를 더 포함하는 열 기관 시스템.
  11. 열 기관 시스템의 제어 방법으로서,
    작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 펌프를 제어함으로써, 고압측 및 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통과하는 작동 유체의 유동을 시작하는 단계;
    복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것을 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 고압측에 위치 설정할 것인지를 결정함으로써 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계;
    작동 유체 회로의 결정된 구성을 기초로 하여, 작동 유체 회로를 통해 유동하는 작동 유체로부터 작동 유체의 일부를 격리시키도록 복수 개의 밸브 가운데 어느 것을 폐쇄 위치에 위치 설정할 것인지를 결정하는 단계;
    작동 유체 회로를 통해 유동하는 작동 유체의 측정된 온도, 압력, 또는 양자 모두에 대응하는 데이터를 수신하는 단계;
    측정된 온도, 압력, 또는 양자 모두가 예정된 문턱값을 초과하는지를 결정하는 단계;
    측정된 온도, 압력, 또는 양자 모두가 예정된 문턱값을 초과하면, 폐쇄 위치에 위치 설정된 복수 개의 밸브 중 하나 이상을 구동시켜 이들 하나 이상의 밸브를 개방 위치 또는 부분 개방 위치에 위치 설정함으로써, 작동 유체의 격리된 부분 중 적어도 일부가 작동 유체 회로를 통해 유동할 수 있게 하여, 상기 작동 유체 회로를 선택적으로 구성하는 단계
    를 포함하는 열 기관 시스템의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계는, 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 저압측에 위치 설정하는지를 결정하는 것을 더 포함하는 것인 열 기관 시스템의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    제1 정지 밸브를 개방 위치로 구동시켜 작동 유체가 제1 팽창기를 통해 유동할 수 있게 하는 단계와 제2 정지 밸브를 폐쇄 위치로 구동시켜 작동 유체가 제2 팽창기를 통해 유동하지 못하게 하는 단계
    를 더 포함하는 열 기관 시스템의 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    공정 열 교환기를 작동 유체 회로의 저압측에 유동적으로 커플링(coupling)시키도록 제어 밸브를 구동시켜, 작동 유체로부터, 공정 열 교환기를 통해 유동하는 열 전달 유체로의 열 에너지의 전달을 가능하게 하는 단계
    를 더 포함하는 열 기관 시스템의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 열 전달 유체는 메탄을 포함하는 것인 열 기관 시스템의 제어 방법.
  16. 열 기관 시스템의 제어 방법으로서,
    작동 유체 회로를 통해 작동 유체를 압축 및 순환시키도록 펌프를 제어함으로써, 고압측 및 저압측을 갖는 작동 유체 회로를 통과하는 작동 유체의 유동을 시작하는 단계;
    복수 개의 폐열 교환기 가운데 어느 것을 그리고 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 고압측에 위치 설정할 것인지를 결정함으로써 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계;
    작동 유체 회로의 결정된 구성을 기초로 하여, 복수 개의 밸브 각각에 대해, 각각의 밸브를 개방 위치에, 폐쇄 위치에, 또는 부분 개방 위치에 위치 설정할 것인지를 결정하는 단계;
    복수 개의 밸브 각각을 결정된 개방 위치, 폐쇄 위치, 또는 부분 개방 위치로 구동시켜, 상기 작동 유체 회로를 선택적으로 구성하는 단계
    를 포함하는 열 기관 시스템의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계는, 복수 개의 환열기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로의 저압측에 위치 설정할 것인지를 결정하는 것을 더 포함하는 것인 열 기관 시스템의 제어 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계는, 제1 팽창기와 제2 팽창기 가운데 어느 것을 작동 유체 회로에 위치 설정할 것인지를 결정하는 것을 더 포함하는 것인 열 기관 시스템의 제어 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 작동 유체 회로의 구성을 결정하는 단계는, 공정 열 교환기를 작동 유체 회로의 저압측에 커플링할 것인지를 결정하는 것을 더 포함하는 것인 열 기관 시스템의 제어 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 저압측으로부터 상기 고압측으로 작동 유체의 전달을 가능하게 하도록 바이패스 밸브를 구동시키는 단계
    를 더 포함하는 열 기관 시스템의 제어 방법.
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