KR102309815B1 - 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기 - Google Patents

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Abstract

누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 회전축을 구비하며 회전하도록 배치되어 유체에 의해 회전함으로써 유체를 팽창시켜 배출하는 터빈과, 터빈의 회전축에 연결되어 회전하는 기어와 기어에 연결되어 회전하는 출력축을 구비하는 기어박스와, 기어박스의 출력축에 연결되어 회전함으로써 전기를 생성하는 발전기와, 회전축과 기어박스의 사이에서 누설된 누설 유체를 추출하는 추출관과, 추출관과 연결되어 누설 유체를 공급받아 연소시킴으로써 터빈에 공급되는 유체를 가열하는 가열장치를 구비한다.

Description

누설 유체를 재생하는 터보 팽창기{Leak fluid regenerative turbo expander}
실시예들은 터보 팽창기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터보 팽창기의 작동 중에 발생하는 누설 유체를 재생함으로써 에너지 효율이 향상된 터보 팽창기에 관한 것이다.
터보 팽창기(Turbo-expander)는 고압의 유체가 팽창할 때에 터빈을 회전시킴으로써 전기를 생산하거나 압축기를 회전시킬 수 있는 장치이다. 터보 팽창기는 전기 발전 시스템이나 폐열 회수 시스템에서 전기 발전의 용도나 가스 파이프라인의 압력을 낮추기 위한 용도로 사용되기도 하고, 냉동 시스템이나 극저온의 천연가스, 석유, 공기의 분리 공정과 같은 다양한 유체 기계 시스템에 응용된다.
터보 팽창기의 터빈의 축(shaft)을 발전기와 연결함으로써 고압의 유체가 팽창하는 과정에서 생성된 일(work)을 전기 에너지로 변환할 수 있다. 일반적으로 터보 팽창기는 발전기의 회전 속도보다 빠른 회전 속도로 회전하므로, 터보 팽창기의 터빈의 축과 발전기의 사이의 적절한 연결 속도를 구현하기 위해 감속용 기어박스가 사용된다.
터보 팽창기가 포함된 유체 기계 시스템은 일반적으로 고압의 유체를 이용하므로, 유체 기계 시스템의 내부 압력은 주변 환경의 기압보다 상대적으로 높다. 따라서 터보 팽창기의 터빈의 축과 기어박스가 일체로 연결되는 일체식 기어형 터보 팽창기(Integral geared type turbo expander)의 구조에서는 터빈의 축과 기어박스의 기계적인 연결 부위에서 고압가스 상태의 유체가 외부로 누출될 수 있다.
종래에는 터보 팽창기에서 누출된 고압가스를 연소 후 대기 중으로 배출시킴으로써 누출된 고압가스를 제거하는 기술이 사용되는데, 이러한 기술은 에너지 활용 측면에서 바람직하지 않다.
또한 터빈의 축과 기어박스의 기계적인 연결 부위에 실링(seal ring)을 설치함으로써 터보 팽창기의 외부로 가스가 누출되지 않도록 하기 위한 기술도 많이 사용되고 있다.
미국 특허공개공보 제2014-0099184호에는 터보 기계의 샤프트를 통한 가스 누출을 제어하기 위한 기술이 나타난다. 이러한 기술에 의하면 센서를 이용하여 가스의 압력을 감지함으로써 가스의 침투와 누출을 감지할 수 있다. 그러나 이러한 기술을 사용하는 경우에도 샤프트가 갖는 기계적인 간극으로 인하여 누출 가스가 반드시 발생하며, 이러한 기술은 이미 발생한 누출 가스의 처리를 위한 해결책을 제시하지 못한다.
미국 등록특허 제8,393,160호에는 가스 터빈 시스템에서 누출된 연료를 반응 용기로 유도한 후 누출된 연료를 산화시키는 기술이 나타난다. 이러한 기술에 의하면 누출된 연료를 산화시킴으로써 환경오염이나 위험을 줄일 수 있으나, 누출된 연료를 활용하지 못하므로 에너지 활용의 측면에서 바람직하지 않다.
또한 종래에는 터보 팽창기의 효율을 증가시키기 위한 목적으로 터보 팽창기의 터빈으로 유입되는 유체를 미리 가열하는 기술이 사용되기도 한다.
국제 특허공개 제2007-115579호 및 제2008-135059호와, 일본 특허공개공보 제2007-092652호에는 터빈의 입구에 배기가스의 열을 이용하는 열 교환기나, 연료를 연소시키는 별도의 가열 장치를 설치함으로써 터빈으로 유입되는 유체를 미리 가열하는 기술이 나타난다. 이러한 기술들에 의하면 터빈으로 유입되는 유체를 가열하여 터빈의 구동 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나 전기식 히터를 이용하는 경우 및 연료를 연소시키는 별도의 가열 장치를 이용하는 경우에는 터빈으로 유입되는 유체를 미리 가열하기 위해 별도의 에너지가 소모되므로 에너지 활용 측면에서 바람직하지 않으며, 이러한 기술들을 이용하여도 터빈의 축과 기어박스의 기계적인 연결 부위에서 누출된 가스를 처리할 수 없다.
미국 특허공개공보 제2014-0099184호 (2014.04.10.) 미국 등록특허 제8,393,160호 (2013.03.12.) 국제 특허공개 제2007-115579호 (2007.10.18) 국제 특허공개 제2008-135059호 (2008.11.13.) 일본 특허공개공보 제2007-092652호 (2007.04.12)
실시예들의 목적은 터보 팽창기의 작동 중에 발생하는 누설 유체를 재생함으로써 에너지 효율을 향상시키는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 에너지 소모를 최소화하면서도 작동 효율이 증가되는 터보 팽창기를 제공하는 데 있다.
실시예들의 또 다른 목적은 터보 팽창기에서 발생하는 누설 유체를 이용하여 터빈에 공급되는 유체를 가열할 수 있는 터보 팽창기를 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 회전축을 구비하며 회전하도록 배치되어 유체에 의해 회전함으로써 유체를 팽창시켜 배출하는 터빈과, 터빈의 회전축에 연결되어 회전하는 기어와 기어에 연결되어 회전하는 출력축을 구비하는 기어박스와, 기어박스의 출력축에 연결되어 회전함으로써 전기를 생성하는 발전기와, 회전축과 기어박스의 사이에서 누설된 누설 유체를 추출하는 추출관과, 추출관과 연결되어 누설 유체를 공급받아 연소시킴으로써 터빈에 공급되는 유체를 가열하는 가열장치를 구비한다.
가열장치는 추출관과 연결되어 누설 유체를 연소시키는 보일러와, 터빈에 유체를 공급하는 공급관에 연결되어 터빈으로 공급되는 유체를 가열하는 히터와, 열유체를 수용하며 보일러 및 히터를 연결하여 보일러에서 누설 유체가 연소될 때 가열된 열유체를 히터에 전달하는 전달관을 구비할 수 있다.
누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 공급관에 연결되며 공급관의 유체를 보일러에 공급하는 보충관과, 보충관에 설치되어 보충관을 개방하거나 폐쇄하는 밸브를 더 구비할 수 있다.
누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 추출관을 흐르는 누설 유체의 양을 감지하는 센서와, 센서로부터 감지된 신호에 기초하여 밸브를 제어하는 제어기를 더 구비할 수 있다.
누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는, 발전기에서 발생한 열을 냉각하도록 발전기에 냉각용 액체를 공급하는 냉각용 액체관과, 냉각용 액체관에 연결되어 냉각용 액체를 순환시키는 냉각용 펌프를 더 구비할 수 있다.
누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 터빈에서 배출된 유체를 배출하는 배출관과, 배출관에 연결되어 배출관을 통해 배출되는 유체를 응축시키는 응축기를 더 구비할 수 있다.
기어박스는 터빈의 회전축을 둘러싸는 축 지지부를 더 구비할 수 있고, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 회전축을 둘러싸도록 기어박스의 축 지지부와 회전축의 사이에 배치되어 기어박스의 축 지지부와 회전축의 사이의 공간을 밀봉하는 밀봉링을 더 구비할 수 있으며, 추출관은 축 지지부에 연결될 수 있다.
누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 축 지지부와 회전축의 사이에 결합되어 축 지지부에 대하여 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 더 구비할 수 있다.
기어박스는 출력축이 관통하는 출력용 구멍을 더 구비할 수 있고, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 출력축과 출력용 구멍의 사이에 배치되어 기어박스와 출력축의 사이의 공간을 밀봉하는 출력축 밀봉링을 더 구비할 수 있다.
누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 기어박스에 연결되며 기어박스로부터 누설된 누설 유체를 가열장치에 공급하는 기어박스 추출관을 더 구비할 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기에 의하면 터빈의 회전축과 기어박스의 사이에서 발생하는 누설 유체를 이용하여 터빈에 공급되는 유체를 가열할 수 있으므로 누설 유체의 에너지를 효율적으로 재생할 수 있다.
또한 터빈에서 팽창된 유체의 온도가 너무 낮은 경우에는 응축기에 의해 낮은 온도를 갖는 유체의 냉열을 사용할 수 있으므로, 터빈에 공급되는 유체를 냉각시키기 위해 필요한 가열 에너지를 최소화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 터보 팽창기의 일부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 3은 다른 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 개념도이다.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 터보 팽창기의 일부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 1 및 2에 나타난 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는, 유체에 의해 회전함으로써 유체를 팽창시켜 배출하는 터빈(10)과, 터빈(10)의 회전축(11)에 연결되어 회전하는 기어(20)와 기어(20)에 의해 회전하는 출력축(26)을 구비하는 기어박스(25)와, 기어박스(25)의 출력축(26)에 의해 회전하여 전기를 생성하는 발전기(30)와, 회전축(11)과 기어박스(25)의 사이에서 누설되는 누설 유체를 추출하는 추출관(40)과, 추출관(40)에 연결되어 누설 유체를 연소시켜 터빈(10)에 공급되는 유체를 가열하는 가열장치(50)를 구비한다.
터빈(10)은 입구(10a)와 출구(10b)를 구비하며, 입구(10a)에 연결된 공급관(7)을 통해 유체가 공급되면 유체에 의해 회전함으로써 유체를 팽창시킨 후에 출구(10b)를 통해 배출관(8)으로 배출한다.
터빈(10)의 회전축(11)은 기어박스(25)를 통해 발전기(30)를 구동하는 출력축(26)에 연결된다. 기어박스(25)는 터빈(10)과 발전기(30)의 사이에 적절한 연결 속도를 구현하기 위해 감속기 기능을 수행한다.
기어박스(25)는 터빈(10)의 회전축(11)에 연결되어 회전하는 기어(20)를 구비한다. 기어(20)는 예를 들어 회전축(11)에 연결된 구동기어(21)와, 기어축(23d)에 의해 기어박스(25)의 내부에 회전 가능하게 설치되어 구동기어(21)에 의해 회전하는 중간 기어(23)와, 중간 기어(23)에 의해 회전하며 출력축(26)과 연결된 종동 기어(22)를 구비한다.
기어박스(25)의 출력축(26)은 발전기(30)와 연결됨으로써, 출력축(26)의 회전 운동이 발전기(30)에 의해 전기 에너지로 변환된다.
기어박스(25)는 터빈(10)의 회전축(11)을 둘러싸며 회전축(11)을 회전 가능하게 지지하는 축 지지부(25b)를 구비한다. 축 지지부(25b)는 터빈(10)의 회전축(11)이 관통하는 관통공(25c)을 구비하는 파이프 형상으로 제작될 수 있다. 축 지지부(25b)와 회전축(11)의 사이에는 축 지지부(25b)에 대하여 회전축(11)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(24)이 설치된다.
축 지지부(25b)의 관통공(25c)과 회전축(11)의 사이에는 회전축(11)의 외측 면을 둘러싸는 밀봉링(18, 19)이 배치된다. 밀봉링(18, 19)은 기어박스(25)의 축 지지부(25b)와 회전축(11)의 사이의 공간(17)을 밀봉함으로써 터빈(10) 측의 고압가스 상태의 유체가 회전축(11)을 통해 배출되는 것을 방지하는 기능을 수행한다.
축 지지부(25b)의 추출공(17f)에는 추출관(40)이 연결된다. 추출관(40)은 회전축(11)과 기어박스(25)의 축 지지부(25b)의 사이에서 누설되는 누설 유체를 추출하는 기능을 수행한다.
기어박스(25)는 출력축(26)이 관통하는 출력용 구멍(25d)을 구비한다. 기어박스(25)의 출력용 구멍(25d)과 출력축(26)의 사이에는 기어박스(25)와 출력축(26)의 사이의 공간(27)을 밀봉하는 출력축 밀봉링(29)이 설치될 수 있다. 또한 기어박스(25)의 출력용 구멍(25d)과 출력축(26)의 사이에는 출력축(26)을 기어박스(25)에 대하여 회전 가능하게 지지하는 출력축 베어링(28)이 설치될 수 있다.
기어박스(25)의 추출공(27f)에는 기어박스(25)의 내부에서 발생하는 누설 유체를 외부로 추출하기 위한 기어박스 추출관(41)이 연결된다.
실시예는 도 2에 도시된 밀봉링(18, 19)의 배치 위치와 개수나, 베어링(24)의 배치 위치와 개수 등에 의해 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 밀봉링(18, 19)의 개수를 더 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 베어링(24)의 배치 위치를 터빈(10) 측으로 이동시키거나 설치되는 베어링의 개수를 더 증가시킬 수 있다.
마찬가지로 실시예는 도 1 및 도 2에 도시된 기어박스(25)에 포함되는 기어(20)의 개수에 의해 한정되는 것은 아니며, 기어(20)의 개수나 배치 구조는 감속 기능을 구현하기 위하여 변형될 수 있다.
실시예는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 터빈을 갖는 터보 팽창기에만 한정되는 것은 아니며, 복수 개의 터빈을 갖는 터보 팽창기에도 적용될 수 있다.
터빈(10)의 입구(10a)에 유체를 공급하는 공급관(7)에는 터빈(10)에 공급되는 유체를 가열하는 가열장치(50)가 연결된다. 가열장치(50)는 추출관(40)과 기어박스 추출관(41)과 연결되어 터빈(10)의 회전축(11)과 기어박스(25)의 사이에서 누설된 누설 유체를 연소시키는 보일러(51)와, 터빈(10)에 유체를 공급하는 공급관(7)에 연결되어 터빈(10)으로 공급되는 유체를 가열하는 히터(52)와, 열유체를 수용하며 보일러(51)와 히터(52)를 연결하며 보일러(51)에서 가열된 열유체를 히터(52)에 전달하는 전달관(53)을 구비한다.
종래의 터보 팽창기에서는 터빈의 회전축과 기어박스의 사이에 존재하는 기계적인 유격으로부터 누설된 누설 유체를 활용하지 못하였다. 누설 유체에는 불순물이 함유될 수 있으므로, 예를 들어 누설 유체를 엔진의 연료로 공급하기 어렵다. 따라서 터보 팽창기의 누설 유체는 일반적으로 플레어 장치(flaring device)에 의해 연소시켜 제거하기 때문에, 터보 팽창기에서는 누설 유체와 관련하여 항상 에너지의 낭비가 발생하였다.
그러나 상술한 실시예에 관한 터보 팽창기에 의하면, 터빈(10)의 회전축(11)과 기어박스(25)의 사이에서 발생하는 누설 유체를 이용하여 터빈(10)에 공급되는 유체를 가열할 수 있으므로 누설 유체의 에너지를 효율적으로 재생할 수 있다.
특히, 종래에는 터보 팽창기의 효율을 증가시키기 위하여 터빈(10)의 입구 측에 전기나 가열원을 이용하는 가열 장치를 설치하였으므로 추가적인 에너지 소모로 인해 전체적인 에너지 효율이 좋지 않았다.
상술한 실시예에 관한 터보 팽창기에서는 별도의 에너지 소모를 발생시키지 않고 누설 유체를 이용하여 터빈(10)에 가열된 유체를 공급할 수 있어서 에너지 효율이 향상된다.
예를 들어 터빈(10)에 유체를 공급하는 공급관(7)을 흐르는 유체의 상태가 히터(52)를 통과하며 변화된다. 즉 히터(52)를 통과하기 전에는 70 bar의 압력과 섭씨 0도의 온도를 갖는 유체가 히터(52)를 통과한 이후에는 70 bar의 압력과 섭씨 120도의 온도를 갖는 유체로 변화된다. 전기를 이용하여 섭씨 0도의 유체를 섭씨 120도의 유체로 가열한다면, 많은 에너지가 소모될 것이지만 상술한 실시예에 관한 터보 팽창기에서는 추가적인 에너지 소모 없이 터빈(10)의 회전축(11)과 기어박스(25)의 사이에서 필수적으로 누설되는 누설 유체를 활용하여 터빈(10)의 작동 효율을 증가시킬 수 있다.
터빈(10)에 70 bar의 압력과 섭씨 120도의 온도를 갖는 유체가 공급되면, 터빈(10)이 회전함으로써 유체가 팽창된 후에 공급관(7)을 통해 약 8바의 압력과 섭씨 0도의 온도를 갖는 유체가 배출된다.
공급관(7)에는 보충관(70)이 연결될 수 있다. 보충관(70)은 공급관(7)을 흐르는 유체의 일부를 보일러(51)로 보충하는 기능을 수행한다. 즉 보충관(70)은 누설 유체의 발생량이 보일러(51)의 작동에 충분하지 않은 경우, 공급관(7)의 유체의 일부를 보일러(51)에 보충하기 위한 것이다. 보충관(70)은 공급관(7)을 흐르는 유체의 흐름을 기준으로 히터(52)의 상류측에서 공급관(7)에 연결된다.
보충관(70)에는 보충관(70)을 개방하거나 폐쇄함으로써 보충관(70)을 흐르는 유체의 흐름을 허용하거나 차단하도록 작동하는 밸브(71)가 설치된다. 밸브(71)에는 수동으로 작동되는 수동식 밸브가 사용될 수도 있으나, 도 1에 도시된 예에서는 밸브(71)에 제어기(80)로부터 인가되는 신호에 의해 작동하는 전자식 또는 유압 작동식 밸브가 사용된다.
추출관(40) 및 기어박스 추출관(41)에는 통과하는 누설 유체의 양을 감지하는 센서(81)가 설치된다. 센서(81)는 추출관(40) 및 기어박스 추출관(41)이 합류된 이후의 관(pipe)에 설치될 수 있다.
제어기(80)와 센서(81) 및 밸브(71)와 전기적으로 연결되므로, 제어기(80)는 센서(81)로부터 감지된 누설 유체에 관한 감지 신호에 기초하여 밸브(71)의 작동을 제어할 수 있다.
센서(81)는 추출관(40)과 기어박스 추출관(41)을 흐르는 누설 유체의 압력을 감지하거나 유량을 감지함으로써 누설 유체의 양을 감지할 수 있다.
제어기(80)는 센서(81)로부터 수신된 감지 신호에 기초하여 밸브(71)를 제어할 수 있다. 예를 들어 센서(81)에 의해 감지된 누설 유체의 양이 보일러(51)를 작동시키기 위해 필요한 미리 정해진 양보다 작은 경우에는 제어기(80)가 밸브(71)를 작동시켜 보충관(70)을 개방할 수 있다. 이로써 공급관(7)의 유체의 일부가 보충관(70)을 통해 보일러(51)로 보충되어 보일러(51)의 안정적인 동작을 확보할 수 있다.
발전기(30)에는 발전기(30)에서 발생한 열을 냉각시키기 위해 발전기(30)에 예를 들어 물과 같은 냉각용 액체를 공급하는 냉각용 액체관(61)이 연결될 수 있다. 냉각용 액체관(61)에는 냉각용 액체를 순환시키는 냉각용 펌프(60)와, 발전기(30)를 가열한 후 가열된 냉각용 액체를 다시 냉각시키기 위한 열교환기(62)가 연결될 수 있다.
발전기(30)를 냉각시키기 위해 공랭식 냉각장치를 이용하던 종래의 방식에 의하면, 공랭식 냉각장치의 설치를 위한 공간이 많이 필요하였다. 그러나 상술한 실시예에 관한 터보 팽창기에서는 발전기를 냉각시키기 위하여 수냉식 냉각장치를 사용함으로써 냉각 장치가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기의 구성 요소들의 결합 관계를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3에 나타난 실시예에 관한 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기는 도 1 내지 도 2에 나타난 실시예에 관한 터보 팽창기의 구성과 전체적으로 유사하지만, 터빈(10)에서 배출된 유체를 응축하는 응축기(95)를 설치한 점이 변형되었다. 도 1 및 도 2에 나타난 실시예에 관한 터보 팽창기의 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 도 3에서도 동일한 도면 부호를 사용하였다.
도 3에 나타난 실시예에 관한 터보 팽창기는 유체에 의해 회전함으로써 유체를 팽창시켜 배출하는 터빈(10)과, 터빈(10)의 회전축(11)에 연결되어 회전하는 기어(20)와 기어(20)에 의해 회전하는 출력축(26)을 구비하는 기어박스(25)와, 기어박스(25)의 출력축(26)에 의해 회전하여 전기를 생성하는 발전기(30)와, 회전축(11)과 기어박스(25)의 사이에서 누설되는 누설 유체를 추출하는 추출관(40)과, 추출관(40)에 연결되어 누설 유체를 연소시켜 터빈(10)에 공급되는 유체를 가열하는 가열장치(50)와, 터빈(10)에서 팽창되어 배출되는 유체를 배출하는 배출관(8)에 연결되어 배출관(8)을 통해 배출되는 유체를 가열하는 응축기(95)를 구비한다.
응축기(95)는 냉매 전달관(91)과 연결되며, 냉매 전달관(91)에는 냉매를 가압하여 증발기(92)로 냉매를 공급하는 냉매 펌프(90)와 냉매 펌프(90)에 의해 가압된 냉매를 증발시켜 열교환시키는 증발기(92)가 연결된다. 증발기(92)를 통과한 냉매는 팽창밸브(97)를 통하여 팽창된 이후에 다시 응축기(95)로 전달된다. 증발기(92)의 하류 측에는 팽창밸브(97) 대신 냉매를 팽창시키는 팽창용 터빈이 설치될 수도 있다.
증발기(92)는 예를 들어 터보 팽창기가 설치되는 전체 시스템의 냉방 시스템이나 냉동고 등의 냉각을 위해 사용될 수 있다. 따라서 상술한 바와 같은 구성의 터보 팽창기에 의하면 터빈(10)에서 팽창되어 배출된 유체의 냉열(cold energy)을 이용함으로써 터빈(10)에 유체를 공급하기 이전에 유체를 가열하기 위하 필요한 가열 에너지를 최소화할 수 있다.
예를 들어 터빈(10)에 유체를 공급하는 공급관(7)을 흐르는 유체의 상태가 히터(52)를 통과하며 변화된다. 즉 히터(52)를 통과하기 전에는 70 bar의 압력과 섭씨 0도의 온도를 갖는 유체가 히터(52)를 통과한 이후에는 70 bar의 압력과 섭씨 70도의 온도를 갖는 유체로 변화된다.
터빈(10)에 70 bar의 압력과 섭씨 70도의 온도를 갖는 유체가 공급된 후 터빈(10)이 회전함으로써 유체가 팽창된 후에 공급관(7)을 통해 배출되는 유체가 약 8바의 압력과 섭씨 -50도의 온도를 갖는 경우, 배출된 유체의 온도가 너무 낮아 활용하기가 어렵다. 따라서 이와 같이 터빈(10)에서 배출된 유체의 온도가 너무 낮은 경우에는, 터빈(10)에 공급되는 유체를 더 높은 온도에 이르기까지 미리 가열할 필요가 있다.
그러나 상술한 구성의 터보 팽창기에서는 터빈(10)에서 배출된 낮은 온도의 유체가 응축기(95)를 통과하면서 약 8bar의 압력과 섭씨 0도의 온도를 갖는 상태로 변화된다. 응축기(95)를 이용함으로써 터빈(10)에서 배출된 낮은 온도의 유체의 냉열을 냉방 시스템 등에 사용할 수 있음과 아울러 터빈(10)에 공급되는 유체를 가열하기 위한 가열 에너지를 최소화할 수 있으므로 터보 팽창기의 에너지 효율이 향상될 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
7: 공급관 28: 출력축 베어링
8: 배출관 29: 출력축 밀봉링
10a: 입구 30: 발전기
10b: 출구 18, 19: 밀봉링
10: 터빈 40: 추출관
11: 회전축 41: 기어박스 추출관
17, 27: 공간 50: 가열장치
17f: 추출공 51: 보일러
20: 기어 52: 히터
21: 구동기어 53: 전달관
22: 종동 기어 60: 냉각용 펌프
23d: 기어축 61: 냉각용 액체관
23: 중간 기어 62: 열교환기
24: 베어링 70: 보충관
25c: 관통공 71: 밸브
25: 기어박스 80: 제어기
25b: 축 지지부 81: 센서
25d: 출력용 구멍 90: 냉매 펌프
26: 출력축 91: 냉매 전달관
27f: 추출공 95: 응축기
92: 증발기 97: 팽창밸브

Claims (10)

  1. 회전축을 구비하며 회전하도록 배치되어 유체에 의해 회전함으로써 유체를 팽창시켜 배출하는 터빈;
    상기 터빈의 상기 회전축의 단부와, 상기 회전축에 연결되어 회전하는 기어와, 상기 기어에 연결되어 회전하는 출력축의 단부를 둘러싸는 기어박스;
    상기 기어박스의 상기 출력축에 연결되어 회전함으로써 전기를 생성하는 발전기;
    상기 기어박스에 연결되며 상기 기어박스로부터 누설된 누설 유체를 추출하는 기어박스 추출관; 및
    상기 기어박스 추출관과 연결되어 상기 누설 유체를 공급받아 연소시킴으로써 상기 터빈에 공급되는 유체를 가열하는 가열장치;를 구비하고,
    상기 가열장치는 상기 기어박스 추출관과 연결되어 상기 누설 유체를 연소시키는 보일러; 상기 터빈에 유체를 공급하는 공급관에 연결되어 상기 터빈으로 공급되는 유체를 가열하는 히터; 및 열유체를 수용하며 상기 보일러 및 상기 히터를 연결하여, 상기 보일러에서 상기 누설 유체가 연소될 때 가열된 열유체를 히터에 전달하는 전달관;을 구비하고,
    상기 공급관에 연결되며 상기 공급관의 유체를 상기 보일러에 공급하는 보충관과, 상기 보충관에 설치되어 상기 보충관을 개방하거나 폐쇄하는 밸브와, 상기 기어박스 추출관에 의해 공급되는 상기 누설 유체의 양을 감지하는 센서와, 상기 센서로부터 감지된 신호에 기초하여 상기 밸브를 제어하는 제어기를 더 구비하는, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발전기에서 발생한 열을 냉각하도록 상기 발전기에 냉각용 액체를 공급하는 냉각용 액체관과, 상기 냉각용 액체관에 연결되어 상기 냉각용 액체를 순환시키는 냉각용 펌프를 더 구비하는, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 터빈에서 배출된 유체를 배출하는 배출관과, 상기 배출관에 연결되어 상기 배출관을 통해 배출되는 유체를 응축시키는 응축기를 더 구비하는, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스는 상기 터빈의 상기 회전축을 둘러싸는 축 지지부를 더 구비하고, 상기 회전축을 둘러싸도록 상기 기어박스의 상기 축 지지부와 상기 회전축의 사이에 배치되어 상기 기어박스의 상기 축 지지부와 상기 회전축의 사이의 공간을 밀봉하는 밀봉링을 더 구비하며, 상기 회전축과 상기 기어박스의 사이에서 누설된 누설 유체를 추출하여 상기 가열장치에 공급하는 추출관이 상기 축 지지부에 연결되는, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 축 지지부와 상기 회전축의 사이에 결합되어 상기 축 지지부에 대하여 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 더 구비하는, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기어박스는 상기 출력축이 관통하는 출력용 구멍을 더 구비하고, 상기 출력축과 상기 출력용 구멍의 사이에 배치되어 상기 기어박스와 상기 출력축의 사이의 공간을 밀봉하는 출력축 밀봉링을 더 구비하는, 누설 유체를 재생하는 터보 팽창기.
  10. 삭제
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11698025B2 (en) 2020-02-14 2023-07-11 Pratt & Whitney Canada Corp. Oil leakage monitoring system
CN113236380B (zh) * 2021-06-21 2022-09-06 西安西热节能技术有限公司 一种低压缸零出力耦合储热罐的间冷机组防冻供热系统
IT202100022550A1 (it) 2021-08-30 2023-03-02 Exergy Int S R L Turbomacchina con girante a sbalzo per impianti industriali di produzione di energia

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004036535A (ja) * 2002-07-04 2004-02-05 Kansai Electric Power Co Inc:The 発電所主機排熱回収装置
KR100714090B1 (ko) 2006-05-18 2007-05-04 삼성중공업 주식회사 전기추진 액화천연가스운반선의 재기화 시스템

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6636010B1 (en) 2001-10-01 2003-10-21 Zevex, Inc. Precision dosage apparatus, system and method
KR20070018760A (ko) * 2003-12-09 2007-02-14 가부시키가이샤 어스쉽 공조 시스템
CN100578700C (zh) 2005-03-31 2010-01-06 富士重工业株式会社 锂离子电容器
JP2007092652A (ja) 2005-09-29 2007-04-12 Ntn Corp 熱発電システム
US8393160B2 (en) 2007-10-23 2013-03-12 Flex Power Generation, Inc. Managing leaks in a gas turbine system
ITCO20110013A1 (it) 2011-03-29 2012-09-30 Nuovo Pignone Spa Sistemi di chiusura per turboespansori da usare in cicli rankine organici
KR20140020945A (ko) * 2011-03-29 2014-02-19 누보 피그노네 에스피에이 유기 랭킨 사이클에서 사용하기 위한 터보 팽창기용 밀봉 시스템
KR20130033859A (ko) * 2011-09-27 2013-04-04 한국전력공사 터빈발전기 시스템
US9410451B2 (en) * 2012-12-04 2016-08-09 General Electric Company Gas turbine engine with integrated bottoming cycle system
CN203499743U (zh) * 2013-08-22 2014-03-26 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 针对低品位热能的完全封闭循环发电系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004036535A (ja) * 2002-07-04 2004-02-05 Kansai Electric Power Co Inc:The 発電所主機排熱回収装置
KR100714090B1 (ko) 2006-05-18 2007-05-04 삼성중공업 주식회사 전기추진 액화천연가스운반선의 재기화 시스템

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