KR102369727B1 - 발전 사이클 시스템 및 방법 - Google Patents

발전 사이클 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102369727B1
KR102369727B1 KR1020197007850A KR20197007850A KR102369727B1 KR 102369727 B1 KR102369727 B1 KR 102369727B1 KR 1020197007850 A KR1020197007850 A KR 1020197007850A KR 20197007850 A KR20197007850 A KR 20197007850A KR 102369727 B1 KR102369727 B1 KR 102369727B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sco2
heat
steam
turbine
exhaust gas
Prior art date
Application number
KR1020197007850A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190051987A (ko
Inventor
메건 후앙
앤써니 이스트랜드
Original Assignee
가스 테크놀로지 인스티튜트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가스 테크놀로지 인스티튜트 filed Critical 가스 테크놀로지 인스티튜트
Publication of KR20190051987A publication Critical patent/KR20190051987A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102369727B1 publication Critical patent/KR102369727B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/14—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours using industrial or other waste gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/007—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid combination of cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B80/00—Combustion apparatus characterised by means creating a distinct flow path for flue gases or for non-combusted gases given off by the fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/35—Combustors or associated equipment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling

Abstract

SCO2 브레이튼 및 랭킨 스팀 발전 사이클을 화석 연료 연소와 통합하는 전력 발생 방법 및 시스템이 제공된다. 하나의 이러한 방법은 연소기 내에서 연료 재료를 산화제 재료와 함께 연소시켜 열과 연소 배기가스를 생성하는 단계를 포함한다. 연소 배기가스의 적어도 일부와 연소 처리에 의해 생성된 열의 제1 부분이 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 공급되어 전력과 제2 배기가스를 생성한다. 제2 배기가스의 적어도 일부와 연소 처리에 의해 생성된 열의 제2 부분이 스팀 랭킨 발전 사이클에 공급되어 추가 전력 및 제3 배기가스를 생성한다.

Description

발전 사이클 시스템 및 방법
본 발명은 일반적으로 화석 연료 열원과 함께 사용하기 위한 것과 같은 발전 사이클에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 이러한 발전 사이클의 고효율 버전에 관한 것이다.
일 실시예에서는, 초임계 CO2 기술(supercritical CO2 technology: SCOT) 및 스팀 랭킨(steam Rankine) 기술 양자를 이용하는 고효율 발전소를 위한 새로운 구성이 제공된다.
화석 연료 응용 분야는 통상적으로 높은 연소 온도를 갖거나 생성하며; 따라서, 발전 사이클에 적용하기 위해 광범위한 열에너지(예를 들어, ∼2500℉에서 200℉까지)를 제공할 수 있다. 현재의 석탄 화력 발전소는 일반적으로 스팀 랭킨 사이클만 이용하며, 탄소 포집과 함께 약 32.5%의 정미 플랜트 효율을 갖는다. 스팀 랭킨 사이클을 사용하는 것의 이점은 광범위한 열 통합 및 보일러 급수의 예열을 통해서 열원의 큰 온도 델타를 감당할 수 있다는 것이다. 그러나, 스팀 사이클과 관련된 단점은 플랜트 효율이 낮다는 것과 이러한 시스템에 요구되는 설치면적이 바람직한 것보다 크다는 것이다.
보다 작은 설치면적을 가능하게 하는 그 높은 파워 밀도로 인해 증기 대신에 초임계 CO2(SCO2)를 이용하는 것이 추진되어 왔다. 초임계 조건에서의 CO2의 비교적 높은 밀도 및 SCO2 브레이튼(Brayton) 사이클에서 사용되는 보다 작은 터빈 압력비의 결과로, 이러한 SCO2 기술에 의존하는 설비는 소형화될 수 있다. 또한, 많은 열이 SCO2 사이클 자체 내에서 회수되기 때문에, 이러한 SCO2 사이클의 효율은 스팀 사이클의 효율보다 훨씬 높다. 따라서, SCO2 브레이튼 사이클은 낮은 효율 및 넓은 설치면적 문제를 적극적으로 해결할 수 있다.
그러나, SCO2 브레이튼 사이클의 단점은 이것이 일반적으로 화석 연료 열원과 잘 통합되지 않는다는 것이다. 사이클 자체 내에서 많은 열이 회수되기 때문에, SCO2 사이클에 열이 추가되는 온도 범위가 작으며; 따라서 화석 열원에서 또는 화석 열원으로부터 이용 가능한 저품위 열의 대부분은 SCO2 브레이튼 사이클만의 처리 또는 시스템에서 사용될 수 없다. 즉, 화석 열원과 통합할 때, 화석 열원에서 생성되거나 화석 열원에 기인하는 저품위 열의 대부분은 SCOT 사이클에서 사용될 수 없다. 저품위 열을 더 많이 통합하기 위한 노력으로 다양한 SCO2 브레이튼 캐스케이드 사이클이 설계될 수 있지만, 400℉ 미만의 열이 보통 미사용 상태로 남아있다는 문제가 남아있다. 이것은 전체 플랜트 효율의 바람직하지 않은 저하를 초래한다.
본 발명의 일반적인 목적은 전력 발생을 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 전술한 문제 중 하나 이상을 극복하는 것이다.
본 발명의 적어도 선택된 태양의 보다 구체적인 목적은 전력, 특히 화석 연료 재료로부터의 전력을 발생시키는 방법 및 시스템을 제공하는 것이며, 이 방법 및 시스템은 SCO2 브레이튼 사이클 처리에만 의존하는 처리에 비해서 저품위 열을 보다 많이 또는 보다 양호하게 사용하는 등에 의해 화석 연료 재료로부터 생성되거나 발생되는 열에너지를 바람직하게 보다 양호하게 또는 보다 효율적으로 이용한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전력을 발생시키기 위한 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 하나의 이러한 방법은 연소기 내에서 연료 재료를 산화제 재료와 함께 연소시켜 열과 연소 배기가스를 생성하는 단계를 포함한다. 연소 배기가스의 적어도 일부와 연소 처리에 의해 생성된 열의 제1 부분이 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 공급되어 전력 및 제2 배기가스를 생성한다. 제2 배기가스의 적어도 일부와 연소 처리에 의해 생성된 열의 제2 부분이 스팀 랭킨 발전 사이클에 공급되어 추가 전력 및 제3 배기가스를 생성한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 발전소 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 하나의 이러한 발전소 시스템은 연료 재료를 산화제 재료와 함께 연소시켜 열과 연소 배기가스를 생성하는 연소기, 상기 연소기에 의해 생성된 열의 제1 부분과 연소 배기가스를 사용하여 전력과 제2 배기가스를 생성하는 SCO2 브레이튼 발전 사이클, 및 상기 연소기에 의해 생성된 열의 제2 부분과 제2 배기가스를 사용하여 추가 전력과 제3 배기가스를 생성하는 스팀 랭킨 발전 사이클을 포함한다.
따라서, 본 발명의 일 태양에 따르면, 이하에서 추가로 상세히 설명되듯이, 보다 높은 효율의 SCO2 브레이튼 사이클에서 보다 고품위의 열을 이용하는 한편으로, 스팀 랭킨 사이클을 구비함으로써 저품위 열을 이용하여, 전체 성능을 향상시키는 방법 및 시스템이 바람직하게 제공된다. 따라서, 본 발명은 바람직하게, 이용 가능한 저품위 열을 가급적 많이 스팀 랭킨 발전 사이클에 전달함으로써 폐열의 양을 감소시키는 한편으로, 가급적 많은 열을 고효율 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 전달하는 역할을 할 수 있다.
첨부된 청구범위 및 도면을 참조하여 이루어지는 하기 상세한 설명으로부터 다른 목적 및 이점이 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 목적 및 특징은 도면을 참조하여 이루어지는 하기 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 프로세스 및 시스템의 간략한 블록 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 태양에 따른 SCO2 브레이튼 사이클 프로세스 및 시스템의 간략한 블록 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 태양에 따른, 재가열을 수반하는 랭킨 스팀 사이클 프로세스 및 시스템의 간략한 블록 흐름도이다.
본 발명은 초임계 CO2(SCO2) 브레이튼 사이클과 종래의 초임계 스팀 랭킨 기술을 조합하는 전력 발생 방법 및 시스템을 제공하며, 이러한 방법 및 시스템은 통상적으로 달성 가능한 것보다 크거나 높은 효율의 것이다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 이러한 처리 및 관련 시스템의 일반적인 간략한 개요를 제공한다. 보다 구체적으로, 도 1은 일 실시예에 따른, 일반적으로 참조부호 10으로 지칭되는, 프로세스 및 시스템의 간략한 블록 흐름도를 도시한다.
도시된 바와 같이, 연료 재료(12)의 스트림 및 산화제 재료(14)의 스트림이 연소기(16)에 공급된다.
본 발명에 사용하기에 적합한 연료 재료는 예를 들어 석탄 및 천연 가스와 같은 화석 연료 재료를 포함하며, 이 연료 재료는 탄소질이다.
적합한 산화제 재료는 산소, 공기, 및 예를 들어 산소-부화(enriched) 공기와 같은 그 조합물을 포함한다.
관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되고 본 명세서에 제공된 교시에 의해 안내되듯이, 다양한 연소기 장치가 본 발명의 실시에 적합하게 사용될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 연소기는 적합하게 유동층의 형태일 수 있다. 예를 들어, 2017년 2월 14일에 발행되고 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되는 미국 특허 제9,567,876호에 도시 및/또는 기재된 것과 같은 유동층 반응기가 본 발명의 실시에 유리하게 사용될 수 있다. 일반적으로, 적합한 연소기 장치는 일정한 열원을 갖는 섹션을 잠재적으로 제공할 수 있는 연소기 장치를 포함한다.
연소기(16)에서, 연료 재료는 산화제 재료와 반응하여, 예를 들어 함께 연소하여, 라인(20, 22)을 각각 거쳐서 연소기(16)를 빠져나가는 것으로 도시된 열과, 라인(24)을 거쳐서 연소기(16)를 빠져나가는 것으로 도시된 예를 들어 1600℉ 및 120 psia(827 kPa)의 연소 배기가스를 생성한다.
연소 배기가스는 라인(24)을 거쳐서 그리고 연소기-생성된 열의 제1 부분은 라인(20)을 거쳐서, 참조부호 30으로 지칭된 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 도입되거나 공급되어, 화살표 32로 도시되거나 표시되는 전력, 및 라인(34)을 거쳐서 SCO2 브레이튼 발전 사이클(30)을 빠져나가는 것으로 도시된 예를 들어 955℉ 및 115 psia(793 kPa)의 제2 배기가스를 생성한다.
제2 배기가스는 라인(34)을 거쳐서 그리고 연소기-생성 열의 제2 부분은 라인(22)을 거쳐서, 참조부호 40으로 지칭된 스팀 랭킨 발전 사이클에 도입되거나 공급되어, 화살표 42로 도시되거나 표시되는 전력, 및 라인(44)을 거쳐서 스팀 랭킨 발전 사이클(40)을 빠져나가는 것으로 도시된 예를 들어 200℉ 및 110 psia(758 kPa)의 제3 배기가스를 생성한다.
도시된 바와 같이, 라인(44)의 제3 배기가스는 연소후 탄소 포집 정화(clean-up)를 위해 이송될 수 있으며; 필요에 따라서 스택 방전 처리되거나 또는 그렇지 않으면 적절하게 처리될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, SCO2 브레이튼 발전 사이클(30)을 보다 상세하게 도시하는 간략한 블록 흐름도가 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 2는 SCO2 브레이튼 발전 사이클(30) 프로세스 및 시스템을 개선, 증대 또는 바람직하게 최대화된 효율을 위한 SCO2 브레이튼 발전 사이클과 연소기의 통합에 중점을 두고 보다 상세히 도시하며, 이러한 최대화된 플랜트 효율은 브레이튼 사이클 및 스팀 사이클의 전체 파워 출력을 연료 공급원으로부터의 발열량으로 나눈 측정값이다.
도 2에 도시된 바와 같이, SCO2 브레이튼 발전 사이클(30)은 두 개의 열원; 즉 대류 열교환기(312)(1600F-250F에서 이용 가능한 열) 및 직접 인-베드(in-bed) 항온 열교환기(314)(1600℉에서 이용 가능한 열)를 사용한다.
고온 회수기(316)로부터의 SCO2는 라인(320)을 거쳐서 대류 열교환기(312) 열원에 진입한다. 일 실시예에서, 라인(320)의 SCO2는 930℉의 온도 및 4040 psia(27855 kPa)의 압력에 있다. 열교환기(312)에서, SCO2는 라인(24)을 거쳐서 열교환기(312)에 도입되는 예를 들어 1600℉ 및 120 psia(827 kPa)의 연소 배기가스와 열교환 연통하며 이송된다. 이러한 처리는 예를 들어 1035℉ 및 4030 psia(27786 kPa)의 가열된 SCO2를 형성하며, 이것은 라인(322)을 거쳐서 직접 인-베드 항온 열교환기(314)로 이송된다. 이러한 처리는 또한, 열교환기(312)로부터 빠져나가는, 예를 들어 955℉ 및 115 psia(793 kPa)의 배기가스 스트림(34)을 초래한다.
인-베드 열교환기(314)에서, SCO2는 연소기로부터의 라인(20)을 거쳐서, 인-베드 열교환기(314)로 이동된, 연소기-생성 열의 제1 부분과 열교환 연통하며 이송된다. 일 실시예에서, 연소기-생성 열의 이러한 제1 부분은 1600℉ 및 120 psia(827 kPa)에 있다.
인-베드 열교환기(314)로부터 빠져나오는 SCO2는 예를 들어 1300℉ 및 4000 psia(27579 kPa)에서 라인(326)을 거쳐서 이송된다. 본 명세서에 제공된 교시에 의해 안내되는 본 기술분야의 통상의 기술자는 1300℉가 고온, 고압 보일러 튜브에 대한 일반적인 현재 한계인 것을 알 것이다. 그러나, 기술의 추가 진보는 더 높은 온도에서 SCO2 또는 다른 열전달 재료의 이용을 가능하게 한다.
SCO2는 발전기(도시되지 않음)에 부착된 것과 같은 터빈(330)에서 팽창되어 화살표 32로 표시되는 전력을 생성한다.
예를 들어 1000℉ 및 1200 psia(8274 kPa)에서와 같은 결과적인 SCO2는 라인(322)을 거쳐서 고온 회수기(316)로 이송된다. 고온 회수기(316)에서, SCO2는 예를 들어 420℉ 및 1150 psia(7929 kPa)로 냉각되며, 라인(334)을 거쳐서 저온 회수기(336)로 이송되고, 여기에서 예를 들어 175℉ 및 1135 psia(7826 kPa)로 더 냉각되어 라인(340)을 거쳐서 배출된다.
도시된 실시예에서, SCO2 라인(340)은 재순환 압축기(344)로 향하는 라인(342) 및 메인 압축기(354)로 향하는 라인(352)을 형성하도록 분할된다.
재순환 압축기(344)에서 SCO2는 압축된다. 재순환 압축기에서 비롯되는, 예를 들어 4060 psia(27993 kPa)까지 압축된 400℉의 SCO2는 라인(346)을 거쳐서 이송된다.
메인 압축기(354)에 진입하기 전에, SCO2는 냉각기(353)에서 예를 들어 90℉로 냉각된다. 이후 라인(355)을 거쳐서 메인 압축기(354)로 이송된다. 이후 예를 들어 4080 psia(28131 kPa)까지 압축되고 예를 들어 165℉의 온도의 라인(356)을 거쳐서 저온 회수기(336)로 이송되며 그곳에서 가열된다. 그렇게 가열된 SCO2는 라인(358)을 거쳐서 이송되고 SCO2 스트림 라인(346)과 조합되어 예를 들어 415℉ 및 4060 psia(27993 kPa)의 라인(360)을 형성한다. 라인(360)의 SCO2는 이후 고온 회수기(316)에서 추가 열을 회수하고 이후 예를 들어 라인(320)을 거쳐서 열원, 예를 들어 열원 대류 열교환기(312)로 복귀 재순환된다. 도 2로부터 명백하듯이, 사이클에 요구되는 델타 온도는 단지 930℉ 내지 1300℉이다. 결과적으로, 930℉ 미만의 열원 열은 브레이튼 사이클에서 사용되지 않을 것이다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 재가열(40)을 수반하는 스팀 랭킨 발전 사이클을 보다 상세하게 도시하는 간략한 블록 흐름도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 재가열(40)을 수반하는 스팀 랭킨 발전 사이클은 대류 열교환기(412)(958℉ 내지 250℉에서 이용 가능한 열) 및 두 개의 인-베드 열교환기(414, 416)(1600℉ 이상의 일정한 열원으로부터 이용 가능한 열)를 사용한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 인-베드 열교환기 부분에서, 증기는 770℉ 내지 1100℉의 증기를 받아들이는 유동층 내의 튜브를 통해서 유동하며, 여기에서 증기는 이후 고압 증기 터빈을 통과한다. 제2 인-베드 열교환기 부분에서, 증기는 640℉에서 1100℉로 진행하고 이후 저압 증기 터빈을 통해서 이송된다.
예를 들어 230℉ 및 4000 psia(27579 kPa)의 증기는 라인(420)을 거쳐서 열원 대류 열교환기(412)로 보내지고, 여기에서 증기는 라인(34)을 거쳐서 열교환기(412)에 도입된 예를 들어 955℉ 및 115 psia(793 kPa)의 연소 배기가스와 열교환 연통하며 이송된다. 이러한 처리는 예를 들어 770℉ 및 3850 psia(26545 kPa)의 가열된 증기를 형성하며 이 가열된 증기는 라인(422)을 거쳐서 인-베드 열교환기(414)로 이송된다. 이러한 처리는 또한 열교환기(412)를 빠져나가는 예를 들어 250℉ 및 110 psia(758 kPa)의 배기가스 스트림(44)을 초래한다.
인-베드 열교환기(414)에서, 증기는 연소기로부터 라인(22)을 거쳐서 인-베드 열교환기(414)로 이송된 연소기-생성 열의 제2 부분의 제1부와 열교환 연통하며 이송된다. 일 실시예에서, 연소기-생성 열의 이러한 제2 부분은 1600℉ 및 120 psia(827 kPa)에 있다.
인-베드 열교환기(414)에서, 증기는 예를 들어 1100℉로 가열된다.
예를 들어 1100℉ 및 3850 psia(26545 kPa)에 있는, 인-베드 열교환기(414)로부터의 증기는 라인(424)을 거쳐서 제1 터빈(426)으로 이송된다.
증기는 발전기(도시되지 않음)에 부착된 것과 같은 터빈(426)에서 팽창되어 화살표 42로 표시되는 전력을 생성한다.
예를 들어 640℉ 및 750 psia(5171 kPa)의 결과적인 증기는 라인(430)을 거쳐서 제2 인-베드 열교환기(416)로 이송되고, 여기에서는 연소기로부터 인-베드 열교환기(416)로 이송된 연소기-생성 열(22')의 제2 부분의 제2부와 열교환 연통하며 이송된다. 일 실시예에서, 연소기-생성 열의 이러한 제2 부분은 1600℉ 및 120 psia(827 kPa)에 있다.
제2 인-베드 열교환기(416)로부터의 증기는 예를 들어 1100℉ 및 700 psia(4826 kPa)의 라인(432)을 거쳐서 제2 터빈(434)으로 이송된다. 증기는 발전기(도시되지 않음)에 부착된 것과 같은 터빈(434)에서 팽창되어 화살표 42'로 표시되는 전력을 생성한다.
예를 들어 130℉ 및 2 psia(13.8 kPa)의 결과적인 증기는 라인(436)을 거쳐서 응축기(440)로 이송되고 여기에서 재료는 적절하게 응축된다.
예를 들어 100℉ 및 2 psia(13.8 kPa)의 결과적인 응축된 재료는 라인(442)을 거쳐서 펌프(444)로 이송된다. 펌프(444)에서, 재료는 적절하게 가압되고 추가 시스템 열통합 처리(450)를 위해 예를 들어 103℉ 및 1010 psia(6964 kPa)의 라인(446)을 거쳐서 이송되고 예를 들어 결과적으로 라인(420) 증기가 된다.
도 3에서 명백하듯이, 스팀 사이클에 필요한 열의 온도 범위는 230℉ 내지 1100℉이며; 따라서 브레이튼 사이클에 사용될 수 없는 화석 열원으로부터의 저품위 열은 유리하게 스팀 사이클에 대신 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 인-베드 열교환기에서 이용 가능한 열의 81%가 SCO2 브레이튼 사이클에 사용되었으며 19%가 스팀 사이클에 사용되었다. 또한, 대류 열교환기에서 이용 가능한 열의 54%가 SCO2 브레이튼 사이클에 사용되었으며 46%가 스팀 사이클에 사용되었다.
본 발명의 바람직한 태양에 따르면, 스팀 랭킨 사이클이 보토밍(bottoming) 사이클로 사용되는 다른 기술과는 달리, 본 발명은 열원에 의해 직접 가열되는 SCO2 브레이튼 및 스팀 랭킨 발전 사이클을 둘 다 이용한다. 보다 구체적으로 및 도시된 바와 같이, 두 개의 발전 사이클은 바람직하게 인-베드 열교환기에서 병렬로 그리고 열교환기의 대류 부분에서 직렬로 가열될 수 있다.
따라서, 본 발명의 적어도 하나의 태양은 더 높은 정미 플랜트 효율을 제공하는 개선된 발전 사이클을 제공한다.
본 명세서에 제공된 교시에 의해 안내를 받는 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 예를 들어 산화제로서 산소를 사용하고 격리를 위한 탄소 포집을 포함하는 실시예를 포함하는 다양한 상황에서 적절하게 실시될 수 있음을 이해 및 인지할 것이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 이러한 특정 플랜트는 탄소 포집을 수반하는 종래의 스팀 랭킨 플랜트보다 높은 효율을 가질 것이다.
본 발명의 하나 이상의 태양은 더 높은 정미 플랜트 효율을 제공하는 개선된 발전 사이클을 제공한다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 태양에 따른 시스템 및 처리는 바람직하게, 화석 연료 발전소에 대한 최신 기술과 비교해서, 더 높은 정미 플랜트 효율을 산출하거나 초래할 수 있다.
전술한 상세한 설명에서는 본 발명이 그 특정한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었고 많은 세부사항이 예시의 목적으로 기술되었지만, 본 발명의 추가 실시예가 있을 수 있으며 본 명세서에 기재된 세부사항의 특정한 것이 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 한도에서 상당히 변화될 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 전력 발생 방법이며,
    연소기 내에서 연료 재료를 산화제 재료와 함께 연소시켜, 열과 연소 배기가스를 생성하는 단계;
    상기 연소기로부터의 상기 열을, 연소에 의해 생성된 열의 제1 부분과 연소에 의해 생성된 열의 제2 부분으로 분리하는 단계;
    상기 연소 배기가스의 적어도 일부와 상기 열의 제1 부분을 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 직접 공급하여, 전력과 제2 배기가스를 생성하는 단계;
    상기 제2 배기가스의 적어도 일부를 스팀 랭킨 발전 사이클에 공급하여, 가열된 증기와 제3 배기가스를 생성하는 단계;
    상기 열의 제2 부분을 상기 스팀 랭킨 발전 사이클에 직접 공급하여, 상기 가열된 증기보다 온도가 높은 고온 증기를 생성하는 단계; 및
    상기 고온 증기를 터빈에 도입하여, 추가 전력을 생성하는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 재료는 화석 연료 재료를 포함하는 전력 발생 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 화석 연료 재료는 석탄 또는 천연 가스인 전력 발생 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연소 배기가스의 적어도 일부와 상기 열의 제1 부분을 상기 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 공급하여, 상기 전력과 상기 제2 배기가스를 생성하는 단계는,
    고온 SCO2를 SCO2 터빈에 도입하여, 전력과 고온 SCO2 터빈 배기가스를 생성하는 단계; 및
    상기 고온 SCO2 터빈 배기가스로부터 열의 적어도 일부를 회수하는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고온 SCO2는,
    SCO2를 상기 연소 배기가스의 적어도 일부와 열교환 연통되게 도입하여, 가열된 SCO2를 형성하는 단계; 및
    상기 가열된 SCO2를 상기 열의 제1 부분과 열교환 연통되게 도입하여, 상기 고온 SCO2를 형성하는 단계를 포함하는
    방법에 의해 형성되는 전력 발생 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 고온 SCO2 터빈 배기가스로부터의 열은 900℉ 이상 온도의 SCO2 형태로 회수되는 전력 발생 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 900℉ 이상 온도의 SCO2는 상기 SCO2 터빈에 도입되기 전에 1300℉까지의 온도로 가열되는 전력 발생 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 900℉ 이상 온도의 SCO2는 연소 배기가스와의 열교환 연통에 의해 부분적으로 가열되는 전력 발생 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 900℉ 이상 온도의 SCO2는,
    상기 900℉ 이상 온도의 SCO2를 상기 연소 배기가스의 적어도 일부와 열교환 연통되게 도입하여, 가열된 SCO2를 형성하는 단계; 및
    상기 가열된 SCO2를 상기 열의 제1 부분과 열교환 연통되게 도입하여, 상기 고온 SCO2를 형성하는 단계를 포함하는
    방법에 의해 가열되는 전력 발생 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 터빈은 고온 고압에서 상기 고온 증기를 팽창시켜, 상기 추가 전력과 저온 저압의 증기 생성물을 생성하고,
    상기 증기 생성물을 적어도 부분적으로 재가압 및 재가열하여, 상기 제2 배기가스와의 열교환 연통에 의해 상기 가열된 증기를 형성하는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가열된 증기는 상기 제2 배기가스와의 열교환 연통에 의해 적어도 부분적으로 생성되는 전력 발생 방법.
  12. 제1항에 있어서, 생성되는 상기 열의 제2 부분은 상기 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 공급되지 않는, 전력 발생 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 터빈에 의해 생성된 터빈 증기 배출물을 상기 열의 제2 부분의 제2부로 가열하여, 재가열된 증기를 생성하는 단계; 및
    상기 재가열된 증기를 제2 터빈에 공급하여 제2 추가 전력을 생성하는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
  14. 전력 발생 방법이며,
    유동층 연소기 내에서 연료 재료를 산화제 재료와 함께 연소시켜, 연소 열과 연소 배기가스를 생성하는 단계;
    SCO2 브레이튼 발전 사이클의 제1 대류 열교환기에서, SCO2를 상기 연소 배기가스의 적어도 일부로 가열하여, 가열된 SCO2와 제2 배기가스를 형성하는 단계;
    제1 인-베드 열교환기에서, 상기 연소 열의 제1 부분으로 상기 가열된 SCO2를 더 가열하여, 고온 SCO2를 형성하는 단계;
    상기 고온 SCO2를 제1 터빈에 도입하여, 전력과 터빈 SCO2 배출물을 생성하는 단계;
    터빈으로부터의 상기 터빈 SCO2 배출물을 상기 제1 대류 열교환기로 복귀 재순환시키는 단계;
    스팀 랭킨 발전 사이클의 제2 대류 열교환기에 상기 제2 배기가스의 적어도 일부를 공급하여, 가열된 증기와 제3 배기가스를 생성하는 단계;
    상기 스팀 랭킨 발전 사이클의 제2 인-베드 열교환기에서, 상기 가열된 증기를 상기 연소 열의 제2 부분으로 더 가열하여, 고온 증기를 생성하는 단계;
    상기 고온 증기를 제2 터빈에 공급하여, 추가 전력 및 터빈 증기 배출물을 생성하는 단계; 및
    상기 제2 터빈으로부터의 상기 터빈 증기 배출물을 상기 제2 대류 열교환기로 복귀 재순환시키는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연소 열의 제2 부분은 상기 SCO2 브레이튼 발전 사이클에 공급되지 않는, 전력 발생 방법.
  16. 삭제
KR1020197007850A 2016-09-22 2017-09-19 발전 사이클 시스템 및 방법 KR102369727B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662398168P 2016-09-22 2016-09-22
US62/398,168 2016-09-22
PCT/US2017/052294 WO2018057523A1 (en) 2016-09-22 2017-09-19 Power cycle systems and methods

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190051987A KR20190051987A (ko) 2019-05-15
KR102369727B1 true KR102369727B1 (ko) 2022-03-04

Family

ID=61618407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197007850A KR102369727B1 (ko) 2016-09-22 2017-09-19 발전 사이클 시스템 및 방법

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11098615B2 (ko)
JP (1) JP7033838B2 (ko)
KR (1) KR102369727B1 (ko)
CN (1) CN109715916B (ko)
AU (1) AU2017330566B2 (ko)
BR (1) BR112019005434A2 (ko)
PL (1) PL430628A1 (ko)
WO (1) WO2018057523A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115288819B (zh) * 2022-08-11 2023-07-14 山东大学 煤富氧燃烧下超临界co2再压缩布雷顿循环耦合碳捕集新型组合系统的仿真方法
CN117128060A (zh) * 2022-12-01 2023-11-28 上海慕帆动力科技有限公司 一种基于可再生能源的联合循环发电系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012159194A1 (en) * 2011-05-24 2012-11-29 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Minister Of Natural Resources High pressure oxy-fuel combustion system (hiprox) bottoming cycle
US20130269334A1 (en) * 2012-04-17 2013-10-17 Chandrashekhar Sonwane Power plant with closed brayton cycle

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3971211A (en) * 1974-04-02 1976-07-27 Mcdonnell Douglas Corporation Thermodynamic cycles with supercritical CO2 cycle topping
US4498289A (en) * 1982-12-27 1985-02-12 Ian Osgerby Carbon dioxide power cycle
US6263664B1 (en) * 1996-06-28 2001-07-24 Hiroyasu Tanigawa Combined steam and gas turbine engine with magnetic transmission
JP4274666B2 (ja) * 2000-03-07 2009-06-10 三菱重工業株式会社 ガスタービン
US7210467B2 (en) * 2004-06-22 2007-05-01 Gas Technology Institute Advanced high efficiency, ultra-low emission, thermochemically recuperated reciprocating internal combustion engine
EP2080507A1 (en) * 2008-01-15 2009-07-22 CHIESI FARMACEUTICI S.p.A. Pharmaceutical formulations comprising an anticholinergic drug
US9567876B2 (en) 2009-06-05 2017-02-14 Gas Technology Institute Reactor system and solid fuel composite therefor
US8490397B2 (en) * 2009-11-16 2013-07-23 General Electric Company Compound closed-loop heat cycle system for recovering waste heat and method thereof
US20120159922A1 (en) * 2010-12-23 2012-06-28 Michael Gurin Top cycle power generation with high radiant and emissivity exhaust
US20120216536A1 (en) * 2011-02-25 2012-08-30 Alliance For Sustainable Energy, Llc Supercritical carbon dioxide power cycle configuration for use in concentrating solar power systems
AU2012332494B2 (en) * 2011-11-02 2016-07-07 8 Rivers Capital, Llc Power generating system and corresponding method
CN104428490B (zh) * 2011-12-20 2018-06-05 埃克森美孚上游研究公司 提高的煤层甲烷生产
US9540999B2 (en) * 2012-01-17 2017-01-10 Peregrine Turbine Technologies, Llc System and method for generating power using a supercritical fluid
US20130269345A1 (en) * 2012-04-17 2013-10-17 Chandrashekhar Sonwane Retrofit for power generation system
US20140060002A1 (en) * 2012-09-05 2014-03-06 Chandrashekhar Sonwane Regenerative turbine for power generation system
JP6038671B2 (ja) * 2013-02-01 2016-12-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 火力発電システム
KR101567712B1 (ko) 2014-07-14 2015-11-09 두산중공업 주식회사 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템 및 하이브리드 발전방법
US9500185B2 (en) * 2014-08-15 2016-11-22 King Fahd University Of Petroleum And Minerals System and method using solar thermal energy for power, cogeneration and/or poly-generation using supercritical brayton cycles
PL229566B1 (pl) 2015-12-10 2018-07-31 Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie Sposób zasilania układu siłowni dwuobiegowej ORC i układ siłowni dwuobiegowej ORC
PL230554B1 (pl) 2015-12-10 2018-11-30 Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie Uklad trojobiegowej silowni ORC
CN105840258A (zh) * 2016-04-18 2016-08-10 西安交通大学 一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012159194A1 (en) * 2011-05-24 2012-11-29 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Minister Of Natural Resources High pressure oxy-fuel combustion system (hiprox) bottoming cycle
US20130269334A1 (en) * 2012-04-17 2013-10-17 Chandrashekhar Sonwane Power plant with closed brayton cycle

Also Published As

Publication number Publication date
BR112019005434A2 (pt) 2019-06-18
US20180080348A1 (en) 2018-03-22
PL430628A1 (pl) 2020-01-02
JP7033838B2 (ja) 2022-03-11
CN109715916B (zh) 2021-09-24
JP2019532205A (ja) 2019-11-07
KR20190051987A (ko) 2019-05-15
AU2017330566A1 (en) 2019-02-21
US11098615B2 (en) 2021-08-24
CN109715916A (zh) 2019-05-03
AU2017330566B2 (en) 2023-02-02
WO2018057523A1 (en) 2018-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7112378B2 (ja) 効率が向上した動力発生方法およびシステム
US5535584A (en) Performance enhanced gas turbine powerplants
Olumayegun et al. Thermodynamic performance evaluation of supercritical CO2 closed Brayton cycles for coal-fired power generation with solvent-based CO2 capture
US5678408A (en) Performance enhanced gas turbine powerplants
KR20100055381A (ko) 순산소 연소에 의해 전력을 생성하는 방법과 발전소
CA2726238C (en) Method and apparatus for generating electrical power
EP2132415A2 (en) Arrangement with a steam turbine and a condenser for feedwater preheating
KR102369727B1 (ko) 발전 사이클 시스템 및 방법
Shi et al. System analysis on supercritical CO 2 power cycle with circulating fluidized bed oxy-coal combustion
CN113294770B (zh) 一种富氧燃烧耦合超临界co2循环的热电联产系统
KR101664895B1 (ko) 브레이튼 사이클 기반의 발전 시스템
EP2392795A1 (en) Water Gas Shift Reactor System for Integrated Gasification Combined Cycle Power Generation Systems
US20210254511A1 (en) Nested Loop Supercritical CO2 Waste Heat Recovery System
JP2003518220A (ja) 蒸気タービン設備の運転方法およびこの方法で運転される蒸気タービン設備
US20230347276A1 (en) Carbon dioxide capture
US5067317A (en) Process for generating electricity in a pressurized fluidized-bed combustor system
KR20190051493A (ko) 2단 보일러를 구비한 가압 기력발전 시스템 및 그에 사용되는 보일러
Li et al. Optimal design and thermodynamic evaluation of supercritical CO2 oxy-coal circulating fluidized bed power generation systems
JPH06212909A (ja) 複合発電プラント
KR102176087B1 (ko) 2단 보일러를 구비한 가압 기력발전 시스템 및 그에 사용되는 보일러
JP2004044533A (ja) タービン設備
CN114893266A (zh) 煤及超临界水气化发电系统及发电方法
JPH11211012A (ja) 加圧流動層複合発電設備
JPS61241394A (ja) 石炭ガス化複合発電装置
JPS6020566B2 (ja) 固体燃料を用いる発電方法および装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right