KR102408585B1 - 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 갖는 터빈 엔진 - Google Patents

통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 갖는 터빈 엔진 Download PDF

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Abstract

열전부 및 입구 냉각부를 포함하는 가스 터빈 엔진에 이용할 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템이 제공된다. 열전부는 인터쿨링식 2단 펌프/압축기, 작동 유체 흐름의 제1 부분을 받아들이도록 구성된 저온 열원, 및 작동 유체 흐름의 제2 부분을 받아들이도록 인터쿨러와 병렬로 구성된 하나 이상의 복열기를 포함한다. 입구 냉각부는 칠러 팽창기, 이 칠러 팽창기에 결합된 칠러 압축기, 칠러 압축기에 결합된 모터, 및 칠러 팽창기 및 칠러 압축기와 유체 연통하는 입구 공기 열교환기를 포함한다. 입구 냉각부는 작동 유체의 흐름의 일부를 받아들이도록 구성된다. 그 시스템은 또한 열전부 및 입구 냉각부와 유체 연통하는 작동 유체 응축기 및 어큐뮬레이터를 더 포함한다.

Description

통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 갖는 터빈 엔진{TURBINE ENGINE WITH INTEGRATED HEAT RECOVERY AND COOLING CYCLE SYSTEM}
본 발명은 일반적으로는 가스 터빈 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 증가된 주위 온도 환경에서 전력 생산 및 효율적 작동을 위해 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 갖는 터빈 엔진에 관한 것이다.
가스 터빈의 전체 효율 및 전력 출력은 증가된 주위 온도 환경에서의 작동 중에 통상 나빠진다. 예를 들면, 미국 뉴욕주 스키넥터디에 소재한 General Electric Company의 LMS100 가스 터빈 엔진은 시장에서 가장 효율적인 가스 터빈 엔진 중 하나로, 흔히 버토밍 사이클(bottoming cycle) 없이 단순한 사이클 구성으로 설치된다. LMS100의 높은 효율은 압축기 인터쿨러와 낮은 배기 온도를 갖는 높은 터빈 압축비에 기인한다. 모든 가스 터빈 엔진들과 마찬가지로, 증가된 주위 온도 환경에서의 LMS100의 성능은 입구 냉각과 충분히 낮은 인터쿨러 온도를 제공하는 것과 같은 냉각 사이클을 이용하지 않고는 나빠질 수 있다. 그러한 냉각을 제공하기 위해, 통합되지 않은 별개의 (전기 구동형의) 증기 압축 또는 흡수 사이클 입구 칠러(chiller) 또는 냉각 타워들이 포함될 수 있다. 이러한 냉각 요소들의 추가는 흔히 크기가 크고 비용이 많이 들며 기생 전력과 막대한 양의 물을 소비하는 엔진의 주변 기기를 초래한다.
대안적인 조합 사이클 가스 터빈 엔진은 증기 등의 폐열로부터 전기를 생성하기 위한 열역학적 버토밍 사이클 또는 이중 재열(dual-reheat) CO2 버토밍 사이클을 포함할 수 있다. LMS100의 단순한 사이클 구성과 마찬가지로, CO2 버토밍 사이클도 역시 증가된 주위 온도 환경에서 성능이 나빠질 수 있다. CO2 버토밍 사이클은 고온의 주위 조건에서 압축 및 저압측 압력 제어에 대해 효율적인 대책을 갖고 있지 않다. 버토밍 사이클은 통상 인터쿨링 또는 입구 냉각과 통합되지 않는다. 입구 냉각(전기식)을 갖는 통합되지 않은 별개의 표준 (증기) 버토밍 사이클을 추가하는 것은 상승효과의 이점을 갖는다거나 입구 칠러 부속 장치들을 제거한다거나 하지 못하고, 비용을 추가하고 전체 시스템을 더 복잡하게 한다.
따라서, 가스 터빈 엔진에 이용할 개선된 열 회수 및 냉각 사이클을 시스템에 대핸 요구가 존재한다. 바람직하게는, 그러한 개선된 열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 증가된 주위 온도 환경에서 효율적으로 작동될 수 있는 통합형 시스템에서 다수의 기능 및 이점을 제공할 수 있다.
선행 기술의 상기한 문제점은 물론 기타 문제점들은 파워 생성 시스템을 제공하는 본 개시에 의해 해결된다.
본 명세서에서 도시하거나 설명하는 실시예에 따르면, 통합형 폐열 회수 및 냉각 사이클 시스템, 응축기 및 작동 유체 어큐뮬레이터를 포함하는 파워 생성 시스템이 제공된다. 통합형 폐열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 열전부(heat-to-power portion) 및 이 열전부와 유체 연통하는 입구 냉각부를 포함한다. 열전부는 인터쿨링식 2단 펌프/압축기, 작동 유체의 흐름의 일부를 받아들이도록 구성된 하나 이상의 복열기(recuperator), 작동 유체의 흐름을 받아들이도록 구성된 배기 열 회수 유닛, 및 이 배기 열 회수 유닛 하류에 배치된 팽창기를 포함한다. 입구 냉각부는 칠러 팽창기, 이 칠러 팽창기에 결합된 칠러 압축기, 이 칠러 압축기에 결합된 모터, 및 칠러 팽창기와 칠러 압축기 사이의 중간에 배치되고 이들과 유체 연통하는 입구 공기 열교환기를 포함한다. 입구 냉각부는 작동 유체 흐름의 일부를 받아들이도록 구성된다. 응축기는 열전부 및 입구 냉각부와 유체 연통한다. 작동 유체 어큐뮬레이터는 열전부 및 입구 냉각부와 유체 연통하며, 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템에서의 작동 유체의 흐름의 원하는 체적 및 압력을 유지하도록 구성된다.
본 명세서에서 도시하거나 설명하는 다른 실시예에 따르면, 파워 생성 시스템이 제공된다. 이 파워 생성 시스템은 작동 유체 순환 루프의 제1 부분을 획정하는 열전부, 및 작동 유체 순환 루프의 제2 부분을 획정하는 입구 냉각부를 포함한다. 열전부는 인터쿨링식 2단 펌프/압축기, 저온 열원, 하나 이상의 복열기, 배기 열 회수 유닛 및 팽창기를 포함한다. 저온 열원은 작동 유체 흐름의 제1 부분을 인터쿨링식 2단 펌프/압축기로부터 받아들이도록 구성된다. 작동 유체는 CO2이다. 하나 이상의 복열기는 작동 유체 흐름의 제2 부분을 받아들이도록 저온 열원과 병렬로 구성된다. 배기 열 회수 유닛은 저온 열원의 하류에 배치되며, 하나 이상의 복열기는 작동 유체의 조합 흐름을 받아들이도록 구성된다. 팽창기는 배기 열 회수 유닛의 하류에 배치되고, 작동 유체의 조합 흐름을 받아들인다. 입구 냉각부는 칠러, 칠러 압축기, 모터 및 입구 공기 열교환기를 포함하다. 칠러 압축기는 칠러 팽창기에 결합된다. 모터는 칠러 압축기에 결합된다. 입구 공기 열교환기는 칠러 팽창기와 칠러 압축기 사이의 중간에 배치되고 이들과 유체 연통한다. 입구 냉각부는 작동 유체 흐름의 일부를 받아들이도록 구성된다. 시스템은 또한 열전부 및 입구 냉각부와 유체 연통하는 작동 유체 응축기와, 인터쿨링식 2단 펌프/압축기에 결합되어 시스템 내의 작동 유체의 원하는 체적 및 압력을 유지하도록 구성된 작동 유체 어큐뮬레이터를 포함한다.
본 명세서에서 도시하거나 설명하는 또 다른 실시예에 따르면, 가스 터빈 엔진에 이용할 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템이 제공된다. 이 통합 열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 작동 유체 흐름, 입구 냉각부, 열전부, 작동 유체 응축기 및 어큐뮬레이터를 포함한다. 입구 냉각부는 칠러 팽창기, 이 칠러 팽창기에 결합된 칠러 압축기, 칠러 압축기에 결합된 모터, 및 칠러 팽창기와 칠러 압축기 사이의 중간에 배치되고 이들과 유체 연통하는 입구 공기 열교환기를 포함한다. 입구 냉각 사이클은 작동 유체 흐름이 통과하도록 구성된다. 열전부는 인터쿨링식 2단 펌프/압축기, 작동 유체 흐름의 제1 부분을 받아들이도록 구성된 가스 터빈 인터쿨러를 포함한 저온 열원, 및 작동 유체 흐름의 제2 부분을 받아들이도록 저온 열원과 병렬로 구성된 하나 이상의 복열기를 포함한다. 작동 유체 응축기는 열전부 및 입구 냉각부와 유체 연통한다. 열전부와 입구 냉각부는 작동 유체 응축기에서 통합된다. 어큐뮬레이터는 열전부 및 입구 냉각부와 유체 연통하며, 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템에서의 작동 유체 흐름의 체적 및 압력을 유지하도록 구성된다.
본 명세서에서 도시하거나 설명하는 또 다른 실시예에 따르면, 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 작동하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 작동 유체 흐름의 일부를 그 시스템의 열전부로 우회시키는 것, 시스템의 열전부에서 그 작동 유체 흐름을 압축/가압하는 것, 및 시스템의 열전부 내의 배기 열 회수 유닛 및 하나 이상의 복열기에서 작동 유체 흐름을 가열하여, 가열된 작동 유체 흐름을 제공하는 것을 포함한다. 그 방법은 또한 시스템의 열전부에서 가열된 작동 유체 흐름을 팽창시킴으로써 부하를 구동하는 것, 시스템의 열전부에서 작동 유체 흐름을 팽창시키는 것, 작동 유체 흐름의 일부를 시스템의 입구 냉각부로 우회시키는 것, 작동 유체 흐름을 가열함으로써 입구 공기 흐름을 냉각하는 것, 및 작동 유체 흐름을 압축하는 것을 포함한다.
본 발명의 상기한 특징, 양태 및 이점은 물론 기타 특징, 양태 및 이점은, 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면부호는 동일한 부분을 나타내고 있는 첨부 도면을 참고하여 후술하는 상세한 설명을 읽을 때 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 명세서에서 도시하거나 설명하는 하나 이상의 실시예에 따른 압축기, 연소기, 터빈 및 부하를 나타내는 가스 터빈 엔진의 개략도이다.
도 2는 본 명세서에서 도시하거나 설명하는 하나 이상의 실시예에 따른 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 갖는 가스 터빈 엔진의 개략도이다.
명세서 및 청구 범위에 걸쳐 이용되고 있는 바와 같은 근사적 용어(approximating language)는 관련된 기본적인 기능의 변화를 초래하지 않고 허용 가능하게 변화할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하도록 적용될 수 있다. 따라서, "약"과 같은 용어에 의해 수식되는 값은 명시한 정확한 값에 한정되지 않을 것이다. 몇몇 경우에, 그러한 근사적 용어는 그 값을 측정하는 장비의 정밀도에 상응할 수도 있다. 마찬가지로, "무(free)"가 소정 용어와 함께 사용될 수 있으며, 수식된 용어가 없는 것으로 간주된다 하더라도 무의미한 개수 또는 미미한 양을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같은 "할 수 있다" 및 "라도 좋다"와 같은 표현은 일련의 상황 내에서의 발생의 가능성 및 특정한 특성, 특징 또는 기능의 소유의 가능성을 나타낼 수 있다. 그러한 표현은 또한 다른 동사를 수식하여 수식된 동사와 관련된 능력, 용량 또는 가능성 중 하나 이상을 나타낼 수도 있다. 추가로, "할 수 있다" 및 "라도 좋다"란 표현의 사용은 몇몇 상황에서는 그 수식된 용어가 때로는 적절하지 않거나, 가능하지 않거나 또는 적합하지 않을 수도 있다고 고려될 수도 있지만, 수식된 용어가 겉보기로는 지시하는 능력, 기능, 또는 사용에 적합하거나, 가능하거나, 또는 적절하다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 몇몇 상황에서, 이벤트 또는 능력이 예상될 수 있지만, 다른 상황에서는 그 이벤트 또는 능력이 발생할 수 없으며, 이러한 차이는 "할 수 있다" 및 "라도 좋다"라는 표현에 의해 표현할 수 있다.
이하에서 본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예를 설명할 것이다. 이들 실시예에 대해 간결한 설명을 제시하려는 일환으로, 실제 실시의 모든 특징이 본 명세서에서 설명되지는 않을 수도 있다. 임의의 공학 프로젝트 또는 설계 프로젝트와 같은, 그러한 임의의 실제적인 실시의 개발에 있어서, 시스템 관련 제약 및 사업 관련 제약에 순응하는 것과 같이 개발자의 특정한 목표를 달성하기 위해 실시에 맞춘 다수의 결정이 이루어져야만 한다는 것을 이해할 것이며, 그러한 제약은 각각의 실시에 따라 서로 상이할 수도 있다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 본 개시 내용의 이익을 얻고자 하는 당업자에게는 설계, 제작 및 제조에서 이루어지는 통상적인 업무일 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 도입할 때, 단수 표현 및 "상기"와 같은 용어는 그러한 요소가 하나 이상 존재한다는 것을 의미하고자 한 것이다. "구성하는", "포함하는", 및 "구비하는"과 같은 표현은 개방적 표현으로서 나열된 요소들 이외에도 추가적인 요소가 존재할 수 있음을 의미하고자 한 것이다. 게다가, 본 명세서에서의 "제1", "제2" 등의 표현은 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 나타낸다기보다는 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하는 데에 이용된다.
본 명세서에서 개시하는 모든 범위는 그 말단(endpoints)들도 포함하며, 말단들은 서로 조합될 수 있다. 본 명세서에서의 "제1", "제2" 등의 표현은 임의의 순서, 양, 또는 중요성을 나타낸다기보다는 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하는 데에 이용된다. 발명을 설명하는 문맥(특히, 이하의 청구범위의 문맥)에서 단수 표현이나 "상기" 또는 유사한 지시어의 사용은 본 명세서에서 달리 지시하지 않거나 문맥에 반하지 않는다면 단수와 복수 모두를 커버하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 명세서에서 설명하는 발명의 실시예들은 종래 기술의 언급한 단점들을 해소한다. 본 명세서에서 논의하는 실시예에 따르면, 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 포함하는 개선된 터빈 엔진에 대해 기술한다. 그 시스템은 추가적인 파워 생성을 제공하면서 입구 냉각을 통해 터빈 엔진의 증가된 주위 온도 환경에서의 파워 출력 및 효율을 개선시킨다. 열 회수 및 냉각 사이클 시스템의 통합은 인터쿨러 냉각수 시스템은 물론 임의의 입구 칠러 응축기 또는 흡수 사이클의 필요성을 제거한다. 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 입구 냉각, 인터쿨링 및 배기 열 회수를 위한 작동 유체로서 CO2를 이용한다. 실시예에서, 열 회수 및 냉각 사이클은 그 입구 온도를 30℃에서 15℃로, 그리고 인터쿨러-고압측 압축기 입구를 ∼45℃로 감소키면서, 40℃의 응축기/냉각기 온도에서 14 MW에 이르는 정미 파워(net power)를 제공한다. 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 증가된 주위 온도 환경, 보다 구체적으로 0℃보다 높은 주위 환경에서 냉각 및 이에 따른 증가된 파워를 제공한다. 20℃ 이상의 주위 온도에서 작동 중에서, 열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 저압 제어 및 어큐뮬레이터를 갖는 신규의 인터쿨링 압축 시스템을 통해 효율적으로 작동되는 Brayton 사이클로서 작동할 수 있다.
개시하는 바와 같은 예시적인 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템은 작동 유체로서 CO2를 이용하는 조합된 열전 및 입구 냉각 사이클을 포함한다. 이 시스템은 터빈 엔진 인터쿨러로부터는 물론 배기로부터의 폐열을 이용하여, 예열을 위한 복열기에 이해 이중 또는 삼중 팽창 구성으로 파워를 생성한다. 입구 냉각을 위한 냉동은 응축기로 되돌아가기 전에 응축기/냉각기로부터의 분할 흐름이, 팽창기, 입구 공기 열교환기(증발기) 및 팽창기에 의해 구동될 수 있는 압축기를 통과하게 함으로써 제공된다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같인 "통합형"이란 용어는 파워 생성 시스템의 특정 요소들이 열전 사이클 및 입구 냉각 사이클에 조합되거나 그 사이클들에 공용임을 가리킨다. 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 그 두 사이클 모두가 공용 냉각기/응축기, 어큐뮬레이터 및 제어 시스템을 이용한다.
본 개시의 예시적 실시예에 따르면, 냉각 또는 냉동 사이클이 열전 사이클과 통합되어, 통상의 버토밍 사이클 및 입구 냉각 시스템과 비교해 보다 적은 수의 구성 요소와 감소된 복잡성을 갖고 증가된 주위 온도 환경에서 보다 높은 효율로의 작동을 가능하게 한다. 파워 생성을 위한 열원은 연소 엔진, 가스 터빈, 지열, 태양열, 산업 열원 등을 포함할 수 있다.
이하, 동일 도면 부호가 다수의 도면에서 걸쳐 동일 요소를 지칭하고 있는 첨부 도면을 참조하면, 도 1은 본 명세서에서 이용될 수 있는 가스 터빈 엔진(10)의 개략도를 도시하고 있다. 가스 터빈 엔진(10)은 적어도 하나의 압축기(12)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 압축기(15)는 유입 공기 흐름(20)을 압축하여, 압축 공기 흐름(14)을 연소기(16)에 급송한다. 연소기(16)는 압축 공기 흐름(14)을 가압 연료 흐름(18)과 혼합하고 이 혼합물을 점화시켜, 연소 가스 흐름(20)을 생성한다. 단일 연소기(16)만을 도시하고 있지만, 가스 터빈 엔진(10)은 임의의 수의 연소기(16)를 포함할 수 있다. 연소 가스 흐름(20)은 또한 터빈(22)에 급송된다. 연소 가스 흐름(20)은 터빈(22)을 구동하여 기계적 일을 생성한다. 터빈(22)에서 생성된 기계적 일은 샤프트(24)를 통해 압축기(12)와 발전기 등의 외부 부하(26)를 구동한다. 고온 배기가스 흐름(28)이 추가적 이용을 위해 터빈을 빠져나간다. 게다가, 다중 샤프트 가스 터빈 엔진(10) 등도 본 발명에 이용되어도 좋다. 그러한 구성에서, 터빈(22)은 압축기(12)를 구동하는 고압 섹션과 외부 부하(26)를 구동하는 저압 섹션으로 분할될 수 있다. 기타 구성이 본 발명에 이용될 수도 있다.
하나의 실시예에서, 가스 터빈 엔진(10)은 LMS100, LM2500, LM6000 항공 엔진 파생형(aero-derivative) 가스 터빈, E 및 F-클래스 헤비듀티 가스 터빈 엔진 등을 비롯하여 이들에 한정되지 않는, 미국 뉴욕주 스키넥터디에 소재한 General Electric Company에 의해 제공되는 임의의 수의 다양한 가스 터빈 엔진일 수 있다. 그러나, 본 개시는 그에 한정되지 않으며, 임의의 적절한 가스 터빈, 다중 가스 터빈 플랜트, 및 내연기관 및/또는 산업용 프로세스 장비 등의 기타 형태의 파워 생성 장비에 적용될 수도 있다. 하나의 실시예에서, 가스 터빈 엔진(10)은 천연 가스, 액체 연료, 다양한 형태의 합성 가스, 및/또는 기타 형태의 연료를 이용할 수 있다. 가스 터빈 엔진(10)은 다양한 구성을 가질 수 있고 기타 형태의 구성 요소를 이용할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 파워 생성 시스템(30)은 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템을 갖는 가스 터빈 엔진(10)(도 1 참조)의 사용을 포함하는 본 발명의 몇몇 실시예에 기초한 파워 생성 시스템(30)이 제공된다. 시스템(30), 보다 구체적으로는 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)은, 입구 냉각부(52)를 획정하는 작동 유체 순환 루프의 제1 부분, 즉 제1 루프(32)와, 열전부(54), 보다 구체적으로는 폐열 회수용 복열식 이산화탄소 사이클을 획정하는 작동 유체 순환 루프의 제2 부분, 즉 제2 루프(34)를 포함한다. 제1 루프(32)는 음영 부분에 의해 나타낸 바와 같이 제2 루프(34)와 통합된다. 제1 루프(32)와 제2 루프(34)는 냉각기/응축기(78)에서 시작하는 것으로 볼 수 있다. 파워 생성 시스템(30), 보다 구체적으로는 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)은 이산화탄소(CO2) 등의 작동 유체의 흐름에 의해 구동될 수 있다. 이산화탄소는 불연성 및 무독성이고 높은 사이클 온도에 견딜 수 있다는 이점이 있다. 탄화수소, 불화탄화수소, 실록산, 암모니아 등과 같은 기타 형태의 작동 유체가 본 발명에 이용되어도 좋다. Brayton 사이클 시스템, Rankine 사이클 시스템 등도 이용될 수 있다. Rankine 사이클로서의 작동 중에, 어큐뮬레이터(72) 대신에, 냉각기/응축기(78)가 유체 인벤토리(fluid inventory)를 초과하는 유체를 저장하는 기능을 가질 수 있다. 증가된 주위 온도 환경 등에서 Brayton 사이클로서 작동 중이거나, 완전한 응축이 냉각기/응축기(78)에서 발생하지 않아 그 냉각기/응축기가 증기 액화기라기보다는 가스 냉각기로서 기능하는 전이 상태(transient) 중에, 시스템(30) 내의 압력 및 인벤토리를 제어하도록 어큐뮬레이터(후술함)가 요구된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 하나의 실시예에서 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50), 보다 구체적으로는 열전부(54)는, 팽창 후의 잔류 열이 배기 열 회수 유닛(84) 전 및 저온 팽창기(60) 전에 작동 유체, 보다 구체적으로 CO2를 가열하는 데에 이용되도록, CO2 Rankine 사이클 등의 복열식 CO2 사이클의 원리에 기초하여 배치되는 복수의 복열기, 팽창기 및 열교환기를 포함한다. CO2 Rankine 사이클은 본 출원인에게 양도된 "Dual Reheat Rankine Cycle System and Method Thereof"란 명칭의 M. Lehar의 미국 특허출원 공개공보 제2012/0174583호에서 논의되어 있으며, 그 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 원용된다. 하나의 실시예에서, 열전부(54)에는 제1 압축기/펌프(64), 인터쿨러(66) 및 제2 압축기/펌프(68)를 포함하는 전체적으로 도면 부호 62로 나타낸 인터쿨링식 2단 펌프/압축기/모터에 의해 작동 유체가 공급된다.
열전부(54)는 또한 추가적 열교환기들, 보다 구체적으로는 애프터쿨러(80), 가스 터빈 인터쿨러(82)(예를 들면, LMS100의 경우), 배기 열 회수 유닛(84), 고온 복열기(86) 및 고온 터보 팽창기(88)를 포함할 수 있다. 배기 열 회수 유닛(84)에 도달하기 전에, 작동 유체 흐름(56)의 제1 부분(57)은 인터쿨러(82)에 의해 받아들여지고, 작동 유체 흐름(56)의 제2 부분(58)은 병렬로 저온 복열기(70)에 의해 받아들여진다. 가스 터빈 인터쿨러(82), 배기 열 회수 유닛(84) 및 저온 복열기(70)는 그 내의 작동 유체를 가열하여 가열 작동 유체 흐름(59)을 제공한다. 냉각 열교환기, 보가 구체적으로, 인터쿨러(66)와 애프터쿨러(80)는 냉각기/응축기(78)와 동일한 방식으로 공기 또는 물에 의해 냉각될 수 있다. Brayton 사이클로서의 작동 중에, 시스템에서의 작동 유체(56)의 체적 및 압력은 밸브(76)를 통해 인터쿨링식 2단 펌프/압축기/모터(62)의 중간 압력 흐름(74)과 냉각기/응축기(78)의 출구에 연결된 어큐뮬레이터(72)에 의해 능동적으로 유지된다.
증가된 주위 온도 하에서는 냉각기/응축기(78)에서 어떠한 응축도 발생하지 않으며, 열전부(54)는 상당히 높은 저압측 최적 압력(예를 들면, 15℃에서의 70 bar 내지 30℃에서의 90 bar)을 갖는 Brayton 사이클로서 작동한다.
전술한 바와 같이, 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)은 하나 이상의 복열기, 보다 구체적으로는 저온 복열기(70) 및 고온 복열기(86)를 포함한다. 복열기(70, 86)는 냉각기/응축기(78) 전에 작동 유체(CO2) 흐름(56)을 예비 냉각하여 열을 재활용하는 데에 이용될 수 있다. 복열기(70,86)는 고압 펌프/압축기(68) 및 터보 팽창기(60, 88)로부터의 가압 작동 유체 흐름(56)과 연통할 수 있다. 터보 팽창기(60, 88)는 반경류 유입 및/또는 축류 터빈 등일 수 있다. 터보 팽창기(60, 88)는 팽창기 샤프트(90)를 구동할 수 있다. 팽창기 샤프트(90)는 추가적 발전기(92) 등의 부하를 구동할 수 있다. 저온 터보 팽창기(60)와 고온 터보 팽창기(88)가 추가적 발전기(92)를 갖는 동일한 샤프트(90) 상에 배치된 것으로 도시하고 있지만, 개별 샤프트 및 부하도 본 개시에 의해 예상할 수 있다. 기타 구성 요소 및 기타 구성도 본 발명에 이용될 수 있다.
가스 터빈 입구 냉각을 위해, 입구 공기 열교환기(증발기)(94)가 포함된다. 입구 공기 열교환기(증발기)(94)는 칠러 팽창기(96)와, 모터(100)에 결합된 칠러 압축기(98) 사이의 중간에 배치된다. 입구 냉각을 위한 냉동은 냉각기/응축기(78)로 되돌아가기 전에 냉각기/응축기(78)로부터의 작동 유체 흐름(56)의 일부가 칠러 팽창기(96), 입구 공기 열교환기(증발기)(94) 및 칠러 팽창기(96)에 의해 부분적으로 구동되는 칠러 압축기(98)를 통과하게 함으로써 제공된다. 대안적인 실시예에서, 개별 압축기, 모터, 팽창기 및 발전기 유닛이 도시한 조합 유닛 대신에 칠러 사이클을 위해 예상할 수 있다.
통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)의 작동은 제어기(100)에 의해 제어될 수 있다. 열 회수 및 냉각 사이클 시스템 제어기(100)는 가스 터빈 엔진(10)의 전체 제어기 등과 통신할 수 있다. 열 회수 및 냉각 사이클 시스템 제어기(100)는, 전체 시스템에 대한 정미 파워 또는 효율 증분이 양(positive)인 한은 냉각기/응축기(78)로부터의 작동 유체(CO2) 흐름(56)의 일부를 우회시킴으로써 입구 냉각 열교환기(94)를 통과하는 작동 유체(56)의 유량을 제어하는 룰 베이스 제어기(rules-based controller)일 수 있다. 열 회수 및 냉각 사이클 시스템 제어기(100)는 연료의 효율적 사용 및/또는 증가된 주위 온도 환경에서의 입구 냉각을 통한 최대 총 파워 출력을 위해 가스 터빈 엔진을 포함한 모든 장비의 성능과 작동 파라미터를 통합한다. 다른 형태의 룰 및 작동 파라미터가 본 발명에 이용될 수 있다.
작동 유체(CO2) 흐름(56)의 가열을 위해 산업 폐열, 태양열 및/또는 지열 등의 기타 열원도 역시 본 발명에 포함될 수 있다. 기타 형태의 가열 및/또는 냉각이 본 발명에 이용될 수도 있다.
본 명세서에 있어서 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)과 터빈 구성 요소들의 전체적 통합은, 별개의 버토밍 사이클 시스템과 가열 및/또는 냉각 시스템과 비교해, 증가된 주위 온도 환경에서의 출력을 최대화하는 데에 있어서 보다 비용 효율적인 기법을 제공한다. 룰 베이스 제어기(100)는 본 발명에서 생성된 폐열의 효율적이면서 경제적 사용을 위해 임의의 주어진 일련의 주위 조건, 부하 요구, 연료 비용, 물 비용, 및 전체 장비 구성 및 작동 파라미터에 대해 다양한 가열 및 냉각 흐름을 최적화할 수 있다.
전술한 사항은 단지 본 출원 및 관련 특허의 특정 실시예에 관한 것이라는 점은 자명할 것이다. 다양한 변경 및 수정이 후술하는 청구범위 및 그 등가물에 의해 정해지는 바와 같은 본 발명의 전체적 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자들에 의해 이루어질 수 있다.
전술한 실시예에서는 작동 유체로서 이산화탄소를 참조하여 논의하였지만, 다른 특정 실시예에서는 사용에 적합한 기타 저임계 온도 작동 유체도 예상할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 작동 유체로서 이산화탄소를 채용하는 Rankine 사이클은 작동 유체로서 증기를 채용한 Rankine 사이클보다 콤팩트한 점유 면적, 적은 수의 터보기계류, 낮은 인벤토리 및 이에 따른 보다 신속한 시동 시간(ramp-up time)을 가질 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 특정 특징들에 대해서는 예시하고 설명하였지만, 수많은 수정 및 변경이 당업자들에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 포함되는 한 그러한 수정 및 변경 모두를 커버하고자 하는 것임을 이해해야 할 것이다.
10: 가스 터빈 엔진
12: 압축기
14: 공기 흐름
16: 연소기
18: 연료 흐름
20: 연소 가스의 흐름
22: 터빈
24: 샤프트
26: 외부 부하
28: 고온 배기가스 흐름
30: 파워 생성 시스템
50: 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템
52: 입구 냉각부(입구 냉각 사이클)
54: 열전부(열전 사이클)
56: 작동 유체 흐름
58: 배기 열교환기
60: 저온 팽창기
62: 인터쿨링식 2단 펌프/압축기
64: 압축기/펌프
66: 인터쿨러
68: 터보 팽창기
70: 저온 복열기
72: 어큐뮬레이터
74: 펌프/압축기의 중간 압력 흐름
76: 밸브
78: 냉각기/응축기
80: 애프터쿨러
82: 인터쿨러
84: 열 회수 유닛(열교환기)
86: 고온 복열기
88: 터보 팽창기
90: 팽창기 샤프트
92: 입구 칠러
94: 입구 공기 열교환기
96: 칠러 팽창기
98: 칠러 압축기
100: 룰 베이스 제어기

Claims (10)

  1. 파워 생성 시스템(30)으로서,
    통합형 폐열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50);
    응축기(78); 및
    작동 유체 어큐뮬레이터(72)
    를 포함하며, 상기 통합형 폐열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)은,
    열전부(heat-to-power portion)(54) 및 상기 열전부(54)와 유체 연통하는 입구 냉각부(52)
    를 포함하며, 상기 열전부(54)는, 2단 펌프/압축기(62), 상기 2단 펌프/압축기(62)의 제1 단(64)과 제2 단(68) 사이에 배치된 인터쿨러(66), 작동 유체 흐름(56)의 일부를 받아들이도록 구성된 하나 이상의 복열기(recuperator)(70, 86), 작동 유체 흐름(56)을 받아들이도록 구성된 배기 열 회수 유닛(84), 및 상기 배기 열 회수 유닛(84) 하류에 배치된 팽창기(88)를 포함하며,
    상기 입구 냉각부(52)는, 칠러 팽창기(chiller expander)(96), 상기 칠러 팽창기(96)에 결합된 칠러 압축기(98), 상기 칠러 압축기(98)에 결합된 모터(100), 및 상기 칠러 팽창기(96)와 칠러 압축기(98) 사이의 중간에 배치되고 이들과 유체 연통하는 입구 공기 열교환기(94)를 포함하며, 상기 입구 냉각부(52)는 작동 유체 흐름(56)의 일부를 받아들이도록 구성되며,
    상기 응축기(78)는 상기 열전부(54) 및 입구 냉각부(52)와 유체 연통하며,
    상기 작동 유체 어큐뮬레이터(72)는 상기 열전부(54) 및 입구 냉각부(52)와 유체 연통하며, 상기 작동 유체 어큐뮬레이터는 상기 인터쿨러(66)에 의해 출력된 작동 유체의 일부를 받아들이도록 연결되며, 상기 작동 유체 어큐뮬레이터는 상기 통합형 폐열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)에서의 작동 유체 흐름(56)의 원하는 체적 및 압력을 유지하도록 구성되는 것인 파워 생성 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입구 냉각부(52)는 0℃를 초과하는 주위 온도에서 작동하도록 구성되는 것인 파워 생성 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전부(54)는 Brayton 사이클 시스템을 포함하는 것인 파워 생성 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열전부(54)는 Rankine 사이클 시스템을 포함하는 것인 파워 생성 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입구 냉각부(52) 또는 상기 열전부(54) 중 적어도 하나를 통한 작동 유체 흐름(56)의 유량을 제어하도록 구성된 룰 베이스 제어기(rules based controller)(100)를 더 포함하는 것인 파워 생성 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 룰 베이스 제어기(100)는 작동 유체 응축기(78)로부터의 작동 유체 흐름(56)의 적어도 일부분을 상기 입구 냉각부(52)의 칠러 팽창기(96)로 우회시키고 상기 작동 유체 흐름(56)의 다른 부분을 상기 열전부(54)의 인터쿨러 펌프/압축기(64)로 우회시키는 것인 파워 생성 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작동 유체 흐름(56)의 제1 부분(57)을 받아들이도록 구성된 저온 열원(82)을 더 포함하며, 상기 하나 이상의 복열기(70, 86)는 상기 저온 열원(82)과 병렬로 구성되는 것인 파워 생성 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 따른 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)을 작동하는 방법으로서,
    상기 작동 유체 흐름(56)의 일부를 상기 시스템(50)의 열전부(54)로 우회시키는 것;
    상기 시스템(50)의 열전부(54)에서 상기 작동 유체 흐름(56)을 압축/가압하는 것;
    상기 시스템(50)의 열전부(54) 내의 배기 열 회수 유닛(84) 및 하나 이상의 복열기(70, 86)에서 작동 유체 흐름(56)을 가열하여, 가열된 작동 유체 흐름(56)을 제공하는 것;
    상기 시스템(50)의 열전부(54)에서 상기 가열된 작동 유체 흐름(56)을 팽창시킴으로써 부하를 구동하는 것;
    상기 시스템(50)의 열전부(54)에서 작동 유체 흐름(56)을 팽창시키는 것;
    상기 작동 유체 흐름(56)의 일부를 상기 시스템(50)의 입구 냉각부(52)로 우회시키는 것;
    상기 작동 유체 흐름(56)을 가열함으로써 입구 공기 흐름을 냉각하는 것; 및
    상기 작동 유체 흐름(56)을 압축하는 것
    을 포함하는 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 작동 유체 흐름(56)을 가열하는 것은 저온 열원(82)에서 작동 유체(56)를 가열하는 것을 더 포함하는 것인 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템의 작동 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 작동 유체 어큐뮬레이터(72)를 이용하여 상기 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템(50)에서의 작동 유체 흐름(56)의 원하는 체적 및 압력을 유지하는 것을 더 포함하는 것인 통합형 열 회수 및 냉각 사이클 시스템의 작동 방법.
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