KR102522147B1 - 전기 및 수소 생산 시스템 - Google Patents

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Abstract

전기 및 수소 생산 시스템은 서로 이격된 복수의 소형 원자로들, 상기 복수의 소형 원자로들과 연결되며 상기 복수의 소형 원자로들로부터 발생된 증기를 포집하는 증기 포집조, 상기 증기 포집조와 연결되며 상기 증기 포집조로부터 이동된 상기 증기를 이용해 전기를 생산하는 제1 터빈, 상기 증기 포집조와 연결되며 상기 증기 포집조부터 이동된 상기 증기를 이용해 수소를 생산하는 수소 생산부, 및 상기 증기 포집조와 상기 제1 터빈 사이 및 상기 증기 포집조와 상기 수소 생산부 사이에 위치하며 상기 증기 포집조로부터 상기 제1 터빈으로 이동되는 상기 증기의 유량 및 상기 증기 포집조로부터 상기 수소 생산부로 이동되는 상기 증기의 유량을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

전기 및 수소 생산 시스템{ELECTRICITY AND HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM}
본 기재는 전기 및 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 소형 원자로(small modular reactor, SMR)의 경우 종래의 대형 원자력 발전소 대비 적은 발전량을 가지고 있다.
소형 원자로는 소형 도시 또는 특수한 목적에 의한 전기 생산이 필요한 지역에 설치할 때, 종래의 대형 원자력 발전소 대비 장점을 가지고 있다.
복수의 소형 원자로들을 설치해 도시의 전력 수요에 따른 부하추종운전을 수행할 수 있지만, 복수의 2차측 설비를 유지하는 비용이 상승하는 문제가 있다.
또한, 복수의 소형 원자로들 중 전기 생산이 아닌 수소 생산과 같은 특수한 목적을 가진 특정 소형 원자로를 설치해 특정 소형 원자로에 수소 생산을 전담시킬 수 있지만, 이 경우 도시의 피크 전력 수요에 대처하기 어려울뿐더러, 특정 소형 원자로가 정비에 들어갈 시 수소 생산이 불가능한 문제가 있다.
일 실시예는, 전력 수요에 따른 부하추종운전이 가능한 복수의 소형 원자로들을 포함하더라도, 2차측 설비의 설치 및 유지 비용이 절감되는 동시에 전력 수요에 따라 능동적으로 전기 및 수소를 생산하는 전기 및 수소 생산 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 터빈의 정비 또는 의도치 않은 정지에 따른 전력 생산 손실이 최소화되는 동시에 전력 생산 정지 기간이 최소화된 전기 및 수소 생산 시스템을 제공하고자 한다.
일 측면은 서로 이격된 복수의 소형 원자로들, 상기 복수의 소형 원자로들과 연결되며, 상기 복수의 소형 원자로들로부터 발생된 증기를 포집하는 증기 포집조, 상기 증기 포집조와 연결되며, 상기 증기 포집조로부터 이동된 상기 증기를 이용해 전기를 생산하는 제1 터빈, 상기 증기 포집조와 연결되며, 상기 증기 포집조부터 이동된 상기 증기를 이용해 수소를 생산하는 수소 생산부, 및 상기 증기 포집조와 상기 제1 터빈 사이 및 상기 증기 포집조와 상기 수소 생산부 사이에 위치하며, 상기 증기 포집조로부터 상기 제1 터빈으로 이동되는 상기 증기의 유량 및 상기 증기 포집조로부터 상기 수소 생산부로 이동되는 상기 증기의 유량을 조절하는 제어부를 포함하는 전기 및 수소 생산 시스템을 제공한다.
상기 복수의 소형 원자로들 각각은 노심 및 상기 증기를 발생하는 증기 발생기를 포함하는 일체형 원자로를 포함할 수 있다.
상기 증기 포집조는 상기 복수의 소형 원자로들에 둘러싸여 배치될 수 있다.
상기 제1 터빈과 이격되어 상기 제어부를 사이에 두고 상기 증기 포집조와 연결되며, 상기 증기 포집조로부터 이동된 상기 증기를 이용해 전기를 생산하는 제2 터빈을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈은 상기 제어부와 병렬 연결될 수 있다.
상기 제어부는 부하추종(load follow)에 따라 상기 제1 터빈 및 상기 수소 생산부 중 어느 하나로 다른 하나 대비 더 많은 상기 증기를 선택적으로 보낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력 수요에 따른 부하추종운전이 가능한 복수의 소형 원자로들을 포함하더라도, 2차측 설비의 설치 및 유지 비용이 절감되는 동시에 전력 수요에 따라 능동적으로 전기 및 수소를 생산하는 전기 및 수소 생산 시스템이 제공된다.
또한, 터빈의 정비 또는 의도치 않은 정지에 따른 전력 생산 손실이 최소화되는 동시에 전력 생산 정지 기간이 최소화된 전기 및 수소 생산 시스템이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 일 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템을 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 복수의 소형 원자로(100)들로부터 발생된 증기를 포집하여 전력 수요에 따른 부하추종에 따라 전기를 생산하는 동시에 수소를 생산한다.
일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 복수의 소형 원자로(100)들, 증기 포집조(200), 제1 터빈(300), 제2 터빈(400), 수소 생산부(500), 제어부(600)를 포함한다.
복수의 소형 원자로(100)들은 서로 이격되어 배치된다. 복수의 소형 원자로(100)들은 증기 포집조(200)를 둘러싸도록 위치할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 복수의 소형 원자로(100)들은 증기를 생산하며, 복수의 소형 원자로(100)들로부터 생산된 증기는 증기 포집조(200)로 포집된다. 복수의 소형 원자로(100)들 모두를 합한 증기 배출량은 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400) 모두를 합한 최대 출력 요구 증기량을 초과할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일례로, 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)을 합한 최대 출력 요구 증기량이 100%일 때, 복수의 소형 원자로(100)들을 합한 증기 배출량은 133%일 수 있으며, 복수의 소형 원자로(100)들을 합한 증기 배출량의 133% 중 100%는 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)에서 전기를 생산하고 33%는 수소 생산부(500)에서 수소를 생산할 수 있다.
복수의 소형 원자로(100)들은 증기를 생산하는 시스템을 포함하며, 복수의 소형 원자로(100)들 중 전력 수요에 따라 가동되는 소형 원자로의 개수가 결정될 수 있다. 복수의 소형 원자로(100)들 중 전력 수요에 따라 가동되는 소형 원자로의 개수 결정은 제어부(600)에 의해 제어될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
복수의 소형 원자로(100)들 각각은 공지된 다양한 소형 모듈 원자로(small modular reactor, SMR)의 형태를 가질 수 있다.
일례로, 복수의 소형 원자로(100)들 각각은 노심 및 증기를 발생하는 증기 발생기를 포함하는 일체형 원자로를 포함할 수 있다. 복수의 소형 원자로(100)들 각각에 포함된 일체형 원자로는 노심, 노심과 이웃하는 증기 발생기, 노심 및 증기 발생기를 수납하는 원자로 용기를 포함할 수 있으며, 복수의 소형 원자로(100)들 각각은 일체형 원자로의 운전을 위한 공지의 배관들 및 공지의 시스템들을 더 포함할 수 있다.
증기 포집조(200)는 복수의 소형 원자로(100)들과 연결되며, 복수의 소형 원자로(100)들로부터 발생된 증기를 포집한다. 증기 포집조(200)는 복수의 소형 원자로(100)들에 둘러싸여 배치되나, 이에 한정되지는 않는다. 복수의 소형 원자로(100)들로부터 발생된 증기는 증기 포집조(200)로 이동된다. 증기 포집조(200)는 복수의 소형 원자로(100)들의 열교환기인 증기 발생기로부터 발생되는 고온 및 고압의 증기를 하나의 공간으로 포집하는 복수의 배관들을 포함한다.
제1 터빈(300)은 제어부(600)를 사이에 두고 증기 포집조(200)와 연결된다. 제1 터빈(300)은 증기 포집조(200)로부터 제어부(600)를 통해 이동된 증기를 이용해 전기를 생산한다. 제1 터빈(300)은 증기를 이용해 전기를 생산할 수 있는 공지의 발전 수단을 포함할 수 있다.
제2 터빈(400)은 제1 터빈(300)과 이격되어 제어부(600)를 사이에 두고 증기 포집조(200)와 연결된다. 제2 터빈(400)은 증기 포집조(200)로부터 제어부(600)를 통해 이동된 증기를 이용해 전기를 생산한다. 제2 터빈(400)은 증기를 이용해 전기를 생산할 수 있는 공지의 발전 수단을 포함할 수 있다.
제2 터빈(400) 및 제1 터빈(300)은 제어부(600)와 병렬 연결되어 제어부(600)를 통해 증기 포집조(200)와 연결된다. 제2 터빈(400) 및 제1 터빈(300)은 증기 포집조(200)와 연결된 배관을 포함할 수 있다.
수소 생산부(500)는 제어부(600)를 사이에 두고 증기 포집조(200)와 연결된다. 수소 생산부(500)는 증기 포집조(200)로부터 제어부(600)를 통해 이동된 증기를 이용해 수소를 생산한다. 수소 생산부(500)는 증기를 전기 분해하여 증기로부터 수소를 생산할 수 있으며, 수소 생산부(500)에서 생산된 수소는 수소 저장소 또는 연료 전지 등의 수소 저장 수단에 저장될 수 있다. 수소 생산부(500)는 공지의 다양한 전기 분해를 이용한 수소 생산 시스템을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 수소 생산부(500)는 제1 터빈(300) 또는 제2 터빈(400)과 연결될 수 있으며, 제1 터빈(300) 또는 제2 터빈(400)에서 생산한 전기를 이용한 전기 분해를 통해 증기로부터 수소를 생산할 수 있다. 수소 생산부(500)는 증기 포집조(200)와 연결된 배관을 포함할 수 있다.
제어부(600)는 증기 포집조(200)와 제1 터빈(300) 사이, 증기 포집조(200)와 제2 터빈(400) 사이, 및 증기 포집조(200)와 수소 생산부(500) 사이에 위치한다. 제어부(600)는 증기 포집조(200), 제1 터빈(300), 제2 터빈(400), 수소 생산부(500) 각각과 직접 연결된다. 제어부(600)는 증기 포집조(200)로부터 제1 터빈(300)으로 이동되는 증기의 유량, 증기 포집조(200)로부터 제2 터빈(400)으로 이동되는 증기의 유량, 및 증기 포집조(200)로부터 수소 생산부(500)로 이동되는 증기의 유량을 조절한다.
제어부(600)는, 전력 수요에 대응하는 부하추종(load follow)에 따라 전기 생산량 및 수소 생산량을 결정하기 위해, 복수의 소형 원자로(100)들 중 가동되는 소형 원자로(100)의 개수를 결정하는 동시에 증기 포집조(200)로부터 제1 터빈(300), 제2 터빈(400), 및 수소 생산부(500) 중 어느 하나로 다른 하나 대비 더 많은 증기를 선택적으로 보낼 수 있다.
일례로, 제어부(600)는 전력 수요가 많아 전기 생산량을 수소 생산량 대비 우선 순위에 둘 경우, 증기 포집조(200)로부터 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)으로 수소 생산부(500) 대비 더 많은 증기를 보낼 수 있다. 그리고, 제어부(600)는 전기 생산량이 만족될 경우 수소 생산을 위해 수소 생산부(500)로 증기를 추가로 보낼 수 있다.
다른 예로, 제어부(600)는 전력 수요가 적어 수소 생산량을 전기 생산량 대비 우선 순위에 둘 경우, 증기 포집조(200)로부터 수소 생산부(500)로 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400) 대비 더 많은 증기를 보낼 수 있다. 그리고, 제어부(600)는 수소 생산량이 만족될 경우 전기 생산을 위해 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)으로 증기를 추가로 보낼 수 있다.
이상과 같이, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 복수의 소형 원자로(100)들로부터 발생되는 증기를 하나의 증기 포집조(200)로 포집하고, 제어부(600)가 증기 포집조(200)로부터 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)으로 이동되는 증기의 유량을 조절함으로써, 전력 수요에 따른 부하추종 운전이 가능하다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)이 증기 포집조(200)로부터 이동되는 증기의 유량을 조절하는 제어부(600)와 병렬 연결됨으로써, 예비 터빈 및 관련 배관이 확보되기 때문에, 터빈의 정비 또는 불시 정지에 따른 전력 생산 손실을 최소화 할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 복수의 소형 원자로(100)들의 계획 예방 정비 및 2개의 터빈인 제1 터빈(300)과 제2 터빈(400)의 정비 일정을 유동적으로 결정하여 1년 내내 정지 기간 없는 전력 생산이 가능하다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 종래의 원자력 발전소 대비 요구되는 터빈 및 관련 시스템의 숫자가 줄어 정비가 용이하다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 수소 생산을 특정 소형 원자로에 전담시키지 않아 능동적인 수소 생산이 가능하다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은 복수의 소형 원자로(100)들로부터 발생된 증기를 하나로 수집하는 증기 포집조(200)를 포함함으로써, 증기를 이용한 수소 생산 등의 전기 생산 외 다른 용도로 사용하는 시스템이 간소해지는 동시에 증기 추출 장치가 간단해질 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은, 전력 수요에 따라 부하추종운전이 가능한 복수의 소형 원자로(100)들로부터 발생된 증기를 포집하는 증기 포집조(200)로부터 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400) 또는 수소 생산부(500)로 이동하는 증기의 유량을 부하추종에 따라 선택적으로 조절하는 제어부(600)를 포함함으로써, 2차측 설비의 설치 및 유지 비용이 절감되는 동시에 전력 수요에 따라 능동적으로 전기 및 수소를 생산할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템은, 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400)이 증기 포집조(200)로부터 이동되는 증기의 유량을 조절하는 제어부(600)와 병렬 연결됨으로써, 제1 터빈(300) 및 제2 터빈(400) 중 어느 한 터빈의 정비 또는 의도치 않은 정지에 따른 전력 생산 손실을 최소화하는 동시에 전력 생산 정지 기간을 최소한다.
즉, 전력 수요에 따른 부하추종운전이 가능한 복수의 소형 원자로들을 포함하더라도, 2차측 설비의 설치 및 유지 비용이 절감되고, 터빈의 정비 또는 의도치 않은 정지에 따른 전력 생산 손실 및 전력 생산 정지 기간이 최소화되는 동시에 전력 수요에 따라 능동적으로 전기 및 수소를 생산하는 일 실시예에 따른 전기 및 수소 생산 시스템이 제공된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
소형 원자로(100), 증기 포집조(200), 제1 터빈(300), 제2 터빈(400), 수소 생산부(500), 제어부(600)

Claims (6)

  1. 서로 이격된 복수의 소형 원자로들;
    상기 복수의 소형 원자로들과 연결되며, 상기 복수의 소형 원자로들로부터 발생된 증기를 포집하는 증기 포집조;
    상기 증기 포집조와 연결되며, 상기 증기 포집조로부터 이동된 상기 증기를 이용해 전기를 생산하는 제1 터빈;
    상기 증기 포집조와 연결되며, 상기 증기 포집조부터 이동된 상기 증기를 이용해 수소를 생산하는 수소 생산부;
    상기 증기 포집조와 상기 제1 터빈 사이 및 상기 증기 포집조와 상기 수소 생산부 사이에 위치하며, 상기 증기 포집조로부터 상기 제1 터빈으로 이동되는 상기 증기의 유량 및 상기 증기 포집조로부터 상기 수소 생산부로 이동되는 상기 증기의 유량을 조절하는 제어부; 및
    상기 제1 터빈과 이격되어 상기 제어부를 사이에 두고 상기 증기 포집조와 연결되며, 상기 증기 포집조로부터 이동된 상기 증기를 이용해 전기를 생산하는 제2 터빈
    을 포함하며,
    상기 증기 포집조는 상기 복수의 소형 원자로들에 둘러싸여 배치되며,
    상기 제1 터빈 및 상기 제2 터빈은 상기 제어부와 병렬 연결되는 전기 및 수소 생산 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 소형 원자로들 각각은 노심 및 상기 증기를 발생하는 증기 발생기를 포함하는 일체형 원자로를 포함하는 전기 및 수소 생산 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 제어부는 부하추종(load follow)에 따라 상기 제1 터빈 및 상기 수소 생산부 중 어느 하나로 다른 하나 대비 더 많은 상기 증기를 선택적으로 보내는 전기 및 수소 생산 시스템.
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