KR102568347B1 - 열병합 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 열병합 발전 시스템 및 방법은 연료전지 시스템을 통해 열과 전기를 동시에 공급하고, 폐열을 활용하여 개질기에서 스팀을 공급한다. 또한, 실시예에서는 용수 온도 상승 이후 수집된 폐열로 개질기에서 용수를 스팀으로 변환할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 열병합발전 시스템은 연료전지와 개질기를 사용한 시스템으로, 천연가스를 개질하여 획득한 수소로 연료전지를 구동하고, 전기, 온수, 열 및 스팀을 획득할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에서는 개질기에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열인 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고, 공급한다.

Description

열병합 발전 시스템 및 방법{COGENERATION SYSTEM AND METHOD}
본 개시는 열병합 발전 시스템 및 방법에 관한 것으로 구체적으로, 개질기를 통해 획득한 수소로 연료전지를 구동하고, 개질기 및 연료전지에서 발생한 폐열을 통해, 전기, 온수, 열 및 스팀을 제공하는 열병합 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다. `
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
연료전지(Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전 및 방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정하다. 연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다. 연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다.
게다가 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화 된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽다. 또한 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다. 이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고, 화력발전 방식에 비해 훨씬 적은 토지 면적을 필요로 하기 때문에 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심 지역 또는 건물 내에 설치하는 것이 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다. 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 더 나아가서는 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다.
1. 한국 특허공개 제10-2023-0005650호 (2023.01.10) 2. 한국 특허공개 제10-2018-0017754호 (2018.02.21)
실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 연료전지와 개질기에서 수집한 폐열과 연료전지에서 생성된 전기를 동시에 공급하고, 폐열을 활용하여 개질기에서 스팀을 공급한다. 또한, 실시예에서는 용수 온도 상승 이후 수집된 폐열로 SMR 개질기에서 용수를 스팀으로 전환할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 열병합발전 시스템은 연료전지와 개질기를 사용한 시스템으로, 천연가스를 개질하여 획득한 수소로 연료전지를 구동하고, 전기, 온수, 열 및 스팀을 획득할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에서는 개질기에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열인 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고, 공급한다.
또한, 실시예에서는 개질기 및 열교환기를 모니터링 하여, 모니터링 결과에 따라 이상상황을 예측한다. 또한, 열, 스팀을 포함하는 공급가능한 에너지량을 산출한다.
실시예에 따른 열병합 발전 시스템 및 방법은 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행하는 개질기; 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 PSA(Pressure Swing Adsorption); PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지; 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 열교환기; 를 포함한다.
이상에서와 같은 실시예에 따른 열병합 발전 시스템 및 방법은 개질기와 연료전지의 화학반응 중 발생되는 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고 공급함으로써, 연료전지의 이용 분야를 확대시킬 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템으로부터 스팀, 온수, 열을 효율적으로 획득하여 에너지 효용을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에서는 발전장치의 개질기, 연료전지, PSA 및 열교환기의 모니터링 데이터를 분석하여 이상상황을 예측하고, 이를 관리자 단말로 전송함으로써, 발전장치의 이상상황에 신속하게 대응할 수 있도록 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 열병합 발전 시스템 구성을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 개질기(100)의 상세 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 열교환기(300)의 구성을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 온도차에 의한 PEMFC 폐열 이 발생되는 PEMFC의 구성을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 연소실의 폐열 및 제2흡열반응 폐열이 발생하는 개질기의 주요 기능을 나타낸 도면
도 6및 도 7은 열병합 발전 시스템을 통해, 열과 스팀을 공급하는 시스템을 나타낸 도면
도 8은 실시예에 따른 열병합 발전 시스템 구성을 나타낸 도면
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 열병합 발전 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 개질기(100), 열교환기(200), PSA(300), 연료전지(400)를 포함하여 구성될 수 있고, 개질기(100)는 연소실(150)을 포함하여 구성될 수 있다. 연료전지의 연료는 크게 천연가스, 메탄올, 휘발유, 경유 등 석유류뿐만 아니라 석탄, 바이오 에탄올 등 모든 탄화수소를 사용할 수 있고, 일반적으로 천연가스를 연료로 하여 수소를 제조한다. 천연가스로부터 수소연료를 얻기 위해서는 천연가스를 분해(개질, Reforming)하는 공정이 필요하다. 실시예에서 개질기(100)는 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 발생시킨다.
연소실(150)은 약 900°C이상의 개질 온도를 유지하기 위해, 액화천연가스, 천연가스 등의 연료를 공급받고 이를 연소시킨다. 실시예에서는 연소실(150)은 연소 과정에서 발생된 열로 개질기(100)에서 발생하는 탈황반응, 수소획득반응, 수성 가스 전환 반응 및 수소 정제 반응에 필요한 온도가 유지될 수 있도록 한다.
또한, 개질기(100)는 제1흡열반응, 제1발열반응 및 제2발열반응을 통해 수소를 생성한다. 제1흡열반응은 메탄을 물과 반응시켜 수소를 생성하는 반응이고, 제1 발열반응은 메탄을 산소와 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다. 제2발열반응은 메탄을 물, 산소와 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다.
PSA(Pressure Swing Adsorption)(300)는 개질기(100)로부터 공급된 수소를 분리 및 정제한다. PSA(300)는 압력 스윙 흡착 방식으로 분자 특성 및 흡착제 물질에 대한 친화성에 따라 압력 하에서 가스 혼합물로부터 일부 가스를 분리한다.
연료전지(400)는 PSA(300)으로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다.
열교환기(200)는 개질기(100)와 연료전지(400)에서 발생하는 화학 반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 열로 공급하여 스팀을 생성한다.
실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 개질기(100)에서 수집한 폐열과 연료전지(400)에서 생성된 전기를 동시에 공급하고, 폐열을 활용하여 개질기(100)에서 스팀을 공급한다. 또한, 실시예에서는 용수 온도 상승 이후 수집된 폐열로 개질기(100)에서 용수를 스팀으로 전환할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 열병합발전 시스템은 연료전지(400)와 개질기(100)를 사용한 시스템으로, 천연가스를 개질하여 획득한 수소로 연료전지를 구동하고, 전기, 온수, 열 및 스팀을 획득할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에서는 개질기(100)에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열인 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고, 공급한다.
도 2는 실시예에 따른 개질기(100)의 상세 구성을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 개질기(100)는 탈황기(10), 생성부(30) 및 전환부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
탈황기(110)는 연료인 천연가스의 황 성분을 제거한다. 탈황기에서 제거되는 황성분은 THT(테트라하이드로티오펜, tetrahydrothiophene)와 TBM(t-메틸메르캅탄, t-Methylmercaptan)을 포함할 수 있다. 실시예에서 탈황기(110)는 유입구와 유출구 측 각각에 적어도 하나의 유황감지센서를 구비하여, 두 센서 간 신호의 차이로 유황 포화상태 여부를 판독한다. 실시예에서는 종래 단일 센서로 유황 포화상태 여부를 판독하는 것과 달리, 유입구와 유출구 측의 유황감지 결과를 비교하여 유황 포화상태 여부를 판독함으로써, 유황 포화상태 판독의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 복수개의 감지센서로부터 측정된 유황 감지결과를 통해, 단일 센서로 측정하는 경우보다 유황 포화 상태 측정 에러 발생 확률을 낮추어 안정적이고 원활하게 연료 개질 작업을 보장할 수 있도록 한다.
생성부(30)는 탈황기(10)로부터 공급된 황화물이 제거된 탄소화합물을 통해 수소를 획득한다. 실시예에서 생성부(30)는 제1수소획득반응 및 제2수소획득반응을 통해, 수소를 획득한다. 제1수소획득반응은 황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 반응이다. 제2수소획득반응은 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 반응이다.
전환부(50)는 생성부(30)로부터 전달된 수소를 정제하여 정제된 수소를 통해 물을 생성한다.
실시예에 따른 열교환기(200)는 제1수소 획득반응 및 제2수소획득반응에서 발생하는 반응열을 폐열로서 수집한다. 또한, 열교환기(200)는 탈황기(10)에서 황 성분 제거 과정 시 발생하는 반응열을 폐열로 수집한다. 또한, 연소실에서 발생하는 열을 폐열로서 수집한다.
도 3은 실시예에 따른 열교환기(200)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 열교환기(200)는 폐열 수집부(210) 및 공급부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
폐열 수집부(210)는 개질기(100)의 탈황 반응, 제1 수소획득반응 및 제2 수소획득반응을 통해 생성된 반응열인 폐열을 수집한다. 또한, 폐열 수집부(210)는 연료전지에서 발생하는 PEMFC 폐열(PEMFC Waste Heat)을 수집한다. 실시예에서 연료전지는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 유형(Type)을 포함한다. PEMFC 폐열은 연료전지에서 냉각수 냉각 과정 시 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열이다. PEMFC 폐열은 연료전지 반응온도(65~75°C)를 유지하기 위해 냉각수를 순환하는 과정 및 상승된 냉각수를 냉각하는 과정에서 발생한다.
또한, 폐열 수집부(210)는 개질기(100)의 연소실 폐열을 수집한다. 연소실 폐열은 천연가스 개질 온도 유지를 위해 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 폐열이다. 구체적으로, 폐열 수집부(210)은 약 900°C이상인 천연가스 개질 온도를 유지하기 위한 연소실로 공급되는 연소실의 폐열을 수집한다.
또한, 폐열 수집부(210)는 제2흡열 반응 폐열을 수집한다. 제2흡열 반응은 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift) 후 PSA(300)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 반응이다. 구체적으로, 폐열 수집부(210)는 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift)시 흡열반응 후 PSA(300)로 공급하는 가스의 온도 차를 활용하여 제2흡열 반응 폐열을 수집하고, 제2흡열 반응 폐열을 통해 열을 공급할 수 있도록 한다.
공급부(230)는 수집한 폐열로 물을 가열하여 생성된 스팀을 공급한다. 실시예에서는 PEMFC 폐열을 통해, 물을 가열하여 40 내지 60°C의 온수를 공급할 수 있다. 또한, 공급부(330)는 스팀 공급 시, 용수 온도 상승용으로 PEMFC 폐열을 사용할 수 있다.
또한, 공급부(330)는 연소실의 폐열과 수성 가스 전환 반응 시 발생한 제2흡열반응 폐열을 통해, 열을 공급한다. 공급부(330)는 연소실의 폐열과 제2흡열반응 폐열을 통해, 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 또한, 공급부(330)는 스팀을 섭씨 128도 내지 178 도로 가열하고, 고온의 스팀을 공급할 수 있다.
또한, 실시예에서 공급부(330)는 열교환기의 쉘 사이드(Shell Side)와 튜브 사이드(Tube Side)가 독립적인 특징을 통해, 공급 스팀 등급을 결정할 수 있다. 실시예에서 공급 스팀 등급은 제공되는 스팀의 온도와 압력, 공기와 비응축성 가스 비율, 불순물 함유량에 의해 결정될 수 있다. 공급부(330)는 쉘 사이드와 튜브 사이드 각각에 들어가는 공급 용수 등급에 따라 공급 스팀 등급을 결정할 수 있다. 구체적으로, 쉘 사이드와 튜브 사이드 각각에 들어가는 공급 용수의 비응축성 가스 비율 및 불순물 함유량에 따라, 쉘 사이드와 튜브 사이드에서 생성되는 공급 스팀 등급을 결정할 수 있다. 또한, 실시예에서 공급부(330)는 고객이 요구하는 스팀 온도와 압력에 따라 쉘 사이드 또는 튜브 사이드에 가해지는 압력을 변동함으로써, 고객이 요구하는 등급의 스팀을 제공할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 온도차에 의한 PEMFC 폐열 이 발생되는 연료전지의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 실시예에서는 65 내지 75°C인 연료전지 반응온도를 유지하기 위해 쿨링 루프에서 냉각수를 순환하는 과정 중 온도차가 발생한다. 구체적으로, 온도차는 쿨링 루프에서 상승된 냉각수가 a에 도시된 쿨러(cooler)에 의해 냉각된 이후에 발생한 온도차이다. 실시예에서는 냉각수 냉각 전후에 발생한 온도차 폐열인 PEMFC 폐열을 수집하여 열로 공급하고, 이를 통해 스팀을 생성할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 연소실의 폐열 및 제2흡열반응 폐열이 발생하는 개질기의 주요 기능을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 실시예에서는 섭씨 약 900도 이상의 천연가스 개질 온도를 유지하기 위한 개질기의 연소실(Combustion heating) 폐열과 수성 가스 전환 반응 시 흡열반응(H2O removal) 이후 PSA로 공급되는 가스의 온도차에 의한 제2흡열반응 폐열을 활용하여 열을 공급한다.
도 6및 도 7은 열병합 발전 시스템을 통해, 열과 스팀을 공급하는 시스템을 나타낸 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예에서 열교환기는 개질기에서 발생하는 탈황 반응, 제1 수소획득반응 및 제2 수소획득반응을 통해 생성된 반응열인 폐열, PEMFC 폐열, 연소실의 폐열 및 제2흡열반응 폐열을 수집하고, 수집된 폐열을 통해, 열교환기에서 열과 스팀을 생성하고, 생성된 열과 스팀을 소비자에게 직접 공급할 수 있다. 실시예에서는 개질기에서 발생하는 폐열을 통해, 열과 스팀을 소비자에게 직접 공급하여 수익을 창출할 수 있도록 하고, 소비자는 온수, 스팀을 합리적으로 획득할 수 있도록 한다.
도 8은 실시예에 따른 열병합 발전 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 발전장치(1000), 서버(2000) 및 관리자 단말(3000)을 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에서 발전장치(1000)는 개질기와 연료전지의 화학반응에서 생성되는 폐열을 수집하여 온수, 스팀을 생성한다.
실시예에서 서버(2000)는 발전장치(1000)의 개질기 및 열교환기를 모니터링 하여, 모니터링 결과에 따라 이상상황을 예측한다. 또한, 열, 스팀을 포함하는 공급가능한 에너지량을 산출한다. 실시예에서 서버(2000)는 이상상황 예측 결과 및 공급가능한 에너지량을 관리자 단말(3000)로 전송한다.
실시예에서 서버(2000)는 개질기, 열교환기, PSA 및 연료전지를 모니터링하여 고장 예측 진단을 수행할 수 있다. 고장 예측 진단을 위해 머신 러닝(Machine Learning)과 딥 러닝(Deep Learning)을 사용하여 데이터를 분석하고 기기 상태나 고장을 진단하는 인공신경망 모델을 통해 고장률을 추정하여 고장의 시기를 예측하는 예지 모델을 구현한다. 실시예에서는 지도 학습인 SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델과 자율 학습인 원 클래스(One-Class) SVM 기반 진단 모델을 사용하여 상태를 진단하거나 고장을 진단할 수 있다.
실시예에서 제공하는 건전성 예지 모델은 TTE(Time To Event) 데이터를 비모수적 방법으로 분석하는 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 기반 예지 모델과 모수적 방법으로 데이터를 분석하는 LSTM(Long Short-Term Memory) 기반 예지 모델을 포함하고, 이에 한정되지 않는다. 실시예에서 서버(2000)는 사용하여 시간에 따른 고장률을 추정하고 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life)을 측정하여 고장의 시기를 예측할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에서 서버(2000)는 모니터링 데이터에 따라 진단 모델과 건전성 예지 모델은 중 적합한 모델을 선택하여 모니터링 데이터 분석에 적용할 수 있도록 하고, 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정할 수 있도록 한다
실시예에서는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 고장 진단을 위한 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 고장 예측 모델을 구현한다. 딥러닝 뉴럴 네트워크는 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하고, 이에 한정되지 않는다.
또한, 서버(2000)는 발전장치(1000)의 개질기 및 열교환기의 모니터링 데이터를 분석하여 이상 상태를 감지한다. 실시예에서는 센서 기반의 기법을 이용하여 조기에 이상 징후를 감지하기 위해, 센서 측정값이 경계치보다 크거나, 변화 패턴이 정상과 다를 때 이상 상태로 판단한다.
또한, 실시예에서 서버(2000)는 정상적인 상태의 데이터로 계산한 파라미터와 실제 데이터로 계산한 파라미터가 차이가 크면 공정 이상으로 판단하는 파라미터 분석(Parameter Analysis) 방법을 통해, 이상 징후를 파악할 수 있다. 또한, 정상적인 상태의 데이터로 만든 패턴 인식 모델로 예측한 값과 실제 센서로 측정한 값의 차이가 크면 공정이상 판단하는 잔차 분석(Residual Analysis)방법을 통해 이상징후를 파악할 수 있다. 실시예에서 서버(2000)는 이상징후를 감지해야 하는 기기의 종류와 분석해야 하는 데이터 종류에 따라 이상 징후 판단을 위한 방법을 선택할 수 있다. 또한 서버(2000)는 DCS(Distributed Control System)에서 운전 변수가 제1임계치(high value) 및 제2임계치(low value) 경계를 벗어날 때 경보를 발행하는 패턴 인식 기법을 통해 이상 징후를 파악할 수 있다.
실시예에서 서버(2000)는 이상징후가 파악된 경우, 이를 관리자 단말(3000)로 전송하여 이상징후에 신속하게 대응할 수 있도록 한다.
여기서, 적어도 하나의 관리자 단말(3000)은, 네트워크를 통하여 원격지의 서버나 단말에 접속할 수 있는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 예를 들어, 네비게이션, 웹 브라우저(WEB Browser)가 탑재된 노트북, 데스크톱(Desktop), 랩톱(Laptop) 등을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 관리자 단말(3000)은, 네트워크를 통해 원격지의 서버나 단말에 접속할 수 있는 단말로 구현될 수 있다. 적어도 하나의 관리자 단말(3000)은, 예를 들어, 휴대성과 이동성이 보장되는 무선 통신 장치로서, 네비게이션, PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communications), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말, 스마트폰(smartphone), 스마트 패드(smartpad), 태블릿 PC(Tablet PC) 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 열병합 시스템의 스팀 생성 과정을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, S100 단계에서는 개질기에서 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 발생시킨다. S200 단계에서는 PSA에서 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제한다. S300 단계에서는 연료전지에서 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다. S400 단계에서는 열교환기에서 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성한다.
이상에서와 같은 실시예에 따른 열병합 발전 시스템 및 방법은 개질기와 연료전지의 화학반응 중 발생되는 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고 공급함으로써, 연료전지의 이용 분야를 확대시킬 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템으로부터 스팀, 온수, 열을 효율적으로 획득하여 에너지 효용을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에서는 발전장치의 개질기, 연료전지, PSA 및 열교환기의 모니터링 데이터를 분석하여 이상상황을 예측하고, 이를 관리자 단말로 전송함으로써, 발전장치의 이상상황에 신속하게 대응할 수 있도록 한다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (10)

  1. 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행하는 개질기;
    상기 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 PSA(Pressure Swing Adsorption);
    상기 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지;
    상기 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 열교환기; 를 포함하고,
    상기 열교환기; 는
    개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응에서 방출되는 반응열을 폐열로 수집하는 폐열 수집부; 및
    상기 폐열 수집부에서 수집한 폐열을 열(heat)로 변환하고, 변환된 열로 물을 가열하여 스팀을 생성하여 공급하는 공급부; 를 포함하고,
    상기 공급부는 쉘 사이드와 튜브 사이드를 포함하여 고객이 요구하는 공급 스팀 등급을 갖는 스팀을 생성하고,
    상기 공급 스팀 등급은 스팀의 온도와 압력, 공급 용수의 공기와 비응축성 가스의 비율 및 불순물 함유량에 따라 결정되며,
    상기 공급부는 상기 공급 스팀 등급에 대응되는 상기 공급 용수를 상기 쉘사이드와 튜브 사이드에 각각 공급하고, 상기 공급 스팀 등급에 따라 상기 쉘사이드와 튜브 사이드에 가해지는 압력을 변동시키는, 열병합 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐열은
    상기 수소 획득반응에서 발생한 반응열 및
    상기 수성 가스 전환 반응에서 발생하는 반응열을 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폐열은
    개질기에서 천연가스의 황 성분을 제거하는 과정 중 발행하는 반응열을 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폐열; 은
    개질기의 연소실 폐열을 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 폐열은
    연료전지의 냉각수 냉각 과정 시 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열인 연료전지 폐열을 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 열병합 발전 시스템; 은
    개질기, PSA 및 열교환기를 모니터링 하여, 모니터링 결과에 따라 이상상황을 예측하고, 공급가능한 온수와 스팀량을 산출하는 관리자 단말; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  10. (A) 개질기에서 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행하는 단계;
    (B) PSA에서 상기 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 단계;
    (C) 연료전지에서 상기 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 단계;
    (D) 열교환기에서 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 열교환기; 는
    개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응에서 방출되는 반응열을 폐열로 수집하는 폐열 수집부; 및
    상기 폐열 수집부에서 수집한 폐열을 열(heat)로 변환하고, 변환된 열로 물을 가열하여 스팀을 생성하여 공급하는 공급부; 를 포함하고,
    상기 공급부는 쉘 사이드와 튜브 사이드를 포함하여 고객이 요구하는 공급 스팀 등급을 갖는 스팀을 생성하고,
    상기 공급 스팀 등급은 스팀의 온도와 압력, 공급 용수의 공기와 비응축성 가스의 비율 및 불순물 함유량에 따라 결정되며,
    상기 공급부는 상기 공급 스팀 등급에 대응되는 상기 공급 용수를 상기 쉘사이드와 튜브 사이드에 각각 공급하고, 상기 공급 스팀 등급에 따라 상기 쉘사이드와 튜브 사이드에 가해지는 압력을 변동시키는, 열병합 발전 방법.
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