KR102614528B1 - Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 선박 엔진의 배기가스를 초임계 이산화탄소 발전부의 열원으로 공급하되, 배기가스를 열원으로 공급받기에 앞서 초임계 이산화탄소는 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환됨으로써 이산화탄소 사이클의 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system. The supercritical carbon dioxide power generation system according to the present invention includes a supercritical carbon dioxide power generation unit that drives a turbine using supercritical carbon dioxide as a working fluid, and exhaust gas of a ship engine. Supercritical carbon dioxide is supplied as a heat source to the power generation unit, but before receiving exhaust gas as a heat source, the supercritical carbon dioxide is heat exchanged with the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine, thereby increasing the efficiency of the carbon dioxide cycle.
Description
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부를 포함하며, 선박 엔진의 배기가스를 초임계 이산화탄소 발전부의 열원으로 공급하되, 배기가스를 열원으로 공급받기에 앞서 초임계 이산화탄소를 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열 교환시킴으로써 효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전시스템 에 관한 것이다.The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system, and more specifically, includes a supercritical carbon dioxide power generation unit that drives a turbine using supercritical carbon dioxide as a working fluid, and uses exhaust gas from a ship engine as a heat source of the supercritical carbon dioxide power generation unit. This relates to a supercritical carbon dioxide power generation system that can increase efficiency by exchanging heat with supercritical carbon dioxide discharged from a turbine before receiving exhaust gas as a heat source.
선박이나 해상에 마련되는 해양 플랜트에는 추진이나 각종 장치들의 구동 등을 위해 동력이 필요하다. 따라서 이러한 동력을 공급하기 위한 동력 생산 시스템이 구비될 필요가 있다. Marine plants installed on ships or at sea require power for propulsion or operation of various devices. Therefore, there is a need to provide a power production system to supply this power.
예컨대, 증기 터빈을 포함하는 발전 설비는 연료를 연소시킬 때 발생하는 연소열로 증기를 발생시켜 이를 이용해 발전한다. 발전 설비의 증기 사이클에서 발전기 구동 후 배출된 증기를 복수시키는 것은 증기 사이클 효율과 관련된 중요한 과정이다. 에너지 활용 측면에서 보면 화력 발전기의 경우 투입 연료의 40% 정도만 전기로 변환되고, 13% 정도는 연소과정과 발전기에서 손실되고, 47% 정도는 냉각수에 의해 손실되고 있다. 또한 증기의 복수 과정에서 사용된 냉각수는 온도가 상승하므로 그대로 배출하게 되면 환경에 중대한 영향을 끼치며, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스 발생도 문제된다. For example, power generation facilities including steam turbines generate steam using combustion heat generated when burning fuel and use this to generate power. In the steam cycle of power generation equipment, recovering the steam discharged after driving the generator is an important process related to steam cycle efficiency. In terms of energy utilization, in the case of thermal power generators, only about 40% of the input fuel is converted into electricity, about 13% is lost in the combustion process and the generator, and about 47% is lost through cooling water. In addition, the temperature of the coolant used in the steam recovery process increases, so if discharged as is, it has a significant impact on the environment, and the generation of exhaust gas due to combustion of fossil fuels is also a problem.
따라서, 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있으며, 최근 들어 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.Therefore, the need for efficient power production is gradually increasing, and recently, research on a power generation system using Supercritical CO 2 using supercritical carbon dioxide as a working fluid is actively underway.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 31℃, 74 기압으로, 임계점이 373.95℃, 217.7 기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 550℃에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다. 또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.Carbon dioxide in a supercritical state has a density similar to that of a liquid and a viscosity similar to that of a gas, so it is possible to miniaturize the device and minimize the power consumption required for compression and circulation of the fluid. At the same time, the critical point is 31℃ and 74 atm, which is much lower than that of water, which is 373.95℃ and 217.7 atm, so it has the advantage of being easy to handle. This supercritical carbon dioxide power generation system shows a net power generation efficiency of about 45% when operated at 550℃, improves power generation efficiency by more than 20% compared to the power generation efficiency of the existing steam cycle, and can reduce turbo equipment to one tenth of the level. There is an advantage. In addition, supercritical carbon dioxide power generation systems can be of great help in reducing pollutant emissions because they are mostly operated in a closed cycle that does not emit the carbon dioxide used in power generation to the outside.
따라서, 증기 터빈 대신에 이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 고려한 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다. Therefore, there is an urgent need for the development of technology considering such supercritical carbon dioxide power generation turbines instead of steam turbines.
본 발명은 상기와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 초임계 이산화탄소 사이클을 선박 발전을 위해 적용할 수 있도록 하고, 특히 저온의 엔진 폐열, 선박의 배기가스로 전력을 생산할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. The present invention was developed to solve the above-mentioned needs, and its purpose is to enable the application of the supercritical carbon dioxide cycle for ship power generation, and in particular to enable power generation using low-temperature engine waste heat and ship exhaust gas. .
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부;를 포함하며, 선박 엔진의 배기가스를 상기 초임계 이산화탄소 발전부의 열원으로 공급하되, 상기 배기가스를 열원으로 공급받기에 앞서 초임계 이산화탄소는 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템이 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, it includes a supercritical carbon dioxide power generation unit that drives a turbine using supercritical carbon dioxide as a working fluid, and the exhaust gas of the ship engine is used as a heat source of the supercritical carbon dioxide power generation unit. A supercritical carbon dioxide power generation system is provided, wherein the supercritical carbon dioxide is heat exchanged with the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine prior to receiving the exhaust gas as a heat source.
바람직하게는, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 상기 터빈의 상류에 마련되어 상기 터빈으로 공급될 초임계 이산화탄소가 상기 배기가스를 열원으로 가열되는 제1 히터; 및 상기 제1 히터로 공급될 초임계 이산화탄소가 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환되는 환열기; 를 포함할 수 있다.Preferably, the supercritical carbon dioxide power generation unit includes a first heater provided upstream of the turbine to heat the exhaust gas with the supercritical carbon dioxide to be supplied to the turbine as a heat source; and a recuperator in which supercritical carbon dioxide to be supplied to the first heater exchanges heat with supercritical carbon dioxide discharged from the turbine. may include.
바람직하게는, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 상기 터빈의 하류에 마련되어 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기; 상기 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기; 및 상기 압축기와 상기 히터를 연결하는 제1 배관을 포함하며, 상기 환열기는 상기 제1 배관에 마련될 수 있다. Preferably, the supercritical carbon dioxide power generation unit includes a cooler provided downstream of the turbine to cool the supercritical carbon dioxide; A compressor in which supercritical carbon dioxide discharged from the cooler is compressed; and a first pipe connecting the compressor and the heater, and the heat exchanger may be provided in the first pipe.
바람직하게는, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 상기 압축기의 하류에서 상기 환열기를 바이패스하여 상기 히터의 상류로 연결되는 제2 배관을 더 포함할 수 있다. Preferably, the supercritical carbon dioxide power generation unit may further include a second pipe connected to the upstream of the heater by bypassing the heat exchanger downstream of the compressor.
바람직하게는, 상기 초임계 이산화탄소 발전부는, 상기 제2 배관에 마련되어 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 가열되는 제2 히터를 더 포함할 수 있다. Preferably, the supercritical carbon dioxide power generation unit may further include a second heater provided in the second pipe to heat the supercritical carbon dioxide compressed in the compressor.
바람직하게는, 상기 제2 히터에는 상기 선박의 엔진 자켓 워터(jacket water) 및 공기(air) 중 어느 하나가 열원으로 공급될 수 있다. Preferably, either the ship's engine jacket water or air may be supplied to the second heater as a heat source.
바람직하게는, 상기 냉각기에서는 상기 터빈에서 배출되어 상기 환열기에서 열교환된 초임계 이산화탄소가 추가 냉각될 수 있다.Preferably, the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine and heat-exchanged in the recuperator may be additionally cooled in the cooler.
바람직하게는, 상기 냉각기에서는 초임계 이산화탄소가 해수 및 청수 중 어느 하나와 열교환으로 냉각될 수 있다.Preferably, in the cooler, supercritical carbon dioxide can be cooled by heat exchange with either seawater or fresh water.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이산화탄소를 압축하여 초임계 이산화탄소로 공급하는 압축기; 초임계 이산화탄소를 작동유체로 구동되는 터빈; 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 선박 엔진의 배기가스를 열원으로 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 제1 스트림; 및 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되어 상기 압축기로 공급되는 제2 스트림을 포함하되, 상기 제1 스트림은 상기 배기가스로 가열되기에 앞서 상기 제2 스트림과 열교환으로 가열되는 것을 특징으로 하는, 초임계 이산화탄소 발전시스템이 제공된다.According to another aspect of the present invention, a compressor that compresses carbon dioxide and supplies it as supercritical carbon dioxide; A turbine driven with supercritical carbon dioxide as the working fluid; A first stream in which supercritical carbon dioxide compressed in the compressor is heated using exhaust gas of a ship engine as a heat source and supplied to the turbine; And a second stream in which the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine is cooled and supplied to the compressor, wherein the first stream is heated by heat exchange with the second stream before being heated by the exhaust gas. , a supercritical carbon dioxide power generation system is provided.
바람직하게는, 상기 제1 스트림과 상기 제2 스트림이 열교환되는 환열기; 및 상기 제1 스트림으로부터 분기되며 상기 환열기를 바이패스하는 제3 스트림을 더 포함하고, 상기 제3 스트림은 상기 배기가스로 가열되기에 앞서 상기 선박의 엔진 자켓 워터(jacket water) 및 공기(air) 중 어느 하나를 열원으로 초임계 이산화탄소가 가열될 수 있다.Preferably, a heat exchanger in which the first stream and the second stream exchange heat; and a third stream branching from the first stream and bypassing the heat exchanger, wherein the third stream contains engine jacket water and air of the vessel prior to being heated with the exhaust gases. ) Supercritical carbon dioxide can be heated using any one of the heat sources.
본 발명에 따르면, 선박 엔진의 배기가스를 초임계 이산화탄소 발전부의 열원으로 공급하며, 배기가스를 열원으로 공급받기에 앞서 초임계 이산화탄소를 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환시킴으로써, 초임계 이산화탄소 사이클의 효율을 높이는 효과가 있다. According to the present invention, the exhaust gas of the ship engine is supplied as a heat source of the supercritical carbon dioxide power generation unit, and the supercritical carbon dioxide is heat exchanged with the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine before receiving the exhaust gas as a heat source, thereby generating the supercritical carbon dioxide cycle. It has the effect of increasing efficiency.
초임계 이산화탄소 사이클에서의 초임계 이산화탄소 상호 열교환과 선박 엔진의 배기가스 폐열을 활용함으로써, 선박의 전체적인 연료 소비를 줄이고 선박의 에너지 효율을 높을 수 있다. By utilizing supercritical carbon dioxide mutual heat exchange in the supercritical carbon dioxide cycle and exhaust gas waste heat from ship engines, the ship's overall fuel consumption can be reduced and the ship's energy efficiency can be increased.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상 발전 효율을 높일 수 있고, 설치 면적이 1/20로 크게 감소하여 설치 면적이 한정된 선박에 적용함으로써 화물 적재량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. When applying this supercritical carbon dioxide power generation turbine, power generation efficiency can be increased by about 20% compared to steam turbines, and the installation area is greatly reduced to 1/20, so cargo loading can be increased by applying it to ships with limited installation area. There is an effect.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. Figure 1 is a diagram schematically showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a first embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram schematically showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a second embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. First, when adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same reference numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. Additionally, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the structure and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Additionally, the following examples may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. Figure 1 is a diagram schematically showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a first embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이산화탄소 발전시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동유체로 사용하여 터빈(110)을 구동시키는 초임계 이산화탄소 발전부(100)를 포함하며, 선박 엔진의 배기가스를 초임계 이산화탄소 발전부의 열원으로 공급하되, 배기가스를 열원으로 공급받기에 앞서 초임계 이산화탄소는 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환되는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 1, the carbon dioxide power generation system according to the first embodiment of the present invention includes a supercritical carbon dioxide
본 발명의 선박은 예를 들어 VLCC(Very Large Crude-oil Carrier), 컨테이너선(container ship)일 수 있고, 다른 선박에도 적용될 수 있다. The ship of the present invention may be, for example, a Very Large Crude-oil Carrier (VLCC) or a container ship, and may also be applied to other ships.
VLCC의 경우 엔진 폐열이 다른 선박에 비해 상대적으로 낮아 엔진 폐열을 이용하여 스팀 터빈을 구동시켜 전력을 생산이 곤란하고, 컨테이너선의 경우 엔진에 EGR(Exhaust Gas Recirculation)을 적용하면 Power turbine을 사용하지 못하여 스팀 터빈만으로 전력 생산이 부족해지는 단점이 있다. 본 발명은 스팀 터빈 대신 초임계 이산화탄소 사이클을 선박엔진 배기가스의 열회수 시스템에 적용함으로써 이러한 선박들에서 선내에 필요한 전력을 생산하여 공급할 수 있도록 한다. In the case of VLCC, the engine waste heat is relatively low compared to other ships, making it difficult to generate electricity by driving a steam turbine using engine waste heat, and in the case of container ships, if EGR (Exhaust Gas Recirculation) is applied to the engine, the power turbine cannot be used. The downside is that electricity production from steam turbines alone is insufficient. The present invention applies a supercritical carbon dioxide cycle instead of a steam turbine to a heat recovery system for ship engine exhaust gas, thereby enabling these ships to produce and supply the necessary power within the ship.
본 실시예의 초임계 이산화탄소 발전부(100)는, 터빈(110)의 상류에 마련되어 터빈으로 공급될 초임계 이산화탄소가 배기가스를 열원으로 가열되는 제1 히터(120)와, 제1 히터로 공급될 초임계 이산화탄소가 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환되는 환열기(130)를 포함할 수 있다.The supercritical carbon dioxide
제1 히터는(120) 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스와 초임계 이산화탄소를 열교환시킴으로써 초임계 이산화탄소를 가열하여 터빈으로 공급한다. 배기가스는 필요에 따라 폐열회수 보일러(미도시)과 같은 다른 장치를 거치거나 거치지 않고 바로 제1 히터(120)로 공급되도록 구성할 수 있다. The first heater (120) heats the supercritical carbon dioxide by performing heat exchange between the exhaust gas generated from the ship's engine and the supercritical carbon dioxide and supplies it to the turbine. If necessary, the exhaust gas can be configured to be supplied directly to the
터빈(110)의 하류에는 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기(140)가 마련되고, 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소는 압축기(150)에서 압축되어, 압축기와 히터를 연결하는 제1 배관(L1)을 통해 제1 히터(120)로 순환된다. 이를 통해 초임계 이산화탄소 사이클은 폐 사이클(closed cycle)를 이룬다. Downstream of the
환열기(130)는 제1 배관(L1)에 마련됨으로써 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소는 터빈(110)에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환을 통해 1차 가열된 후 제1 히터(120)에서 추가 가열된다. 터빈에서 배출된 초임계 이산화탄소의 온도는 실시예에 따라 차이가 있으나 배기가스(Exhaust Gas)의 공급 온도에 따라 다르게 나타날 수 있다. 본 실시예는 터빈에서 배출된 고온의 초임계 이산화탄소와 제1 히터로 공급될 저온의 초임계 이산화탄소가 상호 열교환할 수 있는 환열기를 구성함으로써, 초임계 이산화탄소의 폐열을 활용하고 초임계 이산화탄소 사이클의 효율을 높일 수 있게 된다. The
냉각기(140)에서는 터빈에서 배출되어 환열기를 거치면서, 압축된 초임계 이산화탄소와의 열교환을 통해 냉각된 초임계 이산화탄소가 추가 냉각된다. 냉각기에는 초임계 이산화탄소를 냉각하기 위한 냉매로 예를 들어 해수 또는 청수가 공급될 수 있다. 해수를 이용할 경우, 해수를 공급하는 펌프(미도시)에 의해 해수를 냉각기로 공급하여 초임계 이산화탄소와 열 교환시킨 후 배출하게 된다. 본 실시예는 환열기를 구성하여, 터빈에서 배출된 초임계 이산화탄소가 1차로 냉각된 후 냉각기로 공급되므로 냉각기에서 초임계 이산화탄소의 냉각에 필요한 해수 또는 청수의 양을 줄일 수 있다. In the cooler 140, the cooled supercritical carbon dioxide is further cooled through heat exchange with compressed supercritical carbon dioxide as it is discharged from the turbine and passes through a recuperator. For example, seawater or fresh water may be supplied to the cooler as a refrigerant for cooling supercritical carbon dioxide. When using seawater, the seawater is supplied to the cooler by a pump (not shown) that supplies seawater, exchanges heat with supercritical carbon dioxide, and is then discharged. In this embodiment, a heat exchanger is configured so that the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine is first cooled and then supplied to the cooler, thereby reducing the amount of seawater or fresh water required to cool the supercritical carbon dioxide in the cooler.
냉각기에서의 냉각은 공냉 방식으로 이루어질 수도 있다.Cooling in the cooler may be accomplished by air cooling.
한편, 터빈에 의해 전력을 생산하는 발전기(미도시)는 생산된 전력을 선박의 추진용 모터에 인가하여 회전력을 생성하도록 하며, 추진용 모터의 회전력에 의해 선박의 프로펠러에 추진력을 생성하도록 할 수 있다. Meanwhile, a generator (not shown) that produces power by a turbine applies the produced power to the ship's propulsion motor to generate rotational force, and can generate propulsion force in the ship's propeller by the rotational force of the propulsion motor. there is.
도 2에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하였다. Figure 2 schematically shows a system according to a second embodiment of the present invention.
제2 실시예의 시스템은 제1 실시예의 발전시스템에, 압축기(150a)의 하류에서 환열기(130a)를 바이패스하여 히터의 상류로 연결되는 제2 배관(L2a)을 추가로 마련한 것이다. The system of the second embodiment is the power generation system of the first embodiment by additionally providing a second pipe (L2a) connected to the upstream of the heater by bypassing the heat exchanger (130a) downstream of the compressor (150a).
제2 실시예의 초임계 이산화탄소 발전부(100a)에는, 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 가열되는 제2 히터(160a)가 제2 배관(L2a)에 마련된다. In the supercritical carbon dioxide
제2 히터(160a)에서는 선박의 엔진 자켓 워터(jacket water) 및 공기(air) 중 어느 하나가 열원으로 공급되어, 압축된 초임계 이산화탄소를 가열함으로써 열효율을 더욱 높일 수 있다. In the second heater 160a, either the ship's engine jacket water or air is supplied as a heat source, and thermal efficiency can be further increased by heating the compressed supercritical carbon dioxide.
다른 구성이나 작용은 앞서 설명한 제 1 실시예와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.Since other configurations and operations are the same as the first embodiment described above, description will be omitted.
개략적으로 살펴보면 본 발명에서는, 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소 선박 엔진의 배기가스를 열원으로 가열되어 터빈으로 공급되는 제1 스트림과, 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 냉각되어 압축기로 공급되는 제2 스트림을 포함하는 초임계 이산화탄소 사이클에서, 배기가스로 가열되기에 앞서 제1 스트림을 제2 스트림과 상호 열교환되도록 구성함으로써 사이클의 열효율을 높일 수 있다.Briefly, in the present invention, the exhaust gas of the supercritical carbon dioxide ship engine compressed in the compressor is heated as a heat source and supplied to the turbine, and the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine is cooled and supplied to the compressor. In the supercritical carbon dioxide cycle including, the thermal efficiency of the cycle can be increased by configuring the first stream to exchange heat with the second stream before being heated with exhaust gas.
초임계 이산화탄소 사이클에서의 초임계 이산화탄소 상호 열교환과 선박 엔진의 배기가스 폐열을 활용함으로써, 선박의 전체적인 연료 소비를 줄이고 선박의 에너지 효율을 높을 수 있다. By utilizing supercritical carbon dioxide mutual heat exchange in the supercritical carbon dioxide cycle and exhaust gas waste heat from ship engines, the ship's overall fuel consumption can be reduced and the ship's energy efficiency can be increased.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 터빈을 적용할 경우 증기 터빈에 대비하여 약 20% 이상 발전 효율을 높일 수 있고, 시스템이 컴팩트하여 설치 면적이 1/20로 크게 감소하므로, 설치 면적이 한정된 선박에 적용하면 화물 적재량을 증가시킬 수 있다. When applying this supercritical carbon dioxide power generation turbine, power generation efficiency can be increased by about 20% compared to a steam turbine, and the system is compact, so the installation area is greatly reduced to 1/20, so when applied to ships with a limited installation area, cargo Load capacity can be increased.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The above description is merely an illustrative explanation of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations will be possible to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and it is obvious to those skilled in the art that the present invention can be implemented with various modifications or variations without departing from the technical gist of the present invention. It was done.
100, 100a : 초임계 이산화탄소 발전부
110, 110a : 터빈
120, 120a : 제1 히터
130, 130a : 환열기
140, 140a : 냉각기
150, 150a : 압축기
160a : 제2 히터
L1, L1a : 제1 배관
L2a : 제2 배관100, 100a: Supercritical carbon dioxide power generation unit
110, 110a: turbine
120, 120a: first heater
130, 130a: Heater
140, 140a: Cooler
150, 150a: Compressor
160a: second heater
L1, L1a: 1st pipe
L2a: 2nd pipe
Claims (10)
선박 엔진의 배기가스를 상기 초임계 이산화탄소 발전부의 열원으로 공급하되,
상기 배기가스를 열원으로 공급받기에 앞서 초임계 이산화탄소는 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환되며,
상기 초임계 이산화탄소 발전부는,
상기 터빈의 상류에 마련되어 상기 터빈으로 공급될 초임계 이산화탄소가 상기 배기가스를 열원으로 가열되는 제1 히터;
상기 제1 히터로 공급될 초임계 이산화탄소가 상기 터빈에서 배출되는 초임계 이산화탄소와 열교환되는 환열기;
터빈의 하류에 마련되어 초임계 이산화탄소가 냉각되는 냉각기;
상기 냉각기에서 배출되는 초임계 이산화탄소가 압축되는 압축기;
상기 압축기와 상기 제1 히터를 연결하는 제1 배관;
상기 압축기의 하류에서 상기 환열기를 바이패스하여 상기 히터의 상류로 연결되는 제2 배관; 및
상기 제2 배관에 마련되어 상기 압축기에서 압축된 초임계 이산화탄소가 가열되는 제2 히터를 포함하며,
상기 환열기는 상기 제1 배관에 마련되며,
상기 제2 히터에는 상기 선박의 엔진 자켓 워터(jacket water) 및 공기(air) 중 어느 하나가 열원으로 공급될 수 있으며,
상기 냉각기에서는 상기 터빈에서 배출되어 상기 환열기에서 열교환된 초임계 이산화탄소가 추가 냉각되며,
상기 냉각기에서는 초임계 이산화탄소가 해수 및 청수 중 어느 하나와 열교환으로 냉각되는 것을 특징으로 하며,
초임계 이산화탄소는 상기 터빈의 하류의 냉각기에서 냉각되고 상기 압축기에서 압축되어, 제1 배관을 통해 제1 히터로 순환됨으로써 초임계 이산화탄소 사이클은 폐 사이클(closed cycle)을 이루는 것을 특징으로 하는, 초임계 이산화탄소 발전시스템.
It includes a supercritical carbon dioxide power generation unit that drives a turbine using supercritical carbon dioxide as a working fluid,
Exhaust gas from the ship engine is supplied as a heat source for the supercritical carbon dioxide power generation unit,
Before receiving the exhaust gas as a heat source, the supercritical carbon dioxide is heat exchanged with the supercritical carbon dioxide discharged from the turbine,
The supercritical carbon dioxide power generation unit,
A first heater provided upstream of the turbine to heat the exhaust gas with supercritical carbon dioxide to be supplied to the turbine as a heat source;
a recuperator in which supercritical carbon dioxide to be supplied to the first heater exchanges heat with supercritical carbon dioxide discharged from the turbine;
A cooler provided downstream of the turbine to cool supercritical carbon dioxide;
A compressor in which supercritical carbon dioxide discharged from the cooler is compressed;
a first pipe connecting the compressor and the first heater;
a second pipe that bypasses the heat exchanger downstream of the compressor and connects upstream of the heater; and
It includes a second heater provided in the second pipe to heat the supercritical carbon dioxide compressed in the compressor,
The heat exchanger is provided in the first pipe,
Either the ship's engine jacket water or air may be supplied to the second heater as a heat source,
In the cooler, supercritical carbon dioxide discharged from the turbine and heat exchanged in the recuperator is further cooled,
In the cooler, supercritical carbon dioxide is cooled by heat exchange with either seawater or fresh water,
Supercritical carbon dioxide is cooled in a cooler downstream of the turbine, compressed in the compressor, and circulated to the first heater through the first pipe, thereby forming a closed cycle. Carbon dioxide power generation system.
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