KR20000058568A - 열병합 다단계 복합발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 구동력과 배출가스를 이용하여 발전기 및 가스터빈을 구동시켜 전기를 얻고 내연기관의 냉각수조에서 가온된 물을 가스터빈을 경유한 배출가스의 열교환파이프 및 가지관과 전열히팅부에 의하여 포화온도로 상승케 한 후 증발기와 과열기에서 초임계압까지 상승시킨 과열증기로 1차 증기터빈과 발전기를 구동시켜 전기를 얻을 수 있도록 하며, 1차 증기터빈을 구동하고 증발기, 가열기를 경유한 포화증기를 압축기, 역지밸브, 과열기를 통과케 하여 2차, 3차 증기터빈과 발전기를 구동시키므로 재차 전기를 다단계 얻을 수 있도록 함과 아울러 전기를 얻고 난 고온의 포화증기를 복수기, 급수펌프를 거쳐 고온수 저장탱크로 집합한 후 요구하는 곳으로 고온수를 공급케 하는 것을 특징으로 한 것으로,

본 발명의 궁극적인 목적은 포화증기를 냉각시키지 않은 상태에서 과열되게 한 리싸이클이 가능케 하므로 과거에 버려왔던 에너지원들을 거의 낭비 없이 재활용하여 에너지효율을 극대화한 다단계 복합발전시스템을 제공함에 있다.

Description

열병합 다단계 복합발전시스템{Combined a motor generating of multistage system.}

본 발명은 도시가스, LPGG의 가스엔진 및 정유, 경유, A중유의 디젤엔진 등으로 된 내연기관이 구동됨에 따라 고온고압(대략 500℃, 13∼55kg/㎠) 배기가스를 배기구로 배출시키는데 이 내연기관의 구동력으로 발전시킴과 동시에 고온고압의 배기가스로 가스터빈을 작동시켜 재차 발전시켜 전기를 얻을 수 있도록 하고 가스터빈을 회전시키고 난 고온의 배기가스를 열교환 파이프 내로 통과시켜 내연기관의 냉각수조에서 가온된 물을 열교환실에서 가열시키되, 각 열교환 파이프 사이에 전열히팅부를 설치하여 100℃의 포화수가 되도록 하므로 이를 과열기에서 과열증기화 시킨 후 증기터빈을 작동시켜 1차, 2차, 3차등의 다단계로 전기를 얻을 수 있도록 함에 따라 습윤증기 까지도 최대한 활용하여 열효율을 극대화하고 낭비되는 열량이 거의 없도록 함을 특징으로 한 열병합 다단계 복합발전시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 증기터빈의 발전장치에서 포화증기와 과열증기를 살펴보면, 즉 일정한 압력 하에서 물을 가열하면 물의 온도는 상승해 가는 데 어느 일정한 온도에 이르게 되면 온도의 상승은 멈추고 가해진 열은 증발하는 데에만 소비하게 된다. 가령 순수한 물을 표준기압 760mmHg에서 가열하면 물의 온도는 100℃까지 상승해서 정지한다. 이 온도를 그 압력에 대한 포화온도라 하고 포화온도에 있는 물을 포화수라고 한다. 포화수의 온도와 압력과의 사이에는 일정한 관계가 있는데 그 압력을 포화압력이라고 한다.

포화수를 다시 가열하면 점차 증기로 바뀌면서 체적은 크게 늘어난다. 이 현상을 증발이라고 하는데, 이때 가열을 급속하게 하면 내부에 기포가 발생해서 물을 약동시키게 된다. 이 현상을 비등이라고 한다. 물이 전부 증발할 때까지 가해진 열은 물을 증기로 바꾸는 데에만 소비되고 온도는 포화온도에서 머물게 된다. 이 상태에서는 수분과 증기가 공존해 있으므로 습증기라고 하며, 다시 이것을 가열해서 완전히 증발시키게 되면 수분이 전혀 없는 증기로 되는데 이것을 건조 포화증기라 한다.(이 양자를 합쳐 포화증기라고 부른다.) 습증기 1kg속에 xkg의 건조 포화증기가 포함되어 (1-x)kg이 물일 경우 x를 그 증기의 건조도, (1-x)를 습도라 한다. 건조 포화증기를 다시 더 가열하면 온도는 포화온도를 넘어서 올라가게 된다. 포화온도 이상으로 가열된 증기를 과열증기(super heated steam)라 하고 포화온도와 과열증기 온도와의 차를 과열도라 한다.

또 과열증기 온도가 높아지면 압력도 높아지게 되어 임계점에 도달하게 되며 이때의 온도와 압력을 각각 임계온도, 임계압력이라 한다. 즉 임계점의 온도는 374.15℃이고 압력은 225.65kg/㎠이다. 일반적으로 임계압력 이상을 초임계압 (supercritical pressure)이라고 부른다. 임계압 이상의 영역에서는 임계점을 지나는 등온선이 물과 증기와의 경계를 가르키고 가열로 임계점에 달한 물은 용적의 변화 없이, 곧 증발과정을 거치지 않고 바로 물로부터 증기로 바뀌게 된다.

따라서 종래에도 내연기관을 이용한 발전시스템이 있었으나 이는 내연기관의 구동력을 이용하여 전기를 얻고 엔진에서 덥혀진 냉각수를 배기가스의 높은 열로 열교환 시킴으로 냉각수를 80℃정도로 가열하여 보일러로 활용하는 정도로서 생산되는 전기량에 비해 연료 및 에너지 소비량이 커서 경제적인 열효율이 저조하였던 결점이 있었다.

본 발명은 내연기관의 구동력과 고온고압의 배기가스에 의해 발전기를 구동시켜 전기를 얻을 수 있도록 하고, 내연기관의 냉각수조에서 가온된 물을 상기 가스터빈을 구동시킨 배기가스의 열교환 파이프 및 전열히팅부에 의한 효율적인 열교환장치에 의해 가열된 포화수를 증발기와 과열기에서 과열증기로 변환시켜 1차 증기터빈을 구동시키고,

재차 압축기, 2중 역지밸브, 과열기를 통과시켜 2차 및 3차 증기터빈을 순차적으로 구동시켜 전기를 얻도록 하며 전기를 다 얻고 난 고온의 증기를 복수기, 급수펌프를 통해 고온수 저장탱크로 이동 후 각각의 용도로 고온수를 공급되도록 된 것으로 이를 첨부도면에 의거 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 전체공정흐름도.

도2는 본 발명의 압축기와 과열기 단면 예시도.

도3은 본 발명의 배기가스 열교환파이프 사시도.

[도면의 중요한 부분에 대한 부호의 설명]

1:내연기관, 2:내연기관용 발전기, 3:배기구, 4:배기관,

5:가스터빈, 6:가스터빈용 발전기, 7:열교환실,

8:전열히팅부, 9:히터, 10:실리콘열매유, 11:예열실,

12:냉각수 급수펌프, 13:가압펌프, 14:급수구,

15:배수구, 16:배수관, 17:증발기, 18,18a,18b:과열기,

19,19a,19b:증기터빈, 20,20a,20b:증기터빈용 발전기,

21,21a:압축기, 22:가열기, 23:역지밸브, 24:복수기,

25:급수펌프, 26:고온수 저장탱크, 27:배기가스의 열교환 파이프,

28:가지관, 29:급수관, 30:투입관.

첨부도면 중 도1은 본 발명의 전체 공정흐름도로서, 도시가스, LPGG 등을 연료로 하는 가스엔진 및 정유, 경유, A중유 등을 연료로 하는 디젤엔진 등으로 된 내연기관(1)을 구성함에 있어서,

내연기관(1)의 구동축과 발전기(2)축을 일체로 하여 전기를 얻도록 하는 것과, 고온고압의 배기가스를 배출하는 배기구(3)와 연통된 배기관(4)을 가스터빈(5)에 연결하여 가스터빈 발전기(6)를 구동시켜 전기를 얻도록 하는 것을 구비한 내연기관부를 구성하였다.

냉각수조의 배수구(15)와 배수관(28)으로 연통된 열교환실(7) 내에는 가스터빈(5)을 구동시킨 배기가스가 통과되도록 가지관(28)을 다단식으로 연결한 열교환파이프(27)와 각 열교환파이프(27) 사이에 히터(9) 외주에 실리콘열매유(10)가 충진된 전열히팅부(8)가 설치되어 있고 열교환실(7)을 경유한 배기가스는 예열실(11)을 통과한 후 대기로 방출되도록 되어 있으며 예열실(11) 내에는 냉각수 급수펌프 (12)에서 급수된 냉각수는 30℃∼70℃정도로 예열되고 가압펌프(13)에 의해 내연기관(1)의 급수구(14)를 통해 냉각수조 내로 유입되도록 되어있다. 상기 열교환실(7)에서 교환된 물은 약 100℃정도로 가열되어 포화온도에 도달하게 되어 포화수가 되며 이때 온도는 더 이상 상승치 않고 증발직전 상태가 된다.

이러한 포화수는 증발기(17)로 유입되어 일부는 가열기(22)와 압축기(21) (21a)로 들어가 압축증기가 형성되게 되며, 남은 일부는 과열기(18)를 경유하게 됨에 따라 과열증기가 되면서 초임계압까지 상승하므로 이때 1차 증기터빈(19) 및 발전기(20)를 구동시켜 전기를 얻는 것이다.

상기한 과열기(18)의 사이에는 열교환실(1)에서와 같이 전열히팅부(8)를 설치하여 순차적으로 임계온도 이상 상승시킬 수 있도록 하였고, 또한 증발기(17) 내로 유입된 포화수는 가열기(22)에서 포화증기화 된 것과 1차 증기터빈(19)을 통과한 추기증기를 압축기(21)(21a)로 보내 약 45℃정도 경사진 투입관(30)으로 포화증기를 투입시키면 밴추리관의 원리에 의해 포화증기의 압축 및 이송속도를 증가시키면서 고압축 증기화 하되, 한 압축기(21)는 1차 증기터빈(19)을 통과할 때의 압력보다 약간 떨어진 증기상태를 재압축하면서 상기 고압축 증기와 함께 과열기(18a)로 보내 초임계압까지 상승시키는데 이때 과열기(18a)와 압축기(21) 사이에 2중 역지밸브(23)가 장치되어 있어 초임계압 상승시 팽창된 압력이 역으로 흐르는 것을 차단하여 주므로 2차 증기터빈(19a)측으로만 이동하여 2차 증기터빈(19a)과 발전기 (20a)를 구동시켜 전기를 얻을 수 있으며 이때도 과열기(18a) 간에 전열히팅부(8)를 장치하였다.

다른 압축기(21)로 보내진 포화증기는 2차 증기터빈(19a)을 경유한 포화증기 및 추기증기와 함께 과열기(18b)에 공급시켜 초임계압까지 상승시키므로 3차 증기터빈(19b)과 발전기(20b)를 구동시켜 전기를 얻도록 되어있다. 또한 3차 증기터빈 (19b)을 통과한 포화증기는 복수기(24)에서 복수된 후 부족한 물을 급수펌프(25)에 의해 공급받은 후 고온의 열수는 고온수 저장탱크(26)로 유입되어 고온수가 필요로 하는 곳으로 공급되게 하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 내연기관의 구동력과 배출가스를 이용한 발전기 및 가스터빈을 구동시켜 전기를 얻고 내연기관의 냉각수조에서 가온된 물을 가스터빈을 경유한 배출가스의 열교환파이프와 전열히팅부에 의하여 포화온도로 상승케한 후 증발기와 과열기에서 초임계압까지 상승시킨 과열증기로 1차 증기터빈과 발전기를 구동시켜 전기를 얻을 수 있도록 하며, 1차 증기터빈을 경유하고 증발기, 가열기를 통과한 포화증기를 압축기, 역지밸브, 과열기를 통과케 하여 2차, 3차 증기터빈과 발전기를 구동시키므로 재차 전기를 다단계 얻을 수 있도록 함과 아울러 전기를 얻고 난 고온의 포화증기를 복수기, 급수펌프를 거쳐 고온수 저장탱크로 집합한 후 요구하는 곳으로 고온수를 공급케 하는 것을 특징으로 한 것이다.

따라서 본 발명의 궁극적인 목적은 포화증기를 냉각시키지 않은 상태에서 과열되게 한 리싸이클이 가능케 하므로 과거에 버려왔던 에너지원들을 거의 낭비 없이 재활용하여 에너지효율을 극대화한 다단계 복합발전시스템을 제공함에 있다.

Claims (2)

1. 내연기관을 구동시켜 전기를 얻고 내연기관의 냉각수조에서 배출되는 물을 배기가스로서 가온시켜 온수를 얻을 수 있도록 된 발전시스템에 있어서,

   내연기관(1)의 배기가스를 활용하여 가스터빈(5)과 발전기(6)를 구동시켜 전기를 얻을 수 있도록 한 것과,

   냉각수조에서 가온된 물을 열교환실(7)로 유입시켜 배기가스의 열교환 파이프(27)와 전열히팅부(8)에 의해 포화온도로 상승시키는 구조와,

   포화수를 증발기(17), 과열기(18)를 통하여 1차 증기터빈(19)과 발전기(20)를 구동시키고, 1차 증기터빈(19)을 경유한 포화증기와 증발기(17), 가열기(22)를 거친 포화증기가 함께 역지밸브(23), 과열기(18a)(18b)를 통해 2차,3차 증기터빈 (19a)(19b)과 발전기(20a)(20b)를 구동시켜 전기를 얻도록 한 것과,

   3차 증기터빈(19b)을 경유한 포화증기를 복수기(24), 급수펌프(25)를 통해 고온수저장탱크(26)에 집합한 후 필요한 곳으로 고온수를 공급시켜주는 것을 각각 구비함을 특징으로 한 열병합 다단계 복합발전시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   열교환실(7) 내에 장치된 전열히팅부(8)와 배기가스의 열교환파이프(27) 구성하되,

   전열히팅부(8)는 히터(9) 외주에 열전도가 높은 실리콘열매유(10)를 충진시켜 온수와의 접촉면적을 넓게 하고, 전열히팅부(8) 사이에 다수의 관을 교호하게 하여 다단식으로 구성하므로 배기가스의 체류통과 시간과 온수와의 접촉면적을 증가시킴을 특징으로 한 열병합 다단계 복합발전시스템.