KR20020005972A - 열원 재이용 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 배기 재연식의 열원 재이용 시스템에 대하여 배기가스와 신선공기의 혼합공급을 배기가스원인 열기관에 대한 배압(背壓)의 상승을 수반하는 일 없이, 또한 열기관으로부터의 배기가스에 있어서의 고온의 영향을 직접적으로 받는 일 없이 행할 수 있게 하는 것이다.
본 발명에서는 가스터빈(열기관)(1)으로부터의 배기가스(Ge)를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기(6)를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서, 흡기팬(흡인 승압수단)(4)을 설치하고 있다. 흡기팬은 배기가스를 신선공기(Gf)와 혼합시키면서 흡인·승압하여 연소기(6)에 공급한다. 이 때문에 배기가스와 신선공기와의 혼합공급에 있어서, 열기관에 대한 배압의 상승을 수반하는 일 없이, 또한 열기관으로부터의 고온의 배기가스의 영향을 흡기팬에 직접적으로 주는 일 없이 행할 수 있다.
Description
본 발명은 예를 들면 자립분산형 전원설비의 발전기를 구동하는 엔진이나 가스터빈 등의 열기관으로부터 배출되는 배기가스에 포함되는 열에너지를 재이용하는 열원 재이용 시스템에 관한 것으로, 특히 내부압력이 낮은 열기관을 구비할 때에 가장 적합한 열원 재이용 시스템에 관한 것이다.
배기 재연방식은 가스터빈 등의 열기관으로부터 배기되는 가스에 포함되는 열에너지를 재이용하여 연료연소용의 공기를 승온하는 방법이다. 이방식은 열에너지를 직접 재이용하는 경우와 비교하여 재이용 효율이 2배 이상으로도 되어 에너지절약의 면에서 바람직하다. 종래의 배기 재연방식의 예가, 일본국 특개평9-236201호 공보에 나타나 있다. 이 공보의 도 2에서는 배기가스이용을 위해 연소기를 설치하여 발전기 등의 구동원인 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 연소기에서 연소용 공기를 승온하는 데 이용하고 있다. 이에 의하여 배기가스에 포함되어 있는열에너지를 재이용하고 있다. 배기가스를 재이용하는 경우, 배기가스의 산소함유량은 예를 들면 13 내지 15% 정도이므로 통상의 공기에 포함되는 산소량보다도 낮다. 그 때문에 배기가스와 함께 신선한 공기도 연소기에 보내줄 필요가 생긴다. 따라서 상기 공보에서는 압입 통풍기를 사용하여 신선공기를 승압하고 이 승압된 신선공기를 배기가스와 혼합시켜 연소기에 보내주고 있다.
이 배기 재연식 열원 재이용 시스템에 있어서는, 압입 통풍기로 신선공기를 승압하기 때문에 배기가스원인 열기관의 배압이 상승하는 단점이 생긴다. 압입 통풍기로 승압하였기 때문에 생긴 열기관의 배압의 상승은, 열기관의 내부압력이 충분히 높은 때에는 그다지 악영향을 주지 않는다. 그러나 비교적 소형의 자가용 발전설비 등에 사용되는, 예를 들면 출력 300 kw 이하의 가스터빈에서는 내부압력은 통상의 압입 통풍기의 승압능력에 비하여 매우 낮다. 그 때문에 압입 통풍기가 열기관의 배압을 상승시키면 열기관의 효율이 저하할 염려가 생긴다.
따라서 이 단점을 해소하기 위하여 일본국 특개평10-196933호 공보에 기재된 컴바인드사이클에서는 열기관으로부터의 배기가스를 팬으로 압송하고 있다. 그러나 이 공보에 기재된 압송팬은 열기관으로부터 배기되는 수백 ℃까지도 이르는 배기가스에 직접 노출되기 때문에 신뢰성의 확보가 어렵다.
본 발명은 상기 종래기술의 단점을 감안하여 이루어진 것으로, 배기 재연식열원 재이용 시스템에 있어서, 배기가스와 신선공기와의 혼합가스를 배기가스원인 열기관에 배압을 상승시키는 일 없이 공급하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 관한 열원 재이용 시스템의 일 실시예의 시스템 플로우도,
도 2 내지 도 4는 다른 실시예에 관한 시스템 플로우도이다.
상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 1 특징은, 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서, 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 신선공기와 혼합시키면서 흡인함과 동시에 배기가스와 신선공기와의 혼합기체를 승압하여 연소기에 공급하는 흡인승압수단을 설치한 것이다.
그리고 이 특징에 있어서, 배기가스와 신선공기와의 혼합비율을 조절하는 조절용 댐퍼를 흡인승압수단의 상류측에 설치하거나, 흡인승압수단을 연소기에 근접시켜 설치하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 특징은, 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서, 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 2계통으로 분기하는 분기관로를 설치하고, 한쪽의 관로에는 이 관로에 신선공기를 도입하는 수단을 접속하고, 이 관로에 유도된 신선공기와 배기가스가 혼합된 후에 혼합기체를 승압하여 연소기에 공급하는 흡인승압수단을 설치하고, 다른쪽의 관로는 열기관으로부터 배출된 배기가스를 직접 연소기에 유도하도록 한 것이다.
그리고 배기가스를 2계통으로 분기하는 분기부의 상류측에 열기관으로부터 배출되는 배기가스가 상기 연소기에 유입하는 것을 저지하는 댐퍼수단을 설치하거나, 열기관은 마이크로 가스터빈인 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 특징은 마이크로 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서, 마이크로 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스를 연소기에 유도하는 관로와, 가스터빈로으로부터 배출되는 배기가스에 신선공기를 공급하여 혼합하는 공급수단과, 혼합된 배기가스를 승압하는 팬수단과, 연소기에 유도된 혼합가스와 연료가 연소반응하여 발생한 열에 의해 유체를 가열하는 보일러와, 이 보일러에서 가열된 유체를 가열원으로 하는 흡수식 냉온수기를 구비하는 것이다.
그리고 이 특징에 있어서, 신선공기공급수단은 관로로부터 분기된 제 2 관로와, 이 제 2 관로에 개재시킨 외기흡입량 조정댐퍼를 구비하고, 팬수단의 흡입측에 근접하여 유량제어댐퍼를 설치하는 것이 바람직하다. 또 마이크로 가스터빈과 신선공기의 공급수단과의 사이의 관로에 연소기에 공급하는 배기가스의 양을 제어하는 외기흡입량 조정댐퍼를 설치하여도 좋다.
이하, 본 발명의 몇가지 실시예에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 관한 열원 재이용 시스템의 일 실시예의 플로우도이다. 본 시스템에서는 예를 들면 자가용 발전설비에 사용되는 자립분산형 전원설비로부터 배출되는 배기가스를 재이용하고 있다. 배기가스원이 되는 발전설비는, 발전기(1)와, 이것을 구동하는 열기관인 가스터빈(1)을 구비하고 있다. 열원 재이용 시스템의 주요부는 가스터빈(1)에 접속된 제 1 배기덕트(2), 이 배기덕트(2)에 한쪽 끝이 접속된 제 1 기체도입로(3), 기체도입로(3)의 다른쪽 끝에 접속된 흡인 승압수단인 흡기팬 (4), 흡기팬(4)에 한쪽 끝이 접속된 제 2 기체도입로(5), 이 기체도입로(5)에 접속된 연소기(6), 연소기(6)에 접속된 열교환기인 보일러(7) 및 이 보일러(7)에 접속된 제 2 배기덕트(8)를 구비하고 있다.
제 1 배기덕트(2)를 거쳐 배출되는 가스터빈(1)으로부터의 배기가스(Ge)는 흡기팬(4)의 흡인력에 의해 제 1 기체도입로(3)에 유도된다. 그 때에 제 1 배기덕트(2)의 대기측에의 개방단으로부터 신선공기(Gf)도 흡인 및 급기되어 배기가스 (Ge)와 혼합된다. 이 때 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스(Ge)는 대기압보다도 높은 압력이므로 흡기팬(4)은 배기가스(Ge)를 우선적으로 흡인한다. 그리고 흡기팬(4)의 흡인능력이 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스의 배기량을 초과하는 분만큼 신선공기(Gf)가 흡인된다. 따라서 배기가스(Ge)와 신선공기(Gf)의 혼합비율은 흡기팬(4)의 흡인용량에 따라 결정된다.
그런데 흡기팬(4)의 흡인용량은 흡기팬(4)에 근접시켜 제 1 기체도입로(3)에 설치한 유량제어댐퍼(9)의 개방도를 바꿈으로써 조절가능하다. 또 흡기팬(4)의 회전속도를 바꾸어도 조절할 수 있다. 구성이 간단하게 되기 때문에 통상은 유량제어댐퍼(9)를 사용한다. 흡기팬(4)이 실제로 필요로 하는 흡인용량은 연소기(6)에서 필요로 하는 공기량으로부터 결정된다. 따라서 연소기(6)의 사양에 따라 요구되는 공기량(산소량)을 공급할 수 있도록 흡기팬(4)의 흡인용량을 고정적으로 설정한다. 이에 의하여 배기가스(Ge)와 신선공기(Gf)의 혼합비율도 고정적으로 결정된다.
유량제어댐퍼(9)는 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스량에 따라 제어된다. 즉 감시수단(16)으로부터 제어수단(12)에 입력된 가스터빈의 배기가스의 정보에 의거하여 제어수단(12)이 유량제어댐퍼(9)의 개방도를 제어한다.
배기가스(Ge)와 신선공기(Gf)의 혼합기체는, 흡기팬(4)에 의해 소정의 압력 이상으로 승압되어 제 2 기체도입로(5)를 거쳐 연소기(6)에 공급된다. 여기서 소정압력은 연소기(6)의 사양에 따라 결정된다. 연소기(6)에는 연료공급관(11)을 거쳐 가스나 기름 등의 연료(F)가 공급되고, 이 공급된 연료(F)를 혼합기체와 혼합시켜 연소시킨다. 연소기(6)로부터 배출되는 배기가스는, 제 2 배기덕트(8)로부터 최종적으로 대기중으로 방출된다. 이 연소에서 발생하는 열에너지는 보일러(7)의 열원으로서 이용된다. 그리고 보일러(7)에서 발생한 열은, 예를 들면 증기나 온수로서 그대로 사용되거나, 흡수식 냉온수기(15)의 냉매를 재생하기 위하여 흡수냉온수기(15)가 구비하는 고온재생기의 가열원으로서 사용된다.
본 실시예의 열원 재이용 시스템에서는 상기한 바와 같이 흡기팬(4)이 가스터빈(1)으로부터의 배기가스를 흡인 및 승압하여 연소기(6)에 공급하고 있다. 그 결과, 혼합기체를 승압시켜 연소기(6)에 공급할 때에 가스터빈(1)의 배압을 상승시킬 염려가 없다. 따라서 가스터빈(1)이 예를 들면 300 kw 이하의 출력레벨의 이른바 마이크로 가스터빈으로서, 그 내부압력이 매우 낮은 경우이더라도 가스터빈(1)의 효율을 저하시키는 일 없이 가스터빈으로부터의 배기열을 유효하게 이용할 수 있다.
또 본 실시예에서는 배기가스를 신선공기와 혼합시킨 후에 흡기팬(4)으로 흡인 및 승압하고 있다. 이 때문에 흡기팬(4)을 통과하는 기체의 온도는 대기중으로부터 끌어 들인 신선공기와 배기가스와의 혼합비율에 따라 저하한다. 통상의 사용상태인 신선공기의 혼합비율을 50% 이상으로 하면, 배기가스의 온도가 300℃ 정도이더라도 흡기팬(4)을 통과하는 혼합기체의 온도를 150℃ 이하로 할 수 있다. 그 때문에 종래예에서 나타낸 배기가스만을 팬으로 흡인하여 300℃정도의 고온의 기체를 그대로 팬으로 유도하는 것에 비하여 팬의 열화를 저감할 수 있다. 즉 흡기팬 (4)의 각 부재를 그다지 내열성이 풍부하지 않은 재료로 구성하는 것이 가능하게 되어 저비용화가 가능하게 된다.
본 발명의 다른 실시예를 도 2에 나타낸다. 본 실시예에서는 상기 도 1에 나타낸 실시예와 달리 제 1 배기덕트(2)에 외기흡입량 조정댐퍼(21)를, 제 1 기체도입로(3)에 차단용 댐퍼(21)를 각각 설치하여 차단용 댐퍼(22)로부터 하류측에는 외기흡입량 조정댐퍼(23) 부착의 보조 외기도입구(24)를 분기하여 설치하고 있다. 본 실시예에서는 제 1 배기덕트(2)에 외기흡입량 조정댐퍼(21)를 설치하였기 때문에 외기흡입량 조정댐퍼(21)를 사용하여 배기가스(Ge)와 신선공기(Gf)의 혼합비율을 조절할 수 있다. 즉 제어장치(12)는 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스의 정보에 의거하여 연소기(6)에 필요한 공기량을 연산하여 외기흡입량 조정댐퍼(21, 23) 및 유량제어댐퍼(9)의 개방도를 제어한다.
구체적으로는 외기흡입량 조정댐퍼(21)를 제어하여 신선공기(Gf)의 흡입저항을 조절한다. 이에 의하여 신선공기(Gf)의 흡입량이 변화하여 배기가스(Ge)와 신선공기(Gf)의 혼합비율이 변화된다. 외기흡입량 조정댐퍼(21)를 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스(Ge)의 상태에 따라 제어한다. 배기가스(Ge)의 상태에 관한 정보는 가스터빈(1)의 제어장치(13)로부터 얻어진다. 또한 전용의 배기가스감시수단(16)을 설치하여 이 감시수단(16)으로부터의 정보에 의거하여 외기흡입량 조정댐퍼(21)를 제어하도록 하여도 좋다.
조절기능을 설치함으로써, 가스터빈(1)의 운전상태가 변화되어도 안정적으로 연소기(6)를 가동시킬 수 있다. 또 가스터빈(1)으로부터의 배기가스(Ge)에 포함되는 산소량에 따라 신선공기(Gf)의 혼합량을 필요 최소한으로 할 수 있기 때문에 배기가스의 이용효율이 높아진다.
도 2에 있어서 차단용 댐퍼(22)는 무엇인가의 이유에 의해 배기가스(Ge)의 흡인을 정지할 필요가 있는 경우에 작동한다. 배기가스(Ge)의 흡인을 정지한 상태에서 연소기(6)를 가동시키는 경우에는 보조 외기도입구(24)로부터 신선공기(Gf)만을 흡인하여 연소기(6)에 공급한다. 이 경우 외기흡입량 조정댐퍼(23)가 연소기 (6)로부터의 요구에 따라 신선공기(Gf)의 흡입량을 조절한다. 이 구성에 의하면 가스터빈(1)의 운전상태가 변동하여도 열원 재이용 시스템의 주요부를 안정되게 가동할 수 있다.
도 3에 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예가 도 2에 나타낸 실시예와 다른 것은 흡기팬(4)을 연소기(6)에 직결한 데에 있다. 이에 의하여 제 2 기체도입로(5)를 생략할 수 있어 시스템 전체를 소형화할 수 있다.
도 4에 본 발명의더 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예가 도 3에 나타내는 실시예와 서로 다른 점은, 가스터빈(1)의 배기덕트(2)로부터 분기된 제 1 기체도입로(3)의 도중에 분기부(31)를 설치하고, 이 분기부로부터 연소기(6)에 가스터빈의 배기를 직접 유도하는 제 3 기체도입로(32)를 설치한 데에 있다. 배기열이용시에는 제 1 기체도입로(3)에 설치한 외기흡입량 조정댐퍼(22)를 개방하고, 제 1배기덕트(2)에 설치한 외기흡입량 조정댐퍼(21)를 폐쇄한다. 가스터빈(1)으로부터 배출된 배기가스(Ge)는 제 1 배기덕트(2)를 거쳐 제 1 기체도입로(3) 및 이 제 1 기체도입로(3)의 도중에 설치한 분기부(31)로부터 분기된 제 3 기체도입로(32)로 분기되어 흐른다.
연소기(6)에는 연료공급배관(11)을 거쳐 가스나 석유 등의 연료(F)가 공급되고 있다. 이 연료의 연소에 필요한 공기량은 유량제어댐퍼(9)로 조절되어 연소기 (6)에 공급된다. 제 1 기체도입로(3)를 통과하는 배기가스량은 연소기(6)에서 필요하게 되는 공기량으로부터 결정된다. 분기부(31)로부터 상류의 제 1 기체도입로를 통과한 배기가스 중에서 연소기(6)에서 필요한 공기량을 포함하는 배기가스의 나머지는 제 3 기체도입로(32)로부터 직접 연소기(6)에 유도된다.
가스터빈(1)으로 발전만 행하고, 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스를 재이용하지 않을 때는 제 1 배기덕트(2)에 설치한 외기유입량 조정댐퍼(21)를 개방하고, 제 1 기체도입로(3)에 설치한 차단댐퍼(21)를 폐쇄한다. 그리고 가스터빈 (1)으로부터 배출되는 배기가스(Ge)를 제 1 배기덕트(2)로부터 대기에 방출한다. 이 경우 차단댐퍼(21)를 완전 폐쇄로 하여도 가스터빈(1)으로부터 배출되는 배기가스가 연소기(6)측에 약간 누출될 염려가 있다. 배기가스가 누출되면 보일러(7)가 이상으로 가열되거나, 보일러(7)의 전열면에서 결로되어 부식을 일으킬 염려가 있다. 따라서 이 단점을 회피하기 위하여 가스터빈(1)을 운전하고 있을 때는 흡기팬 (4)을 항상 운전한다. 흡기팬(4)이 운전되면 보조 외기도입구(24)로부터 신선공기 (Gf)가 보일러(7)에 공급된다. 그 결과 제 1 기체도입로(3) 내부의 배기가스의 비율이 감소하거나, 신선공기가 과잉인 상태가 된다. 따라서 제 1 기체도입로(3)에 있어서의 온도상승과 결로를 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 신선공기와 혼합시키면서 흡인하여 승압하는 흡인승압수단을 설치하였기 때문에 배기가스와 신선공기를 혼합하여 공급하여도 배기가스원인 열기관에 대한 배압을 상승시키는 일이 없다. 또 열기관으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 신선공기로 온도저하시킴으로 흡인승압수단의 온도에 의한 열화를 저감할 수 있다. 이 때문에 내부압력이 낮은 열기관, 예를 들면 이른바 마이크로 가스터빈이라 불리우는 열기관을 사용하여도 효율을 저하시키는 일 없이 배기가스를 높은 효율로 재이용할 수 있다.
Claims (9)
- 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서,열기관으로부터 배출되는 배기가스를 신선공기와 혼합시키면서 흡인함과 동시에 배기가스와 신선공기와의 혼합기체를 승압하여 연소기에 공급하는 흡인승압수단을 설치한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 제 1항에 있어서,배기가스와 신선공기와의 혼합비율을 조절하는 조절용 댐퍼를 흡인승압수단의 상류측에 설치한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 흡인승압수단을 상기 연소기에 근접시켜 설치한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서,상기 열기관으로부터 배출되는 배기가스를 2계통으로 분기하는 분기관로를 설치하고, 한쪽의 관로에는 이 관로에 신선공기를 유도하는 수단을 접속하고, 이관로에 유도된 신선공기와 배기가스가 혼합된 후에 혼합기체를 승압하여 연소기에 공급하는 흡인승압수단을 설치하고, 다른쪽의 관로는 상기 열기관으로부터 배출된 배기가스를 직접 연소기에 유도하도록 한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 제 4항에 있어서,배기가스를 2계통으로 분기하는 분기부의 상류측에 열기관으로부터 배출되는 배기가스가 상기 연소기에 유입하는 것을 저지하는 댐퍼수단을 설치한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 제 4항에 있어서,상기 열기관은 마이크로 가스터빈인 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 마이크로 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스를 연소용 공기의 승온에 이용하는 연소기를 구비한 열원 재이용 시스템에 있어서,상기 마이크로 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스를 연소기에 유도하는 관로와;상기 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스에 신선공기를 공급하여 혼합하는 공급수단과;혼합된 배기가스를 승압하는 팬수단과;상기 연소기에 유도된 혼합가스와 연료가 연소반응하여 발생한 열에 의해 유체를 가열하는 보일러와;상기 보일러에서 가열된 유체를 가열원으로 하는 흡수식 냉온수기를 구비한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 제 7항에 있어서,상기 신선공기공급수단은 관로로부터 분기된 제 2 관로와, 이 제 2 관로에 개재시킨 외기흡입량 조정댐퍼를 구비하고, 팬수단의 흡입측에 근접하여 유량제어댐퍼를 설치한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
- 제 7항에 있어서,상기 마이크로 가스터빈과 상기 신선공기의 공급수단과의 사이의 관로에 상기 연소기에 공급하는 배기가스의 양을 제어하는 외기흡입량 조정댐퍼를 설치한 것을 특징으로 하는 열원 재이용 시스템.
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