KR200481785Y1 - 증기압과 응축열을 동시에 활용한 소형복합발전장치 - Google Patents

증기압과 응축열을 동시에 활용한 소형복합발전장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치에 관한 것으로, 발전전력 300kW 이하의 소규모 플랜트에서 증기의 이용 효율을 높이고, 전기에너지 절감 및 재생에너지를 활용한 전력판매, CO2 감축을 목적으로 고안한 증기압력과 응축열을 동시에 이용한 소형복합발전장치이다.
본 고안의 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치는 스크루형 공기압축장치에서 이용되고 있는 저가의 오일인젝션타입의 에어앤드를 개조한 기술을 토대로 압축과정과 반하는 팽창과정을 이용하는 기술로써, 저압 소량의 압축기체 팽창력으로도 회전동력을 얻을 수 있다. 증기의 공급압력이 배출압력까지 팽창하는 과정에서 압력차에 의해 회전동력이 발생하고, 발생된 동력이 발전기축에 전달되어 전력이 생산 되도록 한 것과 동시에 배출증기의 응축열이 지니고 있는 열에너지를 활용한 유기랭킹사이클을 이용한 전력생산을 하나의 발전장치로 고안한 것이다.
이를 위하여 본 고안은 오일인젝션타입의 에어앤드를 개조한 스크루형팽창기와 발전기, 증기의 유량과 압력을 조절하는 증기유량제어밸브, 용매를 증발시키는 증발기와 팽창 후 용매를 응축시키기 위한 응축기, 용매순환용 펌프, 종합컨트롤러로 구성되고, 증기 공급압력과 배출압력의 압력차에 의한 회전동력과 응축열에 의한 유기랭킹사이클 동력에 의해 회전동력이 발생하고, 발생된 각각의 회전동력이 각각의 발전기에 전달되어 전력을 생산하는 것에 특징이 있다.

Description

증기압과 응축열을 동시에 활용한 소형복합발전장치{Multiple small power generation equipment utilizing vapor pressure and condensation heat at the same time}
본 고안은 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공기압축기 에어앤드의 오일 인젝션타입에서 증기가 통과하고 암수 스크루형로터가 회전하는 공간과 로터를 지지하는 베어링과 실이 구성되는 두 공간을 가려막아 증기와 오일이 섞이지 않도록 후레임 주물 및 기계가공으로 자체 개조제작한 스크루형팽창기에 공급되는 증기 공급압력이 배출압력까지 팽창하는 과정에서 압력차가 발생하고, 그 압력차에 의해 회전동력이 발생하며, 발생된 회전동력이 발전기축에 전달되어 전력이 생산 되도록 한 것과, 배출증기의 응축열이 지니고 있는 열에너지를 이용하여 용매를 증발시키고, 상기와 같이 자체 개조 제작한 스크루형팽창기를 별도로 이용한 유기랭킹사이클 발전장치를 하나의 틀에 구성한 발전장치로서 동시에 전력이 생산되도록 한 것이다. 또한, 공급배관 측과 배출배관 측에 증기유량제어밸브를 장착하여 증기의 압력과 유량을 조절하여 증기의 압력과 유량에 맞는 전력을 생산하며, 배출되는 응축열에너지를 이용하여 추가로 전력을 생산하므로, 증기의 이용효율을 높이며, 궁극적으로는 발전장치의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치에 관한 것이다.
근래에 들어 산업이 급속도로 발전하면서 전력 소비량이 급증하고, 삶의 질 이 향상되어 가정에서의 전력소비 또한 급증하고 있다, 따라서 정부의 신재생에너지 보급 활성화 정책과 함께 전력을 생산하는 방식이 다양해지면서, 각 종 쓰레기소각 처리장의 소각열을 이용하거나, 팰렛, 우드칩 등을 연소하여 얻어지는 연소열, 산업 현장의 여열을 활용한 보일러에서 다량의 증기가 발생되고, 증기를 이용한 증기 발 전 장치가 사용되고 있다.
종래에도 이러한 증기를 이용하여 전기를 생산하는 발전장치가 안출된 바 있으나, 300kW급 이하는 보급이 어려웠으며, 특히 저가의 오일인젝션 형식의 에어앤드를 팽창기로 이용한 사례가 없으며, 종래에 증기를 이용하여 전력을 생산하는 발전장치는 중, 대형이 주류를 이루어, 설비가격이 높고, 고압 다량의 증기가 필요하다는 단점이 있으며, 또한 저압의 포화증기 상태에서는 물방울에 의한 터빈의 고장이 빈번히 발생하고, 이로 인해 고온 고압의 과열증기를 이용하므로 전문 인력을 필요로 했으며, 동시에 응축열을 이용한 효과적인 발전장치가 없었다.
본 고안의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 공기압축기에서 사용되는 저가의 오일인젝션타입 에어앤드에서 증기가 통과하고 암수 스크루형로터가 회전하는 공간과, 암수 스크루형로터를 지지하는 베어링과 실이 구성되는 두 공간을 가려막아 증기와 오일이 섞이지 않도록 주물 및 기계가공으로 개조 제작한 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드에 저압 소량의 포화증기를 공급하여 공급압력이 배출압력까지 팽창하는 과정에서 압력차가 발생하고, 그 압력차에 의해 회전동력이 발생하며, 발생된 동력이 발전기축에 전달되어 전력을 생산할 수 있도록 한 것과, 배출되는 배출증기의 응축열이 가지고 있는 열에너지를 이용하여 용매를 증발시키고 상기와 같이 자체 개조 제작한 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드를 이용한 유기랭킹사이클 발전방식이 추가로 이루어지게 하는 발전장치로 설비가격이 낮고 대중적인 300kW급 이하의 증기압력과 응축열을 동시에 이용한 소형복합발전장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 고안은 증기공급배관과 오일인젝션타입 에어앤드에서 증기가 통과하고 암수 스크루형 로터가 회전하는 공간과 암수 스크루형 로터를 지지하는 베어링과 실이 구성되는 두 공간을 가려막아 증기와 오일이 섞이지 않도록 주물 및 기계가공으로 자체 개조 제작한 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드와 증기배출배관을 형성하고, 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드 축과 증기압 발전기 축을 연결하고, 증기공급배관과 증기배출배관에 증기공급유량제어밸브와 증기배출유량제어밸브를 각각 형성하고, 공급압력이 배출압력까지 팽창하는 과정에서 압력차가 발생하고, 그 압력차에 의해 회전동력이 발생하며, 발생된 동력이 증기압발전 감속기를 통하여 증기압 발전기축에 전달되어 전력을 생산하고, 증기공급배관과 증기배출배관에 형성되어 있는 증기공급유량제어밸브와 증기배출유량제어밸브로 증기의 압력과 유량을 조절하여 생산되는 전력량을 조절하고, 발전장치 내의 과압력을 방지하기 위하여 증기공급유량제어밸브와 증기배출배관 사이에 비상제어밸브를 형성하도록 하며, 증기배출유량제어밸브에서 배출되는 증기는 증발기를 통과하며 잠열과 현열을 전달하고 최종 배출되도록 형성되고, 용매저장탱크의 용매를 용매순환펌프에 의해 증발기로 보내져 증발 압축되고, 압축된 증기용매는 상기와 같이 주물 및 기계가공으로 자체 개조 제작한 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드를 통과하며 팽창하고 이 과정에서 회전동력이 발생하고, 통과한 증기용매는 응축기에서 액화 응축되어 저장탱크로 순환하며, 발생된 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드의 회전동력이 응축열발전 감속기를 통하여 응축열 발전기축에 전달되어 동시에 전력을 생산하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안에 의하면, 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치는 공기압축기 에어앤드에서 저가의 오일 인젝션타입을 증기가 통과하고 암수 스크루형로터가 회전하는 공간과 로터를 지지하는 베어링과 실이 구성되는 두 공간을 차폐하여 증기와 오일이 섞이지 않도록 주물 및 기계가공으로 자체 제작하여 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드의 팽창과정을 이용함으로써 저압 소량의 압축증기 팽창력으로도 충분히 회전동력을 얻을 수 있고, 배출되는 증기의 응축열을 이용한 유기랭킹사이클로 추가 회전동력을 얻고, 발생된 회전동력으로 각각의 발전기를 회전시켜 전력을 생산하는 소형발전장치에 적용함으로써, 저압 소량의 포화증기에서 압력차와 응축열을 동시에 이용한 효율적인 복합발전기를 저가에 공급할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 고안에 따른 증기압력과 응축열을 이용한 복합발전장치의 구성도
이하 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 고안에 따른 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치의 구성도 이다.
본 고안에서 사용되어지는 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410)은 오일인젝션타입의 에어앤드를 기본으로 사용하나, 오일인젝션타입의 특성은 오일이 베어링부분과 스크루부분을 동시에 순환하는 구조로 되어 있으나, 본 고안의 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드는 증기와 오일의 혼합을 차단하기 위하여 에어앤드의 전. 후 베어링과 실이 장착되는 후레임을 주물로 재제작하고 가공하여 증기가 통과하는 스크루부분과 오일에 의하여 베어링과 실의 마모와 냉각이 이루어지는 부분을 완벽히 차단하는 구조로 된 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410)를 사용하며, 특히 실은 250도 고온용 메카니칼실을 사용하고 립실 과 같은 형태의 실로도 개조 할 수 있음을 밝혀 둔다.
본 고안은 도1에서와 같이 증기공급배관(1000)은 증기공급유량제어밸브(100) 와 연결되고, 증기공급유량제어밸브(100)는 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와 비상제어밸브( 300)와 연결되고, 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)는 증기배출유량제어밸브(200)와 연결되고, 증기배출유량제어밸브(200)와 비상제어밸브(300)는 증기배출배관(1002)에 연결되고, 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400) 축은 증기압 발전기(500) 축과 연결되며, 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400) 축과 증기압 발전기(500) 축 사이에는 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400) 회전수와 증기압 발전기(500) 회전수 비율에 따라 증기압발전 감속기(600)가 사용되어지는 형성으로 증기압력을 이용한 발전장치가 일차로 구성되며,
증기배출배관(1001)은 증발기(800)와 연결되고, 증발기(800)는 최종배출배관(1002)과 연결되어 최종배출 되며, 용매저장탱크(900)는 용매순환펌프(700)와 연결되고, 용매순환펌프(700) 는 증발기(800)와 연결되고, 증발기(800)는 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)와 연결되고, 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)는 응축기(810)와 연결되고, 응축기(810)는 용매저장탱크(900)와 연결되며, 냉각수 입구배관(1100)은 응축기(810)와 응축기(810)는 냉각수출구배관(1101)과 연결되며, 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410) 축은 응축열 발전기(510) 축과 연결되며, 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410) 축과 응축열 발전기(510) 축 사이에는 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410) 회전수와 응축열 발전기(510) 회전수 비율에 따라 응축열발전 감속기(610)가 사용되어지는 형성으로 유기랭킹사이클 발전장치가 추가로 구성된다.
상기와 같은 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치는 증기가 증기공급배관(1000)을 통하여 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)의 회전수와 연동되어 증기의 유량을 조절하는 증기공급유량제어밸브(100)를 통과하고, 증기공급유량제어밸브(100)를 통과한 증기는 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)로 유입, 팽창하며 회전력을 얻고, 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)를 통과한 증기는 최저의 압력으로 증기배출유량제어밸브(200)를 지나 증기배출배관(1001)을 통하여 증발기(800)를 통과하며 남은 잠열과 일부의 현열을 증발기(800)에 전달하며 액화되어 최종배출배관(1002)을 통하여 최종 배출되며, 용매순환펌프(700)에 의해 용매는 증발기(800)로 이송되어 증발압축 되고 증발 압축된 기상의 용매는 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)로 유입, 팽창하며 회전력을 얻고, 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)를 통과한 기상의 용매는 응축기(810)로 유입되며, 냉각수입구배관(1100)을 통하여 응축기(810)를 지나 냉각수출구배관(1101)으로 배출되는 냉각수에 의하여 응축기(810)로 유입된 기상의 용매는 액상으로 상변화 되어 용매저장탱크(900)로 이송된다. 여기에서 응축기(810)는 수냉식으로 설명하였으나, 공랭식 응축기를 사용할 수도 있음을 명시한다.
증기압력을 이용하여 회전하는 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400) 축과 연결된 증기압 발전기(500)는 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)의 회전력에 의해 작동되면서 전력을 생산하며, 유기랭킹사이클을 이용하여 회전하는 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410) 축과 연결된 응축열 발전기(510)는 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)의 회전력에 의해 작동되면서 전력을 생산하며, 증기압과 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410) 축과 응축열 발전기(500)(510) 축 사이에는 증기압과 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410) 회전수와 증기압과 응축열 발전기(500)(510) 회전수 비율에 따라 직결 되거나 또는 증기압발전 감속기(600)와 응축열발전 감속기(610)가 사용되고, 발전장치 내부압력을 조절하기 위하여 비상제어밸브(300)가 증기공급유량제어밸브(100) 와 증기배출배관(1001) 사이에 연결되어 증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치 역할을 각각 수행한다.
증기압력과 응축열을 이용한 소형복합발전장치를 정지시키면 내부 증기압력이 존재하고 증기압 발전기(500)는 부하를 잃으며 속도가 증가하게 된다. 이 때 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와 증기압 발전기(500)의 과속으로 인한 고장을 방지하기 위하여 비상제어밸브(300)가 증기공급유량제어밸브(100)와 증기배출배관(1001) 사이에 연결되어 내부압력을 배출시킴으로써 증기압 발전기(500)는 안전하게 정지한다.
상기 증기공급유량제어밸브(100)와 증기배출유량제어밸브(200)는 발전량에 필요한 적정한 증기를 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400) 회전수와 연동하여 공급하는 역할을 수행한다. 이 때 증기 공정상의 감압변 용도로 사용될 경우 증기배출유량제어밸브(200)는 장착이 되고, 발전 전용으로 사용될 경우에는 생략할 수도 있다.
상기 증기압발전 감속기(600)와 응축열발전 감속기(610)의 사용 여부는 증기압과 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410)의 회전수와 증기압과 응축열 발전기(500)(510)의 회전수 비에 따라 결정되어진다. 본 고안은 증기압발전 감속기(600)와 응축열발전 감속기(610)를 사용하는 것으로 기재하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 감속의 방법으로 밸트와 풀리를 사용할 수 있음을 밝혀둔다.
상기 비상제어밸브(300)는 비상정지운전 또는 정상정지운전 시에 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400) 내부에 걸려 있는 증기압력으로 인한 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와 증기압 발전기(500)의 과속으로 인한 고장으로부터 보호하기 위한 수단으로 비상정지운전 또는 정상정지운전 시 개방하여 증기압력을 즉시 일정시간 배출하는 역할을 수행한다.
상기 증기압과 응축열 발전기(500)(510)의 발전방식으로는 동기발전과 유도발전 중 선택하여 채택하며, 생산된 전력은 매전하거나, 자체 소비전력 절감용으로 사용된다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
100 ; 증기공급유량제어밸브
200 ; 증기배출유량제어밸브
300 ; 비상제어밸브
400 ; 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드
410 ; 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드
500 ; 증기압 발전기 510 ; 응축열 발전기
600 ; 증기압발전 감속기 610 ; 응축열발전 감속기
700 ; 용매순환펌프
800 ; 증발기 810 ; 응축기
900 ; 용매 저장탱크
1000 ; 증기공급배관 1001 ; 증기배출배관 1002 ; 증기최종배출배관
1100 ; 냉각수입구배관 1101 ; 냉각수출구배관

Claims (1)

  1. 증기압과 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410)은 증기와 오일의 혼합을 차단하기 위하여 에어앤드의 전. 후 베어링과 실이 장착되는 후레임을 주물 및 기계가공으로 제작하고, 증기가 통과하고 암수 스크루형 로터가 회전하는 공간과 암수 스크루형 로터를 지지하는 베어링과 실이 구성되는 두 공간을 가려막아 증기와 오일이 섞이지 않도록 자체 개조 제작한 증기압과 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)(410)를 사용하며; 증기공급배관(1000)과 연결되는 증기공급유량제어밸브(100)와; 상기 증기공급 유량제어밸브(100)와 연결되고 유입된 증기압력에 의하여 회전운동 하는 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와; 상기 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와 증기압발전 감속기(600)를 통하여 연결되고 회전 운동에 의해 작동되면서 전력을 생산하는 증기압 발전기 (500)와; 상기 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와 연결되고 배출증기의 압력과 유량을 조절하는 증기배출유량제어밸브(200)와; 상기 증기배출유량제어밸브(200)와 연결되는 증기배출배관(1001)을 통하여 증기가 배출되며, 증기공급유량제어밸브(100)와 증기배출배관(1001) 사이에 연결되어 증기압 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(400)와 증기압 발전기(500)의 과속으로 인한 고장을 방지하기 위한 비상제어밸브(300)와; 상기 비상제어밸브(300)와 연결되고 증기배출배관(1001)과 연결 되는 증발기(800)와; 상기 증발기(800)와 연결되어 증기응축수가 최종배출배관(1002)을 통하여 배출되며, 용매를 저장하는 용매저장탱크(900)와; 상기 용매저장탱크(900)와 연결되어 용매를 이송하는 용매순환펌프(700)와; 상기 용매순환펌프(700)와 연결되어 용매를 증발, 압축시키는 증발기(800)와; 상기 증발기(800)와 연결되어 압축용매에 의하여 회전운동 하는 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)와; 상기 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)와 연결되어 용매를 응축시키는 응축기(810)와; 응축열 스크루형 오일인젝션타입 에어앤드(410)와 응축열발전 감속기(610)를 통하여 연결되고 회전 운동에 의해 작동되면서 전력을 생산하는 응축열 발전기(510)로 구성
    됨을 특징으로 하는 증기압력과 응축열을 동시에 이용한 소형복합발전장치















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