KR20090064853A - 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비 - Google Patents

연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비에 관한 것이다.
본 발명은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 변압기를 통하여 전력계통이나 기동장치에 공급하는 인버터와; 상기 연료전지에서 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지; 및 상기 연료전지로부터 변압기를 통하여 공급받는 전기로 가스터빈을 초기 기동하는 기동장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비를 제공한다.
본 발명에 의하면 전력계통이나 별도의 비상발전기 전력의 초기 공급이 없더라도 연료전지에 연결된 자체 동력으로 가스터빈 복합 발전 설비의 초기 기동이 가능하며, 연료전지에서 발생된 폐열도 보일러로 회수할 수 있게 되어, 복합 발전 설비의 투자비 감소와 에너지 수급 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
복합 발전 설비, 기동장치, 연료전지, 가스터빈, 전력 계통

Description

연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비{The Power Plant System Combined with Self-Starting Gas Turbine using The Fuel Cell}
본 발명은 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전력계통이나 별도의 비상발전기 전력의 초기 공급이 없더라도 연료전지에 연결된 자체 동력으로 가스터빈 복합 발전 설비의 기동이 가능하며, 연료전지에서 발생된 폐열도 쉽게 보일러로 회수할 수 있게 함으로써, 가스터빈의 초기 기동을 위한 별도의 설비가 필요 없어 복합 발전 설비의 투자비를 감소시킬 수 있고, 동시에 연료전지의 폐열을 이용하여 에너지 수급 효율도 높일 수 있는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비에 관한 것이다.
일반적으로 화력 발전은 석탄, 석유, 가스 등의 화석 연료를 연소시켜서 얻는 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 이를 다시 전기 에너지로 변환하는 방식의 발전을 말한다.
화력 발전 방식으로는 연료를 연소시켜 발생한 열로 물을 가열하여 증기로 만든 후 이 증기를 이용하여 발전기와 연결된 증기 터빈을 구동시키는 발전 방식과, 디젤 기관 등의 내연 기관을 이용하여 발전기를 구동시키는 발전 방식 및 가스 터빈을 원동기로 사용하는 발전 방식 등이 있다.
이러한 화력 발전소의 터빈 설비는 작동 증기나 가스를 이용한 열역학적 싸이클에서 작동 매체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환하여 발전기를 회전시킴으로써 전기를 생성하는 장치로서, 발전소에서는 주로 증기 터빈과 가스 터빈 등이 사용된다.
증기 터빈은 고압 증기가 가진 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관을 말하며, 작동 원리는 보일러에서 만들어진 고온 고압의 증기를 노즐이나 고정 날개에서 분출 팽창시킴으로써 증기 흐름을 가속시켜, 회전 날개에 부딪치도록 하면 그 반동으로 회전 날개가 회전하며 발생되는 회전력을 궁극적으로 전기적 에너지로 변환하게 된다.
가스 터빈은 증기 대신에 연소 가스를 이용하게 되는데, 연료의 연소 가스를 이용하여 전기를 생산하는 발전설비로 초기 기동을 위해서는 외부로부터 별도의 전력을 공급받거나 별도의 자체기동 설비를 구비하여야만 초기 기동이 가능하게 된다.
한편, 연료전지 발전설비는 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전설비로서, 전기 화학반응에 의해 전기와 고온의 폐열이 발생하게 되는데 별도의 에너지 회수 설비를 구성해야 하므로 설비의 운영상 비효율적인 점이 많았다.
도 1은 종래의 가스터빈 복합 발전설비의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 종래의 연료전지 발전설비의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이 다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 가스터빈 복합 발전설비는 전력계통이나 비상 발전기로부터 전기를 공급받는 기동장치(110)와, 기동장치(110)에 의해 초기 기동되며 연료의 연소시 발생되는 연소가스로 구동되는 가스터빈(120)과, 증기를 발생시키는 보일러(140)와, 보일러(140)에서 발생되는 고온 고압의 증기를 작동 매체로 이용하여 구동되는 증기터빈(150)과, 가스터빈(120)이나 증기터빈(150)의 회전 구동에 의해 전기를 발생시키는 발전기(130)와, 이들 발전기(130)에서 생산된 전기의 전압을 조절하는 변압기(160) 및, 발전소 각 설비를 통하여 전기를 송전 배전하는 전력계통(190)을 포함하여 구성된다.
이러한 가스터빈 복합 발전 설비는 전력계통(190)의 전기를 공급받지 못할 경우에는 기동이 불가능하여 전력계통(190)의 안정적인 운영이 어렵다.
따라서, 초기 기동을 위해서는 외부로부터 전원을 공급받아야 하는데, 초기 기동에 필요한 용량의 별도 전원 공급장치인 비상 발전기(170) 또는 축전지(180)와 인버터(165)를 설치하거나, 압축공기 등을 이용하여 기동할 수 있는 설비를 별도로 설치해야만 한다.
또한, 안정적인 발전 설비의 운영을 위해서는 별도의 설비구성이나 전력계통의 전원공급 없이 자체설비로 초기 기동할 수 있는 새로운 발전설비가 반드시 필요한 문제점이 있었다.
한편, 연료전지 발전 설비는 수소와 산소의 전기 화학반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지(210)와, 연료전지(210)에서 생산된 직류를 교류로 변환하는 인버 터(165)와, 인버터(165)에서 교류로 변환된 전기를 변압기(160)를 거쳐 전력계통(190)이나 기동장치(110)로 송전되도록 구성된다.
이러한 연료전지 발전설비는 연료의 화학반응에 의해 고온의 폐열이 발생하므로 이를 냉각설비로 냉각하여야 하는데, 설비의 운영상 냉각으로 인한 에너지 수급 효율이 낮아져, 비효율적인 문제점이 많았다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 연료전지를 이용하여 연료전지에서 생산된 전기는 가스터빈 발전설비의 비상전력원과 자체 기동전력원으로 사용할 수 있게 하여, 초기 기동을 위한 별도의 설비가 필요 없어 복합 발전 설비의 투자비를 감소시키면서, 동시에 연료전지에서 발생되는 폐열은 증기터빈을 이용하는 발전 설비의 보일러 계통으로 회수하여 에너지 수급 효율도 높이는 복합 발전설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 변압기를 통하여 전력계통이나 기동장치에 공급하는 인버터와; 상기 연료전지에서 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지; 및 상기 연료전지로부터 변압기를 통하여 공급받는 전기로 가스터빈을 초기 기동하는 기동장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비를 제공한다.
또한, 본 발명은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지와; 상기 연료전지에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 변압기를 통하여 전력계통이나 기동장치에 공급하는 인버터와, 전력계통으로부터 신호를 받아 변압기나 전력계통으로 흐르는 전기 공급회로를 선택 개폐하는 제어장치로 구성되는 인버터 제어반과; 상기 연료전지에서 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지와; 상기 연료전지로부터 변압기를 통하여 공급받는 전기로 가스터빈을 초기 기동하는 기동장치; 및 상기 연료전지에서 생산된 폐열을 보일러와 재열기로 공급하는 밸브 및 배관 설비;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비를 제공한다.
이하, 본 발명의 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 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비는, 천연가스와 같은 연료의 연소에 의해 전기를 생산하는 가스터빈 복합 발전 설비와, 수소가 포함된 연료로 전기화학 반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지 발전설비를 조합시킨 복합 발전설비로서, 연료전지(210)에서 생산된 전기는 전력계통(190)으로 송전하거나 가스터빈(120) 설비의 비상 전력원과 자체 기동 전력원으로 이용하여 별도의 초기 기동 전력원이 없이도 기동이 가능하도록 구성되며, 연료전지(210)에서 발생되는 폐열은 증기터빈(150)을 이용하는 발전설비의 재열기로 회수될 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 전기를 공급받아 가스터빈(120)을 초기 기동하는 기동장치(110)와, 초기 기동 후에 천연가스와 같은 연료의 연소에 의해 구동되는 가스터빈(120)과, 가스터빈(120)의 회전력으로 전기를 발생시키는 발전기(130)와, 가스터빈(120)에서 발생되는 배기 가스의 열로 증기를 생산하는 보일러(140)와, 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지(210)와, 연료전지(210)에서 생산된 전기를 저장하는 축전지(180)와, 연료전지(210)에서 발생된 직류 전기를 교류전기로 변환하는 인버터(165)와, 이에 추가적으로 연료전지(210)에서 발생되는 고온의 폐열을 보일러(140)로 공급하는 밸브 및 배관 설비(310, 315, 320, 325) 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 연료전지(210)에서 발생되는 직류 전기는 인버터(165)에 의해 교류 전기로 전환되고, 이 교류 전기는 기동장치(110)의 교류부하에 맞게 변압기(160)를 통하여 적정한 전압으로 조절되어 기동장치(110)에 공급된다.
연료전지(210)에서 발생되는 고온의 폐열을 보일러(140)로 공급하는 밸브 및 배관 설비는 복합 발전 설비의 운전상태에 따라 연료전지(210)의 폐열을 냉각설비(240)나 보일러(140) 또는 재열기(145)로 적절히 선택하여 공급하게 된다.
기동장치(110)는 가스터빈(120) 초기 기동시 최초 회전력을 제공하는 장치로서, 연료의 연소에 의해 회전될 수 있을 때까지 구동력을 제공하게 된다.
보일러(140)는 가스터빈(120)에서 나오는 배기가스의 열을 이용하여 급수를 가열하게 되며, 또한 연료전지(210)에서 발생된 폐열도 공급받아 증기터빈(150)이나 재열기(145)로 증기를 공급함으로써 에너지의 수급 효율을 최대한 높이게 되는 것이다.
연료전지(210)는 가스터빈(120)에서 사용하는 천연가스와 같이 수소를 포함하는 연료와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기 화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환하게 되는데, 축전지(180)는 연료전지(210)에서 생산된 전기를 충전하여 비상시에 가스터빈 복합 발전 설비에 필요한 비상 전원 장치(250)에 전원을 공급하게 된다.
인버터(165)는 연료전지(210)에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 역할을 하게 되는데, 추가적으로 인버터(165)에 제어장치(221)와 보호장치(223)가 구비된 인버터 제어반(225)이 설치되어 평상시에는 변압기(160)를 통하여 전력계통(190)에 전기를 공급하되, 비상시 즉, 전력계통(190)이 무전압일 때에는 전력계통(190)으로부터 신호를 받아 전기를 기동장치(110)로 공급하게 된다.
제어장치(221)는 전력계통(190)이 무전압일 때 받는 신호를 기준으로 축전지(180)나 전력계통(190)으로 흐르는 전기 공급회로를 선택 개폐해 주며, 보호장치(223)는 인버터 제어반(225)이 과전압으로 인한 단락을 방지해 준다.
따라서, 평상시에는 전력계통(190)으로부터 전기를 공급받는 기동장치(110)가 비상시에는 인버터 제어반(225)에 의해서 연료전지(210)로부터 생성된 전기를 공급받게 되는 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 자체기동 전력계통의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 5는 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 연료전지 폐열 회 수계통의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 자체기동 전력계통은 연료전지(210)에서 발생된 직류 전기를 인버터(165)에서 교류 전기로 변환하여 변압기(160)를 통하여 기동장치(110)에 필요한 전압과 전력용량을 공급함으로써 본 발명의 목적을 달성하게 된다.
또한, 본 발명에 의한 연료전지(210)를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 연료전지 폐열 회수계통은 연료전지(210)에서 화학 반응에 의해 전기 발생시 발생되는 고온의 폐열을 발전 설비의 운전조건에 따라 냉각설비(240)를 통해 냉각하거나, 증기터빈(150)을 이용한 발전설비의 보일러(140)와 재열기(145)로 연결하여 증기터빈(150) 설비로 공급하게 된다.
필요시 보일러(140)로 연료전지(210)의 폐열을 공급하지 않게 되는 경우에는 밸브 및 배관 설비에 설치된 냉각설비측 밸브(310)을 열고 보일러설비측 밸브(315)를 닫아서 운전하게 되며, 보일러(140)로 연료전지(210)의 폐열을 회수하는 경우에는 이와 반대로 조작하여 운전하게 된다.
보일러 설비로 공급된 폐열을 증기터빈(150)으로 보낼 경우에는 보일러측 밸브(320)를 열고 재열기측 밸브(325)을 닫고 운전하게 되는데, 필요에 따라 이러한 밸브들의 조작을 적절히 함으로써 연료전지(210)의 폐열 회수를 통한 에너지 절감의 목적을 달성할 수 있게 된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 전력계통이나 별도의 비상발전기 초기 전기공급이 없더라도 연료전지에 연결된 자체 동력으로 가스터빈 복합 발전 설비의 초기 기동이 가능하게 되며, 연료전지에서 발생된 폐열도 쉽게 보일러로 회수할 수 있게 함으로써, 가스터빈의 초기 기동을 위한 별도의 설비가 필요 없어 복합 발전 설비의 투자비를 감소시킬 수 있고, 동시에 에너지 수급 효율도 높이게 되는 효과가 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동일한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 가스터빈 복합 발전설비의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도;
도 2는 종래의 연료전지 발전설비의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도;
도 3은 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도;
도 4는 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 자체기동 전력계통의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도; 및
도 5는 본 발명에 의한 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전설비의 연료전지 폐열 회수계통의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 기동장치 120: 가스터빈
130: 발전기 150: 증기터빈
165: 인버터 170: 비상발전기
180: 축전지 190: 전력계통
210: 연료전지 221: 제어장치
223: 보호장치 225: 인버터 제어반
240: 냉각설비 250: 비상 전원장치
310: 냉각설비측 밸브 315: 보일러설비측 밸브
320: 보일러측 밸브 325: 재열기측 밸브

Claims (5)

  1. 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지와;
    상기 연료전지에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 변압기를 통하여 전력계통이나 기동장치에 공급하는 인버터와;
    상기 연료전지에서 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지; 및
    상기 연료전지로부터 변압기를 통하여 공급받는 전기로 가스터빈을 초기 기동하는 기동장치;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지에서 생산된 폐열을 보일러와 재열기로 공급하는 밸브 및 배관 설비가 추가로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비.
  3. 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지와;
    상기 연료전지에서 생산된 직류 전기를 교류 전기로 변환하여 변압기를 통하 여 전력계통이나 기동장치에 공급하는 인버터와, 전력계통으로부터 신호를 받아 변압기나 전력계통으로 흐르는 전기 공급회로를 선택 개폐하는 제어장치로 구성되는 인버터 제어반과;
    상기 연료전지에서 생산된 전기를 공급받아 저장하는 축전지와;
    상기 연료전지로부터 변압기를 통하여 공급받는 전기로 가스터빈을 초기 기동하는 기동장치; 및
    상기 연료전지에서 생산된 폐열을 보일러와 재열기로 공급하는 밸브 및 배관 설비;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 인버터 제어반에는 과전압에 의한 단락을 방지하는 보호장치가 추가로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비.
  5. 제 1항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전지는 연료전지에서 생산된 직류 전기를 가스터빈 복합 발전 설비의 비상 전원 장치로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 자체기동 가스터빈 복합 발전 설비.
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