KR20100103770A - 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증기사이클을 사용하는 설비에서 사용한 후의 배출증기를 물로 다시 복원시켜주는 복수기에 배출증기와 냉각수 사이에 냉매회로를 삽입하여 배출증기와 냉각수가 직접 접하는 기존의 방식에서 발생하는 복수기(11) 내부에 설치된 열교환튜브(26)의 막힘이나 부식을 방지시켜 복수기의 수명을 길게 하고 유지보수의 원인을 제거시켜 발전기 가동율을 높이며 냉매회로의 기화된 냉매의 에너지를 이용하여 폐열을 전기로 회수시키는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템에 관한 것이다.
증기사이클에 있어서 배출증기를 복수시키는 것은 증기사이클 효율과 관련된 매우 중요한 과정이다. 기존의 복수기는 대부분 배출증기와 냉각수가 접하는 구조이다. 이 경우 냉각수는 주로 해수를 많이 사용하는데 냉각수가 정제되지 않은 상태이므로 복수기의 열교환튜브(26)를 막거나 부식을 유발하여 복수기 고장으로 발전기 정지와 잦은 유지보수를 발생시키고 있다. 에너지활용 측면에서 보면 화력발전기의 경우 투입연료의 40%정도만 전기로 변환되고, 13%정도는 연소과정과 발전기에서 손실되고, 47%정도가 냉각수에 의해 손실되며 냉각수의 온도를 상승시켜 환경문제 또한 유발시키고 있다.
본 발명에서는 배출증기와 냉각수 사이에 냉매회로를 삽입하여 배출증기와 냉각수가 직접 접하는 기존의 방식에서 발생하는 복수기 열교환튜브(26)의 막힘이나 부식을 방지시켜 복수기의 수명을 길게 하고 유지보수의 원인을 제거시켜 발전 기 가동율을 높이며 냉매회로의 기화된 냉매의 에너지를 이용하여 폐열을 전기로 회수시키며 잔여 폐열을 대기로도 방출시켜 해양 온배수 문제를 해결하고자 한다.
복수기, 부식, 해양온도차발전, 폐열, 냉매

Description

냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템{The condensing system for thermal plant using refrigerant evaporation heat}
발전기 복수기 구조 설계분야
기존의 증기사이클에는 배출증기에서 열을 제거하여 물로 복원하는 복수기(11)가 사용되고 있다. 복수기는 배출증기와 냉각수간 열교환기 일종이다. 복수기에서 열낙차가 클수록 증기사이클 효율은 높아진다. 지금까지 사용 중인 복수기(11)는 다수의 열교환 튜브(26)가 내부에 설치되며 배출증기가 유입되어 열교환튜브(26) 안에 흐르는 냉각수와 열교환을 하여 물로 복원된다. 대형 화력발전소나 원자력발전소는 주로 해안에 위치하고 있는데 주로 해수를 냉각수로 사용하고자 함이다.
몇 번의 필터장치를 거쳐서 해수가 복수기(11) 내부에 설치된 다수의 열교환튜브(26) 내부를 지나가므로 일부 바다의 진흙이나 어패류 등이 열교환튜브(26) 내부에 고착화 되는 문제도 발생하며 해수에는 염도가 높아서 부식을 유발시킨다. 따라서 부식방지 재질을 택함으로 비용이 증가하고 있고, 진흙이나 어패류 등이 열교환튜브(26) 내부에 고착화 되는 문제는 발전기의 잦은 유지보수를 유발시켜 발전기 가동율을 떨어트린다.
공개번호 실1998-017532[발전설비의 복수기], 등록번호 10-0194778[복수기] 등 기존의 냉각수에 의한 복수기에 관한 발명이 다양하며, 공개번호 10-2004-0055256[증기터빈을 이용한 발전장치의 폐열회수시스템, 등록번호 10-0678705[증기동력플랜트의 폐열회수장치], 등록번호 10-0766101[저온 폐열의 활용을 위한 냉매 사용 터빈발전장치] 등 폐열을 활용하고자 하는 발명이 다수 있으나 복수기 구조를 변경하고 그 시스템에서 폐열을 전기형태로 회수하고자 하는 발명은 없다.
본 발명은 복수기(11)에 가해지는 배출증기를 냉각수로 직접 냉각시키는 것이 아니라 냉매냉각사이클을 그 사이에 삽입하여 배출증기와 접한 복수기(11) 내부의 열교환튜브(26) 내부에 냉매가 흐르게 하여 배출증기로부터 냉매가 열을 흡수하게 하고 이로인해 기화된 냉매를 배관을 통하여 응축기에 보내어 냉각수를 활용하여 열을 버리게 함으로써 복수기 기능을 수행하게 한다. 복수기에는 냉각수가 아닌 냉매가 순환하므로 부식이나 냉각수에 포함된 슬러지 등에 의한 막힘 등의 문제를 사전에 차단시킬 수 있도록 한다. 기화한 냉매의 에너지를 이용하여 폐열을 전기형태로 회수하는 방법을 적용한다. 그리고 응축기에서 열을 버릴 때 냉각수의 현열이 아닌 잠열을 이용하여 대기중으로 버리는 것을 추가하도록 하여 배출냉각수의 온도가 높아지는 것을 막는다.
복수기(11)에 직접 냉각수가 접촉하는 방식이 아니라 복수기(11)와 냉각수 사이에 냉매냉각회로를
삽입하여 복수기(11)와 냉각수간의 열전달 매개역할을 하도록 함.
복수기는 증기사이클에 있어서 매우 중요한 설비이다. 대표적인 증기발전기의 경우 지금까지는 복수기(11)에 냉각수가 직접 유입되어 복수기(11) 내부의 열교환튜브(26)에 직접 흐르게 하여 냉각수에 포함된 슬러지나 어패류에 의해 막히거나 부식 등의 문제가 발생하여 잦은 발전기 운전가 발생하였다. 본 발명으로 배출증기와 냉각수 사이에 냉매냉각회로를 삽입함으로써 복수기(11) 내부의 열교환튜브(26)에는 냉매가 흐르게 하여 부식이나 막힘 현상을 사전에 차단하였으며 응축기(32)에서는 대기(냉각수 증발잠열 포함) 또는 냉각수로 열을 방출시켜 복수기의 기능을 유지하면서 배출냉각수 온도상승의 환경문제를 완화시켰다. 그리고 기화된 냉매의 에너지로 터빈을 회전시켜 전기를 생산함으로써 에너지 효율을 더욱더 높이는 계기를 마련하였다. 그리고 냉매사용복수기(31)와 응축기(32) 사이 배관로에 압축기(81)를 설치하여 냉매사용복수기(31)의 진공도를 조절할 수 있도록 하였고 응축기(32), 냉매터빈(61), 압축기(81) 제어장치(미도시)를 추가하여 최적 증기사이클 운전이 가능하도록 하였다.
상온에서 압력에 따라 액체와 기체로 쉽게 상태변화를 하는 액화가스는 프로판, 부탄, 암모니아, 이산화탄소, CFC, HCFC, 프레온22(HCF22), 탄화수소 등 종류가 매우 많고 계속하여 새로운 액화가스(또는 냉매)는 개발되고 있다. R141b는 비등점이 약32℃, R123은 약28℃, R245fa는 15℃, R245ca는 25℃이다. 증기사이클의 복수 폐열은 높은 온도가 아니므로 저온에서 액체와 기체로 쉽게 상태변화를 하는 저온비등 냉매를 작동유체로 사용해야 하는데 본 발명에서는 이러한 저온비등 냉매 중 하나를 작동유체로 채택한다.
도 1은 기존의 발전사이클 원리 설명도이다. 원리는 다음과 같다. 작동유체는 공급수펌프(12)에 의해 보일러(13)에 공급되며 보일러에서 열을 흡수하여 액체상태 에서 기체상태로 상태변화를 한다. 기체상태의 작동유체는 배관을 타고 터빈(14)을 회전시키고 복수기(11)에서 액체상태로 상태변화를 하고 공급수펌프(12)에 의해 다시 보일러(13)에 공급되면서 순환의 한 주기를 완료한다. 배관내를 흐르는 기체상태 작동유체의 흐름은 기체가 발생하는 고압인 보일러(13)와 기체가 액화되는 복수기(11) 간의 압력차이에 의해 이루어 지며 이것이 크면 보일러(13)와 복수기(11) 사이에 설치된 터빈(14)에 많은 운동에너지가 가해지고 이것은 결국 발전기(15)에서 전기에너지로 변환되어 나타난다. 따라서 복수기(11)는 발전사이클에서 매우 중요한 기기이다.
도 2는 기존의 발전기 복수기 시스템 설명도이다. 보일러(13)에서 생산된 고온 고압 증기는 증기배관(22)을 통해 고압터빈(21), 저압터빈(23)을 구동시키고 복수기(11) 내부로 배출증기 상태로 유입된다. 배출증기는 복수기(11) 안에서 냉각수가 내부로 흐르는 다수의 열교환튜브(26)와 접하면서 열교환을 하여 액체로 상태변화를 일으키기 때문에 복수기(11) 내부의 압력을 낮추면서 물로 복원된다. 이렇게 복원된 복수는 공급수펌프(12)에 의해 공급수관(27)을 통하여 다시 보일러(13) 내부로 유입되어 증기사이클을 이어간다. 냉각수유입관(24)으로 들어온 냉각수는 복수기(11) 내부에 설치된 열교환튜브(26) 내부를 흐르며 배출증기와 열교환하고 냉각수유출관(25)을 통하여 배출된다. 냉각수로 물, 특히 해수를 사용하면 슬러지가 발생하여 열교환튜브(26) 구멍을 막게 하거나 열교환튜브(26)를 부식시키는 등의 문제를 유발시킬 수 있다. 그리고 복수기(11)의 폐열이 모두 냉각수에 현열로 전달되므로 냉각수의 온도를 높여서 배출냉각수 온도상승문제를 유발시킬 수 있다.
도 3은 배출증기에 냉매냉각회로가 추가된 시스템 설명도이다. 복수기(11) 설치위치에 복수기(11) 대신 냉매사용복수기(31)를 설치한다. 냉매사용복수기(31) 후단에는 냉매공급펌프(35)를 설치하고, 냉매사용복수기(31) 전단에는 응축기(32)를 설치하며 응축기(32) 후단과 냉매공급펌프(35) 후단 사이에 냉매탱크(33)를 설치하여, 냉매사용복수기(31), 응축기(32), 냉매탱크(33), 냉매공급펌프(35) 다시 냉매사용복수기(31)의 순서로 배관(34)으로 폐회로로 연결되는 냉매냉각회로를 구성하고 냉매냉각회로 내부에는 배출증기에 증발이 가능한 저온비등 작동유체인 냉매를 채워 넣는다. 작동원리는 다음과 같다. 저압터빈(23)을 돌린 배출증기가 냉매사용복수기(31) 내부로 유입되면 열교환튜브(26) 내부에 채워진 냉매를 기화시킨다. 기화된 냉매는 배관(34)을 타고 응축기(32)로 유입되어 열을 버리고 액체상태로 상태변화를 하면서 응축기를 저압상태로 만들어서 기체냉매 발생으로 고압상태가 된 냉매사용복수기(31)로부터 기체냉매를 흡입하여 냉매사용복수기(31)의 복수기 기능을 촉진한다. 응축기(32)에서 액화된 액체냉매는 배관(34)을 타고 냉매탱크(33)에 보내어진다. 냉매공급펌프(35)는 냉매탱크(33)로부터 액체냉매를 냉매사용복수기(31)로 다시 공급함으로써 순환의 한 주기를 완료한다. 응축기(32)가 높은 위치에 설치되면 응축기(32)에서 형성된 액체냉매가 중력에 의하여 냉매탱크(33)를 거쳐 냉매사용복수기(31)로 유입이 가능하다. 이때에는 냉매공급펌프(35)를 생략할 수 있다. 냉매냉각회로는 냉매를 작동유체로 하는 팽창부가 생략된 일종의 랭킨사이클이다. 냉매사용복수기(31) 내부의 열교환튜브(26)에는 냉매가 흐르므로 냉매의 특성상 슬러지가 발생하지 않으며 이물질이 유입될 가능성을 배제할 수 있으므로 복수기의 고장을 획기적으로 줄일 수 있다. 배관(34)을 포함한 응축기(32)는 일단 증기설비의 증기사이클에서 떨어져 있고 작은 것으로 여러개 병렬로 설치할 경우(미도시) 돌아가면서 유지보수를 할 수 있어서 발전기 정지 없이 복수기를 정비할 수 있어서 매우 유용하다.
도 4는 추가된 냉매냉각회로에 냉각수로 냉매를 응축하는 시스템 설명도이다. 도3과 유사하나 응축기(32)에 냉각수유입관(24)과 냉각수유출관(25)을 추가한 것이 다르다. 응축기(32)에 냉각수유입관(24)과 냉각수유출관(25)이 설치되어 응축기(32)에 냉각수 순환이 가해지도록 한 것이다. 이 경우 냉각수를 사용하는 것까지 기존과 동일하지만 배출증기와 냉각수 사이에 냉매냉각회로가 삽입된 것이 다를 뿐이다. 즉 냉매냉각회로는 배출증기와 냉각수 간의 열을 전달하는 매개로 사용될 뿐이다.
도 5는 냉각수 잠열을 이용하여 냉매를 응축하는 시스템 설명도이다. 도4와 유사하나 냉각수유입관(24) 끝부분에 냉각수분사기(51)를 설치하고 인근에 응축기(32)에 접하도록 냉각팬(52)을 설치한 것이 다르다. 냉각수분사기(51)에서 냉각수가 응축기(32)에 분사되면 접촉면적을 넓혀주므로 응축기(32)의 냉각성능이 더 좋아지며 냉각팬(52)이 돌아갈 경우 냉각수가 증발하면서 냉각수 잠열로 응축기가 응축이 되므로 냉각성능은 더욱더 좋아 질 수 있다. 그리고 폐열이 냉각수 증발잠열 형태로 대기중으로 날아감으로써 냉각수유출관(25)로 배출되는 배출냉각수의 온도를 많이 높이지 않으므로 배출냉각수 온도상승문제를 제거시킬 수 있다. 특히 대 기온도가 냉각수 온도보다 낮은 시기에는 냉각수 사용을 최소화 시킬 수 있으므로 에너지 절약과 냉각수로 인한 환경문제를 대폭 줄일 수 있다. 응축기(32)에 냉각수에 포함된 슬러지와 어패류의 고착과 염분생성 문제가 발생할 수 있지만 냉각수분사기(51)의 압력을 이용하면 많이 제거시킬 수 있다. 그리고 응축기를 작은 규모로 다수 병렬로 설치하면 증기사이클 운전중에도 일부 소형 응축기를 유지보수 할 수 있어서 발전기 가동율을 높일 수 있다.
도 6은 냉매냉각회로에 터빈/발전기가 추가된 시스템 설명도이다. 도5에서 냉매사용복수기(31)와 응축기(32) 사이 배관로에 냉매터빈(61)을 설치하고 그 끝에 냉매발전기(62)를 연결하면 냉매냉각회로에 흐르는 기체냉매의 운동에너지로 냉매터빈(61)을 가동시킬 수 있고 발전기에서 전기를 생산할 수 있다. 이로써 복수기 폐열을 이용한 발전을 할 수 있어서 증기사이클의 효율을 높일 수 있고, 회수된 발전력 만큼은 냉각수로 버려지는 폐열이 작아지므로 배출냉각수 온도상승의 문제가 완화될 수 있다.
도 7은 냉매냉각회로에 바이패스 회로가 추가된 시스템 설명도이다. 도6에서 냉매터빈(61)을 우회하는 바이패스회로(71)를 설치하고 터빈계통 수리시 바이패스회로(71)가 작동하도록 하는 냉매회로변경밸브(72)를 설치한다. 이것은 발전을 위한 터빈계통 보수에 대비한 냉매냉각회로 보존을 위한 것이다.
도 8은 냉매냉각회로에 압축기가 추가된 시스템 설명도이다. 도5에서 냉매사용복수기(31)와 응축기(32) 사이 배관로에 압축기(81)를 설치하였다. 소형 압축기(81) 다수를 병렬로 설치(미도시)할 수도 있다. 이경우 냉매냉각회로는 냉 동사이클을 사용하게 되며 냉각수 온도에 관계 없이 냉동사이클의 운전 정도에 따라 복수기의 진공도 조절을 할 수 있으므로 냉각수 온도가 높은 경우에도 발전출력을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 3, 도4, 도5, 도6, 도7, 도8에 사용되는 응축기(32), 냉매터빈(61), 압축기(81) 제어장치(미도시)를 추가하여 최적 증기사이클 운전이 가능하도록 한다.
도 1은 기존의 발전사이클 원리 설명도이다.
도 2는 기존의 발전기 복수기 시스템 설명도이다.
도 3은 배출증기에 냉매냉각회로가 추가된 시스템 설명도이다.
도 4는 추가된 냉매냉각회로에 냉각수로 냉매를 응축하는 시스템 설명도이다.
도 5는 냉각수 잠열을 이용하여 냉매를 응축하는 시스템 설명도이다.
도 6은 냉매냉각회로에 터빈/발전기가 추가된 시스템 설명도이다.
도 7은 냉매냉각회로에 바이패스 회로가 추가된 시스템 설명도이다.
도 8은 냉매냉각회로에 압축기가 추가된 시스템 설명도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 복수기 12 : 공급수펌프
13 : 보일러 14 : 터빈
15 : 발전기 21 : 고압터빈
22 : 증기배관 23 : 저압터빈
24 : 냉각수유입관 25 : 냉각수유출관
26 : 열교환튜브 27 : 공급수관
31 : 냉매사용복수기 32 : 응축기
33 : 냉매탱크 34 : 배관
35 : 냉매공급펌프 51 : 냉각수분사기
52 : 냉각팬 61 : 냉매터빈
62 : 냉매발전기 71 : 바이패스회로
72 : 냉매회로변경밸브 81 : 압축기

Claims (6)

  1. 증기사이클의 복수기(11) 설치위치에 대신 설치되는 냉매사용복수기(31)와; 냉매사용복수기(31), 응축기(32), 냉매탱크(33), 냉매공급펌프(35) 다시 냉매사용복수기(31)의 순서로 배관(34)으로 폐회로로 연결되는 냉매냉각회로와; 냉매회로 내부에 채워지며 배출증기에 증발이 가능한 저온비등 작동유체인 냉매로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 냉매가 R141b, R123, R245fa, R245ca 중의 하나인 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 응축기(32)에 냉각수유입관(24)과 냉각수유출관(25)이 설치되어 응축기(32)에 냉각수 순환이 가해지도록 하는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 냉매사용복수기(31)와 응축기(32) 사이 배관로에 냉매터빈(61)을 설치하고 그 끝에 냉매발전기(62)를 연결하는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 냉매사용복수기(31)와 응축기(32) 사이 배관로에 압축기(81)를 설치하는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 냉각수유입관(24) 끝부분에 냉각수분사기(51)를 설치하고 인근에 응축기(32)에 접하도록 냉각팬(52)을 설치하는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 증기설비 복수기 시스템.
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CN115823759A (zh) * 2022-11-25 2023-03-21 珠海格力电器股份有限公司 压缩制冷系统及控制方法

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