KR20100103771A - 복수기 폐열 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증기사이클을 사용하는 설비에서 사용한 후의 배출증기를 물로 다시 복원시켜주는 복수기에서 배출되는 배출냉각수가 가지고 있는 복수기 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 복수기 폐열 발전시스템에 관한 것이다.
증기사이클에 있어서 배출증기를 복수시키는 것은 증기사이클 효율과 관련된 매우 중요한 과정이다. 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.
공개번호 10-2004-0055256[증기터빈을 이용한 발전장치의 폐열회수시스템], 등록번호 10-0678705[증기동력플랜트의 폐열회수장치] 등에서는 주로 폐열을 발전사이클에 열의 형태로 재활용 하는 방법을제시하였고, 등록번호 10-0354787[발전소 온배수를 이용한 양어방법 및 그러한 양어방법에 이용되는 발전소 온배수의 수질개선장치]에서는 폐열을 열의 형태로 다른 목적에 사용하는 방법을 제시하였다. 특히 발전소 폐열의 경우 량이 매우 많으므로 활용시 재생시킬 수 있는 열량이 천문학적이다. 그렇지만 열의 형태로 사용하려면 열의 수송이 어려우므로 주변에 열사용처가 없으면 활용성이 떨어진다.
본 발명에서는 이 폐열을 전기형태로 변환시켜 송전시키는 방안을 강구한다. 그 이론적 근거는 해양온도차발전(OTEC; Ocean Thermal Energy Conversion)으로 저온의 폐열을 회수하기 위하여 저온비등냉매를 작동유체로 하여 발전사이클을 형성 하여 전기를 생산하는 방법을 적용하였다. 냉동사이클로 배출냉각수 열을 높은 온도의 열원으로 변화시킨 다음 2단으로 온도차발전을 실행시키는 방법으로 발전효율을 더욱더 높였다.
복수기, 해양온도차발전, 폐열, 냉매, 냉동사이클, 발전사이클

Description

복수기 폐열 발전시스템{The generating system using the waste heat of condenser}
복수기 폐열 회수시스템 분야
기존의 증기사이클에는 배출증기에서 열을 제거하여 물로 복원하는 복수기(11)가 사용되고 있다. 공개번호 10-2004-0055256[증기터빈을 이용한 발전장치의 폐열회수시스템], 등록번호 10-0678705[증기동력플랜트의 폐열회수장치] 등에서는 주로 폐열을 발전사이클에 열의 형태로 재활용 하는 방법을제시하였고, 등록번호 10-0354787[발전소 온배수를 이용한 양어방법 및 그러한 양어방법에 이용되는 발전소 온배수의 수질개선장치]에서는 폐열을 열의 형태로 다른 목적에 사용하는 방법을 제시하였다. 특히 발전소 폐열의 경우 량이 매우 많으므로 활용시 재생시킬 수 있는 열량이 천문학적이다. 그렇지만 열의 형태로 사용하려면 열의 수송이 어려우므로 주변에 열사용처가 없으면 활용성이 떨어진다. 아직까지 복수기의 폐열을 전기형태로 회수하고자 하는 발명은 없다.
본 발명은 복수기(11)에서 배출냉각수의 온도와 대기간의 온도차이/냉각수 증발잠열을 이용하여 저온비등냉매를 작동유체로 하여 발전하는 온도차발전을 실행하도록 한다. 특히 배출냉각수의 온도가 별로 높지 않음에 착안하여 냉동사이클로 배출냉각수 열을 높은 온도의 열원으로 변화시킨 다음 2단으로 온도차발전을 실행시키는 방법으로 발전효율을 더욱더 높이도록 한다. 생산된 전력은 교류송전계통에 바로 송전하는 방식을 강구한다.
복수기(11)에서 배출되는 배출냉각수와 대기(냉각수 잠열포함)의 온도차이에 의한 발전장치 구현
증기사이클의 효율은 약40% 정도이고 복수기의 배출냉각수로 버려지는 에너지가 매우 크다. 따라서 이를 효율적으로 회수할 수 있으면 증기사이클의 효율을 한층 높일 수 있다. 증기사이클을 운전하기 위하여 냉각수는 공급할 수 밖에 없으므로 이미 펌핑된 배출냉각수를 활용하여 온도차발전을 한다면 발전을 위하여 온수를 펌핑을 하여야 하는 부담이 없어지므로 이것은 해양온도차발전에서 표층수를 펌핑하여야 하는 문제점을 해소시킨 것과 같다. 또한 해양온도차발전에서 심층수를 펌핑하는 부담, 바다생물에 의한 배관의 막힘, 생산된 전력의 전송 등의 측면에서 매우 유리하다. 그리고 배출냉각수에서 에너지를 회수하고 대기로 폐열을 보냄에 따라 배출냉각수의 온도상승의 문제점을 사전에 차단할 수 있어서 에너지 효율향상과 환경문제 개선의 두가지 장점을 한 번에 취할 수 있다.
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 저온비등냉매를 작동유체로 사용해야 하는데 본 발명에서는 이러한 저온비등냉매 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 액체상태에서 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 이루어지며 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 단일발전사이클을 적용한 복수기 폐열 발전시스템 설명도이다. 복수기(11)에서 배출냉각수가 유출되는 냉각수유출관(25)에 잠겨서 배출냉각수와 열교환하여 저온비등냉매가 기화하며 열을 흡수하는 기화기(31)를 설치한다. 기화기(31) 후단에는 냉매공급펌프(35)를 설치하고, 기화기(31) 전단에는 냉매터빈(36)과 응축기(32)를 순차적으로 설치한다. 냉매터빈(36) 축에는 냉매발전기(37)를 설치한다. 응축기(32) 후단과 냉매공급펌프(35) 후단 사이에 냉매탱크(33)를 설치하여, 기화기(31), 냉매터빈(36), 응축기(32), 냉매탱크(33), 냉매공급펌프(35) 다시 기화기(31)의 순서로 배관(34)으로 폐회로로 연결되는 냉매발전회로를 구성하고 냉 매발전회로 내부에는 배출냉각수에 증발이 가능한 저온비등 작동유체인 냉매를 채워 넣는다. 기화기(31)는 냉매발전사이클에서 일종의 보일러로 작동유체인 저온비등냉매를 끓이는 작용을 한다. 작동원리는 다음과 같다. 냉각수유출관(25)에 설치된 기화기(31)는 복수기(11)를 빠져나온 배출냉각수로부터 열을 흡수하여 내부에 채워진 냉매를 기화시킨다. 기화된 냉매는 배관(34)을 타고 냉매터빈(36)을 돌리고 응축기(32)로 유입되어 열을 버리고 액체상태로 상태변화를 하면서 응축기를 저압상태로 만들어서 기체냉매 발생으로 고압상태가 된 기화기(31)로부터 기체냉매를 흡입하여 기화기(31)에서 지속적으로 열을 흡수하도록 한다. 응축기(32)에서 액화된 액체냉매는 배관(34)을 타고 냉매탱크(33)에 보내어진다. 냉매공급펌프(35)는 냉매탱크(33)로부터 액체냉매를 기화기(31)로 다시 공급함으로써 순환의 한 주기를 완료한다. 응축기(32)에 냉각수유입관(24)과 냉각수유출관(25)을 추가하여 응축기(32)에 냉각수가 순환되도록 하며 냉각수유입관(24) 끝부분에 냉각수분사기(38)를 설치하고 인근에 응축기(32)에 접하도록 냉각팬(39)을 설치하여 냉각수를 응축기(32)에 분사시키며 냉각팬(39)으로 증발시켜 냉각수 증발잠열에 의해 응축기(32)의 냉각성능이 좋아지도록 한다. 응축기(32)를 통하여 폐열을 공기중으로 버림에 따라 배출냉각수 온도상승의 문제를 다소 완화시킬 수 있다. 응축기(32)가 높은 위치에 설치되면 응축기(32)에서 형성된 액체냉매가 중력에 의하여 냉매탱크(33)를 거쳐 기화기(31)로 유입 가능하다. 이때에는 냉매공급펌프(35)를 생략할 수 있다.
도 4는 냉동사이클/발전사이클 2단적용 복수기 폐열 발전시스템 설명도이다. 복수기(11)에서 배출되는 배출냉각수 온도는 약30℃ 정도로 낮은 편이다. 따라서 우선 냉동사이클을 통하여 높은 온도의 유체흐름을 만든다. 일종의 히트펌프 회로인 것이다. 그리고 높은 온도의 유체흐름을 이용하여 발전사이클을 적용하여 온도차발전을 시행한다. 우선 냉동사이클을 구성한다. 복수기(11)에서 배출냉각수가 유출되는 냉각수유출관(25)에 잠겨서 배출냉각수와 열교환하여 저온비등냉매가 기화하며 열을 흡수하는 기화기(31)를 설치한다. 기화기(31) 다음에 압축기(41), 냉동사이클의 응축기 역할을 하는 열교환기(42) 1차측, 팽창밸브(43) 다시 기화기(31)의 순서로 폐회로가 구성되도록 배관(34)으로 연결시킨다. 열교환기(42)는 1차측은 냉동사이클에서 응축기 역할을 하고 2차측은 냉매발전사이클에서 보일러 역할을 한다. 열교환기(42) 1차측은 냉동사이클의 압축기(41)에서 압축된 고온(약90℃)의 습증기 상태의 냉매가 유입되고 2차측에는 냉매발전사이클의 액체냉매가 유입되어 열이 1차측에서 2차측으로 옮겨가게 된다. 배출냉각수 온도 약30℃로부터 열을 흡수하였으나 냉동사이클을 활용하여 약90℃의 열원으로 온도를 올리는 효과를 볼 수 있다. 필요하다면 추가로 냉동사이클을 적용하여 열원의 온도를 높일 수 있다. 다음은 높아진 열원을 이용하여 2단계로 발전사이클을 형성한다. 냉동사이클과 결합되어 있는 열교환기(42) 2차측, 냉매터빈(36), 응축기(32), 냉매탱크(33), 냉매공급펌프(35) 다시 열교환기(42) 2차측의 순서로 배관(34)으로 폐회로로 연결되는 냉매발전회로를 구성하고 냉매발전회로 내부에는 열교환기(42) 1차측 냉매의 온도에서 증발이 가능한 저온비등 작동유체인 냉매를 채워 넣는다. 열교환기(42)는 냉매발전사이클에서 일종의 보일러로 작동유체인 저온비등냉매를 끓이는 작용을 한다. 작동원리는 다음과 같다. 열교환기(42) 1차측 냉매로부터 열을 흡수하여 열교환기(42) 2차측에 채워진 냉매는 기화한다. 기화된 냉매는 배관(34)을 타고 냉매터빈(36)을 돌리고 응축기(32)로 유입되어 열을 버리고 액체상태로 상태변화를 하면서 응축기를 저압상태로 만들어서 기체냉매 발생으로 고압상태가 된 열교환기(42) 2차측으로부터 기체냉매를 흡입하여 열교환기(42) 2차측에서 지속적으로 열을 흡수하도록 한다. 응축기(32)에서 액화된 액체냉매는 배관(34)을 타고 냉매탱크(33)에 보내어진다. 냉매공급펌프(35)는 냉매탱크(33)로부터 액체냉매를 열교환기(42) 2차측으로 다시 공급함으로써 순환의 한 주기를 완료한다. 응축기(32)에 냉각수유입관(24)과 냉각수유출관(25)을 추가하여 응축기(32)에 냉각수가 순환되도록 하며 냉각수유입관(24) 끝부분에 냉각수분사기(38)를 설치하고 인근에 응축기(32)에 접하도록 냉각팬(39)을 설치하여 냉각수를 응축기(32)에 분사시키며 냉각팬(39)으로 증발시켜 냉각수 증발잠열에 의해 응축기(32)의 냉각성능이 좋아지도록 한다. 응축기(32)가 높은 위치에 설치되면 응축기(32)에서 형성된 액체냉매가 중력에 의하여 냉매탱크(33)를 거쳐 기화기(31)로 유입이 가능하다. 이때에는 냉매공급펌프(35)를 생략할 수 있다.
도 1은 기존의 발전사이클 원리 설명도이다.
도 2는 기존의 발전기 복수기 시스템 설명도이다.
도 3은 단일발전사이클을 적용한 복수기 폐열 발전시스템 설명도이다.
도 4는 냉동사이클/발전사이클 2단적용 복수기 폐열 발전시스템 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 : 기화기 32 : 응축기
33 : 냉매탱크 34 : 배관
35 : 냉매공급펌프 36 : 냉매터빈
37 : 냉매발전기 38 : 냉각수분사기
39 : 냉각팬 41 : 압축기
42 : 열교환기 43 : 팽창밸브

Claims (3)

  1. 증기사이클의 복수기(11)에서 배출냉각수가 유출되는 냉각수유출관(25)에 잠기도록 설치되는 기화기(31)와; 기화기(31), 냉매터빈(36), 응축기(32), 냉매탱크(33), 냉매공급펌프(35) 다시 기화기(31)의 순서로 배관(34)으로 폐회로로 연결되는 냉매발전회로와: 냉매터빈(36) 축에 설치되는 냉매발전기(37)와; 응축기(32)에 냉각수가 순환되도록 설치되는 냉각수유입관(24) 및 냉각수유출관(25)과; 냉각수유입관(24) 끝부분에 설치되는 냉각수분사기(38)와; 응축기(32)에 접하도록 설치되는 냉각팬(39)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수기 폐열 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 냉매가 R141b, R123, R245fa, R245ca 중의 하나인 것을 특징으로 하는 복수기 폐열 발전시스템.
  3. 증기사이클의 복수기(11)에서 배출냉각수가 유출되는 냉각수유출관(25)에 잠기도록 설치되는 기화기(31)와; 기화기(31), 압축기(41), 냉동사이클의 응축기 역할을 하는 열교환기(42) 1차측, 팽창밸브(43) 다시 기화기(31)의 순서로 폐회로로 연결되는 냉동사이클회로와: 냉동사이클회로와 결합되어 있는 열교환기(42) 2차측, 냉매터빈(36), 응축기(32), 냉매탱크(33), 냉매공급펌프(35) 다시 열교환기(42) 2차측의 순서로 배관(34)으로 폐회로로 연결되는 냉매발전회로와; 냉매발전회로 내부에는 채워지는 열교환기(42) 1차측 냉매의 온도에서 증발이 가능한 저온비등 작동유체인 냉매와; 냉매터빈(36) 축에 설치되는 냉매발전기(37)와; 응축기(32)에 냉각수가 순환되도록 설치되는 냉각수유입관(24) 및 냉각수유출관(25)과; 냉각수유입관(24) 끝부분에 설치되는 냉각수분사기(38)와; 응축기(32)에 접하도록 설치되는 냉각팬(39)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복수기 폐열 발전시스템.
KR1020090021940A 2009-03-15 2009-03-15 복수기 폐열 발전시스템 KR101528935B1 (ko)

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