KR20110008757A - 히트펌프를 이용한 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 발전시스템에 관한 것으로서, 냉각용으로 사용된 해수는 계통수를 냉각시킨 후에 승온상태에서 버려지게 되는데, 승온된 상태의 냉각수로부터 열을 회수하여 발전 계통수의 승온에 재사용함으로써 발전시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 보일러와 터빈을 거치는 스팀이 복수기를 통과하는 냉각수배관에 의해 냉각되어 계통수가 된 다음, 열교환기를 거쳐서 다시 보일러로 순환되는 발전시스템에서, 상기 복수기와 열교환기 사이에, 복수기에서 계통수 냉각 및 응축용으로 사용된 후 승온된 냉각수로부터 열을 회수하여 계통수 승온에 이용하도록 하는 히트펌프를 설치한 것을 기술적 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 발전시스템에서 복수기 냉각수의 열을 버리지 않고 히트펌프를 통해 회수하여 이를 발전시스템의 계통수 승온에 사용함으로써 발전효율을 향상시키고, 나아가서 연료감소 효과가 있도록 한 것이다.

히트펌프, 흡수식, 발전, 해수, 회수, 냉각수

Description

히트펌프를 이용한 발전시스템{Electric Generating System Using Heat Pump Unit}

본 발명은 히트펌프를 이용한 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수기를 거치는 냉각수의 열을 버리지 않고 히트펌프를 통해 회수하여 이를 발전시스템의 계통수 승온에 사용함으로써 발전시스템의 효율을 향상시키고, 나아가서 연료감소 효과가 있도록 한 것이다.

일반적으로, 발전소에 설치된 발전시스템은 첨부된 예시도면 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러(10)로부터 연료의 소모에 의해 생성된 스팀(steam)이 터빈(T)을 거치면서 전기를 생산하는데 필요한 일을 하게 되는데, 상기 터빈(T)은 예를 들어 고압터빈(20), 중압터빈(30), 저압터빈(40)으로 구성되어 있다.

이러한 터빈(T)을 빠져나온 스팀은 복수기(50)에서 냉각수(일반적으로 해수를 사용)에 의해 응축되어 다시 복수의 열교환기(60)를 거쳐서 보일러(10)로 환수되는데, 이러한 과정을 반복함으로써 지속적인 발전기능을 유지한다.

상기 열교환기(60)는 각 터빈별로 복수 구비되어 있다.

또한, 종래의 발전시스템은 효율을 높이기 위해서, 각 터빈(20)(30)(40)에서 스팀의 일부를 취출하여 복수기(50)에서 보일러(10)로 유입되는 계통수(터빈에 공급되어 터빈에 회전력을 주도록 사용된 다음 나온 스팀이 복수기(50)를 거치면서 발생된 물)와 상기 일부 취출된 스팀이 열교환되어 다시 보일러(10)로 유입되어 계통수의 온도를 높여줌으로써, 보일러(10)의 연료소모를 감소시키는 구성으로 되어있다.

예를 들어, 저압터빈(40)으로부터 추기관(41)(42)(43)(44)을 연결하여 열교환기(60)와 연결하여 스팀의 일부를 보내도록 한 구조를 가진다.

그러나, 종래의 발전시스템에 있어서, 일반적으로 복수기(50)의 온도는 터빈의 효율을 최소화하기 위하여 낮게 유지되어야 하며, 보일러(10)로 유입되는 계통수의 온도는 높을 수록 전체적인 발전효율이 증대되는데, 이러한 복수기(50)의 냉각수로 사용되는 해수는 냉각수배관(S)이 복수기(50)를 거친 다음, 바로 다시 바다로 버려지는 실정이다.

따라서, 종래에는 각 터빈으로부터 스팀이 거치게 되는 과정에서, 일부 스팀을 빼내어 열교환기(60)를 거치도록 하면서 복수기(50)를 거친 계통수와 합해져서 열교환되는 과정을 거쳐서 효율을 높이도록 하기때문에, 그 만큼 터빈의 출력량이 저하되는 결과를 초래하는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 종래에 사용된 다음 버려지던 냉각수로부터 히트펌프를 이용하여 열을 회수하여 계통수 승온에 사용하게 되면, 터빈으로부터 계통수 승온을 위해 취출하던 스팀의 일부를 취출하지 않고 발전에 사용함으로써, 터빈 출력량을 높여 전체적인 발전효율을 증대시킬 수 있도록 한 히트펌프를 이용한 발전시스템을 제공함에 발명의 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 보일러와 터빈을 거치는 스팀이 복수기를 통과하는 냉각수배관에 의해 냉각되어 계통수가 된 다음, 다시 보일러로 순환되는 발전시스템에 상기 복수기와 열교환기 사이에 복수기를 거쳐 승온된 냉각수로부터 열을 회수하여 계통수 승온에 이용되는 히트펌프를 설치한 것을 기술적 특징으로 한다.

상기 히트펌프를 구성하는 증발기에는, 복수기를 거치면서 승온된 냉각수가 통과하여 내보내지도록 하는 냉각수배관을 연결하고, 복수기를 통과한 계통수는 배관을 통해 히트펌프에 구비된 응축기를 거쳐서 보일러로 이동하도록 된 구조이다.

또한, 상기 히트펌프는 흡수식 히트펌프로서, 상기 히트펌프는 흡수식 히트펌프로서, 냉매증기를 흡수제에 의해 흡수시켜서 흡수열이 발생되도록 하는 흡수기 와, 축열조와 연결된 순환배관에 의해 열을 얻어서 냉매증기를 발생시키는 재생기와, 발생된 냉매증기를 냉각수에 의해 응축시키는 응축기와, 냉매증기가 응축기를 거쳐서 응축되어 발생되는 냉매액을 증발시키는 증발기를 포함하여 구성되고,

상기 증발기는 복수기를 거치면서 승온된 냉각수로부터 열을 회수하기 위해 냉각수배관이 통과하도록 되어 있으며,

복수기로부터 연결된 배관을 통해 계통수가 흡수기를 통과하여 응축기를 거쳐서 열교환기로 유입되어 보일러로 이동하도록 되며, 계통수가 흡수기를 통과하면서 1차로 승온이 이루어지고, 응축기를 거치면서 2차로 승온이 이루어지도록 된 것 구조이다.

또한, 상기 축열조는 태양열에 의해 재생된 열원을 이용하도록 되어 있는 구조이다.

또한, 상기 흡수기와 재생기 사이에는 제 1열교환기가 구비되고, 상기 응축기와 증발기의 사이에는 제 2열교환기가 구비된 구조이다.

이와 같이, 본 발명은 발전시스템에서 복수기의 냉각수로 이용되는 자연수(해수 등)를 승온된 상태에서 자연(바다 등)으로 바로 내보내지 않고, 이를 히트펌프를 통해 회수하여 발전시스템의 계통에 재활용함으로써 발전시스템의 효율을 증대시키고, 연료소비를 감소시킬 수 있도록 한 효과가 있다.

또한, 이를 통해 바닷물 또는 강물 온도 상승에 따른 생태계 파괴를 방지하 고, 온난화 가스(CO₂)의 배출량이 감소함으로써, 지구 온난화 방지에도 큰 효과가 있는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

상기 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명하고, 상세한 설명은 생략하며, 새로운 구성요소에 대해서는 새로운 부호를 부여하여 상세하게 설명한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 발전시스템은 보일러(10)와, 터빈(T)을 구성하는 고압터빈(20),중압터빈(30), 저압터빈(40)을 거치는 스팀이 복수기(50)를 통과하는 냉각수배관(S)에 의해 냉각,응축되어 계통수가 된 다음, 다시 보일러(10)로 순환되는 발전시스템에 있어서, 복수기(50)와 열교환기(60) 사이에 복수기(50)를 거치면서 승온된 냉각수가 흐르는 냉각수배관(S)이 통과되어 열을 회수하는 히트펌프(100)를 설치한 구조이다.

여기서, 본 발명은, 히트펌프의 구성요소인 증발기(110)에 복수기(50)를 거치면서 승온된 냉각수가 통과한 다음 내보내지도록 하는 냉각수배관(S)을 연결하고, 복수기(50)를 통과하여 생성된 계통수는 배관(51)을 통해 히트펌프에 구비된 응축기(120)를 거쳐서 열교환기(60)로 이동하도록 된 구조이다.

본 발명에서의 히트펌프는 일반적인 히트펌프로서 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어진 구성이고, 설명의 편의상 이러한 구성요소에 대한 유기적인 결합관계는 공지의 기술이므로 도면 및 설명을 간략히 하였다.

이와 같이 구성된 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 통상의 발전시스템에서 복수기(50)에서 계통수를 냉각,응축시키는 냉각수로 자연수(해수 등)를 사용할 수 있도록 냉각수배관(S)이 연결되어 있는데, 이 냉각수배관(S)은 다시 히트펌프(100)의 증발기(110)를 거치도록 연결되어 있어, 복수기(50)에서 냉각수로 사용된 다음 승온된 상태가 되며, 이 승온된 상태의 냉각수가 증발기(110)를 거치는 과정에서, 열을 빼앗기므로, 복수기(50)를 거치기 전의 온도로 감온되어 내보내지도록 된 것이다.

따라서, 승온된 냉각수에 의해 증발기(110)에서 열교환되어 열을 얻은 냉매증기는, 증발기(110)로부터 응축기(120)로 보내어지는 한편, 상기 복수기(50)에서 냉각수에 의해 냉각,응축된 계통수는 배관(51)을 통해 히트펌프의 응축기(120)를 거쳐서 열교환기(60)로 유입어 보일러(10)로 재공급되며, 이러한 과정에서 복수기(50)에서 한번 사용된 냉각수는 종래와 같이 그대로 버려지는 것이 아니라, 히트펌프(100)를 이용하여 회수되어 열을 얻도록 하는 것이다.

그러나, 여기서 본 발명은 더욱 바람직하게는, 흡수식 히트펌프를 적용하는 것으로, 이러한 흡수식 히트펌프로 인해 전체적인 발전효율이 더욱 향상될 수 있 다.

도 3에 도시된 바와 같이, 흡수식 히트펌프(200)는, 냉매증기를 흡수제에 의해 흡수시켜서 흡수열이 발생되도록 하는 흡수기(210)와, 가열되어 냉매증기를 발생시키는 재생기(220)와,

발생된 냉매증기를 냉각수에 의해 응축시키는 응축기(230)와,

응축기(230)를 거친 냉매증기가 냉매액으로 증발시키는 증발기(240)를 갖추고, 상기 재생기(220)의 열은 축열조(250)(heat storage)를 통해 얻도록 한다.

상기 증발기(240)는 복수기(50)를 거치면서 승온된 냉각수로부터 열을 회수하기 위해 냉각수배관(S)이 통과하도록 되어 있다.

또한, 상기 축열조(250)는 태양열에 의해 재생된 열을 이용하는 것이다.

또한, 상기 흡수기(210)와 재생기(220) 사이에는 제 1열교환기(260)가 구비되고, 상기 응축기(230)와 증발기(240)의 사이에는 제 2열교환기(270)가 구비된 구조를 가진다.

발전시스템의 복수기(50)로부터 연결된 배관(51)을 통해 터빈(T)으로부터 나온 스팀이 복수기(50)를 거치면서 냉각수에 의해 생성되는 물인 계통수가 흡수기(210)를 통과하여 응축기(230)를 거쳐서 열교환기(60)로 유입되어 결국 보일러(10)로 이동하도록 되는데, 계통수가 흡수기(210)를 통과하면서 1차로 승온이 이루어지고, 응축기(230)를 거치면서 2차로 승온이 이루어진다.

이것은 태양열에 의해 열을 얻는 축열조(250)의 스팀 또는 온수가 순환배관(251)을 통해 재생기(220)를 순환하도록 되어 있는데, 흡수용액(묽은 용액)은 펌 프(P)를 통해 흡수용액 배관(211)을 거쳐서 재생기(220)로 보내지며, 재생기(220)에서 축열조(250)에서의 스팀 또는 온수에 의해, 증기와 진한용액으로 분리되어서, 증기는 증기배관(221)을 통해 응축기(230)로 보내지고, 진한용액은 흡수기(210)에서 증발기(240)로부터 증발된 냉매증기를 흡수한 다음, 다시 묽은 용액 상태가 되어서 펌프(P)에 의해 흡수용액 배관(211)을 통해 재생기(220)로 보내지며, 이러한 과정을 순환,반복한다.

이때, 흡수기(210)와 재생기(220) 사이에는, 제 1열교환기(260)가 설치되어 있어 흡수기(210)에서 재생기(220)로 이동하는 저온의 묽은용액과 재생기(220)에서 흡수기(210)로 이동하는 고온의 진한용액을 열교환시켜서 묽은용액과 진한용액의 상태로 흡수기(210)와 재생기(220)로 유입된다.

재생기(220)에서 재생된 증기는 응축기(230)에서 계통수와 열교환하여 잠열을 빼앗겨 응축수가 발생된다. 이 응축수는 증발기(240)에서 다시 증기로 되어 증기배관(241)을 통해 흡수기(210)로 이동한다.

여기서, 본 발명은 응축기(230)와 증발기(240) 사이에 제 2열교환기(270)가 설치되어 있어, 응축기(230)에서 흡수기(210)로 냉매액 배관(231)을 지나 이동하는 고온의 냉매액과, 배관(51)을 통해 흡수기(210)에 공급되는 저온의 계통수와 열교환되어 냉매액과 계통수의 상태로 증발기(240)와 흡수기(210)로 유입된다.

이와 같이, 본 발명은 터빈(T)으로부터 분기되는 추기관도 일부 추기관의 밸브를 잠그거나 또는 터빈의 자동 압력 및 온도조절 기능에 의하여 추기관으로 분기 하는 스팀양이 줄어들어 터빈의 출력량이 증가될 수 있는 것이다.

또한, 터빈의 증가된 출력량을 요구 출력량으로 낮출 경우, 터빈의 스팀 유입량을 줄여서 요구 출력량을 조절하게 되는데, 이때 감소된 스팀 양만큼 가열하지 않아도 되므로, 보일러의 연료소비를 줄일 수 있다.

또한, 보일러의 연료소비 감소량 만큼에 해당하는 온난화 가스(CO₂)의 배출량을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에서 설명한 발전시스템은 500mW급 석탄화력 발전소용을 일례로 들어서 설명한 것이고, 이에 한정되지 않고 다른 타입의 발전시스템에도 동일하게 적용될 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 기재된 발전시스템은 장치를 의미한다.

본 발명은 편의상 첨부된 예시도면에 의거 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 여러가지 변형 및 수정이 가능함은 자명한 사실이다.

도 1은 종래의 발전시스템을 나타낸 구성도이다.

도 2는 본 발명의 발전시스템을 나타낸 구성도이다.

도 3은 본 발명에 적용되는 다른 히트펌프(흡수식 히트펌프)를 설명하는 구성도이다.

[도면의 부호설명]

P : 펌프

S : 냉각수배관

10 : 보일러

20 : 고압터빈

30 : 중압터빈

40 : 저압터빈

50 : 복수기

51 : 배관

60 : 열교환기

100 : 히트펌프

110 : 증발기

120 : 응축기

200 : 흡수식 히트펌프

210 : 흡수기

211 : 흡수용액 배관

220 : 재생기

221 : 증기배관

230 : 응축기

231 : 냉매액 배관

240 : 증발기

241 : 증기배관

250 : 축열조

251 : 순환배관

260 : 제 1열교환기

270 : 제 2열교환기

Claims (5)

1. 보일러와 터빈을 거치는 스팀이 복수기를 통과하는 냉각수배관에 의해 냉각되어 계통수가 된 다음, 열교환기를 거쳐서 다시 보일러로 순환되는 발전시스템에서,

   상기 복수기와 열교환기 사이에, 복수기에서 계통수 냉각 및 응축용으로 사용된 후 승온된 냉각수로부터 열을 회수하여 계통수 승온에 이용하도록 하는 히트펌프를 설치한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 히트펌프를 구성하는 증발기에, 복수기를 거치면서 승온된 냉각수가 통과하여 승온 이전의 온도로 낮추어져서 내보내지도록 하는 냉각수배관을 연결하고, 상기 복수기를 통과한 계통수는 배관을 통해 히트펌프에 구비된 응축기를 거쳐서 보일러로 이동하도록 된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 히트펌프는 흡수식 히트펌프로서,

   냉매증기를 흡수제에 의해 흡수시켜서 흡수열이 발생되도록 하는 흡수기와,

   축열조와 연결된 순환배관에 의해 열을 얻어서 냉매증기를 발생시키는 재생기와,

   발생된 냉매증기를 냉각수에 의해 응축시키는 응축기와,

   냉매증기가 응축기를 거쳐서 응축되어 발생되는 냉매액을 증발시키는 증발기를 포함하여 구성되고,

   상기 증발기는 복수기를 거치면서 승온된 냉각수로부터 열을 회수하기 위해 냉각수배관이 통과하도록 되어 있으며,

   복수기로부터 연결된 배관을 통해 계통수가 흡수기를 통과하여 응축기를 거쳐서 열교환기로 유입되어 보일러로 이동하도록 되며, 계통수가 흡수기를 통과하면서 1차로 승온이 이루어지고, 응축기를 거치면서 2차로 승온이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 축열조는 태양열에 의해 재생된 열을 이용하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   흡수기와 재생기 사이에는 제 1열교환기가 구비되고, 상기 응축기와 증발기 의 사이에는 제 2열교환기가 구비된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.

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