KR20110026773A - 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소의 복수기(Condenser)에서 버려지는 열에너지의 일부를 흡수하여 발전소의 전력생산 효율을 증대시키는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 수증기가 물로 응축되도록 냉각수 입구(1a)로부터 냉각수 출구(1b)로 냉각수가 흐르는 복수기(1)에서 응축된 응축수를 여러 개의 응축수 펌프(2)를 통해 급수가열기(3)로 보내는 발전소의 열회수 장치에 있어서, 상기 응축수 펌프(2)와 급수 가열기(3) 사이에는 복수기(1)의 응축수와 냉각수를 받아들이는 열펌프(4)가 설치되되, 이 열펌프(4)를 거친 응축수와 냉각수의 일부는 복수기(1)의 냉각수 입구(1a)로 순환시키고, 나머지는 급수 가열기(3)로 공급하며, 상기 급수 가열기(3)로 공급된 응축수는 급수 가열증기가 공급되는 3방 밸브(5)에 의해 가열되어 공급되며, 가열증기의 일부는 연소용 공기 가열기(6)를 거쳐 복수기(1)의 응축수로 직접 회수되는 구조로 되어 있다.

Description

열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치{Heat recovery system of plant using heat pump}

본 발명은 발전소의 복수기(Condenser)에서 버려지는 열에너지의 일부를 흡수하여 발전소의 에너지생산 효율을 증대시키는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치에 관한 것이다.

열펌프(Heat pump)는 이미 잘 알려진 바와 같이 냉장고, 냉동기뿐만 아니라 산업현장의 생산설비 등에 폭넓게 적용되는 기술이며, 높은 성적계수(COP, Coefficient Of Performance)를 가지고 효과적인 열교환이 이루어짐에 따라 대기, 하천, 또는 산업현장의 폐열 발생설비로부터 효과적으로 열에너지를 흡수할 수 있는 설비이고, 대부분의 경우 냉각용으로 이용하지만, 일부 가열용으로 사용되기도 하나, 최근 에너지 효율에 관심이 증가되면서 냉각과 가열을 동시에 이용하여 열효율을 향상시키는 기술이 점점 증가하고 있는 추세이다.

본 발명은 이러한 히트펌프를 이용하여 발전소의 복수기(Condenser)에서 버려지는 방대한 열에너지의 일부를 흡수하여 발전소의 효율을 향상시키는 열회수 장치이다.

한편, 본 출원인에 의해 특허출원된 대한민국 특허출원 제2009-58580호는 열전소자를 이용하는 발전소의 열효율 장치로서, 이는 열전소자를 이용하여 기계적인 구동부가 없어 적용이 간편하고 소음이 없는 장점이 있는 반면, 그 성적계수(COP)가 저온부-고온부의 온도차 및 전류비에 지나치게 민감함에 따라 성적계수(COP)를 높이는데 한계가 있으면서 대형화 설비에 적용이 곤란한 단점을 지니고 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같이 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 대형 발전소에 적용이 가능하면서 발전소 복수기에서 냉각수에 의한 방열손실의 일부의 열을 회수하여 발전소의 효율을 증가시킬 수 있는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수증기가 물로 응축되도록 냉각수 입구로부터 냉각수 출구로 냉각수가 흐르는 복수기에서 응축된 응축수를 여러 개의 응축수 펌프를 통해 급수 가열기로 보내는 발전소의 복수기 장치에 있어서, 상기 응축수 펌프와 급수 가열기 사이에는 복수의 응축수와 냉각수를 받아들이는 열펌프가 설치되되, 이 열펌프를 거친 응축수와 냉각수의 일부는 복수기의 냉각수 입구로 순환시키고, 나머지는 급수 가열기로 공급하며, 상기 급수 가열기로 공급된 응축수는 급수 가열기에서 복수기의 응축수와 급수 가열용 증기가 공급되는 3방 밸브에 의해 가열되며, 공급되는 증기의 일부는 연소용 공기 가열기를 거쳐 응축되어 복수기의 응축수로 직접 회수되는 구조로 되어 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치는 복수기의 냉각수에 의한 방열손실에서 일부 열을 열펌프로 회수하여 재사용함 따라 발전소의 효율 향상으로 연료절감에 따른 이산화탄소 배출과 온배수 저감의 효과를 지닌다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치를 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 열의 흐름을 나타낸 도면이다.

본 발명은 수증기가 물로 응축되도록 냉각수 입구(1a)로부터 냉각수 출구(1b)로 냉각수가 흐르는 복수기(1)에서 응축된 응축수를 여러 개의 응축수 펌프(2)를 통해 급수가열기(3)로 보내는 발전소의 열회수 장치에 있어서, 상기 응축수 펌프(2)와 급수 가열기(3) 사이에는 복수기(1)의 응축수와 냉각수를 받아들이는 열펌프(4)가 설치되되, 이 열펌프(4)를 거친 냉각수는 복수기(1)의 냉각수 입구(1a)로 순환시키고, 응축수는 급수 가열기(3)로 공급하며, 상기 급수 가열기(3)로 공급된 응축수는 급수 가열기(3)에서 가열증기가 공급되는 3방 밸브(5)에 의해 가열되어 공급되며, 가열 증기의 일부는 연소용 공기 가열기(6)를 거쳐 응축되어 복수기(1)의 응축수로 직접 회수되는 구조로 되어 있다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명은 복수기(1)에서 수증기가 물로 응축되면서 방대한 양의 열에너지가 버려지게 되는바, 열펌프(4)에서 이 버려지는 열에너지 일부를 흡수하고, 이 열에너지를 이용하여 복수기(1)의 급수를 가열할 수 있는데, 이때 상기 열펌프(4)의 성적계수(COP)에 따라 급수를 가열하는 열량이 달라지게 된다.

근래 이미 상용화되어 있는 열펌프의 경우 2 ~ 10 정도의 성적계수(COP)를 가지며 열원이 충분하고 가열온도가 15℃ 정도인 경우 열펌프의 성적계수 값이 9이다(Mcquay 회사제품).

따라서 성적계수(COP)가 9 정도인 열펌프를 적용한다면, 열펌프에 투입하는 전력량의 9배에 해당하는 열량으로 급수를 가열할 수 있다.

이 같이 급수가 미리 가열되면 급수가열용 증기가 남게 되는데, 이 증기는 상대적으로 온도가 높아(약 60℃ 이상) 연소용 공기 예열에 사용한 후 복수기(1)로 회수함으로써 별도의 연료증가 없이 보일러의 입열량을 증가시켜 발전소 효율을 향상시킨다.

한편, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예를 도시한 것으로 이는 복수기(1)에 공급되는 증기를 직접 열원으로 하는 열펌프(4)를 구성한 것으로, 이를 제외하면, 앞선 설명한 본 발명의 제 1 실시예와 동일하다.

도 4는 열펌프(4)를 이용하여 복수기(1)에서 회수한 열로 급수를 가열하지 않고 직접 연소용 공기로 가열하여 보일러에 공급할 수 있는데, 이때 공기의 비열이 물의 비열보다 작으므로 동일한 열량에서 온도차를 크게 해야하나, 온도차가 너무 커지면 열펌프의 성적계수(COP)가 낮아지므로 급수를 가열하는 경우에 비해 발전소 효율상승은 앞선 실시예들에 비해 작은 것으로 예상된다.

도 5 (A)와 (B)는 열펌프를 적용하기 전과 적용한 후 발전소 각 부분의 입출력 상태를 보여주는 도식도이다.

예를 들어 보일러 효율 90%, 터빈효율 46%, 발전기 효율 94% 실제 발전소에 본 발명을 적용하여 효율향상을 예측해 보면, 도 5(A)와 같이 열펌프 적용 전 발전 소 종합효율 = 보일러 효율 × 터빈효율 × 발전기 효율 = 출력/입력 = 498.923/1282.051 = 38.916%인 반면, 도 5(B)와 같이 본 발명에 따른 열펌프 적용 후 발전소 종합효율은 출력/입력 = 504.248/1282.051 = 39.331%로서 약 0.415%의 효율 상승을 기대할 수 있으며, 이는 대형 발전소에서 볼 때 상당히 큰 에너지를 절감할 수 있는 양이다.

이는 회수된 열량을 전부 보일러 입열량으로 투입할 수 있을 때 가능한 일이며, 공기 예열기가 이미 설치되어 있는 플랜트의 경우, 연소용 공기 가열 시 배기가스 온도 상승으로 배가스 손실이 증가하여 효율상승 효과가 미미하므로 이 경우에는 대략 117도에서 143도로 상승된 배가스로부터 직접 열을 회수하여 프로세스에서 이용하여야 한다. 프로세스에서 이 열을 이용하는 방법으로는 지역난방 수요가 있는 경우 지역난방용 급수가열에 이용하고, 중유나 경우 발전소에서는 연료 예열에 이용함으로써 플랜트 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열펌프를 이용한 발전소 열회수 장치의 구성도,

도 2는 도 1의 열의 흐름도,

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구성도,

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 구성도,

도 5 (A)는 열펌프를 적용하기 전 발전소 각 부분의 에너지의 입출력 상태를 보여주는 도식도이고, (B)는 본 발명에 적용된 열펌프를 적용한 후 발전소 각 부분의 에너지 입출력 상태를 보여주는 도식도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 복수기(Condenser), 1a : 냉각수 입구,

1b : 냉각수 출구, 2 : 응축수 펌프,

3 : 급수 가열기, 4 : 열펌프(Heat pump),

5 : 3 방 밸브, 6 : 연소용 공기 가열기.

Claims (4)

1. 수증기가 물로 응축되도록 냉각수 입구(1a)로부터 냉각수 출구(1b)로 냉각수가 흐르는 복수기(1)에서 응축된 응축수를 여러 개의 응축수 펌프(2)를 통해 급수가열기(3)로 보내는 발전소의 열회수 장치에 있어서,

   상기 응축수 펌프(2)와 급수 가열기(3) 사이에는 복수기(1)의 응축수와 냉각수를 받아들이는 열펌프(4)가 설치되되, 이 열펌프(4)를 거친 냉각수는 복수기(1)의 냉각수 입구(1a)로 순환시키고, 응축수는 급수 가열기(3)로 공급하며, 상기 급수 가열기(3)로 공급된 응축수는 급수 가열기(3)에서 급수 가열증기가 공급되는 3방 밸브(5)에 의해 가열되어 공급되며, 연소용 공기 가열기(6)를 거친 가열증기는 복수기(1)의 응축수로 직접 공급되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열펌프(4)는 복수기(1)의 증기를 직접 공급받아 열을 회수할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열펌프(4)는 연소용 공기를 가열하여 보일러로 공급하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 열펌프(4)는 온도가 상승된 배가스로부터 열에너지를 회수하여 이를 지역 난방수 가열이나 연료계통 가열에 이용하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열펌프를 이용한 발전소의 열회수 장치.

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