KR20110079448A - Ｏｒｃ시스템 - Google Patents

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KR20110079448A
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Abstract

본 발명은 액체상태의 냉매를 가열하여 고온, 고압의 기체상태로 만드는 열교환부(130)와, 고온고압의 냉매를 저온 저압으로 팽창시켜 전기를 생산하는 발전부(140)와, 발전부(140) 후단에서 기체 상태의 냉매를 액체상태로 냉각시키는 응축기(150)와, 응축기(150)의 냉매를 지속적으로 순환시키는 펌프(120)로 구성된 ORC시스템에 있어서, 상기 열교환부(130)는 예열기(133), 증발기(135), 과열기(137)로 구성되도록 하되, 각각은 하나의 열원공급부(131)를 통해 열원을 공급받도록 된 것을 특징으로 하는 ORC 시스템에 관한 것이다.

Description

ＯＲＣ시스템{Organic Rankine Cycle System}
본 발명은 ORC 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동유체의 저온 운전특성이 향상되어 터빈의 발전효율을 높일 수 있고, 터빈의 무리한 운전을 방지함과 아울러, 안정적인 운전이 가능한 ORC시스템에 관한 것이다.
일반적으로 ORC(유기랭킨사이클, Organic Rankine Cycle) 터보발전 시스템 구조는 그림 1에서 나타낸 것과 같이, 증발기(10), 터빈(20), 응축기(30) 및 펌프(40) 순으로 사이클이 구성되고, 이 중 증발기(10)의 전, 후방에 각각 예열기(11)와 과열기(12)가 마련되며, 응축기(30) 후방에 응축수를 저장하기 위한 응축탱크(35)가 구비되어 있으며, 이 응축탱크(35)를 지난 액체 상태의 냉매의 유량을 측정하기 위해 별도의 유량계를 더 구비할 수 있다.
열 전달용 또는 폐열 회수용 및 발전용으로 수증기 매질의 사용에 따른 단점을 극복하기 위하여, 분말 공장에서 작동 유체로서, 및 작동 및 열 전달 중간체로서 고온 유기 작동 유체가 도입된 바 있다. 열역학 유기랭킨사이클 (Organic Rankin Cycle), 또는 유사한 열-에너지 전달 시스템을 바탕으로 한 열-에너지 전환장치는 수백 와트(W) 내지 수십 메가와트(MW)의 전력을 생산하기 위하여 특히 열이 다양한 공급원, 예를 들어, 가스 터빈 배출 가스, 통상적인 연료의 연소, 바이오매스 연료의 연소, 지열 공급원, 태양열 집열장치 및 발전소 및 다른 공업 공정에서 생산되는 폐열로부터 얻어지는 원격지에서의 열 회수 및 발전에 있어 유용하다. 약 350℃ 정도의 고온에서 유지가능한 유기유체가 수증기보다 유익하며, 증기의 사용이 터빈 블레이드의 부식을 일으킬 수도 있는 증기의 팽창으로 인해 터빈 외부에 액적을 형성시킴으로써 제한될 수도 있는 낮은 응축 온도 및 높은 터빈 팽창률에서도 발전 사이클에서 성공적으로 이용될 수 있다. 유기 유체의 성질 때문에, 이들은 팽창 과정 중에 과열(또는 건조)되어 증기를 사용하는 경우에서와 같은 액적의 형성을 방지하는 특성이 있다.
이러한, 유기랭킨사이클은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위 (60∼200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산할 수 있게 된다. 이러한 유기랭킨사이클은 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야 하는 시스템 특성상, 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용하게 된다.
이와 같은 프레온계열의 냉매는 증발 특성이 매우 높기 때문에 펌프 및 각종 열교환기 제어 방법에 있어서 작동유체로 물을 사용하는 기존의 랭킨사이클과 차별된다.
이와 같은 유기랭킨사이클은 작동유체의 터빈 입구 온도가 100℃ 전후로 기존의 랭킨(Rankine) 사이클에 비해 낮은 상태에서 고속 터빈을 구동하는 것으로서, 이를 감안한 사이클 제어가 원활하지 못할 경우, 운전이 불안정한 문제가 있었다.
종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 작동유체의 저온 운전특성이 향상되어 터빈의 발전효율을 높일 수 있고, 터빈의 무리한 운전을 방지함과 아울러, 안정적인 운전이 가능한 ORC시스템을 제공함에 있다.
상기한 본 발명의 목적은 액체상태의 냉매를 가열하여 고온, 고압의 기체상태로 만드는 열교환부(130)와, 고온고압의 냉매를 저온 저압으로 팽창시켜 전기를 생산하는 발전부(140)와, 발전부(140) 후단에서 기체 상태의 냉매를 액체상태로 냉각시키는 응축기(150)와, 응축기(150)의 냉매를 지속적으로 순환시키는 펌프(120)로 구성된 ORC시스템에 있어서, 상기 열교환부(130)는 예열기(133), 증발기(135), 과열기(137)로 구성되도록 하되, 각각은 하나의 열원공급부(131)를 통해 열원을 공급받도록 된 것을 특징으로 하는 ORC 시스템을 통해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 예열기(133)는 펌프(120)로부터 냉매를 공급받아 열원을 통해 목표온도까지 승온시키도록 하되, 예열기(133)를 거친 냉매의 온도를 측정하여 목표온도에 도달하는 지를 판단하고, 목표온도에 미달하거나 초과할 경우, 열원공급부(131)의 열원 공급량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 예열기(133)의 사양은 냉매 입구온도, 압력: 30℃, 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 77℃, 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃(물 포화증기); 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.06kg/s 로 설계되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 증발기(135)는 예열기(133)에서 승온과정을 거친 냉매를 공급받아 액체와 기체가 공존 하도록 열원공급부(131)에서의 열원 유량 제어를 통해 작동유체 온도를 제어하고, 증발기(135)의 액체 수위가 항상 일정량이 존재하는 지를 레벨 센서를 이용해 계측하고, 만일 액체 수위가 낮을 경우 펌프(120)의 회전속도를 높이고, 그 반대의 경우 펌프(120) 회전속도를 낮추어 증발기(135) 내에 액체와 기체가 항상 일정하게 공존하도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 증발기(135)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:77℃(액체), 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 77℃(기체), 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃(물 포화증기); 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.14kg/s로 설계되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 과열기(137)는 증발기 후단에 설치되어 냉매를 공급받고, 냉매 온도의 상태에 따라 열원공급부(131)의 열원 유량을 제어하여 과열기(137) 후단의 냉매 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 과열기(137)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:77℃(기체), 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 87℃(기체), 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃ 물 포화증기; 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.01kg/s로 설계되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 발전부(140)는 과열기(137)에서 정압가열이 이루어진 과열 증기를 전달받아 터빈(143)이 회전되어 발전기(145)의 축을 회전시켜 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 발전부(140)는 시스템 운전 초반에 작동유체 상태가 정상이 될 때까지 바이패스 배관(141)을 활용하여 터빈(143)의 구동 없이 시운전되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 응축기(150)는 터빈(143) 후단에 설치되어 증기 상태의 작동유체를 공급받아 액화시키도록 하되, 냉각타워(160)와 연결되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 응축기(150)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:56℃(기체), 1.8ba; 냉매 출구온도, 압력: 30℃(액체), 1.8bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 냉각수 입구온도: 20℃ (물); 냉각수 출구온도: 25℃ (물); 열원유량: 19.3kg/s로 설계되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 응축기(150) 후단에 액체 냉매를 저장하기 위한 응축탱크(110)가 설치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 펌프(120)의 블레이드와 냉매와의 마찰로 인해 냉매 일부분이 기화되어 펌프(120)가 헛도는 것을 방지하기 위해 바이패스 라인(121)을 설치하여 냉매 증기를 응축탱크(110)로 배출하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따른 본 발명의 ORC 시스템은 작동유체의 저온 운전특성이 향상되어 터빈의 발전효율을 높일 수 있고, 터빈의 무리한 운전을 방지함과 아울러, 안정적인 운전이 가능한 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술의 유기랭킨사이클을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 ORC 시스템을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
동 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예로서, 30kW급 ORC 발전시스템에 대한 주요 시스템 사양 및 제어 방법에 대해 설명한다.
이때, 예시되는 시스템의 출력이 다를 경우 이에 따른 작동유체의 유량, 공급열원의 유량 그리고 터빈의 사이즈 등을 변경하면 되고 나머지 제어 방법은 동일하게 수행됨을 밝혀둔다.
본 시스템은 액체상태의 냉매를 가열하여 고온, 고압의 기체상태로 만드는 열교환부(130)와, 고온고압의 냉매를 저온 저압으로 팽창시켜 전기를 생산하는 발전부(140)와, 발전부(140) 후단에서 기체 상태의 냉매를 액체상태로 냉각시키는 응축기(150)와, 응축기(150)의 냉매를 지속적으로 순환시키는 펌프(120)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
여기서, 상기 열교환부(130)는 예열기(133), 증발기(135), 과열기(137)로 구성되고 있다.
상기 예열기(133)에 대해 설명하면 다음과 같다. 상기 예열기(133)는 펌프(120)로부터 냉매를 공급받아 열원을 통해 목표온도까지 승온시키는 역할을 하게 된다. 이때, 예열기(133)를 거친 냉매의 온도를 측정하여 목표온도에 도달하는 지를 판단하고, 목표온도에 미달하거나 초과할 경우, 열원공급부(131)의 열원 공급량을 제어하게 된다.
이와 같은 예열기(133)의 사양은 냉매 입구온도, 압력: 30℃, 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 77℃, 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃(물 포화증기); 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.06kg/s 로 설계되는 것이 바람직하다.
다음, 증발기(135)에 대해 설명하면 다음과 같다. 상기 증발기(135)는 예열기(133)에서 승온과정을 거친 냉매를 공급받아 액체와 기체가 공존 하도록 열원공급부(131)에서의 열원 유량 제어를 통해 작동유체 온도를 제어한다.
이때, 증발기(135)의 액체 수위가 항상 일정량이 존재하는 지를 레벨 센서를 이용해 계측하고, 만일 액체 수위가 낮을 경우 펌프(120)의 회전속도를 높이고, 그 반대의 경우 펌프(120) 회전속도를 낮추어 증발기(135) 내에 액체와 기체가 항상 일정하게 공존하도록 한다.
그 이유는 액체와 기체가 공존하여야 온도 제어를 통해 그 온도에서의 포화압력으로 압력 제어가 가능해지기 때문이다.
이와 같은 증발기(135)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:77℃(액체), 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 77℃(기체), 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃(물 포화증기); 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.14kg/s로 설계되는 것이 바람직하다.
다음, 상기 과열기(137)에 대해 설명한다. 상기 과열기(137)는 증발기(135)로부터 작동유체(냉매 증기)를 공급받는다.
이러한, 과열기(137)는 증발기(135)에서 생성된 냉매 증기가 터빈(143)까지 가는 동안 응축되어 터빈 효율을 저하시키는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
이와 같은 과열기(137)는 증발기(135) 및 예열기(133)와 동일하게 과열기(137) 후단의 냉매 온도의 상태에 따라 열원공급부(131)의 열원 유량을 제어하여 과열기(137) 후단의 냉매 온도를 제어한다.
상기 과열기(137)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:77℃(기체), 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 87℃(기체), 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃ 물 포화증기; 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.01kg/s로 설계될 수 있다.
다음, 발전부(140)에 대해 설명하면 다음과 같다. 상기 발전부(140)는 터빈(143)과 발전기(145)로 이루어져 있다.
상기 터빈(143)은 과열기(137)에서 정압가열이 이루어진 과열 증기를 전달받아 회전됨으로써, 발전기(145)의 축을 회전시켜 발전이 이루어지도록 하고 있다.
이때, 시스템 운전 초반에는 작동유체 상태가 정상상태가 아니므로 터빈(143) 구동에 무리를 줄 수 있다. 따라서 바이패스 배관(121)을 활용하여 시스템이 정상상태에 이를 때까지 터빈(143)의 구동 없이 운전되도록 하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 응축기(150)에 대해 설명하면 다음과 같다. 상기 응축기(150)는 터빈(143) 후단에 설치되어 증기 상태의 작동유체를 공급받아 액화시키는 역할을 하는데, 냉각타워(160)를 별도로 구성할 수 있다.
이러한, 응축기(150)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:56℃(기체), 1.8ba; 냉매 출구온도, 압력: 30℃(액체), 1.8bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 냉각수 입구온도: 20℃ (물); 냉각수 출구온도: 25℃ (물); 열원유량: 19.3kg/s로 설계될 수 있다.
그리고, 상기 응축기(150) 후단에 액체 냉매를 저장하기 위한 응축탱크(110)가 설치된다. 이와 같은 응축탱크(110)는 300리터 정도의 액체 냉매를 저장할 수 있는 탱크로서, 액체상태의 냉매(R245fa)를 응축탱크에 300리터를 주입하게 된다.
그리고, 상기 응축기 후단에는 펌프(120)가 설치되고 있다. 이와 같은 펌프(120)는 작동유체를 저압 상태에서 고압 상태로 공급하는 역할을 한다.
본 발명의 ORC 시스템의 작동유체는 최고 압력이 증발기(135)에서의 증발압력과 같다.
따라서 응축 압력에서 증발 압력까지의 압력차만큼 압력을 상승시키고 동시에 시스템 사양에 맞는 작동유체 유량을 공급할 수 있는 펌프(120)를 사용한다.
상기 펌프(120)를 가동하여 냉매를 예열기(133)로 보내게 되는데, 펌프(120)의 블레이드와 냉매와의 마찰로 인해 냉매 일부분이 기화되어 펌프(120)가 헛도는 경우가 발생될 수 있다.
이를 해결하기 위해 도 1에서와 같이 바이패스 라인(121)을 설치하여 냉매 증기를 응축탱크(110)로 배출하여 증기가 제거되도록 할 수 있다.
상기한 구성에 따른 본 발명의 ORC 시스템은 작동유체의 저온 운전특성이 향상되어 터빈의 발전효율을 높일 수 있고, 터빈의 무리한 운전을 방지함과 아울러, 안정적인 운전이 가능한 이점을 갖는다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예를 기존의 공지기술과 단순히 주합 적용한 실시예는 물론 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명을 단순 변형하여 이용할 수 있는 정도의 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
110: 응축탱크
120: 펌프
121: 바이패스라인
130: 열교환부
131: 열원공급부
133: 예열기
135: 증발기
137: 과열기
140: 발전부
141: 바이패스라인
143: 터빈
145: 발전기
150: 응축기
160: 냉각타워

Claims (13)

  1. 액체상태의 냉매를 가열하여 고온, 고압의 기체상태로 만드는 열교환부(130)와, 고온고압의 냉매를 저온 저압으로 팽창시켜 전기를 생산하는 발전부(140)와, 발전부(140) 후단에서 기체 상태의 냉매를 액체상태로 냉각시키는 응축기(150)와, 응축기(150)의 냉매를 지속적으로 순환시키는 펌프(120)로 구성된 ORC시스템에 있어서,
    상기 열교환부(130)는 예열기(133), 증발기(135), 과열기(137)로 구성되도록 하되, 각각은 하나의 열원공급부(131)를 통해 열원을 공급받도록 된 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 예열기(133)는 펌프(120)로부터 냉매를 공급받아 열원을 통해 목표온도까지 승온시키도록 하되, 예열기(133)를 거친 냉매의 온도를 측정하여 목표온도에 도달하는 지를 판단하고, 목표온도에 미달하거나 초과할 경우, 열원공급부(131)의 열원 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 예열기(133)의 사양은 냉매 입구온도, 압력: 30℃, 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 77℃, 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃(물 포화증기); 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.06kg/s 로 설계되는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증발기(135)는 예열기(133)에서 승온과정을 거친 냉매를 공급받아 액체와 기체가 공존 하도록 열원공급부(131)에서의 열원 유량 제어를 통해 작동유체 온도를 제어하고, 증발기(135)의 액체 수위가 항상 일정량이 존재하는 지를 레벨 센서를 이용해 계측하고, 만일 액체 수위가 낮을 경우 펌프(120)의 회전속도를 높이고, 그 반대의 경우 펌프(120) 회전속도를 낮추어 증발기(135) 내에 액체와 기체가 항상 일정하게 공존하도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증발기(135)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:77℃(액체), 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 77℃(기체), 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃(물 포화증기); 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.14kg/s로 설계되는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 과열기(137)는 증발기 후단에 설치되어 냉매를 공급받고, 냉매 온도의 상태에 따라 열원공급부(131)의 열원 유량을 제어하여 과열기(137) 후단의 냉매 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과열기(137)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:77℃(기체), 7.3bar; 냉매 출구온도, 압력: 87℃(기체), 7.3bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 열원 입구온도: 140℃ 물 포화증기; 열원 출구온도: 140℃(물 응축액); 열원유량: 0.01kg/s로 설계되는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발전부(140)는 과열기(137)에서 정압가열이 이루어진 과열 증기를 전달받아 터빈(143)이 회전되어 발전기(145)의 축을 회전시켜 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발전부(140)는 시스템 운전 초반에 작동유체 상태가 정상이 될 때까지 바이패스 배관(141)을 활용하여 터빈(143)의 구동 없이 시운전되도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 응축기(150)는 터빈(143) 후단에 설치되어 증기 상태의 작동유체를 공급받아 액화시키도록 하되, 냉각타워(160)와 연결되는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 응축기(150)의 사양은 냉매 입구온도, 압력:56℃(기체), 1.8ba; 냉매 출구온도, 압력: 30℃(액체), 1.8bar; 냉매유량: 1.9kg/s; 냉각수 입구온도: 20℃ (물); 냉각수 출구온도: 25℃ (물); 열원유량: 19.3kg/s로 설계되는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 응축기(150) 후단에 액체 냉매를 저장하기 위한 응축탱크(110)가 설치되도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 펌프(120)의 블레이드와 냉매와의 마찰로 인해 냉매 일부분이 기화되어 펌프(120)가 헛도는 것을 방지하기 위해 바이패스 라인(121)을 설치하여 냉매 증기를 응축탱크(110)로 배출하는 것을 특징으로 하는 ORC 시스템.
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