KR20130074466A

KR20130074466A - 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템

Info

Publication number: KR20130074466A
Application number: KR1020110142536A
Authority: KR
Inventors: 오혁진; 조한창; 양희성
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-07-04
Also published as: KR101294948B1

Abstract

본 발명은 적어도, 2 이상의 성분이 함유된 작동유체와 가열유체를 열교환시켜 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기와 상기 증발기에 연결되며, 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기와 상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단과 상기 에너지 전환수단과 연결되며, 상기 에너지 전환수단를 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합기와 상기 혼합기와 연결되며, 혼합된 작동유체를 저열원에서 공급되는 냉각유체와 열교환시켜 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기와 상기 응축기와 증발기 사이에 연결되며, 상기 응축기를 통과한 작동유체를 가압하는 펌핑수단을 구비하는 발전시스템에 있어서, 상기 응축기에서 작동유체가 원활히 배출되도록 상기 응축기의 출구 하단에 배치되는 작동유체 저장탱크를 포함하는 발전시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 응축기에서의 냉각유체 사용량과 공급열량을 감소시켜 열효율 향상를 기대할 수 있으며, 카리나 사이클에서 응축기와 작동유체 저장탱크의 구성 및 배치를 통해 응축기내 작동유체의 잔류를 방지하여 응축효율을 증대시키는 효과를 기대할수 있다.

Description

열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템{Power system for improved thermal and condensing efficiency}

본 발명은 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템에 관한 것으로, 구체적으로 물과 암모니아 혼합유체를 작동유체로 사용하는 카리나 사이클을 이용하여 구현된 발전시스템에서 응축기의 구성과 작동유체 저장탱크의 배치를 조정하여 응축효율을 증대시키고, 열원을 순환하는 가열유체와의 열교환을 통해 열효율을 향상토록 구성된 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템에 관한 것이다.

석탄, 오일 또는 가스를 연료로 하는 화력발전은 통상적으로 물을 작동유체로 이용한다. LNG 복합발전의 경우에도 가스터빈에서 나온 배가스가 500~600℃로 상당히 높기 때문에 그 열로 물을 스팀으로 상전환시켜 스팀 터빈을 구동시켜 발전을 하게 된다.

100~500℃로 기존의 스팀발전보다 낮은 온도의 배열원을 이용하여 발전하기 위한 중저온 배열발전기술이 점차 개발, 확대되고 있다. 낮은 온도에서 발전하기 위해서는 낮은 온도에서 끓는점(boiling point)을 갖는 작동유체, 즉 냉매 또는 탄화수소계 연료가 이용된다. 작동유체의 특성 또는 시스템 구성에 따라 유기랭킨 사이클(organic Rankine cycle), 카리나 사이클(Kalina cycle), 그리고 우에하라 사이클 (Uehara cycle) 등으로 크게 구별된다. 유기랭킨 사이클은 하나의 작동유체를 이용하고 카리나와 우에하라 사이클은 암모니아와 물을 혼합한 혼합물을 이용한다.

유기랭킨 사이클은 통상의 랭킨사이클인 도 1 과 같이 증발기(40), 터빈(50), 응축기(20), 펌프(30)의 기본요소로 구성되어 있으며, 상기 터빈(50)에는 발전기(50)가 연결되어 터빈(50)에서 변환된 기계적 에너지를 전기에너지로 전환한다. 증발기(40)는 작동유체가 열을 받아 기체로 상변화되는 곳이고 터빈(50)은 증발기(40)와 응축기(20) 간의 압력차이를 일로 바꾸어 주는 역할을 하며, 응축기(20)는 터빈(50)에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 상변화해주는 역할을 한다. 펌프(30)는 응축기 내 저압의 작동유체를 증발기로 공급하기 위한 역할을 한다.

이 랭킨사이클에서 저온저압의 작동유체(1)는 펌프(30)를 통과하며 저온 고압의 작동유체(2)가 되며, 증발기(40)를 통과하면서 고온고압의 작동유체(3)가 되었다가, 터빈(50)을 통과한 후 저압의 작동유체(4)가 된 후, 응축기(20)를 거치면서 다시 저온저압의 작동유체(1)가 되며, 이러한 사이클을 작동유체가 순환함으로써 유용한 에너지를 생성한다. 유기랭킨 사이클이 랭킨사이클과 다른 것은 물보다 끓는점이 낮은 유기물질을 이용하여 저온에서 증발되는 작동유체에 있다. 유기랭킨 사이클은 작동유체가 하나의 성분으로 구성된 유기물질이 이용된다.

한편, 카리나 사이클은 순수물질을 작동유체로 사용하는 유기랭킨 사이클과 달리 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 작동유체로 사용한다. 구체적으로는 도 2 와 같이 저온저압의 작동유체(1)는 펌프(30)를 통해 고압의 작동유체(2)로 토출되며, 예열기 혹은 재생기(45)에서 예열되어 중온의 작동유체(5)가 된다. 이후 증발기(40)를 통해 증기화되어 고온고압의 작동유체(3)가 되며, 이 작동유체(3)는 기액분리기(60)에 유입된다. 이곳에서 물이 많이 포함된 포화액으로 암모니아가 적은 희박류(7)와 암모니아가 주성분인 포화증기인 농후류(6)로 분리되며, 농후류(6)는 터빈(50)으로 공급되어 저압의 작동유체(11)로 변환되는데, 터빈(50)은 화학에너지를 기계적 에너지로 전환하고 그 기계적 에너지는 발전기(미도시)를 통해 전기를 생산한 후 농후류(6)는 소모된 농후류(4)가 된다.

고온상태인 희박류(7)는 예열기 혹은 재생기(45)로 보내져 작동유체(2)를 예열하면서 열을 회수하여 열교환된 작동유체(8)가 되며, 이 열교환된 작동유체(8)는 스로틀 밸브와 같은 압력 제어기(70)를 통과하면서 압력이 터빈(50) 후단의 압력까지 낮아져 저압의 희박류(9)가 된다. 저압의 희박류(9)와 소모된 농후류(4)는 흡수기(80)에서 혼합되어 작동유체(10)가 된다. 작동유체(10)는 응축기(11)로 공급되고 여기에 저온의 냉각수에 의해 작동유체(10)가 응축된 상태로 작동유체(1)가 된다.

증발기(40)에는 고온의 열원을 갖는 가열유체가 공급 및 배출되고, 응축기 (20)에는 냉각수가 공급 및 배출된다. 카리나 사이클은 기액분리기(60)의 레벨을 조절하면서 압력제어기(70)의 개도를 조절할 수 있다.

미국특허 제5,953,918호, 제5,572,871호, 제5,440,882호, 제4,982,568호를 참고하면 카리나 사이클에 대한 내용을 보완할 수 있다.

여기서 도 2에서와 같이 일반적인 카리나 사이클은 하나의 응축기를 포함하고 있으며 응축기 후단에 작동유체 저장탱크를 장착하지 않거나 소형드럼을 장착하는 경우가 있다. 그리고 응축효율을 향상시키기 위해서는 통상 응축기를 대형화하는데, 이는 응축기 내부에 설치되는 판형 열교환기의 길이를 증대하거나 개수를 늘리는 방법이 사용되고 있다. 그러나 이 경우 판형 열교환기와 작동유체간의 마찰 증가로 인해 압력손실이 증가하여 압력이 응축압력 이하로 떨어지게 되어 응축효율이 감소되는 요인을 발생시킨다.

또한 시스템의 설치공간을 줄이기 위해 시스템의 요소설비를 동일 높이로 설계하는데, 응축기 및 작동유체 저장탱크를 동일한 위치로 설계하거나 응축기 후단 배관이 응축기의 높이보다 높게 위치하는 경우에는 응축기 내부에 응축된 작동유체가 정체되게 되어 역시 응축효율이 감소하는 원인이 된다.

이로 인해 설계유량보다 적은 양의 작동유체가 이동하게 되고 시스템 압력도 낮아져 결과적으로 터빈/발전기에서 설계출력의 달성이 어려워진다.

또한 카리나 사이클 설계에 있어 증발기(40)로 들어가는 작동유체(5)는 통상 작동압력에서 얻을 수 있는 포화액의 온도로 공급하게 된다. 이렇게 하면 증발기의 효율을 극대화할 수 있기 때문이다. 하지만, 작동유체(5)를 포화액의 온도로 공급하는 경우에, 기액분리기(60)에서 분리된 희박류(7)가 예열기(45)에서 펌프(30)를 통해 공급된 작동유체(2)를 예열하면서 열량(Q)을 소비하지만, 그 열량(Q)이 크지 않아서 작동유체(10)는 상대적으로 높은 온도를 유지하게 된다.

이에 따라 그 열은 응축기(20)에서 냉각수에 의해 모두 냉각을 시켜야 한다. 즉, 응축기(20)에 공급되는 냉각수량이 증가하여야 하며 응축기 자체도 커져야 한다. 이것은 공급 열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율이 낮아지는 영향을 주게 된다.

본 발명은 카리나 사이클에서 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전 출력에는 영향없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 카리나 사이클에서 응축기와 작동유체 저장탱크의 구성 및 배치를 통해 응축기내 작동유체의 잔류를 방지하여 응축효율을 증대토록 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 다음과 같은 발전시스템을 제공한다.

본 발명인 발전시스템은 적어도, 2 이상의 성분이 함유된 작동유체와 가열유체를 열교환시켜 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기와 상기 증발기에 연결되며, 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기와 상기 분리기의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단과 상기 에너지 전환수단과 연결되며, 상기 에너지 전환수단를 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합기와 상기 혼합기와 연결되며, 혼합된 작동유체를 저열원에서 공급되는 냉각유체와 열교환시켜 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기와 상기 응축기와 증발기 사이에 연결되며, 상기 응축기를 통과한 작동유체를 가압하는 펌핑수단; 을 구비하는 발전시스템에 있어서, 상기 응축기에서 작동유체가 원활히 배출되도록 상기 응축기의 출구 하단에 배치되는 작동유체 저장탱크를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 응축기 입구에 제1 열교환기가 제공되되, 상기 제1 열교환기에서는 작동유체가 상기 응축기로 투입되기 전에 상기 응축기의 냉각유체와 열교환토록 하여 응축효율을 향상토록 하는 것으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 응축기는 복수로 제공되되, 수평으로 병렬 배치되어 작동유체 통과시 압력손실을 저감토록 하여 응축효율을 향상토록 하는 것으로 구성될 수 있다.

더하여, 상기 증발기와 분리기 사이에 설치되고, 상기 분리기에서 배출된 희박류와 가열유체가 열교환토록 제공되는 제1 열교환기를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 가열유체가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부, 상기 증발기 및 제1 열교환기를 순환하도록 상기 가열유체가 순환하는 가열유체 순환구조를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명인 발전시스템의 일 실시예는 위와 같은 구성을 통하여, 기액분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전 출력에는 영향없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 응축기 내부에 작동유체가 잔류하는 현상을 방지하여 설계유량보다 적은 양의 작동유체로 운전되는 것을 방지할 수 있으며, 발전시스템 압력이 낮아져 터빈/발전기에서의 출력저하를 방지하는 효과가 있다.

그리고, 응축기로 작동유체가 투입되기 전 열교환기를 배치하여 응축기에 사용된 냉각유체를 이용하여 선 냉각과정을 거친 후 응축기로 투입되게 하거나 복수의 응축기를 병렬로 배치함으로써, 작동유체가 응축기를 통과하는 동안 압력손실을 저감하여 일정범위의 응축압력을 유지토록 하여 응축효율을 증대토록 하는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 종래의 랭킨사이클의 구성도이다.
도 2는 종래의 카리나사이클의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발전시스템의 일 실시예의 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예에서 응축기가 병렬로 배치된 상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 3에 도시된 실시예에서 응축기 입구에 열교환기가 배치된 상태를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 발전시스템의 다른 실시예의 구성도이다.
도 7는 도 6에 도시된 실시예에서 응축기가 병렬로 배치된 상태를 나타낸 구성도이다.
도 8는 도 6에 도시된 실시예에서 응축기 입구에 열교환기가 배치된 상태를 나타낸 구성도이다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 발전시스템에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.

이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다.

따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다.

그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

본 발명과 관련된 실시예들은 기본적으로, 카리나 사이클에서 분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기(110)에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전 출력에는 영향없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키며, 카리나 사이클에서 응축기(110)와 작동유체 저장탱크(115)의 구성 및 배치를 통해 응축기(110)내 작동유체의 잔류를 방지하여 응축효율을 증대토록 하는 것을 기초로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 발전시스템의 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 발전시스템의 다른 구성도이다.

도 3 및 도 6를 참고하면, 본 발명인 발전시스템은 적어도, 2 이상의 성분이 함유된 작동유체와 가열유체를 열교환시켜 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기(150)와 상기 증발기(150)에 연결되며, 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기(160)와 상기 분리기(160)의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단(170)과 상기 에너지 전환수단(170)과 연결되며, 상기 에너지 전환수단(170)를 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합기와 상기 혼합기와 연결되며, 혼합된 작동유체를 저열원에서 공급되는 냉각유체와 열교환시켜 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기(110)와 상기 응축기(110)와 증발기(150) 사이에 연결되며, 상기 응축기(110)를 통과한 작동유체를 가압하는 펌핑수단(120)을 구비하는 발전시스템에 있어서, 상기 응축기(110)에서 작동유체가 원활히 배출되도록 상기 응축기(110)의 출구 하단에 배치되는 작동유체 저장탱크(115)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 2 이상의 성분이 함유된 작동유체는 낮은 끓는 점을 가지는 성분과 높은 끓는 점을 가지는 성분을 포함하는 다성분 작동류이다. 이런 선호되는 작동류로는 암모니아수 혼합물, 두 가지 이상의 탄화수소, 두 가지 이상의 프레온, 탄화수소와 프레온 혼합물이 있다. 일반적으로 작동유체는 유리한 열역학적 특성과 용해성을 가지는 여러 가지 성분으로 이루어진 혼합물이다.

여기서, 특히 선호되는 작동류는 물과 암모니아 혼합물이 사용될 수 있다. 이하에서는 물과 암모니아가 혼합된 암모니아수를 본 발명에서 사용되는 작동유체로 한정하여 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 작동유체는 상기 혼합부(190)에서 시작하여 응축기(110), 증발기(150)를 지나 상기 분리기(160)에 들어가 농후류와 희박류로 분리되기 전까지는 동일한 농도를 유지한다.

응축기(110)에서 응축된 작동유체(S1)는 펌프(120)에 의해서 고압으로 펌핑되어, 고압의 작동유체(S2)를 생성한다. 고압의 작동유체(S2)는 예열기(130)에서 희박류(S9)과 열교환 하여, 승온된 작동유체(S3)가 된다. 승온된 작동유체(S3)는 증발기(150)로 유입되며, 상기 증발기(150)에서 작동유체는 가열 유체와 열교환 하면서 상변화하여 증발된 작동유체(S4)가 된다. 이때, 열에너지가 화학적 에너지로 전환된다.

증발된 작동유체(S4)는 분리기(160)로 공급되며, 분리기(160)에서 증기 상태의 농후류(S5)와 액체 상태의 희박류(S9)로 분리된다. 여기서, 농후류(S5)란 암모니아와 같은 저 비등점 유체가 작동유체에서 상대적으로 농도가 높은 것을 의미하며, 희박류(S9)란 암모니아와 같은 저 비등점 유체가 작동유체에서 상대적으로 농도가 낮은 것을 의미하는 것으로, 분리기(160)에서 기체는 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 높으며, 액체는 암모니아와 같은 저 비등점 유체의 농도가 낮다.

여기서, 상기 분리기(160)에서 분리된 기체는 암모니아의 농도가 상대적으로 높으므로 농후류에 해당할 것이며, 액체는 암모니아의 농도가 상대적으로 낮으므로 희박류에 해당될 것이다.

농후류(S5)는 터빈과 같은 에너지 전환 수단(170)으로 공급되며, 이 에너지 전환 수단(170)에서 농후류(S5)는 압력이 하강하며, 그로 인하여 화학적 에너지가 기계적 에너지로 전환된다. 터빈과 같은 에너지 전환 수단(170)에는 발전기(180)가 연결되어 기계적 에너지로 전기를 생산할 수 있다. 농후류(S5)는 터빈과 같은 에너지 전환 수단(170)을 통과하면서 에너지가 소모되어 소모 농후류(S6)가 된다. 소모 농후류(S6)는 스로틀 밸브을 통과한 희박류(S11)와 상기 혼합부(190)에서 혼합, 합류하여 다시 분리되기 전의 작동유체(S8)의 상태가 된다.

한편, 희박류(S9)는 상기 분리기(160)에서 분리되어 상기 예열기(130)로 유동한다. 상기 예열기(130)에서는 펌프(120)에 의해 가압되어 이동하는 고압의 작동유체(S2)가 통과하고 있으며, 이때 상기 희박류(S9)의 온도가 상기 고압의 작동유체(S2)의 온도보다 높기 때문에 상기 희박류(S9)에서 상기 고압의 작동유체(S2)로 열이 이동하여 상기 고압의 작동유체(S2)는 승온된 작동유체(S3)가 되고 상기 희박류(S9)는 온도가 낮아진 희박류(S11)가 된다.

그런데, 여기서 도 6에 도시된 바와 같이 다른 실시예에 의하면, 상기 희박류(S9)는 상기 예열기(130)를 통과하기 전에 열원가 연계되어 있는 가열유체와 먼저 열교환를 수행할 수 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예는 상기 분리기(160)와 예열기(130) 사이에 설치되고, 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류(S9)와 가열유체(H2)가 열교환토록 제공되는 열교환기(450)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그에 따라, 상기 가열유체(H2)가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부(410), 상기 증발기(150) 및 열교환기(450)를 순환하도록 상기 가열유체(H2)가 순환하는 가열유체 순환구조(420)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

자세하게는, 상기 분리기(160)에서 분리된 희박류(S9)는 상기 예열기(130)를 통과하기 전에 상기 분리기(160)와 예열기(130) 사이에 설치되어 있는 열교환기(450)에서 가열유체(H2)와 열을 교환한다.

이때, 증발기(150)를 통과한 후의 가열 유체(H2)의 온도가 희박류(S10)보다 낮기 때문에, 희박류(S10)로부터 가열 유체(H2)로 열에너지가 전달된다. 따라서, 희박류(S10)는 열교환기(450)를 통과하면서 저온도의 희박류(S11)가 되는 반면에, 가열 유체(H2)는 열교환기(450)를 통과하면서 온도가 올라간 가열 유체(H3)가 된다.

이렇게 온도가 낮아진 희박류(S10)는 다시 예열기(130)를 통과하면서 고압의 작동유체(S2)와 열교환을 실시하여 다시 한번 온도가 낮아진 희박류(S11)가 되는 것이다.

상기 예열기(130)를 통과한 희박류(S11)는 스로틀 밸브와 같은 압력 조절 수단(V)을 통과하면서 에너지 전환수단(170) 후단의 압력으로 떨어져 저압의 희박류(S12)가 된다. 이때, 압력 조절 수단은 분리기(160)의 액면에 따라서 개도가 조절될 수 있으며, 그로 인하여 저압의 희박류(S12)는 혼합부(190)에서 소모 농후류(S6)와 합류하여 작동유체(S8)가 되며, 작동유체(S8)는 응축기(110)로 제공된다.

상기 응축기(110)에서는 작동유체(S8)는 냉각수와 같은 냉각 유체에 의해서 액상으로 모두 응축되며, 액상의 응축 작동유체(S1)가 된다. 이렇게 작동유체는 1 순환하면서 가열 유체로부터 받은 열에너지를 전기에너지로 전환한다.

본 발명과 같은 열에너지를 유용한 에너지(예를 들면, 전기 에너지)로 전환하는 장치에서는 분리기(160)에서 분리된 희박류(S9)의 경우에 에너지 전환 수단(170)에 공급되지 않는다. 종래에서는 중간에 작동유체(2; 도 2 참고)와 희박류(7; 도 2 참고)가 예열기(45; 도 2 참고)를 통과한 후 응축기(20; 도 2 참고)로 들어가기에, 예열기(130)에서 희박류의 온도가 충분히 낮아지지 않는 경우에 응축기(20)에서 응축부하가 크게 걸리며, 이는 응축기(110)를 크게 하여 장치 전체 사이즈를 증대시킬 뿐만 아니라, 응축수를 많이 필요하게 된다.

이에 희박류(S9)가 상기 혼합부(190)에서 소모 농후류(S6)와 합류하기 전의 예열기(130)의 열교환 양을 증대시켜 통하여 응축기(110)의 부하를 낮추는 것도 고려하여 볼 수 있으나, 배경기술에서 언급한 바와 같이 증발기(150)의 열교환 효율을 상승시키기 위하여는 증발기(150)의 입구단에서 포화액으로 넣어야 하기 때문에, 예열기(130)의 열교환 양은 제한될 수밖에 없다.

이에 본 발명에서는 상기 희박류(S9)는 열교환기(450)로 공급되며, 열교환기(450)에서 열에너지의 일부를 다시 가열 유체(H2)로 반환한다.

상기 열교환기(450)의 역할는 에너지 전환 수단(170)으로 공급되지 않아서 응축기(110)를 통하여 버려져야 하는 작동유체가 가지고 있던 에너지의 일부를 다시 가열 유체(H2)로 공급하는 것인데, 이는 에너지 전환 수단(170)에서 전환되는 에너지량(Qout)에는 영향을 주지 않으면서, 시스템으로 유입되는 에너지양(Qin)을 감소시키는 것이다.

이는, 발전 효율= 발전량(Qout)/유입 에너지량(Qin)이라는 점을 고려할 때, 발전량이 유지되면서, 유입 에너지량이 감소하는 것이므로, 사이클의 효율이 상승하는 것임을 알 수 있다.

특히, 2 이상의 성분이 함유된 작동유체를 사용하는 본 발명과 같은 발전시스템에서는 배가스나 폐열원을 열원으로 사용하는 경우인데, 배가스로 바로 증발기(150)로 공급하는 것이 아니라, 배가스가 발생하는 배가스 발생부(430)에서 열을 뽑아서 열교환부(410)를 통하여 가열 유체(H1)를 가열시키며, 가열 유체(H1)는 증발기(150), 열교환기(450) 및 열교환부(410)를 순환하면서 배가스와 같은 폐열원으로부터의 열을 증발기(150)를 통하여 작동유체(S3)에 전달한다. 따라서, 가열 유체(H2)를 가열하는 것은 가열 유체(H1)가 열교환부(410)를 통하여 받아들이는 열을 감소시키는 것이며, 가열 유체를 포함하는 전체 사이클에서 유입 에너지량(Qin)을 감소시키는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 증발기(150)로 유입되는 가열 유체(H1)의 온도는 150℃이며, 작동유체(S3)의 온도는 116℃이며, 증발기(150)를 빠져나가는 가열 유체(H2)의 온도는 120℃이며, 작동유체(S4)의 온도는 142℃이다. 작동유체(S4)는 분리기(160)에서 온도 변화없이 희박류(S9)와 농후류(S5)로 분리되므로, 열교환기(450)로 공급되는 작동유체(S9)의 온도는 142℃이며, 열교환기(450)로 공급되는 가열 유체(H2)의 온도는 120℃여서, 열교환기(450)에서는 증발기(150)와는 반대로 작동유체(S9)로부터 가열 유체(H2)로 열이 전달된다.

열교환기(450)를 통과한 후 작동유체(S10)의 온도는 125℃로 떨어졌으며, 가열 유체(H3)는 124℃로 상승하였다.

위 실시예와 같이 일부의 사용되지 않는 에너지를 다시 가열 유체(H2)에 반환함으로써, 열교환기(450) 없이 증발기(150) 후단 가열 유체(H2)를 증발기(150) 전단 가열 유체(H1)로 가열해야했던 열교환부(410)를 통하여 유입되는 열량이 열교환기를 통하여 대략 13.3%만큼 감소하는 것이 가능하며, 이를 통하여 사이클 전체의 효율향상이 가능하다.

또한, 희박류의 온도가 낮아짐으로써, 응축기(110)에서 냉각 부하가 감소할 수 있으며, 이는 발전 전력으로 구동시키는 응축기(110)의 펌프(미도시)에 공급전력이 감소할 뿐만 아니라, 응축기(110) 자체의 크기도 감소시키는 것이 가능하다.

한편, 응축기(110) 입구에서 혼합된 작동유체는 상기 응축기(110)로 투입되어 응축이 진행되게 된다. 이 과정에서 기존의 경우 응축기(110)의 작동유체의 배출구 높이와 작동유체 저장탱크(115)의 투입구의 높이 차이로 인해 작동유체가 완전히 배출되지 않고 응축기 하단에 잔류하는 현상이 발생하였다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명은 상기 응축기(110)의 배출구 높이선상의 하단에 작동유체 저장탱크(115)를 배치함으로써, 상기 응축기(110)의 하단에 작동유체가 잔류하지 않고 작동유체 저장탱크(115)로 완전히 배출되게 하였다.

다음으로, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명에서 응축기가 병렬로 배치된 상태를 나타낸 구성도이며, 도 5는 도 3에 도시된 본 발명에서 응축기 입구에 열교환기가 배치된 상태를 나타낸 구성도이다. 도 7는 도 6에 도시된 본 발명에서 응축기가 병렬로 배치된 상태를 나타낸 구성도이며, 도 8는 도 6에 도시된 본 발명에서 응축기 입구에 열교환기가 배치된 상태를 나타낸 구성도이다.

도 4 및 도 7를 참고하면, 본 발명인 발전시스템은 상기 응축기(110) 입구에 제2 열교환기(140)가 제공되되, 상기 제2 열교환기(140)에서는 작동유체가 상기 응축기(110)로 투입되기 전에 상기 응축기(110)의 냉각유체와 열교환토록 하여 응축효율을 향상토록 구성될 수 있다.

이는 상기 혼합부(190)에서 상기 응축기(110)로 유입되는 작동유체를 상기 응축기(110)로 유입되기 전에 제2 열교환기(140)를 장착하여 이미 이전에 이동한 작동유체에 사용된 냉각유체를 재사용하는 것이다.

이에 따라 냉각유체는 작동유체에서 열을 다시 한번 전달받아 냉각타원 등의 외부로 이동하게 되고, 작동유체는 상기 응축기(110)로 유입되기 전에 선 냉각과정을 거치게 되므로, 상기 응축기(110)에서는 보다 적은 응축열이 방출되게 되어 궁극적으로 응축효율이 향상되게 된다.

여기서, 다른 실시예로는 상기 제2 열교환기(140)를 또 다른 응축기(110)로 보아 다단 응축하는 방식을 고려할 수 있다.

도 5 및 도 8를 참고하면, 본 발명인 발전시스템은 상기 응축기(110)는 복수로 제공되되, 수평으로 병렬 배치되어 작동유체 통과시 압력손실을 저감토록 하여 응축효율을 향상토록 구성될 수 있다.

하나의 대형 응축기(110)를 사용하여 응축효율을 증대시키기 위해 판의 길이를 늘리거나 판의 개수를 늘리는 것은 작동유체가 투입되는 판의 선단과 작동유체가 배출되는 판의 후단 사이에 판과의 마찰로 인해 압력손실이 증가하여 이는 응축압력을 감소시켜 오히려 응축효율을 저하시킬 수 있다.

따라서, 하나의 대형 응축기(110) 대신에 하나 이상의 소형 응축기(111,113)를 수평으로 병렬 배치하여 작동유체가 각각의 응축기(111,113)로 분할되어 투입되게 함으로써, 압력손실 저하율을 절감할 수 있다.

긴 판형 열교환판 사이를 지나가는 작동유체의 압력손실을 1로 보았을 때, 상기 긴 판형 열교환판을 반으로 나누어 배치하고 작동유체를 흘려보냈을 때의 압력손실은 0.3~0.4 정도로 전체적으로 0.6~0.8 정도의 압력손실을 발생하게 된다. 즉 0.2~0.4 만큼의 압력손실 저하를 방지할 수 있어 응축효율이 그 만큼 증대되는 효과를 기대할 수 있다.

카리나 사이클에서 분리기를 통해 얻어진 희박류를 충분히 냉각시켜 응축기에서의 냉각유체 사용량을 절감하고 공급열량(Qin)에 대한 발전출력(Qout)으로 정의되는 발전효율에서 발전 출력에는 영향없이 공급열량을 줄여 궁극적으로 열효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 카리나 사이클에서 응축기와 작동유체 저장탱크의 구성 및 배치를 통해 응축기내 작동유체의 잔류를 방지하여 응축효율을 증대시키는 효과도 기대할 수 있다.

이상의 사항은 발전시스템(100)의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.

따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.

110...응축기 115...작동유체 저장탱크
120...펌핑수단 130...예열기
140...제2 열교환기 150...증발기
160...분리기 170...에너지 전환수단
180...발전기 190...혼합부
410...열교환부 420...가열순환구조
430...열원 450...열교환기

Claims

발전부(A): 및
상기 발전부(A)의 작동유체 순환계통에 구비되고 작동유체와 가열유체간에 열교환토록 제공되는 열교환기(450);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 발전부(A)는,
적어도, 2 이상의 성분이 함유된 작동유체와 가열유체를 열교환시켜 작동유체를 증발토록 제공되는 증발기(150);
상기 증발기(150)에 연결되며, 증발된 작동유체를 받아 농후류와 희박류로 분리하는 분리기(160);
상기 분리기(160)의 농후류 출구에 연결되며, 상기 농후류를 팽창시켜 유용한 에너지를 생성토록 제공되는 에너지 전환수단(170);
상기 에너지 전환수단(170)과 연결되며, 상기 에너지 전환수단(170)를 통과하여 에너지가 소모된 농후류와 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류가 혼합되는 혼합기(190);
상기 혼합기(190)와 연결되며, 혼합된 작동유체를 저열원에서 공급되는 냉각유체와 열교환시켜 작동유체를 응축토록 제공되는 응축기(110); 및
상기 응축기(110)와 증발기(150) 사이에 연결되며, 상기 응축기(110)를 통과한 작동유체를 가압하는 펌핑수단(120);
을 구비하는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 응축기(110) 입구에 제2 열교환기(140)가 제공되되, 상기 제2 열교환기(140)에서는 작동유체가 상기 응축기(110)로 투입되기 전에 상기 응축기(110)의 냉각유체와 열교환토록 하여 응축효율을 향상토록 하는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 응축기(110)는 복수로 제공되되, 수평으로 병렬 배치되어 작동유체 통과시 압력손실을 저감토록 하여 응축효율을 향상토록 하는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 응축기(110)에서 작동유체가 원활히 배출되도록 상기 응축기(110)의 출구 하단에 배치되는 작동유체 저장탱크(115)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열교환기(450)은 상기 증발기(150)와 분리기(160) 사이에 설치되고, 상기 분리기(160)에서 배출된 희박류와 가열유체가 열교환토록 제공되는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.
제6항에 있어서,
상기 가열유체가 외부 열원으로부터 열을 받는 열교환부(410), 상기 증발기(150) 및 열교환기(450)를 순환하도록 상기 가열유체가 순환하는 가열유체 순환구조(420)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열효율 및 응축효율이 향상된 발전시스템.