KR20130128903A - Ｏｒｃ 발전시스템의 안전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ＯＲＣ 발전시스템의 안전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기작동유체가 이송되는 주배관에 바이패스관과 밸브를 설치하고 유기작동유체를 공급하는 이송펌프를 제어함으로써 ORC 발전시스템의 안전성을 확보할 수 있는 ORC 발전시스템의 안전장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 ORC 발전시스템의 안전장치는 유기작동유체가 이송펌프에 의해 주배관을 반복 순환하고 증발 및 응축 과정을 거치면서 열원과의 열교환에 의해 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 ORC 발전시스템의 안전장치에 있어서;
상기 이송펌프 앞단의 주배관의 유기작동유체 유량을 실시간으로 측정하여 기준 유량과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 이송펌프에 의해 이송되는 유기작동유체량을 조절할 수 있도록 이송펌프를 제어하는 제어부가 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

ＯＲＣ 발전시스템의 안전장치 {SAFETY SYSTEM OF ORC GENERATION SYSTEM}
본 발명은 ＯＲＣ 발전시스템의 안전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기작동유체가 이송되는 주배관에 바이패스관과 밸브를 설치하고 유기작동유체를 공급하는 이송펌프를 제어함으로써 ORC 발전시스템의 안전성을 확보할 수 있는 ORC 발전시스템의 안전장치에 관한 것이다.
열역학 유기랭킨사이클을 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 유기매체가 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.
이러한 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위(60~200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
도 1은 종래 ORC 발전시스템의 구성도로서, 예열기(21), 증발기(22), 터빈(23), 발전기(24), 응축기(25), 응축탱크(26) 및 이송펌프(28)를 포함하여 구성된다.
열원(10)은 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 열로서 여기서는 폐기가스를 예를 들어 설명한다.
예열기(21)와 증발기(22)는 열교환기 역할을 수행하는 것으로, 고온의 폐기가스와 이송펌프(28)를 통해 이송된 유기작동유체가 예열기(21) 및 증발기(22)에서 열교환됨으로써 상기 유기작동유체는 고온의 증기가 되어 터빈(23)으로 공급된다.
이때 상기 고온의 유기작동유체의 열에너지는 터빈(23)을 회전시켜 운동에너지로 변환된다.
발전기(24)는 상기 터빈(23)과 한 개의 축으로 연결되어 터빈(23)이 회전함에 따라 같이 회전하며, 거대한 자석 덩어리인 회전자와 고정자에서 3상유도 전류가 발생하여 전기를 생산하게 된다.
상기 터빈(23)을 거친 유기작동유체는 응축기(25)로 배기되어 냉각 및 응축되고 액체 상태로 변환된 후, 응축탱크(26)에 저장되고 저장된 액체 상태의 유기작동유체는 이송펌프(28)에 의해 다시 열교환기의 예열기(21)와 증발기(22)에 공급되어 순환된다.
즉, 상기 유기작동유체는 이송펌프에 의해 예열기(21) -> 증발기(22) -> 터빈(23) -> 응축기(25) -> 응축탱크(26) -> 예열기(21)를 반복 순환하면서 터빈(23)을 회전시켜 전기를 생성한다.
상기 응축기(25)에 공급되어 유기작동유체를 냉각시킴으로써 온도가 상승한 물(냉각수)은 미도시된 냉각기에 공급되어 냉각된 후 후 유기작동유체를 냉각 및 응축시키기 위해 다시 응축기(25)에 공급되거나, 외부로 배출된다.
종래에는 상술한 ORC 발전시스템의 안전을 위해 센서를 부착하거나 압력, 온도, 유량 등을 측정할 수 있는 측정기기를 부착하였으나, 선박과 같이 진동이 심한 장소에서는 열교환기에 공급되는 유기작동유체의 양이 진동에 의해 일정하지 않기 때문에 선박과 같이 진동이 심한 장소에서는 설치할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 이송펌프(28)의 회전 날개와의 마찰시 캐비테이션(Cavitation) 효과 등으로 인해 기포(Vapor) 발생량이 많아짐에 따라 이송펌프(28)가 헛돌아서 유기작동유체를 예열기(21) 쪽으로 공급하지 못하는 문제를 해결하기 위하여, 선행특허문헌 공개번호 10-2012-0021508호에는 응축탱크의 일측에 연결되어 압축공기를 응축탱크로 공급하는 압축공기발생기와, 응축탱크와 이송펌프 사이에 위치하며 이송펌프로 공급되는 유기작동유체의 압력을 측정하는 압력측정부 및 압력측정부에서 측정된 유기작동유체의 압력이 기준 압력 이하일 때 압축공기가 응축탱크로 공급되도록 제어하는 제어부를 구비하는 구성이 개시되어 있다.
상기 선행특허문헌은 펌프로 공급되는 유기작동유체의 압력을 일정 이상으로 유지시켜 저압의 유기작동유체가 펌프로 유입될 때 발생하는 캐비테이션 현상을 제거할 수 있으나, 상술한 바와 같이 열교환기에 공급되는 유기작동유체의 양이 진동에 의해 일정하지 않기 때문에 선박과 같이 진동이 심한 장소에서는 설치할 수 없는 문제점이 여전히 존재하고 있었다.
또한, 터빈을 보호하고 터빈 고장시 유지보수를 위한 별도의 장치와, 이송펌프를 이용해 응축탱크에서 열교환기로 유기작동유체를 안전하게 주입하기 위한 장치가 구비되지 않아 ORC 발전시스템의 안전성을 확보하지 못하였고 특히 진동이 심한 경우에는 안전성을 확보하기 어려워 진동이 심한 선박 등에는 설치가 불가능한 문제점이 있었다.
공개번호 10-2012-0021508(공개일자 2012년03월09일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유기작동유체가 이송되는 주배관에 바이패스관과 밸브를 설치하고, 유기작동유체를 공급하는 이송펌프를 제어함으로써 터빈이나 이송펌프를 보호하고 고장시 수리를 용이하게 하며, 항상 일정한 유기작동유체를 열교환기에 공급하여 선박과 같이 진동이 심한 장소에서도 설치할 수 있는 ORC 발전시스템의 안전장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ORC 발전시스템의 안전장치는 유기작동유체가 이송펌프에 의해 주배관을 반복 순환하고 증발 및 응축 과정을 거치면서 열원과의 열교환에 의해 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 ORC 발전시스템의 안전장치에 있어서;
상기 이송펌프 앞단의 주배관의 유기작동유체 유량을 실시간으로 측정하여 기준 유량과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 이송펌프에 의해 이송되는 유기작동유체량을 조절할 수 있도록 이송펌프를 제어하는 제어부가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터빈 앞단의 주배관과 터빈 뒷단의 주배관에 제1바이패스관이 연결되고, 상기 제1바이패스관에 제1바이패스 밸브가 설치되어 터빈 앞단 주배관의 유기작동유체가 제1바이패스관을 통해 터빈을 거치지 않고 바이패스되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이송펌프 앞단에 구비된 응축탱크와 이송펌프 뒷단의 주배관에 제2바이패스관이 연결되고, 상기 제2바이패스관에 제2바이패스 밸브가 설치되어 응축탱크의 유기작동유체가 제2바이패스관을 이송펌프를 거치지 않고 바이패스되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열원은 선박의 폐열이고, ORC 발전시스템은 선박에 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 선박의 폐열은 선박을 추진하는 주엔진에서 발생하는 고온의 폐기가스나, 상기 주엔진의 폐기가스를 이용하여 주엔진에 압축공기를 보내는 과급기에서 보낸 폐기가스를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 유기작동유체가 이송되는 주배관에 바이패스관과 밸브를 설치하고, 유기작동유체를 공급하는 이송펌프를 제어함으로써 터빈이나 이송펌프를 보호하고 고장시 수리를 용이하게 하며, 항상 일정한 유기작동유체를 열교환기에 공급하여 선박과 같이 진동이 심한 장소에서도 설치할 수 있다.
도 1은 종래 ORC 발전시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ORC 발전시스템의 안전장치 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ORC 발전시스템의 안전장치 구성도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ORC 발전시스템의 안전장치 구성도이다.
도시된 바와 같이 ORC 발전시스템의 안전장치는 열원(10), 예열기(21), 증발기(22), 터빈(23), 발전기(24), 응축기(25), 응축탱크(26), 이송펌프(28)를 포함하는 ORC 발전시스템에 바이패스관(42)과 바이패스 밸브(40)가 더 구비되어 이루어진다.
열원(10)은 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 열로서, 본 발명에서는 특히 선박의 폐열 이용하기 위해 선박의 주엔진이나 과급기에서 배기되는 폐기가스를 예를 들어 설명한다.
여기서 주엔진은 연료를 이용하여 프로펠러를 회전시켜 선박을 추진하고, 과급기는 주엔진에서 발생하는 폐기가스를 이용해 주엔진의 연소효율을 높인다.
상기 선박을 추진하는 주엔진에서 발생하는 폐기가스는 과급기(turbocharger)로 보내져 압축된 공기를 주엔진으로 주입시키는 과급기 내의 터빈을 작동시켜 주엔진에서의 연소효율을 높이는 작용을 한다.
즉, 상기 과급기는 선박의 주엔진에서 배출되는 폐기가스를 이용하여 과급기 내의 터빈을 돌리고, 상기 터빈과 동일 축에 연결된 컴프레서 휠이 회전하면서 에어 클리너(air cleaner)를 통해 들어오는 공기를 압축하여 주엔진의 연소실로 보냄으로써 주엔진의 연소효율을 향상시킨다.
예열기(preheater)(21)와 증발기(vaporizer)(22)는 열교환기 역할을 수행하는 것으로, 고온의 폐기가스와 이송펌프(28)를 통해 이송된 유기작동유체가 예열기(21)와 증발기(22)에서 열교환됨으로써 상기 유기작동유체는 고온의 증기가 되어 터빈(turbine)(23)으로 공급된다.
이때 상기 고온의 유기작동유체의 열에너지는 터빈(23)을 회전시켜 운동에너지로 변환된다.
발전기(24)는 상기 터빈(23)과 한 개의 축으로 연결되어 터빈(23)이 회전함에 따라 같이 회전하며, 거대한 자석 덩어리인 회전자와 고정자에서 3상유도 전류가 발생하여 전기를 생산하게 된다.
상기 터빈(23)을 거친 유기작동유체는 응축기(condenser)(25)로 배기되어 냉각 및 응축되고 액체 상태로 변환된 후, 응축탱크(hot well)(26)에 저장되고 저장된 액체 상태의 유기작동유체는 이송펌프(feed pump)(28)에 의해 다시 열교환기의 예열기(21)와 증발기(22)에 공급되어 순환된다.
즉, 상기 유기작동유체는 이송펌프(28)에 의해 예열기(21) -> 증발기(22) -> 터빈(23) -> 응축기(25) -> 응축탱크(26) -> 예열기(21)를 연결하는 주배관(40)을 반복 순환하면서 터빈(23)을 회전시켜 전기를 생성한다.
상기 응축기(25)에 공급되어 유기작동유체를 냉각시킴으로써 온도가 상승한 물(냉각수)은 미도시된 냉각기에 공급되어 냉각된 후 후 유기작동유체를 냉각 및 응축시키기 위해 다시 응축기에 공급되거나, 외부로 배출된다.
상기 터빈(23) 앞단의 주배관(40)과 터빈(23) 후단의 주배관(40)에 바이패스관(42)이 연결되고 그 바이패스관(42)에 바이패스 밸브(30)가 설치된다.
터빈(23)에 과도한 유기작동유체가 주입되어 과부하가 걸리는 경우 바이패스 밸브(30)를 조절하여 주배관(40)을 통해 터빈(23)에 주입되는 유기작동유체의 일부가 바이패스관(42)을 통해 바이패스되도록 함으로써 터빈을 보호할 수 있다.
또한, 터빈(23)이 고장나서 수리하는 경우나 유지보수를 하는 경우 바이패스 밸브(30)를 조절하여 바이패스관(42)으로 분기되기전 주배관(40)의 유기작동유체의 전부가 바이패스관(42)으로 바이패스되고 터빈(23)에는 공급되지 않도록 함으로써, 터빈(23)의 고장 수리나 유지보수를 용이하게 할 수 있다(이를 위해 터빈 앞단의 주배관에 밸브가 더 설치될 수도 있다).
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ORC 발전시스템의 안전장치 구성도로서, 도 2의 구성에 바이패스관(44), 바이패스 밸브(32) 및 제어부(34)가 더 구비된다.
도 2와 동일한 구성에 대해서 여기서는 상세한 설명을 약하고 도 2에 구비되지 않은 바이패스관(44), 바이패스 밸브(32) 및 제어부(34)에 대해 설명한다.
바이패스관(44)은 응축탱크(26)와 이송펌프(28) 후단의 주배관(40)에 연결되고, 그 바이패스관(44)에 바이패스 밸브(32)가 설치된다.
이송펌프(28)에 과도한 유기작동유체가 주입되어 과부하가 걸리는 경우 바이패스 밸브(32)를 조절하여 주배관(40)을 통해 이송펌프(28)에 주입되는 유기작동유체의 일부가 바이패스관(44)을 통해 바이패스되도록 함으로써 이송펌프(28)를 보호할 수 있다.
상기 이송펌프(28)가 고장나서 수리하는 경우나 유지보수를 하는 경우 바이패스 밸브(32)를 조절하여 응축탱크(26)의 응축 유기작동유체가 바이패스관(44)으로 바이패스되어 이송펌프(28)에는 공급되지 않도록 함으로써 이송펌프(28)의 고장 수리나 유지보수를 용이하게 할 수 있다.
또한, 제어부(34)는 이송펌프(28) 앞단의 주배관(40)의 유기작동유체 유량을 실시간으로 측정하여 기준 유량과 비교하며, 기준 유량보다 많은 경우에는 유기작동유체를 적게 이송하도록 이송펌프(28)를 제어하고, 작은 경우에는 유기작동유체를 많이 이송하도록 이송펌프(28)를 제어한다.
이에 의해 증발기(22)의 용량(한계치)을 넘지 않는 최적의 유기작동유체를 증발기(22)에 공급할 수 있고, 진동이 심한 경우에도 최적의 유기작동유체량을 공급하여 전체적으로 ORC 발전시스템의 안전을 확보할 수 있다.
10: 열원 21: 예열기
22: 증발기 23: 터빈
24: 발전기 25: 응축기
26: 응축탱크 28: 이송펌프
30,32: 바이패스 밸브 34: 제어부
40: 주배관 42,44: 바이패스관

Claims (5)

  1. 유기작동유체가 이송펌프에 의해 주배관을 반복 순환하고 증발 및 응축 과정을 거치면서 열원과의 열교환에 의해 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 ORC 발전시스템의 안전장치에 있어서;
    상기 이송펌프 앞단의 주배관의 유기작동유체 유량을 실시간으로 측정하여 기준 유량과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 이송펌프에 의해 이송되는 유기작동유체량을 조절할 수 있도록 이송펌프를 제어하는 제어부가 구비된 것을 특징으로 하는 ORC 발전시스템의 안전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 앞단의 주배관과 터빈 뒷단의 주배관에 제1바이패스관이 연결되고, 상기 제1바이패스관에 제1바이패스 밸브가 설치되어 터빈 앞단 주배관의 유기작동유체가 제1바이패스관을 통해 터빈을 거치지 않고 바이패스되는 것을 특징으로 하는 ORC 발전시스템의 안전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이송펌프 앞단에 구비된 응축탱크와 이송펌프 뒷단의 주배관에 제2바이패스관이 연결되고, 상기 제2바이패스관에 제2바이패스 밸브가 설치되어 응축탱크의 유기작동유체가 제2바이패스관을 이송펌프를 거치지 않고 바이패스되는 것을 특징으로 하는 ORC 발전시스템의 안전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열원은 선박의 폐열이고, ORC 발전시스템은 선박에 설치되는 것을 특징으로 하는 ORC 발전시스템의 안전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 선박의 폐열은 선박을 추진하는 주엔진에서 발생하는 고온의 폐기가스나, 상기 주엔진의 폐기가스를 이용하여 주엔진에 압축공기를 보내는 과급기에서 보낸 폐기가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 ORC 발전시스템의 안전장치.
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