KR20140129187A - 가스 터빈 발전소의 개조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존 가스 터빈 발전소(1)의 개조 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 적어도 하기의 단계들, 즉, 가스 터빈(5)을 이 가스 터빈(5)에 의해 발생한 연도 가스를 유도하기에 적합한 연도 가스 도관(2)과 유체공학적으로 연결하는 단계와; 발전 설비(12)를 구동하는 데 이용할 수 있는 물/증기 순환 회로(11)에 유체공학적으로 연결되어 있는 증기 발생 유닛(10)과 상기 연도 가스 도관(2)을 연결하는 단계와; 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스로부터 CO2를 분리하기 위해 CO2 분리 장치(20)와 연도 가스 도관(2)을 유체공학적으로 연결하는 단계와; 바람직하게는 CO2 분리 장치(20)가 실질적으로 에너지 자급 방식으로 작동하도록 발전 설비(12)와 CO2 분리 장치(20)를 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 CO2 분리 장치를 구비해야 하는 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법에 관한 것이다.
연소 장치의 배기 가스 흐름에서 CO2 가스를 분리하면 대기로의 CO2 배출이 저감될 수 있다. 이는 특히 국내 및 국제 규제에 따른 CO2 배출 저감에 대하여 많은 기업의 미래 경영 계획에서 점증적으로 겪게 될 경제적 비용 요인이다.
동시에, 이와 같은 CO2 분리 방법에 의해 CO2 가스가 의도한 대로 포집될 수 있으며, 이때 CO2 가스는 다시 출발 물질로서 특수한 프로세스 엔지니어링 방법에 제공될 수 있다. 결과적으로, CO2는 가치가 큰 기재로서 간주될 수 있다. 기술적으로 CO2를 사용하기 위한 이와 같은 방법은 예컨대 "석유 회수 증진법(Enhanced Oil Recovery)"(EOR)이며, 이때 CO2가 석유 매장지의 지하 암반층 내로 주입되고, 그럼으로써 상기 석유 매장지 내 원유 안에 방출되는 동시에 원유의 점도 감소를 초래한다. 이런 점도 감소 때문에 석유의 유동성이 현저히 증가하여 흐름 저항이 작아진 상태에서 암반 구조물로부터 더 쉽게 추출될 수 있다. 동시에, 지하 석유 매장지 안으로 주입된 CO2는 석유 매장지 내 주위 압력을 높이는데 이용되므로, 점도가 변동된 원유의 방향성 유동 거동이 달성될 수 있다.
석유 매장지에 제공되는 CO2 가스는 현재 대부분 천연 가스 생산 산업의 정제 공정으로부터 생성되고 있다. 그러나 최근 몇 년 동안, 그와 같은 방식으로 생산된 CO2를 정제소로부터 석유 매장지로 고가의 이송을 위해서는 때로 대규모의 고가의 배관망이 필요하다는 점이 증명되었다. 그러나 이러한 배관망의 제공은 다시 CO2에 대한 비용 및 CO2를 이용해 채취된 원유에 대한 비용을 현저히 상승시킬 수 있다.
이런 점에서, 천연 가스 처리 시설을 원유 매장지 근처로 옮기려는 변화가 이미 부분적으로 나타나고 있다. 원유 채취에서 일반적으로 부산물로서 천연 가스도 나오기 때문에, 여기서 얻어진 천연 가스는 비교적 경제적으로 처리되며, 그 결과 CO2가 비교적 경제적으로 획득될 수 있다.
원유 채취 구역에서 원유 채취를 위해 작동되는 연소 장치로부터 에너지를 획득하기 위해 CO2를 분리하려는 또 다른 노력이 이루어지고 있다. 이 연소 장치들은 원유 채취 구역에서 상당한 양의 천연 가스의 존재를 근거로 대개 가스 터빈으로서 구현된다. 이를 위해, 상기 연소 장치는 작동을 위해 적절한 CO2 분리 장치를 구비하며, 이때 CO2 분리 장치를 이용해 획득한 CO2는 추가로 처리될 수 있다. 그와 같이 획득한 CO2 역시, 석유 수득률 개선을 위해 직접 석유 매장지로 압력에 의해 펌핑 주입될 수 있다. 이때, 연소 장치에 CO2 분리 장치를 설치할 때, 그 설치는 일반적으로 상기 두 구성요소가 하나의 전체 장치 안에 설계되어 상호 연결되도록 이루어지며, 상기 두 구성요소는 자신의 작동과 관련하여 각각 상대 구송요소에 맞추어 조정된다.
연소 장치가 그 내부에서 실시되는 산화 연소 때문에 CO2를 비교적 많이 발생시킬 수 있다 해도, CO2의 분리는 하류에 연결된 CO2 분리 장치에서 에너지 집약적인 CO2 분리 공정을 통해서만 가능하다. 이런 추가적인 에너지 소비는 한편으로 그와 같이 회수한 CO2의 비용 효율을 낮추고, 추가로 연소 장치와 CO2 분리 장치로 이루어진 시스템의 총효율 역시 현저히 낮춘다.
그 결과, CO2 분리 장치를 포함할 수 있도록 기존의 가스 터빈 발전소를 개조하기 위한 적절한 방법을 제안하는 것이 요구되며, 이런 개조 방법 때문에 출력, 특히 가스 터빈의 전원 출력이 제한되어서는 안 된다. 또한, 가스 터빈 발전소의 연도 가스로부터 CO2가 효율적으로 분리될 수 있도록 기존의 가스 터빈 발전소를 개조하는 것 역시 요구된다. 특히 바람직하게는, 유체공학적으로 연결된 CO2 분리 장치가 실질적으로 에너지 자급 방식으로 작동할 수 있게 하는 가스 터빈 발전소의 개조가 가능해야 한다.
상기 과제들은 제1항에 따른 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법을 통해 해결된다.
특히, 본 발명은 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법을 통해 해결되며, 이 방법은 적어도 하기의 단계들을 포함한다:
- 가스 터빈(5)을 이 가스 터빈(5)에 의해 발생한 연도 가스를 유도하는 데 적합한 연도 가스 도관(2)과 유체공학적으로 연결하는 단계.
- 발전 설비(12)를 구동하는 데 이용할 수 있는 물/증기 순환 회로(11)에 유체공학적으로 연결되어 있는 증기 발생 유닛(10)과 상기 연도 가스 도관(2)을 연결하는 단계.
- 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스로부터 CO2를 분리하기 위해 CO2 분리 장치(20)와 연도 가스 도관(2)을 유체공학적으로 연결하는 단계.
- 바람직하게는 CO2 분리 장치(20)가 실질적으로 에너지 자급 방식으로 작동하도록 발전 설비(12)와 CO2 분리 장치(20)를 전기적으로 연결하는 단계.
이 경우 및 하기에서도 전기적 연결은 가능한 넓은 의미로 이해되어야 한다. 특히 전기적 연결은 직접적인 전기적 연결뿐만 아니라 간접적인 전기적 연결도 포함한다.
마찬가지로 실시예에 따라 발전 설비는 전기 에너지를 소비하는 또 다른 요소들과 연결될 수 있으므로, 이들이 경제적으로 작동될 수 있다. 이와 같은 요소들은 부분적으로 하기에서 더 설명된다.
이 경우 및 하기에서 가스 터빈 발전소의 개념 역시 광의로 이해될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 가스 터빈 발전소는 석유 채취 산업뿐만 아니라 및 화학 산업에서도 이용되는 가스 터빈 기반 연소 설비도 포함한다. 그러나 본 발명에 따른 가스 터빈 발전소들은 복합 화력 시스템에 제공되는 것이 아니라, 단순 화력 발전소(Single Cycle Power Plant)로서 설계된다.
또한, 본 발명에 따른 가스 터빈 발전소들은 종래 기술에 따른 것이며, 여전히 예컨대 이들이 추가의 기술적 변경 없이 CO2 분리 장치를 구비할 수 있는 방식으로 추후 확장될 수 있게 조정되어 있지 않다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 발전소들은 특히 캡쳐-레디(capture-ready) 발전소가 아니다.
본 발명에 따르면 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법에 의해 발전소의 상이한 기능 요소들이 적절하게 연결될 수 있으므로, 가스 터빈의 연도 가스로부터의 CO2 분리와 동시에 에너지 효율적인 작동이 달성될 수 있다. 이를 위해 먼저, 가스 터빈에 의해 연소 중 발생한 연도 가스가 적절하게 배출될 수 있도록, 가스 터빈에 연도 가스 도관이 제공된다. 연도 가스 도관을 증기 발생 유닛과 결합함으로써, 연도 가스 내에 함유된 열이 적절한 방식으로 물/증기 순환 회로로 이송될 수 있다. 또한, 상기 물/증기 순환 회로는 발전 설비를 작동하도록 형성된다.
증기 발생 유닛을 이용한 열전달이 실시된 후 연도 가스는 CO2 분리 장치에 공급되어야 하므로, 이와 같은 CO2 분리 장치와 연도 가스 도관의 유체공학적 연결이 이루어져야 한다. 발전 설비와 CO2 분리 장치의 전기적 연결을 통해, 전기 에너지를 소비하는, CO2 분리 장치의 구성요소들이 특히 에너지 효율적으로 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 그 결과, 발전소에서 가스 터빈의 작동을 통해 생산된 전기 에너지에 의존할 필요 없이, 연도 가스로부터 증기 발생 유닛에 의한 열 추출을 통해 나오는 전기 에너지로 CO2 분리 장치가 작동될 수 있다.
무엇보다도 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법은 추가 발전원, 말하자면 특히 CO2 분리 장치의 구성요소들에 전기 에너지를 공급하기 위해서만 제공되는 발전 설비를 제공한다. 더 나아가, 그렇게 생산된 전기 에너지는 연도 가스 도관 및 이에 연결된 구성요소들과 적절하게 상호 작용하는, 전기 에너지를 소비하는 또 다른 요소들에도 물론 공급될 수 있다.
기존의 가스 터빈 발전소를 개조하면 발전소의 기능이 확장될 수 있다. 그러므로 가스 터빈 발전소의 작동 동안 전기 에너지가 생산될 뿐만 아니라 예컨대 석유 채취에 이용될 수 있는 CO2도 원하는 만큼 포집된다. 이를 위해 CO2가 CO2 분리 장치로부터 배출되어 적합한 형태로 석유 매장지에 공급될 수 있다. 석유 채취 구역에서 전기 에너지 공급을 위해 일반적으로 가스 터빈 발전소도 작동되기 때문에, CO2가 직접 현장에서, 즉 석유 매장지 근처에서 생성될 수 있다. 그 결과, 더 먼 구간에 걸쳐 에너지 비효율적이고 비용 집약적인 CO2의 이송이 배제된다.
또한, 가스 터빈 발전소는 개조 시 그 전기적 성능이 제한되지 않으므로, 아무런 제한 없이 처음 설계된 전기 에너지 양을 제공할 수 있다. CO2 분리에 필요한 전기 에너지는 발전 설비를 통해 전부 또는 적어도 대부분 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 개조 방법의 매우 바람직한 제1 실시예에 따르면, 발전 설비와 CO2 분리 장치의 전기적 연결 단계는 CO2 분리 장치의 하나 이상의 펌프와의 연결 단계를 포함하거나 그러한 단계 자체이다. 따라서 이 방법은 발전 설비를 통해 생산된 전기 에너지 양을 이용하여 CO2 분리 장치에 포함된 펌프의 작동을 가능하게 한다. 그러므로 다른 곳에서 생산된 전기 에너지의 소비가 불필요하다. 이 경우 CO2 분리 장치에서 일반적으로 펌프들이 대개 전기 에너지를 소비하는 요소들일 수 있다는 점도 유의해야 한다. 발전 설비로부터 이들 펌프에만 전기 에너지를 공급함으로써, CO2 분리 장치를 포함하는 가스 터빈 발전소의 총효율이 현저히 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에 따르면, CO2 분리 장치는 하나 이상의 흡수기 영역 및 하나 이상의 재생기 영역을 포함하며, 이 둘은 유체공학적으로 서로 연결되며, 특히 CO2 분리 장치를 연도 가스 도관과 유체공학적으로 연결하는 단계는 하나 이상의 흡수기 영역과의 유체공학적 연결 단계를 포함하거나 그러한 단계 자체이다. 즉, 실시예에 따라 CO2 분리 장치는 가스 터빈의 연도 가스로부터 나온 CO2가 일반적으로 세정제를 이용하여 세정되는 흡수기 영역을 포함한다. 세정제의 회수를 위해, 또는 세정제에서 그와 같이 제거된 CO2를 분리하기 위해 세정제는 재생기 영역에서 열처리된다. 이런 열처리는 일반적으로 적어도 100℃ 또는 그 이상의 온도를 필요로 하고, 세정제로부터 CO2의 탈착 후 상기 두 물질이 원하는 대로 분리될 수 있게 한다. 가스 형태의 CO2는 적절한 형태로 배출될 수 있다. 세정제는 다시 흡수기 영역에서 추가적인 CO2 흡수를 위해 준비되어 재공급된다.
하나 이상의 흡수기 영역 및 하나 이상의 재생기 영역을 포함하는 이와 같은 CO2 분리 장치에서 개별 공정들에 대한 상세한 설명은 DE 102012202703.3호를 참조할 수 있다. 또한, 이 문서는 본 출원에 인용참증으로서 분명히 내포되어 있기도 하다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에 따르면, 추가로 물/증기 순환 회로와 CO2 분리 장치의 열적 연결 단계, 특히 물/증기 순환 회로와 CO2 분리 장치의 재생기 영역의 열적 연결 단계가 포함된다. 이러한 열적 연결을 통해 물/증기 순환 회로로부터 열 에너지가 추출되어 CO2 분리 장치에 공급될 수 있다. CO2 분리 장치는 추가의 열 에너지 공급을 통해 특히 에너지 효율적으로 작동될 수 있다. 특히 CO2 분리 장치가 하나 이상의 흡수기 영역 및 하나 이상의 재생기 영역을 포함할 경우, 물/증기 순환 회로로부터 열 에너지의 열 배출은 재생기 영역을 작동하기에 적합하다. 재생기 영역은 작동 동안 열을 공급받아야 하기 때문에, 결과적으로 물/증기 순환 회로에서 추출된 열 에너지가 적절한 방식으로 재생기 영역에 제공될 수 있다. 동시에, 물/증기 순환 회로와 CO2 분리 장치의 열적 연결은 물/증기 순환 회로 내 히트 싱크를 구현할 수 있으며, 상기 히트 싱크는 우선 물/증기 순환 회로와 연결된 증기 발생 유닛의 작동을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에 따르면 CO2 분리 장치와 CO2 공급 네트워크의 유체공학적 연결의 추가 단계가 포함되며, 이 단계는 특히 CO2 분리 장치의 재생기 영역과 CO2 공급 네트워크의 유체공학적 연결의 단계로서 실시된다. 이 경우, CO2 공급 네트워크는 석유 채취 산업에 적절한 양의 CO2를 공급하는 데 이용된다. 관련 공급 네트워크에 CO2를 직접 공급하기 때문에, CO2가 직접 그리고 특히 경제적으로 석유 채취 산업에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 실시예에 따르면, 물/증기 순환 회로에 추가로 냉각 회로가 유체공학적으로 연결되며, 상기 냉각 회로의 전기 에너지를 소비하는 요소들은 발전 설비와 전기적으로 연결되거나, 상기 냉각 회로의 열 에너지가 CO2 분리 장치에 제공될 수 있다. 상기 냉각 회로는 위에서 설명한 것처럼 예컨대 물/증기 순환 회로와 CO2 분리 장치의 열적 연결부로서 구현될 수 있다.
상기 냉각 회로 역시 냉각 성능을 제공할 수 있는 외부 냉각 회로로서 실시될 수 있다. 특히 이 냉각 회로는 냉각 회로에 적절한 냉각 성능을 제공하는 데 적합한 냉각탑들도 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면, 냉각기는 CO2 분리 장치의 하류에 유체공학적으로 연결되며, 이 냉각기는 작동 동안 CO2 분리 장치로부터 나오는 가스 흐름에서 물을 응축하도록 형성된다. 이 냉각기는 결과적으로 작동 시 CO2 분리 장치로부터 나오는 액체(물)의 제공을 가능하게 한다. 이 경우, 냉각기에서 응축된 물은 대부분 가스 터빈 내 연소 공정에서 배출되며, 여기에서 연료, 바람직하게는 천연 가스가 CO2와 물을 형성하며 연소된다. 발전소에서 가스 터빈의 작동 동안 소비되는 천연 가스의 양이 비교적 많기 때문에, 산업적으로 이용가능한 양의 물이 생산될 수 있다. 이 물은 응축 후 냉각기에서 또 다른 공정 기술 또는 발전소 운용에 이용된다. 마찬가지로, 그와 같이 응축된 물은 인간을 위해 사용하도록 제공될 수 있다는 점도 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따라, 열교환기는 연도 가스 도관과 연결되며, 이 연도 가스 도관은 연도 가스 도관 내 연도 가스로부터 열을 CO2 분리 장치에서 배출되는 가스 흐름에 전달하도록 형성된다. 그럼으로써 한편으로 CO2 분리 장치에 공급되는 연도 가스에서 열이 추출될 수 있고, 그 결과 연도 가스는 CO2 분리 장치의 작동에 적합한 온도로 냉각될 수 있다. 동시에, CO2 분리 장치로부터 나오는 가스 흐름에 열이 공급될 수 있음으로써 상기 가스 흐름이 예컨대 굴뚝으로부터 공기 대류 순환을 통해 배출될 수 있다. 이 경우, CO2 분리 장치에 공급되는 연도 가스의 온도 레벨은 일반적으로 30℃와 100℃ 사이, 바람직하게는 30℃와 50℃ 사이이고, 이 온도 레벨은 실질적으로 CO2 분리 장치를 통과할 때 일정하게 유지된다. CO2 분리 장치로부터 나오는 가스 흐름을 전술한 냉각기에서 열처리한 후, 상기 온도 레벨은 약 10 내지 25℃까지 떨어질 수 있다. 이처럼 주위 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도 레벨 때문에 상기 가스 흐름에 추가의 열이 제공되어야 하며, 상기 가스 흐름은 예컨대 굴뚝을 통해 지표면 위에 있는 주위 공기층들에 대류 방식으로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 개조 방법의 또 다른 양태에 따라, 연도 가스 도관과 냉각 장치가 연결되며, 이 냉각 장치는 특히 증기 발생 유닛과 CO2 분리 장치 사이에 제공되며, 연도 가스 도관 내 연도 가스로부터 열을 추출하여 이를 냉각 공정에 에너지로서 공급하도록 형성된다. 그 결과, 냉각 장치는 추가 냉각 성능을 제공하는 데 적합하다. 이 냉각 성능은 가스 터빈 발전소와 연결된 요소들에 의해 요구될 수 있거나 또 다른 외부 요소들에도 제공될 수 있다. 특히, 냉각 장치는 흡착 냉각기, 흡수 냉각기, 및/또는 스팀젯 냉각기로서 형성된다. 요구되는 냉각 성능에 따라 연도 가스 도관 내 연도 가스에서 더 많이 또는 더 적게 열 에너지가 추출된다.
본 발명의 또 다른 한 바람직한 실시예에 따르면 발전 설비는 발전기와 결합된 배압 터빈을 포함한다. 그러한 배압 터빈은 특히 에너지 효율적으로 발전에 이용될 수 있기 때문에 그러한 배압 터빈의 제공은 매우 바람직하다.
본 발명의 또 다른 한 실시예에 따라 가스 터빈의 전원 출력은 개조 시에도 변하지 않는다. 이런 상황은 특히 가스 터빈과 CO2 분리 장치로 이루어진 시스템의 작동 시 유리한 효율을 위해 중요하다.
마찬가지로, 또 다른 한 실시예에 따르면 가스 터빈의 작동 파라미터들은 개조와 관련하여, 특히 증기 발생 유닛의 작동 및 CO2 분리 장치의 작동과 관련하여 조정되지 않을 수 있다. 그 결과, CO2 분리 장치의 작동은 가스 터빈의 작동 동안 비교적 경미한 공정 조정을 필요로 하거나, 전혀 필요로 하지 않는다. CO2 분리 장치에 의한 CO2 회수는 실질적으로 가스 터빈의 작동과 무관하게 그리고 시간상 후속하여 이루어진다. 그 결과, 이 실시예는 가스 터빈과 CO2 분리 장치 사이의 용이한 연결을 가능하게 한다.
하기에서 추가 도면들을 참고하여 본 발명을 상술한다. 여기서 도면들은 단지 개략적으로 도시한 것이며, 이들 도면이 일 실시예에 상응하는 본 발명의 구체적 구현을 제한하지는 않는다.
또한, 도면들은 단지 예시일 뿐, 이들 도면 때문에 본 발명이 청구하는 일반성 역시 제한되지 않는다.
도 1은 기존 가스 터빈 발전소를 개조하기 위한 본 발명의 방법으로 구성되 시스템의 제1 실시예에 관한 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 의거한 개별 단계들의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 의거한 개별 단계들의 순서를 나타내는 흐름도이다.
도 1에는 기존 가스 터빈 발전소(1)를 개조하기 위한 본 발명의 방법으로 형성된, 가스 터빈(5)과 CO2 분리 장치로 이루어진 시스템의 제1 실시예가 도시되어 있다. 가스 터빈(5)에는 연도 가스 도관(2)이 연결되어 있으며, 이 연도 가스 도관은 가스 터빈(5)에서 나오는 연도 가스를 배출하는 데 적합하다. 연도 가스는 연도 가스 도관(2)을 통해 증기 발생 유닛(10)으로 유도되고, 증기 발생 유닛은 열 접촉을 통해 연도 가스로부터 열 에너지를 추출하여 이를 물/증기 순환 회로(11)에 전달한다. 물/증기 순환 회로(11) 내 유체 흐름은 (도면에 도면 부호가 부여되지 않은) 펌프에 의해 유지되고, 증기 발생 유닛(10)의 통과 후 배압 터빈(13)에 제공된다. 배압 터빈(13)에서의 팽창, 그리고 배압 터빈(13)에서 기계적 에너지의 제공을 위한 열 에너지의 방출을 통해 이 배압 터빈(13)과 연결된 발전기(14)가 구동된다. 발전기(14)의 작동 동안 생산되는 전기 에너지는 적절한 전기적 연결을 통해 CO2 분리 장치(20)에 공급된다. 그 외에도, 물/증기 순환 회로(11)는 냉각 회로(15)를 포함하며, 이 냉각 회로는 물/증기 순환 회로(11)로부터 열을 배출하여 이를 CO2 분리 장치(20)에 공급하도록 설계된다. CO2 분리 장치(20)는 적절한 섹션들을 가열하기 위해, 특히 재생기 영역(25) 내 적절한 섹션들을 가열하기 위해 상기 열을 이용할 수 있다. 동시에, 물/증기 순환 회로(11) 내에서 냉각 회로(15)는 적당한 히트 싱크를 형성한다.
연도 가스를 통해 열 에너지가 증기 발생 유닛(10)에 방출된 후, 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스는 냉각 장치(60)와 열접촉하고 냉각 용량을 발생시키기 위해 열용량을 이용한다. 특히, 냉각 장치(60)는 흡착식 또는 흡수식 냉각기로서 구현된다.
계속해서, 추후 열 에너지는 유체공학적으로 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스로부터 열교환기(50)에 의해 추출되고, 그와 같이 추출된 열은 CO2 분리 장치(20)로부터 나오는 가스 흐름에 전달된다. 특히 이 열은 냉각기(40)로부터 나오는 가스 흐름에 전달되고, 냉각기(40)는 유체공학적으로 CO2 분리 장치(20)의 하류에 연결된다.
연도 가스 도관 내 연도 가스가 전술한 열공조 단계들을 통해 CO2 분리 장치(20)의 작동 동안 아직 충분히 냉각되지 않은 경우, 연도 가스 도관(2)에 연결되어 거기에서 흐르는 연도 가스로부터 열을 추출할 수 있는 추가 요소들이 제공될 수도 있다.
이와 같이 열공조된 연도 가스가 CO2 분리 장치(20)에 공급된다. 특히 연도 가스는 흡수기 영역(24)에 제공되며, 이 흡수기 영역은 재생기 영역(25)과 유체공학적으로 연결되어 있다. 흡수기 영역(24)에서 상기 유입 연도 가스가 세정제로 적절하게 처리됨으로써, CO2가 연도 가스로부터 분리된다. 분리가 끝나면 세정제와 CO2의 화합물이 적당한 펌프(21)를 통해 재생기 영역(25)에 제공되며, 이 재생기 영역(25)이 세정제와 CO2의 화합물이 분리되도록 열적으로 처리한다. 이는 약 100℃ 또는 그 이상의 온도에서 수행된다. 두 물질의 분리 후 CO2는 적당한 배출 라인을 통해 CO2 분리 장치(20)로부터 CO2 공급 네트워크(30)로 이송될 수 있다. 재생된 세정제는 재생기 영역으로부터 흡수기 영역(24)에 다시 제공되어, 거기에서 다시 CO2가 흡수, 즉 세정될 수 있다.
CO2 분리 장치(20)로부터 나오는 가스 흐름은 실시예에 따라 냉각기(40)에 공급되고, 이 가스 흐름 내에 존재하는 물이 응축되도록, 냉각기는 가스 흐름에서 다시 열 에너지를 추출한다. 그 결과, CO2 분리 장치(20)로부터 나오는 가스 흐름의 물에 대한 이슬점에 미달된다.
응축된 물은 적절한 배출 라인을 통해 배출될 수 있다. 이 배출 라인은 물의 중간 저장을 위해 도시되지 않은 또 다른 저장 탱크에도 물을 공급할 수 있으며, 냉각기(40)가 요구량을 잠시라도 제공할 수 없으면, 원하는 양의 물이 저장 탱크로부터 추출될 수 있다. 즉, 예컨대 냉각기(40)에 의해 발생한 물의 양은 주위 온도의 영향을 받을 수도 있다. 예를 들어 햇빛에 완전히 노출되는 낮시간 동안, 상대적으로 주위 온도가 높아 물이 점점 더 요구되면, 물의 제공이 냉각기(40)를 통해 더 효율적으로 이루어질 수 있는, 하루 중 주위 온도가 보다 낮은 시간에 물을 모으는 것이 바람직하다. 이는 예컨대 밤시간 동안에 해당된다. 그와 같이 모은 물은 특히 다시 햇빛에 완전히 노출되는 낮 동안의 작동 중에 CO2 분리 장치(20)로 역이송되어 거기에서 액체 손실이 보상될 수 있다.
냉각기(40)의 작동을 위해 적절한 공급 라인에 의해 전기 에너지가 냉각기에 제공될 수 있다. 이 전기 에너지는 특히 발전기(14)를 통해 제공될 수 있으며, 이때 발전기는 발전을 위해 배압 터빈(13)과 상호 작용한다.
냉각기(40)로부터 나오는 가스가 다시 열교환기(50)에서 열적으로 공조됨으로써 그 온도 레벨이 높아진다. 이 경우, 공급을 위해 CO2 분리 장치(20)에 제공된 연도 가스로부터 열이 냉각기(40)로부터 나오는 가스 흐름에 전달된다. 냉각기(40)로부터 나오는 가스가 예컨대 굴뚝을 통해 배출될 수 있을 정도의 열을 충분히 가지지 않는 경우에 한해, 열전달이 필요하다.
도 2에는 기존의 가스 터빈 발전소(1)를 개조하기 위한 본 발명에 따른 방법의 제1 실시예를 설명하는 흐름도가 도시되어 있다. 제1 단계에 따라 가스 터빈(5)이 연도 가스 도관(2)과 연결된다. 이 연결을 통해 가스 터빈(5)으로부터 나오는 연도 가스의 배출 및 유도가 의도한 대로 이루어질 수 있다. 제2 단계에 따라 연도 가스 도관(2)은 증기 발생 유닛(10)과 연결되며, 이 증기 발생 유닛은 물/증기 순환 회로(11)와 유체공학적으로 연결되어 발전 설비(12)의 작동을 위해 제공된다. 그 결과, 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스에서 열이 추출될 수 있으며, 이 열은 물/증기 순환 회로(11) 내 물에 전달될 수 있다. 이 열은 열역학적 물/증기 공정에서 발전 설비(12)에 의해 전기 에너지로 변환된다. 제3 단계에 따라 연도 가스 도관은 CO2 분리 장치(20)와 유체공학적으로 연결되고, 이때 CO2 분리 장치(20)는 바람직하게 연도 가스로부터 CO2를 제거하는 데 적합하다. 이러한 제거는 상기 과정으로 수득된 CO2의 원하는 포집 및 원하는 배출을 가능하게 한다. 이 실시예에 의거한 방법의 후속 단계에 따라 발전 설비(12)는 CO2 분리 장치(20)와 전기적으로 연결된다. 그 결과, CO2 분리 장치에 포함된 전기 구성요소들이 발전 설비(12)로부터 전류를 공급받아 작동될 수 있다. 이는 재차 전체 발전소 공정의 효율을 증대시키는데, 그 이유는 CO2 분리 장치(20)의 전기 구성요소들의 작동을 위해 전기 에너지가 외부로부터 공급될 필요가 없기 때문이다. 오히려 CO2 분리 장치(20)의 작동을 위한 에너지는, 사용되지 않은 채로 주위 환경에 공급될 수도 있는, 가스 터빈(5)의 연도 가스로부터 유래한다. 이는 특히 단순 화력 발전 장치의 범주에서 작동되는 가스 터빈(5)과 관련된다.
추가 실시예들은 종속항들에 제시되어 있다.
Claims (12)
- 기존 가스 터빈 발전소(1)의 개조 방법이며, 이 방법은 적어도 하기의 단계들, 즉
- 가스 터빈(5)을 이 가스 터빈(5)에 의해 발생한 연도 가스를 유도하는 데 적합한 연도 가스 도관(2)과 유체공학적으로 연결하는 단계와,
- 발전 설비(12)를 구동하는 데 이용할 수 있는 물/증기 순환 회로(11)에 유체공학적으로 연결되어 있는 증기 발생 유닛(10)과 상기 연도 가스 도관(2)을 연결하는 단계와,
- 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스로부터 CO2를 분리하기 위해 CO2 분리 장치(20)와 연도 가스 도관(2)을 유체공학적으로 연결하는 단계와,
- 바람직하게는 CO2 분리 장치(20)가 실질적으로 에너지 자급 방식으로 작동하도록 발전 설비(12)와 CO2 분리 장치(20)를 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법. - 제1항에 있어서, 발전 설비(12)와 CO2 분리 장치(20)의 전기적 연결 단계는 CO2 분리 장치(20)의 하나 이상의 펌프(21)와의 연결 단계를 포함하거나 그러한 연결 단계 자체인 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, CO2 분리 장치(20)는 하나 이상의 흡수기 영역(24) 및 하나 이상의 재생기 영역(25)을 포함하며, 상기 두 영역은 유체공학적으로 서로 연결되며, 특히 CO2 분리 장치(20)와 연도 가스 도관(2)의 유체공학적 연결 단계는 하나 이상의 흡수기 영역(24)과의 유체공학적 연결 단계를 포함하거나 그러한 단계 자체인 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 물/증기 순환 회로(11)와 CO2 분리 장치(20)의 열적 연결 단계, 특히 물/증기 순환 회로(11)와 CO2 분리 장치(20)의 재생기 영역(25)의 열적 연결 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, CO2 분리 장치(20), 특히 CO2 분리 장치의 재생기 영역(25)과 CO2 공급 네트워크(30)의 유체공학적 연결 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 물/증기 순환 회로(11)에 냉각 회로(15)가 유체공학적으로 연결되며, 상기 냉각 회로의 전기 에너지를 소비하는 요소들이 발전 설비(12)와 전기적으로 연결되거나, 상기 냉각 회로의 열 에너지가 CO2 분리 장치(20)에 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 CO2 분리 장치(20)의 하류에 냉각기(40)가 유체공학적으로 연결되며, 이 냉각기는 작동 동안 CO2 분리 장치(20)로부터 나오는 가스 흐름에서 물을 응축하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 연도 가스 도관(2)과 열교환기(50)가 연결되며, 상기 열 교환기는 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스로부터 열을 CO2 분리 장치(20)로부터 나오는 가스 흐름에 전달하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 연도 가스 도관(2)과 냉각 장치(60)가 연결되고, 상기 냉각 장치는 특히 증기 발생 유닛(10)과 CO2 분리 장치(20) 사이에 제공되며, 상기 냉각 장치는 연도 가스 도관(2) 내 연도 가스로부터 열을 추출하여 이를 냉각 공정에 에너지로서 공급하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 발전 설비(12)는 발전기(14)와 결합된 배압 터빈(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 터빈(5)의 전원 출력은 가스 터빈이 개조되더라도 변하지 않는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 터빈(5)의 작동 파라미터들은 개조와 관련하여, 특히 증기 발생 유닛(10)의 작동 및 CO2 분리 장치(20)의 작동과 관련하여 조정되지 않는 것을 특징으로 하는, 기존 가스 터빈 발전소의 개조 방법.
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