KR20150060742A - 터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템 - Google Patents

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가브리엘 마리오띠
투르코 파올로 델
마테오 베르티
지아코모 랜디
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템은, 제 1 유체를 팽창시키도록 구성되고, 하나의 팽창기 임펠러를 구비하는 팽창기 스테이지를 포함하는 터보 팽창기(13)와, 팽창기 스테이지의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트(23)와, 제 2 유체를 처리하도록 구성되고, 터보기계 임펠러를 포함하는 종동 터보기계(21)와, 터보기계 임펠러의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)와, 터보 팽창기와 종동 터보기계 사이의 기계적 트랜스미션(19)과, 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)에 연결되고, 구동 터보 팽창기 및 터보기계의 회전 속도를 조정하기 위해 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)를 제어하도록 구성된 컨트롤러(25, 29)를 포함한다.

Description

터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템{A TURBOEXPANDER AND DRIVEN TURBOMACHINE SYSTEM}
본 명세서에 개시된 개시 내용의 실시예는 일반적으로 터보 팽창기 및 종동 터보기계를 포함하는 시스템과 이를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
터보 팽창기는 산업용 냉장, 오일 및 가스 처리를 위해, 그리고 저온 공정에서 폭넓게 사용된다. 일부 알려진 응용에 있어서, 터보 팽창기는 발전기를 구동시키기 위해 열회수 사이클(heat recovery cycle)에서 사용된다. 미국 특허 제 US 2011/0305556 호는 발전기를 구동하기 위해, 열회수 및 기계적 발전을 위한 적어도 2개의 팽창 스테이지를 갖는 터보 팽창기를 포함하는 발전용 시스템 및 방법을 개시한다. 이러한 알려진 응용에 있어서, 터보 팽창기는 랭킨 사이클(Rankine cycle)에 도입된다.
유럽 특허 제 EP 2400117 호는 종래 기술에 따른 터보 팽창기-압축기 시스템의 응용을 개시하고, 동일한 유체가 터보 팽창기 내에서, 그리고 압축기 내에서 처리된다. 도 1은 종래 기술의 터보 팽창기-압축기 시스템을 도시한다. 시스템은 200으로 지칭된다. 터보 팽창기(210)는 터보 팽창기 임펠러(212)를 구비한다. 터보 팽창기(210)는 214에서 유입 가스 유동을 수용한다. 터보 팽창기(210) 내측에서, 가스는 팽창되어 터보 팽창기 임펠러(212)의 회전을 야기시킬 수도 있다. 팽창된 가스는 216에서 터보 팽창기(210)를 빠져나간다. 터보 팽창기-압축기 시스템(200)이 설계된 조건에서 기능하는 경우, 214에서의 유입 가스 유동의 압력(p1) 및 온도(T1)뿐만 아니라, 출구측(216)에서의 압력(p2) 및 온도(T2)는 소정의 값에 근접한 값을 갖는다. 그러나, 일부 상황에서, 터보 팽창기-압축기 시스템은 탈설계(off-design) 상태로 작동한다. 탈설계 상태가 발생하는 경우, 214에서의 도입 가스 유동의 압력(p1)은 예를 들면, 가동 입구 가이드 베인(moveable inlet guide vane)(IGV1)의 제 1 세트(218)를 사용하여, 개별 정격값에 다시 근접하도록 조정될 수도 있다. 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트(218)는 터보 팽창기(210)의 입구에 위치된다.
도 1에 도시된 터보 팽창기-압축기 시스템(200)에 있어서, 압축기(224)는 압축기 임펠러(226)를 구비한다. 압축기(224)는 터보 팽창기(210)로부터 가스 유동을 수용하고, 전달측(228)에서 압축된 가스 유동을 전달한다. 그러나, 터보 팽창기(210)와 압축기(224) 사이에서, 가스 유동의 압력은 다른 프로세스 구성요소(예를 들면, 세퍼레이터, 쿨러, 밸브) 및 압력 손실로 인해 변하여, 216에서의 가스 유동이 압축기(224)로 들어갈 때 압력(p3)을 가질 수도 있다.
터보 팽창기에서의 가스의 팽창에 의해 발생된 기계적 일은 터보 팽창기 임펠러(212)를 회전시킨다. 터보 팽창기 임펠러(212)는 압축기 임펠러(226)와 같이 동일 샤프트(230)에 장착된다. 그러므로, 압축기 임펠러(226)는 터보 팽창기(210)에서의 가스의 팽창 동안에 발생된 기계적 일로 인해 회전된다. 압축기 임펠러(226)의 회전은 압축기(224)에서 가스를 압축하는데 사용되는 에너지를 공급한다. 압축기 임펠러(226)를 회전시키는데 필요한 기계적 일은 샤프트(230)의 회전 속도(u)에 영향을 주고, 이에 의해 터보 팽창기(210) 내측의 가스의 팽창의 프로세스에 간접적으로 영향을 미친다.
터보 팽창기 효율은 샤프트(230)의 회전 속도(u)와 터보 팽창기(210)를 가로지르는 엔탈피 감소(ΔH)의 비에 관련된다. 터보 팽창기(210)에서의 가스 팽창은 대략 등엔트로피 프로세스로 고려될 수도 있다.
터보 팽창기(210)에서의 가스 팽창의 특정 파라미터(즉, p1, T1, p2 및 T2) 및 샤프트(230)의 회전 속도(u)는 독립적으로 변화하지 않을 수도 있다. 그러므로, 탈설계 상태에서, 터보 팽창기 효율을 최대화시키기 위해, 압축기(224)의 입구(216)에서의 가스 유동의 압력(p3)은 예를 들면, 압축기 입구에 제공된 가동 입구 가이드 베인(IGV2)의 제 2 세트(232)에 의해 제어될 수도 있다. 압축기(224)에 입력된 가스 유동(216)의 압력(p3)을 변경함으로써, 샤프트(230)의 회전 속도(u)가 변경되고, 그러므로 터보 팽창기(210)의 효율이 최대화될 수 있다.
컨트롤러(240)는 적합한 센서에 의한, 터보 팽창기(210)의 입구측(214)에서의 가스 유동의 압력(p1) 및 온도(T1), 압축기(224)의 입구(216)에서의 가스 유동의 압력(p3), 및 샤프트(230)의 회전 속도(u)에 대한 정보를 수신한다. 컨트롤러(240)는 터보 팽창기 입구(214)에서의 가스 유동의 압력(p1)을 소정 범위 내로 조정하기 위해, IGV1(218)에 명령(C1)을 보낼 수도 있다. 획득된 정보를 모니터링한 것에 기초하여, 컨트롤러(240)는 터보 팽창기-압축기 시스템(200)이 탈설계 상태로 기능할 때를 결정한다. 컨트롤러(240)가 터보 팽창기-압축기 시스템(200)이 탈설계 상태로 기능하는 것으로 결정하는 경우, 컨트롤러(240)는 샤프트(230)의 회전 속도(u)와 터보 팽창기(210)를 가로지르는 엔탈피 감소(ΔH) 사이의 비(R)를 최대화하기 위해, 압축기 내로 입력되는 가스의 압력(p3)을 조정하도록, IGV2의 제 2 세트(232)에 명령(C2)을 보낸다.
이러한 알려진 실시예에 있어서, 동일한 컨트롤러는, 동일한 유체가 2개의 터보기계에서 처리된다는 가정에 기초하여, 시스템의 효율을 최적화하기 위해, 터보 팽창기의 가동 입구 가이드 베인과 압축기의 가동 입구 가이드 베인을 제어한다.
본 발명의 목적은 터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템을 개선하는 것이다.
본 발명의 실시예는 터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템에 관한 것이다. 터보 팽창기-종동 터보기계 시스템은, 제 1 유체를 팽창시키도록 구성되고, 하나의 팽창기 임펠러를 구비하는 적어도 하나의 팽창기 스테이지를 포함하는 터보 팽창기와, 팽창기 스테이지의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 적어도 하나의 제 1 세트와, 제 2 유체를 처리하도록 구성되고, 터보기계 임펠러의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트가 제공된 적어도 하나의 터보기계 임펠러를 포함하는 종동 터보기계를 포함할 수도 있다. 상기 시스템은 터보 팽창기와 종동 터보기계 사이에 기계적 트랜스미션(transmission)을 더 포함할 수도 있다. 상기 시스템은 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트에 연결되고, 상기 터보기계 및 상기 구동 터보 팽창기의 회전 속도를 조정하기 위해 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함할 수도 있다.
터보 팽창기의 입구, 및 종동 터보기계의 입구 각각에서의 가동 입구 가이드 베인의 별개의 세트는 한편으로는, 시스템의 회전 속도에 대한 제어를 허용하고, 다른 한편으로는, 터보 팽창기에 의해 생성된 동력을 최적화시킨다. 예를 들어, 제 1 유체는 폐쇄된 열회수 열역학적 사이클에서 처리될 수 있고, 제 1 세트의 가동 입구 가이드 베인은 열원으로부터의 이용 가능한 열에 기초하여, 터보 팽창기의 작동 조건를 조정하는데 사용된다. 제 2 유체는 예를 들면, 압축기 또는 펌프에 의해 처리된 가스 또는 액체일 수 있고, 제 2 세트의 가동 입구 가이드 베인은 예를 들어, 시스템의 소망의 회전 속도를 설정, 조정 또는 유지하도록, 종동 터보기계를 통해 제 2 유체의 유량을 조정하는데 사용된다.
바람직한 실시예에 있어서, 기계적 트랜스미션은 터보 팽창기와 종동 터보기계 사이의 고정 변속비를 제공하도록 구성된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 터보 팽창기는 샤프트에 장착된 단일 임펠러를 구비한다. 2개의 기계가 동일한 회전 속도로 회전되고, 변속비가 1이 되도록, 종동 터보기계는 동일 샤프트에 장착된 적어도 하나의 임펠러를 구비한다. 단일 샤프트는 하나 이상의 샤프트 부분에 의해 형성될 수 있다. 조인트는 2개 이상의 샤프트 부분을 서로 연결시키도록 제공될 수 있다. 조인트는 강성 조인트, 탄성 조인트, 또는 클러치 등일 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 있어서, 터보 팽창기는 하나 이상의 스테이지를 포함할 수 있고, 각 스테이지는 적어도 하나의 임펠러를 포함한다. 적어도 하나, 또는 바람직하게 모든 임펠러에는 개별 가동 입구 가이드 베인이 제공될 수 있다. 하나 이상의 스테이지의 입구에, 가동 입구 가이드 베인의 하나 이상의 세트가 제공된다면, 가동 입구 가이드 베인의 각 세트는 각 터보 팽창기 스테이지의 최적 작동을 위해 다른 세트와 관계없이 제어될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 다수의 스테이지의 터보 팽창기는 소위 기어 일체형(integrally geared) 터보 팽창기일 수 있다. 기어 일체형 터보 팽창기는 톱니 휠(toothed wheel)의 축 주위에 배열된 2개 이상의 기어와 맞물리는 중앙 톱니 휠을 포함할 수 있다. 각 기어는 대응하는 터보 팽창기 임펠러의 샤프트에 장착된다. 이 경우에, 각 터보 팽창기 스테이지는 자신의 회전 속도로 회전될 수 있고, 샤프트 사이에서의 속도비는 터보 팽창기의 전체 효율을 최대화시키도록 최적화된다. 동력 출력 샤프트에 장착된 추가의 기어는 중앙 톱니 휠과 맞물릴 수 있다. 동력 출력 샤프트는 종동 터보기계의 하나 이상의 임펠러를 지지할 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 각 터보 팽창기 스테이지의 동력 출력 샤프트와 각 구동 샤프트 사이에 고정된 회전 속도비가 제공된다.
일부 실시예에 따르면, 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트는 터보 팽창기에 의해 처리되는 제 1 유체의 적어도 하나의 파라미터를 제어하도록 구성된다. 터보 팽창기는 하나 이상의 임펠러로 구성되고, 각 임펠러에는 자신의 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트가 제공될 수 있다. 이 경우에, 터보 팽창기를 위해 제공된 가동 입구 가이드 베인의 각 세트는 개별 터보 팽창기 스테이지로 들어가는 제 1 유체의 적어도 하나의 파라미터를 제어하도록 설계될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 제 1 유체의 파라미터는 터보 팽창기 스테이지의 입구, 또는 가동 입구 가이드 베인이 제공된 각 터보 팽창기 스테이지에서의 유체 압력이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 컨트롤러는 종동 터보기계의 회전 속도에 대한 정보를 수신하고, 회전 속도를 소망의 속도 값으로 조정하도록 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하도록 구성된다. 종동 터보기계의 샤프트와 터보 팽창기의 샤프트, 또는 각 터보 팽창기 스테이지의 샤프트 사이에 전형적으로 고정 변속비가 존재하기 때문에, 종동 터보기계의 회전 속도를 제어하는 것은 또한 터보 팽창기 또는 각 터보 팽창기 스테이지의 회전 속도를 제어하는 것을 의미한다.
일반적으로 말하면, 컨트롤러는 임의의 소망된 기능에 따라 회전 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 컨트롤러는 회전 속도를 고정된 소망 값으로, 또는 일정 속도 값을 중심으로 허용 가능한 값 범위 내에서, 예를 들면, 대략 소망 회전 속도를 중심으로 +/-2% 내에서 유지하도록 구성되고, 상기 값은 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
터보 팽창기의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트, 및/또는 각 터보 팽창기 스테이지의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 각 제 1 세트는 터보 팽창기에 의해 생성된 동력을 최대화하도록 제어될 수 있다. 유리한 실시예에 있어서, 컨트롤러 및 서브-액추에이터는 가동 입구 가이드 베인의 상기 제 1 세트(들)를 제어하도록 제공될 수 있다. 컨트롤러는 터보 팽창기 내에서 유체를 팽창시킴으로써 회수된 에너지를 최대화하기 위해, 터보 팽창기를 통해 흐르는 제 1 유체의 하나 이상의 파라미터에 따라, 가동 입구 가이드 베인의 위치를 조정하도록 구성될 수 있다.
유리한 실시예에 따르면, 터보 팽창기에 의해 처리된 유체는 폐쇄된 열역학적 사이클의 작동 유체, 예를 들어, 열회수 사이클의 유체이다. 유리한 실시예에 있어서, 열회수 사이클은 랭킨 사이클일 수 있다. 특히 유리한 실시예에 있어서, 열회수 사이클은 유기 랭킨 사이클이다. 예를 들어, 열회수 사이클은 열원으로부터 열을 회수하고 열회수 열역학적 사이클에 의해 처리되는 유체를 기화시키기 위해, 응축기, 펌프, 열교환 구조체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 사이클은 펌프와 터보 팽창기 사이에서 작동 유체의 회로(circuit)를 따라 직렬로 배열된 가열기 및 과열기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 사이클의 효율은, 터보 팽창기를 빠져나가는 팽창된 유체 내의 열이 펌프에 의해 이송된 가압된 저온 유체로 전달되는 환열기에 의해 향상될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 종동 터보기계는 펌프 또는 압축기, 예를 들면, 원심 압축기 또는 원심 펌프를 포함할 수도 있다. 종동 터보기계는 단일-스테이지 또는 다수-스테이지 터보기계일 수 있다.
추가의 관점에 따르면, 일반적으로, 본 발명은 터보 팽창기, 이 터보 팽창기에 의해 기계적으로 구동되는 터보기계, 터보 팽창기에서의 가동 입구 가이드 베인의 적어도 하나의 제 1 세트, 종동 터보기계에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 포함하는 시스템을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 터보 팽창기를 통해 제 1 유체를 팽창시키고, 기계적 동력을 생성하는 단계와, 상기 동력에 의해 상기 종동 터보기계를 회전시키는 단계와, 상기 종동 터보기계를 통해 제 2 유체를 처리하는 단계와, 상기 종동 터보기계 및 상기 터보 팽창기의 회전 속도를 조정하기 위해 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하는 단계를 포함한다.
회전 속도를 상수 값을 중심으로 소정 범위 내에서 유지하도록 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하는 추가의 단계가 더 제공될 수 있다. 게다가, 상기 터보 팽창기에 의해 생성된 동력을 최대화하기 위해 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트를 제어하는 단계가 또한 제공될 수 있다.
터보 팽창기 및/또는 종동 터보기계가 하나 이상의 스테이지를 포함한다면, 각 스테이지에는 가동 입구 가이드 베인의 개별 세트가 제공될 수 있다. 그러므로, 용어 "가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트"는 하나의 터보 팽창기 임펠러의 입구에 가동 입구 가이드 베인의 단일 세트를 포함하거나, 또는 하나 이상의 이러한 임펠러의 입구에 하나 이상의 세트를 포함할 수 있다. 유사하게, 용어 "가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트"는 종동 터보기계의 하나의 임펠러의 입구에 가동 입구 가이드 베인의 단일 세트를 포함하거나, 또는 하나 이상의 구동 임펠러의 입구에 하나 이상의 세트를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 상기 방법은 터보 팽창기에 의해 처리된 제 1 유체에 의해 열원으로부터 열을 회수하고, 터보 팽창기에서 열을 기계적 동력으로 부분적으로 변환시키는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 유체는 폐쇄된 열역학적 사이클 내에서 처리될 수 있고, 이 방법은 제 1 유체를 응축, 가압, 가열, 기화시키고, 동력을 생성하는 터보 팽창기 내에서 제 1 유체를 팽창시키고, 팽창된 유체를 다시 응축시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 가스 터빈 사이클과 같은 상부 열역학적 사이클로부터 열을 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 예를 들어, 태양열 집광장치에 의해 태양열 발전소와 같은 재생 가능 에너지원으로부터 열을 회수하는 단계를 포함할 수 있다.
특징 및 실시예는 이하에 개시되고, 본 명세서의 통합 부분을 형성하는 첨부된 특허청구범위에 추가로 기재된다. 상술된 설명은 이하의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있게 하기 위해, 그리고 당해 분야에 대한 기여가 보다 잘 인식될 수 있게 하기 위해, 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 기재한다. 물론, 본 발명의 다른 특징은 이하에 설명되고 첨부된 특허청구범위에서 기재된다. 이 관점에 있어서, 본 발명의 일부 실시예가 상세하게 설명되기 전에, 본 발명의 다양한 실시예가 그들의 적용에서 이하의 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성의 상세 및 구성요소의 배열에 한정되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예를 가능하게 하고, 다양한 방식으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채용된 어법 및 전문용어는 설명을 위한 것이며, 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
이와 같이, 당업자는 본 발명의 기반이 되는 개념이 본 발명의 일부 목적을 수행하기 위해 다른 구조, 방법, 및/또는 시스템을 설계하기 위한 기초로서 손쉽게 사용될 수도 있다는 것이 인식될 것이다. 그러므로, 특허청구범위는 본 발명의 취지 및 범위로부터 일탈하지 않는 한에 있어서, 이러한 동등한 구조물을 포함하는 것으로 간주된다는 것이 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예의 보다 완벽한 이해 및 많은 수반되는 이점은, 첨부된 도면과 관련하여 고려될 경우에 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해되기 때문에 용이하게 얻어질 것이다.
도 1은 종래 기술의 터보 팽창기-압축기 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 종동 터보기계를 구동시키는 터보 팽창기를 갖는 열회수 시스템을 도시하는 도면,
도 3은 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 압축기를 구동시키는 기어 일체형 2-스테이지 터보 팽창기의 섹션을 도시하는 도면,
도 4는 도 3의 터보 팽창기-압축기 시스템의 기어 배열의 개략도,
도 5는 종동 터보기계의 입구 가이드 베인을 제어하기 위한 방법의 블록도.
예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다. 상이한 도면 내의 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 요소를 지시한다. 게다가, 도면은 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된다.
본 명세서 전체에 걸쳐서 "일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "일부 실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 개시된 내용의 적어도 하나의 실시예 내에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서에 걸쳐서 다양한 위치에서의 구절 "일 실시예에 있어서" 또는 "실시예에 있어서" 또는 "일부 실시예(들)에 있어서"의 출현은 반드시 동일한 실시예(들)를 참조하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수도 있다.
도 2에서, 터보 팽창기-종동 터보기계 시스템의 가능한 응용이 도시되고, 이하에 보다 상세하게 설명될 것이다. 도 2의 터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템의 응용은 본 명세서에 개시된 내용에 따른 시스템의 가능한 응용 및 사용의 오직 하나의 예시적인 실시예라는 것이 이해되어야 한다. 특히, 도 2에 도시된 실시예에 있어서, 터보 팽창기는 원심 압축기와 같은 터보기계(turbomachinery)를 구동시키는 가스 터빈으로부터 열을 회수한다. 그러나, 터보 팽창기에 의해 회수되는 열의 공급원은 임의의 다른 열원, 예를 들면, 태양열 집광장치, 발전기를 구동시키기 위한 디젤 엔진 등일 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 2를 참조하면, 도면 부호(1)는 압축기 또는 압축기 트레인(2), 예를 들면 원심 압축기 또는 원심 압축기 트레인과 같은 종동 터보기계를 구동시키기 위한 가스 터빈을 지시한다. 압축기(2)는 천연 가스 액화 시스템에서의 냉매를 처리하기 위한 압축기 시스템에 속할 수 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에 있어서, 가스 터빈(1)은 기계적 구동을 위한 것보다 발전(electric generation) 목적을 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 가스 터빈(1)은 발전기로 탑재될 것이다. 가스 터빈(1)은 대기에 방출되기 전에 열회수 교환기(3)를 통해 흐르는 연소 가스를 발생시킨다.
제 1 폐쇄 루프(4)는 열교환기(3)로부터 열을 제거하고 이 열을 제 2 폐쇄 루프(5)로 이송하는데 사용된다. 제 1 폐쇄 루프(4)에서, 열전달 유체, 예를 들면, 투열성 오일(diathermic oil)은 연소 가스로부터 제거된 열을 폐쇄 루프(5) 내로 전달시키는데 사용된다. 도면 부호(6)는 폐쇄 루프(4)의 순환 펌프를 지시한다.
제 2 폐쇄 루프(5)는 열역학적 사이클이다. 폐쇄 루프(5) 내에서 순환하는 작동 유체는 응축, 펌핑, 가열, 기화, 팽창을 포함하는 열역학적 변형을 받아서, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 본 명세서에 개시된 실시예에 있어서, 폐쇄 루프(5) 내에서 수행된 열역학적 사이클은 랭킨 사이클 원리에 기초한다. 적합한 작동 유체, 예를 들면 시클로펜탄, 또는 유기 랭킨 사이클에서 사용 가능한 다른 적합한 유기 유체는 제 2 폐쇄 루프(5)에서 사용된다.
제 2 폐쇄 루프(5)는 순환 펌프(7), 기화기(vaporizer)(9), 과열기(11), 터보 팽창기(13), 환열기(recuperator)(15) 및 응축기(17)를 포함한다. 추가적인 구성요소는 당업자에게 알려진 바와 같이, 회로 내에 존재할 수 있다.
제 2 폐쇄 루프(5) 내에서 순환하는 액상의 작동 유체는 순환 펌프(7)에 의해 제 1, 고압 레벨로 펌핑된다. 가압된 유체는 제 1 폐쇄 루프(4)에서 순환하는 유체에 의해 회수된 열에 의해, 기화기(9) 및 과열기(11)에서 가열된다. 과열기(11)의 출구에서, 제 2 폐쇄 루프(5)에서 순환하는 작동 유체는 과열된 가스상의 고압 상태로 있다. 그 다음에, 고압의 과열된 작동 유체는 터보 팽창기(13)에서 팽창된다. 터보 팽창기(13)를 빠져나가는 배기된 유체는 환열기(15)를 통해 흐르고, 마지막으로 응축기(17)에서 응축된다. 응축기(17)는 액체/공기 열교환기를 포함할 수 있다.
환열기에서, 터보 팽창기(13)를 빠져나가는 팽창된 유체 내에 포함된 저온 열은 순환 펌프(7)에 의해 이송된 액상의 가압된 저온 유체에 대해 교환된다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 터보 팽창기(13)는 기계적 트랜스미션(19)에 의해 종동 터보기계(21)에 기계적으로 연결된다. 예를 들어, 종동 터보기계(21)는 압축기, 예를 들면 원심 압축기일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 종동 터보기계(21)는 펌프일 수 있다.
이하에 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 터보 팽창기(13)는 다수의 스테이지 기어 일체형 터보 팽창기일 수 있다. 그러나, 도 2의 개략적인 도면에 있어서, 터보 팽창기(13)는 단일 스테이지 터보 팽창기와 같이 단순한 방식으로 도시된다.
터보 팽창기(13)에는, 이 터보 팽창기(13)의 효율을 최적화하기 위해, 즉, 터보 팽창기(13)에 의해 생성된 기계적 동력을 최대화하기 위해, 제 2 구동 루프(5)에서 수행된 열역학적 사이클의 파라미터에 기초하여, 제 1 컨트롤러(25)에 의해 제어될 수 있는 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트(23)가 제공된다.
터보 팽창기(13)에 의해 생성된 기계적 동력은 예를 들면, 가스 터빈(1)의 작동 조건에 따라 변동될 수 있다. 연소 가스의 온도 및 유량은 가스 터빈(1)에 의해 생성된 동력의 변화에 따라 달라질 수 있고, 이러한 동력의 변화는 종동 터보기계(2)를 구동시키는데 필요로 하는 기계적 동력에 의해 결정된다. 이것은 터보 팽창기(13)의 작동에 영향을 미친다.
다른 실시예에 있어서, 열역학적 사이클(5)은 상이한 열원으로부터, 예를 들면, 태양열 집광장치로부터 열을 회수하는데 사용될 수 있다. 또한, 이 경우에, 열역학적 사이클(5)은 열원으로부터 기계적 동력으로 변환되는 열을 수용하고, 이러한 열원은 변동(fluctuation)을 겪을 수 있는데, 이 변동은 터보 팽창기(13)의 동력 출력 샤프트의 이용 가능한 기계적 동력을 최대화하기 위해서, 터보 팽창기(13)의 작동 조건의 조정을 필요로 한다.
종동 터보기계(21), 예를 들면 원심 압축기는 열역학적 사이클(5) 내에서 순환하는 유체와 상이한 유체를 처리한다. 예를 들어, 종동 터보기계(21)는 파이프라인 내의 가스를 전달하는데 사용된 압축기일 수 있다. 압축기(21)에는 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)가 제공된다. 컨트롤러(29)는 압축기(21)의 작동 파라미터 및 그 회전 속도에 기초하여, 가동 입구 가이드 베인(27)의 위치를 조정하는데 사용될 수 있다.
압축기(21)의 작동 파라미터는 유입 또는 흡입 압력(P1), 유입 또는 흡입 온도(T1), 유출 또는 이송 압력(P2), 및 유출 또는 이송 온도(T2)로 실질적으로 나타난다. 기계적 트랜스미션(19)이 터보 팽창기(13)의 회전 속도와 종동 터보기계 또는 압축기(21)의 회전 속도 사이의 고정 비를 제공하므로, 압축기(21)의 회전 속도는 터보 팽창기(13)의 회전 속도와 관련된다. 다이렉트 드라이브(direct drive)가 샤프트(19)로 개략적으로 나타낸 것과 같이 제공된다면, 비는 1일 수 있다. 대체적으로, 상이한 회전 속도가 요구된다면, 터보 팽창기(13)와 압축기(21) 사이에 기어박스가 배열될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 종동 터보기계(21)의 회전 속도가 상수 값으로, 또는 공차의 범위 내에서 대략 상수 값으로 유지되어서, 터보 팽창기(13)의 회전 속도가 상수 값으로, 또는 공차의 범위 내에서 대략 상수 값으로 유지되도록, 종동 터보기계 또는 압축기(21)의 가동 입구 가이드 베인(27)이 제어된다.
지금까지 설명된 구성에 따르면, 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트(23)는 열역학적 사이클(5)에서의 상태에 기초하여 터보 팽창기(13)의 작동을 최적화시키도록 컨트롤러(25)에 의해 사용되어, 터보 팽창기(13)의 기계적 동력 출력을 최대화하는 한편, 컨트롤러(29)는 터보기계의 회전 속도를 제어하도록 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)를 조정하여, 상기 속도가 터보 팽창기(13)의 설계 속도, 즉, 터보 팽창기(13)가 최대 효율을 갖는 속도를 나타내는 대략 상수 값으로 유지된다.
지금까지 설명된 구성에 따르면, 터보 팽창기(13) 및 종동 터보기계(21)의 상이한 필요조건을 효율적인 방식으로 맞추는 것이 가능하다. 열역학적 사이클(5)의 과열된 작동 유체에서의 이용 가능한 동력의 터보 팽창기(13) 루징 파트(loosing part)를 우회시키는 것이 회피된다. 동시에, 터보 팽창기 출력 샤프트와 종동 터보기계(21) 사이의 변속기(speed variator)가 또한 회피된다. 이러한 변속기는 터보 팽창기-종동 터보기계 배열의 전체 비용 및 풋프린트를 증가시키고, 동력 손실을 야기하여 시스템의 전체 효율을 감소시킨다.
터보기계의 회전 속도가 종동 터보기계(21)의 작동 파라미터, 특히 유입 또는 흡입 압력(P1) 및 유출 또는 이송 압력(P2)을 고려하는 대략 소정의 설정 값으로 유지되도록, 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)가 제어되고, 이러한 2개의 파라미터는 종동 터보기계(21)에 의해 처리되는 유체 내에서 유지되어야만 하는 조건에 의해 결정된다.
상술된 바와 같이, 일부 실시예에 있어서, 터보 팽창기(13)는 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 샤프트에 장착된 단일 임펠러를 구비하고, 제 1 가동 입구 가이드 베인의 단일 세트가 제공된 단일 스테이지 터보 팽창기일 수 있다. 샤프트의 대향 단부에서, 종동 터보기계(21)의 임펠러가 장착될 수 있다. 종동 터보기계(21)는 다수의 스테이지 또는 단일 스테이지 터보기계일 수 있다.
도 3 및 도 4는 다수의 스테이지 터보 팽창기(13), 보다 상세하게, 제 1, 고압 스테이지(13A) 및 제 2, 저압 스테이지(13B)를 구비하는 2-스테이지 터보 팽창기의 주요 특징부를 개략적으로 도시한다. 작동 유체는, 개별의 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트(23A)를 통해 터보 팽창기(13)의 제 1, 고압 스테이지(13A)로 들어가서, 제 1 터보 팽창기 스테이지(13A)를 빠져나가서 터보 팽창기(13)의 제 2, 저압 스테이지(13B)의 입구로 파이프(24)를 통해 이송된다.
도 3의 예시적인 실시예에 있어서, 도면 부호(23B)는 터보 팽창기(13)의 저압 스테이지(13B)의 가동 입구 가이드 베인의 개별 제 1 세트를 지시한다. 2-스테이지 터보 팽창기(13)의 효율을 최대화시키기 위해, 가동 입구 가이드 베인의 2개의 세트(23A 및 23B)는 컨트롤러(25)에 의해 제어된다. 예를 들면, 유기 랭킨 사이클을 사용하는 열회수 시스템에서의 2-스테이지 터보 팽창기의 최대화는 예를 들면, 미국 특허 제 US 2011/0305556 호에 설명된 알고리즘에 기초할 수 있고, 이 미국 특허의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
도 3의 개략적인 도면에 있어서, 도면 부호(19)는 2-스테이지 터보 팽창기(13)와, 종동 터보기계(21), 예를 들어, 다시 압축기, 예를 들면 원심 압축기 사이의 기계적 트랜스미션을 지시한다. 도면 부호(27)는 종동 터보기계(21)의 입구에 위치된 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 지시한다. P1 및 T1은 터보기계(21)의 흡입측에서의 유입 압력 및 유입 온도를 나타낸다. P2 및 T2는 종동 터보기계(21)의 전달측에서의 유출 압력 및 유출 온도를 지시한다.
도 3의 예시적인 실시예에 있어서, 기계적 트랜스미션(19)은 2개의 구동 유입 샤프트 및 1개의 종동 유출 샤프트를 갖는 기어박스(20)를 포함한다. 도면 부호(31A)는 터보 팽창기(13)의 제 1, 고압 스테이지(13A)의 제 1 임펠러가 지지되는 제 1 유입 샤프트를 지시한다. 그러므로, 제 1 유입 샤프트(31A)는 터보 팽창기(13)의 제 1, 고압 스테이지의 임펠러의 회전 속도로 회전한다. 터보 팽창기(13)의 제 2, 저압 스테이지(13B)의 임펠러는 터보 팽창기(13)의 제 2, 저압 스테이지(13B)의 임펠러의 회전 속도로 회전하는 제 2 유입 샤프트(31B) 상에 지지된다.
도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선에 따른 정면 개략도를 도시하고, 기어박스(20)는 제 1 유입 샤프트(31A)에 장착된 제 1 기어(33A) 및 제 2 샤프트(31B)에 장착된 제 2 기어(33B)를 포함한다. 2개의 기어(33A 및 33B)는 중앙 크라운 휠(34)과 맞물린다. 기어박스(20)의 제 3 기어(33C)는 예를 들면, 조인트(22)를 통해 종동 터보기계(21)의 샤프트에 연결되는 출력 샤프트(19A)에 장착된다.
2-스테이지 터보 팽창기(13)의 2개의 스테이지(13A, 13B)가 요구된 설계 속도로 회전하고, 종동 터보기계(21)를 제 2, 저압 스테이지(13B)의 설계 속도로 구동시킬 수 있도록, 기어박스(20)의 구성요소(33A, 33B, 33C, 34) 사이의 변속비가 선택된다.
컨트롤러(29) 및 적합한 서보-액추에이터(40)에 의해, 종동 터보기계(21)의 회전 속도, 따라서 제 1 터보 팽창기 스테이지(13A) 및 제 2 터보 팽창기 스테이지(13B)의 회전 속도가 제어 및 조정된다. 센서(41)는 예를 들면, 기어박스(20)의 출력 샤프트(19A)의 회전 속도를 감지하고, 상기 파라미터는 컨트롤러(29)에 의해 제어 파라미터로서 사용되어, 예를 들어, 회전 속도를 요구된 값으로, 또는 상기 값을 중심으로 공차의 범위 내에서 유지하기 위해, 압축기(21)의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)를 조정한다.
컨트롤러(29)에 의해 수행된 제어 알고리즘이 도 5에 요약된다. 이 알고리즘은 예를 들면, 상기 언급된 미국 특허 제 US 2011/0305556 호에 개시된 알고리즘을 사용하여, 종동 터보기계(21)와 관계없이 컨트롤러(25)에 의해 제어되는 터보 팽창기(13)의 스테이지의 수와 관계없이 적용된다.
이제 다시 도 5를 참조하면, 도표가 이하에 나타난다. 적합한 센서에 의해, 유입 압력(P1) 및 유출 압력(P2)이 측정되고, 측정된 값은 컨트롤러(29)에 전달된다. 센서(41)는 도 5에서 S1으로 나타내는 실제 회전 속도를 측정하고, 상기 값은 컨트롤러(29)에 전달된다.
컨트롤러(29)는 측정된 속도(S1)가 2개의 터보 팽창기 스테이지(13A, 13B)의 설계 속도에 대응하는 설정 작동 속도를 중심으로 공차의 범위 내에 있는지 체크하고, 기어박스(20)의 속도비는 고려된다. 도 5의 도표에 있어서, 요구된 일정 속도는 DS로 지시된다. +/-ΔS는 소망된 속도 값(DS)을 중심으로 공차의 범위를 지시한다.
측정된 값(S1)이 공차의 범위 내에 있다면, 어떠한 동작도 취해지지 않고, 컨트롤러(29)는 알고리즘 스테이지를 반복한다. 측정된 속도 값(S1)이 공차의 범위 밖에 있다면, 컨트롤러는 이러한 측정된 값이 최소로 허용 가능한 속도 값(DS-ΔS)보다 작은지 체크한다. 이러한 경우라면, 컨트롤러(29)는 서보-액추에이터(40)에 의해, 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 폐쇄하는 신호를 생성한다. 그렇지 않으면, 즉, 측정된 값(S1)이 DS+ΔS 이상이라면, 컨트롤러는 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 개방시킨다.
사실상, 최소 허용 값(DS-ΔS) 미만의 회전 속도 저하는 터보 팽창기(13)로부터 이용 가능한 동력이 지금 종동 터보기계(21)를 통해 흐르는 유체의 유량을 처리하기에 부족하다는 것을 나타낸다. 종동 터보기계(21)의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트(27)를 폐쇄하면, 종동 터보기계(21)에 의해 처리된 유체의 유량을 감소시키고, 따라서 회전 속도가 값(DS)을 중심으로 공차의 허용 범위 내의 값으로 다시 증가한다.
반대의 경우에, 속도(S1)가 최대 문턱값(DS+ΔS)을 초과한다면, 터보 팽창기(13)로부터 이용 가능한 기계적 동력은 종동 터보기계(21)를 통해 흐르는 유체의 실제 유량을 처리하기 위해 요구된 것보다 크다. 높은 유량은 이용 가능한 기계적 동력을 출력 샤프트(19A)에 완전히 활용하기 위해 처리될 수 있고, 따라서 종동 터보기계(21)의 가동 입구 가이드 베인(27)은 처리되는 높은 유량을 허용하도록 개방된다.
본 명세서에 설명된 내용의 개시된 실시예가 도면에 도시되고, 일부 예시적인 실시예와 관련하여 정밀하고 상세하게 완전히 설명되는 동시에, 본 명세서에 기재된 독창적인 개시 내용, 원리 및 개념과, 첨부된 특허청구범위에 열거된 내용의 이점으로부터 실질적으로 일탈하는 일 없이, 많은 변경, 변화, 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 개시된 혁신의 적절한 범위는 모든 이러한 변경, 변화, 및 생략을 포함하기 위해, 첨부된 특허청구범위의 폭넓은 이해에 의해서만 결정되어야 한다. 게다가, 임의의 프로세스 또는 방법 스테이지의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예에 따라 달라지거나 재-시퀀스될 수도 있다.

Claims (18)

  1. 터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템에 있어서,
    제 1 유체를 팽창시키도록 구성되고, 하나의 팽창기 임펠러를 구비하는 적어도 하나의 팽창기 스테이지를 포함하는 터보 팽창기와,
    상기 적어도 하나의 팽창기 스테이지의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 적어도 하나의 제 1 세트와,
    상기 제 1 유체와 상이한 제 2 유체를 처리하도록 구성되고, 적어도 하나의 터보기계 임펠러를 포함하는 종동 터보기계와,
    상기 터보기계 임펠러의 입구에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트와,
    상기 터보 팽창기와 상기 종동 터보기계 사이의 기계적 트랜스미션과,
    상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트에 연결되고, 상기 터보기계 및 상기 구동 터보 팽창기의 회전 속도를 조정하도록 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 회전 속도에 대한 정보를 수신하고, 상기 회전 속도를 소망의 속도 값으로 조정하기 위해 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하도록 구성되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트는 상기 제 1 유체의 적어도 하나의 파라미터를 제어하도록 구성되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유체의 파라미터는 유체 압력인
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 오로지 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트만을 제어함으로써, 상기 회전 속도를 상기 소정 값으로 조정하도록 구성되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 회전 속도를 일정 속도 값을 중심으로 소정 범위 내에서 유지하도록 구성되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트는 상기 터보 팽창기에 의해 생성된 동력을 최대화시키도록 제어되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 폐쇄된 열역학적 사이클의 작동 유체인
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 열원을 포함하는 열회수 사이클의 작동 유체인
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트는 상기 열원으로부터 이용 가능한 열에 기초하여 상기 터보 팽창기의 작동 상태를 조정하도록 제어되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 열회수 사이클은 유기 랭킨 사이클인
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종동 터보기계는 압축기를 포함하는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 압축기의 작동 파라미터에 기초하여 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트의 위치를 조정하도록 구성되는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압축기의 작동 파라미터는 상기 압축기의 흡입 압력, 유입 온도, 이송 압력 및 이송 온도를 포함하는
    터보 팽창기 및 종동 터보기계 시스템.
  14. 터보 팽창기, 상기 터보 팽창기에 의해 기계적으로 구동되는 종동 터보기계, 상기 터보 팽창기에서의 가동 입구 가이드 베인의 적어도 하나의 제 1 세트, 상기 종동 터보기계에서의 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 포함하는 시스템을 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 터보 팽창기를 통해 제 1 유체를 팽창시키고, 이에 의해 기계적 동력을 생성하는 단계와,
    상기 터보 팽창기에 의해 생성된 상기 기계적 동력에 의해 상기 종동 터보기계를 회전시키는 단계와,
    상기 종동 터보기계를 통해 상기 제 1 유체와 상이한 제 2 유체를 처리하는 단계와,
    상기 종동 터보기계 및 상기 터보 팽창기의 회전 속도를 조정하기 위해 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하는 단계를 포함하는
    시스템 작동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 회전 속도는 오로지 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트만을 제어하는 것에 의해 조정되는
    시스템 작동 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 회전 속도를 상수 값을 중심으로 소정 범위 내에서 유지하기 위해 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 2 세트를 제어하는 단계를 포함하는
    시스템 작동 방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터보 팽창기에 의해 생성된 기계적 동력을 최대화하기 위해 상기 가동 입구 가이드 베인의 제 1 세트를 제어하는 단계를 포함하는
    시스템 작동 방법.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 유체에 의해 열원으로부터 열을 회수하고, 상기 터보 팽창기에서 상기 열을 기계적 동력으로 부분적으로 변환시키는 단계를 포함하는
    시스템 작동 방법.
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