KR20150122665A - 초임계 이산화탄소 랭킨 사이클 중에 동력 터빈 스로틀 밸브를 제어하기 위한 프로세스 - Google Patents

초임계 이산화탄소 랭킨 사이클 중에 동력 터빈 스로틀 밸브를 제어하기 위한 프로세스 Download PDF

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에코진 파워 시스템스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 실시예는 일반적으로, 폐열 스트림의 열 에너지를 전기로 효율적으로 변환하도록 구성된 열 엔진 시스템을 제어하기 위한 열 엔진 시스템, 전기를 발전하기 위한 방법, 및 알고리즘을 제공한다. 일 실시예에서, 열 엔진 시스템은 터빈에 의해 기계 에너지로 그리고 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된 열 에너지를 흡수하기 위해 작동 유체 회로 내의 작동 유체(예를 들어, sc-CO2)를 이용한다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로에 작동적으로 접속되고 작동 유체의 유동을 조정하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조작함으로써 열 엔진 시스템의 파라미터를 모니터링하고 제어할 수 있도록 된 제어 시스템을 더 포함한다. 다수의 시스템 제어기를 포함하는 제어 알고리즘이 열 엔진 시스템의 효율을 최대화하면서 동력 터빈 스로틀 밸브를 조정하도록 제어 시스템에 의해 이용될 수도 있다.

Description

초임계 이산화탄소 랭킨 사이클 중에 동력 터빈 스로틀 밸브를 제어하기 위한 프로세스 {PROCESS FOR CONTROLLING A POWER TURBINE THROTTLE VALVE DURING A SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE RANKINE CYCLE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2014년 1월 27일 출원된 미국 특허 출원 제14/164,780호 및 2013년 1월 28일 출원된 미국 가출원 제61/757,590호의 이익을 청구하고, 양 출원의 내용은 본 명세서에 일치하는 정도로 참조로서 본 명세서에 합체되어 있다.
폐열(waste heat)은 종종 고온 액체, 가스 또는 유체의 유동 스트림이 산업 프로세스 장비의 작동 온도를 유지하기 위한 노력시에 소정 방식으로 환경 내로 배기되거나 제거되어야 하는 산업 프로세스의 부산물로서 생성된다. 몇몇 산업 프로세스는 폐열을 포획하여(capture) 다른 프로세스 스트림을 거쳐 프로세스로 재차 재순환시키도록 열교환기를 이용한다. 그러나, 폐열의 포획 및 재순환은 고온을 이용하거나 또는 불충분한 질량 유량(mass flow) 또는 다른 부적합한 조건을 갖는 산업 프로세스에 의해서는 일반적으로 실행가능하지 않다.
폐열은 랭킨 사이클(Rankine cycle)과 같은 열역학적 방법을 채용하는 다양한 열 엔진(heat engine) 또는 터빈 발전기 시스템에 의해 유용한 에너지로 변환될 수 있다. 랭킨 사이클 및 유사한 열역학적 방법은 통상적으로 터빈, 터보 또는 다른 팽창기를 구동하기 위한 증기를 발생하기 위해 폐열을 회수하여 이용하는 증기 기반 프로세스이다. 유기 랭킨 사이클은 전통적인 랭킨 사이클 중에, 물 대신에, 더 저비등점 작동 유체를 이용한다. 예시적인 더 저비등점 작동 유체는 경탄화수소(예를 들어, 프로판 또는 부탄) 및 하이드로클로로플루오로카본(HCFC) 또는 하이드로플루오로카본(HFC)(예를 들어, R245fa)과 같은 할로겐화 탄화수소와 같은 탄화수소를 포함한다. 더 최근에, 더 저비등점 작동 유체의 열적 불안정성, 독성, 가연성 및 생산 비용과 같은 문제점의 견지에서, 몇몇 열역학적 사이클은 암모니아와 같은 비탄화수소 작동 유체를 순환시키도록 변형되어 왔다.
동기 발전기(synchronous power generator)가 상업용 및 비상업용 용도의 모두를 위해 전세계에 걸쳐 대규모로(예를 들어, 메가와트 규모) 전기 에너지를 발생하기 위해 이용되는 통상적으로 채용된 터빈 발전기이다. 동기 발전기는 일반적으로 시간 경과에 따른 가변 부하 또는 수요를 갖는 전기 버스(bus) 또는 그리드(grid)(예를 들어, 교류 버스)에 전기를 일반적으로 공급한다. 적절하게 접속되기 위채, 동기 발전기의 주파수는 전기 버스 또는 그리드의 주파수에 일치하도록 x튜닝되고 유지되어야 한다. 심각한 손상이 동기 발전기에 발생할 수도 있을 뿐만 아니라, 동기 발전기의 전기 버스 또는 그리드가 전기 버스 또는 그리드의 주파수와 비동기화되게 될 것이다.
터빈 발전기 시스템은 또한 피크 사용량 시간 중에 높은 전기 수요에 기인하여 - 일반적으로 - 전기의 발전 중에 과속 조건을 겪게될 수도 있다. 터빈 발전기 시스템은 터빈, 발전기, 샤프트, 및 기어박스와 같은 이동 부품의 증가하는 회전 속도에 기인하여 손상될 수도 있다. 과속 조건은 터빈 발전기의 회전 속도를 감소시키기 위해 즉각적인 개입 없이 종종 제어 불능으로 급속하게 진행한다. 과속 조건은 작동 유체의 온도 및 압력이 증가하게 하고 시스템이 과열되게 한다. 일단 과열되면, 터빈 발전기 시스템은 터빈 발전기 시스템의 파멸적인 고장을 유도하는 다수의 문제점들을 초래할 수도 있다. 과잉의 흡수된 열을 갖는 작동 유체는 초임계 유체(supercritical fluid)가 아임계(subcritical) 상태, 기체 상태 또는 다른 상태로 되는 것과 같은 시스템 설계에서 벗어난 상이한 물질의 상태로 변화할 수도 있다. 과열된 작동 유체는 폐쇄 시스템으로부터 누설하여 추가의 손상을 유발할 수도 있다. 기계적 조절기가 유사한 증기 동력식 발전기 내의 과속 조건을 방지하거나 감소시키는 데 이용되어 왔다. 그러나, 초임계 유체를 이용하는 터빈 발전기 시스템 내의 과속 조건을 방지하거나 감소시키기 위한 유사한 기계적 제어부는 알려져 있지 않거나 통상적이지 않다.
물리적 제어기 및 소프트웨어 제어기가 터빈 발전기 시스템 및 프로세스 파라미터의 독립적인 양태를 조정하는 데 사용되어 왔다. 이러한 제어기는 - 부분적으로 - 과속 조건을 회피하거나 최소화하기 위해 또는 동기 프로세스 중에 이용될 수도 있다. 그러나, 통상적인 시스템에서, 제1 제어기가 제1 변수를 조작하기 위해 프로세스 파라미터를 조정하는 데 사용될 때, 프로세스의 부가의 변수는 일반적으로 부적절해지고 독립적인 제어기가 이들 변수를 조작하면서 프로세스 파라미터의 상이한 양태를 조정하는 데 이용된다. 다수의 제어기를 갖는 이러한 터빈 발전기 시스템은 일반적으로 고장나기 쉽고 또한 비효율성을 겪게되는 데 - 이는 전기를 발전하기 위한 비용을 증가시킨다.
따라서, 터빈 발전기 시스템이 전기 에너지를 발생하는 동안 열 엔진 시스템의 효율을 최대화하기 위한 다수의 제어기를 갖는 제어 시스템을 포함하는, 터빈 발전기 시스템, 전기 에너지를 발생하기 위한 방법, 및 이러한 시스템 및 방법을 위한 알고리즘이 요구된다.
본 발명의 실시예는 일반적으로, 폐열 스트림의 열 에너지를 가치있는 전기 에너지로 효율적으로 변환하도록 구성된 열 엔진 시스템을 관리하거나 제어하기 위한 열 엔진 시스템, 전기를 발전하기 위한 방법, 및 알고리즘을 제공한다. 열 엔진 시스템은 폐열 스트림의 열 에너지를 포획하거나 또는 다른 방식으로 흡수하기 위해 작동 유체 회로 내에 포함된 초임계 상태 및/또는 아임계 상태에서의 작동 유체를 이용한다. 열 에너지는 동력 터빈에 의해 기계 에너지로 변환되고, 이후에 동력 터빈에 결합된 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다. 열 엔진 시스템은 전기를 발전하면서 열 엔진 시스템의 효율을 최대화하기 위한 다수의 제어기 내의 제어 알고리즘을 이용하는 전체 제어 시스템에 의해 관리된 다수의 일체형 서브시스템을 포함한다.
본 명세서에 설명된 하나 이상의 실시예에서, 전기를 발전하기 위한 열 엔진 시스템이 제공되고, 고압측, 저압측, 및 작동 유체 회로 내에서 순환되는 작동 유체를 갖는 작동 유체 회로를 포함하고, 작동 유체의 적어도 일부는 초임계 상태(예를 들어, sc-CO2) 및/또는 아임계 상태(예를 들어, sub-CO2)에 있다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로의 고압측에 유체적으로 결합되고 열원 스트림과 열 유통 상태에 있고(in thermal communication), 이에 의해 열 에너지가 열원 스트림으로부터 작동 유체로 전달되는 적어도 하나의 열교환기를 더 포함한다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로의 고압측과 저압측 사이에 배치되고, 작동 유체에 유체적으로 결합되고 작동 유체와 열 유통 상태에 있고, 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하도록 구성된 동력 터빈을 더 포함하고, 작동 유체의 흡수된 열 에너지는 동력 터빈의 기계 에너지로 변환된다. 열 엔진 시스템은 동력 터빈에 결합되고 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 발전기 및 발전기에 전기적으로 결합되고 발전기로부터 전기 그리드 또는 버스로 전기 에너지를 전달하도록 구성된 파워 아울렛(power outlet)을 더 포함한다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로의 고압측에 유체적으로 결합되고 작동 유체 회로 전체에 걸쳐 작동 유체의 유동을 제어하도록 구성된 동력 터빈 스로틀 밸브를 더 포함한다. 열 엔진 시스템은 작동 유체 회로에 작동적으로 접속되고, 열 엔진 시스템의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링 및 제어할 수 있고, 또한 작동 유체의 유동을 조정하거나 또는 제어하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브를 이동시키고, 조정하고, 조작하거나, 또는 다른 방식으로 제어할 수 있는 제어 시스템을 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 제어 알고리즘이 제공되고 전기를 발전하기 위한 열 엔진 시스템 및 프로세스를 관리하는 데 이용된다. 제어 알고리즘은 컴퓨터 시스템 내에 내장되고, 열 엔진 시스템의 제어 시스템의 부분이다. 제어 알고리즘은 열 엔진 시스템을 개시하고 유지하는 동안, 뿐만 아니라 프로세스 교란(process upset) 또는 위기 이벤트 중에, 그리고 전기를 발전하는 동안 열 엔진 시스템의 효율을 최대화하는 것을 포함하는 본 명세서에 설명된 다양한 단계 또는 프로세스 전체에 걸쳐 이용될 수도 있다. 제어 시스템 및/또는 제어 알고리즘은 적어도 하나의 시스템 제어기를 포함하지만, 일반적으로 열 엔진 시스템의 일체형 서브시스템을 관리하기 위해 이용된 다수의 시스템 제어기를 포함한다. 제어 알고리즘의 예시적인 시스템 제어기는 트림 제어기, 전력 모드 제어기(power mode controller), 슬라이딩 모드 제어기, 압력 모드 제어기, 과속 모드 제어기, 비례 적분 미분 제어기, 멀티 모드 제어기, 이들의 파생물, 및/또는 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 예에서, 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 동력 터빈 또는 발전기의 회전 속도를 제어하도록 구성된 트림 제어기를 포함한다. 트림 제어기는 동기화 프로세스 중에 동력 터빈 또는 발전기의 회전 속도를 증가시키거나 또는 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 트림 제어기는 열 엔진 시스템의 제어 시스템의 부분으로서 발전기 제어 모듈 내의 비례 적분 미분(proportional integral derivative: PID) 제어기에 의해 제공된다.
다른 예에서, 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 발전기로부터 전력 출력을 모니터링하고, 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기로부터의 전력 출력을 유지하도록 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하면서 전력 출력에 응답하여 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절하도록 구성된 전력 모드 제어기를 포함한다. 전력 모드 제어기는 부하가 발전기 상에서 증가하는 동안 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 전력 발전기로부터의 전력 출력을 유지하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 동력 터빈, 발전기, 또는 동력 터빈과 발전기 사이에 결합된 샤프트의 회전 속도의 증가를 모니터링하고 검출하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기를 포함한다. 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도의 증가를 검출한 후에 회전 속도를 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 또한 구성된다.
다른 예에서, 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 프로세스 교란 중에 작동 유체 회로 내의 초임계 상태의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 감소시키도록 구성된 압력 모드 제어기를 포함한다. 압력 모드 제어기는 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 또한 구성된다. 몇몇 예에서, 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 과속 조건을 검출하고 이후에 동력 터빈, 발전기, 또는 동력 터빈과 발전기 사이에 결합된 샤프트의 회전 속도를 즉시 감소시키도록 과속 모드 제어 프로세스를 구현하도록 구성된 과속 모드 제어기를 포함한다.
일 예에서, 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 동기화 프로세스 중에 전기 그리드와 발전기를 동기화하면서 동력 터빈의 회전 속도를 제어하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 트림 제어기, 및 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기로부터의 전력 출력을 유지하면서 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절하면서 발전기 상의 부하를 증가시킴으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 전력 모드 제어기를 포함한다. 제어 시스템 또는 제어 알고리즘은 프로세스 교란 중에 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기, 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로 전체에 걸쳐 작동 유체의 압력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 작동 유체의 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 압력 모드 제어기, 및 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 과속 모드 제어기를 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 열 엔진 시스템으로 전기를 발전하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은, 고압측 및 저압측을 갖는 작동 유체 회로 내에서 적어도 일부가 초임계 상태에 있는 작동 유체를 순환시키는 것, 및 작동 유체 회로의 고압측에 유체적으로 결합되어 고압측과 열 유통 상태에 있는 적어도 하나의 열교환기에 의해 열원 스트림으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 것을 포함한다. 방법은 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하면서 가열된 작동 유체로부터 동력 터빈으로 열 에너지를 전달하는 것 및 동력 터빈에 결합된 발전기에 의해 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 더 포함한다. 동력 터빈은 일반적으로 작동 유체 회로의 고압측과 저압측 사이에 배치되고 작동 유체에 유체적으로 결합되어 작동 유체와 열 유통 상태에 있다. 방법은 발전기로부터 파워 아울렛으로 전기 에너지를 전달하는 것을 더 포함하고, 파워 아울렛은 발전기에 전기적으로 결합되고 발전기로부터 전기 그리드 또는 버스로 전기 에너지를 전달하도록 구성된다. 방법은 작동 유체의 유동을 조정하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 작동함으로써 동력 터빈을 제어하는 것을 더 포함하고, 동력 터빈 스로틀 밸브는 동력 터빈으로부터 상류측의 작동 유체 회로의 고압측 내의 초임계 상태에서의 작동 유체에 유체적으로 결합된다. 방법은 작동 유체 회로에 작동적으로 접속된 제어 시스템을 거쳐 열 엔진 시스템의 다수의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어하는 것을 더 포함하고, 제어 시스템은 작동 유체의 유동을 조정하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 작동함으로써 동력 터빈을 제어하도록 구성되다. 다수의 예에서, 작동 유체는 이산화탄소를 포함하고, 이산화탄소의 적어도 일부는 초임계 상태(예를 들면, sc-CO2)에 있다.
몇몇 예에서, 방법은 동기화 프로세스 중에 전력 그리드와 발전기를 동기화하면서 동력 터빈의 회전 속도를 제어하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절하고, 트리밍하고, 조정하거나, 또는 다른 방식으로 이동시킴으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 더 제공한다. 다른 예에서, 방법은 발전기 상에 증가하는 부하를 경험하면서 전력 모드 프로세스 중에 안정하거나 또는 연속적인 또는 적어도 실질적으로 안정하거나 또는 연속적인 전력 레벨로 발전기의 전력 출력을 유지하도록 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하면서 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 제공한다. 몇몇 예에서, 방법은 프로세스 교란을 검출하고 이후에 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 다른 예에서, 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도를 점진적으로 감소시키고 과속 조건을 방지하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 다른 예에서, 방법은 동력 터빈, 발전기, 및/또는 샤프트가 과속 조건을 경험하는 것을 검출하고, 이후에 회전 속도를 즉시 감소시키도록 과속 모드 제어 프로세스를 구현하는 것을 포함한다. 과속 모드 제어기는 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 숙독될 때 이하의 상세한 설명으로부터 가장 양호하게 이해된다. 산업 분야에서의 표준 실시예에 따라, 다양한 특징들은 실제 축적대로 도시되어 있는 것은 아니라는 것을 강조한다. 실제로, 다양한 특징들의 치수는 설명의 명료화를 위해 임의로 증가되거나 감소되어 있을 수도 있다.
도 1은 본 명세서에 개시되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른, 예시적인 열 엔진 시스템을 도시하고 있다.
도 2는 본 명세서에 개시되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른, 다른 예시적인 열 엔진 시스템을 도시하고 있다.
도 3은 본 명세서에 개시되어 있는 하나 이상의 실시예에 따른, 열 엔진 시스템용 복수의 제어기를 갖는 예시적인 제어 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 4는 열 엔진 시스템으로 전기를 발전하기 위한 방법의 실시예의 흐름도를 도시하고 있다.
본 발명의 실시예는 일반적으로, 폐열의 열 에너지를 가치있는 전기 에너지로 효율적으로 변환하도록 구성된 열 엔진 시스템, 전기 발전 방법, 및 열 엔진 시스템을 관리하거나 제어하기 위한 알고리즘을 제공한다. 열 엔진 시스템은 폐열 시스템의 열 에너지를 포획하거나 다른 방식으로 흡수하기 위해 작동 유체 회로 내에 포함된 초임계 상태(예를 들어, sc-CO2) 및/또는 아임계 상태(예를 들어, sub-CO2)에서 작동 유체를 이용한다. 열 에너지는 동력 터빈에 의해 기계 에너지로 변환되고, 이후에 동력 터빈에 결합된 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다. 열 엔진 시스템은 전기를 발전하는 동안 열 엔진 시스템의 효율을 최대화하기 위해 다수의 제어기 내의 제어 알고리즘을 이용하는 전체 제어 시스템에 의해 관리된 다수의 일체형 서브시스템을 포함한다.
도 1은 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 설명되어 있는 바와 같이, 열 엔진 시스템, 발전 시스템, 폐열 또는 다른 열 회수 시스템, 및/또는 열 대 전기 에너지 시스템이라 또한 칭할 수도 있는 예시적인 열 엔진 시스템(100)을 도시하고 있다. 열 엔진 시스템(100)은 일반적으로, 광범위한 열적 소스로부터 전기 에너지를 발생하기 위해 랭킨 사이클, 랭킨 사이클의 파생물, 또는 다른 열역학적 사이클의 하나 이상의 요소를 포함하도록 구성된다. 열 엔진 시스템(100)은 작동 유체 회로(120)의 고압측에 유체적으로 결합되고 접속점(19, 20)을 거쳐 열원 스트림(101)과 열 유통 상태에 있는 열교환기(5)와 같은 적어도 하나의 열교환기를 포함한다. 이러한 열 유통은 열원 스트림(101)으로부터 작동 유체 회로(120) 전체에 걸쳐 유동하는 작동 유체로의 열 에너지의 전달을 제공한다.
열원 스트림(101)은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 가스 터빈 배기 스트림, 산업용 프로세스 배기 스트림, 또는 노(furnace) 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 연소 생성물 배기 스트림과 같은 폐열 스트림일 수도 있다. 열원 스트림(101)은 약 100℃ 내지 약 1,000℃ 이상의 범위 이내, 그리고 몇몇 예에서, 약 200℃ 내지 약 800℃의 범위 이내, 더 좁게는 약 300℃ 내지 약 600℃의 범위 이내의 온도에 있을 수도 있다. 열원 스트림(101)은 공기, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 또는 증기, 질소, 산소, 아르곤, 이들의 유도물, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 열원 스트림(101)은 태양 또는 지열 소스와 같은 열 에너지의 재생 가능한 소스로부터 열 에너지를 유도할 수도 있다.
열 엔진 시스템(100)은 열교환기(5)로부터 하류측에 배치되고 작동 유체에 유체적으로 결합되어 그와 열 유통 상태에 있는 작동 유체 회로(120)의 고압측과 저압측 사이에 배치된 동력 터빈(3)을 더 포함한다. 동력 터빈(3)은 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하도록 구성되는 데, 여기서 작동 유체의 흡수된 열 에너지가 동력 터빈(3)의 기계 에너지로 변환된다. 따라서, 동력 터빈(3)은 압축된 유체를 기계 에너지로 변환하여, 일반적으로 예를 들어 샤프트를 회전함으로써 높은 온도 및 압력의 유체를 기계 에너지로 변환하는 것이 가능한 팽창 장치이다.
동력 터빈(3)은 열교환기(5)로부터 배출된 작동 유체를 수용하고 팽창시키기 위한 터빈, 터보, 팽창기, 또는 다른 장치를 포함하거나 또는 이들 장치일 수도 있다. 동력 터빈(3)은 축류형 구조(axial structure) 또는 반경류 구조(radial structure)를 가질 수도 있고, 1단 장치 또는 다단 장치일 수도 있다. 동력 터빈(3)에 이용될 수도 있는 예시적인 터빈은 팽창 장치, 지롤러(geroler), 지로터(gerotor), 밸브, 압력 스윙(pressure swing)과 같은 기타 용적형 장치(positive displacement devices), 터빈, 터보, 또는 작동 유체에서의 압력 또는 압력/엔탈피의 강하를 기계적 에너지로 변환 가능한 임의의 기타 장치를 포함한다. 다양한 팽창 장치는 본 발명의 시스템 내에서 작동하고 동력 터빈(3)으로서 이용될 수도 있는 상이한 성능 특성을 성취하는 것이 가능하다.
동력 터빈(3)은 일반적으로 샤프트(103)에 의해 발전기(2)에 결합된다. 기어박스(도시 생략)가 일반적으로 동력 터빈(3)과 발전기(2) 사이에 그리고 샤프트(103)에 인접하거나 샤프트를 포위하여 배치된다. 샤프트(103)는 단일 부품일 수도 있거나 또는 함께 결합된 2개 이상의 부품을 포함할 수도 있다. 일 예에서, 샤프트(103)의 제1 세그먼트는 동력 터빈(3)으로부터 기어박스로 연장하고, 샤프트(103)의 제2 세그먼트는 기어박스로부터 발전기(2)로 연장하고, 다수의 기어가 기어박스 내의 샤프트(103)의 2개의 세그먼트 사이에 배치되어 이들 세그먼트에 결합된다. 몇몇 구성에서, 샤프트(103)는 동력 터빈(3)으로부터의 임의의 작동 유체 누설을 방지하거나 포획하도록 설계된 밀봉 조립체(도시 생략)를 포함한다. 부가적으로, 작동 유체 재순환 시스템이 밀봉 가스를 열 엔진 시스템(100)의 유체 회로 내로 재차 재순환하기 위해 밀봉 조립체와 함께 구현될 수도 있다.
발전기(2)는 전기 에너지를 발생하기 위한, 예를 들어 샤프트(103) 및 동력 터빈(3)으로부터의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 발전기, 교류기(예를 들어, 영구 자석 교류기), 또는 다른 장치일 수도 있다. 파워 아울렛(도시 생략)이 발전기(2)에 전기적으로 결합되고, 발전기(2)로부터 발생된 전기 에너지를 전력 전자 기기(1) 또는 다른 전기 회로에 전달하도록 구성된다. 전기 회로는 전기 그리드, 전기 버스(예를 들어, 플랜트 버스), 전력 전자 기기, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다.
일 예에서, 발전기(2)는 파워 아울렛을 거쳐 전기 그리드 또는 전기 버스에 전기적으로 그리고 작동적으로 접속된 전기 발전기이다. 전기 그리드 또는 버스는 일반적으로 적어도 하나의 교류 버스, 교류 그리드, 교류 회로, 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 예에서, 발전기(2)는 파워 아울렛을 거쳐 인접한 전력 전자 기기(1)에 작동적으로 그리고 전기적으로 접속된 교류기이다. 전력 전자 기기(1)는 전압, 전류 또는 주파수와 같은 전기적 특성을 수정함으로써 전력을 바람직한 형태의 전기로 변환하도록 구성될 수도 있다. 전력 전자 기기(1)는 컨버터 또는 정류기, 인버터, 변압기, 조절기, 제어기, 스위치, 저항, 저장 장치, 및 다른 전력 전자 부품 및 장치를 포함할 수도 있다.
다른 실시예에서, 발전기(2)는 동력 터빈(3)에 의해 생성된 샤프트 일을 수정하거나 변환하도록 구성된 다른 유형의 전기 발전 장비, 회전 장비, 기어박스, 또는 다른 장치와 같은, 임의의 다른 유형의 부하 수용 장비일 수도 있다. 일 실시예에서, 발전기(2)는 물, 열매체유(thermal oil), 및/또는 다른 적합한 냉매와 같은 냉각 유체를 순환시키기 위한 펌프(27) 및 라디에이터(4)를 갖는 냉각 루프(112)와 유체 연통하고 있다. 냉각 루프(112)는 발생된 열을 제거하기 위해 냉각 유체를 순환시킴으로써 발전기(2)와 전력 전자 기기(1)의 온도를 조절하도록 구성될 수도 있다.
열 엔진 시스템(100)은 또한 동력 터빈(3)의 하나 이상의 부분을 냉각하기 위한 동력 터빈(3)의 챔버 또는 하우징 내로의 작동 유체의 부분의 전달을 제공한다. 일 실시예에서, 발전기(2) 내의 동적 압력 균형을 위한 잠재적인 요구에 기인하여, 발전기(2) 내로의 작동 유체의 이 부분의 도입이 작동 중에 발전기(2)의 압력 균형 및 안정성을 중요시하고 또는 방해하지 않아야 하기 때문에, 그로부터 작동 유체의 부분을 얻기 위한 열 엔진 시스템(100) 내의 장소의 선택이 중요하다. 따라서, 냉각을 위해 발전기(2) 내로 전달된 작동 유체의 압력은 동력 터빈(3)의 입구(도시 생략)에서 작동 유체의 압력과 동일하거나 실질적으로 동일하다. 작동 유체는 동력 터빈(3)의 하우징 내로 도입되기 전에 원하는 온도 및 압력에 있도록 조절된다. 소비된 작동 유체와 같은 작동 유체의 부분은 동력 터빈(3)의 출구(도시 생략)에서 동력 터빈(3)을 나오고, 복열기(recuperator)(6)로 유도된다.
작동 유체는 필터(F4)를 통해 그리고 동력 터빈(3) 내로 통과하기 전에, 열교환기(5)로부터 밸브(25), 밸브(26), 또는 밸브(25, 26)의 조합을 거쳐 동력 터빈(3)으로 유동하거나 또는 다른 방식으로 유도된다. 밸브(26)는 동력 터빈(3) 내로의 작동 유체의 유량을 증가시키기 위해 밸브(25)와 협력하여 또는 동시에 이용될 수도 있다. 대안적으로, 밸브(26)는 밸브(25)로의 바이패스 밸브로서 또는 밸브(25)의 고장 또는 제어 손실의 경우에 밸브(25) 대신에 잉여 밸브(redundancy valve)로서 이용될 수도 있다. 열 엔진 시스템(100)은 열교환기(5)로부터 복열기(6)로 작동 유체를 유도하는 데 이용되는, 일반적으로 바이패스 밸브인 밸브(24)를 또한 포함한다. 일 예에서, 열교환기(5)로부터 동력 터빈(3)으로 운송 중에 작동 유체의 부분은 폐쇄 위치에 밸브(25, 26)를, 개방 위치에 밸브(24)를 가짐으로써 재유도될 수도 있다.
복열기(6)와 같은 적어도 하나의 복열기가 작동 유체 회로(120) 내에 배치되고, 그 하류측에서 동력 터빈(3)에 유체적으로 결합되고, 동력 터빈(3)으로부터 배출된 작동 유체 내의 열 에너지의 적어도 일부를 제거하도록 구성될 수도 있다. 복열기(6)는 열교환기(5)를 향해 진행하는 작동 유체에 제거된 열 에너지를 전달한다. 따라서, 복열기(6)는 작동 유체 회로(120)의 고압측과 저압측 사이에 열 에너지를 전달하도록 작동한다. 응축기 또는 냉각기(도시 생략)가 복열기(6)에 유체적으로 결합되고 작동 유체 회로(120)의 저압측과 열 유통 상태에 있을 수도 있는 데, 응축기 또는 냉각기는 작동 유체 회로(120)의 저압측에서 작동 유체의 온도를 제어하도록 작동한다.
열 엔진 시스템(100)은 작동 유체 회로(120) 내에 배치되고 작동 유체 회로(120)의 저압측과 고압측 사이에 유체적으로 결합된 펌프(9)를 더 포함한다. 펌프(9)는 작동 유체 회로(120)를 통해 작동 유체를 순환시키도록 작동한다. 응축기(12)는 펌프(9)에 유체적으로 결합되어, 펌프(9)가 냉각된 작동 유체를 수용하고 작동 유체 회로(120)를 압축하여 작동 유체를 열교환기(5)로 재차 재순환시킨다. 응축기(12)는 공급 라인(28a)으로부터 냉각 유체를 수용하여 가온된(warmed) 냉각 유체를 복귀 라인(28b)을 거쳐 냉각 시스템으로 복귀시키는 냉각 시스템(도시 생략)과 유체적으로 결합된다. 냉각 유체는 작동 유체보다 더 낮은 온도로 유지되는 물, 이산화탄소, 또는 다른 수성 및/또는 유기 유체 또는 이들의 다양한 혼합물일 수도 있다. 펌프(9)는 또한 릴리프 탱크(13)와 결합되고, 이 릴리프 탱크는 이어서 예를 들어 이산화탄소용 펌프 통기구(30a) 및 릴리프(30b)와 결합된다. 일 실시예에서, 펌프(9)는 모터(10)에 의해 구동되고, 모터(10)의 속도는 예를 들어, 가변 주파수 구동부(11)를 사용하여 조절될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 열 엔진 시스템(100)의 작동 유체 회로(120) 내에서 순환되고, 유동되거나, 또는 다른 방식으로 이용될 수도 있는 작동 유체의 유형은 탄소 산화물, 탄화수소, 알코올, 케톤, 할로겐화 탄화수소, 암모니아, 아민, 수용액 또는 이들의 조합을 포함한다. 열 엔진 시스템(100)에 이용될 수도 있는 예시적인 작동 유체는 이산화탄소, 암모니아, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 이들의 유도물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 할로겐화 탄화수소는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 하이드로플루오로카본(HFC)[예를 들어, 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(R245fa)], 플루오로카본, 이들의 유도물, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 다수의 실시예에서, 본 명세서에 개시된 열 엔진 시스템(100)의 작동 유체 회로(120) 및 다른 예시적인 회로 내에서 순환되고, 유동되거나, 또는 다른 방식으로 이용되는 작동 유체는 이산화탄소(CO2) 및 이산화탄소를 함유하는 혼합물일 수도 있거나 또는 이들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 작동 유체 회로(120)의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체(예를 들어, sc-CO2)를 포함한다. 발전 사이클을 위한 작동 유체로서 이용되거나 또는 작동 유체 내에 함유된 이산화탄소는, 이산화탄소가 비독성 및 비가연성의 특성을 갖고, 또한 용이하게 입수 가능하고 비교적 저가이기 때문에, 작동 유체로서 통상적으로 사용되는 다른 화합물에 비해 다수의 장점을 갖는다. 이산화탄소의 비교적 높은 작동 압력에 부분적으로 기인하여, 이산화탄소 시스템은 다른 작동 유체를 사용하는 시스템보다 훨씬 더 소형일 수도 있다. 다른 작동 유체와 관련하여 이산화탄소의 높인 밀도 및 체적 열 용량은 이산화탄소를 더 "에너지 치밀성(energy dense)"이게 하는 데, 즉 모든 시스템 구성 요소들의 크기가 성능을 손실하지 않고 상당히 축소될 수 있다. 용어 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(sc-CO2), 또는 아임계 이산화탄소(sub-CO2)의 사용은 임의의 특정 유형, 소스, 순도, 또는 등급의 이산화탄소에 제한되도록 의도된 것은 아니라는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 산업용 등급 이산화탄소는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 작동 유체 내에 함유되고 그리고/또는 작동 유체로서 사용될 수도 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체 회로(120) 내의 작동 유체는 2원, 3원, 또는 다른 작동 유체 혼합물일 수도 있다. 작동 유체 혼합물 또는 조합은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 열 회수 시스템 내의 유체 조합에 의해 소유된 고유의 특성을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 그러한 유체 조합은 조합된 유체가 이산화탄소를 압축하는 데 요구되는 것보다 적은 에너지 입력으로 액체 상태에서 고압으로 펌핑되는 것을 가능하게 하는 액체 흡수성 이산화탄소 혼합물을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 초임계 이산화탄소(sc-CO2), 아임계 이산화탄소(sub-CO2), 및/또는 하나 이상의 다른 섞일 수 있는 유체 또는 화학적 화합물의 조합일 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 이산화탄소와 프로판, 또는 이산화탄소와 암모니아의 조합일 수도 있다.
작동 유체 회로(120)는 일반적으로 고압측 및 저압측을 갖고, 작동 유체 회로(120) 내에서 순환되는 작동 유체를 포함한다. 용어 "작동 유체"의 사용은 작동 유체의 물질의 상태 또는 상을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 작동 유체 또는 작동 유체의 부분은 열 엔진 시스템(100) 또는 열역학적 사이클 내의 임의의 하나 이상의 점에서 유체상, 기상, 초임계 상태, 아임계 상태, 또는 임의의 다른 상 또는 상태에 있을 수도 있다. 하나 이상의 실시예에서, 작동 유체는 열 엔진 시스템(100)의 작동 유체 회로(120)의 특정 부분(예를 들어, 고압측) 위에서 초임계 상태에 있고, 열 엔진 시스템(100)의 작동 유체 회로(120)의 다른 부분(예를 들어, 저압측) 위에서 아임계 상태에 있다. 도 1은 하나 이상의 실시예에 설명된 바와 같이, "------"로 고압측을 그리고 "-·-·-·"으로 저압측을 표현함으로써, 열 엔진 시스템(100)의 작동 유체 회로(120)의 고압측 및 저압측을 도시하고 있다. 다른 실시예에서, 전체 열역학적 사이클은 작동 유체가 열 엔진 시스템(100)의 전체 작동 유체 회로(120) 전체에 걸쳐 초임계 또는 아임계 상태로 유지되도록 작동될 수도 있다. 도 1은 또한 하나 이상의 실시예에 설명된 바와 같이, "―"로 질량 제어 시스템을 표현함으로써 열 엔진 시스템(100) 내의 작동 유체 회로(120)의 질량 관리 시스템(110)을 도시하고 있다.
일반적으로, 작동 유체 회로(120)의 고압측은 약 15 MPa 이상, 예를 들어 약 17 MPa 이상 또는 약 20 MPa 이상의 압력에서 작동 유체(예를 들어, sc-CO2)를 포함한다. 몇몇 예에서, 작동 유체 회로(120)의 고압측은 약 15 MPa 내지 약 30 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 16 MPa 내지 약 26 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 17 MPa 내지 약 25 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 17 MPa 내지 약 24 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 23.3 MPa의 압력을 가질 수도 있다. 다른 예에서, 작동 유체 회로(120)의 고압측은 약 20 MPa 내지 약 30 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 21 MPa 내지 약 25 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 22 MPa 내지 약 24 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 23 MPa의 압력을 가질 수도 있다.
작동 유체 회로(120)의 저압측은 15 MPa 미만, 예를 들어 약 12 MPa 이하 또는 약 10 MPa 이하의 압력에서 작동 유체(예를 들어, CO2 또는 sub-CO2)를 포함한다. 몇몇 예에서, 작동 유체 회로(120)의 저압측은 약 4 MPa 내지 약 14 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 6 MPa 내지 약 13 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 8 MPa 내지 약 12 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 10 MPa 내지 약 11 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 10.3 MPa의 압력을 가질 수도 있다. 다른 예에서, 작동 유체 회로(120)의 저압측은 약 2 MPa 내지 약 10 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 4 MPa 내지 약 8 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 5 MPa 내지 약 7 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 6 MPa의 압력을 가질 수도 있다.
몇몇 예에서, 작동 유체 회로(120)의 고압측은 약 17 MPa 내지 약 23.5 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 23 MPa 내지 약 23.3 MPa의 범위 이내의 압력을 가질 수도 있고, 반면에 작동 유체 회로(120)의 저압측은 약 8 MPa 내지 약 11 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 10.3 MPa 내지 약 11 MPa의 범위 이내의 압력을 가질 수도 있다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 설명된 바와 같이, 작동 유체 회로(120)의 고압측에 그리고 열교환기(5)로부터 상류측에 유체적으로 결합된 스로틀 밸브(150)(예를 들어, 동력 터빈 스로틀 밸브)를 도시하고 있다. 스로틀 밸브(150)는 작동 유체 회로(120) 전체에 걸쳐 동력 터빈(3)으로의 작동 유체의 유동을 제어하도록 구성될 수도 있다. 일반적으로, 작동 유체는 작동 유체 회로(120)의 고압측을 통해 유동하면서 초임계 상태에 있다. 스로틀 밸브(150)는 스로틀 밸브(150) 및 열 엔진 시스템(100)의 다른 부분과 유선으로 그리고/또는 무선으로 또한 통신 가능하게 접속된 제어 시스템(108)에 의해 제어될 수도 있다. 제어 시스템(108)은 작동 유체 회로(120) 및 질량 관리 시스템(110)에 작동적으로 접속되고, 열 엔진 시스템(100)의 다수의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링 및 제어할 수 있도록 된다. 컴퓨터 시스템은 제어 시스템(108)의 부분으로서, 스로틀 밸브(150)를 제어하도록 이용된 다중 제어기 알고리즘을 포함한다. 다중 제어기 알고리즘은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 열 엔진 시스템(100)에 의해 전기를 발전하는 프로세스를 효율적으로 실행하기 위해 스로틀 밸브(150)를 제어하기 위한 다수의 모드를 갖는다. 제어 시스템(108)은 작동 유체 회로(120) 전체에 걸친 작동 유체의 유동을 조정하거나 제어하기 위해 스로틀 밸브(150)를 이동하고, 조정하고, 조작하거나, 또는 다른 방식으로 제어할 수 있도록 된다. 작동 유체의 유동을 제어함으로써, 제어 시스템(108)은 작동 유체 회로(120) 전체에 걸쳐 온도 및 압력을 조절하도록 또한 작동 가능하다.
또한, 특정 실시예에서, 제어 시스템(108), 뿐만 아니라 본 명세서에 개시된 임의의 다른 제어기 또는 프로세서는 판독 전용 메모리(read-only memory: ROM), 랜덤 액세스 메모리(random access memory: RAM), 고체 상태 메모리(solid state memory)(예를 들어, 플래시 메모리), 플로피 디스켓, CD-ROM, 하드 드라이브, 범용 직렬 버스(universal serial bus: USB)와 같은 하나 이상의 비일시적 탠저블 기계 판독 가능 매체를 포함할 수도 있다. 저장 매체는 본 명세서에 개시된 방법에 제시된 로직(logic) 또는 로직의 부분을 작동시키도록 제어 시스템(108)에 의해 실행될 수도 있는, 펌웨어와 같은 인코딩된 명령을 저장할 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 열 엔진 시스템(100)은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 이러한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 프로세스 제어기 상에 배치된 컴퓨터 코드를 포함할 수도 있다. 컴퓨터 코드는 개시된 실시예에 따르면, 스로틀 밸브(150)의 위치를 교번하기 위해 제어 기능을 개시하기 위한 명령을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 하나 이상의 실시예에서, 제어 알고리즘은 열 엔진 시스템(100) 및 전기를 발전하기 위한 프로세스를 관리하도록 제공되고 이용된다. 제어 알고리즘은 열 엔진 시스템(100)의 제어 시스템(108)의 부분으로서 컴퓨터 시스템에 내장된다. 제어 알고리즘은 열 엔진 시스템(100)을 개시하고 유지하는 동안, 뿐만 아니라 프로세스 교란 또는 위기 이벤트 중에, 그리고 전기를 발전하는 동안 열 엔진 시스템(100)의 효율을 최대화하는 것을 포함하는 본 명세서에 설명된 다양한 단계 또는 프로세스 전체에 걸쳐 이용될 수도 있다. 제어 알고리즘은 적어도 하나의 시스템 제어기를 포함하지만, 일반적으로 열 엔진 시스템(100)의 일체형 서브시스템을 관리하기 위해 이용된 다수의 시스템 제어기를 포함한다. 제어 알고리즘의 예시적인 시스템 제어기는 트림 제어기(trim controller), 전력 모드 제어기, 슬라이딩 모드 제어기, 압력 모드 제어기, 과속 모드 제어기, 비례 적분 미분 제어기, 멀티 모드 제어기, 이들의 파생물, 및/또는 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 예에서, 제어 알고리즘은 동력 터빈(3) 또는 발전기(2)의 회전 속도를 제어하도록 구성된 트림 제어기를 포함한다. 트림 제어기는 동기화 프로세스 중에 동력 터빈(3) 또는 발전기(2)의 회전 속도를 증가 또는 감소시키기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 트림 제어기는 열 엔진 시스템(100)의 제어 시스템(108)의 부분으로서 발전기 제어 모듈 내에 비례 적분 미분(PID) 제어기에 의해 제공된다.
다른 예에서, 제어 알고리즘은 전력 발전기(2)로부터 전력 출력을 모니터링하고 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기(2)로부터의 전력 출력을 유지하기 위해 동력 터빈(3)을 적응식으로 튜닝하면서 전력 출력에 응답하여 스로틀 밸브(150)를 조절하도록 구성된 전력 모드 제어기를 포함한다. 전력 모드 제어기는 부하가 발전기(2) 상에서 증가하는 동안에 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기(2)로부터의 전력 출력을 유지하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 제어 알고리즘은 동력 터빈(3), 발전기(2), 또는 동력 터빈(3)과 발전기(2) 사이에 결합된 샤프트(103)의 회전 속도의 증가를 모니터링하고 검출하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기를 포함한다. 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도의 증가를 검출한 후에 회전 속도를 감소시키기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 또한 구성된다.
다른 예에서, 제어 알고리즘은 프로세스 교란 중에 작동 유체 회로(120) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 검출하도록 구성된 압력 모드 제어기를 포함한다. 압력 모드 제어기는 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(120) 내의 작동 유체의 압력을 증가시키기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 또한 구성된다. 몇몇 예에서, 제어 알고리즘은 과속 조건을 검출하고 이후에 과속 모드 제어 프로세스를 구현하여 동력 터빈(3), 발전기(2), 또는 동력 터빈(3)과 발전기(2) 사이에 결합된 샤프트(103)의 회전 속도를 즉시 감소시키도록 구성된 과속 모드 제어기를 포함한다.
일 예에서, 열 엔진 시스템(100)용 제어 시스템(108)의 부분으로서 컴퓨터 시스템 내에 내장된 제어 알고리즘은 적어도, (i.) 동기화 프로세스 중에 전기 그리드 또는 전기 버스(예를 들어, 플랜트 버스) 또는 전력 전자 기기(1)와 같은 전기 회로와 발전기(2)를 동기화하면서 동력 터빈(3)의 회전 속도를 제어하기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 트림 제어기; (ii.) 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기(2)로부터의 전력 출력을 유지하면서 동력 터빈(3)을 적응식으로 튜닝하도록 스로틀 밸브(150)를 조절하면서 발전기(2) 상의 부하를 증가시킴으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 전력 모드 제어기; (iii.) 프로세스 교란 중에 회전 속도를 점진적으로 감소시키기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기; (iv.) 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(120) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 작동 유체의 압력을 증가시키기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 압력 모드 제어기; 및 (v.) 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 과속 모드 제어기를 포함한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 열 엔진 시스템(100)으로 전기를 발전하기 위한 방법(400)이 제공되고, 작동 유체의 적어도 일부가 초임계 상태(예를 들어, sc-CO2)에 있도록, 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로(120) 내에서 작동 유체를 순환시키는 것을 포함한다(블록 402). 방법(400)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 작동 유체 회로(120)의 고압측에 유체적으로 결합되어 열 유통 상태에 있는 적어도 하나의 열교환기(210)에 의해 열원 스트림(101)으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 것을 또한 포함한다(블록 404).
방법(400)은 가열된 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하고(블록 406) 그리고 동력 터빈(3)에 결합된 발전기(2)에 의해 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하면서(블록 408) 가열된 작동 유체로부터 동력 터빈(3)으로 열 에너지를 전달하는 것을 더 포함하고, 여기서 동력 터빈(3)은 작동 유체 회로(120)의 고압측과 저압측 사이에 배치되고 작동 유체에 유체적으로 결합되어 열 유통 상태에 있다. 방법(400)은 발전기(2)로부터 파워 아울렛으로(블록 410) 그리고 파워 아울렛으로부터 전력 전자 기기(1) 및/또는 전기 회로, 예를 들어 전기 그리드, 전기 버스로 전기 에너지를 전달하는 것을 더 포함한다.
방법(400)은 작동 유체의 유동을 조정하도록 스로틀 밸브(150)를 작동함으로써 동력 터빈(3)을 제어하는 것을 더 포함한다(블록 412). 스로틀 밸브(150)는 동력 터빈(3)으로부터 상류측에서 작동 유체 회로(120)의 고압측 내의 초임계 상태에서의 작동 유체에 유체적으로 결합된다. 방법은 작동 유체 회로(120)에 작동적으로 접속된 제어 시스템(108)을 거쳐 열 엔진 시스템(100)의 다수의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어하는 것을 더 포함하고, 여기서 제어 시스템(108)은 작동 유체의 유동을 조정하도록 스로틀 밸브(150)를 작동함으로써 동력 터빈(3)을 제어하도록 구성된다. 다수의 예에서, 작동 유체는 이산화탄소를 포함하고, 이산화탄소의 적어도 일부는 초임계 상태에 있다(예를 들어, sc-CO2).
몇몇 예에서, 방법은 동기화 프로세스 중에 전기 그리드 또는 버스(도시 생략)로 발전기(2)를 동기화하면서 동력 터빈(3)의 회전 속도를 제어하기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절하고, 트리밍하고, 조정하거나, 또는 다른 방식으로 이동함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 또한 제공한다. 따라서, 스로틀 밸브(150)는 동력 터빈(3)의 회전 속도를 제어하도록 조절될 수도 있고, 이는 이어서 발전기(2) 뿐만 아니라 동력 터빈(3)과 발전기(2) 사이에 배치되어 이들에 결합된 샤프트(103)의 회전 속도를 제어한다. 스로틀 밸브(150)는 완전 개방 위치, 부분 개방 위치, 부분 폐쇄 위치, 또는 완전 폐쇄 위치 사이에서 조절될 수도 있다. 트림 제어기는 제어 시스템(108)의 부분으로서, 동력 터빈(3)의 회전 속도를 제어하도록 이용될 수도 있다. 발전기 제어 모듈은 발전기(2)의 발전기 주파수와 전기 그리드 또는 버스의 그리드 주파수 사이의 위상 차이에 관련하여 출력 신호를 제공한다. 일반적으로, 전기 그리드 또는 버스는 적어도 하나의 교류 버스, 교류 회로, 교류 그리드, 또는 이들의 조합을 포함한다. 부가적으로, 발전기(2) 상의 차단기는 일단 동력 터빈(3)이 발전기(2)와 동기화되면 폐쇄될 수도 있다. 일 실시예에서, 미세 트림을 조정하기 위한 트림 제어기는 일단 발전기 주파수가 그리드 주파수의 위상의 약 +/- 10도 이내에 있으면 활성화될 수도 있다. 또한, 경로 트림을 조정하기 위한 경로 트림 제어기는 일단 그리드 주파수의 위상값이 사전 결정된 "위상 윈도우"의 약 10도 이외에 있으면 활성화될 수도 있다.
다른 예에서, 방법은 발전기(2)가 부하의 변화 수요를 경험하더라도, 전력 모드 프로세스 중에 안정하거나 또는 연속적인 또는 적어도 실질적으로 안정하거나 또는 연속적인 전력 레벨로 발전기(2)의 전력 출력을 유지하기 위해 동력 터빈(3)을 적응식으로 튜닝하면서 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 제공한다. 일반적으로, 발전기(2) 상의 부하는 전력 모드 프로세스 중에실질적으로 안정한 또는 연속적인 전력 레벨을 유지하도록 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 전력 모드 제어기가 동력 터빈(3)을 적응식으로 튜닝하는 동안 증가한다. 몇몇 예에서, 방법은 제어 시스템(108)의 부분으로서 전력 모드 제어기로 발전기(2)로부터의 전력 출력을 모니터링하는 것과, 전력 출력에 응답하여 동력 터빈(3)을 적응식으로 튜닝하도록 전력 모드 제어기로 스로틀 밸브(150)를 조절하는 것을 포함한다.
다른 예에서, 방법은 프로세스 교란 중에 작동 유체 회로(120) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 검출하는 것을 제공한다. 몇몇 예에서, 방법은 프로세스 교란을 검출하고 이후에 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(120) 내의 작동 유체의 압력을 증가시키도록 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 압력 모드 제어기는 프로세스 교란 중에 압력을 증가시키도록 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 슬라이딩 모드 제어 프로세스는 동력 터빈(3), 발전기(2), 샤프트(103), 또는 기어박스(도시 생략)를 과속 조건으로부터 보호하도록 구현될 수도 있다. 방법은 프로세스 교란 중에 동력 터빈(3), 발전기(2), 또는 동력 터빈(3)과 발전기(2) 사이에 결합된 샤프트(103)의 회전 속도의 변화를 모니터링하는 것을 제공한다. 프로세스 교란 중에 회전 속도의 증가의 검출시에 - 방법은 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도를 점진적으로 감소시키고 과속 조건을 방지하기 위해 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 프로세스 교란 중에 회전 속도의 감소의 검출시에 - 방법은 회전 속도를 점진적으로 증가시키도록 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다.
다른 예에서, 방법은 동력 터빈(3), 발전기(2), 및/또는 샤프트(103)가 과속 조건을 경험하는 것을 검출하고, 이후에 회전 속도를 즉시 감소시키도록 과속 모드 제어 프로세스를 구현한다. 과속 모드 제어기는 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키도록 스로틀 밸브(150)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 열 엔진 시스템(100)의 전체 효율 및 최종적으로 발생된 전력량은, 작동 유체가 초임계 이산화탄소를 포함할 때 펌프(9)에서 입구 또는 흡입 압력에 의해 영향을 받을 수 있다. 펌프(9)의 흡입 압력을 최소화하거나 다른 방식으로 조절하기 위해, 열 엔진 시스템(100)은 질량 관리 시스템(mass management system: "MMS")(110)의 사용을 구체화할 수도 있다. 질량 관리 시스템(110)은 결합점(tie-in point)(A, B, C)에서와 같은, 작동 유체 회로(120) 내의 전략적 위치들에서 열 엔진 시스템(100)에 유입하고 그리고/또는 유출하는 작동 유체의 양을 조절함으로써 펌프(9)의 입구 압력을 제어한다. 따라서, 열 엔진 시스템(100)은 펌프(9)에 대한 압력비를 최대 가능한 정도로 증가시킴으로써 더 효율적이게 된다.
질량 관리 시스템(110)은 하나 이상의 밸브를 거쳐 작동 유체 회로(120)의 저압측 및 고압측에 유체적으로 결합된, 저장 용기, 작동 유체 용기, 또는 질량 제어 탱크(7)와 같은 용기 또는 탱크를 갖는다. 밸브는 작동 유체 회로(120)로부터 작동 유체를 제거하거나 작동 유체 회로(120)에 작동 유체를 추가하기 위해 이동 가능하다 - 부분 개방, 완전 개방 및/또는 폐쇄되는 바와 같이 -. 질량 관리 시스템(110)의 예시적인 실시예, 및 이들의 변형예의 범위는 2011년 10월 21일 출원되고 미국 특허 출원 공개 제2012-0047892호로 공개된 미국 특허 출원 제13/278,705호에서 발견되고, 이 출원의 내용은 본 명세서에 일치하는 정도로 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다. 그러나, 간략하게, 질량 관리 시스템(110)은 질량 제어 탱크(7)와 각각 유체 연통하는 복수의 밸브 및/또는 접속점(14, 15, 16, 17, 18, 21, 22, 23)을 포함할 수도 있다. 밸브(14, 15, 16)는 질량 관리 시스템(110)이 열 엔진 시스템(100)에 작동적으로 접속되는 종료점으로서 특징화될 수도 있다. 접속점(18, 21, 22, 23) 및 밸브(17)는 본 명세서에 설명되어 있는 바와 같이, 과잉의 작동 유체 또는 압력을 플레어링(flaring)하기 위한 출구를 질량 관리 시스템(110)에 제공하거나, 또는 유체 충전 시스템과 같은 외부 소스로부터 부가의/보충의 작동 유체를 관리 시스템(110)에 제공하도록 구성될 수도 있다.
제1 밸브(14)는 결합점(A)에서 또는 부근에서 열 엔진 시스템(100)에 질량 관리 시스템(110)을 유체적으로 결합하고, 여기서 작동 유체는 열교환기(5)로부터 배출된 후에 가열되고 압축된다. 제2 밸브(15)는 펌프(9)로의 입구에 인접하여 배열된 결합점(C)에서 또는 부근에서 열 엔진 시스템(100)에 질량 관리 시스템(110)을 유체적으로 결합하고, 여기서 작동 유체는 일반적으로 낮은 온도 및 압력에 있다. 제3 밸브(16)는 결합점(B)에서 또는 부근에서 열 엔진 시스템(100)에 질량 관리 시스템(110)을 유체적으로 결합하고, 여기서 작동 유체는 열 엔진 시스템(100)의 저압측[예를 들어, 인접한 결합점(C)]의 밀도 및 압력에 대해 더 치밀하고 더 높은 압력에 있다.
질량 제어 탱크(7)는 요구될 때 유체 회로 내의 작동 유체의 압력 또는 온도를 조절하거나 또는 누설된 작동 유체를 다른 방식으로 보충하기 위해, 열 엔진 시스템(100)에 추가될 수도 있는 부가의/보충의 작동 유체를 위한 국부적인 저장부로서 구성될 수도 있다. 밸브(14, 15, 16)를 제어함으로써, 질량 관리 시스템(110)은 펌프의 요구 없이 열 엔진 시스템(100)으로/으로부터 작동 유체 질량을 추가하고 그리고/또는 제거하여, 이에 의해 시스템 비용, 복잡성, 및 유지 보수를 감소시킨다. 예를 들어, 질량 제어 탱크(7)는 제1 밸브(14)를 개방함으로서 압축되어 고온 고압 작동 유체를 결합점(A)을 거쳐 질량 제어 탱크(7) 내로 유동하게 한다. 일단 압축되면, 부가의/보충의 작동 유체는 제2 밸브(15) 및 결합점(C)을 거쳐 질량 제어 탱크(7)로부터 유체 회로 내로 재차 주입될 수도 있다. 제2 밸브(15)의 위치를 조정하는 것은 펌프(9)의 입구 압력을 연속적으로 조절하는 기능을 할 수도 있다. 제3 밸브(16)는 결합점(B)에서 유체 회로로부터 작동 유체를 제거하고 이 작동 유체를 질량 제어 탱크(7)로 전달하도록 개방될 수도 있다.
질량 관리 시스템(110)은 제1, 제2 및 제3 세트의 센서(102, 104, 106)의 보조로 열 엔진 시스템(100)과 함께 반수동적으로 작동할 수도 있다. 제1 세트의 센서(102)는 펌프(9)의 흡입 입구에 또는 인접하여 배열되고, 제2 세트의 센서(104)는 펌프(9)의 출구에 또는 인접하여 배열된다. 제1 및 제2 세트의 센서(102, 104)는 펌프(9)에 인접한 유체 회로의 저압측 및 고압측 내의 작동 유체의 압력, 온도, 질량 유량, 또는 다른 특성을 모니터링하고 보고한다. 제3 세트의 센서(106)는 탱크(7) 내의 작동 유체의 압력, 온도, 질량 유량, 또는 다른 특성을 측정하고 보고하기 위해 질량 제어 탱크(7) 내부에 또는 인접하여 배열된다.
제어 시스템(108)은 또한 지정된 점에서의 작동 유체의 측정된 및 보고된 온도, 압력, 및 질량 유량을 처리하기 위해, 각각의 세트의 센서(102, 104, 106)와 유선으로 그리고/또는 무선으로 통신 가능하게 접속된다. 이들 측정된 및/또는 보고된 파라미터에 응답하여, 제어 시스템(108)은 제어 프로그램 또는 알고리즘에 따라 밸브(14, 15, 16)를 선택적으로 조정하여, 이에 의해 열 엔진 시스템(100)의 작동을 최대화하도록 작동 가능할 수도 있다. 부가적으로, 계기용 공기 공급부(instrument air supply)(29)가 질소 또는 공기와 같은 기체 공급물을 이용할 수도 있는 질량 관리 시스템(110) 및/또는 다른 시스템 구성 요소를 포함하여 열 엔진 시스템(100) 내의 센서, 장치, 또는 다른 계기에 결합될 수도 있다.
접속점(18, 21, 22, 23) 및 밸브(17) 중에서, 접속점(21)과 같은 적어도 하나의 접속점이 질량 관리 시스템(110)을 위한 유체 충전 포트일 수도 있다. 부가의/보충의 작동 유체는 유체 충전 포트 또는 접속점(21)을 거쳐 유체 충전 시스템과 같은 외부 소스로부터 질량 관리 시스템(110)에 추가될 수도 있다. 예시적인 유체 충전 시스템은 미국 특허 제8,281,593호에 설명되고 예시되어 있으며, 이 특허의 내용은 본 발명에 일치하는 정도로 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다.
도 2는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 설명되어 있는 바와 같이, 열 엔진 시스템, 발전 시스템, 폐열 또는 다른 열 회수 시스템, 및/또는 열 대 전기 에너지 시스템이라 또한 칭할 수도 있는 예시적인 열 엔진 시스템(200)을 도시하고 있다. 열 엔진 시스템(200)은 일반적으로, 광범위한 열적 소스로부터 전기 에너지를 발생하기 위해 랭킨 사이클, 랭킨 사이클의 파생물, 또는 다른 열역학적 사이클의 하나 이상의 요소를 포함하도록 구성된다. 열 엔진 시스템(200)은 작동 유체 회로(202)의 고압측에 유체적으로 결합되고 열원 스트림(190)과 열 유통 상태에 있는 열교환기(210)와 같은 적어도 하나의 열교환기를 포함한다. 이러한 열 유통은 열원 스트림(190)으로부터 작동 유체 회로(202) 전체에 걸쳐 유동하는 작동 유체로의 열 에너지의 전달을 제공한다.
열원 스트림(190)은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 가스 터빈 배기 스트림, 산업용 프로세스 배기 스트림, 또는 노 또는 보일러 배기 스트림과 같은 다른 연소 생성물 배기 스트림과 같은 폐열 스트림일 수도 있다. 열원 스트림(190)은 약 100℃ 내지 약 1,000℃ 이상의 범위 이내, 그리고 몇몇 예에서, 약 200℃ 내지 약 800℃의 범위 이내, 더 좁게는 약 300℃ 내지 약 600℃의 범위 이내의 온도에 있을 수도 있다. 열원 스트림(190)은 공기, 이산화탄소, 일산화탄소, 물 또는 증기, 질소, 산소, 아르곤, 이들의 유도물, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 열원 스트림(190)은 태양 또는 지열 소스와 같은 열 에너지의 재생 가능한 소스로부터 열 에너지를 유도할 수도 있다.
열 엔진 시스템(200)은 열교환기(210)로부터 하류측에 배치되고 작동 유체에 유체적으로 결합되어 그와 열 유통 상태에 있는 작동 유체 회로(202)의 고압측과 저압측 사이에 배치된 동력 터빈(220)을 더 포함한다. 동력 터빈(220)은 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하도록 구성되는 데, 여기서 작동 유체의 흡수된 열 에너지가 동력 터빈(220)의 기계 에너지로 변환된다. 따라서, 동력 터빈(220)은 압축된 유체를 기계 에너지로 변환하여, 일반적으로 예를 들어 샤프트를 회전함으로써 높은 온도 및 압력의 유체를 기계 에너지로 변환하는 것이 가능한 팽창 장치이다.
동력 터빈(220)은 열교환기(210)로부터 배출된 작동 유체를 수용하고 팽창시키기 위한 터빈, 터보, 팽창기, 또는 다른 장치를 포함하거나 또는 이들 장치일 수도 있다. 동력 터빈(220)은 축류형 구조 또는 반경류 구조를 가질 수도 있고, 1단 장치 또는 다단 장치일 수도 있다. 동력 터빈(220)에 이용될 수도 있는 예시적인 터빈은 팽창 장치, 지롤러, 지로터, 밸브, 압력 스윙과 같은 기타 용적형 장치, 터빈, 터보, 또는 작동 유체에서의 압력 또는 압력/엔탈피의 강하를 기계적 에너지로 변환 가능한 임의의 기타 장치를 포함한다. 다양한 팽창 장치는 본 발명의 시스템 내에서 작동하고 동력 터빈(220)으로서 이용될 수도 있는 상이한 성능 특성을 성취하는 것이 가능하다.
동력 터빈(220)은 일반적으로 샤프트(230)에 의해 발전기(240)에 결합된다. 기어박스(232)가 일반적으로 동력 터빈(220)과 발전기(240) 사이에 그리고 샤프트(230)에 인접하거나 샤프트를 포위하여 배치된다. 샤프트(230)는 단일 부품일 수도 있거나 또는 함께 결합된 2개 이상의 부품을 포함할 수도 있다. 일 예에서, 샤프트(230)의 제1 세그먼트는 동력 터빈(220)으로부터 기어박스(232)로 연장하고, 샤프트(230)의 제2 세그먼트는 기어박스(232)로부터 발전기(240)로 연장하고, 다수의 기어가 기어박스(232) 내의 샤프트(230)의 2개의 세그먼트 사이에 배치되어 이들 세그먼트에 결합된다. 몇몇 구성에서, 샤프트(230)는 동력 터빈(220)으로부터의 임의의 작동 유체 누설을 방지하거나 포획하도록 설계된 밀봉 조립체(도시 생략)를 포함한다. 부가적으로, 작동 유체 재순환 시스템이 밀봉 가스를 열 엔진 시스템(200)의 유체 회로 내로 재차 재순환시키기 위해 밀봉 조립체와 함께 구현될 수도 있다.
발전기(240)는 전기 에너지를 발생하기 위한, 예를 들어 샤프트(230) 및 동력 터빈(220)으로부터의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 발전기, 교류기(예를 들어, 영구 자석 교류기), 또는 다른 장치일 수도 있다. 파워 아울렛(242)이 발전기(240)에 전기적으로 결합되고, 발전기(240)로부터 발생된 전기 에너지를 전기 그리드(244)에 전달하도록 구성된다. 전기 그리드(244)는 전기 그리드, 전기 버스(예를 들어, 플랜트 버스), 전력 전자 기기, 다른 전기 회로, 또는 이들의 조합일 수도 있거나 또는 이들을 포함할 수도 있다. 전기 그리드는 일반적으로 적어도 하나의 교류 버스, 교류 그리드, 교류 회로, 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 예에서, 발전기(240)는 교류기이고, 파워 아울렛(242)을 거쳐 전력 전자 기기(도시 생략)에 작동적으로 그리고 전기적으로 접속된다. 다른 예에서, 발전기(240)는 파워 아울렛(242)에 전기적으로 접속된 전력 전자 기기에 전기적으로 접속된다.
전력 전자 기기는 전압, 전류 또는 주파수와 같은 전기적 특성을 수정함으로써 전력을 바람직한 형태의 전기로 변환하도록 구성될 수도 있다. 전력 전자 기기는 컨버터 또는 정류기, 인버터, 변압기, 조절기, 제어기, 스위치, 저항, 저장 장치, 및 다른 전력 전자 부품 및 장치를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 발전기(240)는 동력 터빈(220)에 의해 생성된 샤프트 일을 수정하거나 변환하도록 구성된 다른 유형의 전기 발전 장비, 회전 장비, 기어박스[예를 들어, 기어박스(232)], 또는 다른 장치와 같은, 임의의 다른 유형의 부하 수용 장비를 포함하고, 이들에 결합되거나, 또는 이들일 수도 있다. 일 실시예에서, 발전기(240)는 물, 열매체유, 및/또는 다른 적합한 냉매와 같은 냉각 유체를 순환시키기 위한 펌프 및 라디에이터를 갖는 냉각 루프와 유체 연통하고 있다. 냉각 루프는 발생된 열을 제거하기 위해 냉각 유체를 순환시킴으로써 발전기(240)와 전력 전자 기기의 온도를 조절하도록 구성될 수도 있다.
열 엔진 시스템(200)은 또한 동력 터빈(220)의 하나 이상의 부분을 냉각하기 위한 동력 터빈(220)의 챔버 또는 하우징 내로의 작동 유체의 부분의 전달을 제공한다. 일 실시예에서, 발전기(240) 내의 동적 압력 균형을 위한 잠재적인 요구에 기인하여, 발전기(240) 내로의 작동 유체의 이 부분의 도입이 작동 중에 발전기(240)의 압력 균형 및 안정성을 중요시하고 또는 방해하지 않아야 하기 때문에, 그로부터 작동 유체의 부분을 얻기 위한 열 엔진 시스템(200) 내의 장소의 선택이 중요하다. 따라서, 냉각을 위해 발전기(240) 내로 전달된 작동 유체의 압력은 동력 터빈(220)의 입구(도시 생략)에서 작동 유체의 압력과 동일하거나 실질적으로 동일하다. 작동 유체는 동력 터빈(220)의 하우징 내로 도입되기 전에 원하는 온도 및 압력에 있도록 조절된다. 소비된 작동 유체와 같은 작동 유체의 부분은 동력 터빈(220)의 출구(도시 생략)에서 동력 터빈(220)을 나오고, 하나 이상의 열교환기 또는 복열기(216, 218)와 같은 복열기로 유도된다. 복열기(216, 218)는 서로 직렬로 작동 유체 회로(202)와 유도식으로 결합될 수도 있다. 복열기(216, 218)는 작동 유체 회로(202)의 고압측과 저압측 사이에 열 에너지를 전달하도록 작동한다.
일 실시예에서, 복열기(216)는 작동 유체 회로(202)의 저압측에 유체적으로 결합되고, 동력 터빈(220) 상의 작동 유체 출구로부터 하류측에 배치되고, 복열기(218) 및/또는 응축기(274)로부터 상류측에 배치되고, 동력 터빈(220)으로부터 배출된 작동 유체로부터 열 에너지의 적어도 일부를 제거하도록 구성된다. 게다가, 복열기(216)는 또한 작동 유체 회로(202)의 고압측에 유체적으로 결합되고, 열교환기(210) 및/또는 동력 터빈(220) 상의 작동 유체 출구로부터 상류측에 배치되고, 열교환기(208)로부터 하류측에 배치되고, 열교환기(210) 및/또는 동력 터빈(220) 내로 유동하기 전에 작동 유체 내의 열 에너지의 양을 증가시키도록 구성된다. 따라서, 복열기(216)는 열교환기(210) 및/또는 동력 터빈(220) 내로 또는 상류측에 유입하는 고압축 작동 유체를 가열하면서 동력 터빈(220)으로부터 하류측의 또는 배출된 저압축 작동 유체를 냉각하도록 구성된 열교환기이다.
유사하게, 다른 실시예에서, 복열기(218)는 작동 유체 회로(202)의 저압측에 유체적으로 결합되고, 동력 터빈(220) 및/또는 복열기(216) 상의 작동 유체 출구로부터 하류측에 배치되고, 동력 터빈(220) 및/또는 복열기(216)로부터 배출된 작동 유체로부터 열 에너지의 적어도 일부를 제거하도록 구성된다. 게다가, 복열기(218)는 또한 작동 유체 회로(202)의 고압측에 유체적으로 결합되고, 열교환기(212) 및/또는 터보 펌프(260)의 구동 터빈(264) 상의 작동 유체 입구로부터 상류측에 배치되고, 터보 펌프(260)의 펌프부(262) 상의 작동 유체 출구로부터 하류측에 배치되고, 열교환기(212) 및/또는 구동 터빈(264) 내로 유동하기 전에 작동 유체 내의 열 에너지의 양을 증가시키도록 구성된다. 따라서, 복열기(218)는 열교환기(212) 및/또는 구동 터빈(264) 내로 또는 상류측에 유입하는 고압축 작동 유체를 가열하면서 동력 터빈(220) 및/또는 복열기(216)로부터 하류측의 또는 배출된 저압축 작동 유체를 냉각하도록 구성된 열교환기이다.
몇몇 예에서, 부가의 응축기 또는 냉각기(도시 생략)가 각각의 복열기(216, 218)에 유체적으로 결합되고 작동 유체 회로(202)의 저압측과 열 유통 상태에 있을 수도 있는 데, 응축기 또는 냉각기는 작동 유체 회로(202)의 저압측에서 작동 유체의 온도를 제어하도록 작동한다.
열 엔진 시스템(200)은, 작동 유체 회로(202) 내에 배치되고 작동 유체 회로(202)의 저압측과 고압측 사이에 유체적으로 결합된, 터보 펌프(260) 및 시동 펌프(265)와 같은 다수의 펌프를 더 포함한다. 터보 펌프(260) 및 시동 펌프(265)는 작동 유체 회로(202) 전체에 걸쳐 작동 유체를 순환시키도록 작동한다. 시동 펌프(265)는 작동 유체 회로(202) 내에서 작동 유체를 초기에 압축하고 순환시키는 데 이용된다. 일단 작동 유체의 사전 결정된 압력, 온도, 및/또는 유량이 작동 유체 회로(202) 내에서 얻어지면, 시동 펌프(265)는 오프라인되고, 아이들링되거나, 또는 턴오프될 수도 있고, 터보 펌프(260)는 전기 발전 프로세스 중에 작동 유체를 순환시키는 데 이용된다. 작동 유체는 작동 유체 회로(202)의 저압측으로부터 터보 펌프(260) 및 시동 펌프(265)의 각각에 유입되고, 작동 유체 회로(202)의 고압측으로부터 터보 펌프(260) 및 시동 펌프(265)의 각각에서 유출한다.
시동 펌프(265)는 일반적으로, 전기 전동 펌프, 기계 전동 펌프, 또는 임의의 다른 적합한 유형의 펌프와 같은 전동 펌프이다. 일반적으로, 시동 펌프(265)는 가변 주파수 전동 구동 펌프일 수도 있고, 펌프부(266) 및 모터 구동부(268)를 포함한다. 시동 펌프(265)의 모터 구동부(268)는 모터와, 구동 샤프트 및 기어를 포함하는 구동부를 포함한다. 몇몇 예에서, 모터 구동부(268)는 모터의 속도가 구동부에 의해 조절될 수도 있도록 가변 주파수 구동부를 갖는다. 시동 펌프(265)의 펌프부(266)는 그에 결합된 모터 구동부(268)에 의해 구동된다. 펌프부(266)는 응축기(274) 및/또는 작동 유체 저장 시스템(300)으로부터와 같이, 작동 유체 회로(202)의 저압측으로부터 작동 유체를 수용하기 위한 입구를 갖는다. 펌프부(266)는 작동 유체 회로(202)의 고압측 내로 작동 유체를 방출하기 위한 출구를 갖는다.
터보 펌프(260)는 작동 유체 회로(202) 전체에 걸쳐 작동 유체를 압축하고 순환시키는 데 이용되는 터보 구동 펌프 또는 터빈 구동 펌프이다. 터보 펌프(260)는 구동 샤프트 및 선택적 기어박스에 의해 함께 결합된 펌프부(262) 및 구동 터빈(264)을 포함한다. 터보 펌프(260)의 펌프부(262)는 구동 터빈(264)에 결합된 구동 샤프트에 의해 구동된다. 펌프부(262)는 응축기(274) 및/또는 작동 유체 저장 시스템(300)으로부터와 같이, 작동 유체 회로(202)의 저압측으로부터 작동 유체를 수용하기 위한 입구를 갖는다. 펌프부(262)는 작동 유체 회로(202)의 고압측 내로 작동 유체를 방출하기 위한 출구를 갖는다.
터보 펌프(260)의 구동 터빈(264)은 열교환기(212)에 의해 가열된 작동 유체에 의해 구동된다. 구동 터빈(264)은 작동 유체 회로(202)의 고압측에서 열교환기(212)로부터 유동하는 작동 유체를 수용하기 위한 입구를 갖는다. 구동 터빈(264)은 작동 유체 회로(202)의 저압측 내로 작동 유체를 방출하기 위한 출구를 갖는다. 일 구성에서, 구동 터빈(264) 상의 출구로부터 방출된 작동 유체는 복열기(216)로부터 하류측에 그리고 복열기(218)로부터 상류측에서 작동 유체 회로(202) 내로 복귀된다.
바이패스 밸브(261)가 일반적으로 구동 터빈(264) 상의 입구로부터 연장하는 유체 라인과 구동 터빈(264) 상의 출구로부터 연장하는 유체 라인 사이에 결합되고 이들과 유체 연통한다. 바이패스 밸브(261)는 열 엔진 시스템(200)으로 전기를 발전하는 초기 스테이지 중에 시동 펌프(265)를 사용하면서 구동 터빈(264)을 바이패스하도록 개방될 수도 있다. 일단 작동 유체의 사전 결정된 압력 및 온도가 작동 유체 회로(202) 내에서 얻어지면, 바이패스 밸브(261)는 폐쇄될 수도 있고, 가열된 작동 유체는 구동 터빈(264)을 통해 유동되어 터보 펌프(260)를 시동한다.
제어 밸브(246)는 터보 펌프(260)의 펌프부(262)의 출구로부터 하류측에 배치되고, 제어 밸브(248)는 시동 펌프(265)의 펌프부(266)의 출구로부터 하류측에 배치된다. 제어 밸브(246, 248)는 유동 제어 안전 밸브이고, 일반적으로 방향성 유동을 조절하거나 또는 작동 유체 회로(202) 내의 작동 유체의 역류를 억제하는 데 이용된다. 바이패스 밸브(254, 256)는 작동 유체 회로(202) 내에 독립적으로 배치되고, 작동 유체 회로(202)의 저압측과 고압측 사이에 유체적으로 결합된다. 따라서, 작동 유체는 작동 유체 회로(202)의 고압측으로부터 각각의 바이패스 밸브(254, 256)를 통해 유동하고, 작동 유체 회로(202)의 저압측으로 각각의 바이패스 밸브(254, 256)에서 유출한다.
냉각기 또는 응축기(274)가 터보 펌프(260) 및/또는 시동 펌프(265)에 유체적으로 결합되고, 냉각된 작동 유체를 수용하고, 작동 유체 회로(202)를 압축하여 작동 유체를 열교환기(210)로 재차 재순환한다. 응축기(274)는 냉각 유체 공급부(278a)로부터 냉각 유체를 수용하여 가온된 냉각 유체를 냉각 유체 복귀부(278b)를 거쳐 냉각 시스템으로 복귀시키는 냉각 시스템(도시 생략)과 유체적으로 결합된다. 냉각 유체는 작동 유체보다 더 낮은 온도로 유지되는 물, 이산화탄소, 또는 다른 수성 및/또는 유기 유체 또는 이들의 다양한 혼합물일 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 열 엔진 시스템(200)의 작동 유체 회로(202) 내에서 순환되고, 유동되거나, 또는 다른 방식으로 이용될 수도 있는 작동 유체의 유형은 탄소 산화물, 탄화수소, 알코올, 케톤, 할로겐화 탄화수소, 암모니아, 아민, 수용액 또는 이들의 조합을 포함한다. 열 엔진 시스템(200)에 이용될 수도 있는 예시적인 작동 유체는 이산화탄소, 암모니아, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 아세틸렌, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 물, 이들의 유도물, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 할로겐화 탄화수소는 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 하이드로플루오로카본(HFC)[예를 들어, 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(R245fa)], 플루오로카본, 이들의 유도물, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 다수의 실시예에서, 본 명세서에 개시된 열 엔진 시스템(200)의 작동 유체 회로(202) 및 다른 예시적인 회로 내에서 순환되고, 유동되거나, 또는 다른 방식으로 이용되는 작동 유체는 이산화탄소(CO2) 및 이산화탄소를 함유하는 혼합물일 수도 있거나 또는 이들을 포함할 수도 있다. 일반적으로, 작동 유체 회로(202)의 적어도 일부는 초임계 상태의 작동 유체(예를 들어, sc-CO2)를 포함한다. 발전 사이클을 위한 작동 유체로서 이용되거나 또는 작동 유체 내에 함유된 이산화탄소는, 이산화탄소가 비독성 및 비가연성의 특성을 갖고, 또한 용이하게 입수 가능하고 비교적 저가이기 때문에, 작동 유체로서 통상적으로 사용되는 다른 화합물에 비해 다수의 장점을 갖는다. 이산화탄소의 비교적 높은 작동 압력에 부분적으로 기인하여, 이산화탄소 시스템은 다른 작동 유체를 사용하는 시스템보다 훨씬 더 소형일 수도 있다. 다른 작동 유체와 관련하여 이산화탄소의 높인 밀도 및 체적 열 용량은 이산화탄소를 더 "에너지 치밀성"이게 하는 데, 즉 모든 시스템 구성 요소들의 크기가 성능을 손실하지 않고 상당히 축소될 수 있다. 용어 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(sc-CO2), 또는 아임계 이산화탄소(sub-CO2)의 사용은 임의의 특정 유형, 소스, 순도, 또는 등급의 이산화탄소에 제한되도록 의도된 것은 아니라는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 산업용 등급 이산화탄소는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 작동 유체 내에 함유되고 그리고/또는 작동 유체로서 사용될 수도 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체 회로(202) 내의 작동 유체는 2원, 3원, 또는 다른 작동 유체 혼합물일 수도 있다. 작동 유체 혼합물 또는 조합은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 열 회수 시스템 내의 유체 조합에 의해 소유된 고유의 특성을 위해 선택될 수 있다. 예를 들어,하나의 그러한 유체 조합은 조합된 유체가 이산화탄소를 압축하는 데 요구되는 것보다 적은 에너지 입력으로 액체 상태에서 고압으로 펌핑되는 것을 가능하게 하는 액체 흡수성 이산화탄소 혼합물을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 초임계 이산화탄소(sc-CO2), 아임계 이산화탄소(sub-CO2), 및/또는 하나 이상의 다른 섞일 수 있는 유체 또는 화학적 화합물의 조합일 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 작동 유체는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고, 이산화탄소와 프로판, 또는 이산화탄소와 암모니아의 조합일 수도 있다.
작동 유체 회로(202)는 일반적으로 고압측 및 저압측을 갖고, 작동 유체 회로(202) 내에서 순환되는 작동 유체를 포함한다. 용어 "작동 유체"의 사용은 작동 유체의 물질의 상태 또는 상을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 예를 들어, 작동 유체 또는 작동 유체의 부분은 열 엔진 시스템(200) 또는 열역학적 사이클 내의 임의의 하나 이상의 점에서 유체상, 기상, 초임계 상태, 아임계 상태, 또는 임의의 다른 상 또는 상태에 있을 수도 있다. 하나 이상의 실시예에서, 작동 유체는 열 엔진 시스템(200)의 작동 유체 회로(202)의 특정 부분(예를 들어, 고압측) 위에서 초임계 상태에 있고, 열 엔진 시스템(200)의 작동 유체 회로(202)의 다른 부분(예를 들어, 저압측) 위에서 아임계 상태에 있다. 도 2는 하나 이상의 실시예에 설명된 바와 같이, "―" 라인으로 고압측을 그리고 조합된 "------" 및 "―" 라인으로 저압측을 표현함으로써(도 2에 주에 의해 도시되어 있는 바와 같이), 열 엔진 시스템(200)의 작동 유체 회로(202)의 고압측 및 저압측을 도시하고 있다. 다른 실시예에서, 전체 열역학적 사이클은 작동 유체가 열 엔진 시스템(200)의 전체 작동 유체 회로(202) 전체에 걸쳐 초임계 또는 아임계 상태로 유지되도록 작동될 수도 있다. 도 2는 또한 하나 이상의 실시예에 설명된 바와 같이, 조합된 "--" 및 "―" 라인으로 작동 유체 회로(202)의 기타 부분을 표현함으로써(도 2의 주에 도시되어 있는 바와 같이) 열 엔진 시스템(200) 내의 작동 유체 회로(202)의 다른 구성 요소 또는 부분을 도시하고 있다.
일반적으로, 작동 유체 회로(202)의 고압측은 약 15 MPa 이상, 예를 들어 약 17 MPa 이상 또는 약 20 MPa 이상의 압력에서 작동 유체(예를 들어, sc-CO2)를 포함한다. 몇몇 예에서, 작동 유체 회로(202)의 고압측은 약 15 MPa 내지 약 30 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 16 MPa 내지 약 26 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 17 MPa 내지 약 25 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 17 MPa 내지 약 24 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 23.3 MPa의 압력을 가질 수도 있다. 다른 예에서, 작동 유체 회로(202)의 고압측은 약 20 MPa 내지 약 30 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 21 MPa 내지 약 25 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 22 MPa 내지 약 24 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 23 MPa의 압력을 가질 수도 있다.
작동 유체 회로(202)의 저압측은 15 MPa 미만, 예를 들어 약 12 MPa 이하 또는 약 10 MPa 이하의 압력에서 작동 유체(예를 들어, CO2 또는 sub-CO2)를 포함한다. 몇몇 예에서, 작동 유체 회로(202)의 저압측은 약 4 MPa 내지 약 14 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 6 MPa 내지 약 13 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 8 MPa 내지 약 12 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 10 MPa 내지 약 11 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 10.3 MPa의 압력을 가질 수도 있다. 다른 예에서, 작동 유체 회로(202)의 저압측은 약 2 MPa 내지 약 10 MPa의 범위 이내, 더 좁게는 약 4 MPa 내지 약 8 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 5 MPa 내지 약 7 MPa의 범위 이내, 예를 들어 약 6 MPa의 압력을 가질 수도 있다.
몇몇 예에서, 작동 유체 회로(202)의 고압측은 약 17 MPa 내지 약 23.5 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 23 MPa 내지 약 23.3 MPa의 범위 이내의 압력을 가질 수도 있고, 반면에 작동 유체 회로(202)의 저압측은 약 8 MPa 내지 약 11 MPa의 범위 이내, 그리고 더 좁게는 약 10.3 MPa 내지 약 11 MPa의 범위 이내의 압력을 가질 수도 있다.
도 2는 본 명세서에 설명된 적어도 하나의 실시예에 의해 개시된 바와 같이, 작동 유체 회로(202)의 고압측에 그리고 열교환기(210)로부터 상류측에 유체적으로 결합된 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 또한 도시하고 있다. 부가적으로, 도 2는 본 명세서에 설명된 다른 실시예에 의해 개시된 바와 같이, 작동 유체 회로(202)의 고압측 및 열교환기(212)로부터의 상류측에 유체적으로 결합된 구동 터빈 스로틀 밸브(252)를 도시하고 있다. 동력 터빈 스로틀 밸브(250) 및 구동 터빈 스로틀 밸브(252)는 작동 유체 회로(120) 전체에 걸쳐 동력 터빈(220) 및 구동 터빈(264) 각각으로의 작동 유체의 유동을 제어하도록 구성된다. 일반적으로, 작동 유체는 작동 유체 회로(202)의 고압측을 통해 유동하면서 초임계 상태에 있다. 동력 터빈 스로틀 밸브(250)는 동력 터빈 스로틀 밸브(250) 및 열 엔진 시스템(200)의 다른 부분과 유선으로 그리고/또는 무선으로 또한 통신 가능하게 접속된 제어 시스템(204)에 의해 제어될 수도 있다. 제어 시스템(204)은 작동 유체 회로(202) 및 질량 관리 시스템(270)에 작동적으로 접속되고, 열 엔진 시스템(200)의 다수의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어할 수 있도록 된다. 컴퓨터 시스템(206)은 제어 시스템(204)의 부분으로서, 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 제어하도록 이용된 다중 제어기 알고리즘을 포함한다. 다중 제어기 알고리즘은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 열 엔진 시스템(200)에 의해 전기를 발전하는 프로세스를 효율적으로 실행하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 제어하기 위한 다수의 모드를 갖는다. 제어 시스템(204)은 작동 유체 회로(202) 전체에 걸친 작동 유체의 유동을 조정하거나 제어하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 이동하고, 조정하고, 조작하거나, 또는 다른 방식으로 제어할 수 있도록 된다. 작동 유체의 유동을 제어함으로써, 제어 시스템(204)은 작동 유체 회로(202) 전체에 걸쳐 온도 및 압력을 조절하도록 또한 작동 가능하다.
몇몇 실시예에서, 열 엔진 시스템(200)의 전체 효율 및 최종적으로 발생된 전력량은, 작동 유체가 초임계 이산화탄소를 포함할 때 시동 펌프(265)에서 입구 또는 흡입 압력에 의해 영향을 받을 수 있다. 시동 펌프(265)의 흡입 압력을 최소화하거나 다른 방식으로 조절하기 위해, 열 엔진 시스템(200)은 질량 관리 시스템("MMS")(270)의 사용을 구체화할 수도 있다. 질량 관리 시스템(270)은 열 엔진 시스템(200) 전체에 걸쳐 결합점, 입구/출구, 밸브, 또는 도관에서와 같은, 작동 유체 회로(202) 내의 전략적 위치들에서 열 엔진 시스템(200)에 유입하고 그리고/또는 유출하는 작동 유체의 양을 조절함으로써 시동 펌프(265)의 입구 압력을 제어한다. 따라서, 열 엔진 시스템(200)은 시동 펌프(265)에 대한 압력비를 최대 가능한 정도로 증가시킴으로써 더 효율적이게 된다.
질량 관리 시스템(270)은 하나 이상의 밸브를 거쳐 작동 유체 회로(202)의 저압측 및 고압측에 유체적으로 결합된, 저장 용기, 작동 유체 용기, 또는 질량 제어 탱크와 같은 용기 또는 탱크를 갖는다. 몇몇 예에서, 작동 유체 저장 용기(310)는 작동 유체 저장 시스템(300)의 부분이다. 밸브는 작동 유체 회로(202)로부터 작동 유체를 제거하거나 작동 유체 회로(202)에 작동 유체를 추가하기 위해 이동 가능하다 - 부분 개방, 완전 개방 및/또는 폐쇄되는 바와 같이 -. 열 엔진 시스템(200)과 함께 이용될 수도 있는 질량 관리 시스템(270) 및 예시적인 유체 충전 시스템은 본 명세서에 설명된 열 엔진 시스템(100)과 함께 이용될 수도 있는 질량 관리 시스템(110) 및 예시적인 유체 충전 시스템과 동일하거나 유사할 수도 있다.
제어 시스템(204)은 또한 지정된 점에서의 작동 유체의 측정된 및 보고된 온도, 압력, 및 질량 유량을 처리하기 위해, 각각의 세트의 센서와 유선으로 그리고/또는 무선으로 통신 가능하게 접속된다. 이들 측정된 및/또는 보고된 파라미터에 응답하여, 제어 시스템(204)은 제어 프로그램 또는 알고리즘에 따라 밸브를 선택적으로 조정하여, 이에 의해 열 엔진 시스템(200)의 작동을 최대화하도록 작동 가능할 수도 있다.
제어 시스템(204) 및/또는 질량 관리 시스템(270)은 다수의 세트의 센서의 보조로 열 엔진 시스템(200)과 함께 반수동적으로 작동할 수도 있다. 제1 세트의 센서는 펌프(260, 265)의 흡입 입구에 또는 인접하여 배열되고, 제2 세트의 센서는 펌프(260, 265)의 출구에 또는 인접하여 배열된다. 제1 및 제2 세트의 센서는 펌프(260, 265)에 인접한 유체 회로의 저압측 및 고압측 내의 작동 유체의 압력, 온도, 질량 유량, 또는 다른 특성을 모니터링하고 보고한다. 제3 세트의 센서는 작동 유체 저장 용기(310) 내의 작동 유체의 압력, 온도, 질량 유량, 또는 다른 특성을 측정하고 보고하기 위해 작동 유체 보고 시스템(300)의 작동 유체 저장 용기(310) 내부에 또는 인접하여 배열된다.
본 명세서에 설명된 하나 이상의 실시예에서, 제어 알고리즘은 열 엔진 시스템(200) 및 전기를 발전하기 위한 프로세스를 관리하도록 제공되고 이용된다. 도 3은 열 엔진 시스템(100)(도 1) 내에 배치된 스로틀 밸브(150), 뿐만 아니라 열 엔진 시스템(200)(도 2) 내에 배치된 동력 터빈 스로틀 밸브(250) 및 구동 터빈 스로틀 밸브(252)를 관리하고, 작동하고, 조정하고, 조절하거나, 또는 다른 방식으로 제어하는 데 이용될 수도 있는 제어 알고리즘의 예시적인 방안(350)을 도시하고 있다.
제어 알고리즘은 열 엔진 시스템(200)의 제어 시스템(204)의 부분으로서 컴퓨터 시스템(206)에 내장된다. 제어 알고리즘은 열 엔진 시스템(200)을 개시하고 유지하는 동안, 뿐만 아니라 프로세스 교란 또는 위기 이벤트 중에, 그리고 전기를 발전하는 동안 열 엔진 시스템(200)의 효율을 최대화하는 것을 포함하는 본 명세서에 설명된 다양한 단계 또는 프로세스 전체에 걸쳐 이용될 수도 있다. 제어 시스템(204) 또는 제어 알고리즘은 적어도 하나의 시스템 제어기를 포함하지만, 일반적으로 열 엔진 시스템(200)의 일체형 서브시스템을 관리하기 위해 이용된 다수의 시스템 제어기를 포함한다. 예시적인 시스템 제어기는 트림 제어기, 전력 모드 제어기, 슬라이딩 모드 제어기, 압력 모드 제어기, 과속 모드 제어기, 비례 적분 미분 제어기, 멀티 모드 제어기, 이들의 파생물, 및/또는 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 예에서, 제어 시스템(204) 또는 제어 알고리즘은 동력 터빈(220) 또는 발전기(240)의 회전 속도를 제어하도록 구성된 트림 제어기를 포함한다. 트림 제어기는 동기화 프로세스 중에 동력 터빈(220) 또는 발전기(240)의 회전 속도를 증가 또는 감소시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 트림 제어기는 열 엔진 시스템(200)의 제어 시스템(204)의 부분으로서 발전기 제어 모듈 내에 비례 적분 미분(PID) 제어기에 의해 제공된다.
다른 예에서, 제어 시스템(204) 또는 제어 알고리즘은 전력 발전기(240)로부터 전력 출력을 모니터링하고 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기(240)로부터의 전력 출력을 유지하기 위해 동력 터빈(220)을 적응식으로 튜닝하면서 전력 출력에 응답하여 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절하도록 구성된 전력 모드 제어기를 포함한다. 전력 모드 제어기는 부하가 발전기(240) 상에서 증가하는 동안에 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기(240)로부터의 전력 출력을 유지하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 제어 시스템(204) 또는 제어 알고리즘은 동력 터빈(220), 발전기(240), 또는 동력 터빈(220)과 발전기(240) 사이에 결합된 샤프트(230)의 회전 속도의 증가를 모니터링하고 검출하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기를 포함한다. 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도의 증가를 검출한 후에 회전 속도를 감소시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 또한 구성된다.
다른 예에서, 제어 시스템(204) 또는 제어 알고리즘은 프로세스 교란 중에 작동 유체 회로(120) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 검출하도록 구성된 압력 모드 제어기를 포함한다. 압력 모드 제어기는 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(202) 내의 작동 유체의 압력을 증가시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 또한 구성된다. 몇몇 예에서, 제어 시스템(204) 또는 제어 알고리즘은 과속 조건을 검출하고 이후에 과속 모드 제어 프로세스를 구현하여 동력 터빈(220), 발전기(240), 또는 동력 터빈(220)과 발전기(240) 사이에 결합된 샤프트(230)의 회전 속도를 즉시 감소시키도록 구성된 과속 모드 제어기를 포함한다.
일 예에서, 제어 알고리즘이 열 엔진 시스템(200)용 제어 시스템(204)의 부분으로서 컴퓨터 시스템(206) 내에 내장된다. 제어 시스템(204) 및/또는 제어 알고리즘은 적어도, (i.) 동기화 프로세스 중에 전기 그리드 또는 전기 버스(예를 들어, 플랜트 버스) 또는 전력 전자 기기, 또는 다른 회로를 동기화하면서 동력 터빈(220)의 회전 속도를 제어하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 트림 제어기; (ii.) 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 발전기(240)로부터의 전력 출력을 유지하면서 동력 터빈(220)을 적응식으로 튜닝하도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절하면서 발전기(240) 상의 부하를 증가시킴으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 전력 모드 제어기; (iii.) 프로세스 교란 중에 회전 속도를 점진적으로 감소시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기; (iv.) 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(202) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 작동 유체의 압력을 증가시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 압력 모드 제어기; 및 (v.) 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 과속 모드 제어기를 포함한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 열 엔진 시스템(200)으로 전기를 발전하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은, 고압측과 저압측을 갖는 작동 유체 회로(202) 내에서 적어도 일부가 초임계 상태(예를 들어, sc-CO2)에 있는 작동 유체를 순환시키는 것과, 작동 유체 회로(202)의 고압측에 유체적으로 결합되어 열 유통 상태에 있는 적어도 하나의 열교환기(210)에 의해 열원 스트림(190)으로부터 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 것을 포함한다. 방법은 가열된 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하고 동력 터빈(220)에 결합된 발전기(240)에 의해 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하면서 가열된 작동 유체로부터 동력 터빈(220)으로 열 에너지를 전달하는 것을 더 포함한다. 동력 터빈(220)은 일반적으로 작동 유체 회로(220)의 고압측과 저압측 사이에 배치되고 작동 유체에 유체적으로 결합되어 열 유통 상태에 있다.
방법은 발전기(240)로부터 파워 아울렛(242)으로 그리고 파워 아울렛(242)으로부터 전기 그리드, 전기 버스, 전력 전자 기기, 또는 다른 전기 회로와 같은 전기 그리드(244)로 전기 에너지를 전달하는 것을 더 포함한다. 파워 아울렛(242)은 발전기(240)에 전기적으로 결합되고, 발전기(240)로부터 전기 그리드(244)로 전기 에너지를 전달하도록 구성된다. 방법은 작동 유체의 유동을 조정하도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 작동함으로써 동력 터빈(220)을 제어하는 것을 더 포함한다. 동력 터빈 스로틀 밸브(250)는 동력 터빈(220)으로부터 상류측에서 작동 유체 회로(202)의 고압측 내의 초임계 상태에서의 작동 유체에 유체적으로 결합된다. 다른 예에서, 구동 터빈 스로틀 밸브(252)는 터보 펌프(260)의 구동 터빈(264)으로부터 상류측에서 작동 유체 회로(202)의 고압측 내의 초임계 상태에서의 작동 유체에 유체적으로 결합된다.
방법은 작동 유체 회로(202)에 작동적으로 접속된 제어 시스템(204)을 거쳐 열 엔진 시스템(200)의 다수의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어하는 것을 더 포함하고, 여기서 제어 시스템(204)은 작동 유체의 유동을 조정하도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 작동함으로써 동력 터빈(220)을 제어하도록 구성된다. 다수의 예에서, 작동 유체는 이산화탄소를 포함하고, 이산화탄소의 적어도 일부는 초임계 상태에 있다(예를 들어, sc-CO2).
몇몇 예에서, 방법은 동기화 프로세스 중에 전기 그리드 또는 버스(도시 생략)로 발전기(240)를 동기화하면서 동력 터빈(220)의 회전 속도를 제어하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절하고, 트리밍하고, 조정하거나, 또는 다른 방식으로 이동함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 또한 제공한다. 따라서, 동력 터빈 스로틀 밸브(250)는 동력 터빈(220)의 회전 속도를 제어하도록 조절될 수도 있고, 이는 이어서 발전기(240) 뿐만 아니라 동력 터빈(220)과 발전기(240) 사이에 배치되어 이들에 결합된 샤프트(230)의 회전 속도를 제어한다. 동력 터빈 스로틀 밸브(250)는 완전 개방 위치, 부분 개방 위치, 부분 폐쇄 위치, 또는 완전 폐쇄 위치 사이에서 조절될 수도 있다. 트림 제어기는 제어 시스템(204)의 부분으로서, 동력 터빈(220)의 회전 속도를 제어하도록 이용될 수도 있다. 발전기 제어 모듈은 발전기(240)의 발전기 주파수와 전기 그리드 또는 버스의 그리드 주파수 사이의 위상 차이에 관련하여 출력 신호를 제공한다. 일반적으로, 전기 그리드 또는 버스는 적어도 하나의 교류 버스, 교류 회로, 교류 그리드, 또는 이들의 조합을 포함한다. 부가적으로, 발전기(240) 상의 차단기는 일단 동력 터빈(220)이 발전기(240)와 동기화되면 폐쇄될 수도 있다. 일 실시예에서, 미세 트림을 조정하기 위한 트림 제어기는 일단 발전기 주파수가 그리드 주파수의 위상의 약 +/- 10도 이내에 있으면 활성화될 수도 있다. 또한, 경로 트림을 조정하기 위한 경로 트림 제어기는 일단 그리드 주파수의 위상값이 사전 결정된 "위상 윈도우"의 약 10도 이외에 있으면 활성화될 수도 있다.
다른 예에서, 방법은 발전기(240)가 부하의 변화 수요를 경험하더라도, 전력 모드 프로세스 중에 안정하거나 또는 연속적인 또는 적어도 실질적으로 안정하거나 또는 연속적인 전력 레벨로 발전기(240)의 전력 출력을 유지하기 위해 동력 터빈(220)을 적응식으로 튜닝하면서 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 제공한다. 일반적으로, 발전기(240) 상의 부하는 전력 모드 프로세스 중에 실질적으로 안정한 또는 연속적인 전력 레벨을 유지하도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 전력 모드 제어기가 동력 터빈(220)을 적응식으로 튜닝하는 동안 증가한다. 몇몇 예에서, 방법은 제어 시스템(204)의 부분으로서 전력 모드 제어기로 발전기(240)로부터의 전력 출력을 모니터링하는 것과, 전력 출력에 응답하여 동력 터빈(220)을 적응식으로 튜닝하도록 전력 모드 제어기로 스로틀 밸브(250)를 조절하는 것을 포함한다.
다른 예에서, 방법은 프로세스 교란 중에 작동 유체 회로(202) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 검출하는 것을 제공한다. 몇몇 예에서, 방법은 프로세스 교란을 검출하고 이후에 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(202) 내의 작동 유체의 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 압력 모드 제어기는 프로세스 교란 중에 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 슬라이딩 모드 제어 프로세스는 동력 터빈(220), 발전기(240), 샤프트(230), 및/또는 기어박스(232)를 과속 조건으로부터 보호하도록 구현될 수도 있다. 방법은 프로세스 교란 중에 동력 터빈(220), 발전기(240), 또는 동력 터빈(220)과 발전기(240) 사이에 결합된 샤프트(230)의 회전 속도의 변화를 모니터링하는 것을 제공한다. 프로세스 교란 중에 회전 속도의 증가의 검출시에, 방법은 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도를 점진적으로 감소시키고 과속 조건을 방지하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 프로세스 교란 중에 회전 속도의 감소의 검출시에, 방법은 회전 속도를 점진적으로 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다.
다른 예에서, 방법은 동력 터빈(220), 발전기(240), 및/또는 샤프트(230)가 과속 조건을 경험하는 것을 검출하고, 이후에 회전 속도를 즉시 감소시키도록 과속 모드 제어 프로세스를 구현한다. 과속 모드 제어기는 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 방법은 프로세스 교란 중에 작동 유체 회로(202) 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 검출하는 것을 제공한다. 몇몇 예에서, 방법은 프로세스 교란을 검출하고 이후에 압력 모드 제어 프로세스 중에 작동 유체 회로(202) 내의 작동 유체의 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 압력 모드 제어기는 프로세스 교란 중에 압력을 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
다른 예에서, 슬라이딩 모드 제어 프로세스는 동력 터빈(220), 발전기(240), 샤프트(230), 또는 기어박스(232)를 과속 조건으로부터 보호하도록 구현될 수도 있다. 방법은 프로세스 교란 중에 동력 터빈(220), 발전기(240), 또는 동력 터빈(220)과 발전기(240) 사이에 결합된 샤프트(230)의 회전 속도의 변화를 모니터링하는 것을 제공한다. 프로세스 교란 중에 회전 속도의 증가의 검출시에, 방법은 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다. 슬라이딩 모드 제어기는 회전 속도를 점진적으로 감소시키고 과속 조건을 방지하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 프로세스 교란 중에 회전 속도의 감소의 검출시에, 방법은 회전 속도를 점진적으로 증가시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 포함한다.
다른 예에서, 방법은 동력 터빈(220), 발전기(240), 및/또는 샤프트(230)가 과속 조건을 경험하는 것을 검출하고, 이후에 회전 속도를 즉시 감소시키도록 과속 모드 제어 프로세스를 구현한다. 과속 모드 제어기는 과속 조건 중에 회전 속도를 감소시키도록 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 열 엔진 시스템(200)의 몇몇 실시예에서, 동력 터빈 스로틀 밸브(250)는 작동 유체 회로(202)에 유체적으로 결합되고, 발전기(240)를 구동하기 위해 동력 터빈(220)을 제어하는 데 이용된다. 컴퓨터 시스템(206)은 제어 시스템(204)의 부분으로서, 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 제어하도록 이용된 다중 제어기 알고리즘을 포함한다. 다중 제어기 알고리즘은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 열 엔진 시스템(200)에 의해 전기를 발전하는 프로세스를 효율적으로 실행하기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 제어하기 위한 다수의 모드를 갖는다. 예시적인 모드는 발전기(240)와 전기 그리드(244)의 주파수들 사이의 발전기 동기화를 성취하기 위한 동력 터빈(220) 및 발전기(240)의 정확한 속도 제어, 최대 원하는 "부하"를 성취하기 위한 열 엔진 시스템(200)의 전력 제어 또는 메가와트 제어 또는 프로세스 교란의 경우에 전력 및 압력 제어를 포함한다.
다중 제어기 알고리즘은 초임계 상태의 작동 유체(예를 들어, sc-CO2 진보 사이클)의 적어도 일부를 포함하는 작동 유체 회로(202)를 관리하기 위한 제어 모드에 기초하여 다수의 프로세스 변수를 사용하여 다양한 원하는 제어 모드로 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 제어하기 위해 이용될 수도 있다. 작동 유체 회로(202) 내의 시스템 압력 및 유량이 최대 부하(예를 들어, 최대 출력)가 됨에 따라, 동력 터빈 스로틀 밸브(250)는 먼저 전기 그리드(244)와의 동기화를 성취하기 위해 동력 터빈(220) 및 발전기(240)의 회전 속도를 제어하도록 조절될 수도 있다. 하나 이상의 실시예에서, 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 거쳐 동력 터빈(220)을 제어하기 위한 동력 터빈 속도 제어기는, 발전기 주파수와 "플랜트 버스" 또는 "그리드" 주파수의 위상차, 예를 들어 발전기(240)의 주파수와 전기 그리드(244)의 주파수의 위상차에 관련하여 출력을 제공하는 앨런-브래들리(Allen-Bradley) 조합형 발전기 제어 모듈 내의 비례 적분 미분(PID) 제어기에 의해 제공된 미세한 "트림 제어"를 이용한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 동기화를 성취하고 발전기 차단기가 폐쇄된 후에, 열 엔진 시스템(200) - 및 따라서 동력 터빈 스로틀 밸브(250) - 은 메가와트 모드 또는 전력 모드에서 작동한다. 제2 제어기 - 전력 모드 제어기 - 는 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조절하기 위한 프로세스 변수로서 발전기 전력을 이용한다. 전력 모드 제어기는 부하 및/또는 전력에 대한 수요가 증가함에 따라 안정한 메가와트 제어를 유지하기 위해 적응형 튜닝의 진보형 제어 기술을 이용한다. 프로세스 교란 및 열 엔진 시스템(200)이 전기 그리드(244)에 여전히 접속되어 있는 경우에, 압력 모드 제어기는 압력 모드 제어 프로세스 중에 시스템 압력을 증가시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)를 조정한다. 증가된 압력은 일반적으로 작동 유체 회로(202)의 고압측 내에 있고, 초임계 상태에서의 작동 유체에 제어 또는 부분 제어를 얻는 것을 돕는다(예를 들어, sc-CO2 프로세스).
본 명세서에 설명된 다른 실시예에서, 슬라이딩 모드 제어는 동력 터빈(220), 기어박스(232), 및 발전기(240)를 과속 조건으로부터 보호하도록 구현될 수도 있다. 과속이 검출되는 경우에, 슬라이딩 모드 제어기는 동력 터빈(220), 샤프트(230), 및 발전기(240)와 같은 터보 기계류의 회전 속도를 즉시 감소시키기 위해 동력 터빈 스로틀 밸브(250)의 제어를 취할 것이다.
본 명세서는 본 발명의 상이한 특징, 구조, 또는 기능을 구현하기 위한 다수의 예시적인 실시예를 설명한다는 것이 이해되어야 한다. 구성 요소, 배열 및 구성의 예시적인 실시예가 본 발명을 간단화하기 위해 본 명세서에 설명되지만, 이들 예시적인 실시예는 단지 예로서 제공된 것이고, 본 발명의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니다. 부가적으로, 본 명세서는 다양한 예시적인 실시예에서 그리고 본 명세서에 제공된 도면들을 가로질러 도면 부호 및/또는 문자를 반복할 수도 있다. 이 반복은 간단화 및 명료화를 위한 것이고, 자체로 다양한 예시적인 실시예들 및/또는 다양한 도면들에 설명된 구성들 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다. 더욱이, 본 명세서에서 제2 특징부 위에 또는 상에 제1 특징부의 형성은, 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉 상태로 형성되는 실시예를 포함할 수도 있고, 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉 상태에 있지 않을 수도 있도록 부가의 특징부가 제1 및 제2 특징부를 개재하여 형성될 수도 있는 실시예를 또한 포함할 수도 있다. 마지막으로, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예는 임의의 방식의 조합으로 조합될 수도 있는 데, 즉 하나의 예시적인 실시예로부터의 임의의 요소는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 임의의 다른 예시적인 실시예에 사용될 수도 있다.
부가적으로, 특정 용어들이 특정 구성 요소들을 칭하기 위해 본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 사용된다. 당 기술 분야의 숙련자는, 다양한 실체들이 상이한 명칭에 의해 동일한 구성 요소를 칭할 수도 있고, 이와 같이 본 명세서에 설명된 요소들에 대한 명명 규약이 본 명세서에서 달리 구체적으로 정의되지 않으면, 본 발명의 범주를 한정하도록 의도되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 명세서에 사용된 명명 규약은 명칭이 상이하지만 기능은 상이하지 않은 구성 요소들을 구별하도록 의도된 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 그리고 청구범위에서, 용어 "구비하는", "함유하는", 및 "포함하는"은 개방형 방식으로 사용되고, 따라서 "포함하지만, 이들에 한정되지는 않는"을 의미하도록 해석되어야 한다. 본 명세서에서의 모든 수치값들은 달리 구체적으로 언급되지 않으면, 정확한 값 또는 근사값일 수도 있다. 이에 따라, 본 발명의 다양한 실시예는 의도된 범주로부터 벗어나지 않고, 본 명세서에 개시된 수치, 값 및 범위로부터 벗어날 수도 있다. 더욱이, 청구범위 또는 상세한 설명에 사용될 때, 용어 "또는"은 배타적인 경우와 포함적인 경우의 모두를 포함하도록 의도되는 데, 즉, "A 또는 B"는 본 명세서에서 달리 명시적으로 지시되지 않으면, "A 및 B 중 적어도 하나"와 동의어인 것으로 의도된다.
상기 설명은 당 기술 분야의 숙련자들이 본 발명을 더 양호하게 이해할 수도 있도록 다수의 실시예의 개략 설명된 특징을 갖는다. 당 기술 분야의 숙련자들은 이들이 본 명세서에 소개된 실시예들의 동일한 목적을 수행하고 그리고/또는 동일한 장점을 성취하기 위해 다른 프로세스 및 구조를 설계하거나 수정하기 위한 기초로서 본 발명을 즉시 사용할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 당 기술 분야의 숙련자들은 이러한 등가의 구성이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고, 이들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 다양한 변화, 치환 및 변경을 행할 수도 있다는 것을 또한 이해해야 한다.
1: 전력 전자 기기 2: 발전기
3: 동력 터빈 4: 라디에이터
5: 열교환기 6: 복열기
19, 20: 접속점 27: 펌프
100: 열 엔진 시스템 101: 열원 스트림
103: 샤프트 112: 냉각 루프
120: 작동 유체 회로 150: 스로틀 밸브

Claims (25)

  1. 열 엔진 시스템으로 전기를 발전하기 위한 방법으로서:
    고압측 및 저압측을 갖는 작동 유체 회로 내에서 적어도 일부가 초임계 상태에 있는 작동 유체를 순환시키는 것;
    상기 작동 유체 회로의 고압측에 유체적으로 결합되어 고압측과 열 유통 상태에 있는 열교환기에 의해 열원 스트림으로부터 상기 작동 유체로 열 에너지를 전달하는 것;
    상기 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하면서 상기 작동 유체로부터 동력 터빈으로 열 에너지를 전달하는 것으로서, 상기 동력 터빈은 상기 작동 유체 회로의 고압측과 저압측 사이에 배치되고 상기 작동 유체에 유체적으로 결합되어 작동 유체와 열 유통 상태에 있는 것인, 열 에너지를 전달하는 것;
    상기 동력 터빈에 결합된 발전기에 의해 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것;
    상기 발전기로부터 파워 아울렛으로 전기 에너지를 전달하는 것으로서, 상기 파워 아울렛은 상기 발전기에 전기적으로 결합되고 상기 발전기로부터 전기 그리드로 전기 에너지를 전달하도록 구성되는 것인, 전기 에너지를 전달하는 것;
    상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 작동함으로써 동력 터빈을 제어하는 것으로서, 상기 동력 터빈 스로틀 밸브는 상기 동력 터빈으로부터 상류측의 상기 작동 유체 회로의 고압측 내의 초임계 상태에서의 작동 유체에 유체적으로 결합되는 것인, 동력 터빈을 제어하는 것; 및
    상기 작동 유체 회로에 작동적으로 접속된 제어 시스템을 거쳐 상기 열 엔진 시스템의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어하는 것으로서, 상기 제어 시스템은 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 작동함으로써 상기 동력 터빈을 제어하도록 구성되는 것인, 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어하는 것
    을 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템의 부분으로서 컴퓨터 시스템 내에 제어 알고리즘이 내장되고, 상기 제어 알고리즘은 트림 제어기, 전력 모드 제어기, 슬라이딩 모드 제어기, 압력 모드 제어기, 과속 모드 제어기, 비례 적분 미분 제어기, 멀티 모드 제어기, 이들의 파생물, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 시스템 제어기를 포함하는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  3. 제1항에 있어서, 동기화 프로세스 중에 상기 전기 그리드와 상기 발전기를 동기화하면서 상기 동력 터빈의 회전 속도를 제어하도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전기 그리드는 적어도 하나의 교류 버스, 교류 회로, 교류 그리드, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 작동 유체는 이산화탄소를 포함하고, 상기 이산화탄소의 적어도 일부는 초임계 상태에 있는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제어 시스템의 부분으로서 트림 제어기에 의해 상기 동력 터빈의 회전 속도를 제어하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 트림 제어기는 발전기 제어 모듈 내의 비례 적분 미분(PID) 제어기에 의해 제공되는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 발전기 제어 모듈은 상기 발전기의 발전기 주파수와 상기 전기 그리드의 그리드 주파수 사이의 위상차와 관련한 출력 신호를 제공하는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  9. 제3항에 있어서, 일단 상기 동력 터빈이 상기 발전기와 동기화되면 상기 발전기 상의 차단기를 폐쇄하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  10. 제1항에 있어서, 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 상기 발전기로부터의 전력 출력을 유지하도록 상기 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하면서 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 상기 발전기로부터의 전력 출력을 유지하면서 상기 발전기 상의 부하를 증가시키는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어 시스템의 부분으로서 전력 모드 제어기로 상기 발전기로부터의 전력 출력을 모니터링하는 것; 및
    상기 전력 출력에 응답하여 상기 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하도록 상기 전력 모드 제어기로 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  13. 제1항에 있어서, 프로세스 교란 중에 상기 작동 유체 회로 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 모니터링하고 감소하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 프로세스 교란을 검출하고 이후에 압력 모드 제어 프로세스 중에 상기 작동 유체 회로 내의 작동 유체의 압력을 증가시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  15. 제14항에 있어서, 압력 모드 제어기는 프로세스 교란 중에 압력을 증가시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성되는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  16. 제1항에 있어서, 프로세스 교란 중에 상기 동력 터빈, 상기 발전기, 또는 상기 동력 터빈과 상기 발전기 사이에 결합된 샤프트의 회전 속도의 증가를 모니터링하고 검출하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  17. 제16항에 있어서, 회전 속도의 증가를 검출하고 이어서 상기 회전 속도를 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  18. 제16항에 있어서, 회전 속도의 증가를 검출하고 이어서 상기 회전 속도를 감소시키도록 슬라이딩 모드 제어 프로세스를 구현하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  19. 제18항에 있어서, 슬라이딩 모드 제어기는 프로세스 교란 중에 상기 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성되는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  20. 제18항에 있어서, 과속 조건을 검출하고 이어서 상기 회전 속도를 즉시 감소시키도록 과속 모드 제어 프로세스를 구현하는 것을 더 포함하는 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  21. 제20항에 있어서, 과속 모드 제어기는 과속 조건 중에 상기 회전 속도를 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성되는 것인 열 엔진 시스템에 의한 발전 방법.
  22. 제1항의 열 엔진 시스템을 제어하도록, 제어 시스템의 부분으로서 컴퓨터 시스템 내에 내장된 제어 알고리즘으로서:
    동기화 프로세스 중에 전기 그리드와 발전기를 동기화하면서 동력 터빈의 회전 속도를 제어하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 트림 제어기;
    전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 상기 발전기로부터의 전력 출력을 유지하면서 상기 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절하면서 상기 발전기 상의 부하를 증가시킴으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 전력 모드 제어기;
    프로세스 교란 중에 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기;
    압력 모드 제어 프로세스 중에 상기 작동 유체 회로 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 상기 작동 유체의 압력을 증가시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 압력 모드 제어기; 및
    과속 조건 중에 상기 회전 속도를 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 과속 모드 제어기
    를 포함하는 제어 알고리즘.
  23. 전기를 발전하기 위한 열 엔진 시스템으로서:
    고압측과 저압측을 갖고 적어도 일부가 초임계 상태에 있는 작동 유체가 내부에서 순환되는 작동 유체 회로;
    상기 작동 유체 회로의 고압측에 유체적으로 결합되고 열원 스트림과 열 유통 상태에 있고, 이에 의해 열 에너지가 상기 열원 스트림으로부터 상기 작동 유체로 전달되도록 된 열교환기;
    상기 작동 유체 회로의 고압측과 저압측 사이에 배치되고, 상기 작동 유체에 유체적으로 결합되고 작동 유체와 열 유통 상태에 있는 동력 터빈으로서, 상기 동력 터빈은 상기 작동 유체 내의 압력 강하를 기계 에너지로 변환하도록 구성되고 열 에너지는 상기 작동 유체로부터 상기 동력 터빈으로 전달되는 것인, 동력 터빈;
    상기 동력 터빈에 결합되고 상기 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 발전기;
    상기 발전기에 전기적으로 결합되고 상기 발전기로부터 전기 그리드로 전기 에너지를 전달하도록 구성된 파워 아울렛;
    상기 작동 유체 회로의 고압측에 유체적으로 결합되고 상기 작동 유체 회로로 초임계 상태에서의 작동 유체의 유동을 제어하도록 구성된 동력 터빈 스로틀 밸브; 및
    상기 작동 유체 회로에 작동적으로 접속되고, 상기 열 엔진 시스템의 프로세스 작동 파라미터를 모니터링하고 제어할 수 있도록 되고, 상기 작동 유체의 유동을 제어하기 위해 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 이동시킬 수 있도록 된 제어 시스템
    을 포함하는 열 엔진 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제어 시스템은 컴퓨터 시스템 내에 내장된 제어 알고리즘을 포함하고, 상기 제어 알고리즘은 트림 제어기, 전력 모드 제어기, 슬라이딩 모드 제어기, 압력 모드 제어기, 과속 모드 제어기, 비례 적분 미분 제어기, 멀티 모드 제어기, 이들의 파생물, 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 시스템 제어기를 포함하는 것인 열 엔진 시스템.
  25. 제23항의 열 엔진 시스템을 제어하도록 제어 시스템의 부분으로서 컴퓨터 시스템 내에 내장되는 제어 알고리즘으로서:
    동기화 프로세스 중에 전기 그리드와 발전기를 동기화하면서 동력 터빈의 회전 속도를 제어하도록 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 트림 제어기;
    전력 모드 프로세스 중에 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 전력 레벨로 상기 발전기로부터의 전력 출력을 유지하면서 상기 동력 터빈을 적응식으로 튜닝하도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절하면서 상기 발전기 상의 부하를 증가시킴으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 전력 모드 제어기;
    프로세스 교란 중에 회전 속도를 점진적으로 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 슬라이딩 모드 제어기;
    압력 모드 제어 프로세스 중에 상기 작동 유체 회로 내의 초임계 상태에서의 작동 유체의 압력의 감소를 검출하는 것에 응답하여 상기 작동 유체의 압력을 증가시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 압력 모드 제어기; 및
    과속 조건 중에 상기 회전 속도를 감소시키도록 상기 동력 터빈 스로틀 밸브를 조절함으로써 상기 작동 유체의 유동을 조정하도록 구성된 과속 모드 제어기
    를 포함하는 제어 알고리즘.
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