KR20160041172A - 보조발전부를 포함하는 발전플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보조발전부를 포함하는 발전플랜트에 관한 것으로, 본 발명에 의한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트는 메인작동유체로부터 증기를 생성하고 공급하는 증기공급부; 상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부로부터 공급된 증기로 전기에너지를 생성하는 메인발전부; 상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부에서 발생한 배출가스를 수집하는 가스수집부; 및 상기 가스수집부에 설치되고, 상기 배출가스로부터 전기에너지를 생성하는 보조발전부;를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

보조발전부를 포함하는 발전플랜트{POWER GENERATION PLANT INCLUDING AUXILIARY POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 보조발전부를 포함하는 발전플랜트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열원으로부터 배출되는 폐열을 회수하여 전기에너지로 재사용하기 위한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트에 관한 것이다.
도 1에는 통상의 산업용 발전플랜트 설비의 개략도가 도시되어 있다. 즉, 도 1에 보이는 것처럼 통상의 산업용 발전플랜트 설비에서는 메인보일러(11)를 통해 메인작동유체에 열을 공급하여 고압의 증기를 생성한 후, 이와 같이 생성된 고압증기를 메인드럼(12)에 저장하였다가 고압터빈(21a) 및 저압터빈(21b)을 포함하는 메인터빈(21)으로 공급한다.
그러면, 고압증기는 고압터빈(21a)을 먼저 구동시켜 전력을 생성하게 되고 그 이후에 저압상태가 되며, 이러한 저압증기에 포함된 에너지는 메인발전기(1)와 복수기(22)에 연결된 저압터빈(21b)에 의해 추가 전력을 생성하게 된다. 상기 메인터빈(21)과, 복수기(22) 및 급수펌프(23)로 구성되는 메인발전부(20)에서 전력을 생성하게 되는 원리는 압력의 차이를 이용한 것이라 할 수 있다.
즉, 저압터빈(21b)의 출구는 복수기(22)와 연결되어 있는데, 복수기(22)는 저압터빈(21b)의 출구의 증기를 응축시켜 액체상태로 상변화시킴으로써 진공상태를 유지하게 되며, 복수기(22) 내의 응축수는 급수펌프(23)에 의해 다시 순환된다. 결과적으로 저압터빈(21b)의 입구에서 저압증기가 가지는 압력과, 복수기(22) 내의 진공압력과의 차이에 의하여 저압터빈(21b)이 구동될 수 있는 것이다.
위와 같이 여러 공정을 거치는 산업용 발전플랜트 설비는 메인보일러(11)를 이용해 메인작동유체를 가열, 가압, 또는 연소를 수행하는 과정에서 배출가스 또는 냉각수를 발생시키게 된다. 이러한 배출가스 또는 냉각수는 폐열을 함유한 상태로 외부로 배출되는데 최근의 산업용 발전플랜트 설비에는 이렇게 배출되는 폐열을 일부라도 회수하기 위하여 가스수집부(30)를 구비하게 되었다.
가스수집부(30)는 메인보일러(11)에서 배출되는 배출가스에서 공기예열기(31)를 이용하여 일차적으로 열에너지를 회수하며, 경우에 따라서는 연료예열기(32)에 의한 추가적인 폐열 회수 작업을 수행한 뒤, 배풍기(33)에 의해 배출가스를 연도(34)로 보낸다.
연도(34)로 배출되는 배출가스의 온도는 발전플랜트 설비의 특성과 사용하는 연료의 종류에 따라 차이는 있으나 통상적으로 120℃~160℃ 수준이며, 배출가스의 발생량은 메인보일러(11)에서 사용되는 총 에너지량의 약 10%에 해당하는 수준에 달하고 있어 추가적인 폐열 회수 및 이에 대한 대응방안이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0304433호(2001.07.21.등록)
본 발명은 발전플랜트 설비에서 폐열을 회수하여 재사용함으로써 에너지 사용의 효율성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 최소한의 설비를 사용함으로써, 설비 제작에 소모되는 비용을 최소화함과 동시에 유지보수가 편리한 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일차적인 폐열 회수작업이 완료된 배출가스에서 재차 폐열 회수작업을 실시함으로써 에너지 사용의 효율성을 극대화하고, 생산단가 및 제조원가 절감에 기여하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 보조발전부를 포함하는 발전플랜트를 제공한다.
먼저, 본 발명에 의한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트는 메인작동유체로부터 증기를 생성하고 공급하는 증기공급부; 상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부로부터 공급된 증기로 전기에너지를 생성하는 메인발전부; 상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부에서 발생한 배출가스를 수집하는 가스수집부; 및 상기 가스수집부에 설치되고, 상기 배출가스로부터 전기에너지를 생성하는 보조발전부;를 포함하여 구성될 수 있다.
바람직하게, 상기 보조발전부는 상기 증기공급부로부터 발생한 배출가스를 열원으로 하여 보조작동유체로부터 증기를 발생하는 보조가열유닛; 및 상기 보조가열유닛과 상기 메인발전부에 연결되어, 상기 보조가열유닛으로부터 공급된 증기와 상기 메인발전부를 통과한 메인작동유체 간의 압력의 차이를 이용하여 전기에너지를 생성하는 팽창유닛;을 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 메인발전부는 상기 증기공급부에 연결되어 증기를 공급받고, 발전기에 연결되는 메인터빈; 상기 메인터빈의 출구에 연결된 복수기;를 포함하고, 상기 팽창유닛은 상기 보조가열유닛으로부터 공급된 증기압력과 상기 복수기의 진공압력 간의 차이에 의해 전기에너지를 생성하도록 제공될 수 있다.
또한 바람직하게 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트는 상기 복수기는 진공압력을 측정하는 압력계를 구비하고, 상기 메인발전부 및 상기 보조발전부에 전기적으로 연결되어, 상기 압력계에서 측정되는 값에 의해 상기 팽창유닛의 동작을 제어하는 제어부를 더 구비할 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 팽창유닛은 터빈, 스크류 팽창기, 베인 팽창기 및 수봉식 팽창기 중 어느 하나로 제공될 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 보조가열유닛 및 상기 팽창유닛에 연결되어, 상기 보조가열유닛으로부터 발생하는 증기를 수용하여 상기 팽창유닛에 공급하는 보조드럼;을 더 구비할 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 보조가열유닛은 배출가스를 연도에 공급하도록 상기 가스수집부에 제공되는 배풍기의 전단에 설치되는 보일러로 제공될 수 있다.
본 발명은 일차적인 폐열 회수작업이 완료된 배출가스에서 재차 폐열 회수작업을 실시하므로, 에너지 활용의 효율성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 복수기를 활용하여 압력의 차이를 유발하고 이를 통해 에너지를 생성할 수 있도록 하므로, 발전 설비의 최소화가 가능하다.
본 발명은 상기와 같은 효과에 기인하여 설비의 최소화와 유지보수에 필요한 비용을 절감함으로써 발전 플랜트 전체의 경제적인 사용이 가능하게 하고, 이로써 생산원가 및 제조원가 절감에 기여할 수 있다.
도 1은 통상의 산업용 발전플랜트 설비의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 팽창유닛의 부분단면도이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
도 2에 보이는 것처럼, 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 보조발생부를 포함하는 발전플랜트는 메인작동유체로부터 증기를 생성하고 공급하는 증기공급부(10)와; 상기 증기공급부(10)에 연결되고, 상기 증기공급부로부터 공급된 증기로 전기에너지를 생성하는 메인발전부(20)와; 상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부에서 발생한 배출가스를 수집하는 가스수집부(30); 및 상기 가스수집부(30)에 설치되고, 상기 배출가스로부터 전기에너지를 생성하는 보조발전부(40);를 포함하여 구성될 수 있다.
증기공급부(10)는 도 2에 보이는 것처럼 메인보일러(11)와 메인드럼(12)을 포함할 수 있다. 메인보일러(11)는 승온 또는 승압된 메인작동유체를 기화하여 펌프(미도시)를 통해 메인드럼(12)으로 공급하며, 메인드럼(12)에 일차적으로 모여진 증기는 다시 메인터빈(21)으로 공급된다.
메인터빈(21)은 고압터빈(21a)과 저압터빈(21b)으로 제공될 수 있다. 고압터빈(21a)으로 먼저 공급되어 고압터빈(21a)을 구동시키고 난 증기는 압력이 낮아지게 되고, 저압 상태의 증기는 다시 저압터빈(21b)으로 공급되어 상기 저압터빈에 의해 추가 동력으로 회수되면서 저압터빈(21b)을 구동시킨다. 그러면 저압터빈(21b)에 연결된 발전기(1)에 의해 추가 전력으로 회수되게 된다.
저압터빈(21b)의 출구는 응축기로서 제공되는 복수기(22)에 연결되며, 저압터빈(21b)까지 통과한 증기는 복수기(22)로 공급되게 된다. 그러면, 복수기(22)는 저압터빈(21b) 출구의 증기를 응축시켜 액체상태로 상변화시킴으로써 진공상태를 유지하게 된다. 이때, 복수기(22) 내부에서 액체상태로 상변화된 응축수는 복수기(22)의 출구에 연결된 급수펌프(23)에 의해 다시 순환될 수 있다.
한편, 증기공급부(10)의 메인보일러(11)에서는 배출가스가 배출되게 된다. 이렇게 배출되는 연소가스의 특성은 메인작동유체로 사용되는 연료의 종류에 따라 차이는 있지만, 대부분 고온상태로 소정의 에너지를 보유한 상태이다. 통상 배출가스의 온도는 120℃~160℃ 수준에 이르게 되므로, 배출가스에 남아있는 에너지를 다시 회수하기 위해 메인보일러(11)에는 추가로 가스수집부가 설치될 수 있다.
상기 가스수집부는 배출가스에 남아있는 에너지를 순차적으로 회수하는 공기예열기(31)와 연료예열기(32)를 포함하고, 이어 일차적인 에너지가 회수된 배출가스를 대기중으로 배출하는 연도(34)와, 배출가스를 상기 연도(34)로 보내는 배풍기(33)를 더 포함한다.
다만, 이와 같은 구성은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 것으로서, 당업자는 메인작동유체의 특성에 따라 가스수집부의 구성을 공기예열기 및 연료예열기 이외에 다른 수단으로 대체할 수 있으며, 공기예열기 및 연료예열기 중 어느 하나만 선택적으로 구비할 수도 있음은 물론이며 이는 본 발명에 의해 한정되지 않는다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트는 가스수집부에 의해 일차적으로 에너지가 회수된 이후에도 소정의 에너지를 포함하고 있는 배출가스와, 응축기로서 제공되는 복수기(22)의 압력의 차이로부터 추가적인 에너지를 회수할 수 있다. 이는 상기 가스수집부에 설치되어 배출가스로부터 전기에너지를 추가로 생성하는 보조발전부(40)에 의해 가능하다.
보조발전부(40)는 보조가열유닛과 팽창유닛을 포함한다. 먼저 보조가열유닛은 펌프, 배관, 연결관 등의 구조에 의해 보조작동유체를 공급받아 상기 증기공급부로부터 발생한 배출가스를 열원으로 하여 보조작동유체를 가열하고, 이로부터 증기를 발생시킨다. 여기서, 상기 보조작동유체의 종류는 상기 메인작동유체와 동일한 것으로 제공될 수도 있으며, 서로 다른 것으로 제공될 수도 있다. 다만, 이는 작업자 및 작업환경에 의해 안전에 영향을 미치지 않는 범위에서 적절히 선택되어 적용될 수 있는 사항이다.
한편, 팽창유닛(42)은 상기 보조가열유닛 및 메인발전부(20)의 복수기(22)에 펌프, 배관, 연결관 등의 구조에 의해 연결되며 상기 보조가열유닛으로부터 공급된 증기와, 내부가 진공상태인 복수기(22) 간의 압력 차이를 이용하여 전기에너지를 생성하도록 제공된다.
이때, 보조가열유닛은 도 2에 보이는 것처럼 배출가스를 연도(34)에 공급하도록 배치되는 배풍기(33)의 전단에 설치되어 증기를 발생하는 보조보일러(41a)로 제공될 수 있고, 보조보일러(41a)의 출구에 연결되어 발생된 증기를 수용하는 보조드럼(45)으로 제공될 수 있다.
그리고, 팽창유닛은 상기 보조드럼(45)에 연결되어 증기를 공급받으며, 복수기(22) 내에 형성된 진공압력과 상기 보조드럼으로부터 공급된 증기의 압력 간의 차이를 이용하여 축 동력을 발생시키는 역할을 한다.
이를 위해, 보조발전기(41b)에 연결된 팽창유닛은 터빈, 스크류 팽창기, 베인 팽창기 및 수봉식 팽창기 중 어느 하나로 제공될 수 있다. 본 발명에서는 바람직한 일실시예로서, 도 3에 보이는 것과 같은 터빈(43)을 제공한다.
상기 터빈(43)은 외형을 이루는 하우징(43d)에 구비된 날개(43c)를 회전시켜 발전 작용을 실시하는 것으로, 입구(43a)를 통해 유입된 증기가 스크롤 통로(43e)를 통과하면서 날개(43c)로 분사된다. 이렇게 분사된 증기는 터빈의 날개를 회전시키게 되며, 최종적으로는 출구(43b)를 통해 배출된다. 이와 같이 터빈은 날개(43c)의 회전이 터빈의 축(43f)으로 전달되면서 유체의 유동을 기계적 에너지로 변환시키는 역할을 하게 된다. 그러나 이 또한 본 발명에 의해 한정되어야 할 필요는 없으며 유체의 유동을 기계적 에너지로 변환시킬 수 있는 구조라면 상기 팽창유닛의 종류는 당업자에 의해 적절히 선택 가능한 사항이다.
팽창유닛에서 얻어지는 축 동력은 복수기(22) 내부의 진공압력과 보조보일러(41a)에 의해 발생한 증기압력 간의 차이에 의해 발생하는 것이다. 따라서, 복수기(22) 내부의 진공상태를 측정할 수 있도록, 상기 복수기에는 추가로 압력계가 설치될 수 있고, 바람직하게 상기 압력계는 절대압력계로 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 보조발전부는 메인발전부(20) 및 발전플랜트 전체의 최대 용량에 맞추어 적절한 진공압력을 형성하도록 설계된 복수기(22)의 내부 진공상태를 제어할 수 있도록, 상기 복수기에 전기적으로 연결되어 상기 압력계에서 측정되는 값에 의해 상기 팽창유닛의 동작을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 사용자로 하여금 복수기(22) 내부의 진공상태를 모니터링 할 수 있게 하고, 이로써 복수기(22)의 응축능력을 판단하며 발전플랜트 전체가 최대 용량에서 운전되고 있는 경우에는 복수기(22)가 최대출력으로 가동되는 것으로 간주하게 할 수 있다.
따라서, 사용자는 복수기(22)와 팽창유닛 간에 밸브 내지는 유체의 출입을 제어할 수 있는 기타 제어수단을 설치해두고 상기 제어부를 통해 복수기(22) 내부의 진공상태를 모니터링 하면서, 필요에 따라 팽창유닛의 동작을 개시 또는 정지시킬 수 있다.
즉, 발전플랜트가 설계 최대 용량에서 운전됨으로 인하여 복수기(22) 내부의 진공능력이 포화되어, 여유분의 응축능력 내지는 진공능력이 없다고 판단될 때에는 팽창유닛의 동작을 정지시켜 보조발전부의 동작을 정지시킬 수 있다.
이는, 발전플랜트가 설계 최대 용량에서 운전되지 않는 경우에 복수기(22)의 남는 응축능력과, 추가적으로 에너지가 회수된 배출가스에 남아있는 열에너지를 이용하여 간단한 설비의 추가만으로 추가적인 에너지의 회수가 가능하도록 하기 위한 것으로, 반드시 복수기(22)의 응축능력 내지는 진공능력에 여유가 있는 경우에만 보조발전부의 동작을 개시하는 것이 바람직할 수 있다.
다만, 발전플랜트가 최대 부하로 운전되고 있다고 하더라도 복수기(22)가 추가적인 응축능력을 가질 수 있다고 판단되는 경우에는 예외적으로 보조발전부의 동작을 개시할 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 보조발전부를 포함하는 발전플랜트는 응축기로서 제공되는 복수기(22)의 진공능력이 남아있는 경우에 간단한 설비만을 추가하여 복수기(22)의 진공능력의 여유분을 활용할 수 있도록 한 것으로, 팽창유닛을 통해 공급되는 증기의 양은 복수기(22)의 진공능력을 고려하여 조절되어야 한다.
이와 같이 구비되는 본 발명에 의하면 비교적 간단한 설비만을 추가함으로써 배출가스에 남아있는 에너지를 효율적으로 회수할 수 있을 뿐만 아니라, 추가 에너지 회수 작업을 발전플랜트의 가동상태, 즉 복수기(22)의 응축능력 상태에 따라 선택적으로 제어할 수 있도록 함으로써 발전플랜트의 가동 효율성을 동시에 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
10 : 증기공급부 20 : 메인발전부
30 : 가스수집부 40 : 보조발전부
45 : 보조드럼

Claims (7)

  1. 메인작동유체로부터 증기를 생성하고 공급하는 증기공급부;
    상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부로부터 공급된 증기로 전기에너지를 생성하는 메인발전부;
    상기 증기공급부에 연결되고, 상기 증기공급부에서 발생한 배출가스를 수집하는 가스수집부; 및
    상기 가스수집부에 설치되고, 상기 배출가스로부터 전기에너지를 생성하는 보조발전부;
    를 포함하는 발전플랜트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조발전부는,
    상기 증기공급부로부터 발생한 배출가스를 열원으로 하여 보조작동유체로부터 증기를 발생하는 보조가열유닛; 및
    상기 보조가열유닛과 상기 메인발전부에 연결되어, 상기 보조가열유닛으로부터 공급된 증기와 상기 메인발전부를 통과한 메인작동유체 간의 압력의 차이를 이용하여 전기에너지를 생성하는 팽창유닛;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 보조발전부를 포함하는 발전플랜트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인발전부는,
    상기 증기공급부에 연결되어 증기를 공급받고, 발전기에 연결되는 메인터빈;
    상기 메인터빈의 출구에 연결된 복수기;를 포함하고,
    상기 팽창유닛은,
    상기 보조가열유닛으로부터 공급된 증기압력과 상기 복수기의 진공압력 간의 차이에 의해 전기에너지를 생성하는 것을 특징으로 하는 보조발전부를 포함하는 발전플랜트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수기는 진공압력을 측정하는 압력계를 구비하고,
    상기 메인발전부 및 상기 보조발전부에 전기적으로 연결되어, 상기 압력계에서 측정되는 값에 의해 상기 팽창유닛의 동작을 제어하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보조발전부를 포함하는 발전플랜트.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창유닛은,
    터빈, 스크류 팽창기, 베인 팽창기 및 수봉식 팽창기 중 어느 하나로 제공되는 것을 특징으로 하는 보조발전부를 포함하는 발전플랜트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조가열유닛 및 상기 팽창유닛에 연결되어, 상기 보조가열유닛으로부터 발생하는 증기를 수용하여 상기 팽창유닛에 공급하는 보조드럼;
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보조발전부를 포함하는 발전플랜트.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 보조가열유닛은,
    배출가스를 연도에 공급하도록 상기 가스수집부에 제공되는 배풍기의 전단에 설치되는 보일러인것을 특징으로 하는 보조발전부를 포함하는 발전플랜트.

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