KR20160041783A - 유량비 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

유량비 제어 시스템은 테일 가스(tail gas)를 생성하고 입구 및 출구를 갖는 애노드를 포함하는 연료 전지; 애노드의 출구로부터 나온 테일 가스와 연료를 혼합하여, 분할 위치에서, 애노드의 입구로 복귀되는 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림으로 분할되는 개질 스트림을 생성하는 연료 개질기; 제2 분기 스트림으로부터 열을 제거하는 냉각기; 냉각된 제2 분기 스트림에 응답하여 구동되는 외연 또는 내연 기관을 포함하는 보토밍 사이클; 메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 차압을 측정하는 측정 디바이스; 및 측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 제어하는 제어 디바이스를 포함한다.

Description

유량비 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING FLOW RATE RATIO}
본 개시는 일반적으로 고온 어플리케이션에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 고온 환경에서의 유량비 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
고온 환경에서, 유체 또는 가스 속성을 확인하기 어렵지만(예컨대, 유체 또는 가스가 다성분으로 이루어진 경우), 정확한 유동 분할이 요구될 때, 유량계를 사용하여 개별 분할 유동의 유량비를 측정하기란 통상적으로 불가능하며, 이는 복잡한 유체 또는 가스 속성에 기인한다. 고온 환경 하에서는 복잡한 속성을 갖는 유체 또는 가스의 밀도가 그 온도, 압력 및 성분에 좌우되기 때문에, 이에 따라 유량 또는 가스의 그 온도, 압력 및 성분에 있어서의 변화는 유체 또는 가스의 유량에 중대한 영향을 미친다. 따라서, 그러한 조건에서 유량비를 결정하기란 어렵다.
예컨대, 고온 연료 전지 시스템, 특히 가스 터빈이나 가스 엔진을 지닌 하이브리드 시스템에서는, 신속한 부하 이행 및 시스템 효율의 최적화가 한가지 주요한 쟁점이다. 고온 하이브리드 연료 전지 시스템에서의 재순환 유량을 제어하는 통상적인 방식은 대체로 송풍기나 압축기와 같은 시스템의 가스 구동 디바이스를 조정하는 것에 의한 것이다. 그러나, 그것은 고온 하이브리드 연료 전지 시스템의 재순환 루프에서의 압력 재분배로 인해 느리다. 더욱이, 연료 전지의 애노드 입구에서의 차압 변동은 연료 전지의 내구성과 심지어는 그 수명에 영향을 줄 수 있으며, 재순환 유량은 연료 전지의 연료 활용과, 심지어는 시스템 효율에 영향을 줄 수 있다. 그러나, 종래의 고온 연료 전지 하이브리드 시스템의 작동 시에, 연료 전지의 애노드 입구에서의 차압와 재순환 유량은, 실시간 측정 및 재순환 유량비 제어의 결여로 인해 별개로 제어될 수 없다.
본 발명의 실시예의 일양태에서, 유량비 제어 시스템이 제공된다. 유량비 제어 시스템은: 분할 위치에서 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림으로 분할되는 메인 스트림을 생성하는 상류 디바이스; 제1 분기 스트림이 지향되고, 상류 디바이스와 함께 300 ℃보다 높은 고온에서 작동하는 제1 하류 디바이스; 제2 분기 스트림이 지향되는 제2 하류 디바이스; 메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 차압을 측정하는 측정 디바이스; 및 측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 제어하는 제어 디바이스를 포함한다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에는, 상기 시스템을 사용하여 유량비를 제어하는 방법이 제공된다. 유량비 제어 방법은: a1) 메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 실시간 차압을 측정하는 것; a2) 측정된 차압을 이용하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 계산하는 것; a3) 계산된 유량비를 사용자 규정 목표 유량비와 비교하는 것; 및 a4) 비교된 결과를 사용하여 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림 중 적어도 하나의 유량비를 실시간으로 제어하는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 양태에는, 재순환 유량비의 제어 시스템도 또한 제공된다. 재순환 유량비의 제어 시스템은: 입구 및 출구를 포함하고, 테일 가스(tail gas) 생성을 위한 애노드를 포함하는 연료 전지; 연료를 연료 전지의 출구에서 나온 테일 가스와 혼합하여, 분할 위치에서, 발전을 위해 연료 전지에 있는 애노드의 입구로 복귀되는 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림으로 분할되는 개질 스트림을 생성하는 연료 개질기; 제2 분기 스트림으로부터 열을 제거하는 냉각기; 냉각된 제2 분기 스트림에 응답하여 구동되는 외연 또는 내연 기관을 포함하는 보터밍 사이클(bottoming cycle); 메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 차압을 측정하는 측정 디바이스; 및 측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 제어하는 제어 디바이스를 포함한다.
본 개시의 이들 피쳐, 양태 및 장점과 다른 피쳐, 양태 및 장점은 첨부도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명을 읽을 때에 보다 양호하게 이해될 것이며, 첨부도면에서 유사한 부호는 도면 전반에 걸쳐 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 고온 시스템의 개략적인 블럭선도.
도 2는 고온 재순환 시스템의 개략적인 블럭선도.
도 3은 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 3에 기초한 유량비 제어 시스템의 개략적인 블럭선도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 도 3에 기초한 유량비 제어 시스템의 개략적인 블럭선도.
도 6은 다른 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유량비 제어 방법의 흐름도.
도 8은 본 발명의 측정 디바이스를 위한 교정 계수를 결정하는 데 사용되는 개략적인 다이어그램.
아래에서는 첨부도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예를 설명하겠다. 아래의 설명에서는, 잘 알려진 기능 또는 구성은, 불필요한 상세로 본 개시를 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 설명하지 않는다.
달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어는 본 개시가 속하는 당업계의 숙련자들이 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2" 등과 같은 용어는 어떠한 순서, 양 또는 중요성을 나타낸다기 보다는, 요소들을 서로 구분하기 위해 사용된다. 또한, 단수 형태는 양의 제한을 나타낸다기 보다는, 인용된 아이템들 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다. "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미이며, 나열된 아이템들 중 어느 하나 또는 모두를 의미한다. "포함하는", "구비하는" 또는 "갖는"이라는 용어 및 이들의 파생어의 사용는 이후에 열거되는 아이템과 그 등가물뿐만 아니라 추가의 아이템을 망라하는 것을 의미한다.
도 1은 고온 시스템의 실시예의 개략적인 블럭선도를 예시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 실시예에 따른 고온 시스템(1)은 상류 디바이스(11), 제1 하류 디바이스(12) 및 제2 하류 디바이스(13)를 포함한다. 상류 디바이스(11)와 제1 하류 디바이스(12) 양자 모두는 300 ℃보다 높은 온도에서 작동한다. 상류 디바이스(11)는 분할 위치(Q)에서 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2)으로 분할되는 메인 스트림(S)을 생성한다. 메인 스트림(S)은 복잡한 유체 또는 가스 속성을 갖는데, 예컨대 메인 스트림(S)은 다성분을 갖는 유체 또는 가스일 수 있다. 제1 분기 스트림(S1)은 제1 하류 디바이스(12)로 전향되고, 이에 대응하여 제1 하류 디바이스(12)에서 처리된다. 제2 분기 스트림(S2)은 제2 하류 디바이스(13)로 전향되고, 이에 대응하여 제2 하류 디바이스(13)에서 처리된다.
고온 시스템(1)에서 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)를 측정 및 제어하기 위해, 고온 시스템(1)의 구성요소에 기초하여 유량비 제어 시스템은 측정 디바이스와 제어 디바이스(도 1에는 양자 모두 도시되어 있지 않음)를 더 포함한다. 측정 디바이스는 메인 스트림(S), 제1 분기 스트림(S1) 및 제2 분기 스트림(S2) 중 2개의 실시간 차압(DP1, DP2)을 측정한다. 제어 디바이스는 측정된 차압(DP1, DP2)에 응답하여 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)를 실시간으로 제어한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상기 시스템을 사용하는 유량비 제어 방법의 흐름도가 예시되어 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상기 시스템을 사용하는 유량비 제어 방법은 아래의 단계를 포함한다.
블럭 s1에서, 메인 스트림(S), 제1 분기 스트림(S1) 및 제2 분기 스트림(S2) 중 2개의 실시간 차압(DP1, DP2)이 측정된다.
블럭 s2에서, 측정된 차압(DP1, DP2)을 사용하여 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)가 실시간으로 계산된다.
블럭 s3에서, 계산된 유량비(RR)가 사용자 규정 목표 유량비와 비교된다.
블럭 s4에서, 비교된 결과를 사용하여 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2) 중 적어도 하나의 유량이 실시간으로 제어된다.
일실시예에서는, 도 7에 도시한 바와 같은 유량비 제어 방법이 아래의 단계를 더 포함한다.
블럭 s5에서는, 우선 측정 디바이스(34)를 위한 교정 계수(K)가 결정된다. 따라서, 블럭 s2에서 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)는 측정된 차압(DP1, DP2)과 교정 계수(K)를 사용하여 실시간으로 계산된다.
일례로서, 고온 시스템(1)은 고온 재순환 시스템일 수 있다. 도 2는 고온 재순환 시스템의 실시예의 개략적인 블럭선도를 예시한다. 도 2에 도시한 바와 같이 도 1의 고온 시스템(1)과 유사하게 실시예에 따른 고온 재순환 시스템(2)은 상류 디바이스(11), 제1 하류 디바이스(12) 및 제2 하류 디바이스(13)를 포함한다. 상류 디바이스(11)와 제1 하류 디바이스(12) 양자 모두는 300 ℃보다 높은 고온에서 작동한다. 상류 디바이스(11)는 분할 위치(Q)에서 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2)으로 분할되는 메인 스트림(S)을 생성한다. 메인 스트림(S)은 복잡한 유체 또는 가스 속성을 갖는데, 예컨대 메인 스트림(S)은 다성분을 갖는 유체 또는 가스일 수 있다. 제1 분기 스트림(S1)은 제1 하류 디바이스(12)로 전향되고, 이에 대응하여 제1 하류 디바이스(12)에서 처리된다. 제2 분기 스트림(S2)은 제2 하류 디바이스(13)로 전향되고 이에 대응하여 제2 하류 디바이스(13)에서 처리된다.
그러나, 도 2를 참고하면, 도 1의 고온 시스템(1)과는 달리 도 2의 고온 재순환 시스템(2)에서는 제1 분기 스트림(S1)의 적어도 일부가, 제1 분기 스트림(S1)이 제1 하류 디바이스(12)를 통과한 후에 처리를 위해 상류 디바이스(11)로 복귀되고, 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)는 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 재순환 유량비(RR)이다.
도 1의 고온 시스템(1)과 유사하게, 고온 재순환 시스템(2)에서 재순환 유량비(RR)를 실시간으로 측정 및 제어하기 위해서, 고온 재순환 시스템(2)의 구성요소에 기초하여 유량비 제어 시스템은 측정 디바이스와 제어 디바이스(도 2에는 양자 모두가 도시되어 있지 않음)를 더 포함한다. 측정 디바이스는 메인 스트림(S), 제1 분기 스트림(S1) 및 제2 분기 스트림(S2) 중 2개의 실시간 차압(DP1, DP2)을 측정한다. 제어 디바이스는 측정된 차압(DP1, DP2)에 응답하여 재순환 유량비(RR)를 실시간으로 제어한다.
이후, 유량비 제어 시스템 및 방법을 상세히 기술하기 위한 목적으로 고온 연료 전지 시스템을 고온 시스템의 예로서 취할 것이다.
도 3은 실시예의 고온 연료 전지 시스템의 개략적인 블런석도를 예시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템(3)은 연료 개질기(31), 연료 전지(32), 냉각기(331) 및 외연 또는 내연 기관(332)을 포함하는 보토밍 사이클(bottoming cycle)을 포함한다. 예컨대 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)인 연료 전지(32)는 연료를 전기화학적으로 산화시키는 애노드(321)와 산소를 전기화학적으로 환원시키는 캐소드(322)를 포함한다. 애노드(321)는 입구(3211) 및 출구(3212)를 포함한다.
도 3을 참고하면, 분할 위치(Q)는 연료 개질기(31)의 출구에 배치된다. 연료 개질기(31)는 연료 전지(32)의 애노드(321)의 출구(3212)로부터 생성된 테일 가스와 연료를 혼합하고, 연료와 테일 가스는 연료 개질기(32)에서 개질되어 개질 스트림(S)을 메인 스트림으로 생성한다. 연료는, 예컨대 바이오 가스, 천연 가스, 액화 석유 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올, 에탄올, 신가스(syngas) 및 다른 탄화수소 연료일 수 있다. 연료 개질기(31)에서, 탄화수소 연료는 개질 반응에 의해 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질되고, 이와 동시에 이산화탄소와 스팀(H2O)도 또한 변환 반응에 의해 이산화탄소(CO2)와 수소로 변환된다. 개질된 스트림(S)은 다성분을 포함하며, 예컨대 개질 스트림(S)은 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄(CH4), 스팀 등의 혼합 가스 성분을 갖는다. 개질 스트림(S)은 분할 위치(Q)에서 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2)으로 분할된다. 제1 분기 스트림(S1)은 고효율 발전을 위해 연료 전지(32)의 애노드(321)의 입구(3211)로 전향된다. 전형적으로, 연료 전지(32)는 수소와 산소를 물로 변환시켜 전력과 열을 생성한다. 부산물인 물은 고온 공정에서 스팀으로서 연료 전지(32)의 출구(3212)를 빠져나간다. 제2 분기 스트림(S2)는 냉각기(331)로 전향된다. 냉각기(331)는 제2 분기 스트림(S2)으로부터 열을 제거하고, 외연 또는 내연 기관(332)은 냉각된 제2 분기 스트림에 응답하여 증가된 발전 효율을 제공하기 위해 추가의 전력을 생성하도록 구동되며, 잔여부는 배기 가스로서 외연 또는 내연 기관(332)으로부터 배출된다. 연료 개질기(31)에서의 탄화수소의 증기 개질 반응은 통상적으로 흡열 반응이기 때문에, 개질은 통상적으로 연료 전지(32)의 발열성 전기화학적 반응에 의해 생성되는 열을 활용할 수 있다.
도 3의 고온 연료 전지 시스템(3)에서, 연료 개질기(31)는 상류 디바이스로서 작용하고, 연료 전지(32)는 제1 하류 디바이스로서 작용하며, 외연 또는 내연 기관(332)을 포함하는 보토밍 사이클과 냉각기(331)는 함께 제2 하류 디바이스(33)로서 작용한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 도 3에 기초한 유량비 제어 시스템의 개략적인 블럭선도를 예시한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 도 3의 고온 연료 전지 시스템(3)의 구성요소에 기초하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 유량비 제어 시스템(3a)은 측정 디바이스(34)와 제어 디바이스(35)를 포함한다. 측정 디바이스(34)는 메인 스트림(S), 제1 분기 스트림(S1) 및 제2 분기 스트림(S2) 중 2개의 차압을 측정한다. 제어 디바이스(35)는 측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비를 실시간으로 제어한다. 측정 디바이스(34)는, 서로 동일하고 모두 분할 위치(Q)에 근접하게 배치되는 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)를 포함한다. 일실시예에서, 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)는 오리피스일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)는 벤추리 미터(venturi meter)일 수도 있다. 제1 차압 게이지(341)는 메인 스트림(S)의 차압(DP1)을 측정하기 위해 상류 디바이스인 연료 개질기(31)와 분할 위치(Q) 사이에 배치되고, 제2 차압 게이지(342)는 제1 분기 스트림(S1)의 차압(DP2)을 측정하기 위해 제1 하류 디바이스인 연료 전지(32)와 분할 위치(Q) 사이에 배치된다.
도 4를 참고하면, 유량비 제어 시스템(3a)은 유량비 계산기(36)를 더 포함한다. 측정 디바이스(34)를 위한 교정 계수(K)[즉, 제1 차압 게이지(341)에 대한 제2 차압 게이지(342)를 위한 교정 계수(K)]가 유량비 계산기(36)에 미리 저장된다. 유량비 계산기(36)는 측정된 차압와 교정 계수에 기초하여 유량비를 계산한다.
도 8은 측정 디바이스(34)를 위한 교정 계수(K)를 결정하는 데 사용되는 개략적인 다이어그램을 예시한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 가변 가스 소스(81)가 우선 준비된다. 가변 가스 소스(81)는 질량 유량 컨트롤러(82)에 연결되고, 질량 유량 컨트롤러(82)는 측정 디바이스의 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)에 연결된다. 질량 유량 컨트롤러(82)의 가스 유량이 변경된 다음, 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)의 제1 및 제2 차압(DP1, DP2)이 각각 기록된다. 마지막으로, 측정 디바이스(34)를 위한 교정 계수(K)가 아래의 수학식을 사용하여 결정된다.
Figure pat00001
[수학식 1]
Figure pat00002
[수학식 2]
Figure pat00003
[수학식 3]
Figure pat00004
[수학식 4]
상기 식에서 F는 질량 유량 컨트롤러(82)의 가스 유량을 나타내고, F1 및 F2는 각각 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)의 가스 유량을 나타내며, K1 및 K2는 각각 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)의 제1 및 제2 계수를 나타내고,
Figure pat00005
는 가변 가스 소스(81)의 가스 밀도를 나타낸다.
제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)는 아래의 수학식을 사용하여 계산된다.
Figure pat00006
[수학식 5]
Figure pat00007
[수학식 6]
Figure pat00008
[수학식 7]
Figure pat00009
[수학식 8]
상기 식에서
Figure pat00010
은 제1 분기 스트림(S1)의 밀도를 나타내고,
Figure pat00011
는 메인 스트림(S)의 밀도를 나타낸다.
상기 수학식 5 내지 8로부터, 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)가 아래와 같이 얻어질 수 있다.
Figure pat00012
[수학식 9]
제어 디바이스(35)는 유량을 조정하기 위한 컨트롤러(351)와 조정식 밸브(352)를 포함한다. 컨트롤러(351)는 유량비 계산기(36)로부터 계산된 유량비(RR)를 수신하고, 계산된 유량비(RR)를 사용자 규정 목표 유량비와 비교하며, 비교된 결과에 기초하여 조정식 밸브(352)의 개방 위치를 제어한다. 상세하게는, 컨트롤러(351)는 목표 유량비와 계산된 유량비(RR)의 오차에 기초하여 제어 신호를 조정식 밸브(352)에 송신하고, 조정식 밸브(352)는 컨트롤러(351)로부터 제어 신호를 수신하여 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2) 중 적어도 하나의 유량을 제어하도록 그 개방 위치를 조정한다. 일실시예에서는, 도 4에 도시한 바와 같이 조정식 밸브(352)는 제2 분기 스트림(S2)의 유량을 조정하기 위해 분할 위치(Q)와 제2 하류 디바이스(33) 사이에 배치된다. 조정식 밸브(352)는 그러한 구성으로 제한되지는 않으며, 예컨대 다른 실시예에서 조정식 밸브(352)는 또한, 제1 및 제2 분기 스트림(S1, S2)의 유량을 조정하도록 분할 위치(Q)에 배치되는 3 방향 밸브일 수도 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 도 3에 기초한 유량비 제어 시스템의 개략적인 블럭선도를 예시한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 도 3의 고온 연료 전지 시스템(3)의 구성요소에 기초하여 본 발명의 제2 실시에에 따른 유량비 제어 시스템(3b)은 측정 디바이스(34)와 제어 디바이스(35)를 더 포함한다. 측정 디바이스(34)는 메인 스트림(S), 제1 분기 스트림(S1) 및 제2 분기 스트림(S2) 중 2개의 차압을 측정한다. 제어 디바이스(35)는 측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비를 실시간으로 제어한다. 측정 디바이스(34)는, 서로 동일하고 모두 분할 위치(Q)에 근접하게 배치되는 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)를 포함한다. 일실시예에서, 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)는 오리피스일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)는 벤추리 미터일 수도 있다. 제1 차압 게이지(341)는 제2 분기 스트림(S2)의 차압(DP1)을 측정하기 위해 분할 위치(Q)와 제2 하류 디바이스(33) 사이에 배치되고, 제2 차압 게이지(342)는 제1 분기 스트림(S1)의 차압(DP2)을 측정하기 위해 제1 하류 디바이스인 연료 전지(32)와 분할 위치(Q) 사이에 배치된다.
도 5를 참고하면, 유량비 제어 시스템(3b)은 유량비 계산기(36)를 더 포함한다. 측정 디바이스(34)를 위한 교정 계수(K)[즉, 수학식 4로 나타낸 바와 같은, 제1 차압 게이지(341)에 대한 제2 차압 게이지(342)를 위한 교정 계수(K)]는 유량비 계산기(36)에 미리 저장된다. 측정 디바이스(34)를 위한 교정 계수(K)는 도 8을 참고로 하는 상기 방법을 사용하는 것에 의해 결정될 수 있다. 유량비 계산기(36)는 측정된 차압(DP1, DP2)과 교정 계수(K)에 기초하여 유량비(RR)를 계산한다.
제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)는 아래의 수학식을 사용하여 계산된다.
Figure pat00013
[수학식 10]
Figure pat00014
[수학식 11]
Figure pat00015
[수학식 12]
Figure pat00016
[수학식 13]
상기 수학식에서
Figure pat00017
는 제1 분기 스트림(S1)의 밀도를 나타내고,
Figure pat00018
은 제2 분기 스트림(S2)의 밀도를 나타낸다.
수학식 10 내지 13으로부터, 제1 분기 스트림(S1) 대 메인 스트림(S)의 유량비(RR)가 다음과 같이 얻어질 수 있다.
Figure pat00019
[수학식 14]
제어 디바이스(35)는 유량을 조정하기 위한 컨트롤러(351)와 조정식 밸브(352)를 포함한다. 컨트롤러(351)는 유량비 계산기(36)로부터 계산된 유량비를 수신하고, 계산된 유량비를 사용자 규정 목표 유량비와 비교하고, 비교된 결과에 기초하여 조정식 밸브(352)의 개방 위치를 제어한다. 상세하게는, 컨트롤러(351)는 목표 유량비와 계산된 유량비(RR) 간의 오차에 기초하여 제어 신호를 조정식 밸브(352)로 송신하고, 조정식 밸브(352)는 컨트롤러(351)로부터 제어 신호를 수신하여, 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2) 중 적어도 하나의 유량을 제어하도록 그 개방 위치를 조정한다. 일실시예에서는 도 5에 도시한 바와 같이, 조정식 밸브(352)는, 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림(S1, S2)의 유량을 조정하도록 분할 위치(Q)에 배치된 3 방향 밸브일 수 있다. 조정식 밸브(352)는 그러한 구성으로 제한되지 않으며, 예컨대 다른 실시예에서 조정식 밸브(352)는 제2 분기 스트림(S2)의 유량을 조정하도록 분할 위치(Q)와 제2 하류 디바이스(33) 사이에도 또한 배치될 수 있다.
본 발명의 유량비 제어 시스템(3a, 3b)에서, 측정 디바이스(34)의 상기한 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)의 구성이 유량비(RR)의 측정을 스트림의 온도, 압력 및 성분의 변화와 무관하게 하고, 스트림의 복잡한 속성이 유량비(RR)의 측정에 영향을 주지 않기 때문에, 유량비(RR)가 정확하게 측정될 수 있다. 더욱이, 유량비(RR)의 정확한 측정은 시스템 제어를 최적화할 수 있다. 연료 전지(32)의 효율 및 수명이 보증될 수 있고, 이것은 시스템의 전체 효율을 증대시키고 작동비를 저감할 것이다.
도 6은 다른 실시예의 고온 연료 전지 시스템의 개략적인 블럭선도를 예시한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 도 3의 고온 연료 전지 시스템(3)과 유사하게 다른 실시예에 따른 고온 연료 전지 시스템(4)은 연료 개질기(31), 연료 전지(32), 냉각기(331) 및 내연 또는 외연 기관(332)을 포함하는 보토밍 사이클도 또한 포함한다. 연료 전지(32)는 연료를 전기화학적으로 산화시키는 애노드(321)와 산소를 전기화학적으로 환원시키는 캐소드(322)를 포함한다. 애노드(321)는 입구(3211) 및 출구(3212)를 포함한다.
그러나 도 6을 참고하면, 도 3의 고온 연료 전지 시스템(3)과는 달리 도 6의 고온 연료 전지 시스템(4)에서는 분할 위치(Q)가, 연료 개질기(31)의 출구 대신에 연료 전지(32)의 애노드(321)의 출구(3212)에 배치되고, 연료 전지(32)에 있는 애노드(321)의 출구(3212)로부터 생성된 테일 가스(S)는 메인 스트림으로 간주된다. 연료 전지(32)에 있는 애노드(321)의 출구(3212)로부터 생성된 테일 가스(S)는 분할 위치(Q)에서 제1 분기 스트림(S1)과 제2 분기 스트림(S2)으로 분할된다. 연료 개질기(31)는 연료 전지(32)에 있는 애노드(321)의 출구(3212)로부터의 테일 가스(S)의 제1 분기 스트림(S1)과 연료를 혼합하여 개질 스트림을 생성한다. 이어서, 개질 스트림은 고효율 발전을 위해 연료 전지(32)의 입구(3211)로 복귀된다. 연료는, 예컨대 바이오 가스, 천연 가스, 액화 석유 가스, 메탄, 에탄, 프로판, 메탄올, 에탄올, 신가스 및 다른 탄화수소 연료일 수 있다. 테일 가스(S)의 제2 분기 스트림(S2)은 냉각기(331)로 전향된다. 냉각기(331)는 제2 분기 스트림(S2)으로부터 열을 제거하고, 외연 또는 내연 기관(332)은 냉각된 제2 분기 스트림에 응답하여 발전의 증가된 효율을 제공하기 위해 추가의 전력을 생성하도록 구동된다.
도 6의 고온 연료 전지 시스템(4)에서, 연료 전지(32)는 상류 디바이스로 작용하고, 연료 개질기(31)는 제1 하류 디바이스로서 작용하며, 외연 또는 내연 기관(332)을 포함하는 보토밍 사이클과 냉각기(331)는 함께 제2 하류 디바이스(33)로서 작용한다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같은 제1 및 제2 차압 게이지(341, 342)를 포함하는 측정 디바이스(34), 컨트롤러(351) 및 조정식 밸브(352)와 유량비 계산기(36)를 포함하는 제어 디바이스(35), 그리고 그 등가의 변경이 도 6의 고온 연료 전지 시스템(4)에 유사하게 적용될 수 있다. 이에 따라, 여기에서는 간략화를 목적으로 유사한 설명은 생략한다.
추가로, 본 발명의 유량비 제어 시스템도 또한 도 4 및 도 5의 시스템(3a, 3b)으로 제한되어서는 안 되며, 사실상 본 발명의 유량비 제어 시스템 및 방법은 도 1의 고온 시스템(1)과 유사한 임의의 적절한 고온 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 유량비 제어 시스템 및 방법은 스트림의 온도, 압력 및 성분 변화에 대한 보정에 관한 필요성을 제거할 수 있으며, 이것은 낮은 압력 강하, 낮은 에너지 비용, 신속한 응답, 용이한 유지 보수 및 보다 용이한 규모 확대의 장점을 갖는다. 본 발명의 유량비 제어를 위한 시스템 및 방법은, 유체 또는 가스 속성을 확인하기 어렵지만 정확한 유동 분리가 요구되는 임의의 고온 시스템에 적용될 수 있고, 고온 시스템이 높은 에너지 효율, 높은 신뢰성 및 유연성, 작은 작동비를 가질 수 있도록 할 수 있다.
통상적인 실시예로 본 개시를 예시하고 설명하였지만, 본 개시는 제시한 상세로 제한되는 것으로 의도되지 않는데, 그 이유는 어떠한 방식으로든 본 개시의 사상으로부터 벗어나는 일 없이 다양한 수정 및 대체가 이루어질 수 있기 때문이다. 이와 같이, 여기에 개시된 본 개시의 다른 수정 및 등가물이 일상적인 실험을 사용하여 당업자에게 떠오를 것이고, 그러한 모든 수정 및 등가물은 후속하는 청구범위에 의해 규정되는 본 개시의 사상 및 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (20)

  1. 유량비 제어 시스템으로서,
    분할 위치에서 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림으로 분할되는 메인 스트림을 생성하는 상류 디바이스;
    제1 분기 스트림이 지향되고, 상류 디바이스와 함께 300 ℃보다 높은 고온에서 작동하는 제1 하류 디바이스;
    제2 분기 스트림이 지향되는 제2 하류 디바이스;
    메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 차압을 측정하는 측정 디바이스; 및
    측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 제어하는 제어 디바이스
    를 포함하는 유량비 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측정 디바이스는, 서로 동일하고 모두 분할 위치에 근접하게 배치되는 제1 및 제2 차압 게이지를 포함하는 것인 유량비 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 제1 차압 게이지는 메인 스트림의 차압을 측정하기 위해 상류 디바이스와 분할 위치 사이에 배치되고, 제2 차압 게이지는 제1 분기 스트림의 차압을 측정하기위해 제1 하류 디바이스와 분할 위치 사이에 배치되는 것인 유량비 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 제1 차압 게이지는 제2 분기 스트림의 차압을 측정하기 위해 분할 위치와 제2 하류 디바이스 사이에 배치되고, 제2 차압 게이지는 제1 분기 스트림의 차압을 측정하기 위해 제1 하류 디바이스와 분할 위치 사이에 배치되는 것인 유량비 제어 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유량비 제어 시스템은 제1 차압 게이지에 대한 제2 차압 게이지를 위한 교정 계수가 미리 저장되는 유량비 계산기를 더 포함하고,
    상기 유량비 계산기는 측정된 차압와 교정 계수에 기초하여 유량비를 계산하기 위한 것인 유량비 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 유량을 조정하기 위한 컨트롤러 및 조정식 밸브를 포함하고, 상기 컨트롤러는 유량비 계산기로부터 계산된 유량비를 수신하고, 계산된 유량비를 사용자 규정 목표 유량비와 비교하며, 비교 결과에 기초하여 조정식 밸브의 개방 위치를 제어하도록 된 것인 유량비 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 조정식 밸브는 제2 분기 스트림의 유량을 조정하도록 분할 위치와 제2 하류 디바이스 사이에 배치되거나, 상기 조정식 밸브는 제1 및 제2 분기 스트림의 유량을 조정하도록 분할 위치에 배치되는 3 방향 밸브인 것인 유량비 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 제1 분기 스트림의 적어도 일부는, 제1 분기 스트림이 제1 하류 디바이스를 통과한 후에 상류 디바이스로 복귀되며, 유량비는 재순환 유량비인 것인 유량비 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 제1 하류 디바이스는, 테일 가스(tail gas)를 생성하고 입구 및 출구를 포함하는 애노드를 포함하는 연료 전지이고, 상기 상류 디바이스는 연료 전지의 출구로부터 나온 테일 가스와 연료를 혼합하여 개질 스트림을 메인 스트림으로서 생성하는 연료 개질기인 것인 유량비 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 하류 디바이스는
    제2 분기 스트림으로부터 나온 열을 제거하는 냉각기; 및
    냉각된 제2 분기 스트림에 응답하여 구동되는 외연 또는 내연 기관을 포함하는 보토밍 사이클(bottoming cycle)
    을 포함하는 것인 유량비 제어 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 상류 디바이스는 테일 가스를 메인 스트림으로서 생성하기 위한 애노드를 포함하는 연료 전지이고, 상기 애노드는 입구 및 출구를 포함하며, 상기 제1 하류 디바이스는 연료 전지의 출구로부터 나온 테일 가스의 제1 분기 스트림과 연료를 혼합하여 개질 스트림을 생성하는 연료 개질기인 것인 유량비 제어 시스템.
  12. 제1항에 따른 시스템을 사용하여 유량비를 제어하는 유량비 제어 방법으로서,
    a1) 메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 실시간 차압을 측정하는 단계;
    a2) 측정된 차압을 이용하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 계산하는 단계;
    a3) 계산된 유량비를 사용자 규정 목표 유량비와 비교하는 단계; 및
    a4) 비교 결과를 사용하여 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림 중 적어도 하나의 유량을 제어하는 단계
    를 포함하는 유량비 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유량비 제어 방법은 사전에 측정 디바이스를 위한 교정 계수를 결정하는 단계를 더 포함하고,
    단계 a2)는 측정된 차압와 교정 계수를 사용하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 계산하는 것을 포함하는 것인 유량비 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 측정 디바이스는, 서로 동일하고 모두 분할 위치에 근접 배치되는 제1 및 제2 차압 게이지를 포함하고,
    사전에 측정 디바이스를 위한 교정 계수를 결정하는 단계는
    가변 가스 소스를 준비하는 것;
    가변 가스 소스를 질량 유량 컨트롤러에 연결하는 것;
    질량 유량 컨트롤러를 제1 및 제2 차압 게이지에 연결하는 것;
    질량 유량 컨트롤러의 가스 유량을 변경하는 것;
    제1 및 제2 차압 게이지의 제1 및 제2 차압값을 각각 기록 하는 것; 및
    아래의 수학식을 사용하여 교정 계수를 결정하는 것
    Figure pat00020

    Figure pat00021

    을 포함하고, 상기 식에서 F는 질량 유량 컨트롤러의 가스 유량을 나타내고, K는 교정 계수를 나타내며, DPc1 및 DPc2는 각각 제1 및 제2 차압 게이지의 제1 및 제2 차압값을 나타내고, K1 및 K2는 각각 제1 및 제2 차압 게이지의 제1 및 제2 계수를 나타내며,
    Figure pat00022
    는 가변 가스 소스의 가스 밀도를 나타내는 것인 유량비 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서, 단계 a1)은
    상류 디바이스와 분할 위치 사이에 배치되는 제1 차압 게이지를 사용하여 메인 스트림의 차압을 측정하는 것; 및
    제1 하류 디바이스와 분할 위치 사이에 배치되는 제2 차압 게이지를 사용하여 제1 분기 스트림의 차압을 측정하는 것
    을 포함하는 것인 유량비 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서, 단계 a2)는
    아래의 수학식을 사용하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 계산하는 것을 포함하고,
    Figure pat00023

    상기 식에서 RR은 유량비를 나타내고, DP1은 메인 스트림의 차압을 나타내며, DP2는 제1 분기 스트림의 차압을 나타내는 것인 유량비 제어 방법.
  17. 제14항에 있어서, 단계 a1)은
    분할 위치와 제2 하류 디바이스 사이에 배치되는 제1 차압 게이지를 사용하여 제2 분기 스트림의 차압을 측정하는 것; 및
    제1 하류 디바이스와 분할 위치 사이에 배치되는 제2 차압 게이지를 사용하여 제1 분기 스트림의 차압을 측정하는 것
    을 포함하는 것인 유량비 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서, 단계 a2)는
    아래의 수학식을 사용하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 계산하는 것을 포함하고,
    Figure pat00024

    상기 식에서 RR은 유량비를 나타내고, DP1은 제2 분기 스트림의 차압을 나타내며, DP2는 제1 분기 스트림의 차압을 나타내는 것인 유량비 제어 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 유량을 조정하기 위한 컨트롤러와 조정식 밸브를 포함하고,
    단계 a4)는 목표 유량비와 계산된 유량비 간의 오차에 기초하여 제어 신호를 조정식 밸브에 송신하는 컨트롤러를 포함하고, 조정식 밸브는 컨트롤러부터 나온 제어 신호를 수신하여, 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림 중 적어도 하나의 유량을 제어하도록 그 개방 위치를 조정하는 것인 유량비 제어 방법.
  20. 재순환 유량비 제어 시스템으로서,
    테일 가스를 생성하고 입구 및 출구를 갖는 애노드를 포함하는 연료 전지;
    연료 전지의 출구로부터 나온 테일 가스와 연료를 혼합하여, 분할 위치에서 발전을 위해 연료 전지에 있는 애노드의 입구로 복귀되는 제1 분기 스트림과 제2 분기 스트림으로 분할되는 개질 스트림을 생성하는 연료 개질기;
    제2 분기 스트림으로부터 열을 제거하는 냉각기;
    냉각된 제2 분기 스트림에 응답하여 구동되는 외연 또는 내연 기관을 포함하는 보토밍 사이클;
    메인 스트림, 제1 분기 스트림 및 제2 분기 스트림 중 2개의 차압을 측정하는 측정 디바이스; 및
    측정된 차압에 응답하여 제1 분기 스트림 대 메인 스트림의 유량비를 실시간으로 제어하는 제어 디바이스
    를 포함하는 재순환 유량비 제어 시스템.
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