KR20160125764A - 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하는 히터와, 상기 히터를 통과한 상기 작동 유체에 의해 회전 구동되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 구동되며 전력을 생산하는 발전기를 포함하며, 상기 터빈은 상기 압축기에 구동력을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 정속 터빈을 사용함으로써 AC/DC 컨버터의 사용이 불필요해 발전 출력에 제한이 없어지며, 그리드에 직접적인 전력 공급이 가능한 장점이 있다. 또한, 기어 박스 또는 출력 변환부와 같은 출력 제어장치를 사용해 터빈의 rpm을 변경함으로써 발전기의 특성에 맞게 터빈의 회전수 또는 토크를 제어할 수 있는 특성이 있다. 뿐만 아니라, 터빈의 구동력으로 압축기의 구동 및 제어가 가능하므로 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 generation system}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전기 특성에 맞게 터빈 회전수 또는 토크를 제어할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있다. 그러한 노력의 하나로 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550도에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.
그런데 이러한 종래의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 원심형 변속 터빈을 메인 터빈으로 사용하여 발전단의 출력을 생성하는 구조로, 터빈 입구의 유량 제어를 하지 않고 AC 출력을 DC로 전환한 후 다시 60Hz의 AC 전력으로 전환해 사용하고 있다.
그러나 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 생산 전력 용량이 커짐에 따라AC/DC/AC 컨버터가 발전 시스템 전체에서 가장 큰 부분을 차지하게 되어 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 별도의 유량 제어를 하지 않으므로 압축기 역시 제어할 수 없어 시스템의 효율성을 개선하지 못하는 문제가 있다.
일본특허공개 제2012-145092호 (공개일 2012. 08. 02)
본 발명의 목적은 발전기 특성에 맞게 터빈 회전수 또는 토크를 제어할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 터빈을 이용해 압축기를 구동 및 제어함으로써 운전 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하는 히터와, 상기 히터를 통과한 상기 작동 유체에 의해 회전 구동되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 구동되며 전력을 생산하는 발전기를 포함하며, 상기 터빈은 상기 압축기에 구동력을 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 정속 터빈인 것을 특징으로 한다.
상기 터빈의 출력을 조정하여 상기 압축기에 전달하는 출력 변환부와, 상기 터빈과 상기 출력 변환부를 연결하는 터빈 샤프트와, 상기 출력 변환부와 상기 압축기를 연결하는 압축기 샤프트를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기의 전단 및 후단을 연결하는 압축기 우회 유로와, 상기 압축기 우회 유로 상에 설치되는 구동 펌프와, 상기 구동 펌프를 가동하는 모터를 더 포함할 수 있다.
상기 구동 펌프는 상기 압축기의 초기 구동 시 상기 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 출력 변환부는 상기 터빈의 출력을 상기 압축기에 전달할 때, 상기 압축기의 부하에 대응하여 상기 터빈의 출력을 감소시켜 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈의 전단에 설치되며, 상기 터빈으로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 유량 제어장치를 더 포함할 수 있다.
상기 유량 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수보다 증가 또는 감소됨에 따라 상기 작동 유체가 상기 터빈을 우회하도록 제어하거나 상기 터빈으로 가는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 히터는 상기 압축기의 후단에 연결되는 제1 히터와, 상기 제1 히터의 후단에 연결되는 제2 히터를 포함할 수 있다.
상기 압축기의 후단에서 분기되며(분기점 A), 상기 제1 히터 및 제2 히터의 사이(분기점 B)로 연결되는 리큐퍼레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단 및 상기 쿨러의 전단에 연결되며, 상기 터빈을 거친 작동 유체로부터 열을 회수하여 상기 압축기를 거친 작동 유체를 복열하는 것이 특징이다.
상기 유량 제어장치의 전단과 상기 터빈의 후단을 연결하며, 상기 터빈으로 유입되는 상기 작동 유체의 일부 또는 전부를 우회시키는 터빈 우회 유로와, 상기 터빈 우회 유로 상에 설치되어 상기 터빈 우회 유로를 개폐하는 터빈 우회 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 터빈과 상기 발전기의 사이에 구비되며, 상기 발전기의 출력 주파수에따라 상기 터빈의 출력을 제어하는 출력 제어장치를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어장치는 상기 발전기의 출력 주파수에 따라 상기 터빈의 회전수(rpm)를 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 출력 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수 보다 높으면 상기 터빈의 출력을 낮추어 상기 발전기로 전달하는 것이 바람직하다.상기 출력 제어장치는 기어 비(gear ratio)를 조정하여 상기 터빈의 출력을 감소시키는 기어 박스인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 공급하는 이산화탄소 공급장치와, 상기 이산화탄소 공급장치의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하는 히터와, 상기 히터를 통과한 상기 작동 유체에 의해 회전 구동되는 터빈과, 상기 터빈에 연결되어 구동되며 전력을 생산하는 발전기와, 상기 터빈과 상기 압축기를 연결하여 상기 압축기에 상기 터빈의 구동력을 전달하는 구동전달수단을 포함할 수 있다.
상기 구동 전달 수단은 상기 터빈의 출력을 조정하여 상기 압축기에 전달하는 출력 변환부와, 상기 터빈과 상기 출력 변환부를 연결하는 터빈 샤프트와, 상기 출력 변환부와 상기 압축기를 연결하는 압축기 샤프트를 포함할 수 있다.
상기 출력 변환부는 상기 터빈의 출력을 상기 압축기에 전달할 때, 상기 압축기의 부하에 대응하여 상기 터빈의 출력을 감소시켜 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 압축기의 전단 및 후단을 연결하는 압축기 우회 유로와, 상기 압축기 우회 유로 상에 설치되는 구동 펌프와, 상기 구동 펌프를 가동하는 모터를 더 포함할 수 있다.
상기 구동 펌프는 상기 압축기의 초기 구동 시 상기 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 정속 터빈인 것이 특징이다.
상기 터빈의 전단에 설치되며, 상기 터빈으로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 유량 제어장치를 더 포함할 수 있다.
상기 유량 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수보다 증가 또는 감소됨에 따라 상기 작동 유체가 상기 터빈을 우회하도록 제어하거나 상기 터빈으로 가는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 히터는 상기 압축기의 후단에 연결되는 제1 히터와, 상기 제1 히터의 후단에 연결되는 제2 히터를 포함할 수 있다.
상기 압축기의 후단에서 분기되며(분기점 A), 상기 제1 히터 및 제2 히터의 사이(분기점 B)로 연결되는 리큐퍼레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단 및 상기 쿨러의 전단에 연결되며, 상기 터빈을 거친 작동 유체로부터 열을 회수하여 상기 압축기를 거친 작동 유체를 복열하는 것을 특징으로 한다.
상기 유량 제어장치의 전단과 상기 터빈의 후단을 연결하며, 상기 터빈으로 유입되는 상기 작동 유체의 일부 또는 전부를 우회시키는 터빈 우회 유로와, 상기 터빈 우회 유로 상에 설치되어 상기 터빈 우회 유로를 개폐하는 터빈 우회 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 터빈과 상기 발전기의 사이에 구비되며, 상기 발전기의 출력 주파수에따라 상기 터빈의 출력을 제어하는 출력 제어장치를 더 포함할 수 있다.
상기 출력 제어장치는 상기 발전기의 출력 주파수에 따라 상기 터빈의 회전수(rpm)를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 출력 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수 보다 높으면 상기 터빈의 출력을 낮추어 상기 발전기로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 출력 제어장치는 기어 비(gear ratio)를 조정하여 상기 터빈의 출력을 감소시키는 기어 박스인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 정속 터빈을 사용함으로써 AC/DC 컨버터의 사용이 불필요해 발전 출력에 제한이 없어지며, 그리드에 직접적인 전력 공급이 가능한 장점이 있다. 또한, 기어 박스출력 변환부와 같은 출력 제어장치를 사용해 터빈의 rpm을 변경함으로써 발전기의 특성에 맞게 터빈의 회전수 또는 토크를 제어할 수 있는 특성이 있다. 뿐만 아니라, 터빈의 구동력으로 압축기의 구동 및 제어가 가능하므로 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
일반적인 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
사이클 내의 이산화탄소는 압축기를 통과한 후 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 이산화탄소 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈은 초임계 이산화탄소 유체의 유량 변화에 따라 회전수가 변하는 변속 터빈이며, 터빈에는 발전기 및 전압 컨버터가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 사용되는 터빈은 사이즈가 작기 때문에 정속으로 설계하기 어려우므로 변속 터빈을 사용한다.
전력의 생산에 이용된 이산화탄소는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 기본적인 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 터빈을 정속 터빈으로 대체하고, 터빈 전단의 유량이 달라져 터빈의 회전수가 달라지더라도 발전기 특성에 맞게 출력을 제어할 수 있는 출력 제어 장치를 제안한다.
시스템 내에서 작동 유체가 흐르는 유로를 이송관이라고 정의하며, 이송관에서 별도로 분기되는 유로에 대해서는 별도의 명칭으로 정의하기로 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 “초임계 이산화탄소 발전 시스템”이란 싸이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템 뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 “이산화탄소”란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 제어 장치가 구비된 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 이산화탄소 가스를 공급하는 이산화탄소 공급장치(100)가 구비된다. 또한, 작동 유체인 이산화탄소를 냉각시키는 쿨러(200)와, 냉각된 작동 유체를 압축시키는 압축기(300)와, 압축기(300)를 통과한 작동 유체를 가열하는 복수의 히터(400, 500)와, 히터(400, 500)를 통과한 고온 고압의 작동 유체에 의해 구동되는 터빈(600)을 포함하여 구성된다. 압축기(300)의 구동은 터빈(600)의 구동력을 압축기(300)로 전달하는 구동전달수단(900)에 의해 이루어진다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템에는 작동 유체를 추가로 복열하는 리큐퍼레이터 및, 터빈(600)에 결합되는 발전기(610), 터빈(600)과 발전기(610)의 사이에 설치되어 터빈(600)의 회전수에 따라 토크를 바꾸어 발전기에 전달하는 출력 제어장치(630)가 구비된다. 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(800)에 의해 연결된다.
이산화탄소 공급장치(100)는 사이클 내로 이산화탄소를 공급하며, 공급되는이산화탄소는 석탄 화력 발전소 등의 보일러에서 연료를 연소한 후 배기 가스로부터 분리된 것이거나 별도로 공급되는 것일 수 있다.
이산화탄소 공급장치(100)에 의해 주입된 기체 상태의 작동 유체는 공급 밸브(110)를 통해 쿨러(200)로 유입된다.
쿨러(200)는 주입된 기체 상태의 작동 유체는 냉각되면서 액체 상태로 상변화를 일으키며, 쿨러(200)에서 충분히 냉각된 작동 유체는 주입 밸브(210)를 거쳐 압축기(300)로 공급된다.
압축기(300)는 액체 상태의 작동 유체를 고압으로 압축하며, 압축기(300)에서 압축된 작동 유체는 제1 히터(400)로 전달되고, 일부는 리큐퍼레이터(700)로 전달된다. 이를 위해, 분기 유로(810)가 구비되며, 분기 유로(810) 상에 조절 밸브(812)가 설치되어 분기 유로(810)를 개폐한다.
압축기(300)를 구동하는 동력원으로 별도의 압축기 터빈이나 모터 등이 구비될 수 있다.
압축기(300)를 통과한 고압의 작동 유체는 제1 히터(400)로 유입되어 1차로 가열되고, 이후 제2 히터(500)를 거치면서 다시 한번 가열되어 터빈(600)을 구동시킬 수 있을 정도의 고온 상태가 된다.
터빈(600)은 고온 고압의 작동 유체에 의해 구동되어 터빈(600)에 결합된 발전기(610)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 터빈(600)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈(600)은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 작동 유체는 터빈(600)을 구동시키고 저압의 상태로 배출되어 리큐퍼레이터(700)로 보내진다.
또한, 터빈(600)은 원심형 또는 축류형의 정속 터빈이며, 터빈(600)은 발전기(610) 속도의 고정 배수로 정속 운전될 수 있다.
터빈(600)의 전단에는 유량 제어장치(650)가 설치되고, 터빈(600)에는 출력 제어장치(630)가 연결된다. 터빈(600) 입구단의 유량이 증가 또는 감소되면 터빈(600)이 정속으로 구동될 수 없으므로 유량 제어장치(650)를 구비해 터빈(600)으로 유입되는 작동 유체의 유량을 제어해준다.
터빈(600)의 회전수는 부하의 증감, 작동 유체의 온도 및 압력 조건의 변동, 터빈(600)의 추기량 또는 배기량의 변화에 따라 달라질 수 있다. 이러한 터빈(600)의 회전수 변화에 대응하여 유량 제어장치(650)가 터빈(600)으로 유입되는 유량을 제어하게 된다.
터빈(600)이 발전기(610)의 출력 주파수에 대응되는 회전수를 갖도록 운전되는 정상 운전 중에는 터빈(600)의 회전수가 발전기(610)의 주파수에 좌우된다. 따라서 유량 제어장치(650)는 터빈(600)의 회전수가 발전기(610)의 주파수에 대응할 수 있도록 작동 유체의 유량을 제어한다.
즉, 터빈(600)의 회전수가 발전기(610)의 출력 주파수에 대응되는 회전수 보다 증가하는 경우 유량 제어장치(650)가 터빈(600)으로 가는 작동 유체를 일부 차단하여 터빈(600)의 회전수가 다시 감소될 수 있도록 한다. 터빈(600)으로 유입되지 못한 일부의 작동 유체는 터빈(600) 후단으로 바로 보내짐으로써 터빈(600)을 거치지 않고 리큐퍼레이터(700)로 전달되도록 한다. 이를 위해, 유량 제어장치(650)의 전단과 터빈(600)의 후단을 연결하는 터빈 우회 유로(850) 상에는 터빈 우회 밸브(852)가 구비되는 것이 바람직하다(이에 관해서는 후술하기로 함).
터빈(600)으로 가는 작동 유체의 유량이 감소되면 터빈(600)의 속도가 감소하므로 터빈(600)의 회전수가 발전기(610)의 출력 주파수에 대응하는 회전수 이상으로 증가하지 않도록 제어할 수 있다.
터빈(600)의 회전수가 발전기(610)의 출력 주파수에 대응되는 회전수 보다 감소하는 경우, 유량 제어장치(650)는 터빈(600)으로 가는 작동 유체의 유량을 증가시킴으로써 터빈(600)의 회전수가 유지될 수 있도록 한다. 이를 위해, 압축기(300)를 거쳐 리큐퍼레이터(700)로 보내지는 작동 유체가 터빈(600)으로 추가로 유입될 수 있도록 해야 한다. 따라서 리큐퍼레이터(700)에서 추가로 복열된 작동 유체가 추가로 유입되는 것이 바람직하며, 압축기(300) 및 리큐퍼레이터(700)를 거친 작동 유체는 제1 히터(400)와 제2 히터(500)의 사이로 유입되어 제1 히터(400)를 통과한 작동 유체와 혼합된다.
터빈(600)으로 가는 작동 유체의 유량이 증가되면 터빈(600)의 속도가 증가하므로 터빈(600)의 회전수가 발전기(610)의 출력 주파수에 대응하는 회전수 이하로 감소하지 않도록 제어할 수 있다.
60Hz의 출력 주파수를 갖는 발전기(610)를 예로 들면, 발전기(610)는 항상 일정하게 60Hz의 출력 주파수의 AC 전압을 발생시켜야 한다. 이를 위해, 터빈(600)은 해당 주파수에 대응되는 회전수로 정속 회전해야 하며, 발전기(610)의 출력 주파수인 60Hz에 대응하는 터빈(600)의 속도는 3600rpm에 해당될 수 있다.본 발명의 일 실시 예에서는 터빈(600)이 정속 터빈이므로 항상 일정한 회전수로 회전할 수 있고, 유량 제어장치(650)가 터빈(600)의 회전수를 전술한 바와 같이 일정하게 제어하여 발전기(610)에 동력을 전달하므로 60Hz의 AC 전압을 생산할 수 있다. 이에 따라 큰 면적을 차지하는 AC/DC 컨버터를 사용하지 않아도 되고, 발전 출력에 제한이 없어지는 장점이 있다. 또한, 발전기(610)에서 AC 전압을 생산하므로 그리드(grid, 전력망)에 직접적으로 연결해 전력을 공급할 수 있다.
출력 제어장치(630)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템 상에서 불가피하게 고속 rpm을 갖는 터빈(600)을 사용해야 하는 경우 적용될 수 있다. 출력 제어장치(630)는 터빈(600)의 rpm을 변경함으로써 터빈(600)이 발전기(610)의 특성에 맞는 특정 rpm을 갖도록 한다. 즉, 발전기(610)의 출력 주파수에 맞게 터빈(600)의 속도를 조절함으로써 발전기(610)가 일정한 주파수의 AC 전압을 생성할 수 있도록 한다.
예를 들어, 터빈(600)의 회전수가 수만 rpm이고 발전기(610)의 출력 주파수가 60Hz라고 한다면, 발전기(610)의 출력 주파수에 대응하는 터빈(600)의 회전수는 3600rpm이 되어야 한다.
터빈(600)이 발전기(610) 속도의 몇 배수로 정속 운전되기는 하나, 터빈(600)의 회전수가 너무 높아 발전기(610)의 출력 주파수를 맞추기 어려우므로 출력 제어장치(630)를 사용해 터빈(600)의 출력을 제어한다.
출력 제어장치(630)는 일정한 감속비를 갖는 기어 박스로 구현될 수 있다. 기어 박스는 기어 비(gear ratio)를 조정함으로써 터빈(600)의 출력을 감소시켜 발전기(610)의 출력 주파수에 대응하는 출력을 발전기(610)로 제공할 수 있다.
한편, 터빈(600)의 구동력 중 일부는 구동전달수단(900)에 의해 압축기(300)로 전달되어 압축기(300)를 구동시킨다.
구동전달수단(900)은 출력 변환부(910)와, 터빈(600)과 출력 변환부(910)를 연결하는 터빈 샤프트(930)와, 압축기(300)와 출력 변환부(910)를 연결하는 압축기 샤프트(950)로 구성된다.
출력 변환부(910)는 유압 조정이 가능한 일종의 토크 컨버터(torque converter)로 구현될 수 있다. 이 경우, 출력 변환부(910)는 터빈(600)의 회전수에 따라 유압을 조정하여 터빈(600)의 속도를 감속시켜 압축기(300)에 전달하는 역할을 한다. 즉, 출력 변환부(910)는 압축기(300)의 구동 속도에 맞게 터빈(600)의 출력을 감소시키는 역할을 한다.
만약, 압축기(300)의 구동 속도가 터빈(600)의 속도와 유사한 경우 출력 변환부(910)는 터빈(600)의 출력을 그대로 압축기(300)로 전달할 수 있다.
즉, 압축기(300)는 작동 유체의 전체 유량을 제어하는 역할을 하며, 동력을 터빈(600)의 출력에서 일부 제공받으므로 적정 압축비를 형성하기 위해 출력 변환부(910)를 제어할 수 있다.
압축기(300)의 압축비 및 압축할 작동 유체의 유량은 터빈(600)의 입구단에 구비된 유량 제어장치(650)와 연동하여 제어된다. 유량 제어장치(650)의 신호에 따라 출력 변환부(910)에서 터빈(600)의 출력을 적절히 조정하여 압축기(300)로 전달함으로써 압축기(300)의 출력이 제어될 수 있다. 이러한 압축기(300) 출력의 제어는 터빈(600)의 회전 속도 이하에서만 가변할 수 있다.
전술한 구성 외에 추가적으로 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에는 압축기(300)와 터빈(600)을 우회하는 바이패스 유로가 구비될 수 있다.
일반적인 구동 상황에서 쿨러(200)를 거쳐 압축기(300)로 보내진 작동 유체는 제1 히터(400)로 보내지고, 이를 위해 제1 히터(400)의 전단에는 압축기 순환 밸브(310)가 설치된다. 그러나 압축기 순환 밸브(310)가 폐쇄 상태를 유지하고 작동 유체를 압축기(300)의 후단으로 우회(bypass) 시킬 수 있다.
압축기(300)가 터빈(600)에 의해 구동되므로 작동 유체의 순환에 의해 터빈(600)이 구동되기 전까지는 압축기(300)를 구동시킬 수가 없다. 따라서 압축기(300)의 구동 전에 작동 유체를 순환시키기 위해 순환 펌프(330) 및 순환 펌프(330)를 구동하기 위한 구동 모터(350)가 추가로 구비되어야 한다.
순환 펌프(330) 및 구동 모터(350)는 압축기(300)의 전단에서 후단으로 바로 연결되는 압축기 우회 유로(830)가 구비되며, 압축기 우회 유로(830) 상에 압축기 우회 밸브(832)가 설치되어 압축기 우회 유로(830)를 개폐한다. 전술한 순환 펌프(330) 및 구동 모터(350) 역시 압축기 우회 유로(830) 상에 설치되며, 압축기 우회 밸브(832) 이전 단에 설치된다.
쿨러(200)를 통과한 작동 유체는 압축기(300)를 거치지 않고 순환 펌프(330) 및 압축기 우회 밸브(832)를 거쳐 제1 히터(400) 및 제2 히터(500)로 보내진다. 작동 유체의 우회 순환을 위해 압축기(300)의 후단에는 추가적인 차단 밸브(320)가 설치될 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 쿨러(200)를 통과한 작동 유체가 압축기(300)를 거치지 않고 바로 순환되며, 터빈(600)이 작동하기 시작하면 순환 펌프(330) 및 구동 모터(350)가 정지되고, 압축기 우회 밸브(832)가 차단 상태가 된다.
또한, 터빈(600)의 전단과 후단을 연결하는 터빈 우회 유로(850)가 구비되어 압축기(300)의 초기 구동 시 작동 유체가 시스템 내를 순환하더라도 터빈(600)을 거치지 않고 순환되도록 할 수 있다. 이를 위해, 터빈 우회 유로(850) 상에는 터빈 우회 밸브(852)가 설치되어 터빈 우회 유로(850)를 개폐한다.
터빈(600)을 거치지 않고 터빈 우회 유로(850)를 통해 빠져 나온 작동 유체는 리큐퍼레이터(700)로 보내지고, 압축기(300)를 거쳐 리큐퍼레이터(700)로 유입된 일부의 작동 유체를 복열시킨 후 쿨러(200)로 유입된다. 리큐퍼레이터(700)에서 열교환을 통해 복열된 작동 유체는 제1 히터(400)와 제2 히터(500)의 사이 분기점(A)으로 유입되어 제2 히터(500)로 공급될 수 있다.
초기 웜 업이 끝난 후 정상적으로 터빈(600)을 통과한 작동 유체 역시 리큐퍼레이터(700)로 보내진다. 이는 아직 고온인 작동 유체를 바로 쿨러(200)로 유입시켜 냉각하는 것보다 작동 유체가 가진 열을 압축기(300)를 거친 작동 유체를 복열하는데 사용한 후 쿨러(200)로 유입시켜 냉각시키는 것이 더 효율적이기 때문이다.
또한, 초기 웜 업 후 터빈(600)이 구동되면 압축기(300) 역시 구동이 가능해지므로 전술한 바와 같이 순환 펌프(330) 및 구동 모터(350)가 정지되고, 차단 밸브(320) 및 압축기 순환 밸브(310)가 개방된다.
전술한 실시 예에서 별도로 도면 부호를 부여하여 설명하지는 않았으나, 각종 제어 밸브들은 밸브의 개도 및 개폐 여부를 제어하는 별도의 컨트롤러를 통해 그 신호를 전달 받아 제어될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 출력 제어 장치는 컨트롤러를 포함해 전술한 제어 밸브들과 유량 제어장치, 출력 제어장치를 모두 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서 설명할 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 출력 제어 방법 역시 별도의 제어 주체를 설명하지 않더라도 컨트롤러가 제어 주체이며, 컨트롤러에 의해 각종 제어 밸브 및 유량 제어장치, 출력 제어장치가 제어될 수 있다. 또한, 컨트롤러는 발전 시스템 내의 일부 구성과 일체로 또는 별도로 구비될 수 있으며, 시스템 외부에 구비되어 무선 통신을 통해 제어 신호를 주고 받을 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 정속 터빈을 사용함으로써 AC/DC 컨버터의 사용이 불필요해 발전 출력에 제한이 없어지며, 그리드에 직접적인 전력 공급이 가능한 장점이 있다. 또한, 기어 박스 또는 출력 변환부와 같은 출력 제어장치를 사용해 터빈의 rpm을 변속함으로써 발전기의 특성에 맞게 터빈의 회전수 또는 토크를 제어할 수 있는 특성이 있다. 뿐만 아니라, 터빈의 구동력으로 압축기의 구동 및 제어가 가능하므로 시스템의 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
100: 이산화탄소 공급장치 200: 쿨러
300: 압축기 330: 순환 펌프
350: 구동 모터 400: 제1 히터
500: 제2 히터 600: 터빈
610: 발전기 630: 출력 제어장치
650: 유량 제어 장치 700: 리큐퍼레이터
800: 이송관 810: 분기 유로
830: 압축기 우회 유로 850: 터빈 우회 유로

Claims (32)

  1. 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 압축시키는 압축기와,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하는 히터와,
    상기 히터를 통과한 상기 작동 유체에 의해 회전 구동되는 터빈과,
    상기 터빈에 연결되어 구동되며 전력을 생산하는 발전기를 포함하며,
    상기 터빈은 상기 압축기에 구동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈은 정속 터빈인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 터빈의 출력을 조정하여 상기 압축기에 전달하는 출력 변환부와, 상기 터빈과 상기 출력 변환부를 연결하는 터빈 샤프트와, 상기 출력 변환부와 상기 압축기를 연결하는 압축기 샤프트를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압축기의 전단 및 후단을 연결하는 압축기 우회 유로와, 상기 압축기 우회 유로 상에 설치되는 구동 펌프와, 상기 구동 펌프를 가동하는 모터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 펌프는 상기 압축기의 초기 구동 시 상기 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 출력 변환부는 상기 터빈의 출력을 상기 압축기에 전달할 때, 상기 압축기의 부하에 대응하여 상기 터빈의 출력을 감소시켜 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 터빈의 전단에 설치되며, 상기 터빈으로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 유량 제어장치를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유량 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수보다 증가 또는 감소됨에 따라 상기 작동 유체가 상기 터빈을 우회하도록 제어하거나 상기 터빈으로 가는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 히터는 상기 압축기의 후단에 연결되는 제1 히터와, 상기 제1 히터의 후단에 연결되는 제2 히터를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에서 분기되며(분기점 A), 상기 제1 히터 및 제2 히터의 사이(분기점 B)로 연결되는 리큐퍼레이터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단 및 상기 쿨러의 전단에 연결되며, 상기 터빈을 거친 작동 유체로부터 열을 회수하여 상기 압축기를 거친 작동 유체를 복열하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 유량 제어장치의 전단과 상기 터빈의 후단을 연결하며, 상기 터빈으로 유입되는 상기 작동 유체의 일부 또는 전부를 우회시키는 터빈 우회 유로와, 상기 터빈 우회 유로 상에 설치되어 상기 터빈 우회 유로를 개폐하는 터빈 우회 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 터빈과 상기 발전기의 사이에 구비되며, 상기 발전기의 출력 주파수에따라 상기 터빈의 출력을 제어하는 출력 제어장치를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 출력 제어장치는 상기 발전기의 출력 주파수에 따라 상기 터빈의 회전수(rpm)를 감소시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 출력 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수 보다 높으면 상기 터빈의 출력을 낮추어 상기 발전기로 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 출력 제어장치는 기어 비(gear ratio)를 조정하여 상기 터빈의 출력을 감소시키는 기어 박스인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 작동 유체를 공급하는 이산화탄소 공급장치와,
    상기 이산화탄소 공급장치의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러의 후단에 연결되어 상기 작동 유체를 압축시키는 압축기와,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 가열하는 히터와,
    상기 히터를 통과한 상기 작동 유체에 의해 회전 구동되는 터빈과,
    상기 터빈에 연결되어 구동되며 전력을 생산하는 발전기와,
    상기 터빈과 상기 압축기를 연결하여 상기 압축기에 상기 터빈의 구동력을 전달하는 구동전달수단을 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 구동 전달 수단은 상기 터빈의 출력을 조정하여 상기 압축기에 전달하는 출력 변환부와, 상기 터빈과 상기 출력 변환부를 연결하는 터빈 샤프트와, 상기 출력 변환부와 상기 압축기를 연결하는 압축기 샤프트를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 출력 변환부는 상기 터빈의 출력을 상기 압축기에 전달할 때, 상기 압축기의 부하에 대응하여 상기 터빈의 출력을 감소시켜 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 압축기의 전단 및 후단을 연결하는 압축기 우회 유로와, 상기 압축기 우회 유로 상에 설치되는 구동 펌프와, 상기 구동 펌프를 가동하는 모터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 구동 펌프는 상기 압축기의 초기 구동 시 상기 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 터빈은 정속 터빈인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 터빈의 전단에 설치되며, 상기 터빈으로 공급되는 상기 작동 유체의 유량을 제어하는 유량 제어장치를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 유량 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수보다 증가 또는 감소됨에 따라 상기 작동 유체가 상기 터빈을 우회하도록 제어하거나 상기 터빈으로 가는 상기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 히터는 상기 압축기의 후단에 연결되는 제1 히터와, 상기 제1 히터의 후단에 연결되는 제2 히터를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에서 분기되며(분기점 A), 상기 제1 히터 및 제2 히터의 사이(분기점 B)로 연결되는 리큐퍼레이터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단 및 상기 쿨러의 전단에 연결되며, 상기 터빈을 거친 작동 유체로부터 열을 회수하여 상기 압축기를 거친 작동 유체를 복열하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 유량 제어장치의 전단과 상기 터빈의 후단을 연결하며, 상기 터빈으로 유입되는 상기 작동 유체의 일부 또는 전부를 우회시키는 터빈 우회 유로와, 상기 터빈 우회 유로 상에 설치되어 상기 터빈 우회 유로를 개폐하는 터빈 우회 밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 터빈과 상기 발전기의 사이에 구비되며, 상기 발전기의 출력 주파수에따라 상기 터빈의 출력을 제어하는 출력 제어장치를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 출력 제어장치는 상기 발전기의 출력 주파수에 따라 상기 터빈의 회전수(rpm)를 감소시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 출력 제어장치는 상기 터빈의 회전수가 상기 발전기의 출력 주파수에 대응하는 회전수 보다 높으면 상기 터빈의 출력을 낮추어 상기 발전기로 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 출력 제어장치는 기어 비(gear ratio)를 조정하여 상기 터빈의 출력을 감소시키는 기어 박스인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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