KR20160130551A - 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20160130551A
KR20160130551A KR1020150062435A KR20150062435A KR20160130551A KR 20160130551 A KR20160130551 A KR 20160130551A KR 1020150062435 A KR1020150062435 A KR 1020150062435A KR 20150062435 A KR20150062435 A KR 20150062435A KR 20160130551 A KR20160130551 A KR 20160130551A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
working fluid
heat exchanger
temperature turbine
heat
generator
Prior art date
Application number
KR1020150062435A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101719234B1 (ko
Inventor
노철우
강승규
황정호
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR1020150062435A priority Critical patent/KR101719234B1/ko
Priority to JP2017558015A priority patent/JP6641648B2/ja
Priority to EP16789576.2A priority patent/EP3293373B1/en
Priority to PCT/KR2016/000613 priority patent/WO2016178470A1/ko
Priority to US15/002,633 priority patent/US9926814B2/en
Publication of KR20160130551A publication Critical patent/KR20160130551A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101719234B1 publication Critical patent/KR101719234B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/08—Semi-closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)

Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과, 상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함한다.
본 발명에 따르면, 발전기를 구동하는 터빈을 병렬적으로 사용함으로써 터빈의 운전 RPM을 줄여 토크를 분산시킬 수 있다. 따라서 효율 저하의 요소 중 하나인 터빈의 고 RPM 문제를 해소할 수 있으며, 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 generation system}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템의 발전 효율을 향상시킬 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 있으며, 그 중 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 사이클의 특성상 고 RPM의 터빈을 사용하게 되는 경우, 토크 컨버터나 기어 박스 등을 이용해 발전기에 적합한 회전수로 터빈의 출력을 변환하여 전달해야 했다. 또는 인버터를 이용해 발전된 전력의 주파수를 변환해 일정한 출력 주파수를 낼 수 있도록 해야 했다. 따라서 이러한 종래의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 사이클 내의 여러 부분에서 동력 손실 및 효율 저하가 발생할 여지가 많으며, 추가적인 부품 및 공정에 의한 비용이 상승 문제가 있다.
일본특허공개 제2012-145092호 (공개일 2012. 08. 02)
본 발명의 목적은 병렬 팽창 방식의 캐스케이드 사이클을 적용해 최적의 효율을 제공하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과,고온 터빈 상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함한다.
상기 작동 유체의 플로우(flow)는 상기 압축기의 후단에서 제1 플로우와 제2 플로우로 나뉘며, 상기 제1 플로우는 상기 압축기에서 상기 제1 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체의 상기 제2 플로우가 유입되어 복열되는 제2 열교환기를 더 포함하며, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 저온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈은 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되면 상기 발전기로 구동력을 전달하고, 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되지 않으면 상기 발전기로 구동력을 전달하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈과 상기 저온 터빈 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고 다른 하나의 터빈은 상기 중공축에 삽입되어 있는 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 일측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하고, 상기 저온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 타측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기는 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체의 플로우는 상기 압축기의 후단에서 나뉘는 제3 플로우를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체의 상기 제3 플로우가 유입되어 복열되는 제4 열교환기와, 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 중온 터빈을 더 포함하며, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 중온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 중온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제3 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제4 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 후단에서 분배된 제1 플로우(first flow)의 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과, 상기 압축기의 후단에서 분배된 제2 플로우(second flow)의 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과, 상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기와 상기 고온 터빈의 사이에 구비되며, 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 제1 열교환기에서 복열된 상기 작동 유체에 전달하는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기의 후단에서 분배된 제3 플로우(third flow)의 상기 작동 유체와 열교환하는 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제4 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 한다.
상기 압축기의 후단에 구비되어 상기 작동 유체의 플로우(flow)를 상기 제1 플로우 내지 제3 플로우로 분배하는 분배기를 더 포함할 수 있다.
상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 중온 터빈을 더 포함하며, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 중온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 중온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제3 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제4 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기의 후단에서 상기 작동 유체를 복수의 플로우(flow)로 분배하는 분배기와, 상기 복수의 플로우 각각에 연결되어 상기 작동 유체와 열교환하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 복수의 터빈과, 상기 복수의 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함하며, 상기 복수의 터빈은 모두 발전기에 연결되어 회전하면서 상기 발전기를 구동하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 터빈 각각은 상기 발전기의 축의 외측면 상의 각각 다른 지점에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 터빈을 거친 상기 작동 유체는 각각 상기 복수의 열교환기 중 어느 하나로 유입되며, 상기 복수의 플로우는 상기 복수의 열교환기를 각각 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 터빈 중 어느 하나는 각각의 상기 복수의 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되면 상기 발전기로 구동력을 전달하고, 상기 작동 유체가 공급되지 않으면 상기 발전기로 구동력을 전달하지 않는 것을 특징으로 한다.
상 상기 복수의 터빈 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고, 나머지 터빈은 상기 중공축에 삽입되어 있는 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전기를 구동하는 터빈을 병렬적으로 사용함으로써 터빈의 운전 RPM을 줄여 토크를 분산시킬 수 있으며, 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 제2 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.
일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다.
사이클 내의 이산화탄소는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 이산화탄소 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 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 시스템에 복수의 팽창 장치인 터빈을 병렬 적용한 캐스케이드 사이클을 적용함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제안한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 싸이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 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 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 작동 유체를 압축시키는 압축기(200)와, 압축기(200)를 통과한 작동 유체의 일부와 열교환하는 제1 열교환기(300)와, 제1 열교환기(300)를 거친 작동 유체에 의해 구동되는 고온 터빈(600)과, 압축기(200)를 통과한 작동 유체의 나머지와 열교환하는 제2 열교환기(400)와, 제2 열교환기(400)를 거친 작동 유체에 의해 구동되는 저온 터빈(700)과, 고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)을 거친 작동 유체가 압축기(200)로 유입되기 전 냉각시키는 쿨러(100)와, 제1 열교환기(300)를 통과한 작동 유체를 재열하는 제3 열교환기(500)를 포함할 수 있다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.
고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)은 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(650)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 하며, 고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다.
여기서 고온 터빈(600)과 저온 터빈(700)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
이상의 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.
쿨러(100)로 주입된 기체 상태의 작동 유체는 냉각되면서 액체 상태로 상변화를 일으킨다. 쿨러(100)의 전단에는 작동 유체를 추가적으로 공급하거나 고온 터빈(600) 또는 저온 터빈(700)을 거친 작동 유체를 쿨러(100)로 주입시킬 수 있는 제1 헤더(50)가 구비될 수 있다. 제1 헤더(50)는 일종의 분배기 또는 작동 유체 공급기의 역할을 한다. 쿨러(100)의 후단에는 쿨러 유량 조절 밸브(102)가 구비되며, 플래쉬 탱크(150)로 주입되는 액체 상태의 작동 유체의 유량을 조절한다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 랭킨 사이클로 구성되는 경우, 작동 유체가 액체 상태와 기체 상태간의 상변화가 이루어지며, 플래쉬 탱크(150)는 액상의 작동 유체가 쿨러(100) 쪽으로 역류되지 않도록 하기 위한 구성이다. 쿨러(100)의 전단과 플래쉬 탱크(150)는 탱크 순환 바이패스 라인(160)에 의해 연결되고, 탱크 순환 바이패스 라인(160) 상에 탱크 순환 조절 밸브(162)가 설치될 수 있다. 탱크 순환 조절 밸브(162)가 개방되면 액화가 되지 않고 기체 상태로 남아있는 작동 유체가 탱크 순환 바이패스 라인(160)을 타고 쿨러(100)로 보내진다. 플래쉬 탱크(150)를 거친 액상의 작동 유체는 압축기(200)에서 고압으로 압축된다.
압축기(200)에서 압축된 고압의 작동 유체는 압축기(200)의 후단에서 2개의 플로우로 나누어질 수 있다. 작동 유체의 플로우(flow)는 압축기(200)의 후단에 구비된 제2 헤더(250)를 통해 제1 열교환기(300)로 보내지는 제1 플로우와, 제2 열교환기(400)로 보내지는 제2 플로우로 구분된다.
제2 헤더(250)에서 작동 유체의 유량 분배는 열전달량의 한계와 유량 및 엔탈피의 차이를 고려하여 시스템 설계 시 미리 설정될 수 있다. 일 예로, 고온 터빈(600) 쪽으로 보내지는 제1 플로우와 저온 터빈(700) 쪽으로 보내지는 제2 플로우의 비율은 60:40으로 설정될 수 있다. 그러나 외부의 열 에너지 유입량, 외부 기온의 변화량, 기동 상황인지 운전 상황인지 등에 따라 작동 유체의 유량 분배 설정이 달라질 수 있다. 추가적인 유량 분배의 기준으로는 폐열을 흡수하는 주 열교환기가 어느 것인가를 들 수 있으며, 주 열교환기 쪽으로 보내지는 작동 유체의 유량이 커지도록 설정할 수 있다.
제1 열교환기(300)에 연결되는 이송관 상에 설치된 제1 유량 조절 밸브(252)의 개방 시 제1 플로우는 제1 열교환기(300)로 보내진다. 제2 열교환기(400)에 연결되는 이송관 상에 설치된 제2 유량 조절 밸브(254)의 개방 시 제2 플로우는 제2 열교환기(400)로 보내진다.
제1 플로우를 따라 순환하는 작동 유체는 제1 열교환기(300) 및 제3 열교환기(500)를 거쳐 복열 및 가열된 후 고온 터빈(600)에서 팽창되고, 제2 열교환기(400)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 순환된다.
제2 플로우를 따라 순환하는 작동 유체는 제2 열교환기(400)를 거쳐 복열된 후 저온 터빈(700)에서 팽창되고, 제1 열교환기(300)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 순환된다.
여기서 제1 열교환기(300)는 작동 유체를 복열하는 저온의 리큐퍼레이터(recuperator)이며, 제2 열교환기(400)는 작동 유체를 복열하는 고온의 리큐퍼레이터이다. 여기서 저온 및 고온의 의미는 제1 열교환기(300)가 제2 열교환기(400)에 비해 상대적으로 저온이고 제2 열교환기(400)가 제1 열교환기(300)에 비해 상대적으로 고온임을 의미한다.
제3 열교환기(500)는 열원으로부터 열을 전달받아 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체에 전달한다. 여기서 열원으로는 예컨대 철강공장, 화학공장, 발전소, 연료운송라인 등 폐열을 배출하는 시설이나 기기 등의 될 수 있으며, 제3 열교환기(500)는 상기 열원들 이외에도 다양한 열원들로부터 열을 전달받는 데에 적합한 구조를 갖는 구성이 채용될 수 있다.
한편, 압축기(200)의 후단으로부터 압축기(200)의 전단으로 압축기 순환 라인(210)이 연결될 수 있으며, 압축기 순환 라인(210) 상에 압축기 순환 밸브(212)가 구비될 수 있다. 압축기 순환 밸브(212)에 의해 압축기(200)를 통과한 작동 유체가 제1 열교환기(300) 쪽으로 가지 않고 압축기(200)의 전단 쪽으로 바이패스 될 수 있다. 압축기 순환 밸브(212)는 시스템의 초기 기동 시(압축기의 초기 기동 시) 개방되며, 작동 유체가 터빈을 구동할 수 있을 정도로 웜 업(warm up)되기 전까지 작동 유체를 순환시키는 역할을 한다. 또한, 비상 시 안전 밸브 역할도 한다.
압축기(200)에서 압축된 후 제1 플로우를 따라 제1 열교환기(300)를 거치며 복열된 작동 유체는 제3 열교환기(500)를 거쳐 가열된 후 고온 터빈(600)으로 보내진다.
제3 열교환기(500)에서 고온 터빈(600) 측으로 연결된 작동 유체 이송관(610)에는 고압측 조절 밸브(612)가 구비되어 고온 터빈(600)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
고온 터빈(600)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(510)가 구비될 수 있다.
또한, 고압측 조절 밸브(612)의 전단에서 고온 터빈(600)의 후단으로 연결되는 고온 터빈측 우회 라인(620)이 구비될 수 있으며, 고온 터빈측 우회 라인(620) 상에는 우회 밸브(622)가 설치된다. 고압측 조절 밸브(612)와 우회 밸브(622)의 개폐 상태에 따라 작동 유체는 고온 터빈(600)으로 공급될 수도 있고, 고온 터빈(600)을 우회하여 바로 제2 열교환기(400)로 보내질 수도 있다.
이렇게 고온 터빈(600)을 통과한 작동 유체는 제2 열교환기(400)로 유입되며, 제2 플로우를 따라 제2 열교환기(400)로 유입된 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 제2 열교환기(400)에서 열을 빼앗긴 작동 유체는 제1 헤더(50)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 유입된다.
한편, 압축기(200)에서 압축된 후 제 2 플로우를 따라 제2 열교환기(400)를 거치며 복열된 작동 유체는 저온 터빈(700)으로 보내진다. 제2 열교환기(400)에서 저온 터빈(700) 측으로 연결된 작동 유체 이송관(710)에는 저압측 조절 밸브(712)가 구비되어 저온 터빈(700)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
저온 터빈(700)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(410)가 구비될 수 있다.
또한, 저압측 조절 밸브(712)의 전단에서 저온 터빈(700)의 후단으로 연결되는 저온 터빈측 우회 라인(720)이 구비될 수 있으며, 저온 터빈측 우회 라인(720) 상에는 우회 밸브(722)가 설치된다. 저압측 조절 밸브(712)와 우회 밸브(722)의 개폐 상태에 따라 작동 유체는 저온 터빈(700)으로 공급될 수도 있고, 저온 터빈(700)을 우회하여 바로 제1 열교환기(300)로 보내질 수도 있다.
저온 터빈(700)을 통과한 작동 유체는 제1 열교환기(300)로 유입되며, 제1 플로우를 따라 제1 열교환기(300)로 유입된 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 제1 열교환기(300)에서 열을 빼앗긴 작동 유체는 제1 헤더(50)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 유입된다.
제1 실시 예에서 고온 터빈(600)과 저온 터빈(700)은 모두 발전기(650)에 연결되어 있으며, 회전하면서 발전기(650)를 구동시켜 전력을 생산한다. 다만, 저온 터빈(700)에 작동유체가 유입되지 않는 경우에, 저온 터빈(700)은 발전기의 구동에는 전혀 기여하지 않고 오히려 고온 터빈(600)의 회전저항으로만 작용할 수 있다.
따라서, 제1 실시예의 제1 변형 예에서, 고온 터빈(600)과 저온 터빈(700) 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고, 다른 하나의 터빈은 이 중공축에 삽입되어 있는 축(이하, 삽입축이라 함) 상에 형성되며, 중공축과 삽입축은 발전기(650)에 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 다른 하나의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제1 실시 예의 제2 변형 예에서, 발전기(650)의 축에, 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 별개로 단속되는 구조가 채용될 수도 있다. 예컨대, 위 세 가지 축의 외측면의 적어도 일부 구간에 기어가 형성되어 있고, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 일측에 고온 터빈(600)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있으며, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 타측에 저온 터빈(700)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있는 경우를 상정할 수 있다.
또한, 제1 실시 예의 제2 변형 예에서 세 개의 축을 단속적으로 결합하는 구조로는 기어 구조뿐만 아니라, 벨트 구조나, 체인 구조 등을 비롯한 다양한 동력 연결 구조가 사용될 수 있으며, 각각의 축을 단속하는 과정이 원활하게 이루어질 수 있도록 다양한 구조의 클러치가 사용될 수 있다.
제2 변형 예는 제1 변형 예와 마찬가지로 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 다른 하나의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제1 실시 예의 제1 변형 예와 제2 변형 예에서 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 모두 발전기(650)의 축에 연결되어 구동력을 전달하고 있는 경우를 상정하였을 때, 발전기(650)의 축은 구동력을 두 개의 다른 축으로부터 나눠서 입력받고 있는 것이다. 따라서, 제1 변형 예와 제2 변형 예의 구조를 채용하면, 하나의 축으로부터 큰 구동력을 전달받는 경우에 비하여 발전기(650)의 축에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 발전기(650)의 축에 전달해야 하는 구동 토크를 나눠서 부담하고 있는 것이므로, 단 하나의 터빈의 축이 발전기(650)의 축에 큰 구동력을 전달해야 하는 경우에 비하여 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축 에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
특히, 사이클을 신속하게 가동하여야 하거나, 사이클의 정지 및 가동재개가 반복되는 경우를 비롯하여 RPM 및 출력이 빠르게 변화하는 경우에는, 특히 이러한 효과가 더욱 두드러진다.
이상에서는 팽창 장치인 2개의 터빈을 병렬 구비한 캐스케이드 사이클을 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하였다. 이하에서는 3개의 팽창 장치를 구비한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(제1 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 압축기(200) 후단의 제2 헤더(250)로부터 작동 유체가 제1 내지 제3 플로우로 구분되어 분배된다. 터빈은 고온 터빈(600), 중온 터빈(800), 저온 터빈(700)으로 3개가 구비될 수 있으며, 추가적으로 제4 열교환기(900)가 구비될 수 있다.
제1 유량 조절 밸브(252)의 개방 시 제1 플로우는 제1 열교환기(300)로 보내진다. 작동 유체는 제1 열교환기(300)에서 복열되고 제3 열교환기(500)에서 가열된 후 고온 터빈(600)으로 보내진다. 고온 터빈(600)에서 팽창된 작동 유체는 제2 열교환기(400)로 보내지고, 고온 터빈(600)을 통과한 작동 유체의 열은 제2 열교환기(400)에서 제2 플로우의 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 고온 터빈(600) 및 제2 열교환기(400)를 거친 작동 유체는 제1 헤더(50)를 통해 쿨러(100)로 다시 순환된다.
제2 유량 조절 밸브(254)의 개방 시 제2 플로우는 제2 열교환기(400)로 보내진다. 작동 유체는 제2 열교환기(400)에서 복열된 뒤 중온 터빈(800)으로 보내진다. 중온 터빈(800)에서 팽창된 작동 유체는 제4 열교환기(900)로 보내지고, 중온 터빈(800)을 통과한 작동 유체의 열은 제4 열교환기(900)에서 제3 플로우의 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 중온 터빈(800) 및 제4 열교환기(900)를 거친 작동 유체는 제1 헤더(50)를 통해 쿨러(100)로 다시 순환된다.
제4 열교환기(900)에 연결되는 이송관 상에 설치된 제3 유량 조절 밸브(256)의 개방 시 제3 플로우는 제4 열교환기(900)로 보내진다. 제3 플로우를 따라 순환하는 작동 유체는 제4 열교환기(900)를 거쳐 복열된 뒤 저온 터빈(700)으로 보내진다. 저온 터빈(700)에서 팽창된 작동 유체는 제1 열교환기(300)로 보내지고, 저온 터빈(700)을 통과한 작동 유체의 열은 제1 열교환기(300)에서 제1 플로우의 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 저온 터빈(700) 및 제1 열교환기(300)를 거친 작동 유체는 제1 헤더(50)를 통해 다시 쿨러(100)로 순환된다.
여기서 제1 열교환기(300)는 작동 유체를 복열하는 저온의 리큐퍼레이터(recuperator)이며, 제2 열교환기(400)는 작동 유체를 복열하는 고온의 리큐퍼레이터이다. 제4 열교환기(900)는 작동 유체를 복열하는 중온의 리큐퍼레이터이다. 여기서 저온, 중온 및 고온의 의미는 제1 열교환기(300)나 제4 열교환기(900)가 제2 열교환기(400)에 비해 상대적으로 저온 또는 중온이고 제2 열교환기(400)가 제1 열교환기(300) 및 제4 열교환기(900)에 비해 상대적으로 고온임을 의미한다.
한편, 제2 열교환기(400)에서 중온 터빈(800) 측으로 연결된 작동 유체 이송관(810)에는 중압측 조절 밸브(812)가 구비되어 중온 터빈(800)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다. 중온 터빈(800)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(미도시)가 구비될 수 있다. 그러나 본 실시 예에서는 편의상 배기 밸브가 구비되지 않은 것을 예로 하였다.
또한, 중압측 조절 밸브(812)의 전단에서 중온 터빈(800)의 후단으로 연결되는 중온 터빈측 우회 라인(820)이 구비될 수 있으며, 중온 터빈측 우회 라인(820) 상에는 우회 밸브(822)가 설치된다. 중압측 조절 밸브(812)와 우회 밸브(822)의 개폐 상태에 따라 작동 유체는 중온 터빈(800)으로 공급될 수도 있고, 중온 터빈(800)을 우회하여 바로 제4 열교환기(900)로 보내질 수도 있다.
제2 실시 예에서 고온 터빈(600)과 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700)은 모두 발전기(650)에 연결되어 있으며 회전하면서 발전기(650)를 구동시켜 전력을 생산한다. 다만, 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700)에 작동유체가 유입되지 않는 경우에, 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700)은 발전기의 구동에는 전혀 기여하지 않고 오히려 고온 터빈(600)의 회전저항으로만 작용할 수 있다.
따라서, 제2 실시예의 제1 변형 예에서, 고온 터빈(600)과 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700) 중 어느 하나의 터빈은 중공축(이하, 제1 중공축이라 함) 상에 형성되고, 나머지 둘 중 하나의 터빈은 제1 중공축에 삽입되어 있는 중공축(이하, 제2 중공축이라 함) 상에 형성되고, 남은 하나의 터빈은 제2 중공축에 삽입되어 있는 축(이하, 제3 축이라 함) 상에 형성되고, 제1 중공축과 제2 중공축과 제3 축은 발전기(650)에 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 하나 또는 두 개의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제2 실시예의 제2 변형 예에서, 발전기(650)의 축에 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 별개로 단속되는 구조가 채용될 수도 있다. 예컨대, 위 네 가지 축의 외측면의 적어도 일부 구간에 기어가 형성되어 있고, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 제1 측에 고온 터빈(600)의 축에 형성된 기어가 치합될 수 있다. 그리고 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 제2 측에 중온 터빈(800)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있고, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 제3 측에 저온 터빈(700)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있는 경우를 상정할 수 있다. 또한, 제2 변형 예에서 네 개의 축을 단속적으로 결합하는 구조로는 기어 구조뿐만 아니라, 벨트 구조나, 체인 구조 등을 비롯한 다양한 동력 연결 구조가 사용될 수 있다. 또한, 각각의 축을 단속하는 과정이 원활하게 이루어질 수 있도록 다양한 구조의 클러치가 사용될 수 있다. 제2 변형 예는 제1 변형 예와 마찬가지로 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 하나 또는 두 개의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제2 실시예의 제1 변형 예와 제2 변형 예에서 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 모두 발전기(650)의 축에 연결되어 구동력을 전달하고 있는 경우를 상정하였을 때, 발전기(650)의 축은 구동력을 세 개의 다른 축으로부터 나눠서 입력받고 있는 것이다. 따라서 제1 변형 예와 제2 변형 예의 구조를 채용하면, 하나의 축으로부터 큰 구동력을 전달받는 경우에 비하여 발전기(650)의 축에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 발전기(650)의 축에 전달해야 하는 구동 토크를 나눠서 부담하고 있는 것이므로, 단 하나의 터빈의 축이 발전기(650)의 축에 큰 구동력을 전달해야 하는 경우에 비하여 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
특히, 사이클을 신속하게 가동하여야 하거나, 사이클의 정지 및 가동재개가 반복되는 경우를 비롯하여 RPM 및 출력이 빠르게 변화하는 경우에는, 특히 이러한 효과가 더욱 두드러진다.
한편, 본 발명의 다양한 실시 예에서 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 하나 또는 그 이상의 터빈의 회전 속도가 변화하는 경우에도 발전기에서 균일한 주파수의 전기를 생산할 수 있도록, 하나 또는 그 이상의 터빈의 회전축과 발전기(650)의 회전축 사이에 변속기를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 다양한 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: 쿨러 200: 압축기
300: 제1 열교환기 400: 제2 열교환기
500: 제3 열교환기 600: 고온 터빈
650: 발전기 700: 저온 터빈
800: 중온 터빈 900: 제4 열교환기

Claims (29)

  1. 작동 유체를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와,
    상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와,
    상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과,
    상기 제1 열교환기와 상기 고온 터빈의 사이에 구비되어 상기 제1 열교환기에서 복열된 상기 작동 유체와 열교환하는 제3 열교환기와,
    상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체의 플로우(flow)는 상기 압축기의 후단에서 제1 플로우와 제2 플로우로 나뉘며, 상기 제1 플로우는 상기 압축기에서 상기 제1 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 작동 유체의 상기 제2 플로우가 유입되어 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저온 터빈은 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되면 상기 발전기로 구동력을 전달하고, 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되지 않으면 상기 발전기로 구동력을 전달하지 않는것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고온 터빈과 상기 저온 터빈 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고 다른 하나의 터빈은 상기 중공축에 삽입되어 있는 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 일측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하고, 상기 저온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 타측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 작동 유체의 플로우는 상기 압축기의 후단에서 나뉘는 제3 플로우를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 작동 유체의 상기 제3 플로우가 유입되어 복열되는 제4 열교환기와,
    상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 중온 터빈을 더 포함하며,
    상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 중온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 중온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제3 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제4 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 작동 유체를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기의 후단에서 분배된 제1 플로우(first flow)의 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와,
    상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과,
    상기 압축기의 후단에서 분배된 제2 플로우(second flow)의 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와,
    상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과,
    상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 열교환기와 상기 고온 터빈의 사이에 구비되며, 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 제1 열교환기에서 복열된 상기 작동 유체에 전달하는 제3 열교환기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에서 분배된 제3 플로우(third flow)의 상기 작동 유체와 열교환하는 제4 열교환기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제4 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에 구비되어 상기 작동 유체의 플로우(flow)를 상기 제1 플로우 내지 제3 플로우로 분배하는 분배기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 중온 터빈을 더 포함하며, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 중온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 중온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제3 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제4 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  25. 작동 유체를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기의 후단에서 상기 작동 유체를 복수의 플로우(flow)로 분배하는 분배기와,
    상기 복수의 플로우 각각에 연결되어 상기 작동 유체와 열교환하는 복수의 열교환기와,
    상기 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키는 복수의 터빈과,
    상기 복수의 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함하며,
    상기 복수의 터빈은 모두 발전기에 연결되어 회전하면서 상기 발전기를 구동하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 복수의 터빈 각각은 상기 발전기의 축의 외측면 상의 각각 다른 지점에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 복수의 터빈을 거친 상기 작동 유체는 각각 상기 복수의 열교환기 중 어느 하나로 유입되며, 상기 복수의 플로우는 상기 복수의 열교환기를 각각 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 터빈 중 어느 하나는 각각의 상기 복수의 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되면 상기 발전기로 구동력을 전달하고, 상기 작동 유체가 공급되지 않으면 상기 발전기로 구동력을 전달하지 않는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 복수의 터빈 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고, 나머지 터빈은 상기 중공축에 삽입되어 있는 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
KR1020150062435A 2015-05-04 2015-05-04 초임계 이산화탄소 발전 시스템 KR101719234B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150062435A KR101719234B1 (ko) 2015-05-04 2015-05-04 초임계 이산화탄소 발전 시스템
JP2017558015A JP6641648B2 (ja) 2015-05-04 2016-01-20 超臨界二酸化炭素発電システム
EP16789576.2A EP3293373B1 (en) 2015-05-04 2016-01-20 Supercritical carbon dioxide power generation system
PCT/KR2016/000613 WO2016178470A1 (ko) 2015-05-04 2016-01-20 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US15/002,633 US9926814B2 (en) 2015-05-04 2016-01-21 Supercritical CO2 generation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150062435A KR101719234B1 (ko) 2015-05-04 2015-05-04 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160130551A true KR20160130551A (ko) 2016-11-14
KR101719234B1 KR101719234B1 (ko) 2017-03-23

Family

ID=57218232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150062435A KR101719234B1 (ko) 2015-05-04 2015-05-04 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9926814B2 (ko)
EP (1) EP3293373B1 (ko)
JP (1) JP6641648B2 (ko)
KR (1) KR101719234B1 (ko)
WO (1) WO2016178470A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019107786A1 (ko) 2017-11-28 2019-06-06 한화파워시스템 주식회사 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US10570783B2 (en) 2017-11-28 2020-02-25 Hanwha Power Systems Co., Ltd Power generation system using supercritical carbon dioxide

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101623309B1 (ko) * 2015-06-18 2016-05-20 한국에너지기술연구원 초임계 이산화탄소 발전시스템
ITUB20156041A1 (it) * 2015-06-25 2017-06-01 Nuovo Pignone Srl Sistema e metodo a ciclo semplice per il recupero di cascame termico
KR101800081B1 (ko) * 2015-10-16 2017-12-20 두산중공업 주식회사 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템
KR101947877B1 (ko) * 2016-11-24 2019-02-13 두산중공업 주식회사 병렬 복열 방식의 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2018105841A1 (ko) * 2016-12-06 2018-06-14 두산중공업 주식회사 직렬 복열 방식의 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2018131760A1 (ko) * 2017-01-16 2018-07-19 두산중공업 주식회사 복합 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US10508568B2 (en) * 2018-03-16 2019-12-17 Uop Llc Process improvement through the addition of power recovery turbine equipment in existing processes
US11708766B2 (en) * 2019-03-06 2023-07-25 Industrom Power LLC Intercooled cascade cycle waste heat recovery system
KR20210006166A (ko) 2019-07-08 2021-01-18 한화파워시스템 주식회사 초임계 이산화탄소 엔진
WO2021181663A1 (ja) * 2020-03-13 2021-09-16 富士電機株式会社 超臨界流体発電システム
CN112523827A (zh) * 2020-11-30 2021-03-19 河北工业大学 一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统
CN112814755A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种高效超临界co2闭式循环动力系统
CN114370716B (zh) * 2021-11-30 2023-10-20 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 超临界二氧化碳压缩机系统
US11536164B1 (en) 2022-04-29 2022-12-27 Hamilton Sundstrand Corporation Closed-loop brayton cycle system with turbine blade cooling

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005299644A (ja) * 2004-03-18 2005-10-27 Hitachi Ltd 原子力発電システム
JP2010261389A (ja) * 2009-05-08 2010-11-18 Toshiba Corp 一軸型複合サイクル発電プラントの起動方法および一軸型複合サイクル発電プラント
JP2012145092A (ja) 2011-01-12 2012-08-02 Shintaro Ishiyama 超臨界二酸化炭素（ｃｏ２）圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ｃｏ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界ｃｏ２ガスタービン発電技術
KR20140064704A (ko) * 2010-11-29 2014-05-28 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 병렬 사이클 열 기관
JP2015025423A (ja) * 2013-07-26 2015-02-05 株式会社東芝 二酸化炭素循環発電システムおよび二酸化炭素循環発電方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2960825A (en) * 1955-10-19 1960-11-22 Thompson Ramo Wooldridge Inc Reexpansion gas turbine engine with differential compressor drive
US3971211A (en) * 1974-04-02 1976-07-27 Mcdonnell Douglas Corporation Thermodynamic cycles with supercritical CO2 cycle topping
JPH08177409A (ja) * 1994-12-27 1996-07-09 Toshiba Corp 蒸気タービンプラント
US7097925B2 (en) * 2000-10-30 2006-08-29 Questair Technologies Inc. High temperature fuel cell power plant
US7254951B2 (en) * 2003-01-07 2007-08-14 Lockwood Jr Hanford N High compression gas turbine with superheat enhancement
SE0900236A1 (sv) * 2009-02-24 2010-08-25 Euroturbine Ab Förfarande för drift av en gasturbinkraftanläggning och en gasturbinkraftanläggning
US8596075B2 (en) * 2009-02-26 2013-12-03 Palmer Labs, Llc System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid
JP2011256818A (ja) * 2010-06-11 2011-12-22 Motoaki Utamura 排熱回収パワープラントおよびコンバインドプラント
JP5584040B2 (ja) * 2010-08-02 2014-09-03 株式会社東芝 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法
US8887503B2 (en) * 2011-12-13 2014-11-18 Aerojet Rocketdyne of DE, Inc Recuperative supercritical carbon dioxide cycle
US20140000261A1 (en) * 2012-06-29 2014-01-02 General Electric Company Triple expansion waste heat recovery system and method
US9341084B2 (en) * 2012-10-12 2016-05-17 Echogen Power Systems, Llc Supercritical carbon dioxide power cycle for waste heat recovery
JP6038671B2 (ja) * 2013-02-01 2016-12-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 火力発電システム
WO2015047120A1 (en) * 2013-09-25 2015-04-02 Siemens Aktiengesellschaft Arrangement and method for the utilization of waste heat

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005299644A (ja) * 2004-03-18 2005-10-27 Hitachi Ltd 原子力発電システム
JP2010261389A (ja) * 2009-05-08 2010-11-18 Toshiba Corp 一軸型複合サイクル発電プラントの起動方法および一軸型複合サイクル発電プラント
KR20140064704A (ko) * 2010-11-29 2014-05-28 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 병렬 사이클 열 기관
JP2012145092A (ja) 2011-01-12 2012-08-02 Shintaro Ishiyama 超臨界二酸化炭素（ｃｏ２）圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ｃｏ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界ｃｏ２ガスタービン発電技術
JP2015025423A (ja) * 2013-07-26 2015-02-05 株式会社東芝 二酸化炭素循環発電システムおよび二酸化炭素循環発電方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019107786A1 (ko) 2017-11-28 2019-06-06 한화파워시스템 주식회사 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US10570783B2 (en) 2017-11-28 2020-02-25 Hanwha Power Systems Co., Ltd Power generation system using supercritical carbon dioxide

Also Published As

Publication number Publication date
KR101719234B1 (ko) 2017-03-23
JP2018519454A (ja) 2018-07-19
EP3293373A4 (en) 2019-01-23
US20160326916A1 (en) 2016-11-10
WO2016178470A1 (ko) 2016-11-10
EP3293373A1 (en) 2018-03-14
EP3293373B1 (en) 2020-03-04
JP6641648B2 (ja) 2020-02-05
US9926814B2 (en) 2018-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101719234B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US5634340A (en) Compressed gas energy storage system with cooling capability
US10371015B2 (en) Supercritical CO2 generation system for parallel recuperative type
KR101784553B1 (ko) 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템
US10400636B2 (en) Supercritical CO2 generation system applying plural heat sources
KR101674804B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
KR101628616B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US10309262B2 (en) Complex supercritical CO2 generation system
EP2369145A1 (en) Power generation system and method
AU2019215688A1 (en) Energy storage device and system
CN101529055A (zh) 热力发动机系统
US10344626B2 (en) Hybrid power generation system
US10526925B2 (en) Supercritical CO2 generation system for series recuperative type
KR101812919B1 (ko) 복합 초임계 이산화탄소 발전 시스템
KR101864983B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
KR101628619B1 (ko) 열교환기용 온도 제어 장치를 갖는 발전 시스템
JP2009097389A (ja) エネルギー回収機能を備えた減圧設備
US20170234170A1 (en) Supercritical co2 generation system applying plural heat sources
KR20170094580A (ko) 폐열 회수 발전 시스템
KR101822328B1 (ko) 복합 초임계 이산화탄소 발전 시스템
JP2009180101A (ja) エネルギー回収機能を備えた減圧設備
KR102153458B1 (ko) 초임계 랭킨 사이클 시스템
CN109386324B (zh) 发电设备及其控制方法
KR102083867B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
KR101797435B1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200102

Year of fee payment: 4