KR20160139674A - 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치 - Google Patents

천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 천연가스 공급계통에서 폐압으로 발전하는 장치에 있어서: 케이싱(11)의 내부에 터빈(15)을 구비하여 가스감압에 의한 회전력을 발생하는 팽창기(10); 상기 터빈(15)에 샤프트(21)로 연결되어 회전하는 다수의 영구자석(25)을 구비하는 회전자(20); 상기 회전자(20)의 영구자석(25)에 대향하여 케이싱(11)의 외부에 배치되는 코일(35)을 구비하는 고정자(30); 및 상기 고정자(30)에서 생성되는 전력을 설정된 패턴으로 변환하는 발전제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 천연가스를 공급하는 계통에서 감압과정의 폐기 압력을 이용하여 발전함에 비접촉 방식을 기반으로 전력을 생성하여 유지관리 비용을 절감하고 내구성 약화를 방지하는 효과가 있다.

Description

천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치{Power generation apparatus using turbo expander of NG supply pipeline}
본 발명은 발전장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 천연가스를 감압하여 공급하는 계통에서 폐기되는 압력을 이용하여 전기를 생산하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치에 관한 것이다.
통상적으로 액화천연가스(LNG)는 초저온으로 저장되고 고압기화 후 전국의 주배관망을 통하여 각 지역의 공급자(도시가스사)에 제공된다. 공급자는 공급관리소에서 감압된 천연가스를 받아 다시 감압 후 발전소, 산업체, 일반가정 등의 수요처에 제공한다. 이러한 천연가스 공급계통에서 폐기되는 에너지가 상당량에 이르므로 이를 회수하기 위한 관심이 지속적으로 높아지고 있다.
이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1118564호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1450922호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 가스 배관 시스템 내부의 가스 압력차로 회전하는 터빈, 터빈 축에 설치되는 회전자, 회전자를 에워싸는 고정자를 기반으로 전기를 발생하는 발전 유니트를 제안한다. 이에 따라, 가스 배관 시스템에서 가스를 감압하는 과정에서 소멸되는 압력에너지를 전기에너지로 변환함으로써 화석연료에 의한 전기에너지의 일부를 대체하면서 탄소의 배출량을 줄이는 효과를 기대한다.
그러나, 이는 천연가스 공급계통에 적용하기 위한 구체적인 구성을 제시하지 않아 지속적인 개량의 여지가 크다.
선행문헌 2에 의하면, 압축 가스의 유동으로부터 동력을 회수하기 위한 기계에 있어서, 터보-팽창기 휠을 갖는 터보-팽창기 및 회전자와 고정자를 갖는 발전기를 포함하며, 상기 회전자는 상기 터보-팽창기 휠에 의해 구동될 수 있고, 상기 터보-팽창기와 상기 회전자는 소정 길이의 파이프 내에 수용되며, 상기 터보-팽창기 휠의 앞면은 발전기와 대면하는 구성을 제안한다. 이에 주요부의 냉각과 예열에 따른 효율성을 제고하는 효과를 기대한다.
그러나, 이는 전력선과 신호선을 부싱으로 인출하는 것만 언급하여 회전체와 결선되는 부분에서 기계적 마모가 유추되므로 내구성 측면의 한계성을 지닌다.
1. 한국 등록특허공보 제1118564호 "가스관의 기압차를 이용한 마이크로 발전장치" (공개일자 : 2011. 3. 31.) 2. 한국 등록특허공보 제1450922호 "동력 회수 기계" (공개일자 : 2009. 6. 3.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 천연가스를 공급하는 계통에서 감압과정의 폐기 압력을 이용하여 발전함에 비접촉 방식을 기반으로 전력을 생성하여 유지관리 비용을 절감하고 내구성 약화를 방지하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 천연가스 공급계통에서 폐압으로 발전하는 장치에 있어서: 케이싱의 내부에 터빈을 구비하여 가스감압에 의한 회전력을 발생하는 팽창기; 상기 터빈에 샤프트로 연결되어 회전하는 다수의 영구자석을 구비하는 회전자; 상기 회전자의 영구자석에 대향하여 케이싱의 외부에 배치되는 코일을 구비하는 고정자; 및 상기 고정자에서 생성되는 전력을 설정된 패턴으로 변환하는 발전제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 팽창기의 샤프트에 반경류형 터빈을 설치하는 경우 회전자는 케이싱의 일단에 결합된 외통체에 수용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 팽창기의 샤프트에 축류형 터빈을 설치하는 경우 회전자는 지지대를 개재하여 케이싱의 중앙에 수용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 회전자의 샤프트에는 회전속도 변동을 축소하도록 플라이휠을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 발전제어수단은 전력변환기를 제어하여 설정된 전류ㆍ전압ㆍ주파수로 변환하고, 유량제어밸브를 제어하여 팽창기의 가스유량을 설정범위로 유지하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 천연가스를 공급하는 계통에서 감압과정의 폐기 압력을 이용하여 발전함에 비접촉 방식을 기반으로 전력을 생성하여 유지관리 비용을 절감하고 내구성 약화를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 발전제어수단을 개략적으로 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 천연가스 공급계통에서 폐압으로 발전하는 장치에 관하여 제안한다. 천연가스 공급계통은 생산기지에서 공급관리소(한국가스공사)와 공급자(도시가스사)를 거쳐 발전소, 산업용, 가정ㆍ상업용 등으로 연결되는 제반 관로를 의미한다. 폐압 발전과 관련하여 천연가스 공급계통을 예시하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 팽창기(10)가 케이싱(11)의 내부에 터빈(15)을 구비하여 가스감압에 의한 회전력을 발생하는 구조이다. 팽창기(10)는 터보팽창기(turbo expander)의 역할을 수행하는 케이싱(11)을 구비한다. 천연가스는 공급계통에 연결된 케이싱(11)의 흡입구(12)와 배출구(13)로 유동하면서 감압된다. 공급관리소와 공급자의 설계ㆍ운영 조건에 따라 천연가스의 감압 범위가 달라지고 이에 적절한 폐압 발전량도 비례적으로 설정된다.
또, 본 발명에 따르면 다수의 영구자석(25)을 구비하는 회전자(20)가 상기 터빈(15)에 샤프트(21)로 연결되어 회전하는 구조이다. 회전자(20)의 영구자석(25)은 높은 보자력, 저온특성, 내부식성을 지닌 소재를 사용한다. 설치대상의 발전량을 고려하여 페라이트, 알니코, 사마륨, 네오디움(Nd-Fe-B) 소결자석 등에서 선택할 수 있다. 강도약화(취성)를 보완하도록 각각의 홀더(24) 상에 수용한 상태로 샤프트(21)의 외주면에 결합하는 것이 좋다. 도 3에서 3개의 N극 영구자석(25)과 3개의 S극 영구자석(25)이 샤프트(21) 상에 교호로 배치됨을 예시한다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 팽창기(10)의 샤프트(21)에 반경류형 터빈(15)을 설치하는 경우 회전자(20)는 케이싱(11)의 일단에 결합된 외통체(17)에 수용되는 것을 특징으로 한다. 도 1에서 케이싱(11)의 가스유동과 직교하는 방향으로 반경류 방식의 터빈(15)이 설치되고, 케이싱(11)의 일단으로 직경이 축소된 외통체(17)에 회전자(20)가 수용된다. 외통체(17)는 케이싱(11)보다 투자율이 높으면서 동일한 강도를 지니는 소재를 사용한다. 샤프트(21)는 케이싱(11)의 외부에서 베어링(22)으로 지지할 수도 있고 도시에는 생략하나 케이싱(11)의 내부에서 베어링(22)으로 지지할 수도 있다. 어느 경우에나 영구자석(25)은 외통체(17)의 내면과 일정한 갭을 유지한다.
이때, 도 1에서 샤프트(21) 상에 하나의 회전자(20)를 예시하지만 축방향으로 일정한 간격의 복렬로 구성할 수도 있다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 팽창기(10)의 샤프트(21)에 축류형 터빈(15)을 설치하는 경우 회전자(20)는 지지대(27)를 개재하여 케이싱(11)의 중앙에 수용되는 것을 특징으로 한다. 도 2에서 케이싱(11)의 가스유동과 동일한 방향으로 축류 방식의 터빈(15)이 설치되고, 지지대(27)에 의해 지지되는 샤프트(21)의 중간에 회전자(20)가 고정된다. 지지대(27)의 하단은 케이싱(11)의 내면에 결합할 수도 있고 도시처럼 외부로 노출시켜 결합할 수도 있다. 어느 경우에나 영구자석(25)은 케이싱(11)의 내면과 일정한 갭을 유지한다.
이때, 도 2에서 샤프트(21) 상에 하나의 회전자(20)를 예시하지만 축방향으로 일정한 간격의 복렬로 구성할 수도 있다.
또, 본 발명에 따르면 고정자(30)가 상기 회전자(20)의 영구자석(25)에 대향하여 케이싱(11)의 외부에 배치되는 코일(35)을 구비하는 구조이다. 고정자(30)는 케이싱(11)의 외면에 밀착 상태로 결합되는 다수의 코어(32) 상에 각각의 코일(35)을 구비한다. 도 3에서 6개의 영구자석(25)에 대응하여 6개의 코일(35)을 예시하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 회전자(20)의 샤프트(21)에는 회전속도 변동을 축소하도록 플라이휠(28)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 1에서 플라이휠(28)은 가스유동의 영향이 적은 부분에 설치됨을 예시한다. 터빈(15)을 중심으로 회전자(20)와 플라이휠(28)의 중량을 유사하게 설정하는 것이 좋다.
또, 본 발명에 따르면 발전제어수단(40)이 상기 고정자(30)에서 생성되는 전력을 설정된 패턴으로 변환하는 구조이다. 발전제어수단(40)은 케이싱(11)의 외면에 설치된 다수의 코일(35)을 병렬회로로 연결하여 전력을 생성한다. 결선부가 케이싱(11) 외면의 고정자(30)에 정지된 상태(스테이터)이므로 로터리 방식을 배제하고 직접 결선이 가능하여 마모에 의한 내구성 약화를 방지할 수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 발전제어수단(40)은 전력변환기(42)를 제어하여 설정된 전류ㆍ전압ㆍ주파수로 변환하고, 유량제어밸브(48)를 제어하여 팽창기(10)의 가스유량을 설정범위로 유지하는 것을 특징으로 한다. 발전제어수단(40)의 컨트롤러(46)는 전력변환기(42), 배터리(44), 유량제어밸브(48) 등을 제어하도록 연결된다. 전력변환기(42)는 다수의 코일(35)에서 생성되는 전력을 설정된 규격으로 변환한다. 배터리(44)는 필요에 따라 전력변환기(42)의 직류를 저장하고 피동체(도시 생략)에 제공한다. 유량제어밸브(48)는 팽창기(10)의 배출구(13)에 설치되고 가스압력 변동에 대응하여 PI 제어방식으로 터빈(15)의 유량을 변동한다.
한편, 회전자(20)와 고정자(30)의 코어는 물론 중간에 개재되는 케이싱(11)도 투자율을 높이는 소재가 바람직하다. 일예로 규소강판을 적층한 형태 보다는 철을 그대로 이용하는 것이 구조상으로 간결하고 투자율 측면에서 유리하다.
물론 본 발명의 발전장치는 발전효율을 향상하는 것에 초점을 두지 않으며 배출구(13)에서 설정된 가스압력 범위를 유지하는 감압기능을 우선으로 한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 팽창기 11: 케이싱
12: 흡입구 13: 배출구
15: 터빈 17: 외통체
20: 회전자 21: 샤프트
24: 홀더 25: 영구자석
27: 지지대 28: 플라이휠
30: 고정자 32: 코어
35: 코일 40: 발전제어수단
42: 전력변환기 46: 컨트롤러
48: 유량제어밸브

Claims (5)

  1. 천연가스 공급계통에서 폐압으로 발전하는 장치에 있어서:
    케이싱(11)의 내부에 터빈(15)을 구비하여 가스감압에 의한 회전력을 발생하는 팽창기(10);
    상기 터빈(15)에 샤프트(21)로 연결되어 회전하는 다수의 영구자석(25)을 구비하는 회전자(20);
    상기 회전자(20)의 영구자석(25)에 대향하여 케이싱(11)의 외부에 배치되는 코일(35)을 구비하는 고정자(30); 및
    상기 고정자(30)에서 생성되는 전력을 설정된 패턴으로 변환하는 발전제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창기(10)의 샤프트(21)에 반경류형 터빈(15)을 설치하는 경우 회전자(20)는 케이싱(11)의 일단에 결합된 외통체(17)에 수용되는 것을 특징으로 하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창기(10)의 샤프트(21)에 축류형 터빈(15)을 설치하는 경우 회전자(20)는 지지대(27)를 개재하여 케이싱(11)의 중앙에 수용되는 것을 특징으로 하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자(20)의 샤프트(21)에는 회전속도 변동을 축소하도록 플라이휠(28)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전제어수단(40)은 전력변환기(42)를 제어하여 설정된 전류ㆍ전압ㆍ주파수로 변환하고, 유량제어밸브(48)를 제어하여 팽창기(10)의 가스유량을 설정범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 천연가스 공급계통의 터보팽창 발전장치.
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