KR20170085851A - 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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김학수
김상현
장준태
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Abstract

본 발명은 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽 고온 영역부터 중온 영역을 거쳐 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽 저온 영역까지 복수 개가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 작동 유체의 온도 별로 열교환기를 적절히 배치하여 사용함으로써 효율적인 열교환 및 발전 시스템의 성능 향상이 가능해진다.

Description

복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 generation system applying plural heat sources}
본 발명은 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킨 복수의 열원을 활용한 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.
열원에 제약 조건이 있는 복수의 열원을 적용할 경우 시스템 구성이 복잡해지고 효과적인 열 이용이 어렵기 때문에 일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열원인 히터가 1개인 경우가 대부분이다. 따라서 시스템 구성이 한정적이고 효과적인 열원의 이용이 어려운 문제가 있다.
일본특허공개 제2012-145092호 (공개일 2012. 08. 02)
본 발명의 목적은 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킨 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽 고온 영역부터 중온 영역을 거쳐 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽 저온 영역까지 복수 개가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 작동 유체의 온도에 따라 상기 작동 유체를 상기 복수의 열교환기 중 어느 하나로 선택적으로 공급하는 제어 밸브를 더 포함한다.
상기 열교환기는 상기 저온 영역에 배치되는 제1 열교환기와, 상기 중온 영역에 배치되는 제4 열교환기와, 상기 고온 영역에 배치되는 제2 열교환기, 제3 열교환기, 제5 열교환기를 포함한다.
상기 제3 열교환기, 제5 열교환기, 제2 열교환기는 상기 고온 영역에서 상기 중온 영역을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 온도가 기준 온도 이하이면 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 이송하고, 상기 작동 유체의 온도가 상기 기준 온도를 초과하면 상기 작동 유체를 제4 열교환기로 이송하는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제1 리큐퍼레이터와, 상기 제1 리큐퍼레이터의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제2 리큐퍼레이터를 포함한다.
상기 기준 온도 이하의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 뒤, 상기 제1 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제2 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 어느 하나로 이송되는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 온도를 초과하는 상기 작동 유체는 상기 제2 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제4 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제5 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 다른 하나로 이송되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 어느 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 고온 터빈과, 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 다른 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 저온 터빈을 포함한다.
상기 고온 터빈은 상기 제3 열교환기에 연결되고, 상기 저온 터빈은 상기 제5 열교환기에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 7은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 열원을 활용한 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 발전기 또는 펌프가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 펌프에 연결된 터빈을 이용해 펌프를 구동한다. 터빈을 통과한 이산화탄소는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명에서는 열원으로 폐열 기체를 이용하는 복수의 히터가 구비되고, 사이클 내를 순환하는 작동 유체의 온도에 따라 복수의 히터를 적절히 분배하여 작동 유체가 순환하도록 함으로써 시스템 성능을 향상시킨 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 사이클 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 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 작동 유체를 순환시키는 펌프(100)와, 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환하는 복수의 리큐퍼레이터 및 열원과, 리큐퍼레이터 및 열원을 통과하며 가열된 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈(410, 430)과, 터빈(410, 430)에 의해 구동되는 발전기(450), 그리고 펌프(100)로 유입되는 작동 유체를 냉각시키는 쿨러(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(10)에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관(10)을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관(10)의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관(10)을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.
또한, 본 발명에서 설명하는 작동 유체의 온도는 여러 케이스 중 하나의 케이스를 예로 들어 설명한 것이므로, 절대적인 온도 값으로 이해되어서는 안될 것이다.
펌프(100)는 후술할 저온 터빈(410)에 의해 구동되며(도 1의 점선 참조), 쿨러(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 리큐퍼레이터 또는 열원으로 보내는 역할을 한다. 작동 유체의 순환 유로를 선택하기 위해 펌프(100)의 후단에는 3방향 밸브()가 설치되어 제어되는 것이 바람직하다.
리큐퍼레이터는 터빈(410, 430)을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체와 열교환하여 작동 유체를 1차로 냉각시킨다. 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내져 2차로 냉각된 후 펌프(100)로 보내진다. 펌프(100)를 통해 리큐퍼레이터로 보내진 작동 유체는 터빈(410, 430)을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열되고, 후술할 열원으로 공급된다. 본 실시 예에서 리큐퍼레이터(210, 230)는 2개로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다.
제1 리큐퍼레이터(210)는 후술할 제2 열교환기(310)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비되며, 제2 리큐퍼레이터(230)는 후술할 제4 열교환기(330)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비될 수 있다.
제1 리큐퍼레이터(210)로는 고온 터빈(430)을 통과한 유체의 유량(mt1) 및 저온 터빈(410)을 통과한 유체의 유량(mt2)이 합쳐진 유량(mt0, 이하 통합 유량이라고 정의함)이 분기되어 유입된다. 또한, 제1 리큐퍼레이터(210)를 거친 통합 유량(t0)이 다시 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된다. 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 유입되어 냉각된 후 다시 펌프(100)로 공급된다.
한편, 열원은 필요에 따라 복수 개로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서 열원은 제1 내지 제5 열교환기(310~350)로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다. 제1 내지 제5 열교환기(310~350)는 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하며, 폐열 기체의 배출 시 별도의 배출 규제 조건이 없는 열원이다.
제1 내지 제5 열교환기(310~350)는 폐열 기체와 사이클 내를 순환하는 작동 유체를 열교환하여 폐열 기체로부터 공급된 열로 작동 유체를 가열하는 역할을 한다.
또한, 제1 내지 제5 열교환기(310~350)는 폐열 기체의 온도에 따라 상대적으로 저온, 중온, 고온으로 구분할 수 있다. 즉, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽에 가까울수록 고온에서의 열교환이 가능하고, 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽에 가까울수록 저온에서의 열교환이 된다.
본 실시 예에서 제1 열교환기(310)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온이고, 제4 열교환기(340)는 상대적으로 중온이며, 제2 열교환기(320), 제3 열교환기(330) 및 제5 열교환기(350)는 상대적으로 고온인 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 좀더 상세히 설명하면, 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제3 열교환기(330), 제5 열교환기(350), 제2 열교환기(320), 제4 열교환기(340), 제1 열교환기(310)가 순차적으로 배치된 것을 예로 하여 설명하기로 한다.
펌프(100)를 통과하면서 냉각된 저온의 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내기 전 먼저 제1 열교환기(310)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열된다. 제1 열교환기(310)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과하며 터빈(410, 430)으로부터 배출되는 작동 유체와 열교환하여 다시 한번 가열된다. 이렇게 가열된 중온의 작동 유체는 제2 열교환기(320)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제3 열교환기(330)로 보내져 폐열 기체와 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온이 되며, 고온 터빈(430)으로 공급된다.
고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거치며 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제4 열교환기(340)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제5 열교환기(350)에서 3차로 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
터빈(410, 430)은 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈(410, 430)은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 고온 터빈(430)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 저온 터빈(410)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다.
여기서 고온 터빈(430)과 저온 터빈(410)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 작동 유체의 흐름에 따른 온도 변화에 대해 구체적인 예를 들어 설명하기로 한다.
먼저, 펌프(100)로부터 배출된 작동 유체의 온도가 섭씨 30~40도의 저온인 경우 저온 영역의 제1 열교환기(310)로 보내진다. 작동 유체는 제1 열교환기(310)에서 폐열 기체와 열교환하여 섭씨 70~80도로 가열된 상태에서 제1 리큐퍼레이터(210)로 이송된다.
제1 열교환기(310)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)에서 터빈(410, 430)을 통과한 작동 유체의 열을 흡수해 섭씨 200도 정도로 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 영역의 제2 열교환기(320)로 보내져 폐열 기체와 열교환하게 되고, 섭씨 250도까지 가열된다.
제2 열교환기(320)에서 가열된 작동 유체는 다시 제3 열교환기(330)로 이송되어 섭씨 300~400도까지 가열된 후 고온 터빈(430)으로 보내져 고온 터빈(430)을 구동시킨다.
작동 유체가 고온 터빈(430)을 구동시킬 수 있을 정도로 충분히 가열시키기 위해 처음부터 고온 영역의 열교환기로 작동 유체를 이송하면 저온의 작동 유체가 목표로 하는 온도에 이르기까지 많은 열량이 요구되며 시스템 효율이 저하된다. 따라서 본 발명에서는 저온 영역의 제1 열교환기(310)에서 작동 유체를 먼저 가열한 후 고온 영역의 제2 열교환기(320) 및 제3 열교환기(330)를 순차적으로 통과하도록 함으로써 작동 유체를 효율적으로 가열할 수 있다.
한편, 펌프(100)로부터 배출된 작동 유체의 온도가 섭씨 40도를 초과하는 온도인 경우, 펌프(100)를 통해 배출된 작동 유체는 중온 영역의 제4 열교환기(340) 쪽으로 보내지는 것이 바람직하다((여기서는 작동 유체의 온도가 40도인 경우를 기준 온도로 하여 기준 온도 이하이면 제1 열교환기로 보내고, 기준 온도를 초과하면 제4 열교환기 쪽으로 보내는 것을 예로 하여 설명함. 그러나 기준 온도는 시스템 설정에 따라 달라질 수 있음).
펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230)에서 터빈(410, 430)을 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 작동 유체로부터 열을 흡수해 섭씨 70~80도의 중온으로 가열될 수 있다.
제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체는 제4 열교환기(340)에서 폐열 기체와 열교환해 섭씨 약 150도 정도로 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 영역의 제5 열교환기(350)로 보내져 섭씨 300도까지 가열된 후 저온 터빈(410)으로 이송되어 저온 터빈(410)을 구동시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 고온 영역의 열교환기를 2개의 번들로 나누고(제2 및 제3 열교환기가 하나의 번들, 제5 열교환기가 다른 하나의 번들임), 고온 영역의 열교환기는 고온의 작동 유체를 만드는데 사용하게 된다(제1 열교환기 및 제1 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 가열함). 저온 영역의 열교환기(제1 열교환기)는 쿨러 및 펌프를 거친 저온의 작동 유체를 가열하는데 사용하게 된다. 또한, 중온 영역의 열원(제4 열교환기)으로 펌프 및 제2 리큐퍼레이터를 거친 중온의 작동 유체를 가열하는데 사용하게 된다.
이렇게 작동 유체의 온도 별로 열교환기를 적절히 배치하여 사용함으로써 효율적인 열교환 및 발전 시스템의 성능 향상이 가능해진다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열교환기의 개수 및 폐열 온도 영역 별 배치에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 이하에서는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(설명의 편의를 위해 제1 실시 예와 동일한 구성 및 기능에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예 역시 제1 내지 제5 열교환기가 구비될 수 있다.
제2 실시 예에서, 제1 열교환기(310a)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제2 열교환기(320a), 제3 열교환기(330a), 제5 열교환기(350a)는 상대적으로 고온 영역에, 제4 열교환기(340a)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제3 열교환기(330a), 제5 열교환기(350a), 제2 열교환기(320a), 제4 열교환기(340a), 제1 열교환기(310a)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310a)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320a)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330a)로 보내진다. 작동 유체는 제3 열교환기(330a)에서 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압의 유체가 된 후 고온 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310a)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310a)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제4 열교환기(340a)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제5 열교환기(350a)에서 3차로 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제4 열교환기가 구비될 수 있다.
제3 실시 예에서, 제1 열교환기(310b)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제2 열교환기(320b), 제4 열교환기(340b)는 상대적으로 고온 영역에, 제3 열교환기(330b)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제4 열교환기(340b), 제2 열교환기(320b), 제3 열교환기(330b), 제1 열교환기(310b)가 순차적으로 배치될 수 있다.
전술한 실시 예들과 달리 펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 복열되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 매우 낮아 좀더 많은 열량을 필요로 할 경우에 해당된다.
그 후 작동 유체는 제3 열교환기(330b)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열되고, 제4 열교환기(340b)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈(430)을 구동시킨다. 고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 리큐퍼레이터(210)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 열교환기(310b)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제2 열교환기(350b)에서 3차로 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제6 열교환기가 구비될 수 있다.
제4 실시 예에서, 제1 열교환기(310c)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제3 열교환기(330c), 제6 열교환기(360c)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320c), 제4 열교환기(340c) 및 제5 열교환기(350c)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제6 열교환기(360c), 제3 열교환기(330c), 제5 열교환기(350c), 제2 열교환기(320c), 제4 열교환기(340c), 제1 열교환기(310c)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 복열되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 매우 낮아 많은 열량을 필요로 할 경우에 해당된다.
그 후 작동 유체는 제4 열교환기(340c)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열되고, 제5 열교환기(350c)와 제6 열교환기(360c)를 순차적으로 통과하면서 폐열 기체와 열교환해 3차 및 4차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈(430)을 구동시킨다. 고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 리큐퍼레이터(210)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 열교환기(310c)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제2 열교환기(320) 및 제3 열교환기(330c)를 순차적으로 거치면서 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제6 열교환기가 구비될 수 있다.
제5 실시 예에서 제1 열교환기(310d)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제4 열교환기(340d), 제6 열교환기(360d)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320d), 제3 열교환기(330d) 및 제5 열교환기(350d)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제4 열교환기(340d), 제6 열교환기(360d), 제3 열교환기(330d), 제2 열교환기(320d), 제5 열교환기(350d), 제1 열교환기(310d)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310d)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320d)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330d)로 보내진다. 제3 열교환기(330d)를 통과한 작동 유체는 제4 열교환기(340d)를 통과한다. 작동 유체는 제3 열교환기(330d) 및 제4 열교환기(340d)를 순차적으로 통과하면서 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압의 유체가 된 후 고온 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310d)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310d)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제5 열교환기(350d)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제6 열교환기(360d)에서 3차로 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제6 열교환기가 구비될 수 있다.
제6 실시 예에서 제1 열교환기(310e)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제4 열교환기(340e), 제6 열교환기(360e)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320e), 제3 열교환기(330e) 및 제5 열교환기(350e)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제4 열교환기(340e), 제6 열교환기(360e), 제2 열교환기(320e), 제3 열교환기(330e), 제5 열교환기(350e), 제1 열교환기(310e)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310e)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320e)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330e)로 보내진다. 이때 제3 열교환기(330e)는 제2 열교환기(320e)와 제5 열교환기(350e)의 사이인 중온 영역에 배치되어 있다. 제3 열교환기(330e)를 통과한 작동 유체는 고온 영역의 제4 열교환기(340e)를 통과하며 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압의 유체가 된 후 고온 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310e)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310e)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310e)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제5 열교환기(350e)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 고온 영역에 배치된 제6 열교환기(360e)에서 3차로 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 7은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제7 열교환기가 구비될 수 있다.
제7 실시 예에서 제1 열교환기(310f)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제5 열교환기(350f), 제7 열교환기(370f)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320f), 제3 열교환기(330f), 제4 열교환기(340f) 및 제6 열교환기(360f)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제5 열교환기(350f), 제7 열교환기(370f), 제4 열교환기(340f), 제2 열교환기(320f), 제3 열교환기(330f), 제6 열교환기(360f), 제1 열교환기(310f)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320f)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330f)로 보내진다. 이때 제3 열교환기(330f)는 제2 열교환기(320f)와 제6 열교환기(360f)의 사이인 중온 영역에 배치되어 있다. 제3 열교환기(330f)를 통과한 작동 유체는 중온 영역의 제4 열교환기(340f)를 통과하며 한번 더 가열된 뒤 고온 영역의 제5 열교환기(350f)로 보내진다. 제4 열교환기(340f) 및 제5 열교환기(350f)에서 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압이 된 작동 유체는 고온 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310f)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제6 열교환기(360f)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 고온 영역에 배치된 제7 열교환기(370f)에서 3차로 가열되어 저온 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
전술한 실시 예들에서 열교환기의 숫자가 증가할수록 터빈의 유입단 쪽 작동 유체의 온도가 상승하므로 터빈의 구동 효율 및 전체적인 시스템의 열효율이 향상되는 효과가 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: 펌프 210: 제1 리큐퍼레이터
230: 제2 리큐퍼레이터 310: 제1 열교환기
320: 제2 열교환기 330: 제3 열교환기
340: 제4 열교환기 350: 제5 열교환기
410: 고온 터빈 430: 저온 터빈
450: 발전기 500: 쿨러

Claims (10)

  1. 작동 유체를 순환시키는 펌프와,
    외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와,
    상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과,
    상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽 고온 영역부터 중온 영역을 거쳐 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽 저온 영역까지 복수 개가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 작동 유체의 온도에 따라 상기 작동 유체를 상기 복수의 열교환기 중 어느 하나로 선택적으로 공급하는 제어 밸브를 더 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 저온 영역에 배치되는 제1 열교환기와, 상기 중온 영역에 배치되는 제4 열교환기와, 상기 고온 영역에 배치되는 제2 열교환기, 제3 열교환기, 제5 열교환기를 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 열교환기, 제5 열교환기, 제2 열교환기는 상기 고온 영역에서 상기 중온 영역을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 온도가 기준 온도 이하이면 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 이송하고, 상기 작동 유체의 온도가 상기 기준 온도를 초과하면 상기 작동 유체를 제4 열교환기로 이송하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제1 리큐퍼레이터와, 상기 제1 리큐퍼레이터의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제2 리큐퍼레이터를 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 온도 이하의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 뒤, 상기 제1 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제2 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 어느 하나로 이송되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 온도를 초과하는 상기 작동 유체는 상기 제2 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제4 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제5 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 다른 하나로 이송되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 어느 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 고온 터빈과, 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 다른 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 저온 터빈을 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고온 터빈은 상기 제3 열교환기에 연결되고, 상기 저온 터빈은 상기 제5 열교환기에 연결되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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