KR20170131591A - 초임계 이산화탄소 발전 시스템용 다목적 핀치 포인트 회피 환열기 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 시스템용 다목적 핀치 포인트 회피 환열기 Download PDF

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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

초임계 이산화탄소의 변경 가능한 열 특성이 열 효율의 상당한 손실 없이 수용될 수 있는 이러한 방식으로, 작동 유체의 2개의 스트림의 열 에너지를 축적 및 회수하도록, 비드 충전된 전환 탱크들을 이용하는 대안적인 환열 방법 및 장치를 채용하는 초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템 및 방법.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템용 다목적 핀치 포인트 회피 환열기
(관련 출원에 대한 교차 참조)
본 출원은 "초임계 이산화탄소 발전 시스템용 다목적 핀치 포인트 회피 환열기(VERSATILE PINCH POINT AVOIDDANCE RECUPERATOR FOR SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE POWER GENERATION SYSTMES)"라는 발명의 명칭으로 2015년 3월 25일자로 출원된 미국 가특허출원 제 62/137,848 호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로, 브레이턴 사이클(Brayton cycle)을 채용하는 발전 시스템에 관한 것이고, 특히, 작동 유체로서 초임계 이산화탄소(sCO2)를 사용하는 것에 관한 것이다.
작동 유체로서 초임계 CO2를 갖는 브레이턴 사이클을 사용하는 발전이 현재 연구되고 있다. 초임계 이산화탄소는 이산화탄소의 임계 온도 및 임계 압력에서 또는 그 초과에서 유지되는 유체 상태의 이산화탄소이다. 이산화탄소는 보통, 표준 온도 및 압력에서의 공기 내의 기체로서, 또는 얼렸을 때 드라이 아이스로 불리는 고체로서 행동한다. 온도 및 압력이 표준 온도 및 압력에서의 이산화탄소에 대한 임계점 또는 그 임계점을 초과하는 경우, 이산화탄소는 기체와 액체 사이의 중간의 특성을 채용할 수 있다. 특히, 초임계 이산화탄소는 임계 온도(304.25Κ) 및 임계 압력(72.9atm 또는 7.39㎫) 초과의 초임계 유체로서 행동하여, 기체지만, 액체와 유사한 밀도를 갖는 기체와 같이, 초임계 이산화탄소의 컨테이너를 충전하도록 팽창된다.
브레이턴 사이클은 정압, 급열 및 방열을 사용하는 열역학적 사이클이다. 연료 및 압축기는 가스, 즉, 작동 유체를 가열하고, 이 작동 유체의 압력을 증가시키는데 사용되고, 가스는 팽창되어 발전기에 연결되는 경우에 전기를 생성하는 터빈의 블레이드를 회전시킨다. 초임계 CO2 브레이턴 사이클을 사용하는 발전은 저압 스트림으로부터의 열을 고압 스트림으로 전달하는 환열기를 필요로 한다. 전형적으로, 환열기는 폐열을 회수하기 위해, 가스 취급 시스템의 급기 또는 배기 스트림 내에, 또는 산업 공정의 배기가스 내에 위치된 특수 목적용 역류 에너지 회수 열교환기이다. 역류 열교환기의 형태의 단순한 환열기는 2개의 스트림, 즉, 터빈으로부터 압축기로 복귀하는 스트림과, 압축기로부터 열원으로 복귀하는 스트림 내의 sCO2의 가변적인 열 특성 때문에, sCO2를 사용하는 브레이턴 사이클 적용에서 이러한 기능을 효율적으로 수행할 수 없다. 환열기 내에서 큰 온도차를 발생시키는 부조화가 존재하는 이러한 방식으로, 2개의 스트림에서의 열용량이 온도에 의해 달라진다. 이는 열 효율의 손실을 야기한다. 다수의 환열기 및 다수의 압축기를 사용하여 저온 스트림 유동을 분할하는 다양한 개선책이 존재하지만, 이러한 해결책은 모두, 시스템 복잡성을 증가시키고, 열 효율의 일부 손실을 겪는다.
본 발명의 추가의 이해는 첨부 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 작동 유체로서 sCO2를 채용하는 브레이턴 발전 사이클의 일 실시예 및 환열기를 위한 본 발명의 일 실시예의 개략도.
본 발명은 sCO2의 가변적인 열 특성이 열 효율의 상당한 손실 없이 수용될 수 있는 이러한 방식으로, 작동 유체의 2개의 스트림의 열 에너지를 축적 및 회수하도록, 비드로 충전된 탱크의 전환 뱅크를 이용하는 대안적인 환열 방법 및 장치를 제공한다. 하나의 바람직한 실시예가 작동 유체로서 초임계 CO2를 채용하는 브레이턴 사이클(10)을 개락적으로 도시하는 도 1에 도시된다. 원자로와 같은 열원(12)은 제 2 폐쇄 루프(20)를 통해 순환되는 작동 유체, 즉, sCO2와 열교환 관계에 있는 종래의 열교환기(18)를 통해 연장되는 폐쇄 루프(16)를 통해 펌프(14)에 의해 펌핑되는 액체 나트륨과 같은 열전달 유체를 가열한다. 가열된 작동 유체는 터빈(22)으로 안내되고, 유용한 일을 생성하도록 터빈을 회전시킨다. 그 다음에, 작동 유체는 터빈(22)으로부터 탱크(24, 26) 중 어느 하나를 통과하여, 히트 싱크(30) 및 압축기(28)를 통해 폐쇄 루프(20)의 저부 부분으로 이송된다. 히트 싱크는 작동 유체가 압축기로 들어가기 전에, 작동 유체의 온도를 낮춘다. 열교환기(30)는 히트 싱크, 예를 들면, 대기 중으로의 폐쇄 브레이턴 사이클 저온측 방열을 제공한다.
작동 유체는 압축기(28)에서 빠져나가고, 탱크(24, 26) 중 다른 하나를 통해 구동되어, 열교환기(18)로 복귀하여 회로를 완성한다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 열전달 루프(16)의 열원(12)을 빠져나가는 열전달 유체는 대략 1036℉(831°Κ)의 온도 및 약 145psia(1㎫)의 압력으로 열교환기(18)의 1차측을 빠져나가고, 열교환기(18)의 1차측을 통해 이송된다. 열전달 유체는 대략 932℉(773°Κ)의 온도 및 약 145psia(1㎫)의 압력으로 열교환기(18)의 1차측을 빠져나가고, 순환 펌프(14)에 의해 열원(12)으로 복귀된다. 작동 유체는 대략 1022℉(823°Κ)의 온도 및 약 2900psia(20㎫)의 압력으로 열교환기(18)의 2차측을 빠져나가고, 터빈(22)으로 들어가서, 온도가 대략 815℉(708°Κ)로 감소되고, 압력은 약 1115psia(8㎫)로 감소된다. 탱크(24, 26) 중 하나 또는 다른 하나가 히트 싱크의 입구를 가로지른 후에, 작동 유체 온도는 대략 212℉(373°Κ)로 더 감소되고, 압력은 1115psia(8㎫)로 유지된다. 히트 싱크(30)를 가로지른 후에, 온도는 대략 90℉(305°Κ)로 더 감소되고, 압력은 1115psia(8㎫)로 유지된다. 압축기(28) 및 탱크(24, 26) 중 다른 하나를 가로지른 후에, 작동 유체는 대략 750℉(672°Κ)의 온도 및 약 2900psia(20㎫)의 압력으로 열교환기(18)의 2차측으로 복귀된다. 상기는 대략 5000lb/s(2268Kg/s)의 열전달 루프(16)를 통한 열전달 유체의 질량 유동(mass flow)과, 탱크의 상류측의 작동 유체의 질량 유동 및 대략 5290lb/s(2400Kg/s)의 압축기와 열교환기(18) 사이의 작동 유체의 질량 유동, 및 대략 5290lbs/s(2400Kg/s)의 탱크와 압축기 입구 사이의 작동 유체의 질량 유동을 가정하였다. 이러한 값은 단지 예시적일 뿐이고, 이후에 기재되는 특허청구범위의 범위로부터 일탈하는 일 없이 변경될 수도 있다.
바람직한 실시예는 다수의 및 바람직하게 기다란 탱크, 즉, 모래, 비드, 또는 세라믹 재료와 같은 넓은 표면적 및 높은 용량을 갖는 임의의 다른 다공성 매체의 형태를 취할 수 있는 축열 매체(48)로 충전되는 2개 이상의 탱크를 채용한다. 넓은 표면적을 갖는 고체 필러 재료(48)는 작동 유체로부터 열을 흡수 및 보유하고, 작동 유체로 열을 전달한다. 바람직하게, 각 탱크는 동일한 필러 재료를 사용한다. 탱크는 밸브(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44 및 46)와 함께 파이핑되어, 각 탱크는 압축기(28)를 빠져나가서 가열될 스트림 또는 터빈을 빠져나가서 냉각될 스트림에 개별적으로 연결될 수 있다. 냉각될 스트림은 주로 저온 필러 재료를 포함하는 탱크 중 하나(24 또는 26)로 지향되는 동시에, 가열될 스트림은 주로 고온 재료를 포함하는 탱크(24, 26) 중 다른 하나로 지향된다. 스트림은 탱크의 필러 재료로 또는 필러 재료로부터 열 에너지를 계속해서 전달한다. 탱크 필러 재료가 열 평형에 도달하기 전에, 그리고 탱크의 배기 온도가 상당히 변화되기 시작하기 바로 전에, 원래의 유동 스트림은 차단되고, 반대 스트림(opposite stream)이 그 탱크를 통해 이전에 흘렀던 유동의 반대 방향의 입구를 갖는 탱크로 지향된다. 다른 탱크에 대해서도 마찬가지이다. 그 다음에, 제 1 스트림에 의해 저장된 열 에너지는 필러 재료로부터 제 2 스트림으로 전달된다. 주기적으로, 각 탱크의 내용물이 축열 용량에 도달한 경우, 유동은 전환되고, 최적의 수행을 위해 필요에 따라 2개의 유동 스트림 사이에서 교호한다. 물론, 임의의 소정의 시간 동안에 각 스트림에 연결된 탱크의 대략 절반부를 갖는 2개 이상의 탱크가 채용될 수도 있다. 대안적으로, 탱크 사이에서 회전하는 스트림을 갖는 홀수의 탱크가 또한 채용될 수도 있다. 열교환기(30)는 작동 유체가 압축기(28)로 들어가기 전에, 이 작동 유체로부터 열을 추출하기 위한 히트 싱크이다. 비-원자핵 열원을 사용하는 다른 실시예에 있어서, 열전달 유체 루프(16)는 완전히 제거될 수도 있고, 열원, 예를 들면, 천연 가스 불꽃은 CO2 브레이턴 사이클에 열 에너지를 공급하도록, 열교환기(18)를 통해 직접 안내될 수 있다.
따라서, 본 발명은 열교환기 핀치 포인트, 즉, 온도차가 최소인 포인트에 관련된 문제점을 해결하도록 중간의 축열 매체를 사용한다. 본 발명은 축열 매체 내에서 급격한 열 구배를 유지하도록 스트림 유동 방향을 교호시키는 것을 사용하고, 유사-연속 작업(pseudo-continuous operation)을 제공하도록 탱크의 전환 뱅크를 사용한다. 채용된 열교환 구성은 종래의 해결책에 비해 매우 저가이고, 컴팩트하며, 플러깅에 강하다. 초임계 CO2는 매우 유망한 발전 사이클이지만, 브레이턴 사이클의 저온측에서의 작동 유체의 열 특성, 즉, 열용량 및 열 전달은 이 디자인의 채택을 방해하였다. 본 발명은 이러한 문제점에 대한 단순하고 저가의 해결책을 제공한다.
본 발명의 구체적인 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 상세사항에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 첨부된 특허청구범위의 최대 범위 및 그것의 임의의 그리고 모든 등가물로 주어지는 본 발명의 범위에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.

Claims (11)

  1. 초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템(10)에 있어서,
    작동 유체를 가열하기 위한 열원(18)과,
    상기 열원(18)을 빠져나가는 작동 유체와 유체 연통하여 있는 터빈(22)으로서, 상기 터빈(22)은 상기 열원을 빠져나가는 작동 유체를 위한 입구와, 상기 터빈을 빠져나가는 작동 유체를 위한 출구를 구비하는, 상기 터빈(22)과,
    상기 터빈(22)의 출구와 유체 연통하여 있고, 상기 터빈을 빠져나가는 작동 유체를 위한 입구와, 상기 열원(18)과 유체 연통하여 상기 작동 유체를 상기 열원으로 다시 연통시키기 위한 출구를 구비하는 압축기(28)와,
    넓은 표면적을 갖는 고체 필러 재료(48, 50)의 비드를 각각 수용하는 복수의 탱크(24, 26)를 포함하는 다목적 핀치 포인트 회피 환열기를 포함하고,
    상기 비드는 열을 흡수, 보유 및 전달하는 재료로 구성되고, 상기 탱크는 상기 압축기(28)와 상기 터빈(22) 사이에 밸브 구성체로 병렬로 연결되고, 상기 밸브 구성체는 상기 탱크 중 적어도 일부 상의 입구를 상기 터빈의 출구에, 그리고 상기 탱크 중 일부 상의 출구를 상기 압축기의 입구에 연결하고, 또한 상기 탱크 중 다른 일부 상의 출구를 상기 열원의 입구에, 그리고 상기 탱크 중 다른 일부 상의 입구를 상기 압축기의 출구에 연결하여, 상기 탱크 중 일부를 통과하는 유동이 상기 탱크 중 다른 일부를 통과하는 유동과 역류 관계에 있도록 하며, 밸브 시스템은 상기 탱크 중 일부와 상기 탱크 중 다른 일부 사이의 역류 관계를 유지하면서 상기 유동을 교대로 반전시키도록 작동 가능한
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 필러 재료는 모래(48)를 포함하는
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 필러 재료는 세라믹(50)을 포함하는
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기(28)는 72.9atm 또는 7.39㎫ 이상의 압력으로 상기 작동 유체를 압축하는
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원(18)은 304.25Κ 이상의 온도로 상기 작동 유체를 가열하는
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탱크(24) 중 적어도 일부, 또는 상기 탱크(26) 중 다른 일부와 유체 연통하여, 상기 작동 유체가 상기 압축기(28)로 빠져나가게 하는 히트 싱크(30)를 포함하고, 상기 작동 유체는 상기 압축기로 들어가기 전에, 상기 히트 싱크를 통과하는
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(30)는 상기 압축기로 들어가는 작동 유체의 온도를 100℉ 내지 140℉만큼 감소시키는
    초임계 이산화탄소 발전 브레이턴 사이클 시스템.
  8. 발전 브레이턴 사이클 시스템(10)에서 작동 유체로서 초임계 이산화탄소를 이용하는 방법에 있어서,
    상기 발전 브레이턴 사이클 시스템(10)은,
    작동 유체를 가열하기 위한 열원(18)과, 상기 열원(18)을 빠져나가는 작동 유체와 유체 연통하여 있는 터빈(22)으로서, 상기 터빈(22)은 상기 열원을 빠져나가는 작동 유체를 위한 입구와, 상기 터빈을 빠져나가는 작동 유체를 위한 출구를 구비하는, 상기 터빈(22)과, 상기 터빈(22)의 출구와 유체 연통하여 있고, 상기 터빈을 빠져나가는 작동 유체를 위한 입구와, 상기 열원(18)과 유체 연통하여 상기 작동 유체를 상기 열원으로 다시 연통시키기 위한 출구를 구비하는 압축기(28)와, 넓은 표면적을 갖는 고체 필러 재료의 비드를 각각 수용하는 복수의 탱크(24, 26)를 포함하는 다목적 핀치 포인트 회피 환열기를 포함하고, 상기 비드는 열을 흡수, 보유 및 전달하는 재료로 구성되고, 상기 탱크는 상기 압축기(28)와 상기 터빈(22) 사이에 밸브 구성체로 병렬로 연결되고, 상기 밸브 구성체는 상기 탱크 중 적어도 일부 상의 입구를 상기 터빈의 출구에, 그리고 상기 탱크 중 일부 상의 출구를 상기 압축기의 입구에 연결하고, 또한 상기 탱크 중 다른 일부 상의 출구를 상기 열원의 입구에, 그리고 상기 탱크 중 다른 일부 상의 입구를 상기 압축기의 출구에 연결하여, 상기 탱크 중 일부를 통과하는 유동이 상기 탱크 중 다른 일부를 통과하는 유동과 역류 관계에 있도록 하며, 밸브 시스템은 상기 탱크 중 일부와 상기 탱크 중 다른 일부 사이의 역류 관계를 유지하면서 상기 유동을 교대로 반전시키도록 작동 가능하며,
    상기 방법은,
    상기 열원(16)으로 상기 작동 유체를 가열하는 단계와,
    상기 작동 유체를 상기 터빈(22)의 입구를 통해 통과시키는 단계와,
    상기 작동 유체를 상기 터빈(22)을 통해 팽창시키는 단계와,
    상기 터빈(22)의 출구를 빠져나가는 상기 작동 유체를 상기 다목적 핀치 포인트 회피 환열기의 탱크 중 일부(24, 26) 상의 입구로 이송시키는 단계와,
    상기 다목적 핀치 포인트 회피 환열기의 탱크 중 일부(24, 26) 상의 출구를 빠져나가는 작동 유체를 상기 압축기(28) 상의 입구로 안내하는 단계와,
    상기 압축기(28) 내에서 상기 작동 유체를 압축시키는 단계와,
    상기 압축기(28) 상의 출구를 빠져나가는 작동 유체를 상기 다목적 핀치 포인트 회피 환열기의 탱크 중 다른 일부(26, 24) 상의 입구로 지향시키는 단계와,
    상기 다목적 핀치 포인트 회피 환열기의 탱크 중 다른 일부(26, 24) 상의 출구를 빠져나가는 작동 유체를 상기 열원(16)으로 복귀시키는 단계를 포함하는
    초임계 이산화탄소 이용 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발전 브레이턴 사이클 시스템(10)은, 상기 탱크 중 적어도 일부(24, 26) 또는 상기 탱크 중 다른 일부(26, 24)와 유체 연통하여, 상기 작동 유체가 상기 압축기(28)로 빠져나가게 하는 히트 싱크(30)를 포함하고, 상기 방법은 상기 작동 유체가 상기 압축기(28)의 입구로 들어가기 전에, 상기 히트 싱크(30)에서 상기 작동 유체를 냉각하는 단계를 더 포함하는
    초임계 이산화탄소 이용 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    사전선택된 기간 후에, 상기 밸브 구성체(32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46)를 재구성하는 단계를 포함하고, 상기 탱크 중 일부(24, 26)를 통과하는 유동 및 상기 탱크 중 다른 일부(26, 24)를 통과하는 유동의 역류 관계가 주기적인 시간 후에 역전되는
    초임계 이산화탄소 이용 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 사전선택된 기간은 상기 탱크 필러 재료를 통과하는 상기 작동 유체와 상기 탱크 필러 재료가 열 평형에 도달하기 이전인
    초임계 이산화탄소 이용 방법.
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