KR20170141514A - 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 연료를 연소시키는 퍼니스와, 상기 퍼니스에서 발생된 열에 의해 가열된 작동 유체를 공급받아 작동되는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 통과한 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 순환되고, 상기 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상변화가 없는 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 이용하므로 열교환 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 별도의 공기 예열기를 설치하지 않고 직접 연소 방식을 적용한 발전 시스템 자체의 고온 열원인 터빈 출구 유량을 이용해 공기를 예열하고, 압축기 출구의 저온 열원을 이용해 배기 가스의 열 회수가 가능하므로 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 power generation system of direct fired type}
본 발명은 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상변화가 없는 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 이용해 시스템 자체적으로 연소 공기를 예열하고 배기 가스의 열을 회수할 수 있는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
화력발전은 열원 및 원동기에 따라서 크게 기력발전, 내연력발전, 특수화력발전으로 나누어진다.
기력발전은 석탄석유 등의 화석 연료를 연소시킬 때 발생하는 열에너지로 증기를 만들고 이것을 열기관에 보내어 기계적 에너지를 얻고 이 기계적 에너지로 회전기를 회전시킴으로써 전기적 에너지를 얻는 방식이다. 원자력발전은 연료가 원자력에 의한 열이라는 점을 제외하면 석탄이나 중유에 의한 발전과 같으며, 기력발전에 포함된다. 내연력발전은 기체연료 또는 액체연료를 기화시킨 다음 점화, 폭발될 때 얻어지는 고압력의 가스를 직접 이용해서 기계적 에너지를 얻고 이 기계적 에너지를 이용하여 회전기를 회전시킴으로써 전기적 에너지를 얻는 방식이다. 내연력발전은 디젤기관을 원동기로 하는 것이 예비전원으로 오래 전부터 사용되어 왔다. 특수화력발전은 열공급발전, 폐열이용발전, 이류식발전, 지열발전, 가스터빈발전 등이 있다. 가스터빈발전은 내연력발전과 더불어 주로 자가용으로 사용되어 왔다. 이러한 화력 발전의 일 예가 한국특허등록 제1259515호에 개시되어 있다.
그런데 이러한 종래의 화력 발전은 터빈 출구에 2개의 상(2 phase)이 존재하므로 습분(moisture)에 의한 손실이 발생해 터빈의 효율이 제한되는 문제가 있다. 이와 관련하여, 작동 유체인 물의 상 변화에 필요한 에너지가 공급되어야 하므로 열원과 작동 유체, 냉각원과 작동 유체의 열교환이 비효율적인 단점도 존재한다. 또한, 직접 가열로(direct firing heater)에 드럼(drum)이 설치되어 기수분리가 일어나고, 전체 시스템 효율을 높이기 위해 터빈 내부의 스팀을 추기(extraction)해 급수 온도를 올려주어야 하므로 시스템 및 구성 기기 설계가 복잡한 문제가 있다.
한국특허등록 제1259515호(등록일 2013.04.24)
전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 상변화가 없는 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 이용해 시스템 자체적으로 연소 공기를 예열하고 배기 가스의 열을 회수하여 발전 효율을 향상시킬 수 있는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 연료를 연소시키는 퍼니스와, 상기 퍼니스에서 발생된 열에 의해 가열된 작동 유체를 공급받아 작동되는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 통과한 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 순환되고, 상기 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 특징으로 한다.
상기 터빈의 후단에 구비되어 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터 및 상기 퍼니스로 분기하는 제1 세퍼레이터를 더 포함 한다.
상기 제1 세퍼레이터를 통해 상기 퍼니스로 분기된 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 냉각되어 상기 퍼니스 외부로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 세퍼레이터를 통해 상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부와 열교환해 냉각되는 것을 특징으로 한다.
상기 쿨러의 전단에 구비되어 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 배출된 상기 작동 유체와, 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 혼합해 상기 쿨러로 공급하는 제1 믹서를 더 포함 한다.
상기 압축기의 배출단에 구비되어 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 퍼니스 및 상기 리큐퍼레이터로 각각 분기시키는 제2 세퍼레이터를 더 포함 한다.
상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 일부는 상기 리큐퍼레이터에서 상기 제1 세퍼레이터를 통해 분기된 상기 작동 유체에 의해 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 나머지는 상기 퍼니스로부터 배출되는 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 퍼니스는 상기 배기 가스의 배출단 쪽에 구비되어 상기 배기 가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저와, 상기 퍼니스의 연소부 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 리히터(reheater)와, 상기 퍼니스의 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터(superheater)를 포함한다.
상기 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터의 후단에 구비되어 상기 이코노마이저를 통과한 상기 작동 유체와, 상기 제2 세퍼레이터를 거쳐 상기 리큐퍼레이터를 통과하면서 가열된 상기 작동 유체를 혼합하는 제2 믹서를 더 포함한다.
상기 리히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터에서 가열된 후 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 연료를 연소시키는 퍼니스와, 상기 퍼니스에서 발생된 열에 의해 가열된 작동 유체를 공급받아 작동되는 터빈과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환하는 리큐퍼레이터와, 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와, 상기 쿨러를 통과한 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며, 상기 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소이고, 상기 퍼니스를 거쳐 상기 압축기에 이르는 사이클은 폐루프(close loop) 인 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.
상기 터빈의 후단에 구비되어 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터와 상기 퍼니스로 각각 분기하는 제1 세퍼레이터를 더 포함하고, 상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부와 열교환해 냉각되며, 상기 퍼니스로 분기된 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 냉각되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체의 열교환 후 온도와, 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 예열한 후의 상기 작동 유체의 온도가 서로 동일하도록 상기 제1 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량이 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 쿨러의 전단에 구비되어 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 배출된 상기 작동 유체와, 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 혼합해 상기 쿨러로 공급하는 제1 믹서를 더 포함한다.
상기 압축기의 배출단에 구비되어 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 퍼니스 및 상기 리큐퍼레이터로 각각 분기시키는 제2 세퍼레이터를 더 포함 한다.
상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 일부는 상기 리큐퍼레이터에서 상기 제1 세퍼레이터를 통해 분기된 상기 작동 유체에 의해 가열되고, 상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 나머지는 상기 퍼니스로부터 배출되는 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 퍼니스는 상기 배기 가스의 배출단 쪽에 구비되어 상기 배기 가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저와, 상기 퍼니스의 연소부 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 리히터(reheater)와, 상기 퍼니스의 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터(superheater)를 포함한다.
상기 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 세퍼레이터를 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 열교환 후 상기 작동 유체의 온도와, 상기 이코노마이저를 거친 상기 작동 유체의 온도가 동일하도록 상기 제2 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량이 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터의 후단에 구비되어 상기 이코노마이저를 통과한 상기 작동 유체와, 상기 제2 세퍼레이터를 거쳐 상기 리큐퍼레이터를 통과하면서 가열된 상기 작동 유체를 혼합하는 제2 믹서를 더 포함한다.
상기 리히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터에서 가열된 후 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 상변화가 없는 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 이용하므로 열교환 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 별도의 공기 예열기를 설치하지 않고 직접 연소 방식을 적용한 발전 시스템 자체의 고온 열원인 터빈 출구 유량을 이용해 공기를 예열하고, 압축기 출구의 저온 열원을 이용해 배기 가스의 열 회수가 가능하므로 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 스팀 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 도 1에 따른 스팀 사이클의 엔트로피-온도 변화를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 도 3에 따른 초임계 이산화탄소 사이클의 엔트로피-온도 변화를 도시한 그래프,
도 5는 도 3에 따른 초임계 이산화탄소 사이클의 엔탈피-압력 변화를 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용하며, 작동 유체를 발전 시스템 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)로 구성된다.
사이클 내의 초임계 이산화탄소 작동 유체(이하 작동 유체)는 압축기를 통과한 후 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되며, 충분히 가열된 작동 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되어 전력을 생산한다. 전력의 생산에 이용된 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
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 시스템이란 사이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 일반적인 스팀 발전 시스템을 도시한 모식도이고, 도 2는 도 1에 따른 스팀 사이클의 엔트로피-온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 발전 시스템은 석탄 등의 화석 연료를 퍼니스(60)로 공급하여 연소시키고, 퍼니스(60)에서 발생된 열에너지가 물을 스팀(steam)으로 상변화시켜 스팀 터빈(10)으로 공급해 전력을 생산한다.
퍼니스(60) 내의 수퍼히터(Superheater, 과열기, 68)를 거친 스팀은 스팀 터빈(10)으로 전달되어 스팀 터빈(10)을 구동시킨다(도 2의 ①).
스팀 터빈(10)을 통과한 스팀은 컨덴서(condenser, 응축기, 20)로 이송되어 냉각되고(도 2의 ②), 냉각된 물은 응축 펌프(30)에 의해 급수 가열기(Feed water heater, 40)로 보내진다. 스팀 터빈(10)에서 일부 추기된 스팀은 급수 가열기(40)로 일부 보내져 작동 유체인 물을 일차적으로 가열하는 역할을 한다.
급수 가열기(40)로 유입된 물은 퍼니스 공급 펌프(50)에 의해 퍼니스(60)의 이코너마이저(Economizer, 절탄기, 62) 또는 연료 가스 쿨러로 보내진다.
이코노마이저(62)는 퍼니스(60)의 배기단 쪽에 구비되며, 퍼니스(60)에서의 연료 연소 후 배기되는 배기 가스의 폐열을 이용해 급수를 가열해 기수 분리가 일어나는 드럼(64)으로 공급한다.
드럼(64)은 퍼니스(60) 내에 구비되며, 가열된 물이 상변화를 일으켜 물과 스팀이 분리되는 곳이다. 분리된 스팀은 수퍼 히터(68)를 거쳐 증기 터빈(10)으로 보내진다. 드럼(64) 내의 물은 퍼니스(60)의 연소단 상부에 구비된 리히터(reheater, 재열기, 66)로 보내져 가열된 뒤 다시 드럼(64)으로 보내진다(도 2의 ⑨).
퍼니스(60)의 배기 가스 배출부와 연료의 연소를 위한 공기가 유입되는 공기 유입부에는 에어 프리히터(air preheater, 69)가 구비되며, 배기 가스의 폐열을 이용해 퍼니스(60)로 유입되는 공기를 예열해 연소부로 보내는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 터빈(10)의 팽창일을 최대화하기 위해 스팀 터빈(10)의 출구가 이상(2 phase) 영역에 존재해야 한다(도 2의 적색 1번 원 구간 참조). 이 구간의 습분(moisture)에 의한 손실이 많이 발생하므로 스팀 터빈(10)의 효율 제한이 필요하다(습분에 의한 손실은 스팀 터빈 팽창일 전체의 약 3% 정도로, 습분에 의한 손실이 10% 이상이면 수분 방울이 터빈을 때려 소재의 erosion이 발생하므로 10% 미만으로 유지해야 함).
또한, 퍼니스(60)를 거치는 물은 이상(2 phase) 상태로 드럼(64)으로 투입되는데(도 2의 ③에서 ⑨ 구간), 분리된 물은 퍼니스로 재 순환된다. 작동 유체인 물이 증기로 상 변화를 거치는 동안 퍼니스(60)에서 계속 열 에너지가 공급되어야 하나, 이 에너지는 모두 상 변화에 사용되므로 작동 유체의 온도를 높이는데 사용되지 못한다(도 2의 적색 2번 직선 구간). 이때, 작동 유체의 포화 액체 상태(saturated liquid phase)에서 Pinch Point(온도 차이가 가장 작은 지점, 도 2의 적색 2번 원형 포인트)가 형성된다. 컨덴서(20)는 스팀 터빈(10) 출구의 이상(2 phase) 유체를 응축시켜 포화 액체 상태로 만드는 역할을 하므로, 응축을 위한 냉각원인 컨덴서(20)의 출구 지점에서 Pinch Point가 형성된다.
전술한 스팀 발전 시스템은 직접 가열로(Direct firing geater)인 퍼니스에 드럼이 설치되어 기수분리가 일어나므로 설계가 복잡한 문제가 있다. 또한, 전체 시스템의 효율을 높이기 위해 스팀 터빈의 팽창 중간의 스팀을 추기하여 급수 온도를 올려주어야 하므로 스팀 터빈의 설계가 복잡한 단점이 있다.
본 발명에서는 직접 가열로인 퍼니스를 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 그대로 적용하되, 작동 유체를 물이 아닌 초임계 상태의 이산화탄소로 이용함으로써 발전 시스템 구성을 단순화시키고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이고, 도 4는 도 3에 따른 초임계 이산화탄소 사이클의 엔트로피-온도 변화를 도시한 그래프이며, 도 5는 도 3에 따른 초임계 이산화탄소 사이클의 엔탈피-압력 변화를 도시한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 직접 가열로인 퍼니스(500)가 구비된다(설명의 편의상 작동 유체가 흐르는 이송관에 번호를 표기하여 설명하기로 하며, 해당 번호는 도 3을 참조함).
퍼니스(500)에서 고온으로 가열된 작동 유체는 터빈(100)으로 공급되어 터빈(100)을 회전 구동시킨다(①). 도면에 도시되지는 않았으나, 터빈(100)에는 발전기가 연결되어 전력을 생산한다. 터빈(100)을 통과하면서 팽창된 작동 유체는 제1 세퍼레이터(S1)에서 분기되며(②), 분기된 작동 유체의 일부(유량 m1)는 리큐퍼레이터(300)로 이송된다(③). 분기된 작동 유체의 나머지(유량 m2)는 퍼니스(500)의 공기 공급부(502)로 보내져 퍼니스(500)로 유입되는 공기를 가열하는 에어 히터(560) 역할을 한다(⑩). 공기를 기준으로 보면 공기가 작동 유체의 쿨러 역할을 하게 되는 것이다. 퍼니스(500)로 유입되는 공기를 가열하며 냉각된 작동 유체는 제1 믹서(M1)로 보내진다(⑪). 종래의 스팀 발전 시스템에 구비되어 있던 에어 프리 히터(69) 대신 터빈(100)을 통과한 작동 유체의 일부를 분기해 이용함으로써 터빈(100)을 통과한 중온의 작동 유체의 열을 이용할 수 있다.
리큐퍼레이터(300)로 분기된 작동 유체는 리큐퍼레이터(300)에서 열을 빼앗겨 냉각되는데, 이때 냉각 유체의 열은 후술할 제2 세퍼레이터(S2)를 통해 분기되어(⑧) 리큐퍼레이터(300)를 통과하는 작동 유체로 공급된다. 리큐퍼레이터(300)에서 냉각된 작동 유체는 제1 믹서(M1)로 이송되어(④) 퍼니스(500)로 유입되는 공기를 예열하는 공기 예열기(560)의 역할을 하고 냉각된 작동 유체와 혼합된다. 제1 믹서(M1)에서 혼합된 작동 유체는 쿨러(400)로 보내져(⑤) 냉각된다. 제1 믹서(M1)로 유입되는 작동 유체의 유량은 제1 세퍼레이터(S1)에서 분기된 작동 유체의 유량(m1+m2)과 동일하다.
쿨러(400)를 거치면서 냉각된 저온의 작동 유체는 압축기(200)로 보내지며(⑥), 압축기(200)에서 압축되어 저온 고압의 작동 유체가 된다. 압축기(200)를 거친 작동 유체(⑦)는 제2 세퍼레이터(S2)에서 분기된다. 분기된 일부 유량(m3)은 리큐퍼레이터(300)로 보내지고(⑧), 분기된 나머지 유량(m4)는 퍼니스(500) 쪽으로 보내진다(⑫).
리큐퍼레이터(300)로 보내진 작동 유체는 전술한 바와 같이, 터빈(100)을 통과한 작동 유체와 열교환해 복열된 뒤 제2 믹서(M2)로 보내진다(⑨). 퍼니스(500) 쪽으로 보내진 작동 유체는 퍼니스(500)의 배기 가스 배출부로 보내져 배기 가스 쿨러(510) 역할을 한 뒤 퍼니스(500)의 배출단에 위치한 이코노마이저(520)로 이송된다(⑬). 배기 가스를 기준으로 보면 배기 가스가 작동 유체의 열원 역할을 하는 것이다. 작동 유체는 배기 가스로부터 열을 흡수해 배기 가스는 냉각시키고 작동 유체 스스로는 가열된다. 이코노마이저(520)로 이송된 작동 유체는 다시 한번 가열되어 제2 믹서(M2)로 보내진다(⑭).
제2 믹서(M2)에서는 제2 세퍼레이터(S2)에서 분기된 작동 유체의 유량이 합쳐지며(m3+m4), 합쳐진 작동 유체가 퍼니스(500)의 연소단에 인접한 상측에 위치한 리히터(530)로 보내져 가열된다(⑮). 리큐퍼레이터(300)를 통과한 고온의 작동 유체가 퍼니스(500)로 공급되므로 퍼니스(500)의 열흡수 효율을 높일 수 있다.
리히터(530)에서 재가열된 작동 유체는 퍼니스(500)의 상측에 위치한 수퍼 히터(540, 550)로 보내지고(), 수퍼 히터(540, 550)에서 가열()된 고온의 작동 유체는 다시 터빈(100)으로 순환된다.
전술한 초임계 이산화탄소 발전 사이클에서 작동 유체의 온도와 압력을 실 예를 들어 간단히 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 작동 유체는 섭씨 약 478도 내외로 수퍼 히터(540, 550)에서 배출되어 터빈(100)으로 유입될 수 있다. 터빈(100)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 작동 유체의 압력은 약 247bar에서 85bar로 낮아지고, 온도 역시 섭씨 약 364도로 낮아질 수 있다.
리큐퍼레이터(300)와 쿨러(400)를 거치면서 작동 유체의 압력은 유지되며, 열교환에 의해 온도는 섭씨 약 35도로 냉각될 수 있다. 그 후 압축기(200)를 거치면서 작동 유체의 온도는 섭씨 약 74도, 247bar로 압력이 상승해 저온고압의 작동 유체가 된다.
저온 고압의 작동 유체는 리큐퍼레이터(300)와 이코노마이저(520)에서 가열되어 섭씨 약 304도까지 가열되고, 수퍼 히터(540, 550)를 거쳐 고온의 작동 유체가 되어 터빈(100)으로 순환된다.
전술한 초임계 이산화탄소 발전 사이클에서 작동 유체의 온도에 따른 엔트로피 변화를 간단히 설명하면 다음과 같다.
도 5를 참조하면, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용함으로써 도 2의 스팀 사이클 대비 터빈(100)의 팽창 구간(①②)이 좁고 상변화가 없어 상변화에 소요되는 열량을 작동 유체의 가열에 사용할 수 있으므로 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 고효율 시스템을 구성할 수 있으므로 소형 터빈을 제작할 수 있게 된다.
또한, 스팀 사이클과 달리 퍼니스(500)를 거치는 동안(⑮)에도 상변화가 없으므로 투입된 열량이 모두 작동 유체의 온도를 높이는데 사용된다. 쿨러(400)를 거치는 구간(⑤⑥)에서도 작동 유체의 상변화가 없으므로 냉각원의 투입 온도와 최소 온도차를 갖는 설계가 가능하다. 이에 따라 작동 유체의 냉각 온도를 냉각원의 온도에 가깝게 설정할 수 있어 전체 사이클의 성능이 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: 터빈 200: 압축기
300: 리큐퍼레이터 400: 쿨러
500: 퍼니스 S1: 제1 세퍼레이터
S2: 제2 세퍼레이터 M1: 제1 믹서
M2: 제2 믹서

Claims (23)

  1. 연료를 연소시키는 퍼니스와,
    상기 퍼니스에서 발생된 열에 의해 가열된 작동 유체를 공급받아 작동되는 터빈과,
    상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환하는 리큐퍼레이터와,
    상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러를 통과한 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 순환되고,
    상기 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈의 후단에 구비되어 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터 및 상기 퍼니스로 분기하는 제1 세퍼레이터를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터를 통해 상기 퍼니스로 분기된 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 냉각되어 상기 퍼니스 외부로 보내지는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터를 통해 상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부와 열교환해 냉각되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 쿨러의 전단에 구비되어 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 배출된 상기 작동 유체와, 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 혼합해 상기 쿨러로 공급하는 제1 믹서를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압축기의 배출단에 구비되어 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 퍼니스 및 상기 리큐퍼레이터로 각각 분기시키는 제2 세퍼레이터를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 일부는 상기 리큐퍼레이터에서 상기 제1 세퍼레이터를 통해 분기된 상기 작동 유체에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 나머지는 상기 퍼니스로부터 배출되는 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 퍼니스는 상기 배기 가스의 배출단 쪽에 구비되어 상기 배기 가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저와, 상기 퍼니스의 연소부 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 리히터(reheater)와, 상기 퍼니스의 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터(superheater)를 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터의 후단에 구비되어 상기 이코노마이저를 통과한 상기 작동 유체와, 상기 제2 세퍼레이터를 거쳐 상기 리큐퍼레이터를 통과하면서 가열된 상기 작동 유체를 혼합하는 제2 믹서를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 리히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터에서 가열된 후 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 연료를 연소시키는 퍼니스와,
    상기 퍼니스에서 발생된 열에 의해 가열된 작동 유체를 공급받아 작동되는 터빈과,
    상기 터빈을 거친 상기 작동 유체와 열교환하는 리큐퍼레이터와,
    상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러를 통과한 상기 작동 유체를 압축하는 압축기를 포함하며,
    상기 작동 유체는 초임계 상태의 이산화탄소이고, 상기 퍼니스를 거쳐 상기 압축기에 이르는 사이클은 폐루프(close loop) 인 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 터빈의 후단에 구비되어 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 상기 리큐퍼레이터와 상기 퍼니스로 각각 분기하는 제1 세퍼레이터를 더 포함하고, 상기 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부와 열교환해 냉각되며, 상기 퍼니스로 분기된 상기 작동 유체는 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 냉각되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체의 열교환 후 온도와, 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 예열한 후의 상기 작동 유체의 온도가 서로 동일하도록 상기 제1 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량이 조절되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 쿨러의 전단에 구비되어 상기 퍼니스로 유입되는 공기를 가열한 후 배출된 상기 작동 유체와, 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 혼합해 상기 쿨러로 공급하는 제1 믹서를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 압축기의 배출단에 구비되어 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 상기 퍼니스 및 상기 리큐퍼레이터로 각각 분기시키는 제2 세퍼레이터를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 일부는 상기 리큐퍼레이터에서 상기 제1 세퍼레이터를 통해 분기된 상기 작동 유체에 의해 가열되고, 상기 제2 세퍼레이터에서 분기된 상기 작동 유체의 나머지는 상기 퍼니스로부터 배출되는 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 퍼니스는 상기 배기 가스의 배출단 쪽에 구비되어 상기 배기 가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저와, 상기 퍼니스의 연소부 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 리히터(reheater)와, 상기 퍼니스의 상측에 구비되어 상기 작동 유체를 가열하는 수퍼 히터(superheater)를 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배기 가스로부터 열을 빼앗아 가열된 상기 작동 유체는 상기 이코노마이저에서 가열되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 세퍼레이터를 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 열교환 후 상기 작동 유체의 온도와, 상기 이코노마이저를 거친 상기 작동 유체의 온도가 동일하도록 상기 제2 세퍼레이터에서 분기되는 상기 작동 유체의 유량이 조절되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터의 후단에 구비되어 상기 이코노마이저를 통과한 상기 작동 유체와, 상기 제2 세퍼레이터를 거쳐 상기 리큐퍼레이터를 통과하면서 가열된 상기 작동 유체를 혼합하는 제2 믹서를 더 포함하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 리히터를 거친 상기 작동 유체는 상기 수퍼 히터에서 가열된 후 상기 터빈으로 순환되는 것을 특징으로 하는 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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