KR20180035008A - 하이브리드형 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드형 발전 시스템{Hybrid type power generation system}
본 발명은 하이브리드형 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시킨 하이브리드형 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 한국공개특허 제2013-0036180호에 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.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 국가별 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.
그러나 기존의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 일정 규모 이상으로 대용량화하기가 어려워 필요 전력량의 일부만을 공급할 수 있는 한계가 있다. 또한, 석탄화력 발전의 경우 전력 생산 효율은 증가시키면서도 공해물질의 배출량은 줄여야하는 과제가 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 초임계 이산화탄소 발전 시스템 및 석탄화력 발전 시스템을 개선하고 전력 생산 효율을 향상시켜야 할 방안을 개발할 필요가 있다.
한국공개특허 제2013-0036180호(공개일: 2013. 04. 11)
본 발명의 목적은 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시켜 에너지 생산량을 증가시킬 수 있는 하이브리드형 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 하이브리드형 발전 시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하이브리드형 발전 시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 하나의 터빈과, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템은 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시켜 에너지 생산량을 증가시키는 효과가 있다. 뿐만 아니라 발전 사이클의 열효율이 향상되고, 계절별로 달라지는 전력 수요에 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 도면,
도 3 및 도 4는 도 2의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 7 및 도 8은 도 6의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 10 및 도 11은 도 9의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드형 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 초임계 상태의 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 초임계 이산화탄소(이하 작동 유체)는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 작동 유체가 되어 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기 또는 펌프가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 펌프에 연결된 터빈을 이용해 펌프를 구동한다. 터빈을 통과한 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
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.
본 발명에서는 열원으로 폐열 기쳬를 이용하는 복수의 열교환기(히터)가 구비되고, 초임계 이산화탄소 발전 사이클의 쿨러와, 열병합 발전(지역 난방용 발전)의 난방용 난방수를 가열하는 난방수 히터를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템을 제안하고자 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템은 하나의 리큐퍼레이터(200)와 두 개의 열교환기를 구비한 시스템일 수 있다. 또한, 터빈은 두 개가 구비되어 리큐퍼레이터(200) 및 열교환기를 통과해 가열된 작동 유체가 두 개의 터빈(400)으로 각각 분기되어 공급될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 열병합 발전 시스템은 난방수 히터(600)를 공유하며, 열병합 발전의 난방수는 난방수 히터(600) 및 열교환기에서 가열될 수 있다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(도 1의 숫자 1~26에 해당하는 라인이 이송관을 표현하는 것임)에 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. 작동 유체의 흐름은 이송관의 번호를 기재하여 설명하기로 한다.
또한, 본 발명에서 설명하는 작동 유체의 온도는 여러 케이스 중 하나의 케이스를 예로 들어 설명한 것이므로, 절대적인 온도 값으로 이해되어서는 안될 것이다.
하이브리드 발전 시스템의 상세 구성을 살펴보면 다음과 같다.
펌프(100)는 후술할 저온 터빈(410)에 의해 구동되며(도 1의 점선 참조), 컨덴서(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 리큐퍼레이터(200)로 보내는 역할을 한다. 작동 유체의 순환 유로를 선택하기 위해 펌프(100)의 후단에는 3방향 밸브(두 개의 리큐퍼레이터로 분기되는 분기점) 또는 2개의 2방향 밸브가 설치되어 제어되는 것이 바람직하다.
리큐퍼레이터(200)는 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체와 열교환하여 작동 유체를 1차로 냉각시킨다. 냉각된 작동 유체는 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)로 보내져 재 냉각된 후 펌프(100)로 순환된다. 펌프(100)를 통해 리큐퍼레이터(200)로 보내진 작동 유체는 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 거쳐 리큐퍼레이터(200)로 유입된 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열되고, 후술할 열교환기(300)로 공급된다.
열교환기(300)는 필요에 따라 복수 개로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서는 2개의 열교환기가 구비되는 것을 예로 하여 설명한다. 제1 및 제2 열교환기(310, 330)는 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하며, 폐열 기체와 사이클 내를 순환하는 작동 유체와 열교환하여 폐열 기체로부터 공급된 열로 작동 유체를 가열하는 역할을 한다.
또한, 제1 및 제2 열교환기(310, 330)는 폐열 기체의 온도에 따라 상대적으로 저온, 중온, 고온 등으로 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 제2 열교환기(330)에 비해 상대적으로 고온 또는 중온의 폐열 기체를 사용하는 열교환기이고, 제2 열교환기(330)는 상대적으로 중온 또는 저온인 폐열 기체를 사용하는 열교환기일 수 있다. 즉, 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330)가 순차적으로 배치된 것을 예로 하여 설명하기로 한다.
터빈(400)은 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)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 터빈은 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 저온 터빈(430)과 고온 터빈(410)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
컨덴서(500)는 공기 또는 냉각수를 냉매로 사용해 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체를 냉각하는 쿨러 역할을 한다. 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체는 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)로 분기되어 공급된다(열병합 발전의 히터에 대해서는 후술하기로 함). 컨덴서(500)를 거쳐 냉각된 작동 유체는 다시 펌프(100)로 순환된다.
한편, 열병합 발전 시스템은 화력 발전소에서 증기 터빈으로 발전기를 구동하고, 터빈의 뜨거운 배기 열을 이용해 지역 난방을 하는 발전 시스템이다. 화석 연료를 연소시켜 물을 가열해 증기를 생산함으로써 증기 터빈을 구동시켜 전기를 생산하게 된다. 열병합 발전 시스템 역시 터빈을 구동시킨 증기와 난방수를 열교환하기 위한 히터를 구비하며, 본 실시 예에서는 복수의 히터 중 적어도 하나의 히터가 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로부터 여분의 열을 공급받는 것을 예로 하여 설명한다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 공유하는 히터를 난방수 히터(600)로 정의한다.
난방수 히터(600)로 유입된 난방수는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체 및 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 적당한 온도로 가열된 난방수는 열병합 발전 시스템으로 이송된다(이에 대해서는 후술하기로 함).
이하에서는 작동 유체 및 난방수의 흐름을 설명하기로 한다.
펌프(100)를 통과하면서 압축된 저온의 작동 유체는 리큐퍼레이터(200)로 보내져(1) 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 거친 작동 유체와 열교환해 1차로 가열된 뒤(7) 제1 열교환기(310)로 전달되어 2차로 가열된다(2).
제1 열교환기(310)에서 재가열된 작동 유체는(3) 고온 터빈(430)과(4A) 저온 터빈(410)으로(4B) 각각 분기되며, 고온 터빈(430) 및 저온 터빈(410)을 구동시킨 작동 유체는 리큐퍼레이터(200)로 이송되어(6) 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환해 냉각된다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체를 가열한 뒤 냉각된 작동 유체는 리큐퍼레이터(200)를 거쳐 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)로 분기된다(8). 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)를 거친 작동 유체는 펌프(100)의 전단에서 합류되어 펌프(100)로 이송된다.
난방수 히터(600)로 유입된 열병합 발전 시스템의 난방수는(20) 컨덴서(500)의 전단에서 분기된 작동 유체와 열교환되며, 난방수 히터(600) 내에서 1차로 가열된 뒤 분기되어 일부는 난방수 히터(600) 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 보내지고(26), 일부는 제2 열교환기(330)로 보내진다(21, 23). 제2 열교환기(330)에서 재가열된 난방수는(24) 열병합 발전 시스템으로 공급되어(25) 난방수 히터(600)에서 가열된 난방수와 혼합되거나 별도로 사용된다.
도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 열교환기를 하나만 구비하는 시스템을 구현할 수도 있다. 이 경우 열병합 발전 시스템으로부터 공급되는 난방수는 난방수 히터에서만 가열되고 재가열 없이 열병합 발전 시스템으로 보내진다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 하나의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기를 구비하되, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 난방수 히터 및 제2 열교환기로 각각 공급될 수 있다. 이 경우 난방수 히터로 공급된 난방수는 컨덴서의 전단에서 분기된 작동 유체로부터 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송되고, 제2 열교환기로 보내진 난방수는 제2 열교환기에서 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송될 수 있다.
또는, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 하나의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기를 구비하되, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 난방수 히터로 공급되고, 난방수 히터를 거친 난방수가 제2 열교환기로 전량 보내져 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급될 수 있다. 이때, 터빈을 거쳐 리큐퍼레이터로 유입되는 작동 유체의 일부를 난방수 히터의 전단으로 분기함으로써 난방수 히터로 좀더 고온의 작동 유체를 공급함으로써 난방수와의 온도차를 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 두 개의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기를 구비하되, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 난방수 히터로 공급되고, 난방수 히터를 거친 난방수가 제2 열교환기로 전량 보내져 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급될 수 있다. 이때, 터빈을 거쳐 제1 리큐퍼레이터로 유입되는 작동 유체의 일부를 난방수 히터의 전단으로 분기함으로써 난방수 히터에서의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 계절별 시스템 효율 설계 및 전력 수요에 대응하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
일반적으로 폐열 회수 열교환기에서 흡수하는 열량은 폐열의 약 50% 정도가 된다. 이렇게 흡수한 열량을 열병합 발전 시스템 또는 초임계 이산화탄소 발전 시스템 중 어느 하나로 전량 공급할 것인가 또는 얼마나 나누어 공급할 것인가에 따라 시스템 효율이 달라질 수 있다. 흡수한 열량을 전량 열병합 발전 시스템으로 보내면 난방열의 생산량 및 효율이 증가하며(열병합 모드), 전량 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 보내면 전력 생산량 및 효율이 증가한다(순수 발전 모드). 흡수한 열량의 일부를 열병합 발전 시스템으로 보내는 경우, 전력 효율은 일부 감소되나 난방열 생산량을 증가시킬 수 있다(하이브리드 모드).
초임계 이산화탄소 발전 시스템에서는 전체 연료 에너지의 40~60%를 전력으로 생산할 수 있으며(시스템 효율이 40~60%), 열병합 발전 시스템에서는 전체 연료 에너지의 약 35~55%가 전력을, 35~50%가 열 에너지를 생산할 수 있다. 즉, 열병합 발전 시스템의 효율이 85~95%가 된다.
열 에너지에 대한 수요가 없는 여름에는 순수 발전 모드로 시스템을 운용하고, 열 에너지 수요가 높은 겨울에는 열병합 모드로 시스템을 운용할 수 있다. 열병합 모드에서는 열병합 발전 시스템을 통해 전력 및 열 에너지를 모두 생산할 수 있다. 또는 겨울철이라도 전력 수요에 대응하여 하이브리드 모드로 시스템을 운용할 수도 있다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 컨덴서로 이송되는 작동 유체의 유량을 전량 난방수 히터로 공급함으로써 겨울철 열병합 모드로 전환이 되며, 전량 컨덴서로 공급함으로써 여름철 순수 발전 모드로 전환될 수 있다. 또한, 컨덴서와 난방수 히터로 분배되는 작동 유체의 유량을 적절히 조절함으로써 하이브리드 모드가 구현될 수 있다.
제1 실시 예의 경우, 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)에서 흡수한 폐열의 열량을 작동 유체 및 난방수 가열에 각각 이용함으로써 전력 수요 및 난방열 수요에 대응할 수 있다. 또한, 컨덴서(500)로 공급되는 작동 유체의 유량을 0~100% 난방수 히터(600)로 공급해 전력 수요 및 난방열 수요에 대응할 수 있다.
컨덴서(500)와 난방수 히터(600)로 분기되는 작동 유체의 유량을 조절함으로써 폐열로부터 회수한 열량을 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 분배할 수 있다.
겨울(열 에너지 최대 운전) 여름(전기 에너지 최대 운전) 봄/가을
(중간 운전)		 비고(range)
전력효율 46% 50% 48% 35~55%/40~60%
난방열 효율 44% 8% 19% 35~50%
종합 효율 90% 58% 47% 85~95%
전술한 표에서와 같이 구체적인 예를 들면, 여름철에는 전기 에너지에 대한 수요가 높으므로 열교환기(300)에서 흡수한 50%의 폐열을 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 전 흡수시켜 전력 생산을 늘림으로써 전력 효율을 50%로 운용할 수 있다. 여기서 35%의 전력은 열병합 발전 시스템에서 생산되는 전력량이고, 15%의 전력은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 생산되는 전력량이다. 이때 난방열 효율은 최소인 8%로 설정될 수 있으며, 이는 폐열의 공급이 아닌, 열병합 발전 시스템의 배기 가스 배출단에 구비된 이코노마이저를 통해 구현되는 것이다.
겨울철에는 난방열에 대한 수요가 높으므로 열교환기(300)에서 흡수한 폐열을 전량 열병합 발전 시스템으로 보내 난방열 효율을 44%로 운용할 수 있다. 여름철 전력 효율 대비 겨울철 전력 효율은 4%가 감소되나, 열 효율은 32%가 증가되어 종합 효율 90%로 최대 효율을 구현할 수 있다(10%는 연료의 연소 시 필요한 공기와의 온도 차에 의한 손실이므로 종합 효율은 90%가 최대임).
봄과 가을철에는 열 수요에 따라 열병합 모드와 순수 발전 모드의 중간인 하이브리드 모드로도 시스템 운용이 가능하다.
여름철 전력 효율을 60%로 설정해 운용한다고 가정할 때, 겨울철에는 열 효율이 여름철 대비 최대 44%까지 증가할 수 있다. 계절별 수요에 따라 전력 효율은 0~4%가 감소될 수 있으나, 열 효율이 0~44%까지 증가되므로 시스템 전체의 종합 효율이 향상되는 효과가 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 컨덴서로 보내지는 작동 유체의 유량을 조절하여 열병합 발전 시스템의 히터에 열량을 공급하는 열원으로 사용함으로써 계절별 수요에 따른 에너지 생산에 대응할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(전술한 실시 예와 동일한 구성 및 특징에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 전술한 계절별 시스템 효율 설계 및 전력 수요에 대응하는 방법은 본 발명의 다른 실시 예들에도 동일하게 적용되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 도면, 도 3 및 도 4는 도 2의 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템은 폐열을 열원으로 사용하는 제1 열교환기(310a) 및 제2 열교환기(330a)를 구비할 수 있다. 제1 열교환기(310a)는 고온의 폐열 기체를 이용하고, 제2 열교환기(330a)는 중온의 폐열 기체를 이용하도록 순차적으로 배치될 수 있다. 리큐퍼레이터(200a)는 2개로 구비되고, 터빈(400a) 역시 2개가 구비되는 시스템일 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 난방수 히터(600a)를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템이다.
펌프(100a)에서 압축된 작동 유체는(1) 제1 리큐퍼레이터(210a) 및 제2 리큐퍼레이터(230a)로 분기된다(2, 10).
제1 리큐퍼레이터(210a)로 분기된 작동 유체는 고온 터빈(430a)을 통과하면서 팽창된 작동 유체(5) 및 저온 터빈(410a)을 통과하면서 팽창된 작동 유체(13)와 열교환해 1차로 가열된 뒤(6) 제1 열교환기(310a)로 보내진다(3).
제1 열교환기(310a)펌프(100a)제1 리큐퍼레이터(210a)터빈(400a)제1 리큐퍼레이터(210a)에서 1차로 가열된 작동 유체는 제1 열교환기(310a)에서 재가열되어 고온 터빈(430a)으로 이송된다(4). 작동 유체는 제1 열교환기(310a)에서 가열되어 고온의 작동 유체가 된다.
제2 리큐퍼레이터(230a)로 분기된 작동 유체는 터빈(400a)을 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210a)에서 1차로 냉각된 작동 유체와 열교환해 1차로 가열된 뒤(10) 제2 열교환기(330a)로 보내진다(11).
제2 열교환기(330a)에서 재가열된 작동 유체는 중온의 작동 유체가 되어 저온 터빈(410a)으로 공급되고(12) 저온 터빈(410a)을 구동시킨다.
제2 열교환기(330a)펌프(100a)제2 리큐퍼레이터(230a)터빈(400a)제1 리큐퍼레이터(210a)제1 열교환기(310a)제2 열교환기(330a)고온 터빈(430a) 및 저온 터빈(410a)을 각각 구동시킨 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210a)의 전단에서 합류되어(5, 13) 제1 리큐퍼레이터(210a)로 유입된다. 제1 리큐퍼레이터(210a)에서 펌프(100a)를 거친 작동 유체에 열을 빼앗긴 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230a)로 보내져(7) 다시 한번 열교환을 한 뒤 컨덴서(500a)와 열병합 발전 시스템의 난방수 히터(600a)로 분기된다(8).
컨덴서(500a)에서 냉각된 작동 유체 및 난방수 히터(600a)로 유입된(9) 난방수와 열교환해 열을 빼앗기고 냉각된 작동 유체는 펌프(100a)의 전단에서 합류되어 펌프(100a)로 보내진다. 난방수 히터(600a)에서 작동 유체로부터 열을 전달받아 가열된 난방수는 열병합 발전 시스템으로 이송된다(21).
또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 하이브리드형 발전 시스템은 폐열을 열원으로 사용하는 제1 열교환기(310b) 내지 제3 열교환기(350b)를 구비할 수 있다. 제1 열교환기(310b) 내지 제3 열교환기(350b)는 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용하게 된다. 리큐퍼레이터(200b)는 2개로 구비되고, 터빈(400b) 역시 2개가 구비되는 시스템일 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 난방수 히터(600b)를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템이며, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 두 개의 경로로 분기되어 유입될 수 있다. 난방수는 난방수 히터(600b)와 제3 열교환기(350b) 쪽으로 각각 분기되어 공급될 수 있다. 작동 유체의 흐름은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
난방수 히터(600b)로 유입된 난방수는(20) 컨덴서(500b)로 보내지는 작동 유체로부터 분기된 작동 유체를 통해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송되며(21), 제3 열교환기(350b)로 유입된 난방수는(20, 21) 제3 열교환기(350b)에 의해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송된다(22, 23). 열병합 발전 시스템으로 각각 이송된 난방수는 열병합 발전 시스템 내에서 혼합되어 사용되거나, 각각 별도의 목적으로 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하이브리드 발전 시스템은 폐열을 열원으로 사용하는 제1 열교환기(310c) 내지 제3 열교환기(350c)를 구비하며, 이들은 고온부에서 저온부 쪽으로 순차 배치된다. 리큐퍼레이터(200c) 및 터빈(400c) 역시 각 2개씩 구비되며, 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 난방수 히터(600c)를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템이다. 열병합 발전 시스템으로부터 유입되는 난방수는 난방수 히터(600c) 및 제3 열교환기(350c)에서 가열되어 열병합 발전 시스템으로 공급된다. 작동 유체의 흐름은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
난방수 히터(600c)로 유입된 난방수는(20) 난방수 히터(600c) 내에서 1차로 가열된 뒤 분기되어 일부는 난방수 히터 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 공급된다(26). 분기된 나머지는(21) 제3 열교환기(350c)로 이송되어(23) 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급된다(24, 25).
도면에 도시하지는 않았으나 난방수 히터로 유입된 난방수가 난방수 히터 내에서 가열된 후 분기되지 않고 전량 제3 열교환기로 이송되어 재가열된 후 열병합 발전 시스템으로 공급될 수도 있다.
또는, 난방수의 흐름은 전술한 바와 동일하되, 터빈 및 제1 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체의 일부를 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급할 수도 있다. 이 경우 난방수 히터로 유입되는 작동 유체에 제2 리큐퍼레이터를 거치지 않은 좀더 고온의 작동 유체가 혼합되므로 난방수와의 열교환 효율이 향상될 수 있다.
또는, 제1 리큐퍼레이터의 전단에서 저온 터빈 및 고온 터빈을 거친 작동 유체의 일부를 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 열교환기나 리큐퍼레이터, 펌프 등의 구성 변경에 따른 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에서는 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비될 수 있다. 제1 내지 제3 열교환기(310d~350d)는 고온부 영역에서 저온부 영역까지 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용한다.
본 실시 예에서 작동 유체 및 난방수의 흐름은 제1 실시 예와 동일하다. 그러나 펌프(100d)에서 분기되어(10) 제2 리큐퍼레이터(230d)를 거친 작동 유체가 제2 열교환기(330d)를 거친 뒤(11) 저온 터빈(410d)을 구동시킨 후 제1 리큐퍼레이터(210d)의 전단이 아닌 제1 리큐퍼레이터(210d)의 후단으로 보내져 바로 제2 리큐퍼레이터(230d)로 이송되는 차이가 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, 제 3 실시 예의 변형 예로 두 개의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기가 구비될 수 있다. 이 경우, 작동 유체의 흐름은 제3 실시 예와 동일하나, 난방수 히터로 보내진(20) 열병합 발전 시스템의 난방수는 컨덴서(500)의 전단에서 난방수 히터(600)로 분기된 작동 유체에 의해 가열된 뒤(21) 열병합 발전 시스템으로 이송된다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 제3 실시 예의 다른 변형 예로, 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비되되, 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터와 제3 열교환기 쪽으로 각각 분기되어 공급될 수 있다.
난방수 히터로 유입된 난방수는 컨덴서로 보내지는 작동 유체로부터 분기된 작동 유체를 통해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송되며, 제3 열교환기로 유입된 난방수는 제3 열교환기에 의해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송된다. 각각 가열된 난방수는 열병합 발전 시스템으로 각각 이송될 수 있으며, 열병합 발전 시스템 내에서 혼합되어 사용되거나, 각각 별도의 목적으로 사용될 수 있다.
또는, 도면에 도시하지는 않았으나, 제3 실시 예의 다른 변형 예로, 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비되되, 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터로 공급되어 가열되고, 전량 제3 열교환기로 보내져 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급될 수도 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비되고 난방수가 난방수 히터 및 제3 열교환기를 순차적으로 거쳐 가열되도록 함과 동시에, 제2 리큐퍼레이터의 전단에서 작동 유체를 일부 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급할 수도 있다. 또는, 제1 리큐퍼레이터의 전단에서 작동 유체를 일부 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급할 수도 있다. 이에 따라 난방수의 열교환 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 세 개의 리큐퍼레이터 및 세 개의 열교환기를 구비할 수 있다. 제1 내지 제3 열교환기(310e~350e)는 고온부 영역에서 저온부 영역까지 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용한다.
또한, 고온 터빈(430e)은 제1 열교환기(310e)의 후단과 제1 리큐퍼레이터(210e)의 전단 사이에 배치되고, 저온 터빈(410e)은 제3 리큐퍼레이터(250e)와 연결되도록 별도 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(250e)는 순차적으로 배치되며, 펌프(100e)를 통과한 작동 유체(1)는 제1 리큐퍼레이터(210e)로 보내져 1차로 가열된 뒤 제1 리큐퍼레이터(210e)의 후단에서 분기된다(2A, 2B). 작동 유체의 일부는 제2 리큐퍼레이터(230e)로 이송되고(2A), 작동 유체의 나머지는 제2 열교환기(330e)로 분기된다(2B). 제2 리큐퍼레이터(230e)로 보내진 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230e)에서 가열된 뒤(4B), 제2 열교환기(330e)로 보내져 재가열된 작동 유체와 혼합된다(3). 혼합된 작동 유체의 일부는 분기되어 제3 리큐퍼레이터(250e)로 이송되고, 나머지 작동 유체는 제1 열교환기(310e)로 이송된다(4A). 제1 열교환기(310e)에서 재가열되어 고온이 된 작동 유체는 고온 터빈(430e)으로 이송되고(5A), 고온 터빈(430e)을 구동시킨 작동 유체는 제3 리큐퍼레이터(250)로 보내져(6A) 저온 터빈(410e)으로 이송되는 작동 유체와 열교환한다.
제3 리큐퍼레이터(250e)에서 열교환에 사용된 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230e) 및 제1 리큐퍼레이터(210e)를 순차적으로 통과하며 열교환되어 냉각된다(7, 8). 제1 리큐퍼레이터(210e)를 통과한 작동 유체는 컨덴서(500e) 및 난방수 히터(600e)로 분기된다.
난방수 히터(600e)로 유입된 열병합 발전 시스템의 난방수는(20) 컨덴서(500e)의 전단에서 분기된 작동 유체와 열교환되며, 난방수 히터(600e) 내에서 1차로 가열된 뒤 분기되어 일부는 난방수 히터(600e) 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 보내지고(26), 일부는 제2 열교환기(330e)로 보내진다(21, 23). 제2 열교환기(330e)에서 재가열된 난방수는(24) 열병합 발전 시스템으로 공급되어(25) 난방수 히터(600e)에서 가열된 난방수와 혼합되거나 별도로 사용된다.
도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 난방수가 난방수 히터로 공급되어 1차로 가열된 뒤, 전량 제3 열교환기로 보내져 재가열된 후 열병합 발전 시스템으로 공급될 수도 있다. 또한, 제1 리큐퍼레이터의 전단에서 터빈을 통과한 작동 유체의 일부를 분기해 컨덴서의 전단으로 공급하고, 컨덴서의 전단으로 공급된 작동 유체와 제3 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체가 혼합된 뒤 컨덴서와 난방수 히터로 각각 공급될 수도 있다.
도 7 및 도 8은 도 6의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 4 실시 예의 변형 예로, 제3 열교환기가 삭제되고 제1 열교환기(310f) 및 제2 열교환기(330f)만 구비될 수 있다. 제1 열교환기(310f)는 고온의 폐열 기체를, 제2 열교환기(330f)는 중온의 폐열 기체를 이용할 수 있다. 이 경우 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터(600f)로만 이송되어 작동 유체에 의해 가열된다.
또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 제4 실시 예의 변형 예로 제1 내지 제3 열교환기(350g)가 구비되되, 제1 내지 제3 열교환기(310g~350g)는 고온부 영역에서 저온부 영역까지 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용한다. 열병합 발전 시스템으로부터 난방수는 난방수 히터(600g) 및 제3 열교환기(350g) 각각으로 공급되어 가열될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시 예에서는 두 개의 리큐퍼레이터 및 두 개의 열교환기, 두 개의 펌프가 구비되며, 하나의 터빈이 구비될 수 있다. 제1 열교환기(310h)는 고온부 영역에 배치되고, 제2 열교환기(330h)는 중온 또는 저온부 영역에 배치될 수 있다.
제1 펌프(110h)와 제2 펌프(130h)는 병렬로 배치될 수 있으며, 하나의 터빈(400h)이 발전기(450h)와 제1 펌프(110h) 및 제2 펌프(130h)를 모두 구동시킨다. 그러나 도면에 도시하지는 않았으나 별도의 모터를 구비하여 제1 펌프(110h) 및 제2 펌프(130h)를 각각 구동시킬 수도 있다.
제1 펌프(110h)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210h)로 보내지고(1), 제1 리큐퍼레이터(210h)에서 열교환된 후 제2 펌프(130h)의 후단 쪽으로 보내진다(2). 제2 펌프(130h)를 통과한 작동 유체는(12) 제1 리큐퍼레이터(210h)를 거쳐 1차로 가열된 작동 유체와 합류한 뒤 제2 리큐퍼레이터(230h)로 보내진다(3). 제2 리큐퍼레이터(230h)에서 가열된 작동 유체는 제1 열교환기(310h)로 이송되어(4) 재가열된 뒤 터빈(400h)으로 보내진다(5).
터빈(400h)을 작동시킨 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230h)에서 제2 펌프(130h)를 거친 작동 유체를 가열한 뒤 제1 리큐퍼레이터(210h)로 이송되고, 제1 리큐퍼레이터(210h)에서 제1 펌프(110h)를 통과한 작동 유체를 가열한다(8). 제2 리큐퍼레이터(230h)를 통과한 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230h)의 후단에서 한번 분기되어 제2 펌프(130h)로 이송되고, 나머지 작동 유체가 컨덴서(500h) 및 난방수 히터(600h)로 다시 한번 분기되어 공급된다.
난방수 히터(600h)로 유입된 열병합 발전 시스템의 난방수는(20) 컨덴서(500h)의 전단에서 분기된 작동 유체와 열교환되며, 난방수 히터(600h) 내에서 1차로 가열된 뒤 분기되어 일부는 난방수 히터(600h) 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 보내지고(26), 일부는 제2 열교환기(330h)로 보내진다(21, 23). 제2 열교환기(330h)에서 재가열된 난방수는(24) 열병합 발전 시스템으로 공급되어(25) 난방수 히터(600h)에서 가열된 난방수와 혼합되거나 별도로 사용된다.제2 열교환기(330)
도 10 및 도 11은 도 9의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.도 10에 도시된 바와 같이, 제5 실시 예의 변형 예로 고온부 영역에 배치된 하나의 열교환기만을 구비하여 운용될 수 있다. 이 경우 작동 유체의 흐름은 제5 실시 예와 동일하며, 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터(600i)로 유입되어(20) 작동 유체에 의해 가열된 뒤 다시 열병합 발전 시스템으로 공급된다(21).
또는 도 11에 도시된 바와 같이, 제5 실시 예의 변형 예로 두 개의 열교환기를 운용하되, 제1 열교환기(310j)는 고온부 영역에, 제2 열교환기(330j)는 중온 또는 저온부 영역에 배치될 수 있다. 열병합 발전 시스템으로부터 난방수는 난방수 히터(600j) 및 제3 열교환기(350j) 각각으로 공급되어 가열될 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 도 11의 변형 예로 난방수 히터로 유입되어 가열된 난방수를 전량 제2 열교환기로 보내 재가열한 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급할 수도 있다.
전술한 다양한 실시 예들 모두 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체를 이용해 열병합 발전 시스템의 히터로 공급되는 난방수를 가열하는 것이 특징이며, 부가적으로 폐열을 열원으로 사용하는 열교환기로부터 난방수를 가열하는 열 에너지를 공급받을 수 있다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템의 컨덴서와 열병합 발전 시스템의 히터를 공유하는 하이브리드 시스템을 운용함으로써 에너지 생산량을 증가시키는 효과가 있다. 뿐만 아니라 발전 사이클의 열효율이 향상되고, 계절별로 달라지는 전력 수요에 능동적으로 대처할 수 있는 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 200: 리큐퍼레이터
300: 열교환기 400: 터빈
500: 컨덴서 600: 난방수 히터

Claims (20)

  1. 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서,
    상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와,
    폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와,
    상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과,
    상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와,
    상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  11. 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서,
    상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와,
    폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와,
    상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 하나의 터빈과,
    상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와,
    상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
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