KR20180080050A - 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 열병합 발전 시스템은, 본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 엔진을 윤활하는 엔진오일이 저장되는 엔진오일 탱크, 상기 엔진오일 탱크와 상기 엔진 사이에 연결되는 엔진오일 순환라인, 상기 엔진오일 순환라인에 설치되어 엔진오일을 펌핑하는 엔진오일 펌프, 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수 순환라인, 상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진오일과 냉각수를 열교환하여 엔진오일의 폐열을 냉각수로 전달하는 엔진오일 열교환기, 상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진의 열을 흡수한 냉각수와 열교환하여 온수를 공급하는 온수 열교환기, 및 상기 엔진과 엔진오일 펌프를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

열병합 발전 시스템 및 그 제어방법{A combined heat and power generating system and A method for controlling the same}
본 발명은 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 열병합 발전 시스템은, 화석 연료 등을 이용하여 전력을 생산한 후 생산된 전력을 건물 등의 전력 소비처로 공급하고, 전력 생산시 발생하는 열을 열 수요처에서 이용할 수 있도록 공급한다.
열병합 발전 시스템은 석유, 석탄, 가스 등을 연료로 하여 엔진을 작동하여 발전기를 회전시킴으로써 발전하고 엔진 등에서 발생하는 폐열을 이용할 수 있다.
폐열을 회수하는 장치로는, 엔진이 과열되는 것을 방지하기 위해 냉각수가 순환하면서 엔진을 냉각하는데, 엔진에 의해 가열되는 냉각수와 물을 열교환하여 온수를 생성하는 온수 열교환기가 있다.
그런데, 엔진은 피스톤이 왕복운동하면서 회전축을 회전시키는 4 행정 내연기관으로서 엔진 부품들에는 윤활을 위해 엔진오일이 주입된다.
엔진오일은 엔진과 엔진오일 탱크 사이에 오일 순환 라인을 연결하여 엔진에 공급되어 연속적으로 윤활하도록 구성된다.
엔진오일은 엔진에 의해 가열되는데, 탄화되는 것을 방지하기 위해 약 100℃ 이하로 유지되고 있다. 이를 위해, 차량의 경우에는 공랭식 열교환기를 통해 엔진오일의 폐열을 모두 버렸다.
가스 히터 펌프의 경우에는 엔진오일 탱크를 이용하여 고온의 오일을 저온의 오일과 혼합하여 냉각하며, 엔진오일 탱크 내의 냉각된 오일이 다시 엔진으로 공급되어 적정한 온도로 유지하고자 하였다. 즉, 엔진에서 얻어진 엔진오일의 열량을 엔진오일 탱크에서 모두 버리도록 이루어진 것으로서 엔진오일의 폐열을 이용할 수 없는 문제점이 있었다.
특히, 터보차저를 사용하는 엔진의 경우, 엔진오일의 온도가 약 130℃ 정도로 너무 높이 상승하여 노킹 발생 우려가 커지는바, 엔진오일을 상기와 같은 방법으로는 적정한 온도로 유지할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 엔진오일 열교환기를 구비하여 엔진오일이 과열되는 것을 방지하고 냉각수로 엔진오일의 폐열을 효과적으로 회수할 수 있는 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 엔진을 윤활하는 엔진오일이 저장되는 엔진오일 탱크, 상기 엔진오일 탱크와 상기 엔진 사이에 연결되는 엔진오일 순환라인, 상기 엔진오일 순환라인에 설치되어 엔진오일을 펌핑하는 엔진오일 펌프, 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수 순환라인, 상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진오일과 냉각수를 열교환하여 엔진오일의 폐열을 냉각수로 전달하는 엔진오일 열교환기, 상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진의 열을 흡수한 냉각수와 열교환하여 온수를 공급하는 온수 열교환기, 및 상기 엔진과 엔진오일 펌프를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 온수 열교환기는 상기 냉각수 순환라인에서 상기 엔진 출구단과 상기 엔진오일 열교환기 사이에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 냉각수 순환라인에서 상기 엔진오일 열교환기 후단과 엔진 입구단 사이에 설치되어 엔진의 배기가스와 냉각수를 열교환시키는 배기가스 열교환기를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 엔진오일 열교환기는 상기 냉각수 순환라인에서 상기 엔진 출구단과 상기 온수 열교환기 사이에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 엔진오일 열교환기는 냉각수 파이프 내부에 복수의 엔진오일 파이프가 배치되는 이중관 형태로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 엔진오일 열교환기는 냉각수와 엔진오일이 서로 반대방향으로 유동하도록 이루어진 것이 바람직하다.
상기 엔진의 배기가스에 의해 회전되는 임펠러에 의해 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 상기 엔진으로 흡입시키는 터보차저를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 열병합 발전 시스템의 제어방법은, 가스 엔진, 발전기, 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수 순환라인, 상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진오일과 냉각수를 열교환시키는 엔진오일 열교환기, 엔진과 엔진오일 열교환기 사이에 연결되는 엔진오일 순환라인, 엔진오일 순환라인에 설치되어 엔진오일을 펌핑하는 엔진오일 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법에 있어서, 가스 연료를 공급하여 엔진을 작동하여 발전하는 단계, 엔진오일의 온도를 측정하여 기준온도 이상인지 판단하는 단계, 엔진오일 펌프를 제1시간 동안 작동하고 제2시간 동안 정지하는 것을 반복하되, 엔진오일 온도가 높고 냉각수 온도가 낮을수록 엔진오일 펌프의 작동시간을 길게 제어하는 단계를 포함한다.
상기 엔진오일 온도가 90℃ 이상이면 상기 엔진오일 펌프의 정지시간은 120~180초로 하되, 상기 엔진오일 펌프는 엔진오일 온도가 높을수록 더 커지는 제1가중치와 냉각수 온도가 낮을수록 더 커지는 제2가중치를 곱한 시간 동안 작동되는 것이 바람직하다.
상기 기준온도는 90℃이고, 상기 엔진오일 온도가 90℃ 미만이면 상기 엔진오일 펌프의 작동시간은 10~20초, 정지시간은 10~20분으로 제어하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 엔진오일 열교환기를 구비하여 엔진오일이 과열되는 것을 방지하고 냉각수로 엔진오일의 폐열을 효과적으로 회수할 수 있다.
또한, 엔진오일 열교환기와 함께 온수 열교환기와 배기가스 열교환기를 구비하여 엔진에서 발생하는 폐열을 최대로 회수할 수 있다.
또한, 엔진오일 열교환기는 이중관 형태로 이루어져 열교환 효율을 매우 높일 수 있다.
그리고, 엔진오일의 온도와 냉각수의 온도에 따라 엔진오일 펌프의 작동 시간을 조절하여 상황에 따라 엔진오일 열교환기를 효율적으로 이용할 수 있다.
도 1은 열병합 발전 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 엔진과 엔진오일 탱크 사이에서 엔진오일 열교환기에 엔진오일 순환라인과 냉각수 순환라인이 연결되는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 엔진오일 열교환기를 나타내는 정면도(a), 단면도(b), 일부 절개 사시도(c)이다.
도 4는 엔진오일 열교환기가 엔진 출구단 가까이에 설치된 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 5는 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
열병합 발전 시스템(100)은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.
이러한 열병합 발전 시스템(100)에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.
가스 연료는 제로 가버너(zero governor; 12)에 의해 입구 입력의 형태나 유량 변화에 상관없이 항상 일정한 출구 압력을 유지하면서 공급될 수 있다. 제로 가버너(12)는 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진에 공급하는 가스 연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절해 주는 기능을 갖고 있다. 또한, 제로 가버너(12)는 2개의 솔레노이드밸브를 구비하여 공급되는 연료를 차단할 수 있다.
공기는 에어 클리너(air cleaner; 14)를 거쳐 깨끗한 공기로 여과되어 공급될 수 있다. 이러한 에어 클리너(14)는 엔진에 공급되는 외부 공기를 필터를 사용하여 먼지 및 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.
이와 같이 공급된 가스 연료와 공기는 믹서(mixer; 16)에 의해 공기와 연료의 혼합비가 일정한 혼합기로 되어 엔진에 흡입될 수 있다.
제로 가버너(12)와 믹서(16) 사이에는 믹서(16)로 유입되는 연료의 유량을 조절하는 연료밸브(13)가 구비될 수 있다.
터보차저(turbo charger; 20)는 혼합기를 고온 고압 상태로 압축할 수 있다. 이 터보차저(20)는 배기가스의 힘으로 터빈을 회전시키고 그 회전력으로 흡기를 압축시켜 엔진의 실린더로 보내어 출력을 높이는 장치이다.
터보차저(20)는 터보(turbine)와 슈퍼차저(super charger; 과급기)를 합성한 용어로서, 터빈과 여기에 직결된 공기압축기로 구성되어 배기가스의 에너지로 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키고 공기압축기에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낼 수 있다.
이러한 터보차저(20)는 블레이드가 설치된 터빈 휠과 공기압축기의 임펠러를 하나의 축에 연결하고 각각 하우징으로 둘러싼 구조를 가지며, 엔진의 배기 매니폴드 근처에 배치될 수 있다.
혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축되어 온도가 상승하기 때문에 인터쿨러(intercooler; 25)로 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(32)를 통해 엔진(30)으로 유입될 수 있다. 이 인터쿨러(25)는 혼합기를 냉각시켜 밀도를 크게 함으로써 엔진으로 유입되는 혼합기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시킬 수 있다.
인터쿨러(25)는 공기로 냉각하는 공랭식 열교환기 또는 물로 냉각하는 수냉식 열교환 경로로 구성될 수 있다. 수냉식 인터쿨러는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 열교환기 및 펌프를 구비하여 압축된 혼합기로부터 얻은 열량을 외부에 버리게 된다.
ETC밸브(Electronic Throttle Control Valve; 29)는 흡기 매니폴드(32)의 입구측에 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 양을 조절한다. 혼합기가 많이 공급되면 엔진 출력이 커지게 된다.
제어부(110)는 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 조절하여 엔진(30)의 작동을 제어한다. 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도가 커질수록 엔진 회전수가 커지게 될 것이다.
엔진(30)은 흡기 매니폴드(32)를 통해 유입된 혼합기를 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 통해 작동하는 내연기관이다.
엔진(30)이 작동함에 따라 발생하는 배기가스는 배기 매니폴드(34)를 통해 배출되며, 이때 터보차저(20)의 임펠러를 회전시킨다.
엔진(30)은 발전기(40)를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 이를 위해, 엔진(30)의 회전축 일단에 마련된 풀리(36)와 발전기(40)의 회전축 일단에 마련된 풀리(46) 사이에 벨트가 연결될 수 있다.
이러한 엔진(30)의 풀리(36)와 발전기(40)의 풀리(46)는 그 회전수 비가 대략 1:3이 되도록 마련될 수 있다. 즉, 엔진(30)이 1000rpm 회전할 때 발전기(40)는 약 3000rpm 회전할 수 있다.
발전기(40)에서 생산되는 전력은 전력변환기(90)에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.
한편, 엔진(30)은 가스 연소에 의해 작동시 상당한 열이 발생하므로 냉각수를 순환시키면서 열교환시켜 엔진에서 발생하는 고온의 열을 흡수하도록 한다.
자동차에서는 냉각수 순환라인에 라디에이터를 설치하여 엔진의 폐열을 모두 버리도록 구성되지만, 열병합 발전 시스템(100)에서는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 온수를 만들어 이용할 수 있다.
이를 위해, 냉각수 순환라인에는 온수 열교환기(50)가 마련되어 냉각수와 별도로 공급되는 물 사이에 열교환 함으로써 물이 고온의 냉각수로부터 열을 전달받도록 할 수 있다.
이 온수 열교환기(50)에 의해 생성되는 온수는 온수 저장조(51)에 저장되었다가 건물 등의 온수 수요처에 공급될 수 있다.
온수 수요처에서 온수를 사용하지 않는 경우에는 온수 열교환기(50)로 물이 공급되지 않아 냉각수 온도가 상승하게 되는데, 이를 방지하기 위해 별도의 방열기(70)를 설치하여 필요없는 냉각수의 열량을 실외로 버릴 수 있다.
이 방열기(70)는 고온의 냉각수가 다수의 핀(fin)에 의해 공기와 열교환함으로써 방열하는 것으로서, 방열 촉진을 위해 방열팬(72)이 구비될 수 있다.
엔진(30)에서 나오는 냉각수 유로는 상기 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 분기되고, 그 분기되는 지점에 삼방밸브(53)를 설치하여 냉각수의 유동 방향을 상황에 따라 제어할 수 있다. 이 삼방밸브(53)에 의해 냉각수를 온수 열교환기(50)로만 보내거나 방열기(70)로만 보내거나, 상황에 따라 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 소정 비율로 나누어 보낼 수 있다.
삼방밸브(53)를 통과하여 방열기(70)에서 방열된 냉각수는 삼방밸브(53)를 통과하여 온수 열교환기(50)를 통과한 냉각수와 합쳐져서 엔진(30)으로 유입될 수 있다.
그리고, 냉각수 순환라인에는 냉각수 펌프(55)가 설치되어 냉각수의 유동 속도를 조절할 수 있다. 이 냉각수 펌프(55)는 냉각수 순환라인에서 온수 열교환기(50) 및 방열기(70)의 하류와 엔진(30)의 상류에 설치될 수 있다.
한편, 엔진(30)의 배기 매니폴드(34)를 통해서 나오는 배기가스는 상기한 터보차저(20)를 작동시키기도 하지만, 배기가스의 폐열을 회수하기 위해 배기가스 열교환기(60)를 구비할 수 있다.
이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환라인에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.
배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 냉각수가 어느 정도 가열되어 미지근한 상태로 엔진(30)으로 유입되지만, 그 냉각수도 엔진(30)을 충분히 냉각시킬 수 있다.
배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 방열된 배기가스는 머플러(80)를 통과하게 되고, 머플러(80)에 의해 엔진의 배기 측 소음이 저감될 수 있다.
머플러(80)를 통과한 배기가스는 드레인 필터(85)를 통과한 후 외부로 배출될 수 있다. 이 드레인 필터(85)는 머플러(80)와 배기가스 라인 등에서 생성되는 응축수를 정화하기 위해 내부에 정화석을 내장하고 있어서, 산성의 응축수를 정화하고 중화시켜 외부로 유출할 수 있다.
한편, 열병합발전장치(100)는 엔진(30)이 작동할 때 윤활하는 엔진오일을 공급하기 위해 엔진오일 순환라인을 구비할 수 있다.
엔진오일 순환라인은 냉각수 순환라인과 별도로 마련되고 각각 엔진 내부로 유입 및 유출되는 유로가 마련될 수 있다.
그리고, 냉각수 순환라인에는 냉각수와 엔진오일이 서로 열교환하여 냉각수가 고온의 엔진오일로부터 열을 전달받도록 하는 엔진오일 열교환기(110)가 마련될 수 있다.
엔진오일 열교환기(110)는 냉각수 순환라인과 엔진오일 순환라인이 서로 접하여 열교환할 수 있도록 구비될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 엔진오일 열교환기(110)는 냉각수 순환라인에서 방열기(70)의 하류 냉각수 유로와 온수 열교환기(50)를 통과한 냉각수 유로가 합쳐지는 지점과, 냉각수 펌프(55) 사이에 설치될 수 있다.
도 2는 엔진과 엔진오일 탱크 사이에서 엔진오일 열교환기에 엔진오일 순환라인과 냉각수 순환라인이 연결되는 것을 나타내는 도면이다.
도 2에서는 엔진(30), 엔진오일 열교환기(110), 엔진오일 탱크(120), 엔진오일 펌프(130)와 냉각수 순환라인 및 엔진오일 순환라인의 연결관계만을 도시하였으며, 도 1에 도시된 냉각수 열교환기(50), 냉각수 펌프(55), 배기가스 열교환기(60) 등은 편의상 생략되었음을 알 수 있을 것이다.
엔진에는 냉각수 입구 및 출구와, 엔진오일 입구와 출구가 마련된다.
엔진오일은 엔진오일 탱크(120)에 저장되고, 이 엔진오일 탱크(120)는 엔진오일이 유출입할 수 있도록 엔진오일 순환라인에 연결될 수 있다.
엔진오일 열교환기(110)는 일측부에 엔진오일 유입구(111)가 마련되고 타측부에 엔진오일 유출구(112)가 마련되어 각각 엔진오일 순환라인과 연결된다.
또한, 엔진오일 열교환기(110)는 일단부에 냉각수 유입구(114)가 마련되고 타단부에 냉각수 유출구(113)가 마련되어 각각 냉각수 순환라인과 연결된다.
엔진오일 펌프(130)는 엔진오일 순환라인에서 엔진오일 탱크(120)의 출구와 엔진(30)의 입구 사이에 연결되어 엔진오일을 펌핑하여 엔진오일의 유동을 조절한다.
엔진오일 펌프(130)는 그 유동 속도를 변화시키는 것이 아니라 단순히 그 ON/OFF 시간을 조절함으로써 엔진오일의 유동을 조절할 수 있다.
열병합발전장치(100)는 엔진(10)과 엔진오일 펌프(130)의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
그리고, 엔진(10)의 하부에는 엔진오일 순환라인과 연결되고 소량의 엔진오일이 일시 저장되는 리저버 탱크(reservoir tank)가 마련되며, 이 리저버 탱크에 엔진오일 온도센서(미도시)가 마련되어 엔진오일의 온도를 측정하여 제어부로 그 온도 정보를 제공할 수 있다.
제어부는 측정되는 엔진오일의 온도에 따라 후술하는 바와 같이 엔진오일 펌프(130)의 작동을 제어할 수 있다.
냉각수와 엔진오일의 유동을 설명하면 다음과 같다.
엔진오일 열교환기(110)의 냉각수 유출구(113)로 나오는 냉각수는 엔진(30)으로 유입되어 엔진을 냉각시키고 엔진의 열을 흡수한다.
엔진(30)에서 나온 냉각수는 냉각수 유입구(114)를 통해 엔진오일 열교환기(110)를 통과하면서 엔진오일과 열교환하여 엔진오일의 열을 전달받는다.
엔진오일 펌프(130)를 작동시키면 엔진오일 탱크(120) 내에 있던 엔진오일이 엔진(30) 내부로 유입되어 윤활한다.
엔진(30)에서 유출된 엔진오일은 엔진오일 유입구(111)를 통해 엔진오일 열교환기(110)로 유입되어 냉각수와 열교환함으로써 냉각되고 엔진오일 유출구(112)를 통해 나와서 엔진오일 탱크(120)로 다시 유입된다.
엔진오일 열교환기(110) 내에서 냉각수와 엔진오일은 서로 반대방향으로 유동하도록 이루어지는 것이 바람직하다. 열교환하는 두 유체가 서로 반대방향으로 유동하면 열교환 효율이 더 좋아지기 때문이다.
도 3에는 엔진오일 열교환기(110)의 세부 구조가 도시되어 있다.
엔진오일 열교환기(110)는 냉각수 파이프(115) 내부에 복수의 엔진오일 파이프(116)가 배치되는 이중관 형태로 이루어진 것이 바람직하다.
도 3에서는 냉각수 파이프(115) 내부에 엔진오일 파이프(116)가 5개 배치된 것이 도시되어 있는데, 엔진오일 파이프(116)의 개수는 필요로 하는 열교환 성능에 따라 하나 내지 8개로 구성될 수 있다.
엔진오일 파이프(116)는 그 외주면에 이중나선 그루브를 형성함으로써 열교환 성능을 높일 수 있다.
열병합발전장치(100)는 엔진(30)의 배기가스에 의해 회전되는 임펠러에 의해 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 상기 엔진으로 흡입시키는 터보차저(20)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
터보차저(20)를 구비하는 엔진(30)의 경우 600~800℃의 배기가스에 의해 터보차저(20)가 작동되고 엔진오일이 터보차저(20)도 윤활하기 때문에, 엔진오일은 약 110℃까지 상승할 수 있다.
또한, 엔진에 큰 부하가 걸리는 경우 엔진오일은 약 130℃까지 상승할 수 있다.
이와 같이, 엔진오일의 온도가 높게 상승할 수 있는 경우에는 엔진오일 파이프(116) 내부에 복수의 엔진오일 파이프(116)를 배치하는 이중관 형태로 함은 물론, 다수개의 엔진오일 열교환기(110)를 병렬로 연결함으로써 열교환 성능을 더욱 높일 수 있다.
상기한 바와 같이, 열병합발전장치(100)는 냉각수 순환라인에서 상기 엔진(30) 출구단과 상기 엔진오일 열교환기(110) 사이에 설치되어 엔진의 열을 흡수한 냉각수와 열교환하여 온수를 공급하는 온수 열교환기(50)와, 냉각수 순환라인에서 엔진오일 열교환기 후단과 엔진 입구단 사이에 설치되어 엔진의 배기가스와 냉각수를 열교환시키는 배기가스 열교환기(60)를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 엔진오일 열교환기(110)는 온수 열교환기(50)와 배기가스 열교환기(60)의 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
엔진(30)에서 유출된 냉각수는 온수 열교환기(50)에서 열을 모두 전달하고, 엔진오일 열교환기(110)에서 낮은 온도의 냉각수와 고온의 엔진오일이 열교환하도록 함으로써 냉각수의 온도를 상승시킬 수 있다.
또한, 배기가스 열교환기(60)는 약 200℃의 배기가스와 열교환하므로, 약 100℃의 엔진오일과 열교환하는 엔진오일 열교환기(110)보다 후단에 위치하는 것이 바람직하다.
그래서, 냉각수는 엔진오일 열교환기(110)에서 일차적으로 고온의 엔진오일로부터 폐열을 흡수하고, 배기가스 열교환기(60)에서 이차적으로 고온의 배기가스로부터 폐열을 흡수하여 엔진으로 중온의 냉각수를 공급하게 된다.
도 4는 엔진오일 열교환기가 엔진 출구단 가까이에 설치된 실시예를 나타내는 개념도이다.
즉, 엔진오일 열교환기(110)는 냉각수 순환라인에서 상기 엔진(30) 출구단과 상기 온수 열교환기(50) 사이에 설치될 수 있다.
이에 반해, 도 1의 실시예에서는 엔진오일 열교환기(110)가 냉각수 순환라인에서 온수 열교환기(50) 또는 방열기(70)를 거친 냉매와 열교환되도록 온수 열교환기(50)와 엔진 입구단 사이에 설치되었다.
엔진오일 열교환기(110)가 엔진 입구단에 연결된 경우, 엔진오일에 의해 가열된 냉각수가 엔진으로 유입되기 때문에 냉각수의 엔진 냉각 성능이 약간 떨어질 수 있다.
그러나, 도 4의 실시예에서는 냉각수가 엔진을 통과하며 온도가 약간 상승된 후 엔진오일에 의해 가열되므로 엔진오일과의 열교환 성능은 약간 떨어지지만, 냉각수의 엔진 냉각 성능은 저하되지 않는다.
도 5는 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우차트이다. 이하, 열병합 발전 시스템의 제어방법을 설명한다.
먼저, 가스 연료를 공급하여 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산한다(S10).
엔진(30)에 마련된 엔진오일 온도센서로 엔진에 유입되는 엔진오일의 온도를 측정하여 엔진오일 온도가 기준온도 이상인지 판단한다(S20).
엔진온도의 기준온도는 약 90℃로 설정될 수 있다.
그리고, 냉각수 열교환기(50)를 통과한 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서가 더 마련될 수 있다. 엔진오일 온도센서와 냉각수 온도센서에서 측정된 각 온도값은 제어부로 전송되고, 제어부는 엔진오일과 냉각수의 온도에 따라 엔진오일 펌프(130)의 작동을 제어할 수 있다.
다음으로, 측정된 엔진오일 온도에 따라 엔진오일 펌프(130)를 제1시간 동안 작동하고 제2시간 동안 정지하는 것을 반복한다(S30).
엔진오일 펌프(130)의 작동시간인 제1시간은 엔진오일 온도가 높을수록 냉각수 온도가 낮을수록 더 길게 설정될 수 있다.
엔진오일 펌프(130)의 정지시간인 제2시간은 일정한 시간으로 설정되되 기준온도 이상일 때 기준온도 미만일 때보다 짧게 설정될 수 있다.
엔진오일 온도가 90℃ 이상이면 엔진오일 펌프(130)의 정지시간은 120~180초로 하되, 엔진오일 펌프(130)의 작동 시간은 엔진오일 온도가 높을수록 더 커지는 제1가중치와 냉각수 온도가 낮을수록 더 커지는 제2가중치를 곱한 시간으로 계산될 수 있다.
반대로, 엔진오일 온도가 90℃ 미만이면 상기 엔진오일 펌프의 작동시간은 10~20초, 정지시간은 10~20분으로 제어할 수 있다.
엔진오일의 온도가 높고 냉각수의 온도가 낮을수록 냉각수가 엔진오일의 열을 더 많이 전달받을 수 있도록 엔진오일 펌프(130)의 작동 시간을 길게 설정하고, 반대로, 엔진오일 온도가 낮고 냉각수 온도가 높으면 엔진오일로부터 냉각수가 회수할 수 있는 열량이 적기 때문에 엔진오일 펌프(130)의 작동 시간을 짧게 설정하는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
12: 제로 가버너 13: 연료밸브
14: 에어클리너 16: 믹서
20: 터보차저 29: ETC밸브
30: 엔진 40: 발전기
50: 온수 열교환기 60: 배기가스 열교환기
70: 방열기 80: 머플러
90: 전력변환기 100: 열병합발전장치
110: 엔진오일 열교환기 120: 엔진오일 탱크
130: 엔진오일 펌프

Claims (10)

  1. 가스를 연료로 사용하는 엔진;
    상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기;
    상기 엔진을 윤활하는 엔진오일이 저장되는 엔진오일 탱크;
    상기 엔진오일 탱크와 상기 엔진 사이에 연결되는 엔진오일 순환라인;
    상기 엔진오일 순환라인에 설치되어 엔진오일을 펌핑하는 엔진오일 펌프;
    상기 엔진을 냉각시키는 냉각수 순환라인;
    상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진오일과 냉각수를 열교환하여 엔진오일의 폐열을 냉각수로 전달하는 엔진오일 열교환기;
    상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진의 열을 흡수한 냉각수와 열교환하여 온수를 공급하는 온수 열교환기; 및
    상기 엔진과 엔진오일 펌프를 제어하는 제어부를 포함하는 열병합 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온수 열교환기는 상기 냉각수 순환라인에서 상기 엔진 출구단과 상기 엔진오일 열교환기 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수 순환라인에서 상기 엔진오일 열교환기 후단과 엔진 입구단 사이에 설치되어 엔진의 배기가스와 냉각수를 열교환시키는 배기가스 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엔진오일 열교환기는 상기 냉각수 순환라인에서 상기 엔진 출구단과 상기 온수 열교환기 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진오일 열교환기는 냉각수 파이프 내부에 복수의 엔진오일 파이프가 배치되는 이중관 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진오일 열교환기는 냉각수와 엔진오일이 서로 반대방향으로 유동하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 엔진의 배기가스에 의해 회전되는 임펠러에 의해 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 상기 엔진으로 흡입시키는 터보차저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
  8. 가스 엔진, 발전기, 상기 엔진을 냉각시키는 냉각수 순환라인, 상기 냉각수 순환라인에 설치되어 엔진오일과 냉각수를 열교환시키는 엔진오일 열교환기, 엔진과 엔진오일 열교환기 사이에 연결되는 엔진오일 순환라인, 엔진오일 순환라인에 설치되어 엔진오일을 펌핑하는 엔진오일 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법에 있어서,
    가스 연료를 공급하여 엔진을 작동하여 발전하는 단계;
    엔진오일의 온도를 측정하여 기준온도 이상인지 판단하는 단계;
    엔진오일 펌프를 제1시간 동안 작동하고 제2시간 동안 정지하는 것을 반복하되, 엔진오일 온도가 높고 냉각수 온도가 낮을수록 엔진오일 펌프의 작동시간을 길게 제어하는 단계를 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 엔진오일 온도가 90℃ 이상이면 상기 엔진오일 펌프의 정지시간은 120~180초로 하되,
    상기 엔진오일 펌프는 엔진오일 온도가 높을수록 더 커지는 제1가중치와 냉각수 온도가 낮을수록 더 커지는 제2가중치를 곱한 시간 동안 작동되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기준온도는 90℃이고,
    상기 엔진오일 온도가 90℃ 미만이면 상기 엔진오일 펌프의 작동시간은 10~20초, 정지시간은 10~20분으로 제어하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
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