KR20180083206A - 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 엔진의 배기가스에 의해 회전되는 터빈과 연결된 임펠러가 상기 엔진에 흡입되는 혼합기를 압축하여 공급하는 터보차저, 혼합기가 상기 터보차저를 거치지 않고 상기 엔진으로 흡입되도록 연결된 자연 흡기유로에 설치된 흡기밸브, 상기 배기가스가 상기 터보차저로 유입되는 유로에서 분기되어 배기가스가 터보차저를 거치지 않고 배출되도록 연결된 바이패스 유로, 상기 배기가스가 상기 터보차저로 유입되는 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점에 설치되는 배기밸브, 및 상기 엔진, 흡기밸브 및 배기밸브를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진 회전수가 소정값 이하일 때, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어된다.

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.

열병합 발전 시스템은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.

이러한 열병합 발전 시스템에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.

엔진은 발전기를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 또한, 발전기에서 생산되는 전력은 전력변환기에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.

엔진은 그에 인가되는 부하에 따라 목표 엔진 회전수를 추종하도록 제어된다. 엔진에 인가되는 부하가 커지면 제어부는 목표 회전수를 크게 바꾸고 그 바뀐 목표 엔진 회전수가 되도록 연료밸브 등의 개도량을 늘려 엔진을 작동시킨다. 부하가 작아지면 목표 엔진 회전수가 작아지고 그에 따라 연료밸브 등의 개도량도 작아질 것이다.

그런데, 엔진 출력을 향상시키기 위해 혼합기 압력을 높여서 엔진으로 공급하는 과급기로서, 엔진의 배기가스 출력으로 혼합기를 고압으로 공급하는 터보차저를 사용하기도 한다.

터보차저를 구비하는 엔진은 높은 엔진 회전수 영역에서 엔진 출력을 향상시킬 수 있지만, 낮은 엔진 회전수 영역에서는 터보차저를 사용하지 않는 자연 흡기 방식의 엔진보다 오히려 출력이 떨어지는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술로서, 한국 등록실용신안공보 제20-0151137호에는 터보차저 엔진용 흡기장치가 개시되어 있다.

개시된 터보차저 엔진용 흡기장치는 자동차에 사용되는 엔진으로서, 엔진의 구동조건에 관계없이 엔진의 흡기부압에 의해 항상 엔진에 공기를 공급하는 제1흡기계, 및 상기 제1흡기계와 병행하여 설치되며 엔진의 고 RPM 운전 영역에서만 터보차저 구동에 따른 과급공기를 엔진에 공급하도록 개방되는 제2흡기계를 구비한다.

하지만, 낮은 엔진 회전수의 경우에는 솔레노이드 밸브가 제2흡기계를 차단하는데, 이 경우에도 배기가스는 항상 터보차저를 작동시키므로 터보차저의 임펠러에 의해 압축된 공기가 배출되는 유로가 없기 때문에 배기측에 저항으로 작용하여 엔진측의 출력이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 자연 흡기되는 공기의 양을 정량적으로 조절하는 것이 불가능하고 흡입 공기량과 배기량의 차이로 인해 엔진 효율이 나빠질 수 있다.

본 발명은 터보차저를 구비한 엔진을 포함하는 열병합 발전 시스템에서 엔진 회전수가 높은 경우는 물론 엔진 회전수가 낮은 경우에도 엔진 출력을 향상시킬 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 엔진의 배기가스에 의해 회전되는 터빈과 연결된 임펠러가 상기 엔진에 흡입되는 혼합기를 압축하여 공급하는 터보차저, 혼합기가 상기 터보차저를 거치지 않고 상기 엔진으로 흡입되도록 연결된 자연 흡기유로에 설치된 흡기밸브, 상기 배기가스가 상기 터보차저로 유입되는 유로에서 분기되어 배기가스가 터보차저를 거치지 않고 배출되도록 연결된 바이패스 유로, 상기 배기가스가 상기 터보차저로 유입되는 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점에 설치되는 배기밸브, 및 상기 엔진, 흡기밸브 및 배기밸브를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진 회전수가 소정값 이하일 때, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어된다.

상기 제어부는 엔진 회전수가 빨라져서 제1회전수값 이상이 되면, 상기 흡기밸브를 닫고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 터보차저를 통과하도록 제어되는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 엔진 회전수가 느려져서 제2회전수값 이하가 되면, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어되는 것이 바람직하다.

상기 흡기밸브와 상기 배기밸브는 개도량이 초당 5~15% 조절되는 스텝밸브인 것이 바람직하다.

상기 제2회전수값은 상기 제1회전수값보다 50rpm 더 큰 것이 바람직하다.

상기 제1회전수값은 1300~1500rpm이고, 상기 제2회전수값은 1400~1500rpm인 것이 바람직하다.

본 발명의 열병합 발전 시스템의 제어방법은, 터보차저를 구비하는 엔진과 발전기를 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법에 있어서, 목표 회전수를 추종하도록 엔진을 정상 운전 제어하는 단계, 부하 변화에 따라 목표 엔진 회전수를 변경하는 단계, 및 엔진 회전수가 소정값 이하일 때, 엔진으로 흡기되는 혼합기가 상기 터보차저를 통과하지 않도록 흡기밸브를 열고, 배기가스가 터보차저를 통과하지 않고 바이패스 유로를 통해 배출되도록 배기밸브를 제어하는 단계를 포함한다.

엔진 회전수가 빨라져서 제1회전수값 이상이 되면, 상기 흡기밸브를 닫고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 터보차저를 통과하도록 제어되는 것이 바람직하다.

엔진 회전수가 느려져서 제2회전수값 이하가 되면, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어되는 것이 바람직하다.

상기 흡기밸브와 상기 배기밸브는 개도량이 초당 5~15% 조절되는 것이 바람직하다.

상기 제2회전수값은 상기 제1회전수값보다 50rpm 더 큰 것이 바람직하다.

상기 제1회전수값은 1300~1500rpm이고, 상기 제2회전수값은 1400~1500rpm인 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 터보차저를 구비한 엔진을 포함하는 열병합 발전 시스템에서 엔진의 고속운전시에는 터보차저에 의해 혼합기를 고압으로 과급하여 엔진출력을 향상시킴은 물론, 저속운전시에는 혼합기를 자연 흡기 방식으로 엔진에 흡입하고 배기가스도 터보차저를 경유하지 않도록 바이패스시킴으로써, 엔진 회전속도의 전 영역에 걸쳐 엔진출력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 제어부와 연결되는 센서와 밸브를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진의 흡기 및 배기 유로와 그 연결 관계를 나타내는 개략도이다.
도 4는 터보차저 적용 엔진과 자연 흡기 엔진의 엔진 회전수에 따른 토크를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 5는 고속회전시에 터보차저를 사용하는 경우의 흡기 및 배기 유동을 나타내는 개략도이다.
도 6은 저속회전시에 터보차저를 사용하지 않는 경우의 흡기 및 배기 유동을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 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 순환 유로에 라디에이터를 설치하여 엔진의 폐열을 모두 버리도록 구성되지만, 열병합 발전 시스템(100)에서는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 온수를 만들어 이용할 수 있다.

이를 위해, 냉각수 순환 유로에는 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 순환 유로에는 냉각수 펌프(55)가 설치되어 냉각수의 유동 속도를 조절할 수 있다. 이 냉각수 펌프(55)는 냉각수 순환 유로에서 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 순환 유로에서 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.

도 2는 제어부와 연결되는 센서와 밸브를 나타내는 블록도이다.

제어부(110)는 엔진과 각종 센서 및 밸브를 포함하는 열병합 발전 시스템의 작동을 제어한다.

특히, 엔진에는 엔진 회전수 센서(120)가 구비되어 엔진의 분당 회전수(rpm)를 산출할 수 있다.

또한, 흡기 매니폴드(32)에는 흡입 압력을 측정하는 MAP 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor; 130)가 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 흡입 압력으로부터 그에 대응하는 부하의 크기를 상대적으로 산출할 수 있다.

일반적으로 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 유입량이 많을수록 엔진 회전수가 커지고 이에 따라 출력, 즉 발전량이 커지게 된다.

그리고, 믹서(16)의 입구측에는 연료밸브(13)가 구비되어 공기와 혼합되는 가스 연료의 공급량을 조절한다. 가스 연료가 많이 공급되면 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 혼합비가 커지게 된다.

또한, 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.

도 3은 본 발명에 따른 엔진의 흡기 및 배기 유로와 그 연결 관계를 나타내는 개략도이다.

터보차저(20)는 엔진(30)의 실린더와 혼합기 공급라인 및 배기가스 배출라인에 의해 연결된다.

터보차저(20)는 엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 회전되는 터빈(21)과, 혼합기를 압축하여 엔진으로 보내는 임펠러(23)와, 터빈(21)과 임펠러(23) 사이에 연결되어 함께 회전되는 회전축(22)을 포함한다.

엔진(30) 실린더에서 배출되는 배기가스는 터빈(21)을 회전시킨 후 머플러(80)를 통해 외부로 배출된다.

터보차저(20)로 유입되어 임펠러(23)에 의해 압축된 혼합기는 인터쿨러(25)에서 냉각된 후 흡기 매니폴드(32)를 거쳐 흡기밸브를 통해 엔진(30) 실린더로 유입될 수 있다.

도 3에서 도 1의 구조와 다른 점은, 혼합기 공급라인에 혼합기를 자연 흡입되도록 하는 자연 흡기유로와 흡기밸브(140)를 구비하는 점, 배기가스 배출라인에 터보차저를 경유하지 않고 머플러(80)로 바로 연결되는 바이패스 유로(160)와, 터보차저(20)로 유입되는 유로와 바이패스 유로의 분기점에 배기밸브(150)를 구비하는 점이다.

혼합기가 터보차저(20)에 의해 압축되고 인터쿨러(25)에 의해 냉각되어 엔진(30)으로 유입되는 흡입 유로에 혼합기가 엔진 실린더의 부압에 의해 자연 흡입되도록 자연 흡기유로가 연결된다.

즉, 상기한 믹서(16)로부터 터보차저(20)로 혼합기 유로가 연결됨과 동시에 자연 흡기유로로도 연결되는 것이다.

이 자연 흡기유로에는 흡기밸브(140)가 마련되어 자연 흡기유로를 개폐할 수 있다.

흡기밸브(140)는 스텝밸브로 마련되어 자연 흡기유로의 개도량을 단계별로 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

배기가스 배출라인은 터보차저(20)를 경유하는 유로와 터보차저(20)를 경유하지 않는 바이패스 유로(160)로 분기되고, 두 유로는 상기한 머플러(80) 전에 다시 합쳐질 수 있다.

터보차저(20)를 경유하는 유로와 바이패스 유로(160)의 분기점에는 배기밸브(150)가 마련되어 두 유로로의 개도량을 조절할 수 있다. 즉, 배기밸브(150)는 배기가스가 모두 터보차저(20)를 경유하도록 하거나, 모두 바이패스 유로(160)로만 우회하도록 하거나, 또는 두 유로로 소정 비율로 유동하도록 할 수 있다.

도 3에서는 혼합기의 흡입측에서 일부는 터보차저(20)에 의해 압축되어 과급되고 나머지는 자연 흡기 방식으로 흡입되며, 배기측에서도 배기가스의 일부는 터보차저(20)를 통과하고 나머지는 바이패스 유로(160)로 배출되는 경우를 나타낸 것이다.

도 4는 터보차저 적용 엔진과 자연 흡기 엔진의 엔진 회전수에 따른 토크를 비교하여 나타내는 그래프이다.

터보차저가 없는 자연 흡기 엔진의 경우 엔진 회전수(rpm)가 증가할수록 토크(Nm)도 완만하게 증가하는 경향을 나타낸다.

터보차저를 구비하는 엔진의 경우 엔진 회전수(rpm)가 증가할수록 급격히 증가하다가 소정값 이상의 고속 회전시에는 토크가 더이상 증가되지 않고 오히려 완만하게 감소하는 경향을 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 엔진 회전수에서 터보차저 적용 엔진의 토크가 자연 흡기 엔진의 토크보다 커지기 시작하는 출력 교차지점이 존재한다.

따라서, 출력 교차지점보다 낮은 엔진 회전수의 경우 자연흡기 엔진 방식으로 운전하고 출력 교차지점보다 낮은 엔진 회전수의 경우 터보차저 방식으로 운전한다면 엔진의 출력을 최대로 얻을 수 있을 것이다.

도 5는 고속회전시에 터보차저를 사용하는 경우의 흡기 및 배기 유동을 나타내는 개략도이다.

높은 엔진 회전수로 엔진이 회전되는 경우에는 배기밸브(150)를 터보차저(20) 쪽으로만 100% 개방하여 모든 배기가스가 터보차저(20)를 통과하며 터빈(21)을 회전시키도록 한다.

이와 동시에, 흡기밸브(140)를 완전히 닫아서 혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축된 후에 엔진으로 흡입되도록 한다.

도 6은 저속회전시에 터보차저를 사용하지 않는 경우의 흡기 및 배기 유동을 나타내는 개략도이다.

낮은 엔진 회전수로 엔진이 회전되는 경우에는 배기밸브(150)를 바이패스 유로(160) 쪽으로만 100% 개방하여 모든 배기가스가 터보차저(20)를 통과하지 않고 바로 배출되도록 한다.

이와 동시에, 흡기밸브(140)를 완전히 열어서 혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축되지 않고 엔진 실린더의 부압에 의해 자연 흡기 방식으로 엔진으로 흡입되도록 한다.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 제어방법을 설명한다.

먼저, 엔진을 작동하여 외부 부하에 대응하는 목표 엔진 회전수를 추종하도록 엔진을 정상 제어한다(S10).

부하가 변동하면 목표 엔진 회전수도 그에 따라 변동될 수 있지만, 부하 변동폭이 소정 범위 이내로 작은 경우에는 부하와 그에 따른 목표 엔진 회전수가 고정된 것으로 볼 수 있고, 이때 엔진 회전수의 변화폭도 작아서 정상 상태에 도달할 수 있다.

엔진 정상 제어는 부하 변동이 없어지고 목표 회전수 추종 제어에 의해 엔진 회전수가 안정화되도록 제어하는 것을 말한다.

그러다가, 부하가 변동되면 그에 대응하여 엔진 목표 회전수를 변경한다(S20).

엔진 목표 회전수가 변경되면 터보차저 사용 여부를 체크하여 변경하는 터보차저 가변 제어에 진입한다(S30).

터보차저 가변 제어에 진입하면, 현재 터보차저 사용 여부를 체크한다(S40). 현재 터보차저를 사용하고 있다면 엔진 회전수가 소정값 이상인 경우이고, 현재 터보차저를 사용하지 않고 있다면 엔진 회전수가 소정값 이하인 경우일 것이다.

엔진이 저속으로 회전하여 자연 흡기방식으로 엔진에 혼합기를 흡입하고 터보차저를 미사용하다가, 엔진 회전수가 제1회전수값 이상으로 커지게 되는지 여부를 판단한다(S50).

제1회전수값은 도 4에서 출력 교차지점이 약 1400rpm이므로 1400rpm으로 설정될 수 있지만, 제1회전수값은 열병합 발전 시스템에 따라 달라질 수 있으므로 1300~1500rpm으로 설정될 수 있다.

엔진 회전수가 제1회전수값 이상으로 커지게 되면 흡기밸브(140)와 배기밸브(150)의 개도량을 조절하여 흡기밸브(140)는 0%로 닫고 배기밸브(150)는 터보차저(20) 쪽으로 100% 열어준다(S70).

흡기밸브(140)와 배기밸브(150)는 스텝밸브로서 개도량이 초당 5~15% 조절되어 최종적으로 완전히 열리거나 완전히 닫히도록 한다.

한편, 현재 터보차저를 사용중이라면 엔진이 고속으로 회전하는 경우일 것이고, 엔진 회전수가 감소하여 제2회전수값 이하로 작아지게 되는지 여부를 판단한다(S60).

제2회전수값은 제1회전수값과 같이 약 1400rpm으로 설정될 수도 있으나, 제1회전수값보다 약 50rpm 큰 약 1450rpm으로 설정되는 것이 바람직하다.

이 제2회전수값도 열병합 발전 시스템에 따라 달라질 수 있으므로 1400~1500rpm으로 설정될 수 있다.

제2회전수값을 제1회전수값보다 더 크게 설정하는 이유는 엔진이 고속으로 회전하다가 저속으로 변화되는 경우에 자연 흡기 방식으로 변경해야 할 것인데, 히스테리시스(hysteresis)에 의해 밸브의 개도 변화에 의해 유로 연결 상태 변화가 지연되기 때문이다.

그래서, 엔진 회전수가 고속에서 저속으로 변화할 때 반대의 경우보다 더 높은 엔진 회전수에서 자연 흡기 방식으로 더 빨리 밸브 개도량 조절 제어를 시작함으로써, 출력 교차지점에서 유로 연결 상태 변화가 완료될 수 있도록 할 수 있다.

엔진 회전수가 제2회전수값 이하로 작아지면 흡기밸브(140)와 배기밸브(150)의 개도량을 조절하여 흡기밸브(140)는 1000%로 열고 배기밸브(150)는 바이패스 유로(160) 쪽으로 100% 열어준다(S70).

다음으로, 흡기밸브(140)와 배기밸브(150)의 개폐 여부를 체크하여 각 밸브의 개도량이 완전히 열림 또는 완전히 닫힘으로 변경이 완료되었는지 체크한다(S80).

밸브 개폐가 완료되지 않았다면 밸브 개도량 조절 제어를 계속해서 하고, 밸브 개폐가 완료되었다면 터보차저 가변 제어를 종료하고 엔진 정상 제어(S10)로 돌아간다.

본 발명에 의하면, 엔진의 고속 회전시에는 터보차저에 의해 압축된 혼합기를 흡입하고 저속 회전시에는 터보차저를 사용하지 않고 자연 흡기 방식으로 혼합기를 흡입함으로써 고속 회전시는 물론 저속 회전시에도 높은 출력을 나타낼 수 있다.

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 21: 터빈
22: 회전축 23: 임펠러
29: ETC밸브
30: 엔진 40: 발전기
50: 온수 열교환기 60: 배기가스 열교환기
70: 방열기 80: 머플러
90: 전력변환기 100: 열병합발전장치
110: 제어부 120: 엔진 회전수 센서
130: MAP센서 140: 흡기밸브
150: 배기밸브 160: 바이패스 유로

Claims (12)

1. 가스를 연료로 사용하는 엔진;
   상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기;
   상기 엔진의 배기가스에 의해 회전되는 터빈과 연결된 임펠러가 상기 엔진에 흡입되는 혼합기를 압축하여 공급하는 터보차저;
   혼합기가 상기 터보차저를 거치지 않고 상기 엔진으로 흡입되도록 연결된 자연 흡기유로에 설치된 흡기밸브;
   상기 배기가스가 상기 터보차저로 유입되는 유로에서 분기되어 배기가스가 터보차저를 거치지 않고 배출되도록 연결된 바이패스 유로;
   상기 배기가스가 상기 터보차저로 유입되는 유로와 상기 바이패스 유로의 분기점에 설치되는 배기밸브; 및
   상기 엔진, 흡기밸브 및 배기밸브를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 엔진 회전수가 소정값 이하일 때, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 엔진 회전수가 빨라져서 제1회전수값 이상이 되면, 상기 흡기밸브를 닫고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 터보차저를 통과하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제어부는 엔진 회전수가 느려져서 제2회전수값 이하가 되면, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 흡기밸브와 상기 배기밸브는 개도량이 초당 5~15% 조절되는 스텝밸브인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2회전수값은 상기 제1회전수값보다 50rpm 더 큰 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1회전수값은 1300~1500rpm이고, 상기 제2회전수값은 1400~1500rpm인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템.
7. 터보차저를 구비하는 엔진과 발전기를 포함하는 열병합 발전 시스템의 제어방법에 있어서,
   목표 회전수를 추종하도록 엔진을 정상 운전 제어하는 단계;
   부하 변화에 따라 목표 엔진 회전수를 변경하는 단계; 및
   엔진 회전수가 소정값 이하일 때, 엔진으로 흡기되는 혼합기가 상기 터보차저를 통과하지 않도록 흡기밸브를 열고, 배기가스가 터보차저를 통과하지 않고 바이패스 유로를 통해 배출되도록 배기밸브를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
8. 제7항에 있어서,
   엔진 회전수가 빨라져서 제1회전수값 이상이 되면, 상기 흡기밸브를 닫고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 터보차저를 통과하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
9. 제8항에 있어서,
   엔진 회전수가 느려져서 제2회전수값 이하가 되면, 상기 흡기밸브를 열고 상기 배기밸브는 상기 배기가스가 모두 상기 바이패스 유로로 배출되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 흡기밸브와 상기 배기밸브는 개도량이 초당 5~15% 조절되는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제2회전수값은 상기 제1회전수값보다 50rpm 더 큰 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제1회전수값은 1300~1500rpm이고, 상기 제2회전수값은 1400~1500rpm인 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.

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