KR20190010038A - 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

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KR20190010038A
KR20190010038A KR1020170092161A KR20170092161A KR20190010038A KR 20190010038 A KR20190010038 A KR 20190010038A KR 1020170092161 A KR1020170092161 A KR 1020170092161A KR 20170092161 A KR20170092161 A KR 20170092161A KR 20190010038 A KR20190010038 A KR 20190010038A
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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, LNG(액화 천연 가스)를 기화시키는 LNG 처리 시스템을 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체는 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 LNG 처리 시스템 중 적어도 어느 하나에서 냉각되어 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템을 제공한다.

Description

하이브리드 발전 시스템{Hybrid power generating system}
본 발명은 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체를 LNG 처리 시스템에서 LNG의 기화에 사용해 두 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 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 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.
초임계 이산화탄소 발전 시스템의 일 예가 미국특허공개 2014-0102098호에 개시되어 있다.
그러나 기존의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 일정 규모 이상으로 대용량화하기가 어려워 필요 전력량의 일부만을 공급할 수 있는 한계가 있다.
한편, 일반적으로 LNG(liquefied natural gas, 액화 천연 가스) 처리 시스템에서 LNG를 기화시키기 위해서는 대량의 해수를 사용하고 있다. LNG는 액상에서 섭씨 영하 150도 정도의 온도이며, 이를 섭씨 8도의 기체로 기화시키기 위해서는 열을 공급하는 물이 얼지 않도록 대량 공급이 필요하다. 따라서 섭씨 약 14도의 해수를 대량 공급해 LNG로 열을 공급해 LNG를 기화시키는데 사용한다.
대량의 해수 공급을 위해 해수 펌프가 필수적으로 구비되어야 하며, 해수 펌프의 구동을 위해 별도의 동력원이 필요하다. 이는 LNG 처리 시스템 전체적으로 효율을 감소시키는 것이다.
따라서 LNG 처리 시스템 및 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
미국특허공개 제2014-0102098호 (공개일 2014. 04. 17)
본 발명의 목적은 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체를 LNG 처리 시스템에서 LNG의 기화에 사용해 두 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 하이브리드 발전 시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, LNG(액화 천연 가스)를 기화시키는 LNG 처리 시스템을 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체는 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 LNG 처리 시스템 중 적어도 어느 하나에서 냉각되어 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부를 가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동되는 적어도 하나의 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 스타트업 쿨러를 포함하며, 상기 LNG 처리 시스템은 상기 LNG를 기화시키는 복수의 고압 증발기를 포함한다.
상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 분기하며 상기 스타트업 쿨러의 입구단에 설치되는 제1 컨트롤 밸브 및 상기 LNG 처리 시스템의 입구단에 설치되는 제2 컨트롤 밸브를 더 포함한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 상기 제1 컨트롤 밸브는 개방되고 상기 제2 컨트롤 밸브는 폐쇄되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러를 거쳐 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브가 개방되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러 및 상기 고압 증발기로 분기되는 것을 특징으로 한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 상기 고압 증발기로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 상기 스타트업 쿨러로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 LNG 처리 시스템의 구동 후 상기 제1 컨트롤 밸브는 폐쇄하고 상기 제2 컨트롤 밸브는 개방 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 컨트롤 밸브의 폐쇄 시점은 상기 고압 증발기에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량이 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 상기 스타트업 쿨러에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량에 대응하는 유량이 되는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 스타트업 쿨러의 배출단 및 상기 고압 증발기의 배출단에 각각 설치되는 온도 조절기를 더 포함하고, 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브로 각각 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 온도 조절기의 온도에 따라 달라지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, LNG(액화 천연 가스)를 기화시키는 LNG 처리 시스템을 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체는 제어 모드에 따라 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 LNG 처리 시스템 중 어느 하나로 공급되어 냉각된 후 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템을 제공할 수 있다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부를 가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동되는 적어도 하나의 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 스타트업 쿨러를 포함하며, 상기 LNG 처리 시스템은 상기 LNG를 기화시키는 복수의 고압 증발기를 포함하고, 상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 분기하며 상기 스타트업 쿨러의 입구단에 설치되는 제1 컨트롤 밸브 및 상기 LNG 처리 시스템의 입구단에 설치되는 제2 컨트롤 밸브를 더 포함한다.
상기 제어 모드는 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 모드, 상기 작동 유체가 상기 LNG 처리 시스템으로 일부 또는 전부 공급되어 냉각되는 스위치 오버 모드를 포함한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 모드에서, 상기 제1 컨트롤 밸브는 개방되고 상기 제2 컨트롤 밸브는 폐쇄되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러를 거쳐 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 오버 모드의 시작 시, 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브가 개방되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러 및 상기 고압 증발기로 분기되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 오버 모드의 시작 시, 상기 고압 증발기로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 오버 모드의 시작 시, 상기 스타트업 쿨러로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위치 오버 모드의 완료 후, 상기 제1 컨트롤 밸브는 폐쇄하고 상기 제2 컨트롤 밸브는 개방 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 컨트롤 밸브의 폐쇄 시점은 상기 고압 증발기에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량이 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 상기 스타트업 쿨러에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량에 대응하는 유량이 되는 시점인 것을 특징으로 한다.
상기 스타트업 쿨러의 배출단 및 상기 고압 증발기의 배출단에 각각 설치되는 온도 조절기를 더 포함하고, 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브로 각각 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 온도 조절기의 온도에 따라 달라지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템은 LNG 처리 시스템에서 필요로 하는 해수 대신 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체를 활용함으로써 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 폐열 회수 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, LNG 처리 시스템의 해수 펌프 소비 동력을 감소 시킬 수 있어 LNG 처리 시스템 전체로 볼 때 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 도 1의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 상태를 도시한 모식도,
도 3은 도 1의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 스위치 오버 모드 시작 상태를 도시한 모식도,
도 4는 도 1의 하이브리드 발전 시스템에 따른 스위치 오버 완료 모드 상태를 도시한 모식도,
도 5는 도 2의 하이브리드 발전 시스템에 따른 LNG 처리 시스템의 고압 증발 장치의 일 예를 도시한 모식도,
도 6은 도 2의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시를 도시한 그래프,
도 7은 도 2의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 스타트업 쿨러의 출구 온도를 도시한 그래프,
도 8은 도 7의 LNG 처리 시스템의 고압 증발 장치에 따른 출구 온도 및 입구 온도 개도율을 도시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)은 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 압축기가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 압축기에 연결된 터빈을 이용해 압축기를 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 발명에서 저온 및 고온이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다. 저압 및 고압이라는 용어 역시 상대적인 의미로 이해되어야 한다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(숫자를 붙인 각 라인을 의미함)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.
LNG 처리 시스템(B)은 통상 선박을 통해 액화 천연 가스를 이송한 다음 육상의 처리 시설로 공급하는 설비를 의미한다.
선박에는 LNG 저장 탱크 및 공급 펌프가 구비되며, 섭씨 영하 160도 내외의 초저온 상태인 LNG를 처리 시스템으로 공급한다. 처리 시스템으로 LNG가 보내지기 전 컨덴서 및 고압 펌프를 거치며, 처리 시스템 내의 고압 증발 장치로 보내진다. 고압 증발 장치에서 LNG는 해수 펌프에 의해 공급된 해수와 열교환을 통해 가스화되어 공급처로 이송된다. 열을 빼앗기고 냉각된 해수는 처리 시스템 외부로 배출된다.
본 발명에서 고압 증발 장치는 복수 개로 구비되며(도 5 참조), 이 중 일부는 해수와 열교환을 해 LNG를 가스화시키고, 나머지는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체와 열교환해 LNG를 가스화시키는 방법을 제안한다.
편의상 본 발명에서는 LNG 처리 시스템 중 고압 증발 장치만을 표시하여 LNG 처리 시스템에 대해 설명하기로 한다.
또한, 본 발명에서 설명하는 초임계 발전 시스템은 일 예로 든 것일 뿐, 개시된 각 구성품의 개수와 배치에 제한되지 않는다.
도 2는 도 1의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 상태를 도시한 모식도, 도 3은 도 1의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 스위치 오버 모드 시작 상태를 도시한 모식도, 도 4는 도 1의 하이브리드 발전 시스템에 따른 스위치 오버 완료 모드 상태를 도시한 모식도이다. 도 5는 도 2의 하이브리드 발전 시스템에 따른 LNG 처리 시스템의 고압 증발 장치의 일 예를 도시한 모식도, 도 6은 도 2의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시를 도시한 그래프, 도 7은 도 2의 하이브리드 발전 시스템에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 스타트업 쿨러의 출구 온도를 도시한 그래프, 도 8은 도 7의 LNG 처리 시스템의 고압 증발 장치에 따른 출구 온도 및 입구 온도 개도율을 도시한 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)은 작동 유체의 압축 및 순환을 위한 펌프 또는 압축기(100), 작동 유체를 가열하기 위한 적어도 하나의 리큐퍼레이터(200), 외부 열원인 폐열 기체로부터 폐열을 회수해 작동 유체를 추가로 가열하는 적어도 하나의 열교환기(300)와, 작동 유체에 의해 구동되어 전력을 생산하는 적어도 하나의 터빈(400), 작동 유체의 냉각을 위한 컨덴서 역할을 하는 스타트업 쿨러(500)로 구성될 수 있다. 본 실시 예에서 열교환기(300)는 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)로 구성되고, 압축기(100) 및 리큐퍼레이터(200)는 각 하나씩 구비되며, 터빈(400)은 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)으로 구성되는 것을 예로 하여 설명한다.
압축기(100)는 후술할 제2 터빈(430)에 의해 구동되며(도 2의 점선 참조), 스타트업 쿨러(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체의 일부를 리큐퍼레이터(200)로 보내고 나머지를 제2 열교환기(330)로 보낸다.
리큐퍼레이터(200)는 압축기(100)를 통과한 작동 유체와 터빈(400)을 통과한 작동 유체를 열교환 한다. 터빈(400)을 거쳐 리큐퍼레이터(200)에서 1차로 냉각된 작동 유체는 스타트업 쿨러(500)로 공급되어 재냉각된 후 압축기(100)로 순환된다. 리큐퍼레이터(200)에서 터빈(400)을 거친 작동 유체와 열교환해 가열된 작동 유체는 제2 열교환기(330)에서 1차로 가열된 작동 유체와 혼합되어 제1 열교환기(310)로 이송된다.
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 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 제1 터빈(410)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 제2 터빈(430)은 압축기(100)를 구동시키는 역할을 한다. 따라서 제1 터빈(410)이 제2 터빈(430)에 비해 상대적으로 고압인 터빈일 수 있다.
스타트업 쿨러(500)는 공기 또는 냉각수를 냉매로 사용해 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체를 냉각하는 컨덴서 역할을 한다. 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체는 일부 또는 전부가 스타트업 쿨러(500)로 공급되어 냉각된 뒤, 다시 압축기(100)로 순환된다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 하이브리드 발전 시스템의 구동 모드에 따라 일부가 LNG 처리 시스템(B)으로 분기될 수도 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명에서 스타트업 쿨러(500)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 초기 구동 시 LNG 처리 시스템(B)의 운전 상태에 영향을 주지 않도록 작동 유체를 냉각시키는 역할을 한다.
따라서 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 초기 구동 시 작동 유체가 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A) 내에서만 순환되는 것이 바람직하며, 이를 위해 스타트업 쿨러(500)의 입구단과 LNG 처리 시스템(B)의 입구단에는 각각 컨트롤 밸브(1100)가 구비된다. 따라서 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 초기 구동 시 스타트업 쿨러(500)의 입구단에 구비된 제1 컨트롤 밸브(600)는 개방되고, LNG 처리 시스템(B)의 입구단에 구비된 제2 컨트롤 밸브(700)는 폐쇄된다(도 2 참조).
LNG 처리 시스템(B)은 복수의 고압 증발기(1000)를 구비하며, 각 고압 증발기(1000)는 냉각수 또는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체가 유입되어 LNG와 열교환된 후 고압 증발기(1000)를 빠져나간다.
일부의 고압 증발기(1000)는 폭 방향 일측으로 해수가 공급되고 열을 빼앗겨 냉각된 해수가 시스템 외부로 배출되며, 길이 방향 일측으로 유입되어 열을 받아 기화된 천연 가스(NG)는 길이 방향 타측으로 고압 증발기(1000)를 빠져나간다.
또한, 일부의 고압 증발기(1000a)는 일측으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 작동 유체가 공급되며(폭 방향 일측), 열을 빼앗겨 냉각된 작동 유체는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 압축기로 재공급된다(폭 방향 타측). LNG는 고압 증발기(1000a)의 길이 방향 일측으로 유입되어 가열되고 기화된 뒤 길이 방향 타측으로 빠져나간다.
각 고압 증발기(1000)의 LNG 입구단에는 유량 제어 밸브(1100)가 구비되며, 작동 유체를 기화 열원으로 사용하는 고압 증발기(1000)의 LNG 출구단 및 작동 유체 출구단에는 각각 온도 감지기(1200)가 구비된다. LNG의 유량 제어는 LNG 입구단에 구비된 유량 제어 밸브(1100)와 연동해 작동되는 유량 조절기(1300)와 연동하게 된다(이에 대해서는 후술함).
본 발명의 하이브리드 발전 시스템의 제어는 다음과 구분하여 이루어질 수 있다.
즉, 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 초기 구동 시 LNG 처리 시스템(B)과 별도로 구동되는 상태를 초기 구동 모드, 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 작동 유체 일부를 LNG 처리 시스템(B)으로 공급하는 스위치 오버 모드로 구분할 수 있다. 또한, 스위치 오버 모드는 시작 시와 완료 시로 구분하여 제어될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2에 도시된 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 초기 구동 시와 같이 작동 유체를 순환시키는 제어 상태가 초기 구동 모드에 해당한다.
스위치 오버 모드 시작 시에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 컨트롤 밸브(600) 및 제2 컨트롤 밸브(700)가 모두 개방되도록 제어되고, 스위치 오버 모드 완료 시에는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 컨트롤 밸브(600)는 폐쇄되고, 제2 컨트롤 밸브(700)는 개방된다. 이에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스타트업 쿨러(500)를 이용해 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 안정적인 기동이 완료되면, LNG 처리 시스템의 고압 증발기(10~50, 도 7 및 도 8 참조) 스위치 오버 모드 시작 시에는 스타트업 쿨러(500)의 전단에서 작동 유체가 분기되어 스타트업 쿨러(500) 및 LNG 처리 시스템(B)으로 각각 공급된다. 이를 위해, 제1 컨트롤 밸브(600) 및 제2 컨트롤 밸브(700)는 모두 개방된다.
스타트업 쿨러(500)에서 냉각된 작동 유체는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)으로 바로 공급되지 않고, LNG 처리 시스템(B)으로 먼저 공급된다. LNG 처리 시스템(B)을 거치면 작동 유체의 온도가 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A) 단독 구동 시보다 낮아질 수 있어 열교환 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다(이에 대해서는 도 6 및 7의 설명에서 상세히 기술하기로 함)
스타트업 쿨러(500) 및 LNG 처리 시스템(B)으로 공급되는 작동 유체의 유량 배분은 스타트업 쿨러(500)의 후단 및 LNG 처리 시스템(B)의 고압 증발기(1000) 후단에 각각 구비된 온도 측정기(610)를 이용해 이루어질 수 있다.
작동 유체를 LNG 처리 시스템(B)으로 보내는 스위치 오버가 완료되면, 도 4에 도시된 바와 같이 스타트업 쿨러(500)의 구동을 정지시키고 LNG 처리 시스템(B)의 고압 증발기(1000)의 단독 운전을 수행한다. 따라서 제1 컨트롤 밸브(600)는 폐쇄되고, 제2 컨트롤 밸브(700)는 개방된다.
전술한 초기 구동 및 스위치 오버 시의 제어 흐름을 간단하게 살펴보면, 도 6에 도시된 바와 같이, 초임계 이산화탄소 발전 시스템(A)의 초기 구동 시 스타트업 쿨러(500)가 작동되기 시작해 작동 유체의 유량(flow late)이 일정 이상 유지되면(도 5의 수평 구간), 작동 유체를 LNG 처리 시스템(B)으로 공급하기 시작한다. LNG 처리 시스템(B)에서의 작동 유체의 냉각 처리 유량이 일정 이상 유지되면 스타트업 쿨러(500)의 구동을 정지하고(도 5의 스타트업 쿨러 유량 제로 포인트), LNG 처리 시스템(B)으로만 작동 유체의 냉각을 수행한다. LNG 처리 시스템(B)의 경우 고압 증발기(1000)가 복수 개로 구성되므로 제어 시간이 지남에 따라 기화되는 LNG의 양이 증가하고, 이에 따라 작동 유체의 처리 유량이 증가할 수 있다.
도 6의 각 포인트에 따른 스타트업 쿨러(500)와 고압 증발기(1000)의 온도 변화는 도 7에 도시된 바와 같다. 즉, 스타트업 쿨러(500)의 기동 시 스타트업 쿨러의 출구 온도가 대략 섭씨 20도라고 한다면, 스위치 오버가 시작되면서 고압 증발기(1000)가 구동되기 시작하면 작동 유체의 온도는 점차 하강하기 시작한다. 그 후 스타트업 쿨러(500)의 구동 정지 후 고압 증발기(1000)만으로 작동 유체를 냉각하기 시작하면, 고압 증발기(1000) 후단의 작동 유체 온도는 섭씨 영하 40도 이하로 하강할 수 있다.
초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 경우, 초임계 이산화탄소의 특성상 작동 유체의 온도가 섭씨 영하 30 내지 50도 범위에서도 시스템 구동이 가능하다. LNG 처리 시스템의 경우 냉각수가 어는 것을 방지하기 위해 해수의 온도를 섭씨 0도 이하로 낮추는 것이 불가능하다. 그러나 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체를 적용하는 경우 온도를 섭씨 영하 50도까지 낮출 수 있으므로 해수의 사용량을 줄일 수 있다. 따라서 해수 공급 펌프의 소비 동력을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 경우에도, 스타트업 쿨러(500)의 사용 시보다 저온의 작동 유체가 시스템 내부로 공급되므로 열교환 효율이 향상되어 기존 사이클 대비 약 15 내지 20%의 성능 향상이 가능한 장점이 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 온도 감지기(1200)를 통해 LNG 배출단의 온도를 모니터링하여 LNG의 유량을 제어할 수 있다. 정상 운전 범위에서는 LNG의 유량 제어 밸브(1100)를 조절하지 않지만, LNG 배출단의 온도가 정상 범위보다 낮아지는 경우, 유량 제어 밸브(1100)를 닫아 고압 증발기(1000)로 유입되는 LNG의 유량을 감소시킴으로써 LNG 배출단의 온도를 상승시켜 정상 범위로 되돌릴 수 있다(구성 도번은 도 5를 참조).
반대로 정상 운전 범위보다 LNG 배출단의 온도가 높아지면, LNG의 유량 제어 밸브(1100)를 열어 LNG의 유량을 증가시킴으로써 LNG 배출단의 온도를 하강시켜 정상 범위로 되돌릴 수 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.
A: 초임계 이산화탄소 발전 시스템
100: 압축기 200: 리큐퍼레이터
300: 열교환기 400: 터빈
500: 스타트업 쿨러
B: LNG 처리 시스템
10~50: 고압 증발기

Claims (20)

  1. 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, LNG(액화 천연 가스)를 기화시키는 LNG 처리 시스템을 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 있어서,
    상기 작동 유체는 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 LNG 처리 시스템 중 적어도 어느 하나에서 냉각되어 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부를 가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동되는 적어도 하나의 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 스타트업 쿨러를 포함하며,
    상기 LNG 처리 시스템은 상기 LNG를 기화시키는 복수의 고압 증발기를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 분기하며 상기 스타트업 쿨러의 입구단에 설치되는 제1 컨트롤 밸브 및 상기 LNG 처리 시스템의 입구단에 설치되는 제2 컨트롤 밸브를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 상기 제1 컨트롤 밸브는 개방되고 상기 제2 컨트롤 밸브는 폐쇄되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러를 거쳐 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브가 개방되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러 및 상기 고압 증발기로 분기되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 상기 고압 증발기로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구동 완료 후 상기 스타트업 쿨러로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 LNG 처리 시스템의 구동 후 상기 제1 컨트롤 밸브는 폐쇄하고 상기 제2 컨트롤 밸브는 개방 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤 밸브의 폐쇄 시점은 상기 고압 증발기에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량이 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 상기 스타트업 쿨러에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량에 대응하는 유량이 되는 시점인 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 스타트업 쿨러의 배출단 및 상기 고압 증발기의 배출단에 각각 설치되는 온도 조절기를 더 포함하고, 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브로 각각 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 온도 조절기의 온도에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  11. 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, LNG(액화 천연 가스)를 기화시키는 LNG 처리 시스템을 포함하는 하이브리드 발전 시스템에 있어서,
    상기 작동 유체는 제어 모드에 따라 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 LNG 처리 시스템 중 어느 하나로 공급되어 냉각된 후 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축시키는 압축기와, 외부 열원으로부터 열을 공급받아 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부를 가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 작동 유체에 의해 구동되는 적어도 하나의 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체의 일부가 공급되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키고 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터에서 냉각된 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 스타트업 쿨러를 포함하며,
    상기 LNG 처리 시스템은 상기 LNG를 기화시키는 복수의 고압 증발기를 포함하고,
    상기 리큐퍼레이터를 거친 상기 작동 유체를 분기하며 상기 스타트업 쿨러의 입구단에 설치되는 제1 컨트롤 밸브 및 상기 LNG 처리 시스템의 입구단에 설치되는 제2 컨트롤 밸브를 더 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어 모드는 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 모드, 상기 작동 유체가 상기 LNG 처리 시스템으로 일부 또는 전부 공급되어 냉각되는 스위치 오버 모드를 포함하는 하이브리드 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 모드에서, 상기 제1 컨트롤 밸브는 개방되고 상기 제2 컨트롤 밸브는 폐쇄되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러를 거쳐 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스위치 오버 모드의 시작 시, 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브가 개방되어 상기 작동 유체가 상기 스타트업 쿨러 및 상기 고압 증발기로 분기되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스위치 오버 모드의 시작 시, 상기 고압 증발기로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스위치 오버 모드의 시작 시, 상기 스타트업 쿨러로 분기된 상기 작동 유체는 상기 고압 증발기에서 열교환해 냉각된 후 상기 압축기로 재순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스위치 오버 모드의 완료 후, 상기 제1 컨트롤 밸브는 폐쇄하고 상기 제2 컨트롤 밸브는 개방 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 컨트롤 밸브의 폐쇄 시점은 상기 고압 증발기에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량이 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 초기 구동 시 상기 스타트업 쿨러에서 냉각되는 상기 작동 유체의 유량에 대응하는 유량이 되는 시점인 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 스타트업 쿨러의 배출단 및 상기 고압 증발기의 배출단에 각각 설치되는 온도 조절기를 더 포함하고, 상기 제1 컨트롤 밸브 및 제2 컨트롤 밸브로 각각 분기되는 상기 작동 유체의 유량은 상기 온도 조절기의 온도에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전 시스템.
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