KR20190046081A - 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 발전 효율을 높이는 복합 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 복합 발전 시스템은 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 작동 유체가 액화 천연 가스와 열교환을 하여 액화 천연 가스를 재기화하면서 작동 유체의 온도가 하강된다. 온도가 하강된 작동 유체는 폐열 회수 열교환 설비에서 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환하여 온도가 상승된다. 고온의 작동 유체는 압축기로 압축되어 초임계 상태로 초임계 유체 발전 설비로 유입된다.

Description

액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템 {Combined power generation system using cold heat of liquefied natural gas}
본 발명은 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 발전 효율을 높이는 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
천연가스(Natural Gas)란 지하에서 천연적으로 산출되어 지표 조건에서 기체상을 이루는 탄화수소물 및 비탄화수소 물질을 모두 일컫는다. 천연가스는 산지에 따라 약간씩 차이가 있으나 메탄(CH4)이 80~90%를 차지하고 있으며 나머지는 에탄(C2H6), 프로판(C3H8)등의 가연성 기체를 포함하고 있다. 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 천연가스를 저온(약 -160도)에서 인공으로 액화한 것을 말한다.
천연 가스는 유전에서 채굴되는데, 원활한 채굴을 위해 유전에 증기, 지하수, 해수, 이산화탄소 등과 같은 충진제를 주입한다. 채굴된 천연 가스는 액화 천연 가스와 같은 액화 상태로 소비지로 운송된다. 소비지로 운송된 액화 천연 가스는 사용 또는 분배를 위해서 재기화(regasification)될 필요가 있다.
액화 천연 가스의 재기화를 위해서 해수를 사용할 수 있다. 그러나 이러한 해수의 사용은 해양 생태계에 예상하지 못한 영향을 미칠 수 있다. 다른 시스템에서는 일부 천연 가스를 연소시키고 이에 의해 발생된 열을 이용하여 액화 천연 가스를 재기화할 수도 있다. 그러나 이러한 재기화 방식은 에너지의 낭비를 초래하게 된다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0034719호 (명칭: 초임계 이산화탄소 발전과 연료전지가 결합된 복합발전 시스템)
본 발명의 목적은 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 효율을 증가시키며, 가스 터빈 발전 설비의 폐열 회수 효율을 높인 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템은 액화 천연 가스를 저장하는 LNG 저장 설비, 천연 가스를 이용하여 발전하는 가스 터빈 발전 설비, 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전하는 초임계 유체 발전 설비, 상기 LNG 저장 설비에 저장된 액화 천연 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체가 열교환하여 상기 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되는 LNG 열교환 설비 및 상기 가스 터빈 발전 설비의 상기 플루 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비의 상기 작동 유체가 열교환하는 폐열 회수 열교환 설비를 포함하며, 상기 LNG 열교환 설비에서 온도가 강하된 작동 유체는 상기 폐열 회수 열교환 설비로 유입되어 온도가 상승된 후 상기 초임계 유체 발전 설비로 유입될 수 있다.
상기 폐열 회수 열교환 설비는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 구비하며, 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 일부는 제1 유로를 따라 상기 제1 열교환기로 유입되어 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환을 한 후 상기 제2 열교환기로 유입되며, 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부는 제2 유로를 따라 상기 제2 열교환기로 유입될 수 있다.
상기 제2 유로에 위치하며 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부와 상기 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 상기 작동 유체가 열교환하는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기를 통과한 플루 가스의 온도를 측정하는 플루 가스 온도 측정부 및 상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제1 밸브;를 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기를 통화한 작동 유체의 온도를 측정하는 제1 온도 측정부, 상기 제2 유로를 따라 상기 제3 열교환기를 통과한 작동 유체의 온도를 측정하는 제2 온도 측정부 및 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제2 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제2 밸브는 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이에 따라 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체 유량을 조절할 수 있다.
상기 제2 밸브는 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이가 커지면 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 감소시킬 수 있다.
상기 제2 밸브는 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이가 미리 정해진 온도 이하가 되도록 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체 유량을 조절할 수 있다.
상기 제2 유로에 상기 제3 열교환기를 통과하지 않도록 하는 바이패스 유로가 형성될 수 있다.
상기 LNG 열교환 설비를 통과한 상기 작동 유체를 순환시키기 위한 펌프를 포함할 수 있다.
상기 LNG 저장 설비는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비일 수 있다.
상기 LNG 열교환 설비에서 재기화된 천연 가스의 일부는 상기 가스 터빈 발전 설비로 공급될 수 있다.
상기 LNG 저장 설비에 저장된 액화 천연 가스를 재기화하기 위한 가열 설비를 더 포함할 수 있다.
상기 LNG 열교환 설비는 상기 액화 천연 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 상기 작동 유체의 열교환을 수행하는 매개 유체를 구비할 수 있다.
상기 LNG 열교환 설비는 상기 매체 유체로 인한 폭발을 방지하는 완충부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템은 액화 천연 가스를 저장하는 LNG 저장 설비, 천연 가스를 이용하여 발전하는 가스 터빈 발전 설비, 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전하는 초임계 유체 발전 설비, 상기 LNG 저장 설비에 저장된 액화 천연 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체가 열교환하여 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되는 LNG 열교환 설비, 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 일부가 제1 유로를 따라 유입되어 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환하는 제1 열교환기, 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부가 제2 유로를 따라 유입되고 상기 제1 열교환기에서 열교환된 작동 유체가 유입되어, 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환하는 제2 열교환기, 상기 제2 유로에 위치하며 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부와 상기 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 상기 작동 유체가 열교환하는 제3 열교환기, 상기 제2 유로를 따라 상기 제3 열교환기를 통과한 작동 유체의 온도를 측정하는 제2 온도 측정부, 상기 제2 유로를 따라 상기 제3 열교환기 통과 전의 작동 유체의 온도를 측정하는 제3 온도 측정부, 상기 제3 열교환기 통과 전의 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 온도를 측정하는 제4 온도 측정부, 상기 제3 열교환기를 통과한 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 온도를 측정하는 제5 온도 측정부 및 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제2 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기를 통과한 플루 가스의 온도를 측정하는 플루 가스 온도 측정부 및 상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제1 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 밸브는 상기 플루 가스 온도 측정부의 온도에 따라 상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
상기 제1 밸브는 상기 플루 가스 온도 측정부의 온도가 높아지면 상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 증가시킬 수 있다.
상기 제2 밸브는, 상기 제5 온도 측정부와 상기 제3 온도 측정부의 온도 차이가 상기 제4 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이보다 같거나 작도록 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 효율을 증가시키며, 초임계 유체 발전 설비의 작동 유체 유량 분배를 통해 가스 터빈 발전 설비의 폐열 회수 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 열교환기를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 설비를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 유로가 형성된 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체를 이용해서 열교환하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(1000)은 LNG 저장 설비(1100), 가스 터빈 발전 설비(1200), 초임계 유체 발전 설비(1300), LNG 열교환 설비(1400), 폐열 회수 열교환 설비(1500)를 포함한다.
LNG 저장 설비(1100)는 액화 천연 가스를 저장한다. 천연 가스는 유전에서 채굴되는데, 지하에 매장된 천연 가스를 채굴하기 위해 시추공 등의 설비가 필요하다. 원활한 천연 가스의 채굴을 위해 유전에 충진제를 주입하기 위한 설비를 사용하기도 한다. 채굴된 천연 가스는 액화시켜서 액화 천연 가스 상태로 LNG 선박과 같은 운송 수단에 의해 운송한다. 운송 수단에 의해 운송된 액화 천연 가스는 LNG 저장 설비(1100)에 저장된다.
LNG 저장 설비(1100)는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비일 수 있다. 일 실시예에서 LNG 저장 설비(1100)는 LNG 선박이 될 수도 있다. 다른 실시예에서 LNG 저장 설비(1100)는 FSRU(Floating, Storage, Re-gasification Unit)일 수 있다.
가스 터빈 발전 설비(1200)는 천연 가스를 이용하여 발전한다. 가스 터빈 발전 설비(1200)는 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연료는 천연 가스가 될 수 있다. 연소로 인해 발생된 플루 가스는 터빈으로 배출된다. 플루 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 발전기를 회전시켜 발전을 한다. 터빈을 통과한 플루 가스는 스택(stack)으로 배출된다.
초임계 유체 발전 설비(1300)는 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전한다. 초임계 유체 발전 설비(1300)는 발전에 사용된 작동 유체를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이룬다. 작동 유체로는 초임계 상태의 이산화탄소, 초임계 상태의 질소, 초임계 상태의 아르곤, 초임계 상태의 헬륨 등이 사용된다. 작동 유체는 폐열 회수 열교환 설비(1500)를 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 작동 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다.
LNG 열교환 설비(1400)에서는 LNG 저장 설비(1100)에 저장된 액화 천연 가스와 초임계 유체 발전 설비(1300)로부터 배출된 작동 유체가 열교환한다. 이러한 열교환을 통해 액화 천연 가스는 천연 가스로 재기화(regasification)된다.
재기화된 천연 가스는 소비자에게 공급되어 다양한 장치의 연료로 사용될 수 있다. 본 실시예에는 재기화된 천연 가스의 일부가 가스 터빈 발전 설비(1200)에 연료로 공급될 수 있다.
폐열 회수 열교환 설비(1500)에서는 가스 터빈 발전 설비(1200)의 플루 가스와 초임계 유체 발전 설비(1300)의 작동 유체가 열교환한다. 이에 따라 초임계 유체 발전 설비(1300)의 작동 유체는 고온으로 가열된다.
가스 터빈 발전 설비(1200)를 구동시킴에 따라 발생되는 플루 가스는 폐열 회수 열교환 설비(1500)를 통과하여 스택으로 배출된다. 폐열 회수 열교환 설비(1500)에서 초임계 유체 발전 설비(1300)의 작동 유체가 플루 가스와 열교환하여 고온으로 가열된다. 초임계 유체 발전 설비(1300)의 터빈을 구동시킨 작동 유체는 LNG 열교환 설비(1400)로 유입된다. LNG 열교환 설비(1400)에는 LNG 저장 설비(1100)에 저장된 액화 천연 가스도 유입되어, 액화 천연 가스와 작동 유체가 열교환을 한다. 이를 통해 액화 천연 가스는 천연 가스로 재기화되며, 작동 유체는 온도가 강하된다. 재기화된 천연 가스는 소비자 또는 가스 터빈 발전 설비(1200)에 공급된다. 온도가 강하된 작동 유체는 폐열 회수 열교환 설비(1500)로 유입된다.
일 실시예에서는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(1000)은 작동 유체의 원활한 순환을 위해서 펌프(1600)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 재기화란 액체 상태의 천연 가스가 기체 상태의 천연 가스로 되는 것을 의미하나, 다른 실시예에서는 액체 상태의 천연 가스가 완전히 기체 상태의 천연 가스로 되지 못하지만 온도가 올라가는 것도 포함하는 개념이다. 이 경우 다른 실시예에서는 LNG 열교환 설비(1400)에서 액화 천연 가스가 충분히 가열되지 않을 것을 대비하여 보조 가열부(1400-1)를 구비할 수 있다. 보조 가열부(1400-1)는 해수 또는 공기를 열원으로 하여 액화 천연 가스를 가열한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 열교환기와 제2 열교환기를 포함한 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(2000)은 LNG 저장 설비(2100), 가스 터빈 발전 설비(2200), 초임계 유체 발전 설비(2300), LNG 열교환 설비(2400), 제1 열교환기(2500), 제2 열교환기(2600)를 포함한다. LNG 저장 설비(2100), 가스 터빈 발전 설비(2200), 초임계 유체 발전 설비(2300), LNG 열교환 설비(2400)는 도 1에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
제1 열교환기(2500)와 제2 열교환기(2600)는 가스 터빈 발전 설비(2200)의 플루 가스가 배출되는 유로에 위치한다. 플루 가스는 제2 열교환기(2600)를 통과한 후 제1 열교환기(2500)를 통과하게 된다.
LNG 열교환 설비(2400)에서 열교환된 작동 유체의 일부는 제1 유로(P1)를 따라 제1 열교환기(2500)로 유입되어, 가스 터빈 발전 설비(2200)의 플루 가스와 열교환을 한다. LNG 열교환 설비(2400)에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부는 제2 유로(P2)를 따라 이동한다. 제1 열교환기(2500)를 통과한 작동 유체와 제2 유로(P2)를 따라 이동한 작동 유체는 서로 혼합되어 제2 열교환기(2600)로 유입된다.
이와 같이, 작동 유체가 제1 유로(P1)와 제2 유로(P2)로 나누어져 제1 열교환기(2500)와 제2 열교환기(2600)에서 플루 가스와 열교환하면, 열교환 효율이 개선된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 열교환기를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 제3 열교환기를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(3000)은 LNG 저장 설비(3100), 가스 터빈 발전 설비(3200), 초임계 유체 발전 설비(3300), LNG 열교환 설비(3400), 제1 열교환기(3500), 제2 열교환기(3600), 제3 열교환기(3700)를 포함한다. LNG 저장 설비(3100), 가스 터빈 발전 설비(3200), 초임계 유체 발전 설비(3300), LNG 열교환 설비(3400), 제1 열교환기(3500), 제2 열교환기(3600)는 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
제3 열교환기(3700)는 제2 유로(P2)에 위치한다. 제3 열교환기(3700)에서는 LNG 열교환 설비(3400)에서 열교환된 작동 유체의 일부와 초임계 유체 발전 설비(3300)에서 배출되는 작동 유체가 열교환한다. 일 실시예에서 제3 열교환기(3700)는 복열기(recuperator)일 수 있다.
제3 열교환기(3700)에서 제2 열교환기(3600)로 유입되는 작동 유체의 일부를 가열하므로, 제2 열교환기(3600)에서 열교환 효율이 개선된다. 따라서 가스 터빈 발전 설비(3200)의 폐열의 활용 효율이 개선되며, 초임계 유체 발전 설비(3300)의 효율이 좋아지는 등 전체적인 발전 효율이 좋아진다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 설비를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 설비를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(4000)은 LNG 저장 설비(4100), 가스 터빈 발전 설비(4200), 초임계 유체 발전 설비(4300), LNG 열교환 설비(4400), 제1 열교환기(4500), 제2 열교환기(4600), 제3 열교환기(4700), 가열 설비(4800)를 포함한다. LNG 저장 설비(4100), 가스 터빈 발전 설비(4200), 초임계 유체 발전 설비(4300), LNG 열교환 설비(4400), 제1 열교환기(4500), 제2 열교환기(4600), 제3 열교환기(4700)는 도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
가열 설비(4800)는 LNG 저장 설비(4100)에 저장된 액화 천연 가스를 가열하여 재기화한다. 이를 위해 가열 설비(4800)는 내부로 액화 천연 가스보다 고온의 유체를 유입시키고, 이 유체가 액화 천연 가스와 열교환하도록 한다. 일 실시예에서 고온의 유체는 해수 또는 공기가 될 수 있다.
가스 터빈 발전 설비(4200)가 동작하지 않는 경우, LNG 열교환 설비(4400)에는 액화 천연 가스를 재기화할 열원이 공급되지 않는다. 따라서 가스 터빈 발전 설비(4200)가 동작하지 않는 경우에도 소비자들이 천연 가스를 사용하기 위해서는 액화 천연 가스를 재기화할 수 있는 별도의 설비가 필요하다. 가열 설비(4800)는 이러한 경우에 활용이 가능하다.
다른 실시예에서는 LNG 열교환 설비(4400)에서 재기화하는 천연 가스의 양이 소비자들이 사용하기에 부족한 경우, 가열 설비(4800)를 이용해서 소비자들에게 충분한 양의 천연 가스를 공급할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 유로가 형성된 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스 유로가 형성된 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(5000)은 LNG 저장 설비(5100), 가스 터빈 발전 설비(5200), 초임계 유체 발전 설비(5300), LNG 열교환 설비(5400), 제1 열교환기(5500), 제2 열교환기(5600), 제3 열교환기(5700)를 포함한다. LNG 저장 설비(5100), 가스 터빈 발전 설비(5200), 초임계 유체 발전 설비(5300), LNG 열교환 설비(5400), 제1 열교환기(5500), 제2 열교환기(5600), 제3 열교환기(5700)는 도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 제2 유로(P2)에 LNG 열교환 설비(5100)에서 열교환된 작동 유체가 제3 열교환기(5700)를 통과하지 않도록 하는 바이패스 유로(Pb)가 형성된다. LNG 열교환 설비(5400)에서 열교환된 작동 유체가 바이패스 유로(Pb)로 이동하면 초임계 발전 설비(5300)에서 배출되는 작동 유체와 열교환을 하지 않는다. 따라서 LNG 열교환 설비(5100)로 유입시 작동 유체는 고온을 유지하게 된다.
재기화할 액화 천연 가스의 양이 많은 경우 초임계 유체 발전 설비(5300)의 발전 효율이 다소 저하되더라도, LNG 열교환 설비(5400)로 유입되는 작동 유체는 고온일 필요가 있다. 이러한 경우 제3 열교환기 대신 바이패스 유로(Pb)로 작동 유체가 이동하도록할 필요가 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체를 이용해서 열교환하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매개 유체를 이용해서 열교환하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(6000)은 LNG 저장 설비(6100), 가스 터빈 발전 설비(6200), 초임계 유체 발전 설비(6300), LNG 열교환 설비(6400), 제1 열교환기(6500), 제2 열교환기(6600), 제3 열교환기(6700)를 포함한다. LNG 저장 설비(6100), 가스 터빈 발전 설비(6200), 초임계 유체 발전 설비(6300), LNG 열교환 설비(6400), 제1 열교환기(6500), 제2 열교환기(6600), 제3 열교환기(6700)는 도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
LNG 열교환 설비(6400)는 매개 유체가 흐르는 폐순환로(6410)를 구비한다. 매개 유체는 질소, 아르곤, 글리콜 워터(glycol water), 실리콘 오일 등과 같이 안정성 높은 유체가 될 수 있다. 매개 유체는 폐순환로(6410)을 따라 이동하면서 작동 유체 및 액화 천연 가스와 열교환한다. 즉, 매개 유체는 작동 유체로부터 고온의 열을 전달받아 액화 천연 가스로 전달한다. 이를 통해 액화 천연 가스는 재기화된다.
다른 실시예에서 LNG 열교환 설비(6400)는 완충부(6420)를 구비할 수 있다. 완충부(64200)는 매개 유체의 팽창으로 인해 폭발하는 것을 방지한다. 완충부(6420)는 밸브를 구비해서 매개 유체의 유입을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(7000)은 LNG 저장 설비(7100), 가스 터빈 발전 설비(7200), 초임계 유체 발전 설비(7300), LNG 열교환 설비(7400), 제1 열교환기(7500), 제2 열교환기(7600), 제3 열교환기(7700), 플루 가스 온도 측정부(Tp), 제1 온도 측정부(T1), 제2 온도 측정부(T2), 제1 밸브(V1), 제2 밸브(V2)를 포함한다. LNG 저장 설비(7100), 가스 터빈 발전 설비(7200), 초임계 유체 발전 설비(7300), LNG 열교환 설비(7400), 제1 열교환기(7500), 제2 열교환기(7600), 제3 열교환기(7700)는 도 1 내지 도 3에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
플루 가스 온도 측정부(Tp)는 제1 열교환기(7500)를 통과한 플루 가스의 온도를 측정한다. 제1 온도 측정부(T1)는 제1 열교환기(7500)를 통과한 작동 유체의 온도를 측정한다. 제2 온도 측정부(T2)는 제3 열교환기(7700)를 통과한 작동 유체의 온도를 측정한다.
제1 밸브(V1)는 제1 유로(P1)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다. 제2 밸브(V2)는 제2 유로(P2)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
제1 밸브(V1)는 플루 가스 온도 측정부(Tp)의 온도에 따라 제1 유로(P1)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절한다. 일 실시예에서 제1 밸브(V1)는 플루 가스 온도 측정부(Tp)의 온도가 높아지면 제1 유로(P1)로 유입되는 작동 유체의 유량을 증가시킨다. 따라서 제1 열교환기(7500)로 유입되는 작동 유체의 유량이 증가하고, 플루 가스의 열이 작동 유체로 더 많이 전달된다. 이러한 열교환이 이루어지면 플루 가스 온도 측정부(Tp)의 온도는 내려가게 된다.
제2 밸브(V2)는 제1 온도 측정부(T1)와 제2 온도 측정부(T2)의 온도 차이에 따라 제2 유로(P2)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절한다. 일 실시예에서 제2 밸브(V2)는 제1 온도 측정부(T1)와 제2 온도 측정부(T2)의 온도 차이가 커지면, 제2 유로(P2)로 유입되는 작동 유체의 유량을 감소시킨다. 이에 따라 제3 열교환기(7700)로 유입되는 LNG 열교환 설비(7400)에서 열교환된 작동 유체의 유량이 감소하고, 초임계 유체 발전 설비(7300)에서 배출되는 작동 유체의 유량은 동일하다. 따라서 제3 열교환기(7700)에서 열교환 효율이 좋아지며, 제2 유로(P2)로 유동하는 작동 유체가 더 많은 열을 전달받을 상태로 제2 열교환기(7600)로 유입될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템(8000)은 LNG 저장 설비(8100), 가스 터빈 발전 설비(8200), 초임계 유체 발전 설비(8300), LNG 열교환 설비(8400), 제1 열교환기(8500), 제2 열교환기(8600), 제3 열교환기(8700), 플루 가스 온도 측정부(Tp), 제2 온도 측정부(T2), 제3 온도 측정부(T3), 제4 온도 측정부(T4), 제5 온도 측정부(T5), 제1 밸브(V1), 제2 밸브(V2)를 포함한다. LNG 저장 설비(8100), 가스 터빈 발전 설비(8200), 초임계 유체 발전 설비(8300), LNG 열교환 설비(8400), 제1 열교환기(8500), 제2 열교환기(8600), 제3 열교환기(8700), 플루 가스 온도 측정부(Tp), 제1 밸브(V1)는 도 7에서 설명한 것과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
제2 온도 측정부(T2)는 제2 유로(P2)를 따라 제3 열교환기(8700)를 통과한 작동 유체의 온도를 측정한다. 제3 온도 측정부(T3)는 제2 유로(P2)를 따라 제3 열교환기(8700) 통과 전의 작동 유체의 온도를 측정한다. 제4 온도 측정부(T4)는 제3 열교환기(8700) 통과 전의 초임계 유체 발전 설비(8300)로부터 배출된 작동 유체 온도를 측정한다. 제5 온도 측정부(T5)는 제3 열교환기(8700)를 통과한 초임계 유체 발전 설비(8300)로부터 배출된 작동 유체 온도를 측정한다. 제2 밸브(V2)는 제2 유로(P2)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절한다.
제2 밸브(V2)는 제5 온도 측정부(T5)와 제3 온도 측정부(T3)의 온도 차이가 제4 온도 측정부(T4)와 제2 온도 측정부(T2)의 온도 차이보다 같거나 작도록 제2 유로(P2)로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
바람직하게는 제5 온도 측정부(T5)와 제3 온도 측정부(T3)의 온도 차이가 미리 설정된 값이 되도록 제2 유로(P2)로 유입되는 유량을 조절한다. 예를 들어 미리 설정된 제5 온도 측정부(T5)와 제3 온도 측정부(T3)의 온도 차이가 5도인데, 측정된 제5 온도 측정부(T5)와 제3 온도 측정부(T3)의 온도 차이가 10도라면, 제2 유로(P2)로 유입되는 유량을 늘린다.
이 경우 제2 유로(P2)로 유입되는 유량을 과도하게 늘리면, 제4 온도 측정부(T4)와 제2 온도 측정부(T2)의 온도 차이가 커지게 된다. 제4 온도 측정부(T4)와 제2 온도 측정부(T2)의 온도 차이를 줄이기 위해서는 제2 유로(P2)를 통해 제3 열교환기(8700)로 유입되는 유량을 줄여야 한다. 제5 온도 측정부(T5)와 제3 온도 측정부(T3)의 온도 차이가 충분히 작은데, 제4 온도 측정부(T4)와 2 온도 측정부(T2)의 온도 차이가 너무 크다면 제2 유로(P2)로 유입되는 유량을 줄일 필요가 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000 : 복합 발전 시스템
1100, 2100, 3100, 4100, 5100, 6100, 7100, 8100 : LNG 저장 설비
1200, 2200, 3200, 4200, 5200, 6200, 7200, 8200 : 가스 터빈 발전 설비
1300, 2300, 3300, 4300, 5300, 6300, 7300, 8300: 초임계 유체 발전 설비
1400, 2400, 3400, 4400, 5400, 6400, 7400, 8400 : LNG 열교환 설비
1500 : 폐열 회수 열교환 설비 1600 : 펌프
2500, 3500, 4500, 5500, 6500, 7500, 8500 : 제1 열교환기
2600, 3600, 4600, 5600, 6600, 7600, 8600 : 제2 열교환기
3700, 4700, 5700, 6700, 7700, 8700 : 제3 열교환기
6410 : 폐순환로 6420 : 완충부

Claims (20)

  1. 액화 천연 가스를 저장하는 LNG 저장 설비;
    천연 가스를 이용하여 발전하는 가스 터빈 발전 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전하는 초임계 유체 발전 설비;
    상기 LNG 저장 설비에 저장된 액화 천연 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체가 열교환하여 상기 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되는 LNG 열교환 설비; 및
    상기 가스 터빈 발전 설비의 상기 플루 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비의 상기 작동 유체가 열교환하는 폐열 회수 열교환 설비;를 포함하며,
    상기 LNG 열교환 설비에서 온도가 강하된 작동 유체는 상기 폐열 회수 열교환 설비로 유입되어 온도가 상승된 후 상기 초임계 유체 발전 설비로 유입되는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 회수 열교환 설비는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 구비하며,
    상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 일부는 제1 유로를 따라 상기 제1 열교환기로 유입되어 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환을 한 후 상기 제2 열교환기로 유입되며,
    상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부는 제2 유로를 따라 상기 제2 열교환기로 유입되는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유로에 위치하며 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부와 상기 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 상기 작동 유체가 열교환하는 제3 열교환기를 더 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 통과한 플루 가스의 온도를 측정하는 플루 가스 온도 측정부; 및
    상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제1 밸브;를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 통화한 작동 유체의 온도를 측정하는 제1 온도 측정부;
    상기 제2 유로를 따라 상기 제3 열교환기를 통과한 작동 유체의 온도를 측정하는 제2 온도 측정부; 및
    상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제2 밸브;를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 밸브는 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이에 따라 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 밸브는 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이가 커지면 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 감소시키는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 밸브는 상기 제1 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이가 미리 정해진 온도 이하가 되도록 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제2 유로에 상기 제3 열교환기를 통과하지 않도록 하는 바이패스 유로가 형성된 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비를 통과한 상기 작동 유체를 순환시키기 위한 펌프를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 LNG 저장 설비는 육상에 설치되는 저장 탱크 또는 해상에 설치되는 부유식 저장 설비인 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비에서 재기화된 천연 가스의 일부는 상기 가스 터빈 발전 설비로 공급되는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 LNG 저장 설비에 저장된 액화 천연 가스를 재기화하기 위한 가열 설비를 더 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비는 상기 액화 천연 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 상기 작동 유체의 열교환을 수행하는 매개 유체를 구비하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 LNG 열교환 설비는 상기 매체 유체로 인한 폭발을 방지하는 완충부를 더 구비하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  16. 액화 천연 가스를 저장하는 LNG 저장 설비;
    천연 가스를 이용하여 발전하는 가스 터빈 발전 설비;
    상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스로 가열된 초임계 작동 유체를 이용하여 발전하는 초임계 유체 발전 설비;
    상기 LNG 저장 설비에 저장된 액화 천연 가스와 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체가 열교환하여 액화 천연 가스가 천연 가스로 재기화되는 LNG 열교환 설비;
    상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 일부가 제1 유로를 따라 유입되어 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환하는 제1 열교환기;
    상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부가 제2 유로를 따라 유입되고 상기 제1 열교환기에서 열교환된 작동 유체가 유입되어, 상기 가스 터빈 발전 설비의 플루 가스와 열교환하는 제2 열교환기;
    상기 제2 유로에 위치하며 상기 LNG 열교환 설비에서 열교환된 작동 유체의 나머지 일부와 상기 초임계 유체 발전 설비에서 배출되는 상기 작동 유체가 열교환하는 제3 열교환기;
    상기 제2 유로를 따라 상기 제3 열교환기를 통과한 작동 유체의 온도를 측정하는 제2 온도 측정부;
    상기 제2 유로를 따라 상기 제3 열교환기 통과 전의 작동 유체의 온도를 측정하는 제3 온도 측정부;
    상기 제3 열교환기 통과 전의 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 온도를 측정하는 제4 온도 측정부;
    상기 제3 열교환기를 통과한 상기 초임계 유체 발전 설비로부터 배출된 작동 유체의 온도를 측정하는 제5 온도 측정부; 및
    상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제2 밸브;를 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 열교환기를 통과한 플루 가스의 온도를 측정하는 플루 가스 온도 측정부; 및
    상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 제1 밸브;를 더 포함하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  18. 제4항 또는 제17항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 상기 플루 가스 온도 측정부의 온도에 따라 상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 상기 플루 가스 온도 측정부의 온도가 높아지면 상기 제1 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 증가시키는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제2 밸브는, 상기 제5 온도 측정부와 상기 제3 온도 측정부의 온도 차이가 상기 제4 온도 측정부와 상기 제2 온도 측정부의 온도 차이보다 같거나 작도록 상기 제2 유로로 유입되는 작동 유체의 유량을 조절하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 복합 발전 시스템.
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