KR20190057970A - Supercritical CO2 generating system with parallel heater - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system to which a parallel heater is adopted, comprising: a compressor compressing working fluid; a recuperator recuperating part of the working fluid; a heat exchanger heating the part of the working fluid and the working fluid which passed through the recuperator by using an external heat source; a turbine operated by the working fluid heated by the heat exchanger so as to expand the working fluid; and a cooler or a condenser cooling the working fluid which passed through the turbine so as to circulate the same to the compressor. Here, the heat exchanger is characterized by being installed in plural and in parallel.

Description

병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 generating system with parallel heater}[0001] Supercritical CO2 generating system with parallel heater [0002]

본 발명은 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 병렬 히터를 적용해 열교환기의 압력 손실을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system to which a parallel heater is applied, and more particularly, to a supercritical carbon dioxide power generation system which can improve a power generation efficiency by reducing a pressure loss of a heat exchanger by applying a parallel heater.

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.Internationally, there is an increasing need for efficient power generation. As the movement to reduce the generation of pollutants becomes more active, various efforts are being made to increase the production of electricity while reducing the generation of pollutants. As one of such efforts, research and development on a supercritical carbon dioxide (CO2) power generation system using supercritical carbon dioxide as a working fluid has been activated as disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0036180.

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. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 축소할 수 있는 장점이 있다. Since supercritical carbon dioxide has a gas-like viscosity at a density similar to that of a liquid state, it can minimize the power consumption required for compression and circulation of the fluid as well as miniaturization of the apparatus. At the same time, the critical point is 31.4 degrees Celsius, 72.8 atmospheres, and the critical point is much lower than the water at 373.95 degrees Celsius and 217.7 atmospheres, which is easy to handle. The supercritical carbon dioxide power generation system has a power generation efficiency of about 45% when operated at a temperature of 550 ° C. and has an advantage of improving the generation efficiency of the steam cycle by 20% or more and reducing the turbine power.

한편, 석탄 화력 발전의 경우, 석탄과 같은 화석 연료를 이용해 물을 가열하여 증기를 만들고, 증기로 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 발전이다. 도 1은 종래의 석탄 화력 발전 시스템의 주요 부분을 도시한 모식도이다.On the other hand, in the case of coal-fired power generation, power is generated by heating water using fossil fuels such as coal to generate steam, and driving the turbine with steam. 1 is a schematic diagram showing a main part of a conventional coal thermal power generation system.

석탄 화력 발전 시스템은 작동 유체가 물(구간에 따라 스팀으로 상변화 함) 또는 스팀이다. 보일러의 퍼니스에서 연료를 연소시켜 연소열을 발생시키고, 연소열에 의해 가열된 물이 증기로 변환되어 스팀 터빈으로 공급된다. 스팀 터빈은 증기에 의해 구동되어 발전기를 작동시켜 전력을 생산한다. 스팀 터빈을 거친 증기는 컨덴서에서 응축되어 물로 상변화한 뒤 보일러 내 열교환기로 공급된다. 최근에는 석탄 화력 발전 시스템에 전술한 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 접목한 통합 발전의 형태로 전력을 생산해 발전 효율을 향상시키는 방법도 사용되고 있다.The coal-fired power generation system is a system in which the working fluid is water (phase-changed into steam according to the section) or steam. The furnace furnace combusts the fuel to generate combustion heat, and the water heated by the combustion heat is converted into steam and supplied to the steam turbine. The steam turbine is driven by steam to operate the generator to produce power. The steam passing through the steam turbine is condensed in the condenser, phase-changed into water, and then supplied to the heat exchanger in the boiler. In recent years, a method of improving power generation efficiency by producing electric power in the form of integrated power generation combining the above-described supercritical carbon dioxide power generation system with a coal thermal power generation system is also used.

그런데 종래의 석탄 화력 발전 시스템이나 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 접목된 통합 발전 시스템은 도 은 1에 도시된 바와 같이, 물을 과열 증기로 가열하기 위해 열역학적 상태에 따라 액체 상태의 유체를 가열하는 이코노마이저(), 포화 증기 상태의 유체를 가열하는 증발기(), 증기 상태의 유체를 가열하는 수퍼 히터() 등의 열교환기를 보일러에 직렬로 배치해서 사용한다. 따라서 유체가 모든 열교환기를 통과해 터빈에 이르기까지의 압력 손실이 커지며, 이는 터빈 일의 감소로 이어지는 문제가 있다. 따라서 압력 손실에 의한 발전 사이클의 효율 향상을 위한 방법이 필요한 실정이다.As shown in FIG. 1, an integrated power generation system incorporating a conventional coal-fired power generation system or a supercritical carbon dioxide power generation system includes an economizer for heating fluid in a liquid state according to a thermodynamic state to heat water to superheated steam ), An evaporator (to heat a fluid in a saturated vapor state), and a superheater (to heat a fluid in a vapor state) are arranged in series in the boiler. Thus, the pressure loss from the fluid through all the heat exchangers to the turbine increases, which leads to a reduction in turbine work. Therefore, a method for improving the efficiency of power generation cycle by pressure loss is needed.

한국공개특허 제2013-0036180호(공개일 2013. 04. 11)Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0036180 (published on March 31, 2013)

본 발명의 목적은 병렬 히터를 적용해 열교환기의 압력 손실을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a supercritical carbon dioxide power generation system capable of improving power generation efficiency by reducing the pressure loss of a heat exchanger by applying a parallel heater.

본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 작동 유체의 일부를 복열하는 리큐퍼레이터와, 외부 열원을 이용해 상기 작동 유체의 일부와 상기 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 가열하는 열교환기와, 상기 열교환기에서 가열된 작동 유체에 의해 구동되어 상기 작동 유체를 팽창시키는 터빈과, 상기 터빈을 거친 작동 유체를 냉각해 상기 압축기로 순환시키는 쿨러 또는 컨덴서를 포함하고, 상기 열교환기는 복수 개가 병렬로 설치되는 것을 특징으로 한다.A supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention comprises a compressor for compressing a working fluid, a recuperator for recuperating a part of the working fluid, and a working fluid passing through a part of the working fluid and the recuperator using an external heat source And a cooler or a condenser for cooling the working fluid passing through the turbine and circulating the working fluid to the compressor, wherein the heat exchanger includes: a heat exchanger for heating the working fluid, And a plurality of units are installed in parallel.

상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈을 거친 작동 유체와 상기 압축기를 거친 작동 유체를 열교환해 상기 터빈을 거친 작동 유체는 냉각한 후 상기 쿨러 또는 컨덴서로 보내고, 상기 압축기를 거친 작동 유체는 복열하는 것을 특징으로 한다.Wherein the recuperator exchanges heat between the working fluid passing through the turbine and the working fluid passing through the compressor to cool the working fluid passing through the turbine and then sends the working fluid to the cooler or the condenser, do.

상기 열교환기는 상기 압축기를 거친 작동 유체와 상기 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 각각 가열하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.And the heat exchanger is arranged to heat the working fluid passing through the compressor and the working fluid passing through the recuperator, respectively.

상기 압축기를 거친 작동 유체는 복수의 상기 열교환기로 각각 분기되는 것을 특징으로 한다.And the working fluid passing through the compressor is divided into a plurality of the heat exchangers.

상기 리큐퍼레이터의 후단에서 분기되는 작동 유체를 압축하는 재압축기를 더 포함한다.And a recompressor for compressing the working fluid which branches off from the rear end of the recuperator.

상기 재압축기를 거친 작동 유체는 복수의 상기 열교환기로 각각 분기되는 것을 특징으로 한다.And the working fluid having passed through the recompressor is divided into a plurality of the heat exchangers.

상기 복수의 열교환기를 거친 작동 유체는 상기 터빈의 전단에서 혼합되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.And the working fluid passing through the plurality of heat exchangers is mixed at the front end of the turbine and supplied to the turbine.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 병렬 히터를 적용해 열교환기의 압력 손실을 감소시킴으로써 발전 시스템 전체의 효율을 향상시키는 효과가 있다.The supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention has an effect of improving the efficiency of the entire power generation system by reducing the pressure loss of the heat exchanger by applying a parallel heater.

도 1은 종래의 석탄 화력 발전 시스템의 주요 부분을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 작동 유체의 상태를 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 작동 유체의 T-S 선도,
도 6은 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 리큐퍼레이터 내 작동 유체의 온도 분포를 도시한 그래프이다.1 is a schematic view showing a main part of a conventional coal thermal power generation system,
FIG. 2 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention;
3 is a schematic diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power generation system according to another embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the state of the working fluid according to the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention,
5 is a TS diagram of a working fluid according to the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention,
6 is a graph showing the temperature distribution of the working fluid in the recuperator according to the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.Generally, a supercritical carbon dioxide power generation system forms a closed cycle that does not discharge the carbon dioxide used for power generation, and uses supercritical carbon dioxide as a working fluid.

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.The supercritical carbon dioxide power generation system can be used not only in a single power generation system but also in a hybrid power generation system with a thermal power generation system since the working fluid is carbon dioxide in a supercritical state and exhaust gas discharged from a thermal power plant can be used. The working fluid of the supercritical carbon dioxide power generation system may separate carbon dioxide from the exhaust gas and supply the carbon dioxide separately.

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.The supercritical carbon dioxide in the cycle passes through a compressor and then is heated while passing through a heat source such as a heater to generate a high-temperature high-pressure working fluid to drive the turbine. The turbine is connected to a generator or a pump, which drives the pump using a turbine connected to the pump and generating power by the turbine connected to the generator. The working fluid passing through the turbine is cooled as it passes through the heat exchanger, and the cooled working fluid is supplied to the compressor again to circulate in the cycle. A plurality of turbines or heat exchangers may be provided.

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.A supercritical carbon dioxide power generation system according to various embodiments of the present invention includes not only a system in which all of the working fluid flowing in a cycle is in a supercritical state but also a system in which a majority of the working fluid is supercritical and the rest is subcritical It is used as a meaning.

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.Also, in various embodiments of the present invention, carbon dioxide is used as the working fluid, wherein carbon dioxide refers to pure carbon dioxide in the chemical sense, carbon dioxide in a state where the impurities are somewhat contained in general terms, and carbon dioxide in which at least one fluid is mixed Is used to mean a fluid in a state where the fluid is in a state of being fluidized.

본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관에 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.It is to be understood that each configuration of the present invention is connected by a transfer pipe through which the working fluid flows, and that the working fluid flows along the transfer pipe even if not specifically mentioned. However, in the case where a plurality of components are integrated, it is to be understood that the working fluid flows along the conveying pipe, as a matter of course, since there will be a part or region which actually functions as a conveying pipe in the integrated structure.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도, 도 4는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 작동 유체의 상태를 도시한 그래프이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power generation system according to another embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing a state of a working fluid according to a carbon dioxide power generation system. FIG.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체를 압축하는 압축기(100)와, 압축기(100)를 거친 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기(300)와, 열교환기(300)를 거쳐 가열된 작동 유체에 의해 구동되는 터빈(400)과, 터빈(400)을 구동시킨 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터(200)와, 리큐퍼레이터(200)를 거친 작동 유체를 냉각하는 쿨러 또는 컨덴서(500)를 포함하여 구성될 수 있다.2, a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention includes a compressor 100 for compressing a working fluid, a plurality of heat exchangers 300 for heating a working fluid passing through the compressor 100 A recuperator 200 for heat-exchanging and cooling the working fluid that drives the turbine 400, a heat exchanger 300 for cooling the turbine 400, And a cooler or a condenser 500 for cooling the working fluid through the first and second heat exchangers 200 and 200.

압축기(100)는 컨덴서(500)에서 냉각된 작동 유체를 압축해 고압 상태로 만들며, 압축기(100)를 거친 작동 유체는 복수의 열교환기(300) 및 리큐퍼레이터(200)로 각각 분기되어 공급될 수 있다.The compressor 100 compresses the working fluid cooled in the condenser 500 to a high pressure state and the working fluid passing through the compressor 100 is branched into a plurality of heat exchangers 300 and a recuperator 200, .

터빈(400)은 압축기(100)에서 압축되고 열교환기(300)에서 가열되어 고온 고압 상태인 작동 유체에 의해 구동되며, 터빈(400)에 연결된 발전기(미도시)를 구동시켜 전력을 생산할 수 있다. 고온 고압의 작동 유체가 터빈(400)을 통과하면서 팽창하므로, 터빈(400)은 팽창기(expander)의 역할도 한다. 터빈(400)을 거친 작동 유체는 압축기(100)로 유입되는 작동 유체에 비해 상대적으로 높은 잔열을 가지므로, 리큐퍼레이터(200)에서 터빈(400)을 거친 작동 유체를 열교환해 열을 흡수한다.The turbine 400 is compressed by the compressor 100 and heated by the heat exchanger 300 to be driven by a working fluid in a high temperature and high pressure state and can drive a generator (not shown) connected to the turbine 400 to produce electric power . As the high temperature, high pressure working fluid expands while passing through the turbine 400, the turbine 400 also serves as an expander. Since the working fluid passing through the turbine 400 has a relatively high residual heat as compared with the working fluid flowing into the compressor 100, the recuperator 200 heat-exchanges the working fluid passing through the turbine 400 to absorb heat .

리큐퍼레이터(200)는 터빈(400)을 거친 작동 유체와 압축기(100)를 거친 작동 유체의 일부를 열교환해 터빈(400)을 거친 작동 유체는 냉각시키고, 압축기(100)를 거친 작동 유는 복열한다. 리큐퍼레이터(200)에서 1차로 냉각된 작동 유체는 컨덴서(500)로 보내지고, 리큐퍼레이터(200)에서 복열된 작동 유체는 열교환기(300) 중 어느 하나로 보내져 가열된다. 압축기(100) 출구에서 리큐퍼레이터(200)로 분기되는 작동 유체의 유량은 압축기(100) 출구 전체 유량의 대략 70~80%로 설정될 수 있다. 리큐퍼레이터(200)로 분기되는 작동 유체의 유량 분배는 터빈 운전 조건에 의해 결정되며, 각 열교환기로 분배되는 작동 유체의 유량 비율은 열교환기 설계 조건에 따라 달라질 수 있다(여기서 설명한 유량의 분배는 본 발명의 다른 실시 예에도 동일하게 적용될 수 있다).The recuperator 200 exchanges heat between the working fluid passing through the turbine 400 and the working fluid passing through the compressor 100 to cool the working fluid passing through the turbine 400 and the working fluid passing through the compressor 100 It is complete. The working fluid that has been primarily cooled in the recuperator 200 is sent to the condenser 500 and the working fluid recovered in the recuperator 200 is sent to one of the heat exchangers 300 and heated. The flow rate of the working fluid that is branched from the outlet of the compressor 100 to the recuperator 200 can be set to about 70 to 80% of the total flow rate of the outlet of the compressor 100. The flow rate distribution of the working fluid that branches to the recuperator 200 is determined by the turbine operating conditions and the flow rate ratio of the working fluid distributed to each heat exchanger may vary according to the heat exchanger design conditions The same can be applied to other embodiments of the present invention).

컨덴서(500)는 터빈(400)과 리큐퍼레이터(200)를 차례로 거쳐 냉각된 작동 유체를 시스템 외부 공기나 별도의 냉각수와 열교환해 냉각시킨 뒤 압축기(100)로 순환시킨다.The condenser 500 cools the working fluid cooled through the turbine 400 and the recuperator 200 in order, exchanges heat with the outside air of the system or another cooling water, and then circulates the cooled working fluid to the compressor 100.

한편, 열교환기(300)는 시스템 외부의 열원을 이용해 작동 유체와 열교환하는 것으로, 외부 열원은 화력 발전 시스템에서 연료의 연소 후 배출되는 배기 가스 등과 같은 폐열을 갖는 기체일 수 있다(이하 폐열 기체). 또는 화력 발전 시스템의 퍼니스(furnace), 수퍼 히터(superheater), 이코노마이저(economizer) 등을 적용할 수도 있다. 열교환기(300)는 병렬로 배치된다. Meanwhile, the heat exchanger 300 exchanges heat with a working fluid using a heat source outside the system. The external heat source may be a gas having waste heat such as exhaust gas discharged after combustion of fuel in a thermal power generation system (hereinafter referred to as waste heat gas) . Or a furnace of a thermal power generation system, a superheater, an economizer, or the like. The heat exchanger 300 is arranged in parallel.

전술한 바와 같이, 압축기(100) 출구에서 분기된 작동 유체가 리큐퍼레이터(200) 및 외부 열교환기(300)로 병렬 가열되며, 압축기 출구의 전체 작동 유체의 유량 중 일부만 열교환기(300)로부터 가열되므로 본 사이클을 부분 가열(Partial heating) 사이클이라고도 한다.이러한 작동 유체의 분기 및 가열 방법은 재압축(Recompression) 사이클에도 적용할 수 있다.The working fluid branched at the outlet of the compressor 100 is heated in parallel by the recuperator 200 and the external heat exchanger 300 so that only a part of the flow rate of the entire working fluid at the compressor outlet is discharged from the heat exchanger 300 This cycle is also referred to as a partial heating cycle because it is heated. This branching and heating method of the working fluid can be applied to the recompression cycle as well.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체를 압축하는 압축기(100')와, 압축기(100')를 거친 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기(300')와, 열교환기(300')를 거쳐 가열된 작동 유체에 의해 구동되는 터빈(400')과, 터빈(400')을 구동시킨 작동 유체와 열교환해 냉각시키는 리큐퍼레이터(200')와, 리큐퍼레이터(200')를 거친 작동 유체를 냉각하는 쿨러 또는 컨덴서(500)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 리큐퍼레이터(200')의 후단에서 작동 유체를 분기하여 재압축한 후 복수의 열교환기(300') 중 어느 하나 또는 그 이상으로 분배하는 재압축기(100')를 추가로 포함할 수 있다. 여기서 열교환기는 도 2의 실시 예와 동일하게 병렬로 배치된다.3, the supercritical carbon dioxide power generation system according to another embodiment of the present invention includes a compressor 100 'for compressing a working fluid, a plurality of heat exchangers (not shown) for heating a working fluid passing through the compressor 100' A turbine 400 'driven by a working fluid heated through a heat exchanger 300', a recuperator 200 'for heat-exchanging and cooling the working fluid driving the turbine 400' And a cooler or condenser 500 for cooling the working fluid passing through the recuperator 200 '. Further, it is possible to additionally include a recompressor 100 'which branches the working fluid from the rear end of the recuperator 200', recompresses it, and distributes it to one or more of the plurality of heat exchangers 300 ' have. Here, the heat exchangers are arranged in parallel in the same manner as the embodiment of FIG.

본 실시 예에서 압축기(100')를 거친 작동 유체의 순환은 도 2의 실시 예와 동일하다. 재압축기(130')를 거친 작동 유체는 하나 또는 복수의 열교환기(300')로 분기되되 압축기(100')를 거친 작동 유체가 공급되는 열교환기(300')가 아닌 다른 열교환기(300')로 분기된다.The circulation of the working fluid through the compressor 100 'in this embodiment is the same as the embodiment of Fig. The working fluid that has passed through the recompressor 130 'is branched into one or a plurality of heat exchangers 300' and the heat exchanger 300 'other than the heat exchanger 300' to which the working fluid through the compressor 100 ' ).

압축기(100') 및 재압축기(130')를 거쳐 복수의 열교환기(300')에서 가열된 작동 유체는 모두 터빈(400')의 전단에서 혼합되어 터빈(400')으로 공급된다. The working fluid heated in the plurality of heat exchangers 300 'through the compressor 100' and the recompressor 130 'is mixed at the front end of the turbine 400' and supplied to the turbine 400 '.

도 2 및 도 3의 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템 내에서 초임계 상태이며, 도 4에 도시된 바와 같이 작동 유체는 압축기(100, 100')에서 배출되어 복수의 열교환기(300, 300')를 거쳐 가열되는 동안 상변화 없이 열을 흡수해 온도가 상승하게 된다(도 4에서 온도가 점차 감소하는 것은 열교환기에서 열을 빼앗기는 폐열 기체임).The supercritical carbon dioxide power generation system according to the embodiment of FIGS. 2 and 3 is supercritical. As shown in FIG. 4, the working fluid is discharged from the compressors 100 and 100 ' '), The temperature is increased by absorbing the heat without phase change during heating (in FIG. 4, a gradual decrease in temperature is the heat of the heat absorbing heat in the heat exchanger).

따라서 작동 유체의 열역학적 상태 및 상변화를 고려해 열교환기를 구분할 필요가 없으므로 열교환기를 병렬로 배치할 수 있다.Therefore, it is not necessary to distinguish the heat exchanger in consideration of the thermodynamic state and the phase change of the working fluid, so that the heat exchanger can be arranged in parallel.

열교환기(300, 300')를 병렬로 배치하면 작동 유체가 이동하는 유로의 면적이 넓어지고 길이가 짧아지는 효과를 얻을 수 있으며, 이는 작동 유체의 이동 시 발생하는 마찰에 의한 압력 손실을 감소시키는 효과를 가져온다. 압력 손실의 감소로 확보한 압력은 터빈(400, 400')의 출력을 증가시키는데 활용하거나, 압축기(100, 100')에서 요구되는 토출압을 감소시켜 압축기(100, 100')의 소요 동력을 감소시키는데 활용할 수 있다. 압력 손실의 감소로 압축기(100, 100')의 토출 압력이 낮아지면 작동 유체의 온도가 낮아지므로, 터빈(400, 400') 후단의 잔열을 회복할 수 있는 범위가 넓어져 버려지는 열량이 감소하게 된다. 따라서 전체 발전 시스템의 효율이 증가하는 효과가 있다(이에 대해서는 후술하기로 한다).When the heat exchangers 300 and 300 'are arranged in parallel, the area of the flow path through which the working fluid moves can be widened and the length thereof can be shortened. This reduces pressure loss due to friction generated when the working fluid moves Effect. The pressure obtained by reducing the pressure loss can be used to increase the output of the turbine 400 or 400 'or reduce the discharge pressure required by the compressors 100 and 100' so that the required power of the compressors 100 and 100 ' . When the discharge pressure of the compressors 100 and 100 'is lowered due to the decrease of the pressure loss, the temperature of the working fluid is lowered, so that the range of recovering the residual heat at the rear end of the turbines 400 and 400' is widened, . Therefore, the efficiency of the entire power generation system is increased (this will be described later).

이하에서는 발선 시스템의 압력 손실을 감소시키는 것과 효율 증가와의 관계에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the relationship between the reduction of the pressure loss of the escape system and the increase in efficiency will be described in more detail.

도 5는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 작동 유체의 T-S 선도이다.5 is a T-S diagram of the working fluid according to the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 터빈의 입구 압력을 240bar(설계값) 라고 가정하면, 열교환기의 압력 손실(ΔPH)을 고려하여 요구되는 압축기 출구 압력은 240 + ΔPH가 된다(도 5의 굵은 실선).Thus, assuming that the inlet pressure 240bar (design value) of the turbine, the compressor discharge pressure required in consideration of the pressure loss (ΔP H) of the heat exchanger is the 240 + ΔP H shown in Figure 5 (of Fig. 5 Thick solid line).

그런데 압축기 입구 및 터빈, 열교환기의 압력 손실에 의해 압축기의 소요 동력이 증가하므로, 압력 손실에 의해 압축기 출구 온도가 상승해 복열 가능한 열량(QH1 -> QH2)이 감소하게 된다. 따라서 복열 가능한 열량이 감소하면서 반대로 컨덴서(heat sink)로 버려지는 열량(QL1 -> QL2)이 증가하므로 사이클 전체의 효율이 감소하게 된다.However, since the required power of the compressor increases due to the pressure loss at the compressor inlet, the turbine, and the heat exchanger, the compressor outlet temperature rises due to the pressure loss, and the amount of heat that can be recovered (Q H1 -> Q H2 ) decreases. Therefore, the amount of heat that can be recovered is decreased while the amount of heat (Q L1 -> Q L2 ) increases, the efficiency of the entire cycle is reduced.

그러나 ΔPH에 해당하는 압력 손실이 감소하면 그만큼 압축기의 요구 압력비가 감소하고, 압축기 출구의 온도가 낮아지게 된다. 따라서 복열 가능한 열량(QH2 -> QH1)이 증가하게 되고, 컨덴서로 버려지는 열량(QL2 -> QL1)이 감소하므로 사이클 전체 효율이 상승하는 효과가 있다.However, if the pressure loss corresponding to ΔP H decreases, the required pressure ratio of the compressor decreases and the temperature of the compressor outlet decreases. Therefore, the heat quantity (Q H2 - > Q H1 ) that can be recovered increases and the amount of heat (Q L2 - > Q L1 ) discharged to the condenser decreases.

리큐퍼레이터의 접근온도차(approach temperature difference)가 결정되어 있을 때, 리큐퍼레이터에서 회복 가능한 최대 열량은 터빈 출구 온도와 압축기 출구의 온도 차이로부터 결정된다. 따라서 압력 손실을 감소시켜 압축기의 토출 압력이 낮아지면, 작동 유체의 온도가 낮아지므로 터빈 후단의 잔열을 회복할 수 있는 범위가 넓어진다. 즉, 복열가능한 열량(QH)이 증가하게 되며, 컨덴서(heat sink)로 버려지는 열량(QL)이 증가하게 되므로 사이클 전체의 효율은 상승한다.When the approach temperature difference of the recuperator is determined, the maximum heat recoverable in the recuperator is determined from the temperature difference between the turbine outlet temperature and the compressor outlet. Therefore, when the discharge pressure of the compressor is lowered by reducing the pressure loss, the temperature of the working fluid is lowered, and the range of recovering the residual heat at the rear end of the turbine is widened. That is, the heat quantity Q H that can be reheated is increased, and the heat quantity Q L discarded by the heat sink is increased, so that the efficiency of the entire cycle is increased.

따라서 열교환기의 압력 손실을 줄이면 결과적으로 발전 시스템 전체의 효율이 증가되는 효과를 얻을 수 있다. 이를 위해, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 열교환기를 병렬로 배치함으로써 작동 유체의 유로 면적이 넓어지고 길이가 짧아지는 효과가 발생해 발전 시스템 전체의 효율이 증가되는 효과가 있다.Therefore, if the pressure loss of the heat exchanger is reduced, the overall efficiency of the power generation system can be increased. For this, as described above, in the present invention, the heat exchanger is disposed in parallel, thereby increasing the flow channel area of the working fluid and shortening the length, thereby increasing the efficiency of the entire power generation system.

본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 발전 시스템이므로 도 4에서와 같이 작동 유체의 상변화가 없어 병렬 열교환기를 통과하는 작동 유체의 유량을 조절해 열교환기의 최적 설계가 가능하다. 또한, 병렬 열교환기의 열량을 자유롭게 분배함으로써 최적화된 리큐퍼레이터의 설계가 가능하다.Since the present invention is a power generation system using supercritical carbon dioxide as a working fluid, there is no phase change of the working fluid as shown in FIG. 4, so that the flow rate of the working fluid passing through the parallel heat exchanger can be adjusted to optimize the design of the heat exchanger. In addition, it is possible to design an optimized recuperator by freely distributing the heat quantity of the parallel heat exchanger.

도 6은 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 리큐퍼레이터 내 작동 유체의 온도 분포를 도시한 그래프이다.6 is a graph showing the temperature distribution of the working fluid in the recuperator according to the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention.

리큐퍼레이터의 열전달 부하(heat duty)와 터빈 입구 온도(TIT, Turbine inlet temp.)는 발전 사이클의 설계 시 결정된다. 리큐퍼레이터 단독으로는 터빈 입구 온도의 달성이 불가하므로 다른 열교환기와의 연계가 필요하다. 따라서 병렬 열교환기의 열전달 부하를 조정함으로써 리큐퍼레이터의 한계값(LMTD.)을 조정하는 효과를 가져와 가격 절감이 가능해진다. The heat duty and turbine inlet temp. (TIT) of the recuperator are determined at the design of the power generation cycle. Since the recuperator alone can not achieve the turbine inlet temperature, it needs to be linked to other heat exchangers. Therefore, by adjusting the heat transfer load of the parallel heat exchanger, the limit value (LMTD.) Of the recuperator can be adjusted, thereby reducing the cost.

리큐퍼레이터와 연계된 병렬 열교환기의 열전달 부하가 커지면, 리큐퍼레이터의 열전달 부하가 낮아지게 된다(도 5의 얇은 화살표에서 굵은 화살표로). 이때 리큐퍼레이터에서 열을 흡수하는 저온 유로의 온도 프로파일이 도 6의 A에서 B로 바뀌게 된다. 이는 LMTD(Log mean temperature difference, 대수평균온도차)가 커지게 된다는 의미이다. 즉, 대수평균온도차가 커지면 리큐퍼레이터의 설계 사양이 낮아진다는 의미이므로, 리큐퍼레이터의 물리적 크기가 감소할 수 있어 가격이 절감되는 효과가 있다.When the heat transfer load of the parallel heat exchanger associated with the recuperator is increased, the heat transfer load of the recuperator is lowered (as indicated by a thick arrow in FIG. 5). At this time, the temperature profile of the low-temperature flow path for absorbing heat in the recuperator changes from A to B in Fig. This means that the log mean temperature difference (LMTD) becomes large. That is, when the logarithmic average temperature difference is large, it means that the design specification of the recuperator is lowered, so that the physical size of the recuperator can be reduced and the cost is reduced.

예를 들어, 열전달 부하가 작은 수퍼 히터(열교환기)와 리큐퍼레이터를 조합(리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 수퍼 히터로 연결해 보냄)하는 경우, 리큐퍼레이터의 열전달 부하가 상대적으로 커지며 열교환기의 물리적인 크기가 커지게 된다.For example, when a combination of a superheater (heat exchanger) and a recuperator (having a superheater connected to the recuperator) is used, the heat transfer load of the recuperator is relatively large, So that the physical size of the semiconductor device increases.

또 다른 예를 들면, 열전달 부하가 큰 퍼니스와 리큐퍼레이터를 조합(리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 퍼니스로 연결해 보냄)하는 경우, 리큐퍼레이터의 열전달 부하가 상대적으로 작아지며, 열교환기의 물리적인 크기가 작아지게 된다.As another example, when a combination of a furnace having a large heat transfer load and a recuperator (connecting a working fluid through a recuperator to a furnace), the heat transfer load of the recuperator is relatively small, In size.

이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 병렬 히터를 적용해 열교환기의 압력 손실을 감소시킴으로써 발전 시스템 전체의 효율을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention has the effect of improving the efficiency of the entire power generation system by reducing the pressure loss of the heat exchanger by applying the parallel heater.

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.One embodiment of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and modify the technical spirit of the present invention in various forms. Accordingly, it is intended that the present invention cover the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents.

100, 100': 압축기 200, 200': 리큐퍼레이터
300, 300': 열교환기 400, 400': 터빈
500, 500': 컨덴서100, 100 ': compressor 200, 200': recuperator
300, 300 ': heat exchanger 400, 400': turbine
500, 500 ': Condenser

Claims (7)

작동 유체를 압축하는 압축기와,
상기 작동 유체의 일부를 복열하는 리큐퍼레이터와,
외부 열원을 이용해 상기 작동 유체의 일부와 상기 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 가열하는 열교환기와,
상기 열교환기에서 가열된 작동 유체에 의해 구동되어 상기 작동 유체를 팽창시키는 터빈과,
상기 터빈을 거친 작동 유체를 냉각해 상기 압축기로 순환시키는 쿨러 또는 컨덴서를 포함하고,
상기 열교환기는 복수 개가 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.A compressor for compressing the working fluid,
A recuperator that recovers a portion of the working fluid;
A heat exchanger for heating a working fluid passing through a portion of the working fluid and the recuperator using an external heat source;
A turbine driven by a working fluid heated in the heat exchanger to expand the working fluid;
A cooler or a condenser for circulating the working fluid passing through the turbine to the compressor,
Wherein a plurality of the heat exchangers are installed in parallel. 제1항에 있어서,
상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈을 거친 작동 유체와 상기 압축기를 거친 작동 유체를 열교환해 상기 터빈을 거친 작동 유체는 냉각한 후 상기 쿨러 또는 컨덴서로 보내고, 상기 압축기를 거친 작동 유체는 복열하는 것을 특징으로 하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the recuperator exchanges heat between the working fluid passing through the turbine and the working fluid passing through the compressor to cool the working fluid passing through the turbine and then sends the working fluid to the cooler or the condenser, Supercritical CO2 Generation System with Parallel Heater. 제2항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 압축기를 거친 작동 유체와 상기 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 각각 가열하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the heat exchanger is arranged to heat the working fluid passing through the compressor and the working fluid passing through the recuperator, respectively. 제3항에 있어서,
상기 압축기를 거친 작동 유체는 복수의 상기 열교환기로 각각 분기되는 것을 특징으로 하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.The method of claim 3,
And the working fluid having passed through the compressor is branched into a plurality of the heat exchangers. 제4항에 있어서,
상기 리큐퍼레이터의 후단에서 분기되는 작동 유체를 압축하는 재압축기를 더 포함하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.5. The method of claim 4,
And a recompressor for compressing a working fluid branched at a rear end of the recuperator. 제5항에 있어서,
상기 재압축기를 거친 작동 유체는 복수의 상기 열교환기로 각각 분기되는 것을 특징으로 하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.6. The method of claim 5,
And the working fluid having passed through the recompressor is branched into a plurality of the heat exchangers. 제6항에 있어서,
상기 복수의 열교환기를 거친 작동 유체는 상기 터빈의 전단에서 혼합되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하는 병렬 히터를 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the working fluid passing through the plurality of heat exchangers is mixed at a front end of the turbine and supplied to the turbine.
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