KR20190073915A - 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 이산화탄소의 충진 초기시 펌프에서 나온 이산화탄소를 쿨러로 바이패스시켜 냉각시킴으로써, 이산화탄소의 온도를 낮추고 포화압력을 낮추어, 펌프로 유입되는 이산화탄소의 압력과 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 공급압력의 압력차를 확보함으로써, 별도로 이산화탄소 공급펌프를 작동하지 않고도 이산화탄소를 원활하게 주입할 수 있다. 본 발명은 시스템 내부의 압력에 따라 제1,2단계 주입모드를 수행함으로써, 이산화탄소가 충진됨에 따라 시스템 내부의 압력이 변화하더라도 이산화탄소 충진이 효과적으로 이루어질 수 있는 이점이 있다.

Description

밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이의 제어방법{Closed supercritical carbon dioxide power cycle system and method of the same}
본 발명은 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화탄소 충진시 펌프에서 나온 이산화탄소를 쿨러로 순환시킴으로써, 이산화탄소 공급펌프를 사용하지 않고도 이산화탄소 주입이 원활해질 수 있는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
기존 에너지원의 활용성과 전력수급의 효율성을 향상시키기 위해 고효율 전력생산 기술의 향상에 대한 관심이 지속적으로 증대되고 있다. 고효율 전력생산 기술 향상을 위한 대안으로 초임계 이산화탄소 발전 기술에 대한 연구개발이 활성화되고 있다.
초임계 이산화탄소 발전 기술은, 임계 압력 이상의 초고압으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈을 구동하는 브레이튼(Brayton)사이클 방식의 전력생산 기술이다.
그러나 초임계 이산화탄소 발전 장치는 운전을 위해 초기 진공상태에서 이산화탄소를 충진할 때, 이산화탄소는 상온에서 기체 상태로 존재하고, 20℃ 기준 57 기압의 포화압력을 가지기 때문에, 외부 공급 탱크로부터 발전장치로 이산화탄소를 주입하기 어려운 문제점이 있다. 포화압력 이상의 압력으로 이산화탄소를 발전장치에 충진해야하므로 펌프 등의 추가적인 공급시스템이 반드시 필요로 한다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전장치의 운전시, 터빈 측에서 이산화탄소가 누설되는 현상이 발생된다. 이산화탄소의 누설을 방지하기 위하여 시일(seal) 등을 적용하더라도 상당한 양의 이산화탄소의 누설이 발생되는 문제점이 있다. 스팀 발전 장치의 경우 스팀이 누설되더라도 누설량만큼 추가 보충이 용이하나, 초임계 이산화탄소 발전장치의 경우, 이산화탄소를 추가로 공급하기 어려운 문제점이 있다.
한국등록특허 10-1138223
본 발명의 목적은, 이산화탄소를 원활하게 주입할 수 있는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템은, 펌프, 히터 및 터빈을 포함하고, 이산화탄소 탱크로부터 상기 펌프의 흡입측에 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부와; 상기 터빈과 상기 펌프 중 적어도 하나에서 나온 이산화탄소를 냉각수와 열교환시켜 냉각시키는 쿨러와; 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 쿨러의 흡입측으로 안내하도록 형성된 제1바이패스 유로와; 상기 제1바이패스 유로에 설치되어, 상기 제1바이패스 유로를 개폐하고 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 제1팽창밸브와; 상기 펌프와 상기 히터를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터로 유입되는 것을 단속하는 히터 유입밸브와; 상기 이산화탄소 주입부로부터 이산화탄소의 주입이 시작되면, 상기 제1팽창밸브는 개방하고 상기 히터 유입밸브는 차폐하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 제1바이패스유로를 통해 상기 쿨러로 유입되어 냉각된 후 다시 상기 펌프로 순환하도록 제어하는 제1단계 주입모드를 수행하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템은, 펌프, 히터 및 터빈을 포함하고, 이산화탄소 탱크로부터 상기 펌프의 흡입측에 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부와; 상기 터빈과 상기 펌프 중 적어도 하나에서 나온 이산화탄소를 냉각수와 열교환시켜 냉각시키는 쿨러와; 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 쿨러의 흡입측으로 안내하도록 형성된 제1바이패스 유로와; 상기 제1바이패스 유로에 설치되어, 상기 제1바이패스 유로를 개폐하고 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 제1팽창밸브와; 상기 펌프와 상기 히터를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터로 유입되는 것을 단속하는 히터 유입밸브와; 상기 이산화탄소 주입부의 압력을 측정하는 이산화탄소 압력센서와; 상기 펌프의 흡입측 압력을 측정하는 펌프 흡입압력센서와; 상기 펌프의 토출측 압력을 측정하는 펌프 토출압력센서와; 상기 히터의 토출측 온도를 측정하는 히터 토출온도센서와; 상기 히터의 토출측 압력을 측정하는 히터 토출압력센서와; 상기 이산화탄소 주입부로부터 이산화탄소의 주입이 시작되면, 상기 이산화탄소 압력센서와 상기 펌프 흡입압력센서에서 측정한 압력차가 미리 설정된 설정 압력차 이상을 유지하도록 상기 제1팽창밸브의 개도율을 제어하여 개방하고 상기 히터 유입밸브는 차폐하는 제1단계 주입모드를 수행하고, 상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안 상기 펌프 토출압력센서에서 측정한 압력이 미리 설정된 제1설정압력에 도달하면, 상기 제1팽창밸브는 차폐하고 상기 제2팽창밸브와 상기 히터 유입밸브는 개방하는 제2단계 주입모드로 전환하고, 상기 제2단계 주입모드를 수행하는 동안 상기 히터의 토출측 온도와 상기 히터의 토출측 압력이 미리 설정된 설정 조건에 도달하면, 상기 제1,2팽창밸브를 차폐하고 상기 히터 유입밸브, 상기 터빈 유입밸브 및 상기 터빈 토출밸브는 개방하는 터빈 구동모드로 전환하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 제어 방법은, 이산화탄소 주입부로부터 이산화탄소의 주입이 시작되면, 펌프와 쿨러를 연결하는 제1바이패스 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 제1바이패스 유로에 설치된 제1팽창밸브에서 팽창된 후 상기 쿨러에서 냉각되어 상기 펌프로 순환하도록 유로를 절환하여 제1단계 주입모드를 수행하는 단계와; 상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안, 상기 펌프의 토출측 압력이 미리 설정된 제1설정압력에 도달하면, 상기 제1팽창밸브를 차폐하고, 상기 펌프와 히터를 연결하는 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 히터로 안내하고, 상기 히터에서 나온 이산화탄소가 터빈을 바이패스하도록 안내하는 제2바이패스 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터에서 가열된 후 상기 제2바이패스 유로에 설치된 제2팽창밸브에서 팽창되도록 유로를 절환하는 제2단계 주입모드를 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 이산화탄소의 충진 초기시 펌프에서 나온 이산화탄소를 쿨러로 바이패스시켜 냉각시킴으로써, 이산화탄소의 온도를 낮추고 포화압력을 낮추어, 펌프로 유입되는 이산화탄소의 압력과 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 공급압력의 압력차를 확보함으로써, 별도로 이산화탄소 공급펌프를 작동하지 않고도 이산화탄소를 원활하게 주입할 수 있다.
본 발명은 시스템 내부의 압력에 따라 제1,2단계 주입모드를 수행함으로써, 이산화탄소가 충진됨에 따라 시스템 내부의 압력이 변화하더라도 이산화탄소 충진이 효과적으로 이루어질 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 이산화탄소를 주입하는 제1단계 주입모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 이산화탄소를 주입하는 제2단계 주입모드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 터빈 구동모드를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템은, 펌프(10), 히터(20), 터빈(30), 쿨러(40), 제1팽창밸브(111), 제2팽창밸브(121), 이산화탄소 주입부(100) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 펌프(10)의 흡입측에는 펌프 흡입유로(11)가 연결되고, 출구측에는 펌프 토출유로(12)가 연결된다.
상기 펌프 흡입유로(11)에는 상기 펌프(10)의 입구로 유입되는 이산화탄소의 압력을 측정하는 펌프 흡입압력센서(13)와, 온도를 측정하는 펌프 흡입온도센서(14)가 설치된다.
상기 펌프 토출유로(12)에는 상기 펌프(10)에서 토출되는 이산화탄소의 압력을 측정하는 펌프 토출압력센서(15)가 설치된다.
상기 펌프 토출유로(12)는, 제1바이패스 유로(110)와 히터 흡입유로(21)로 분기된다.
상기 제1바이패스 유로(110)는, 상기 펌프(10)와 상기 쿨러(40)를 연결하여, 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소를 상기 쿨러(40)의 흡입측으로 안내하는 유로이다.
상기 제1바이패스 유로(110)에는 제1팽창밸브(111)가 설치된다.
상기 제1팽창밸브(111)는, 상기 제1바이패스 유로(110)를 개폐하고, 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 밸브이다. 또한, 상기 제1팽창밸브(111)는, 상기 펌프 흡입압력센서(13)에서 측정한 압력에 따라 개도율이 제어될 수 있다.
상기 히터 흡입유로(21)는, 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소를 상기 히터(20)로 안내하는 유로이다.
상기 히터 흡입유로(21)에는 히터 유입밸브(25)가 설치된다.
상기 히터 유입밸브(25)는, 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소가 상기 히터(20)로 유입되는 것을 단속한다.
상기 히터(20)의 토출측에는 히터 토출유로(22)가 연결된다.
상기 히터 토출유로(22)에는 상기 히터(20)에서 토출되는 이산화탄소의 압력을 측정하는 히터 토출압력센서(23)와, 이산화탄소의 온도를 측정하는 히터 토출온도센서(24)가 설치된다.
상기 히터 토출유로(22)는, 터빈 흡입유로(31)와 제2바이패스 유로(120)로 분기된다.
상기 터빈 흡입유로(31)에는 상기 히터(20)에서 나온 이산화탄소가 상기 터빈(30)으로 유입되는 것을 단속하는 터빈 유입밸브(35)가 설치된다.
상기 터빈(30)의 토출측에는 터빈 토출유로(32)가 연결된다.
상기 터빈 토출유로(32)에는 터빈 토출밸브(36)가 설치된다. 상기 터빈 토출밸브(36)는 상기 터빈 유입밸브(35)와 연동되어 개폐된다.
상기 제2바이패스 유로(120)의 일단은 상기 히터 토출유로(22)에 연결되고, 타단은 상기 터빈 토출유로(32)에 연결되어, 상기 히터(20)에서 나온 이산화탄소가 상기 터빈(30)을 바이패스하도록 안내하는 유로이다.
상기 제2바이패스 유로(120)에는 상기 제2팽창밸브(121)가 설치된다.
상기 제2팽창밸브(121)는, 상기 제2바이패스 유로(120)를 개폐하고, 상기 히터(20)에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 밸브이다.
상기 쿨러(40)의 흡입측에는 상기 펌프(10)나 상기 터빈(30)이나 상기 제2바이패스 유로(120)를 통과한 이산화탄소가 유입되는 쿨러 흡입유로(41)가 연결된다.
상기 쿨러(40)에는 이산화탄소와 열교환하는 냉각수 순환유로(131)가 연결된다.
상기 냉각수 순환유로(131)는, 상기 쿨러(40)와 냉각기(Chiller)(130)를 연결하는 유로이다.
상기 냉각수 순환유로(131)에는 상기 쿨러(40)로 유입되는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(134)가 설치된다.
상기 이산화탄소 주입부(100)는, 이산화탄소 탱크(101)와, 상기 이산화탄소 탱크(101)로부터 상기 펌프 흡입유로(11)로 연결된 이산화탄소 주입유로(102)와, 상기 이산화탄소 주입유로(102)에 설치된 이산화탄소 압력센서(104)와, 상기 이산화탄소 주입유로(102)에 설치된 이산화탄소 공급펌프(103)를 포함한다.
상기 이산화탄소 공급펌프(103)는, 상기 터빈 구동 모드 등 정상 운전 모드시에는 작동되고, 상기 시스템이 정지한 상태에서 이산화탄소를 주입하는 제1,2단계 주입모드에서는 작동되지 않는다.
즉, 상기 터빈 구동모드 등 정상 운전 모드에서는 상기 펌프(10)의 흡입측 압력과 상기 이산화탄소 주입유로(102)의 압력간의 압력차가 발생하지 않으므로 상기 이산화탄소 주입유로(102)의 이산화탄소를 가압하여 공급하기 위해 상기 이산화탄소 공급펌프(103)가 사용된다.
한편, 상기 제1,2단계 주입모드에서는 상기 펌프(10)의 흡입측 압력과 상기 이산화탄소 주입유로(102)의 압력간의 압력차를 확보할 수 있기 때문에, 별도의 상기 이산화탄소 공급펌프(103)를 사용하지 않아도 된다.
한편, 상기 펌프 흡입유로(11)의 일측에는 이산화탄소의 충진 시작전 내부 공기를 제거하기 위한 공기 배출유로(105)가 연결된다.
상기 공기 배출유로(105)에는 진공 펌프(106)가 설치된다.
상기 제어부(미도시)는, 이산화탄소의 충진상태에 따라 상기 제1,2팽창밸브(111)(121), 상기 터빈 유입밸브(35), 상기 터빈 토출밸브(36), 상기 히터 유입밸브(25)의 개폐를 제어한다.
상기와 같이 구성된 본 발명이 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 이산화탄소 주입방법을 설명하면, 다음과 같다.
먼저, 상기 시스템이 정지된 상태에서 이산화탄소를 충진하고자 하면, 상기 진공 펌프(106)를 작동시켜 상기 시스템의 내부의 공기를 모두 제거한다.
상기 시스템의 내부의 공기가 모두 제거되면, 상기 시스템의 내부 압력은 0bar이다.
상기 시스템의 내부 압력이 0bar가 되면, 상기 이산화탄소 압력센서(104)에서 측정한 이산화탄소 공급압력(P0)과 상기 펌프 흡입압력센서(13)에서 측정한 펌프 흡입압력(P1)의 압력차(P1-P0)가 생긴다.
여기서, 상기 이산화탄소 공급압력(P0)은 57bar이다. 이산화탄소는 상온인 약 20℃에서 액체-기체 포화압력이 57bar이므로, 상기 이산화탄소 공급압력(P0)은 57bar인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 펌프 흡입압력(P1)은 상기 시스템의 내부 압력에 해당하므로, 0bar이다.
따라서, 상기 이산화탄소 탱크(101)의 밸브를 열어, 이산화탄소의 주입을 시작하면, 상기 압력차(P1-P0)로 인해 이산화탄소가 상기 펌프 흡입유로(11)로 주입될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 이산화탄소를 주입하는 제1단계 주입모드를 나타낸 도면이다.
상기 충진이 시작되면, 상기 펌프(10)의 흡입압력(P1)이 점차 상승하게 되어, 상기 펌프 흡입압력(P1)과 상기 이산화탄소 공급압력(P0)의 압력차(P1-P0)가 점차 감소될 수 있다.
따라서, 도 2를 참조하면, 상기 충진이 시작되면 상기 제어부(미도시)가 상기 제1팽창밸브(111)를 개방하고, 상기 히터 유입밸브(25)는 차폐하는 제1단계 주입모드를 수행한다.
상기 제1단계 주입모드에서는 상기 압력차(P1-P0)를 설정 압력차 이상으로 유지할 수 있다.
상기 제1단계 주입모드에서는 상기 제1팽창밸브(111)는 개방되고, 상기 히터 유입밸브(25), 상기 터빈 유입밸브(35), 상기 터빈 토출밸브(36), 상기 제2팽창밸브(121)는 모두 차폐된다.
또한, 상기 제1단계 주입모드에서는 상기 진공 펌프(106)와 상기 이산화탄소 공급펌프(103)의 작동이 모두 중지된다.
따라서, 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소는 상기 제1바이패스 유로(110)를 통해 상기 쿨러(40)로 유입된다.
상기 쿨러(40)로 유입된 이산화탄소는 냉각수와의 열교환을 통해 냉각된다.
상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소가 상기 히터(20)로 유입되지 않고, 상기 쿨러(40)로 유입되어 냉각됨으로써, 상기 펌프(10)로 유입되는 이산화탄소의 포화압력이 낮아지게 된다.
상기 펌프(10)로 유입되는 이산화탄소의 포화압력이 낮아지게 되면, 상기 펌프 흡입압력(P1)과 상기 이산화탄소 공급압력(P0)의 압력차(P1-P0)가 확보될 수 있다.
예를 들어, 상기 쿨러(40)로 유입되는 냉각수의 온도(T2)가 약 7℃이면, 상기 쿨러(40)에서 냉각된 이산화탄소의 온도(T1)는 약 10℃가 된다. 상기 이산화탄소의 온도(T1)가 10℃일 때 포화압력은 약 40bar 이기 때문에, 상기 펌프 흡입압력(P1)이 약 40bar를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 펌프 흡입압력(P1)과 상기 이산화탄소 공급압력(P0)의 압력차(P1-P0)가 15bar 이상 유지될 수 있으므로, 별도의 상기 이산화탄소 공급펌프(103)를 작동시킬 필요가 없는 이점이 있다.
상기와 같이 본 발명에서는, 충진 초기에 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소를 상기 쿨러(40)로 공급하는 제1단계 주입모드를 수행함으로써, 상기 펌프(10)로 유입되는 이산화탄소의 온도를 낮추어 이산화탄소의 포화압력을 상기 이산화탄소 공급압력(P0)보다 낮추어 이산화탄소의 주입이 원활하게 이루어질 수 있다.
이후, 상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안, 상기 이산화탄소의 충진이 계속되면 상기 시스템의 내부 압력이 계속해서 상승하여 상기 펌프 흡입압력(P1)도 계속 상승한다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 제1팽창밸브(111)의 개도를 줄여서 상기 펌프 흡입압력(P1)을 낮출 수 있다.
한편, 상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안, 상기 펌프 토출압력센서(15)에서 측정한 펌프 토출압력(P2)이 미리 설정된 제1설정압력에 도달하는지 판단한다.
상기 시스템의 내부 압력이 어느 정도 이상으로 상승하게 되면, 상기 쿨러(40)에서 냉각시키는 것만으로는 압력차를 유지할 수 없기 때문에, 상기 펌프 토출압력(P2)을 체크한다.
상기 펌프 토출압력(P2)이 상기 제1설정압력에 도달하면, 상기 제어부(미도시)는 상기 제1단계 주입모드를 중지하고 제2단계 주입모드로 전환한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 이산화탄소를 주입하는 제2단계 주입모드를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 제2단계 주입모드에서는, 상기 제어부(미도시)가 상기 제1팽창밸브(111)는 차폐하고, 상기 히터 유입밸브(25)와 상기 제2팽창밸브(121)는 개방하고, 상기 터빈 유입밸브(35)와 상기 터빈 토출밸브(36)는 차폐한다.
또한, 상기 제1단계 주입모드에서는 상기 진공 펌프(106)와 상기 이산화탄소 공급펌프(103)의 작동이 모두 중지된다.
따라서, 상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소는 더이상 상기 쿨러(40)로 유입되지 않고, 상기 히터(20)로 유입된다.
상기 히터(20)로 유입된 이산화탄소는 가열된 후, 상기 제2바이패스 유로(120)를 통과하면서 상기 제2팽창밸브(121)에서 팽창된다.
상기 제2팽창밸브(121)에서 팽창된 이산화탄소는 상기 쿨러(40)를 거친 후, 상기 펌프(10)로 순환한다.
즉, 상기 제2단계 주입모드에서는 상기 히터(20)에서 나온 이산화탄소가 상기 터빈(30)을 바이패스하고, 상기 제2팽창밸브(121)에서 팽창된다.
상기 터빈(30)은 밀폐형 장치가 아니기 때문에, 상기 터빈(30)의 회전시 이산화탄소의 누설이 발생될 수 있다.
따라서, 상기 이산화탄소를 충진하는 동안에는 미리 설정된 설정 조건에 도달하기 이전까지는 상기 터빈(30)을 구동시키지 않는다.
이후, 상기 제2단계 주입모드를 수행하는 동안, 상기 히터 토출온도센서(24)에서 측정한 히터 토출온도(T3)가 설정 온도 이상이고, 상기 히터 토출압력센서(23)에서 측정한 히터 토출압력(P3)이 설정 압력 이상이면, 상기 제어부(미도시)는 상기 제2단계 주입모드를 중지하고 터빈 구동모드로 전환한다.
상기 설정 온도와 상기 설정 압력은, 각각 상기 시스템이 안정화되는 조건이다. 상기 설정 온도는 500℃이고, 상기 설정 압력은 130bar인 것으로 예를 들어 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템에서 터빈 구동모드를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 터빈 구동모드에서는, 상기 제어부(미도시)는, 상기 제1,2팽창밸브(111)(121)를 모두 차폐하고, 상기 히터 유입밸브(25), 상기 터빈 유입밸브(35), 상기 터빈 토출밸브(36)를 모두 개방한다.
상기 터빈 구동모드에서는 상기 진공 펌프(106)의 작동은 중지되고, 상기 이산화탄소 공급펌프(103)의 작동은 이산화탄소의 추가 주입이 필요한 경우에만 선택적으로 이루어질 수 있다.
상기 펌프(10)에서 나온 이산화탄소는 상기 히터(20)로 유입된다.
상기 히터(20)로 유입된 이산화탄소는 가열된 후, 상기 터빈(30)으로 유입되어, 상기 터빈(30)에서 팽창된다.
상기 터빈(30)에서 팽창된 이산화탄소는 상기 쿨러(40)를 거친 후, 상기 펌프(10)로 순환한다.
한편, 상기 이산화탄소의 충진이 완료되면, 상기 이산화탄소 탱크(101)의 밸브를 차폐하여, 이산화탄소의 충진을 중지할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에서는 이산화탄소 충진 상태에 따라 상기 제1단계 주입모드, 상기 제2단계 주입모드 및 터빈 구동모드를 차례로 수행함으로써, 별도의 이산화탄소 공급펌프(103)를 작동하지 않고도 이산화탄소 주입을 위한 압력차를 확보하여 이산화탄소를 원활하게 주입할 수 있다.
상기 이산화탄소 공급펌프(103)의 작동 범위가 축소되기 때문에, 상기 이산화탄소 공급펌프(103)를 소형화시키거나 제거할 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 펌프 13: 펌프 흡입압력센서
14: 펌프 흡입온도센서 15: 펌프 토출압력센서
20: 히터 23: 히터 토출압력센서
24: 히터 토출온도센서 25: 히터 유입밸브
30: 터빈 35: 터빈 유입밸브
36: 터빈 토출밸브 40: 쿨러
101: 이산화탄소 탱크 104: 이산화탄소 압력센서
110: 제1바이패스 유로 111: 제1팽창밸브
120: 제2바이패스 유로 121: 제2팽창밸브

Claims (15)

  1. 펌프, 히터 및 터빈을 포함하고,
    이산화탄소 탱크로부터 상기 펌프의 흡입측에 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부와;
    상기 터빈과 상기 펌프 중 적어도 하나에서 나온 이산화탄소를 냉각수와 열교환시켜 냉각시키는 쿨러와;
    상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 쿨러의 흡입측으로 안내하도록 형성된 제1바이패스 유로와;
    상기 제1바이패스 유로에 설치되어, 상기 제1바이패스 유로를 개폐하고 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 제1팽창밸브와;
    상기 펌프와 상기 히터를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터로 유입되는 것을 단속하는 히터 유입밸브와;
    상기 이산화탄소 주입부로부터 이산화탄소의 주입이 시작되면, 상기 제1팽창밸브는 개방하고 상기 히터 유입밸브는 차폐하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 제1바이패스유로를 통해 상기 쿨러로 유입되어 냉각된 후 다시 상기 펌프로 순환하도록 제어하는 제1단계 주입모드를 수행하는 제어부를 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프의 흡입측 압력을 측정하는 펌프 흡입압력센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 펌프 흡입압력센서에서 측정된 압력에 따라 상기 제1팽창밸브의 개도율을 감소시키는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터의 출구와 상기 터빈의 입구를 연결하는 유로에서 분기되어, 상기 히터에서 나온 이산화탄소가 상기 터빈을 바이패스한 후 상기 터빈의 토출측으로 이동하도록 안내하는 제2바이패스 유로와;
    상기 제2바이패스 유로에 설치되어, 상기 히터에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 제2팽창밸브를 더 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 펌프의 토출측 압력을 측정하는 펌프 토출압력센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안 상기 펌프 토출압력센서에서 측정한 압력이 미리 설정된 제1설정압력에 도달하면, 상기 제1팽창밸브는 차폐하고 상기 제2팽창밸브와 상기 히터 유입밸브는 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터를 통과한 후 상기 터빈을 바이패스하도록 제어하는 제2단계 주입모드로 전환하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 히터와 상기 터빈을 연결하는 유로에 설치되어, 상기 히터에서 나온 이산화탄소가 상기 터빈으로 유입되는 것을 단속하는 터빈 유입밸브와;
    상기 터빈의 토출측 유로에 설치되어, 상기 터빈의 토출측 유로를 개폐하는 터빈 토출밸브를 더 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2단계 주입모드시, 상기 터빈 유입밸브와 상기 터빈 토출밸브는 차폐하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 히터의 토출측 온도를 측정하는 히터 토출온도센서와;
    상기 히터의 토출측 압력을 측정하는 히터 토출압력센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제2단계 주입모드를 수행하는 동안 상기 히터의 토출측 온도와 상기 히터의 토출측 압력이 미리 설정된 설정 조건에 도달하면,
    상기 제1,2팽창밸브를 차폐하고, 상기 히터 유입밸브, 상기 터빈 유입밸브 및 상기 터빈 토출밸브를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터를 통과한 후 상기 터빈에서 팽창되도록 제어하는 터빈 구동모드로 전환하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 주입부는,
    상기 이산화탄소 탱크와 상기 펌프의 흡입측 유로를 연결하는 이산화탄소 주입유로와,
    상기 이산화탄소 주입유로에 설치된 이산화탄소 압력센서와,
    상기 이산화탄소 주입유로에 설치된 이산화탄소 공급펌프를 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1단계 주입모드시 상기 이산화탄소 공급펌프의 작동을 중지시키는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  10. 펌프, 히터 및 터빈을 포함하고,
    이산화탄소 탱크로부터 상기 펌프의 흡입측에 이산화탄소를 주입하는 이산화탄소 주입부와;
    상기 터빈과 상기 펌프 중 적어도 하나에서 나온 이산화탄소를 냉각수와 열교환시켜 냉각시키는 쿨러와;
    상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 쿨러의 흡입측으로 안내하도록 형성된 제1바이패스 유로와;
    상기 제1바이패스 유로에 설치되어, 상기 제1바이패스 유로를 개폐하고 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 팽창시키는 제1팽창밸브와;
    상기 펌프와 상기 히터를 연결하는 유로에 설치되어, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터로 유입되는 것을 단속하는 히터 유입밸브와;
    상기 이산화탄소 주입부의 압력을 측정하는 이산화탄소 압력센서와;
    상기 펌프의 흡입측 압력을 측정하는 펌프 흡입압력센서와;
    상기 펌프의 토출측 압력을 측정하는 펌프 토출압력센서와;
    상기 히터의 토출측 온도를 측정하는 히터 토출온도센서와;
    상기 히터의 토출측 압력을 측정하는 히터 토출압력센서와;
    상기 이산화탄소 주입부로부터 이산화탄소의 주입이 시작되면, 상기 이산화탄소 압력센서와 상기 펌프 흡입압력센서에서 측정한 압력차가 미리 설정된 설정 압력차 이상을 유지하도록 상기 제1팽창밸브의 개도율을 제어하여 개방하고 상기 히터 유입밸브는 차폐하는 제1단계 주입모드를 수행하고,
    상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안 상기 펌프 토출압력센서에서 측정한 압력이 미리 설정된 제1설정압력에 도달하면, 상기 제1팽창밸브는 차폐하고 상기 제2팽창밸브와 상기 히터 유입밸브는 개방하는 제2단계 주입모드로 전환하고,
    상기 제2단계 주입모드를 수행하는 동안 상기 히터의 토출측 온도와 상기 히터의 토출측 압력이 미리 설정된 설정 조건에 도달하면, 상기 제1,2팽창밸브를 차폐하고 상기 히터 유입밸브, 상기 터빈 유입밸브 및 상기 터빈 토출밸브는 개방하는 터빈 구동모드로 전환하는 제어부를 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  11. 이산화탄소 주입부로부터 이산화탄소의 주입이 시작되면, 펌프와 쿨러를 연결하는 제1바이패스 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 제1바이패스 유로에 설치된 제1팽창밸브에서 팽창된 후 상기 쿨러에서 냉각되어 상기 펌프로 순환하도록 유로를 절환하여 제1단계 주입모드를 수행하는 단계와;
    상기 제1단계 주입모드를 수행하는 동안, 상기 펌프의 토출측 압력이 미리 설정된 제1설정압력에 도달하면, 상기 제1팽창밸브를 차폐하고, 상기 펌프와 히터를 연결하는 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 히터로 안내하고, 상기 히터에서 나온 이산화탄소가 터빈을 바이패스하도록 안내하는 제2바이패스 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소가 상기 히터에서 가열된 후 상기 제2바이패스 유로에 설치된 제2팽창밸브에서 팽창되도록 유로를 절환하는 제2단계 주입모드를 수행하는 단계를 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 제어방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2단계 주입모드를 수행하는 동안, 상기 히터의 토출측 온도와 상기 히터의 토출측 압력이 미리 설정된 설정 조건에 도달하면,
    상기 제1,2팽창밸브를 차폐하고,
    상기 펌프와 히터를 연결하는 유로를 개방하여, 상기 펌프에서 나온 이산화탄소를 상기 히터로 안내하고,
    상기 히터와 상기 터빈을 연결하는 유로를 개방하여, 상기 히터에서 나온 이산화탄소가 상기 터빈을 통과하면서 팽창되도록 유로를 절환하여 터빈 구동모드를 수행하는 단계를 더 포함하는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 제어방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 펌프의 흡입측에서 측정된 압력에 따라 상기 제1팽창밸브의 개도율을 감소시키는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 제어방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1,2단계 주입모드시, 상기 이산화탄소 주입부에 설치된 이산화탄소 펌프를 정지시키는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 제어방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 터빈 구동모드시, 상기 이산화탄소 주입부에 설치된 이산화탄소 펌프를 작동시키는 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템의 제어방법.
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