KR20190074617A - 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템 및 이의 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것으로 복합화력발전 시스템에 구비되어 있으며, 상기 복합화력발전 시스템에 구비되어 있으며, 외부공기를 유입하여 고압으로 압축 및 압축공기 저장부에서 배송받은 압축공기를 재압축하는 압축기, 상기 압축공기와 연료가 점화되어 연소되는 연소기, 상기 연소기에서 발생한 배기가스를 팽창시켜 축일을 만드는 확장기, 및 상기 축일을 전기에너지로 변환시키는 발전기,를 포함하는 가스터빈부; 상기 압축기에서 압축 또는 재압축된 압축공기를 냉각하는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉각된 압축공기를 저장하는 압축공기 저장부; 상기 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 제1 배관;을 포함함으로써, 전력에너지 소비가 많은 시간대에 다량의 전기 에너지를 공급할 수 있으며 계통한계가격을 낮추어 복합화력발전의 가동률을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 전력에너지 소비가 많은 시간대에 다량의 전기 에너지를 공급할 수 있으며 계통한계가격을 낮추어 복합화력발전의 가동률을 높일 수 있는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC) 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
미국 에너지 관리청(U.S. Energy information Administration, EIA)에 따르면 전세계의 전력수요는 2012년 21.6조 kWh에서 2020년 25.8조 kWh, 2040년 36.5조 kWh로 매년 2.4%씩 증가하는 것으로 나타나고 있다.
우리나라의 전력수요는 2015년 49만 GWh에서 2029년 65.7만 GWh로 매년 2.2% 증가할 것으로 예상되고 있다. 따라서 전력수요에 대응하기 위한 전력용량을 확보하기 위해 발전소의 신규건설이 필요하다.
발전 시스템은 사용하는 연료에 따라 수력, 원자력, 화력(석탄, 천연가스, 유류), 신재생에너지로 나눌 수 있는데, 후쿠시마 원전사고 이후 원전에 대한 불안감, 폐연료봉 처리의 문제, 교토의정서/파리기후협약으로 이어지는 온실가스의 배출규제, 동아시아지역의 미세먼지 문제로 석탄화력과 원자력발전에 대한 재검토가 이루어지고 있다. 또한, 송배전망이 포화되었지만 북당진 변전소와 같이 지역주민의 반발로 송전선로 증설이 늦어지거나 취소되면서 신규 발전소 건설에도 영향을 주고 있다.
이러한 이유로 발전용량을 늘리지 않고 기존의 전력자원의 효율화로 전기에너지 소비가 많은 시간대(전력피크)에 대응하는 방법이 연구되고 있는데 이것을 에너지 신사업이라 한다.
이러한 에너지 신사업 중 하나인 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)은 전기에너지를 물리/화학적 형태로 변환하여 저장하였다가 필요 시 전기에너지로 변환하여 사용하는 것을 의미한다. 상기 에너지저장시스템(ESS)은 응답속도와 용량에 따라 주파수조절, 송배전망 보조, 전력용량 자원으로 활용하는데 종류에 따른 구분은 도 1과 같다.
한편, 전기에너지를 압축된 공기로 저장하는 압축공기 에너지저장(Compressed Air Energy Storage, CAES) 시스템은 1940년대에 미국에서 처음으로 제안되었고, 1978년 독일에서 암염동굴에 공기를 저장하는 최초의 CAES인 Huntorf Plant가 건설되었다. 이후 1991년 미국의 McItosh Plant가 상용운전 중이다.
이와 같은 선행연구는 1세대인 Diabetic-CAES(D-CAES), 2세대인 A-CAES로 구분되며 도 2는 연구의 진행현황을 나타낸 도면이다. 압축된 공기가 팽창할 때 온도 강하로 부피가 줄어드는 것을 방지하기 위해서 상기 D-CAES는 연료를 태워 열을 공급하고 상기 A-CAES는 열을 회수, 저장하여 공급한다.
일반적인 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)은 공기를 압축하기위한 압축기(compressor), 압축된 공기를 저장하기 위해 냉각하는 열교환기(heat exchanger), 압축된 공기를 저장하는 저장부(CAS, Compressed Air Storage), 압축된 공기를 팽창하여 축일을 만드는 확장기(expender), 축일을 전기로 변환하는 발전기(generator)로 구성된다. 상기 D-CAS는 압축된 공기가 확장기(expender)에서 팽창하면서 온도가 낮아지면서 발전효율이 낮아지는 것을 막기위해 연소기(combustor)로 열을 공급하고, 상기 A-CAES는 열 유체를 이용한 축열(heat storage)로 열을 회수한다.
상기 D-CAES는 연료를 필요로 하기 때문에 복합화력발전 시스템 대비 경쟁력이 떨어지며(도 3a), 상기 A-CAES는 열 유체를 운용하기 위한 기술과 대안이 확보되지 않아 상업운전 중인 발전소가 없다(도 3b).
상기 두 공정 모두 Charge/Discharge event는 간헐적으로 발생하고 그 외에는 장치를 활용할 수 없기 때문에 장치의 가동률이 떨어지는 문제가 발생한다.
이러한 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)은 용량이 크기 때문에(≥100 MW) 전기에너지 소비가 많은 시간대(전력피크)에 대응할 수 있고, 국내 전력시장은 CBP(Cost Based Pool)로서 전일 입찰하고 가동 1시간 전 급전지시를 받기 때문에 늦은 응답속도(~h)의 영향이 없다. 또한, 야간에 잉여전력을 저장하여 주간의 전력피크 시에 사용하기 때문에 전력용량을 증가시킬 뿐만 아니라 주/야간 전력단가 차이로 편익을 얻는 효과가 있다. 하지만 공기를 압축, 저장하는 과정에서 열손실이 발생하여 저장효율이 낮은 단점이 있다.
따라서, 본 연구에서는 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)의 효율을 향상시키기 위한 방법으로 압축된 공기를 복합화력발전에 공급하는 공정을 제안하였다.
본 발명의 목적은 전력에너지 소비가 많은 시간대에 다량의 전기 에너지를 공급할 수 있으며 계통한계가격을 낮추어 복합화력발전의 가동률을 높일 수 있는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)을 작동하는 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)은 종래 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템으로서,
상기 복합화력발전 시스템에 구비되어 있으며 외부공기를 유입하여 고압으로 압축하거나 압축공기 저장부에서 배송받은 압축공기를 재압축하는 압축기, 상기 압축공기와 연료가 점화되어 연소되는 연소기, 상기 연소기에서 발생한 배기가스를 팽창시켜 축일을 만드는 확장기, 및 상기 축일을 전기에너지로 변환시키는 발전기,를 포함하는 가스터빈부; 상기 압축기에서 압축 또는 재압축된 압축공기를 냉각하는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉각된 압축공기를 저장하는 압축공기 저장부; 상기 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 제1 배관;을 포함할 수 있다.
상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 가스터빈부의 연소기에서 발생한 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 배열회수 보일러; 상기 배열회수 보일러에서 생성된 증기에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시키는 증기터빈; 및 상기 증기터빈에서 배출된 증기를 응측시켜 상기 배열회수 보일러로 공급하는 응축기;를 더 추가할 수 있다.
상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 압축공기의 저장온도는 45 내지 60 ℃이며, 압축공기가 상기 제1 배관을 통해 배출되는 배출압력은 1000 내지 1600 kPa이고, 압축공기 운전시간은 2 내지 3.5시간일 수 있다.
상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 가스터빈부의 압축비는 14 내지 16 γCT_CC일 수 있다.
상기 증기터빈의 증기유량은 150,000 내지 300,000 kg/h이며, 증기터빈의 압력은 400 내지 600 kPa일 수 있다.
상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 전기에너지 소비가 많은 시간대에는 외부공기가 아닌 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 가스터빈부의 압축기로 이송하여 상기 압축기에서 재압축함으로써 처음 공기를 압축한 경우보다 높은 압축비를 구현하여 다량의 전기에너지를 생산할 수 있다.
상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 전력에너지 소비가 적은 시간대에는 일반 전기에너지를 이용하여 압축기를 가동시켜 압축공기를 생산할 수 있다.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은 전기에너지 소비가 많은 시간대에는,
(A) 미리 외부공기를 유입하여 고압으로 압축한 후 상기 열교환기에서 냉각되어 상기 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 상기 압축기로 이송시키는 단계; (B) 상기 이송된 압축공기를 상기 압축기에서 재압축한 후 재압축된 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계; 및 (C) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은 상기 (C)단계 이후에 (D) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및 (E) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은 전기에너지 소비가 적은 시간대에는,
(A`) 외부공기를 상기 압축기에 유입하여 고압으로 압축하는 단계; 및 (B`) 상기 압축된 공기를 열교환기를 통해 냉각시킨 후 압축공기 저장부에 저장시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은 상기 (B`)단계 이후에 (C`) 상기 압축기에서 압축된 일부 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계; (D`) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계; (E`) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및 (F`) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)은 전력에너지 소비가 많은 시간대에 다량의 전기 에너지를 공급할 수 있으며 계통한계가격을 낮추어 복합화력발전의 가동률을 높일 수 있다.
도 1은 에너지저장시스템(ESS)의 종류에 따른 구분도이다.
도 2는 종래 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)의 연구 진행현황을 나타낸 도면이다.
도 3a는 종래 D-CAES시스템의 공정 흐름도이다.
도 3b는 종래 A-CAES시스템의 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 공정 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에서 에너지저장 모드를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 5b는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에서 종래 모드를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 5c는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에서 에너지 표출 모드를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 경제성 분석을 위한 시뮬레이션에 사용한 복합화력발전의 공정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 경제성 분석을 위한 시뮬레이션에 사용한 압축공기 에너지저장시스템(CAES)의 공정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 경제성 분석을 위한 시뮬레이션에 사용한 공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)의 연구 진행현황을 나타낸 도면이다.
도 3a는 종래 D-CAES시스템의 공정 흐름도이다.
도 3b는 종래 A-CAES시스템의 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 공정 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에서 에너지저장 모드를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 5b는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에서 종래 모드를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 5c는 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에서 에너지 표출 모드를 나타낸 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 경제성 분석을 위한 시뮬레이션에 사용한 복합화력발전의 공정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 경제성 분석을 위한 시뮬레이션에 사용한 압축공기 에너지저장시스템(CAES)의 공정을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 경제성 분석을 위한 시뮬레이션에 사용한 공정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 전력에너지 소비가 많은 시간대에 다량의 전기 에너지를 공급할 수 있으며 계통한계가격을 낮추어 복합화력발전의 가동률을 높일 수 있는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC) 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 압축된 공기를 복합화력발전소 시스템의 가스터빈의 압축기에서 재압축하여 가스터빈의 출력을 높이는 것에 특징이 있다. 구체적으로, 전기에너지 소비가 많은 시간대에는 외부공기가 아닌 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 가스터빈부의 압축기로 이송하여 상기 압축기에서 재압축함으로써 처음 공기를 압축한 경우보다 높은 압축비를 구현하여 다량의 전기에너지를 생산할 수 있다.
한편, 본 발명은 전력에너지 소비가 적은 시간대에는 일반 전기에너지를 이용하여 압축기를 가동시켜 압축공기를 생산할 수 있다.
이러한 새로운 디자인의 CAES-CC(도 4)는 하기와 같은 장점이 있다.
1. 미래의 이윤을 위해 지출되는 비용(Capex)을 절감할 수 있다. 구체적으로, 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)의 지출비용 중 가장 큰 부분을 차지하는 것인 압축기인데, 상기 압축기를 기존 복합화력발전 시스템에 구비된 가스터빈의 압축기로 대체가능하다.
2. 복합화력발전소의 수익을 개선시킬 수 있다. 구체적으로, 복합화력발전 시스템은 첨두발전 시스템이기 때문에 가동률이 낮아 민자발전사들이 적자를 지속하고 있는데, 가스터빈을 활용한 신사업(CAES-CC)을 통해 수익을 개선할 수 있다.
3. 효율 개선이 가능하다. 구체적으로, 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)의 공정효율이 낮은 원인 중 하나는 공기를 압축한 후 저장하기 위해 냉각하면서 열손실이 발생하기 때문이다. 반면에, 복합화력발전 시스템은 압축비가 높을수록 효율이 좋아지지만 일정 온도이상이 되면 가스터빈이 손상되기 때문에 냉각을 수행하므로 복합화력발전 시스템에 구비된 장치를 이용하여 공기압축 후 냉각시킨 공기를 가스터빈에 공급하면 더 높은 압축비를 통해 가스터빈의 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 종래 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)에 관한 것으로서,
상기 복합화력발전 시스템에 구비되어 있으며, 외부공기를 유입하여 고압으로 압축하거나 압축공기 저장부에서 배송받은 압축공기를 재압축하는 압축기, 상기 압축공기와 연료가 점화되어 연소되는 연소기, 상기 연소기에서 발생한 배기가스를 팽창시켜 축일을 만드는 확장기, 및 상기 축일을 전기에너지로 변환시키는 발전기,를 포함하는 가스터빈부; 상기 압축기에서 압축 또는 재압축된 압축공기를 냉각하는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉각된 압축공기를 저장하는 압축공기 저장부; 및 상기 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 제1 배관;을 포함한다.
또한, 가스터빈부의 연소기에서 배출되는 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 배열회수 보일러; 상기 배열회수 보일러에서 생성된 증기에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시키는 증기터빈; 및 상기 증기터빈에서 배출된 증기를 응측시켜 상기 배열회수 보일러로 공급하는 응축기;를 더 추가할 수 있다.
가스터빈부
상기 가스터빈부(gas turbine)는 복합화력발전 시스템에 구비되어 있으며, 회전력으로 외부공기를 유입하여 고압으로 압축하거나 압축공기 저장부에서 배송받은 압축공기를 재압축하는 압축기(compressor), 상기 압축공기와 연료가 점화되어 연소되는 연소기(combustor), 상기 연소기에서 연소된 압축공기를 팽창시켜 축일을 만드는 확장기(expender), 및 상기 축일을 전기에너지로 변환시키는 발전기(generator),를 포함한다.
정상상태에서는 확장기의 축일로 압축기를 작동하지만, 복합화력발전 시스템의 작동을 시작할 때는 일반 전기에너지를 사용하여 압축기를 작동시킨다.
상기 압축기(compressor)는 외부공기 또는 압축공기 저장부에서 유입되는 압축공기가 유입되는 흡기부와, 압축기에서 압축된 압축공기를 유출하는 배출부가 구비된다. 이때 상기 흡기부로 유입된 외부공기 또는 압축공기는 고압으로 압축되어 1차 압축된 공기 또는 재압축된 공기로 수득된다. 상기 재압축된 공기는 2차, 3차, 4차 압축 등 압축 횟수에 제한을 두지 않는다.
또한, 상기 연소기(combustor)는 상기 압축기의 배출부와 연결되고, 압축기에서 압축된 1차 압축된 공기 또는 재압축된 공기를 유입하여 외부에서 제공된 연료를 혼합해 1차 압축된 공기 또는 재압축된 공기에 포함된 연료를 연소하여 고온고압의 배기가스를 생산한다.
또한, 상기 확장기(expender)는 상기 연소기에서 연소된 배기가스를 팽창시켜 내부에너지의 변화로 운동에너지, 즉 축일로 변환시킨 후 발전기(generator)를 구동시켜 상기 축일을 전기에너지로 변환시킨다.
열교환기
상기 열교환기(heat exchanger)는 상기 압축기와 연결되어 상기 압축기에서 배관을 통해 압축된 압축공기 또는 재압축된 공기를 유입하여 냉각함으로써 압축공기의 부피를 줄여 저장효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 추후 가스터빈의 압축기로 냉각된 압축공기를 공급하면 더 높은 압축비를 얻어 가스터빈의 효율을 높일 수 있다.
압축공기 저장부
상기 압축공기 저장부(CAS, Compressed Air Storage)는 상기 열교환기와 연결되어 배관을 통해 상기 열교환기에서 냉각된 압축공기를 유입받아 저장하며, 전기에너지 소비가 많은 시간대(전력피크) 등 필요에 따라 상기 압축기로 냉각된 압축공기를 제1 배관을 통해 전달한다.
배열회수 보일러
상기 배열회수 보일러(HRSG)는 가스터빈부의 연소기에서 발생한 배기가스의 배열을 흡수하여 증기를 생성시키고, 상기 생성된 증기에 의해 증기터빈을 구동시킨다.
증기터빈
상기 증기터빈(steam thrbine)은 배열회수 보일러에서 생성된 증기에 의해 구동되며, 증기터빈의 구동에 의해 또 다른 발전기가 구동하면서 발전하면서 전기에너지를 생산한다.
응축기
상기 응축기(condenser)는 상기 증기터빈을 통한 증기를 유입하며 이를 응축시킨 후 응축된 유체(응축수)를 상기 배열회수 보일러로 재공급한다.
상기 응축기는 통상의 응축기와 같이 상기 증기터빈에서 유입된 증기에 냉을 제공하여 증기를 응축함으로써 액상의 유체인 응축수로 전환하며, 상기 전환된 응축수를 상기 배열회수 보일러에 공급한다.
이때, 상기 응축기에서 전환된 응축수는 상기 배열회수 보일러로 공급되기 전, 가열과 공기빼기가 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 압축공기의 저장온도는 45 내지 60 ℃, 바람직하게는 48 내지 52 ℃이며; 압축공기가 상기 제1 배관을 통해 배출되는 배출압력은 1000 내지 1600 kPa, 바람직하게는 1200 내지 1400 kPa이고; 압축공기 운전시간은 2 내지 3.5시간, 바람직하게는 2.5 내지 3.0시간이다.
또한, 상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 가스터빈부의 압축비는 14 내지 16 γCT_CC, 바람직하게는 1.5 내지 1.6 γCT_CC이며; 증기터빈의 증기유량은 150,000 내지 300,000 kg/h, 바람직하게는 200,000 내지 260,000 kg/h이고; 증기터빈의 압력은 400 내지 600 kPa, 바람직하게는 450 내지 550 kPa이다.
상기 압축공기의 저장온도, 압축공기의 배출압력, 압축공기의 운전시간, 가스터빈부의 압축비, 증기터빈의 증기유량 및 증기터빈의 압력 수치가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 시스템(CAES-CC)의 경제성이 저하될 수 있다.
본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)은 종래의 D-CAES와 같이 연료를 사용하지만 복합화력발전의 일반적인 모드에서 소비되는 것이므로 압축공기 에너지저장 시스템(CAES)으로 인해 소비되는 연료는 없다. 또한, 본 발명은 종래의 A-CAES와 달리 공기를 압축할 때 손실된 열을 회수하지 않고 이를 이용해 가스터빈의 압축비를 높여 가스터빈의 효율을 증가시켰다.
본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)은 세가지의 작동 모드로 운영된다.
(1) 에너지저장 모드(Energy storage mode)(도 5a): 야간의 전력에너지 소비가 적은 시간대(off peak, 2:30am - 8:30am)에는 발전단가가 높은 복합화력발전을 가동하지 않는 경우가 많다. 따라서 전기에너지로 가스터빈의 압축기(compressor)를 가동하여 외부공기로 부터 압축공기를 생산하며, 이때 압축공기의 저장효율을 높이기 위하여 냉각을 통해 압축공기의 부피를 줄인다. (2) 종래 모드(Conventional mode)(도 5b): 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 가장 큰 특징은 복합화력발전 설비를 사용했다는 것이며, 이에 따라 에너지저장 시스템(ESS)으로 작동하지 않는 시간에는 복합 화력발전으로서 운전이 가능하다. (3) 에너지 표출 모드(Energy release mode)(도 5c): 전기에너지 소비가 많은 시간대(전력피크, On peak, 8:30am - 2:30am)에는 외부공기가 아닌 저장된 압축공기를 가스터빈의 압축기에 공급하여 가스터빈의 압력을 높임으로써 발전량을 증가시킨다.
또한, 본 발명은 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법을 제공한다.
일예로, 전기에너지 소비가 많은 시간대에서 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은
(A) 외부공기를 유입하여 고압으로 압축한 후 상기 열교환기에서 냉각되어 상기 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 상기 압축기로 이송시키는 단계; (B) 상기 이송된 압축공기를 상기 압축기에서 재압축한 후 재압축된 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계; 및 (C) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계;를 포함한다.
또한, (D) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및 (E) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
먼저, 상기 (A)단계에서는 외부공기를 이용해 압축된 압축공기를 이용하는 것이 아니라 높은 효율을 위하여 외부공기를 이용해 압축된 압축공기를 열교환기로 냉각시킨 후 압축공기 저장부에 저장된 냉각된 압축공기를 이용하는 것으로서, 상기 냉각된 압축공기를 가스터빈부의 압축기로 이송시킨다.
다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 압축기에 유입된 압축공기를 재압축한 후 연소기에서 연소시켜 발생한 배기가스를 확장기에서 팽창시켜 축일을 만든다.
다음으로, 상기 (C)단계에서는 제조된 축일을 전기에너지로 변환시켜 전기에너지 소비가 많은 시간대에 다량의 전기에너지를 빠르게 공급할 수 있다.
또한, 상기 (D) 및 (E)단계에서는 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하고 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 별도로 전기에너지를 생산한다.
다른 예로, 전기에너지 소비가 적은 시간대에서 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은
(A`) 외부공기를 상기 압축기에 유입하여 고압으로 압축하는 단계; 및 (B`) 상기 압축된 공기를 열교환기를 통해 냉각시킨 후 압축공기 저장부에 저장시키는 단계;를 포함한다.
또한, (C`) 상기 압축기에서 압축된 후 압축공기 저장부로 이송시키지 않은 일부 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계; (D`) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계; (E`) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및 (F`) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
먼저, 전기에너지 소비가 적은 시간대에는 전기에너지 요금이 저렴하므로 상기 (A`) 및 (B`)단계에서는 외부공기를 상기 압축기에 유입하여 일반 전기에너지를 이용하여 고압으로 압축한 후 압축된 압축공기를 열교환기로 냉각시킨 다음 압축공기 저장부에 저장시킨다. 상기 저장된 냉각된 압축공기는 전기에너지 소비가 많은 시간대에 압축기에서 재압축되어 이용된다.
또한, 경우에 따라 상기 (C`)단계에서는 상기 압축기에서 생산되어 열교환기로 이송된 압축공기 외에 일부 압축공기를 연소기에서 유입시켜 연소시킴으로써 발생한 배기가스를 확장기에서 팽창시켜 축일을 만든다.
다음으로, 상기 (D`)단계에서는 상기 제조된 축일을 전기에너지로 변환시킨다.
다음으로, (E`) 및 (F`)단계 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하고 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 별도로 전기에너지를 생산한다.
또 다른 예로, 전기에너지 소비가 많은 시간대는 아니지만 어느 정도의 전기에너지가 필요한 경우에 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은
(A``) 외부공기를 상기 압축기에 유입하여 고압으로 압축하는 단계; (B``) 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계; (C``) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계; (D``) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및 (E``) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 포함한다. 즉, 종래의 복합화력발전시스템만을 이용한다.
먼저, 상기 (A``)단계에서는 외부공기를 상기 압축기에 유입하여 일반 전기에너지를 이용하여 고압으로 압축한다.
상기 (B``)단계에서는 상기 압축기에 유입된 압축공기를 연소기에서 연소시켜 발생한 배기가스를 확장기에서 팽창시켜 축일을 만든다.
다음으로, 상기 (C``)단계에서는 상기 제조된 축일을 전기에너지로 변환시킨다.
다음으로, (D``) 및 (E``)단계 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하고 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
공정모사
공정효율과 경제성을 분석하여 본 발명의 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템(CAES-CC)의 타당성을 검토하기 위하여 문헌을 토대로 복합화력발전공정을 모사한 다음, 압축공기 에너지 저장시스템을 추가로 모사하였다.
시뮬레이션 프로그램은 ASPEN HYSYS v9.0를 시용하였으며, 열역학 모델은 HYSYS에 내장되어 있는 Peng-Robinson 모델을 사용하였다. 모든 흐름에서 열과 압력 손실은 없다고 가정하였다.
제조예 1.
복합화력발전 공정모사
복합화력발전은 General Electric 사의 HA9.02 모델의 Technical data를 토대로 가스터빈과 증기터빈이 1:1로 구성된 것으로 가정한 Aquul의 문헌(2016)의 공정을 사용하였다. 공정을 보다 단순하게 하기 위하여 Humidifier를 제외한 건식공정으로 가정하였다.
상기 가스터빈은 압축비(γ)가 23.5인 multi-stage 압축기, 연소기, multi-stage 확장기를 포함하여 구성되는데, 압축기에 의해 압축된 공기와 연료가 연소기에서 점화되고 확장기에서 팽창하는 Brayton cycle로 일을 만들어낸다. 이때, 배출된 배기가스는 배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)에서 열 교환된다.
증기터빈은 Pump로 압축된 working fluid를 HRSG에서 열 교환하여 기화시킨 뒤 확장기에서 팽창하는 Rankin Cycle로 일을 만들어낸다.
복합화력발전에서 사용하는 연료는 Aquul의 문헌(2016)과 동일한 러시아에서 생산되어 유럽으로 수출되는 천연가스로 가정하였다. 또한, 공기와 연료의 온도, 압력은 가스터빈의 성능측정에 대한 표준인 ISO 3977-2를 기준으로 하였고 그 내용은 하기 [표 1]에 나타내었다.
| 구분 | 공기 | 연료 | |
| 온도(℃) | 15 | 15 | |
| 압력(kPa) | 101.3 | 101.3 | |
| 유량(mass flow) | 3.49E+06 | 9.29E+04 | |
| 구성(몰분율, %) | N2 | 78.09 | 0.84 |
| CO2 | 0.03 | 0.09 | |
| O2 | 20.95 | - | |
| Ar | 0.93 | - | |
| C1 | - | 97.64 | |
| C2 | - | 0.99 | |
| C3 | - | 0.32 | |
| NC4 | - | 0.10 | |
| NC5 | - | 0.01 | |
| NC6 | - | 0.01 | |
또한, 공정의 각 장치의 스펙은 Aquul의 문헌(2016)의 결과를 바탕으로 결정하였고 하기 [표 2]에 나타내었다. 압축기, 연소기, 펌프는 단열 효율(adiabatic efficiency)과 압축비를 설정하였고, 배열회수 보일러(HRSG)는 열교환과정에서 상변이가 있는 경우에도 사용할 수 있는 Simple Weight Model을 통해 Overall UA(U:총괄열전달계수, A:접촉면적)을 설정하였다.
| 구분 | 단열효율 | 압축비 | 압력변화(dP, kPa) | overall UA(kJ/C-h) | 열회수(Q, kJ/h) |
| 압축기 | 92.92 | 23.5 | 2280 | - | - |
| 확장기 | 92.72 | 4.96E-02 | 2280 | - | - |
| 연소기 | 92.57 | 8.05E-04 | 2263 | - | |
| 펌프 | 92.69 | 1242 | 12410 | - | - |
| 배열회수 보일러 | - | - | - | 1.596E+07 | 1.90E+09 |
상기 조건을 토대로 도 6과 같이 복합화력발전을 모사하였다. 시뮬레이션에서는 계산상의 편의를 위해 공기와 연료를 압축하기 위한 일은 각각에 shaft work를 전달하는 확장단계(expender stage)를 두어 상쇄시켰고, 연소기는 Gibbs Reactor를 사용하였다. Gibbs Reactor를 적용할 때에는 반응물들의 압력이 동일해야 하므로 공기와 연료는 같은 압력으로 압축되도록 설계하였다. 가스터빈에서 5.660E+05 kW, 스팀터빈에서 1.909E+05 kW, 펌프에서 -2264 kW의 일을 얻는 것으로 나타났으며, 총 754.5MW의 전력용량을 가진 복합화력발전소임을 확인하였다.
제조예 2. 압축공기 에너지저장시스템(CAES) 공정모사
압축공기 에너지저장시스템은 압축기로 공기를 압축하고 응축기로 냉각시켜 CAS(compressed air storage)에 저장하는 시스템을 말한다. ASPEN HYSYS를 이용해 도 7과 같이 공정을 모사하였다.
공기를 압축 저장하고 배출하는 과정은 불연속적으로 일어나는 dynamic-state이기 때문에 steady-state simulation인 HYSYS로 모사하기 위해서는 추가 가정이 필요하다. 또한 운전조건이 charge/discharge에 대한 각각의 시간, 온도, 압력 그리고 저장용량으로 다양하기 때문에 모사를 위해 관계식을 통해 변수를 줄여야 한다. 다음의 가정이 성립하면 하기 [수학식 1]과 같은 관계가 성립한다.
가정
1. 공기는 이상기체로 가정한다.
2. 저장압력(P 1)과 배출압력(P 2)은 일정하다.
3. 압력변화에 따른 온도변화는 없다(T 1 = T s = T 2).
4. 저장소의 압력이 저장압력과 같을 때까지 충전하고 배출압력과 같을 때까지 방출한다(P 2 ≤ P S ≤ P 1).
5. 저장, 방출시간이 같다. 즉, 
이다.
공기가 이상 기체이므로 
[수학식 1]
따라서, Hysys로 설계한 CAES의 변수는 배출압력(P 2), 저장온도(T s), 운전시간(t)이 된다.
실시예 1. 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 공정모사
상기 제조예 1 및 2에서 모사한 복합화력발전과 압축공기 에너지저장시스템을 연계하여 도 8과 같은 새로운 시스템인 CAES-CC를 설계하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, Air Intake에서 A3는 압축공기 에너지저장시스템, 흐름 1-8은 가스터빈발전, 9-12는 증기터빈발전을 모사하였다. Hysys의 SET기능을 이용하여 저장압력(흐름 A3)과 배출압력(흐름 1)을 상기 [수학식 1]과 관계가 되도록 하였다.
<시험예>
시험예 1. 경제성 측정
1.1 국내 전력시장에 따른 조건
복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)의 타당한지 검증하기위해 경제성을 최대로 하는 운전조건을 최적화를 통해 도출하였다. 효율을 최적화하는 일반적인 연구와 달리 경제성을 최적화한 이유는 에너지 저장 시스템(ESS)의 공정효율이 저장능력 대비 출력능력을 의미하는데, ESS를 사용하지 않을수록 효율이 1에 가까워지므로 최적화를 수행할 경우 흐름이 0으로 수렴하게 되기 때문이다. 하지만 전력시장은 정부의 규제를 강하게 받는 산업으로 국가간, 지역간 법규가 상이하기 때문에 경제성 역시 큰 차이를 보인다.
실험은 한국전력거래소의 전력시장 운영규칙과 전력시장 운영실적 등 한국의 시장에 대한 최적화를 진행하였다.
(1) 전력 단가
- 주간 전력단가 = 2016년 평균 유연탄 연료비단가 34.71원/kWh
- 야간 전력단가 = 2016년 평균 LNG 연료비단가 80.22원/kWh
전력판매는 해당시간의 SMP(System Marginal Price, 계통한계가격)로 결정되고, 전력구입은 한국전력과의 산업용 전기요금 계약으로 이루어지지만 ESS는 주/야간 전력판매가격 차이를 이용해 경제성을 얻기 때문에 기저발전인 유연탄의 연료비를 야간전력단가로하고, 첨두발전인 LNG복합화력의 연료비를 주간전력단가로 사용하였다. 또한, CBP시장(변동비반영시장, Cost Based Pool)에서 시장의 SMP 보다 높은 가격의 발전기는 급전지시를 받지 않기 때문에 평균 SMP에는 SMP가 낮은 발전기를 중심으로 형성된다. 따라서 피크타임(Peak time)의 전력단가와 평균 SMP가 상이하므로 발전기의 가격특성공식을 반영한 연료비 단가로 전력요금을 가정하였다.
(1) 연료 단가
- LNG단가 = 2016년 평균 LNG 연료단가 595.28원/kg
(2) 운영규칙
- LNG가동률 = 2016년 평균 복합화력발전소 가동률 38.6%
1.2 수학적 모델링
(1) 공정변수와 범위
- CAES
· 압축공기의 저장온도(T A 2): 50 ℃ ≤ T A 2 ≤ 150 ℃
· 운전시간(t): 0 ≤ t ≤ 4
· 압축공기의 배출압력(P 1): 101.3 kPa ≤ P 1 ≤ 2380 kPa
- 가스터빈발전
· 가스터빈의 압축비(γGT_CC): 1 ≤ γ ≤ 23.5
- 증기터빈발전
· 작동 유체의 질량 흐름(Working fluid의 mass rate, 
): 0 ≤ 
≤ 6.13E+05 kg/h
· 증기터빈 발전의 펌프 배출압력(P 12): 10 kPa ≤ P 12 ≤ 12,420 kPa
상기 저장온도의 하한은 huntorf plant의 운영조건을 참고하였고, 압축공기의 배출압력의 상한은 9HA.02 가스터빈의 Spec.에 따른 한계이다. 운전시간의 상한은 국내에서 상업운전을 하는 ESS인 양수발전의 최대 운전시간 4시간을 기준으로 하였다. 그 외 조건은 상기 제조예 1의 복합화력발전의 운전조건을 기준으로 하였다.
(2) 제약조건
· 압축기, 확장기 유입의 증발분(vapor fraction)(VF)=1; VF9=1
· 가스터빈의 온도한계: T 4 ≤ 1450 ℃
(3) 목적함수
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
기존 복합화력발전소를 이용하여 CAES-CC를 설계했을 때의 추가 수익이 최대가 되도록 식을 모델링하였다. 
은 제조예 1의 복합화력발전의 시간당 수익이다.
(4) 공정효율
ESS의 공정효율 중, 연료를 사용하지 않는 경우의 Round Trip Efficacy를 이용해 공정의 효율을 계산하였다(Park, 2017).
[수학식 5]
1.3 최적화
1.2의 모델을 바탕으로 ASPEN HYSYS Optimizer로 최적화를 수행하였다. 상기 최적화는 HYSYS Original Solver의 Mixed Scheme으로 Tolerance는 1E-05로 계산하였다. Mixed Scheme은 BOX method의 global convergence characteristics에 대한 강점과 SQP Method의 효율적인 탐색으로 수렴 값을 빠르게 찾아내는 장점을 가진 방법이다.
압축공기 저장부의 크기에 따른 최적조건의 변화를 알아보기 위해 Huntorf plant의 저장소를 참조하여 부피가 30만 m3, 60만 m3, 90만 m3인 압축공기 저장부(CAS)를 가정하고 각각 최적화하여 사례연구를 진행하였다.
| 구분 | V | 30만 m3 | 60만 m3 | 90만 m3 |
| 압축공기의 저장온도(℃) | T A 2 | 50 | 50 | 50 |
| 압축공기의 배출압력(kPa) | P 1 | 1,346 | 1,348 | 1,336 |
| 가스터빈의 압축비 | GT_CC | 14.62 | 14.65 | 14.65 |
| 압축공기의 운전시간(h) | t | 0.9563 | 1.909 | 2.897 |
| 증기터빈의 유량(kg/h) |
 |
233,016 | 232,967 | 233,014 |
| 증기터빈의 압력(kPa) | P 12 | 564.0 | 564.1 | 564.2 |
| 가스터빈 발전량(MWh) | WGT | 986.5 | 986.8 | 985.6 |
| 증기터빈 발전량(MWh) | WST | 42.49 | 42.39 | 42.73 |
| 팜프 소모일(kWh) | WPUMP | 38.41 | 38.40 | 38.42 |
| 주간 전력용량(MWh) | WRelease | 1,028.9 | 1,029.2 | 1,028.3 |
| 야간 전력용량(MWh) | WStorage | -439.6 | -439.6 | -439.6 |
| Origin CC 용량(MWh) | WCon | 754.6 | 754.5 | 754.5 |
| 효율 | RT | 62.39 | 62.47 | 62.28 |
| 시간당 편익(만원) | PrFCAES | 646.4 | 648.5 | 641.5 |
| 일일 편익(만원) | t*PrFCAES | 618.1 | 1,237.7 | 1,858.4 |
위 표 3에 나타낸 바와 같이, 경제성이 최적화된 공정조건에서 효율은 약 63%로 Huntorf plant(42%)와 Mctosh(54%)에 비해 높은 효율을 보이는 것을 확인하였다. 또한, 압축공기의 저장온도(T A 2)가 최소값인 50 ℃이며, 저장압력(P A 2)은 최대값인 2,380 kPa이므로 가능한 많은 양의 압축공기를 저장하는 것이 경제성이 있는 것으로 확인하였다.
본 발명의 CAES-CC를 1시간 운영하였을 때 시간당 약 670만원의 추가 편익을 내는 것으로 나타났다. 하지만 일일 최대 24시간 가동 가능한 복합화력발전과 달리 CAES-CC는 가동시간의 제약이 있어 경제성을 평가하기 위해선 전력시장의 운영현황을 고려해야 한다. 또한, 기존의 복합화력발전에 CAES를 장착해야 하기 때문에 인건비 등 기타비용은 동일하다고 가정하여 편익만을 증가로서 비교하기로 한다.
상기 [수학식 4]로부터 복합화력발전의 발전판매수익은 시간당 약 6,010만 원이고, 천연가스 비용은 약 5,532만원으로 편익은 약 478만 원이 된다. 복합화력발전의 가동률은 38.6%이기 때문에 하루평균 9.26시간 운전을 하는 것으로 가정하면 복합화력발전의 일일편익은 약 4,430만원이 된다. 본 발명과 같이 복합화력발전과 CAES를 연계할 경우 시간당 약 648만원의 추가편익이 발생하므로 운전시간당 14.6%의 수익개선효과가 있는 것으로 볼 수 있다. 만약 120만 m3의 CAS가 확보된다면 양수발전과 동일하게 일일 4시간 운영하여 발전 편익의 58.5%를 향상시킬 수 있게 된다.
전력시장 운영규칙상 급전지시는 시간단위로 이루어지므로 운전시간이 약 2시간인 60만 m3 CAES-CC는 ESS로서 전력피크에 대응할 수 있으므로 이것을 base case로 하여 기존의 CAES와의 성능비교를 하기 [표 4]에 나타내었다.
| 구분 | CAES-CC | Huntorf | McIntosh |
| 사이클 효율 | 0.62 | 0.42 | 0.54 |
| 압축기 유닛 | 1 | 2 | 4 |
| Charging time (at full load)(h) | 2 | 8 | 38 |
| CAS 압력 범위(bar) | 13.5-23.8 | 46-72 | 46-75 |
| CAS 부피(105m3) | 60 | 31 | 53.8 |
| 출력 전력(MW) | 274.6 | 321 | 110 |
| Discharging time (at full load)(h) | 2 | 2 | 24 |
| 배기가스 온도() | 129 | 480 | 370 |
위 표 4에 나타낸 바와 같이, CAES-CC는 압축공기를 재압축하기 때문에 기존방식보다 낮은 압력에서도 유사한 성능을 낼 수 있고, charge/discharge에 동일한 가스터빈을 사용하므로 빠른 charge time을 보였다.
Claims (14)
- 종래 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템(CAES-CC)으로서,
상기 복합화력발전 시스템에 구비되어 있으며, 외부공기를 유입하여 고압으로 압축하거나 압축공기 저장부에서 배송받은 압축공기를 재압축하는 압축기, 상기 압축공기와 연료가 점화되어 연소되는 연소기, 상기 연소기에서 발생한 배기가스를 팽창시켜 축일을 만드는 확장기, 및 상기 축일을 전기에너지로 변환시키는 발전기,를 포함하는 가스터빈부;
상기 압축기에서 압축 또는 재압축된 압축공기를 냉각하는 열교환기;
상기 열교환기에서 냉각된 압축공기를 저장하는 압축공기 저장부;
상기 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 상기 가스터빈의 압축기로 공급하는 제1 배관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 가스터빈부의 연소기에서 발생한 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 배열회수 보일러;
상기 배열회수 보일러에서 생성된 증기에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시키는 증기터빈; 및
상기 증기터빈에서 배출된 증기를 응측시켜 상기 배열회수 보일러로 공급하는 응축기;를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 압축공기의 저장온도는 45 내지 60 ℃이며, 압축공기가 상기 제1 배관을 통해 배출되는 배출압력은 1000 내지 1600 kPa이고, 압축공기 운전시간은 2 내지 3.5시간인 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 가스터빈부의 압축비는 14 내지 16 γCT_CC인 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 증기터빈의 증기유량은 150,000 내지 300,000 kg/h이며, 증기터빈의 압력은 400 내지 600 kPa인 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 전기에너지 소비가 많은 시간대에는 외부공기가 아닌 압축공기 저장부에 저장된 압축공기를 가스터빈부의 압축기로 이송하여 상기 압축기에서 재압축함으로써 처음 공기를 압축한 경우보다 높은 압축비를 구현하여 다량의 전기에너지를 생산하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템은 전력에너지 소비가 적은 시간대에는 일반 전기에너지를 이용하여 압축기를 가동시켜 압축공기를 생산하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템.
- 압축기, 연소기, 확장기 및 발전기를 포함하는 종래 복합화력발전시스템의 가스터빈부와, 열교환기 및 압축공기 저장부를 포함하는 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법으로서 전기에너지 소비가 많은 시간대에는,
(A) 외부공기를 유입하여 고압으로 압축한 후 상기 열교환기에서 냉각되어 상기 압축공기 저장부에 미리 저장된 압축공기를 상기 압축기로 이송시키는 단계;
(B) 상기 이송된 압축공기를 상기 압축기에서 재압축한 후 재압축된 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계; 및
(C) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법. - 제8항에 있어서, 상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은 (D) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및
(E) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법. - 제8항에 있어서, 상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 압축공기의 저장온도는 45 내지 60 ℃이며, 압축공기가 이송될 때의 배출압력은 1000 내지 1600 kPa이고, 압축공기 운전시간은 2 내지 3.5시간인 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 압축공기 저장부의 크기가 90만 m3인 것을 기준으로, 가스터빈부의 압축비는 14 내지 16 γCT_CC인 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 증기터빈의 증기유량은 150,000 내지 300,000 kg/h이며, 증기터빈의 압력은 400 내지 600 kPa인 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법.
- 압축기, 연소기, 확장기 및 발전기를 포함하는 종래 복합화력발전시스템의 가스터빈부와, 열교환기 및 압축공기 저장부를 포함하는 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법으로서 전기에너지 소비가 적은 시간대에는,
(A`) 외부공기를 상기 압축기에 유입하여 고압으로 압축하는 단계; 및
(B`) 상기 압축된 공기를 열교환기를 통해 냉각시킨 후 압축공기 저장부에 저장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법. - 제13항에 있어서, 상기 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법은 (C`) 상기 압축기에서 압축된 일부 압축공기를 상기 연소기에서 연소시키고 상기 확장기에서 팽창시켜 축일을 만드는 단계;
(D`) 상기 제조된 축일을 발전기를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 단계;
(E`) 배열회수 보일러에서 상기 연소기에서 배출된 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 단계; 및
(F`) 상기 생성된 증기를 이용하여 증기터빈에서 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합화력발전시스템과 압축공기 에너지저장 시스템이 결합된 시스템의 작동 방법.
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