KR20200089463A - 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법에 관한 것으로, 압축기(110), 복열기(120), 제1 가열기(130), 터빈(140), 복열기(120) 및 냉각기(150)를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서, 상기 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 판단하고, 판단 결과, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 상기 압축기를 구동하는 1 단계를 수행하고, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 상기 압축기 입구 상태를 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기를 구동하는 2 단계를 수행한다. 본 발명은 압축기 시동시 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하여 압축기 손상을 방지하면서도 이산화탄소 발전 사이클의 효율을 높이는 이점이 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법{HIGH EFFICIENCY CARBON DIOXIDE POWER SYSTEM AND ITS START-UP METHOD}
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계 이산화탄소 발전사이클의 효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법에 관한 것이다.
도 1의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 T-S 선도에서 증기돔(Vapor dome) 상단에 위치한다. 포화 액선과 포화 증기선이 만나는 꼭지점이 임계점(Critical point)이며, 포화 액선과 포화 증기선으로 둘러싸인 산 같은 영역을 증기돔이라 한다. 증기돔 상단의 왼쪽이 액체 영역(압축 액체)(Liquid region)이 되고 오른쪽이 기체 영역(과열 증기)(Vapor region)이 되며 증기돔 안의 영역은 액체와 증기가 공존하는 2상 영역을 이루게 된다.
일반적으로 브레이턴 사이클(Brayton cycle)의 형태를 취하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클은 압축(1→2), 가열(2→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1)의 과정을 반복하는데, 이 모든 과정이 이산화탄소의 임계점(30.978℃, 7.3733MPa) 위에서 이루어지게 된다.
도 1의 초임계 이산화탄소 사이클은 액체상의 이산화탄소가 압축되면서 초임계상으로 변화하지만 액체상에서 기체상으로의 변화에 비해 밀도 변화가 작으므로 압축기에 가해지는 충격이 작아 안정적인 운전이 가능하다. 그러나 압축기의 시동시에는 온도, 압력이 충분히 높지 않아 운전점이 증기돔 안으로 진입하게 될 가능성이 있다. 압축기의 운전점이 증기돔 안으로 진입하게 되면 기체와 액체가 혼재하여 밀도 변화가 커지고 압축기에 가해지는 충격이 커져 압축기 손상을 유발할 수 있다.
본 발명의 목적은 초임계 이산화탄소 발전사이클의 효율을 높일 수 있도록 압축기를 사용하고, 압축기 손상을 방지하기 위해 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록 한 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 T-S 선도의 운전점 1'의 액체 이산화탄소를 압축하여 초임계 상태(2')가 되게 하는 압축기와 상기 압축기에서 압축된 이산화탄소를 열교환을 통해 가열하는 복열기와 상기 복열기에서 가열된 이산화탄소를 가열하는 제1 가열기와 상기 제1 가열기에서 가열된 이산화탄소가 유입되고 팽창하여 동력을 생산하는 터빈과 상기 터빈에서 배출되고 상기 복열기를 거쳐 유입되는 이산화탄소를 냉각하여 상기 1'의 액체 이산화탄소가 되게 하는 냉각기를 포함한다.
상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로의 재순환을 제어하기 위한 제1 밸브와 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로의 공급을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함하며, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브는 상기 압축기 입구 상태에 따라 개방이 제어되어 상기 압축기 입구 압력을 제어한다.
상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전, 상기 이산화탄소를 가열하는 제2 가열기와 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로의 유입 또는 상기 제2 가열기로의 유입을 제어하기 위한 체크밸브를 포함한다.
상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 감압시키기 위한 벤트부를 포함한다.
상기 벤트부에서 벤트시킨 이산화탄소가 저장되거나, 상기 순환배관에 이산화탄소를 주입하기 위한 이산화탄소가 저장되는 인벤토리 탱크를 포함할 수 있다.
압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서, 압축기 시동시 상기 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 판단하고, 판단 결과, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 상기 압축기를 구동하는 1 단계를 수행하고, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 상기 압축기 입구 상태를 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기를 구동하는 2 단계를 수행한다.
상기 1 단계는 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방한 상태에서 상기 압축기를 구동하며, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)가 되도록 상기 냉각기를 제어한다.
상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며, 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급한다.
상기 2 단계는 상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 상기 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만든다.
상기 제2 단계는 상기 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만들면, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방하고, 상기 압축기를 구동하며, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)로 되도록 상기 냉각기를 제어하고 이산화탄소를 상기 이산화탄소 발전시스템에 주입한다.
상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며, 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급한다.
압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서, 상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전 제2 가열기에서 이산화탄소를 가열하여 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)가 되도록 한다.
상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 압축기로 바로 유입되는 것을 체크밸브가 차단하여, 상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 제2 가열기를 거쳐 상기 압축기로 유입되도록 한다.
본 발명은 압축기를 사용하고 운전점이 증기돔 안을 지나지 않도록 압축기 입구 운전점을 임계점 이하 1'로 낮추어 액상으로 만들고, 이산화탄소 발전 사이클을 T-S 선도에서 1'-2'-3-4-5-6-1'가 반복되도록 운전하여 사이클의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압축기 시동시에는 시스템을 벤트시켜 감압시킴으로써 압축기 입구 상태를 증기돔의 외부 영역에서 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압축기 시동시 이산화탄소를 가열하여 압축기 입구 상태를 기체 상태 또는 초임계 상태로 만들고 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지하고 시스템을 보다 효율적으로 운용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 초임계 이산화탄소 브레이터 사이클과 수정된 본 발명의 실시예에 의한 이산화탄소 발전 사이클을 도시한 T-S 선도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전시스템을 보인 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 압축기 시동 순서를 도시한 T-S 선도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
설명의 편의를 위해 도 2를 참고하여 초임계 이산화탄소 발전시스템의 구성 예를 먼저 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전시스템(100)은 순환배관으로 연결된 압축기(110), 복열기(120), 제1 가열기(130), 터빈(140) 및 냉각기(150)를 포함한다. 순환배관은 이산화탄소 발전 사이클을 형성하기 위해 이산화탄소가 순환하는 폐루프를 구성하는 배관이다.
초임계 이산화탄소 발전 사이클은 효율 향상을 위해 도 1의 T-S 선도에서 1'-2'-3-4-5-6-1'과정을 반복하는 수정된 브레이턴 사이클을 적용한다.
구체적으로, 도 2의 압축기(110)에서 압축(1'→2')이 수행되고, 복열기(120)와 제1 가열기(130)를 거치면서 가열(2'→3→4)이 수행되고, 터빈(140)에서 팽창(4→5)의 과정이 수행되고, 복열기(120)와 냉각기(150)를 거치면서 냉각(5→6→1')이 수행되는 과정을 반복하면서 터빈(140)을 구동한다. 즉, 압축기(110)에서 임계조건 이상의 압력으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈(140)을 구동하는 것이다.
이러한 초임계 이산화탄소 발전시스템은 높은 효율과 작은 크기 등으로 차세대 발전 방식으로 각광받고 있다. 특히, 가용할 수 있는 열원의 온도 범위가 원자력발전 등의 고온부터 엔진 배기가스와 같은 저온까지 넓기 때문에 광범위한 활용이 가능하다. 다만, 저온에서는 상대적으로 발전 효율이 낮아질 수 밖에 없으므로 사이클의 최저온도를 가능한 낮추어 액체를 펌프로 가압하는 방식을 택함으로써 효율을 높이는 방식을 선호한다. 그런데, 이 경우 냉각기의 냉매 온도가 매우 중요하다. 특히, 공랭식 냉각기를 사용하는 경우 공기 온도가 높으면 이산화탄소가 임계온도를 초과하게 되어 펌프 입구에서 액체 이산화탄소는 초임계 이산화탄소로 바뀌게 된다. 펌프 입구에서 유체가 액체상을 유지하지 못하면 펌프의 효율이 급격히 저하된다. 수냉식 냉각기를 사용하는 경우 냉매 온도를 낮추기 위한 냉각시스템이 별도로 구비되어야만 이러한 현상을 피할 수 있다.
따라서, 본 발명은 펌프 대신 압축기(110)를 사용하여 이산화탄소를 압축한다.
펌프 대신 압축기(110)를 사용하여 액체 이산화탄소를 압축하되, 운전점이 증기돔 아래로 지나지 않도록 압축기 입구 온도(운전점 1)를 임계점 이하(운전점 1')로 낮추어 액체상으로 만듦으로써 사이클의 효율을 높인다. 본 사이클은 여전히 증기돔(Saturation dome) 상단에 위치하기 때문에 액체 이산화탄소를 압축함에도 불구하고 랜킨 사이클(Rankine Cycle)과는 차이가 있다.
도 1의 T-S 선도에서 운전점 1'의 액체 이산화탄소는 도 2의 압축기(110)에 의해 압축되어 2'의 초임계 상태가 되며, 복열기(120)에서 가열 후 3의 상태가 된다. 그리고 제1 가열기(130)에서 4의 상태로 최종 가열된 후 터빈(140)에서 5의 상태로 팽창하여 동력을 만들어 낸다. 그 후 복열기(120)에서 냉각되어 6의 상태를 거친 후 냉각기에서 냉각되어 초기 상태인 1'의 액체 이산화탄소가 된다.
압축기(110)는 액체 이산화탄소를 압축하고, 복열기(120)는 압축기에서 압축된 초임계 상태의 이산화탄소를 열교환을 통해 가열하며, 제1 가열기(130)는 복열기(120)에서 1차 가열된 이산화탄소를 최종 가열하여 고온고압의 상태로 만들며, 터빈(140)은 제1 가열기(130)에서 최종 가열된 고온고압 상태의 이산화탄소를 팽창시켜 동력을 생산한다. 복열기(120)는 터빈(140)을 지난 이산화탄소와 압축기(110)를 지난 이산화탄소를 열교환하여, 압축기(110)를 지난 이산화탄소는 예열하고 터빈(140)을 지난 이산화탄소는 냉각시킨다. 냉각기(150)는 복열기(120)를 거쳐 유입되는 이산화탄소를 냉각하여 초기 상태인 액체 이산화탄소로 만든다.
초임계 이산화탄소 시스템(100)은 압축기(110)의 이산화탄소를 냉각기(150)로 재순환을 제어하는 제1 밸브(180)와 압축기(110)의 이산화탄소를 복열기(120)로 공급을 제어하는 제2 밸브(190)를 포함한다. 제1 밸브(180)와 제2 밸브(190)는 압축기 입구 상태에 따라 개폐가 제어되어 압축기 입구 압력을 제어한다.
냉각기(150)를 통과한 이산화탄소를 압축기로 공급하기 전, 이산화탄소를 가열하는 제2 가열기(170)와, 냉각기(150)에서 배출된 이산화탄소를 압축기(110)로의 유입 또는 제2 가열기(170)로의 유입을 제어하기 위한 체크밸브(160)를 포함한다.
압축기(110)의 이산화탄소를 벤트(배출)시켜 감압시키기 위한 벤트부(210)를 포함한다. 벤트부(210)는 제1 밸브(180)가 고장시 압축기(110)의 출구 압력을 감압시키는 역할과 감압을 통한 설비 보호 역할과 원하지 않는 압력 증가를 방지할 목적으로 활용된다.
벤트부(210)에서 벤트시킨 이산화탄소가 저장되거나 순환배관에 이산화탄소를 주입하기 위한 이산화탄소가 저장되는 인벤토리 탱크(Inventory Tank)(230)를 포함한다. 인벤토리 탱크(230)는 배출배관과 주입배관을 순환배관에 연결하여 순환배관의 이산화탄소를 배출하거나 순환배관에 이산화탄소를 주입할 수 있도록 한다.
인벤토리 탱크(230)와 연결된 펌프(220)를 사용하여 이산화탄소를 순환배관에 주입할 수도 있고, 탱크로리를 포함한 고압의 용기로부터 압력 차에 의해 순환배관에 이산화탄소를 주입할 수도 있다.
도 2은 본 발명의 이산화탄소 발전 사이클을 설명하기 위한 구성도일 뿐 본 발명이 이러한 구성에만 한정되는 것을 아님을 밝혀둔다.
본 발명의 이산화탄소 발전 사이클은 액체상에서 초임계상으로 상변화가 일어나지만 밀도 변화가 크지 않으므로 안정적인 압축기 운전이 가능하다.
펌프를 적용한 이산화탄소 발전시스템에서 펌프 입구 조건을 액체상으로 만들기 위해서 공랭식 또는 수냉식 냉각기를 모두 사용할 수 있듯이, 압축기를 적용한 이산화탄소 발전시스템도 냉각(6→1') 과정에서 이산화탄소 응축을 위해 공랭식 또는 수냉식 냉각기를 모두 사용할 수 있다. 그런데, 펌프를 적용한 이산화탄소 발전시스템과의 중요한 차이점은 압축기를 적용한 이산화탄소 발전시스템의 경우, 냉매의 온도가 충분히 낮지 않을 경우에는 사이클의 최저 온도를 충분히 높여서 운전점을 (1-2-3-4-5-6-1)로 변경함으로써 새로운 운전점에서도 원활하게 운전할 수 있는 점이다. 이와 같이, 압축기 입구 조건을 초임계상태로 만드는 경우, 펌프 사용시에는 효율저하, 수명단축 등의 여러 가지 문제가 발생할 수 있지만, 압축기를 이용하면 이와 같은 문제는 발생하지 않는다.
압축기(110)에서 액체상과 초임계상이 공존하는 것은 문제가 되지 않으며, 기체상과 초임계상이 공존하는 것 역시 문제가 되지 않는다. 그러나 압축기(110)에서 기체상과 액체상이 공존하는 것은 문제가 된다. 압축기의 운전점이 증기돔 안으로 진입하여 기체상과 액체상이 공존하게 되면 압축기가 손상을 입을 수 있다.
정상적인 운전 상황에서는 압축기에 기체상과 액체상이 공존할 가능성이 낮지만, 압축기 시동시에는 이산화탄소 발전시스템의 온도와 압력이 낮으므로 도 3의 상태(0)와 같이 압축기 입구가 증기돔 내부의 상태로 평형을 이루고 있을 가능성이 높다. 이 경우 이산화탄소를 바로 압축하는 경우 압축기 손상의 가능성이 있다.
따라서 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하여 압축기 손상을 방지하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법이 제시된다.
압축기 손상을 방지하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템이 정지된 상태에서 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 우선 판단한다.
압축기 시동 전 판단 결과, 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 압축기(110)를 구동하는 1 단계를 수행한다. 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 기체상과 액체상이 공존하지 않음을 의미하므로 압축기를 구동한다.
1 단계는 압축기(110)의 이산화탄소를 복열기(120)로 공급하기 위한 제2 밸브(190)는 닫고, 압축기(110)의 이산화탄소를 냉각기(150)로 재순환시키기 위한 제1 밸브(180)를 개방한 상태에서 압축기(110)의 운전을 시작한다.
압축기(110)가 운전을 시작하여 구동되면 압축기 출구 온도와 출구 압력이 증가한다. 압축기(110)의 운전 시작 전 제2 밸브(190)를 닫고 제1 밸브(180)를 개방하는데, 이때 제1 밸브(180)에서 충분한 감압이 이루어질 수 있도록 설계되어 압축기 입구 압력이 제어될 수 있다.
압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)가 되도록 냉각기(150)를 제어한다. 냉각기(150)에서는 압축기 입구 온도가 임계온도 이상으로 유지되도록 제어하면서 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)를 거쳐 초임계 상태(3)가 되도록 한다.
초임계 상태(3)의 압력은 이산화탄소의 임계 압력(7.3733MPa)보다 높은 상태로 운전되어야 한다. 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 제2 밸브(190)를 서서히 개방하고 제1 밸브(180)는 서서히 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어한다.
압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 압축기(110)에서 배출되는 이산화탄소를 복열기(120)와 제1 가열기(130)를 통해 가열하고 터빈(140)에 공급하여 터빈(140)이 전력을 생산하도록 한다. 제2 밸브(190)가 충분히 개방되고 열원이 완전히 인가되며 압축기 입구 온도와 압력이 정상상태에 도달하면 시동 프로세스가 완료된다.
반면, 압축기 시동 전 판단 결과, 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 압축기 입구 상태를 도 3의 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기(110)를 구동하는 2 단계를 수행한다.
2 단계는 압축기(110)의 이산화탄소를 벤트(Vent)시켜 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만든다. 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 도 3의 상태 (0)과 같이 압축기 입구가 증기돔 내부의 상태로 평형을 이루고 있을 가능성이 높다. 이 경우, 이산화탄소를 바로 압축하는 경우 압축기(110) 손상의 가능성이 있으므로 시스템을 벤트시켜 감압시킴으로써 도 3의 (1)의 상태로 만든 후 압축기(110) 운전을 시작한다.
벤트시킨 이산화탄소는 도 2에 도시된 인벤토리 탱크(230) 또는 이에 준하는 저장장치에 저장하였다가 재사용할 수도 있고, 대기 또는 기타 안전 영역으로 배출하여 폐기할 수도 있다.
압축기 입구 상태가 액체 상태(1)에서, 압축기(110)의 이산화탄소를 복열기(120)로 공급하기 위한 제2 밸브(190)는 닫고, 압축기(110)의 이산화탄소를 냉각기(150)로 재순환시키기 위한 제1 밸브(180)를 개방하고, 압축기(110)를 구동한다.
압축기(110)가 구동되기 시작하면 압축기 출구 온도와 출구 압력이 증가한다. 압축기(110)가 구동되면 제2 밸브(190)를 닫고 제1 밸브(180)를 개방하는데, 제1 밸브(180)에서 충분한 감압이 이루어질 수 있도록 설계되어 압축기 입구 압력이 제어될 수 있다.
압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)로 되도록 냉각기(150)를 제어하고 이산화탄소를 시스템에 주입한다. 여기서, 시스템은 순환배관으로 이산화탄소를 주입하는 것이다. 압축기의 시동 시 이산화탄소의 벤트가 필요할 경우, 이산화탄소를 시스템에 주입하는 것이다.
초임계 상태(3)의 압력은 이산화탄소의 임계 압력(7.3733MPa)보다 높을수록 운전이 용이하다. 이산화탄소는 냉각기(150)와 복열기(120) 사이에 위치한 순환배관으로 주입한다.
압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 제2 밸브(190)를 서서히 개방하고 제1 밸브(180)는 서서히 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 최종적으로 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어한다.
압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 압축기(110)에서 배출되는 이산화탄소를 복열기(120)와 제1 가열기(130)를 통해 가열하고 터빈(140)에 공급하여 터빈(140)이 전력을 생산하도록 한다. 제2 밸브(190)가 충분히 개방되고 제1 가열기(130)의 열원이 인가되고 터빈(140)이 전력을 생산하고 압축기 입구 온도와 압력이 정상상태에 도달하면 시동 프로세스가 완료된다.
여기서, 열원 인가는 도 1의 3에서 4로 가기 전 제1 가열기(130)가 루프에 열을 공급하기 시작한다는 의미이다. 루프에 열이 공급되면 터빈(140)이 출력을 내기 시작하여, 압축기(110)에 소요되는 일이 점점 들어 0이 되고 나면 이후에 전력을 생산하게 된다. 도 1의 3에서 압축기 입구 온도는 냉각기(150)에 의해 제어되고 있는 상태이므로 제1 가열기(130)에 열원을 인가하는 것에서 압축기 입구 온도가 상승하지는 않는다. 제1 가열기(130)의 열원 인가에 의해 3에서 4의 상태로 변화되도록 제어되면 냉각기(150)는 냉각량을 증가시켜 압축기 입구 온도가 하강하게 된다.
한편, 압축기 시동시 또는 냉각기(150)를 통과한 이산화탄소를 압축기(110)로 공급하기 전 제2 가열기(170)에서 이산화탄소를 가열하여 압축기 입구 상태가 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)가 되도록 할 수 있다.
이 경우, 냉각기(150)에서 배출된 이산화탄소가 압축기(110)로 바로 유입되는 것을 체크밸브(160)가 차단하여, 압축기 시동시 또는 냉각기(150)에서 배출된 이산화탄소가 제2 가열기(170)를 거쳐 압축기(110)로 유입되도록 할 수 있다.
예를 들어, 압축기의 시동 시, 이산화탄소를 가열시킴으로써 압축기 입구 상태가 도 3의 (0)상태로 부터 액체 상태(1)를 생략하고 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)로 바로 가는 것이 가능하다. 이 경우 압축기의 시동 시 이산화탄소를 벤트시키지 않으므로 추가로 이산화탄소를 주입할 필요가 없다. 제2 가열기의 종류는 특정 타입으로 제한하지 않으며 복수의 가열기(Aux. Heater)를 사용할 수도 있고 특정 위치에 제한되지도 않는다.
상술한 압축기 손상을 방지하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법은 압축기가 정지된 상태에서 압축기 시동시 적용되며, 압축기가 시동되고 도 1의 압축(1'→2'), 가열(2'→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1')의 과정이 1회 수행된 후의 정상적인 운전 상황에서는 기존의 일반 옵션이 적용될 수 있다.
상술한 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법은 압축기를 사용하여 공냉식 냉각기 또는 수냉식 냉각기를 모두 사용할 수 있으며, 운전점이 증기돔 아래로 지나지 않도록 압축기 입구 운전점을 임계점 이하 1'로 낮추어 액상으로 만듦으로써 이산화탄소 발전 사이클을 T-S 선도에서 1'-2'-3-4-5-6-1'가 반복되도록 운전하여 사이클의 효율을 높일 수 있다.
또한, 압축기 시동시에는 시스템을 벤트시켜 감압시킴으로써 압축기 입구 상태를 액체 상태로 만들고 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지할 수 있다.
또한, 압축기 시동시 이산화탄소를 가열하여 압축기 입구 상태를 기체 상태 또는 초임계 상태로 만들고 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지할 수 있다.
상술한, 방법은 압축기 시동시 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하여 압축기 손상을 방지하면서도 이산화탄소 발전 사이클의 효율을 높인다.
상술한 바와 같이, 초임계 이산화탄소 발전시스템은 도 1의 압축(1'→2'), 가열(2'→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1') 과정을 반복하도록 구성하여 사이클의 효율을 높일 수 있다. 그러나 냉매의 온도가 충분히 낮지 않을 경우에는 사이클의 최저 온도를 충분히 높여서 운전점을 도 1의 압축(1→2), 가열(2→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1')로 변경할 수도 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 초임계 이산화탄소 발전시스템
110: 압축기 120: 복열기
130: 제1 가열기 140: 터빈
150: 냉각기 160: 체크밸브
170: 제2 가열기 180: 제1 밸브
190: 제2 밸브 210: 벤트부
220: 펌프 230: 인벤토리 탱크

Claims (13)

  1. 이산화탄소가 순환하는 순환배관;
    상기 순환배관을 순환하는 T-S 선도의 운전점 1'의 액체 이산화탄소를 압축하여 초임계 상태(2')가 되게 하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 이산화탄소를 열교환을 통해 가열하는 복열기;
    상기 복열기에서 가열된 이산화탄소를 가열하는 제1 가열기;
    상기 제1 가열기에서 가열된 이산화탄소가 유입되고 팽창하여 동력을 생산하는 터빈; 및
    상기 터빈에서 배출되고 상기 복열기를 거쳐 유입되는 이산화탄소를 냉각하여 상기 1'의 액체 이산화탄소가 되게 하는 냉각기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로의 재순환을 제어하기 위한 제1 밸브; 및
    상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로의 공급을 제어하기 위한 제2 밸브;
    를 포함하며,
    상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브는 상기 압축기 입구 상태에 따라 개방이 제어되어 상기 압축기 입구 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전,
    상기 이산화탄소를 가열하는 제2 가열기; 및
    상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로의 유입 또는 상기 제2 가열기로의 유입을 제어하기 위한 체크밸브;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 감압시키기 위한 벤트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 벤트부에서 벤트시킨 이산화탄소가 저장되거나,
    순환배관에 이산화탄소를 주입하기 위한 이산화탄소가 저장되는 인벤토리 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  6. 압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서,
    압축기 시동시 상기 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록
    상기 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 판단하고,
    판단 결과, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 상기 압축기를 구동하는 1 단계를 수행하고,
    상기 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 상기 압축기 입구 상태를 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기를 구동하는 2 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 1 단계는
    상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방한 상태에서 상기 압축기 운전을 시작하며,
    상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)가 되도록 상기 냉각기를 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면,
    상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며,
    상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 2 단계는
    상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 상기 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만드는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 2 단계는
    상기 압축기 입구 상태가 액체 상태(1)에서,
    상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방하고, 상기 압축기 운전을 시작하며,
    상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)로 되도록 상기 냉각기를 제어하고 이산화탄소를 상기 이산화탄소 발전시스템에 주입하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면,
    상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며,
    상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  12. 압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서,
    상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전 제2 가열기에서 이산화탄소를 가열하여 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)가 되도록 한 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 압축기로 바로 유입되는 것을 체크밸브가 차단하여, 상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 제2 가열기를 거쳐 상기 압축기로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
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