KR20200115894A - 연료가스 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
연료가스 발전시스템이 개시된다.
일 실시예에 따른 연료가스 발전시스템은 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화된 천연가스가 연소되는 연소기; 상기 연소기에서 연소된 연소가스를 동력으로 하여 회전하는 가스터빈; 상기 가스터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제1발전기; 상기 가스터빈에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 형성하는 스팀보일러; 상기 스팀보일러에서 형성된 스팀을 동력으로 하여 회전하는 증기터빈; 상기 증기터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제2발전기; 상기 스팀보일러에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 상기 기화기의 열원으로 제공하는 폐열회수유닛; 상기 기화기에 의해 기화되는 천연가스의 팽창력에 의해 회전하도록 상기 기화기와 연소기 사이에 마련되는 팽창터빈; 상기 팽창터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제3발전기;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 연료가스 발전시스템은 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화된 천연가스가 연소되는 연소기; 상기 연소기에서 연소된 연소가스를 동력으로 하여 회전하는 가스터빈; 상기 가스터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제1발전기; 상기 가스터빈에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 형성하는 스팀보일러; 상기 스팀보일러에서 형성된 스팀을 동력으로 하여 회전하는 증기터빈; 상기 증기터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제2발전기; 상기 스팀보일러에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 상기 기화기의 열원으로 제공하는 폐열회수유닛; 상기 기화기에 의해 기화되는 천연가스의 팽창력에 의해 회전하도록 상기 기화기와 연소기 사이에 마련되는 팽창터빈; 상기 팽창터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제3발전기;를 포함할 수 있다.
Description
액화천연가스를 이용하고, 액화천연가스의 냉열에너지를 활용하는 연료가스 발전시스템에 관한 것이다.
환경문제에 대한 관심이 높아지면서 최근에는 연료가스를 이용한 발전시스템이 주목 받고 있다.
연료가스 발전시스템은 LNG탱크에 저장된 LNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 가스터빈, 가스터빈을 돌리고 온도가 저하된 배기가스를 통해 스팀을 형성하는 스팀보일러, 스팀보일러에서 형성된 스팀을 통해 전력을 생산하는 스팀터빈 등을 구비하는 것이 일반적이다.
연료가스 발전시스템은 육상 발전플랜트 구조를 벗어나 바지선과 같은 부유식 구조물을 통해 설치되는 경우가 많다.
연료가스 발전시스템은 가스터빈을 돌리기 위한 가스를 얻기 위해 연소기를 구비하고, 연소기에서는 기화된 액화천연가스(LNG)를 공기와 함께 연소시켜 가스를 형성하게 된다.
이때 액화천연가스는 기화기에 의해 기화된 상태에서 공기와 함께 연소기에서 연소되며, 액화천연가스는 기화기에서 해수와 열교환하여 기화되는 것이 일반적이다.
한편, 액화천연가스는 초기 생산지에서 약 섭씨 -162도가 되도록 액화되고, 이때는 액화천연가스의 액화를 위해 많은 에너지가 주입되는데, 종래 연료가스 발전시스템에는 이와 같은 냉열에너지의 활용도가 미비한 수준에 그치는 경우가 대부분이었다.
액화천연가스의 냉열에너지를 적극적으로 활용하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 연료가스 발전시스템을 제공하고자 한다.
일 실시예에 의한 연료가스 발전시스템은 액화천연가스를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화된 천연가스가 연소되는 연소기; 상기 연소기에서 연소된 연소가스를 동력으로 하여 회전하는 가스터빈; 상기 가스터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제1발전기; 상기 가스터빈에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 형성하는 스팀보일러; 상기 스팀보일러에서 형성된 스팀을 동력으로 하여 회전하는 증기터빈; 상기 증기터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제2발전기; 상기 스팀보일러에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 상기 기화기의 열원으로 제공하는 폐열회수유닛; 상기 기화기에 의해 기화되는 천연가스의 팽창력에 의해 회전하도록 상기 기화기와 연소기 사이에 마련되는 팽창터빈; 상기 팽창터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제3발전기;를 포함한다.
상기 연료가스 발전시스템은 상기 기화기로 공급되는 액화천연가스를 펌핑하는 펌프; 상기 기화기에서 기화된 천연가스를 가열하기 위해 상기 기화기와 상기 팽창터빈 사이에 마련되는 연료가스히터;를 더 포함하고, 상기 펌프는 120 bar ~ 140 bar의 압력으로 액화천연가스를 가압하는 고압펌프를 포함할 수 있다.
상기 제1발전기와 제2발전기와 제3발전기를 통해 생산되는 전력은 합산되어 출력될 수 있다.
일 실시예에 따른 연료가스 발전시스템에 따르면, 시스템 내부 폐열을 기화기의 열원으로 제공하여 액화천연가스의 팽창에너지를 증대시키고, 천연가스의 팽창력을 직접적으로 이용하여 발전전력을 높일 수 있게 되므로, 액화천연가스의 냉열에너지를 적극적으로 활용하여 발전효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 연료가스 발전시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료가스 발전시스템에서 액화천연가스의 P-V선도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료가스 발전시스템에서 펌프의 압력변화에 따른 제3발전기의 발전량을 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료가스 발전시스템에서 액화천연가스의 P-V선도로, 도 2와 다른 조건을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료가스 발전시스템에서 액화천연가스의 P-V선도를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료가스 발전시스템에서 펌프의 압력변화에 따른 제3발전기의 발전량을 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료가스 발전시스템에서 액화천연가스의 P-V선도로, 도 2와 다른 조건을 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
일 실시예에 따른 연료가스 발전시스템은 액화천연가스(LNG)를 연료로 하여 전력을 생산하기 위한 것으로, 해상에 부유하는 부유구조물을 통해 설치될 수 있다.
부유구조물은 해상에서 액화천연가스를 재기화하여 천연가스를 곧바로 수요처로 공급하기 위해 액화천연가스 운반선에 재기화 시스템을 설치한 액화천연가스 재기화 선박(LNG RV, LNG Regasification Vessel) 또는 부유식 액화천연가스 저장 및 재기화 설비(FSRU, Floating Storage and Regasification Unit) 등으로 마련될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연료가스 발전시스템은 액화천연가스가 저장되는 저장탱크(1)와, 액화천연가스(LNG)를 기화시키는 기화기(2)와, 기화기(2)에서 기화된 천연가스가 연소되는 연소기(3)와, 연소기(3)에서 연소된 연소가스를 동력으로 하여 회전하는 가스터빈(4)과, 가스터빈(4)의 회전력을 이용하여 발전하는 제1발전기(5)를 구비한다.
저장탱크(1)에는 액화천연가스의 송출을 위한 송출펌프(1a)가 설치되고, 저장탱크(1)와 기화기(2) 사이에는 저장탱크(1)에서 증발하는 액화천연가스의 증발가스를 포집하여 다시 액화시키는 재응축기(6)가 설치될 수 있다. 미설명 부호 7은 증발가스를 재응축기로 공급하기 위한 압축기를 가리킨다.
재응축기(6)와 기화기(2) 사이에는 기화기(2)로 공급되는 액화천연가스를 가압하기 위한 펌프(8)가 설치되고, 기화기(2)와 연소기(3) 사이에는 천연가스의 가열을 위한 연료가스히터(9)가 설치되어 기화된 천연가스를 가열할 수 있다. 연료가스히터(9)는 스팀을 열매체로 하여 천연가스를 가열할 수 있다. 부호 10은 스팀라인을 가리킨다.
연소기(3)에는 천연가스의 연소를 위해 공기가 천연가스와 함께 공급되고, 공기는 압축기(11)를 통해 압축된 상태에서 연소기(3)로 유입될 수 있다.
가스터빈(4)은 연소기(3)에서 발생하는 연소가스를 통해 만들어진 열에너지를 회전에너지로 전환하여 제1발전기(5)를 통해 전기가 생산되도록 할 수 있다.
또 연료가스 발전시스템은 가스터빈(4)에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 형성하는 스팀보일러(12)와, 스팀보일러(12)에서 형성된 스팀을 동력으로 하여 회전하는 증기터빈(13)과, 증기터빈(13)의 회전력을 이용하여 발전하는 제2발전기(14)를 구비한다.
증기터빈(13)은 스팀을 통해 만들어진 열에너지를 회전에너지로 전환함으로써, 제2발전기(14)를 통해 전기가 생산되도록 할 수 있다.
스팀보일러(12)를 통해 생성된 스팀은 스팀라인(15)을 따라 순환하면서 스팀터빈(13)으로 제공되고, 스팀터빈(13)을 통과한 스팀이 응축된 상태에서 다시 스팀보일러(12)로 제공되도록 증기터빈(13)과 스팀보일러(12) 사이의 스팀라인(15)에는 응축기(16)가 설치될 수 있다.
또 연료가스 발전시스템은 스팀보일러(12)에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 기화기(2)의 열원으로 제공하는 폐열회수유닛(17)과, 기화기(2)에 의해 기화되는 천연가스의 팽창력에 의해 회전하도록 기화기(2)와 연소기(3) 사이에 마련되는 팽창터빈(18)과, 팽창터빈(18)의 회전력을 이용하여 발전하는 제3발전기(19)를 구비한다.
폐열회수유닛(17)은 폐열을 열교환에 의해 회수하는 폐열회수기(17a)와, 열매체가 폐열회수기(17a)와 기화기(2) 사이를 통과하면서 순환하도록 하는 열매체라인(17b)을 포함할 수 있다. 열매체로는 글리콜워터(glycol water)가 사용될 수 있다.
이에 따라 열매체라인(17b)을 따라 순환하는 열매체는 폐열회수기(17a)를 통과하는 과정에서 얻게 되는 폐열을 기화기(2)를 통과하는 과정에서 액화천연가스를 기화시키는 열원으로 기화기(2)에 제공할 수 있게 된다.
팽창터빈(18)은 액화천연가스의 팽창압력을 회전에너지로 전환함으로써, 제3발전기(19)를 통해 전기가 생산되도록 할 수 있다.
스팀보일러(12)에서 발생하는 배기가스의 온도는 대략 90~110℃ 가 되고, 폐열회수기(17a)를 통과한 배기가스의 온도는 대략 0~40℃가 될 수 있으며, 열매체라인(17b)의 열매체는 이와 같은 폐열을 이용하여 기화기(2)에서 기화되는 액화천연가스의 온도를 대략 50~100℃ 까지 올릴 수 있게 된다.
따라서 기화기(2)의 열원으로 제공되는 폐열에 의해 액화천연가스의 팽창압력이 커지게 되므로, 제3발전기(19)에서는 팽창터빈(18)을 통해 소정의 발전량을 확보할 수 있게 된다. 그리고 이때는 액화천연가스의 기화과정에서 방출되는 냉열에너지를 이용하여 제3발전기(19)의 발전작용이 수행되도록 함으로써, 액화천연가스의 냉열에너지를 발전시스템의 발전효율을 향상시키는데 보다 적극적으로 활용할 수 있게 된다.
제3발전기(19)를 통해 생산되는 전력의 경우, 제1발전기(5) 및 제2발전기(14)를 통해 생산되는 전력과 비교하여 미비할 수 있어서 단독적으로 활용되는데 제한이 생길 수 있다. 따라서 제3발전기(19)를 통해 생산되는 전력은 제1발전기(5) 및 제2발전기(14)를 통해 생산되는 전력과 합산되어 출력되도록 마련될 수 있다.
또한 펌프(8)는 기화기(2)로 공급되는 액화천연가스를 120 bar ~140 bar의 압력으로 가압하는 고압펌프로 마련될 수 있다. 펌프(8)에 의해 액화천연가스의 공급압력이 증대됨에 따라 팽창터빈(18)에서 액화천연가스의 팽창압력이 충분히 확보되면서 제3발전기(19)의 발전효율은 더욱 개선될 수 있게 된다.
이때는 고압의 펌프(8)의 채용으로 인해 전력소모량이 커지게 되지만, 고압펌프에서의 전력소모보다 액화천연가스가 펌프를(8) 통해 고압으로 가압되고 기화된 상태에서 팽창터빈(18)에서 감압되는 과정에서 발생하는 전력이 상대적으로 더 커지게 되어 발전시스템의 발전효율은 향상될 수 있다. 액화천연가스는 팽창터빈(18)에서 대략 30~50 bar로 감압되어 약 600배로 팽창하면서 그 에너지가 직접적으로 전력증대에 활용될 수 있게 된다.
도 2는 본 실시예에 따른 연료가스 발전시스템의 액화천연가스의 P-V선도로, 액화천연가스의 압력이 100 bar에서 200 bar로 가압되었을 때를 나타낸 것이다. 도 2의 P-V선도에서 삼각형의 면적은 출력일이 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 펌프(8)를 이용하여 100 bar에서 200 bar로 액화천연가스의 압력을 높일 경우, 펌프(8) 추가에 필요한 전력보다는 팽창터빈(18)을 통해 생산되는 전력이 상대적으로 더 커지게 되는 것을 확인할 수 있다.
또 고압의 펌프(8)를 통해 가압되는 액화천연가스의 압력이 과도하게 커질 경우 펌프(8)의 구동에 따른 전력소모량과 팽창터빈(18)에 의해 제3발전기(19)에서 발생되는 전력량의 차이가 미비해지거나 역전될 우려가 있으므로, 액화천연가스는 제3발전기(19)의 발전효율이 최대가 되도록 하는 범위 내에서 펌프(8)에 의해 가압될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제3발전기(19)의 발전량은 액화천연가스의 압력이 120 bar ~140 bar 범위 내에서 최대효율을 발휘하게 됨은 확인할 수 있다. 따라서 펌프(8)는 액화천연가스가 120 bar ~140 bar 범위 내의 압력을 유지하도록 그 운전이 제어될 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 연료가스 발전시스템의 액화천연가스의 P-V선도로, 액화천연가스의 온도가 20℃ 일 때와 200℃ 일 때의 제3발전기(19) 발전량을 일례로 비교하여 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제3발전기(19)에 의해 생산되는 생산전력은 팽창터빈(18)으로 제공되는 액화천연가스의 온도가 200℃일 때가 20℃일 때보다 대략 3배에 가깝게 증대됨을 확인할 수 있다.
팽창터빈(18)은 천연가스가 온도가 최대한 높아진 상태에서 팽창하도록 연료가스히터(9)의 후단에 설치되어 제3발전기(19)의 발전효율을 보다 극대화시킬 수 있게 된다.
다음은 이와 같이 구성되는 연료가스 발전시스템의 동작에 관해 설명한다.
저장탱크(1)의 액화천연가스와 증발가스는 재응축기(6)를 거쳐 기화기(2)에서 기화되고 연료가스히터(9)에 의해 가열된 상태에서 공기와 함께 연소기(3)로 공급되어 연소된다.
연소기(3)의 연소가스는 가스터빈(4)으로 공급되고, 가스터빈(4)은 연소가스를 통해 만들어진 열에너지를 회전에너지로 전환시켜 제1발전기(5)를 통해 전기가 생산되도록 한다.
계속해서 스팀보일러(12)는 가스터빈(4)에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 형성되는 스팀을 증기터빈(13)으로 공급하고, 증기터빈(13)은 스팀을 통해 만들어진 열에너지를 회전에너지로 전환시켜 제2발전기(14)를 통해 전기가 생산되도록 한다.
이때 스팀보일러(12)에서 발생하는 배기가스 폐열은 폐열회수기(17a)에서 열매체라인(17b)을 따라 순환하는 열매체로 전달되고, 열매체는 폐열회수기(17a)를 통과하는 과정에서 얻은 폐열을 기화기(2)를 통과하는 과정에서 액화천연가스를 기화시키는 열원으로써 기화기(2)에 제공하게 된다.
따라서 액화천연가스는 펌프(8)에 의해 고압으로 가압된 상태에서 기화기(2)에서 배기가스의 폐열에 의해 기화되고, 기화된 천연가스는 연료가스히터(9)를 통해 가열된 상태로 팽창터빈(18)에서 감압되어 팽창하면서 그 팽창에너지에 의해 제3발전기(19)의 발전작용이 수행되도록 할 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
1: 저장탱크
2: 기화기
3: 연소기 4: 가스터빈
5: 제1발전기 8: 펌프
9: 연료가스히터 12: 스팀보일러
13: 가스터빈 14: 제2발전기
17: 폐열회수유닛 17a: 폐열회수기
17b: 열매체라인 18: 팽창터빈
19: 제3발전기
3: 연소기 4: 가스터빈
5: 제1발전기 8: 펌프
9: 연료가스히터 12: 스팀보일러
13: 가스터빈 14: 제2발전기
17: 폐열회수유닛 17a: 폐열회수기
17b: 열매체라인 18: 팽창터빈
19: 제3발전기
Claims (3)
- 액화천연가스를 기화시키는 기화기;
상기 기화기에서 기화된 천연가스가 연소되는 연소기;
상기 연소기에서 연소된 연소가스를 동력으로 하여 회전하는 가스터빈;
상기 가스터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제1발전기;
상기 가스터빈에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 스팀을 형성하는 스팀보일러;
상기 스팀보일러에서 형성된 스팀을 동력으로 하여 회전하는 증기터빈;
상기 증기터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제2발전기;
상기 스팀보일러에서 발생하는 배기가스의 폐열을 회수하여 상기 기화기의 열원으로 제공하는 폐열회수유닛;
상기 기화기에 의해 기화되는 천연가스의 팽창력에 의해 회전하도록 상기 기화기와 연소기 사이에 마련되는 팽창터빈;
상기 팽창터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 제3발전기;를 포함하는 연료가스 발전시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 기화기로 공급되는 액화천연가스를 펌핑하는 펌프;
상기 기화기에서 기화된 천연가스를 가열하기 위해 상기 기화기와 상기 팽창터빈 사이에 마련되는 연료가스히터;를 더 포함하고,
상기 펌프는 120 bar ~ 140 bar의 압력으로 액화천연가스를 가압하는 고압펌프를 포함하는 연료가스 발전시스템. - 제 2항에 있어서,
상기 제1발전기와 제2발전기와 제3발전기를 통해 생산되는 전력은 합산되어 출력되는 연료가스 발전시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190036230A KR20200115894A (ko) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 연료가스 발전시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190036230A KR20200115894A (ko) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 연료가스 발전시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200115894A true KR20200115894A (ko) | 2020-10-08 |
Family
ID=72897186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020190036230A KR20200115894A (ko) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 연료가스 발전시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200115894A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117052619A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 浙江博旭新能源科技有限公司 | 一种lng冷能和光热热水低温热能联合发电系统及方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130108224A (ko) | 2013-08-12 | 2013-10-02 | 대우조선해양 주식회사 | 해상 ｌｎｇ 저장 및 복합화력발전 유닛 |
-
2019
- 2019-03-28 KR KR1020190036230A patent/KR20200115894A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130108224A (ko) | 2013-08-12 | 2013-10-02 | 대우조선해양 주식회사 | 해상 ｌｎｇ 저장 및 복합화력발전 유닛 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117052619A (zh) * | 2023-10-11 | 2023-11-14 | 浙江博旭新能源科技有限公司 | 一种lng冷能和光热热水低温热能联合发电系统及方法 |
| CN117052619B (zh) * | 2023-10-11 | 2024-01-23 | 浙江博旭新能源科技有限公司 | 一种lng冷能和光热热水低温热能联合发电系统及方法 |
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