KR20220170557A - 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
기존에 운영중인 화력발전소를 일부 개조하여 효율을 향상시키고, 온실가스 및 대기 오염 물질을 저감할 수 있는 화력 발전소 성능 개선 시스템이 개시된다. 상기 화력 발전소 성능 개선 시스템은, 화력 발전소의 보일러, 상기 보일러에 연통되며, 상기 보일러에서 발생하는 배기가스를 유도하는 연도, 및 상기 연도에 연결되어 상기 배기가스에 따른 열의 일부를 이용하여 전력을 생성하는 배열 발전 블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 화력 발전소 성능 개선 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존에 운영중인 화력발전소를 일부 개조하여 효율을 향상시키고, 온실가스 및 대기오염물질을 저감하는 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법에 대한 것이다.
석탄화력 발전소는 최근 신재생 에너지와 가스터빈의 확대로 인해, 최근 신규 설치 계획이 줄어들고 있으며, 환경규제 강화로 인해 수십년된 석탄화력 발전소의 폐지가 확대될 전망이다. 제9차 전력수급계획에 따르면, 총 30기의 석탄화력 발전이 폐지 또는 연료전환으로 대체될 전망이다.
따라서, 기존에 설치된 화력 발전소를 리프로핏(Retrofit)해서 최대한 수명을 연장하고, 효율을 향상시켜 온실가스 저감에 대비하는 것이 화력 발전소를 낭비하지 않고 활용하는 현실적인 대안으로 볼 수 있다.
일반적으로, 대형 보일러의 경우 고온부에 과열기 및 재열기(RH: Reheater)를 설치하고 중온부에 1차 과열기, 절탄기를 설치하고, 저온부에 탈질 설비(SCR:Selective Catalytic Reduction), 공기 예열기(GAH: Gas Air Heater)를 설치하는 시스템으로 구성되어 있다. 절탄기도 절탄기 1, 2로 구성되어 있다.
한편, 중/소형의 보일러인 열병합 발전 설비는 재열기(RH)가 없으며, 과열기도 2단 정도로 구성되어 있고, 중/저온부에 절탄기 또는 공기 예열기 또는 절탄기와 공기 예열기를 복합하여 설치한 시스템으로 구성되어 있다.
연료가 로(Furnace)에서 연소가 되고, 가열기에서 물을 가열한 뒤, 이코노마이저, SCR, GAH, EP(Electrostatic Precipitator), ID(induced draft) FAN, FGD(Flue Gas Desulfurization)를 거쳐 스택(Stack)으로 빠져 나간다.
한편, 과거에는 발전설비의 배열회수 장치를 적용하는 것이 연료비 절감의 목적으로 한정되었다면, 최근에는 연료비 절감뿐만 아니라, 온실가스 저감 및 공해물질 배출 저감 등 환경규제의 준수 목적으로 필요성이 증가하고 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 기존에 운영중인 화력발전소를 일부 개조하여 효율을 향상시키고, 온실가스 및 대기 오염 물질을 저감할 수 있는 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 발전 시스템의 운영 시간을 늘려 경제적으로 사회적 비용을 절약할 수 있는 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 90~95℃까지 온도를 활용할 수 있고, 발전 출력을 추가로 얻을 수 있는 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 기존에 운영중인 화력발전소를 일부 개조하여 효율을 향상시키고, 온실가스 및 대기 오염 물질을 저감할 수 있는 화력 발전소 성능 개선 시스템을 제공한다.
상기 화력 발전소 성능 개선 시스템은,
화력 발전소의 보일러;
상기 보일러에 연통되며, 상기 보일러에서 발생하는 배기가스를 유도하는 연도; 및
상기 연도에 연결되어 상기 배기가스에 따른 잉여열의 일부를 이용하여 전력을 생성하는 배열 발전 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배열 발전 블럭은, 상기 보일러의 저온부에 배치되어 상기 배기가스로부터 유해물질을 제거하는 탈질기의 후단에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배열 발전 블럭은, 상기 배기가스를 유입하는 댐퍼; 유입된 상기 배기가스를 이용하여 작동 유체를 가열하는 가열기; 가열된 상기 작동 유체를 이용하여 회전하는 터빈; 상기 터빈과 연결되어 상기 터빈에 의해 회전하여 전력을 생성하는 발전기; 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 압축하여 압축 작동 유체를 생성하는 압축기; 상기 압축기에서 배출된 상기 압축 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체간 열교환이 이루어지는 복열기; 및 상기 복열기에 의해 열교환된 작동 유체를 냉각하는 냉각기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 상기 작동 유체는 이산화탄소 또는 냉매인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배열 발전 블럭은, 상기 가열기의 출력단에 연결되어, 상기 배기가스를 대기중으로 방출시키거나 상기 연도측으로 되돌려 보내는 배열 회수부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배열 회수부는, 상기 연도내에 설치되는 전기 집진기의 전단 또는 후단에 연결되어 상기 배기가스를 전기 집진기의 상기 전단 또는 상기 후단으로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배열 회수부는 상기 가열기를 통과한 상기 배기가스의 온도가 미리 설정되는 기준값보다 낮으면, 상기 배기가스를 전기 집진기의 상기 전단으로만 복귀시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배열 회수부는, 상기 연도내에 설치되며 연돌의 앞단에 설치되는 배연 탈황기의 전단 또는 후단에 연결되어 상기 배기가스를 배연 탈황기의 상기 전단 또는 상기 후단으로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연도내의 압력은 추가적인 송풍기를 이용하여 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 화력 발전소의 보일러에 연통되는 연도을 통해 상기 보일러에서 발생하는 배기가스가 유도되는 단계; 및 (b) 배열 발전 블럭이 상기 연도에 연결되어 상기 배기가스에 따른 잉여열의 일부를 이용하여 전력을 생성하는 단계;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 석탄 또는 중유 등을 연료로 활용하는 화력 발전소의 리파워링(Repowering)을 위해 배열회수 발전기를 연결하여 전체 화력발전시스템의 효율을 향상시키고, 온실가스 저감을 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 화력발전소 배기가스를 기존대로 GAH(Gas Air Heater)로만 활용하면, 175℃ 정도까지의 열만 활용할 수 있지만, 배열회수 발전기를 활용함으로써, 90~95℃까지 온도를 활용할 수 있고, 발전 출력을 추가로 얻을 수 있으므로, 발전 효율을 증가시킬 수 있어 친환경 발전소로 전환할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 배열 발전기의 가열기에서 요구되는 가스 유량이 화력발전소의 보일러 연소 가스 유량 대비 낮은 수준의 바이패스 유량이므로 전체 화력 발전소의 보일러 성능에 영향이 가장 적고, 절탄기 출구에 SCR(Selective Catalytic Reduction) 출구 가스 덕트에 연결하여 일부 연소 가스를 활용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 GAH 출구에 연결시, 압력 밸런스(Balance)를 맞추기 위해 별도의 ID(Induced Draft) 팬(Fan)을 설치함으로써 시스템의 요구조건을 맞출 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화력 발전소 성능 개선 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발전 블럭의 세부 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 화력 발전소 성능 개선 시스템에서 화력 발전소의 배기가스 흐름을 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 500MW급 발전 보일러의 전열면 위치에 따른 가스 온도 곡선이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 100MW급 발전 보일러의 전열면 위치에 따른 가스 온도 곡선이다.
도 2는 도 1에 도시된 발전 블럭의 세부 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 화력 발전소 성능 개선 시스템에서 화력 발전소의 배기가스 흐름을 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 500MW급 발전 보일러의 전열면 위치에 따른 가스 온도 곡선이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 100MW급 발전 보일러의 전열면 위치에 따른 가스 온도 곡선이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, “및/또는”은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다” 및/또는 “구성된다”는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등의 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 대해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화력 발전소 성능 개선 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 화력 발전소 성능 개선 시스템(100)은, 보일러(102), 연도(103), 배열 발전 블럭(140), 연돌(170) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 보일러(102)는 노(furnace)가 있는 고온부(110), 연도(103)에 위치하는 중온부(120), 저온부(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
고온부(110)에는 판형 과열기(Platen Superheater)(111), 최종 과열기(final Superheater)(112), 최종 재열기(final Reheater)(113) 등이 배치된다. 판형 과열기(111)는 보일러에서, 연소 가스 온도가 높은 부위에 설치되며 전열면이 판 모양으로 된 과열기이다.
중온부(120)에는 콜드 재열기(121), 1차 과열기(Primary Superheater)(122), 절탄기(economizer)(123) 등이 배치된다. 절탄기(123)는 보일러 연소배기가스의 배열로 급수온도를 높여 그 손실열을 회수하여 보일러의 효율을 올리고 연료를 절감하는 기능을 한다. 절탄기(123)는 1차 절탄기(123-1) 및 2차 절탄기(123-2)로 이루어진다.
콜드 재열기(121)의 흐름은 FSH → HP((High Pressure) 터빈 → Cold RH(Reheater)(121) → Final RH → IP(Intermediate Pressure) 터빈순이다. 콜드 재열기는 HP 터빈에서 일을 하고 나온 낮은 온도, 낮은 압력의 스팀이 들어가는 곳이다.
저온부(130)에는 탈질기(SCR:Selective Catalytic Reduction)(131), 공기 예열기(GAH: Gas Air Heater)(132) 등이 배치될 수 있다. 탈질기(SCR: Selective Catalytic Reduction)는 선택적 환원 촉매 장치를 의미한다. 보일러의 연소실에서 나온 배기가스에 촉매를 뿌려 유해물질인 질소 산화물(NOx)을 질소와 물로 분해하여, 질소 산화물을 제거하는 기능을 수행한다.
공기 예열기(132)는 연소가스의 여열을 이용하여 연소용 공기를 예열하는 기능을 수행한다. 연소 가스는 플루 가스(flue gas)로서, 석탄, 석유 등의 화석연료를 연소하면서 발생하는 가스를 의미한다.
연도(103)는 덕트 구조로서, 연도(103)에는 전기 집진기(EP: Electrostatic Precipitator)(136), 팬(150), 배연 탈황기(FGD: Flue Gas Desulphurization)(160), 스택(170) 등이 배치될 수 있다. 전기 집진기(136)는 미세 먼저를 집진하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 전기 집진기(136)는 먼지에 전하를 주는 하전체(discharge wire)(미도시)와 하전된 먼지를 집진하는 집진판(collecting plates)(미도시)으로 구성된다.
배열 발전 블럭(140)이 보일러(102)의 중온부(130)에 연결된다. 배열 발전 블럭(140)은, 보일러(102) 내부에서 발생하는 잉여 열의 일부를 회수(즉 배열 회수)하여 발전하는 기능을 수행한다. 배열 발전 블럭(140)은 배열 회수를 위해, 스팀터빈(랭킨 사이클), 초임계 CO2 발전, ORC(Organic Rankine Cycle) 발전, 칼리나 발전, 브레이튼 사이클 발전 등이 활용될 수 있고, 최적화를 위해서 변형될 수 있다.
배기가스의 온도에 따라 배연 탈황기(160)의 전단에는 건식 전기 집진기(Dry Electrostatic Precipitator)가 배치될 수 있고, 후단에는 습식 전기 집진기(Wet Electrostatic Precipitator)나 부직 여과포(Fabric Filter)를 적용할 수 있다.
전기 집진기의 경우, 높은 전압이 하전체에 적용되면 하전체와 집진판 사이에 전기장(electrical field)을 형성한다. 하전체 주위의 가스는 이온화되어 먼지와 충돌하고 먼지가 전하를 띠게 한다. 쿨롱 힘(Coulomb force)에 의해 전하를 띤 먼지들이 집진판에 부착되게 하며 이를 통해 공기가 정화된다.
통풍기(150)는 ID(induced draft) FAN으로서, 배기가스를 배연 탈황기(160)로 유입시키는 기능을 수행한다.
배연 탈황기(160)는 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 기능을 수행한다. 황산화물 저감기술은 크게 습식 및 건식 탈황으로 구분되며 전 세계적으로 습식 탈황설비(Wet FGD)가 사용되고 있다.
연돌(170)은 황산화물이 제거된 배기가스를 배출하는 기능을 수행하는 구조물이다. 탱크(101)는 일종의 세퍼레이터 역할을 하는 탱크이다. 물(증기)은 탱크(101) → PSH(112) → Platen SH(111) → FSH(113) 로 이동한다.
도 2는 도 1에 도시된 배열 발전 블럭(140)의 세부 구성도이다. 도 2를 참조하면, 배열 발전 블럭(140)은, 압축, 가열, 팽창, 냉각과정을 거치는 브레이튼 사이클을 갖는다. 물론, 작동 유체 및 사이클에 따라, 랭킨 사이클 등 다른 사이클도 가능하다.
배열 발전 블럭(140)은 배기가스를 유입하는 댐퍼(210), 유입된 배기가스를 이용하여 작동 유체를 가열하는 가열기(PHX)(220), 가열된 작동 유체를 이용하여 회전하는 터빈(T)(260), 터빈(260)과 연결되어 터빈(260)에 의해 회전하여 전력을 생성하는 발전기(270), 터빈(260)을 통과한 작동 유체를 압축하여 압축 작동 유체를 생성하는 압축기(C)(250), 압축기(250)에서 배출된 압축 작동 유체와 터빈(260)을 통과한 작동 유체간 열교환이 이루어지는 복열기(R)(230), 복열기(230)에 의해 열교환된 작동 유체를 냉각하는 냉각기(CH)(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
댐퍼(210)는 유동하는 배기가스의 양을 조절하거나 차단하는 기능을 수행한다. 이를 위해 날개 구조를 갖는다.
보일러(102)로부터 배출되는 배기가스는 댐퍼(210)를 통해 가열기(220)로 이동하여 작동유체를 데우고, 대기로 배출되거나, 다시 화력 발전소로 복귀한다. 가열기(220)에 제공된 배기가스의 열은 배열회수 발전을 배열 발전 블럭(140)의 발전 사이클에 열을 제공한다. 작동유체는 이산화탄소, 냉매 등이 될 수 있다. 가능한 냉매로는 HFC-245fa, R245ca, HCFC-123 등이 될 수 있다.
300℃ ~ 400℃의 배기가스가 작동유체를 데우고 배기가스가 대기로 배출되거나, 또는 대기환경보호를 위한 배기가스의 기준치(먼지, 황산화물, 질소산화물)를 맞추기 위해 발전 시스템 내부로 재순환 시킬 수 있다.
배열 발전을 위해 작은 양의 배기 가스만 뽑아서 배열 발전 블럭(140)에 사용 하였을 경우, 환경 규제치를 충족한다면, 환경 설비를 거치지 않고(환경처리가 된 다량의 배기가스와 합류하여) 대기로 방출될 수도 있다.
도 3은 도 1에 도시된 화력 발전소 성능 개선 시스템(100)에서 화력 발전소의 배기가스 흐름을 보여주는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 배열 회수부(310)가 구성된다. 배열 회수부(310)는 가열기(220)와 연결되며, 댐퍼(210)를 통해 유입되는 배기가스의 열로 가열기(220)에서 작동 유체를 가열한 후, 배열 회수부(310)는 배기가스를 대기로 벤트(Vent)시킨다.
물론, 배열 회수부(310)는 배기가스가 요구되는 환경기준 또는 압력 균형 등을 맞추기 위해, 또는 추가되는 배기가스의 유량에 따라 전기 집진기(136)의 전단 또는 후단(즉, 통풍기(150)의 전단)로 배기가스를 보낼 수 있다. 배열 발전 블럭(140)으로 보내었다가 돌아오는 온도가 낮아서 공기 예열기(132)에 큰 도움이 않될 경우, 전기 집진기(136)의 전단으로 보낸다. 물론, 이를 위해 배열 회수부(310)에는 온도 센서가 구비될 수 있다. 온도 범위는 300 ∼ 400℃가 될 수 있다.
또는, 배연 탈황기(160)의 전단(즉, 통풍기(150)의 후단) 또는 후단 등으로 배기가스를 복귀시킬 수 있다.
또한, 배열 회수부(310)는 배열 발전 블럭(140)의 일부를 포함하여 구성될 수도 있고, 배열 회수부(310)가 배열 발전 블럭(140)에 일부로 구성될 수도 있다. 따라서, 배열 회수부(310)는 마이크로프로세서, 마이콤, 메모리, 덕트(미도시), 공조용 댐퍼(미도시) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 부연하면, 마이크로프로세서의 제어에 따라 공조용 댐퍼(미도시)의 방향 및 개폐를 조절함으로써 전기 집진기(136)의 전단 또는 후단(즉, 통풍기(150)의 전단), 배연 탈황기(160)의 전단(즉, 통풍기(150)의 후단) 또는 후단에 연결되는 덕트로 배기가스의 유입 또는 차단이 수행된다.
또한, 다시 화력 발전소로 복귀해야 하는 배기가스의 유량이 적거나, 원래 연료가 청정하여 먼지(dust) 또는 황산화물을 제거할 필요가 없다면, 바로 대기로 배출될 수도 있다.
이 때, 시스템 전체(즉 연도(103)내)의 압력 균형은 맞추어야 된다. 압력 균형을 맞추기 위해 통풍기(즉 ID FAN) 등이 추가로 설치되거나, FAN의 용량이 변경 되어야 될 수도 있다. 배기가스의 화력발전소로 복귀가 필요없는 경우에는 배기가스가 바로 대기로 배출될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 기존의 발전소에 없던 설비(210, 310)가 추가된다. 이 설비들을 통해 배기가스가 지나가면 압력 손실이 발생된다. 이 압력 손실을 보상해 주기 위해서 ID FAN이 필요하다. 이 압력손실의 값이 최초 시스템에서 예측된 압력손실과 비슷한 수준이어야 한다.
통풍기는 배기가스가 배출되거나, 합류되는 위치에 따라, 추가 발생된 압력손실을 보상(make up)하기 위해서 배열 회수부가 대기 방출 또는 기존 시스템과 합류되는 부분에 설치될 수 있다. FD FAN으로 할 경우는 배열 회수부 입구에 설치될 수 있다.
도 3에서는 이해의 편의를 위해 가열기(220)와 배열 회수부(310)를 별도로 도시하였으나, 가열기(220)는 배열 회수부(310)에 포함되어 구성될 수 있다. 물론, 가열기(220)와 배열 회수부(310) 2개를 별개로 구성될 수도 있다.
도 3을 계속 참조하면, 배기가스는 절탄기(123)를 지나 탈질기(131)를 거쳐 질소산화물이 제거된다. 이 때 배기가스 온도는 대략 300℃ ∼ 400℃가 예상되고, 공기 예열기(GAH: Gas Air Heater)(132)를 거쳐 175℃ ~ 170℃가 되어 전기 집진기(136)로 이동하고, 통풍기(150)→배연 탈황기(160)를 거쳐 연돌(170)로 배출된다.
화력 발전소의 추기되는 연소가스는 그 연료의 성분에 따라, 필요에 따라서 집진과 탈황을 거쳐야 될 경우, 다시 전기 집진기(136)의 전단 등으로 회수되어야 된다. 이 때, 합류되는 연소가스의 유량이 많으므로, 환경설비를 지난 유량과의 비에 따라, 환경규제에 따른 수치보다 낮게 제어될 수 있도록 연소가스 라인으로 복귀시키거나(즉 도 4의 136전단, 150전단, 160전단, 170전단 등이 가능), 청정연료인 경우는 바로 외부로 벤트시킨다.
또한, 먼저(DUST)의 함유량에 따라 재순환하여 희석시키거나 또는 바로 배출시킬 수 있다. 추기 배기가스가 환경 오염물질을 규제치 이상 함유하고 있을 경우, 전기 집진기(136)의 전단 또는 배연 탈황기(160)의 전단 등으로 환경 규제치 또는 압력, 온도 밸런스를 감안하여 화력 발전소의 배기가스라인 위치를 적절한 곳으로 선정하여 보낸다.
또한, 화력 발전소의 배기가스를 기존대로 공기 예열기(GAH: Gas Air Heater)(132)로만 활용하면, 175℃ 정도까지의 열만 활용할 수 있지만, 추기하여 배열 회수 발전 시스템을 활용하면, 90~95℃까지 온도를 활용할 수 있고, 발전 출력을 추가로 얻을 수 있으므로, 발전 효율을 증가시킬 수 있어 친환경 발전소로 전환할 수 있다.
또한, 화력 발전소의 냉각기(미도시)와 배열 발전 블럭(140)의 냉각기(240)를 연계할 수 있다.
화력 발전소의 복수기(냉각기)는 물(증기)를 냉각하는데 활용되며, 배열 발전 블럭에서도 냉각기가 필요하므로, 화력 발전소의 복수기(냉각기)를 배열 발전 블럭의 작동유체를 냉각하는데 동시에 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 500MW급 발전 보일러의 가스 온도 곡선이다. 도 4를 참조하면, 한국 표준형 석탄 설비의 용량은 약 500MW로 국내에 많이 설치되어 운영 중이다. 최근에 석탄 발전에서 발생하는 미세먼지 등 환경 공해 문제로 개조 대상인 설비도 있어 연계 대상으로 적합하다.
화로의 출구 가스 온도는 약 1100℃ 정도이다. 절탄기(123)의 출구(즉, 공기 예열기(132)의 입구) 온도는 약 370℃ 정도이다. 최적의 연결 위치는 온도 측면에서 절탄기(123)의 출구이다. 배열 회수 배열 발전 블럭(140)의 가열기(220)에서 필요로 하는 연소 가스 유량이 화력 발전소의 보일러에서 발생하는 연소 가스 유량보다 적으므로 일부 가스 유량을 바이패스하여 사용이 가능하다.
가능하면, 탈질기(131)의 후단에 설치하여 별도의 탈질 설비인 탈질기(131)를 설치하지 않고 NOx 공해 규제치를 만족하도록 하는 것이 좋다. 하지만, SOx, 먼지(Dust) 등의 환경 공해 규제치는 만족하기가 곤란할 경우는 배열 발전 블럭(140)의 가열기(220)의 출구부를 화력 발전소의 전기 집진기(136)의 입구에 설치하여 먼지와 SOx의 규제치를 만족하도록 할 수 있다. 또한, 부족한 풍압 손실은 별도의 흡입 송풍기를 설치하여 전체 압력의 밸런스를 맞출 수 있다.
도 4를 참조하면, 전열면 위치와 가스 온도간 곡선(410,420,430)이 도시된다. 즉, 보일러 최대연속출력(Boiler Maximum Continuos Rating) 곡선(410), 100% 출력 곡선(420), 75% 출력 곡선(430)이 도시된다. 즉, 화력 발전소의 전열면의 위치에 따른 연소가스의 일반적인 온도 범위를 보여주고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 100MW급 발전 보일러의 가스 온도 곡선이다. 100MW급 발전 설비는 국내에 순수 발전용 보일러로서 공급된 최저 용량의 발전 설비인데, 국내 초기 건설 단계에 도입되어 현재까지 운영되고 있는 설비이다.
현재는 환경 공해, 설비의 수명 측면에서 폐기 또는 Repowering 대상 설비이므로, 배열 발전 블럭의 연결이 가능하다. 탈질기(131)의 입구 가스 온도가 430℃ 이하이다. 탈질기(131)의 출구 가스 온도는 약 320 ℃ 정도로써 배열 회수 발전 적용이 적절하다. 부족한 열량은 가스 유량을 증가시키는 등의 방법을 적용할 수 있다. 도 5를 참조하면, 보일러 최대연속출력(Boiler Maximum Continuos Rating) 곡선(510), 100% 출력 곡선(520), 75% 출력 곡선(530)이 도시된다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 화력 발전소 성능 개선 시스템.
102: 보일러 103: 연도
110: 고온부
111: 판형 과열기 112: 최종 과열기
113: 최종 재열기
120: 중온부
121: 콜드 재열기 122: 1차 과열기
123: 절탄기
130: 저온부
131: 탈질기 132: 공기 예열기
136: 전기 집진기 140: 배열 발전 블럭
150: 통풍기 160: 배연 탈황기
170: 연돌
210: 댐퍼 220: 가열기
230: 복열기 240: 냉각기
250: 압축기 260: 터빈
270: 발전기
102: 보일러 103: 연도
110: 고온부
111: 판형 과열기 112: 최종 과열기
113: 최종 재열기
120: 중온부
121: 콜드 재열기 122: 1차 과열기
123: 절탄기
130: 저온부
131: 탈질기 132: 공기 예열기
136: 전기 집진기 140: 배열 발전 블럭
150: 통풍기 160: 배연 탈황기
170: 연돌
210: 댐퍼 220: 가열기
230: 복열기 240: 냉각기
250: 압축기 260: 터빈
270: 발전기
Claims (10)
- 화력 발전소의 보일러(102);
상기 보일러(102)에 연통되며, 상기 보일러(102)에서 발생하는 배기가스를 유도하는 연도(103); 및
상기 연도(103)에 연결되어 상기 배기가스에 따른 열의 일부를 이용하여 전력을 생성하는 배열 발전 블럭(140);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 배열 발전 블럭(140)은,
상기 보일러(102)의 저온부(130)에 배치되어 상기 배기가스로부터 유해물질을 제거하는 탈질기(131)의 후단에 연결되는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 2 항에 있어서,
상기 배열 발전 블럭(140)은,
상기 배기가스를 유입하는 댐퍼(210);
유입된 상기 배기가스를 이용하여 작동 유체를 가열하는 가열기(220);
가열된 상기 작동 유체를 이용하여 회전하는 터빈(260);
상기 터빈(260)과 연결되어 상기 터빈(260)에 의해 회전하여 전력을 생성하는 발전기(270);
상기 터빈(260)을 통과한 상기 작동 유체를 압축하여 압축 작동 유체를 생성하는 압축기(250);
상기 압축기(250)에서 배출된 상기 압축 작동 유체와 상기 터빈(260)을 통과한 상기 작동 유체간 열교환이 이루어지는 복열기(230); 및
상기 복열기(230)에 의해 열교환된 작동 유체를 냉각하는 냉각기(240);를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 작동 유체는 이산화탄소 또는 냉매인 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 3 항에 있어서,
상기 배열 발전 블럭(140)은,
상기 가열기(220)의 출력단에 연결되어, 상기 배기가스를 대기중으로 방출시키거나 상기 연도(103)측으로 되돌려 보내는 배열 회수부(310);를 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 배열 회수부(310)는,
상기 연도(103)내에 설치되는 전기 집진기(136)의 전단 또는 후단에 연결되어 상기 배기가스를 전기 집진기(136)의 상기 전단 또는 상기 후단으로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 6 항에 있어서,
상기 배열 회수부(310)는 상기 가열기(220)를 통과한 상기 배기가스의 온도가 미리 설정되는 기준값보다 낮으면, 상기 배기가스를 전기 집진기(136)의 상기 전단으로만 복귀시키는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 배열 회수부(310)는,
상기 연도(103)내에 설치되며 연돌(170)의 앞단에 설치되는 배연 탈황기(160)의 전단 또는 후단에 연결되어 상기 배기가스를 배연 탈황기(160)의 상기 전단 또는 상기 후단으로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
상기 연도(103)내의 압력은 추가적인 송풍기를 이용하여 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 시스템.
- (a) 화력 발전소의 보일러(102)에 연통되는 연도(103)을 통해 상기 보일러(102)에서 발생하는 배기가스가 유도되는 단계; 및
(b) 배열 발전 블럭(140)이 상기 연도(103)에 연결되어 상기 배기가스에 따른 잉여열의 일부를 이용하여 전력을 생성하는 단계;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 화력 발전소 성능 개선 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210081546A KR20220170557A (ko) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020210081546A KR20220170557A (ko) | 2021-06-23 | 2021-06-23 | 화력 발전소 성능 개선 시스템 및 방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101822311B1 (ko) | 2013-09-19 | 2018-01-25 | 지멘스 악티엔게젤샤프트 | 폐열 증기 발생기 및 연료 예열부를 갖는 복합 화력 발전소 |
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2021
- 2021-06-23 KR KR1020210081546A patent/KR20220170557A/ko unknown
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