KR20230065490A - Combined power generation system and method for generating power using the same - Google Patents

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KR20230065490A
KR20230065490A KR1020210151100A KR20210151100A KR20230065490A KR 20230065490 A KR20230065490 A KR 20230065490A KR 1020210151100 A KR1020210151100 A KR 1020210151100A KR 20210151100 A KR20210151100 A KR 20210151100A KR 20230065490 A KR20230065490 A KR 20230065490A
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김동섭
표민중
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention aims to provide a combined power generation system with a high efficiency. The present invention also aims to provide a combined power generation method with the high efficiency by using the system. To this end, the present invention provides a combined power generation system which comprises: a power generation facility discharging high-temperature exhaust gas including moisture; and an inverted Brayton cycle (IBC) facility introducing the high-temperature exhaust gas including moisture discharged from the power generation facility. In addition, the present invention provides a combined power generation method which comprises: a step of acquiring exhaust gas from a power generation facility discharging high-temperature exhaust gas including moisture; and a step of introducing the acquired exhaust gas by the IBC. According to the present invention, power can be generated additionally by introducing high-temperature exhaust gas including moisture discharged from power generation facilities into an IBC facility, and thermal energy can be obtained to greatly improve the process's energy efficiency. In addition, the problem of environmental pollution occurring when high-temperature exhaust gas is emitted to the atmosphere can also be solved.

Description

복합 발전 시스템 및 복합 발전방법{COMBINED POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING POWER USING THE SAME}Combined power generation system and combined power generation method {COMBINED POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING POWER USING THE SAME}

본 발명은 복합 발전 시스템 및 이를 이용한 복합 발전방법에 관한 것이다.The present invention relates to a combined power generation system and a combined power generation method using the same.

전 세계적인 기후면화 문제에 대응하기 위한 방법의 하나로 수소의 활용이 고려되고 있다. 수소는 우수한 에너지 저장 수단으로, 화석연료를 대신하여 에너지, 운송, 난방 분야에서 활용될 수 있다. 가스터빈 분야에서도 수소를 사용하는 엔진에 대한 연구가 진행중이며, 수소 가스터빈을 활용한 고효율의 발전 시스템 개발이 요구되고 있다. The use of hydrogen is being considered as one of the ways to respond to the global climate change problem. Hydrogen is an excellent energy storage method and can be used in energy, transportation, and heating fields instead of fossil fuels. In the field of gas turbines, research on engines using hydrogen is in progress, and development of highly efficient power generation systems using hydrogen gas turbines is required.

현재 정부에서는 기후변화 문제 해결을 위해 물과 천연가스로부터 수소를 생산, 기존 화석연료를 대체하는 방식이 에너지 산업 분야에서 적용되고 있다. 이러한 노력의 일환으로 수소를 사용하는 가스터빈의 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 가스터빈 복합화력발전(Gas turbine combined cycle, 이하 GTCCC)은 재생에너지 비중 증가에 따라 안정적인 전력 수급을 위한 브릿지 전원으로 주목받고 있으며, 소형 가스터빈의 경우는 가까운 미래에 수소만으로 운전이 가능한 수준까지 개발이 될 것으로 예상된다.Currently, the government is applying a method of producing hydrogen from water and natural gas to replace existing fossil fuels in the energy industry to solve the climate change problem. As part of these efforts, development of gas turbines using hydrogen is continuously progressing. Gas turbine combined cycle (GTCCC) is attracting attention as a bridge power source for stable power supply as the proportion of renewable energy increases. This is expected to be

수소 연소로 인한 배기가스의 조성 변화는 새로운 시스템 적용 가능성을 제공한다. 대기압으로 배출되는 배기가스를 추가로 팽창시켜 출력을 발생시키는 역브레이튼사이클(Inverted Brayton cycle, 이하 IBC)는 천연가스를 연료로 사용하는 경우에는 효율 증가가 크지 않아 널리 사용되지 않았으나, 수소를 연소시키는 경우 배기가스의 H2O 비율이 높기 때문에 그 결과 가스의 비열이 커져서 동일한 팽창과정에서 더 많은 출력이 발생한다. 따라서 수소 GTCC에 IBC를 결합한 모델은 HRSG로 회수하기 어려운 배기가스의 에너지를 사용하여 추가적인 출력을 발생시켜 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.The change in the composition of the exhaust gas due to hydrogen combustion provides new system application possibilities. The Inverted Brayton cycle (IBC), which generates output by additionally expanding the exhaust gas discharged to atmospheric pressure, has not been widely used because the efficiency increase is not large when natural gas is used as fuel. In this case, since the H 2 O ratio of the exhaust gas is high, the specific heat of the gas is increased as a result, and more power is generated in the same expansion process. Therefore, the model combining IBC with hydrogen GTCC can improve system efficiency by generating additional output by using energy from exhaust gas that is difficult to recover with HRSG.

예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2020-0014754호는 장치로서, 연료를 연소시키고 연소 생성물로서 물을 포함하는 배기가스를 발생시키는 적어도 하나의 열 엔진; 및 상기 배기가스에 의해 구동되는 역브레이튼 사이클 터빈, 및 상기 역브레이튼 사이클 터빈으로부터 상기 배기가스를 수용 및 압축하기 위해 상기 역브레이튼 사이클 터빈에 의해 구동되는 역브레이튼 사이클 압축기를 구비하는 역브레이튼 사이클 열 엔진을 구비하는, 복수의 열 엔진과, 상기 배기가스로부터 상기 물의 적어도 일부를 응축시켜 응축수를 형성하기 위해 상기 역브레이튼 사이클 압축기와 상기 역브레이튼 사이클 터빈 사이의 상기 배기가스의 유체 경로에 위치된 콘덴서와, 상기 콘덴서로부터 상기 응축수를 수용하고 상기 응축수로 열을 전달하여 증기를 발생시키는 증기 발생 열 교환기를 구비하고, 상기 역브레이튼 사이클 터빈은 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 따른 케이싱을 구비하고, 상기 제1 작동 유체는 상기 배기가스를 포함하고 상기 제2 작동 유체는 증기 발생 열 교환기에 의해 생성된 상기 증기를 포함하는, 장치를 개시하고 있다. 그러나 상기 문헌은 수분을 포함하는 고온의 배출가스로부터 추가적으로 에너지를 수득하는 것과 관련하여 언급하고 있지 않다.For example, Korean Patent Publication No. 10-2020-0014754 discloses an apparatus comprising: at least one heat engine that burns fuel and generates exhaust gas containing water as a combustion product; and a reverse Brayton cycle turbine driven by the exhaust gas, and a reverse Brayton cycle compressor driven by the reverse Brayton cycle turbine to receive and compress the exhaust gas from the reverse Brayton cycle turbine. a plurality of heat engines comprising: a condenser positioned in the fluid path of the exhaust gas between the reverse Brayton cycle compressor and the reverse Brayton cycle turbine for condensing at least a portion of the water from the exhaust gas to form condensate; , A steam generating heat exchanger for receiving the condensed water from the condenser and transferring heat to the condensed water to generate steam, the reverse Brayton cycle turbine having a casing according to any one of claims 1 to 19, wherein the The first working fluid comprises the exhaust gas and the second working fluid comprises the steam produced by the steam generating heat exchanger. However, the above document does not mention about obtaining additional energy from high-temperature exhaust gas containing moisture.

또한, 대한민국 공개특허 2000-0021120호는 역브레이튼 사이클을 이용한 극저온 냉각기에 관한 기술로, 구체적으로는 일측단에 전력이 인입되는 전력도입부가 설치되고, 그 내부에 상기 전력도입부를 통하여 인입된 전력에 의하여 구동되는 압축기와 소형 냉각팬이 각각 설치되는 제 1 장치; 고압과 저압의 가스가 열교환을 이루는 대향류 열교환기와, 저온을 형성하는 팽창기가 각각 그 내부에 설치되는 제 2 장치; 및 상기 압축기와 대향류 열교환기 사이에서 압축기를 구동하는 모터에 대한 전력을 제어하는 제 3 장치를 포함하며, 상기 압축기, 팽창기, 대향류 열교환기는 MEMS 기술에 의하여 제작되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각기를 개시하고 있다. 그러나, 상기 문헌은 발전 설비로부터 나오는 배출가스가 역브레이튼 사이클을 효율적으로 수행하기에 온도가 충분히 높지 않은 문제점 및 이를 해결하기 위한 수단에 대하여 언급하고 있지 않다.In addition, Korean Patent Publication No. 2000-0021120 relates to a cryogenic cooler using a reverse Brayton cycle. Specifically, a power introduction unit into which power is introduced is installed at one end, and the power introduced through the power introduction unit is installed therein. a first device in which a compressor driven by and a small cooling fan are respectively installed; a second device in which a counter flow heat exchanger in which high pressure and low pressure gas exchange heat and an expander for forming a low temperature are respectively installed therein; and a third device for controlling power to a motor driving the compressor between the compressor and the counter flow heat exchanger, wherein the compressor, the expander and the counter flow heat exchanger are manufactured by MEMS technology. are starting However, the above document does not mention the problem that the temperature of the exhaust gas from the power plant is not high enough to efficiently perform the reverse Brayton cycle and the means for solving this problem.

이에 본 발명의 발명자는 발전 설비에서 발전을 수행하고 배출되는 고온의 배기가스로부터 추가적으로 발전 및 열에너지 수득을 수행할 수 있는 시스템 및 방법을 연구하여 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventor of the present invention completed the present invention by studying a system and method capable of additionally generating power and obtaining heat energy from high-temperature exhaust gas discharged from power generation facilities.

대한민국 공개특허 제10-2020-0014754호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0014754 대한민국 공개특허 2000-0021120호Republic of Korea Patent Publication No. 2000-0021120

본 발명의 목적은 효율성이 높은 복합 발전 시스템을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a combined power generation system with high efficiency.

본 발명의 다른 목적은 이를 이용하여 고효율로 복합 발전을 수행하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for performing combined power generation with high efficiency using the same.

이를 위하여 본 발명은To this end, the present invention

수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비; 및Power generation facilities that discharge high-temperature exhaust gas containing moisture; and

상기 발전 설비로부터 배출되는 수분을 포함하는 고온의 배기가스가 도입되는 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC) 설비;를 포함하는 복합 발전 시스템을 제공한다.An inverted Brayton cycle (IBC) facility into which high-temperature exhaust gas containing moisture discharged from the power generation facility is introduced.

또한 본 발명은Also, the present invention

수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배기가스를 수득하는 단계; 및obtaining exhaust gas from a power plant that discharges high-temperature exhaust gas containing moisture; and

상기 수득된 배기가스를 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC)로 도입하는 단계;를 포함하는 복합 발전방법을 제공한다.Introducing the obtained exhaust gas into an inverted Brayton cycle (IBC);

본 발명에 따르면, 발전 설비로부터 배출되는 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 역브레이튼 사이클 설비로 도입하여 추가적으로 발전을 수행하고, 열 에너지를 얻을 수 있어 공정의 에너지 효율성을 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 고온의 배출가스를 대기중으로 방출하는 경우 발생하는 환경 오염의 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, the high-temperature exhaust gas containing moisture discharged from the power generation facility is introduced into the reverse Brayton cycle facility to additionally generate power and obtain thermal energy, thereby greatly improving the energy efficiency of the process. However, it has the advantage of being able to solve the problem of environmental pollution that occurs when high-temperature exhaust gas is released into the atmosphere.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 복합 발전 시스템의 공정도이고,
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 복합 발전 시스템의 공정도이고,
도 3은 본 발명의 복합 발전 시스템에 사용되는 역브레이튼 사이클의 공정도이고,
도 4는 도입되는 가스의 유량 변화에 따른 출력 및 물 유량의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 5는 도입되는 가스의 온도 변화에 따른 출력 및 물 유량의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 6은 연료 및 역브레이튼 사이클 압력에 따른 출력 및 효율을 비교하는 그래프이고,
도 7은 고체산화물 연료전지의 크기에 따른 효율 변화를 보여주는 그래프이고, 및
도 8은 고체산화물 연료전지의 크기에 따른 효율 변화를 보여주는 또 다른 그래프이다.
1 is a process diagram of a combined power generation system according to an embodiment of the present invention,
2 is a process diagram of a combined power generation system according to another embodiment of the present invention;
3 is a process diagram of a reverse Brayton cycle used in the combined power generation system of the present invention;
4 is a graph showing changes in output and water flow rates according to changes in the flow rate of the introduced gas;
5 is a graph showing the change in power and water flow rate according to the temperature change of the introduced gas;
6 is a graph comparing power and efficiency according to fuel and reverse Brayton cycle pressure;
7 is a graph showing a change in efficiency according to the size of a solid oxide fuel cell, and
8 is another graph showing a change in efficiency according to the size of a solid oxide fuel cell.

본 발명은 복합 발전 시스템을 제공한다. 특히, 본 발명은 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배출되는 고온의 배기가스로부터 추가적으로 발전을 수행할 수 있는 복합 발전 시스템을 제공한다.The present invention provides a combined power generation system. In particular, the present invention provides a combined power generation system capable of additionally generating power from high-temperature exhaust gas discharged from a power generation facility that discharges high-temperature exhaust gas containing moisture.

구체적으로 본 발명은Specifically, the present invention

수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비; 및Power generation facilities that discharge high-temperature exhaust gas containing moisture; and

상기 발전 설비로부터 배출되는 수분을 포함하는 고온의 배기가스가 도입되는 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC) 설비;를 포함하는 복합 발전 시스템을 제공한다.An inverted Brayton cycle (IBC) facility into which high-temperature exhaust gas containing moisture discharged from the power generation facility is introduced.

이하 본 발명의 복합 발전 시스템을 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the combined power generation system of the present invention will be described in detail for each component.

본 발명의 복합 발전 시스템은 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비를 포함한다. 발전 설비는 다양한 원료를 사용하여 전기를 생산하는 설비로, 그 과정에서 배기가스를 발생시키고, 이때 발생되는 배기가스에 수분이 포함되어 있는 경우, 그 배기가스의 비열이 켜져서, 이후 구성인 역브레이튼 사이클 설비 내에서 동일한 팽창과정에서 더 많은 출력을 발생시킬 수 있다.The combined power generation system of the present invention includes a power generation facility that discharges high-temperature exhaust gas containing moisture. A power generation facility is a facility that produces electricity using various raw materials. In the process, exhaust gas is generated. When the exhaust gas generated at this time contains moisture, the specific heat of the exhaust gas is turned on, Within the Layton cycle facility, more power can be generated during the same expansion process.

본 발명의 복합 발전 시스템은 상기 발전 설비로부터 배출되는 수분을 포함하는 고온의 배기가스가 도입되는 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC) 설비를 포함한다. 발전 설비로부터 배출되는 배기가스는 기본적으로 상온보다 높은 고온이기 때문에, 그 자체에 에너지를 포함하고 있을 뿐만 아니라, 이를 그대로 대기로 방출하는 경우, 환경을 오염시키는 문제가 있다. 이에 본 발명은 고온의 배기가스를 역브레이튼 사이클 설비에 도입함으로써, 배기가스로부터 추가적인 출력 및 열에너지를 수득하고, 나아가, 배기가스를 대기중으로 방출하기 전에 이의 온도를 낮춤으로써, 환경 오염을 방지할 수 있다. The combined power generation system of the present invention includes an Inverted Brayton cycle (IBC) facility into which high-temperature exhaust gas containing moisture discharged from the power generation facility is introduced. Since the exhaust gas discharged from the power generation facility is basically of a high temperature higher than room temperature, it not only contains energy in itself, but also pollutes the environment when it is released into the atmosphere as it is. Accordingly, the present invention introduces high-temperature exhaust gas into a reverse Brayton cycle facility, thereby obtaining additional power and heat energy from the exhaust gas, and furthermore, by lowering the temperature of the exhaust gas before releasing it into the atmosphere, it is possible to prevent environmental pollution. there is.

한편 역브레이튼 사이클은 대기압으로 배출되는 배기가스를 추가로 팽창시켜 추가로 출력을 발생시키고, 또한 열교환기를 이용하여 추가로 열에너지를 수득하게 된다. 이 과정에서 배기가스의 온도가 낮아지게 되므로, 대기로의 배출시에 대기 환경을 오염시키는 문제를 해결할 수 있다.On the other hand, the reverse Brayton cycle additionally expands the exhaust gas discharged to atmospheric pressure to generate additional output, and also obtains additional heat energy using a heat exchanger. Since the temperature of the exhaust gas is lowered in this process, it is possible to solve the problem of polluting the atmospheric environment when discharged to the atmosphere.

본 발명의 복합 발전 시스템은 수분을 포함하는 고온의 배기가스가 역브레이튼 사이클 설비로 도입되기 전, 배기가스의 온도를 증가시키는 승온 설비를 더 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로 발전 설비로부터 배출되는 배기가스는 상온보다 높은 고온이기는 하나 이후의 역브레이튼 설비를 효율적으로 가동시키기에는 충분히 높은 온도는 아닐 수 있다. 특히, 발전 설비가 배기가스로부터 추가로 열에너지를 수득하기 위한 배열회수보일러(HRSG) 등을 포함하는 경우, 배출되는 배기가스의 온도가 더욱 낮아질 수 있고, 이 경우, 역브레이튼 설비의 효율이 낮아질 수 있는 문제점이 있다. 이에 본 발명의 복합 발전 시스템은 발전 설비로부터 배출되는 배기가스가 역브레이튼 사이클 설비로 도입되기 전에, 이의 온도를 상승시키는 승온 설비를 더 포함하여 배기가스의 온도를 승온시킨 후, 역브레이튼 사이클 설비로 도입하는 것이 역브레이튼 사이클 설비의 효율을 고려할 때 바람직하다.The combined power generation system of the present invention preferably further includes a temperature raising facility for increasing the temperature of the exhaust gas before the high-temperature exhaust gas containing moisture is introduced into the reverse Brayton cycle facility. In general, the exhaust gas discharged from the power plant has a high temperature higher than room temperature, but may not be high enough to efficiently operate the later reverse Brayton facility. In particular, when the power generation facility includes a heat recovery boiler (HRSG) for obtaining additional thermal energy from the exhaust gas, the temperature of the exhaust gas discharged may be further lowered, and in this case, the efficiency of the reverse Brayton facility may be lowered. There is a problem with Therefore, the combined power generation system of the present invention further includes a heating facility for raising the temperature of the exhaust gas discharged from the power generation facility before it is introduced into the reverse Brayton cycle facility to raise the temperature of the exhaust gas, and then to the reverse Brayton cycle facility. It is desirable to introduce it considering the efficiency of the reverse Brayton cycle facility.

이때의 승온 설비로는 다양한 설비를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기의 발전 설비의 배기가스보다 높은 온도의 배기가스를 배출하는 발전 설비일 수 있고, 구체적으로는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용할 수 있다. 고체산화물 연료전지와 같은 설비가 사용되는 경우, 이로부터 배출되는 배기가스 역시 고온이기 때문에, 상기 발전 설비로부터 배출되는 배기가스와 혼합되어, 온도를 상승시킬 수 있고, 이 상태로 역브레이튼 사이클 설비로 도입되는 경우, 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.At this time, various facilities may be used as the temperature raising facility. For example, it may be a power generation facility that discharges exhaust gas at a higher temperature than the exhaust gas of the power generation facility. Specifically, a solid oxide fuel cell (SOFC) may be used. can be used When a facility such as a solid oxide fuel cell is used, since the exhaust gas discharged therefrom is also high-temperature, it can be mixed with the exhaust gas discharged from the power generation facility to raise the temperature, and in this state, the reverse Brayton cycle facility When introduced, there is an advantage of increasing efficiency.

한편, 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 다양한 발전 설비들일 수 있으나, 예를 들어, 가스터빈 복합화력발전(Gas turbine combined cycle)(GTCC)일 수 있고, 특히 수소를 원료로 사용하는 가스터빈 복합화력발전일 수 있다. 상기 가스터빈 복합화력발전은 재생에너지 비중 증가에 따라 안정적인 전력 수급을 위한 브릿지 전원으로 주목받고 있으며, 소형 가스터빈의 경우는 가까운 미래에 수소만으로 운전이 가능한 수준까지 개발될 것으로 예상되고 있다. On the other hand, power generation facilities that discharge high-temperature exhaust gas containing moisture may be various power generation facilities, but may be, for example, a gas turbine combined cycle (GTCC), in particular, hydrogen as a raw material It may be a gas turbine combined cycle power plant used as a The gas turbine combined cycle power plant is attracting attention as a bridge power source for stable power supply and demand according to the increase in the share of renewable energy, and in the case of small gas turbines, it is expected that they will be developed to a level that can operate only with hydrogen in the near future.

또한, 상기 발전 설비는 배기가스를 배출하기 전에 배기가스를 처리하는 배열회수보일러(HRSG)를 더 포함할 수 있으며, 이를 통하여, 배기가스가 포함하고 있는 에너지를 추가로 수득할 수 있는 장점이 있다.In addition, the power generation facility may further include a heat recovery boiler (HRSG) that treats the exhaust gas before discharging the exhaust gas, and through this, there is an advantage in that energy contained in the exhaust gas can be additionally obtained. .

본 발명에 따른 복합 발전 시스템에서 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 원료로 천연가스 또는 수소를 사용할 수 있으며, 그 중에서도 수소를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 발전 설비가 원료로 수소를 사용하는 경우 천연가스를 포함한 다른 원료를 사용하는 경우와 비교하여, 배기가스에 존재하는 수분의 함량이 증가하게 되고, 이에 따라 배기가스의 비열이 커지기 때문에 역브레이튼 사이클 설비 중 터빈에서 동일한 팽창과정에서도 더 많은 출력을 발생시킬 수 있다. 또한, 수소만을 원료로 사용하여 발전을 수행하는 경우, 배기가스에 SOx 성분이 포함되지 않고, 따라서, 역브레이튼 사이클 설비에서 물을 분리하는 냉각과정에서 황으로 인한 부식 문제가 발생하지 않기 때문에 바람직하다.In the combined power generation system according to the present invention, the power generation facility discharging the high-temperature exhaust gas containing moisture may use natural gas or hydrogen as a raw material, and among them, hydrogen is more preferable. When a power generation facility uses hydrogen as a raw material, compared to the case of using other raw materials including natural gas, the moisture content in the exhaust gas increases, and the specific heat of the exhaust gas increases accordingly, so the reverse Brayton cycle facility In a heavy turbine, more output can be generated even during the same expansion process. In addition, when power generation is performed using only hydrogen as a raw material, it is preferable because SOx components are not included in the exhaust gas, and therefore, corrosion problems due to sulfur do not occur in the cooling process of separating water in the reverse Brayton cycle facility. .

본 발명의 복합 발전 시스템에 포함되는 역브레이튼 사이클 설비는 고온의 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전을 수행하고, 열교환기를 이용하여 열 에너지를 얻을 수 있다.The reverse Brayton cycle facility included in the combined power generation system of the present invention can generate power by rotating a turbine using high-temperature exhaust gas and obtain thermal energy using a heat exchanger.

이상의 본 발명에 따른 복합 발전 시스템에 따르면, 발전 설비로부터 배출되는 고온의 배기가스로부터 추가적인 출력과 열에너지를 수득하게 되어, 전체 발전 효율을 증가시키는 장점이 있고, 또한 고온의 배기가스의 온도를 공정 중에 낮추기 때문에, 고온의 배기가스를 대기중으로 방출하는 경우 발생할 수 있는 대기 오염의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.According to the combined power generation system according to the present invention, additional output and thermal energy are obtained from the high-temperature exhaust gas discharged from the power generation facility, thereby increasing the overall power generation efficiency, and also reducing the temperature of the high-temperature exhaust gas during the process. Since it is lowered, there is an advantage of solving the problem of air pollution that may occur when high-temperature exhaust gas is discharged into the atmosphere.

또한 본 발명은 복합 발전방법을 제공하고, 구체적으로는In addition, the present invention provides a combined power generation method, specifically

수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배기가스를 수득하는 단계; 및obtaining exhaust gas from a power plant that discharges high-temperature exhaust gas containing moisture; and

상기 수득된 배기가스를 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC)로 도입하는 단계;를 포함하는 복합 발전방법을 제공한다.Introducing the obtained exhaust gas into an inverted Brayton cycle (IBC);

이하 본 발명의 복합 발전방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the combined power generation method of the present invention will be described in detail for each step.

본 발명의 복합 발전방법은 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배기가스를 수득하는 단계를 포함한다. 상기 배기가스는 상온보다 높은 고온이기 때문에, 추가적으로 출력 및 열에너지는 수득할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 그대로 대기중으로 방출하는 경우, 대기 오염의 문제점이 있다.The combined power generation method of the present invention includes a step of obtaining exhaust gas from a power generation facility that discharges high-temperature exhaust gas containing moisture. Since the exhaust gas has a high temperature higher than room temperature, additional output and thermal energy can be obtained, and when it is released into the atmosphere as it is, there is a problem of air pollution.

본 발명의 복합 발전방법은 상기 단계에서 수득된 배기가스를 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC)로 도입하는 단계를 포함한다. 상기한 바와 같이, 역브레이튼 사이클은 고온의 배기가스를 팽창시켜 출력을 얻고, 나아가 열교환기를 이용하여 열에너지를 수득할 수 있다. 또한, 이 과정에서 배기가스의 온도가 낮아지기 때문에, 고온의 배기가스에 의한 대기 오염의 문제를 해결할 수 있다.The combined power generation method of the present invention includes introducing the exhaust gas obtained in the above step into an Inverted Brayton cycle (IBC). As described above, the reverse Brayton cycle expands high-temperature exhaust gas to obtain an output, and furthermore, heat energy can be obtained using a heat exchanger. In addition, since the temperature of the exhaust gas is lowered in this process, it is possible to solve the problem of air pollution caused by the high-temperature exhaust gas.

본 발명의 복합 발전방법은 상기 수득된 고온의 배기가스가 역브레이튼 사이클로 도입되기 전, 배기가스의 온도를 승온시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 일반적으로 발전 설비로부터 배출되는 배기가스는 상온보다 높은 고온이기는 하나 이후의 역브레이튼 설비를 효율적으로 가동시키기에는 충분히 높은 온도는 아닐 수 있다. 특히, 발전 설비가 배기가스로부터 추가로 열에너지를 수득하기 위한 배열회수보일러(HRSG) 등을 포함하는 경우, 배출되는 배기가스의 온도가 더욱 낮아질 수 있고, 이 경우, 역브레이튼 설비의 효율이 낮아질 수 있는 문제점이 있다. 이에 본 발명의 복합 발전방법은 발전 설비로부터 배출되는 배기가스가 역브레이튼 사이클 설비로 도입되기 전에, 이의 온도를 승온시키는 단계를 더 포함하여 배기가스의 온도를 승온시킨 후, 역브레이튼 사이클 설비로 도입하는 것이 역브레이튼 사이클 설비의 효율을 고려할 때 바람직하다.The combined power generation method of the present invention preferably further comprises raising the temperature of the exhaust gas before the obtained high-temperature exhaust gas is introduced into the reverse Brayton cycle. In general, the exhaust gas discharged from the power plant has a high temperature higher than room temperature, but may not be high enough to efficiently operate the later reverse Brayton facility. In particular, when the power generation facility includes a heat recovery boiler (HRSG) for obtaining additional thermal energy from the exhaust gas, the temperature of the exhaust gas discharged may be further lowered, and in this case, the efficiency of the reverse Brayton facility may be lowered. There is a problem with Therefore, the combined power generation method of the present invention further includes raising the temperature of the exhaust gas discharged from the power generation facility before introducing it into the reverse Brayton cycle facility, thereby raising the temperature of the exhaust gas and introducing the exhaust gas into the reverse Brayton cycle facility. It is desirable when considering the efficiency of the reverse Brayton cycle facility.

이때 배기가스의 온도를 승온시키는 단계는 다양한 방법으로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 상기의 발전 설비의 배기가스보다 높은 온도의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배출되는 배기가스와의 혼합의 방법으로 수행될 수 있고, 구체적으로는 고체산화물 연료전지(SOFC)로부터 배출되는 배기가스와의 혼합의 방법으로 수행될 수 있다. 고체산화물 연료전지와 같은 설비가 사용되는 경우, 이로부터 배출되는 배기가스 역시 고온이기 때문에, 상기 발전 설비로부터 배출되는 배기가스와 혼합되어, 온도를 상승시킬 수 있고, 이 상태로 역브레이튼 사이클 설비로 도입되는 경우, 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.At this time, the step of raising the temperature of the exhaust gas can be performed in various ways, for example, a method of mixing with the exhaust gas discharged from the power plant that discharges the exhaust gas at a higher temperature than the exhaust gas of the power plant. It may be performed, and specifically, it may be performed by a method of mixing with exhaust gas discharged from a solid oxide fuel cell (SOFC). When a facility such as a solid oxide fuel cell is used, since the exhaust gas discharged therefrom is also high-temperature, it can be mixed with the exhaust gas discharged from the power generation facility to raise the temperature, and in this state, the reverse Brayton cycle facility When introduced, there is an advantage of increasing efficiency.

한편, 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 다양한 발전 설비들일 수 있으나, 예를 들어, 가스터빈 복합화력발전(Gas turbine combined cycle)(GTCC)일 수 있고, 특히 수소를 원료로 사용하는 가스터빈 복합화력발전일 수 있다. 상기 가스터빈 복합화력발전은 재생에너지 비중 증가에 따라 안정적인 전력 수급을 위한 브릿지 전원으로 주목받고 있으며, 소형 가스터빈의 경우는 가까운 미래에 수소만으로 운전이 가능한 수준까지 개발될 것으로 예상되고 있다. On the other hand, power generation facilities that discharge high-temperature exhaust gas containing moisture may be various power generation facilities, but may be, for example, a gas turbine combined cycle (GTCC), in particular, hydrogen as a raw material It may be a gas turbine combined cycle power plant used as a The gas turbine combined cycle power plant is attracting attention as a bridge power source for stable power supply and demand according to the increase in the share of renewable energy, and in the case of small gas turbines, it is expected that they will be developed to a level that can operate only with hydrogen in the near future.

또한, 상기 발전 설비는 배기가스를 배출하기 전에 배열회수보일러(HRSG)로 배기가스를 처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이를 통하여, 배기가스가 포함하고 있는 에너지를 추가로 수득할 수 있는 장점이 있다.In addition, the power generation facility may further include a step of treating the exhaust gas with a heat recovery boiler (HRSG) before discharging the exhaust gas, and through this, the energy contained in the exhaust gas can be additionally obtained. there is

본 발명에 따른 복합 발전방법에서 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 원료로 천연가스 또는 수소를 사용할 수 있으며, 그 중에서도 수소를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 발전 설비가 원료로 수소를 사용하는 경우 천연가스를 포함한 다른 원료를 사용하는 경우와 비교하여, 배기가스에 존재하는 수분의 함량이 증가하게 되고, 이에 따라 배기가스의 비열이 커지기 때문에 역브레이튼 사이클 설비 중 터빈에서 동일한 팽창과정에서도 더 많은 출력을 발생시킬 수 있다. 또한, 수소만을 원료로 사용하여 발전을 수행하는 경우, 배기가스에 SOx 성분이 포함되지 않고, 따라서, 역브레이튼 사이클 설비에서 물을 분리하는 냉각과정에서 황으로 인한 부식 문제가 발생하지 않기 때문에 바람직하다.In the combined power generation method according to the present invention, the power generation facility discharging the high-temperature exhaust gas containing moisture may use natural gas or hydrogen as a raw material, and among them, hydrogen is more preferably used. When a power generation facility uses hydrogen as a raw material, compared to the case of using other raw materials including natural gas, the moisture content in the exhaust gas increases, and the specific heat of the exhaust gas increases accordingly, so the reverse Brayton cycle facility In a heavy turbine, more output can be generated even during the same expansion process. In addition, when power generation is performed using only hydrogen as a raw material, it is preferable because SOx components are not included in the exhaust gas, and therefore, corrosion problems due to sulfur do not occur in the cooling process of separating water in the reverse Brayton cycle facility. .

본 발명의 복합 발전방법에 사용되는 역브레이튼 사이클 설비는 고온의 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전을 수행하고, 열교환기를 이용하여 열 에너지를 얻을 수 있다.In the reverse Brayton cycle facility used in the combined power generation method of the present invention, power generation is performed by rotating a turbine using high-temperature exhaust gas, and thermal energy can be obtained using a heat exchanger.

이상의 본 발명에 따른 복합 발전방법에 따르면, 발전 설비로부터 배출되는 고온의 배기가스로부터 추가적인 출력과 열에너지를 수득하게 되어, 전체 발전 효율을 증가시키는 장점이 있고, 또한 고온의 배기가스의 온도를 공정 중에 낮추기 때문에, 고온의 배기가스를 대기중으로 방출하는 경우 발생할 수 있는 대기 오염의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.According to the combined power generation method according to the present invention, additional output and heat energy are obtained from the high-temperature exhaust gas discharged from the power generation facility, thereby increasing the overall power generation efficiency, and also reducing the temperature of the high-temperature exhaust gas during the process. Since it is lowered, there is an advantage of solving the problem of air pollution that may occur when high-temperature exhaust gas is discharged into the atmosphere.

이하 본 발명을 공정도를 참고하여 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 설명은 본 발명을 구체적이고 예시적으로 설명하고자 하는 것일 뿐, 이하 설명되는 내용에 의하여 본 발명이 청구하는 권리범위가 한정되어 해석되는 것을 의도하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to process diagrams. The following description is only intended to specifically and exemplarily explain the present invention, and is not intended to be construed as limiting the scope of the claims of the present invention by the contents described below.

도 2는 본 발명의 복합 발전 시스템의 일 구체예를 보여준다.Figure 2 shows one embodiment of the combined power generation system of the present invention.

도 2에서 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비(100)는 터빈(110)을 회전시켜 발전을 하고, 이로부터 배출되는 배출가스는 배열회수보일러(120)를 거치면서 열의 일부가 회수된다. 배열회수보일러(120)를 거친 배기가스는 고체산화물연료전지(200)로부터 배출되는 배기가스와 혼합지점(300)에서 혼합되면서 온도가 상승하고, 상승된 상태에서 역브레이튼 사이클 설비(400)로 도입되고, 역브레이튼 사이클 설비(400) 내에서 터빈(410)을 회전시켜 출력을 발생시키고, 열교환기(420)를 거치면서 추가적으로 열에너지가 회수된다. 그 후 수분 분리기(430)를 거치면서 배기가스 중 수분을 제거하게 되고, 팽창된 배기가스는 압축기(440)를 거쳐 대기압 상태로 대기중으로 방출되게 된다.In FIG. 2 , the power generation facility 100 discharging high-temperature exhaust gas rotates the turbine 110 to generate power, and the exhaust gas discharged therefrom passes through the waste heat recovery boiler 120 to recover some of the heat. The exhaust gas that has passed through the heat recovery boiler 120 is mixed with the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell 200 at the mixing point 300, and the temperature rises, and is introduced into the reverse Brayton cycle facility 400 in an elevated state. In the reverse Brayton cycle facility 400, the turbine 410 is rotated to generate output, and thermal energy is additionally recovered through the heat exchanger 420. Thereafter, moisture in the exhaust gas is removed while passing through the water separator 430, and the expanded exhaust gas is discharged into the atmosphere at atmospheric pressure through the compressor 440.

이하 발명의 복합 발전 시스템을 실험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실험예는 상용 소프트웨어인 Aspen hysys V10을 사용하여 수행된 시뮬레이션이고, 이하에서 한정되고 있는 구성 및 조건들은 본 발명의 복합 발전 시스템의 효과를 확인하기 위한 시뮬레이션에 도입된 예시적인 값들일 뿐, 이하에서 기재되고 있는 사항에 의하여 본 발명이 청구하고자 하는 권리범위가 한정되어 해석되는 것을 의도하는 것은 아니다.Hereinafter, the combined power generation system of the present invention will be described in more detail through experimental examples. The following experimental example is a simulation performed using Aspen hysys V10, a commercial software, and the configurations and conditions limited below are exemplary values introduced into the simulation to confirm the effect of the combined power generation system of the present invention, It is not intended that the scope of the rights to be claimed by the present invention be limited and interpreted by the matters described below.

본 실험예에서는 가스터빈 복합화력발전(Gas turbine combined cycle)(GTCC)에 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC)이 추가된 복합 발전 시스템과, GTCC+IBC 시스템에 SOFC가 추가된 복합 발전 시스템의 성능을 확인하였다. GTCC 시스템은 15MW-클래스 상업용 GT, 및 싱글-프레셔(single-pressure) HRSG가 사용되었다.In this experimental example, a combined power generation system in which an inverted Brayton cycle (IBC) is added to a gas turbine combined cycle (GTCC) and a combined power generation system in which SOFC is added to a GTCC + IBC system performance was confirmed. The GTCC system used a 15 MW-class commercial GT, and a single-pressure HRSG.

각 시스템의 구성은 도 1 및 도 2에 있다. 도 2는 수소(H2)와 천연가스(NG)로 작동한다. 도 3은 H2를 연소기와 에노드에 연료로 사용한다. 출력은 GTCC와 연료전지(SOFC)에서 생산된다. 가스터빈에서는 연소가스가 출력을 생산한다. 연료전지에서 공급된 H2는 산소 이온과 반응하여 출력을 생산한다.The configuration of each system is shown in FIGS. 1 and 2 . 2 works with hydrogen (H 2 ) and natural gas (NG). 3 uses H 2 as a fuel for the combustor and the anode. Power is produced by GTCC and fuel cell (SOFC). In a gas turbine, combustion gases produce power. H 2 supplied from the fuel cell reacts with oxygen ions to produce output.

에노드에서 배출되는 가스는 투입되는 수소에 열을 공급하기 위해 순환하며, 남은 가스는 캐소드의 배출가스와 함께 후 연소기로 공급된다. SOFC로부터 배출되는 가스는 GTCC의 배기가스에 추가된다. 상기한 바와 같이, IBC 시스템은 GTCC/SOFC의 배기가스를 대기압 이하로 팽창, 냉각, 그리고 다시 대기로 배출하는 과정에서 출력을 생산한다.The gas discharged from the anode circulates to supply heat to the input hydrogen, and the remaining gas is supplied to the post combustor together with the exhaust gas of the cathode. The gas emitted from the SOFC is added to the exhaust gas of the GTCC. As described above, the IBC system produces output in the process of expanding the exhaust gas of the GTCC/SOFC below atmospheric pressure, cooling it, and discharging it back to the atmosphere.

GTCC의 시뮬레이션은 상용 소프트웨어인 Aspen hysys V10을 사용해서 수행되었다. 대상 가스터빈은 Solar turbines의 Titan 130이다. 시뮬레이션된 디자인 성능은 레퍼런스 데이터와 비교되어 표 1에 나타내었다. The simulation of GTCC was performed using the commercial software Aspen hysys V10. The target gas turbine is a Titan 130 from Solar turbines. The simulated design performance was compared to reference data and presented in Table 1.

성분ingredient 파라미터parameter 레퍼런스
(Titan 130)
reference
(Titan 130)
시뮬레이션simulation
압축기compressor 압력비pressure ratio 17.117.1 17.117.1 입력input 입구공기 온도(℃)Inlet air temperature (℃) 1515 1515 입력input 폴리트로픽 효율(%)Polytropic efficiency (%) N/AN/A 9393 가정된 입력assumed input 연소기burner 연료 유속(kg/s)Fuel flow rate (kg/s) N/AN/A 0.860.86 계산됨calculated 연료 LHV(kJ/kg)Fuel LHV (kJ/kg) N/AN/A 4930049300 가정된 입력assumed input 터빈turbine 폴리트로픽 효율(%)Polytropic efficiency (%) N/AN/A 88.9788.97 가정된 입력assumed input 터빈배출온도(℃)Turbine discharge temperature (℃) 495495 495495 입력input 터빈입구온도(℃)Turbine inlet temperature (℃) N/AN/A 12101210 가정된 입력assumed input 터빈배출 메스플로우(kg/s)Turbine discharge mass flow (kg/s) 49.9649.96 49.9649.96 입력input 성능Performance 기계적 효율(%)Mechanical Efficiency (%) N/AN/A 97.7697.76 가정된 입력assumed input 기어박스 효율(%) Gearbox efficiency (%) N/AN/A 97.2897.28 가정된 입력assumed input 제너레이터 효율(%)Generator efficiency (%) N/AN/A 9797 가정된 입력assumed input 넷 파워(MW)Net Power (MW) 1515 1515 계산됨calculated 넷 효율(%)Net Efficiency (%) 35.235.2 35.235.2 계산됨calculated

터빈과 압축기의 효율은 터빈의 입, 출구 온도와 전체 출력을 만족하는 값으로 설정되었다. The efficiency of the turbine and compressor was set to a value that satisfies the inlet and outlet temperatures of the turbine and the total output.

하부사이클은 가스터빈과 마찬가지로 Aspen hysys를 사용하여 모델링 되었다. 그리고 디자인 성능은 온도, 유량, 압력비에 따라 계산되었다. 하부사이클의 디자인 파라미터는 표 2에 표기되어 있다. The subcycle was modeled using Aspen hysys just like the gas turbine. And the design performance was calculated according to the temperature, flow rate and pressure ratio. The design parameters of the subcycle are listed in Table 2.

성분ingredient 파라미터parameter 시뮬레이션simulation 하부사이클lower cycle 응축기condenser 압력(kPa)pressure (kPa) 44 스팀 유속(kg/s)Steam flow rate (kg/s) 100.13100.13 STST 입구 압력(kpa)Inlet pressure (kpa) 41504150 입구 온도(℃)Inlet temperature (℃) 450450 인센트로픽 효율(%)Incenttropic efficiency (%) 8989 펌프Pump 인센트로픽 효율(%)Incenttropic efficiency (%) 8080 모터 효율(%)Motor Efficiency (%) 9595 HRSGHRSG 핀치포인트 온도(℃)Pinch point temperature (℃) 1010 배출 온도(℃)Exhaust temperature (℃) 177177 GTCCGTCC 성능Performance 배출 압력(kPa)Discharge pressure (kPa) 101.5101.5 제너레이터 효율(%)Generator efficiency (%) 9797 넷 파워(MW)Net Power (MW) 20.820.8 넷 효율(%)Net Efficiency (%) 48.848.8

스팀터빈(ST)의 인센트로픽 효율은 89%이다. 하부사이클은 단일 압력 시스템으로 구성 되어 있다. HRSG의 압력 레벨에는 이코노마이저(economizer), 이베포레이터(evaporator), 슈퍼히터(superheater)가 포함되어 있다. 모든 열교환기는 향류 타입(counter flow type)으로 가정하였다. The incentropic efficiency of the steam turbine (ST) is 89%. The subcycle consists of a single pressure system. The pressure level of the HRSG includes an economizer, an evaporator and a superheater. All heat exchangers were assumed to be of counter flow type.

IBC 시스템은 GTCC에 결합되어 사용되었다. IBC 시스템은 도 3에서 확인할 수 있다. GTCC에서 배출되는 배기가스는 IBC 터빈을 통과하며 대기압 이하로 팽창된다. IBC 터빈를 통과한 가스는 열교환기를 통해 23℃로 냉각된다. 열교환기에 공급되는 냉각수는 15℃로 투입되어 80℃ 이상으로 배출된다. 일부 H2O는 응축되어 가스로부터 분리된다. 분리된 H2O는 펌프를 거쳐 대기압으로 압축되어 배출된다. H2O가 분리된 가스는 압축기를 거쳐 대기로 배출된다. IBC의 터빈과 압축기의 폴리트로픽 효율은 89%이다. 디자인 규격은 표 3에서 확인할 수 있다.The IBC system was used in conjunction with GTCC. The IBC system can be seen in FIG. 3 . Exhaust gases from the GTCC pass through the IBC turbine and are expanded below atmospheric pressure. The gas passing through the IBC turbine is cooled to 23°C through a heat exchanger. The cooling water supplied to the heat exchanger is input at 15℃ and discharged at 80℃ or higher. Some H 2 O is condensed and separated from the gas. The separated H 2 O is compressed to atmospheric pressure through a pump and discharged. The gas from which H 2 O is separated is discharged to the atmosphere through a compressor. The polytropic efficiency of IBC's turbine and compressor is 89%. Design specifications can be found in Table 3.

성분ingredient 파라미터parameter 시뮬레이션simulation 터빈turbine 폴리트로픽 효율(%)Polytropic efficiency (%) 8989 배출 압력(kPa)Discharge pressure (kPa) -- 압축기compressor 폴리트로픽 효율(%)Polytropic efficiency (%) 8989 배출 압력(kPa)Discharge pressure (kPa) 101.325101.325 성능Performance 제너레이터 효율(%)Generator efficiency (%) 9797

IBC 시스템의 각 성분들의 출력은 공급되는 가스의 유량과 스테이트간의 엔탈피의 차이로 인해 결정된다. The output of each component of the IBC system is determined by the flow rate of the supplied gas and the difference in enthalpy between states.

IBC 시스템의 전체 출력은 IBC 터빈에서 생산된 출력에서 IBC 압축기, 펌프에서 소모된 출력의 차로 계산된다. The total output of the IBC system is calculated as the difference between the output produced by the IBC turbine and the output consumed by the IBC compressor and pump.

도입 가스의 조건이 같을 때, IBC 시스템 전체 출력에 영향을 미칠 수 있는 부분은 IBC 압축기의 출력이다. 가스 내부의 수분을 얼마나 분리할 수 있는지에 대한 여부가 IBC 압축기의 출력 소모에 영향을 미친다. IBC 터빈의 팽창비는 주어진 도입 가스 조건에서 최대한 많은 수분을 분리할 수 있도록 결정된다. When the conditions of the inlet gas are the same, the part that can affect the overall output of the IBC system is the output of the IBC compressor. How much water in the gas can be separated affects the power consumption of the IBC compressor. The expansion ratio of the IBC turbine is determined to separate as much water as possible under given inlet gas conditions.

공급되는 가스 온도 상승 또는 유량 증가가 IBC 시스템의 출력에 영향을 미친다. 즉, IBC에 들어가는 배기가스에 외부로부터 에너지가 공급되거나, 외부 발전원에서 배출되는 고온의 배기가스가 공급될 경우 IBC 시스템의 출력이 증가할 수 있다.An increase in the temperature or flow rate of the supplied gas affects the output of the IBC system. That is, when energy is supplied from the outside to the exhaust gas entering the IBC, or when high-temperature exhaust gas discharged from an external power source is supplied, the output of the IBC system may increase.

연료 전지의 반응은 주어진 온도와 압력에서 깁스 프리에너지(Gibbs free energy)를 최소화하는 원리를 사용하여 계산된다. 수성가스화 반응(Water gasification reaction)은 연료전지에서 전기와 열을 생성한다. 셀스택 반응(Cell stack reaction)에서 발생하는 열의 일부는 연료 전지 스택의 작동 온도를 유지하는데 사용된다. The reaction of the fuel cell is calculated using the principle of minimizing the Gibbs free energy at a given temperature and pressure. The water gasification reaction generates electricity and heat in fuel cells. Some of the heat generated in the cell stack reaction is used to maintain the operating temperature of the fuel cell stack.

본 실험예에서는 IBC 시스템에 GTCC의 배기가스가 공급된다. 따라서 GTCC에 사용된 연료(NG(천연가스), H2)에 따른 2가지 경우의 IBC 시스템이 비교 분석되었다. NG를 연료로 사용한 케이스는 가스의 조성은 몰비율 기준 75.05% NG, 14.09% O2, 6.83% H2O, 3.14% CO2 그리고 0.89% Ar이다. H2를 연료로 사용한 경우는 73.46% N2, 14.74% O2, 10.89% H2O, 0.04% CO2 그리고 0.87%Ar의 몰비율로 구성되어 있다. IBC 시스템에 공급되는 가스의 유량은 30kg/s ~ 80kg/s, 온도는 120℃ ~ 270℃ 범위에서 분석되었다. IBC 시스템을 구성하는 성분의 (터빈, 압축기, 분리된 물) 정밀한 성능 분석을 실시하였다. 정밀한 성능 분석은 IBC 시스템으로 공급되는 가스의 온도와 유량이 IBC 터빈 출력, IBC 압축기 출력, 분리된 물 유량에 미치는 영향을 확인하는 과정(process)으로 이루어졌다. IBC 시스템의 케이스별 비교를 위해 공급되는 가스의 조건 변화에 따라 최적 성능을 얻을 수 있는 IBC 터빈의 팽창 후 압력을 적용하였다. In this experimental example, GTCC exhaust gas is supplied to the IBC system. Therefore, two cases of IBC systems according to the fuel used in GTCC (NG (natural gas), H 2 ) were compared and analyzed. In the case of using NG as fuel, the gas composition was 75.05% NG, 14.09% O 2 , 6.83% H 2 O, 3.14% CO 2 and 0.89% Ar in terms of molar ratio. When H 2 was used as fuel, the molar ratio was 73.46% N 2 , 14.74% O 2 , 10.89% H 2 O, 0.04% CO 2 and 0.87% Ar. The flow rate of the gas supplied to the IBC system was analyzed in the range of 30 kg/s to 80 kg/s and the temperature was in the range of 120 °C to 270 °C. A detailed performance analysis of the components (turbine, compressor, and separated water) of the IBC system was performed. A detailed performance analysis consisted of a process to determine the effect of the temperature and flow rate of the gas supplied to the IBC system on the IBC turbine output, the IBC compressor output, and the separated water flow rate. For the case-by-case comparison of the IBC system, the pressure after expansion of the IBC turbine, which can obtain the optimal performance according to the change in the supplied gas condition, was applied.

유량 변화에 대한 IBC 시스템 성능 변화는 180℃의 고정된 온도에서 가스의 유량만을 변화시키며 진행되었다. 가스의 유량이 바뀌는 경우에는 IBC 시스템의 최적 운전 조건(팽창 후 압력)이 변화하지 않으며, 유량 증가에 따라 분리되는 물의 양이 증가한다. H2를 연료로 사용하는 케이스는 NG를 사용하는 경우보다 평균적으로 터빈 출력이 18.4%, 압축기 소모 동력이 15.9% 높다. 유량 변화에 따른 두 케이스의 성능을 터빈출력(a), 압축기 출력(b), 분리된 물 유량(c)은 도 4에서 확인할 수 있다.The performance change of the IBC system for the flow rate change was carried out by changing only the gas flow rate at a fixed temperature of 180 °C. When the gas flow rate changes, the optimal operating condition (pressure after expansion) of the IBC system does not change, and the amount of separated water increases as the flow rate increases. Cases using H 2 as fuel have, on average, 18.4% higher turbine output and 15.9% higher compressor power consumption than cases using NG. Turbine output (a), compressor output (b), and separated water flow rate (c) of the performance of the two cases according to the flow rate change can be confirmed in FIG.

온도 변화에 대한 성능 변화는 50kg/s의 고정된 유량에서 가스의 온도만을 변수로 하여 진행되었다. 유량 변화와는 달리 온도 변화에 따라서 IBC 시스템의 최적 운전 조건(팽창 후 압력)이 변화하였다. 가스의 온도가 증가할수록 IBC 시스템의 최적 운전을 위한 IBC 터빈의 팽창 후 압력이 낮아졌다. The performance change for temperature change was carried out with only the gas temperature as a variable at a fixed flow rate of 50 kg/s. Unlike the change in flow rate, the optimum operating condition (pressure after expansion) of the IBC system changed according to the change in temperature. As the temperature of the gas increased, the pressure after expansion of the IBC turbine for optimal operation of the IBC system decreased.

IBC 터빈에서 가스를 더 낮은 압력으로 팽창시킬 경우 IBC 터빈의 출력이 증가한다. 그러나 팽창된 가스의 압력이 낮아질 경우 응결점이 낮아져 23℃에서 응축되어 분리되는 물의 유량이 감소한다. 물로 응결되지 않고 가스에 남은 H2O가 많아질수록 IBC 압축기의 소모 동력이 증가한다. 이러한 경우 IBC 압축기의 소모 동력이 IBC 터빈의 출력보다 높아지는 문제가 발생하기 때문에 팽창 가능한 압력에 제한이 있다. 그러나 동일 유량 조건에서 IBC 터빈에 공급되는 가스의 온도가 증가하면 더 낮은 IBC 터빈 이 더 낮은 압력까지 팽창할 수 있다.Expanding the gas to a lower pressure in the IBC turbine increases the output of the IBC turbine. However, when the pressure of the expanded gas is lowered, the condensation point is lowered and the flow rate of water condensed and separated at 23 ° C is reduced. The more H 2 O remaining in the gas without being condensed into water, the greater the power consumption of the IBC compressor. In this case, since the power consumption of the IBC compressor is higher than the output of the IBC turbine, there is a limit to the expandable pressure. However, at the same flow rate, if the temperature of the gas supplied to the IBC turbine increases, the lower IBC turbine can expand to a lower pressure.

이러한 특징은 H2를 연료로 사용하는 케이스에서 50kg/s의 동일한 가스 유량 조건일 때 명확하게 확인할 수 있다. 투입 온도가 120℃인 경우는 팽창 후 최적 압력이 82kPa로 2.523kg/s의 H2O가 분리되며 IBC의 출력이 0.073MWe이다. 또한 IBC 터빈에서 가스를 최대 65.38kPa까지 팽창시킬 수 있다. 온도가 270℃인 경우는 팽창 후 최적 압력이 50kPa로 1.821kg/s로 더 적은 H2O가 분리된다. 그러나 IBC의 출력은 0.89MWe로 120℃인 경우의 0.073MWe보다 12.2배 높다. 이 경우 IBC 터빈은 가스를 최대 26.51kPa까지 팽창시킬 수 있다.These characteristics can be clearly seen under the same gas flow condition of 50 kg/s in the case of using H 2 as fuel. When the input temperature is 120 ° C, the optimum pressure after expansion is 82 kPa, 2.523 kg / s of H 2 O is separated, and the output of the IBC is 0.073 MWe. It can also expand gas up to 65.38 kPa in the IBC turbine. When the temperature is 270 °C, less H 2 O is separated at 1.821 kg/s with an optimum pressure of 50 kPa after expansion. However, the output of IBC is 0.89MWe, which is 12.2 times higher than 0.073MWe at 120℃. In this case, the IBC turbine can expand the gas up to 26.51 kPa.

결과적으로 IBC 시스템에 공급되는 가스의 온도 변화는 IBC에서 추가적인 출력을 생산할 수 있는 최저 압력 및 최적 운전을 위한 압력 조건 변화로 이어진다. As a result, the change in temperature of the gas supplied to the IBC system leads to a change in the pressure condition for optimal operation and the minimum pressure that can produce additional output in the IBC.

도입 가스의 온도가 변수일 때 H2를 연료로 사용하는 케이스의 IBC 터빈의 출력이 NG를 사용하는 케이스보다 평균 터빈 출력이 22.7%, 압축기 소모 동력이 20.22% 높다. 이러한 결과는 도 5에서 확인할 수 있다. 도 5는 온도 변화에 따른 두 케이스의 성능을 터빈출력(a), 압축기 출력(b), 분리된 물 유량(c)으로 나타냈다.When the temperature of the inlet gas is a variable, the average turbine output of the IBC turbine in the case of using H 2 as fuel is 22.7% higher than that of the case of using NG, and the compressor power consumption is 20.22% higher. These results can be confirmed in FIG. 5 . 5 shows the performance of the two cases according to temperature change as turbine output (a), compressor output (b), and separated water flow rate (c).

H2를 사용하는 시스템인 경우 전반적인 IBC의 출력이 NG를 사용하는 케이스보다 높은 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 IBC 시스템으로 공급되는 가스의 H2O 비율에 의하여 발생하였다. H2를 연료로 사용할 경우 연소 후 가스의 H2O 비율이 증가하고, 그 결과 가스의 비열이 커지기 때문에 동일한 팽창과정에서 더 많은 출력이 발생하기 때문이다. 추가적으로 H2를 연료로 사용하는 시스템의 IBC 시스템은 냉각과정에서 더 많은 H2O 가 분리된 후 압축기로 들어가기 때문에 IBC 압축기 소모 동력의 증가가 크지 않다. 이러한 경향은 터빈에 대한 압축기의 출력 비율을 통해 확인할 수 있다. 유량을 변수로 사용한 비교에서는 NG를 사용하는 케이스에서 평균 88.5%, H2를 사용하는 케이스에서 평균 86.4%이다. 온도를 변수로 사용한 비교에서는 NG를 사용하는 케이스에서 평균 87.34%이나, H2를 사용하는 케이스에서는 평균 85.6%이다.In the case of a system using H 2 , it can be seen that the overall IBC output is higher than that of the case using NG. This difference was caused by the H 2 O ratio of the gas supplied to the IBC system. This is because when H 2 is used as a fuel, the H 2 O ratio of the gas after combustion increases, and as a result, the specific heat of the gas increases, so more output is generated during the same expansion process. In addition, in the IBC system of a system using H 2 as a fuel, the increase in power consumption of the IBC compressor is not large because more H 2 O is separated in the cooling process and then enters the compressor. This trend can be confirmed through the ratio of the output of the compressor to the turbine. In comparison using the flow rate as a variable, the average was 88.5% in the case of using NG and 86.4% in the case of using H 2 . In comparison using temperature as a variable, the average was 87.34% in the case using NG, but the average was 85.6% in the case using H 2 .

GTCC+IBC 시스템의 성능 비교는 표 1과 표 2에 나타내어진 디자인 조건(TIT, PR, temperature conditions)에서 수행되었다. 연료에 따른 GTCC의 성능을 표 4에서 확인할 수 있다. The performance comparison of the GTCC+IBC system was performed under the design conditions (TIT, PR, temperature conditions) shown in Tables 1 and 2. The performance of GTCC according to fuel can be seen in Table 4.

NGNG H2 H2 GT
성능
GT
Performance
연료 유속(kg/s)Fuel flow rate (kg/s) 0.860.86 0.360.36
연료 LHV(kJ/kg)Fuel LHV (kJ/kg) 4930049300 120000120000 연소온도(℃)Combustion temperature (℃) 11771177 11771177 배출온도(℃)Discharge temperature (℃) 495495 488.5488.5 터빈배출매스 플로우(kg/s)Turbine exhaust mass flow (kg/s) 49.9649.96 49.4649.46 넷 파워(MW)Net Power (MW) 1515 15.415.4 넷 효율(%)Net Efficiency (%) 35.235.2 35.7635.76 GTCC
성능
GTCC
Performance
배출 온도(℃)Exhaust temperature (℃) 177177 179.18179.18
넷 파워(MW)Net Power (MW) 20.820.8 21.121.1 넷 효율(%)Net Efficiency (%) 48.848.8 4949

디자인 조건에서 NG를 연료로 사용하는 GTCC 시스템에서는 IBC로 공급되는 가스의 온도, 유량이 각각 177℃, 49.96kg/s이며, H2를 연료로 사용하는 경우는 179.18℃, 49.46kg/s이다. In the GTCC system using NG as fuel under the design conditions, the temperature and flow rate of the gas supplied to the IBC are 177 °C and 49.96 kg/s, respectively, and in the case of using H 2 as fuel, they are 179.18 °C and 49.46 kg/s.

최적 운전 조건(IBC 터빈 출구 압력)을 찾기 위해서는 IBC 터빈 출력, 물 분리에 따른 IBC 압축기 소모 동력 변화를 모두 고려해야 한다. NG를 사용하는 케이스는 GTCC와 결합한 IBC 시스템에서 50kPa 이상의 압력부터 추가적인 출력이 발생하였다. 71kPa의 압력에서 가장 높은 출력과 효율을 얻을 수 있다. IBC 시스템에서 발생한 출력은 0.22MWe이며, 전체 시스템 효율은 0.5%p 증가한다. H2를 사용하는 케이스는 IBC 시스템에서 43.9kPa 이상의 압력부터 출력이 발생하였다. 최대 출력과 효율은 66kPa에서 달성할 수 있으며, 0.32MWe의 출력이 발생한다. 전체 시스템 효율은 0.7%p 상승한다. 최적점에서의 GTCC+IBC 시스템의 비교는 표 5에서 확인할 수 있다. In order to find the optimal operating condition (IBC turbine outlet pressure), both the IBC turbine output and the change in power consumption of the IBC compressor due to water separation must be considered. In the case of using NG, additional output was generated from the pressure of 50 kPa or more in the IBC system combined with GTCC. The highest output and efficiency can be obtained at a pressure of 71 kPa. The output generated by the IBC system is 0.22MWe, and the overall system efficiency increases by 0.5%p. In the case of using H 2 , output occurred from a pressure of 43.9 kPa or higher in the IBC system. Maximum power and efficiency can be achieved at 66 kPa, resulting in an output of 0.32 MWe. Overall system efficiency rises by 0.7%p. A comparison of the GTCC+IBC system at the optimal point can be found in Table 5.

케이스case NGNG H2 H2 시스템system GTCCGTCC GTCC+IBCGTCC+IBC GTCCGTCC GTCC+IBCGTCC+IBC GTCCGTCC 20.820.8 20.820.8 21.121.1 21.121.1 IBCIBC 0.220.22 0.320.32 gun 20.820.8 21.0221.02 21.121.1 21.4221.42 효율efficiency 48.848.8 49.349.3 4949 49.749.7

최적의 운전점에서 H2를 사용하는 IBC 시스템의 출력이 NG 보다 45.45% 더 높으며 터빈에 대한 압축기의 출력 비율은 H2에서 86.59%, NG에서 88.72%이다. H2를 사용하는 케이스의 IBC 시스템의 출력은 GTCC의 출력 대비 1.5%이다. 수소를 사용하는 GTCC+IBC 시스템은 GTCC에 비해 1.52% 향상된 출력을 가진다. 도 6에서 연료 및 IBC 터빈 출구 압력에 따른 GTCC+IBC 시스템의 성능을 비교하였다.At the optimal operating point, the output of the IBC system using H2 is 45.45% higher than that of NG, and the ratio of compressor to turbine output is 86.59% for H2 and 88.72% for NG. The output of the IBC system in the case of using H 2 is 1.5% of the output of GTCC. The GTCC+IBC system using hydrogen has a 1.52% increase in output compared to GTCC. In Figure 6, the performance of the GTCC + IBC system according to fuel and IBC turbine outlet pressure was compared.

GTCC+IBC 시스템은 H2를 연료로 사용하고 326.7℃의 배기가스를 배출하는 SOFC와복합된 사이클을 구성할 수 있다. GTCC의 배기가스를 IBC에 투입하는 GTCC+IBC 시스템에 SOFC의 배기가스를 추가한다. GTCC+SOFC+IBC 시스템에서는 GTCC의 배기가스에 SOFC의 배기가스가 추가되어 IBC로 공급된다. SOFC는 셀의 스택 숫자로 플랜트의 사이즈를 결정하며, 시스템 효율과 배기가스 온도는 사이즈와 무관하게 일정하다. 본 연구에서는 SOFC의 사이즈에 따른 GTCC+SOFC+IBC 시스템의 성능 변화를 분석하였으며, 시스템은 H2를 연료로 사용한다. 1MWe ~ 50MWe 사이즈의 SOFC가 사용되었다.The GTCC+IBC system can configure a combined cycle with SOFC that uses H 2 as fuel and emits 326.7°C exhaust gas. SOFC exhaust is added to the GTCC+IBC system, which feeds GTCC exhaust to the IBC. In the GTCC+SOFC+IBC system, SOFC exhaust gas is added to GTCC exhaust gas and supplied to the IBC. SOFC determines the size of the plant by the number of stacks of cells, and the system efficiency and exhaust gas temperature are constant regardless of the size. In this study, the performance change of the GTCC+SOFC+IBC system according to the size of the SOFC was analyzed, and the system uses H 2 as fuel. SOFCs ranging in size from 1 MWe to 50 MWe were used.

SOFC의 배기가스 온도(326.7℃)가 GTCC의 배기가스 온도(179.18℃)보다 높기 때문에 GTCC+SOFC+IBC 시스템에서 IBC로 공급되는 도입 가스의 온도는 GTCC+IBC 시스템에서보다 높다. 또한 IBC로 공급되는 도입 가스의 유량이 증가한다. GTCC의 배기가스는 항상 일정하나, SOFC의 사이즈에 따라 추가되는 배기가스의 유량이 변화한다. SOFC 사이즈가 증가하면 IBC로 투입되는 가스의 온도와 유량이 증가한다. 공급되는 가스의 유량 증가는 IBC 시스템의 출력 증가에 영향을 미친다. SOFC 배기가스 유량 증가는 IBC 시스템으로 공급되는 가스의 온도를 증가시키고 IBC 터빈이 더 낮은 압력까지 팽창할 수 있도록 한다. 또한 GTCC+SOFC+IBC 시스템의 최적 운전점 압력이 낮아진다. 이러한 경향은 도 7에서 확인할 수 있다. Since the exhaust gas temperature of SOFC (326.7 °C) is higher than that of GTCC (179.18 °C), the temperature of the inlet gas supplied to the IBC in the GTCC+SOFC+IBC system is higher than that in the GTCC+IBC system. Also, the flow rate of the inlet gas supplied to the IBC increases. The exhaust gas of the GTCC is always constant, but the flow rate of the exhaust gas added varies according to the size of the SOFC. As the SOFC size increases, the temperature and flow rate of the gas introduced into the IBC increase. An increase in the flow rate of the supplied gas affects the increase in output of the IBC system. Increasing the SOFC exhaust gas flow rate increases the temperature of the gas supplied to the IBC system and allows the IBC turbine to expand to a lower pressure. In addition, the optimal operating point pressure of the GTCC+SOFC+IBC system is lowered. This trend can be confirmed in FIG. 7 .

SOFC 사이즈에 따른 5개 케이스에서 IBC 시스템 활용을 위한 최저 압력 제한이 모두 다르다. 최저 압력은 SOFC의 사이즈가 증가할수록 작아졌다. 표 6에서 5개 케이스의 최적 운전점들을 정리하였다.In the five cases according to the SOFC size, the minimum pressure limit for IBC system utilization is all different. The minimum pressure decreased as the size of the SOFC increased. Table 6 summarizes the optimal operating points of the five cases.

H2+SOFC+IBCH 2 +SOFC+IBC SOFC (MW)SOFCs (MW) 1One 55 1515 2525 5050 GTCC(MW)GTCC(MW) 21.121.1 21.121.1 21.121.1 21.121.1 21.121.1 IBC(MW)IBC(MW) 0.40250.4025 0.71990.7199 1.5961.596 2.5292.529 4.8014.801 넷 파워(MW)Net Power (MW) 22.61622.616 26.82926.829 37.72637.726 48.65948.659 76.02176.021 넷 효율(%)Net Efficiency (%) 50.0350.03 50.9550.95 52.552.5 53.4553.45 54.6554.65 IBC 압력(kPa)IBC pressure (kPa) 6464 5959 5454 5252 5050

SOFC 사이즈의 증가에 비례하여 전체 시스템의 출력과 효율이 상승함을 확인할 수 있다. 도 8에서 표 5의 데이터를 그래프로 나타냈다. SOFC는 현재 기술적 한계로 인해 대규모 플랜트 구성이 어렵기 때문에 GT와 동일한 사이즈인 15MWe까지를 최대 사이즈로 가정하였다. 15MWe를 초과하는 SOFC로 구성된 GTCC+SOFC+IBC 시스템은 점선으로 표기하였다. It can be seen that the output and efficiency of the entire system increase in proportion to the increase in the size of the SOFC. In FIG. 8, the data in Table 5 was graphically shown. Since SOFC is currently difficult to construct a large-scale plant due to technical limitations, up to 15 MWe, which is the same size as GT, was assumed as the maximum size. The GTCC+SOFC+IBC system composed of SOFC exceeding 15 MWe is marked with a dotted line.

본 실험예에 따른 실험의 결과를 정리하면 다음과 같다.The results of the experiment according to this experimental example are summarized as follows.

(1) IBC 시스템에 H2와 NG의 연소 후 가스를 공급할 때, 가스의 유량을 50kg/s로 고정하고 온도를 120℃ ~ 270℃ 사이로 변화시킬 때는 H2 를 사용하는 케이스의 IBC 시스템 출력이 평균적으로 45.23% 높다. 가스의 온도를 180℃로 고정시키고 유량을 30kg/s ~ 80kg/s로 변화시킬 경우 H2-연소 케이스 IBC 시스템 출력이 평균 38.14% 높다. 연료 종류에 따른 IBC 시스템 성능 계산 결과에 기초하여 IBC이 수소를 사용하는 시스템에서 넓은 범위의 유량과 온도 조건에서 활용될 수 있다.(1) When gas is supplied to the IBC system after combustion of H 2 and NG, when the gas flow rate is fixed at 50 kg/s and the temperature is changed between 120℃ and 270℃, the IBC system output of the case using H 2 is On average, it is 45.23% higher. When the gas temperature is fixed at 180 °C and the flow rate is varied from 30 kg/s to 80 kg/s, the output of the H 2 -combustion case IBC system is 38.14% higher on average. Based on the calculation results of the IBC system performance according to the fuel type, IBC can be used in a wide range of flow rate and temperature conditions in a system using hydrogen.

(2) H2를 연료로 사용하는 GTCC+IBC 시스템은 H2-연소 GTCC에 비해 1.52% 높은 출력을 가지며, NG-연소 GTCC+IBC 시스템에 비해 출력이 1.9%, 효율이 1% 향상된다. 그러나 이러한 GTCC와 IBC의 단순 결합으로는 시스템의 출력, 효율의 상승이 크지 않다. 외부 발전원에서 배출되는 고온의 가스를 GTCC+IBC 시스템에 공급하여 복합 사이클을 구성하는 경우 더 높은 효율의 시스템 구성이 가능하다. (2) The GTCC+IBC system using H 2 as fuel has 1.52% higher output than the H 2 -combustion GTCC, and the output and efficiency are improved by 1.9% and 1% compared to the NG-combustion GTCC+IBC system. However, the simple combination of GTCC and IBC does not significantly increase the output and efficiency of the system. When a combined cycle is configured by supplying high-temperature gas discharged from an external power source to the GTCC+IBC system, a higher efficiency system configuration is possible.

(3) GTCC+IBC 시스템에 고온의 가스를 배출하는 SOFC를 추가하여 GTCC+SOFC+IBC 시스템을 구성할 경우 효과적인 복합 사이클을 만들 수 있다. SOFC에서 배출되는 고온의 가스는 IBC 시스템에 공급되는 가스의 온도와 유량을 상승시켜 더 높은 출력을 만들 수 있게 한다. 높은 효율의 IBC는 복합 사이클의 시너지를 발생시킨다. IBC 시스템에 의한 SOFC와 GTCC의 복합 사이클 시너지 발생 여부는 동일한 사이즈의 SOFC와 GTCC가 결합된 케이스에서 확인할 수 있다. 수소를 사용하는 15MWe SOFC의 효율은 52.16%이며 15MWe GTCC의 효율은 49.3%이다. IBC 가 사용되지 않은 GTCC+SOFC의 단순 결합은 52.16%와 49.3% 사이에 위치해야 하나, GTCC+SOFC+IBC 시스템의 효율은 52.5%이다. 즉, IBC 시스템을 사용하여 GTCC와 다른 발전원의 효과적인 복합 사이클 구성이 가능하다.(3) When a GTCC+SOFC+IBC system is configured by adding a SOFC that discharges high-temperature gas to the GTCC+IBC system, an effective combined cycle can be created. The high-temperature gas discharged from the SOFC raises the temperature and flow rate of the gas supplied to the IBC system, enabling higher output. The high-efficiency IBC generates synergies of multiple cycles. Whether the combined cycle synergy of SOFC and GTCC is generated by the IBC system can be confirmed in the case where SOFC and GTCC of the same size are combined. The efficiency of 15 MWe SOFC using hydrogen is 52.16% and that of 15 MWe GTCC is 49.3%. A simple combination of GTCC+SOFC without IBC should be between 52.16% and 49.3%, but the efficiency of the GTCC+SOFC+IBC system is 52.5%. That is, it is possible to configure an effective combined cycle of GTCC and other power sources using the IBC system.

100...................발전 설비
110...................발전 설비의 터빈
120...................배열회수 보일러
200...................고체산화물 연료전지
300...................혼합지점
400...................역브레이튼 사이클 설비
410 ..................역브레이튼 사이클 설비의 터빈
420...................열교환기
430...................물 분리기
440...................역브레이튼 사이클 설비의 압축기
100............Power plant
110........... Turbines in power plants
120........... Heat recovery boiler
200............Solid oxide fuel cell
300........mix point
400............... Reverse Brayton Cycle Facility
410 ..................Turbine in a reverse Brayton cycle plant
420...........Heat exchanger
430............ Water Separator
440........Compressor of reverse Brayton cycle plant

Claims (14)

수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비; 및
상기 발전 설비로부터 배출되는 수분을 포함하는 고온의 배기가스가 도입되는 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC) 설비;를 포함하는 복합 발전 시스템.
Power generation facilities that discharge high-temperature exhaust gas containing moisture; and
A combined power generation system comprising: an inverted Brayton cycle (IBC) facility into which high-temperature exhaust gas containing moisture discharged from the power generation facility is introduced.
제1항에 있어서, 상기 복합 발전 시스템은 수분을 포함하는 고온의 배기가스가 역브레이튼 사이클 설비로 도입되기 전, 배기가스의 온도를 증가시키는 승온 설비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
The combined power generation system according to claim 1, wherein the combined power generation system further comprises a temperature raising facility for increasing the temperature of the exhaust gas before the high-temperature exhaust gas containing moisture is introduced into the reverse Brayton cycle facility.
제1항에 있어서, 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 가스터빈 복합화력발전(Gas turbine combined cycle)(GTCCC) 설비인 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
The combined power generation system according to claim 1, wherein the power generation facility discharging high-temperature exhaust gas containing moisture is a gas turbine combined cycle (GTCCC) facility.
제1항에 있어서, 상기 발전 설비는 배기가스를 배출하기 전에 배기가스를 처리하는 배열회수보일러(HRSG)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
The combined power generation system according to claim 1, wherein the power generation facility further comprises a heat recovery boiler (HRSG) that treats the exhaust gas before discharging it.
제2항에 있어서, 상기 승온 설비는 상기 발전 설비의 배기가스보다 높은 온도의 배기가스를 배출하는 발전 설비인 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
The combined power generation system according to claim 2, wherein the temperature raising facility is a power generation facility that discharges exhaust gas having a higher temperature than the exhaust gas of the power generation facility.
제1항에 있어서, 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 원료로 천연가스 또는 수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
The combined power generation system according to claim 1, wherein the power generation facility discharging the high-temperature exhaust gas containing moisture uses natural gas or hydrogen as a raw material.
제1항에 있어서, 상기 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC) 설비는 고온의 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전을 수행하고, 열교환기를 이용하여 열 에너지를 얻는 것을 특징으로 하는 복합 발전 시스템.
The combined power generation according to claim 1, wherein the inverted Brayton cycle (IBC) facility generates power by rotating a turbine using high-temperature exhaust gas and obtains thermal energy using a heat exchanger. system.
수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배기가스를 수득하는 단계; 및
상기 수득된 배기가스를 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC)로 도입하는 단계;를 포함하는 복합 발전방법.
obtaining exhaust gas from a power plant that discharges high-temperature exhaust gas containing moisture; and
A combined power generation method comprising: introducing the obtained exhaust gas into an inverted Brayton cycle (IBC).
제8항에 있어서, 상기 수득된 배기가스가 역브레이튼 사이클로 도입되기 전, 배기가스의 온도를 승온시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전방법.
The combined power generation method according to claim 8, further comprising raising the temperature of the exhaust gas before the obtained exhaust gas is introduced into the reverse Brayton cycle.
제8항에 있어서, 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 가스터빈 복합화력발전(Gas turbine combined cycle)(GTCCC) 설비인 것을 특징으로 하는 복합 발전방법.
The combined power generation method according to claim 8, wherein the power generation facility discharging the high-temperature exhaust gas containing moisture is a gas turbine combined cycle (GTCCC) facility.
제8항에 있어서, 상기 발전 설비는 배기가스를 배출하기 전에 배열회수보일러(HRSG)로 배기가스를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전방법.
The combined power generation method according to claim 8, wherein the power generation facility includes a step of treating the exhaust gas with a heat recovery boiler (HRSG) before discharging the exhaust gas.
제9항에 있어서, 상기 배기가스의 온도를 승온시키는 단계는 상기 배기가스를 상기 발전 설비의 배기가스보다 높은 온도의 배기가스를 배출하는 발전 설비로부터 배출되는 배기가스와 혼합하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 복합 발전방법.
The method of claim 9, wherein the step of raising the temperature of the exhaust gas is performed by mixing the exhaust gas with exhaust gas discharged from a power generation facility that discharges exhaust gas having a higher temperature than that of the exhaust gas of the power generation facility. Characterized by a complex power generation method.
제8항에 있어서, 상기 수분을 포함하는 고온의 배기가스를 배출하는 발전 설비는 원료로 천연가스 또는 수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 발전방법.
The combined power generation method according to claim 8, wherein the power generation facility discharging the high-temperature exhaust gas containing moisture uses natural gas or hydrogen as a raw material.
제8항에 있어서, 상기 역브레이튼 사이클(Inverted Brayton cycle)(IBC) 설비는 고온의 배기가스를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전을 수행하고, 열교환기를 이용하여 열 에너지를 얻는 것을 특징으로 하는 복합 발전방법.
The combined power generation according to claim 8, wherein the inverted Brayton cycle (IBC) facility generates power by rotating a turbine using high-temperature exhaust gas and obtains thermal energy using a heat exchanger. method.
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KR20000021120A (en) 1998-09-25 2000-04-15 윤덕용 Ultra low temperature freezer using reverse brayton cycle
KR20200014754A (en) 2017-04-24 2020-02-11 히에타 테크놀로지스 리미티드 Turbine for use with at least two working fluids

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20000021120A (en) 1998-09-25 2000-04-15 윤덕용 Ultra low temperature freezer using reverse brayton cycle
KR20200014754A (en) 2017-04-24 2020-02-11 히에타 테크놀로지스 리미티드 Turbine for use with at least two working fluids

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