KR20230169286A - 수소 및 산소로부터의 전기 에너지 생성 - Google Patents

수소 및 산소로부터의 전기 에너지 생성 Download PDF

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KR20230169286A
KR20230169286A KR1020237038820A KR20237038820A KR20230169286A KR 20230169286 A KR20230169286 A KR 20230169286A KR 1020237038820 A KR1020237038820 A KR 1020237038820A KR 20237038820 A KR20237038820 A KR 20237038820A KR 20230169286 A KR20230169286 A KR 20230169286A
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카르슈텐 그레버
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지멘스 에너지 글로벌 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1) 및 방법에 관한 것이며, 이러한 방법 및 장치는 내연 기관(2), 특히 가스 터빈, 내연 기관(2)의 폐가스 채널(3)에 연결되는 폐열 증기 발생기(4)를 포함하고, 폐열 증기 발생기(4)는 하나의 압력단(5)만 포함한다. 본 발명에 따라, 폐열 증기 발생기(4)로부터의 증기(7), 물(31), 산소(8) 및 수소(9)가 공급 가능한 H2-O2 반응기(6)가 더 제공됨으로써, H2-O2 반응기(6) 내에서는 유입된 물(31)이 증발되는, 수증기(10)를 형성하는 산소(8)와 수소(9)의 반응이 달성 가능하고, 추가의 수증기가 생성 가능하고, 이를 통해 초래되는 강하게 과열된 수증기(10)는 증기 터빈(11)에 공급 가능하고, 증기 터빈(11)에 이어지는 발전기(12)를 통해 전력이 제공 가능하고, H2-O2 반응기(6) 내의 의도한 대로의 반응 제어를 위하여 그리고 H2-O2 반응기로부터의 증기 배출 온도의 설정을 위하여 고압 급수(14)가 라인(19)에 의해 폐열 증기 발생기(4)로부터 H2-O2 반응기(6) 내로 주입 가능하다.

Description

수소 및 산소로부터의 전기 에너지 생성
본 발명은, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 발전소들에서는 석탄 또는 탄화수소와 같은 화석 연료들이 연소됨으로써, 이산화탄소(CO2)가 대기 중으로 방출된다. 국제적으로, 종래의 발전소들을 미래에 청정 발전소들로 교체하는 것이 그 간의 정치적 목표이며, 이러한 청정 발전소들은 가장 양호하게는 연소 생성물로서 CO2를 전혀 포함하지 않고, 예를 들어 질소 산화물과 같은 여타 배출물들도 없어야 한다.
이 경우, 수소의 연소 시에는 반응 생성물로서 이산화탄소(CO2)가 생성되지 않기 때문에 수소(H2)가 개발의 핵심이다. 그러나, 수소가 실질적으로 CO2 중립인 연료로서 간주될 수 있는지 여부는 생성 유형에 따라 다르다. 재생 가능 에너지로부터 생산된 전기를 이용한 물 전기 분해에 의해 생성되는 수소는 CO2 배출물들이 없이 이루어지고, 통상적으로 녹색 수소라고 불린다. CO2 중립 수소의 생성은 어떤 경우에도 복잡하고 비싸다.
수소는 예를 들어 암모니아 합성 및 후속 비료 생산에서와 같은 대안적인 시나리오들에서도 필요하다. CO2 중립 수소에 대한 수요는 높으며, 미래에 계속 증가할 것이다. 반면에 공급은 부족하며, 미래에도 부족한 재화가 될 것이다. 전기 에너지의 생성을 위해 수소를 사용하는 발전소는 경제적으로 작동될 수 있도록 하기 위해 높은 효율을 가져야 할 것이다.
미래에는 실질적으로 태양, 바람과 같은 재생 가능한 자원으로부터 전기 에너지가 생산되게 될 것으로 예상된다. 이 경우, 종래 방식의 발전소들은 특히, 재생 가능한 에너지가 충분한 양으로 이용 가능하지 않을 때에 여전히 사용되어야 할 것이다. 종래 방식의 발전소에 있어서, 이는 가능한 작동 시간의 수가 심각하게 제한될 것이라는 것을 의미한다. 결과적으로, 그러한 발전소는 저렴한 개별 투자 비용을 위해 수요가 있을 것이다.
전력 생성을 위해 수소나 수소 및 천연 가스의 혼합물이 공기와 함께 연소되는, 예를 들어 가스 터빈들 또는 가스 엔진들과 같은 내연 기관들이 이미 공지되어 있다. 이러한 내연 기관들에 의해서는, 종래 방식의 수증기 회로들에 의하여 내연 기관의 폐가스 열도 사용하는 발전소 개념들도 구현 가능하다. 그러나, 현재는 순수 천연 가스 연소식 가스- 및 증기 발전소들에 비해 효율이 더 낮다.
수소의 사용을 통해 전기 에너지가 생성되는 연료 전지들도 공지되어 있다. 그러나, 현재는 연료 전지들이 내연 기관들에 비해 매우 높은 개별 투자 비용을 갖는다. 이것이 미래에 변화할 것으로 예상되지도 않는다. 내연 기관들에 비해 상대적으로 더 높은 효율은 아마도 망 결합식 발전 설비들에서는, 경제성을 갖추기에는 작동 시간이 너무 적기 때문에 중요하지 않을 것이다.
본 발명의 과제는, 매우 높은 효율을, 이와 동시에 매우 낮은 개별 투자 비용과 연결시키고, 실질적으로 배출물이 없고, 유연하게 사용 가능한, 녹색 에너지 생성 개념을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
장치와 관련한 본 발명의 과제는 청구항 제1항의 특징들을 통해 해결된다.
수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 본 발명에 따른 장치는 내연 기관, 특히 가스 터빈, 및 내연 기관의 폐가스 채널에 연결되고 하나의 압력단만 포함하는 폐열 증기 발생기를 포함한다. 본 발명에 따라, 폐열 증기 발생기로부터의 증기, 물, 산소 및 수소가 공급 가능한 H2-O2 반응기가 더 제공됨으로써, H2-O2 반응기 내에서는 유입된 물이 증발되는, 수증기를 형성하는 산소와 수소의 반응이 달성 가능하고, 추가의 수증기가 생성 가능하고, 이를 통해 초래되는 강하게 과열된 수증기가 증기 터빈에 공급 가능하고, 증기 터빈에 이어지는 발전기를 통해 전력이 제공 가능하고, H2-O2 반응기 내의 의도한 대로의 반응 제어를 위하여 그리고 H2-O2 반응기로부터의 증기 배출 온도의 설정을 위하여 고압 급수(14)가 라인에 의해 폐열 증기 발생기로부터 H2-O2 반응기 내로 주입 가능하다.
이 경우, 본 발명은 종래 방식의 가스 터빈이나 가스 엔진 그리고 종래 방식의 폐열 증기 발생기를 사용한다는 고려 사항을 기반으로 한다. 이 경우, 내연 기관은 전적으로 수소에 의해 또는 부분적으로 수소 및 천연 가스에 의해 연소될 수 있다. 폐열 증기 발생기는 하나의 압력단만 포함하고, 이에 따라 하나의 압력 수준만 갖는다. 이러한 폐열 증기 발생기는, 적당하게 과열된 증기만 생성되거나 마찬가지로 포화 증기만 생성되도록 구성된다.
본 발명에 따라, 폐열 증기 발생기를 통해 제공되는 수증기 분위기 내에서 수소와 산소를 반응시키는 H2-O2 반응기가 더 제공된다. 이러한 반응은 연소 생성물, 즉 수증기를 야기한다. 이에 따라, 폐열 증기 발생기의 수증기 회로 내에서 순환 매체와 연소 생성물은 동일한 유형이다.
본 발명은, 하나의 압력 수준에서 약간 과열된 증기를 제공하는 종래 방식의 폐열 증기 발생기 및 종래 방식의 가스 터빈이 H2-O2 반응기와 함께, 강하게 과열된 증기가 생성될 수 있도록 하는 동시에, 폐가스 열이 이상적으로 활용될 수 있다는 것을 특별한 방법 및 방식으로 인식한다. 높은 압력 및 온도가 가해지는, 수소 및 산소의 반응 시에 생성된 수증기는 수증기 회로 내에 유입되고, 응축기 내에서 규정되는 수준에 이르기까지 순환 매체로서 활용될 수 있다.
연료로서의 수소를 통해 천연 가스가 단지 부분적으로 대체될 때, 본 발명은 수소가 최대의 이익을 갖는 곳에 수소를 사용하는 것을 가능하게 한다. 수증기 회로 내에서의 수소의 사용을 통해, 이러한 연료 질량 흐름과 관련된 효율은 가스 터빈 내에서의 사용에 비하여 매우 현저하게 향상될 수 있다.
H2-O2 반응기의 작동 시에는, 특히 수소, 그리고 약간 더 적은 정도로 산소의 가능한 한 완전한 변환에 유의해야 한다. 수소는 수소 취성을 통해, 증기 터빈 내에 사용되는 재료의 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 부식을 야기할 수 있다. 수소의 가능한 한 완전한 변환을 보장하기 위해, 장치는 바람직하게는 일정 과량의 산소가 존재하도록 제어된다. 경우에 따라 과잉되는 산소는 바람직하게는 수증기 회로의 응축기에서 진공 시스템에 의해 토출되어 나올 수 있다. 대안적으로, 수증기 회로의 다른 영역들 내의 산소를 실질적으로 방지하기 위해, 예를 들어 멤브레인 탈기 장치와 같은 여타 조치들을 통해서도 과잉 산소가 제거될 수 있다. 특히, 폐열 증기 발생기 상류에 저온 급수를 위한 예열 구간이 연결되는 경우, 이러한 영역에서도 회로로부터 응축 불가능한 가스를 제거할 필요성이 존재한다.
H2-O2 반응기 내의 반응을 의도한 대로 제어하기 위하여, 폐열 증기 발생기로부터의 급수가 라인에 의해 H2-O2 반응기 내로 주입 가능하다. 급수의 주입을 통해서는 H2-O2 반응기 내의 반응이 의도한 대로 영향을 받을 수 있다. 이를 통해, 예를 들어 역화(flashback)가 방지될 수 있고, 반응기의 배출부에서의 증기 온도가 의도한 대로 설정될 수 있다. 이를 위해, 급수는 적절한 위치(예를 들어, 수소 및 산소의 반응 구역들, 또는 반응기의 배출부에 있는 혼합 구간)에서 H2-O2 반응기 내에 주입된다. 급수는 폐열 증기 발생기로부터의, 바람직하게는 절탄기의 배출부로부터의 고압 급수이다.
출력 향상을 목적으로, 폐열 증기 발생기의 상류에서 추출되는 저온 급수를 혼합하는 것도 바람직할 수 있다. 이에 따라, 저온 급수는 특히, 발전소 구성, 예를 들어 필요한 생증기 매개변수들에 따라 가스 터빈 폐가스의 폐열이 이미 최적으로 활용되었으며, 추가의 열이 이용 불가능하지만, 상응하게 추가 상승된 증기 터빈 출력이 요구될 때 바람직하다. 저온 급수의 혼합은 효율에 부정적인 영향을 미치지만, 이는 개별 투자 비용의 절감을 위해 감수된다.
폐열 증기 발생기는 예를 들어 자연 순환식 유형으로서 또는 강제 순환식 유형으로서도 구성될 수 있다. 후자는 특히 증발 압력이 매우 높을 때 향상된 설비 유연성(예를 들어, 단축된 시동 시간)을 약속한다.
설비의 효율을 향상시키기 위해, 증기 터빈에 하나 이상의 탭이 사용될 수 있으며, 이러한 탭은 응축수 및/또는 급수를 상응하는 열 교환기에 의하여 저품질 증기로 가열하고, 이에 따라 더 많은 고품질 증기를 폐열 증기 발생기 내에 그리고/또는 H2O2 반응기 내에 생성하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 특수한 일 개선예에서는, 열 교환기로서 형성된 열 제거기가 응축기의 상류에 결합된다. 이 경우, 열 제거기는 열 흡수를 위하여 1차측에서, 증기 터빈과 증기 터빈 하류에 연결된 응축기 사이의 증기 라인에 연결된다. 열 방출을 위하여, 열 제거기는 2차측에서, 폐열 증기 발생기 내에서 예열되지 않은 추가 급수를 H2-O2 반응기 내로 공급하기 위한 라인에 연결된다. 열 제거기는, H2-O2 반응기에 의해 예를 들어 1300℃ 및 150bar의 압력의 매우 높은 생증기 매개변수들이 생성될 때 필요하다. 이때, 증기 터빈의 배출부에는, 응축기 내에서 응축되기 이전에 열 제거기를 통해 열 제거되는 여전히 강하게 과열된 증기가 위치한다. 선택된 생증기 압력 및 생증기 온도가 매우 높은 경우, 폐열 증기 발생기를 자연 순환식 (드럼) 보일러로서 형성하는 대신에 강제 순환식 보일러로서 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
바람직하게, 폐열 증기 발생기 내의 증발 압력은, H2-O2 반응에 의해 설정된 생증기 온도에 따라 증기 터빈의 배출부에서의 습기가 방지 가능할 정도의 높이로만 설정된다. 폐열 증기 발생기 내의 과열은, 추가적인 증발기 압력단들 없이 폐가스 열이 최적으로 활용될 정도의 높이로만 선택된다. 폐가스 열의 최적의 활용에 초점이 맞춰지는 동시에, 가능한 한 간단하고 비용 효율적인 개념이 구현되어야 하기 때문에, H2-O2 반응에 의해 설정된 생증기 온도에 따른 증발 압력은, 증기 터빈의 배출부에서의 중간 과열 없이도 각각의 응축기 압력에서 블레이드 침식을 야기하는 습기 문제가 존재하지 않을 정도의 높이로만 선택된다.
본 발명의 바람직한 추가의 일 실시예는, H2-O2 반응기의 상류에 연결되는 전기 작동식 과열기를 더 포함하고, 이러한 전기 작동식 과열기를 통하여 H2-O2 반응기의 비작동 시에 증기의 생증기 온도는, 증기 터빈의 배출부에 습기가 방지될 정도로 상승될 수 있다. 현재 아직 불충분한 수소 인프라와 그로부터 초래될 수도 있는 수소 공급 병목 현상을 고려할 때, 수소/산소 공급 없이도 H2-O2 반응기의 지속 작동이 보장되는 선택 사항이 회로 내에 제공되는 경우가 바람직할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 개선예에서, 폐열 증기 발생기는, 제1 증발기와 제2 증발기를 형성하는 가열면들, 및 제1 과열기를 형성하는 가열면들을 포함하고, 제1 과열기는 제1 증발기 및 제2 증발기의 가열면들 사이에 배열되므로, 가스 터빈의 시동 시 지연 가능성이 방지된다. 이는, 폐열 증기 발생기가 무압이고, 과열기가 여전히 건조하고, 이에 따라 냉각되지 않은 경우에도 가스 터빈이 항상 최대 구배로 시동될 수 있다는 장점을 제공한다.
원칙적으로, H2-O2 반응기를 통해 생성된 증기를 지역 난방 네트워크로 방출하는 것도 바람직하게 가능하다. 이를 위하여, 증기 터빈에는 상응하게 탭들이 장착되어야 하거나, 경우에 따라서는 역압 터빈으로서 형성되어야 한다.
방법과 관련한 본 발명의 과제는 청구항 제9항에 따른 특징들을 통해 해결된다. 본 발명에 따른 장치의 장점들은 마찬가지로 방법에도 적용된다.
수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 내연 기관, 특히 가스 터빈, 및 내연 기관의 폐가스 채널에 연결되고 하나의 압력단만 포함하는 폐열 증기 발생기를 포함한다.
폐열 증기 발생기로부터의 증기, 물, 산소 및 수소가 공급되는 H2-O2 반응기가 더 제공됨으로써, H2-O2 반응기 내에서는 산소와 수소가 반응하여 수증기를 형성하고, 주입된 물의 증발을 통해 추가 수증기가 생성되고, 수증기는 증기 터빈에 공급되고, 증기 터빈에 이어지는 발전기를 통해 전력이 생성된다.
바람직하게, H2-O2 반응기 내의 반응은, 폐열 증기 발생기로부터의 급수가 라인에 의해 H2-O2 반응기 내로 주입됨으로써 의도한 대로 제어된다.
바람직하게는, 폐열 증기 발생기의 절탄기의 배출부로부터의 고압 급수가 사용된다.
H2-02 반응기 하류의 매우 높은 증기 매개변수들(예를 들어, 150bar 및 1300℃)에서, 수증기 회로에는 바람직하게 응축기 상류의, 열 교환기로서 형성된 열 제거기가 통합되고, 이러한 열 제거기는, 열을 흡수하기 위해 1차측에서 증기 터빈과 증기 터빈 하류에 연결된 응축기 사이의 증기 라인에 연결되고, 열을 방출하기 위해 2차측에서 하나의 라인에 연결된다.
하나 이상의 응축수-/급수 예열기도 바람직하고, 효율 향상을 위해서는 증기 터빈에 있는 하나 이상의 탭으로부터 수증기가 추출되고, 가열을 목적으로 예열기들에 공급된다.
폐열 증기 발생기 내의 증발 압력은 바람직하게는, H2-O2 반응에 의해 설정된 생증기 온도에 따라 증기 터빈의 배출부에서의 중간 과열 없이도 습기가 방지될 정도의 높이로만 설정된다.
특수한 일 개선예에서는, H2-O2 반응기의 상류에 연결되는 전기 작동식 과열기가 더 제공되고, 이러한 전기 작동식 과열기를 통하여 증기의 생증기 온도는 필요 시에(H2-O2 반응기가 작동하지 않거나 감소된 출력으로만 작동할 때), 증기 터빈의 배출부에 습기가 방지될 정도로 상승될 수 있다.
본 발명의 특수한 일 개선예에서, 폐열 증기 발생기는, 제1 증발기와 제2 증발기를 형성하는 가열면들, 및 제1 과열기를 형성하는 가열면들을 포함하고, 제1 과열기는 제1 증발기 및 제2 증발기의 가열면들 사이에 배열되므로, 가스 터빈의 시동 시 지연 가능성이 방지된다.
본 발명은, 가스 터빈용 연료로서 전적으로 또는 부분적으로 수소를 사용하는 종래 방식의 가스- 및 증기 발전소에 비해 일련의 장점들을 갖는다.
일반적으로 그리고 특히 부분적으로만 천연 가스가 수소를 통해 대체되는 경우의 효율은, 동일한 가스 터빈을 기반으로 하는 가스- 및 증기 발전소에서보다 더 높다. 이는 하기 내용을 통해 이루어지며, 즉
Figure pct00001
생증기 압력 및 생증기 온도가, 가스 터빈의 폐가스 온도 수준을 통해 가능한 것보다 더 높게 선택될 수 있고,
가스 터빈의 폐가스 내에 포함된 열은 더욱 양호하게 활용되고, 즉 굴뚝의 배출부에서의 폐가스 온도는 더 낮고,
높은 압력 및 온도가 가해지는, 수소 및 산소의 반응 시에 생성되는 수증기는 순환 매체로서 간주되고, 따라서 응축기 내에서 규정되는 수준에 이르기까지 활용될 수 있고,
가스 터빈 연료 가스 내 수소 함량이 천연 가스에 비해 증가될 때, 역화, 질소 산화물 배출 등을 통제 하에 두기 위하여 연소 온도는 오늘날 현저하게 더 강하되어야 한다. 반면, 반응기 내의 온도는 현저하게 더 낮고, 또한 급수의 주입을 통해 매우 정밀하게 조절될 수 있으며, 즉 수소 연소의 가능성은 더욱 양호하게 활용될 수 있다.
연료로서의 천연 가스가 단지 부분적으로 대체될 때, 수소가 최대의 이익을 갖는 곳에 수소가 사용된다. 수증기 회로 내에서의 수소의 사용을 통해, 이러한 연료 질량 흐름과 관련된 효율은 50%를 초과하는데, 이는 가스 터빈들의 효율보다 매우 현저하게 더 높다.
이에 비해, 성능은 심지어 매우 현저하게 향상되고, 효율상 장점의 부분적 포기 하에 가스- 및 증기 발전소보다 더 추가로 향상될 수 있다. 개별 비용의 개선을 목적으로, 생증기 매개변수들이 오늘날 문제없이 표현 가능하고, 효율이 여전히 가스- 및 증기 발전소와 유사할 때, 증기 터빈의 출력은 2배 이상 증가될 수 있고, 이에 따라 가스 터빈의 출력 점유율을 초과한다.
비용 절감과 증가가 거의 균형을 이루기 때문에, 거의 동일한 비용으로 비교적 향상된 성능 및 효율이 달성된다. 이는 비용 절감과 관련하여 하기와 같이 설명될 수 있다.
저렴한 강철로 이루어진 폐열 증기 발생기 내에 (가스- 및 증기 발전소에서 대개 통상적인 복수의 압력단들 대신에) 하나의 압력단만이 존재하고, 과열기 또는 중간 과열기를 위한 값비싼 고온 가열면들은 존재하지 않는다. 이에 따라, 상응하는 최종 주입 및 중간 주입도 생략된다.
(가스- 및 증기 발전소에서와 같이 복수의 생증기 라인들 대신에, 그리고 추가적으로 종종 냉온 중간 과열 대신에) 단지 하나의 비교적 저온의 생증기 라인(이에 따라, 더욱 저렴한 강철)이 보일러로부터 H2-O2 반응기까지 존재하고, 이러한 H2-O2 반응기는 하류에서 자신이 필요로 하는 고온 가능 생증기 라인을 가능한 한 짧게 유지하기 위하여, 바람직하게는 증기 터빈에 가능한 한 가까이 배열된다.
순환수 추가 공급을 위한 탈염수 처리 설비가 필요하지 않다. 기본적으로, 상응하는 재냉각 시스템을 구비한 이러한 발전소는 물이 없는 발전소일 뿐만 아니라, 심지어는 물을 생산하는 발전소이기도 하다. 이는, 수소 및 산소를 생산하고 원료로서 물을 필요로 하는 전해 장치가 현장에서 작동되지 않을 때 또는 공기로부터 획득된 산소와 조합되어 청색 수소가 사용되는 경우에 적용된다.
추가 요소로서의 H2-O2 반응기 외에도, 본 발명은 경우에 따라서는 증기 터빈의 터보 세트 및 순환 펌프들에 대한 적응(증가된 고압 증기 질량 흐름), 산소 제공 시스템, 및 재냉각 시스템의 확대를 필요로 한다.
재냉각 시스템의 확대는, 제한된 가열 마진을 갖는 순환식 냉각부들 및 공기 응축기들에서 전체적으로 또는 부분적으로, 주입 프로세스에 의해 가능한, 보일러 내 에코 바이패스 회로들의 포괄적 사용을 통해 상쇄될 수 있는데, 이는 그외에 구성을 결정하는 증기 바이패스 작동 중에 폐가스에 의해 열이 매우 많이 배출될 수 있기 때문이다.
가스- 및 증기 발전소에 비해 현저하게 개선된 유연성을 통해 추가의 장점이 나타난다. 이는 특히 하기와 같이 나타난다.
가스 터빈의 고온 폐가스 흐름에 노출되는 제1 가열면은 기존과 같이 시동 과정 중에 냉각되지 않는 과열기 가열면이 아니라, 지속적으로 냉각되는 증발기 가열면이므로, 가스 터빈은 보일러가 저온일 때도 최대 구배로 시동될 수 있으므로, 상응하는 시동 시간 단축이 나타난다.
과열기 가열면이 전혀 존재하지 않거나, 바람직하게는 증발기 가열면들 사이에 배열되기 때문에, 현저하게 낮은 보일러 부하로서 발전소의 신속한 시동이 가능하다. 따라서, 과열기 가열면은 종료 중에 그리고 종료 직후에 저온 폐가스/공기와 접촉하지 않으므로, 과열기 가열면의 가능한 "급랭(quenching)"이 생략된다.
고온 영역(H2-O2 반응기, 밸브들을 포함한 증기 터빈 유입부, 연결되는 파이프 라인들)은 공간적으로 협소하게 제한되고, 이에 따라 가열 매트들에 의한 정지 상태에서의 보온에 특히 적합하다. 따라서, 증기 터빈은 매우 조기에 시동될 수 있고, 이 경우 증기 터빈 내로 유입되는 생증기의 온도가 H2-O2 반응기에 의해 매우 양호하게 조절될 수 있도록 돕는다.
H2-O2 반응기에 의한 온도 설정의 가능성과, 물 분사량의 조절은 (마찬가지로 과부하와도 관련한) 매우 신속하게 작용하는 추가의 부하 조절 가능성을 제공한다.
전반적으로, 기존에는 다소 느리게 반응했던 증기부는 이에 따라 가스 터빈과 유사하게 신속해지고, 가스 터빈 없이도 발전소의 출력 향상에 기여할 수 있다. 이러한 상황도 특히 개조 시에 매우 긍정적인 영향을 미칠 수 있는데, 이는 개방형 가스 터빈 프로세스의 선택 이유가 원래부터, 그에 수반된 유연성 때문인 경우가 빈번했기 때문이다.
전적으로 또는 부분적으로 수소에 의해 연소되는 가스 터빈들과, 그에 기반한, 종래 방식의 수증기 회로를 구비한 가스- 및 증기 발전소, 그리고 마찬가지로 공기 중 산소와 함께 수소를 연소시키는 그 외의 모든 여타 프로세스들과 비교한 이러한 개념의 추가적인 중요 장점은, 수소 및 산소의 반응 시에 생성된 물이 대기 중으로 손실되지 않고, 따라서 특히 물 부족 시에 귀중한 자원인 물을 추가적인 용도를 위해 이용 가능하다는 것이다. 수소 연소를 위해 공기 중 산소를 사용하는 상술한 프로세스들에 비한 추가적인 장점은, 질소가 없기 때문에 질소 산화물도 생성되지 않고, 대기 중으로 방출되지 않는다는 것이다.
하기에는 본 발명이 도면들에 의해 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 복수의 개선예들의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 별도의 예열기들을 구비한 본 발명에 따른 장치의 일 개선예를 도시한 도면이다.
도 4는 연속 증기 발생기를 구비한 본 발명에 따른 장치의 일 개선예를 도시한 도면이다.
도 1은 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한다. 이러한 장치는 가스 터빈(2), 가스 터빈의 폐가스 채널(3)에 연결된 폐열 증기 발생기(4), H2-O2 반응기(6) 및 증기 터빈(11)을 포함한다. 가스 터빈(2)과 폐열 증기 발생기(4)는 종래 방식의 구성 요소들이다. 가스 터빈(2)은 전적으로 수소에 의해 또는 부분적으로 수소 및 천연 가스에 의해 연소될 수 있다. 폐열 증기 발생기(4)는, 하나의 압력단(5)만 포함하고, 약간 과열된 증기를 제공하도록 구성된다. H2-O2 반응기(6)에는 폐열 증기 발생기(4)로부터의 증기(7), 산소(8), 수소(9) 및 물(31)이 별도의 라인들에 의해 공급 가능하다.
H2-O2 반응기는, 수증기(10)를 형성하는 산소(8)와 수소(9)의 반응이 내부에서 달성 가능하도록 구성된다. 이러한 반응은 연소 생성물, 즉 수증기를 야기한다. 수증기(10)는 강하게 과열되어 있고[증기(7) 및 물(31)의 첨가를 통해 허용 증기 온도가 설정됨], 증기 라인(10)에 의해 증기 터빈(11)으로 공급된다. 증기 터빈(11)은 발전기(12)와 연결되고, 이러한 발전기를 통해서는 전력이 제공 가능하다. 높은 압력 및 온도가 가해지는, 수소 및 산소의 반응 시에 생성된 수증기는 이에 따라, 수증기 회로 내에 유입되고, 응축기 내에서 규정되는 수준에 이르기까지 순환 매체로서 활용될 수 있다. 개선된 열 활용을 통하여, 굴뚝의 배출부에서의 폐가스 온도가 더욱 낮아질 수 있다. 수증기 회로 내에서의 수소의 사용을 통해, 이러한 연료 질량 흐름과 관련된 효율은 가스 터빈 내에서의 사용에 비하여 매우 현저하게 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 복수의 개선예들을 도시한다. 이 경우, 개선예들은 서로 조합으로 또는 별도로 구현될 수 있다.
H2-O2 반응기(6) 내의 의도한 대로의 반응 제어 및 출력 향상을 위하여, 급수(13)가 라인(19)에 의해 폐열 증기 발생기(4)로부터 H2-O2 반응기(6) 내로 주입된다. 이 경우, 급수(13)는, 바람직하게는 폐열 증기 발생기(4)의 절탄기(15)의 배출부에서 추출되는 고압 급수(14)일 수 있다.
추가적인 효율 향상을 위하여, 도 2에는 급수(13)의 예열을 위해 폐열 증기 발생기(4)의 상류에 연결되는 응축수 예열기(20)가 또한 제공된다. 응축수 예열기(20)는, 증기 터빈(11)에 있는 하나 이상의 탭(21)으로부터 추출되는 수증기에 의해 가열된다.
필요 시에(예를 들어, H2-O2 반응기가 작동하지 않을 때), 증기 터빈(11)의 배출부에서 습기가 방지될 정도로 증기의 생증기 온도를 증가시킬 수 있도록 하기 위해, 도 2에는 H2-O2 반응기(6)의 상류에 연결된 전기 작동식 과열기(22)가 더 제공된다. 전기 작동식 과열기(22)를 통해서는, 수소/산소 공급 없이도 H2-O2 반응기의 지속 작동을 보장하는 것이 가능하다.
가스 터빈(2)의 시동 시 지연 가능성을 방지하기 위하여, 도 2에는, 제1 증발기(25) 및 제2 증발기(26)의 가열면(23)들 사이에 배열되는 과열기(27)가 제공된다. 이는, 폐열 증기 발생기(4)가 무압이고, 과열기(27)가 여전히 건조하고, 이에 따라 냉각되지 않은 경우에도 가스 터빈(2)이 항상 최대 구배로 시동될 수 있다는 장점을 제공한다.
도 3은 도 1에 따른 본 발명에 따른 실시예에 기초한다. 도 3은 증기 터빈(11)에 있는 탭들과 연결되는 별도의 예열기(30)들을 구비한 본 발명에 따른 장치의 일 개선예를 도시한다.
도 4는 실질적으로 도 1에 기초한다. 도 4는 강제 연속 증기 발생기(16) 및 열 제거기(17)를 구비한 본 발명에 따른 장치의 일 개선예를 도시한다. 선택된 생증기 압력 및 생증기 온도가 매우 높은 경우, 폐열 증기 발생기(4)를 자연 순환식 (드럼) 보일러로서 형성하는 대신에 강제 순환식 보일러로서 형성하는 것이 바람직하다. 열 제거기(17)는, 에너지 흡수를 위하여 1차측에서는 증기 터빈(11)과 증기 터빈(11) 하류에 연결된 응축기(24) 사이의 증기 라인(10)에 연결되고, 열 방출을 위하여 2차측에서는 폐열 증기 발생기(4)로부터 H2-O2 반응기(6) 내로 급수를 공급하기 위한 라인(19)에 연결되는 열 교환기(18)로서 형성된다. 열 제거기(17)는, H2-O2 반응기(6)에 의해 예를 들어 1300℃ 및 150bar의 압력의 매우 높은 생증기 매개변수들이 생성될 때 필요하다. 이때, 증기 터빈(11)의 배출부에는, 응축기(24) 내에서 응축되기 이전에 열 제거기(17)를 통해 열 제거되는 여전히 강하게 과열된 증기가 위치한다.

Claims (12)

  1. 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1)로서, 이러한 장치는 내연 기관(2), 특히 가스 터빈, 내연 기관(2)의 폐가스 채널(3)에 연결되는 폐열 증기 발생기(4)를 포함하고, 폐열 증기 발생기(4)는 하나의 압력단(5)만 포함하는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치에 있어서,
    폐열 증기 발생기(4)로부터의 증기(7), 물(31), 산소(8) 및 수소(9)가 공급 가능한 H2-O2 반응기(6)가 더 제공됨으로써, H2-O2 반응기(6) 내에서는 증기(7)의 공급 하에, 유입된 물(31)이 증발되는, 수증기(10)를 형성하는 산소(8)와 수소(9)의 반응이 달성 가능하고, 추가의 수증기가 생성 가능하고, 이를 통해 초래되는 강하게 과열된 수증기(10)는 증기 터빈(11)에 공급 가능하고, 증기 터빈(11)에 이어지는 발전기(12)를 통해 전력이 제공 가능하고, H2-O2 반응기(6) 내의 의도한 대로의 반응 제어를 위하여 그리고 H2-O2 반응기로부터의 증기 배출 온도의 설정을 위하여 고압 급수(14)가 라인(19)에 의해 폐열 증기 발생기(4)로부터 H2-O2 반응기(6) 내로 주입 가능한 것을 특징으로 하는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 1차측에서 증기 터빈(11)과 증기 터빈(11) 하류에 연결된 응축기(24) 사이의 증기 라인(10)에 연결되고, 2차측에서 라인(19)에 연결되는 열 교환기(18)로서 형성되는 열 제거기(17)를 더 포함하는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 급수(13)의 예열을 위해 폐열 증기 발생기(4)의 상류에 연결되는 응축수 예열기(20)를 더 포함하고, 효율 향상을 위해서는 증기 터빈(11)에 있는 하나 이상의 탭(21)으로부터 수증기가 추출 가능하고, 응축수 예열기(20)에 공급 가능한, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(4) 내의 증발 압력은, H2-O2 반응에 의해 설정된 생증기 온도에 따라 중간 과열 없이도 증기 터빈(11)의 배출부에서의 습기가 방지될 정도의 높이로만 설정되는 것을 특징으로 하는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, H2-O2 반응기(6)의 상류에 연결되는 전기 작동식 과열기(22)를 더 포함하고, 이러한 전기 작동식 과열기를 통하여 H2-O2 반응기의 비작동 시에 증기의 생증기 온도는, 증기 터빈(11)의 배출부에 습기가 방지될 정도로 상승될 수 있는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(4)는, 제1 증발기(25)와 제2 증발기(26)를 형성하는 가열면(23)들, 및 제1 과열기(27)를 형성하는 가열면(23)들을 포함하고, 제1 과열기(27)는 제1 증발기(25) 및 제2 증발기(26)의 가열면(23)들 사이에 배열되므로, 가스 터빈(2)의 시동 시 지연 가능성이 방지되는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 장치.
  7. 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법으로서, 이러한 방법은 내연 기관(2), 특히 가스 터빈, 내연 기관(2)의 폐가스 채널(3)에 연결되고 하나의 압력단(5)만 포함하는 폐열 증기 발생기(4)를 포함하고,
    폐열 증기 발생기(4)로부터의 증기(7), 물(31), 산소(8) 및 수소(9)가 공급되는 H2-O2 반응기(6)가 더 제공됨으로써, H2-O2 반응기(6) 내에서는 산소(8)와 수소(9)가 반응하여 수증기(10)를 형성하고, 주입된 물(31)의 증발을 통해 추가 수증기가 생성되고, 수증기는 증기 터빈(11)에 공급되고,
    증기 터빈(11)에 이어지는 발전기(12)를 통해 전력이 생성되고, H2-O2 반응기(6) 내의 반응과 H2-O2 반응기(6)의 배출부에서의 증기 온도는, 물(31)로서 폐열 증기 발생기(4)로부터의 고압 급수(14)가 라인(19)에 의해 H2-O2 반응기(6) 내로 주입됨으로써 의도한 대로 제어되는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 수증기 회로는, 열을 흡수하기 위해 1차측에서 증기 터빈(11)과 증기 터빈(11) 하류에 연결된 응축기(24) 사이의 증기 라인에 연결되고, 열을 방출하기 위해 2차측에서 라인(13)에 연결되는 열 교환기(18)로서 형성되는 열 제거기(17)를 포함하는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 폐열 증기 발생기(4)의 상류에 연결되고 급수(13)를 통해 예열되는 응축수 예열기(20)를 더 포함하고, 효율 향상을 위해서는 증기 터빈(11)에 있는 하나 이상의 탭(21)으로부터 수증기가 추출되고, 응축수 예열기(20)에 공급되는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(4) 내의 증발 압력은, H2-O2 반응에 의해 설정된 생증기 온도에 따라 중간 과열 없이도 증기 터빈(11)의 배출부에서의 습기가 방지될 정도의 높이로만 설정되는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, H2-O2 반응기(6)의 상류에 연결되는 전기 작동식 과열기(22)를 더 포함하고, 이러한 전기 작동식 과열기를 통하여 과열기(22)의 비작동 시에 증기의 생증기 온도는, 증기 터빈(11)의 배출부에 습기가 방지될 정도로 상승될 수 있는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(4)는, 제1 증발기(25)와 제2 증발기(26)를 형성하는 가열면들, 및 제1 과열기(27)를 형성하는 가열면(23)들을 포함하고, 제1 과열기(27)는 제1 증발기(25) 및 제2 증발기(26)의 가열면(23)들 사이에 배열되므로, 가스 터빈(2)의 시동 시 지연 가능성이 방지되는, 수소 및 산소로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE4409196A1 (de) 1994-03-17 1995-09-21 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer Gas- und Dampfturbinenanlage sowie danach arbeitende Anlage
EP2199547A1 (de) 2008-12-19 2010-06-23 Siemens Aktiengesellschaft Abhitzedampferzeuger sowie ein Verfahren zum verbesserten Betrieb eines Abhitzedampferzeugers
DE102010035487A1 (de) * 2010-07-29 2012-02-23 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zur Stromspeicherung
DE102011121341A1 (de) 2011-12-19 2013-06-20 RERUM COGNITIO Institut GmbH Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess
DE102015209812A1 (de) 2015-05-28 2016-12-01 Siemens Aktiengesellschaft Wasser-Dampf-Kreislauf einer Gas- und Dampfturbinenanlage
JP6783160B2 (ja) * 2017-02-03 2020-11-11 川崎重工業株式会社 水素酸素当量燃焼タービンシステム

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