KR20230175261A - 고효율 연료를 기계적 에너지로 변환하는 플랜트 - Google Patents

고효율 연료를 기계적 에너지로 변환하는 플랜트 Download PDF

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KR20230175261A
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프란체스코 감베리
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로렌조 코시
안토니오 세미나라
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누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
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Abstract

전기 모터 또는 원심 압축기와 같은 각자의 부하를 구동하는 복수의 구동 유닛을 갖는 에너지 변환 플랜트가 개시된다. 에너지 변환 플랜트는 구동 유닛 자체에 의해 생성된 열에 의해 구동 유닛 내로 공급되도록 예비 압축된 이산화탄소를 가열하는 적어도 하나의 열 교환 환열기를 포함한다.

Description

고효율 연료를 기계적 에너지로 변환하는 플랜트
본 발명은 기계적으로 구동되는 응용 및/또는 다중 발전 트레인을 위한 열역학 사이클에 기반한, 발전에 사용될 수 있는 연료-기계적 에너지 변환 플랜트에 관한 것이다. 열역학 사이클은 연료의 연소에 의해 생성된 에너지를 전달하기 위해 이산화탄소와 같은 유체의 사용을 통해 작동한다.
발전 분야에서, 화석 연료는 여전히 주로 사용된다. 그러나, 잘 알려진 바와 같이, 이들은 이산화탄소(CO2)뿐만 아니라 다른 배출물의 증가를 생성하는 심각한 단점을 갖는다 이는 소위 지구 온난화의 원인 중 하나이며, 이는 잠재적으로 위험할 수 있고 향후 자연재해의 원인이 될 것으로 추정된다.
현재 대체 에너지 생산 시스템은 적어도 단기적으로는 화석 연료 연소를 대체할 수 있는 능력을 갖지 않는다. 특히, 이러한 대안적인 방법을 사용한 전력 생산은 진화 집단의 소비 요구를 만족시킬 수 없다.
상기에 기반하여, 본 분야에서의 연구는 화석 연료 또는 바이오매스에 기반한 알려진 전력 생산 시스템을 개선하여 대기 중으로 유입되는 이산화탄소의 생성을 감소시키고, 동시에 높은 수준의 에너지 효율을 유지하기 위해 노력하고 있다.
또한, 화석 연료 또는 바이오매스에 기반한 알려진 전력 생산 시스템은 다른 시스템과 비교할 때 비용이 많이 드는 것으로 나타났다. 실제로, 자본 지출 및 유지관리 비용은 생성된 메가 와트당 전체 비용을 증가시킨다. 따라서, 설계 추세는 더 낮은 자본 지출에서 기계적 구동 생성 작업을 탈탄소화하는 것이다.
따라서, 대기 중으로 유입된 경구 이산화탄소를 사용하면서 효율성을 증가시켜 생성된 킬로와트당 이산화탄소를 감소시킬 수 있는 개선된 연료-기계적 에너지 변환 플랜트가 기술적으로 환영받을 것이다.
일 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는 연료-기계적 에너지 변환 플랜트에 관한 것이다. 에너지 변환 플랜트는 유체, 특히 이산화탄소를 공급하기 위한 유체 피드백 라인, 및 유체 피드백 라인의 압력을 압축하고 증가시키기 위한 압축 및 펌핑 유닛을 갖는다. 에너지 변환 플랜트는 또한 복수의 구동 유닛을 가지며, 각각은 연료를 연소하고 유체를 팽창시키는 것을 통해 압축기 또는 발전기와 같은 관련 부하를 구동하도록 연결된다. 에너지 변환 플랜트는 유체 피드백 라인과 구동 유닛 사이에 그리고 각각의 구동 유닛과 압축 및 펌핑 유닛 사이에 연결된 하나 이상의 열 교환 환열기를 포함한다. 각각의 열 교환 환열기는 구동 유닛으로부터 팽창된 배출 유체의 열을 교환함으로써 구동 유닛으로 공급되도록, 유체 피드백 라인에 의해 공급되고 압축 및 펌핑 유닛에 의해 압축된 유체를 가열하도록 배치된다.
다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는, 예를 들어 각각의 구동 유닛이 연료를 연소하기 위한 연소기, 연소기에 작동 가능하게 연결된 팽창기, 팽창기에 의해 구동되고 부하, 즉, 압축기 또는 발전기에 연결된 회전 샤프트를 포함하는 것에 관한 것이다.
다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는 적어도 하나의 열 교환기 환열기에 의해 냉각된 후에, 압축 및 펌핑 유닛이 구동 유닛으로부터 나오는 유체로부터 물을 분리하기 위한 분리 유닛; 유체의 압력을 증가시키기 위해, 제습된 유체, 열 교환기, 및 펌프의 압력을 압축하고 증가시키기 위한 압축기를 포함한다는 사실에 관한 것이다. 펌프는 열 교환기와 유체 피드백 라인 사이에 개재된다.
추가 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는 압력으로 유체를 추출하기 위해 하나 이상의 유체 추출 라인을 갖는 에너지 변환 플랜트에 관한 것이다. 추출 라인은 유체 피드백 라인 또는 펌프 상류에 연결될 수 있다.
다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 주제는 복수의 구동 유닛을 갖는 연료-기계적 에너지 변환 플랜트에 관한 것이며, 각각은 관련 부하에 연결되고, 상기 부하는 발전기 및/또는 원심 압축기 및/또는 원심 압축기에 연결된 발전기일 수 있다.
본 발명의 개시된 구현예 및 이의 수반되는 많은 이점의 더 완전한 이해는 첨부 도면과 관련하여 고려할 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 잘 이해하게 되므로 쉽게 얻어질 것이다.
도 1은 제1 구현예에 따른 연료-기계적 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 2은 제2 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 3은 제3 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 4는 제4 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 5는 제5 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 6은 제6 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 7은 제7 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 8은 제8 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 9는 제9 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 10은 제10 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트의 개략도를 도시한다.
다양한 도면에서, 유사한 부분은 동일한 참조 부호로 표시될 것이다.
화석 연료가 사용되는 발전에 대한 분야에서, 이는 이산화탄소 생성의 감소를 요청하였으며, 이는 잘 알려져 있는 바와 같이 위험하다. 에너지를 절약하기 위해 수송 유체를 사용하여 열을 회수할 수 있는 일부 전력 생산 레이아웃이 있다. 사용되는 유체는 이산화탄소일 수 있다. 일 양태에 따르면, 본 발명의 주제는 이산화탄소에 의해 운반되는 화석 연료의 연소에 의해 발생된 열을 회수하는 것에 기반하여 모두 작동하는, 관련 부하를 구동하기 위한 복수의 구동 유닛을 포함하는 에너지 변환 플랜트의 레이아웃에 관한 것이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 제1 구현예에 따른 연료-기계적 에너지 변환 플랜트, 또는 간단히 에너지 변환 플랜트를 도시하며, 이는 전체적으로 참조 부호 1로 표시된다.
특히, 에너지 변환 플랜트(1)는 기본적으로 각자의 부하에 연결되고, 아래에서 더 잘 명시될 복수의 구동 유닛(2), 각각이 관련 구동 유닛(2)에 연결된, 복수의 열 교환기 환열기(3), 열 교환기 환열기(3)에 연결된 압축 및 펌핑 유닛(4), 및 압축 및 펌핑 유닛(4)의 출력부와 열 교환기 환열기(3) 사이에 연결된 유체 또는 이산화탄소 피드백 라인(5)을 포함한다.
도 1을 계속 참조하면, 에너지 변환 플랜트(1)는 구체적으로 3개의 구동 유닛, 즉, 제1 구동 유닛(21), 제2 구동 유닛(22), 및 제3 구동 유닛(23)을 포함한다.
제1 구동 유닛(21)은 특히 연소기(211) 및 연소기(211)에 연결된 팽창기(212)를 포함한다. 연소기(211)는 연소될 연료의 유입을 위한 연료 유입구(214), 문제의 경우 추가 유체, 즉, 이산화탄소 및 순수 산소의 유입을 위한 산화제 유입구(215), 및 아래에 더 잘 설명될 바와 같은 환열될 유체를 공급하는 유체 유입구(216)를 갖는다.
더 구체적으로, 산화제 유입구(215)를 참조하면, 이 유체는 이 솔루션에서 기술된 루프로부터 취해진 순수 산소 또는 이산화탄소의 혼합물로 구성될 수 있다. 순수 산소는 ASU(공기 분리 유닛) 또는 임의의 다른 이용 가능한 시스템과 같은 산업 준비 제조 방법으로 생성된다.
회전 샤프트(213)는 또한 팽창기(212)에 의해 구동된다. 각각의 구동 유닛(2)은 연소기(211)의 투입물인 연료 및 이산화탄소를 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
여전히 제1 구동 유닛(21)을 참조하면, 이는 회전 샤프트(213)를 통해 팽창기(212)에 연결된 전기 기계(E)에 연결된다. 이 경우에, 이어서, 전기 기계(E)는 제1 구동 유닛(21)의 부하이다. 따라서, 이 구성에 의해, 제1 구동 유닛(21)은 연료를 연소하고 이산화탄소(사용된 유체)를 팽창시킴으로써 수득된 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 가능하게는 본관(mains)(도면에 미도시)으로 유입될 수 있다.
이제 제2 구동 유닛(22)을 참조하면, 이는 또한 연소기(221) 및 팽창기(222)를 포함하지만, 이 경우에, 이는 관련 회전 샤프트(223)를 통해 원심 압축기(C)에 연결되며, 이는 이 경우에 기계적 부하이다. 물론, 필요에 따라 상이한 기계적 부하가 제공될 수 있다. 팽창기(222)는 또한 연료 유입구(224), 산화제 유입구(225), 및 유체 유입구(226)를 갖는다.
또한, 제1 구동 유닛(21) 및 제2 구동 유닛(22)과 마찬가지로 제3 구동 유닛(23)은 연소기(23) 및 팽창기(232)를 포함한다. 팽창기(232)는 연료 유입구(234), 산화제 유입구(235), 및 유체 유입구(236)를 갖는다. 유체 팽창기(232)는 회전 샤프트(233)를 통해, 또한 이 경우에 기계적 부하로서 다른 원심 압축기(C)에 연결된다.
도 1에 도시된 레이아웃에 의해, 에너지 변환 플랜트(1)는 전기 에너지, 및 2개의 기계적 부하, 즉, 원심 압축기(C)를 생성하도록 발전기(E)를 구동한다.
일부 구현예에서, 기어박스가 구동 유닛(21, 22, 및 23)과 관련 회전 샤프트(213, 223, 및 233)에 연결된 관련 부하 사이에 포함될 수 있다. 기어박스의 변환비는 설계 요구에 따라 상이하다.
다른 구현예에서, 구동될 부하의 수 및 유형에 따라 구동 유닛(2)의 상이한 수는 예상될 수 있다.
각각의 구동 유닛(2), 즉, 제1 구동 유닛(21), 제2 구동 유닛(22), 및 제3 구동 유닛(23)에 대해, 관련 열 교환기 환열기(3)가 있다. 각각의 열 교환기 환열기(3)는, 예를 들어, 제1 구동 유닛(21), 연소기(211)를 참조하면, 고압, 저온의 이산화탄소가 열 교환기 환열기(3) 각각으로 들어가는 이산화탄소 피드백 라인(5)에 연결된 제1 유입구(31), 및 고압 및 고온 이산화탄소가 관련 구동 유닛(2)의 연소기로 유입되는 관련 구동 유닛(2)의 연소기(211) 및 구체적으로 유체 유입구(216)에 연결된 제1 유출구(32) 갖는다.
또한, 각각의 열 교환기 환열기(3)는 저압-고온의 이산화탄소가 여기에서 유체로 사용되며 열 교환기 환열기(3)로 들어가는 터빈 배출물 스트림을 통해 관련 구동 유닛(2)의 팽창기, 예를 들어, 제1 구동 유닛(21)을 참조하면, 팽창기(212)에 연결된 제2 유입구(33), 및 저압-저온 유체(이산화탄소)가 열 교환기 환열기(3)로부터 추출되는, 아래에서 더 잘 설명된 바와 같이, 압축 및 펌핑 시스템(4)에 연결된 제2 유출구(34)를 갖는다.
열 교환기 환열기(3)는 이에 연결된 부하, 즉, 발전기(E), 또는 원심 압축기(C)를 구동하도록 구동 유닛(2)으로 유입되어 연료의 연소에 의해 팽창하기 전에 고압(유체, 즉, 이산화탄소의 압력 및 온도 작동 범위에 대한 상세 사항은 다음에 주어짐)을 가열하도록 구성된다. 관련 구동 유닛(2)의 배출물 스트림의 가열된 탄소 산화물을 통해 열 교환기 환열기(3)가 이산화탄소 피드백 라인(5)으로부터 나오는 탄소 산화물을 가열한다. 즉, 열 교환기 환열기(3)는 유체(이산화탄소)를 냉각하고, 이를 구동 유닛(2)으로 유입하기 전에 이산화탄소 피드백 라인(5)으로부터 나오는 고압 유체로 이의 열을 전달한다.
열 교환기 환열기(3)는 이산화탄소 피드백 라인(5)으로부터의 열의 개선된 추출을 가능하게 하기 위해 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있다.
여전히 도 1을 참조하면, 압축 및 펌핑 유닛(4)은 각각의 구동 유닛(3)의 제2 유출구(34)와 이산화탄소 피드백 라인(5) 사이에 연결됨을 알 수 있다. 압축 및 펌핑 유닛(4)은 물 및 일반적으로 유체로부터 습한 부분을 분리하고, 열 교환기 환열기(3)에 의해 재가열되기 전에 유체의 압력을 증가시키는 기능을 갖는다.
도 1의 에너지 변환 플랜트(1)의 제1 구현예에 도시된 압축 및 펌핑 유닛(4)은 직렬 연결된 분리 유닛(41), 압축기(42), 열 교환기(43), 및 펌프(44)를 포함한다.
다른 구현예에서, 가능하게는 병렬로 작동하는 복수의 압축기 및 펌프의 세트가 또한 존재할 수 있다.
분리 유닛(41)은 열 교환기 환열기(3)에 의해 냉각된 후에 각각의 구동 유닛(21, 22, 및 23)으로부터 나오는 배출물 스트림으로부터 액체 물을 분리한다.
이 유체가 분리 유닛(41)에 의해 제습된 후에, 압축기(42)는 이를 압축하여, 압력을 증가시킨다.
이어서, 유체가 열 교환기(43)를 통과하여 유체의 온도가 주위 온도가 되게 한다.
결국, 유체는 펌프(44)를 통과하고, 이는 이산화탄소 피드백 라인(5)으로 이를 유입하기 전에 유체의 압력을 증가시키며, 이는 전술된 바와 같이, 열 교환기 환열기(3)의 제1 유입구(31)에 연결된다.
또한, 이산화탄소 피드백 라인(5)은 이산화탄소 추출 라인(51)을 포함하며, 이에 의해 플랜트(1)로부터 가압된 이산화탄소를 추출하는 것이 가능하다. 추출 라인(51)의 이점 및 작동은 아래에서 더 잘 설명될 것이다.
에너지 변환 플랜트(1)의 작동은 다음과 같이 작동한다.
연료 및 유체, 즉, 문제의 경우, 이산화탄소는 연료 유입구, 산화제 유입구, 및 유체 유입구를 통해 각각의 구동 유닛(2)의 연소기로 들어간다. 특히, 연료 및 이산화탄소는 제1 구동 유닛(21)의 연소기(211), 제2 구동 유닛(22)의 연소기(221), 및 제3 구동 유닛(23)의 연소기(231)로 들어간다. 이어서, 각각의 구동 유닛(2)의 팽창기는 관련 부하를 구동한다. 더 구체적으로, 제1 구동 유닛(21)의 팽창기(212)는 발전기(E)를 구동시키는 반면, 제2 구동 유닛(22)의 팽창기(222)뿐만 아니라 제3 구동 유닛(23)의 팽창기(232)는 관련 원심 압축기(C)(또는 복수의 압축기)를 구동한다.
각각의 팽창기(212, 222, 232)로부터, 이제 팽창되지만, 연소 반응을 고려하여 고온을 갖는 이산화탄소가 열 교환기 환열기(3)의 제2 유입구(33)로 유입된다. 특히, 제1 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트(1)에서, 온도는 500 내지 700℃로 구성되고, 압력은 20 내지 40 bar로 구성된다. 설치된 구동 유닛(2)의 유형 및 각각의 유닛이 작동하는 부하에 따라 상이한 온도 범위가 예상될 수 있다.
이어서, 열 교환기 환열기(3)를 통과한 후의 유체는 냉각되어 온도가 주위 온도가 되도록 하는 반면, 압력은 거의 동일하다. 유체, 즉, 이산화탄소는 열 교환기 환열기(3)로부터 나오고, 압축 및 펌핑 유닛(4)에 도달한다. 특히, 물은 분리 유닛(41)을 통해 유체로부터 추출되고 드레인 파이프(45)에 의해 배출된다.
압축기(42)에 의해 압축되기 전에 유체는 주위 온도 및 거의 변하지 않는 압력에 있으며, 즉, 유체는 약 20 내지 40 bar로 유지되는 반면, 온도는 냉각 매체의 냉각 온도에 따라 달라진다. 대신에, 압축기(42) 후에, 유체의 온도는 압축기(들)(42) 아키텍처(압축기(42)가 상호냉각될 수 있거나 그렇지 않을 수 있음)에 따라 달라지는 반면, 압력은 60 내지 100 bar로 증가된다.
이어서, 유체가 열 교환기(43)를 통과한 후에, 이는 60 내지 100 bar의 동일한 압력에 있고, 이는 냉각 유체/실온으로 돌아간다.
마지막으로, 유체의 압력은 펌프(들)(44) 아키텍처에 따라 온도가 달라지는 펌프(44)를 통해 250 내지 350 bar까지 증가된다. 실제로, 일부 구현예에서 펌프(44)는 펌프 설계에 따라 인터쿨러가 구비될 수 있거나 구비되지 않을 수도 있다. 이어서, 주위 온도 및 250 내지 350 bar 압력의 유체는 이산화탄소 피드백 라인(5)으로 유입된다.
전술한 바와 같이, 열 교환기(3)에 들어가기 전에, 피드백 라인(5)은 추출 라인(51)을 가지며, 이는 가압되고 순수한 상태에서 직접적으로 이산화탄소(CO2)의 일부를 추출할 수 있다. 추출된 이산화탄소의 양은 피드백 라인(5) 헤더 압력이 비교적 일정하게(250 내지 350 bar에서) 유지되는 반면, 양은 가동 중인 플랜트의 부하에 따라 달라진다. 즉, 추출 라인(51)으로부터 추출된 이산화탄소는 플랜트(1)에 의해 소비되는 연료에 직접적으로 연결된다.
다른 구현예에서, 가능한 다른 최종 사용자/응용에 의해 이산화탄소 생성물이 더 낮은 압력에서 필요한 경우, 추출 라인(51)은 펌프(44) 흡입 이전(상류)에 배치될 수도 있다. 따라서, 연료-기계적 에너지 변환 플랜트(1)는 가능한 상이한 압력에서 순수 이산화탄소를 생성하는 기능을 갖는 추가적인 이점을 갖는다. 또한, 필요에 따라 상이한 압력에서 이산화탄소를 추출하기 위해 하나 초과의 추출 라인이 이산화탄소 회로의 상이한 영역 또는 지점에 연결된 에너지 변환 플랜트(1)에 제공될 수 있다.
전술된 바와 같이, 피드백 라인(5)은 펌프(44)를 열 교환기 환열기(3)의 제1 유입구(31)에 연결한다. 이산화탄소는 열 교환기 환열기(3) 통과하면서 동일한 압력을 유지하면서 온도의 증가를 겪는다. 이 방식으로, 구동 유닛(21, 22 또는 23) 각각에 들어가기 전에, 유체는 250 내지 350 bar의 압력, 및 500 내지 700℃의 온도를 갖는다.
명확한 바와 같이, 에너지 변환 플랜트(1)는 열 교환기 환열기(3)가 구동 유닛(2)에 의해 생성된 열의 일부를 회수하는 열역학 사이클을 사용하여 그리고 특히 팽창기에 의해, 압축되고 온도가 증가되는 유체로 사용되는, 낮은 이산화탄소 배출을 통해 심지어 서로 상이한 3개의 상이한 부하를 구동할 수 있다.
이 방식으로, 플랜트(1)의 높은 효율을 유지하면서 가압 형태로 직접적으로 포획된 이산화탄소가 수득되며, 이는 또한 에너지 변환 플랜트(1) 자체의 유지에 대한 자본 지출이 감소되는 것으로 나타났다.
이제 도 2를 참조하면, 에너지 변환 플랜트(1)의 제2 구현예를 볼 수 있다. 특히, 플랜트(1)의 레이아웃은 제1 구동 유닛(21)의 팽창기(212)가 여전히 발전기(E)에 연결되는 제1 구현예의 레이아웃과 동일할 뿐만 아니라, 제3 구동 유닛(23)의 팽창기(232)는 원심 압축기(C)에 연결된다. 그러나, 제2 구동 유닛(2)의 팽창기(222)는 이제 항상 회전 샤프트(233)를 통해 원심 압축기(C)에, 그리고 직렬로 전기 기계(E)에 연결된다. 이 레이아웃으로, 전기 기계(E)는 원심 압축기(C)의 헬퍼 모터뿐만 아니라 발전기로 작동할 수 있다. 전기 기계(E)는 실제로 전기 변환 유닛(간략함을 위해 여기에는 미도시)에 연결되며, 팽창기(212)가 이어서 전기 에너지로 변환될 수 있는 일부 초과 전력을 갖는 경우, 이는 전기 기계(E)가 헬퍼 모터와 발전기 둘 모두로 작동하게 한다. 즉, 제1 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트(1)(도 1)와 제2 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트(1)(도 2) 사이의 차이는 제2 발전 유닛(22)의 부하가 전기 기계(E)에 직렬 연결된 압축기(C)인 것이다.
또한, 변형예에서, 전기 기계(E)는 회전 샤프트(223)에 연결될 수 있고, 원심 압축기(C)는 전기 기계(E) 하류에 연결될 수 있다. 이 레이아웃에 의해, 발전기/기계(E)는 원심 압축기(C)의 헬퍼 모터뿐만 아니라 발전기로 작동할 수 있다. 전기 기계(E)는 실제로 전기 변환 유닛(간략함을 위해 여기에는 미도시)에 연결되며, 팽창기(212)가 전기 에너지로 변환될 수 있는 일부 초과 전력을 갖는 경우에, 이는 전기 기계(E)가 헬퍼 모터와 발전기 둘 모두로 작동하게 한다.
제2 구현예의 발전 플랜트(1)의 작동은 제1 구현예의 작동과 동일하다.
이제 도 3을 참조하면, 제1 구현예와 비교하여 모든 구동 유닛(21, 22, 및 23)이 각자의 원심 압축기(C)에 연결되는 발전 플랜트(1)의 제3 구현예가 도시되어 있다. 이 경우에, 이어서, 모든 부하는 기계적이다.
제3 구현예의 발전 플랜트(1)의 작동은 제1 구현예의 작동과 동일하다.
도 4를 참조하면, 2개의 구동 유닛(21 및 22) 및 각자의 2개의 열 교환기 환열기(3)를 포함하는 에너지 변환 플랜트(1)의 제4 구현예가 도시되어 있다.
구동 유닛(21 및 22) 각각은 발전기(E)에 연결되며, 후자는 구동 유닛(21 및 22)의 회전 샤프트(213 및 223)로부터 취해진 기계적 에너지를, 예를 들어, 본관으로 유입될 전기 에너지로 변환시키기 위한 것이다.
제4 구현예의 발전 플랜트(1)의 작동은 제1 구현예의 작동과 유사하다.
이제 도 5를 참조하면, 복수의 구동 유닛(2)을 포함하는 에너지 변환 플랜트(1)의 제5 구현예가 도시된다. 구체적으로, 이는 발전기(E), 원심 압축기(C), 및 추가의 원심 압축기(C)에 각자 연결된 제1 구동 유닛(21), 제2 구동 유닛(22), 및 제3 구동 유닛(23)을 포함한다.
제5 구현예에 따른 에너지 변환 플랜트(1)는 단일 열 교환기 환열기(3)를 포함하며, 이 경우에 이미 기술된 바와 같이, 고압-저온 이산화탄소가 열 교환기 환열기(3)로 들어가는 이산화탄소 피드백 라인(5)에 연결된 제1 유입구(31), 및 구동 유닛(21, 22, 및 23)의 연소기(211, 221, 및 231)에 연결된 제1 유출구(32)를 갖는다. 이어서, 고압, 고온의 이산화탄소가 구동 유닛(21, 22, 및 23)의 연소기로 유입된다.
구동 유닛 열 교환기 환열기(3)는 또한 참조 부호(331, 332, 및 333)로 표시된 복수의 제2 유입구를 갖는다. 제2 유입구(331, 332, 및 333)의 수는 구동 유닛(2)과 동일하다.
각각의 제2 유입구(331, 332, 또는 333)는 구동 유닛(2)의 상대 팽창기에 연결된다.
구체적으로, 여전히 도 5를 참조하면, 제1 구동 유닛(21)의 제2 유입구(331)는 관련 팽창기(212)에 연결되고, 제2 구동 유닛(22)의 제2 유입구(332)는 관련 팽창기(222)에 연결되고, 제3 구동 유닛(23)의 제2 유입구(333)는 관련 팽창기(232)에 연결된다.
마지막으로, 열 교환기 환열기(3)는 압축 및 펌핑 시스템(4), 특히 분리 유닛(41)에 연결된 제2 유출구(34)를 갖는다. 저압 및 저온 유체(즉, 이산화탄소)는 제2 유출구(34)를 통해 열 교환기 환열기(3)로부터 추출된다.
에너지 변환 플랜트(1)의 제5 구현예의 작동은 제1 구현예의 작동과 완전히 유사하다. 주요 차이는 단일 열 교환기 환열기(3)가 이산화탄소 피드백 라인(5)으로부터 나오는 이산화탄소, 구동 유닛 (21, 22, 및 23)으로부터 나오는 배기 유체에 의해 냉각된다는 사실에 있고, 이제 각각의 구동 유닛(21, 22, 또는 23)에 대한 열 교환기 환열기(3)를 갖기보다는 단일 열 교환기 환열기(3)에 의해 냉각된다.
이 레이아웃은 시스템의 복잡성뿐만 아니라 동일한 전체 비용을 감소시킬 수 있게 한다.
이제 도 6을 참조하면, 에너지 변환 플랜트(1)의 제6 구현예가 도시된다. 이 경우에, 레이아웃은 도 5에 도시된 제5 구현예와 동일하지만, 제2 구동 유닛(22)은 원심 압축기(C) 대신에, 원심 압축기(C)와 발전기(E)의 조합으로 회전 샤프트(223)를 통해 상이한 부하에 연결되며, 발전기(E)는 헬퍼로도 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 발전 플랜트(1)의 제7 구현예가 도시되며, 이 경우에도 제5 구현예와 유사한 레이아웃으로서 모든 구동 유닛(2)에 연결된 단일 열 교환기 환열기(3)만을 포함하며, 또한, 이 경우에는 3개이고 특히 제1 구동 유닛(21), 제2 구동 유닛(22), 및 제3 구동 유닛(23)이다.
또한, 각각의 구동 유닛(21, 22, 및 23)은 관련 부하를 통해 원심 압축기(C)에 연결된다. 이 구현예에서, 도 3에 도시된 구현예와 마찬가지로, 모든 부하는 기계적이다.
도 8을 참조하면, 참조 부호(21 및 22)로 표시된, 2개의 구동 유닛에 연결된 단일 열 교환기 환열기(3)를 포함하는 에너지 변환 플랜트(1)의 제8 구현예가 도시되며, 각각은 부하로서 발전기(E)에 연결된다.
이 경우에, 모든 부하가 본관에 연결되거나 전자 전류를 공급하게 하는 발전기(E)이므로, 소위 에너지 생성 아일랜드가 실현된다.
도 9를 참조하면, 에너지 변환 플랜트(1)의 제9 구현예가 도시되고, 구조의 관점에서 제1 구현예와 유사하지만, 이제 모든 구동 유닛(21, 22, 및 23)에 공통인 중앙집중식 연소기(6)에 대해 도시된다.
중앙집중식 연소기(6)는 연소될 연료의 유입용 연료 유입구(61), 추가 유체, 즉, 이산화탄소 및 순수 산소의 유입을 위한 산화제 유입구(62)를 갖는다. 또한, 교환기 환열기(3) 각각의 제1 유출구(32)는 중앙집중식 연소기(6), 구체적으로 유체 유입구(63)와 연결되어, 팽창될 유체를 공급하고, 이를 통해 고압 및 고온의 이산화탄소가 상기 중앙집중식 연소기(6)로 유입된다. 마지막으로, 중앙집중식 연소기(6)의 연소 가스 유출구(64)는 각각의 구동 유닛(21, 22, 및 23)의 고온 가스 유입구(217, 227, 및 237)에 각자 연결된다.
도 9의 에너지 변환 플랜트(1) 작동은 도 1에 개시된 제1 구현예와 유사하다. 그러나, 문제의 구현예에서, 연료 유입구(61)를 통해 공급된 연료 연소는 중앙집중식 연소기(6)에 의해 복수의 구동 유닛(2)으로 이루어진다(본 구현예는 관련 연소기가 구비되지 않음). 이어서, 연소 가스는 각각의 구동 유닛(21, 22, 및 23)으로 팽창된다.
도 10을 참조하면, 에너지 변환 플랜트(1)의 제10 구현예가 도시되고, 구조의 관점에서 제9 구현예와 유사하지만, 중앙집중식 연소기(6) 대신에 에너지 변환 플랜트(1)가 중앙집중식 히터(7)를 포함한다.
중앙집중식 히터(7)는 교환기 환열기(3) 각각의 제1 유출구(32)에 연결된 유체 유입구(71)를 가져서, 팽창될 유체를 공급한다. 중앙집중식 히터(7)의 고온 가스 유출구(72)는 각각의 구동 유닛(21, 22, 및 23)의 고온 가스 유입구(217, 227, 및 237)에 각자 연결된다.
도 10의 에너지 변환 플랜트(1)의 작동은 도 9에 개시된 제9 구현예와 유사하다. 그러나, 문제의 구현예에서, 열 교환기(3)로부터 나오는 유체는 중앙집중식 히터(7)에 의해 가열되고, 이어서 파이프라인 매니폴드를 통해 중앙집중식 히터(7)의 가스 유출구(72)로부터 복수의 구동 유닛(2)으로 분배된다. 이어서, 연소 가스는 각각의 구동 유닛(21, 22, 및 23)으로 팽창된다. 중앙집중식 히터(7)는 여러 유형일 수 있고, 가열 에너지는 연소(중앙집중식 히터(7)에 대해 외부에서 수행됨), 조사 등과 같은 임의의 방식으로 수득될 수 있다.
본 솔루션의 이점은 플랜트 효율성이 증가되고, 가능하게는 고압에서 이산화탄소의 직접적인 포획을 가능하게 한다.
또한, 전기 모터-구동식 압축기 트레인이 요구되지 않는 솔루션의 이점이 있어서, 플랜트의 전체 자본 지출을 감소시킨다. 또한, 증가된 효율성을 갖는, 주위 온도에서 균일한 전력 출력이 달성된다. 또한 그린필드 뿐만 아니라 브라운필드(retrofit)에 솔루션을 적용하는 것이 가능하다.
본 발명의 양태가 다양한 특정 구현예의 관점에서 기술되었지만, 청구범위의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으며 많은 수정, 변경, 및 생략이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 명세서에 달리 명시되지 않는 한, 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 배열은 대안적인 구현예에 따라 변화되거나 재배열될 수 있다.
본 발명의 구현예에 대한 언급이 상세히 이루어졌고, 구현예의 하나 이상의 예가 도면에 도시되어 있다. 각각의 예는 본 발명의 제한이 아니고, 본 발명의 설명을 위해 제공된다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 구현예" 또는 "일 구현예" 또는 "일부 구현예"에 대한 언급은 구현예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 구현예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 위치에서 "하나의 구현예에서" 또는 "일 구현예에서" 또는 "일부 구현예에서"라는 문구의 출현은 반드시 동일한 구현예(들)를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 구현예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
다양한 구현예의 요소가 소개할 때, 관사 "a", "an", "the" 및 "상기"는 하나 이상의 요소가 있다는 것을 의미하기 위한 것이다. 용어 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 및 "구비하는"은 포괄하기 위한 것이며, 열거된 요소 외에 추가적인 요소가 있을 수 있음을 의미한다.

Claims (20)

  1. 에너지 변환 플랜트(1)로서,
    유체를 공급하기 위한 유체 피드백 라인(5);
    유체 피드백 라인(5)의 압력을 압축하고 증가시키기 위한 압축 및 펌핑 유닛(4);
    2개 이상의 구동 유닛(21, 22, 23)으로서,
    각각의 구동 유닛(21, 22, 23)은 관련 부하(C, E)에 연결되고,
    각각의 구동 유닛(21, 22, 23)은 가열된 유체를 팽창시킴으로써 관련 부하(C, E)를 구동할 수 있고,
    상기 유체를 가열하기 위한 에너지 변환은 일반적인 방식으로 또는 각각의 구동 유닛(21, 22, 23) 자체에 대해 제공되는 2개 이상의 구동 유닛(21, 22, 23);
    적어도 하나의 열 교환 환열기(3)로서,
    유체 피드백 라인(5)과 구동 유닛(21, 22, 23) 사이에, 그리고 각각의 구동 유닛(21, 22, 23)과 압축 및 펌핑 유닛(4) 사이에 연결되고,
    구동 유닛(21, 22, 23)으로부터 상기 팽창된 배출 유체의 열을 교환함으로써 구동 유닛(21, 22, 23)으로 공급되도록 압축 및 펌핑 유닛(4)에 의해 압축된 유체 피드백 라인(5)에 의해 공급된 상기 유체를 가열하도록 배치되는 적어도 하나의 열 교환 환열기(3)를 포함하는, 에너지 변환 플랜트(1).
  2. 제1항에 있어서, 각각의 구동 유닛(21, 22, 23)에 대한 열 교환 환열기(3)를 포함하며,
    각각의 열 교환 환열기(3)는 유체 피드백 라인(5)과 관련 구동 유닛(21, 22, 23) 사이에, 그리고 관련 구동 유닛(21, 22, 23)과 압축 및 펌핑 유닛(4) 사이에 연결되고,
    각각의 열 교환 환열기(3)는 관련 구동 유닛(21, 22, 23)으로부터의 상기 팽창된 배출 유체의 열을 교환함으로써 관련 구동 유닛(21, 22, 23)으로 공급되기 전에 유체 피드백 라인(5)에 의해 공급된 상기 유체를 가열하도록 배치되는, 에너지 변환 플랜트(1).
  3. 제1항에 있어서, 단일 열 교환 환열기(3)로서,
    유체 피드백 라인(5)과 각각의 구동 유닛(21, 22, 23) 사이에, 그리고 각각의 구동 유닛(21, 22, 23)과 압축 및 펌핑 유닛(4) 사이에 연결된 단일 열 교환 환열기(3)를 포함하는, 에너지 변환 플랜트(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 주로 이산화탄소(CO2)를 포함하는, 에너지 변환 플랜트(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열 교환기 환열기(3)는 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있는, 에너지 변환 플랜트(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 구동 유닛(21, 22, 23)은,
    연소기(211, 221, 231)로서,
    연소될 연료의 유입을 위한 연료 유입구(214, 224, 234), 및
    연소기(211, 221, 231)에 산화제를 공급하기 위한 산화제 유입구(215, 225, 235),
    팽창될 상기 유체를 공급하기 위해 유체 유입구(216, 226, 236)를 갖는 연소기(211, 221, 231),
    연소기(211, 221, 231)에 작동 가능하게 연결된 팽창기(212, 222, 232),
    부하(C, E)에 연결된, 팽창기(212, 222, 232)에 의해 구동되는 회전 샤프트(213, 223, 233)를 포함하며;
    열 교환기 환열기(3)는,
    이산화탄소 피드백 라인(5)에 연결된 제1 유입구(31),
    관련 구동 유닛(21, 22, 23)의 연소기(211, 221, 231)의 유체 유입구(216, 226, 236)에 연결된 제1 유출구(32),
    적어도 하나의 구동 유닛(21, 22, 23)의 팽창기(212, 222, 232)에 연결된 적어도 하나의 제2 유입구(33), 및
    압축 및 펌핑 시스템(4)에 연결된 제2 유출구(34)를 갖는, 에너지 변환 플랜트(1).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    중앙집중식 연소기(6)로서,
    연소될 연료의 유입을 위한 연료 유입구(61), 및
    중앙집중식 연소기(6)에 산화제를 공급하기 위한 산화제 유입구(62),
    재순환 유체를 수용하기 위한 유체 유입구(63), 및
    팽창될 가열된 유체를 전달하기 위한 유체 유출구(64)를 갖는 중앙집중식 연소기(6)를 포함하며;
    각각의 구동 유닛(21, 22, 23)은,
    부하(C, E)에 연결된 팽창기(212, 222, 232)에 의해 구동되는 회전 샤프트(213, 223, 233) 및
    중앙집중식 연소기(6) 각자의 유체 유출구(64)에 유체 연결된 유체 유입구(217, 227, 237)를 포함하고;
    열 교환기 환열기(3)는,
    이산화탄소 피드백 라인(5)에 연결된 제1 유입구(31),
    중앙집중식 연소기(6) 각자의 유체 유입구(63)에 연결된 제1 유출구(32),
    적어도 하나의 구동 유닛(21, 22, 23)의 팽창기(212, 222, 232)의 유출구에 연결된 적어도 하나의 제2 유입구(33), 및
    압축 및 펌핑 시스템(4)에 연결된 제2 유출구(34)를 갖는, 에너지 변환 플랜트(1).
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    교환기 환열기(3)에서 나오는 상기 유체를 가열하기 위한 중앙집중식 히터(7)로서,
    가열될 상기 유체를 수용하기 위한 유체 유입구(71), 및
    팽창될 상기 가열된 유체를 전달하기 위한 유체 유출구(72)를 갖는 중앙집중식 히터(7)를 포함하며;
    각각의 구동 유닛(21, 22, 23)은,
    부하(C, E)에 연결된 팽창기(212, 222, 232)에 의해 구동되는 회전 샤프트(213, 223, 233) 및
    중앙집중식 연소기(6) 각자의 유체 유출구(72)에 유체적으로 연결된 유체 유입구(217, 227, 237)를 포함하고;
    열 교환기 환열기(3)는,
    이산화탄소 피드백 라인(5)에 연결된 제1 유입구(31),
    중앙집중식 연소기(6) 각자의 유체 유입구(63)에 연결된 제1 유출구(32),
    적어도 하나의 구동 유닛(21, 22, 23)의 팽창기(212, 222, 232)에 연결된 적어도 하나의 제2 유입구(33), 및
    압축 및 펌핑 시스템(4)에 연결된 제2 유출구(34)를 갖는, 에너지 변환 플랜트(1).
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 열 교환기 환열기(3)는 복수의 제2 유입구(33)를 가지며, 각각은 구동 유닛(21, 22, 23)의 하나의 관련 팽창기(212, 222, 232)에 연결되는, 에너지 변환 플랜트(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 및 펌핑 유닛(4)은,
    적어도 하나의 열 교환기 환열기(3)에 의해 냉각된 후에, 구동 유닛(21, 22, 및 23)으로부터 나오는 상기 유체로부터 상기 물을 분리하기 위한 적어도 하나의 분리 유닛(41);
    상기 제습된 유체를 압축하고 상기 유체의 압력을 증가시키기 위한 적어도 하나의 압축기(42);
    적어도 하나의 열 교환기(43); 및
    상기 유체의 압력을 증가시키도록 작동 가능한 적어도 하나의 펌프(44)를 포함하고, 펌프(44)는 열 교환기(43)와 유체 피드백 라인(5) 사이에 연결되는, 에너지 변환 플랜트(1).
  11. 제10항에 있어서, 펌프(44)는 상기 유체의 압력을 250 내지 350 bar까지 증가시키는, 에너지 변환 플랜트(1).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 압축기(42)는 상기 유체의 압력을 60 내지 100 bar까지 증가시키는, 에너지 변환 플랜트(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 압력으로 상기 유체를 추출하기 위해 상기 유체의 적어도 하나의 추출 라인(51)을 포함하는 에너지 변환 플랜트(1).
  14. 제13항에 있어서, 추출 라인(51)은 유체 피드백 라인(5)에 연결되는, 에너지 변환 플랜트(1).
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 제10항 또는 제11항에 따라 달라질 때, 추출 라인(51)은 펌프(44) 상류에 연결되는, 에너지 변환 플랜트(1).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 유닛(21, 22, 23)으로 공급되는 유체 피드백 라인(5)에 의해 공급된 열 교환 환열기(3)에 의해 가열된 상기 유체의 온도는 500 내지 700℃인, 에너지 변환 플랜트(1).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    관련 부하(C, E)에 연결된 제1 구동 유닛(21); 및
    관련 부하(C, E)에 연결된 제2 구동 유닛(22)을 포함하는 에너지 변환 플랜트(1).
  18. 제17항에 있어서,
    제1 구동 유닛(21)의 상기 부하는 발전기(E)이고;
    제2 구동 유닛(22)의 상기 부하는 발전기(E)인, 에너지 변환 플랜트(1).
  19. 제17항에 있어서, 관련 부하(C, E)에 연결된 제3 구동 유닛(23)을 포함하는 에너지 변환 플랜트(1).
  20. 제19항에 있어서,
    제1 구동 유닛(21)의 상기 부하는 발전기(E)이고;
    제2 구동 유닛(22)의 상기 부하는 원심 압축기(C), 또는 전기 기계 또는 발전기(E)에 연결된 원심 압축기(C), 또는 원심 압축기(C)에 연결된 전기 기계 또는 발전기(E)이고;
    제3 구동 유닛(23)의 상기 부하는 원심 압축기(C), 또는 전기 기계 또는 발전기(E)에 연결된 원심 압축기(C), 또는 원심 압축기(C)에 연결된 전기 기계 또는 발전기(E)인, 에너지 변환 플랜트(1).
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