KR20240130203A - 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치에 관한 것으로, 연료를 연소시켜 전력을 생산하는 발전유닛과, 발전유닛과 연결되고, 발전유닛으로부터 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 증기를 생성하는 배열회수유닛 및 배열회수유닛과 연결되고, 배열회수유닛으로부터 생성된 증기로부터 수소를 생성하는 수소생성유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

신재생 에너지를 이용한 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치{COMBINED CYCLE POWER GENERATION APPARATUS USING RENEWABLE ENERGY}
본 발명은 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화력 발전 과정에서 발생되는 고온의 증기를 이용하여 수소를 생성할 수 있고, 생성된 수소를 발전 설비에 활용할 수 있는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전 세계적으로 온실가스 배출에 따른 기후변화가 큰 문제로 대두되면서 지구 환경 보전을 위해 CO2 배출량을 줄이기 위한 정책을 수립하고 있다. 최근 전력 산업은 신재생 에너지로의 전환과 함께 화석연료를 청정연료로 전환하여 신재생에너지를 활용한 저탄소 전기 생산을 지향하려 시도하고 있다. 기존 복합화력 발전소는 대량의 천연가스를 연료로 가스터빈 엔진을 이용해 전기를 생산하는 발전소로, 기존 화석연료를 청정연료로 전환한다면 저탄소 발전에 기여할 수 있다.
복합화력 발전소는 축동력(Shaft power)을 이용하여 발전기로 직접 전기를 발생시키는 가스터빈(GT, Gas Turbine)과 가스터빈 엔진의 고온 배기 가스를 활용하여 물을 증기로 변환하는 배열회수 보일러(HRSG), 그리고 배열회수 보일러를 통해 생산된 증기를 이용하여 터빈 축을 회전시켜 전기를 발생시키는 스팀터빈(ST, Steam Turbine)으로 구성되어 1차적으로 가스터빈 발전을 하고 2차적으로 스팀터빈 발전을 조합하여 복합 사이클로 발전한다.
가스터빈 연료로 사용되는 천연가스를 대체할 청정연료로 연소 시 CO2를 배출하지 않는 수소(H2)가 주목받고 있다. 수소는 발열량이 타 연료에 비해 높고 원료인 물을 이용해 쉽게 생산할 수 있는 장점이 있으나 수송이나 장기간 저장은 용이하지 않다는 문제가 있다. 이는 현장에서 수소를 생산하고 공급하는 현장공급방식(On-site) 적용이 가능하다면 해결될 수 있다.
현장공급방식은 천연가스 또는 LPG 등의 화석연료를 개질하는 방식(SMR, Steam Methane Reforming)과 물을 전기분해하는 수전해 방식(Water Electrolysis)이 있다. 수전해 방식은 전기화학적 방법을 통해 물에서 수소를 추출하는 방식으로, 화석연료 개질 방식과는 달리 추출 과정에서 탄소가 발생하지 않는다. 그중 고체산화물 수전해(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)은 수전해 방식 중 에너지 전환 효율이 가장 높은 방식으로, 700℃ 이상의 고온에서 작동하며 증기를 전기분해하는 방식이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-19356373호(2018.12.28 등록, 발명의 명칭: 복합화력발전 시스템)에 개시되어 있다.
본 발명은 화력 발전 과정에서 발생되는 고온의 증기를 이용하여 수소를 생성할 수 있고, 생성된 수소를 발전 설비에 활용할 수 있는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치는: 연료를 연소시켜 전력을 생산하는 발전유닛; 상기 발전유닛과 연결되고, 상기 발전유닛으로부터 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 증기를 생성하는 배열회수유닛; 및 상기 배열회수유닛과 연결되고, 상기 배열회수유닛으로부터 생성된 증기로부터 수소를 생성하는 수소생성유닛;을 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 전해질막을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 캐소드 및 애노드를 구비하는 수전해셀; 상기 배열회수유닛과 연결되고, 상기 배열회수유닛으로부터 생성된 증기를 상기 캐소드로 공급하는 제1공급라인; 및 상기 제1공급라인과 이격되고, 외부로부터 유입되는 공기를 상기 애노드로 공급하는 제2공급라인;을 포함한다.
또한, 상기 배열회수유닛은, 상기 발전유닛과 연결되고, 상기 발전유닛으로부터 배출되는 배기가스의 유동을 안내하는 본체부; 상기 본체부에 설치되고, 상기 본체부로 유입된 배기가스를 가열하는 덕트버너; 상기 덕트버너와 마주보게 배치되고, 외부로부터 공급되는 물과 상기 덕트버너에 의해 가열된 배기가스를 열교환시켜 증기를 생성하는 제1증기발생부; 및 상기 제1증기발생부와 마주보게 배치되고, 외부로부터 공급되는 물과 상기 제1증기발생부를 통과한 배기가스를 열교환시켜 증기를 생성하는 제2증기발생부;를 포함하고, 상기 제1공급라인과 상기 제2공급라인은 일부 구간이 상기 본체부의 내부에 배치된다.
또한, 상기 제1공급라인과 상기 제2공급라인은 일부 구간이 상기 덕트버너와 상기 제1증기발생부의 사이에 배치된다.
또한, 상기 제1공급라인은 상기 제2증기발생부와 연결되고, 상기 수소생성유닛은 상기 제2증기발생부로부터 상기 제1공급라인으로 전달되는 증기의 유동을 조절하는 제1공급밸브;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 상기 제1공급라인에 설치되고, 상기 제1공급라인을 따라 유동하는 증기 내의 이물질을 제거하는 제1이물질제거부; 및 상기 제2공급라인에 설치되고, 상기 제2공급라인을 따라 유동하는 공기 내의 이물질을 제거하는 제2이물질제거부;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 상기 제1공급라인에 설치되고, 상기 제1공급라인을 따라 유동하는 증기를 가열하는 제1열교환기; 및 상기 제2공급라인에 설치되고, 상기 제2공급라인을 따라 유동하는 공기를 가열하는 제2열교환기;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 상기 캐소드와 연결되고, 상기 캐소드로부터 배출되는 수소와 증기를 상호 분리시키는 제1분리부; 상기 제1분리부와 연결되고, 상기 제1분리부에서 분리된 수소를 저장하는 제1저장부; 상기 애노드와 연결되고, 상기 애노드로부터 배출되는 공기로부터 산소를 분리시키는 제2분리부; 및 상기 제2분리부와 연결되고, 상기 제2분리부에서 분리된 산소를 저장하는 제2저장부;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 상기 제1공급라인과 상기 제1저장부의 사이에 구비되고, 상기 제1저장부에 저장된 수소를 상기 제1공급라인으로 전달하는 혼합라인; 및 상기 혼합라인에 설치되고, 상기 혼합라인을 통한 수소의 유동을 조절하는 혼합밸브;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 상기 제1저장부와 연결되고, 상기 제1저장부에 저장된 수소를 상기 발전유닛과 상기 배열회수유닛 중 적어도 어느 하나에 공급하는 수소공급부; 및 상기 제2저장부와 연결되고, 상기 제2저장부에 저장된 산소를 상기 발전유닛과 상기 배열회수유닛 중 적어도 어느 하나에 공급하는 산소공급부;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소생성유닛은, 상기 제1분리부와 연결되고, 상기 제1분리부에서 분리된 증기를 상기 배열회수유닛으로 공급하는 수분회수부; 및 상기 제2분리부와 연결되고, 상기 제2분리부에서 산소가 분리된 공기를 외부로 배출시키는 공기배출부;를 더 포함한다.
또한, 상기 배열회수유닛으로부터 생성된 증기를 전달받아 전력을 생산하는 증기발전유닛; 및 상기 증기발전유닛의 발전량을 바탕으로 상기 수소생성유닛의 동작을 제어하는 제어유닛;을 더 포함한다.
본 발명에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치는 수소생성유닛이 배열회수유닛으로부터 증기를 공급받음에 따라 별도의 열원의 설치 없이도 발전 시스템의 연료, 산화제, 냉각제 등으로 활용이 가능한 수소 및 산소를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치는 수소생성유닛으로부터 생성된 수소가 발전유닛 및 덕트버너의 연료로 활용될 수 있음에 따라 전체적인 발전 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 이산화탄소 배출을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치는 제어유닛이 전력 수요의 증감에 대응되어 수소생성유닛으로부터 생성되는 수소의 생산량을 유동적으로 조절함으로써 배열회수유닛으로 유입되는 배기가스의 열에너지의 손실을 방지하고, 증기발전유닛의 발전 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치의 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 작업자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치(1)는 발전유닛(100), 배열회수유닛(200), 증기발전유닛(300), 수소생성유닛(400)을 포함할 수 있다.
발전유닛(100)은 연료의 연소에 의해 발생하는 에너지로부터 전력을 생산한다. 본 실시예에 따른 발전유닛(100)은 압축기(110), 연소기(120), 가스터빈(130), 메인발전기(140)를 포함할 수 있다.
압축기(110)는 공기를 압축하여 압축 공기를 생성하고, 생성된 압축 공기를 후술하는 연소기(120)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(110)는 로터의 회전에 의해 공기를 압축하는 회전 압축기 등과 같이 압축 공기를 생성할 수 있는 다양한 장치로 예시될 수 있다.
연소기(120)는 압축기(110)로부터 공급되는 압축 공기와, 외부로부터 공급되는 연료를 혼합 및 연소시킴으로써 고압 고온의 연소 가스를 발생시킨다. 여기서, 연료는 천연가스 또는 수소일 수 있고, 수소와 천연가스의 혼합물인 것도 가능하다. 본 실시예에 따른 연소기(120)는 일측이 압축기(110)와 연결될 수 있다. 압축기(110)로부터 생성된 압축 공기는 배관 등을 통해 연소기(120)의 내부로 유입될 수 있다. 연소기(120)는 타측이 외부의 연료 저장탱크(미도시) 및 후술하는 수소생성유닛(400)과 연결될 수 있다. 연료 저장탱크에 저장된 연료 및 수소생성유닛(400)으로부터 생성된 수소는 배관 등을 통해 연소기(120)의 내부로 유입될 수 있다. 연소기(120)는 내부로 유입된 압축 공기 및 연료에 열을 가해 연소 반응을 일으킬 수 있는 다양한 종류의 연소 장치로 예시될 수 있다.
가스터빈(130)은 연소기(120)로부터 연소 가스를 전달받고, 연소 가스의 유동력에 연동되어 회전력을 발생시킨다. 본 실시예에 따른 가스터빈(130)은 유입구 및 배출구가 형성되는 터빈케이스, 터빈케이스에 회전 가능하게 설치되는 로터, 연소 가스의 유동에 간섭되며 로터를 회전시키는 블레이드들을 포함하는 다양한 종류의 터빈 장치로 예시될 수 있다. 가스터빈(130)의 로터는 압축기(110)의 로터와 일체로 연결되어 회전될 수 있다.
메인발전기(140)는 가스터빈(130)의 회전력에 연동되어 전력을 생산한다. 본 실시예에 따른 메인발전기(140)는 가스터빈(130)의 로터 등과 연결되고, 가스터빈(130)으로부터 발생되는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 다양한 종류의 발전 장치로 예시될 수 있다. 메인발전기(140)는 가스터빈(130)의 로터와 직접 연결될 수 있고, 압축기(110)의 로터를 매개로 가스터빈(130)의 로터와 간접적으로 연결되는 것도 가능하다.
배열회수유닛(200)은 발전유닛(100)과 연결되고, 발전유닛(100)으로부터 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 증기를 생성한다.
본 실시예에 따른 배열회수유닛(200)은 본체부(210), 덕트버너(220), 저수부(230), 제1증기발생부(240), 제2증기발생부(250)를 포함할 수 있다.
본체부(210)는 배열회수유닛(200)의 개략적인 외관을 형성하고, 가스터빈(130)으로부터 배출되는 배기가스의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 본체부(210)는 내부가 비어있고 양측이 개구된 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 본체부(210)는 일측이 가스터빈(130)의 배출구와 연결되고, 가스터빈(130)으로부터 배출되는 고온의 배기가스가 내부로 유입될 수 있다. 본체부(210)는 일측으로 유입된 배기가스의 유동을 타측으로 안내할 수 있다. 본체부(210)의 타측은 본체부(210)의 외부 공간과 연통되고, 본체부(210)를 따라 유동된 배기가스를 외부로 배출할 수 있다. 이하에서는 가스터빈(130)으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 본체부(210)의 일측을 상류측이라하고, 상류측과 반대측에 배치된 본체부(210)의 타측을 하류측이라 한다.
덕트버너(220)는 본체부(210)에 설치되고, 본체부(210)로 유입된 배기가스를 가열한다. 본 실시예에 따른 덕트버너(220)는 화염을 분사하여 본체부(210)의 내부에 유입된 배기가스를 가열할 수 있는 다양한 종류의 가열 장치로 예시될 수 있다. 덕트버너(220)는 가스터빈(130)과 근접하게 위치한 본체부(210)의 상류측에 배치될 수 있다. 이에 따라 덕트버너(220)는 본체부(210)의 내부로 유입되는 배기가스의 온도를 추가적으로 상승시켜 후술하는 제1증기발생부(240), 제2증기발생부(250)의 증기 발생 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
덕트버너(220)는 본체부(210)의 외부에 설치된 버너연료혼합기(221)와 연결될 수 있다. 버너연료혼합기(221)는 덕트버너(220)에서의 연소 반응을 위해 필요한 버너연료 및 산화제를 혼합 및 저장할 수 있다. 버너연료혼합기(221)는 배관 등을 매개로 혼합된 버너연료 및 산화제를 덕트버너(220)로 공급할 수 있다. 여기서 버너연료는 수소 또는 수소 및 기타 천연가스의 혼합물일 수 있고, 산화제는 산소일 수 있다.
저수부(230)는 후술하는 제1증기발생부(240), 제2증기발생부(250)로 액체 상태의 물을 공급하는 구성으로서 기능한다.
본 실시예에 따른 저수부(230)는 저수탱크(231), 제1급수라인(232), 제2급수라인(233)을 포함할 수 있다.
저수탱크(231)는 본체부(210)의 외부에 설치되고, 내부에 물을 액체 상태로 저장할 수 있는 다양한 종류의 저장 용기로 예시될 수 있다.
제1급수라인(232), 제2급수라인(233)은 저수탱크(231)와 연결되고, 저수탱크(231)에 저장된 액체 상태의 물을 후술하는 제1증기발생부(240), 제2증기발생부(250)로 전달한다. 본 실시예에 따른 제1급수라인(232), 제2급수라인(233)은 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1급수라인(232), 제2급수라인(233)은 일측이 저수탱크(231)와 연결될 수 있다. 제1급수라인(232), 제2급수라인(233)의 타측은 제1증기발생부(240), 제2증기발생부(250)와 각각 연결될 수 있다.
제1급수라인(232), 제2급수라인(233)에는 제1급수라인(232), 제2급수라인(233)을 따라 흐르는 액체 상태의 물에 유동력을 제공하는 급수 펌프 및 제1급수라인(232), 제2급수라인(233)을 따라 흐르는 액체 상태의 물의 유동 상태를 조절하는 급수 밸브가 추가로 설치될 수 있다.
제1증기발생부(240)는 외부, 보다 구체적으로 저수부(230)로부터 공급되는 물과 덕트버너(220)에 의해 가열된 배기가스를 열교환시켜 고압의 증기를 생성한다. 제1증기발생부(240)는 본체부(210)의 내부에서 덕트버너(220)와 마주보게 배치될 수 있다. 즉, 제1증기발생부(240)는 본체부(210)의 상류측에 배치될 수 있다. 여기서 증기는 물의 기화 작용에 의해 생성된 수증기로 예시될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1증기발생부(240)는 제1절탄기(241), 제1드럼(242), 제1증발기(243), 과열기(244), 제1증기라인(245)을 포함할 수 있다.
제1절탄기(241)는 제1급수라인(232)과 연결되고, 배기가스와의 열교환 작용에 의해 제1급수라인(232)로부터 공급되는 액체 상태의 물을 가열한다.
본 실시예에 따른 제1절탄기(241)는 열교환 유로를 갖는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 제1절탄기(241)는 본체부(210)의 내부에 설치되고, 배기가스의 유동 방향을 따라 덕트버너(220)와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 제1절탄기(241)의 위치는 이러한 사항에 한정되는 것은 아니고, 배열회수유닛(200)의 열교환 특성에 따라 상류측에서 하류측 사이에서 온도 스펙트럼을 갖는 본체부(210)의 내부에서 설치 위치가 자유롭게 가변될 수 있다. 제1절탄기(241)는 일측이 제1급수라인(232)과 연결되고, 제1급수라인(232)을 통해 저수탱크(231)에 저장된 액체 상태의 물을 공급받을 수 있다. 제1절탄기(241)는 본체부(210)의 상류측에서 하류측을 향해 유동하는 배기가스와의 열교환 작용에 의해 내부를 유동하는 물의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시킬 수 있다.
제1드럼(242)은 제1절탄기(241), 제1증발기(243) 및 과열기(244)의 사이에서 액상의 물과 기상의 증기의 유동을 독립적으로 안내한다. 본 실시예에 따른 제1드럼(242)은 액체 상태의 물과 기체 상태의 증기를 상호 분리시킬 수 있는 다양한 종류의 기액분리기로 예시될 수 있다. 제1드럼(242)은 제1절탄기(241)의 타측과 연결될 수 있다. 제1절탄기(241)를 통과하며 가열된 액체 상태의 물은 제1드럼(242)의 내부로 유입될 수 있다.
제1증발기(243)는 제1드럼(242)과 연결되고, 제1드럼(242)으로부터 액체 상태의 물을 전달받는다. 제1증발기(243)는 제1드럼(242)으로부터 전달받은 액체 상태의 물을 배기가스와 열교환시켜 기체 상태의 증기를 생성한다.
본 실시예에 따른 제1증발기(243)는 열교환 유로를 갖는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 제1증발기(243)는 본체부(210)의 내부에 설치되고, 제1절탄기(241)의 전방 즉, 제1절탄기(241)와 덕트버너(220)의 사이에 배치될 수 있다. 제1증발기(243)는 양측이 모두 제1드럼(242)과 연결될 수 있다. 제1증발기(243)는 일측을 통해 제1드럼(242)으로부터 액체 상태의 물을 전달받고, 연장 방향을 따라 물의 유동을 안내할 수 있다. 제1증발기(243)는 제1절탄기(241)의 전방에 위치한 배기가스와의 열교환 작용에 의해 내부를 유동하는 액체 상태의 물을 증발시켜 증기를 생성할 수 있다. 제1증발기(243)는 타측을 통해 증기를 제1드럼(242)으로 전달할 수 있다.
과열기(244)는 제1드럼(242)과 연결되고, 제1증발기(243)로부터 생성된 증기를 과열시켜 고압 상태의 증기를 생성한다. 본 실시예에 따른 과열기(244)는 열교환 유로를 갖는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 과열기(244)는 본체부(210)의 내부에 설치되고, 제1증발기(243)의 전방 즉, 제1증발기(243)와 덕트버너(220)의 사이에 배치될 수 있다. 과열기(244)는 일측이 제1드럼(242)과 연결되고, 제1증발기(243)로부터 제1드럼(242)으로 전달된 기체 상태의 증기를 전달받을 수 있다. 과열기(244)는 연장 방향을 따라 내부로 유입된 증기의 유동을 안내할 수 있다. 과열기(244)는 제1증발기(243)의 전방에 위치한 배기가스와의 열교환 작용에 의해 내부를 유동하는 증기의 압력을 상승시켜 고압 상태의 증기를 생성할 수 있다.
제1증기라인(245)은 과열기(244)로부터 생성된 고압 상태의 증기를 후술하는 증기발전유닛(300)으로 전달한다. 본 실시예에 따른 제1증기라인(245)은 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1증기라인(245)은 일측이 과열기(244)의 타측과 연결될 수 있다. 제1증기라인(245)의 타측은 본체부(210)의 외부로 연장되고, 후술하는 증기발전유닛(300)과 연결될 수 있다.
제2증기발생부(250)는 외부, 보다 구체적으로 저수부(230)로부터 공급되는 물과 제1증기발생부(240)를 통과한 배기가스를 열교환시켜 제1증기발생부(240)에서 생성된 증기보다 낮은 압력을 갖는 저압의 증기를 생성한다. 제2증기발생부(250)는 본체부(210)의 내부에서 제1증기발생부(240)와 마주보게 배치될 수 있다. 즉, 제2증기발생부(250)는 본체부(210)의 하류측에 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 제2증기발생부(250)는 제2절탄기(251), 제2드럼(252), 제2증발기(253), 제2증기라인(254)을 포함할 수 있다.
제2절탄기(251)는 제2급수라인(233)과 연결되고, 배기가스와의 열교환 작용에 의해 제2급수라인(233)으로부터 공급되는 액체 상태의 물을 가열한다.
본 실시예에 따른 제2절탄기(251)는 열교환 유로를 갖는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 제2절탄기(251)는 본체부(210)의 내부에 설치되고, 배기가스의 유동 방향을 따라 제1절탄기(241)와 소정 간격 이격되게 배치될 수 있다. 제2절탄기(251)는 일측이 제2급수라인(233)과 연결되고, 제2급수라인(233을 통해 저수탱크(231)에 저장된 액체 상태의 물을 공급받을 수 있다. 제2절탄기(251)는 본체부(210)의 상류측에서 하류측을 향해 유동하는 배기가스와의 열교환 작용에 의해 내부를 유동하는 물의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시킬 수 있다.
제2드럼(252)은 제2절탄기(251), 제2증발기(253)의 사이에서 액상의 물과 기상의 증기의 유동을 독립적으로 안내한다. 본 실시예에 따른 제2드럼(252)은 액체 상태의 물과 기체 상태의 증기를 상호 분리시킬 수 있는 다양한 종류의 기액분리기로 예시될 수 있다. 제2드럼(252)은 제2절탄기(251)의 타측과 연결될 수 있다. 제2절탄기(251)를 통과하며 가열된 액체 상태의 물은 제2드럼(252)의 내부로 유입될 수 있다.
제2증발기(253)는 제2드럼(252)과 연결되고, 제2드럼(252)으로부터 액체 상태의 물을 전달받는다. 제2증발기(253)는 제2드럼(252)으로부터 전달받은 액체 상태의 물을 배기가스와 열교환시켜 기체 상태의 증기를 생성한다.
본 실시예에 따른 제2증발기(253)는 열교환 유로를 갖는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 제2증발기(253)는 본체부(210)의 내부에 설치되고, 제2절탄기(251)의 전방 즉, 제2절탄기(251)와 제1절탄기(241)의 사이에 배치될 수 있다. 제2증발기(253)는 양측이 모두 제2드럼(252)과 연결될 수 있다. 제2증발기(253)는 일측을 통해 제2드럼(252)으로부터 액체 상태의 물을 전달받고, 연장 방향을 따라 물의 유동을 안내할 수 있다. 제2증발기(253)는 제2절탄기(251)의 전방에 위치한 배기가스와의 열교환 작용에 의해 내부를 유동하는 액체 상태의 물을 증발시켜 저압의 증기를 생성할 수 있다. 제2증발기(253)로부터 생성된 증기의 압력은 과열기(244)로부터 생성된 증기의 압력보다 낮을 수 있다. 제2증발기(253)는 타측을 통해 증기를 제2드럼(252)으로 전달할 수 있다.
제2증기라인(254)은 제2증발기(253)로부터 생성된 저압 상태의 증기를 후술하는 증기발전유닛(300)으로 전달한다. 본 실시예에 따른 제2증기라인(254)은 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2증기라인(254)은 일측이 제2드럼(252)과 연결될 수 있다. 제2증기라인(254)의 타측은 본체부(210)의 외부로 연장되고, 후술하는 증기발전유닛(300)과 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 배열회수유닛(200)은 본체부(210)로 유입된 배기가스 내의 질소산화물을 제거할 수 있는 탈질 설비(260)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 탈질 설비(260)는 촉매 활성 설비(261), 환원제 분사 설비(262), SCR 탈질 설비(263)을 포함할 수 있다.
증기발전유닛(300)은 배열회수유닛(200)과 연결되고, 배열회수유닛(200)으로부터 생성된 증기의 에너지로부터 전력을 생산한다.
본 실시예에 따른 증기발전유닛(300)은 증기터빈(310), 증기발전기(320)를 포함할 수 있다.
증기터빈(310)은 제1증기발생부(240)와 제2증기발생부(250)로부터 생성된 증기를 전달받고, 증기의 유동력에 연동되어 회전력을 발생시킨다.
본 실시예에 따른 증기터빈(310)은 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312), 저압 증기터빈(313)을 포함할 수 있다.
고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312), 저압 증기터빈(313)은 유입구 및 배출구가 형성되는 터빈케이스, 터빈케이스에 회전 가능하게 설치되는 로터, 증기의 유동에 간섭되며 로터를 회전시키는 블레이드들을 포함하는 다양한 종류의 터빈 장치로 예시될 수 있다. 고압 증기터빈(311)은 제1증기라인(245) 및 제2증기라인(254)과 연결되고, 제1증기라인(245) 및 제2증기라인(254)을 통해 제1증기발생부(240)와 제2증기발생부(250)로부터 생성된 증기를 전달받을 수 있다. 고압 증기터빈(311)은 제1증기라인(245) 및 제2증기라인(254)을 통해 전달받은 증기의 유동력에 의해 회전력을 발생시킬 수 있다.
고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312), 저압 증기터빈(313)은 증기의 유동 방향을 따라 다단으로 배치될 수 있다. 고압 증기터빈(311)을 통과한 증기는 중압 증기터빈(312), 저압 증기터빈(313)에 순차적으로 전달되며 중압 증기터빈(312), 저압 증기터빈(313)의 로터를 회전시킬 수 있다.
증기발전기(320)는 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312) 및 저압 증기터빈(313)과 연결되고, 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312) 및 저압 증기터빈(313)의 회전력에 연동되어 전력을 생산한다. 본 실시예에 따른 증기발전기(320)는 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312) 및 저압 증기터빈(313)의 로터 등과 연결되고, 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312) 및 저압 증기터빈(313)의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 다양한 종류의 발전 장치로 예시될 수 있다. 증기발전기(320)는 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312) 및 저압 증기터빈(313)의 로터와 개별적으로 연결될 수 있고, 고압 증기터빈(311), 중압 증기터빈(312) 및 저압 증기터빈(313)의 로터와 동시에 연결되는 것도 가능하다.
증기발전유닛(300)은 저압 증기터빈(313)을 통과한 증기를 액체 상태의 물로 상변화시키는 응축기(330)를 더 포함할 수 있다. 응축기(330)는 저수부(230)의 저수탱크(231)와 연결될 수 있다. 이에 따라 응축기(330)를 통과하며 액체 상태로 상변화된 물은 저수탱크(231)로 회수될 수 있다.
수소생성유닛(400)은 배열회수유닛(200)과 연결되고, 배열회수유닛(200)으로부터 생성된 증기로부터 수소 및 산소를 생성한다. 이에 따라, 수소생성유닛(400)은 별도의 열원의 설치 없이 배열회수유닛(200)의 자체적인 열을 통해 발전 시스템의 연료, 산화제, 냉각제 등으로 활용이 가능한 수소 및 산소를 생성함으로써 전체적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 이산화탄소의 배출량을 저감시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 2, 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소생성유닛(400)은 수전해셀(410), 제1공급라인(420), 제2공급라인(430)을 포함할 수 있다.
수전해셀(410)은 배열회수유닛(200)으로부터 생성된 증기를 전기분해하여 수소 및 산소를 생성한다. 본 실시예에 따른 수전해셀(410)은 산소 이온이 전도될 수 있는 전해질막(411)과, 전해질막(411)을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 캐소드(412) 및 애노드(413)와, 캐소드(412) 및 애노드(413)에 설정 크기의 전압을 인가하는 전원 장치(414)를 포함하는 고체 산화물 수전해 셀로 예시될 수 있다.
수전해셀(410)은 본체부(210)의 외부에 배치될 수 있다. 수전해셀(410)은 복수개로 구비될 수 있다. 이 경우, 복수개의 수전해셀(410)은 다단으로 적층되어 하나의 스택을 구성하도록 형성될 수 있다.
제1공급라인(420)은 배열회수유닛(200)과 연결되고, 배열회수유닛(200)으로부터 생성된 증기를 캐소드(412)로 공급한다. 이에 따라 제1공급라인(420)은 별도의 증기 생산 설비 없이 수전해셀(410)에 증기를 공급할 수 있어 수소 생산을 위한 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 제1공급라인(420)은 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1공급라인(420)의 일측은 제2증기발생부(250), 보다 구체적으로 제2증기라인(254)과 연결될 수 있다. 제2증기라인(254)을 따라 증기터빈(310)으로 전달되는 증기의 일부는 제2증기라인(254)으로부터 분기되어 제1공급라인(420)으로 유입될 수 있다. 이에 따라 제1공급라인(420)은 제1증기라인(245)에 연결되는 경우에 비해 상대적으로 저압의 증기를 전달받을 수 있어 수전해셀(410)에 과도한 압력의 증기가 공급되는 것을 방지할 수 있다.
제1공급라인(420)의 타측은 수전해셀(410)의 캐소드(412)와 연결될 수 있다. 제1공급라인(420)은 일측으로 유입된 증기를 수전해셀(410)의 캐소드(412)로 공급할 수 있다.
제1공급라인(420)의 일부 구간은 본체부(210)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 제1공급라인(420)은 일측과 타측 사이의 일부 구간이 본체부(210)의 내부를 통과하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 제1공급라인(420)은 별도의 열원 없이도 본체부(210)의 내부를 유동하는 배기가스와의 열교환 작용에 의해 수전해셀(410)로 공급되는 증기의 온도를 충분히 상승시킬 수 있다. 제1공급라인(420)은 본체부(210)의 상류측 즉, 덕트버너(220)와 제1증기발생부(240)의 과열기(244)의 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라 제1공급라인(420)은 내부를 유동하는 증기를 상대적으로 높은 온도를 갖는 본체부(210)의 상류측의 배기가스와 열교환시켜 증기의 온도 상승량을 보다 증가시킬 수 있다.
제1공급라인(420)에는 제2증기발생부(250)로부터 제1공급라인(420)으로 전달되는 증기의 유동 상태 즉, 유량 및 유속 등을 조절하는 제1공급밸브(421)가 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 제1공급밸브(421)는 외부로부터 인가되는 전기 신호에 의해 개폐 동작되며 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기의 유동 상태를 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자식 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다.
제1공급라인(420)에는 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기 내의 이물질을 제거할 수 있는 제1이물질제거부(422)가 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 제1이물질제거부(422)는 제1공급라인(420)의 내부에 설치되고, 제1공급라인(420)을 따라 흐르는 증기의 유동에 간섭되어 이물질을 걸러낼 수 있는 다양한 종류의 필터 등을 포함할 수 있다.
제1공급라인(420)에는 제1공급라인(420)으로 유입된 증기를 캐소드(412)를 향해 유동시키는 제1블로워(423), 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기의 압력을 설정 압력 이하로 감소시킬 수 있는 감압밸브(424), 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기를 가열하여 캐소드(412)로 공급되는 증기의 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있는 제1열교환기(425)가 추가로 설치될 수 있다.
제2공급라인(430)은 제1공급라인(420)과 이격되게 배치되고, 외부로부터 유입되는 공기를 수전해셀(410)의 애노드(413)로 공급한다.
본 실시예에 따른 제2공급라인(430)은 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제2공급라인(430)의 일측은 본체부(210)의 외부 공간과 연통될 수 있다. 제2공급라인(430)의 타측은 수전해셀(410)의 애노드(413)와 연결될 수 있다. 본체부(210)의 외부로부터 제2공급라인(430)의 일측으로 유입된 공기는 제2공급라인(430)의 타측을 통해 수전해셀(410)의 애노드(413)로 공급될 수 있다.
제2공급라인(430)의 일부 구간은 본체부(210)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 제2공급라인(430)은 일측과 타측 사이의 일부 구간이 본체부(210)의 내부를 통과하도록 배치될 수 있다. 이에 따라 제2공급라인(430)은 별도의 열원 없이도 본체부(210)의 내부를 유동하는 배기가스와의 열교환 작용에 의해 수전해셀(410)로 공급되는 공기의 온도를 충분히 상승시킬 수 있다. 제2공급라인(430)은 본체부(210)의 상류측 즉, 덕트버너(220)와 제1증기발생부(240)의 과열기(244)의 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라 제2공급라인(430)은 내부를 유동하는 공기를 상대적으로 높은 온도를 갖는 본체부(210)의 상류측의 배기가스와 열교환시켜 공기의 온도 상승량을 보다 증가시킬 수 있다.
제2공급라인(430)에는 제2공급라인(430)을 따라 유동하는 공기의 유동 상태 즉, 유량 및 유속 등을 조절하는 제2공급밸브(431)가 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 제2공급밸브(431)는 외부로부터 인가되는 전기 신호에 의해 개폐 동작되며 제2공급라인(430)을 따라 유동하는 공기의 유동 상태를 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자식 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다.
제2공급라인(430)에는 제2공급라인(430)을 따라 유동하는 증기 내의 이물질을 제거할 수 있는 제2이물질제거부(432)가 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 제2이물질제거부(432)는 제2공급라인(430)의 내부에 설치되고, 제2공급라인(430)을 따라 흐르는 증기의 유동에 간섭되어 이물질을 걸러낼 수 있는 다양한 종류의 필터 등을 포함할 수 있다.
제2공급라인(430)에는 제2공급라인(430)으로 유입된 공기를 애노드(413)를 향해 유동시키는 제2블로워(433), 제2공급라인(430)을 따라 유동하는 공기를 가열하여 애노드(413)로 공급되는 공기의 온도를 추가적으로 상승시킬 수 있는 제2열교환기(434)가 추가로 설치될 수 있다.
수전해셀(410)은 캐소드(412) 및 애노드(413)에 설정 크기의 전압이 인가됨에 따라 증기를 전기분해하여 수소 및 산소를 생성할 수 있다. 이 경우, 수전해셀(410)의 캐소드(412) 측에서는 수소가 생성되고, 애노드(413) 측에서는 산소가 생성될 수 있다. 수소는 제1공급라인(420)을 통해 캐소드(412)로 공급된 증기와 혼합된 상태로 캐소드(412)로부터 배출될 수 있다. 산소는 제2공급라인(430)을 통해 애노드(413)로 공급된 공기와 혼합된 상태로 애노드(413)로부터 배출될 수 있다.
본 실시예에 따른 수소생성유닛(400)은 제1분리부(450), 제1저장부(460), 제2분리부(470), 제2저장부(480)를 더 포함할 수 있다.
제1분리부(450)는 캐소드(412)와 연결되고, 캐소드(412)로부터 배출되는 수소와 증기를 상호 분리시킨다. 본 실시예에 따른 제1분리부(450)는 캐소드(412)로부터 배출되는 수소와 증기를 냉각시키는 칠러를 포함할 수 있다. 제1분리부(450)는 캐소드(412)로부터 배출되는 증기를 수소와의 응축점 차이에 의해 액체 상태의 물로 상변화시킬 수 있다. 이 경우, 액체 상태의 물은 자중에 의해 제1분리부(450)의 하측으로 이동되고, 기체 상태의 수소는 제1분리부(450)의 상측으로 이동됨으로써 캐소드(412)로부터 배출되는 증기와 수소는 제1분리부(450)의 내부에서 상하로 분리될 수 있다.
제1분리부(450)는 제1분리부(450)에서 분리된 증기를 배열회수유닛(200)으로 공급하는 수분회수부(451)와 연결될 수 있다. 본 실시예에 따른 수분회수부(451)는 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 수분회수부(451)는 일측이 제1분리부(450)의 하측과 연결될 수 있다. 제1분리부(450)의 하측으로 이동된 액체 상태의 물은 수분회수부(451)의 일측을 통해 수분회수부(451)의 내부로 유입될 수 있다. 수분회수부(451)는 타측이 제2증기발생부(250)의 제2증발기(253)와 연결될 수 있다. 수분회수부(451)의 내부로 유입된 액체 상태의 물은 수분회수부(451)의 타측을 통해 제2증발기(253)로 재유입될 수 있다. 수분회수부(451)는 상술한 사항에 한정되는 것은 아니고, 타측이 저수부(230), 제1증기발생부(240) 등과 연결되어 제1분리부(450)로부터 회수한 수분을 저수부(230), 제1증기발생부(240)로 전달하는 것도 가능하다.
수분회수부(451)에는 내부로 유입된 액체 상태의 물에 유동력을 제공할 수 있는 펌프(451a) 등이 추가로 설치될 수 있다.
제1저장부(460)는 제1분리부(450)와 연결되고, 제1분리부(450)에서 분리된 수소를 저장한다. 본 실시예에 따른 제1저장부(460)는 일측이 제1분리부(450)의 상측에 연결되는 수소전달라인(461), 수소전달라인(461)의 타측에 연결되는 수소저장탱크(462)를 포함할 수 있다. 제1분리부(450)의 상측으로 이동된 수소는 수소전달라인(461)의 일측을 통해 수소전달라인(461)의 내부로 유입되고, 수소전달라인(461)의 타측을 통해 수소저장탱크(462)로 전달될 수 있다.
수소전달라인(461)에는 수소가 수소저장탱크(462)에 고압 상태로 저장되도록 수소저장탱크(462)로 전달되는 수소를 압축시키는 수소압축기(463)가 설치될 수 있다.
제2분리부(470)는 애노드(413)와 연결되고, 애노드(413)로부터 배출되는 공기로부터 산소를 분리시킨다. 본 실시예에 따른 제2분리부(470)는 애노드(413)로부터 배출되는 공기에서 산소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 산소분리막을 포함할 수 있다. 애노드(413)로부터 배출되는 산소와, 산소를 제외한 공기는 제2분리부(470)의 내부에서 산소분리막을 기준으로 제2분리부(470)의 양측에 각각 배치될 수 있다.
애노드(413)와 제2분리부(470)의 사이에는 애노드(413)로부터 제2분리부(470)로 전달되는 공기 및 산소를 소정 온도 이상으로 가열시키는 제3열교환기(471)가 추가로 설치될 수 있다.
제2분리부(470)는 제2분리부(470)에서 산소가 분리된 공기를 외부로 배출시키는 공기배출부(472)와 연결될 수 있다. 본 실시예에 따른 공기배출부(472)는 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 공기배출부(472)는 일측이 산소가 분리된 공기가 위치한 제2분리부(470)의 일측과 연결될 수 있다. 제2분리부(470)에서 산소가 분리된 공기는 공기배출부(472)의 일측을 통해 공기배출부(472)의 내부로 유입될 수 있다. 공기배출부(472)는 타측이 외부 공간과 연통될 수 있다. 공기배출부(472)의 내부로 유입된 산소가 분리된 공기는 공기배출부(472)의 타측을 통해 외부 공간으로 배출될 수 있다. 공기배출부(472)에는 공기배출부(472)의 내부로 유입된 산소가 분리된 공기에 유동력을 제공하기 위한 배출블로워(472a)가 설치될 수 있다.
제2저장부(480)는 제2분리부(470)와 연결되고, 제2분리부(470)에서 분리된 산소를 저장한다. 본 실시예에 따른 제2저장부(480)는 일측이 제2분리부(470)의 타측에 연결되는 산소전달라인(481), 산소전달라인(481)의 타측에 연결되는 산소저장탱크(482)를 포함할 수 있다. 제2분리부(470)의 타측에 모여진 산소는 산소전달라인(481)의 일측을 통해 산소전달라인(481)의 내부로 유입되고, 산소전달라인(481)의 타측을 통해 산소저장탱크(482)로 전달될 수 있다.
산소전달라인(481)에는 산소가 산소저장탱크(482)에 고압 상태로 저장되도록 산소저장탱크(482)로 전달되는 수소를 압축시키는 산소압축기(483)가 설치될 수 있다.
본 실시예에 따른 수소생성유닛(400)은 혼합라인(491), 혼합밸브(492)를 더 포함할 수 있다.
혼합라인(491)은 제1공급라인(420)과 제1저장부(460)의 사이에 구비되고, 제1저장부(460)에 저장된 수소를 제1공급라인(420)으로 전달한다. 즉, 혼합라인(491)은 제1저장부(460)에 저장된 수소의 일부를 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기에 혼합시키는 구성으로서 기능할 수 있다. 이에 따라 혼합라인(491)은 캐소드(412)의 산화를 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 혼합라인(491)은 내부가 비어있고, 양측이 개구된 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 혼합라인(491)의 일측은 수소저장탱크(462)와 연결되고, 타측은 제1공급라인(420)과 연결될 수 있다.
혼합밸브(492)는 혼합라인(491)에 설치되고, 혼합라인(491)을 통한 수소의 유동을 조절한다. 본 실시예에 따른 혼합밸브(492)는 외부로부터 인가되는 전기 신호에 의해 개폐 동작되며 혼합라인(491)을 따라 유동하는 수소의 유동 상태 즉, 유량, 유속 등을 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자식 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다. 혼합밸브(492)는 제1저장부(460)에 저장된 수소가 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기에 약 9:1의 비율로 혼합되도록 혼합라인(491)을 통한 수소의 유동을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 수소생성유닛(400)은 수소공급부(493), 산소공급부(494)를 더 포함할 수 있다.
수소공급부(493)는 제1저장부(460)와 연결되고, 제1저장부(460)에 저장된 수소를 발전유닛(100)과 배열회수유닛(200) 중 적어도 어느 하나에 공급한다. 이하에서는 수소공급부(493)가 제1저장부(460)에 저장된 수소를 발전유닛(100)과 배열회수유닛(200) 모두에 공급하는 것을 예로 들어 설명하겠으나, 수소공급부(493)는 이에 한정되는 것은 아니고, 제1저장부(460)에 저장된 수소를 발전유닛(100)과 배열회수유닛(200) 중 어느 하나에만 공급하는 것도 가능하다.
본 실시예에 따른 수소공급부(493)는 수소공급라인(493a), 수소공급밸브(493b)를 포함할 수 있다.
수소공급라인(493a)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 수소공급라인(493a)은 일측이 수소저장탱크(462)와 연결될 수 있다. 수소공급라인(493a)의 타측은 다수개의 경로로 분기되어 각각 연소기(120), 메인발전기(140) 및 버너연료혼합기(221)와 연결될 수 있다. 수소공급라인(493a)을 통해 연소기(120) 및 버너연료혼합기(221)로 전달된 수소는 연소기(120) 및 덕트버너(220)의 연소 반응을 위한 연료로써 활용될 수 있다. 이에 따라 수소공급라인(493a)은 발전 과정에서 연료의 소모 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 수소공급라인(493a)을 통해 메인발전기(140)로 공급된 수소는 메인발전기(140)의 냉각재로써 활용될 수 있다. 이에 따라 수소공급라인(493a)은 메인발전기(140)의 열화를 방지하고, 설비 수명을 증가시킬 수 있다.
수소공급밸브(493b)는 수소공급라인(493a)을 따라 유동하는 수소의 유동을 조절한다. 본 실시예에 따른 수소공급밸브(493b)는 외부로부터 인가되는 전기 신호에 의해 개폐 동작되며 수소공급라인(493a)을 따라 유동하는 수소의 유동 상태 즉, 유량, 유속 등을 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자식 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다. 수소공급밸브(493b)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 수소공급밸브(493b)는 수소공급라인(493a)의 분기 경로마다 개별적으로 설치될 수 있다.
산소공급부(494)는 제2저장부(480)와 연결되고, 제2저장부(480)에 저장된 산소를 발전유닛(100)과 배열회수유닛(200) 중 적어도 어느 하나에 공급한다. 이하에서는 산소공급부(494)는 제2저장부(480)에 저장된 산소를 배열회수유닛(200)에만 공급하는 것을 예로 들어 설명하겠으나, 산소공급부(494)는 이에 한정되는 것은 아니고, 제2저장부(480)에 저장된 산소를 발전유닛(100) 또는 발전유닛(100)과 배열회수유닛(200) 모두에 공급하는 것도 가능하다.
본 실시예에 따른 산소공급부(494)는 산소공급라인(494a), 산소공급밸브(494b)를 포함할 수 있다.
산소공급라인(494a)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 산소공급라인(494a)은 일측이 산소저장탱크(482)와 연결될 수 있다. 산소공급라인(494a)의 타측은 버너연료혼합기(221)와 연결될 수 있다. 산소공급라인(494a)을 통해 버너연료혼합기(221)로 전달된 산소는 덕트버너(220)의 연소 반응을 위한 산화제로써 활용될 수 있다. 이에 따라 산소공급라인(494a)은 덕트버너(220)에서 발생되는 연소 반응의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
산소공급밸브(494b)는 산소공급라인(494a)을 따라 유동하는 산소의 유동을 조절한다. 본 실시예에 따른 산소공급밸브(494b)는 외부로부터 인가되는 전기 신호에 의해 개폐 동작되며 산소공급라인(494a)을 따라 유동하는 산소의 유동 상태 즉, 유량, 유속 등을 조절할 수 있는 다양한 종류의 전자식 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어유닛의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치는 제어유닛(500)을 더 포함할 수 있다.
제어유닛(500)은 수소생성유닛(400)의 동작을 전반적으로 제어한다.
보다 구체적으로, 제어유닛(500)은 증기발전유닛(300)의 발전량을 바탕으로 배열회수유닛(200)으로부터 수소생성유닛(400)으로 공급되는 증기의 공급량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어유닛(500)은 전력 수요가 감소하여 증기발전유닛(300)의 발전량이 감소하는 경우, 제2증기라인(254)을 따라 유동하는 증기 중 증기발전유닛(300)으로 공급되는 증기의 공급량을 상대적으로 감소시키고, 제1공급라인(420)을 통해 수소생성유닛(400)으로 공급되는 증기의 공급량을 상대적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 제어유닛(500)은 전력 수요가 증가하여 증기발전유닛(300)의 발전량이 증가하는 경우, 제2증기라인(254)을 따라 유동하는 증기 중 증기발전유닛(300)으로 공급되는 증기의 공급량을 상대적으로 증가시키고, 제1공급라인(420)을 통해 수소생성유닛(400)으로 공급되는 증기의 공급량을 상대적으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라 제어유닛(500)은 전력 수요의 증감에 대응되어 수소생성유닛(400)으로부터 생성되는 수소의 생산량을 유동적으로 조절함으로써 배열회수유닛(200)으로 유입되는 배기가스의 열에너지의 손실을 방지하고, 증기발전유닛(300)의 발전 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제어유닛(500)은 발전유닛(100)의 발전량 및 본체부(210)의 온도를 바탕으로 수소생성유닛(400)으로부터 발전유닛(100) 및 덕트버너(220)로 공급되는 수소 및 산소의 공급량을 제어할 수 있다. 이에 따라 제어유닛(500)은 발전유닛(100)의 발전량이 증가하거나 본체부(210)의 온도가 설정 온도 이하로 하강하는 경우, 추가적인 연료 공급 없이도 수소생성유닛(400)에 미리 저장된 수소 및 산소를 통해 발전유닛(100) 및 덕트버너(220)의 출력을 증가시킬 수 있다.
제어유닛(500)은 수소생성유닛(400)의 제1공급밸브(421), 제2공급밸브(431), 혼합밸브(492), 수소공급밸브(493b), 산소공급밸브(494b)와 전기적으로 연결되고, 제1공급밸브(421), 제2공급밸브(431), 혼합밸브(492), 수소공급밸브(493b), 산소공급밸브(494b)의 개폐 동작을 제어할 수 있는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip) 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 제어유닛(500)은 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치의 작동 과정을 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 발전유닛(100)의 전력 생산 과정에서 가스터빈(130)으로부터 배출되는 배기가스는 본체부(210)의 상류측으로 유입된다.
덕트버너(220)는 버너연료혼합기(221)로부터 버너연료 및 산화제를 공급받아 본체부(210)의 내부로 화염을 분사하고, 본체부(210)의 유입된 배기가스를 가열한다. 이 경우, 덕트버너(220)는 배기가스의 온도가 약 700℃ 이상으로 상승시킬 수 있다.
제1급수라인(232)을 통해 제1절탄기(241)로 유입된 액체 상태의 물은 제1드럼(242), 제1증발기(243), 과열기(244)를 순차적으로 통과하고, 배기가스와의 열교환 작용에 의해 기체 상태의 고압 증기로 상변화된다.
또한, 제2급수라인(233)을 통해 제2절탄기(251)로 유입된 액체 상태의 물은 제2드럼(252), 제2증발기(253)를 순차적으로 통과하고, 배기가스와의 열교환 작용에 의해 기체 상태의 저압 증기로 상변화된다.
과열기(244)로부터 배출되는 고압 증기와 제2증발기(253)로부터 배출되는 저압 증기는 각각 제1증기라인(245) 및 제2증기라인(254)을 통해 증기터빈(310)으로 전달된다.
증기터빈(310)은 제1증기라인(245) 및 제2증기라인(254)을 통해 전달받은 증기의 유동력에 의해 회전에너지를 발생시키고, 증기발전기(320)는 증기터빈(310)으로부터 발생된 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산한다.
한편, 제2증기라인(254)을 따라 유동하는 저압 증기의 일부는 제2증기라인(254)으로부터 분기되어 제1공급라인(420)으로 유입된다.
이 과정에서 제어유닛(500)은 증기발전유닛(300)의 발전량 즉, 증기터빈(310)의 출력에 따라 제1공급밸브(421)의 개폐 동작을 제어하여 제1공급라인(420)으로 유입되는 증기의 유량을 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어유닛(500)은 전력 수요가 감소하여 증기발전유닛(300)의 발전량이 감소하는 경우, 제2증기라인(254)을 따라 유동하는 증기 중 증기발전유닛(300)으로 공급되는 증기의 유량을 상대적으로 감소시키고, 제1공급라인(420)으로 유입되는 증기의 유량을 상대적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 제어유닛(500)은 전력 수요가 증가하여 증기발전유닛(300)의 발전량이 증가하는 경우, 제2증기라인(254)을 따라 유동하는 증기 중 증기발전유닛(300)으로 공급되는 증기의 유량을 상대적으로 증가시키고, 제1공급라인(420)으로 유입되는 증기의 유량을 상대적으로 감소시킬 수 있다.
이와 동시에 제어유닛(500)은 제1공급라인(420)으로 유입되는 증기의 유량에 비례하여 제2공급밸브(431)의 개폐 동작을 제어함으로써 제2공급라인(430)으로 유입되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.
제1공급라인(420)으로 유입된 증기는 수전해셀(410)의 캐소드(412)로 공급되고, 제2공급라인(430)으로 유입된 공기는 수전해셀(410)의 애노드(413)로 공급된다.
이 과정에서 제어유닛(500)은 제1공급라인(420)을 따라 유동하는 증기에 수소가 약 9:1의 비율로 혼합되도록 혼합밸브(492)의 개폐 동작을 제어할 수 있다.
이후, 전원 장치(414)에 의해 캐소드(412) 및 애노드(413)에 전압이 인가됨에 따라, 캐소드(412)로 공급된 증기는 수소 및 산소로 전기분해된다.
캐소드(412)에서 생성된 수소는 미반응된 증기와 혼합된 상태로 제1분리부(450)로 전달된다.
제1분리부(450)로 유입된 증기는 액체 상태의 물로 상변화되어 제1분리부(450)의 하측으로 이동되고, 수소는 제1분리부(450)의 상측으로 이동된다.
제1분리부(450)의 하측으로 이동된 액체 상태의 물은 수분회수부(451)로 유입되고, 수분회수부(451)를 통해 제2증발기(253)으로 재유입된다.
제1분리부(450)의 상측으로 이동된 수소는 수소전달라인(461)으로 유입되고, 수소압축기(463)에 의해 수소저장탱크(462)에 고압 상태로 저장된다.
한편, 애노드(413)에서 생성된 산소는 애노드(413)로 공급된 공기와 혼합된 상태로 제2분리부(470)로 전달된다.
제2분리부(470)는 산소분리막에 의해 산소를 공기로부터 분리시키고, 산소와, 산소를 제외한 공기는 제2분리부(470)의 내부에서 산소분리막을 기준으로 제2분리부(470)의 양측으로 각각 이동된다.
제2분리부(470)의 일측으로 이동된 산소가 분리된 공기는 공기배출부(472)를 통해 외부 공간으로 배출된다.
제2분리부(470)의 타측으로 이동된 산소는 산소전달라인(481)으로 유입되고, 산소압축기(483)에 의해 산소저장탱크(482)에 고압 상태로 저장된다.
수소저장탱크(462)에 저장된 수소는 수소공급라인(493a)을 통해 연소기(120), 메인발전기(140) 및 버너연료혼합기(221)로 공급된다.
수소공급라인(493a)을 통해 연소기(120) 및 버너연료혼합기(221)로 전달된 수소는 연소기(120) 및 덕트버너(220)의 연소 반응을 위한 연료로써 활용될 수 있다.
수소공급라인(493a)을 통해 메인발전기(140)로 공급된 수소는 메인발전기(140)의 냉각재로써 활용될 수 있다.
이 과정에서 제어유닛(500)은 발전유닛(100)의 발전량 즉, 가스터빈(130)의 출력 및 본체부(210)의 내부 온도를 바탕으로 수소공급밸브(493b)의 개폐 동작을 제어하여 연소기(120), 메인발전기(140) 및 버너연료혼합기(221)로 공급되는 수소의 유량을 조절할 수 있다.
산소저장탱크(482)에 저장된 산소는 산소공급라인(494a)을 통해 버너연료혼합기(221)로 공급된다.
산소공급라인(494a)을 통해 버너연료혼합기(221)로 전달된 산소는 덕트버너(220)의 연소 반응을 위한 산화제로써 활용될 수 있다.
이 과정에서 제어유닛(500)은 본체부(210)의 내부 온도를 바탕으로 산소공급밸브(494b)의 개폐 동작을 제어하여 버너연료혼합기(221)로 공급되는 산소의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 발전유닛 110 : 압축기
120 : 연소기 130 : 가스터빈
140 : 메인발전기 200 : 배열회수유닛
210 : 본체부 220 : 덕트버너
221 : 버너연료혼합기 230 : 저수부
231 : 저수탱크 232 : 제1급수라인
233 : 제2급수라인 240 : 제1증기발생부
241 : 제1절탄기 242 : 제1드럼
243 : 제1증발기 244 : 과열기
245 : 제1증기라인 250 : 제2증기발생부
251 : 제2절탄기 252 : 제2드럼
253 : 제2증발기 254 : 제2증기라인
260 : 탈질 설비 261 : 촉매 활성 설비
262 : 환원제 분사 설비 263 : SCR 탈질 설비
300 : 증기발전유닛 310 : 증기터빈
311 : 고압 증기터빈 312 : 중압 증기터빈
313 : 저압 증기터빈 320 : 증기발전기
330 : 응축기 400 : 수소생성유닛
410 : 수전해셀 411 : 전해질막
412 : 캐소드 413 : 애노드
414 : 전원 장치 420 : 제1공급라인
421 : 제1공급밸브 422 : 제1이물질제거부
423 : 제1블로워 424 : 감압밸브
425 : 제1열교환기 430 : 제2공급라인
431 : 제2공급밸브 432 : 제2이물질제거부
433 : 제2블로워 434 : 제2열교환기
450 : 제1분리부 451 : 수분회수부
460 : 제1저장부 461 : 수소전달라인
462 : 수소저장탱크 463 : 수소압축기
470 : 제2분리부 471 : 제3열교환기
472 : 공기배출부 480 : 제2저장부
481 : 산소전달라인 482 : 산소저장탱크
483 : 산소압축기 491 : 혼합라인
492 : 혼합밸브 493 : 수소공급부
493a : 수소공급라인 493b : 수소공급밸브
494 : 산소공급부 494a : 산소공급라인
494b : 산소공급밸브 500 : 제어유닛

Claims (12)

  1. 연료를 연소시켜 전력을 생산하는 발전유닛;
    상기 발전유닛과 연결되고, 상기 발전유닛으로부터 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 증기를 생성하는 배열회수유닛; 및
    상기 배열회수유닛과 연결되고, 상기 배열회수유닛으로부터 생성된 증기로부터 수소를 생성하는 수소생성유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은,
    전해질막을 사이에 두고 서로 마주보게 배치되는 캐소드 및 애노드를 구비하는 수전해셀;
    상기 배열회수유닛과 연결되고, 상기 배열회수유닛으로부터 생성된 증기를 상기 캐소드로 공급하는 제1공급라인; 및
    상기 제1공급라인과 이격되고, 외부로부터 유입되는 공기를 상기 애노드로 공급하는 제2공급라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 배열회수유닛은,
    상기 발전유닛과 연결되고, 상기 발전유닛으로부터 배출되는 배기가스의 유동을 안내하는 본체부;
    상기 본체부에 설치되고, 상기 본체부로 유입된 배기가스를 가열하는 덕트버너;
    상기 덕트버너와 마주보게 배치되고, 외부로부터 공급되는 물과 상기 덕트버너에 의해 가열된 배기가스를 열교환시켜 증기를 생성하는 제1증기발생부; 및
    상기 제1증기발생부와 마주보게 배치되고, 외부로부터 공급되는 물과 상기 제1증기발생부를 통과한 배기가스를 열교환시켜 증기를 생성하는 제2증기발생부;를 포함하고,
    상기 제1공급라인과 상기 제2공급라인은 일부 구간이 상기 본체부의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1공급라인과 상기 제2공급라인은 일부 구간이 상기 덕트버너와 상기 제1증기발생부의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 제1공급라인은 상기 제2증기발생부와 연결되고,
    상기 수소생성유닛은 상기 제2증기발생부로부터 상기 제1공급라인으로 전달되는 증기의 유동을 조절하는 제1공급밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은,
    상기 제1공급라인에 설치되고, 상기 제1공급라인을 따라 유동하는 증기 내의 이물질을 제거하는 제1이물질제거부; 및
    상기 제2공급라인에 설치되고, 상기 제2공급라인을 따라 유동하는 공기 내의 이물질을 제거하는 제2이물질제거부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은,
    상기 제1공급라인에 설치되고, 상기 제1공급라인을 따라 유동하는 증기를 가열하는 제1열교환기; 및
    상기 제2공급라인에 설치되고, 상기 제2공급라인을 따라 유동하는 공기를 가열하는 제2열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은,
    상기 캐소드와 연결되고, 상기 캐소드로부터 배출되는 수소와 증기를 상호 분리시키는 제1분리부;
    상기 제1분리부와 연결되고, 상기 제1분리부에서 분리된 수소를 저장하는 제1저장부;
    상기 애노드와 연결되고, 상기 애노드로부터 배출되는 공기로부터 산소를 분리시키는 제2분리부; 및
    상기 제2분리부와 연결되고, 상기 제2분리부에서 분리된 산소를 저장하는 제2저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은,
    상기 제1공급라인과 상기 제1저장부의 사이에 구비되고, 상기 제1저장부에 저장된 수소를 상기 제1공급라인으로 전달하는 혼합라인; 및
    상기 혼합라인에 설치되고, 상기 혼합라인을 통한 수소의 유동을 조절하는 혼합밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은,
    상기 제1저장부와 연결되고, 상기 제1저장부에 저장된 수소를 상기 발전유닛과 상기 배열회수유닛 중 적어도 어느 하나에 공급하는 수소공급부; 및
    상기 제2저장부와 연결되고, 상기 제2저장부에 저장된 산소를 상기 발전유닛과 상기 배열회수유닛 중 적어도 어느 하나에 공급하는 산소공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 수소생성유닛은
    상기 제1분리부와 연결되고, 상기 제1분리부에서 분리된 증기를 상기 배열회수유닛으로 공급하는 수분회수부; 및
    상기 제2분리부와 연결되고, 상기 제2분리부에서 산소가 분리된 공기를 외부로 배출시키는 공기배출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배열회수유닛으로부터 생성된 증기를 전달받아 전력을 생산하는 증기발전유닛; 및
    상기 증기발전유닛의 발전량을 바탕으로 상기 수소생성유닛의 동작을 제어하는 제어유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지를 이용한 복합 화력 발전 장치.
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