WO2014054831A1 - Orc 기반 발전기의 냉각 시스템과 그 방법 및 이를 이용한 발전 장치 및 그 방법 - Google Patents

Orc 기반 발전기의 냉각 시스템과 그 방법 및 이를 이용한 발전 장치 및 그 방법 Download PDF

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WO2014054831A1
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cooling fluid
turbine
cooling
working fluid
stator
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PCT/KR2012/009329
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박병식
이시우
김혁주
임용훈
이재용
이동현
김종진
정대헌
김용은
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한국에너지기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling system of an ORC-based generator, a method thereof, a power generation apparatus using the same, and a method thereof, and more particularly to a cooling system of an ORC-based generator that performs cooling using a working fluid in a generator using a turbine. And a method thereof, an apparatus using the same, and a method thereof.
  • Organic Rankine Cycle is a Rankine Cycle that uses an organic medium as a working fluid and refers to a system that generates electricity by recovering a heat source in a relatively low temperature range (60 to 200 ° C.).
  • an organic rankine cycle includes a pump 1, an evaporator 2, a turbine 3, and a condenser 4. It consists of the basic elements of.
  • the evaporator 2 transfers heat to the working fluid to heat it to the temperature required to drive the turbine, the turbine 3 converts the thermal energy of the working fluid into mechanical energy and the condenser 4 the working fluid from the turbine 3.
  • the pump 1 serves to pressurize the working fluid to the evaporation pressure of the low pressure working fluid from the condenser 4.
  • a large amount of heat is generated by electric resistance and friction between components due to electromotive force generated in a generator housing including a stator and a rotor.
  • Such heat generation may cause deformation of components inside the generator, and on the other hand, may increase the electrical resistance inside the coil wound around the stator, leading to a decrease in power generation efficiency.
  • it may be considered to use a separate cooling fluid, but there is a problem in that a complicated cooling flow path must be separately provided.
  • the present invention does not use a separate cooling fluid to extract a portion of the working fluid and use it as a cooling fluid, and the cooling fluid that is finished without a separate pressurizing device joins the cooling fluid to the working fluid of the turbine.
  • the present invention provides a cooling system and method thereof, a power generation apparatus using the same, and a method of an ORC-based generator that can be reused as a working fluid to prevent a decrease in turbine output.
  • the cooling system of the ORC-based generator according to the present invention for achieving this object is a rotary shaft connected to the turbine and rotates with the turbine, a rotor coupled to the center of the rotary shaft to be rotatable with the rotary shaft and the rotation radius of the rotor And a cylindrical stator positioned at an outer side thereof, the outer and inner circumferential surfaces of the stator penetrate therethrough, and a cooling fluid inlet for introducing a part of the working fluid drawn out of the pump outlet into the stator as a cooling fluid.
  • a cooling flow path extending from an outlet of a cooling fluid inlet to a rear surface of the turbine to provide a flow path through which cooling fluid introduced into the stator may perform cooling inside the housing and flow to the rear surface of the turbine; Located in the rear, the cooling fluid flowing from the cooling flow path turbine A turbine rear flow path is provided to flow to the working fluid inlet side by using the centrifugal force according to the rotation, and a part of the working fluid at the pump outlet end is used as the cooling fluid, and the cooling fluid evaporated inside the housing is operated again. It is characterized by utilizing as a fluid.
  • a cooling fluid control valve connected to an inlet of the cooling fluid inlet to adjust a flow rate of the cooling fluid.
  • cooling fluid control valve is characterized in that for controlling the flow rate of the cooling fluid so that the cooling fluid at the end of the cooling flow path leading to the working fluid inlet can be in the superheated vapor state.
  • the cooling method of the ORC-based generator draws a part of the working fluid of the pump outlet end to use as a cooling fluid inside the housing of the generator and after cooling the evaporated cooling fluid is again used as the working fluid of the turbine.
  • the cooling fluid is introduced into the stator through a cooling fluid inlet formed through the outer and inner peripheral surfaces of the stator, the cooling continued from the outlet of the cooling fluid inlet to the rear of the turbine Cooling fluid introduced into the stator through the flow path is evaporated while cooling the inside of the housing flows to the rear of the turbine, through the turbine rear flow path located in the rear of the turbine, Cooling fluid is introduced into the working fluid inlet by using centrifugal force as the turbine rotates. Flowing into the working fluid and joining the working fluid at the turbine inlet end.
  • cooling fluid control valve connected to the cooling fluid inlet, it is characterized in that to control the flow rate of the cooling fluid.
  • the cooling fluid control valve is characterized in that for controlling the flow rate of the cooling fluid so that the cooling fluid at the end of the cooling flow path leading to the working fluid inlet can be a superheated vapor state.
  • the ORC-based power generation device is a cylindrical shaft which is connected to the turbine is rotated with the turbine, the rotor coupled to the center of the rotation shaft to be rotatable with the rotary shaft, and the outer radius of rotation of the rotor
  • a stator having a shape, the outer and inner circumferential surfaces of the stator penetrate through each other, and a cooling fluid inlet for introducing a portion of the working fluid drawn out of the pump outlet into the stator as cooling fluid, and an outlet of the cooling fluid inlet. From the cooling channel which flows from the rear of the turbine to a rear surface of the turbine and provides a flow path through which cooling fluid introduced into the stator can cool inside the housing and flow to the rear of the turbine.
  • Cooling fluid flowing from the flow path is generated using centrifugal force according to the rotation of the turbine. It is characterized by providing a turbine rear flow path that flows to the fluid inlet side, to extract a part of the working fluid of the pump outlet end to use as a cooling fluid, and to utilize the cooling fluid evaporated inside the housing as the working fluid of the turbine again. .
  • a cooling fluid control valve connected to an inlet of the cooling fluid inlet to adjust a flow rate of the cooling fluid.
  • the cooling fluid control valve is characterized in that for controlling the flow rate of the cooling fluid so that the cooling fluid at the end of the cooling flow path leading to the working fluid inlet can be a superheated vapor state.
  • the turbine is provided in pairs, each of which is connected to both ends of the rotary shaft, the rear of the turbine is opposed to each other to face each other characterized in that the mutual offset of the celebration of the front and rear pressure difference of the turbine,
  • the pair of turbines is characterized in that it is formed to generate a wrinkling of the same size.
  • the ORC-based power generation method draws a part of the working fluid at the pump outlet end as a cooling fluid inside the housing of the generator and after cooling the ORC-based using the evaporated cooling fluid as the working fluid of the turbine again
  • the cooling fluid is introduced into the stator through the cooling fluid inlet formed through the outer and inner circumferential surface of the stator, through the cooling flow path extending from the outlet of the cooling fluid inlet to the rear of the turbine, Cooling fluid introduced into the stator is evaporated while cooling the inside of the housing flows to the rear of the turbine, through the turbine rear flow path located in the rear of the turbine, the cooling fluid introduced from the cooling flow path Flow to the working fluid inlet side by using the centrifugal force according to the rotation of the And joining the cooling fluid introduced into the working fluid with the working fluid at the turbine inlet end.
  • cooling fluid control valve connected to the cooling fluid inlet, it is characterized in that to control the flow rate of the cooling fluid.
  • the cooling fluid control valve is characterized in that for controlling the flow rate of the cooling fluid so that the cooling fluid at the end of the cooling flow path leading to the working fluid inlet can be a superheated vapor state.
  • the present invention can simplify and reduce the weight of the device by using a part of the working fluid at the pump outlet stage without providing additional cooling fluid. Further, by taking the working fluid out of the pump outlet and using it as the cooling fluid, it is possible to ensure a relatively low temperature cooling fluid within the operating temperature range of the working fluid. In addition, since the pressure is similar to the pressure at the turbine inlet, it is not necessary to provide a separate pressurization device for reuse as the working fluid of the turbine. In the cooling process, the cooling fluid is heated using the heat generated inside the generator and reused as the working fluid of the turbine, that is, the waste heat energy is recovered and reused, thereby increasing the efficiency of the entire generator.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the main configuration of the generator cooling system and the power generation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross sectional view showing a flow path of a cooling fluid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a stator according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a conceptual diagram showing the axial load generated by the pressure difference before and after the turbine.
  • FIG. 5 shows an example of an ORC, that is, an organic medium cycle, and is a schematic diagram showing the configuration and operation relationship thereof.
  • Figure 1 corresponds to the main cross-sectional view showing the main configuration of the cooling system of the ORC-based generator according to the present invention.
  • the rotary shaft 11 is connected to the turbine 20 and rotates with the turbine 20, so as to be rotatable with the rotary shaft 11
  • the rotor 12 is coupled to a central portion of the rotating shaft 11, and a cylindrical stator 14 is located basically located on the outer radius of the rotation of the rotor 12 is configured.
  • the outer circumferential surface 17 and the inner circumferential surface 16 of the stator 14 are formed to penetrate, and a cooling fluid inlet for introducing a part of the working fluid drawn out from the pump outlet end into the stator 14 as the cooling fluid.
  • a cooling fluid inlet for introducing a part of the working fluid drawn out from the pump outlet end into the stator 14 as the cooling fluid.
  • cooling fluid introduced into the stator 14 performs cooling inside the housing and flows to the rear of the turbine 20.
  • a cooling passage 33 is provided to provide a flow path that can be.
  • a turbine rear flow channel positioned at a rear surface of the turbine 20 and flowing cooling fluid flowing from the cooling flow channel 33 toward the working fluid inlet 31 using centrifugal force according to the rotation of the turbine 20 ( 35).
  • the reason why the working fluid is drawn out at the pump outlet is because the working fluid flowing through the evaporator to the inlet of the turbine 20 is pressurized to a very high pressure, so that a pump having a theoretically identical pressure can be smoothly merged. It is to draw the working fluid at the outlet end.
  • the pump outlet stage is a section having a relatively low temperature in the Rankine cycle, a small flow rate may be drawn to perform efficient cooling.
  • cooling fluid inlet 32 is illustrated as two circular through holes in FIG. 3, various numbers may be provided as needed and may be formed in various shapes such as polygons.
  • the liquid cooling fluid introduced into the stator 14 through the cooling fluid inlet 32 performs cooling while passing through a cooling passage 33 including a space between the stator 14 and the rotor 12. At the same time the waste heat inside the housing absorbs and evaporates. Thereafter, the cooling fluid flows into the rear center of the turbine 20, flows up to the rear outer portion of the turbine 20, and finally is transferred to the working fluid inlet 31 and joined with the working fluid. The cooling fluid introduced into the working fluid inlet 31 is mixed with the working fluid and expanded in the turbine 20.
  • cooling fluid and working fluid are defined differently to emphasize functional aspects, and correspond to the same fluid. That is, a part of the working fluid is used as the cooling fluid. More specifically, in a general Rankine cycle, a part of the working fluid at the outlet end of the pump is drawn out and used as the cooling fluid, and the cooling fluid, which is reflexively heated in the cooling process, is mixed with the working fluid heated in the evaporator, (20) to perform expansion.
  • cooling fluid control valve 34 connected to the cooling fluid inlet 32 to regulate the flow rate of the cooling fluid.
  • the cooling fluid control valve 34 adjusts the flow rate of the cooling fluid so that the cooling fluid at the end of the cooling flow path 33 leading to the working fluid inlet 31 may be in a superheated steam state.
  • the evaporator In the case of the working fluid, the evaporator is heated to a saturated or superheated vapor state. Cooling fluids are heated during the cooling process and are required to be heated at least above saturated steam. Saturation during the expansion in the turbine and even lower saturation dryness can cause mechanical damage or corrosion of the turbine blades.
  • the cooling passage 33 to pass through the rear of the turbine 20 is for the smooth flow of the cooling fluid.
  • the working fluid at the working fluid inlet 31 via the evaporator and the cooling fluid drawn out at the pump outlet end have theoretically the same pressure and indeed have very similar pressure. Therefore, in order to form a more smooth flow, the cooling flow path 33 passes through the rear surface of the turbine 20 so that the centrifugal force of the cooling fluid flow generated by the rotation of the turbine 20 and the edges and the center portion of the rear surface of the turbine 20 are generated. This is to use the micropressure gradient of the cooling fluid flow according to the linear velocity difference of.
  • the cooling method of the ORC-based generator draws a part of the working fluid of the pump outlet end to use as a cooling fluid inside the housing of the generator and after cooling the evaporated cooling fluid is again used as the working fluid of the turbine.
  • the cooling method of an ORC-based generator corresponds to the cooling method of an ORC-based generator. More specifically, each step of the cooling method, first, the cooling fluid, through the cooling fluid inlet 32 formed through the outer circumferential surface 17 and the inner circumferential surface 16 of the stator 14, the inside of the stator 14 It includes the step of entering into.
  • the cooling fluid introduced into the stator 14 is evaporated while cooling the inside of the housing through the cooling passage 33 extending from the outlet of the cooling fluid inlet 32 to the rear surface of the turbine 20. It flows to the rear of the turbine 20.
  • the cooling fluid introduced from the cooling channel 33 passes through the turbine rear channel 35 located at the rear of the turbine 20 by using a centrifugal force according to the rotation of the turbine 20. And flowing the cooling fluid introduced into the working fluid into the working fluid at the inlet end of the turbine 20.
  • cooling fluid control valve 34 connected to the cooling fluid inlet 32, so that the flow rate of the cooling fluid can be adjusted.
  • the cooling fluid control valve 34 may consider adjusting the flow rate of the cooling fluid such that the cooling fluid at the end of the cooling flow path 33 leading to the working fluid inlet 31 may become a superheated vapor state. .
  • the ORC-based power generation apparatus and method according to the present invention relates to a power generation apparatus and method comprising the cooling system and method of the above-described ORC-based generator. Therefore, detailed description of the same technical features as the cooling system and method of the above-described ORC-based generator will be omitted.
  • the turbine back pressure P2 through which the working fluid enters is made higher than the turbine front pressure P1 through which the working fluid is discharged.
  • the axial load occurs due to the pressure difference in the turbine front direction (arrow direction).
  • a thrust bearing perpendicular to the axial direction of a rotating shaft connected to the turbine or a ball bearing sharing an axial load is provided. Is common.
  • the turbine 20 in pairs so as to face opposite ends of the rotary shaft 11 to face the turbine. In this case, it is because the axial load generated by each turbine can mutually cancel each other.
  • cooling passage 34 cooling fluid control valve

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Abstract

본 발명에 따른 발전기 냉각 시스템은 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전되는 회전축, 상기 회전축과 함께 회전가능하도록 상기 회전축 중심부에 결합된 회전자 및 상기 회전자의 회전 반경 외각에 위치되는 원통 형상의 고정자를 포함하며, 상기 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성되며, 펌프 출구단에서 인출된 작동 유체의 일부를 냉각 유체로서 상기 고정자의 내측으로 유입시키는 냉각 유체 유입구, 상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어져, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하고 상기 터빈의 후면으로 유동될 수 있는 유동 경로를 제공하는 냉각 유로, 및 상기 터빈의 후면에 위치되며, 상기 냉각 유로로부터 유입되는 냉각 유체를 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동시키는 터빈 후면 유로를 마련하여, 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하며, 상기 하우징의 내부에서 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 것을 특징으로 한다.

Description

ORC 기반 발전기의 냉각 시스템과 그 방법 및 이를 이용한 발전 장치 및 그 방법
본 발명은 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템과 그 방법 및 이를 이용한 발전 장치 및 그 방법에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 터빈을 이용하는 발전기에 있어서 작동 유체를 이용하여 냉각을 수행하는 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템과 그 방법 및 이를 이용한 발전 장치 및 그 방법에 관한 발명이다.
유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동 유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankine Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위(60~200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템을 말한다.
도5에 도시된 바와 같이, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 펌프(pump)(1), 증발기(evaporator)(2), 터빈(turbine)(3), 응축기(condenser)(4)의 기본 요소로 구성되어 있다. 증발기(2)는 작동 유체에 열을 전달하여 터빈 구동에 필요한 온도까지 가열시키고, 터빈(3)은 작동 유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 응축기(4)는 터빈(3)에서 나온 작동 유체를 냉각시키며, 펌프(1)는 응축기(4)에서 나온 저압의 작동 유체를 작동 유체를 증발 압력까지 가압하는 역할을 한다.
한편, 고속 터빈 기반의 발전 장치에서는 고정자, 회전자 등이 구비된 발전기 하우징 내부에서 기전력 발생에 따른 전기저항 및 구성요소 간 마찰 등에 의해 많은 양의 발열이 발생된다. 이러한 발열은 발전기 내부의 구성요소의 변형을 일으킬 수 있으며, 또 한편으로는 고정자에 감긴 코일 내부의 전기 저항을 증가시켜 발전 효율의 저하를 불러올 수 있다. 발전기 내부의 냉각을 위하여, 별도의 냉각 유체를 사용하는 것을 고려할 수 있으나, 복잡한 냉각 유로를 별도로 마련해야하는 문제점이 있다.
한편, 별도의 냉각 유체를 마련하지 않기 위하여 작동 유체의 일부를 인출하여 냉각 유체로 활용하는 것을 고려할 수 있으나, 터빈에 유입되는 작동 유체의 유량 감소에 따라 터빈 출력이 저하되는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 별도의 냉각 유체를 사용하지 않고 작동 유체일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하고, 별도의 가압장치 없이 냉각을 마친 냉각 유체를 작동 유체와 합류시켜 터빈의 작동 유체로 다시 활용하여 터빈 출력 저하를 방지하는 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템과 그 방법, 이를 이용한 발전 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템은 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전되는 회전축, 상기 회전축과 함께 회전가능하도록 상기 회전축 중심부에 결합된 회전자 및 상기 회전자의 회전 반경 외각에 위치되는 원통 형상의 고정자를 포함하며, 상기 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성되며, 펌프 출구단에서 인출된 작동 유체의 일부를 냉각 유체로서 상기 고정자의 내측으로 유입시키는 냉각 유체 유입구, 상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어져, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하고 상기 터빈의 후면으로 유동될 수 있는 유동 경로를 제공하는 냉각 유로, 및 상기 터빈의 후면에 위치되며, 상기 냉각 유로로부터 유입되는 냉각 유체를 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동시키는 터빈 후면 유로를 마련하여, 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하며, 상기 하우징의 내부에서 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 냉각 유체 유입구의 입구에 연결되어 냉각 유체의 유량을 조절하는 냉각 유체 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 ORC 기반 발전기의 냉각 방법은 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 발전기의 하우징 내부의 냉각 유체로 이용하고 냉각을 마친 후 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 ORC 기반 발전기의 냉각 방법에 있어서, 냉각 유체가, 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성된 냉각 유체 유입구를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입되는 단계, 상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어진 냉각 유로를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하면서 증발되어 상기 터빈의 후면으로 유동되는 단계, 상기 터빈의 후면에 위치된 터빈 후면 유로를 통하여, 상기 냉각 유로로부터 유입된 냉각 유체가 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동되는 단계, 및 상기 작동 유체로 유입된 냉각 유체가 터빈 입구단의 작동 유체와 합류되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 냉각 유체 유입구에 연결되는 냉각 유체 조절 밸브를 마련하여, 냉각 유체의 유량을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 ORC 기반 발전 장치는 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전되는 회전축, 상기 회전축과 함께 회전가능하도록 상기 회전축 중심부에 결합된 회전자, 및 상기 회전자의 회전 반경 외각에 위치되는 원통 형상의 고정자를 포함하며, 상기 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성되며, 펌프 출구단에서 인출된 작동 유체의 일부를 냉각 유체로서 상기 고정자의 내측으로 유입시키는 냉각 유체 유입구, 상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어져, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하고 상기 터빈의 후면으로 유동될 수 있는 유동 경로를 제공하는 냉각 유로 및 상기 터빈의 후면에 위치되며 상기 냉각 유로로부터 유입되는 냉각 유체를 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동시키는 터빈 후면 유로를 마련하여, 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하며, 상기 하우징의 내부에서 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 냉각 유체 유입구의 입구에 연결되어 냉각 유체의 유량을 조절하는 냉각 유체 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터빈은 한 쌍으로 구비되어 그 각각이 상기 회전축의 양단에 연결되며, 터빈 후면이 상호 마주보도록 대향 배치되어 터빈의 전, 후방 압력차에 따른 축하중을 상호 상쇄시키는 것을 특징으로 하며, 상기 한 쌍의 터빈은 동일한 크기의 축하중을 발생하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 ORC 기반 발전 방법은 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 발전기의 하우징 내부의 냉각 유체로 이용하고 냉각을 마친 후 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 ORC 기반 발전 방법에 있어서, 냉각 유체가, 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성된 냉각 유체 유입구를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입되는 단계, 상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어진 냉각 유로를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하면서 증발되어 상기 터빈의 후면으로 유동되는 단계, 상기 터빈의 후면에 위치된 터빈 후면 유로를 통하여, 상기 냉각 유로로부터 유입된 냉각 유체가 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동되는 단계 및 상기 작동 유체로 유입된 냉각 유체가 터빈 입구단의 작동 유체와 합류되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 냉각 유체 유입구에 연결되는 냉각 유체 조절 밸브를 마련하여, 냉각 유체의 유량을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 추가적인 냉각 유체를 따로 마련하지 않고 펌프 출구단에서 작동 유체의 일부를 인출하여 사용함으로써, 장치의 간소화, 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 펌프 출구단에서 작동 유체를 인출하여 냉각 유체로 사용함으로써, 작동 유체의 작동 온도 범위 내에서 비교적 낮은 온도의 냉각 유체를 확보할 수 있다. 그리고, 터빈 입구단의 압력과 비슷한 압력을 가지므로 터빈의 작동 유체로 재사용하기 위하여 별도의 가압장치를 구비할 필요가 없다. 또한, 냉각 과정에 있어서, 발전기 내부의 발열을 이용하여 냉각 유체를 가열하여 터빈의 작동 유체로 재사용함으로써, 즉, 버려지는 폐열 에너지를 회수하여 재사용함으로써, 발전기 전체의 효율을 높일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예의 경우, 발전기의 터빈을 회전축 양단에 대향 배치되는 한 쌍으로 마련함으로써, 터빈의 전,후면 압력차에 따른 축하중을 구조적으로 상쇄시킬 수 있다. 따라서, 발전기의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 과도한 축하중에 따른 마찰 및 베어링 파손 등에 따른 출력저하 내지 효율저하를 미연에 방지할 수 있다.
도1는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기 냉각 시스템 및 발전 장치의 주요 구성을 나타내는 횡단면도이다.
도2은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 유체의 유동 경로를 나타내는 횡단면도이다.
도3는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 나타내는 발췌 사시도이다.
도4은 터빈 전, 후면 압력차에 의해 발생되는 축하중을 나타내는 개념도이다.
도5는 ORC, 즉 유기 매체 사이클의 일 예를 나타낸 것으로서 그 구성 및 작동관계를 나타내는 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다. 이하의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도1는 본 발명에 따른 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템의 주요 구성을 나타내는 요부 횡단면도에 해당한다.
본 발명에 따른 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템은, 도1에 도시된 바와 같이, 터빈(20)에 연결되어 터빈(20)과 함께 회전되는 회전축(11), 상기 회전축(11)과 함께 회전가능하도록 상기 회전축(11) 중심부에 결합된 회전자(12), 및 상기 회전자(12)의 회전 반경 외각에 위치되는 원통 형상의 고정자(14)를 기본적으로 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 고정자(14)의 외주면(17)과 내주면(16)이 관통되어 형성되며, 펌프 출구단에서 인출된 작동 유체의 일부를 냉각 유체로서 상기 고정자(14)의 내측으로 유입시키는 냉각 유체 유입구(32)을 마련한다.
또한, 상기 냉각 유체 유입구(32)의 출구로부터 상기 터빈(20)의 후면까지 이어져, 상기 고정자(14) 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하고 상기 터빈(20)의 후면으로 유동될 수 있는 유동 경로를 제공하는 냉각 유로(33)를 마련한다.
그리고, 상기 터빈(20)의 후면에 위치되며, 상기 냉각 유로(33)로부터 유입되는 냉각 유체를 터빈(20)의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구(31) 측으로 유동시키는 터빈 후면 유로(35)를 마련한다.
이로써, 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하며, 상기 하우징의 내부에서 증발된 냉각 유체를 다시 터빈(20)의 작동 유체로 활용하는 것이다.
펌프 출구단에서 작동 유체를 인출하는 이유는, 증발기를 거쳐 터빈(20) 입구로 유입되는 작동 유체의 경우 매우 높은 압력으로 가압되기 때문에, 원활한 합류가 이루어 질 수 있도록, 이론적으로 동일한 압력을 가지는 펌프 출구단의 작동 유체를 인출하는 것이다. 또한, 펌프 출구단의 경우 랭킨사이클 내에서 비교적 낮은 온도를 가지는 구간이므로, 적은 유량을 인출하여 효율적인 냉각을 수행할 수 있다.
한편, 상기 냉각 유체 유입구(32)는 비록 도3에서 2개의 원형 관통구로 나타내었지만, 필요에 따라 다양한 개수가 마련될 수 있으며 및 다각형 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 냉각 유체 유입구(32)를 통하여 고정자(14) 내측으로 유입된 액상의 냉각 유체는 고정자(14)와 회전자(12) 사이의 공간을 포함하는 냉각 유로(33)를 지나면서 냉각을 수행하는 동시에 하우징 내부의 폐열을 흡수하여 증발된다. 그 후, 냉각 유체는 터빈(20)의 후면 중심부로 유입되어, 터빈(20)의 후면 외각부까지 유동되어 최종적으로 작동 유체 유입구(31)로 이송되어 작동 유체와 합류된다. 작동 유체 유입구(31)로 유입된 냉각 유체는 작동 유체와 혼합되어 터빈(20)에서 팽창이 이루어진다.
여기서 사용하는 냉각 유체와 작동 유체의 용어는 기능적인 측면을 부각시키기 위하여 그 용어만을 달리 정의한 것으로서, 동일한 유체에 해당한다. 즉 작동 유체의 일부를 냉각 유체로 사용한 것에 해당한다. 보다 상세하게는, 일반적인 랭킨 사이클에 있어서, 펌프의 출구단의 작동 유체의 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하고, 냉각 과정에서 반사적으로 가열된 냉각 유체를 증발기에서 가열된 작동 유체와 혼합하여, 터빈(20)으로 유입시켜 팽창을 수행하는 것이다.
한편, 상기 냉각 유체 유입구(32)에 연결되어 냉각 유체의 유량을 조절하는 냉각 유체 조절 밸브(34)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 냉각 유체 조절 밸브(34)는 상기 작동 유체 유입구(31)로 이어지는 상기 냉각 유로(33)의 끝단의 냉각 유체가 과열증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절한다.
작동 유체의 경우, 증발기에서 가열을 거치면서 포화 증기 상태 내지 과열 증기 상태가 된다. 냉각 유체의 경우 냉각 과정을 거치면서 가열되며, 최소한 포화증기 상태 이상으로 가열되는 것이 요구된다. 터빈에서의 팽창과정에서 포화상태가 되고 심지어 포화 건도가 낮아지게 되는 경우 터빈 블레이드의 기계적 손상 또는 부식을 일으킬 수 있기 때문이다.
한편, 상기 냉각 유로(33)가 터빈(20)의 후면을 지나도록 하는 것은 냉각 유체의 원활한 흐름을 위함이다. 증발기를 거친 작동 유체 유입구(31)의 작동 유체와 펌프 출구단에서 인출된 냉각 유체는 이론적으로 동일한 압력을 가지며, 실제로도 매우 유사한 압력을 가진다. 따라서, 보다 원활한 유동을 형성시키기 위하여 터빈(20) 후면으로 냉각 유로(33)가 지나도록 하여, 터빈(20) 회전에 의해 발생되는 냉각 유체 유동의 원심력 및 터빈(20) 후면의 가장자리부와 중심부의 선속도 차에 따른 냉각 유체 유동의 미소 압력 구배를 이용하기 위함이다.
한편, 본 발명에 따른 ORC 기반 발전기의 냉각 방법은 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 발전기의 하우징 내부의 냉각 유체로 이용하고 냉각을 마친 후 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 ORC 기반 발전기의 냉각 방법에 해당한다. 보다 구체적으로 냉각 방법의 각 단계를 살펴 보자면, 먼저 냉각 유체가, 고정자(14)의 외주면(17)과 내주면(16)이 관통되어 형성된 냉각 유체 유입구(32)를 통하여, 상기 고정자(14) 내측으로 유입되는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 냉각 유체 유입구(32)의 출구로부터 상기 터빈(20)의 후면까지 이어진 냉각 유로(33)를 통하여, 상기 고정자(14) 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하면서 증발되어 상기 터빈(20)의 후면으로 유동되는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 터빈(20)의 후면에 위치된 터빈 후면 유로(35)를 통하여, 상기 냉각 유로(33)로부터 유입된 냉각 유체가 터빈(20)의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구(31) 측으로 유동되는 단계 및 상기 작동 유체로 유입된 냉각 유체가 터빈(20) 입구단의 작동 유체와 합류되는 단계를 포함한다.
한편, 상기 냉각 유체 유입구(32)에 연결되는 냉각 유체 조절 밸브(34)를 마련하여, 냉각 유체의 유량을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 냉각 유체 조절 밸브(34)는 상기 작동 유체 유입구(31)로 이어지는 상기 냉각 유로(33)의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 고려할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 ORC 기반 발전 장치 및 방법은 상술한 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템 및 방법을 포함하는 발전 장치 및 방법에 관한 것이다. 따라서, 상술한 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템 및 방법과 동일한 기술적 특징에 대하여는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 첨부된 도1 및 도2은 대향배치된 한 쌍의 터빈이 구비된 발전기를 나타내고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예를 표현한 것으로서, 회전축(11)의 일단에만 결합되는 단일 터빈을 이용하여도 무방하다.
다만, 한 쌍의 대향 배치되는 터빈을 이용할 경우 이하와 같은 문제점을 해소하고, 추가적인 효과를 발생시킬 수 있다.
증기 터빈을 비롯한 일반적인 터빈은, 작동 유체의 유동으로부터 모든 매커니즘이 비롯되는 본질적인 특성상, 작동 유체가 유입되는 터빈 후면 압력(P2)이 작동 유체가 배출되는 터빈 전면 압력(P1)보다 높게 형성된다. 이러한 터빈 전, 후면의 압력 차이에 의하여, 도4에 나타낸 바와 같이, 터빈 전면 방향(화살표 방향)으로 상기 압력차에 따른 축하중이 발생하게 된다. 일반적인 발전 장치에서는, 터빈에서 발생되는 이러한 축하중을 지지하기 위하여, 터빈에 연결된 회전축의 축방향에 수직한 스러스트 베어링(thrust bearing)을 두거나, 축방향 하중을 분담하는 볼 베어링(ball bearing)을 두는 것이 일반적이다. 그러나, 과도한 축하중이 발생될 경우, 베어링의 증가된 마찰에 의하여, 심지어는 베어링의 손상에 의하여 터빈 및 발전기의 회전체 전체에 파손을 일으켜 큰 손실이 발생하게 된다. 따라서, 이러한 파손 문제를 근본적으로 방지하기 위하여, 축방향의 하중을 구조적으로 상쇄시킬 필요성이 요구된다. 특히, 상술한 스러스트 베어링 또는 볼 베어링이 아니라, 지지 하중의 범위가 낮은 증기 베어링(Air-bearing or Gas-bearing)을 이용하는 경우, 그 파손의 문제는 더욱 심각하게 된다.
따라서 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 터빈(20)을 한 쌍으로 마련하여 터빈 후면이 서로 마주보도록 회전축(11)의 양단에 대향 배치하는 것을 고려할 수 있다. 이 경우, 각 터빈에서 발생되는 축하중을 상호 구조적으로 상쇄시킬 수 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 상, 하, 좌, 우 등의 위치관계는 첨부된 도면을 중심으로 설명된 것으로서, 실시 태양에 따라 그 위치관계는 달라질 수 있다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 할 것이다.
이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술을 단순 주합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리 범위에 해당한다고 보아야 할 것이다.
[부호의 설명]
11: 회전축 12: 회전자
13: 코일 14: 고정자
15: 코일 권선부 16: 내주면
17: 외주면 20: 터빈
31: 작동 유체 유입구 32: 냉각 유체 유입구
33: 냉각 유로 34: 냉각 유체 조절 밸브
35: 터빈 후면 유로

Claims (14)

  1. 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전되는 회전축; 상기 회전축과 함께 회전가능하도록 상기 회전축 중심부에 결합된 회전자; 및 상기 회전자의 회전 반경 외각에 위치되는 원통 형상의 고정자;를 포함하는 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템에 있어서,
    상기 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성되며, 펌프 출구단에서 인출된 작동 유체의 일부를 냉각 유체로서 상기 고정자의 내측으로 유입시키는 냉각 유체 유입구;
    상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어져, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하고 상기 터빈의 후면으로 유동될 수 있는 유동 경로를 제공하는 냉각 유로; 및
    상기 터빈의 후면에 위치되며, 상기 냉각 유로로부터 유입되는 냉각 유체를 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동시키는 터빈 후면 유로;를 마련하여,
    펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하며, 상기 하우징의 내부에서 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유체 유입구의 입구에 연결되어 냉각 유체의 유량을 조절하는 냉각 유체 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전기의 냉각 시스템.
  4. 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 발전기의 하우징 내부의 냉각 유체로 이용하고 냉각을 마친 후 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 ORC 기반 발전기의 냉각 방법에 있어서,
    냉각 유체가, 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성된 냉각 유체 유입구를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입되는 단계;
    상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어진 냉각 유로를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하면서 증발되어 상기 터빈의 후면으로 유동되는 단계;
    상기 터빈의 후면에 위치된 터빈 후면 유로를 통하여, 상기 냉각 유로로부터 유입된 냉각 유체가 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동되는 단계; 및
    상기 작동 유체로 유입된 냉각 유체가 터빈 입구단의 작동 유체와 합류되는 단계;
    를 포함하는 ORC 기반 발전기의 냉각 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 유체 유입구에 연결되는 냉각 유체 조절 밸브를 마련하여, 냉각 유체의 유량을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전기의 냉각 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전기의 냉각 방법.
  7. 터빈에 연결되어 터빈과 함께 회전되는 회전축; 상기 회전축과 함께 회전가능하도록 상기 회전축 중심부에 결합된 회전자; 및 상기 회전자의 회전 반경 외각에 위치되는 원통 형상의 고정자;를 포함하는 ORC 기반 발전 장치에 있어서,
    상기 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성되며, 펌프 출구단에서 인출된 작동 유체의 일부를 냉각 유체로서 상기 고정자의 내측으로 유입시키는 냉각 유체 유입구;
    상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어져, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하고 상기 터빈의 후면으로 유동될 수 있는 유동 경로를 제공하는 냉각 유로; 및
    상기 터빈의 후면에 위치되며 상기 냉각 유로로부터 유입되는 냉각 유체를 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동시키는 터빈 후면 유로;를 마련하여,
    펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 냉각 유체로 사용하며, 상기 하우징의 내부에서 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각 유체 유입구의 입구에 연결되어 냉각 유체의 유량을 조절하는 냉각 유체 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 터빈은 한 쌍으로 구비되어 그 각각이 상기 회전축의 양단에 연결되며, 터빈 후면이 상호 마주보도록 대향 배치되어 터빈의 전, 후방 압력차에 따른 축하중을 상호 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 한 쌍의 터빈은 동일한 크기의 축하중을 발생하도록 형성된 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 장치.
  12. 펌프 출구단의 작동 유체 일부를 인출하여 발전기의 하우징 내부의 냉각 유체로 이용하고 냉각을 마친 후 증발된 냉각 유체를 다시 터빈의 작동 유체로 활용하는 ORC 기반 발전 방법에 있어서,
    냉각 유체가, 고정자의 외주면과 내주면이 관통되어 형성된 냉각 유체 유입구를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입되는 단계;
    상기 냉각 유체 유입구의 출구로부터 상기 터빈의 후면까지 이어진 냉각 유로를 통하여, 상기 고정자 내측으로 유입된 냉각 유체가 하우징 내부의 냉각을 수행하면서 증발되어 상기 터빈의 후면으로 유동되는 단계;
    상기 터빈의 후면에 위치된 터빈 후면 유로를 통하여, 상기 냉각 유로로부터 유입된 냉각 유체가 터빈의 회전에 따른 원심력을 이용하여 작동 유체 유입구 측으로 유동되는 단계; 및
    상기 작동 유체로 유입된 냉각 유체가 터빈 입구단의 작동 유체와 합류되는 단계;
    를 포함하는 ORC 기반 발전 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 냉각 유체 유입구에 연결되는 냉각 유체 조절 밸브를 마련하여, 냉각 유체의 유량을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각 유체 조절 밸브는 상기 작동 유체 유입구로 이어지는 상기 냉각 유로의 끝단의 냉각 유체가 과열 증기 상태가 될 수 있도록 냉각 유체의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 ORC 기반 발전 방법.
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