WO2014171623A1 - 유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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WO2014171623A1
WO2014171623A1 PCT/KR2014/001522 KR2014001522W WO2014171623A1 WO 2014171623 A1 WO2014171623 A1 WO 2014171623A1 KR 2014001522 W KR2014001522 W KR 2014001522W WO 2014171623 A1 WO2014171623 A1 WO 2014171623A1
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evaporator
level
saturated liquid
working fluid
gas
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PCT/KR2014/001522
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박병식
이시우
양영민
이동현
김혁주
임용훈
이재용
정대헌
허만기
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/78—Adaptations or mounting of level indicators
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    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating

Definitions

  • the present invention relates to an organic Rankine cycle system and a control apparatus and method thereof, and more particularly, to an organic Rankine cycle system for optimizing cycle efficiency by allowing steam generated from an evaporator of an organic Rankine cycle to be supplied to a turbine in a saturated steam state.
  • the present invention relates to a control device and a method thereof.
  • Organic Rankine Cycle is a cycle composed of two adiabatic processes and two isostatic processes, like the existing Rankine Cycle. It means a Rankine cycle that uses organic materials with a lower boiling point than water as the working fluid. do.
  • Various organic materials may be applied as the working fluid, but mainly R134a, R245fa, etc., which do not cause condensation during expansion, are used as the working fluid.
  • the present invention improves the efficiency of the turbine by supplying the organic working fluid to the turbine in a saturated steam state, and at the same time prevents problems of turbine blade damage, and the organic working fluid supplied to the turbine is always saturated. It is an object of the present invention to provide an organic Rankine cycle system, a control apparatus and a control method thereof, which can be maintained in a vapor state to improve the stability of the system.
  • the organic Rankine cycle system and its control device and control method according to the present invention provide a gas-liquid separator between an evaporator and a turbine so that the organic working fluid in a saturated steam state can be continuously supplied to the turbine. Make sure And, by providing a level sensor in the gas-liquid separator to monitor the water level of the saturated liquid in the gas-liquid separator, it is characterized in that the control unit to adjust the operating conditions of the evaporator according to the level of the level sensor.
  • the efficiency of the cycle can be improved.
  • the saturated liquid level in the gas-liquid separator can be maintained at an appropriate level, and it is not known that the saturated liquid level rises above the limit level through the saturated liquid discharge part and the saturated liquid discharge step. It can be prevented, and the efficiency of the cycle can be further improved by regenerating the discharged saturated liquid.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the main configuration of an organic Rankine cycle system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a connection relationship between a controller of an organic Rankine cycle system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 3 corresponds to a system diagram showing the outlet and the mixer of the organic Rankine cycle system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 corresponds to an extract showing the gas-liquid separator of the organic Rankine cycle system according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to an organic Rankine cycle system, characterized in that the organic fluid, such as R134a, R245fa, which has a lower boiling point than water, is used as a working fluid.
  • the working fluid is hereinafter referred to as organic working fluid.
  • the organic Rankine cycle system comprises an evaporator 30, a turbine 40, a condenser 10 and a pump 20, like the normal Rankine cycle.
  • the evaporator 30 in the present invention absorbs heat from relatively low heat sources such as geothermal heat, waste heat, seawater heat and solar heat, unlike organic Rankine cycle evaporators which directly burn fuel to evaporate working fluid. To evaporate the working fluid.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the main configuration of an organic Rankine cycle system according to an embodiment of the present invention.
  • the organic Rankine cycle system is provided with a gas-liquid separator 50 between the evaporator 30 and the turbine 40 to continuously saturate the organic working fluid flowing from the evaporator 30. It supplies to the said turbine 40 in a state.
  • the organic working fluid flowing into the gas-liquid separator 50 from the evaporator 30 is discharged in a wet steam state, a saturated steam state, or a superheated steam state according to the operating conditions of the evaporator 30, by providing the gas-liquid separator 50, The organic working fluid can be stably maintained in a saturated steam state and supplied to the turbine 40.
  • the gas-liquid separator 50 preferably includes a bubble generator 51 in the lower inner.
  • the bubble generator 51 allows the wet steam to flow into the gas-liquid separator 50 so that the bubble generator 51 is sufficiently immersed in the saturated liquid below the gas-liquid separator 50. Accumulate enough saturation to submerge.
  • the organic working fluid accumulated in the lower portion of the gas-liquid separator 50 may theoretically correspond to a state of a saturated liquid, but may be accumulated in a compressed liquid state due to heat release to the outside when complete thermal insulation is not performed. Therefore, the term "saturated liquid" to be used hereinafter means a liquid state including a saturated liquid state and a compressed liquid state as the meaning of the saturated steam.
  • the organic working fluid flowing into the bubble generator 51 through the evaporator 30 is introduced into the wet steam, saturated steam or superheated steam.
  • the bubble generator 51 serves to primarily remove the droplets contained in the wet steam.
  • the saturated liquid is evaporated into the saturated steam through heat exchange with the saturated liquid accumulated under the gas-liquid separator 50, and the superheated steam is also converted into the saturated steam.
  • the saturated liquid when supplied in a saturated steam state theoretically passes through the saturated liquid without any special heat exchange, but when the saturated liquid is in a compressed liquid state, part of the saturated steam undergoes heat exchange with the saturated liquid, and partly saturated liquid Is converted to saturated steam.
  • the bubble generator 51 includes a myriad of micropores for generating bubbles so that heat exchange between the organic working fluid introduced from the evaporator 30 and the saturated liquid is sufficiently performed.
  • an eliminator for filtering the droplets on the inner upper portion of the gas-liquid separator (50).
  • the eliminator 53 serves to finally filter out droplets contained in the organic working fluid supplied to the turbine 40.
  • the droplets of the wet steam introduced from the evaporator 30 are filtered and dropped to serve to accumulate the saturation liquid under the gas-liquid separator 50.
  • the gas-liquid separator 50 preferably further includes a level sensor 52.
  • the level sensor 52 measures the level of the saturated liquid in the gas-liquid separator 50 and provides the level information to the controller 60.
  • the level sensor 52 is made in the form of a tube and is connected to both ends on the side and bottom of the gas-liquid separator 50 so that the saturated liquid can be introduced into the inside of the tube to measure the water level.
  • the bottleneck portion 55 narrowing the cross-sectional area of the central portion in the height direction of the gas-liquid separator 50 may be formed to improve the precision of the water level measurement.
  • control unit 60 receives the water level information from the level sensor 52 serves to control the evaporator 30, the pump 20 and the like. By controlling the operating conditions of the evaporator 30, the pump 20, etc., the level of the saturated liquid in the gas-liquid separator 50 is adjusted.
  • 2 corresponds to a system diagram showing a connection relationship between the controller 60, the level sensor 52, the evaporator 30, and the pump 20.
  • control unit 60 controls the operating conditions of the evaporator 30 .
  • the controller 60 adjusts the level of the saturated liquid in the gas-liquid separator 50 so that the bubble generator 51 is immersed in the saturated liquid in an initial operation state. Specifically, the control unit 60 is to supply the organic working fluid in the wet steam state from the evaporator 30 to the gas-liquid separator 50 until the bubble generator 51 is immersed in the saturated liquid, the evaporator The flow rate of the organic working fluid flowing into the 30, the temperature or the flow rate of the heat source is adjusted.
  • control unit 60 adjusts the level of the saturated liquid to maintain the proper level in the gas-liquid separator 50 during the normal operation process.
  • the normal operation process refers to the operation in a state where the level of saturate liquid accumulated above the bubble generator 51 after the initial operation step.
  • the proper level is determined between the bubble generator 51 and the eliminator 53, and for example, an intermediate point between the bubble generator 51 and the eliminator 53 may be designated as a set value of the proper level.
  • the flow rate of the organic working fluid flowing into the evaporator 30 is reduced, or the temperature or flow rate of the heat source flowing into the evaporator 30 is increased. That is, by discharging the organic working fluid in the superheated vapor state from the evaporator 30 and flowing into the gas-liquid separator 50, the water level is lowered by evaporating the saturated liquid in the gas-liquid separator 50.
  • the flow rate of the organic working fluid flowing into the evaporator 30 is increased, or the temperature or flow rate of the heat source flowing into the evaporator 30 is increased. Reduced.
  • the level of the saturated liquid in the gas-liquid separator 50 is increased.
  • the gas-liquid separator 50 preferably further includes a saturated liquid discharge part 54 for discharging the saturated liquid when the level of the saturated liquid reaches a limit level.
  • the saturated liquid discharge part 54 may include a discharge port and a valve for controlling opening and closing of the discharge port.
  • the saturated liquid discharge part 54 may be a mixer provided between the evaporator 30 and the pump 20. Connected. In the mixer, the saturated liquid discharged to the saturated liquid discharge part 54 and the organic working fluid discharged from the pump 20 are mixed, and the mixed organic working fluid is supplied back into the evaporator 30.
  • Saturated liquor is evaporated and is relatively high temperature.
  • control method of the organic Rankine cycle system is as follows.
  • the organic Rankine cycle control method according to the present invention corresponds to introducing a gas-liquid separator 50 between the evaporator 30 and the turbine 40 to introduce an organic working fluid in a saturated steam state into the turbine 40.
  • Each step includes.
  • the water level monitoring step of monitoring the level of the saturated liquid in the gas-liquid separator 50 using the level sensor 52 is performed.
  • the evaporator control step of adjusting the operating conditions of the evaporator 30 according to the level of the saturated liquid includes the following detailed steps. i) reducing the flow rate of the organic working fluid flowing into the evaporator 30 when the level of the saturated liquid is higher than the set value, ii) entering the evaporator 30 when the level of the saturated liquid is lower than the set value.
  • control method of the organic Rankine cycle system preferably further comprises an initial operation step at the start of the system.
  • the initial operation step is a step applied at the start of the system and receives the level information through the level monitoring step to control the evaporator operating conditions so that the wet steam is supplied to the gas-liquid separator through the evaporator control step.
  • the initial operation step is introduced into the evaporator 30 so that the organic working fluid in the wet steam state is supplied from the evaporator 30 to the gas-liquid separator 50 until the bubble generator 51 is immersed in the saturated liquid. It is to adjust the flow rate of the organic working fluid, the temperature or the flow rate of the heat source.
  • the saturated liquid discharged through the saturated liquid discharge step is subjected to the following mixing step.
  • the mixing step the saturated liquid discharged through the saturated liquid discharge step is introduced into a mixer provided between the evaporator 30 and the pump 20, mixed with the organic working fluid supplied from the pump 20, and then the evaporator. Corresponds to the process of feeding back to (30).

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Abstract

본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 제어 방법은 증발기와 터빈 사이에 기액분리기를 마련하되, 상기 기액분리기에 레벨 센서를 마련하여 기액분리기 내부 포화액의 수위를 모니터링하고, 제어부를 마련하여 상기 레벨 센서의 수위에 따라 증발기의 운전 조건을 조절함으로써, 상기 터빈으로 지속적으로 포화증기 상태의 유기작동 유체가 공급될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 제어 방법
본 발명은 유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기 랭킨 사이클의 증발기에서 발생된 증기가 포화증기 상태로 터빈으로 공급되도록 하여 사이클 효율을 최적화하는 유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 방법에 관한 발명이다.
유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)은 기존의 랭킨 사이클(Rankine Cycle)과 마찬가지로 2개의 단열과정과 2개의 등압과정으로 구성되는 사이클로서, 작동 유체로 물보다 비등점이 낮은 유기물을 사용하는 랭킨 사이클을 의미한다.
상기 작동 유체로는 다양한 유기물이 적용될 수 있으나, 주로 팽창과정에서 응축이 발생하지 않는 R134a, R245fa 등이 작동 유체로 사용된다.
종래의 유기 랭킨 사이클에 있어서, 터빈에 유입되는 작동 유체가 과열증기로 과열증기 상태로 유입되는 경우에는 과열을 위하여 추가적인 에너지 유입이 요구되어 사이클의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
반면, 증기 내에 액적을 포함하는 경우, 즉 포화액-포화증기 혼합상태(이하, 습증기라 한다)로 유입되는 경우는 팽창시에 추가적인 증발과정이 이루어져 팽창에너지를 증발에 사용하게 되어 결과적으로 터빈 효율이 저하되는 문제점이 있으며, 습증기 내의 액적이 터빈 블레이드를 손상시키는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 작동 유체를 포화증기의 상태로 하여 터빈에 공급하는 것을 고려할 수 있으나, 별도의 제어 장치 없이 증발기 또는 보일러에 입력되는 열량의 조절만으로는 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 상시 터빈에 공급하는 것이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 유기 작동 유체를 포화증기 상태로 터빈에 공급함으로써 터빈의 효율을 향상시키는 동시에 터빈 블레이드 손상의 문제점을 방지하고, 터빈에 공급되는 유기 작동 유체가 상시 포화증기 상태로 유지될 수 있도록 하여 시스템의 안정성을 향상시키는 유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 제어 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템과 그 제어 장치 및 제어 방법은 증발기와 터빈 사이에 기액분리기를 마련하여 터빈으로 지속적으로 포화증기 상태의 유기작동 유체가 공급될 수 있도록 한다. 그리고, 상기 기액분리기에 레벨 센서를 마련하여 기액분리기 내부 포화액의 수위를 모니터링하고, 제어부를 마련하여 상기 레벨 센서의 수위에 따라 증발기의 운전 조건을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 터빈으로 상시 공급할 수 있으므로 사이클의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로는, 기액분리기를 마련함으로써 안정적으로 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 터빈으로 공급할 수 있다. 제어부 및 제어방법을 통하여 증발기 운전조건을 조절함으로써 기액분리기 내부의 포화액 수위를 적정 수위로 유지할 수 있으며, 포화액 배출부 및 포화액 배출단계를 통하여 한계 수위 이상으로 포화액의 수위가 높아지는 것을 미연에 방지할 수 있으며, 배출된 포화액을 재생시킴으로써 사이클의 효율을 한층 더 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 주요 구성을 나타내는 계통도에 해당한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어부의 연결관계를 나타내는 계통도에 해당한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 배출부 및 혼합기를 나타내는 계통도에 해당한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 기액분리기를 나타내는 발췌도에 해당한다.
(부호의 설명)
10: 응축기
20: 펌프
30: 증발기
40: 터빈
50: 기액분리기
51: 기포발생기
52: 레벨 센서
53: 엘리미네이터
54: 포화액 배출부
55: 병목부
60: 제어부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명은 유기 랭킨 사이클 시스템에 관한 것으로서 물보다 비등점이 낮은 R134a, R245fa 등의 유기물을 작동 유체로 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 작동 유체는 이하 유기 작동 유체라 한다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템은 일반적인 랭킨 사이클과 마찬가지로 증발기(30), 터빈(40), 응축기(10) 및 펌프(20)를 포함한다. 그러나, 본 발명에 있어서의 증발기(30)는 연료를 직접 연소하여 작동 유체를 증발시키는 일반적인 랭킨 사이클의 증발기와는 달리, 지열, 폐열, 해수열, 태양열 등 비교적 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 유기 작동 유체를 증발시키는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 주요구성을 나타내는 계통도에 해당한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템은 증발기(30)와 터빈(40) 사이에 기액분리기(50)를 마련함으로써 상기 증발기(30)로부터 유입되는 유기 작동 유체를 상시 포화증기 상태로 상기 터빈(40)으로 공급한다.
상기 증발기(30)로부터 기액분리기(50)로 유입되는 유기 작동 유체는 증발기(30) 운전조건에 따라 습증기 상태, 포화증기 상태 또는 과열증기 상태로 배출되므로, 상기 기액분리기(50)를 마련함으로써 보다 안정적으로 상기 유기 작동 유체를 포화증기 상태로 유지하여 터빈(40)에 공급할 수 있다.
한편, 상기 기액분리기(50)는 내측 하부에 기포발생기(51)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 기포발생기(51)는 기액분리기(50) 하부의 포화액에 충분히 잠길 수 있도록 초기운전단계에서는 습증기가 상기 기액분리기(50)로 유입되도록 하여 상기 기포발생기(51)가 기액분리기(50)에 잠길 만큼 충분한 포화액을 축적하게 된다. 기액분리기(50) 하부에 축적되는 유기 작동 유체는 이론적으로는 포화액의 상태에 해당하나, 완전한 단열이 이루어지지 않는 경우 외부로의 열 방출로 인하여 압축액 상태로 축적될 수도 있다. 따라서, 이하에서 사용하는 포화액의 용어는 포화증기와 대별되는 의미로서, 포화액 상태와 압축액 상태를 포함하는 액체 상태를 의미한다.
상술한 바와 같이, 증발기(30)를 거쳐 상기 기포발생기(51)로 유입되는 유기 작동 유체는 습증기, 포화증기 또는 과열증기 상태로 유입된다.
먼저, 습증기 상태로 유입되는 경우, 상기 기포발생기(51)는 상기 습증기에 포함된 액적을 일차적으로 제거하는 역할을 수행한다. 반면, 과열증기 상태로 유입되는 경우 기액분리기(50) 하부에 축적된 포화액과의 열교환을 통하여 상기 포화액을 포화증기로 증발시키는 동시에 과열증기 또한 포화증기로 전환된다. 한편, 포화증기 상태로 공급되는 경우에는 이론적으로 특별한 열교환 없이 그대로 상기 포화액을 통과하지만, 상기 포화액이 압축액 상태인 경우 상기 포화증기의 일부는 상기 포화액과의 열교환을 거쳐 일부는 포화액으로 전환되고 나머지는 포화증기 상태를 유지하게 된다.
그리고, 상기 기포발생기(51)는 상기 증발기(30)로부터 유입되는 유기 작동 유체와 포화액의 열교환이 충분히 이루어질 수 있도록 기포를 발생시키는 무수히 많은 미세구멍을 포함한다.
한편, 상기 기액분리기(50)의 내측 상부에는 액적을 걸러내는 엘리미네이터(53)(eliminator)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 엘리미네이터(53)는 터빈(40)으로 공급되는 유기 작동 유체에 포함된 액적을 최종적으로 걸러내는 역할을 수행한다. 특히 초기운전단계에서는 축적된 포화액이 없으므로 증발기(30)로부터 유입된 습증기의 액적을 걸러내고 이를 낙하시켜 상기 기액분리기(50) 하부에 포화액을 축적시키는 역할을 수행한다.
한편, 상기 기액분리기(50)는 레벨 센서(52)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 레벨 센서(52)는 기액분리기(50) 내부의 포화액의 수위를 측정하여 제어부(60)로 수위 정보를 제공한다.
상기 레벨 센서(52)는 관 형태로 이루어지며 상기 기액분리기(50)의 측면 상, 하부에 양단이 연결되어 상기 관의 내부로 상기 포화액이 유입될 수 있도록 하여 수위를 측정하는 방식으로 이루어진다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기액분리기(50)의 높이 방향 중심부의 단면적을 좁힌 병목부(55)를 형성함으로써 수위 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제어부(60)는 상기 레벨 센서(52)로부터 수위 정보를 제공받아 증발기(30), 펌프(20) 등을 제어하는 역할을 수행한다. 증발기(30), 펌프(20) 등의 운전조건을 제어하여 상기 기액분리기(50) 내부의 포화액 수위를 조절하는 것이다. 도 2는 제어부(60)와 레벨 센서(52), 증발기(30), 펌프(20)의 연결관계를 나타내는 계통도에 해당한다.
상기 제어부(60)가 상기 증발기(30)의 운전조건을 제어하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 상기 제어부(60)는 초기 운전 상태에 있어서 상기 기포발생기(51)가 상기 포화액에 잠길 수 있도록 상기 기액분리기(50) 내부의 상기 포화액의 수위를 조절한다. 구체적으로는 상기 제어부(60)는 상기 기포발생기(51)가 상기 포화액에 잠길 때까지 습증기 상태의 유기 작동 유체가 상기 증발기(30)로부터 상기 기액분리기(50)로 공급되도록 하는 것으로서, 상기 증발기(30)로 유입되는 상기 유기 작동 유체의 유량, 열원의 온도 또는 유량을 조절하게 된다.
그리고, 상기 제어부(60)는 정상운전과정 중에는 상기 기액분리기(50) 내부의 적정 수위를 유지하도록 포화액의 수위를 조절한다. 여기서, 정상운전과정이라 함은 상기 초기운전단계를 지나 포화액의 수위가 기포발생기(51) 이상으로 축적된 상태에서의 운전을 의미한다.
상기 적정 수위는 상기 기포발생기(51)와 엘리미네이터(53) 사이로 결정되며, 일 예로 상기 기포발생기(51)와 엘리미네이터(53)의 중간 지점을 적정 수위의 설정치로 지정할 수 있다.
상기 레벨 센서(52)의 측정 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기(30)로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 줄이거나, 상기 증발기(30)로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 증가시키게 된다. 즉, 증발기(30)에서 과열증기 상태의 유기 작동 유체를 배출하여 기액분리기(50) 내부로 유입시킴으로써, 기액분리기(50) 내부의 포화액을 증발시켜 수위를 낮추게 된다.
반면, 상기 레벨 센서(52)의 측정 수위가 설정치 보다 낮을 경우에는, 상기 증발기(30)로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 증가시키거나, 상기 증발기(30)로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 감소시키게 된다. 이 경우에는 습증기 상태의 유기 작동 유체를 기액분리기(50)로 공급함으로써 기액분리기(50) 내부 포화액의 수위를 높이게 된다.
한편, 기액분리기(50) 내부 포화액의 수위가 엘리미네이터(53)에 인접하게 되는 경우, 기포 발생 과정에서 엘리미네이터(53)에 포화액이 접촉하게 되어 엘리미네이터(53)의 성능이 저하될 수 있다. 그리고, 포화액의 수위가 엘리미네이터(53)를 초과하게 되는 경우에는 습증기가 터빈(40)으로 공급되는 문제점이 발생된다.
따라서, 엘리미네이터(53)의 인접 하부에 포화액의 한계 수위를 설정하는 것이 바람직하다.
도 3은 기액분리기(50)에 마련된 포화액 배출부(54) 및 상기 포화액 배출부(54)에 연결되는 혼합기를 나타낸다. 도3에 도시된 바와 같이, 상기 기액분리기(50)는 포화액의 수위가 한계 수위에 도달할 경우 상기 포화액을 배출하는 포화액 배출부(54)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서 포화액 배출부(54)는 배출구와 상기 배출구의 개폐를 조절하는 밸브로 구성될 수 있으며, 상기 포화액 배출부(54)는 상기 증발기(30)와 상기 펌프(20) 사이에 마련된 혼합기로 연결된다. 그리고, 상기 혼합기에서는 상기 포화액 배출부(54)로 배출된 포화액과 펌프(20)에서 배출된 유기 작동 유체가 혼합되며, 혼합된 유기 작동 유체는 증발기(30) 내부로 다시 공급된다.
배출되는 포화액은 증발과정을 거친 것이므로 비교적 고온에 해당한다. 이러한 포화액을 재생하여 증발기(30)로 공급되는 유기 작동 유체를 가열하게 되므로, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법은 다음과 같다.
본 발명에 따른 유기 랭킨 사이클 제어방법은 증발기(30)와 터빈(40) 사이에 기액분리기(50)를 마련하여 상기 터빈(40)으로 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 유입시키는 것에 해당하며, 이하의 각 단계를 포함한다.
상기 레벨 센서(52)를 이용하여 기액분리기(50) 내부의 포화액 수위를 모니터링하는 수위모니터링단계를 단계를 거친다.
그리고, 상기 포화액의 수위에 따라서 상기 증발기(30)의 운전조건을 조절하는 증발기제어단계를 거치게 되며, 상기 증발기제어단계는 다음과 같은 세부 단계를 포함한다. i) 상기 포화액의 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기(30)로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 줄이는 단계, ii) 상기 포화액의 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기(30)로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 증가시키는 단계, iii) 상기 포화액의 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기(30)로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 증가시키는 단계, iv) 상기 포화액의 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기(30)로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 감소시키는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법은 시스템의 시동 시의 초기운전단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 초기운전 단계는 시스템 시동시에 적용되는 단계로서 상기 수위모니터링단계를 통하여 쉬위를 수위 정보를 제공받으며 상기 증발기제어단계를 통하여 습증기가 기액분리기로 공급되도록 증발기 운전조건을 제어하게 된다.
상기 초기운전단계는 상기 기포발생기(51)가 상기 포화액에 잠길 때까지, 습증기 상태의 유기 작동 유체가 상기 증발기(30)로부터 상기 기액분리기(50)로 공급되도록, 상기 증발기(30)로 유입되는 상기 유기 작동 유체의 유량, 열원의 온도 또는 유량을 조절하는 것이다.
그리고, 상기 포화액의 수위가 한계 수위에 도달할 경우 상기 포화액을 배출하는 포화액배출단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 포화액배출단계를 통해 배출된 포화액은 이하의 혼합단계를 거치게 된다. 상기 혼합단계는 상기 포화액배출단계를 통해 배출된 포화액을 상기 증발기(30)와 펌프(20) 사이에 마련된 혼합기로 유입시켜 상기 펌프(20)에서 공급되는 유기 작동 유체와 혼합된 후 상기 증발기(30)로 다시 공급하는 과정에 해당한다.

Claims (27)

  1. 증발기, 터빈, 응축기 및 펌프를 포함하는 유기 랭킨 사이클 시스템에 있어서,
    상기 증발기와 상기 터빈 사이에 마련되어 상기 터빈에 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 공급하는 기액분리기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기는 내측 하부에 기포발생기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기는 포화액의 수위를 모니터링하는 레벨 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기액분리기는 높이 방향의 중심부에 단면적을 좁힌 병목부를 마련하여 상기 레벨 센서의 정밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 레벨 센서의 수위에 따라 증발기의 운전 조건을 조절하는 제어부;를 더 포함하되,
    상기 제어부는 초기 운전 상태에 있어서 상기 기포발생기가 상기 포화액에 잠길 수 있도록 상기 기액분리기 내부의 상기 포화액의 수위를 조절하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기포발생기가 상기 포화액에 잠길 때까지, 습증기 상태의 유기 작동 유체가 상기 증발기로부터 상기 기액분리기로 공급되도록 상기 증발기로 유입되는 상기 유기 작동 유체의 유량, 열원의 온도 또는 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 줄이며,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 증가시키며,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기는 포화액의 수위가 한계 수위에 도달할 경우 상기 포화액을 배출하는 포화액 배출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 포화액 배출부는 상기 증발기와 상기 펌프 사이에 마련된 혼합기로 연결되며,
    상기 혼합기는 상기 포화액 배출부로 배출된 포화액과 펌프에서 배출된 유기 작동 유체를 혼합하여 상기 증발기로 유입시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템.
  11. 증발기와 터빈 사이에 마련되어 상기 터빈에 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 공급하는 기액분리기;
    상기 기액분리기 내부 포화액의 수위를 모니터링 하는 레벨 센서; 및
    상기 레벨 센서의 수위에 따라 증발기의 운전 조건을 변경하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기액분리기는 내측 하부에 기포발생기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기액분리기는 내측 상부에 액적을 제거하여 포화증기 상태의 유기 작동 유체만을 통과시키는 엘리미네이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기포발생기가 상기 포화액에 잠길 수 있도록 상기 기액분리기 내부의 상기 포화액의 수위를 조절하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 초기 운전 상태에 있어서 상기 기포발생기가 상기 포화액에 잠길 때까지 습증기 상태의 유기 작동 유체가 상기 증발기로부터 상기 기액분리기로 공급되도록 상기 증발기로 유입되는 상기 유기 작동 유체의 유량, 열원의 온도 또는 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 줄이며,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 증가시키며,
    상기 레벨 센서의 측정 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 기액분리기는 포화액의 수위가 일정 이상일 경우 상기 포화액을 배출하는 포화액 배출부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 포화액 배출부는 상기 증발기와 상기 펌프 사이에 마련된 혼합기로 연결되며,
    상기 혼합기는 상기 포화액 배출부로 배출된 포화액과 펌프에서 배출된 유기 작동 유체를 혼합하여 상기 증발기로 유입시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 레벨 센서는 관 형태로 이루어지되, 상기 기액분리기의 측면 상, 하부에 상기 관의 양단이 연결되어 상기 관의 내부로 상기 포화액이 유입되는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기액분리기는 높이 방향의 중심부에 단면적을 좁힌 병목부를 마련하여 상기 레벨 센서의 정밀도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 장치.
  22. 증발기와 터빈 사이에 기액분리기를 마련하여 상기 터빈으로 포화증기 상태의 유기 작동 유체를 유입시키는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 기액분리기 내부의 포화액 수위를 모니터링하는 수위모니터링단계;
    상기 포화액의 수위에 따라서 상기 증발기의 운전조건을 조절하는 증발기제어단계;를 포함하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 증발기제어단계는,
    상기 포화액의 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 줄이며,
    상기 포화액의 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기로 유입되는 유기 작동 유체의 유량을 증가시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 증발기제어단계는,
    상기 포화액의 수위가 설정치 보다 높을 경우, 상기 증발기로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 증가시키며,
    상기 포화액의 수위가 설정치 보다 낮을 경우, 상기 증발기로 유입되는 열원의 온도 또는 유량을 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법.
  25. 제22항에 있어서,
    시스템의 시동 시의 초기운전단계;를 더 포함하되,
    상기 초기운전단계는,
    상기 기포발생기가 상기 포화액에 잠길 때까지, 습증기 상태의 유기 작동 유체가 상기 증발기로부터 상기 기액분리기로 공급되도록, 상기 증발기로 유입되는 상기 유기 작동 유체의 유량, 열원의 온도 또는 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 포화액의 수위가 한계 수위에 도달할 경우 상기 포화액을 배출하는 포화액배출단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 배출된 포화액을 상기 증발기와 펌프 사이에 마련된 혼합기로 유입시켜 상기 펌프에서 공급되는 유기 작동 유체와 혼합시켜 상기 증발기로 공급하는 혼합단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 랭킨 사이클 시스템의 제어 방법.
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