WO2016178470A1 - 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2016178470A1
WO2016178470A1 PCT/KR2016/000613 KR2016000613W WO2016178470A1 WO 2016178470 A1 WO2016178470 A1 WO 2016178470A1 KR 2016000613 W KR2016000613 W KR 2016000613W WO 2016178470 A1 WO2016178470 A1 WO 2016178470A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
working fluid
heat exchanger
temperature turbine
flow
turbine
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/000613
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
노철우
강승규
황정호
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to JP2017558015A priority Critical patent/JP6641648B2/ja
Priority to EP16789576.2A priority patent/EP3293373B1/en
Publication of WO2016178470A1 publication Critical patent/WO2016178470A1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • 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
    • F01K7/32—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 the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/08—Semi-closed cycles

Definitions

  • the present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system, and more particularly to a supercritical carbon dioxide power generation system that can improve the power generation efficiency of the system.
  • Supercritical carbon dioxide has a gas-like viscosity at a density similar to that of a liquid state, which can minimize the size of the device and minimize the power consumption required for fluid compression and circulation.
  • the critical point is 31.4 degrees Celsius, 72.8 atm
  • the threshold is 373.95 degrees Celsius, it is much lower than the water of 217.7 atmospheres, there is an advantage that it is easy to handle.
  • This supercritical carbon dioxide power generation system shows a net power generation efficiency of about 45% when operated at 550 degrees Celsius. There are possible advantages.
  • the flow of the working fluid is divided into a first flow and a second flow at the rear end of the compressor, and the first flow is introduced into the first heat exchanger from the compressor.
  • the second heat exchanger is characterized in that the second flow of the working fluid is introduced and recuperated.
  • the low temperature turbine is characterized in that for transmitting the driving force to the generator when the working fluid is supplied from the second heat exchanger, and does not transmit the driving force to the generator when the working fluid is not supplied from the second heat exchanger.
  • the turbine of any one of the high temperature turbine and the low temperature turbine is formed on the hollow shaft, and the other turbine is formed on the shaft inserted into the hollow shaft.
  • the first heat exchanger and the second heat exchanger are characterized in that the recuperator for recuperating the working fluid.
  • the third heat exchanger is characterized in that to transfer the waste heat recovered from the external heat source to the working fluid.
  • the working fluid passing through the high temperature turbine is sent to the cooler via the second heat exchanger, and the working fluid of the second flow is recuperated by receiving heat from the working fluid passing through the second heat exchanger. do.
  • the flow of the working fluid further includes a third flow divided at the rear end of the compressor.
  • a fourth heat exchanger in which the third flow of the working fluid is introduced and recuperated, and a medium temperature turbine connected to the generator to generate power, wherein the working fluid passing through the fourth heat exchanger is sent to the medium temperature turbine. It is characterized by.
  • the working fluid passing through the high temperature turbine is sent to the cooler via the second heat exchanger, and the working fluid of the second flow is recuperated by receiving heat from the working fluid passing through the second heat exchanger. do.
  • the working fluid passing through the low temperature turbine is sent to the cooler via the first heat exchanger, and the working fluid of the first flow is reheated by receiving heat from the working fluid passing through the first heat exchanger. do.
  • the working fluid passing through the medium temperature turbine is sent to the cooler via the third heat exchanger, and the working fluid of the third flow is reheated by receiving heat from the working fluid passing through the fourth heat exchanger. do.
  • the fourth heat exchanger is a recuperator for recuperating the working fluid.
  • the supercritical carbon dioxide generation system forms a close cycle that does not discharge carbon dioxide used for power generation to the outside, and uses supercritical carbon dioxide as a working fluid.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system is a carbon dioxide working fluid, it is possible to use the exhaust gas emitted from a thermal power plant, etc., so it can be used not only in a single power generation system but also in a hybrid power generation system with a thermal power generation system.
  • the working fluid of the supercritical carbon dioxide power generation system may separate carbon dioxide from the exhaust gas and supply a separate carbon dioxide.
  • the carbon dioxide After passing through the compressor, the carbon dioxide is heated while passing through a heat source such as a heater to become a supercritical state of high temperature and high pressure, and the supercritical carbon dioxide fluid drives the turbine.
  • the turbine is connected to a generator and driven by the turbine to produce power.
  • the carbon dioxide used to produce the power is cooled through a heat exchanger, and the cooled working fluid is fed back to the compressor to circulate in the cycle.
  • a plurality of turbines or heat exchangers may be provided.
  • the present invention proposes a supercritical carbon dioxide power generation system that can improve the efficiency of the system by applying a cascade cycle in which a plurality of turbines, which are multiple expansion devices, are applied in parallel to the basic supercritical carbon dioxide power generation system.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system includes not only a system in which all of the working fluid flowing in the cycle is in a supercritical state, but also a system in which most of the working fluid is in a supercritical state and the rest is subcritical. Used in the sense.
  • carbon dioxide is used as a working fluid, where carbon dioxide is, in a chemical sense, pure carbon dioxide, and in general, one or more fluids are mixed as additives in carbon dioxide and carbon dioxide in which impurities are somewhat contained. It is also used to include the fluid in its state.
  • both the high temperature turbine 600, the medium temperature turbine 800, and the low temperature turbine 700 are connected to the generator 650, and rotate to generate power by driving the generator 650.
  • the mid-temperature turbine 800 and the low-temperature turbine 700 do not contribute to driving the generator at all, but rather, the high-temperature turbine 600 Can only act as a rolling resistance.
  • a structure in which the shaft of the high temperature turbine 600, the shaft of the middle temperature turbine 800, and the shaft of the low temperature turbine 700 are separately controlled on the shaft of the generator 650 is employed.
  • gears may be formed in at least some sections of the outer surfaces of the four axes.
  • the gear formed on the shaft of the high temperature turbine 600 may be engaged with the first side of the gear formed on the shaft of the generator 650.
  • the gear formed in the shaft of the medium temperature turbine 800 is engaged to the second side of the gear formed on the shaft of the generator 650, the third side of the gear formed on the shaft of the generator 650 of the low temperature turbine 700
  • the case where the gear formed in the shaft is engaged can be assumed.
  • the gear structure not only the gear structure but also various power connection structures, including a belt structure and a chain structure, may be used as the structure for intermittently coupling the four shafts.
  • a clutch of various structures may be used to smoothly process each shaft.
  • the second modified example may drive the generator 650 even when only one turbine is operated, and one or two turbines which do not operate do not act as a rolling resistance to drive the generator. There is this.
  • both the shaft of the high temperature turbine 600, the shaft of the middle temperature turbine 800, and the shaft of the low temperature turbine 700 are connected to the shaft of the generator 650.
  • the shaft of the generator 650 receives the driving force by dividing the driving force from three different axes. Therefore, when the structures of the first modification and the second modification are adopted, the torsion fatigue stress accumulated in the shaft of the generator 650 and the possibility of fracture are significantly lowered compared to the case where a large driving force is transmitted from one shaft. You can expect.
  • the generator can produce electricity of a uniform frequency
  • the shaft and the generator of one or more turbines A transmission can be provided between the rotation shafts of 650.
  • the turbine for driving a generator in parallel, it is possible to reduce the operating RPM of the turbine to distribute torque.
  • the outlet working fluid of the turbine can be sequentially regenerated, thereby improving the efficiency of the entire system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)

Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 발전기를 구동하는 터빈을 병렬적으로 사용함으로써 터빈의 운전 RPM을 줄여 토크를 분산시킬 수 있다. 따라서 효율 저하의 요소 중 하나인 터빈의 고 RPM 문제를 해소할 수 있으며, 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.
국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있으며, 그 중 하나로 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550도에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.
그런데 이러한 종래의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 사이클의 특성상 고 RPM의 터빈을 사용하게 되는 경우, 토크 컨버터나 기어 박스 등을 이용해 발전기에 적합한 회전수로 터빈의 출력을 변환하여 전달해야 했다. 또는 인버터를 이용해 발전된 전력의 주파수를 변환해 일정한 출력 주파수를 낼 수 있도록 해야 했다. 따라서 이러한 종래의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 사이클 내의 여러 부분에서 동력 손실 및 효율 저하가 발생할 여지가 많으며, 추가적인 부품 및 공정에 의한 비용이 상승 문제가 있다.
본 발명의 목적은 병렬 팽창 방식의 캐스케이드 사이클을 적용해 최적의 효율을 제공하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 작동 유체를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과, 상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과, 상기 제1 열교환기와 상기 고온 터빈의 사이에 구비되어 상기 제1 열교환기에서 복열된 상기 작동 유체와 열교환하는 제3 열교환기와, 상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공할 수 있다.
상기 작동 유체의 플로우(flow)는 상기 압축기의 후단에서 제1 플로우와 제2 플로우로 나뉘며, 상기 제1 플로우는 상기 압축기에서 상기 제1 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열교환기는 상기 작동 유체의 상기 제2 플로우가 유입되어 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈은 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되면 상기 발전기로 구동력을 전달하고, 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되지 않으면 상기 발전기로 구동력을 전달하지 않는것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈과 상기 저온 터빈 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고 다른 하나의 터빈은 상기 중공축에 삽입되어 있는 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 일측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하고, 상기 저온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 타측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 한다.
상기 제3 열교환기는 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체의 플로우는 상기 압축기의 후단에서 나뉘는 제3 플로우를 더 포함한다.
상기 작동 유체의 상기 제3 플로우가 유입되어 복열되는 제4 열교환기와, 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 중온 터빈을 더 포함하며, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 중온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 한다.
상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 중온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제3 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제4 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 한다.
상기 제4 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 한다.
상기 압축기의 후단에 구비되어 상기 작동 유체의 플로우(flow)를 상기 제1 플로우 내지 제3 플로우로 분배하는 분배기를 더 포함한다.
[유리한 효과]
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전기를 구동하는 터빈을 병렬적으로 사용함으로써 터빈의 운전 RPM을 줄여 토크를 분산시킬 수 있다. 또한, 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다.
사이클 내의 이산화탄소는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 이산화탄소 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 전력의 생산에 이용된 이산화탄소는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 기본적인 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 복수의 팽창 장치인 터빈을 병렬 적용한 캐스케이드 사이클을 적용함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제안한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 싸이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 작동 유체를 압축시키는 압축기(200)와, 압축기(200)를 통과한 작동 유체의 일부와 열교환하는 제1 열교환기(300)와, 제1 열교환기(300)를 거친 작동 유체에 의해 구동되는 고온 터빈(600)과, 압축기(200)를 통과한 작동 유체의 나머지와 열교환하는 제2 열교환기(400)와, 제2 열교환기(400)를 거친 작동 유체에 의해 구동되는 저온 터빈(700)과, 고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)을 거친 작동 유체가 압축기(200)로 유입되기 전 냉각시키는 쿨러(100)와, 제1 열교환기(300)를 통과한 작동 유체를 재열하는 제3 열교환기(500)를 포함할 수 있다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이다. 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.
고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)은 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(650)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)은 작동 유체가 고온 터빈(600) 및 저온 터빈(700)을 통과하면서 팽창되므로 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다.
여기서 고온 터빈(600)과 저온 터빈(700)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
이상의 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 세부 구성에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다.
쿨러(100)로 주입된 기체 상태의 작동 유체는 냉각되면서 액체 상태로 상변화를 일으킨다. 쿨러(100)의 전단에는 작동 유체를 추가적으로 공급하거나 고온 터빈(600) 또는 저온 터빈(700)을 거친 작동 유체를 쿨러(100)로 주입시키는 제1 헤더(50)가 구비될 수 있다. 제1 헤더(50)는 일종의 분배기 또는 작동 유체 공급기의 역할을 한다. 쿨러(100)의 후단에는 쿨러 유량 조절 밸브(102)가 구비되며, 플래쉬 탱크(150)로 주입되는 액체 상태의 작동 유체의 유량을 조절한다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 랭킨 사이클로 구성되는 경우, 작동 유체가 액체 상태와 기체 상태간의 상변화가 이루어지며, 플래쉬 탱크(150)는 액상의 작동 유체가 쿨러(100) 쪽으로 역류되지 않도록 하기 위한 구성이다. 쿨러(100)의 전단과 플래쉬 탱크(150)는 탱크 순환 바이패스 라인(160)에 의해 연결되고, 탱크 순환 바이패스 라인(160) 상에 탱크 순환 조절 밸브(162)가 설치될 수 있다. 탱크 순환 조절 밸브(162)가 개방되면 액화가 되지 않고 기체 상태로 남아있는 작동 유체가 탱크 순환 바이패스 라인(160)을 타고 쿨러(100)로 보내진다. 플래쉬 탱크(150)를 거친 액상의 작동 유체는 압축기(200)에서 고압으로 압축된다.
압축기(200)에서 압축된 고압의 작동 유체는 압축기(200)의 후단에서 2개의 플로우로 나누어질 수 있다. 작동 유체의 플로우(flow)는 압축기(200)의 후단에 구비된 제2 헤더(250)를 통해 제1 열교환기(300)로 보내지는 제1 플로우와, 제2 열교환기(400)로 보내지는 제2 플로우로 구분된다.
제2 헤더(250)에서 작동 유체의 유량 분배는 열전달량의 한계와 유량 및 엔탈피의 차이를 고려하여 시스템 설계 시 미리 설정될 수 있다. 일 예로, 고온 터빈(600) 쪽으로 보내지는 제1 플로우와 저온 터빈(700) 쪽으로 보내지는 제2 플로우의 비율은 60:40으로 설정될 수 있다. 그러나 외부의 열 에너지 유입량, 외부 기온의 변화량, 기동 상황인지 운전 상황인지 등에 따라 작동 유체의 유량 분배 설정이 달라질 수 있다. 추가적인 유량 분배의 기준으로는 폐열을 흡수하는 주 열교환기가 어느 것인가를 들 수 있으며, 주 열교환기 쪽으로 보내지는 작동 유체의 유량이 커지도록 설정할 수 있다.
제1 열교환기(300)에 연결되는 이송관 상에 설치된 제1 유량 조절 밸브(252)의 개방 시 제1 플로우는 제1 열교환기(300)로 보내진다. 제2 열교환기(400)에 연결되는 이송관 상에 설치된 제2 유량 조절 밸브(254)의 개방 시 제2 플로우는 제2 열교환기(400)로 보내진다.
제1 플로우를 따라 순환하는 작동 유체는 제1 열교환기(300) 및 제3 열교환기(500)를 거쳐 복열 및 가열된 후 고온 터빈(600)에서 팽창되고, 제2 열교환기(400)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 순환된다.
제2 플로우를 따라 순환하는 작동 유체는 제2 열교환기(400)를 거쳐 복열된 후 저온 터빈(700)에서 팽창되고, 제1 열교환기(300)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 순환된다.
여기서 제1 열교환기(300)는 작동 유체를 복열하는 저온의 리큐퍼레이터(recuperator)이며, 제2 열교환기(400)는 작동 유체를 복열하는 고온의 리큐퍼레이터이다. 여기서 저온 및 고온의 의미는 제1 열교환기(300)가 제2 열교환기(400)에 비해 상대적으로 저온이고 제2 열교환기(400)가 제1 열교환기(300)에 비해 상대적으로 고온임을 의미한다.
제3 열교환기(500)는 열원으로부터 열을 전달받아 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체에 전달한다. 여기서 열원으로는 예컨대 철강공장, 화학공장, 발전소, 연료운송라인 등 폐열을 배출하는 시설이나 기기 등의 될 수 있으며, 제3 열교환기(500)는 상기 열원들 이외에도 다양한 열원들로부터 열을 전달받는 데에 적합한 구조를 갖는 구성이 채용될 수 있다.
한편, 압축기(200)의 후단으로부터 압축기(200)의 전단으로 압축기 순환 라인(210)이 연결될 수 있으며, 압축기 순환 라인(210) 상에 압축기 순환 밸브(212)가 구비될 수 있다. 압축기 순환 밸브(212)에 의해 압축기(200)를 통과한 작동 유체가 제1 열교환기(300) 쪽으로 가지 않고 압축기(200)의 전단 쪽으로 바이패스 될 수 있다. 압축기 순환 밸브(212)는 시스템의 초기 기동 시(압축기의 초기 기동 시) 개방되며, 작동 유체가 터빈을 구동할 수 있을 정도로 웜 업(warm up)되기 전까지 작동 유체를 순환시키는 역할을 한다. 또한, 비상 시 안전 밸브 역할도 한다.
압축기(200)에서 압축된 후 제1 플로우를 따라 제1 열교환기(300)를 거치며 복열된 작동 유체는 제3 열교환기(500)를 거쳐 가열된 후 고온 터빈(600)으로 보내진다.
제3 열교환기(500)에서 고온 터빈(600) 측으로 연결된 작동 유체 이송관(610)에는 고압측 조절 밸브(612)가 구비되어 고온 터빈(600)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
고온 터빈(600)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(510)가 구비될 수 있다.
또한, 고압측 조절 밸브(612)의 전단에서 고온 터빈(600)의 후단으로 연결되는 고온 터빈측 우회 라인(620)이 구비될 수 있으며, 고온 터빈측 우회 라인(620) 상에는 우회 밸브(622)가 설치된다. 고압측 조절 밸브(612)와 우회 밸브(622)의 개폐 상태에 따라 작동 유체는 고온 터빈(600)으로 공급될 수도 있고, 고온 터빈(600)을 우회하여 바로 제2 열교환기(400)로 보내질 수도 있다.
이렇게 고온 터빈(600)을 통과한 작동 유체는 제2 열교환기(400)로 유입되며, 제2 플로우를 따라 제2 열교환기(400)로 유입된 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 제2 열교환기(400)에서 열을 빼앗긴 작동 유체는 제1 헤더(50)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 유입된다.
한편, 압축기(200)에서 압축된 후 제 2 플로우를 따라 제2 열교환기(400)를 거치며 복열된 작동 유체는 저온 터빈(700)으로 보내진다. 제2 열교환기(400)에서 저온 터빈(700) 측으로 연결된 작동 유체 이송관(710)에는 저압측 조절 밸브(712)가 구비되어 저온 터빈(700)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다.
저온 터빈(700)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(410)가 구비될 수 있다.
또한, 저압측 조절 밸브(712)의 전단에서 저온 터빈(700)의 후단으로 연결되는 저온 터빈측 우회 라인(720)이 구비될 수 있으며, 저온 터빈측 우회 라인(720) 상에는 우회 밸브(722)가 설치된다. 저압측 조절 밸브(712)와 우회 밸브(722)의 개폐 상태에 따라 작동 유체는 저온 터빈(700)으로 공급될 수도 있고, 저온 터빈(700)을 우회하여 바로 제1 열교환기(300)로 보내질 수도 있다.
저온 터빈(700)을 통과한 작동 유체는 제1 열교환기(300)로 유입되며, 제1 플로우를 따라 제1 열교환기(300)로 유입된 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 제1 열교환기(300)에서 열을 빼앗긴 작동 유체는 제1 헤더(50)를 거쳐 다시 쿨러(100)로 유입된다.
제1 실시 예에서 고온 터빈(600)과 저온 터빈(700)은 모두 발전기(650)에 연결되어 있으며, 회전하면서 발전기(650)를 구동시켜 전력을 생산한다. 다만, 저온 터빈(700)에 작동유체가 유입되지 않는 경우에, 저온 터빈(700)은 발전기의 구동에는 전혀 기여하지 않고 오히려 고온 터빈(600)의 회전저항으로만 작용할 수 있다.
따라서, 제1 실시예의 제1 변형 예에서, 고온 터빈(600)과 저온 터빈(700) 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고, 다른 하나의 터빈은 이 중공축에 삽입되어 있는 축(이하, 삽입축이라 함) 상에 형성되며, 중공축과 삽입축은 발전기(650)에 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 다른 하나의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제1 실시 예의 제2 변형 예에서, 발전기(650)의 축에, 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 별개로 단속되는 구조가 채용될 수도 있다. 예컨대, 위 세 가지 축의 외측면의 적어도 일부 구간에 기어가 형성되어 있고, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 일측에 고온 터빈(600)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있으며, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 타측에 저온 터빈(700)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있는 경우를 상정할 수 있다.
또한, 제1 실시 예의 제2 변형 예에서 세 개의 축을 단속적으로 결합하는 구조로는 기어 구조뿐만 아니라, 벨트 구조나, 체인 구조 등을 비롯한 다양한 동력 연결 구조가 사용될 수 있다. 즉, 각각의 축을 단속하는 과정이 원활하게 이루어질 수 있도록 다양한 구조의 클러치가 사용될 수 있다.
제2 변형 예는 제1 변형 예와 마찬가지로 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 다른 하나의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제1 실시 예의 제1 변형 예와 제2 변형 예에서 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 모두 발전기(650)의 축에 연결되어 구동력을 전달하고 있는 경우를 상정하였을 때, 발전기(650)의 축은 구동력을 두 개의 다른 축으로부터 나눠서 입력받고 있는 것이다. 따라서, 제1 변형 예와 제2 변형 예의 구조를 채용하면, 하나의 축으로부터 큰 구동력을 전달받는 경우에 비하여 발전기(650)의 축에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 발전기(650)의 축에 전달해야 하는 구동 토크를 나눠서 부담하고 있는 것이다. 따라서 단 하나의 터빈의 축이 발전기(650)의 축에 큰 구동력을 전달해야 하는 경우에 비하여 고온 터빈(600)의 축과 저온 터빈(700)의 축 에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
특히, 사이클을 신속하게 가동하여야 하거나, 사이클의 정지 및 가동재개가 반복되는 경우를 비롯하여 RPM 및 출력이 빠르게 변화하는 경우에는, 특히 이러한 효과가 더욱 두드러진다.
이상에서는 팽창 장치인 2개의 터빈을 병렬 구비한 캐스케이드 사이클을 적용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하였다. 이하에서는 3개의 팽창 장치를 구비한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(제1 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 압축기(200) 후단의 제2 헤더(250)로부터 작동 유체가 제1 내지 제3 플로우로 구분되어 분배된다. 터빈은 고온 터빈(600), 중온 터빈(800), 저온 터빈(700)으로 3개가 구비될 수 있으며, 추가적으로 제4 열교환기(900)가 구비될 수 있다.
제1 유량 조절 밸브(252)의 개방 시 제1 플로우는 제1 열교환기(300)로 보내진다. 작동 유체는 제1 열교환기(300)에서 복열되고 제3 열교환기(500)에서 가열된 후 고온 터빈(600)으로 보내진다. 고온 터빈(600)에서 팽창된 작동 유체는 제2 열교환기(400)로 보내지고, 고온 터빈(600)을 통과한 작동 유체의 열은 제2 열교환기(400)에서 제2 플로우의 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 고온 터빈(600) 및 제2 열교환기(400)를 거친 작동 유체는 제1 헤더(50)를 통해 쿨러(100)로 다시 순환된다.
제2 유량 조절 밸브(254)의 개방 시 제2 플로우는 제2 열교환기(400)로 보내진다. 작동 유체는 제2 열교환기(400)에서 복열된 뒤 중온 터빈(800)으로 보내진다. 중온 터빈(800)에서 팽창된 작동 유체는 제4 열교환기(900)로 보내지고, 중온 터빈(800)을 통과한 작동 유체의 열은 제4 열교환기(900)에서 제3 플로우의 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 중온 터빈(800) 및 제4 열교환기(900)를 거친 작동 유체는 제1 헤더(50)를 통해 쿨러(100)로 다시 순환된다.
제4 열교환기(900)에 연결되는 이송관 상에 설치된 제3 유량 조절 밸브(256)의 개방 시 제3 플로우는 제4 열교환기(900)로 보내진다. 제3 플로우를 따라 순환하는 작동 유체는 제4 열교환기(900)를 거쳐 복열된 뒤 저온 터빈(700)으로 보내진다. 저온 터빈(700)에서 팽창된 작동 유체는 제1 열교환기(300)로 보내지고, 저온 터빈(700)을 통과한 작동 유체의 열은 제1 열교환기(300)에서 제1 플로우의 작동 유체를 복열하는데 사용된다. 그 후 저온 터빈(700) 및 제1 열교환기(300)를 거친 작동 유체는 제1 헤더(50)를 통해 다시 쿨러(100)로 순환된다.
여기서 제1 열교환기(300)는 작동 유체를 복열하는 저온의 리큐퍼레이터(recuperator)이며, 제2 열교환기(400)는 작동 유체를 복열하는 고온의 리큐퍼레이터이다. 제4 열교환기(900)는 작동 유체를 복열하는 중온의 리큐퍼레이터이다. 여기서 저온, 중온 및 고온의 의미는 제1 열교환기(300)나 제4 열교환기(900)가 제2 열교환기(400)에 비해 상대적으로 저온 또는 중온이고 제2 열교환기(400)가 제1 열교환기(300) 및 제4 열교환기(900)에 비해 상대적으로 고온임을 의미한다.
한편, 제2 열교환기(400)에서 중온 터빈(800) 측으로 연결된 작동 유체 이송관(810)에는 중압측 조절 밸브(812)가 구비되어 중온 터빈(800)으로 공급되는 작동 유체의 유량을 조절할 수 있다. 중온 터빈(800)으로 유입되는 작동 유체의 압력이 지나치게 높아지는 경우, 작동 유체를 사이클의 외부로 배기할 수 있도록 안전 밸브 역할을 하는 배기 밸브(미도시)가 구비될 수 있다. 그러나 본 실시 예에서는 편의상 배기 밸브가 구비되지 않은 것을 예로 하였다.
또한, 중압측 조절 밸브(812)의 전단에서 중온 터빈(800)의 후단으로 연결되는 중온 터빈측 우회 라인(820)이 구비될 수 있으며, 중온 터빈측 우회 라인(820) 상에는 우회 밸브(822)가 설치된다. 중압측 조절 밸브(812)와 우회 밸브(822)의 개폐 상태에 따라 작동 유체는 중온 터빈(800)으로 공급될 수도 있고, 중온 터빈(800)을 우회하여 바로 제4 열교환기(900)로 보내질 수도 있다.
제2 실시 예에서 고온 터빈(600)과 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700)은 모두 발전기(650)에 연결되어 있으며 회전하면서 발전기(650)를 구동시켜 전력을 생산한다. 다만, 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700)에 작동유체가 유입되지 않는 경우에, 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700)은 발전기의 구동에는 전혀 기여하지 않고 오히려 고온 터빈(600)의 회전저항으로만 작용할 수 있다.
따라서, 제2 실시예의 제1 변형 예에서, 고온 터빈(600)과 중온 터빈(800)과 저온 터빈(700) 중 어느 하나의 터빈은 중공축(이하, 제1 중공축이라 함) 상에 형성된다. 나머지 둘 중 하나의 터빈은 제1 중공축에 삽입되어 있는 중공축(이하, 제2 중공축이라 함) 상에 형성된다. 남은 하나의 터빈은 제2 중공축에 삽입되어 있는 축(이하, 제3 축이라 함) 상에 형성된다. 제1 중공축과 제2 중공축과 제3 축은 발전기(650)에 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 하나 또는 두 개의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제2 실시예의 제2 변형 예에서, 발전기(650)의 축에 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 별개로 단속되는 구조가 채용될 수도 있다. 예컨대, 위 네 가지 축의 외측면의 적어도 일부 구간에 기어가 형성될 수 있다. 그리고 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 제1 측에 고온 터빈(600)의 축에 형성된 기어가 치합될 수 있다. 그리고 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 제2 측에 중온 터빈(800)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있고, 발전기(650)의 축에 형성된 기어의 제3 측에 저온 터빈(700)의 축에 형성된 기어가 치합되어 있는 경우를 상정할 수 있다. 또한, 제2 변형 예에서 네 개의 축을 단속적으로 결합하는 구조로는 기어 구조뿐만 아니라, 벨트 구조나, 체인 구조 등을 비롯한 다양한 동력 연결 구조가 사용될 수 있다. 또한, 각각의 축을 단속하는 과정이 원활하게 이루어질 수 있도록 다양한 구조의 클러치가 사용될 수 있다. 제2 변형 예는 제1 변형 예와 마찬가지로 어느 하나의 터빈만 작동하더라도 발전기(650)를 구동할 수 있으며, 가동하지 않는 하나 또는 두 개의 터빈은 발전기를 구동하는 데에 회전저항으로 작용하지 않는 장점이 있다.
또한, 제2 실시예의 제1 변형 예와 제2 변형 예에서 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 모두 발전기(650)의 축에 연결되어 구동력을 전달하고 있는 경우를 상정하였을 때, 발전기(650)의 축은 구동력을 세 개의 다른 축으로부터 나눠서 입력받고 있는 것이다. 따라서 제1 변형 예와 제2 변형 예의 구조를 채용하면, 하나의 축으로부터 큰 구동력을 전달받는 경우에 비하여 발전기(650)의 축에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축이 발전기(650)의 축에 전달해야 하는 구동 토크를 나눠서 부담하고 있는 것이다. 따라서 단 하나의 터빈의 축이 발전기(650)의 축에 큰 구동력을 전달해야 하는 경우에 비하여 고온 터빈(600)의 축과 중온 터빈(800)의 축과 저온 터빈(700)의 축에 누적되는 비틀림 피로 응력 및 이로 인한 파단 가능성이 현저하게 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
특히, 사이클을 신속하게 가동하여야 하거나, 사이클의 정지 및 가동재개가 반복되는 경우를 비롯하여 RPM 및 출력이 빠르게 변화하는 경우에는, 특히 이러한 효과가 더욱 두드러진다.
한편, 본 발명의 다양한 실시 예에서 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 하나 또는 그 이상의 터빈의 회전 속도가 변화하는 경우에도 발전기에서 균일한 주파수의 전기를 생산할 수 있도록, 하나 또는 그 이상의 터빈의 회전축과 발전기(650)의 회전축 사이에 변속기를 설치할 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전기를 구동하는 터빈을 병렬적으로 사용함으로써 터빈의 운전 RPM을 줄여 토크를 분산시킬 수 있다. 또한, 터빈의 출구측 작동 유체를 순차적으로 복열시킬 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상된다.

Claims (17)

  1. 작동 유체를 압축하는 압축기와,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제1 열교환기와,
    상기 제1 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 고온 터빈과,
    상기 압축기를 통과한 상기 작동 유체와 열교환하는 제2 열교환기와,
    상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체를 팽창시키며 상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 저온 터빈과,
    상기 제1 열교환기와 상기 고온 터빈의 사이에 구비되어 상기 제1 열교환기에서 복열된 상기 작동 유체와 열교환하는 제3 열교환기와,
    상기 고온 터빈 및 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시켜 상기 압축기로 공급하는 쿨러를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체의 플로우(flow)는 상기 압축기의 후단에서 제1 플로우와 제2 플로우로 나뉘며, 상기 제1 플로우는 상기 압축기에서 상기 제1 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 작동 유체의 상기 제2 플로우가 유입되어 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 저온 터빈은 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되면 상기 발전기로 구동력을 전달하고, 상기 제2 열교환기로부터 상기 작동 유체가 공급되지 않으면 상기 발전기로 구동력을 전달하지 않는것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고온 터빈과 상기 저온 터빈 중 어느 하나의 터빈은 중공축 상에 형성되고 다른 하나의 터빈은 상기 중공축에 삽입되어 있는 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 일측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하고, 상기 저온 터빈의 축은 상기 발전기의 축의 타측에 연결되어 상기 발전기에 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 열교환기 및 제2 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는 외부 열원으로부터 회수한 폐열을 상기 작동 유체에 전달하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 작동 유체의 플로우는 상기 압축기의 후단에서 나뉘는 제3 플로우를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 작동 유체의 상기 제3 플로우가 유입되어 복열되는 제4 열교환기와,
    상기 발전기에 연결되어 전력을 생산하는 중온 터빈을 더 포함하며,
    상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 중온 터빈으로 보내지는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제2 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 저온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제1 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 중온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기를 거쳐 상기 쿨러로 보내지며, 상기 제3 플로우의 상기 작동 유체는 상기 제4 열교환기를 지나는 상기 작동 유체로부터 열을 전달받아 복열되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제4 열교환기는 상기 작동 유체를 복열하는 리큐퍼레이터(recuperator)인 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 압축기의 후단에 구비되어 상기 작동 유체의 플로우(flow)를 상기 제1 플로우 내지 제3 플로우로 분배하는 분배기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
PCT/KR2016/000613 2015-05-04 2016-01-20 초임계 이산화탄소 발전 시스템 WO2016178470A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017558015A JP6641648B2 (ja) 2015-05-04 2016-01-20 超臨界二酸化炭素発電システム
EP16789576.2A EP3293373B1 (en) 2015-05-04 2016-01-20 Supercritical carbon dioxide power generation system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2015-0062435 2015-05-04
KR1020150062435A KR101719234B1 (ko) 2015-05-04 2015-05-04 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016178470A1 true WO2016178470A1 (ko) 2016-11-10

Family

ID=57218232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2016/000613 WO2016178470A1 (ko) 2015-05-04 2016-01-20 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9926814B2 (ko)
EP (1) EP3293373B1 (ko)
JP (1) JP6641648B2 (ko)
KR (1) KR101719234B1 (ko)
WO (1) WO2016178470A1 (ko)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101623309B1 (ko) * 2015-06-18 2016-05-20 한국에너지기술연구원 초임계 이산화탄소 발전시스템
ITUB20156041A1 (it) * 2015-06-25 2017-06-01 Nuovo Pignone Srl Sistema e metodo a ciclo semplice per il recupero di cascame termico
KR101800081B1 (ko) * 2015-10-16 2017-12-20 두산중공업 주식회사 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템
KR101947877B1 (ko) * 2016-11-24 2019-02-13 두산중공업 주식회사 병렬 복열 방식의 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2018105841A1 (ko) * 2016-12-06 2018-06-14 두산중공업 주식회사 직렬 복열 방식의 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2018131760A1 (ko) * 2017-01-16 2018-07-19 두산중공업 주식회사 복합 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US10570783B2 (en) 2017-11-28 2020-02-25 Hanwha Power Systems Co., Ltd Power generation system using supercritical carbon dioxide
WO2019107786A1 (ko) 2017-11-28 2019-06-06 한화파워시스템 주식회사 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US10508568B2 (en) * 2018-03-16 2019-12-17 Uop Llc Process improvement through the addition of power recovery turbine equipment in existing processes
EP3935266A4 (en) * 2019-03-06 2023-04-05 Industrom Power, LLC WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM WITH INTERCOOLED CASCADES CYCLE
KR102726598B1 (ko) 2019-07-08 2024-11-05 한화파워시스템 주식회사 초임계 이산화탄소 엔진
WO2021181663A1 (ja) * 2020-03-13 2021-09-16 富士電機株式会社 超臨界流体発電システム
CN112523827A (zh) * 2020-11-30 2021-03-19 河北工业大学 一种干热岩超临界二氧化碳发电与碳封存耦合系统
CN112814755A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种高效超临界co2闭式循环动力系统
CN114370716B (zh) * 2021-11-30 2023-10-20 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 超临界二氧化碳压缩机系统
US11536164B1 (en) 2022-04-29 2022-12-27 Hamilton Sundstrand Corporation Closed-loop brayton cycle system with turbine blade cooling

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005299644A (ja) * 2004-03-18 2005-10-27 Hitachi Ltd 原子力発電システム
JP2010261389A (ja) * 2009-05-08 2010-11-18 Toshiba Corp 一軸型複合サイクル発電プラントの起動方法および一軸型複合サイクル発電プラント
JP2012031029A (ja) * 2010-08-02 2012-02-16 Toshiba Corp 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法
KR20140064704A (ko) * 2010-11-29 2014-05-28 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 병렬 사이클 열 기관
JP2015025423A (ja) * 2013-07-26 2015-02-05 株式会社東芝 二酸化炭素循環発電システムおよび二酸化炭素循環発電方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2960825A (en) * 1955-10-19 1960-11-22 Thompson Ramo Wooldridge Inc Reexpansion gas turbine engine with differential compressor drive
US3971211A (en) * 1974-04-02 1976-07-27 Mcdonnell Douglas Corporation Thermodynamic cycles with supercritical CO2 cycle topping
JPH08177409A (ja) * 1994-12-27 1996-07-09 Toshiba Corp 蒸気タービンプラント
US7097925B2 (en) * 2000-10-30 2006-08-29 Questair Technologies Inc. High temperature fuel cell power plant
US7254951B2 (en) * 2003-01-07 2007-08-14 Lockwood Jr Hanford N High compression gas turbine with superheat enhancement
SE0900236A1 (sv) * 2009-02-24 2010-08-25 Euroturbine Ab Förfarande för drift av en gasturbinkraftanläggning och en gasturbinkraftanläggning
US8596075B2 (en) * 2009-02-26 2013-12-03 Palmer Labs, Llc System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid
JP2011256818A (ja) * 2010-06-11 2011-12-22 Motoaki Utamura 排熱回収パワープラントおよびコンバインドプラント
JP2012145092A (ja) 2011-01-12 2012-08-02 Shintaro Ishiyama 超臨界二酸化炭素（ｃｏ２）圧縮用遠心ブロア（コンプレッサー）、超臨界ｃｏ２ガスタービンならびに発電機を備えた超臨界ｃｏ２ガスタービン発電技術
US8887503B2 (en) * 2011-12-13 2014-11-18 Aerojet Rocketdyne of DE, Inc Recuperative supercritical carbon dioxide cycle
US20140000261A1 (en) * 2012-06-29 2014-01-02 General Electric Company Triple expansion waste heat recovery system and method
US9341084B2 (en) * 2012-10-12 2016-05-17 Echogen Power Systems, Llc Supercritical carbon dioxide power cycle for waste heat recovery
JP6038671B2 (ja) * 2013-02-01 2016-12-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 火力発電システム
ES2841131T3 (es) * 2013-09-25 2021-07-07 Siemens Energy Global Gmbh & Co Kg Disposición y método para la utilización de calor residual

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005299644A (ja) * 2004-03-18 2005-10-27 Hitachi Ltd 原子力発電システム
JP2010261389A (ja) * 2009-05-08 2010-11-18 Toshiba Corp 一軸型複合サイクル発電プラントの起動方法および一軸型複合サイクル発電プラント
JP2012031029A (ja) * 2010-08-02 2012-02-16 Toshiba Corp 二酸化炭素回収型蒸気タービンシステムおよびその運転方法
KR20140064704A (ko) * 2010-11-29 2014-05-28 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 병렬 사이클 열 기관
JP2015025423A (ja) * 2013-07-26 2015-02-05 株式会社東芝 二酸化炭素循環発電システムおよび二酸化炭素循環発電方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20160326916A1 (en) 2016-11-10
US9926814B2 (en) 2018-03-27
JP2018519454A (ja) 2018-07-19
KR20160130551A (ko) 2016-11-14
EP3293373B1 (en) 2020-03-04
EP3293373A1 (en) 2018-03-14
EP3293373A4 (en) 2019-01-23
KR101719234B1 (ko) 2017-03-23
JP6641648B2 (ja) 2020-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016178470A1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2018097450A1 (ko) 병렬 복열 방식의 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2016167445A1 (ko) 초임계 이산화탄소 사이클을 이용한 하이브리드 발전 시스템
WO2017138677A1 (ko) 폐열 회수 발전 시스템 및 발전 시스템의 유량 제어 방법
US5634340A (en) Compressed gas energy storage system with cooling capability
WO2018131760A1 (ko) 복합 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2017065430A1 (ko) 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템
CN106715840B (zh) 动力生成系统及用于生成动力的方法
US10526925B2 (en) Supercritical CO2 generation system for series recuperative type
CN102245861A (zh) 有透平单元和发电机的电厂
US20100229525A1 (en) Turbine combustion air system
ITFI20130130A1 (it) "gas turbines in mechanical drive applications and operating methods"
CN107810312A (zh) 用于储能的储能装置和储能方法
WO2002025083A1 (en) Two stage expansion and single stage combustion compressed air storage power plant
WO2017069457A1 (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
CN105121826A (zh) 用于利用气体再循环回路上的两个热交换器从内燃发动机的排放气体回收热量的系统
CN206458511U (zh) 一种背压纯凝双模式热力系统及乏汽余热利用系统
WO2016182150A1 (ko) 이젝터 냉동 사이클을 이용한 발전 시스템
KR20160125764A (ko) 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2017217585A1 (ko) 직접 연소 타입의 초임계 이산화탄소 발전 시스템
US8621872B2 (en) Method and device for utilising biomass
WO2018062696A1 (ko) 하이브리드형 발전 시스템
WO2003074854A1 (fr) Equipement de turbine, equipement de generation de puissance composite et procede de fonctionnement de la turbine
WO2017122948A1 (ko) 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템
WO2017138719A1 (ko) 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16789576

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017558015

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016789576

Country of ref document: EP