WO2017069457A1 - 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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WO2017069457A1
WO2017069457A1 PCT/KR2016/011512 KR2016011512W WO2017069457A1 WO 2017069457 A1 WO2017069457 A1 WO 2017069457A1 KR 2016011512 W KR2016011512 W KR 2016011512W WO 2017069457 A1 WO2017069457 A1 WO 2017069457A1
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turbine
heat exchanger
recuperator
pump
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김학수
김상현
장준태
차송훈
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두산중공업 주식회사
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F22D1/32—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters arranged to be heated by steam, e.g. bled from turbines

Definitions

  • the present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system, and more particularly, to a supercritical carbon dioxide power generation system utilizing one recuperator for each heat source.
  • 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 critical point is 373.95 degrees Celsius, it is much lower than the water of 217.7 atmospheres has the advantage of easy handling.
  • 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 supercritical carbon dioxide power generation system has only one heater as a heat source because a system configuration is complicated and effective heat utilization is difficult when applying a plurality of heat sources with constraints on the heat source. Therefore, there is a problem in that the system configuration is limited and the use of an effective heat source is difficult.
  • An object of the present invention is to provide a supercritical carbon dioxide power generation system that can effectively operate the system by using one recuperator for each heat source.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention includes a pump for circulating a working fluid, a plurality of heat exchangers for heating the working fluid through an external heat source, and a plurality of driven fluids heated through the heat exchanger.
  • a plurality of recuperators that exchange heat between the turbine, the working fluid passing through the turbine and the working fluid passing through the pump to cool the working fluid passing through the turbine and to heat the working fluid passing through the pump;
  • At least one of the heat exchanger is characterized in that the high temperature portion is formed on the inlet end side through which the external heat source is introduced, the low temperature portion is formed on the discharge end side from which the external heat source is discharged.
  • the recuperator is characterized in that the same number as the number of the heat exchanger.
  • the turbine includes a low temperature turbine for driving the pump and a high temperature turbine for driving a generator, and branching an integrated flow rate (mt0) of the working fluid passing through the low temperature turbine and the high temperature turbine to the plurality of recuperators. It is characterized by the supply.
  • the heat exchanger is provided with first to third heat exchangers, the recuperator is provided with first to third recuperators, and the front end of the pump cools the working fluid passing through the recuperator. Further comprising a cooler, wherein the first and second heat exchanger is characterized in that the high temperature portion and the low temperature portion is provided.
  • the first recuperator is disposed between the low temperature portion transfer pipe and the high temperature portion transfer pipe.
  • the second heat exchanger and the second recuperator are arranged in parallel, and the working fluid passing through the cooler and the pump is connected to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the second recuperator, and the third liqueur. It is characterized by branching to a perator.
  • a portion of the working fluid that has passed through the pump is heated through the low temperature portion of the first heat exchanger, the first recuperator, the high temperature portion of the first heat exchanger sequentially and is supplied to the turbine. .
  • Mixing with the working fluid heated through the low temperature portion of the heating is passed through the high temperature portion of the second heat exchanger characterized in that it is supplied to the turbine.
  • a portion of the working fluid passing through the pump is heated in the third recuperator and then heated through the third heat exchanger to be supplied to the turbine.
  • the working fluid branched to the first to third recuperators via the turbine is cooled in the first to third recuperators and is introduced into the cooler.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention is driven by a pump for circulating a working fluid, a plurality of heat exchangers for heating the working fluid through an external heat source, and the working fluid heated through the heat exchanger. And a low temperature turbine for driving the pump and a high temperature turbine for driving a generator, and a heat exchange between the working fluid passed through the low temperature turbine or the high temperature turbine and the working fluid passed through the pump to heat the low temperature turbine or the high temperature turbine.
  • the working fluid passing through the pump is cooled and the working fluid passed through the pump is provided with a plurality of recuperators and discharge ends of the low temperature turbine and the high temperature turbine, respectively;
  • a plurality of control valves for adjusting the flow rate of the working fluid, the at least one of said heat exchangers One is characterized in that the high temperature portion is formed on the inlet end side through which the external heat source is introduced, and the low temperature portion is formed on the discharge end side from which the external heat source is discharged.
  • the recuperator is characterized in that the same number as the number of the heat exchanger.
  • the transfer pipe of the working fluid provided with the control valve provided in the discharge end of the low temperature turbine is characterized in that each connected to the transfer pipe of the working fluid provided with the control valve provided in the discharge end of the hot turbine.
  • the heat exchanger is provided with first to third heat exchangers, the recuperator is provided with first to third recuperators, and the front end of the pump cools the working fluid passing through the recuperator. Further comprising a cooler, wherein the first and second heat exchanger is characterized in that the high temperature portion and the low temperature portion is provided.
  • the first recuperator is disposed between the low temperature portion transfer pipe and the high temperature portion transfer pipe.
  • the second heat exchanger and the second recuperator are arranged in parallel, and the working fluid passing through the cooler and the pump is connected to the first heat exchanger, the second heat exchanger and the second recuperator, and the third liqueur. It is characterized by branching to a perator.
  • a part of the working fluid passing through the pump is sequentially heated through the high temperature part of the first heat exchanger, the first recuperator, and the first heat exchanger, and is supplied to the turbine.
  • a portion of the working fluid passing through the pump branches to the low temperature portion of the second heat exchanger and the second recuperator, and the working fluid heated through the second recuperator is the second heat exchanger.
  • mixed with the working fluid heated through the low temperature portion of the machine and heated through the high temperature portion of the second heat exchanger to be supplied to the turbine. After heating in the three recuperator, it is heated via the third heat exchanger and is supplied to the turbine.
  • the working fluid branched to the first to third recuperators via the turbine is cooled in the first to third recuperators and is introduced into the cooler.
  • Supercritical carbon dioxide power generation system can effectively utilize a plurality of heat sources by using one recuperator for each heat source, thereby simplifying system configuration and simplifying operation. Accordingly, the system configuration cost is reduced, there is an advantage that can be operated effectively. In addition, it can be widely applied to a plurality of heat sources having a variety of conditions has the advantage of high system utilization.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • the supercritical carbon dioxide generation system forms a closed cycle in which carbon dioxide used for power generation is not discharged 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 supercritical carbon dioxide (hereinafter referred to as working fluid) in the cycle is heated through a heat source such as a heater after passing through a pump to be in a state of high temperature and high pressure to drive a turbine.
  • the turbine is connected to a generator and driven by the turbine to produce power.
  • the working fluid used for the production of power is cooled via a heat exchanger, and the cooled working fluid is again pumped to circulate in the cycle.
  • a plurality of turbines or heat exchangers may be provided.
  • each heat exchanger is effectively arranged according to conditions such as the inlet / outlet temperature, capacity, and number of the heat source to operate the same or less number of recuperators than the number of heat sources.
  • 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 in a subcritical state. 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.
  • low temperature, middle temperature, and high temperature in the present invention are terms having a relative meaning, and it should be understood that the specific temperature is a reference value, and if it is higher than that, it should not be understood as meaning a high temperature and a lower temperature.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • a supercritical carbon dioxide power generation system includes a pump 100 for circulating a working fluid and a plurality of recuperators that exchange heat with a working fluid passed through the pump 100. And a cooler configured to cool the working fluid flowing into the heat exchanger, the plurality of turbines passing through the recuperator and the heat exchanger and driven by the heated working fluid, the generator 450 driven by the turbine, and the pump 100 ( 500).
  • the flow rates of the respective working fluids passing through the plurality of turbines are combined into one (hereinafter integrated flow rate) and supplied to the recuperator or heat exchanger.
  • Each of the components of the present invention is connected by a delivery tube 10 through which the working fluid flows, and unless specifically mentioned, it should be understood that the working fluid flows along the delivery tube 10.
  • the working fluid flows along the transfer pipe 10.
  • the pump 100 is driven by the low temperature turbine 410 to be described later, and serves to send the cooled low temperature working fluid to the recuperator or heat source via the cooler 500.
  • the recuperator heats the working fluid passed through the turbine and the working fluid cooled through the pump 100 while expanding through the turbine.
  • the working fluid via the turbine is first cooled in the recuperator, and the working fluid via the pump 100 is first heated in the recuperator.
  • a plurality of recuperators are provided, and the cooling fluid which has passed through the turbine is appropriately distributed and supplied according to the system driving conditions.
  • Control valves v1, v2, and v3 may be provided at the inlet end of each recuperator through which the cooling fluid passing through the turbine flows.
  • the working fluid first cooled in the recuperator is sent to the cooler 500, cooled second, and then to the pump 100.
  • the working fluid sent to the recuperator through the pump 100 is primarily heat-exchanged with the working fluid passing through the turbine, and is supplied to a heat exchanger to be described later.
  • first through the pump 100 may pass through the recuperator.
  • control valves v4 to v7 may be provided at the inlet end of the transfer pipe 10 through which the working fluid flows from the pump 100 to the recuperator or heat source.
  • the recuperators are provided in the same number as the number of heat sources, and in the present embodiment, three recuperators are provided corresponding to the number of heat sources.
  • the heat exchanger heats the working fluid using an external heat source, and is provided in plurality.
  • the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 are provided as a heat source having no discharge restriction
  • the third heat exchanger 350 is provided as a heat source having a discharge restriction as an example.
  • the presence of emission regulations means that there is a limiting temperature for the release of waste heat gases.
  • the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 use a gas having waste heat (hereinafter referred to as waste heat gas) as a heat source, such as exhaust gas, but are heat sources that do not have a discharge restriction when the waste heat gas is discharged.
  • waste heat gas a gas having waste heat
  • the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 heat exchange the waste heat gas and the working fluid to heat the working fluid.
  • Heat sources without emission control conditions may correspond, for example, to AQC waste heat conditions in cement processes.
  • the temperature at the inlet end region into which the waste heat gas is introduced is higher than the discharge end region at which the waste heat gas is discharged.
  • the hot zones are defined as the hot zones 314 and 334, and the cold zones are the cold zones 312 and 332, and the working fluid is the cold zones 312 and 332 and the hot zones of the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330.
  • the structure circulates through (314, 334).
  • the third heat exchanger 350 is a heat source having a discharge restriction when the waste heat gas is discharged. The waste heat gas deprived of heat from the third heat exchanger 350 is heat-exchanged until it is cooled to a temperature that meets the discharge regulation conditions and then exits the third heat exchanger 350.
  • the first recuperator 210 is disposed between the low temperature portion conveying tube 12 and the high temperature portion conveying tube 14 passing through the low temperature portion 312 and the high temperature portion 314 of the first heat exchanger 310. Therefore, the working fluid passing through the pump 100 passes through the low temperature portion 312 of the first heat exchanger 310 through the low temperature portion transfer pipe 12 and is then sent to the first recuperator 210. The working fluid passes through the first recuperator 210 and then passes through the high temperature portion 314 of the first heat exchanger 310 to the turbine. At this time, the working fluid which is in a low temperature state through the cooler 500 and the pump 100 is primarily heated while passing through the low temperature part 312, and the working fluid that has passed through the turbine through the first recuperator 210.
  • the working fluid passing through the turbine is brought to a mesophilic state with a relatively high temperature compared to the low temperature working fluid passed through the cooler 500 and the pump 100. Thereafter, the working fluid that has passed through the first recuperator 210 is heated to a third temperature while passing through the high temperature portion 314 of the first heat exchanger 310 to become a high temperature state capable of driving a turbine.
  • the second recuperator 230 is disposed in parallel with the second heat exchanger 330, and a part of the working fluid having passed through the cooler 500 and the pump 100 is branched so that the second recuperator 230 and the first recuperator 230 are formed in parallel. 2 is supplied to the heat exchanger 330, respectively.
  • the working fluid introduced into the second recuperator 230 is exchanged with the working fluid passing through the turbine and then supplied to the front end of the high temperature part 334 of the second heat exchanger 330.
  • the working fluid introduced into the second recuperator 230 is first heated in the low temperature part 332 through the low temperature part transfer pipe 16, mixed with the working fluid passed through the second recuperator 230, and then transferred to the high temperature part. It is sent to the hot portion 334 through the tube 18.
  • the working fluid heated in the high temperature portion 334 is supplied to the turbine at a high temperature capable of driving the turbine.
  • the working fluid having a low temperature through the pump 100 is heated by heat exchange with the working fluid passed through the turbine through the second recuperator 230. Since the working fluid passing through the turbine is a medium temperature state with a relatively high temperature compared to the low temperature working fluid passing through the pump 100, heat exchange is possible. Thereafter, the cooled working fluid passing through the turbine and the second recuperator 230 is sent back to the cooler 500 to be cooled.
  • a part of the working fluid passing through the turbine is introduced into the third recuperator 250, and the working fluid passing through the turbine is first cooled by heat exchange with the low temperature working fluid passing through the pump 100.
  • the cooled working fluid is then sent to cooler 500 to cool. Since the working fluid passing through the turbine is a medium temperature state in which the temperature is relatively high compared to the low temperature working fluid passing through the pump 100, the working fluid passing through the turbine 100 may be exchanged with the working fluid passing through the pump 100.
  • the working fluid passing through the pump 100 is first heat-exchanged in the third recuperator 250, and is secondarily heated by the heat of waste heat gas in the third heat exchanger 350.
  • the working fluid heated in the third heat exchanger 350 to a high temperature state is supplied to the turbine at a high temperature enough to operate the turbine.
  • the above-described turbine is composed of a low temperature turbine 410 and a high temperature turbine 430 and driven by a working fluid.
  • the generator 450 is connected to at least one of these turbines, and the generator 450 is driven by the turbine to produce power.
  • the turbine also serves as an expander.
  • the generator 450 is connected to the high temperature turbine 430 to produce power, and the low temperature turbine 410 serves to drive the pump 100.
  • low temperature and high temperature are terms having a relative meaning, and it should be understood that a specific temperature is a reference value, and if it is higher than that, it should not be understood as meaning low temperature.
  • the working fluid cooled through the cooler 500 is circulated by the pump 100 to control the first heat exchanger 310, the second heat exchanger 330, and the second recuperator through the control valves v4 to v7. 230, the third recuperator 250, respectively.
  • the flow rate at which the working fluid passing through the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 is mixed is branched to the first to third recuperators 210, 230, and 250 through the control valves v1 to v3, respectively. do.
  • the working fluid primarily cooled in the first to third recuperators 210, 230, and 250 via the turbine is transferred to the cooler 500.
  • the amount of working fluid sent to each recuperator or heat exchanger can be adjusted depending on the temperature or heat of the waste heat gas, the presence or absence of constraints, the degree of constraints and the operating conditions of the system. Distribution of the working fluid is achieved by adjusting the opening degree of the control valves v1 to v7 by a separate controller.
  • the low temperature working fluid introduced into the first heat exchanger 310 flows into the low temperature portion 312 of the first heat exchanger 310 through the low temperature transfer pipe 12 and is primarily heated by the heat of the waste heat gas. Thereafter, the working fluid is transferred to the first recuperator 210 and heat-exchanged with the working fluid passed through the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 to be secondarily heated.
  • the secondly heated working fluid flows back into the high temperature portion 314 of the first heat exchanger 310 through the high temperature portion transfer pipe 14, and is heated by the heat of the waste heat gas and then heated by the low temperature turbine 410 or the high temperature turbine. 430 is sent to.
  • the low temperature working fluid flows into the second heat exchanger 330 and the second recuperator 230, respectively.
  • the low temperature working fluid branched to the second heat exchanger 330 is primarily heated by the heat of the waste heat gas in the low temperature portion 332 through the low temperature portion transfer pipe 16.
  • the primary heated working fluid is then mixed with the working fluid passed through the second recuperator 230.
  • the mixed working fluid is introduced into the hot portion 334 by the hot portion conveying tube 18 of the second heat exchanger 330 and heated secondly by the heat of the waste heat gas, and then to the cold turbine 410 or the hot turbine 430. Is sent.
  • the low temperature working fluid branched to the second recuperator 230 is primarily heated by heat exchange with the working fluid passing through the turbine. It is then transferred between the low temperature portion 332 and the high temperature portion 334 and mixed with the working fluid passing through the low temperature portion 332.
  • the working fluid introduced into the third recuperator 250 is heat-exchanged with the working fluid introduced into the third recuperator 250 through the turbine and is primarily heated.
  • the primary heated working fluid flows into the third heat exchanger 350 and is secondarily heated by the heat of the waste heat gas and then sent to the low temperature turbine 410 or the high temperature turbine 430.
  • the working fluid passing through the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 has a relatively higher temperature than the working fluid passing through the pump 100, and the working fluid flowing into the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430. Lower than temperature.
  • the temperature of the working fluid passing through the pump 100 is low temperature
  • the working fluid passed through the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 corresponds to the medium temperature.
  • the working fluid flowing into the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 corresponds to a relatively high temperature (where low temperature, medium temperature, and high temperature are relative concepts).
  • How much of the low temperature turbine 410 or high temperature turbine 430 is sent to the working fluid is determined by the above-described controller, and the inlet end of the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 for distribution is A plurality of control valves (not shown) connected to the feed pipe 10 are provided.
  • the working fluid from the first to third heat exchangers 310, 330, and 350. It is preferable to send a relatively hot working fluid to the hot turbine 430 when is discharged. However, depending on the operating conditions of the system, the distribution of this working fluid may vary.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • a plurality of control valves v1 ′, v2 ′, v3 ′, v1-1, v1-2, v1-3 at the discharge ends of the low temperature turbine 410 'and the high temperature turbine 430'. ) Can be installed.
  • the working fluid cooled via the cooler 500 ' is circulated by the pump 100' and passes through the control valves v4 to v7 to the first heat exchanger 310 ', the second heat exchanger 330' and the second. Branches are sent to the recuperator 230 'and the third recuperator 250', respectively.
  • the flow rate of the working fluid passing through the high temperature turbine 430 ' is branched to the first to third recuperators 210', 230 'and 250' through the control valves v1 'to v3', respectively. Lose.
  • the working fluid passed through the low temperature turbine 410 ' is controlled to flow through the control valves v1-1, v1-2, v1-3 and is thus mixed with the working fluid passed through the high temperature turbine 430' or It may not be mixed.
  • the transfer pipe in which the control valves v1-1, v1-2, and v1-3 provided at the discharge end of the low temperature turbine 410 'are installed is provided at the discharge end of the high temperature turbine 430'. It is connected to each of the transfer pipes for conveying the working fluid passing through the control valve (v1 ' ⁇ v3').
  • the working fluid passing through the low temperature turbine 410 ' can be distributed to three transfer tubes.
  • the dispensed working fluid may or may not be mixed with the working fluid passed through each of the high temperature turbine 430 'side control valves v1' through v3 ', and when mixed, the flow rate may be controlled.
  • the working fluid passed through the low temperature turbine 410 ' is to be mixed with the working fluid passed through the high temperature turbine 430', and the distribution of the working fluid through the high temperature turbine 430 'is determined by the system. May vary depending on the operating conditions.
  • the working fluid mixed with the working fluid passing through the hot turbine 430 'or the working fluid passing through the low temperature turbine 410' is primarily at the first to third recuperators 210 ', 230', 250 '. Is cooled. The primary cooled working fluid is transferred to the cooler 500 '.
  • the present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system utilizing one recuperator for each heat source.

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Abstract

본 발명은 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 배출단의 배출 규제 조건을 갖는 복수의 제한 열교환기와 상기 배출 규제 조건이 없는 복수의 열교환기를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 열원의 입출구 온도, 용량, 개수 등의 조건에 따라 각 열교환기를 효과적으로 배치함으로써 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 이용할 수 있어 시스템 구성이 간소화되고 효과적인 운영이 가능한 장점이 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용한 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 있다. 그러한 노력의 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.
열원에 제약 조건이 있는 복수의 열원을 적용할 경우 시스템 구성이 복잡해지고 효과적인 열 이용이 어렵기 때문에 일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열원인 히터가 1개인 경우가 대부분이다. 따라서 시스템 구성이 한정적이고 효과적인 열원의 이용이 어려운 문제가 있다.
본 발명의 목적은 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용해 시스템을 효과적으로 운용할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 외부의 열원이 유입되는 유입단 쪽에 고온부가 형성되고, 상기 외부의 열원이 배출되는 배출단 쪽에 저온부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체를 상기 고온부 및 저온부로 공급하는 고온부 이송관 및 저온부 이송관을 더 포함 한다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일한 개수로 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저온 터빈과, 발전기를 구동시키는 고온 터빈을 포함하며, 상기 저온 터빈 및 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 분기하여 상기 복수의 리큐퍼레이터로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기로 구비되고, 상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 구비되며, 상기 펌프의 전단에는 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 고온부 및 저온부가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 리큐퍼레이터는 상기 저온부 이송관과 상기 고온부 이송관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열교환기 및 제2 리큐퍼레이터는 병렬 배치되며, 상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제2 리큐퍼레이터, 상기 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제1 열교환기의 상기 저온부, 상기 제1리큐퍼레이터, 상기 제1 열교환기의 상기 고온부를 순차적으로 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부 및 상기 제2 리큐퍼레이터로 분기되며, 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과해 가열된 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부를 통과해 가열된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 제2 열교환기의 상기 고온부를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제3 리큐퍼레이터에서 가열된 후 상기 제3 열교환기를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈을 거쳐 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터에서 냉각되어 상기 쿨러로 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되며, 상기 펌프를 구동시키는 저온 터빈 및 발전기를 구동시키는 고온 터빈과, 상기 저온 터빈 또는 상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 저온 터빈 또는 상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 복수의 리큐퍼레이터와, 상기 저온 터빈 및 고온 터빈의 배출단에 각각 구비되어 상기 저온 터빈 또는 상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 유량을 조절하는 복수의 제어 밸브를 포함하며, 상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 외부의 열원이 유입되는 유입단 쪽에 고온부가 형성되고, 상기 외부의 열원이 배출되는 배출단 쪽에 저온부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체를 상기 고온부 및 저온부로 공급하는 고온부 이송관 및 저온부 이송관을 더 포함 한다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일한 개수로 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 터빈의 배출단에 구비된 상기 제어 밸브가 설치된 상기 작동 유체의 이송관은 상기 고온 터빈의 배출단에 구비된 상기 제어 밸브가 설치된 상기 작동 유체의 이송관에 각각 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기로 구비되고, 상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 구비되며, 상기 펌프의 전단에는 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 고온부 및 저온부가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 제1 리큐퍼레이터는 상기 저온부 이송관과 상기 고온부 이송관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열교환기 및 제2 리큐퍼레이터는 병렬 배치되며, 상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제2 리큐퍼레이터, 상기 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제1 열교환기의 상기 저온부, 상기 제1리큐퍼레이터, 상기 제1 열교환기의 상기 고온부를 순차적으로 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하고, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부 및 상기 제2 리큐퍼레이터로 분기되며, 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과해 가열된 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부를 통과해 가열된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 제2 열교환기의 상기 고온부를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제3 리큐퍼레이터에서 가열된 후 상기 제3 열교환기를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈을 거쳐 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터에서 냉각되어 상기 쿨러로 유입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용함으로써 복수의 열원을 효과적으로 활용할 수 있어 시스템 구성이 간소화되고 운전이 간단해진다. 이에 따라 시스템 구성 비용이 감소되어 효과적인 운영이 가능한 장점이 있다. 또한, 다양한 조건을 갖는 복수의 열원에 대해 폭넓게 적용이 가능해 시스템 활용도가 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed 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 초임계 이산화탄소(이하 작동 유체)는 펌프를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 상태가 되어 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결되며, 터빈에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 전력의 생산에 이용된 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 펌프로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명에서는 열원으로 폐열 기체를 이용하는 복수의 히터가 구비되고, 열원의 입출구 온도, 용량, 개수 등의 조건에 따라 각 열교환기를 효과적으로 배치함으로써 열원의 개수 대비 동일하거나 적은 수의 리큐퍼레이터를 운용하는 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.
또한, 본 발명에서의 저온, 중온, 고온이란 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체를 순환시키는 펌프(100)와, 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환하는 복수의 리큐퍼레이터 및 열교환기와, 리큐퍼레이터 및 열교환기를 통과하며 가열된 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 터빈에 의해 구동되는 발전기(450), 그리고 펌프(100)로 유입되는 작동 유체를 냉각시키는 쿨러(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
복수 개의 터빈을 통과한 각각의 작동 유체의 유량은 하나로 합쳐져(이하 통합 유량) 리큐퍼레이터 또는 열교환기로 공급된다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(10)에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관(10)을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관(10)의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관(10)을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.
펌프(100)는 후술할 저온 터빈(410)에 의해 구동되며, 쿨러(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 리큐퍼레이터 또는 열원으로 보내는 역할을 한다.
리큐퍼레이터는 터빈을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체와, 펌프(100)를 통과한 작동 유체를 열교환한다. 터빈을 거친 작동 유체는 리큐퍼레이터에서 1차로 냉각되고, 펌프(100)를 거친 작동 유체는 리큐퍼레이터에서 1차로 가열된다. 리큐퍼레이터는 복수 개로 구비되며, 터빈을 통과한 냉각 유체가 시스템 구동 조건에 따라 적절히 분배되어 공급된다. 터빈을 통과한 냉각 유체가 유입되는 각 리큐퍼레이터의 유입단에는 제어 밸브(v1, v2, v3)가 구비될 수 있다. 리큐퍼레이터에서 1차로 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내져 2차로 냉각된 후 펌프(100)로 보내진다.
펌프(100)를 통해 리큐퍼레이터로 보내진 작동 유체는 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열되고, 후술할 열교환기로 공급된다. 또는, 펌프(100)를 통해 열원을 먼저 거친 후 리큐퍼레이터를 통과하기도 한다. 이를 위해, 펌프(100)에서 리큐퍼레이터 또는 열원으로 작동 유체가 유입되는 이송관(10)의 유입단에는 제어밸브(v4 ~ v7)가 구비될 수 있다. 본 발명에서 리큐퍼레이터는 열원의 개수와 동일한 개수로 구비되며, 본 실시 예에서 리큐퍼레이터는 열원의 개수에 대응하여 3개로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다(이에 대해서는 후술함).
열교환기는 외부의 열원을 이용해 작동 유체를 가열하며, 복수 개로 구비된다. 본 명세서에서는 편의상 배출 규제가 없는 열원으로 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330)가, 배출 규제가 있는 열원으로 제3 열교환기(350)가 구비된 것을 예로 하여 설명한다. 배출 규제가 있다는 의미는 폐열 기체의 배출 시 제한 온도가 있다는 것을 의미한다.
제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하되, 폐열 기체의 배출 시 배출 규제가 없는 열원이다. 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 폐열 기체와 작동 유체를 열교환하여 작동 유체를 가열하는 역할을 한다. 배출 규제 조건이 없는 열원은 예를 들어, 시멘트 공정에서의 AQC 폐열 조건 등에 해당될 수 있다.
제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 폐열 기체가 유입되는 유입단 쪽 영역이 폐열 기체가 배출되는 배출단 쪽 영역에 비해 상대적으로 온도가 높게 나타난다. 고온 영역을 고온부(314, 334), 저온 영역을 저온부(312, 332)라고 정의하며, 작동 유체가 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)의 저온부(312, 332) 및 고온부(314, 334)를 거쳐 순환되는 구조를 이룬다. 제3 열교환기(350)는 폐열 기체의 배출 시 배출 규제가 있는 열원이다. 제3 열교환기(350)에서 열을 빼앗긴 폐열 기체는 배출 규제 조건에 맞는 온도로 냉각될 때까지 열교환된 뒤 제3 열교환기(350)를 빠져나간다.
전술한 리큐퍼레이터 및 열교환기의 배치에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1 리큐퍼레이터(210)는 제1 열교환기(310)의 저온부(312) 및 고온부(314)를 지나는 저온부 이송관(12) 및 고온부 이송관(14)의 사이에 배치된다. 따라서 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 저온부 이송관(12)을 통해 제1 열교환기(310)의 저온부(312)를 통과한 뒤 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내진다. 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 뒤 다시 제1 열교환기(310)의 고온부(314)를 통과해 터빈으로 보내진다. 이때, 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과해 저온 상태인 작동 유체는 저온부(312)를 통과하면서 1차로 가열되고, 제1 리큐퍼레이터(210)를 통해 터빈을 통과한 작동 유체와의 열교환을 통해 2차로 가열된다. 터빈을 통과한 작동 유체는 쿨러(500) 및 펌프(100)를 거친 저온의 작동 유체에 비해 상대적으로 온도가 높은 중온 상태가 된다. 그 후 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 작동 유체는 제1 열교환기(310)의 고온부(314)를 통과하면서 3차로 가열되어 터빈을 구동시킬 수 있는 고온 상태가 된다.
제2 리큐퍼레이터(230)는 제2 열교환기(330)와 병렬로 배치되며, 쿨러(500) 및 펌프(100)를 거친 작동 유체의 일부가 분기되어 제2 리큐퍼레이터(230) 및 제2 열교환기(330)로 각각 공급된다. 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체는 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환된 뒤 제2 열교환기(330)의 고온부(334) 전단으로 공급된다. 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체는 저온부 이송관(16)을 통해 저온부(332)에서 1차로 가열된 뒤 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체와 혼합되어 고온부 이송관(18)을 통해 고온부(334)로 보내진다. 고온부(334)에서 가열된 작동 유체는 터빈을 구동시킬 수 있는 고온 상태가 되어 터빈으로 공급된다. 이때, 펌프(100)를 통과해 저온 상태인 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230)를 통해 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환되어 가열된다. 터빈을 통과한 작동 유체는 펌프(100)를 거친 저온의 작동 유체에 비해 상대적으로 온도가 높은 중온 상태이므로 열교환이 가능하다. 그 후 터빈 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과하면서 냉각된 작동 유체는 다시 쿨러(500)로 보내져 냉각된다.
제3 리큐퍼레이터(250)에는 터빈을 통과한 작동 유체의 일부가 유입되며, 터빈을 통과한 작동 유체는 펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체와 열교환하여 1차로 냉각된다. 그 후 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내져 냉각된다. 터빈을 통과한 작동 유체는 펌프(100)를 거친 저온의 작동 유체에 비해 상대적으로 온도가 높은 중온 상태이므로 펌프(100)를 거친 작동 유체와 열교환이 가능하다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제3 리큐퍼레이터(250)에서 열교환되어 1차로 가열되고, 제3 열교환기(350)에서 폐열 기체의 열에 의해 2차로 가열된다. 제3 열교환기(350)에서 가열되어 고온 상태가 된 작동 유체는 터빈을 작동시킬 수 있을 정도의 고온이 되어 터빈으로 공급된다.
전술한 터빈은 저온 터빈(410)및 고온 터빈(430)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동된다. 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 발전기(450)가 연결되며, 터빈에 의해 발전기(450)가 구동해 전력을 생산한다. 저온 터빈(410)및 고온 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 고온 터빈(430)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 저온 터빈(410)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다.
여기서 저온 및 고온이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 구체적인 예를 들어 작동 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.
쿨러(500)를 거쳐 냉각된 작동 유체는 펌프(100)에 의해 순환되어 제어 밸브(v4~v7)를 통해 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330) 및 제2 리큐퍼레이터(230), 제3 리큐퍼레이터(250)로 각각 분기된다. 또한, 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체가 혼합된 유량은 제어 밸브(v1~v3)를 통해 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 각각 분기된다. 터빈을 거쳐 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210, 230, 250)에서 1차로 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 이송된다. 폐열 기체의 온도나 열량, 제약 조건의 유무, 제약 조건의 정도 및 시스템 운영 조건 등에 따라 각각의 리큐퍼레이터 또는 열교환기로 보내지는 작동 유체의 양을 조절할 수 있다. 작동 유체의 분배는 별도의 컨트롤러에 의한 제어 밸브(v1~v7)의 개도 조절에 의해 이루어진다.
제1 열교환기(310)로 유입된 저온의 작동 유체는 저온부 이송관(12)을 통해 제1 열교환기(310)의 저온부(312)로 유입되어 폐열 기체의 열에 의해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 이송되어 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체와 열교환해 2차로 가열된다. 2차로 가열된 작동 유체는 다시 고온부 이송관(14)을 통해 제1 열교환기(310)의 고온부(314)로 유입되며, 폐열 기체의 열에 의해 3차로 가열된 후 저온 터빈(410) 또는 고온 터빈(430)으로 보내진다.
한편, 저온의 작동 유체는 각각 제2 열교환기(330) 및 제2 리큐퍼레이터(230)로 분기되어 유입된다. 제2 열교환기(330)로 분기된 저온의 작동 유체는 저온부 이송관(16)을 통해 저온부(332)에서 폐열 기체의 열에 의해 1차로 가열된다. 그 후 1차로 가열된 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체와 혼합된다. 혼합된 작동 유체는 제2 열교환기(330)의 고온부 이송관(18)에 의해 고온부(334)로 유입되어 폐열 기체의 열에 의해 2차로 가열된 후 저온 터빈(410) 또는 고온 터빈(430)으로 보내진다. 또한, 제2 리큐퍼레이터(230)로 분기된 저온의 작동 유체는 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열된다. 그 후 저온부(332)와 고온부(334)의 사이로 이송되어 저온부(332)를 통과한 작동 유체와 혼합된다.
제3 리큐퍼레이터(250)로 유입된 작동 유체는 터빈을 통과하여 제3 리큐퍼레이터(250)로 유입된 작동 유체와 열교환되어 1차로 가열된다. 1차로 가열된 작동 유체는 제3 열교환기(350)로 유입되어 폐열 기체의 열에 의해 2차로 가열된 뒤 저온 터빈(410) 또는 고온 터빈(430)으로 보내진다.
저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 펌프(100)를 통과한 작동 유체보다 상대적으로 온도가 높고, 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)으로 유입되는 작동 유체의 온도보다는 낮다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체의 온도를 저온이라고 하면, 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 중온에 해당한다. 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)으로 유입되는 작동 유체는 상대적으로 고온에 해당한다(여기서 저온, 중온, 고온은 상대적인 개념임).
저온 터빈(410) 또는 고온 터빈(430) 중 어느 터빈으로 얼만큼의 작동 유체를 보내는지는 전술한 컨트롤러에 의해 결정되며, 분배를 위해 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)의 유입단에는 각 이송관(10)에 연결된 복수의 제어 밸브(번호 미표기)가 구비된다.
일반적으로 펌프(100)를 구동시키는 저온 터빈(410)보다 발전기(450)를 구동시키는 고온 터빈(430)의 출력이 커야하므로, 제1 내지 제3 열교환기(310, 330, 350)로부터 작동 유체가 배출될 때 상대적으로 고온인 작동 유체를 고온 터빈(430)으로 보내는 것이 바람직하다. 그러나 시스템의 운전 조건에 따라 이러한 작동 유체의 분배는 달라질 수 있다.
이상에서는 저온 터빈 및 고온 터빈을 통과한 작동 유체의 통합 유량을 분기하여 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 보내는 실시 예에 대해 설명하였으나, 저온 터빈 및 고온 터빈 각각의 유량을 선택적으로 분배할 수도 있다(전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 함).
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 저온 터빈(410') 및 고온 터빈(430')의 배출단에 복수의 제어 밸브(v1', v2', v3', v1-1, v1-2, v1-3)가 설치될 수 있다.
쿨러(500')를 거쳐 냉각된 작동 유체는 펌프(100')에 의해 순환되어 제어 밸브(v4~v7)를 통해 제1 열교환기(310'), 제2 열교환기(330') 및 제2 리큐퍼레이터(230'), 제3 리큐퍼레이터(250')로 각각 분기되어 보내진다. 또한, 고온 터빈(430')을 통과한 작동 유체의 유량은 제어 밸브(v1'~v3')를 통해 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210', 230', 250')로 각각 분기되어 보내진다. 저온 터빈(410')을 통과한 작동 유체는 제어 밸브(v1-1, v1-2, v1-3)를 통해 유량이 제어되며, 이에 따라 고온 터빈(430')을 통과한 작동 유체와 혼합되거나 혼합되지 않을 수 있다.
좀더 상세히 설명하면, 저온 터빈(410')의 배출단에 구비된 제어 밸브(v1-1, v1-2, v1-3)가 설치되는 이송관은 고온 터빈(430')의 배출단에 구비된 제어 밸브(v1'~v3')를 통과한 작동 유체를 이송하는 이송관 각각에 연결된다. 따라서 저온 터빈(410')을 통과한 작동 유체는 3개의 이송관으로 분배될 수 있다. 분배된 작동 유체는 고온 터빈(430') 측 제어 밸브(v1'~v3') 각각을 통과한 작동 유체와 각각 혼합되거나 혼합되지 않을 수 있으며, 혼합되는 경우 그 유량이 제어될 수 있다.
저온 터빈(410')을 통과한 작동 유체가 고온 터빈(430')을 통과한 작동 유체와 어느 정도의 유량이 혼합될 지의 여부, 고온 터빈(430')을 통과한 작동 유체의 분배량은 시스템의 운전 조건에 따라 달라질 수 있다. 고온 터빈(430')을 통과한 작동 유체 또는 저온 터빈(410')을 통과한 작동 유체와 혼합된 작동 유체는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210', 230', 250')에서 1차로 냉각된다. 1차로 냉각된 작동 유체는 쿨러(500')로 이송된다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
본 발명은 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.

Claims (20)

  1. 작동 유체를 순환시키는 펌프와,
    외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와,
    상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과,
    상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 외부의 열원이 유입되는 유입단 쪽에 고온부가 형성되고, 상기 외부의 열원이 배출되는 배출단 쪽에 저온부가 형성되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체를 상기 고온부 및 저온부로 공급하는 고온부 이송관 및 저온부 이송관을 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일한 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저온 터빈과, 발전기를 구동시키는 고온 터빈을 포함하며, 상기 저온 터빈 및 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 분기하여 상기 복수의 리큐퍼레이터로 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열교환기는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기로 구비되고, 상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 구비되며, 상기 펌프의 전단에는 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 고온부 및 저온부가 구비된 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 리큐퍼레이터는 상기 저온부 이송관과 상기 고온부 이송관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 열교환기 및 제2 리큐퍼레이터는 병렬 배치되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제2 리큐퍼레이터, 상기 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제1 열교환기의 상기 저온부, 상기 제1 리큐퍼레이터, 상기 제1 열교환기의 상기 고온부를 순차적으로 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부 및 상기 제2 리큐퍼레이터로 분기되며, 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과해 가열된 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부를 통과해 가열된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 제2 열교환기의 상기 고온부를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제3 리큐퍼레이터에서 가열된 후 상기 제3 열교환기를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 터빈을 거쳐 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터에서 냉각되어 상기 쿨러로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 작동 유체를 순환시키는 펌프와,
    외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와,
    상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되며, 상기 펌프를 구동시키는 저온 터빈 및 발전기를 구동시키는 고온 터빈과,
    상기 저온 터빈 또는 상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 저온 터빈 또는 상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 냉각시키고 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 가열하는 복수의 리큐퍼레이터와,
    상기 저온 터빈 및 고온 터빈의 배출단에 각각 구비되어 상기 저온 터빈 또는 상기 고온 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 유량을 조절하는 복수의 제어 밸브를 포함하며,
    상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 외부의 열원이 유입되는 유입단 쪽에 고온부가 형성되고, 상기 외부의 열원이 배출되는 배출단 쪽에 저온부가 형성되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 작동 유체를 상기 고온부 및 저온부로 공급하는 고온부 이송관 및 저온부 이송관을 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일한 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 저온 터빈의 배출단에 구비된 상기 제어 밸브가 설치된 상기 작동 유체의 이송관은 상기 고온 터빈의 배출단에 구비된 상기 제어 밸브가 설치된 상기 작동 유체의 이송관에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열교환기는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기로 구비되고, 상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 구비되며, 상기 펌프의 전단에는 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 고온부 및 저온부가 구비된 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 리큐퍼레이터는 상기 저온부 이송관과 상기 고온부 이송관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 열교환기 및 제2 리큐퍼레이터는 병렬 배치되며, 상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제2 리큐퍼레이터, 상기 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제1 열교환기의 상기 저온부, 상기 제1리큐퍼레이터, 상기 제1 열교환기의 상기 고온부를 순차적으로 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하고,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부 및 상기 제2 리큐퍼레이터로 분기되며, 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과해 가열된 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부를 통과해 가열된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 제2 열교환기의 상기 고온부를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하며,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 일부는 상기 제3 리큐퍼레이터에서 가열된 후 상기 제3 열교환기를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 터빈을 거쳐 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터에서 냉각되어 상기 쿨러로 유입되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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