WO2017122948A1 - 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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WO2017122948A1
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working fluid
heat
turbine
recuperator
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차송훈
김학수
김상현
장준태
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두산중공업 주식회사
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    • F01K25/103—Carbon dioxide
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Definitions

  • the present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system utilizing a plurality of heat sources, and more particularly, a supercritical system utilizing a plurality of heat sources that improve system performance by efficiently arranging a plurality of heat sources used for heat exchange to recover waste heat.
  • a carbon dioxide power generation system utilizing a plurality of heat sources, and more particularly, a supercritical system utilizing a plurality of heat sources that improve system performance by efficiently arranging a plurality of heat sources used for heat exchange to recover waste heat.
  • 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.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system utilizing the plurality of heat sources 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 the working fluid heated through the heat exchanger.
  • the heat exchanger is characterized in that a plurality of heat exchangers are sequentially arranged from the inlet end high temperature region through which the waste heat gas is introduced to the outlet end cold region through which the waste heat gas is discharged.
  • a control valve for selectively supplying the working fluid to any one of the plurality of heat exchangers in accordance with the temperature of the working fluid passing through the pump.
  • the heat exchanger includes a first heat exchanger disposed in the low temperature region, a fourth heat exchanger disposed in the middle temperature region, a second heat exchanger, a third heat exchanger, and a fifth heat exchanger disposed in the high temperature region.
  • the third heat exchanger, the fifth heat exchanger, and the second heat exchanger may be sequentially disposed toward the middle temperature region in the high temperature region.
  • the recuperator includes a first recuperator disposed between the rear end of the turbine and the front end of the pump, and a second recuperator disposed between the rear end of the first recuperator and the front end of the pump. .
  • the working fluid below the reference temperature is heated by heat exchange with the waste heat gas in the first heat exchanger, and then transferred to the first recuperator to absorb heat from the working fluid passing through the turbine, and then the second
  • the working fluid which is transferred to a heat exchanger and heat exchanged with the waste heat gas is heated, and the working fluid which has passed through the second heat exchanger is transferred to the third heat exchanger, heat-exchanged with the waste heat gas, and is heated to any one of the turbines. do.
  • the working fluid exceeding the reference temperature is transferred to the second recuperator to absorb heat from the working fluid passed through the first recuperator, and then transferred to the fourth heat exchanger to exchange heat with the waste heat gas.
  • the working fluid, which has been heated and passed through the fourth heat exchanger, is transferred to the fifth heat exchanger, is heat-exchanged with the waste heat gas, and is heated to another one of the turbines.
  • the turbine may be a high temperature turbine driven by the working fluid supplied from either the third heat exchanger or the fifth heat exchanger, and a high pressure turbine supplied from another of the third heat exchanger or the fifth heat exchanger.
  • a low temperature turbine is a low pressure turbine driven by the working fluid.
  • the high temperature turbine high pressure turbine is connected to the third heat exchanger, the low temperature turbine low pressure turbine is characterized in that connected to the fifth heat exchanger.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system using a plurality of heat sources may improve system performance by efficiently arranging a plurality of heat sources used for heat exchange by recovering waste heat.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power generation system according to a seventh embodiment of the present invention.
  • 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 in a supercritical state
  • the exhaust gas discharged from a thermal power plant can be used, and thus it can be used not only for a single power generation system but also for 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 the compressor to become a high temperature and high pressure working fluid to drive the turbine.
  • the turbine is connected to a generator or pump, which generates power by the turbine connected to the generator and drives the pump using the turbine connected to the pump.
  • the working fluid passing through the turbine is cooled by passing through a heat exchanger, and the cooled working fluid is fed back to the compressor and circulated in the cycle.
  • a plurality of turbines or heat exchangers may be provided.
  • 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 or pump, which generates power by the turbine connected to the generator and drives the pump using the turbine connected to the pump.
  • the carbon dioxide passing through the turbine 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.
  • a plurality of heaters using waste heat gas as a heat source is provided, and the supercritical carbon dioxide power generation system improves the system performance by appropriately distributing the plurality of heaters according to the temperature of the working fluid circulating in the cycle to circulate the working fluid.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system includes not only a system in which all of the working fluid flowing in a 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.
  • 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 uses carbon dioxide as a working fluid, and includes a pump 100 for circulating the working fluid and a working fluid passed through the pump 100.
  • a plurality of recuperators and heat sources that exchange heat with the plurality of turbines 410, 430 driven by the working fluid heated through the recuperators and heat sources, and a generator driven by the turbines 410, 430 ( 450, and a cooler 500 that cools the working fluid flowing into the pump 100.
  • 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, which will be described later (see dotted line in FIG. 1), and serves to send the cooled low temperature working fluid to the recuperator or heat source through the cooler 500.
  • a three-way valve () is installed and controlled at the rear end of the pump 100.
  • the recuperator expands through the turbines 410 and 430 and heat-exchanges with the working fluid cooled from high temperature to medium temperature to cool the working fluid primarily.
  • the cooled working fluid is sent to the cooler 500 to be secondarily cooled and then sent to the pump 100.
  • the working fluid sent to the recuperator through the pump 100 is primarily heated by heat exchange with the working fluid passing through the turbines 410 and 430, and is supplied to a heat source to be described later.
  • two recuperators 210 and 230 are provided as an example.
  • the first recuperator 210 is provided before the inlet end through which the working fluid flows into the second heat exchanger 310, which will be described later, and the second recuperator 230, as the fourth heat exchanger 330, which will be described later. It may be provided before the inlet end to which the working fluid is introduced.
  • the flow rate mt0 of the fluid passing through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the flow rate mt2 of the fluid passing through the low temperature turbine low pressure turbine 410 are combined. Flow rate is defined as flow rate).
  • the integrated flow rate t0 passing through the first recuperator 210 flows back into the second recuperator 230.
  • the working fluid cooled through the first and second recuperators 210 and 230 sequentially flows into the cooler 500, is cooled, and is then supplied to the pump 100 again.
  • the first to fifth heat exchangers 310 to 350 use a gas having waste heat (hereinafter referred to as waste heat gas) as a heat source, such as exhaust gas discharged from a boiler of a power plant, and there is no separate emission restriction condition when discharging waste heat gas. It is a heat source.
  • waste heat gas a gas having waste heat
  • the first to fifth heat exchangers 310 to 350 heat the working fluid with heat supplied from the waste heat gas by heat-exchanging the working heat circulating in the cycle with the waste heat gas.
  • first to fifth heat exchangers 310 to 350 may be classified into relatively low temperature, middle temperature, and high temperature according to the temperature of the waste heat gas. That is, the heat exchanger is capable of heat exchange at a high temperature as it is closer to the inlet end side where waste heat gas is introduced, and the heat exchanger at low temperature is closer to the outlet end side where the waste heat gas is discharged.
  • the first heat exchanger 310 is relatively low temperature compared to other heat exchangers
  • the fourth heat exchanger 340 is relatively medium temperature
  • the fifth heat exchanger 350 will be described with an example that the relatively high temperature.
  • the third heat exchanger 330, the fifth heat exchanger 350, the second heat exchanger 320, the fourth heat exchanger 340, and the first heat exchanger are discharged from the inlet end to the discharge end.
  • the heat exchanger 310 is sequentially arranged will be described as an example.
  • the low temperature working fluid cooled while passing through the pump 100 is first sent to the first heat exchanger 310 to be heat-exchanged with the waste heat gas before being sent to the first recuperator 210 to be primarily heated.
  • the working fluid passing through the first heat exchanger 310 passes through the first recuperator 210 and heats again with heat exchange with the working fluid discharged from the turbines 410 and 430.
  • the heated medium temperature working fluid is sent to the second heat exchanger 320 to be heat-exchanged with the waste heat gas once again to be heated. Thereafter, the working fluid is sent to the third heat exchanger 330 and further heated by heat exchange with the waste heat gas to become a high temperature, and is supplied to the high temperature turbine high pressure turbine 430.
  • the working fluid passing through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled by sequentially passing through the first and second recuperators 210 and 230, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid is not the first heat exchanger 310 but the second recuperator ( 230). In this case, since the working fluid may be sufficiently heated in the second recuperator 230 without passing through the first heat exchanger 310, the working fluid is sent to the second recuperator 230.
  • the working fluid that has passed through the pump 100 passes through the first recuperator 210 and heats up with the working fluid introduced into the second recuperator 230 to be primarily heated. Thereafter, the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the fourth heat exchanger 340, and then thirdly heated in the fifth heat exchanger 350, and then sent to the low temperature turbine low pressure turbine 410.
  • the turbines 410 and 430 are composed of a low temperature turbine low pressure turbine 410 and a high temperature turbine high pressure turbine 430, which are driven by a working fluid to drive a generator 450 connected to at least one of these turbines. It is responsible for producing electricity. Since the working fluid is expanded while passing through the low temperature turbine low pressure turbine 410 and the high temperature turbine high pressure turbine 430, the turbines 410 and 430 also serve as expanders. In this embodiment, the generator 450 is connected to the high temperature turbine high pressure turbine 430 to produce power, and the low temperature turbine low pressure turbine 410 serves to drive the pump 100.
  • high temperature turbine high pressure turbine 430 and low temperature turbine low pressure turbine 410 is a term having a relative meaning, it should not be understood that the specific temperature is the pressure as a reference value, if higher than the high temperature and if it is lower than the low temperature.
  • the temperature of the working fluid discharged from the pump 100 is a low temperature of 30 to 40 degrees Celsius is sent to the first heat exchanger 310 of the low temperature region.
  • the working fluid is heat-exchanged with the waste heat gas in the first heat exchanger 310 and is transferred to the first recuperator 210 in a state where it is heated to 70 to 80 degrees Celsius.
  • the working fluid passing through the first heat exchanger 310 absorbs heat from the working fluid passing through the turbines 410 and 430 in the first recuperator 210 and is heated to about 200 degrees Celsius.
  • the working fluid is then sent to a second heat exchanger 320 in the hot zone to heat exchange with the waste heat gas and heated to 250 degrees Celsius.
  • the working fluid heated in the second heat exchanger 320 is transferred to the third heat exchanger 330 and heated to 300 ° C. to 400 ° C., and then sent to the high temperature turbine high pressure turbine 430 to transfer the high temperature turbine high pressure turbine 430. Drive it.
  • the working fluid is first heated in the first heat exchanger 310 in the low temperature region and then sequentially passed through the second heat exchanger 320 and the third heat exchanger 330 in the high temperature region, thereby efficiently passing the working fluid. Can be heated.
  • the working fluid discharged through the pump 100 is preferably sent to the fourth heat exchanger 340 in the medium temperature region.
  • the temperature of the working fluid is 40 degrees
  • the reference temperature is sent to the first heat exchanger if the reference temperature is lower than the reference temperature, and to the fourth heat exchanger if the reference temperature is exceeded. Subject to change).
  • the working fluid that has passed through the pump 100 absorbs heat from the working fluid that has passed through the first recuperator 210 through the turbines 410 and 430 in the second recuperator 230 to 70 degrees Celsius. It can be heated to medium temperature.
  • the working fluid that has passed through the second recuperator 230 is heated in the fourth heat exchanger 340 by heat exchange with the waste heat gas to about 150 degrees Celsius.
  • the working fluid is then sent to the fifth heat exchanger 350 in the high temperature region, heated to 300 degrees Celsius, and then transferred to the low temperature turbine low pressure turbine 410 to drive the low temperature turbine low pressure turbine 410.
  • the heat exchanger in the high temperature zone is divided into two bundles (the second and third heat exchangers are one bundle, the fifth heat exchanger is the other bundle), and the heat exchanger in the high temperature zone produces a high temperature working fluid. (Heating the working fluid via the first heat exchanger and the first recuperator).
  • the heat exchanger in the cold zone (first heat exchanger) is used to heat the low temperature working fluid via the cooler and pump.
  • the heat source (fourth heat exchanger) in the medium temperature region is used to heat the medium temperature working fluid through the pump and the second recuperator.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system of the present invention having the above-described configuration may be variously configured according to the number of heat exchangers and the arrangement for each waste heat temperature region.
  • a supercritical carbon dioxide power generation system according to various embodiments of the present disclosure will be described (for the convenience of description, the detailed description of the same configuration and function as the first embodiment will be omitted).
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the second embodiment of the present invention may also include first to fifth heat exchangers.
  • the first heat exchanger 310a is relatively cold compared to other heat exchangers, and the second heat exchanger 320a, the third heat exchanger 330a, and the fifth heat exchanger 350a are relatively In the high temperature region, the fourth heat exchanger 340a is disposed in the relatively middle temperature region.
  • the heat exchanger is the third heat exchanger 330a, the fifth heat exchanger 350a, the second heat exchanger 320a, the fourth heat exchanger 340a, the first heat exchanger from the inlet end to which the waste heat gas is introduced.
  • the groups 310a may be sequentially arranged.
  • the low temperature working fluid that has passed through the pump 100 is sent to the first heat exchanger 310a to exchange heat with the waste heat gas to be primarily heated, and to the second heat exchanger 320a to heat exchange once again with the waste heat gas. Thereafter, the working fluid is sent to the first recuperator 210 and heat-exchanged with the working fluid passing through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the low temperature turbine low pressure turbine 410, which will be described later, and then the third heat exchanger 330a. Is sent to. The working fluid is further heated through the waste heat gasification heat exchange in the third heat exchanger 330a to become a high temperature high pressure fluid, and then supplied to the high temperature turbine high pressure turbine 430 to drive the high temperature turbine high pressure turbine 430.
  • the working fluid that has passed through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid is not the first heat exchanger 310a but the second recuperator ( 230). In this case, since the working fluid can be sufficiently heated in the second recuperator 230 without passing through the first heat exchanger 310a, the working fluid is sent to the second recuperator 230.
  • the working fluid that has passed through the pump 100 passes through the first recuperator 210 and heats up with the working fluid introduced into the second recuperator 230 to be primarily heated. Thereafter, the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the fourth heat exchanger 340a and then thirdly heated in the fifth heat exchanger 350a and sent to the low temperature turbine low pressure turbine 410.
  • the working fluid that has passed through the low temperature turbine low pressure turbine 410 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 via the cooler 500. Lose.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, first to fourth heat exchangers may be provided.
  • the first heat exchanger 310b is in a relatively low temperature region compared to other heat exchangers, the second heat exchanger 320b and the fourth heat exchanger 340b are in a relatively high temperature region, and a third heat exchange is performed.
  • Group 330b is disposed in the relatively mesophilic region.
  • the heat exchanger is disposed in the fourth heat exchanger 340b, the second heat exchanger 320b, the third heat exchanger 330b, the first heat exchanger 310b sequentially from the inlet end to which the waste heat gas is introduced. Can be.
  • the low temperature working fluid passed through the pump 100 is sent to the first recuperator 210 and the working fluid passed through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the low temperature turbine low pressure turbine 410 which will be described later. It may be configured to reheat by heat exchange with. This configuration corresponds to the case where the temperature of the working fluid discharged from the pump 100 is very low and requires more calories.
  • the working fluid is sent to the third heat exchanger 330b to exchange heat with the waste heat gas to be secondarily heated, and to the fourth heat exchanger 340b to heat exchange with the waste heat gas once again to be heated.
  • the working fluid is then supplied to the hot turbine high pressure turbine 430 to drive the hot turbine high pressure turbine 430.
  • the working fluid that has passed through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid passing through the pump 100 is the first recuperator 210.
  • Heat exchanged with the working fluid introduced into the second recuperator 230 through the) is heated primarily. Thereafter, the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the first heat exchanger 310b, and then thirdly heated by the second heat exchanger 350b and sent to the low temperature turbine low pressure turbine 410.
  • the working fluid that has passed through the low temperature turbine low pressure turbine 410 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 via the cooler 500. Lose.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, first to sixth heat exchangers may be provided.
  • the first heat exchanger 310c is disposed at a relatively low temperature region compared to other heat exchangers, and the third heat exchanger 330c and the sixth heat exchanger 360c are disposed at a relatively high temperature region.
  • the second heat exchanger 320c, the fourth heat exchanger 340c, and the fifth heat exchanger 350c are disposed in the relatively middle temperature region.
  • the heat exchanger is the sixth heat exchanger (360c), the third heat exchanger (330c), the fifth heat exchanger (350c), the second heat exchanger (320c), the fourth heat exchanger from the inlet end of the waste heat gas to the discharge end 340c and the first heat exchanger 310c may be sequentially disposed.
  • the low temperature working fluid passed through the pump 100 is sent to the first recuperator 210 to be heat-exchanged with the working fluid passed through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the low temperature turbine low pressure turbine 410 which will be described later.
  • the working fluid is sent to the fourth heat exchanger 340c to exchange heat with the waste heat gas to be heated secondly, and subsequently exchange heat with the waste heat gas while sequentially passing through the fifth heat exchanger 350c and the sixth heat exchanger 360c. Heated to tea and quaternary.
  • the working fluid is then supplied to the hot turbine high pressure turbine 430 to drive the hot turbine high pressure turbine 430.
  • the working fluid that has passed through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid passing through the pump 100 is the first recuperator 210.
  • Heat exchanged with the working fluid introduced into the second recuperator 230 through the) is heated first.
  • the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the first heat exchanger 310c, and then heated while passing through the second heat exchanger 320 and the third heat exchanger 330c in sequence to form a low temperature turbine low pressure turbine ( 410).
  • the working fluid that has passed through the low temperature turbine low pressure turbine 410 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 via the cooler 500. Lose.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, in the present embodiment, first to sixth heat exchangers may be provided.
  • the first heat exchanger 310d is disposed at a relatively low temperature region
  • the fourth heat exchanger 340d, and the sixth heat exchanger 360d are disposed at a relatively high temperature region, compared to other heat exchangers.
  • the heat exchanger 320d, the third heat exchanger 330d, and the fifth heat exchanger 350d are disposed in the relatively middle temperature region.
  • the heat exchanger is the fourth heat exchanger (340d), the sixth heat exchanger (360d), the third heat exchanger (330d), the second heat exchanger (320d), the fifth heat exchanger from the inlet end to the discharge end from which the waste heat gas is introduced 350d and the first heat exchanger 310d may be sequentially disposed.
  • the low temperature working fluid passed through the pump 100 is sent to the first heat exchanger 310d to exchange heat with the waste heat gas, and is primarily heated.
  • the low temperature working fluid is sent to the second heat exchanger 320d to heat exchange with the waste heat gas once again. Thereafter, the working fluid is sent to the first recuperator 210 and heat-exchanged with the working fluid passing through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the low temperature turbine low pressure turbine 410 which will be described later, and then the third heat exchanger 330d. Is sent to.
  • the working fluid passing through the third heat exchanger 330d passes through the fourth heat exchanger 340d.
  • the working fluid is further heated through the waste heat gasification heat exchange while sequentially passing through the third heat exchanger 330d and the fourth heat exchanger 340d to become a fluid of high temperature and high pressure, and then supplied to the high temperature turbine high pressure turbine 430.
  • the high temperature turbine drives the high pressure turbine 430.
  • the working fluid that has passed through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid is not the first heat exchanger 310d but the second recuperator ( 230). In this case, since the working fluid may be sufficiently heated in the second recuperator 230 without passing through the first heat exchanger 310d, the working fluid is sent to the second recuperator 230.
  • the working fluid that has passed through the pump 100 passes through the first recuperator 210 and heats up with the working fluid introduced into the second recuperator 230 to be primarily heated. Thereafter, the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the fifth heat exchanger 350d and then thirdly heated in the sixth heat exchanger 360d and sent to the low temperature turbine low pressure turbine 410.
  • the working fluid that has passed through the low temperature turbine low pressure turbine 410 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 via the cooler 500. Lose.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to a sixth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, first to sixth heat exchangers may be provided.
  • the first heat exchanger 310e is disposed at a relatively low temperature region
  • the fourth heat exchanger 340e and the sixth heat exchanger 360e are disposed at a relatively high temperature region, compared to other heat exchangers.
  • the heat exchanger 320e, the third heat exchanger 330e, and the fifth heat exchanger 350e are disposed in the relatively middle temperature region.
  • the heat exchanger is the fourth heat exchanger 340e, the sixth heat exchanger 360e, the second heat exchanger 320e, the third heat exchanger 330e, and the fifth heat exchanger from the inlet end to which the waste heat gas is introduced.
  • 350e and the first heat exchanger 310e may be sequentially disposed.
  • the low temperature working fluid that has passed through the pump 100 is sent to the first heat exchanger 310e to exchange heat with the waste heat gas to be primarily heated, and to the second heat exchanger 320e to heat exchange once again with the waste heat gas. Thereafter, the working fluid is sent to the first recuperator 210 and heat-exchanged with the working fluid passing through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the low temperature turbine low pressure turbine 410 which will be described later, and then the third heat exchanger 330e. Is sent to. At this time, the third heat exchanger 330e is disposed in the middle temperature region between the second heat exchanger 320e and the fifth heat exchanger 350e.
  • the working fluid passing through the third heat exchanger 330e passes through the fourth heat exchanger 340e in the high temperature region and is further heated through waste heat gasification heat exchange to become a fluid of high temperature and high pressure. Is supplied to drive the high temperature turbine high pressure turbine 430.
  • the working fluid that has passed through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid is not the first heat exchanger 310e but the second recuperator ( 230). In this case, since the working fluid may be sufficiently heated in the second recuperator 230 without passing through the first heat exchanger 310e, the working fluid is sent to the second recuperator 230.
  • the working fluid that has passed through the pump 100 passes through the first recuperator 210 and heats up with the working fluid introduced into the second recuperator 230 to be primarily heated. Thereafter, the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the fifth heat exchanger 350e, and then thirdly heated by the sixth heat exchanger 360e disposed in the high temperature region and sent to the low temperature turbine low pressure turbine 410. .
  • the working fluid that has passed through the low temperature turbine low pressure turbine 410 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 via the cooler 500. Lose.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a supercritical carbon dioxide power generation system according to a seventh embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, in the present embodiment, first to seventh heat exchangers may be provided.
  • the first heat exchanger 310f is disposed at a relatively low temperature region
  • the fifth heat exchanger 350f and the seventh heat exchanger 370f are disposed at a relatively high temperature region, compared to other heat exchangers.
  • the heat exchanger 320f, the third heat exchanger 330f, the fourth heat exchanger 340f, and the sixth heat exchanger 360f are disposed in the relatively middle temperature region.
  • the heat exchanger is the fifth heat exchanger 350f, the seventh heat exchanger 370f, the fourth heat exchanger 340f, the second heat exchanger 320f, and the third heat exchanger from the inlet end to which the waste heat gas is introduced.
  • 330f, the sixth heat exchanger 360f, and the first heat exchanger 310f may be sequentially disposed.
  • the low temperature working fluid passed through the pump 100 is sent to the first heat exchanger 310 to exchange heat with the waste heat gas to be primarily heated, and is sent to the second heat exchanger 320f to heat exchange once again with the waste heat gas. Thereafter, the working fluid is sent to the first recuperator 210 and heat-exchanged with the working fluid passing through the high temperature turbine high pressure turbine 430 and the low temperature turbine low pressure turbine 410 which will be described later, and then the third heat exchanger 330f. Is sent to. At this time, the third heat exchanger 330f is disposed in the middle temperature region between the second heat exchanger 320f and the sixth heat exchanger 360f.
  • the working fluid that has passed through the third heat exchanger 330f is passed through the fourth heat exchanger 340f in the middle temperature region and heated once more to be sent to the fifth heat exchanger 350f in the high temperature region.
  • the working fluid which is further heated through the waste heat gasification heat exchange in the fourth heat exchanger 340f and the fifth heat exchanger 350f to become high temperature and high pressure, is supplied to the high temperature turbine high pressure turbine 430 to supply the high temperature turbine high pressure turbine 430. Drive.
  • the working fluid that has passed through the high temperature turbine and the high pressure turbine 430 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 through the cooler 500. Lose.
  • the working fluid is not the first heat exchanger 310f but the second recuperator ( 230). In this case, since the working fluid may be sufficiently heated in the second recuperator 230 without passing through the first heat exchanger 310, the working fluid is sent to the second recuperator 230.
  • the working fluid that has passed through the pump 100 passes through the first recuperator 210 and heats up with the working fluid introduced into the second recuperator 230 to be primarily heated.
  • the working fluid is secondarily heated by heat exchange with the waste heat gas in the sixth heat exchanger 360f, and then thirdly heated by the seventh heat exchanger 370f disposed in the high temperature region and sent to the low temperature turbine low pressure turbine 410. .
  • the working fluid that has passed through the low temperature turbine low pressure turbine 410 is cooled through the first recuperator 210 and the second recuperator 230 sequentially, and then sent back to the pump 100 via the cooler 500. Lose.
  • the present invention can be used in a supercritical carbon dioxide power generation system utilizing a plurality of heat sources that improve system performance by efficiently disposing a plurality of heat sources used for heat exchange to recover waste heat.

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 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽 고온 영역부터 중온 영역을 거쳐 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽 저온 영역까지 복수 개가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 작동 유체의 온도 별로 열교환기를 적절히 배치하여 사용함으로써 효율적인 열교환 및 발전 시스템의 성능 향상이 가능해진다.

Description

복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템
본 발명은 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킨 복수의 열원을 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 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킨 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 복수의 열원을 활용한 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 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽 고온 영역부터 중온 영역을 거쳐 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽 저온 영역까지 복수 개가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 작동 유체의 온도에 따라 상기 작동 유체를 상기 복수의 열교환기 중 어느 하나로 선택적으로 공급하는 제어 밸브를 더 포함한다.
상기 열교환기는 상기 저온 영역에 배치되는 제1 열교환기와, 상기 중온 영역에 배치되는 제4 열교환기와, 상기 고온 영역에 배치되는 제2 열교환기, 제3 열교환기, 제5 열교환기를 포함한다.
상기 제3 열교환기, 제5 열교환기, 제2 열교환기는 상기 고온 영역에서 상기 중온 영역을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 온도가 기준 온도 이하이면 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 이송하고, 상기 작동 유체의 온도가 상기 기준 온도를 초과하면 상기 작동 유체를 제4 열교환기로 이송하는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제1 리큐퍼레이터와, 상기 제1 리큐퍼레이터의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제2 리큐퍼레이터를 포함한다.
상기 기준 온도 이하의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 뒤, 상기 제1 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제2 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 어느 하나로 이송되는 것을 특징으로 한다.
상기 기준 온도를 초과하는 상기 작동 유체는 상기 제2 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제4 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제5 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 다른 하나로 이송되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 어느 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 고온 터빈고압 터빈과, 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 다른 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 저온 터빈저압 터빈을 포함한다.
상기 고온 터빈고압 터빈은 상기 제3 열교환기에 연결되고, 상기 저온 터빈저압 터빈은 상기 제5 열교환기에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 7은 본 발명의 제7 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(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 초임계 상태의 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 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 작동 유체가 되어 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기 또는 펌프가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 펌프에 연결된 터빈을 이용해 펌프를 구동한다. 터빈을 통과한 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
사이클 내의 이산화탄소는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 초임계 이산화탄소 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기 또는 펌프가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 펌프에 연결된 터빈을 이용해 펌프를 구동한다. 터빈을 통과한 이산화탄소는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명에서는 열원으로 폐열 기체를 이용하는 복수의 히터가 구비되고, 사이클 내를 순환하는 작동 유체의 온도에 따라 복수의 히터를 적절히 분배하여 작동 유체가 순환하도록 함으로써 시스템 성능을 향상시킨 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 사이클 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 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 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 작동 유체를 순환시키는 펌프(100)와, 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환하는 복수의 리큐퍼레이터 및 열원과, 리큐퍼레이터 및 열원을 통과하며 가열된 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈(410, 430)과, 터빈(410, 430)에 의해 구동되는 발전기(450), 그리고 펌프(100)로 유입되는 작동 유체를 냉각시키는 쿨러(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
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.
또한, 본 발명에서 설명하는 작동 유체의 온도는 여러 케이스 중 하나의 케이스를 예로 들어 설명한 것이므로, 절대적인 온도 값으로 이해되어서는 안될 것이다.
펌프(100)는 후술할 저온 터빈저압 터빈(410)에 의해 구동되며(도 1의 점선 참조), 쿨러(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 리큐퍼레이터 또는 열원으로 보내는 역할을 한다. 작동 유체의 순환 유로를 선택하기 위해 펌프(100)의 후단에는 3방향 밸브()가 설치되어 제어되는 것이 바람직하다.
리큐퍼레이터는 터빈(410, 430)을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체와 열교환하여 작동 유체를 1차로 냉각시킨다. 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내져 2차로 냉각된 후 펌프(100)로 보내진다. 펌프(100)를 통해 리큐퍼레이터로 보내진 작동 유체는 터빈(410, 430)을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열되고, 후술할 열원으로 공급된다. 본 실시 예에서 리큐퍼레이터(210, 230)는 2개로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다.
제1 리큐퍼레이터(210)는 후술할 제2 열교환기(310)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비되며, 제2 리큐퍼레이터(230)는 후술할 제4 열교환기(330)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비될 수 있다.
제1 리큐퍼레이터(210)로는 고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 유체의 유량(mt1) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 유체의 유량(mt2)이 합쳐진 유량(mt0, 이하 통합 유량이라고 정의함)이 분기되어 유입된다. 또한, 제1 리큐퍼레이터(210)를 거친 통합 유량(t0)이 다시 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된다. 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 유입되어 냉각된 후 다시 펌프(100)로 공급된다.
한편, 열원은 필요에 따라 복수 개로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서 열원은 제1 내지 제5 열교환기(310~350)로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다. 제1 내지 제5 열교환기(310~350)는 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하며, 폐열 기체의 배출 시 별도의 배출 규제 조건이 없는 열원이다.
제1 내지 제5 열교환기(310~350)는 폐열 기체와 사이클 내를 순환하는 작동 유체를 열교환하여 폐열 기체로부터 공급된 열로 작동 유체를 가열하는 역할을 한다.
또한, 제1 내지 제5 열교환기(310~350)는 폐열 기체의 온도에 따라 상대적으로 저온, 중온, 고온으로 구분할 수 있다. 즉, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽에 가까울수록 고온에서의 열교환이 가능하고, 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽에 가까울수록 저온에서의 열교환이 된다.
본 실시 예에서 제1 열교환기(310)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온이고, 제4 열교환기(340)는 상대적으로 중온이며, 제2 열교환기(320), 제3 열교환기(330) 및 제5 열교환기(350)는 상대적으로 고온인 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 좀더 상세히 설명하면, 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제3 열교환기(330), 제5 열교환기(350), 제2 열교환기(320), 제4 열교환기(340), 제1 열교환기(310)가 순차적으로 배치된 것을 예로 하여 설명하기로 한다.
펌프(100)를 통과하면서 냉각된 저온의 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내기 전 먼저 제1 열교환기(310)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열된다. 제1 열교환기(310)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과하며 터빈(410, 430)으로부터 배출되는 작동 유체와 열교환하여 다시 한번 가열된다. 이렇게 가열된 중온의 작동 유체는 제2 열교환기(320)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제3 열교환기(330)로 보내져 폐열 기체와 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온이 되며, 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급된다.
고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거치며 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제4 열교환기(340)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제5 열교환기(350)에서 3차로 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
터빈(410, 430)은 저온 터빈저압 터빈(410) 및 고온 터빈고압 터빈(430)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 저온 터빈저압 터빈(410) 및 고온 터빈고압 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈(410, 430)은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 고온 터빈고압 터빈(430)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 저온 터빈저압 터빈(410)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다.
여기서 고온 터빈고압 터빈(430)과 저온 터빈저압 터빈(410)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를압력을 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온압이고 그보다 낮으면 저온압이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 작동 유체의 흐름에 따른 온도 변화에 대해 구체적인 예를 들어 설명하기로 한다.
먼저, 펌프(100)로부터 배출된 작동 유체의 온도가 섭씨 30~40도의 저온인 경우 저온 영역의 제1 열교환기(310)로 보내진다. 작동 유체는 제1 열교환기(310)에서 폐열 기체와 열교환하여 섭씨 70~80도로 가열된 상태에서 제1 리큐퍼레이터(210)로 이송된다.
제1 열교환기(310)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)에서 터빈(410, 430)을 통과한 작동 유체의 열을 흡수해 섭씨 200도 정도로 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 영역의 제2 열교환기(320)로 보내져 폐열 기체와 열교환하게 되고, 섭씨 250도까지 가열된다.
제2 열교환기(320)에서 가열된 작동 유체는 다시 제3 열교환기(330)로 이송되어 섭씨 300~400도까지 가열된 후 고온 터빈고압 터빈(430)으로 보내져 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다.
작동 유체가 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킬 수 있을 정도로 충분히 가열시키기 위해 처음부터 고온 영역의 열교환기로 작동 유체를 이송하면 저온의 작동 유체가 목표로 하는 온도에 이르기까지 많은 열량이 요구되며 시스템 효율이 저하된다. 따라서 본 발명에서는 저온 영역의 제1 열교환기(310)에서 작동 유체를 먼저 가열한 후 고온 영역의 제2 열교환기(320) 및 제3 열교환기(330)를 순차적으로 통과하도록 함으로써 작동 유체를 효율적으로 가열할 수 있다.
한편, 펌프(100)로부터 배출된 작동 유체의 온도가 섭씨 40도를 초과하는 온도인 경우, 펌프(100)를 통해 배출된 작동 유체는 중온 영역의 제4 열교환기(340) 쪽으로 보내지는 것이 바람직하다((여기서는 작동 유체의 온도가 40도인 경우를 기준 온도로 하여 기준 온도 이하이면 제1 열교환기로 보내고, 기준 온도를 초과하면 제4 열교환기 쪽으로 보내는 것을 예로 하여 설명함. 그러나 기준 온도는 시스템 설정에 따라 달라질 수 있음).
펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230)에서 터빈(410, 430)을 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 작동 유체로부터 열을 흡수해 섭씨 70~80도의 중온으로 가열될 수 있다.
제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체는 제4 열교환기(340)에서 폐열 기체와 열교환해 섭씨 약 150도 정도로 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 영역의 제5 열교환기(350)로 보내져 섭씨 300도까지 가열된 후 저온 터빈저압 터빈(410)으로 이송되어 저온 터빈저압 터빈(410)을 구동시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 고온 영역의 열교환기를 2개의 번들로 나누고(제2 및 제3 열교환기가 하나의 번들, 제5 열교환기가 다른 하나의 번들임), 고온 영역의 열교환기는 고온의 작동 유체를 만드는데 사용하게 된다(제1 열교환기 및 제1 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체를 가열함). 저온 영역의 열교환기(제1 열교환기)는 쿨러 및 펌프를 거친 저온의 작동 유체를 가열하는데 사용하게 된다. 또한, 중온 영역의 열원(제4 열교환기)으로 펌프 및 제2 리큐퍼레이터를 거친 중온의 작동 유체를 가열하는데 사용하게 된다.
이렇게 작동 유체의 온도 별로 열교환기를 적절히 배치하여 사용함으로써 효율적인 열교환 및 발전 시스템의 성능 향상이 가능해진다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열교환기의 개수 및 폐열 온도 영역 별 배치에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 이하에서는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(설명의 편의를 위해 제1 실시 예와 동일한 구성 및 기능에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예 역시 제1 내지 제5 열교환기가 구비될 수 있다.
제2 실시 예에서, 제1 열교환기(310a)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제2 열교환기(320a), 제3 열교환기(330a), 제5 열교환기(350a)는 상대적으로 고온 영역에, 제4 열교환기(340a)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제3 열교환기(330a), 제5 열교환기(350a), 제2 열교환기(320a), 제4 열교환기(340a), 제1 열교환기(310a)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310a)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320a)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈고압 터빈(430) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330a)로 보내진다. 작동 유체는 제3 열교환기(330a)에서 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압의 유체가 된 후 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310a)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310a)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제4 열교환기(340a)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제5 열교환기(350a)에서 3차로 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제4 열교환기가 구비될 수 있다.
제3 실시 예에서, 제1 열교환기(310b)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제2 열교환기(320b), 제4 열교환기(340b)는 상대적으로 고온 영역에, 제3 열교환기(330b)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제4 열교환기(340b), 제2 열교환기(320b), 제3 열교환기(330b), 제1 열교환기(310b)가 순차적으로 배치될 수 있다.
전술한 실시 예들과 달리 펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈고압 터빈(430) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 복열되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 매우 낮아 좀더 많은 열량을 필요로 할 경우에 해당된다.
그 후 작동 유체는 제3 열교환기(330b)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열되고, 제4 열교환기(340b)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다. 고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 리큐퍼레이터(210)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 열교환기(310b)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제2 열교환기(350b)에서 3차로 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제6 열교환기가 구비될 수 있다.
제4 실시 예에서, 제1 열교환기(310c)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제3 열교환기(330c), 제6 열교환기(360c)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320c), 제4 열교환기(340c) 및 제5 열교환기(350c)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제6 열교환기(360c), 제3 열교환기(330c), 제5 열교환기(350c), 제2 열교환기(320c), 제4 열교환기(340c), 제1 열교환기(310c)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈고압 터빈(430) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 복열되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 매우 낮아 많은 열량을 필요로 할 경우에 해당된다.
그 후 작동 유체는 제4 열교환기(340c)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열되고, 제5 열교환기(350c)와 제6 열교환기(360c)를 순차적으로 통과하면서 폐열 기체와 열교환해 3차 및 4차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다. 고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 리큐퍼레이터(210)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 열교환기(310c)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제2 열교환기(320) 및 제3 열교환기(330c)를 순차적으로 거치면서 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제6 열교환기가 구비될 수 있다.
제5 실시 예에서 제1 열교환기(310d)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제4 열교환기(340d), 제6 열교환기(360d)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320d), 제3 열교환기(330d) 및 제5 열교환기(350d)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제4 열교환기(340d), 제6 열교환기(360d), 제3 열교환기(330d), 제2 열교환기(320d), 제5 열교환기(350d), 제1 열교환기(310d)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310d)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320d)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈고압 터빈(430) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330d)로 보내진다. 제3 열교환기(330d)를 통과한 작동 유체는 제4 열교환기(340d)를 통과한다. 작동 유체는 제3 열교환기(330d) 및 제4 열교환기(340d)를 순차적으로 통과하면서 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압의 유체가 된 후 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310d)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310d)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제5 열교환기(350d)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 제6 열교환기(360d)에서 3차로 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제6 열교환기가 구비될 수 있다.
제6 실시 예에서 제1 열교환기(310e)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제4 열교환기(340e), 제6 열교환기(360e)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320e), 제3 열교환기(330e) 및 제5 열교환기(350e)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제4 열교환기(340e), 제6 열교환기(360e), 제2 열교환기(320e), 제3 열교환기(330e), 제5 열교환기(350e), 제1 열교환기(310e)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310e)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320e)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈고압 터빈(430) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330e)로 보내진다. 이때 제3 열교환기(330e)는 제2 열교환기(320e)와 제5 열교환기(350e)의 사이인 중온 영역에 배치되어 있다. 제3 열교환기(330e)를 통과한 작동 유체는 고온 영역의 제4 열교환기(340e)를 통과하며 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압의 유체가 된 후 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310e)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310e)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310e)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제5 열교환기(350e)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 고온 영역에 배치된 제6 열교환기(360e)에서 3차로 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
도 7은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서는 제1 내지 제7 열교환기가 구비될 수 있다.
제7 실시 예에서 제1 열교환기(310f)는 다른 열교환기들에 비해 상대적으로 저온 영역에, 제5 열교환기(350f), 제7 열교환기(370f)는 상대적으로 고온 영역에 배치되며, 제2 열교환기(320f), 제3 열교환기(330f), 제4 열교환기(340f) 및 제6 열교환기(360f)는 상대적으로 중온 영역에 배치된다. 이때 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제5 열교환기(350f), 제7 열교환기(370f), 제4 열교환기(340f), 제2 열교환기(320f), 제3 열교환기(330f), 제6 열교환기(360f), 제1 열교환기(310f)가 순차적으로 배치될 수 있다.
펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체는 제1 열교환기(310)로 보내져 폐열 기체와 열교환해 1차로 가열되고, 제2 열교환기(320f)로 보내져 폐열 기체와 다시 한번 열교환해 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내져 후술할 고온 터빈고압 터빈(430) 및 저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체와 열교환해 가열된 뒤 제3 열교환기(330f)로 보내진다. 이때 제3 열교환기(330f)는 제2 열교환기(320f)와 제6 열교환기(360f)의 사이인 중온 영역에 배치되어 있다. 제3 열교환기(330f)를 통과한 작동 유체는 중온 영역의 제4 열교환기(340f)를 통과하며 한번 더 가열된 뒤 고온 영역의 제5 열교환기(350f)로 보내진다. 제4 열교환기(340f) 및 제5 열교환기(350f)에서 폐열 기체화 열교환을 통해 추가로 가열되어 고온고압이 된 작동 유체는 고온 터빈고압 터빈(430)으로 공급되어 고온 터빈고압 터빈(430)을 구동시킨다.
고온 터빈고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
만약, 펌프(100)에서 배출되는 작동 유체의 온도가 제1 열교환기(310)로 공급한 작동 유체의 온도보다 높다면, 작동 유체는 제1 열교환기(310f)가 아닌 제2 리큐퍼레이터(230)로 바로 보내진다. 이 경우 작동 유체가 제1 열교환기(310)를 통과하지 않아도 제2 리큐퍼레이터(230)에서 충분히 가열될 수 있으므로 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체를 보내는 것이다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과해 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체와 열교환 해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제6 열교환기(360f)에서 폐열 기체와 열교환하여 2차로 가열된 뒤 고온 영역에 배치된 제7 열교환기(370f)에서 3차로 가열되어 저온 터빈저압 터빈(410)으로 보내진다.
저온 터빈저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 순차적으로 거쳐 냉각되고, 쿨러(500)를 거쳐 다시 펌프(100)로 보내진다.
전술한 실시 예들에서 열교환기의 숫자가 증가할수록 터빈의 유입단 쪽 작동 유체의 온도가 상승하므로 터빈의 구동 효율 및 전체적인 시스템의 열효율이 향상되는 효과가 있다.
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 폐열을 회수하여 열교환에 이용하는 복수의 열원을 효율적으로 배치함으로써 시스템 성능을 향상시킨 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 이용할 수 있다.

Claims (10)

  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 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽 고온 영역부터 중온 영역을 거쳐 상기 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽 저온 영역까지 복수 개가 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 작동 유체의 온도에 따라 상기 작동 유체를 상기 복수의 열교환기 중 어느 하나로 선택적으로 공급하는 제어 밸브를 더 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 저온 영역에 배치되는 제1 열교환기와, 상기 중온 영역에 배치되는 제4 열교환기와, 상기 고온 영역에 배치되는 제2 열교환기, 제3 열교환기, 제5 열교환기를 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 열교환기, 제5 열교환기, 제2 열교환기는 상기 고온 영역에서 상기 중온 영역을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체의 온도가 기준 온도 이하이면 상기 작동 유체를 상기 제1 열교환기로 이송하고, 상기 작동 유체의 온도가 상기 기준 온도를 초과하면 상기 작동 유체를 제4 열교환기로 이송하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 터빈의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제1 리큐퍼레이터와, 상기 제1 리큐퍼레이터의 후단과 상기 펌프의 전단 사이에 배치되는 제2 리큐퍼레이터를 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기준 온도 이하의 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기에서 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 뒤, 상기 제1 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제2 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 어느 하나로 이송되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 온도를 초과하는 상기 작동 유체는 상기 제2 리큐퍼레이터로 이송되어 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체로부터 열을 흡수한 후 상기 제4 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 상기 제4 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제5 열교환기로 이송되어 상기 폐열 기체와 열교환해 가열된 후 상기 터빈 중 다른 하나로 이송되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 어느 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 고온 터빈고압 터빈과, 상기 제3 열교환기 또는 상기 제5 열교환기 중 다른 하나로부터 공급된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 저온 터빈저압 터빈을 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고온 터빈고압 터빈은 상기 제3 열교환기에 연결되고, 상기 저온 터빈저압 터빈은 상기 제5 열교환기에 연결되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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