WO2017138720A1 - 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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heat
heat exchanger
recuperator
carbon dioxide
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김학수
차송훈
김상현
장준태
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Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
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Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
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    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
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    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type

Definitions

  • the present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system utilizing a plurality of heat sources, and more particularly, to a supercritical carbon dioxide power generation system using a plurality of heat sources capable of efficiently arranging and operating a heat exchanger according to a condition of a 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.
  • 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 a heat source utilizing the heat of the waste heat gas discharged from the waste heat source, and includes a plurality of limiting heat exchangers having discharge restriction conditions of the discharge stage, wherein the integrated flow rate mt0 of the working fluid is supplied to the recuperator. It features.
  • the emission control condition is characterized in that the temperature conditions.
  • the recuperator may be equal to the number of heat exchangers or less than the number of heat exchangers.
  • the turbine includes a low pressure turbine for driving the pump and a high pressure turbine for driving a generator, and branching an integrated flow rate (mt0) of the working fluid passed through the low pressure turbine and the high pressure turbine to the plurality of recuperators. It is characterized by the supply.
  • the recuperator includes first to third recuperators, a portion of the integrated flow rate mt0 of the working fluid branches to the first recuperator, and the remainder of the integrated flow rate mt0 of the working fluid. Is branched to the second and third recuperators.
  • the third recuperator is installed on another transfer pipe branched from the transfer pipe in which the second recuperator is installed.
  • the heat capacity required by the third recuperator is greater than the heat capacity required by the first and second recuperators.
  • the limiting heat exchanger includes a first limiting heat exchanger to a fourth limiting heat exchanger, the first limiting heat exchanger heats the working fluid passed through the first recuperator, and the second limiting heat exchanger is the second recuperator. And heating the working fluid passed through the radar, wherein the third and fourth restriction heat exchangers heat the working fluid passed through the third recuperator.
  • the working fluid passing through the first to fourth limiting heat exchangers is introduced into the low pressure turbine and the high pressure turbine, and the working fluid passing through the first to third recuperators enters and cools the cooler. It is characterized by.
  • the present invention also provides a pump for circulating a working fluid, a plurality of heat exchangers for heating the working fluid through an external heat source, a plurality of turbines driven by the working fluid heated through the heat exchanger, and a plurality of And a reflower configured to cool the working fluid passing through the turbine by heat exchange between the working fluid passing through the turbine and the working fluid passing through the pump, respectively.
  • the heat exchanger is a heat source using heat of waste heat gas discharged from the waste heat source, and a supercritical carbon dioxide power generation system using a plurality of heat sources, characterized in that it comprises a plurality of limited heat exchanger having a discharge restriction condition of the discharge stage. Can be provided.
  • the emission control condition is characterized in that the temperature conditions.
  • the recuperator may be equal to the number of heat exchangers or less than the number of heat exchangers.
  • the turbine includes a low pressure turbine for driving the pump and a high pressure turbine for driving a generator, and a separate transfer for supplying the working fluids respectively passed through the low pressure turbine and the high pressure turbine to the plurality of recuperators. Should contain a tube.
  • the recuperator includes first to third recuperators and the limit heat exchanger includes first to fourth limit heat exchangers.
  • the first limiting heat exchanger heats the working fluid through the first recuperator
  • the second limiting heat exchanger heats the working fluid through the second recuperator
  • the third and fourth limiting heat exchangers The machine is characterized in that for heating the working fluid passed through the third recuperator.
  • the high pressure turbine is moved toward the higher temperature of the discharge restriction condition between the first and second limited heat exchangers. It is characterized in that the transfer pipe for sending the working fluid (mt2) passed through is connected.
  • the working fluid passing through the first to fourth limiting heat exchangers is introduced into the low pressure turbine and the high pressure turbine, and the working fluid passing through the first to third recuperators enters and cools the cooler. It is characterized by.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • low temperature and high temperature in the present invention is a term having a relative meaning, it should be understood that it is not to be understood that the higher the temperature and the lower the temperature if a specific temperature as a reference value.
  • low pressure and high pressure should also be understood in a relative sense.
  • 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 supercritical carbon dioxide as a working fluid, and passes through a pump 100 and a pump 100 for circulating the working fluid.
  • 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 pressure turbine 410 to be described later, and serves to send the cooler working fluid cooled through the cooler 500 to the recuperators 210, 230, and 250.
  • the recuperators 210, 230, and 250 may be configured of the first recuperator 210, the second recuperator 230, and the third recuperator 250.
  • the working fluid passing through the pump 100 may be first heated through the first recuperator 210 and then sent to the heat source, or may be first heated through the second recuperator 230 and then sent to the heat source. have. Alternatively, it may be primarily heated through the third recuperator 250 and then sent to a heat source.
  • the working fluid cooled through the turbines 410 and 430 and cooled from the high temperature to the medium temperature may be introduced into any one of the first recuperator 210 and the third recuperator 250.
  • the cooling fluid introduced into the recuperators 210, 230, and 250 exchanges heat with the working fluid passing through the pump 100 to primarily heat the working fluid passing through the pump 100.
  • the cooled working fluid is sent to the cooler 500 while heating the working fluid passed through the pump 100.
  • control valves v1, v2, and v7 may be provided at the inlet end of the recuperators 210, 230, and 250 through which the cooling fluid passing through the turbines 410, 430 flows.
  • the cooled working fluid is sent to the cooler 500 to be secondarily cooled and then sent to the pump 100.
  • control valves v3 and v4 may be provided at the inflow end through which the working fluid flows from the pump 100 to the first and second recuperators 210 and 230.
  • control valves v5 and v6 may be provided at inlets of some heat sources 350 and 370 to be described later.
  • the recuperators 210, 230, 250 may be provided with the same or less number of heat sources, and in this embodiment, the recuperators 210, 230, 250 are provided with three.
  • the recuperators 210, 230, 250 are provided with three.
  • the first recuperator 210 is provided before the inlet end through which the working fluid flows into the first limit heat exchanger 310, which will be described later, and the second recuperator 230 is the second limit heat exchanger 330, which will be described later. ) May be provided before the inlet end to which the working fluid is introduced.
  • the third recuperator 250 may be provided before the inlet stage through which the working fluid flows into the third and fourth limited heat exchangers 350 and 370 which will be described later.
  • the first and third recuperators 250 to 250 are flow rates in which the flow rate mt1 of the fluid passing through the high pressure turbine 430 and the flow rate mt2 of the fluid passing through the low pressure turbine 410 are combined. (mt0, hereafter defined as the integrated flow rate) branches in and flows in.
  • the control valve v1 is installed at the inlet end of the first recuperator 210, and the second recuperator 230 is disposed on another transfer pipe branched from the transfer pipe connected to the first recuperator 210.
  • the control valve v2 is provided at the inlet end of the second recuperator 230.
  • the third recuperator 250 is installed on another transfer pipe branched from the transfer pipe in which the second recuperator 230 is installed, and the control valve v7 is also provided at the inlet end of the third recuperator 250. Is installed.
  • the division of the integrated flow rate mt0 of the working fluid into the first recuperator 210 and the third recuperator 250 is controlled by a separate controller (not shown), and the transfer pipe for branching is controlled.
  • the three-way valve 600 may be provided at the branching point (the branching point between the first and second and third recuperators) of 10.
  • the heat source may be composed of a plurality of constrained heat sources in which the discharge condition of the gas to be discharged is determined.
  • the above-mentioned emission control condition is a temperature condition, and the emission control condition may be the same for all heat sources or different heat sources.
  • the flow rate of the working fluid flowing into the first limiting heat exchanger 310 is defined as m1
  • the flow rate of the working fluid flowing into the second limiting heat exchanger 330 is m2
  • the flow rate of the working fluid flowing into m3 and the flow rate of the working fluid flowing into the n-th limit heat exchanger is defined as mN.
  • the first to fourth limited heat exchangers 310, 330, 350, and 370 are provided as an example.
  • the first to fourth limited heat exchangers 310, 330, 350, and 370 use a gas having a waste heat (hereinafter, a waste heat gas) as a heat source, such as exhaust gas, but are a heat source having a discharge restriction condition when discharging the waste heat gas.
  • a waste heat gas a gas having a waste heat
  • the first restriction heat exchanger 310 heats the working fluid that has passed through the first recuperator 210 with the heat of the waste heat gas.
  • the waste heat gas deprived of heat from the first limit heat exchanger 310 is cooled to a temperature that meets the discharge regulation condition and exits the first limit heat exchanger 310.
  • the second limit heat exchanger 330 heats the working fluid passed through the second recuperator 230 with the heat of the waste heat gas.
  • the waste heat gas deprived of heat from the second limit heat exchanger 330 is cooled to a temperature that meets the discharge regulation conditions and exits the second limit heat exchanger 330.
  • the third limit heat exchanger 350 heats the working fluid that has passed through the third recuperator 250 with the heat of the waste heat gas.
  • the waste heat gas deprived of heat from the third limit heat exchanger 350 is cooled to a temperature suitable for the discharge regulation condition and exits the third limit heat exchanger 350.
  • the fourth limiting heat exchanger 370 heats the working fluid that has passed through the third recuperator 250 with the heat of the waste heat gas.
  • the waste heat gas deprived of heat from the fourth limit heat exchanger 370 is cooled to a temperature that meets the discharge regulation conditions and exits the fourth limit heat exchanger 370.
  • the third limit heat exchanger 350 and the fourth limit heat exchanger 370 heat the working fluid through the third recuperator 250 in the same manner, the third limit heat exchanger 350 or the fourth limit heat exchanger 350 is the same.
  • Control valves v5 and v6 are provided at each of the inlet ends of the third limiting heat exchanger 350 and the fourth limiting heat exchanger 370 to distribute the working fluid to 370.
  • the third recuperator 250 has to serve to first heat the working fluid before supplying the working fluid to the plurality of heat sources, the heat capacity required at the inlet of the heat source is large. Therefore, the third recuperator 250 has a relatively large heat capacity compared to the first and second recuperators 210 and 230, and is provided as a type capable of heating and sending a relatively large flow rate. It is preferable. Since the working fluid can be sent to a plurality of heat sources by providing the third recuperator 250 with a large heat capacity, the working fluid can be heated by a number of recuperators equal to or less than the number of heat sources.
  • the heated working fluid passing through the first to fourth limited heat exchangers 310, 330, 350, and 370 is supplied to the low pressure turbine 410 and the high pressure turbine 430 to drive the turbines 410 and 430.
  • the control valve (not shown) is provided at the front end of the turbine (410, 430).
  • the turbines 410 and 430 are composed of a high pressure turbine 430 and a low pressure turbine 410, which are driven by a working fluid to generate power by driving a generator 450 connected to at least one of these turbines. Play a role. Since the working fluid is expanded while passing through the high pressure turbine 430 and the low pressure turbine 410, the turbines 410 and 430 also serve as expanders. In this embodiment, the generator 450 is connected to the high pressure turbine 430 to produce electric power, and the low pressure turbine 410 serves to drive the pump 100.
  • high-pressure turbine 430 and low-pressure turbine 410 is a term having a relative meaning, it is to be understood that a specific temperature as a reference value should not be understood as a higher temperature and a lower temperature.
  • the discharge regulation temperature condition of at least one of the first to fourth limited heat exchangers 370 is low, or the flow rate of the waste heat gas introduced is large, the required heat capacity is also large.
  • the heat capacity required by the third limited heat exchanger 350 and the fourth limited heat exchanger 370 is large and the discharge restriction conditions of the third limited heat exchanger 350 and the fourth limited heat exchanger 370 are similar
  • Can use a large capacity recuperator (third recuperator).
  • the recuperator may be less than or equal to the number of the third limited heat exchanger 350 and the fourth limited heat exchanger 370.
  • the integrated flow rate mt0 of the working fluid may be sent to the third recuperator 250 to heat the working fluid while satisfying the discharge restriction condition of the waste heat gas.
  • the integrated flow rate mt0 of the working fluid is equally distributed to the plurality of recuperators. This allows the working fluid to be heated while meeting the emission control requirements for waste heat gases.
  • a plurality of small capacity recuperators can be used.
  • the recuperator may be equal to the number of the first limited heat exchanger 310 and the second limited heat exchanger 330 (first and second recuperators).
  • the integrated flow rate mt0 of the working fluid is appropriately distributed according to the discharge restricting conditions of the first limiting heat exchanger 310 and the second limiting heat exchanger 330, thereby allowing the first and second liquefiers 210 and the second liqueur.
  • the working fluid may be heated while being sent to the perlator 230 while satisfying the discharge regulation condition of the waste heat gas.
  • a portion of the working fluid cooled via the cooler 500 is circulated by the pump 100 and branches through the control valves v3 and v4 to the first recuperator 210 and the second recuperator 230, respectively. Is sent.
  • the flow rate m1 of the working fluid sent to the first recuperator 210 and the second recuperator 230 according to discharge restriction conditions of the first and second limit heat exchangers 310 and 330.
  • the flow rate (m2) of working fluid sent to the can vary.
  • the working fluid branched into the first and second recuperators 210 and 230, respectively, is branched from the integrated flow rate mt0 of the working fluid passing through the low pressure turbine 410 and the high pressure turbine 430.
  • the first heat is exchanged with the working fluid passing through the first and second recuperators 210 and 230, respectively.
  • the working fluid having passed through the first and second recuperators 210 and 230, respectively, is sent to the first and second limit heat exchangers 310 and 330 to exchange heat with the waste heat gas. It is heated secondarily.
  • the waste heat gas discharge restriction conditions of the first limit heat exchanger 310 and the second limit heat exchanger 330 may be similar to about 200 degrees Celsius, and the first limit heat exchanger 310 by dividing the integrated flow rate (mt0) equally. ) And the second restriction heat exchanger 330.
  • the waste heat gas flowing into the first restriction heat exchanger 310 and the second restriction heat exchanger 330 is at a temperature of the waste heat gas flowing into the third restriction heat exchanger 350 and the fourth restriction heat exchanger 370.
  • the integrated flow rate mt0 may be distributed accordingly.
  • the high temperature working fluid m1 passing through the first limit heat exchanger 310 is transferred to the low pressure turbine 410 or the high pressure turbine 430 to drive them.
  • the high temperature working fluid m2 passing through the second limit heat exchanger 330 is also transferred to the low pressure turbine 410 or the high pressure turbine 430 to drive them. Which turbine 410, 430 the hot working fluid will drive, or both turbines, is determined by the controller described above depending on the operating conditions.
  • the working fluid may be directly transferred to the third recuperator 250 through the pump 100 without passing through the first recuperator 210 and the second recuperator 230.
  • the third limited heat exchanger 350 and the fourth limited heat exchanger 370 may be heat sources having the same or different waste heat gas discharge restriction conditions as the first limited heat exchanger 310 and the second limited heat exchanger 330.
  • the third limit heat exchanger 350 and the fourth limit heat exchanger 370 may be formed at a high temperature relatively higher than the temperature of the waste heat gas introduced into the first limit heat exchanger 310 and the second limit heat exchanger 330. It may be a heat source utilizing waste heat gases (or vice versa).
  • the low-temperature working fluid is sent to the third recuperator 250 to be primarily heated and then branched to the third limit heat exchanger 350 and the fourth limit heat exchanger 370 and heated respectively, the low pressure turbine 410 Or it is sent to the high pressure turbine 430 to drive them.
  • Which turbine 410, 430 the hot working fluid will drive, or both turbines, is determined by the controller described above depending on the operating conditions.
  • the medium temperature working fluid mt0 which is heated through the first to fourth limited heat exchanger 370 and then passes through the low pressure turbine 410 and the high pressure turbine 430, is expanded. 210, branched to the second and third recuperators 250, and supplied with a coolant 500 after being cooled by exchanging heat with a low temperature working fluid passing through the pump 100. .
  • the meanings of low temperature, middle temperature, and high temperature have 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 if it is lower than that.
  • the first limit heat exchanger 310 and the second limit heat exchanger 330 since the output of the high pressure turbine 430 driving the generator 450 must be greater than the low pressure turbine 410 driving the pump 100, the first limit heat exchanger 310 and the second limit heat exchanger 330. It is preferable to pass the working fluid in the medium temperature state through the low pressure turbine 410 through. Accordingly, the working fluid passing through the third limit heat exchanger 350 and the fourth limit heat exchanger 370 which is relatively high in temperature compared to the first limit heat exchanger 310 and the second limit heat exchanger 330 may be transferred. It is desirable to send to the high pressure turbine 430.
  • the determination of which turbines 410 and 430 to send the medium or high temperature working fluid to may vary depending on the operating conditions and the emission control conditions of the waste heat gas.
  • 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 power generation system includes a working fluid mt1 passed through the low pressure turbine 410 and a working fluid mt2 passed through the high pressure turbine 430. It may be sent to the first to third recuperators 210, 230, 250, respectively.
  • a control valve is provided at an output end of the low pressure turbine 410 and an output end of the high pressure turbine 430, respectively, and a transfer pipe connecting the output end of the low pressure turbine 410 and the rear end of the control valve may be provided in the first high pressure turbine 430. It is connected to the transfer pipe connected to each of the recuperator 210 to the third recuperator 250.
  • valve V1 is installed at the output end of the low pressure turbine 410
  • control valve V1 ′ is installed at the output end of the high pressure turbine 430
  • the transfer pipe 30 ′ is the control valve V1 at the high pressure turbine 430 side.
  • first recuperator 210' are connected.
  • the rear end of the control valve V1 ' is connected to the feed pipe 30'.
  • the control valve V2 is installed at the output end of the low pressure turbine 410
  • the control valve V2 ′ is installed at the output end of the high pressure turbine 430
  • the transfer pipe 50 ′ is a control valve (side) of the high pressure turbine 430.
  • V2 ') and the second recuperator 210' are connected to each other.
  • the rear end of the control valve V2 ' is connected to the transfer pipe 50'.
  • the control valve V7 is installed at the output end of the low pressure turbine 410
  • the control valve V7 ′ is installed at the output end of the high pressure turbine 430
  • the transfer pipe 70 ′ is a control valve (side) of the high pressure turbine 430.
  • V7 ') and the second recuperator 210' are connected to each other.
  • the rear end of the control valve V7 ' is connected to the feed pipe 70'.
  • the flow rates of the respective working fluids are controlled at the output stages of the low pressure turbine 410 and the high pressure turbine 430, respectively, or the integrated flow rates of the working fluids of the low pressure turbine 410 and the high pressure turbine 430 , Respectively, to the first to third recuperators 210, 230, and 250, so that the discharge regulation conditions of the heat source can be satisfied using the branching amount of the integrated flow rate and the temperature of the working fluid.
  • the discharge restriction condition of the first restriction heat exchanger 310 is 220 degrees Celsius
  • the emission restriction condition of the second restriction heat exchanger 330 is 200 degrees Celsius
  • the third restriction heat exchanger 350 and 4 It may be assumed that the emission control condition of the limit heat exchanger 370 is 200 degrees Celsius.
  • the discharge regulation condition may be satisfied through the branching amount of the integrated flow rate mt0 as in the above-described embodiment, or the discharge regulation condition may be satisfied by supplying a working fluid having a different temperature as in the present embodiment. have.
  • the flow rate of the working fluid discharged from the side of the high pressure turbine 430 to which the working fluid of a relatively higher temperature is supplied than the low pressure turbine 410 to operate the generator 450 is less than the flow rate of the working fluid of the low pressure turbine 410 side.
  • the flow rate of the working fluid discharged from the side of the low pressure turbine 410 to which the working fluid of a relatively lower temperature than the high pressure turbine 430 is supplied is increased than the flow rate of the working fluid of the high pressure turbine 430 side, so that the transfer pipe 50 ', 70 ′) may be supplied toward the second to fourth limited heat exchangers 330, 350, and 370 to allow more heat exchange with the waste heat gas to occur than in the first limited heat exchanger 310.
  • the working fluid on the high pressure turbine 430 side is transferred to the first limit heat exchanger 310, and the working fluid on the low pressure turbine 410 side is directed to the second to fourth limit heat exchangers 330, 350, and 370. Only a supply can be used to meet the emission control requirements for the heat source.
  • the working fluid may be heated and supplied to the turbines 410 and 430 while satisfying the waste heat gas discharge restriction condition of each of the first and second limited heat exchangers 310 to 370.
  • each heat exchanger by effectively disposing each heat exchanger according to the conditions of the heat source inlet and outlet temperature, capacity, number, etc., it is possible to use the same or less number of recuperators compared to the number of heat sources, thereby simplifying the system configuration and effective operation. There is this.
  • the present invention can be applied to a supercritical carbon dioxide power generation system utilizing a plurality of heat sources capable of efficiently arranging and operating a heat exchanger according to a condition of a 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 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 폐열원으로부터 배출되는 폐열 기체의 열을 이용하는 열원이며, 배출단의 배출 규제 조건을 갖는 복수의 제한 열교환기를 포함하고, 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)이 상기 리큐퍼레이터로 공급되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 열원의 입출구 온도, 용량, 개수 등의 조건에 따라 각 열교환기를 효과적으로 배치함으로써 열원의 개수 대비 동일하거나 적은 수의 리큐퍼레이터를 이용할 수 있어 시스템 구성이 간소화되고 효과적인 운영이 가능한 장점이 있다.

Description

복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템
본 발명은 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열원의 조건에 따라 열교환기를 효율적으로 배치해 운영할 수 있는 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 열원의 조건에 따라 열교환기를 효율적으로 배치해 운영할 수 있는 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 폐열원으로부터 배출되는 폐열 기체의 열을 이용하는 열원이며, 배출단의 배출 규제 조건을 갖는 복수의 제한 열교환기를 포함하고, 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)이 상기 리큐퍼레이터로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 배출 규제 조건은 온도 조건인 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일하거나 상기 열교환기의 개수보다 적은 개수인 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저압 터빈과, 발전기를 구동시키는 고압 터빈을 포함하며, 상기 저압 터빈 및 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 분기하여 상기 복수의 리큐퍼레이터로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 작동 유체의 분기를 위해 상기 작동 유체가 이송되는 이송관의 분기점에 설치되는 3방향 밸브를 더 포함 한다.
상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 포함하고, 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)의 일부는 상기 제1 리큐퍼레이터로 분기되고, 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)의 나머지는 상기 제2 및 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 리큐퍼레이터는 상기 제2 리큐퍼레이터가 설치된 이송관에서 분기된 다른 이송관 상에 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 리큐퍼레이터에서 요구되는 열용량은 상기 제1 및 제2 리큐퍼레이터에서 요구되는 열용량보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 제한 열교환기는 제1 제한 열교환기 내지 제4 제한 열교환기를 포함하고, 상기 제1 제한 열교환기는 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하고, 상기 제2 제한 열교환기는 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하며, 상기 제3 및 제4 제한 열교환기는 상기 제3 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 제한 열교환기 내지 제4 제한 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 저압 터빈 및 고압 터빈으로 유입되고, 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체는 쿨러로 유입되어 냉각되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 복수 개로 구비되어 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체가 각각 유입되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기는 폐열원으로부터 배출되는 폐열 기체의 열을 이용하는 열원이며, 배출단의 배출 규제 조건을 갖는 복수의 제한 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공할 수 있다.
상기 배출 규제 조건은 온도 조건인 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일하거나 상기 열교환기의 개수보다 적은 개수인 것을 특징으로 한다.
상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저압 터빈과, 발전기를 구동시키는 고압 터빈을 포함하고, 상기 저압 터빈과 상기 고압 터빈을 각각 통과한 상기 작동 유체를 상기 복수의 리큐퍼레이터로 각각 공급하는 별도의 이송관을 포함하는 한다.
상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 포함하고, 상기 제한 열교환기는 제1 내지 제4 제한 열교환기를 포함 한다.
상기 제1 제한 열교환기는 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하고, 상기 제2 제한 열교환기는 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하며, 상기 제3 및 제4 제한 열교환기는 상기 제3 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 내지 제4 제한 열교환기 중 어느 하나가 다른 하나보다 높은 온도의 상기 배출 규제 조건을 갖는 경우, 제1 제한 열교환기와 제2 제한 열교환기 중 상기 배출 규제 조건이 높은 온도 쪽으로 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체(mt2)를 보내는 상기 이송관이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 제한 열교환기 내지 제4 제한 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 저압 터빈 및 고압 터빈으로 유입되고, 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체는 쿨러로 유입되어 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열원의 입출구 온도, 용량, 개수 등의 조건에 따라 각 열교환기를 효과적으로 배치함으로써 열원의 개수 대비 동일하거나 적은 수의 리큐퍼레이터를 이용할 수 있어 시스템 구성이 간소화되고 효과적인 운영이 가능한 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(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.
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 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.
본 발명에서 저온 및 고온이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다. 저압 및 고압이라는 용어 역시 상대적인 의미로 이해되어야 한다.
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 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하며, 작동 유체를 순환시키는 펌프(100)와, 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환하는 복수의 리큐퍼레이터 및 열원과, 리큐퍼레이터(210, 230, 250) 및 열원(310, 330, 350, 370)을 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.
펌프(100)는 후술할 저압 터빈(410)에 의해 구동되며, 쿨러(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 보내는 역할을 한다.
리큐퍼레이터(210, 230, 250)는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230), 제3 리큐퍼레이터(250)로 구성될 수 있다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)를 거쳐 1차로 가열된 뒤 열원으로 보내질 수도 있고, 제2 리큐퍼레이터(230)를 거쳐 1차로 가열된 뒤 열원으로 보내질 수도 있다. 또는, 제3 리큐퍼레이터(250)를 거쳐 1차로 가열된 뒤 열원으로 보내질 수도 있다.
터빈(410, 430)을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210) 내지 제3 리큐퍼레이터(250) 중 어느 하나로 유입될 수 있다. 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 유입된 냉각 유체는 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환하여 펌프(100)를 통과한 작동 유체를 1차로 가열시킨다. 펌프(100)를 통과한 작동 유체를 가열시키면서 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내진다.
이를 위해, 터빈(410, 430)을 통과한 냉각 유체가 유입되는 리큐퍼레이터(210, 230, 250)의 유입단에는 제어 밸브(v1, v2, v7)가 구비될 수 있다. 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내져 2차로 냉각된 후 펌프(100)로 보내진다.
펌프(100)를 통해 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 보내진 작동 유체는 터빈(410, 430)을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열되고, 후술할 열원으로 공급된다. 이를 위해 펌프(100)에서 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)로 작동 유체가 유입되는 유입단에는 제어밸브(v3, v4)가 구비될 수 있다. 또한, 후술할 일부 열원(350, 370)의 유입단에도 제어밸브(v5, v6)가 구비될 수 있다.
본 발명에서 리큐퍼레이터(210, 230, 250)는 열원의 개수와 동일하거나 적은 개수로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서 리큐퍼레이터(210, 230, 250)는 3개로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다.
제1 리큐퍼레이터(210)는 후술할 제1 제한 열교환기(310)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비되며, 제2 리큐퍼레이터(230)는 후술할 제2 제한 열교환기(330)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비될 수 있다. 제3 리큐퍼레이터(250)는 후술할 제3 및 제4 제한 열교환기(350, 370)로 작동 유체가 유입되는 유입단 이전에 구비될 수 있다.
제1 리큐퍼레이터(210) 내지 제3 리큐퍼레이터(250)로는 고압 터빈(430)을 통과한 유체의 유량(mt1) 및 저압 터빈(410)을 통과한 유체의 유량(mt2)이 합쳐진 유량(mt0, 이하 통합 유량이라고 정의함)이 분기되어 유입된다. 제1 리큐퍼레이터(210)의 유입단에 제어밸브(v1)가 설치되고, 제1 리큐퍼레이터(210)에 연결된 이송관으로부터 분기된 다른 이송관 상에 제2 리큐퍼레이터(230)가 구비되며, 제2 리큐퍼레이터(230)의 유입단에도 제어밸브(v2)가 설치된다. 제3 리큐퍼레이터(250)는 제2 리큐퍼레이터(230)가 설치된 이송관에서 분기된 다른 이송관 상에 설치되고, 제3 리큐퍼레이터(250)의 유입단에도 제어밸브(v7)가 설치된다.
작동 유체의 통합 유량(mt0)을 제1 리큐퍼레이터(210) 내지 제3 리큐퍼레이터(250)로 얼만큼씩 나누어 분기할지는 별도의 컨트롤러(미도시)에 의해 제어되며, 분기를 위해 이송관(10)의 분기점(제1 리큐퍼레이터와 제2 및 제3 리큐퍼레이터를 분기하는 지점)에 3방향 밸브(600)가 구비될 수 있다.
열원은 배출되는 기체의 배출 조건이 정해져 있는 복수의 제한 열원(constrained heat source)으로 구성될 수 있다. 전술한 배출 규제 조건은 온도 조건이며, 배출 규제 조건은 모든 열원이 동일할 수도 있고, 모든 열원이 다를 수도 있다.
또한, 제1 제한 열교환기(310)로 유입되는 작동 유체의 유량을 m1 이라고 정의하며, 제2 제한 열교환기(330)로 유입되는 작동 유체의 유량을 m2, 제3 제한 열교환기(350)로 유입되는 작동 유체의 유량을 m3, 제n 제한 열교환기로 유입되는 작동 유체의 유량을 mN으로 정의한다.
본 명세서에서는 제1 내지 제4 제한 열교환기(310, 330, 350, 370)가 구비된 것을 예로 하여 설명한다.
제1 내지 제4 제한 열교환기(310, 330, 350, 370)는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하되, 폐열 기체의 배출 시 배출 규제 조건을 갖는 열원이다.
제1 제한 열교환기(310)는 폐열 기체의 열로 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 작동 유체를 가열한다. 제1 제한 열교환기(310)에서 열을 빼앗긴 폐열 기체는 배출 규제 조건에 맞는 온도로 냉각되어 제1 제한 열교환기(310)를 빠져나간다.
제2 제한 열교환기(330)는 폐열 기체의 열로 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체를 가열한다. 제2 제한 열교환기(330)에서 열을 빼앗긴 폐열 기체는 폐열 기체는 배출 규제 조건에 맞는 온도로 냉각되어 제2 제한 열교환기(330)를 빠져나간다.
제3 제한 열교환기(350)는 폐열 기체의 열로 제3 리큐퍼레이터(250)를 통과한 작동 유체를 가열한다. 제3 제한 열교환기(350)에서 열을 빼앗긴 폐열 기체는 폐열 기체는 배출 규제 조건에 맞는 온도로 냉각되어 제3 제한 열교환기(350)를 빠져나간다.
제4 제한 열교환기(370)는 폐열 기체의 열로 제3 리큐퍼레이터(250)를 통과한 작동 유체를 가열한다. 제4 제한 열교환기(370)에서 열을 빼앗긴 폐열 기체는 폐열 기체는 배출 규제 조건에 맞는 온도로 냉각되어 제4 제한 열교환기(370)를 빠져나간다.
제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)는 동일하게 제3 리큐퍼레이터(250)를 거친 작동 유체를 가열하므로, 제3 제한 열교환기(350) 또는 제4 제한 열교환기(370)로 작동 유체를 분배하기 위해 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)의 유입단 각각에 제어 밸브(v5, v6)가 구비된다. 제3 리큐퍼레이터(250)는 복수의 열원으로 작동 유체를 공급하기 전 1차로 작동 유체를 가열하는 역할을 해야 하므로, 열원의 입구에서 요구되는 열용량이 크다. 따라서 제3 리큐퍼레이터(250)는 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)에 비해 상대적으로 큰 열용량을 가지며, 상대적으로 큰 유량을 가열하여 보낼 수 있는 타입으로 구비되는 것이 바람직하다. 제3 리큐퍼레이터(250)를 열용량이 큰 것으로 구비함으로써 복수의 열원으로 작동 유체를 보낼 수 있으므로 열원의 개수와 동일하거나 적은 수의 리큐퍼레이터로 작동 유체를 가열할 수 있다.
제1 내지 제4 제한 열교환기(310, 330, 350, 370)를 통과하며 가열된 작동 유체는 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)으로 공급되어 터빈(410, 430)을 구동시키며, 이를 위해 터빈(410, 430)의 전단에는 제어 밸브(번호 미표기)가 구비된다.
터빈(410, 430)은 고압 터빈(430) 및 저압 터빈(410)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 고압 터빈(430) 및 저압 터빈(410)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈(410, 430)은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 고압 터빈(430)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 저압 터빈(410)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다.
여기서 고압 터빈(430)과 저압 터빈(410)이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
제1 내지 제4 제한 열교환기(370) 중 적어도 어느 하나의 배출 규제 온도 조건이 낮거나, 유입되는 폐열 기체의 유량이 많으면 요구되는 열용량 또한 크다.
여기서 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)의 열용량이 큰 경우는 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)로 유입되는 냉각 유체의 입구단 쪽 제 제3 리큐퍼레이터(250)에서 요구되는 열용량이 큰 경우를 의미한다. 이는 통합 유량(mt0)의 열에너지를 최대로 이용할 수 있는 경우로, 통합 유량(mt0)이 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)로 유입되는 작동 유체의 유량(m3, m4)을 제3 리큐퍼레이터(250)에서 충분히 가열할 수 있는 경우를 의미한다.
이렇게 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)에서 요구되는 열용량이 크고 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)의 배출 규제 조건이 유사한 경우, 소수의 대용량 리큐퍼레이터(제3 리큐퍼레이터)를 사용할 수 있다. 리큐퍼레이터는 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)의 개수보다 적거나 같을 수 있다. 이 때, 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 제3 리큐퍼레이터(250)로 보내 폐열 기체의 배출 규제 조건을 충족시키면서 작동 유체를 가열할 수 있다. 또는, 리큐퍼레이터가 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)의 개수와 동일하게 구비되는 경우, 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 복수의 리큐퍼레이터로 동일하게 분배하여 폐열 기체의 배출 규제 조건을 충족시키면서 작동 유체를 가열할 수 있다.
또한, 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)에서 요구되는 열용량이 크고 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)의 배출 규제 조건이 상이한 경우, 복수의 소용량 리큐퍼레이터를 사용할 수 있다. 리큐퍼레이터는 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)의 개수와 동일할 수 있다(제1 리큐퍼레이터 및 제2 리큐퍼레이터). 이 때, 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)의 배출 규제 조건에 따라 적절히 분배하여 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)로 보내 폐열 기체의 배출 규제 조건을 충족시키면서 작동 유체를 가열할 수 있다.
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 유체의 일부는 펌프(100)에 의해 순환되어 제어 밸브(v3, v4)를 통해 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)로 각각 분기되어 보내진다. 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)의 배출 규제 조건에 따라 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내지는 작동 유체의 유량(m1)과 제2 리큐퍼레이터(230)로 보내지는 작동 유체의 유량(m2)이 달라질 수 있다.
제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)로 각각 분기된 작동 유체는 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체의 통합 유량(mt0)으로부터 분기되어 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 각각 통과하는 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열된다.
그 후 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 각각 통과한 작동 유체는 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)로 각각 보내져 폐열 기체와 열교환해 2차로 가열된다. 이때 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)의 폐열 기체 배출 규제 조건은 섭씨 200도 정도로 유사할 수 있으며, 통합 유량(mt0)을 동일하게 나누어 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)로 보낼 수 있다. 또한, 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)로 유입되는 폐열 기체는 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)로 유입되는 폐열 기체의 온도에 비해 상대적으로 낮은 중온의 폐열 기체일 수 있다(폐열 기체의 유입부와의 상대적인 거리 때문). 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)의 폐열 기체 배출 규제 조건이 서로 상이한 경우, 그에 따라 통합 유량(mt0)을 각기 다르게 분배할 수도 있다.
제1 제한 열교환기(310)를 통과한 고온의 작동 유체(m1)는 저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430)으로 이송되어 이들을 구동시킨다. 제2 제한 열교환기(330)를 통과한 고온의 작동 유체(m2) 역시 저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430)으로 이송되어 이들을 구동시킨다. 고온의 작동 유체가 어떤 터빈(410, 430)을 구동시킬 지, 또는 두 개의 터빈 모두를 구동시킬 지의 여부는 운전 조건에 따라 전술한 컨트롤러에 의해 결정된다.
또는, 작동 유체가 제1 리큐퍼레이터(210) 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 거치지 않고 펌프(100)를 통해 제3 리큐퍼레이터(250)로 바로 이송될 수도 있다. 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)는 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)와 동일하거나 상이한 폐열 기체 배출 규제 조건을 갖는 열원일 수 있다. 또한, 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)는 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)로 유입되는 폐열 기체의 온도보다 상대적으로 높은 고온의 폐열 기체를 활용하는 열원일 수 있다(또는 그 반대로 시스템을 설계할 수도 있음). 저온의 작동 유체가 제3 리큐퍼레이터(250)로 보내져 1차로 가열된 뒤 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)로 분기되어 각각 가열된 후, 저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430)으로 보내져 이들을 구동시킨다. 고온의 작동 유체가 어떤 터빈(410, 430)을 구동시킬 지, 또는 두 개의 터빈 모두를 구동시킬 지의 여부는 운전 조건에 따라 전술한 컨트롤러에 의해 결정된다.
전술한 바와 같이 제1 내지 제4 제한 열교환기(370)를 거쳐 가열된 뒤 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)을 통과하며 팽창된 중온의 작동 유체(mt0)는 제1 리큐퍼레이터(210), 제2 리큐퍼레이터(230) 및 제3 리큐퍼레이터(250)로 분기되어 공급되며, 펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체와 열교환해 냉각된 후 쿨러(500)로 유입된다.
여기서 저온, 중온, 고온의 의미는 상대적인 의미를 갖는 것으로서, 특정 온도를 기준값으로 하여 그보다 높으면 고온이고 그보다 낮으면 저온이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다.
일반적으로 펌프(100)를 구동시키는 저압 터빈(410)보다 발전기(450)를 구동시키는 고압 터빈(430)의 출력이 커야하므로, 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)를 통과해 중온 상태인 작동 유체를 저압 터빈(410)으로 보내는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 제한 열교환기(310) 및 제2 제한 열교환기(330)에 비해 상대적으로 고온 상태인 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)를 통과한 작동 유체를 고압 터빈(430)으로 보내는 것이 바람직하다.
그러나 중온의 작동 유체 또는 고온의 작동 유체를 어느 터빈(410, 430)으로 보낼 것인지에 대한 결정은 운전 조건 및 폐열 기체의 배출 규제 조건에 따라 달라질 수 있다.
이상에서는 저압 터빈 및 고압 터빈을 통과한 작동 유체의 통합 유량을 분기하여 제1 리큐퍼레이터 및 제2 리큐퍼레이터로 보내는 실시 예에 대해 설명하였으나, 저압 터빈 및 고압 터빈 각각의 유량을 제1 리큐퍼레이터와 제2 리큐퍼레이터 로 보낼 수도 있다(전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 부호를 참조하여 설명하기로 하며, 상세한 설명을 생략하기로 함).
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 저압 터빈(410)을 통과한 작동 유체(mt1)와 고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체(mt2)를 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 각각 보낼 수 있다. 이때, 저압 터빈(410)의 출력단과 고압 터빈(430)의 출력단에는 각각 제어 밸브가 구비되며, 저압 터빈(410)의 출력단 및 제어 밸브 후단을 연결하는 이송관은 고압 터빈(430)에서 제1 리큐퍼레이터(210) 내지 제3 리큐퍼레이터(250) 각각으로 연결된 이송관에 연결된다.
즉, 저압 터빈(410)의 출력단에 밸브 V1이 설치되고 고압 터빈(430)의 출력단에 제어 밸브(V1')가 설치되며, 이송관(30')은 고압 터빈(430)측 제어 밸브(V1')와 제1 리큐퍼레이터(210')를 연결한다. 제어 밸브(V1')의 후단은 이송관(30')에 연결된다. 저압 터빈(410)의 출력단에 제어 밸브(V2)가 설치되고 고압 터빈(430)의 출력단에 제어 밸브(V2')가 설치되며, 이송관(50')은 고압 터빈(430)측 제어 밸브(V2')와 제2 리큐퍼레이터(210')를 연결한다. 제어 밸브(V2')의 후단은 이송관(50')에 연결된다. 저압 터빈(410)의 출력단에 제어 밸브(V7)가 설치되고 고압 터빈(430)의 출력단에 제어 밸브(V7')가 설치되며, 이송관(70')은 고압 터빈(430)측 제어 밸브(V7')와 제2 리큐퍼레이터(210')를 연결한다. 제어 밸브(V7')의 후단은 이송관(70')에 연결된다.
전술할 실시 예와 달리, 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)의 출력단에서 각각의 작동 유체의 유량을 제어해 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430) 측 작동 유체 각각 또는 이들의 통합 유량을 각각 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 보내기 때문에 통합 유량의 분기량과 작동 유체의 온도를 이용해 열원의 배출 규제 조건을 만족시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 제한 열교환기(310)의 배출 규제 조건이 섭씨 220도이고, 제2 제한 열교환기(330)의 배출 규제 조건이 섭씨 200도이며, 제3 제한 열교환기(350) 및 제4 제한 열교환기(370)의 배출 규제 조건이 섭씨 200도인 경우를 가정할 수 있다. 이 경우, 전술한 실시 예에서와 같이 통합 유량(mt0)의 분기량을 통해 배출 규제 조건을 만족시킬 수도 있고, 본 실시 예에서와 같이 온도가 다른 작동 유체를 공급함으로써 배출 규제 조건을 만족시킬 수도 있다.
즉, 발전기(450)를 가동시키기 위해 저압 터빈(410)보다 상대적으로 높은 온도의 작동 유체가 공급되는 고압 터빈(430) 쪽에서 배출되는 작동 유체의 유량을 저압 터빈(410)측 작동 유체의 유량보다 증가시켜 이송관(30')을 통해 제1 제한 열교환기(310) 쪽으로 공급함으로써 폐열 기체와의 열교환이 제2 제한 열교환기(330)에서보다 덜 일어나게 할 수 있다. 또한, 고압 터빈(430)보다 상대적으로 낮은 온도의 작동 유체가 공급되는 저압 터빈(410) 쪽에서 배출되는 작동 유체의 유량을 고압 터빈(430) 측 작동 유체의 유량보다 증가시켜 이송관(50', 70')을 통해 제2 내지 제4 제한 열교환기(330, 350, 370) 쪽으로 공급함으로써 폐열 기체와의 열교환이 제1 제한 열교환기(310)에서보다 더 일어나게 할 수 있다.
또는, 제1 제한 열교환기(310) 쪽으로는 고압 터빈(430) 측의 작동 유체만을 이송하고, 제2 내지 제4 제한 열교환기(330, 350, 370) 쪽으로는 저압 터빈(410) 측 작동 유체만 공급하는 방법으로 열원의 배출 규제 조건을 만족시킬 수도 있다.
이러한 원리로 제1 제한 열교환기(310) 내지 제4 제한 열교환기(370) 각각의 폐열 기체 배출 규제 조건을 만족시키면서 작동 유체를 가열하여 터빈(410, 430)으로 공급시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 열원의 입출구 온도, 용량, 개수 등의 조건에 따라 각 열교환기를 효과적으로 배치함으로써 열원의 개수 대비 동일하거나 적은 수의 리큐퍼레이터를 이용할 수 있어 시스템 구성이 간소화되고 효과적인 운영이 가능한 장점이 있다.
본 발명은 열원의 조건에 따라 열교환기를 효율적으로 배치해 운영할 수 있는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 적용할 수 있다.

Claims (18)

  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 폐열원으로부터 배출되는 폐열 기체의 열을 이용하는 열원이며, 배출단의 배출 규제 조건을 갖는 복수의 제한 열교환기를 포함하고,
    상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)이 상기 리큐퍼레이터로 공급되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출 규제 조건은 온도 조건인 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일하거나 상기 열교환기의 개수보다 적은 개수인 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저압 터빈과, 발전기를 구동시키는 고압 터빈을 포함하며, 상기 저압 터빈 및 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 분기하여 상기 복수의 리큐퍼레이터로 공급하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 작동 유체의 분기를 위해 상기 작동 유체가 이송되는 이송관의 분기점에 설치되는 3방향 밸브를 더 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 포함하고, 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)의 일부는 상기 제1 리큐퍼레이터로 분기되고, 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)의 나머지는 상기 제2 및 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 리큐퍼레이터는 상기 제2 리큐퍼레이터가 설치된 이송관에서 분기된 다른 이송관 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 리큐퍼레이터에서 요구되는 열용량은 상기 제1 및 제2 리큐퍼레이터에서 요구되는 열용량보다 큰 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제한 열교환기는 제1 제한 열교환기 내지 제4 제한 열교환기를 포함하고, 상기 제1 제한 열교환기는 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하고, 상기 제2 제한 열교환기는 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하며, 상기 제3 및 제4 제한 열교환기는 상기 제3 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 제한 열교환기 내지 제4 제한 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 저압 터빈 및 고압 터빈으로 유입되고, 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체는 쿨러로 유입되어 냉각되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 작동 유체를 순환시키는 펌프와,
    외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와,
    상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과,
    복수 개로 구비되어 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체가 각각 유입되며, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 리큐퍼레이터를 포함하며,
    상기 열교환기는 폐열원으로부터 배출되는 폐열 기체의 열을 이용하는 열원이며, 배출단의 배출 규제 조건을 갖는 복수의 제한 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배출 규제 조건은 온도 조건인 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일하거나 상기 열교환기의 개수보다 적은 개수인 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저압 터빈과, 발전기를 구동시키는 고압 터빈을 포함하고, 상기 저압 터빈과 상기 고압 터빈을 각각 통과한 상기 작동 유체를 상기 복수의 리큐퍼레이터로 각각 공급하는 별도의 이송관을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 포함하고, 상기 제한 열교환기는 제1 내지 제4 제한 열교환기를 포함하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 제한 열교환기는 상기 제1 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하고, 상기 제2 제한 열교환기는 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하며, 상기 제3 및 제4 제한 열교환기는 상기 제3 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체를 가열하는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제16에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 제한 열교환기 중 어느 하나가 다른 하나보다 높은 온도의 상기 배출 규제 조건을 갖는 경우, 제1 제한 열교환기와 제2 제한 열교환기 중 상기 배출 규제 조건이 높은 온도 쪽으로 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체(mt2)를 보내는 상기 이송관이 연결되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제17 있어서,
    상기 제1 제한 열교환기 내지 제4 제한 열교환기를 통과한 상기 작동 유체는 상기 저압 터빈 및 고압 터빈으로 유입되고, 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체는 쿨러로 유입되어 냉각되는 것을 특징으로 하는 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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