WO2018110826A1 - 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템 Download PDF

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WO2018110826A1
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ejector
turbine
pressure
compressor
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이범준
백영진
신형기
조준현
이길봉
노철우
나호상
하피즈 알리 무하마드
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한국에너지기술연구원
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    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure

Definitions

  • the present invention relates to a leaky carbon dioxide reinjection system for a supercritical carbon dioxide generator, and more particularly, a leak for a supercritical carbon dioxide generator that re-injects carbon dioxide leaked from a turbine of the supercritical carbon dioxide generator using a compressor and an ejector. It relates to a carbon dioxide re-injection system.
  • Supercritical carbon dioxide generation technology is a Brayton cycle type power generation technology that drives a turbine by heating carbon dioxide compressed to a high pressure above a critical pressure to a high temperature.
  • a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator includes: a turbine driven using supercritical carbon dioxide; A compressor for compressing the carbon dioxide leaked from the turbine and collecting the carbon dioxide, and boosting the pressure to the first higher than the first set pressure; Bypassing a portion of the high pressure carbon dioxide before entering the inlet of the turbine to the primary flow, and inhaling the carbon dioxide from the compressor in a secondary flow, the second set of the sucked carbon dioxide An ejector for boosting the secondary pressure above the pressure and injecting it back into the discharge side of the turbine; An ejector main supply channel branched from a turbine suction channel formed to supply carbon dioxide to the inlet of the turbine, and connected to a primary inlet of the ejector; An ejector subsupply flow passage connecting the outlet of the compressor and the secondary inlet of the ejector; And an ejector discharge passage connecting the outlet of the ejector to a turbine discharge passage configured to discharge carbon dioxide from the turbine outlet.
  • a leaky carbon dioxide reinjection system for a supercritical carbon dioxide generator includes: a turbine driven using supercritical carbon dioxide; A compressor for compressing the carbon dioxide leaked from the turbine and collecting the carbon dioxide, and boosting the pressure to the first higher than the first set pressure; Bypassing some of the low pressure carbon dioxide discharged from the turbine outlet to the primary flow, and inhalation of the carbon dioxide compressed by the compressor in a secondary flow, the second set of the sucked carbon dioxide A first ejector for boosting the secondary pressure above the pressure; Bypassing some of the high-pressure carbon dioxide before entering the inlet of the turbine to the primary flow, and sucked up the carbon dioxide boosted from the first ejector in a secondary flow, the sucked carbon dioxide A second ejector which boosts the pressure to the discharge side of the turbine after boosting the pressure to a third degree above a third set pressure; A first ejector main supply passage branched from a turbine discharge passage configured to discharge carbon dioxide from an outlet of the turbine and
  • a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator includes: a turbine driven using supercritical carbon dioxide; A compressor for boosting the carbon dioxide leaked from the turbine and collected therein firstly above a first set pressure; Bypassing some of the high pressure carbon dioxide before entering the inlet of the turbine to the primary flow, and the carbon dioxide compressed by the compressor is sucked into the secondary flow to remove the sucked carbon dioxide A first ejector for boosting the secondary pressure more than the second set pressure; The other part of the high pressure carbon dioxide before entering the turbine inlet is sucked into the primary flow, and the carbon dioxide boosted from the first ejector is sucked into the secondary flow to remove the sucked carbon dioxide.
  • a second ejector for boosting in a third direction above a predetermined pressure and joining the discharge side of the turbine;
  • An ejector supply passage formed branched from the turbine suction passage formed to supply carbon dioxide to the inlet of the turbine;
  • a first ejector main supply channel branched from the ejector supply channel, and connected to a primary inlet of the first ejector;
  • a second ejector main supply channel branched from the ejector supply channel, and connected to a primary inlet of the second ejector;
  • a second ejector subsupply flow passage connecting the outlet of the first ejector and the secondary inlet of the second ejector;
  • And a second ejector discharge passage connecting the outlet of the second ejector to the turbine discharge passage.
  • the present invention collects the carbon dioxide leaking from the turbine of the supercritical carbon dioxide generator, presses it up in sequence using a compressor and an ejector, and re-injects the carbon dioxide.
  • FIG. 1 is a view showing a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the configuration and internal pressure distribution of the ejector according to the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flow chart illustrating a performance calculation method of a leaky carbon dioxide re-injection system using a compressor and an ejector according to the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing an increase in net work of a turbine in a leaky carbon dioxide reinjection system using a compressor and one ejector according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing an increase in the net work of the turbine in the leakage carbon dioxide re-injection system using a compressor and two ejectors according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator according to a first embodiment of the present invention.
  • the leaky carbon dioxide reinjection system 20 for the supercritical carbon dioxide generator 10 may include a compressor 21, an ejector 30, and an ejector main supply passage 31. ), An ejector sub-supply channel 32 and an ejector discharge channel 33.
  • the supercritical carbon dioxide generator 10 includes, for example, a turbine 11, a recuperator 12, a cooler 14, a pump 16, and a heater 18.
  • the supercritical carbon dioxide generator 10 is described as being a supercritical cycle rather than a normal Brayton cycle. However, the present invention is not limited thereto, and the supercritical carbon dioxide generator may be applied to any configuration as long as it generates power using supercritical carbon dioxide.
  • the turbine 11 is supplied with supercritical carbon dioxide (S-CO 2 , Supercritical CO 2 ) above a critical temperature heated by the heater 18, and is driven through an expansion process to generate work.
  • the inlet 11a of the turbine 11 and the heater 18 are connected to the turbine suction passage 41.
  • the recuperator 12 is also called a recuperator or a heat regenerator, and recovers the heat of the supercritical carbon dioxide from the turbine 11 to heat the supercritical carbon dioxide introduced into the heater 18. .
  • One side of the heat recovery unit 12 is disposed on a flow path connecting the turbine 11 and the cooler 14, and the other side is disposed on a flow path connecting the pump 16 and the heater 18. do.
  • the outlet 11b of the turbine 11 and the heat recoverer 12 are connected to the turbine discharge passage 42.
  • the cooler 14 is a condenser that cools supercritical carbon dioxide that has passed through the heat recovery unit 12, and the heater 18 receives supercritical carbon dioxide that has passed through the heat recovery unit 12 by receiving an external heat source. Heat.
  • the compressor 21 is a leakage carbon dioxide re-injection compressor that compresses and boosts carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected to the power generator 10 for re-injection.
  • the compressor 21 and the turbine 11 are connected to the leaked carbon dioxide collecting passage 22.
  • the carbon dioxide leaked from the turbine 11 may be collected using a separate collecting means, and may be supplied to the compressor 21.
  • the pressure of the carbon dioxide leaked from the turbine 11 is about 1.2 bar, which is similar to atmospheric pressure. Therefore, the compressor 21 serves to boost the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected therein to a primary level above a first preset pressure.
  • the ejector 30 is a leaky carbon dioxide re-injection ejector for boosting secondary compression to boost the leaked carbon dioxide boosted by the compressor 21 to the power generator 10.
  • the ejector 30 is disposed between the compressor 21 and the outlet side of the turbine 11 to boost the carbon dioxide boosted primarily by the compressor 21 to a second preset pressure.
  • the ejector 30 includes a primary inlet 30a, a secondary inlet 30b and a discharge port 30c.
  • the ejector 30 sucks some of the high pressure carbon dioxide before flowing into the inlet 11a of the turbine 11 into the primary flow of the ejector 30.
  • the primary inlet 30a of the ejector 30 and the turbine suction passage 41 are connected by the ejector main supply passage 31.
  • the ejector main supply passage 31 is branched from the turbine suction passage 41 to guide a portion of the high pressure carbon dioxide to the ejector 30 before entering the turbine 11.
  • the flow rate control valve 50 is installed at the branch point of the ejector main supply passage 31 in the turbine suction passage 41.
  • the flow control valve 50 controls the mass flow of carbon dioxide sucked into the ejector main supply passage 31.
  • the ejector 30 sucks carbon dioxide primarily boosted by the compressor 21 into a secondary flow of the ejector 30.
  • the sub inlet 30b of the ejector and the outlet of the compressor 21 are connected by the ejector sub supply passage 32.
  • the ejector subsupply flow passage 32 guides the carbon dioxide primarily boosted by the compressor 21 to the sub inlet 30b of the ejector.
  • the ejector discharge passage 33 connects the discharge port 30c of the ejector 30 to the turbine discharge passage 42.
  • the ejector discharge channel 33 injects carbon dioxide, which has been boosted at the discharge port 30c of the ejector 30, into the turbine discharge channel 42 to be joined.
  • the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected is sucked into the compressor 21. At this time, the pressure of the carbon dioxide leaked from the turbine 11 is about 1.2 bar.
  • the compressor 21 boosts the leaked carbon dioxide above a first predetermined pressure.
  • the first set pressure is set to a pressure much lower than the pressure of the low pressure portion, which is the discharge side of the turbine 11, to reinject the carbon dioxide.
  • the pressure of the low pressure part of the turbine 11 is about 57 to 80 bar, and the first set pressure is about 25 to 45 bar.
  • the compressor 21 and the ejector 30 are used together, instead of using only the compressor alone to boost the leaked carbon dioxide, the low pressure portion of the turbine 11 in the compressor 21. There is no need to boost the pressure. Therefore, power consumption of the compressor 21 can be minimized.
  • Carbon dioxide which is primarily boosted by the compressor 21, is sucked into the secondary inlet 30b of the ejector 30. At this time, high pressure carbon dioxide branched from the turbine suction passage 41 is sucked into the main inlet 30a of the ejector 30.
  • the ejector 30 sucks the carbon dioxide in the high pressure state as the main flow and the carbon dioxide boosted by the compressor 21 as the secondary flow as the secondary flow.
  • the pressure Pp of the carbon dioxide branched from the turbine suction passage 41 and sucked into the main flow of the ejector 30 is about 135 bar.
  • the pressure Ps of the carbon dioxide exiting the compressor 21 and sucked into the sub-flow of the ejector 30 is about 25 to 45 bar.
  • FIG. 2 is a view showing the configuration and internal pressure distribution of the ejector according to the present invention.
  • the carbon dioxide in the main flow in the high pressure state and the carbon dioxide in the sub flow in the low pressure state are mixed so that the pressure Pb of the carbon dioxide discharged from the ejector 30 is about 57 bar.
  • the pressure Pb of the carbon dioxide discharged from the ejector 30 is similar to the pressure of the carbon dioxide discharge side of the turbine discharge passage 42, that is, the pressure of the carbon dioxide of the low pressure portion of the power generator 10, and thus the discharge side of the turbine 11. Easy to join
  • the carbon dioxide having the atmospheric pressure level leaked from the turbine 11 is boosted by the compressor 21 and the ejector 30 in order, and then re-injected to the discharge side of the turbine 11. .
  • FIG 3 is a view showing a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator according to a second embodiment of the present invention.
  • the leaky carbon dioxide re-injection system 120 for the supercritical carbon dioxide power generation apparatus includes two compressors 121 and two carbon dioxide leaked and collected from the turbine 11. Since the step-up using the ejector 130 and then re-injection to the discharge side of the turbine 11 are different from those in the first embodiment, the same reference numerals are used for similar configurations and only different configurations will be described in detail.
  • the compressor 121 compresses the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected.
  • the compressor 121 and the turbine 11 are connected to the leaked carbon dioxide collecting passage 122.
  • the carbon dioxide leaked from the turbine 11 may be collected using a separate collecting means, and may be supplied to the compressor 121.
  • the pressure of the carbon dioxide leaked from the turbine 11 is about 1.2 bar, which is similar to atmospheric pressure. Therefore, the compressor 121 serves to boost the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected therein to a primary level above a first preset pressure.
  • the ejector 130 includes a first ejector 131 and a second ejector 132.
  • the main inlet 131a of the first ejector 131 and the turbine discharge passage 42 are connected to the first ejector main supply passage 141.
  • the sub inlet 131b of the first ejector 131 and the compressor 121 are connected to the first ejector sub supply passage 142.
  • the first ejector 131 sucks some of the carbon dioxide in a low pressure state discharged into the turbine discharge passage 42 into the main flow through the first ejector main supply passage 141. In addition, the first ejector 131 sucks carbon dioxide from the compressor 121 into the sub-flow through the first ejector sub-supply flow passage 142.
  • the first ejector 131 secondly boosts the carbon dioxide boosted by the compressor 121 to a second preset pressure.
  • the main inlet 132a of the second ejector 132 and the turbine suction passage 41 are connected to the second ejector main supply passage 151.
  • the secondary inlet 132b of the second ejector 132 and the first ejector 131 are connected to the second ejector sub supply passage 152.
  • the second ejector 132 sucks a part of the high pressure carbon dioxide before being sucked into the turbine suction channel 41 through the second ejector main supply channel 151 to the main flow.
  • the second ejector 132 sucks carbon dioxide from the first ejector 131 into the sub-flow through the second ejector sub-supply passage 152.
  • the second ejector 132 boosts carbon dioxide secondaryly boosted by the first ejector 131 to a third set pressure set higher than the second set pressure in a third order.
  • the outlet of the second ejector 132 and the turbine discharge passage 42 are connected to the second ejector discharge passage 153.
  • the second ejector discharge passage 153 is connected to the downstream side of the turbine discharge passage 42 rather than a branch point of the first ejector main supply passage 141.
  • a first flow rate control valve 160 is installed at the point where the first ejector main supply passage 141 branches from the turbine discharge passage 42.
  • the first flow rate control valve 160 controls the mass flow rate of carbon dioxide discharged from the turbine 11 and supplied to the first ejector 131.
  • a second flow rate control valve 170 is installed at a point at which the second ejector main supply passage 142 branches from the turbine suction passage 41.
  • the second flow rate control valve 170 controls the mass flow rate of carbon dioxide supplied to the second ejector 132 before being sucked into the turbine 11.
  • the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected is sucked into the compressor 121. At this time, the pressure of the carbon dioxide leaked from the turbine 11 is about 1.2 bar.
  • the compressor 121 boosts the leaked carbon dioxide above a first predetermined pressure.
  • the first set pressure is set to a pressure much lower than the pressure of the low pressure portion, which is the discharge side of the turbine 11, to reinject the carbon dioxide.
  • Carbon dioxide which is primarily boosted by the compressor 121, is sucked into the secondary inlet 131b of the first ejector 131.
  • the mass flow rate of the carbon dioxide bypassed to the first ejector main supply passage 141 is controlled by the first flow rate control valve 160.
  • the first ejector 131 sucks carbon dioxide in a low pressure state branched from the discharge side of the turbine 11 as a main flow, and takes carbon dioxide boosted primarily by the compressor 121 as a secondary flow.
  • the main flow and the sub-flow are mixed and discharged after being boosted to the second set pressure in a second manner.
  • the carbon dioxide discharged from the first ejector 131 is sucked into the secondary inlet 132b of the second ejector 132.
  • the mass flow rate of the carbon dioxide bypassed to the second ejector main supply passage 142 may be controlled by the second flow rate control valve 170.
  • the mass flow rate of the carbon dioxide supplied to the second ejector supply passage 142 may be controlled in consideration of an increase in the net work of the turbine calculated by the method described below.
  • the second ejector 132 uses the carbon dioxide in the high pressure state branched from the suction side of the turbine 11 as the main flow, and uses the carbon dioxide boosted secondly in the first ejector 131 as the secondary flow. Inhale.
  • the third set pressure is set to be equal to or greater than the pressure on the discharge side of the turbine 11, that is, the low pressure portion of the power generator 10.
  • Carbon dioxide discharged from the second ejector 132 is re-injected to the discharge side of the turbine 11.
  • the turbine Re-injection is possible on the discharge side of (11).
  • the main flow of the first ejector 131 uses carbon dioxide in a low pressure state discharged from the turbine 11, and the main flow of the second ejector 132 is a high pressure discharged from the turbine 11. Uses carbon dioxide.
  • FIG. 4 is a view showing a leaky carbon dioxide re-injection system for a supercritical carbon dioxide generator according to a third embodiment of the present invention.
  • the leaky carbon dioxide re-injection system 220 for the supercritical carbon dioxide generator includes two compressors 221 and two carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected. After boosting by using the ejector 230, the gas is re-injected into the discharge side of the turbine 11, and some of the first and second ejectors 231 and 232 of the high-pressure carbon dioxide before being sucked into the turbine 11 are supplied. Since supplying to the main flows of the?
  • the compressor 221 compresses the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected.
  • the compressor 221 and the turbine 11 are connected to the leaked carbon dioxide capture passage 222.
  • the carbon dioxide leaked from the turbine 11 may be collected using a separate collecting means, and may be supplied to the compressor 221.
  • the pressure of the carbon dioxide leaked from the turbine 11 is about 1.2 bar, which is similar to atmospheric pressure. Accordingly, the compressor 221 serves to boost the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected therein to a primary level above a first preset pressure.
  • the turbine suction passage 41 is connected to an ejector supply passage 240 for bypassing carbon dioxide in a high pressure state before being sucked into the turbine 11 toward the ejector 230.
  • the ejector supply channel 240 branches into the first ejector main supply channel 241 and the second ejector main supply channel 242.
  • the first ejector main supply passage 241 is a passage formed to guide some of the high pressure carbon dioxide before being sucked into the turbine 11 to the main inlet 231a of the first ejector 231.
  • the first ejector main supply passage 241 is provided with a first flow control valve 260 for controlling the mass flow rate of carbon dioxide supplied to the first ejector 231.
  • the second ejector main supply passage 242 is a passage formed to guide some of the high pressure carbon dioxide before being sucked into the turbine 11 to the main inlet 232a of the second ejector 232.
  • the second ejector main supply passage 242 is provided with a second flow rate control valve 270 that controls the mass flow rate of carbon dioxide supplied to the second ejector 232.
  • the first ejector main supply passage 241 is connected to the main inlet 231a of the first ejector 231, and the first ejector sub supply passage 251 is connected to the secondary inlet 231b.
  • the first ejector 231 sucks some of the carbon dioxide in a high pressure state before being sucked into the turbine 11 as a main flow, and sucks carbon dioxide emitted from the compressor 221 as a sub-flow.
  • the pressurized carbon dioxide is boosted second to the second set pressure.
  • the second ejector main supply passage 242 is connected to the main inlet 232a of the second ejector 232, and the second ejector sub supply passage 252 is connected to the secondary inlet 232b.
  • the second ejector sub supply passage 252 connects the outlet of the first ejector 231 and the secondary inlet 232b of the second ejector 232 to boost up the secondary of the first ejector 231. It is formed to guide the carbon dioxide to the secondary inlet (232b) of the second ejector (232).
  • the second ejector 232 sucks some of the carbon dioxide in a high pressure state before being sucked into the turbine 11 as a main flow, and sucks carbon dioxide emitted from the first ejector 231 as a secondary flow.
  • the third step is to boost the sucked carbon dioxide to the third set pressure.
  • a second ejector discharge passage 253 is connected to the outlet of the second ejector 232.
  • the second ejector discharge passage 253 connects the outlet of the second ejector 232 and the turbine discharge passage 42 to supply carbon dioxide boosted in a third manner by the second ejector 232 to the turbine 11. Is injected to the discharge side of the substrate.
  • the carbon dioxide leaked from the turbine 11 and collected is sucked into the compressor 221. At this time, the pressure of the carbon dioxide leaked from the turbine 11 is about 1.2 bar.
  • the compressor 221 boosts the leaked carbon dioxide above a first predetermined pressure.
  • the first set pressure is set to a pressure much lower than the pressure of the low pressure portion, which is the discharge side of the turbine 11, to reinject the carbon dioxide.
  • Carbon dioxide which is primarily boosted by the compressor 221, is sucked into the secondary inlet 231b of the first ejector 231.
  • the mass flow rate of the carbon dioxide bypassed to the ejector supply passage 240 is controlled by the second flow control valve 270.
  • the mass flow rate of the carbon dioxide supplied to the ejector supply passage 240 may be controlled in consideration of an increase in the net work of the turbine calculated by the method described below.
  • Some of the carbon dioxide bypassed to the ejector supply passage 240 is sucked into the main inlet 231a of the first ejector 231, and the other is sucked into the main inlet 232a of the second ejector 232. .
  • the mass flow rate sucked into the first ejector 231 among the carbon dioxide bypassed to the ejector supply passage 240 may be controlled through the first flow control valve 260.
  • the first ejector 231 sucks carbon dioxide in a high pressure state introduced into the first ejector main supply passage 241 as a main flow, and sucks carbon dioxide boosted primarily by the compressor 221 as a secondary flow. do. Therefore, in the first ejector 231, the main flow and the sub flow are mixed and boosted to the second set pressure, and then discharged.
  • the carbon dioxide discharged from the first ejector 231 is sucked into the secondary inlet 232b of the second ejector 232.
  • the second ejector 232 uses the carbon dioxide in the high pressure state introduced into the second ejector main supply passage 242 as the main flow, and the carbon dioxide boosted in the second ejector 231 as the secondary flow as the sub flow. Inhale. Therefore, in the second ejector 232, the main flow and the sub-flow are mixed and discharged after being boosted in the third to the third set pressure.
  • the third set pressure is set to be equal to or greater than the pressure on the discharge side of the turbine 11, that is, the low pressure portion of the power generator 10.
  • Carbon dioxide discharged from the second ejector 232 is re-injected to the discharge side of the turbine (11).
  • the carbon dioxide having the atmospheric pressure level leaked from the turbine 11 can be boosted by the compressor 221, the first ejector 231, and the second ejector 232, the turbine in order. Re-injection is possible on the discharge side of (11).
  • first and second ejectors 231 and 232 will be described.
  • the present invention is not limited thereto, and two or more ejectors may be connected and used in multiple stages.
  • the ejector at the lowest stage of the plurality of ejectors sucks carbon dioxide from the compressor 221 into a subflow, and the ejectors of the remaining stages feed carbon dioxide from the ejector of the previous stage into a subflow. Inhalation is possible.
  • the plurality of ejectors may respectively bypass the carbon dioxide before being sucked into the turbine 11 and suck it into the main flow, and some of the ejectors may bypass the carbon dioxide bypassed from the suction side of the turbine 11. It is of course possible to suck the carbon dioxide bypassed from the discharge side of the turbine 11 as a secondary flow.
  • FIG. 5 is a flow chart illustrating a performance calculation method of a leaky carbon dioxide re-injection system using a compressor and an ejector according to the present invention.
  • the fixed parameters leakage carbon dioxide mass flow (kg / s) (m l ) leaked from the turbine 11, the leakage carbon dioxide pressure (P l ), the leakage carbon dioxide temperature ( T l ), the mass flow of carbon dioxide sucked into the main flow of the ejector (m p, A , m p, I, B , m p, II, B ).
  • the m p, A is the flow rate sucked into the main flow of the ejector 30 in the first embodiment (A).
  • the m p, I, B is a flow rate which is bypassed at the suction side of the turbine 11 in the second embodiment (B) and sucked into the main flow of the second ejector 132
  • the m p, II , B is a flow rate which is bypassed at the discharge side of the turbine 11 in the second embodiment and sucked into the main flow of the first ejector 131.
  • the compressor discharge pressure is equal to or higher than the low pressure part pressure of the turbine 11 in the supercritical carbon dioxide generator 10.
  • the compressor discharge pressure is a value between the leak pressure and the low pressure part pressure of the turbine 11.
  • the temperature (T int ) and the compression day (W 1 ) of the carbon dioxide discharged from the compressors 21 and 121 are calculated.
  • Input value input to the compressor model the leakage of carbon dioxide mass flow leakage in the turbine (11) (m l), the leakage of carbon dioxide pressure (P l), the leakage of carbon dioxide the temperature (T l), wherein the compressor (21) It includes an isentropic efficiency ( ⁇ ), the compressor discharge pressure (P int), such as 121.
  • Input values input to the ejector model include pressure (P p ), temperature (T p ), mass flow rate (m p ), and ejector 20 of carbon dioxide sucked into the main flow of the ejector 20, 130. And pressure (P s ), temperature (T s ), and mass flow rate (m s ) of carbon dioxide sucked into the secondary flow of 130.
  • the discharge pressure of the compressor 21 and 121 may be increased. Control the drive.
  • the net amount of increase (W net, inc ) of the turbine 11 is the net work (Wc) of the compressor alone re-injection power generation system in the net work (W) of the power generation system with the ejector and the compressor.
  • Minus divided by the net day (Wc) of the compressor re-injection power generation system (W net, inc (W-Wc) / Wc)
  • the diameter (dt) of the nozzle provided at the main inlet of the ejector (30) 130 and the diameter (dm) of the narrowest cross-sectional area of the ejector (20) 130 is also calculated.
  • the dt and dm it is possible to determine the ejector shape in consideration of the mass flow rate of the ejector (30, 130).
  • FIG. 6 is a graph showing an increase in net work of a turbine in a leaky carbon dioxide reinjection system using a compressor and one ejector according to a first embodiment of the present invention.
  • the turbine 11 according to a change in the mass flow rate m p, A of carbon dioxide in a high temperature and high pressure state branched from the suction side of the turbine 11 and sucked into the main flow of the ejector 30. Represents the net increase in net work (W net, inc ).
  • An increase in the net work amount W net, inc of the turbine 11 can be expected to be up to about 25%.
  • the mass flow rate (m p, A ) of the carbon dioxide sucked into the main flow of the ejector 30 is adjusted so that the net work increment W net, inc of the turbine 11 is maximum.
  • Figure 7 is a graph showing the increase in the net work of the turbine in the leakage carbon dioxide re-injection system using a compressor and two ejectors according to a second embodiment of the present invention.
  • a leaky carbon dioxide reinjection system for a supercritical carbon dioxide power generation unit that collects carbon dioxide leaking from a turbine of a supercritical carbon dioxide power generation unit, and then boosts and reinjects it by using a compressor and an ejector.

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Abstract

본 발명은, 초임계 이산화탄소 발전장치의 터빈에서 누설되는 이산화탄소를 포집하여, 압축기와 이젝터를 이용하여 차례로 승압시켜 다시 재주입함으로써, 누설된 이산화탄소의 재주입이 용이하다. 또한, 압축기와 이젝터를 함께 사용함으로써, 압축기의 동력 소모를 최소화시켜 효율이 향상될 수 있다. 또한, 터빈으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 이젝터의 주 유동으로 흡입함으로써, 이젝터에서 이산화탄소를 승압시키는 것이 용이한 이점이 있다.

Description

초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템
본 발명은 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초임계 이산화탄소 발전장치의 터빈에서 누설된 이산화탄소를 압축기와 이젝터를 이용하여 재주입시키는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템에 관한 것이다.
기존 에너지원의 활용성과 전력수급의 효율성을 향상시키기 위해 고효율 전력생산 기술의 향상에 대한 관심이 지속적으로 증대되고 있다. 고효율 전력생산 기술 향상을 위한 대안으로 초임계 이산화탄소 발전 기술에 대한 연구개발이 활성화되고 있다.
초임계 이산화탄소 발전 기술은, 임계 압력 이상의 초고압으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈을 구동하는 브레이튼(Brayton)사이클 방식의 전력생산 기술이다.
그러나, 초임계 이산화탄소 발전장치의 운전시, 터빈 측에서 이산화탄소가 누설되는 현상이 발생된다. 이산화탄소의 누설을 방지하기 위하여 시일(seal) 등을 적용하더라도 상당한 양의 이산화탄소의 누설이 발생되는 문제점이 있다. 스팀 발전 장치의 경우 스팀이 누설되더라도 누설량만큼 추가 보충이 용이하나, 초임계 이산화탄소 발전장치의 경우, 이산화탄소를 추가로 공급하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 누설된 이산화탄소를 포집하여 다시 재주입할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템은, 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과; 상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축하여 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 압축기와; 상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 압축기에서 나온 이산화탄소를 부(secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정압력 이상으로 2차로 승압시킨 후, 상기 터빈의 토출측으로 다시 주입시키는 이젝터와; 상기 터빈의 입구로 이산화탄소를 공급하도록 형성된 터빈 흡입유로에서 분기되어, 상기 이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 이젝터 주공급유로와; 상기 압축기의 출구와 상기 이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 이젝터 부공급유로와; 상기 이젝터의 출구를 상기 터빈의 출구에서 이산화탄소를 토출하도록 형성된 터빈 토출유로에 연결하는 이젝터 토출유로를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템은, 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과; 상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축하여 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 압축기와; 상기 터빈의 출구에서 토출되는 저압상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 압축기에서 압축되어 나온 이산화탄소를 부 (secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정 압력 이상으로 2차로 승압시키는 제1이젝터와; 상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 제1이젝터에서 승압되어 나온 이산화탄소를 부(secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제3설정 압력 이상으로 3차로 승압시킨 후, 상기 터빈의 토출측으로 다시 주입시키는 제2이젝터와; 상기 터빈의 출구에서 이산화탄소를 토출하도록 형성된 터빈 토출유로에서 분기되어, 상기 제1이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제1이젝터 주공급유로와; 상기 압축기의 출구와 상기 제1이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제1이젝터 부공급유로와; 상기 터빈의 입구로 이산화탄소를 공급하도록 형성된 터빈 흡입유로에서 분기되어, 상기 제2이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제2이젝터 주공급유로와; 상기 제1이젝터의 출구와 상기 제2이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제2이젝터 부공급유로와; 상기 제2이젝터의 출구를 상기 터빈 토출유로에 연결하는 제2이젝터 토출유로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템은, 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과; 상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 압축기와; 상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 압축기에서 압축되어 나온 이산화탄소를 부(secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정 압력 이상으로 2차로 승압시키는 제1이젝터와; 상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 다른 일부를 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 제1이젝터에서 승압되어 나온 이산화탄소를 부 (secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제3설정 압력 이상으로 3차로 승압시킨 후, 상기 터빈의 토출측으로 합류시키는 제2이젝터와; 상기 터빈의 입구로 이산화탄소를 공급하도록 형성된 터빈 흡입유로에서 분기되어 형성된 이젝터 공급유로와; 상기 이젝터 공급유로에서 분기되어, 상기 제1이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제1이젝터 주공급유로와; 상기 압축기의 출구와 상기 제1이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제1이젝터 부공급유로와; 상기 이젝터 공급유로에서 분기되어, 상기 제2이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제2이젝터 주공급유로와; 상기 제1이젝터의 출구와 상기 제2이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제2이젝터 부공급유로와; 상기 제2이젝터의 출구를 상기 터빈 토출유로에 연결하는 제2이젝터 토출유로를 포함한다.
본 발명은, 초임계 이산화탄소 발전장치의 터빈에서 누설되는 이산화탄소를 포집하여, 압축기와 이젝터를 이용하여 차례로 승압시켜 다시 재주입함으로써, 누설된 이산화탄소의 재주입이 용이하다.
또한, 압축기와 이젝터를 함께 사용함으로써, 압축기의 동력 소모를 최소화시켜 효율이 향상될 수 있다.
또한, 터빈으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 이젝터의 주 유동으로 흡입함으로써, 이젝터에서 이산화탄소를 승압시키는 것이 용이한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이젝터의 구성과 내부 압력 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 압축기와 이젝터를 이용한 누설 이산화탄소 재주입 시스템의 성능 계산 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 압축기와 1개의 이젝터를 이용한 누설 이산화탄소 재주입 시스템에서 터빈의 순 일의 증가량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 압축기와 2개의 이젝터를 이용한 누설 이산화탄소 재주입 시스템에서 터빈의 순 일의 증가량을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치(10)용 누설 이산화탄소 재주입 시스템(20)은, 압축기(21), 이젝터(30), 이젝터 주공급유로(31), 이젝터 부공급유로(32) 및 이젝터 토출유로(33)를 포함한다.
상기 초임계 이산화탄소 발전장치(10)는, 터빈(11), 열회수기(Recuperator)(12), 쿨러(14), 펌프(16), 히터(18)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 초임계 이산화탄소 발전장치(10)는, 일반 브레이튼 사이클이 아닌 초임계(Supercritical) 사이클인 것으로 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 초임계 이산화탄소 발전장치는 초임계 이산화탄소를 이용하여 발전하는 장치라면 어느 구성이나 적용 가능하다. 상기 터빈(11)은, 상기 히터(18)에서 가열된 임계 온도 이상의 초임계 이산화탄소(S-CO2, Supercritical CO2)를 공급받고, 팽창과정을 거치면서 구동되어 일을 생성한다. 상기 터빈(11)의 입구(11a)와 상기 히터(18)는 터빈 흡입유로(41)로 연결된다. 상기 열회수기(Recuperator)(12)는 복열기 또는 열재생기라고도 하며, 상기 터빈(11)에서 나온 초임계 이산화탄소의 열을 회수하여 상기 히터(18)로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 역할을 한다. 상기 열회수기(12)의 일측은, 상기 터빈(11)과 상기 쿨러(14)를 연결하는 유로상에 배치되고, 타측은 상기 펌프(16)와 상기 히터(18)를 연결하는 유로상에 배치된다. 상기 터빈(11)의 출구(11b)와 상기 열회수기(12)는 터빈 토출유로(42)로 연결된다. 상기 쿨러(14)는, 상기 열회수기(12)를 통과한 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 응축기이고, 상기 히터(18)는, 외부 열원을 공급받아서 상기 열회수기(12)를 통과한 초임계 이산화탄소를 가열한다.
상기 압축기(21)는, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 상기 발전장치(10)로 재주입하기 위해 압축하여 승압시키는 누설 이산화탄소 재주입용 압축기이다.
상기 압축기(21)와 상기 터빈(11)은, 누설 이산화탄소 포집유로(22)로 연결된다. 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소는 별도의 포집수단을 이용하여 포집되어, 상기 압축기(21)로 공급될 수 있다. 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소의 압력은 약 1.2bar로서 대기압과 비슷한 수준이다. 따라서, 상기 압축기(21)는, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 미리 설정된 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 역할을 한다.
상기 이젝터(30)는, 상기 압축기(21)에서 1차로 승압된 누설 이산화탄소를 상기 발전장치(10)로 재주입하기 위해 2차 압축하여 승압시키는 누설 이산화탄소 재주입용 이젝터이다.
상기 이젝터(30)는, 상기 압축기(21)와 상기 터빈(11)의 출구측 사이에 배치되어, 상기 압축기(21)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 미리 설정된 제2설정압력까지 2차로 승압시킨다.
상기 이젝터(30)는, 주(primary) 입구(30a), 부(secondary) 입구(30b) 및 토출구(30c)를 포함한다.
상기 이젝터(30)는, 상기 터빈(11)의 입구(11a)로 유입되기 이전의 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 상기 이젝터(30)의 주(primary) 유동으로 흡입한다.
상기 이젝터(30)의 주(primary) 입구(30a)와 상기 터빈 흡입유로(41)는, 상기 이젝터 주공급유로(31)에 의해 연결된다.
상기 이젝터 주공급유로(31)는, 상기 터빈 흡입유로(41)에서 분기되어, 상기 터빈(11)으로 유입되기 이전에 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 상기 이젝터(30)로 바이패스하도록 안내한다.
상기 터빈 흡입유로(41)에서 상기 이젝터 주공급유로(31)가 분기되는 지점에는 유량제어밸브(50)가 설치된다. 상기 유량제어밸브(50)는, 상기 이젝터 주공급유로(31)로 흡입되는 이산화탄소의 질량 유량(mass flow)을 제어한다.
상기 이젝터(30)는, 상기 압축기(21)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 상기 이젝터(30)의 부(secondary) 유동으로 흡입한다.
상기 이젝터의 부 입구(30b)와 상기 압축기(21)의 출구는, 상기 이젝터 부공급유로(32)에 의해 연결된다.
상기 이젝터 부공급유로(32)는, 상기 압축기(21)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 상기 이젝터의 부 입구(30b)로 안내한다.
상기 이젝터 토출유로(33)는, 상기 이젝터(30)의 토출구(30c)와 상기 터빈 토출유로(42)를 연결한다. 상기 이젝터 토출유로(33)는, 상기 이젝터(30)의 토출구(30c)에서 2차로 승압된 이산화탄소를 상기 터빈 토출유로(42)로 주입하여 합류시킨다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 누설 이산화탄소 재주입 방법을 설명하면, 다음과 같다.
상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소는 상기 압축기(21)로 흡입된다. 이 때, 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소의 압력은 약 1.2bar이다.
상기 압축기(21)는, 상기 누설된 이산화탄소를 미리 설정된 제1설정 압력 이상으로 승압시킨다. 상기 제1설정 압력은, 상기 이산화탄소를 재주입하는 상기 터빈(11)의 토출측인 저압부의 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 설정된다. 상기 터빈(11)의 저압부의 압력은, 약 57 내지 80bar이고, 상기 제1설정 압력은 약 25 내지 45bar이다.
본 발명에서는, 누설된 이산화탄소를 승압시키기 위해 압축기만을 단독으로 사용하지 않고, 상기 압축기(21)와 상기 이젝터(30)를 함께 사용하기 때문에, 상기 압축기(21)에서 상기 터빈(11)의 저압부 압력까지 승압시킬 필요가 없다. 따라서, 상기 압축기(21)의 동력 소모를 최소화시킬 수 있다.
상기 압축기(21)에서 1차로 승압된 이산화탄소는 상기 이젝터(30)의 부 입구(30b)로 흡입된다. 이 때, 상기 이젝터(30)의 주 입구(30a)에는 상기 터빈 흡입유로(41)에서 분기되어 나온 고압 상태의 이산화탄소가 흡입된다.
즉, 상기 이젝터(30)는, 상기 고압 상태의 이산화탄소를 주 유동으로 하고, 상기 압축기(21)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 부 유동으로 하여 흡입한다.
상기 터빈 흡입유로(41)에서 분기되어 상기 이젝터(30)의 주 유동으로 흡입된 이산화탄소의 압력(Pp)은, 약 135bar이다. 상기 압축기(21)에서 나와 상기 이젝터(30)의 부 유동으로 흡입된 이산화탄소의 압력(Ps)은, 약 25 내지 45bar이다.
도 2는 본 발명에 따른 이젝터의 구성과 내부 압력 분포를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 고압 상태의 주 유동의 이산화탄소와 상기 저압 상태의 부 유동의 이산화탄소가 혼합되어, 상기 이젝터(30)에서 토출되는 이산화탄소의 압력(Pb)은 약 57bar 수준이 된다.
상기 이젝터(30)에서 토출되는 이산화탄소의 압력(Pb)은, 상기 터빈 토출유로(42)의 토출측, 즉 상기 발전장치(10)의 저압부의 이산화탄소의 압력과 비슷하여, 상기 터빈(11)의 토출측에 합류가 용이하다.
따라서, 본 발명에서는, 상기 터빈(11)에서 누설된 대기압 수준의 압력을 갖는 이산화탄소를 상기 압축기(21)와 상기 이젝터(30)에서 차례로 승압시킨 후, 상기 터빈(11)의 토출측에 재주입한다.
상기 압축기(21)만을 단독으로 사용하여 승압시킬 경우, 상기 압축기(21)에서 승압시켜야할 압력이 너무 높기 때문에, 상기 압축기(21)의 동력소모가 커질 수 있다. 또한, 상기 이젝터(30)만을 단독으로 사용하여 승압시킬 경우, 상기 이젝터(30)의 부 유동과 주 유동의 과도한 압력차이로 인해, 상기 이젝터(30)의 효율이 급격히 하강하게 된다. 따라서, 상기 압축기(21)와 상기 이젝터(30)를 함께 이용하는 것이 효율이 향상될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템(120)은, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축기(121)와 2개의 이젝터(130)를 이용하여 승압시킨 후 상기 터빈(11)의 토출측에 재주입하는 것이 상기 제1실시예와 상이하므로, 유사 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 상이한 구성에 대해서만 상세히 설명한다.
상기 압축기(121)는, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축한다. 상기 압축기(121)와 상기 터빈(11)은, 누설 이산화탄소 포집유로(122)로 연결된다. 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소는 별도의 포집수단을 이용하여 포집되어, 상기 압축기(121)로 공급될 수 있다. 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소의 압력은 약 1.2bar로서 대기압과 비슷한 수준이다. 따라서, 상기 압축기(121)는, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 미리 설정된 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 역할을 한다.
상기 이젝터(130)는, 제1이젝터(131)와 제2이젝터(132)를 포함한다.
상기 제1이젝터(131)의 주 입구(131a)와 상기 터빈 토출유로(42)는, 제1이젝터 주공급유로(141)로 연결된다.
상기 제1이젝터(131)의 부 입구(131b)와 상기 압축기(121)는, 제1이젝터 부공급유로(142)로 연결된다.
상기 제1이젝터(131)는, 상기 터빈 토출유로(42)로 토출되는 저압상태의 이산화탄소 중 일부를 상기 제1이젝터 주공급유로(141)를 통해 주 유동으로 흡입한다. 또한, 상기 제1이젝터(131)는, 상기 압축기(121)에서 나온 이산화탄소를 상기 제1이젝터 부공급유로(142)를 통해 부 유동으로 흡입한다.
상기 제1이젝터(131)는, 상기 압축기(121)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 미리 설정된 제2설정압력까지 2차로 승압시킨다.
상기 제2이젝터(132)의 주 입구(132a)와 상기 터빈 흡입유로(41)는, 제2이젝터 주공급유로(151)로 연결된다.
상기 제2이젝터(132)의 부 입구(132b)와 상기 제1이젝터(131)는, 제2이젝터 부공급유로(152)로 연결된다.
상기 제2이젝터(132)는, 상기 터빈 흡입유로(41)로 흡입되기 이전의 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 상기 제2이젝터 주공급유로(151)를 통해 주 유동으로 흡입한다. 또한, 상기 제2이젝터(132)는, 상기 제1이젝터(131)에서 나온 이산화탄소를 상기 제2이젝터 부공급유로(152)를 통해 부 유동으로 흡입한다.
상기 제2이젝터(132)는, 상기 제1이젝터(131)에서 2차로 승압된 이산화탄소를 상기 제2설정압력보다 높게 설정된 제3설정압력까지 3차로 승압시킨다.
상기 제2이젝터(132)의 출구와 상기 터빈 토출유로(42)는 제2이젝터 토출유로(153)로 연결된다. 상기 제2이젝터 토출유로(153)는, 상기 터빈 토출유로(42)에서 상기 제1이젝터 주공급유로(141)가 분기되는 지점보다 후류측에 연결된다.
상기 터빈 토출유로(42)에서 상기 제1이젝터 주공급유로(141)가 분기되는 지점에는 제1유량제어밸브(160)가 설치된다. 상기 제1유량제어밸브(160)는, 상기 터빈(11)에서 토출되어 상기 제1이젝터(131)로 공급되는 이산화탄소의 질량 유량을 제어한다.
상기 터빈 흡입유로(41)에서 상기 제2이젝터 주공급유로(142)가 분기되는 지점에는 제2유량제어밸브(170)가 설치된다. 상기 제2유량제어밸브(170)는, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전에 상기 제2이젝터(132)로 공급되는 이산화탄소의 질량유량을 제어한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 누설 이산화탄소 재주입 방법을 설명하면, 다음과 같다.
상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소는 상기 압축기(121)로 흡입된다. 이 때, 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소의 압력은 약 1.2bar이다.
상기 압축기(121)는, 상기 누설된 이산화탄소를 미리 설정된 제1설정 압력 이상으로 승압시킨다. 상기 제1설정 압력은, 상기 이산화탄소를 재주입하는 상기 터빈(11)의 토출측인 저압부의 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 설정된다.
상기 압축기(121)에서 1차로 승압된 이산화탄소는 상기 제1이젝터(131)의 부 입구(131b)로 흡입된다.
한편, 상기 터빈 토출유로(42)에서 토출된 저압 상태의 이산화탄소 중 일부는 상기 제1이젝터 주공급유로(141)로 바이패스된다.
상기 제1이젝터 주공급유로(141)로 바이패스되는 이산화탄소의 질량유량은 상기 제1유량제어밸브(160)에 의해 제어된다.
상기 제1이젝터(131)는, 상기 터빈(11)의 토출측에서 분기된 저압 상태의 이산화탄소를 주 유동으로 하고, 상기 압축기(121)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 부 유동으로 하여 흡입한다.
상기 제1이젝터(131)에서는 상기 주 유동과 상기 부 유동이 혼합되어 상기 제2설정압력으로 2차로 승압된 후 토출된다.
상기 제1이젝터(131)에서 토출된 이산화탄소는 상기 제2이젝터(132)의 부 입구(132b)로 흡입된다.
한편, 상기 터빈 흡입유로(41)로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부는 상기 제2이젝터 주공급유로(142)로 바이패스된다.
상기 제2이젝터 주공급유로(142)로 바이패스되는 이산화탄소의 질량유량은 상기 제2유량제어밸브(170)에 의해 제어할 수 있다. 후술하는 방법에 의해 계산되는 터빈의 순 일의 증가량을 고려하여, 상기 제2이젝터 공급유로(142)로 공급되는 이산화탄소의 질량유량을 제어할 수 있다.
따라서, 상기 제2이젝터(132)는, 상기 터빈(11)의 흡입측에서 분기된 고압 상태의 이산화탄소를 주 유동으로 하고, 상기 제1이젝터(131)에서 2차로 승압된 이산화탄소를 부 유동으로 하여 흡입한다.
상기 제2이젝터(132)에서는 상기 주 유동과 상기 부 유동이 혼합되어 상기 제3설정압력으로 승압된 후 토출된다. 상기 제3설정압력은, 상기 터빈(11)의 토출측, 즉 상기 발전장치(10)의 저압부의 압력이상으로 설정된다.
상기 제2이젝터(132)에서 토출된 이산화탄소는, 상기 터빈(11)의 토출측으로 재주입된다.
따라서, 본 발명에서는, 상기 터빈(11)에서 누설된 대기압 수준의 이산화탄소를 상기 압축기(121), 상기 제1이젝터(131), 상기 제2이젝터(132)에서 차례로 승압시킬 수 있기 때문에, 상기 터빈(11)의 토출측에 재주입이 가능하다.
상기 압축기(121)만을 단독으로 사용하여 승압시킬 경우, 상기 압축기(121)에서 승압시켜야할 압력이 너무 높기 때문에, 상기 압축기(121)의 동력소모가 커질 수 있다. 또한, 상기 이젝터(130)만을 단독으로 사용하여 승압시킬 경우, 상기 이젝터(130)의 부 유동과 주 유동의 과도한 압력차이로 인해, 상기 이젝터(130)의 효율이 급격히 하강하게 된다. 따라서, 상기 압축기(121)와 상기 이젝터(130)를 함께 이용하는 것이 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 2개의 제1,2이젝터(131)(132)를 사용하는 경우, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 이산화탄소를 모두 상기 제1,2이젝터(131)(132)의 주 유동으로 공급할 경우, 상기 터빈(11)으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량이 부족할 수 있다. 따라서, 상기 제1이젝터(131)의 주 유동은 상기 터빈(11)에서 토출되는 저압 상태의 이산화탄소를 이용하고, 상기 제2이젝터(132)의 주 유동은 상기 터빈(11)에서 토출되는 고압 상태의 이산화탄소를 이용한다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템(220)은, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축기(221)와 2개의 이젝터(230)를 이용하여 승압시킨 후 상기 터빈(11)의 토출측에 재주입하되, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소를 중 일부를 제1,2이젝터(231)(232)의 주 유동으로 각각 공급하는 것이 상기 제2실시예와 상이하므로, 유사 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 상이한 구성에 대해서만 상세히 설명한다.
상기 압축기(221)는, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축한다. 상기 압축기(221)와 상기 터빈(11)은, 누설 이산화탄소 포집유로(222)로 연결된다. 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소는 별도의 포집수단을 이용하여 포집되어, 상기 압축기(221)로 공급될 수 있다. 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소의 압력은 약 1.2bar로서 대기압과 비슷한 수준이다. 따라서, 상기 압축기(221)는, 상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 미리 설정된 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 역할을 한다.
상기 터빈 흡입유로(41)에는 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소를 상기 이젝터(230)측으로 바이패스시키기 위한 이젝터 공급유로(240)가 연결된다.
상기 이젝터 공급유로(240)는, 제1이젝터 주공급유로(241)와 제2이젝터 주공급유로(242)로 분기된다.
상기 제1이젝터 주공급유로(241)는, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 상기 제1이젝터(231)의 주 입구(231a)로 안내하도록 형성된 유로이다.
상기 제1이젝터 주공급유로(241)에는, 상기 제1이젝터(231)로 공급되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제1유량제어밸브(260)가 설치된다.
상기 제2이젝터 주공급유로(242)는, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 상기 제2이젝터(232)의 주 입구(232a)로 안내하도록 형성된 유로이다.
상기 제2이젝터 주공급유로(242)에는, 상기 제2이젝터(232)로 공급되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제2유량제어밸브(270)가 설치된다.
상기 제1이젝터(231)의 주 입구(231a)에는 상기 제1이젝터 주공급유로(241)가 연결되고, 부 입구(231b)에는 제1이젝터 부공급유로(251)가 연결된다.
따라서, 상기 제1이젝터(231)는, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 주 유동으로 흡입하고, 상기 압축기(221)에서 나온 이산화탄소를 부 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정압력으로 2차로 승압시킨다.
상기 제2이젝터(232)의 주 입구(232a)에는 상기 제2이젝터 주공급유로(242)가 연결되고, 부 입구(232b)에는 제2이젝터 부공급유로(252)가 연결된다.
상기 제2이젝터 부공급유로(252)는, 상기 제1이젝터(231)의 출구와 상기 제2이젝터(232)의 부 입구(232b)를 연결하여, 상기 제1이젝터(231)에서 2차로 승압된 이산화탄소를 상기 제2이젝터(232)의 부 입구(232b)로 안내하도록 형성된다.
따라서, 상기 제2이젝터(232)는, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 주 유동으로 흡입하고, 상기 제1이젝터(231)에서 나온 이산화탄소를 부 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제3설정압력으로 3차로 승압시킨다.
상기 제2이젝터(232)의 출구에는 제2이젝터 토출유로(253)가 연결된다. 상기 제2이젝터 토출유로(253)는, 상기 제2이젝터(232)의 출구와 상기 터빈 토출유로(42)를 연결하여, 상기 제2이젝터(232)에서 3차로 승압된 이산화탄소를 상기 터빈(11)의 토출측으로 주입하도록 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제3실시예에 따른 누설 이산화탄소 재주입 방법을 설명하면, 다음과 같다.
상기 터빈(11)에서 누설되어 포집된 이산화탄소는 상기 압축기(221)로 흡입된다. 이 때, 상기 터빈(11)에서 누설된 이산화탄소의 압력은 약 1.2bar이다.
상기 압축기(221)는, 상기 누설된 이산화탄소를 미리 설정된 제1설정 압력 이상으로 승압시킨다. 상기 제1설정 압력은, 상기 이산화탄소를 재주입하는 상기 터빈(11)의 토출측인 저압부의 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 설정된다.
상기 압축기(221)에서 1차로 승압된 이산화탄소는 상기 제1이젝터(231)의 부 입구(231b)로 흡입된다.
한편, 상기 터빈 흡입유로(41)로 흡입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부는 상기 이젝터 공급유로(240)로 바이패스된다. 상기 이젝터 공급유로(240)로 바이패스되는 이산화탄소의 질량유량은 상기 제2유량제어밸브(270)에 의해 제어된다. 후술하는 방법에 의해 계산되는 터빈의 순 일의 증가량을 고려하여, 상기 이젝터 공급유로(240)로 공급되는 이산화탄소의 질량유량을 제어할 수 있다.
상기 이젝터 공급유로(240)로 바이패스된 이산화탄소 중 일부는 상기 제1이젝터(231)의 주 입구(231a)로 흡입되고, 나머지는 상기 제2이젝터(232)의 주 입구(232a)로 흡입된다. 상기 이젝터 공급유로(240)로 바이패스된 이산화탄소 중 상기 제1이젝터(231)로 흡입되는 질량유량은 상기 제1유량제어밸브(260)를 통해 제어할 수 있다.
상기 제1이젝터(231)는, 상기 제1이젝터 주공급유로(241)로 유입된 고압 상태의 이산화탄소를 주 유동으로 흡입하고, 상기 압축기(221)에서 1차로 승압된 이산화탄소를 부 유동으로 하여 흡입한다. 따라서, 상기 제1이젝터(231)에서는 상기 주 유동과 상기 부 유동이 혼합되어 상기 제2설정압력으로 승압된 후 토출된다.
상기 제1이젝터(231)에서 토출된 이산화탄소는 상기 제2이젝터(232)의 부 입구(232b)로 흡입된다.
상기 제2이젝터(232)는, 상기 제2이젝터 주공급유로(242)로 유입된 고압 상태의 이산화탄소를 주 유동으로 하고, 상기 제1이젝터(231)에서 2차로 승압된 이산화탄소를 부 유동으로 하여 흡입한다. 따라서, 상기 제2이젝터(232)에서는 상기 주 유동과 상기 부 유동이 혼합되어 상기 제3설정압력으로 3차로 승압된 후 토출된다. 상기 제3설정압력은, 상기 터빈(11)의 토출측, 즉 상기 발전장치(10)의 저압부의 압력이상으로 설정된다.
상기 제2이젝터(232)에서 토출된 이산화탄소는 상기 터빈(11)의 토출측으로 재주입된다.
따라서, 본 발명에서는, 상기 터빈(11)에서 누설된 대기압 수준의 이산화탄소를 상기 압축기(221), 상기 제1이젝터(231), 상기 제2이젝터(232)에서 차례로 승압시킬 수 있기 때문에, 상기 터빈(11)의 토출측에 재주입이 가능하다.
상기 압축기(221)만을 단독으로 사용하여 승압시킬 경우, 상기 압축기(221)에서 승압시켜야할 압력이 너무 높기 때문에, 상기 압축기(221)의 동력소모가 커질 수 있다. 또한, 상기 이젝터(230)만을 단독으로 사용하여 승압시킬 경우, 상기 이젝터(230)의 부 유동과 주 유동의 과도한 압력차이로 인해, 상기 이젝터(230)의 효율이 급격히 하강하게 된다. 따라서, 상기 압축기(221)와 상기 이젝터(230)를 함께 이용하는 것이 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 2개의 제1,2이젝터(231)(232)를 사용하는 경우, 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 이산화탄소를 모두 상기 제1,2이젝터(231)(232)의 주 유동으로 공급하고, 상기 제1이젝터(231)로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량과 상기 제2이젝터(232)로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량을 각각 제어함으로써, 상기 터빈(11)으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량이 부족해지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는, 2개의 제1,2이젝터(231)(232)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 2개 이상의 복수의 이젝터들이 다단으로 연결되어 사용될 수 있다.
복수의 이젝터들을 사용하는 경우, 상기 복수의 이젝터들 중에서 최저단의 이젝터는 상기 압축기(221)에서 나온 이산화탄소를 부 유동으로 흡입하고, 나머지 단의 이젝터들은 이전 단의 이젝터에서 나온 이산화탄소를 부 유동으로 흡입할 수 있다.
또한, 상기 복수의 이젝터들은 각각 상기 터빈(11)으로 흡입되기 이전의 이산화탄소를 바이패스시켜 주 유동으로 흡입하는 것도 가능하고, 일부는 상기 터빈(11)의 흡입측으로부터 바이패스된 이산화탄소를 주 유동으로 흡입하고 나머지는 상기 터빈(11)의 토출측으로부터 바이패스된 이산화탄소를 부 유동으로 흡입하는 것도 물론 가능하다.
도 5는 본 발명에 따른 압축기와 이젝터를 이용한 누설 이산화탄소 재주입 시스템의 성능 계산 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 이산화탄소 재주입 시스템의 성능 계산 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 고정 파라미터들을 측정한다.(S1)
여기서, 상기 고정 파라미터들은, 상기 터빈(11)에서 누설된 누설(leakage) 이산화탄소 질량 유량(mass flow)(kg/s)(ml), 상기 누설 이산화탄소 압력(Pl), 상기 누설 이산화탄소 온도(Tl), 상기 이젝터의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량 유량(mass flow)(mp,A, mp,I,B, mp,II,B)를 포함한다.
상기 mp,A는 상기 제1실시예(A)에서 상기 이젝터(30)의 주 유동으로 흡입되는 유량이다. 상기 mp,I,B는 상기 제2실시예(B)에서 상기 터빈(11)의 흡입측에서 바이패스되어 상기 제2이젝터(132)의 주 유동으로 흡입되는 유량이고, 상기 mp,II,B는 상기 제2실시예에서 상기 터빈(11)의 토출측에서 바이패스되어 상기 제1이젝터(131)의 주 유동으로 흡입되는 유량이다.
이후, 상기 압축기(21)(121)에서 토출되는 압축기 토출압(Pint)을 가정한다.(S2) 상기 압축기 토출압은 가정한 후, 추후 계산 결과에 따라 반복(iteration) 기법을 통해 결정될 수 있다. 상기 압축기 토출압은, 상기 초임계 이산화탄소 발전장치(10)에서 상기 터빈(11)의 저압부 압력 이상이 되도록 한다. 상기 압축기 토출압은, 누설 압력과 상기 터빈(11)의 저압부 압력 사이의 값이다.
미리 설정된 압축기 모델을 이용하여, 상기 압축기(21)(121)에서 토출되는 이산화탄소의 온도(Tint)와 압축일(Wl)을 계산한다.(S3)
상기 압축기 모델에 입력되는 입력값은, 상기 터빈(11)에서 누설된 누설 이산화탄소 질량 유량(ml), 상기 누설 이산화탄소 압력(Pl), 상기 누설 이산화탄소 온도(Tl), 상기 압축기(21)(121)의 등엔트로피 효율(η), 상기 압축기 토출압(Pint)을 포함한다.
또한, 미리 설정된 이젝터 모델을 이용하여, 상기 이젝터(20)(130)에서 토출되어 상기 터빈(11)의 토출측으로 재주입되는 이산화탄소의 압력(Pb)과 Am/At을 계산한다.(S4) 도 2를 참조하면, Am은 이젝터의 C 영역의 단면적이고, At는 이젝터의 B 영역의 노즐에서 가장 좁은 부분의 단면적이다.
상기 이젝터 모델에 입력되는 입력값은, 상기 이젝터(20)(130)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 압력(Pp), 온도(Tp), 질량 유량(mp)과 상기 이젝터(20)(130)의 부 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 압력(Ps), 온도(Ts), 질량유량(ms)을 포함한다.
상기 이젝터 모델로부터 상기 터빈(11)의 토출측으로 재주입되는 이산화탄소의 압력(Pb)을 구하면, 재주입되는 이산화탄소의 압력(Pb)이 상기 초임계 이산화탄소 발전장치(10)에서 상기 터빈(11)의 저압부 압력(Plow) 이상인지 판단한다.(S5)
상기 이산화탄소의 압력(Pb)이 상기 초임계 이산화탄소 발전장치(10)에서 상기 터빈(11)의 저압부 압력(Plow) 미만이면, 상기 압축기(21)(121)의 토출압력을 보다 상승하도록 구동을 제어한다.
상기 이산화탄소의 압력(Pb)이 상기 초임계 이산화탄소 발전장치(10)에서 상기 터빈(11)의 저압부 압력(Plow)과 같아지게 되면, 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)을 계산한다.(S6)
이 때, 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)은, 상기 이젝터와 상기 압축기가 있는 발전 시스템의 순 일(W)에서 상기 압축기 단독 재주입 발전 시스템의 순일(Wc)을 뺀 값을 상기 압축기 단독 재주입 발전 시스템의 순일(Wc)로 나눈 값이다.(Wnet,inc=(W-Wc)/Wc)
또한, 상기 이젝터(30)(130)의 주 입구에 구비된 노즐의 지름(dt)과 상기 이젝터(20)(130)의 단면적이 가장 좁은 부분의 지름(dm)도 계산한다. dt와 dm을 계산하여, 상기 이젝터(30)(130)의 질량 유량을 고려한 이젝터 형상을 결정할 수 있다.
도 6 및 도 7에는, 상기와 같은 방법으로 계산된 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 압축기와 1개의 이젝터를 이용한 누설 이산화탄소 재주입 시스템에서 터빈의 순 일의 증가량을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 터빈(11)의 흡입측으로부터 분기되어 이젝터(30)의 주 유동으로 흡입되는 고온 고압 상태의 이산화탄소의 질량 유량(mp,A)의 변화에 따른 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)을 나타낸다.
상기 이젝터(30)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량 유량(mp,A)이 증가함에 따라 상기 압축기(21)의 압축비가 작아지기 때문에, 상기 터빈의 순 일의 증가량(Wnet,inc)이 초기에 증가하는 경향을 보이나, 일정 유량을 초과하면 상기 터빈(11)측으로 유입되는 유량이 감소되기 때문에 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)이 다시 감소된다.
상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)의 증가는 최대 약 25%로 예측될 수 있다.
따라서, 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)이 최대가 되도록 상기 이젝터(30)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량(mp,A)을 조절한다.
한편, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 압축기와 2개의 이젝터를 이용한 누설 이산화탄소 재주입 시스템에서 터빈의 순 일의 증가량을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 터빈(11)의 토출측으로부터 분기되어 상기 제1이젝터(131)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량(mp,I,B)의 변화와 상기 제2이젝터(132)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량(mp,II,B)에 따른 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)을 나타낸다.
상기 제1이젝터(131)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량(mp,I,B)이 증가함에 따라 상기 압축기(121)의 압축비가 작아지기 때문에, 상기 터빈의 순 일의 증가량(Wnet,inc)이 초기에 증가하는 경향을 보이나, 일정 유량을 초과하면 상기 터빈(11)측으로 유입되는 유량이 감소되기 때문에 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)이 다시 감소되는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 터빈(11)의 순 일의 증가량(Wnet,inc)이 최대가 되도록 상기 제1이젝터(131)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량(mp,I,B)과 상기 제2이젝터(132)의 주 유동으로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량(mp,II,B)을 제어한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면 초임계 이산화탄소 발전장치의 터빈에서 누설되는 이산화탄소를 포집하여, 압축기와 이젝터를 이용하여 차례로 승압시켜 다시 재주입할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템을 제조할 수 있다.

Claims (20)

  1. 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과;
    상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축하여 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 압축기와;
    상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 압축기에서 나온 이산화탄소를 부(secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정압력 이상으로 2차로 승압시킨 후, 상기 터빈의 토출측으로 다시 주입시키는 이젝터와;
    상기 터빈의 입구로 이산화탄소를 공급하도록 형성된 터빈 흡입유로에서 분기되어, 상기 이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 이젝터 주공급유로와;
    상기 압축기의 출구와 상기 이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 이젝터 부공급유로와;
    상기 이젝터의 출구를 상기 터빈의 출구에서 이산화탄소를 토출하도록 형성된 터빈 토출유로에 연결하는 이젝터 토출유로를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  2. 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과;
    상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축하여 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 압축기와;
    상기 터빈의 출구에서 토출되는 저압상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 압축기에서 압축되어 나온 이산화탄소를 부 (secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정 압력 이상으로 2차로 승압시키는 제1이젝터와;
    상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 제1이젝터에서 승압되어 나온 이산화탄소를 부(secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제3설정 압력 이상으로 3차로 승압시킨 후, 상기 터빈의 토출측으로 다시 주입시키는 제2이젝터와;
    상기 터빈의 출구에서 이산화탄소를 토출하도록 형성된 터빈 토출유로에서 분기되어, 상기 제1이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제1이젝터 주공급유로와;
    상기 압축기의 출구와 상기 제1이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제1이젝터 부공급유로와;
    상기 터빈의 입구로 이산화탄소를 공급하도록 형성된 터빈 흡입유로에서 분기되어, 상기 제2이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제2이젝터 주공급유로와;
    상기 제1이젝터의 출구와 상기 제2이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제2이젝터 부공급유로와;
    상기 제2이젝터의 출구를 상기 터빈 토출유로에 연결하는 제2이젝터 토출유로를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  3. 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과;
    상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 제1설정압력 이상으로 1차로 승압시키는 압축기와;
    상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 압축기에서 압축되어 나온 이산화탄소를 부(secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제2설정 압력 이상으로 2차로 승압시키는 제1이젝터와;
    상기 터빈의 입구로 유입되기 이전의 고압 상태의 이산화탄소 중 다른 일부를 주(primary) 유동으로 흡입하고, 상기 제1이젝터에서 승압되어 나온 이산화탄소를 부 (secondary) 유동으로 흡입하여, 흡입된 이산화탄소를 제3설정 압력 이상으로 3차로 승압시킨 후, 상기 터빈의 토출측으로 합류시키는 제2이젝터와;
    상기 터빈의 입구로 이산화탄소를 공급하도록 형성된 터빈 흡입유로에서 분기되어 형성된 이젝터 공급유로와;
    상기 이젝터 공급유로에서 분기되어, 상기 제1이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제1이젝터 주공급유로와;
    상기 압축기의 출구와 상기 제1이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제1이젝터 부공급유로와;
    상기 이젝터 공급유로에서 분기되어, 상기 제2이젝터의 주(primary) 입구에 연결되는 제2이젝터 주공급유로와;
    상기 제1이젝터의 출구와 상기 제2이젝터의 부(secondary) 입구를 연결하는 제2이젝터 부공급유로와;
    상기 제2이젝터의 출구를 상기 터빈 토출유로에 연결하는 제2이젝터 토출유로를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈 흡입유로에서 상기 이젝터 주공급유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 이젝터 주공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량 유량을 제어하는 유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 터빈 토출유로에서 상기 제1이젝터 주공급유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 제1이젝터 주공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량 유량을 제어하는 제1유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 터빈 흡입유로에서 상기 제2이젝터 주공급유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 제2이젝터 주공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제2유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 이젝터 공급유로에 설치되어, 상기 이젝터 공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제1유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 터빈 흡입유로에서 상기 이젝터 메인공급유로가 분기되는 지점에 설치되어, 상기 이젝터 메인공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제1유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2이젝터 주공급유로에 설치되어, 상기 제2이젝터의 주공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제2유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2이젝터 주공급유로에 설치되어, 상기 제2이젝터의 주공급유로로 흡입되는 이산화탄소의 질량유량을 제어하는 제2유량제어밸브를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈으로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 히터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 터빈에서 나온 초임계 이산화탄소의 열을 회수하여 상기 히터로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 열회수기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 열회수기에서 열이 회수된 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러에서 나온 초임계 이산화탄소를 가압하는 펌프를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 터빈으로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 히터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 터빈에서 나온 초임계 이산화탄소의 열을 회수하여 상기 히터로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 열회수기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 열회수기에서 열이 회수된 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러에서 나온 초임계 이산화탄소를 가압하는 펌프를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  17. 청구항 3에 있어서,
    상기 터빈으로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 히터를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 터빈에서 나온 초임계 이산화탄소의 열을 회수하여 상기 히터로 유입되는 초임계 이산화탄소를 가열하는 열회수기를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 열회수기에서 열이 회수된 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 쿨러와,
    상기 쿨러에서 나온 초임계 이산화탄소를 가압하는 펌프를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
  20. 초임계 이산화탄소를 이용하여 구동하는 터빈과;
    상기 터빈에서 누설되어 포집된 이산화탄소를 압축하여 제1설정압력 이상으로 1차로 압축하는 압축기와;
    상기 압축기에서 나온 이산화탄소를 추가로 승압시키도록 다단으로 연결되고, 각각 상기 터빈의 입구로 유입되는 고압 상태의 이산화탄소 중 일부를 바이패스시켜 주 유동으로 흡입하는 복수의 이젝터들을 포함하고,
    상기 복수의 이젝터들 중에서 최저단의 이젝터는, 상기 압축기에서 나온 이산화탄소를 부 유동으로 흡입하고,
    상기 복수의 이젝터들 중에서 나머지 단의 이젝터들은, 이전 단의 이젝터에서 나온 이산화탄소를 부 유동으로 흡입하는 초임계 이산화탄소 발전장치용 누설 이산화탄소 재주입 시스템.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110131220A (zh) * 2019-05-14 2019-08-16 上海宁硕节能科技有限公司 中高压工业供汽用可调式引射器及其调节方法
CN110469376A (zh) * 2019-08-29 2019-11-19 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 布雷顿循环发电系统及方法
CN113266441A (zh) * 2021-04-16 2021-08-17 上海齐耀动力技术有限公司 超临界二氧化碳再压缩发电系统启动运行控制方法及系统
CN114412596A (zh) * 2021-11-30 2022-04-29 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 超临界二氧化碳循环发电系统
CN116838444A (zh) * 2023-06-26 2023-10-03 中国核动力研究设计院 核反应堆事故余热内生动力系统及核能系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012117528A (ja) * 2010-11-30 2012-06-21 General Electric Co <Ge> 二酸化炭素圧縮システム
KR20120102746A (ko) * 2009-12-08 2012-09-18 알스톰 테크놀러지 리미티드 Ｃｏ₂ 포획을 위한 발전소 및 그와 같은 발전소의 작동 방법
US20120291461A1 (en) * 2010-07-23 2012-11-22 Carrier Corporation Ejector-Type Refrigeration Cycle and Refrigeration Device Using the Same
KR20160070035A (ko) * 2012-10-12 2016-06-17 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 초임계 작동 유체를 갖는 열 기관 시스템 및 그 프로세스
KR101657644B1 (ko) * 2015-03-31 2016-09-22 동명대학교산학협력단 증기압축기용 폐증기 회수장치

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101138223B1 (ko) 2010-04-30 2012-04-24 한국과학기술원 혼합 가스를 이용한 임계점 이동을 통한 초임계 브레이튼 사이클의 효율 향상 시스템
JP6256061B2 (ja) * 2014-02-03 2018-01-10 三菱日立パワーシステムズ株式会社 漏れ蒸気処理装置、蒸気タービン設備

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120102746A (ko) * 2009-12-08 2012-09-18 알스톰 테크놀러지 리미티드 Ｃｏ₂ 포획을 위한 발전소 및 그와 같은 발전소의 작동 방법
US20120291461A1 (en) * 2010-07-23 2012-11-22 Carrier Corporation Ejector-Type Refrigeration Cycle and Refrigeration Device Using the Same
JP2012117528A (ja) * 2010-11-30 2012-06-21 General Electric Co <Ge> 二酸化炭素圧縮システム
KR20160070035A (ko) * 2012-10-12 2016-06-17 에코진 파워 시스템스, 엘엘씨 초임계 작동 유체를 갖는 열 기관 시스템 및 그 프로세스
KR101657644B1 (ko) * 2015-03-31 2016-09-22 동명대학교산학협력단 증기압축기용 폐증기 회수장치

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110131220A (zh) * 2019-05-14 2019-08-16 上海宁硕节能科技有限公司 中高压工业供汽用可调式引射器及其调节方法
CN110469376A (zh) * 2019-08-29 2019-11-19 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 布雷顿循环发电系统及方法
CN110469376B (zh) * 2019-08-29 2024-01-16 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 布雷顿循环发电系统及方法
CN113266441A (zh) * 2021-04-16 2021-08-17 上海齐耀动力技术有限公司 超临界二氧化碳再压缩发电系统启动运行控制方法及系统
CN114412596A (zh) * 2021-11-30 2022-04-29 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 超临界二氧化碳循环发电系统
CN114412596B (zh) * 2021-11-30 2024-05-17 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 超临界二氧化碳循环发电系统
CN116838444A (zh) * 2023-06-26 2023-10-03 中国核动力研究设计院 核反应堆事故余热内生动力系统及核能系统

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