WO2018225922A1 - 복합 발전장치 - Google Patents

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WO2018225922A1
WO2018225922A1 PCT/KR2018/000958 KR2018000958W WO2018225922A1 WO 2018225922 A1 WO2018225922 A1 WO 2018225922A1 KR 2018000958 W KR2018000958 W KR 2018000958W WO 2018225922 A1 WO2018225922 A1 WO 2018225922A1
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류광년
함진기
김범주
이철희
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한국전력공사
현대중공업(주)
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    • F28G1/16—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances using jets of fluid for removing debris
    • F28G1/166—Non-rotary, e.g. reciprocated, appliances using jets of fluid for removing debris from external surfaces of heat exchange conduits
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    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62C—FIRE-FIGHTING
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    • A62C99/0009—Methods of extinguishing or preventing the spread of fire by cooling down or suffocating the flames
    • A62C99/0018—Methods of extinguishing or preventing the spread of fire by cooling down or suffocating the flames using gases or vapours that do not support combustion, e.g. steam, carbon dioxide
    • A62C99/0027—Carbon dioxide extinguishers
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a complex power generation apparatus, and more particularly to a complex power generation apparatus that can generate power by using the waste heat of the engine.
  • EEDI Energy Efficiency Design Index for new ships
  • the existing power generation method for generating steam to drive the steam turbine is very low efficiency due to the low temperature of the heat source, the device configuration is complex, there is a big problem of the volume of the device.
  • the present invention has been made to improve the above problems, and an object of the present invention is to provide a complex power generation apparatus that can generate power by using the waste heat of the engine.
  • a combined cycle apparatus comprises: an engine driven by combustion of fuel; A first flow line connected to the engine; A turbocharger connected to the first flow line and compressing scavenged air discharged from the engine; A second flow line connecting the turbocharger and the engine such that the compressed air compressed in the turbocharger is supplied to the engine; A third flow line branched from the first flow line such that exhaust of the first flow line is discharged to the outside; A compressor for compressing the working medium; A first media line connected to the compressor; A media turbine connected to the first media line and driven by a working medium supplied from the first media line; A second medium line connecting the medium turbine and the compressor; An operation medium cooler connected to the second medium line and cooling the operation medium discharged from the medium turbine; A recuperator connected to the first medium line and the second medium line and heat-exchanging the first medium line and the second medium line; A power generation unit installed in the medium turbine to be generated by the power generated by the medium turbine; A recuperator bypass line connected to an inflow side and a discharge side of the recuperator in
  • the first heat exchanger is disposed in parallel with the recuperator in the recuperator bypass line
  • the second heat exchanger is disposed in parallel with the first heat exchanger in the crossline
  • the third heat exchanger is in parallel with the recuperator. It may be arranged in series with the recuperator between the medium turbine.
  • the complex power generation apparatus may further include a first control valve installed in the third flow line to adjust the opening degree of the third flow line.
  • the complex power generation apparatus includes a fourth flow line branched from the third flow line to discharge the exhaust of the third flow line to the outside; And a second control valve installed in the fourth flow line to adjust the opening degree of the fourth flow line.
  • the complex power generation apparatus may further include a scavenging cooler installed in the second flow line to cool the scavenging of the second flow line.
  • the complex power generation apparatus is disposed at a portion where the inlet side of the first medium line and the recuperator bypass line are connected, and controls a flow rate of a working medium flowing through the recuperator and the recuperator bypass line.
  • a second flow rate distribution valve disposed at a portion where the recuperator bypass line and the inflow side of the cross line are connected, and controlling a flow rate of the working medium flowing to the first heat exchanger and the second heat exchanger.
  • the hybrid power generation apparatus includes an inventory line connecting the first media line and the second media line; An inventory tank for replenishing a working medium to the second media line through the inventory line; And inventory valves installed at both sides of the inventory line.
  • One side of the inventory line is connected between the discharge side of the compressor and the inflow side of the recuperator in the first medium line, and the other side of the inventory line is the discharge side of the recuperator and the inflow of the compressor in the second medium line. Can be connected between the sides.
  • the complex power generation apparatus includes a vacuum pump connected to the second medium line to form a vacuum state in the second medium line; A booster pump connected to the second medium line to inject a working medium into the second medium line; And a storage tank connected to the booster pump to supply a working medium to the booster pump.
  • the complex power generation apparatus may further include a replenishment line connecting the booster pump and the inventory tank to replenish a working medium to the inventory tank.
  • the complex power generation apparatus includes a cleaning blower installed to remove foreign substances by spraying a working medium to the second heat exchanger and the third heat exchanger; And a cleaning line connected to the cleaning blower to supply a working medium to the cleaning blower.
  • the cleaning line may be connected to the cleaning blower and the storage tank.
  • the cleaning line may be connected to the cleaning blower and the inventory tank.
  • the complex power generation apparatus includes a fire extinguisher installed in the second heat exchanger and the third heat exchanger; And a fire extinguishing line connected to the fire extinguisher to supply a working medium to the fire extinguisher.
  • the fire extinguishing line may be connected to the inventory tank or the storage tank.
  • the combined power generation device is disposed between the compressor and the recuperator, and a recirculation line connecting the first medium line and the second medium line to flow the working medium of the first medium line to the second medium line. ; And a recirculation valve installed in the recirculation line.
  • the hybrid generator is disposed between the recuperator and the medium turbine, and connects the first medium line and the second medium line to flow the working medium of the first medium line to the second medium line.
  • the operating medium of the first medium line is heated up, and the elevated operating medium (supercritical carbon dioxide) drives the medium turbine, thereby improving the power generation efficiency of the medium turbine. It is possible to improve and reduce the size of the generator.
  • the recovery rate of the waste heat energy can be improved.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a complex power generation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a complex power generation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the combined cycle power generation apparatus includes an engine 110, a first flow line 121, a turbocharger 130, a second flow line 122, and a third flow line ( 123, compressor 211, first media line 221, media turbine 212, second media line 222, working medium cooler 213, recuperator 215, power generation unit 214, cross Line 233, a first heat exchanger 251, a second heat exchanger 252, and a third heat exchanger 253.
  • the engine 110 is driven by the combustion of fuel. Exhaust is generated as fuel is combusted in the engine 110. As the load of the engine 110 is changed, the flow rate and temperature of the exhaust gas are changed.
  • the gas discharged from the engine 110 is an exhaust (exhaust gas) generated when the fuel is burned, and the scavenged air (air for cleaning) which is supplied again to the engine 110 after supplying air to remove the gas inside the engine 110. ).
  • the first flow line 121 is connected to the engine 110.
  • the exhaust of the engine 110 is discharged to the first flow line 121.
  • the first flow line 121 includes a first branch line and a second branch line.
  • the first flow line 121 connects the engine 110 and the turbocharger 130 to supply the exhaust discharged from the engine 110 to the turbocharger 130.
  • the turbocharger 130 is connected to the first flow line 121 and is driven by the exhaust discharged from the first flow line 121 to compress the scavenging air.
  • the purge is introduced into the turbocharger 130 by a separate flow path.
  • the second flow line 122 connects the turbocharger 130 and the engine 110 to supply the scavenge compressed in the turbocharger 130 to the engine 110.
  • the third flow line 123 is connected to the first flow line 121 to discharge the exhaust of the first flow line 121 to the outside.
  • the first flow line 121, the second flow line 122, and the third flow line 123 are relatively hotter than the working fluid of the first medium line 221 and the second medium line 222, which will be described below. High pressure scavenging and exhaust flow.
  • the compressor 211 compresses the working medium at high pressure. Carbon dioxide may be applied as the working medium. As the working medium is compressed in the compressor 211, the temperature of the working medium is also increased.
  • the first media line 221 is connected to the compressor 211.
  • the working medium discharged from the compressor 211 flows in the first medium line 221.
  • the first medium line 221 is a pipe connecting the compressor 211 and the medium turbine 212 to supply the working medium to the medium turbine 212.
  • a first throttle valve 245 is installed between the compressor 211 and the recuperator 215 in the first medium line 221, and a second throttle valve between the second heat exchanger 252 and the medium turbine 212. 246 is installed.
  • the first throttle valve 245 controls the amount of working medium flowing to the recuperator 215, and the second throttle valve 246 controls the amount of working medium flowing into the medium turbine 212.
  • the medium turbine 212 is connected to the first medium line 221 and is driven by a working medium supplied from the first medium line 221.
  • the second medium line 222 connects the medium turbine 212 and the compressor 211.
  • the working medium discharged from the medium turbine 212 flows to the second medium line 222.
  • the second medium line 222 is a pipe connecting the medium turbine 212 and the compressor 211 to supply a working medium to the compressor 211.
  • the operation of the first medium line 221 is performed.
  • the medium flows at a relatively high temperature and high pressure relative to the working medium of the second medium line 222.
  • the first medium line 221 is a high pressure pipe
  • the second medium line 222 is a low pressure pipe compared to the first medium line 221.
  • the working medium cooler 213 cools the working medium flowing along the second medium line 222 to adjust the temperature of the working medium supplied to the compressor 211.
  • a cooling medium flows to exchange heat with the second medium line 222.
  • the recuperator 215 is connected to the first medium line 221 and the second medium line 222, and heat-exchanges the first medium line 221 and the second medium line 222. Since the working medium of the first medium line 221 is relatively hot and high pressure than the working medium of the second medium line 222, the temperature of the working medium flowing along the second medium line 222 may be increased.
  • the power generation unit 214 is installed in the media turbine 212 so as to be generated by the power generated from the media turbine 212.
  • the recuperator bypass line 230 is connected to the inflow side and the discharge side of the recuperator 215 in the first medium line 221.
  • the recuperator bypass line 230 allows the working medium discharged from the compressor 211 to flow into the discharge side of the recuperator 215 without passing through the recuperator 215.
  • the cross line 233 is connected in parallel with the recuperator bypass line 230 to connect the inlet side and the discharge side of the recuperator bypass line 230.
  • the cross line 233 flows a part of the working medium introduced into the recuperator bypass line 230 to the discharge side of the recuperator bypass line 230.
  • the first heat exchanger 251 is connected to the recuperator bypass line 230 and the second flow line 122 such that the working medium of the recuperator bypass line 230 and the purge of the second flow line 122 are exchanged. do.
  • the first heat exchanger 251 recovers the desired heat energy of the second flow line 122 to the working medium of the recuperator bypass line 230.
  • the second heat exchanger 252 is connected to the first medium line 221 and the third flow line 123 so that the exhaust of the third flow line 123 and the working medium of the first medium line 221 are exchanged.
  • the second heat exchanger 252 recovers the thermal energy of the exhaust of the third flow line 123 to the working medium of the first medium line 221.
  • the third heat exchanger 253 is connected to the third flow line 123 and the first medium line 221 so that the exhaust of the third flow line 123 and the working medium of the first medium line 221 exchange heat.
  • the third heat exchanger 253 recovers the thermal energy of the exhaust of the third flow line 123 to the working medium of the first medium line 221.
  • the waste heat recovery rate from the scavenging and exhaust can be increased. have.
  • the heat energy recovered from the scavenging and the exhaust raises the temperature of the working fluid of the first medium line 221, and the temperature-lifted working fluid is supplied to the medium turbine 212. Therefore, since the medium turbine 212 is supplied with a relatively high temperature working medium, the efficiency of the medium turbine 212 can be increased.
  • the first heat exchanger 251 is disposed in parallel with the recuperator 215 in the recuperator bypass line 230, and the second heat exchanger 252 is connected to the first heat exchanger 251 in the crossline 233.
  • the third heat exchanger 253 is disposed in parallel and is disposed in series with the recuperator 215 between the recuperator 215 and the medium turbine 212. Waste heat of the exhaust discharged from the engine 110 may be recovered to the working medium of the first medium line 221 through the first heat exchanger 251, the second heat exchanger 252, and the third heat exchanger 253. have.
  • the operating medium of the first medium line 221 increases in temperature as it passes through the first heat exchanger 251, the second heat exchanger 252, and the third heat exchanger 253. Can be supplied to the media turbine 212. Therefore, the efficiency of the medium turbine 212 can be improved.
  • the complex power generation apparatus further includes a first control valve 141 installed in the third flow line 123 to adjust the opening degree of the third flow line 123.
  • the first control valve 141 may adjust the heat recovery rate of the exhaust gas in the cross line 233.
  • the combined cycle apparatus includes a fourth flow line 124 and a second control valve 142.
  • the fourth flow line 124 is branched from the third flow line 123 to discharge the exhaust of the third flow line 123 to the outside.
  • the second control valve 142 is installed in the fourth flow line 124 to adjust the opening degree of the fourth flow line 124.
  • the flow rate and temperature of the exhaust and the scavenging discharged from the engine 110 are increased. Therefore, when the load of the engine 110 is increased, since the recovery rate of the thermal energy is increased, it is possible to recover the waste heat from the second heat exchanger 252. In addition, when the load of the engine 110 is reduced, since the recovery rate of the thermal energy is reduced, the waste heat may not be recovered by the second heat exchanger 252.
  • the first control valve 141 may be closed and the second control valve 142 may be opened. In this case, the working medium of the third flow line 123 is discharged to the outside through the fourth flow line 124 without being supplied to the second heat exchanger 252.
  • the complex power generation apparatus further includes a first flow rate distribution valve 241 and a second flow rate distribution valve 242.
  • the first flow distribution valve 241 is disposed at a portion where the inlet side of the first medium line 221 and the recuperator bypass line 230 is connected, and the recuperator 215 and the recuperator bypass line 230 are disposed. Control the flow rate of the working medium flowing to the.
  • the distribution ratio of the first flow distribution valve 241 it is possible to adjust the ratio of the flow of the working medium flowing to the recuperator 215 and the ratio of the working medium flowing to the recuperator bypass line 230. Therefore, the waste heat recovery rates of the first heat exchanger 251 and the second heat exchanger 252 can be controlled.
  • the second flow rate distribution valve 242 is disposed at a portion where the inlet side of the recuperator bypass line 230 and the cross line 233 are connected, and the first heat exchanger 251 and the second heat exchanger 252. Control the flow rate of the working medium flowing. By adjusting the distribution ratio of the second flow rate distribution valve 242, it is possible to control the ratio of the working medium flowing to the first heat exchanger 251 and the working medium flowing to the second heat exchanger 252.
  • the complex power generation apparatus includes an inventory line 261, an inventory tank 262, and an inventory valve 263.
  • the inventory line 261 connects the first media line 221 and the second media line 222.
  • One side of the inventory line 261 is connected between the discharge side of the compressor 211 and the inflow side of the recuperator 215 in the first medium line 221, and the other side of the inventory line 261 is the second medium line 222.
  • the working medium supplemented with the second medium line 222. May be compressed in the compressor 211 and then supplied to the media turbine 212.
  • the inventory tank 262 stores a working medium to be replenished in the second media line 222 in advance.
  • the inventory valve 263 is disposed at both sides of the inventory tank 262. When the high pressure side inventory valve 263 is opened, the working medium of the first medium line 221 flows into the inventory tank 262. In addition, when the inventory valve 263 on the low pressure side is opened, the working medium of the inventory tank 262 flows into the second medium line 222.
  • the inventory valve 263 adjusts the pressure of the working medium system to optimize the heat exchange efficiency of the heat exchange part according to the load variation of the engine 110.
  • the combined cycle apparatus includes a recirculation line 271 and a recirculation valve 272.
  • the recirculation line 271 is disposed between the compressor 211 and the recuperator 215, and the first medium line 221 to flow the working medium of the first medium line 221 to the second medium line 222. And the second media line 222 are connected. One side of the recirculation line 271 is connected to the first medium line 221, and the other side of the recirculation line 271 is connected to the second medium line 222.
  • the recirculation valve 272 is installed in the recirculation line 271.
  • the first throttle valve 245 is opened and the recirculation valve 272 is opened.
  • the recirculation valve 272 is opened, the working medium discharged from the compressor 211 is transferred to the second medium line through the recirculation line 271 due to the pressure gradient between the first medium line 221 and the second medium line 222. 222 is entered.
  • the opening amount of the recirculation valve 272 may be adjusted to adjust the amount of working medium flowing into the recirculation line 271. Therefore, when the compressor 211 is initially driven, it is possible to prevent the working medium from flowing into the medium turbine 212 until the working medium compressed by the compressor 211 becomes a predetermined pressure.
  • the first throttle valve 245 is opened and the recirculation valve 272 is closed.
  • the combined cycle generator includes a turbine bypass line 275 and a turbine bypass valve 276.
  • the turbine bypass line 275 is disposed between the recuperator 215 and the turbine, and the first medium line 221 and the first medium line 221 to flow the working medium of the first medium line 221 to the second medium line 222.
  • the second media line 222 is connected.
  • One side of the turbine bypass line 275 is connected to the first medium line 221, and the other side of the turbine bypass line 275 is connected to the second medium line 222.
  • the turbine bypass valve 276 is installed in the turbine bypass line 275.
  • the second throttle valve 246 is closed and the turbine bypass valve 276 is opened.
  • the working medium of the first medium line 221 is bypassed to the second medium line 222 through the turbine bypass line 275.
  • the opening degree of the second throttle valve 246 is gradually increased, and the opening degree of the turbine bypass valve 276 is gradually decreased.
  • the flow rate of the exhaust may be changed.
  • the recovery rate of the waste heat recovered in the working medium of the first medium line 221 is also changed. Therefore, the inventory valve 263 may be adjusted according to the load variation of the engine 110 to adjust the pressure and flow rate of the working medium in the second medium line 222 and the first medium line 221.
  • the recirculation valve 272 or the turbine bypass valve is adjusted to operate the medium of the first medium line 221. May be bypassed to the second media line 222.
  • the first throttle valve 245 and the second throttle valve 246 may be blocked or adjusted to protect the devices of the medium power generation system.
  • the composite power generation apparatus includes a vacuum pump 281, a booster pump 282 and a storage tank 284.
  • the vacuum pump 281 is connected to the second medium line 222 to maintain the vacuum state of the second medium line 222.
  • the vacuum pump 281 is connected to the second medium line 222 by a vacuum line 281a.
  • the booster pump 282 is connected to the second medium line 222 to inject the working medium into the second medium line 222.
  • the storage tank 284 is connected to the booster pump 282 to supply a working medium to the booster pump 282.
  • the booster pump 282, the storage tank 284, and the second media line 222 are connected by the replenishment line 283.
  • the vacuum pump 281 As the vacuum pump 281 is driven, the working medium of the storage tank 284 is replenished to the second medium line 222. Therefore, the pressure of the working medium may be adjusted in the second medium line 222 according to the load fluctuation of the engine 110 or the load fluctuation of the medium turbine 212. As the booster pump 282 is driven, air and foreign matter are discharged from the second medium line 222, and a vacuum state is maintained in the second medium line 222.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the scavenging cooler 150 is installed in the second flow line 122 to cool the exhaust of the second flow line 122.
  • the cooling rate of the scavenging cooler 150 may be adjusted by adjusting the flow rate of the cooling medium supplied to the scavenging cooler 150. Since the exhaust of the second flow line 122 is cooled by the first heat exchanger 251 and the scavenging cooler 150, the exhaust of the second flow line 122 may be cooled to a temperature required for the engine 110. Thus, the output of the engine 110 can be increased.
  • the fourth barrel line may not branch to the third flow line 123 as in the first embodiment.
  • the first control valve 141 may not be installed in the third flow line 123.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the complex power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention further includes a cleaning blower 291 and a cleaning line 292.
  • the cleaning blower 291 is installed to spray foreign matter to the second heat exchanger 252 and the third heat exchanger 253 to remove foreign substances.
  • the cleaning line 292 is connected to the cleaning blower 291 to supply the working medium to the cleaning blower 291. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of fire by the foreign matter (fouling) of the exhaust attached to the second heat exchanger 252 and the third heat exchanger 253.
  • the cleaning blower may be installed in the first heat exchanger 251.
  • the cleaning line 292 is connected to the cleaning blower 291 and the storage tank 284. Therefore, the working medium stored in the storage tank 284 may be supplied to the cleaning blower 291 through the cleaning line 292.
  • the fourth embodiment is substantially the same as the third embodiment except for the connection structure of the cleaning line, so only the features of the fourth embodiment will be described below.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the cleaning line 292 of the combined cycle power generator according to the fourth embodiment of the present invention is connected to the cleaning blower 291 and the inventory tank 262. Since the working medium of the inventory tank 262 is supplied to the cleaning blower 291, foreign substances attached to the second heat exchanger 252 and the third heat exchanger 253 are removed using the working medium of the inventory tank 262. can do.
  • the cleaning line 292 may be connected to the medium refill line 283 connecting the booster pump 282 to the second medium line 222. At this time, the working medium of the media refill line 283 is supplied to the cleaning blower 291.
  • FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the complex power generation apparatus includes a fire extinguisher 295 and a fire extinguishing line 296.
  • the fire extinguisher 295 is installed in the second heat exchanger 252 and the third heat exchanger 253 to inject a working medium into the second heat exchanger 252 and the third heat exchanger 253.
  • the fire extinguisher 295 extinguishes a flame when a fire occurs in the second heat exchanger 252 and the third heat exchanger 253.
  • the fire extinguisher 295 may be installed in the first heat exchanger 251.
  • the fire extinguishing line 296 is connected to the fire extinguisher 295 to supply a working medium to the fire extinguisher 295. At this time, the fire extinguishing line 296 is connected to the inventory tank 262 or the storage tank 284.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • connection line 286 connects the supplemental line 283 of the booster pump 282 and the inventory tank 262.
  • the connection line 286 is provided with an on-off valve 287 to open and close the connection line 286.
  • the working medium of the storage tank 284 is supplied to the inventory tank 262 through the replenishment line 283 and the connection line 286. Therefore, when a working medium is required in the inventory tank 262, the working medium may be replenished in the inventory tank 262.
  • the exhaust gas of the engine 110 and the desired heat energy are recovered to heat up the working medium of the first medium line 221, and the elevated working medium (supercritical carbon dioxide) is a medium. Since the turbine 212 is driven, the power generation efficiency of the medium turbine 212 can be improved, and the size of the power generator can be reduced.

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Abstract

본 발명의 복합 발전장치는 엔진(110), 제1 유동라인(121), 터보차저(130), 제2 유동라인(122), 제3 유동라인(123), 압축기(211), 제1 매체라인(221), 매체터빈(212), 제2 매체라인(222), 작동매체 냉각기(213), 복열기(215), 발전부(214), 크로스라인(233), 제1 열교환기(251), 제2 열교환기(252) 및 제3 열교환기(253)를 포함한다.

Description

복합 발전장치
본 발명은 복합 발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진의 폐열을 이용하여 발전할 수 있는 복합 발전장치에 관한 것이다.
기후변화가 세계적인 관심으로 부상됨에 따라 각 국의 대응도 활발해지고 있다. 주요국들은 온실작동매체 감축을 위해 다양한 정책을 도입하고 있다. 선박 분야에서도 에너지효율지수(EEDI: Energy Efficiency Design Index for new ships)를 도입하여 신조선 설계 및 건조 시에 에너지효율 기준치를 만족시키도록 규제하고 있다. 2015년부터 북유럽(발트해, 북해 및 영국 해협 포함)과 북미(미국과 캐나다 해안에서 200해리)에서 배기 작동매체 배출 규제 지역을 설정하는 ECA(배기작동매체 배출규제지역)를 시행하여, 고효율, 친환경 선박만을 운항 가능하도록 제한하는 등 다양한 규제 정책이 마련되고 있다.
과거에는 선박 엔진의 폐열회수장치를 적용하는 것이 연료비 절감의 측면에 한정되었다면, 최근에는 연료비 절감뿐만 아니라 강화되고 있는 환경규제의 준수 측면에서도 그 필요성이 증대되고 있다. 이러한 기조는 엔진발전분야에서도 점차 강화될 것으로 예측된다. 발전회사에서는 고유황 연료유(HFO: High Sulfur Fuel Oil)를 사용하는 엔진을 청정한 작동매체연료 엔진으로 개조하거나, 엔진폐열회수장치를 추가로 설치하여 강화되는 환경규제에 대비하고자 하는 노력들을 경주하고 있다.
그런데 스팀을 생성하여 스팀터빈을 구동하는 기존의 발전방식은 열원의 낮은 온도로 인해 효율이 매우 낮고, 장치 구성이 복잡하며, 장치의 부피도 큰 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2017-0009336호(2017. 01. 25 공개, 발명의 명칭: 선박 에너지 효율 최적화 시스템 및 방법)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 엔진의 폐열을 이용하여 발전할 수 있는 복합 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 복합 발전장치는: 연료의 연소에 의해 구동되는 엔진; 상기 엔진에 연결되는 제1 유동라인; 상기 제1 유동라인에 연결되고, 상기 엔진에서 배출되는 소기를 압축하는 터보차저; 상기 터보차저에서 압축된 소기가 상기 엔진에 공급되도록 상기 터보차저와 상기 엔진을 연결하는 제2 유동라인; 상기 제1 유동라인의 배기가 외부에 배출되도록 상기 제1 유동라인에서 분지되는 제3 유동라인; 작동매체를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 연결되는 제1 매체라인; 상기 제1 매체라인에 연결되고, 상기 제1 매체라인에서 공급되는 작동매체에 의해 구동되는 매체터빈; 상기 매체터빈과 상기 압축기를 연결하는 제2 매체라인; 상기 제2 매체라인에 연결되고, 상기 매체터빈에서 배출되는 작동매체를 냉각시키는 작동매체 냉각기; 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인에 연결되고, 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 열교환시키는 복열기; 상기 매체터빈에서 발생되는 동력에 의해 발전되도록 상기 매체터빈에 설치되는 발전부; 상기 제1 매체라인에서 상기 복열기의 유입측과 토출측에 연결되는 복열기 바이패스라인; 상기 복열기 바이패스라인의 유입측과 토출측을 연결하도록 상기 복열기 바이패스라인과 병렬로 연결되는 크로스라인; 상기 복열기 바이패스라인의 작동매체와 상기 제2 유동라인의 소기가 열교환되도록 상기 복열기 바이패스라인과 상기 제2 유동라인에 연결되는 제1 열교환기; 상기 크로스라인의 작동매체와 상기 제3 유동라인의 배기가 열교환되도록 상기 크로스라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제2 열교환기; 및 상기 제3 유동라인의 배기와 상기 제1 매체라인의 작동매체가 열교환되도록 상기 제3 유동라인과 상기 제1 매체라인에 연결되는 제3 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열교환기는 상기 복열기 바이패스라인에 상기 복열기와 병렬로 배치되고, 상기 제2 열교환기는 상기 크로스라인에 상기 제1 열교환기와 병렬로 배치되며, 상기 제3 열교환기는 상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 상기 복열기와 직렬로 배치될 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제3 유동라인의 개도를 조절하도록 상기 제3 유동라인에 설치되는 제1 조절밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제3 유동라인의 배기를 외부로 배출시키도록 상기 제3 유동라인에서 분지되는 제4 유동라인; 및 상기 제4 유동라인의 개도를 조절하도록 상기 제4 유동라인에 설치되는 제2 조절밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제2 유동라인의 소기를 냉각시키도록 상기 제2 유동라인에 설치되는 소기 냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제1 매체라인과 상기 복열기 바이패스라인의 유입측이 연결되는 부분에 배치되고, 상기 복열기와 상기 복열기 바이패스라인으로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 제1 유량분배밸브; 및 상기 복열기 바이패스라인과 상기 크로스라인의 유입측이 연결되는 부분에 배치되고, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 제2 유량분배밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 연결하는 인벤토리라인; 상기 인벤토리라인을 통해 상기 제2 매체라인에 작동매체를 보충하는 인벤토리탱크; 및 상기 인벤토리라인의 양측에 설치되는 인벤토리밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 인벤토리라인의 일측은 상기 제1 매체라인에서 상기 압축기의 토출측과 상기 복열기의 유입측 사이에 연결되고, 상기 인벤토리라인의 타측은 상기 제2 매체라인에서 상기 복열기의 토출측과 상기 압축기의 유입측 사이에 연결될 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제2 매체라인에 진공 상태를 형성하도록 상기 제2 매체라인에 연결되는 진공펌프; 상기 제2 매체라인에 작동매체를 주입하도록 상기 제2 매체라인에 연결되는 부스터펌프; 및 상기 부스터펌프에 작동매체를 공급하도록 상기 부스터펌프에 연결되는 저장탱크를 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 인벤토리탱크에 작동매체를 보충하도록 상기 부스터펌프와 상기 인벤토리탱크를 연결하는 보충라인을 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기에 작동매체를 분사하여 이물질을 제거하도록 설치되는 클리닝 블로어; 및 상기 클리닝 블로어에 작동매체를 공급하도록 상기 클리닝 블로어에 연결되는 클리닝라인을 더 포함할 수 있다.
상기 클리닝라인은 상기 클리닝 블로어와 상기 저장탱크에 연결될 수 있다.
상기 클리닝라인은 상기 클리닝 블로어와 상기 인벤토리탱크에 연결될 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기에 설치되는 소화기; 및 상기 소화기에 작동매체를 공급하도록 상기 소화기에 연결되는 소화라인을 더 포함할 수 있다.
상기 소화라인은 상기 인벤토리탱크 또는 상기 저장탱크에 연결될 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 압축기와 상기 복열기 사이에 배치되고, 상기 제1 매체라인의 작동매체를 상기 제2 매체라인으로 유동시키도록 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 연결하는 재순환라인; 및 상기 재순환라인에 설치되는 재순환밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 배치되고, 상기 제1 매체라인의 작동매체를 상기 제2 매체라인으로 유동시키도록 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 연결하는 터빈 바이패스라인; 및 상기 터빈 바이패스라인에 설치되는 터빈 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진에서 배출되는 배기 및 소기의 열에너지를 회수하여 제1 매체라인의 작동매체를 승온시키고, 승온된 작동매체(초임계 이산화탄소)가 매체터빈을 구동시키므로, 매체터빈의 발전 효율을 향상시키고, 발전장치의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기가 소기와 배기의 열에너지를 회수하므로, 폐열에너지의 회수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 복합 발전장치의 일 실시예를 설명한다. 복합 발전장치를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 발전장치는 엔진(110), 제1 유동라인(121), 터보차저(130), 제2 유동라인(122), 제3 유동라인(123), 압축기(211), 제1 매체라인(221), 매체터빈(212), 제2 매체라인(222), 작동매체 냉각기(213), 복열기(215), 발전부(214), 크로스라인(233), 제1 열교환기(251), 제2 열교환기(252) 및 제3 열교환기(253)를 포함한다.
엔진(110)은 연료의 연소에 의해 구동된다. 엔진(110)에서 연료가 연소됨에 따라 배기가 발생된다. 엔진(110)의 부하가 변경됨에 따라 배기의 유량과 온도가 변경된다. 엔진(110)에서 배출되는 가스는 연료가 연소됨에 따라 발생되는 배기(배가스)와, 엔진(110) 내부의 가스를 제거하기 위해 공기를 공급한 후 엔진(110)으로 다시 유입시키는 소기(청소용 공기)로 구분된다.
제1 유동라인(121)은 엔진(110)에 연결된다. 제1 유동라인(121)에는 엔진(110)의 배기가 토출된다. 제1 유동라인(121)은 제1 분지라인과 제2 분지라인을 포함한다. 제1 유동라인(121)은 엔진(110)에서 배출되는 배기를 터보차저(130)에 공급하도록 엔진(110)과 터보차저(130)를 연결한다.
터보차저(130)는 제1 유동라인(121)에 연결되고, 제1 유동라인(121)에서 배출되는 배기에 의해 구동되어 소기를 압축한다. 소기는 별도의 유로에 의해 터보차저(130)에 유입된다.
제2 유동라인(122)은 터보차저(130)에서 압축된 소기를 엔진(110)에 공급하도록 터보차저(130)와 엔진(110)을 연결한다.
제3 유동라인(123)은 제1 유동라인(121)의 배기를 외부에 배출하도록 제1 유동라인(121)에 연결된다.
제1 유동라인(121), 제2 유동라인(122) 및 제3 유동라인(123)에는 아래에 설명할 제1 매체라인(221) 및 제2 매체라인(222)의 작동유체보다 상대적으로 고온 고압의 소기 및 배기가 유동된다.
압축기(211)는 작동매체를 고압으로 압축한다. 작동매체로는 이산화탄소가 적용될 수 있다. 압축기(211)에서 작동매체가 압축됨에 따라 작동매체의 온도 역시 상승된다.
제1 매체라인(221)은 압축기(211)에 연결된다. 제1 매체라인(221)에는 압축기(211)에서 토출되는 작동매체가 유동된다. 제1 매체라인(221)은 매체터빈(212)에 작동매체를 공급하도록 압축기(211)와 매체터빈(212)을 연결하는 배관이다.
제1 매체라인(221)에서 압축기(211)와 복열기(215) 사이에는 제1 스로틀 밸브(245)가 설치되고, 제2 열교환기(252)와 매체터빈(212) 사이에는 제2 스로틀 밸브(246)가 설치된다. 제1 스로틀 밸브(245)는 복열기(215) 측으로 유동되는 작동매체량을 제어하고, 제2 스로틀 밸브(246)는 매체터빈(212)으로 유입되는 작동매체량을 제어한다.
매체터빈(212)은 제1 매체라인(221)에 연결되고, 제1 매체라인(221)에서 공급되는 작동매체에 의해 구동된다.
제2 매체라인(222)은 매체터빈(212)과 압축기(211)를 연결한다. 제2 매체라인(222)에는 매체터빈(212)에서 토출되는 작동매체가 유동된다. 제2 매체라인(222)은 압축기(211)에 작동매체를 공급하도록 매체터빈(212)과 압축기(211)를 연결하는 배관이다.
제1 매체라인(221)에는 압축기(211)에서 토출되는 압축된 작동매체가 유동되고, 제2 매체라인(222)에는 터빈에서 토출되는 작동매체가 유동되므로, 제1 매체라인(221)의 작동매체는 제2 매체라인(222)의 작동매체에 비해 상대적으로 고온 고압 상태로 유동된다. 따라서, 제1 매체라인(221)은 고압배관이고, 제2 매체라인(222)은 제1 매체라인(221)에 비해 저압배관 이다.
작동매체 냉각기(213)는 제2 매체라인(222)을 따라 유동되는 작동매체를 냉각하여 압축기(211)에 공급되는 작동매체의 온도를 조절한다. 작동매체 냉각기(213)에는 제2 매체라인(222)과 열교환되도록 냉각매체가 유동된다.
복열기(215)는 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)에 연결되고, 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 열교환시킨다. 제1 매체라인(221)의 작동매체는 제2 매체라인(222)의 작동매체보다 상대적으로 고온 고압이므로, 제2 매체라인(222)을 따라 유동되는 작동매체의 온도가 증가될 수 있다.
발전부(214)는 매체터빈(212)에서 발생되는 동력에 의해 발전되도록 매체터빈(212)에 설치된다.
복열기 바이패스라인(230)은 제1 매체라인(221)에서 상기 복열기(215)의 유입측과 토출측에 연결된다. 복열기 바이패스라인(230)은 압축기(211)에서 토출되는 작동매체가 복열기(215)를 거치지 않고 복열기(215)의 토출측에 유입되도록 한다.
크로스라인(233)은 복열기 바이패스라인(230)의 유입측과 토출측을 연결하도록 복열기 바이패스라인(230)과 병렬로 연결된다. 크로스라인(233)은 복열기 바이패스라인(230)으로 유입된 작동매체의 일부를 복열기 바이패스라인(230)의 배출측으로 유동시킨다.
제1 열교환기(251)는 복열기 바이패스라인(230)의 작동매체와 제2 유동라인(122)의 소기가 열교환되도록 복열기 바이패스라인(230)과 제2 유동라인(122)에 연결된다. 제1 열교환기(251)는 제2 유동라인(122)의 소기의 열에너지를 복열기 바이패스라인(230)의 작동매체에 회수하도록 한다.
제2 열교환기(252)는 제3 유동라인(123)의 배기와 제1 매체라인(221)의 작동매체가 열교환되도록 제1 매체라인(221)과 제3 유동라인(123)에 연결된다. 제2 열교환기(252)는 제3 유동라인(123)의 배기의 열에너지를 제1 매체라인(221)의 작동매체에 회수하도록 한다.
제3 열교환기(253)는 제3 유동라인(123)의 배기와 제1 매체라인(221)의 작동매체가 열교환되도록 제3 유동라인(123)과 제1 매체라인(221)에 연결된다. 제3 열교환기(253)는 제3 유동라인(123)의 배기의 열에너지를 제1 매체라인(221)의 작동매체에 회수하도록 한다.
엔진(110)에서 토출되는 배기의 일부 열에너지가 제1 열교환기(251), 제2 열교환기(252), 제3 열교환기(253)에 의해 회수되므로, 소기와 배기로부터 폐열 회수율을 증가시킬 수 있다. 또한, 소기와 배기에서 회수된 열에너지는 제1 매체라인(221)의 작동유체의 온도를 상승시키고, 온도 상승된 작동유체는 매체터빈(212)에 공급된다. 따라서, 매체터빈(212)에는 상대적으로 고온의 작동매체가 공급되므로, 매체터빈(212)의 효율이 증가될 수 있다.
제1 열교환기(251)는 복열기 바이패스라인(230)에 복열기(215)와 병렬로 배치되고, 제2 열교환기(252)는 크로스라인(233)에 제1 열교환기(251)와 병렬로 배치되며, 제3 열교환기(253)는 복열기(215)와 매체터빈(212) 사이에 복열기(215)와 직렬로 배치된다. 엔진(110)에서 토출되는 배기의 폐열이 제1 열교환기(251), 제2 열교환기(252) 및 제3 열교환기(253)를 통해 제1 매체라인(221)의 작동매체에 회수될 수 있다. 나아가, 제1 매체라인(221)의 작동매체는 제1 열교환기(251), 제2 열교환기(252) 및 제3 열교환기(253)를 통과하면서 온도가 높아지므로, 상대적으로 고온의 작동매체가 매체터빈(212)에 공급될 수 있다. 따라서, 매체터빈(212)의 효율을 향상시킬 수 있다.
복합 발전장치는 제3 유동라인(123)의 개도를 조절하도록 제3 유동라인(123)에 설치되는 제1 조절밸브(141)를 더 포함한다. 제1 조절밸브(141)가 제3 유동라인(123)의 개도를 조절함으로써, 크로스라인(233)에서 배기의 열회수율을 조절할 수 있다.
복합 발전장치는 제4 유동라인(124)과 제2 조절밸브(142)를 포함한다. 제4 유동라인(124)은 제3 유동라인(123)의 배기를 외부로 배출시키도록 제3 유동라인(123)에서 분지된다. 제2 조절밸브(142)는 제4 유동라인(124)의 개도를 조절하도록 제4 유동라인(124)에 설치된다.
엔진(110)의 부하가 증가되는 경우, 엔진(110)에서 배출되는 배기와 소기의 유량과 온도가 증가된다. 따라서, 엔진(110)의 부하가 증가되는 경우, 열에너지의 회수율이 증가되므로 제2 열교환기(252)로부터 폐열 회수할 수 있다. 또한, 엔진(110)의 부하가 감소되는 경우, 열에너지의 회수율이 감소되므로 제2 열교환기(252)에서 폐열을 회수하지 않을 수 있다.
제2 열교환기(252)에서 폐열 회수가 필요 없는 경우, 제1 조절밸브(141)를 폐쇄하고 제2 조절밸브(142)를 개방할 수 있다. 이때, 제3 유동라인(123)의 작동매체는 제2 열교환기(252)에 공급되지 않고 제4 유동라인(124)을 통해 외부로 배출된다.
복합 발전장치는 제1 유량분배밸브(241) 및 제2 유량분배밸브(242)를 더 포함한다.
제1 유량분배밸브(241)는 제1 매체라인(221)과 복열기 바이패스라인(230)의 유입측이 연결되는 부분에 배치되고, 복열기(215)와 복열기 바이패스라인(230)으로 유동되는 작동매체의 유량을 제어한다. 제1 유량분배밸브(241)의 분배비율을 조절함으로써, 복열기(215) 측으로 유동되는 작동매체의 유량과 복열기 바이패스라인(230)으로 유동되는 작동매체의 비율을 조절할 수 있다. 따라서, 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)의 폐열 회수율을 제어할 수 있다.
제2 유량분배밸브(242)는 복열기 바이패스라인(230)과 크로스라인(233)의 유입측이 연결되는 부분에 배치되고, 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)로 유동되는 작동매체의 유량을 제어한다. 제2 유량분배밸브(242)의 분배비율을 조절함으로써, 제1 열교환기(251)로 유동되는 작동매체와 제2 열교환기(252)로 유동되는 작동매체의 비율을 제어할 수 있다.
복합 발전장치는 인벤토리라인(261), 인벤토리탱크(262) 및 인벤토리밸브(263)를 포함한다.
인벤토리라인(261)은 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 연결한다. 인벤토리라인(261)의 일측은 제1 매체라인(221)에서 압축기(211)의 토출측과 복열기(215)의 유입측 사이에 연결되고, 인벤토리라인(261)의 타측은 제2 매체라인(222)에서 복열기(215)의 토출측과 압축기(211)의 유입측 사이에 연결된다. 이때, 인벤토리라인(261)의 타측이 제2 매체라인(222)에서 복열기(215)의 토출측과 압축기(211)의 유입측 사이에 연결되므로, 제2 매체라인(222)에 보충된 작동매체가 압축기(211)에서 압축된 후 매체터빈(212)에 공급될 수 있다.
인벤토리탱크(262)에는 제2 매체라인(222)에 보충할 작동매체가 미리 저장된다. 인벤토리밸브(263)는 인벤토리탱크(262)의 양측에 배치된다. 고압측의 인벤토리밸브(263)가 개방되면, 제1 매체라인(221)의 작동매체가 인벤토리탱크(262)에 유입된다. 또한 저압측의 인벤토리밸브(263)가 개방되면, 인벤토리탱크(262)의 작동매체가 제2 매체라인(222)으로 유입된다. 따라서, 인벤토리밸브(263)를 제어함에 의해 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 포함하는 작동매체 시스템의 압력 및 유량을 조절할 수 있다. 인벤토리밸브(263)는 엔진(110)의 부하 변동에 따라 열교환부의 열교환 효율이 최적화 되도록 작동매체 시스템의 압력을 조절한다.
복합 발전장치는 재순환라인(271)과 재순환밸브(272)를 포함한다.
재순환라인(271)은 압축기(211)와 복열기(215) 사이에 배치되고, 제1 매체라인(221)의 작동매체를 제2 매체라인(222)으로 유동시키도록 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 연결한다. 재순환라인(271)의 일측은 제1 매체라인(221)에 연결되고, 재순환라인(271)의 타측은 제2 매체라인(222)에 연결된다. 재순환밸브(272)는 재순환라인(271)에 설치된다.
압축기(211)의 초기 구동시 제1 스로틀 밸브(245)는 개방되고, 재순환밸브(272)는 개방된다. 재순환밸브(272)가 개방되면, 압축기(211)에서 토출되는 작동매체가 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)의 압력구배에 의해 재순환라인(271)을 통해 제2 매체라인(222)으로 유입된다. 이때, 재순환밸브(272)의 개도를 조절하여 재순환라인(271)으로 유입되는 작동매체량을 조절할 수 있다. 따라서, 압축기(211)의 초기 구동시 압축기(211)에서 압축된 작동매체가 기 설정된 압력이 될 때까지 작동매체가 매체터빈(212)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 압축기(211)에서 배출되는 작동매체의 압력이 기 설정된 압력에 도달되면, 제1 스로틀 밸브(245)가 개방되고, 재순환밸브(272)가 폐쇄된다.
복합 발전장치는 터빈 바이패스라인(275)과 터빈 바이패스밸브(276)를 포함한다.
터빈 바이패스라인(275)은 복열기(215)와 터빈 사이에 배치되고, 제1 매체라인(221)의 작동매체를 제2 매체라인(222)으로 유동시키도록 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 연결된다. 터빈 바이패스라인(275)의 일측은 제1 매체라인(221)에 연결되고, 터빈 바이패스라인(275)의 타측은 제2 매체라인(222)에 연결된다.
터빈 바이패스밸브(276)는 터빈 바이패스라인(275)에 설치된다. 매체터빈(212)의 초기 구동시 제2 스로틀 밸브(246)를 폐쇄하고, 터빈 바이패스밸브(276)는 개방한다. 이때, 제1 매체라인(221)의 작동매체는 터빈 바이패스라인(275)을 통해 제2 매체라인(222)으로 바이패스된다. 매체터빈(212)의 구동 속도가 증가되면, 제2 스로틀 밸브(246)의 개도를 점차적으로 증가시키고, 터빈 바이패스밸브(276)의 개도는 점차적으로 감소시킨다.
따라서, 매체터빈(212)의 구동속도가 증가됨에 따라 작동매체의 공급량을 점차적으로 증가시키므로, 매체터빈(212)의 초기 구동시 매체터빈(212)이 작동매체에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 엔진(110)의 부하가 변동됨에 따라 배기의 유량이 변경될 수 있다. 배기의 유량이 변경됨에 따라 제1 매체라인(221)의 작동매체에 회수되는 폐열의 회수율도 변경된다. 따라서, 엔진(110)의 부하 변동에 따라 인벤토리밸브(263)를 조절하여 제2 매체라인(222)과 제1 매체라인(221)에서 작동매체의 압력과 유량을 조절할 수 있다.
또한, 엔진(110)의 부하 변동이나 비상상황 등 매체터빈(212)의 운전 조건이 변화되는 경우, 재순환밸브(272)나 터빈 바이패스 밸브를 조절하여, 제1 매체라인(221)의 작동매체를 제2 매체라인(222)으로 바이패스시킬 수 있다. 또한, 제1 스로틀 밸브(245)와 제2 스로틀 밸브(246)를 차단하거나 개도 조절하여 매체 발전 시스템의 기기들을 보호할 수 있다.
복합 발전장치는 진공펌프(281), 부스터펌프(282) 및 저장탱크(284)를 포함한다.
진공펌프(281)는 제2 매체라인(222)의 진공 상태를 유지하도록 제2 매체라인(222)에 연결된다. 진공펌프(281)는 진공라인(281a)에 의해 제2 매체라인(222)에 연결된다. 부스터펌프(282)는 제2 매체라인(222)에 작동매체를 주입하도록 제2 매체라인(222)에 연결된다. 저장탱크(284)는 부스터펌프(282)에 작동매체를 공급하도록 부스터펌프(282)에 연결된다. 부스터펌프(282), 저장탱크(284) 및 제2 매체라인(222)은 보충라인(283)에 의해 연결된다.
진공펌프(281)가 구동됨에 따라 저장탱크(284)의 작동매체가 제2 매체라인(222)에 보충된다. 따라서, 엔진(110)의 부하 변동이나 매체터빈(212)의 부하 변동에 따라 제2 매체라인(222)에서 작동매체의 압력을 조절할 수 있다. 부스터펌프(282)가 구동됨에 따라 제2 매체라인(222)에서 공기와 이물질이 배출되고, 제2 매체라인(222)에서 진공 상태가 유지된다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제2 실시예는 소기 냉각기, 제3 유동라인 및 제4 유동라인을 제외하고는 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로, 아래에서는 제2 실시예의 특징부에 관해서만 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 소기 냉각기(150)가 제2 유동라인(122)의 배기를 냉각시키도록 제2 유동라인(122)에 설치된다. 소기 냉각기(150)에 공급되는 냉각매체의 유량을 조절함에 따라 소기 냉각기(150)의 냉각 속도를 조절할 수 있다. 제2 유동라인(122)의 배기는 제1 열교환기(251)와 소기 냉각기(150)에 의해 냉각되므로, 엔진(110)에 요구되는 온도로 냉각된 배기를 공급할 수 있다. 따라서, 엔진(110)의 출력이 증대될 수 있다.
또한, 제3 유동라인(123)에는 제1 실시예와 같이 제4 배리라인이 분기되지 않을 수 있다. 또한, 제3 유동라인(123)에 제1 조절밸브(141)를 설치하지 않을 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제3 실시예는 클리닝 블로어 및 클리닝라인을 제외하고는 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로, 아래에서는 제3 실시예의 특징부에 관해서만 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 발전장치는 클리닝 블로어(291)와 클리닝라인(292)을 더 포함한다.
클리닝 블로어(291)는 제2 열교환기(252)와 제3 열교환기(253)에 작동매체를 분사하여 이물질을 제거하도록 설치된다. 클리닝라인(292)은 클리닝 블로어(291)에 작동매체를 공급하도록 클리닝 블로어(291)에 연결된다. 따라서, 제2 열교환기(252)와 제3 열교환기(253)에 부착된 배기의 이물질(fouling)에 의해 화재가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 클리닝 블로어는 제1 열교환기(251)에 설치될 수도 있다.
클리닝라인(292)은 클리닝 블로어(291)와 저장탱크(284)에 연결된다. 따라서, 저장탱크(284)에 저장된 작동매체가 클리닝라인(292)을 통해 클리닝 블로어(291)에 공급될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제4 실시예는 클리닝라인의 연결 구조를 제외하고는 제3 실시예와 실질적으로 동일하므로, 아래에서는 제4 실시예의 특징부에 관해서만 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 발전장치의 클리닝라인(292)은 클리닝 블로어(291)와 인벤토리탱크(262)에 연결된다. 인벤토리탱크(262)의 작동매체가 클리닝 블로어(291)에 공급되므로, 인벤토리탱크(262)의 작동매체를 이용하여 제2 열교환기(252)와 제3 열교환기(253)에 부착된 이물질을 제거할 수 있다.
또한, 클리닝라인(292)은 부스터펌프(282)를 제2 매체라인(222)에 연결하는 매체보충라인(283)에 연결될 수 있다. 이때, 매체보충라인(283)의 작동매체가 클리닝 블로어(291)에 공급된다.
다음으로, 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제5 실시예는 소화기와 소화라인을 제외하고는 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로, 아래에서는 제5 실시예의 특징부에 관해서만 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 복합 발전장치는 소화기(295)와 소화라인(296)을 포함한다.
소화기(295)는 제2 열교환기(252)와 제3 열교환기(253)에 작동매체를 분사하도록 제2 열교환기(252)와 제3 열교환기(253)에 설치된다. 소화기(295)는 제2 열교환기(252)와 제3 열교환기(253)에 화재가 발생되면 화염을 소화한다. 소화기(295)는 제1 열교환기(251)에 설치될 수 있다.
소화라인(296)은 소화기(295)에 작동매체를 공급하도록 소화기(295)에 연결된다. 이때, 소화라인(296)은 인벤토리탱크(262) 또는 저장탱크(284)에 연결된다.
다음으로, 본 발명의 제6 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제6 실시예는 연결라인(286)을 제외하고는 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로, 아래에서는 제6 실시예의 특징부에 관해서만 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 복합 발전장치는 연결라인(286)을 포함한다. 연결라인(286)은 부스터펌프(282)의 보충라인(283)과 인벤토리탱크(262)를 연결한다. 연결라인(286)에는 연결라인(286)을 개폐시키도록 개폐밸브(287)가 설치된다.
개폐밸브(287)가 개방되고, 부스터펌프(282)가 구동되면, 저장탱크(284)의 작동매체는 보충라인(283) 및 연결라인(286)을 통해 인벤토리탱크(262)에 공급된다. 따라서, 인벤토리탱크(262)에서 작동매체가 필요한 경우, 인벤토리탱크(262)에 작동매체를 보충할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 실시예들에서 엔진(110)의 배기 및 소기의 열에너지를 회수하여 제1 매체라인(221)의 작동매체를 승온시키고, 승온된 작동매체(초임계 이산화탄소)가 매체터빈(212)을 구동시키므로, 매체터빈(212)의 발전 효율을 향상시키고, 발전장치의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 연료의 연소에 의해 구동되는 엔진;
    상기 엔진에 연결되는 제1 유동라인;
    상기 제1 유동라인에 연결되고, 상기 엔진에서 배출되는 소기를 압축하는 터보차저;
    상기 터보차저에서 압축된 소기가 상기 엔진에 공급되도록 상기 터보차저와 상기 엔진을 연결하는 제2 유동라인;
    상기 제1 유동라인의 배기가 외부에 배출되도록 상기 제1 유동라인에서 분지되는 제3 유동라인;
    작동매체를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에 연결되는 제1 매체라인;
    상기 제1 매체라인에 연결되고, 상기 제1 매체라인에서 공급되는 작동매체에 의해 구동되는 매체터빈;
    상기 매체터빈과 상기 압축기를 연결하는 제2 매체라인;
    상기 제2 매체라인에 연결되고, 상기 매체터빈에서 배출되는 작동매체를 냉각시키는 작동매체 냉각기;
    상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인에 연결되고, 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 열교환시키는 복열기;
    상기 매체터빈에서 발생되는 동력에 의해 발전되도록 상기 매체터빈에 설치되는 발전부;
    상기 제1 매체라인에서 상기 복열기의 유입측과 토출측에 연결되는 복열기 바이패스라인;
    상기 복열기 바이패스라인의 유입측과 토출측을 연결하도록 상기 복열기 바이패스라인과 병렬로 연결되는 크로스라인;
    상기 복열기 바이패스라인의 작동매체와 상기 제2 유동라인의 소기가 열교환되도록 상기 복열기 바이패스라인과 상기 제2 유동라인에 연결되는 제1 열교환기;
    상기 크로스라인의 작동매체와 상기 제3 유동라인의 배기가 열교환되도록 상기 크로스라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제2 열교환기; 및
    상기 제3 유동라인의 배기와 상기 제1 매체라인의 작동매체가 열교환되도록 상기 제3 유동라인과 상기 제1 매체라인에 연결되는 제3 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 복열기 바이패스라인에 상기 복열기와 병렬로 배치되고,
    상기 제2 열교환기는 상기 크로스라인에 상기 제1 열교환기와 병렬로 배치되며,
    상기 제3 열교환기는 상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 상기 복열기와 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 유동라인의 개도를 조절하도록 상기 제3 유동라인에 설치되는 제1 조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제3 유동라인의 배기를 외부로 배출시키도록 상기 제3 유동라인에서 분지되는 제4 유동라인; 및
    상기 제4 유동라인의 개도를 조절하도록 상기 제4 유동라인에 설치되는 제2 조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 유동라인의 소기를 냉각시키도록 상기 제2 유동라인에 설치되는 소기 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 매체라인과 상기 복열기 바이패스라인의 유입측이 연결되는 부분에 배치되고, 상기 복열기와 상기 복열기 바이패스라인으로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 제1 유량분배밸브; 및
    상기 복열기 바이패스라인과 상기 크로스라인의 유입측이 연결되는 부분에 배치되고, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 제2 유량분배밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 연결하는 인벤토리라인;
    상기 인벤토리라인을 통해 상기 제2 매체라인에 작동매체를 보충하는 인벤토리탱크; 및
    상기 인벤토리라인의 양측에 설치되는 인벤토리밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 인벤토리라인의 일측은 상기 제1 매체라인에서 상기 압축기의 토출측과 상기 복열기의 유입측 사이에 연결되고,
    상기 인벤토리라인의 타측은 상기 제2 매체라인에서 상기 복열기의 토출측과 상기 압축기의 유입측 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 매체라인에 진공 상태를 형성하도록 상기 제2 매체라인에 연결되는 진공펌프;
    상기 제2 매체라인에 작동매체를 주입하도록 상기 제2 매체라인에 연결되는 부스터펌프; 및
    상기 부스터펌프에 작동매체를 공급하도록 상기 부스터펌프에 연결되는 저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 인벤토리탱크에 작동매체를 보충하도록 상기 부스터펌프와 상기 인벤토리탱크를 연결하는 보충라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기에 작동매체를 분사하여 이물질을 제거하도록 설치되는 클리닝 블로어; 및
    상기 클리닝 블로어에 작동매체를 공급하도록 상기 클리닝 블로어에 연결되는 클리닝라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 클리닝라인은 상기 클리닝 블로어와 상기 저장탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 클리닝라인은 상기 클리닝 블로어와 상기 인벤토리탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기와 상기 제3 열교환기에 설치되는 소화기; 및
    상기 소화기에 작동매체를 공급하도록 상기 소화기에 연결되는 소화라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 소화라인은 상기 인벤토리탱크 또는 상기 저장탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 압축기와 상기 복열기 사이에 배치되고, 상기 제1 매체라인의 작동매체를 상기 제2 매체라인으로 유동시키도록 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 연결하는 재순환라인; 및
    상기 재순환라인에 설치되는 재순환밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 배치되고, 상기 제1 매체라인의 작동매체를 상기 제2 매체라인으로 유동시키도록 상기 제1 매체라인과 상기 제2 매체라인을 연결하는 터빈 바이패스라인; 및
    상기 터빈 바이패스라인에 설치되는 터빈 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
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