WO2018225923A1 - 복합 발전장치 - Google Patents

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WO2018225923A1
WO2018225923A1 PCT/KR2018/000959 KR2018000959W WO2018225923A1 WO 2018225923 A1 WO2018225923 A1 WO 2018225923A1 KR 2018000959 W KR2018000959 W KR 2018000959W WO 2018225923 A1 WO2018225923 A1 WO 2018225923A1
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류광년
함진기
김범주
이철희
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한국전력공사
현대중공업(주)
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • 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 power turbine connected to the first flow line and driven by exhaust exhausted from 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 connected to the power turbine so that exhaust discharged from the power turbine 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 heat exchanger connected to the first medium line to exchange heat and exhaust of the engine and the working medium discharged from the
  • the complex power generation apparatus may further include a recuperator bypass line connected to an inflow side and a discharge side of the recuperator in the first medium line and provided with the heat exchange unit.
  • the heat exchanger includes: a first heat exchanger connected to the recuperator bypass line and the second flow line such that the working medium of the recuperator bypass line and the air of the second flow line are exchanged; And a second heat exchanger connected to the first medium line and the third flow line such that the exhaust of the third flow line and the working medium of the first medium line exchange heat.
  • the heat exchanger includes: a first heat exchanger connected to the recuperator bypass line and the third flow line to exchange heat between the working medium of the recuperator bypass line and the exhaust of the third flow line; And a second heat exchanger connected to the first medium line and the third flow line such that the exhaust of the third flow line and the working medium of the first medium line exchange heat.
  • the complex power generation apparatus may further include a scavenging cooler connected to the second flow line to cool the scavenging of the second flow line.
  • the first heat exchanger may be disposed in parallel with the recuperator in the recuperator bypass line, and the second heat exchanger may be disposed in series with the recuperator between the recuperator and the medium turbine.
  • the combined cycle generator may include a scavenging bypass line connecting the discharge side of the turbocharger and the discharge side of the first heat exchanger in the second flow line; And a scavenging bypass valve installed in the scavenging bypass line to adjust the flow rate of the scavenging flow into the scavenging bypass line to adjust the temperature of the scavenging flow flowing into the engine.
  • the combined cycle generator is disposed at a portion where the first medium line and the recuperator bypass line are connected, and further includes a flow distribution valve for controlling a flow rate of the working medium flowing through the recuperator and the recuperator bypass line. It may include.
  • 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 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 power generation unit includes a first gear unit connected to the power turbine; A first generator connected to the first gear unit and generated as the first gear unit is driven; A second gear part connected to the medium turbine; And a second generator connected to the medium turbine and generated as the second gear unit is driven.
  • the power generation unit includes a first gear unit connecting the power turbine and the medium turbine; A second gear part connected to the power turbine; And a first generator connected to the power turbine and generated as the second gear unit is driven.
  • the power generation unit includes a first gear unit connecting the power turbine and the medium turbine; And a first generator connected to the first gear unit and generated as the first gear unit is driven.
  • the working medium may be carbon dioxide.
  • the size of the power generator can be reduced.
  • the power turbine since the power turbine is driven by the exhaust of the engine, the amount of electricity generated can be increased by using the waste energy of the exhaust.
  • 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. 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 120, a power turbine 113, a turbocharger 115, and a second flow.
  • 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 120 is connected to the engine 110.
  • the exhaust of the engine 110 is discharged to the first flow line 120.
  • the first flow line 120 includes a first branch line 122 and a second branch line 123.
  • the first branch line 122 connects the engine 110 and the turbocharger 115 to supply the exhaust gas discharged from the engine 110 to the turbocharger 115.
  • the turbocharger 115 is driven by exhaust supplied through the first branch line 122.
  • the second branch line 123 connects the engine 110 and the power turbine 113 to supply the exhaust of the first branch line 122 to the power turbine 113.
  • a first branch valve 131 is installed in the first branch line 122, and a second branch valve 132 is installed in the second branch line 123.
  • the opening degrees of the first branch valve 131 and the second branch valve 132 are adjusted, the amount of exhaust gas re-introduced into the engine 110 and the amount of exhaust gas discharged to the third flow line 126 are adjusted. Accordingly, the opening degrees of the first branch valve 131 and the second branch valve 132 may be adjusted according to the load of the engine 110.
  • the power turbine 113 is connected to the first flow line 120 and is driven by the exhaust discharged through the first flow line 120.
  • the turbocharger 115 is connected to the first flow line 120 and is driven by the exhaust discharged from the first flow line 120 to compress the scavenging air.
  • the second flow line 125 connects the turbocharger 115 and the engine 110 to supply the scavenge compressed in the turbocharger 115 to the engine 110.
  • the second flow line 125 is provided with a control valve 137 to adjust the flow rate of the desired flow to the second flow line 125.
  • the third flow line 126 is connected to the power turbine 113 to discharge the exhaust discharged from the power turbine 113 to the outside.
  • the scavenging bypass line 127 and the scavenging bypass valve 135 are installed in the second flow line 125.
  • the scavenging bypass line 127 connects the discharge side of the turbocharger 115 and the discharge side of the first heat exchanger 251 in the second flow line 125.
  • the scavenging bypass valve 135 is installed in the scavenging bypass line 127 to adjust the flow rate of the scavenging flow into the scavenging bypass line 127 to adjust the temperature of the scavenging flow flowing into the engine 110.
  • the control valve 137 installed in the second flow line 125 controls the temperature of the scavenging together with the scavenging bypass valve 135.
  • the scavenging bypass valve 135 and the control valve 137 are adjusted to increase the flow rate of the scavenging flow flowing through the scavenging bypass line 127, the scavenging heat exchanged in the first heat exchanger 251.
  • the flow rate of is relatively reduced.
  • the scavenging temperature flowing into the engine 110 is relatively increased.
  • the scavenging bypass valve 135 and the control valve 137 are adjusted to reduce the scavenging flow rate flowing through the scavenging bypass line 127, the scavenging flow rate exchanged by the first heat exchanger 251. Is increased relatively. Therefore, since the flow rate of the scavenging air that is deprived of heat by the first heat exchanger 251 is increased, the scavenging temperature flowing into the engine 110 is relatively reduced.
  • the scavenging bypass valve 135 may close the scavenging bypass line 127 according to the scavenging temperature required by the engine 110. At this time, since all of the scavenging air discharged from the turbocharger 115 is heat-exchanged in the first heat exchanger 251, the scavenging temperature flowing into the engine 110 may be further increased.
  • the first flow line 120, the second flow line 125, and the third flow line 126 may have a relatively high temperature and high pressure than the first medium line 221 and the second medium line 222 which will be described below. And exhaust flows.
  • the compressor 211 compresses the working medium at high pressure.
  • Supercritical carbon dioxide may be applied as the working medium.
  • the temperature of the working medium is also increased. Since the working medium constitutes a cycle using supercritical carbon dioxide, it is possible to realize a compact device with high power generation efficiency.
  • 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 265 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. 266 is installed.
  • the first throttle valve 265 controls the amount of working medium flowing to the recuperator 215, and the second throttle valve 266 controls the amount of working medium flowing into the medium turbine 212.
  • the complex power generation apparatus further includes a recuperator bypass line 240 connected to the inflow side and the discharge side of the recuperator 215 in the first medium line 221 and having a heat exchanger 250 installed therein.
  • a part of the working medium discharged from the compressor 211 flows through the recuperator bypass line 240, heat exchanged by the heat exchanger 250, and then flows into the discharge side of the working medium recuperator 215. Therefore, the temperature of the working medium supplied to the medium turbine 212 may be controlled by adjusting the amount of working medium flowing into the recuperator bypass line 240. For example, as the working medium supplied to the recuperator bypass line 240 increases, the temperature of the working medium supplied to the medium turbine 212 increases.
  • 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 first medium line ( The working medium of 221 flows at a relatively high temperature and high pressure compared to the working medium of the second medium line 222. Accordingly, the first medium line 221 is a high pressure pipe, and 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 heat exchanger 250 is installed in the first medium line 221 to exchange heat between the exhaust gas discharged from the engine 110 and the working medium discharged from the compressor 211. Since the working medium discharged from the compressor 211 is heated in the heat exchanger 250 and then supplied to the medium turbine 212 through the first medium line 221, the waste heat of the exhaust discharged from the engine 110 is recovered. It may be utilized to drive the media turbine 212.
  • the heat exchanger 250 includes a first heat exchanger 251 and a second heat exchanger 252.
  • the first heat exchanger 251 is connected to the recuperator bypass line 240 and the second flow line 125 so that the working medium of the recuperator bypass line 240 and the air of the second flow line 125 are exchanged. do.
  • the first heat exchanger 251 recovers the desired thermal energy of the second flow line 125 to the working medium of the recuperator bypass line 240.
  • the second heat exchanger 252 is connected to the first medium line 221 and the third flow line 126 so that the exhaust of the third flow line 126 and the working medium of the first medium line 221 exchange heat.
  • the second heat exchanger 252 recovers the thermal energy of the exhaust of the third flow line 126 to the working medium of the first medium line 221.
  • the waste heat recovery rate of the scavenging and exhaust can be increased.
  • the generator 230 is installed in the power turbine 113 and the medium turbine 212 so as to be generated by the power generated from the power turbine 113 and the medium turbine 212. Waste heat from the exhaust can be recovered and used to produce electricity.
  • the first heat exchanger 251 is disposed in parallel with the recuperator 215 in the recuperator bypass line 240, and the second heat exchanger 252 is provided between the recuperator 215 and the medium turbine 212. Disposed in series with the heat 215. Therefore, the heat energy of the scavenging and exhaust gas discharged from the engine 110 may be recovered to the working medium of the first medium line 221 through the first heat exchanger 251 and the second heat exchanger 252. Furthermore, since the temperature of the working medium of the first medium line 221 is increased while passing through the first heat exchanger 251 and the second heat exchanger 252, a relatively high temperature working medium is supplied to the medium turbine 212. Can be. Therefore, the efficiency of the medium turbine 212 can be improved.
  • the composite power generation apparatus is disposed at a portion where the first medium line 221 and the recuperator bypass line 240 are connected to each other, and the flow rate of the working medium flowing to the recuperator 215 and the recuperator bypass line 240 is measured. It further includes a flow distribution valve 261 for controlling. Therefore, since the amount of the working medium that is heat-exchanged with the first heat exchanger 251 while flowing along the recuperator bypass line 240 can be adjusted, the temperature of the working medium of the first medium line 221 can be adjusted.
  • the complex power generation apparatus includes an inventory line 271, an inventory tank 272, and an inventory valve 273.
  • the inventory line 271 connects the first media line 221 and the second media line 222.
  • One side of the inventory line 271 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 271 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 272 stores the working medium to be replenished in the second media line 222 in advance.
  • the inventory valve 273 is disposed at both sides of the inventory tank 272. When the high pressure side inventory valve 273 is opened, the working medium of the first medium line 221 flows into the inventory tank 272. In addition, when the low-pressure side inventory valve 273 is opened, the working medium of the inventory tank 272 flows into the second medium line 222. Accordingly, by controlling the inventory valve 273, the pressure and flow rate of the working medium system including the first medium line 221 and the second medium line 222 may be adjusted. The inventory valve 273 adjusts the pressure of the working medium system to optimize the heat exchange efficiency of the heat exchanger 250 according to the load variation of the engine 110.
  • the combined cycle apparatus includes a recirculation line 281 and a recirculation valve 282.
  • the recirculation line 281 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 281 is connected to the first media line 221, and the other side of the recirculation line 281 is connected to the second media line 222.
  • the recirculation valve 282 is installed in the recirculation line 281.
  • the first throttle valve 265 is opened and the recirculation valve 282 is opened.
  • the recirculation valve 282 is opened, the working medium discharged from the compressor 211 passes through the recirculation line 281 by 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 282 may be adjusted to adjust the amount of working medium flowing into the recirculation line 281. 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 265 is opened and the recirculation valve 282 is closed.
  • the combined cycle apparatus includes a turbine bypass line 285 and a turbine bypass valve 286.
  • the turbine bypass line 285 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 285 is connected to the first medium line 221, and the other side of the turbine bypass line 285 is connected to the second medium line 222.
  • the turbine bypass valve 286 is installed in the turbine bypass line 285.
  • the second throttle valve 266 is closed and the turbine bypass valve 286 is opened.
  • the working medium of the first medium line 221 is bypassed to the second medium line 222 through the turbine bypass line 285.
  • the opening degree of the second throttle valve 266 is gradually increased, and the opening degree of the turbine bypass valve 286 is gradually decreased.
  • the generator 230 includes a first gear unit 231, a first generator 233, a second gear unit 235, and a second generator 237.
  • the first gear part 231 is connected to the output of the power turbine 113.
  • the first generator 233 is connected to the first gear unit 231 and is generated as the first gear unit 231 is driven.
  • the second gear part 235 is connected to the output of the medium turbine 212.
  • the second generator 237 is connected to the medium turbine 212 and is generated as the second gear unit 235 is driven.
  • the first generator 233 generates electricity using the power of the power turbine 113 driven by the exhaust of the engine 110
  • the second generator 237 is a medium turbine 212 is driven by the working medium Produce electricity using its power.
  • waste heat can be used to produce more electricity.
  • 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 273 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 282 or the turbine bypass valve 286 is adjusted to provide the first medium line 221.
  • the working medium of may be bypassed to the second media line 222.
  • the first throttle valve 265 and the second throttle valve 266 may be blocked or adjusted to protect the devices of the medium turbine 212 device.
  • FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • the heat exchanger 250 includes a first heat exchanger 251 and a second heat exchanger 252.
  • the first heat exchanger 251 is connected to the recuperator bypass line 240 and the third flow line 126 so that the working medium of the recuperator bypass line 240 and the exhaust of the third flow line 126 are heat-exchanged. do.
  • the second heat exchanger 252 is connected to the first medium line 221 and the third flow line 126 so that the exhaust of the third flow line 126 and the working medium of the first medium line 221 exchange heat.
  • the third flow line 126 passes through the first heat exchanger 251 after passing through the second heat exchanger 252. Therefore, the exhaust gas discharged from the power turbine 113 is sequentially heat exchanged in the second heat exchanger 252 and the first heat exchanger 251 and then discharged to the outside. At this time, the second medium line 222 is not connected to the first heat exchanger 251.
  • the scavenging cooler 117 is connected to the second flow line 125 to cool the scavenging of the second flow line 125.
  • the scavenging cooler 117 is supplied with a cooling medium.
  • the scavenging cooler 117 serves to cool the scavenging of the second flow line 125 to a temperature required for the engine 110 and to supply the scavenging to the engine 110. Therefore, even if the first heat exchanger 251 is not connected to the second flow line 125, the scavenge of the second flow line 125 may be cooled to a temperature required for the engine 110.
  • FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the generator 230 includes a first gear unit 231, a second gear unit 235, and a first generator 233.
  • the first gear part 231 is simultaneously connected to the output of the power turbine 113 and the output of the medium turbine 212.
  • the second gear part 235 is connected to the output of the power turbine 113.
  • the second gear part 235 is connected to the output of the opposite side of the first gear part 231 with respect to the medium turbine 212.
  • the first generator 233 is connected to the second gear unit 235 to generate electricity.
  • the rotation speeds of the power turbine 113 and the medium turbine 212 vary according to the load variation of the engine 110, a transmission (not shown) is applied to the first gear unit 231. Since the driving force of the power turbine 113 and the medium turbine 212 is transmitted to the first generator 233 through the first gear unit 231, the driving torque of the first generator 233 may be increased. Therefore, the power generation capacity of the first generator 233 can be relatively increased.
  • FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a complex power generation apparatus according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the generator 230 includes a first gear unit 231 and a first generator 233.
  • the first gear part 231 is simultaneously connected to the output of the power turbine 113 and the output of the medium turbine 212.
  • the first generator 233 is connected to the first gear unit 231 to generate electricity.
  • the rotation speeds of the power turbine 113 and the medium turbine 212 vary according to the load variation of the engine 110, a transmission (not shown) is applied to the first gear unit 231. Since the driving force of the power turbine 113 and the medium turbine 212 is transmitted to the first generator 233 through the first gear unit 231, the driving torque of the first generator 233 may be increased. Therefore, the power generation capacity of the first generator 233 can be relatively increased.
  • 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.
  • the power turbine 113 is driven by the exhaust of the engine 110, the amount of electricity generated can be increased by using the waste energy of the exhaust.

Abstract

본 발명에 따른 복합 발전장치는 엔진(110), 제1 유동라인(120), 파워터빈(113), 터보차저(115), 제2 유동라인(125), 제3 유동라인(126), 압축기(211), 제1 매체라인(221), 매체터빈(212), 제2 매체라인(222), 작동매체 냉각기(213), 복열기(215) 및 발전부(230)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 배기에 의해 구동되는 파워터빈; 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 파워터빈에서 토출되는 배기가 외부에 배출되도록 상기 파워터빈에 연결되는 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 엔진에서 배출되는 배기 및 소기와 상기 압축기에서 배출되는 작동매체가 열교환되도록 상기 제1 매체라인에 연결되는 열교환부; 및 상기 파워터빈과 상기 매체터빈에서 발생되는 동력에 의해 발전되도록 상기 파워터빈과 상기 매체터빈에 설치되는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복합 발전장치는 상기 제1 매체라인에서 상기 복열기의 유입측과 토출측에 연결되고, 상기 열교환부가 설치되는 복열기 바이패스라인을 더 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 상기 복열기 바이패스라인의 작동매체와 상기 제2 유동라인의 소기가 열교환되도록 상기 복열기 바이패스라인과 상기 제2 유동라인에 연결되는 제1 열교환기; 및 상기 제3 유동라인의 배기와 상기 제1 매체라인의 작동매체가 열교환되도록 상기 제1 매체라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 상기 복열기 바이패스라인의 작동매체와 상기 제3 유동라인의 배기가 열교환되도록 상기 복열기 바이패스라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제1 열교환기; 및 상기 제3 유동라인의 배기와 상기 제1 매체라인의 작동매체가 열교환되도록 상기 제1 매체라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제2 유동라인의 소기를 냉각시키도록 상기 제2 유동라인에 연결되는 소기 냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환기는 상기 복열기 바이패스라인에 상기 복열기와 병렬로 배치되고, 상기 제2 열교환기는 상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 상기 복열기와 직렬로 배치될 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제2 유동라인에서 상기 터보차저의 배출측과 제1 열교환기의 토출측을 연결하는 소기 바이패스라인; 및 상기 소기 바이패스라인으로 유입되는 소기의 유량을 조절하여 상기 엔진에 유입되는 소기의 온도를 조절하도록 상기 소기 바이패스라인에 설치되는 소기 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 발전장치는 상기 제1 매체라인과 상기 복열기 바이패스라인이 연결되는 부분에 배치되고, 상기 복열기와 상기 복열기 바이패스라인으로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 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 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.
상기 발전부는 상기 파워터빈에 연결되는 제1 기어부; 상기 제1 기어부에 연결되고, 상기 제1 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제1 발전기; 상기 매체터빈에 연결되는 제2 기어부; 및 상기 매체터빈에 연결되고, 상기 제2 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제2 발전기를 포함할 수 있다.
상기 발전부는 상기 파워터빈과 상기 매체터빈을 연결하는 제1 기어부; 상기 파워터빈에 연결되는 제2 기어부; 및 상기 파워터빈에 연결되고, 상기 제2 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제1 발전기를 포함할 수 있다.
상기 발전부는 상기 파워터빈과 상기 매체터빈을 연결하는 제1 기어부; 및 상기 제1 기어부에 연결되고, 상기 제1 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제1 발전기를 포함할 수 있다.
상기 작동매체는 이산화탄소일 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진의 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, 엔진의 배기에 의해 파워터빈을 구동시키므로, 배기의 폐에너지를 이용하여 전기의 발전량을 증대시킬 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.
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 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 발전장치는 엔진(110), 제1 유동라인(120), 파워터빈(113), 터보차저(115), 제2 유동라인(125), 제3 유동라인(126), 압축기(211), 제1 매체라인(221), 매체터빈(212), 제2 매체라인(222), 작동매체 냉각기(213), 복열기(215) 및 발전부(230)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(120)은 엔진(110)에 연결된다. 제1 유동라인(120)에는 엔진(110)의 배기가 토출된다. 제1 유동라인(120)은 제1 분지라인(122)과 제2 분지라인(123)을 포함한다. 제1 분지라인(122)은 엔진(110)에서 배출되는 배기를 터보차저(115)에 공급하도록 엔진(110)과 터보차저(115)를 연결한다. 터보차저(115)는 제1 분지라인(122)을 통해 공급되는 배기에 의해 구동된다. 제2 분지라인(123)은 제1 분지라인(122)의 배기를 파워터빈(113)에 공급하도록 엔진(110)과 파워터빈(113)을 연결한다.
제1 분지라인(122)에는 제1 분지밸브(131)가 설치되고, 제2 분지라인(123)에는 제2 분지밸브(132)가 설치된다. 제1 분지밸브(131)와 제2 분지밸브(132)의 개도가 조절됨에 따라 엔진(110)으로 재유입되는 소기량과 제3 유동라인(126)으로 배출되는 배기량이 조절된다. 따라서, 엔진(110)의 부하에 따라 제1 분지밸브(131)와 제2 분지밸브(132)의 개도를 조절할 수 있다.
파워터빈(113)은 제1 유동라인(120)에 연결되고, 제1 유동라인(120)을 통해 배출되는 배기에 의해 구동된다.
터보차저(115)는 제1 유동라인(120)에 연결되고, 제1 유동라인(120)에서 배출되는 배기에 의해 구동되어 소기를 압축한다.
제2 유동라인(125)은 터보차저(115)에서 압축된 소기를 엔진(110)에 공급하도록 터보차저(115)와 엔진(110)을 연결한다. 제2 유동라인(125)에는 제2 유동라인(125)으로 유동되는 소기의 유량을 조절하도록 조절밸브(137)가 설치된다.
제3 유동라인(126)은 파워터빈(113)에서 토출되는 배기를 외부에 배출하도록 파워터빈(113)에 연결된다.
제2 유동라인(125)에는 소기 바이패스라인(127)과 소기 바이패스밸브(135)가 설치된다. 소기 바이패스라인(127)은 제2 유동라인(125)에서 터보차저(115)의 토출측과 제1 열교환기(251)의 토출측을 연결된다. 소기 바이패스밸브(135)는 소기 바이패스라인(127)으로 유입되는 소기의 유량을 조절하여 엔진(110)에 유입되는 소기의 온도를 조절하도록 소기 바이패스라인(127)에 설치된다. 이때, 제2 유동라인(125)에 설치되는 조절밸브(137)는 소기 바이패스밸브(135)와 함께 소기의 온도를 제어한다.
예를 들면, 소기 바이패스밸브(135)와 조절밸브(137)가 소기 바이패스라인(127)을 통해 유동되는 소기의 유량을 증가시키도록 조절되면, 제1 열교환기(251)에서 열교환되는 소기의 유량은 상대적으로 감소된다. 이때, 제1 열교환기(251)에 의해 열을 빼앗기는 소기의 유량이 감소되므로, 엔진(110)으로 유입되는 소기의 온도가 상대적으로 증가된다.
또한, 소기 바이패스밸브(135)와 조절밸브(137)가 소기 바이패스라인(127)를 통해 유동되는 소기의 유량을 감소시키도록 조절되면, 제1 열교환기(251)에서 열교환되는 소기의 유량은 상대적으로 증가된다. 따라서, 제1 열교환기(251)에 의해 열을 빼앗기는 소기의 유량이 증가되므로, 엔진(110)으로 유입되는 소기의 온도가 상대적으로 감소된다.
물론, 소기 바이패스밸브(135)는 엔진(110)에서 요구되는 소기의 온도에 따라 소기 바이패스라인(127)을 폐쇄할 수도 있다. 이때, 터보차저(115)에서 배출되는 소기는 모두 제1 열교환기(251)에서 열교환되므로, 엔진(110)에 유입되는 소기의 온도를 더욱 증가시킬 수 있다.
제1 유동라인(120), 제2 유동라인(125) 및 제3 유동라인(126)에는 아래에 설명할 제1 매체라인(221) 및 제2 매체라인(222)보다 상대적으로 고온 고압의 소기 및 배기가 유동된다.
압축기(211)는 작동매체를 고압으로 압축한다. 작동매체로는 초임계 이산화탄소가 적용될 수 있다. 압축기(211)에서 작동매체가 압축됨에 따라 작동매체의 온도 역시 상승된다. 작동매체가 초임계 이산화탄소를 이용하여 사이클을 구성하므로, 발전 효율이 높으면서도 콤팩트한 장치를 구현할 수 있다.
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(265)가 설치되고, 제2 열교환기(252)와 매체터빈(212) 사이에는 제2 스로틀 밸브(266)가 설치된다. 제1 스로틀 밸브(265)는 복열기(215) 측으로 유동되는 작동매체량을 제어하고, 제2 스로틀 밸브(266)는 매체터빈(212)으로 유입되는 작동매체량을 제어한다.
복합 발전장치는 제1 매체라인(221)에서 복열기(215)의 유입측과 토출측에 연결되고, 열교환부(250)가 설치되는 복열기 바이패스라인(240)을 더 포함한다. 압축기(211)에서 토출되는 작동매체의 일부가 복열기 바이패스라인(240)를 통해 유동되고, 열교환부(250)에 의해 열교환된 후 작동매체 복열기(215)의 토출측에 유입된다. 따라서, 복열기 바이패스라인(240)에 유입되는 작동매체량을 조절하여 매체터빈(212)에 공급되는 작동매체의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 복열기 바이패스라인(240)에 공급되는 작동매체가 증가할수록 매체터빈(212)에 공급되는 작동매체의 온도는 증가한다.
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 매체터빈(212)에서 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 저압배관이 된다.
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.
열교환부(250)는 엔진(110)에서 배출되는 배기와 압축기(211)에서 배출되는 작동매체가 열교환되도록 제1 매체라인(221)에 설치된다. 압축기(211)에서 배출되는 작동매체가 열교환부(250)에서 가열된 후 제1 매체라인(221)을 통해 매체터빈(212)에 공급되므로, 엔진(110)에서 토출되는 배기의 폐열을 회수하여 매체터빈(212)을 구동시키는 데에 활용할 수 있다.
열교환부(250)는 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)를 포함한다.
제1 열교환기(251)는 복열기 바이패스라인(240)의 작동매체와 제2 유동라인(125)의 소기가 열교환되도록 복열기 바이패스라인(240)과 제2 유동라인(125)에 연결된다. 제1 열교환기(251)는 제2 유동라인(125)의 소기의 열에너지를 복열기 바이패스라인(240)의 작동매체에 회수하도록 한다.
제2 열교환기(252)는 제3 유동라인(126)의 배기와 제1 매체라인(221)의 작동매체가 열교환되도록 제1 매체라인(221)과 제3 유동라인(126)에 연결된다. 제2 열교환기(252)는 제3 유동라인(126)의 배기의 열에너지를 제1 매체라인(221)의 작동매체에 회수하도록 한다.
소기와 배기의 열에너지가 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)에 의해 2중으로 회수되므로, 소기와 배기의 폐열 회수율을 증가시킬 수 있다.
발전부(230)는 파워터빈(113)과 매체터빈(212)에서 발생되는 동력에 의해 발전되도록 파워터빈(113)과 매체터빈(212)에 설치된다. 배기의 폐열을 회수하여 전기를 생산하는데 이용할 수 있다.
제1 열교환기(251)는 복열기 바이패스라인(240)에 복열기(215)와 병렬로 배치되고, 제2 열교환기(252)는 복열기(215)와 매체터빈(212) 사이에 복열기(215)와 직렬로 배치된다. 따라서, 엔진(110)에서 토출되는 소기와 배기의 열에너지가 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)를 통해 제1 매체라인(221)의 작동매체에 회수될 수 있다. 나아가, 제1 매체라인(221)의 작동매체는 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)를 통과하면서 온도가 높아지므로, 상대적으로 고온의 작동매체가 매체터빈(212)에 공급될 수 있다. 따라서, 매체터빈(212)의 효율을 향상시킬 수 있다.
복합 발전장치는 제1 매체라인(221)과 복열기 바이패스라인(240)이 연결되는 부분에 배치되고, 복열기(215)와 복열기 바이패스라인(240)으로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 유량분배밸브(261)를 더 포함한다. 따라서, 복열기 바이패스라인(240)을 따라 유동되면서 제1 열교환기(251)와 열교환되는 작동매체량을 조절할 수 있으므로, 제1 매체라인(221)의 작동매체의 온도를 조절할 수 있다.
복합 발전장치는 인벤토리라인(271), 인벤토리탱크(272) 및 인벤토리밸브(273)를 포함한다.
인벤토리라인(271)은 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 연결한다. 인벤토리라인(271)의 일측은 제1 매체라인(221)에서 압축기(211)의 토출측과 복열기(215)의 유입측 사이에 연결되고, 인벤토리라인(271)의 타측은 제2 매체라인(222)에서 복열기(215)의 토출측과 압축기(211)의 유입측 사이에 연결된다. 이때, 인벤토리라인(271)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(272)에는 제2 매체라인(222)에 보충할 작동매체가 미리 저장된다. 인벤토리밸브(273)는 인벤토리탱크(272)의 양측에 배치된다. 고압측의 인벤토리밸브(273)가 개방되면, 제1 매체라인(221)의 작동매체가 인벤토리탱크(272)에 유입된다. 또한 저압측의 인벤토리밸브(273)가 개방되면, 인벤토리탱크(272)의 작동매체가 제2 매체라인(222)으로 유입된다. 따라서, 인벤토리밸브(273)를 제어함에 의해 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)을 포함하는 작동매체 시스템의 압력 및 유량을 조절할 수 있다. 인벤토리밸브(273)는 엔진(110)의 부하 변동에 따라 열교환부(250)의 열교환 효율이 최적화 되도록 작동매체 시스템의 압력을 조절한다.
복합 발전장치는 재순환라인(281)과 재순환밸브(282)를 포함한다.
재순환라인(281)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(281)의 일측은 제1 매체라인(221)에 연결되고, 재순환라인(281)의 타측은 제2 매체라인(222)에 연결된다. 재순환밸브(282)는 재순환라인(281)에 설치된다.
압축기(211)의 초기 구동시 제1 스로틀 밸브(265)는 개방되고, 재순환밸브(282)는 개방된다. 재순환밸브(282)가 개방되면, 압축기(211)에서 토출되는 작동매체가 제1 매체라인(221)과 제2 매체라인(222)의 압력구배에 의해 재순환라인(281)을 통해 제2 매체라인(222)으로 유입된다. 이때, 재순환밸브(282)의 개도를 조절하여 재순환라인(281)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(265)가 개방되고, 재순환밸브(282)가 폐쇄된다.
복합 발전장치는 터빈 바이패스라인(285)과 터빈 바이패스밸브(286)를 포함한다.
터빈 바이패스라인(285)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(285)의 일측은 제1 매체라인(221)에 연결되고, 터빈 바이패스라인(285)의 타측은 제2 매체라인(222)에 연결된다.
터빈 바이패스밸브(286)는 터빈 바이패스라인(285)에 설치된다. 매체터빈(212)의 초기 구동시 제2 스로틀 밸브(266)를 폐쇄하고, 터빈 바이패스밸브(286)는 개방한다. 이때, 제1 매체라인(221)의 작동매체는 터빈 바이패스라인(285)을 통해 제2 매체라인(222)으로 바이패스된다. 매체터빈(212)의 구동 속도가 증가되면, 제2 스로틀 밸브(266)의 개도를 점차적으로 증가시키고, 터빈 바이패스밸브(286)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.
발전부(230)는 제1 기어부(231), 제1 발전기(233), 제2 기어부(235) 및 제2 발전기(237)를 포함한다.
제1 기어부(231)는 파워터빈(113)의 출력부에 연결된다. 제1 발전기(233)는 제1 기어부(231)에 연결되고, 제1 기어부(231)가 구동됨에 따라 발전된다. 제2 기어부(235)는 매체터빈(212)의 출력부에 연결된다. 제2 발전기(237)는 매체터빈(212)에 연결되고, 제2 기어부(235)가 구동됨에 따라 발전된다. 제1 발전기(233)는 엔진(110)의 배기에 의해 구동되는 파워터빈(113)의 동력을 이용하여 전기를 생산하고, 제2 발전기(237)는 작동매체에 의해 구동되는 매체터빈(212)의 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 따라서, 폐열을 이용하여 보다 많은 전기를 생산할 수 있다.
한편, 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(273)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(282)나 터빈 바이패스밸브(286)를 조절하여, 제1 매체라인(221)의 작동매체를 제2 매체라인(222)으로 바이패스할 수 있다. 또한, 제1 스로틀 밸브(265)와 제2 스로틀 밸브(266)를 차단하거나 개도 조절하여 매체터빈(212)장치의 기기들을 보호할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제2 실시예는 열교환부와 배기의 열교환 구조를 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, 열교환부(250)는 제1 열교환기(251)와 제2 열교환기(252)를 포함한다.
제1 열교환기(251)는 복열기 바이패스라인(240)의 작동매체와 제3 유동라인(126)의 배기가 열교환되도록 복열기 바이패스라인(240)과 제3 유동라인(126)에 연결된다. 제2 열교환기(252)는 제3 유동라인(126)의 배기와 제1 매체라인(221)의 작동매체가 열교환되도록 제1 매체라인(221)과 제3 유동라인(126)에 연결된다. 제3 유동라인(126)은 제2 열교환기(252)를 통과한 후 제1 열교환기(251)를 통과한다. 따라서, 파워터빈(113)에서 토출되는 배기는 제2 열교환기(252)와 제1 열교환기(251)에서 순차적으로 열교환된 후 외부에 배출된다. 이때, 제2 매체라인(222)은 제1 열교환기(251)에 연결되지 않는다.
제2 유동라인(125)의 소기를 냉각시키도록 제2 유동라인(125)에 소기 냉각기(117)가 연결된다. 소기 냉각기(117)에는 냉각매체가 공급된다. 소기 냉각기(117)는 엔진(110)에 요구되는 온도로 제2 유동라인(125)의 소기를 냉각하여 엔진(110)에 공급하는 역할을 수행한다. 따라서, 제2 유동라인(125)에 제1 열교환기(251)가 연결되지 않더라도 제2 유동라인(125)의 소기가 엔진(110)에 요구되는 온도로 냉각될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제3 실시예는 발전부의 구조를 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, 발전부(230)는 제1 기어부(231), 제2 기어부(235) 및 제1 발전기(233)를 포함한다.
제1 기어부(231)는 파워터빈(113)의 출력부과 매체터빈(212)의 출력부에 동시에 연결된다. 제2 기어부(235)는 파워터빈(113)의 출력부에 연결된다. 제2 기어부(235)는 매체터빈(212)을 기준으로 제1 기어부(231)의 반대편 출력부에 연결된다. 제1 발전기(233)는 제2 기어부(235)에 연결되어 전기를 발생시킨다.
엔진(110)의 부하 변동에 따라 파워터빈(113)과 매체터빈(212)의 회전속도가 달라지므로, 제1 기어부(231)에는 변속기(미도시)가 적용된다. 파워터빈(113)과 매체터빈(212)의 구동력이 제1 기어부(231)를 통해 제1 발전기(233)에 전달되므로, 제1 발전기(233)의 구동토크가 증가될 수 있다. 따라서, 제1 발전기(233)의 발전 용량을 상대적으로 증가시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 발전장치에 관해 설명하기로 한다. 제4 실시예는 발전부의 구조를 제외하고는 제1 실시예와 실질적으로 동일하므로, 아래에서는 제4 실시예의 특징부에 관해서만 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 복합 발전장치를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 발전부(230)는 제1 기어부(231) 및 제1 발전기(233)를 포함한다.
제1 기어부(231)는 파워터빈(113)의 출력부과 매체터빈(212)의 출력부에 동시에 연결된다. 제1 발전기(233)는 제1 기어부(231)에 연결되어 전기를 발생시킨다.
엔진(110)의 부하 변동에 따라 파워터빈(113)과 매체터빈(212)의 회전속도가 달라지므로, 제1 기어부(231)에는 변속기(미도시)가 적용된다. 파워터빈(113)과 매체터빈(212)의 구동력이 제1 기어부(231)를 통해 제1 발전기(233)에 전달되므로, 제1 발전기(233)의 구동토크가 증가될 수 있다. 따라서, 제1 발전기(233)의 발전 용량을 상대적으로 증가시킬 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.
또한, 엔진(110)의 배기에 의해 파워터빈(113)을 구동시키므로, 배기의 폐에너지를 이용하여 전기의 발전량을 증대시킬 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 (18)

  1. 연료의 연소에 의해 구동되는 엔진;
    상기 엔진에 연결되는 제1 유동라인;
    상기 제1 유동라인에 연결되고, 상기 엔진에서 배출되는 배기에 의해 구동되는 파워터빈;
    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 파워터빈에서 토출되는 배기가 외부에 배출되도록 상기 파워터빈에 연결되는 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 엔진에서 배출되는 배기 및 소기와 상기 압축기에서 배출되는 작동매체가 열교환되도록 상기 제1 매체라인에 연결되는 열교환부; 및
    상기 파워터빈과 상기 매체터빈에서 발생되는 동력에 의해 발전되도록 상기 파워터빈과 상기 매체터빈에 설치되는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 매체라인에서 상기 복열기의 유입측과 토출측에 연결되고, 상기 열교환부가 설치되는 복열기 바이패스라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 복열기 바이패스라인의 작동매체와 상기 제2 유동라인의 소기가 열교환되도록 상기 복열기 바이패스라인과 상기 제2 유동라인에 연결되는 제1 열교환기; 및
    상기 제3 유동라인의 배기와 상기 제1 매체라인의 작동매체가 열교환되도록 상기 제1 매체라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 복열기 바이패스라인에 상기 복열기와 병렬로 배치되고,
    상기 제2 열교환기는 상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 상기 복열기와 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 유동라인에서 상기 터보차저의 배출측과 상기 제1 열교환기의 토출측을 연결하는 소기 바이패스라인; 및
    상기 소기 바이패스라인으로 유입되는 소기의 유량을 조절하여 상기 엔진에 유입되는 소기의 온도를 조절하도록 상기 소기 바이패스라인에 설치되는 소기 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 복열기 바이패스라인의 작동매체와 상기 제3 유동라인의 배기가 열교환되도록 상기 복열기 바이패스라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제1 열교환기; 및
    상기 제3 유동라인의 배기와 상기 제1 매체라인의 작동매체가 열교환되도록 상기 제1 매체라인과 상기 제3 유동라인에 연결되는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 유동라인의 소기를 냉각시키도록 상기 제2 유동라인에 연결되는 소기 냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 상기 복열기 바이패스라인에 상기 복열기와 병렬로 배치되고,
    상기 제2 열교환기는 상기 복열기와 상기 매체터빈 사이에 상기 복열기와 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 유동라인에서 상기 터보차저의 배출측과 상기 제1 열교환기의 토출측을 연결하는 소기 바이패스라인; 및
    상기 소기 바이패스라인으로 유입되는 소기의 유량을 조절하여 상기 엔진에 유입되는 소기의 온도를 조절하도록 상기 소기 바이패스라인에 설치되는 소기 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 매체라인과 상기 복열기 바이패스라인이 연결되는 부분에 배치되고, 상기 복열기와 상기 복열기 바이패스라인으로 유동되는 작동매체의 유량을 제어하는 유량분배밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  11. 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.
  12. 제11 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 파워터빈에 연결되는 제1 기어부;
    상기 제1 기어부에 연결되고, 상기 제1 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제1 발전기;
    상기 매체터빈에 연결되는 제2 기어부; 및
    상기 매체터빈에 연결되고, 상기 제2 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제2 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 파워터빈과 상기 매체터빈을 연결하는 제1 기어부;
    상기 파워터빈에 연결되는 제2 기어부; 및
    상기 파워터빈에 연결되고, 상기 제2 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제1 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 파워터빈과 상기 매체터빈을 연결하는 제1 기어부; 및
    상기 제1 기어부에 연결되고, 상기 제1 기어부가 구동됨에 따라 발전되는 제1 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 작동매체는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 복합 발전장치.
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