WO2019107786A1 - 초임계 이산화탄소 발전 시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전 시스템 Download PDF

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WO2019107786A1
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working fluid
regeneration
compression
power
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PCT/KR2018/013504
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와이건트칼
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한화파워시스템 주식회사
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    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/02—Gearboxes; Mounting gearing therein

Definitions

  • the present invention relates to a power generation system that performs power generation using carbon dioxide as a working fluid in a supercritical state.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system is a power generation system for driving a turbine by heating carbon dioxide compressed at an ultra-high pressure exceeding a critical pressure to a high temperature.
  • Such a supercritical carbon dioxide power generation system generally employs a Brayton cycle method, and has recently been actively studied because of its high power generation efficiency and low heat source limit.
  • Korean Patent Publication No. 2016-0130551 discloses a supercritical carbon dioxide power generation system in which a cascade cycle of a parallel expansion type is applied.
  • a supercritical carbon dioxide power generation system using supercritical carbon dioxide as a working fluid comprising: a first compression unit for compressing a working fluid; A second regeneration unit that heats the working fluid heated by the first regeneration unit and the working fluid compressed by the second compression unit; a second regeneration unit that heats the working fluid compressed in the first regeneration unit; A main heat exchanger for transferring the heat generated by the heat source to the working fluid heated by the second regenerator, an expansion unit for expanding the working fluid received from the main heat exchanger to generate power, A power transmission unit that transmits power generated by the expansion unit to the first compression unit and the second compression unit; and a power generation unit that generates power by receiving power from the power transmission unit, It provides carbon power generation system.
  • a supercritical carbon dioxide power generation system having an improved structure can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • a supercritical carbon dioxide power generation system using supercritical carbon dioxide as a working fluid comprising: a first compression unit for compressing a working fluid; A second regeneration unit that heats the working fluid heated by the first regeneration unit and the working fluid compressed by the second compression unit; a second regeneration unit that heats the working fluid compressed in the first regeneration unit; A main heat exchanger for transferring the heat generated by the heat source to the working fluid heated by the second regenerator, an expansion unit for expanding the working fluid received from the main heat exchanger to generate power, A power transmission unit that transmits power generated by the expansion unit to the first compression unit and the second compression unit; and a power generation unit that generates power by receiving power from the power transmission unit, It provides carbon power generation system.
  • the working fluid from the expansion unit can be sequentially exchanged in heat between the second regeneration unit and the first regeneration unit.
  • the working fluid from the expanding portion exchanges heat with the working fluid heated by the first regeneration portion and the working fluid compressed by the second compression portion in the second regeneration portion
  • the first compression unit can exchange heat with the working fluid compressed by the first compression unit
  • the power transmission portion may include at least one gear train and a gear box that receives the gear train.
  • the gear train may receive power from the rotation shaft of the expansion unit, and may transmit power to the drive shaft of the first compression unit, the drive shaft of the second compression unit, and the drive shaft of the power generation unit.
  • the working fluid moving to the first compression unit may be cooled by the precooler.
  • the first compression unit may include at least two first compressors.
  • a first intercooler may be disposed between the first compressors.
  • the second compression unit may include at least two second compressors.
  • a second intercooler may be disposed between the second compressors.
  • the branch portion may be disposed in the channel between the second compression portion and the first reproduction portion.
  • control unit may further include a control unit for controlling the branching unit.
  • first compression unit and the second compression unit may be arranged to face each other with the gear box therebetween.
  • the channel between the first regeneration unit and the second regeneration unit may be provided with a merging unit in which the working fluid compressed by the second compression unit and the working fluid heated by the first regeneration unit are merged.
  • control unit may further include a control unit for controlling the merging unit.
  • the expansion portion may include at least two expanders.
  • At least one reheater may be disposed between the inflator.
  • the gear train includes an output pinion gear, a bull gear receiving power from the output pinion gear, and a driving pinion gear receiving power from the bull gear, and the rotation axis of the expansion portion is connected to the output pinion gear
  • a drive shaft of the first compression unit and a drive shaft of the second compression unit may be connected to the drive pinion gear and a drive shaft of the power generation unit may be connected to the bull gear.
  • the gear train may be disposed in a single space located inside the gear box.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system means a system using carbon dioxide as a working fluid in a supercritical state but not only in the case where all of the working fluid flowing in the cycle is in a supercritical state, Critical system and the remaining system is subcritical.
  • carbon dioxide is used as the working fluid according to the present invention.
  • carbon dioxide is a concept including broadly including pure carbon dioxide, carbon dioxide containing a small amount of impurities, and a fluid in which one or more additives are mixed in carbon dioxide.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system 100 includes a first compression unit 110, a second compression unit 120, a first regeneration unit 130, And includes a regeneration unit 140, a main heat exchange unit 150, an expansion part 160, a power transmission unit 170, a power generation unit 180, and a control unit 190.
  • the first compression unit 110 includes two first compressors 111 and 112 and a first intercooler 113 disposed between the first compressors 111 and 112, (170).
  • the first compressors 111 and 112 perform a function of receiving a working fluid from the first conduit P1 and compressing the working fluid, and each of them is constituted by a centrifugal compressor.
  • the first conduit P1 is connected to a pre-cooler PC, and the pre-cooler PC functions to cool a part of the working fluid from the branch D.
  • the branching section D is disposed in a channel between the second compression section 120 and the first regeneration section 130.
  • the branching section D may be an electronic valve capable of electronically control or a mechanical valve capable of manual control. Accordingly, the control unit 190 may automatically control the branching unit D or the user may manually control the branching unit D. Since the branching section D is connected to the eleventh pipeline P11, the twelfth pipeline P12 and the second pipeline P2, when the branching section D is controlled, the working fluid flowing to the eleventh pipeline P11 The flow rate of the working fluid flowing through the second conduit P2 and the twelfth conduit P12 can be controlled.
  • the precooler PC is connected to the first conduit P1, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the precooler (PC) may not be connected to the first conduit P1.
  • a first intercooler 113 is disposed between the first compressors 111 and 112.
  • the first intercooler 113 functions to reduce the required power of the first compression unit 110 by cooling the working fluid from the first compressor 111.
  • the first compression unit 110 includes two first compressors 111 and 112, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the number of the compressors included in the first compression section is at least one, and the number of the compressors is not particularly limited. For example, the number of compressors included in the first compression section may be one, three, four, five, or the like.
  • the first compression unit 110 includes the first intercooler 113, but the present invention is not limited thereto.
  • the first compression unit according to the present invention may not include an intercooler.
  • the second compression unit 120 includes two second compressors 121 and 122 and a second intercooler 123 disposed between the second compressors 121 and 122, And is driven by receiving power from the power transmitting portion 170.
  • the first compression unit 110 and the second compression unit 120 are disposed to face each other with the gear box 172 of the power transmission unit 170 interposed therebetween.
  • the second compressors 121 and 122 function to compress the working fluid by receiving the working fluid from the second pipe P2, and each of them is constituted by a centrifugal compressor.
  • a second intercooler 123 is disposed between the second compressors 121 and 122.
  • the second intercooler 123 functions to reduce the required power of the second compression unit 120 by cooling the working fluid from the second compressor 121.
  • the second compression unit 120 includes two second compressors 121 and 122, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the number of the compressors included in the second compression section is at least one, and the number of the compressors is not particularly limited. For example, the number of compressors included in the second compression section may be one, three, four, five, or the like.
  • the second compression unit 120 includes the second intercooler 123, but the present invention is not limited thereto.
  • the second compression unit according to the present invention may not include an intercooler.
  • the first regeneration part 130 performs a function of receiving the working fluid compressed by the first compression part 110 through the third pipe P3 and heating the same. That is, the working fluid compressed by the first compression section 110 is subjected to heat exchange with the working fluid discharged from the second reproduction section 140 while passing through the first reproduction section 130.
  • the first regeneration unit 130 may have a general heat exchanger configuration.
  • the working fluid heated by the first regeneration unit 130 moves through the fourth conduit P4 and the working fluid compressed by the second compression unit 120 moves through the fifth conduit P5, (J), and then moved to the second regeneration unit (140) through the sixth conduit (P6).
  • the merging portion J is disposed in a channel between the first regeneration portion 130 and the second regeneration portion 140 and may be an electronic valve capable of electronically control or a mechanical valve capable of manual control. Accordingly, the control unit 190 can automatically control the merging unit J or the user can manually control the merging unit J.
  • the junction J Since the junction J is connected to the fourth conduit P4, the fifth conduit P5 and the sixth conduit P6, when the junction J is controlled, the working fluid flowing to the sixth conduit P6
  • the flow rate of the working fluid flowing through the fourth and fifth conduits P4 and P5 can be controlled.
  • the merging section J is separated from the second reproducing section 140, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the working fluid moved through the fifth conduit P5 may be directly transferred to the second regeneration unit 140.
  • the joining portion J is disposed in the second regeneration portion 140 so that the working fluid that has moved through the fourth conduit P4 and the working fluid that has moved through the fifth conduit P5 are returned to the second regeneration portion (J) disposed inside the housing (140).
  • the second regeneration unit 140 performs a function of heating the working fluid heated by the first regeneration unit 130 and the working fluid compressed by the second compression unit 120. That is, the working fluid that has exited the joining portion J and has moved to the second regeneration portion 140 through the sixth conduit P6 passes through the second regeneration portion 140 and flows through the working fluid discharged from the expanding portion 160 Heat exchange is performed.
  • the second regeneration unit 140 may have a general heat exchanger configuration.
  • the working fluid heated by the second regeneration unit 140 moves through the seventh conduit P7 and moves to the main heat exchanging unit 150.
  • the main heat exchanger 150 transfers heat generated in the heat source HS to the heated working fluid in the second regenerator 140.
  • the main heat exchanger 150 may have a general heat exchanger structure.
  • the heat source (HS) can be applied without restrictions as long as it is a device capable of generating heat.
  • a heat source (HS) can be applied to various heat sources such as a solar heating system, a nuclear heating system, a geothermal heating system, and a thermal power heating system.
  • the working fluid having received the heat generated from the heat source HS moves to the expansion unit 160 through the eighth pipeline P8.
  • the expansion unit 160 generates power by expanding the working fluid that receives heat from the main heat exchange unit 150.
  • the expansion unit 160 includes four first, second, third, and fourth inflators 161 ) 163 (164) and a reheater (165).
  • the four first, second, third and fourth inflators 161, 162, 163 and 164 have the structure of a turbine and between the second inflator 162 and the third inflator 163, reheater 165 is disposed.
  • the reheater 165 may be driven by heat from the heat source HS or may be driven by a separate driving source.
  • the inflation section 160 includes four first, second, third and fourth inflators 161, 162, 163 and 164, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the number of inflators included in the inflatable portion is at least one, and the number of inflators is not particularly limited. For example, the number of expanders included in the expansion section may be 1, 2, 3, 5, 6, and so on.
  • the inflation section 160 includes a single reheater 165, but the present invention is not limited thereto.
  • the expansion unit according to the present invention may include a plurality of reheaters.
  • a reheater may be disposed between the first inflator 161 and the second inflator 162 of the present embodiment and between the third inflator 163 and the fourth inflator 164.
  • the expansion unit according to the present invention may not include reheating.
  • the power transmitting portion 170 transmits the power generated by the expanding portion 160 to the first compressing portion 110 and the second compressing portion 120 and the first compressing portion 110 and the second compressing portion 120. [ And transmits the remaining power to the power generation unit 180 to perform power generation.
  • the power transmission portion 170 includes at least one gear train 171 and a gear box 172 that receives the gear train 171.
  • the gear train 171 receives power from the rotating shafts 161a, 162a, 163a and 164a of the expanding portion 160 and drives the driving shafts 111a and 112a of the first compression portion 110, And transmits the power to the drive shaft 121a (122a) of the compression unit (120) and the drive shaft (181) of the power generation unit (180).
  • the configuration of the gear train of the power transmitting portion according to the present invention may take various forms. In other words, designers can design gear trains with various performance and structures.
  • the gear train 171 according to the present embodiment includes one bull gear 171a, a plurality of pinion gears 171b, and a plurality of connecting gears 171c.
  • the pinion gear 171b includes an output pinion gear 171b_1 and a drive pinion gear 171b_2.
  • the shape of the gear constituting the gear train 171 is not particularly limited.
  • the shape of the gear to be applied may be a spur gear shape, a helical gear shape, a double helical gear shape, or the like.
  • the rotary shafts 161a, 162a, 163a and 164a of the first, second, third and fourth expanders 161, 162, 163 and 164 are connected to the output pinion gear 171b_1,
  • the drive shafts 111a and 112a of the compressors 111 and 112 and the drive shafts 121a and 122a of the second compressors 121 and 122 are connected to the drive pinion gear 171b_2.
  • the connecting gear 171c meshes with the pinion gear 171b to transmit the power.
  • the gear box 172 of this embodiment is made of a metal material, but the present invention is not limited thereto. That is, the material of the gear box according to the present invention is not particularly limited and various materials can be used.
  • the gear train 171 of this embodiment is disposed intensively in a single space S located inside the gear box 172 and is installed using a plurality of bearings B.
  • the power train 170 Since the power train 170 according to the present embodiment has the gear train 171 intensively arranged in the single space S located inside the gear box 172, the oil train 171 for lubricating the gear train 171 So that the gear train 171 can be efficiently arranged and the total volume of the power transmitting portion 170 can be reduced. Accordingly, the entire structure of the supercritical carbon dioxide power generation system 100 is simplified, and the installation work is facilitated and the space can be utilized efficiently, thereby reducing the size of the installation space of the supercritical carbon dioxide power generation system 100.
  • the gear train 171 is disposed in a single space S located inside the gear box 172, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, it is also possible to divide the space of the gear box interior 172 into several spaces, and then distribute the respective portions of the gear train in the divided spaces.
  • the power generation unit 180 receives power from the power transmission unit 170 and generates electricity.
  • the power generation unit 180 may have a general generator structure.
  • the drive shaft 181 of the power generation unit 180 is connected to the gear train 171 of the power transmission unit 170 to receive power.
  • the control unit 190 controls the supercritical carbon dioxide power generation system 100.
  • the control unit 190 is connected to various sensor units of the supercritical carbon dioxide power generation system 100 to receive and process sensor data, And controls the operation of the respective components of the carbon dioxide power generation system 100.
  • the controller 190 may include hardware such as an electric circuit board, an integrated circuit chip, software, firmware, and the like, and may be driven under control of a user or a control algorithm.
  • various sensor units are provided.
  • a heat source sensor CH for monitoring the state of the heat source HS is disposed in the heat source HS and the state of the power generation unit 180 is monitored by the power generation unit 180
  • a power generation unit sensor CG is disposed.
  • control unit 190 may appropriately control at least one of the branching unit D and the merging unit J according to the state of the supercritical carbon dioxide power generation system 100. That is, the control unit 190 controls the state of the heat source HS by the sensor unit CH provided on the heat source HS, the state of the generator 180 by the generator sensor unit CG, (C1), (C2), (C3), (C4), ... (C11), and the like, the state of the fluid, that is, the temperature, the pressure and the flow rate, The branching portion D, the merging portion J, and the like can be appropriately controlled.
  • the flow rate of the working fluid which moves to the first compression section 110 and the second compression section 120 respectively, can be appropriately adjusted.
  • the merging section J is controlled The flow rate of the working fluid discharged from the second compression unit 120, the flow rate of the working fluid discharged from the first regeneration unit 130, and the flow rate of the working fluid entering the second regeneration unit 140 can be appropriately adjusted.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system 100 can be optimized in efficiency, and the surge of the first compression unit 110 and the second compression unit 120 can be prevented.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system 100 circulates the supercritical carbon dioxide in a closed cycle, and will be described below with reference to the circulation process of the working fluid.
  • the working fluid from the first regeneration unit 130 moves to the branching unit D along the eleventh pipeline P11. Some of the working fluid from the branching portion D moves to the first compression portion 110, and first enters the precooler PC through the twelfth conduit P12 to cool down. The remainder of the working fluid emerging from the branching portion D is moved to the second compressor 121 through the second line P2.
  • the control unit 190 can control the branching unit D so that the supercritical carbon dioxide power generation system 100 can exhibit the optimum performance.
  • the working fluid cooled in the pre-cooler (PC) is moved to the first compressor (111), which compresses the working fluid.
  • the working fluid compressed in the first compressor 111 is moved to the first intercooler 113 to be cooled, and the cooled working fluid enters the first compressor 112 and is compressed.
  • the working fluid compressed in the first compressor 112 moves through the third pipe P3 and moves to the first regeneration unit 130. [ The working fluid which has been moved to the first regeneration section 130 through the third conduit P3 is heated by the heat exchange with the working fluid moved through the tenth conduit P10.
  • Heat exchange is performed in the first regeneration unit 130, and the heated working fluid moves through the fourth conduit P4 and moves to the merging unit J.
  • the working fluid entering the second compressor 121 of the working fluid emerging from the branching section D is compressed by the second compressor 121.
  • the working fluid compressed in the second compressor 121 is transferred to the second intercooler 123 to be cooled, and the cooled working fluid enters the second compressor 122 to be compressed.
  • the working fluid compressed by the second compressor 122 is moved to the merging portion J through the fifth pipe P5.
  • the working fluid moved through the fourth conduit P4 and the working fluid moved through the fifth conduit P5 are merged at the merging portion J, and the control portion 190 controls the supercritical carbon dioxide
  • the joining portion J can be controlled so that the system 100 can exhibit the optimum performance.
  • the working fluid from the confluent portion J is moved to the second regeneration portion 140 through the sixth conduit P6.
  • the working fluid moved to the second regeneration unit 140 through the sixth conduit P6 is heat-exchanged with the working fluid moved through the ninth conduit P9 and is heated. That is, the working fluid heated by the first regeneration section 130 and the working fluid compressed by the second compression section 120 are combined at the merging section J, and then heated by the second regeneration section 140.
  • the working fluid heated by the second regeneration unit 140 moves through the seventh conduit P7 to move to the main heat exchanging unit 150.
  • heat generated in the heat source (HS) is transferred to the working fluid from the second regenerator (140).
  • the working fluid having the heat generated from the heat source HS is transferred to the expansion unit 160 through the eighth pipeline P8 and the expansion unit 160 is operated by the heat received from the main heat exchanging unit 150 It produces power by inflating the fluid.
  • the working fluid moves to the first inflator 161 through the eighth pipeline P8 and is expanded to generate power. Then, the working fluid is moved to the second inflator 162 and expanded to produce power, ). ≪ / RTI > The working fluid heated in the reheater 165 is then moved to the third inflator 163 to expand and produce power, and then to the fourth inflator 164 to expand and produce power.
  • the working fluid from the fourth inflator 164 moves to the second regeneration section 140 through the ninth pipeline P9 and moves to the second regeneration section 140 through the sixth pipeline P6 Heat exchange with the working fluid is performed.
  • the working fluid from the second regeneration unit 140 moves to the first regeneration unit 130 through the tenth conduit P10 and flows through the third conduit P3 to the first regeneration unit 130 Heat exchange with the moved working fluid is performed.
  • the first, second, third, and fourth expanders 161, 162, 163, and 164 of the expansion portion 160 produce power while expanding the working fluid.
  • the rotary shafts 161a, 162a, 163a and 164a of the first, second, third and fourth expanders 161, 162, 163 and 164 are connected to the output pinion gears of the power transmitting portion 170, (171b_1), and the output pinion gear (171b_1) transfers power to the bull gear (171a).
  • the bull gear 171a that receives the power transmits the power to the driving pinion gear 171b_2 and the driving pinion gear 171b_2 is connected to each driving shaft 111a 112a of the first compressors 111,
  • the first compressing unit 110 and the second compressing unit 120 are driven by transmitting power to the drive shafts 121a and 122a of the first and second compressors 121 and 122.
  • the bull gear 171a is connected to the drive shaft 181 of the generator 180 and transmits power to the generator 180 according to the rotation of the bull gear 171a to perform power generation.
  • control unit 190 can control at least one of the branching unit D and the merging unit J according to the state of the supercritical carbon dioxide power generation system 100
  • the supercritical carbon dioxide power generation system 100 can achieve optimal performance and can prevent the occurrence of surges of the first compression unit 110 and the second compression unit 120 as occasion demands .
  • the gear train 171 of the power transmitting portion 170 is concentrated in the single space S located inside the gear box 172, The oil supply and the oil circulation for lubrication of the gear train 171 can be facilitated and the gear train 171 can be efficiently arranged and the total volume of the power transmitting portion 170 can be reduced. Accordingly, the overall structure of the supercritical carbon dioxide power generation system 100 is simplified, so that the installation work can be facilitated, and the space can be efficiently utilized, thereby reducing the size of the installation space of the supercritical carbon dioxide power generation system 100.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system of the present embodiment can be used in an industry that manufactures or operates a power generation system using carbon dioxide as a working fluid in a supercritical state.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 작동 유체를 압축하는 제1, 2 압축부와, 작동 유체를 가열하는 제1, 2 재생부와, 열원에서 발생한 열을 작동 유체로 전달하는 메인 열교환부와, 동력을 생산하는 팽창부와, 상기 팽창부에서 생산된 동력을 상기 제1, 2 압축부로 전달하는 동력 전달부와, 발전을 일으키는 발전부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.

Description

초임계 이산화탄소 발전 시스템
본 발명은 초임계 상태의 이산화탄소를 작동 유체로 하여 발전을 수행하는 발전 시스템에 관한 것이다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 임계압력 이상의 초고압으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈을 구동하는 발전시스템이다.
이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 일반적으로 브레이튼(Brayton) 사이클 방식을 채용하는데, 발전 효율이 높고, 열원에 대한 제약이 적어, 최근 활발히 연구가 되고 있다.
한국공개특허 2016-0130551호에는, 병렬 팽창 방식의 캐스케이드 사이클을 적용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 개시되어 있다.
개선된 구조의 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 작동 유체를 압축하는 제1 압축부;와, 작동 유체를 압축하는 제2 압축부;와, 상기 제1 압축부에서 압축된 작동 유체를 가열하는 제1 재생부;와, 상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체와 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체를 가열하는 제2 재생부;와, 열원에서 발생한 열을 상기 제2 재생부에서 가열된 작동 유체로 전달하는 메인 열교환부;와, 상기 메인 열교환부로부터 열을 전달받은 작동 유체를 팽창시키면서 동력을 생산하는 팽창부;와, 상기 팽창부에서 생산된 동력을 상기 제1 압축부 및 상기 제2 압축부로 전달하는 동력 전달부;와, 상기 동력 전달부로부터 동력을 전달받아 발전을 일으키는 발전부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 개선된 구조를 가지는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 작동 유체를 압축하는 제1 압축부;와, 작동 유체를 압축하는 제2 압축부;와, 상기 제1 압축부에서 압축된 작동 유체를 가열하는 제1 재생부;와, 상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체와 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체를 가열하는 제2 재생부;와, 열원에서 발생한 열을 상기 제2 재생부에서 가열된 작동 유체로 전달하는 메인 열교환부;와, 상기 메인 열교환부로부터 열을 전달받은 작동 유체를 팽창시키면서 동력을 생산하는 팽창부;와, 상기 팽창부에서 생산된 동력을 상기 제1 압축부 및 상기 제2 압축부로 전달하는 동력 전달부;와, 상기 동력 전달부로부터 동력을 전달받아 발전을 일으키는 발전부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 팽창부에서 나온 작동 유체는, 상기 제2 재생부와 상기 제1 재생부에서 순차적으로 열이 교환될 수 있다.
여기서, 상기 팽창부에서 나온 작동 유체는, 상기 제2 재생부에서, 상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체 및 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체와 열을 교환한 후, 상기 제1 재생부에서, 상기 제1 압축부에서 압축된 작동 유체와 열을 교환할 수 있다.
여기서, 상기 동력 전달부는, 적어도 하나의 기어열과, 상기 기어열을 수용하는 기어 박스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기어열은, 상기 팽창부의 회전축으로부터 동력을 전달받아, 상기 제1 압축부의 구동축, 상기 제2 압축부의 구동축, 상기 발전부의 구동축에 동력을 전달할 수 있다.
여기서, 상기 제1 압축부로 이동하는 작동 유체는, 프리 쿨러에 의해 냉각이 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제1 압축부는 적어도 2개의 제1 압축기들을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 압축기들 사이에는 제1 인터 쿨러가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제2 압축부는 적어도 2개의 제2 압축기들을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 압축기들 사이에는 제2 인터 쿨러가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제2 압축부와 상기 제1 재생부 사이의 관로에는 분기부가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 분기부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부는, 상기 기어 박스를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제1 재생부와 상기 제2 재생부 사이의 관로에는, 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체와 상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체가 합류하는 합류부가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 합류부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 팽창부는 적어도 2개의 팽창기들을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 팽창기들 사이에는 적어도 하나의 재열기가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 기어열은, 출력 피니언 기어와, 상기 출력 피니언 기어로부터 동력을 전달받는 불 기어와, 상기 불 기어로부터 동력을 전달받는 구동 피니언 기어를 포함하고, 상기 팽창부의 회전축은 상기 출력 피니언 기어와 연결되고, 상기 제1 압축부의 구동축 및 상기 제2 압축부의 구동축은 상기 구동 피니언 기어와 연결되고, 상기 발전부의 구동축은 상기 불 기어와 연결될 수 있다.
여기서, 상기 기어 박스의 내부에 위치한 단일 공간에 상기 기어열이 배치될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 초임계 상태인 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 시스템을 의미하지만, 사이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 경우뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함한다.
또한 본 발명에 따른 작동 유체는 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란 순수한 이산화탄소, 불순물이 약간 포함된 이산화탄소, 이산화탄소에 한가지 이상의 첨가물이 혼합되어 있는 유체 등도 넓게 포함하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 1에 도시된 본 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)은, 제1 압축부(110), 제2 압축부(120), 제1 재생부(regeneration part)(130), 제2 재생부(140), 메인 열교환부(150), 팽창부(expansion part)(160), 동력 전달부(170), 발전부(180), 제어부(190)를 포함한다.
제1 압축부(110)는, 2개의 제1 압축기들(111)(112)과, 제1 압축기들(111)(112) 사이에 배치되는 제1 인터 쿨러(113)를 포함하며, 동력 전달부(170)로부터 동력을 전달받아 구동된다.
제1 압축기들(111)(112)은 제1 관로(P1)로부터 작동 유체를 받아, 작동 유체를 압축하는 기능을 수행하며, 각각 원심 압축기로 구성된다.
여기서, 제1 관로(P1)는 프리 쿨러(Pre-Cooler)(PC)와 연결되어 있는데, 프리 쿨러(PC)는 분기부(D)에서 나온 작동 유체의 일부를 냉각시키는 기능을 수행한다.
분기부(D)는 제2 압축부(120)와 제1 재생부(130) 사이의 관로에 배치되는데, 전자 제어가 가능한 전자식 밸브 또는 수동 제어가 가능한 기계식 밸브로 구성될 수 있다. 따라서 제어부(190)는 분기부(D)를 자동으로 제어하거나 사용자가 분기부(D)를 수동으로 제어할 수 있다. 분기부(D)는 제11 관로(P11), 제12 관로(P12), 제2 관로(P2)와 연결되어 있으므로, 분기부(D)를 제어하게 되면 제11 관로(P11)로 흐르는 작동 유체의 전체적인 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 제2 관로(P2)와 제12 관로(P12)에 흐르는 작동 유체의 유량도 조절할 수 있게 된다.
본 실시예에 따르면 제1 관로(P1)에 프리 쿨러(PC)가 연결되어 배치되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따르면, 제1 관로(P1)에 프리 쿨러(PC)가 연결되지 않을 수도 있다.
제1 압축기들(111)(112) 사이에는 제1 인터 쿨러(113)가 배치된다. 제1 인터 쿨러(113)는 제1 압축기(111)로부터 나온 작동 유체를 냉각시킴으로서, 제1 압축부(110)의 소요 동력을 줄이는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따르면, 제1 압축부(110)는 2개의 제1 압축기들(111)(112)을 포함하여 이루어지지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 제1 압축부가 포함하는 압축기의 개수는 적어도 한 개이면 되고, 그 압축기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면 제1 압축부가 포함하는 압축기의 개수는, 1개, 3개, 4개, 5개 등이 될 수 있다.
본 실시예에 따르면 제1 압축부(110)는 제1 인터 쿨러(113)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 본 발명에 따른 제1 압축부는 인터 쿨러를 포함하지 않을 수 있다.
한편, 제2 압축부(120)는, 2개의 제2 압축기들(121)(122)과, 제2 압축기들(121)(122) 사이에 배치되는 제2 인터 쿨러(123)를 포함하며, 동력 전달부(170)로부터 동력을 전달받아 구동된다. 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)는, 동력 전달부(170)의 기어 박스(172)를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치된다.
제2 압축기들(121)(122)은 제2 관로(P2)로부터 작동 유체를 받아, 작동 유체를 압축하는 기능을 수행하며, 각각 원심 압축기로 구성된다.
제2 압축기들(121)(122) 사이에는 제2 인터 쿨러(123)가 배치된다. 제2 인터 쿨러(123)는 제2 압축기(121)로부터 나온 작동 유체를 냉각시킴으로서, 제2 압축부(120)의 소요 동력을 줄이는 기능을 수행한다.
본 실시예에 따르면, 제2 압축부(120)는 2개의 제2 압축기들(121)(122)을 포함하여 이루어지지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 제2 압축부가 포함하는 압축기의 개수는 적어도 한 개이면 되고, 그 압축기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면 제2 압축부가 포함하는 압축기의 개수는, 1개, 3개, 4개, 5개 등이 될 수 있다.
본 실시예에 따르면 제2 압축부(120)는 제2 인터 쿨러(123)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 본 발명에 따른 제2 압축부는 인터 쿨러를 포함하지 않을 수 있다.
한편, 제1 재생부(regeneration part)(130)는, 제1 압축부(110)에서 압축된 작동 유체를 제3 관로(P3)를 통해 전달받아 가열하는 기능을 수행한다. 즉 제1 압축부(110)에서 압축된 작동 유체는, 제1 재생부(130)를 지나가면서 제2 재생부(140)로부터 나온 작동 유체와 열 교환이 수행된다. 이를 위해 제1 재생부(130)는 일반적인 열 교환기의 구성을 가질 수 있다.
제1 재생부(130)에서 가열된 작동 유체는 제4 관로(P4)를 통해 이동하고, 제2 압축부(120)에서 압축된 작동 유체는 제5 관로(P5)를 통해 이동하다가, 합류부(J)에서 합류한 후 제6 관로(P6)를 통해 제2 재생부(140)로 이동하게 된다.
합류부(J)는 제1 재생부(130)와 제2 재생부(140) 사이의 관로에 배치되는데, 전자 제어가 가능한 전자식 밸브 또는 수동 제어가 가능한 기계식 밸브로 구성될 수 있다. 따라서 제어부(190)는 합류부(J)를 자동으로 제어하거나 사용자가 합류부(J)를 수동으로 제어할 수 있다.
합류부(J)는 제4 관로(P4), 제5 관로(P5), 제6 관로(P6)와 연결되어 있으므로, 합류부(J)를 제어하게 되면 제6 관로(P6)로 흐르는 작동 유체의 전체적인 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 제4 관로(P4)와 제5 관로(P5)에 흐르는 작동 유체의 유량도 조절할 수 있게 된다.
본 실시예에 따르면 합류부(J)는 제2 재생부(140)와 분리되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따르면 제5 관로(P5)를 통해 이동한 작동 유체는 제2 재생부(140)로 바로 이동할 수도 있다. 그 경우 제2 재생부(140) 내부에 합류부(J)가 배치되어, 제4 관로(P4)를 통해 이동한 작동 유체와 제5 관로(P5)를 통해 이동한 작동 유체는, 제2 재생부(140) 내부에 배치된 합류부(J)에서 서로 합류하게 된다.
한편, 제2 재생부(140)는, 제1 재생부(130)에서 가열된 작동 유체와 제2 압축부(120)에서 압축된 작동 유체를 가열하는 기능을 수행한다. 즉 합류부(J)에서 나와 제6 관로(P6)를 통해 제2 재생부(140)로 이동한 작동 유체는, 제2 재생부(140)를 지나가면서 팽창부(160)로부터 나온 작동 유체와 열 교환이 수행된다. 이를 위해 제2 재생부(140)는 일반적인 열 교환기의 구성을 가질 수 있다.
제2 재생부(140)에서 가열된 작동 유체는 제7 관로(P7)를 통해 이동하여 메인 열교환부(150)로 이동하게 된다.
메인 열교환부(150)는 열원(HS)에서 발생한 열을 제2 재생부(140)에서 가열된 작동 유체로 전달한다. 이를 위해 메인 열교환부(150)는 일반적인 열 교환기의 구성을 가질 수 있다.
열원(HS)은 열이 발생될 수 있는 장치이면 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 열원(HS)은 태양열 가열 시스템, 원자력 가열 시스템, 지열 가열 시스템, 화력 가열 시스템 등 다양한 열원이 적용될 수 있다.
열원(HS)에서 발생된 열을 전달받은 작동 유체는, 제8 관로(P8)를 통해 팽창부(160)로 이동한다.
팽창부(160)는 메인 열교환부(150)로부터 열을 전달받은 작동 유체를 팽창시키면서 동력을 생산하는데, 팽창부(160)는 4개의 제1, 2, 3, 4 팽창기들(161)(162)(163)(164)과 재열기(165)를 포함한다.
4개의 제1, 2, 3, 4 팽창기들(161)(162)(163)(164)은 터빈의 구조를 가지고 있으며, 제2 팽창기(162)와 제3 팽창기(163) 사이에는 재열기(reheater)(165)가 배치된다. 재열기(165)는 열원(HS)에서 열을 받아 구동되거나, 별개의 구동원으로 구동되어도 된다.
본 실시예에 따른 팽창부(160)는 4개의 제1, 2, 3, 4 팽창기들(161)(162)(163)(164)을 포함하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 팽창부가 포함하는 팽창기의 개수는 적어도 한 개이면 되고, 그 팽창기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면 팽창부가 포함하는 팽창기의 개수는, 1개, 2개, 3개, 5개, 6개 등이 될 수 있다.
본 실시예에 따르면 팽창부(160)는 단일의 재열기(165)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 본 발명에 따른 팽창부는 복수개의 재열기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 실시예의 제1 팽창기(161)와 제2 팽창기(162) 사이와, 제3 팽창기(163)와 제4 팽창기(164) 사이에도 재열기가 배치될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 팽창부는 재열기를 포함하지 않을 수도 있다.
한편, 동력 전달부(170)는, 팽창부(160)에서 생산된 동력을 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)로 전달하고, 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)로 전달하고 남는 동력은 발전부(180)로 전달하여 발전을 수행한다.
동력 전달부(170)는, 적어도 하나의 기어열(171)과, 기어열(171)을 수용하는 기어 박스(172)를 포함한다. 기어열(171)은, 팽창부(160)의 회전축(161a)(162a)(163a)(164a)으로부터 동력을 전달받아, 제1 압축부(110)의 구동축(111a)(112a), 제2 압축부(120)의 구동축(121a)(122a), 발전부(180)의 구동축(181)에 동력을 전달한다.
본 발명에 따른 동력 전달부의 기어열의 구성은 다양한 형태를 가질 수 있다. 즉 설계자는 다양한 성능과 구조를 가지는 기어열을 설계할 수 있다. 일 예로, 본 실시예에 따른 기어열(171)은 하나의 불 기어(bull gear)(171a), 복수개의 피니언 기어(171b), 복수개의 연결 기어(171c)를 포함한다. 피니언 기어(171b)는 출력 피니언 기어(171b_1)와 구동 피니언 기어(171b_2)를 포함한다. 기어열(171)을 이루는 기어의 형상에는 특별한 제한은 없는데, 예를 들어, 적용되는 기어의 형상은, 스퍼 기어 형상, 헬리컬 기어 형상, 더블 헬리컬 기어 형상 등이 될 수 있다.
제1, 2, 3, 4 팽창기(161)(162)(163)(164)의 각 회전축(161a)(162a)(163a)(164a)은 출력 피니언 기어(171b_1)와 연결되어 있고, 제1 압축기들(111)(112)의 각 구동축(111a)(112a)과 제2 압축기들(121)(122)의 각 구동축(121a)(122a)은 구동 피니언 기어(171b_2)와 연결되어 있다. 또한, 연결 기어(171c)는 피니언 기어(171b)와 치합하여 동력을 전달한다.
본 실시예의 기어 박스(172)는 금속 소재로 이루어지는데, 본 발명에 따르면 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따른 기어 박스의 소재에는 특별한 제한이 없고 다양한 소재가 사용될 수 있다.
본 실시예의 기어열(171)은 기어 박스(172) 내부에 위치한 단일 공간(S)에 집중적으로 배치되며, 복수개의 베어링(B)을 이용하여 설치된다.
본 실시예에 따른 동력 전달부(170)는, 기어 박스(172) 내부에 위치한 단일 공간(S)에 기어열(171)이 집중적으로 배치되어 있으므로, 기어열(171)의 윤활을 위한 오일 공급과 오일 순환이 용이해지고, 기어열(171)의 효율적인 배치가 가능하여 동력 전달부(170)의 전체 부피를 줄일 수 있게 된다. 따라서 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 전체적인 구조가 간단해져 설치 작업이 용이하고, 공간의 효율적인 활용이 가능해져 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 설치 공간의 크기를 줄일 수 있다.
본 실시예에 따르면 기어열(171)은 기어 박스(172) 내부에 위치한 단일 공간(S)에 배치되지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따르면, 기어 박스 내부(172)의 공간들을 여러 개로 구획한 후에, 그 구획된 공간들에 기어열의 각 부분들을 분산시켜 배치할 수도 있다.
한편, 발전부(180)는 동력 전달부(170)로부터 동력을 전달받아 발전을 일으키는데, 발전부(180)는 일반적인 발전기의 구조를 가질 수 있다. 발전부(180)의 구동축(181)은, 동력 전달부(170)의 기어열(171)과 연결되어 동력을 전달받는다.
제어부(190)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)을 제어하는 장치로서, 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 여러 센서부들과 연결되어 센서 데이터를 받아 연산하고, 사용자가 설정한 알고리즘에 따라 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 각 부품들의 작동을 제어한다. 이를 위해 제어부(190)는 전기 회로 기판, 집적 회로칩 등의 하드 웨어, 소프트 웨어, 펌 웨어 등을 포함하여 이루어질 수 있고, 사용자 또는 제어 알고리즘의 제어를 받아 구동된다.
본 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)에는 여러 센서부가 설치되어 있는데, 예를 들어, 제1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 관로(P1)(P2)(P3)(P4)(P5)(P6)(P7)(P8)(P9)(P10)(P11)에는 각각 작동 유체의 압력, 온도, 유량, 비체적 등을 측정하는 제1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 센서부(C1)(C2)(C3)(C4)(C5)(C6)(C7)(C8)(C9)(C10)(C11)가 배치되어 있고, 열원(HS)에는 열원(HS)의 상태를 모니터링하는 열원 센서부(CH)가 배치되어 있고, 발전부(180)에는 발전부(180)의 상태를 모니터링하는 발전부 센서부(CG)가 배치되어 있다.
이해를 돕기 위해 제어부(190)의 제어 작용의 일 예를 설명한다. 예를 들어, 제어부(190)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 상태에 따라 분기부(D)와 합류부(J) 중 적어도 하나를 적절히 제어할 수 있다. 즉 제어부(190)는, 열원(HS)에 설치된 센서부(CH)에 의해 열원(HS)의 상태, 발전부 센서부(CG)에 의해 발전기(180)의 상태, 각 관로 상에 존재하는 작동 유체의 상태, 즉 온도, 압력, 유량 등의 상태를 여러 센서부(C1)(C2)(C3)(C4)...(C11) 등으로 모니터링하고 있다가, 미리 프로그래밍 된 대로 최적의 작동 효율을 구현하기 위해 분기부(D), 합류부(J) 등을 적절히 제어할 수 있다. 예를 들어 분기부(D)를 제어하게 되면 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)로 각각 이동하는 작동 유체의 유량을 적절히 조절할 수 있으며, 합류부(J)를 제어하게 되면 제2 압축부(120)에서 나오는 작동 유체의 유량, 제1 재생부(130)에서 나오는 작동 유체의 유량, 제2 재생부(140)로 진입하는 작동 유체의 유량을 적절히 조절할 수 있게 된다. 그렇게 되면 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 최적의 효율의 구현할 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)의 서지의 발생도 방지할 수 있게 된다.
이하, 도 1을 참조로 하여, 본 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 작동 모습을 설명한다.
본 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)은 초임계 상태의 이산화탄소가 폐사이클(closed cycle)을 이루어 순환하므로, 이하, 작동 유체의 순환 과정에 따라 설명하기로 한다.
먼저, 제1 재생부(130)로부터 나온 작동 유체는 제11 관로(P11)를 따라 분기부(D)로 이동한다. 분기부(D)에서 나온 작동 유체 중 일부는, 제1 압축부(110)로 이동하는데 그 경우 우선 제12 관로(P12)를 통해 프리 쿨러(PC)로 들어가 냉각이 된다. 분기부(D)에서 나온 작동 유체의 나머지는, 제2 관로(P2)를 통해 제2 압축기(121)로 이동하게 된다. 이 때 제어부(190)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 분기부(D)를 제어할 수 있다.
프리 쿨러(PC)에서 냉각된 작동 유체는 제1 압축기(111)로 이동하게 되는데, 제1 압축기(111)는 작동 유체를 압축한다. 제1 압축기(111)에서 압축된 작동 유체는 제1 인터 쿨러(113)로 이동하여 냉각이 되고, 냉각된 작동 유체는 제1 압축기(112)로 들어가 압축이 된다.
제1 압축기(112)에서 압축된 작동 유체는, 제3 관로(P3)를 통해 이동하여 제1 재생부(130)로 이동한다. 제3 관로(P3)를 통해 제1 재생부(130)로 이동한 작동 유체는, 제10 관로(P10)를 통해 이동해 온 작동 유체와 열 교환이 수행되어 가열되게 된다.
제1 재생부(130)에서 열 교환이 수행되어 가열된 작동 유체는 제4 관로(P4)를 통해 이동하여 합류부(J)로 이동하게 된다.
한편, 분기부(D)에서 나온 작동 유체 중 제2 압축기(121)로 들어간 작동 유체는, 제2 압축기(121)에서 압축된다. 제2 압축기(121)에서 압축된 작동 유체는 제2 인터 쿨러(123)로 이동하여 냉각이 되고, 냉각된 작동 유체는 제2 압축기(122)로 들어가 압축이 된다.
제2 압축기(122)에서 압축된 작동 유체는, 제5 관로(P5)를 통해 합류부(J)로 이동하게 된다.
전술한 바와 같이, 제4 관로(P4)를 통해 이동한 작동 유체와 제5 관로(P5)를 통해 이동한 작동 유체는 합류부(J)에서 합류되게 되는데, 제어부(190)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)이 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 합류부(J)를 제어할 수 있다.
이어, 합류부(J)에서 나온 작동 유체는 제6 관로(P6)를 통해 제2 재생부(140)로 이동하게 된다. 제6 관로(P6)를 통해 제2 재생부(140)로 이동한 작동 유체는, 제9 관로(P9)를 통해 이동해 온 작동 유체와 열 교환이 수행되어 가열되게 된다. 즉 제1 재생부(130)에서 가열된 작동 유체와 제2 압축부(120)에서 압축된 작동 유체는 합류부(J)에서 합류된 후, 제2 재생부(140)에서 가열된다.
이어, 제2 재생부(140)에서 가열된 작동 유체는 제7 관로(P7)를 통해 이동하여 메인 열교환부(150)로 이동하게 된다. 메인 열교환부(150)에서는 열원(HS)에서 발생한 열을 제2 재생부(140)에서 나온 작동 유체로 전달한다.
열원(HS)에서 발생된 열을 전달받은 작동 유체는, 제8 관로(P8)를 통해 팽창부(160)로 이동하는데, 팽창부(160)는 메인 열교환부(150)로부터 열을 전달받은 작동 유체를 팽창시키면서 동력을 생산한다.
즉 작동 유체는 제8 관로(P8)를 통해 제1 팽창기(161)로 이동하여 팽창되면서 동력을 생산하고, 이어 제2 팽창기(162)로 이동하여 팽창되면서 동력을 생산한 후, 재열기(165)에 의해 다시 가열된다. 이어, 재열기(165)에서 가열된 작동 유체는, 제3 팽창기(163)로 이동하여 팽창되면서 동력을 생산하고, 이어 제4 팽창기(164)로 이동하여 팽창되면서 동력을 생산한다.
이어, 팽창부(160)에서 나온 작동 유체는, 제2 재생부(140)와 제1 재생부(130)에서 순차적으로 열이 교환된다.
즉 제4 팽창기(164)에서 나온 작동 유체는, 제9 관로(P9)를 통해 제2 재생부(140)로 이동하여, 제6 관로(P6)를 통해 제2 재생부(140)로 이동한 작동 유체와 열 교환이 수행된다. 이어, 제2 재생부(140)에서 나온 작동 유체는, 제10 관로(P10)를 통해 제1 재생부(130)로 이동하여, 제3 관로(P3)를 통해 제1 재생부(130)로 이동한 작동 유체와 열 교환이 수행된다.
이상과 같이, 작동 유체의 순환에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 각 구성의 작용에 대한 설명을 하였다. 이하, 동력 전달부(170) 및 발전부(180)의 구동에 대해 자세히 설명한다.
전술한 바와 같이, 팽창부(160)의 제1, 2, 3, 4 팽창기(161)(162)(163)(164)는 작동 유체를 팽창시키면서 동력을 생산한다. 그 때 제1, 2, 3, 4 팽창기(161)(162)(163)(164)의 각 회전축(161a)(162a)(163a)(164a)은, 동력 전달부(170)의 출력 피니언 기어(171b_1)에 동력을 전달하고, 출력 피니언 기어(171b_1)는 불 기어(171a)에 동력을 전달한다.
동력을 전달받은 불 기어(171a)는 구동 피니언 기어(171b_2)로 동력을 전달하는데, 구동 피니언 기어(171b_2)는 제1 압축기들(111)(112)의 각 구동축(111a)(112a)과 제2 압축기들(121)(122)의 각 구동축(121a)(122a)에 동력을 전달하여, 제1 압축부(110)와 제2 압축부(120)가 구동되게 된다.
아울러, 불 기어(171a)는 발전부(180)의 구동축(181)과 연결되어 있어, 불 기어(171a)의 회전에 따라 발전부(180)로 동력을 전달하여 발전을 수행한다.
이상과 같이, 본 실시예의 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)에 따르면, 제어부(190)는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 상태에 따라 분기부(D)와 합류부(J) 중 적어도 하나를 적절히 제어할 수 있으므로, 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)이 최적의 성능을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라 제1 압축부(110) 및 제2 압축부(120)의 서지의 발생도 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예의 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)에 따르면, 동력 전달부(170)의 기어열(171)은, 기어 박스(172) 내부에 위치한 단일 공간(S)에 집중적으로 배치되어 있으므로, 기어열(171)의 윤활을 위한 오일 공급과 오일 순환이 용이해지고, 기어열(171)의 효율적인 배치가 가능하여 동력 전달부(170)의 전체 부피를 줄일 수 있게 된다. 따라서 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 전체적인 구조가 간단해져 설치 작업이 용이하게 되며, 아울러 공간의 효율적인 활용이 가능해져 초임계 이산화탄소 발전 시스템(100)의 설치 공간의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 실시예의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 초임계 상태의 이산화탄소를 작동 유체로 하는 발전 시스템을 제조하거나 운용하는 산업에 사용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서,
    작동 유체를 압축하는 제1 압축부;
    작동 유체를 압축하는 제2 압축부;
    상기 제1 압축부에서 압축된 작동 유체를 가열하는 제1 재생부;
    상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체와 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체를 가열하는 제2 재생부;
    열원에서 발생한 열을 상기 제2 재생부에서 가열된 작동 유체로 전달하는 메인 열교환부;
    상기 메인 열교환부로부터 열을 전달받은 작동 유체를 팽창시키면서 동력을 생산하는 팽창부;
    상기 팽창부에서 생산된 동력을 상기 제1 압축부 및 상기 제2 압축부로 전달하는 동력 전달부; 및
    상기 동력 전달부로부터 동력을 전달받아 발전을 일으키는 발전부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창부에서 나온 작동 유체는, 상기 제2 재생부와 상기 제1 재생부에서 순차적으로 열이 교환되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팽창부에서 나온 작동 유체는,
    상기 제2 재생부에서, 상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체 및 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체와 열을 교환한 후,
    상기 제1 재생부에서, 상기 제1 압축부에서 압축된 작동 유체와 열을 교환하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동력 전달부는, 적어도 하나의 기어열과, 상기 기어열을 수용하는 기어 박스를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기어열은, 상기 팽창부의 회전축으로부터 동력을 전달받아, 상기 제1 압축부의 구동축, 상기 제2 압축부의 구동축, 상기 발전부의 구동축에 동력을 전달하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압축부로 이동하는 작동 유체는, 프리 쿨러에 의해 냉각이 이루어지는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압축부는 적어도 2개의 제1 압축기들을 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 압축기들 사이에는 제1 인터 쿨러가 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 압축부는 적어도 2개의 제2 압축기들을 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 압축기들 사이에는 제2 인터 쿨러가 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 압축부와 상기 제1 재생부 사이의 관로에는 분기부가 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분기부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부는, 상기 기어 박스를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재생부와 상기 제2 재생부 사이의 관로에는, 상기 제2 압축부에서 압축된 작동 유체와 상기 제1 재생부에서 가열된 작동 유체가 합류하는 합류부가 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 합류부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 팽창부는 적어도 2개의 팽창기들을 포함하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 팽창기들 사이에는 적어도 하나의 재열기가 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기어열은, 출력 피니언 기어와, 상기 출력 피니언 기어로부터 동력을 전달받는 불 기어와, 상기 불 기어로부터 동력을 전달받는 구동 피니언 기어를 포함하고,
    상기 팽창부의 회전축은 상기 출력 피니언 기어와 연결되고,
    상기 제1 압축부의 구동축 및 상기 제2 압축부의 구동축은 상기 구동 피니언 기어와 연결되고,
    상기 발전부의 구동축은 상기 불 기어와 연결되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 기어 박스의 내부에 위치한 단일 공간에 상기 기어열이 배치되는 초임계 이산화탄소 발전 시스템.
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