WO2020059934A1 - 랭킨사이클의 발전 시스템 및 이의 작동 방법 - Google Patents

랭킨사이클의 발전 시스템 및 이의 작동 방법 Download PDF

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WO2020059934A1
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turbine
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fluid passing
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김영원
정창훈
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation system of the Rankine cycle and a method for operating the same, and more particularly, to a power generation system including a generator connected to a turbine constituting the Rankine cycle and the Rankine cycle and a method of operating the same.
  • a working medium in a high temperature and high pressure state is passed through a turbine to convert thermal energy into mechanical energy, and the generator has its axis connected to the turbine.
  • Various technologies have been introduced to convert mechanical energy into electrical energy.
  • the bearing may be a configuration that is essentially required to stably support and rotate the shaft of the generator.
  • the present invention may be an invention related to a system and an operating method for use as a gas bearing of a generator using a working fluid to solve the above problem.
  • the present invention is to provide a power generation system including a generator connected to a turbine constituting the Rankine cycle and the Rankine cycle as an invention devised to solve the problems of the prior art described above.
  • the power generation system of the present invention for achieving the above object is a heater for transferring heat to the working fluid, a turbine for converting the thermal energy of the working fluid passing through the heater to mechanical energy, heat from the working fluid passing through the turbine A first condenser to be delivered, a first pump to move the working fluid passing through the first condenser to the heater, a path for the working fluid to circulate through the first pump, the heater, the turbine and the first condenser A circulating circuit provided, a first branch circuit that is branched from a circulation circuit between the heater and the turbine and through which the at least a portion of the working fluid passes may be moved, connected to the turbine, and in communication with the first branch circuit A gas bearing in which an accommodating space is formed is provided, and a generator whose rotating shaft is supported by a working fluid passing through the accommodating space and It may include a recovery circuit which is formed so as to communicate with the group receiving space and, joined to the circuit which is provided a working fluid passing through the accommodation space of the first condenser, the front
  • a heater for transmitting heat to the working fluid
  • a turbine for converting the thermal energy of the working fluid passing through the heater into mechanical energy
  • a first condenser receiving heat from the working fluid passing through the turbine
  • the first condenser A Rankine cycle provided with a first pump for moving the working fluid passing through the heater and a circulation circuit for providing a path for the working fluid to circulate through the first pump, the heater, the turbine, and the first condenser.
  • a power generation system comprising a generator connected to a turbine to convert mechanical energy into electrical energy, the power generation system comprising: a first capable of moving at least a portion of a working fluid branched from a circulation circuit between the heater and the turbine and passed through the heater; A branch circuit, an accommodation space provided in communication with the first branch circuit at a location adjacent to the generator, is provided.
  • a gas bearing supporting the rotating shaft of the generator through a working fluid passing through the receiving space and communicating with the receiving space, and allowing the working fluid to pass through the receiving space to the circulation circuit provided at the front end or the rear end of the first condenser It may include a recovery circuit formed to.
  • bypass circuit branched from the circulation circuit between the heater and the turbine
  • the bypass circuit is formed so that at least a portion of the working fluid passing through the heater moves and joins the first branch circuit
  • the working fluid passing through the heater may be moved to the bypass circuit before the working fluid passing through the turbine.
  • the circulation circuit may include a circulation circuit valve that controls at least one of a flow direction and a flow rate of the working fluid passing through the heater.
  • the first branch circuit may be characterized in that the working fluid moving the first branch circuit is formed to receive heat from the heater.
  • the heating unit may further include a heating unit capable of controlling the dryness of the working fluid flowing into the receiving space by heating the working fluid flowing into the receiving space.
  • the circulation circuit may include a first storage unit provided between the first condenser and the first pump to control the flow rate of the working fluid moving to the first pump.
  • the generator may further include a ball bearing installed in the accommodation space and supporting the rotation shaft of the generator together with the gas bearing.
  • a second branch circuit branched from the recovery circuit the second branch circuit being formed such that at least a portion of the working fluid passing through the accommodation space moves and joins the circulation circuit between the first condenser and the first pump.
  • the pressure of the working fluid passing through the receiving space is lower than the pressure of the working fluid passing through the turbine, at least a part of the working fluid passing through the receiving space may be moved to the second branch circuit.
  • the recovery circuit may include a recovery circuit valve that controls at least one of the flow direction and flow rate of the working fluid passing through the accommodation space.
  • the recovery circuit may include a recovery circuit sensor that measures at least one of temperature and pressure of the working fluid passing through the accommodation space.
  • the second branch circuit may include a second condenser receiving heat from the working fluid moving to the second pump, and a second storage unit controlling the flow rate of the working fluid passing through the second condenser.
  • the turbine may further include a separator for partitioning the turbine and the generator.
  • a method of operating the power generation system of the present invention for achieving the above object is a heater for transferring heat to a working fluid, a turbine for converting the thermal energy of the working fluid passing through the heater to mechanical energy, a working fluid passing through the turbine
  • a first condenser receiving heat from the first pump, a first pump to move the working fluid passing through the first condenser to the heater, and the working fluid to circulate the first pump, the heater, the turbine, and the first condenser
  • a power generation system including a Rankine cycle provided with a circulation circuit providing a path for the generator and a generator connected to the turbine to convert mechanical energy into electrical energy, before the working fluid passing through the heater moves to the turbine
  • Is provided adjacent to the generator via a first branch circuit branched between the heater and the turbine.
  • a turbine operation step in which the working fluid passing through the heater moves to at least one of the first branch circuit and the turbine, and a working fluid moving from the first branch circuit passes through the accommodation space to the rear end of the turbine and the condenser. It may include a recovery step of moving to a recovery circuit joined to the circulation circuit provided between and a condenser flow step of at least one of the working fluid passing through the turbine and the working fluid passing through the receiving space flows to the condenser.
  • the gas bearing operation step includes a heating unit operation step heated by a heating unit installed in the first branch circuit when the dryness of the working fluid moving through the first branch circuit is smaller than a preset value. can do.
  • the step of passing through the second branch circuit may include a second pump operation step via a second pump installed in the second branch circuit to increase the pressure of the working fluid flowing into the second branch circuit.
  • the turbine operation step is a flow rate control step of increasing the amount of working fluid moving to the first branch circuit when the pressure of the working fluid passing through the receiving space is lower than the pressure of the working fluid before passing through the condenser. It may include.
  • a power generation system comprising a Rankine cycle provided with a circulation circuit providing a path and a generator connected to the turbine to convert mechanical energy into electrical energy, wherein the working fluid passing through the heater is the front end of the heater and the turbine
  • the power generation system of the present invention and an operation method thereof for solving the above problems have the following effects.
  • the working fluid of the Rankine cycle can be used as a bearing of the generator, thereby significantly reducing the cost and burden for replacement and maintenance of the bearing.
  • FIG. 1 is a view of a first embodiment of the power generation system of the present invention.
  • FIG. 2 is a view of a second embodiment of the power generation system of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a heating unit added to the first embodiment of the power generation system of the present invention.
  • FIG 4 is a view showing a heating unit added to the second embodiment of the power generation system of the present invention.
  • FIG. 5 is a view of a third embodiment of the heating unit of the power generation system of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a ball bearing coupled to the gas bearing of the power generation system of the present invention.
  • Figures 7 and 8 is a view showing the operation method of the power generation system of the present invention.
  • the power generation system of the present invention may include a Rankine cycle, a first branch circuit 400, a generator 800, and a recovery circuit 600.
  • the Rankine cycle includes a heater 20 that transfers heat to the working fluid, a turbine 30 for converting the thermal energy of the working fluid that has passed through the heater 20 into mechanical energy, and the working fluid that has passed through the turbine 30.
  • a first condenser 40 that receives heat from the first pump 10 that moves the working fluid passing through the first condenser 40 to the heater 20 and the working fluid is the first pump 10 ),
  • the heater 20, the turbine 30 and the first condenser 40 may be provided with a circulation circuit 200 that provides a path for circulating.
  • the first branch circuit 400 may be formed to move at least a portion of the working fluid that is branched from the circulation circuit 220 between the heater 20 and the turbine 30 and passes through the heater 20.
  • the working fluid that has passed through the heater 20 may move to the circulation circuit 220 and the initial circuit 280 between the heater 20 and the turbine 30.
  • a part of the working fluid that has passed through the heater 20 flows into the first branch circuit 400 to serve as a gas bearing of the generator 800 to be described later. And the rest of the working fluid that has passed through the heater 20 flows to the initial circuit 280 to form a cycle.
  • the initial circuit 280 may provide a path through which the rest of the working fluid passing through the heater 20 except for the working fluid flowing to the first branch circuit 400 flows. .
  • the generator 800 may be configured such that a rotor connected to the turbine 30 and the shaft system rotates adjacent to the stator, and an induced current is generated to convert mechanical energy into electrical energy.
  • the generator 800 may be integrally formed with the turbine 30.
  • the generator 800 may be provided with a gas bearing in which an accommodation space is formed in communication with the first branch circuit adjacent to the axis of the generator 800.
  • the rotating shaft of the generator is supported by the working fluid passing through the accommodation space and can perform the function of gas bearing.
  • the gas bearing may be provided with an accommodation space 820 in communication with the first branch circuit 400 at a position adjacent to the generator 800.
  • the gas bearing may be a configuration of a general gas bearing, and in the case of the present invention, the working fluid passing through the accommodation space 820 through the first branch circuit 400 supports the rotational shaft 810 of the generator. Bearings can be configured.
  • the working fluid passing through the heater 20 may constitute a part of the gas bearing, the wear of the bearing does not occur compared to the ball bearing, and thus, an increase in overall power generation efficiency can be expected.
  • the recovery circuit 600 may be formed to join the working fluid that has passed through the receiving space 820 to the circulation circuit 200 provided at the front end or the rear end of the first condenser 40.
  • the recovery circuit 600 may provide a path through which the working fluid passing through the receiving space 820 joins the circulation circuit 200.
  • the working circuit via the first branch circuit 400 and the accommodation space 820 is again joined to the circulation circuit 200 by the recovery circuit 600 to form a cycle of the closed circuit as a whole.
  • the circulation circuit 200 may include a circulation circuit valve 290 that controls at least one of the flow direction and flow rate of the working fluid passing through the heater 20.
  • the circulation circuit valve 290 may control the flow of the working fluid such that the working fluid passing through the heater 20 moves to the first branch circuit 400 and to the initial circuit 280 during initial operation. At this time, the working fluid moved to the first branch circuit 400 may pass through the accommodation space 820 provided in the gas bearing and support the rotating shaft 810 of the generator.
  • the circulation circuit valve 290 may move the working fluid passing through the heater 20 to maintain the gas bearing to the first branch circuit 400.
  • the remaining working fluid other than the working fluid moving to the first branch circuit 400 may be moved to the turbine 30 to operate the turbine 30.
  • the circulation circuit valve 290 may be a three-way valve, but is not limited thereto, and may be variously applied as long as it is a configuration capable of implementing the above functions.
  • the power generation system of the present invention is a bypass circuit 500 that is branched from the circulation circuit 220 between the heater 20 and the turbine 30 and is formed to join the first branch circuit 400. It may further include.
  • the bypass circuit 500 receives the working fluid passing through the heater 20 via the first branch circuit 400 before the working fluid passing through the heater 20 moves to the turbine 30.
  • a path may be provided to the working fluid passing through the heater 20 so as to be moved to the space 820.
  • the generator 800 of the present invention constitutes a gas bearing that supports the shaft 810 of the generator through a working fluid circulating through the Rankine cycle.
  • the present invention can solve the above risks because the working fluid that has passed through the heater 20 moves to the bypass circuit 500 and moves into the receiving space 820 of the gas bearing before moving to the turbine 30.
  • the unit 300 may be further included.
  • the heating unit 300 it is preferable to maintain the dryness of the working fluid flowing into the receiving space 820 to 1.
  • the heating unit 300 is preferably installed in the first branch circuit 400. However, this is for the efficiency of heat transfer to the working fluid of the heating unit 300, but is not limited thereto and may be variously formed.
  • the first branch circuit 400 may be formed so that a working fluid moving the first branch circuit 400 can receive heat from the heater 20.
  • the circulation circuit 200 is provided between the first condenser 40 and the first pump 10, a first storage unit for controlling the flow rate of the working fluid moving to the first pump 10 ( 50).
  • the level sensor When the level sensor is provided in the first storage unit 50 and the working fluid passing through the first condenser 40 by the level sensor forms a constant amount, the working fluid is moved to the first pump 10. I can do it.
  • a ball bearing 830 is installed in the accommodation space 820 to support the rotation shaft 810 of the generator together with the gas bearing.
  • the ball bearing 830 may be provided coupled to the shaft, and may perform a function of a bearing when there is a problem such as that a working fluid does not flow into the receiving space 820.
  • the second branch circuit is formed to be branched from the recovery circuit 600 and joined to the circulation circuit 240 provided between the first condenser 40 and the first pump 10 It may further include (700).
  • the second branch It may be characterized by moving to the first pump 10 via the circuit 700.
  • the recovery circuit 600 may include a recovery circuit valve 610 that controls at least one of the flow direction and flow rate of the working fluid passing through the receiving space 820.
  • the recovery circuit 600 may include a recovery circuit sensor 620 that measures at least one of temperature and pressure of the working fluid passing through the accommodation space 820.
  • the recovery circuit valve 610 and the recovery circuit sensor 620 may interlock to control the working fluid.
  • an operation signal may be transmitted to the recovery circuit valve 610 by comparing the pressure of the working fluid measured by the recovery circuit sensor 620 with the pressure of the working fluid passing through the turbine 30.
  • the recovery circuit valve 610 may move the working fluid passing through the accommodation space 820 to at least one of the recovery circuit 600 and the second branch circuit 700 according to the operation signal. .
  • the second branch circuit 700 heats from the working fluid moving to the second pump 710 and the second pump 710 to increase the pressure of the working fluid flowing into the second branch circuit 700. It may include a second condenser 740 to receive the second storage unit 750 for controlling the flow rate of the working fluid passing through the second condenser 740.
  • the working fluid flowing into the second branch circuit 700 may be changed into a liquid phase through the second condenser 740.
  • the working fluid changed to a liquid phase may be stored in the second storage unit 750.
  • the second storage unit 750 may be provided with a level sensor. When the working fluid stored in the second storage unit 750 is a predetermined amount or more, the level sensor may move the working fluid to the second pump 710.
  • the power generation system of the present invention may be further formed on the outside of the turbine 30, and may further include a separation unit 900 that partitions the turbine 30 and the generator 800.
  • the separating part 900 is preferably formed of an insulating plate and prevents high-temperature heat transferred to the turbine 30 from being transmitted to the generator 800.
  • the working fluid that has passed through the turbine 30 can be moved only to the first condenser 40 by the separation unit 900 and constitute a closed loop cycle.
  • FIG. 7 is a flow chart showing a first embodiment of the operation method of the power generation system of the present invention.
  • the same configuration as the power generation system of the present invention described above may perform the same or similar functions with the same or similar purposes.
  • the operation method of the power generation system of the present invention includes a heater 20 for transferring heat to the working fluid, a turbine 30 for converting the thermal energy of the working fluid passing through the heater 20 into mechanical energy, and the turbine 30 ),
  • the first condenser 40 receiving heat from the working fluid passing through, the first pump 10 moving the working fluid passing through the first condenser 40 to the heater 20 and the working fluid Rankine cycle and the turbine 30 provided as a circulation circuit 200 providing a path for circulating the first pump 10, the heater 20, the turbine 30 and the first condenser 40 It is connected to) may be a method of operating a power generation system including a generator 800 for converting mechanical energy into electrical energy.
  • the operation method of the power generation system of the present invention may include a gas bearing operation step, a turbine 30 operation step, a recovery step, and a condenser flow step.
  • the gas bearing operation step passes through the first branch circuit 400 that is branched between the heater 20 and the turbine 30 before the working fluid passing through the heater 20 moves to the turbine 30.
  • the working fluid passing through the heater 20 is branched between the heater 20 and the turbine 30 and the first It may be a step of moving to the bypass circuit 500 formed to join the branch circuit 400.
  • the operation of the gas bearing is performed when the dryness of the working fluid moving through the first branch circuit 400 is smaller than a preset value to the heating unit 300 installed in the first branch circuit 400. It may include an operation step of heating unit 300 heated by.
  • the dryness of the working fluid moved through the first branch circuit 400 by the heating unit 300 is maintained at 1. This is the same reason as described above.
  • the turbine 30 operation step may be a step in which the working fluid passing through the heater 20 moves to at least one of the first branch circuit 400 and the turbine 30 after the gas bearing operation step.
  • the operation step of the turbine 30 is moved to the first branch circuit 400 when the pressure of the working fluid passing through the receiving space 820 is lower than the working fluid before passing through the condenser. And a flow control step to increase the amount of working fluid.
  • the recovery step is a recovery circuit in which the working fluid moving from the first branch circuit 400 joins the circulation circuit 230 provided between the rear end of the turbine 30 and the condenser via the accommodation space 820 ( 600).
  • the recovery step if the pressure of the working fluid passing through the receiving space 820 is lower than the pressure of the working fluid passing through the turbine 30, at least the working fluid passing through the receiving space 820 Via a second branch circuit 700 which is partly branched from the recovery circuit 600 and formed to join the circulation circuit 240 provided between the first condenser 40 and the first pump 10 And passing through the second branch circuit 700 moving to the first pump 10.
  • the step of passing through the second branch circuit 700 is via a second pump 710 installed in the second branch circuit 700 to increase the pressure of the working fluid flowing into the second branch circuit 700.
  • the second pump 710 may include an operation step.
  • the condenser flow step may be a step in which at least one of the working fluid passing through the turbine 30 and the working fluid passing through the receiving space 820 flows to the condenser.
  • the circulation circuit 200, the first branch circuit 400, the bypass circuit 500, the recovery circuit 600 and the second branch circuit 700 may include a check valve.
  • FIG. 8 is a flow chart showing a second embodiment of the operation method of the power generation system of the present invention.
  • the same configuration as the power generation system of the present invention described above may perform the same or similar functions with the same or similar purposes.
  • the operation method of the power generation system of the present invention includes a heater 20 for transferring heat to the working fluid, a turbine 30 for converting the thermal energy of the working fluid passing through the heater 20 into mechanical energy, and the turbine 30 ),
  • the first condenser 40 receiving heat from the working fluid passing through, the first pump 10 moving the working fluid passing through the first condenser 40 to the heater 20 and the working fluid Rankine cycle and the turbine 30 provided as a circulation circuit 200 providing a path for circulating the first pump 10, the heater 20, the turbine 30 and the first condenser 40 It is connected to) may be a method of operating a power generation system including a generator 800 for converting mechanical energy into electrical energy.
  • the operation method of the power generation system of the present invention may include a first branch circuit 400 moving step, a gas bearing activating step, a turbine 30 activating step and a cycle configuring step.
  • the step of moving the first branch circuit 400 moves the working fluid passing through the heater 20 to the first branch circuit 400 that branches between the heater 20 and the front end of the turbine 30.
  • a working fluid moving from the first branch circuit 400 is provided between the turbine 30 and the condenser via an accommodation space 820 provided adjacent to the generator 800. It may be a step of moving to the recovery circuit 600 joining the circulation circuit 230.
  • the turbine 30 activation step may be a step in which a portion of the working fluid passing through the heater 20 moves to the turbine 30.
  • the cycle configuration step may be a step in which at least one of the working fluid passing through the turbine 30 and the working fluid passing through the receiving space 820 flows to the condenser.
  • the power generation system of the present invention can achieve a closed loop cycle.
  • the circulation circuit 200, the first branch circuit 400, the bypass circuit 500, the recovery circuit 600 and the second branch circuit 700 may include a check valve.

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Abstract

본 발명에 따른 발전 시스템은 작동 유체에 열을 전달하는 가열기, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈, 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기, 상기 제1응축기를 통과한 작동 유체를 상기 가열기에 이동시키는 제1펌프, 상기 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로, 상기 가열기와 상기 터빈 사이의 순환회로로부터 분기되어 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동할 수 있는 제1분기회로, 상기 터빈과 연결되고, 상기 제1분기회로와 연통되게 수용 공간이 형성되는 가스베어링이 구비되며, 상기 수용 공간을 경유하는 작동 유체에 의해 회전축이 지지되는 발전기 및 상기 수용 공간과 연통되고, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체를 상기 제1응축기 전단 또는 후단에 구비되는 순환회로에 합류시키도록 형성되는 회수회로를 포함할 수 있다.

Description

랭킨사이클의 발전 시스템 및 이의 작동 방법
본 발명은 랭킨사이클의 발전 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 랭킨사이클 및 랭킨사이클을 구성하는 터빈에 연결되는 발전기를 포함하는 발전 시스템 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
랭킨사이클(Rankine cycle) 및 랭킨사이클을 구성하는 터빈에 연결된 발전기를 포함하는 발전 시스템에 있어서, 고온 고압의 상태의 작동 매체를 터빈에 통과시켜 열에너지를 기계적에너지로 변환하고 발전기는 그 축이 터빈에 연결되어 기계적에너지를 전기에너지로 변환하는 다양한 기술이 소개되고 있다.
이 때, 발전기의 구동과 관련하여 베어링은 발전기의 축을 안정적으로 지지하여 회전시키기 위해 필수적으로 요구되는 구성일 수 있다.
특히 위와 같이 필수적으로 요구되는 베어링에 있어, 볼 베어링의 경우 소모품으로 주기적으로 교체해야 함에 따라, 비용과 시간이 소요될 뿐만 아니라 발전 시스템의 전체적인 효율에도 영향을 미치는 문제가 있다.
본 발명은 위의 문제를 해결하기 위하여 작동 유체를 이용하여 발전기의 가스 베어링으로 사용하기 위한 시스템 및 작동 방법에 관한 발명일 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 랭킨사이클 및 랭킨사이클을 구성하는 터빈에 연결되는 발전기를 포함하는 발전 시스템을 제공하기 위함이다.
또한, 랭킨사이클 및 랭킨사이클을 구성하는 터빈에 연결되는 발전기를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전 시스템은 작동 유체에 열을 전달하는 가열기, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈, 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기, 상기 제1응축기를 통과한 작동 유체를 상기 가열기에 이동시키는 제1펌프, 상기 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로, 상기 가열기와 상기 터빈 사이의 순환회로로부터 분기되어 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동할 수 있는 제1분기회로, 상기 터빈과 연결되고, 상기 제1분기회로와 연통되게 수용 공간이 형성되는 가스베어링이 구비되며, 상기 수용 공간을 경유하는 작동 유체에 의해 회전축이 지지되는 발전기 및 상기 수용 공간과 연통되고, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체를 상기 제1응축기 전단 또는 후단에 구비되는 순환회로에 합류시키도록 형성되는 회수회로를 포함할 수 있다.
즉, 작동 유체에 열을 전달하는 가열기, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈, 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기, 상기 제1응축기를 통과한 작동 유체를 상기 가열기에 이동시키는 제1펌프 및 상기 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로로 구비되는 랭킨사이클 및 상기 터빈에 연결되어 기계적에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 발전기를 포함하는 발전 시스템에 있어서, 상기 가열기와 상기 터빈 사이의 순환회로로부터 분기되어 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동할 수 있는 제1분기회로, 상기 발전기에 인접하는 위치에 상기 제1분기회로와 연통되게 수용 공간이 구비되고, 상기 수용 공간을 경유하는 작동 유체를 통해 상기 발전기의 회전축을 지지하는 가스베어링 및 상기 수용 공간과 연통되고, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체를 상기 제1응축기 전단 또는 후단에 구비되는 순환회로에 합류시키도록 형성되는 회수회로를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 가열기와 상기 터빈 사이의 순환회로로부터 분기되어, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동하고 상기 제1분기회로에 합류할 수 있도록 형성되는 우회회로를 더 포함하고 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 터빈으로 이동하기 전 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 우회회로로 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 순환회로는, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 유동 방향 및 유량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 순환회로밸브를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제1분기회로는, 상기 제1분기회로를 이동하는 작동 유체가 상기 가열기로부터 열을 전달받을 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 수용 공간에 유입되는 작동 유체를 가열하여 상기 수용 공간에 유입되는 작동 유체의 건도를 제어할 수 있는 히팅유닛을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 히팅유닛은 상기 제1분기회로에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 순환회로는, 상기 제1응축기와 상기 제1펌프 사이에 구비되어 상기 제1펌프로 이동하는 작동 유체의 유량을 제어하는 제1저장부를 포함할 수 있다.
또는 상기 발전기는, 상기 수용 공간에 설치되어 상기 가스베어링과 함께 상기 발전기의 회전축을 지지할 수 있는 볼베어링을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 회수회로로부터 분기되어, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동하고 상기 제1응축기와 상기 제1펌프 사이의 순환회로에 합류할 수 있도록 형성되는 제2분기회로를 더 포함하고, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 터빈을 통과한 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 상기 제2분기회로로 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이 때, 상기 회수회로는, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 유동 방향 및 유량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 회수회로밸브를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 회수회로는, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 온도 및 압력 중 적어도 어느 하나를 측정하는 회수회로센서를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제2분기회로는, 상기 제2분기회로로 유입되는 작동 유체의 압력을 상승시키는 제2펌프를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제2분기회로는, 상기 제2펌프로 이동하는 작동 유체로부터 열을 전달받는 제2응축기 및 상기 제2응축기를 통과한 작동 유체의 유량을 제어하는 제2저장부를 포함할 수 있다.
그리고 상기 터빈의 외측에 형성되고, 상기 터빈과 상기 발전기를 구획하는 분리부를 더 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법은 작동 유체에 열을 전달하는 가열기, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈, 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기, 상기 제1응축기를 통과한 작동 유체를 상기 가열기에 이동시키는 제1펌프 및 상기 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로로 구비되는 랭킨사이클 및 상기 터빈에 연결되어 기계적에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 발전기를 포함하는 발전 시스템에 있어서, 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 터빈으로 이동하기 전, 상기 가열기와 상기 터빈 사이에 분기되는 제1분기회로를 경유하여 상기 발전기에 인접하게 구비되는 수용 공간으로 이동할 수 있도록, 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 가열기와 상기 터빈 사이에 분기되고 상기 제1분기회로에 합류되게 형성되는 우회회로로 이동하는 가스베어링 작동 단계, 상기 가스베어링 작동 단계 후, 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 제1분기회로 및 상기 터빈 중 적어도 어느 하나로 이동하는 터빈 작동 단계, 상기 제1분기회로로부터 이동하는 작동 유체가 상기 수용 공간을 경유하여 상기 터빈 후단과 상기 응축기 사이에 구비되는 순환회로에 합류되는 회수회로로 이동하는 회수 단계 및 상기 터빈을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하는 응축기 유동 단계를 포함할 수 있다.
이 때 상기 가스베어링 작동 단계는, 상기 제1분기회로를 통해 이동하는 작동 유체의 건도가 기 설정한 값보다 작은 경우 상기 제1분기회로에 설치되는 히팅유닛에 의해 가열되는 히팅유닛 작동 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 회수 단계는, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 터빈을 통과한 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 상기 회수회로로부터 분기되고 상기 제1응축기와 상기 제1펌프 사이에 구비되는 순환회로에 합류되게 형성되는 제2분기회로를 경유하여 상기 제1펌프로 이동하는 제2분기회로 경유 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2분기회로 경유 단계는, 상기 제2분기회로에 설치되어 상기 제2분기회로로 유입되는 작동 유체의 압력을 상승시키는 제2펌프를 경유하는 제2펌프 작동 단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 터빈 작동 단계는, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 응축기를 통과하기 전의 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 제1분기회로로 이동하는 작동 유체의 양을 증가시키는 유량 제어 단계를 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법 작동 유체에 열을 전달하는 가열기, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈, 상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기, 상기 제1응축기를 통과한 작동 유체를 상기 가열기에 이동시키는 제1펌프 및 상기 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로로 구비되는 랭킨사이클 및 상기 터빈에 연결되어 기계적에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 발전기를 포함하는 발전 시스템에 있어서, 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 가열기와 상기 터빈의 전단 사이에 분기되는 제1분기회로로 이동하는 제1분기회로 이동 단계, 상기 제1분기회로로부터 이동하는 작동 유체가 상기 발전기에 인접하게 구비되는 수용 공간을 경유하여 상기 터빈과 상기 응축기 사이에 구비되는 순환회로에 합류되는 회수회로로 이동하는 가스베어링 활성화 단계, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 일부가 상기 터빈으로 이동하는 터빈 활성화 단계 및 상기 터빈을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하는 사이클 구성 단계를 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 발전 시스템 및 이의 작동 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 랭킨사이클의 작동 유체를 발전기의 베어링으로 사용할 수 있어 베어링의 교체 및 정비에 대한 비용 및 부담을 현저하게 낮출 수 있다.
둘째, 이론적으로는 베어링의 반영구적 사용이 가능하여 발전 시스템에 대한 전체적인 효율의 증가를 기대할 수 있다.
셋째, 가스 베어링에 사용되는 작동 유체의 건도를 제어할 수 있어 발전기에 가해질 수 있는 파손을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 발전 시스템의 제1실시예에 대한 도면이다.
도 2는 본 발명의 발전 시스템의 제2실시예에 대한 도면이다.
도 3은 본 발명의 발전 시스템의 제1실시예에 히팅유닛이 추가된 도면이다.
도 4는 본 발명의 발전 시스템의 제2실시예에 히팅유닛이 추가된 도면이다.
도 5는 본 발명의 발전 시스템의 히팅유닛에 대한 제3실시예에 대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 발전 시스템의 가스베어링에 볼 베어링이 결합된 모습을 나타낸 도면이다.
그리고 도 7 및 도 8은 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 발전 시스템에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 6에 따르면 본 발명의 발전 시스템은 랭킨사이클, 제1분기회로(400), 발전기(800) 및 회수회로(600)를 포함할 수 있다.
상기 랭킨사이클은 작동 유체에 열을 전달하는 가열기(20), 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈(30), 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기(40), 상기 제1응축기(40)를 통과한 작동 유체를 상기 가열기(20)에 이동시키는 제1펌프(10) 및 상기 작동 유체가 상기 제1펌프(10), 상기 가열기(20), 상기 터빈(30) 및 상기 제1응축기(40)를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로(200)로 구비될 수 있다.
제1분기회로(400)는 상기 가열기(20)와 상기 터빈(30) 사이의 순환회로(220)로부터 분기되어 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동하도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체는 상기 가열기(20)와 상기 터빈(30) 사이의 순환회로(220)와 초기회로(280)로 이동할 수 있다.
구체적으로, 최초 발전 시스템의 가동에 있어 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 일부는 제1분기회로(400)로 흘러 후술할 발전기(800)의 가스베어링 역할을 할 수 있다. 그리고 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 나머지는 초기회로(280)로 흘러 사이클을 이루게 된다.
이 때, 초기회로(280)로 작동 유체의 나머지가 흐르지 않고 터빈(30)으로 유입되는 경우 터빈(30)과 연결되는 발전기(800)의 축이 지지되지 않는다는 문제점이 발생될 수 있다. 본 발명의 경우 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 초기회로(280)는 가열기(20)를 통과한 작동 유체 중 제1분기회로(400)로 유동한 작동 유체를 제외한 나머지가 흐르는 경로를 제공할 수 있다.
발전기(800)는 상기 터빈(30)과 축계로 연결되는 회전자가 고정자와 인접하여 회전되며 유도전류가 발생하여 기계적에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 구성일 수 있다. 또는 상기 발전기(800)는 터빈(30)과 일체형으로 형성될 수 있다.
구체적으로 발전기(800)는 상기 제1분기회로와 연통되게 수용 공간이 형성되는 가스베어링이 상기 발전기(800)의 축에 인접하게 구비될 수 있다. 그리고 상기 수용 공간을 경유하는 작동 유체에 의해 발전기의 회전축이 지지되며 가스베어링의 기능을 수행할 수 있다.
즉, 가스베어링은 상기 발전기(800)에 인접하는 위치에 상기 제1분기회로(400)와 연통되는 수용 공간(820)이 구비될 수 있다. 이 때, 가스베어링은 일반적인 가스베어링의 구성일 수 있으며, 본 발명의 경우 제1분기회로(400)를 통해 수용 공간(820)을 경유하는 작동 유체가 상기 발전기의 회전축(810)을 지지하는 가스베어링을 구성할 수 있다.
본 발명은 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 가스베어링의 일부를 구성할 수 있으므로 볼베어링과 비교하여 베어링의 마모가 일어나지 않아 전체적인 발전 효율의 상승을 기대할 수 있다.
회수회로(600)는 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체를 상기 제1응축기(40) 전단 또는 후단에 구비되는 순환회로(200)에 합류시키도록 형성될 수 있다.
즉, 회수회로(600)는 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체가 상기 순환회로(200)에 합류하는 경로를 제공할 수 있다. 상기 회수회로(600)에 의해 상기 제1분기회로(400), 상기 수용 공간(820)을 경유한 작동 유체가 다시 상기 순환회로(200)에 합류되어 전체적으로 폐회로의 사이클을 구성할 수 있다.
도 1에 따르면, 상기 순환회로(200)가 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 유동 방향 및 유량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 순환회로밸브(290)를 포함할 수 있다.
상기 순환회로밸브(290)는 초기 작동 시에는 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 제1분기회로(400)로와 초기회로(280)로 이동하도록 작동 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 이 때, 상기 제1분기회로(400)로 이동한 작동 유체는 가스베어링에 구비되는 수용 공간(820)을 경유하며 발전기의 회전축(810)을 지지할 수 있다.
그 후, 상기 순환회로밸브(290)는 상기 가스베어링을 유지하는 만큼의 가열기(20)를 통과한 작동 유체를 상기 제1분기회로(400)로 이동시킬 수 있다. 그리고 상기 제1분기회로(400)로 이동하는 작동 유체 외의 나머지 작동 유체는 터빈(30)으로 이동하게 하여 터빈(30)을 작동시킬 수 있다.
상기 순환회로밸브(290)는 삼방밸브(3way-valve)일 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니고 위와 같은 기능을 구현할 수 있는 구성이라면 다양하게 적용될 수 있다.
제2실시예의 경우 제1실시예와 상술한 내용을 제외한 나머지는 동일한 구성으로 이루어질 수 있다.
도 2에 따르면, 본 발명의 발전 시스템은 상기 가열기(20)와 상기 터빈(30) 사이의 순환회로(220)로부터 분기되고 상기 제1분기회로(400)에 합류되게 형성되는 우회회로(500)를 더 포함할 수 있다.
우회회로(500)는 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 터빈(30)으로 이동하기 전 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 제1분기회로(400)를 경유하여 상기 수용 공간(820)으로 이동할 수 있도록 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체에 경로를 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 발전기(800)는 랭킨사이클을 순환하는 작동 유체를 통해 상기 발전기의 축(810)을 지지하는 가스베어링을 구성한다. 이러한 경우 상기 가스베어링에 작동 유체가 유입되기 전에 터빈(30)에 작동 유체가 유입되는 경우 발전기(800)의 파손의 위험성이 있다. 따라서 본 발명은 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 터빈(30)으로 이동하기 전 우회회로(500)로 이동하여 가스베어링의 수용 공간(820)으로 유입되므로 위와 같은 위험성을 해결할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과를 구현하기 위하여 반드시 위의 구성에 한정되는 것은 아니다.
그리고 본 발명의 발전 시스템은, 도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 수용 공간(820)에 유입되는 작동 유체를 가열하여 상기 수용 공간(820)에 유입되는 작동 유체의 건도를 제어할 수 있는 히팅유닛(300)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로는 상기 히팅유닛(300)은, 상기 수용 공간(820)에 유입되는 작동 유체의 건도를 1로 유지하는 것이 바람직하다.
이는 상기 수용 공간(820)에 유입되는 작동 유체의 건도가 1보다 낮아 작동 유체가 액상을 포함하는 경우 액상이 발전기(800)에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.
또한 상기 히팅유닛(300)은 상기 제1분기회로(400)에 설치되는 것이 바람직하다. 다만, 이는 히팅유닛(300)의 작동 유체에 대한 열 전달의 효율을 위한 것으로 이에 한정되는 것은 아니고 다양하게 형성될 수 있다.
예를 들어 도 5를 참조하면 상기 제1분기회로(400)는 상기 제1분기회로(400)를 이동하는 작동 유체가 상기 가열기(20)로부터 열을 전달받을 수 있도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 순환회로(200)는 상기 제1응축기(40)와 상기 제1펌프(10) 사이에 구비되어 상기 제1펌프(10)로 이동하는 작동 유체의 유량을 제어하는 제1저장부(50)를 포함할 수 있다.
상기 제1저장부(50)에는 레벨센서가 구비되고 상기 레벨센서에 의해 상기 제1응축기(40)를 통과한 작동 유체가 일정한 양을 형성하는 경우 상기 제1펌프(10)로 작동 유체를 이동시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 발전 시스템은 수용 공간(820)에는 볼베어링(830)이 설치되어 상기 가스베어링과 함께 상기 발전기의 회전축(810)을 지지할 수 있다.
도 6에서와 같이, 볼베어링(830)은 축에 결합되어 구비될 수 있으며, 상기 수용 공간(820)에 작동 유체가 유입되지 않거나 하는 등의 문제가 있는 경우 베어링의 기능을 수행할 수 있다.
또한 본 발명의 발전 시스템은, 상기 회수회로(600)로부터 분기되고 상기 제1응축기(40)와 상기 제1펌프(10) 사이에 구비되는 순환회로(240)에 합류되게 형성되는 제2분기회로(700)를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 상기 제2분기회로(700)를 경유하여 상기 제1펌프(10)로 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이 때, 상기 회수회로(600)는 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 유동 방향 및 유량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 회수회로밸브(610)를 포함할 수 있다.
그리고 상기 회수회로(600)는, 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 온도 및 압력 중 적어도 어느 하나를 측정하는 회수회로센서(620)를 포함할 수 있다.
상기 회수회로밸브(610)와 상기 회수회로센서(620)는 연동하여 작동 유체를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 회수회로센서(620)에서 측정한 작동 유체의 압력과 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체의 압력을 비교하여 상기 회수회로밸브(610)에 대하여 작동 신호를 송신할 수 있다. 그리고 상기 회수회로밸브(610)는 상기 작동 신호에 따라, 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체를 상기 회수회로(600) 및 상기 제2분기회로(700) 중 적어도 어느 하나로 이동시킬 수 있다.
그리고 상기 제2분기회로(700)는, 상기 제2분기회로(700)로 유입되는 작동 유체의 압력을 상승시키는 제2펌프(710), 상기 제2펌프(710)로 이동하는 작동 유체로부터 열을 전달받는 제2응축기(740) 및 상기 제2응축기(740)를 통과한 작동 유체의 유량을 제어하는 제2저장부(750)를 포함할 수 있다.
상기 제2분기회로(700)로 유입되는 작동 유체는 상기 제2응축기(740)를 거치며 액상으로 변화할 수 있다. 그리고 액상으로 변한 상기 작동 유체는 상기 제2저장부(750)에 저장될 수 있다. 이 때, 상기 제2저장부(750)는 레벨센서가 구비될 수 있다. 상기 제2저장부(750)에 저장된 작동 유체가 일정량 이상인 경우 상기 레벨센서는 상기 제2펌프(710)로 작동 유체를 이동시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 발전 시스템은, 상기 터빈(30)의 외측에 형성되고, 상기 터빈(30)과 상기 발전기(800)를 구획하는 분리부(900)를 더 포함할 수 있다.
분리부(900)는 단열판으로 형성되어 상기 터빈(30)에 전달되는 고온의 열을 상기 발전기(800)로 전달되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
또한 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체는 상기 분리부(900)에 의해 제1응축기(40)로만 이동할 수 있으며 폐회로의 사이클을 구성할 수 있다.
도 7를 참조하여 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법의 제1실시예에 대하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법의 제1실시예를 나타낸 순서도이다.
본 발명의 발전 시스템의 작동 방법에 있어 상술한 본 발명의 발전 시스템과 동일한 구성은 동일하거나 유사한 목적을 가지고 동일하거나 유사한 기능을 수행할 수 있다.
즉 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법은 작동 유체에 열을 전달하는 가열기(20), 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈(30), 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기(40), 상기 제1응축기(40)를 통과한 작동 유체를 상기 가열기(20)에 이동시키는 제1펌프(10) 및 상기 작동 유체가 상기 제1펌프(10), 상기 가열기(20), 상기 터빈(30) 및 상기 제1응축기(40)를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로(200)로 구비되는 랭킨사이클 및 상기 터빈(30)에 연결되어 기계적에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 발전기(800)를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법일 수 있다.
도 7에 따르면 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법은, 가스베어링 작동 단계, 터빈(30) 작동 단계, 회수 단계 및 응축기 유동 단계를 포함할 수 있다.
가스베어링 작동 단계는 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 터빈(30)으로 이동하기 전, 상기 가열기(20)와 상기 터빈(30) 사이에 분기되는 제1분기회로(400)를 경유하여 상기 발전기(800)에 인접하게 구비되는 수용 공간(820)으로 이동할 수 있도록, 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 가열기(20)와 상기 터빈(30) 사이에 분기되고 상기 제1분기회로(400)에 합류되게 형성되는 우회회로(500)로 이동하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 가스베어링 작동 단계는 상기 제1분기회로(400)를 통해 이동하는 작동 유체의 건도가 기 설정한 값보다 작은 경우 상기 제1분기회로(400)에 설치되는 히팅유닛(300)에 의해 가열되는 히팅유닛(300) 작동 단계를 포함할 수 있다.
히팅유닛(300)에 의해 상기 제1분기회로(400)를 통해 이동하는 작동 유체의 건도가 1로 유지되는 것이 바람직하다. 이는 상술한 이유와 같다.
터빈(30) 작동 단계는 상기 가스베어링 작동 단계 후, 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 제1분기회로(400) 및 상기 터빈(30) 중 적어도 어느 하나로 이동하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 터빈(30) 작동 단계는 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 응축기를 통과하기 전의 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 제1분기회로(400)로 이동하는 작동 유체의 양을 증가시키는 유량 제어 단계를 포함할 수 있다.
회수 단계는 상기 제1분기회로(400)로부터 이동하는 작동 유체가 상기 수용 공간(820)을 경유하여 상기 터빈(30) 후단과 상기 응축기 사이에 구비되는 순환회로(230)에 합류되는 회수회로(600)로 이동하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 회수 단계는 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 상기 회수회로(600)로부터 분기되고 상기 제1응축기(40)와 상기 제1펌프(10) 사이에 구비되는 순환회로(240)에 합류되게 형성되는 제2분기회로(700)를 경유하여 상기 제1펌프(10)로 이동하는 제2분기회로(700) 경유 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 제2분기회로(700) 경유 단계는, 상기 제2분기회로(700)에 설치되어 상기 제2분기회로(700)로 유입되는 작동 유체의 압력을 상승시키는 제2펌프(710)를 경유하는 제2펌프(710) 작동 단계를 포함할 수 있다.
응축기 유동 단계는 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하는 단계일 수 있다.
이 때, 순환회로(200), 제1분기회로(400), 우회회로(500), 회수회로(600) 및 제2분기회로(700) 등 각 회로에서의 작동 유체의 흐름이 역행하지 않도록 상기 순환회로(200), 상기 제1분기회로(400), 상기 우회회로(500), 상기 회수회로(600) 및 상기 제2분기회로(700)는 체크밸브를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하여 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법의 제2실시예에 대하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법의 제2실시예를 나타낸 순서도이다.
본 발명의 발전 시스템의 작동 방법에 있어 상술한 본 발명의 발전 시스템과 동일한 구성은 동일하거나 유사한 목적을 가지고 동일하거나 유사한 기능을 수행할 수 있다.
즉 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법은 작동 유체에 열을 전달하는 가열기(20), 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈(30), 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기(40), 상기 제1응축기(40)를 통과한 작동 유체를 상기 가열기(20)에 이동시키는 제1펌프(10) 및 상기 작동 유체가 상기 제1펌프(10), 상기 가열기(20), 상기 터빈(30) 및 상기 제1응축기(40)를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로(200)로 구비되는 랭킨사이클 및 상기 터빈(30)에 연결되어 기계적에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 발전기(800)를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법일 수 있다.
도 8에 따르면 본 발명의 발전 시스템의 작동 방법은, 제1분기회로(400) 이동 단계, 가스베어링 활성화 단계, 터빈(30) 활성화 단계 및 사이클 구성 단계를 포함할 수 있다.
제1분기회로(400) 이동 단계는, 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체가 상기 가열기(20)와 상기 터빈(30)의 전단 사이에 분기되는 제1분기회로(400)로 이동하는 단계일 수 있다.
가스베어링 활성화 단계는, 상기 제1분기회로(400)로부터 이동하는 작동 유체가 상기 발전기(800)에 인접하게 구비되는 수용 공간(820)을 경유하여 상기 터빈(30)과 상기 응축기 사이에 구비되는 순환회로(230)에 합류되는 회수회로(600)로 이동하는 단계일 수 있다.
터빈(30) 활성화 단계는 상기 가열기(20)를 통과한 작동 유체의 일부가 상기 터빈(30)으로 이동하는 단계일 수 있다.
그리고 사이클 구성 단계는 상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하는 단계일 수 있다.
상기 터빈(30)을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간(820)을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하므로, 본 발명의 발전 시스템은 폐회로의 사이클을 이룰 수 있다.
이 때, 순환회로(200), 제1분기회로(400), 우회회로(500), 회수회로(600) 및 제2분기회로(700) 등 각 회로에서의 작동 유체의 흐름이 역행하지 않도록 상기 순환회로(200), 상기 제1분기회로(400), 상기 우회회로(500), 상기 회수회로(600) 및 상기 제2분기회로(700)는 체크밸브를 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
(부호의 설명)
10: 제1펌프
20: 가열기
30: 터빈
40: 제1응축기
50: 제1저장부
200: 순환회로
210: 제1펌프와 가열기 사이의 순환회로
220: 가열기와 터빈 사이의 순환회로
230: 터빈과 제1응축기 사이의 순환회로
240: 제1응축기와 제1펌프 사이의 순환회로
280: 초기회로
290: 순환회로밸브
300: 히팅유닛
400: 제1분기회로
500: 우회회로
600: 회수회로
610: 회수회로밸브
620: 회수회로센서
700: 제2분기회로
710: 제2펌프
740: 제2응축기
750: 제2저장부
800: 발전기
810: 발전기의 회전축
820: 수용 공간
830: 볼베어링
900: 분리부

Claims (20)

  1. 작동 유체에 열을 전달하는 가열기;
    상기 가열기를 통과한 작동 유체의 열에너지를 기계적에너지로 변환하기 위한 터빈;
    상기 터빈을 통과한 작동 유체로부터 열을 전달받는 제1응축기;
    상기 제1응축기를 통과한 작동 유체를 상기 가열기에 이동시키는 제1펌프;
    상기 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기를 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로;
    상기 가열기와 상기 터빈 사이의 순환회로로부터 분기되어 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동할 수 있는 제1분기회로;
    상기 터빈과 연결되고, 상기 제1분기회로와 연통되게 수용 공간이 형성되는 가스베어링이 구비되며, 상기 수용 공간을 경유하는 작동 유체에 의해 회전축이 지지되는 발전기; 및
    상기 수용 공간과 연통되고, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체를 상기 제1응축기 전단 또는 후단에 구비되는 순환회로에 합류시키도록 형성되는 회수회로;
    를 포함하는 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가열기와 상기 터빈 사이의 순환회로로부터 분기되어, 상기 가열기를 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동하고 상기 제1분기회로에 합류할 수 있도록 형성되는 우회회로;
    를 더 포함하고,
    상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 터빈으로 이동하기 전 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 우회회로로 이동하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 순환회로는,
    상기 가열기를 통과한 작동 유체의 유동 방향 및 유량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 순환회로밸브;
    를 포함하는 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1분기회로는,
    상기 제1분기회로를 이동하는 작동 유체가 상기 가열기로부터 열을 전달받을 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수용 공간에 유입되는 작동 유체를 가열하여 상기 수용 공간에 유입되는 작동 유체의 건도를 제어할 수 있는 히팅유닛;
    을 더 포함하는 발전 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 히팅유닛은, 상기 제1분기회로에 설치되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 순환회로는,
    상기 제1응축기와 상기 제1펌프 사이에 구비되어 상기 제1펌프로 이동하는 작동 유체의 유량을 제어하는 제1저장부;
    를 포함하는 발전 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 발전기는,
    상기 수용 공간에 설치되어 상기 가스베어링과 함께 상기 발전기의 회전축을 지지할 수 있는 볼베어링;
    을 더 포함하는 발전 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 회수회로로부터 분기되어, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 이동하고 상기 제1응축기와 상기 제1펌프 사이의 순환회로에 합류할 수 있도록 형성되는 제2분기회로;
    를 더 포함하고,
    상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 터빈을 통과한 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 상기 제2분기회로로 이동하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 회수회로는,
    상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 유동 방향 및 유량 중 적어도 어느 하나를 제어하는 회수회로밸브;
    를 포함하는 발전시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 회수회로는,
    상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 온도 및 압력 중 적어도 어느 하나를 측정하는 회수회로센서;
    를 포함하는 발전 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제2분기회로는,
    상기 제2분기회로로 유입되는 작동 유체의 압력을 상승시키는 제2펌프;
    를 포함하는 발전 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제2분기회로는,
    상기 제2펌프로 이동하는 작동 유체로부터 열을 전달받는 제2응축기; 및
    상기 제2응축기를 통과한 작동 유체의 유량을 제어하는 제2저장부;
    를 포함하는 발전 시스템.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈의 외측에 형성되고, 상기 터빈과 상기 발전기를 구획하는 분리부;
    를 더 포함하는 발전 시스템.
  15. 가열기, 터빈, 제1응축기, 제1펌프 및 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기 순으로 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로로 구비되는 랭킨사이클 및 발전기를 포함하는 발전 시스템에 있어서,
    상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 터빈으로 이동하기 전, 상기 가열기와 상기 터빈 사이에 분기되는 제1분기회로를 경유하여 상기 발전기에 인접하게 구비되는 수용 공간으로 이동할 수 있도록, 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 가열기와 상기 터빈 사이에 분기되고 상기 제1분기회로에 합류되게 형성되는 우회회로로 이동하는 가스베어링 작동 단계;
    상기 가스베어링 작동 단계 후, 상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 제1분기회로 및 상기 터빈 중 적어도 어느 하나로 이동하는 터빈 작동 단계;
    상기 제1분기회로로부터 이동하는 작동 유체가 상기 수용 공간을 경유하여 상기 터빈 후단과 상기 응축기 사이에 구비되는 순환회로에 합류되는 회수회로로 이동하는 회수 단계; 및
    상기 터빈을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하는 응축기 유동 단계;
    를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 가스베어링 작동 단계는,
    상기 제1분기회로를 통해 이동하는 작동 유체의 건도가 기 설정한 값보다 작은 경우 상기 제1분기회로에 설치되는 히팅유닛에 의해 가열되는 히팅유닛 작동 단계;
    를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 회수 단계는,
    상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 터빈을 통과한 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 적어도 일부가 상기 회수회로로부터 분기되고 상기 제1응축기와 상기 제1펌프 사이에 구비되는 순환회로에 합류되게 형성되는 제2분기회로를 경유하여 상기 제1펌프로 이동하는 제2분기회로 경유 단계;
    를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제2분기회로 경유 단계는,
    상기 제2분기회로에 설치되어 상기 제2분기회로로 유입되는 작동 유체의 압력을 상승시키는 제2펌프를 경유하는 제2펌프 작동 단계;
    를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 터빈 작동 단계는,
    상기 수용 공간을 통과한 작동 유체의 압력이 상기 응축기를 통과하기 전의 작동 유체의 압력보다 낮은 경우, 상기 제1분기회로로 이동하는 작동 유체의 양을 증가시키는 유량 제어 단계;
    를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법.
  20. 가열기, 터빈, 제1응축기, 제1펌프 및 작동 유체가 상기 제1펌프, 상기 가열기, 상기 터빈 및 상기 제1응축기 순으로 순환하기 위한 경로를 제공하는 순환회로로 구비되는 랭킨사이클 및 발전기를 포함하는 발전 시스템에 있어서,
    상기 가열기를 통과한 작동 유체가 상기 가열기와 상기 터빈의 전단 사이에 분기되는 제1분기회로로 이동하는 제1분기회로 이동 단계;
    상기 제1분기회로로부터 이동하는 작동 유체가 상기 발전기에 인접하게 구비되는 수용 공간을 경유하여 상기 터빈과 상기 응축기 사이에 구비되는 순환회로에 합류되는 회수회로로 이동하는 가스베어링 활성화 단계;
    상기 가열기를 통과한 작동 유체의 일부가 상기 터빈으로 이동하는 터빈 활성화 단계; 및
    상기 터빈을 통과한 작동 유체 및 상기 수용 공간을 통과한 작동 유체 중 적어도 어느 하나가 상기 응축기로 유동하는 사이클 구성 단계;
    를 포함하는 발전 시스템의 작동 방법.
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