WO2020180015A1 - 엑서지 발전 시스템 - Google Patents

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WO2020180015A1
WO2020180015A1 PCT/KR2020/001727 KR2020001727W WO2020180015A1 WO 2020180015 A1 WO2020180015 A1 WO 2020180015A1 KR 2020001727 W KR2020001727 W KR 2020001727W WO 2020180015 A1 WO2020180015 A1 WO 2020180015A1
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cooling medium
medium
heat
power generation
heat exchanger
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오승재
오병수
하정석
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오승재
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Definitions

  • the present invention relates to an exergy power generation system.
  • LNG Liquefied Natural Gas
  • natural gas which is a gas
  • the LNG storage density is about 430 to 470 kg/m 3 , which is 625 times higher than that of the gas in the standard state, and is in a cryogenic liquid state with a temperature of -162°C.
  • LNG is imported from overseas gas fields through LNG vessels and then unloaded and stored in LNG storage tanks at LNG terminals. After that, LNG is transported to the home, and there is a problem in that the energy held by LNG cannot be specifically utilized during the transport process.
  • Patent Document 1 KR10-2018-0126717 A
  • the present invention is to solve the problems of the prior art described above, one aspect of the present invention relates to an exergy power generation system capable of generating power by driving a turbine with a cooling medium after increasing the enthalpy of the cooling medium.
  • Exergy power generation system is a tank for storing a cooling medium, the cooling medium is transferred from the tank, and the first medium is transferred from a first heat source, so that the cooling medium and the first medium are heat-exchanged. And a turbine driven by the cooling medium through which the cooling medium is transferred, and the cooling medium passing through the turbine is transported to a customer through a transport line.
  • the cooling medium is transferred from the first heat exchanger, and the second medium is transferred from a second heat source, so that the cooling medium and the second medium exchange heat. It further includes a second heat exchanger.
  • the first heat source is an ORC (Organic Rankine Cycle) system.
  • the first medium receives heat from at least one of seawater, waste heat from a waste treatment plant, waste heat from a factory, and waste heat from a data center.
  • the second heat source is at least one of a fuel cell system and a boiler.
  • the second medium receives heat from waste heat of the fuel cell system or heat from a boiler.
  • the temperature of the second medium is higher than the temperature of the first medium.
  • the cooling medium is stored as a liquid in the tank, and is phase shifted from liquid to gas in the first heat exchanger.
  • the pressure pump pressurizes the cooling medium to 100 to 250 bar.
  • the enthalpy of the cooling medium increases while passing through the first heat exchanger, and the enthalpy decreases while passing through the turbine.
  • a pressure pump provided between the tank and the first heat exchanger to pressurize the cooling medium, and the cooling medium are transferred from the first heat exchanger.
  • a second heat exchanger in which a second medium is transferred from the second heat source to exchange heat between the cooling medium and the second medium, wherein the cooling medium increases enthalpy while passing through the pressure pump, and the first The enthalpy increases while passing through the heat exchanger, the enthalpy increases while passing through the second heat exchanger, and the enthalpy decreases while passing through the turbine.
  • a pressure pump provided between the tank and the first heat exchanger to pressurize the cooling medium, and the cooling medium are transferred from the first heat exchanger.
  • a second heat exchanger in which a second medium is transferred from a second heat source to exchange heat between the cooling medium and the second medium, and the pressure of the cooling medium increases while passing through the pressure pump, and the first The temperature increases while passing through the heat exchanger, the temperature increases while passing through the second heat exchanger, and the temperature and pressure decrease while passing through the turbine.
  • the exergy power generation system further comprising a first supply line for supplying the cooling medium passing through the turbine to at least one of the fuel cell system and the boiler as fuel.
  • a first supplying boil-off gas of the cooling medium generated from the tank as fuel to at least one of the fuel cell system and the boiler. Includes 2 supply lines.
  • the cooling medium is LNG (Liquefied Natural Gas) or CNG (Compressed Natural Gas).
  • the present invention after increasing the enthalpy of the cooling medium, by driving the turbine with the cooling medium to generate electricity, there is an advantage that the transported cooling medium can be efficiently used.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exergy power generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an exergy power generation system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an exergy power generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • the cooling medium is transferred from the tank 100 and the tank 100 for storing the cooling medium, and the first medium is transferred from the first heat source 210.
  • the cold heat passing through the turbine 400 includes a first heat exchanger 200 that is transferred and heat-exchanged between the cold and heat medium and the first medium, and a turbine 400 driven by the heat-exchanged cold and heat medium is transferred
  • the medium is transported through the transport line 500 to the customer.
  • the tank 100 serves to store a cooling medium.
  • the tank 100 may store the cold and heat medium transported through a ship before being transported to a consumer, such as a home.
  • the tank 100 maintains low temperature/high pressure so that the cooling medium maintains a liquid state.
  • the cooling medium may be LNG (Liquefied Natural Gas), CNG (Compressed Natural Gas), and the like, and the cooling medium stored in the tank 100 may maintain a pressure of about 70 bar and a temperature of about -163°C.
  • the cold and heat medium stored in the tank 100 may be delivered in a pressurized state at a pressure of about 1 to 2 bar (the pressure in the tank of the LNG receiving base) and pressurized to a pressure of about 70 bar.
  • the tank 100 does not necessarily mean a separate tank for the exergy power generation system according to the present embodiment, but may mean a tank at the LNG receiving base.
  • the cooling medium stored in the tank 100 can maintain a pressure of about 1 to 2 bar and a temperature of about -163°C.
  • the cooling medium stored in the tank 100 at low temperature/high pressure may be delivered to the first heat exchanger 200 through the pressure pump 150.
  • the pressure pump 150 is provided between the tank 100 and the first heat exchanger 200 to pressurize the cooling medium to a predetermined pressure or higher.
  • the pressure pump 150 may pressurize the cooling medium to 100 to 250 bar.
  • the first heat exchanger 200 serves to increase the temperature of the cooling medium.
  • the cooling medium is transferred from the tank 100 to the first heat exchanger 200, and the first medium is transferred to the first heat source 210, so that the cooling medium and the first medium exchange heat with each other.
  • the temperature of the cooling medium is increased through heat exchange.
  • the first heat source 210 may be an ORC (Organic Rankine Cycle) system, for example.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the ORC system is a power generation system using a relatively low temperature eco-friendly energy source.
  • the ORC system includes a heat recovery unit (HRU) 213, a turbine 215, and a pump 217, and the first medium circulates these.
  • the first medium receives heat from at least one predetermined energy source among seawater, waste heat from a waste treatment plant, waste heat from a factory, and waste heat from a data center in the heat recovery unit 213 to increase the temperature.
  • the first medium whose temperature has increased is supplied to the turbine 215 to generate electric power and then introduced into the pump 217.
  • the first medium whose temperature is increased while passing through the heat recovery unit 213 passes through the first heat exchanger 200 and is heat-exchanged with the cooling medium as described above, thereby increasing the temperature of the cooling medium.
  • the cooling medium that has passed through the first heat exchanger 200 may be transferred to the second heat exchanger 300.
  • the second heat exchanger 300 serves to increase the temperature of the cooling medium, similar to the first heat exchanger 200.
  • the cooling medium is transmitted from the first heat exchanger 200 to the second heat exchanger 300, and the second medium is transmitted from the second heat source 320, so that the cooling medium and the second medium exchange heat with each other.
  • the second heat source 320 may be, for example, a fuel cell system 320a.
  • the fuel cell system 320a is a power generation system that generates electric power by electrochemically reacting fuel and an oxidizing agent.
  • the temperature of the cooling medium increases sequentially while passing through the first heat exchanger 200 and the second heat exchanger 300.
  • the cooling medium is a temperature of about -163°C before passing through the first heat exchanger 200, and about 0°C after passing through the first heat exchanger 200, and the second heat exchanger After passing through 300, the temperature may be about 53°C.
  • the temperature of the second medium heat-exchanged with the cooling medium in the second heat exchanger 300 is higher than the temperature of the first medium heat-exchanged with the cooling medium in the first heat exchanger 200. Can be high.
  • the turbine 400 generates electric power by being driven by delivering a cooling medium.
  • the cooling medium is pressurized to a high pressure by the pressurizing pump 150, and the temperature in the first and second heat exchangers 200 and 300 is increased. Accordingly, the cooling medium delivered to the turbine 400 has a high enthalpy, and the turbine 400 can be effectively driven by a high enthalpy cooling medium.
  • the pressure of the cooling medium increases as it passes through the pressurizing pump 150, the temperature increases as it passes through the first heat exchanger 200, and the second heat exchanger 300 The temperature increases while passing through, and the temperature and pressure decrease while passing through the turbine 400.
  • the enthalpy of the cooling medium increases as it passes through the pressurizing pump 150, the enthalpy increases as it passes through the first heat exchanger 200, and passes through the second heat exchanger 300.
  • the enthalpy increases while passing through the turbine 400 while the enthalpy decreases.
  • the pressure and temperature of the cooling medium are 70 bar (or 1 to 2 bar), -163°C in the tank 100, 140 bar, -163°C after passing through the pressure pump 150, and the first heat exchanger 200 ) After passing through 140bar, 0 °C, after passing through the second heat exchanger 300, 140bar, 53 °C, after passing through the turbine 400 may be 70bar, 6.5 °C.
  • the enthalpy of the cooling medium is -905.9kJ/kg in the tank 100, -895.1kJ/kg after passing through the pressure pump 150, and -227.9kJ/ after passing through the first heat exchanger 200 kg, may be -49.5kJ/kg after passing through the second heat exchanger 300, and -122.6kJ/kg after passing through the turbine 400.
  • the output of the turbine 400 is 304.1kW.
  • Changes in pressure, temperature, and enthalpy of the above-described cooling medium may be, for example, as follows.
  • the pressure and temperature of the cooling medium are 70 bar (or 1 to 2 bar), -163°C in the tank 100, 140 bar, -163°C after passing through the pressure pump 150, and passing through the first heat exchanger 200 After that, it may be 140bar, 0°C, 140bar and 47°C after passing through the second heat exchanger 300, and 70bar and 0°C after passing through the turbine 400.
  • the enthalpy of the cooling medium is -905.9kJ/kg in the tank 100, -895.1kJ/kg after passing through the pressure pump 150, and -227.9kJ/ after passing through the first heat exchanger 200 kg, may be -68.1kJ/kg after passing through the second heat exchanger 300, and -141.4kJ/kg after passing through the turbine 400.
  • the output of the turbine 400 is 305kW.
  • the cooling medium increases the enthalpy as it passes through the pressure pump 150, the first heat exchanger 200, and the second heat exchanger 300, drives the turbine 400 by the increased enthalpy, and the turbine ( 400), the enthalpy decreases by the energy used to drive it.
  • the cooling medium that has passed through the turbine 400 may be transported to a consumer through the transport line 500.
  • the cooling and heat media passing through the turbine 400 need to be transported to the customer, and may be supplied as fuel to the fuel cell system 320a through the first supply line 600.
  • the first supply line 600 may be branched from the transport line 500 and connected to the fuel cell system 320a.
  • the cooling medium may be delivered to the reformer 323 through the first supply line 600 and supplied to the fuel cell 325 after being reformed in the reformer 323.
  • the fuel cell system 320a may be driven by a cooling medium, and the fuel cell system 320a driven by the cooling medium is a cooling medium in the second heat exchanger 300 as the second heat source 320 as described above. It can be used to increase the temperature of
  • the pressurizing pump 150 pressurizes the cooling medium before the first heat exchanger 200 in which the cooling medium changes from liquid to gas.
  • the pressure pump 150 pressurizes the liquid cooling medium. If the cooling medium in the gaseous state is pressurized, the cooling medium is transferred in the form of a pulse wave, thereby reducing the efficiency of the turbine 400.
  • the exergy power generation system according to the present embodiment pressurizes the liquid cooling medium, the cooling medium is continuously conveyed, and thus the efficiency of the turbine 400 is excellent.
  • FIG. 2 is a diagram showing an exergy power generation system according to a second embodiment of the present invention.
  • the exergy power generation system according to the second embodiment is similar to the exergy power generation system according to the first embodiment.
  • the pressure of the cooling medium stored in the tank 100 increases as it passes through the pressure pump 150, and the first heat exchanger 200 and the second heat exchanger 300 ), the temperature increases while passing through the turbine 400, and the temperature and pressure decrease in the process of driving the turbine 400 while passing through the turbine 400.
  • the first medium is transferred from the first heat source 210 (ORC system) to the first heat exchanger 200 to increase the temperature of the cooling medium, and the second heat source 320 is used in the second heat exchanger 300.
  • the second medium is transferred from 320a and the boiler 320b, so that the temperature of the cooling medium may be increased.
  • the boiler 320b is added, and the boil-off gas of the cooling medium is used as fuel such as the fuel cell system 320a or the boiler 320b. It is different from the exergy power generation system according to the first embodiment. Therefore, in the exergy power generation system according to the second embodiment, overlapping contents with the exergy power generation system according to the first embodiment are omitted, and the use of boil-off gas of the boiler 320b and the cooling medium is mainly described.
  • a boiler 320b performing a role similar to that of the fuel cell system 320a is added as the second heat source 320.
  • the boiler 320b is the second heat source 320 together with the fuel cell system 320a.
  • the second medium receives heat from the heat of the boiler 320b to increase the temperature, and the second medium with the increased temperature is transported by the pump 329 and passes through the second heat exchanger 300.
  • the boiler 320b provides heat for increasing the temperature of the cooling medium in the second heat exchanger 300.
  • the cooling medium that has passed through the turbine 400 may be supplied as fuel to the fuel cell system 320a through the first supply line 600 as well as to the boiler 320b.
  • the first supply line 600 is branched from the transport line 500 and then branched back to the 1-1 supply line 610 and the 1-2 supply line 620, and the 1-1 supply line ( The 610 may be connected to the fuel cell system 320a, and the 1-2 supply line 620 may be connected to the boiler 320b.
  • the cooling medium is delivered to the reformer 323 through the 1-1 supply line 610 and is supplied to the fuel cell 325 after being reformed in the reformer 323, and the 1-2 supply line 620 It can be supplied to the boiler (320b) through. That is, the fuel cell system 320a and the boiler 320b may be driven by a cooling medium that has passed through the turbine 400.
  • the evaporation gas is generated while naturally evaporating or evaporating.
  • the fuel cell system 320a and the boiler 320b are supplied through the 2-1 supply line 180 and the 2-2 supply line 190.
  • the boil-off gas is delivered to the reformer 323 through the 2-1 supply line 180, reformed in the reformer 323, and then supplied to the fuel cell 325, and the 2-2 supply line 190 It may be supplied to the boiler (320b) through. That is, the fuel cell system 320a and the boiler 320b may be driven by the boil-off gas of the cooling medium generated from the tank 100.
  • the exergy power generation system according to the second embodiment utilizes the naturally evaporated or evaporated evaporated gas as fuel for the fuel cell system 320a and the boiler 320b, explosion due to the evaporated gas can be prevented, The use efficiency of the cooling medium can be further increased.
  • buffer tank 180 2-1 supply line
  • first heat source 213 heat recovery unit
  • first supply line 610 1-1 supply line
  • power generation after increasing the enthalpy of the cooling medium, power generation can be achieved by driving the turbine with the cooling medium.

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Abstract

본 발명은 엑서지 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 엑서지 발전 시스템은 냉열 매체를 저장하는 탱크(100), 탱크(100)로부터 냉열 매체가 전달되고, 제1 열원(210)으로부터 제1 매체가 전달되어, 냉열 매체와 제1 매체가 열교환되는 제1 열교환기(200), 및 열교환된 냉열 매체가 전달되어, 냉열 매체로 구동되는 터빈(400)을 포함하고, 터빈(400)을 통과한 냉열 매체는 수송라인(500)을 통해서 수요처까지 수송된다.

Description

엑서지 발전 시스템
본 발명은 엑서지 발전 시스템에 관한 것이다.
LNG(Liquefied Natural Gas, 액화천연가스)는 해외가스전에서 수송의 편리성을 위해서 기체인 천연가스에서 질소, 이산화탄소, 불순물 등을 제거한 후, 이를 저온 고압으로 액화한 것으로, 메탄, 프로판, 부탄 등으로 구성되어 있다. LNG 저장밀도는 약 430 내지 470 kg/m3으로 표준상태의 기체에 비해서 625배 이상이고, -162℃ 온도를 지닌 초저온 액체 상태이다. LNG는 해외가스전에서 LNG 선박을 통해서 수입한 후, LNG 터미널의 LNG 저장탱크에 하역하여 저장한다. 이후 LNG는 가정으로 수송되는데, 수송과정에서 LNG가 보유한 에너지를 특별히 활용하지 못하는 문제점이 존재한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) KR10-2018-0126717 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 냉열 매체의 엔탈피를 높인 후, 냉열 매체로 터빈을 구동시켜 발전할 수 있는 엑서지 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 냉열 매체를 저장하는 탱크, 상기 탱크로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제1 열원으로부터 제1 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제1 매체가 열교환되는 제1 열교환기, 및 열교환된 상기 냉열 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체로 구동되는 터빈을 포함하고, 상기 터빈을 통과한 상기 냉열 매체는 수송라인을 통해서 수요처까지 수송된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 제1 열교환기로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원으로부터 제2 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제2 매체가 열교환되는 제2 열교환기를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 제1 열원은 ORC(Organic Rankine Cycle) 시스템이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 제1 매체는 바닷물, 쓰레기 처리장의 폐열, 공장의 폐열, 및 데이터 센터의 폐열 중 적어도 하나로부터 열을 전달받는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 제2 열원은 연료전지 시스템과 보일러 중 적어도 하나이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 제2 매체는 상기 연료전지 시스템의 폐열 또는 보일러의 열로부터 열을 전달받는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 제2 매체의 온도가 상기 제1 매체의 온도보다 높다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 냉열 매체는 상기 탱크에서 액체로 저장되고, 상기 제1 열교환기에서 액체에서 기체로 상변이된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 탱크와 상기 제1 열교환기 사이에 구비되어, 상기 냉열 매체를 가압하는 가압 펌프를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 가압 펌프는 상기 냉열 매체를 100 내지 250 bar로 가압한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 냉열 매체는 상기 제1 열교환기를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 상기 터빈을 통과하면서 엔탈피가 감소한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 탱크와 상기 제1 열교환기 사이에 구비되어, 상기 냉열 매체를 가압하는 가압 펌프, 및 상기 제1 열교환기로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원으로부터 제2 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제2 매체가 열교환되는 제2 열교환기를 더 포함하고, 상기 냉열 매체는 상기 가압 펌프를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 상기 제1 열교환기를 통과하면서 엔탈피가 증가하며, 상기 제2 열교환기를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 상기 터빈을 통과하면서 엔탈피가 감소한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 탱크와 상기 제1 열교환기 사이에 구비되어, 상기 냉열 매체를 가압하는 가압 펌프, 및 상기 제1 열교환기로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원으로부터 제2 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제2 매체가 열교환되는 제2 열교환기를 더 포함하고, 상기 냉열 매체는 상기 가압 펌프를 통과하면서 압력이 증가하고, 상기 제1 열교환기를 통과하면서 온도가 증가하며, 상기 제2 열교환기를 통과하면서 온도가 증가하고, 상기 터빈을 통과하면서 온도와 압력이 감소한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 터빈을 통과한 상기 냉열 매체를 상기 연료전지 시스템과 상기 보일러 중 적어도 어느 하나에 연료로 공급하는 제1 공급라인을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 탱크로부터 발생한 상기 냉열 매체의 증발가스(Boil-Off Gas)를 상기 연료전지 시스템과 상기 보일러 중 적어도 어느 하나에 연료로 공급하는 제2 공급라인을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템에 있어서, 상기 냉열 매체는 LNG(Liquefied Natural Gas) 또는 CNG(Compressed Natural Gas)이다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 냉열 매체의 엔탈피를 높인 후, 냉열 매체로 터빈을 구동시켜 발전함으로써, 수송되는 냉열 매체를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템을 도시한 도면, 및
도 2은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 냉열 매체를 저장하는 탱크(100), 탱크(100)로부터 냉열 매체가 전달되고, 제1 열원(210)으로부터 제1 매체가 전달되어, 냉열 매체와 제1 매체가 열교환되는 제1 열교환기(200), 및 열교환된 냉열 매체가 전달되어, 냉열 매체로 구동되는 터빈(400)을 포함하고, 터빈(400)을 통과한 냉열 매체는 수송라인(500)을 통해서 수요처까지 수송된다.
상기 탱크(100)는 냉열 매체를 저장하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 탱크(100)는 선박을 통해서 수송된 냉열 매체를 가정 등의 수요처에 수송하기 전에 저장하는 것일 수 있다. 여기서, 탱크(100)는 냉열 매체가 액체 상태를 유지하도록 저온/고압을 유지한다. 이때, 냉열 매체는 LNG(Liquefied Natural Gas), CNG(Compressed Natural Gas) 등일 수 있고, 탱크(100)에 저장된 냉열 매체는 약 70bar 정도의 압력과 약 -163℃ 정도의 온도를 유지할 수 있다. 구체적으로, 탱크(100)에 저장된 냉열 매체는 1 내지 2bar 정도의 압력으로 가압된 상태(LNG 인수기지의 탱크 내의 압력)에서 전달되어 다시 70bar 정도의 압력까지 가압될 수 있다. 다만, 탱크(100)는 반드시 본 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템을 위한 별도의 탱크를 의미하는 것이 아니라, LNG 인수 기지의 탱크를 의미할 수 있다. 이 경우, 탱크(100)에 저장된 냉열 매체는 1 내지 2bar 정도의 압력과 약 -163℃ 정도의 온도를 유지할 수 있다.
탱크(100)에 저온/고압으로 저장된 냉열 매체는 가압 펌프(150)를 통해서 제1 열교환기(200)에 전달될 수 있다. 구체적으로, 가압 펌프(150)는 탱크(100)와 제1 열교환기(200) 사이에 구비되어, 냉열 매체를 소정 압력 이상으로 가압한다. 예를 들어, 가압 펌프(150)는 냉열 매체를 100 내지 250bar로 가압할 수 있다.
상기 제1 열교환기(200)는 냉열 매체의 온도를 높이는 역할을 수행한다. 제1 열교환기(200)에는 탱크(100)로부터 냉열 매체가 전달되고, 제1 열원(210)으로 제1 매체가 전달되어, 냉열 매체와 제1 매체가 서로 열교환된다. 이때, 냉열 매체의 온도에 비해서 제1 매체의 온도가 높으므로, 열교환을 통해서 냉열 매체의 온도가 높아진다. 냉열 매체는 제1 열교환기(200)에서 온도가 높아지면서 액체에서 기체로 상변이된다. 한편, 제1 열원(210)은 예를 들어 ORC(Organic Rankine Cycle) 시스템일 수 있다. 여기서, ORC 시스템은 상대적으로 저온의 친환경 에너지원을 이용하는 발전 시스템이다. 구체적으로, ORC 시스템은 열회수부(213; Heat Recovery Unit, HRU), 터빈(215), 및 펌프(217) 등을 포함하고, 이것들을 제1 매체가 순환한다. 여기서, 제1 매체는 열회수부(213)에서 바닷물, 쓰레기 처리장의 폐열, 공장의 폐열, 및 데이터 센터 폐열 중 적어도 하나의 소정 에너지원으로부터 열을 전달받아 온도가 높아진다. 온도가 높아진 제1 매체는 터빈(215)으로 공급되어 전력을 생산한 후 펌프(217)로 유입된다. 또한, 열회수부(213)를 통과하면서 온도가 높아진 제1 매체는 제1 열교환기(200)를 통과하면서, 상술한 바와 같이 냉열 매체와 열교환되어, 냉열 매체의 온도를 높인다.
한편, 제1 열교환기(200)를 통과한 냉열 매체는 제2 열교환기(300)로 전달될 수 있다. 여기서, 제2 열교환기(300)는 제1 열교환기(200)과 유사하게 냉열 매체의 온도를 높이는 역할을 수행한다. 제2 열교환기(300)에는 제1 열교환기(200)로부터 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원(320)으로부터 제2 매체가 전달되어, 냉열 매체와 제2 매체가 서로 열교환된다. 이때, 냉열 매체의 온도에 비해서 제2 매체의 온도가 높으므로, 열교환을 통해서 냉열 매체의 온도가 더 높아진다. 한편, 제2 열원(320)은 예를 들어 연료전지 시스템(320a)일 수 있다. 여기서, 연료전지 시스템(320a)은 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전력을 생산하는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지 시스템(320a)에서는 상당한 폐열이 발생하는데, 제2 매체는 연료전지 시스템(320a)의 폐열로부터 열을 전달받아 온도가 높아진다. 온도가 높아진 제2 매체는 펌프(327)에 의해서 수송되어 제2 열교환기(300)를 통과하면서, 상술한 바와 같이 냉열 매체와 열교환되어, 냉열 매체의 온도를 높인다.
결국, 냉열 매체는 제1 열교환기(200)과 제2 열교환기(300)를 통과하면서 순차적으로 온도가 높아진다. 예를 들어, 냉열 매체는 제1 열교환기(200)를 통과하기 전 약 -163℃ 정도의 온도이고, 제1 열교환기(200)를 통과한 후 약 0℃ 정도의 온도이며, 제2 열교환기(300)를 통과한 후 약 53℃ 정도의 온도일 수 있다. 이와 같이, 냉열 매체의 온도를 순차적으로 높이기 위해서, 제1 열교환기(200)에서 냉열 매체와 열교환되는 제1 매체의 온도보다 제2 열교환기(300)에서 냉열 매체와 열교환되는 제2 매체의 온도가 높을 수 있다.
상기 터빈(400)은 냉열 매체가 전달되어 구동됨으로써 전력을 생산한다. 여기서, 냉열 매체는 가압 펌프(150)에 의해서 고압으로 가압되고, 제1,2 열교환기(200, 300)에서 온도가 높아진 상태이다. 따라서, 터빈(400)에 전달된 냉열 매체는 높은 엔탈피를 가지고 있고, 터빈(400)은 높은 엔탈피의 냉열 매체에 의해서 효과적으로 구동될 수 있다.
전체적으로, 냉열 매체의 압력과 온도 변화를 살펴보면, 냉열 매체는 가압 펌프(150)를 통과하면서 압력이 증가하고, 제1 열교환기(200)를 통과하면서 온도가 증가하며, 제2 열교환기(300)를 통과하면서 온도가 증가하고, 터빈(400)을 통과하면서 온도와 압력이 감소한다.
또한, 냉열 매체의 엔탈피 변화를 살펴보면, 냉열 매체는 가압 펌프(150)를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 제1 열교환기(200)를 통과하면서 엔탈피가 증가하며, 제2 열교환기(300)를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 터빈(400)을 통과하면서 엔탈피가 감소한다.
구체적으로, 냉열 매체의 압력과 온도는 탱크(100)에서 70bar(또는 1 내지 2bar), -163℃이고, 가압 펌프(150)를 통과한 후 140bar, -163℃이며, 제1 열교환기(200)를 통과한 후 140bar, 0℃이고, 제2 열교환기(300)를 통과한 후 140bar, 53℃이며, 터빈(400)을 통과한 후 70bar, 6.5℃일 수 있다.
또한, 냉열 매체의 엔탈피는 탱크(100)에서 -905.9kJ/kg이고, 가압 펌프(150)를 통과한 후 -895.1kJ/kg이며, 제1 열교환기(200)를 통과한 후 -227.9kJ/kg이고, 제2 열교환기(300)를 통과한 후 -49.5kJ/kg이며, 터빈(400)을 통과한 후 -122.6kJ/kg일 수 있다. 이때, 터빈(400)의 출력은 304.1kW이다.
상술한 냉열 매체의 압력, 온도, 엔탈피 변화는 예를 들어 다음과 같을 수도 있다.
냉열 매체의 압력과 온도는 탱크(100)에서 70bar(또는 1 내지 2bar), -163℃이고, 가압 펌프(150)를 통과한 후 140bar, -163℃이며, 제1 열교환기(200)를 통과한 후 140bar, 0℃이고, 제2 열교환기(300)를 통과한 후 140bar, 47℃이며, 터빈(400)을 통과한 후 70bar, 0℃일 수 있다.
또한, 냉열 매체의 엔탈피는 탱크(100)에서 -905.9kJ/kg이고, 가압 펌프(150)를 통과한 후 -895.1kJ/kg이며, 제1 열교환기(200)를 통과한 후 -227.9kJ/kg이고, 제2 열교환기(300)를 통과한 후 -68.1kJ/kg이며, 터빈(400)을 통과한 후 -141.4kJ/kg일 수 있다. 이때, 터빈(400)의 출력은 305kW이다.
정리하면, 냉열 매체는 가압 펌프(150), 제1 열교환기(200), 제2 열교환기(300)를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 증가된 엔탈피에 의해서 터빈(400)을 구동시키고, 터빈(400)을 구동시키는데 사용된 에너지에 의해서 엔탈피가 감소하는 것이다.
한편, 상술한 압력, 온도, 및 엔탈피의 수치는 설명을 위해서 예시적으로 기재한 것으로 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지 않음은 물론이다.
추가적으로, 터빈(400)을 통과한 냉열 매체는 수송라인(500)을 통해서 수요처까지 수송될 수 있다. 다만, 터빈(400)을 통과한 냉열 매체는 모두 수요처까지 수송되어야 하는 것은 아니고, 제1 공급라인(600)을 통해서 연료전지 시스템(320a)에 연료로 공급할 수 있다. 구체적으로, 제1 공급라인(600)은 수송라인(500)으로부터 분기되어 연료전지 시스템(320a)에 연결될 수 있다. 이때, 냉열 매체는 제1 공급라인(600)을 통해서 개질기(323)로 전달되고 개질기(323)에서 개질된 후 연료전지(325)에 공급될 수 있다. 즉, 연료전지 시스템(320a)은 냉열 매체로 구동될 수 있고, 냉열 매체로 구동된 연료전지 시스템(320a)은 상술한 바와 같이 제2 열원(320)으로서 제2 열교환기(300)에서 냉열 매체의 온도를 높이는데 사용될 수 있다.
한편, 가압 펌프(150)는 냉열 매체가 액체에서 기체로 상변이되는 제1 열교환기(200) 이전에 냉열 매체를 가압한다. 따라서, 가압 펌프(150)는 액체 상태의 냉열 매체를 가압한다. 만약, 기체 상태의 냉열 매체를 가압하면, 펄스파 형태로 냉열 매체가 이송되어 터빈(400)의 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 액체 상태의 냉열 매체를 가압하므로, 연속적으로(continuous) 냉열 매체가 이송되고, 그에 따라 터빈(400)의 효율이 뛰어나다.
도 2은 본 발명의 제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템을 도시한 도면이다. 제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 제1 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템과 유사하다.
기본적으로, 제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 탱크(100)에 저장된 냉열 매체는 가압 펌프(150)를 통과하면서 압력이 증가하고, 제1 열교환기(200)와 제2 열교환기(300)를 통과하면서 온도가 증가하며, 터빈(400)을 통과하면서 터빈(400)을 구동시키는 과정에서 온도와 압력이 감소한다. 이때, 제1 열교환기(200)에는 제1 열원(210, ORC 시스템)으로부터 제1 매체가 전달되어 냉열 매체의 온도를 높이고, 제2 열교환기(300)에는 제2 열원(320, 연료전지 시스템(320a) 및 보일러(320b))로부터 제2 매체가 전달되어 냉열 매체의 온도를 높일 수 있다.
제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 보일러(320b)가 추가된 점, 및 냉열 매체의 증발가스(Boil-Off Gas)를 연료전지 시스템(320a)이나 보일러(320b) 등의 연료로 사용하는 점이 제1 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템과 상이하다. 따라서, 제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 제1 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템과 중복되는 내용은 생략하고, 보일러(320b)와 냉열 매체의 증발가스 사용을 중심으로 기술하도록 한다.
제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 연료전지 시스템(320a)과 유사한 역할을 수행하는 보일러(320b)가 제2 열원(320)으로서 추가된다. 구체적으로, 제2 열교환기(300)에서 냉열 매체와 제2 열원(320)으로부터 전달된 제2 매체가 열교환될 때, 보일러(320b)는 연료전지 시스템(320a)과 함께 제2 열원(320)을 구성할 수 있다. 즉, 보일러(320b)의 열로부터 제2 매체는 열을 전달받아 온도가 높아지고, 온도가 높아진 제2 매체는 펌프(329)에 의해서 수송되어 제2 열교환기(300)를 통과한다. 이때, 제2 매체는 냉열 매체와 열교환되므로, 냉열 매체의 온도가 높아진다. 결국, 보일러(320b)는 제2 열교환기(300)에서 냉열 매체의 온도를 높이는 열을 제공하는 것이다.
한편, 터빈(400)을 통과한 냉열 매체는 제1 공급라인(600)을 통해서 연료전지 시스템(320a)에 연료로 공급될 뿐만 아니라, 보일러(320b)에도 연료로 공급될 수 있다. 구체적으로, 제1 공급라인(600)은 수송라인(500)으로부터 분기되고 다시 제1-1 공급라인(610)과 제1-2 공급라인(620)으로 분기되어, 제1-1 공급라인(610)은 연료전지 시스템(320a)에 연결되고, 제1-2 공급라인(620)은 보일러(320b)에 연결될 수 있다. 이때, 냉열 매체는 제1-1 공급라인(610)을 통해서 개질기(323)로 전달되고 개질기(323)에서 개질된 후 연료전지(325)에 공급되고, 제1-2 공급라인(620)을 통해서 보일러(320b)로 공급될 수 있다. 즉, 연료전지 시스템(320a)과 보일러(320b)는 터빈(400)을 통과한 냉열 매체로 구동될 수 있다.
한편, 탱크(100)에 저장된 냉열 매체에서는 자연적으로 증발하거나 기화하면서 증발가스가 발생한다. 이러한 증발가스는 버퍼탱크(170; Buffer Tank)에 수집된 후, 제2-1 공급라인(180)과 제2-2 공급라인(190)을 통해서 연료전지 시스템(320a)과 보일러(320b)에 연료로 공급될 수 있다. 구체적으로, 증발가스는 제2-1 공급라인(180)을 통해서 개질기(323)로 전달되고 개질기(323)에서 개질된 후 연료전지(325)에 공급되고, 제2-2 공급라인(190)을 통해서 보일러(320b)로 공급될 수 있다. 즉, 연료전지 시스템(320a)과 보일러(320b)는 탱크(100)로부터 발생한 냉열 매체의 증발가스로 구동될 수 있다. 결국, 제2 실시예에 따른 엑서지 발전 시스템은 자연적으로 증발하거나 기화하는 증발가스를 연료전지 시스템(320a)과 보일러(320b)의 연료로 활용하므로, 증발가스로 인한 폭발을 방지할 수 있고, 냉열 매체의 사용 효율을 더욱 높일 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
[부호의 설명]
100: 탱크 150: 가압 펌프
170: 버퍼탱크 180: 제2-1 공급라인
190: 제2-2 공급라인 200: 제1 열교환기
210: 제1 열원 213: 열회수부
215: 터빈 217: 펌프
300: 제2 열교환기 320: 제2 열원
320a: 연료전지 시스템 323: 개질기
325: 연료전지 320b: 보일러
400: 터빈 500: 수송라인
600: 제1 공급라인 610: 제1-1 공급라인
620: 제1-2 공급라인
본 발명은 냉열 매체의 엔탈피를 높인 후, 냉열 매체로 터빈을 구동시켜 발전할 수 있다.

Claims (16)

  1. 냉열 매체를 저장하는 탱크;
    상기 탱크로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제1 열원으로부터 제1 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제1 매체가 열교환되는 제1 열교환기; 및
    열교환된 상기 냉열 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체로 구동되는 터빈;
    을 포함하고,
    상기 터빈을 통과한 상기 냉열 매체는 수송라인을 통해서 수요처까지 수송되는 엑서지 발전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열교환기로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원으로부터 제2 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제2 매체가 열교환되는 제2 열교환기;
    를 더 포함하는 엑서지 발전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열원은 ORC(Organic Rankine Cycle) 시스템인 엑서지 발전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 매체는 바닷물, 쓰레기 처리장의 폐열, 공장의 폐열, 및 데이터 센터의 폐열 중 적어도 하나로부터 열을 전달받는 엑서지 발전 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 열원은 연료전지 시스템과 보일러 중 적어도 하나인 엑서지 발전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 매체는 상기 연료전지 시스템의 폐열 또는 보일러의 열로부터 열을 전달받는 엑서지 발전 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 매체의 온도가 상기 제1 매체의 온도보다 높은 엑서지 발전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉열 매체는 상기 탱크에서 액체로 저장되고, 상기 제1 열교환기에서 액체에서 기체로 상변이되는 엑서지 발전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 탱크와 상기 제1 열교환기 사이에 구비되어, 상기 냉열 매체를 가압하는 가압 펌프;
    를 더 포함하는 엑서지 발전 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 가압 펌프는 상기 냉열 매체를 100 내지 250 bar로 가압하는 엑서지 발전 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉열 매체는 상기 제1 열교환기를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 상기 터빈을 통과하면서 엔탈피가 감소하는 엑서지 발전 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 탱크와 상기 제1 열교환기 사이에 구비되어, 상기 냉열 매체를 가압하는 가압 펌프; 및
    상기 제1 열교환기로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원으로부터 제2 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제2 매체가 열교환되는 제2 열교환기;
    를 더 포함하고,
    상기 냉열 매체는 상기 가압 펌프를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 상기 제1 열교환기를 통과하면서 엔탈피가 증가하며, 상기 제2 열교환기를 통과하면서 엔탈피가 증가하고, 상기 터빈을 통과하면서 엔탈피가 감소하는 엑서지 발전 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 탱크와 상기 제1 열교환기 사이에 구비되어, 상기 냉열 매체를 가압하는 가압 펌프; 및
    상기 제1 열교환기로부터 상기 냉열 매체가 전달되고, 제2 열원으로부터 제2 매체가 전달되어, 상기 냉열 매체와 상기 제2 매체가 열교환되는 제2 열교환기;
    를 더 포함하고,
    상기 냉열 매체는 상기 가압 펌프를 통과하면서 압력이 증가하고, 상기 제1 열교환기를 통과하면서 온도가 증가하며, 상기 제2 열교환기를 통과하면서 온도가 증가하고, 상기 터빈을 통과하면서 온도와 압력이 감소하는 엑서지 발전 시스템.
  14. 청구항 5에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 상기 냉열 매체를 상기 연료전지 시스템과 상기 보일러 중 적어도 어느 하나에 연료로 공급하는 제1 공급라인;
    을 더 포함하는 엑서지 발전 시스템.
  15. 청구항 5에 있어서,
    상기 탱크로부터 발생한 상기 냉열 매체의 증발가스(Boil-Off Gas)를 상기 연료전지 시스템과 상기 보일러 중 적어도 어느 하나에 연료로 공급하는 제2 공급라인;
    을 더 포함하는 엑서지 발전 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉열 매체는 LNG(Liquefied Natural Gas) 또는 CNG(Compressed Natural Gas)인 엑서지 발전 시스템.
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