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KR101566303B1 - 압축 가스 저장 동력 발생 시스템 및 이를 이용한 압축 가스 저장 발전 시스템 - Google Patents

압축 가스 저장 동력 발생 시스템 및 이를 이용한 압축 가스 저장 발전 시스템 Download PDF

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KR101566303B1
KR101566303B1 KR1020100095973A KR20100095973A KR101566303B1 KR 101566303 B1 KR101566303 B1 KR 101566303B1 KR 1020100095973 A KR1020100095973 A KR 1020100095973A KR 20100095973 A KR20100095973 A KR 20100095973A KR 101566303 B1 KR101566303 B1 KR 101566303B1
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KR
South Korea
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pressure
compressed gas
power generation
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unit
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고민석
신종섭
김원중
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한화테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 압축 가스를 저장하는 저장 공간을 구비함으로써, 저장 공정에서 상기 저장 공간에 압축 가스를 저장해 놨다가, 동력 발생 공정에서 상기 저장된 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템에 있어서, 상기 저장 공간의 압력이 제1압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제1압축부와, 상기 제1압축부에서 압축된 가스를 받아 상기 저장 공간의 압력이 제2압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제2압축부와, 상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 팽창부와, 상기 동력 발생 공정에서 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스의 압력이 제3압력에 이르지 못하는 경우에 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스를 상기 제2압축부로 보내어 압축시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템을 제공한다.

Description

압축 가스 저장 동력 발생 시스템 및 이를 이용한 압축 가스 저장 발전 시스템{Power generation system using compressed air which stores and generating system using the same}
본 발명은 압축 가스 저장 동력 발생 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축 가스의 저장을 이용한 동력 발생 시스템에 관한 것이다.
압축 가스 저장 동력 발생 시스템은 압축기 등의 장치를 이용하여 압축한 가스를 소정의 저장 공간에 저장하였다가 에너지를 필요로 하는 때에 다시 꺼내어 터빈 등을 구동시켜 동력을 발생시키는 시스템이다.
그러한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템은 발전기와 연계하여 주야간의 전기 차익 거래, 신재생에너지와 연계된 발전 시스템에 주로 사용되고 있다.
효율적인 구조의 압축 가스 저장 동력 발생 시스템을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 압축 가스를 저장하는 저장 공간을 구비함으로써, 저장 공정에서 상기 저장 공간에 압축 가스를 저장해 놨다가, 동력 발생 공정에서 상기 저장된 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템에 있어서, 상기 저장 공간의 압력이 제1압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제1압축부;와, 상기 저장 공정에서, 상기 제1압축부에서 압축된 가스를 받아 상기 저장 공간의 압력이 제2압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제2압축부;와, 상기 동력 발생 공정에서, 상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 팽창부;와, 상기 동력 발생 공정에서, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스의 압력이 제3압력에 이르지 못하는 경우에, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스를 상기 제2압축부로 보내어 압축시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 압축되는 가스는 공기일 수 있다.
여기서, 상기 제1압축부는 적어도 하나의 압축기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1압축부는 적어도 하나의 열교환기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2압축부는 적어도 하나의 가변 압력비 압축기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 팽창부는 적어도 하나의 터빈을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부를 더 구비하고, 상기 팽창부는 상기 연소부에서 발생된 연소 가스로 작동할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 동력 발생 공정에서 상기 연소부 방향으로 이동하는 압축 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 저장 공간으로부터 나오는 압축 가스의 압력을 측정하는 적어도 하나의 제1압력센서를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 팽창부에 의해 발생된 동력을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1압축부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로와, 상기 제2압축부의 유입부에 연결된 관로를 연결하는 제1연통부가 설치되고, 상기 제1연통부와 상기 제2압축부를 연결하는 관로에는 제1밸브가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제1압축부와 상기 제1연통부를 연결하는 관로에 설치되는 제2압력센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1연통부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로와, 상기 제2압축부의 배출부에 연결된 관로를 연결하는 제2연통부가 설치되고, 상기 제1연통부와 상기 제2연통부를 연결하는 관로에는 제2밸브가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2연통부와 상기 제2압축부를 연결하는 관로에는 제3밸브가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2연통부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로에는 제4밸브가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2연통부와 상기 팽창부를 연결하는 관로에는 제5밸브가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2연통부와 상기 팽창부를 연결하는 관로에는 제1압력센서가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2연통부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로에는 제1압력센서가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2압축부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로에 제1압력센서가 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2연통부와 상기 팽창부 사이에는 상기 팽창부로부터 나오는 가스의 열을 상기 압축 가스에 전달하는 재생기가 더 설치될 수 있다.
여기서, 상기 제2압축부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로에는 제6밸브가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 압축 가스를 저장하는 저장 공간을 구비함으로써, 저장 공정에서 상기 저장 공간에 압축 가스를 저장해 놨다가, 발전 공정에서 상기 저장된 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시켜 발전을 수행하는 압축 가스 저장 발전 시스템에 있어서, 상기 저장 공간의 압력이 제1압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제1압축부;와, 상기 저장 공정에서, 상기 제1압축부에서 압축된 가스를 받아 상기 저장 공간의 압력이 제2압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제2압축부;와, 상기 발전 공정에서, 상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 팽창부;와, 상기 팽창부에 의해 발생된 동력을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부;와, 상기 발전 공정에서, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스의 압력이 제3압력에 이르지 못하는 경우에, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스를 상기 제2압축부로 보내어 압축시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 압축 가스 저장 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 효율적인 구조의 압축 가스 저장 동력 발생 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 일 변형예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)에서 저장 공간(ST)에 저장되는 압축 가스의 조성은 공기로 이루어진다. 그러나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 가스의 조성은, 대략 78%의 질소, 21%의 산소, 0.93%의 아르곤, 그리고 이산화 탄소, 수증기 등으로 이루어진 일반적인 공기뿐만 아니라, 공기라고 불릴 수 없을 정도로 조성 변화가 이루어졌지만 연소가 가능한 가스(예를 들면, 50%의 질소, 45%의 산소)가 사용될 수도 있다. 즉, 본 발명에 사용되는 압축 가스는 연소부에 들어가서 연소 작용을 일으켜 연소 가스를 만들어 낼 수 있는 조성의 가스이면 되고, 반드시 공기에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예의 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)은, 제1압축부(110), 제2압축부(120), 연소부(130), 팽창부(140), 발전부(150), 제어부(160), 재생부(regenerative part)(170), 저장 공간(ST)을 포함하는데, 발전부(150)를 포함하고 있으므로 「압축 가스 저장 발전 시스템」이라고 볼 수 있다.
제1압축부(110)는 제1압축기(111), 제1모터(112), 제1감속기(113)를 포함한다.
제1압축기(111)는 공기를 압축하는 기능을 수행하고, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에서 제1압축기(111)는 대기압 상태의 공기를 「제1압력」에 이르기까지 압축하도록 운용된다. 여기서, 「제1압력」이란 제1압축기(111)의 최적 압력비에 대응하는 압력이지만, 설계자의 설계 의도에 따라 「제1압력」은 언제든지 조정될 수 있다.
제1모터(112)는 전력망 또는 발전부(150)로부터 전원을 공급받아 제1압축기(111)를 구동하는 기능을 수행하는데, 종래의 교류 모터, 직류 모터 등이 사용될 수 있다.
제1감속기(113)는 제1모터(112)의 동력을 제1압축기(111)의 축으로 전달하는 기능을 수행한다. 본 실시예의 제1감속기(113)는 기어열로 이루어져 있다.
본 실시예의 경우 제1압축기(111)를 구동하기 위해 제1모터(112)를 사용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예를 들면, 제1압축기(111)는 팽창부(140)의 회전축으로부터 동력을 전달받아, 공기를 압축할 수도 있다.
본 실시예의 경우에 제1압축부(110)는 1개의 제1압축기(111)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 제1압축부(110)는 복수개의 제1압축기들을 포함할 수 있으며, 그 경우 제1압축기들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 배치될 수 있다.
한편, 제2압축부(120)는 제2압축기(121), 제2모터(122), 제2감속기(123)를 포함한다.
제2압축기(121)는 공기를 압축하는 기능을 수행하고, 가변 압력비 압축기를 사용한다. 즉, 제2압축기(121)는 가변 압력비 압축기이므로, 제어부(150)의 제어를 받아 압력비를 변화시켜 최적의 배출 압력을 구현할 수 있도록 운용된다. 예를 들어, 제2압축기(121)는 인입되는 가스의 압력이 점차적으로 낮아져도, 압력비를 점차로 높임으로써, 배출되는 가스의 압력이 거의 일정하게 유지되도록 구동할 수 있다.
제2압축기(121)에 적용되는 가변 압력비 압축기 기술로는 종래의 기술이 적용될 수 있다. 예를 들면, 압축기의 회전축의 속도를 조절함으로써 압력비를 가변으로 하는 기술, 베인의 각도를 조절하여 압력비를 가변으로 하는 기술 등이 적용될 수 있다.
본 실시예에서 제2압축기(121)는 공기를 「제2압력」에 이르기까지 압축하도록 운용된다. 여기서, 「제2압력」이란 설계자가 발전 시스템의 최적 효율을 위해 결정하는 압력이며, 설계자의 설계 의도에 따라 언제든지 조정될 수 있는 값인데, 그에 관한 구체적인 사항은 후술한다.
제2압축부(120)의 유입부는 제4관로(184) 또는 제5관로(185)에 연결되고, 배출부는 제6관로(186)에 연결되는데, 자세한 사항은 후술한다.
한편, 제2모터(122)는 전력망 또는 발전부(150)로부터 전원을 공급받아 제2압축기(121)를 구동하는 기능을 수행하는데, 종래의 교류 모터, 직류 모터 등이 사용될 수 있다.
본 실시예의 경우 제2압축기(121)를 구동하기 위해 제2모터(122)를 사용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예를 들면, 제2압축기(121)는 팽창부(140)의 회전축으로부터 동력을 전달받아, 공기를 압축할 수도 있다.
제2감속기(123)는 제1모터(122)의 동력을 제2압축기(121)의 축으로 전달하는 기능을 수행한다. 본 실시예의 제2감속기(123)는 기어열로 이루어져 있다.
본 실시예의 경우에 제2압축부(120)는 1개의 제2압축기(121)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 제2압축부(120)는 복수개의 제2압축기들을 포함할 수 있다. 그 경우, 복수개의 제2압축기들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 배치될 수 있다. 또한, 복수개의 제2압축기들 중 일부만이 가변 압력비 압축기가 사용될 수도 있고, 나머지는 일반적인 고정 압력비 압축기가 사용될 수 있다.
한편, 연소부(130)는 압축 공기에 연료를 투입한 후 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 연소기가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)은 연소부(130)를 포함하고 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템은 연소부를 포함하지 않을 수도 있다.
팽창부(140)는 터빈(141)을 포함하고 있다. 터빈(141)은 연소부(120)로부터 나온 연소 가스의 팽창 작용을 회전축의 회전 운동 에너지로 전환한다.
본 실시예의 경우에 팽창부(140)는 1개의 터빈(141)을 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 팽창부(140)는 복수개의 가스 터빈들을 포함할 수 있다. 그 경우, 복수개의 터빈부들은 서로 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있다.
한편, 발전부(150)는 팽창부(140)로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다.
발전부(150)에 의해 생산된 전기는 대부분 송전되지만, 일부는 제1압축부(110) 및 제2압축부(120)에 전송되어, 제1압축부(110) 및 제2압축부(120)를 구동하는 에너지로 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)은 발전부(150)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)은 발전부(150)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
제어부(160)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)을 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
재생부(regenerative part)(170)는, 팽창부(140)에서 팽창된 후의 배출 가스의 열을 회수하여, 연소부(130)로 진입하기 전의 압축 공기에 전달함으로써 열효율을 높이는 기능을 수행한다.
저장 공간(ST)으로는 저장 탱크가 사용되는데, 저장 탱크는 지상에 설치될 수 있고, 지하에 설치될 수도 있다.
이하, 도 1을 참조로 하여, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 관로 구성에 대해 구체적으로 살펴본다.
본 실시예에 따른 관로 구성 중 제1압축부(110)에서 재생부(170)까지의 관로는, 제1관로(181), 제2관로(182), 제3관로(183), 제4관로(184), 제5관로(185), 제6관로(186), 제7관로(187)로 구성된다.
제1관로(181)는 제1압축부(110)와 제1연통부(P1)를 연결하는 관로이고, 제2관로(182)는 제1연통부(P1)와 제2연통부(P2)를 연결하는 관로이고, 제3관로(183)는 제2연통부(P2)와 저장 공간(ST)을 연결하는 관로이다.
또한, 제4관로(184)는 제1연통부(P1)와 제2압축기(121)를 연결하는 관로이고, 제5관로(185)는 저장 공간(ST)과 제2압축기(121)를 연결하는 관로이고, 제6관로(186)는 제2압축기(121)와 제2연통부(P2)를 연결하는 관로이며, 제7관로(187)는 제2연통부(P2)와 재생기(170)를 연결하는 관로이다.
한편, 제1관로(181)에는 제2압력센서(S2)가 배치되고, 제2관로(182)에는 제2밸브(V2)가 배치되고, 제3관로(183)에는 제4밸브(V4)와 제1압력센서(S1_1)가 배치되고, 제4관로(184)에는 제1밸브(V1)가 배치되고, 제5관로(185)에는 제6밸브(V6)와 제1압력센서(S1_2)가 배치되고, 제6관로(186)에는 제3밸브(V3)가 배치되고, 제7관로(187)에는 제5밸브(V5)와 제3압력센서(S3)가 배치된다.
본 실시예에서는 제1압력센서(S1_1)(S1_2)가 각각 제3관로(183)와 제5관로(185)에 배치되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1압력센서의 개수는 한 개 이상이고, 저장 공간(ST)의 압력을 측정할 수 있는 위치에 설치되면 되고, 그 외의 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제1압력센서는 단일의 개수(1개)로 설치되며, 제3관로(183)에만 설치될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 제1압력센서는 제3압력센서(S3) 자리에 배치되어 제3압력센서(S3)의 기능도 함께 수행할 수도 있다.
이상과 같이 본 실시예의 관로들의 구성, 압력센서들의 구성을 설명하였지만, 본 발명에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템의 내부 관로들의 구성, 압력센서들의 구성은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템의 내부 관로들의 구성, 압력센서들의 구성은 전술한 예에 한정하지 않고, 설계자의 의도, 배치되는 내부 장치들의 형식, 사양 등에 의해 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)이 작동하는 모습을 살펴본다.
우선, 본 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 저장 공정을 살펴본다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 압축 가스의 조성은 공기이므로, 그에 맞추어 설명하기로 한다.
사용자가 발전을 위해 제어부(160)에 「압축 공기 저장 명령」을 입력하면, 제어부(160)는, 우선 제1압력센서(S1_1)에서 측정된 저장 공간(ST)의 압력이 제1압력(본 실시예의 경우는 약 30bar) 이상인지 판단(판단 단계 A)하고, 만약 제1압력에 미달하게 되면, 제1밸브(V1), 제3밸브(V3), 제5밸브(V5) 및 제6밸브(V6)를 폐쇄하고, 제2밸브(V2) 및 제4밸브(V4)를 개방한다. 이어, 제어부(160)는 제1압축부(110)를 구동시켜 순차적으로 압축 공기를 제1관로(181), 제2관로(182), 제3관로(183)를 통과시켜 저장 공간(ST)으로 투입시킨다. 이 때, 제2압력센서(S2)는 제1관로(181)의 압력을 측정하여 그 데이터를 제어부(160)로 전송한다.
이어, 제1압력센서(S1_1)에서 측정된 저장 공간(ST)의 압력이 제1압력(본 실시예의 경우는 약 30bar)에 도달하게 되면, 제어부(160)는 제2밸브(V2)를 폐쇄시키고, 제1밸브(V1) 및 제3밸브(V3)를 개방하면서 제2압축부(120)를 구동시킨다. 그렇게 되면, 제1압축부(110)에서 압축된 공기는 제2압축부(120)로 이동하여 추가로 압축되고, 추가로 압축된 공기는 제6관로(186), 제3관로(183)를 경유하여 저장 공간(ST)에 저장된다(추가 압축 저장 단계). 이 경우, 압축 공기의 이동 경로는 순차적으로 제1관로(181), 제4관로(184), 제2압축기(121), 제6관로(186), 제3관로(183), 저장 공간(ST)이며, 이 경우 폐쇄된 밸브는 제2밸브(V2), 제6밸브(V6), 제5밸브(V5)이고, 개방된 밸브는 제1밸브(V1), 제3밸브(V3), 제4밸브(V4)이다.
만약, 상기 「판단 단계 A」에서 제1압력센서(S1_1)에서 측정된 저장 공간(ST)의 압력이 제1압력 이상이라면, 제어부(160)는 제1밸브(V1)를 개방하고 제2밸브(V2)를 폐쇄하면서 제1압축부(110)를 구동시킨다. 이어, 제1압축부(110)에서 압축된 압축 공기를 제2압축부(120)로 이송시켜, 바로 상기 「추가 압축 저장 단계」를 실행한다.
제1압력센서(S1_1)에 의해 측정된 저장 공간(ST)의 압력이 제2압력(본 실시예의 경우는 약 60bar)에 도달하게 되면, 제어부(160)는 제4밸브(V4)를 폐쇄하고 저장 공간(ST)을 외부로부터 기밀시켜 내부 압력을 유지한다. 아울러, 제어부(160)는 제1압축부(110) 및 제2압축부(120)의 구동을 종료하여, 압축 공기 저장 공정을 종료시킨다.
본 실시예에서 제1압력을 약 30bar라고 설정하고, 제2압력을 약 60bar라고 설정하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 제1압력 및 제2압력은 전체 압축 가스 저장 동력 발생 시스템의 내부 구성 및 설계자의 설계 의도에 따라 달라질 수 있으며, 특히, 제1압축부 및 제2압축부의 성능에 따라 달라질 수 있다.
다음은 동력 발생 공정을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(160)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(160)는 제4밸브(V4) 및 제5밸브(V5)를 개방하고, 제2밸브(V2), 제3밸브(V3) 및 제6밸브(V6)를 폐쇄함으로써, 저장 공간(ST)에 저장되어 있던 압축 공기는 제3관로(183) 및 제7관로(187)를 통과하여 재생부(170)쪽으로 이동하게 된다.
재생부(170)를 통과한 압축 공기는 연소부(130)로 이동하여 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 연소 가스는 팽창부(140)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다. 그렇게 되면, 팽창부(140)는 발전부(150)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 된다. 이어, 팽창부(140)로부터 나온 배출 가스는 재생부(170)를 거쳐 열을 회수당하게 된다.
한편, 저장 공간(ST)으로부터 압축 공기가 배출됨에 따라, 저장 공간(ST)에서 나오는 압축 공기의 압력은 점차 내려가게 된다. 본 실시예의 경우에는, 배출되는 압축 공기의 압력이 소정의 배출 압력인 50bar에 이르지 못하면 팽창부(140)의 가용 운전 범위에 도달하지 못하게 되어 에너지의 손실이 급격히 커지게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 제1압력센서(S1_1)에서 측정된 압축 공기의 압력이 점차 내려가서 약 55bar에도 이르지 못하게 되는 경우에, 제어부(160)는 제4밸브(V4)를 점차로 폐쇄하면서, 제6밸브(V6) 및 제3밸브(V3)를 개방하고, 제2압축기(121)를 구동시킨다. 이 때, 제2밸브(V2)도 폐쇄되어, 압축 공기의 이동 경로는 순차적으로 제5관로(185), 제2압축기(121), 제6관로(186), 제7관로(187)가 되며, 이 후, 전술한 바와 같이, 재생부(170), 연소부(130)를 거쳐 연소 가스를 형성하게 된다. 연소 가스는 팽창부(140)를 거쳐 발전부(150)를 구동한 후, 재생부(170)로 이동한다.
여기서, 저장 공간(ST)의 압축 공기의 압력은 지속적으로 내려가게 되지만, 가변 압력비 압축기인 제2압축기(121)의 압력비 가변 구동에 의해 연소부(130)로 진입하는 압축 공기의 압력은 약 50bar∼60bar의 범위로 유지된다. 여기서, 그 압력 범위(약 50bar∼60bar)는 팽창부(140)의 최적 운전을 위해 미리 설정된 범위이다. 이 경우, 저장 공간(ST)의 압축 공기의 압력이 지속적으로 내려감에 따라 제2압축기(121)의 압력비는 지속적으로 상승하게 된다. 따라서, 제1압력센서(S1_2)는 지속적으로 저장 공간(ST)으로부터 나오는 압축 공기의 압력 데이터를 제어부(160)로 전송하고, 제3압력센서(S3)는 지속적으로 연소부(130)로 진입하는 압축 공기의 압력 데이터를 제어부(160)로 전송함으로써, 제어부(160)는 제2압축기(121)의 제어를 정밀하게 수행할 수 있게 된다.
본 실시예에서는 연소부(130)로 진입하는 압축 공기의 압력은 팽창부(140)의 최적 운전을 위해 약 50bar∼60bar의 범위로 유지되는 것이 바람직하다고 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 이는, 설치되는 터빈부의 형식 및 성능에 따라 「연소부(130)로 진입하는 압축 공기의 최적 압력 범위」는 달라질 수 있기 때문이다.
또한, 본 실시예에서는 제1압력센서(S1_1)에서 측정된 압축 공기의 압력이 55bar에 이르지 못하게 되는 경우("압축 공기 압력＜55bar"의 조건을 만족하는 경우)에, 제어부(160)는 제4밸브(V4)를 점차로 폐쇄하면서 제6밸브(V6) 및 제3밸브(V3)를 개방하고 제2압축기(121)를 구동시킨다고 설명하였다. 여기서, 상기 압축 공기의 압력 55bar는 「제3압력」으로 정의한다. 상기「제3압력」이란 설계자가 발전 시스템의 최적 효율을 위해 결정하는 압력이며, 설계자의 설계 의도에 따라 조정될 수 있는 값이다. 즉, 본 발명에 따른 「제3압력」은 55bar인 것으로 한정하지 않는다. 예를 들면, 「제3압력」은 52bar, 53bar, 57bar 등이 될 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 설치되는 터빈부의 형식 및 성능에 따라 「연소부(130)로 진입하는 압축 공기의 최적 압력 범위」는 달라질 수 있으므로, 「제3압력」은 그에 따라 달라질 수도 있다. 또한, 제어부(160)의 상기의 작동 시점에서 제4밸브(V4)는 점차로 폐쇄되지 않고, 일시에 폐쇄될 수도 있다. 즉, 제어부(160)의 밸브 제어는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 상태나 내부 보정 프로그램에 따라 적절히 조정될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)은, 가변 압력비 압축기인 제2압축기(121)를 구비하고, 저장 공정 시 사용된 제2압축기(121)를 동력 발생 공정에도 사용함으로써, 추가적인 압축기를 구비하지 않아도 되므로 효율적인 구조의 동력 발생 시스템 및 발전 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)에 따르면, 제2압축기(120)를 이용하여 추가로 압축한 공기를 연소부(130)로 보낼 수 있기 때문에, 저장 공간(ST)의 용량 및 크기를 줄일 수 있게 되고, 아울러 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)을 효율적으로 운용할 수 있다. 그렇게 되면, 저장 공간(ST)의 설치비와 시공비를 줄일 수 있는 장점이 있게 된다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예의 일 변형예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)에 관하여 설명하되, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)과 상이한 사항을 중심으로 하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 일 변형예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예의 일 변형예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 연소부(230), 발전부(250), 제어부(260), 재생부(270), 저장 공간(ST)에 관한 구성은, 본 발명의 실시예의 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 연소부(130), 발전부(150), 제어부(160), 재생부(170), 저장 공간(ST)에 관한 구성과 동일하기에 여기서 설명은 생략한다. 또한, 본 발명의 실시예의 일 변형예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)도 발전부(250)를 포함하고 있으므로 「압축 가스 저장 발전 시스템」이라고 볼 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예의 일 변형예에 관한 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 제1관로(281), 제2관로(282), 제3관로(283), 제4관로(284), 제5관로(285), 제6관로(286), 제7관로(287), 제1밸브(V1), 제2밸브(V2), 제3밸브(V3), 제4밸브(V4), 제5밸브(V5) 및 제6밸브(V6), 제1연통부(P1), 제2연통부(P2), 제1압력센서(S1_1)(S1_2), 제2압력센서(S2), 제3압력센서(S3)에 관한 구성은, 본 발명의 실시예의 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 제1관로(181), 제2관로(182), 제3관로(183), 제4관로(184), 제5관로(185), 제6관로(186), 제7관로(187), 제1밸브(V1), 제2밸브(V2), 제3밸브(V3), 제4밸브(V4), 제5밸브(V5) 및 제6밸브(V6), 제1연통부(P1), 제2연통부(P2), 제1압력센서(S1_1)(S1_2), 제2압력센서(S2), 제3압력센서(S3)에 관한 구성과 동일하기에 여기서 설명은 생략한다.
한편, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 제1압축부(210)의 구성 중 제1모터(212), 제1감속기(213)의 구성은, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 제1압축부(110)의 제1모터(112), 제1감속기(113)와 동일하지만, 제1압축부(210)의 구성 중 제1압축기에 관련된 구성은 전술한 제1압축부(110)의 구성과 상이하다.
즉, 제1압축부(210)는 3개의 압축기(211a)(211b)(211c)를 포함하고, 압축기(211a)(211b)(211c)들 사이에는 중간냉각기(214a)(214b)가 배치되어 있어, 다단 압축 및 중간 냉각을 구현할 수 있다. 또한, 압축기(211c)의 후방에는 단부냉각기(215)가 배치되어 있어, 제1압축부(210)에서 나가는 압축 가스의 온도를 낮출 수 있는 구성을 가지게 된다. 여기서, 중간냉각기(214a)(214b) 및 단부냉각기(215)는 일반적인 열교환기의 구성을 가질 수 있다.
또한, 제2압축부(220)의 구성 중 제2압축기(221), 제2모터(222), 제2감속기(223)의 구성은, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 제2압축부(120)의 제1압축기(121), 제2모터(122), 제2감속기(123)와 동일하지만, 제2압축부(220)의 구성에는 단부냉각기(224)가 추가로 배치되어, 제2압축부(220)에서 나가는 압축 가스의 온도를 낮출 수 있는 구성을 가지게 된다. 단부냉각기(224)는, 제2압축부(220)로부터 나온 압축 가스가 저장 공간(ST)에 들어가 저장되는 공정에 사용됨으로써, 압축 가스의 저장을 용이하게 한다. 여기서, 단부냉각기(224)도 일반적인 열교환기의 구성을 가질 수 있다.
또한, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 팽창부(240)의 구성은, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 팽창부(140)의 구성과 상이한데, 3개의 터빈(241a)(241b)(241c)를 포함하고, 터빈(241a)(241b)(241c)들 사이에는 재열기(243a)(243b)가 배치되어 있어, 다단 팽창 및 재열 공정을 구현할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예의 일 변형예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)은 복수개의 압축기(211a)(211b)(211c), 중간냉각기(214a)(214b), 단부냉각기(215), 터빈(241a)(241b)(241c), 재열기(243a)(243b)를 포함하고 있어서, 구동 시 가스 동력의 이상 사이클인 에릭슨 사이클(Ericsson cycle)에 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)보다 더 가까이 접근할 수 있으므로, 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 효율을 증대시킬 수 있게 된다.
이상과 같이 살펴본 구성, 작용 및 효과 외의 본 발명의 실시예의 일 변형예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(200)의 구성, 작용 및 효과는, 상기 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 동력 발생 시스템(100)의 구성, 작용 및 효과와 동일하므로, 본 설명에서는 생략하기로 한다.
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 압축 가스 저장 동력 발생 시스템은, 압축 가스를 저장하고, 필요한 때에 저장된 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 산업에 사용될 수 있다.
100, 200: 압축 가스 저장 동력 발생 시스템
110, 210: 제1압축부 120, 220: 제2압축부
130, 230: 연소부 140, 240: 팽창부
150, 250: 발전부 160, 260: 제어부
170, 270: 재생부 ST: 저장 공간

Claims (22)

  1. 압축 가스를 저장하는 저장 공간을 구비함으로써, 저장 공정에서 상기 저장 공간에 압축 가스를 저장해 놨다가, 동력 발생 공정에서 상기 저장된 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템에 있어서,
    상기 저장 공간의 압력이 제1압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제1압축부;
    상기 저장 공정에서, 상기 제1압축부에서 압축된 가스를 받아 상기 저장 공간의 압력이 제2압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제2압축부;
    상기 동력 발생 공정에서, 상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 팽창부; 및
    상기 동력 발생 공정에서, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스의 압력이 제3압력에 이르지 못하는 경우에, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스를 상기 제2압축부로 보내어 압축시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2압축부는 적어도 하나의 가변 압력비 압축기를 포함하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부를 더 구비하고,
    상기 팽창부는 상기 연소부에서 발생된 연소 가스로 작동하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 동력 발생 공정에서 상기 연소부 방향으로 이동하는 압축 가스의 압력이 소정의 범위 내로 유지되도록 제어하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1압축부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로와, 상기 제2압축부의 유입부에 연결된 관로를 연결하는 제1연통부가 설치되고,
    상기 제1연통부와 상기 제2압축부를 연결하는 관로에는 제1밸브가 설치되는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항에 있어서,
    상기 제1압축부와 상기 제1연통부를 연결하는 관로에 설치되는 제2압력센서를 더 포함하는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1연통부와 상기 저장 공간을 연결하는 관로와, 상기 제2압축부의 배출부에 연결된 관로를 연결하는 제2연통부가 설치되고,
    상기 제1연통부와 상기 제2연통부를 연결하는 관로에는 제2밸브가 설치되는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제2연통부와 상기 팽창부 사이에는 상기 팽창부로부터 나오는 가스의 열을 상기 압축 가스에 전달하는 재생기가 더 설치되는 압축 가스 저장 동력 발생 시스템.
  21. 삭제
  22. 압축 가스를 저장하는 저장 공간을 구비함으로써, 저장 공정에서 상기 저장 공간에 압축 가스를 저장해 놨다가, 발전 공정에서 상기 저장된 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시켜 발전을 수행하는 압축 가스 저장 발전 시스템에 있어서,
    상기 저장 공간의 압력이 제1압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제1압축부;
    상기 저장 공정에서, 상기 제1압축부에서 압축된 가스를 받아 상기 저장 공간의 압력이 제2압력에 이르기까지 가스를 압축하는 제2압축부;
    상기 발전 공정에서, 상기 저장 공간으로부터 나온 압축 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 팽창부;
    상기 팽창부에 의해 발생된 동력을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부; 및
    상기 발전 공정에서, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스의 압력이 제3압력에 이르지 못하는 경우에, 상기 저장 공간에서 나오는 압축 가스를 상기 제2압축부로 보내어 압축시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 압축 가스 저장 발전 시스템.
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