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WO2018062696A1 - 하이브리드형 발전 시스템 - Google Patents

하이브리드형 발전 시스템 Download PDF

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WO2018062696A1
WO2018062696A1 PCT/KR2017/009278 KR2017009278W WO2018062696A1 WO 2018062696 A1 WO2018062696 A1 WO 2018062696A1 KR 2017009278 W KR2017009278 W KR 2017009278W WO 2018062696 A1 WO2018062696 A1 WO 2018062696A1
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WO
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working fluid
heating water
heat exchanger
recuperator
power generation
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Ceased
Application number
PCT/KR2017/009278
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English (en)
French (fr)
Inventor
차송훈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Original Assignee
Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd filed Critical Doosan Heavy Industries and Construction Co Ltd
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    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the present invention relates to a hybrid power generation system, and more particularly, to a hybrid power generation system in which some components of cogeneration are combined with supercritical carbon dioxide power generation.
  • Supercritical carbon dioxide has a gas-like viscosity at a density similar to that of a liquid state, which can minimize the size of the device and minimize the power consumption required for fluid compression and circulation.
  • the critical point is 31.4 degrees Celsius, 72.8 atm
  • the threshold is 373.95 degrees Celsius, it is much lower than the water of 217.7 atmospheres, there is an advantage that it is easy to handle.
  • An object of the present invention is to provide a hybrid power generation system capable of increasing energy production by integrating some components of cogeneration with supercritical carbon dioxide.
  • the hybrid power generation system of the present invention is a hybrid power generation system that combines a supercritical carbon dioxide power generation system that produces electric energy using supercritical carbon dioxide as a working fluid, and a cogeneration system that produces heat energy and electric energy by burning fuel.
  • a system comprising: at least one pump for circulating said working fluid, at least one recuperator for primary heating of said working fluid passing through said pump, and said waste heated as heat source in said recuperator At least one heat exchanger for reheating the working fluid, a plurality of turbines driven by the working fluid reheated in the heat exchanger, and the working fluid flowing into the recuperator via the turbine to heat the working fluid passing through the pump.
  • a condenser that cools the working fluid, and is introduced into the condenser A superheated carbon dioxide power generation system and the cogeneration system, wherein a part of the working fluid is branched and includes a heating water heater that heats the heating water and heats the heating water by cooling with the heating water supplied from the cogeneration system. Is characterized by sharing the heating water heater.
  • the working fluid passing through the condenser and the heating water heater is circulated to the pump.
  • the heating water is heated by any one of the heat exchanger is characterized in that it is supplied to the cogeneration system.
  • heating water After the heating water is supplied to the heating water heater, some or all of the heating water is supplied to the heat exchanger, or the cogeneration system is supplied to the heating water heater and the heat exchanger, respectively.
  • the working fluid passing through the pump is primarily heated in the recuperator, is sent to the heat exchanger and heated secondly, and then branched and supplied to the plurality of turbines, respectively.
  • the recuperator and the heat exchanger are provided in plural, and the working fluid passing through the pump is branched to the plurality of recuperators and heated first, and then supplied to the plurality of heat exchangers, respectively, and heated secondly. It is characterized by being supplied to each of the plurality of turbines.
  • the recuperator and the heat exchanger are provided in plural, and the working fluid passing through the pump is branched to the plurality of recuperators and heated first, and then supplied to the plurality of heat exchangers, respectively, and heated secondly. It is characterized in that it is supplied to each of a plurality of turbines or at least one of the recuperator.
  • the working fluid passing through the turbine is introduced into at least one of the recuperator.
  • the heat exchanger is provided in plurality, characterized in that disposed sequentially toward the portion discharged from the portion where the waste heat gas is introduced.
  • the plurality of recuperators are arranged in sequence, and the working fluid passing through the turbine is sequentially cooled through the recuperator.
  • the hybrid power generation system of the present invention is a hybrid of a supercritical carbon dioxide power generation system that produces electric energy using supercritical carbon dioxide as a working fluid, and a cogeneration system that generates heat energy and electric energy by burning fuel.
  • a type power generation system comprising: at least one pump for circulating the working fluid, at least one recuperator for first heating the working fluid passing through the pump, and waste heat as a heat source for heating in the recuperator At least one heat exchanger for reheating the working fluid, a turbine driven by the working fluid reheated in the heat exchanger, and the working fluid flowing through the turbine into the recuperator and passing through the pump.
  • the system is characterized by sharing the heating water heater.
  • the working fluid passing through the condenser and the heating water heater is circulated to the pump.
  • the heating water is heated by any one of the heat exchanger is characterized in that it is supplied to the cogeneration system.
  • heating water After the heating water is supplied to the heating water heater, some or all of the heating water is supplied to the heat exchanger, or the cogeneration system is supplied to the heating water heater and the heat exchanger, respectively.
  • the working fluid passing through the pump is primarily heated in the recuperator, is sent to the heat exchanger and heated secondly, and then branched and supplied to the plurality of turbines, respectively.
  • the recuperator and the heat exchanger are provided in plural, and the working fluid passing through the pump is branched to the plurality of recuperators and heated first, and then supplied to the plurality of heat exchangers, respectively, and heated secondly. It is characterized by being supplied to each of the plurality of turbines.
  • the recuperator and the heat exchanger are provided in plural, and the working fluid passing through the pump is branched to the plurality of recuperators and heated first, and then supplied to the plurality of heat exchangers, respectively, and heated secondly. It is characterized in that it is supplied to each of a plurality of turbines or at least one of the recuperator.
  • the working fluid passing through the turbine is introduced into at least one of the recuperator.
  • the heat exchanger is provided in plurality, characterized in that disposed sequentially toward the portion discharged from the portion where the waste heat gas is introduced.
  • the plurality of recuperators are arranged in sequence, and the working fluid passing through the turbine is sequentially cooled through the recuperator.
  • Hybrid-type power generation system has the effect of increasing the energy production by combining a part of the cogeneration power generation with supercritical carbon dioxide power generation.
  • the thermal efficiency of the power generation cycle is improved, and there is an effect to proactively cope with the seasonal demand for power.
  • FIG. 1 is a view showing a hybrid power generation system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a hybrid supercritical carbon dioxide power generation system according to a second embodiment of the present invention
  • 3 and 4 is a view showing a modified embodiment according to the hybrid power generation system of FIG.
  • FIG. 5 is a view showing a hybrid power generation system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a hybrid power generation system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 and 8 are views showing a modified embodiment according to the hybrid type power generation system of FIG.
  • FIG. 9 is a view showing a hybrid power generation system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the supercritical carbon dioxide generation system forms a close cycle that does not discharge carbon dioxide used for power generation to the outside, and uses supercritical carbon dioxide as a working fluid.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system is a carbon dioxide in a supercritical state
  • the exhaust gas discharged from a thermal power plant can be used, and thus it can be used not only for a single power generation system but also for a hybrid power generation system with a thermal power generation system.
  • the working fluid of the supercritical carbon dioxide power generation system may separate carbon dioxide from the exhaust gas and supply a separate carbon dioxide.
  • the supercritical carbon dioxide (hereinafter referred to as working fluid) in the cycle is heated through a heat source such as a heater after passing through the compressor to become a high temperature and high pressure working fluid to drive the turbine.
  • the turbine is connected to a generator or pump, which generates power by the turbine connected to the generator and drives the pump using the turbine connected to the pump.
  • the working fluid passing through the turbine is cooled by passing through a heat exchanger, and the cooled working fluid is fed back to the compressor and circulated in the cycle.
  • a plurality of turbines or heat exchangers may be provided.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system includes not only a system in which all of the working fluid flowing in a cycle is in a supercritical state, but also a system in which most of the working fluid is in a supercritical state and the rest is in a subcritical state. Used in the sense.
  • carbon dioxide is used as a working fluid, where carbon dioxide is, in a chemical sense, pure carbon dioxide, and in general, one or more fluids are mixed as additives in carbon dioxide and carbon dioxide in which impurities are somewhat contained. It is also used to include the fluid in its state.
  • a plurality of heat exchangers (heaters) using waste heat as a heat source is provided, a hybrid that shares a cooler of a supercritical carbon dioxide power cycle and a heating water heater for heating heating water for cogeneration (regional power generation).
  • a type power generation system we would like to propose a type power generation system.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a hybrid power generation system according to a first embodiment of the present invention.
  • a hybrid power generation system includes a compressor or a pump 100 for compressing a working fluid, a recuperator 200, and two heat exchangers. It may be a system.
  • two turbines may be provided so that the working fluid heated through the recuperator 200 and the heat exchanger may be branched to the two turbines 400, respectively.
  • the supercritical carbon dioxide power generation system and the cogeneration system share the heating water heater 600, and the heating water of the cogeneration may be heated in the heating water heater 600 and the heat exchanger.
  • Each of the components of the present invention is connected by a conveying tube through which the working fluid flows (a line corresponding to the numbers 1 to 26 of FIG. 1 represents a conveying tube), and unless specifically mentioned, the working fluid flows along the conveying tube.
  • a conveying tube through which the working fluid flows
  • the working fluid flows along the conveying tube.
  • the detailed configuration of the hybrid power generation system is as follows.
  • the pump 100 is driven by the low temperature turbine 410 to be described later (see dotted line in FIG. 1), and serves to compress the cooling fluid cooled by the condenser 500 and send it to the recuperator 200. .
  • the recuperator 200 exchanges working fluid cooled from high temperature to medium temperature while expanding through the low temperature turbine 410 and the high temperature turbine 430 with the working fluid passing through the pump 100.
  • the working fluid passing through the turbine 400 is cooled, and the working fluid passing through the pump 100 is recuperated and sent to one of the heat exchangers 300.
  • the cooled working fluid is sent to the condenser 500 and the heating water heater 600 to be recooled and then circulated to the pump 100.
  • the heat exchanger 300 may be provided in plural as necessary, and in the present embodiment, two heat exchangers are provided as an example.
  • the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 use a gas having waste heat (hereinafter referred to as waste heat gas) as a heat source, such as exhaust gas discharged from a boiler of a power plant, and circulate the waste heat gas and the cycle. Heat exchange with the fluid serves to heat the working fluid with heat supplied from the waste heat gas.
  • waste heat gas gas having waste heat
  • first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 may be classified into relatively low temperature, medium temperature, and high temperature according to the temperature of the waste heat gas. That is, the heat exchanger is capable of heat exchange at a high temperature as it is closer to the inlet end side where waste heat gas is introduced, and the heat exchanger at low temperature is closer to the outlet end side where the waste heat gas is discharged.
  • the first heat exchanger 310 is a heat exchanger using waste heat gas having a relatively high or medium temperature compared to the second heat exchanger 330, and the second heat exchanger 330 is a relatively medium or low temperature. It may be a heat exchanger using waste heat gas. That is, the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 are sequentially disposed toward the discharge end from the inlet end into which the waste heat gas is introduced.
  • the turbine 400 is composed of a first turbine 410 and a second turbine 430, which are driven by a working fluid to generate power by driving a generator 450 connected to at least one of the turbines. Play a role. As the working fluid expands while passing through the first turbine 410 and the second turbine 430, the turbine also serves as an expander. In this embodiment, the generator 450 is connected to the second turbine 430 to generate power, and the first turbine 410 serves to drive the pump 100.
  • the condenser 500 serves as a cooler that cools the working fluid that has passed through the recuperator 200 using air or cooling water as a refrigerant.
  • the working fluid that has passed through the recuperator 200 is branched and supplied to the condenser 500 and the heating water heater 600 (to be described later with respect to the cogeneration heater).
  • the working fluid cooled via the condenser 500 is circulated back to the pump 100.
  • the cogeneration system is a power generation system that drives the generator from the thermal power plant to the steam turbine, and district heating using the hot exhaust heat of the turbine.
  • the cogeneration system also includes a heater for exchanging steam and heating water for driving a turbine.
  • at least one heater of the plurality of heaters is described as an example in which extra heat is supplied from a supercritical carbon dioxide power generation system. do.
  • a heater shared with the supercritical carbon dioxide power generation system is defined as a heating water heater 600.
  • the heating water introduced into the heating water heater 600 is heated by heat exchange with the working fluid and waste heat gas of the supercritical carbon dioxide power generation system, and the heating water heated to an appropriate temperature is transferred to the cogeneration system (to be described later). ).
  • the low-temperature working fluid compressed while passing through the pump 100 is sent to the recuperator 200 (1) and heat-exchanged with the working fluid passed through the first turbine 410 and the second turbine 430 to be primarily heated. (7) transferred to the first heat exchanger 310 and heated secondly (2).
  • the working fluid reheated in the first heat exchanger 310 (3) is branched 4A and 4B to the first turbine 410 and the second turbine 430, respectively.
  • the working fluid driving the first turbine 410 and the second turbine 430 is transferred to the recuperator 200 (6) and heat-exchanged with the working fluid passing through the pump 100 to cool.
  • the working fluid that has passed through the recuperator 200 branches to the condenser 500 and the heating water heater 600 (8).
  • the working fluid passing through the condenser 500 and the heating water heater 600 joins at the front end of the pump 100 and is transferred to the pump 100.
  • the heating water of the cogeneration system introduced into the heating water heater 600 is heat exchanged with the working fluid branched at the front end of the condenser 500.
  • the heating water is first heated in the heating water heater 600 and then branched, and some of the heating water is secondarily heated in the heating water heater 600 and then sent to the cogeneration system (26).
  • the remainder of the branched heating water is sent to the second heat exchanger 330 (21, 23).
  • the heating water reheated in the second heat exchanger 330 is supplied to the cogeneration system 24 and mixed with the heating water heated in the heating water heater 600 or used separately.
  • a system having only one heat exchanger may be implemented.
  • the heating water supplied from the cogeneration system is heated only in the heating water heater and is sent to the cogeneration system without reheating.
  • a variant of the present embodiment includes one recuperator and two heat exchangers, and heating water may be supplied from the cogeneration system to the heating water heater and the second heat exchanger, respectively.
  • the heating water supplied to the heating water heater is heated from the working fluid branched at the front end of the condenser to be transferred to the cogeneration system, and the heating water sent to the second heat exchanger is heated at the second heat exchanger to be transferred to the cogeneration system.
  • a variant of the present embodiment includes one recuperator and two heat exchangers, wherein the heating water is supplied from the cogeneration system to the heating water heater, and the heating water passing through the heating water heater is transferred to the second heat exchanger.
  • the entire quantity can be sent, reheated and fed to the cogeneration system.
  • a part of the working fluid flowing through the turbine to the recuperator is branched to the front of the heating water heater to supply a higher temperature working fluid to the heating water heater, thereby increasing the temperature difference with the heating water, thereby improving heat exchange efficiency. have.
  • a modified example of the present embodiment includes two recuperators and two heat exchangers, wherein the heating water is supplied from the cogeneration system to the heating water heater, and the heating water passing through the heating water heater is transferred to the second heat exchanger.
  • the entire quantity can be sent, reheated and fed to the cogeneration system.
  • the heat exchange efficiency in the heating water heater can be improved by branching a part of the working fluid introduced into the first recuperator via the turbine to the front end of the heating water heater.
  • the amount of heat absorbed by the waste heat recovery heat exchanger is about 50% of the waste heat.
  • the efficiency of the system may vary depending on whether the total amount of the absorbed heat is supplied to the cogeneration system or the supercritical carbon dioxide power generation system, or how much of the heat is absorbed. Sending the absorbed heat to the total cogeneration system increases the production and efficiency of heating heat (cogeneration mode), and sending it to the supercritical carbon dioxide power generation system increases the power production and efficiency (pure power generation mode). If a portion of the heat absorbed is sent to the cogeneration system, the power efficiency may be partially reduced but heating output may be increased (hybrid mode).
  • Supercritical CO2 power plants can produce 40 to 60 percent of the total fuel energy (system efficiency of 40 to 60 percent), and in cogeneration systems, approximately 35 to 55 percent of the total fuel energy is power, 35 to 50 percent. % Can produce thermal energy. That is, the efficiency of the cogeneration system is 85 to 95%.
  • the system In the summer when there is no demand for heat energy, the system can be operated in pure power generation mode, and in winter when the heat energy demand is high, the system can be operated in cogeneration mode. In the cogeneration mode, the cogeneration system can produce both power and heat energy. Or, even in winter, the system can be run in hybrid mode to meet power demands.
  • the flow rate of the working fluid transferred to the condenser is switched to the winter cogeneration mode by supplying the total amount of the heating water heater, and the pure water generation mode in the summer by supplying the total amount to the condenser.
  • the hybrid mode can be implemented by appropriately adjusting the flow rate of the working fluid distributed to the capacitor and the heating water heater.
  • the heat amount of the waste heat absorbed by the first heat exchanger 310 and the second heat exchanger 330 for the working fluid and heating water heating it can correspond to the power demand and heating heat demand.
  • the flow rate of the working fluid supplied to the condenser 500 may be supplied to the 0-100% heating water heater 600 to cope with electric power demand and heating heat demand.
  • the amount of heat recovered from the waste heat can be distributed to the cogeneration system and the supercritical carbon dioxide generation system.
  • the heating heat efficiency may be set to a minimum of 8%, which is implemented through the economizer provided in the exhaust gas discharge end of the cogeneration system, not the supply of waste heat.
  • the system can be operated in hybrid mode, which is halfway between cogeneration mode and pure power generation mode, depending on heat demand.
  • the summer operating efficiency is set at 60%
  • the heat efficiency can increase up to 44% compared to summer.
  • the power efficiency may be reduced from 0 to 4%, but the thermal efficiency is increased from 0 to 44%, thereby improving the overall efficiency of the entire system.
  • the hybrid type supercritical carbon dioxide power generation system is used as a heat source for supplying heat to the heater of the cogeneration system by adjusting the flow rate of the working fluid sent to the condenser. Can cope with the production of energy.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a hybrid supercritical carbon dioxide power generation system according to a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 3 and 4 are views illustrating a modified embodiment according to the hybrid supercritical carbon dioxide power generation system of FIG. 2. .
  • the hybrid power generation system may include a first heat exchanger 310a and a second heat exchanger 330a using waste heat as a heat source.
  • the first heat exchanger 310a may be sequentially disposed to use high temperature waste heat gas, and the second heat exchanger 330a may use waste heat gas of medium temperature.
  • the recuperator 200a may be provided in two, and the turbine 400a may also be provided in two systems.
  • the cogeneration system and the supercritical carbon dioxide generation system is a hybrid power generation system sharing the heating water heater (600a).
  • the working fluid compressed in the pump 100a (1) branches to the first recuperator 210a and the second recuperator 230a (2, 10).
  • a three-way valve a branching point branched into two recuperators
  • two two-way valves at the rear end of the pump 100.
  • the working fluid branched through the compressor (100a) to the first recuperator (210a) is heat-exchanged with the expanded working fluid (13) while passing through the turbine (400a) and firstly heated to the first heat exchanger (310a). Sent (3).
  • the working fluid primarily heated in the first recuperator 210a is reheated in the first heat exchanger 310a and transferred to the second turbine 430a (4).
  • the working fluid branched to the second recuperator 230a is first cooled by the first recuperator 210a via the turbine 400a and then to the working fluid 6 sent to the second recuperator 230a.
  • the heat exchanger is primarily heated (10) and then sent to the second heat exchanger (330a) (11).
  • the working fluid reheated in the second heat exchanger 330a is supplied to the first turbine 410a (12) and drives the first turbine 410a.
  • the working fluid driving the first turbine 410a and the second turbine 430a respectively merges at the front end of the first recuperator 210a (5, 13) and flows into the first recuperator 210a.
  • the working fluid deprived of heat from the working fluid passed through the pump 100a from the first recuperator 210a is sent to the second recuperator 230a (6), once again heat-exchanged, cooled, and then co-heated with the condenser 500a. Branched to the heating water heater 600a of the power generation system (8).
  • the working fluid cooled by the condenser 500a and the heating water introduced into the heating water heater 600a and cooled by the heat exchanger 9 are joined at the front end of the pump 100a and sent to the pump 100a.
  • the heated heating water received from the working fluid in the heating water heater 600a is transferred to the cogeneration system (21).
  • a heat exchanger 300b using waste heat as a heat source includes a first heat exchanger 310b, a second heat exchanger 330b, and a third heat exchanger 350b. It can be configured as.
  • the first to third heat exchangers 310b, 330b, and 350b are sequentially arranged to use waste heat gases of high temperature, medium temperature, and low temperature, respectively.
  • Two recuperators 200b may be provided, and two turbines 400b may also be provided.
  • the cogeneration system and the supercritical carbon dioxide generation system is a hybrid power generation system sharing the heating water heater 600b, the heating water may be introduced into the two paths from the cogeneration system. The heating water may be branched and supplied toward the heating water heater 600b and the third heat exchanger 350b, respectively.
  • the flow of the working fluid is the same as that shown in FIG.
  • the heating water introduced into the heating water heater 600b is heated only through the working fluid branched from the working fluid sent to the condenser 500b and is transferred to the cogeneration system 21 (21) to the third heat exchanger 350b.
  • the introduced heating water is heated only by the third heat exchanger 350b and is transferred to the cogeneration system 22 and 23.
  • the heating water respectively transferred to the cogeneration system may be mixed and used in the cogeneration system, or may be used for a separate purpose.
  • the hybrid power generation system includes first to third heat exchangers 310c, 330c, and 350c using waste heat as a heat source, which are sequentially disposed from the hot portion to the cold portion.
  • Two recuperators 200c and four turbines 400c are also provided, and a cogeneration system and a supercritical carbon dioxide power generation system are hybrid power generation systems sharing a heating water heater 600c.
  • the heating water flowing from the cogeneration system is heated by the heating water heater 600c and the third heat exchanger 350c and supplied to the cogeneration system.
  • the flow of the working fluid is the same as that shown in FIG.
  • the heating water introduced into the heating water heater 600c is first heated in the heating water heater 600c and then branched, and partly heated secondly in the heating water heater and then supplied to the cogeneration system (26). ). The remainder of the branched heating water 21 is transferred to the third heat exchanger 350c (23), reheated and then supplied to the cogeneration system (24, 25).
  • the heating water introduced into the heating water heater may be supplied to the cogeneration system after being heated in the heating water heater, not branched, and transferred to the third heat exchanger.
  • the flow of the heating water is the same as described above, but may branch and supply a portion of the working fluid through the turbine and the first recuperator to the front of the heating water heater.
  • heat exchange efficiency with the heating water may be improved.
  • the same effect can be obtained by branching a part of the working fluid passing through the low temperature turbine and the high temperature turbine at the front end of the first recuperator and supplying it to the front end of the heating water heater.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a hybrid power generation system according to a third embodiment of the present invention.
  • two recuperators and three heat exchangers may be provided in the third embodiment of the present invention.
  • the first to third heat exchangers 310d, 330d, and 350d are sequentially disposed from the high temperature region to the low temperature region to use waste heat gases of high temperature, medium temperature, and low temperature, respectively.
  • the flow of the working fluid and the heating water is the same as in the first embodiment.
  • the working fluid 10 branched from the pump 100d to the second recuperator 230d is heated through the second heat exchanger 330d (11) and then drives the first turbine 410d (11). )
  • a modification of the third embodiment may include two recuperators and two heat exchangers.
  • the flow of the working fluid is the same as in the third embodiment, but the heating water of the cogeneration system sent to the heating water heater is heated by the working fluid branched to the heating water heater at the front end of the condenser and then transferred to the cogeneration system. do.
  • recuperators and three heat exchangers are provided, and the heating water of the cogeneration system is branched to the heating water heater and the third heat exchanger, respectively. Can be.
  • the heating water introduced into the heating water heater is heated only through the branching working fluid from the working fluid sent to the condenser and is transferred to the cogeneration system.
  • the heating water introduced into the third heat exchanger is heated only by the third heat exchanger to generate the cogeneration system. Is transferred to.
  • Each heated heating water may be respectively transferred to the cogeneration system, mixed and used in the cogeneration system, or each may be used for a separate purpose.
  • recuperators and three heat exchangers are provided, and the heating water of the cogeneration system is supplied to the heating water heater to be heated, and the total amount of heat is transferred to the third heat exchanger. It may be sent, reheated and fed to the cogeneration system.
  • the heating water is sequentially heated through the heating water heater and the third heat exchanger, and at the same time, the working fluid is drawn at the front end of the second recuperator. It may be partially branched and fed to the front end of the heating water heater. Alternatively, the working fluid may be partially branched from the front end of the first recuperator and supplied to the front end of the heating water heater. Accordingly, the heat exchange efficiency of the heating water is improved.
  • the hybrid supercritical carbon dioxide power generation system according to the fourth embodiment of the present invention may include three recuperators 200e and three heat exchangers 300e.
  • the first to third recuperators 210e, 230e, and 250e are sequentially arranged (the side closer to the pump is the third recuperator).
  • the first to third heat exchangers 310e, 330e, and 350e are sequentially disposed from the high temperature region to the low temperature region to use waste heat gases of high temperature, medium temperature, and low temperature, respectively.
  • the second turbine 430e is disposed at the rear end of the first heat exchanger 310e.
  • the first turbine 410e may be separately arranged to be connected to a discharge end through which the working fluid having passed through the third recuperator 250e from the heat exchanger 300e is discharged.
  • the working fluid 1 which has passed through the pump 100e is sent to the third recuperator 250e and heated primarily, and branches at the rear end of the third recuperator 250e (2A, 2B). A portion of the working fluid branches to the second recuperator 230e (2A), and the remainder of the working fluid branches to the second heat exchanger 330e (2B). The working fluid sent to the second recuperator 230e is heated in the second recuperator 230e and then mixed with the reheated working fluid sent to the rear end of the second heat exchanger 330e (3). . A portion of the mixed working fluid branches to the first recuperator 210e and the remaining working fluid branches to the first heat exchanger 310e (4A).
  • the working fluid reheated in the first heat exchanger 310e is transferred to the second turbine 430e (5A), and the working fluid driving the second turbine 430e is sent to the first recuperator 210e ( 6A).
  • the working fluid sent to the first recuperator 210e via the second turbine 430e is cooled after exchanging heat with the working fluid supplied to the first recuperator 210e via the second heat exchanger 330e. 2 is supplied to the recuperator 230e.
  • the working fluid supplied to the first recuperator 210e via the second heat exchanger 330e is reheated after heat exchange and is supplied to the first turbine 410e (5B).
  • the working fluid that has passed through the first turbine 410e passes through the second recuperator 230e and the third recuperator 250e sequentially and is heat-exchanged to cool (7, 8).
  • the working fluid passing through the third recuperator 250e branches to the condenser 500e and the heating water heater 600e.
  • the heating water of the cogeneration system introduced into the heating water heater 600e is heat-exchanged with the working fluid branched at the front end of the condenser 500e.
  • the heating water is first heated in the heating water heater 600e and then partially branched and heated secondly in the heating water heater 600e and then sent to the cogeneration system 26.
  • the remainder of the heating water is sent to the second heat exchanger 330e (21, 23).
  • the heating water reheated in the second heat exchanger 330e (24) is supplied to the cogeneration system (25) and mixed with the heating water heated in the heating water heater 600e or used separately.
  • the heating water may be supplied to the heating water heater, heated first, and then sent to the third heat exchanger to be reheated, and then supplied to the cogeneration system.
  • the heating water heater heated first, and then sent to the third heat exchanger to be reheated, and then supplied to the cogeneration system.
  • the first recuperator a part of the working fluid passing through the turbine is branched and supplied to the front end of the condenser, and the working fluid supplied to the front end of the condenser and the working fluid passed through the third recuperator are mixed. It can also be supplied to the rear condenser and heating water heater, respectively.
  • FIG. 7 and 8 illustrate a modified embodiment of the hybrid power generation system of FIG. 6.
  • the third heat exchanger may be deleted, and only the first heat exchanger 310f and the second heat exchanger 330f may be provided.
  • the first heat exchanger 310f may use high temperature waste heat gas
  • the second heat exchanger 330f may use middle temperature waste heat gas.
  • the heating water of the cogeneration system is transferred only to the heating water heater 600f and heated by the working fluid.
  • the first to third heat exchangers 350g are provided, and the first to third heat exchangers 310g to 350g sequentially from the high temperature region to the low temperature region.
  • the waste heat gas of high temperature, medium temperature, and low temperature is used respectively.
  • Heating water from the cogeneration system may be supplied to each of the heating water heater 600g and the third heat exchanger 350g to be heated. 7 and 8 the flow of the working fluid is the same as the embodiment of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a hybrid power generation system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • two recuperators, two heat exchangers, and two pumps may be provided, and one turbine may be provided.
  • the first heat exchanger 310h may be disposed in the high temperature region, and the second heat exchanger 330h may be disposed in the middle temperature or low temperature region.
  • the first pump 110h and the second pump 130h may be arranged in parallel, and one turbine 400h drives both the generator 450h, the first pump 110h, and the second pump 130h.
  • a separate motor may be provided to drive the first pump 110h and the second pump 130h, respectively.
  • the working fluid passing through the first pump 110h is sent to the second recuperator 230h (1), and the working fluid reheated and reheated in the second recuperator 230h is connected to the second pump 130h. Sent to the rear end (2); The working fluid that has passed through the second pump 130h (12) joins the primarily heated working fluid via the second recuperator 230h and is then sent to the second recuperator 230h (3). The working fluid reheated in the first recuperator 210h is transferred to the first heat exchanger 310h (4), reheated and sent to the turbine 400h (5).
  • the working fluid operating the turbine 400h is cooled by heat exchange with the working fluid passing through the second pump 130h in the first recuperator 210h and then transferred to the second recuperator 230h (7).
  • the working fluid that has passed through the first pump 110h in the second recuperator 230h is regenerated.
  • the working fluid passing through the second recuperator 230h is branched once at the rear end of the second recuperator 230h and transferred to the second pump 130h (11), and the remaining working fluid (8) is condenser (8). Part to 500h) and the rest is supplied to the heating water heater 600h.
  • the heating water of the cogeneration system introduced into the heating water heater 600h is heat exchanged with the working fluid branched at the front end of the condenser 500h.
  • the heating water is first heated in the heating water heater 600h and then partially branched and heated secondly in the heating water heater 600h and then sent to the cogeneration system 26.
  • the remainder of the heating water is sent to the second heat exchanger. Is sent to the machine 330h (21, 23).
  • the heating water reheated in the second heat exchanger 330h is supplied to the cogeneration system 24 and mixed with the heating water heated in the heating water heater 600h or used separately.
  • FIG. 10 and 11 illustrate modified embodiments of the hybrid power generation system of FIG. 9.
  • a modified example of the fifth embodiment may be provided with only one heat exchanger disposed in the high temperature region.
  • the flow of the working fluid is the same as in the fifth embodiment, and the heating water of the cogeneration system is introduced into the heating water heater 600i (20), heated by the working fluid, and then supplied to the cogeneration system (21). ).
  • two heat exchangers may be operated as modified examples of the fifth embodiment, wherein the first heat exchanger 310j may be disposed at a high temperature region, and the second heat exchanger 330j may be disposed at a medium temperature or cold region. have. Heating water from the cogeneration system may be supplied to each of the heating water heater 600j and the third heat exchanger 350j to be heated.
  • the heating water introduced into the heating water heater may be sent to the second heat exchanger to be reheated and then supplied to the cogeneration system.
  • All of the various embodiments described above are characterized by heating the heating water supplied to the heater of the cogeneration system using the working fluid of the supercritical carbon dioxide power generation system, and additionally heating the heating water from a heat exchanger using waste heat as a heat source. Thermal energy can be supplied.
  • the energy output is increased.
  • the thermal efficiency of the power generation cycle is improved, and there is an effect to proactively cope with the seasonal demand for power.

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Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시킨 하이브리드형 발전 시스템에 관한 것으로, 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시켜 에너지 생산량을 증가시키는 효과가 있다. 뿐만 아니라 발전 사이클의 열효율이 향상되고, 계절별로 달라지는 전력 수요에 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.

Description

하이브리드형 발전 시스템
본 발명은 하이브리드형 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시킨 하이브리드형 발전 시스템에 관한 것이다.
국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있다. 그러한 노력의 하나로 한국공개특허 제2013-0036180호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.
초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다.
또한, 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)로 운영되는 경우가 대부분이기 때문에 국가별 공해물질 배출 감소에 큰 도움이 될 수 있다.
그러나 기존의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 일정 규모 이상으로 대용량화하기가 어려워 필요 전력량의 일부만을 공급할 수 있는 한계가 있다. 또한, 석탄화력 발전의 경우 전력 생산 효율은 증가시키면서도 공해물질의 배출량은 줄여야하는 과제가 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 초임계 이산화탄소 발전 시스템 및 석탄화력 발전 시스템을 개선하고 전력 생산 효율을 향상시켜야 할 방안을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시켜 에너지 생산량을 증가시킬 수 있는 하이브리드형 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 하이브리드형 발전 시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하이브리드형 발전 시스템은, 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와, 폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와, 상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 하나의 터빈과, 상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와, 상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고, 상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 한다.
상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템은 초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시켜 에너지 생산량을 증가시키는 효과가 있다. 뿐만 아니라 발전 사이클의 열효율이 향상되고, 계절별로 달라지는 전력 수요에 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 도면,
도 3 및 도 4는 도 2의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 7 및 도 8은 도 6의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면,
도 10 및 도 11은 도 9의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(close cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 초임계 상태의 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다.
사이클 내의 초임계 이산화탄소(이하 작동 유체)는 압축기를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 작동 유체가 되어 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기 또는 펌프가 연결되며, 발전기에 연결된 터빈에 의해 전력을 생산하고 펌프에 연결된 터빈을 이용해 펌프를 구동한다. 터빈을 통과한 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 압축기로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 사이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명에서는 열원으로 폐열 기쳬를 이용하는 복수의 열교환기(히터)가 구비되고, 초임계 이산화탄소 발전 사이클의 쿨러와, 열병합 발전(지역 난방용 발전)의 난방용 난방수를 가열하는 난방수 히터를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템을 제안하고자 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템은 작동 유체를 압축하는 압축기 또는 펌프(100)와, 하나의 리큐퍼레이터(200)와 두 개의 열교환기를 구비한 시스템일 수 있다. 또한, 터빈은 두 개가 구비되어 리큐퍼레이터(200) 및 열교환기를 통과해 가열된 작동 유체가 두 개의 터빈(400)으로 각각 분기되어 공급될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 열병합 발전 시스템은 난방수 히터(600)를 공유하며, 열병합 발전의 난방수는 난방수 히터(600) 및 열교환기에서 가열될 수 있다.
본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(도 1의 숫자 1~26에 해당하는 라인이 이송관을 표현하는 것임)에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다. 작동 유체의 흐름은 이송관의 번호를 기재하여 설명하기로 한다.
또한, 본 발명에서 설명하는 작동 유체의 온도는 여러 케이스 중 하나의 케이스를 예로 들어 설명한 것이므로, 절대적인 온도 값으로 이해되어서는 안될 것이다.
하이브리드 발전 시스템의 상세 구성을 살펴보면 다음과 같다.
펌프(100)는 후술할 저온 터빈(410)에 의해 구동되며(도 1의 점선 참조), 컨덴서(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 압축해 리큐퍼레이터(200)로 보내는 역할을 한다. 리큐퍼레이터(200)는 저온 터빈(410) 및 고온 터빈(430)을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체를 펌프(100)를 거친 작동 유체와 열교환한다. 터빈(400)을 거친 작동 유체는 냉각되고, 펌프(100)를 거친 작동 유체는 복열되어 열교환기(300) 중 하나로 보내진다. 냉각된 작동 유체는 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)로 보내져 재 냉각된 후 펌프(100)로 순환된다.
열교환기(300)는 필요에 따라 복수 개로 구비될 수 있으며, 본 실시 예에서는 2개의 열교환기가 구비되는 것을 예로 하여 설명한다. 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 발전소의 보일러에서 배출되는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하며, 폐열 기체와 사이클 내를 순환하는 작동 유체와 열교환하여 폐열 기체로부터 공급된 열로 작동 유체를 가열하는 역할을 한다.
또한, 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 폐열 기체의 온도에 따라 상대적으로 저온, 중온, 고온 등으로 구분할 수 있다. 즉, 열교환기는 폐열 기체가 유입되는 입구단 쪽에 가까울수록 고온에서의 열교환이 가능하고, 폐열 기체가 배출되는 출구단 쪽에 가까울수록 저온에서의 열교환이 된다.
본 실시 예에서 제1 열교환기(310)는 제2 열교환기(330)에 비해 상대적으로 고온 또는 중온의 폐열 기체를 사용하는 열교환기이고, 제2 열교환기(330)는 상대적으로 중온 또는 저온인 폐열 기체를 사용하는 열교환기일 수 있다. 즉, 폐열 기체가 유입되는 입구단에서 배출단 쪽으로 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330)가 순차적으로 배치된 것을 예로 하여 설명하기로 한다.
터빈(400)은 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 제2 터빈(430)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 제1 터빈(410)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다.
컨덴서(500)는 공기 또는 냉각수를 냉매로 사용해 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체를 냉각하는 쿨러 역할을 한다. 리큐퍼레이터(200)를 통과한 작동 유체는 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)로 분기되어 공급된다(열병합 발전의 히터에 대해서는 후술하기로 함). 컨덴서(500)를 거쳐 냉각된 작동 유체는 다시 펌프(100)로 순환된다.
한편, 열병합 발전 시스템은 화력 발전소에서 증기 터빈으로 발전기를 구동하고, 터빈의 뜨거운 배기 열을 이용해 지역 난방을 하는 발전 시스템이다. 화석 연료를 연소시켜 물을 가열해 증기를 생산함으로써 증기 터빈을 구동시켜 전기를 생산하게 된다. 열병합 발전 시스템 역시 터빈을 구동시킨 증기와 난방수를 열교환하기 위한 히터를 구비하며, 본 실시 예에서는 복수의 히터 중 적어도 하나의 히터가 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로부터 여분의 열을 공급받는 것을 예로 하여 설명한다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 공유하는 히터를 난방수 히터(600)로 정의한다.
난방수 히터(600)로 유입된 난방수는 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체 및 폐열 기체와 열교환해 가열되고, 적당한 온도로 가열된 난방수는 열병합 발전 시스템으로 이송된다(이에 대해서는 후술하기로 함).
이하에서는 작동 유체 및 난방수의 흐름을 설명하기로 한다.
펌프(100)를 통과하면서 압축된 저온의 작동 유체는 리큐퍼레이터(200)로 보내져(1) 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)을 거친 작동 유체와 열교환해 1차로 가열된 뒤(7) 제1 열교환기(310)로 전달되어 2차로 가열된다(2).
제1 열교환기(310)에서 재가열된 작동 유체는(3) 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)으로 각각 분기(4A, 4B)된다. 제1 터빈(410) 및 제2 터빈(430)을 구동시킨 작동 유체는 리큐퍼레이터(200)로 이송되어(6) 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환해 냉각된다. 리큐퍼레이터(200)를 거친 작동 유체는 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)로 분기된다(8). 컨덴서(500) 및 난방수 히터(600)를 거친 작동 유체는 펌프(100)의 전단에서 합류되어 펌프(100)로 이송된다.
난방수 히터(600)로 유입된 열병합 발전 시스템의 난방수는(20) 컨덴서(500)의 전단에서 분기된 작동 유체와 열교환된다. 난방수는 난방수 히터(600) 내에서 1차로 가열된 뒤 분기되어 일부는 난방수 히터(600) 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 보내진다(26). 분기된 난방수의 나머지는 제2 열교환기(330)로 보내진다(21, 23). 제2 열교환기(330)에서 재가열된 난방수는(24) 열병합 발전 시스템으로 공급되어(25) 난방수 히터(600)에서 가열된 난방수와 혼합되거나 별도로 사용된다.
도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 열교환기를 하나만 구비하는 시스템을 구현할 수도 있다. 이 경우 열병합 발전 시스템으로부터 공급되는 난방수는 난방수 히터에서만 가열되고 재가열 없이 열병합 발전 시스템으로 보내진다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 하나의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기를 구비하되, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 난방수 히터 및 제2 열교환기로 각각 공급될 수 있다. 이 경우 난방수 히터로 공급된 난방수는 컨덴서의 전단에서 분기된 작동 유체로부터 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송되고, 제2 열교환기로 보내진 난방수는 제2 열교환기에서 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송될 수 있다.
또는, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 하나의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기를 구비하되, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 난방수 히터로 공급되고, 난방수 히터를 거친 난방수가 제2 열교환기로 전량 보내져 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급될 수 있다. 이때, 터빈을 거쳐 리큐퍼레이터로 유입되는 작동 유체의 일부를 난방수 히터의 전단으로 분기함으로써 난방수 히터로 좀더 고온의 작동 유체를 공급함으로써 난방수와의 온도차를 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 두 개의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기를 구비하되, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 난방수 히터로 공급되고, 난방수 히터를 거친 난방수가 제2 열교환기로 전량 보내져 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급될 수 있다. 이때, 터빈을 거쳐 제1 리큐퍼레이터로 유입되는 작동 유체의 일부를 난방수 히터의 전단으로 분기함으로써 난방수 히터에서의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템에 있어서, 계절별 시스템 효율 설계 및 전력 수요에 대응하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
일반적으로 폐열 회수 열교환기에서 흡수하는 열량은 폐열의 약 50% 정도가 된다. 이렇게 흡수한 열량을 열병합 발전 시스템 또는 초임계 이산화탄소 발전 시스템 중 어느 하나로 전량 공급할 것인가 또는 얼마나 나누어 공급할 것인가에 따라 시스템 효율이 달라질 수 있다. 흡수한 열량을 전량 열병합 발전 시스템으로 보내면 난방열의 생산량 및 효율이 증가하며(열병합 모드), 전량 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 보내면 전력 생산량 및 효율이 증가한다(순수 발전 모드). 흡수한 열량의 일부를 열병합 발전 시스템으로 보내는 경우, 전력 효율은 일부 감소되나 난방열 생산량을 증가시킬 수 있다(하이브리드 모드).
초임계 이산화탄소 발전 시스템에서는 전체 연료 에너지의 40~60%를 전력으로 생산할 수 있으며(시스템 효율이 40~60%), 열병합 발전 시스템에서는 전체 연료 에너지의 약 35~55%가 전력을, 35~50%가 열 에너지를 생산할 수 있다. 즉, 열병합 발전 시스템의 효율이 85~95%가 된다.
열 에너지에 대한 수요가 없는 여름에는 순수 발전 모드로 시스템을 운용하고, 열 에너지 수요가 높은 겨울에는 열병합 모드로 시스템을 운용할 수 있다. 열병합 모드에서는 열병합 발전 시스템을 통해 전력 및 열 에너지를 모두 생산할 수 있다. 또는 겨울철이라도 전력 수요에 대응하여 하이브리드 모드로 시스템을 운용할 수도 있다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 컨덴서로 이송되는 작동 유체의 유량을 전량 난방수 히터로 공급함으로써 겨울철 열병합 모드로 전환이 되며, 전량 컨덴서로 공급함으로써 여름철 순수 발전 모드로 전환될 수 있다. 또한, 컨덴서와 난방수 히터로 분배되는 작동 유체의 유량을 적절히 조절함으로써 하이브리드 모드가 구현될 수 있다.
제1 실시 예의 경우, 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)에서 흡수한 폐열의 열량을 작동 유체 및 난방수 가열에 각각 이용함으로써 전력 수요 및 난방열 수요에 대응할 수 있다. 또한, 컨덴서(500)로 공급되는 작동 유체의 유량을 0~100% 난방수 히터(600)로 공급해 전력 수요 및 난방열 수요에 대응할 수 있다.
컨덴서(500)와 난방수 히터(600)로 분기되는 작동 유체의 유량을 조절함으로써 폐열로부터 회수한 열량을 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 분배할 수 있다.
겨울(열 에너지 최대 운전) 여름(전기 에너지 최대 운전) 봄/가을(중간 운전) 비고(range)
전력효율 46% 50% 48% 35~55%/40~60%
난방열 효율 44% 8% 19% 35~50%
종합 효율 90% 58% 47% 85~95%
전술한 표에서와 같이 구체적인 예를 들면, 여름철에는 전기 에너지에 대한 수요가 높으므로 열교환기(300)에서 흡수한 50%의 폐열을 초임계 이산화탄소 발전 시스템으로 전 흡수시켜 전력 생산을 늘림으로써 전력 효율을 50%로 운용할 수 있다. 여기서 35%의 전력은 열병합 발전 시스템에서 생산되는 전력량이고, 15%의 전력은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에서 생산되는 전력량이다. 이때 난방열 효율은 최소인 8%로 설정될 수 있으며, 이는 폐열의 공급이 아닌, 열병합 발전 시스템의 배기 가스 배출단에 구비된 이코노마이저를 통해 구현되는 것이다.
겨울철에는 난방열에 대한 수요가 높으므로 열교환기(300)에서 흡수한 폐열을 전량 열병합 발전 시스템으로 보내 난방열 효율을 44%로 운용할 수 있다. 여름철 전력 효율 대비 겨울철 전력 효율은 4%가 감소되나, 열 효율은 32%가 증가되어 종합 효율 90%로 최대 효율을 구현할 수 있다(10%는 연료의 연소 시 필요한 공기와의 온도 차에 의한 손실이므로 종합 효율은 90%가 최대임).
봄과 가을철에는 열 수요에 따라 열병합 모드와 순수 발전 모드의 중간인 하이브리드 모드로도 시스템 운용이 가능하다.
여름철 전력 효율을 60%로 설정해 운용한다고 가정할 때, 겨울철에는 열 효율이 여름철 대비 최대 44%까지 증가할 수 있다. 계절별 수요에 따라 전력 효율은 0~4%가 감소될 수 있으나, 열 효율이 0~44%까지 증가되므로 시스템 전체의 종합 효율이 향상되는 효과가 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 컨덴서로 보내지는 작동 유체의 유량을 조절하여 열병합 발전 시스템의 히터에 열량을 공급하는 열원으로 사용함으로써 계절별 수요에 따른 에너지 생산에 대응할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 설명하기로 한다(전술한 실시 예와 동일한 구성 및 특징에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 전술한 계절별 시스템 효율 설계 및 전력 수요에 대응하는 방법은 본 발명의 다른 실시 예들에도 동일하게 적용되므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.).
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 도면, 도 3 및 도 4는 도 2의 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템은 폐열을 열원으로 사용하는 제1 열교환기(310a) 및 제2 열교환기(330a)를 구비할 수 있다. 제1 열교환기(310a)는 고온의 폐열 기체를 이용하고, 제2 열교환기(330a)는 중온의 폐열 기체를 이용하도록 순차적으로 배치될 수 있다. 리큐퍼레이터(200a)는 2개로 구비되고, 터빈(400a) 역시 2개가 구비되는 시스템일 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 난방수 히터(600a)를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템이다.
이하에서는 작동 유체 및 난방수의 흐름을 설명하기로 한다.
펌프(100a)에서 압축된 작동 유체는(1) 제1 리큐퍼레이터(210a) 및 제2 리큐퍼레이터(230a)로 분기된다(2, 10). 작동 유체의 순환 유로를 선택하기 위해 펌프(100)의 후단에는 3방향 밸브(두 개의 리큐퍼레이터로 분기되는 분기점) 또는 2개의 2방향 밸브가 설치되어 제어되는 것이 바람직하다.
압축기(100a)를 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210a)로 분기된 작동 유체는 터빈(400a)을 통과하면서 팽창된 작동 유체(13)와 열교환해 1차로 가열된 뒤 제1 열교환기(310a)로 보내진다(3).
제1 리큐퍼레이터(210a)에서 1차로 가열된 작동 유체는 제1 열교환기(310a)에서 재가열되어 제2 터빈(430a)으로 이송된다(4). 제2 리큐퍼레이터(230a)로 분기된 작동 유체는 터빈(400a)을 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210a)에서 1차로 냉각된 후 제2 리큐퍼레이터(230a)로 보내진 작동 유체(6)와 열교환해 1차로 가열된 뒤(10) 제2 열교환기(330a)로 보내진다(11).
제2 열교환기(330a)에서 재가열된 작동 유체는 제1 터빈(410a)으로 공급되고(12) 제1 터빈(410a)을 구동시킨다.
제1 터빈(410a) 및 제2 터빈(430a)을 각각 구동시킨 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210a)의 전단에서 합류되어(5, 13) 제1 리큐퍼레이터(210a)로 유입된다. 제1 리큐퍼레이터(210a)에서 펌프(100a)를 거친 작동 유체에 열을 빼앗긴 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230a)로 보내져(6) 다시 한번 열교환해냉각된 뒤 컨덴서(500a)와 열병합 발전 시스템의 난방수 히터(600a)로 분기된다(8).
컨덴서(500a)에서 냉각된 작동 유체 및 난방수 히터(600a)로 유입된 난방수와 열교환해 냉각된 작동 유체는(9) 펌프(100a)의 전단에서 합류되어 펌프(100a)로 보내진다. 난방수 히터(600a)에서 작동 유체로부터 열을 전달받아 가열된 난방수는 열병합 발전 시스템으로 이송된다(21).
또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 하이브리드형 발전 시스템은 폐열을 열원으로 사용하는 열교환기(300b)가 제1 열교환기(310b), 제2 열교환기(330b), 제3 열교환기(350b)로 구성될 수 있다. 제1 열교환기내지 제3 열교환기(310b, 330b, 350b)는 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용하게 된다. 리큐퍼레이터(200b)는 2개로 구비되고, 터빈(400b) 역시 2개가 구비되는 시스템일 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 난방수 히터(600b)를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템이며, 열병합 발전 시스템으로부터 난방수가 두 개의 경로로 분기되어 유입될 수 있다. 난방수는 난방수 히터(600b)와 제3 열교환기(350b) 쪽으로 각각 분기되어 공급될 수 있다. 작동 유체의 흐름은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
난방수 히터(600b)로 유입된 난방수는(20) 컨덴서(500b)로 보내지는 작동 유체로부터 분기된 작동 유체를 통해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송된다(21) 제3 열교환기(350b)로 유입된 난방수는(20, 21) 제3 열교환기(350b)에 의해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송된다(22, 23). 열병합 발전 시스템으로 각각 이송된 난방수는 열병합 발전 시스템 내에서 혼합되어 사용되거나, 각각 별도의 목적으로 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하이브리드 발전 시스템은 폐열을 열원으로 사용하는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기(310c, 330c, 350c)를 구비하며, 이들은 고온부에서 저온부 쪽으로 순차 배치된다. 리큐퍼레이터(200c) 및 터빈(400c) 역시 각 2개씩 구비되며, 열병합 발전 시스템과 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 난방수 히터(600c)를 공유하는 하이브리드형 발전 시스템이다. 열병합 발전 시스템으로부터 유입되는 난방수는 난방수 히터(600c) 및 제3 열교환기(350c)에서 가열되어 열병합 발전 시스템으로 공급된다. 작동 유체의 흐름은 도 2에 도시된 것과 동일하다.
난방수 히터(600c)로 유입된 난방수는(20) 난방수 히터(600c) 내에서 1차로 가열된 뒤 분기되어 일부는 난방수 히터 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 공급된다(26). 분기된 난방수의 나머지는(21) 제3 열교환기(350c)로 이송되어(23) 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급된다(24, 25).
도면에 도시하지는 않았으나 난방수 히터로 유입된 난방수가 난방수 히터 내에서 가열된 후 분기되지 않고 전량 제3 열교환기로 이송되어 재가열된 후 열병합 발전 시스템으로 공급될 수도 있다.
또는, 난방수의 흐름은 전술한 바와 동일하되, 터빈 및 제1 리큐퍼레이터를 거친 작동 유체의 일부를 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급할 수도 있다. 이 경우 난방수 히터로 유입되는 작동 유체에 제2 리큐퍼레이터를 거치지 않은 좀더 고온의 작동 유체가 혼합되므로 난방수와의 열교환 효율이 향상될 수 있다.
또는, 제1 리큐퍼레이터의 전단에서 저온 터빈 및 고온 터빈을 거친 작동 유체의 일부를 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 열교환기나 리큐퍼레이터, 펌프 등의 구성 변경에 따른 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예에서는 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비될 수 있다. 제1 내지 제3 열교환기(310d, 330d, 350d)는 고온부 영역에서 저온부 영역까지 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용한다.
본 실시 예에서 작동 유체 및 난방수의 흐름은 제1 실시 예와 동일하다. 그러나 펌프(100d)에서 제2 리큐퍼레이터(230d)로 분기된 작동 유체(10)가 제2 열교환기(330d)를 거쳐 가열된 뒤(11) 제1 터빈(410d)을 구동시킨 후(11), 제1 리큐퍼레이터(210d)의 전단이 아닌 제1 리큐퍼레이터(210d)의 후단으로 보내져(13) 바로 제2 리큐퍼레이터(230d)로 이송(6)되는 차이가 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, 제 3 실시 예의 변형 예로 두 개의 리큐퍼레이터와 두 개의 열교환기가 구비될 수 있다. 이 경우, 작동 유체의 흐름은 제3 실시 예와 동일하나, 난방수 히터로 보내진 열병합 발전 시스템의 난방수는 컨덴서의 전단에서 난방수 히터로 분기된 작동 유체에 의해 가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 이송된다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 제3 실시 예의 다른 변형 예로, 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비되되, 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터와 제3 열교환기 쪽으로 각각 분기되어 공급될 수 있다.
난방수 히터로 유입된 난방수는 컨덴서로 보내지는 작동 유체로부터 분기된 작동 유체를 통해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송되며, 제3 열교환기로 유입된 난방수는 제3 열교환기에 의해서만 가열되어 열병합 발전 시스템으로 이송된다. 각각 가열된 난방수는 열병합 발전 시스템으로 각각 이송될 수 있으며, 열병합 발전 시스템 내에서 혼합되어 사용되거나, 각각 별도의 목적으로 사용될 수 있다.
또는, 도면에 도시하지는 않았으나, 제3 실시 예의 다른 변형 예로, 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비되되, 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터로 공급되어 가열되고, 전량 제3 열교환기로 보내져 재가열된 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급될 수도 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 두 개의 리큐퍼레이터와 세 개의 열교환기가 구비되고 난방수가 난방수 히터 및 제3 열교환기를 순차적으로 거쳐 가열되도록 함과 동시에, 제2 리큐퍼레이터의 전단에서 작동 유체를 일부 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급할 수도 있다. 또는, 제1 리큐퍼레이터의 전단에서 작동 유체를 일부 분기하여 난방수 히터의 전단으로 공급할 수도 있다. 이에 따라 난방수의 열교환 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 하이브리드형 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 세 개의 리큐퍼레이터(200e) 및 세 개의 열교환기(300e)를 구비할 수 있다. 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210e, 230e, 250e)는 순차적으로 배치된다(펌프에 가까운 쪽이 제3 리큐퍼레이터임). 제1 내지 제3 열교환기(310e, 330e, 350e)는 고온부 영역에서 저온부 영역까지 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용한다.
또한, 제2 터빈(430e)은 제1 열교환기(310e)의 후단에 배치된다. 제1 터빈(410e)은 열교환기(300e)에서 제3 리큐퍼레이터(250e)를 거친 작동 유체가 배출되는 배출단에 연결되도록 별도 배치될 수 있다.
펌프(100e)를 통과한 작동 유체(1)는 제3 리큐퍼레이터(250e)로 보내져 1차로 가열된 뒤 제3 리큐퍼레이터(250e)의 후단에서 분기된다(2A, 2B). 작동 유체의 일부는 제2 리큐퍼레이터(230e)로 분기되고(2A), 작동 유체의 나머지는 제2 열교환기(330e)로 분기된다(2B). 제2 리큐퍼레이터(230e)로 보내진 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230e)에서 가열된 뒤(4B), 제2 열교환기(330e)의 후단으로 보내져 재가열된 작동 유체와 혼합된다(3). 혼합된 작동 유체의 일부는 제1 리큐퍼레이터(210e)로 분기되고, 나머지 작동 유체는 제1 열교환기(310e)로 분기된다(4A). 제1 열교환기(310e)에서 재가열 된 작동 유체는 제2 터빈(430e)으로 이송되고(5A), 제2 터빈(430e)을 구동시킨 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210e)로 보내진다(6A). 제2 터빈(430e)을 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210e)로 보내진 작동 유체는 제2 열교환기(330e)를 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210e)로 공급된 작동 유체와 열교환해 냉각된 후 제2 리큐퍼레이터(230e)로 공급된다.
제2 열교환기(330e)를 거쳐 제1 리큐퍼레이터(210e)로 공급된 작동 유체는 열교환 후 복열되어 제1 터빈(410e)로 공급된다(5B). 제1 터빈(410e)을 거친 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230e) 및 제3 리큐퍼레이터(250e)를 순차적으로 통과하며 열교환되어 냉각된다(7, 8). 제3 리큐퍼레이터(250e)를 통과한 작동 유체는 컨덴서(500e) 및 난방수 히터(600e)로 분기된다.
난방수 히터(600e)로 유입된 열병합 발전 시스템의 난방수는(20) 컨덴서(500e)의 전단에서 분기된 작동 유체와 열교환된다. 난방수는 난방수 히터(600e) 내에서 1차로 가열된 뒤 일부는 분기되어 난방수 히터(600e) 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 보내진다(26). 난방수의 나머지는 제2 열교환기(330e)로 보내진다(21, 23). 제2 열교환기(330e)에서 재가열된 난방수는(24) 열병합 발전 시스템으로 공급되어(25) 난방수 히터(600e)에서 가열된 난방수와 혼합되거나 별도로 사용된다.
도면에 도시하지는 않았으나, 본 실시 예의 변형 예로 난방수가 난방수 히터로 공급되어 1차로 가열된 뒤, 전량 제3 열교환기로 보내져 재가열된 후 열병합 발전 시스템으로 공급될 수도 있다. 또한, 제1 리큐퍼레이터의 전단에서 터빈을 통과한 작동 유체의 일부를 분기해 컨덴서의 전단으로 공급하고, 컨덴서의 전단으로 공급된 작동 유체와 제3 리큐퍼레이터를 통과한 작동 유체가 혼합된 뒤 컨덴서와 난방수 히터로 각각 공급될 수도 있다.
도 7 및 도 8은 도 6의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 4 실시 예의 변형 예로, 제3 열교환기가 삭제되고 제1 열교환기(310f) 및 제2 열교환기(330f)만 구비될 수 있다. 제1 열교환기(310f)는 고온의 폐열 기체를, 제2 열교환기(330f)는 중온의 폐열 기체를 이용할 수 있다. 이 경우 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터(600f)로만 이송되어 작동 유체에 의해 가열된다.
또는, 도 8에 도시된 바와 같이, 제4 실시 예의 변형 예로 제1 내지 제3 열교환기(350g)가 구비되되, 제1 내지 제3 열교환기(310g~350g)는 고온부 영역에서 저온부 영역까지 순차적으로 배치되어 각각 고온, 중온, 저온의 폐열 기체를 이용한다. 열병합 발전 시스템으로부터 난방수는 난방수 히터(600g) 및 제3 열교환기(350g) 각각으로 공급되어 가열될 수 있다. 도 7 및 도 8의 실시 예에서 작동 유체의 흐름은 도 6의 실시 예와 동일하다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 하이브리드형 발전 시스템을 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시 예에서는 두 개의 리큐퍼레이터 및 두 개의 열교환기, 두 개의 펌프가 구비되며, 하나의 터빈이 구비될 수 있다. 제1 열교환기(310h)는 고온부 영역에 배치되고, 제2 열교환기(330h)는 중온 또는 저온부 영역에 배치될 수 있다.
제1 펌프(110h)와 제2 펌프(130h)는 병렬로 배치될 수 있으며, 하나의 터빈(400h)이 발전기(450h)와 제1 펌프(110h) 및 제2 펌프(130h)를 모두 구동시킨다. 그러나 도면에 도시하지는 않았으나 별도의 모터를 구비하여 제1 펌프(110h) 및 제2 펌프(130h)를 각각 구동시킬 수도 있다.
제1 펌프(110h)를 통과한 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230h)로 보내지고(1), 제2 리큐퍼레이터(230h)에서 열교환되어 복열된 작동 유체는 제2 펌프(130h)의 후단 쪽으로 보내진다(2). 제2 펌프(130h)를 통과한 작동 유체는(12) 제2 리큐퍼레이터(230h)를 거쳐 1차로 가열된 작동 유체와 합류한 뒤 제2 리큐퍼레이터(230h)로 보내진다(3). 제1 리큐퍼레이터(210h)에서 복열된 작동 유체는 제1 열교환기(310h)로 이송되어(4) 재가열된 뒤 터빈(400h)으로 보내진다(5).
터빈(400h)을 작동시킨 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210h)에서 제2 펌프(130h)를 거친 작동 유체와 열교환해 냉각된 후 제2 리큐퍼레이터(230h)로 이송되고(7), 제2 리큐퍼레이터(230h)에서 제1 펌프(110h)를 통과한 작동 유체를 복열한다. 제2 리큐퍼레이터(230h)를 통과한 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230h)의 후단에서 한번 분기되어 제2 펌프(130h)로 이송되고(11), 나머지 작동 유체가(8) 컨덴서(500h)로 일부 분기되고(9) 나머지가 난방수 히터(600h)로 공급된다.
난방수 히터(600h)로 유입된 열병합 발전 시스템의 난방수는(20) 컨덴서(500h)의 전단에서 분기된 작동 유체와 열교환된다. 난방수는 난방수 히터(600h) 내에서 1차로 가열된 뒤 일부는 분기되어 난방수 히터(600h) 내에서 2차로 가열된 후 열병합 발전 시스템으로 보내진다(26) 난방수의 나머지는 제2 열교환기(330h)로 보내진다(21, 23). 제2 열교환기(330h)에서 재가열된 난방수는(24) 열병합 발전 시스템으로 공급되어(25) 난방수 히터(600h)에서 가열된 난방수와 혼합되거나 별도로 사용된다.
도 10 및 도 11은 도 9의 하이브리드형 발전 시스템에 따른 변형 실시 예를 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제5 실시 예의 변형 예로 고온부 영역에 배치된 하나의 열교환기만을 구비하여 운용될 수 있다. 이 경우 작동 유체의 흐름은 제5 실시 예와 동일하며, 열병합 발전 시스템의 난방수는 난방수 히터(600i)로 유입되어(20) 작동 유체에 의해 가열된 뒤 다시 열병합 발전 시스템으로 공급된다(21).
또는 도 11에 도시된 바와 같이, 제5 실시 예의 변형 예로 두 개의 열교환기를 운용하되, 제1 열교환기(310j)는 고온부 영역에, 제2 열교환기(330j)는 중온 또는 저온부 영역에 배치될 수 있다. 열병합 발전 시스템으로부터 난방수는 난방수 히터(600j) 및 제3 열교환기(350j) 각각으로 공급되어 가열될 수 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 도 11의 변형 예로 난방수 히터로 유입되어 가열된 난방수를 전량 제2 열교환기로 보내 재가열한 뒤 열병합 발전 시스템으로 공급할 수도 있다.
전술한 다양한 실시 예들 모두 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체를 이용해 열병합 발전 시스템의 히터로 공급되는 난방수를 가열하는 것이 특징이며, 부가적으로 폐열을 열원으로 사용하는 열교환기로부터 난방수를 가열하는 열 에너지를 공급받을 수 있다.
초임계 이산화탄소 발전 시스템의 컨덴서와 열병합 발전 시스템의 히터를 공유하는 하이브리드 시스템을 운용함으로써 에너지 생산량을 증가시키는 효과가 있다. 뿐만 아니라 발전 사이클의 열효율이 향상되고, 계절별로 달라지는 전력 수요에 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.
초임계 이산화탄소 발전에 열병합 발전의 일부 구성을 접목시킨 하이브리드형 발전 시스템에 이용할 수 있다.

Claims (20)

  1. 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서,
    상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와,
    폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와,
    상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과,
    상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와,
    상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  11. 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용해 전기 에너지를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템과, 연료를 연소해 열 에너지 및 전기 에너지를 생산하는 열병합 발전 시스템을 혼합한 하이브리드형 발전 시스템에 있어서,
    상기 작동 유체를 순환시키는 적어도 하나의 펌프와,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 1차로 가열하는 적어도 하나의 리큐퍼레이터와,
    폐열을 열원으로 하여 상기 리큐퍼레이터에서 가열된 상기 작동 유체를 재가열하는 적어도 하나의 열교환기와,
    상기 열교환기에서 재가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 하나의 터빈과,
    상기 터빈을 거쳐 상기 리큐퍼레이터로 유입되어 상기 펌프를 거친 상기 작동 유체를 가열한 상기 작동 유체를 냉각시키는 컨덴서와,
    상기 컨덴서로 유입되는 상기 작동 유체의 일부가 분기되어 상기 열병합 발전 시스템으로부터 공급된 난방수와 열교환해 상기 난방수를 가열하고 상기 작동 유체는 냉각시키는 난방수 히터를 포함하고,
    상기 초임계 이산화탄소 발전 시스템과 상기 열병합 발전 시스템은 상기 난방수 히터를 공유하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨덴서 및 상기 난방수 히터를 통과한 상기 작동 유체는 상기 펌프로 순환되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 열교환기 중 어느 하나에 의해 가열된 후 상기 열병합 발전 시스템으로 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 난방수는 상기 난방수 히터로 공급된 후 일부 또는 전부가 상기 열교환기로 공급되거나, 상기 열병합 발전 시스템으로부터 상기 난방수 히터 및 상기 열교환기로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 리큐퍼레이터에서 1차로 가열되고, 상기 열교환기로 보내져 2차로 가열된 뒤 분기되어 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈으로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터 및 상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 복수의 리큐퍼레이터로 분기되어 1차로 가열된 후 상기 복수의 열교환기로 각각 공급되어 2차로 가열된 뒤 상기 복수의 터빈 또는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 각각 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체는 적어도 하나의 상기 리큐퍼레이터로 유입되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 열교환기는 복수 개로 구비되며, 폐열 가스가 유입되는 부분에서 배출되는 부분을 향해 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 리큐퍼레이터는 복수 개가 순차적으로 배치되며, 상기 터빈을 통과한 작동 유체가 상기 리큐퍼레이터를 순차적으로 통과하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 발전 시스템.
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