KR100355624B1 - 열역학사이클의실시방법및실시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스상의 작동 유체를 팽창시켜 그 에너지를 이용가능한 형태로 변환하여 사용된 흐름을 발생시키고 그후 사용된 흐름을 응축하여 응축된 흐름을 발생시키는 열역학적 사이클을 실행하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 응축된 흐름으로 부터 그 흐름에 포함된 끓는 점이 낮은 성분의 비율 보다 그 비율이 높은 제 1 흐름, 응축된 흐름에 포함된 끓는 점이 낮은 성분의 비율보다 그 비율이 낮은 제 2 흐름, 및 응축된 흐름에 포함된 끓는 점이 낮은 성분의 비율과 그 비율이 같은 제 3 흐름을 탄생시킨다. 제 1, 제 2, 제 3 흐름을 여러번 증류시키는 작업을 하여 액상의 작동 유체를 발생시키고, 그후 액상의 작동 유체를 증발시켜 가스상의 작동 유체를 발생시킨다.

Description

열역학 사이클의 실시 방법 및 실시 장치

본 발명은, 팽창되어 재생되는 작동 유체를 사용하여, 열원으로부터의 에너지를 사용 가능한 상태로 변환하는 방법 또는 장치에 관한 것이다, 또한, 본 발명은 열역학 사이클의 열 이용 효율을 개량하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

랭킨 사이클(Rankin cycle)에 있어서는, 유효 열원을 사용하여 물, 암모니아 또는 프레온 등의 작동 유체가 증발기에서 증발된다. 증발된 가스 작동 유체가 터빈을 통해서 팽창되고, 그 에너지를 사용 가능 상태로 변환한다. 다음에, 사용 종료 가스 작동 유체가 응축기에서 유효 냉매를 사용하여 응축된다. 응축된 작동 매질의 압력을 또한 펌프 작용으로 증대시켜, 다음에 증발시키는 등의 사이클을 계속한다.

미국 특허 제4,346,561호에 기재된 엑서지(Exergy) 사이클은 2성분 또는 많이 성분의 작동 유체를 사용한다. 이 사이클의 일반적 원리는, 2성분 작동 유체를 액체로서 높은 작동 압력까지 펌프 가압하여 이 작동 유체를 가열하여 부분적으로 증발시키는 데 있다. 다음에 이 유체를 플러싱(flushing)하여 고비점 작동 유체와 저 비점 작동 유체로 분리한다. 저 비점 성분이 터빈을 통해서 팽창되어 터빈을 구동하는 반면, 고비점 성분으로부터 열이 회수되어, 증발 이전의 2성분 작동 유체의가열에 사용된다. 다음에 고비점 성분을 응축기에서 냉매의 존재 하에서 사용 종료된 저 비정 작동 유체와 혼합하여 사용 종료된 작동 유체를 흡수한다.

미국 특허 제4,489,563호의 주제를 이루는 베이직 카리나 사이클(Basic Kalina cycle)이라고 불리는 출원인의 다른 발명에 있어서는, 비교적 저온의 유효열을 이용하여 중간 압력에 있어서 많은 성분 유체 스트림의 적어도 일부의 부분적 증류를 실시하여, 상이한 조성의 작동 유체 분류물을 생성한다. 이들 분류물을 사용하여, 저 비점 성분보다 비교적 부화된 적어도 하나의 주 부화 용액과, 저 비점 성분에 대하여 비교적 부화된 적어도 하나의 용액을 생성한다. 주 부화 용액의 압력은 증가한다. 그 후, 이 용액이 증발되어 채워진 가스 주 작동 유체를 생성한다. 이 주 작동 유체가 저압 레벨까지 팽창하여 에너지를 사용 가능 상태로 변환한다. 사용 종료된 저압 레벨의 작동 유체는 주 흡수 단계에서 부화 용액 중에서 냉각하면서 용해하는 일에 의해서 응축되어, 재사용하기 위한 초기 작동 유체를 재생한다.

미국 특허 제4,604,867호의 주제를 이루는 출원인의 또 다른 발명에 따르면, 유체가 터빈에서 초기 팽창 후에 재열기로 분기되어 과열 온도까지 가열된다. 터빈에 복귀되어 추가 팽창된 후, 유체를 터빈으로부터 추출하여 중간 쿨러에서 냉각한다. 그 후, 유체를 추가 팽창을 위해 터빈으로 복귀한다. 터빈 가스의 냉각은 증발을 위한 추가 열을 생성할 수 있다. 중간 냉각은 재열시에 사용되는 열을 보상하여, 최종 터빈 팽창 후에 사용되지 않는 채로에 남겨지는 유효 열을 회수한다.

전술한 열역학 사이클의 효율을 향상시키는 일이 또한 바람직하다.

본 발명의 일 특징은, 가스상의 작동 유체를 팽창시켜 그 에너지를 사용 가능한 형태로 변환하여 사용 종료된 스트림을 발생하는 단계와,

사용 종료된 스트림을 응축하여 응축 스트림을 생성하는 단계와,

상기 응축 스트림으로부터 이 응축 스트림에 포함되는 퍼센트보다 높은 퍼센트의 저 비점 성분을 갖는 제1 스트림과, 응축 스트림에 포함되는 퍼센트보다 낮은 퍼센트의 저 비점 성분을 갖는 제2 스트림과, 응축 스트림에 포함되는 퍼센트와 동등한 퍼센트의 저 비점 성분을 갖는 제3 스트림을 발생하는 단계와,

상기 제1, 제2 및 제3 스트림에 대하여 많은 회수의 증류 조작을 실시하여 액체 작동 유체를 발생하는 단계와,

상기 액체 작동 유체를 증발시켜 가스상의 작동 유체를 발생하는 단계를 포함하는 방법에 의해 열역학 사이클의 효율을 현저히 개선하는 데 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서는, 응축되어 액체 작동 유체를 생기는 증기 스트림과, 사용 종료된 작동 유체와 혼합되는 액체 스트림을 형성한다. 증류를 적어도 2단계에서(바람직하게는 적어도 3단계에서) 실시하는 것이 바람직하다.

특히 바람직한 실시 형태에 있어서는, 제1 스트림, 제2 스트림 및 제3 스트림이 하기와 같이 하여 형성된다. 상기 응축 스트림을 제1 지류와 제2 지류로 분할한다. 제1 지류의 압력을 증대하여 제1 가압 지류를 형성한다, 마찬가지로 제2 지류의 압력을 증대하여 제2 가압 지류를 형성한다. 이 경우, 제2 가압 지류의 압력을 제1 가압 지류의 압력보다 높게 한다. 상기 제1 가압 지류를 부분적으로 증발시켜, 부분적 증발 스트림을 형성한다. 이 부분적 증발 스트림을 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리한다. 상기 액체 스트림의 압력을 상기 제2 가압 지류와 동일 레벨까지 증대시켜, 응축 스트림에 포함되는 것 보다 낮은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 스트림(즉, 제2 스트림)을 형성한다. 상기 증기 스트림을 상기 제1 가압 지류의 일부와 혼합하여, 상기 응축 스트림과 동일한 조성을 갖는 복합 스트림을 형성한다. 상기 복합스트림을 응축하여 응축 복합 스트림을 형성한다. 상기 응축 복합 스트림의 압력을 상기 제2 가압 지류의 압력과 동일한 레벨까지 증대시켜, 가압 응축 복합 스트림을 형성한다. 다음에 이 가압 응축 복합 스트림(제2 가압 지류와 같이)을 가열하여, 각각, 상기 응축 스트림과 동일한 조성을 갖는 스트림(즉, 제3 스트림)으로, 상기 응축 스트림에 포함되는 것보다 높은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 스트림(즉, 제1 스트림)을 형성한다.

이하, 본 발명을 도면에 도시하는 실시예에 관해서 상세히 설명하지만 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.

제1도에는 본 발명의 방법 및 시스템에 사용할 수 있는 장치의 양호한 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 제1도에는 보일러(201), 터빈(202, 203, 204), 중간 굴러(205), 증류 응축 서브 시스템(DCSS)(206), 펌프(207), 스트림 분리기(208), 스트림 혼합기(209) 및 도입 밸브(210)를 포함한 시스템(200)이 도시되어 있다.

본 발명의 사이클을 구동하기 위해서, 예컨대 가스 터빈 배기 등 여러 가지의 형의 열원을 사용할 수 있다. 이 점에 관련되어, 본 발명의 시스템은 결합 사이클 시스템의 보터밍 사이클(bottoming cycle)로서 사용할 수 있다.

시스템(200)을 관통하여 흐르는 작동 스트림은 저비점 유체(저비점 성분)와 고비점 유체(고비점 성분)를 포함한 여러 가지 성분의 작동 스트림이다. 양호한 작동 스트림은 암모니아/물 혼합물, 2종 또는 그 이상의 탄화수소의 혼합물, 2종 또는 그 이상의 프레온 가스, 탄화수소와 프레온의 혼합물 또는 유사물을 포함한다. 일반적으로, 작동 스트림은 열역학적 특성 및 용해성을 지닌 임의의 수의 화합물일 수 있다. 특히 바람직한 실시 형태에 있어서는, 물과 암모니아의 혼합물이 사용된다.

제1도에 도시된 바와 같이, 파라미터 22를 갖는 완전히 응축한 작동 유체가 열회수 보일러(201)의 예열 부분을 통과하여, 그 비점의 몇도 정도 아래의 온도로 가열되어 파라미터 44를 얻는다. 이 예열은, 보일러(201)를 통하는 파선으로 표시되는 열원의 모든 스트림의 냉각에 의해서 생긴다. 예열 부분을 나오는 작동 유체는 스트림 분리기(208)에 의해서, 각각 파라미터 45 와 46을 갖는 2개의 별개의 스트림으로 분할된다.

파라미터 46을 갖는 제1 스트림이 보일러(201)의 증발기 부분으로 들어가고, 파라미터 45를 갖는 제2 스트림이 중간 쿨러(205)로 들어간다. 제1 스트림은 증발기 부분에서 상기의 역류하는 가열 유체 스트림에 의해 가열되어, 파라미터 48을 얻는다. 제2 유체 스트림은 중간 쿨러(205)를 통과하여 역류하는 유체에 의해서 가열되어 파라미터 47을 얻는다, 제1 스트림과 제2 스트림 어느 것이나 완전히 증발되어, 초기에 과열된다, 이것들의 각 스트림은 근사적으로 동일한 압력과 동일한온도를 갖지만 이것들의 스트림은 상이한 유량을 가질 수 있다. 다음에 증발기와 중간 쿨러(205)로부터 나온 유체 스트림은 증기 혼합기(209)에 의해 재결합되어 파라미터 49를 얻는다.

작동 유체의 결합 스트림은 보일러(201)의 과열 부분 중으로 보내어지므로 상기한 열원 스트림과의 열교환에 의해서 최종적으로 과열된다. 즉, 지점 25로부터 지점 26까지의 열원 스트림은, 우선 과열기를 통과한 다음에 증발기를 통과하고, 마지막으로 예열기를 통과한다, 도시된 가열 유체 스트림의 엔탈피/온도 특성은 선형이다.

파라미터 30을 갖는 작동 유체의 전체 스트림이 보일러(201)의 과열기로부터 토입 밸브(210)를 통과하여 파라미터 31을 얻어, 다단식 제1 터빈(202)으로 들어간다. 터빈(202) 중에서 작동 유체가 제1 중간 압력까지 팽창하는 일에 의해서 열에너지를 기계적 에너지로 변환하여, 파라미터 40을 얻는다.

파라미터 40을 갖는 터빈(202)으로부터 나온 전체 작동 유체 스트림은 다시 상기 보일러(201)를 통해, 이 보일러를 통과하는 역류 유체에 의해 의해서 발생되는 열을 사용하여 재가열되어 파라미터 41을 얻는다. 작동 유체 스트림은 고온까지 재가열될 때, 보일러(201)를 나와 제2 터빈(203)으로 이동한다. 이 터빈(203)은 복수단을 포함할 수 있다.

터빈(203) 내의 작동 유체는 제1 중간 압력으로부터 제2 중간 압력까지 팽창하여 동력을 발생한다. 파라미터 42를 갖는 전체 작동 유체 스트림은 중간 쿨러(201)로 보내어져서 냉각되어, 상기 제2 작동 유체 스트림의 증발에 필요한 열을 제공한다. 중간 쿨러(205)는 간단한 열교환기일 수 있다. 파라미터 43을 갖는 작동 유체 스트림이 중간 쿨러(205)로부터 나와 제3 터빈(204)으로 이동한다(이 제3 터빈은 다단식으로 할 수 있다).

터빈(204)에서, 작동 유체는 최종적으로 소비된 유체 압력 레벨까지 팽창하여 추가 동력을 생성한다. 파라미터 38의 작동 유체 스트림은 터빈(204)으로부터 증류 응축 서브 시스템(DCSS)(206)으로 들어가 응축되어 파라미터 29를 얻으며, 펌프(207)에 의해 펌핑 가압되어 파라미터 32를 얻은 후에 보일러(201)로 보내어지고 사이클을 계속한다.

증류 응축서브 시스템(DCSS)(206)에 판해서 하기에 상세히 설명한다.

제2도와 제3도에 있어서, 저압 터빈(204)으로부터 나온 파라미터 38을 갖는 포화 증기의 형태의 작동 유체는 열교환기(1)를 통과하며, 이 열교환기(1) 내에서 부분적으로 응축되어 냉각되고, 파라미터 16을 갖는 증기 스트림을 생성한다. 다음에 이 스트림이 파라미터 19를 갖는 액체 스트림과 혼합되어 열역학적으로 평형을 이룬다. 파라미터 19의 스트림은 파라미터 16의 스트림보다도 저비점 성분(예컨대, 암모니아) 함유량이 적다. 따라서 파라미터 16의 스트림보다도 「빈화(貧化)」 라고 불린다.

이들의 2 스트림의 혼합은 파라미터 17의 제3 스트림을 생성한다. 상기한 파라미터 19의 스트림이 상기한 파라미터 16의 스트림에 비해 더 빈화되어 있기 때문에, 이들의 제1 스트림과 제2 스트림과의 혼합에 의해 생긴 제3 스트림의 조성은 파라미터 16의 제1 스트림보다 더 빈화되어 있다.

파라미터 17을 갖는 제3 스트림은 열교환기(5)를 통과하므로, 더욱 냉각되어 응축되어 파라미터 87을 얻는다. 그 후, 제3 스트림이 열교환기(7)를 통과하여 더욱 냉각 응축되어 파라미터 86을 얻는다(이 단계에서, 제3 스트립은 증기와 액체의 혼합물 형태를 이룬다). 파라미터 83을 갖는 적은 부분의 액체가 파라미터 86의 제3 스트림으로부터 분리되어 추출되며, 그 결과, 제3 스트림은 파라미터 84를 얻을 수 있다. 그 후, 이 파라미터 84를 갖는 제3 스트림이 열교환기 11을 통과하여 더욱 냉각 응축되어 파라미터 15를 얻는다.

다음에, 파라미터 15를 갖는 제3 스트림이 파라미터 132를 갖는 다른 액체 스트림과 혼합되어, 파라미터 18을 갖는 또 다른 스트림을 형성한다. 파라미터 18의 스트림의 조성은, 이 스트림이 현존의 압력 조건 및 온도 조건에서 완전히 응축하도록 이루어지고 있다. 파라미터 18을 갖는 스트림은 다음에 열교환기(14)를 통과하여, 이 열교환기의 중에서 파라미터 23-59를 갖는 냉각수 스트림에 의해서 완전히 응축되어 파라미터 1의 스트림을 생성한다.

그 후, 파라미터 1을 갖는 스트림은 2개의 스트림으로 분할되어, 각 분할 스트림이 각각 펌프(P1)에 의해 중압까지, 펌프(P2)에 의해 고압까지 펌핑된다. 그 결과, 한편의 서브 스트림은 펌프(P1) 뒤에서 파라미터 2를, 다른 쪽의 서브 스트림이 펌프(P2) 뒤에서 파라미터 20을 얻는다.

파라미터 2의 스트림의 일부가 분리되고 파라미터 8의 다른 스트림을 형성한다. 이 스트림의 잔부가 다른 2 지류로 분할되어, 이들의 지류가 각각 열교환기(9)와 열교환기(11)를 통해, 이들의 열교환기에서 각각 비점 147, 148까지 예열되어,다음에 부분적으로 비등되어, 각각 파라미터 145, 146을 얻는다. 그 후, 이들의 2 서브 스트림이 결합되어 파라미터 105를 갖는 다른 스트림을 생성하고, 다음에 이 파라미터 105의 스트림이 중력 분리기(S1)로 보내진다.

중력 분리기(S1)에서, 파라미터 105를 갖는 스트림은 파라미터 106의 포화 증기 스트림과, 파라미터 107의 포화 액체 스트림으로 분리된다. 파라미터 106을 갖는 포화 증기로 이루어지는 스트림은 파라미터 133의 제1 스트림(적은 부분)으로, 파라미터 134의 제2 스트림(많은 부분)으로 재분할된다.

그 후, 파라미터 134의 스트림이 파라미터 8의 액체 스트림과 혼합되어, 파라미터 73을 갖는 스트림(소위: 중간 용액)을 생성한다. 파라미터 73의 스트림의 조성물은, 그 중간 압력에서 얻어지는 온도의 냉각수에 의해 완전히 응축되도록 이루어져 있다. 다음에 이 파라미터 73의 스트림이 열교환기(13)를 통과하여 물(스트림 23-99)에 의해 냉각되어 완전히 응축되어, 파라미터 74를 얻는다.

그 후, 파라미터 74의 스트림은 펌프(P3)에 의해 고압으로 펌핑되어 파라미터 72를 얻는다. 그 결과, 각각 파라미터 20, 72를 갖는 유사한 고압이지만 상이한 조성의 2스트림이 형성된다, 이들의 2스트림이 열교환기(8)를 통과하여 가열되어 각각 파라미터 39, 71을 얻는다.

파라미터 39를 갖는 스트림은 파라미터 71을 갖는 시트도 부화(富化)된 조성을 갖는다. 상기한 파라미터 107의 스트림의 일부는, 펌프(P4)에 의해 펌핑되어 파라미터 129를 얻는다.

그 결과, 각각 파라미터 129, 39, 71을 갖는 3스트림이 형성되었다. 이들의3스트림은 상이한 조성을 갖지만 동등한 압력을 갖는다. "빈화(貧化)"스트림은 파라미터 129를 지니고, "중간" 스트림은 파라미터 71을 지니고, 또한 "부화(富化)" 스트림은 파라미터 39를 갖는다.

파라미터 129를 갖는 부하 스트림의 적은 부분이 분리되어 파라미터 113의 스트림을 형성한다. 잔부는 파라미터 127을 얻는다. 파라미터 71을 갖는 중간 스트림의 부분으로 분리되고 파라미터 70을 갖는 스트림을 형성한다. 잔부가 파라미터 111을 얻는다. 파라미터 39를 갖는 부화 스트림은 각각 파라미터 110, 33을 갖는 2지류로 분할된다.

파라미터 129, 111, 110을 갖는 스트림의 조성은 각각 변경될 수도 있다. 특히, 파라미터 129를 갖는 스트림의 조성은 하기의 방식으로 빈화된다. 상기한 파라미터 83을 갖는 액체가 펌프(P5)에 의해서 파라미터 129의 스트림의 압력까지 펌핑된다. 펌핑 후에 파라미터 83의 액체는 파라미터 82를 얻는다. 파라미터 82의 스트림의 조성은 파라미터 127의 스트림의 조성에 의해 빈화되어 있기 때문에, 이들의 2스트림의 혼합은 파라미터 127의 스트림의 조성에 의하여 빈화된 조성의 스트림을 생성한다.

다른 한편으로, 중간 조성 스트림으로서 추출된 파라미터 70의 스트림의 파라미터 9의 일부가, 파라미터 127의 스트림에 첨가된다. 파라미터 9의 스트림은 파라미터 127의 스트림보다 부화 조성을 갖기 때문에, 이들의 2스트림의 혼합에 의해 형성되는 복합 스트림은 파라미터 127의 스트림보다도 부화된 조성을 갖는다.

이와 같이 하여, 파라미터 127을 갖는 스트림은 파라미터 82를 갖는 스트림의 첨가에 의해 빈화되며, 또는 파라미터 9를 갖는 스트림의 첨가에 의해 부화된다. 이들의 스트림 중 어느 하나를 수시로 첨가할 수 있다. 그 결과, 파라미터 128을 갖는 스트림이 형성된다.

파라미터 129를 갖는 스트림으로부터 추출된 파라미터 113을 갖는 스트림은 파라미터 111을 갖는 스트림에 첨가되어, 파라미터 111을 갖는 스트림보다도 조금 빈화된 파라미터 112를 갖는 조성의 스트림을 생성한다. 파라미터 110을 갖는 스트림에 대하여 파라미터 70을 갖는 스트림의 일부(파라미터 123)를 첨가하는 것에 의해 빈화할 수 있다. 따라서, 파라미터 110을 갖는 스트림보다도 조금 빈화된 조성을 갖는 파라미터 80을 갖는 신규의 스트림이 생성된다.

이러한 각 스트림의 조성의 재혼합 및 변경의 결과, 상이한 조성을 갖는 4스트림(즉, 각각 파라미터 33, 112, 128, 80을 갖는 스트림)이 형성된다.

포화 액체의 형태의 파라미터 33을 갖는 스트림이 열교환기(7)를 통과하여 파라미터 35를 갖는 스트림을 얻는다. 이 파라미터 35를 갖는 스트림은 중력 분리기(S2)로 보내지고, 그곳에서 2스트림으로 분할된다. 하나의 스트림은 포화 증기의 형태의 파라미터 36을 갖는 스트림이며, 다른 하나의 스트림은 포화 액체의 형태의 파라미터 37을 갖는 스트림이다.

제2도 및 제3도에서 알 수 있는 바와 같이, 증발되는 각 스트림이 열교환기의 하부로부터 들어가 부분적으로 증발된 상태로 열교환기의 상부로부터 나간다. 증기와 액체의 분리 후, 이러한 분리기에서 생성된 포화 액체는 더욱 증발한다. 이러한 액체가 다음 열교환기에서 그 하부로부터 들어가야 하기 때문에, 열교환기의하부로부터 상부에 달하는 파이프 라인 중에 잉여 압력이 형성될 가능성이 있다. 이러한 압력 형성을 방지하기 위해서, 중력 분리기로부터 나오는 포화 액체(예컨대, 파라미터 37의 액체)가 서브 쿨링되어, 파라미터 137을 갖는 액체를 형성한다.

상기한 파라미터 112를 갖는 스트림은 열교환기(6)를 통과하며, 그곳에서 가열되어 파라미터 78을 얻는다. 그 후, 이 스트림은 열교환기 하부로 하강시키고, 수두가 생기는 추가 압력 때문에 압력이 증대되어 파라미터 79를 얻는다. 파라미터 78을 갖는 스트림은, 포화 액체가 파라미터 79의 온도에서 갖는 조성보다도 부화된 조성을 갖는다. 그러나, 이 스트림은 조금 높은 압력을 갖기 때문에, 비등은 생기지 않는다.

파라미터 79를 갖는 스트림은 상기한 파라미터 137을 갖는 스트림과 혼합되어 파라미터 7을 갖는 스트림을 형성한다. 이러한 혼합 중에 얻어지는 파라미터 7을 갖는 스트림의 압력이 스로틀링(throttling)에 의해 저감된다. 그 결과, 파라미터 7을 갖는 스트림은 포화 액체의 상태로 나간다.

파라미터 128을 갖는 최빈화 조성을 갖는 스트림은 열교환기 6을 통과하며, 그곳에서 가열되어 파라미터 138을 갖는 스트림을 얻는다. 그후, 이 스트림은 열교환기의 하부로 복귀되어, 수두의 결과로서 그 압력이 증대된다. 파라미터 126을 갖는 스트림을 얻을 수 있다.

파라미터 7을 갖는 스트림은 2지류로 분할되어, 이들의 지류가 각각 열교환기(5, 4)를 통한다. 이들 열교환기에서, 각각의 지류가 증발되고, 각각 파라미터 144, 143을 얻는다. 그 후, 이들의 지류가 재결합되어 파라미터 75를 갖는 스트림을 형성하며, 이 스트림은 중력 분리기(S3)로 보내진다. 분리기(S3)에서, 파라미터 75를 갖는 스트림은 파라미터 76을 갖는 증기와, 파라미터 77을 갖는 포화 액체로 분할된다.

상기한 파라미터 126을 갖는 스트림(빈화류)은 열교환기(4)로 통과하며, 그곳에서 가열되어 파라미터 125를 얻는다. 그 후, 파라미터 77과 125를 갖는 스트림은 열교환기의 하부로 보내지고, 각각의 압력이 증대한다. 그 결과, 이들의 스트림은 각각 파라미터 136과 124를 얻는다. 이 경우에도, 파라미터 124를 갖는 스트림은 동일한 온도의 포화 액체의 조성보다도 부화된 조성을 지니고, 또한 파라미터 136을 갖는 스트림은 동일한 온도의 포화 액체의 조성에 의해 빈화된 조성을 갖는다. 이들의 2스트림은 혼합되어, 포화 액체의 형태의 파라미터 4를 갖는 복합 스트림을 형성한다.

파라미터 4를 갖는 스트림은 3지류로 분할되며, 이들의 지류는 각각 열교환기(1, 2, 3)를 통과하며, 이들의 열교환기에서 이들의 지류가 부분적으로 증발되어, 각각 파라미터 142, 140, 141을 갖는 스트림을 형성한다. 이들의 스트림이 재결합되어 파라미터 5를 갖는 스트림을 형성한다.

파라미터 5를 갖는 스트림은 중력 분리기(S4)로 보내지며, 그곳에서 파라미터 6을 갖는 증기와, 파라미터 10을 갖는 포화 액체로 분할된다. 파라미터 10을 갖는 액체가 열교환기(3)를 통과하여 냉각되며, 상술한 바와 같이 증발을 위한 열을 부여하여 파라미터 12를 얻는다. 다음에 파라미터 12를 갖는 스트림은 스토틀링되고 그 압력이 저하되어, 파라미터 19를 갖는 스트림을 생생한다. 이 파라미터 19를갖는 스트림은 상기한 파라미터 16을 갖는 저압 스트림과 결합되어 파라미터 17을 갖는 스트림을 생성한다.

파라미터 6을 갖는 증기가 열교환기(2)를 통과하며, 이 열교환기에서 상술한 바와 같이 부분적으로 응축되어 증발을 위한 열을 부여하며, 파라미터 166을 갖는 스트림을 생성한다. 다음에 이 파라미터 166을 갖는 스트림은, 상기한 중력 분리기(S3)에 의해 발생된 파라미터 76의 증기와 결합되어, 파라미터 177을 갖는 스트림을 생성한다. 다음에 이 파라미터 117을 갖는 스트림은 열교환기(4)를 통과하며, 그곳에서 더욱 응축되어 냉각되며, 상술한 바와 같이 증발과 가열을 위한 열을 부여하여 파라미터 118을 얻는다. 그 후, 이 파라미터 118을 갖는 스트림은 중력 분리기(S2)로부터 나오는 파라미터 36을 갖는 증기 스트림과 혼합되어 파라미터 119를 갖는 스트림을 형성한다.

다음에 이 파라미터 119를 갖는 스트림은 열교환기(6)를 통과하며, 그곳에서 더욱 냉각되어 응축되며, 이 열교환기(6)를 통과하는 2액체 스트림을 가열하기 위한 열을 생성하여 파라미터 120을 얻는다. 다음에, 이 파라미터 120을 갖는 스트림은 전술한 파라미터 80을 갖는 부화 액체 스트림과 혼합된다. 이 파라미터 80을 갖는 스트림은 파라미터 120을 갖는 스트림과 열역학적으로 평형하도록 변경되어 있다. 파라미터 122를 갖는 복합 스트림을 얻을 수 있다. 파라미터 122에 있어서의 조성은 증류 응축 서브 시스템(206)으로 들어 간 증기의 조성물(즉, 파라미터 38을 갖는 조성물)과 동등하다. 그러나 스트림 압력이 파라미터 38을 갖는 스트림보다 높기 때문에, 상온의 냉각수에 의해서 응축할 수 있다.

파라미터 122를 갖는 스트림은 2지류로 분할되며, 이들이 지류가 각각 열교환기(8, 9)로 보내진다. 이들의 2개의 열교환기에서, 이들의 지류가 더욱 냉각되어, 열교환기(9)에서는 증발을 위한 열이 생성되어 열교환기(8)에서 액체 가열을 위한 열을 생성하여 각각 파라미터 115, 114를 얻는다. 다음에, 이들의 2지류가 재결합되어 파라미터 13을 갖는 스트림을 형성하여, 이 스트림이 열교환기(12)로 보내지고 냉각수(23-58)에 의해 최종적으로 완전히 응축되어, 파라미터 14를 얻는다.

파라미터 14를 갖는 스트림은 부스터(booster) 펌프(P6)에 의해 고압까지 펌핑되어, 열교환기(10)로 보내어지고, 그곳에서 가열된 파라미터 29를 얻는다. 이 파라미터 29를 갖는 스트림은 도 1에서 상술한 바와 같이 보일러(201)로 보내어진다.

상기한 중력 분리기(S1)를 나온 액체는 열교환기(10)로 보내어지고, 냉각된 파라미터 131을 얻어, 물 스트림(21-29를 가열하는 데 필요한 열을 생성한다. 이 액체의 냉각으로부터 얻어지는 열이 필요한 가열을 이루는 데 불충분할 경우, 중력 분리기(S1)로부터 얻어지는 파라미터 13의 증기의 일부가, 열교환기(10)에서 냉각되는 액체에 첨가된다. 이 증기의 응축은 열교환기(10) 중에 필요한 열평형을 제공한다.

파라미터 131을 갖는 스트림은 스로틀링되어 그 압력을 저하시켜 파라미터 132를 얻는다. 다음에 이 파라미터 132를 갖는 스트림은 파라미터 15를 갖는 스트림과 혼합되어, 상기한 파라미터 18을 갖는 스트림을 형성하며, 저압 터빈을 나온 후 증류 응축 서브 시스템(206)으로 들어 간 저압 스트림의 완전 응축을 이룬다.사이클이 폐쇄된다.

물/암모니아 작동 유체를 갖는 시스템에 관해서, 제1도에 도시된 시스템(200)에 기재의 점에 대응하는 점의 예상 파라미터는 표 1에 도시되어 있다. 물/암모니아 작동 유체를 갖는 시스템에 관해서, 제1도 및 제3도에 도시된 DCSS(206)에 기재의 점에 대응하는 점의 예상 파라미터는 표 2에 도시되어 있다. 표 1 및 표 2에 도시하는 파라미터를 사용한 제1도 내지 제3도에 도시된 시스템의 성능의 요약이 표 3에 도시되어 있다.

본 발명의 시스템은 미국 특허 제4,604,867호에 기재된 시스템과 비교하여 높은 열효율을 제공한다. 표 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 보터밍(bottoming) 사이클 시스템을 사용한 복합 사이클은 252,733.4 kWe의 순수 출력을 갖는다. 비교를 위해, 동일한 가스 터빈(GE 7 FA 가스 터빈)을 사용한 미국 특허 제4,604,867호에 의한 복합 사이클 시스템은 249,425 kWe의 순수 출력을 지니고, 동일한 가스 터빈을 사용하여 통상의 트리플 압력 랭킨(Rankin) 보터밍 사이클을 사용하는 복합 사이클은 240,432 kWe의 순수 출력을 갖는다. 이 데이터로부터 명백하듯이, 본 발명의 시스템은 가장 진보한 랭킨 보터밍 사이클의 복합 사이클보다도 12,301 kWe 만큼 높은 성능을 지니고, 미국 특허 제4,604,867호에 의한 복합 사이클 시스템보다도 3,307.5 kWe 만큼 높은 성능을 갖는다.

본 발명은 상기한 설명에만 한정되는 것이 아니고, 그 주지의 범위내에서 임의로 변경 실시할 수 있다. 예컨대, 동일 원리를 사용하여, 제2도와 제3도에 있어서의 3단이 아니라 2단의 증류 조작을 실시할 수 있다. 이러한 본 발명의 시스템의간략 설계는 제4도에 도시되어 있다. 이 설계는 조금 낮은 성능을 갖지만(752,602 kWe: 752,733,4 kWe), 증류 응축 서브 시스템의 열교환기의 수가 적다(12 : 14).

또한, 증류 단계의 수를 3이상으로 할 수도 있다.

제1도는 본 발명의 방법 및 장치에 대응하는 시스템의 개략도이며,

제2도는 본 발명에 사용할 수 있는 증류 응축 서브시스텐의 일실시예의 개략도이고,

제3도는 제2도에서 도시한 증류 응축 서브시스템의 부등각 투영도이며,

제4도는 본 발명에 사용할 수 있는 증류 응축 서브시스템의 제2 실시예의 개략도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

200 : 시스템

201 : 보일러

202 : 고압 터빈

203 : 중압 터빈

204 : 저압 터빈

205 : 중간 쿨러

206 : 증류 응축 서브시스템(DCSS)

207 : 가압 펌프

208 : 증기 분리기

209 : 증기 혼합기

210 : 도입 밸브

Claims (8)

1. 가스상의 작동 유체를 팽창시켜 그 에너지를 사용 가능한 형태로 변환하여 사용 종료된 스트림을 발생하는 단계와,

   사용 종료된 스트림을 응축하여 응축 스트림을 생성하는 단계와,

   상기 응축 스트림으로부터 이 응축 스트림에 포함되는 퍼센트보다 높은 퍼센트의 저 비점 성분을 갖는 제1 스트림과, 응축 스트림에 포함되는 퍼센트보다 낮은 퍼센트의 저 비점 성분을 갖는 제2 스트림과, 응축 스트림에 포함되는 퍼센트와 동등한 퍼센트의 저 비점 성분을 갖는 제3 스트림을 발생하는 단계와,

   상기 제1, 제2 및 제3 스트림에 대하여 많은 회수의 증류 조작을 실시하여 액체 작동 유체를 발생하는 단계와,

   상기 액체 작동 유체를 증발시켜 가스상의 작동 유체를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학 사이클의 실시 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 스트림에 대하여 여러 번 증류 조작을 실시하여 증기 스트림과 액체 스트림을 발생시키는 단계와,

   액체 흐름을 사용 종료된 작동 유체와 혼합하는 단계와,

   상기 증기 스트림을 응축하여 액체 작동 유체를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학적 사이클의 실시 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 스트림을 적어도 2회 증류시키는 조작을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학적 사이클의 실시 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 스트림에 대하여 적어도 3회 증류 조작하는 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학적 사이클의 실시 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 응축 스트림을 제1 및 제2 지류로 분할하는 단계와,

   상기 제1 지류의 압력을 증대시켜 제1 가압 지류를 형성하는 단계와,

   상기 제2 지류의 압력을 증대시켜 제2 가압 지류를 형성하는 단계와,

   상기 제2 가압 지류의 압력을 상기 제1 가압 지류의 압력보다 높게 하는 단계와,

   상기 제1 가압 지류를 부분적으로 증발시켜 부분적으로 증발 스트림을 형성하는 단계와,

   상기 부분적 증발 스트림을 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리하는 단계와,

   상기 액체 스트림의 압력을 상기 제2 가압 지류와 동일한 레벨까지 증대시켜, 응축 스트림 중에 포함되는 것보다 낮은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 스트림을 형성하는 단계와,

   상기 중기 스트림을 상기 제1 가압 지류의 일부와 혼합하여, 상기 응축 스트림과 동일한 조성을 갖는 복합 스트림을 형성하는 단계와,

   상기 복합 스트림을 응축하여 응축 복합 스트림을 형성하는 단계와,

   상기 응축 복합 스트림의 압력을 상기 제2 가압 지류의 압력과 동일한 레벨까지 증대시켜, 가압 응축 복합 스트림을 형성하는 단계와,

   상기 가압 응축 복합 스트림과 상기 제2 가압 지류를 가열하고, 각각 상기 응축 스트림과 동일한 조성을 갖는 스트림과, 상기 응축 스트림 중에 포함되는 것보다 높은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 스트림을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학적 사이클의 실시 방법.
6. 가스 작동 유체를 팽창시켜 그 에너지를 사용 가능한 상태로 변환하여 소비 종료된 스트림을 발생하기 위한 수단과,

   상기 사용 종료된 스트림을 응축하여 응축 스트림을 생성하는 응축기와,

   이 응축 스트림 중에 포함되는 퍼센트 보다 높은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 제1 스트림과, 상기 응축 스트림 중에 포함되는 퍼센트 보다 낮은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 제2 스트림과, 응축 스트림 중에 포함된 퍼센트와 동등한 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 제3 스트림을 발생하는 수단과,

   상기 제1, 제2 및 제3 스트림에 대해 복수회의 증류 조작을 실시하여 액체 작동 유체를 발생시키는 수단과,

   상기 액체 작동 유체를 증발시켜 가스 작동 유체를 발생시키는 보일러를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학 사이클의 실시 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 복수회의 증류 수단은 증기 스트림과 액체 스트림을 발생시키는 수단을 포함하며, 또한 상기 장치는 상기 액체 스트림을 상기 사용 종료된 작동 유체와 혼합하는 스트림 혼합기와, 증기 스트림을 응축하여 액체 작동 유체를 발생시키는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학 사이클의 실시 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 응축 스트림을 제1 및 제2 지류로 분할하는 스트림 분리기와,

   상기 제1 지류의 압력을 증대시켜 제1 가압 지류를 형성하는 제1 펌프와,

   상기 제2 지류의 압력을 증대시켜 상기 제1 가압 지류의 압력 보다 높은 압력을 갖는 제2 가압 지류를 형성하는 제2 펌프와,

   상기 제1 가압 지류를 부분적으로 증발시켜, 부분적 증발 스트림을 형성하는 제1 열교환기와,

   상기 부분적 증발 스트림을 증기 스트림과 액체 스트림으로 분리하는 분리기와,

   상기 액체 스트림의 압력을 상기 제2 가압 지류와 동일한 레벨까지 증대시켜, 응축 스트림 중에 포함되는 것보다도 낮은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 스트림을 형성하는 제 3펌프와,

   상기 증기 스트림을 상기 제1 가압 지류의 일부와 혼합하여, 상기 응축 스트림과 동일한 조성을 갖는 복합 스트림을 형성하는 스트림 혼합기와,

   상기 복합 스트림을 응축하여 응축 복합 스트림을 형성하는 제2 응축기와,

   상기 응축 복합 스트림의 압력을 상기 제2 가압 지류의 압력과 동일한 레벨까지 증대시켜 가압 응축 복합 스트림을 형성하는 제4 펌프와,

   상기 가압 응축 복합 스트림과 상기 제2 가압 지류를 가열하고, 각각 상기 응축 스트림과 동일한 조성을 갖는 스트림과, 상기 응축 스트림 중에 포함되는 것보다도 높은 퍼센트의 저비점 성분을 갖는 스트림을 형성하는 제2 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열역학 사이클의 실시 장치.