KR102075550B1 - 순산소 연소 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것으로, 외부로부터 유입되는 공기를 압축하여 산소(O2)와 질소(N2)를 분리하는 공기 분리기; 상기 공기 분리기에서 공급된 산소와 연료 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 상기 작동 유체인 초임계 이산화탄소로 전달하는 연소기; 및 상기 초임계 이산화탄소를 압축시키고, 상기 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 냉각 압축기를 포함한다.
Description
본 발명은 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 관한 것이다.
기존의 복합 화력 발전 시스템은 가스터빈의 출구 온도가 500℃ 내지 600℃로 높게 유지되어, 이러한 고온의 폐열을 이용하여 유용한 일을 만들어 내고자 증기 랭킨 싸이클을 도입하였다. 하지만, 증기 랭킨 싸이클은 우수한 열 효율에도 불구하고 터빈에서 증기가 팽창할 때, 터빈 날개의 부식과 증기 터빈을 비롯한 열 교환기의 커다란 부피가 문제로 제기된다. 이에 따라, 증기를 이용하는 랭킨 싸이클이 아닌 이산화탄소를 작동 유체로 하는 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클에 대한 연구가 진행 중이다.
초임계 브레이튼 싸이클은 해당 싸이클의 모든 부분에서 작동 유체가 임계점 이상의 조건을 유지하며, 해당 싸이클의 최저운전온도와 압력 조건인 압축기 유입조건이 임계점(threshold) 바로 위에 위치하는 열역학 싸이클을 의미한다.
초임계 이산화탄소를 작동 유체로 하는 발전 시스템은, 이산화탄소의 임계점(30.98℃, 7.37MPa) 근처의 온도 및 압력 조건에서 압축 시 압축 일을 줄일 수 있어 열원의 온도가 450℃ 내지 750℃인 경우 열역학적으로 증기 랭킨 싸이클과 동등한 수준의 열효율을 보이고 있다. 또한, 발전 시스템의 전반에 걸쳐 비 체적이 작게 유지되므로 주요 구성기기인 압축기, 터빈, 열 교환기 등의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 원자력 분야를 비롯하여 태양열, 폐열 회수, 지열, 연료전지 등과 같은 다양한 열원과 연계한 발전 시스템에 대한 연구가 진행 중이다.
한편, 기존의 복합 화력 발전 시스템은 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소하여 발전시키고, 전통적으로 산화제로서 공기를 이용하는 공기 연소(air combustion)가 적용되어 왔었다. 하지만, 이러한 전통적인 공기 연소방식은 공기 내에 불활성가스인 질소가 대략 79% 정도 함유되어 있으므로 공기 연소 시 발열량 중의 상당 부분이 질소를 가열하는데 소모되어 화염 온도가 저하되고, 연소 후에 고온가스의 배출에 따른 열 손실이 상당히 크며, 아울러 배가스(flue gas) 중 이산화탄소의 농도가 13~16% 정도로 낮고, 배가스의 유량도 많아지므로 고농도의 이산화탄소 회수에 상당한 비용이 소요될 뿐만 아니라 질소 산화물(NOx)의 제거가 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 연료의 산화제로서 공기 대신에 산소 특히, 95% 이상의 순산소를 이용하여 연료를 연소시키는 순산소 연소 발전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다.
순산소 연소 발전 시스템은 기존 가스터빈 발전 시스템과 달리 연소를 연소기 내부에서 산소와 연료만을 이용하여 수행하는 시스템을 의미한다. 순산소 연소 발전 시스템은 대기 중의 공기가 아닌 순산소를 이용하여 연소를 수행하기 때문에 연소 조건 내에 질소가 존재하지 않아, 주요 환경오염 문제의 원인인 질소 산화물(NOx) 배출을 원천적으로 차단할 수 있는 친환경 발전 방법으로 주목 받고 있다.
이러한 최근의 기술 동향에 따라, 초임계 브레이튼 싸이클을 순산소 연소 발전 싸이클에 접목한 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템과 해당 발전 시스템의 효율을 향상시키기 위한 방안들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 발전 싸이클을 순환하는 초임계 이산화탄소를 압축 및 냉각시키기 위한 냉각 압축기를 구비하는 순산소 연소 발전 시스템을 제공함에 있다.
또 다른 목적은 공기 분리기(ASU)에서 발생하는 저온의 산소 및 질소를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 순산소 연소 발전 시스템을 제공함에 있다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 있어서, 외부로부터 유입되는 공기를 압축하여 산소(O2)와 질소(N2)를 분리하는 공기 분리기; 상기 공기 분리기에서 공급된 산소와 연료 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 상기 작동 유체인 초임계 이산화탄소로 전달하는 연소기; 및 상기 초임계 이산화탄소를 압축시키고, 상기 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 냉각 압축기를 포함하는 순산소 연소 발전 시스템을 제공한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 냉각 압축기는, 초임계 이산화탄소를 압축시키는 압축기와 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 열 교환 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 냉각 압축기는, 냉각 원심형 압축기 또는 냉각 측류형 압축기임을 특징으로 한다. 또한, 상기 냉각 원심형 압축기는, 임펠러(impeller)의 전단부를 냉각시키는 포워드 쿨링(forward cooling) 방식이 적용된 압축기임을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 연소기에서 배출되는 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 터빈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 터빈에서 배출되는 가스 매질과 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행하는 복열기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 복열기를 통과한 가스 매질을 냉각시키는 예냉기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 순산소 연소 발전 시스템은 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 바람직하게는, 상기 순산소 연소 발전 시스템은, 연소기에서의 연소 반응을 통해 생성된 물(H2O)을 제거하는 물 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 물 분리기는, 냉각 압축기와 연결된 유로를 통해 초임계 이산화탄소를 상기 냉각 압축기로 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 초임계 이산화탄소가 순산소 연소 발전 사이클을 반복적으로 순환함으로써, 종래의 복합 화력 발전 시스템에 비해 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 환경 오염 물질의 발생을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소 및 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 압축 과정에 필요한 압축 일(compression work)을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 전체 발전 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 순산소 연소 발전 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 전체 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 근사 등온 압축 과정과 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 3은 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압력-온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 원심형 압축기의 구성을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 측류형 압축기의 구성을 도시하는 도면;
도 6은 냉각 압축기에서 저온의 산소 및 질소를 적용한 냉각 위치를 예시하는 도면;
도 7은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 온도-엔트로피 변화와 압력-압축 일 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 8은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 압축 일과 순 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 근사 등온 압축 과정과 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 3은 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압력-온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 원심형 압축기의 구성을 도시하는 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 측류형 압축기의 구성을 도시하는 도면;
도 6은 냉각 압축기에서 저온의 산소 및 질소를 적용한 냉각 위치를 예시하는 도면;
도 7은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 온도-엔트로피 변화와 압력-압축 일 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 8은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 압축 일과 순 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면;
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 발전 싸이클을 순환하는 초임계 이산화탄소를 냉각 및 압축시키는 냉각 압축기를 구비하는 순산소 연소 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 공기 분리기(ASU)에서 발생하는 저온의 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 순산소 연소 발전 시스템을 제안한다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전 시스템(100)은 공기 분리기(Air Separation unit, 110), 연소기(Combustor, 120), 터빈(turbine, 130), 발전기(generator, 140), 복열기(recuperator, 150), 예냉기(precooler, 160), 물 분리기(water separator, 170) 및 냉각 압축기(cooling compressor, 180) 등을 포함할 수 있다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 순산소 연소 발전 시스템(100)은 해당 발전 시스템(100)을 구성하는 장치들(110~190)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
공기 분리기(110)는 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 미리 결정된 압력으로 압축시킨 다음, 압축 공기 주변의 온도를 떨어뜨려 끊는 점 차이를 이용하여 산소(O2), 질소(N2) 및 아르곤(Ar) 등을 분리할 수 있다.
공기 분리기(110)는 냉각 압축기(180)와 연결된 제1 유로를 통해 저온의 순산소(O2)를 제공할 수 있다. 또한, 공기 분리기(110)는 냉각 압축기(180)와 연결된 제2 유로를 통해 저온의 질소(N2)를 제공할 수 있다.
연소기(120)는 공기 분리기(110)에서 공급된 순산소(O2)를 이용하여 연료 공급부(미도시)에서 주입되는 연료(가령, CH4)를 연소시킬 수 있다. 이때, 산소와 연료는 별도의 압축기(미도시)를 거쳐 연소기(120)로 공급될 수 있다. 이는 연소기(120) 내부로 주입되는 산소와 연료의 압력을 연소기(120)의 내부 압력과 동일하거나 혹은 그 이상으로 높이기 위함이다.
연소기(120)에서는 하기 반응식의 연소 반응을 통해 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)가 발생하게 된다.
[반응식]
연소기(120)는 연료(CH4)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)를 가열할 수 있다. 상기 이산화탄소(CO2)는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소(S-CO2)로 된다. 상기 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소(S-CO2)는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다.
연소기(120)는 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)와 연소 반응 생성물인 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)를 포함하는 고온/고압의 가스 매질을 터빈(130)으로 출력할 수 있다.
터빈(130)은 연소기(120)에서 출력된 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈(130)의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
터빈(130)에는, 냉각 압축기(180)와 마찬가지로, 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 본 실시 예에서, 상기 터빈(130)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 이에 제한되지는 않는다. 다단 축류식 터빈의 기본 구조는 증속류를 만들어 내는 정익과 그것을 회전 에너지로 변환시키는 동익으로 구성되며, 고온/고압의 가스 매질을 서서히 증속 팽창시켜 회전 에너지를 추출해 낸다.
터빈(130)을 통해 획득한 기계적 에너지는 냉각 압축기(180)에서 이산화탄소를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(140)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.
발전기(140)는 터빈(130)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(140)는 터빈(130)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(140)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.
복열기(150)는 터빈(130)에서 배출되는 가스 매질과 냉각 압축기(180)에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행할 수 있다. 즉, 복열기(150)는 터빈(130)에서 배출되는 가스 매질의 열을 흡수하여 냉각 압축기(180)에서 배출되는 이산화탄소로 전달할 수 있다. 이러한 복열기(150)는 초임계 이산화탄소를 이용한 발전 시스템(100)에서 외부로 낭비되는 열의 양을 최소함으로써, 해당 발전 시스템(100)의 열 효율을 개선하는데 도움을 주게 된다.
복열기(150)는 터빈(130)과 연결된 유로를 통해 수신된 가스 매질을 예냉기(160)로 제공할 수 있다. 또한, 복열기(150)는 냉각 압축기(180)와 연결된 유로를 통해 수신된 이산화탄소를 연소기(120)로 제공할 수 있다.
예냉기(160)는, 복열기(150)와 물 분리기(170) 사이에 배치되어, 상기 복열기(150)를 통과한 가스 매질을 냉각할 수 있다. 상기 예냉기(160)의 냉각 방식으로는 공랭식 또는 수랭식이 사용될 수 있다. 또한, 상기 예냉기(160)의 냉매로는 공기, 물(H2O), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 초임계 이산화탄소(S-CO2) 등이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.
예냉기(160)는 가스 매질을 냉각하여 물(또는 수증기, H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 상기 생성된 물과 이산화탄소를 물 분리기(170)와 연결된 유로를 통해 제공할 수 있다.
물 분리기(170)는 예냉기(160)와 연결된 유로를 통해 수신된 물과 이산화탄소 중에서 물을 분리할 수 있다. 이에 따라, 물 분리기(170)는 냉각 압축기(180)와 연결된 유로를 통해 이산화탄소만을 제공할 수 있다.
냉각 압축기(또는 근사등온 압축기(near-isothermal compressor), 180)는 터빈(130)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 물 분리기(170)로부터 유입되는 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 상기 냉각 압축기(180)를 통과한 고압의 이산화탄소 중 일부는 복열기(150)를 거쳐 연소기(120)로 주입될 수 있고, 나머지는 저장 탱크부(미도시)로 이동하여 저장될 수 있다.
냉각 압축기(180)는 공기 분리기(ASU)에서 추출되는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 이를 위해, 냉각 압축기(180)는 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키기 위한 열 교환 장치를 포함할 수 있다. 이러한 열 교환 장치를 이용하여 이산화탄소를 냉각시키면 이산화탄소의 밀도가 증가하게 되고, 밀도가 증가된 이산화탄소를 압축하게 되면 압축에 필요한 압축 일(compression work)이 감소하게 되며, 그에 따라 전체 발전 시스템의 효율을 개선할 수 있게 된다.
공기 분리기(ASU)에서 발생하는 산소와 질소가 이미 과 냉각된 상태이기 때문에, 냉각 압축기(180)는 별도의 냉각에 필요한 일을 소모하지 않고 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 냉각 압축기(180)의 외부를 통과하는 질소는 발전 시스템의 외부로 배출되고, 해당 압축기(180)의 외부를 통과하는 산소는 별도의 압축기를 거쳐 연소기(120)로 주입된다.
냉각 압축기(180)로는 축류식 압축기와 원심식 압축기 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 상기 축류식 압축기 또는 원심식 압축기의 구성 요소들에 관한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
냉각 압축기(180)는 터빈(130)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 냉각 압축기(180)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과, 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.
이처럼, 초임계 이산화탄소는 순산소 연소 발전 사이클인 연소기(120), 터빈(130), 복열기(150), 예냉기(160), 물 분리기(170) 및 냉각 압축기(180)를 순차적으로 순환하면서 에너지를 생산하게 된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전 시스템은, 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 압축 과정에 필요한 압축 일을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 전체 발전 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 근사 등온 압축 과정과 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이고, 도 3은 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압력-온도 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 압축 과정에서는 압축기를 통해 이산화탄소를 압축하게 되면 압축 시 발생하는 열로 인하여 작동 유체인 이산화탄소의 온도가 상승하게 된다. 하지만, 본 발명에 따른 근사 압축 과정에서는 저온의 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키게 되면 엔트로피가 감소하며 작동 유체인 이산화탄소의 온도가 완만하게 상승하게 된다. 따라서, 근사 압축 과정을 적용한 이산화탄소의 온도는 기존 압축 과정에 비해 약 12℃ 정도 낮아지게 된다. 그 결과, 주어진 설계 조건에서 약 9% 이상의 압축 일 감소 효과를 획득할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클에서는 압력이 증가함에 따라 온도가 증가하는 폭이 큰 반면, 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클에서는 압력이 증가함에 따라 온도가 증가하는 폭이 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클은 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클에 비해 효율이 개선되는 것을 기대할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 원심형 압축기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 원심형 압축기는 임펠러(Impeller, 410), 슈라우드(Shroud, 420), 허브(Hub, 430), 디퓨저(Diffuser, 440) 및 와류실(collector scroll, 450) 등으로 구성된 원심형 압축기(400)와 상기 원심형 압축기(400)를 냉각시키기 위한 열 교환 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
원심형 압축기(400)는 원심력을 이용하여 작동 유체인 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 원심형 압축기(400)는 임펠러(410)가 고속으로 회전하면서 임펠러(410) 중심 근처의 흡입구로부터 이산화탄소를 흡입하고, 회전에 의한 원심력을 이용하여 이산화탄소를 바깥쪽으로 밀어내면서 속도를 증가시켜 디퓨저(440) 부분으로 이동시킨다. 디퓨저(440)에서는 이산화탄소(유체)의 속도에 의한 운동 에너지가 압력 에너지로 변환되며, 압력 에너지로 변환된 이산화탄소는 와류실(450)을 거쳐 배출구로 출력된다.
열 교환 장치는 냉매를 원심형 압축기(400)의 임펠러(410) 주변으로 통과시키면서 해당 압축기(400)에 의해 압축되는 이산화탄소(CO2)를 냉각시킬 수 있다. 이때, 상기 열 교환 장치는 공기 분리기(110)에서 발생하는 저온의 산소와 질소를 냉매로 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 측류형 압축기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 측류형 압축기는 복수의 동익들(rotors, 510)과 복수의 정익들(stators, 520)이 다단으로 구성된 측류형 압축기(500)와, 상기 측류형 압축기(500)를 냉각시키기 위한 열 교환 장치(미도시)를 포함할 수 있다.
동익(510)은 유체의 흐름을 직선으로 유도하는 역할을 수행하고, 정익(520)은 전방에서 흡입된 유체의 속도를 감소하여 압력을 상승시키는 역할을 수행한다.
측류형 압축기(500)는 베르누이 원리(Bernoulli's theorem)를 이용하여 작동 유체인 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 즉, 동익(510)의 각 루트 사이에 유체 통로를 형성하고, 이 유체 통로 단면은 입구가 좁고 출구가 넓게 형성된다. 외부로부터 유입되는 유체가 이 통로를 지나게 되면, 베르누이 원리에 의한 확산 작용에 따라 유체의 속도 에너지 일부가 압력 에너지로 변화되어 속도가 감소하고 압력의 증가를 얻을 수 있게 된다.
열 교환 장치는 냉매를 측류형 압축기(500)의 정익(520) 주변으로 통과시키면서 해당 압축기(500)에 의해 압축되는 이산화탄소(CO2)를 냉각시킬 수 있다. 이때, 상기 열 교환 장치는 공기 분리기(110)에서 발생하는 저온의 산소와 질소를 냉매로 사용할 수 있다.
도 6은 냉각 압축기에서 저온의 산소 및 질소를 적용한 냉각 위치를 예시하는 도면이고, 도 7은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 온도-엔트로피 변화와 압력-압축 일 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이며, 도 8은 냉각 압축기의 냉각 위치에 따른 압축 일과 순 효율을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다. 본 실시 예에서, 상기 냉각 압축기는 냉각 원심형 압축기임을 가정하여 설명하도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 저온의 산소와 질소를 이용하여 냉각 압축기를 냉각하는 방식으로는, 임펠러(impeller)의 전체를 고르게 냉각시키는 이븐 쿨링(even cooling) 방식, 임펠러의 전단부를 냉각시키는 포워드 쿨링(forward cooling) 방식, 임펠러의 중앙부를 냉각시키는 센터 쿨링(center cooling) 방식, 임펠러의 후단부를 냉각시키는 백 쿨링(back cooling) 방식이 있다. 네 가지의 쿨링 방식들 중 어느 하나의 방식이 냉각 압축기에 적용될 수 있다. 냉각 압축기에 적용된 쿨링 방식의 종류에 따라 이산화탄소를 압축하는데 필요한 압축 일이 가변하게 된다.
네 가지의 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정들과 기존의 압축 과정을 시뮬레이션한 결과, 상기 근사 등온 압축 과정들의 온도-엔트로피 변화에 관한 그래프들과 상기 기존 압축 과정의 온도-엔트로피 변화에 관한 그래프는 서로 다른 형태를 갖는 것을 확인할 수 있다. 가령, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 기존의 압축 과정에서는 압축기를 통해 이산화탄소를 압축하게 되면 엔트로피가 증가하여 이산화탄소의 온도가 급격하게 상승하게 된다. 이에 반해, 네 가지의 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 냉각 압축기를 통해 이산화탄소를 압축하게 되면 엔트로피가 감소하게 되어 최종 이산화탄소의 온도가 낮아지게 된다.
다만, 이븐 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러 전체를 고르게 냉각하기 때문에 압축 과정 전체에 걸쳐 이산화탄소 온도가 완만하게 상승하게 된다. 포워드 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 전단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 전반부에는 이산화탄소의 온도가 느리게 상승하게 되고, 압축 과정의 중반부와 후반부에는 이산화탄소의 온도가 빠르게 상승하게 된다.
센터 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 중앙부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 중반부에는 이산화탄소의 온도가 느리게 상승하고, 압축 과정의 초반부와 후반부에는 이산화탄소의 온도가 빠르게 상승하게 된다. 또한, 백 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 후단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 후반부에는 이산화탄소의 온도가 느리게 상승하고, 압축 과정의 초반부와 중반부에는 이산화탄소의 온도가 빠르게 상승하게 된다.
또한, 네 가지의 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정들을 시뮬레이션한 결과, 상기 근사 등온 압축 과정들의 압력-압축 일 변화에 관한 그래프들은 서로 다른 형태를 갖는 것을 확인할 수 있다. 가령, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 이븐 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러 전체를 고르게 냉각하기 때문에 압축 과정 전체에 걸쳐 압축 일(compression work)이 완만하게 상승하게 된다. 포워드 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 전단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 전반부에는 압축 일이 크게 증가하지 않지만, 압축 과정의 중반부와 후반부에는 압축 일 빠르게 증가하게 된다.
센터 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 중앙부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 중반부에는 압축 일이 크게 증가하지 않지만, 압축 과정의 초반부와 후반부에는 압축 일이 빠르게 증가하게 된다. 또한, 백 쿨링 방식을 적용한 근사 등온 압축 과정에서는 임펠러의 후단부를 냉각시키기 때문에 압축 과정의 후반부에는 압축 일이 크게 증가하지 않지만, 압축 과정의 초반부와 중반부에는 압축 일이 빠르게 증가하게 된다.
한편, 상기 근사 등온 압축 과정들을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클과 기존의 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클을 시뮬레이션한 결과, 상기 순산소 연소 발전 싸이클들의 압축 일과 순 효율이 서로 상이함을 확인할 수 있다. 가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 포워드 쿨링 방식의 근사 등온 압축 과정을 적용한 순산소 연소 발전 싸이클의 압축 일이 가장 작고, 순 효율이 가장 높음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 순산소 연소 발전 시스템은 포워드 쿨링 방식을 갖는 냉각 압축기를 사용하는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 순산소 연소 발전 시스템의 동작 프로세스를 설명하는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 순산소 연소 발전 시스템은, 폐 루프 사이클(Closed Loop Cycle)을 갖는 발전 시스템으로서, 공기 분리기, 연소기, 터빈, 발전기, 복열기, 예냉기, 물 분리기, 냉각 압축기 및 제어 장치 등을 포함할 수 있다. 이하 본 실시 예에서, 상기 제어 장치는 초임계 이산화탄소를 동작 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
순산소 연소 발전 시스템을 구성하는 장치들의 준비가 완료되면, 제어 장치는 시스템 운용자의 제어 명령 등에 따라 순산소 연소 발전 시스템의 동작을 개시할 수 있다(S910).
먼저, 공기 분리기(ASU)는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 외부로부터 유입되는 공기(Air)를 압축한 다음 주변의 온도를 떨어뜨려 산소(O2)와 질소(N2)를 분리할 수 있다(S920). 상기 공기 분리기(ASU)는 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시키기 위한 산소와 질소를 냉각 압축기로 제공할 수 있다.
냉각 압축기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 물 분리기로부터 유입되는 이산화탄소를 압축할 수 있다(S930). 또한, 냉각 압축기는 공기 분리기(ASU)에서 추출된 저온의 산소와 질소를 이용하여 압축 과정의 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 이러한 압축 과정에서의 냉각을 통해 순산소 연소 발전 시스템의 압축 일을 효과적으로 감소할 수 있다. 상기 냉각 압축기를 통과한 고압의 이산화탄소는 복열기를 거쳐 연소기로 주입된다.
연소기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 공기 분리기에서 공급된 순산소(O2)를 이용하여 연료 공급부에서 주입되는 연료(가령, CH4)를 연소시킬 수 있다(S940). 또한, 연소기는 연료(CH4)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 발전 사이클의 작동 유체인 이산화탄소(CO2)를 가열할 수 있다.
터빈은, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 연소기에서 배출되는 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 터빈의 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다(S950). 터빈을 통해 획득한 기계적 에너지는 압축기에서 가스 매질을 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.
발전기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 상기 터빈에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기가 직류 발전기인 경우, 직류 전원을 생산할 수 있고, 상기 발전기가 교류 발전기인 경우, 교류 전원을 생산할 수 있다.
복열기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 터빈에서 배출되는 가스 매질과 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행할 수 있다(S960). 즉, 복열기는 터빈에서 배출되는 가스 매질의 열을 흡수하여 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소로 전달할 수 있다. 상기 복열기를 통과한 가스 매질은 예냉기를 거쳐 물 분리기로 주입된다.
물 분리기는, 제어 장치의 제어 명령에 따라, 연소기에서의 연소 반응을 통해 생성된 물(또는 수증기, H2O)을 분리할 수 있다(S970). 물 분리기는 물을 분리하고 남은 이산화탄소를 냉각 압축기로 제공할 수 있다.
이후, 제어 장치는, 시스템 운영자의 제어 명령에 따라 발전 시스템의 동작이 종료될 때까지, 상술한 920 단계 내지 970 단계의 동작을 반복적으로 수행할 수 있다(S980).
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100: 순산소 연소 발전 시스템 110: 공기 분리기
120: 연소기 130: 터빈
140: 발전기 150: 복열기
160: 예냉기 170: 물 분리기
180: 냉각 압축기
120: 연소기 130: 터빈
140: 발전기 150: 복열기
160: 예냉기 170: 물 분리기
180: 냉각 압축기
Claims (10)
- 초임계 이산화탄소(S-CO2)를 작동 유체로 하는 순산소 연소 발전 시스템에 있어서,
외부로부터 유입되는 공기를 압축하여 산소(O2)와 질소(N2)를 분리하는 공기 분리기;
상기 공기 분리기에서 공급된 산소와 연료 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 상기 작동 유체인 초임계 이산화탄소로 전달하는 연소기; 및
상기 초임계 이산화탄소를 압축시킴과 동시에, 상기 공기 분리기에서 발생하는 저온의 산소와 질소 중 적어도 하나를 이용하여 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 냉각 압축기를 포함하고,
상기 냉각 압축기는, 상기 초임계 이산화탄소를 압축시키는 압축기와 상기 압축 과정의 초임계 이산화탄소를 냉각시키는 열 교환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 냉각 압축기는, 냉각 원심형 압축기 또는 냉각 측류형 압축기임을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 냉각 원심형 압축기는, 임펠러(impeller)의 전단부를 냉각시키는 포워드 쿨링(forward cooling) 방식이 적용된 압축기임을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연소기에서 배출되는 고온/고압의 가스 매질이 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 터빈을 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 터빈에서 배출되는 가스 매질과 상기 냉각 압축기에서 배출되는 이산화탄소 간의 열 교환을 수행하는 복열기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 복열기를 통과한 가스 매질을 냉각시키는 예냉기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 터빈과 축으로 연결되어 회전 구동하며, 상기 터빈으로부터 전달 받은 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 연소기에서의 연소 반응을 통해 생성된 물(H2O)을 제거하는 물 분리기를 더 포함하는 순산소 연소 발전 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 물 분리기는, 상기 냉각 압축기와 연결된 유로를 통해 상기 초임계 이산화탄소를 상기 냉각 압축기로 제공하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소 발전 시스템.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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