KR102459374B1 - 개조 석탄 화력 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개조 석탄 화력 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법에 관한 것으로, 가스터빈 출구의 고온 배기 가스를 보일러의 연소용 가스로 활용하고, 보일러에서도 일부 미분탄을 연소하여 발전하는 배기 재연방식의 개조 시스템에서 보일러의 배출 가스와 급수와의 열교환을 통해 냉각된 배출 가스의 일부분, 그리고 가스 터빈 배출가스의 일부분을 이용하여 순환 가스를 생성하며, 상기 순환 가스를 순환시켜 상기 석탄 화력 발전 장치로 전달하는 순환 장치; 및 상기 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량을 포함하는 석탄 정보를 저장하고, 상기 석탄 종류를 입력받아 상기 석탄 정보에 따른 제어 조건을 설정하며, 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 조절하는 제어 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 개조 석탄 화력 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법에 관한 것이다.
우리나라는 온실가스, 미세먼지 및 대기환경 배출물에 관련된 문제로 인해 30년 이상 경과된 노후 석탄화력 발전소에 대한 조기 폐지를 계획하고 있다.
국내의 주요 대용량 노후 석탄 화력 발전소의 현황은 [표 1]과 같으며, 특히 500MW 표준 석탄 화력 발전소 20개 호기가 불과 몇 년 이내에는 폐지 대상에 포함된다.
[표 1 : 국내 노후 석탄 화력 발전소]
그러나, 500MW 표준 석탄화력 발전소 20개 호기는 현재 물리적으로 큰 문제 없이 운영되고 있고, 그동안 설비개선을 통해 잔존 수명이 많이 남아있는 석탄 화력 발전소를 폐지하는 것은 국가에 경제적인 큰 손실로 예상된다.
이에 대한 대책으로, 석탄 화력 발전소의 단순 연료 전환(석탄→가스) 또는 혼소(석탄+가스)가 제안되고 있으나, 이런 방법은 비싼 천연 가스를 열역학적 효율이 낮은 Rankine cycle에 운전하게 되므로 경제성이 매우 낮은 문제점이 있다.
도 1은 종래의 석탄 화력 발전 장치를 나타낸 개념도로서, 종래의 석탄 화력 발전 장치(10)는 미분기(11), 보일러(12), 터빈(13), 복수기(14), 급수가열기(15), 공기 예열기(16) 및 송풍기(17) 등으로 구성된다.
여기서, 보일러의 Primary 공기는 석탄을 이송하고 건조하는 역할을 하는데, 공기 예열기에서 열을 흡수하여 석탄을 가열함으로써 수분을 증발시키고 쉽게 미분이 되도록 하는 역할을 한다.
최근, Rankine cycle 발전 시스템을 배기재연식 발전 시스템으로 개조하는 기술도 검토되고 있으나, 이 기술은 기본적으로 공기 예열기가 철거되어야 하기 때문에 미분탄의 이송 및 건조를 위한 Primary 공기 계통이 필수적으로 요구되는 석탄 화력 발전 장치에는 적용이 불가하다.
이러한 제약 때문에, 배기재연식 발전 시스템으로의 개조는 가스 연소 또는 오일 연소 발전 시스템에만 적용이 가능한 실상이다.
[표 2 : 연료에 따른 배기재연식 개조 가능 유무 비교]
한편, 도 2는 배기재연식으로 개조한 가스 또는 오일 연소 발전 장치(20)를 나타낸다.
종래의 가스 또는 오일 연소 발전 장치는 종래의 석탄 화력 발전 장치(10)와 동일한 구조를 가지는데, 이를 배기재연식으로 개조하기 위해서 공기 예열기(16) 및 송풍기(17)를 제거하고, 가스 터빈(21)을 추가로 설치하였다.
그리고, 가스 터빈(21)의 배기 가스를 보일러(12)로 주입하여 공기 예열기(16) 및 연소용 송풍기(17)의 역할을 대체해 가스 또는 오일 연소 발전 장치(20)는 복합사이클을 통하여 출력 및 성능이 증대되었다.
따라서, 가스 또는 오일 연소 발전 장치(20)에 적용된 방법을 종래의 석탄 화력 발전 장치(10)에도 적용할 수 있다면 석탄 소비를 획기적으로 낮추면서도 발전효율을 크게 향상할 수 있으므로, 종래의 석탄 화력 발전 장치(10)를 배기재연식으로 개조하기 위한 기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 연소에서 생성된 배출 가스를 순환하여 연소에 다시 이용하는 개조 석탄 화력 발전 시스템 및 이를 이용한 발전 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 석탄 화력 발전 시스템은, 가스터빈 출구의 고온배기가스를 보일러의 연소용 가스로 활용하고 보일러에서도 일부 미분탄을 연소하여 발전하는 배기 재연방식으로의 개조에서,
상기 연소에서 생성되는 배출 가스에 추출한 유량의 일부와, 상기 배출 가스와 급수와의 열교환을 통해 냉각된 배출 가스 중 추출한 유량의 일부분, 그리고 가스터빈의 배기가스에서 추출한 유량의 일부분을 발전소의 탄종, 운전상황에 따라 적정하게 혼합하여 재순환함으로써 석탄의 이송, 예열, 분쇄에 활용할 수 있도록 하는 시스템; 및 상기 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량을 포함하는 석탄 정보를 저장하고, 상기 석탄 종류를 입력받아 상기 석탄 정보에 따른 제어 조건을 설정하며, 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 조절하는 제어 장치를 포함한다.
상기 배출 가스는 제1 배출 가스 및 제2 배출 가스로 구분되고, 상기 제1 배출 가스는, 상기 연소에서 생성된 가스이며, 상기 제2 배출 가스는, 상기 배출 가스와 급수의 열교환에서 생성된 가스이다.
상기 석탄 화력 발전 장치는, 상기 미분탄을 생성하는 미분기; 상기 미분탄을 연소하여 수증기 및 상기 제1 배출 가스를 생성하는 보일러; 상기 보일러에서 생성된 상기 수증기를 이용하여 발전하는 발전 터빈; 및 상기 제1 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 상기 급수를 가열하고, 상기 제2 배출 가스를 외부로 배출하는 급수 가열부를 포함한다.
상기 순환 장치는, 연료를 연소하여 생성된 제1 순환 가스를 제1 유입 라인을 통해 상기 보일러의 상기 연소 영역으로 공급하는 가스 터빈; 및 제2 순환 가스, 제3 순환 가스, 제4 순환 가스 및 제5 순환 가스를 생성하고, 상기 제5 순환 가스를 상기 미분기로 공급하여 상기 석탄을 건조하며, 상기 제5 순환 가스를 이용하여 상기 미분탄을 제2 유입 라인을 통해 상기 보일러로 이동시키는 순환부를 포함하고,
상기 순환 가스는, 상기 제1 순환 가스 내지 상기 제5 순환 가스로 구분되며, 상기 제1 순환 가스는, 상기 가스 터빈에서 상기 연료의 연소에 의해 생성된 가스이고, 상기 제2 순환 가스는, 상기 제1 배출 가스를 일부 추출한 가스이며, 상기 제3 순환 가스는, 상기 제1 순환 가스와 상기 제2 순환 가스를 혼합한 가스이고, 상기 제4 순환 가스는, 상기 제2 배출 가스를 일부 추출한 가스이며, 상기 제5 순환 가스는, 상기 제3 순환 가스와 상기 제4 순환 가스를 혼합한 가스이다.
상기 순환부는, 상기 제1 순환 가스 및 상기 제2 순환 가스가 유입되어 상기 제3 순환 가스를 생성하는 제1 혼합 챔버; 상기 제1 유입 라인과 연결되어 상기 제1 순환 가스를 상기 제1 혼합 챔버로 유입하는 제1 순환 라인; 상기 제1 순환 라인에 결합되어 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 양을 조절하는 제1 댐퍼; 상기 제1 배출 가스가 배출되는 상기 보일러의 제1 배출 라인과 연결되어 상기 제1 배출 가스를 소정 추출하여 상기 제2 순환 가스를 생성하고, 상기 제2 순환 가스를 상기 제1 혼합 챔버로 유입하는 제2 순환 라인; 및 상기 제2 순환 라인에 결합되어 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 양을 조절하는 제2 댐퍼를 포함한다.
또한, 상기 순환부는, 상기 제3 순환 가스와 상기 제4 순환 가스가 유입되어 상기 제5 순환 가스를 생성하는 제2 혼합 챔버; 상기 제1 혼합 챔버와 연결되어 상기 제3 순환 가스를 상기 제2 혼합 챔버로 유입하는 제3 순환 라인; 상기 제2 배출 가스가 배출되는 상기 급수 가열부의 제2 배출 라인과 연결되어 상기 제2 배출 가스를 소정 추출하여 상기 제4 순환 가스를 생성하고, 상기 제4 순환 가스를 상기 제2 혼합 챔버로 유입하는 제4 순환 라인; 및 상기 제4 순환 라인에 결합되어 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 양을 조절하는 제3 댐퍼를 더 포함한다.
여기서, 상기 제1 순환 가스의 온도는 상기 제1 배출 가스의 온도 보다 높고, 상기 제1 배출 가스의 온도는 상기 제2 배출 가스의 온도 보다 높다.
또한, 상기 순환부는, 상기 석탄을 건조하기 위해 상기 제5 순환 가스를 상기 미분기로 유입하는 제5 순환 라인; 및 상기 제5 순환 라인과 결합되어 상기 제5 순환 가스를 상기 미분기로 전달하는 제1 송풍기를 더 포함하고, 상기 제5 순환 가스는 상기 미분기를 통과하여 상기 미분탄과 함께 상기 제2 유입 라인으로 이동하여 상기 보일러로 유입된다.
상기 순환 장치는, 외부 공기를 상기 연소 영역으로 공급하는 제2 송풍기를 더 포함한다.
상기 제어 장치는, 상기 미분기로 유입되는 상기 석탄의 유입량을 측정하고,
상기 미분탄과 함께 상기 제2 유입 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정하며, 상기 제5 순환 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 온도를 측정하여, 상기 제5 순환 가스가 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환을 제어한다.
또한, 상기 제어 장치는, 상기 석탄 정보를 저장하는 데이터 베이스부; 상기 석탄의 종류를 입력받고, 상기 석탄 정보를 이용하여 상기 미분기로 유입되는 석탄의 유입량에 따른 상기 제어 조건을 설정하는 제어 조건 설정부; 상기 석탄의 유입량을 측정하는 제1 측정부; 상기 제5 순환 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 온도를 측정하는 제2 측정부; 상기 제2 유입 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정하는 제3 측정부; 및 상기 제1 내지 제3 측정부의 측정 결과에 따라 상기 제5 순환 가스가 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 제1 내지 제3 댐퍼를 제어하는 제어부를 포함한다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 제1 순환 가스의 유입량을 제어하여 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 조절하고, 상기 제2 순환 가스 및 상기 제4 순환 가스의 유입량을 제어하여 상기 제5 순환 가스의 온도를 조절한다.
여기서, 상기 제어 조건은, 상기 석탄의 종류 및 유입량에 따른 상기 제5 순환 가스의 온도에 대한 제1 기준 범위 및 상기 제5 순환 가스의 산소 농도에 대한 제2 기준 범위를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위에 포함되고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 상기 제2 기준 범위로 조절한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 상기 제2 기준 범위로 형성하는 중에, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이 되는 경우, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위에 포함되고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위 미만인 경우, 상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 조절한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 형성하는 중에, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하는 경우, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절하고, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키며, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절하는 중에, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제2 기준 범위 미만이 되면, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위 미만인 경우, 상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 조절하고, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이고, 상기 제3 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위를 초과하는 경우, 상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 상기 제2 기준 범위로 조절하고, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위에 포함되는 경우, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위 미만인 경우, 상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 조절하고, 상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키며, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절한다.
또한, 상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 발전 방법은, 석탄 화력 발전 장치에 유입되는 석탄 정보를 이용하여 제어 조건을 설정하는 단계; 석탄을 분쇄하여 미분탄을 생성하는 단계; 상기 미분탄을 연소하는 단계; 상기 연소에 의해 생성된 배출 가스를 이용하여 발전하는 단계; 상기 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 상기 급수를 가열하는 단계; 상기 배출 가스를 이용하여 순환 가스를 생성하고, 상기 연소에 이용하기 위해 상기 순환 가스를 순환하는 단계; 및 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 석탄 정보는, 상기 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량을 포함하며, 상기 제어 조건은, 상기 미분탄의 착화에 필요한 상기 순환 가스의 온도 및 산소 농도이고, 상기 순환 가스는, 상기 석탄을 건조하며, 착화에 필요한 온도로 상기 미분탄을 예열하고, 연소 영역으로 상기 미분탄과 상기 미분탄의 착화에 필요한 산소를 공급하는 가스이다.
상기 제어 조건을 설정하는 단계는, 상기 석탄 화력 발전 장치에 유입되는 상기 석탄의 종류를 입력받는 단계; 및 상기 석탄의 종류에 대하여 유입량의 변화에 따른 상기 제어 조건을 설정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 제어하는 단계는, 상기 석탄의 유입량을 측정하는 단계; 상기 순환 가스의 온도 및 산소 농도를 측정하는 단계; 및 측정 결과에 따라 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 산소 농도를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 석탄 화력 발전 시스템 및 방법에 따르면,
첫째, 순환부에 의해 석탄 소비율을 획기적으로 낮추면서 발전효율은 크게 향상 시킬 수 있다.
둘째, 가스 터빈에서 생성된 유입 가스를 연소 및 순환에 이용하여 석탄 사용량을 줄이고, 발전 효율을 높일 수 있다.
셋째, 배출 가스를 순환하여 석탄의 종류마다 착화에 필요한 예열 온도 및 산소 농도를 조절하여 발전 효율을 높일 수 있다.
넷째, 석탄의 유입량에 따라 순환 가스의 유량을 조절할 수 있어 미분탄의 효과적인 운반이 가능하다.
도 1은 종래의 석탄 화력 발전 장치를 대략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 종래의 가스 또는 오일 연소 발전 시스템을 배기재연식으로 개조되는 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄 화력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 석탄 화력 발전 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제어 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 석탄 화력 발전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 도 6에 도시된 제어 조건을 하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 도 6에 도시된 순환 가스를 생성하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 도 6에 도시된 순환 가스의 온도, 유량 및 산소 농도를 제어하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 종래의 가스 또는 오일 연소 발전 시스템을 배기재연식으로 개조되는 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄 화력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 석탄 화력 발전 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제어 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 석탄 화력 발전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 도 6에 도시된 제어 조건을 하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 도 6에 도시된 순환 가스를 생성하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 도 6에 도시된 순환 가스의 온도, 유량 및 산소 농도를 제어하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성 요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄 화력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 석탄 화력 발전 장치와 순환 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이며, 도 5는 도 3에 도시된 제어 장치를 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 개조 석탄 화력 발전 시스템(1000)을 설명한다.
본 발명의 개조 석탄 화력 발전 시스템(1000)은 석탄 화력 발전 장치(100), 순환 장치(200) 및 제어 장치(300)를 포함한다.
석탄 화력 발전 장치(100)는 석탄을 분쇄한 미분탄을 연소하여 발전하고, 연소에서 생성되는 배출 가스를 이용하여 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 온수를 생성한다.
여기서, 석탄 화력 발전 장치(100)는 배기 재연식을 적용하기 위해 도 1에 도시된 종래의 석탄 화력 발전 장치(10)에서 공기 예열기(16) 및 연소용 송풍기(17)를 제거한 장치이다.
배출 가스는 제1 배출 가스 및 제2 배출 가스로 구분되고, 제1 배출 가스는, 보일러(120)에서 배출되는 가스이며, 제2 배출 가스는, 제1 배출 가스가 급수를 가열하고 냉각되어 배출되는 가스이다.
여기서, 제2 배출 가스는 제1 배출 가스가 급수와의 열교환을 수행한 이후의 가스로, 제1 배출 가스와 제2 배출 가스는 구성 성분은 동일하나 온도에서 차이를 보인다.
석탄 화력 발전 장치(100)는 미분기(110), 보일러(120), 발전 터빈(130) 및 급수 가열부(140)를 포함한다.
미분기(110)는 석탄을 분쇄하여 미분탄을 생성하고, 보일러(120)는 연소 영역(121)에서 미분탄을 연소하여 수증기 및 제1 배출 가스를 생성하며, 발전 터빈(130)은 보일러(120)에서 생성된 수증기로 발전하며, 급수 가열부(140)는 급수와 제1 배출 가스의 열교환을 통해 급수를 가열하고, 제2 배출 가스를 외부로 배출한다.
순환 장치(200)는 석탄 화력 발전 장치(100)와 결합되고, 배출 가스를 이용하여 순환 가스를 생성하며, 석탄의 이송, 예열, 분쇄 및 연소에 다시 이용하기 위해 순환 가스를 순환시켜 미분기(110)에 전달한다.
여기서, 순환 가스는, 석탄을 건조하고, 착화에 필요한 온도로 미분탄을 예열하며, 석탄 화력 발전 장치(100)의 연소 영역(121)으로 미분탄을 운반하면서 미분탄의 착화에 필요한 산소도 같이 공급한다.
순환 장치(200)는 가스 터빈(210), 순환부(220) 및 제2 송풍기(230)를 포함한다.
가스 터빈(210)은 연료를 연소하여 생성된 제1 순환 가스를 제1 유입 라인(211)을 통해 보일러(120)의 연소 영역(121)으로 공급하고,
순환부(220)는 제1 배출 가스와 제2 배출 가스를 이용하여 제2 순환 가스, 제3 순환 가스, 제4 순환 가스 및 제5 순환 가스를 생성하고, 제5 순환 가스를 미분기(110)로 공급하여 석탄을 건조하며, 제5 순환 가스를 이용하여 미분탄을 제2 유입 라인(111)을 통해 보일러(120)로 이동시킨다.
순환 가스는, 제1 순환 가스 내지 제5 순환 가스로 구분되고, 제1 순환 가스는, 가스 터빈(210)에서 연소에 의해 생성되는 가스이며,
제1 순환 가스는, 가스 터빈(210)에서 연료의 연소에 의해 생성된 가스이고,
제2 순환 가스는, 제1 배출 가스를 일부 추출한 가스이며, 제3 순환 가스는, 제1 순환 가스와 제2 순환 가스를 혼합한 가스이고,
제4 순환 가스는, 제2 배출 가스를 일부 추출한 가스이며, 제5 순환 가스는, 제3 순환 가스와 제4 순환 가스를 혼합한 가스이다.
순환부(220)는 제1 혼합 챔버(221), 제1 순환 라인(222), 제2 순환 라인(223), 제2 혼함 챔버(224), 제3 순환 라인(225), 제4 순환 라인(226), 제5 순환 라인(227) 및 제1 송풍기(228)를 포함한다.
제1 혼합 챔버(221)는, 제1 순환 가스와 제2 순환 가스가 유입되어 제3 순환 가스를 생성한다.
제1 순환 라인(222)은 제1 유입 라인(211)과 연결되어 제1 순환 가스를 제1 혼합 챔버(221)로 유입하고, 제1 댐퍼(222a)를 포함한다. 제1 댐퍼(222a)는 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 양을 조절한다.
제2 순환 라인(223)은 제1 배출 가스가 배출되는 보일러(120)의 제1 배출 라인(122)과 연결되어 제1 배출 가스를 소정 추출하여 제2 순환 가스를 생성하고, 제2 순환 가스를 제1 혼합 챔버(221)로 유입한다.
그리고, 제2 순환 라인(223)은 제2 댐퍼(223a)를 포함하고, 제2 댐퍼(223a)는 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 양을 조절한다.
제2 혼합 챔버(224)는 제3 순환 가스와 제4 순환 가스가 유입되어 제5 순환 가스를 생성한다.
제3 순환 라인(225)은 제1 혼합 챔버(221)와 연결되어 제3 순환 가스를 제2 혼합 챔버(224)로 유입하고, 제4 순환 라인(226)은 제2 배출 가스가 배출되는 급수 가열부(140)의 제2 배출 라인(141)과 연결되어, 제2 배출 가스를 소정 추출하여 제4 순환 가스를 생성하고, 제4 순환 가스를 제2 혼합 챔버(224)로 유입한다.
제4 순환 라인(226)은 제3 댐퍼(226a)를 포함하고, 제3 댐퍼(226a)는 제2 혼함 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 양을 조절한다.
제5 순환 라인(227)은 석탄을 건조하기 위해 제5 순환 가스를 미분기(110)로 전달하고, 제1 송풍기(228)는 제5 순환 라인(227)과 결합되어 제5 순환 가스가 미분기(110)로 이동한다.
여기서, 제1 순환 가스의 온도는 제1 배출 가스의 온도 보다 높고, 제2 순환 가스의 온도는 제2 배출 가스의 온도 보다 높으며, 제2 배출 가스의 온도는 제1 배출 가스의 온도 보다 낮다.
그리고, 제1 순환 가스의 산소 농도는 제1 배출 가스보다 높고, 제1 배출 가스의 산소 농도는 제2 배출 가스와 동일하다.
그러나, 제1 배출 가스의 산소 농도와 제2 배출 가스의 산소 농도는 이에 한정되지 않으며 소정의 오차범위를 가질 수 있다.
제1 순환 가스, 제1 배출 가스 및 제2 배출 가스의 온도를 부등호로 표현하면, 제1 순환 가스 > 제1 배출 가스 > 제2 배출 가스로 나타낼 수 있다.
그리고, 산소 농도는 제1 순환 가스 > 제1 배출 가스 ≒ 제2 배출 가스로 나타낼 수 있다.
또한, 제5 순환 가스는, 미분기(110)를 통과하여 미분탄과 함께 제2 유입 라인(111)으로 이동하여 보일러(120)로 유입된다.
제2 송풍기(230)는 외부 공기를 보일러(120)의 연소 영역(121)으로 공급하여, 석탄 화력 발전 장치(100)의 천이 운전, 탄종 변경 및 급격한 운전 조건의 변동과 같은 다양한 운전 상황에서도 화염 안정성을 유지할 수 있다.
이렇게, 석탄 화력 발전 장치(100)는 보일러(120)에서 생성된 배출 가스와 가스 터빈(140)에서 생성된 제1 순환 가스를 통해 순환 가스를 생성해 연소에 다시 이용한다.
제1 순환 가스에는 12% 내외의 산소를 포함하기 때문에 이를 보일러의 열원 및 연소용 공기로 활용되며, 석탄 사용량을 약 50% 수준(출력보정기준)으로 감소할 수 있고, 별도의 순환 사이클을 구성하여 별도의 발전을 수행할 수 있다.
이 경우, 발전 효율은 최대 약 7% 상승할 수 있고, 발전량은 최대 약 35% 상승할 수 있으며, 이산화탄소는 약 30%, NOx SOx Dust 배출은 약 50% 저감할 수 있다.
제어 장치(300)는 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량을 포함하는 석탄 정보를 저장하고, 석탄 종류를 입력 받아 석탄 정보에 따른 제어 조건을 설정하며, 제어 조건에 대응되도록 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 조절한다.
그리고, 제어 장치(300)는 미분기(110)로 유입되는 석탄의 유입량을 측정하고, 미분탄과 함께 제2 유입 라인(111)을 통해 이동하는 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정하며, 제5 순환 라인(227)을 이동하는 제5 순환 가스의 온도를 측정하여, 제3 순환 가스가 제어 조건에 대응되도록 순환을 제어한다.
여기서, 제어 조건은, 석탄의 유입량에 따른 미분탄의 운반에 필요한 순환 가스의 유량, 미분탄의 착화에 필요한 순환 가스의 온도 및 산소 농도이다.
석탄의 유입량이 증가하면 생성되는 미분탄의 양도 많아지므로 운반에 필요한 순환 가스의 유량이 많아지게 되고, 미분탄의 양이 많아지므로 이를 예열하기 위해 더 높은 온도의 순환 가스가 필요하며, 더 많은 양의 산소가 필요하게 된다.
제어 장치(300)는 데이터 베이스부(310), 제어 조건 설정부(320), 제1 측정부(330), 제2 측정부(340), 제3 측정부(350) 및 제어부(360)를 포함한다.
데이터 베이스부(310)는 석탄 정보를 저장하고, 제어 조건 설정부(320)는 석탄 화력 발전 장치(100)로 유입되는 석탄의 종류를 입력받으며, 석탄 정보를 이용하여 미분기(110)로 유입되는 석탄의 유입량에 따른 제어 조건을 설정한다.
제1 측정부(330)는 미분기(110)로 유입되는 석탄의 유입량을 측정하고, 제2 측정부(340)는 제5 순환 라인(227)을 이동하는 제5 순환 가스의 온도를 측정하며, 제3 측정부(350)는 제5 순환 라인(227)을 이동하는 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정한다.
그리고, 제어부(360)는 제1 내지 제3 측정부(330, 340, 350)의 측정 결과에 따라 제5 순환 가스가 제어 조건에 대응되도록 제1 내지 제3 댐퍼(222a, 223a, 226a)를 제어한다.
여기서, 제어 조건은, 석탄의 종류에 따른 제5 순환 가스의 온도에 대한 제1 기준 범위, 제5 순환 가스의 산소 농도에 대한 제2 기준 범위 및 석탄의 유입량에 따른 유량 기준값을 포함한다.
석탄의 유입량이 많아지면 미분탄의 생성량도 많아지므로, 그에 따라 미분탄을 운송하기 위한 제5 순환 가스의 유량도 많아지게 된다.
따라서, 석탄의 유입량에 따라 제5 순환 가스의 유량 기준값이 다르게 적용되어 유량을 제어할 수 있다.
그리고, 제어부(360)는 제어 조건에 따라, 제1 순환 가스의 유입량을 제어하여 제5 순환 가스의 산소 농도를 제어하고, 제1 배출 가스 및 제2 배출 가스의 유입량을 제어하여 제5 순환 가스의 온도를 제어한다.
제1 내지 제3 측정부(330, 340, 350)의 측정 결과와 제어 조건에 따른 제어부(360)의 제5 순환 가스의 온도 및 산소 농도 제어하는 과정을 설명한다. 제어 상황은 8가지로 분류될 수 있다.
후술할 8가지의 제어 상황은, 항상 독립적으로 적용되지 않으며, 제어 조건에 따라 서로 상호적으로 적용될 수 있다.
첫째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위에 포함되고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위를 초과하는 경우,
제어부(360)는 제1 댐퍼(222a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절한다.
제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 형성하는 과정에서, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위 미만이 되는 경우,
제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 온도를 높여 제1 기준 범위로 조절한다.
둘째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위에 포함되고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위 미만인 경우,
제1 댐퍼(222a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 제2 기준 범위로 형성한다.
제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 형성하는 과정에서, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위를 초과하는 경우,
제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 제3 댐퍼를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 제1 기준 범위로 조절한다.
셋째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위를 초과하고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위를 초과하는 경우,
제1 댐퍼(222a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절하고,
제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키며, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 제1 기준 범위로 조절한다.
제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 형성하는 과정에서, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위 미만이 되는 경우가 발생될 수 있는데,
이 경우, 제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 온도를 높여 제1 기준 범위로 조절한다.
넷째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위를 초과하고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위에 포함되는 경우,
제어부(360)는 제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 제1 기준 범위로 조절한다.
여기서, 제2 순환 가스와 제4 순환 가스의 산소 농도는 동일하므로, 제2 순환 가스와 제4 순환의 유입량 변화는 산소 농도에 영향을 미치지 않는다.
다섯째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위를 초과하고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위 미만인 경우,
제어부(360)는 제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 제2 기준 범위로 조절하고,
제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 제1 기준 범위로 조절한다.
여섯째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위 미만이고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위를 초과하는 경우,
제어부(360)는 제1 댐퍼(222a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절하고,
제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 제5 순환 가스의 온도를 높여 제1 기준 범위로 조절한다.
일곱째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위 미만이고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위에 포함되는 경우,
제어부(360)는 제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버(224)로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 제5 순환 가스의 온도를 높여 제1 기준 범위로 조절한다.
여덟째, 제5 순환 가스의 온도가 제1 기준 범위 미만이고, 제5 순환 가스의 산소 농도가 제2 기준 범위에 포함되는 경우,
제어부(360)는 제1 댐퍼(222a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 제2 기준 범위로 조절하고,
제2 댐퍼(223a)를 제어하여 제1 혼합 챔버(221)로 유입되는 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 제3 댐퍼(226a)를 제어하여 제2 혼합 챔버로 유입되는 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 제5 순환 가스의 온도를 높여 제1 기준 범위로 조절한다.
추가적으로, 제어부(360)는 석탄의 유입량에 따라 제1 송풍기(228)를 제어하여 미분탄을 운반하기 위해 필요한 제5 순환 가스의 유량을 제어한다.
제5 순환 가스의 유량 제어를 위해, 제어 조건에는 석탄의 유입량에 따라 미분탄의 운반에 필요한 유량이 설정되어 있다.
또한, 제어부(360)는 석탄의 종류 변화나 보일러(120)의 연소 영역(121)에서 발생하는 화염의 안정도 변화를 인지하고, 이에 따라 제2 송풍기(230)를 제어하여 외부 공기를 제2 유입 라인(111)으로 유입한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3 내지 도6을 참조하여, 본 발명의 발전 방법을 설명하면,
제어 장치(300)가 석탄 화력 발전 장치(100)에 유입되는 석탄 정보를 이용하여 제어 조건을 설정한다(단계 S110).
미분기(110)가 석탄을 분쇄하여 미분탄을 생성하고(단계 S120), 가스 터빈(210)에서 배출된 제1 순환 가스를 이용하여 보일러(120)가 미분탄을 연소한다(단계 S130).
그리고, 발전 터빈(130)이 보일러(120)에서 생성된 수증기를 이용하여 발전하고(단계 S140), 급수 가열부(150)가 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 급수를 가열하며(단계 S150), 순환부(220)가 배출 가스를 이용하여 순환 가스를 생성하고, 연소에 다시 이용하기 위해 순환 가스를 순환한다(단계 S160).
이후, 제어 장치(300)가 제어 조건에 대응되도록 순환 가스의 온도, 유량 및 순환 가스에 포함된 산소 농도를 제어한다(단계 S170).
단계 S110에서, 석탄 정보는, 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량에 대한 정보를 포함하고, 제어 조건은, 미분탄의 착화에 필요한 순환 가스의 온도 및 산소 농도이다.
그리고, 단계 S160에서, 순환 가스는, 석탄을 건조하며, 착화에 필요한 온도로 미분탄을 예열하고, 보일러(120)의 연소 영역(121)으로 미분탄과 미분탄의 착화에 필요한 산소를 공급하는 가스이다.
도 7은 도 6에 도시된 제어 조건을 설정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3, 도 5 및 도 7을 참조하여 도 6에 도시된 제어 조건을 설정하는 과정(단계 S110)에 대하여 설명한다.
제어 장치(300)의 제어 조건 설정부(320)는 석탄 화력 발전 장치(100)에 유입되는 석탄의 종류를 입력 받는다(단계 S111).
그리고, 제어 조건 설정부(320)는 데이터 베이스부(310)에 저장된 석탄 정보를 이용하여 석탄의 종류에 대한 유입량의 변화에 따른 제어 조건을 설정한다(단계 S112).
단계 S112에서, 제어 조건은 석탄의 유입량에 따라 생성되는 미분탄의 생성 범위를 나누고, 각각의 범위마다 착화에 필요한 순환 가스의 온도 및 산소 농도와 미분탄을 운반하기 위한 미분탄의 유량이 설정된다.
생성되는 미분탄의 양이 많아지면 많은 양의 미분탄을 예열하기 위한 순환 가스의 온도와 산소 농도 및 유량도 더 높게 요구되므로, 각각의 범위마다 다르게 설정된다.
도 8은 도 6에 도시된 순환 가스를 순환하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3 내지 도 5 및 도 8을 참조하여 도 6에 도시된 순환 가스를 순환하는 과정(단계 S160)에 대하여 설명한다.
순환부(220)의 제1 혼합 챔버(161)에서 제3 순환 가스를 생성하고(단계 S161), 제2 혼합 챔버(162)에서 제5 순환 가스를 생성하여(단계 S162), 제5 순환 가스를 미분기(110)로 유입한다(단계 S163).
배출 가스는, 제1 배출 가스 및 제2 배출 가스로 구분되고, 제1 배출 가스는 단계 S130에서 성된 가스이고, 제2 배출 가스는, 단계 S150에서 생성된 가스이다.
또한, 순환 가스는, 제1 순환 가스 내지 제5 순환 가스로 구분되고,
제1 순환 가스는, 가스 터빈(210)에서 연료의 연소에 의해 생성된 가스이며,
제2 순환 가스는, 제1 배출 가스를 일부 추출한 가스이고, 제3 순환 가스는, 제1 순환 가스와 제2 순환 가스를 혼합한 가스이며,
제4 순환 가스는, 제2 배출 가스를 일부 추출한 가스이고, 제5 순환 가스는, 제3 순환 가스와 제4 순환 가스를 혼합한 가스이다.
도 9는 도 6에 도시된 순환 가스의 온도, 유량 및 산소 농도를 제어하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3 내지 도 5 및 도 9를 참조하여 도 6에 도시된 순환 가스의 온도, 유량 및 순환 가스에 포함된 산소 농도를 제어하는 과정(단계 S170)에 대하여 설명한다.
제어 장치(300)의 제1 측정부(330)가 석탄의 유입량을 측정하고(단계 S171), 제2 측정부(340)가 제5 순환 가스의 온도를 측정하며, 제3 측정부(350)가 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정한다(단계 S172).
그리고, 제어부(360)가 단계 S171, 단계 S172의 측정 결과에 따라 제어 조건에 대응되도록 제5 순환 가스의 온도, 유량 및 산소 농도를 제어한다(단계 S173).
여기서, 제어 조건은 석탄의 종류에 따른 제5 순환 가스의 온도에 대한 제1 기준 범위, 산소 농도에 대한 제2 기준 범위 및 석탄의 유입량에 따른 유량값을 포함한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100...석탄 화력 발전 장치 110...미분기
111...제2 유입 라인 120...보일러
121...연소 영역 122...제1 배출 라인
130...발전 터빈 140...급수 가열부
141...제2 배출 라인
200...순환 장치
210...가스 터빈 211...제1 유입 라인
220...순환부 221...제1 혼합 챔버
222...제1 순환 라인 222a...제1 댐퍼
223...제2 순환 라인 223a...제2 댐퍼
224...제2 혼합 챔버 225...제3 순환 라인
226...제4 순환 라인 226a...제3 댐퍼
227...제5 순환 라인 228...제1 송풍기
230...제2 송풍기
300..제어 장치
310...데이터 베이스부 320...제어 조건 설정부
330...제1 측정부 340...제2 측정부
350...제3 측정부 360...제어부
111...제2 유입 라인 120...보일러
121...연소 영역 122...제1 배출 라인
130...발전 터빈 140...급수 가열부
141...제2 배출 라인
200...순환 장치
210...가스 터빈 211...제1 유입 라인
220...순환부 221...제1 혼합 챔버
222...제1 순환 라인 222a...제1 댐퍼
223...제2 순환 라인 223a...제2 댐퍼
224...제2 혼합 챔버 225...제3 순환 라인
226...제4 순환 라인 226a...제3 댐퍼
227...제5 순환 라인 228...제1 송풍기
230...제2 송풍기
300..제어 장치
310...데이터 베이스부 320...제어 조건 설정부
330...제1 측정부 340...제2 측정부
350...제3 측정부 360...제어부
Claims (27)
- 석탄을 분쇄한 미분탄을 연소하여 발전하고, 상기 연소에서 생성되는 배출 가스를 이용하여 상기 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 상기 급수를 가열하는 석탄 화력 발전 장치;
상기 석탄 화력 발전 장치와 결합되고, 상기 배출 가스를 이용하여 복수의 순환 가스를 생성하며, 상기 복수의 순환 가스를 순환시켜 상기 석탄 화력 발전 장치로 전달하는 순환 장치; 및
상기 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량을 포함하는 석탄 정보를 저장하고, 상기 석탄 종류를 입력받아 상기 석탄 정보에 따른 제어 조건을 설정하며, 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 조절하는 제어 장치
를 포함하고,
상기 순환 가스는, 상기 석탄을 건조하며, 착화에 필요한 온도로 상기 미분탄을 예열하고, 상기 석탄 화력 발전 장치의 연소 영역으로 상기 미분탄과 상기 미분탄의 착화에 필요한 산소를 공급하며,
상기 제어 조건은, 상기 미분탄의 운반에 필요한 상기 순환 가스의 유량, 상기 미분탄의 착화에 필요한 상기 순환 가스의 온도 및 산소 농도인, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 배출 가스는 제1 배출 가스 및 제2 배출 가스로 구분되고,
상기 제1 배출 가스는, 상기 연소에서 생성된 가스이며,
상기 제2 배출 가스는, 상기 배출 가스와 급수의 열교환에서 생성된 가스인, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 석탄 화력 발전 장치는,
상기 미분탄을 생성하는 미분기;
상기 미분탄을 연소하여 수증기 및 상기 제1 배출 가스를 생성하는 보일러;
상기 보일러에서 생성된 상기 수증기를 이용하여 발전하는 발전 터빈; 및
상기 제1 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 상기 급수를 가열하고, 상기 제2 배출 가스를 외부로 배출하는 급수 가열부
를 포함하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 순환 장치는,
연료를 연소하여 생성된 제1 순환 가스를 제1 유입 라인을 통해 상기 보일러의 상기 연소 영역으로 공급하는 가스 터빈; 및
제2 순환 가스, 제3 순환 가스, 제4 순환 가스 및 제5 순환 가스를 생성하고, 상기 제5 순환 가스를 상기 미분기로 공급하여 상기 석탄을 건조하며, 상기 제5 순환 가스를 이용하여 상기 미분탄을 제2 유입 라인을 통해 상기 보일러로 이동시키는 순환부
를 포함하고,
상기 순환 가스는, 상기 제1 순환 가스 내지 상기 제5 순환 가스로 구분되며,
상기 제1 순환 가스는, 상기 가스 터빈에서 상기 연료의 연소에 의해 생성된 가스이고,
상기 제2 순환 가스는, 상기 제1 배출 가스를 일부 추출한 가스이며,
상기 제3 순환 가스는, 상기 제1 순환 가스와 상기 제2 순환 가스를 혼합한 가스이고,
상기 제4 순환 가스는, 상기 제2 배출 가스를 일부 추출한 가스이며,
상기 제5 순환 가스는, 상기 제3 순환 가스와 상기 제4 순환 가스를 혼합한 가스인, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 순환부는,
상기 제1 순환 가스 및 상기 제2 순환 가스가 유입되어 상기 제3 순환 가스를 생성하는 제1 혼합 챔버;
상기 제1 유입 라인과 연결되어 상기 제1 순환 가스를 상기 제1 혼합 챔버로 유입하는 제1 순환 라인;
상기 제1 순환 라인에 결합되어 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 양을 조절하는 제1 댐퍼;
상기 제1 배출 가스가 배출되는 상기 보일러의 제1 배출 라인과 연결되어 상기 제1 배출 가스를 소정 추출하여 상기 제2 순환 가스를 생성하고, 상기 제2 순환 가스를 상기 제1 혼합 챔버로 유입하는 제2 순환 라인; 및
상기 제2 순환 라인에 결합되어 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 양을 조절하는 제2 댐퍼
를 포함하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 순환부는,
상기 제3 순환 가스와 상기 제4 순환 가스가 유입되어 상기 제5 순환 가스를 생성하는 제2 혼합 챔버;
상기 제1 혼합 챔버와 연결되어 상기 제3 순환 가스를 상기 제2 혼합 챔버로 유입하는 제3 순환 라인;
상기 제2 배출 가스가 배출되는 상기 급수 가열부의 제2 배출 라인과 연결되어 상기 제2 배출 가스를 소정 추출하여 상기 제4 순환 가스를 생성하고, 상기 제4 순환 가스를 상기 제2 혼합 챔버로 유입하는 제4 순환 라인; 및
상기 제4 순환 라인에 결합되어 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 양을 조절하는 제3 댐퍼
를 더 포함하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 제1 순환 가스의 온도는 상기 제1 배출 가스의 온도 보다 높고,
상기 제1 배출 가스의 온도는 상기 제2 배출 가스의 온도 보다 높은, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 순환부는,
상기 석탄을 건조하기 위해 상기 제5 순환 가스를 상기 미분기로 유입하는 제5 순환 라인; 및
상기 제5 순환 라인과 결합되어 상기 제5 순환 가스를 상기 미분기로 전달하는 제1 송풍기
를 더 포함하고,
상기 제5 순환 가스는 상기 미분기를 통과하여 상기 미분탄과 함께 상기 제2 유입 라인으로 이동하여 상기 보일러로 유입되는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 순환 장치는,
외부 공기를 상기 연소 영역으로 공급하는 제2 송풍기
를 더 포함하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 미분기로 유입되는 상기 석탄의 유입량을 측정하고,
상기 미분탄과 함께 상기 제2 유입 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정하며,
상기 제5 순환 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 온도를 측정하여, 상기 제5 순환 가스가 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환을 제어하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 석탄 정보를 저장하는 데이터 베이스부;
상기 석탄의 종류를 입력받고, 상기 석탄 정보를 이용하여 상기 미분기로 유입되는 석탄의 유입량에 따른 상기 제어 조건을 설정하는 제어 조건 설정부;
상기 석탄의 유입량을 측정하는 제1 측정부;
상기 제5 순환 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 온도를 측정하는 제2 측정부;
상기 제2 유입 라인을 이동하는 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 측정하는 제3 측정부; 및
상기 제1 내지 제3 측정부의 측정 결과에 따라 상기 제5 순환 가스가 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 제1 내지 제3 댐퍼를 제어하는 제어부
를 포함하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 순환 가스의 유입량을 제어하여 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 조절하고,
상기 제2 순환 가스 및 상기 제4 순환 가스의 유입량을 제어하여 상기 제5 순환 가스의 온도를 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 제어 조건은,
상기 석탄의 종류 및 유입량에 따른 상기 제5 순환 가스의 온도에 대한 제1 기준 범위 및 상기 제5 순환 가스의 산소 농도에 대한 제2 기준 범위를 포함하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위에 포함되고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위를 초과하는 경우,
상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 상기 제2 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 상기 제2 기준 범위로 형성하는 중에, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이 되는 경우,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위에 포함되고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위 미만인 경우,
상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 형성하는 중에, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하는 경우,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위를 초과하는 경우,
상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절하고,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소하고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가하여, 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 제2 기준 범위로 조절하는 중에, 상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제2 기준 범위 미만이 되면,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위에 포함되는 경우,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위를 초과하고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위 미만인 경우,
상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 조절하고,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 감소시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 증가시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 낮춰 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이고, 상기 제3 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위를 초과하는 경우,
상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 감소시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 낮춰 상기 제2 기준 범위로 조절하고,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위에 포함되는 경우,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키고, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제5 순환 가스의 온도가 상기 제1 기준 범위 미만이고, 상기 제5 순환 가스의 산소 농도가 상기 제2 기준 범위 미만인 경우,
상기 제1 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제1 순환 가스의 유입량을 증가시켜 상기 제5 순환 가스의 산소 농도를 높여 상기 제2 기준 범위로 조절하고,
상기 제2 댐퍼를 제어하여 상기 제1 혼합 챔버로 유입되는 상기 제2 순환 가스의 유입량을 증가시키며, 상기 제3 댐퍼를 제어하여 상기 제2 혼합 챔버로 유입되는 상기 제4 순환 가스의 유입량을 감소시켜, 상기 제5 순환 가스의 온도를 높여 상기 제1 기준 범위로 조절하는, 개조 석탄 화력 발전 시스템. - 석탄 화력 발전 장치에 유입되는 석탄 정보를 이용하여 제어 조건을 설정하는 단계;
석탄을 분쇄하여 미분탄을 생성하는 단계;
상기 미분탄을 연소하는 단계;
상기 연소에 의해 생성된 배출 가스를 이용하여 발전하는 단계;
상기 배출 가스와 급수의 열교환을 통해 온수를 생성하는 단계;
상기 배출 가스를 이용하여 순환 가스를 생성하고, 상기 연소에 이용하기 위해 상기 순환 가스를 순환하는 단계; 및
상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 제어하는 단계
를 포함하고,
상기 석탄 정보는, 상기 석탄의 종류에 따른 발화점, 휘발분 및 발열량을 포함하며,
상기 제어 조건은, 상기 미분탄의 착화에 필요한 상기 순환 가스의 온도 및 산소 농도이고,
상기 순환 가스는, 상기 석탄을 건조하며, 착화에 필요한 온도로 상기 미분탄을 예열하고, 연소 영역으로 상기 미분탄과 상기 미분탄의 착화에 필요한 산소를 공급하는 가스인, 발전 방법. - 제25항에 있어서,
상기 제어 조건을 설정하는 단계는,
상기 석탄 화력 발전 장치에 유입되는 상기 석탄의 종류를 입력받는 단계; 및
상기 석탄의 종류에 대한 유입량의 변화에 따른 상기 제어 조건을 설정하는 단계
를 포함하는, 발전 방법. - 제25항에 있어서,
상기 순환 가스의 온도, 유량 및 상기 순환 가스에 포함된 산소 농도를 제어하는 단계는,
상기 석탄의 유입량을 측정하는 단계;
상기 순환 가스의 온도 및 산소 농도를 측정하는 단계; 및
측정 결과에 따라 상기 제어 조건에 대응되도록 상기 순환 가스의 온도, 유량 및 산소 농도를 제어하는 단계
를 포함하는, 발전 방법.
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