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KR20150036155A - 삼중 팽창 폐열 회수 시스템 및 방법 - Google Patents

삼중 팽창 폐열 회수 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20150036155A
KR20150036155A KR20157001713A KR20157001713A KR20150036155A KR 20150036155 A KR20150036155 A KR 20150036155A KR 20157001713 A KR20157001713 A KR 20157001713A KR 20157001713 A KR20157001713 A KR 20157001713A KR 20150036155 A KR20150036155 A KR 20150036155A
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KR
South Korea
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working fluid
flow
inflator
waste heat
heat recovery
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Withdrawn
Application number
KR20157001713A
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English (en)
Inventor
세바스티안 월터 프레운드
Original Assignee
제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Publication date
Application filed by 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 filed Critical 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

폐열 회수 시스템이 제공된다. 폐열 회수 시스템은 작동 유체를 순환시키기 위한 랭킨 사이클 시스템을 포함한다. 랭킨 사이클 시스템은 열원으로부터 작동 유체로 열을 전달하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러를 포함한다. 랭킨 사이클 시스템은 또한, 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러로부터 가열된 작동 유체를 수용하도록 구성되는 제1 팽창기를 포함한다. 나아가, 랭킨 사이클 시스템은 적어도 하나의 발전기에 결합되는 제2 팽창기 및 제3 팽창기를 포함한다. 폐열 회수 시스템은 또한, 냉각을 위해 제1 팽창기, 제2 팽창기 및 제3 팽창기로부터 저압의 작동 유체를 수용하도록 구성되는 응축기, 및 응축기로부터 작동 유체의 냉각되고 응축된 유동을 수용하기 위해 응축기에 연결되는 펌프를 포함한다.

Description

삼중 팽창 폐열 회수 시스템 및 방법{TRIPLE EXPANSION WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM AND METHOD}
본 출원은 일반적으로 발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게, 전기의 발생을 위한 상이한 온도들을 갖는 다수의 열원으로부터 폐열을 회수하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 산업적 필요 동력들은, 최소의 환경적 충격을 갖는 전기적 또는 기계적 동력을 제공하며 그리고 기존의 전력망 내로 쉽게 통합되고 독자적인 유닛들로서 신속하게 설치될 수 있는, 발전 시스템들로부터 얻을 수 있다. 가스 터빈들 또는 대형 왕복 기관들과 같은 연소 기관들은 산업적 적용들에서 발전을 위해 적당하지만, 점증적으로 비용이 많이 드는 연료에 의존하며 그리고 또한 배기가스 및 폐열을 생성한다. 배기가스의 배출 없이 그리고 부가적인 연료를 요구하지 않고 연소 기관의 폐열로부터 전기를 생성하기 위한 하나의 방법은 보텀잉 사이클(bottoming cycle)을 적용하는 것이다. 보텀잉 사이클들은, 기관과 같은 열원으로부터의 폐열을 사용하며, 그러한 열에너지를 전기로 변환한다. 랭킨 사이클들은 흔히, 대형 연소 기관을 위한 보텀잉 사이클로서 적용된다. 랭킨 사이클들은 또한 지열적 또는 산업적 열원들로부터 전력을 생산하기 위해 사용된다. 기본적 랭킨 사이클은, 터빈 발전기, 보일러, 응축기 및 공급 펌프를 포함한다.
폐열로부터 전기를 생성하기 위해 제공되는 하나의 전통적인 시스템에서, 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하는 랭킨 사이클 시스템이 복열기(recuperator)와 함께 사용된다. 그러나, 폐열 원으로부터 회수될 수 있는 열량은, 작동 유체의 보일러 입구 온도가 복열기를 통과한 이후에 증가함에 따라, 제한된다. 보일러 효율은 감소하고 열 입력은 출력과 함께 제한된다.
따라서, 대부분의 폐열을 활용하고 증가된 전체 출력을 생성하는, 효율적인 랭킨 사이클 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 실시예에 따라, 폐열 회수 시스템이 제공된다. 폐열 회수 시스템은 작동 유체를 순환시키기 위한 랭킨 사이클 시스템을 포함한다. 랭킨 사이클 시스템은 열원으로부터 작동 유체로 열을 전달하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러를 포함한다. 랭킨 사이클 시스템은 또한 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러로부터 가열된 작동 유체를 수용하도록 구성되는 제1 팽창기를 포함한다. 나아가, 랭킨 사이클 시스템은 적어도 하나의 발전기에 결합되는 제2 팽창기 및 제3 팽창기를 포함한다. 폐열 회수 시스템은 또한, 냉각을 위해 제1 팽창기, 제2 팽창기 및 제3 팽창기로부터 저압의 작동 유체를 수용하도록 구성되는 응축기, 및 작동 유체의 냉각되고 응축된 유동을 응축기로부터 수용하기 위해 응축기에 연결되는 펌프를 포함하며, 상기 펌프는, 제1 폐열 회수 보일러 내로의 작동 유체의 1차적 유동으로, 제2 팽창기 내로의 작동 유체의 2차적 유동으로, 그리고 제3 팽창기 내로의 작동 유체의 3차적 유동으로, 응축된 작동 유체를 펌핑하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따라, 폐열 회수 시스템이 제공된다. 폐열 회수 시스템은 작용 유체를 순환시키기 위한 랭킨 사이클 시스템을 포함한다. 랭킨 사이클 시스템은 뜨거운 가스 또는 연도 가스(flue gases)의 흐름으로부터 작동 유체로 열을 전달하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러를 포함한다. 랭킨 사이클 시스템은 또한 가열된 작동 유체를 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러로부터 수용하도록 구성되는 제1 팽창기를 포함한다. 나아가, 랭킨 사이클 시스템은 제1 팽창기에 결합되는 제2 팽창기 및 제2 팽창기에 결합되는 제3 팽창기를 포함하여, 직접적으로 또는 간접적으로 제1 팽창기, 제2 팽창기 및 제3 팽창기가 서로 연속적으로 결합되도록 그리고 나아가 발전기에 결합되도록 한다. 폐열 회수 시스템은 또한, 냉각을 위해 제1 팽창기, 제2 팽창기 및 제3 팽창기로부터 저압의 작동 유체를 수용하도록 구성되는 응축기를 포함한다. 더불어, 폐열 회수 시스템은 작동 유체의 냉각되고 응축된 유동을 응축기로부터 수용하기 위해 응축기에 연결되는 펌프를 포함하며, 상기 펌프는, 제1 폐열 회수 보일러 내로의 작동 유체의 1차적 유동으로, 제1 복열기를 경유하는 제2 팽창기 내로의 작동 유체의 2차적 유동으로, 그리고 제2 복열기를 경유하는 제3 팽창기 내로의 작동 유체의 3차적 유동으로, 응축된 작동 유체를 펌핑하도록 구성된다. 더 나아가, 폐열 회수 시스템은, 제1 복열기에서 나오는 작동 유체의 2차적 유동을 제2 팽창기에 진입하기 이전에 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 제2 폐열 회수 보일러를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라, 랭킨 사이클에서 작동 유체를 사용하여 발전을 위한 폐열을 회수하는 방법이 제공된다. 방법은, 뜨거운 가스 또는 연도 가스(flue gase)의 흐름으로부터 작동 유체로 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러를 통해, 작동 유체의 1차적 유동을 펌핑하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 작동 유체의 가열된 1차적 유동을 제1 팽창기를 통해 팽창시키는 단계를 포함한다. 나아가, 방법은, 작동 유체의 2차적 유동을 제2 팽창기를 통해 펌핑하는 단계 및 작동 유체의 3차적 유동을 제3 팽창기를 통해 펌핑하는 단계를 포함한다. 마지막으로, 방법은, 제1 팽창기, 제2 팽창기 및 제3 팽창기로부터 개별적으로 나오는 작동 유체의 1차적 유동, 작동 유체의 2차적 유동 및 작동 유체의 3차적 유동의 조합을, 작동 유체의 조합을 응축하기 위한, 보조 예냉기(auxiliary precooler) 및 응축기를 통해 통과시키며 그리고 추가로 펌프를 통과시키는 포함한다.
뒤따르는 상세한 설명이, 동일한 도면 부호들이 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 지시하는, 첨부되는 도면을 참조하여 읽히게 될 때, 본 발명의 이러한 및 다른 특징들, 양태들, 및 장점들이, 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복열식 폐열 회수 시스템의 사이클에 대한 도해이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 온도-엔트로피 다이어그램으로 도시되는, 도 1에 도시된 사이클의 예시적 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복열식 폐열 회수 시스템의 사이클에 대한 도해이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 랭킨 사이클에서 작동 유체를 사용하여 발전을 위한 폐열을 회수하는 방법에 수반되는 예시적인 단계들을 도시하는 흐름도이다.
본 발명의 여러 실시예들의 요소들을 소개할 때, 부정관사들, 정관사 및 "상기"와 같은 관사들은 하나 이상의 요소들이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다. "포함하는", "구비하는" 및 "가지는"과 같은 용어들은, 열거되는 요소들과 다른 부가적인 요소들이 존재할 수도 있다는 것을 포함하도록 그리고 의미하도록 의도된다. 작동 매개변수들의 임의의 예들은 개시된 실시예의 다른 매개변수를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복열식 폐열 회수 시스템(10)의 사이클에 대한 도해이다. 폐열 회수 시스템(10)은 작동 유체(14)를 순환시키기 위한 랭킨 사이클 시스템(12)을 포함한다. 일 실시예에서, 작동 유체는 초임계의 이산화탄소이다. 랭킨 사이클 시스템(12)은 열원으로부터 작동 유체(14)로 열을 전달하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러(16)를 포함한다. 랭킨 사이클 시스템(12)은 또한 가열된 작동 유체(14)를 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러(16)로부터 수용하도록 구성되는 제1 팽창기(18)를 포함한다. 또한, 랭킨 사이클 시스템(12)은 제1 팽창기(18)에 결합되는 제2 팽창기(20)를 포함한다. 나아가, 랭킨 사이클 시스템(12)은 제2 팽창기(20)에 결합되는 제3 팽창기(22)를 포함하여, 직접적으로 또는 간접적으로 제1 팽창기(18), 제2 팽창기(20) 및 제3 팽창기(22)가 서로 직렬로 결합되도록 하며 그리고 부가적으로 발전기(24)에 결합되도록 한다. 팽창기들(18, 20, 22)에 대한 비제한적인 예가 가스 터빈을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 팽창기(18) 또는 제2 팽창기(20) 또는 제3 팽창기(22) 각각은 상이한 발전기들에 독립적으로 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 팽창기(18), 제2 팽창기(20) 및 제3 팽창기(22)는 기어박스들을 통해 결합될 수 있을 것이다. 폐열 회수 시스템(10)은 또한 냉각을 위해 제1 팽창기(18), 제2 팽창기(20) 및 제3 팽창기(22)로부터 저압 스테이지(6: low pressure stage)의 작동 유체(14)를 수용하도록 구성되는 응축기(26)를 포함한다. 일 실시예에서, 응축기(26)는 작동 유체(14)를 냉각하기 위해 차가운 유체의 유동(27)을 활용한다. 나아가, 폐열 회수 시스템은 작동 유체(14)의 냉각되고 응축된 유동을 응축기(26)로부터 수용하기 위해 응축기(26)에 연결되는 펌프를 포함한다. 펌프(28)는 응축된 작동 유체(14)를, 제1 폐열 회수 보일러(16) 내로의 작동 유체(14)의 1차적 유동(화살표(30)에 의해 지시됨)으로, 제2 팽창기(20) 내로의 작동 유체(14)의 2차적 유동(화살표(32)에 의해 지시됨)으로, 그리고 제3 팽창기(22) 내로의 작동 유체(14)의 3차적 유동(화살표(34)에 의해 지시됨)으로 펌핑하도록 구성된다. 작동 유체 이산화탄소는 다소 낮은 임계 온도를 가짐에 따라, 보통의 랭킨 사이클에서와 같은 응축이 따듯한 대기 조건 하에서 달성가능하지 않다. 이러한 시스템에서, 응축기(26)는 작동 유체를 완전히 액체 상태로 응축시키는 장치로 엄격하게 제한되어서는 안될 뿐만 아니라, 단지 가스를 조밀한 초임계 상태로 냉각할 수 있는 장치인 것 또한 가능하다는 것이 이해될 필요가 있다. 마찬가지로, 펌프(28)는 응축기(26)에서 나오는 액체를 펌핑할 뿐만 아니라 응축기(26)에서 나오는 가스를 또한 이동시키고 가압한다.
일 실시예에서, 제1 폐열 회수 보일러(16)는, 뜨거운 가스의 제1 흐름 또는 연도 가스(17)의 제1 유동으로부터 제1 팽창기(18)로 들어가는 작동 유체(14)의 1차적 유동(화살표(30)에 의해 지시됨)으로 열을 전달하도록 구성되는 열교환기 섹션을 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 랭킨 사이클 시스템(12)은 또한, 제1 팽창기(18)에서 나오는 작동 유체(14)의 1차적 유동으로부터 제2 팽창기(20)로 들어가기 이전의 작동 유체(14)의 2차적 유동(32)으로 열을 전달하도록 구성되는 제1 복열기(36)를 포함한다. 일 실시예에서, 제1 복열기(36)는 중간 온도 복열기이다. 나아가, 랭킨 사이클 시스템(12)은, 제2 팽창기(20)에서 나오는 작동 유체(14)의 2차적 유동으로부터 제3 팽창기(20)로 들어가기 이전의 작동 유체(14)의 3차적 유동(34)으로 열을 전달하도록 구성되는 제2 복열기(38)를 포함한다. 일 실시예에서, 제2 복열기(38)는 낮은 온도 복열기이다.
또한, 일 실시예에서, 랭킨 사이클 시스템(12)은, 개별적으로 제1 팽창기(18), 제2 팽창기(20) 및 제3 팽창기(22)로부터 나온 이후이자 응축기(26)로 들어가기 이전의, 작동 유체(14) 1차적 유동(30), 작동 유체(14) 2차적 유동(32) 및 작동 유체(14) 3차적 유동(34)의 합쳐진 유동을 예냉하기 위한 보조 냉각기(40)를 포함한다. 열병합 발전(combined heat and power: CHP) 시스템에서, 보조 냉각기(40)에서의 예냉으로부터 획득되는 열은 외부 프로세스를 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 보조 냉각기(40)는, 폐열 회수 보일러(16)로 들어가기 이전에 예열을 위해 작동 유체(14)의 1차적 유동(30)으로 열을 전달함에 의해, 랭킨 사이클 시스템(12)에서의 예냉으로부터 획득되는 열을 활용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 폐열 회수 시스템(10)의 사이클은, 스테이지들(1, 2, 3H, 4H, 5H, 및 6)로 지시되는 하나의 메인 루프 사이클(42)을 포함한다. 폐열 회수 시스템(10)은 또한, 메인 루프 사이클(42)에 나란한 제2 루프 사이클(44) 및 제3 루프 사이클(46)을 포함한다. 제2 및 제3 루프 사이클(44)(46)의 그러한 종속(cascading)은, 제1 및 제2 팽창기(18, 20)에서의 팽창 이후에, 제1 복열기 및 제2 복열기를 사용하여 팽창된 이산화탄소(작동 유체(14))로부터의 부가적인 잔여 초과열(superheat)을 효과적으로 활용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 루프 사이클(44)은 스테이지들(1, 2, 3I, 4I, 5I, 6)로 지시되며, 제3 루프 사이클(46)은 스테이지들(1, 2, 3L, 4L, 6)로 지시된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 온도-엔트로피 다이어그램(50)으로 도시되는, 도 1에 도시된 사이클의 예시적 다이어그램이다. 온도(섭씨 온도)는 수직의 y-축 상에 나타나고, 엔트로피(KJ/kg-K)는 수평의 X-축 상에 나타난다. 온도-엔트로피 다이어그램(50)은, 메인 루프 사이클(42)(스테이지들(1-2-3H-4H-5H-6-1)로 지시됨), 제2 루프 사이클(44)(스테이지들(1-2-3I-4I-5I-6-1)로 지시됨), 및 제3 루프 사이클(46)(스테이지들(1-2-3L-4L-6-1)로 지시됨)을 명확하게 나타낸다. 메인 루프 사이클(42)에서, 응축기(26)로부터 오는 액체 작동 유체(14)(도 1에 도시됨)는 스테이지(2)에서 매우 높은 압력(예를 들어, 300 bar)으로 펌핑되며, 이어서 폐열 회수 보일러(16)에서 가열된다. 폐열 원의 온도에 접근하는 온도까지 가열된 이후에, 작동 유체(14)는 제1 팽창기(18)(도 1에 도시됨)에서 출력을 생성한다. 작동 유체(14)는 팽창 프로세서를 수행하며, 이 도중에 작동 유체(14)의 온도 및 압력이 스테이지(3H)에서 스테이지(4H)로 강하한다. 또한, 제1 팽창기(18)에서 나오는 저압의 작동 유체(14)는 제1 복열기(36)(도 1에 도시된)에서 냉각되며, 여기에서 작동 유체는, 펌프 이후에 작동 유체(14)의 1차적 유동(30)으로부터 우회하는 작동 유체(14)의 2차적 유동(32)으로 열을 전달한다. 2차적 유동(32)은 또한, 더 낮은 온도에서 작동하고 있는 제2 팽창기(20)(스테이지(3I) 에서 스테이지(4I)까지)에서 팽창되며, 온도가 스테이지(4I)에서 스테이지(5I)로 더욱 강하하는 제2 복열기(38)기에서 작동 유체의 3차적 유동(34)(도 1에 도시됨)을 동일한 방식으로 다시 가열한다. 일 실시예에서, 2차적 유동(32)은 선택적으로 폐열 회수 보일러 내의 부가적인 열교환기에서 가능한 한 제1 흐름 만큼 높게 더 높은 온도까지 가열될 수 있다. 작동 유체의 3차적 유동(34)(도 1에 도시됨)은 또한, 펌프 이후에 고압 라인(1차적 유동(30))으로부터 우회하며, 그리고 제2 복열기(38)에서 2차적 유동(32)에 의해 가열된 이후에, 스테이지(3L)에서 스테이지(4L)까지 제3 팽창기(22) 내에서 팽창되고, 이후에 저압의 스테이지(6)에서 1차적 유동(30) 및 2차적 유동(32)과 합쳐진다. 일 실시예에서, 작동 유체(14)의 합쳐진 유동은 나아가, 냉각되고 응축되기 이전에, 작동 유체의 다른 유동들(30, 32 또는 34) 중 하나를 가열함에 의해 복열기에서 또는 CHP 냉각기에서 냉각될 수 있다. 응축을 위해, 이산화탄소 작동 유체(14)는 30 ℃의 임계온도 아래로 냉각되며, 그렇지 않으면 공급 펌프로 공급될 냉각된 조밀한 가스가 응축기(26)에서 형성된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복열식 폐열 회수 시스템(70)의 사이클에 대한 도해이다. 폐열 회수 시스템(70)은, 폐열 회수 시스템(70)이 제2 폐열 회수 보일러(21)를 포함하는 것을 제외하고, 도 1에 도시된 폐열 회수 시스템(10)과 유사하다. 이러한 실시예에서, 제2 루프 사이클(44)은, 제1 복열기(36)에서 먼저 가열된 이후에, 제1 폐열 회수 보일러(16) 내의 작동 유체의 1차적 유동(30)과 동등한 온도까지, 작동 유체의 2차적 유동(32)을 추가로 가열하기 위해, 뜨거운 연도 가스 또는 유체의 유동(19)을 활용하는 폐열 회수 보일러(21)를 포함한다. 제2 폐열 회수 보일러(21)에서의 작동 유체(14)의 2차적 유동(32)의 가열은 폐열 회수 시스템(70)의 더 낮은 정점 온도에서 더 높은 효율을 허용하는 열역학적 장점으로 이어질 수 있다.
도 4는 랭킨 사이클에서 작동 유체를 사용하여 발전을 위한 폐열을 회수하는 방법(100)에 수반되는 단계들을 도시하는 흐름도이다. 방법은, 뜨거운 가스 또는 연도 가스의 흐름으로부터 작동 유체로 열을 전달하기 위해, 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러를 통해 작동 유체의 1차적 유동을 펌핑하는 단계(102)를 포함한다. 방법은, 제1 팽창기를 통해 작동 유체의 가열된 1차적 유동을 팽창시키는 단계(104)를 포함한다. 또한, 방법은, 제2 팽창기를 통해 작동 유체의 2차적 유동을 1차적 유동으로부터 우회시키는 단계(106)를 포함한다. 방법은, 제3 팽창기를 통해 작동 유체의 3차적 유동을 1차적 유동으로부터 우회시키는 단계(108)를 포함한다. 마지막으로, 방법은, 개별적으로 제1 팽창기, 제2 팽창기 및 제3 팽창기로부터 나오는 작동 유체의 1차적 유동, 작동 유체의 2차적 유동 및 작동 유체의 3차적 유동의 조합을, 작동 유체의 조합을 응축시키기 위한, 보조 예냉기 및 응축기를 통해 통과시키며 그리고 응축된 작동 유체를 펌프로 향하게 하는 단계(110)를 포함한다.
유리하게, 본 발명은, 폐열 회수 시스템의 높은 효율로 이어지는, 작동 유체로서 매우 높은 온도까지 가열될 수 있는 이산화탄소를 활용한다. 또한, 이산화탄소는 비독성이며 열적으로 안정적인 작동 유체이다. 연속되는 복열기들과 함께 3개의 팽창기를 사용하는 삼중 팽창 프로세스를 사용하는 본 시스템 및 방법은, 본 시스템 내에서 관리되는 이용가능한 폐열로부터 최대의 출력을 추출한다. 더불어, 제2 폐열 회수 보일러 내에서의 작동 유체의 2차적 유동의 가열은, 폐열 회수 시스템의 더 낮은 정점 온도에서 더 높은 효율을 허용하는 열역학적 장점으로 이러질 수 있다.
나아가, 당업자는 상이한 실시예들로부터의 다양한 특징들의 교체가능성을 인식할 것이다. 유사하게, 설명된 다양한 방법 단계들 및 특징들, 뿐만 아니라 그러한 방법들 및 특징들 각각에 대한 다른 공지된 균등한 것들이, 본 개시의 원리들에 따라 부가적인 시스템들 및 기술들을 구성하기 위해, 당업자 중 하나에 의해 혼합되고 어울리게 될 수 있다. 물론, 이상에서 설명되는 모든 그러한 목적들 또는 장점들이 임의의 특정 실시예에 따라 반드시 달성되지는 않을 수도 있다는 것을 이해해야 된다. 따라서, 예를 들어, 당업자는, 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 기술들이, 본 명세서에서 가르치게 되거나 제안될 수 있는 바와 같은 다른 목적들 또는 장점들을 반드시 달성하지 않고도, 본 명세서에서 가르치게 되는 바와 같은 하나의 장점 또는 장점들의 그룹을 달성하거나 최적화하는 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다는 것을, 인식할 것이다.
본 발명의 단지 특정 특징들이 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 많은 수정들 및 변경들이 당업자에 의해 일어날 수 있다. 첨부되는 특허청구범위들은 본 발명의 실제 사상 이내에 있는 모든 그러한 수정들 및 변경들을 커버하는 것으로 의도된다.

Claims (23)

  1. 폐열 회수 시스템으로서,
    열원으로부터 작동 유체에 열을 전달하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러; 가열된 작동 유체를 상기 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러로부터 수용하도록 구성되는 제1 팽창기; 및 적어도 하나의 발전기에 결합되는 제2 팽창기 및 제3 팽창기를 포함하는, 작동 유체를 순환시키기 위한 랭킨 사이클 시스템;
    냉각을 위해 상기 제1 팽창기, 상기 제2 팽창기 및 상기 제3 팽창기로부터 저압의 작동 유체를 수용하도록 구성되는 응축기; 및
    작동 유체의 냉각되고 응축된 유동을 상기 응축기로부터 수용하기 위해 상기 응축기에 연결되는 펌프로서, 상기 제1 폐열 회수 보일러 내로의 작동 유체의 1차적 유동으로, 상기 제2 팽창기 내로의 작동 유체의 2차적 유동으로, 그리고 상기 제3 팽창기 내로의 작동 유체의 3차적 유동으로, 응축된 작동 유체를 펌핑하도록 구성되는 펌프를 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 작동 유체는 이산화탄소인 것인, 폐열 회수 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 폐열 회수 보일러는, 뜨거운 가스의 제1 흐름 또는 연도 가스의 제1 유동으로부터 상기 제1 팽창기로 들어가는 작동 유체의 상기 1차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 열교환기 섹션을 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 시스템은, 상기 제1 팽창기로부터 나오는 작동 유체의 상기 1차적 유동으로부터 상기 2차 팽창기로 들어가기 이전의 작동 유체의 상기 2차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제1 복열기를 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 복열기는 중간 온도 복열기인 것인, 폐열 회수 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 시스템은, 상기 제1 복열기로부터 나오는 작동 유체의 상기 2차적 유동을, 상기 제2 팽창기로 들어가기 이전에, 가열하도록 구성되는 하나의 제2 폐열 회수 보일러를 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 하나의 제2 폐열 회수 보일러는, 뜨거운 가스의 제2 흐름 또는 연도 가스의 제2 유동으로부터, 상기 제2 팽창기로 들어가기 이전의, 상기 제1 복열기로부터 나오는 작동 유체의 상기 2차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 열교환기 섹션을 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 시스템은, 상기 제2 팽창기로부터 나오는 작동 유체의 상기 2차적 유동으로부터, 상기 제3 팽창기로 들어가기 이전의, 작동 유체의 상기 3차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 제2 복열기를 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2 복열기는 저온 복열기인 것인, 폐열 회수 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 시스템은, 개별적으로 상기 제1 팽창기, 상기 제2 팽창기 및 상기 제3 팽창기로부터 나온 이후이자 상기 응축기로 들어가기 이전의, 작동 유체 상기 1차적 유동, 작동 유체 상기 2차적 유동 및 작동 유체 상기 3차적 유동의 합쳐진 유동을 예냉하기 위한 보조 냉각기를 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 시스템은, 개별적으로 상기 제1 팽창기, 상기 제2 팽창기 및 상기 제3 팽창기로부터 나오는, 작동 유체 상기 1차적 유동, 작동 유체 상기 2차적 유동 및 작동 유체 상기 3차적 유동의 합쳐진 유동을 예냉함에 의해 외부 프로세스를 위한 열을 제공하기 위한 열병합 발전(CHP) 시스템을 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 열병합 발전(CHP) 시스템은, 예냉에 의해 획득되는 열을, 예열을 위해 상기 폐열 회수 보일러로 들어가기 이전에 작동 유체의 상기 1차적 유동으로 전달하도록 구성되는 것인, 폐열 회수 시스템.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 응축기는 작동 유체를 냉각시키며 그리고 상기 펌프는 액체를 펌핑하는 대신에 냉각된 가스를 압축하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  14. 폐열 회수 시스템으로서,
    뜨거운 가스 또는 연도 가스의 흐름으로부터 작동 유체에 열을 전달하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러; 가열된 작동 유체를 상기 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러로부터 수용하도록 구성되는 제1 팽창기; 및 적어도 하나의 발전기에 결합되는 제2 팽창기 및 제3 팽창기를 포함하는, 작동 유체를 순환시키기 위한 랭킨 사이클 시스템;
    냉각을 위해 상기 제1 팽창기, 상기 제2 팽창기 및 상기 제3 팽창기로부터 저압의 작동 유체를 수용하도록 구성되는 응축기;
    작동 유체의 냉각된 유동을 상기 응축기로부터 수용하기 위해 상기 응축기에 연결되는 펌프로서, 상기 제1 폐열 회수 보일러 내로의 작동 유체의 1차적 유동으로, 제1 복열기를 경유하는 상기 제2 팽창기 내로의 작동 유체의 2차적 유동으로, 그리고 제2 복열기를 경유하는 상기 제3 팽창기 내로의 작동 유체의 3차적 유동으로, 작동 유체를 펌핑하도록 구성되는 펌프; 및
    상기 제1 복열기로부터 나오는 작동 유체의 상기 2차적 유동을 상기 제2 팽창기로 들어가기 이전에 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 제2 폐열 회수 보일러를 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 작동 유체는 이산화탄소인 것인, 폐열 회수 시스템.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러 또는 상기 적어도 하나의 제2 폐열 회수 보일러는, 뜨거운 가스 또는 연도 가스의 흐름으로부터 상기 제1 팽창기로 들어가는 작동 유체의 상기 1차적 유동으로 또는 상기 제2 팽창기로 들어가는 작동 유체의 상기 2차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 것인, 폐열 회수 시스템.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 복열기는, 상기 제1 팽창기로부터 나오는 작동 유체의 상기 1차적 유동으로부터, 상기 제2 팽창기로 들어가기 이전에, 상기 작동 유체의 상기 2차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 중간 온도 복열기인 것인, 폐열 회수 시스템.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 제2 복열기는, 상기 제2 팽창기로부터 나오는 작동 유체의 상기 2차적 유동으로부터, 상기 제3 팽창기로 들어가기 이전에, 상기 작동 유체의 상기 3차적 유동으로 열을 전달하도록 구성되는 저온 복열기인 것인, 폐열 회수 시스템.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클 시스템은, 상기 랭킨 사이클 시스템은, 개별적으로 상기 제1 팽창기, 상기 제2 팽창기 및 상기 제3 팽창기로부터 나온 이후이자 상기 응축기로 들어가기 이전의, 작동 유체 상기 1차적 유동, 작동 유체 상기 2차적 유동 및 작동 유체 상기 3차적 유동의 합쳐진 유동을 예냉하기 위한 보조 냉각기 또는 열병합 발전(CHP) 시스템을 포함하는 것인, 폐열 회수 시스템.
  20. 랭킨 사이클에서 작동 유체를 사용하여 발전을 위한 폐열을 회수하는 방법으로서,
    뜨거운 가스 또는 연도 가스의 흐름으로부터 작동 유체로 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 제1 폐열 회수 보일러를 통해, 작동 유체의 1차적 유동을 펌핑하는 단계;
    작동 유체의 가열된 1차적 유동을 제1 팽창기를 통해 팽창시키는 단계;
    제2 팽창기를 통해 작동 유체의 2차적 유동을 상기 1차적 유동으로부터 우회시키는 단계;
    제3 팽창기를 통해 작동 유체의 3차적 유동을 상기 1차적 유동으로부터 우회시키는 단계: 및
    개별적으로 상기 제1 팽창기, 상기 제2 팽창기 및 상기 제3 팽창기로부터 나오는 작동 유체의 상기 1차적 유동, 작동 유체의 상기 2차적 유동 및 작동 유체의 상기 3차적 유동의 조합을, 작동 유체의 조합을 응축하기 위한, 보조 예냉기 및 응축기를 통해 통과시키며 그리고 추가로 응축된 작동 유체를 펌프로 향하게 하는 단계를 포함하는 것인, 폐열 회수 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    작동 유체의 상기 2차적 유동을, 상기 제2 팽창기 내로 운반하기 이전에, 예열을 위해 제1 중간 온도 복열기를 통해 통과시키는 단계를 더 포함하는 것인, 폐열 회수 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제1 복열기로부터 나오는 상기 2차적 유동을, 상기 제2 팽창기 내로 운반되기 이전에, 제2 폐열 회수 보일러 내로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것인, 폐열 회수 방법.
  23. 제 21항에 있어서,
    작동 유체의 상기 3차적 유동을 상기 제3 팽창기 내로 운반하기 이전에, 작동 유체의 상기 3차적 유동을 예열을 위해 제2 저온 복열기를 통해 통과시키는 단계를 더 포함하는 것인, 폐열 회수 방법.
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