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KR20170083673A - 유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템 - Google Patents

유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템 Download PDF

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KR20170083673A
KR20170083673A KR1020160002642A KR20160002642A KR20170083673A KR 20170083673 A KR20170083673 A KR 20170083673A KR 1020160002642 A KR1020160002642 A KR 1020160002642A KR 20160002642 A KR20160002642 A KR 20160002642A KR 20170083673 A KR20170083673 A KR 20170083673A
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KR
South Korea
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working fluid
organic working
evaporator
organic
turbine
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KR1020160002642A
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Inventor
권정수
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주식회사 지에스디앤디
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Publication date
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Abstract

본 발명은 유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템에 관한 것으로서, 유기작동유체가 증발기, 터빈, 응축기, 응축탱크, 공급펌프, 증발기로 순환되게 유기 랭킨 사이클이 이루어져 열원의 열에너지가 증발기에서 유기작동유체와 열교환되고, 유기작동유체에 의해 터빈을 구동시켜 발전하도록 이루어진 유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서, 본 발명은 상기 터빈에서 회수되는 유기작동유체에 의해 상기 공급펌프에서 상기 증발기로 공급되는 유기작동유체를 예열하는 자가예열기와, 상기 자가예열기를 통과한 유기작동유체의 온도와 압력 및 유량을 안정화시켜 상기 증발기로 공급하는 압력탱크를 더 포함하여 구성함으로써, 외부 열원 없이 유기작동유체를 자가예열시켜 증발기로 공급할 수 있으며, 압력탱크에 의해 안정된 온도분포와 압력 및 유량으로 증발기에 공급하여 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템{Organic Rankine Cycle Turbogenerator included pre-heater which hold energy from exhaust Organic of Turbogenerator}
본 발명은 유기작동유체 자가예열 유기랭킨 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈에서 회수되는 유기작동유체를 이용하여 증발기에 공급되는 액상의 유기작동유체를 예열하도록 한 유기작동유체 자가예열 유기랭킨 발전시스템에 관한 것이다.
열역학 유기랭킨사이클을 바탕으로 한 열-에너지 전환장치는 수백 와트(W) 내지 수십 메가와트(MW)의 전력을 생산하기 위하여 특히 열이 다양한 공급원, 예를 들어, 가스 터빈 배출 가스, 통상적인 연료의 연소, 바이오매스 연료의 연소, 지열 공급원, 태양열 집열장치 및 발전소 및 다른 공업 공정에서 생산되는 폐열로부터 얻어지는 원격지에서의 열 회수 및 발전에 있어 유용하다.
약 350℃ 정도의 고온에서 유지가능한 유기매체가 수증기보다 유익하며, 증기의 사용이 터빈 블레이드의 부식을 일으킬 수도 있는 증기의 팽창으로 인해 터빈 외부에 액적을 형성시킴으로써 제한될 수도 있는 낮은 응축 온도 및 높은 터빈 팽창률에서도 발전 사이클에서 성공적으로 이용될 수 있다.
이러한 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 중.저온의 온도 범위(70~400℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
도 1은 종래 ORC 발전시스템의 구성도로서, 예열기(21), 증발기(22), 터빈(23), 발전기(24), 응축기(25), 응축탱크(26) 및 이송펌프(28)를 포함하여 구성된다.
열원(10)은 예를 들어, 가스 터빈 배출 가스, 통상적인 연료의 연소, 바이오매스 연료의 연소, 지열 공급원, 태양열 집열장치 및 발전소 및 다른 공업 공정에서 생산되는 폐열로부터 얻어지는 열로서 여기서는 폐기가스를 예를 들어 설명한다.
예열기(21)와 증발기(22)는 열교환기 역할을 수행하는 것으로, 고온의 폐기가스와 이송펌프(28)를 통해 이송된 유기작동유체가 예열기(21) 및 증발기(22)에서 열교환됨으로써 상기 유기작동유체는 고온의 증기가 되어 터빈(23)으로 공급된다.
이때 상기 고온의 유기작동유체의 열에너지는 터빈(23)을 회전시켜 운동에너지로 변환된다.
발전기(24)는 상기 터빈(23)과 한 개의 축으로 연결되어 터빈(23)이 회전함에 따라 같이 회전하며, 거대한 자석덩어리인 회전자와 고정자에서 3상유도 전류가 발생하여 전기를 생산하게 된다.
상기 터빈(23)을 거친 유기작동유체는 응축기(25)로 배기되어 냉각 및 응축되고 액체 상태로 변환된 후, 응축탱크(26)에 저장되고 저장된 액체 상태의 유기작동유체는 이송펌프(28)에 의해 다시 열교환기의 예열기(21)와 증발기(22)에 공급되어 순환된다.
즉, 상기 유기작동유체는 이송펌프에 의해 예열기(21) -> 증발기(22) -> 터빈(23) -> 응축기(25) -> 응축탱크(26) -> 예열기(21)를 반복 순환하면서 터빈(23)을 회전시켜 전기를 생성한다.
상기 응축기(25)에 공급되어 유기작동유체를 냉각시킴으로써 온도가 상승한 물(냉각수)은 미도시된 냉각기에 공급되어 냉각된 후 후 유기작동유체를 냉각 및 응축시키기 위해 다시 응축기(25)에 공급되거나, 외부로 배출된다.
상기와 같은 종래 유기랭킨사이클은, 응축탱크(26)에서 응축된 유기작동유체를 예열기(21)에서 예열하여 증발기(22)로 공급하고 있는데, 예열기(21)의 열원으로서, 증발기(22)를 통과한 열원(10)을 이용하고 있다.
결국, 열원(10)에서 공급되는 열 에너지가 증발기(22)를 통과하면서 유기작동유체를 가열하여 열교환하고, 증발기(22)를 통과한 열원이 다시 예열기(21)로 공급되어 예열 기능을 하게 된다.
그러므로 종래 기술에 의한 유기랭킨사이클의 예열기(21)는 증발기(22)를 통과하면서 열교환이 이루어진 후의 열원을 공급받아 예열하고 열원으로 회수 되기 때문에 열원의 열에너지 소모가 많아져 열 효율이 떨어진다는 단점이 있다.
한국공개특허 10-2013-0128903호(2013.11.27)
본 발명은 유기 랭킨 사이클(ORC) 발전시스템에서 터빈에서 회수되는 고온 증기상태의 유기작동유체에 의해 증발기로 공급되는 액상의 유기작동유체를 예열하도록 함으로써 증기 상태의 유기작동유체에 의해 액상의 유기작동유체를 자가 예열하여 열효율을 향상시키도록 한 유기작동유체 자가예열 유기랭킨 발전시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 태양열 집열 예열기를 이용한 유기 랭킨 사이클 발전시스템은,
열원에 의해 유기작동유체를 증발시키는 증발기와;
증발기에서 증발된 유기작동유체에 의해 구동되어 발전기를 구동시키는 터빈과;
상기 터빈을 통과한 유기작동유체를 응축하는 응축기와;
상기 응축기에서 응축된 유기작동유체를 저장하는 응축탱크와;
상기 응축탱크의 유기작동유체를 이송시키는 공급펌프로 이루어진 유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서,
상기 터빈과 상기 응축기 사이에 설치되어 상기 터빈에서 회수되는 유기작동유체에 의해 상기 공급펌프에서 상기 증발기로 공급되는 유기작동유체를 예열하는 자가예열기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은, 터빈에서 회수되는 고온 상태의 유기작동유체에 의해 증발기로 공급되는 액상의 유기작동유체를 자가 예열하도록 함으로써 열효율을 향상시키도록 하는 것이다.
한편, 상기 자가예열기를 통과한 유기작동유체의 온도와 압력 및 유량을 안정화시켜 상기 증발기로 공급하는 압력탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이는 자가예열기를 통과한 액상의 유기작동유체를 일시저장하여 안정된 온도분포, 압력 및 유량을 유지하여 증발기로 안정되게 공급하게 함으로써 증발기에서의 열교환효율을 향상시키도록 하는 것이다.
본 발명의 압력탱크는, 예열기에서 예열되어 공급된 유기작동유체를 일정한 압력으로 일정한 유량이 되게 제어하여 증발기로 공급하는 압력 및 유량 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은, 유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서, 터빈에서 회수되는 고온 상태의 유기작동유체에 의해 응축시켜 증발기로 공급하는 유기작동유체를 예열시킴으로써, 외부 열원 없이 유기작동유체의 예열시킬 수 있어서 열효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 자가 예열기 후단에 압력탱크를 설치함으로써 증발기에 일정한 온도 및 압력과 유량으로 안정되게 공급할 수 있어서 즐방기의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 유기랭킨 사이클 발전시스템의 계통도.
도 2는 본 발명에 의한 태양열 집열 예열 유기랭킨 사이클 발전시스템의 계통도.
도 3은 본 발명에 의한 다른 실시예를 보인 태양열 집열 예열 유기랭킨 사이클 발전시스템 계통도.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 태양열 집열 예열 유기랭킨 사이클 발전시스템 계통도이다.
열원(10)에 의해 유기작동유체를 증발시키는 증발기(22)와;
증발기(22)에서 증발된 유기작동유체에 의해 구동되어 발전기(24)를 구동시키는 터빈(23)과;
상기 터빈(23)을 통과한 유기작동유체를 응축하는 응축기(25)와;
상기 응축기(25)에서 응축된 유기작동유체를 저장하는 응축탱크(26)와;
상기 응축탱크(26)의 유기작동유체를 이송시키는 공급펌프(28)로 이루어진 유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서,
상기 터빈(23)과 상기 응축기(25) 사이에 설치되어 상기 터빈(23)에서 회수되는 유기작동유체에 의해 상기 공급펌프(28)에서 상기 증발기(22)로 공급되는 유기작동유체를 예열하는 자가예열기(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은, 열원(10)으로서, 예를 들어, 가스 터빈 배출 가스, 통상적인 연료의 연소, 바이오매스 연료의 연소, 지열 공급원, 발전소 및 다른 공업 공정에서 생산되는 폐열로부터 얻어지는 열을 이용하며, 특히 연료전지 발전시스템의 스택에서 방출되는 폐열을 회수하여 상기 열원(10)으로 사용할 수 있다.
상기 증발기(22)는, 열원(10)의 열에 의해 유기작동유체를 가열하는 열교환기로서, 유기작동유체를 고온의 증기로 증발시켜 터빈(23)으로 공급한다.
터빈(23)은 고온의 증기인 유기작동유체의 열에너지를 회전 운동에너지로 변환시켜 발전기(24)를 구동시킴으로써, 전기를 생산하도록 하는 것이다.
상기 터빈(23)을 통과한 유기작동유체는 응축기(24)로 전달되어 냉각 및 응축되고, 액체상태로 변환된 후, 응축탱크(26)에 저장된다. 응축 탱크(26)에 저장된 액체 상태의 유기작동유체는 공급펌프(28)에 의해 증발기(22) 측으로 이송되어 순환 사이클을 이루게 된다.
이와 같은 유기랭킨 사이클 발전시스템에서, 상기 공급펌프(28)에서 증발기(22) 측으로 이송되는 유기작동유체는 저온의 액체상태로서, 증발기(22)에서 열원과 열교환되면서 고온 증기로 상태천이가 이루어진다. 그러므로 증발기(22)에서 저온의 액체 상태의 유기작동유체를 고온 증기로 천이시키기 위해서 열에너지를 소모하게 되므로, 증발기(22)에 공급되는 액체상태의 유기작동유체를 미리 예열시켜 증발기(23)로 공급하는 것이 열효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
종래의 유기랭킨 사이클 발전시스템에서는 도 1의 예열기(21)를 구비한 것으로서, 증발기(22)를 통과한 열원을 회수하여 예열기(21)를 통과시켜 열원(10)으로 다시 회수되어 순환되게 이루어져 있다. 그러므로 열원(10)의 열에너지는 증발기(22)와 예열기(21)에서 소모되어 열원(10) 측으로 회수되므로, 열원의 열손실이 커져 효율을 낮아지는 단점이 있다.
이에 따라 본 발명은, 터빈(23)에서 회수되는 유기작동유체는 고온상태이므로 이를 이용하여 증발기(22)로 공급되는 유기작동유체를 자가예열하도록 자가 예열기(100)를 추가로 설치한 것이다.
터빈(23)을 구동시키고 회수되는 유기작동유체는 응축기(25)에서 응축시키는데, 응축기(25)는 외부 냉각수를 순환시켜 유기작동유체를 냉각시킴으로써 액체상태로 상태천이시키게 된다. 그러므로 본 발명과 같이 터빈(23)에서 회수된 고온 증기 상태의 유기작동유체를 회수하여 자가예열기(100)를 통과하게 함으로써, 자가 예열기(100)에서 증발기(22)로 보내는 액체상태의 유기작동유체와 열교환이 이루어진다. 따라서 터빈(23)에서 회수되어 응축기(25)로 유입되는 유기작동유체의 온도가 낮아지므로 응축기(25)의 효율도 상승된다.
자가예열기(100)는, 내부의 복수의 세류 관로를 통해 공급펌프(28)에서 증발기(22)로 보내는 유기작동유체를 통과시키고, 그 복수의 세류관로 외부로 상기 터빈(23)에서 회수된 고온 증기 상태의 유기작동유체를 통과시켜 응축기(25)로 유입되게 구성함으로써, 자가 예열이 가능해진다.
이에 따라 증발기(22)로 공급하는 유기작동유체를 예열하여 공급하되, 예열을 위한 외부 열원을 사용하지 않고, 터빈에서 회수된 증기상태의 유기작동유체에 의해 자가예열 할 수 있어서 열효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 자가예열기(100)를 통과한 유기작동유체의 온도와 압력 및 유량을 안정화시켜 상기 증발기(22)로 공급하는 압력탱크(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이는 자가예열기(100)를 통과한 액상의 유기작동유체를 일시저장하여 안정된 온도분포, 압력 및 유량을 유지하여 증발기로 안정되게 공급하게 함으로써 증발기에서의 열교환효율을 향상시키도록 하는 것이다.
본 발명의 압력탱크(200)에는, 자가예열기(100)에서 예열되어 공급된 유기작동유체를 일정한 압력으로 일정한 유량이 되게 제어하여 증발기(22)로 공급하는 압력 및 유량 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
단순히 버퍼 용기와 같은 형태의 압력 탱크(200)를 설치하여도 자가예열기(100)에서 출력된 유기작동유체가 일시 저장되면서 고른 온도분포로 안정화되고 안정된 압력을 유지하여 증발기(22)로 공급되는 유량이 일정해질 수 있다.
그런데, 증발기(22)에서의 유기작동유체의 온도 및 압력과 압력탱크(200)에서의 온도 및 압력이 차이가 크므로, 압력탱크(200)에 압력 및 유량제어수단을 더 설치하여 증발기(22)로 공급되는 유기작동유체를 일정한 상태로 공급하여 증발기(22)의 효율을 향상시키고자 하는 것이다. 압력 및 유량 제어수단은, 통상의 압력펌프와 유량 제어밸브를 사용할 수 있는 것이므로 본 발명에서는 상세하게 설명하지 않는다.
10 : 열원 22 : 증발기
23 : 터빈 24 : 발전기
25 : 응축기 26 : 응축탱크
28 : 공급펌프 100 : 자가예열기
200 : 압력탱크

Claims (3)

  1. 열원(10)에 의해 유기작동유체를 증발시키는 증발기(22)와;
    증발기(22)에서 증발된 유기작동유체에 의해 구동되어 발전기(24)를 구동시키는 터빈(23)과;
    상기 터빈(23)을 통과한 유기작동유체를 응축하는 응축기(25)와;
    상기 응축기(25)에서 응축된 유기작동유체를 저장하는 응축탱크(26)와;
    상기 응축탱크(26)의 유기작동유체를 이송시키는 공급펌프(28)로 이루어진 유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서,
    상기 터빈(23)과 상기 응축기(25) 사이에 설치되어 상기 터빈(23)에서 회수되는 유기작동유체에 의해 상기 공급펌프(28)에서 상기 증발기(22)로 공급되는 유기작동유체를 예열하는 자가예열기(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템은,
    상기 자가예열기(100)를 통과한 유기작동유체의 온도와 압력 및 유량을 안정화시켜 상기 증발기(22)로 공급하는 압력탱크(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압력탱크(200)는,
    자가예열기(100)에서 예열되어 공급된 유기작동유체를 일정한 압력으로 일정한 유량이 되게 제어하여 증발기(22)로 공급하는 압력 및 유량 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기작동유체 자가 예열 유기랭킨 발전시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108561199A (zh) * 2018-04-04 2018-09-21 平山载清新能源技术开发有限公司 一种多热源点热能发电机组
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