하이브리드 터빈 발전 시스템{HYBRID TURBINE GENERATION SYSTEM}
본 발명은 터빈 동력을 발생시키는 터빈 발전 시스템과, 폐열을 이용하여 상기 터빈 발전 시스템의 에너지 효율을 증가시키는 방법에 관한 것이다.
폐열 발전은 발전소 및 폐기물 소각시설에서 발생하는 고온(550도 이상)의 배기가스를 폐열회수보일러를 통해 저온(250도 이하)의 증기로 만들고, 증기터빈으로 공급하여 동력을 발생, 전력 발전에 활용하여 기존에 폐기되던 폐열을 재이용하는 발전이다. 이러한 폐열 발전은 폐열 자원을 전기에너지로 재생산하여 대기오염물질 배출 억제 및 발전 시스템의 효율 향상에 기여하고 있다. 그러나, 대한민국 공개특허 10-2012-0035176 등과 같이, 소규모 열원에 의한 발전에 스팀 터빈 방식이 아닌 다른 방식을 적용하려는 노력이 있어왔다. 그 이유는, 대부분의 중형, 소형 소각시설은 폐기물 반입량 부족에 따라 연속적으로 안정적인 증기 확보가 어렵고 배관시설 투자비 및 재정확보가 어려운 등 경제성 부족으로 상당수 폐열이 미활용 되기 때문이다. 또한, 저온 저압의 환경 하에 증기터빈의 고속 구동 시 축 베어링 시스템의 수명이 제한적이고, 중소형 소각시설에 적합한 폐열 회수 발전의 검증된 적용 기술이 부족한 실정이다. 그러나, 상기의 문제점이 해결된다면 폐열 발전이 이미 검증된 발전 방식인 스팀 터빈 방식에 의하여 구현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로서, 폐열의 활용에 적합한 터빈 발전 시스템 및 그의 운용방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 에너지 효율이 보다 높은 터빈 발전 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 터빈 발전 시스템은, 유입되는 유체에 의하여 회전하는 제1임펠러를 구비하는 제1터빈부, 및 랭킨 사이클에 따라서 유체가 순환하는 사이클부 내에서 증발된 증기에 의하여 회전하는 제2임펠러를 구비하는 제2터빈부를 포함한다. 상기 터빈 발전 시스템은 상기 제1임펠러를 회전시킨 후 상기 제1터빈부에서 유출되는 유체가 상기 사이클부에 구비되는 증발기의 냉매와 열교환하도록 형성될 수 있다. 본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1임펠러 및 상기 제2임펠러의 사이에는 제너레이터가 배치된다. 상기 제너레이터는 양단에 상기 제1임펠러 및 상기 제2임펠러가 각각 장착되는 단일 회전축을 구비할 수 있다. 상기 단일 회전축은 포일 베어링에 의하여 지지될 수 있다. 상기 제1임펠러 및 상기 제2임펠러는 동일한 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 포일 베어링은 특정 간격을 두고 서로 이격되는 제1 및 제2 포일 베어링을 포함하고, 상기 제1 및 제2 포일 베어링의 사이에는 코일로 이루어진 스테이터(stator)가 배치된다. 상기 단일 회전축의 내부에는 자석이 배치된다. 본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 터빈 발전 시스템은 상기 제1터빈부로 유입되는 유체를 가열하기 위하여, 상기 제1터빈부의 유입구와 연결되는 버너를 포함한다. 본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 사이클부는 상기 증발기에서 증발된 유체를 응축하는 복수기를 구비하며, 상기 제2터빈부는 상기 증발기와 복수기의 사이에 배치된다. 본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 랭킨 사이클은 상기 제1터빈부에서 유출되는 유체로부터 열에너지를 공급받는 유기 랭킨 사이클(organic rankine cycle)이 될 수 있다. 상기 유기 랭킨 사이클의 상기 증발기와 연결된 열교환기를 구비하며, 상기 열교환기와 증발기를 순환하는 유기 냉매는 상기 열교환기에서 상기 제1터빈부에서 유출되는 유체와 열교환하도록 이루어진다. 또한, 본 발명은 유입되는 유체에 의하여 회전하는 제1임펠러를 구비하는 제1터빈부, 및 랭킨 사이클에 따라서 유체가 순환하는 사이클부 내에서 증발된 증기에 의하여 회전하는 제2임펠러를 구비하는 제2터빈부를 포함하며, 상기 제1임펠러 및 상기 제2임펠러는 각각 단일 회전축의 양단에 장착되는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 시스템을 개시한다. 상기 제1임펠러를 회전시킨 후 상기 제1터빈부에서 유출되는 유체는 상기 랭킨 사이클의 증발기의 냉매와 열교환하도록 형성된다.
본 발명은 양흡입 형태의 스팀 터빈의 구조를 채택하여, 터빈 시스템의 구조적 안정성 및 회전체 역학적 성능을 향상시킨다. 또한 본 발명은 중/저온용 포일 베어링을 적용하여 폐열 발전 시스템의 부피를 최소화 하면서 발전 효율을 증대시킬 수 있다. 나아가, 본 발명을 통하여 미활용되는 중소형 소각장 폐열의 에너지화 및 원유 대체 효과가 발휘되며, 컴팩트한 시스템을 구성함으로 인해 효율적이고 경제성이 높은 소형 스팀 터빈 기술이 확보될 수 있다.
도 1은 포일 베어링으로 지지되는 양흡입 형태의 터보 제너레이터를 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 터보 제너레이터가 적용된 본 발명의 하이브리드 터보 제너레이터 시스템의 개념도.
도 3은 R-245fa을 이용한 유기 랭킨 사이클의 Ts 다이어그램.
이하, 본 발명에 관련된 하이브리드 터빈 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 도 1은 포일 베어링으로 지지되는 양흡입 형태의 터보 제너레이터를 나타내는 개념도이다. 도시에 의하면, 본 발명에 적용되는 터보 제너레이터(100)는 양흡입 형태로 이루어진다. 보다 구체적으로, 터보 제너레이터(100)는 제1터빈부(110) 및 제2터빈부(120)를 포함한다. 상기 제1터빈부(110)는 유입되는 유체에 의하여 회전하는 제1임펠러(111)를 구비한다. 상기 제1터빈부(110)에 유입되는 유체는 고온 고압의 증기가 될 수 있으며, 증기에 저장된 열에너지 및 운동에너지가 제1임펠러(111)의 운동에너지로 바뀐 후에 전기에너지로 변환된다. 제1터빈부(110)에서 운동에너지를 발생시킨 증기는 저온 저압이 되어 제1터빈부(110)의 외부로 방출된다. 상기 제2터빈부(120)는 증기에 의하여 회전하는 제2임펠러(121)를 구비하며, 도시에 의하면 상기 제1임펠러(111) 및 상기 제2임펠러(121)의 사이에는 제너레이터가 배치된다. 예를 들어, 제너레이터는 단일 회전축(131)을 구비하며, 상기 제1임펠러(111) 및 상기 제2임펠러(121)는 각각 단일 회전축(131)의 양단에 장착된다. 여기서, 상기 제1임펠러(111) 및 상기 제2임펠러(121)는 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 단일 회전축(131)은 포일 베어링(140)에 의하여 지지된다. 포일 베어링(140, foil bearing)은 윤활 기체막을 통해 단일 회전축(131)을 비접촉으로 지지하면서 회전시키는 기계요소로서 중/저온용으로 이용될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 포일 베어링을 적용하여 구조가 단순하고, 시스템의 유지 비용 감소 및 동력손실을 최소화되는 시스템을 구현한다. 상기 포일 베어링(140)은 특정 간격을 두고 서로 이격되는 제1 및 제2 포일 베어링(141, 142)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 포일 베어링(141, 142)의 사이에는 코일로 이루어진 스테이터(stator, 132)가 배치된다. 또한, 상기 단일 회전축의 내부에는 자석(미도시)이 배치된다. 이와 같이, 본 발명의 터보 제너레이터(100)는 동일한 형상의 임펠러가 터빈 양단에 위치하고, 그 양단을 저널 포일 베어링이 지지하는 구조이다. 축계의 중심에 자석을 포함하고 있으며, 코일로 이루어진 고정자와의 상호작용을 통해 회전운동을 한다. 도시된 바와 같이, 증기의 유입에 따라, 증기의 압력으로 터빈 휠이 회전하여 발전을 하게 된다. 또한, 본 발명에서, 상기 제2터빈부(120)의 상기 제2임펠러(121)는 랭킨 사이클에 따라서 유체가 순환하는 사이클부(200, 도 2 참조) 내에서 증발된 증기에 의하여 회전하게 된다. 이러한 구조를 통하여 터빈의 효율을 높이고 출력을 극대화하는 방식을 제안한다. 이하, 상기 구조 및 방식에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 도 2는 도 1의 터보 제너레이터가 적용된 본 발명의 하이브리드 터보 제너레이터 시스템의 개념도이고, 도 3은 R-245fa을 이용한 유기 랭킨 사이클의 Ts 다이어그램이다. 본 도면들을 참조하면, 본 발명의 터빈 발전 시스템에서는 랭킨 사이클에 따라서 유체가 순환하는 사이클부(200)가 구비된다. 사이클부(200)는 예를 들어, 펌프(210, 단열압축), 열교환기(221) 및 증발기(222, 등압가열), 제2터빈부(120, 단열팽창) 및 복수기(230, 등압방열, 또는 응축기)를 포함한다. 도시에 의하면, 상기 사이클부(200)에서 상기 증발기(222)에서 증발된 유체는 복수기(230)에서 응축되며, 상기 제2터빈부(120)는 상기 증발기(222)와 복수기(230)의 사이에 배치된다. 즉, 상기 사이클부(200)에서 증발기(222)를 거친 유체는 도 2와 같이 터빈의 날개로 유입되어 상변화를 통해 다시 복수기(condensor)를 거치는 냉매와 함께 활용된다. 본 발명의 터빈 발전 시스템에서는 이러한 유체의 흐름을 통해 양단의 터빈 날개의 작동 유체 활용을 각각 다르게 함으로써 하이브리드 구조를 이루게 된다. 예를 들어, 상기 제1터빈부(110)로 유입되는 유체를 가열하기 위하여, 상기 제1터빈부(110)의 유입구에는 버너(미도시)가 연결될 수 있으며, 따라서 제1터빈부(110)는 건스팀의 조건으로 운전되는 스팀부가 될 수 있다. 본 도면들을 참조하면, 본 발명의 터빈 발전 시스템은 제1임펠러(111)를 회전시킨 후 상기 제1터빈부(110)에서 유출되는 유체가 상기 사이클부(200)에 구비되는 증발기(222)의 냉매와 열교환하도록 형성된다. 이를 위하여 상기 랭킨 사이클은 상기 제1터빈부(110)에서 유출되는 유체로부터 열에너지를 공급받는 유기 랭킨 사이클(organic rankine cycle)이 될 수 있다. 따라서, 상기 열교환기(221)와 증발기(222)를 순환하는 냉매는 유기 냉매가 될 수 있으며, 그 예로서 R-245fa 가 될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열교환기(221)와 증발기(222)를 순환하는 유기 냉매는 상기 열교환기(221)에서 상기 제1터빈부(110)에서 유출되는 유체와 열교환하도록 이루어진다. 1차적으로 스팀 터빈을 이용하여 흡입된 스팀의 유체력은 터빈을 구동 시키고 터빈을 나온 팽창된 스팀은 압력이 저하되며 저온 열원으로 변화된다. 이를 열 교환기(heat exchanger)와 증발기(evaplrator)를 거치는 유기 냉배(245fa)를 이용한 유기 랭킨 싸이클(Organic rankine cycle)에 적용하는 것이다. 폐열을 이용한 스팀의 온도는 통상 190℃ 이상의 중온을 갖는다. 따라서 1차적으로 스팀 터빈을 이용하여 흡입된 스팀의 유체력은 터빈을 구동시키고 터빈을 나온 팽창된 스팀은 압력이 저하되며 110~140℃ 정도의 저온 열원으로 변화된다. 이러한 열원은 스팀 터빈의 성능 구조상 2차적 운동량을 직접 활용하기에는 극히 효율이 낮을 뿐 아니라 출구의 팽창과 더불어 수증기의 응축이 생겨 터빈의 손상을 초래한다. 이러한 문제는 상기 본 발명의 구조에 의하여 극복될 수 있다. 상기와 같은 하이브리드 터빈 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. |
