복합화력발전 시스템 {COMBINED CYCLE POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스의 고온의 열을 이용하여 히트펌프의 냉매를 가열 증발시키고, 증발된 냉매의 열을 이용하여 해수를 가열하여 담수화하는 복합화력발전 시스템에 관한 것이다.
화력발전(火力發電)은 기체연료, 액체연료 또는 화석연료(化石燃料)를 연소시켜 증기를 생성하고, 생성된 증기로 회전기기를 회전시켜 발전하는 방식으로, 연료의 연소시 발생하는 배기가스로 인해 환경이 오염되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 연료의 연소시 발생하는 가스로 가스터빈을 회전시켜 1차로 발전하고, 가스터빈에서 배출되는 배기가스를 이용하여 증기를 생성한 다음, 생성된 증기로 증기터빈을 회전시켜 2차로 발전하는 복합화력발전(復合火力發電)이 개발되어 사용되고 있다. 복합화력발전은 두 차례에 걸쳐 발전하기 때문에 화력발전보다 열효율이 10％ 정도 향상되고, 환경오염이 감소되며, 정지 후 재가동하는 시간이 짧은 장점이 있다. 또한, 복합화력발전은 석탄을 연료로 하는 화력발전에 비하여 발전소의 건설 기간이 단축되는 장점이 있다. 일반적인 복합화력발전 시스템에 대하여 설명한다. 일반적인 복합화력발전 시스템은 가스화유닛, 가스터빈, 폐열회수 보일러, 증기터빈 및 응축기를 포함한다. 상기 가스화유닛은 연료를 연소하여 합성가스를 생성하고, 상기 가스터빈은 합성가스의 연소시 발생되는 고온 및 고압의 가스에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시킨다. 상기 폐열회수 보일러는 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스를 열원으로 하여 증기를 발생하고, 상기 증기터빈은 상기 폐열회수 보일러에서 발생된 증기에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시킨다. 상기 응축기는 상기 증기터빈에서 배출된 증기를 응축시키며, 상기 응축기에서 응축된 응축수는 상기 폐열회수 보일러로 재유입된다. 상기와 같은 종래의 복합화력발전 시스템은 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스의 열을 활용하지 못하므로, 에너지가 낭비되는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 모든 문제점들을 해결할 수 있는 복합화력발전 시스템을 제공하는 것일 수 있다. 본 발명의 다른 목적은 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 히트펌프의 냉매를 가열 증발시키고, 증발된 냉매를 이용하여 해수를 가열하여 담수화함으로써, 에너지를 절약할 수 있는 복합화력발전 시스템을 제공하는 것일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합화력발전 시스템은, 연료를 연소하여 합성가스를 생성하는 가스화유닛; 상기 가스화유닛에서 생성된 합성가스의 연소에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시키는 가스터빈; 상기 가스터빈에서 배출되는 배기가스의 열을 흡수하여 증기를 생성하는 폐열회수 보일러; 상기 폐열회수 보일러에서 생성된 증기에 의하여 구동하면서 발전기를 구동시키는 증기터빈; 상기 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 냉매를 증발시키고, 증발된 냉매로 해수를 가열하여 증기를 생성하는 히트펌프를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 복합화력발전 시스템은, 폐열회수 보일러의 일측에 히트펌프를 설치하고, 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 히트펌프의 냉매를 가열 증발시킨다. 그리고, 히트펌프의 증발된 냉매를 이용하여 해수를 가열하여 증기로 생성한 후, 증기를 냉각시켜 담수화시킨다. 따라서, 폐열회수 보일러에서 배출되는 배기가스의 열을 활용할 수 있으므로, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합화력발전 시스템의 구성을 보인 도.
도 2 및 도 3을 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 복합화력발전 시스템의 구성을 보인 도.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 한편, 본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. "적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1항목, 제2항목 또는 제3항목 각각 뿐만 아니라 제1항목, 제2항목 및 제3항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다. "위에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우 뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다. 이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 복합화력발전 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 제1실시예 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합화력발전 시스템의 구성을 보인 도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 복합화력발전 시스템(100)은 가스화유닛(110)을 포함할 수 있다. 가스화유닛(110)은 기체연료, 액체연료 또는 화석연료(化石燃料)를 연소하여 가연성 가스인 원시(Raw) 합성가스를 생성할 수 있다. 특히, 석탄을 연료로 하여 합성가스를 생성한 후 발전하는 시스템을 석탄 가스화 복합발전 시스템이라 한다. 석탄은 슬러리(Slurry) 형태로 투입되거나, 미분탄 형태로 투입될 수 있다. 슬러리 형태의 석탄은 산화제인 공기 또는 산소와 함께 물이 투입되고, 미분탄 형태의 석탄은 산화제인 공기 또는 산소와 함께 증기가 투입된다. 이하에서는, 화석연료인 미분탄을 연료로 사용하는 것을 예로 들어 설명한다. 미분탄의 연소에 의하여 생성된 원시 합성가스에는 이산화탄소, 황화카르보닐(COS) 및 황화수소가 포함될 수 있으며, 이산화탄소, 황화카르보닐(COS) 및 황화수소가 산성 가스이다. 미분탄을 가스화유닛(110)으로 공급하기 위하여, 석탄저장용기(115)와 석탄저장용기(115)에 저장된 석탄을 분쇄하는 분쇄기(116)가 마련될 수 있다. 그리고, 산화제인 산소는 공기분리기(120)에서 생성되며, 공기분리기(120)는 공기를 냉각시켜 산소와 질소로 분리 생성할 수 있다. 공기가 소정 온도로 냉각되면 산소와 질소의 끓는점의 차이로 인하여 액체 산소와 액체 질소로 분리된다. 그러면, 저온의 산소는 열교환을 거친 후 가스화유닛(110)으로 공급될 수 있다. 석탄에는 불연소 물질인 석탄회분이 대략 2∼20％ 정도 함유되어 있다. 석탄회분의 대략 20％는 가스화유닛(110)의 고온의 연소열에 의해 용융되며, 여러 입자가 응결된 슬래그(Slag)가 되어 물과 함께 가스화유닛(110)의 하부와 연통 설치된 호퍼(미도시)를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 가스화유닛(110)에서 배출된 물은 폐수처리기(118)에서 처리될 수 있으며, 폐수처리기(118)에서 처리된 물은 가스화유닛(110)으로 재유입될 수 있다. 그리고, 석탄회분의 나머지 대략 80％는 각 입자별로 연소되어 원시 합성가스의 흐름에 따라 비산하며, 석탄회분이 함유된 원시 합성가스는 정제장치(130)를 흐르면서 정제될 수 있다. 정제장치(130)는 분진제거기(131), 가수분해기(133), 산성가스제거기(135) 및 황제거기(137) 등을 포함할 수 있다. 분진제거기(131)는 원시 합성가스에 함유된 플라이애쉬를 포함한 분진을 분리한 후, 집진하여 제거할 수 있다. 또한, 분진제거기(131)는 분진을 분리한 후, 감압 및 냉각시켜 집진하여 제거할 수 있다. 또한, 분진제거기(131)는 일부의 황화카르보닐(COS)을 가수분해하여 황화수소 및 이산화탄소로 변환할 수 있다. 가수분해기(133)는 분진이 제거된 합성가스를 가수분해하여 황 성분을 제거할 수 있고, 가수분해기(133)에서 황 성분이 제거된 합성가스는 폐수처리기(118)로 유입되어 처리될 수 있다. 이때, 폐수처리기(118)는 사워가스(Sour Gas)를 황제거기(137)로 이송할 수 있다. 산성가스제거기(135)는 황 성분이 제거된 합성가스를 산성가스와 순수 합성가스로 분리할 수 있고, 산성가스를 황제거기(137)로 이송할 수 있다. 그러면, 황제거기(137)는 황과 황산을 분리하여 배출하고, 테일가스(Tail Gsa)를 사용처로 이송할 수 있다. 산성가스제거기(135)에서 분리된 순수 합성가스는 압축기(141), 연소기(143) 및 터빈(145)을 포함하는 가스터빈(140)으로 공급될 수 있다. 압축기(141)는 공기를 압축할 수 있고, 연소기(143)는 압축기(141) 및 산성가스제거기(135)로부터 공기 및 합성가스를 각각 공급받아 합성가스를 연소할 수 있다. 그리고, 터빈(145)은 연소기(143)에서 배출되는 가스에 의하여 구동하면서, 발전기를 구동시킬 수 있다. 연소기(143)에서 발생된 가스는 터빈(145)을 구동시킨 후 배출되며, 터빈(145)에서 배출된 배기가스는 폐열회수 보일러(150)로 유입되어 증기를 발생시키는 열원으로 작용할 수 있다. 폐열회수 보일러(150)에서 생성된 증기는 증기터빈(160)으로 유입되어 증기터빈(160)을 구동시키며, 증기터빈(160)의 구동에 의하여 또 다른 발전기가 구동을 하면서 발전을 하는 것이다. 폐열회수 보일러(150)에서 증기를 생성하는데 사용된 배기가스는 폐열회수 보일러(150)의 내부에 설치된 탈질(脫窒)모듈(미도시) 등에 의해 정제된 후 연돌(煙突)(152)을 통하여 배출될 수 있다. 증기터빈(160)의 구동에 사용된 증기는 배출되어 폐열회수 보일러(150)로 재유입될 수 있다. 폐열회수 보일러(150)는 가스터빈(140)에서 배출된 배기가스와 열교환하는 전열관(미도시)이 여러 단계로 배치되어 구성될 수 있고, 상기 전열관의 외면에는 복수의 열교환핀이 형성될 수 있다. 폐열회수 보일러(150)의 상기 전열관 내부에는 증기터빈(160)에서 배출되어 응축된 응축수를 포함한 물이 유입되어 흐르며, 상기 전열관과 배기가스의 열교환에 의하여 상기 전열관을 흐르는 물이 증발되어 증기터빈(160)으로 유입되는 것이다. 증기터빈(160)과 폐열회수 보일러(150) 사이에는 증기터빈(160)에서 배출된 증기를 응축시키기 위한 응축기(170)가 설치될 수 있고, 응축기(170)에서 응축된 응축수는 폐열회수 보일러(150)로 재유입될 수 있다. 폐열회수 보일러(150)의 연돌(152)을 통하여 배출되는 배기가스는 고온이므로, 연돌(152)에서 배출되는 배기가스의 열을 활용할 수 있으면, 에너지를 절약할 수 있다. 본 발명의 제1실시예에 따른 복합화력발전 시스템은 연돌(152)에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 냉매를 가열 증발시키고, 증발된 냉매를 이용하여 해수를 가열하여 담수화시킨다. 상세히 설명하면, 폐열회수 보일러(150)의 일측에는 히트펌프(180)가 설치될 수 있다. 히트펌프(180)는 열원에 의하여 가열되어 냉매를 증발시키는 증발기(미도시), 상기 증발기에서 증발된 냉매를 압축시키는 압축기(미도시), 상기 압축기에 압축된 냉매를 응축시키는 응축기(미도시) 및 상기 응축기에서 응축된 냉매를 팽창시켜 상기 증발기로 공급하는 팽창밸브(미도시)를 포함할 수 있다. 히트펌프(180)의 상기 증발기는 폐열회수보일러(150)의 연돌(152)에서 배출되는 배기가스와 열교환하고, 상기 응축기는 해수와 열교환한다. 그러므로, 히트펌프(180)의 상기 증발기의 냉매는 증발되고, 상기 응축기의 냉매는 응축된다. 이때, 히트펌프(180)의 상기 응축기와 열교환한 해수는 증기가 되어 배출되며, 상기 응축기에서 배출된 증기는 별도의 냉각설비에서 냉각된 후, 담수가 된다. 그리고, 해수에 용해되어 있는 용해물질은 히트펌프(180)의 외측으로 배출될 수 있다. 본 발명의 제1실시예에 따른 복합화력발전 시스템은 폐열회수 보일러(150)의 연돌(152)에서 배출되는 배기가스의 열을 이용하여 히트펌프(180)를 구동시키고, 히트펌프(180)를 이용하여 해수를 담수화시킨다. 즉, 연돌(152)에서 배출되는 배기가스의 열을 버리지 않고 활용하므로 에너지가 절감된다. 제2실시예 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합화력발전 시스템의 구성을 보인 도로서, 제1실시예와의 차이점만을 설명한다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 복합화력발전 시스템은 해수를 응축기(270)에서 예열한 후, 히트펌프(280)로 공급할 수 있다. 상세히 설명하면, 증기터빈(260)에서 배출되어 응축기(270)로 유입된 증기는 응축기(270)로 공급된 상대적으로 저온인 해수와 열교환할 수 있다. 그러면, 응축기(270)로 유입된 증기는 해수에 의하여 냉각 응축되어 폐열회수 보일러(250)로 재유입되고, 응축기(270)의 증기와 열교환한 해수는 예열된다. 그리고, 예열된 해수는 히터펌프(280)로 유입되어 증기가 되어 배출될 수 있다. 본 발명의 제2실시예에 따른 복합화력발전 시스템은 해수가 응축기(270)에서 예열된 후, 히트펌프(280)에서 증기로 되므로, 해수의 담수화 효율을 향상시킬 수 있다. 제3실시예 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 복합화력발전 시스템의 구성을 보인 도로서, 제1실시예와의 차이점만을 설명한다. 도시된 바와 같이, 가스터빈(340)의 압축기(341)의 효율이 향상되면, 가스터빈(340)의 효율이 향상됨은 당연하다. 그리고, 가스터빈(340)의 압축기(341)에서 압축되는 공기의 온도가 낮으면, 공기의 밀도가 높아지므로 압축기(341)의 효율이 향상될 수 있다. 본 발명의 제3실시예에 따른 복합화력발전 시스템(300)은 가스터빈(340)의 압축기(341)에서 압축되는 공기의 온도를 낮추기 위하여 공기분리기(320)에서 생성된 질소를 사용할 수 있다. 이를 위하여, 공기분리기(320)와 가스터빈(340)의 압축기(341) 사이에는 질소 공급관로(NSL)가 설치될 수 있고, 질소 공급관로(NSL)에는 가스터빈(340)의 압축기(341)로 유입되는 공기를 냉각시키기 위한 열교환기(323)가 설치될 수 있고, 질소 공급관로(NSL)를 개폐하는 밸브(325)가 설치될 수 있다. 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 가스화유닛
120: 공기분리기
140: 가스터빈
150: 폐열회수 보일러
160: 증기터빈
170: 응축기
180: 히트펌프 |
