초임계 이산화탄소 발전 시스템{Supercritical CO2 generation system applying recuperator per each heat source}

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 관한 것이다.

국제적으로 효율적인 전력 생산에 대한 필요성이 점차 커지고 있고, 공해물질 발생을 줄이기 위한 움직임이 점차 활발해짐에 따라 공해물질의 발생을 줄이면서 전력 생산량을 높이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있다. 그러한 노력의 하나로 일본특허공개 제2012-145092호에 개시된 바와 같이 초임계 이산화탄소를 작동 유체로 사용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템(Power generation system using Supercritical CO2)에 대한 연구 개발이 활성화되고 있다.

초임계 상태의 이산화탄소는 액체 상태와 유사한 밀도에 기체와 비슷한 점성을 동시에 가지므로 기기의 소형화와 더불어, 유체의 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소화할 수 있다. 동시에 임계점이 섭씨 31.4도, 72.8기압으로, 임계점이 섭씨 373.95도, 217.7기압인 물보다 매우 낮아서 다루기가 용이한 장점이 있다. 이러한 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 섭씨 550도에서 운전할 경우 약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀 사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향상과 함께 터보기기를 수십 분의 1 수준으로 축소가 가능한 장점이 있다.

열원에 제약 조건이 있는 복수의 열원을 적용할 경우 시스템 구성이 복잡해지고 효과적인 열 이용이 어렵기 때문에 일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 열원인 히터가 1개인 경우가 대부분이다. 따라서 시스템 구성이 한정적이고 효과적인 열원의 이용이 어려운 문제가 있다.

본 발명의 목적은 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용해 시스템을 효과적으로 운용할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은, 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터를 포함하며, 상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 외부의 열원이 유입되는 유입단 쪽에 고온부가 형성되고, 상기 외부의 열원이 배출되는 배출단 쪽에 저온부가 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 작동 유체를 상기 고온부 및 저온부로 공급하는 고온부 이송관 및 저온부 이송관을 더 포함하고, 상기 터빈은 상기 펌프를 구동시키는 저압 터빈과, 발전기를 구동시 키는 고압 터빈을 포함하며, 상기 저압 터빈 및 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 통합 유량(mt0)을 분기하여 상기 복수의 리큐퍼레이터로 공급하는 것을 특징으로 하며, 상기 열교환기는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기로 구비되고, 상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 구비되며, 상기 펌프의 전단에는 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 고온부 및 저온부가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 열교환기 내지 제3 열교환기는 폐열 기체를 열원으로 사용하되, 상기 제1 내지 제3 열교환기 중 적어도 하나는 상기 폐열 기체의 배출 시 배출 규제 조건이 있으며, 상기 제 내지 제3 열교환기 중 나머지는 상기 폐열 기체의 배출 시 배출 규제 조건이 없는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 리큐퍼레이터는 상기 저온부 이송관과 상기 고온부 이송관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 열교환기 및 제2 리큐퍼레이터는 병렬 배치되며, 상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제2 리큐퍼레이터, 상기 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 한다.

상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기의 상기 저온부, 상기 제1리큐퍼레이터, 상기 제1 열교환기의 상기 고온부를 순차적으로 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부 및 상기 제2 리큐퍼레이터로 분기되며, 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과해 가열된 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부를 통과해 가열된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 제2 열교환기의 상기 고온부를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 리큐퍼레이터에서 가열된 후 상기 제3 열교환기를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 터빈을 거쳐 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터에서 냉각되어 상기 쿨러로 유입되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 작동 유체를 순환시키는 펌프와, 외부의 열원을 통해 상기 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기와, 상기 열교환기를 통과해 가열된 상기 작동 유체에 의해 구동되며, 상기 펌프를 구동시키는 저압 터빈 및 발전기를 구동시키는 고압 터빈과, 상기 저압 터빈 또는 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체와 상기 펌프를 통과한 상기 작동 유체를 열교환하여 상기 저압 터빈 또는 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 복수의 리큐퍼레이터와, 상기 저압 터빈 및 고압 터빈의 배출단에 각각 구비되어 상기 저압 터빈 또는 상기 고압 터빈을 통과한 상기 작동 유체의 유량을 조절하는 복수의 제어 밸브를 포함하며, 상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 외부의 열원이 유입되는 유입단 쪽에 고온부가 형성되고, 상기 외부의 열원이 배출되는 배출단 쪽에 저온부가 형성되는 것을 특징으로 하고, 상기 작동 유체를 상기 고온부 및 저온부로 공급하는 고온부 이송관 및 저온부 이송관을 더 포함하며, 상기 리큐퍼레이터는 상기 열교환기의 개수와 동일한 개수로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 저압 터빈의 배출단에 구비된 상기 제어 밸브가 설치된 상기 작동 유체의 이송관은 상기 고압 터빈의 배출단에 구비된 상기 제어 밸브가 설치된 상기 작동 유체의 이송관에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제공한다.

상기 열교환기는 폐열 기체를 열원으로 사용하되, 상기 열교환기 중 적어도 하나는 상기 폐열 기체의 배출 시 배출 규제 조건이 있으며, 상기 열교환기 중 나머지는 상기 폐열 기체의 배출 시 배출 규제 조건이 없는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기는 제1 열교환기 내지 제3 열교환기로 구비되고, 상기 리큐퍼레이터는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 구비되며, 상기 펌프의 전단에는 상기 리큐퍼레이터를 통과한 상기 작동 유체를 냉각시키는 쿨러를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 열교환기는 상기 고온부 및 저온부가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 리큐퍼레이터는 상기 저온부 이송관과 상기 고온부 이송관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 열교환기 및 제2 리큐퍼레이터는 병렬 배치되며, 상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제2 리큐퍼레이터, 상기 제3 리큐퍼레이터로 분기되는 것을 특징으로 한다.

상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제1 열교환기의 상기 저온부, 상기 제1리큐퍼레이터, 상기 제1 열교환기의 상기 고온부를 순차적으로 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부 및 상기 제2 리큐퍼레이터로 분기되며, 상기 제2 리큐퍼레이터를 통과해 가열된 상기 작동 유체는 상기 제2 열교환기의 상기 저온부를 통과해 가열된 상기 작동 유체와 혼합되어 상기 제2 열교환기의 상기 고온부를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 쿨러 및 펌프를 통과한 상기 작동 유체는 상기 제3 리큐퍼레이터에서 가열된 후 상기 제3 열교환기를 거쳐 가열되어 상기 터빈으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 터빈을 거쳐 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 분기된 상기 작동 유체는 상기 제1 내지 제3 리큐퍼레이터에서 냉각되어 상기 쿨러로 유입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 각 열원 별로 하나씩의 리큐퍼레이터를 활용함으로써 복수의 열원을 효과적으로 활용할 수 있어 시스템 구성이 간소화되고 운전이 간단해지며, 시스템 구성 비용이 감소되어 효과적인 운영이 가능한 장점이 있다. 또한, 다양한 조건을 갖는 복수의 열원에 대해 폭넓게 적용이 가능해 시스템 활용도가 높은 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 열원을 활용한 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.

일반적으로 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 발전에 사용된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않는 폐사이클(closed cycle)을 이루며, 작동 유체로 초임계 상태의 이산화탄소를 이용한다.

초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체가 초임계 상태의 이산화탄소이므로 화력 발전소 등에서 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있어 단독 발전 시스템뿐만 아니라 화력 발전 시스템과의 하이브리드 발전 시스템에도 사용될 수 있다. 초임계 이산화탄소 발전 시스템의 작동 유체는 배기 가스로부터 이산화탄소를 분리하여 공급할 수도 있고, 별도의 이산화탄소를 공급할 수도 있다.

사이클 내의 작동 유체는 펌프를 통과한 후, 히터 등과 같은 열원을 통과하면서 가열되어 고온고압의 초임계 상태가 되며, 작동 유체가 터빈을 구동시킨다. 터빈에는 발전기가 연결될 수 있으며, 터빈에 의해 발전기가 구동되어 전력을 생산한다. 전력의 생산에 이용된 작동 유체는 열교환기를 거치면서 냉각되며, 냉각된 작동 유체는 다시 펌프로 공급되어 사이클 내를 순환한다. 터빈이나 열교환기는 복수 개가 구비될 수 있다.

본 발명에서는 열원으로 폐열 기체를 이용하는 복수의 히터가 구비되고, 열원의 입출구 온도, 용량, 개수 등의 조건에 따라 각 열교환기를 효과적으로 배치함으로써 열원의 개수 대비 동일하거나 적은 수의 리큐퍼레이터를 운용하는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 제안한다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템이란 싸이클 내에서 유동하는 작동 유체 모두가 초임계 상태인 시스템뿐만 아니라, 작동 유체의 대부분이 초임계 상태이고 나머지는 아임계 상태인 시스템도 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 작동 유체로 이산화탄소가 사용되는데, 여기서 이산화탄소란, 화학적인 의미에서 순수한 이산화탄소, 일반적인 관점에서 불순물이 다소 포함되어 있는 상태의 이산화탄소 및 이산화탄소에 한가지 이상의 유체가 첨가물로서 혼합되어 있는 상태의 유체까지도 포함하는 의미로 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 작동 유체를 순환시키는 펌프(100)와, 펌프(100)를 통과한 작동 유체와 열교환하는 복수의 리큐퍼레이터 및 열교환기와, 리큐퍼레이터 및 열교환기를 통과하며 가열된 작동 유체에 의해 구동되는 복수의 터빈과, 터빈에 의해 구동되는 발전기(450), 그리고 펌프(100)로 유입되는 작동 유체를 냉각시키는 쿨러(500)를 포함하여 구성될 수 있다.

복수 개의 터빈을 통과한 각각의 작동 유체의 유량은 하나로 합쳐져(이하 통합 유량) 리큐퍼레이터 또는 열교환기로 공급된다.

본 발명의 각 구성들은 작동 유체가 흐르는 이송관(10)에 의해 연결되며, 특별히 언급하지 않더라도 작동 유체는 이송관(10)을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 다만, 복수 개의 구성들이 일체화 되어 있는 경우, 일체화된 구성 내에 사실상 이송관(10)의 역할을 하는 부품 내지 영역이 있을 것이므로, 이 경우에도 당연히 작동 유체는 이송관(10)을 따라 유동하는 것으로 이해되어야 한다. 별도의 기능을 하는 유로의 경우 추가로 설명하기로 한다.

펌프(100)는 후술할 저압 터빈(410)에 의해 구동되며, 쿨러(500)를 거쳐 냉각된 저온의 작동 유체를 리큐퍼레이터 또는 열원으로 보내는 역할을 한다.

리큐퍼레이터는 터빈을 통과해 팽창되면서 고온에서 중온으로 냉각된 작동 유체와 열교환하여 작동 유체를 1차로 냉각시킨다. 리큐퍼레이터는 복수 개로 구비되며, 터빈을 통과한 냉각 유체가 시스템 구동 조건에 따라 적절히 분배되어 공급된다. 터빈을 통과한 냉각 유체가 유입되는 각 리큐퍼레이터의 유입단에는 제어 밸브(v1, v2, v3)가 구비될 수 있다. 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내져 2차로 냉각된 후 펌프(100)로 보내진다. 펌프(100)를 통해 리큐퍼레이터로 보내진 작동 유체는 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열되고, 후술할 열원으로 공급된다. 또는, 펌프(100)를 통해 열원을 먼저 거친 후 리큐퍼레이터를 통과하기도 한다. 이를 위해, 펌프(100)에서 리큐퍼레이터 또는 열원으로 작동 유체가 유입되는 이송관(10)의 유입단에는 제어밸브(v4 ~ v7)가 구비될 수 있다. 본 발명에서 리큐퍼레이터는 열원의 개수와 동일한 개수로 구비되며, 본 실시 예에서 리큐퍼레이터는 열원의 개수에 대응하여 3개로 구비되는 것을 예로 하여 설명한다(이에 대해서는 후술함).

열교환기는 외부의 열원을 이용해 작동 유체를 가열하는 복수의 열교환기로, 본 명세서에서는 편의상 제한이 없는 열원으로 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330)가, 제한이 있는 열원으로 제3 열교환기(350)가 구비된 것을 예로 하여 설명한다.

제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 배기 가스와 같이 폐열을 갖는 기체(이하 폐열 기체)를 열원으로 사용하되, 폐열 기체의 배출 시 배출 규제가 없는 열원이다. 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 폐열 기체와 작동 유체를 열교환하여 작동 유체를 가열하는 역할을 한다. 배출 규제 조건이 없는 열원은 예를 들어, 시멘트 공정에서의 AQC 폐열 조건 등에 해당될 수 있다.

제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)는 폐열 기체가 유입되는 유입단 쪽 영역이 폐열 기체가 배출되는 배출단 쪽 영역에 비해 상대적으로 온도가 높게 나타난다. 고온 영역을 고온부(314, 334), 저온 영역을 저온부(312, 332)라고 정의하며, 작동 유체가 제1 열교환기(310) 및 제2 열교환기(330)의 저온부(312, 332) 및 고온부(314, 334)를 거쳐 순환되는 구조를 이룬다. 제3 열교환기(350)는 폐열 기체의 배출 시 배출 규제가 있는 열원이다. 제3 열교환기(350)에서 열을 빼앗긴 폐열 기체는 배출 규제 조건에 맞는 온도로 냉각될 때까지 열교환된 뒤 제3 열교환기(350)를 빠져나간다.

전술한 리큐퍼레이터 및 열교환기의 배치에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1 리큐퍼레이터(210)는 제1 열교환기(310)의 저온부(312) 및 고온부(314)를 지나는 저온부 이송관(12) 및 고온부 이송관(14)의 사이에 배치된다. 따라서 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 저온부 이송관(12)을 통해 제1 열교환기(310)의 저온부(312)를 통과한 뒤 제1 리큐퍼레이터(210)로 보내지며, 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 뒤 다시 제1 열교환기(310)의 고온부(314)를 통과해 터빈으로 보내진다. 이때, 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과해 저온 상태인 작동 유체는 저온부(312)를 통과하면서 1차로 가열되고, 제1 리큐퍼레이터(210)를 통해 터빈을 통과한 작동 유체와의 열교환을 통해 2차로 가열된다. 터빈을 통과한 작동 유체는 쿨러(500) 및 펌프(100)를 거친 저온의 작동 유체에 비해 상대적으로 온도가 높은 중온 상태이므로 열교환이 가능하다. 그 후 제1 리큐퍼레이터(210)를 통과한 작동 유체는 제1 열교환기(310)의 고온부(314)를 통과하면서 3차로 가열되어 터빈을 구동시킬 수 있는 고온 상태가 된다.

제2 리큐퍼레이터(230)는 제2 열교환기(330)와 병렬로 배치되며, 쿨러(500) 및 펌프(100)를 거친 작동 유체의 일부가 분기되어 제2 리큐퍼레이터(230) 및 제2 열교환기(330)로 각각 공급된다. 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체는 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환된 뒤 제2 열교환기(330)의 저온부(332)와 고온부(334)의 사이로 공급된다. 제2 리큐퍼레이터(230)로 유입된 작동 유체는 저온부 이송관(16)을 통해 저온부(332)에서 1차로 가열된 뒤 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체와 혼합되어 고온부 이송관(18)을 통해 고온부(334)로 보내진다. 고온부(334)에서 가열된 작동 유체는 터빈을 구동시킬 수 있는 고온 상태가 되어 터빈으로 공급된다. 이때, 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과해 저온 상태인 작동 유체는 제2 리큐퍼레이터(230)를 통해 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환되어 가열된다. 터빈을 통과한 작동 유체는 쿨러(500) 및 펌프(100)를 거친 저온의 작동 유체에 비해 상대적으로 온도가 높은 중온 상태이므로 열교환이 가능하다. 그 후 터빈 및 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과하면서 냉각된 작동 유체는 다시 쿨러(500)로 보내져 냉각된다.

제3 리큐퍼레이터(250)에는 터빈을 통과한 작동 유체의 일부가 유입되며, 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과한 저온의 작동 유체와 열교환하여 1차로 냉각된다. 그 후 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 보내진다. 터빈을 통과한 작동 유체는 쿨러(500) 및 펌프(100)를 거친 저온의 작동 유체에 비해 상대적으로 온도가 높은 중온 상태이므로 열교환이 가능하다. 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과한 작동 유체는 제3 리큐퍼레이터(250)에서 열교환되어 1차로 가열되고, 제3 열교환기(350)에서 폐열 기체의 열에 의해 2차로 가열된다. 제3 열교환기(350)에서 가열되어 고온 상태가 된 작동 유체는 터빈을 작동시킬 수 있을 정도의 고온이 되어 터빈으로 공급된다.

전술한 터빈은 저압 터빈(410)및 고압 터빈(430)으로 구성되며, 작동 유체에 의해 구동되어 이 터빈들 중 적어도 어느 하나의 터빈에 연결된 발전기(450)를 구동시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다. 저압 터빈(410)및 고압 터빈(430)을 통과하면서 작동 유체가 팽창되므로 터빈은 팽창기(expander)의 역할도 하게 된다. 본 실시 예에서는 고압 터빈(430)에 발전기(450)가 연결되어 전력을 생산하며, 저압 터빈(410)은 펌프(100)를 구동시키는 역할을 한다.

여기서 저압 및 고압이라는 용어는 상대적인 의미를 갖는 용어로서, 특정 압력을 기준값으로 하여 그보다 높으면 고압이고 그보다 낮으면 저압이라는 의미로 이해되지 않아야 함을 밝혀둔다. 본 발명에서 설명하는 저온 및 고온 역시 동일한 의미로 이해되어야 할 것이다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템에 있어서, 구체적인 예를 들어 작동 유체의 흐름을 설명하면 다음과 같다.

쿨러(500)를 거쳐 냉각된 작동 유체는 펌프(100)에 의해 순환되어 제어 밸브(v4~v7)를 통해 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(330) 및 제2 리큐퍼레이터(230), 제3 리큐퍼레이터(250)로 각각 분기되어 보내진다. 또한, 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체가 혼합된 유량은 제어 밸브(v1~v3)를 통해 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210, 230, 250)로 각각 분기되어 보내진다. 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210, 230, 250)에서 1차로 냉각된 작동 유체는 쿨러(500)로 이송된다. 폐열 기체의 온도나 열량, 제약 조건의 유무, 제약 조건의 정도 및 시스템 운영 조건 등에 따라 각각으로 보내지는 작동 유체의 양을 조절할 수 있다. 작동 유체의 분배는 별도의 컨트롤러에 의한 제어 밸브(v1~v7)의 개도 조절에 의해 이루어진다.

제1 열교환기(310)로 유입된 저온의 작동 유체는 저온부 이송관(12)을 통해 제1 열교환기(310)의 저온부(312)로 유입되어 폐열 기체의 열에 의해 1차로 가열된다. 그 후 작동 유체는 제1 리큐퍼레이터(210)로 이송되어 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체와 열교환해 2차로 가열된다. 2차로 가열된 작동 유체는 다시 고온부 이송관(14)을 통해 제1 열교환기(310)의 고온부(314)로 유입되며, 폐열 기체의 열에 의해 3차로 가열된 후 저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430)으로 보내진다.

한편, 저온의 작동 유체는 각각 제2 열교환기(330) 및 제2 리큐퍼레이터(230)로 분기되어 유입된다. 제2 열교환기(330)로 분기된 저온의 작동 유체는 저온부 이송관(16)을 통해 저온부(332)에서 폐열 기체의 열에 의해 1차로 가열된 후 제2 리큐퍼레이터(230)를 통과한 작동 유체와 혼합된다. 혼합된 작동 유체는 고온부 이송관(18)에 의해 고온부(334)로 유입되어 폐열 기체의 열에 의해 2차로 가열된 후 저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430)으로 보내진다. 또한, 제2 리큐퍼레이터(230)로 분기된 저온의 작동 유체는 터빈을 통과한 작동 유체와 열교환하여 1차로 가열된다. 그 후 저온부(332)와 고온부(334)의 사이로 이송되어 저온부(332)를 통과한 작동 유체와 혼합된다.

제3 리큐퍼레이터(250)로 유입된 작동 유체는 터빈을 통과하여 제3 리큐퍼레이터(250)로 유입된 작동 유체와 열교환되어 1차로 가열된다. 1차로 가열된 작동 유체는 제3 열교환기(350)로 유입되어 폐열 기체의 열에 의해 2차로 가열된 뒤 저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430)으로 보내진다.

저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과한 작동 유체보다 상대적으로 온도가 높고, 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)으로 유입되는 작동 유체의 온도보다는 낮다. 쿨러(500) 및 펌프(100)를 통과한 작동 유체의 온도를 저온이라고 하면, 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)을 통과한 작동 유체는 중온에 해당한다. 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)으로 유입되는 작동 유체는 상대적으로 고온에 해당한다(여기서 저온, 중온, 고온은 상대적인 개념임).

저압 터빈(410) 또는 고압 터빈(430) 중 어느 터빈으로 얼만큼의 작동 유체를 보내는지는 전술한 컨트롤러에 의해 결정되며, 분배를 위해 저압 터빈(410) 및 고압 터빈(430)의 유입단에는 각 이송관(10)에 연결된 복수의 제어 밸브(번호 미표기)가 구비된다.

일반적으로 펌프(100)를 구동시키는 저압 터빈(410)보다 발전기(450)를 구동시키는 고압 터빈(430)의 출력이 커야하므로, 제1 내지 제3 열교환기(310, 330, 350)로부터 작동 유체가 배출될 때 상대적으로 고온인 작동 유체를 고압 터빈(430)으로 보내는 것이 바람직하다. 그러나 시스템의 운전 조건에 따라 이러한 작동 유체의 분배는 달라질 수 있다.

이상에서는 저압 터빈 및 고압 터빈을 통과한 작동 유체의 통합 유량을 분기하여 제1 내지 제3 리큐퍼레이터로 보내는 실시 예에 대해 설명하였으나, 저압 터빈 및 고압 터빈 각각의 유량을 선택적으로 분배할 수도 있다(전술한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 함).

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 도시한 모식도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 저압 터빈(410') 및 고압 터빈(430')의 배출단에 복수의 제어 밸브(v1', v2', v3', v1-1, v1-2, v1-3)가 설치될 수 있다.

쿨러(500')를 거쳐 냉각된 작동 유체는 펌프(100')에 의해 순환되어 제어 밸브(v4~v7)를 통해 제1 열교환기(310'), 제2 열교환기(330') 및 제2 리큐퍼레이터(230'), 제3 리큐퍼레이터(250')로 각각 분기되어 보내진다. 또한, 고압 터빈(430')을 통과한 작동 유체의 유량은 제어 밸브(v1'~v3')를 통해 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210', 230', 250')로 각각 분기되어 보내진다. 저압 터빈(410')을 통과한 작동 유체는 제어 밸브(v1-1, v1-2, v1-3)를 통해 유량이 제어되며, 이에 따라 고압 터빈(430')을 통과한 작동 유체와 혼합되거나 혼합되지 않을 수 있다.

좀더 상세히 설명하면, 저압 터빈(410')의 배출단에 구비된 제어 밸브(v1-1, v1-2, v1-3)가 설치되는 이송관은 고압 터빈(430')의 배출단에 구비된 제어 밸브(v1'~v3')를 통과한 작동 유체를 이송하는 이송관 각각에 연결된다. 따라서 저압 터빈(410')을 통과한 작동 유체는 3개의 이송관으로 분배될 수 있다. 분배된 작동 유체는 고압 터빈(430') 측 제어 밸브(v1'~v3') 각각을 통과한 작동 유체와 각각 혼합되거나 혼합되지 않을 수 있으며, 혼합되는 경우 그 유량이 제어될 수 있다.

저압 터빈(410')을 통과한 작동 유체가 고압 터빈(430')을 통과한 작동 유체와 어느 정도의 유량이 혼합될 지의 여부, 고압 터빈(430')을 통과한 작동 유체의 분배량은 시스템의 운전 조건에 따라 달라질 수 있다. 고압 터빈(430')을 통과한 작동 유체 또는 저압 터빈(410')을 통과한 작동 유체와 혼합된 작동 유체는 제1 내지 제3 리큐퍼레이터(210', 230', 250')에서 1차로 냉각된다. 1차로 냉각된 작동 유체는 쿨러(500')로 이송된다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 이송관 100: 펌프
210: 제1 리큐퍼레이터 230: 제2 리큐퍼레이터
250: 제3 리큐퍼레이터 310: 제1 열교환기
330: 제2 열교환기 350: 제3 열교환기
410: 저압 터빈 430: 고압 터빈
450: 발전기 500: 쿨러