KR20200033432A - 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

냉매 냉각라인과 3-스트림 열교환기에 의해 공기를 액체산소로 압축한 후 액체산소를 가압 및 기화시켜 연소기로 공급하여 발전을 수행하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 냉각기와, 냉각기에 의해 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창기를 포함하는 냉매 냉각라인; 제1 라인에 흐르는 공기를 팽창기의 상류 측의 제2 라인에 흐르는 냉매 및 팽창기의 하류 측의 제3 라인에 흐르는 냉매와 열교환시켜 액체공기를 생성하는 제1 열교환기; 제1 열교환기에 의해 생성된 액체공기에서 액체산소와 기체질소를 분리하고, 액체산소를 저장하는 산소분리기; 산소분리기에 저장된 액체산소를 가압하여 공급하는 제1 펌프; 제1 펌프에 의해 공급되는 액체산소를 기화시켜 압축산소를 생성하는 제1 기화기; 제1 기화기에 의해 기화된 압축산소를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시키는 연소기; 및 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기를 포함한다.

Description

액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템{GAS TURBINE POWER GENERATION SYSTEM USING LIQUID OXYGEN}
본 발명은 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기를 액체산소로 압축한 후 액체산소를 가압, 기화하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 가스터빈 발전 시스템은 압축공기를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시켜 발전을 하는 시스템이다. 도 1은 종래의 해양플랜트 가스터빈 발전 시스템을 보여주는 도면이다. 종래의 해양플랜트 가스터빈 발전 시스템은 저장탱크(10), 펌프(20), 기화기(30), 압축기(40), 연소기(50), 터빈(60) 및 발전기(70)를 포함한다.
저장탱크(10)에 저장된 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 기화기(30)에 의해 천연가스(NG)로 기화되어 연소기(50)에 연료가스로 공급된다. 압축기(40)에서 공기를 압축하여 압축된 공기를 연소기(50)로 공급하면, 연소기(50)는 압축공기를 연료가스(NG)와 같이 연소하여 터빈(60)을 회전시켜 발전기(70)에 의해 전기에너지를 생산한다.
연소기(50)가 가압된 공기 속에서 연료를 연소시킬 수 있도록, 압축기(40)는 공기를 일정 수준의 압력(예를 들어, 20 ~ 60 barg)까지 압축시킨 압축공기를 공급해야 한다. 이때, 압축기(40)에서 공기를 압축하는데 사용되는 일(전력)은 발전기(70)에 의해 발생되는 전력의 약 60%를 차지하고 있다. 따라서, 압축기(40)에서 소모되는 전력을 차감하고 나면, 실제 발전기(70)에 의해 발생되는 전력의 약 40%의 전력 만을 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 냉매 냉각라인과 3-스트림 열교환기를 이용하여 공기를 냉각시켜 액체산소로 압축한 후 액체산소를 가압, 기화하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 연소기로 연소가스를 공급하기 위해 사용되는 전력을 줄여 발전 효율을 높일 수 있는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 냉각기와, 상기 냉각기에 의해 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창기를 포함하는 냉매 냉각라인; 제1 라인에 흐르는 공기를 상기 팽창기의 상류 측의 제2 라인에 흐르는 냉매 및 상기 팽창기의 하류 측의 제3 라인에 흐르는 냉매와 열교환시켜 액체공기를 생성하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기에 의해 생성된 액체공기에서 액체산소와 기체질소를 분리하고, 액체산소를 저장하는 산소분리기; 상기 산소분리기에 저장된 액체산소를 가압하여 공급하는 제1 펌프; 상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체산소를 기화시켜 압축산소를 생성하는 제1 기화기; 상기 제1 기화기에 의해 기화된 압축산소를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시키는 연소기; 및 상기 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기를 포함한다.
상기 제1 기화기는, 상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체산소를 상기 제1 라인의 상류에 흐르는 공기와 열교환시키는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
상기 냉각기는 상기 압축기에 의해 단열 압축된 냉매를 상기 제2 열교환기의 하류에 흐르는 압축산소와 열교환시키는 제3 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크; 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하여 공급하는 제2 펌프; 및 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스를 기화시켜 상기 연료가스를 생성하는 제2 기화기를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각기는, 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 냉매를 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 공기를 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 제5 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 열교환기는 -50 ~ 50℃ 공기를 -150 ~ -50℃로 냉각하고, 상기 제1 열교환기는 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 공기를 -200 ~ -190℃로 냉각할 수 있다.
상기 압축기는 상기 제3 라인의 하류에 흐르는 -190 ~ -150℃, 0 ~ 1 barg 냉매를 -100 ~ 0℃, 10 ~ 30 barg 냉매로 단열 압축하고, 상기 제3 열교환기는 상기 압축기에 의해 단열 압축된 냉매를 상기 제2 열교환기의 하류에 흐르는 압축산소와 열교환시켜 -150 ~ -120℃로 냉각하고, 상기 팽창기는 상기 제2 라인의 하류에 흐르는 -170 ~ -150℃ 냉매를 팽창시켜 -200 ~ -190℃, 0 ~ 1 barg 냉매를 상기 제3 라인으로 유입시킬 수 있다.
상기 제1 펌프는 상기 산소분리기에 저장된 액체산소를 20 ~ 60 barg로 가압하여 상기 제2 열교환기로 공급하고, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 펌프에 의해 가압되어 공급되는 액체산소를 상기 제1 라인의 상류에 흐르는 공기와의 열교환에 의해 기화시켜 -140 ~ -40℃ 압축산소를 생성하고, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기에 의해 기화된 압축산소를 상기 압축기에 의해 압축된 냉매와 열교환시켜 -100 ~ 40℃로 가열할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 상기 제3 열교환기에 의해 가열된 압축산소를 400 ~ 600℃로 가열하는 가열기와, 상기 가열기에 의해 가열된 압축산소를 상기 연소기로 공급하는 압축산소 공급라인을 더 포함할 수 있다.
상기 팽창기는 팽창 터빈으로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 냉매 냉각라인과 3-스트림 열교환기를 이용하여 공기를 냉각시켜 액체산소로 압축한 후 액체산소를 가압, 기화하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하고, 연소기로 연소가스를 공급하기 위해 사용되는 전력을 줄여 발전 효율을 높일 수 있는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템이 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 해양플랜트 가스터빈 발전 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템(100)은 액화가스 저장탱크(110), 제2 펌프(120), 제2 기화기(130), 제1 열교환기(140), 산소분리기(150), 제1 펌프(160), 제1 기화기(제2 열교환기)(170), 제3 열교환기(180), 압축기(190), 제4 열교환기(200), 쿨러(210), 팽창기(220), 연소기(230), 터빈(240) 및 발전기(250)를 포함한다.
액화가스 저장탱크(110)는 액화가스를 저장한다. 액화가스는 예를 들어, 천연가스를 액화시킨 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas), 석유가스를 액화시킨 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화된 가스일 수 있다. 액화가스 저장탱크(110)는 예를 들어, LNG와 같은 액화가스를 약 -160℃ 이하의 극저온 상태로 저장하는 단열탱크로 제공될 수 있다.
제2 펌프(120)는 액화가스 저장탱크(110)에 저장된 액화가스를 가압하여 공급한다. 액화가스 저장탱크(110)에 저장된 액화가스는 제2 펌프(120)에 의해 액화가스 공급라인(112, 122)을 통해 제2 기화기(130)로 공급된다.
제2 기화기(130)는 제2 펌프(120)에 의해 공급되는 액화가스를 기화시켜 연료가스(예를 들어, 천연가스)를 생성한다. 제2 기화기(130)는 액화가스를 100 ~ 200℃로 가열하여 기화시킬 수 있다. 제2 기화기(130)에 의해 기화된 연료가스는 연료가스 공급라인(132)을 통해 연소기(230)로 공급된다.
제1 열교환기(140)는 냉매 냉각라인에서 냉각된 냉매에 의해 공기를 냉각시켜 액화함으로써, 액체공기를 생성할 수 있다. 제1 열교환기(140)는 제1 라인(146)에 흐르는 공기를 팽창기(220) 상류 측의 제2 라인(214)에 흐르는 냉매 및 팽창기(220) 하류 측의 제3 라인(226)에 흐르는 냉매와 열교환시켜 액체공기를 생성한다. 공기 냉각을 위해 사용되는 냉매는 예를 들어, 질소, 메탄 등의 단일 냉매 또는 둘 이상의 냉매가 혼합된 혼합 냉매일 수 있으나, 이러한 냉매로 제한되지 않고 다른 냉매가 사용될 수도 있음은 물론이다.
제1 열교환기(140)에서 냉매와의 열교환에 의해 생성되는 액체공기는 액체산소 유입라인(148)을 통해 산소분리기(150)로 이송된다. 산소분리기(150)는 액체공기에서 액체산소와 기체질소를 분리하고, 액체산소를 저장한다. 산소분리기(150)는 내부에 저장된 액체산소를 약 -200 ~ -190℃ 온도로 유지할 수 있도록 단열탱크로 제공될 수 있다.
제1 펌프(160)는 산소분리기(150)에 저장된 액체산소를 가압하여 제1 기화기(170)로 공급한다. 산소분리기(150)에 저장된 액체산소는 제1 펌프(160)에 의해 액체산소 공급라인(162)을 통해 제1 기화기(170)로 공급된다. 제1 펌프(160)는 산소분리기(150)에 저장된 액체산소를 20 ~ 60 barg로 가압하여 제1 기화기(170)로 공급할 수 있다.
제1 기화기(170)는 제1 펌프(160)에 의해 공급되는 액체산소를 기화시켜 압축산소를 생성한다. 제1 기화기(170)는 제1 펌프(160)에 의해 가압되어 공급되는 액체산소를 제1 라인(146)의 상류에 흐르는 공기와 열교환시켜 기화시키는 제2 열교환기로 구성될 수 있다. 제2 열교환기는 약 -195 ~ -180℃ 온도의 액체산소를 -50 ~ 50℃ 공기와의 열교환에 의해 기화시켜 -140 ~ -40℃ 압축산소를 생성하고, 반대 급부로 -50 ~ 50℃, 0 ~ 1 barg 공기를 -150 ~ -50℃로 미리 냉각할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의하면, 제2 열교환기에 의해 액체산소를 기화시킴으로써, 액체산소를 기화시키기 위한 별도의 기화 장치를 마련할 필요 없으므로, 설비 및 운용 비용을 줄일 수 있다.
제2 열교환기에 의해 냉각된 공기는 제1 공기 이송라인(144)을 통해 제1 열교환기(140)의 제1 라인(146)으로 이송되고, 제1 열교환기(140)의 제1 라인(146)을 통과하면서 냉매 냉각라인을 통해 냉각된 냉매와의 열교환에 의해 -200 ~ -190℃로 냉각되어 액체공기로 상변화된다. 제1 펌프(160)에 의해 가압된 후 제2 열교환기에서 기화된 압축산소는 제2 공기 이송라인(172)을 통해 제3 열교환기(180)로 이송된다.
제1 열교환기(140)에서 공기를 냉각시킨 냉매는 냉매 냉각라인을 순환하며, 냉매 냉각라인에 마련된 압축기(190), 냉각기(180, 200, 210) 및 팽창기(220)에 의해 냉각된다. 제1 열교환기(140)의 제3 라인(226)에서 공기와 열교환된 냉매는 -190 ~ -150℃로 온도가 상승한 상태로, 냉매 이송라인(228)을 통해 압축기(190)로 이송된다. 제1 열교환기(140)에서 공기와 열교환되어 승온된 냉매를 -200 ~ -190℃ 온도로 냉각하기 위하여, 압축기(190)는 제1 열교환기(140)의 제3 라인(226)으로부터 배출되는 -190 ~ -150℃, 0 ~ 1 barg 냉매를 -100 ~ 0℃, 10 ~ 30 barg 냉매로 단열 압축할 수 있다.
압축기(190)에 의해 단열 압축된 냉매는 제1 이송라인(192)을 통해 냉각기(180, 200, 210)로 이송된다. 압축기(190)에 의해 단열 압축된 냉매를 냉각한다. 실시예에서, 냉각기는 제3 열교환기(180), 제4 열교환기(200) 및 쿨러(210)를 포함할 수 있다. 제3 열교환기(180)는 압축기(180)에 의해 단열 압축된 냉매를 제1 기화기(제2 열교환기)(170)의 하류에 흐르는 압축산소와 열교환시켜 -150 ~ -120℃로 냉각할 수 있다. 제2 열교환기에 의해 기화된 -140 ~ -40℃ 압축산소는 제3 열교환기(180)에서 냉매와 열교환되어 -100 ~ 40℃로 가열될 수 있다.
제3 열교환기(180)에서 압축산소와의 열교환에 의해 냉각된 냉매는 제2 이송라인(184)를 통해 제4 열교환기(180)로 이송된다. 제4 열교환기(200)는 제3 열교환기(180)에 의해 냉각된 냉매를 제2 펌프(120)에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각할 수 있다.
제2 펌프(120) 후단의 액화가스 공급라인(122)으로부터 분지된 분지라인(202)을 통해 극저온의 액화가스가 제4 열교환기(200)로 공급되고, 제4 열교환기(200)에서 액화가스와 냉매 간의 열교환을 통해 냉매가 냉각된다. 제4 열교환기(200)에서 액화가스는 냉매와의 열교환에 의해 기화되고, 회수라인(204)을 통해 제2 기화기(130) 후단의 연료가스 공급라인(132)으로 회수되어 연소기(230)로 공급된다. 제4 열교환기(200)에서 냉매에 의해 액화가스의 일부를 기화할 수 있으므로, 연소기(230)로 공급될 연료가스를 생성하기 위해 액화가스를 기화시키는데 필요한 제2 기화기(130)의 에너지 사용량을 줄일 수 있다. 제4 열교환기(200)에서 액화가스에 의해 냉각된 냉매는 제3 이송라인(206)을 통해 쿨러(210)로 이송되어 냉각된다. 제3 열교환기(180)와 제4 열교환기(200)에 의해 냉매가 충분히 냉각될 수 있는 경우, 쿨러(210)는 생략될 수 있다.
압축기와 냉각기에 의해 압축 및 냉각된 냉매는 제4 이송라인(212)을 통해 제1 열교환기(140)의 제2 라인(214)으로 이송된다. 제1 열교환기(140)의 제2 라인(214)을 통과한 냉매는 제5 이송라인(222)을 통해 팽창기(220)로 이송된다. 팽창기(220)는 압축기(190)에 의해 단열 압축된 후 냉각된 -170 ~ -150℃ 냉매를 팽창시켜 산소 액화점(약 -183℃) 보다 낮은 온도를 가지도록 -200 ~ -190℃, 0 ~ 1 barg로 감압 및 냉각한다.
팽창기(220)는 팽창 터빈으로 제공될 수 있다. 압축기(190)에서 사용되는 전력 중의 일부는 팽창 터빈에 의해 회수될 수 있다. 팽창 터빈은 보조 발전기를 통해 전력의 일부가 회수되도록 구성될 수 있다. 팽창기(220)에 의해 감압, 냉각된 극저온 냉매는 제6 이송라인(224)을 통해 제1 열교환기(140)의 제3 라인(226)으로 이송된다.
가열기(181)는 제3 열교환기(180)에 의해 가열된 -100 ~ 40℃ 압축산소를 400 ~ 600℃로 가열한다. 가열기(181)는 제3 열교환기(180)에 의해 가열된 압축산소를 터빈(240)에서 배출되는 고온(약 500 ~ 600℃)의 폐가스와 열교환시키거나, 엔진 냉각수, 스팀터빈 발전기의 스팀 응축수 등의 폐열을 이용함으로써, 압축산소를 연소기(230)의 연소 효율을 높일 수 있는 온도로 가열할 수 있다. 가열기(181)에 의해 가열된 압축산소는 압축산소 공급라인(182)을 통해 연소기(230)로 공급된다.
연소기(230)는 제2 기화기(130)에 의해 기화된 연료가스(예를 들어, 천연가스)를 연료가스 공급라인(132)을 통해 공급받고, 제1 기화기(170)에 의해 기화되어 제2 열교환기(180) 및 가열기(181)에 의해 가열된 압축산소를 압축산소 공급라인(222)을 통해 공급받는다. 연소기(230)는 압축산소를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈(240)을 회전시킨다. 발전기(250)는 터빈(240)의 회전에 의해 발전하여 전기에너지를 생산한다.
액체산소를 가압 기화시켜 연소기(230)로 공급하기 위하여 제1 펌프(160)의 가동에 사용되는 전력은 종래에 연소기로 압축공기를 가압 공급하기 위해 사용되는 압축기의 사용 전력의 1/1000 수준에 불과하다. 공기 액화를 위해 냉매를 단열 압축시키는 압축기(190)의 가동에 사용되는 사용되는 전력은 종래에 연소기로 압축공기를 공급하기 위해 사용되는 압축기의 사용 전력 대비 약 35% 정도 크지만, 압축기(190)의 가동에 사용되는 전력 중의 약 50% 이상의 전력을 팽창기(220)에 의해 회수 가능하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 연소기(230)로 연소가스를 공급하기 위해 사용되는 전력을 종래 대비 약 1/3 정도 절감할 수 있다. 종래에 공기를 압축공기로 압축하는데 사용되는 전력은 발전기에 의해 생산되는 전력의 약 60% 수준으로 매우 높고 실제 얻을 수 있는 전력은 40%에 불과하다. 그러나, 본 발명의 실시예에 의하면, 연소가스(압축산소)를 공급하는데 사용되는 전력을 발전기에 의해 생산되는 전력의 약 40% 수준까지 낮출 수 있고, 발전기에 의해 실제 얻을 수 있는 전력을 종래 대비 20% 혹은 그 이상 높일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 공기를 압축하여 연소기로 압축공기를 공급하는 대신, 압축기, 냉각기 및 팽창기로 이루어지는 냉매 냉각라인과 3-스트림 열교환기를 이용하여 공기를 액화시켜 액체산소를 저장하고, 저장된 액체산소를 펌프에 의해 가압 후 기화시켜 압축산소를 가스터빈의 연소가스로 공급함으로써, 연소가스의 공급 비용을 절감하고 에너지 효율을 향상시킨다.
비고 사용 전력 (종래 발전 시스템) 사용 전력 (본 발명의 발전 시스템)
압축기 75.17 MW 101.8 MW
팽창기 - -52.37 MW
펌프 - 0.07624 MW
총 사용 전력 75.17 MW 49.47 MW
도 1에 도시된 종래의 가스터빈 발전 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 발전 효율을 시뮬레이션에 의해 비교 분석한 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 가스터빈 발전 시스템의 경우, 공기 압축을 위한 압축기(40)의 사용 전력이 75.17 MW 인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 공기 압축을 위한 사용 전력이 49.47 MW 로, 종래의 가스터빈 발전 시스템 대비 사용 전력이 약 1/3 이상 절감됨을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템(100)은 제5 열교환기(201)를 더 포함하는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다.
제5 열교환기(201)는 제1 기화기(제2 열교환기)(170)와 제1 열교환기(140) 사이에 설치된다. 제5 열교환기(201)는 제1 기화기(170)에서 액체산소와의 열교환에 의해 냉각된 공기를 제2 펌프(120)에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각할 수 있다.
제5 열교환기(201)는 제2 펌프(120) 후단의 액화가스 공급라인(122)으로부터 분지된 분지라인(202)을 통해 극저온의 액화가스를 공급받고, 공기를 액화가스와 열교환시켜 공기를 냉각시키는 동시에, 액화가스를 기화시킨다. 제5 열교환기(201)에서 액화가스는 공기와의 열교환에 의해 기화되고, 회수라인(204)을 통해 제2 기화기(130) 후단의 연료가스 공급라인(132)으로 회수되어 연소기(230)로 공급된다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 제5 열교환기(201)에서 공기에 의해 액화가스의 일부를 기화할 수 있으므로, 연소기(230)로 공급될 연료가스를 생성하기 위해 액화가스를 기화시키는데 필요한 제2 기화기(130)의 에너지 사용량이 감소될 수 있다. 제5 열교환기(201)에서 액화가스에 의해 냉각된 공기는 공기 이송라인(145)을 통해 제1 열교환기(140)의 제1 라인으로 이송되고, 냉매와의 열교환에 의해 액화된다.
이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템 110: 액화가스 저장탱크
120: 제2 펌프 130: 제2 기화기
140: 제1 열교환기 150: 산소분리기
160: 제1 펌프 170: 제1 기화기
180: 제3 열교환기 190: 압축기
200: 제4 열교환기 201: 제5 열교환기
210: 쿨러 220: 팽창기
230: 연소기 240: 터빈
250: 발전기

Claims (11)

  1. 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각하는 냉각기와, 상기 냉각기에 의해 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창기를 포함하는 냉매 냉각라인;
    제1 라인에 흐르는 공기를 상기 팽창기의 상류 측의 제2 라인에 흐르는 냉매 및 상기 팽창기의 하류 측의 제3 라인에 흐르는 냉매와 열교환시켜 액체공기를 생성하는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환기에 의해 생성된 액체공기에서 액체산소와 기체질소를 분리하고, 액체산소를 저장하는 산소분리기;
    상기 산소분리기에 저장된 액체산소를 가압하여 공급하는 제1 펌프;
    상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체산소를 기화시켜 압축산소를 생성하는 제1 기화기;
    상기 제1 기화기에 의해 기화된 압축산소를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시키는 연소기; 및
    상기 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기를 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기화기는, 상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체산소를 상기 제1 라인의 상류에 흐르는 공기와 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각기는 상기 압축기에 의해 단열 압축된 냉매를 상기 제2 열교환기의 하류에 흐르는 압축산소와 열교환시키는 제3 열교환기를 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    액화가스를 저장하는 액화가스 저장탱크;
    상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 가압하여 공급하는 제2 펌프; 및
    상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스를 기화시켜 상기 연료가스를 생성하는 제2 기화기를 더 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각기는, 상기 제3 열교환기에 의해 냉각된 냉매를 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 제4 열교환기를 더 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 공기를 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 제5 열교환기를 더 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 -50 ~ 50℃ 공기를 -150 ~ -50℃로 냉각하고, 상기 제1 열교환기는 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 공기를 -200 ~ -190℃로 냉각하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 제3 라인의 하류에 흐르는 -190 ~ -150℃, 0 ~ 1 barg 냉매를 -100 ~ 0℃, 10 ~ 30 barg 냉매로 단열 압축하고, 상기 제3 열교환기는 상기 압축기에 의해 단열 압축된 냉매를 상기 제2 열교환기의 하류에 흐르는 압축산소와 열교환시켜 -150 ~ -120℃로 냉각하고, 상기 팽창기는 상기 제2 라인의 하류에 흐르는 -170 ~ -150℃ 냉매를 팽창시켜 -200 ~ -190℃, 0 ~ 1 barg 냉매를 상기 제3 라인으로 유입시키는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 펌프는 상기 산소분리기에 저장된 액체산소를 20 ~ 60 barg로 가압하여 상기 제2 열교환기로 공급하고, 상기 제2 열교환기는 상기 제1 펌프에 의해 가압되어 공급되는 액체산소를 상기 제1 라인의 상류에 흐르는 공기와의 열교환에 의해 기화시켜 -140 ~ -40℃ 압축산소를 생성하고, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기에 의해 기화된 압축산소를 상기 압축기에 의해 압축된 냉매와 열교환시켜 -100 ~ 40℃로 가열하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 열교환기에 의해 가열된 압축산소를 400 ~ 600℃로 가열하는 가열기와, 상기 가열기에 의해 가열된 압축산소를 상기 연소기로 공급하는 압축산소 공급라인을 더 포함하는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기는 팽창 터빈으로 제공되는 액체산소를 이용한 가스터빈 발전 시스템.
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