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KR102474221B1 - Gas turbine power generation system using liquid air - Google Patents

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KR102474221B1
KR102474221B1 KR1020180113207A KR20180113207A KR102474221B1 KR 102474221 B1 KR102474221 B1 KR 102474221B1 KR 1020180113207 A KR1020180113207 A KR 1020180113207A KR 20180113207 A KR20180113207 A KR 20180113207A KR 102474221 B1 KR102474221 B1 KR 102474221B1
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vaporizer
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문성재
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삼성중공업(주)
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Abstract

공기를 액체공기로 압축한 후 액체공기를 가압하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 공기를 압축하는 압축기; 압축기에 의해 압축된 공기를 냉각하는 냉각기; 냉각기에 의해 냉각된 공기를 팽창시켜 액체공기를 생성하는 팽창기; 팽창기에 의해 생성된 액체공기를 저장하는 액체공기 저장탱크; 액체공기 저장탱크에 저장된 액체공기를 가압하여 공급하는 제1 펌프; 제1 펌프에 의해 공급되는 액체공기를 기화시켜 압축공기를 생성하는 제1 기화기; 제1 기화기에 의해 기화된 압축공기를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시키는 연소기; 및 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기를 포함한다.Disclosed is a gas turbine power generation system using liquid air that generates power by compressing air into liquid air and then pressurizing the liquid air and supplying the liquid air to a combustor. A gas turbine power generation system using liquid air according to an embodiment of the present invention includes a compressor for compressing air; a cooler that cools the air compressed by the compressor; an expander that expands the air cooled by the cooler to produce liquid air; a liquid air storage tank for storing liquid air generated by the expander; a first pump supplying pressurized liquid air stored in the liquid air storage tank; a first vaporizer for generating compressed air by vaporizing the liquid air supplied by the first pump; a combustor that rotates a turbine by combusting compressed air vaporized by the first vaporizer together with fuel gas; and a generator that generates power by rotation of the turbine.

Figure R1020180113207
Figure R1020180113207

Description

액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템{GAS TURBINE POWER GENERATION SYSTEM USING LIQUID AIR}Gas turbine power generation system using liquid air {GAS TURBINE POWER GENERATION SYSTEM USING LIQUID AIR}

본 발명은 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기를 액체공기로 압축한 후 액체공기를 가압하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a gas turbine power generation system using liquid air, and more particularly, to a gas turbine power generation system using liquid air for generating power by compressing air into liquid air, pressurizing the liquid air, and supplying the liquid air to a combustor. will be.

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.In general, a gas turbine power generation system is a system that generates power by rotating a turbine by burning compressed air together with fuel gas. 1 is a view showing a conventional offshore plant gas turbine power generation system. A conventional offshore plant gas turbine power generation system includes a storage tank 10, a pump 20, a vaporizer 30, a compressor 40, a combustor 50, a turbine 60, and a generator 70.

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.Liquefied Natural Gas (LNG) stored in the storage tank 10 is vaporized into natural gas (NG) by the vaporizer 30 and supplied to the combustor 50 as fuel gas. When compressed air is compressed by the compressor 40 and the compressed air is supplied to the combustor 50, the combustor 50 burns the compressed air as fuel gas (NG) to rotate the turbine 60 to generate power to the generator 70. produces electrical energy by

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.In order for the combustor 50 to burn fuel in pressurized air, the compressor 40 must supply compressed air compressed to a certain level of pressure (eg, 20 to 60 barg). At this time, work (power) used to compress air in the compressor 40 accounts for about 60% of the power generated by the generator 70. Therefore, after subtracting the power consumed by the compressor 40, only about 40% of the power actually generated by the generator 70 can be obtained.

본 발명은 공기를 액체공기로 압축한 후 액체공기를 가압하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a gas turbine power generation system using liquid air that generates power by compressing air into liquid air and then pressurizing the liquid air and supplying the liquid air to a combustor.

또한, 본 발명은 연소기로 압축공기를 공급하기 위해 사용되는 전력을 줄여 발전 효율을 높일 수 있는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a gas turbine power generation system using liquid air capable of increasing power generation efficiency by reducing power used to supply compressed air to a combustor.

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.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem mentioned above. Other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에 의해 냉각된 공기를 팽창시켜 액체공기를 생성하는 팽창기; 상기 팽창기에 의해 생성된 액체공기를 저장하는 액체공기 저장탱크; 상기 액체공기 저장탱크에 저장된 액체공기를 가압하여 공급하는 제1 펌프; 상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체공기를 기화시켜 압축공기를 생성하는 제1 기화기; 상기 제1 기화기에 의해 기화된 압축공기를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시키는 연소기; 및 상기 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기를 포함한다.A gas turbine power generation system using liquid air according to an embodiment of the present invention includes a compressor for compressing air; a cooler for cooling the air compressed by the compressor; an expander for generating liquid air by expanding the air cooled by the cooler; a liquid air storage tank for storing the liquid air generated by the expander; a first pump pressurizing and supplying the liquid air stored in the liquid air storage tank; a first vaporizer for generating compressed air by vaporizing the liquid air supplied by the first pump; a combustor that rotates a turbine by combusting compressed air vaporized by the first vaporizer together with fuel gas; and a generator generating power by rotation of the turbine.

상기 제1 기화기는 상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체공기를 상기 압축기에 의해 압축된 공기와 열교환시켜 상기 액체공기를 기화시키는 제1 열교환기를 포함할 수 있다.The first vaporizer may include a first heat exchanger for vaporizing the liquid air by exchanging heat with the air compressed by the compressor to the liquid air supplied by the first pump.

본 발명의 실시예에 따른 액체공기를 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.A gas turbine power generation system using liquid air according to an embodiment of the present invention includes a liquefied gas storage tank for storing liquefied gas; a second pump pressurizing and supplying the liquefied gas stored in the liquefied gas storage tank; And it may further include a second vaporizer for generating the fuel gas by vaporizing the liquefied gas supplied by the second pump.

상기 냉각기는 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.The cooler may include a second heat exchanger that cools the air compressed by the compressor by exchanging heat with at least a portion of the liquefied gas supplied by the second pump.

상기 제1 열교환기는 상기 압축기와 상기 제2 열교환기의 사이 또는 상기 제2 열교환기와 상기 팽창기의 사이에 설치될 수 있다.The first heat exchanger may be installed between the compressor and the second heat exchanger or between the second heat exchanger and the expander.

상기 압축기는 -50 ~ 50℃, 0 ~ 1 barg 공기를 400 ~ 800℃, 30 ~ 70 barg 공기로 단열 압축시키고, 상기 냉각기는 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 -150 ~ -100℃로 냉각하고, 상기 팽창기는 상기 냉각기에 의해 냉각된 공기를 팽창시켜 -200 ~ -190℃, 0 ~ 1 barg 액체공기를 생성할 수 있다.The compressor adiabatically compresses -50 to 50 ° C, 0 to 1 barg air into 400 to 800 ° C, 30 to 70 barg air, and the cooler cools the air compressed by the compressor to -150 to -100 ° C, , The expander may generate -200 to -190 ° C., 0 to 1 barg liquid air by expanding the air cooled by the cooler.

상기 제2 열교환기는 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 200 ~ 500℃로 냉각하고, 상기 제1 열교환기는 상기 제2 열교환기에 의해 냉각된 공기를 -180 ~ -100℃로 냉각할 수 있다.The second heat exchanger may cool the air compressed by the compressor to 200 to 500°C, and the first heat exchanger may cool the air cooled by the second heat exchanger to -180 to -100°C.

상기 제1 펌프는 상기 액체공기 저장탱크에 저장된 액체공기를 20 ~ 60 barg로 가압하여 상기 제1 기화기로 공급하고, 상기 제1 기화기는 상기 액체공기를 기화시켜 400 ~ 600℃, 20 ~ 60barg 압축공기를 생성할 수 있다.The first pump pressurizes the liquid air stored in the liquid air storage tank at 20 to 60 barg and supplies it to the first vaporizer, and the first vaporizer vaporizes the liquid air to compress the liquid air at 400 to 600°C and 20 to 60 barg. air can be produced.

상기 팽창기는 팽창 터빈으로 제공될 수 있다.The expander may be provided as an expansion turbine.

본 발명의 실시예에 의하면, 공기를 액체공기로 압축한 후 액체공기를 가압하여 연소기로 공급하여 발전을 수행하고, 연소기로 압축공기를 공급하기 위해 사용되는 전력을 줄여 발전 효율을 높일 수 있는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, after compressing air into liquid air, pressurizing the liquid air and supplying the liquid air to a combustor to perform power generation, and to reduce the power used to supply compressed air to the combustor to increase power generation efficiency. A gas turbine power generation system using air is provided.

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.The effects of the present invention are not limited to the effects described above. Effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from this specification and the accompanying drawings.

도 1은 종래의 해양플랜트 가스터빈 발전 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다.1 is a view showing a conventional offshore plant gas turbine power generation system.
2 is a block diagram of a gas turbine power generation system using liquid air according to a first embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a gas turbine power generation system using liquid air according to a second embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a gas turbine power generation system using liquid air according to a third embodiment of the present invention.

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.Other advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Even if not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as generally accepted by common technology in the prior art to which this invention belongs. A general description of well-known configurations may be omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention. Where possible, identical reference numerals are used for identical or corresponding components in the drawings of the present invention.

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.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as "comprise", "have" or "having" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, are not precluded from being excluded in advance.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템(100)은 액화가스 저장탱크(110), 제2 펌프(120), 제2 기화기(130), 압축기(140), 냉각기(150), 팽창기(160), 액체공기 저장탱크(170), 제1 펌프(180), 제1 기화기(190), 연소기(200), 터빈(210) 및 발전기(220)를 포함한다.2 is a block diagram of a gas turbine power generation system using liquid air according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the gas turbine power generation system 100 using liquid air according to the first embodiment of the present invention includes a liquefied gas storage tank 110, a second pump 120, and a second vaporizer 130 , compressor 140, cooler 150, expander 160, liquid air storage tank 170, first pump 180, first vaporizer 190, combustor 200, turbine 210, and generator ( 220).

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.The liquefied gas storage tank 110 stores liquefied gas. The liquefied gas may be, for example, a liquefied gas such as liquefied natural gas (LNG) obtained by liquefying natural gas or liquefied petroleum gas (LPG) obtained by liquefying petroleum gas. The liquefied gas storage tank 110 may be provided as an insulated tank for storing liquefied gas, such as LNG, in a cryogenic state of about -160°C or less.

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.The second pump 120 pressurizes and supplies the liquefied gas stored in the liquefied gas storage tank 110 . The liquefied gas stored in the liquefied gas storage tank 110 is supplied to the second vaporizer 130 through the liquefied gas supply lines 112 and 122 by the second pump 120 .

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(200)로 공급된다.The second vaporizer 130 vaporizes the liquefied gas supplied by the second pump 120 to generate fuel gas (eg, natural gas). The second vaporizer 130 may vaporize the liquefied gas by heating it to 100 to 200 °C. The fuel gas vaporized by the second vaporizer 130 is supplied to the combustor 200 through the fuel gas supply line 132 .

압축기(140)는 유입라인(142)을 통해 유입되는 공기를 단열 압축한다. 압축기(140)는 -50 ~ 50℃, 0 ~ 1 barg 공기를 400 ~ 800℃, 30 ~ 70 barg 공기로 단열 압축할 수 있다.The compressor 140 adiabatically compresses the air introduced through the inlet line 142 . The compressor 140 may adiabatically compress -50 to 50°C, 0 to 1 barg air into 400 to 800°C, 30 to 70 barg air.

압축기(140)에 의해 단열 압축된 고온, 고압의 공기는 제1 이송라인(144)을 통해 냉각기(150)로 이송된다. 냉각기(150)는 압축기(140)에 의해 압축된 고온, 고압의 공기를 냉각한다. 냉각기(150)는 압축기(140)에 의해 압축된 공기를 -150 ~ -100℃로 냉각할 수 있다.The high-temperature, high-pressure air adiabatically compressed by the compressor 140 is transferred to the cooler 150 through the first transfer line 144 . The cooler 150 cools the high-temperature, high-pressure air compressed by the compressor 140 . The cooler 150 may cool the air compressed by the compressor 140 to -150 to -100°C.

실시예에서, 냉각기(150)는 압축기(140)에 의해 압축된 공기를 제2 펌프(120)에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 열교환기로 제공될 수 있다. 제2 펌프(120) 후단의 액화가스 공급라인(122)으로부터 분지된 분지라인(152)을 통해 극저온의 액화가스가 냉각기(150)로 공급되고, 냉각기(150)에서 액화가스와 고온, 고압의 공기 간의 열교환을 통해 고온, 고압의 공기가 냉각된다.In an embodiment, the cooler 150 may be provided as a heat exchanger that cools the air compressed by the compressor 140 by exchanging heat with at least a portion of the liquefied gas supplied by the second pump 120 . The cryogenic liquefied gas is supplied to the cooler 150 through the branch line 152 branched from the liquefied gas supply line 122 at the rear of the second pump 120, and the liquefied gas and high-temperature, high-pressure High-temperature, high-pressure air is cooled through heat exchange between air.

냉각기(150)에서 액화가스는 고온, 고압의 공기와의 열교환에 의해 기화되고, 회수라인(154)을 통해 제2 기화기(130) 후단의 연료가스 공급라인(132)으로 회수되어 연소기(200)로 공급된다. 냉각기(150)에서 고온, 고압의 공기의 열에너지에 의해 액화가스의 일부를 기화할 수 있으므로, 연소기(200)로 공급될 연료가스를 생성하기 위해 액화가스를 기화시키는데 필요한 제2 기화기(130)의 에너지 사용량을 줄일 수 있다.In the cooler 150, the liquefied gas is vaporized by heat exchange with high-temperature, high-pressure air, and is recovered to the fuel gas supply line 132 at the rear of the second vaporizer 130 through the recovery line 154 to burn the combustor 200. supplied with Since a part of the liquefied gas can be vaporized by the thermal energy of the high-temperature, high-pressure air in the cooler 150, the second vaporizer 130 required to vaporize the liquefied gas to generate fuel gas to be supplied to the combustor 200 Energy consumption can be reduced.

냉각기(150)에 의해 냉각된 공기는 제2 이송라인(146)을 통해 팽창기(160)로 공급된다. 팽창기(160)는 냉각기(150)에 의해 냉각된 공기를 팽창시켜 액체공기를 생성한다. 냉각기(150)에 의해 냉각된 공기는 팽창기(160)에서 팽창되어 감암되는 정에서 액체공기로 변화한다. 팽창기(160)는 냉각기(150)에 의해 냉각된 공기를 팽창시켜 -200 ~ -190℃, 0 ~ 1 barg 액체공기를 생성할 수 있다.The air cooled by the cooler 150 is supplied to the expander 160 through the second transfer line 146 . The expander 160 expands the air cooled by the cooler 150 to generate liquid air. The air cooled by the cooler 150 expands in the expander 160 and changes into liquid air in a vacuum chamber. The expander 160 expands the air cooled by the cooler 150 to generate -200 to -190°C, 0 to 1 barg liquid air.

팽창기(160)는 팽창 터빈으로 제공될 수 있다. 압축기(140)에서 사용되는 전력 중의 일부는 팽창 터빈에 의해 회수될 수 있다. 팽창 터빈은 보조 발전기를 통해 전력의 일부가 회수되도록 구성될 수 있다.Expander 160 may be provided as an expansion turbine. Some of the power used by compressor 140 may be recovered by an expansion turbine. The expansion turbine may be configured so that some of the power is recovered via an auxiliary generator.

팽창기(160)에서 생성된 액체공기는 액체공기 유입라인(162)을 통해 액체공기 저장탱크(170)로 이송된다. 액체공기 저장탱크(170)는 팽창기(160)에 의해 생성된 액체공기를 저장한다. 액체공기 저장탱크(170)는 내부에 저장된 액체공기를 약 -200 ~ -190℃ 온도로 유지할 수 있도록 단열탱크로 제공될 수 있다.The liquid air generated by the expander 160 is transferred to the liquid air storage tank 170 through the liquid air introduction line 162 . The liquid air storage tank 170 stores liquid air generated by the expander 160 . The liquid air storage tank 170 may be provided as an insulated tank to maintain the liquid air stored therein at a temperature of about -200 to -190°C.

제1 펌프(180)는 액체공기 저장탱크(170)에 저장된 액체공기를 가압하여 제1 기화기(190)로 공급한다. 액체공기 저장탱크(170)에 저장된 액체공기는 제1 펌프(180)에 의해 액체공기 공급라인(172, 182)을 통해 제1 기화기(190)로 공급된다. 제1 펌프(180)는 액체공기 저장탱크(170)에 저장된 액체공기를 20 ~ 60 barg로 가압하여 제1 기화기(190)로 공급할 수 있다.The first pump 180 pressurizes the liquid air stored in the liquid air storage tank 170 and supplies it to the first vaporizer 190 . The liquid air stored in the liquid air storage tank 170 is supplied to the first vaporizer 190 through the liquid air supply lines 172 and 182 by the first pump 180 . The first pump 180 may pressurize the liquid air stored in the liquid air storage tank 170 at 20 to 60 barg and supply it to the first vaporizer 190 .

제1 기화기(190)는 제1 펌프(180)에 의해 공급되는 액체공기를 기화시켜 압축공기를 생성한다. 제1 기화기(190)는 액체공기를 기화시켜 400 ~ 600℃, 20 ~ 60barg 압축공기를 생성할 수 있다. 제1 기화기(190)는 제1 펌프(180)에 의해 공급되는 액체공기를 터빈(210)에서 배출되는 고온(약 500 ~ 600℃)의 폐가스와 열교환시키거나, 엔진 냉각수, 스팀터빈 발전기의 스팀 응축수 등의 폐열을 이용함으로써, 액체공기를 기화시킬 수 있다. 제1 기화기(190)에 의해 기화된 압축공기는 압축공기 공급라인(192)을 통해 연소기(200)로 공급된다.The first vaporizer 190 vaporizes the liquid air supplied by the first pump 180 to generate compressed air. The first vaporizer 190 may vaporize liquid air to generate compressed air at 400 to 600° C. and 20 to 60 barg. The first vaporizer 190 heats the liquid air supplied by the first pump 180 with high-temperature (about 500 to 600 ° C.) waste gas discharged from the turbine 210, engine cooling water, or steam of a steam turbine generator. Liquid air can be vaporized by using waste heat such as condensed water. Compressed air vaporized by the first vaporizer 190 is supplied to the combustor 200 through a compressed air supply line 192 .

연소기(200)는 제2 기화기(130)에 의해 기화된 연료가스(예를 들어, 천연가스)를 연료가스 공급라인(132)을 통해 공급받고, 제1 기화기(190)에 의해 기화된 압축공기를 압축공기 공급라인(192)을 통해 공급받는다. 연소기(200)는 압축공기를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈(210)을 회전시킨다. 발전기(220)는 터빈(210)의 회전에 의해 발전하여 전기에너지를 생산한다.The combustor 200 receives the fuel gas (eg, natural gas) vaporized by the second vaporizer 130 through the fuel gas supply line 132, and the compressed air vaporized by the first vaporizer 190 is supplied through the compressed air supply line 192. The combustor 200 rotates the turbine 210 by combusting compressed air together with fuel gas. The generator 220 generates electricity by rotation of the turbine 210 to produce electrical energy.

액체공기를 가압하여 연소기(200)로 공급하기 위하여 제1 펌프(180)의 가동에 사용되는 전력은 종래에 연소기로 압축공기를 공급하기 위해 사용되는 압축기의 사용 전력의 약 1/300 수준에 불과하다. 공기로부터 액체공기를 생성하기 위하여 압축기(140)의 가동에 사용되는 사용되는 전력은 종래에 연소기로 압축공기를 공급하기 위해 사용되는 압축기의 사용 전력과 유사한 수준이나, 압축기(140)에서 사용되는 전력 중의 일부는 팽창기(160)에 의해 회수 가능하다.The power used to operate the first pump 180 to pressurize liquid air and supply it to the combustor 200 is only about 1/300 of the power used by a compressor conventionally used to supply compressed air to the combustor. do. The power used to operate the compressor 140 to generate liquid air from air is similar to the power used by a compressor conventionally used to supply compressed air to a combustor, but the power used by the compressor 140 Some of it is recoverable by expander 160.

따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 연소기(200)로 압축공기를 공급하기 위해 사용되는 전력을 종래 대비 약 93~94% 수준으로 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, 공기를 압축공기로 압축하는데 사용되는 전력을 발전기에 의해 생산되는 전력의 약 56~57% 수준으로 낮출 수 있고, 발전기에 의해 실제 얻을 수 있는 전력을 3~4% 혹은 그 이상 높일 수 있다.Therefore, according to an embodiment of the present invention, the power used to supply compressed air to the combustor 200 can be reduced by about 93 to 94% compared to the prior art. Conventionally, the power used to compress air into compressed air is very high at about 60% of the power produced by a generator, and the power actually obtainable is only 40%. However, according to an embodiment of the present invention, the power used to compress air into compressed air can be reduced to about 56 to 57% of the power produced by the generator, and the power actually obtained by the generator can be reduced by 3 to 50%. You can increase it by 4% or more.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 공기를 압축하여 연소기로 연소가스를 공급하는 대신, 공기를 압축기를 통해 단열 압축한 후 액화가스의 냉열을 이용하여 냉각하고 이후 팽창기에서 팽창시켜 공기를 액화시켜 저장하고, 저장된 액체공기를 펌프에 의해 가압 후 기화시켜 가스터빈의 연소가스로 공급함으로써, 연소가스의 공급 비용을 절감하고 에너지 효율을 향상시킨다.As described above, in the gas turbine power generation system using liquid air according to an embodiment of the present invention, instead of compressing air and supplying combustion gas to a combustor, air is adiabatically compressed through a compressor and then cooled by liquefied gas. After cooling and then expanding in an expander, the air is liquefied and stored, and the stored liquid air is pressurized by a pump and then vaporized and supplied as the combustion gas of the gas turbine, thereby reducing the supply cost of the combustion gas and improving energy efficiency.

비고note 사용 전력 (종래 발전 시스템)Power used (conventional generation system) 사용 전력 (본 발명의 발전 시스템)Power used (generation system of the present invention) 압축기compressor 75.17 MW75.17 MW 75.74 MW75.74 MW 팽창기inflator -- -5.540 MW-5.540 MW 펌프Pump -- 0.2651 MW0.2651 MW 총 사용 전력total power used 75.17 MW75.17 MW 70.46 MW70.46 MW

도 1에 도시된 종래의 가스터빈 발전 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 액체공기를 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 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템은 공기 압축을 위한 사용 전력이 70.46 MW 로, 종래의 가스터빈 발전 시스템 대비 사용 전력이 약 6.3% 절감됨을 알 수 있다.As a result of comparing and analyzing the power generation efficiency of the conventional gas turbine power generation system shown in FIG. 1 and the gas turbine power generation system using liquid air according to an embodiment of the present invention by simulation, as shown in Table 1, the conventional gas turbine In the case of a power generation system, the power used by the compressor 40 for air compression is 75.17 MW, while the gas turbine power generation system using liquid air according to an embodiment of the present invention has a power used for air compression of 70.46 MW. It can be seen that the power used is reduced by about 6.3% compared to the gas turbine power generation system.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템(100)은 제1 기화기(190)가 압축기(140)에 의해 압축된 공기와 열교환에 의해 액체공기를 기화시키는 열교환기로 구성되는 점에서, 제1 실시예와 차이가 있다.3 is a block diagram of a gas turbine power generation system using liquid air according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3 , in a gas turbine power generation system 100 using liquid air according to a second embodiment of the present invention, a first vaporizer 190 generates liquid air by heat exchange with air compressed by a compressor 140 It is different from the first embodiment in that it is composed of a heat exchanger for vaporization.

본 발명의 제2 실시예에서, 제1 기화기(제1 열교환기)(190)가 압축기(140)와 냉각기(제2 열교환기)(150) 사이에 설치되고, 압축기(140)에 의해 압축된 공기는 제1 열교환기와 제2 열교환기를 순차적으로 거친 후에 팽창기(160)로 유입된다.In the second embodiment of the present invention, the first vaporizer (first heat exchanger) 190 is installed between the compressor 140 and the cooler (second heat exchanger) 150, and compressed by the compressor 140 The air is introduced into the expander 160 after sequentially passing through the first heat exchanger and the second heat exchanger.

압축기(140)에 의해 압축된 공기는 제1 기화기(제1 열교환기)(190)에 의해 1차 냉각된 후 제1 공기이송라인(145a)을 통해 냉각기(제2 열교환기)(150)로 전달되고, 냉각기(제2 열교환기)(150)에 의해 2차 냉각된다.The air compressed by the compressor 140 is primarily cooled by the first vaporizer (first heat exchanger) 190 and then sent to the cooler (second heat exchanger) 150 through the first air transfer line 145a. and is secondarily cooled by the cooler (second heat exchanger) 150.

본 발명의 제2 실시예에 의하면, 압축기(140)에 의해 단열 압축된 고온의 공기의 열에너지를 이용하여 액체공기를 기화시킬 수 있으며, 액체공기의 기화를 위해 별도의 열에너지를 공급할 필요가 없으며, 또한 액체공기의 냉열을 이용하여 압축기(140)에 의해 단열 압축된 고온의 공기를 냉각할 수 있어, 발전 효율을 보다 높일 수 있다.According to the second embodiment of the present invention, liquid air can be vaporized using the thermal energy of high-temperature air compressed adiabatically by the compressor 140, and there is no need to supply additional thermal energy for vaporization of the liquid air. In addition, the high-temperature air adiabatically compressed by the compressor 140 can be cooled by using the cooling heat of the liquid air, so that power generation efficiency can be further increased.

또한, 압축기(140) 후단에 열교환기를 추가하여 압축기(140) 후단의 공기의 높은 온도를 이용하여 액체공기를 기화시킨 후 연소실(200)로 공급할 수 있고, 액체공기를 기화시키기 위한 별도의 기화 장치를 마련할 필요 없으므로, 설비 및 운용 비용을 줄일 수 있다.In addition, by adding a heat exchanger at the rear of the compressor 140, liquid air can be vaporized using the high air temperature at the rear of the compressor 140 and then supplied to the combustion chamber 200, and a separate vaporization device for vaporizing the liquid air Since there is no need to prepare, equipment and operation costs can be reduced.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템(100)은 제1 기화기(제1 열교환기)(190)가 냉각기(제2 열교환기)(150)와 팽창기(160)의 사이에 설치되어, 압축기(140)에 의해 압축된 공기가 제2 열교환기와 제1 열교환기를 순차적으로 거친 후에 팽창기(160)로 유입되는 점에서, 제2 실시예와 차이가 있다.4 is a block diagram of a gas turbine power generation system using liquid air according to a third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, in the gas turbine power generation system 100 using liquid air according to the third embodiment of the present invention, a first vaporizer (first heat exchanger) 190 is a cooler (second heat exchanger) 150 It is installed between the and the expander 160, and the air compressed by the compressor 140 is introduced into the expander 160 after sequentially passing through the second heat exchanger and the first heat exchanger, which is different from the second embodiment. have.

압축기(140)에 의해 압축된 공기는 냉각기(제2 열교환기)(150)에 의해 1차 냉각된 후 제2 공기이송라인(145b)을 통해 제1 기화기(제1 열교환기)(190)로 전달되고, 제1 기화기(제1 열교환기)(190)에 의해 2차 냉각된다. 냉각기(제2 열교환기)(150)는 압축기(140)에 의해 압축된 공기를 200 ~ 500℃로 냉각할 수 있다. 제1 기화기(제1 열교환기)(190)는 제2 열교환기에 의해 냉각된 공기를 -180 ~ -100℃로 냉각할 수 있다.The air compressed by the compressor 140 is primarily cooled by the cooler (second heat exchanger) 150 and then sent to the first vaporizer (first heat exchanger) 190 through the second air transfer line 145b. and is secondarily cooled by the first vaporizer (first heat exchanger) 190. The cooler (second heat exchanger) 150 may cool the air compressed by the compressor 140 to 200 to 500°C. The first vaporizer (first heat exchanger) 190 may cool the air cooled by the second heat exchanger to -180 to -100°C.

본 발명의 제3 실시예에 의하면, 압축기(140)에 의해 단열 압축된 고온의 공기의 열에너지를 이용하여 액체공기를 기화시킬 수 있으며, 액체공기의 기화를 위해 별도의 열에너지를 공급할 필요가 없으며, 또한 액체공기의 냉열을 이용하여 압축기(140)에 의해 단열 압축된 고온의 공기를 냉각할 수 있어, 발전 효율을 보다 높일 수 있다. 한편, 필요한 열의 양에 따라 냉각기(150)를 생략하고, 압축기(140)와 팽창기(160) 사이에 하나의 열교환기(제1 기화기)를 설치하여 사용할 수도 있다.According to the third embodiment of the present invention, liquid air can be vaporized using the thermal energy of high-temperature air compressed adiabatically by the compressor 140, and there is no need to supply additional thermal energy for vaporization of the liquid air. In addition, the high-temperature air adiabatically compressed by the compressor 140 can be cooled by using the cooling heat of the liquid air, so that power generation efficiency can be further increased. Meanwhile, depending on the amount of heat required, the cooler 150 may be omitted, and one heat exchanger (first vaporizer) may be installed and used between the compressor 140 and the expander 160.

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.It should be understood that the above embodiments are presented to aid understanding of the present invention, do not limit the scope of the present invention, and various deformable embodiments also fall within the scope of the present invention. The scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the claims, and the scope of technical protection of the present invention is not limited to the literal description of the claims themselves, but is substantially equal to the scope of technical value. It should be understood that it extends to the invention of.

100: 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템 110: 액화가스 저장탱크
120: 제2 펌프 130: 제2 기화기
140: 압축기 150: 냉각기
160: 팽창기 170: 액체공기 저장탱크
180: 제1 펌프 190: 제1 기화기
200: 연소기 210: 터빈
220: 발전기100: gas turbine power generation system using liquid air 110: liquefied gas storage tank
120: second pump 130: second vaporizer
140: compressor 150: cooler
160: expander 170: liquid air storage tank
180: first pump 190: first vaporizer
200: combustor 210: turbine
220: generator

Claims (9)

공기를 압축하는 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 공기를 냉각하는 냉각기;
상기 냉각기에 의해 냉각된 공기를 팽창시켜 액체공기를 생성하는 팽창기;
상기 팽창기에 의해 생성된 액체공기를 저장하는 액체공기 저장탱크;
상기 액체공기 저장탱크에 저장된 액체공기를 가압하여 공급하는 제1 펌프;
상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체공기를 기화시켜 압축공기를 생성하는 제1 기화기;
상기 제1 기화기에 의해 기화된 압축공기를 연료가스와 함께 연소시켜 터빈을 회전시키는 연소기; 및
상기 터빈의 회전에 의해 발전하는 발전기를 포함하되;
상기 압축기, 상기 냉각기 그리고 상기 팽창기를 경유하여 상기 액체공기 저장탱크로 액체 공기를 공급하는 라인과, 상기 액체공기 저장탱크로부터 상기 제1펌프, 상기 제1기화기를 경유하여 상기 연소기로 압축공기를 공급하는 라인이 각각 독립적으로 형성되는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템.a compressor that compresses air;
a cooler for cooling the air compressed by the compressor;
an expander for generating liquid air by expanding the air cooled by the cooler;
a liquid air storage tank for storing the liquid air generated by the expander;
a first pump pressurizing and supplying the liquid air stored in the liquid air storage tank;
a first vaporizer for generating compressed air by vaporizing the liquid air supplied by the first pump;
a combustor that rotates a turbine by combusting compressed air vaporized by the first vaporizer together with fuel gas; and
Including a generator that generates power by rotation of the turbine;
A line for supplying liquid air to the liquid air storage tank via the compressor, the cooler and the expander, and supplying compressed air from the liquid air storage tank to the combustor via the first pump and the first vaporizer A gas turbine power generation system using liquid air in which lines to do are formed independently. 제1항에 있어서,
상기 제1 기화기는 상기 제1 펌프에 의해 공급되는 액체공기를 상기 압축기에 의해 압축된 공기와 열교환시켜 상기 액체공기를 기화시키는 제1 열교환기를 포함하는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템.According to claim 1,
The first vaporizer includes a first heat exchanger for vaporizing the liquid air by exchanging heat with the air compressed by the compressor from the liquid air supplied by the first pump. 제2항에 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 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템.According to claim 2,
A liquefied gas storage tank for storing liquefied gas;
a second pump pressurizing and supplying the liquefied gas stored in the liquefied gas storage tank; and
A gas turbine power generation system using liquid air further comprising a second vaporizer for generating the fuel gas by vaporizing the liquefied gas supplied by the second pump. 제3항에 있어서,
상기 냉각기는 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 상기 제2 펌프에 의해 공급되는 액화가스 중의 적어도 일부와 열교환시켜 냉각하는 제2 열교환기를 포함하는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템.According to claim 3,
The cooler includes a second heat exchanger for cooling the air compressed by the compressor by exchanging heat with at least a portion of the liquefied gas supplied by the second pump. 제4항에 있어서,
상기 제1 열교환기는 상기 압축기와 상기 제2 열교환기의 사이 또는 상기 제2 열교환기와 상기 팽창기의 사이에 설치되는 액체공기를 이용한 가스터빈 발전 시스템.According to claim 4,
The first heat exchanger is installed between the compressor and the second heat exchanger or between the second heat exchanger and the expander. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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