KR100194554B1 - How to prevent summer decrease in coal gasification combined cycle power generation system and coal gasification combined cycle power generation system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템 및 석탄가스화 복합발전 시스템의 하절기 출력감소 방지방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템은, 산소분리장치(9)와, 석탄 가스화부(1)와, 공기압축기(3)와, 가스터빈 연소기(2)와, 가스터빈(4)과, 배열회수 보일러(6)와, 증기터빈(8)을 포함하는 석탄가스화 복합발전 시스템에 있어서, 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 유입되는 외부공기의 온도를 감지하기 위한 온도감지수단(10)과, 상기한 온도감지수단(10)에 의해 감지된 외부공기의 온도가 일정온도 이상일 때, 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 공급되는 외부공기의 유입을 차단하여 상기한 산소분리장치(9)의 열교환수단(30)으로 바이패스시키기 위한 개폐수단(20)과, 상기한 개폐수단(20)의 차단에 의해 바이패스된 외부공기를 상기한 산소분리장치(7)와의 열교환치 의해 일정한 설계온도까지 냉각시켜 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 유입시키기 위한 열교환수단(30)으로 구성된 외부공기 냉각수단(100)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a coal gasification combined cycle power generation system and a coal gasification combined cycle power generation system that can prevent the decrease in summer output. In the coal gasification combined cycle power generation system capable of preventing a decrease in summer output according to the present invention, the oxygen separation device (9), coal gasification unit (1), air compressor (3), gas turbine combustor (2), gas turbine (4), in the coal gasification combined cycle system comprising a heat recovery boiler (6) and a steam turbine (8), the temperature for sensing the temperature of the outside air flowing into the gas turbine air compressor (3) When the temperature of the sensing means 10 and the outside air detected by the temperature sensing means 10 is above a predetermined temperature, the inflow of the outside air supplied to the gas turbine air compressor 3 is blocked. Between the opening and closing means 20 for bypassing the heat exchange means 30 of the oxygen separation device 9 and the oxygen separation device 7 described above with the outside air bypassed by the blocking of the opening and closing means 20. The gas turbine ball is cooled to a constant design temperature by heat exchange. Characterized in that it further comprises an outside air cooling means 100 composed of the heat exchange means (30) for introducing into the compressor (3).
Description
제1도는 종래 기술에 따른 석탄가스화 복합발전 시스템의 일례에 대한 개략적인 구성도.1 is a schematic configuration diagram of an example of a coal gasification combined cycle system according to the prior art.
제2도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템의 개략적인 구성도.2 is a schematic configuration diagram of a coal gasification combined cycle power generation system capable of preventing a decrease in summer output according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 석탄 가스화부 2 : 가스터빈 연소기1: coal gasification unit 2: gas turbine combustor
3 : 공기 압축기 4 : 가스터빈3: air compressor 4: gas turbine
5 : 발전기 6 : 배열회수 보일러5: generator 6: heat recovery boiler
7 : 굴뚝 8 : 증기터빈7: chimney 8: steam turbine
9 : 산소분리 장치 10 : 열전대 온도측정기9: oxygen separation device 10: thermocouple temperature measuring instrument
20 : 조절밸브 30 : 산소/공기 열교환기20: control valve 30: oxygen / air heat exchanger
100 : 외부공기 냉각수단100: external air cooling means
본 발명은 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템 및 석탄가스화 복합발전 시스템의 하절기 출력감소 방지방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 하절기에 외기온도가 상승하는 경우에 발생되는 시스템의 출력감소를 방지함으로써, 전력을 안정하게 공급할 수 있도록 하는 석탄가스화 복합발전 시스템 및 상기한 석탄가스화 복합발전 시스템에 대한 하절기의 출력감소를 효과적으로 방지할 수 있는 출력감소 방지방법에 관한 것이다.The present invention relates to a coal gasification combined cycle power generation system and a coal gasification combined cycle power generation system that can prevent the reduction of summer output. More specifically, the present invention relates to a coal gasification combined cycle power generation system and the above coal gasification combined cycle power generation system to stably supply power by preventing output reduction of the system generated when the outside air temperature rises in summer. It relates to an output reduction prevention method that can effectively prevent the decrease in output of the summer.
석탄가스화 복합발전 시스템은 석탄을 가스화 하여 가스터빈과 증기터빈을 가동시킴으로써 전력을 효율적으로 발생시킬 수 있는 발전시스템으로서, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템은 크게 석탄 가스화부와, 가스터빈 시스템, 증기터빈, 배열회수 보일러 및 산소분리장치 등으로 구성된다.Coal gasification combined cycle power generation system is a power generation system that can generate power efficiently by operating gas turbine and steam turbine by gasification of coal. Conventional coal gasification combined cycle power system is largely coal gasification unit, gas turbine system, steam turbine It consists of a heat recovery boiler and an oxygen separation device.
이중에서, 석탄 가스화부는 석탄을 부분 산화시켜 연소가 가능한 석탄가스로 만들고, 분진 및 황 성분 등을 제거하여 청정한 석탄가스를 가스터빈 시스템으로 공급한다. 가스터빈 시스템은 공기압축기, 연소기 및 팽창기로 구성되는데, 공기압축기는 대기의 공기를 유입하여 연소기가 요구하는 수준까지 공기를 압축하며, 연소기에서는 석탄 가스화부에서 생성된 석탄가스와 산소분리장치에서 생성된 질소, 및 상기한 가스터빈 공기압축기에서 유입된 압축공기를 사용하여 석탄가스를 연소시킨 후, 팽창기에서 동력을 발생시킨다. 또한, 가스터빈의 배출가스는 배열회수 보일러로 유입되어 증기를 발생시키고, 발생된 증기는 증기터빈을 구동시킨다. 아울러, 산소분리장치는 -170℃ 이하의 온도에서 공기 중의 산소와 질소를 액화시켜 분리하는 공정을 적용하고 있으며, 산소분리에 필요한 공기의 전량 또는 일부를 가스터빈의 공기압축기에서 추기하여 사용하거나, 전량을 외기에서 유입하여 사용하기도 한다.Among them, the coal gasification unit partially oxidizes the coal to produce coal gas which can be burned, and removes dust and sulfur to supply clean coal gas to the gas turbine system. The gas turbine system consists of an air compressor, a combustor, and an expander. The air compressor compresses air to the level required by the combustor by introducing atmospheric air, and in the combustor, the coal gas and oxygen separator generated from the coal gasifier are produced. After the combustion of coal gas using the extracted nitrogen and compressed air introduced from the gas turbine air compressor, power is generated in the expander. In addition, the exhaust gas of the gas turbine is introduced into the heat recovery boiler to generate steam, the generated steam drives the steam turbine. In addition, the oxygen separation device applies a process of liquefying oxygen and nitrogen in the air at a temperature of -170 ℃ or less, and the total amount or part of the air required for oxygen separation in the air compressor of the gas turbine, or The whole quantity comes from outside air and is used.
상기한 석탄가스화 복합발전 시스템은, 석탄의 직접연소시 발생하는 환경적인 문제점을 해결하기 위하여, 석탄을 부분 연소시켜 청정한 석탄가스를 생성한 후, 가스터빈 및 증기터빈을 동시에 구동하는 복합사이클 발전시스템으로서, 효율이 높고 환경적으로 안정하여 현재 다수의 설비가 운전 또는 건설 중에 있다.In the coal gasification combined cycle power generation system, in order to solve the environmental problems that occur during the direct combustion of coal, the combined cycle power generation system for driving the gas turbine and steam turbine at the same time after generating the coal gas clean by partially burning coal. As a result, they are highly efficient and environmentally stable, and many of them are currently in operation or under construction.
이상에서 설명한 종래의 복합발전 시스템 중에서 가장 발전된 형태의 석탄가스화 복합발전 시스템에 대한 일례를 제1도에 나타내었다. 이하에서는, 제1도를 참조하여 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템을 더욱 상세히 설명하고자 한다.FIG. 1 shows an example of a coal gasification combined cycle system of the most advanced type among the conventional combined cycle power systems described above. Hereinafter, a conventional coal gasification combined cycle system will be described in more detail with reference to FIG. 1.
제1도에 도시된 바와 같이, 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에서는, 석탄 가스화부(1)에서는 석탄과 산소분리장치(9)에서 생성된 산소를 부분 산화시켜 석탄가스를 생성하며, 이때, 석탄가스 중에 함유된 분진과 황 성분 등은 석탄 가스화부(1)의 정제장치에서 제거하여 가스터빈 연소기(2)에서 연소 가능한 연료가스로 만든다.As shown in FIG. 1, in the conventional coal gasification combined cycle power generation system, the coal gasifier 1 partially produces coal gas by partially oxidizing oxygen generated by the coal and the oxygen separation device 9, and at this time, coal The dust, sulfur, and the like contained in the gas are removed by the refining apparatus of the coal gasifier 1 to produce a fuel gas combustible in the gas turbine combustor 2.
상기한 석탄 가스화부(1)를 거쳐 공급된 정제가스는 가스터빈 연소기(2)로 투입된 후, 공기압축기(3)에서 공급된 압축공기와 함께 연소된다. 또한, 가스터빈의 공기압축기(3)는 대기 중의 공기를 유입하여, 가스터빈 연소기(2)가 요구하는 압력까지 공기를 압축한다. 상기한 석탄가스화 복합발전 시스템의 경우에는, 가스터빈의 공기압축기(3)에서 압축된 공기의 일부를 산소분리장치(9)에 공급하는 시스템이 많이 적용되고 있다.The purified gas supplied through the coal gasifier 1 is introduced into the gas turbine combustor 2 and then combusted together with the compressed air supplied from the air compressor 3. In addition, the air compressor 3 of the gas turbine introduces air in the atmosphere and compresses the air to the pressure required by the gas turbine combustor 2. In the case of the coal gasification combined cycle power generation system, a system for supplying a part of the air compressed by the air compressor 3 of the gas turbine to the oxygen separation device 9 has been widely applied.
상기한 가스터빈의 연소기(2)에서는 연소시 발생하는 질소산화물의 저감을 위하여 다양한 방법들이 적용되고 있는데, 가장 널리 사용되는 방법으로는 산소분리장치(9)에서 생성되는 질소를 희석제로서 연소기(2)에 투입하는 방법과, 증기 및 물을 연소기(2)로 분사하는 방법과, 석탄가스를 수분에 포화시켜 연소기(2)에 투입하는 방법 등을 들 수 있다.In the combustor 2 of the gas turbine, various methods are applied to reduce nitrogen oxides generated during combustion. The most widely used method includes nitrogen produced in the oxygen separator 9 as a diluent. ), A method of injecting steam and water into the combustor (2), a method of saturating coal gas into moisture and introducing into the combustor (2).
상기한 가스터빈 연소기(2)에서 연소된 고온의 석탄가스는 가스터빈(4)으로 들어가 팽창하면서 가스터빈(4)을 구동시키고, 동일축에 연결된 발전기(5)에 의해 전력을 생산한다.The hot coal gas combusted in the gas turbine combustor 2 enters the gas turbine 4 and expands to drive the gas turbine 4, and generates electric power by the generator 5 connected to the same shaft.
한편, 산소분리장치(9)에서는 공기를 산소와 질소로 분리한 후, 산소는 석탄 가스화부(1)로 공급하고, 질소의 일부는 미분탄의 수송용으로 사용하며, 나머지 질소는 가스터빈 연소기(2)에서의 연소시 질소산화물의 생성을 낮추기 위하여 가스터빈 연소기(2)로 공급된다.On the other hand, in the oxygen separator 9 separates the air into oxygen and nitrogen, oxygen is supplied to the coal gasifier 1, a part of nitrogen is used for the transportation of pulverized coal, the remaining nitrogen is a gas turbine combustor ( It is fed to the gas turbine combustor 2 to lower the production of nitrogen oxides during combustion in 2).
상기한 산소분리장치(9)에서 사용되는 산소분리공정으로는 공기냉각액화분리공정(cryogenic air separation)이 상업적으로 널리 사용되고 있는데, 이 방법은 공기를 액화 및 정화(rectification)의 물리적 과정을 통하여 산소와 질소의 비등점 차이(질소 비등점온도: -195.8℃, 산소 비등점온도: -183℃)에 의해 분리탑에서 산소와 질소를 분리하는 방법이다.As the oxygen separation process used in the oxygen separation device 9, a cryogenic air separation process is widely used commercially, and this method uses oxygen through the physical process of liquefaction and purification of air. It is a method of separating oxygen and nitrogen from the separation column by the difference between boiling point and nitrogen (nitrogen boiling point temperature: -195.8 ℃, oxygen boiling point temperature: -183 ℃).
상기한 산소분리공정은 공기 중의 불순물을 제거하는 방법에 따라, 가역열교환기(reversible heat exchanger: RHX)를 사용하는 방법과 재래식의 분자체(molecular sieve)를 사용하는 흡착정제(adsorption prepurification) 방법이 있는데, 석탄가스화 공정과 같이 다량의 공정용 산소가 필요한 경우에는 분자체법이 선호된다.In the oxygen separation process, a method of using a reversible heat exchanger (RHX) and an adsorption prepurification method using a conventional molecular sieve may be used. The molecular sieve method is preferred when a large amount of process oxygen is required, such as in a coal gasification process.
이와 같은 분자체법을 이용하는 산소분리장치(9)는 주로 공기압축기, 공기 냉각 및 정제장치, 저온분리탑, 산소압축기 등의 주요 설비로 나뉘어지는데, 공기는 공기압축기에 의해 약 5.3bar로 압축되어 1차로 냉각된 후, 분자체에 의해 수분, 이산화탄소, 탄화수소 등의 불순물 등이 제거된다. 불순물 등이 제거된 공기는 저온의 열교환기에서 -168℃로 냉각되어, 그 일부는 고압분리탑의 하부로 투입되고, 나머지 일부는 팽창기에서 -187℃로 냉각되어 저압 분리탑의 중간 단으로 공급된다. 분리탑은 산소와 질소를 분리하는 역할을 수행하는데, 상부 분리탑은 약 1.2∼1.8bar의 저압으로, 하부 분리탑은 약 5bar의 고압으로 운전되며, 재열기/응축기로 연결된다. 고압 분리탑으로 보내진 저온공기(-168℃)는 비등점이 낮은 질소가 먼저 증발함으로써 하부에는 산소가 많이 함유된 액체(약 35% 산소)로, 상부에는 질소가스(약 94% 질소)로 각각 분리된다. 그후, 하부에 모인 산소 함유량이 많은 액체는 질소과열기에서 열교환되어 과냉된 다음, 다시 저압분리탑의 중간 단으로 보내져 고순도의 산소와 질소로 분리된다. 또한, 고압분리탑 상부로 분리된 질소가스의 대부분은 재열기/응축기에서 응축되어 액체질소가 되며 질소과열기에서 과냉되어 저압분리탑 상부로 보내진다. 이때, 재열기에서 발생된 응축열은 저압분리탑 하부의 산소가 대부분인 액체를 증발시키는 역할을 하며, 상기한 과정에 따라 고순도 질소가스(상부배출, 99%질소, 191℃)와 고순도 액체산소(하부저장, 95% 산소)로 분리된다.Oxygen separator 9 using the molecular sieve method is mainly divided into the main equipment such as air compressor, air cooling and purification device, low temperature separation tower, oxygen compressor, etc., the air is compressed to about 5.3 bar by the air compressor After primary cooling, impurities such as moisture, carbon dioxide, and hydrocarbons are removed by the molecular sieve. The air from which impurities are removed is cooled to -168 ° C in a low temperature heat exchanger, part of which is introduced into the lower part of the high pressure separation tower, and the other part is cooled to -187 ° C in the expander and supplied to the middle stage of the low pressure separation tower. do. The separation tower serves to separate oxygen and nitrogen. The upper separation tower is operated at a low pressure of about 1.2 to 1.8 bar, and the lower separation tower is operated at a high pressure of about 5 bar and connected to a reheater / condenser. The low temperature air (-168 ℃) sent to the high pressure separation tower is separated into nitrogen-rich liquid (about 35% oxygen) in the lower part and nitrogen gas (about 94% nitrogen) in the upper part by nitrogen evaporating low boiling point first. do. Thereafter, the oxygen-rich liquid collected in the lower part is heat-exchanged in a nitrogen superheater, subcooled, and then sent to the middle stage of the low pressure separation tower to separate high-purity oxygen and nitrogen. In addition, most of the nitrogen gas separated to the top of the high pressure separation tower is condensed in the reheater / condenser to become liquid nitrogen, supercooled in the nitrogen superheater is sent to the top of the low pressure separation tower. At this time, the heat of condensation generated in the reheater serves to evaporate the liquid that is mostly oxygen in the lower pressure separation column, and according to the above process, high purity nitrogen gas (upper emission, 99% nitrogen, 191 ° C) and high purity liquid oxygen (lower) Storage, 95% oxygen).
한편, 가스터빈(4)의 배기가스는 배열회수 보일러(6)로 유입되어 과열증기를 발생시키며, 발생된 증기를 이용하여 증기터빈(8)을 작동시킴으로써, 동일축에 연결된 발전기(5)를 구동시키게 된다.Meanwhile, the exhaust gas of the gas turbine 4 flows into the heat recovery boiler 6 to generate superheated steam, and operates the steam turbine 8 by using the generated steam, thereby operating the generator 5 connected to the same shaft. Will be driven.
또한, 배열회수 보일러(6)에서는 가스터빈(1) 배기가스의 현열을 이용함으로써 급수를 가열하여 생산된 증기를 증기터빈(8)에 공급하고, 가스화시스템과 가스정제공정 등에서 사용되는 증기 및 온수를 공급한다. 이때, 석탄가스화 복합발전 시스템은 일반적인 발전시스템과 달리, 공정 내의 연계성이 많은 관계로, 배열회수 보일러(6)의 연계성을 어떻게 처리하는 가에 따라 전체 시스템의 효율이 크게 달라진다.In addition, the heat recovery boiler 6 supplies steam produced by heating the feed water to the steam turbine 8 by using sensible heat of the exhaust gas of the gas turbine 1, and steam and hot water used in a gasification system and a gas purification process. To supply. In this case, unlike the general power generation system, the coal gasification combined cycle system has a lot of connection in the process, and the efficiency of the entire system varies greatly depending on how the connection of the heat recovery boiler 6 is handled.
한편, 배열회수 보일러(6)에서 증기를 발생시킨 가스터빈(4)의 배기가스는 굴뚝(7)을 통해 배출되며, 증기터빈(8)을 구동시킨 증기는 응축되어 배열회수 보일러(6)의 급수로 공급된다. 이때, 배열회수 보일러(6)의 배기가스의 온도는 황산가스 노점을 고려하여 결정되어야 한다.Meanwhile, the exhaust gas of the gas turbine 4 generating steam in the heat recovery boiler 6 is discharged through the chimney 7, and the steam driving the steam turbine 8 is condensed to condense the exhaust gas of the heat recovery boiler 6. It is supplied by water supply. At this time, the temperature of the exhaust gas of the heat recovery boiler 6 should be determined in consideration of the dew point of sulfuric acid gas.
그러나, 상기한 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템은 외기온도가 상승하는 경우에는 출력이 저하되어 원하는 만큼의 동력을 생산하기 어려우며, 특히, 전력수요가 가장 큰 하절기에 출력이 감소되어 하절기에 폭등하는 전력수요를 충당하기 어렵게 되는 문제점을 지니고 있었다.However, the conventional coal gasification combined cycle power generation system is difficult to produce as much power as desired when the outside temperature rises, in particular, the power is reduced in the summer, when the demand for power is the largest, soaring in the summer It had a problem that could not meet the demand.
즉, 상기한 기존의 석탄가스화 복합발전 시스템은 시스템의 설계조건보다 외기온도가 상승하는 하절기에는 가스터빈 공기압축기의 한계로 인하여 출력이 대폭적으로 저하되는데, 이는 가스터빈을 이용하여 전력을 생산하는 경우에, 가스터빈의 출력특성이 압축기 입구 공기의 온도에 반비례하여 전력생산이 되기 때문으로, 예를 들면, 300MW의 출력을 내는 복합발전 시스템의 경우, 외기 온도가 15℃에서 32℃로 상승하게 되면, 생산동력 10∼15% 정도가 줄어들고, 효율 측면에서도 약 1% 정도의 손실이 발생하는 문제점을 지니고 있었다. 특히, 중요한 점은 이러한 생산동력 및 효율손실이 일어나는 시기가 주로 전력수요가 가장 많은 하절기의 낮시간이기 때문에, 가장 필요한 시점에서의 전력공급에 기여하지 못하는 원인이 되고 있다는 것이다.In other words, the conventional coal gasification combined cycle power generation system is significantly reduced in output due to the limitation of the gas turbine air compressor in summer, when the outside temperature is higher than the design conditions of the system, which is a case of producing power by using the gas turbine Since the output characteristics of the gas turbine are inversely proportional to the temperature of the compressor inlet air, the power generation is performed. For example, in the case of a combined power generation system with a 300 MW output, when the outside air temperature rises from 15 ° C to 32 ° C. In addition, the production power was reduced by about 10 to 15%, and the efficiency was about 1%. In particular, it is important to note that these production power and efficiency losses occur during the summer months, when electricity demand is the most demanded, which contributes to the failure to contribute to power supply at the most necessary time.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는, 가스터빈 및 열병합발전 시스템 등에서는 가스터빈 공기압축기의 입구에 증발식 냉동기 또는 빙축열 시스템을 설치하거나, 복수기 냉각수 배열을 이용하여 하계 전력수요감소를 방지하는 방법 등을 적용하고 있는데, 이러한 방법들을 적용하는 경우에는 적용하지 않는 경우에 비하여 하절기 출력증가가 20% 이상 증가하는 효과가 있는 반면에, 시스템이 복잡해져 운전 및 제어가 곤란해질 뿐만아니라, 설치비가 많이 소요되기 때문에, 가스터빈 발전, 복합발전, 석탄가스화 복합발전과 같이 가스터빈을 채용하는 대부분의 시스템에서는 상기한 시스템을 채용하지 못하고 있는 실정이다.In order to solve the above problems, conventionally, in the gas turbine and cogeneration system, etc., an evaporative freezer or ice heat storage system is installed at the inlet of the gas turbine air compressor, or a method of preventing summer power decrease by using a condenser cooling water arrangement. In the case of applying these methods, the increase in summer output is increased by more than 20% compared to the case where it is not applied.However, the system becomes complicated and difficult to operate and control, and also requires high installation cost. Therefore, most of the systems employing gas turbines such as gas turbine power generation, combined cycle power generation, and coal gasification combined cycle power generation do not employ the above-described systems.
그러나, 최근의 석탄가스화 복합발전 시스템에 대한 기술개발 방향은 생산동력 제고 및 효율의 극대화에만 중점을 두어 진행되어 왔기 때문에, 어느 정도 효율상승과 생산동력은 증가하고 있는 실정이나, 상기한 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템이 지닌 문제점을 해결하기 위한 연구개발은 거의 전무한 실정이다.However, in recent years, since the technology development direction for the coal gasification combined cycle power generation system has been focused on the improvement of the production power and the maximization of the efficiency, the efficiency increase and the production power are increasing to some extent. There is almost no research and development to solve the problems of gasification combined cycle system.
결국, 본 발명은 상기한 종래 기술이 지닌 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 주된 목적은 시스템의 설계조건보다 외기 온도가 상승하는 경우에 별도의 복잡한 시스템을 부가하지 않고도, 시스템의 출력감소 및 효율저하를 간단하고도 경제적으로 방지함으로써, 전력을 안정하게 공급할 수 있도록 하는 석탄가스화 복합발전 시스템을 제공함에 있다.After all, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, the main object of the present invention is to output the system without adding a complicated system in the case where the outside temperature is higher than the design conditions of the system The present invention provides a coal gasification combined cycle power plant that can stably supply power by preventing reduction and efficiency reduction simply and economically.
본 발명의 또 다른 목적은 시스템의 설계조건보다 외기 온도가 상승하는 경우에 별도의 복잡한 시스템을 부가하지 않고도, 시스템의 출력감소 및 효율저하를 간단하고도 경제적으로 방지함으로써, 전력을 안정하게 공급할 수 있도록 하는 석탄가스화 복합발전 시스템의 하절기 출력감소 방지방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a stable power supply by preventing the reduction of output and efficiency of the system simply and economically without adding a complicated system when the outside temperature is higher than the design condition of the system. The present invention provides a method for preventing a decrease in summer output of a coal gasification combined cycle system.
본 발명자들은 하절기 등에 외기 온도가 상승하는 경우, 석탄가스화 복합발전 시스템의 출력과 전력생산이 대폭적으로 감소하는 문제점을 해결하고자 연구를 거듭하던 중, 가스터빈 공기압축기로 유입되는 외부공기를 산소분리장치내의 산소/공기열교환기를 거쳐 유입되게 함으로써, 공기와 산소분리장치에서 생성된 산소와의 열 교환에 의해 가스터빈 공기압축기로 유입되는 공기의 온도를 설계온도로 일정하게 유지하여, 종래 기술과 같이 복잡한 시스템을 부가하지 않고도, 외기 온도가 상승하는 경우에도 시스템의 출력감소 및 효율저하를 효과적이면서도 경제적으로 방지할 수 있다는 것을 알아내고, 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention, while continuing the study to solve the problem that the output and power production of the coal gasification combined cycle system significantly reduced when the outside air temperature rises in the summer, etc., the oxygen separation device to the outside air flowing into the gas turbine air compressor By allowing the gas to flow through the oxygen / air heat exchanger inside, the temperature of the air flowing into the gas turbine air compressor by the heat exchange between the air and the oxygen generated in the oxygen separator is kept at a design temperature, which is complicated as in the prior art. Even without increasing the system, it has been found that even when the outside air temperature rises, output reduction and efficiency reduction of the system can be effectively and economically prevented.
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템은, 외부공기 및 가스터빈 공기압축기로부터 공급된 압축공기를 산소와 질소로 분리하는 산소분리 장치와, 상기한 산소분리장치로부터 공급된 산소와, 석탄을 반응시켜 석탄가스를 생성하면서 석탄가스로부터 먼지, 미연탄소, 황 성분 및 불순물을 제거하여 정제된 석탄가스를 생성하는 석탄 가스화부와, 외부공기를 가스터빈 연소기가 요구하는 압력까지 압축시키기 위한 공기압축기와, 상기한 석탄 가스화부로부터 공급된 정제된 석탄가스를 상기한 산소분리장치에서 공급된 질소 및 상기한 공기압축기에서 공급된 압축공기를 사용하여 연소시키기 위한 가스터빈 연소기와, 상기한 가스터빈 연소기에서 연소된 가스를 이용하여 동력을 발생시켜 발전기를 구동하기 위한 가스터빈과, 상기한 가스터빈의 팽창기에서 나오는 가스의 현열을 회수하여 증기터빈의 구동에 필요한 증기를 생성하고 배기가스를 굴뚝으로 배출시키기 위한 배열회수 보일러와, 상기한 배열회수 보일러에서 생성된 과열증기를 팽창시켜 발전기를 구동시키기 위한 증기터빈을 포함하는 석탄가스화 복합발전 시스템에 있어서, 상기한 가스터빈 공기압축기로 유입되는 외부공기의 온도를 감지하기 위한 열전대 온도측정기와, 상기한 열전대 온도측정기에 의해 감지된 외부공기의 온도가 일정온도 이상일 때, 상기한 가스터빈 공기압축기로 공급되는 외부공기의 유입을 차단하여 외부공기를 상기한 산소분리장치의 산소/공기 열교환기로 바이패스(bypass)시키기 위한 조절밸브와, 상기한 조절밸브의 차단에 의해 바이패스된 외부공기를 상기한 사소분리장치에서 생성된 산소와의 열교환에 의해 일정한 설계온도까지 냉각시켜 상기한 가스터빈 공기압축기로 유입시키기 위한 산소/공기 열교환기로 구성된 외부공기 냉각수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the coal gasification combined cycle power generation system capable of preventing the decrease in summer output according to the present invention, the oxygen separation device for separating the compressed air supplied from the outside air and gas turbine air compressor with oxygen and nitrogen, and Coal gasifier which produces purified coal gas by removing dust, unburned carbon, sulfur and impurities from coal gas while producing coal gas by reacting coal with oxygen supplied from an oxygen separation device, and gas from outside air. An air compressor for compressing the pressure required by the turbine combustor, and combustion of the purified coal gas supplied from the coal gasifier using nitrogen supplied from the oxygen separator and compressed air supplied from the air compressor. To generate power using a gas turbine combustor and a gas combusted in the gas turbine combustor. A gas turbine for driving the generator, a heat recovery boiler for recovering the sensible heat of the gas from the expander of the gas turbine to generate steam for driving the steam turbine and exhausting the exhaust gas into the chimney; In the coal gasification combined cycle system comprising a steam turbine for driving the generator by expanding the superheated steam generated in the recovery boiler, a thermocouple temperature measuring device for sensing the temperature of the outside air flowing into the gas turbine air compressor, When the temperature of the outside air sensed by the thermocouple temperature measuring instrument is above a certain temperature, the outside air is supplied to the gas turbine air compressor to block the inflow of the outside air to the oxygen / air heat exchanger of the oxygen separator. A control valve for bypassing and bypassed by shutoff of said control valve. It further comprises an external air cooling means consisting of an oxygen / air heat exchanger for cooling the external air to a predetermined design temperature by heat exchange with oxygen generated in the above-described minor separation device to be introduced into the gas turbine air compressor. It is done.
아울러, 본 발명에 따른 석탄가스화 복합발전 시스템의 하절기 출력 감소 방지 방법은, 산소분리장치와, 석탄 가스화부와, 공기압축기와, 가스터빈 연소기와, 가스터빈과, 배열회수 보일러와, 증기터빈을 포함하는 석탄가스화 복합발전 시스템의 하절기 출력감소 방지방법에 있어서, 상기한 가스터빈 공기압축기로 유입되는 외부공기의 온도를 감지하는 단계와, 상기 단계에서 감지된 외부공기의 온도가 일정온도 이상일 때, 상기한 가스터빈 공기압축기로 공급되는 외부공기의 유입을 차단하여 외부공기를 상기한 산소분리장치로 바이패스시키는 단계와, 상기 단계에서 바이패스된 외부공기를 상기한 산소분리장치에서 생성된 산소와의 열교환에 의해 일정한 설계온도까지 냉각시켜 상기한 가스터빈 공기압축기로 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for preventing the reduction of the summer output of the coal gasification combined cycle system according to the present invention, the oxygen separator, coal gasifier, air compressor, gas turbine combustor, gas turbine, heat recovery boiler, steam turbine In the method for preventing the decrease in summer output of the coal gasification combined cycle power generation system comprising: detecting the temperature of the outside air flowing into the gas turbine air compressor, when the temperature of the outside air detected in the step is above a certain temperature, By blocking the inflow of external air supplied to the gas turbine air compressor by bypassing the external air to the oxygen separation device, and the external air bypassed in the step and the oxygen generated in the oxygen separation device Cooling to a predetermined design temperature by heat exchange of the gas turbine air compressor comprising the step of introducing And a gong.
이하, 본 발명의 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템 및 석탄가스화 복합발전 시스템의 하절기 출력감소 방지방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the coal gasification combined cycle system and the coal gasification combined cycle power generation system capable of preventing the decrease in summer output reduction of the present invention with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템의 개략적인 구성도로서, 제1도에 도시된 부분과 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하였다.2 is a schematic configuration diagram of a coal gasification combined cycle power generation system capable of preventing a decrease in summer output according to an exemplary embodiment of the present invention, and the same reference numerals are used for the same parts as those shown in FIG.
제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하절기 출력감소 방지가 가능한 석탄가스화 복합발전 시스템은, 외부공기 및 가스터빈 공기압축기(3)로부터 공급된 압축공기를 산소와 질소로 분리하는 산소분리장치(9)와, 상기한 산소분리장치(9)로부터 공급된 산소와, 석탄을 반응시켜 석탄가스를 생성하면서 석탄가스로부터 먼지, 미연탄소, 황 성분 및 불순물을 제거하여 정제된 석탄가스를 생성하는 석탄 가스화부(1)와, 외부공기를 가스터빈 연소기(2)가 요구하는 압력까지 압축시키기 위한 공기압축기(3)와, 상기한 석탄가스화부(1)로부터 공급된 정제된 석탄가스를 상기한 산소분리장치(9)에서 공급된 질소 및 상기한 공기압축기(3)에서 공급된 압축공기를 사용하여 연소시키기 위한 가스터빈 연소기(2)와, 상기한 가스터빈 연소기(2)에서 연소된 가스를 이용하여 동력을 발생시켜 발전기(5)를 구동하기 위한 가스터빈(4)과, 상기한 가스터빈(4)의 팽창기에서 나오는 가스의 현열을 회수하여 증기터빈(8)의 구동에 필요한 증기를 생성하고 배기가스를 굴뚝(7)을 통해 배출시키기 위한 배열회수 보일러(6)와, 상기한 배열회수 보일러(6)에서 생성된 과열증기를 팽창시켜 발전기(5)를 구동시키기 위한 증기터빈(8)을 포함하는 석탄가스화 복합발전 시스템에 있어서, 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 유입되는 외부공기의 온도를 감지하기 위한 열전대 온도측정기(10)와, 상기한 열전대 온도측정기(10)에 의해 감지된 외부공기의 온도가 일정온도 이상일 때, 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 공급되는 외부공기의 유입을 차단하여 외부공기를 상기한 산소분리장치(9)의 산소/공기 열교환기(30)로 바이패스시키기 위한 조절밸브(20)와, 상기한 조절밸브(20)의 차단에 의해 바이패스된 외부공기를 상기한 산소분리장치(9)에서 생성된 산소와의 열교환에 의해 일정한 설계온도까지 냉각시켜 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 유입시키기 위한 산소/공기 열교환기(30)로 구성되는 외부공기 냉각수단(100)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.As shown in FIG. 2, in the coal gasification combined cycle power generation system capable of preventing a decrease in summer output according to the present invention, oxygen separation for separating the compressed air supplied from the outside air and the gas turbine air compressor (3) into oxygen and nitrogen. The device 9 and the oxygen supplied from the oxygen separation device 9 react with coal to generate coal gas while removing dust, unburned carbon, sulfur components and impurities from the coal gas to produce purified coal gas. The coal gasifier 1, the air compressor 3 for compressing the external air to the pressure required by the gas turbine combustor 2, and the purified coal gas supplied from the coal gasifier 1 A gas turbine combustor 2 for combusting using nitrogen supplied from an oxygen separator 9 and compressed air supplied from the air compressor 3 and a gas combusted in the gas turbine combustor 2 described above. To this By generating power to recover the sensible heat of the gas from the gas turbine 4 for driving the generator 5 and the expander of the gas turbine 4 to generate steam necessary for driving the steam turbine 8 A heat recovery boiler 6 for discharging the exhaust gas through the chimney 7 and a steam turbine 8 for driving the generator 5 by expanding the superheated steam generated in the heat recovery boiler 6 described above. In the coal gasification combined cycle power generation system comprising a thermocouple temperature measuring device (10) for sensing the temperature of the outside air flowing into the gas turbine air compressor (3), and the thermocouple temperature measuring device (10) When the temperature of the outside air is above a certain temperature, the inflow of the outside air supplied to the gas turbine air compressor (3) is blocked, so that the outside air to the oxygen / air heat exchanger (30) of the oxygen separation device (9) described above. Joe to bypass The gas turbine is cooled to a predetermined design temperature by heat exchange with the valve 20 and the outside air bypassed by the shutoff of the control valve 20 by the oxygen generated in the oxygen separator 9. It is characterized in that it further comprises an external air cooling means (100) consisting of an oxygen / air heat exchanger (30) for introducing into the air compressor (3).
상기한 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은, 산소분리장치(9)에서 분리된 산소와 석탄을 가스화시킨 후에, 발생된 석탄가스 중에 함유되어진 분진과 황 성분을 제거하는 기능을 가지는 석탄 가스화부(1)를 구비한다.The coal gasification combined cycle system of the present invention is a coal gasification unit having a function of removing dust and sulfur components contained in generated coal gas after gasifying oxygen and coal separated by the oxygen separation device 9 ( 1) is provided.
또한, 산소분리장치(9)는 가스터빈의 공기압축기(3)로부터 압축공기를 추기하거나, 대기의 공기를 압축하여 액체공기로 만든 후, 산소와 질소의 비등점 차이를 이용하여 산소와 질소를 분리한 다음, 산소는 석탄 가스화부(1)로 공급하고, 질소는 가스터빈 연소기(2)로 공급하여 질소산화물의 저감과 유량증대로 인한 가스터빈(4)의 출력 향상에 사용된다.In addition, the oxygen separator 9 extracts compressed air from the air compressor 3 of the gas turbine or compresses atmospheric air to make liquid air, and then separates oxygen and nitrogen using a difference in boiling point of oxygen and nitrogen. Then, oxygen is supplied to the coal gasifier 1, and nitrogen is supplied to the gas turbine combustor 2, which is used to reduce the nitrogen oxide and increase the output of the gas turbine 4 due to the increase in flow rate.
이때, 하절기 등에 가스터빈 공기압축기(3)로 유입되는 외기의 온도가 상승하는 경우에는, 본 발명의 외부공기 냉각수단(100)의 열전대 온도측정기(10)에 의해 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 유입되는 외부공기의 온도를 감지하게 되며, 감지된 외부공기의 온도가 일정온도 이상일 때에는, 조절밸브(20)에 의해 상기한 가스터빈 공기압축기(3)로 공급되는 외부공기의 유입을 차단하여 외부공기를 상기한 산소분리장치(9)로 바이패스시킨 다음, 산소분리장치(9) 내에 구비된 산소/공기 열교환기(30)에 의한 산소분리장치(9)에서 생성된 산소와의 열교환에 의해 외기를 일정한 설계온도까지 냉각하여 가스터빈 공기압축기(3)로 유입시킨다.At this time, when the temperature of the outside air flowing into the gas turbine air compressor (3) in the summer, etc. rises, the gas turbine air compressor (3) described above by the thermocouple temperature measuring device 10 of the external air cooling means 100 of the present invention. And senses the temperature of the outside air flowing into the outside, and when the detected temperature of the outside air is above a predetermined temperature, blocking the inflow of the outside air supplied to the gas turbine air compressor 3 by the control valve 20. By bypassing the outside air to the oxygen separator 9 as described above, and then exchanging heat with oxygen generated in the oxygen separator 9 by the oxygen / air heat exchanger 30 provided in the oxygen separator 9. By cooling the outside air to a constant design temperature is introduced into the gas turbine air compressor (3).
제1도에 도시된 종래의 석탄가스화 복합발전 시스템에 있어서의 산소분리장치(9)는 가스터빈 공기압축기(3)로 유입되는 공기를 냉각시키도록 구성되어 있지 않았기 때문에, 전체 시스템은 단순해지지만, 외기 온도가 상승하는 경우에 공기의 부피가 증가하여 가스터빈(4)의 출력이 현저히 감소하고, 열효율이 떨어지는 문제점을 지니고 있었다. 특히, 이는 외기 온도가 높은 하절기에 전력생산의 대폭적인 감소를 초래하였다.Since the oxygen separator 9 in the conventional coal gasification combined cycle system shown in FIG. 1 is not configured to cool the air flowing into the gas turbine air compressor 3, the whole system is simplified. When the outside air temperature is increased, the volume of air increases, so that the output of the gas turbine 4 is significantly reduced, and thermal efficiency is inferior. In particular, this resulted in a significant reduction in power production during the summer when the outside air temperature was high.
이에 반하여, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템에 있어서는, 외기의 온도가 상승하는 경우에, 본 발명의 외부공기 냉각수단(100)에 의해 가스터빈 공기압축기(3)로 유입되는 공기를 원하는 온도까지 냉각시킬 수 있기 때문에, 간단한 열교환 시스템의 추가에 의해 외기 온도가 상승하는 하절기에도 가스터빈(4)에 대한 설계조건의 출력과 효율을 얻을 수 있다.On the other hand, in the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention, when the temperature of the outside air rises, the air flowing into the gas turbine air compressor 3 by the external air cooling means 100 of the present invention to a desired temperature. Since it can be cooled, the output and efficiency of the design conditions for the gas turbine 4 can be obtained even in the summer when the outside air temperature rises by the addition of a simple heat exchange system.
상기한 본 발명의 가스터빈 연소기(2)는 석탄 가스화부(1)로부터 공급된 정제된 석탄가스와, 압축공기 및 희석제로 사용되는 질소를 이용하여 가스터빈 연소기(2)에서 연소된 후에, 가스터빈(4)에서 팽창되어 동력을 발생시키며, 이를 이용하여 발전기(5)를 구동시키게 된다.The gas turbine combustor 2 of the present invention described above is burned in the gas turbine combustor 2 using purified coal gas supplied from the coal gasifier 1 and nitrogen used as compressed air and diluent. It is expanded in the turbine (4) to generate power, by using it to drive the generator (5).
그후, 가스터빈(4)으로부터 배출된 배기가스는 배열회수 보일러(6)에 유입되어 열교환에 의하여 냉각되며, 급수를 가열하여 증기를 발생시킨 후에 굴뚝(7)으로 빠져나간다. 이에 따라, 배열회수 보일러(6)에서 발생된 증기는 증기터빈(8)으로 유입되어 동력을 발생시키며, 발전기(5)를 구동시킨다.Thereafter, the exhaust gas discharged from the gas turbine 4 flows into the heat recovery boiler 6 and is cooled by heat exchange, and is discharged to the chimney 7 after heating the water supply to generate steam. Accordingly, the steam generated in the heat recovery boiler 6 flows into the steam turbine 8 to generate power, and drives the generator 5.
상기한 구성을 지닌 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은 외기 온도가 상승하는 하절기에, 가스터빈(4)으로 유입되는 공기를 산소분리장치(9)에서 생성된 산소와의 열교환을 통하여 냉각시킴으로써, 전력수요가 급증하는 하절기에 외기 온도 상승으로 인한 시스템의 동력손실을 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 기존의 발전시스템이 외기 온도 상승하는 경우에 내는 출력에 비하여, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은 약 20%이상의 출력 상승을 얻을 수 있다.In the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention having the above-described configuration, by cooling the air flowing into the gas turbine 4 through heat exchange with oxygen generated in the oxygen separation device 9 in the summer when the outside air temperature rises, It can effectively prevent the power loss of the system due to the increase of the outside temperature in the summer when the demand for power is soaring. Accordingly, the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention can obtain a power increase of about 20% or more as compared with the output generated when the existing power generation system rises in the outside temperature.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 석탄가스화 복합발전 시스템은 시스템의 설계조건보다 외기 온도 상승하는 경우에, 종래 기술에서와 같이 별도의 복잡한 시스템을 부가하지 않고도, 시스템의 출력감소 및 효율저하를 간단하고도 경제적으로 방지함으로써, 하절기에도 전력을 안정하게 공급할 수 있다는 것이 확인되었다.As described in detail above, the coal gasification combined cycle power generation system of the present invention, when the outside temperature rises more than the design conditions of the system, the output reduction and efficiency reduction of the system, without adding a separate complicated system as in the prior art By simple and economical prevention, it was confirmed that electric power can be stably supplied even in summer.
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