KR100322163B1 - 가스-증기 터빈 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각시키기위한장치 - Google Patents

가스-증기 터빈 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각시키기위한장치 Download PDF

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Abstract

가스-증기 터빈 장치는 가스 터빈(2) 뒤에 장치된 폐열 증기 발생기(6)를 포함하고, 상기 폐열 증기 발생기의 가열 표면(12),(14),(16)은 증기 터빈(10)의 물-증기 순환계(8)내에 접속된다. 가스 터빈을 양호하게 냉각시키고, 거기에서 얻어지는 열을 장치의 높은 전체 효율을 위해 특히 효과적으로 사용하기 위해, 본 발명에 따라 냉각제 냉각을 위한 중간 회로(34)가 제공되고, 상기 중간 회로는 냉각제(L)의 냉각을 위한 제 1 열교환기(36)와 연결되고, 거기에서 얻어지는 열을 전달하기 위한 물-증기 순환계(8)내에 접속된 제 2 열교환기(32)와 연결된다.

Description

가스-증기 터빈 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각시키기 위한 장치
이러한 방식의 가스-증기 터빈 장치는 통상적으로 전기 에너지를 발생시키기 위해 사용된다. 가스 터빈의 생산력을 상승시키고, 효율을 최대로 높이기 위해서 터빈 입구에서 작동 재료의 온도가 예를 들어, 1200 내지 1500℃의 매우 높은 온도가 되도록 해야 한다. 이러한 터빈 입구의 높은 온도에는 재료의 문제, 특히 터빈 블레이드의 내열성에 관련된 문제가 따른다.
터빈 입구 온도의 상승은, 터빈 블레이드가 허용된 재료 온도 이하의 온도를 가질 정도로 냉각되는 경우에만 허용된다. 가스 터빈에 설치된 압축기 내에서 압축된 공기를 분기시키고, 냉각제로 사용되는 이 공기를 가스 터빈 내로 유입시키기 진에 냉각시키기 위한 방법이 유럽 특허 EP-PS 0 379 880호에 공지되어 있다. 공기-물 냉각기가 장치되는 방식은 유럽 특허 EP 0 519 304 A1호에 공지되어 있고,이 냉각기에 의해 냉각제를 냉각할 때 얻어지는 열이 그 목적을 위해 사용된 급수를 통해 물-증기 순환계에 공급된다. 이러한 장치는 측정 기술상 및 제어 기술상 비용, 특히 냉각제를 냉각시키기 위해서 물-증기 순환계로부터 빼내진 급수의 압력 유지 및 질량 조정을 위한 비용이 높다는 단점을 갖고 있다. 또한 냉각제를 냉각할 때 얻어지는 열을 중간 회로를 통해 물-증기 순환계의 급수에 전달하는 방식이 독일 특허 제 2 264 539호에 공지되어 있다.
본 발명은 가스 터빈 위에 연결된 폐열 증기 발생기를 포함하고, 이 발생기의 가열 표면이 증기 터빈의 물-증기 순환계에 접속되며, 냉각제를 냉각시키기 위해 제공된 제 1 열교환기가 중간 회로 내에서 제 2 열교환계의 2차측과 연결되도록 구성되는, 가스-증기 터빈 장치의 냉각된 가스 터빈의 냉각제를 냉각시키기 위한 장치에 관한 것이다.
도면은 가스 터빈을 위한 냉각제를 냉각시키기 위한 장치를 갖춘 가스-증기 터인 장치에 대한 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
2 : 가스 터빈 4 : 연소실
6 : 폐열 증기 발생기 8 : 물-증기 순환계
10 : 증가 터빈 12 : 저압 예열기
14 : 저압 증발기 16 : 저압 과열기
18 : 응축기 20 : 응축물 펌프
22 : 순환 펌프 24 : 급수 용기
26 : 급수 펌프 28 : 물-증기 분리 용기
30 : 펌프 32 : (제 2) 열교환기
34 : 중간 회로 36 : (제 1) 열교환기
38 : 냉각 공기 라인 40 : 공기 압축기
42 : 전기 발전기 44 : 샤프트
46 : 분기 48 : 펌프
50, 52, 54 : 밸브 56 : 보조 냉각기
60 : 보상 용기 62 : 밸브
66 : 연도 가스 라인 68 : 발전기
본 발명의 목적은 전술한 단점을 보완하고, 가스 터빈 냉각이 양호하게 보장되고, 또한 거기에서 얻어지는 열을 특히 효과적으로 이용함으로써 가스-증기 터빈 장치의 전체 효율이 높아지도록 냉각제를 냉각시키는 장치를 구성하는 것이다. 이러한 목적은 가급적 적은 기술적 비용으로 이루어져야 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 제 2 열교환기가 증발기 가열 표면과 연결된 물-증기 분리 용기에 1차측으로 연결됨으로써 해결된다.
냉각제를 냉각할 때 얻어지고, 중간 회로, 즉 폐쇄된 별도의 냉각 순환계를 통해 가스-증기 터빈 공정으로 전달되는 열은 증기를 발생시키기 위해 이용된다. 중간 회로 내에 있는 2차 매체의 양은 변하지 않기 때문에 양조정이 필요 없다. 물-증기 순환계가 중간 회로로부터 유동 기술상 분리되기 때문에, 중간 회로 내에서는 2차 매체를 전달하기 위한 펌프력이 매우 적다.
가스 터빈을 냉각시키기 위한 냉각제는 유체 또는 기체일 수 있다. 가스 터빈에 설치된 공기 압축기로부터 나온 압축 공기가 냉각제로서 사용되는 것이 바람직하다.
제 2 열교환기는 (요구되는 온도 수준에 따라) 폐열 증기 발생기의 상이한 가열 표면에 연결된다. 바람직하게는 제 2 열교환기의 2차측이 중간회로 내에 접속의고 제 2 열교환기의 1차측은 저압 증발기 가열 표면과 연결된 물-증기 분리 용기에 연결된다. 이러한 분리 용기의 물측은 제 2 열교환기의 1차측 입구와 연결되고, 그것의 증기측은 제 2 열교환기의 1차측 출구와 연결된다.
중간 회로 내에서 유동하고 냉각제를 냉각시키는 2차 매체를 공급하기 위해, 바람직하게는 중간 회로의 1차측에 접속된 제 1 열교환기 앞에 펌프가 장치된다. 또한 바람직하게 제 2 열교환기의 1차측 앞에 펌프가 장치되고, 이 펌프는 물-증기 순환계로부터 나와 열교환기를 관류하는 물 또는 물-증기 혼합물을 전달하는데 사용된다.
추가의 물, 특히 탈이온수를 폐쇄된 냉각 순환계 내에 공급할 수 있도록, 공급 라인이 증간 회로 내로 연장된다.
작동으로 인해 증기 발생이 축소된 경우에, 특히 순수한 가스 터빈 작동시(single-cycle-작동)에도 충분한 냉각 효과를 보장하기 위해, 제 1 열교환기에 평행하게 놓인 보조 냉각기가 중간 회로 내에 연결될 수 있다.
본 발명의 장점은 특히, 폐쇄된 중간 회로 내에 2개의 열교환기를 사용함으로써, 간단한 작동 방식과 동시에 측정 기술상 및 조정 기술상 적은 비용을 들여서 전체 공정 내로 일을 적절히 피드백할 수 있다는 것이다. 또한, (동일 시스템 기술의 사용 하에) 중간 회로의 2차 매체가 다른 종류의 매체와 교환되지 않는다면, 냉각제를 교환할 필요가 없다.
본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 자세히 설명하면 하기와 같다.
도면에 개략적으로 도시된 가스-증기 터빈 장치는, 앞에 장치된 연소실(4) 및 가스측 뒤에 장치된 폐열 증기 발생기(6)를 갖춘 가스 터빈을 포함하고 있으며, 이 페열 증기 발생기(6)의 가열 표면은 증기 터반(10)의 물-증기 순환계(8) 내에 접속된다. 이러한 가열 표면은 개별적으로 저압 예열기(12), 저압 증발기(14) 및 저압 과열기(16)이다.
응축물 펌프(20)를 통해 저압 예열기(12)와 연결된 응축기(18)는 증기 터빈(10) 뒤에 장치된다. 이 저압 예열기(12)의 출구측은 급수 용기(24)에 연결되고 저압 예열기(12)의 입구측은 순환 펌프(22)를 통해 급수 용기(24)에 연결된다. 급수 용기(24)의 출구측은 급수 펌프(26)를 통해 물-증기 분리 용기(28)에 연결된다. 저압 증발기(14)의 물측은 펌프(30)를 통해, 그리고 (제 2) 열교환기(32)의 1차측 입구가 물-증기 분리 용기(28)에 연결된다. 또한, 증기측으로 저압 과열기(16) 및 열교환기(32)의 1차측 출구가 물-증기 분리용기(28)에 연결된다. 따라서 열교환기(32)는 물-증기 분리 용기(28)를 통해 저압 증발기(14)와 평행하게 접속된다.
(제 2) 열교환기(32)의 2차측이 중간 회로(34) 내에 접속되고, 중간 회로(34) 내로 (제 1) 열교환기(36)의 1차측이 접속된다. 제 1 열교환기(36)의 2차측이 가스 터빈(2) 내로 연결되는 냉각 공기 라인(38)에 접속된다,
냉각 공기 라인(38)은 가스 터빈(2)에 설치된 공기 압축기(40)와 연결된다.압축기(40) 및 가스 터빈(2)에 의해 구동되는 전기 발전기(42)는 공동의 샤프트(44)상에 위치한다. 냉각 공기 라인(38)의 분기(46)는 가스 터빈(2)에 설치된 연소실(4) 내로 연장된다.
펌프(48), 및 모터에 의해 조정 가능한 2개의 밸브(50, 52)가 중간 회로(34) 내에 접속된다. 밸브(50, 52) 및 역시 모터에 의해 조정 가능한 밸브(54)를 통해 보조 냉각기(56)가 중간 회로(34) 내에 접속될 수 있고, 이 보조냉각기(56)는 라인(58)을 통해 보상 용기(60)와 연결된다. 보상 용기(60)는 라인(61)을 통해 중간 회로(34)에 직접 연결된다. 또한 추가 물(D), 예를 들어 탈이온수를 공급하기 위한, 밸브(62)가 제공된 공급 라인(64)은 중간 회로(34)에 연결된다.
가스-증기 터빈 장치의 작동시 연료(B)가 연소실(4)에 공급된다. 가스 터빈(2)용 작동 재료를 발생시키기 위해, 공기 압축기(40)로부터 나와 분기(46)를 들해 공급되는 압축 공기(L)에 의해 연료(B)가 연소실(4) 내에서 연소된다. 연소시 형성되는 높은 압력의 뜨거운 작동 재료 또는 연도 가스(RG)는 가스 터빈(2) 내에서 팽창되어 가스 터빈과 공기 압축기(40) 및 발전기(42)를 구동시킨다. 가스 터빈(2)으로부터 나오는 팽창된 연도 가스(RG')는 연도 가스 라인(66)을 통해 폐열 증기 발생기(6) 내로 유도되고, 거기에서 증기 터빈(10)을 위한 증기 발생에 사용된다. 이러한 목적을 위해 연도 가스 흐름 및 물-증기 순환계(8)가 대향류로 서로 연결된다.
특히 양호하게 열을 이용하기 위해, 통상적으로 다른 압력 레벨에서 증기가 발생되고, 증기의 엔탈피는 발전기(68)를 구동시키는 증기 터빈(10)내에 전류를 발생시키기 위해 이용된다. 실시예에서는 단지 저압 단계만이 도시되고 기술된다.
증기 터빈(10)으로부터 나오는 팽창된 증기는 응축기(18) 내에 도달하고 거기에서 응축된다. 응축된 증기는 응축물 펌프(20) 및 저압 예열기(12)를 통해 급수 용기(24) 내로 공급된다. 공급된 일부의 물을 순환 펌프(22)에 의해 예열시키기 위해, 물은 재차 저압 예열기(12)를 통해 그곳으로부터 급수 용기(24)로 역이송된다. 예열된 물은 급수 펌프(26)에 의해 급수 용기(24)로부터 물-증기 분리 용기(28) 내로 공급된다. 예열된 물은 분리 용기로부터 펌프(30)를 통해 저압 증발기(14) 내로 공급되고, 거기에서 증발된다. 증기는 물-증기 분리 용기(28)에서 남아있는 물과 분리되어 저압 과열기(16)에 공급된다. 그곳으로부터 과열된 증기가 증기 터빈(10) 내에 도달한다. 과열된 증기는 증기 터빈(10) 내에서 팽창되고, 그곳에서 터빈 및 발전기(68)를 구동시킨다.
물-증기 분리 용기(28)로부터 나온 예열된 물의 부분 유동(t1)은 열교환기(32)를 통해 공급되고, 이때 물은 적어도 부분적으로 증발된다. 이를 위해 요구되는 열은 중간 회로(34) 내부를 관류하는 2차 매체(S)로부터 얻어진다. 열교환기(32) 내에서 발생된 증기 또는 물-증기 혼합물도 또한 물-증기 분리 용기(28) 내에 공급된다.
열 전달시 열교환기(32) 내에서 냉각된 중간 회로(34)의 2차 매체(S)는 공기 압축기(40)로부터 가스 터빈(2)에 공급되는 압축된 공기(L)의 냉각에 사용된다. 압축 공기(L)로부터 2차 매체(S)로의 열 전달은 열교환기(36) 내에서 이루어진다. 열교환기(36) 내에서 냉각된 공기(L)(하기에서 냉각 공기(K)로 표시됨)는 라인(70)를 통해 가스 터빈(2)의 회전 블레이드 및 라인(72)을 통해 가스 터빈(2)의 가이드 블레이드에 공급된다.
가스 터빈(2)을 위해 냉각 공기(K)를 추가 냉각시키는 경우, 예를 들어 증기 터빈 장치의 차단으로 인해 열교환기(32)만으로는 2차 매체(S)의 충분한 재냉각이 보장되지 않을 경우, 보조 냉각기(56)가 작동된다. 이를 위해 밸브(50 및 52)는 부분적으로 폐쇄되고 밸브(54)는 개방된다. 동시에 보조 냉각기(56)에 냉각 매체, 예를 들어 물이 공급된다. 중간 회로(S4) 내부에서 2차 매체(S)의 부피 변화는 보상 용기(60)를 통해 보상된다. 또한 공급 라인(64)을 통해 탈이온수(D)가 중간 회로(34)에 공급된다.
2개의 열교환기(32 및 36)를 갖춘 중간 회로(34)를 사용함으로써, 증기 터빈 장치의 물-증기 순환계(8) 및 냉각 시스템 사이에 (통상적으로 냉각 공기 라인(38) 및 열교환기(36)에 의해) 한편으로는 유동 기술상 분리가 이루어지고, 다른 한편으로는 열적 결합이 이루어진다. 이 경우, 냉각 시스템 및 중간 회로(34)를 위한 측정 기술상 및 조정 기술상의 비용과 중간 회로(34)내에서 요구되는 펌프 공정은 특히 적다.

Claims (7)

  1. 가스 터빈(2) 뒤에 설치된 폐열 증기 발생기(6)를 포함하고, 상기 폐열 증기 발생기(6)의 가열 표면(12, 14, 16)이 증기 터빈(10)의 물-증기 순환계(8) 내로 접속되며, 냉각제(L)를 냉각시키기 위해 제공된 제 1 열교환기(36)가 중간 회로(34) 내에서 제 2 열교환기(32)의 2차측과 연결되도록 구성된, 가스-증기 터빈 장치의 가스 터빈(2)의 냉각제를 냉각시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 제 2 열교환기(32)의 1차측이 증발기 가열 표면(14)과 연결된 물-증기 분리 용기(28)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물-증기 분리 용기(28)의 물측은 상기 제 2 열교환기(32)의 1차측 입구와 연결되고, 상기 물-증기 분리 용기(28)의 증기측은 상기 제 2 열교환기(32)의 1차측 출구와 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 중간회로(34)에 있는 매체(S)를 공급하기 위한 펌프(48)가 상기 제 1 열교환기(36) 앞에 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 물-증기 순환계(8)로부터 유출되어 3차 매체로서 사용되는 물을 공급하기 위한 펌프(30)가 상기 제 2 열교환기(32) 앞에 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 추가의 물(D)을 위한 공급 라인(64)이 상기 중간 회로(34) 내로 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 중간 회로(34) 내에 보조 냉각기(56)가 설치될 수 있는 것을 특정으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 중간 회로(34)에 보상 용기(60)가 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
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