KR100323398B1 - 복합싸이클동력장치 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 연소 터빈 및 적어도 하나의 증기 터빈을 포함하고 있는 형태의 복합 싸이클 동력 장치내 연소 터빈으로부터 발생된 페열을 회수하기 위한 개선된 시스템은 상기 연소 터빈으로부터 발생된 고온 배기 가스에 함유된 열로 증기 터빈 싸이클내 응축액을 가열시키기 위한 제1열회수 시스템과 상기 배기 가스에 함유된 열을 상기 연소 터빈에 사용되는 연료를 가열시키기 위한 제2열회수 시스템을 포함하고 있다. 상기 제2시스템은 상기 제1시스템에 의해서 회수되지 않은 열에너지를 회수시키며 이에 의해서 장치의 효율을 향상시킨다.

Description

복합 싸이클 동력 장치
본 발명은 일반적으로 적어도 하나의 연소식 터빈과 적어도 하나의 증기식 터빈을 포함하는 형태의 복합 싸이클 동력 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 복합 싸이클 동력 장치내 연소 터빈으로부터 발생되는 폐열을 회수시키기 위한 개선된 시스템에 관한 것이다.
동력 발생 장치분야에는 하나 이상의 연소식 터빈을 구비하고 있는 장치내에 하나 이상의 증기 터빈이 장착되어 있고 상기 증기 터빈용 활성 증기를 발생시킬 수 있도록 상기 연소 터빈의 배기 가스에 함유된 폐열을 사용하는 것은 널리 공지되어 있다. 상기된 바와 같은 장치는 전형적으로 "복합 싸이클 동력 장치(Combined Cycle Power Plants)"라고 언급된다.
복합 싸이클식 동력 장치에서, 상기 증기식 터빈으로부터 발생된 소모된 활성 증기는 응축기에서 응축액(Liquid Condensate)으로 응축된다. 그런 후 상기 응축액은 펌핑되어서 가스 제거 장치(Deaerator)를 경유하여 하나 이상의 열교환기로 유동되며, 상기 열교환기에서 상기 연소식 터빈의 배기 가스에 함유된 열은 상기 응축액으로 전송된다. 상기 열교환기에서 상기 연소 터빈의 배기 가스에 함유된 폐열은 회수되어서 상기 응축액을 가열시켜서 증기화시키며, 그런 후 증기 상태의 응축액을 상기 증기식 터빈으로 전송시킨다. 이러한 시스템은 파벨(Pavel) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,961,311 호에 개시되어 있다.
불행하게도, 가장 효율이 높은 종래의 복합 싸이클 동력 장치에서 조차도 상기 터빈의 배기 가스에 함유된 폐열중 일부는 회수되지 않은 상태로 남아서 대기중으로 방출된다. 동력 장치의 회수 효율을 향상시키기 위하여 미회수되는 폐열의 일부를 회수시키기 위한 개선된 장치를 필요로 하는 것은 일반적으로 인식되어 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 복합 싸이클 동력 장치내 연소 터빈으로부터 발생되며 상기된 바와 같이 회수되지 않은 폐열을 회수시키기 위한 개선된 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은 연료 유입구(18) 및 연소 생성물인 고온 가스를 방출시키기 위한 배출구(22)를 구비하고 있는 연소식 터빈(14); 상기 연료 유입구와 연통되는 연료 공급 라인(20); 증기 유입구 및 증기 배출구를 구비하고 있는 증기식 터빈(16); 상기 증기 배출구와 연통되어서 상기 증기식 터빈(16)으로부터 사용된 증기를 응축액으로 응축시키기 위한 응축기(32); 가스 제거 장치(44); 상기 응축기로부터 상기 가스 제거 장치로 응축액을 공급시키기 위한 펌프(36); 상기 가스 제거 장치로부터 가스 제거 처리된 응축액을 상기 고온 가스로 가열시키기 위한 적어도 하나의 열교환기(46); 상기 응축액이 상기 가스 제거 장치로 유입되기 전에 상기 응축액을 예열시키기 위한 제 1 열회수 수단(38); 상기 예열처리된 응축액에 함유된 열을 상기 연료 공급 라인을 따라서 유동하는 연료에 전송시키기 위한 연료-응축액 열교환기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치(10)에 의해 달성될 수 있다.
본 발명을 특징화시키는 신규성의 이러한 장점 및 특성과 다른 다양한 장점 및 특성은 첨부된 특허 청구 범위에 기재되어 있다.
제 1 도를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 싸이클 동력장치(10)는 복합 싸이클 동력 장치(10)내 연소 터빈(14)으로부터 발생되는 폐열을 회수하기 위한 개선된 시스템(12)을 포함한다. 또한 복합 싸이클 동력 장치(10)는 하기에 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 연소 터빈(14)으로부터 발생된 폐열에 의해서 생성된 활성 증기를 받아 들이는 증기식 터빈(16)을 더 포함한다.
제 1 도에 도시되어 있는 바와 같이, 연소 터빈(14)은 연료 공급 라인(20)과 연통되어 있는 연료 유입구(18)를 포함하고 있다. 연료 공급 라인(20)은 바람직한 실시예에서 연소 터빈(14)을 작동시키기 위하여 사용되는 연료 즉 천연 가스의 발생원(G)에 연결되어 있다. 연소 터빈(14)은 고온 배기 가스와 같은 연소 생성물을배출시키는 배기 가스 배출구(22)를 더 포함하고 있다. 증기식 터빈(16)은 전기발생 장치와 같이 터빈(16)이 동력을 발생시킬 수 있도록 사용되는 활성 증기를 받아들이기 위한 복수개의 유입구(24, 26, 28)과 터빈(16)으로부터 소모된 활성 증기를 배출시키기 위한 배출구(30)를 포함하고 있다. 상기 배출구(30)는 터빈(16)으로부터 배출되는 소모된 활성 증기를 응축액으로 응축시키는 응축기(32)와 연통된다.
시스템(12)은 연소 터빈(14)의 배출구(22)로부터 방출된 고온 가스의 열에 의해서 상기 응축기(32)로부터 생성된 응축액을 가열시키기 위한 제 1 열회수 시스템(38)을 포함한다. 제 1 도에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 열회수 시스템(38)은 응축액 공급 라인(34)을 포함하고 있으며 상기 응축액 공급 라인(34)을 관통해서 응축기(32)의 응축액은 응축액 펌프(36)에 의해서 펌핑된다. 하기에 상세히 상술된 목적을 달성하기 위해서 대류 튜브 뱅크(74)는 응축액 공급 라인(34)중에 설치된다. 제 1 열회수 시스템(38)은 응축액 공급 라인(34)으로부터 응축액을 가스 제거 장치(44)로 주입시키기 위한 주입 라인(42)을 포함한다. 가스 제거 장치(44)로부터 상기 가스 제거된 응축액은 드럼(48)을 구비하고 있는 제 1 열교환기(46)를 포함하는 열회수 증기 발생기(HRSG)(45)에 공급된다. 제 1 열교환기(46)는 드럼(48)내에 있는 가스 제거처리된 응축액을 상기 연소 터빈(14)의 배기 가스에 함유된 열에 의해서 가열시킨다. 드럼(48)내에 있는 가스 제거처리된 응축액의 일부는 회수처리된 열에 의해서 증기 상태로 복귀되고, 이러한 증기는 다시 상기 열회수증기 발생기를 관통해서 제 1 증기 라인(50)에 의하여 증기식 터빈(16)의 유입구(24)에 공급된다. 드럼(48)내 액체는 펌프(52)에 의해서 제 2 열교환기(54) 및제 3 열교환기(60)로 펌핑된다. 제 2 열교환기(54)는 드럼(56)을 포함하고 있으며; 상기 드럼(56)내 수증기는 제 2 증기 라인(58)에 의해서 증기식 터빈(16)의 유입구(26)와 연통된다. 드럼(62)내 수증기는 제 3 증기 라인(64)에 의해서 증기식 터빈(16)의 유입구(28)와 연통된다.
본 발명의 신규한 특징에 따르면, 시스템(12)은 대류 튜브 뱅크(74)로서 실시되는 것이 바람직한 열회수 장치(72), 연료-응축액 열교환기(66), 그리고 응축액 반송 라인(68)을 포함하는 제 2 열회수 시스템(40)을 포함한다. 본 발명의 이러한 특징에 따르면, 응축기(32)로부터 발생된 응축액은 상기 응축액 공급 라인(34), 상기 대류 튜브 뱅크(74), 상기 연료-응축액 열교환기(66) 그리고 상기 응축액 반송 라인(68)에 의해서 형성되는 회로를 따라서 연속적으로 순환되며 이러한 순환은 상기 응축액이 상기 제 1 열회수 시스템(38)의 주입 라인(42)으로 주입될 때까지 이루어진다. 제 1 도에 도시되어 있는 바와 같이, 연소 터빈(14)의 배출구(22)로부터 배출된 고온 배기 가스는 도면상의 왼쪽 위치로부터 오른쪽 위치까지 순환하여서, 제 2 열회수 시스템(40)이 상기 연소 터빈(14)으로부터 발생되는 고온 가스의 유동 경로에서 상기 제 1 열회수 시스템(38)의 하류에 위치되도록 한다.
전형적으로, 상기 대류 튜브 뱅크(74)에서 열 회수공정은 가스 제거 장치(44)의 작동 온도와 상기 대류 튜브 뱅크(74)의 물방출 온도 사이의 온도차에 의해 한정된다. 약 15°F 내지 25°F의 이러한 온도차는 "과냉각" 상태로서 언급되고 일반적인 고온 배출 가스 온도가 부가적으로 열회수를 허용할지라도 적절한 산소 제거 속도를 갖도록 한다.
제 2 열회수 시스템(40)이 구비되지 않았다면, 제 1 열회수 시스템(38)에 의해서 회수되지 않은 연소 터빈(14)으로부터 발생된 열은 배출 스택(70)을 경유해서 대기중으로 간단히 배출된다. 대신에 이러한 폐열의 일부는 상기 응축액 공급 라인(34)내에 있는 응축액을 가열시킴으로서 상기 대류 튜브 뱅크(74)에 의해서 회수된다. 그런 후 상기 가열된 응축액은 상기 연료-응축액 열교환기(66)를 경유해서 유동되며, 상기 연료-응축액 열교환기에서 회수된 열에너지는 연료 공급 라인(20)에 있는 연료에 전송된다. 연료 공급 라인(20)에 있는 연료를 가열시킴으로서, 연소 터빈(14)의 효율은 증대된다. 따라서, 열회수 시스템(40)의 설치는 연소 터빈(14)의 효율을 증대시킴으로서 복합 싸이클 동력 장치(10)의 전체적인 효율을 향상시킨다.
제 1 도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 제작된 복합 싸이클 동력 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
14 : 연소 터빈 16 : 증기 터빈
38 : 제 1 열회수 수단 40 : 제 2 열회수 수단
45 : 열회수 증기 발생기 74 : 대류 튜브 뱅크

Claims (7)

  1. 복합 싸이클 동력 장치에 있어서,
    연료 유입구(18) 및 연소 생성물인 고온 가스를 방출시키기 위한 배출구(22)를 구비하고 있는 연소식 터빈(14), 상기 연료 유입구와 연통되는 연료 공급 라인(20), 증기 유입구 및 증기 배출구를 구비하는 증기식 터빈(16), 상기 증기 배출구와 연통되어서 상기 증기식 터빈(16)으로부터 사용된 증기를 응축액으로 응축시키기 위한 응축기(32), 가스 제거 장치(44), 상기 응축기로부터 상기 가스 제거 장치로 응축액을 공급하기 위한 펌프(36), 상기 가스 제거 장치로부터 가스 제거 처리된 응축액을 상기 고온 가스로 가열시키기 위한 적어도 하나의 열교환기(46), 상기 응축액이 상기 가스 제거 장치로 유입되기 전에 상기 응축액을 예열시키기 위한 제 1 열회수 수단(38), 상기 예열처리된 응축액에 함유된 열을 상기 연료 공급 라인내에 수납된 연료로 전달하기 위한 연료-응축액 열교환기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소식 터빈(14)은 연료 가스를 사용하여 작동되도록 제작되고 설치되는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 제거 장치로부터 가스 제거 처리된 응축액을 상기 고온 가스로 가열시키기 위한 적어도 하나의 열교환기는 세개의 연속적인 열교환기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 고온 가스의 열에 의해서 상기 가스 제거 처리된 응축액을 가열시켜서 증기를 생성시킬 수 있도록 제작되고 배열되는 열회수 증기 발생기(45)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열회수 장치는 대류 튜브 뱅크(74)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 열회수 장치는 상기 연소식 터빈으로부터 발생된 고온 가스의 유동 경로에서 상기 제 1 열회수 수단으로부터의 하류에 위치되며, 이에 의해 상기 제 1 열회수 수단에 의해서 회수되지 않은 열을 회수하는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 열회수 수단(40)은 상기 펌프 수단 및 상기 열회수 장치를 구비하는 연속적인 응축액 유동 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 싸이클 동력 장치.
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