KR100376191B1 - 열회수 증기 발생기 및 그 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 열회수 증기 발생기(14)는 수평으로 배향된 배기가스 스트림(13)을 형성하는 하우징(16)을 구비한다. 상기 배기가스 스트림(13)은 수평으로 배향된 열전달 튜브(25) 및 튜브를 통하여 열전달 유체를 가압 순환시키는 제 1 열회수 조립체(24)를 통과한다. 그 다음, 배기가스 스트림(13)은 배기 방출물의 환원을 위한 촉매를 구비하는 공기오염 제어 조립체(30)를 통과한다. 계속하여, 배기가스 스트림(13)은 수직으로 배향된 열전달 튜브(33)를 가지며 튜브를 통하여 자연순환되는 제 2 열회수 조립체(26)를 통과한다.
Description
가스 터빈은 공익 산업분야에서 피크 출력(peak power)과 예비 출력을 위한 비상용으로서 전력을 제공하는데 널리 사용된다. 가스 터빈은 빠른 시동 능력과 낮은 가격으로 인하여 적합하게 사용된다. 그러나, 종래의 가스 터빈은 배기가스 스트림의 고온의 배출 온도와 그로 인하여 발생되는 열손실로 인하여 감소된 열효율로써 작동된다. 따라서, 가스 터빈은 전체적인 시스템의 효율을 향상시키기 위하여 열회수 증기 발생기와 결합된다.
열회수 증기 발생기는 출력 생산을 위하여 증기 터빈을 구동시키거나, 또는 열병합 발전(cogeneration) 사이클에서 공정용(process) 증기를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 142.8kg/cm2(140 bar) 작동 압력 이상의 증기 사이클을 요구하는 곳에는 수직으로 배향된 배기가스 흐름을 가지는 관류(once-through) 열회수 증기 발생기가 통상적으로 사용된다. 수직인 배기가스 흐름을 가지는 관류 열회수 증기 발생기에서, 가스 터빈으로부터의 배기가스 증기는 열회수 조립체와 공기 오염 제어 조립체의 적층된 장치를 통하여 상향으로 흐르게 된다. 이러한 열회수 조립체는 수평으로 배향된 열전달 튜브와 튜브를 통해 열전달 유체의 강제 순환을 이용하게 된다.
가스 터빈에서 사용되는 것과 같은 화석 연료 화염 연소 방법은 배기가스 스트림에서 질소 산화물과 일산화 탄소를 포함하는 오염물을 발생시키는 가능성을 가지고 있다. 고온 SCR(selective catalytic reduction; 선택적 촉매 환원법)의 촉매 물질은 바람직하지 못한 방출물을 환원시키기 위하여 가스 터빈의 배기가스 스트림(stream)에 위치될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 고온 SCR 촉매물질은 일반적으로 최대 작동 온도가 565℃로 제한된다. 통상적인 매체의 고온 촉매 물질은 400℃의 작동 온도로 제한된다. 그러나, 향상된 기술의 가스 터빈에 존재하는 배기가스의 온도는 통상적으로 620℃ 이상이다. 그러므로, 조립체의 공기 오염 제어 촉매는 촉매 물질에 의하여 겪게되는 최대 사용 온도를 감소시키기 위하여 일반적으로 열회수 조립체사이의 일부의 열전달 표면으로 부터 하향으로 장착되어어야 한다. 그러므로, 촉매 반응실은 열회수 증기 발생기의 수직 배기가스 흐름 통로내에 매입(embed)된다.
상기 열회수 증기 발생기의 하나의 형태는 수직적으로 배향되며 수직적인 배기가스 흐름을 가진다. 이러한 장치에서, 상기 열전달 튜브는 수평으로 배향되고, 증발기 섹션에서 순환 펌프를 통상적으로 사용하게 된다. 대안적으로, 열회수 증기 발생기는 수평 배기가스 흐름 통로를 사용하게 된다. 수평 배기가스 흐름을 가지는 열회수 증기 발생기는 열전달 유체의 자연 순환으로 수직 배향되는 열전달 튜브를 가지는 열회수 조립체를 사용한다. 자연 순환은 순환펌프의 요구조건을 감소시키거나 또는 제거시킨다. 수직으로 배향된 열전달 튜브를 가지는 열회수 조립체와, 튜브를 통한 열전달 유체의 자연 순환은 급속 시동 동안에 특히 관련된 두꺼운 벽의 압력 용기에 열 충격을 줄 수 있다. 이러한 두꺼운 벽의 압력용기 즉, 드럼은 증기와 물을 분리시키고, 열회수 조립체를 통하여 물을 재순환시킨다.
본 발명은 방출물을 환원시키기 위해 촉매를 가진 열회수 증기 발생기를 구비하는 가스 터빈 복합 사이클 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열회수 증기 발생기(14)와 조합된 가스 터빈을 부분적으로 절개하여 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 열회수 증기 발생기의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1의 열회수 증기 발생기를 부분적으로 절개한 부분 확대 사시도.
간단하게 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 열회수 증기 발생기는 일반적으로 수평으로 배향된 배기가스 흐름 경로를 가진다. 하우징은 열회수 및 공기 오염 제어 조립체를 통한 일반적으로 수평 배기가스 흐름 통로를 형성한다. 상기 하우징은 상기 관련된 가스 터빈의 배기시에 일반적으로 장착된 디퓨져(diffuser) 부분과, 상기 열회수 및 공기 오염 제어 조립체를 포함하는 전체적인 단면부를 구비한다.
고압의 수평 열전달 튜브의 관류 섹션을 구비하는 제 1 열 회수 조립체는 상기 하우징의 디퓨져 부분에 인접되게 위치된다. 수평 열전달 튜브는 튜브를 통해 열전달 유체를 강제 순환시킨다. 공기 오염 제어 조립체는 배기가스 흐름 방향에서 제 1 열회수 조립체로 부터 하향으로 위치된다. 공기 오염 제어 조립체는 배기가스에 포함되는 CO 및/또는 NOX의 방출을 환원하기 위한 촉매로 형성된다. 제 2 열회수 조립체는 배기가스 흐름 방향에서 공기오염 제어 조립체로부터 하류에 위치된다. 제 2 열회수 조립체는 일반적으로 수직으로 배향된 열전달 튜브로 형성되고, 튜브를 통해 열전달 유체를 자연 순환(natural circulation)시킨다. 상기 제 2 열회수 조립체를 위한 자연 순환의 이용은 순환 펌프의 필요성을 제거하며, 따라서 시스템의 가격을 낮춘다.
가스 터빈으로 부터 고온 가스 스트림에 의하여 초기에 접촉하게 되는 제 1열회수 조립체에서 관류 강제 순환(증기 드럼 없음)의 사용은 두꺼운 벽의 압력 용기 즉, 드럼에 의하여 발생되는 어떠한 열적응력의 제한이 없기 때문에 복합 사이클 시스템의 신속 시동을 제공한다. 제 2 열회수 조립체와 통상적으로 관련되는 드럼은 제 2 열회수 조립체로 들어가는 배기가스 흐름이 상기 제 1 열회수 조립체에 의한 냉각으로 인하여 보다 낮은 온도에 있기 때문에 높은 열응력을 받지 않는다. 그러므로, 전체 복합 사이클 시스템은 열응력 제한의 감소로 인하여 신속 시동될 수 있다. 본 발명에 따른 열회수 증기 발생기는 142.8kg/cm2(140 bar) 이상의 작동 압력의 증기 사이클을 가지는 적용에 특히 적합하다.
또한, 상기 제 2 열회수 조립체의 일반적으로 수직 배향된 열전달 튜브는 축적된 암모니아 염을 제거하기 위하여 단순히 수동 세척된다. 배기가스 흐름통로의 수평 배향은 열전달 튜브의 세척동안에 촉매를 보호하는 문제를 감소시킨다. 열전달 튜브는 촉매에 영향을 미치는 산을 발생시킬 수 있다. 제 2 열회수 조립체의 세척에 의하여 형성되는 산은 공기 오염 제어 조립체의 촉매를 오염시키는 일 없이 하우징의 바닥으로 부터 쉽게 배수될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2의 열회수 조립체를 세척하기 위한 향상된 능력은 전체 복합 사이클 시스템의 향상된 사용가능성을 허용한다.
또한, 상기 제 2 열회수 조립체는 캐비티를 형성하는 이격된 수직 튜브 섹션으로 형성될 수 있다. 이러한 캐비티는 상기 제 2 열회수 조립체내의 세척 및 유지를 위한 추가적인 통로를 제공한다. 그러나, 제 2 열회수 조립체내의 캐비티는 배기가스 흐름 통로의 수평 배향으로 인해 전체 시스템의 높이에 추가되지 않는다. 또한, 제 1 열회수 조립체와, 공기오염 제어 조립체 및, 제 2 열회수 조립체의 중량은 수평 통로를 따라서 배향된다. 이러한 수평적인 정렬로 인해 전체적인 열회수 증기 발생기를 지지하는데 필요한 구조물이 보다 적게 된다.
도 1에서, 본 발명에 따른 열회수 증기 발생기(14)를 가진 가스 터빈(12)을 구비하는 가스 터빈 복합 사이클 시스템이 도면 부호 10으로 지시되었다. 상기 가스 터빈(12)은 덕트(15)를 통하여 배기가스 스트림(13)을 열회수 증기 발생기(14)내로 방출시킨다. 가스 터빈(12)은 통상적으로 620℃(1150℉)이상의 출구가스 온도를 가짐으로, 상당한 에너지가 열회수 증기 발생기(14)내에 흡수되는 것이 고려된다. 열회수 증기 발생기(14)의 작동으로 부터 발생되는 증기는 증기 터빈(도시 않음)을 거쳐서 전기 발전기를 구동하는데 사용되거나, 공정용 증기로써 사용될 수 있다.
상기 열회수 증기 발생기(14)는 디퓨져 또는 입구 전이부(18)를 구비하는 하우징(16)과, 인접된 전체 단면부(20)를 구비한다. 상기 하우징(16)은 배기가스 스트림(13)을 위해 일반적으로 수평 배기가스 통로를 형성한다. 가스 터빈(12)으로 부터의 고온 배기가스 스트림(13)은 덕트(15)에 의하여 배기가스 흐름이 상기 덕트(15)로 부터 전체 단면부(20) 영역으로 팽창되는 입구 전이부(18)로 향하게 된다. 종래의 보조적인 화염 시스템은 열회수 증기 발생기(14)로 쉽게 이용되어, 가스 터빈(12)으로 부터 배기가스내의 과잉 공기의 적어도 일부분을 사용하여 작동하게 된다. 종래의 덕트 버너 및/또는 흐름 제어장치(도시 않음)는 상기 입구 전이부(18)에 위치될 수 있다.
배기가스 스트림으로 부터 열에너지의 회수를 위한 열회수 및 오염제어 조립체(22)는 전체 단면부(20)내에 위치된다. 상기 열회수 및 오염제어 조립체(22)는 제 1 열회수 조립체(24)와 이격된 제 2 열회수 조립체(26)로 구성된다. 상기 제 2 열회수 조립체는 제 1 열회수 조립체로 부터 배기가스 스트림(13)의 하류 방향에 위치된다. 상기 제 1 및 제 2 열회수 조립체(24,26)는 공기 오염 제어 조립체(30)를 수용하기 위하여 조립체 사이에서 캐비티(28)를 형성한다. 상기 제 1 열회수 조립체(24)와, 제 2 열회수 조립체(26) 및 공기오염 제어 조립체(30)는 배기가스 스트림(13)에 대해 교차 또는 횡단 위치된다.
상기 제 1 열 회수 조립체(24)는 관류 강제 순환의 고압 수평 배향된 열 전달 튜브(25)로 형성된다. 상기 열전달 튜브(25)는 상부로 부터 지지되는 것이 양호하다. 펌프(27)는 열전달 유체, 통상적으로는 물을 제 1 열회수 조립체(24)를 통하여 한번 또는 재순환없이 강제 순환시킨다. 상기 제 1 열회수 조립체(24)에서 열전달 유체의 관류 흐름을 위한 강제 순환의 사용은 열회수 증기 발생기(14)의 신속 시동을 허용한다. 수평방향으로 배향된 열전달 튜브(25)를 통한 강제 순환의 사용은 다른 열회수 조립체의 두꺼운 벽의 압력 용기 예를 들면 드럼을 사용함으로써 강제되는 열응력의 한계를 피하게 된다.
상기 제 2 열 회수 조립체(26)는 수직으로 배향된 열 전달 튜브(33)를 가지는 저압의 종래의 자연 순환 또는 열순환 튜브 섹션(32)으로 형성된다. 상기 수직 튜브 섹션(32)은 상부로 부터 지지되는 것이 바람직하다. 상기 제 2 열회수 조립체(26)는 증기와 물을 분리하기 위하여 관련된 드럼(34)을 부가로 구비한다. 수직의 자연 순환 튜브 섹션(32)은 유지와 세척을 위한 접근을 허용하기 위하여 튜브 섹션 사이에 캐비티(35)를 형성하는 것이 바람직하다.
공기오염 제어 조립체(30)는 선택적인 촉매 환원 시스템에서 CO 촉매 및/또는 NOX촉매를 가진다. 공기 오염 제어 조립체(30)는 상기 제 1 및 제 2 열회수 조립체(24,26) 사이의 캐비티(28)에 위치된다. 상기 배기가스 스트림(13)의 수평적인 배향은 특히 제 2 열회수 조립체(26)의 세척동안에 공기오염 제어 조립체(30)의 촉매를 보호하는 문제의 곤란성을 감소시킨다. 상기 제 2 열회수 조립체(26)의 수직 튜브 섹션(32)은 단순한 세척을 허용하여, 열회수 증기 발생기(14)의 작동시에 수집되는 암모니아염을 제거하게 된다. 상기 제 2 열회수 조립체(26)로 부터의 세척물은 공기오염 제어 조립체(30)내의 촉매의 오염 없이 하우징(16)의 하부로 부터 쉽게 배출될 수 있다.
열회수 및 공기 오염제어 조립체(22)는 제 1 및 제 2 열회수 조립체(24,26) 및 공기 오염 제어 조립체(30)로 부터 하향으로 있는 제 3 열회수 조립체(36)를 부가로 적합하게 이용할 수 있다. 제 3 열회수 조립체(36)는 수직 배향된 튜브를 갖는 강제 순환의 저압 관류 절약기(economizer)로 형성되는 것이 양호하다.
배기가스 스트림(13)의 수평방향 흐름 또한 수직으로 배향된 열회수 증기 발생기에 통상적으로 요구되는 구조와 비교되는 공기오염 제어 조립체(30), 제 1 및 제 2 열회수 조립체(24,26)를 지지하는데 필요한 구조를 감소시킨다. 열회수 증기 발생기(14)의 수평방향 흐름의 결과로서 재료의 높이와 중량의 감소는 오염감축을 위한 촉매를 구비하는 종래의 수직적인 흐름 관류 열회수 증기 발생기와 비교하여 자본비용을 감축시킨다. 또한, 촉매의 하류에서 암모니아염과 같은 것으로 인한 막막힘(fouling)의 제거를 위한 제 2 열회수 조립체(26)의 향상된 세척력의 결과로써 종래의 열회수 증기 발생기에 비교되는 열회수 증기 발생기(14)의 유용성이 증가하게 된다.
본 발명의 양호한 실시예가 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이에 대한 많은 수정과 변화는 당업자의 능력내에서 인식되게 된다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 발명 정신과 범주내에 해당하는 모든 변형예를 커버할 수 있는 것이다.
Claims (11)
- 가스 터빈의 배기가스를 사용하기 위한 열회수 증기 발생기에 있어서,상류방향과 하류방향을 가지며, 하우징을 통과하는 일반적으로 수평방향인 배기흐름 통로가 형성된 가스 터빈의 배기가스 스트림을 수용하는 하우징과;상기 하우징내에서 상기 배기흐름 통로를 가로질러서 배향되며 일반적으로 수평 배향된 제 1 열전달 튜브와 열전달 유체를 강제 관류 순환시키는 제 1 열회수 조립체와;상기 하우징내에서 배기흐름 통로를 가로질러 배향되며, 그리고 상기 제 1 열회수 조립체로부터 하류방향으로 배향되며, 배기 방출물의 환원을 위한 촉매를 포함하는 공기오염 제어 조립체 및;상기 하우징내에서 배기흐름 통로를 가로지르며 상기 공기오염 제어 조립체로 부터 하류방향으로 배향되며, 열전달 유체의 자연 순환을 위하여 일반적으로 수직으로 배향된 제 2 열전달 튜브를 가지는 제 2 열회수 조립체를 포함하는 열회수 증기 발생기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 열회수 조립체는 다수의 제 2 열전달 튜브를 각각 구비하는 다수의 이격된 튜브 섹션을 포함하고, 상기 튜브 섹션은 튜브 섹션사이에 수직 배향된 캐비티를 형성하는 열회수 증기 발생기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 배기가스 흐름 통로를 가로질러서 상기 제 2 열회수 조립체로 부터 하류에 있으며, 수직으로 배향된 열전달 튜브를 가진 절약기를 구비하는 하우징내에 있는 제 3 열회수 조립체를 또한 포함하는 열회수 증기 발생기.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 열회수 조립체는 다수의 제 2 열전달 튜브를 각각 구비하는 다수의 이격된 튜브 섹션을 포함하며, 상기 튜브 섹션은 튜브 섹션사이에 수직 배향된 캐비티를 형성하는 열회수 증기 발생기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 열회수 조립체는 증기 및 물을 분리하기 위한 드럼을 또한 포함하는 열회수 증기 발생기.
- 가스 터빈(12)이 복합 사이클 시스템을 작동하기 위한 방법으로서,상기 가스 터빈(12) 복합 사이클 시스템은 가스 터빈(12)과 상기 가스 터빈(12)의 배기가스 스트림(13)으로 사용하기 위한 열회수 증기 발생기(14)를 구비하며, 상기 열회수 증기 발생기(14)는, 상류 방향과 하류 방향을 가지며 하우징을 통과하는 일반적으로 수평 방향인 배기 흐름 통로가 형성된 가스 터빈(12)의 배기가스 스트림(13)을 수용하는 하우징(16)과, 상기 하우징내에서 배기 흐름 통로를 가로질러서 배향되며 수평 배향된 제 1 열전달 튜브(25)와 강제 관류 순환을 거쳐 튜브를 통해 순환된 열전달 유체를 가지며 증기 드럼을 구비하지 않는 제 1 열회수 조립체(24)와, 상기 하우징(16)내에서 배기 흐름 통로를 가로질러 배향되며 상기 제 1 열회수 조립체(24)로부터 하류 방향으로 배향되며 배기 방출물의 환원을 위한 촉매를 가지는 공기오염 제어 조립체(30)와, 상기 하우징(16)내에서 배기 흐름 통로를 가로지르며 상기 공기오염 제어 조립체(30)로부터 하류 방향으로 배향되며, 열전달 유체의 자연 순환을 위하여 수직으로 배향된 제 2 열전달 튜브를 가지는 제 2 열회수 조립체(26)를 구비하며, 상기 제 1 열회수 조립체(24)는 상기 하우징(16)내에 있으며, 상기 방법은,상기 가스 터빈(12)으로 부터 배기가스 스트림(13)을 발생시키는 단계와;상기 제 1 열회수 조립체(24)를 통하여 일반적으로 수평방향으로 열전달 유체를 강제 순환시키는 단계와;상기 제 2 열회수 조립체(26)를 통하여 일반적으로 수직방향으로 열전달 유체를 자연 순환시키는 단계와;상기 제 1 열회수 조립체(24)를 통하여 배기가스 스트림(13)을 통과시킴으로써 상기 배기 스트림(13)의 제 1 냉각을 수행하는 단계와;상기 제 1 냉각 이후에, 공기오염 제어 조립체(30)를 통하여 상기 냉각된 배기가스 스트림(13)을 통과시킴으로써 상기 배기 방출물을 감소시키는 단계와;상기 제 2 열회수 조립체(26)를 통하여 배기가스 스트림을 통과시킴으로써 상기 배기 방출물의 환원 후에 상기 배기가스 스트림(13)의 제 2 냉각을 수행하는 단계를 포함하는 가스 터빈 복합 사이클 시스템을 작동하기 위한 방법.
- 복합 사이클 시스템에 있어서, 배기가스 스트림을 발생시키기 위한 가스 터빈 및; 배기가스 스트림으로 부터 열을 회수하기 위한 열회수 증기 발생기를 포함하고, 상기 열회수 증기 발생기는, 상기 배기가스 스트림을 수용하고 상류 방향과 하류 방향을 가지며 가스 터빈으로부터 하우징을 통과하는 일반적으로 수평인 배기흐름 통로가 형성된 하우징과, 상기 하우징내에서 상기 배기흐름 통로를 가로질러 배향되며 일반적으로 수평 배향된 제 1 열전달 튜브와 열전달 유체를 강제 관류 순환되시키는 제 1 열회수 조립체와, 상기 하우징내에서 배기흐름 통로를 가로질러 배향되며 상기 제 1 열회수 유닛으로 부터 하류방향으로 배향되며, 배기 방출물을 환원하기 위한 촉매를 포함하는 공기오염 제어 조립체 및, 상기 하우징내에서 배기가스 흐름통로를 가로지르며 상기 공기오염 제어 조립체로 부터 하류방향으로 배향되며, 열전달 유체의 자연 순환을 위하여 일반적으로 수직방향으로 배향된 제 2 열전달 튜브를 구비하는 제 2 열회수 조립체를 포함하는 복합 사이클 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 열회수 조립체는 다수의 제 2 열전달 튜브를 각각 구비하는 다수의 이격된 튜브 섹션을 포함하고, 상기 튜브 섹션은 튜브 섹션 사이에 수직으로 배향된 캐비티를 형성하는 복합 사이클 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 상기 배기가스 흐름 통로를 가로질러서 상기 제 2 열회수 조립체로 부터 하류에 있으며, 수직으로 배향된 열전달 튜브를 가진 절약기를 구비하는 하우징내에 있는 제 3 열회수 조립체를 또한 포함하는 복합 사이클 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 열회수 조립체는 다수의 제 2 열전달 튜브를 각각 구비하는 다수의 이격된 튜브 섹션을 포함하고, 상기 튜브섹션은 튜브 섹션 사이에 수직으로 배향된 캐비티를 형성하는 복합 사이클 시스템.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 열회수 조립체는 증기와 물을 분리하기 위한 드럼을 또한 포함하는 복합 사이클 시스템.
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