KR100400529B1 - 가스및증기터빈장치의작동방법및상기방법에따라작동되는가스및증기터빈장치 - Google Patents

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Abstract

가스 및 증기 터빈 장치(2)의 폐열 증기 발생기(1)에서, 가스 터빈(2a)으로부터 팽창된 작동 매체(AG)내에 포함된 열은 물-증기-순환계(3)내에 접속된 증기 터빈(2b)을 위한 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 이 경우 응축된 증기는 증기 터빈(2b)으로부터 물-증기-순환계에 응축물(K)로서 제공된다. 가스 터빈(2a)용으로 사용된 연료(B, B´)와 상관없이 고효율을 얻기 위해, 가스 터빈용 연료(B)로서 오일을 사용할 때는 본 발명에 따라, 가스를 가스 터빈(2a)용 연료(B)로서 사용할 때 연료를 예열하기 위해 사용되는 부분 흐름(t1)이 물-증기-순환계(3)로부터 응축물을 예열하기 위해 사용된다. 또한, 상기 부분 흐름을 이용하여 가스 터빈 연료(B) 또는 응축물(K)을 선택적으로 예열하기 위한 열교환기(56)가 제공된다.

Description

가스 및 증기 터빈 장치의 작동 방법 및 상기 방법에 따라 작동되는 가스 및 증기 터빈 장치 {METHOD OF OPERATING A WASTE-HEAT STEAM GENERATOR, AND A WASTE-HEAT STEAM GENERATOR OPERATED BY THIS METHOD}
증기 터빈용 증기를 발생시키기 위해 가스 터빈의 팽창된 작동 매체 내에 포함된 열이 이용되는 가스 및 증기 터빈 장치는 통상적으로 하나의 폐열 증기 발생기를 포함한다. 열의 전달은, 관의 형태로 폐열 증기 발생기 내에 배치된 다수의 전열면에 의해 이루어진다. 이러한 전열면은 다시 증기 터빈의 물-증기-순환계에 접속된다. 상기 물-증기-순환계는 예를 들어 2개 또는 3개의 다수의 압력단을 포함하며, 각 압력단은 하나의 예열-전열면(이코너마이저), 하나의 증발기-전열면 및하나의 과열기-전열면을 포함한다. 예컨대 유럽 특허 명세서 0 148 973 B1호에 공지된 상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치에 의해, 증기 터빈의 물-증기-순환계 내부의 압력 조건에 따라 약 50 내지 55%의 열역학적 효율이 얻어진다.
프랑스 특허 출원 공개 명세서 제 2 551 181호에는, 가스뿐만 아니라 오일에 의해서도 가스 터빈이 작동될 수 있는 가스 및 증기 터빈 장치가 공지되어 있다. 상기 가스 및 증기 터빈 장치의 물-증기-순환계로부터 예열을 위한 분류가 분기된다.
가열 오일이 천연 가스(natural gas)에 대한 “백-업(Back-up)”으로서 예컨대 100 내지 500 h/a 동안의 짧은 작동 시간 동안만 가스 터빈용 연료로서 제공되는 가스 및 증기 터빈 장치는, 주로 천연 가스로 가스 터빈을 작동시키는 장치로서 설계되고 최적화된다. 가열 동작시, 급수가 폐열 증기 발생기 내로 들어갈 때 터빈의 복잡한 탭핑(tapping)없이 온도를 상승시키기 위해, 다양한 방법으로 폐열 증기 발생기로부터 필요한 열이 자동으로 추출될 수 있다. 한가지 방법은 통상적으로 제공되는 응축물 예열기를 전체적으로 또는 부분적으로 바이패스(bypass)시키고, 저압 증기를 제공함으로써 물-증기-순환계 내에 접속된 급수 용기 내에 있는 응축물을 가열시키는 것이다. 그러나, 이 방법은 증기압이 낮을 때에는 큰 체적을 요구하고, 흔히 급수 용기 내에 다단계의 가열 증기 시스템을 요구하는데, 이는 긴 가열 시간 동안에 통상적으로 급수 용기 내에서 이루어지는 가스 분리 기능을 방해할 수 있다.
응축물로부터 가스를 효과적으로 분리하기 위해, 급수 용기 내에 있는 응축물의 온도는 130 내지 160℃의 온도 범위에서 최대로 유지되며, 이 경우 급수 용기 내에 있는 응축물의 가열 시간은 짧게 유지되어야 한다. 이것은 예를 들어, 증기에 의해 가열되는 부가의 예열기를 통해 응축물을 예열함으로써 이루어질 수 있다. 예열을 위한 충분한 열을 제공하기 위해, 2개 또는 3개의 압력 장치에서 폐열 증기 발생기의 고압-이코노마이저로부터 온수를 빼내는 것이 종종 필요하다. 그러나, 이것은 특히 3개-압력 장치에서, 통상적으로 제공되는 고압-급수 펌프의 유동량에 영향을 줄 수 있고, 고압을 위해 또는 큰 온도 차이를 위해 부가의 응축물 예열기가 특히 비경제적인 방식으로 설계되어야 한다는 단점을 갖는다. 또한, 오일 가열 동작시 급수 펌프의 감압 손실이 유익하지 않은 방식으로 형성된다. 더욱이, 고압-이코너마이저로부터 온수를 빼내는 것은 소위 고압-접근-온도를 낮춤으로써 고압 증기량을 감소시키며, 그럼으로써 장치의 효율도 또한 떨어지게 된다.
본 발명은, 가스뿐만 아니라 오일을 연료로서 사용하여 작동될 수 있는 가스 터빈의 팽창된 작동 매체 내에 포함된 열이 물-증기-순환계에 접속된 증기 터빈용 증기를 발생시키기 위해 사용되고, 증기 터빈으로부터 나오는 응축 증기가 물-증기-순환계에 응축물로서 제공되고, 예열을 목적으로 물-증기-순환계로부터 분류(分流)가 분기되도록 구성된, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 작동되는 가스 및 증기 터빈 장치에 관한 것이다.
도 1은 폐열 증기 발생기의 다이아그램이다.
본 발명의 목적은, 가스 터빈용으로 사용되는 연료에 관계없이 매우 높은 장치 효율을 얻을 수 있는, 전술한 방식의 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다. 상기 목적은, 상기 방법을 실행하기에 적합한 가스 및 증기 터빈 장치에서 적은 기술적인 노력과 비용을 들여서 달성되어야 한다.
상기 목적은 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 물-증기-순환계로부터 나오는 분류가 응축물을 예열하기 위해서 뿐만 아니라 연료를 예열하기 위해서도 사용될 수 있음으로써 달성된다.
본 발명은, 고효율을 요구하는 가스 및 증기 터빈 장치에서 천연 가스 동작시에는 통상적으로 세계 지적 소유권 기구 특허 출원 공개 명세서 95/00747호에 공지된 바와 같은 연료 예열 장치가 제공될 수 있다는 생각에서 출발하였다. 상기 명세서에 따르면, 가열된 물의 분류가 연료를 예열하기 위해 증기 터빈의 물-증기-순환계로부터 추출되고, 연료와의 간접 열교환 후에 물-증기-순환계에 재차 공급된다.
본 발명에서 추가된 특징에서, 가스를 연료로서 사용할 때 연료가 직접 가열되지 않는다. 그 대신에, 예를 들어 물/물-열교환기를 통해 열이 중간 순환계에 제공됨으로써, 중간 순환계 내부를 관류하는 매체가 연료를 가열하는데 이용된다. 오일을 연료로서 사용할 때는 상기 예열 시스템이 필요하지 않기 때문에, 상기 시스템은 오일 동작시 편의상 응축물을 예열하는데 이용되며, 이 경우에는 중간 순환계가 차단될 수 있다. 응축물 예열시 냉각된 분류는 바람직한 방식으로 재차 응축물에 혼합된다.
가스 터빈으로부터 나오는 폐가스 내에 포함된 감지 가능한 열은 폐열 증기 발생기 내에서 3개의 압력단, 즉 하나의 저압단, 하나의 중간 압력단 및 하나의 고압단으로 구성된 물-증기-순환계에서 폐가스의 흐름 방향으로 고압 시스템으로부터 중간압 시스템을 거쳐 저압 시스템으로 배출된다. 응축물을 예열하기 위해 필요한 열을 공급하기 위해, 분류의 추출 및 분류의 재순환은 바람직하게는 중간 압력단으로부터 그리고 중간 압력단 내로 각각 실행된다. 이 경우, 저압-증기 생성물이 작동에 따라 미리 정해진 값 아래로 떨어지면, 분류는 바람직하게 재차 중간 압력단에 공급된다. 이것은 바람직하게, 중간압 이코노마이저로부터 추출된, 응축물 예열시 냉각된 물이 응축물 시스템으로 안내되는 것이 아니라 중간압-증기 드럼에 안내되고, 그곳에서 재차 가열됨으로써 이루어진다. 그럼으로써, 급수 예열을 위해 준비된 열이 응축물 가열에 사용된다. 또한, 이에 따라 중간 압력단의 증기 생성물이 떨어짐으로써, 중간 압력단을 위한 응축물의 양이 감소된다.
상기 방법에 의해 폐열 증기 발생기의 유입 온도가 예컨대 135℃까지 될 수 있기 때문에, 실제로 상기 목적(백-업 연료)을 위해 전체 가열 오일 스펙트럼이 커버되며, 그 결과 표준화가 가능해진다.
가스 및 증기 터빈 장치와 관련하여 상기 목적은, 물-증기-순환계 내에 있는 증기 터빈 하류에 접속된 응축기와, 물-증기-순환계로부터 나오는 분류를 이용하여 가스 터빈용 연료뿐만 아니라 응축물을 선택적으로 예열하기에 적합한 열교환기에 의해 달성된다.
바람직한 실시예에서, 상기 열교환기는 1차측으로 폐열 증기 발생기 내에 배치된 예열 전열면, 바람직하게는 중간압-이코노마이저 하류에 접속된다.
간접 열교환시 누출이 있는 경우에 안전의 이유에서 연료 및 분류 사이의 접촉을 피하기 위해, 연료를 예열하기 위한 열교환기는 바람직한 방식으로 2차측이 중간 회로에 접속된다. 그 다음에 응축물을 예열하기 위해 중간 회로의 차단과 함께 전환이 이루어지며, 이 경우 열교환기는 2차측으로 응축물 라인에 연결된다. 가스 터빈용 연료를 예열할 것인가 또는 응축물을 예열할 것인가를 선택하기 위해, 바람직하게 적어도 하나의 밸브가 예를 들어 중간 회로 내에 및/또는 응축물 라인과 열교환기의 연결부에 제공된다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 자세히 기술된다. 폐열 증기 발생기의 횡단면을 보여주는 도 1에서, 증기 발생기의 전열면은 가스 및 증기 터빈 장치의 물-증기-순환계 내에 접속된다.
도 1의 다이아그램에 도시된 폐열 증기 발생기(1)는 전기 에너지를 발생시키기 위한 가스 및 증기 터빈 장치의 부분이다. 폐열 증기 발생기는 가스 터빈(2a)으로부터 나오는 뜨거운 폐가스(AG)에 의해 관류되고, 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 이 경우 폐열 증기 발생기의 전열면은 증기 터빈(2b)의 물-증기-순환계(3)에 접속된다.
폐열 증기 발생기(1)는 또한, 출력측이 순환 펌프(8)를 통해 입력과 연결된, 응축물 라인(4)에 연결된 하나의 응축물 예열기(6)를 포함한다. 필요에 따라 응축물 예열기(6)를 안내하기 위해, 응축물 예열기(6)의 출력과 연결된 하나의 밸브(14)를 갖는 바이패스 라인(12)이 응축물 펌프(10)의 압력측에서 응축물 라인(4)과 연결된다. 응축물 예열기(6)는 출력측으로 밸브(20)를 갖는 라인(18) 및 하나의 체크 밸브(16)를 통해 저압 드럼(22)과 연결된다. 응축물 예열기(6)는 또한 출력측으로 라인(24)을 통해 가스 분리기(26)를 포함하는 가스 분리기 탱크 또는 급수 용기(28)와 연결된다. 급수 용기(28)는 출력측으로 하나의 순환 펌프(32)를 갖는 라인(30)을 통과하여, 라인(24) 및 체크 밸브(16)를 통해서 급수용기의 입력뿐만 아니라 라인(18)과도 연결된다. 급수 용기(28)는 또한 - 화살표(a 및 b)로 표시된 바와 마찬가지로 - 출력측으로 라인(34)을 통해 급수 펌프(36), 고압-이코노마이저(38) 및 중간압-이코노마이저(40)와 연결된다.
급수를 예열하기 위해, 저압 드럼(22)으로부터 저압-과열기-전열면(44)으로 안내되는 증기 라인(46)과 연결된 하나의 증기 라인(42)이 급수 용기(28)내로 삽입된다. 상기 저압-과열기-전열면(44)은 저압 드럼(22) 및 상기 저압 드럼(22)에 연결된 저압-증발기-전열면(48), 그리고 증기 터빈(2b)의 저압부와 함께 물-증기-순환계(3)의 저압단을 형성한다.
중간압-이코노마이저(40)는 출력측으로 하나의 밸브(50)를 통해 중간압-드럼(52)과 연결되며, 상기 드럼에 중간압-증발기-전열면(54)이 연결된다. 상기 중간압-이코노마이저(40)는 중간압-드럼(52) 및 중간압-증발기-전열면(54), 그리고 도시되지 않은 중간압-과열기-전열면 및 증기 터빈(2b)의 중간 압력부와 함께 물-증기-순환계(3)의 중간 압력단을 형성한다.
그에 상응하게 고압-이코노마이저(38)는, 따로 자세히 도시되지 않은 물-증기-순환계(3) 고압단의 부분이다.
중간압-이코노마이저(40)는 또한 출력측으로 열교환기(56)와 연결되고, 상기 열교환기는 1차측으로 응축물 라인(4)과 연결된 1차 라인(58)에 접속되며, 상기 라인 중간에는 환원 밸브(60)가 배치되어 있다. 열교환기(56)는 연료를 예열하기 위한 다른 하나의 열교환기(64)와 함께 2차측으로 중간 회로(62)에 접속된다. 연료 예열 시스템을 형성하는 중간 회로(62)에는 또한, 유동 방향으로 제 2열교환기(64)하류에 하나의 밸브(66) 및 하나의 펌프(68)가 접속된다. 상기 중간 회로(62), 즉 열교환기(56)의 2차측에는 또한, 파선으로 도시된 제 1라인(70) 및 마찬가지로 파선으로 도시된 제 2라인(72)이 연결된다. 상기 제 1라인(70)은 밸브(74)를 통해 응축물 라인(4)으로 삽입된다. 밸브(76)와 접속된 제 2라인(72)은, 응축물 라인(4)을 중간 회로(62) 내에 접속된 펌프(68)의 흡인측과 연결시킨다. 열교환기(56)의 1차 라인(58)에는 하나의 밸브(80)를 가진, 파선으로 도시된 라인(78)이 연결되며, 상기 라인은 중간압-이코노마이저(40)를 중간압-드럼(52)과 연결시키는 라인(82)으로 삽입된다.
폐열 증기 발생기(1)의 동작시, 증기 터빈 하류에 접속된 응축기(84)로부터 나온 응축물(K)은 펌프(10) 및 응축물 라인(4)을 통해 응축물 예열기(6)로 공급된다. 이 때 응축물 예열기(6)는 라인(12)을 통해 전체적으로 또는 부분적으로 순환된다. 온도(TK)는 약 25 내지 40℃이다. 응축물의 압력(pK)은 약 10 내지 20bar이다. 응축물(K)은 응축물 예열기(6) 내에서 가열되어 적어도 부분적으로는 순환 펌프(8)를 통해 순환된다. 가열된 응축물(K)은 부분적으로 또는 전체적으로 라인(24)을 통해 급수 용기(28) 또는 가스 분리기(26)내로 안내되며, 여기서 라인(42)을 통해 안내되는 증기에 의해 급수의 가열이 이루어지고, 응축물(K)의 가스 분리가 이루어진다. 가열된 급수는 한편으로는 저압 드럼(22)에 공급되고, 다른 한편으로는 급수 펌프(36)를 통해 중간압-이코노마이저(40) 및 압력이 증가된 상태에서 고압-이코노마이저(38)에 공급된다. 저압단에 공급된 급수는 낮은 압력에서 저압-증발기-전열면(48)에서 증발되며, 이 경우 저압-드럼(22) 내부에서 분리된, 낮은 압력의 증기 중에서 일부는 급수 용기(28)에 공급되고, 일부는 저압-과열기-전열면(44)에 공급된다. 저압-과열기-전열면에서 과열된 증기는 증기 터빈(2b)의 저압부에 공급된다.
약 40 내지 50bar의 중간 압력(pM)하에 있는 급수는 약 220 내지 240℃의 온도로 중간압-드럼(52)에 공급되어 중간압-증발기-전열면(54)에서 증발된다. 중간압-드럼(22) 내부에서 분리된, 중간 압력의 증기는 마찬가지로 증기 터빈(2b)의 중간 압력부에 제공된다. 고압하에 있는, 고압-이코노마이저(38) 내부에서 가열된 급수는 유사하게 증발되고, 과열된 상태에서 증기 터빈(2b)의 고압부에 공급된다.
물-증기-순환계(3)로부터 유출된 분류(t1)는 열교환기(56)를 통해 공급되고 그곳에서 냉각된다. 냉각된 분류(t1)는 물-증기-순환계(3)에 재차 공급된다. 이 경우, 냉각된 분류(t1)의 재순환은 라인(58)을 통해 응축물(K)에 혼입됨으로써 또는 라인(78)을 통해 중간압-드럼(52) 내에 공급됨으로써 이루어질 수 있다. 전환을 위해 밸브(60 및 80)가 제공된다. 분류(t1)의 냉각은 열교환기(56) 내에서의 간접 열교환에 의해 이루어진다.
가스 터빈용 연료(B)로서 가스를 사용할 때 분류(t1)의 열교환은, 중간 회로(62) 내부를 순환하는 매체(W)에 의해, 바람직하게는 물에 의해 열교환기(56) 내에서 이루어지는데, 상기 매체(물)에 의해 열이 재차 제 2열교환기(64)를 통해가스 터빈용 연료(B)로 보내진다.
가스 터빈용 연료(B´)로서 오일을 사용할 때는 중간 회로(62)가 밸브(66)에 의해 차단되고, 열교환기(56) 내에서의 분류(t1)의 열교환은 라인(72)을 통해 열교환기(56)에 공급된 응축물(K)에 의해 이루어지며, 상기 응축물은 열교환기(56) 내에서의 냉각 후에 라인(70)을 통해서, 응축물 라인(4)을 관류하는 응축물(K)에 재차 혼합된다. 이 경우 분류(t1)는 약 50℃의 온도(Tt)로 냉각되며, 열교환기(56)의 2차측으로부터 라인(70)을 통해 빠져나오는 응축물(K)은 약 100 내지 180℃의 온도로(TK´)로 가열된다. 이런 식으로, 가스 터빈(2a)용 연료(B)로서 가스를 사용할 때 연료를 예열하는데 이용되는 분류(t1)가 가스 터빈(2a)용 연료(B´)로서 오일을 사용할 때 응축물을 예열하는데 이용된다.
오일 작동시에는 필요하지 않은, 원래 열교환기(56)를 포함하는 연료 예열 시스템(62, 68)을 응축물을 예열하기 위해 사용함으로써, 응축물 예열을 위해 지금까지 제안된 물-증기-순환계(3)로부터의, 특히 고압-이코노마이저(38)로부터의 추출이 절약된다. 그 밖에, 응축물 예열을 위해 필요한 파이프 라인 및 전기자, 그리고 상응하는 조절 수단을 포함하여 외부 응축물 예열이 없어도 된다. 따라서, 가스 동작시 뿐만 아니라 오일 동작시에도 매우 높은 장치 효율이 얻어진다. 이 경우, 연료 예열로부터 응축물 예열로의 전환은 간단한 방식으로 가능하다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 가스 및 증기 터빈 장치의 폐열 증기 발생기를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 가스 뿐만 아니라 오일을 연료(B, B´)로서 사용하여 작동 가능한 가스 터빈(2a)이 오일을 연료로 사용하여 작동되고, 상기 가스 터빈(2a)의 팽창된 작동 매체(AG) 내에 포함된 열이, 물-증기-순환계(3)에 접속된 증기 터빈(2b)용 증기를 발생시키는데 사용되며, 상기 증기 터빈(2b)으로부터 나온 응축 증기는 상기 물-증기-순환계(3)에 응축물(K)로서 공급되는, 가스 및 증기 터빈 장치(2)를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 가스 터빈(2a)의 연료로 가스가 사용되는 경우에는 연료의 예열에 이용되던, 상기 물-증기-순환계(3)로부터 분기된 분류(t1)가, 응축물을 예열하는데 이용되는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    연료를 예열하기 위한 간접 열교환이 중간 회로(62)를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    응축물을 예열하기 위해 상기 중간 회로(62)를 차단하는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축물 예열시 냉각된 분류(t1)를 응축물(K)에 혼입시키는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물-증기-순환계(3)가 3개의 압력단으로 구성되고, 상기 분류(t1)를 물-증기-순환계(3)의 중간 압력단(40, 52, 54)으로부터 추출하는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    응축물 예열시 냉각된 분류(t1)를 물-증기-순환계(3)의 중간 압력단(40, 52, 54)에 재차 공급하는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  7. 제 1 연료관을 통해 가스를 연료(B, B')로 공급받을 수 있고, 또한 제 2 연료관을 통해 오일을 연료(B, B')로 공급받을 수 있는 연소실을 구비한 가스 터빈(2a)과, 물-증기-순환계에 접속된 응축물 라인(4)을 포함하는 가스 및 증기 터빈 장치(2)에 있어서,
    1차측으로는 물-증기-순환계(3)로부터 나오는 분류(t1)와 연결되고 2차측으로는 상기 제 1 연료관 및 상기 응축물 라인(4)에 연결되어, 상기 분류(t1)를 이용하여 가스 터빈용 연료(B)뿐만 아니라 응축물(K)을 선택적으로 예열할 수 있는 열교환기(56)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열교환기(56)가 1차측으로 예열기-전열면(40)의 하류에 접속되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치.
  9. 제 7항 또는 8항에 있어서,
    가스 터빈용 연료(B)를 예열하기 위한 열교환기(56)가 2차측으로 중간 회로(62)에 접속되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치.
  10. 제 7항 또는 8항에 있어서,
    가스 터빈용 연료(B)를 예열할 것인가 또는 응축물(K)을 예열할 것인가를 선택하기 위해 하나 이상의 밸브(66, 74, 76)가 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치.
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