KR100590366B1

KR100590366B1 - 가스 터빈용 퍼지 시스템 및 가스 터빈 퍼지 방법

Info

Publication number: KR100590366B1
Application number: KR1019990011815A
Authority: KR
Inventors: 트레버로버트스코트; 이아실로로버트조셉; 카플란하워드제이; 드라즈바존이
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2006-06-15
Also published as: DE69901043D1; US6145294A; KR19990082938A; EP0949454B1; DE69901043T2; TW382053B; EP0949454A3; CZ122499A3; EP0949454A2; JPH11324715A

Abstract

퍼지 시스템은 가스 터빈 시스템의 연소부로부터 액체 연료 및 물을 분출시킬 뿐만 아니라 노즐의 연속적인 냉각을 제공한다. 가스 터빈은 액체 연료 또는 가스 연료로 작동한다. 터빈이 가스 연료를 연소하도록 전환되면, 액체 연료 시스템내에 남아 있는 액체 연료는 액체 연료 퍼지 시스템에 의해 분출된다. 마찬가지로, 물 분사 시스템내의 물은 물 퍼지 시스템에 의해 연소 시스템내의 노즐로부터 퍼지된다. 퍼지 시스템은 공기 분무 시스템과 연동하여 작동하지만, 퍼지 공기의 압력을 올리기 위해 분무 공기 압축기에 의존하지는 않는다. 대신, 퍼지 시스템은 가스 터빈 압축기로부터의 가압된 공기를 이용하며, 이 퍼지 공기를 매니폴드로 보낸다. 매니폴드는 공기를 퍼지 밸브 및 소프트 퍼지 밸브를 경유하여 분무 공기 통로, 액체 연료 노즐 및 물 분사 노즐로 분배한다.

Description

가스 터빈용 퍼지 시스템 및 가스 터빈 퍼지 방법{LIQUID FUEL AND WATER INJECTION PURGE SYSTEMS FOR A GAS TURBINE}

도 1은 액체 연료 및 물 분사 퍼지 시스템을 구비한 예시적인 가스 터빈의 개략도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 연료 및 물 분사 시스템용 퍼지 시스템의 개략도,

도 3은 종래의 액체 연료 및 물 분사 퍼지 시스템의 개략도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

202 : 압축기 방출구 206 : 분무 공기 매니폴드

211 : 제한 오리피스 214 : 모터 작동 바이패스 밸브

230, 232, 246, 247 : 리미트 스위치 234, 236 : 매니폴드

256 : 물 분사 퍼지 시스템 258 : 액체 연료 퍼지 시스템

266, 267 : 델타 압력 변환기

본 발명은 가스 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공업용 가스 터빈을 위한 액체 연료 분사 시스템에 관한 것이다.

공업용 가스 터빈은 액체 연료 및 가스 연료를 교대로 이용하여 운행될 수 있다. 이러한 가스 터빈은 액체 연료와, 예를 들어 천연 가스 등의 가스 연료를 위한 연료 공급 시스템을 구비한다. 일반적으로 가스 터빈은 가스 연료와 액체 연료를 동시에 연소시키지 않는다. 가스 터빈이 액체 연료를 연소시키는 경우, 가스 연료 공급은 차단된다. 마찬가지로, 가스 터빈이 가스 연료를 연소시키는 경우에는 액체 연료공급이 차단된다.

액체 연료 시스템을 연소시키는 가스 터빈은 액체 연료 연소기의 연료 노즐을 세척하기 위해 액체 연료 퍼지 시스템을 요구한다. 마찬가지로, 가스 터빈이 액체 연료로 운행되는 경우 연소챔버에 물을 첨가하는데 사용되는 물 분사 시스템을 퍼지하기 위해 물 퍼지 시스템이 요구된다. 일반적으로, 물 분사 및 액체 연료 공급시스템은 가스 터빈이 가스 연료로 작동하는 경우에는 차단되어 있다. 이들 시스템이 차단되면, 퍼지 시스템은 연소기의 노즐로부터 남아있는 액체 연료 또는 물을 배출하도록 노즐에 지속적인 냉각 기류를 제공한다.

도 1은 액체 연료 시스템(102)과 액체 연료 퍼지 시스템(104)을 갖는 가스 터빈(100)을 개략적으로 도시하고 있다. 가스 터빈은 또한 천연 가스와 같은 가스로 운행될 수 있고, 가스 연료 시스템(106)을 포함한다. 가스 터빈의 다른 주요 구성요소에는 메인 압축기(108)와, 연소기(110)와, 터빈(112)과, 제어기(114)가 포함된다. 가스 터빈으로부터의 동력 출력은 예를 들어 전력을 생산하는 발전기에 결합될 수 있는 회전 터빈 샤프트(116)이다.

도시된 바와 같은 예시적인 공업용 가스 터빈에 있어서, 연소기는 연소 캔(combustion cans)(118)의 환상 배열이며, 이들 연소 캔의 각각은 액체 연료 노즐(120) 및 가스 연료 노즐(122)을 갖는다. 이와 달리, 연소기는 환형 챔버일 수 있다. 도 1에 도시된 연소 캔 배치에 있어서는, 노즐의 약간 하류 지점의 연소 캔내에서 연소가 시작된다. 압축기(108)로부터의 공기는 연소기용 산소를 제공하도록 연소 캔 주변을 통해서 흐른다. 또한 물 분사 노즐(111)은 고온 연소 가스에 에너지를 부가하고 연소 캔(118)을 냉각하도록 연소기(110)내에 배치된다.

도 3은 액체 연료 및 물 분사 시스템을 위한 종래의 퍼지 시스템을 도시한다. 액체 연료 시스템(102)은 연동되는 액체 연료 퍼지 시스템(104)과, 물 분사 시스템(124) 및 물 퍼지 시스템(126)을 갖는다. 가스 터빈(100)이 천연 가스(또는 기타 가스 연료)로 작동시키는 경우, 액체 연료 퍼지 시스템(104) 및 물 퍼지 시스템(126)은 각각 액체 연료 시스템(102) 및 물 분사 시스템(124)으로부터의 액체 연료 및 물을 퍼지하도록 액체 연료 및 물 분사 시스템과 액체 연료 노즐(120)을 통해 압축 공기를 송풍하므로서, 노즐에 지속적인 냉각 기류를 제공한다.

액체 연료 및 물 분사 시스템을 퍼지하는데 사용되는 공기는 전용 모터(M) 제어 퍼지 압축기(128)로부터 공급된 공기이다. 퍼지 압축기는 메인 압축기(108)로부터 받은 공기의 압축을 승압한다. 압축기 공기 예비 냉각기(164)와, 습기 분리기(166)와, 필터 장치(168)는 퍼지 압축기에 의해 승압되기 전의 압축기 공기를 처리하는데 사용된다. 퍼지 압축기로부터의 퍼지 공기는 배관(130)과, 임시 스트레이너(162)를 통해 티(tee, 137)로 보내지며, 티(137)는 퍼지 공기 유동을 분할하여 액체 연료 퍼지 시스템(104)과 물 분사 퍼지 시스템(126) 모두에 배급한다. 조정(tuning) 오리피스(132)는 물 분사 퍼지 공기 매니폴드(136) 및 물 분사 노즐(111)과, 액체 연료 퍼지 복수 구멍 밸브(138)로의 퍼지 공기의 유동을 계량하는데 사용된다. 액체 연료 퍼지 복수 구멍 밸브는 각각의 액체 연료 노즐(120)에 승압된 퍼지 공기를 보낸다. 또한, 퍼지 압축기는 다른 조정 오리피스(133)를 통해 분무 공기 매니폴드(134)와, 액체 연료 노즐(120)의 분무 공기 포트에 공기를 제공한다.

액체 연료 퍼지 시스템(104)이 작동되면, 솔레노이드에 의해 제어되는 소프트 퍼지 밸브(140)는 통상적인 솔레노이드 밸브(139)에 의해 복수 구멍 밸브(138)와 동시에 개방된다. 소프트 퍼지 밸브(140)의 개방율은 액추에이션 라인(도시하지 않음)내의 측정 밸브에 의해 기계적으로 제어된다. 소프트 퍼지 밸브는 비교적 장시간에 걸쳐 개방되어, 퍼지 시스템 배관(142) 및 액체 연료 노즐로부터 연소기로 송풍된 나머지 액체 연료의 연소에 의해 발생하는 부하의 트랜지언트를 최소화한다. 소프트 퍼지 밸브(140)는 저유량 밸브로서, 퍼지 압축기로부터 흐르는 승압 퍼지 공기를 감소시킨다. 소프트 퍼지 밸브가 소정 시간동안 개방된 후, 고유량 퍼지 밸브(144)가 개방되어 적절한 시스템 압력비로 승압된 퍼지 공기가 유동한다. 이러한 고유량 퍼지 밸브는 양방향 볼 밸브(144)로 할 수 있다.

물 분사 퍼지 시스템(126)이 작동되면, 솔레노이드 제어식 3방향 볼 밸브(146)가 개방된다. 이러한 밸브(146)의 개방율은 작업 라인(도시하지 않음)내의 측정 밸브에 의해 기계적으로 제어된다. 남아있는 물이 퍼지 시스템 배관(148)과 연소 캔내의 물 분사 노즐(111)로부터 분사될 때, 승압된 퍼지 공기가 고유량의 물로하여금 연소 화염을 소화시킬 위험을 최소화하도록, 물 분사 밸브(146)는 천천히 개방된다. 단부 커버 체크 밸브(147)는 퍼지 공기 매니폴드(136)와 복수 구멍 밸브(138)로 액체가 역류하는 것을 방지한다.

이상과 같은 액체 연료 및 물 분사 시스템용 퍼지 시스템의 배관, 밸브, 퍼지 압축기 및 기타의 부품은 복잡하고 작업이 번거롭다. 이들은 다수의 밸브와, 복수 구멍 밸브와, 측정 조정 오리피스와, 체크 밸브의 개방이 제어되어야 하며, 이들 부품은 모두 유지보수를 필요로 하며 파손의 가능성이 있는 것들이다. 이들 퍼지 시스템이 파손되면, 터빈 작동이 궁극적으로 영향을 받을 때까지, 즉 터빈의 작동을 정지하고 보수해야 하는 시점까지 부품파손을 감지하지 못한다. 퍼지 시스템 파손으로 인해 가스 터빈을 정지해야 하는 것을 피하기 위해, 종래에는 많은 퍼지 시스템 부품을 추가하였으며, 메인 퍼지 시스템에 백업 시스템을 부가하였다.

예를 들면, 퍼지 압축기(128)가 파손되면, 퍼지 시스템용 공기는 분무 공기 압축기(150)로부터 공급된다. 분무 공기 압축기로부터의 공기는 퍼지 공기 냉각기(152)내에서 냉각된다. 분무 공기 압축기가 작동하여 퍼지 시스템용 공기를 제공하면, 모터(M)로 작동된 밸브(154, 156)는 유동 및 압력을 감소시키도록 폐쇄되며, 공기는 적절한 온도 및 압력에서 퍼지 냉각기를 통해 전달된다.

또한, 모터 작동 밸브(158)는 서지(surge) 방지 피드백 루프를 제공하도록 개방된다. 이들 밸브(154, 156, 158)의 작동은 분무 공기 압축기(150)를 출입하는 공기 유동을 제어한다.

분무 공기 압축기 또는 퍼지 공기 압축기로부터의 퍼지 공기는 임시 스트레이너(162)를 통과하여, 퍼지 공기로부터의 오염물질을 제거하고 시동 및 중개 데브리스(commissioning debris)로부터 오염에 민감한 부품을 보호한다. 예비 냉각기(164)와, 습기 분리기(166)와 필터 장치(168)에 추가하여, 퍼지 공기 냉각기(152)를 사용하여 메인 압축기(108)로부터 배출된 공기를 냉각한다.

상술한 바와 같은 종래의 액체 연료 및 물 분사 퍼지 시스템은 몇가지 단점이 있으며 파손이 쉽다. 예를 들어, 메인 압축기로부터의 압축 공기를 승압하는데 퍼지 압축기를 필요로 한다. 종래 시스템의 단점을 극복하기 위해, 종래의 해결책은 퍼지 공기내의 오염물로 인해 파손되기 쉬운 이들 퍼지 시스템의 부품, 특히 체크 밸브(147) 및 복수 구멍 밸브(138)를 지속적으로 재설계하는 것이었다.

종래의 제어 방법은 앙호한 연소 다이나믹을 위해 퍼지 공기를 균형있게 하여 적절한 압력비를 설정하도록 일련의 조정 오리피스를 이용하는 것이었다. 이러한 조정 오리피스는 퍼지 공기의 압력비를 조정하도록 개별적인 크기를 가져야 한다.

또한, 종래의 퍼지 시스템은 액체 연료 시스템의 노즐에 퍼지 공기를 최초로 인가하기 위해, 조정된 니들 밸브를 구비한 소프트 퍼지 밸브(140)와 같은 보조 시스템을 필요로 한다. 소프트 퍼지 밸브는 퍼지 시스템이 시동되면 연료를 전달하는 동안 일시적인 부하 스파이크(load spikes)를 최소화하도록 부가된다. 물 분사 퍼지 밸브 작동 시스템은 또한 연소 정지의 위험을 줄이기 위해 조정된 니들 밸브를 구비하는 3방향 볼 밸브(146)를 포함하도록 변형된다.

퍼지 압축기와, 이러한 퍼지 압축기용 백업 시스템과, 조정 오리피스와, 임시 스트레이너와, 보조 시스템 및 기타의 신규 부품의 부가와 더불어, 신규의 부품을 오염물로부터 보호하기 위한 기계 장치 수단이 부가되어야 한다. 또한, 재순환 라인(170)이 서지 방지를 위해 분무 공기 압축기 주변에 부가된다. 퍼지 시스템에 대한 이들 고정물은 여유 공간에 수용가능하다. 고정물 및 신규의 부품 모두를 구비하는 종래의 퍼지 공기 시스템은 복잡하고, 예민하며, 그다지 신뢰할 수 없는 것이었다.

본 발명은 퍼지 압축기를 필요로 하지않는 신규하고 비자명한 가스 터빈용 퍼지 시스템이다. 또한, 본 발명의 퍼지 시스템은 간단하면서도 견고하고 신뢰할만하며 저렴하다. 본 발명의 시스템은 퍼지 공기의 지속적이고 신뢰할 만한 퍼지 공기 유동을 제공하여, 액체가 제거된 상태에서 액체 연료 및 물을 분사시키기 위해 노즐을 배수시키고, 노즐을 냉각한다. 또한, 퍼지 시스템은 이들 연료 및 물 분사 시스템이 정지되어 있을 때, 액체 연료 및 물 분사 시스템으로 고온 연소 생성물이 역류하는 것을 방지한다. 또한, 연료 및 물 분사 시스템이 작동중에 있는 경우, 이들을 퍼지 시스템으로부터 분리시켜 퍼지 시스템내에 연료 및 물 등의 액체가 축적되는 것을 방지한다.

본 발명의 퍼지 시스템은 메인 압축기(108)로부터 배출된 저압 공기를 사용하며, 가스 터빈이 가스 연료로 작동하는 동안 퍼지 공기의 압력을 올리기 위한 별도의 퍼지 압축기를 필요로 하지 않는다. 적어도 메인 압축기가 작동 불가능한 경우에는 가스 터빈이 작동할 수 없다는 점에서, 메인 압축기는 신뢰할 만하다. 또한, 가스 터빈이 가스 연료로 작동하는 동안, 백업 부스터 압력 시스템(back-up boost pressure system)으로서의 분무 공기 압축기는 불필요하다.

저압 퍼지 공기를 수용하기 위해, 본 발명은 보다 큰 퍼지 공기 유동 체적을 허용하도록 퍼지 공기 배관의 직경을 증가시켰다. 또한, 본 발명의 퍼지 시스템은 액체 연료 노즐에 퍼지 공기를 분배하도록 퍼지 매니폴드를 포함하며, 그리하여 종래의 퍼지 시스템에 사용된 복합 복수 구멍 포핏 밸브(poppet valve)(138)를 매니폴드가 대체한다. 또한, 본 발명의 퍼지 시스템은 복수 구멍 밸브(138) 및 체크 밸브(147) 대신에, 공압 작동식 볼 밸브를 사용한다. 종래의 포핏식 복수 구멍 및 체크 밸브는 퍼지 공기내의 오염 물질에 영향을 받으며, 오염 물질이 여과된 경우라도 여전히 파손되기 쉽다.

본 발명의 다른 신규한 특징은 향상된 신뢰성을 위해 내부-캐비티 통기구를 이용한 이중 밸브 절연을 제공하는 진성 블록 및 블리드(true block and bleed) 성능과, 최소한의 연소 다이나믹을 위해 요구되는 압력비를 만드는 것이 용히하도록 조절할 수 있는 단일 지점 조정 제어 밸브(212)를 제공한다. 또한, 본 발명의 퍼지 시스템은 제어기(114)에 의해 작동되는 향상된 퍼지 제어 시스템을 포함한다. 제어기는 퍼지 유동의 감소 또는 손실로 인한 연료 노즐의 파손을 방지하여, 연료 및 물 분사를 전달한 후 퍼지 초기동안 더 좋은 제어를 제공하도록 퍼지 시스템 압력비를 연속적으로 모니터하는 부가적인 기계 장치(266, 267, 268)를 이용한다.

본 발명은 노즐에 남아있는 액체를 배출하는데 있어서의 원하지 않는 효과를 최소화하는 이점과 더불어, 액체 연료 및 물 분사 시스템의 노즐로 퍼지 공기를 도입하는데 있어서 개선된 제어를 제공한다. 그러한 원하지 않는 효과는 노즐내의 과잉 연료를 지나치게 빨리 연소기로 배출하여, 가스 터빈 출력에 소망하지 않는 동력 트랜지언트를 야기하는 것을 포함한다. 보다 일반적인 용어로서 설명하면, 가스 터빈이 가스 연료를 연소하고 있는 경우 퍼지 공기 유량이 너무 크면, 연소기는 일시적으로 과도한 연료를 도입할 수 있으며, 이것은 트랜지언트동안 가스 터빈의 높은 다이나믹 또는 낮은 연소 안정성을 초래한다.

본 발명의 퍼지 시스템은 액체 연료 및 물 분사 노즐로 퍼지 공기의 유동을 적절히 측정하도록 충분히 제어한다. 따라서, 본 발명은 종래의 퍼지 시스템에 존재하는 몇가지 문제를 해소하거나 최소화한다. 예를 들면, 본 발명은 액체 연료의 공급이 차단된 직후, 사전에 발생된 고온 연소 가스의 역류로 인한 연소 액체 연료 노즐에 대한 손상을 최소화한다. 본 발명은 또한 액체 연료의 코크스화로 인한 연소 연료 노즐 및/또는 물 분사노즐에 대한 손상을 최소화한다. 액체 연료의 코크스화가 발생되면, 연료 노즐을 폐쇄하여 연료 유동을 차단하고 액체 연료를 연소하기 위한 가스 터빈의 성능을 제한한다.

본 발명은 노즐을 분출하는데 초기에 필요로 하는 비교적 큰체적의 퍼지 공기를 제공하지만, 과다하거나 불충분한 양의 퍼지 공기를 제공하지는 않는다. 따라서, 본 발명은 퍼지 공기를 지나치게 강제적으로 연료 노즐로 도입하여, 다량의 액체 연료가 연소기로 분사되거나 과다한 공기가 이들 노즐로부터 분출되는 종래의 문제를 방지하다. 이러한 종래의 문제는 터빈에 큰 부하 트랜지언트가 발생하도록 하거나, 연소기가 소화되어 터빈을 정지시키는 경향이 있다.

또한, 본 발명에 의해 제공된 개선된 제어는, 퍼지 시스템이 액체 연료 및 물을 연소기에 제공할 때, 액체 연료 및 물 분사 시스템으로부터 퍼지 시스템의 양호한 분리를 제공한다. 이와 같은 양호한 분리에 의해 퍼지 시스템은 부분적으로 액체 연료 또는 물로 다시 채워지지 않는다. 퍼지 시스템내의 과다한 액체 연료는 액체 연료 시스템이 정지하고 퍼지 시스템이 시동된 다음에 연료 노즐을 통해 다시 보내진다. 퍼지 시스템의 다시 채워진 액체 연료는 터빈의 작동에 있어서 소망하지 않은 연료 연소 및 일시적인 동력 스파이크를 발생시킨다.

본 발명의 온-라인 조정성(On-line tunability)은 현장에서의 조정시 요구되는 압력비에 부합하도록 오리피스 크기를 사전에 다시 계산하는 것을 피하기 때문에 유리한 것이다. 또한 본 발명은 니들 측정 밸브의 현장 조정을 제거함으로써 퍼지 도입 효과를 최소화하기 위한 퍼지 밸브의 개방비를 제어한다.

신규 시스템은 신뢰할만한 구성요소 및 그러한 구성요소의 독립 제어에 의한 기만하고 단순하며 견고한 디자인을 이용한다. 이러한 신규 시스템 설계는 모터 구동 부스터 압축기의 운용을 제거하여 전체적인 플랜트 효율을 향상시키고, 퍼지 시스템의 파손으로 인한 강제 중단을 감소시킴으로써 플랜트 운용성을 향상시켜야 한다.

본 발명의 퍼지 시스템은 복잡하고 신뢰할 수 없는 구성요소를 제거하고, 더욱 견고한 구성요소로 교체하였기 때문에, 종래의 퍼지 시스템보다 큰 신뢰성을 제공한다. 본 발명의 시스템은 또한 볼-타입 밸브의 자기 세척 특성으로 인해 종래의 퍼지 시스템보다 오염에 덜 민감하다. 따라서, 본 발명은 부품수가 적으며, 시스템 파손이 덜 발생하고 유지보수비가 절감된다.

본 발명은 또한 보다 양호한 퍼지 압력비 제어에 의해 연소 다이나믹을 감소시키며, 이것은 연소 시스템상의 피로 마모를 감소한다. 마찬가지로, 본 발명은 퍼지 시스템이 연소기 및 액체 연료 시스템으로부터의 액체 연료의 퍼지를 시작하면, 낮은 로드 스파이크를 발생하는 연소 시스템내의 일시적인 제어를 향상한다. 또한, 본 발명은 향상된 연소 일시 제어를 제공하기 때문에, 물 분사가 압축공기 퍼지 시스템에 의해 퍼지될 때, 돌연한 연소정지의 위험이 감소된다. 이러한 이점 및 이익 등은 본 발명에 의해 달성된다.

도 2는 도 1에 도시된 가스 터빈 시스템상에 공급되는 본 발명을 실시하는 퍼지 시스템의 예시도이다. 퍼지 시스템은 메인 압축기(108)의 압축기 방출구(202), 분무 공기 예비 냉각기(164) 및 습기 분리기(166)로부터 냉각 및 여과된 공기를 공급받는다. 분무 공기 압축기 바이패스 라인(210)은 퍼지 시스템을 위한 압축기 방출 공기를 제공한다. 바이패스 라인은 퍼지 공기로서 퍼지 시스템에 공급되는 압축기 방출 공기의 압력 및 유동율에 대한 수동제어를 제공하는 수동 조정 밸브(212) 및 제한 오리피스(restriction orifice)(211)를 포함한다. 퍼지 시스템이 부스터 퍼지 압축기를 필요로 하지 않기 때문에, 퍼지 공기의 압력은 방출구(202)로부터의 압축기 공기의 압력 이하이다. 모터(M) 작동 바이패스 밸브(214)는 모터(216)에 의해 구동되며, 제어기(114)에 의해 작동되고, 스위치(218)는 위치 피드백을 제공한다.

퍼지 시스템에 의해 사용된 압축기 방출구(202)는 분무 공기 매니폴드(206)를 경유하여 액체 연료 노즐과, 액체 연료 노즐의 분무 공기구로 승압된 분무 공기를 공급하는 분무 공기 압축기(204)와 공유되어 있다. 분무 공기 압축기에 있어서 특히 분무 공기용 압력비는 제어기(114)에 의해 작동되는 모터 작동 바이패스 밸브(214, 220, 221)에 의해 제어된다. 분무 공기는 액체 연료의 유동을 가장 효율적이고 빠르게 연소되는 분무화 미스트로 바꾸는데 일조한다. 가스 연료는 원래 가스 상태이므로 분무될 필요가 없기 때문에, 가스 터빈이 가스 연료를 연소시키는 경우에는 분무 공기 압축기가 필요없다. 분무 공기 압력비는 밸브(220, 221)에 의해 제어되며, 그 밸브의 동작은 트랜지언트 상태동안 분무 공기 시스템 압력을 제어한다.

가스 터빈이 가스 연료를 연소시키는 동안, 모터 작동 밸브(220)가 폐쇄되고 모터 작동 바이패스 밸브(214)가 개방되기 때문에, 압축기 방출구(202)는 비활성 분무 공기 압축기를 우회한다. 메인 제어기(114)는 모터 작동 밸브(214, 220) 모두를 작동시킨다.

메인 압축기 방출구(202)는 본래 신뢰성 있는 공기 공급원이다. 퍼지 공기는 액체 연료 및 물 분사 시스템의 퍼징을 위해 바이패스 라인(210)을 통해 메인 퍼지 피이드 밸브(222, 224)로 유동한다. 이들 메인 피이드 밸브는 보통 개방되어 있으며, 이들 밸브를 통해 유동하는 퍼지 공기의 양은 메인 바이패스 밸브(214) 및 분무 공기 밸브(220)의 설정에 따라 달라진다. 퍼지 공기의 유동은 밸브(214)가 개방되어 있을 때, 즉 연소기내에서 연소중인 액체 연료로부터 가스 연료로의 트랜지언트동안 개시된다.

퍼지 압력비의 온라인 조절은 퍼지 시스템의 온라인 상태에서 퍼지 유동을 제한하고 조절하도록 수동으로 폐쇄될 수 있는 수동 조정 밸브(212)에 의해 제공된다. 퍼지 유동은 온라인 제어될 수 있기 때문에, 퍼지 시스템의 기계적인 구성요소는 시스템이 설계되는 특정 유동 마진 이상의 여유있는 유동 마진으로 설계될 수 있다. 퍼지 시스템의 작동동안, 수동 유동 밸브(212)는 연소 다이나믹 또는 화염 안정성 등의 어떠한 불리한 연소 효과도 최소화하도록 정밀한 퍼지 유동으로 조정될 수 있다.

퍼지 피이드 밸브(222, 224)는 솔레노이드 밸브(226, 228)를 이용하여 각각 제어된다. 이들 솔레노이드 밸브가 제어기(114)에 의해 작동되면, 작동 공기는 퍼지 피이드 밸브(222, 224)를 작동하는데 사용되며, 리미트 스위치(230, 232)가 밸브(222, 224)의 위치를 모니터한다.

퍼지 피이드 밸브(222, 224)의 하류에는 액체 연료 시스템용 퍼지 매니폴드(234)와, 물 분사 시스템 및 노즐용 퍼지 매니폴드(236)가 있다. 매니폴드(234, 236)는 퍼지 공기를 각각의 연소 캔(118) 및 노즐(120)내의 연료 및 물 분사 노즐 각각으로 분배한다. 연료와 물이 퍼지 시스템으로 역류 하는 것을 방지하기 위해, 각각의 퍼지 라인(238, 239)에는 공압작동 절연 밸브(240, 241)(통상적으로 개방되어 있음)가 각각 장착된다.

가스 터빈의 연소시스템내에는 각각의 연소 캔(118)에 대해 한쌍의 퍼지 라인 및 이에 연동되는 절연 밸브(240, 241)가 존재한다. 퍼지 라인(238, 239)은 그 각각의 매니폴드(234, 236)로부터 노즐(120)이 위치된 연소 캔(118)으로 연장된다. 절연 밸브(240, 241)는 낮은 압력 손실 밸브로서, 이들이 대체하는 이전의 포핏 밸브 및 체크 밸브보다 오염에 훨씬 덜 민감하다.

매니폴드(234, 236)용의 한쌍의 솔레노이드 밸브(242, 243)는 그 각각의 매니폴드와 연관된 모든 절연 밸브(240, 241)에 작동 공기를 제공한다. 또한, 매니폴드에는 드레인 밸브의 위치를 모니터하고 제한하는 리미트 스위치(246, 247)를 구비하는 소형 드레인 밸브(244, 245)(보통 폐쇄되어 있음)가 장착된다. 드레인 밸브(244, 245)는 시스템내의 퍼지 공기 및 오염 물질을 위한 블리드 포인트인 배출 폐기물 탱크로 도입되는 방출라인(250, 251)을 구비한다.

소프트 퍼지 기능은 각각의 매니폴드(234, 236)와 부합되어 메인 퍼지 피이드 밸브(222, 224)와 병렬인 소형의 저유량 피이드 밸브(252, 253)(보통 폐쇄되어 있음)에 의해 제공된다. 이러한 소프트 퍼지 피이드 밸브(252, 253)는 제어기(114)의 제어하에서, 소프트 퍼지 유동 도입을 위한 솔레노이드(254, 255)에 의해 작동된다.

소형 소프트 퍼지 피이드 밸브(252, 253)는 액체 연료 시스템 퍼징의 초기 위상동안, 액체 연료 매니폴드와 연료 노즐에 대한 퍼지 공기의 유동을 제한한다. 소프트 피이드 밸브는 터빈내의 일시적인 동력 서지를 최소화하여 연소 정지의 위험을 줄이기 위하여 노즐로부터 연소 캔으로 액체 연료가 너무 강하게 분출되는 것을 피하고자 퍼지 공기의 연료 노즐로의 도입을 서서히 측정한다. 이중 블록 및 블리드 시스템(double block-and-bleed system)의 독립적으로 제어되는 구성요소는 퍼지 시스템 작동의 모든 측면에서 종래의 시스템에서 이용가능한 것보다 큰 유연성을 제공한다.

방출구(202)로부터의 압축기 방출 공기는 압력비 제어 밸브(221)를 통해 분무 공기 매니폴드(206)로 공급되며, 액체 연료 노즐(120)로 들어가는 연소 캔(118)을 향한다.

가스 터빈이 액체 연료를 연소시키는 동안, 방출구(202)로부터의 압축기 방출 공기는 분무 공기 압축기(204)로 공급되고, 퍼지 시스템은 모터 작동 바이패스 밸브(214)에 의해 폐쇄된다. 분무 공기 압력은 연소 캔(118)내의 액체 연료의 더 좋은 분무를 제공하도록 분무 공기 압축기(204)에 의해 승압된다. 분무 공기는 압력비 제어 밸브(220, 221)를 통과하며, 분무 공기를 연소 캔(118)과 액체 연료 노즐(120)의 분무 통기구로 분배하는 분무 공기 매니폴드(206)에 전된다.

액체 연료가 가스 터빈의 연소 시스템으로 유동하면, 시스템은 작동하지 않으며, 각각의 연소 캔에 대한 절연 밸브(240)는 퍼지 시스템으로의 연료의 역류를 방지하도록 폐쇄된다. 액체 연료 작동동안, 액체 연료 퍼지 시스템(258)용의 메인 퍼지 피이드 밸브(222)는 폐쇄되며, 드레인 밸브(244)는 액체 연료 매니폴드에 도달하는 누설된 어떠한 퍼지 공기 또는 연료도 가스 터빈을 빠져나가도록 개방된다.

물 분사 퍼지 시스템(256)은 물 분사 유동이 요구될 때까지 작동된다. 마찬가지로, 물 분사 퍼지 시스템(256)은 물 분사 퍼지 매니폴드(236)에 결합된 각각의 연소 캔(118)을 위한 절연 밸브(241)를 갖는다. 물 분사 절연 밸브는 물 분사 정지 밸브(도시하지 않음)가 개방되어 있는 경우 폐쇄된다. 연소 캔내의 물 분사는 액체 연료의 연소동안 방사열을 감소하도록 연소 시스템에 공기를 흐르게 한다. 물이 연소 캔(118)으로 분사되는 경우, 퍼지 시스템 절연 밸브(241)는, 퍼지 시스템(256)으로의 물의 역류를 방지하도록 폐쇄된다. 메인 퍼지 피이드 밸브(224)는 또한 폐쇄되고, 드레인 밸브(245)는 누설된 물 또는 퍼지 공기가 빠져나가도록 개방된다.

가스 터빈이 높은 부하에서 작동하여 액체 연료를 연소하는 경우 연소기에 대한 물 분사는 정지될 수 있다. 물 분사 시스템이 정지되기 때문에, 물 분사 퍼지 시스템(256)은 시동되지만, 액체 연료 퍼지 시스템(258)은 "오프" 상태를 유지한다. 또한, 물 분사 퍼지 시스템(256)이 이러한 환경에서 작동하는 반면, 분무 공기 압축기(204)는 액체 연료의 연소를 위해 분무 공기를 계속해서 제공한다.

분무 공기 압축기(204)를 물 분사 퍼지 시스템(256)과 동시에 작동시키기 위해, 물 분사 퍼지 시스템이 "온" 상태에 있는 동안, 압축기 곡선상의 안전한 엔벨로프에서 작동하도록 밸브(221)를 폐쇄함으로써 분무 공기 압축기(204)에 배압(back pressure)이 인가된다.

분무 공기 압력비 밸브(220)는 액체 연료 작동동안 개방되고, 가스 연료 작동동안 폐쇄된다. 가스 터빈이 액체에서 가스 연료 작동으로 전이하면, 분무 공기 압축기(204)는 짧은 시간동안 "온" 상태로 유지된다. 밸브(220)는 액체 연료 퍼지 시스템(258)이 소형 피이드 밸브(252)를 통해 소프트 퍼지를 도입하는 동안 퍼지 공기 압력을 감소하기 시작될 때 폐쇄된다. 분무 공기 압력비 밸브(220)는 또한, 짧은 시간주기동안 다시 개방되어, 액체 연료 노즐을 깨끗하게 배기하도록 고 압력유동을 제공한다. 밸브(220)는 그 후 분무 공기 압축기(204)를 차단하기 전에 다시 폐쇄된다.

시동 신뢰성을 위해, 분무 공기 압축기 바이패스 밸브(214) 및 분무 공기 압력비 밸브(220, 221)는 위치 스위치(260, 264, 264)를 폐쇄 및 개방한다. 시동시에 매우 낮은 압축기 방출 압력으로 인해 압력비 검출을 신뢰할 수 없기 때문에 시동위치를 확인하는데 이들 스위치가 사용된다. 다른 때에는 위치 스위치(260, 264, 260)는 경고 표시를 제어기(114)에 제공한다.

액체 연료 퍼지, 물 분사 퍼지 및 분무 공기를 위해, 퍼지 시스템의 매니폴드(234, 236, 206)에서 퍼지 공기 압력이 모니터된다. 이들 매니폴드내의 압력은 방출구(202)에서의 압축기 방출 압력을 매니폴드내의 압력과 비교함으로써 모니터된다. 델타 압력 변환기(266, 267)는 매니폴드에 접속되고, 제어기(114)에 의해 압축기 방출압력에 상대적인 압력비를 계산하는데 사용된다. 사전설정된 한계 이하로 비율이 떨어지는 경우에 알람이 제공되며, 비율이 사전설정된 한계 이하로 훨씬 떨어지면 동작을 취한다. 가능한 동작은 노즐을 보호하도록 가스 터빈을 오프라인으로 하는 것이다. 퍼지 시스템(258, 256)을 위한 매니폴드(234, 236)에 부착된 델타 압력 변환기는 소프트 퍼지 밸브(252, 253)의 작동 및 퍼지가 시작하는 동안의 소프트 퍼지 작동을 제어하도록 매니폴드 압력을 추적한다. 제어기(114)는 압력비가 사전설정 저레벨(pre-set low level)에 있는 경우 밸브(252) 또는 밸브(253)를 개방한다.

본 발명의 출원인은 시스템이 견고한지, 균형이 잘 잡힌 것인지와, 액체 연료와 물 분사 퍼지 시스템 및 분무 공기 시스템을 교차하는 적절한 퍼지 압력비와 압력비 균형을 전달하였는지에 대해 상술한 퍼지 시스템에 대해 테스트를 실행하였다. 또한, 테스트는 본 발명이 종래의 퍼지 시스템에 대한 레벨 이하에서, 감소된 연소 역학적인지와 연료를 이송하는 동안 일시적인 하중 스파이크가 있는지를 평가하였다. 또한 테스트로부터 온도 분포 데이타는 퍼지 전달에 대한 물 분사가 최소화되는 동안 연소가 정지되는 위험을 나타낸다. 따라서, 본 발명은 가스 터빈용으로 향상된 액체 연료 및 물 분사 퍼지 시스템을 제공한다.

본 발명은 발명자가 알고 있는 가장 바람직한 실시예로서 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 수록한 청구범위의 범위내에서 여러 변형이 있을 수 있음은 물론이다.

본 발명의 퍼지 시스템은 간단하면서도 견고하고, 신뢰할만하며 저렴하며, 액체 연료 및 액체 연료가 없는 물을 분사하기 위한 노즐을 분출하고 노즐을 냉각하며, 액체 연료 및 물 분사 시스템으로의 고온 연소 생성물의 역류를 방지하며, 퍼지 시스템으로부터 분리되어 퍼지 시스템내의 연료 및 물 액체의 공급을 방지하며, 메인 압축기의 방출구로부터 낮은 압력공기를 사용하며, 가스 터빈을 가스 연료로 작동하는 동안 퍼지 공기의 압력을 올리기 위한 별도의 퍼지 압축기를 필요로 하지 않는다.

Claims

메인 압축기, 연소기, 터빈, 상기 연소기에 액체 연료를 공급하도록 선택적으로 연결된 액체 연료 공급부, 액체 연료 퍼지 매니폴드, 및 상기 연소기에 가스 연료를 공급하도록 선택적으로 연결된 가스 연료 공급부를 구비한 가스 터빈용 퍼지 시스템에 있어서,

상기 메인 압축기의 방출구에 설치된 커플링(coupling)과,

상기 액체 연료 퍼지 매니폴드와 상기 방출구 사이에 설치되고, 상기 방출구에서의 압축기 공기의 압력 레벨 또는 그 이하의 압력 레벨에서 상기 압축기로부터 상기 액체 연료 퍼지 매니폴드로 퍼지 공기를 공급하는 도관을 포함하는

가스 터빈용 퍼지 시스템.
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제 1 항에 있어서,

상기 퍼지 시스템은 상기 액체 연료 퍼지 매니폴드의 상류에 솔레노이드 작동식 메인 퍼지 피이드 밸브를 더 포함하는

가스 터빈용 퍼지 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 퍼지 시스템은 상기 메인 퍼지 피이드 밸브와 병렬인 소프트 퍼지 밸브를 더 포함하는

가스 터빈용 퍼지 시스템.
터빈을 구동하도록 고온 가스를 발생하는 연소기에 압축 공기를 제공하는 메인 압축기를 구비하는 가스 터빈을 퍼지하는 방법으로서, 상기 연소기는 액체 연료 시스템 및 가스 연료 시스템 중 어느 하나로부터 연료를 공급받는, 가스 터빈 퍼지 방법에 있어서,

① 상기 액체 연료를 상기 연소기에 공급하고, 상기 액체 연료를 연소시켜서 고온 연소 가스를 발생시키는 단계와,

② 상기 연소기로의 액체 연료의 공급을 가스 연료로 전환하고, 가스 연료를 연소시켜서 고온 연소 가스를 발생하는 단계와,

③ 압축기 공기가 상기 압축기로부터 상기 액체 연료 시스템의 노즐 부분을 통과하도록 함으로써 상기 액체 연료 시스템으로부터 액체 연료를 퍼지하는 단계로서, 상기 압축기 공기는 상기 압축기로부터 방출될 때의 압축기 공기의 압력 이하의 압력을 갖는, 상기 단계를 포함하는

가스 터빈 퍼지 방법.
제 7 항에 있어서,

④ 압축기 공기가 상기 압축기로부터 상기 연소기내의 물 분사 노즐을 통과하도록 함으로써, 상기 연소기에 결합된 물 분사 시스템으로부터의 물을 퍼지하는 단계를 더 포함하며, 상기 압축기 공기는 상기 압축기로부터 방출될 때의 압축기 공기의 압력 이하의 압력을 갖는

가스 터빈 퍼지 방법.
메인 압축기, 연소기, 및 터빈을 구비하는 가스 터빈용 퍼지 시스템에 있어서,

① 상기 메인 압축기의 방출구에 설치된 커플링과,

② 상기 액체 연료 퍼지 매니폴드와 상기 방출구 사이에 설치되고, 상기 방출구에서의 압축기 공기의 압력 레벨 또는 그 이하의 압력 레벨에서 상기 압축기로부터 상기 액체 연료 퍼지 매니폴드로 퍼지 공기를 공급하는 도관과,

③ 액체 연료 퍼지 시스템과,

④ 상기 액체 연료 퍼지 시스템에 대해 분리 작동가능한 물 분사 퍼지 시스템을 포함하는

가스 터빈용 퍼지 시스템.
메인 압축기, 연소기, 터빈, 및 퍼지 시스템에 공기를 공급하는 분무 공기 압축기를 구비하는 가스 터빈용 퍼지 시스템에 있어서,

① 상기 메인 압축기의 방출구에 설치된 커플링과,

② 상기 액체 연료 퍼지 매니폴드와 상기 방출구 사이에 설치되고, 상기 방출구에서의 압축기 공기의 압력 레벨 또는 그 이하의 압력 레벨에서 상기 압축기로부터 상기 액체 연료 퍼지 매니폴드로 퍼지 공기를 공급하는 도관과,

③ 모터 작동 바이패스 밸브와,

④ 상기 분무 공기 압축기를 우회하는 바이패스 라인을 포함하는

가스 터빈용 퍼지 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 퍼지 시스템은 상기 모터 작동 바이패스 밸브와 직렬인 상기 바이패스 라인내에 수동 조정 밸브를 더 포함하는

가스 터빈용 퍼지 시스템.