KR100624990B1 - 복합 사이클 발전소를 위한 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법 - Google Patents

복합 사이클 발전소를 위한 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 발전기를 구동하기 위한 하나 이상의 기반 사이클 팽창 터빈 및 가스 터빈을 구비한 복합 사이클 동력 시스템에서, 가스 터빈으로의 압축기 입구 공기가 냉각된다. 칼리나(Kalina) 사이클의 증류/응축 서브시스템으로부터 추출이 취해지고 저압으로 조절됨으로써 대응하는 온도가 강하되고 저압 증발기에 공급되어 압축기 입구로 흐르는 주변 공기와 열교환됨으로써 주변 공기를 냉각시킨다. 저압 증발기를 나온 부분적으로 증발된 다종류 성분 혼합물은 저압 팽창 터빈으로부터 소모 증기 스트림(spent vapor stream)으로 되돌아와 이와 합해져서 응축된다. 따라서, 가스 터빈에 대한 압축기 입구 공기가 냉각됨으로써, 질량 유량 및 터빈 출력을 증가시킨다.
전력 발생 시스템, 가스 터빈 발전기, 소모 증기 스트림, 가스 터빈, 복합 사이클 발전소

Description

복합 사이클 발전소를 위한 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법{Gas turbine inlet air cooling method for combined cycle power plants}
도 1은 본 발명에 따른 칼리나(Kalina) 기반 사이클과 일체화된 가스 터빈 입구 공기 냉각 시스템을 도시한 칼리나형 열역학 사이클을 채용한 복합 사이클 발전소를 도시한 개략도.
도 2는 입구 공기로부터 열을 흡수하기 위해서 칼리나 기반 사이클의 다종류 성분의 스트림을 사용하여 압축기 입구 공기에 대한 1단 냉각장치 시스템을 도시한 개략도.
도 3a는 칼리나 사이클 DCSS의 상세한 도면.
도 3b는 칼리나 사이클 DCSS에 일체화된 2단 가스 터빈 입구 공기 냉각 시스템을 도 3a에 연속하여 도시한 도면.
도 3c는 칼리나 기반 사이클의 냉각장치 서브시스템에 사용하기 위한 증류 시스템의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
12 : 압축기 14 : 보일러
16 : 증류/응축 서브시스템 18 : 예열기 부분
20 : 증발기 부분 22 : 재가열기 부분
24 : 과열기 부분 28 : 보일러
70 : 고압부 72 : 저압부
78 : 증발기 318, 320, 222 : 열교환기
223 : 펌프 226, 227, 228 : 응축기
230, 300, 302 : 중력 분리기 240 : 스트림 믹서
본 발명은 복합 사이클 발전소의 가스 터빈을 위한 압축기 입구 공기를 냉각시키는 방법에 관한 것으로, 특히 복합 사이클 시스템의 증류/응축 서브시스템에서 이질(dissmilar) 성분의 스트림을 사용하여 가스 터빈 입구 공기로부터 열을 흡수하고, 압축기 입구 공기를 냉각하며 이질 성분 증기를 서브시스템으로 복귀시키는 방법에 관한 것이다.
가스 터빈 출력은 가스 터빈 압축기로 들어가는 주변 공기를 냉각시킴으로써 쉽게 증가시킬 수 있다. 공기 밀도는 온도의 저하에 따라 증가하고, 그 결과 가스 터빈을 통하는 질량유량(mass flow)이 더 많아지게 된다. 공기의 질량유량이 증가함에 따라 가스 터빈 출력은 증가하고 입구 공기 냉각에 의해 더 높은 터빈 출력이 제공된다. 가스 터빈 입구 공기 냉각은 가스 터빈 복합 사이클 발전소에서 최고로 요구되는 기간 동안 전력 출력을 증가시키기 위해 사용되었다.
가장 단순한 형태의 복합 사이클 발전소는 가스 터빈, 증기 터빈, 발전기, 및 열회수 증기 발전기(heat recovery stream generator : HRSG)로 구성되고, 가스 터빈과 증기 터빈은 하나의 샤프트에 일렬로 하나의 발전기에 결합된다. 하나 이상의 가스 터빈 발전기와 공통의 증기 터빈 발전기를 구비한 복수의 샤프트 구성이 이용되어 왔다. 복합 사이클 발전소의 열 효율은 열회수 기반 사이클과 결합한 가스 터빈의 성능에 의해 결정된다. 칼리나(Kalina)형 열역학 기반 사이클이 복합 사이클 응용을 위해 연구되었다. 칼리나 사이클은 이질 성분, 예를 들면 암모니아와 물의 혼합물로 구성된 작업 유체(working fluid)를 사용한다. 증류/응축 서브시스템(distillation condensation sub-system : DCSS)은 칼리나 기반 사이클에서 저압 증기 터빈으로부터 배기된 후 작업 유체를 흡수, 응축 및 재생하기 위해 사용된다. DCSS 시스템은 직접 응축에 비해서 사용할 수 있는 냉각수 온도로 작업 유체를 저압에서 응축되게 한다. DCSS 시스템은 종래의 랜킨(Rankine) 기반 사이클에 비해 칼리나 기반 사이클의 우수한 열효율에 현저히 공헌한다. 미국 특허 제5,095,708호에 개시된 사이클을 포함하여 여러 가지 형태의 칼리나형 열역학 사이클이 공지되어 있으며, 이를 참고로 본원에 포함시킨다.
본 발명에 따르면, 칼리나형 복합 사이클 발전소에서 사용하기 위해 증류/응축 서브시스템(DCSS)을 포함하는 칼리나 기반 사이클과 일체화된 가스 터빈 입구 공기 냉각 시스템이 제공된다. 가스 터빈 입구 냉각장치 증발기를 떠나는 작업 유체를 응축하기 위해 DCSS를 사용하는 일체화된 가스 터빈 입구 냉각 시스템은 압축기 입구 공기에 대해 일체화되지 않은 독립된 냉각 시스템보다 더욱 경제적이며 효율적인 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 특정한 형태에서, 전력을 발생하는 하나 이상의 발전기에 결합된, 가스 터빈과 적어도 하나의 증기 터빈, 및 바람직하게 고압, 중간압, 저압 터빈이 제공된다. 칼리나 기반 사이클은 재생 보일러와, 저압 증기 터빈으로부터 배기되는 작업 유체를 흡수, 응축 및 재생하는 증류/응축 서브시스템을 포함한다. 본 방법에서, 다종류 성분의 작업 유체는, DCSS의 고압부로부터 추출되고, 바람직하게는 저비등점 성분에서 농후한 액체 혼합물이 추출되며, 그 추출물을 터빈 입구 공기 냉각 시스템에서 작업 유체로서 사용한다. 추출된 다종류 성분의 스트림은 DCSS LP 부분의 압력까지 쓰로틀되어 온도 강하를 발생시키고, 주변 압축기 입구 공기와 열교환에 의해 저압 증발기를 통과하여 공기를 냉각시킨다. 즉, 터빈 입구 공기로부터의 열이 흡수되어 공기 스트림을 냉각시키고, 농후한 다종류 성분의 혼합물을 부분적으로 증발한다. 이어서 부분 증발된 다종류 성분 혼합물은 DCSS 저압부로 공급되어 거기서 저압 터빈으로부터의 소모 스트림(spent stream)과 결합되고, DCSS 저압 응축기에서 완전히 응축된다. 1단 가스 터빈 입구 공기 냉각 사이클이 기술되어 있으나, 본 발명은 다단 시스템으로서 구현될 수도 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 전기를 생성하는 하나 이상의 발전기에 구동적으로 결합되고, 제 1 터빈 및 압축기를 갖는 가스 터빈을 구비하는 복수의 터빈들과, 증류/응축 서브시스템을 포함하는 복합 사이클 전력 발생 시스템에서, 상기 가스 터빈에 들어가는 주변 공기를 냉각시키는 방법으로서,(a) 동일 압력에서 상이한 비등점을 갖는 이질(dissimilar) 성분들의 혼합물로 구성된 작업 유체(working fluid)를 상기 제 1 터빈을 통해 팽창시키고 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림(spent stream)을 발생하는 단계와, (b) 상기 서브시스템에서 상기 소모 스트림을 응축(condensing)하는 단계와, (c) 상기 응축된 소모 스트림과 열교환에 의해 상기 가스 터빈의 압축기의 입구 공기(inlet air)를 제 1 열교환기 내로 통과시켜서, 상기 가스 터빈 압축기로 들어가는 상기 입구 공기를 냉각시키는 단계, 및 (d) 상기 냉각된 입구 공기를 상기 가스 터빈의 압축기 내로 흐르게 하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서, 전기를 생성하는 하나 이상의 발전기에 구동적으로 결합되고, 제 1 터빈 및 압축기를 갖는 가스 터빈을 구비하는 복수의 터빈들, 및 증류/응축 서브시스템을 갖는 복합 사이클 전력 발생 시스템에서, 상기 증류/응축 서브시스템의 유체들과는 다른 또 다른 유체를 냉각시키는 방법으로서, (a) 동일 압력에서 상이한 비등점을 갖는 이질 성분들의 혼합물로 구성된 작업 유체를 상기 제 1 터빈을 통해 팽창시키고 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림을 발생하는 단계와, (b) 상기 서브시스템에서 상기 소모 스트림을 응축하는 단계, 및 (c) 상기 또 다른 유체를 제 1 열교환기에서 상기 응축된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 또 다른 유체를 냉각시키는 단계를 포함하는, 증류/응축 서브시스템의 유체 냉각 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시예에서, 전기 또는 기계 작업을 발생하는 하나 이상의 발전기에 구동적으로 결합되고, 증기 터빈 및 압축기를 갖는 가스 터빈을 구비하는 복수의 터빈들과, 증류/응축 서브시스템을 포함하는 복합 사이클 전력 발생 시스템에서, 상기 가스 터빈에 들어가는 주변 공기를 냉각시키는 방법으로서, (a) 동일 압력에서 상이한 비등점을 갖는 이질 성분들의 혼합물로 구성된 작업 유체를 상기 증기 터빈을 통해 팽창시키고, 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림을 발생하는 단계와, (b) 상기 증류/응축 서브시스템의 저압부에서 상기 소모 스트림을 응축하는 단계와, (c) 상기 가스 터빈의 압축기에 대한 입구 공기를 제 1 열교환기에서 상기 증류/응축 서브시스템의 고압부로부터 응축 및 조절(throttle)된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 가스 터빈 압축기에 들어가는 상기 입구 공기를 냉각시키는 단계, 및 (d) 상기 냉각된 입구 공기를 상기 가스 터빈의 압축기내로 흐르게 하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법이 제공된다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 칼리나 복합 사이클 발전소에서 사용하기 위한 칼리나 기반 사이클과 일체화된 신규하고 개선된 가스 터빈 입구 공기 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
도면, 특히 도 1을 참조하면, 발전기를 구동하기 위한 칼리나형 열역학 사이클을 사용하고 압축기(12)를 갖는 가스 터빈(GT) 및 전력을 발생하거나 기계적 작동을 수행하는 하나 이상의 발전기에 모두 결합된 고압, 중간압 및 저압 증기 터빈(HP, IP, LP)으로 구성된 복합 사이클 발전소가 도시되어 있다. 이 시스템은 HP, IP 및 LP 증기 터빈, 보일러(14) 및 증류/응축 서브시스템(DCSS)(16)을 포함하는 칼리나 기반 사이클, 즉 열역학 사이클을 포함한다. 칼리나 기반 사이클에 대해 상술한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 저비등점 유체 및 비교적 고비등점 유체를 포함하는 다종류 성분(multi-component)의 작업 유체 혼합물이 사용된다. 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 다른 혼합물이 생각들겠지만, 예를 들면, 암모니아/물 혼합물이 사용될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 완전히 응축된 작업 유체는 보일러(14)를 통과하는데, 이 보일러는 예열기 부분(preheater section:18), 증발기 부분(evaporator section :20), 재가열기 부분(reheater section:22) 및 과열기 부분(superheater section:24)을 포함한다. 라인(26)으로 지시된 바와 같은 가스 터빈(GT)의 배기관로부터 보일러(14)로 열이 공급된다. 예열기 부분(18)을 통과하는 예열된 작업 유체는 증발기 부분(20)으로 들어가는 제 1 스트림과 라인(30)을 통해 재생(regenerative) 보일러(28)로 들어가는 제 2 스트림으로 나누어진다. 증발기 부분(20) 내의 제 1 스트림은 가스 터빈으로부터 라인(26)을 통해 배기 가스의 역류에 의해 가열된다. 재생 보일러(28)를 통해 흐르는 제 2 유체 스트림(30)은 라인(32)을 거쳐서 중간압 터빈(intermediate pressure turbine:IP)으로부터의 배기 가스 스트림에 의해 가열되고, 이 스트림은 제 2 스트림(30)의 흐름과 역류 관계로 재생 보일러(28)를 통해서 흐른다. 이어서 제 1 및 제 2 스트림의 증발된 유체는 보일러(14)에서 재결합되고, 제 2 스트림의 유체는 라인(34)를 통해 보일러로부터 복귀된다. 재결합된 작업 유체 스트림은 과열기(24)를 통과하는데, 여기서 가스 터빈 배기 가스 스트림(26)의 일부와의 열교환에 의해 최종적으로 과열되고, 라인(27)을 거쳐서 고압 터빈(HP)의 입구로 흐르며, 이 고압 터빈에서 팽창하여 터빈을 구동하기 위해 열 에너지가 기계적 에너지로 변환된다. 고압 터빈(HP)으로부터 팽창된 작업 유체는 라인(38)을 통해 보일러(14)로 복귀되고, 라인(26)을 통하는 가스 터빈 배기와 열교환 상태에 놓여있는 재가열기 부분(22)에서 재가열된다. 이어서 재가열된 작업 유체는 라인(40)을 통해 중간압 터빈(IP)의 입구로 흐른다. 중간압 터빈(IP)을 통해 팽창된 작업 유체는 라인(32)을 통해 재생 보일러(28)로 흐르고, 라인(30)을 통해 보일러(28)에 공급된 제 2 작업 유체 스트림과 열교환한다. 따라서 IP 터빈으로부터의 작업 유체는 냉각되어, 라인(30) 내의 작업 유체를 증발시키기 위해 필요한 열을 공급한다. 재생 보일러(28)로부터, 작업 유체는 라인(42)을 통해 저압 터빈(LP)의 입구로 통과하고, 여기서 최종 유체압 레벨까지 팽창한다. 저압 터빈(LP)으로부터 팽창된 유체는 라인(44)을 통해 증류/응축 서브시스템(16)으로 통과하고, 여기서 유체 스트림이 응축되며 고압으로 펌프되어 라인(46)을 통해 예열기 부분(18)으로 보내짐으로써 사이클이 계속된다.
일반적인 DCSS 시스템을 사용하는 가장 기본적인 형태인 칼리나 사이클 가스 터빈 압축기 입구 공기 냉각장치 및 방법이 도 2에 도시되어 있다. 칼리나 사이클 DCSS 시스템은 LP 증기 터빈을 떠나는 작업 유체를 흡수, 응축 및 재생하기 위해 사용된다. DCSS 시스템은 2개의 서로 다른 조성물의 작업 유체 혼합물이 완전히 응축되는 최소한 2개의 압력 레벨을 갖는다(예를 들면, 도시된 HP부(70) 및 LP부(72)). 더욱 효율적인 DCSS 시스템은 완전한 응축이 일어나는 3개의 압력 레벨 및 혼합물 조성을 갖는다(예를 들면, HP부(70), IP부(71), LP부(72)). DCSS 혼합물 스트림은 이 스트림의 압력을 설정하는 최종 응축기를 결정함으로써 특정 압력부에 할당된다(예를 들면, LP 응축기(72)는 증기 터빈 배기 라인의 압력을 설정하며, 그러므로 터빈 배기 라인은 DCSS의 LP부 내에 있는 것으로 간주된다). 본 발명은 2개 이상의 압력 레벨 응축기를 갖는 어떤 DCSS 시스템에도 적용될 수 있다.
저비등점 성분이 농후한(예를 들면, 암모니아가 많은) 포화된 또는 2차 냉각된 액체 스트림(74)은 DCSS 시스템의 고압부(70)로부터 추출된다(최종 HP 응축기로부터 추출되는 것이 바람직하다). 이 스트림(74)은 DCSS LP부 압력까지 조절(throttle)되는데, 이것은 GT 압축기로 들어가는 주변 공기로부터 열을 흡수하기 위해 필요한 온도 강하로 초래된다. GT 압축기 입구 공기 스트림(76)은 열교환기, 즉, 증발기(78)에서, 조절 요소(82)로부터 냉각된 혼합물 스트림(80)과 역류 또는 동일 흐름 관계로 냉각된다. 라인(84)을 통해 증발기(78)를 떠나는 다종류 성분 혼합물(2상 또는 증기 상태)은 DCSS의 저압부(72)로 보내져서, 거기서 DCSS LP부(72) 내의 적합한 위치에서 라인(44)의 저압 증기 터빈 배기와 결합되어 응축된다.
그 결과 이것은 증기 터빈 배기를 응축하는 목적 및 압축기 공기 입구 스트림을 냉각하는 목적의 2가지 목적을 위해 DCSS 시스템이 사용되고, 효율적이고 경제적인 시스템 설계를 할 수 있다.
상기 기본 시스템에 대한 부가적인 선택적 특징은 라인(80 또는 84)으로부터 분기된 스트림과 역류 열교환으로 스트림(74)을 2차 냉각하는 것이다. 이러한 특징은 시스템의 냉각 용량을 증가시킨다.
도 3a에 도시한 증류/응축 서브시스템(16)의 바람직한 실시예를 참조하면, 저압 소모 스트림(44)은 열교환기들(222, 223, 225)을 통과하고, 그 스트림은 응축열을 방출하며, 이 스트림은 스트림 믹서(240)에서 액체 스트림(118)과 혼합된다. 이것은 응축기(228)에서 응축되는 미리 응축된 스트림을 생성한다. 응축기들(226, 227)과 더불어 응축기(228)는 순환하는 물 입구(102) 및 출구(104)를 갖는 라인(100)에서 냉각 스트림, 예를 들면 물에 의해 냉각될 수 있다. 응축된 스트림은 229에서 분기되고 펌프(233)에 의해 고압으로 펌프되어 라인(106)을 거쳐서 열교환기들(225 및 225a)을 통해 병렬로 유동하여, 라인(110)에서 예열된 스트림을 생성한다. 이와 같이 부분적으로 증발된 스트림(110)은 중력 분리기(gravity separator)(230)에 공급되어 액체가 증기로부터 분리된다. 따라서, 증기 스트림(112)은 암모니아/물 혼합물에서 저비등점 성분, 즉 암모니아가 농후하게 되도록 중력 분리기(230)를 빠져나와, 라인(114)을 거쳐서 열교환기(227)로 흐르게 된다. 라인(118)에서 중력 분리기(230)로부터의 액체 스트림은 열교환기(225b)를 통해 흘러서 믹서(240)에서 소모 스트림(44)과 재결합한다. 암모니아가 농후한 증기 스트림(112)은 라인(114)을 통해 혼합된 스트림의 일부와 결합되어, 응축기(227)에 의해 완전히 응축됨으로써, 이와 같이 희박한 스트림(lean stream:120)이 응축기(227)를 빠져나와 펌프(231)에 의해 고압으로 펌프되어 다음 열교환기(225c)를 거치게 된다. 열교환기(225c)를 빠져나온 희박한 스트림(124)은 열교환기(223)에서 열교환하여 중력 분리기(300)로 흐른다. 중력 분리기(300)를 빠져나온 암모니아가 농후한 증기 스트림(126)은 다른 중력 분리기(302)에서 발생된 증기 스트림(128)과 결합하여, 열교환기들(304, 225c, 226)을 통해 유동하고, 거기서 최종적으로 펌프(306)를 거쳐서 펌프되어 라인(308)을 거쳐서 열교환기(225b)를 통해 종국에는 열회수 보일러(14)(HRVG)로 간다. 중력 분리기(300)로부터 흐르는 라인(312) 내의 물이 농후한 액체는 라인(314)과 분리기(316)를 거쳐서 열교환기들(318, 320, 222)을 통과하여 라인(322)을 거쳐 중력 분리기(302)로 흐른다. 중력 분리기(302)로부터 물이 농후한 액체 스트림은 라인(330)을 거쳐서 열교환기(320)를 통과하고, 거기서 열교환기(222)에 의해 냉각된 소모 스트림(44)과 결합한다.
229에서 분기된 응축된 스트림은 또한 라인(342)에서 펌프(340)에 의해 펌프되어 응축기(225c)를 거쳐서 접점(344)에서 2개의 서브스트림들(346, 348)로 나누어 지는데, 상기 스트림은 접점(350)에서 끝난다. 펌프(352)에 의해 접점(350)으로 흐르는 것은 중력 분리기(230)의 액체 출구에서 라인(118)으로부터 분리된 물이 농후한 스트림(354)이다. 물이 농후한 스트림은 접점(350)으로부터 라인(360)을 통해 응축기(304)를 거쳐서 분리기(300)로부터 물이 농후한 스트림과 함께 접점(362)으로 흘러서 상술한 바와 같이 응축기들(318, 320, 322)을 통해서 흐른다. 따라서, 저압 터빈(LP)으로부터의 작업 유체는 DCSS 및 보일러(14)에 의해 흡수, 응축, 및 재생된다.
이제 도 3b를 참조하면, 응축기 입구의 공기를 냉각시키기 위한 2단 냉각장치 시스템을 도시한 것이다. 2단으로 도시되어 있으나, 2단 이상의 다단이 이용될 수도 있음을 알 것이다. 2단 냉각장치 시스템은 저압 증발기(300) 및 매우 낮은 저압 증발기(302)를 구비하고 있다. 다종류 성분 작업 유체는 DCSS, 특히 고압 응축기(226)로부터 추출되어 터빈 입구 공기 냉각 시스템에서 작업 유체로서 사용된다. 따라서, 다종류 성분 유체, 바람직하게는 고비등점 성분보다 저비등점 성분이 농후한 혼합물, 즉 암모니아가 농후한 혼합물은 라인(304)을 통해 입력되고 T에서 감소되어 저압 증발기(300)로 간다. 스트림(304)을 조절하면 라인(305) 내의 온도가 떨어지게 된다. 라인(306) 내의 주변 공기는 저압 증발기(300)로 통과되어 라인(305)의 다종류 성분의 혼합물과 열교환된다. 주변 압축기 입구 공기로부터의 열이 흡수되며, 즉 입구 공기 스트림을 냉각시키고, 다종류 성분 혼합물을 부분적으로 증발시켜서 부분적으로 증발된 제 1 가열된 스트림(308)을 형성한다. 이 부분적으로 증발된 제 1 가열된 스트림(308)은 저압 냉각장치 분리기(312)로 보내진다.
분리기(312)는 라인(308) 내의 부분적으로 증발된 제 1 가열된 스트림을 라인(314) 내의 포화된 증기 스트림과 라인(316) 내의 포화된 액체 스트림으로 분리한다. 라인(314) 내의 포화된 증기는 저압부로, 즉 DCSS의 응축기(228)로 입구 앞으로 돌아가서, 소모 스트림(44)과 결합되어 DCSS 저압 응축기(228)에서 완전히 응축된다. 포화된 액체 스트림(316)은 액체 스트림의 온도가 더욱 떨어지도록 320에서 조절된다. 스트림(316)내의 냉각된 포화된 액체는 매우 낮은 저압 증발기(302)로 통과되고 저압 증발기(300)로부터 받은 냉각된 주변 공기와 열교환하여 압축기 입구 공기를 더욱 냉각시키다. 매우 낮은 저압 증발기(302)를 떠나는 부분적으로 증발된 제 2 가열된 스트림(322)은 본 발명의 구성요소를 이루지 않는 표준 증류 시스템(standard distillation system:DS)(도 3c)의 저비등점 성분이 희박한 스트림과 혼합된다.
증류 시스템(DS)은 라인(325)을 통해 IP 터빈의 배기로부터 열을 받기 위한, 예를 들면 보톰 리보일러(bottom reboiler)(324)를 포함할 수 있다(도 1 및 도 3c). 보톰 보일러로부터의 출구는 라인(328)을 거쳐 저압 터빈의 입구로 통한다. 증류 시스템(DS)는 오버헤드 응축기가 증류 시스템의 일부일 경우에 액체로서 DCSS 시스템으로 증기를 되돌려 보내기 위해 증류탑(330)을 사용한다. 증기는 라인(332)을 거쳐 되돌아와서 라인(44)에서 저압 터빈으로부터의 다종류 성분 소모 증기와 결합된다.
스트림(322)을 표준 증류 시스템으로 보내는 대안으로서, 이 스트림은 응축을 위한 기반 사이클 증기 터빈 시일 누설 응축 시스템으로 보내질 수도 있다.
압축기 입구 공기를 냉각시키는 것 외에 냉각 응용을 본 발명에 의해 달성할 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 통풍 스트림(vent stream)과 같은 다른 유체 스트림의 응축 및 냉동 과정에서 달성될 수 있다.
현재 가장 실용적이며 바람직한 실시예로 간주된 것에 관련하여 본 발명을 기술하였으나, 본 발명은 상술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 청구범위의 정신 및 범주 내에 포함되는 여러 가지 수정 및 등가 구성을 포함하도록 의도된 것임을 알아야 한다.

Claims (18)

  1. 제 1 터빈 및 압축기를 갖는 가스 터빈을 구비하고, 전기를 생성하는 하나 이상의 발전기에 구동적으로 결합된 복수의 터빈들과, 증류/응축 서브시스템을 포함하는 복합 사이클 전력 발생 시스템에서, 상기 가스 터빈에 들어가는 주변 공기를 냉각시키는 방법으로서,
    (a) 동일 압력에서 상이한 비등점을 갖는 이질(dissimilar) 성분들의 혼합물로 구성된 작업 유체(working fluid)를 상기 제 1 터빈을 통해 팽창시키고 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림(spent stream)을 발생하는 단계와,
    (b) 상기 서브시스템에서 상기 소모 스트림을 응축(condensing)하는 단계와,
    (c) 상기 가스 터빈의 압축기를 위한 입구 공기(inlet air)를 제 1 열교환기에서 상기 응축된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 가스 터빈 압축기로 들어가는 상기 입구 공기를 냉각시키는 단계와,
    (d) 상기 냉각된 입구 공기를 상기 가스 터빈의 압축기 내로 흐르게 하는 단계, 및
    상기 단계 (a)의 상기 소모 스트림을 저압 및 고압 응축기로 통과시켜서 각각 제 1 및 제 2 응축된 소모 스트림들을 제공하고, 상기 압축기 입구 공기를 상기 제 1 열교환기에서 상기 제 2 응축된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 포화된 증기 스트림과 포화된 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 포화된 증기 스트림을 상기 제 1 터빈을 통해 팽창된 상기 소모 스트림과 결합시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 포화된 증기 스트림과 포화된 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 제 1 열교환기로부터의 상기 냉각된 입구 공기를 제 2 열교환기에서 상기 포화된 액체 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 냉각된 공기를 상기 가스 터빈의 상기 압축기로 흐르게 하기 전에 상기 압축기 입구 공기를 더 냉각시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기로부터의 상기 포화된 증기 스트림을 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림과 결합시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 서브시스템에서 상기 소모 스트림을 응축하여, 저비등점 성분에 농후한 스트림을 형성하는 단계와, 상기 가스 터빈의 압축기를 위한 상기 입구 공기를 상기 저비등점 성분이 농후한 상기 응축된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  7. 제 1 터빈 및 압축기를 갖는 가스 터빈을 구비하고, 전기를 생성하는 하나 이상의 발전기에 구동적으로 결합된 복수의 터빈들, 및 증류/응축 서브시스템을 포함하는 복합 사이클 전력 발생 시스템에서, 상기 증류/응축 서브시스템의 유체들과는 다른 또 다른 유체를 냉각시키는 방법으로서,
    (a) 동일 압력에서 상이한 비등점을 갖는 이질 성분들의 혼합물로 구성된 작업 유체를 상기 제 1 터빈을 통해 팽창시키고 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림을 발생하는 단계와,
    (b) 상기 서브시스템에서 상기 소모 스트림을 응축하는 단계와,
    (c) 상기 또 다른 유체를 제 1 열교환기에서 상기 응축된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 또 다른 유체를 냉각시키는 단계, 및
    상기 단계 (a)의 상기 소모 스트림을 저압 및 고압 응축기로 통과시켜서 각각 제 1 및 제 2 응축된 소모 스트림들을 제공하고, 상기 또 다른 유체를 제 1 열교환기에서 상기 제 2 응축된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 증류/응축 서브시스템의 유체 냉각 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 포화된 증기 스트림과 포화된 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 포화된 증기 스트림을 상기 제 1 터빈을 통해 팽창된 상기 소모 스트림과 결합시키는 단계를 포함하는, 증류/응축 서브시스템의 유체 냉각 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 포화된 증기 스트림과 포화된 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 제 1 열교환기로부터의 상기 또 다른 유체를 제 2 열교환기에서 상기 포화된 액체 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 또 다른 유체를 더 냉각시키는 단계를 포함하는, 증류/응축 서브시스템의 유체 냉각 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기로부터의 상기 포화된 증기 스트림을 상기 가스 터빈을 통해 팽창된 상기 작업 유체와 결합시키는 단계를 포함하는, 증류/응축 서브시스템의 유체 냉각 방법.
  12. 증기 터빈 및 압축기를 갖는 가스 터빈을 구비하고, 전기 또는 기계 작업을 발생하는 하나 이상의 발전기에 구동적으로 결합된 복수의 터빈들과, 증류/응축 서브시스템을 포함하는 복합 사이클 전력 발생 시스템에서, 상기 가스 터빈에 들어가는 주변 공기를 냉각시키는 방법으로서,
    (a) 동일 압력에서 상이한 비등점을 갖는 이질 성분들의 혼합물로 구성된 작업 유체를 상기 증기 터빈을 통해 팽창시키고, 상기 이질 성분들의 혼합물의 소모 스트림을 발생하는 단계와,
    (b) 상기 증류/응축 서브시스템의 저압부에서 상기 소모 스트림을 응축하는 단계와,
    (c) 상기 가스 터빈의 압축기를 위한 입구 공기를 제 1 열교환기에서 상기 증류/응축 서브시스템의 고압부로부터 응축 및 조절(throttle)된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 가스 터빈 압축기에 들어가는 상기 입구 공기를 냉각시키는 단계와,
    (d) 상기 냉각된 입구 공기를 상기 가스 터빈의 압축기내로 흐르게 하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 단계 (a)의 상기 소모 스트림을 저압 및 고압 응축부로 통과시켜서 제 1 응축된 소모 스트림과 상기 고압부로부터의 상기 응축 및 조절된 소모 스트림들을 구성하는 제 2 응축된 소모 스트림을 각각 제공하고, 상기 압축기 입구 공기를 상기 제 1 열교환기에서 상기 제 2 응축 및 조절된 소모 스트림들과 열교환하도록 통과시켜서 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 형성하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 상기 증기 터빈을 통해 팽창된 상기 소모 스트림과 결합하는 단계와, 상기 증류/응축 서브시스템의 상기 저압부에서 상기 결합된 스트림을 응축하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 증류/응축 서브시스템에서 상기 소모 스트림을 응축하여, 저비등점 성분이 농후한 상기 제 2 스트림을 형성하는 단계와, 상기 가스 터빈의 압축기를 위한 상기 입구 공기를 상기 저비등점 성분이 농후한 상기 응축 및 조절된 소모 스트림과 열교환하도록 통과시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 포화된 증기 스트림과 제 3 응축된 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 포화된 증기 스트림을 상기 증기 터빈을 통해 팽창된 상기 소모 스트림과 결합하는 단계와, 상기 증류/응축 서브시스템의 상기 저압부에서 상기 결합된 스트림을 응축하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 입구 공기 냉각 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 단계 (c)에 이어서, 상기 이질 성분들의 제 1 가열된 스트림을 포화된 증기 스트림과 포화된 액체 스트림으로 분리하는 단계와, 상기 제 1 열교환기로부터의 상기 냉각된 입구 공기를 제 2 열교환기에서 상기 제 3 응축된 액체 스트림과 열교환하도록 통과시켜서 상기 냉각된 공기를 상기 가스 터빈의 상기 압축기로 흐르게 하기 전에 상기 압축기 입구 공기를 더 냉각시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 공기 냉각 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 2 열교환기는 부분적으로 증발된 이질 성분들의 제 2 가열된 스트림을 발생하고, 상기 증류/응축 서브시스템보다 낮은 압력에서 작동하는 응축기를 구비한 증류 시스템에서 상기 부분적으로 증발된 이질 성분들의 제 2 가열된 스트림을 최종으로 응축하는, 가스 터빈 공기 냉각 방법.
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