KR100789029B1 - 가스 터빈 동력 사이클의 동력 증대를 위한 가스 터빈설비 및 방법 - Google Patents

가스 터빈 동력 사이클의 동력 증대를 위한 가스 터빈설비 및 방법 Download PDF

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Abstract

지상계(land based) 가스 터빈(turbine) 설비(24)는 터빈 압축기(24)와, 터빈 섹션[turbine section(28)]과, 압축기와 터빈 섹션 사이의 연소기(28)를 구비한다. 적어도 하나의 열 교환 섹션을 갖춘 열 회수 보일러[heat recovery boiler(18)]는 터빈 섹션으로부터의 배기 가스를 받아들이도록 배치되며, 증기를 생성하기 위해, 배기 가스와 열 교환관계로 통과된 물을 받아들인다. 외부 압축기(14)는 연소기(28) 안으로 분사되는 증기와 공기의 혼합물을 생산하기 위해, 열 회수 보일러(18)에서 생성된 증기와 혼합되는 증가하는 연소 공기를 공급한다.

Description

가스 터빈 동력 사이클의 동력 증대를 위한 가스 터빈 설비 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR POWER AUGMENTATION FOR GAS TURBINE POWER CYCLES}
본 발명은 동력 증대를 위해, 증가하는 압축 공기와 증기의 혼합물을 연소 터빈에 공급하는 것에 관한 것이다.
압축기 콤포넌트(component) 입구의 온도가 증가하면, 통상적으로 연소 터빈(turbine)의 출력 또는 용량은 줄어든다. 특히, 압축기 입구의 온도가 증가함에 따라(통상적으로, 주위 온도의 증가에 기인함), 터빈을 통한 연소 공정 및 다음의 팽창 공정에 공기를 공급하는 압축기 콤포넌트의 능력이 감소된다. 따라서, 연소 터빈의 터빈 콤포넌트 및 연소 콤포넌트는 통상적으로, 압축기 콤포넌트가 특정한 입구 온도 이상에서 작동할 때, 공급할 수 있는 것보다 많은 압축 유체를 받아들일 수 있는 능력을 갖는다.
발명의 요약
본 발명은, 고온의 주위 온도 작동 중 출력을 향상시키는 단순 조합형 사이 클의 가스 터빈 동력 설비를 위한 설계 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은, 가스 터빈 압축기 방출물에 및/또는 연소 시스템 내에 압축 공기와 증기의 혼합물을 분사함으로써, 터빈 콤포넌트 또는 섹션을 통과하는 질량유동을 증가시켜, 가스 터빈 동력 설비의 출력을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 출력뿐만 아니라, 단순 사이클 가스 터빈 동력 설비 내의 열역학적 효율 또한 향상된다.
증기 분사에 의한 가스 터빈의 출력 증대는 이미 행해져왔다. 그러나, 최대 증기 분사량은, 가스 터빈 압축기를 통과하는 공기 유량의 일정 비율로 제한된다. 가스 터빈 압축기 공기 유량은 주위 온도가 상승함에 따라 자연적으로 감소하며, 따라서, 잠재적 증기 분사량도 제한된다.
본 명세서에 설명된 발명은, 가스 터빈을 통과하는 질량유동을 증가시켜 동력 사이클의 출력을 증대시키기 위해, 가스 터빈 압축기 방출물 및/또는 연소 시스템 내에 증기-공기 혼합물을 분사하도록, 외부 모터 구동 압축기와, 터빈 배기 가스의 에너지를 이용하여 발생된 증기를 사용할 것을 제안한다.
본 발명에 따른 증기 공기 분사 사이클의 목적은 고온의 주위 온도 조건에서의 가스 터빈의 동력 증대를 위한 것이다. 동력 증대뿐만 아니라, 가스 터빈 배기 열을 증기 발생에 이용함으로써, 열소비율이 또한 감소된다. 증기 분사에 의한 동력 증대는 건식 저 질소산화물 연소 시스템의 최대 증기 분사 한계에 의해 제한될 수 있다. 그러나, 외부 압축기에 의한 공기의 분사는 추가적인 동력 증대 능력을 가스 터빈에 제공한다.
압축기는 폐 루프(closed loop) 중간 냉각 시스템을 포함하는데, 이 중간 냉 각 시스템에서는 중간 냉각기 안의 냉각수에 의해 흡수된 열은 폐 루프 냉각수 시스템 안의 냉각탑을 통해 주위로 방출된다. 또한, 압축기는 공기 유량을 제어하기 위한 입구 가이드 날개(guide vane)와, 저 처리 요구의 기간 동안의 서징(surging)으로부터의 보호를 위한 분출 조절 밸브와, 최대 공기 유량을 제한하는 과부하 보호장치를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 증기와 공기의 혼합물은 연소기의 입구로 직접 공급된다. 이 실시예에 있어서, 증기는 폐열 보일러 내에서 발생되는데, 여기서 보일러 안에 유입된 공급수가 700℉의 온도까지 과열된다. 공급수 유량 제어 밸브는, 작동 조건에 대한 최대 증기 분사 제한까지, 가스 터빈의 요구 유량과 같게 공급수 유량을 제어하도록 조절된다.
과열 증기와 분사 공기는 증기 분사구를 통해 가스 터빈 연소기로 분사되기에 앞서, T자형 혼합 관(mixing Tee) 내에서 혼합된다.
제 2 실시예에 있어서, 증기와 공기의 혼합물은 연소기 입구로 공급되기에 앞서, 열 회수 보일러(heat recovery boiler)의 상류측 부분 내에서 재가열된다.
제 3 실시예에 있어서, 외부 압축기로부터의 압축된 방출 공기는 과열 증기와 혼합되기에 앞서, 열 회수 보일러의 하류측 부분 내에서 700℉로 가열된다.
증기-공기 혼합물이 내부의 다기관에 실제로 받아들여지기 전에, 모든 상류측 관들은 예열 시퀀스(sequence)를 완료해야 한다. 부적절하게 예열된 증기-공기 혼합물 분사 시스템은 응축물을 연소기로 전달할 수 있는데, 이것은 화염을 소화하거나 기계에 손상을 줄 수 있다. 증기-공기 혼합물 분사 시스템의 충분한 예열을 보장하기 위해, 외부 압축기로부터의 뜨거운 공기가 시스템을 예열하는데 이용될 수 있다. 예열 조건이 충족되기 전까지, 증기-공기 혼합물은 기계로의 유입이 허용되지 않을 것이다.
따라서, 보다 넓은 관점에 있어서, 본 발명은 터빈 압축기와, 터빈 섹션과, 압축기와 터빈 섹션 사이의 연소기와, 터빈 섹션으로부터의 배기 가스를 받아들이도록 배치된 적어도 하나의 열 교환기를 갖춘 열 회수 보일러로서, 열 회수 보일러는 증기를 생성하도록 배기 가스와 열 교환관계로 통과된 물을 받아들이는 열 회수 보일러와, 증가하는 연소 공기를 공급하기 위한 외부 압축기를 포함하고, 열 회수 보일러에서 생성된 증기는, 연소기 안으로 분사되는 증기와 공기의 혼합물을 생성하도록, 증가하는 연소 공기와 혼합되는 지상계(land based) 가스 터빈 설비에 관한 것이다.
다른 관점에 있어서, 본 발명은 터빈 압축기와, 터빈 섹션과, 압축기와 터빈 섹션 사이의 연소기와, 터빈 섹션으로부터 배기 가스를 받아들이도록 배치된 적어도 하나의 열 교환기를 갖춘 열 회수 보일러와, 가스 터빈 발전기의 출력 향상을 위해, 터빈을 통과하는 질량유동을 증가시키는 수단을 포함하는 지상계 가스 터빈에 관한 것이다.
다른 관점에 있어서, 본 발명은 터빈 압축기와, 터빈 섹션과, 연소기를 구비하는 지상계 가스 터빈의 터빈 섹션을 통과하는 질량유동을 증가시키는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 a) 외부 압축기로부터 압축 공기를 공급하는 단계와, b) 터빈 섹션으로부터의 배기 가스와 열 교환관계로 통과하는 물에 의해 발생된 증기를 공급하는 단계와, c) 외부 압축기로부터의 압축 공기를 증기와 혼합하는 단계와, d) 압축 공기와 증기의 혼합물을 연소기에 공급하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단순 사이클 가스 터빈을 위한 습한 공기 분사 시스템의 개략적인 다이어그램,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 습한 공기 분사 시스템의 개략적인 다이어그램,
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 습한 공기 분사 시스템의 개략적인 다이어그램.
도 1을 참조하면, 단순 사이클 가스 터빈 다이어그램(10)이 도시되어 있다. 주위 공기는 라인(12)을 경유하여 외부 압축기(14)로 유입된다. 압축기(14)로부터 라인(16)을 경유하여 배출된 공기는 T자형 혼합 관(21)에서, 열 회수 보일러(18)에서 발생되어 라인(20)을 경유한 과열 증기와 혼합된다. 생성된 증기-공기 혼합물은 라인(22)을 경유하여, 터빈 압축기(24)의 방출기와 연소기(28) 입구 사이의 라인(26)에 공급되어 이곳에서, 연소기에 들어가기 전에, 압축기 방출공기와 혼합된다[연소기에는 라인(30)을 경유하여 연료가 공급된다]. 연소 가스[라인(32)을 경유]는 터빈 섹션(34)을 구동하고, 터빈 섹션은 그 뒤 사프트(38)를 통하여 발전기(36) 또는 다른 장치를 구동한다.
증기와 공기의 혼합물의 부가된 질량유동은 터빈 섹션(34)으로부터의 출력을 증가시켜, 외부의 또는 추가적인 압축기(14)를 구동하는데 요구되는 출력을 고려하더라도, 출력의 순 증가라는 결과를 가져온다. 터빈 섹션(34)으로부터의 배기 가스는 라인(40)을 경유하여 열 회수 보일러(40)에 열을 제공하며, 증기를 발생시키기 위해, 물이 라인(42)을 경유하여 열 회수 보일러에 공급된다. 가스 터빈 배기 가스는 라인(44)을 경유하여 보일러를 빠져나간다.
도 2는 도 1에 도시된 구성의 변형예를 도시하며, 편의를 위해, 도 1에 사용된 참조부호 앞에 "1"을 더한 참조부호는 도 2에서 대응하는 요소를 지정하는데 사용된다. 도 2에 있어서, 라인(116) 내의 외부 압축기 방출 공기와 열 회수 보일러(118)로부터 라인(120)을 경유한 증기를 혼합하여 생성된 증기-공기 혼합물은, 터빈 압축기(124)로부터의 압축기 방출 공기와 혼합되기에 앞서, 가스 터빈 배기장치로부터의 열이 증기-공기 혼합물에 전달되도록 라인(44, 46)을 경유하여 열 회수 보일러(118)의 상류측 부분 내에서 추가로 가열된다. 이러한 방식으로, 즉, 가스 터빈 배출 에너지를 이용하여 증기-공기 혼합물을 가열하는 것은 연료의 소비를 보다 줄이고, 동력 사이클의 열역학적 효율을 증대시킨다.
도 3은 도 1에 도시된 구성의 또 다른 변형예를 도시하며, 도 3에 있어서 도 1에 사용된 참조부호 앞에 "2"를 더한 참조부호는 도 3에서 대응하는 요소를 지정하는데 사용된다. 도 3에 있어서, 외부 압축기(214)로부터의 압축기 방출 공기는, 라인(220)을 경유하여 공급되는 과열 증기와 혼합되기 전과, 이어서, 라인(222)을 경유하여 터빈 연소 시스템으로 분사되기 전에, 라인(48, 50)을 경유하여 열 회수 보일러의 하류측 부분 내에서 ~700℉로 가열된다.
현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예라고 간주되는 것과 관련하여 본 발명이 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니며 오히려 첨부된 청구범위의 정신과 범위 내에 포함되는 다양한 변형과 균등한 구성을 커버하는 것으로 의도된다고 이해하여야한다.

Claims (10)

  1. 지상계(land based) 가스 터빈 설비에 있어서,
    터빈 압축기(24)와,
    터빈 섹션(34)과,
    상기 압축기와 상기 터빈 섹션 사이의 연소기(28)와,
    터빈 섹션으로부터의 배기 가스를 받아들이도록 배치된 적어도 하나의 열 교환기를 갖춘 열 회수 보일러(18)로서, 상기 배기 가스와 열 교환관계로 통과된 물을 받아들여 증기를 생성하는 열 회수 보일러와,
    증가하는 연소 공기를 공급하기 위한 외부 압축기(14)를 포함하고,
    상기 열 회수 보일러에서 생성된 증기는 연소기(28) 안으로 분사되는 증기와 공기의 혼합물을 생성하도록 상기 증가하는 연소 공기와 혼합되는
    가스 터빈 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물은, 터빈 압축기(24)와 연소기(28) 사이의 위치에서 상기 터빈 압축기(24)로부터 상기 연소기(28)로 연소 공기를 공급하는 도관(26)에 공급되는
    가스 터빈 설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 회수 보일러(118)는 또 다른 열 교환 섹션을 구비하고, 상기 혼합물은 상기 연소기(128) 안으로 들어가기 전에, 상기 또 다른 열 교환 섹션에서 가열되는
    가스 터빈 설비.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 또 다른 열 교환 섹션은 상기 열 회수 보일러(118)의 상류측 단부에 위치하는
    가스 터빈 설비.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 회수 보일러(218)는 하류측 단부에 또 다른 열 교환 섹션을 구비하고, 상기 증가하는 연소 공기는 열 회수 보일러(218)의 상류측 부분에서 생성된 증기와 혼합되기 전에, 상기 열 교환 섹션에서 가열되는
    가스 터빈 설비.
  6. 삭제
  7. 터빈 압축기(24), 터빈 섹션(34), 연소기(28)를 구비하는 가스 터빈 설비의 터빈 섹션을 통과하는 질량유동을 증가시키는 방법에 있어서,
    a) 외부 압축기(14)로부터 압축 공기를 공급하는 단계와,
    b) 터빈 섹션(34)으로부터의 배기 가스와 열 교환관계로 통과하는 물에 의해 발생된 증기를 공급하는 단계와,
    c) 외부 압축기로부터의 압축 공기를 증기와 혼합하는 단계와,
    d) 압축 공기와 증기의 혼합물을 상기 연소기(28)에 공급하는 단계를 포함하는
    방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합물은 또한 상기 연소기(28)의 상류측에서 상기 터빈 압축기로부터의 공기와 혼합되는
    방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합물은 단계 d)에 앞서, 상기 열 회수 보일러(118) 내에서 재가열되는
    방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 압축기로부터의 압축 공기는 단계 c)에 앞서, 상기 열 회수 보일러(218)에서 가열되는
    방법.
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