KR101298828B1 - 가스 압축기의 운전 방법 및 가스 압축기를 구비하는 가스 터빈 - Google Patents

가스 압축기의 운전 방법 및 가스 압축기를 구비하는 가스 터빈 Download PDF

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

공급 조건이 변동되는 가스 연료를 압축하고, 흡입 유량 조정 기구를 구비하는 가스 압축기의 운전 방법에 있어서, 가스 압축기의 흡입 유량 또는 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 가스 압축기의 서징을 방지하는 제한 압력비가, 가스 압축기의 설계 조건에 의해 산출된 기준 제한 압력비에 대해, 가스 압축기의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수를 곱하여 보정된다.

Description

가스 압축기의 운전 방법 및 가스 압축기를 구비하는 가스 터빈 {METHOD FOR OPERATING GAS COMPRESSOR, AND GAS TURBINE PROVIDED WITH GAS COMPRESSOR}
본 발명은, 예를 들어 제철소 부생 가스(BFG)와 같은 저칼로리 가스를 연료로서 사용하는 저칼로리 가스 연소 가스 터빈에 사용되는, 가스 연료를 압축하기 위한 가스 압축기와 같이, 가스 연료의 공급 조건이 변동되는 가스 압축기에 적용되는 가스 압축기의 운전 방법 및 이 운전 방법에 의해 운전되는 가스 터빈에 관한 것이다.
종래, 제철 프로세스에 있어서 대량으로 발생하는 제철소 부생 가스(Blast Furnace Gas : BFG)와 같은 저칼로리 가스를 연료로 하여 운전되는 가스 터빈 플랜트, 즉, 저칼로리 가스를 연료로 하여 운전되는 저칼로리 가스 연소 가스 터빈(이하, 「가스 터빈」이라 칭함)이 알려져 있다. 이러한 가스 터빈에서는, 압력이 낮은 가스 연료를 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기가 사용되고 있다. 따라서, 가스 압축기의 서징을 방지하기 위해, 예를 들어 도 1에 실선으로 나타내는 바와 같이, 횡축의 「가변 정익 개방도」에 대한 종축의 「압력비」에 대해, 운용상의 「제한 압력비」가 설정되어 있다.
이 제한 압력비는, 가스 압축기에 있어서의 흡입 절대 압력 및 토출 절대 압력의 압력비에 대해, 서징을 방지하는 운용상의 상한을 규정한 값이다. 따라서, 가스 압축기의 서징을 방지하기 위해서는, 제한 압력비를 초과하지 않도록 가변 정익(흡입 유량 조정 기구)의 개방도를 조정하여, 서징 제한에 대한 여유를 확보하는 운전 제어를 행하고 있다.
즉, 도 1에 있어서 압력비가 점 A로부터 상승하여 커지면, 가변 정익 개방도를 변경하지 않으면 점 A'에서 제한 압력비와 일치하므로, 더 이상 압력비를 상승시키는 운전은 할 수 없게 된다. 그러나, 점 A로부터의 압력비 상승에 따라서 가변 정익을 개방 방향으로 동작시키면, 예를 들어 도 1의 점 A로부터 점 B와 같이 제한 압력비도 상승하므로, 서징의 발생을 방지할 수 있는 압력비의 운전 영역이 확대되어, 안전하게 운전할 수 있는 영역에 여유가 생기게 된다.
이와 같이 하여 가변 정익의 개방도를 증가시키는 것은, 가스 압축기에 의해 승압된 가스 연료의 공급을 받는 가스 터빈이, 가스 연료의 바이패스 운용을 행하는 것을 의미하고 있다.
또한, 가스 압축기에 의해 승압된 가스 연료의 공급을 받는 가스 터빈에는, 운전 압력비가 제한 압력비를 초과한 경우에 기기를 보호하기 위해, 운전을 긴급 정지하는 인터로크가 설치되어 있다.
압축기의 서징 방지에 관한 종래 기술로서는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 이산화탄소 회수형 발전 플랜트의 압축기 서지 방지 시스템이 알려져 있다. 이 경우, 수증기 및 이산화탄소의 혼합 기체를 차동 유체로 하는 압축기의 서징을 방지하기 위해, 유량 조정 밸브에 의해 변동되는 수증기 및 이산화탄소의 농도비를 제어하고 있다.
또한, 고로 가스를 주 원료로 하는 가스 터빈 발전 시스템은, 발생하는 고로 가스의 칼로리 변동에 의해 발전 출력도 변동된다. 이로 인해, 예를 들어 특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이, 가스 연료 칼로리의 측정 결과에 따라서 감열 가스나 증열 가스를 첨가하여 칼로리 조정을 행하지만, 급격한 칼로리 변동에 대한 응답 지연에 의해 불안정 연소나 블로우 오프에 이르는 경우가 있으므로, 가스 연료의 칼로리를 실시간으로 산출하는 신속한 제어를 행하여 시스템의 안정화를 도모하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2000-337109호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-190633호 공보
그런데, 상술한 저칼로리 가스 연소 가스 터빈은, 가스 압축기에 공급되는 가스 연료의 온도(흡입 가스 온도)가 변동되는 것이나, 예를 들어 조성이 다른 복수의 가스 연료를 혼합하는 경우와 같이, 가스 연료 조성이 크게 변화되는 불안정한 가스 연료를 사용하는 경우도 있다.
상술한 흡입 가스 온도나 가스 연료 조성과 같이, 가스 연료의 공급 조건에 큰 변화가 발생하면, 서징의 제한 압력비에 영향을 미치는 값인 흡입 가스 온도(T), 가스 상수(R) 및 비열비(κ)도 변동된다. 즉, 흡입 가스 온도나 가스 연료 조성과 같은 가스 연료의 공급 조건이 변동됨으로써, 가스 압축기의 서징을 방지하는 제한 압력비의 특성도 변화되게 된다.
그러나, 공급 조건이 변동되는 가스 연료를 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고, 이 가스 압축기에 가변 정익이 설치되어 있는 종래의 가스 터빈 운전 방법은, 가스 터빈 제어나 인터로크에 가스 연료 공급 조건의 변동이 고려되어 있지 않다. 따라서, 가스 연료의 공급 조건이 크게 변동되어 서징의 제한 압력비가 저하되게 되면, 가스 압축기의 서징을 방지할 수는 없어, 최악의 경우에는 기기 손상에 이르는 것이 우려된다.
이러한 배경으로부터, 공급 조건이 변동되는 가스 연료를 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고 있고, 또한 가스 압축기에 가변 정익이 설치되어 있는 가스 터빈에 있어서는, 가스 연료 공급 조건의 변화에 대응하여 서징을 확실하게 방지할 수 있는 가스 터빈 운전 방법의 개발이 요망된다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은, 가스 연료 공급 조건의 변화에 대응하여 가스 압축기의 서징을 확실하게 방지할 수 있는 가스 터빈 운전 방법 및 가스 터빈을 제공하는 데 있다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위해, 하기하는 수단을 채용하였다.
본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법은, 공급 조건이 변동되는 가스 연료를 압축하고, 흡입 유량 조정 기구가 설치되어 있는 경우의 가스 압축기의 운전 방법이며, 상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 상기 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 제한 압력비가, 상기 가스 압축기의 설계 조건에 의해 산출된 기준 제한 압력비에 대해, 상기 가스 압축기의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수를 곱하여 보정되는 것이다.
이러한 본 발명의 가스 압축기의 운전 방법에 따르면, 가스 압축기의 흡입 유량 또는 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 가스 압축기의 서징을 방지하는 제한 압력비가, 가스 압축기의 설계 조건에 의해 산출된 기준 제한 압력비에 대해, 가스 압축기의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수를 곱하여 보정되므로, 가스 압축기의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 제한 압력비를 사용함으로써, 서징의 발생을 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 제1 보정 계수는, 상기 가스 압축기의 흡입 가스 온도에 의해 산출되는 것이 바람직하고, 이에 의해, 상태 방정식으로 나타내어지는 바와 같이, 온도에 따라서 변동되는 가스 연료의 상태를 반영한 보정이 가능해진다.
이러한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 제1 보정 계수의 산출에, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)를 부가하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 보정 계수는, 가스 압축기의 흡입 가스 온도와, 가스 상수(R) 및 비열비(κ)에 의해 산출되므로, 가스 조성이 변동되는 것과 같은 가스를 가스 연료로서 사용하는 경우라도, 가스 압축기의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 제한 압력비를 사용함으로써, 서징의 발생을 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
또한, 상기한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 제1 보정 계수의 산출에, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 부가하는 것이 바람직하고, 이에 의해, 제한 압력비의 보정을 한층 더 최적화하여 서징의 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 제1 보정 계수는, 상기 가스 압축기의 기준 회전수를 N0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 비열비를 κ0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 가스 상수를 R0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 온도를 T0, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 N, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 비열비를 κ, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 가스 상수를 R, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 온도를 T로 하였을 때에, 하기하는 (수학식 1)에 의해 구해지는 수정 회전수비(α)로부터 구해지는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
Figure 112013012142592-pct00001
상기한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)는, 상기 가스 압축기의 입구측에서 계측된 가스 조성에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 가스 압축기의 흡입 가스가 복수의 가스를 혼합한 가스인 경우에는, 각 가스의 조성 및 유량비로부터 혼합 후의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)를 구하여 사용한다.
상기한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)를, 상기 가스 압축기의 입구측에서 계측된 가스 밀도 또는 가스 발열량으로부터 환산하여 구한 가스 조성에 의해 산출해도 된다. 또한, 상기 가스 압축기의 흡입 가스가 복수의 가스를 혼합한 가스인 경우에는, 적어도 하나의 가스의 조성을, 가스 밀도 또는 가스 발열량으로부터 환산하여 구해도 된다.
본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 제한 압력비는, 상기 제1 보정 계수를 곱하여 보정 후에, 다시 상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 상기 흡입 유량 조정 기구의 개방도 및 동작 방향에 따라서 미리 정한 제2 보정 계수를 곱하여 보정되는 것이 바람직하고, 이에 의해 제한 압력비는 한층 더 최적화된 값으로 되므로, 서징의 발생을 한층 더 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 있어서는, 상기 가스 압축기의 흡입 유량은, 상기 가스 압축기의 실 흡입 유량을 Q(단위계는 체적 유량), 상기 가스 압축기의 기준 회전수를 N0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 비열비를 κ0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 가스 상수를 R0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 온도를 T0, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 N, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 비열비를 κ, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 가스 상수를 R, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 온도를 T로 하였을 때에, 하기하는 (수학식 2)에 의해 구해지는 수정 유량 Q0(단위계는 체적 유량)이거나, 또는 상기 가스 압축기의 실 흡입 유량을 G(단위계는 질량 유량), 상기 가스 압축기의 기준 회전수를 N0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 비열비를 κ0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 가스 상수를 R0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 온도를 T0, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 N, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 비열비를 κ, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 가스 상수를 R, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 온도를 T로 하였을 때에, 하기하는 (수학식 3)에 의해 구해지는 수정 유량 G0(단위계는 질량 유량)인 것이 바람직하다.
이 경우, 제한 압력비를 구하기 위한 가스 압축기의 흡입 유량을, 가스 압축기의 실 흡입 유량과, 흡입 가스 온도와, 흡입 가스 압력과, 가스 연료의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)에 의해 산출된 수정 유량을 사용하므로, 가스 조성이 변동되는 것과 같은 가스를 가스 연료로서 사용하는 경우라도, 가스 압축기의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 제한 압력비를 사용함으로써, 서징의 발생을 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
[수학식 2]
Figure 112013012142592-pct00002
[수학식 3]
Figure 112013012142592-pct00003
본 발명의 제2 형태에 관한 가스 터빈의 운전 방법은, 공급 조건이 변동되는 가스를 가스 연료로서 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고, 상기 가스 압축기에 흡입 유량 조정 기구가 설치되어 있는 가스 터빈의 운전 방법이며, 상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전 방법이, 본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제2 형태에 관한 가스 터빈의 운전 방법에 있어서는, 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전 방법이, 가스 연료의 바이패스 운용을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 형태에 관한 가스 터빈의 운전 방법에 있어서는, 상기 가스 압축기의 운전 압력비가 제한 압력비를 초과한 경우에, 운전을 긴급 정지하는 인터로크를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 형태에 관한 가스 터빈은, 공급 조건이 변동되는 가스를 가스 연료로서 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고, 상기 가스 압축기에 흡입 유량 조정 기구가 설치되어 있는 가스 터빈이며, 상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전이, 본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제2 형태에 관한 가스 터빈 및 본 발명의 제3 형태에 관한 가스 터빈의 운전 방법에 따르면, 가스 압축기의 흡입 유량 또는 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전이, 본 발명의 제1 형태에 관한 가스 압축기의 운전 방법에 의해 행해지므로, 공급 조건이 변동되는 가스 연료를 압축하는 가스 압축기의 서징을 확실하게 방지하여 안정된 운전이 가능해진다.
상술한 본 발명에 따르면, 공급 조건이 변동되는 가스를 가스 연료로서 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고 있고, 또한 가스 압축기에 가변 정익이 설치되어 있는 가스 터빈에 있어서, 가스 압축기의 제한 압력비가 가스 연료 공급 조건의 변화에 대응하여 보정되고, 가스 연료 공급 조건에 따라서 최적화한 값의 제한 압력비가 적용된다. 이 결과, 가스 압축기의 서징을 확실하게 방지하여 안정된 운전이 가능해지고, 따라서 연료 조성이 변화되는 것과 같은 저칼로리의 가스 연료를 사용하는 경우라도, 가스 압축기의 서징을 확실하게 방지하여 기기 손상 등에 이르는 일이 없는 신뢰성이 높은 운전이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 관한 가스 압축기의 운전 방법 및 가스 압축기를 구비하는 가스 터빈의 일 실시 형태를 나타내는 도면으로, 가스 압축기의 제한 압력비 보정에 관한 설명도이다.
도 2는 제한 압력비의 보정 계수(제1 보정 계수)를 나타내는 도면으로, (a)는 흡입 가스 온도 T와 보정 계수의 관계, (b)는 수정 회전수비 α와 보정 계수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 수정 회전수비에 의한 기준 제한 압력비의 보정예를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 관한 가스 터빈의 구성예를 나타내는 개략 계통도이다.
이하, 본 발명에 관한 가스 압축기의 운전 방법 및 가스 압축기를 구비하는 가스 터빈의 일 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 4에 나타내는 본 실시 형태의 가스 터빈(1)은, 예를 들어 제철소 부생 가스(BFG)나 조성이 다른 복수의 가스 연료를 혼합하는 경우와 같이, 저칼로리의 가스 연료를 사용하여 운전하는 플랜트이다.
가스 터빈(1)은, 압축기(Ca)와, 연소기(가스 터빈 연소기)(2)와, 터빈(Tu)을 주된 구성 요소로 하는 장치이다.
압축기(Ca)는 공기를 도입하여 압축하고, 고압의 압축 공기를 토출한다. 압축기(Ca)로부터 토출된 압축 공기는, 연소용 공기로서 연소기(2)에 도입되고, 연소기(2)에 공급된 가스 연료와 함께 연소되어 고온의 연소 가스가 된다. 이 연소 가스는 터빈(Tu)에 도입되어, 동익 및 정익 사이를 연소 가스가 흐름으로써 터빈(Tu)을 구동시킨다.
터빈(Tu)을 구동시킨 연소 가스는, 예를 들어 배열 회수 보일러(3)를 통과함으로써 증기의 생성에 사용된 후, 필요한 배기 가스 처리를 실시하고 나서 대기로 방출된다. 또한, 외기를 도입하는 압축기(Ca)의 상류측에는, 일반적으로 필터나 소음기가 설치되어 있다.
도시한 가스 터빈(1)은, 압축기(Ca)측에 동축의 발전기(4)를 구비하고 있다. 이 발전기(4)는, 터빈(Tu)의 출력에 의해 압축기(Ca)와 함께 구동되어 발전한다.
그런데, 도시한 가스 터빈(1)은, 저칼로리의 가스 연료를 사용하므로, 가스 연료를 압축하여 연소기(2)에 공급하는 가스 압축기(Cg)를 구비하고 있다. 이 가스 압축기(Cg)는, 공기용 압축기(Ca) 및 발전기(4)와 마찬가지로 터빈(Tu)의 출력에 의해 구동되므로, 발전기(4)의 압축기(Ca)와 반대측에, 동력 전달 기구(5)를 통해 연결되어 있다. 또한, 가스 압축기(Cg)는 가스 터빈(1)과는 독립된 동력에 의해 구동되는 경우도 있고, 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.
가스 압축기(Cg)는, 흡입하는 가스 연료의 유로 단면적을 가변으로 하는 가변 정익(10)(흡입 유량 조정 기구)을 구비하고 있다. 이 가변 정익(10)은, 그 개방도(압력 손실)를 조정함으로써, 서징이라 불리는 실속 현상(compressor stall)이 가스 압축기에 발생하는 것을 방지하는 기능을 갖고 있다.
가스 압축기(Cg)에서 압축되는 가스 연료는, 예를 들어 연료 가스 배관(6)으로부터 BFG 등의 가스를 도입하고, 필요에 따라서 코크스로 가스(COG)를 혼합한 가스가 사용된다. 이 가스 연료는, 가스 압축기(Cg)에 공급하기 전에 습식 전기 집진기(7)를 통과시킨다. 습식 전기 집진기(7)는, 가스 중의 더스트를 분리시켜 포집하는 장치이다.
가스 압축기(Cg)에서 압축된 가스 연료는, 그 주류가 연소기(2)에 공급되어 연소되고, 일부가 유량 조정 밸브(8)를 통해 연료 가스 배관(6)으로 복귀된다. 즉, 가스 압축기(Cg)에서 압축된 가스 연료는, 유량 조정 밸브(8)의 개방도 조정에 의해 연소기(2)에 공급하는 가스량이 조정되어 있다. 또한, 연료 가스 배관(6)으로 복귀하는 가스 연료는, 가스 냉각기(9)를 통과함으로써 냉각되어 있다.
상술한 바와 같이, 공급 조건이 변동되는 가스 연료를 압축하여 연소기(2)에 공급하는 가스 압축기(Cg)를 구비하고, 상기 가스 압축기(Cg)에 가변 정익(10)이 설치되어 있는 가스 터빈(1)을 운전하는 경우, 본 실시 형태의 운전 방법에서는, 흡입 유량 또는 가변 정익(10)의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 가스 압축기(Cg)의 서징을 방지하는 제한 압력비가, 가스 압축기(Cg)의 설계 조건에 의해 산출된 기준 제한 압력비에 대해, 가스 압축기(Cg)의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수를 곱한 값으로 보정된다.
이와 같이, 기준 제한 압력비에 제1 보정 계수를 곱하여 얻어지는 보정 후의 제한 압력비는, 이하의 설명에 있어서 「보정 후 제한 압력비」라 칭하기로 한다.
상기한 가스 터빈 운전 방법에 있어서, 가스 압축기(Cg)의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수는, 예를 들어 가스 압축기(Cg)의 흡입 가스 온도 T에 의해 산출되는 값이다. 이 경우의 흡입 가스 온도 T는, 가스 압축기(Cg)의 입구 근방에서 검출한 가스 연료의 온도이며, 따라서 온도에 따라서 변동되는 가스 연료의 상황(압력 및 유량)이 반영되도록 보정을 행하는 것이다. 즉, 가스 연료의 특성은, 상태 방정식으로 나타내어지는 바와 같이, 흡입 가스 온도 T의 변화에 따라서 변동되므로, 실제로 압축하는 가스 연료의 상태를 반영한 보정이 가능해진다.
구체적으로 설명하면, 흡입 가스 온도 T에 대응하는 보정 계수는, 예를 들어 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 횡축의 흡입 가스 온도 T가 높아짐에 따라 작아지도록 변화하는 특성을 갖고 있다. 이러한 보정 계수의 특성은, 가스 압축기(Cg)의 사양 등에 따라서, 설계 사양점의 보정 계수를 기준의 1로 하여 사전에 정한 것이다. 이로 인해, 도 1에 나타내는 제한 압력비를 기준 제한 압력비로 하여 보정되는 보정 후 제한 압력비는, 도면 중에 화살표 C로 나타내는 바와 같이, 흡입 가스 온도 T의 변화에 따라서 제한 압력비가 상하로 이동한다.
즉, 흡입 가스 온도 T가 기준의 설계 사양점보다 높아지는 방향으로 변화되는 경우의 보정 후 제한 압력비는, 기준 제한 압력비와 비교하여, 제한 압력비를 작게 하는 방향(하향)으로 보정된다. 반대로, 흡입 가스 온도 T가 기준의 설계 사양점보다 낮아지는 방향으로 변화되는 경우의 보정 후 제한 압력비는, 기준 제한 압력비와 비교하여, 제한 압력비를 크게 하는 방향(상향)으로 보정된다. 바꾸어 말하면, 흡입 가스 온도 T가 낮은 운전 상황에 있는 경우일수록 제한 압력비는 큰(높은) 값으로 되므로, 가스 압축기(Cg)는, 서징을 발생하는 일 없이 안정적으로 운전 가능한 범위가 넓어진다.
또한, 상술한 가스 터빈 운전 방법에서는, 제1 보정 계수의 산출에, 가스 연료의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)를 부가하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 보정 계수의 산출은, 가스 압축기(Cg)의 흡입 가스 온도 T와, 가스 연료의 가스 상수 R 및 비열비 κ에 의해 산출된 값을 사용한다.
구체적으로는, 하기하는 (수학식 1)에 나타내는 수정 회전수비 α를 구하고, 이 수정 회전수비 α에 대응하는 보정 계수를 사용하여 기준 제한 압력비를 보정한다. 즉, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 보정 회전수비 α에 대응하는 보정 계수의 특성을 미리 정해 두고, 산출한 기준 제한 압력비에 대응하는 보정 계수를 사용하여 기준 제한 압력비를 보정한다.
[수학식 1]
Figure 112013012142592-pct00004
여기서, N0은 가스 압축기(Cg)의 기준 회전수, κ0은 가스 연료의 기준 비열비, R0은 가스 연료의 기준 가스 상수, T0은 가스 연료의 기준 온도(흡입 가스 온도)로, 모두 가스 압축기(Cg)의 설계 사양점에 의해 정해지는 기준값이다.
한편, N은 가스 압축기(Cg)의 실 회전수(현상 회전수), κ는 가스 연료의 현상 비열비, R은 가스 연료의 현상 가스 상수, T는 가스 연료의 현상 온도(흡입 가스 온도)로, 모두 가스 압축기(Cg)가 실제로 운전되고 있는 시점에 있어서의 측정값이다. 이 경우, 가스 연료의 현상 비열비 κ, 가스 연료의 현상 가스 상수 R 및 가스 연료의 현상 온도 T에 대해서는, 가스 압축기(Cg)의 입구측(흡입측)에서 계측한 실측값을 사용한다.
상술한 (수학식 1)에 따르면, 수정 회전수비 α의 산출에 대해서는, 가스 압축기(Cg)에 있어서의 회전수비(N/N0), 가스 연료에 있어서의 비열비의 비(κ/κ0), 가스 상수의 비(R/R0) 및 가스 온도의 비(T/T0)로서 산출하는 것도 가능하다. 따라서, 다른 값이 일정하다고 가정한 경우나, 다른 값이 미치는 영향은 작다고 판단한 경우에는, 가스 압축기(Cg)의 회전수비(N/N0), 가스 압축기(Cg)의 입구측에서 계측한 가스 연료의 비열비의 비(κ/κ0), 가스 상수의 비(R/R0) 및 가스 온도의 비(T/T0) 중, 적어도 어느 하나를 사용하여 수정 회전수비 α를 산출하는 것도 가능하다.
즉, 상술한 제1 보정 계수의 산출은, 가스 압축기(Cg)의 운전 상황 검출값으로 되는 가스 연료의 가스 온도, 비열비, 가스 상수 및 가스 압축기(Cg)의 실 회전수 중, 통상 가장 영향이 큰 가스 온도에 더하여, 비열비 및 가스 상수와, 실 회전수 중, 어느 한쪽 또는 양쪽을 부가하는 것이 바람직하다. 제1 보정 계수의 산출에 사용하는 운전 상황 검출값의 항목수가 많으면, 가스 연료의 조성을 포함하는 실제의 운전 상황을 상세하게 반영한 보정 후 제한 압력비가 설정되게 되므로, 제한 압력비의 보정을 한층 더 최적화하여 서징의 발생을 방지할 수 있다.
이와 같이 하여 산출한 수정 회전수비 α에 대응하는 보정 계수는, 예를 들어 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 횡축의 수정 회전수비 α가 커짐에 따라서 큰 값으로 되도록 변화되는 특성을 갖고 있다. 즉, 설계점에 대응하는 기준값보다 수정 회전수비 α가 커지면 보정 계수도 큰 값으로 되고, 반대로 기준값보다 수정 회전수비 α가 작아지면 보정 계수도 작은 값으로 된다.
따라서, 상술한 보정 계수를 기준 제한 압력비에 곱하여 얻어지는 보정 후 제한 압력비는, 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같이, 보정 계수가 기준값의 1 이하로 되는 경우, 제한 압력비가 작아지도록 하방으로 이동하고, 반대로, 보정 계수가 기준값의 1 이상으로 되는 경우, 제한 압력비가 커지도록 상방으로 이동한다.
이와 같이, 보정 제한 압력비의 산출에 수정 회전수비 α를 사용하면, 예를 들어 조성이 다른 복수의 가스 연료를 혼합하는 경우와 같이, 가스 조성이 크게 변동되는 가스 연료를 사용하는 경우라도, 가스 압축기(Cg)의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 제한 압력비를 사용하여 운전하는 것이 가능해진다. 즉, 가스 조성에 의해 변동되는 비열비 κ나 가스 상수 R의 값을 반영한 보정 후 제한 압력비를 얻을 수 있으므로, 바꾸어 말하면, 실제로 사용하는 가스 연료의 가스 조성을 가스 압축기(Cg)의 입구측에서 측정하고, 실제의 가스 연료에 대응하는 비열비 κ나 가스 상수 R에 기초한 보정한 제한 압력비를 설정하여 가스 압축기(Cg)를 운전하므로, 가스 연료의 조성이 변동되어도 항상 최적화된 제한 압력비를 설정하여, 서징의 발생을 확실하게 방지할 수 있는 안정된 운전이 가능해진다.
그런데, 가스 압축기(Cg)에서 압축하는 가스 연료의 가스 조성은, 가스 압축기(Cg)의 입구측에서 계측하는 것이 바람직하다. 이때, 가스 연료가 복수의 가스 성분을 포함하는 혼합 가스인 경우에는, 우선, 혼합되기 전의 각 가스의 조성 및 유량비를 구한다. 이후, 각 가스의 유량비 및 가스 조성으로부터 혼합 가스의 조성을 구한 후, 혼합 가스의 가스 상수 R 및 비열비 κ를 구하여 제1 보정 계수의 산출에 사용한다.
여기서, 가스 연료의 가스 조성은, 가스 조성을 직접 분석 가능한 가스 분석계(가스 크로마토그래프)를 사용하여 계측할 수 있다. 혹은, 가스 조성이 크게 변동되는 가스 연료라도, 가스의 밀도와 가스 조성 사이에 상관이 있는 가스 연료이면, 가스 밀도계에 의해 가스 밀도를 계측하고, 밀도로부터 환산하여 가스 조성을 추정할 수 있다. 구체적으로는, 표 1에 기재된 바와 같이, 가스 A의 밀도가 1.314㎏/㎥N, 가스 B의 밀도가 1.269㎏/㎥N으로, 각각의 조성을 알고 있는 것으로 한다. 이때, 가스 연료의 계측 밀도가 1.29㎏/㎥N이면, 가스 A와 가스 B의 가스 조성으로부터 내삽에 의해, 추정 조성을 산출할 수 있다.
Figure 112013012142592-pct00005
또한, 가스 발열량과 가스 조성 사이에 상관이 있는 가스 연료이면, 가스 발열량계에 의해 가스 발열량을 계측하고, 발열량으로부터 환산하여 가스 조성을 추정할 수 있다. 구체적으로는, 표 2에 기재된 바와 같이, 가스 A의 저위 발열량이 7.25MJ/㎥N, 가스 B의 저위 발열량이 7.31MJ/㎥N으로, 각각의 조성을 알고 있는 것으로 한다. 이때, 가스 연료가 계측된 저위 발열량이 7.27MJ/㎥N이면, 가스 A와 가스 B의 가스 조성으로부터 내삽에 의해, 추정 조성을 산출할 수 있다.
일반적으로, 가스 크로마토그래프는 고가이므로, 비교적 저렴한 가스 밀도계 또는 가스 발열량계를 사용함으로써, 계측기의 비용을 저감할 수 있다.
Figure 112013012142592-pct00006
또한, 가스 연료가 복수의 가스 성분을 포함하는 혼합 가스인 경우에는, 조성이 변동되는 가스 성분에 대해 가스 조성을 계측하거나, 가스 밀도 또는 가스의 발열량을 계측하여, 계측된 밀도 또는 발열량으로부터 조성을 추정하면 된다. 이에 의해, 조성이 변동되지 않는 가스 성분에 대해서는 계측이 불필요해지므로, 가스 조성의 계측에 필요한 계측기의 비용을 저감할 수 있다.
또한, 상술한 보정 후 제한 압력비는, 즉, 기준 제한 압력비에 제1 보정 계수를 곱하여 얻어진 보정 후 제한 압력비는, 흡입 유량 또는 가변 정익(10)의 개방도 및 동작 방향에 따라서 미리 정한 제2 보정 계수를 곱하여 다시 보정하는 것이 바람직하다. 즉, 보정 후 제한 압력비는, 기준 제한 압력비에 대해 제1 보정 계수 및 제2 보정 계수를 곱하여 보정한 값을 채용하면, 실제의 운전 상황에 따라서 한층 더 최적화된 값으로 되므로, 서징의 발생을 한층 더 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
또한, 상술한 제2 보정 계수는, 가스 압축기(Cg)의 사양에 따라서 다른 것이며, 예를 들어 흡입 유량 또는 가변 정익(10)의 개방도가 증가함에 따라 제1 보정 계수의 값이 작아지는 값, 즉 1보다 작은 값의 제2 보정 계수를 설정하는 등, 가스 연료, 가스 압축기(Cg) 및 가스 터빈(1) 등의 여러 조건에 따라서 적절하게 설정되는 값이다.
또한, 제한 압력비를 구하기 위한 가스 압축기의 흡입 유량을, 하기 (수학식 2)에 의해 구한 수정 유량으로 해도 된다.
[수학식 2]
Figure 112013012142592-pct00007
여기서, Q0은 가스 압축기(Cg)의 수정 유량이고, 단위계는 체적 유량이다. 한편, Q는 가스 압축기(Cg)의 실 흡입 유량(현상 흡입 유량)이고, 단위계는 체적 유량이다. 그 밖의 문자에 대해서는 (수학식 1)과 동일하다. 또한, 수정 유량의 단위계는 질량 유량으로서 하기 (수학식 3)에 의한 정의를 사용해도 된다.
[수학식 3]
Figure 112013012142592-pct00008
여기서, G0은 가스 압축기(Cg)의 수정 유량이고, 단위계는 질량 유량이다. P0은 가스 연료의 기준 압력(흡입 가스 압력)이다. 한편, G는 가스 압축기(Cg)의 실 흡입 유량(현상 흡입 유량)이고, 단위계는 질량 유량이다. P는 가스 연료의 현상 압력(흡입 가스 압력)이다.
제한 압력비를 구하기 위한 흡입 유량으로서, 상술한 (수학식 2) 또는 (수학식 3)에 의해, 실 흡입 유량과, 흡입 가스 온도와, 흡입 가스 압력과, 가스 연료의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)에 의해 산출된 수정 유량을 사용하므로, 가스 조성이 변동되는 가스 연료를 사용하는 경우라도, 가스 압축기의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 제한 압력비를 사용함으로써, 서징의 발생을 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
이러한 본 실시 형태의 가스 압축기의 운전 방법에 따르면, 흡입 유량 또는 가변 정익(10)의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 가스 압축기의 서징을 방지하는 제한 압력비가, 가스 압축기(Cg)의 설계 조건에 의해 산출된 기준 제한 압력비에 대해, 가스 압축기(Cg)의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수를 곱하여 보정되므로, 가스 압축기의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 제한 압력비를 설정할 수 있고, 따라서, 서징의 발생을 확실하게 방지한 운전이 가능해진다.
이 결과, 가스 압축기(Cg)의 서징을 확실하게 방지하여 안정된 운전이 가능해져, 특히, 연료 조성이 변화되는 저칼로리의 가스 연료를 사용하는 경우라도, 가스 압축기(Cg)의 서징을 확실하게 방지하여, 기기 손상 등에 이르는 일이 없는 신뢰성이 높은 운전이 가능해진다. 즉, 가스 연료 조성의 변화에 수반되는 가스 압축기(Cg)의 손상을 방지하여, 서징을 발생하는 일 없이 운전 가능한 운용 범위의 확대가 가능해진다.
또한, 본 실시 형태의 가스 터빈(1)의 운전 방법에 따르면, 가스 압축기(Cg)의 운전 상황에 따라서 보정한 적절한 가스 압축기(Cg)의 제한 압력비를 설정할 수 있으므로, 이 제한 압력비를 감시하면서, 가스 연료의 바이패스 운용을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 가령 가스 압축기(Cg)의 운전 압력비가, 이 제한 압력비를 초과한 경우에, 기기를 보호하기 위해, 운전을 긴급 정지하는 인터로크를 설치할 수도 있다.
이 결과, 가스 압축기(Cg)의 서징을 확실하게 방지하여 안정된 운전이 가능해져, 특히, 연료 조성이 변화되는 저칼로리의 가스 연료를 사용하는 경우라도, 가스 압축기(Cg)의 서징을 확실하게 방지하여, 기기 손상 등에 이르는 일이 없는 신뢰성이 높은 운전이 가능해진다. 즉, 가스 연료 조성의 변화에 수반되는 가스 압축기(Cg)의 손상을 방지하여, 서징을 발생하는 일 없이 운전 가능한 운용 범위의 확대가 가능해진다.
그리고 상술한 가스 터빈 운전 방법을 채용한 가스 터빈(1)은, 흡입 유량 또는 가변 정익(10)의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한인 제한 압력비를 규정하여 가스 압축기(Cg)의 서징을 방지하는 운전에 있어서, 변동되는 가스 연료의 공급 조건이 반영된 보정에 의해, 최적화된 보정 후 제한 압력비를 설정하여 가스 압축기(Cg)의 서징을 확실하게 방지하여, 안정된 운전의 계속이 가능해진다. 즉, 본 실시 형태의 가스 터빈(1)은, 서징 방지의 제한 압력비를 설정할 때의 보정에 수정 회전수비 α를 적용하여 보정 후 제한 압력비를 최적화하므로, 가스 압축기(Cg)의 흡입 가스 온도뿐만 아니라, 가스 연료의 가스 조성이나 가스 압축기(Cg)의 실 회전수가 변화되어도 확실하게 서징을 방지할 수 있다.
따라서, 가스 터빈(1)을 구성하는 가스 압축기(Cg) 등의 기기류는, 가스 연료 조성 변화 및 실 회전수 저하에 수반되는 가스 압축기(Cg)의 서징에 기인하여 손상하는 것이 방지되고, 또한 서징을 발생하는 일 없이 안정적으로 운용 가능한 범위를 확대하는 것도 가능해진다.
또한, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 일 없이, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절하게 변경할 수 있다.
1 : 가스 터빈
2 : 연소기
4 : 발전기
10 : 가변 정익(흡입 유량 조정 기구)
Ca : 압축기
Tu : 터빈
Cg : 가스 압축기

Claims (15)

  1. 공급 조건이 변동되는 가스를 압축하고, 흡입 유량 조정 기구를 구비하는 가스 압축기의 운전 방법이며,
    상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 상기 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 제한 압력비가, 상기 가스 압축기의 설계 조건에 의해 산출된 기준 제한 압력비에 대해, 상기 가스 압축기의 운전 상황 검출값에 따라서 산출되는 제1 보정 계수를 이용하여 보정되는, 가스 압축기의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 보정 계수가, 상기 가스 압축기의 흡입 가스 온도에 의해 산출되는, 가스 압축기의 운전 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 보정 계수의 산출에, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)를 부가한, 가스 압축기의 운전 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 보정 계수의 산출에, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 부가한, 가스 압축기의 운전 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 보정 계수가, 상기 가스 압축기의 기준 회전수를 N0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 비열비를 κ0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 가스 상수를 R0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 온도를 T0, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 N, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 비열비를 κ, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 가스 상수를 R, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 온도를 T로 하였을 때에, 하기 (수학식 1)에 의해 구해지는 수정 회전수비(α)로부터 구해지는, 가스 압축기의 운전 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112013012196007-pct00009
  6. 제3항에 있어서, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)는, 상기 가스 압축기의 입구측에서 계측된 가스 조성에 의해 산출되는, 가스 압축기의 운전 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)는, 상기 가스 압축기의 입구측에서 계측된 가스 밀도 또는 가스 발열량으로부터 환산하여 구한 가스 조성에 의해 산출되는, 가스 압축기의 운전 방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 가스 압축기의 흡입 가스가 복수의 가스를 혼합한 가스인 경우에는, 각 가스의 조성 및 유량비로부터 혼합 후의 가스 상수(R) 및 비열비(κ)를 구하는, 가스 압축기의 운전 방법.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 가스 중 적어도 하나의 가스의 조성을, 가스 밀도 또는 가스 발열량으로부터 환산하여 구하는, 가스 압축기의 운전 방법.
  10. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 압축기의 흡입 유량은, 상기 가스 압축기의 실 흡입 유량을 Q(단위계는 체적 유량), 상기 가스 압축기의 기준 회전수를 N0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 비열비를 κ0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 가스 상수를 R0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 온도를 T0, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 N, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 비열비를 κ, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 가스 상수를 R, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 온도를 T로 하였을 때에, 하기 (수학식 2)에 의해 구해지는 수정 유량 Q0(단위계는 체적 유량)이거나, 또는 상기 가스 압축기의 실 흡입 유량을 G(단위계는 질량 유량), 상기 가스 압축기의 기준 회전수를 N0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 비열비를 κ0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 가스 상수를 R0, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 기준 온도를 T0, 상기 가스 압축기의 실 회전수를 N, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 비열비를 κ, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 가스 상수를 R, 상기 가스 압축기의 흡입 가스의 현상 온도를 T로 하였을 때에, 하기 (수학식 3)에 의해 구해지는 수정 유량 G0(단위계는 질량 유량)인, 가스 압축기의 운전 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112013012196007-pct00010

    [수학식 3]
    Figure 112013012196007-pct00011
  11. 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제한 압력비는, 상기 제1 보정 계수를 이용한 보정 후에, 다시 상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 상기 흡입 유량 조정 기구의 개방도 및 동작 방향에 따라서 미리 정한 제2 보정 계수를 곱하여 보정되는, 가스 압축기의 운전 방법.
  12. 공급 조건이 변동되는 가스를 가스 연료로서 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고, 상기 가스 압축기에 흡입 유량 조정 기구가 설치되어 있는 가스 터빈의 운전 방법이며,
    상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 상기 흡입 유량 조정 기구의 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전 방법이, 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 가스 압축기의 운전 방법에 의해 행해지는, 가스 터빈의 운전 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전 방법이, 가스 연료의 바이패스 운용을 포함하는, 가스 터빈의 운전 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 가스 압축기의 운전 압력비가 제한 압력비를 초과한 경우에, 운전을 긴급 정지하는 인터로크를 구비하는, 가스 터빈의 운전 방법.
  15. 공급 조건이 변동되는 가스를 가스 연료로서 압축하여 연소기에 공급하는 가스 압축기를 구비하고, 상기 가스 압축기에 흡입 유량 조정 기구가 설치되어 있는 가스 터빈이며,
    상기 가스 압축기의 흡입 유량 또는 상기 흡입 유량 조정 기구 개방도에 대한 압력비의 운용 상한을 규정하여 상기 가스 압축기의 서징을 방지하는 운전이, 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 가스 압축기의 운전 방법에 의해 행해지는, 가스 터빈.
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