KR101369102B1 - 가스 터빈 장치 - Google Patents

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노보루 히사카
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 3 종 이상의 가스가 균일하게 혼합되는 혼합 가스를 생성할 수 있는 가스 터빈에 관한 것이다. 가스 터빈 장치는 연료 가스 공급기 (8) 로부터 공급된 연료 가스를 연소기 (2) 에 의해 공기 압축기 (3) 로부터 공급된 압축 공기 (b) 와 함께 연소시키고 생성된 연소 가스 (c) 에 의해 가스 터빈 (1) 을 회전 구동시키도록 구성된다. 연료 가스 공급 장치 (8) 는 두 개의 혼합기 (15, 16) 를 포함하고 혼합기 (15, 16) 에 의해 제 1 가스 (Ⅰ), 제 2 가스 (Ⅱ), 및 제 3 가스 (Ⅲ) 의 3 종류의 가스를 비중이 가벼운 순으로 또는 비중이 무거운 순으로 혼합함으써 혼합 가스 (a) 를 생성하여 혼합 가스 (a) 를 연료 가스로서 연소기 (2) 에 공급한다.

Description

가스 터빈 장치{GAS TURBINE DEVICE}
본 발명은 연소기용 연료 가스로서 3 종 이상의 가스를 함께 혼합함으로써 얻어지는 혼합 가스를 사용하는 가스 터빈 장치에 관한 것이다.
동시에 상이한 칼로리를 갖는 여러 유형의 저칼로리 가스를 사용할 수 있는 저칼로리 가스 연소를 위한 가스 터빈 장치가 일반적으로 연소실용 연료 가스로서 3 종 이상의 가스를 함께 혼합함으로써 얻어지는 혼합 가스를 사용하는 가스 터빈 장치의 예로서 알려져 있다. 저칼로리 가스 연소를 위한 가스 터빈 장치는, 예를 들어, 제철소에서 사용된다. 제철소에서는, 고로 가스 (blast furnace gas; B 가스), 코크스 오븐 가스 (C 가스), 및 전로 가스 (L 가스) 등의 다양한 부생 가스 (excessive gas) 가 강 제품의 제조 공정에서 발생된다. 이들 부생 가스는 연소가능한 성분을 함유한다. 이를 위해서, 제철소 등의 경우에 가스 터빈 장치를 위한 연료 가스로서 부생 가스가 이용되고, 이에 따라 부생 가스가 효과적으로 사용된다.
생성된 부산물 가스의 양이 크게 변화한다. 이를 위해서, 가스 터빈 장치를 위한 연료로서 이용될 때, 임의의 부생 가스 단독으로는 이용되지 않지만, 여러 종류의 가스를 혼합하여 얻어진 혼합 가스는 이용된다. 또한, 혼합 가스에 천연 가스 (LNG) 등을 더 혼합함으로써 칼로리 조정이 실행될 수도 있다.
예를 들어, 이하에 기재되는 특허 문헌 1 에 기재된 가스 터빈 장치는 연소기용 연료 가스로서 여러 종류의 부생 가스의 천연 가스의 혼합 가스를 이용하는 가스 터빈 장치의 특정 예로서 주어진다. 특허 문헌 1 에 기재된 가스 터빈 장치에는, 도 4 에 도시된 바와 같이, 고로 가스, 코크스 오븐 가스, 및 천연 가스가 혼합기 (51) 에 의해 혼합되고, 이 혼합 가스는 연료 가스로서 가스 터빈 (52) 의 연소기에 공급된다.
특허 문헌 1 에 더하여, 특허 문헌 2 가 본 발명과 관련된 종래 기술 문헌으로서 주어진다. 특허 문헌 2 는 연소 가스의 일부를 공기 압축기에 공급함으로써 가스 터빈으로부터 배기된 연소 가스의 일부를 재사용하는 가스 터빈 장치의 예를 기재한다.
특허 문헌 1: 일본 특허 출원 공보 제 2004-27975 호
특허 문헌 2: 일본 특허 제 2954456
여러 종류의 가스가 혼합되어 가스 터빈 장치용 연료 가스로서 이용될 때, 이들 여러 종류의 가스가 균일하게 혼합되지 않는다면, 혼합 가스의 칼로리가 불균일할 수도 있고 불균일한 연소가 발생할 수도 있다. 따라서, 여러 종류의 가스가 혼합되어 가스 터빈 장치용 연료 가스로서 사용될 때, 여러 종류의 가스가 가능한 한 균일하게 혼합되어야 한다. 그러나, 특허 문헌 1 에 기재된 종래의 가스 터빈 장치에서의 균일한 혼합과 관련된 특별한 방법은 없다.
또한, 여러 종류의 가스가 균일하게 혼합된 혼합 가스가 생성되더라도, 그 후에 혼합 가스 중의 수소 및 산소가 방출돼서 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생될 가능성이 있다. 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생될 때, 폭발 위험이 증가하게 된다. 특히, 가스 압축기로 혼합 가스를 압축한 이후에 연소기에 혼합 가스를 공급하는 가스 터빈 장치에서는, 수소 덩어리 및 산소 덩어리 또한 압축되어서, 폭발의 가능성이 더 증가하게 된다.
상기 상황의 관점에서, 본 발명의 목적은, 3 종 이상의 가스 (예를 들어, 부탄 가스 및 프로판 가스 등의 단일 가스와 고로 가스 및 전로 가스 등의 여러 종류의 가스가 혼합된 가스 중의 3 종 이상의 가스) 가 균일하게 혼합된 혼합 가스를 생성할 수 있고 또한 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 관찰함으로써 폭발을 방지할 수 있는 가스 터빈 장치를 제공하는 것이다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 제 1 발명의 가스 터빈 장치는, 연료 가스 공급기로부터 공급된 연료 가스를 공기 압축기로부터 공급된 압축 공기와 함께 연소실에서 연소하고, 그리고 연소시에 발생된 연소 가스에 의해 가스 터빈을 회전 구동하도록 구성된 가스 터빈 장치를 제공하고,
상기 연료 가스 공급기는 복수의 혼합기를 포함하고, 이들 혼합기에서 3 종 이상의 가스를 비중이 가벼운 순으로 또는 비중이 무거운 순으로 혼합함으로써 혼합 가스를 생성하고, 그리고 혼합 가스를 상기 연료 가스로서 연소기에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 2 발명의 가스 터빈 장치는 제 1 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는,
- 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서,
- 수소 농도와 산소 농도를 희석하기 위한 희석 가스를 혼합 가스 안으로 혼합하는 희석 가스 혼합기, 및
- 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 희석 가스 혼합기를 작동시켜 희석 가스를 혼합 가스 안으로 혼합하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명의 가스 터빈 장치는 제 2 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 희석 가스 혼합기는 가스 터빈으로부터 배출된 연소 가스의 일부를 상기 희석 가스로서 혼합 가스 안으로 혼합하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 4 발명의 가스 터빈 장치는 제 1 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는 상기 혼합 가스를 교반함으로써 재혼합을 실행하는 재혼합기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 5 발명의 가스 터빈 장치는 제 4 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는,
- 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서, 및
- 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 상기 재혼합기를 작동시켜 혼합 가스를 재혼합하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 6 발명의 가스 터빈 장치는 제 1 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는,
- 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서,
- 비상 배출 밸브, 및
- 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 상기 비상 배출 밸브를 작동시켜 혼합 가스를 배출하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 7 발명의 가스 터빈 장치는 제 2 발명, 제 5 발명 및 제 6 발명 중 하나의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는 수소/산소 센서의 하류 위치에서 희석 가스 혼합기에 의한 희석 가스의 혼합, 재혼합기에 의한 혼합 가스의 재혼합, 및 비상 배출 밸브에 의한 혼합 가스의 배출 중 하나를 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 8 발명의 가스 터빈 장치는 제 2 발명 내지 제 7 발명 중 임의의 하나의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 혼합 가스를 압축하고 이렇게 압축된 혼합 가스를 연소기에 공급하는 가스 압축기를 더 포함하고, 상기 연료 가스 공급기는 상기 가스 압축기의 상류 위치에서 희석 가스 혼합기에 의한 희석 가스의 혼합, 재혼합기에 의한 혼합 가스의 재혼합, 및 비상 배출 밸브에 의한 혼합 가스의 배출 중 하나를 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
제 1 발명의 가스 터빈 장치는 연료 가스 공급기로부터 공급된 연료 가스를 공기 압축기로부터 공급된 압축 공기와 함께 연소실에서 연소하고, 그리고 연소시에 발생된 연소 가스에 의해 가스 터빈을 회전 구동하도록 구성된 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는 복수의 혼합기를 포함하고, 이들 혼합기에서 3 종 이상의 가스를 비중이 가벼운 순으로 또는 비중이 무거운 순으로 혼합함으로써 혼합 가스를 생성하고, 그리고 혼합 가스를 상기 연료 가스로서 연소기에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 유사한 비중을 갖는 가스들이 비중이 가벼운 순의 혼합 및 비중이 무거운 순의 혼합의 경우 모두에 순차적으로 혼합된다. 이는 3 종 이상의 가스가 균일하게 혼합되는 혼합 가스의 생성을 가능하게 해준다. 이 균일하게 혼합된 가스가 연소기용 연료 가스로서 사용될 때, 불균일한 연소의 발생이 방지되고 안정적인 연소가 가능해진다.
제 2 발명의 가스 터빈 장치는 제 1 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는,
- 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서,
- 수소 농도와 산소 농도를 희석하기 위한 희석 가스를 혼합 가스 안으로 혼합하는 희석 가스 혼합기, 및
- 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 희석 가스 혼합기를 작동시켜 희석 가스를 혼합 가스 안으로 혼합하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 혼합 가스 중의 수소 및 산소가 방출되고 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생되더라도, 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도가 설정치 이상이 되는 것을 검출하고, 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스가 연소기로 공급되기 전에 희석 가스로 혼합 가스의 수소 농도와 산소 농도를 희석하여 감소시키는 것이 가능하다. 이렇게, 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도가 폭발 한계 이하의 농도로 억제되고, 가스 터빈 장치가 안정하게 작동될 수 있다.
제 3 발명의 가스 터빈 장치는 제 2 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 희석 가스 혼합기는 가스 터빈으로부터 배출된 연소 가스의 일부를 희석 가스로서 혼합 가스 안으로 혼합하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 희석 가스로서 연소 가스가 유효하게 이용되고, 질소 가스 등을 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 효율적이고 비용이 많이 들지 않는 가스 터빈 장치가 달성될 수 있다.
제 4 발명의 가스 터빈 장치는 제 1 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는 상기 혼합 가스를 교반함으로써 재혼합을 실행하는 재혼합기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 혼합 가스 중의 수소 및 산소가 방출되고 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생되더라도 (비중 분리가 발생되더라도), 혼합 가스가 연소기로 공급되기 전에 재혼합기로 혼합 가스를 교반함으로써 재혼합을 실행하여 균일하게 혼합된 상태를 다시 달성할 수 있다. 이렇게, 폭발 위험이 감소되고, 가스 터빈 장치가 안전하게 작동될 수 있다.
제 5 발명의 가스 터빈 장치는 제 4 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는,
- 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서, 및
- 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 상기 재혼합기를 작동시켜 혼합 가스를 재혼합하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 따라서, 혼합 가스 중의 수소 및 산소가 방출되고 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생되더라도 (비중 분리가 발생되더라도), 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스가 연소기로 공급되기 전에 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도가 설정치 이상이 되는 것을 검출하고, 혼합 가스가 연소기로 공급되기 전에 재혼합기로 혼합 가스를 교반함으로써 재혼합을 실행하여 균일하게 혼합된 상태를 다시 달성할 수 있다. 이렇게, 폭발 위험이 감소되고, 가스 터빈 장치가 안전하게 작동될 수 있다.
제 6 발명의 가스 터빈 장치는 제 1 발명의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는,
- 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서,
- 비상 배출 밸브, 및
- 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 상기 비상 배출 밸브를 작동시켜 혼합 가스를 배출하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 혼합 가스 중의 수소 및 산소가 방출되고 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생되어서 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도를 증가시키더라도, 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도가 설정치 이상이 되는 것을 검출하고, 혼합 가스가 연소기로 공급되기 전에 혼합 가스를 배출시킬 수 있다. 이렇게, 폭발 위험이 감소되고, 가스 터빈 장치가 안전하게 작동될 수 있다.
제 7 발명의 가스 터빈 장치는 제 2 발명, 제 5 발명 및 제 6 발명 중 하나의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 연료 가스 공급기는 수소/산소 센서의 하류 위치에서 희석 가스 혼합기에 의한 희석 가스의 혼합, 재혼합기에 의한 혼합 가스의 재혼합, 및 비상 배출 밸브에 의한 혼합 가스의 배출 중 하나를 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상류측에서 수소/산소 센서에 의해 검출되는 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스가 하류측에서 희석 가스 혼합기에 의해 희석 가스와 확실하게 혼합되고, 재혼합기에 의해 재혼합되거나, 또는 비상 배출 밸브에 의해 배출될 수 있다.
제 8 발명의 가스 터빈 장치는 제 2 발명 내지 제 7 발명 중 하나의 가스 터빈 장치를 제공하고, 상기 혼합 가스를 압축하고 이렇게 압축된 혼합 가스를 연소기에 공급하는 가스 압축기를 더 포함하고, 상기 연료 가스 공급기는 상기 가스 압축기의 상류 위치에서 희석 가스 혼합기에 의한 희석 가스의 혼합, 재혼합기에 의한 혼합 가스의 재혼합, 및 비상 배출 밸브에 의한 혼합 가스의 배출 중 하나를 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스가 가스 압축기 안으로 유동하기 전에 희석 가스 혼합기에 의해 희석 가스와 혼합되고, 재혼합기에 의해 재혼합되거나, 또는 비상 배출 밸브에 의해 배출될 수 있다. 이렇게, 폭발 위험이 감소되고, 가스 터빈 장치가 안전하게 작동될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시형태 1 에 따른 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태 2 에 따른 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태 3 에 따른 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다.
도 4 는 종래의 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다.
본 발명의 실시형태가 도면에 기초하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
실시형태 1
도 1 은 본 발명의 실시형태 1 에 따른 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 실시형태 1 의 가스 터빈 장치는, 가스 터빈 및 스팀 터빈이 작동하도록 함으로써 발전을 행하는 복합 사이클 발전 장치이다. 가스 터빈 장치는 가스 터빈 (1), 스팀 터빈 (5), 연소기 (2), 공기 압축기 (3), 발전기 (4), 가스 압축기 (6), 방열 회수 보일러 (7), 및 연료 가스 공급기 (8) 를 포함한다.
연료 가스 공급기 (8) 에서 생성된 혼합 가스는 연료 공급 라인 (9) 을 통해 가스 압축기 (6) 안으로 유동하고, 압축된다. 이에 따라, 압축 혼합 가스는 연료 가스로서 연료 공급 라인 (10) 을 통해 연소기 (2) 로 공급된다. 연소기 (2) 에서, 연료 가스 공급기 (8) 로부터 공급된 연료 가스 (혼합 가스 (a)) 는 공기 압축기 (3) 로부터 공급된 압축 공기 (b) 와 함께 연소된다. 연소시에 생성된 연소 가스 (c) 는 가스 터빈 (1) 으로 공급되어서 가스 터빈 (1) 을 회전 구동한다.
가스 터빈 (1) 으로부터 배출된 연소 가스 (배기 가스) (c) 는 배기 라인 (연통) (12) 을 통해 유동한다. 그 다음, 열은, 배기 라인 (12) 에 제공되는 방열 회수 보일러 (7) 에서 공급수 (d) 와 함께 열 교환을 통해 연소 가스 (c) 로부터 회수된다. 이후에, 연소 가스 (c) 는 스택 (13) 으로부터 방산된다. 한편, 공급수 (d) 는 연소 가스 (배기 가스) (c) 와의 열교환으로 인해 가열되고, 방열 회수 보일러 (7) 에서 스팀 (e) 으로 변한다. 이 스팀 (e) 은 스팀 라인 (14) 을 통해 스팀 터빈 (5) 으로 공급되어서, 스팀 터빈 (5) 이 회전 구동된다. 스팀 터빈 (5) 으로부터 배출된 스팀 (e) 은 도시되지 않은 응축기에서 응축되고 공급수 (d) 로서 재사용된다.
가스 터빈 (1), 스팀 터빈 (5), 공기 압축기 (3), 발전기 (4), 및 가스 압축기 (6) 는 동일한 회전축 (11) 상에 배치된다. 공기 압축기 (3), 발전기 (4), 및 가스 압축기 (6) 는 가스 터빈 (1) 및 스팀 터빈 (5) 에 의해 회전 구동된다. 따라서, 공기 압축기 (3) 는 외부 공기 (공기) (g) 를 흡입하여 압축하고, 이 압축 공기 (b) 를 상기에 설명된 바와 같이 연소기 (2) 에 공급한다. 발전기 (4) 는 발전을 행하고, 이 발생된 전력을 제철소 외부 및 제철소 내부의 도시되지 않은 전력 시스템으로 보낸다. 가스 압축기 (6) 는 혼합 가스 (a) 를 흡입하여 압축하고 이 압축 혼합 가스 (a) 를 상기에 설명된 바와 같이 연소기 (2) 에 공급한다.
실시형태 1 의 특징인 연료 가스 공급기 (8) 는 두 개의 혼합기 (15, 16) 를 포함한다. 이들 혼합기 (15, 16) 를 사용함으로써, 제 1 가스 (Ⅰ), 제 2 가스 (Ⅱ), 및 제 3 가스 (Ⅲ) 의 3 종류의 가스가 비중이 가벼운 순으로 또는 비중이 무거운 순으로 혼합되어서 혼합 가스가 생성된다. 그 다음, 연료 가스 공급기 (8) 는 상기에 설명된 바와 같이 가스 압축기 (6) 를 통해 이 혼합 가스를 연소기 (2) 에 공급한다.
상세하게, 제 1 혼합기 (15) 의 입구측은 유동 조절 밸브 (17) 가 제공된 연료 공급 라인 (18) 의 하류 단부에 그리고 또한 유동 조절 밸브 (19) 가 제공된 연료 공급 라인 (20) 의 하류 단부에 연결되어 있다. 한편, 제 1 혼합기 (15) 의 출구측은 연료 공급 라인 (21) 의 상류 단부에 연결되어 있다. 한편, 제 2 혼합기 (16) 의 입구측은 연료 공급 라인 (21) 의 하류 단부에 그리고 또한 유동 조절 밸브 (22) 가 제공된 연료 공급 라인 (23) 의 하류 단부에 연결되어 있다. 한편, 제 2 혼합기 (16) 의 출구측은 연료 공급 라인 (9) 의 상류 단부에 연결되어 있다.
따라서, 연료 가스 공급기 (8) 에서, 제 1 가스 (Ⅰ) 및 제 2 가스 (Ⅱ) 는 우선 제 1 혼합기 (15) 에서 혼합되어, 혼합 가스 (f) 가 생성되며, 제 1 가스 (Ⅰ) 는 유동 조절 밸브 (17) 에 의해 유동 조절되면서 연료 공급 라인 (18) 을 통해 공급되고, 제 2 가스 (Ⅱ) 는 유동 조절 밸브 (19) 에 의해 유동 조절되면서 연료 공급 라인 (20) 을 통해 공급된다. 다음으로, 제 3 가스 (Ⅲ) 및 혼합 가스 (f) 가 제 2 혼합기 (16) 에서 혼합되어, 혼합 가스 (a) 가 생성되며, 제 3 가스 (Ⅲ) 는 유동 조절 밸브 (22) 에 의해 유동 조절되면서 연료 공급 라인 (23) 을 통해 공급되고 혼합 가스 (f) 는 연료 공급 라인 (21) 을 통해 공급된다.
또한, 제 1 가스 (Ⅰ), 제 2 가스 (Ⅱ), 및 제 3 가스 (Ⅲ) 는, 비중의 관점에서 이들의 관계가 제 1 가스 (Ⅰ) < 제 2 가스 (Ⅱ) < 제 3 가스 (Ⅲ), 또는 제 1 가스 (Ⅰ) > 제 2 가스 (Ⅱ) > 제 3 가스 (Ⅲ) 를 만족하는 방식으로 선택된다. 따라서, 제 1 가스 (Ⅰ), 제 2 가스 (Ⅱ), 및 제 3 가스 (Ⅲ) 는 비중이 가벼운 순으로, 또는 비중이 무거운 순으로 혼합된다. 표 1 이 다양한 가스의 비중을 보여준다. 이들 가스 중에서, 예컨대, 제철소에서 발생되는 부생 가스인 고로 가스, 코크스 오븐 가스, 및 천연 가스 (LNG) 가 사용된다고 가정한다. 비중이 무거운 순으로 혼합하는 경우에, 제 1 가스 (Ⅰ) 는 고로 가스, 제 2 가스 (Ⅱ) 는 천연 가스이고, 제 3 가스 (Ⅲ) 는 코크스 오븐 가스이다. 비중이 가벼운 순으로 혼합하는 경우에는, 제 1 가스 (Ⅰ) 는 코크스 오븐 가스이고, 제 2 가스 (Ⅱ) 는 천연 가스이며, 제 3 가스 (Ⅲ) 는 고로 가스이다.
Figure 112013049401860-pat00001
실시형태 1 의 가스 터빈 장치에 따르면, 연료 가스 공급기 (8) 로부터 공급되는 연료 가스와 공기 압축기 (3) 로부터 공급되는 압축 공기 (b) 를 함께 연소기 (2) 에서 연소시키도록, 그리고 연소시에 발생된 연소 가스 (c) 에 의해 가스 터빈 (1) 을 회전 구동시키도록 구성된 가스 터빈 장치에서, 연료 가스 공급기 (8) 는 두 개의 혼합기 (15, 16) 를 포함하고 상기 혼합기 (15, 16) 에서 비중이 가벼운 순으로 또는 비중이 무거운 순으로 제 1 가스 (Ⅰ), 제 2 가스 (Ⅱ), 및 제 3 가스 (Ⅲ) 의 세 종류의 가스를 혼합함으로써 혼합 가스를 생성하고, 그리고 상기 혼합 가스를 연료 가스로서 연소기 (2) 로 공급하도록 구성된다. 따라서, 유사한 비중을 갖는 가스들이 비중이 가벼운 순으로 혼합되는 경우와 비중이 무거운 순으로 혼합되는 경우 모두에 순차적으로 혼합된다. 이는, 제 1 가스 (Ⅰ), 제 2 가스 (Ⅱ), 및 제 3 가스 (Ⅲ) 의 세 종류의 가스가 균일하게 혼합되어 있는 혼합 가스의 생성을 가능하게 한다. 이 균일하게 혼합된 가스 (a) 가 연소기 (2) 용 연료 가스로서 사용될 때, 불균일한 연소의 발생이 방지되고 안정적인 연소가 가능해진다.
본 발명은 3 종류의 가스 (예를 들어, 부탄 가스 및 프로판 가스 등의 단일 가스 및 고로 가스 및 전로 가스 등의 여러 종류의 가스가 혼합된 가스 중의 3 종류의 가스) 를 혼합하는 경우로 한정되는 것이 아니고, 3 종류 이상의 유형의 가스 (예를 들어, 예를 들어, 부탄 가스 및 프로판 가스 등의 단일 가스 및 고로 가스 및 전로 가스 등의 여러 종류의 가스가 혼합된 가스 중의 3 종류 이상의 가스) 를 혼합하는 경우에도 적용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
실시형태 2
도 2 는 본 발명의 실시형태 2 에 따른 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다. 도 2 에서, 도 1 의 것과 동일한 구성부품은 도 1 에서와 동일한 도면 부호로 표시되고, 겹치는 상세한 설명은 생략될 것이라는 것을 알아야 한다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 실시형태 2 의 연료 가스 공급기 (8) 는 실시형태 1 (도 1) 의 연료 가스 공급기 (8) 의 것과 동일한 구성 이외에 수소/산소 센서 (31, 39), 비상 배출 밸브 (32), 제어기 (33), 및 희석 가스 혼합기 (34) 를 포함한다.
수소/산소 센서 (31) 는 제 1 혼합기 (16) 의 하류 위치에서 연료 공급 라인 (9) 에 공급되고, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출한다. 비상 배출 밸브 (32) 는 수소/산소 센서 (31) 의 하류 위치에서 연료 공급 라인 (9) 에 공급되는 3 방 밸브이다. 비상 배출 밸브 (32) 는 보통 혼합 가스가 가스 압축기 (6) 를 향해 유동하여서 혼합 가스 (a) 가 연소기 (2) 로 공급되도록 해준다. 한편, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도 및 산소 농도가 높아지는 비상시에, 비상 배출 밸브 (32) 는 유동 방향을 바꾸어서 연료 공급 라인 (9) 으로부터 혼합 가스 (a) 를 배출한다.
희석 가스 혼합기 (34) 는 팬 (36), 가스 냉각기 (37), 및 유동 조절 밸브 (38) 가 상류로부터 이 순서대로 희석 가스 공급 라인 (35) 에 배치되는 구성을 갖는다. 희석 가스 공급 라인 (35) 의 상류측은 방열 회수 보일러 (7) 의 하류 위치에서 배기 라인 (12) 에 연결되고, 희석 가스 공급 라인 (35) 의 하류측은 비상 배출 밸브 (32) 의 하류 위치에서 연료 공급 라인 (9) 에 연결된다. 따라서, 팬 (36) 이 작동할 때, 배기 라인 (12) 을 통해 유동하는 연소 가스 (배기 가스) (c) 의 일부가 희석 가스 공급 라인 (35) 안으로 도입되고, 가스 냉각기 (37) 에 의해 냉각되고, 유동 조절 밸브 (38) 에 의해 유동 조절되어서, 희석 가스로서 혼합 가스 (a) 와 혼합된다. 이때, 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도는 연료 가스 (a, 희석 가스) 의 일부에 의해 희석되어 감소되게 된다. 도시된 예에서는 연료 공급 라인 (9) 과 희석 가스 공급 라인 (35) 의 연결부가 혼합부이지만, 연결부에 혼합기가 제공되어서 혼합 가스 (a) 와 연소 가스 (배기 가스, c) 를 혼합할 수도 있다는 것을 알아야 한다. 수소/산소 센서 (39) 는, 비상 배출 밸브 (32) 의 하류에 위치되고 혼합 가스 (a) 와 연소 가스 (배기 가스, c) 가 혼합되는 연결부 (혼합부) 바로 다음의 위치와 가스 압축기 (6) 의 도입부 사이의 임의의 위치에서 연료 공급 라인 (9) 에 제공된다. 수소/산소 센서 (39) 는 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도 및 산소 농도 또는 혼합 가스 (a) 와 연소 가스 (배기 가스, c) 의 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출한다.
제어기 (33) 는, 수소/산소 센서 (31) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 (폭발 한계 미만의 설정치) 이상이 될 때 희석 가스 혼합기 (34) 가 작동하도록 한다. 즉, 제어기 (33) 는 팬 (36) 을 작동시키고 유동 조절 밸브 (38) 를 개방하여 유동 제어를 시작한다. 그 결과, 상기에 설명된 바와 같이 연소 가스 (배기 가스, c) 의 일부가 희석 가스로서 혼합 가스 (a) 와 혼합된다. 또한, 제어기 (33) 는, 수소/산소 센서 (31) 에 의해 검출된 혼합 가스 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치보다 큰 제 2 설정치 (폭발 한계 미만의 설정치) 이상이 될 때 혼합 가스 (a) 를 배출하기 위해서 비상 배출 밸브 (32) 가 작동하도록 한다 (비상 배출 밸브 (32) 의 유동 방향을 전환한다). 대안적으로, 제어기 (33) 는, 수소/산소 센서 (39) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 이상이 될 때 희석 가스 혼합기 (34) 를 작동 (팬 (36) 을 작동시키고 유동 조절 밸브 (38) 를 개방하여 유동 제어를 개시) 시킬 수도 있고, 수소/산소 센서 (39) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 2 설정치 이상이 될 때 비상 배출 밸브 (32) 를 작동시켜 (비상 배출 밸브 (32) 의 유동 방향을 전환하여) 혼합 가스 (a) 를 배출시킬 수도 있다.
제 2 실시형태의 가스 터빈 장치의 다른 구성은 실시형태 1 (도 1) 의 가스 터빈 장치의 구성과 동일하다.
실시형태 2 의 가스 터빈 장치에 따르면, 상기에 설명된 실시형태 1 과 유사한 작업 효과가 얻어질 수 있다. 추가적으로, 다음의 효과가 얻어진다. 연료 가스 공급기 (8) 는, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서 (31 또는 39), 수소 농도와 산소 농도를 희석하기 위해서 혼합 가스 (a) 안으로 희석 가스를 혼합하는 희석 가스 혼합기 (34), 및 수소/산소 센서 (31 또는 39) 에 의해 검출된 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 이상이 될 때 희석 가스 혼합기 (34) 가 혼합 가스 (a) 안으로 희석 가스를 혼합하도록 하는 제어기 (34) 를 포함한다. 따라서, 혼합 가스 (a) 중의 수소 및 산소가 방출되고 혼합 가스 (a) 에서 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생하더라도, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 이상이 되는 것을 검출할 수 있고, 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스 (a) 가 연소기 (2) 로 공급되기 전에 희석 가스로 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도를 희석하고 감소시킬 수 있다. 이렇게, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도 및 산소 농도는 농도가 폭발 한계 이하가 되도록 억제되고, 가스 터빈 장치는 안전하게 작동될 수 있다.
또한, 실시형태 2 의 가스 터빈 장치에 따르면, 희석 가스 혼합기 (8) 가 희석 가스로서 가스 터빈 (1) 으로부터 배출된 연소 가스 (배기 가스, c) 의 일부를 혼합 가스 (a) 안으로 혼합하도록 구성된다. 따라서, 연소 가스는 희석 가스로서 효과적으로 사용되고, 질소 가스 등이 필요없게 된다. 이렇게, 효과적이고 비용이 많이 들지 않는 가스 터빈 장치가 달성될 수 있다.
또한, 실시형태 2 의 가스 터빈 장치에 따르면, 연료 가스 공급기 (8) 는 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서 (31 또는 39), 수소/산소 센서 (31 또는 39) 에 의해 검출된 수소 농도와 산소 농도가 제 2 설정치 이상이 될 때 혼합 가스 (a) 를 배출하기 위해 비상 배출 밸브 (32) 가 작동하도록 하는 제어기 (33) 를 포함하도록 구성된다. 따라서, 혼합 가스 (a) 중의 수소 및 산소가 방출되고 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생하여서 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도 및 산소 농도의 증가를 야기하더라도, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 2 설정치 이상이 되는 것을 검출하고, 혼합 가스 (a) 가 연소기 (2) 로 공급되기 전에 혼합 가스 (a) 를 배출할 수 있다. 이렇게, 폭발의 위험이 감소되고, 가스 터빈 장치가 안전하게 작동될 수 있다.
또한, 실시형태 2 의 가스 터빈 장치에 따르면, 연료 가스 공급기 (8) 는 수소/산소 센서 (31) 의 하류 위치에서 비상 배출 밸브 (32) 에 의한 혼합 가스 (a) 의 배출 및 희석 가스 혼합기 (34) 에 의한 희석 가스의 혼합을 실행하도록 구성된다. 따라서, 상류측에서 수소/산소 센서 (31) 에 의해 검출된 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스 (a) 는 하류측에서 희석 가스 혼합기 (34) 에 의해 희석 가스와 확실하게 혼합되고 비상 배출 밸브 (32) 에 의해 배출될 수 있다.
또한, 실시형태 2 에 따른 가스 터빈 장치는, 혼합 가스 (a) 를 압축하고 이렇게 압축된 혼합 가스 (a) 를 연소실 (2) 로 공급하는 가스 압축기 (6) 를 포함하고, 연료 가스 공급기 (8) 는 가스 압축기 (6) 의 상류 위치에서 희석 가스 혼합기 (34) 에 의한 희석 가스의 혼합 및 비상 배출 밸브 (32) 에 의한 혼합 가스의 배출을 실행하도록 구성된다. 따라서, 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스 (a) 는 가스 압축기 (6) 안으로 유동하기 전에 혼합 가스 혼합기 (34) 에 의해 희석 가스와 혼합되고 비상 배출 밸브 (32) 에 의해 배출된다. 이렇게, 가스 압축기 (6) 를 구비한 가스 터빈 장치에서는 폭발의 위험도 확실하게 감소될 수 있다.
실시형태 3
도 3 은 본 발명의 실시형태 3 에 따른 가스 터빈 장치의 구성 다이아그램이다. 도 3 에서는, 도 1 (실시형태 1) 및 도 2 (실시형태 2) 의 것과 동일한 구성부품은 도 1 및 도 2 에서와 동일한 도면부호로 표시되고, 겹치는 상세한 설명은 생략될 것이라는 것을 알아야 한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 실시형태 3 의 연료 가스 공급기 (8) 는 실시형태 1 (도 1) 의 연료 가스 공급기 (8) 에서와 같은 동일한 구성 이외에 수소/산소 센서 (31, 39), 비상 배출 밸브 (32), 재혼합기 (41), 및 제어기 (42) 를 포함한다.
재혼합기 (41) 는 수소/산소 센서 (31) 및 비상 배출 밸브 (32) 의 하류 위치에서 연료 공급 라인 (9) 상에 배치된다. 재혼합기 (41) 는 제 2 혼합기 (16) 에서 생성된 혼합 가스 (a) 를 교반함으로써 재혼합을 실행한다. 수소/산소 센서 (39) 는 재혼합기 (41) 바로 다음의 위치와 가스 압축기 (6) 의 입구 사이의 임의의 위치에서 연료 공급 라인 (9) 에 제공되고, 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도를 검출한다. 제어기 (42) 는, 수소/산소 센서 (31) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 (폭발 한계보다 낮은 설정치) 이상이 될 때 재혼합기 (41) 를 작동시켜 혼합 가스 (a) 를 재혼합한다. 또한, 제어기 (42) 는, 수소/산소 센서 (31) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치보다 큰 제 2 설정치 (폭발 한계보다 낮은 설정치) 이상이 될 때 비상 배출 밸브 (32) 를 작동시켜 (비상 배출 밸브 (32) 의 유동 방향을 바꾸어) 혼합 가스 (a) 를 배출시킨다. 대안적으로, 제어기 (42) 는, 수소/산소 센서 (39) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 이상이 될 때 재혼합기 (41) 를 작동시켜 혼합 가스 (a) 를 재혼합할 수도 있고, 수소/산소 센서 (39) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 2 설정치 이상이 될 때 비상 배출 밸브 (32) 를 작동시켜 (비상 배출 밸브 (32) 의 유동 방향을 바꾸어) 혼합 가스 (a) 를 배출할 수도 있다.
실시형태 3 의 가스 터빈 장치의 다른 구성은 실시형태 1, 2 (도 1, 도 2) 의 가스 터빈 장치의 구성과 동일하다.
실시형태 3 의 가스 터빈 장치에 따르면, 상기에 설명된 실시형태 1 과 유사한 작업 효과가 얻어질 수 있고, 상기에 설명된 실시형태 2 의 효과와 유사한 비상 배출 밸브 (32) 의 작업 효과가 얻어질 수 있다. 이에 더하여, 다음의 효과가 얻어진다. 연료 가스 공급기 (8) 는 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도를 검출하는 산소/수소 센서 (31 또는 39), 및 수소/산소 센서 (31 또는 39) 에 의해 검출된 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도와 산소 농도가 제 1 설정치 이상이 될 때 혼합 가스 (a) 를 재혼합하기 위해서 재혼합기 (41) 를 작동시키는 제어기 (42) 를 포함하는 구성을 갖는다. 따라서, 혼합 가스 (a) 중의 수소 및 산소가 방출되고 수소 덩어리 및 산소 덩어리가 발생되더라도 (비중 분리가 발생하더라도), 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스 (a) 가 연소기 (2) 로 공급되기 전에 혼합 가스 (a) 중의 수소 농도 및 산소 농도가 제 1 설정치 이상이 되는 것을 검출할 수 있고, 혼합 가스 (a) 가 연소기 (2) 로 공급되기 전에 재혼합기 (2) 로 혼합 가스 (a) 를 교반함으로써 재혼합을 실행하여 균일한 혼합 상태를 다시 달성할 수 있다. 이렇게, 폭발 위험이 감소되고, 가스 터빈 장치가 안전하게 작동될 수 있다.
재혼합기 (41) 는, 제어기 (42) 가 재혼합기 (41) 를 상기에 설명된 바와 같이 수소/산소 센서 (31 또는 39) 의 검출 신호에 기초하여 작동시키는 경우로 한정되는 것이 아니라는 것을 알아야 한다. 대신에, 재혼합기 (41) 는 언제나 연속적으로 또는 간헐적으로 작동되도록 될 수도 있다.
또한, 실시형태 3 에 따른 가스 터빈 장치에 따르면, 연료 가스 공급기 (8) 는 수소/산소 센서 (31) 의 하류 위치에서 재혼합기 (41) 에 의한 혼합 가스 (a) 의 재혼합을 실행하도록 구성된다. 따라서, 상류측에서 수소/산소 센서 (31) 에 의해 검출된 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스 (a) 는 하류측에서 재혼합기 (41) 에 의해 확실하게 재혼합될 수 있다.
또한, 실시형태 3 의 가스 터빈 장치는 혼합 가스 (a) 를 압축하고 이렇게 압축된 혼합 가스 (a) 를 연소기 (2) 로 공급하는 가스 압축기 (6) 를 포함하고, 연료 가스 공급기 (8) 는 가스 압축기 (6) 의 상류 위치에서 재혼합기 (41) 에 의한 혼합 가스 (a) 의 재혼합을 실행하도록 구성된다. 따라서, 수소 농도와 산소 농도가 높은 혼합 가스 (a) 는 가스 압축기 (6) 안으로 유동하기 전에 재혼합기 (41) 에 의해 재혼합된다. 따라서, 가스 압축기 (6) 를 구비한 가스 터빈 장치에서도 폭발 위험이 확실하게 감소될 수 있다.
실시형태 3 의 구성은 실시형태 2 의 구성과 결합될 수도 있다는 것을 알아야 한다.
또한, 본 발명은 저칼로리 가스 연소를 위한 가스 터빈 장치뿐만 아니라 연소기용의 연료 가스로서 3 종 이상의 가스를 함께 혼합함으로써 얻어지는 혼합 가스를 사용하는 가스 터빈 장치에도 적용될 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명은 연소기용의 연료 가스로서 3 종 이상의 가스 (부탄 가스 및 프로판 가스 등의 단일 가스 및 고로 가스 및 전로 가스 등의 여러 종류의 가스가 혼합된 가스 중의 3 종 이상의 가스) 를 함께 혼합함으로써 얻어지는 혼합 가스를 이용하는 가스 터빈 장치에 관한 것이고, 예를 들어, 제철소에서 생성되는 다양한 부생 가스와 함게 혼합함으로써 얻어지는 혼합 가스가 연소기용 연료 가스로서 사용되는 경우에 적용될 때 효과적이다.
1: 가스 터빈 22: 유동 조절 밸브
2: 연소기 23: 연료 공급 라인
3: 공기 압축기 31: 수소/산소 센서
4: 발전기 32: 비상 배출 밸브
5: 스팀 터빈 33: 제어기
6: 가스 압축기 34: 희석 가스 혼합기
7: 방열 회수 보일러 35: 희석 가스 공급 라인
8: 연료 가스 공급기 36: 팬
9, 10: 연료 공급 라인 37: 가스 냉각기
11: 회전축 38: 유동 조절 밸브
12: 배기 라인 39: 수소/산소 센서
13: 스택 41: 재혼합기
14: 스팀 라인 42: 제어기
15: 제 1 혼합기 I: 제 1 가스
16: 제 2 혼합기 Ⅱ: 제 2 가스
17: 유동 조절 밸브 Ⅲ: 제 3 가스
18: 연료 공급 라인 a: 혼합 가스 (연료 가스)
19: 유동 조절 밸브 b: 압축 공기
20, 21: 연료 공급 라인 c: 연료 가스, 배기 가스
d: 공급수 e: 스팀
f: 혼합 가스 g: 외부 공기 (공기)

Claims (4)

  1. 연료 가스 공급기로부터 공급된 연료 가스를 공기 압축기로부터 공급된 압축 공기와 함께 연소실에서 연소하고, 그리고 연소시에 발생된 연소 가스에 의해 가스 터빈을 회전 구동하도록 구성된 가스 터빈 장치에 있어서,
    상기 연료 가스 공급기는 복수의 혼합기를 포함하고, 이들 혼합기에서 3 종 이상의 가스를 비중이 가벼운 순으로 또는 비중이 무거운 순으로 혼합함으로써 혼합 가스를 생성하고, 그리고 혼합 가스를 상기 연료 가스로서 연소기에 공급하도록 구성되고,
    상기 연료 가스 공급기는 상기 혼합 가스를 교반함으로써 재혼합을 실행하는 재혼합기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 장치.
  2. 1 항에 있어서, 상기 연료 가스 공급기는,
    - 혼합 가스 중의 수소 농도 및 산소 농도를 검출하는 수소/산소 센서, 및
    - 수소/산소 센서에 의해 검출된 수소 농도 및 산소 농도가 설정치 이상이 될 때 상기 재혼합기를 작동시켜 혼합 가스를 재혼합하는 제어기를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연료 가스 공급기는 수소/산소 센서의 하류 위치에서, 재혼합기에 의한 혼합 가스의 재혼합을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 가스를 압축하고 이렇게 압축된 혼합 가스를 연소기에 공급하는 가스 압축기를 더 포함하고, 상기 연료 가스 공급기는 상기 가스 압축기의 상류 위치에서, 재혼합기에 의한 혼합 가스의 재혼합을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 장치.
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