KR101514621B1 - 가스 발전 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축기 단 및 터빈 단을 가지며 축에 의해 발전기와 연결되어 있는 가스 터빈을 포함하는, 가스 발전 설비의 작동 방법에 관한 것으로서, 이때 발전기는 전동기로도 작동될 수 있도록 형성되어 있으며, 이 방법은 축의 회전 작동을 위해 전동기로서 발전기의 작동을 필요로 하고 터빈 단으로부터 나오는 가열된 가스 흐름의 동시적인 배출 및 이 가스 흐름의 열 에너지를 열교환기 유체로 전달하기 위해 제1의 열교환기로의 이 가스 흐름의 공급을 필요로 하고, 이 열교환기 유체는 축열 매체에 열 에너지를 방출하거나 직접 축열 매체로서 중간 저장할 수 있도록 형성되어 있다.

Description

가스 발전 설비{GAS POWER PLANT}

본 발명은 축에 의해 발전기와 연결되어 있는 가스 터빈을 포함하는 가스 발전 설비의 작동 방법에 관한 것이며, 이때 발전기는 전동기로도 작동될 수 있도록 형성되어 있다. 또한, 본 발명은 이와 같은 가스 발전 설비에 관한 것이다.

분산 배치된 재생가능한 발전원들에 송전하기 위해서는 공공의 송전망에서 점점 더 많은 변환이 이루어져야 하기 때문에, 수요나 전력 공급이 상당히 요동하더라도 송전망이 안정적으로 작동될 수 있도록 하기 위해, 전기 에너지의 제어 개선 또는 적절한 중간 저장의 필요성이 증가하고 있다.

특히 예컨대 압력 또는 저장 매체의 위치 에너지의 변화를 이용해 기계 에너지의 형태로 전기 에너지를 중간 저장하는 것은 특히 단기적 또는 중기적 에너지 저장에 적합하다. 이 경우, 일반적으로 공공의 송전망에서 사용할 수 있는 전기적 잉여 에너지량은 기계적 에너지 상태와 관련하여 저장 매체를 변경하는 데 사용된다. 양수 발전 설비의 경우에 예컨대 물은 적절한 이송 장치들에 의해 더 높은 위치 에너지 수준으로 올려지므로, 시차를 가지고 원래 수준으로 떨어지는 물을 이용해 터빈 및 발전기가 발전을 위해 구동될 수 있다. 전류는 공공의 송전망에 새로이 공급될 수 있으며, 무엇보다도 전류 또는 제어 필요성이 커지는 시점들에 제공될 수 있다.

그러나 종래 양수 발전 설비 기술에서 단점은 이 기술의 이용 가능성과 관련해 장소적 제한이 있다는 것이다. 그러므로 예컨대 양수 발전 설비들은 대부분의 경우에, 장소적 지형이 적절한 높이차를 가지는 곳에서만 이용될 수 있다. 이들 단점에 더하여, 많은 경우에 풍경과 자연의 외관에 바람직하지 않은 간섭 역시 걱정된다. 무엇보다도 지상에 대규모의 구조 장치를 반드시 설치해야 하기 때문에 그와 같은 단점들이 거의 억제될 수 없다.

전기 에너지를 중간 저장하기 위한 종래 기술상의 이러한 단점들 때문에 개선된 기술적 해법의 제시가 필요하였다. 특히, 본 발명의 과제는 기존의 발전 설비 기술을 이용해 공공의 송전망으로부터 전류를 적절한 형태의 저장가능한 에너지로 변경할 수 있는 방법을 제시하는 데 있다. 또한, 발전 설비들이 발전에 적합할 뿐만 아니라 적절한 형태의 저장가능한 에너지의 제공에도 적합하도록, 기존의 발전 설비 기술에 기반하여 발전 설비가 단지 적은 그리고 비용이 적게 소모되는 변경을 통해 개조될 수 있는 가능성을 제공하는 방법을 제시하는 것이 특히 바람직한 것으로 드러났다. 특히 저장 가능한 에너지의 제공 방법 역시 제시되었으며, 이 방법은 자연 및 환경에 대한 간섭이 비교적 더 적도록 하거나 이를 완전히 억제한다.

본 발명에 따르면 상기 과제는 제1항 및 제2항에 따른 방법과, 제13항 및 제14항에 따른 가스 발전 설비를 통해 해결된다.

특히 상기 과제는 압축기 단과 터빈 단을 가지며 축에 의해 발전기와 연결되어 있는 가스 터빈을 포함한 가스 발전 설비의 작동 방법을 통해 해결되고, 이때 발전기는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 이 방법은 하기의 단계들, 즉

- 축의 회전 작동을 위한 전동기로서의 발전기의 작동 단계와,

- 터빈 단으로부터 유출되는 가스 흐름의 동시적인 배출 단계와,

- 가스 흐름으로부터 열교환기 유체로 열 에너지를 전달하기 위해 제1의 열교환기에 가스 흐름을 공급하는 단계와,

- 축열기에 열교환기 유체를 공급하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 과제는 압축기 단과 터빈 단을 가지며 축에 의해 발전기와 연결되어 있는 가스 터빈을 포함한 가스 발전 설비의 작동 방법을 통해 해결되며, 이때 발전기는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 이 방법은 하기의 단계들, 즉

- 축의 회전 작동을 위한 전동기로서의 발전기의 작동 단계와,

- 터빈 단으로부터 유출되는 가스 흐름의 동시적인 배출 단계와,

- 가스 흐름으로부터 열교환기 유체로 열 에너지를 전달하기 위해 제1의 열교환기에 이 가스 흐름을 공급하는 단계와,

- 또 다른 한 단계에서 축열기에 공급되는 축열기 유체에 열교환기 유체의 열 에너지를 전달하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 과제는 가스 터빈 및 가스 라인 장치를 포함한 가스 발전 설비를 통해 해결되고, 가스 터빈은 압축기 단 및 터빈 단을 가지며 축에 의해 발전기와 연결되어 있으며, 이때 발전기는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 가스 라인 장치는 터빈 단으로부터 유출되는 가스 흐름이 배출되고 제1의 열교환기에 공급되도록 터빈 단과 상호 작용하며, 이때 열교환기는 가스 흐름으로부터 열 에너지를 추출하여, 중간 저장을 위해 축열기에 도입될 수 있는 열교환기 유체에 전달하도록 형성되어 있다.

또한, 상기 과제는 가스 터빈 및 가스 라인 장치를 포함한 가스 발전 설비를 통해 해결되고, 가스 터빈은 압축기 단 및 터빈 단을 가지며 축에 의해 발전기와 연결되어 있으며, 이때 발전기는 전동기로도 작동될 수 있도록 형성되어 있으며, 또한 가스 라인 장치는 터빈 단으로부터 유출되는 가스 흐름이 배출되고 제1의 열교환기에 공급되도록 터빈 단과 상호 작용하며, 이때 열교환기는 가스 흐름으로부터 열 에너지를 추출하여 열교환기 유체에 전달하도록 형성되어 있으며, 이 열교환기 유체는 제2의 열교환기에서 열 에너지의 적어도 일부를, 중간 저장을 위해 축열기에 도입될 수 있는 축열기 유체에 배출할 수 있다.

그러므로 본 발명에 따르면 전기 에너지가 열 에너지로 변경될 수 있다. 이런 변경은 많은 장소들에 있는 기존의 가스 발전 설비 기술에 의해 달성될 수 있으므로, 발전을 위해 제공된 발전기는 열적으로 가열된 가스 흐름을 형성하기 위해 전동기로도 작동될 수 있도록 매칭된다.

발전기는 전동기와 관련해 단지 반대의 기술 원리에 기반하기 때문에, 발전기의 매칭을 위해, 발전기가 전동기로도 작동할 수 있게 하는 단지 비교적 작고도 경제적인 변경들이 실시될 수 있다. 이 경우, 예컨대 발전기의 보호 컨셉이 수정될 수 있다. 또한, 많은 경우에 가스 터빈용 발전기들은 이들이 기동 단계에서 희망하는 최소 회전수에 도달할 때까지 전동기로서 작동될 수 있도록 형성되어 있다. 그러나 이와 같은 전동기로서의 작동은 비동기적 작동만을 보장하며, 이때 비동기적 작동은 가스 터빈의 명목 회전수를 달성하기 위해 높은 소비 전력을 제공하도록 설계된 것 역시 아니다. 열적으로 가열되는 가스 흐름의 제공은 종전의 전력 소모에서 전동기를 통한 가열 없이는 거의 불가능하였는데, 가스 터빈의 종전과 같은 작동에서 연소실 단 내 연료의 점화가 명목 회전수의 도달 전에 추가로 연소 출력을 제공하고, 즉 희망하는 압축기 유량의 달성 가능성을 보장하기 때문이다. 즉, 가스 터빈을 명목 회전수로 가져가기 위해 전동기는 이러한 정규의 작동에서 전체 출력을 제공할 필요가 없다. 그러나 이 연소 출력이 제공되지 않거나 종전 작동에서의 정도로 제공되지 않으면, 이는 전동기를 통한 추가적인 전력 소모를 필요로 하지만, 이런 목적을 위해 종전의 발전기들이 전동기로서 작동하도록 설계되어 있지는 않다.

발전기가 전동기로서 작동할 때, 공공의 송전망으로부터 추출될 수 있는 전기 에너지가 축의 회전 작동을 위해 사용된다. 이것은 다시 가스 터빈에 포함된 터빈 단 및 압축기 단을 구동하며 그 결과 가스 터빈을 통한 가스 흐름을 보장하고, 이 가스 흐름은 가스 터빈의 발전 작동 시 흐름과 같이 배향된다. 그러나 가스 터빈의 발전 작동 때와 다르게, 본 발명에 따른 작동에서는 발전이 이루어지지 않고, 단지 전기 에너지가 적절한 형태의 저장가능한 에너지로 변환된다. 즉 전류가 소비된다. 또한, 이런 전류 소비는 가스 터빈의 축, 압축기 및 터빈의 관성이 크기 때문에 주파수를 안정화하는 방식으로 공공의 송전망의 네트워크 주파수에 작용한다. 그런 점에서 더 작은 네트워크 요동이 역시 적절한 방식으로 보상될 수 있는 반면, 동시에 전기 에너지가 공공의 송전망에서 인출된다.

가스 터빈을 이용해 열 에너지를 발생하기 위해 본 발명에 따라 발전기를 작동하는 경우, 우선 공기가 주위로부터 압축기 단 안으로 흡입되므로, 이 공기가 압축되고 이에 따라 적어도 부분적으로 그와 같이 압축된 공기가 단열 가열될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따라 발전기를 전동기로서 작동할 때, 상대적으로 더 따뜻한 공기가 압축기 단으로부터 나와 연소실 단 및 터빈 단을 지나간다. 터빈 단으로부터 나오는 경우 가스는 원하는 방식으로 배출될 수 있으며, 이의 열 에너지는 적절한 안내 후 열적 상호 작용을 통해 제1의 열교환기에서 열교환기 유체로 전달될 수 있다. 이 열교환기 유체는 시간적으로 이후의 또 다른 사용을 위해, 예컨대 공공의 송전망에서 전력 수요가 커지면 역송전하기 위해, 축열기에 저장될 수 있다. 대안으로서 가스 발전 설비는 열교환기 유체가 자신의 열 에너지를 제2의 열교환기 내 축열기 유체에 전달될 수 있게 형성될 수도 있으며, 이 축열기 유체 역시 마찬가지로 축열기에 저장된다. 이처럼, 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체의 열 에너지가 더 나중 시점에 또 다른 열 응용에도 제공된다. 특히 유리하게는 이와 같은 응용들은 공공의 송전망의 전류가 상대적으로 비쌀 때 이루어진다.

이 경우 유의할 점은 이 축열기는 증기 터빈의 작동을 위해 증기를 발생하도록 제공되는 기존의 증기 발생기 유닛에 포함되어 있지 않은 부품이라는 것이다. 오히려 이 축열기는 종전의 가스 및 증기 발전 설비에 포함되어 있지 않은 추가 부품이다.

또 유의할 점은 가열된 공기가 터빈 단으로부터 배출되고 가스 터빈 자체의 어떤 구조적 변경도 필요하지 않는다는 것이다. 특히, 압축에 의해 가열된 공기를 배출하여야 하는 추가의 배출부들이 제공되지 않는다.

이 경우 가스 발전 설비의 개념은 광의로 이해될 수 있다. 특히 가스 발전 설비는 가스 터빈의 연도 가스의 폐열을 이용해 증기 터빈을 작동하는 복합식 가스 및 증기 발전 설비이다. 또한, 외부 증기 발전 설비에 열을 공급하는 가스 발전 설비 역시 이에 포함되어 있다. 마찬가지로 가스 발전 설비는 발전을 위해 가스 터빈을 가지는 대규모의 공정 기술 응용이다.

가스 발전 설비의 작동을 위한 본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 일 실시예에 따르면 발전기는 잉여 전류에 의해 전동기로서 작동될 수 있다. 이 잉여 전류가 때로는 무료로 또는 비용을 지불하고 공공의 송전망으로부터 인출될 수 있기 때문에, 전동기로서 발전기의 작동은 매우 경제적으로 이루어질 수 있다. 더 나아가서 가스 터빈은 공공의 송전망에 잉여 전류가 제공되는 시간에는 일반적으로 발전에 이용되지 않기 때문에, 전동기로서 발전기의 실시예에 따른 작동은 경제적인 관점들에서 특히 적합하다.

본 발명에 따른 방법의 그외 바람직한 일 실시예에 따르면 발전기는 회전수가 가변적일 때 전동기로서 작동된다. 이와 같은 작동은 다른 양의 전기 에너지를 송전망으로부터 인출할 수 있게 하고, 이에 따라 적절한 방식으로 사용가능한 잉여 전류의 양에 매칭될 수 있다. 또한, 가변적인 작동은 압축 성능이 달라 온도들이 다른 가스 흐름의 제공도 가능하게 한다. 그 결과, 상응하는 온도 선택 후 이 가스 흐름은 자신의 열 함량과 관련해 응용 요건들에 매칭될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 그외 일 실시예에 따르면 발전기는 전동기로서 작동될 수 있으므로, 가스 흐름은 적어도 100℃의 온도, 바람직하게는 적어도 150℃의 온도, 아주 특히 바람직하게는 적어도 300℃의 온도를 갖는다. 이 경우, 전동기 출력 또는 회전수는 상응하게 가스 흐름의 온도에 맞게 매칭될 수 있다. 압축기 유량이 더 커지고 이에 따라 압축기 최종 압력이 더 높아지면 전동기의 압축 비율 역시 강화되기 때문에, 이와 같은 작동 조건들에서 종종 더 높은 열량이 더 높은 온도에서 가스 흐름에 전달될 수 있다. 이는 특히 유리하게는 열 에너지를 회수하기 위한 온도 제어 방법 또는 이와 같은 방법의 온도 제어 단계들에서 유리하게 나타난다. 압축 시 가스 터빈에서 점화 없이 온도 수준이 120℃와 200℃ 사이에서 예상되면, 점화가 적절할 경우에는 200℃를 초과하는, 특히 300℃도 초과하는 더 높은 온도 수준 역시 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 그외 바람직한 일 실시예에 따르면 가스 흐름을 통해 열 에너지를 배출하기 위해 발전기가 전동기로서 작동하는 동안 가스 터빈에 연료가 제공되지 않는다. 즉, 가스 터빈에서 가스 흐름에 대한 열 에너지의 전달은 단지 가스 흐름이 가스 터빈의 압축기 단에서 받는 압축에 기인한다. 이에 형성된 압축 비율에 상응하게 가스 흐름의 온도 수준은 다소 증가한다. 실시예에 따르면 열 에너지를 가스 흐름에 전달하기 위해 연료가 필요하지 않으므로, 특히 경제적인 방법이 얻어진다.

본 발명에 따른 방법의 대안적 일 실시예에 따르면 가스 흐름을 통해 열 에너지를 배출하기 위해 발전기가 전동기로서 작동하는 동안 연료가 정규의 발전 작동에서 가스 터빈에 제공되는 양보다 더 적은 양으로 가스 터빈에 제공되며, 이 연료는 가스 터빈 안에서 열 에너지의 발생을 위해 연소된다. 예컨대 압축기 단에서의 압축 비율이 가스 흐름의 미리 정해진 온도 수준을 달성하기에 충분하지 않으면, 가스 터빈 내 가스 흐름에 연료가 제공될 수 있으며, 그 후 연료는 점화를 통해 연소된다. 이런 연소는 가스 흐름에 전달되는 열 에너지를 제공하는 데 이용된다.

그러나 가스 흐름에의 연료의 공급과, 실시예에 따라 발전을 위한 가스 터빈의 정규 작동의 다른 점은 종래 작동에서만큼 열 에너지가 가스 터빈 내 터빈 단의 작동을 위해 제공되지 않는다는 것이다. 열 에너지는 한편으로 터빈 단의 정규 작동을 일반적으로 불가능하게 하는 수준으로 가스 흐름의 열 에너지 함량을 높이는 데 이용된다. 다른 한편으로 연소실에서 연료, 예컨대 천연 가스의 점화는 터빈 단 내 열 출력의 배출도 가능하게 하므로, 터빈 단의 기계적 구동이 달성되지만, 이것은 정규의 작동에서보다 더 작다. 그런 점에서 연료 공급의 적절한 조정 및 이의 연소를 통해 전동기는 전력 소모와 관련한 부담이 경감되고 제어될 수 있다. 이 경우 발전을 위한 종전 작동과 비교할 때보다 더 적은 양의 연료가 필요하다. 즉, 실시예에 따르면 가스 흐름의 온도 또는 열 에너지 함량은 바람직하게 증가할 수 있다.

이 방법의 일 개선점에 따르면 전동기로서 발전기의 작동은 가스 흐름을 통해 열 에너지를 배출하기 위해 한 시간 이하의, 바람직하게는 반시간이하의 시간 지연을 포함하는 정규의 발전 작동에서의 발전기의 작동을 따를 수 있다. 이 경우 정규의 작동은 전부하 작동을 의미한다. 그런 점에서 발전 시 전부하와 송전망으로부터 전기 추출을 위한 작동 사이에 상대적으로 짧은 변경 역시 발생 열의 저장과 동시에 달성될 수 있다. 제시된 브리징 타임은 일반적으로 발전을 위한 가스 터빈의 차단 시 열적 평형에 이용된다. 특히 예컨대 전부하에서 전류를 소비하는 작동으로의 부하 변경이 너무 빠르더라도 가스 발전 설비에서 열 손상을 두려워할 필요가 없도록 하기 위해, 이와 같은 종류의 브리징 타임이 필요하다.

본 발명의 특히 바람직한 일 실시예에 상응하게 또 다른 한 단계에서 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체가 축열기로부터 추출되고, 추출된 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체는 프로세스 증기로서 또는 프로세스 증기의 처리를 위해 증기 응용에 공급된다. 이와 같은 증기 응용은 바람직하게는 프로세스 증기가 제공되는 물-증기-순환 회로로부터 증기를 산업 공정에 제공하는 데 이용된다.

본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 상응하게 또 다른 한 단계에서 축열기로부터 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체는 증기 터빈의 작동을 위해 물-증기-순환 회로 내 급수의 열적 조절을 위해 제공된다. 이를 위해 급수는 열전달을 통해 예열을 위해 그리고/또는 증발을 위해 열적으로 조절된다. 열적 조절의 그외 단계들, 특히 급수의 증기의 과열이 일반적으로 그 다음에 이어진다. 이 경우 급수는 응축수라는 맥락에서 이해되며, 이것은 예컨대 외부 증기 발전 설비에서 외부 증기 공정에 공급하기 위해 제공된 급수라는 종전 맥락에서처럼 결합된 가스 및 증기 발전 설비 공정에서 발생한다.

다른 일 실시예에 따르면 또 다른 한 단계에서 축열기로부터 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체가 정규의 발전 작동에서 가스 터빈의 유입 공기의 조절을 위해 제공된다. 이와 같은 조절은 일반적으로 유입 공기 조절기에 의해 이루어지고, 이 유입 공기 조절기는 압축기 단의 흡입 영역에 배치되어 있다. 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체로부터 적절한 열전달을 통해 유입 공기가 가열될 수 있으므로, 특히 부분 부하에서 가스 터빈의 효율적인 작동이 달성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 또 다른 한 단계에서 축열기로부터 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체가 지역 난방 네트워크 안으로 도입된다.

가스 발전 설비의 제1의 바람직한 실시예에 따르면 하나 이상의 재가열기 단이 포함되어 있으며, 이 재가열기 단은 가스 터빈에 대해 하류에서 그리고 제1의 열교환기에 대해 상류에서 가스 흐름과 상호 작용하므로, 열 에너지가 추가로 가스 흐름에 제공될 수 있다. 즉, 실시예에 따라 가스 흐름의 온도 수준이 상승될 수 있으므로, 재가열기 단으로부터 가스 흐름에 그외 열 에너지가 제공된다. 그 결과, 제1의 열교환기에서 더 높은 온도 수준과 이에 따라 더 많은 열량이 제공되고, 이 열량은 열교환기 유체에 전달될 수 있다. 그러므로 열적으로 조정되는 열교환기 유체의 공급을 필요로 하는 모든 그외 응용들이, 더 높은 에너지 함량 또는 더 많은 열량으로 작동될 수 있다. 이는 특히 이들 응용의 효율에 유리하게 작용할 수 있다.

이 실시예의 바람직한 일 개선점에 따르면 재가열기 단은 연소 공정을 통해 열 에너지를 제공할 수 있고, 이 연소 공정은 특히 천연 가스를 공급받는 연소 공정이다. 특히 바람직하게는 천연 가스가 연료 탱크로부터 추출될 수 있으며, 이것은 가스 터빈에 연료를 제공하는 데에도 이용된다. 또한, 천연 가스는 예컨대 석유에 비해 비교적 환경 친화적인, 연소 시 효율은 더 높고 잔류물은 더 적은 에너지 원이다. 그러므로 본 실시예는 특히 생태 친화적인 것으로 나타난다. 또한, 가스 터빈에 공급하기 위해서도 제공되는 동일한 연료 탱크로부터 추출 시에 연료의 그외 어떤 제공도 필요하지 않다.

또한, 제1의 열교환기에서 열전달이, 열교환기 유체를 열적으로 증기로 또는 과열되고, 가압된 유체로 변경할 만큼 충분히 크면 유리할 수 있으며, 열교환기 유체는 바람직하게는 축열기에서 압력 하에 저장될 수 있다. 특히 열교환기 유체는 물이고 과열된 형태로 저장된다. 이 물은 결과적으로 사용을 위해 증기 발전 설비 내 증기 공정에 제공될 수 있다. 대안으로서 축열기 유체 역시 열교환기 유체 대신에 이 과제를 충족할 수 있다.

특히 바람직한 일 실시예에 따르면 열교환기 유체는 물이다. 이것은 예컨대 증기 순환 회로에 포함될 수 있다. 이와 같은 증기 순환 회로는 예컨대 증기 터빈을 이용해 발전하는 데 특히 적합하다. 그 결과, 열교환기 유체에 포함된 열 에너지는 효율적인 발전 공정에 제공될 수 있으며, 이러한 발전 공정은 무엇보다도 시간적으로 지연되어 생산된 전기 역시 공공의 송전망에 공급될 수 있다. 마찬가지로 이를 위해 열교환기 유체 대신에 축열기 유체가 적합하다.

본 발명의 그외 일 실시예에 따르면 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체는 정규의 발전 작동 시에 가스 터빈을 통해 압축기 단 안으로 흡입되는 유입 공기의 예열을 위해 형성되어 있는 유입 공기 조절기에 공급될 수 있다. 유입 공기의 예열을 통해 연소 공정은 더 효율적으로 이루어질 수 있다. 또한, 물론 더 적은 연소 잔류물, 특히 더 적은 고체 연소 잔류물이 연소 과정에서 발생된다. 그 결과, 한편으로 연소 과정의 효율이 증가하고 다른 한편으로는 잔류물과 관련한 연소 공기에 대한 연소 과정의 영향 역시 개선된다.

본 발명에 따른 가스 발전 설비의 바람직한 일 실시예에 따르면 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체가 제3의 열교환기에 제공될 수 있으므로, 이것은 증기 터빈의 작동을 위해 증기 공정에서 급수를 예열하도록 형성되어 있다. 따라서 급수의 열 에너지 함량은 적절한 방식으로 증가되므로, 후속 발전 공정이 증기 터빈에 의해 더 효율적으로 이루어질 수 있다.

그외 바람직한 일 실시예에 따르면 열교환기 유체 및/또는 축열기 유체는 지역 난방 네트워크와 열 및/또는 유체 연결되어 있다. 그 결과, 가스 터빈에 의해 제공되는 열은 손실 없이 직접 최종 소비자에게 안내될 수 있다.

하기에서 여러 도면들을 참고하여 본 발명을 예시적으로 설명한다. 이 경우 유의할 점은 도면들은 예시적일 뿐이며 도시된 실시예의 구체화와 관련해 어떤 제한도 표현하고 있지 않다. 또한, 도면들에 도시된 개별 특징들은 자체로 단독으로 및 도면들에 도시된 다른 특징들과 결합하여 청구되었다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 발전 설비의 제1의 실시예에 관한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 발전 설비의 제2의 실시예에 관한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 발전 설비의 제3의 실시예에 관한 도로서, 역시 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 관한 흐름도이다.

도 1에는 본 발명에 따른 가스 발전 설비(1)의 제1의 실시예에 관한 개략도가 도시되어 있다. 이 경우, 가스 발전 설비(1)는 가스 터빈(10)을 포함하며, 가스 터빈은 압축기 단(11), 연소실 단(12) 및 터빈 단(13)을 가지고 있다. 가스 터빈(10)은 축(15)에 의해 발전기(14)와 연결되어 있다. 본 발명에 따르면 발전기(14)는 전동기로서도 작동하는 데 적합하다. 따라서 가스 터빈(10)은 정규의 발전 공정에서 뿐 아니라 열의 제공만을 위해 제공된, 전기 에너지를 소비하는 공정에서도 작동될 수 있다.

단지 전기 에너지를 소비하며 열을 제공하는 데 적합한 공정에서 발전기(14)가 전동기로서 작동되고, 이때 유입 공기가 압축기 단(11) 안으로 흡입되어 가스 흐름(16)을 형성하고, 이 가스 흐름은 연소실 단(12)을 통해 나오지만 정규의 작동에서 가스 흐름(16)에 첨가되는 양만큼 연료와 혼합될 필요가 없다. 특히 연료가 가스 흐름(16)에 첨가되지 않는다. 가스 흐름(16)은 열 함량에 대한 유체 동역학적 압축을 통해 압축기 단(11)에서 압축되기 때문에 증가한다. 또한, 가스 흐름(16)은 터빈 단(13) 안으로 유입되어 이를 통과한다. 이때, 발전을 위해 제공되는 정규의 공정에서보다 훨씬 더 적은 범위에서 가스 흐름(16)은 에너지를 터빈에 배출한다. 일반적으로 이 가스 흐름은 터빈에서 에너지 손실 때문에 자신의 온도 수준을 거의 변경하지 않는다. 터빈 단(13)에서 나온 후, 가스 흐름(16)은 가스 라인 장치(20) 안으로 유입되고 적절한 방식으로 제1의 열교환기(30) 쪽으로 유도되고, 여기에서 열 에너지가 가스 흐름(16)으로부터 (이 경우 도시되지 않은) 열교환기 유체(31)에 배출된다.

필요할 때 가스 흐름(16)의 온도 수준을 높이기 위해, 가스 터빈(10)과 제1의 열교환기(30) 사이에 재가열기 단(40)이 제공될 수 있으며, 이 재가열기 단은 추가로 열 에너지를 가스 흐름(16)에 제공하는 데 적합하다. 바람직한 일 실시예에 따르면 재가열기 단(40)에 천연 가스 공급 라인(45)을 통해 연료로서 천연 가스가 공급될 수 있고, 연소 공정에서 연소열은 재가열기 단(40)을 통해 가스 흐름(16)에 배출될 수 있다. 그 결과, 제1의 열교환기(30)에 충분한 열 에너지의 공급이 보장될 수 있다.

실시예에 따르면 제1의 열교환기(30)는 열교환기 유체(31)의 순환 회로와 열적으로 상호 작용 연결되어 있다.

가스 흐름(16)의 온도 수준에 따라, 열교환기 유체(31)의 상전이를 야기하는 온도들이 달성될 수 있다. 특히 열교환기 유체(31)에 충분히 열을 공급할 때 축열기 유체는 증기상 또는 기상으로 바뀔 수 있다. 마찬가지로, 이것이 가압되어 과열될 수도 있으며, 이때 액상은 유지된다. 열교환기 유체(31)는 실시예에 따라 증기로서 증기 라인(32)에 의해 순환 회로에서 분리될 수 있으므로, 이것은 또 다른 증기 기술 적용예에 제공될 수 있다.

또, 제2의 열교환기(35)에서 펌프(37)를 통해 유체 동역학 방식으로 작동되는 열 순환 회로로부터 열교환기 유체(31)의 열 에너지를 (이 경우 도시되지 않은) 축열기 유체(36)에 전달할 수 있고, 이 축열기 유체는 예컨대 축열기(50) 안에 중간 저장될 수 있다. 그러므로 추후 사용을 위해 축열기(50) 안에 저장되도록, 축열기 유체(36)는 제2의 열교환기(35)에서 열 에너지를 흡수한다. 대안적 일 실시예에 상응하게 열교환기 유체(31) 역시 추후 사용을 위한 축열기(50)에 저장될 수 있다.

필요하면, 예컨대 축열기 유체(36)는 다시 축열기(50)로부터 추출 라인(56)에 의해 추출될 수 있다. 바람직하게는 예컨대 축열기 유체(36)가 지역 난방 라인에 공급하기 위해 추출될 수 있다. 축열기(50)로부터 축열기 유체(36)를 직접 추출하는 것에 대한 대안으로서 제3의 열교환기(60)를 통한 열 에너지의 추출 역시 달성될 수 있다. 이 경우, 열교환기(60)는 미리 정해진 열적 적용예에 맞게 매칭될 수 있다. 이는 예컨대 급수의 예열 또는 프로세스 액체의 예열뿐만 아니라 프로세스 가스의 예열이 될 수도 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 가스 발전 설비(1)의 그외 일 실시예가 도시되어 있으며, 이 실시예가 도 1에 도시된 실시예와 다른 점은 단지 가스 라인 장치(20)가 증기 발생기 유닛(71)을 갖는다는 것이다. 증기 발생기 유닛(71)은 가스 라인 장치(20)에서 바람직하게는 재가열기 단(40)과 가스 터빈(10) 사이에 제공된다. 증기 발생기 유닛(71)은 가스 터빈(10)의 정규의 발전 작동 동안 증기 발생에 사용되고, 이와 같이 발생된 증기는 구동을 위해 증기 터빈(70)에 제공될 수 있다. 실시예에 따른 개선은 제3의 열교환기(60)에 의해 열 에너지를 제공함으로써 달성되며, 이 열교환기는 축열기(50)로부터 그 안에 저장된, 축열기 유체(36)의 에너지를 추출한다. 이와 같이 하여 증기 발생기 유닛(71)에 열 또는 예열된 유체(예컨대 물)가 공급될 수 있으며, 그 때문에 결과적으로 미리 정해진 온도 수준으로 상승되도록 하기 위해, 실시예에 따른 예열을 실행하지 않는 가스 발전 설비에서보다 더 적은 열전달이 증기 발생기 유닛(71)에서 필요하다. 이 경우, 증기 발생기 유닛(71)은 그외의 예열기 단들을 가질 수 있거나 또는 단지 하나의 증기 발생기나 과열기를 가질 수도 있다.

특히 유리하게는 가스 터빈(10)이 정지 상태에서 작동 상태로 넘어가면, 증기 발생기 유닛(71)에 공급되는 유체(예컨대 물)의 예열이 실시된다. 가스 터빈의 기동 시점에, 증기 발생기 유닛(71)에 제공된 유체가 더 높은 온도 수준에 있으면, 증기 발생점은 상대적으로 더 이른 시점에 진입된다. 그러므로 증기 터빈(70) 역시 상대적으로 더 이른 시점에 발전에 이용될 수 있다. 그 결과, 증기 터빈(70)의 작동을 위한 기동 시간이 단축될 수 있다.

도 2에 도시되지 않은 대안적인 일 실시예에 따르면, 증기 발생기 유닛(71)에 공급되는 유체에 열 에너지를 전달하는 것은 제2의 열교환기(35)에 의해 이루어질 수 있다.

도 3에는 본 발명에 따른 가스 발전 설비(1)의 그외 일 실시예가 도시되어 있으며, 단지 이 실시예가 도 1에 도시된 실시예와 다른 점은 제3의 열교환기(60)에 의해 열 에너지가 축열기(50)로부터 추출될 수 있다는 것이며, 이때 이 에너지는 유입 공기 조절기(62)에 공급되고, 유입 공기 조절기는 가스 터빈(10)의 정규의 발전 작동 시 압축기 단(11) 안으로 흡입되는 유입 공기를 예열하도록 형성되어 있다.

도 4에는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 표현하는 흐름도가 도시되어 있다. 이 경우, 제1의 단계에서, 주위 온도에 비해 상승된 온도 수준을 갖는 가스 흐름(16)을 형성하도록 발전기(10)는 전동기로서 작동된다. 동시에 제2의 단계에서는 터빈 단(13)으로부터 유출되는, 상승된 열 에너지 수준을 가지는 가스 흐름(16)이 배출되고, 즉 원하는 방향으로 안내된다. 그 후, 가스 흐름(16)은 열 에너지의 적어도 일부를 열교환기 유체(31)에 전달하기 위해 제1의 열교환기(30)에 공급된다. 그 후, 이것은 실시예에 따라 추후 사용을 위해 축열기(50)에 중간 저장될 수 있다. 그러나 대안으로서 이 열 에너지 역시 제2의 열교환기(35)에서 도시되지 않은 축열기 유체(36)에 전달될 수 있으며, 이때 축열기 유체는 마찬가지로 중간 저장을 위해 축열기(50) 내에 제공될 수 있다.

본 발명의 그외 실시예들은 종속항들로부터 도출된다.

Claims (17)

1. 압축기 단(11)과 터빈 단(13)을 가지며 축(15)에 의해 발전기(14)와 연결되어 있는 가스 터빈(10)을 포함하는 가스 발전 설비(1)의 작동 방법이며, 이때 발전기(14)는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 상기 방법은 하기의 단계들, 즉
   - 축(15)의 회전 작동을 위한 전동기로서의 발전기(14)의 작동 단계와,
   - 터빈 단(11)으로부터 유출되는 가스 흐름(16)의 동시적인 배출 단계와,
   - 열 에너지를 가스 흐름(16)으로부터 열교환기 유체(31)로 전달하기 위해 제1의 열교환기(30)에 가스 흐름(16)을 공급하는 단계와,
   - 축열기(50)에 열교환기 유체(31)를 공급하는 단계를 포함하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
2. 압축기 단(11)과 터빈 단(13)을 가지며 축(15)에 의해 발전기(14)와 연결되어 있는 가스 터빈(10)을 포함하는 가스 발전 설비(1)의 작동 방법이며, 이때 발전기(14)는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 상기 방법은 하기의 단계들, 즉
   - 축(15)의 회전 작동을 위한 전동기로서의 발전기(14)의 작동 단계와,
   - 터빈 단(11)으로부터 유출되는 가스 흐름(16)의 동시적인 배출 단계와,
   - 열 에너지를 가스 흐름(16)으로부터 열교환기 유체(31)로 전달하기 위해 제1의 열교환기(30)에 가스 흐름(16)을 공급하는 단계와,
   - 또 다른 한 단계에서 축열기(50)에 공급되는 축열기 유체(36)에 열교환기 유체(31)의 열 에너지를 전달하는 단계를 포함하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 발전기(14)는 잉여 전류에 의해 전동기로서 작동되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 발전기(14)는 전동기로서 가변 회전수에서 작동되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 발전기(14)는 전동기로서, 가스 흐름(16)이 적어도 100℃의 온도를 갖도록 작동되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 흐름(16)을 통해 열 에너지를 배출하기 위해 발전기(14)가 전동기로서 작동하는 동안 가스 터빈(10)에 연료가 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 흐름(16)을 통해 열 에너지를 배출하기 위해 발전기(14)가 전동기로서 작동하는 동안, 정규의 발전 작동에서 가스 터빈(10)에 공급되는 양보다 더 적은 양으로 가스 터빈(10)에 연료가 공급되며, 연료는 가스 터빈(10)에서 열 에너지의 발생을 위해 연소되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 흐름(16)을 통해 열 에너지를 배출하기 위해 전동기로서 발전기(14)의 작동은 한 시간이하의 시간 지연을 갖는 정규의 발전 작동에서 발전기(14)의 작동을 따르는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또 다른 한 단계에서 축열기(50)로부터 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두는 프로세스 증기로서 또는 프로세스 증기의 처리를 위해 증기 응용에 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또 다른 한 단계에서 축열기(50)로부터 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두는 증기 터빈(70)의 작동을 위해 물-증기-순환 회로에서 급수의 열적 조절을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또 다른 한 단계에서 축열기(50)로부터 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두는 정규의 발전 작동에서 가스 터빈(10)의 유입 공기의 열적 조절을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또 다른 한 단계에서 축열기(50)로부터 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두의 추출이 이루어지고, 추출된 열교환기 유체(31)와 축열기 유체(36) 중 어느 하나 또는 이 두 유체 모두는 지역 난방 네트워크 안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비의 작동 방법.
13. 가스 터빈(10)과 가스 라인 장치(20)를 포함하는 가스 발전 설비(1)로서, 가스 터빈은 압축기 단(11)과 터빈 단(13)을 가지며 축(15)에 의해 발전기(14)와 연결되어 있으며, 이때 발전기(14)는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 가스 라인 장치는 터빈 단(13)으로부터 유출되는 가스 흐름(16)이 배출되고 제1의 열교환기(30)에 공급되도록 터빈 단(13)과 상호 작용하며, 열교환기(30)는 가스 흐름(16)으로부터 열 에너지를 추출하여, 중간 저장을 위해 축열기(50)에 도입될 수 있는 열교환기 유체(31)에 전달하도록 형성되어 있는 가스 발전 설비.
14. 가스 터빈(10)과 가스 라인 장치(20)를 포함하는 가스 발전 설비(1)로서, 가스 터빈은 압축기 단(11)과 터빈 단(13)을 가지며 축(15)에 의해 발전기(14)와 연결되어 있으며, 이때 발전기(14)는 전동기로도 작동될 수 있게 형성되어 있으며, 가스 라인 장치는 터빈 단(13)으로부터 유출되는 가스 흐름(16)이 배출되고 제1의 열교환기(30)에 공급되도록 터빈 단(13)과 상호 작용하며, 열교환기(30)는 가스 흐름(16)으로부터 열 에너지를 추출하여, 열교환기 유체(31)에 전달하도록 형성되어 있으며, 상기 열교환기 유체는 제2의 열교환기(35)에서 열 에너지의 적어도 일부를, 중간 저장을 위해 축열기(50)에 도입될 수 있는 축열기 유체(31)에 배출할 수 있는 가스 발전 설비.
15. 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 재가열기 단(40)이 포함되어 있으며, 상기 재가열기 단은 가스 터빈(10)과 관련해 하류에서 그리고 제1의 열교환기(30)와 관련해 상류에서 가스 흐름(16)과 상호 작용하므로, 열 에너지가 추가로 가스 흐름(16)에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비.
16. 제15항에 있어서, 재가열기 단(40)은 연소 공정을 통해 열 에너지를 제공하는 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비.
17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 열교환기 유체(31)는 물인 것을 특징으로 하는 가스 발전 설비.

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