KR101563529B1 - 발전소 및 발전소의 작동 방법 - Google Patents

Abstract

화석 연료 화력 발전소(PP)는 응축물 정지에 의해서 그리고 선택적으로 간접 발화에 의해서 개선된 동적 응답을 제공할 수 있다. 수증기 사이클을 갖는 발전소(PP)는 증기 터빈들(7-10)로부터 추출된 증기와 열교환함으로써 예열을 위해 직렬로 배열된 6개의 예열기들(21-26)을 포함한다. 증기 추출 라인들(23'-26')은 추출 증기 유동을 정지시킬 수 있는 신속-작동 밸브들(23"-26")을 구비하고, 그에 의해서 터빈들을 통하여 유동하는 추가의 증기 유동은 10초의 단시간 내에 10%까지 큰 부하 증가를 가능하게 한다. 석탄-화력 발전소(PP)의 경우에, 발전소(PP)는 보일러(1)로의 석탄 공급 비율 및 발화 비율의 신속한 증가를 가능하게 하는 분쇄 석탄을 위한 공급 사일로(45)를 포함한다. 이는 긴 시간 주기에 걸쳐 부하 증가가 유지될 수 있게 한다.

Description

발전소 및 발전소의 작동 방법{POWER PLANT AND METHOD OF OPERATING A POWER PLANT}

본 발명은 증기 생성 유닛, 증기 터빈 및 수증기 사이클을 포함하는 발전소에 관한 것으로서, 특히 동적 응답(dynamic response)을 위하여 설계되는 이러한 유형의 발전소에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 발전소의 작동 방법에 관한 것이다.

발전소들은 이들이 그리드(grid)에서 전기 에너지의 수요에 대응하는 전력을 제공하도록 작동 및 조절되고 있다. 예로서 대규모의 사용자들에게 대형 발전 사업자의 실책 또는 과부하로 인한 전송 라인 고장, 파손 또는 단전 등이 추가되거나 또는 정지될 때, 수요의 크기 변화가 발생할 수 있다. 전기 수요 또는 공급에서의 큰 변화는 통상적으로 교류-주파수의 변화를 유발한다. 이 주파수 변화를 보상하기 위하여, 발전소들은 주파수의 변화들이 검출될 때 전기 에너지의 수요의 변화들에 응답하는 능력인 동적 응답을 제공하고 요구되는 전기 에너지 및 제공되는 전기 에너지 사이의 균형을 제공하도록 설계된다.

그리드로부터 인출된 에너지의 변화들은 크기가 클 뿐 아니라 수초 만큼 짧은 시간 주기 내에 있을 만큼 급격할 수 있다. 다수의 대형 사용자들이 그 수요량을 변경하거나 또는 동일 그리드에 연결된 다른 제공자들이 그들의 서비스를 감소 또는 중단시킬 때, 상기 에너지 변화들이 발생할 수 있다. 동적 응답은 단시간 내에 여전히 그리드에 연결되어 있는 발전소들의 부하 변화를 제공함으로써 주파수 변화들에 반응할 수 있어야 한다.

여러 국가들에서 그리드 코드(grid code)들은 발전소들이 급격한 주파수 변화가 발생할 때 임의의 시간 틀 내에 최소 부하 응답을 발생시킬 수 있어야 한다는 것을 요구함으로써 설정된다. 이러한 그리드 코드는 예로서 대영 국가 그리드에 대해서 주어진다. 국제 그리드 송전 피엘씨(National Grid Electricity Transmission plc)에 의해서 "그리드 코드", 이슈 4에서 언급된 바와 같이, 이는 공칭 전력의 65 내지 90%에서 작동하는 발전소가 10 초내에 공칭 전력의 10% 만큼 발생된 전력을 증가시킬 수 있어야 한다는 것을 요구하고 있다. 그러나, 많은 발전소들은 그들의 시스템 반응 시간이 너무 길고 그리고/또는 그 부하 변화들이 진폭이 너무 작기 때문에 그러한 요구를 충족시킬 수 없다.

부하 변화들에 의해서 주파수 응답을 제공하는 여러 방법들이 종래에 공지되어 있다. 예로서, 터빈에 분사된 생증기(live steam)는 제어 휠과 함께 고압 증기 입구의 밸브들에 의해서 조절된다. 이 방법은 부분-부하 동작 중에 플랜트 효율의 최적화를 가능하게 하는 부분 증기 분사를 허용한다. 이는 발전소의 임의의 전력 레벨들까지 연속적인 것으로 입증되었다. 이들 전력 레벨들 위에서 제어 휠들은 더이상 신뢰할 수 없다. 더욱 큰 전력의 발전소들은 대형 제어 휠을 필요로 한다. 그러나, 제어 휠의 블레이드의 길이는 슈퍼 임계 압력들에서 발생할 수 있는 피로 응력들로 인하여 제한된다.

다른 방법들에서, 터빈을 통해 유동하는 증기는 증가되고 그에 의해서 부하 증가를 제공한다.

제 1 방법에서, 고압 스로틀 밸브를 개방하면 고압 터빈으로 진입하는 생증기 유동을 증가시킨다. 그러나, 중간 압력 스테이지에서 증기 유동 특징들, 즉 온도 및 압력은 단지 고압 스로틀의 개방후 긴 1분 후에만 조정된다. 따라서, 큰 부하 변화들은 짧은 시간 내에 상기 방법에 의해서 수용될 수 없다.

다른 방법에서, 종종 응축물 정지로 기술되는, 증기 터빈으로부터의 증기 추출물이 정지되고 응축 펌프에 의해서 추출되는 응축물 유동은 응축물 웰(condensate well)로 다시 재순환된다. 이 조치에 의해서, 증기 터빈을 통과하는 증기의 전체양은 즉시 증가되고 발전기의 전력 출력은 비례하게 증가한다. 응축물 유동의 재순환 및 그에 따라 응축물 예열기를 통과하는 응축물 유동의 중지(shutdown)는 공급수 탱크에서 공급수의 온도 하강을 방지한다. 따라서, 보일러 입구의 온도는 유지된다. 응축물 정지는 공급수 탱크의 수위가 보일러의 트립핑(tripping)을 방지하는데 필요한 임계 레벨 위에 있는 동안 유지될 수 있다.

응축물 정지는 부하 점프를 발생시키기 위한 효과적인 방법이다. 그러나, 현재 발전소 작동 시의 알려진 응축물 정지는 수 분 정도인 단기간에 걸쳐서만 효과적이다. 이는 공급수 탱크 수위의 하강과 응축기 웰에서 응축물 레벨의 증가를 유발하는 감소된 증기 추출물에 기인한다. 응축물 정지는 공급수 탱크 및 응축기 웰에서 임의의 임계 레벨에 도달할 때까지만 유지될 수 있다.

응축물 정지에 대해서 설비된 현재 작동되는 발전소들은 응축물 및 공급수의 예열을 위한 여러 예열기들을 가지며, 상기 공급수 탱크는 3개의 공급수 예열기들 앞에 그리고 5개의 응축물 예열기들 다음에 직렬로 배열되어 있다. 이러한 발전소들은 7% 부하 증가까지의 응축물 정지에 의해서 부하 점프를 제공할 수 있고 6 내지 8분 동안 증가된 발전 출력을 유지할 수 있다. 이러한 발전소 설계는 열동력 및 비용 관점에서, 특히 공급수 탱크의 제작 및 설치 비용에 기초한다. 설계는 또한 그 건설할 때 그리드 코드 요구조건을 고려하는 것에 기초한다.

DE 4344118호는 주요 주파수 응답을 순차적으로 제공할 때 전류 유지의 제어와 함께 응축물 정지를 포함하는 발전소의 작동 방법을 개시하고 있다.

다른 방법에서, 예로서 EP1368555호에 개시된 바와 같이, 공급수의 예열을 위해 추출된 고압 증기량은 감소되거나 또는 차단되고 부하 증가는 고압 터빈을 통해 유동하는 고압 증기의 증가에 의해서 실행된다.

고압 예열기 바이패스는 공급수의 온도 강하를 유발할 수 있고, 이는 교대로 보일러에서의 열적 응력을 유발한다. 공급수 온도의 변화는 스로틀의 완만한 조절에 의해서 회피할 수 있지만, 이는 전체 시스템이 주파수 응답이 실행될 때까지 단지 매우 느리게 반응하게 하고 이는 부동 시간(dead time)을 유발시킨다. 따라서, 이 방법은 많은 시간 후에 단지 실행되는 느린 주파수 응답에 대해서 적당하다.

부하 점프를 제공하는 다른 방법은 보일러 자체에서의 추가적인 직접적인 발화이다. 이는 오일 또는 가스와 같은 화석 연료가 사용될 때 빨리 실행될 수 있다. 석탄연료 화력 발전소들에 대해서, 석탄 제분 설비들은 단지 느린 비율로 주어진 석탄 입자 크기의 분쇄 석탄을 제공하기 때문에 추가적인 직접 발화는 급격한 부하 점프를 발생시키는데 적당하지 않다. 또한, 석탄 제분공장은 단지 느린 비율에서만 그 제분 비율을 변화시킬 수 있다.

기술된 배경 기술의 관점에서, 본 발명의 목적은 보일러 및 증기 터빈을 포함하는 발전소에, 고도의 동적 응답을 가능하게 하도록 설계된 수증기 사이클을 제공하는 것이며, 이는 적당한 부하 응답에 의해서 그리드에 주파수 변화에 신속하게 응답할 수 있게 한다.

본 발명의 다른 목적은 신속한 주파수 응답을 가능하게 하는 수증기 사이클, 증기 터빈 및 보일러를 갖는 그러한 발전소의 작동 방법을 제공하는 것이다.

수증기 사이클을 갖는 화석연료 화력 발전소(fossil fuel fired power plant)는 보일러, 하나 이상의 증기 터빈들, 상기 증기 터빈들로부터 추출된 증기에 의해서 증기 터빈 응축기로부터의 응축물을 예열하기 위해 직렬로 배열된 저압 및 중간압 예열기들을 포함한다. 본 발명에 따른, 응축물의 예열을 위한 6개의 예열기들은 응축물 추출 펌프 다음에 직렬로 배열되며, 상기 증기를 상기 증기 터빈들로부터 상기 예열기들로 안내하기 위한 라인들은 신속-작동 밸브들로 구성된다. 상기 예열기들은 상기 하나 이상의 증기 터빈들의 저압 및 중간압 스테이지들로부터 추출된 저압 및 중간압 증기를 갖는 열교환기에 의해서 작동가능하다. 모든 증기 추출 라인들 또는 상기 예열기들에 대한 6개 미만의 증기 추출 라인들은 응축물 정지부가 작동할 때 증기 유동의 신속한 폐쇄를 허용하는 밸브들로 구성된다.

특히, 적어도 4개의 증기 추출 라인들이 상기 저압 및 중간압 터빈 스테이지들로부터 2개의 중간압 예열기들로 그리고 상기 중간압 예열기들 앞에 배열된 2개의 저압 예열기들로 유도된다. 상기 4개의 증기 추출 라인들은 각각 신속-작동 밸브와 함께 구성된다. 주파수 변화의 경우에, 응축물 정지는 상기 예열기들로 유도되는 추출 증기 유동의 차단 및 상기 신속-작동 밸브들의 폐쇄에 의해서 활성화될 수 있다. 이러한 조치에 의해서, 큰 증기 유동이 증기 터빈들을 구동하도록 이용가능하여 즉각적인 큰 부하 증가가 가능해진다.

상기 예열기들을 통한 응축물의 유동을 정지시키기 위하여, 발전소는 응축물 추출 펌프로부터 멀리 유도되는 응축물 추출 라인 내의 정지 밸브 및 응축기로부터 추출된 응축물을 응축물 추출 펌프에 의해서 응축기로 재순환시키기 위한 라인을 포함한다. 상기 예열기들에 대한 추출 증기 라인들이 폐쇄될 때, 예열기들은 응축물의 예열을 더이상 제공하지 않는다. 상기 응축기로부터의 응축물이 예열기들을 통해 지속적으로 유동하면, 공급수의 온도는 점진적으로 하강한다. 본 발명에 따른 발전소는 마찬가지로 예열기들을 통한 응축물 유동의 중지 및 응축물 추출 펌프로부터 응축기로의 응축물 재순환 라인의 개방을 허용한다. 그에 의해서, 응축물 정지에 의한 부하 증가 동작은 보일러 공급수 탱크에서의 공급수 온도에 영향을 미치지 않고 보일러에 대한 물의 온도 하강이 회피된다.

종래의 발전소들과 비교할 때, 이 발전소는 응축물 정지 동작으로 인하여 증가된 부하 점프 용량을 가진다. 다수의 저압 및 중간압 예열기들 및 관련 증기 추출 라인들로 인하여, 발전소는 증가된 추출 증기 유동을 가진다. 이는 응축물 정지 동작 중에 폐쇄될 때, 추출 증기 유동은 매우 짧은 시간 내에 정지된다. 대신에, 추출 증기는 증기 터빈을 통하여 유동하고 부하 증가에 영향을 미친다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 발전소는 주파수 변화가 발생하고 응축물 정지가 일어날 때 유용한 증가된 증기 저장부를 가진다. 결과적으로, 큰 부하 점프가 구현될 수 있다. 종래의 발전소들과 비교되는, 응축물 정지로 인한 전력 출력에서 비율 증가는 예로서, 전력 출력에서 6.5% 내지 약 10% 증가 만큼, 본 발명에 따른 발전소에서 증가될 수 있다.

본 발전소의 특정 실시예에서, 2개의 고압 예열기들은 공급수 탱크 다음에 직렬로 배열되고 고압 증기 터빈으로부터 추출된 증기에 의해서 공급수의 예열을 목적으로 구성된다.

응축물의 예열을 위한 다수의 저압 또는 중간압 예열기들로 인하여, 공급수 탱크를 따르는 공급수의 예열을 위한 고압 예열기들의 수는 2개로 감소될 수 있다. 본 발전소는 3개의 고압 예열기들을 갖는 발전소와 비교할 때 큰 비용 효율로 구현될 수 있다.

본 발전소의 일 실시예에서, 4개 이상의 추출 라인들은 중간압 터빈 스테이지들로부터 그리고 저압 터빈 스테이지들로부터 예열기들로 유도되고, 상기 저압 터빈 스테이지들은 중간압 터빈 스테이지들을 바로 따르는 터빈 스테이지들이다. 2개 초과의 증기 추출 라인들은 터빈 열 내의 최저 압력 레벨의 저압 터빈 스테이지들로부터 일련의 응축물 예열기들의 제 1 저압 예열기들로 유도된다.

제 1 변형예에서, 2개의 증기 추출 라인들은 증기 터빈 응축기의 응축기 목부로부터 연장된다. 이들은 신속-작동 밸브들 없이 구성될 수 있다. 다른 변형예에서, 2개의 증기 추출 라인들은 저압 증기 터빈들로부터 연장된다. 하나 또는 양자 모두의 라인들은 신속-작동 밸브들과 함께 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 발전소는 중간압 터빈 스테이지들로부터 공급수 탱크로 유도되는 증기 추출 라인을 추가로 포함하고, 이 추출 라인은 신속-작동 밸브와 함께 구성된다. 이는 응축물 정지 동작의 경우에 폐쇄될 수 있다.

본 발명에 따른 발전소 구성은 석탄, 오일, 가스, 바이오매스(biomass)와 같은 임의의 화석연료에 의해서 발화되는 보일러를 갖는 임의의 발전소에 적용될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에서, 상기 발전소는 석탄연료 화력 발전소이고 개선된 동적 응답을 가능하게 하는 형태들의 조합을 포함한다. 석탄연료 화력발전소는 상술한 바와 같이 응축물 정지에 의한 큰 그리고 신속한 부하 점프를 가능하게 하도록 구성된다. 추가로, 본 발전소는 석탄 제분 설비를 갖는 보일러를 구비하고, 적어도 하나의 상기 설비들은 연소 준비를 위하여 주어진 입자 크기로 제분 및 분쇄되는 분쇄 석탄의 공급량을 수용, 저장 및 분배하기 위한 석탄 공급 컨테이너를 포함한다.

분쇄된 석탄의 공급 컨테이너를 갖는 본 발전소는 보일러에서 발화 비율이 신속하게 조정될 수 있다는 점에서 본 발전소의 개선된 동적 응답을 허용한다. 따라서, 신속하게 증가된 부하 레벨은 예로서 30분 이상까지의 긴 시간 주기에 걸쳐 유지될 수 있다. 증가된 부하 레벨을 유지하기 위한 이러한 시간 주기는 당기술의 발전소들에서 가능한 것보다 크게 길어진다.

상기 저압 예열기들로의 압출 라인들의 폐쇄에 의해서 활성화되는 응축물 정지는 수분의 시간 주기 동안 유지될 수 있다. 임의의 시간 후에, 응축물 웰 내의 레벨이 상승하는 동안 공급수 탱크 내의 공급수 수위는 하강한다.

예로서 사일로(silo)의 형상일 수 있는 분쇄된 석탄의 공급 컨테이너는 보일러에 대한 석탄의 공급 비율 및 그에 따른 보일러의 발화 비율이 급속하게 증가될 수 있도록 연소를 위한 석탄의 버퍼 소스(buffer source)를 제공한다. 종래 기술의 석탄-발화 보일러에서, 공급 비율은 석탄 제분의 제분 비율에 의해서 제한된다. 한편 이미 분쇄된 석탄의 버퍼 사일로는 연소를 위한 보일러로의 더 높은 석탄 공급 비율을 허용한다.

응축물 정지의 경우에, 석탄의 공급 컨테이너는 보일러 내의 발화 비율 및 보일러 증기 생성의 신속한 조정을 가능하게 한다. 신속하게 조정된 발화 비율은 그에 의해서 응축물 정지에 의해서 이행된 부하 점프를 지지할 수 있다.

또한, 상기 탱크로부터의 공급수의 소비량은 조정될 수 있고 공급수 탱크에서의 수위는 긴 시간 주기 동안 적당한 레벨에서 유지될 수 있다. 상기 보일러를 트립(trip)할 수 있는 임계 레벨 미만의 공급수 수위의 하강을 회피할 수 있다.

증기 생성이 보일러에서의 증가된 발화 비율의 결과로서 증가되기 시작하는 즉시, 응축물 정지를 위하여 사용된 증기 추출 라인들에서의 밸브들은 느리게 다시 개방된다. 동시에, 상기 응축물을 상기 응축기 웰 안으로 뒤로 안내하기 위한 재순환 라인은 폐쇄된다. 따라서, 공급수는 다시 느리게 상기 공급수 탱크로 공급되고, 응축기 웰 내의 수위는 느리게 감소하고 공급수 탱크 내의 수위는 증가할 것이다.

응축물 정지 중의 공급수 탱크 내의 최소 수위를 유지할 다른 가능성은 더욱 큰 공급수 탱크 뿐 아니라 더욱 큰 응축물 웰을 제공하는 것이다. 버퍼 석탄 공급부와 함께 본 발명에 따른 예열기들의 장치에 의해서 이는 필요하지 않는다. 공급수 탱크 뿐 아니라 응축물 웰은 현재의 체적들 및 벽 두께들에 의해서 유지될 수 있고, 이는 발전소의 비용 효율성을 추가로 지지한다.

본 발명에 따른 발전소는 풍력, 태양, 조력 등과 같은 다양한 재생가능한 전기 소스에 연결되는 그리드에 전기 에너지를 제공하는 경우에 특히 장점들을 가진다. 이들 에너지 소스들은 비영구적인 에너지 소스들인데, 이는 이것들이 기상 조건 뿐 아니라 낮 또는 밤 및 제공된 에너지 양에서 급격하고 큰 변화들에 따라서 에너지를 제공한다는 것을 의미한다. 이러한 변화들은 제시된 발전소의 증가된 동적 응답에 의해서 보상될 수 있고, 이러한 발전소에 의해서 제공된 그리드는 더욱 큰 안정성에 도달할 수 있다.

분쇄된 석탄을 위한 버퍼 사일로의 이행은 제분소(mill)에서 분쇄되고 즉시 보일러에 공급되는 석탄에 의해서 직접 석탄-발화와는 반대되는 사전 제분된 및 분쇄된 석탄을 사용하여 보일러를 발화시키는, 상기 보일러의 간접 석탄발화를 허용한다. 상기 발전소의 다른 특정 실시예에서, 상기 발전소는 임의의 석탄 제분소들, 예로서 석탄 제분소들 중 절반을 위한 분쇄된 석탄의 버퍼 사일로를 포함하고, 다른 석탄 제분소들은 단지 종래의 공급에 의해서만 작동될 수 있다. 이러한 장치는 부분적인 간접 발화, 즉 임의의 보일러 유닛들에 대해서만 간접 발화를 허용하고, 이는 발전소의 충분한 동적 응답을 가능하게 하지만, 사일로들에 대한 비용은 최소로 유지된다.

본 발명에 따라 제시된 화석연료 화력 발전소의 작동 방법은 그리드에서 주파수 변화의 발생 시에,

저압 및 중간압 증기 터빈 스테이지들에서의 추출 지점들로부터 저압 및 중간압 예열기들로 유도되는 라인들에서 신속-작동 밸브들에 의하여 응축물 정지 공정을 작동시키는 것을 포함한다.

특정 방법은 응축물 추출 펌프로부터 예열기들로의 라인에 있는 신속-작동 밸브를 폐쇄하고 상기 응축물 추출 펌프로부터 상기 증기 터빈 응축기의 응축기 웰로의 재순환 라인을 개방시키는 것을 추가로 포함한다.

제시된 발전소를 작동시키는 다른 방법에서, 응축물 정지가 작동되고, 또한 석탄 공급 컨테이너로부터의 연소 준비된 분쇄 석탄이 보일러로 공급된다.

증기 생산이 상기 보일러로의 증가된 분쇄 석탄 공급의 결과로서 증가되기 시작하는 즉시, 상기 응축물 예열기들에 대한 증기 추출 라인들에서의 밸브들이 개방된다.

발전소의 다른 작동 방법에서, 응축물 정지 및 간접 발화 작동에 추가하여, 증기 터빈으로의 생증기 유동의 조절을 위한 고압 스로틀 밸브가 작동된다. 이 고압 스로틀링은 부하 증가의 조절 또는 미세 조율에 의해서 그리드에서 주파수 변화의 경우에 부하 증가를 보충하고 완료하는 것을 허용한다.

도 1은 수증기 사이클에서 6개의 중간압 및 저압 증기 추출 라인들을 갖는 본 발명에 따른 장치를 구비한 발전소의 개략도.
도 2는 분쇄된 석탄을 위한 공급 버퍼 사일로와 조합된 6개의 중간압 및 저압 증기 추출 라인들의 본 발명에 따른 장치를 구비한 발전소의 다른 개략도.
도 3a 내지 도 3e는 시간의 함수로서 본 발명에 따른 발전소의 동적 응답을 도시하는 여러 플롯으로서, 특히,
도 3a는 그리드의 주파수 변화를 따르는 제 1 중간 시간 주기에 걸친 본 발명에 따른 발전소의 전력 출력을 도시하는 도면.
도 3b는 그리드의 주파수 변화를 따르는 긴 시간 주기에 걸친 본 발명에 따른 발전소의 전력 출력을 도시하는 도면.
도 3c는 종래의 직접 발화를 갖는 발전소에서 석탄 발화 보일러에서의 생증기 생성과 간접 발화를 갖는 본 발명에 따른 발전소에서 석탄 발화 보일러에서의 생증기 생성의 비교를 도시한 도면.
도 3d는 본 발명에 따른 발전소의 석탄 버퍼 사일로에서 분쇄된 석탄 레벨 및 10% 부하 증가 중에 생증기 유동을 도시하는 도면.
도 3e는 보일러 공급수 탱크에서 공급수 수위의 전개 및 그리드에서 주파수 변화를 따르는 응축기 웰에서의 응축물 레벨의 전개를 도시하는 도면.
동일 부호들은 여러 도면의 동일 요소들을 표시한다.

본 발명을 실행하기 위한 최상의 형태

도 1은 절약기(2), 과열기(3) 및 재가열기(4)를 포함하는 화석연료 보일러(1), 및 고압 터빈 스테이지(6), 중간압 터빈 스테이지(7) 및 저압 터빈 스테이지(8-10)를 포함하는 여러 증기 터빈들(6-10)을 갖는 발전소(PP)를 도시하고, 생증기가 스로틀링 밸브(5)를 갖는 라인을 경유하여 상기 고압 터빈 스테이지로 안내된다. 상기 고압 터빈 스테이지(6)에서 팽창된 증기는 재가열기(4)에서 재가열되고 중간압 터빈 스테이지(7)로 유도된다. 증기는 저압 터빈 스테이지(8-10) 내에서 추가로 팽창된다. 발전기(12)를 구동하는 모든 터빈들이 샤프트(11) 상에 설치된다. 배기 증기는 저압 터빈 스테이지(8-10)로부터 라인(13')을 경유하여 응축기(13)로 유도되고, 여기서 응축기에서 발생되는 응축물은 응축기의 응축물 웰에 수집된다. 응축물 추출 펌프(14)는, 열교환 매체로서 증기에 의해서 각각 작동되는 일련의 응축물 예열기들(21-26)을 통해서 응축물을 펌핑하고, 상기 증기는 저압 및 중간압 터빈 스테이지들(7-10)로부터 추출되어서 6개의 개별 추출 라인들(21'-26')을 경유하여 예열기들(21-26)로 유도된다. 중간압 예열기들(25,26)로 그리고 중간압 예열기들 앞에 배열된 2개의 저압 예열기들(23,24)로 유도되는 추출 라인들은 신속-작동 정지 밸브(23"-26")로 각각 구성된다. 추출 라인들(21'-24')은 모든 저압 터빈 스테이지(8-10)로부터 예열기들(21-24)로 유도된다. 추출 라인들(21,22)은 증기 응축기 목부 내에 배열될 수 있고 밸브들 없이 구성될 수 있다. 응축물 정지 공정을 작동하기 위하여, 저압 및 중간압 추출 라인들 내에 있는 4개의 신속-작동 밸브들(23"-26")은 폐쇄된다. 2개의 최저압 증기 추출 라인들(21'및 22')은 비접촉 상태로 남겨질 수 있는데, 이는 응축물 정지 및 부하 증가에 대한 그들의 기여도가 4개의 다른 추출 라인들과 비교할 때 제한되기 때문이다.

라인들(21'및 22')에서의 증기 유동은 예열기들(21 및 22)에서의 배관과 추출된 증기 사이의 온도 차에 비례한다. 예열기들에 대한 응축물의 유동은 폐쇄 밸브(15) 및 개방 밸브(17) 및 재순환 라인(16)에 의해서 중지되고, 예열기들(21 및 22)에서의 열적 평형에 도달한다. 그런 다음 예열기들(21,22)의 배관에서의 증기 응축물 및 이들 라인들을 통한 증기 추출물은 온도차 0으로 인하여 더 이상 중지되지 않는다. 이러한 완전한 공정은 약 1분 30초 걸릴 수 있다.

응축물 추출 펌프(14)로부터 제 1 예열기(21)로 유도되는 라인은 추출 라인들의 폐쇄 시에 상기 라인의 폐쇄를 허용하는 신속-작동 밸브(15)를 수용한다. 신속-작동 밸브(17)를 갖는 재순환 라인(16)은 추출 펌프(14)에 의해서 방출된 응축물이 응축기(13) 내로 다시 재순환되는 것을 허용한다. 예열기들을 통한 응축물 유동의 정지는 공급수 온도의 강하를 방지한다. 또한 큰 응축물을 회피하는 예열기들(21-26)의 온도를 유지할 수 있고 그에 의해서 응축물 정지 및 부하 증가 후에 그 작동의 용이한 재가동을 허용할 수 있다. 그러나, 응축물의 재순환은 또한 결과적으로 응축물 웰에서의 레벨 증가를 유발한다.

수증기 사이클의 일반 동작 중에, 상기 저압 예열기들(21-26)에서 예열된 응축물은 보일러 공급수 탱크(30) 내에 수집된다. 예열기(33)에서 예열하기 위해 사용되는 중간압 터빈 스테이지(7)로부터 증기를 추출하는 증기 추출 라인(30')을 통해서 공급수 탱크(30)로 추가 열이 제공된다.

발전소 작동 방법의 추가적인 선택적 조치가 주파수 변화를 따르기 때문에, 중간압 증기 추출 라인(30') 내에 있는 신속-작동 밸브(30")는 폐쇄된다. 그에 의해서, 터빈들을 구동하도록 사용가능하게 생산된 추가 증기는 부하 증가를 더욱 지지한다.

공급수 펌프(FWP)는 고압 예열기들(31 및 32)을 통하여 공급수를 안내한다. 예열기들(31 및 32)을 따르는 공급수는 다른 예열기(33)를 통하여 유도되고 최종으로 보일러(1)로 유도되어서 발전소(PP)의 수증기 사이클을 완성한다.

그리드에서 큰 주파수 변화의 경우에, 발전소(PP)는 단시간 주기 내에 그 부하를 증가시킴으로써 변화를 보상하기 위하여 작동될 것이다. 이를 위하여, 추출 라인들(23'-26')에서 정지 밸브들(23" 내지 26")을 폐쇄함으로써 응축물 정지가 작용된다.

4개의 추출 라인들은 부하 증가에 크게 기여하는 응축물 정지에 대해서 사용가능하다는 사실로 인해서, 종래 발전소와 비교할 때 증가된 양의 증기가 터빈들을 구동하기 위하여 사용가능하다.

예로서, 5개의 중간압 및 저압 증기 추출물을 갖는 증기 발전소와 비교할 때, 6개의 중간압 및 저압 증기 추출물을 갖는 증기 발전소는 종래 발전소에서 가능한 부하 점프에 대해 50% 증가에 대응하는 약 10% 만큼 큰 부하 점프를 제공할 수 있다.

도 2는 도 1과 동일한 발전소를 도시한다. 도면은 석탄 제분 설비(40), 절약기(2), 과열기(3) 및 재가열기(4)를 포함하는 보일러(1)를 포함하는 발전소(PP)의 증기 생성 유닛을 도시한다. 보일러(1)의 연도 가스들은 스택(S)을 통해서 방출되기 전에 정전 침전기(ESP) 및 탈황 유닛(DS)을 통해서 안내된다. 석탄 제분 설비(40)는 공기 예열기(41)를 포함하고, 공기(A)는 미가공 대형 크기의 석탄이 공급되는 제분소(42)로 유도되기 전에 상기 공기 예열기를 통하여 안내된다. 석탄 제분소는 미가공 석탄을 연소하기에 적합한 주어진 범위의 미립자 크기의 분말로 감소시킨다. 종래의 석탄 제분 설비와 비교할 때, 본원 설비는 석탄 버퍼 사일로(45) 및 덕트(44)를 포함하고, 이들에 의해서 분쇄된 석탄은 석탄 제분소(44)로부터 사일로(45)로 운송되고, 사일로에서 분쇄된 석탄은 연소를 위해 용이하게 저장된다. 공급 디바이스(46)는 사일로(45)로부터 덕트(43)로 직접 유도되고, 상기 덕트는 보일러로 유도된다. 분쇄된 석탄의 저장부(45)는 석탄 제분소에 의해서 직접 제공될 수 있는 것보다 빠른 속도에서 보일러로의 석탄의 신속한 방출을 허용한다. 공급 디바이스(46)는 일정한 속도(rate)로 보일러로의 분쇄된 석탄의 공급을 허용한다. 또한, 사일로의 저부에서 중공 공간의 형성을 피할 수 있도록 덕트(43) 안으로의 분쇄된 석탄의 안정적인 방출을 허용한다. 석탄 제분소(42)로부터 덕트(43)로 직접 유도되는 추가 덕트(43')는 단지 긴급 석탄 공급을 위해 의도된다.

발전소의 일반적인 완만한 상태 동작 중에, 즉 그리드의 주파수 안정중에, 본 발명에 따른 간접 발화를 위한 석탄 설비는 석탄이 제분되고 버퍼 사일로(45)에 제공되며 공급 디바이스(46)에 의해서 덕트(43)로 연소를 위해 공급되게 작동한다. 석탄은 증기 요구량 또는 보일러 부하 비율에 의해서 일정한 속도로 보일러에 공급된다. 발전소의 상기 일반적인 완만한 상태 동작 중에, 석탄 제분 비율은 공급 사일로(45)가 점진적으로 충전되도록 세팅된다. 버퍼 사일로(45)의 충전은 그리드에서 주파수 불안정이 발생되는 경우 증가된 발화 비율을 갖는 고도의 동적 응답을 위한 준비를 한다.

제분 시간은 특히 거친 석탄의 경우에, 필요한 크기의 석탄 입자들을 생산할 만큼 길다. 또한, 석탄 제분은 느린 비율로 속도를 변화시킬 수 있고 따라서 보일러로의 분쇄된 공급 비율을 급격하게 변화시킬 수 없다.

큰 주파수 변화가 발생될 때, 응축물 정지는 증가하고 증가된 발화 비율은 상술한 일반적인 완만한 상태보다 높은 비율로 버퍼 사일로(45)로부터 보일러로 분쇄된 석탄을 공급하는 간접 발화 시스템에 의해서 또는 분쇄된 석탄 공급 사일로를 갖지 않는 직접 발화 시스템에 의해서 개시된다. 그에 의해서 증기 생성물의 증가는 수초 내에서 보장될 수 있다. 동적 응답의 기간 중에, 버퍼 사일로(45) 내의 분쇄된 석탄의 레벨은 분쇄된 석탄 연소 비율이 증가할 때 완만하게 감소된다.

도 3a는 50 Hz로부터 49.5 Hz로 급격하게 감소하는 전형적인 주파수 변화를 포함하는 시간 Gf(Hz)에 대한 그리드 주파수의 전개를 도시한다. 동시 시간척도에서, 본 발명에 따른 발전소의 요구 부하(Ld)의 전개 및 실제 측정 부하(Lm)의 전개가 도시되며, 상기 발전소에는 6개의 응축물 예열기 및 2개의 공급수 예열기들 및 석탄 버퍼 사일로를 갖는 간접 발화 설비가 설치되어 있다. 주파수 변화의 검출시에, 주파수 하강의 개시로부터 수초의 시간 틀(time frame) 내에서 즉각적인 동적 응답이 작동된다. 이 경우에, 주파수 변화의 개시 후에 발전소의 유효 전력 부하(Lm)가 요구 부하(Ld)에 도달한다는 점에서 10초 내에 완전한 주파수 응답이 완료된다.

도 3b는 동일 발전소에 대하여 주파수 변화의 개시를 뒤이어 30분의 긴 시간틀에 걸쳐 요구 부하(Ld) 및 측정 부하(Lm) 및 그리드 주파수(Gf)의 전개를 도시한다. 곡선들은 본 발명에 따른 발전소가 충분한 30분에 걸친 부하 증가에 의해서 동적 응답을 유지할 수 있다는 것을 나타낸다.

도 3c는 급격한 주파수 하강에 따른 시간 함수로서 석탄 버퍼 사일로를 갖는 그리고 석탄 버퍼 사일로가 없는 석탄 발화 보일러에 의한 생증기 유동의 생성을 도시한다. 곡선 A는 석탄 사일로를 갖지 않는 종래의 발전소에서 생증기 생성을 도시하고, 여기서 분쇄 석탄은 분쇄소가 석탄 입자들을 생산할 수 있는 속도로 보일러에 제공된다. 곡선 B는 대조적으로 석탄 사일로에 의해서 이미 분쇄된 그리고 큰 비율로 제공된 추가 석탄에 의한 생증기의 생산을 도시한다. 곡선 A와 비교할 때, 증기 생산에서의 증가 비율은 훨씬 크다.

도 3d는 버퍼 사일로에서 분쇄된 석탄(CS)의 양이 시간에 걸쳐 감소할 때 생증기 유동(LSF)의 생산을 도시한다. 이는 비록 분쇄된 석탄이 거의 완만하게 공급될 때에도 보일러 발화 비율은 증가할 수 있다는 것을 나타낸다. 생증기 유동에서의 그에 따른 신속한 증가는 단시간 내에 부하 점프의 지지 및 예로서 30분까지의 긴 시간 주기에 걸쳐 그 유지관리를 가능하게 한다.

도 3e는 그리드 주파수 변화를 따르는, 응축기 웰(Cwl)에서의 응축물 레벨의 전개 및 공급수 탱크(Fwl)에서 공급수 수위의 전개를 도시한다. 주파수에 의해서 개시된, 응축물 웰 레벨은 응축물 정지 및 응축물 추출 유동 변화의 중지의 결과로서 상승한다. 동시 시간척도에서, 응축물 유동은 정지되고 공급수 펌프는 계속해서 작동되기 때문에, 공급수 탱크에서의 공급수 수위는 하강하기 시작한다. 버퍼 사일로(45)로부터 분쇄 석탄에 의한 간접 발화 개시 및 발화 비율의 증가 상태에서, 중간압 추출 라인들에서의 신속-작동 밸브들(23"-26" 및 30")과 저압 증기 추출 라인들에서의 신속-작동 밸브들(23'-26' 및 30')은 다시 느리게 개방되고 응축물은 더 이상 재순환되지 않고 대신에 예열기(21-26)를 통하여 유동하도록 다시 허용된다. 결과적으로, 보일러 공급수 탱크에서의 공급수 수위는 다시 상승하기 시작하고 공급수 유동 비율은 발화 비율의 함수인 증기 유동 생산 비율에 의해서 주어진다.

1. 보일러
2. 절약기
3. 과열기
4. 재열기
5. 스로틀링 밸브
6. 고압 증기 터빈
7. 중간압 증기 터빈
8,9,10. 저압 증기 터빈들
11. 샤프트
12. 발전기
13. 응축기
13'. 응축기로의 라인
14. 응축물 추출 펌프
15. 정지 밸브
16. 재순환 밸브
17. 밸브
21-26. 응축물 예열기들
21'-26'. 저압 및 중간압 증기 터빈들로부터의 증기 추출 라인들
23"-26". 신속-작동 밸브들
30. 공급수 탱크
30'. 공급수 탱크로의 라인
31". 신속-작동 밸브
31-32. 공급수 예열기들
31', 32'. 고압 증기 터빈들로부터 공급수 예열기들로의 증기 추출 라인들
33. 예열기
40. 석탄 제분 설비
41. 공기 예열기
42. 석탄 제분소
43. 석탄 덕트
43'. 긴급 석탄 덕트
44. 석탄 덕트
45. 석탄 버퍼 사일로
46. 공급 디바이스
PP 발전소
FWP 공급수 펌프
A 공기
ESP 정전 침전기
DS 탈황 유닛
S 스택

Claims (15)

1. 화석연료 화력 발전소(PP)의 작동 방법으로서,
   보일러(1);
   저압 증기 터빈 스테이지들(8, 9, 10), 중간압 증기 터빈 스테이지(7) 및 고압 증기 터빈 스테이지(6);
   2개의 중간압 예열기들(25, 26) 및 상기 중간압 예열기들 앞에 배열된 2개의 저압 예열기들(23, 24)로서, 상기 저압 및 중간압 증기 터빈 스테이지들(7, 8, 9, 10)로부터 상기 2개의 중간압 예열기들(25, 26)과 상기 2개의 저압 예열기들(23, 24)로 유도되는 적어도 4개의 증기 추출 라인들(23', 24', 25', 26')에 의해 응축물을 예열하기 위한, 상기 2개의 중간압 예열기들(25, 26) 및 상기 2개의 저압 예열기들(23, 24);
   상기 4개의 증기 추출 라인들(23', 24', 25', 26')의 각각에 배열된 신속-작동 밸브(23", 24", 25", 26");
   상기 중간압 예열기들 다음에 배열된 공급수 탱크(30); 및
   상기 중간압 증기 터빈 스테이지(7) 및 상기 고압 증기 터빈 스테이지(6) 중 하나 또는 양자로부터의 추출 증기로 예열되는, 상기 공급수 탱크(30) 다음에 직렬로 배열된 2개의 고압 공급수 예열기들(31, 32);을 포함하는 수증기 사이클을 제공하는 단계,
   상기 보일러(1)에서 연소를 위해 준비되되 제분 및 분쇄된 석탄을 보유하도록 분쇄된 석탄(45)을 위한 공급 컨테이너와, 정상 안정 작동 중에 상기 공급 컨테이너로부터 일정한 속도(rate)로 상기 보일러(1)에 분쇄된 석탄을 공급하는 공급 디바이스(46)를 갖는 적어도 하나의 석탄 제분 설비(40)를 제공하는 단계,
   정상 안정 작동 중에 상기 공급 컨테이너로부터 일정한 속도로 상기 보일러(1)에 분쇄된 석탄을 공급하는 상기 공급 디바이스(46)를 사용하는 단계,
   상기 발전소(PP)가 전기 에너지를 제공하는 그리드에서 주파수 변화를 검출하는 단계,
   상기 주파수 변화를 검출하는 단계 이후, 상기 저압 및 중간압 증기 터빈 스테이지들(7, 8, 9, 10)에서의 추출 지점들로부터 상기 2개의 저압 예열기들(23, 24) 및 2개의 중간압 예열기들(25, 26)로 유도되는 상기 적어도 4개의 증기 추출 라인들(23', 24', 25', 26')에 있는 신속-작동 밸브들(23", 24", 25", 26")을 폐쇄함으로써 응축물 정지 공정을 작동시키는 단계, 및 동시에, 상기 공급 디바이스를 조절함으로써 정상 안정 상태 중에서보다 높은 속도(rate)로 버퍼 사일로(silo)(45)로부터 상기 보일러로 분쇄된 석탄을 공급하는 단계, 및
   상기 2개의 고압 공급수 예열기들(31, 32)로의 상기 추출 증기의 유동을 유지하는 단계를 포함하는 화석연료 화력 발전소(PP)의 작동 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   응축물 추출 펌프(14)로부터 상기 예열기들(23, 24, 25, 26)로의 라인에 있는 밸브(15)를 폐쇄하고, 상기 저압 증기 터빈 스테이지들(8, 9, 10)과 상기 2개의 저압 예열기들(23, 24) 사이에 배치된 응축기(13)에 대한 상기 응축물 추출 펌프(14)에 의하여 추출된 재순환 응축물에 대한 라인(16)을 개방시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료 화력 발전소(PP)의 작동 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 보일러(1)에서 증기 생성물이 증가될 때, 상기 응축물을 예열하기 위해 상기 예열기들(23, 24, 25, 26)로의 상기 증기 추출 라인들(23', 24', 25', 26')에 있는 상기 신속-작동 밸브들(23", 24", 25", 26")을 개방시키고, 상기 응축물을 재순환시키기 위해 상기 라인(16)을 폐쇄하고, 상기 응축물 추출 펌프(14)에 의해 추출된 응축물을 위한 상기 라인에 있는 상기 밸브(15)를 개방시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료 화력 발전소(PP)의 작동 방법.
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