KR101575554B1 - 가스 터빈 유닛의 작동 모드 및 디자인 - Google Patents

가스 터빈 유닛의 작동 모드 및 디자인 Download PDF

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바라츠닷 아마야코비치 카자랸
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아나톨리 야코프레비치 스톨야레프스키
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Abstract

일군의 발명들은 전력의 운전과 생산을 위해 적용되거나 또는 운송 차량들이나 주된 가스 파이프라인의 압축기를 구동하는 유닛으로서 적용되는 가스 터빈 시설들에 관한 것이며, 특히 추진 가스용 열 회수 사이클을 제공하여 개선된 연료 효율을 갖는 파워-생산 또는 운송 가스 터빈 플랜트의 작동 모드에 관한 것이다. 기술적 결과물은 실시된 연소 생성물들의 가장 완전한 회수에 의해 성능 특성이 개선되는 것으로 나타난다. 가스 터빈 플랜트의 작동 모드는 압축공기와 증기 메탄-수소 혼합물을 연소실에 공급하는 것, 가스 터빈에서 연료 생성물을 풍부화(enrichment)하는 것, 그리고 가스 터빈 플랜트로 향하는 수증기를 증발시키거나 또는 과열시키는 것에 의해 냉각시키는 것을 제공하며, 그 가스 터빈 플랜트에서는 공급된 천연 가스가 고압 수증기와 혼합되어 메탄 증기-가스 혼합물이 얻어지며 그것은 열 교환기 내의 상기 언급한 연소 생성물들의 흐름에 의해 가열되며; 그런 다음, 그것은 메탄 변환용 촉매 반응기를 통과하여 증기-메탄-수소 혼합물을 출구에서 생성하고 이것은 가스 터빈 플랜트의 연소실로 공급되며; 그것은 가스 터빈 플랜트의 열 교환 공정들의 온도가 부가적인 자유 작용 가스 터빈으로부터 출력단에서 추출되는 증기-메탄-수소 혼합물 후기연소 흐름 내의 부가적인 연료 연소에 의해 증가되는 점과, 그리고 증기-메탄-수소 혼합물은 연소실에 공급하기 전에 200~240℃의 온도 범위 내의 온도까지 미리 냉각되고 이와 동시에 수증기의 차동 응결이 이루어지는 점에 의해 구별되며; 그 응축물은 분리되고 증발되어 메탄 증기-가스 혼합물과 저압 수증기를 만드는 데 적용되며, 그 저압 수증기는 부가적인 자유 작용(free work) 가스 터빈을 통과한다. 가스 발생기의 연소실에서 연소되는 증기-메탄-수소 혼합물을 발생시키기 위한 장치를 포함하는 가스 터빈 플랜트로서, 그 가스 발생기는 텐덤(tandem) 공기 압축기, 연소실 그리고 열교환기에 의해 증기 메탄 수소 혼합물을 발생시키는 장치와 연결된 가스 터빈으로 구성되며, 상기 열교환기는 가열면에서 메탄 변환용 촉매 반응기의 입구에 연결되고, 그 촉매 반응기의 출구는 가스 발생기의 연소실과 연결되며; 가열면에는 혼합 용기의 입구에 증기에 관하여 연결된 증기발생기가 있고, 그 혼합 용기는 천연가스 공급 파이프에 연결되어 있으며; 증기발생기 입구는 증기 응축물의 소스와 연결되는데, 그것은 가스 발생기에서 부가적인 부하가 작용하는 가스 터빈과 증기-메탄-수소 혼합물 연소 생성물들의 애프터버너가 상기 가스 터빈 이후에 연속적으로 설치되어 있으며, 상기 애프터버너는 그 출구는 열교환기에 연결되고 입구는 부가적 작용 가스 터빈의 출구에 연결되며; 부가적 작용 가스 터빈의 입구는 저압 증기용 증기 발생기의 출구에 연결된다.

Description

가스 터빈 유닛의 작동 모드 및 디자인 {GAS TURBINE UNIT OPERATING MODE AND DESIGN}
제안된 기술은 전기 발생을 위한 운전용으로 사용되거나 또는 차량들이나 장거리 가스 파이프라인 압축기용 구동부로 사용되는 가스 터빈 설비에 관한 것으로, 특히 발전과 운송용으로 사용되고 낮은 연료 소비와 배기가스 열 회수를 특징으로 하는 가스 터빈 유닛(gas turbine unit: GTU)의 작동 모드에 관한 것이다.
천연 가스를 가스 터빈 연료로서 사용하는 것은, 증기 터빈들 (steam turbines: ST) 및 증기 혼합 천연 가스 연소 방법들과의 조합에 의해, 가스 터빈 (gas turbine: GT) 유닛들의 효율을 향상시키는 기술들의 개발에 기여해 왔다.
제안된 기술은 또한 GT/ST 공급 목적으로 사용되는 탄화수소 가스 증기 혼합물의 화학적 변환에 따른 소비 전력과 배출물의 상당한 감소를 특징으로 하는 새로운 GTU의 디자인을 다루고 있다.
그 기술의 현재 상태는 복합 주기 가스 터빈 (combined cycle gas turbine: CCGT) 유닛의 효율을 향상시키기 위한 방법을 포함하는바, 그 방법은 압축기 유로 안으로의 물 분사, 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator: HRSG)에서의 가스 터빈(GT) 배기 가스 열 회수, 직접 접촉 응축기에서 GT 작동 매체(working medium)로부터 나오는 증기의 응축, 그리고 1.05~1.1 과잉 공기로 연소 챔버에서 연료를 태우는 것 등을 가능하게 한다. 그 GT의 입구에서 그 작동 매체 온도는, HRSG에서부터 완전한 연소까지/ 연소실과 CCGT 유닛 내의 GT와 결합된 ST의 회생식 배출 (regenerative bleeding of ST combined with GT within the CCGT unit) 중 하나까지의 증기 공급에 의해 또는 독립형 작동모드(stand-alone operation mode)의 경우(2006년 7월 10일자 출원번호 RU 2005102152) CCGT 주기 장치(cycle arrangement) 내에서 증기 발생기로부터의 증기 공급에 의해 제어된다.
상기 방법을 구현하기 위해, 상기 CCGT 유닛은 주 연소 공기 압축기, GT와 결합된 ST, GT 배기 가스가 공급되는 HRSG, 증기 응축을 위한 직접 접촉 응축기, 그리고 CCGT 유닛의 독립형 작동을 보장하는 증기 발생기를 포함한다.
상기 방법 및 유닛의 단점은 전체 CCGT 유닛의 작동을 더 복잡하고 고비용으로 만드는 복합형 ST 및 GT의 사용이다.
그 기술의 현재 상태는 열 회수와 배출물 감소를 개선하기 위한 포괄적 시스템을 갖춘 GTU의 작동 모드 및 디자인을 포함한다(2003년 1월 20일자 출원번호 RU 2000131473). 그와 같은 유닛의 작동 모드는, 공기 압축 및 연소실에 공급, 연소 영역에서의 공기 과잉율이 1.02~1.05까지 감소하고 액체 연료의 경우에는 1.05~1.10까지 감소한 이러한 챔버 내에서의 가스 연료의 연소, GT 내에서의 연소 생성물들의 팽창, 터빈의 다운스트림에서 미연소 연료의 후기연소(aftercombustion), 그 압축기와 연소실 안으로 물 분사 등을 가능하게 해준다.
출원번호 RU 2000131473가 개시한 가스 터빈 유닛(GTU) 디자인은, GTU 공기/가스 순환로 내에서 직렬 연결된 가스 공급 배관을 갖는 압축기 및 연소실, 상기 압축기 및 발전기와 기계적으로 결합된 가스 터빈(GT), 히트 캐리어 입구와 출구 배관을 갖는 가압 절약기(a pressurized economizer), 상기 발전기와 기계적으로 결합되어 있고 가스를 냉동 사용자(a refrigeration user) 안으로 공급하는 연소생성물 터보팽창기(a combustion products turboexpander), 입구/출구 연료 라인들과 가열 도관들을 갖는 복열식 연료가열기(recuperative fuel heater)를 구비한다. 다음의 일련의 장비들이 상기 가스 순환로 내의 GT의 다운스트림에 설치된다: 절약기 또는 증기 발생기, 표면 또는 접촉-표면 콘덴서와 건조기, 표면 가스-물 간 열교환기(a surface gas-to-water heat exchanger), 상기 터보팽창기의 다운스트림에 설치된 소음기와 굴뚝. 상기 압축기는, 입력 공기 순환로를 따라 직렬로 배치된, 필터, 표면 또는 접촉-표면 공기-물 간 열 교환기(the surface or contact-surface air-to-water heat exchanger), 그리고 소음기를 통해 공기 흡입구에 접속되어있다.
상기 작동 모드와 유닛은 또한 GT 유로에서 과잉 공기가 부족하고 작동 매체 유속이 감소하는 것으로 인해 낮은 효율을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 기술의 현재 상태로부터 알 수 있듯이, 복합 주기 가스 터빈(CCGT) 유닛의 작동은 소위 증기 분사 가스 터빈(steam injection gas turbine: SIGT) 주기에 기초하며, 그에 의해 증기가 GT 연소실 안으로 직접 분사된다. 이와 같은 주기 동안에 배기 열 교환기에 의해 만들어지는 모든 증기는 GT 연소실로 공급되고, 생산된 증기/가스 혼합물은 나중에 GT에서 팽창되고, 그 배기 열 교환기를 통과한 후에 대기 중으로 방출된다.
터빈 유로 안으로 증기를 분사하는 것은 그 터빈의 업스트림에서의 가스 온도를 상승시키지 않고서도 파워를 60~70% 정도 상승시키고 효율을 대략 25%(상대값) 정도 향상되게 해준다. 상기 STIG 주기의 단점은 순환 수의 완전한 손실이다.
제안된 기술들의 프로토 타입은 가스 터빈 유닛(GTU) 작동 모드(2012년 11월 20일자 특허번호 RU 2467187)인데, 그것은 압축 공기와 메탄-기반 증기/가스 혼합물을 연소실 안으로 공급하는 것, GT 내의 연소생성물들을 팽창시키는 것, 고압(HP) 증기의 증발 또는 재가열을 통해 그 연소생성물들의 과열을 저감시키는 즉, 완열시키는(desuperheating) 것, 그 연소생성물들 내에 포함된 저압(LP) 증기를 응축시키는 것, GTU에 공급되는 고압(HP) 증기 속의 응축 결과물을 증발시키고 재가열하는 것 등을 가능하게 해주며, 그 GTU에서 유입되는 천연가스는 고압(HP) 증기와 연속적으로 혼합되고, 메탄-기반 증기/가스 혼합물의 연소 생성물들에 의해 제1 열 교환기에서 가열되고, 메탄-기반 증기/가스 혼합물을 만들어내는 촉매 반응기를 지나가게 되고, 그 메탄-기반 증기/가스 혼합물은 나중에 제2 열 교환기에서 가열되고, 제2 촉매 반응기를 통과하여 연소실로 공급된다. 메탄 촉매 변환 생성물들은 1~5%의 수소함량 또는 20%를 넘는 수소 함량을 특징으로 하는 메탄-기반 가스이다.
상기 모드로 작동하는 유닛은 다음과 같은 디자인을 갖는다: 공기 압축기, 연소실, 그리고 증기/가스 혼합물 열교환기의 다운스트림에 설치된 터빈으로 구성되는 가스발생기 트레인(a gas generator train)으로서, 그 열교환기는 그 가열면(heated side)이 메탄 촉매 반응기의 입구에 접속되고 그 가열면에 있는 출구는 상기 연소실에 연결된다. 증기/가스 혼합물 헤더 입구에 연결된 증기 순환로를 갖는 증기 발생기가 열 교환기의 다운스트림의 그 가열면에 있다. 그 헤더 입구는 천연 가스 소스에 연결되어 있고, 그것의 출구는 그 가열면쪽의 열 교환기 입구에 연결된다.
특허 RU 2467187 호를 통해 알려진 GTU 작동 모드 및 디자인은, 소비되는 연료의 고 에너지 효율에 도달하지 못하고, 상기 기술들의 단점들을 단지 부분적으로 제거해줄 뿐이다. 또 다른 단점은 상기 터빈의 업스트림에서 자신의 용량에 미치는 작동 매체 파라미터들의 영향 때문에 그 유닛의 출력을 높이는 능력이 제한되어 있다는 점이다.
제안된 작동 모드의 개발 동안에 해결된 기술적 과제는 상기 단점들을 없애고 에너지 소모량과 배출물들을 최대로 감소시키는 것을 달성하는 GTU의 작동을 보장하는 것이다.
상기 유닛의 디자인을 개발하는 것과 관련하여 해결된 과제는, 더욱 단순화 된 디자인뿐만 아니라, 천연 가스의 증기 촉매적 변환에 사용되는 배기 가스 열의 화학적 재생 및 이와 더불어 GTU 가스 발생기에서 메탄/수소 또는 증기/메탄/수소(SMH) 혼합물의 생산을 통해 얻어지는 더 높은 출력과 효율성을 특징으로 하는 새로운 타입의 GTU를 창작해내는 것이다.
제안된 GTU 디자인을 개발하는 것을 통해 달성되는 기술적 결과는 그것의 원형(prototype)에 비해 배출되는 연소 생성물 에너지의 더욱 완전한 회수를 통해 성능을 향상시키는 것이다.
제안된 GTU 작동 모드의 개발 과정에서 얻어진 유익한 효과는 온도와 NOX 방출량을 4~8배 정도 감소시키고, 천연 가스 소비량을 14.8% 줄이고 뿐만 아니라 효율을 3.41%(절대치) 정도 올리는 것이다.
상기 유닛의 작동과 관련한 과제는 이하의 작동 모드에 의거하여 해결되었는데, 그 작동모드는 압축 공기와 증기/메탄/수소(SMH) 혼합물을 연소실 안으로 공급하는 것, 가스 터빈(GT)에서 SMH 연소 생성물들을 팽창시키는 것, 가스 터빈 유닛(GTU)에 공급되는 증기를 증발시키거나 또는 재가열함으로써 그것을 완열시키는 (desuperheating) 것을 가능하게 해주는 가스 터빈 유닛(GTU) 작동 모드로서, 그 GTU에서는 입력되는 천연가스가 고압(HP) 증기와 혼합되어 메탄-기반 증기/가스 혼합물이 만들어지고, 상기 메탄-기반 증기/가스 혼합물은 열 교환기 내에서 상기 언급된 연소 생성물들의 흐름에 의해 가열되고 그리고 메탄 변환용 촉매 반응기를 통과하여 GTU 연소실 안으로 공급되는 상기 SMH 혼합물을 더 만들어낸다. 제안된 상기 작동 모드에 따르면, 열교환공정 온도는 보조 파워 GT 출구에서 추출되는 SMH 혼합물 연소 생성물들의 흐름에서의 보충 연료 연소에 의해 증가된다. 상기 SMH 혼합물은 상기 연소실에 공급되기 전에 200 ~ 240℃까지 완열되고(desuperheated) 이와 동시에 그것의 증기의 부분적 응축과 응축물의 생산이 이루어진다. 그 응축물은 상기 메탄-기반 증기/가스 혼합물과 저압(LP) 증기를 생산하는 동안에 분리되고 증발되고 소비되며, 상기 LP 증기는 보조 파워 GT를 통과하게 된다.
이 모드는 또한 메탄, 천연 가스, 또는 촉매 반응기로부터 추출된 SMH 혼합물의 어느 하나가 SMH 연소 생성물 흐름에서 연소되는 연료로서 사용될 수 있다는 사실을 특징으로 한다.
이 모드의 또 하나의 특징은 그 열교환기 내의 메탄-기반 증기/가스 혼합물이 600~640℃까지 가열된다는 것이다.
상기 디자인과 관련하여 언급된 기술적인 결과는 GTU의 사용을 통해 도달되는바, 그 GTU는 가스 발생기 트레인의 연소실에서 연소되는 SMH 혼합물을 생산하는 유닛으로 구성되는 가스 터빈 유닛(GTU)으로서, 상기 가스 발생기 트레인은 공기압축기, 연소실 및 가스 터빈(GT)을 구비하며, 상기 GT는 가열면이 메탄 변환용 촉매 반응기의 입구에 연결된 열 교환기를 통해 상기 SMH 혼합물 생산 유닛에 연결되며, 상기 촉매반응기의 출구는 가열면에서 가스 발생기 연소실에 연결된다. 증기 발생기가 제공되는데, 그 증기발생기는 자신의 가열면에 있는 열 교환기의 다운스트림에 설치되고 자신의 증기 출구가 천연가스가 공급되는 혼합기의 입구에 연결된다. 그 증기 발생기 입구는 증기 응축물 소스에 연결된다. 제안된 디자인의 장치(design arrangement)에 따르면, GT의 다운스트림에 설치된 상기 가스 발생기 트레인은 부하가 걸려 있는 보조 파워 GT와 SMH 혼합물 연소 생성물을 위한 애프터버너(afterburner)를 포함하며, 상기 애프터버너는 자신의 출구가 상기 열 교환기 입구에 연결되고 자신의 입구가 상기 보조 파워 GT의 출구에 연결되며, 상기 보조 파워 GT의 저압(LP) 증기 입구는 상기 증기발생기의 출구에 연결된다.
상기 유닛의 디자인은 또한 그 증기 발생기가 애프터버너 및 열 교환기에 병렬로 위치되는 것을 특징으로 한다.
상기 유닛의 디자인의 또 다른 특징은 그 촉매 반응기의 출구에서 완열처리된 상기 SMH 혼합물이 증기 응축물의 부가적인 소스라는 점이다.
제안된 GTU 작동 모드는, 연소 생성물 열 회수에 의해 더 높은 수소 함량을 갖는 특징으로 하는 SMH 혼합물을 생산하는 것을 가능하게 해주어, 그것의 연소 동안에 배출물과 소비 전력의 상당한 감소를 가져다준다.
고효율 가스 터빈 유닛들을 위한 열회수라는 관심사(topicality)는 그 유닛들의 더 높은 효율과 경쟁력을 위한 요건뿐만 아니라, 발전, 가스 펌핑 및 운송 분야에서 복합 사이클 GTU들을 적용함으로써 동력을 재공급할 (repowering) 필요에서 유래한다.
CO2 트래핑을 갖는 종래의 GTU들과 증기/가스 사이클들의 구성과는 달리, 화학적 재생성을 갖는 유닛은 배기 가스 열을 천연 가스의 증기 촉매적 변환(개질)용으로 사용하여, GTU용 연료인 메탄/수소 또는 증기/메탄/수소 혼합물을, 가스 터빈에 의해 발생되는 전력의 대부분과 함께, 형성하는 결과를 가져다준다.
이러한 열을 통해 화학 작용제들을 생산할 때 GT 폐열 회수의 가장 높은 열역학적 효율이 달성될 수도 있으며, 그 화학 작용제들을 연소시키는 것은 가스 터빈 주기 내에서 소비되는 고온의 작동 매체를 생성한다. 이러한 작용제들 중 하나는 수소인데, 이것은 유해한 연소 생성물을 생성할 염려가 없는 것이 아니지만 더 높은 터빈 효율을 제공하며, 높은 과잉 공기 지수 (수소/공기 혼합물의 경우 λ= 9.8까지)의 특징을 갖는 초희박 연소 혼합물(an extremely lean combustion mixture)로 작동할 수 있게 해준다. 연소실 내 상당한 정도의 공기 과잉은 배기 가스 온도의 상당한 감소와 거의 검출 한계에 해당하는 정도의 믿을 수 없이 낮은 NOx 방출물들을 가능하게 해준다. 동시에, 작동 매체 유량의 증가는 터빈 용량의 증대라는 결과를 가져다준다. 또한, 복구(rehabilitation) 해야 하는 것을 비롯해, 높은 수소 함량(50 %까지)을 갖는 메탄/수소 혼합물을 GTU들의 연료 가스로서 사용하는 것은, 실질적으로 성능을 향상시키는 것뿐만 아니라 배출물도 크게 줄이는 것을 가능하게 해준다. 제안된 기술적인 해법에 따르면, 천연 가스는 메탄 촉매 증기 변환(methane catalytic steam conversion)을 통해 수소가 풍부해지고, 그것의 흡열 성질(endothermic nature)은 열 입력을 필요로 한다. 가스 터빈에서 배출되는 연소 생성물로부터 열을 추출하는 것은 증기를 생산하는 것과 촉매반응기에 공급되는 SMH 혼합물을 가열하는 것 모두를 위해 이루어지고, 여기서 상기 증기는 메탄 변환에 부분적으로 사용되어 그의 나머지 흐름은 메탄/수소 혼합물과 함께 연소실로 공급된다. 이것은 GT에서 배출되는 연소 생성물들의 에너지를 최대로 사용할 수 있도록 해준다. GTU 열교환 공정들의 온도를 올리는 것은 높은 수소 함량을 가진 SMH 혼합물의 더 높은 생산량에 기여하며, 이것은 본질적으로 더 완전한 연료 연소로 인해 배기물들을 상당히 줄여준다.
SMH 혼합물에서 증기의 특정 부분을 분리하는 것은 높은 수소 함량(50%까지)을 갖는 SMH 혼합물들의 연소를 증가시켜 GTU 성능을 향상시키고 배출물을 현저히 감소시키기 위한 것이다. 그 유닛의 공정에서 재활용하기 위해 증기 응축물의 특정 부분을 추출하는 것은 여분의 증기 소스로서의 역할을 하게 되는 것이다.
그 디자인에 관해서는, GTU 내에 보조 파워 GT를 적용하는 것의 편의성은 유닛 용량의 상당히 증가하는 것에 의해 규정되는바, 이는 상기 애프터버너와 평행하게 설치되고 HP 증기 출구가 혼합기 입구에 연결되고 LP 증기 출구가 보조 파워 GT 입구에 연결된 증기 발생기가 생산하는 여분의 증기-기반 작동 매체를 보조 터빈 순환로에 공급하는 것에 의한다. 그 유닛에 애프터버너를 갖추는 것은 또한 열 입력을 필요로 하는 흡열 성질의 메탄 촉매 변환을 통해 생성되는 SMH 혼합물의 생산량을 실질적으로 증가시키는 것에 기여한다.
증기 발생기의 입구는 상기 SMH 혼합물로부터 증기 응축물을 추출하는 데 사용되는 촉매 반응기에 연결되는데, 상기 증기 응축물의 추출은 촉매 반응기 출구에서 완열처리된 SMH 혼합물이 증기 응축물의 여분의 소스로서 기능하는 방법으로 이루어지며, 그 증기 응축물의 그 여분의 소스의 재가열 후에 증기 발생기가 HP 증기와 LP 증기를 생산한다.
도 1은 GTU 작동 모드 및 디자인을 위한 개략도.
도면에서 알 수 있는 바와 같이, GTU는 다음과 같은 구성요소들로 이루어진 가스 발생기 트레인을 포함한다: 공기(2)를 압축하는 압축기 (1), SMH 혼합물(4)을 연소시켜 연소 생성물(5)을 배출하는 연소실 (3), 연소 생성물(5)을 팽창시키고 출구에서 저압(LP) 연소 생성물(7)들을 만들어내는 GT(6), 부하(9)가 걸려 있는 보조 파워 GT(8), 그리고 연료(11)를 가진 애프터버너(10).
천연 가스(13)에 기초하여 SMH 혼합물(4)을 만들어내는 유닛(12)은, 메탄-기반 증기/가스 혼합물을 만들어내는 혼합기(14), 가열된 메탄-기반 증기/가스 혼합물(16)을 자신의 출구에서 발생시키는 열 교환기(15), SMH 혼합물(4)과 증기 응축물(18)을 발생시키는 메탄 변환용 촉매 반응기(17), 완열처리된(desuperheated) 연소 생성물(22)의 추출과 함께 고압(HP) 증기(20)와 저압(LP) 증기(21)를 만들어내는 증기 발생기(19)를 포함한다.
GTU는 제안된 작동 모드를 구현하도록 디자인되었다.
GTU 디자인의 한 가지 예가 이하에 제시된다.
아래의 도면에 따르면, GTU는 다음과 같은 구성요소를 구비한다: 연소실(3)에서 연소되는 SMH 혼합물(4)을 만들어내는 유닛(12)과, 가스 발생기 트레인을 구비하며, 그 가스 발생기 트레인은, 직렬로 설치되어 있는, 공기(2)를 압축하는 압축기(1)와, 연소실(3) 및 GT(6)와, 이들의 다운스트림에 있는 부하(9) 걸린 보조 파워 GT(8)와, 그리고 연료-투입(11)되는 SMH 혼합물(4)의 애프터버너(10). 애프터버너(10)는 자신의 출구가 열 교환기(15)의 입구에 연결되고 자신의 입구가 보조 파워 GT(8)의 입구에 연결된다.
발전기, 장거리 가스관에 있는 천연가스 압축기 또는 차량 구동부는 보조 파워 GT (8)에 대한 부하 (9)의 역할을 한다.
SMH 혼합물(4)을 생산하는 유닛(12)은, 열 교환기(15)를 통해 GTU 가스 발생기와 기능적으로 링크되어 있고 또한, 천연 가스(13)가 공급되는 혼합기(14)와, 가열면에서 촉매 반응기(17)의 입구에 연결되는 열 교환기(15)를 구비하며, 그 촉매반응기(17)의 출구는 가열면에서 가스 발생기의 연소실(3)과 연결된다. SMH 혼합물(4)의 생산량을 늘리고 그것의 안정성을 보장하기 위해, 촉매 반응기(17)는 동일한 촉매로 채워진 두 개의 반응기로 분할될 수 있다.
자신의 HP증기 출구(20)가 혼합기(14)의 입구에 연결되고 자신의 LP 증기 출구(21)가 보조 파워 GT(8)의 입구에 연결되는 증기 발생기(19)는 자신의 가열면에서 애프터버너(10) 및 열 교환기(15)와 평행하게 설치된다.
증기 발생기(19)의 입구는, 완열처리된 SMH 혼합물(4)로부터 증기 응축물(18)을 내보낼 수 있도록 하기 위해, 자신의 일측 단부가 촉매 반응기(17)에 연결되고 그리고 타측 단부가 열교환기(15)의 출구에 연결된다. 따라서 촉매 반응기(17)의 출구에서 완열 처리된 그 SMH 혼합물은 HP 증기(20)와 LP 증기(21)를 만들어내는 증기 발생기(19)용 증기 응축물(18)의 여분의 소스로서 기능한다.
GTU 작동 모드와 관련하여 제안된 기술적 해결책의 예는 아래에 제시된 바와 같다.
부하 (9)가 걸려있는 보조 파워 GT (8)는 SMH 혼합물(4)을 생산하는 유닛 (12)에서의 연료 연소에 의해 작동된다. 이런 목적을 위해, 가스 발생기의 연소실(3)에는 촉매 반응기 (17)로부터 나오는 SMH 혼합물 (4)과 압축기(1)로부터 나오는 공기(2)가 동시에 투입된다. 연소실(3)에서 나오는 연소 생성물들(5)은 GT(6)에 공급되고, 거기서 팽창을 거치면서 LP 연소 생성물들로 만들어져 부하(9)가 걸린 보조 파워 GT(8)에 공급된다.
SMH 혼합물(4)을 생산하는 유닛(12)은 배기 가스 열 에너지를 통해 작동되고, 그것에 의해 열 교환 공정 온도는, 보조 파워 GT(8)의 출구에서 추출되는 LP SMH 혼합물 연소 생성물 흐름(7) 내의 연료(11)를 애프터버너(10)에서 후기연소(afterburning)시키는 것에 의해 증가한다.
연료(11)의 산화는 다운스트림에 위치하는 열 교환기(15)에 공급되는 LP 연소 생성물(7) 흐름의 온도를 더 높게 해준다. 메탄 또는 천연가스 또는 SMH 혼합물 중 어느 한 가지는 애프터버너(10)에서 연소되는 연료(11)로서 사용된다.
SMH 혼합물(4)을 생산하기 위해, 천연가스(13)가 혼합기(14)에 공급되어 증기 발생기(19)에 의해 만들어진 HP 증기(20)와 혼합된다. 그런 다음, 혼합기(14)에 의해 만들어진 메탄-기반 증기/가스 혼합물은 열 교환기(15)에 공급되며, 그것의 가열 흐름은 위에서 언급한 것처럼 애프터버너(10)를 떠난 LP SMH 혼합물(7)의 연소 생성물들의 재가열된 흐름이다.
메탄-기반 증기/가스 혼합물은 열 교환기(15)에서 600~640℃까지 가열되는바, 이는 메탄 변환을 위해 출구에서 촉매 반응기(17)로 공급되는 메탄-기반 증기/가스 혼합물(16)의 흐름을 만들어내기 위함이다. 열 교환기(15)에서 완열 처리된 연소 생성물 흐름이 증기 발생기(19)에 공급되며, 그 증기발생기(19)는 HP 증기(20)와 LP 증기(21)를 증발시키고 재가열시키는 것을 통해 후기냉각(aftercooling)이 되도록 해주고, 그것에 의해 HP 증기는 혼합기(14)에 공급되며 LP 증기(21)는 부하(9)가 걸려 있는 보조 파워 GT(8)를 통과한다. 증기 발생기(19)에서 냉각되고 낮은 NOx 를 함유하는 저온 연소 생성물들(22)은 대기 속으로 배출된다.
메탄 변환 공정의 결과로서, 촉매 반응기 (17)는 아래 표에 나타낸 프리셋 파라미터들 (preset parameters)갖는 SMH 혼합물 (4)을 생성한다.
촉매 반응기(17)의 출구에서, SMH 혼합물(4)은 반응기(17) 안에 매입된 가스-물 간(gas-to-water) 열교환기(도면에는 생략됨)에서 미리 200~240℃까지 완열 처리되고, 이와 동시에 혼합물(4) 내에 함유된 증기의 부분적 응축과 나중에 증기 발생기(19)용 공급수(feed water)의 여분의 소스로서 사용되는 증기 응축물의 형성이 이루어진다. 이런 목적을 위해, 증기 응축물(18)은 SMH 혼합물(4)과 촉매 반응기(17)로부터 분리, 추출되고 난 다음 증기 발생기(19)에 공급되어 거기서 증발하게 되는데, 그러한 증발은 혼합기(14)에 공급되는 HP 증기(20)와 부하(9)가 걸려 있는 보조 파워 GT(8)를 통과하는 LP 증기(21)를 만들어내는 SMH 혼합물(4) 연소 생성물들에 의해 방사되는 열을 통해 이루어진다.
따라서 SMH 혼합물(4)을 만들어내는 유닛(12)은 가스 발생기용 연료와 보조 파워 GT(8)를 작동시키는 HP 증기(20) 및 LP 증기(21)를 동시에 발생시킨다. 게다가, 유닛(12)은 저온이면서 낮은 NOx 연소 생성물들(22)을 분리하여 대기 중으로 배출하는 데 이용된다.
아래의 표는 촉매 반응기 (17)에서 추출되는 SMH 혼합물의 조성과 열 특성을 보여준다.
SMH 혼합물의 조성 및 열 특성
열 특성
측정 단위
 SMH 혼합물 성분
CO2 N2 CO H2 CH4 H2O
체적 함량
(Volume content)		 0.04042 0.00197 0.00412 0.16974 0.18518 0.59857
몰 무게
(Molar weight)		 kg/mol 0.04401 0.02801 0.02801 0.00202 0.01604 0.01802
무게 함량
(Weight content)		 0.33804 0.01047 0.02196 0.06500 0.56453
상대 증기 유량(Relative steam flow rate) 2.04933
엔탈피(Enthalpy) KJ/kg 36277.4
혼합물 유속*(Mixture flow rate) nm3/h 4390.165
혼합물 압력(Mixture pressure) kgf/cm2 29.98
혼합물 온도 (Mixture temperature) ℃ 568.12
* 혼합물 유속은 1000 nm3/h 의 천연 가스 유입에 관해 나타낸 것이다.
건조 가스에 관하여, 촉매 반응기 (17)의 출구에서 SMH 혼합물에 함유된 수소의 농도는 거의 40 %이다.
SMH 혼합물(4)과 HP 증기(20) 흐름들의 압력은 GT(6) 입구 압력에 가능한 한 근사적으로 가까운 2.0~8.0MPa에서 유지된다.
유닛 (12) 내의 촉매 반응기 (17)는 두 개의 반응기로 나뉠 수 있고, 그에 의해 메탄-기반 증기/가스 혼합물(16) 내의 메탄이 아무런 열 공급 없이 다음과 같은 금속들에 기반하는 단일형 촉매를 사용하여 제1 및 제2 촉매 반응기에서 교대로 변환된다: 니켈, 철, 백금, 팔라듐, 이리듐 또는 이들의 화합물들. 열 중성자들을 흡수하는 중금속들의 내화성 화합물(refractory compounds)을 함유하는 촉매의 분절된 단광(segmented briquette)은 용융물의 기계적인 영향으로부터 보호된다. 그 분절된 단광 프레임의 단면은 기어-형상으로 되어 있다.
촉매 반응기 (17)의 용량을 늘리기 위해서, 입력 천연 가스 (13)는 황을 제거하기 위해 전처리 된다.
1: 압축기 2: 공기
3: 연소실 4: SMH 혼합물
5: 배출 연소 생성물 6: 가스 터빈(GT)
7: 저압(LP) 연소 생성물들
8: 보조 파워 가스 터빈(GT)
9: 부하 10: 애프터버너
11: 연료 12: 유닛
13: 천연 가스 14: 혼합기
15: 열교환기 16: 가열된 메탄-기반 증기/가스 혼합물
17: 촉매 반응기 18: 증기 응축물
19: 증기 발생기 20: 고압(HP) 증기
21: 저압(LP)증기 22: 완열처리된 연소 생성물

Claims (6)

  1. 압축 공기와 증기/메탄/수소(SMH) 혼합물을 연소실 안으로 공급하는 것, 가스 터빈(GT)에서 SMH 연소 생성물들을 팽창시키는 것, 가스 터빈 유닛(GTU)에 공급되는 증기를 증발시키거나 또는 재가열함으로써 그것을 완열시키는 (desuperheating) 것을 가능하게 해주는 가스 터빈 유닛(GTU) 작동 모드로서, 상기 GTU에서는 입력되는 천연가스가 고압(HP) 증기와 혼합되어 메탄-기반 증기/가스 혼합물이 만들어지고, 상기 메탄-기반 증기/가스 혼합물은 열 교환기 내에서 상기 언급된 연소 생성물들의 흐름에 의해 가열되고 그리고 메탄 변환용 촉매 반응기를 통과하여 GTU 연소실 안으로 공급되는 상기 SMH 혼합물을 더 만들어내며, 제안된 상기 작동 모드에 따르면, 열교환공정 온도는 보조 파워 GT 출구에서 추출되는 SMH 혼합물 연소 생성물들의 흐름에서의 보충 연료 연소에 의해 증가하지만, 상기 SMH 혼합물은 상기 연소실에 공급되기 전에 200~240℃ 까지 완열처리되고 (desuperheated) 이와 동시에 그것의 증기의 부분적 응축과 응축물의 생산이 이루어지며, 상기 응축물은 상기 메탄-기반 증기/가스 혼합물과 저압(LP) 증기를 생산하는 동안에 분리되고 증발되고 소비되며, 상기 LP 증기는 보조 파워 GT를 통과하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 유닛(GTU) 작동 모드.
  2. 제 1 항에 있어서, 메탄, 또는 천연 가스, 또는 상기 SMH 혼합물의 어느 하나가 SMH 연소 생성물 흐름에서 연소되는 연료로서 사용될 수 있다는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 유닛 작동 모드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기 내의 메탄-기반 증기/가스 혼합물이 600~640℃까지 가열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 유닛 작동 모드.
  4. 가스 발생기 트레인의 연소실에서 연소되는 SMH 혼합물을 생산하는 유닛으로 구성되는 가스 터빈 유닛(GTU)으로서, 상기 가스 발생기 트레인은 공기압축기, 연소실 및 가스 터빈(GT)을 구비하며, 상기 GT는 가열면이 메탄 변환용 촉매 반응기의 입구에 연결된 열 교환기를 통해 상기 SMH 혼합물 생산 유닛에 연결되며, 상기 촉매반응기의 출구는 가열면에서 가스 발생기 연소실에 연결되고, 증기발생기는 자신의 가열면에 있는 열 교환기의 다운스트림에 설치되고 자신의 증기 출구가 천연가스가 공급되는 혼합기의 입구에 연결되며 상기 증기발생기의 입구는 증기 응축물 소스에 연결되며; 제안된 디자인의 장치(design arrangement)에 따르면, GT의 다운스트림에 설치된 상기 가스 발생기 트레인은 부하가 걸려 있는 보조 파워 GT와 SMH 혼합물 연소 생성물을 위한 애프터버너(afterburner)를 포함하며, 상기 애프터버너는 자신의 출구가 상기 열 교환기 입구에 연결되고 자신의 입구가 상기 보조 파워 GT의 출구에 연결되며, 상기 보조 파워 GT의 저압(LP) 증기 입구는 상기 증기발생기의 출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 GTU 디자인.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 증기 발생기는 상기 애프터버너 및 열 교환기에 병렬로 위치되는 것을 특징으로 하는 GTU 디자인.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 촉매 반응기의 출구에서 완열처리된 상기 SMH 혼합물은 증기 응축물의 부가적인 소스인 것을 특징으로 하는 GTU 디자인.
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