KR101825283B1 - 복합 화력 발전소 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 화력 발전소(1) 작동 방법에 관한 것이며, 폐열 보일러(11) 내에 보조 버너(15, 16)가 배열되며, 보조 버너(15, 16)에는 가스 터빈(3)으로부터의 2차 공기가 공급된다.

Description

복합 화력 발전소 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A COMBINED CYCLE POWER PLANT}
본 발명은 폐열 보일러를 포함하는 발전소 및 복합 화력 발전소 작동 방법에 관한 것이다.
순수 증기 발전소에 부가적으로, 가스- 및 증기 터빈 발전소(복합 화력 발전소)가 전기 에너지의 생산을 위해 사용된다. 복합 화력 발전소에서, (단축 시스템에서) 하나의 발전기를 또는 (다축 시스템에서) 복수의 발전기를 구동시키는 회전 기계로서 가스 터빈뿐만 아니라 증기 터빈도 사용된다.
또한, 복합 화력 발전소는, 증기 터빈을 위한 증기의 생성을 위해 가스 터빈 출구에서의 열 에너지가 사용되는 것을 특징으로 한다.
가스 터빈, 특히 복수의 가스 터빈과, 증기 터빈을 갖는 복합 화력 발전소는 통상 정격 출력의 25%와 100% 사이의 부하 범위 내에서 작동된다. 가스 터빈을 작동시키는 출력이 작으면 작을수록, 가스 터빈의 출구에서의 열 에너지도 작은데, 이는 증기 터빈을 위한 증기 생성에 바람직하지 못하게 작용한다. 정격 출력의 50% 아래에서, 부속된 폐열 보일러를 갖는 가스 터빈은 통상 정지된다. 가스 터빈이 낮은 부하에서, 특히 부분 부하(park load)에서 운전될 수 있기 위해서는, 가스 터빈에 공급될 연료와, 연료를 위해 필요한 공기 사이의 비율이 감소될 경우에만 가능하다. 그러나 이는 더 낮은 가스 터빈 배기 가스 온도와, 이로 인해 증기 터빈을 위한 증기의 더 낮은 온도를 야기한다. 따라서, 증기 터빈의 두꺼운 벽 구성 부분이 냉각될 수도 있는데, 이는 이어지는 후속 부하 수용 시에 시간이 연장될 수도 있는 결과를 갖는다.
또한, 가스 터빈 내의 더 낮은 연소 온도로 인해, 이산화탄소 값(CO 값)이 상당히 증가할 수도 있다.
상응하는 유효 전력을 갖는 전기 에너지의 생성에 부가적으로, 예를 들어 복합 화력 발전소와 같은 종래 발전소에 있어서, 추가의 특성을 포함하는 것이 점차 중요해 진다. 따라서, 이러한 유형의 복합 화력 발전소에 주파수 안정을 위한 예비 전력이 제공되는 것은 중요하다. 또한, 복합 화력 발전소에는 전력망 내의 전압 안정을 위한 충분한 무효 전력의 생성 가능성 및 전력망 내의 주파수 변동의 감쇠를 위한 회전 질량이 제공되어야 한다. 종래 발전소에 부가적으로, 재생 에너지에 의해 작동되는, 전기 에너지를 생성하기 위한 발전소가 존재한다. 이는, 예를 들어 풍력 발전소 또는 태양열 발전소일 수 있다. 그러나 이러한 발전소들은 상술된 특성을 충족시킬 수 없다. 하지만, 예비 전력 및 무효 전력의 제공은 기본적으로 상기 발전소들에 의해 가능할 수도 있다는 것이 예측된다. 조절 태스크에 대한 또는 주파수 조절을 위한 회전 질량의 감쇠 작용은 원칙적으로 예를 들어 가스 터빈 또는 증기 터빈과 같은 터빈에 의해서만 충족될 수 있다. 이를 위해, 증기 터빈이 특히 적합하다. 이는, 증기 터빈의 로터가 높은 질량 관성 모멘트를 포함하고 있고, 다른 한편으로 증기 터빈의 출력이 특정 값 범위 내에서 회전수와는 거의 무관하기 때문이다. 이에 반해, 가스 터빈의 출력은 더 높은 회전수에서는 마찬가지로 더 높다.
따라서, 복합 화력 발전소 내의 증기 터빈은 전력망의 부하가 최소일 때 작동 중으로 유지되는 것이 바람직하다. 이는, 예를 들어 전력 수요가 적거나 재생 에너지 원으로부터 많은 양이 제공될 경우에 해당될 수도 있다.
그러나 현재, 예를 들어 독일에서 대부분 복합 화력 발전소는 밤에는 중단되고 그 다음 아침에 핫 스타트(hot start)를 통해 다시 활성화된다. 이에 대한 대안으로, 가스 터빈이 최소 출력으로 하강 작동하고, 이때 폐열 보일러 및 증기 터빈은 냉간 작동하는데, 이는 폐열 보일러 및 증기 터빈의 두꺼운 벽 구성 부분의 수명 소모가 높아지도록 한다. 이러한 복합 화력 발전소가 작동될 수 있는 최소 출력은 CO 배출에 대한 허용 한계값에 의해 한정된다.
국제공보 WO 2012/052277호(2012.04.26) 유럽특허공개공보 제0 967 366호(1999.12.29) 유럽특허공개공보 제1 247 961호(2002.10.09) 독일특허공개공보 제14 01 020호(1968.10.17)
본 발명의 과제는 개선된 작동 방식을 가능케 하는 발전소를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따른 발전소에 의해 해결된다.
또한, 상기 과제는 청구항 제4항에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따르면, 최소 부하에서 증기 터빈 및 하나 이상의 폐열 보일러가 가열 유지되는 것이 제안된다. 이 경우, 가스 터빈은 부하 범위 내에 있는 것이 아니라, 압축기 부분을 통해 필요 공기 유량을 제공한다. 두 개의 가스 터빈을 갖는 복합 화력 발전소에서는 두 개의 가스 터빈 중 하나 이상이 압축기 부분을 통해 필요 공기 유량을 제공한다. 가스 터빈의 구동은 감소된 회전수에서 수행되며, 기동 인버터(start-up inverter)는 가스 터빈의 로터를 구동시킨다.
바람직한 개선예는 종속 청구항에 명시된다.
바람직한 개선예에서, 발전소는 폐열 보일러로부터의 증기가 유동 가능한 증기 터빈을 포함하며, 폐열 보일러는 고압 드럼을 포함하며 고압 드럼 후방에는 고압-압력 유지 밸브가 배열된다. 따라서, 발전소의 바람직한 개선예는 폐열 보일러 내에 배열된 중압 드럼을 나타내며, 중압 드럼 후방에는 중압-압력 유지 밸브가 배열된다.
버너를 위해 필요한 2차 공기가 폐열 보일러 내에 공급된다. 이 경우에, 가스 터빈은, 버너 작동을 위해 필요한 공기 유량에 대략 상응하는 회전수로 유지되어야 한다.
연료는 폐열 보일러 내에 배열된 보조 버너로 공급된다. 공연비에 의해, 가스 온도는 증기 측에서 거의 정격 온도에 도달하도록 조절된다.
이때, 증기 터빈 바로 전방의 터빈 밸브가 완전히 개방되어야 한다. 증기 드럼 후방에 배열된 추가 밸브를 통해, 증발기 내의 압력은, 고정압의 40% 내지 100% 사이에 놓일 수도 있는, 예를 들어 정격 압력의 60%에 있을 수 있는 고정압으로 유지되어야 한다.
바람직하게는, 증기 터빈은 예를 들어 전력망의 10MW보다 작은 최소 부하로 유지될 수 있다. 증기 터빈 및 폐열 보일러의 두꺼운 벽 구성 부분은 거의 정격 온도로 유지된다. 이로써, 매우 빠르게 부하가 다시 수용될 수 있다.
바람직하게는, 가스 터빈은 30Hz 아래의 회전수로 작동된다.
본 발명의 상술된 특성, 특징 및 장점, 그리고 어떻게 이들이 달성되는지에 대한 방식은, 도면을 참조로 상세히 설명되는 실시예의 이하 설명을 참조로 명료하고 확실하게 이해된다.
본 발명의 실시예가 이하 도면을 참조로 설명된다. 도면은 실시예를 척도에 따라 도시하는 것이 아니라, 설명을 위해 사용되는 도면은 개략적이고 그리고/또는 약간 변형된 형태로 도시된다. 도면에서 직접 인지 가능한 교시의 보완에 대해서는 설명된 종래 기술이 참조된다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 화력 발전소의 개략도를 도시한다.
도 1은 증기 터빈(2) 및 가스 터빈(3)을 포함하는 복합 화력 발전소(1)를 도시한다. 증기 터빈(2)은 고압-부분 터빈(4), 중압-부분 터빈(5) 및 복류 저압-부분 터빈(6)을 포함한다.
가스 터빈(3)은 압축기 부분(7), 버너 부분(8) 및 터빈 부분(9)을 포함한다. 가스 터빈(3)의 가열된 배기 가스(10)가 폐열 보일러(11) 내로 도달된다. 폐열 보일러(11)는 고압 드럼(12), 중압 드럼(13) 및 저압 드럼(14)을 포함한다. 폐열 보일러(11) 내에는 하나 이상의 보조 버너(15)가 배열된다. 도면에 도시된 폐열 보일러(11)는 보조 버너(15) 외에 추가의 보조 버너(16)를 포함한다. 보조 버너(15) 및 보조 버너(16)는 열 에너지의 생성을 위해 구성되며, 폐열 보일러(11) 내에서 증기 터빈(2)을 위한 증기를 생성하도록 구성된다.
이를 위해, 그 안에 밸브(18, 19)가 배치된 생증기 라인(17)이 배열되며, 이는 고압-부분 터빈(4)에 생증기를 공급한다. 증기가 고압-부분 터빈(4)으로부터 폐증기 라인(20)을 통해 중간 과열기(21)로 유동한다. 추가로, 폐증기 라인(20)에는 중압 드럼(13)에 의해 증기가 공급된다. 마지막으로, 증기는 중압 라인(22) 및 다른 밸브(23, 24)를 통해 중압-부분 터빈 내로 도달한다. 중압-부분 터빈(5)의 출구에서 증기는 오버플로우 라인(25)을 통해 저압-부분 터빈(6)으로 도달한다. 추가로, 저압-부분 터빈(6)에는 폐열 보일러(11) 내의 저압 드럼(14)에 의해 증기가 공급된다. 또한, 저압 드럼(14)의 출구에서 저압 드럼 라인(26) 내에는 다른 밸브(27, 28)가 배열된다.
가스 터빈(3)은, 버너(15, 16)를 위해 요구되는 공기 유량이 가스 터빈(3)으로부터 접속 가능하도록 구성된다. 이는, 가스 터빈(3)이 연료 공급 없이 작동되고 그 구동이 기동-인버터를 통해 수행됨으로써 가능하다(도시되지 않음). 따라서, 버너(15, 16)에는 가스 터빈(3)으로부터의 2차 공기가 공급된다. 고압 드럼(12)의 후방에는 고압-압력 유지 밸브(29)가 배열된다. 고압-압력 유지 밸브(29)는, 폐열 보일러(11) 내의 압력이 정격 압력의 40% 내지 100%, 특히 60%에 있는 고정압으로 유지되도록 작동된다. 또한, 폐열 보일러(11)는 중압-압력 유지 밸브(30)를 포함하며, 중압-부분 터빈(5)에는 폐열 보일러(11) 내의 중압 드럼(13)을 통해 중압 증기가 공급되며, 중압 드럼(13) 후방에는 중압-압력 유지 밸브(30)가 배열되며, 중압-압력 유지 밸브(30)는, 페열 보일러(11) 내의 압력이 정격 압력의 40% 내지 100%, 특히 60%에 있는 고정압으로 유지되도록 작동된다. 이 경우에, 고압-부분 터빈(4) 전방에는 고압 밸브(18, 19)가 배열되며, 이 밸브(18, 19)는 완전히 개방된다. 중압-부분 터빈(5) 전방에는 밸브(24, 23)가 배열되며, 이들은 이러한 작동 방식에서 완전히 개방된다.
따라서, 상기 복합 화력 발전소의 작동 방식은, 가스 터빈(3)이 전력망과 동기화되어야 하는 것이 아니라, 버너(15, 16)를 위한 공기 공급부로서 구성되도록 작동된다. 또한, 밸브(29, 30)는, 고압 드럼(12) 및 중압 드럼(13)이 거의 정격 압력으로, 그리고 거의 정격 온도로 유지될 수 있도록 한다.
이로써, 최소 부분 부하로 작동될 수 있고 전력망 안정화 특성이 유지될 수 있는 가능성이 제공된다. 이는, 예를 들어 무효 전력의 제공을 통해 또는 회전 질량에 의한 감쇠를 통해 수행된다. 이러한 상태로부터 발전소(1)는 더 빠르게 정격 출력으로 도달될 수 있다. 이는 특히, 복합 화력 발전소(1)가 더 오랜 시간 동안 정지되어야 할 경우에 해당된다.
본 발명이 바람직한 실시예에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 도출될 수 있다.

Claims (12)

  1. 폐열 보일러(11)를 포함하는 발전소(1)이며,
    열 에너지를 생성하기 위한 보조 버너(15, 16)가 폐열 보일러(11) 내에 배열되는 발전소에 있어서,
    가스 터빈(3)을 구비하며, 가스 터빈(3)은 보조 버너(15, 16)를 위해 요구되는 공기 유량이 가스 터빈(3)으로부터 접속 가능하도록 구성되며,
    가스 터빈(3)은 연료 공급 없이 작동되며, 발전소(1)는 기동-인버터를 더 포함하며, 구동은 기동-인버터를 통해 수행되고,
    폐열 보일러(11)로부터의 증기가 유동 가능한 증기 터빈(2)을 구비하며,
    폐열 보일러(11)는 고압 드럼(12)을 포함하며, 고압 드럼(12) 후방에는 고압-압력 유지 밸브(29)가 배열되고,
    폐열 보일러(11)는 중압 드럼(13)을 포함하며, 중압 드럼(13) 후방에는 중압-압력 유지 밸브(30)가 배열되고,
    증기 터빈의 바로 전방의 터빈 밸브(18, 19)는 완전히 개방되고, 고압-압력 유지 밸브(29)와 중압-압력 유지 밸브(30)는 증발기 내의 압력을 정격 압력의 40% 내지 100% 사이의 고정압으로 유지하는 것을 특징으로 하는, 발전소(1).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 복합 화력 발전소(1) 작동 방법이며,
    폐열 보일러(11) 내에는 보조 버너(15, 16)가 배열되며, 보조 버너에는 가스 터빈(3)으로부터의 2차 공기가 공급되는 복합 화력 발전소 작동 방법에 있어서,
    가스 터빈(3)은 연료 공급 없이 작동되며, 구동은 기동-인버터를 통해 수행되고,
    고압-부분 터빈(4)에는 폐열 보일러(11) 내의 고압 드럼(12)을 통해 생증기가 공급되며, 고압 드럼(12) 후방에는 고압-압력 유지 밸브(29)가 배열되고,
    중압-부분 터빈(5)에는 폐열 보일러(11) 내의 중압 드럼(13)을 통해 중압 증기가 공급되며, 중압 드럼(13) 후방에는 중압-압력 유지 밸브(30)가 배열되고,
    고압-부분 터빈(4) 전방에는 고압 밸브들(18, 19)가 배열되며, 고압 밸브는 완전히 개방되고, 고압-압력 유지 밸브(29)와 중압-압력 유지 밸브(30)는 폐열 보일러(11) 내의 압력이 정격 압력의 40% 내지 100% 사이의 고정압으로 유지되도록 작동되는 것을 특징으로 하는, 복합 화력 발전소 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서, 가스 터빈(3)은 감소된 회전수로 작동되는, 복합 화력 발전소 작동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 가스 터빈(3)은 30Hz 아래의 회전수로 작동되는, 복합 화력 발전소 작동 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제4항에 있어서, 중압-부분 터빈(5) 전방에는 중압 밸브(23, 24)가 배열되며, 중압 밸브는 완전히 개방되는, 복합 화력 발전소 작동 방법.
KR1020157034334A 2013-05-27 2014-05-21 복합 화력 발전소 작동 방법 KR101825283B1 (ko)

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