KR101880673B1 - Method and system for raising gas turbine power by brown gas - Google Patents

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장동순
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Abstract

The present invention relates to a method and a system for increasing the power of a gas turbine by using brown gas. The brown gas is already homogeneously mixed with hydrogen and oxygen, has flammability which is much wider than that of LNG, and is much faster in flame propagation speed than LNG. The brown gas is excellent in terms of temperature rise capability. Accordingly, it is possible to reduce LNG consumption. The LNG reduced in consumption is mixed and burned with a small amount of brown gas so that most of the LNG can be burned within 0.001 second and practical power conversion efficiency improvement can be achieved. According to the present invention, LNG consumption can be reduced and the LNG reduced in consumption can be replaced with brown gas. Then, the power of a gas turbine can be enhanced. In addition, carbon dioxide generation can be reduced for high-efficiency and eco-friendly gas turbine operation.

Description

브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR RAISING GAS TURBINE POWER BY BROWN GAS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method and system for increasing the power of a gas turbine using Brown gas,

본 발명은 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 발전에서 전력생산단가와 환경오염물질을 낮추고 안정성을 높일 수 있는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for increasing the power of a gas turbine using brown gas, and more particularly, to a method and system for raising a gas turbine using brown gas capable of lowering power generation cost, environmental pollutants, and stability in LNG power generation .

석탄화력발전은 우리나라 전력 생산의 40중량% 이상의 비중을 차지하고 있다.Coal-fired power generation accounts for more than 40% by weight of electric power production in Korea.

석탄화력발전소는 입지 조건의 제약이 거의 없어 대규모 소비지에 건설할 수 있어 송전 비용이 적은 편이며, 발전소 건설 비용이 저렴하고, 수요에 따라 발전량을 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있는 반면 온실가스, 미세먼지, 초미세먼지, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO2)의 주요 발생 원인이 되는 단점이 있다.Coal-fired power plants have the advantage of being able to construct large-scale consumer sites with little restrictions on location conditions, making transmission costs low, affording power plant construction costs, and easily controlling power generation according to demand, while greenhouse gases, , the micro dust, sulfur oxides (SOx), there is a disadvantage that causes major generation of nitrogen oxides (NOx), carbon dioxide (CO 2).

그런데 최근 석탄화력발전소에서 기이한 것으로 추정되는 미세먼지와 2차 미세먼지 등에 대한 우려가 증대됨에 따라, 정부에서는 노후화된 화력발전소의 가동을 중단하고, 이들 발전소의 가동 중단으로 인해 부족한 전력은 LNG 발전으로 대체하겠다는 방침을 밝히고 있다. 여기서, 2차 미세먼지는 석탄화력발전소 등에서 발생되는 황산화물, 질소산화물 등이 공기 중 다른 물질과 화학 반응하여 생성되는 것으로 알려져 있다.However, due to recent concerns about fine dust and secondary fine dust in coal-fired power plants, the government has suspended the operation of aging thermal power plants. As a result of the shutdown of these power plants, "The report said. Here, it is known that the secondary fine dust is produced by chemical reaction of sulfur oxide and nitrogen oxide generated in a coal-fired power plant with other substances in the air.

LNG 발전은 황산화물, 질소산화물 등의 오염물질 배출이 없고 이산화탄소 배출이 석탄화력발전 대비 50중량% 이상으로 적어 친환경적인 발전인 장점이 있다.LNG power generation is advantageous in that it does not emit pollutants such as sulfur oxides and nitrogen oxides and that the carbon dioxide emission is 50% or more by weight compared to the coal-fired power generation, thereby being environmentally friendly.

그런데 LNG 발전은 석탄화력발전에 비해 전력생산단가가 2배 이상 비싸 높은 전력 비용이 발생하고 설비 안정성 확보를 위한 발전소 건설 비용이 높아, 전기요금을 인상하는 요인이 되며, 전기요금을 낮추기 위해 정부가 지나친 가격 규제를 시행할 경우 LNG 발전 사업자들의 수익성이 악화되는 문제가 발생한다.However, LNG generation is more expensive than coal-fired power generation by more than twice the cost of power generation, resulting in high power costs, high plant construction costs to secure plant stability, and electricity tariffs. If excessive price regulation is implemented, the profitability of LNG generation companies will deteriorate.

LNG 발전의 전력생산단가가 높은 것은 가스터빈의 동력전환 효율이 40% 이하로 낮기 때문인데, 여러 가지 이유가 있지만 근본적인 이유는 LNG가 수소보다 반응속도가 낮고 산화제의 불균질혼합 상태에서 발생하는 연소반응 지연 때문이다. 즉, 동력기관에 투입된 LNG 중에서 약 40%만 0.001초 이내에 연소하여 동력으로 사용되고 0.001~0.003초에 반응한 나머지 60%는 동력으로 사용되지 못하고 열로 방출되기 때문이다.The reason for the high power generation cost of LNG power generation is that the power conversion efficiency of the gas turbine is as low as 40% or less. For various reasons, the fundamental reason is that the combustion rate of LNG is lower than that of hydrogen, This is due to reaction delay. That is, about 40% of the LNG supplied to the power plant is burned within 0.001 second and used as power, and the remaining 60% of the LNG reacted in 0.001 ~ 0.003 second is not used as power but is released as heat.

따라서, 친환경과 고효율, 안정성을 모두 만족시킬 수 있는 발전 대책 마련이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to prepare measures for development that can satisfy both environmental friendliness, high efficiency and stability.

특허문헌 1: 공개특허 제2006-0132179호(2006.12.21 공개)Patent Document 1: Published Patent Application No. 2006-0132179 (published on December 21, 2006)

따라서 본 발명의 목적은 석탄화력발전을 대체하는 LNG 발전에서 전력생산단가와 환경오염물질을 낮출 수 있도록 LNG 발전의 효율성을 높일 수 있고, 설비 안정성을 높일 수 있도록 고효율 청정 가스터빈을 운영하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for increasing the efficiency of LNG generation in order to lower the electricity production cost and environmental pollutants in LNG power generation replacing coal-fired power generation, To thereby increase the power of the gas turbine.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 방법이며, 연료가스, 브라운가스 및 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하여 혼합 연소시키는 단계와 상기 연소실에서 연소에 의해 발생하는 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 전력을 생산하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of increasing the power of a gas turbine including a compressor, a combustion chamber, and a turbine, the method comprising: supplying fuel gas, Brown gas, And mixing and combusting the combustion gas, and rotating the turbine using the combustion gas generated by the combustion in the combustion chamber to produce electric power.

상기 연료가스는 LNG, LPG, Syn GAS 중 선택된 1종일 수 있다.The fuel gas may be one selected from LNG, LPG, and Syn GAS.

상기 브라운가스는 상기 연료가스를 상기 연소실로 공급하는 가스공급라인 또는 상기 가스공급라인에 연료가스를 공급하기 위한 LNG 공급부에 공급되어 상기 연료가스에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급될 수 있다.The brown gas may be supplied to a gas supply line for supplying the fuel gas to the combustion chamber or an LNG supply unit for supplying the fuel gas to the gas supply line, and may be mixed with the fuel gas and then supplied to the combustion chamber.

상기 브라운가스는 상기 압축공기를 상기 연소실로 공급하는 공기공급라인 또는 상기 압축기에 공급되어 상기 공기에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급될 수 있다.The Brown gas may be supplied to the air supply line for supplying the compressed air to the combustion chamber, or may be supplied to the compressor after being mixed with the air.

상기 브라운가스는 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급될 수 있다.The brown gas may be supplied to the combustion chamber simultaneously with production of the brown gas.

상기 브라운가스는 상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 상기 연료가스 사용량의 30~70중량%를 대체하되, 상기 30~70중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체할 수 있다.The brown gas is used in an amount of 30 to 70% by weight based on 100% by weight of the amount of the fuel gas, (Nm 3) of the amount corresponding to the amount of the brown gas.

상기 브라운가스는 상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 상기 연료가스 사용량의 60중량%를 대체하되, 상기 60중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체할 수 있다.The brown gas is used to replace 60 wt% of the fuel gas consumption amount based on 100 wt% of the fuel gas consumption amount, and the Brown gas heat amount (1 wt%) corresponding to 1/20 of the 60 wt% Nm < 3 >).

압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 시스템이며, 연료가스를 연소실로 공급하는 가스공급라인과 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하는 공기공급라인과 상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인에 연결되어 상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인을 포함할 수 있다.A power up system for a gas turbine including a compressor, a combustion chamber, and a turbine, comprising: a gas supply line for supplying fuel gas to a combustion chamber; an air supply line for supplying compressed air compressed in the compressor to a combustion chamber; And an auxiliary supply line connected to the supply line and supplying Brown gas to the gas supply line or the air supply line.

상기 보조공급라인은 상기 가스공급라인에 연결되며, 상기 보조공급라인의 브라운가스의 압력은 상기 가스공급라인의 연료가스의 압력에 비해 낮다.The auxiliary supply line is connected to the gas supply line, and the pressure of Brown gas of the auxiliary supply line is lower than the pressure of the fuel gas of the gas supply line.

상기 보조공급라인은 상기 공기공급라인에 연결된다.The auxiliary supply line is connected to the air supply line.

물을 전기분해하여 상기 브라운가스를 생산하는 브라운가스발생장치를 포함하며, 상기 브라운가스는 상기 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급된다.And a brown gas generator for producing brown gas by electrolyzing water. The brown gas is supplied to the combustion chamber simultaneously with production of the brown gas.

예를 들어, 80MW 가스터빈에 사용되는 브라운가스 용량은 480N㎥/h(±10%)일 때에 동력상승 효율이 이상적이다.For example, the Brownian gas capacity for an 80 MW gas turbine is 480 Nm3 / h (± 10%), which is ideal for power lift efficiency.

상기 가스터빈은 LNG를 연료가스로 사용하는 LNG 복합발전소에 적용될 수 있다.The gas turbine can be applied to an LNG combined cycle power plant using LNG as fuel gas.

압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 방법이며, 상기 연소실에 공급되는 연료로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 상기 연소실에서 대부분의 연료가 0.001초 이내로 연소반응이 일어나게 한다.A method of increasing the power of a gas turbine including a compressor, a combustion chamber, and a turbine, wherein LNG and Brown gas are mixed with fuel supplied to the combustion chamber so that most of the fuel in the combustion chamber is combusted within 0.001 second.

상기 연료는 상기 LNG 사용량 100중량%를 기준으로 할 때, 40중량%의 LNG와, 상기 40중량%의 LNG를 사용함에 의해 제거한 60중량% LNG 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스를 혼합 사용한다.The fuel contains 40 wt% of LNG based on 100 wt% of the amount of the LNG, and 1 wt% of the 60 wt% LNG calories (Nm 3) removed by using the 40 wt% of LNG. Gas is mixed.

상기 브라운가스는 상기 LNG를 연소실로 공급하는 가스공급라인 또는 상기 가스공급라인에 LNG를 공급하기 위한 LNG 공급부에 공급하여 상기 LNG에 혼합하거나, 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하는 공기공급라인 또는 상기 압축기에 공급하여 상기 공기에 혼합하여, 상기 연소실에 공급한다.The Brown gas is supplied to a gas supply line for supplying the LNG to the combustion chamber or to an LNG supply unit for supplying LNG to the gas supply line to mix the LNG with the LNG or to supply the compressed air compressed by the compressor to the combustion chamber Line or the compressor to mix with the air and supply the mixture to the combustion chamber.

본 발명은 LNG(LPG, Syn Gas)와 브라운가스를 혼합 연소하는 것으로써, 브라운가스는 수소-산소 혼합가스로 수소와 산소가 이미 균질혼합되어 있고, LNG보다 매우 넓은 가연 영역(flammability)과 빠른 화염전파속도를 가지며, 온도상승 능력이 탁월하다. In the present invention, Brown gas is mixed with LNG (LPG, Syn gas) and Brown gas, hydrogen and oxygen are already homogeneously mixed with hydrogen-oxygen mixed gas, and flammability and flammability which are much wider than LNG It has a flame propagation speed and excellent temperature rise ability.

이와 같이, 브라운가스는 탁월한 동력발생 능력이 있기에, 기존 LNG 사용량의 60%를 없애고, 40% LNG에 소량의 브라운가스를 혼합 연소시켜 LNG가 0.001초 이내에 연소가 이루어지도록 하여 실질적인 동력상승 효과를 나타낼 수 있다.As Brown's gas has excellent power generation capability, Brown gas is used to eliminate 60% of the existing LNG consumption, and a small amount of brown gas is mixed with 40% LNG to burn the LNG within 0.001 second. .

이와 같이, 본 발명은 LNG의 사용량을 줄이고 사용량을 줄인 LNG를 브라운가스로 대체하여 가스터빈의 동력을 상승시키므로 LNG 발전에 적용되어 연료비 절감과 LNG 발전의 전력생산 효율성을 높일 수 있어 전력생산단가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention increases the power of the gas turbine by replacing the LNG which is reduced in the amount of LNG used and the amount of used LNG by Brown gas, so it can be applied to the LNG power generation to reduce the fuel cost and increase the power production efficiency of the LNG power generation, There is an effect that can be saved.

또한, 본 발명은 LNG의 절감량에 비례하여 이산화탄소 발생량을 저감할 수 있어 LNG만 사용하는 경우 대비 더 친환경적인 효과가 있다.In addition, the present invention can reduce the amount of carbon dioxide generated in proportion to the amount of LNG reduction, and thus has a more environment-friendly effect compared to the case where only LNG is used.

또한, 본 발명은 LNG와 브라운가스의 혼합 연소시 짧은 시간에 동력으로 전환되어 가스터빈의 동력을 상승시키므로 배출가스의 열량을 저감하여 터빈 블레이드의 수명을 연장시키고 LNG 발전설비의 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can reduce the amount of heat of the exhaust gas by prolonging the life of the turbine blades and enhancing the stability of the LNG power generation facility because the power of the LNG and Brown gas is switched to the power in a short time during the mixed combustion. It is effective.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도.
도 3은 화염전파속도에 연계된 동력 전환과 열손실을 설명하기 위해 엔진의 크랭크 앵글 7도 이내의 이상적인 동력생산 범위를 나타낸 그래프.
도 4는 LNG만 사용하는 경우 터빈 효율과 LNG의 일부를 브라운가스로 대체했을 경우 터빈 효율을 비교한 그래프.
도 5는 80MW 가스터빈에서 LNG 100% 사용한 경우와 LNG의 60%를 브라운가스로 대체한 경우 연료비와 이산화탄소 발생량을 산출하여 나타낸 그래프.
1 is a view for explaining a method of increasing the power of a gas turbine using Brown gas according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a method of increasing the power of a gas turbine using Brown gas according to another embodiment of the present invention. FIG.
3 is a graph showing the ideal power production range within 7 degrees of crank angle of the engine to account for power conversion and heat loss associated with flame propagation speed.
FIG. 4 is a graph comparing turbine efficiency and turbine efficiency when a part of LNG is replaced with brown gas when only LNG is used.
FIG. 5 is a graph showing the fuel cost and the amount of carbon dioxide generated when the 100% LNG is used in an 80 MW gas turbine and the 60% LNG is replaced with Brown gas.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도가 도시되어 있다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a method for increasing the power of a gas turbine using Brown gas according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은, 압축기(110), 연소실(120) 및 터빈(130)을 포함하는 가스터빈(100)의 동력상승 방법이며, 연료가스, 브라운가스 및 압축기(110)에서 압축된 압축공기를 연소실(120)로 공급하여 혼합 연소시키는 단계와, 연소실(120)에서 연소에 의해 발생하는 연소가스를 이용하여 터빈(130)을 회전시키는 단계를 포함한다.1, a method of increasing the power of a gas turbine using Brown gas according to the present invention is a method for increasing the power of a gas turbine 100 including a compressor 110, a combustion chamber 120, and a turbine 130, The method comprising the steps of: supplying fuel gas, Brownian gas, and compressed air compressed by the compressor 110 to the combustion chamber 120 to be mixed and combusted; rotating the turbine 130 using the combustion gas generated by the combustion in the combustion chamber 120; .

가스터빈(100)에서 압축기(110)는 공기를 흡입하여 압축하며, 압축기(110)에서 압축된 압축공기는 연소실(120)로 공급된다. 연소실(120)로 공급된 압축공기는 연소실(120)에 공급되는 연료와 혼합 연소반응이 일어나게 한다. 연소실(120)에서 연소반응에 의해 발생하는 연소가스가 터빈을 회전시키는 동력으로 작용한다. 터빈(130)의 회전은 압축기(110)를 구동하고, 터빈(130)과 연결된 발전기(200)에서 전력을 생산하게 한다.In the gas turbine 100, the compressor 110 sucks and compresses the air, and the compressed air compressed in the compressor 110 is supplied to the combustion chamber 120. The compressed air supplied to the combustion chamber 120 causes a mixed combustion reaction with the fuel supplied to the combustion chamber 120. The combustion gas generated by the combustion reaction in the combustion chamber 120 acts as a power for rotating the turbine. Rotation of the turbine 130 drives the compressor 110 and produces power in the generator 200 connected to the turbine 130.

발전기(200)에서 생산된 전력은 변전소(500)로 보내진 후, 송전선(600)을 이용하여 각 가정 또는 산업용 전기로 공급할 수 있다.The electric power generated by the generator 200 may be sent to the substation 500 and then supplied to the domestic or industrial electric power using the transmission line 600.

이 과정에서, 가스터빈(100)의 연소실(120)에 공급되는 연료로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 연소실(120)에서 수 초(0.001초) 이내로 강한 폭발력의 연소반응이 일어나게 하여 연소반응에 의해 발생하는 연소가스가 터빈(130)을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아지도록 한다.In this process, combustion of a strong explosive force is performed within a few seconds (0.001 second) in the combustion chamber 120 by using LNG and Brown gas as the fuel supplied to the combustion chamber 120 of the gas turbine 100, Thereby increasing the rate at which the combustion gas generated by the turbine 130 is converted into power for rotating the turbine 130.

연소실(120)에서 수 초(0.001초) 이내로 빠른 연소반응이 일어나야 연소반응에 의한 연소가스가 배출가스의 열로 낭비되지 않고 짧은 시간에 동력으로 전환되어 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아진다. 연소반응에 의한 연소가스가 짧은 시간에 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되면 배출가스의 열이 감소하여 터빈의 블레이드 수명도 연장된다.The combustion reaction in the combustion chamber 120 within a few seconds (0.001 second) must occur so that the combustion gas by the combustion reaction is converted into the power in a short period of time without being wasted by the heat of the exhaust gas and converted into the power for rotating the turbine. When the combustion gas by the combustion reaction is converted into power for rotating the turbine in a short time, the heat of the exhaust gas is reduced and the blade life of the turbine is also prolonged.

연료가스는 LNG, LPG, Syn GAS 중 선택된 1종일 수 있다. The fuel gas may be one selected from the group consisting of LNG, LPG, and Syn GAS.

더 상세하게는, 가스터빈(100)은 석탄화력발전을 대체하는 LNG 발전에 적용되어, 동력상승으로 LNG 발전의 효율성을 높여 전력생산단가를 낮출 수 있도록 한다. More specifically, the gas turbine 100 is applied to LNG power generation, which replaces coal-fired power generation, so that the efficiency of LNG power generation can be increased by increasing the power, thereby lowering the power generation cost.

LNG(Liquefied Natural Gas, 액화천연가스)는 가스전에서 천연가스를 정제하여 얻은 메탄(CH4)을 냉각해 액화시킨 것이다. LNG는 무색, 투명한 액체로 CO2외에 공해물질이 거의 없고, 열량이 높은 장점이 있다.Liquefied natural gas (LNG) is liquefied methane (CH 4 ) obtained by refining natural gas in a gas field. LNG is a colorless, transparent liquid. It has almost no pollutants in addition to CO 2 and has a high heat capacity.

LNG는 LNG 공급부(300)에서 공급받을 수 있다. LNG 공급부(300)는 천연가스탱크일 수 있다.The LNG can be supplied from the LNG supply unit 300. The LNG supply unit 300 may be a natural gas tank.

브라운가스(Brown Gas)는 LNG의 일부를 대체하여 LNG 발전 효율을 높이기 위해 포함된다. Brown gas is included to replace LNG to improve LNG generation efficiency.

브라운가스는 화염온도를 높이고 화염전파속도를 높여 연소실(120)에서 수 초(0.001초) 이내로 빠른 연소반응이 일어나도록 할 수 있다.Brown gas can increase the flame temperature and increase the flame propagation speed so that a rapid combustion reaction can occur within a few seconds (0.001 second) in the combustion chamber 120.

더욱이, 브라운가스는 다른 연료(예: LNG)와 혼합되는 경우 화염온도가 높아지고 빠른 시간에 동시 다발적으로 연소가 이루어져 강한 폭발력의 연소반응이 일어나게 하여 동력상승 효율을 높인다. Furthermore, when Brown gas is mixed with other fuels (eg, LNG), the flame temperature rises and combustion simultaneously occurs simultaneously in a short period of time, resulting in a combustion reaction of strong explosive power, thereby enhancing power up efficiency.

브라운가스는 물을 전기분해하여 만든 수소와 산소의 함량비가 2:1인 혼합가스이다. 브라운가스는 자체 산소에 의해 완전 연소되는 이상적인 혼합가스로 브라운가스만의 독특한 연소특성을 가지므로 연소시 CO2, 다이옥신, SOx 등의 오염물질이 배출되지 않는다.Brown gas is a mixed gas of hydrogen and oxygen which is made by electrolysis of water in a ratio of 2: 1. Brown gas is an ideal mixed gas that is completely burned by its own oxygen, and it has unique combustion characteristics of Brown gas alone, so it does not emit pollutants such as CO 2 , dioxin and SOx during combustion.

브라운가스는 브라운가스발생장치(400)에서 생산과 동시에 연소실(120)로 공급된다.Brown gas is supplied to the combustion chamber 120 at the same time as it is produced in the brown gas generator 400.

브라운가스발생장치(400)는 물과 전기를 공급받아 브라운가스를 발생시키며, 전기는 전술한 발전기(200) 또는 다른 발전회사로부터 공급받을 수 있다.The brown gas generator 400 generates brown gas by receiving water and electricity, and electricity can be supplied from the generator 200 or another power company.

브라운가스발생장치(400)에서 생산된 브라운가스는 압축 저장하지 않고 생산과 동시에 1.8bar 이하의 저압, 바람직하게는 1.2bar의 저압으로 연소실(120)에 공급할 수 있어 저장탱크를 구비하는 경우에 비해 폭발위험이 없고 안전하며 대용량으로 운영할 수 있다.Brown gas produced by the brown gas generator 400 can be supplied to the combustion chamber 120 at a low pressure of 1.8 bar or less and preferably at a low pressure of 1.2 bar without being compressed and stored, It is free from explosion hazard, safe and can operate at large capacity.

브라운가스는 압축되면 폭발 위험이 있어 브라운가스를 저장탱크에 저장한 후 이송하여 사용하는 것은 바람직하지 않다. 전력 생산을 위해서는 브라운가스를 대용량으로 운용해야 하므로 브라운가스발생장치를 연소실(120)과 연계시켜 브라운가스를 생산과 동시에 공급받는 것이 중요하다.Brown gas may explode when compressed, so it is not desirable to store brown gas in a storage tank before transporting it. In order to produce electricity, it is necessary to operate brown gas at a large capacity, so it is important that the brown gas generator is connected to the combustion chamber 120 to supply brown gas simultaneously with production.

예를 들어, 브라운가스발생장치(400)는 365일 연속가동이 가능하도록 하며, 80MW 가스터빈을 기준으로 브라운가스 용량이 480N㎥/h(±10%)일 때 동력상승 효율이 높아 바람직하다.For example, the Brown gas generator 400 is capable of operating continuously for 365 days, and when the Brown gas capacity is 480 Nm 3 / h (± 10%) based on the 80 MW gas turbine, the power raising efficiency is high.

구체적으로 80MW 가스터빈 기준으로 브라운가스발생장치(400)의 용량이 480N㎥/h(±10%) 즉, 480N㎥/h±48N㎥/h 범위인 것을 사용하되, 가스터빈의 용량이 증가함에 비례하여 브라운가스발생장치의 용량도 증가시켜 사용할 수 있다.Specifically, the capacity of the brown gas generator 400 is set to 480 Nm 3 / h (± 10%), that is, 480 Nm 3 / h ± 48 Nm 3 / h, based on the 80 MW gas turbine. It is possible to increase the capacity of the brown gas generator in proportion to the use of the brown gas generator.

브라운가스는 연료가스를 연소실(120)로 공급하는 가스공급라인(140)에 공급하여 연료가스에 혼합한 후, 연소실(120)로 공급할 수 있다.The Brown gas may be supplied to the gas supply line 140 for supplying the fuel gas to the combustion chamber 120 and may be mixed with the fuel gas and then supplied to the combustion chamber 120.

브라운가스가 연료가스에 혼합되어 연소실(120)로 공급되면, 브라운가스는 연료가스가 수 초 이내로 연소하게 하는 뇌관 역할을 하여 연소 효율을 높일 수 있다. 그러나 브라운가스를 연료가스와 혼합하지 않고 연소실(120)에 바로 공급하면 연료가스가 연소하기 전 연소 속도가 빠른 브라운가스가 먼저 연소하여 연료가스의 연소 효율을 높이는 뇌관 역할을 하지 못하여 연소 효율이 떨어질 수 있다.When brown gas is mixed with the fuel gas and supplied to the combustion chamber 120, the brown gas serves as a primer for causing the fuel gas to burn within a few seconds, thereby increasing the combustion efficiency. However, if brown gas is directly supplied to the combustion chamber 120 without mixing with the fuel gas, brown gas having a high burning rate before combustion of the fuel gas is combusted first, thereby failing to serve as a primer for increasing the combustion efficiency of the fuel gas. .

따라서, 브라운가스를 연소실(120)로 공급하기 전 미리 연료가스와 균질혼합하는 것이 중요하다. 브라운가스와 연료가스의 균질혼합은 연소 효율을 높이고 빠르게 연소시키기 위한 것이다.Therefore, it is important to homogeneously mix the Brown gas with the fuel gas before supplying it to the combustion chamber 120. The homogeneous mixing of brown gas and fuel gas is intended to increase the combustion efficiency and to burn rapidly.

이를 위해, 가스공급라인(140)에 연결되어 가스공급라인(140)으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인(160)을 포함하며, 보조공급라인(160)의 브라운가스의 압력은 가스공급라인(140)의 연료가스의 압력에 비해 낮아 브라운가스가 가스공급라인(140)으로 원활히 유입될 수 있도록 한다. To this end, the gas supply line 140 includes an auxiliary supply line 160 connected to the gas supply line 140 for supplying Brown gas. The Brown gas pressure of the auxiliary supply line 160 is supplied to the gas supply line 140) so that Brown gas can flow smoothly into the gas supply line (140).

예를 들어, 가스공급라인(140)에 LNG를 공급하고, 보조공급라인(160)을 통해 브라운가스를 1.2bar의 압력으로 가스공급라인(140)에 공급하여 브라운가스가 가스공급라인(140)을 흐르는 LNG와 원활하게 균질혼합될 수 있도록 한다.For example, the LNG is supplied to the gas supply line 140 and the Brown gas is supplied to the gas supply line 140 at a pressure of 1.2 bar through the auxiliary supply line 160, so that Brown gas is supplied to the gas supply line 140, To be smoothly and homogeneously mixed with the flowing LNG.

다른 예로, 브라운가스는 LNG 공급부(300)에 공급하여 LNG와 혼합한 후 가스공급라인(140)을 통해 연소실(120)로 공급할 수도 있다. In another example, the Brown gas may be supplied to the LNG supply unit 300, mixed with the LNG, and then supplied to the combustion chamber 120 through the gas supply line 140.

브라운가스는 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 연료가스 사용량의 30~70중량%를 대체하되, 30~70중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체한다.The brown gas is used in an amount of 30 to 70% by weight based on 100% by weight of the fuel gas consumption, which is equivalent to 1/30 to 1/25 of the calorific value (Nm 3) of the fuel gas, Brown gas calories (N㎥).

브라운가스는 연료가스 사용량의 30중량% 미만으로 대체하면 터빈 효율 상승 효과가 미비하고, 연료가스 사용량의 70중량% 초과로 대체하면 터빈 효율이 오히려 낮아질 수 있고 경제적인 면에서 비효율적이다.If brown gas is replaced by less than 30 wt% of the fuel gas consumption, the effect of increasing the turbine efficiency is insufficient. If the brown gas is replaced by more than 70 wt% of the fuel gas consumption, the turbine efficiency may be lowered and economically inefficient.

이때, 브라운가스는 연료가스 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 열량(N㎥)으로 대체하는데, 이는 브라운가스 동력 발생 효과를 이론적으로 계산하고 오차범위를 고려한 값이다.At this time, brown gas is replaced by the heat amount (Nm 3) corresponding to 1/15 to 1/25 of the fuel gas heat amount (Nm 3), which is a value considering the error range by theoretically calculating the brown gas power generation effect.

바람직하게는 브라운가스는 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 연료가스 사용량의 60중량%를 대체하되, 60중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 열량(N㎥)으로 대체한다. Preferably, the Brownian gas is replaced by 60% by weight of the fuel gas, based on 100% by weight of the fuel gas consumption amount, and the heat amount (Nm 3) corresponding to 1/20 of the heat amount (Nm 3) .

브라운가스는 LNG의 60중량%를 대체할 때 터빈 효율이 가장 높다.Brown gas has the highest turbine efficiency when it replaces 60% by weight of LNG.

예를 들어, LNG 사용량 100중량%를 기준으로 할 때, 40중량%의 LNG와, 40중량%의 LNG를 사용함에 의해 제거한 60중량% LNG 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스(물분해가스)를 혼합 사용하는 것이 바람직하다. For example, when the amount of LNG used is 100% by weight, 40% by weight of LNG and 40% by weight of LNG, (Water decomposition gas) is preferably used.

40중량%의 LNG와 60중량% LNG 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 열량(N㎥)의 브라운가스를 혼합 사용할 때, 터빈 효율이 LNG만 사용한 경우 대비 2배 이상으로 높다. 이는 브라운가스 동력 발생 효과를 LNG의 20배로 가정함에 의한 것이며, 이는 후술할 [근거]에서 상세히 설명하기로 한다. Turbine efficiency is more than two times higher than that of LNG alone when mixed with 40% by weight LNG and 60% by weight LNG (Nm 3) of heat energy (N㎥) This is due to the assumption that the brown gas power generating effect is 20 times the LNG, which will be described in detail later.

도 2에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도가 도시되어 있다. 도 2에서는 도 1과 차이 있는 구성에 대해서만 설명하기로 한다. FIG. 2 is a block diagram illustrating a method of increasing the power of a gas turbine using Brown gas according to another embodiment of the present invention. In Fig. 2, only the difference from Fig. 1 will be described.

도 2에 도시된 바에 의하면, 다른 실시예의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은, 브라운가스를 압축공기에 혼합하여 연소실(120)에 공급하는 점에서 일 실시예와 차이가 있다.2, the method of increasing the power of a gas turbine using Brown gas of another embodiment differs from that of the first embodiment in that Brown gas is mixed with compressed air and supplied to the combustion chamber 120. [

구체적으로, 압축공기를 연소실(120)로 공급하는 공기공급라인(150)에 브라운가스가 공급되어 압축공기와 혼합된 후, 연소실(120)로 공급되게 할 수 있다.Concretely, Brown gas is supplied to the air supply line 150 for supplying the compressed air to the combustion chamber 120, mixed with the compressed air, and then supplied to the combustion chamber 120.

브라운가스를 압축공기에 혼합하여 연소실(120)에 공급하면 브라운가스의 산소가 LNG에 포함된 질소의 영향을 받지 않아 연소실에서 연소시간 지연 없이 바로 연소 반응이 수행될 수 있다. When brown gas is mixed with compressed air and supplied to the combustion chamber 120, the brown gas is not influenced by the nitrogen contained in the LNG, so that the combustion reaction can be performed directly without delaying the combustion time in the combustion chamber.

즉, 브라운가스를 압축공기에 혼합하여 연소실에 공급하는 경우 산화를 방지하는 질소가 없어 연소실에서 연소가 일 실시예에 비해 더 빠르게 진행될 수 있다.That is, when brown gas is mixed with compressed air and supplied to the combustion chamber, there is no nitrogen for preventing oxidation, so combustion in the combustion chamber can proceed faster than in the embodiment.

또 다른 예로 브라운가스는 압축기(110)에 공급하여 공기와 혼합된 후 공기공급라인(150)을 통해 연소실(120)로 공급될 수 있다. 브라운가스는 압축하면 폭발위험이 있으나 압축기(110)에서 공기를 압축하는 정도로는 브라운가스가 폭발하지 않는다. As another example, the Brown gas may be supplied to the compressor 110 through the air supply line 150 after being mixed with the air. Brown gas is explosive when compressed, but Brown gas does not explode to the extent that it compresses air in compressor (110).

한편, 상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈의 동력상승 방법을 구현하기 위한 가스터빈의 동력상승 시스템은, 도 1 및 도 2를 참조하면, 연료가스를 연소실(120)로 공급하는 가스공급라인(140)과, 압축기(110)에서 압축된 압축공기를 연소실(120)로 공급하는 공기공급라인(150)과, 가스공급라인(140) 또는 공기공급라인(150)에 연결되어 가스공급라인(140) 또는 공기공급라인(150)으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인(160)을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 2, a gas turbine power up system for implementing a power up method of a gas turbine using Brown gas is provided with a gas supply line 140 for supplying fuel gas to the combustion chamber 120 An air supply line 150 for supplying the compressed air compressed by the compressor 110 to the combustion chamber 120 and a gas supply line 140 connected to the gas supply line 140 or the air supply line 150, Or an auxiliary supply line 160 for supplying Brown gas to the air supply line 150.

가스공급라인(140)에는 메인밸브(141)가 구비되어 연료가스의 공급압력과 공급량을 제어할 수 있고, 공기공급라인(150)에는 제어밸브(151)가 구비되어 압축공기의 공급량을 제어할 수 있으며, 보조공급라인(160)에는 조절밸브(161)가 구비되어 브라운가스의 공급량을 제어할 수 있다. A main valve 141 is provided in the gas supply line 140 to control the supply pressure and supply amount of the fuel gas and the air supply line 150 is provided with a control valve 151 to control the supply amount of the compressed air And the auxiliary supply line 160 is provided with a regulating valve 161 to control the supply amount of the brown gas.

일 실시예로 브라운가스가 연료가스에 혼합되어 연소실(120)에 공급되도록 보조공급라인(160)은 가스공급라인(140)에 연결될 수 있다. 이 경우 보조공급라인(160)의 브라운가스의 압력은 가스공급라인(140)의 연료가스의 압력에 비해 낮게 공급한다.In one embodiment, the auxiliary supply line 160 may be connected to the gas supply line 140 such that Brown gas is mixed with the fuel gas and supplied to the combustion chamber 120. In this case, the Brownian gas pressure of the auxiliary supply line 160 is lower than the pressure of the fuel gas of the gas supply line 140.

다른 실시예로 브라운가스가 압축공기에 혼합되어 연소실(120)에 공급되도록 보조공급라인(160)은 공기공급라인(150)에 연결될 수 있다. In another embodiment, the auxiliary supply line 160 may be connected to the air supply line 150 such that brown gas is mixed with compressed air and supplied to the combustion chamber 120.

메인밸브(141), 제어밸브(151), 조절밸브(161) 및 브라운가스발생장치(400)의 동작 제어를 위한 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는 기설정된 프로그램에 따라 메인밸브(141), 제어밸브(151), 조절밸브(161) 및 브라운가스발생장치(400)의 동작을 제어하여 가스터빈(100)이 효율적으로 운용될 수 있도록 할 수 있다. (Not shown) for controlling the operation of the main valve 141, the control valve 151, the control valve 161, and the brown gas generator 400. [ The control unit controls operations of the main valve 141, the control valve 151, the control valve 161 and the Brown gas generator 400 according to a predetermined program so that the gas turbine 100 can be operated efficiently .

상기한 가스터빈(100)은 LNG를 연료가스로 사용하는 LNG 복합발전소에 적용됨이 바람직하다. 그러나 상기 가스터빈(100)은 LPG를 연료가스로 사용하는 발전소, LNG와 석탄을 혼용하여 사용하는 발전소에도 적용될 수 있다.The gas turbine 100 is preferably applied to an LNG combined cycle power plant using LNG as fuel gas. However, the gas turbine 100 may be applied to a power plant using LPG as fuel gas, and a power plant using LNG and coal as a mixture.

이하에서는 본 발명에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 도출한 근거에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for raising a gas turbine power using Brown gas according to the present invention will be described.

연료가스는 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.The fuel gas is exemplified by a mixture of LNG and Brown gas.

우선, 가스터빈 동력상승을 위해 브라운가스가 적합한 이유에 대해 그 근거를 설명하면, 첫째, 브라운가스는 수소와 산소가 이미 혼합되어 있어 난류혼합에 요구되는 연소시간 지연이 없어 연소반응속도가 증가한다.First, Brown gas is considered to be suitable for the increase of gas turbine power. First, brown gas is already mixed with hydrogen and oxygen, so there is no combustion time delay required for turbulent mixing. .

[수식 1][Equation 1]

Figure 112017065607411-pat00001
Figure 112017065607411-pat00001

- RR1: 액상연료 미립화의 증기화 속도(여기서는 해당 없음

Figure 112017065607411-pat00002
)- RR 1 : Vaporization rate of liquid phase fuel atomization
Figure 112017065607411-pat00002
)

- RR2: 난류혼합속도(예, 10)- RR 2 : turbulent mixing rate (eg 10)

- RR3: 화학반응속도(예, 100)- RR 3 : Chemical reaction rate (eg 100)

수식 1은 반응속도를 나타낸 식이다. TNT가 고체이면서도 순간적으로 폭발하는 이유는 산소가 이미 혼합되어 있어 연소가 즉시 일어나기 때문이다. 그런데 기체인 브라운가스는 수소와 산소가 이미 혼합되어 있기 때문에 연소속도는 고체인 TNT보다도 훨씬 빠르다.Equation 1 represents the reaction rate. The reason why TNT explodes solidly and instantaneously is that oxygen is already mixed and combustion occurs immediately. However, since the gas, brown gas, is already mixed with hydrogen and oxygen, the burning rate is much faster than that of solid TNT.

둘째, 브라운가스의 가열능력이 LNG의 최소 2배 이상이다. Second, the heating capacity of brown gas is at least twice that of LNG.

브라운가스는 LNG보다 약 2배 연소생성가스(연소가스)의 가열능력이 있다. Brown gas has about twice the capacity to burn combustion gas (combustion gas) than LNG.

화학식 1) 수소 연소가스(1) hydrogen combustion gas

Figure 112017065607411-pat00003
Figure 112017065607411-pat00003

화학식 2) LNG(조성비 90% CH4/10% C3H8) 연소가스Formula 2) LNG (composition ratio of 90% CH 4/10% C 3 H 8) gas combustion

Figure 112017065607411-pat00004
Figure 112017065607411-pat00004

화학식 1에 의하면, 수소 연소가스 1몰당 1몰의 수증기가 발생하고 이때의 저위발열량은 0.24MJ이므로 1몰의 연소기체 당 0.24MJ의 열량을 가진다.According to Formula (1), 1 moles of water vapor is generated per 1 mole of hydrogen combustion gas, and the low calorific value at this time is 0.24 MJ, so that it has a heat amount of 0.24 MJ per mole of combustion gas.

브라운가스에는 수소가 전체의 2/3존재하므로 브라운가스 저위발열량은 0.16MJ이다. Brown gas has 2/3 of the total amount of hydrogen, so the brown gas low calorific value is 0.16MJ.

화학식 2에 의하면, LNG는 10.5몰(1+2+7.5=10.5)의 연소가스에 0.8MJ 열량이 발생한다. According to the formula (2), 0.8 MJ of heat is generated in the combustion gas of 10.5 mol (1 + 2 + 7.5 = 10.5) of LNG.

따라서 수소와 LNG의 연소에서 연소기체 1몰당 온도상승에 사용할 수 있는 열량은 아래의 표 1과 같다.Therefore, the amount of heat that can be used to raise the temperature per 1 mole of combustion gas in the combustion of hydrogen and LNG is shown in Table 1 below.

연료fuel 생성 몰수Generation confiscation 저위발열량Low calorific value 연소기체 1몰당 가열에 사용되는 열량Calories used for heating per 1 mole of combustion gas 비고Remarks LNG(CH4)LNG (CH 4) 10.510.5 0.80MJoule0.80MJoule 0.076MJoule/mole0.076 MJoule / mole 브라운가스가 LNG보다 2.1배 가열능력

Brown gas can heat 2.1 times more than LNG

브라운가스Brown gas 1One 0.16MJoule0.16MJoule 0.16MJoule/mole0.16 MJoule / mole 열량에 의한 가열능력 단순 비교Simple comparison of heat capacity by calorie 0.16/0.076≒2.1배0.16 / 0.076? 2.1 times

표 1에 의하면, 브라운가스의 가열능력이 LNG의 최소 2배 이상임이 확인된다.According to Table 1, it is confirmed that the heating capacity of Brown gas is at least twice that of LNG.

셋째, 공기 중에서 수소의 화염전파속도는 LNG의 약 8배이나 브라운가스는 질소가 없는 상태에서 수소와 산소의 연소이므로 최소 110배 이상 화염전파속도가 빠르다.Third, the flame propagation speed of hydrogen in air is about 8 times that of LNG, but brown gas is combustion of hydrogen and oxygen in the absence of nitrogen, so the flame propagation speed is at least 110 times faster.

아래의 표 2는 수소, LNG, 브라운가스의 화염전파속도를 비교한 것이다.Table 2 below compares flame propagation rates of hydrogen, LNG, and brown gas.

연료
fuel
수소
Hydrogen
LNG(CH4:C3H8=9:1) LNG (CH 4: C 3 H 8 = 9: 1) 브라운가스(HHO)
(H:O=2:1)
Brown Gas (HHO)
(H: O = 2: 1)
CH4 CH 4 C3H8 C 3 H 8 공기 중에서 연소시의 화염전파속도Flame Propagation Rate during Combustion in Air 230㎝/sec230 cm / sec 35㎝35 cm 38㎝/sec38 cm / sec 4,110㎝/sec
LNG보다 약 114배 화염전파속도가 빠름
4,110 cm / sec
Flame propagation speed about 114 times faster than LNG

표 2에 의하면, LNG에 비해 브라운가스의 화염전파속도가 110배 이상 빠르다. LNG에 비해 화염전파속도가 110배 이상 빠른 브라운가스는 LNG와 혼합하여 연소실에 분사하면 점화온도가 낮은 수소가 뇌관 역할을 하여 화염을 빠른 속도로 전파하여 LNG의 연소 효율을 높이게 된다.According to Table 2, the flame propagation velocity of brown gas is 110 times faster than that of LNG. Brown gas, which has a flame propagation speed more than 110 times faster than LNG, is mixed with LNG and injected into the combustion chamber. Hydrogen with low ignition temperature acts as a primer to propagate the flame at high speed, thereby enhancing the combustion efficiency of LNG.

상기와 같은 효과가 동시에 상승적으로 발생하여 LNG에 브라운가스를 혼합 연소하면 빠른 시간 내(0.001초 이내에) 많은 양의 혼합가스의 빠른 연소가 이루어져 동력상승 관점에 의해 최소 20배 이상(이론적으로는 162배)의 동력상승 효과가 발생하는 것이다.When the brown gas is mixed and combusted in the LNG at the same time as the above-mentioned effects are simultaneously generated, a large amount of mixed gas is rapidly burned within a short time (within 0.001 second), and at least 20 times (in theory, 162 Power increase effect of the power source is generated.

위 결과에 [근거]하여 브라운가스 동력 발생 효과를 LNG의 20배로 가정한다.Based on the above results, it is assumed that the brown gas power generation effect is 20 times that of LNG.

빠른 시간 내 많은 양의 혼합가스의 빠른 연소가 이루어져 동력상승으로 이어지는 동력상승 관점은 도 3에서 설명한다.The power boosting aspect, which results in rapid combustion of a large amount of mixed gas within a short period of time and leads to a power increase, is illustrated in FIG.

도 3에는 화염전파속도에 연계된 동력 전환과 열손실을 설명하기 위해 엔진의 크랭크 앵글 7도 이내의 이상적인 동력생산 범위를 그래프가 도시되어 있다.FIG. 3 is a graph showing the ideal power production range within 7 degrees of the crank angle of the engine to account for power conversion and heat loss associated with the flame propagation velocity.

도 3에 의하면, 엔진의 경우 크랭크 앵글 7도 이내에서 연소반응이 일어나야 동력으로 전환되는 확률이 높아지며, 그 이후 반응은 단순하게 라디에이터 또는 배기가스의 열로 낭비된다. According to FIG. 3, in the case of the engine, the combustion reaction occurs within 7 degrees of the crank angle to increase the probability of conversion into power, and the reaction thereafter is simply wasted as heat of the radiator or exhaust gas.

예를 들어 엔진에서 0.001초 이내로 연소반응이 일어나야 동력 발생에 이상적인데, 연료의 약 60%가 0.001~0.003초에 반응하여 많은 양의 에너지가 열로 방출(소실)된다.For example, a combustion reaction must occur in an engine within 0.001 second, which is ideal for power generation. Approximately 60% of the fuel reacts in 0.001 to 0.003 seconds and a large amount of energy is released (lost) to the heat.

이를 본 발명에 적용하면, 연소실에 공급되는 연료로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 연소실에서 대부분의 연료가 0.001초 이내로 빠른 연소반응이 일어나게 하면, 강한 폭발력의 연소반응이 일어나 연소가스가 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아지는 것이다.When the present invention is applied to the present invention, when a combustion reaction occurs in which most of the fuel in the combustion chamber is mixed with LNG and Brown gas as the fuel supplied to the combustion chamber, the combustion reaction of strong explosive force occurs and the combustion gas rotates the turbine And the ratio of switching to the driving force is increased.

연소가스가 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아지면 열손실이 최소화되어 폐열이 없어지므로 터빈 블레이드 수명도 연장된다.The higher the rate at which the flue gas is converted into the power to rotate the turbine, the less heat loss and waste heat is lost, thus extending the turbine blade life.

연소실에서 0.001초 이내 연소반응은 브라운가스의 반응속도, 가열능력, 화염전파속도가 상호 작용하여 많은 양의 연료가스(예, LNG)를 빠르게 연소하여 수행될 수 있다. The combustion reaction in the combustion chamber in less than 0.001 second can be performed by rapidly burning a large amount of fuel gas (eg, LNG) by interaction of the brown gas's reaction rate, heating capacity, and flame propagation speed.

도 4에는 LNG만 사용하는 경우 터빈 효율과 LNG의 일부를 브라운가스로 대체했을 경우 터빈 효율을 비교하였다.Fig. 4 compares turbine efficiency and turbine efficiency when Brown gas is substituted for a portion of LNG in the case of using only LNG.

도 4에 의하면, LNG만 사용하여 가스터빈을 운용시 터빈 효율은 약 30%이나, LNG의 일부를 브라운가스로 대체했을 때 터빈 효율은 점차적으로 상승하여 LNG의 60%를 브라운가스로 대체했을 때 터빈 효율이 약 70%로 가장 높았다.According to FIG. 4, when the turbine efficiency is about 30% when the gas turbine is operated using only LNG, the turbine efficiency gradually increases when a part of the LNG is replaced by Brown gas. When 60% of the LNG is replaced by Brown gas Turbine efficiency was the highest at about 70%.

상기한 결과로부터, 브라운가스는 LNG 사용량 100중량%를 기준으로, LNG 사용량의 60중량%를 대체하되, 60중량% LNG의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체할 때 터빈 효율을 최대로 할 수 있음을 확인할 수 있다.From the above-mentioned results, it is found that Brown's gas has a brown gas heat amount (Nm < 3 >) corresponding to 1/20 of the heat amount (Nm 3) of 60 wt% LNG, ), It can be seen that the turbine efficiency can be maximized.

여기서, 브라운가스 동력 발생 효과는 LNG의 20배로 가정함에 의해 LNG 차감에 따라 실제 투입되는 브라운가스의 열량을 차감된 LNG 열량의 1/20에 해당하는 열량으로 한 것이다. Here, assuming that Brown gas power generating effect is 20 times that of LNG, the actual amount of brown gas to be input is made to be 1/20 of the subtracted LNG heat amount according to the LNG subtraction.

설명의 이해를 돕기 위해 본 발명의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 80MW 가스터빈에 적용시 연료비 절감 및 이산화탄소 발생량 저감 효과를 이론적으로 계산하였다. 참고로, 현재 LNG 발전에서 사용하는 가장 작은 용량인 80MW 가스터빈(LNG 사용량: 16,000N㎥-LNG/h)으로 계산하였다.In order to facilitate the understanding of the explanation, when the gas turbine power up method using brown gas of the present invention is applied to an 80 MW gas turbine, the fuel cost reduction and the carbon dioxide generation reduction effect are theoretically calculated. For reference, the current capacity of 80 MW gas turbine (LNG consumption: 16,000 Nm3-LNG / h), which is the smallest capacity used in LNG power generation, is calculated.

1) 60% LNG 절감액/년: 약 420억4천8백만원/년1) 60% LNG savings / year: about 42 billion 48 million won / year

9,600N㎥-LNG/h×500원/N㎥-LNG×24h/일×365일/년=420억4천8백만원/년9,600 Nm3-LNG / h x 500 yuan / Nm3-LNG x 24h / day x 365 days / yr = 42,048 million yuan / year

(여기서, 9,600N㎥은 LNG의 열량(시간당 가스 사용량)이고, 500원/N㎥은 정부에서 LNG를 구매하는 가격이다.)(Here, 9,600N㎥ is the calories of LNG (hourly gas consumption), and 500L / N㎥ is the price of purchasing LNG from the government.)

2) 브라운가스(HHO) 생산비(전력+물): 약 11억7천8백만원/년2) Brown gas (HHO) production cost (power + water): about 1,178 million won / year

- 전력비: 약 11억7천6백만원/년- Electricity cost: about 1,176 million won / year

480N㎥-HHO/h×4.4kWh/N㎥-HHO×63.53원/kW×24h/일×365일/년480 Nm3-HHO / h x 4.4 kWh / Nm3-HHO x 63.53 yuan / kW x 24h / day x 365 days / year

=11억7천6백만원/년= 1,176 million won / year

(여기서, 480N㎥은 LNG 60%에 해당하는 열량의 1/20 열량을 계산한 값이며, 63.53원/kW는 산업용 전기 갑2 기본요금을 기준이다.)(Here, 480Nm3 is calculated as 1/20 of the heat equivalent to 60% of LNG, and 63.53won / kW is based on the basic charge for industrial electric power.)

- 물 사용량 및 가격: 2백만원/년 이하- Water usage and price: 2 million won / year or less

240리터/h×24h/일×365일/년×890원/1,000리터=2백만원/년 이하240 liters / h × 24 hours / day × 365 days / year × 890 won / 1,000 liters = 2 million won / year or less

(여기서, 240리터/h는 수돗물 기준이고, 890원/1,000리터는 경기도 수도물 비용을 기준이다.)(Here, 240 liters / h is based on tap water, and 890 won / 1,000 liters is based on tap water cost in Gyeonggi Province.)

3) 60% LNG 절감에 따른 이산화탄소 발생량 저감 및 CDM 수익3) Reduction of CO2 emissions and CDM revenues from 60% LNG reduction

9,600N㎥-LNG/h×2.256kg-CO2/N㎥-LNG/h≒21.1톤-CO2/h9,600N㎥-LNG / h × 2.256kg- CO 2 /N㎥-LNG/h≒21.1 tone -CO 2 / h

21.1톤-CO2/h×23,700원/톤×24일×365일/년≒44억9천7백만원/년21.1 tons - CO 2 / h × 23,700 won / ton × 24 days × 365 days / year ≒ 4,497 million won / year

위 계산 결과로부터, 80MW 가스터빈에서 60%의 LNG의 사용량을 줄이고 이를 브라운가스로 대체하면 연료비가 LNG 100%일 때 약 700억8천만원/년에서 (LNG 40%+브라운가스)를 사용할 때 약 292억1천만원/년로 감소되어 약 408억7천만원/년의 연료비를 절감할 수 있으며, 이산화탄소 발생량도 약 21.1톤 저감할 수 있음을 알 수 있다.From the above calculations, it can be concluded that the use of 60% LNG in an 80 MW gas turbine is reduced and replaced with brown gas. When the fuel cost is 100% LNG, about 708 million Won / year (LNG 40% + Brown gas) It can be seen that the fuel cost can be reduced by about 40.87 billion Won / year and the amount of carbon dioxide emission can be reduced by about 21.1 tons by reducing to 29.21 billion Won / year.

도 5에는 80MW 가스터빈에서 LNG 100% 사용한 경우와 LNG의 60%를 브라운가스로 대체한 경우 연료비와 이산화탄소 발생량을 그래프로 나타내었다.FIG. 5 graphically shows the fuel cost and the amount of carbon dioxide produced when 100% LNG is used in an 80 MW gas turbine and 60% LNG is replaced with Brown gas.

상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, LNG 발전에 적용시 LNG의 사용량을 줄이고 브라운가스로 대체하여 연료비 절감과 이에 따른 전력생산단가를 절감시킬 수 있다.As shown in FIG. 5 (a), when the Brown gas is used for the LNG power generation, the amount of LNG is reduced and replaced with brown gas, thereby reducing the fuel cost and thus the power generation cost .

또한, 상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, LNG 발전에 적용시 LNG의 절감량에 비례하여 이산화탄소 발생량을 저감할 수 있다.As shown in FIG. 5 (b), the gas turbine power raising method using brown gas described above can reduce the amount of carbon dioxide generated in proportion to the amount of LNG reduction when applied to LNG power generation.

또한, LNG와 브라운가스의 혼합 연소시에 연료와 산화제 간 균질혼합 효과와 브라운가스의 강력한 폭발력으로 고온의 영역에서 짧은 시간에 동력으로 전환되어 배출가스의 열량을 저감하여 터빈 블레이드의 수명을 연장시키므로 LNG 발전설비의 안정성을 높일 수 있다.In addition, when mixed combustion of LNG and Brown gas, the homogeneous mixing effect between fuel and oxidizer and the strong explosive power of Brown gas are converted into power in a short time in a high temperature region, thereby reducing the heat of exhaust gas and extending the life of turbine blades The stability of LNG power generation facilities can be enhanced.

또한, 상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 LNG 발전에 적용되어 발전 효율 향상과 전력생산단가 절감을 가능하게 하므로 LNG 발전이 석탄화력발전을 줄이는 대안으로 기여할 수 있게 한다. In addition, the above-described method of increasing the power of the gas turbine using Brown gas can be applied to LNG power generation to improve the power generation efficiency and to reduce the power generation unit cost, so that the LNG power generation can contribute to reduce the coal power generation.

석탄화력발전소를 줄이면 질소산화물(NOx) 등 미세먼지 발생량이 저감되고 미세먼지 저감으로 인해 2차 미세먼지도 저감될 수 있다.Reduction of coal-fired power plants can reduce the generation of fine dust such as nitrogen oxides (NOx) and reduce secondary fine dust due to fine dust reduction.

이와 같이, 본 발명의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 LNG 발전에 적용되어 전력생산단가를 낮출 수 있고 환경도 개선할 수 있는 방법임을 알 수 있다.As described above, it can be understood that the method of increasing the power of the gas turbine using Brown gas according to the present invention is applied to the LNG power generation, thereby lowering the power generation cost and improving the environment.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Best Mode for Carrying Out the Invention The present invention has been described with reference to the drawings and the specification. Although specific terms are used herein, they are used for the purpose of describing the present invention only and are not used to limit the scope of the present invention described in the meaning of the claims or the claims. Therefore, it is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 가스터빈 110: 압축기
120: 연소실 130: 터빈
140: 가스공급라인 141: 메인밸브
150: 공기공급라인 151: 제어밸브
160: 보조공급라인 161: 조절밸브
200: 발전기 300: LNG 공급부
400: 브라운가스발생장치 500: 변전소
600: 송전선
100: gas turbine 110: compressor
120: combustion chamber 130: turbine
140: gas supply line 141: main valve
150: air supply line 151: control valve
160: auxiliary supply line 161: regulating valve
200: generator 300: LNG supply unit
400: brown gas generator 500: substation
600: Transmission line

Claims (16)

석탄화력발전을 대체하는 LNG 발전에 적용되고,
압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 방법이며,
연료가스, 브라운가스 및 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하여 혼합 연소시키는 단계; 및
상기 연소실에서 연소에 의해 발생하는 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 전력을 생산하는 단계;
를 포함하고,
상기 연료가스는 LNG이며,
상기 연소실에 공급되는 연료가스로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 상기 연소실에서 연료가스가 0.001초 이내로 연소반응이 일어나는 확률을 최대화하도록,
상기 브라운가스는 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급되며, 상기 브라운가스발생장치는 상기 터빈과 연결된 발전기에서 생산된 전력을 공급받고,
상기 브라운가스는
상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로,
상기 연료가스 사용량의 30~70중량%를 대체하되,
상기 30~70중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체하는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
It is applied to LNG power generation that replaces coal-fired power generation,
A power up method of a gas turbine including a compressor, a combustion chamber and a turbine,
Fuel gas, brown gas, and compressed air compressed by the compressor are supplied to the combustion chamber to be mixed and combusted; And
Rotating the turbine and generating electric power using combustion gas generated by combustion in the combustion chamber;
Lt; / RTI >
The fuel gas is LNG,
In order to maximize the probability of the combustion reaction occurring in the combustion chamber within 0.001 second by using LNG and Brown gas as the fuel gas supplied to the combustion chamber,
The brown gas is supplied to the combustion chamber at the same time as the brown gas generator is produced. The brown gas generator is supplied with power generated from a generator connected to the turbine,
The brown gas
Based on the fuel gas usage amount of 100% by weight,
30 to 70% by weight of the amount of the fuel gas is replaced,
(Nm 3) corresponding to 1/15 to 1/25 of the calorific value (Nm 3) of the 30 to 70 wt% fuel gas.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 브라운가스는 상기 연료가스를 상기 연소실로 공급하는 가스공급라인 또는 상기 가스공급라인에 연료가스를 공급하기 위한 LNG 공급부에 공급되어 상기 연료가스에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the brown gas is supplied to a gas supply line for supplying the fuel gas to the combustion chamber or an LNG supply unit for supplying the fuel gas to the gas supply line and mixed with the fuel gas and then supplied to the combustion chamber A Method for Elevating Gas Turbine Power Using Brown Gas.
청구항 1에 있어서,
상기 브라운가스는 상기 압축공기를 상기 연소실로 공급하는 공기공급라인 또는 상기 압축기에 공급되어 상기 공기에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the brown gas is supplied to the air supply line for supplying the compressed air to the combustion chamber or to the combustion chamber after being supplied to the compressor and mixed with the air.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 브라운가스는
상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로,
상기 연료가스 사용량의 60중량%를 대체하되,
상기 60중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체하는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
The method according to claim 1,
The brown gas
Based on the fuel gas usage amount of 100% by weight,
Replacing 60 wt% of the fuel gas consumption,
(Nm 3) corresponding to 1/20 of the calorific value (Nm 3) of the 60 wt% fuel gas.
압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 시스템이며,
연료가스를 연소실로 공급하는 가스공급라인;
상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하는 공기공급라인; 및
상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인에 연결되어 상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인;
을 포함하고,
물을 전기분해하여 상기 브라운가스를 생산하는 브라운가스발생장치를 포함하며,
상기 브라운가스발생장치는 상기 터빈과 연결된 발전기에서 생산된 전력을 공급받아 상기 브라운가스를 생산하고,
상기 브라운가스는 상기 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급되며,
상기 브라운가스발생장치는 80MW 가스터빈 기준으로 용량이 480N㎥/h±48N㎥/h 범위이고,
상기 가스터빈은 LNG를 연료가스로 사용하는 LNG 복합발전소에 적용되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 시스템.
A power up system for a gas turbine comprising a compressor, a combustion chamber and a turbine,
A gas supply line for supplying the fuel gas to the combustion chamber;
An air supply line for supplying the compressed air compressed in the compressor to the combustion chamber; And
An auxiliary supply line connected to the gas supply line or the air supply line to supply Brown gas to the gas supply line or the air supply line;
/ RTI >
And a brown gas generator for electrolyzing water to produce the brown gas,
The brown gas generator receives the electric power generated by the generator connected to the turbine to produce the brown gas,
The brown gas is supplied to the combustion chamber simultaneously with production of the brown gas generator,
The Brown gas generator has a capacity of 480 Nm 3 / h ± 48 Nm 3 / h based on an 80 MW gas turbine,
Wherein the gas turbine is applied to an LNG combined cycle power plant using LNG as a fuel gas.
청구항 8에 있어서,
상기 보조공급라인은 상기 가스공급라인에 연결되며,
상기 보조공급라인의 브라운가스의 압력은 상기 가스공급라인의 연료가스의 압력에 비해 낮은 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 시스템.
The method of claim 8,
The auxiliary supply line is connected to the gas supply line,
Wherein the Brown gas pressure of the auxiliary supply line is lower than the pressure of the fuel gas of the gas supply line.
청구항 8에 있어서,
상기 보조공급라인은 상기 공기공급라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 시스템.
The method of claim 8,
And the auxiliary supply line is connected to the air supply line.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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