KR101915354B1 - 엔진 유체 폐열을 이용하여 증기 시스템의 보충 작용 유체를 가열하는 시스템 및 방법 - Google Patents

엔진 유체 폐열을 이용하여 증기 시스템의 보충 작용 유체를 가열하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

엔진과, 엔진에 연결되는 열 교환기를 포함하는 시스템이 제공된다. 엔진은, 엔진 유체와, 가스를 압축하도록 구성된 압축기 섹션, 윤활제를 순환시키도록 구성된 윤활제 경로, 또는 냉각제를 순환시키도록 구성된 냉각제 경로 중 적어도 하나를 포함한다. 엔진 유체는 가스, 윤활제, 또는 냉각제 중 적어도 하나를 포함하고, 엔진 유체는 엔진의 하나 이상의 작동으로부터 유래된 열원이다. 열 교환기는 엔진으로부터 엔진 유체를 받아들이고 엔진 유체와 작용 유체 간에 열을 교환하여 가열된 작용 유체와 냉각된 엔진 유체를 생성하며, 열 교환기는 가열된 작용 유체를 증기 시스템으로 방출하도록 구성된다.

Description

엔진 유체 폐열을 이용하여 증기 시스템의 보충 작용 유체를 가열하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR HEATING MAKE-UP WORKING FLUID OF A STEAM SYSTEM WITH ENGINE FLUID WASTE HEAT}
본 명세서에 개시된 주제는 증기 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 증기 발생 및 열 회수를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
증기 시스템은 증기 터빈 등의 다양한 장비에 또는 플랜트 프로세스 용도에 또는 양쪽 모두에 사용될 수 있는 증기를 발생시키는 증기 발생 유닛을 포함할 수 있다. 증기 발생 유닛은 다양한 소스로부터의 물을 이용할 수 있는데, 이들 물의 몇몇은 증기 사이클 밖에서 공급되는 보충수(make-up water)이다. 불행하게도, 원래의 보충수는 증기 시스템의 수명 및 성능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 부식성 물질 및/또는 용존 가스를 포함할 수 있다. 보충수는 또한 비교적 낮은 온도(예컨대, 대기 온도)로 있을 수 있음으로써, 물에서 용존 가스를 없애는 것을 용이하게 하기 위해 상당량의 열을 필요로 한다. 그러한 열은 통상적으로 증기 터빈으로부터 추출되거나 플랜트 프로세스 용도로부터 전환된 증기로부터 공급된다.
가스 터빈 엔진 등의 엔진은 상당한 양의 폐열을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 가스 터빈 엔진은 배기 가스, 윤활제, 냉각제, 및/또는 압축된 산화제(예컨대, 공기) 등의 압축 가스에서 폐열을 발생시킬 수 있다. 불행하게도, 이들 유체와 관련된 많은 열이 폐기되고(예컨대, 대기로 방출되고), 이에 의해 가스 터빈 엔진의 효율이 감소된다.
범위 면에서 원 청구된 발명과 부합하는 특정 실시예가 이하에 요약되어 있다. 이들 실시예는 청구되는 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니며, 오히려 이들 실시예는 단지 본 발명의 가능한 형태에 대한 간략한 요약을 제시하려는 의도이다. 실제로, 본 발명은, 이하에 기술되는 실시예와 유사할 수도 있고 상이할 수도 있는 다양한 형태를 포괄할 수 있다.
제1 실시예에서, 시스템이 제공된다. 시스템은 엔진과, 엔진에 연결되는 열 교환기를 포함한다. 엔진은, 가스를 압축하도록 구성된 압축기 섹션, 윤활제를 순환시키도록 구성된 윤활제 경로, 또는 냉각제를 순환시키도록 구성된 냉각제 경로 중 적어도 하나를 포함한다. 엔진 유체는 가스, 윤활제, 또는 냉각제 중 적어도 하나를 포함한다. 엔진 유체는 엔진의 하나 이상의 작동으로부터 유래된 열원이다. 열 교환기는 엔진으로부터 엔진 유체를 받아들이고 엔진 유체와 작용 유체 간에 열을 교환하여 가열된 작용 유체와 냉각된 엔진 유체를 생성하며, 열 교환기는 가열된 작용 유체를 증기 시스템으로 방출하도록 구성된다.
제2 실시예에서, 증기 시스템의 공기 분리기가 제공된다. 공기 분리기는 엔진의 압축기 섹션, 윤활제 경로, 또는 냉각제 경로 중 적어도 하나에 연결된 열 교환기로부터 방출되는 가열된 작용 유체를 받아들이도록 구성된다. 공기 분리기는 가열된 작용 유체로부터 하나 이상의 부식성 물질 및/또는 용존 가스를 제거하여 증기 시스템에서의 증기 발생 전에 탈기되고 가열된 작용 유체를 생성하도록 구성된다.
제3 실시예에서, 방법이 제공된다. 방법은 열 교환기를 통해 작용 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 엔진의 압축기 섹션, 윤활제 통로, 또는 냉각제 통로 중 적어도 하나로부터의 엔진 유체와 작용 유체 간에 열을 교환하여 가열된 작용 유체와 냉각된 엔진 유체를 발생시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 열 교환기로부터의 가열된 작용 유체를 증기 시스템으로 방출하고, 증기 시스템을 통해 상기 가열된 작용 유체의 적어도 일부분을 활용하는 증기 공급부를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태 및 장점은, 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면부호는 동일한 부분을 나타내는 것인 첨부 도면을 참고하여 후술하는 상세한 설명을 읽을 때 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따라, 작용 유체 공급부를 활용하도록 구성되는 증기 사이클 시스템, 엔진, 및 인터쿨러를 갖는 병합형 사이클 시스템을 도시하는 개략적인 블럭도이고;
도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 도 1의 엔진과 인터쿨러의 실시예를 도시하는 개략적인 블럭도이며;
도 3은 본 개시의 실시예에 따른, 도 1의 증기 사이클 시스템의 실시예를 도시하는 개략적인 블럭도이고;
도 4는 본 개시의 실시예에 따른, 가열된 작용 유체를 도 1의 증기 사이클 시스템으로 방출하는 인터쿨러의 실시예를 도시하는 개략적인 블럭도이다.
본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예가 이하에서 설명될 것이다. 이들 실시예에 대해 축약된 설명을 제시하려는 노력의 일환으로, 실제 실시의 모든 특징이 본 명세서에서 설명되지는 않을 수도 있다. 임의의 공학 프로젝트 또는 설계 프로젝트와 같은, 이러한 임의의 실제적인 실시의 개발에 있어서, 시스템 관련 제약 및 사업 관련 제약에 순응하는 것과 같이 개발자의 특정한 목표를 달성하기 위해 실시에 맞춘 다수의 결정이 이루어져야만 한다는 것을 이해할 것이며, 상기 제약은 각각의 실시에 따라 서로 상이할 수 있다. 더욱이, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이익을 얻고자 하는 당업자에게는 설계, 제작 및 제조에서 이루어지는 통상적인 업무일 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 도입할 때, 단수 표현 및 "상기"는 이러한 요소가 하나 이상 존재한다는 것을 의미하려는 의도이다. 용어 "구성하는", "포함하는", 및 "구비하는"은 일체를 포함함을 나타내려는 의도이며, 나열된 요소들 이외에도 추가적인 요소가 존재할 수 있음을 의미하려는 의도이다.
본 개시는 증기 사이클 시스템, 엔진, 및 다양한 엔진 유체들(예컨대, 압축 가스, 냉각제, 또는 윤활제)을 위한 엔진 열 교환기(예컨대, 인터쿨러)를 갖는 병합형 사이클 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 열 교환기(예컨대, 인터쿨러)와 일체형인 엔진을 포함하고, 인터쿨러의 작용 유체는 엔진(예컨대, 하나 이상의 엔진 유체)에 의해 발생되는 폐열을 이용하여 가열된다. 또한, 가열된 작용 유체는 열 교환기(예컨대, 인터쿨러)에 의해 증기 사이클 시스템으로 제공되고 탈기 및 증기의 발생을 용이하게 하도록 증기 사이클 시스템에 의해 활용된다. 본 개시의 실시예는 가스 터빈 엔진 및 그 인터쿨러의 상황에서 설명되지만, 본 개시에 따른 다른 실시예에서, 인터쿨러를 동반하는 상이한 타입의 엔진이 증기 사이클 시스템에 일체형으로 될 수 있다는 것을 유념해야 한다.
개시된 실시예는 하나 이상의 작용 유체(예컨대, 공급수)를 가열하면서 하나 이상의 엔진 유체(예컨대, 압축 공기, 냉각제, 또는 윤활제)를 냉각시키기 위해 열을 전달하는 하나 이상의 엔진 열 교환기(예컨대, 인터쿨러)를 채용할 수 있다. 아래의 설명은 예시적인 폐열 소스로서 엔진의 압축기 섹션 및 압축 가스(예컨대, 압축 산화제)에 주로 집중하지만, 다른 폐열 소스가 또한 위에서 언급한 바와 같이 본 개시에 의해 예상되고 아래에서 더 상세하게 설명된다. 본 개시의 본 실시예는 가스 터빈 엔진의 연소기(예컨대, 연소 챔버)에서 사용하기 위한 산화제(예컨대, 공기)를 압축하도록 구성되는 압축기를 구비하는 가스 터빈 엔진을 포함한다. 압축 산화제는 압축기 내에서 기계적 압축으로 인해 가열될 수 있다. 그러나, 터빈 엔진의 효율은 일반적으로 압축 산화제를, 궁극적으로 연소를 위해 연소기로 운반되기에 앞서 압축 프로세스의 후속 단계로의 운반 전에 제어될 수 있는 온도로 냉각시킴으로써 향상된다. 따라서, 인터쿨러는 압축 산화제를 위한 열 교환기로서 사용될 수 있다. 압축 산화제는 인터쿨러로 경로 설정될 수 있고, 작용 유체(예컨대, 물, 보충수, 냉각제 등)는 인터쿨러 내의 코일 또는 튜브를 통해 경로 설정되고 압축 산화제로부터 열을 추출할 수 있다. 냉각된 압축 산화제는 제어될 수 있는 온도에서 다시 압축기(예컨대, 압축기의 후속 단계)로 운반되고 터빈 엔진의 연소기로 운반될 때에 추가로 압축 및 가열되며, 가열된 작용 유체는 인터쿨러로부터 증기 사이클 시스템으로 경로 설정될 수 있고, 가열된 작용 유체는 증기를 생성하도록 사용된다. 따라서, 압축 산화제로부터 추출된 열은 히트 싱크로 방출되고 달리 폐기되는(즉, 폐열) 대신에 증기 사이클 시스템에서 사용하도록 재활용된다. 다시, 개시된 실시예는 또한 엔진 윤활제 및/또는 엔진 냉각제 등의 다른 엔진 유체로부터의 폐열을 채용할 수 있다. 따라서, 엔진으로부터 회수되어 증기 시스템에 보충수로서 추가되는 작용 유체를 가열하도록 증기 사이클에서 사용되는 폐열은, 통상적으로 증기 시스템 내에서 물을 가열하도록 사용되는 증기 사이클로부터의 증기를 대체한다.
이제, 도 1을 참조하면, 도 1은 엔진(2), 인터쿨러(3; 예컨대, 열 교환기), 증기 사이클 시스템(4), 및 컨트롤러(5; 예컨대, 전자 또는 프로세서 기반 컨트롤러)를 포함하는 병합형 사이클 시스템(1)의 실시예를 도시하는 블럭도이다. 엔진(2)은 고온 유체를 발생시키는 임의의 타입의 엔진일 수 있고, 이러한 고온 유체는 엔진(2)의 효율을 향상시키도록 냉각될 수 있다. 예컨대, 엔진(2)은 가스 터빈 엔진, 내연 엔진, 또는 임의의 타입의 열 엔진일 수 있다. 가스 터빈 엔진(2)은 하나 이상의 압축기 또는 압축 스테이지, 하나 이상의 연소기 또는 연소 스테이지, 및 하나 이상의 터빈 또는 터빈 스테이지를 포함할 수 있다. 예컨대, 가스 터빈 엔진(2)은 산업용 가스 터빈 엔진 또는 항공 가스 터빈 엔진일 수 있다. 내연 엔진(2)은 각각의 실린더 내에서 왕복동하는 하나 이상의 피스톤(예컨대, 실린더 내에 1-24개 피스톤)을 포함할 수 있는 왕복동 엔진을 포함할 수 있다. 엔진(2)은 또한 발전소 또는 산업 설비의 전기 발생기 등의 부하에 연결될 수 있다.
도시된 실시예에서, 엔진(2)은 엔진(2)의 효율을 증가시키도록 인터쿨러(3; 예컨대, 열 교환기)에 연결될 수 있다. 예컨대, 인터쿨러(3)는 고온 유체로부터의 열을 작용 유체 공급부(6)로부터 급송된 작용 유체(8)에 전달함으로써 엔진(2)의 고온 유체(예컨대, 가스, 액체, 또는 양자)를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 고온 유체는 압축 가스(예컨대, 공기, 산소, 산소 농후 공기, 또는 산소 희박 공기 등의 압축 산화제), 윤활제(예컨대, 오일), 냉각제 유체, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 압축 가스는 배기 가스 재순환(EGR; exhaust gas recirculation) 가스를 포함할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 고온 유체는 엔진(2)의 배기 섹션을 통해 출력된 배기 가스 등의 배기 가스 및/또는 EGR 가스를 포함하거나 제외한다. 작용 유체는 액체, 가스, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 작용 유체(8)는 물, 물 화학 물질 혼합물, 신선수, 발전소 등의 산업용 플랜트의 다양한 소스로부터의 프로세스 물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
인터쿨러(3)는 간접적인 열 교환기, 예컨대 쉘 및 튜브 열 교환기, 플레이트 및 쉘 열 교환기, 또는 고온 유체의 유동을 작용 유체(8)의 유동에 근접하게 할 수 있어 고온 유체와 작용 유체(8) 간에 열을 교환하는 유체 도관 또는 통로의 임의의 배열일 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 보다 높은 온도를 갖는 고온 유체는 엔진(2)으로부터 인터쿨러(3)의 외측 쉘로 지향될 수 있다. 또한, 인터쿨러(3)의 외측 쉘로 경로 설정되는 고온 유체는 인터쿨러(3)의 더 차가운 내측 튜브로 지향되는 작용 유체(8)와 열을 교환할 수 있다. 이 방식에서, 고온 유체는 냉각되고 엔진(2)으로 경로 변경될 수 있으며, 작용 유체(8)는 가열되고 인터쿨러(3)로부터 방출된다. 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는 인터쿨러(3)로부터 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)로 경로 설정될 수 있다.
작용 유체 공급부(6, 7)는 유량 제어, 유량 분배, 및 유체 처리를 위한 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. 작용 유체 공급부(6)는 저장 탱크, 도관, 신선수 소스(예컨대, 호수 또는 강), 플랜트 구성요소(예컨대, 프로세스 유체를 제공하는 발전소 내의 장비), 펌프, 밸브, 분배 매니폴드, 유체 처리 시스템(예컨대, 필터, 고체-액체 분리기, 가스-액체 분리기, 및/또는 화학 물질 흡착기), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)는 저장 탱크, 도관, 펌프, 밸브, 분배 매니폴드, 유체 처리 시스템(예컨대, 필터, 고체-액체 분리기, 가스-액체 분리기, 및/또는 화학 물질 흡착기), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체 보충 공급부(70는 가열된 작용 유체(9; 예컨대, 가열된 물)를 증기 사이클 시스템(4)으로 경로 설정할 수 있고, 가열된 작용 유체(9)는 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용되어 증기를 생성할 수 있다. 따라서, 엔진(2) 내의 고온 유체로부터 추출된 열은 히트 싱크로 방출되고 달리 폐기되는(즉, 폐열) 대신에 증기 사이클 시스템(4)에서 사용하도록 재활용된다. 증기 사이클 시스템(4)에서, 가열된 작용 유체(9; 예컨대, 가열된 물)는, 증기 사이클 시스템(4)에서 사용하기 전에 가열된 작용 유체(9)로부터 산소 및 기타 용존 가스를 제거하도록 구성되는 하나 이상의 공기 분리기 등의 특정한 장비 및/또는 프로세스에 대한 열 요건을 감소시키는 데에 일조할 수 있다. 예컨대, 개시된 실시예를 구비하지 않은 경우, 하나 이상의 공기 분리기에 의한 탈기 전에 또는 중에 물을 예열하기 위하여 열원(예컨대, 생증기(live steam) 등의 비-폐열)이 요구됨으로써, 증기 사이클 시스템(4)의 효율을 감소시킬 수 있다. 개시된 실시예는 작용 유체(9; 예컨대, 가열된 물)를 예열하는 데에 일조하도록 엔진(2)으로부터의 폐열(예컨대, 배기 가스 외에 가열된 유체로부터의 폐열)을 이용함으로써, 달리 폐기되는 열을 이용하여 증기 사이클 시스템(4)의 효율을 증가시킬 수 있다.
따라서, 특정한 실시예에서, 인터쿨러(3)로 경로 설정되는 작용 유체 공급부(6)는 증기 생성 프로세스 중에 증기 사이클 시스템(4)에 사용하기에 적절한 타입의 유체를 포함할 수 있다. 예컨대, 증기 사이클 시스템(4)은 증기 사이클 시스템(4) 내에서 자연적으로 발생하는 물 손실을 보충수를 이용하여 보충할 수 있다. 특정한 상황에서, 보충수는 증기 사이클 시스템(4)의 증기 생성 프로세스를 계속하도록 공급수와 결합되는 대체수로서 증기 사이클 시스템(4)에 제공된다. 개시된 실시예를 구비하지 않은 경우에, 보충수는 대략 대기 온도로 증기 사이클 시스템(4)으로 경로 설정될 수 있고, 증기 사이클 시스템(4)은 증기 생성 프로세스 내에서 사용되기 전에 보충수를 (예컨대, 증기 등의 비-폐열 소스를 이용하여) 예열하고 및/또는 미리 컨디셔닝할 수 있다. 예컨대, 개시된 실시예를 구비하지 않은 경우에, 증기 사이클 시스템(4)은 보충수가 증기 생성 프로세스 내에서 활용될 수 있기 전에 보충수를 가열하도록 증기 사이클 시스템(4)에 의해 생성되는 증기의 일부분을 소비할 수 있다. 그러나, 증기 사이클 시스템(4)에 의해 생성되는 증기[및/또는 증기 사이클 시스템(4) 내의 다른 열]를 활용하면 증기 사이클 시스템(4)의 전체 효율이 감소될 수 있다. 사실상, 본 발명에 개시된 실시예에 따르면, 원하는 온도로 예열되는 외부 보충수 소스를 증기 사이클 시스템(4)에 제공하고, 이에 의해 보충수를 가열하도록 증기 사이클 시스템(4)에 의해 생성되는 증기를 활용할 필요성을 감소시킴으로써 증기 사이클 시스템(4)의 효율을 향상시키는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 보충수 공급부[예컨대, 작용 유체 공급부(6)]를 인터쿨러(3)로 경로 설정하는 것과, 엔진(2) 내의 고온 유체로부터 추출된 폐열을 이용하여 보충수를 가열하는 것을 포함한다. 또한, 본 개시의 실시예는 가열된 보충수[예컨대, 가열된 작용 유체(9)]를 증기 사이클 시스템(4)으로 방출하는 것을 포함하고, 가열된 보충수는 공급수와 결합된 다음에 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용되어 증기를 생성시킨다.
특정한 실시예에서, 병합형 사이클 시스템(1)은 병합형 사이클 시스템(1)의 작동을 조절하고 모니터링하도록 구성되는 컨트롤러(5)를 포함한다. 구체적으로, 컨트롤러(5)는 작용 유체 공급부(6)로부터 인터쿨러(3)로 유동하는 작용 유체(8)의 하나 이상의 파라미터(예컨대, 유량 및/또는 온도), 인터쿨러(3) 밖으로 그리고 증기 사이클 시스템(4) 내로 유동하는 가열된 작용 유체(9)의 하나 이상의 파라미터(예컨대, 유량 및/또는 온도), 엔진(2)의 고온 유체와 작용 유체(8) 간에 인터쿨러(3) 내에서 열 교환 특성, 증기 사이클 시스템(4)의 작동(예컨대, 물과 증기의 온도, 유량, 및 압력), 엔진(2)의 작동 등을 모니터링하고 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(5)는 다양한 프로세스 및 장비(예컨대, 공기 분리기)에 대한 유량, 온도, 압력, 또는 임의의 조합의 상한 및 하한 문턱값 등의 하나 이상의 문턱값을 기초로 하여 증기 사이클 시스템(4)에 공급되는 가열된 작용 유체(9; 예컨대, 가열된 물)의 유량 및 온도를 모니터링하고 제어할 수 있다. 이 방식에서, 컨트롤러(5)는 증기 사이클 시스템(4)으로 제공되는 가열된 작용 유체(9)의 다양한 특성을 조절하도록 구성됨으로써, 증기 사이클 시스템(4)의 증기 생성 프로세스를 조절할 수 있다. 마찬가지로, 컨트롤러(5)는 인터쿨러(3)로 유입되는 유체들의 유량을 조절함으로써, 작용 유체(8)와 엔진(2)의 고온 유체 간에 열 교환의 양을 조절하도록 구성될 수 있다.
따라서, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 시스템(1)은, 시스템 전반에 걸쳐 분포되고 컨트롤러(5)에 연결되는 다양한 유량 제어 디바이스(예컨대, 조절 가능한 밸브, 오리피스 플레이트 등)와 센서(58; 예컨대, 유량 센서, 온도 센서, 압력 센서 등)를 포함한다. 예컨대, 시스템은, 작용 유체 공급부(6), 작용 유체(8)의 유동로(예컨대, 도관), 인터쿨러(3), 엔진(2)과 인터쿨러(3) 사이의 유동로(예컨대, 도관), 인터쿨러(3)와 가열된 작용 유체 보충 공급부(7) 사이의 유동로(예컨대, 도관), 가열된 작용 유체 보충 공급부(7), 증기 사이클 시스템(6), 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)와 증기 사이클 시스템(4) 사이의 유동로(예컨대, 도관), 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)로부터 작용 유체 공급부(6)까지의 복귀로(예컨대, 도관), 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)로부터 시스템(1) 밖의 다른 목적지까지 이르는 유출로(예컨대, 도관), 또는 이들 중 임의의 조합에 연결되는, 그 내부에 배치되는, 그 상류측에 배치되는, 또는 그 하류측에 배치되는, 하나 이상의 센서(58)와 밸브를 포함할 수 있다.
예컨대, 컨트롤러(5)는 다양한 센서 피드백을 모니터링하고 밸브를 제어하여 가열된 작용 유체(9)의 특정한 유량 및 온도를 증기 사이클 시스템(4)에 제공하고, 또한 가열된 작용 유체(9)의 일부분을 다시 작용 유체 공급부(6)로 재활용하고 및/또는 가열된 작용 유체의 일부분을 다른 목적지로 방출시킬 수 있다. 재활용되고 및/또는 방출되는 가열된 작용 유체(9)는 증기 사이클 시스템(4)에 의해 사용되는 가열된 작용 유체(9)의 온도 및 유량을 조절하는 데에 일조할 수 있다. 특정한 실시예에서, 각각의 예시된 구성요소는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개, 또는 그 이상의 예시된 구성요소, 예컨대, 엔진(2), 인터쿨러(3), 증기 사이클 시스템(4), 작용 유체 공급부(6), 가열된 작용 유체 보충 공급부(7), 또는 이들의 임의의 조합을 나타낼 수 있다. 더욱이, 특정한 실시예에서, 각각의 예시된 구성요소는 하나 이상의 다른 예시된 구성요소와 함께 기능하거나 작용할 수 있다. 예컨대, 엔진(2), 인터쿨러(3), 작용 유체 공급부(6), 및 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)는 가열된 작용 유체(9)를 1, 2, 3, 4, 5개, 또는 그 이상의 증기 사이클 시스템(4)에 제공하도록 컨트롤러(5)에 의해 제어될 수 있다. 다른 예에 의해, 복수 개의 엔진(2), 복수 개의 인터쿨러(3), 복수 개의 작용 유체 공급부(6), 및/또는 복수 개의 가열된 작용 유체 공급부(7)가 가열된 작용 유체(9)를 증기 사이클 시스템(4)에 제공하도록 컨트롤러(5)에 의해 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템(1)은 물, 오일 등의 윤활제, 냉각액, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 동일하거나 상이한 작용 유체와 작용 유체 공급부(6), 인터쿨러(3), 및 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)의 복수 개의 체인을 포함할 수 있다. 개시된 실시예는 아래의 설명에서 간소화를 위해 임의의 갯수 및 구성의 예시된 구성요소를 포함할 수 있지만, 단 하나의 작용 유체(예컨대, 물) 및/또는 단 1세트의 예시된 구성요소를 참조할 수 있다.
도 2는 도 1의 엔진(2)과 인터쿨러(3)의 실시예를 도시하는 블럭도이다. 구체적으로, 예시된 실시예에서, 엔진(2)은 인터쿨러(3)에 연결되는 가스 터빈 엔진(10)을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 엔진(2)은 수반되는 인터쿨러(3)와 일체화되는 임의의 특정한 타입의 엔진(예컨대, 연소 터빈, 내연 엔진, 또는 다른 열 엔진)일 수 있다.
예시된 실시예에서, 가스 터빈 엔진(10)은 복수 개의 압축기 스테이지[예컨대, 제1 압축기 또는 압축기 제1 스테이지(14)와 제2 압축기 또는 압축기 제2 스테이지(15)]를 갖는 압축기 섹션, 하나 이상의 연소기(예컨대, 연소 챔버)를 갖는 연소기 섹션, 및 복수 개의 터빈 스테이지[예컨대, 제1 터빈 또는 터빈 제1 스테이지(17)와 제2 터빈 또는 터빈 제2 스테이지(18)]를 갖는 터빈 섹션을 포함한다. 예시된 가스 터빈 엔진(10)은 또한 산업적 설비 또는 발전소의 전기 발생기 또는 기계적 디바이스 등의 부하(20)(예컨대, 피동 디바이스)에 연결된다. 각 연소기(16)는 천연 가스, 합성 가스, 또는 석유 추출물 등의 연료(24; 예컨대, 기상 또는 액상 연료)를 연소기(16)로 경로 설정하는 하나 이상의 연료 노즐(22)을 포함한다. 특정한 실시예에서, 가스 터빈 엔진(10)은, 하나 이상의 연료 노즐(22; 예컨대, 1 내지 6개 또는 그 이상)을 각각 갖는 다수의 연소기(16; 예컨대, 1 내지 10개 또는 그 이상)를 포함할 수 있다.
예시된 실시예에서, 연소기(16)는 연료 노즐(22)로부터의 연료를 압축기 섹션[예컨대, 압축기 스테이지(14, 15)]로부터의 압축 산화제(23; 예컨대, 공기, 산소, 산소 농후 공기, 또는 산소 희박 공기)와 함께 연소시키고 고온의 압축 연소 가스(25; 예컨대, 연소 생성물)를 터빈 섹션[예컨대, 터빈 스테이지(17, 18)]으로 경로 설정한다. 터빈 제2 스테이지(18)는 제1 샤프트(26)에 연결되고 터빈 제1 스테이지(17)는 제2 샤프트(27)에 연결되며, 제2 샤프트(27)는 예시된 실시예에서 연소기(16)에 의해 숨겨져 있다. 제1 샤프트(26)는 또한 압축기 제1 스테이지(14)에 연결되고, 제2 샤프트(27)는 또한 압축기 제2 스테이지(15)에 연결된다. 연소 가스(25; 예컨대, 연소 생성물)가 터빈 제1 및 제2 스테이지(17, 18) 내의 터빈 블레이드를 통과함에 따라, 터빈 스테이지(17, 18)는 회전 구동되고, 이는 샤프트(27, 26)가 각각 회전되게 하는데, 샤프트(27, 26)는 전술한 바와 같이 압축기 섹션[예컨대, 압축기 스테이지(15, 14)]에 연결된다. 따라서, 터빈 블레이드는, 터빈 스테이지(17, 18)가 각각 샤프트(27, 26)를 통해 압축기 스테이지(15, 14)를 각각 구동하도록 연소 가스(25)로부터 일을 뽑아낸다.
또한, 연소 가스(25)는 배기 가스로서 터빈 제2 스테이지(18)에서 빠져나가고 제3 터빈 또는 터빈 스테이지(28)에 진입하여 제3 터빈(28)의 터빈 블레이드를 구동시킨다. 제3 터빈(28)은 제3 샤프트(29)를 통해 부하(20)에 연결된다. 따라서, 제3 터빈(28)은 부하(20)를 구동시키도록 배기 가스로부터 일을 추출하고, 배기 가스는 배기 가스 출구(30)를 통해 엔진(10)에서 빠져나간다. 특정한 실시예에서, 보일러(40)는 배기 가스 출구(30)로부터 배기 가스를 수신하도록 구성되고 다양한 프로세스 또는 파워 시스템(블럭 41)으로 경로 설정될 수 있는 증기를 발생시키도록 공급수가 공급될 수 있다. 부하(20; 예컨대, 피동 디바이스)는 파워 발생 플랜트 또는 외부 기계적 부하 등의 가스 터빈 엔진(10)의 회전 출력을 통해 파워를 발생시킬 수 있는 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 예컨대, 부하(20)는 전기 발생기, 프로세스 가스의 압축기 등을 포함할 수 있다.
가스 터빈 엔진(10)의 실시예에서, 압축기 블레이드는 압축기 스테이지(14, 15)의 구성요소로서 포함된다. 압축기 스테이지(14, 15) 내의 블레이드는, 샤프트(27, 26)가 전술한 바와 같이 터빈 스테이지(17, 18)에 의해 회전 구동될 때에 압축기 블레이드가 회전하게 되도록 샤프트(27, 26)에 연결된다. 압축기 스테이지(14, 15) 내에서 블레이드의 회전은 압축기 스테이지(14, 15)에 진입하는 산화제(23; 예컨대 공기)의 압축을 유발함으로써, 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)를 발생시킨다. 압축기 스테이지(14, 15) 내에서 산화제(23; 예컨대, 공기)의 기계적 압축으로 인해, 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)는 온도가 대체로 상승된다(예컨대, 비교적 고온). 예컨대, 압축기 제1 스테이지(14)에서 빠져나가는 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)는 대체로 압축기 제1 스테이지(14)에서 기계적 압축의 작용 때문에 가열된다. 그러나, 가스 터빈 엔진(10)의 효율은 후속 압축기 스테이지[예컨대, 압축기 제2 스테이지(15)]에서 추가 압축되게 될 냉각된 압축 산화제(34)를 운반함으로써 향상되는데, 압축기 제2 스테이지(15)로 운반되는 냉각된 압축 산화제(34; 예컨대, 공기)는 연소기(16)로의 운반 전에 다시 압축 및 가열되게 된다.
따라서, 특정한 실시예에서, 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)는 압축기 제1 스테이지(14)로부터 가스 터빈 엔진(10)의 인터쿨러(3)의 쉘(37; 예컨대, 냉각 챔버 또는 냉각 통로)로 경로 설정될 수 있다. 또한, 작용 유체(8; 예컨대, 보충수)는 작용 유체 보충 공급부(7)로부터 인터쿨러(3)의 내측 튜브(들)(38; 예컨대, 코일, 냉각 챔버, 또는 냉각 통로)로 경로 설정될 수 있다. 예컨대, 작용 유체(8)는 대기 온도 아래로 및/또는 대기 온도로(예컨대, 대략 10℃ 내지 25℃로) 냉각될 수 있고 내측 튜브(들)(38)를 통해 경로 설정된다. 특정한 실시예에서, 작용 유체(8)는 보충수와 같이 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용될 수 있는 임의의 타입의 유체일 수 있다. 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)는 더 높은 온도(예컨대, 대략 50℃ 내지 300℃)로 있을 수 있다. 열은 인터쿨러(3)의 쉘(37) 내의 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)와 내측 튜브(들)(38) 내의 작용 유체(8) 사이에 교환된다. 특정한 실시예에서, 내측 튜브(들)(38)와 쉘(37) 사이에 유체 유동을 차단하도록 내측 튜브(들)(38)와 쉘(37) 사이에서 인터쿨러(3) 내에 누출 차단 특징부(예컨대, 시일, 가스켓, 파스너 등)가 배치될 수 있다. 내측 튜브(들)(38) 및/또는 쉘(37)은 또한 특정한 실시예에서 더 높고 낮은 온도와 유체 간에 열을 적절하게 수신하고 교환하기 위하여 팽창 및 수축하도록 구성될 수 있다.
이 방식에서, 작용 유체(8)는 냉각된 압축 산화제(34; 예컨대, 공기)와 가열된 작용 유체(9)를 발생시키도록 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)로부터 열을 추출한다. 가열된 작용 유체(9)는 대략 80℃와 500℃ 사이의 온도로 될 수 있다. 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는 대략 80℃ 내지 500℃, 90℃ 내지 400℃, 110℃ 내지 300℃, 또는 150℃ 내지 200℃의 온도로 될 수 있다. 또한, 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는 70℃, 80℃, 90℃, 100℃, 110℃, 120℃, 130℃, 140℃, 150℃, 160℃, 170℃, 180℃, 190℃, 200℃, 225℃, 250℃, 300℃, 400℃, 또는 500℃보다 클 수 있다. 냉각된 압축 산화제(34; 예컨대, 공기)는 대략 20℃ 내지 300℃, 30℃ 내지 90℃, 40℃ 내지 80℃, 또는 50℃ 내지 70℃의 온도로 있을 수 있다. 이어서, 냉각된 압축 산화제(34)는 연소기(16)로 전달되기 전에 추가의 압축 및 가열을 위해 제어된 온도에서 압축기 제2 스테이지(15)로 운반될 수 있고, 가열된 작용 유체(9)는 인터쿨러(3)에 진입할 때에 작용 유체(8)보다 높은 온도로 인터쿨러(3)에서 빠져나간다. 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는 인터쿨러(3)로부터 추출되고 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)로 경로 설정되어 다음 압축 스테이지(15)로 복귀하는 압축 산화제(34)의 유출 온도를 제어할 수 있다. 개시된 실시예를 구비하지 않은 경우에, 가열된 작용 유체(9)는 열을 히트 싱크에 맡김으로써, 가열된 작용 유체(9)는 다시 원하는(예컨대, 보다 낮은) 온도에서 인터쿨러(3)로 운반될 수 있다. 그러나, 가열된 작용 유체(9)를 몇몇의 다른 시스템 또는 가스 터빈 엔진(10) 외측의 구성요소로 방출함으로써, 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)로부터 작용 유체(8)에 의해 추출된 열을 재활용하는 것이 유리하고, 열은 몇몇의 다른 역할 또는 기능을 수행하도록 활용될 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는 증기 사이클 시스템(4)으로 방출될 수 있고, 가열된 작용 유체(9)는 도 3 및 도 4와 관련하여 더 설명되는 바와 같이 증기 생성에 사용될 수 있다. 구체적으로, 증기 사이클 시스템(4)으로 방출되는 가열된 작용 유체(9)는 도 3 및 도 4와 관련하여 더 설명되는 바와 같이 증기 생성 프로세스를 위한 예열된 대체 공급수의 소스로서 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용될 수 있는 가열된 보충수일 수 있다.
특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는, 도 4와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 인터쿨러(3), 작용 유체 공급부(6)와 작용 유체(8), 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)와 가열된 작용 유체(9), 및 엔진(2)의 다양한 특성을 모니터링하고 제어하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 인터쿨러(3)를 통해 작용 유체 공급부(6)로부터의 작용 유체(8)의 유량 및 체류 시간을 조절하도록 하나 이상의 밸브를 제어하고, 또한 인터쿨러(3)를 통해 산화제(예컨대, 32, 34)의 유량 및 체류 시간을 조절하도록 하나 이상의 밸브를 제어할 수 있다. 인터쿨러(3) 내의 유량 및 체류 시간을 제어함으로써, 컨트롤러(5)는 산화제(예컨대, 32, 34)의 적절한 온도 감소와 작용 유체(예컨대, 9)의 적절한 온도 증가를 제공하도록 열 전달을 제어할 수 있다. 마찬가지로, 컨트롤러(5)는, 예컨대 작용 유체 공급부(6)로 재활용되고 및/또는 다른 목적지로 방출되는 가열된 작용 유체(9)의 일부를 제어함으로써 인터쿨러(3)로부터 가열된 작용 유체 보충 공급부(7) 및/또는 증기 사이클 시스템(4)으로 경로 설정된 가열된 작용 유체(9)의 유량을 조절하도록 하나 이상의 밸브를 제어할 수 있다. 이 방식에서, 컨트롤러(5)는 인터쿨러(3)에 의해 발생되는 가열된 작용 유체(9)의 생성(예컨대, 유량 및 온도) 그리고 증기 사이클 시스템(4), 작용 유체 공급부(6), 및 다른 목적지로 유동하는 가열된 작용 유체(9)의 분배(예컨대, 분할 또는 비율)을 조절하도록 구성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 또한 인터쿨러(3)로부터 가열된 작용 유체(9)의 동적 및/또는 연속적 유동을 유지하기 위하여 작용 유체 공급부(6) 및/또는 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 도 4와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 컨트롤러(5)는 인터쿨러(3)로부터 방출되는 가열된 작용 유체(9)의 다양한 특성(예컨대, 온도, 압력, 유량 등)을 조절 및 모니터링할 수 있고, 열 교환의 특정한 희망 특성을 조절하거나 유지하기 위하여 인터쿨러(3)로의 다양한 유동을 제어할 수 있다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른, 도 1의 증기 사이클 시스템(4)의 실시예를 예시하는 개략적인 블럭도이다. 구체적으로, 증기 사이클 시스템(4)은 증기 터빈 시스템(43)을 구동하기 위해 증기를 발생시키고 및/또는 증기 공급을 다양한 프로세스(41)로 운반하도록 구성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 가열된 작용 유체 보충 공급부(7; 예컨대, 엔진(2)으로부터의 폐열에 의해 가열된)는 증기 생성 프로세스 중에 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용될 수 있다. 구체적으로, 예시된 실시예에서, 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)는 증기 사이클 시스템(4) 중에 자연적으로 발생하는 물 손실을 대체하기 위해 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용되도록 공급수에 추가되는 예열된 보충수 소스일 수 있다. 특히, 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)는, 예컨대 증기 사이클 시스템(4)에 의해 발생된 추출 증기(55) 및 추가 파워를 더 이상 생성할 수 없는 터빈으로부터 추출된 증기와 같이 비-폐열을 이용한 추가 가열을 필요로 하는 일 없이 특정한 구성요소[예컨대, 공기 분리기 히터(44)]에 적절한, 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용되는 상승된 온도에서 증기 사이클 시스템(4)에 제공될 수 있다는 점을 유념해야 한다. 이 방식에서, 증기 사이클 시스템(4)은 작용 유체(9) 및/또는 응축수(51)[예컨대, 총괄하여, 가열된 작용 유체 또는 공급수(53)]를 적절한 온도로 예열하기 위해 증기 사이클 시스템(4)에 의해 달리 소비되는 추출 증기(55)의 양을 감소시킴으로써, 증기 생성 중에 증기 사이클 시스템(4)의 효율을 향상시킬 수 있다.
특정한 실시예에서, 증기 사이클 시스템(4)은 보일러(40; 예컨대, 증기 발생 보일러)를 포함할 수 있고, 보일러는 증기(42)를 생성하고 고압 증기 터빈 섹션(46)[예컨대, HP 증기 터빈(46)] 및/또는 저압 증기 터빈 섹션(48)[예컨대, LP 증기 터빈(48)]을 갖는 증기 터빈 시스템(43)으로 출력한다. 증기 터빈 시스템(43)은 또한 중간 압력 증기 터빈 섹션(예컨대, MP 증기 터빈)을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 보일러(40)에 의해 출력된 증기(42)는, 증기 터빈 시스템(43)의 HP 증기 터빈 섹션(46)으로 진입하는 고압, 고온의 증기일 수 있다. 증기 터빈 시스템(43)은 부하(50)를 구동시키도록 증기(42)를 활용할 수 있다. 부하(50)는 전력을 발생하기 위한 전기 발생기일 수 있다. 가스 터빈 엔진(10)과 증기 터빈 시스템(43)은 별개의 부하(20, 50)를 각각 구동시킬 수 있다는 것을 유념해야 한다. 특정한 실시예에서, 가스 터빈 엔진(10)과 증기 터빈 시스템(43)은 단일 샤프트를 통해 단일 부하를 구동시키도록 동시에 활용될 수 있다.
또한, 특정한 실시예에서, 증기 터빈 시스템(43)의 작동 중에, 증기 터빈 시스템(43)은 저압 증기 및/또는 응축된 물을 포함할 수 있는 배기 가스(49)를 발생시킬 수 있다. 예컨대, LP 증기 터빈(48)으로부터의 배기 가스(49)는 응축기(52)로 지향될 수 있다. 응축기(52)는 응축 프로세스에 또한 도움을 주는 냉각된 물을 위해 응축기(52)로부터 출력되는 가열된 물과 교환하도록 냉각 타워 또는 다른 타입의 히트 싱크를 활용할 수 있다. 특정한 실시예에서, 응축기(52)로부터의 응축물(51)은 다시 보일러(40)로 지향될 수 있다. 예시된 실시예에서, 응축기(52)로부터의 응축물(51)은 보일러(40)로 운반되기 전에 핫웰 펌프(54; hotwell pump)를 통해 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정된다. 공기 분리기 히터(44)는 트레이형 공기 분리기, 분무형 공기 분리기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예컨대, 공기 분리기 히터(44)는 하나 이상의 분무 헤드(예컨대, 분무 헤더)를 갖는 폐쇄구, 수직 방향으로 적층된 배열로 배치되는 복수 개의 트레이, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 공기 분리기 히터(44)는 증기(54)를 이용하는 증기 섹션과, 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)로부터의 가열된 작용 유체(9)를 이용하는 가열된 유체 섹션을 포함할 수 있다. 증기(53) 및/또는 가열된 작용 유체(9)로부터의 열은 응축물(51) 및/또는 가열된 작용 유체(9)를 포화 온도로 가열하는 것을 촉진시킴으로써, 유체(51, 9) 내의 용존 가스를 제거하는 데에 일조한다. 이어서, 용존 가스는 공기 분리기 히터(44)의 폐쇄구에 있는 배기구를 통해 빠져나갈 수 있다. 공기 분리기 히터(44)는 처리된 응축물(51) 및/또는 가열된 작용 유체(9)를 처리되고 가열된 작용 유체(9)[예컨대, 가열된 작용 유체(53), 가열된 공급수(53)]의 공급을 저장하도록 구성되는 저장 탱크(45)로 경로 설정한다.
공기 분리기 히터(44)는 보일러(40)로 경로 설정되는 처리되고 가열된 작용 유체(53)(예컨대, 클리닝된 또는 탈기된 공급수)를 발생시키도록 가열된 작용 유체(9)와 응축물(51)로부터 다양한 부식성 성분 및/또는 용존 가스(예컨대, 산소, 이산화탄소 등)를 제거하도록 구성될 수 있다. 사실상, 가열된 작용 유체(53)(예컨대, 공급수)가 보일러(40)[예컨대, 증기 발생 보일러(40)] 내에 부식성 손상 또는 마모를 유발하지 않도록 이들 부식성 성분 및/또는 용존 가스를 제거하는 것이 유리할 수 있다. 특히, 가열된 작용 유체(9)는 가열된 작용 유체(9) 및 응축물(51)의 탈기에 적절한 온도에서 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 예시된 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는 외부 소스[예컨대, 엔진(2)에 연결되는 인터쿨러(3)]를 통해 예열되는 보충수일 수 있다. 가열된 작용 유체(9)는, 가열된 작용 유체(9)가 응축물(51)에 대한 열 전달을 용이하게 할 수 있도록 응축물(51)의 온도 위의 상승된 온도로 가열될 수 있다. 예컨대, 가열된 작용 유체(9)는 응축물(51)을 포화 온도로 가열하는 데에 일조할 수 있음으로써, 공기 분리기(45) 내의 유체(51, 9) 중의 용존 가스를 제거하는 데에 일조할 수 있다. 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)에 의해 제공되는 열은 공기 분리기(45)에서의 탈기를 용이하게 하도록 응축물(51)을 가열하는 열원으로서 추출 증기(55)의 사용을 부분적으로, 실질적으로, 또는 전체적으로 대체할 수 있다. 예컨대, 가열된 작용 유체(9)는 공기 분리기(45)에 사용되는 증기(55)의 적어도 50, 60, 70, 80, 90, 95, 또는 100 퍼센트를 대체할 수 있다. 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(9)는, 증기 사이클 시스템(4)이 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정되기 전에 응축물(51)[및 가열된 작용 유체(9)]을 대기 온도로부터 가열(또는 예열)할 필요가 없도록 대략 80℃ 내지 500℃의 온도로 될 수 있다. 예컨대, 가열된 작용 유체(9)의 온도는 대략 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 300, 400, 또는 500℃와 적어도 동일하거나 그보다 클 수 있다. 컨트롤러(5)는 공기 분리기 히터(44) 내로 유입되고 통과하는 가열된 작용 유체(9)의 온도 및 유량을 조절할 수 있음으로써, 응축기(52)로부터 응축물(51)을 그리고 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)로부터 가열된 작용 유체(9)를 탈기하는 데에 최소의 열이 요구되거나 추가의 열이 요구되지 않는다. 특정한 실시예에서, 가열된 작용 유체(53)[예컨대, 가열된 작용 유체(9) 및/또는 응축물(51)을 포함하는 탈기된 작용 유체]는 공급 펌프(56)를 통해 보일러(40)로 경로 설정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 보일러(40)는 증기 발생을 위해 구성될 수 있다.
특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는, 도 4와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 증기 사이클 시스템(4)의 다양한 특성, 생성된 증기의 양, 및/또는 가열된 작용 유체 보충 공급부(7)를 모니터링하고 제어하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 증기 사이클 시스템(4)이 요구하는 가열된 작용 유체(9)의 양을 동적으로 모니터링 및/또는 조절하고, 적절한 양의 가열된 작용 유체(9)를 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정하도록 구성될 수 있다. 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 증기 사이클 시스템(4)에서 공급수[예컨대, 가열된 작용 유체(9)]에 대한 요구와 관한 정보를 제공하는 하나 이상의 센서(58; 예컨대, 유량 센서, 온도 센서, 수위 센서 등)로부터의 센서 피드백을 기초로 하여 가열된 작용 유체(9)를 증기 사이클 시스템(4)으로 경로 설정하도록 구성될 수 있다. 센서(58)는 증기 사이클 시스템(4) 내의 어느 곳이든, 예컨대 유동로를 따라 및/또는 증기 사이클 시스템(4)의 구성요소[예컨대, 공기 분리기 히터(44)] 내에 배치될 수 있다.
도 4는 도 1의 병합형 사이클 시스템(1)의 실시예를 예시하는 개략적인 블럭도이다. 구체적으로, 예시된 실시예에서, 인터쿨러(3)는 엔진(2)의 압축 공기(예컨대, 고온 유체)로부터의 열을 보충수(60)로 전달함으로써 보충수(60)의 공급을 가열하도록 구성될 수 있다. 또한, 예시된 실시예에서, 가열된 보충수(62)는 인터쿨러(3)로부터 도 1의 증기 사이클 시스템으로 경로 설정될 수 있고, 가열된 보충수(62)는 증기 생성에 활용되도록 응축물(51)과 같이 증기 사이클 내의 다른 수증기에 추가될 수 있다. 실제로, 전술한 바와 같이, 원하는 온도로 예열되는 가열된 보충수(62)의 외부 소스를 증기 사이클 시스템(4)에 제공하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 가열된 작용 유체(62)는 탈기에 적합한 온도에서(예컨대, 대략 80℃ 내지 500℃ 또는 그 이상의 상승된 온도에서) 인터쿨러(3)로부터 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정된다. 따라서, 증기 사이클 시스템(4)은 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정되기 전에 대략 대기 온도(예컨대, 대략 10℃ 내지 25℃)로부터 가열된 보충수(62) 및/또는 응축물(51)을 가열(또는 예열)하는 것이 요구되지 않을 수 있다. 이 방식에서, 인터쿨러(3)는 가열된 보충수(62)를 증기 사이클 시스템(4)에 제공하기 위해 엔진(2)으로부터의 폐열을 활용하도록 구성될 수 있고, 이에 의해 시스템에 의해 활용되는 보충수를 예열하도록 증기 사이클 시스템(4)에 의해 생성되는 추출 증기(55)를 활용할 필요성을 감소시킴으로써 증기 사이클 시스템(4)의 효율을 향상시킬 수 있다.
특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 병합형 사이클 시스템(1)의 요구 및/또는 작동을 조절 및/또는 모니터링하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(5)는, 인터쿨러(3) 내로 보충수(60)의 유동(예컨대, 유량), 인터쿨러(3) 밖으로 그리고 증기 사이클 시스템(4) 내로 가열된 보충수(62)의 유동(예컨대, 유량), 보충수(60)와 엔진(2)의 고온 유체 간에 인터쿨러(3) 내에서의 열 교환의 특성, 가스 터빈 엔진(10)으로부터 인터쿨러(3)로 경로 설정된 압축 산화제(32; 예컨대, 공기)의 양, 보충수(60) 및/또는 가열된 보충수(62)의 온도 등을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 이 방식에서, 컨트롤러(5)는 증기 사이클 시스템(4)에 제공되는 가열된 보충수(62)의 다양한 특성을 조절함으로써, 증기 사이클 시스템(4)의 증기 생성 프로세스를 조절하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 증기 사이클 시스템(4)이 요구하는 가열된 보충수(62)의 양을 동적으로 모니터링 및/또는 조절하고, 적절한 양의 가열된 보충수(62)를 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정하도록 구성될 수 있다. 다양한 유량 제어 디바이스(64; 예컨대, 밸브, 오리피스 플레이트 등) 및/또는 센서(58; 예컨대, 유량 센서, 온도 센서 등)가 시스템(1) 내에 배치되고 컨트롤러(5)에 의해 활용되어 인터쿨러(3)와 증기 사이클 시스템(4)으로 경로 설정되는 가열된 보충수(62)의 양을 조절할 수 있다.
특정한 실시예에서, 시스템(1) 내에 배치된 하나 이상의 센서(58)로부터의 센서 피드백을 기초로 하여, 컨트롤러는 보충수(60), 인터쿨러(3), 및/또는 가열된 보충수(62)의 하나 이상의 작동 파라미터를 동적으로 조절(예컨대, 제어)하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 인터쿨러(3)를 통해 보충수(60)의 유량을 조절하도록 하나 이상의 유량 제어 디바이스(64; 예컨대, 조절 가능한 밸브)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 인터쿨러(3)를 통해 보충수(60)의 유량을 조절하는 것은 보충수(60)의 온도를 조절하고 및/또는 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정되는 가열된 보충수(62)의 양을 조절할 수 있다. 특정한 실시예에서, 공기 분리기 히터(44)로부터 보일러(40)로 경로 설정된 보충수의 유량 및/또는 증기의 생성률을 기초로 하여, 컨트롤러(5)는 공기 분리기 히터(44)로 유입되는 가열된 보충수(62)의 유량을 조절하기 위해 하나 이상의 유량 제어 디바이스(64)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 사실상, 인터쿨러(3)로부터 방출되는 가열된 보충수(62)의 양이 공기 분리기 히터(44)에서 가열된 보충수(62)의 요구량보다 크면, 컨트롤러(5)는 가열된 보충수(62)를 보충수(60)의 공급부로 경로 설정하도록 인터쿨러(3)와 공기 분리기 히터(44) 사이에 배치되는 하나 이상의 유량 제어 디바이스(64)를 개방 또는 폐쇄할 수 있다. 이 방식에서, 컨트롤러(5)는 시스템(1) 내에서 보충수(60) 및/또는 가열된 보충수(62)의 요구를 기초로 하여 보충수(60) 및/또는 가열된 보충수(62)의 유동(예컨대, 유량)을 동적으로 제어 및/또는 조절할 수 있다. 컨트롤러(5)는 보충수(60), 인터쿨러(3), 및/또는 가열된 보충수(62)의 작동 파라미터(예컨대, 유량, 온도 등)를 제어 또는 조절하기 위하여 증기 사이클 시스템(4)과 가스 터빈 엔진(10) 모두를 조절 및/또는 모니터링하도록 구성될 수 있다.
특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 병합형 사이클 시스템(1)의 요구 및/또는 작동을 조절 및/또는 모니터링하도록 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(5)는 프로세서(66)와 메모리(68)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 프로세서(66) 및/또는 다른 데이터 처리 회로는 시스템(10)을 모니터링하고 제어하기 위해 명령어를 검색하고 실행하도록 메모리(68)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 예컨대, 이들 명령어는, 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체의 예일 수 있고 본 발명에 개시된 기법이 수행되게 하도록 프로세서(66)에 의해 엑세스 및 실행될 수 있는, 메모리(68)에 저장된 프로그램 또는 소프트웨어에 인코딩될 수 있다. 메모리(68)는 대량 저장 디바이스, 플래시 메모리 디바이스, 제거 가능 메모리, 또는 임의의 다른 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체일 수 있다. 추가적으로 및/또는 대안적으로, 명령어는 전술한 바와 같이 메모리(68)와 유사한 방식으로 이들 명령어 또는 루틴을 적어도 집합적으로 저장하는 적어도 하나의 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 추가의 적절한 제조 물품에 저장될 수 있다.
본 발명의 기술적 효과는 증기 사이클 시스템(4), 엔진(2)[예컨대, 가스 터빈 엔진(10)], 및 엔진(2)에 연결된 인터쿨러(3)를 포함하는 병합형 사이클 시스템(1)을 포함한다. 구체적으로, 인터쿨러(3)는 엔진(2)의 고온 유체(예컨대, 압축 공기, 오일 등의 윤활제, 냉각제, 또는 폐열을 갖는 다른 유체)로부터 작용 유체(9)(예컨대, 보충수)로 열을 전달하는 열 교환기로서 사용될 수 있다. 가열된 작용 유체(9)는 증기 사이클 시스템(4)으로 경로 설정될 수 있고, 히트 싱크로 방출되고 달리 폐기되는(즉, 폐열) 대신에 증기 생성 프로세스 중에 활용될 수 있다. 구체적으로, 특정한 실시예에서, 작용 유체(9)는 공급수 및/또는 증기 사이클 시스템(4) 내에서 발생하는 증기 손실을 위한 예열된 대체수로서 증기 사이클 시스템(4)에 의해 활용되는 보충수(60)일 수 있다. 이 방식에서, 증기 사이클 시스템(4)은 보충수를 적절한 온도로 예열시키도록 증기 사이클 시스템(4)에 의해 달리 소비되는 증기(55)의 양을 감소시킴으로써, 증기 생성 중에 증기 사이클 시스템(4)의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 특정한 실시예에서, 병합형 사이클 시스템(1)은 작용 유체(9)[예컨대, 보충수(60)] 및/또는 가열된 작용 유체(9)[예컨대, 가열된 보충수(62)]의 다양한 작동 파라미터(예컨대, 유량, 온도 등)를 하나 이상의 센서(58) 또는 유량 제어 디바이스(64)를 통해 모니터링 및/또는 제어하도록 구성되는 컨트롤러(5)를 포함한다. 예컨대, 특정한 실시예에서, 컨트롤러(5)는 증기 사이클 시스템(4)이 요구하는 가열된 보충수(62)의 양을 동적으로 모니터링 및/또는 조절하고, 적절한 양의 가열된 보충수(62)를 공기 분리기 히터(44)로 경로 설정하도록 구성될 수 있다.
이상 기술된 설명은, 예를 이용하여 최선의 방식을 비롯한 본 발명을 개시하고 있으며, 또한 당업자가, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 이용하도록 하는 것 그리고 임의의 통합된 방법을 수행하도록 하는 것을 비롯하여 본 발명을 실시할 수 있도록 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 착안 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이들 예에서 본원 청구범위의 문어적 어구와 상이하지 않은 구조 요소가 마련된다면, 또는 이들 예에서 청구범위의 문어적 어구와 미미한 차이를 갖는 등가의 구조 요소가 마련된다면, 본원의 청구범위에 속하도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 시스템으로서,
    엔진 유체와, 가스를 압축하도록 구성된 압축기 섹션, 윤활제를 순환시키도록 구성된 윤활제 경로, 또는 냉각제를 순환시키도록 구성된 냉각제 경로 중 적어도 하나를 포함하는 연소 엔진으로서, 상기 엔진 유체는 가스, 윤활제, 또는 냉각제 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 엔진 유체는 연소 엔진의 하나 이상의 작동으로부터 유래된 열원인 것인 연소 엔진;
    상기 연소 엔진에 연결되는 열 교환기로서, 상기 열 교환기는 연소 엔진으로부터 엔진 유체 경로를 따라 엔진 유체를 받아들이고 엔진 유체와 작용 유체 경로를 따른 작용 유체 간에 열을 교환하여 가열된 작용 유체와 냉각된 엔진 유체를 생성하며, 시스템은 열 교환기에 의해 생성된 가열된 작용 유체를 증기 시스템의 공기 분리기의 상류측에 있는 제1 유동로 및 제2 유동로로 분할하도록 구성되고, 제1 유동로는 가열된 작용 유체의 제1 부분을 공기 분리기와 증기 시스템으로 지향시키도록 구성되며, 제2 유동로는 가열된 작용 유체의 제2 부분을 열 교환기를 통과하는 작용 유체 경로로 복귀시키도록 구성되고, 증기 시스템은 증기 시스템의 프로세스 내에서 손실된 작용 유체를 대체하기 위해 상기 열 교환기로부터의 가열된 작용 유체를 작용 유체의 보충수 공급으로서 받아들이도록 구성되는 것인 열 교환기; 및
    가열된 작용 유체의 제1 부분의 제1 유량 및 가열된 작용 유체의 제2 부분의 제2 유량을 동시에 그리고 센서 피드백에 기초하여 선택적으로 조절하도록 구성되는 컨트롤러로서, 제1 유량은 공기 분리기에서의 탈기를 용이하게 하도록 터빈 추출 증기의 적어도 80%를 대체하는 것인 컨트롤러
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 분리기는 열 교환기로부터 가열된 작용 유체의 제1 부분을 받아들이고 가열된 작용 유체의 제1 부분으로부터 하나 이상의 부식성 물질 및 용존 가스 중 적어도 하나를 제거하여 탈기되고 가열된 작용 유체를 생성하도록 구성되는 것인 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 증기 시스템은,
    공기 분리기로부터 탈기되고 가열된 작용 유체를 받아들여 증기를 발생시키도록 구성된 보일러; 및
    상기 보일러에 연결된 증기 터빈을 포함하고, 상기 증기 터빈은 적어도 증기를 이용하여 부하를 구동시키도록 구성되는 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연소 엔진은 가스 터빈 엔진을 포함하는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연소 엔진은 가스를 압축하도록 구성되는 압축기 섹션을 포함하고, 상기 엔진 유체는 가스를 포함하는 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연소 엔진은 냉각제를 순환시키도록 구성되는 냉각제 경로를 포함하고, 상기 엔진 유체는 냉각제를 포함하는 것인 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 탈기되고 가열된 작용 유체 전부를 증기 시스템의 보일러로 지향시키도록 구성되는 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 가열된 작용 유체의 온도를 적어도 90℃가 되게 조절하도록 구성되는 것인 시스템.
  9. 시스템으로서,
    증기 시스템의 공기 분리기를 포함하고, 상기 공기 분리기는 연소 엔진의 압축기 섹션, 윤활제 경로, 또는 냉각제 경로 중 적어도 하나에 연결된 열 교환기로부터 방출되는 가열된 작용 유체를 받아들이도록 구성되고, 공기 분리기는 상기 가열된 작용 유체로부터 하나 이상의 부식성 물질 및 용존 가스 중 적어도 하나를 제거하여 증기 시스템에서의 증기 발생 전에 탈기되고 가열된 작용 유체를 생성하도록 구성되며, 시스템은 공기 분리기에 의해 생성된 탈기되고 가열된 작용 유체 전부를 증기 시스템의 보일러로 지향시키도록 구성되고, 열 교환기로부터 받아들인 가열된 작용 유체는 증기 시스템의 프로세스 내에서 손실된 작용 유체를 대체하기 위한 작용 유체의 보충수 공급이며, 공기 분리기는 가열된 작용 유체를 받아들이도록 구성되고,
    시스템은 열 교환기에 의해 생성된 가열된 작용 유체를 증기 시스템의 공기 분리기의 상류측에 있는 제1 유동로 및 제2 유동로로 분할하도록 구성되고, 제1 유동로는 가열된 작용 유체의 제1 부분을 공기 분리기와 증기 시스템으로 지향시키도록 구성되며, 제2 유동로는 가열된 작용 유체의 제2 부분을 열 교환기를 통과하는 작용 유체 경로로 복귀시키도록 구성되고,
    시스템은, 가열된 작용 유체의 제1 부분의 제1 유량 및 가열된 작용 유체의 제2 부분의 제2 유량을 동시에 그리고 센서 피드백에 기초하여 선택적으로 조절하도록 구성되는 컨트롤러를 더 포함하고, 제1 유량은 공기 분리기에서의 탈기를 용이하게 하도록 터빈 추출 증기의 적어도 80%를 대체하는 것인 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공기 분리기에 연결되는 열 교환기
    를 더 포함하는 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공기 분리기로부터 탈기되고 가열된 작용 유체 전부를 받아들이도록 구성되는 보일러; 및
    상기 보일러에 연결되는 증기 터빈
    을 더 포함하고, 상기 보일러는 상기 탈기되고 가열된 작용 유체와 연소 엔진으로부터의 배기 가스 간에 열 교환을 기초로 하여 증기를 발생시키며, 상기 증기 터빈은 상기 증기를 이용하여 부하를 구동시키도록 구성되는 것인 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    연소 엔진을 더 포함하고, 상기 연소 엔진은 가스 터빈 엔진의 제1 압축기 섹션과 제2 압축기 섹션에 연결되는 열 교환기를 갖는 가스 터빈 엔진을 포함하고, 상기 열 교환기는 상기 제1 압축기 섹션과 제2 압축기 섹션 사이의 압축된 가스를 냉각시키도록 구성되는 것인 시스템.
  13. 방법으로서,
    열 교환기를 통해 작용 유체 경로를 따라 작용 유체를 유동시키는 단계;
    연소 엔진의 압축기 섹션, 윤활제 통로, 또는 냉각제 통로 중 적어도 하나로부터의 엔진 유체와 작용 유체 간에 열을 교환하여 가열된 작용 유체와 냉각된 엔진 유체를 발생시키는 단계;
    열 교환기에 의해 생성된 가열된 작용 유체를 증기 시스템의 공기 분리기의 상류측에 있는 제1 유동로 및 제2 유동로로 분할하는 단계로서, 제1 유동로는 가열된 작용 유체의 제1 부분을 공기 분리기와 증기 시스템으로 지향시키도록 구성되며, 제2 유동로는 가열된 작용 유체의 제2 부분을 열 교환기를 통과하는 작용 유체 경로로 복귀시키도록 구성되고, 증기 시스템은 증기 시스템의 프로세스 내에서 손실된 작용 유체를 대체하기 위해 상기 열 교환기로부터의 가열된 작용 유체를 작용 유체의 보충수 공급으로서 받아들이도록 구성되는 것인 단계;
    열 교환기로부터 제1 유동 경로를 따라 증기 시스템을 향하는 가열된 작용 유체의 제1 부분의 제1 유량 및 제2 유동 경로를 따라 다시 작용 유체 경로를 향하는 가열된 작용 유체의 제2 부분의 제2 유량을, 하나 이상의 유량 제어 디바이스를 동시에 이용하여 그리고 센서 피드백에 기초하여, 컨트롤러를 통해 조절하는 단계로서, 상기 센서 피드백은 연소 엔진, 열 교환기, 하나 이상의 유체 유동 경로, 또는 증기 시스템에 연결된 하나 이상의 센서로부터 수신되고, 상기 하나 이상의 유량 제어 디바이스는 연소 엔진, 열 교환기, 하나 이상의 유체 유동 경로, 또는 증기 시스템에 연결되며, 상기 제1 유량은 공기 분리기에서의 탈기를 용이하게 하도록 터빈 추출 증기의 적어도 80%를 대체하는 것인 단계; 및
    상기 가열된 작용 유체의 적어도 일부분을 활용하는 증기 공급부를 상기 증기 시스템을 통해 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열 교환기로부터 제1 유동 경로를 따르는 가열된 작용 유체의 제1 부분을 증기 시스템의 공기 분리기로 유동시키는 단계;
    상기 가열된 작용 유체의 제1 부분에서 하나 이상의 부식성 성분 및 용존 가스 중 적어도 하나를 제거하여 탈기되고 가열된 작용 유체를 생성하는 단계; 및
    상기 탈기되고 가열된 작용 유체를, 상기 탈기되고 가열된 작용 유체를 적어도 부분적으로 기초로 하여 증기를 생성하도록 구성되는 보일러로 경로 설정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 가열된 작용 유체의 온도를 적어도 90℃가 되도록 조절하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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