KR101985353B1 - 연료 조성에 따른 가스 터빈 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템은, 공기를 압축하는 압축기와 압축된 공기를 연소시키기 위한 연소기 및 터빈을 포함하는 가스 터빈 및 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는, 상기 가스 터빈에 공급되어 압축 공기와 혼합되는 연료 가스의 조성을 인식하는 연료 인식부, 상기 연료 인식부가 인식한 연료 구성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 온도 설정부 및 상기 온도 설정부가 설정한 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

연료 조성에 따른 가스 터빈 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING GAS TURBINE ACCORDING TO FUEL COMPOSITION}
본 발명은 연료 조성에 따른 가스 터빈 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 다양한 연료 조성물을 이용하는 가스 터빈 운영에서 배기 가스의 배출을 최소화할 수 있는 가스 터빈 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
가스 터빈 시스템은 압축기와 연소기 및 터빈으로 구성되어 있다. 압축기는 공기 흡입구로부터 들어온 공기를 압축시키는 것으로, 공기를 고온, 고압의 상태로 만든다. 이와 같이 압축된 공기는 연소기에서 상기 압축된 공기와 혼합된 연료에 의해 연소되어 고온, 고압의 연소 가스가 된다. 터빈은 케이싱 내의 통로에 여러 개의 터빈 고정 날개 및 터빈 운동 날개가 교대로 배치되어 있으며, 통로에 공급된 연소 가스에 의해 터빈 운동 날개가 구동되어, 발전기에 연결된 터빈 축을 회전시킨다. 그에 따라, 터빈을 구동시킨 연소 가스는 배가 가스로 대기에 방출된다.
한편, 가스 터빈 시스템에서 발생하는 배기 가스는 이산화탄소(CO2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)와 같은 산화 질소(NOx), 아산화질소(N20) 및 이산화황(SO2)과 같은 가스 오염물 및 미립자들을 포함하고 있다. 예를 들어, NOx는 연소기가 높은 화염 온도(예. 약 2,600℉(1,427℃) 이상)를 가지는 경우 형성된다.
이러한 유해한 배기 가스의 양을 감축시키기 위해 다양한 연소 가스 처리 기술들이 개발되어 왔다. 예를 들어, 가스 터빈 시스템이 동작하는 동안 화염 온도를 조절하기 위해 공기의 흐름을 증가시켜 NOx 배출을 줄이려는 많은 시도가 있어왔다. 또한, NOx 배출을 줄이기 위한 다른 시도들로서는 물 주입, 연료의 예비혼합 방법 등이 존재하였다. 그러나, 이러한 방법은 가스 터빈 시스템의 동작 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
한편, NOx 가스뿐만 아니라, 다양한 배기 가스들이 가스 터빈을 동작시키는 동안 발생되며, 그에 따라, 배기 가스들의 배출량을 최소화할 수 있는 기술이 요구된다.
더 나아가 다양한 종류의 연료 조성물을 이용하여 가스 터빈을 사용함에 있어서, 가스 터빈의 동작과 동시에 활용할 수 있는 방안이 요구되며, 본 발명은 이와 같은 종래 가스 터빈의 배기 가스 배출의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이다.
미국특허공보 US 8,024,964호(2011.09.27.)
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템은 공기를 압축하는 압축기와 압축된 공기를 연소시키기 위한 연소기 및 터빈을 포함하는 가스 터빈 및 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는, 상기 가스 터빈에서의 혼합을 위해 공급되는 연료 가스의 조성을 인식하는 연료 인식부, 상기 연료 인식부가 인식한 연료 조성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 온도 설정부 및 상기 온도 설정부가 설정한 운전 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 운전 온도 값은, 상기 연료 가스로부터 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 운전 온도는, 상기 터빈의 입구 온도, 상기 터빈의 출구 온도, 연소 가스의 배출 압력 중 적어도 하나를 이용하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 연료 가스의 조성에 따른 상기 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 상기 가스 터빈의 운전 온도 사이의 관계 값이 저장된 데이터베이스를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 온도 설정부에 의해 설정된 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 가스 터빈의 운전을 정지할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 터빈 제어 방법은, 공기를 압축하는 압축기와 압축된 공기를 연소시키기 위한 연소기 및 터빈을 포함하는 가스 터빈의 제어 방법으로서, 제어 장치가 상기 가스 터빈에서의 혼합을 위해 공급되는 연료 가스의 조성을 인식하는 단계, 상기 제어 장치가 상기 인식한 연료 조성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 단계 및 상기 제어 장치가 상기 설정한 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈 운전 온도 값은, 상기 연료 가스로부터 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 운전 온도는, 터빈의 입구 온도, 터빈의 출구 온도, 연소 가스의 배출 압력 중 적어도 하나를 이용하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 운전 온도를 설정하는 단계는, 상기 가스 터빈의 연료 가스의 조성에 따른 상기 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 상기 가스 터빈의 운전 온도 사이의 관계 값을 이용하여, 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 운전 온도를 제어하는 단계는, 상기 제어 장치가 상기 가스 터빈의 운전 온도를 측정하고, 상기 가스 터빈의 운전 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 제어 장치가 가스 터빈의 운전을 정지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템은 공기를 압축하는 압축기와 압축된 공기를 연소시키기 위한 연소기 및 터빈을 포함하는 가스 터빈 및 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는, 상기 가스 터빈에서의 혼합을 위해 공급되는 연료 가스의 조성을 인식하는 연료 인식부, 상기 연료 인식부가 인식한 연료 조성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 온도 설정부 및 상기 온도 설정부가 설정한 운전 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 운전 온도 값은, 상기 연료 가스로부터 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 운전 온도는, 상기 터빈의 입구 온도, 상기 터빈의 출구 온도, 연소 가스의 배출 압력 중 적어도 하나를 이용하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 연료 가스의 조성에 따른 상기 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 상기 가스 터빈의 운전 온도 사이의 관계 값이 저장된 데이터베이스를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 온도 설정부에 의해 설정된 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 가스 터빈의 운전을 정지할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 터빈 제어 방법은, 공기를 압축하는 압축기와 압축된 공기를 연소시키기 위한 연소기 및 터빈을 포함하는 가스 터빈의 제어 방법으로서, 제어 장치가 상기 가스 터빈에서의 혼합을 위해 공급되는 연료 가스의 조성을 인식하는 단계, 상기 제어 장치가 상기 인식한 연료 조성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 단계 및 상기 제어 장치가 상기 설정한 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈 운전 온도 값은, 상기 연료 가스로부터 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 가스 터빈의 운전 온도는, 터빈의 입구 온도, 터빈의 출구 온도, 연소 가스의 배출 압력 중 적어도 하나를 이용하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 운전 온도를 설정하는 단계는, 상기 가스 터빈의 연료 가스의 조성에 따른 상기 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 상기 가스 터빈의 운전 온도 사이의 관계 값을 이용하여, 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 운전 온도를 제어하는 단계는, 상기 제어 장치가 상기 가스 터빈의 운전 온도를 측정하고, 상기 가스 터빈의 운전 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 제어 장치가 가스 터빈의 운전을 정지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 가스 터빈의 운전 온도에 따른 배기 가스 배출량을 반복적으로 확인하는 과정을 거치지 않고도, 배기 가스 배출량을 최소화 할 수 있어 친환경적인 가스 터빈 구동이 가능하다는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템을 제어하는 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 가스 터빈의 제어 온도에 따라 변화하는 배기 가스 배출량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 온도 제어 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템(100)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 가스 터빈 제어 시스템(100)은 개략적으로 압축기(11), 연소기(12), 터빈(13) 및 제어 장치(14)를 포함할 수 있다. 압축기(11), 연소기(12) 및 터빈(13)의 중심부에는, 로터(18)가 관통하여 배치되고, 압축기(11)와 터빈(13)은, 로터(18)에 의해 일체로 회전 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 가스 터빈 제어 시스템(100)은, 제어 장치(14)에 의해 제어될 수 있으며, 가스 터빈 제어 시스템(100)에는, 발전기(15)가 연결되어 있어, 전력 발전이 가능할 수 있다.
압축기(11)는 공기 도입구로부터 받아들인 공기 A를 압축하여, 공기 A를 압축 공기 A1로 변환 시킬 수 있다. 이러한 압축기(11)에는 공기 도입구로부터 받아들이는 공기 A의 흡기량을 조정하는 유입구 가이드 베인(IGV: Inlet Guide Vane)(22)이 배치될 수 있다. 유입구 가이드 베인(22)은 개방도 조정이 가능하여, 공기 A의 흡기량이 조정될 수 있다.
보다 구체적으로, 유입구 가이드 베인(22)는, 복수의 날개 본체와, 복수의 날개 본체의 날개 각도를 변경하기 위한 IGV 작동부를 가지며, IGV 작동부에 의해 날개 본체의 날개 각도가 조정됨으로써, 유입구 가이드 베인(22)의 개방도가 조정되어, 공기 A의 흡기량을 조정할 수 있다.
예를 들어, 유입구 가이드 베인(22)은 개방도가 커지면, 공기 A의 흡기량이 많아지고, 압축기(11)의 압력비가 증가한다. 반대로, 유입구 가이드 베인(22)의 개방도가 작아지게 되면, 공기 A의 흡기량이 적어지고, 압축기(11)의 압력비가 저하한다.
연소기(12)는 압축기(11)에 의해 압축된 압축 공기 A1와 연료 F를 혼합하여 연소시킴으로써, 연소 가스를 생성할 수 있다. 그에 따라, 터빈(13)은 연소기(12)에서 생성된 연소 가스에 의해 회전할 수 있다.
실시예에 따라, 연소기(12)에서 사용하는 연료는 천연 가스, 프로판, 코크스로 가스, 제유소 오프 가스, 석탄 가스화 가스 등의 수소나 일산화탄소를 포함한 가스 연료 등이거나, 경유, 등유, 중유 등의 오일 연료일 수 있다.
터빈(13)은 도 1에 도시하지 않았으나, 케이싱 내의 외주면에서 복수의 터빈 고정 날개 및 터빈 운동 날개가 교대로 배치되어 있을 수 있다. 또한, 터빈(13)을 구성하는 날개에는 날개 표면을 냉각 시킬 수 있는 냉각부가 구비되어 고온의 압축 공기 A1를 냉각시킬 수 있다.
로터(18)는 축 방향의 양 단부에 배치된 베어링(미도시)에 의해 축을 중심으로 회전할 수 있다. 또한, 로터(18)의 압축기(11) 측단부에는, 발전기(15)의 구동축이 연결될 수 있다.
아울러, 발전기(15)는 터빈(13)과 동축 상에 배치되어, 터빈(13)의 회전에 따라 발전할 수 있다.
다시 말해서, 압축기(11)의 공기 주입구로부터 받아들여진 공기 A는, 유입구 가이드 베인(22)를 거쳐 압축기(11)의 내부를 통과하여 압축됨으로써 고온, 고압의 압축 공기 A1이 되고, 압축 공기 A1에 대하여 연소기(12)에서 연료 F가 혼합되어 연소함으로써, 고온, 고압의 연소 가스가 생성된다.
그리고, 연소기(12)에서 생성된 고온, 고압의 연소 가스가, 터빈(13)의 내부를 통과하여, 터빈(13)을 회전시키고, 그에 따라, 로터(18)를 회전할 수 있으며, 로터(18)에 연결된 발전기(15)가 구동될 수 있다. 한편, 터빈(13)을 회전시킨 연소 가스는 배기 가스로서 대기에 방출될 수 있다.
한편, 가스 터빈 제어 시스템(100)은 제어 장치(14)에 의해 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 장치(14)는, 부하(발전기(15)의 출력)에 따라, 가스 터빈 제어 시스템(100)의 동작을 제어할 수 있다. 부하의 부분 부하 운전과 전체 부하 운전을 제어할 수 있으며, 전체 부하 운전은 가스 터빈 출력이 정격 출력이 되는 운전이며, 부분 부하 운전은 가스 터빈 출력이 정격 출력보다 작은 출력이 되는 운전일 수 있다.
또한, 제어 장치(14)는, 부분 부하 운전 및 전체 부하 운전을 제어하는 동안, 압축기(11)에 받아들이는 공기 A의 흡기량 및 연소기(12)에서 혼합되는 연료 F의 연료 공급량 등을 조정하여, 연소 가스가 유입되는 터빈(13)의 터빈 입구 온도(TIT, Turbine Inlet Temperature)가 미리 설정된 상한 온도를 넘지 않도록 온도를 조절할 수 있다.
또한, 제어 장치(14)는 압력 계측기(51), 제1 및 제2 온도 계측기(52a, 52b)와 연결되어 정보를 수신할 수 있다. 이와 같은, 압력 계측기(51)는 압축기(11)로부터 연소기(12)를 향해 압축 공기 A1이 흐르는 라인, 구체적으로는 연소기(12)의 내부에 마련된 계측기로 연소 가스의 압력 및 방출 속도를 측정할 수 있다.
아울러, 제1 온도 계측기(52a)는 터빈(13)과 연결된 연소기(12)의 일단에 배치되어 연소 가스의 온도를 계측할 수 있다. 한편, 제2 온도 계측기(52b)는 연소기(12)와 연결되지 않은 터빈(13)의 일단에 배치되어, 터빈(13)으로부터 배출되는 배기 가스의 온도(Exhaust Gas Temperature, EGT)를 계측할 수 있다.
또한, 제어 장치(14)는 가스 터빈(13)의 일단에 배치된 배기 가스 계측기(53)를 통해 가스 터빈 제어 시스템(100)이 방출하는 배기 가스의 조성물, 배출량 등의 정보를 수신할 수 있다.
아울러, 제어 장치(14)는, 제1 및 제2 온도 계측기와 압력 계측기(51, 52a, 52b) 외에도, 추가 계측기를 더 구비할 수 있다. 추가 계측기는 가스 터빈 제어 시스템(100) 내의 다른 장치들과 연결되어 제어 장치(14)로 운전 데이터를 제공할 수 있다.
이를 기초로 제어 장치(14)는 유입구 가이드 베인(22) 및 연료 조정 밸브(35) 등을 제어할 수 있으며, 운전 제어점을 변화시키는 부하 제어를 실행할 수 있다.
실시예에 따라, 제어 장치(14)는 제1 및 제2 온도 계측기(52a, 52b)와 압력 계측기(51) 및 추가 계측기의 계측 데이터에 따라, 유입구 가이드 베인(22), 연료 분사 밸브(35) 등을 제어하여, 터빈(13)의 운전 온도를 조절할 수 있다.
한편, 이러한 가스 터빈 제어 시스템(100)의 구성에 대해 간략히 설명하였으며, 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(14)의 구성을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈 제어 시스템(100)을 제어하는 제어 장치(14)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 제어 장치(14)는 연료 인식부(141), 온도 설정부(142) 및 제어부(143)를 포함할 수 있으며, 기타 본 발명의 목적을 달성함에 있어서 요구되는 부가적인 구성들 역시 더 포함할 수 있다.
먼저, 연료 인식부(141)는 연소기(12)에서 압축 공기와의 혼합을 위해 공급되는 연료가 인입되는 것을 인식함과 동시에 상기 연료가 어떤 성분을 포함하는지, 즉 연료 조성을 인식할 수 있다. 연료 인식부(141)는 연료 공급부와 연결된 복수 개의 노즐의 지름, 연료 배출 속도, 압력, 연료 밸브의 개방/차단 시간을 이용하여 연료의 인입을 인식할 수 있으며, 나아가 아래와 같은 방식으로 연료의 조성을 더 인식할 수도 있다.
구체적인 실시예로서, 연소기(12)에 공급되는 연료 조성은 가스 터빈 제어 시스템(100)을 운영하는 관리자에 의해, 가스 터빈 제어 시스템(100)이 동작하기 전에 그 값이 입력되어, 연료 인식부(141)가 연료 조성 값을 인식할 수 있다. 예를 들어, 터빈(13)에 공급되는 연료가 LNG인 경우, 상기 LNG의 조성, 가령 메탄89.95%, 에탄6.32%, 프로판2.54%, 부탄1.09%, 펜탄0.01%, 질소0.09% 와 같이 미리 입력된 LNG의 조성비가 상기 연료 인식부(141)에 의해 인식될 수 있다.
또 다른 실시예로서, 연료 인식부(141)는 가스 터빈 제어 시스템(100)이 동작하는 동안, 일정한 시간 간격으로 연료 조성을 모니터링 할 수도 있다. 이 때 상기 연료 인식부(141)는 연료 조성을 모니터링하기 위한 별도의 수단과 더 연결될 수 있다. 이에 따라, 연료 조성이 바뀌는 경우, 변화된 연료 조성을 계산하여 제어부(143)로 전송하고, 제어부(143)가 연료 조성에 대응되는 제어를 수행할 수 있으며, 가스 터빈 제어 시스템(100) 동작에 따른 배기 가스 방출을 최소화 할 수 있다.
한편, 제어 장치(14)는 연소기(12) 뿐만 아니라 연료 공급부와 연결되어, 후술하게 될 연료 조성에 따른 배기 가스 방출량과 이에 대응되는 운전 온도를 설정하기 위한 정보를 제공할 수 있다.
다음으로, 온도 설정부(142)는 연료 인식부(141)가 인식한 연료 조성을 기초로 가스 터빈 제어 시스템(100)의 운전 온도를 설정할 수 있다. 실시예에 따라, 가스 터빈 제어 시스템(100)의 운전 온도는 연소기(12)로부터 공급된 연료 가스에 의해 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응될 수 있다.
또한, 운전 온도는 터빈 입구 온도(TIT)를 의미할 수 있으며, 실시예에 따라, 터빈 입구 온도(TIT)는 제2 계측기(52b)로부터 측정한 배기 가스 온도(EGT) 및 연소기(12)의 연료 가스 배출 압력을 이용하여 추정치를 산출하거나, 터빈(13)의 입구에 구비된 온도 감지 센서를 이용하여 산출할 수 있다.
한편, 가스 터빈 제어 시스템(100)을 이용하여 전력 발전을 수행하기에 앞서, 반복적인 실험을 통해 미리 이상적인 운전 온도를 도출해낼 수 있다. 이는, 앞서 설명한 제어 장치(14)와 연결된 연료 공급부를 이용할 수 있다.
구체적으로, 제어 장치(14)는 연료 공급부를 이용하여 단일의 배기 가스를 배출하는 연료를 주입하고, 그에 따라 온도 설정부(142)가 터빈 입구 온도(TIT)를 점진적으로 증가시킨다. 이 후, 터빈(13)의 일단과 연결된 배기 가스 계측기(53)가 터빈 입구 온도(TIT)에 따른 배기 가스의 배출량을 측정한다.
즉, 제어 장치(14)는 이러한 방식으로 연료의 종류 및 배기 가스의 종류에 대응되는 터빈 입구 온도(TIT) 및 배기 가스 배출량에 대한 정보를 획득할 수 있는 것이다.
한편, 가스 터빈 제어 시스템(100)을 통해 배출되는 배기 가스의 종류는 다양할 수 있는데, 제어 장치(14)는 연료 공급부를 이용하여 다양한 종류의 연료를 주입해 봄으로써, 그리고 터빈 입구 온도(TIT)를 조절해 봄으로써 각 종류의 연료들에 대해 터빈 입구 온도(TIT)에 따른 배기 가스 배출량 정보를 획득할 수 있다.
나아가, 상기 제어 장치(14)는 다양한 종류의 배기 가스 배출량 정보를 획득하고, 이를 이용하여 연료 비율에 따른 최저 배기 가스 배출량과 대응되는 터빈 입구 온도(TIT), 즉, 가스 터빈 제어 시스템(100)의 최적 운전 온도도 산출할 수 있다.
한편, 이러한 과정들을 통해 획득된 정보들은 데이터베이스(144)에 저장될 수 있다. 실시예에 따라, 제어 장치(14)는 외부와 연결된 서버(미도시)를 통하여 새로운 연료에 대한 정보를 수신한 경우, 이를 데이터베이스(144)에 저장하고, 새로운 최적 운전 온도를 산출해낼 수 있다.
온도 설정부(142)는 제1 및 제2 온도 계측기(52a, 52b)로부터 주기적으로 온도 정보를 수신하고, 이를 이용하여 제어부(143)가 가스 터빈 제어 시스템(100)의 운전 온도를 제어하게 할 수 있다.
제어부(143)는 온도 설정부(142)가 설정한 운전 온도에 도달하도록 가스 터빈 제어 시스템(100)의 운전 온도를 제어할 수 있다. 실시예에 따라, 운전 온도는 압축기(11)의 공기 압축 비율 및 연소기(12)가 방출하는 연료 가스의 방출 압력에 따라 제어될 수 있다.
또한, 제어부(143)는 온도 설정부(142)가 설정한 운전 온도에 도달하도록 터빈(13) 내의 고정 날개 및 운동 날개 표면에 배치된 냉각부를 이용하여, 운전 온도를 낮출 수도 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이 운전 온도는 제어 장치(14)가 미리 산출해 놓은 배기 가스 방출량이 최저가 되는 값인 바, 종래의 가스 터빈을 동작시켜 전력 발전을 계속해서 수행하는 동안, 반복적으로 배기 가스 배출량을 확인하는 과정을 거치지 않아, 경제적인 운용이 가능할 수 있다.
한편, 제어부(143)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 불릴 수 있다. 제어부는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있는데, 하드웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 ASIC(application specific integrated circuit) 또는 DSP(digital signal processor), DSPD(digital signal processing device), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array) 등으로, 펌웨어나 소프트웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 위와 같은 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등을 포함하도록 펌웨어나 소프트웨어가 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(143)는 다양한 연산 장치가 통합된 SoC(System on Chip)와 같은 통합 칩(Integrated Chip(IC))의 형태로도 구현될 수 있다.
데이터베이스(144)는 휘발성 또는 비휘발성 기록 매체들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래쉬(flash) 메모리, SRAM(Static RAM), HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive) 등으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 데이터베이스(144)는 연료 가스의 조성에 따른 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 가스 터빈 제어 시스템(100)의 운전 온도 값이 저장될 수 있다.
이상 도 2를 참조하여 제어 장치(14) 및 그 세부 구성들에 대해 살펴보았다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여 위 제어 장치(14)를 통해 가스 터빈 제어 시스템(100)을 이용하여 배기 가스 배출을 최소화 하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 가스 터빈의 제어 온도에 따라 변화하는 배기 가스 방출량을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 온도 제어 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
먼저 도 4를 참조하면, 제어 장치(14)의 연료 인식부(141)가 터빈(13)에 공급되어 압축 공기와 혼합되는 연료 가스의 조성을 인식한다(S410). 이 때 연료 가스의 조성을 인식한다는 것의 의미는 연료 인식부(141)가 관리자에 의해 미리 입력된 연료 조성 값을 인식하는 것을 포함하며, 또한 연료 인식부(141)가 직접, 또는 상기 연료 인식부(141)와 연결된 별도의 연료 조성비를 모니터링할 수 있는 수단에 의해 터빈(13)에 공급되는 연료의 조성을 인식하는 것을 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
S410단계 이후, 제어 장치(14)의 온도 설정부(142)는 인식된 연료 조성을 기초로 터빈(13) 운전 온도를 설정한다(S420). 앞서 언급한 바와 같이, 터빈(13)의 운전 온도는 연소기(12)로부터 공급된 연료 가스에 의해 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응될 수 있으며, 바람직하게는 터빈 입구 온도(TIT)를 의미할 수 있다.
또한, 온도 설정부(142)는 데이터베이스(144)에 저장된 연료 가스의 조성에 따른 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 대응되는 운전 온도 값을 이용하여 가스 터빈 제어 시스템(100)이 동작하는 즉시 최적의 운전 온도를 설정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 연료 인식부(141)가 현재 인식한 연료 조성을 기초로 데이터베이스(144)를 통해 운전 온도를 확인할 수 있는 그래프가 (a)인 경우, 제어장치(14)는 배기 가스인 CO, NOX 배출이 최소가 되는 T1을 최적 운전 온도로 설정할 수 있다.
S420단계 이후, 제어 장치(14)의 제어부(143)는 온도 설정부(142)가 설정한 온도에 도달할 수 있도록 터빈(13)의 운전 온도를 제어한다(S430). 실시예에 따라, 운전 온도를 제어하는 과정은 압축기(11)에서 공기 압축 비율을 조절하는 방식 또는 연소기(12)가 배출하는 연료 가스의 배출 압력을 조절하는 방식으로 수행될 수 있다.
실시예에 따라, 다시 도 3을 참조하면, 가스 터빈 제어 시스템(100)의 동작 과정에서, 연료 인식부(141)가 인식한 연료 조성이 현재 연료 조성과 상이한 경우, 새로운 연료 조성에 대응되는 새로운 최적 운전 온도(T2)를 설정할 수 있다. 그에 따라, 제어 장치(14)의 제어부(143)는 터빈(13)을 냉각시켜 운전 온도를 내리거나, 압축기(11)의 압축 및 연소기(12)의 연소 가스 방출량을 조절하여 온도를 상승시킬 수 있다.
한편, 제어 장치(14)는 제1 및 제2 온도 계측기(52a, 52b)로부터 운전 온도를 지속적으로 수신할 수 있다. 그에 따라, 운전 온도가 온도 설정부(142)가 설정한 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 제어부(143)가 가스 터빈 제어 시스템(100)의 동작을 정지시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 가스 터빈 제어 시스템(100)은 미리 산출한 바람직한 운전 온도를 이용하여, 전력 발전을 수행하는 바, 배기 가스 배출을 위한 반복적인 과정을 수행하지 않아, 효율적일 뿐만 아니라, 친환경적인 시스템을 제공할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 가스 터빈 제어 시스템
11: 압축기
12: 연소기
13: 터빈
14: 제어 장치
15: 발전기
18: 로터
22: 유입구 가이드 베인
35: 연료 조정 밸브
51: 압력 계측기
52a: 제1 온도 계측기
52b: 제2 온도 계측기
53: 배기 가스 계측기
141: 연료 인식부
142: 온도 설정부
143: 제어부
144: 데이터베이스

Claims (10)

  1. 공기를 압축하는 압축기, 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소하는 연소기, 및 터빈을 포함하는 가스 터빈; 및
    상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어 장치; 를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 가스 터빈에 공급되는 연료 가스의 조성을 인식하는 연료 인식부;
    상기 연료 인식부가 인식한 연료 조성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 온도 설정부; 및
    상기 온도 설정부가 설정한 운전 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 제어부;
    를 포함하되,
    상기 가스 터빈의 운전 온도 값은 상기 연료 가스로부터 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응되고,
    상기 제어 장치는 상기 연료 가스의 조성에 따른 상기 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 상기 가스 터빈의 운전 온도 사이의 관계 값이 저장된 데이터베이스를 더 포함하는 가스 터빈 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 운전 온도는,
    상기 터빈의 입구 온도, 상기 터빈의 출구 온도, 연소 가스의 배출 압력 중 적어도 하나를 이용하여 결정되는,
    가스 터빈 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 온도 설정부에 의해 설정된 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우,
    상기 가스 터빈의 운전을 정지하는,
    가스 터빈 제어 시스템.
  6. 공기를 압축하는 압축기와 압축된 공기를 연소시키기 위한 연소기 및 터빈을 포함하는 가스 터빈의 제어 방법으로서,
    제어 장치가 상기 가스 터빈에 공급되는 연료 가스의 조성을 인식하는 단계;
    상기 제어 장치가 상기 인식한 연료 조성을 기초로 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 단계; 및
    상기 제어 장치가 상기 설정한 온도에 도달하도록 상기 가스 터빈의 운전 온도를 제어하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 가스 터빈 운전 온도 값은 상기 공급된 연료 가스로부터 배출되는 복수 개의 배기 가스의 최저 배출량과 대응되고,
    상기 운전 온도를 설정하는 단계는 상기 가스 터빈의 연료 가스의 조성에 따른 상기 복수 개의 배기 가스들의 배출량과 상기 가스 터빈의 운전 온도 사이의 관계 값을 이용하여 상기 가스 터빈의 운전 온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 운전 온도는,
    터빈의 입구 온도, 터빈의 출구 온도, 연소 가스의 배출 압력 중 적어도 하나를 이용하여 결정되는,
    가스 터빈 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 운전 온도를 제어하는 단계는,
    상기 제어 장치가 상기 가스 터빈의 운전 온도를 측정하고,
    상기 가스 터빈의 운전 온도가 기 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 제어 장치가 가스 터빈의 운전을 정지하는 단계,
    를 더 포함하는 가스 터빈 제어 방법.
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