KR102058356B1 - 가스터빈 복합 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈이 부분 부하 운전을 할 경우, 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하는 재생기에 배출되는 가열된 압축공기를 이용하게 하여 가스터빈에서 소모되는 연료 소모량이 감소하면서 복합발전의 부분부하 효율이 향상되고, 낮은 부하 운전에 따라 압축기에서 유출되는 압축공기 중 일부를 연소기를 거치지 않고 가스터빈으로 바이패스시켜, 낮은 부하에서 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 하여, 낮은 부하 운전에서 CO와 같은 오염물질의 배출량이 증가하지 않는 가스터빈 복합 발전시스템을 제공한다.

Description

가스터빈 복합 발전시스템{Combined cycle power generation system}

본 발명은 가스터빈 복합 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스터빈 복합 발전시스템의 부분 부하 운전 시, 압축기에서 유출되는 압축공기 중 일부를 가스터빈의 배기가스로 가열한 후, 가스터빈으로 바로 바이패스 시켜 공급하므로서, 낮은 부하에서도 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 하고, 가스터빈에서 소모되는 연료 소모량이 감소하면서 복합발전의 부분부하 효율이 향상되는 가스터빈 복합 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 에너지 변환 장치의 대표적인 예로 연료 등의 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 가스터빈 시스템 또는 스팀터빈 시스템을 들 수 있다.

구체적으로, 가스터빈은 연료 및 공기를 공급하여 연료를 연소시키고, 이로써 발생되는 고온, 고압의 연소 가스를 이용해서 터빈을 구동시키는 것이며, 스팀터빈은 스팀 발생기를 이용해서 급수(Feed water)를 가열하여 스팀을 생성한 후, 생성된 스팀을 터빈에 공급하여 구동시키는 것이다.

이러한 가스터빈 또는 스팀터빈과 연결된 발전기를 통해 전력을 생산하는 가스터빈 발전시스템 또는 스팀터빈 발전시스템이 개발된 이래로, 시스템의 에너지 효율을 개선하려는 노력은 계속 이어져 왔다.

참고로, 시스템을 순환하는 액체는 흐르는 위치에 따라 구별해서 정의될 수 있는데, 스팀이 응축기에 의해 응축된 후 스팀 발생 수단에 공급되기 전까지의 액체를 복수(Condensated water), 스팀 발생 수단에 공급되어 스팀으로 변환되는 액체를 급수(Feed water)라고 정의할 수 있다.

특히, 가스터빈에서 에너지를 생산한 후 배출되는 배기가스의 열을 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)를 이용하여 스팀터빈 사이클의 급수를 가열하는데 사용하는 복합화력발전 방식은 스팀터빈만을 사용하거나 가스터빈만을 사용하는 발전시스템에 비해 효율이 획기적으로 개선된 시스템이다.

선행기술로는 등록특허 제10-1531931호(2015.06.22) 등에 개시되어 있다.

그러나 종래에는 복합발전의 부분 부하 운전 시, 일반적으로 가변 입구 안내 날개(Variable inlet guide vane, VIGV)의 각도와 연료유량을 조절하여 부하를 변화시켜 출력을 감소시킨다.

하지만 이러한 경우 터빈 출구측 온도가 낮아져 터빈에서 배출되는 배출가스에서 이산화탄소 등과 같은 유해가스가 많이 포함되는 문제점이 있었다.

본 발명은 재생기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제1제어밸브 및 연소기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제2제어밸브의 계폐 및 개도가 서로 반비례 제어되어, 가스터빈이 부분 부하 운전을 할 경우, 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하는 재생기에 배출되는 가열된 압축공기를 이용하게 하여 가스터빈에서 소모되는 연료 소모량이 감소하면서 복합발전의 부분부하 효율이 향상되고, 낮은 부하 운전에 따라 압축기에서 유출되는 압축공기 중 일부를 연소기를 거치지 않고 가스터빈으로 바이패스시켜, 낮은 부하에서 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 하여, 낮은 부하 운전에서 CO와 같은 오염물질의 배출량이 증가하지 않는 가스터빈 복합 발전시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 가스터빈 복합 발전시스템은 외부에서 유입된 공기를 회전력으로 압축하여 유출하는 압축기와, 상기 압축기의 유출단 측과 압축공기가 유동하는 제1유체라인으로 연결되고, 상기 제1유체라인을 통해 압축공기를 유입하면서 외부에서 제공된 연료를 혼합시켜, 이를 연소한 후 연소가스로 배출하는 연소기와, 상기 압축기와 축 연결되고, 상기 연소기의 배기단과 연소가스가 유동하는 제2유체라인으로 연결되어, 상기 제2유체라인을 통해 유입된 연소가스에 의해 회전되어 전기를 생산하는 터빈이 포함된 가스터빈부와, 상기 가스터빈부의 터빈과 연결된 일측을 통해 상기 터빈에서 유출되는 배기가스가 유입되고, 유입된 배기가스를 타측으로 유동시키는 제3유체라인과, 상기 제3유체라인의 타측과 연결되어, 상기 터빈에서 유출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키는 폐열회수보일러부와, 상기 폐열회수보일러부와 연결된 일측을 통해 스팀이 유입되고, 유입된 스팀을 타측으로 유동시키는 제4유체라인과, 상기 제4유체라인의 타측과 연결되어, 상기 폐열회수보일러부에서 발생한 스팀으로 스팀터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 스팀터빈부와, 내부에 압축공기와 배기가스를 통과시켜, 상기 압축공기와 배기가스의 열교환으로 압축공기를 가열하는 재생기와, 상기 가스터빈부의 터빈에서 유출된 배기가스가 유동하는 제3유체라인에서 일측이 분기되면서 상기 재생기 내부를 통과하여 타측이 상기 폐열회수보일러부로 연결되는 제5유체라인과, 상기 압축기에서 배출된 압축공기가 유동하는 제1유체라인에서 일측이 분기되면서 타측이 상기 재생기의 유입단 측과 연결되는 제6유체라인과, 상기 재생기의 유출단 측과 연결된 일측을 통해 상기 재생기를 통과한 압축공기를 유입하여 상기 연소기의 유입단과 연결된 타측으로 유동시키는 제7유체라인과, 상기 제7유체라인에서 일측이 분기되면서 타측이 터빈의 유입단 측 제2유체라인와 연결되어, 상기 재생기를 통과한 압축공기를 터빈으로 바이패스시키는 바이패스라인과, 상기 제6유체라인 중 재생기의 유입단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제1제어밸브와, 상기 제1유체라인 중 상기 제7유체라인이 연결되는 지점의 전방에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 연소기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제2제어밸브와, 상기 제5유체라인 중 재생기의 유입단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기로 유입되는 배기가스를 유동량을 제어하는 제3제어밸브와, 상기 제6유체라인 중 상기 재생기의 유출단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기를 통과하여 유출되는 가열된 압축공기를 유동을 제어하는 바이패스밸브, 및 상기 제1제어밸브, 제2제어밸브, 제3제어밸브 및 바이패스밸브와 전기적으로 연결되어, 부하량에 따른 부분 부하운전 시, 그에 대응하여 선택적으로 상기 제1제어밸브, 제2제어밸브, 제3제어밸브 및 바이패스밸브의 개폐 및 개도를 제어하는 제어부를 포함하는데, 상기 폐열회수보일러부는 상기 스팀터빈부와 유체가 유동하는 라인으로 연결되어, 상기 스팀터빈부에서 유출되는 스팀을 응축하여 급수로 전환시켜 유출하는 응축기와, 상기 응축기에서 유출된 급수가 유동하는 라인 상에 구비되어, 상기 응축기에서 유출된 급수를 송출하는 펌프와, 배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 펌프에 의해 송출된 급수를 유입하여, 배기가스와의 열교환으로 급수를 가열하여 온수로 전환시켜 유출하는 이코노마이저와, 상기 이코노마이저와 유체가 유동하는 라인으로 연결되어, 상기 이코노마이저에서 유출되는 온수에서 탈기하여 유출하는 공기분리기와, 배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 공기분리기에서 유출되는 온수를 유입하여 배기가스와의 열교환으로 온수를 가열하여 스팀을 생산하여 유출하는 증발기와, 배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 증발기에서 유출되는 스팀을 유입하여 배기가스와의 열교환으로 스팀을 1차 가열하여 유출하는 제1스팀과열기와, 배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 제1스팀과열기에서 유출되는 스팀을 유입하여 배기가스와의 열교환으로 스팀을 2차 가열하여 상기 스팀터빈부로 공급하는 제2스팀과열기를 포함하고, 상기 제5유체라인은 그 타측이 상기 제3유체라인 중 제1스팀과열기의 유입단측에 연결되어, 상기 가스터빈부에서 배출되는 배기가스 중 일부가 재생기를 통과하고, 상기 재생기를 통과한 배기가스가 제2스팀과열기를 통과한 배기가스와 혼합되어 제1스팀과열기로 유입되며, 상기 제어부는 전 부하 운전 시, 상기 제1제어밸브, 제3제어밸브, 바이패스밸브는 폐쇄 제어하고, 상기 제2제어밸브는 개방 제어하여, 상기 가스터빈부의 압축기에서 압축된 압축공기 전량이 상기 제1유체라인을 통해 상기 연소기로 유입되도록 제어하고, 부분 부하 운전 시, 상기 제1제어밸브, 제3제어밸브, 바이패스밸브는 개방 제어하고, 상기 제2제어밸브는 폐쇄 제어하여, 상기 가스터빈부의 압축기에서 압축된 압축공기가 상기 제6유체라인을 통해 상기 재생기로 유입되도록 하면서, 상기 제3유체라인을 통해 상기 가스터빈부의 터빈에서 유출되는 배기가스를 상기 재생기로 유입시켜, 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하고, 가열된 압축공기를 바이패스라인을 통해 상기 가스터빈부의 터빈으로 바이패스시켜, 상기 연소기의 출력측 연소온도가 설계점 상태로 유지되도록 제어하며, 상기 제1제어밸브와 상기 제2제어밸브는 상기 제어부에 의해 계폐 및 개도가 서로 반비례 제어되어, 부분 부하 운전 시, 상기 가스터빈부의 압축기에서 압축된 압축공기 중 일부가 상기 제6유체라인을 통해 상기 재생기로 유입되도록 제어한다.

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본 발명에 따른 가스터빈 복합 발전시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

재생기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제1제어밸브 및 연소기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제2제어밸브의 계폐 및 개도가 서로 반비례 제어되어, 가스터빈이 부분 부하 운전을 할 경우, 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하는 재생기에 배출되는 가열된 압축공기를 이용하게 하여 가스터빈에서 소모되는 연료 소모량이 감소하면서 복합발전의 부분부하 효율이 향상되는 효과를 가진다.

또한, 낮은 부하 운전에 따라 압축기에서 유출되는 압축공기 중 일부를 연소기를 거치지 않고 가스터빈으로 바이패스시켜, 낮은 부하에서 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 하여, 낮은 부하 운전에서 CO와 같은 오염물질의 배출량이 증가하지 않는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 복합 발전시스템을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 복합 발전시스템과 종래의 가스터빈 복합 발전시스템 간의 가스터빈 복합발전 부하에 따른 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 복합 발전시스템과 종래의 가스터빈 복합 발전시스템 간의 가스터빈 복합발전 부하에 따른 연소기 출구온도 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 가스터빈 복합 발전시스템의 부분 부하 운전 시, 압축기에서 유출되는 압축공기 중 일부를 가스터빈의 배기가스로 가열한 후, 가스터빈으로 바로 바이패스 시켜 공급하므로서, 낮은 부하에서도 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 하고, 가스터빈에서 소모되는 연료 소모량이 감소하면서 복합발전의 부분부하 효율이 향상되는 가스터빈 복합 발전시스템에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 참조한 본 발명에 일 실시예에 따른 가스터빈 복합 발전시스템은 가스터빈부(100)와, 폐열회수보일러부(200)와, 스팀터빈부(300)와, 재생기(400)가 포함되는데, 먼저 가스터빈부(100)는 1차 발전을 수행하는 것으로, 통상의 가스터빈장치와 같이 터빈(130)을 통해 전달된 회전력으로 외부공기를 유입하여 고압으로 압축하는 압축기(110)와, 상기 압축기(110)의 유출구와 연결되고, 상기 압축기(110)에서 압축된 압축공기를 유입하여 외부에서 제공된 연료를 혼합하면서, 이를 연소하여 고온고압의 연소가스를 배출하는 연소기(120)를 포함한다.

이때 상기 압축기(110)는 공기가 유입되는 유입단과, 압축된 압축공기가 유출되는 유출단이 구비되고, 상기 터빈(130)과 축으로 연결되어, 터빈(130)의 회전력을 축으로 전달받아, 전달받은 회전력으로 유입된 공기를 고압으로 압축하여 유출한다.

그리고 상기 압축기(110)의 유입단 측에는 덕트(duct)와, 가변 입구 안내 날개(Variable inlet guide vane, VIGV)가 구비되는데, 상기 덕트는 외부에서 유입된 공기가 압축기(110)까지 도달하게 안내하고, 상기 가변 입구 안내 날개(VIGV)는 압축기 터빈의 입구에 구비되어, 부하량에 따라 선택적으로 입구 안내 날개를 가변하여 유입되는 유체의 유량이 조절되도록 한다.(종래에는 가변 입구 안내 날개(VIGV)의 조절로 연료 유량을 조정하여 출력을 조절하였다.)

상기한 압축기(110)에 의해 압축된 압축공기는 연소기(120) 측으로 바로 공급될 수 있으나, 별도의 챔버(도시하지 않음)에 먼저 수용된 후, 상기 챔버에 구비된 밸브의 개폐로 연소기(120)에 공급될 수도 있다.

또한 상기 연소기(120)는 압축기(110)의 유출단과 유체의 유동을 안내하는 제1유체라인(10)으로 연결되고, 상기 제1유체라인(10)을 통해 상기 압축기(110)에서 압축된 압축공기를 유입하여 외부에서 제공된 연료를 혼합한 후, 압축공기에 포함된 연료를 연소하여 고온고압의 배기가스를 터빈(130) 측으로 배출한다.

이때 상기 연소기(120)와 터빈(130)은 상기 연소기(120)의 유체의 유동을 안내하는 제2유체라인(20)으로 연결되어, 상기 제2유체라인(20)을 통해 유입된 고온고압의 배기가스에 의해 터빈(120)이 회전되어 전기가 생산되는 1차 발전을 실시하게 된다.

그리고 상기 터빈(130)은 상기 압축기(110)와 축으로 연결되는 것이 바람직하고, 상기 연소기(120)에서 배출된 고온고압의 배기가스는 터빈(130) 측으로 배출되어, 고온고압의 배기가스가 터빈블레이드와 상응하여 터빈(130)이 회전해 회전력이 발생하는데, 여기서 상기 터빈(130)은 상기 압축기(110)와 축 연결됨에 따라 상기 터빈(130)이 회전함에 따라 압축기(110) 역시 회전하여, 그 회전력으로 압축기(110) 내부로 유입된 공기가 압축된다.

이때 상기 터빈(130)은 가스터빈부(100)의 효율을 극대화하기 위해 다단으로 구성할 수 있다.

또한 상기 가스터빈부(100)에서 발생한 배기가스는 폐열회수보일러부(200)로 공급되는데, 상기 폐열회수보일러부(200)는 상기 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시킨다.

여기서 상기 폐열회수보일러부(200)는 상기 터빈(120)의 배출단과 배기가스가 유동하는 제3유체라인(30)으로 연결되어, 상기 터빈(120)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시킨다.

상기 폐열회수보일러부(200)에서 발생한 스팀에 의해 스팀터빈부(300)가 구동하게 되는데, 상기 스팀터빈부(300)는 상기 폐열회수보일러부(200)와 스팀이 유동하는 제4유체라인(40)으로 연결되어, 상기 폐열회수보일러부(200)에서 발생한 스팀에 의해 스팀터빈을 회전시켜 전기를 생산한다.

상기 스팀터빈부(300)는 본 발명의 실시예에서 2차 발전을 실시하는 것으로, 상기한 스팀터빈부(300)의 발전과정은 통상적인 기술로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서 상기한 폐열회수보일러부(200)를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 폐열회수보일러부(200)는 상기 스팀터빈부(300)에서 배출되는 스팀을 응축하여 급수로 전환하는 응축기(210)가 포함되는데, 상기 응축기(210)는 그 내부에 냉매가 유동하는 것으로, 상기 응축기(210)로 인입된 증기는 냉매와의 열교환으로 응축되어 급수로 전환되어 유출된다.

그리고 상기 응축기(210)에서 유출되는 급수를 송출하는 펌프(220)가 포함되고, 상기 펌프(220)에 의해 송출된 급수는 이코노마이저(230)로 유입되는데, 상기 이코노마이저(230)는 배기가스의 열로 급수를 가열하여 온수로 전환하여 유출한다.

또한 상기 폐열회수보일러부(200)는 배기가스가 유동하는 방향으로 제2스팀과열기(270), 제1스팀과열기(260), 증발기(250), 및 이코노마이저(230) 순 배치되어, 상기 가스터빈부(100)에서 배출되는 배기가스의 폐열을 활용하는데, 상기 이코노마이저(230)에서 유출되는 온수는 공기분리기(240)로 유입되어 상기 공기분리기(240)에서 온수의 탈기가 이루어진다.

그리고 상기 공기분리기(240)에서 탈기된 온수는 증발기(250)로 유입되어, 상기 증발기(250)에서 배기가스와의 열교환으로 온수가 가열되어 스팀이 생산되고, 상기 증발기(250)에서 생산된 스팀은 상기 제1스팀과열기(260)로 유입되는데, 상기 제1스팀과열기(260)는 상기 증발기(250)에서 유출되는 스팀과 배기가스와 열교환시켜 배기가스가 가진 열로 스팀을 1차 가열한다.

여기서 상기 증발기(250)에서 상기 제1스팀과열기(260)로 스팀이 유입될 시, 스팀의 유동경로에서 분기된 분기경로를 따라 다시 상기 공기분리기(240)로 스팀의 일부가 유입되어 상기 공기분리기(240)에서 재차 탈기가 이루어진다.

그리고 상기 제1스팀과열기(260)에서 유출된 스팀은 제2스팀과열기(270)로 유입되는데, 상기 제2스팀과열기(270) 역시 상기 제1스팀과열기(260)에서 유출되는 스팀과 배기가스와 열교환으로 스팀을 2차 가열한 후, 재가열된 스팀을 상기 스팀터빈부(300)로 공급하는 순환 과정을 이룬다.

상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 복합 발전시스템은 부하량에 따라 선택적으로 재생기(400)를 이용하여 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하고, 가열된 압축공기를 상기 가스터빈부(100)의 터빈(120)으로 바이패스시켜, 낮은 부하에서 상기 연소기(120)의 출력측 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 한다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 복합 발전시스템은 상기 가스터빈부(100)의 터빈(120)에서 유출되는 배기가스의 폐열을 상기 재생기(400)가 이용하기 위해, 상기 가스터빈부(100)의 터빈(120)에서 배출된 배기가스가 유동하는 제3유체라인(30)에서 분기되면서 상기 재생기(400) 내부를 통과한 후, 상기 폐열회수보일러부(200)로 연결되는 제5유체라인(50)이 포함되는데, 상기 제5유체라인(50)을 따라 유동하는 상기 터빈(120)에서 배출된 배기가스는 상기 재생기(400)를 통과하는 압축공기를 열교환으로 가열시킨다.

여기서 상기 압축공기는 제6유체라인(60)을 따라 유동하는데, 상기 제6유체라인(60)은 상기 압축기(110)에서 배출된 압축공기가 유동하는 제1유체라인(10)에서 분기되면서 상기 재생기(400)의 유입단과 연결되어, 상기 제1유체라인(10)을 유동하는 압축공기를 상기 재생기(400)로 유입되도록 안내한다.

그리고 상기 재생기(400)에서 배기가스의 폐열에 의해 가열된 압축공기는 제7유체라인(70)을 따라 연소기(120)로 유입되는데, 상기 제7유체라인(70)은 상기 재생기(400)의 유출단 측과 연결된 일측을 통해 상기 재생기(400)를 통과한 압축공기를 유입하여 상기 연소기(120)의 유입단과 연결된 타측으로 유동시킨다.

여기서 배기가스의 폐열에 의해 가열된 압축공기는 바이패스라인(80)에 의해 터빈(130)으로 바이패스되는데, 상기 바이패스라인(80)은 일측이 상기 제7유체라인(70)에서 분기되면서 타측이 터빈(130)의 유입단 측 제2유체라인(20)과 연결되어, 상기 재생기(400)를 통과한 압축공기를 상기 가스터빈부(100)의 터빈(130)으로 바이패스시킨다.

그리고 선택적인 압축공기의 가열과, 가열된 압축공기의 바이패스가 이루어지도록, 유체(압축공기 및 배기가스)의 유동을 제어하는 제1제어밸브(61)와, 제2제어밸브(11)와, 제3제어밸브(51)와, 바이패스밸브(81)가 포함되고, 상기 제1제어밸브(61)와, 제2제어밸브(11)와, 제3제어밸브(51)와, 바이패스밸브(81)의 개폐 및 개도를 제어하는 제어부(500)가 포함되는데, 먼저 상기 제1제어밸브(61)는 상기 제6유체라인(60) 중 재생기(400)의 유입단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기(400)로 유입되는 압축공기의 유동을 제어한다.

그리고 상기 제2제어밸브(11)는 상기 제1유체라인(10) 중 상기 제7유체라인(70)이 연결되는 지점의 전방에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 연소기(120)로 유입되는 압축공기의 유동을 제어한다.

이때 상기 제1제어밸브(61)와 제2제어밸브(11)는 서로 반비례 제어되는 것이 바람직한데, 발전시스템의 부분 부하 운전 시, 상기 연소기(120)로 유입되는 압축공기의 유량을 제어하는 상기 제2제어밸브(11)의 개도량에 반비례하여 상기 제1제어밸브(61)의 개도가 제어되어, 상기 재생기(400)로 유입되는 압축공기의 유입량이 제어된다.

그리고 상기 제3제어밸브(51)는 상기 제5유체라인(50) 중 재생기(400)의 유입단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기(400)로 유입되는 배기가스를 유동량을 제어하고, 상기 바이패스밸브(81)는 상기 제6유체라인(60) 중 상기 재생기의 유출단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기(400)를 통과하여 유출되는 가열된 압축공기를 유동을 제어한다.

이때 상기 바이패스밸브(81)는 3방밸브로 구성하여 상기 제7유체라인(70)에서 상기 바이패스라인(80)이 분기되는 지점에 구비되어, 유로를 선택적으로 가변할 수 있다.

또한 상기 제어부(500)는 상기 제1제어밸브(61)와, 제2제어밸브(11)와, 제3제어밸브(51)와, 바이패스밸브(81)와 유선 또는 유선으로 연결되어, 설정된 부하량 운전에 따라 각각의 밸브 개폐 및 개도를 제어한다.

따라서 상기한 구성에 따른 가스터빈 복합 발전시스템은 부분 부하 운전 시, 상기 제어부(500)가 가변 입구안내 날개(VIGV)의 각도를 이용한 입구 유량 감소 전에, 상기 재생기(400)를 이용하여 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하고, 가열된 압축공기를 상기 가스터빈부(100)의 터빈(120)으로 바이패스시켜, 낮은 부하에서 상기 연소기(120)의 출력측 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록, 상기 제어부(500)가 상기 제1유체라인(10)에서 분기된 상기 제6유체라인(60)의 제1제어밸브(61)를 개방 제어하면서, 상기 제1유체라인(10)의 제2제어밸브(11)를 폐쇄 제어한다.

이때 상기 제1제어밸브(61) 및 제2제어밸브(11)는 개폐 및 개도는 서로 반비례 제어되는데, 일례로 상기 제어부(500)에 의해 상기 제1제어밸브(61)가 50% 개방 제어되면, 상기 제2제어밸브(11)는 50% 폐쇄 제어되어, 상기 제1유체라인(10)을 통해 상기 연소기(120)로 유입되는 압축공기 100% 중 압축공기 50%가 상기 제6유체라인(60)을 통해 상기 재생기(400)로 유입된다.

그리고 상기 재생기(400)로 압축공기를 유동시킨 상태에서 제어부(500)가 상기 제3제어밸브(51)를 개방 제어하여, 상기 상기 가스터빈부(100)의 터빈(130)측에서 유출되는 배기가스 중 일부가 제5유체라인(50)을 따라 상기 재생기(400)로 유입되어, 상기 재생기(400)에서 배기가스와 열교환으로 가열된 압축공기는 연소기(120)를 통하지 않고, 상기 가스터빈부(100)의 터빈(130) 유입부로 바이패스되도록, 상기 제어부(500)는 상기 바이패스밸브(81)를 개방 제어하여, 상기 재생기(400)를 통과하여 유출되는 가열된 압축공기가 상기 가스터빈부(100)의 터빈(130)로 유입되도록 한다.

여기서 상기 재생기(400)로 유입되어 통과한 배기가스는 제5유체라인(50)을 따라 상기 제1스팀과열기(260)로 유입되는데, 이때 상기 제1스팀과열기(260)로 유입되기 전, 상기 제3유체라인(30)을 따라 상기 제2스팀과열기(270)를 통과한 배기가스와 혼합된 후, 상기 제1스팀과열기(260)로 유입된다.

이 경우, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 상기 가스터빈부(100)의 압축기(110)로 유입되는 입구 유량과, 상기 터빈(130)의 출구온도는 일정하게 유지되기 때문에 상기 가스터빈부(100)의 전체적인 출력은 일정하게 유지된다.

이와 동시에 상기 재생기(400)를 통과한 배기가스의 열에너지가 감소되어, 하부사이클인 상기 폐열회수보일러부(200) 및 스팀터빈부(300)의 출력이 감소하여 복합발전의 출력이 감소되어 부분 부하 제어가 가능하게 된다.

여기서 상기 재생기(400)를 통과하는 배기가스의 유량이 증가할수록 하부사이클인 상기 폐열회수보일러부(200) 및 스팀터빈부(300)의 출력이 더 많이 감소되므로, 상기 재생기(400)를 통과하는 배기가스의 최대 유량은 상기 터빈(130)의 총 배기유량에 90 % 로 설정되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 재생기(400)를 통과하는 배기가스의 유량이 최대가 된 이후부터는 일반적인 부하 조절 방식과 동일하게 가변 입구안내 날개(VIGV) 각도와 연료유량을 조절하여 부하가 감소되도록 조절한다.

상기와 같은 과정으로 압축기에서 유출되는 압축공기 중 일부를 가스터빈의 배기가스로 가열한 후, 가스터빈으로 바로 바이패스 시켜 공급하므로서, 낮은 부하에서도 연소온도가 설계점 상태를 유지되도록 하고, 가스터빈에서 소모되는 연료 소모량이 감소하면서 복합발전의 부분부하 효율이 향상된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 제1유체라인 11: 제2제어밸브
20: 제2유체라인 30: 제3유체라인
40: 제4유체라인 50: 제5유체라인
51: 제3제어밸브 60: 제6유체라인
61: 제1제어밸브 70: 제7유체라인
80: 바이패스라인 81: 바이패스밸브
100: 가스터빈부 110: 압축기
120: 연소기 130: 터빈
200: 폐열회수보일러부 210: 응축기
220: 펌프 230: 이코노마이저
240: 공기분리기 250: 증발기
260: 제1스팀과열기 270: 제2스팀과열기
300: 스팀터빈부 400: 재생기
500: 제어부

Claims (6)

1. 외부에서 유입된 공기를 회전력으로 압축하여 유출하는 압축기와, 상기 압축기의 유출단 측과 압축공기가 유동하는 제1유체라인으로 연결되고, 상기 제1유체라인을 통해 압축공기를 유입하면서 외부에서 제공된 연료를 혼합시켜, 이를 연소한 후 연소가스로 배출하는 연소기와, 상기 압축기와 축 연결되고, 상기 연소기의 배기단과 연소가스가 유동하는 제2유체라인으로 연결되어, 상기 제2유체라인을 통해 유입된 연소가스에 의해 회전되어 전기를 생산하는 터빈이 포함된 가스터빈부와, 상기 가스터빈부의 터빈과 연결된 일측을 통해 상기 터빈에서 유출되는 배기가스가 유입되고, 유입된 배기가스를 타측으로 유동시키는 제3유체라인과, 상기 제3유체라인의 타측과 연결되어, 상기 터빈에서 유출되는 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키는 폐열회수보일러부와, 상기 폐열회수보일러부와 연결된 일측을 통해 스팀이 유입되고, 유입된 스팀을 타측으로 유동시키는 제4유체라인과, 상기 제4유체라인의 타측과 연결되어, 상기 폐열회수보일러부에서 발생한 스팀으로 스팀터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 스팀터빈부와, 내부에 압축공기와 배기가스를 통과시켜, 상기 압축공기와 배기가스의 열교환으로 압축공기를 가열하는 재생기와, 상기 가스터빈부의 터빈에서 유출된 배기가스가 유동하는 제3유체라인에서 일측이 분기되면서 상기 재생기 내부를 통과하여 타측이 상기 폐열회수보일러부로 연결되는 제5유체라인과, 상기 압축기에서 배출된 압축공기가 유동하는 제1유체라인에서 일측이 분기되면서 타측이 상기 재생기의 유입단 측과 연결되는 제6유체라인과, 상기 재생기의 유출단 측과 연결된 일측을 통해 상기 재생기를 통과한 압축공기를 유입하여 상기 연소기의 유입단과 연결된 타측으로 유동시키는 제7유체라인과, 상기 제7유체라인에서 일측이 분기되면서 타측이 터빈의 유입단 측 제2유체라인와 연결되어, 상기 재생기를 통과한 압축공기를 터빈으로 바이패스시키는 바이패스라인과, 상기 제6유체라인 중 재생기의 유입단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제1제어밸브와, 상기 제1유체라인 중 상기 제7유체라인이 연결되는 지점의 전방에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 연소기로 유입되는 압축공기의 유동을 제어하는 제2제어밸브와, 상기 제5유체라인 중 재생기의 유입단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기로 유입되는 배기가스를 유동량을 제어하는 제3제어밸브와, 상기 제6유체라인 중 상기 재생기의 유출단 측에 구비되어, 선택적인 개폐로 상기 재생기를 통과하여 유출되는 가열된 압축공기를 유동을 제어하는 바이패스밸브, 및 상기 제1제어밸브, 제2제어밸브, 제3제어밸브 및 바이패스밸브와 전기적으로 연결되어, 부하량에 따른 부분 부하운전 시, 그에 대응하여 선택적으로 상기 제1제어밸브, 제2제어밸브, 제3제어밸브 및 바이패스밸브의 개폐 및 개도를 제어하는 제어부를 포함하는데,
   상기 폐열회수보일러부는 상기 스팀터빈부와 유체가 유동하는 라인으로 연결되어, 상기 스팀터빈부에서 유출되는 스팀을 응축하여 급수로 전환시켜 유출하는 응축기와;
   상기 응축기에서 유출된 급수가 유동하는 라인 상에 구비되어, 상기 응축기에서 유출된 급수를 송출하는 펌프와;
   배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 펌프에 의해 송출된 급수를 유입하여, 배기가스와의 열교환으로 급수를 가열하여 온수로 전환시켜 유출하는 이코노마이저와;
   상기 이코노마이저와 유체가 유동하는 라인으로 연결되어, 상기 이코노마이저에서 유출되는 온수에서 탈기하여 유출하는 공기분리기와;
   배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 공기분리기에서 유출되는 온수를 유입하여 배기가스와의 열교환으로 온수를 가열하여 스팀을 생산하여 유출하는 증발기와;
   배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 증발기에서 유출되는 스팀을 유입하여 배기가스와의 열교환으로 스팀을 1차 가열하여 유출하는 제1스팀과열기와;
   배기가스가 유동하는 상기 제3유체라인 상에 구비되고, 상기 제1스팀과열기에서 유출되는 스팀을 유입하여 배기가스와의 열교환으로 스팀을 2차 가열하여 상기 스팀터빈부로 공급하는 제2스팀과열기;를 포함하고,
   상기 제5유체라인은 그 타측이 상기 제3유체라인 중 제1스팀과열기의 유입단측에 연결되어,
   상기 가스터빈부에서 배출되는 배기가스 중 일부가 재생기를 통과하고, 상기 재생기를 통과한 배기가스가 제2스팀과열기를 통과한 배기가스와 혼합되어 제1스팀과열기로 유입되며,
   상기 제어부는 전 부하 운전 시, 상기 제1제어밸브, 제3제어밸브, 바이패스밸브는 폐쇄 제어하고, 상기 제2제어밸브는 개방 제어하여, 상기 가스터빈부의 압축기에서 압축된 압축공기 전량이 상기 제1유체라인을 통해 상기 연소기로 유입되도록 제어하고,
   부분 부하 운전 시, 상기 제1제어밸브, 제3제어밸브, 바이패스밸브는 개방 제어하고, 상기 제2제어밸브는 폐쇄 제어하여, 상기 가스터빈부의 압축기에서 압축된 압축공기가 상기 제6유체라인을 통해 상기 재생기로 유입되도록 하면서, 상기 제3유체라인을 통해 상기 가스터빈부의 터빈에서 유출되는 배기가스를 상기 재생기로 유입시켜, 배기가스의 폐열로 압축공기를 가열하고, 가열된 압축공기를 바이패스라인을 통해 상기 가스터빈부의 터빈으로 바이패스시켜, 상기 연소기의 출력측 연소온도가 설계점 상태로 유지되도록 제어하며,
   상기 제1제어밸브와 상기 제2제어밸브는 상기 제어부에 의해 계폐 및 개도가 서로 반비례 제어되어,
   부분 부하 운전 시, 상기 가스터빈부의 압축기에서 압축된 압축공기 중 일부가 상기 제6유체라인을 통해 상기 재생기로 유입되도록 제어하는 가스터빈 복합 발전시스템.
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