KR102308577B1 - Gas turbine system with reformer and exhaust gas recirculation - Google Patents

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KR102308577B1
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김종현
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조선대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a gas-turbine combustion system having a reformer and an exhaust gas recirculation (EGR) device, and more specifically, to a gas-turbine combustion system which recirculates an EGR gas extracted from a part of a high-temperature exhaust gas discharged from a combustor, wherein a composite gas (H_2+CO) is generated through reformation of the EGR gas and the reformed composite gas is added to the air for combustion and a main fuel to expand a combustible area, increase combustion efficiency, and autonomously generate hydrogen. The gas-turbine combustion system in accordance with the present invention comprises: a compressor (10) for compressing air; a combustor (20) for mixing the compressed air supplied by the compressor (10) with a fuel supplied by a first fuel infusion line (41) to combust the mixed gas; a turbine (30) driven by the combustion gas in the combustor (20); an EGR line for recirculating gas extracted from a part of the combustion gas into the combustor (20); and a reformer (60) disposed on the EGR line to mix the extracted gas with a fuel supplied by a second fuel infusion line (42) to generate a composite gas.

Description

개질기 및 배기가스 재순환 장치가 결합된 가스터빈 연소기 시스템{Gas turbine system with reformer and exhaust gas recirculation}Gas turbine system with reformer and exhaust gas recirculation

본 발명은 한국전력공사의 2019년 착수 사외공모 기초연구지원사업의 지원에 의해 연구된 것(과제번호: R19XO01-35)으로, 압축기, 연소기 및 터빈을 포함하는 가스터빈 연소기 시스템의 배기가스 재순환 장치에 관한 것이다.The present invention was studied with the support of the Korea Electric Power Corporation's 2019 external public competition basic research support project (task number: R19XO01-35), and an exhaust gas recirculation device of a gas turbine combustor system including a compressor, a combustor and a turbine is about

일반적으로 가스터빈은 도 1에 도시된 바와 같이 압축기(10), 연소기(20) 및 터빈(30)으로 이루어지고, 압축기에서 흡기된 공기를 소정의 압력으로 압축하여 연소기(20)로 보내면, 연소기에 공급된 연료(40)가 압축공기에 의해 연소되면서 고온고압의 가스가 터빈(30)을 회전시켜 동력을 얻게 되고, 고온고압의 가스는 대기 중으로 방출되도록 한 장치를 일컫는다.In general, a gas turbine consists of a compressor 10, a combustor 20, and a turbine 30 as shown in FIG. It refers to a device in which the high-temperature and high-pressure gas rotates the turbine 30 to obtain power while the fuel 40 supplied to it is combusted by compressed air, and the high-temperature and high-pressure gas is discharged into the atmosphere.

한편, 최근 산업 배기가스가 대기를 오염시키는 원인의 하나로 지목되고 있고, 대기 오염원을 감소시키기 위한 일환으로 가스터빈에서 방출되는 가스 중 질소산화물과 같은 대기 오염원을 감소시키기 위한 방안이 마련되고 있으며, 일 예로 대한민국 특허공개 제2009-0127083호(특허문헌 1)과 같이 연소기에서 배출된 불활성 배기가스의 일부를 추출하여 압축기 전단의 공기 흡입 계통으로 재순환시킴으로써 연소기의 최고 온도를 낮추어 질소산화물의 생성을 저감시킬 수 있게 하는 이른바 배기가스 재순환 장치(EGR; exhaust gas recirculation)가 가스터빈에 적용되고 있다.Meanwhile, industrial exhaust gas has recently been pointed out as one of the causes of air pollution, and as a part of reducing air pollution sources, measures to reduce air pollutants such as nitrogen oxides among gases emitted from gas turbines are being prepared. For example, as in Korean Patent Publication No. 2009-0127083 (Patent Document 1), by extracting a part of the inert exhaust gas discharged from the combustor and recirculating it to the air intake system in front of the compressor, the maximum temperature of the combustor is lowered to reduce the generation of nitrogen oxides. A so-called exhaust gas recirculation (EGR) system is being applied to gas turbines.

배기가스 재순환 장치(EGR)가 적용된 가스터빈은, 도 2의 (a)와 같이 연소기(20)의 후단과 터빈(30)의 전단 사이의 관로에서 배기가스의 일부를 추출하고, 이렇게 추출된 EGR 가스를 EGR 쿨러(50)에서 온도를 낮춘 후 압축기(10)의 전단으로 재순환되게 하는 방식일 수 있고, 또는 도 2의 (b)와 같이 터빈(30) 후단의 관로에서 배기가스의 일부를 추출하고, 이렇게 추출된 EGR 가스를 EGR 쿨러(50)에서 온도를 낮춘 후 압축기(10)의 전단으로 재순환되게 하는 방식일 수 있다.The gas turbine to which the exhaust gas recirculation device (EGR) is applied extracts a part of the exhaust gas from the pipe between the rear end of the combustor 20 and the front end of the turbine 30 as shown in FIG. After lowering the temperature in the EGR cooler 50, the gas may be recirculated to the front end of the compressor 10, or a part of the exhaust gas is extracted from the pipeline at the rear end of the turbine 30 as shown in FIG. And, after lowering the temperature of the EGR gas extracted in this way in the EGR cooler 50 may be a method of recirculating to the front end of the compressor (10).

그러나 이러한 시스템은 배기가스 재순환 과정에서 응축수가 생성되고, 응축수가 배기가스 재순환 장치의 배관이나 압축기를 산화시켜 부식이 발생할 수 있으며, 동절기에 응축수 결빙으로 인해 가스터빈의 가동이 중단되는 등의 문제점을 야기하고 있다.However, in such a system, condensed water is generated in the exhaust gas recirculation process, the condensate may oxidize the piping or compressor of the exhaust gas recirculation device, which may cause corrosion, and the operation of the gas turbine is stopped due to condensate freezing in winter. is causing

대기 오염원의 저감을 위한 또 다른 방안으로 배기가스 재순환 장치 외에 수소 연료의 활용이 대두되고 있다. 이와 같이 연소기에 투입되는 연료를 수소(H)로 사용하면 가연 한계 확장의 장점으로 가스터빈의 성능을 증대시킬 수 있다.As another method for reducing air pollutants, the use of hydrogen fuel in addition to the exhaust gas recirculation device is emerging. In this way, when the fuel input to the combustor is used as hydrogen (H), the performance of the gas turbine can be increased with the advantage of expanding the combustibility limit.

그러나 수소의 활용으로 인해 그 생산량을 대폭 증가시켜야 할 뿐 아니라 큰 저장 공간이 필요로 하는데, 이에 비해 수소는 단위 질량당 큰 부피를 가지는 특성이 있으므로 현재까지 생산 및 저장 효율성 문제로 인해 상용화가 적극적으로 이루어지고 있지 않다.However, due to the use of hydrogen, it is necessary to significantly increase its production and require a large storage space. On the other hand, hydrogen has a characteristic of having a large volume per unit mass. not being done

1. 대한민국 특허공개 제2009-0127083호 공개특허공보1. Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0127083

전술한 종래의 기술이 내포한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 연소기에서 배출되는 고온의 배기가스 일부를 추출한 EGR 추출 가스를 재순환시키되, 추출 가스의 개질을 통해 합성 가스(H2+CO)를 생성하고, 개질된 합성 가스를 연소기에 투입되는 주연료에 첨가함으로써 연소 가능 영역을 확장시키고 연소 효율을 증대시키는 동시에 자체적으로 수소를 생성할 수 있게 하는, 개질기 및 배기가스 재순환 장치가 구비된 가스터빈 연소기 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention for solving the problems implied by the prior art described above, recirculates the EGR extract gas extracted from a portion of the high-temperature exhaust gas discharged from the combustor, synthesis gas (H 2 +CO) through reforming of the extract gas A gas turbine equipped with a reformer and an exhaust gas recirculation device, which generates hydrogen and adds the reformed synthesis gas to the main fuel input to the combustor to expand the combustible area and increase combustion efficiency while simultaneously generating hydrogen by itself It is an object to provide a combustor system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스터빈 연소기 시스템에 있어서, 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기로부터 공급된 압축공기를 제1 연료주입라인에서 공급되는 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기의 연소 가스에 의해 구동하는 터빈; 상기 연소 가스 중 일부를 추출한 추출 가스를 상기 연소기 내부로 재순환되게 하는 EGR 라인; 및 상기 EGR 라인에 구비되어 상기 추출 가스를 제2 연료주입라인에서 공급된 연료와 혼합하여 합성 가스를 생성하는 개질기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a gas turbine combustor system, comprising: a compressor for compressing air; a combustor for mixing and burning the compressed air supplied from the compressor with the fuel supplied from the first fuel injection line; a turbine driven by combustion gases of the combustor; an EGR line for recirculating the extracted gas obtained by extracting a portion of the combustion gas into the combustor; and a reformer provided in the EGR line to mix the extracted gas with the fuel supplied from the second fuel injection line to generate synthesis gas; It is characterized in that it includes.

상기 개질기는, 내부에 공간이 형성된 제1관체를 포함하고, 상기 제1관체의 일측 및 타측에 각각 상기 추출 가스를 상기 공간으로 유입되게 하는 추출 가스 주입구 및 상기 제2 연료주입라인에서 공급된 연료를 상기 공간으로 유입되게 하는 연료 주입구가 연결될 수 있으며, 또한 상기 개질기는, 상기 제1관체와 평행하게 배치된 적어도 하나 또는 다수의 관체를 더 포함하고, 적어도 하나 또는 다수의 관체의 내부 공간은 상기 제1관체의 공간과 직렬로 연결되며, 적어도 하나 또는 다수의 관체의 최 후단에 합성가스 배출구가 형성될 수 있다.The reformer includes a first tubular body having a space formed therein, and an extraction gas inlet for introducing the extracted gas into the space at one side and the other side of the first tubular body, respectively, and fuel supplied from the second fuel injection line may be connected to a fuel inlet for introducing into the space, and the reformer further includes at least one or a plurality of tubes disposed in parallel with the first tube, and the internal space of the at least one or more tubes is the It is connected in series with the space of the first tube, the synthesis gas outlet may be formed at the rearmost end of at least one or a plurality of tubes.

일 실시 예로서, 상기 추출 가스는 상기 연소기의 후단과 상기 터빈의 전단 사이에서 추출되고, 상기 합성 가스는 상기 제1 연료주입라인 또는 상기 압축기에 공급될 수 있다.In an embodiment, the extraction gas may be extracted between the rear end of the combustor and the front end of the turbine, and the synthesis gas may be supplied to the first fuel injection line or the compressor.

다른 실시 예로서, 상기 압축기는 다수 개가 직렬로 연결된 다단 압축기로 이루어지고, 상기 추출 가스는 상기 연소기의 후단과 상기 터빈의 전단 사이에서 추출되며, 상기 합성 가스는 상기 다단 압축기 중 최 후단에 위치한 압축기로 공급될 수 있다.In another embodiment, the compressor consists of a plurality of multi-stage compressors connected in series, the extraction gas is extracted between the rear end of the combustor and the front end of the turbine, and the synthesis gas is a compressor located at the rearmost stage among the multi-stage compressors. can be supplied with

또 다른 실시 예로서, 상기 추출 가스는 상기 터빈의 후단에서 추출되고, 상기 합성가스는 상기 제1 연료주입라인에 공급될 수 있다.As another embodiment, the extraction gas may be extracted from the rear end of the turbine, and the synthesis gas may be supplied to the first fuel injection line.

이때 상기 개질기에 촉매가 내입된 촉매 하우징이 구비되어, 상기 추출 가스가 상기 개질기 내에서 상기 촉매와 접촉되게 하여 촉매를 촉진시킬 수 있으며, 상기 촉매 하우징은 실리카(silica) 또는 실리카-알루미나(silica-alumina)로 이루어질 수 있고, 상기 촉매는 백금(platinum) 또는 레늄(rhenium)일 수 있다.At this time, the reformer is provided with a catalyst housing in which the catalyst is incorporated, so that the extraction gas is brought into contact with the catalyst in the reformer to promote the catalyst, and the catalyst housing is made of silica or silica-alumina. alumina), and the catalyst may be platinum or rhenium.

본 발명에 따르면, 가스터빈 연소기 시스템에서 연소기 후단에 EGR 밸브를 통해 추출되는 재순환용 추출 가스가 연소에 참여하는 연료에 희석되어 연소기 내부에서 연소에 영향을 미치며, 이를 통해 연소기 내부의 국부적인 온도상승을 감소시키며, 연소 과정에서 질소산화물 배출이 감소하는 이점이 있다.According to the present invention, in the gas turbine combustor system, the extraction gas for recirculation extracted through the EGR valve at the rear end of the combustor is diluted with the fuel participating in the combustion and affects the combustion inside the combustor, through which the local temperature increase inside the combustor It has the advantage of reducing nitrogen oxide emissions in the combustion process.

또한, 추출 가스의 폐열을 이용하여 고온의 추출 가스가 개질기(Reformer)를 통과하고, 개질 과정에서 생성된 합성 가스(H2+CO)는 희박운전 영역에서 수소를 통한 연소 불안전성 개선과 연소운전 영역을 확장시킬 수 있을 뿐 아니라, 연소기 운전영역이 희박운전영역으로 한계가 증가함에 따라 운전에 요구되는 연료의 질량 유량이 감소하고, 탄화수소 계열의 연료량 감소로 인한 탄소 산화물(CO, CO2)의 배출을 저감시킬 수 있다.In addition, the high-temperature extraction gas passes through a reformer using the waste heat of the extraction gas, and the synthesis gas (H 2 +CO) generated in the reforming process improves combustion instability through hydrogen in the lean operation area and in the combustion operation area. As the limit of the combustor operation area increases to the lean operation area, the mass flow rate of fuel required for operation decreases, and carbon oxides (CO, CO 2 ) emission due to the decrease in the amount of hydrocarbon-based fuel can be reduced.

더욱이, EGR 밸브와 개질기를 통해 생성된 합성 가스는 연소기 성능을 효과적으로 증가시키며, 더 나아가 탑재형 개질기를 가스터빈에 장착함으로써 수소의 생산-저장-활용이 일원화되어 수소 경제에서 이슈가 되고 있는 생산 및 저장 한계 문제를 극복할 수 있고, 또한 수소 기반 연소기의 소형화를 통해 경제성을 향상시킬 수 있다.Moreover, the synthesis gas generated through the EGR valve and the reformer effectively increases the combustor performance, and furthermore, by installing the onboard reformer in the gas turbine, the production, storage and utilization of hydrogen are unified, which is an issue in the hydrogen economy. It is possible to overcome the storage limitation problem, and also to improve the economy through miniaturization of the hydrogen-based combustor.

도 1은 일반적인 가스터빈의 구성도이다.
도 2는 종래 배기가스 재순환 장치가 적용된 가스터빈의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 가스터빈 연소기 시스템에 적용되는 개질기의 사시도이다.
도 5는 도 4의 개질기를 길이방향으로 절개한 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 수소 첨가 증감에 따른 연소 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 수소 첨가 증감에 따른 배출가스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 EGR 가스 증감에 따른 연소기 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 EGR 가스 증감에 따른 연소기 출구의 온도 및 질소산화물 배출량 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a block diagram of a general gas turbine.
2 is a block diagram of a gas turbine to which a conventional exhaust gas recirculation device is applied.
3 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a first embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of a reformer applied to the gas turbine combustor system of the present invention.
5 is a longitudinal cross-sectional view of the reformer of FIG. 4 cut in the longitudinal direction.
6 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a second embodiment of the present invention.
7 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a third embodiment of the present invention.
8 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a fourth embodiment of the present invention.
9 is a graph showing combustion changes according to the increase/decrease in hydrogen addition in the gas turbine combustor system according to the present invention.
10 is a graph showing changes in exhaust gas according to the increase/decrease in hydrogen addition in the gas turbine combustor system according to the present invention.
11 is a graph showing changes in combustor efficiency according to the increase/decrease of EGR gas in the gas turbine combustor system according to the present invention.
12 is a graph showing changes in the temperature and nitrogen oxide emissions of the combustor outlet according to the increase/decrease of EGR gas in the gas turbine combustor system according to the present invention.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or functional descriptions are only exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms. It should not be construed as being limited to the embodiments described in .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'된다는 것은 '직접적으로 연결'되거나 어떠한 요소를 두고 '간접적으로 연결'된 경우를 포함하며, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아닌, 다른 구성요소가 추가될 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, that a part is 'connected' to another part includes a case in which it is 'directly connected' or 'indirectly connected' with an element, and 'includes' a certain element is specifically opposite. Unless otherwise stated, it means that other components may be added, rather than excluding other components.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도이고, 도 4는 본 발명의 가스터빈 연소기 시스템에 적용되는 개질기의 사시도이며, 도 5는 도 4의 개질기를 길이방향으로 절개한 종단면도이다.3 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a perspective view of a reformer applied to the gas turbine combustor system of the present invention, and FIG. 5 is the reformer of FIG. 4 in the longitudinal direction. It is a cross-section cutaway.

도 3을 참조하는 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 가스터빈은 압축기(10), 연소기(20), 터빈(30), EGR 라인, 개질기(60)를 포함한다.Referring to FIG. 3 , the gas turbine according to the first embodiment of the present invention includes a compressor 10 , a combustor 20 , a turbine 30 , an EGR line, and a reformer 60 .

상기 압축기(10)는 외기를 공급받아 공기를 고압으로 압축하고, 상기 연소기(20)는 상기 압축기(10)로부터 공급된 압축 공기를 제1 연료주입라인(41)에서 공급되는 연료(50)와 혼합하여 연소시키며, 상기 터빈(30)은 상기 연소기(20)에 의해 생성된 연소 가스에 의해 구동하여 동력을 발생하기 위한 것이다.The compressor 10 receives external air and compresses the air to a high pressure, and the combustor 20 uses the compressed air supplied from the compressor 10 with the fuel 50 supplied from the first fuel injection line 41 and It is mixed and combusted, and the turbine 30 is driven by the combustion gas generated by the combustor 20 to generate power.

상기 EGR 라인은 상기 연소기(30)에서 방출되는 상기 연소 가스 중 일부를 추출한 추출 가스를 상기 연소기(20) 내부로 재순환되게 하는 것으로, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 EGR 라인에서 추출 가스를 추출하는 EGR 밸브는 상기 연소기(20)의 후단과 상기 터빈(30)의 전단 사이에 위치한다.The EGR line is to recirculate the extracted gas extracted from a portion of the combustion gas emitted from the combustor 30 into the combustor 20. According to the first embodiment of the present invention, the extracted gas from the EGR line The EGR valve for extracting is located between the rear end of the combustor 20 and the front end of the turbine 30 .

상기 개질기(60)는 연료 또는 공기를 고열의 추출 가스로 부분 산화시키기 위한 것으로, 상기 EGR 라인에 구비되어 상기 추출 가스를 제2 연료주입라인(42)에서 공급된 연료(40)에 첨가함으로써 합성 가스(H2+CO)를 생성하고, 상기 개질기(60)에서 생성된 합성 가스는 상기 제1 연료주입라인(41)에 공급되어 제1 연료주입라인(41)을 흐르는 연료(40)에 첨가된 상태에서 연소기(20)로 주입된다.The reformer 60 is for partially oxidizing fuel or air into high-temperature extraction gas, and is provided in the EGR line and synthesized by adding the extracted gas to the fuel 40 supplied from the second fuel injection line 42 . Gas (H 2 +CO) is generated, and the synthesis gas generated in the reformer 60 is supplied to the first fuel injection line 41 and added to the fuel 40 flowing through the first fuel injection line 41 . It is injected into the combustor 20 in this state.

이때 상기 EGR 라인에는 EGR 쿨러(50)가 구비될 수 있는데, 이는 배기가스 재순환 장치(EGR)에서 공지된 구성요소이므로 그에 관한 상세한 설명은 생략한다.At this time, the EGR line may be provided with an EGR cooler 50, which is a well-known component in an exhaust gas recirculation device (EGR), so a detailed description thereof will be omitted.

도 4 및 도 5를 참조하는 바와 같이 상기 개질기(60)는, 내부에 공간이 형성된 제1관체(60a)를 포함하고, 상기 제1관체(60a)의 일측 및 타측에는 각각 추출 가스 주입구(61) 및 연료 주입구(62)가 연결된다.4 and 5 , the reformer 60 includes a first tube body 60a having a space formed therein, and an extraction gas inlet 61 is provided at one side and the other side of the first tube body 60a, respectively. ) and the fuel inlet 62 are connected.

상기 추출 가스 주입구(61)는 전술한 EGR 밸브에서 추출된 추출 가스가 상기 제1관체(60a)의 공간으로 주입되게 하고, 상기 연료 주입부(62)는 상기 제2 연료주입라인(42)과 연결되어 EGR용 연료(40)가 제1관체(60a)의 공간으로 유입되게 한다.The extraction gas injection port 61 allows the extraction gas extracted from the above-described EGR valve to be injected into the space of the first tube body 60a, and the fuel injection unit 62 is connected to the second fuel injection line 42 and connected so that the fuel 40 for EGR is introduced into the space of the first tube body 60a.

이때 개질기(60) 내부에서 상기 추출 가스와 연료(40)가 장시간 체류되도록 하는 동시에 개질기(60)의 체적을 최소화하기 위해 상기 개질기(60)는, 상기 제1관체(60a)와 평행하게 배치된 적어도 하나 또는 다수의 관체를 더 포함하고, 적어도 하나 또는 다수의 관체의 내부 공간은 상기 제1관체(60a)의 공간과 직렬로 연결되며, 적어도 하나 또는 다수의 관체의 최 후단에 합성가스 배출구(63)가 형성될 수 있다.At this time, in order to minimize the volume of the reformer 60 while allowing the extracted gas and fuel 40 to stay in the reformer 60 for a long time, the reformer 60 is disposed in parallel with the first tube body 60a. It further includes at least one or a plurality of pipes, and the inner space of at least one or more pipes is connected in series with the space of the first pipe body 60a, and a synthesis gas outlet ( 63) can be formed.

예를 들어, 적어도 하나의 관체는 상기 제1관체(60a)와 평행하게 배치된 제2관체(60b)일 수 있고, 다수의 관체는 상기 제1관체(60a)와 평행하게 배치된 제2관체(60b) 및 제3관체(60c)일 수 있으며, 이때 상기 합성가스 배출구(63)는 제3관체(60c)의 단부에 형성된다.For example, the at least one tube may be a second tube body 60b disposed parallel to the first tube body 60a, and the plurality of tubes may be a second tube body disposed parallel to the first tube body 60a. (60b) and may be a third tube body (60c), wherein the synthesis gas outlet (63) is formed at the end of the third tube body (60c).

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도로서, 도 3의 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그에 관한 중복 설명은 생략한다.6 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a second embodiment of the present invention. The same reference numerals are used for the same components as those of the first embodiment of FIG. 3 , and a redundant description thereof will be omitted.

도 6을 참조하는 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 가스터빈은, 개질기(60)에서 생성된 합성 가스를 압축기(10)에 공급되게 한 것을 제외하고는 나머지 구성요소는 전술한 제1실시예와 동일하다.As shown in FIG. 6 , in the gas turbine according to the second embodiment of the present invention, the remaining components are the above-described first except that the synthesis gas generated in the reformer 60 is supplied to the compressor 10 . It is the same as the Example.

이와 같이 개질기(60)에서 생성된 합성 가스는 연소기(20)에 투입되는 연료 또는 압축기(10)에 투입되는 공기에 첨가될 수 있다.As such, the synthesis gas generated in the reformer 60 may be added to fuel input to the combustor 20 or air input to the compressor 10 .

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도로서, 도 3의 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그에 관한 중복 설명은 생략한다.7 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a third embodiment of the present invention, and the same reference numerals are used for the same components as those of the first embodiment of FIG. 3 , and a redundant description thereof will be omitted.

도 7을 참조하는 바와 같이 본 발명의 제3실시예에 따른 가스터빈은, 압축기(10) 다수 개가 직렬로 연결된 다단 압축기로 이루어지고, 이때 상기 추출 가스는 상기 연소기(20)의 후단과 상기 터빈(30)의 전단 사이에서 추출되며, 개질기(60)에서 생성된 합성 가스는 상기 다단 압축기 중 최 후단에 위치한 압축기(10)로 공급될 수 있으며, 기타의 구성요소는 전술한 제1실시예 및 제2실시예와 동일하다.As shown in FIG. 7 , the gas turbine according to the third embodiment of the present invention includes a multi-stage compressor in which a plurality of compressors 10 are connected in series, in which case the extracted gas is transferred to the rear end of the combustor 20 and the turbine. The synthesis gas extracted between the front ends of 30 and generated in the reformer 60 may be supplied to the compressor 10 located at the rearmost stage among the multi-stage compressors, and the other components are the above-described first embodiment and The same as in the second embodiment.

도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 가스터빈 연소기 시스템의 구성도로서, 도 3의 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 그에 관한 중복 설명은 생략한다.8 is a block diagram of a gas turbine combustor system according to a fourth embodiment of the present invention, and the same reference numerals are used for the same components as those of the first embodiment of FIG. 3 , and a redundant description thereof will be omitted.

도 8을 참조하는 바와 같이 본 발명의 제4실시예에 따른 가스터빈은, EGR 밸브가 터빈(30)의 후단에 배치되어 추출 가스가 상기 터빈(30)에서 발생한 배기가스에서 일부가 추출되고, 개질기(60)에서 생성된 합성 가스는 제1 연료주입라인(41)에 공급된다.8, in the gas turbine according to the fourth embodiment of the present invention, the EGR valve is disposed at the rear end of the turbine 30, so that the extraction gas is partially extracted from the exhaust gas generated in the turbine 30, The synthesis gas generated in the reformer 60 is supplied to the first fuel injection line 41 .

여기서 추출 가스를 전술한 제1 내지 제3실시예와 같이 터빈(30) 전단이 아닌, 터빈(30) 후단에서 추추하는 경우 상대적으로 온도가 낮기 때문에 개질기(60)에서 개질 효율성이 감소할 수 있다.Here, when extracting the extracted gas from the rear end of the turbine 30 rather than the front end of the turbine 30 as in the first to third embodiments described above, the reforming efficiency in the reformer 60 may be reduced because the temperature is relatively low. .

따라서, 개질 효율성을 향상시키기 위해 상기 개질기(60) 내에 촉매(catalytic)가 구비될 수 있다.Accordingly, a catalyst may be provided in the reformer 60 to improve reforming efficiency.

이를 위해 상기 개질기(60) 내에 촉매가 내입된 촉매 하우징이 구비되고, 촉매 하우징은 다수의 통기공이 형성될 수 있으며, 이 경우 추출 가스가 상기 개질기(60) 내에서 촉매와 접촉되어 개질 수율을 증가시킬 수 있다.To this end, a catalyst housing in which a catalyst is incorporated is provided in the reformer 60, and a plurality of vent holes may be formed in the catalyst housing. In this case, the extraction gas is contacted with the catalyst in the reformer 60 to increase the reforming yield. can increase

상기 촉매 하우징은 실리카(silica) 또는 실리카-알루미나(silica-alumina)로 이루어질 수 있고, 상기 촉매는 백금(platinum) 또는 레늄(rhenium)일 수 있다.The catalyst housing may be made of silica or silica-alumina, and the catalyst may be platinum or rhenium.

도 9는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 수소 첨가 증감에 따른 연소 변화를 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 수소 첨가 증감에 따른 배출가스 변화를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing combustion changes according to the increase/decrease in hydrogenation in the gas turbine combustor system according to the present invention, and FIG. 10 is a graph showing changes in exhaust gas according to the increase/decrease in hydrogenation in the gas turbine combustor system according to the present invention.

전술한 개질기(60)에서 생성된 합성 가스는 수소를 포함하고 있는데, 수소는 착화 친화성이 높고, 화염 전파가 좋기 때문에, 도 9와 같이 수소 첨가량이 증가하면 연소에 필요한 열입력(heat input) 값이 감소하는 동시에 연료 흐름률(fuel flow rate)이 감소하여 동일한 출력을 내는데 필요한 연료의 질량 유량을 감소시킬 수 있다.The synthesis gas generated in the above-described reformer 60 contains hydrogen. Since hydrogen has high ignition affinity and good flame propagation, as shown in FIG. 9 , when the amount of hydrogen added increases, heat input required for combustion At the same time as the value decreases, the fuel flow rate may decrease, reducing the mass flow of fuel required to produce the same power.

또한, 도 10과 같이 수소 첨가량이 증가하면 국부적인 연소온도 증가의 영향으로 질소산화물(NOx) 배출이 증가하는데 비해, 연소기 내부의 산화 반응 촉진과 메인 연료인 탄화수소 계열 연료의 투입량을 감소시킬 수 있게 되어 탄소 산화물(CO)의 배출을 대폭 감소시킬 수 있다.In addition, as shown in FIG. 10 , when the amount of hydrogen added increases, nitrogen oxide (NO x ) emission increases due to the influence of the local combustion temperature increase, but the oxidation reaction inside the combustor is promoted and the input amount of the hydrocarbon-based fuel, which is the main fuel, can be reduced. This can significantly reduce the emission of carbon oxides (CO).

도 11은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 EGR 가스 증감(재순환율)에 따른 연소기 효율 변화를 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기 시스템에서 EGR 가스 증감에 따른 연소기 출구의 온도 및 질소산화물 배출량 변화를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing changes in combustor efficiency according to EGR gas increase/decrease (recirculation rate) in the gas turbine combustor system according to the present invention, and FIG. and a graph showing changes in nitrogen oxide emissions.

도 11과 같이 배기가스 재순환율이 증가할수록 연소기 효율이 감소하게 되는데, 이는 연소에 참여하는 공기가 배기가스로 인해 희석되기 때문에 상대적인 열입력(연료량)이 증가하는데서 기인한 것이며, 본 발명은 배기가스 재순환에 의해 감소하는 효율, 즉 상대적으로 증가하는 열입력을 수소를 통해 보상하는 것이 핵심이다.As shown in FIG. 11, as the exhaust gas recirculation rate increases, the combustor efficiency decreases, which is due to an increase in the relative heat input (fuel amount) because the air participating in combustion is diluted with the exhaust gas. The key to compensating for the efficiency decreased by recirculation, that is, the relatively increased heat input, through hydrogen.

또한, 도 12와 같이 배기가스의 재순환율이 증가함에 따라 연소기 내부 연소온도가 감소하므로 질소산화물 배출량을 저감시킬 수 있다.In addition, as the recirculation rate of the exhaust gas increases as shown in FIG. 12 , the combustion temperature inside the combustor decreases, so that the amount of nitrogen oxides can be reduced.

상술한 설명은 본 발명의 기술 사상을 보인 한정된 실시 예에 따라 설명하였으나, 본 발명은 특정의 실시예나 형상 및 수치에 한정되지 아니하며, 실시 예들의 구성요소 일부를 변경, 혼합하는 등, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정 및 변형 실시가 가능하고, 그러한 수정 및 변형 실시는 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.Although the above description has been described according to a limited embodiment showing the technical spirit of the present invention, the present invention is not limited to a specific embodiment or shape and numerical value, and by changing or mixing some of the components of the embodiments, the present invention Various modifications and variations can be made by those of ordinary skill in the technical field to which the invention pertains without departing from the gist, and such modifications and variations should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention. will be.

10... 압축기 20... 연소기 30... 터빈
40... 연료 41... 제1 연료주입라인
42... 제2 연료주입라인 50... EGR 쿨러
60... 개질기 60a... 제1관체 60b... 제2관체
60c... 제3관체 61... 추출 가스 주입구
62... 연료 주입구 63... 합성가스 배출구10... Compressor 20... Combustor 30... Turbine
40... Fuel 41... First fuel injection line
42... 2nd fuel injection line 50... EGR cooler
60... Reformer 60a... First tube 60b... Second tube
60c... Third tube 61... Extraction gas inlet
62... fuel inlet 63... syngas outlet

Claims (8)

가스터빈 연소기 시스템에 있어서,
공기를 압축하는 압축기;
상기 압축기로부터 공급된 압축공기를 제1 연료주입라인에서 공급되는 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기의 연소 가스에 의해 구동하는 터빈;
상기 연소 가스 중 일부를 추출한 추출 가스를 상기 연소기 내부로 재순환되게 하는 EGR 라인; 및
상기 EGR 라인에 구비되어 상기 추출 가스를 제2 연료주입라인에서 공급된 연료와 혼합하여 합성 가스를 생성하는 개질기; 를 포함하되,
상기 추출 가스는 상기 연소기의 후단과 상기 터빈의 전단 사이 또는 상기 터빈의 후단에서 추출되고,
상기 합성 가스는 상기 제1 연료주입라인에 공급되어 상기 제1 연료주입라인을 흐르는 연료에 첨가된 상태에서 상기 연소기로 주입되게 한 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기 시스템.A gas turbine combustor system comprising:
compressor to compress air;
a combustor for mixing and burning the compressed air supplied from the compressor with the fuel supplied from the first fuel injection line; a turbine driven by combustion gases of the combustor;
an EGR line for recirculating the extracted gas obtained by extracting a portion of the combustion gas into the combustor; and
a reformer provided in the EGR line to mix the extracted gas with fuel supplied from a second fuel injection line to generate synthesis gas; including,
The extraction gas is extracted between the rear end of the combustor and the front end of the turbine or at the rear end of the turbine,
The gas turbine combustor system, characterized in that the synthesis gas is supplied to the first fuel injection line and injected into the combustor while being added to the fuel flowing through the first fuel injection line. 청구항 1에 있어서,
상기 개질기는, 내부에 공간이 형성된 제1관체를 포함하고, 상기 제1관체의 일측 및 타측에 각각 상기 추출 가스를 상기 공간으로 유입되게 하는 추출 가스 주입구 및 상기 제2 연료주입라인에서 공급된 연료를 상기 공간으로 유입되게 하는 연료 주입구가 연결된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기 시스템.The method according to claim 1,
The reformer includes a first tubular body having a space formed therein, and an extraction gas inlet for introducing the extracted gas into the space at one side and the other side of the first tubular body, respectively, and fuel supplied from the second fuel injection line A gas turbine combustor system, characterized in that the fuel inlet for introducing into the space is connected. 청구항 2에 있어서,
상기 개질기는, 상기 제1관체와 평행하게 배치된 적어도 하나 또는 다수의 관체를 더 포함하고, 적어도 하나 또는 다수의 관체의 내부 공간은 상기 제1관체의 공간과 직렬로 연결되며, 적어도 하나 또는 다수의 관체의 최 후단에 합성가스 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기 시스템.3. The method according to claim 2,
The reformer further includes at least one or a plurality of tubes disposed parallel to the first tube, wherein the inner space of the at least one or more tubes is connected in series with the space of the first tube, and at least one or more A gas turbine combustor system, characterized in that the synthesis gas outlet is formed at the rearmost end of the tube body. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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