KR102321849B1 - 보다 높은 플랜트 효율을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

스팀 사이클 시스템(44)은 배기 가스를 수용하는 배열 회수 장치(HRSG)(46), HRSG에 의해 발생되는 제1 스팀 흐름을 수용하고, HRSG(46)에 커플링되는 스팀 터빈 및 스팀 터빈에 의해 출력되는 제2 스팀 흐름을 응축시키는 응축기(50)를 포함한다. 응축기(50)는 복수 개의 열교환기 튜브(62), 팬(52) 및 스팀 수집 헤더(60)를 포함한다. 시스템은, 스팀 흐름의 하나 이상의 속성을 측정하는 하나 이상의 센서(54)를 포함한다. 시스템은 하나 이상의 센서(54)에 통신 가능하게 커플링되는 폐루프형 제어기(58)를 포함한다. 제어기(58)는 하나 이상의 센서(54)로부터 데이터를 수신하고, 하나 이상의 센서(54)를 사용하여 스팀 헤더를 통과하는 제2 스팀 흐름의 유량을 결정하며, 스팀의 유량이 문턱값 이내인지 여부를 산출하고, 팬(52)의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정한다.

Description

보다 높은 플랜트 효율을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR HIGHER PLANT EFFICIENCY}
여기에 개시된 보호대상은 복합 사이클 발전소(combined cycle power plant), 특히 발전소의 작동 조건에 기초하여 부분 부하에서 발전소의 작동 장비에 기초하여 발전소의 효율을 개선하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
미국 특허출원공개공보 US2011/0066298호(2011.03.17)
본래 청구된 발명의 범위에 상응하는 소정 실시예가 아래에 요약된다. 이러한 실시예는 청구된 발명의 범위를 제한하기보다는, 단지 본 발명의 가능한 형태에 관한 간략한 요약을 제공하려는 것이다. 사실상, 본 발명은 아래에서 기술하는 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 망라할 수 있다.
제1 실시예에서, 스팀 사이클 시스템이 배기 가스를 수용하는 배열 회수 장치(Heat Recovery Steam Generator; HRSG), HRSG에 의해 발생되는 제1 스팀 흐름을 수용하고, HRSG에 유동적으로 커플링되는 스팀 터빈 및 스팀 터빈에 의해 출력되는 제2 스팀 흐름을 응축시키는 응축기를 포함한다. 응축기는 복수 개의 열교환 튜브, 팬 및 스팀 수집 헤더를 포함한다. 시스템은, 스팀 흐름의 하나 이상의 속성을 측정하는 하나 이상의 센서를 포함한다. 시스템은 하나 이상의 센서에 통신 가능하게 커플링되는 폐루프형 제어기를 포함한다. 제어기는 하나 이상의 센서로부터 데이터를 수신하고, 하나 이상의 센서를 사용하여 스팀 헤더를 통과하는 제2 스팀 흐름의 유량을 결정하며, 스팀의 유량이 문턱값 이내인지 여부를 산출하고, 적어도 부분적으로 스팀의 유량에 기초하여 팬의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정한다.
제2 실시예에서, 시스템은 가스 터빈 엔진과 스팀 사이클을 포함한다. 스팀 사이클은 배기 가스를 수용하는 배열 회수 장치(HRSG), HRSG에 의해 발생되는 제1 스팀 흐름을 수용하고, HRSG에 유동적으로 커플링되는 스팀 터빈 및 스팀 터빈에 의해 출력되는 제2 스팀 흐름을 응축시키는 응축기를 포함한다. 응축기는 복수 개의 열교환기 튜브, 팬 및 스팀 수집 헤더를 포함한다. 스팀 사이클은, 스팀 흐름의 하나 이상의 속성을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서를 포함한다. 스팀 사이클은 하나 이상의 센서에 통신 가능하게 커플링되는 폐루프형 제어기를 포함하고, 제어기는 하나 이상의 센서로부터 데이터를 수신하고, 하나 이상의 센서를 사용하여 스팀 헤더를 통과하는 제2 스팀 흐름의 유량을 결정하며, 스팀의 유량이 문턱값 이내인지 여부를 산출하고, 적어도 부분적으로 스팀의 유량에 기초하여 팬의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정한다.
제3 실시예에서, 유형의 비일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체가 컴퓨터 명령을 저장하고 있으며, 이 컴퓨터 명령은 프로세서에 의해 실행될 때에 제어기를 통해 하나 이상의 센서로부터의 데이터를 수신한다. 컴퓨터 명령은 하나 이상의 센서를 사용하여, 복합 사이클 발전소에 배치된 응축기에 커플링된 스팀 헤더를 통과하는 스팀의 유량을 결정한다. 컴퓨터 명령은, 스팀의 유량이 문턱값 이내인지의 여부를 산출한다. 컴퓨터 명령은 적어도 부분적으로 스팀의 유량에 기초하여 팬의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정한다.
본 발명의 이들 및 다른 피쳐(feature), 양태 및 장점은 첨부도면을 참고로 하여 아래의 상세한 설명을 읽어봄으로써 더 잘 이해될 것이다. 첨부 도면에서, 유사한 문자는 도면 전반에 걸쳐 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 가스 터빈, 스팀 터빈, 배열 회수 장치(HRSG) 및 스팀 사이클을 갖는 복합 사이클 발전 시스템의 실시예에 관한 블럭선도.
도 2는 도 1의 발전소에서 이용되는 스팀 사이클의 실시예에 관한 블럭선도.
도 3은 스팀 사이클에서 사용되는 응축기의 실시예에 관한 개략도.
도 4는 상이한 작동 스테이지에 있는 응축기의 2개의 팬 플레이드의 공기 흐름 프로파일을 예시하는 플롯.
도 5는 실시예에 따른, 응축기의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정하는 예시적인 방법의 상세를 나타내는 흐름도.
아래에서는, 본 발명의 하나 이상의 특정 실시예를 설명하겠다. 이들 실시예에 관한 정확한 설명을 제공하려는 일환으로, 명세서에서 실제 구현된 모든 피쳐가 설명되지 않을 수 있다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같은 임의의 그러한 실제 구현의 전개에서, 구현마다 변할 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 제약의 준수와 같은 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해, 다양한 구현 특정 결정이 이루어져야만 한다는 점을 이해해야만 한다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이점을 향유하는 당업자에게 있어서 설계, 생산 및 제조의 일상적인 일이라는 점을 이해해야만 한다.
본 발명의 다양한 실시예들을 소개할 때, 단수 형태 및 “상기”라는 용어는 하나 이상의 요소가 있다는 것을 의미하는 것으로 의도된다. “이루어지는”, “포함하는” 및 “갖는”이라는 용어는 포괄적인 것으로 의도되며, 열거된 요소 이외의 다른 요소들도 있을 수 있다는 것을 의미한다.
여기에 개시되는 실시예는 부하에 부분적으로 기초하여 발전소 내의 장비(예컨대, 응축기)의 작동을 조정하는 데 부분적으로 기초하여 발전소의 효율을 개선하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 발전소는 압축기, 연소기, 가스 터빈 엔진 및 스팀 사이클을 포함할 수 있다. 발전소의 스팀 사이클은 배열 회수 장치(HRSG), 스팀 터빈 및/또는 응축기를 포함한다. 응축기는 팬 및 하나 이상의 센서를 포함한다. 센서는 유량 센서, 음파 센서, 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서, 성분 센서 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 제어기는 또한 압축기, 가스 터빈 또는 다른 구성요소와 같은 발전 시스템의 다른 구성요소의 작동 조건을 측정하도록 구성된 다른 센서에 의해 출력된 데이터를 수신할 수 있다.
제어기는 센서에 의해 출력된 데이터를 이용하여, 발전소 부하가 변할 때에 응축기의 파워 사용량을 조정한다. 플랜트 또는 스팀 사이클 내의 응축기의 실제 작동은, 각각의 응축기 내의 팬의 속도를 제어하는 것, 팬 블레이드의 피치를 조정하는 것, 튜브 번들과 팬의 상태를 모니터링하기 위해 응축기 모델을 이용하는 것에 의한 것 및/또는 모든 응축기보다 적은 수의 응축기를 사용하는 것에 의한 것을 포함하는 여러 방식으로 수정 또는 제어될 수 있다.
이제 도면으로 돌아가면, 도 1은 가스 터빈 엔진(12)을 갖는 발전소(10)의 실시예의 블럭선도이다. 압축기(14)는 흡기부(18)를 통해 주위 공기(16)를 가스 터빈 시스템(12)으로 흡입한다. 주위 공기(16)는 흡기부(18)에 의해, 압축기(14) 내로의 유입 공기의 후속 진입을 위한 냉기 흡기부와 같은 적절한 기구를 경유하여 가스 터빈 시스템(12) 내로 유입된다. 압축기(14)는 압축기(14) 내의 블레이드를 회전시키는 것에 의해 유입 공기를 압축하여 압축 공기(20)를 형성한다. 압축기(14)가 유입 공기를 압축할 때, 압축기(14)는 유입 공기에 에너지를 첨가하고, 이에 의해 압력 및 온도가 증가되어 압축 공기(20)가 주위 공기보다 더 따뜻해지고 더 높은 압력이 된다. 압축 공기(20)는 하나 이상의 연료 노즐(22)로 배출될 수 있으며, 연료 노즐은 압축 공기(20)와 연료(24)(예컨대, 천연 가스와 같은 액체 연료 및/또는 가스 연료)를 혼합하여 연소에 적절한 공기-연료 혼합물(26)을 생성한다. 예시된 실시예에는 공기(16)가 도시되어 있지만, 흡입 가스는 주위 공기, 산소, 산소 농후 공기, 산호 저감 공기, 배기 재순환 가스(EGR) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 그렇기는 하지만, 아래의 설명은 비제한적인 예로서 주위 공기를 참조한다. 시스템(10)에 공급되는 연료(24)는 가스(예컨대, 천연가스, LNG, LPG, 정유 가스, 석탄 가스, 수소 가스), 액체(예컨대, 디젤, 등유, 나프타, 에탄올, 메탄올, 원유) 또는 임의의 다른 적절한 연료 소스를 포함할 수 있다.
도시한 바와 같이, 압축 가스(20)는 연료 노즐(22)에 진입하여 연료(24)와 혼합된다. 연료 노즐(22)은 공기-연료 혼합물(26)을 연소기(28)로 지향시킨다. 연소기(28)는 공기-연료 혼합물(26)을 점화하고 연소시켜 연소 생성물(30)을 형성한다. 연소 생성물(30)은 가스 터빈(32)으로 지향되고, 연소 생성물(30)은 팽창하여 샤프트(34) 둘레에 있는 가스 터빈(32)의 블레이드를 구동한다. 가스 터빈(32)은 공동 샤프트(34)에 의해 압축기(14)에 연결된다. 압축기 베인 또는 블레이드는 압축기(14)의 구성요소로서 포함된다. 압축기(14) 내의 블레이드는, 가스 터빈(32)에 의해 구동되는 샤프트(34)에 커플링된다. 샤프트(34)는 다수의 구성요소[예컨대, 압축기(12), 가스 터비 시스템(10) 전반에 걸친 가스 터빈(32)]에 커플링된다. 궁극적으로, 연소 생성물(30)은 배기 가스(38)로서 가스 터빈(32)을 빠져나가고, 배기 가스는 그 후에 배기 유출구(40)를 통해 가스 터빈 시스템(10)을 빠져나간다. 몇몇 실시예에서, 배기 가스(38)의 일부는 부하(42)를 구동하는 데 활용될 수 있다. 부하(42)는 발전기, 펌프, 다른 샤프트 피동 장비 등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 배기 가스(38) 전부 또는 일부는 스팀 사이클(44)로 이송될 수 있다. 스팀 사이클(44)은 배열 회수 장치(HRSG)(46), 스팀 터빈(48) 및/또는 응축기(50)를 포함한다. 도시한 바와 같이, 응축기(50)는 팬(52) 및 하나 이상의 센서(54)를 포함할 수 있다. 가스 터빈(12)뿐만 아니라 스팀 사이클(44)의 특정 구성은 구현에 특정될 수 있으며, 구성요소의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
예시된 실시예에서 HRSG(46)의 구성요소는 HRSG(46)의 단순화된 도면이며, 제한하려는 것은 아니다. 오히려, 예시된 HRSG(46)는 그러한 HRSG 시스템의 일반적인 작동을 행하는 것으로 도시되어 있다. 가스 터빈(32)으로부터 나온 가열된 배기 가스(38)는 HRSG(46)로 이송될 수 있고, 스팀 터빈(48)에 동력을 전달하는 데 이용되는 스팀을 가열하는 데 사용될 수 있다. 스팀 터빈(48)으로부터 나온 배기 가스는 응축기(50)로 지향될 수 있다. 응축기(50)로부터 나온 응축물은 응축물 펌프(도 2 참고)의 지원에 의해 HRSG(46)의 저압 섹션으로 지향될 수 있다(도 2 참고).
여기에 개시된 바와 같이, 스팀 사이클(44)의 구성요소는 응축기(50)의 제어기(58)에 의해 사용되는 센서(54)에 기초하여 제어될 수 있다. 센서(54)는 유량 센서, 음파 센서, 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서, 성분 센서 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 제어기(58)는 또한 압축기(14), 가스 터빈(32) 또는 다른 구성요소와 같은 발전 시스템(10)의 다른 구성요소의 작동 조건을 측정하도록 구성된 다른 센서에 의해 출력된 데이터를 수신할 수 있다. 제어기(58)는 센서(54)에 의해 출력된 데이터를 이용하여, 발전소 부하(10)가 변할 때에 응축기(50)의 파워 사용량을 조정한다. 팬 파워 사용량은 로터 속도 또는 블레이드 피치 각도를 변경하는 것에 의해 변화될 수 있다.
도 2는 도 1의 발전소(10)에서 이용되는 스팀 사이클(44)의 실시예에 관한 블럭선도이다. 전술한 바와 같이, 스팀 터빈(48)으로부터 나온 배기 가스는 응축기(50)로 흐른다. 하나의 응축기(50)가 도시되어 있지만, 발전소(10)는 1개 내지 1,000개 이상의 응축기(50)를 임의의 장소에 포함할 수 있다는 것을 이해해야만 한다. 스팀 터빈(48)을 빠져나가는 배기 가스(예컨대, 스팀)는 응축기(50)의 구성요소인 팬(52)에 의해 냉각된다. 배기 가스(예컨대, 스팀)는 스팀 헤더(60)를 통해 응축기(50)에 진입한다. 배기 가스(예컨대, 스팀)가 헤더(60)를 통해 흐를 때, 팬(52)은 냉각 공기를 복수 개의 열교환기 튜브 번들(62)을 가로지르도록 이동시킨다.
튜브 번들(62) 내부의 스팀은 액체 형태(예컨대, 물)로 되돌아가, 응축기(50)의 바닥으로 흐른다. 그 후, 액체는 응축물 탱크(64)에 수집된다. 응축물 펌프(66)는 액체를 재가열하기 위해 액체를 HRSG(46)로 다시 이동시키고, 이에 의해 스팀 사이클(44)의 반복이 완료된다. 도시한 바와 같이, 제어기(58)는 응축기(50)에 커플링된다. 제어기(58)는 응축기(50)에 통신 가능하게 커플링되는 것으로 도시되어 있지만, 제어기(58)는 제한하는 것은 아니지만, 압축기(14), 연소기(28), 가스 터빈(32), HRSG(46), 스팀 터빈(48) 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 발전소(10)의 다른 구성요소를 제어할 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 제어기(58)는 발전소(10) 내의 다른 제어기와 함께 작동할 수 있다. 예컨대, 가스 터빈 사이클과 스팀 사이클(44)은, 발전소(10)를 운영하도록 협동적으로 작동하는 별개의 제어기들을 구비할 수 있다.
제어기(58)는 프로세서(70) 상에 메모리(66)를 포함한다. 메모리(66)는 프로그램 실행 중에 생성되는 데이터뿐만 아니라 프로세스(들) 상에 로딩 가능하고 실행 가능한 프로그램 명령을 저장한다. 제어기(58)의 구성 및 타입에 따라, 메모리(66)는 휘발성[랜덤 액세스 메모리(RAM) 등] 및/또는 비휘발성(읽기 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리 등)일 수 있다. 메모리(66)는 또한 추가의 착탈형 저장부 및/또는 비착탈형 저장부 - 제한하는 것은 아니지만, 자기 저장부, 광학 저장부 및/또는 테이프 저장부를 포함함 - 를 포함할 수 있다. 디스크 드라이브와 이와 관려된 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 판독 가능 명령의 비휘발성 저장부, 데이터 구조, 프로그램 모듈 및 컴퓨팅 디바이스를 위한 다른 데이터를 제공할 수 있다. 몇몇 구현예에서, 메모리(66)는 SRAM(Static Random Access Memory), DRAM(Dynamic Random Access Memory ) 등과 같은 다수의 상이한 타입의 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(66)는 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함한다. 상기의 임의의 조합 또한 컴퓨터 판독 가능 매체의 범위 내에 포함되어야만 한다.
스팀 사이클(44)과 발전소(10) 전반에 걸쳐 배치된 하나 이상의 센서(54)는 데이터를 출력할 수 있다. 제어기(58)는 다양한 센서(54)에 의해 출력된 데이터를 수신할 수 있으며, 상기 센서는 제한하는 것은 아니지만 유량 센서, 음파 센서, 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서, 성분 센서 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 제어기(58)는 또한 압축기(14), 가스 터빈(32), HRSG(46), 스팀 터빈(48) 또는 다른 구성요소와 같은 발전 시스템(10)의 다른 구성요소의 작동 조건을 측정하도록 구성된 다른 센서에 의해 출력된 데이터를 수신할 수 있다.
제어기(58)는 센서(54)에 의해 출력된 데이터를 이용하여, 발전소 부하(10)가 변할 때에 응축기(50)의 파워 사용량을 조정한다. 예컨대, 발전소(10)가 그 최대 용량으로 작동하지 않는 경우, 보다 적은 파워가 발전소(10)에 있는 장비를 가동하는 데 이용된다. 응축기(50)와 팬(52)과 같은 응축기의 구성요소는, 발전소(10)가 최대 용량으로 작동하지 않을 때에 스팀 터빈(48)에 의해 출력되는 스팀을 냉각시키기 위해 최대 용량보다 적은 용량으로 작동하지 않으면, 에너지를 낭비할 수 있다. 발전소(10)가 부분 부하로 작동될 때, 스팀이 감소되어 튜브 번들(62)을 둘러싸는 주위 공기가 충분한 냉각 이상을 제공할 수 있기 때문에 보다 급속하게 응결된다.
즉, 발전소(10)가, 최대 용량에서 작동할 때보다 부분 부하로 작동할 때에 팬(52)의 파워 요건은 더 적다. 제어기(58)는 팬(52)과 발전소(10)의 다른 장비에서 사용되는 파워를 조정하므로, 발전소(10)에 의해 사용되는 에너지는, 발전소(10)가 부분 부하로 작동될 때에 감소될 수 있다.
비제한적인 일례에서, 제어기(58)는, 팬(52)이 작동하는 속도를 제어하는 센서 입력(예컨대, 팬 모터가 사용하는 파워의 양)을 사용한다. 예컨대 제어기(58)는, 적어도 부분적으로 헤더(60)를 통과하는 스팀 유량에 기초하여 팬(52)이 회전하는 속도를 조정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 더 적은 스팀 냉각을 이용하여 응축물을 생성할 때, 팬(52)은 더 느린 속도로 회전할 수 있고, 이에 따라 스팀을 냉각하는 데 과도한 에너지가 이용되지 않는다. 다른 비제한적인 예에서, 제어기(58)는 적어도 부분적으로 튜브 번들(62)의 특정 섹션의 스팀 흐름 속도, 스팀 온도 및 스팀 압력에 기초하여 팬 속도를 조정하기 위해 센서 입력을 이용한다. 전술한 예들 중 임의의 예에서, 팬의 속도는 가변 주파수 구동부를 사용하는 것에 의해 조정될 수 있다. 다른 비제한적인 예에서, 제어기(58)는 적어도 부분적으로 제어기(58)에 의해 수신되는 센서 데이터 입력에 기초하여 부분 부하 조건에서 작동되는 응축기의 개수를 감소시키기 위해 응축기(50)의 파워 사용량을 감소시키는 센서 입력을 사용한다.
다른 비제한적인 예에서, 제어기(58)는 파워 소비를 감소시키도록 팬(52)의 팬 블레이드 피치를 조정하는 센서 입력을 이용한다. 예컨대, 제어기(58)는 적어도 부분적으로 스팀의 유량, 온도 및 압력에 기초하여 팬 블레이드의 피치를 조정할 수 있다. 예컨대, 블레이드 피치는 핀-튜브 열교환기로의 냉각 흐름을 감소시키기 위해 팬 블레이드의 로딩을 줄이도록 증가될 수 있다. 블레이드 피치를 변경하는 것은, 발전소의 부분 부하에서의 냉각 요건을 감소시키는 것에 의해 팬(5)의 파워 사용량을 효율적으로 감소시킨다.
제어기(58)는 응축기 모델(72)을 사용하도록 구성될 수 있다. 응축기 모델(72)은 적어도 부분적으로 센서(54)에 의해 출력되는 데이터와 실험 데이터에 기초하여 팬(52)의 작동을 조정하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 응축기 모델(72)에 의해 사용 가능한 실험 데이터는, 주위 공기 온도, 주위 공기의 상대 퍼센트 습도와 같은 환경 조건과, 스팀 흐름의 압력, 스팀 흐름의 온도 및 스팀 흐름의 유량 등과 같은 응축물 조건을 포함할 수 있다. 응축기 모델(72)은 튜브 번들(62)과 팬(52)의 상태를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 비제한적인 일례에서, 응축기 모델(72)은, 팬(52)의 블레이드 상에 적층물(예컨대, 파편)이 축적될 때에 팬 블레이드의 주위 공기의 흐름을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 응축기 모델(72)은 적어도 부분적으로 실험 데이터에 기초하여 성능 저하 시나리오를 결정하는 데 사용될 수 있고, 성능 저하 시나리오는 작동 조건 및/또는 파라메터에 기초하여 추정된 성능 저하를 나타낸다. 성능 저하 시나리오는 스팀 사이클, 가스 터빈 사이클, 응축기(50)의 향후 작동을 조정하고, 응축기(50)를 위한 유지 관리 스케쥴을 생성하며, 응축기(50) 재생과 관련된 비용 견적을 생성하는 등에 사용될 수 있다. 예컨대, 제어기(58)는 응축기(50), 압축기(14), 연소기(28), 가스 터빈(32), HRSG(46), 스팀 터빈(48) 또는 이들의 임의의 조합의 구성요소의 작동을 조정하기 위해 성능 저하 시나리오와, 환경 조건, 유체 흐름(예컨대, 스팀 흐름) 또는 다른 조건에 관한 데이터를 이용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어기(58)는 적어도 부분적으로 센서(54)에 의해 수신된 데이터(예컨대, 스팀 유량)에 기초하여 구성요소의 성능 저하를 감소시키도록 소정 구성요소(예컨대, 팬 블레이드)의 작동을 조정하기 위해 성능 저하 시나리오를 이용할 수 있다.
응축기 모델(72)은, 응축물이 튜브 번들(62)과 응축기(50)의 다른 구성요소를 통과하여 이동할 때에 발생하는 파울링(fouling)에 기초하여 팬(52)의 작동을 조정하는 데 사용될 수 있다. 응축기 모델(72)은 문턱값 인자에 기초하여 팬(52)의 작동을 조정하는 데 사용될 수 있다. 문턱값 인자는 가스 터빈(32)의 온라인 타임, 가스 터빈(32)의 소망하는 배기 가스 레벨, 응축기(50)의 팬 블레이드 상에 있는 적절한 적층물 레벨, 튜브 번들(62)과 관련된 파울링 인자 계산 또는 다른 작동 파라메터를 설명할 수 있다.
일실시예에서는, 미국 뉴욕주 스케넥터디에 소재하는 General Electric Company로부터 입수 가능한 PREDIX™이 실시간 광영역 제어 환경의 구현에 사용하기 위한 플랫폼으로서 사용될 수 있어, 응축기 세트, 팬 또는 다른 장비를 제어되는 결정 방식으로 안전하고 확실하게 전개, 운영, 업그레이드 및 해체할 수 있다.
도 3은 스팀 사이클(44)에서 사용되는 응축기(50)의 실시예에 관한 개략도이다. 스팀은 응축기(50)의 상부에 배치된 이송관이나 헤더(60)를 통해 응축기(50)로 전달된다. 스팀은 그 후에 일련의 열교환기 튜브(62)에 있는 응축기(50)의 열교환기 부분(51)을 통과하여 하향 안내된다. 열교환기(51)를 형성하는 튜브 번들(62)은 예시한 바와 같이 거의 A자형 구성이나 또는 다른 임의의 다른 적절한 구성으로 배치될 수 있다. 튜브(62)와 튜브(62) 상의 핀을 갖는 한가지 가능한 열교환기 구성을 도시하기 위해, 열교환기 부분(51)의 일부의 확대 절결도가 예시된다. 그러나, 열교환기(51) 내에서의 다른 튜브 및 핀 구성의 사용도 가능하다. 임의의 경우, 핀은 주위 공기로 노출되고, 대형 표면적을 갖는 히트싱크를 형성한다. 핀은 튜브 번들(62)을 통해 이동하는 스팀 내의 열을 소산시킨다. 스팀이 튜브(62) 내부에서 아래로 흐를 때, 스팀은 튜브(62)의 외부 표면에 걸쳐 취입되는 주위 공기의 냉각 효과로 인해 응축한다. A자형 프레임워크의 바닥 부분에 위치하는 팬(52)은 주위 공기를 핀형 튜브(62)에 의해 형성되는 열교환기(51)를 통해 취입하도록 작동한다. 응축물을 도 1에 도시한 HRSG(46)으로 다시 펌핑되기 전에 (도 2에 도시한 바와 같은) 응축물 탱크로 배출된다.
모터(53)는 튜브(62)에 배치된 핀을 가로질러 그리고 핀 위로 주위 공기를 취입하는 팬(52)의 블레이드를 구동 또는 회전시킨다. 주위 공기가 튜브(62)의 핀을 가로지를 때, 공기는 튜브(62)를 통해 흐르는 스팀으로부터 열을 흡수하여, 제거한다. 이러한 열전달 동작은 스팀이 액체 형태(예컨대, 물)로 돌아가게 하며, 액체 형태는 응축기(50)의 바닥에 수집된다.
일반적으로 말하자면, 제어기(58)는 현재 부하 요건 및 환경 조건에 기초하여 임의의 특정 시기에 응축기 전부 또는 총 응축기(50)의 서브셋을 작동시키도록 팬 피동 응축기(50)를 동작시킬 수 있다. 플랜트 또는 스팀 사이클 내의 응축기(50)의 실제 작동은, 각각의 응축기(50) 내의 팬(52)의 속도를 제어하는 것, 팬 블레이드의 피치를 조정하는 것, 튜브 번들(62)과 팬(52)의 상태를 모니터링하기 위해 응축기 모델(72)을 이용하는 것에 의한 것 및/또는 모든 응축기(50)보다 적은 수의 응축기를 사용하는 것에 의한 것을 포함하는 여러 방식으로 수정 또는 제어될 수 있다.
도 4는 응축기(50)의 다양한 팬 블레이드의 공기 흐름 프로파일을 예시하는 플롯이다. 전술한 바와 같이, 응축기 모델(72)은 튜브 번들(62)과 팬(52)의 상태를 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 비제한적인 일례에서, 응축기 모델(72)은, 팬(52)의 블레이드 상에 적층물(예컨대, 파편)이 축적될 때에 적층물로 인해 팬 블레이드로의 주위 공기의 감소된 흐름을 반영할 수 있다. 아래에서 제시하는 플롯에서, 라인(80, 82)은 비교적 깨끗한 상태의 팬 블레이드와 관련된 공기 흐름 프로파일을 예시한다. 라인(84, 86)은 작동으로 인해 비교적 더러운 상태의 팬 블레이드와 관련된 공기 흐름 프로파일을 예시한다. 도시한 바와 같이, 적층물이 응축기(50)의 팬 블레이드 상에 축적된 후에 공기 흐름은 감소된다. 다양한 팬 블레이드의 공기 흐름 프로파일은 응축기 모델(72)에 의해 생성될 수 있고, 적층물이 축적될 때에 적층물로 인한 부분 부하(예컨대, 더 낮은 용량)에서 작동하는 팬(52)에 맞추도록 응축기 주위의 공기 흐름을 조정하는 데 이용될 수 있다. 예컨대, 팬(52)이 비교적 더러우면, 감속량은 비교적 깨끗한 팬(52)보다 적을 수 있는데, 그 이유는 팬(52)을 가로지르는 흐름이 이미 적층물로 인해 감소되었기 때문이다.
도 5는 실시예에 따른, 응축기(50)의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정하는 예시적인 방법의 상세를 나타내는 흐름도이다. 상기 방법은 응축기(50) 또는 발전소(10)의 다른 구성요소의 작동 파라메터를 측정하도록 구성된 센서로부터 데이터를 수신하는 단계(블럭 102)를 포함할 수 있다. 상기 방법은 스팀 헤더(60)를 통과하는 스팀의 유량을 결정하는 단계(블럭 104)를 포함할 수 있다. 상기 방법(100)은 스팀의 유량이 문턱값 이내인지의 여부를 산출하는 단계(블럭 106)를 포함할 수 있다. 상기 방법(100)은, 스팀의 유량이 문턱값 이내가 아닌 경우에 적어도 부분적으로 스팀의 유량에 기초하여 팬(52)의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정하는 단계(블럭 108)를 포함할 수 있다. 상기 방법(100)은, 스팀의 유량이 문턱값 이내일 때에 스팀의 유량을 포함하여 발전소의 작동 파라메터(예컨대, 마지막 세척 이후의 온라인 시간, 공기 품질 등)를 계속해서 모니터링하는 단계(라인 110)을 포함할 수 있다.
여기에서 설명되는 다양한 지시, 방법 및 기술은, 프로그램 모듈과 같은 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 디바이스에 의해 실행되는 컴퓨터 실행 가능 명령의 일반적인 맥락으로 간주될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은, 특별 과제를 수행하거나 특별한 추상 데이터 타입을 구현하기 위한 루틴, 프로그램, 오브젝트, 부품, 데이터 구조 등을 포함한다. 이러한 모듈 등은 자연어 코드(native code)로서 실행될 수도 있고, 가상 기계나 다른 저스트-인-타임 컴파일 실행(just-in-time compilation execution) 환경 등에서 다운로드되고 실행될 수 있다. 프로그램 모듈의 기능은 다양한 실시예에서 소망하는 바에 따라 결합 또는 분배될 수 있다. 이러한 모듈과 기술의 구현은 일부 형태의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수 있다.
도 1 내지 도 3 에 도시한 예시적인 시스템은 단지 예로서 주어진 것이다. 여러 다른 작동 환경, 시스템 아키텍쳐 및 디바이스 구성이 가능하다. 따라서, 본 개시의 실시예는 임의의 작동 환경, 시스템 아키텍쳐 또는 디바이스 구성으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 기술적인 효과는 부하에 부분적으로 기초하여 발전소 내의 장비(예컨대, 응축기)의 작동을 조정하는 데 부분적으로 기초하여 발전소의 효율을 개선하는 시스템 및 방법을 포함한다. 제어기는 센서에 의해 출력된 데이터를 이용하여, 발전소 부하가 변할 때에 응축기의 파워 사용량을 조정한다. 플랜트 또는 스팀 사이클 내의 응축기의 실제 작동은, 각각의 응축기 내의 팬의 속도를 제어하는 것, 팬 블레이드의 피치를 조정하는 것, 튜브 번들과 팬의 상태를 모니터링하기 위해 응축기 모델을 이용하는 것에 의한 것 및/또는 모든 응축기보다 적은 수의 음축기를 사용하는 것에 의한 것을 포함하는 여러 방식으로 수정 또는 제어될 수 있다.
이 서술된 설명은 최상의 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위한 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 사실상 청구범위와 다르지 않은 구조 요소를 갖거나, 사실상 청구범위와 대단치 않은 차이를 지닌 등가의 구조 요소를 포함하는 경우 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (13)

  1. 스팀 사이클 시스템(44)으로서,
    배기 가스(38)를 수용하도록 구성된 배열 회수 장치(Heat Recovery Steam Generator; HRSG)(46);
    HRSG(46)에 유동적으로 커플링되고 HRSG(46)에 의해 생성된 제1 스팀 흐름을 수용하도록 구성된 스팀 터빈(48);
    스팀 터빈(48)에 의해 출력되는 제2 스팀 흐름을 응축시키도록 구성된 응축기(50)로서, 복수 개의 열교환기 튜브(62), 팬(52) 및 스팀 수집 헤더를 포함하는 응축기;
    스팀 흐름의 하나 이상의 속성을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서(54); 및
    하나 이상의 센서(54)에 통신 가능하게 커플링되는 폐루프형 제어기(58)를 포함하고, 제어기(58)는
    하나 이상의 센서(54)로부터 데이터를 수신하도록,
    하나 이상의 센서(54)를 사용하여 스팀 수집 헤더(60)를 통과하는 제2 스팀 흐름의 유량을 결정하도록,
    스팀의 유량이 문턱값 이내인지 여부를 산출하도록,
    적어도 부분적으로 스팀의 유량에 기초하여 팬(52)의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정하도록, 그리고
    팬(52)을 선택적으로 작동하기 위하여 하나 이상의 팬 블레이드 상의 적층물의 양에 부분적으로 기초하여 팬(52)으로의 주위 공기의 흐름을 감소시키기 위해 응축기 모델(72)을 활용하도록
    구성되는 것인 스팀 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 센서(54)는 제2 스팀 흐름의 속도, 온도 또는 압력을 측정하도록 구성되는 것인 스팀 사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 센서(54)는 유량 센서를 포함하는 것인 스팀 사이클 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 팬(52)의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정하는 것은 상기 하나 이상의 팬 블레이드의 피치각을 조정하는 것을 포함하는 것인 스팀 사이클 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 팬(52)의 하나 이상의 작동 파라메터를 조정하는 것은 팬(52)의 속도를 조정하는 것에 의해 팬의 파워 소비를 감소시키는 것을 포함하는 것인 스팀 사이클 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제어기(58)는 하나 이상의 센서(54)로부터 데이터를 수신하도록 그리고 복수 개의 열교환기 튜브(62)와 팬(52)의 상태를 모니터링하기 위해 상기 응축기 모델(72)을 활용하도록 구성되는 것인 스팀 사이클 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 제어기(58)는, 적어도 부분적으로 실험 시스템 결과에 기초하여 상기 하나 이상의 팬 블레이드의 성능 악화 시나리오를 결정하기 위해 응축기 모델(72)을 이용하도록 구성되는 것인 스팀 사이클 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 실험 시스템 데이터는 주위 공기 온도, 주위 공기의 습도 퍼센티지 및 세정수의 수압을 포함하는 것인 스팀 사이클 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 제어기(58)는, 적어도 부분적으로 실험 시스템 결과에 기초하여 스팀 사이클(44)의 성능 악화 시나리오를 결정하기 위해 응축기 모델(72)을 이용하도록 구성되는 것인 스팀 사이클 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 제어기(58)는, 적어도 부분적으로 실험 시스템 데이터에 기초하여 가스 터빈 사이클의 성능 악화 시나리오를 결정하기 위해 응축기 모델(72)을 이용하도록 구성되는 것인 스팀 사이클 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 문턱값은 부분적으로 가스 터빈의 부하에 기초하는 것인 스팀 사이클 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 문턱값은 부분적으로 세트 배출 레벨에 기초하는 것인 스팀 사이클 시스템.
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