KR102346323B1 - 가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법 - Google Patents

가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 가스 라인(6)을 통해 가스 터빈 발전소로 수송되고 연소 챔버(4) 내에서 연소된 후, 이어서 가스 터빈에 공급되는 가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다. 가스 라인(6) 내에는 연소 챔버(4)로의 연료의 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브(12a, 12b)가 설치되고, 상기 밸브(12a, 12b)에 대해 임계 개방 위치(Scrit)가 규정된다. 가스 라인(6) 내의 압력이 불충분한 경우에 가스 터빈 발전소의 동력(P)이 가급적 오랫동안 최대로 유지되는, 개선된 가스 터빈 발전소 운전 방법의 관점에서, 밸브(12a, 12b)가 임계 개방 위치(Scrit)를 막 초과하려고 할 때, 가스 라인(6) 내 연료의 온도(TB)가 하강한다.

Description

가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법
본 발명은, 가스 라인을 통해 가스 터빈 발전소(gas turbine plant)로 수송되고 연소 챔버 내에서 연소된 후 가스 터빈에 공급되는 가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 제어 장치 및 이러한 제어 장치를 구비한 가스 터빈 발전소에 관한 것이다.
가스 터빈 발전소에서는 일반적으로 가스 라인을 통해 천연가스가 연료로서 공급된다. 이 경우, 가스 터빈 발전소의 최적의 운전은 연료의 품질, 정확한 압력 및 정확한 온도에 좌우된다. 가스 터빈 발전소의 운전을 위한 전제 조건으로서 결정되어 보장되어야 하는 최소 요구 압력도 마찬가지로 터빈 부하, 주위 온도, 주위 압력, 가스 조성, 가스 온도 등과 같은 다양한 사용 및 환경 조건에 좌우된다. 그러나, 예를 들어 지역 가스 공급망 내 압력 변동, 가스 터빈 발전소로 이어지는 라인 및 가스 터빈 발전소 내부의 고장, 가스 압축기가 존재할 경우 상기 가스 압축기의 고장, 가스 품질의 변동, 가스 라인 시스템에 따른 압력 손실, 화력(firing power) 강화 등으로 인한 다양한 상황으로 인해, 가스 라인 내 압력이 충분하지 않을 수도 있다. 가스 터빈 연소가 2개 이상의 단(예를 들어, 메인 버너 및 파일럿 버너)으로의 연료 질량 유동(mass flow)의 정확한 분배에 좌우될 경우, 전술한 상황들에서 연소 안정성이 더 이상 보장될 수 없다.
EP 1 730 444 B1호로부터, 가스 라인의 공급 압력이 연소 챔버 내 압력보다 큰 것을 보장하기 위해, 연료 온도를 낮추는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 이는 항시, 연료 온도의 하강보다 더 높은 우선순위를 갖는 가스 터빈의 동력 상승을 제한하기 위한 추가 조치와 조합하여 실현된다. 그 동기는, 연료 공급 압력의 안정화를 통해, 전체 연료 공급의 동작 안전을 위협하고 가스 터빈 발전소가 상당 시간 정지되게 할 수 있는 역화(flashback)를 방지하는 것이다. 동력 감소 및 경우에 따라 가스 온도 하강을 위한 조치는, 결정된 압력 곡선 또는 압력 특성곡선에 따라 개시된다. 압력 특성은 설계 계산 및/또는 여타 기계의 실험값에 의해 뒷받침되어야 한다. 동력에 좌우되는 연소 챔버 압력이 고려될 경우, 가스 압력은 최대로 설정 가능한 연료 체적 유동의 대략적인 척도이다. 계산 부정확성 및 (예를 들어, 제조 공차로 인한) 자연적인 기계 간 편차뿐만 아니라, 가스 시스템 및 버너에 걸쳐 시간에 따라 변하는 압력 손실 계수(마모 또는 오염)로 인해, 특정 가스 압력에 대해 최대로 조정 가능한 연료 체적 유동에 소정의 편차가 있을 수 있다.
따라서, 본 발명의 과제는, 종래 기술의 단점을 제거하고, 가스 라인 내 압력이 불충분한 경우, 가스 터빈 발전소의 동력이 가급적 오랫동안 최대로 유지되는, 개선된 가스 터빈 발전소 운전 방법을 제안하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 가스 라인을 통해 가스 터빈 발전소로 수송되고 연소 챔버 내에서 연소된 후, 이어서 가스 터빈에 공급되는 가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법으로서, 상기 가스 라인 내에 연소 챔버로의 연료의 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브가 설치되고, 상기 밸브에 대해 임계 개방 위치가 규정되며, 밸브가 임계 개방 위치를 막 초과하려고 할 때, 가스 라인 내 연료의 온도가 하강하는 방법에 의해 해결된다.
상기 과제는 또한 본 발명에 따라, 상기 유형의 방법을 수행하기 위한 수단을 포함하는 제어 장치에 의해 해결된다.
상기 과제는 마지막으로 본 발명에 따라, 그러한 제어 장치를 구비한 가스 터빈 발전소에 의해 해결된다.
방법과 관련하여 이하에 언급된 장점 및 바람직한 실시예는 제어 장치 및 가스 터빈 발전소에도 상응하게 전용될 수 있다.
여기서 밸브는, 가스 라인 내의 질량 유동을 개회로 제어 또는 폐회로 제어하기 위한 모든 장치를 칭한다. 밸브는 특히 닫힌 상태에서 가스 라인을 완전히 차단할 수 있고, 그에 따라 가스 유동이 차단된다. 밸브는 바람직하게 개회로 제어 또는 폐회로 제어 밸브로서 설계되지만, 플랩, 슬라이드 또는 콕(cock) 유형으로도 형성될 수 있다.
본 발명은, 언제 연료 온도를 낮춰야 하는지를 판단하는 기준으로 관류 밸브의 위치가 사용됨으로써, 가스 터빈 발전소의 매우 신뢰성 있는 제어 가능성이 달성된다는 인식에 기초한다. 밸브의 위치는 연소 챔버 상류에서 실제로 필요한 압력에 대한; 또는 가스 라인 내의 불충분한 압력에 대한 반응으로서 연료 질량 유동이 아직 얼마나 더 증가할 수 있는지에 대한; 직접적인 척도이다. 여기서, 상기 조치들은 실제로 필요한 경우에만 적용되고, 그 결과 가스 터빈의 설정된 목표 동력은 최대한 오랫동안 변하지 않고 유지된다. 종래 기술과 대조적으로, 본원 방법은 특히 부하와 무관한 점에서 구별되는데, 즉, 임계 개방 위치와 상관관계가 있는 밸브의 위치가 고정된 기준이고, 운전점과는 무관하다.
그 일부가 밸브인 가스 라인 내의 질량 유동이 공지되어 있기 때문에, 밸브의 현재 위치는 항상 공지되어 있다. 특히, 밸브의 위치는 질량 유동의 함수로서 조정된다. 질량 유동은 직접 측정되거나, 다양한 파라미터에 기초하여 간접적으로 결정된다. 밸브는 임계 개방 위치에 있지만 가스 라인 내 압력이 불충분하면, 특히 압력 요구가 높아지거나 라인 내 압력이 강하하기 때문에, 가스 온도의 하강이 목표 동력을 유지하기 위한 제1 조치로서 개시되어야 한다. 연료의 온도는 가스 라인 내 압력에 상당한 영향을 미친다. 가스 온도의 하강에 의해 가스의 밀도가 증가하고, 이는 연료 시스템에서의 압력 손실을 더 줄일 수 있다.
바람직하게, 밸브의 임계 개방 위치는 최대 개방 위치의 70%를 초과하는 범위 내에 놓인다. 최대 개방 위치는 가스 라인 내의 질량 유동이 최대인 위치이다. 따라서, 밸브의 결정적인 임계 개방 위치가 반드시 밸브의 최대 개방 위치일 필요는 없고(그러나 임계 개방 위치도 최대 개방 위치로 정의될 수도 있음), 오히려 유량이 약간 최소화된 위치이다. 이 경우, 예를 들어 연료 품질의 변동과 같은, 운전 파라미터의 빠른 단기 변동에 대한 반응으로 밸브의 추가 개방이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 임계 개방 위치가 운전 중에 변경됨으로써, 운전 조건들에 차후에 매칭될 수도 있다.
연료 온도의 하강은 능동 냉각 조치를 통해 실현될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 가스 터빈 발전소가 연료 예열 시스템을 구비하며, 가스 라인 내 연료의 온도는 연료에 공급되는 예열 시스템의 열이 감소함에 따라 하강한다. 이는, 추가 하드웨어를 요구하지 않고 에너지 측면의 어떠한 비용도 수반하지 않는, 온도를 낮추기 위한 매우 간단하고 효율적인 절차이다.
한 바람직한 실시예에 따라, 가스 터빈 발전소의 운전 파라미터를 고려하여 연료의 최저 온도의 임계값이 결정되고, 상기 임계값에 도달하면 가스 라인 내 연료의 온도의 하강이 멈춘다. 가스 터빈 발전소 내에 잠재적인 제한 사항이 존재할 수도 있기 때문에, 최저 가스 온도의 준수가 요구될 수 있다. 낮은 가스 온도에서는, 예를 들어 연소 안정성 및/또는 배출과 관련하여 문제가 발생할 수도 있다. 이러한 운전 파라미터는 예를 들어, 본 발명에 따른 방법을 시작할지 또는 계속 진행할지를 결정하는 추가적인 기준이 되는, 배기가스 내 NOx 값이다. 낮은 가스 온도에서는 응축물 생성의 위험이 존재하기 때문에, 고급 탄화수소의 비율이 증가된 가스의 경우, 연료 온도의 고정된 최소값의 모니터링이 제공될 수도 있다. 매우 추운 장소에서는 가스 온도가 낮아도 결빙의 위험이 존재하고, 이 경우, 5℃의 고정 최소값이 유리한 것으로 입증되었다. 이 경우, 연료 온도 하강을 멈춘다는 것은 표준적으로, 프로세스가 이미 시작되었다면 상기 프로세스의 중단을 의미한다. 대안적으로, 배출 임계값에 이미 도달한 경우에는 연료의 냉각이 아직 활성화되면 안 되고, 배출값이 임계값에 상응하는 한 가스 냉각은 생략된다.
편의상, 가스 라인 내에 복수의 밸브가 설치되고, 각각의 밸브의 위치가 사용된다. 다단 버너의 경우, 일반적으로 개별 단(stage), 예를 들어 메인 버너 및 파일럿 버너로 이어지는 라인들에는, 통상 유동 제어를 위한 밸브가 각각 하나씩 제공된다. 이들 밸브 중 적어도 하나가 임계 개방 위치에 있고, 계속 증가하는 질량 유동 요구에 더 이상 반응할 수 없으면, 전술한 바와 같이 가스 라인 내 연료의 온도가 하강한다.
가스 품질의 편차의 원인이 가스 라인 내의 불충분한 압력에 있는 경우, 연료 온도를 하강시키는 조치로도 일반적으로 충분할 것이다. 그러나, 연료 온도의 하강으로는 압력 요건이 충족될 수 없다면, 바람직하게는 이를 보완하여 터빈 동력을 감소시킨다. 밸브의 임계 개방 위치에 도달한 상태에서 온도가 하강하여도 압력 요구가 충족될 수 없는 경우에 비로소, 특히 감소한 동력 목표값이 미리 규정됨으로써, 터빈 동력이 제어되어 감소한다. 비상 시에는 심지어 가스 터빈 운전 정지가 수행될 수도 있다. 여기서, 두 가지 조치, 즉, 가스 온도의 하강 및 동력 감소는, 동력이 가능한 한 오랫동안 변하지 않고 유지되는 방식으로, 서로 조합되어야 하며, 이 경우 항상 밸브가 임계 개방 위치를 초과하지 않도록 주의해야 한다. 여기서 중요한 것은, 두 가지 조치의 우선순위인데, 즉, 이들 조치는 경우에 따라 동시에 개시되지만, 터빈 동력은 가급적 빨리 다시 상승한다. 터빈 동력의 감소는 특히, 연료 온도의 감소만으로는 압력 구배를 상쇄하기에 불충분한 경우에, 매우 큰 압력 구배에 대한 신속한 반응으로서 개시된다.
본 발명의 일 실시예가 도면을 토대로 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 가스 터빈 발전소의 연료 시스템의 개략적으로 매우 단순화하여 도시한 도면이다.
도 2는 가스 터빈 발전소의 다양한 파라미터의 시간에 따른 거동의 그래프이다.
동일한 참조 부호는 도면에서 동일한 의미를 갖는다.
도 1은 천연가스가 연료로서 사용되는 (더 상세히 도시되지 않은) 가스 터빈 발전소의 부분인 연료 시스템(2)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 가스 터빈 발전소는 일반적으로 압축기, 연소 챔버(4), 그리고 예를 들어 전기를 발생시키기 위한 발전기가 결합되어 있는 가스 터빈을 포함한다.
연료 시스템(2)은 가스 라인(6)을 포함하고, 이 가스 라인을 통해 가스상 연료가 연소 챔버(4)에 공급된다. 연소 챔버(4) 내에는 특히 복수의 버너가 배치되어 있는데, 이들 버너는 도시된 실시예에서 다단으로 구성되어 있고, 도면에서 메인 버너(8) 및 파일럿 버너(10)로 기호로 도시되어 있다. 각각의 제어 밸브(12a, 12b)가 설치되어 있는 서브 라인(6a, 6b)이 각각의 버너 단(8, 10)으로 분기된다. 가스 라인(6)은 또한 비상 밸브(14)를 포함한다. 비상 밸브(14)의 상류에서 가스 라인(6) 상에는 또한, 가스 라인(6) 내 연료를 예열하는 역할을 하는 예열 시스템의 부분인 열 교환기(16)가 배치되어 있다.
나아가, 가스 터빈 발전소는 특히 제어 밸브(12a, 12b)의 위치를 제어하는 개회로 제어 또는 폐회로 제어 장치(18)를 포함한다. 이 경우, 상기 제어 장치(18) 내에는, 예를 들어 제어 밸브(12a, 12b)의 최대 개방 위치의 80%에 해당하는, 제어 밸브(12a, 12b)의 임계 개방 위치가 저장되어 있다. 임계 개방 위치는 예를 들어 제어 밸브(12a, 12b)의 최대 개방 위치의 70%, 75%, 85%, 90%, 95%일 수도 있고, 최대 개방 위치에 상응할 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 과정은 도 2에서 확인할 수 있다. 일반적으로, 각각의 제어 밸브(12a, 12b)의 위치는 개회로 제어 또는 폐회로 제어 장치(18)의 제어 회로를 통해 항상, 가스 터빈이 미리 규정된 동력 또는 연소 온도를 거치도록 조정된다. 따라서 제어 밸브의 위치는, 이하의 변수들, 즉, 천연가스 공급 압력, 천연가스 온도, 천연가스 품질, 주위 조건, 천연가스 공급 시스템 및 버너에 걸친 압력 손실(오염/마모) 및/또는 가스 터빈의 효율(마모)에서의 편차들에 대해 간접적으로 자동으로 반응한다. 상기의 모든 파라미터는, 특히 터빈 동력(P)을 조정하기 위해 제어 밸브(12a, 12b)의 위치를 조절하는 데 근거가 되는 가능한 방해 인자를 나타낸다.
방해 변수로서, 도 2에서 하강하는 연료 공급 압력(BD)(여기서는 천연가스 공급 압력)이 고려된다. 하강하는 천연가스 압력 대신 대안적으로, 열화하는 가스 품질, 하강하는 주위 온도, 상승하는 주위 습도, 상승하는 주위 압력, 버너 또는 천연가스 시스템 구성요소의 오염, 저하된 가스 터빈 효율 등이 사용될 수도 있다.
도 2에 따라, 시점 t0으로부터 시점 t1까지 연료 공급 압력(BD)이 일정하고, 제어 밸브 위치(RV)는 임계 개방 위치(Scrit) 아래에 있다. 연료 온도(TB) 및 터빈 동력(P)은 그의 목표값(터빈 동력의 경우 PS)에서 안정적으로 유지된다.
t1에서부터 t2까지는 가스 라인(6) 내의 연료 공급 압력(BD)이 하강한다. 터빈 동력(P)(또는 연료 질량 유동)을 일정하게 유지하기 위해, 해당 제어 밸브 또는 두 제어 밸브 모두(12a, 12b)가 임계 개방 위치(Scrit)에 도달할 때까지 더 개방된다.
t2부터 t3까지의 시간 간격에서는 연료 공급 압력(BD)이 더 하강한다. 제어 밸브(12a, 12b)가 이들의 미리 규정된 임계 개방 위치(Scrit)에 도달하였고, 그러므로 t3에서부터 이들 제어 밸브는 더 개방되지 않고 Scrit에 유지된다. 동력(P)(또는 연료 질량 유동)을 일정하게 유지하기 위해, 가스 온도(TB)가 하강한다.
t3에서부터, 연료 공급 압력(BD)은 더 가파른 구배로 더 하강한다. 이 구배는 연료 온도(TB)의 느린 변화에 의해 보상하기에는 너무 크다. 연료 온도(TB)는 자신의 최대 구배에 따라 더 하강하고, 제어 밸브(12a, 12b)가 임계 개방 위치(Scrit)에 계속 유지되게 하기 위해 가스 터빈 동력(P)도 추가로 약간 더 하강한다.
t4와 t5 사이에서는, 연료 공급 압력(BD)이 원래 압력보다 더 낮은 레벨로 안정화된다. 제어 밸브(12a, 12b)는 여전히 임계 개방 위치(Scrit)에 있다. t3 이후, 터빈 동력(P)은 계속 동력 목표값(PS)보다 낮았지만, 연료 온도(TB)의 점진적 하강에 병행하여, 가스 터빈 동력(P)은 다시 목표값(PS)까지 서서히 상승한다. 이때, 연료 온도(TB)가 최소 임계값(Tmin)보다 높게 유지되도록 주의해야 하며, 여기서 임계값(Tmin)은 예를 들어 NOx 배출 또는 가스 터빈 발전소의 여타의 운전 파라미터와 상관된다.
t5에서부터, 다시 안정적인 운전이 달성된다. 가스 터빈 동력(P)은 다시 자신의 목표값(PS)에 도달하고, 가스 터빈은 하강한 연료 온도(TB)로 계속 운전된다. 제어 밸브(12a, 12b)가 임계 개방 위치(Scrit) 아래의 위치(RV)를 취하는 경우에만 연료 온도(TB)가 다시 상승한다(이 경우는 도시되어 있지 않음).

Claims (8)

  1. 가스 라인(6)을 통해 가스 터빈 발전소로 수송되고, 연소 챔버(4) 내에서 연소된 후, 가스 터빈에 공급되는 가스 연료로 가스 터빈 발전소를 운전하기 위한 방법에 있어서,
    가스 라인(6) 내에 연소 챔버(4)로의 연료의 유동을 제어하기 위한 적어도 하나의 밸브(12a, 12b)가 설치되고, 이들 밸브(12a, 12b)에 대해 임계 개방 위치(Scrit)가 규정되며, 밸브(12a, 12b)가 임계 개방 위치(Scrit)에 도달하였을 때, 가스 라인(6) 내 연료의 온도(TB)가 하강하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 발전소의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 밸브(12a, 12b)의 임계 개방 위치(Scrit)는 최대 개방 위치의 70%를 초과하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 발전소의 운전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 터빈 발전소는 연료를 위한 예열 시스템을 구비하며, 가스 라인(6) 내 연료의 온도(TB)는 연료에 공급되는 예열 시스템의 열이 감소함에 따라 하강하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 발전소의 운전 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 터빈 발전소의 운전 파라미터에 대한 현재 값을 고려하여 연료의 최저 온도(TB)의 임계값(Tmin)이 결정되고, 임계값에 도달하면 가스 라인(6) 내 연료의 온도(TB)의 하강이 멈추는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 발전소의 운전 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 라인(6) 내에 복수의 밸브(12a, 12b)가 설치되고, 각각의 밸브(12a, 12b)의 위치가 사용되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 발전소의 운전 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보완적으로 터빈 동력(P)이 감소하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 발전소의 운전 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하기 위한 수단을 포함하는 제어 장치(18).
  8. 제7항에 따른 제어 장치(18)를 구비한 가스 터빈 발전소.
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