KR19980070604A - 복합 사이클 발전 플랜트 및 그 냉각용 증기 공급방법 - Google Patents

복합 사이클 발전 플랜트 및 그 냉각용 증기 공급방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 부분 부하 운전시, 배열회수 보일러로부터 증기터빈 플랜트에 적정 온도의 증기를 공급함과 동시에, 기동 운전시, 배열회수 보일러로부터 가스터빈 플랜트에 적정 온도의 냉각용 증기를 공급하는 복합 사이클 발전 플랜트 및 그 냉각용 증기 공급방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트는, 배열회수 보일러(39)에 수용하는 증발기(53)를 제1 증발기(55)와 제2 증발기(54)로 분할하고, 제1 증발기(55)와 제2 증발기(54)의 중간부 및 제2 증발기의 후류측의 적어도 한쪽에 과열기를 설치한 것이다.
또한, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법은, 기동 운전시, 상기 배열회수 보일러(39)의 드럼(52)에 남아 있는 증기를 가스터빈 플랜트(36)에 공급하고, 증기터빈 플랜트(37)가 통기 운전을 개시한 후, 증기터빈 플랜트(37)의 배기 증기와 상기 배열회수 보일러(39)에서 발생하는 증기를 합류시키고, 그 합류 증기를 상기 가스터빈 플랜트(36)에 냉각용 증기로서 공급한다.

Description

복합 사이클 발전 플랜트 및 그 냉각용 증기 공급방법
본 발명은, 배열 회수 보일러에서 발생하는 증기를, 적정 온도로 하여 증기터빈 플랜트에 공급하고, 또 배열 회수 보일러에서 발생하는 증기를, 가스터빈 플랜트에 냉각용 증기로서 공급하는 복합 사이클 발전 플랜트 및 그 냉각용 증기 공급방법에 관한 것이다.
최근의 복합 사이클에서는, 고출력화, 고열효율화의 개발이 진행되고 있고, 이에 따라서 가스터빈 입구의 연소가스 온도도 종래의 1300℃에서 1500℃ 이상으로 상승시키는 고온화가 계획되고 있다.
가스터빈 입구의 연소가스 온도를 고온화 시키는 경우, 종래와 같이, 가스터빈 플랜트의 구성 부품 예를 들어, 고크롬 강재를 사용하고, 공기 압축기의 압축 공기의 일부를 냉각용으로서 가스터빈 플랜트의 구성 부품에 공급하고 있으므로, 그 강도 보증상 한계로 되어 있다. 이 때문에, 가스터빈 플랜트의 구성 부품에 공급하는 냉각 매체로서, 종래의 압축 공기의 대체로서 새로운 냉각 매체의 모색이 개시되어, 그 하나로 증기가 선정되어, 증기 냉각 복합 사이클 발전 플랜트로서 예를 들어, 일본 특개평 5-163960호 공보, 특개평 6-93879호 공보가 이미 공표 되어 있다.
증기는, 압축 공기에 비하여 비열이 높아, 가스터빈 플랜트의 고온화에 따라 그 구성 부품 예를 들어, 가스터빈 고정 날개·회전 날개의 열흡수에 적합하다. 그러나, 가스터빈 고정 날개·회전 날개는, 그 날개 내부가 복잡하게 뒤얽혀 사행상(蛇行狀)의 좁은 통로로 되어 있으므로, 여기를 통과하는 증기에 불순물, 예를 들어 실리카 등이 혼입하여 있으면, 막힘 등의 발생에 의해 편중된 냉각이 행해져, 냉각 불균일에 따른 뒤틀림에 의해 날개를 파손시킬 우려가 있다. 이 때문에, 냉각용 증기는, 청정도가 높은 것이 요구되고 있다.
또한, 가스터빈 플랜트의 구성 부품에 냉각용 증기를 공급하는 경우, 적정 온도의 증기를 공급할 수 있는 증기 공급원을 선정하여 두지 않으면, 가스터빈 플랜트의 구성 부품은, 구동 유체인 연소 가스의 온도차의 관계로 과도한 열응력이 발생하여 파손될 우려가 있다. 이 때문에, 가스터빈 플랜트의 구성 부품은, 적정 온도의 냉각용 증기가 공급될 수 있는 증기 공급원의 확보를 필요로 하고 있다.
한편, 가스터빈 플랜트의 고온화에 따라서 배열 회수 보일러에서 증기터빈 플랜트로 공급하는 증기도 고온화하지만, 이 경우, 증기 온도가 높이 올라가면, 증기터빈 플랜트는, 과도한 열응력이 발생하여, 그 재료 강도의 유지가 어렵게 된다. 이로 인해, 증기터빈 플랜트는, 적정 온도의 증기를 공급할 수 있는 증기 공급원의확보를 필요로 하고 있다.
이와 같이, 복합사이클 발전 플랜트에서는, 냉각용 증기의 청정도가 좋고, 적정 온도의 증기 공급도 좋고, 가스터빈 플랜트 및 증기터빈 플랜트에 대하여 필요 불가결한 기술 사항을 고찰하여 배열회수 보일러의 제1 고압과열기를 증기 공급원으로 설정하여 둔, 그 예시로서 도 6에 나타낸 것이 이미 제안되어 있다.
이 복합사이클 발전 플랜트는, 가스터빈 플랜트(1)와 증기터빈 플랜트(2)를 공통의 회전축(3)으로 결합시킴과 동시에 배열회수 보일러(4)를 별도로 배치하고 있다.
가스터빈 플랜트(1)는, 발전기95), 공기 압축기(6), 연소기(7), 가스터빈(8)을 구비하고, 공기 압축기(6)에 흡입된 대기(AR)를 고압의 압축 공기로 하여 연소기(7)에 안내하고, 여기서 연료를 가하여 연소가스를 생성하고, 그 연소가스를 가스터빈(8)에서 팽창시켜, 그 동력에 의해 발전기(5)를 구동시키도록 되어 있다.
증기터빈 플랜트(2)는, 고압 터빈(9), 중압 터빈(10), 저압 터빈(11), 복수기(12)를 각각 구비하고, 고압 터빈(9)에서 팽창 후의 배기 증기를 배열회수 보일러(4)의 재생기(13)로 안내하여 과열시키고, 재열 증기로서 중압 터빈(10)으로 안내하여 팽창시키고, 그 배기 증기를 저압 터빈(11)에서 다시 팽창시킨 후, 복수기(12)에서 복수로 압축시키고, 급수로서 펌프(13)를 통하여 배열회수 보일러(4)에 공급하도록 되어 있다.
한편, 배열회수 보일러(4)는, 가스터빈 보일러(1)의 배기 가스(G)의 흐름에 따라 그 상류측에서 하류측으로 향하여 순차로, 제3 고압 과열기(14), 재열기(13), 제2 고압 과열기(15), 제1 고압 과열기(16), 고압 드럼(17)을 구비한 고압 증발기(18), 중압 과열기(19), 고압 절탄기(20), 저압 과열기(21), 중압 드럼(22)을 구비한 중압 증발기(23), 중압 절탄기(24), 저압 드럼(25)을 구비한 저압 증발기(26), 저압 절탄기(27)를 각각 수용하고, 각 열교환기와 배기 가스(G)와의 열교환에 의해 증기를 발생시키도록 되어 있다.
즉, 배열회수 보일러(4)는, 증기터빈 플랜트(2)의 복수기(12)에서 펌프(13)를 통하여 공급되는 급수를 저압 절탄기(27)에서 예열시켜 저압 드럼(25)으로 안내하고, 여기서 드럼수의 밀도차를 이용하여 저압 증발기(26)에 순환시켜 증기를 생성하고, 그 증기를 저압 과열기(21)를 통하여 저압 터빈(11)에 공급하도록 되어 있다.
또한, 저압 절탄기(27)는, 그 출구측에서 분류시킨 포화수의 일부를 저압 펌프(28), 중압 절탄기(24)를 통하여 저압 드럼(22)으로 안내하고, 여기서도 드럼수의 밀도차를 이용하여 저압 증발기(23)로 순환시켜 증기를 생성하고, 그 증기를 중압 과열기(19)를 통하여 가스터빈 플랜트(1)로 공급하여, 가스터빈(8)의 구성 부품을 냉각하도록 되어 있다.
또한, 저압 절탄기(27)는, 나머지 포화수를 고압 펌프(29), 고압 절탄기(20)를 통하여 고압 드럼(17)으로 안내하고, 고압 증발기(18)에서 순환시켜 증기를 생성하여, 그 증기를 제1 고압 과열기(16)로 안내하도록 되어 있다.
한편, 제1 고압 과열기(16)는, 증기를 제2 고압 과열기(15)로 안내하는 증기관(30)과, 바이패스 밸브(31)를 개재한 바이패스관(32)을 각각 구비하고, 제2 고압 과열기(15)에서 발생한 과열 증기에 바이패스관(32)의 증기를 합류시켜, 적정 온도로 낮추어 제3 고압 과열기(14)를 통하여 증기터빈 플랜트(2)의 고압 터빈(9)에 공급하도록 되어 있다.
이와 같이, 이미 제안되어 있는 복합사이클 발전 플랜트에서는, 배열회수 보일러(4)로부터 고압 터빈(9)에 증기를 공급할 때, 그 배기 공급원을 제1 고압 과열기(16)로 설정하고, 여기에서 발생하는 증기를 제2 고압 과열기(15)를 통하여 과열 증기로 할 때, 바이패스관(32)을 통하여 그 증기 온도를 내려, 제3 고압 과열기(14)에서 고압 터빈(9)으로 적정 온도의 과열 증기로서 공급하고 있다.
또한, 가스 터빈(8)의 구성 부품에 냉각용 증기를 공급하는 경우, 배열 보일러(4)는, 중압 과열기(19)에서 생성한 포화 증기와 고압 터빈(9)의 배기 증기를 합류시키고, 그 합류 증기를 가스 터빈(8)에 공급하여, 가스터빈 입구의 연소 가스의 고온화에 따른 가스터빈 부재의 강도 유지를 도모하고 있다. 또한, 가스터빈(8)의 구성 부품을 냉각한 증기는, 재열기(13)의 재열 증기와 함께 중압 터빈(10)으로 안내된다.
그런데, 도 6에 나타낸 복합사이클 발전 플랜트에서는, 기동 운전시, 배열회수 보일러(4)에서 아직 증기를 생성시키지 않고 있으므로, 중압 과열기(19)나 고압터빈(9)에서 가스터빈(8)으로 냉각용 증기를 공급할 수 없다. 이 때문에, 가스터빈(8) 구성 부품의 냉각에 있어, 배열회수 보일러(4)의 고압 드럼(17)에 남아 있는 증기를 이용하는 계획이 진행되고 있다. 이 경우, 배열회수 보일러(4)는, 제1 고압 과열기(16), 제2 고압 과열기(15), 제3 고압 과열기(14)의 잔류열이 이용될 수 있으므로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 고압 과열기(16)의 출구측에 바이패스관(32)과 평행시켜 조절 밸브(33)를 구비한 냉각 증기관(34)을 설치하여, 고압 드럼(17)의 잔류 증기를 제1 고압 과열기(16)로 안내하여 과열시키고, 그 증기의 일부를 제2 고압 과열기(15), 제1 고압 과열기(14)로 안내함과 동시에, 남은 증기를 냉각 증기관(34)으로도 안내하여, 제3 고압 과열기(14)의 출구측에서 합류시키고, 그 합류 증기에 의해 가스 터빈(8)의 고온부를 잠정적으로 냉각하여 두고, 가스터빈 플랜트(1)가 고부하로 된 경우, 도 6에 나타낸 중압 과열기(19)와 고압 터빈(9)의 합류 증기에 의해 가스터빈(8)의 구성 부품을 증기 냉각하는 설계가 진행되고 있다.
그런데, 도 6에 나타낸 복합사이클 발전 플랜트에서는, 정규 운전시, 배열회수 보일러(4)로부터 고압 터빈(9)에 적정 온도의 증기를 공급하는 계획을 진행하여도, 부분 부하 운전으로 되면, 가스터빈(8)으로부터 배열회수 보일러(4)로 공급되는 배기 가스(G)의 온도가 더욱 높아진다.
일반적으로, 가스터빈 플랜트(1)는, 부분 부하 운전을 하는 경우, 도 8의 점선으로 나타낸 바와 같이, 배기 가스(G)의 온도가 상승한다. 이 배기 가스(G)의 온도 상승에 대해, 제1 고압 과열기(16)의 증기 온도는, 도시한 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 대개 일정함에도 불구하고, 제2 고압 과열기(15)의 증기 온도는, 도시한 실선으로 나타낸 바와 같이 고온화한다. 또한, 제3 고압 과열기(14)의 증기 온도도, 제2 고압 과열기(15)의 증기 온도와 마찬가지로 상승한다(도시하지 않음). 이 경우, 배열회수 보일러(4)는, 제3 고압 과열기(14)의 과열 증기를 적정 온도로 하여 고압 터빈(9)에 공급하므로, 제1 고압 과열기(16)의 증기를 바이패스관(32)을 통하여 제3 고압 과열기(14)에 공급할 때, 도시한 실선으로 나타낸 바와 같이, 바이패스 배기 유량을 증가시키도록 하고 있다. 이 때문에, 제2 고압 과열기(15)는, 배기 가스(G)의 고온화에 따라서 그 열교환량이 증가함에도 불구하고, 그 피가열 대상의 증기량이 격감하고, 열교환시, 편중된 온도 분포로 되어 과도한 열응력이 발생하여, 전열관을 소손(燒損) 또는 파손시킬 우려가 있다.
다른 한편, 기동 운전시, 도 7에 나타낸 복합사이클 발전 플랜트에서는, 제1 고압 과열기(16)의 출구측에 바이패스관(32)과 평행하게 냉각 증기관(34)을 설치하여, 고압 드럼(17)에 남아 있는 증기를 이용하여, 그 증기를 제1 고압 과열기(16)로 안내하고, 제1 고압 과열기(15)를 냉각 증기 공급원으로 하여, 그 증기의 일부를 냉각 증기관(34)에, 또 그 남은 것을 제2 고압 과열기(15)를 통하여 제3 고온 과열기(14)로 각각 공급하여, 제3 고압 과열기(14)의 출구측에서 합류시키고, 그 합류 증기를 가스터빈(8)에 공급하여, 가스터빈(8)의 구성 부품을 냉각하는 구성으로 되어 있다. 그러나, 기동 운전시에도 예를 들어, 핫 스타드(hot start) 또는 베리 핫 스타트(very hot start) 시, 각 열교환기의 잔류열이 아직 높으므로, 가스터빈(8)이 구하고 있는 냉각용 증기의 온도를 넘는 것이 있다. 냉각용 증기를 적정 온도로 하기 위해서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 가스터빈(8)의 입구측에 비교적 온도가 낮은 증기를 생성하는 증기 발생장치(35)를 설치할 필요가 있지만, 설비 가격을 고려하면 상책인 수단은 아니다.
또, 도 7에서는, 가스터빈(8)의 출구측에는, 복수기(12)에 접속하는 제1 바이패스관(12a)이 설치되고, 또 고압 터빈(9)의 입구측에는 복수기(12)에 접속하는 제2 바이패스관(12b)이 설치되어 있다.
이와 같이, 이미 제안되어 있는 도 6 및 도 7에 나타낸 복합사이클 발전 플랜트에서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 부하의 변동에도 불구하고 안정된 증기 온도를 생성하는 제1 고압 과열기(16)를 증기 공급원으로 설정하여, 이로부터 고압 터빈(9)에 적정 온도 증기를 공급하고, 또 가스터빈(8)에 적정 온도의 냉각용 증기를 공급하는 설계이지만, 자세히 고찰하여 보면, 상술한 제반 문제점을 갖고 있어, 가스터빈 플랜트의 고온화에 대처할 수 있는 개선책이 필요하다.
본 발명은, 이와 같은 기술 배경 하에 된 것으로, 부분 부하 운전으로 되어도 배열회수 보일러에서 증기터빈 플랜트로 적정 온도의 증기를 안정되게 공급할 수 있는 복합사이클 발전 플랜트를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 기동 운전시, 배열회수 보일러로부터 적정 온도의 냉각용 증기를 가스터빈 플랜트에 공급하는 복합사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 배열회수 보일러에서 발생하는 증기를 다른 플랜트에 공급할 수 있는 복합사이클 발전 플랜트을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 실시예를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 관한 제1 고압 과열기의 설치 위치를 설정하는 경우의 설명도.
도 3은 본 발명에 의해 얻는 부하 변동에 대한 증기 온도, 바이패스 증기 유량의 분포를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법을 설명하는 개략 계통도.
도 5는 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 제2 실시예를 나타낸 개략도.
도 6은 종래의 복합 사이클 발전 플랜트의 실시예를 나타낸 개략도.
도 7은 종래의 복합 사이클 발전 플랜트의 다른 실시예를 나타낸 개략도.
도 8은 종래의 부하 변동에 대한 증기 온도, 바이패스 증기 유량의 분포를 나타낸 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 가스터빈 플랜트 2 증기터빈 플랜트
3 회전축 4 배열회수 보일러
5 발전기 6 공기 압축기
7 연소기 8 가스 터빈
9 고압 터빈 10 중압 터빈
11 저압 터빈 12 복수기
13 재열기 14 제3 고압 과열기
15 제2 고압 과열기 16 제1 고압 과열기
17 고압 드럼 18 고압 증발기
19 중압 과열기 20 고압 절탄기
21 저압 과열기 22 중압 드럼
23 중압 증발기 24 중압 절탄기
25 저압 드럼 26 저압 증발기
27 저압 절탄기 28 저압 펌프
29 고압 펌프 30 증기관
31 바이패스 밸브 32 바이패스관
33 조절 밸브 34 냉각 증기관
35 증기 발생 장치 36 가스터빈 플랜트
37 증기터빈 플랜트 38 회전축
39 배열회수 보일러 40 발전기
41 공기 압축기 42 연소기
43 가스 터빈 44 고압 터빈
45 중압 터빈 46 저압 터빈
47 복수기 48 재열기
49 펌프 50 제3 고압 과열기
51 제2 고압 과열기 52 고압 드럼
53 고압 증발기 54 제2 고압 증발기
55 제1 고압 증발기 56 제1 고압 과열기
57 중압 과열기 58 고압 절탄기
59 저압 과열기 60 중압 드럼
61 중압 증발기 62 중압 절탄기
63 저압 드럼 64 저압 과열기
65 저압 절탄기 66 바이패스 밸브
67 바이패스관 68 저압 펌프
69 고압 펌프 70 조절 밸브
71 냉각 증기관 72 제1 바이패스관
73 제2 바이패스관 74 조절 밸브
75 프로세스 증기 공급관 76 감온기
77 고압 과열기 감온수관 78 밸브
본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 1에 기재한 바와 같이, 가스터빈 플랜트와 증기터빈 플랜트를 구비하고, 가스터빈 플랜트의 배기 가스를 이용하여 증기터빈 플랜트의 구동 증기를 발생시키는 배열 회수 보일러를 구비한 복합 사이클 발전 플랜트에 있어서, 상기 배열 회수 보일러에 수용하는 증발기를 배기 가스 흐름의 상류측의 제1 증발기와 하류측의 제2 증발기로 분할하고, 상기 제1 증발기와 제2 증발기의 중간부 및 제2 증발기의 배기 가스 상류측의 적어도 한쪽에 과열기를 설치한 것이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 2에 기재한 바와 같이, 증발기는 고압 증발기이고, 과열기는 고압 과열기인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 3에 기재한 바와 같이, 2분할한 증발기에 있어서 중간부의 과열도가 낮은 과열 증기를 발생시키는 위치에 과열기를 설치한 것이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 4에 기재한 바와 같이, 증발기를 2분할한 그 중간부에 설치한 과열기는, 그 상류측에 위치한 다른 증발기로부터 발생하는 과열 증기에, 상기 과열기로부터 발생한 과열 증기를 합류시키는 바이패스관을 구비한 것이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 5에 기재한 바와 같이, 바이패스관은, 바이패스 밸브를 구비한 것이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 6에 기재한 바와 같이, 과열기는, 발생한 과열 증기를 다른 플랜트의 프로세스 증기로 이용하는 것이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트는, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 7에 기재한 바와 같이, 과열기는, 발생한 과열 증기를 가스터빈 플랜트를 구성하는 가스 터빈의 냉각 증기로 이용하는 것이다.
또한, 본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법은, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 8에 기재한 바와 같이, 배열 회수 보일러로부터 가스터빈 플랜트로 냉각용 증기를 공급하는 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법에 있어서, 기동 운전시, 상기 배열 회수 보일러의 드럼에 남아 있는 증기를 가스터빈 플랜트에 공급하고, 증기터빈 플랜트가 통기 운전을 개시한 후, 증기터빈 플랜트의 배기 증기와 상기 배열 회수 보일러에서 발생하는 증기를 합류시켜, 그 합류 증기를 상기 가스터빈 플랜트에 냉각용 증기로서 공급하는 방법이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법은, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 9에 기재한 바와 같이, 드럼은 고압 드럼이고, 이 고압 드럼에 남아 있는 증기를, 증발기를 2분할하여 그 중간부에 설치한 과열기에 공급하고, 그 과열기에서 발생하는 증기를 냉각용 증기로서 가스터빈 플랜트에 공급하는 것을 특징으로 하는 방법이다.
본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법은, 상술한 목적을 달성하기 위해, 청구항 10에 기재한 바와 같이, 과열기는, 발생하는 증기를, 냉각 증기관을 통하여 냉각용 증기로서 가스터빈 플랜트에 공급할 때, 상기 과열기의 상류측에 설치한 다른 과열기에서 발생하는 증기에 합류시키는 방법이다.
(발명의 실시예)
이하, 본 발명에 관한 복합사이클 발전 플랜트 및 그 냉각용 증기 공급방법의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 실시예를 나타낸 개략도이다.
본 실시예에 관한 복합 사이클 발전 플랜트는, 가스터빈 플랜트(36)에 증기터빈 플랜트(37)를 회전축(38)으로 결합시킴과 동시에, 가스터빈 플랜트(36)에 냉각용 증기를 공급하는 한편, 증기터빈 플랜트(37)에 구동용 증기를 공급하는 배열회수 보일러(39)를 별도로 설치한 구성으로 되어 있다.
가스터빈 플랜트(36)는, 발전기(40), 공기 압축기(41), 연소기(42), 가스터빈(43)을 구비하고, 공기 압축기(41)에서 흡입한 대기(AR)를 고압의 압축 공기로 하여 연소기(42)로 안내하고, 여기서 연료를 가하여 연소 가스를 생성하고, 그 연소가스를 가스터빈(43)에서 팽창시켜, 그 동력에 의해 발전기(40)를 구동하도록 되어 있다.
증기터빈 플랜트(37)는, 고압 터빈(44), 중압 터빈(45), 저압 터빈(46), 복수기(47)를 각각 구비하고, 고압 터빈(44)에서, 팽창 후의 배기 증기를 배열회수 보일러(39)의 재열기(48)로 안내하여 과열시키고, 재열 증기로서 중압 터빈(45)으로 안내하여 팽창시키고, 그 배열 증기를 저압 터빈(46)에서 다시 팽창시킨 후, 복수기(47)에서 복수로 응축시켜, 급수로서 펌프(49)를 통하여 배열회수 보일러(39)로 공급하도록 되어 있다.
한편, 배열회수 보일러(39)는, 가스터빈 플랜트(36)의 배기 가스(G)의 흐름에 따라서 그 상류측으로부터 하류측을 향하여 순서대로, 제3 고압 과열기(50), 재열기(48), 제2 고압 과열기(51), 고압 드럼(52)을 구비한 고압 증발기(53), 중압 과열기(57), 고압 절탄기(58), 저압 과열기(59), 중압 드럼(60)을 구비한 중압 증발기(61), 중압 절탄기(62), 저압 드럼(63)을 구비한 저압 증발기(64), 저압 절탄기(65)를 각각 수용하고, 각 열교환기와 배기 가스(G)의 열교환에 의해 증기를 발생시키도록 되어 있다. 또한, 부호 68은, 저압 절탄기(65)의 포화수의 일부를 중압 절탄기(62)에 공급하는 저압 펌프이고, 또 부호 69는, 그 포화수의 일부를 고압 절탄기(58)에 공급하는 고압 펌프이다.
또한, 고압 증발기(53)는, 2구분으로 분할된 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)를 구비한 한편, 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)의 중간부에 제1 고압 과열기(56)를 설치한 구성으로 되어 있다. 고압 증발기(53)를 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)로 각각 2분할 하고, 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)의 중간부에 제1 고압 과열기(56)를 설치함은, 다음의 이유 때문이다.
고압 증발기(53)를 통과하는 배기 가스(G)의 온도는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 그 입구측에서 포화 온도 +170℃이지만, 그 중앙부보다도 후류측으로 되면, 포화 온도차가 작게 됨이 알려져 있다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 배기 가스 온도가 포화 온도 +30℃~10℃로 되는 영역(A)에 제1 고압 과열기(56)를 설치하면, 여기에서 발생하는 과열 증기의 과열도를 10℃ ~ 20℃로 비교적 낮게 억제할 수 있다. 이 경우, 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기와 배기 가스(G)의 핀치 포인트(pinch point)는, 계산에 의하면 약 8℃로 되어 있다. 또한, 증기터빈 플랜트(37)가 과열도 5℃ ~ 10℃ 정도의 저과열도의 과열 증기를 필요로 하는 경우, 제1 고압 과열기(56)는, 고압 증발기(53)를 2분할로 한 제1 고압 증발기(55)의 후류측에 설치함이 바람직하다.
다음에 작용을 설명한다.
복합 사이클 발전 플랜트가 부분 부하운전으로 들어가면, 가스터빈 플랜트(36)에서 배열회수 보일러(39)로 공급되는 배기 가스(G)의 온도는 상승하고, 이에 따라서 제3 고압 과열기(50), 제2 고압 과열기(51), 제1 고압 과열기(56) 각각의 열교환기에서 발생하는 증기의 온도도 상승하고, 증기터빈 플랜트(37)의 고압 터빈(44)이 요구하는 구동 증기의 온도를 넘는다.
그러나, 본 실시예에서는, 고압 증발기(53)를 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)로 분할하고, 이들 2분할한 고압 증발기(53)의 중간부에 제1 고압 과열기(56)를 설치하여, 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기의 과열도를, 도 2에 나타낸 바와 같이, 10℃ ~ 20℃의 범위로 낮게 억제하고 있다. 이 때문에, 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기의 일부를, 바이패스 밸브(66)를 구비한 바이패스관(67)에 바이패스 증기량으로서 공급하는 경우, 그 유량을 낮게 억제할 수 있고, 또한, 그 남은 과열 증기를 제2 고압 과열기(51)로 공급하여, 여기서 발생하는 과열 증기의 온도를 낮게 억제할 수 있다. 계산에 의하면, 본 실시예에 관한 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기 온도는, 이미 제안되어 있는 도 6에 나타낸 제1 고압 과열기(16)의 과열 증기 온도(400℃이상)에 대해, 약 100℃ 낮게 되어 있다.
도 3은, 가스터빈 플랜트(36)의 부하 변동에 대하여, 점선으로 나타낸 배기 가스(G)의 온도 분포, 실선으로 나타낸 제2 고압 과열기(51)에서 발생하는 과열 증기의 온도 분포, 일점쇄선으로 나타낸 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기의 온도 분포, 실선으로 나타낸 바이패스 증기량 비율을 각각 나타내는 특성도이다.
이 도면으로도 이해할 수 있는 바와 같이, 가스터빈 플랜트(1)의 부하 변동에 대해, 배기 가스(G)의 온도는 상승하지만, 그 상승에 비하여 제2 고압 과열기(51)에서 발생하는 과열 증기의 온도 및 바이패스 증기량은 낮게 되어 있다.
이와 같이, 과열도가 비교적 낮은 과열 증기를 발생시키는 제1 고압 과열기(56)는, 그 과열 증기를 제2 고압 과열기(51)에 의해 많이 공급하고, 바이패스관(67)에 상대적으로 적게 공급하고, 그 바이패스 증기량에 제2 고압 과열기(51)에서 발생하는 증기를 합류시켜 온도를 내리고, 온도가 낮게 된 합류 증기를 제3 고압 과열기(50)에서 부분 부하 운전에 필요한 적정 온도의 구동 증기로 하여 고압 터빈(44)에 공급하여, 고압 터빈(44)을 구동한다. 고압 터빈(44)은, 구동 증기를 팽창시켜 발전기(40)를 회전 구동하는 한편, 그 배기 증기를 중압 과열기(57)에서 발생하는 증기에 합류시키고, 그 합류 증기를 가스 터빈(43)에 공급하여 가스 터빈(43)의 구성 부품을 냉각한 후, 재열기(48)에서 발생하는 재열 증기에 합류시켜, 이 합류 증기를 중압 터빈(45)에서 팽창시킨 후, 저압 터빈(46)에 공급한다.
본 실시예에 의하면, 고압 증발기(53)를 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)로 2분할하고, 이들 고압 증발기(53)의 중간부에 제1 고압 과열기(56)를 설치하여, 이 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기의 과열도를 낮게 하므로, 부분 부하 운전시, 제2 고압 과열기(51)에 의해 많은 과열 증기를 공급할 수 있고, 바이패스관(67)에 상대적으로 적은 과열 증기를 공급할 수 있어, 제3 고압 과열기(50)에 감온 수단을 설치하지 않고 고압 터빈(44)에 적정 온도의 구동 증기를 공급할 수 있다.
이 때, 제2 고압 과열기(51)는, 보다 많은 과열 증기가 흐르므로, 열교환시 열응력 발생이 낮은 균일한 온도 분포로 할 수 있어, 전열관의 재료 강도를 길게 유지할 수 있다. 또한, 바이패스관(67)에는, 종래보다도 적은 과열 증기가 흐르므로, 바이패스 밸브(66)의 선정시, 비교적 소구경의 것을 선택할 수 있어, 원가의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 제1 고압 과열기(56)는, 일반적으로 고압 드럼(52)에서 공급된 포화 증기에 포함되어 있는 실리카 등의 불순물을 그 전열관에 부착시켜, 그 포화 증기의 청정도를 높게 하는 기능을 구비하고 있으므로, 가스 터빈(43)의 구성 부품에 냉각용 증기를 공급할 때, 비교적 높은 청정도의 냉각용 증기를 공급할 수 있어, 가스 터빈(43)의 구성 부품의 막힘 등을 낮게 억제할 수 있다.
도 4는, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법의 실시예를 나타낸 개략 계통도이다. 또, 도 1에 나타낸 복합 사이클 발전 플랜트의 실시예의 구성 부품과 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고, 그 중복 설명을 생략한다.
본 실시예에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법의 설명에 앞서서, 먼저 그 구성을 설명한다.
고압 증발기(53)를 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)로 분할하고, 그들 고압 증발기(53)의 중간부에 설치하는 제1 고압 과열기(56)의 출구측에는, 가스 터빈(43)의 입구측에 접속하는 조절 밸브(70)를 개재한 냉각 증기관(71)을 구비하고 있다. 또한, 가스 터빈(43)의 출구측에는, 복수기(47)에 접속하는 제1 바이패스관(72)이 설치되고, 또 고압 터빈(44)의 입구측에는, 복수기(47)에 접속하는 제2 바이패스관(73)이 설치되어 있다.
그런데, 복합 사이클 발전 플랜트는, 통상의 발전 플랜트와 달리, 데일리 스타트·스톱 운전(이하, DSS라 함)이 많다. DSS 운전의 경우, 그 기동 운전전의 배열회수 보일러(39)에 수용하고 있는 제3 고압 과열기(50), 제2 고압 과열기(51), 고압 증발기(53)를 2분할하는 제2 고압 증발기(54), 제1 고압 증발기(55) 각각은, 워밍 상태로 유지되어 있고, 그 잔류열도 높다.
또한, 고압 드럼(52)은 압력이 약 60㎏/㎠의 증기를, 중압 드럼(60)은 압력 약 12㎏/㎠의 증기를, 저압 드럼(63)은 약 4㎏/㎠의 증기를 각각 보유하고 있다.
또한, 가스 터빈(43)의 구성 부품에 냉각용 증기를 공급하는 경우, 제손실을 고려하여 계산하면, 냉각용 증기는, 그 압력이 20㎏/㎠ 필요하게 된다. 또한, 제1 고압 과열기(56)는, 고압 드럼(52)에서 공급되는 증기에 대하여, 과열도 10℃ ~ 20℃로 낮게 억제할 수 있다. 이 때문에, 제1 고압 과열기(56)는, 핫 스타트 기동 운전시, 냉각용 증기의 온도를 약 300℃로 할 수 있으므로, 가스 터빈(43)의 구성 부품에 요구되고 있는 냉각용 증기 온도 350℃ 이하에 대하여 충준히 공급 가능하다.
본 실시예는, 이와 같은 계산에 기초한 것으로서, 이하에 냉각용 증기 공급방법을 설명한다.
복합 사이클 발전 플랜트의 기동 운전전, 먼저, 제1 고압 과열기(56)는, 고압 드럼(52)의 증기를 제2 고압 과열기(51), 제3 고압 과열기(50)를 통하여 제2 바이패스관(73)에 의해 복수기(47)로 유입시켜, 각 고압 과열기(51, 50)내의 실리카 등의 불순물을 블로우한다. 다음에, 바이패스관(67)의 바이패스 밸브(66)를 조여 냉각 증기관(71)의 조절 밸브(74)를 개구시켜 고압 드럼(52)의 증기를 냉각용 증기로서 가스 터빈(43)에 공급한다. 이 때, 냉각용 증기의 온도가 약간 초과하여 가스 터빈(43)의 구성 부품에 열응력을 발생시키는 경우, 제3 고압 과열기(50)의 출구측에 설치된 조절 밸브(74)를 개구시키고, 제3 고압 과열기(50)의 증기를 합류시켜, 그 합류 증기의 온도를 적정 온도의 냉각용 증기 온도로 조절한다. 냉각용 증기는, 가스 터빈(43)의 구성 부품을 냉각한 후, 제1 바이패스관(72)에서 복수기(47)로 유입시키거나, 또는 배열회수 보일러(39)의 굴뚝(도시하지 않음)으로 방출시킨다.
가스 터빈(43)의 기동 운전이 종료하고, 증기터빈 플랜트(37)가 통기 운전을 개시하면, 고압 터빈(44)의 배기 증기와 중압 과열기(57)의 증기를 합류시키고, 그 합류 증기에 의해 가스 터빈(43)의 구성 부품의 냉각 운전을 행한다.
본 실시예에 의하면, 고압 드럼(52)에 남아 있는 증기를 이용하여, 그 증기를 제1 고압 과열기(56)에서 가스 터빈(43)의 구성 부품에 냉각용 증기로서 공급할 때, 적정 온도의 냉각용 증기로 조절하므로, 배열회수 보일러(39)의 각 열교환기가 아직 증기를 발생시키지 않아도, 가스 터빈(43)의 구성 부품을 확실히 냉각할 수 있어, 가스 터빈(43)을 안정되게 운전할 수 있다.
도 5는, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 제2 실시예를 나타낸 개략 계통도이다. 또, 도 1에 나타낸 실시예의 구성 부품과 동일 부분에는 동일 부호를 붙인다.
본 실시예는, 고압 증발기(53)를 제2 고압 증발기(54)와 제1 고압 증발기(55)로 분할하고, 이들 고압 증발기(53)의 중간부에 설치한 제1 고압 과열기(56)에 프로세스 증기 공급관(75)을 설치하여, 석탄 가스화, 잔사유(殘渣油 ) 가스화 플랜트 등이 가스화 로(爐)로 제1 고압 과열기(56)의 증기를 공급할 수 있도록 한 것이다.
배열회수 보일러(39)로부터 가스 터빈(43)의 구성 부품에 냉각용 증기를 공급하지 않는 복합 사이클 발전 플랜트에서는, 제3 고압 과열기(50)의 증기를, 적정 온도의 구동 증기로 하여 고압 터빈(44)에 공급하는 경우, 제2 고압 과열기(51)의 출구측에 감온기(76)를 설치하고, 이 감온기(76)에 고압 절탄기(58)로부터의 증기를 고압 과열기 감온수관(77)로부터 제2 또는 제3 고압 과열기(51, 50)의 출구 온도에 의해 제어되는 밸브(78)를 통하여 공급하고, 제2 고압 과열기(51)의 과열 증기의 온도를 낮추어 제3 고압 과열기(50)에 공급하고 있다. 이 때문에, 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기는, 그 압력이 100㎏/㎠, 그 온도가 약 350℃로 되어 있다.
본 실시예는, 제1 고압 과열기(56)에서 발생하는 과열 증기를, 석탄 가스화 플랜트 등의 가스화 로에, 프로세스 증기로서 공급할 수 있도록 하므로, 배열회수 보일러(39)에서 발생하는 과열 증기의 유효한 활용을 도모할 수 있다. 특히, 가스화 발전 플랜트는, 최근 주목되고 있고, 배열회수 보일러(39)에서 과열 증기를 받으면 열정산(熱精算)상 유익하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트는, 고압 증발기를 2분할로 형성하고, 그 2분할된 고압 증발기의 중간부의 비교적 과열도가 낮은 과열 증기를 발생하는 위치에 제1 고압 과열기를 설치하고, 제1 고압 과열기에서 발생하는 과열 증기를 조정하여 고압 터빈에 공급하므로, 부분 부하 운전에서도 감온 수단을 특별히 설치하지 않고, 적정 온도의 구동 증기로서 고압 터빈에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법은, 고압 드럼의 증기를 제1 고압 과열기에서 비교적 과열도가 낮은 과열 증기를 발생시키고, 그 과열 증기를 조정하여 가스 터빈의 구성 부품에 공급하므로, 기동 운전시, 배열회수 보일러의 각 열교환기에서 아직 증기가 발생하고 있지 않아도, 적정 온도의 냉각용 증기로서 가스 터빈의 구성 부품에 확실히 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 복합 사이클 발전 플랜트는, 제1 고압 과열기에서 발생한 과열 증기를 프로세스 증기로서 다른 플랜트에 공급하므로, 열의 유효 활용을 도모할 수 있다.

Claims (10)

  1. 가스터빈 플랜트와 증기터빈 플랜트를 구비하고, 가스터빈 플랜트의 배기 가스를 이용하여 증기터빈 플랜트의 구동 증기를 발생시키는 배열 회수 보일러를 구비한 복합 사이클 발전 플랜트에 있어서, 상기 배열 회수 보일러에 수용하는 증발기를 배기 가스 흐름의 상류측의 제1 증발기와 하류측의 제2 증발기로 분할하고, 상기 제1 증발기와 제2 증발기의 중간부 및 제2 증발기의 배기 가스 상류측의 적어도 한쪽에 과열기를 설치한 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  2. 제 1항에 있어서,
    복압식의 복합 사이클 발전 플랜트에 있어서, 상기 증발기는 고압 증발기이고, 상기 과열기는 고압의 과열기인 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    2분할한 증발기의 중간부에 과열도가 낮은 과열 증기를 발생시키는 위치에 과열기를 설치한 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    증발기를 2분할한 그 중간부에 설치한 과열기는, 그 상류측에 위치한 다른 증발기로부터 발생하는 과열 증기에, 상기 과열기로부터 발생한 과열 증기를 합류시키는 바이패스관을 구비한 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  5. 제 4항에 있어서,
    바이패스관은, 바이패스 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  6. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서,
    과열기는, 발생한 과열 증기를 다른 플랜트의 프로세스 증기로 이용하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  7. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서,
    과열기는, 발생한 과열 증기를 가스터빈 플랜트를 구성하는 가스 터빈의 냉각 증기로 이용하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트.
  8. 배열회수 보일러로부터 가스터빈 플랜트로 냉각용 증기를 공급하는 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법에 있어서, 기동 운전시, 상기 배열회수 보일러의 드럼에 남아 있는 증기를 가스터빈 플랜트에 공급하고, 증기터빈 플랜트가 통기 운전을 개시한 후, 증기터빈 플랜트의 배기 증기와 상기 배열회수 보일러에서 발생하는 증기를 합류시켜, 그 합류 증기를 상기 가스터빈 플랜트에 냉각용 증기로서 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 드럼은 고압 드럼이고, 이 고압 드럼에 남아 있는 증기를, 증발기를 2분할하여 그 중간부에 설치한 과열기에 공급하고, 그 과열기에서 발생하는 증기를 냉각용 증기로서 가스터빈 플랜트에 공급하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    과열기는, 발생하는 증기를, 냉각 증기관을 통하여 냉각용 증기로서 가스터빈 플랜트에 공급할 때, 상기 과열기의 상류측에 설치한 다른 과열기에서 발생하는 증기에 합류시키는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 발전 플랜트의 냉각용 증기 공급방법.
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