KR19980703510A - 폐열 증기 발생기의 작동 방법 및 상기 방법에 따라 작동되는폐열 증기 발생기 - Google Patents

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Abstract

가스 및 증기 터빈 장치(2)의 폐열 증기 발생기(1)에서, 가스 터빈(2a)으로부터 팽창된 작동 매체(AG)내에 포함된 열은 물-증기-순환계(3)내에 접속된 증기 터빈(2b)을 위한 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 이 경우 응축된 증기는 증기 터빈(2b)으로부터 물-증기-순환계에 응축물(K)로서 제공된다. 가스 터빈(2a)용으로 사용된 연료(B, B´)와 상관없이 고효율을 얻기 위해, 가스 터빈용 연료(B)로서 오일을 사용할 때는 본 발명에 따라, 가스를 가스 터빈(2a)용 연료(B)로서 사용할 때 연료를 예열하기 위해 사용되는 부분 흐름(t1)이 물-증기-순환계(3)로부터 응축물을 예열하기 위해 사용된다. 또한, 상기 부분 흐름을 이용하여 가스 터빈 연료(B) 또는 응축물(K)을 선택적으로 예열하기 위한 열교환기(56)가 제공된다.

Description

폐열 증기 발생기의 작동 방법 및 상기 방법에 따라 작동되는 폐열 증기 발생기
상기 방식의 페열 증기 발생기는 통상적으로, 가스 터빈으로부터 팽창된 작동 매체내에 포함된 열을 증기 터빈용 증기를 발생시키기 위해 사용하는, 가스 및 증기 터빈 장치의 부분이다. 열의 전달은, 관의 형태로 폐열 증기 발생기내에 배치된 다수의 가열 표면에 의해 이루어진다. 상기 가열 표면은 재차 증기 터빈의 물-증기-순환계내에 접속된다. 상기 물-증기-순환계는 예를 들어 2개 또는 3개의 다수의 압력단을 포함하며, 이 경우 각 압력단은 하나의 예열-가열 표면(이코너마이저), 하나의 증발기-가열 표면 및 하나의 과열기-가열 표면을 포함한다. 예컨대 유럽 특허 명세서 0 148 973호에 공지된 상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치에 의해, 증기 터빈의 물-증기-순환계 내부의 압력 비율에 따라 약 50 내지 55%의 열역학적 효율이 얻어진다.
가스 오일이 토류 가스에 대한 “백-업(Back-up)”으로서 예컨대 100 내지 500 h/a 동안의 짧은 작동 시간 동안만 가스 터빈용 연료로서 제공되는 가스 및 증기 터빈 장치는, 특히 가스 터빈의 토류 가스 작동용 장치로서 설계되고 최상화된다. 가열 동작시, 급수가 폐열 증기 발생기내로 들어갈 때 비용이 드는 터빈 블리딩 없이 온도를 상승시키기 위해, 필요한 열이 상이한 방식으로 폐열 증기 발생기로부터 자동으로 빼내질 수 있다. 통상적으로 제공되는 응축물 예열기를 전체적으로 또는 부분적으로 안내하고, 저압 증기를 제공함으로써 물-증기-순환계내에 접속된 급수 용기내에 있는 응축물을 가열할 수 있는 가능성이 제공된다. 상기 방법은 증기압이 낮을 때에는 큰 체적을 요구하고, 경우에 따라서는 급수 용기내에 다단계의 가열 증기 시스템을 요구하며, 이것은 대대적인 가열 팽창시에 통상적으로 급수 용기내에서 이루어지는 가스를 분리하는 기능을 방해할 수 있다.
응축물로부터 가스를 효과적으로 분리하기 위해, 급수 용기내에 있는 응축물의 온도는 130 내지 160℃의 온도 범위에서 최대로 유지되며, 이 경우 급수 용기내에 있는 응축물의 가열 범위는 작게 유지되어야 한다. 이것은 예를 들어, 증기에 의해 가열되는 부가의 예열기를 통해 응축물을 예열함으로써 이루어질 수 있다. 예열을 위한 충분한 열을 제공하기 위해, 2개 또는 3개의 압력 장치에서는 폐열 증기 발생기의 고압-이코노마이저로부터 온수를 빼내는 것이 종종 필요하다. 이것은 물론 특히 3개-압력 장치에서, 통상적으로 제공되는 고압-급수 펌프의 유동량에 영향을 줄 수 있고, 고압을 위해 또는 큰 온도 차이를 위해 부가의 응축물 예열기가 특히 비경제적인 방식으로 설계되어야 한다는 단점을 갖는다. 또한, 오일 가열 동작시 급수 펌프의 감압 손실이 단점적인 방식으로 형성된다. 더욱이, 고압-이코너마이저로부터 온수를 빼내는 것은 소위 고압-접근-온도를 낮춤으로써 고압 증기량을 감소시키며, 그럼으로써 장치의 효율도 또한 떨어지게 된다.
본 발명은, 가스 터빈으로부터 팽창된 작동 매체내에 포함된 열이 물-증기-순환계내에 접속된 증기 터빈을 위한 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 응축된 증기가 증기 터빈으로부터 물-증기-순환계에 응축물로서 제공되도록 구성된, 가스 및 증기 터빈 장치의 폐열 증기 발생기를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 방법에 따라 작동하는 폐열 증기 발생기에 관한 것이다.
도 1은 폐열 증기 발생기의 횡단면도이다.
본 발명의 목적은, 가스 터빈용으로 사용되는 연료에 관계없이 매우 높은 장치 효율을 얻을 수 있는, 가스 및 증기 터빈 장치용 폐열 증기 발생기를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다. 상기 목적은, 상기 방법을 실행하기에 적합한 폐열 증기 발생기에서 적은 기술적인 비용을 들여서 달성되어야 한다.
상기 목적은 본 발명에 따른 방법과 관련하여, 가스 터빈용 연료로서 오일을 사용할 때에, 가스를 가스 터빈용 연료로서 사용할 때 연료를 예열하기 위해 사용되는 부분 흐름이 물-증기-순환계로부터 응축물을 예열하기 위해 사용됨으로써 달성된다.
본 발명은, 고효율을 요구하는 가스 및 증기 터빈 장치에서 토류 가스 동작시에는 통상적으로 세계 지적 소유권 기구 특허 출원 공개 명세서 95/00747호에 공지된 바와 같은 연료 예열 장치가 제공될 수 있다는 생각에서 출발하였다. 상기 명세서에 따르면, 연료를 예열하기 위해 가열된 물의 부분 흐름이 증기 터빈의 물-증기-순환계로부터 빼내지고, 연료와의 간접 열교환 후에 물-증기-순환계에 재차 공급된다.
그러나 바람직한 실시예에서는, 가스를 연료로서 사용할 때 연료가 직접 가열되지 않는다. 오히려, 열이 예를 들어 물/물-열교환기를 통해 중간 순환계에 제공됨으로써, 중간 순환계 내부를 관류하는 매체가 연료를 가열하기 위해 사용된다. 오일을 연료로서 사용할 때는 상기 예열 시스템이 필요하지 않기 때문에, 상기 시스템은 바람직하게 오일 동작시 응축물을 예열하기 위해 사용되며, 이 경우에는 중간 순환계가 차단될 수 있다. 응축물 예열시 냉각된 부분 흐름은 바람직한 방식으로 재차 응축물에 혼합된다.
가스 터빈으로부터 나오는 폐가스내에 포함된 감지 가능한 열은 3개의 압력단, 즉 하나의 저압단, 하나의 중간 압력단 및 하나의 고압단으로 구성된 물-증기-순환계의 폐열 증기 발생기내에서 폐가스의 흐름 방향으로 고압 시스템으로부터 중간압 시스템을 거쳐 저압 시스템으로 배출된다. 응축물을 예열하기 위해 필요한 열을 공급하기 위해, 부분 흐름 배출뿐만 아니라 부분 흐름의 재순환은 바람직하게 중간 압력단 밖에서 또는 안에서 이루어진다. 이 경우, 저압-증기 생성물이 작동에 따라 미리 주어진 값에 미달되면, 부분 흐름은 바람직하게 재차 중간 압력단에 공급된다. 이것은 바람직하게, 중간압 이코노마이저로부터 빼내진, 응축물 예열시 냉각된 물이 응축물 시스템으로 안내되는 것이 아니라 중간압-증기 드럼에 안내되고, 그곳에서 재차 가열됨으로써 이루어진다. 그럼으로써, 급수 예열을 위해 준비된 열이 응축물 가열에 사용된다. 또한, 증기 생성물이 중간 압력단에 상응하게 빼내짐으로써, 중간 압력단을 위한 응축물의 양이 감소된다.
상기 방법에 의해 폐열 증기 발생기의 유입 온도가 예컨대 135℃까지 될 수 있기 때문에, 실제로 상기 목적(백 업 퓨엘(Back Up Fuel))을 위해 전체 가열 오일 스펙트럼이 커버링되며, 그 결과 표준화가 가능해진다.
물-증기-순환계내에 있는 증기 터빈 뒤에 접속된 하나의 응축기를 갖춘 가스 및 증기 터빈 장치용 폐열 증기 발생기와 관련하여 상기 목적은, 가스 터빈용 연료 또는 응축물을 물-증기-순환계로부터 나오는 부분 흐름을 이용하여 선택적으로 예열하기에 적합한 열교환기에 의해 달성된다.
바람직한 실시예에서, 상기 열교환기는 1차측으로 폐열 증기 발생기내에 배치된 예열 가열 표면, 바람직하게는 중간압-이코노마이저 뒤에 접속된다.
간접 열교환시 누출이 있는 경우에 안전의 이유에서 연료 및 부분 흐름 사이의 콘택을 피하기 위해, 연료를 예열하기 위한 열교환기는 바람직한 방식으로 2차측이 중간 회로에 접속된다. 그 다음에 응축물을 예열하기 위해 중간 회로의 차단과 함께 전환이 이루어지며, 이 경우 열교환기는 2차측으로 응축물 라인에 연결된다. 가스 터빈용 연료를 예열할 것인가 또는 응축물을 예열할 것인가를 선택하기 위해, 바람직하게 적어도 하나의 밸브가 예를 들어 중간 회로내에 및/또는 응축물 라인과 열교환기의 연결부에 제공된다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 자세히 기술된다. 폐열 증기 발생기의 횡단면을 보여주는 도 1에서, 증기 발생기의 가열 표면은 가스 및 증기 터빈 장치의 물-증기-순환계내에 접속된다.
도 1의 횡단면도에 도시된 폐열 증기 발생기(1)는 전기 에너지를 발생시키기 위한 가스 및 증기 터빈 장치의 부분이다. 폐열 증기 발생기는 가스 터빈(2a)으로부터 나오는 뜨거운 폐가스(AG)에 의해 관류되고, 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 이 경우 증기 발생기의 가열 표면은 증기 터빈(2b)의 물-증기-순환계(3)내에 접속된다.
폐열 증기 발생기(1)는 또한, 출력측이 순환 펌프(8)를 통해 입력과 연결된, 응축물 라인(4)에 연결된 하나의 응축물 예열기(6)를 포함한다. 필요에 따라 응축물 예열기(6)를 안내하기 위해, 응축물 예열기(6)의 출력과 연결된 하나의 밸브(14)를 갖는 바이패스 라인(12)이 응축물 펌프(10)의 압력측에서 응축물 라인(4)과 연결된다. 응축물 예열기(6)는 출력측으로 밸브(20)를 갖는 라인(18) 및 하나의 체크 밸브(16)를 통해 저압 드럼(22)과 연결된다. 응축물 예열기(6)는 또한 출력측으로 라인(24)을 통해 가스 분리기(26)를 포함하는 가스 분리기 탱크 또는 급수 용기(28)와 연결된다. 급수 용기(28)는 출력측으로 하나의 순환 펌프(32)를 갖는 라인(30)을 통과하여, 라인(24) 및 체크 밸브(16)를 통해서 급수 용기의 입력뿐만 아니라 라인(18)과도 연결된다. 급수 용기(28)는 또한 - 화살표(a 및 b)로 표시된 바와 마찬가지로 - 출력측으로 라인(34)을 통해 급수 펌프(36), 고압-이코노마이저(38) 및 중간압-이코노마이저(40)와 연결된다.
급수를 예열하기 위해, 저압 드럼(22)으로부터 저압-과열기-가열 표면(44)으로 안내되는 증기 라인(46)과 연결된 하나의 증기 라인(42)이 급수 용기(28)내로 삽입된다. 상기 저압-과열기-가열 표면(44)은 저압 드럼(22) 및 상기 저압 드럼(22)에 연결된 저압-증발기-가열 표면(48), 그리고 증기 터빈(2b)의 저압부와 함께 물-증기-순환계(3)의 저압단을 형성한다.
중간압-이코노마이저(40)는 출력측으로 하나의 밸브(50)를 통해 중간압-드럼(52)과 연결되며, 상기 드럼에 중간압-증발기-가열 표면(54)이 연결된다. 상기 중간압-이코노마이저(40)는 중간압-드럼(52) 및 중간압-증발기-가열 표면(54), 그리고 도시되지 않은 중간압-과열기-가열 표면 및 증기 터빈(2b)의 중간 압력부와 함께 물-증기-순환계(3)의 중간 압력단을 형성한다.
그에 상응하게 고압-이코노마이저(38)는, 자세히 도시되지 않은 물-증기-순환계(3) 고압단의 부분이다.
중간압-이코노마이저(40)는 또한 출력측으로 열교환기(56)와 연결되고, 상기 열교환기는 1차측으로 응축물 라인(4)과 연결된 1차 라인(58)내에 접속되며, 상기 라인 중간에는 환원 밸브(60)가 배치되어 있다. 열교환기(56)는 연료를 예열하기 위한 다른 하나의 열교환기(64)와 함께 2차측으로 중간 회로(62)에 접속된다. 연료 예열 시스템을 형성하는 중간 회로(62)에는 또한, 유동 방향으로 제 2열교환기(64) 뒤에 하나의 밸브(66) 및 하나의 펌프(68)가 접속된다. 상기 중간 회로(62), 즉 열교환기(56)의 2차측에는 또한, 파선으로 도시된 제 1라인(70) 및 마찬가지로 파선으로 도시된 제 2라인(72)이 연결된다. 상기 제 1라인(70)은 밸브(74)를 통해 응축물 라인(4)으로 삽입된다. 밸브(76)와 접속된 제 2라인(72)은, 응축물 라인(4)을 중간 회로(62)내에 접속된 펌프(68)의 흡인측과 연결시킨다. 열교환기(56)의 1차 라인(58)에는 하나의 밸브(80)를 가진, 파선으로 도시된 라인(78)이 연결되며, 상기 라인은 중간압-이코노마이저(40)를 중간압-드럼(52)과 연결시키는 라인(82)내로 삽입된다.
폐열 증기 발생기(1)의 동작시, 증기 터빈 뒤에 접속된 응축기(84)로부터 나오는 응축물(K)은 펌프(10) 및 응축물 라인(4)을 통해 응축기 예열기(6)로 공급된다. 이 때 응축물 예열기(6)는 라인(12)을 통해 전체적으로 또는 부분적으로 순환된다. 온도(TK)는 약 25 내지 40℃이다. 응축물의 압력(pK)은 약 10 내지 20bar이다. 응축물(K)은 응축물 예열기(6)내에서 가열되어 순환 펌프(8)를 통해 적어도 부분적으로 순환된다. 가열된 응축물(K)은 라인(24)을 통해 부분적으로 또는 전체적으로 급수 용기(28) 또는 가스 분리기(26)내로 안내되며, 이 경우 급수의 가열은 상기 장소에서 라인(42)을 통해 안내되는 증기 및 응축물(K)의 가스 분리에 의해 이루어진다. 가열된 급수는 한편으로는 저압 드럼(22)에 공급되고, 다른 한편으로는 급수 펌프(36)를 통해 중간압-이코노마이저(40) 및 압력이 증가된 상태에서 고압-이코노마이저(38)에 공급된다. 저압단에 공급된 급수는 낮은 압력에서 저압-증발기-가열 표면(48)에서 증발되며, 이 경우 저압-드럼(22) 내부에서 분리된, 낮은 압력의 증기 중에서 일부는 급수 용기(28)에 공급되고, 일부는 저압-과열기-가열 표면(44)에 공급된다. 저압-과열기-가열 표면에서 과열된 증기는 증기 터빈(2b)의 저압부에 공급된다.
약 40 내지 50bar의 중간 압력(pM)하에 있는 급수는 약 220 내지 240℃의 온도로 중간압-드럼(52)에 공급되어 중간압-증발기-가열 표면(54)에서 증발된다. 중간압-드럼(22) 내부에서 분리된, 중간 압력의 증기는 마찬가지로 증기 터빈(2b)의 중간 압력부에 제공된다. 고압하에 있는, 고압-이코노마이저(38) 내부에서 가열된 급수는 유사하게 증발되고, 과열된 상태에서 증기 터빈(2b)의 고압부에 공급된다.
물-증기-순환계(3)로부터 빼내진 부분 흐름(t1)은 열교환기(56)를 통해 공급되고 그곳에서 냉각된다. 냉각된 부분 흐름(t1)은 물-증기-순환계(3)에 재차 공급된다. 이 경우, 냉각된 부분 흐름(t1)의 재순환은 라인(58)을 통해 응축물(K)에 혼합됨으로써 또는 라인(78)을 통해 중간압-드럼(52)내에 공급됨으로써 이루어질 수 있다. 전환을 위해 밸브(60 및 80)가 제공된다. 부분 흐름(t1)의 냉각은 열교환기(56)내에서의 간접 열교환에 의해 이루어진다.
가스를 가스 터빈용 연료(B)로서 사용할 때 부분 흐름(t1)의 열교환은, 중간 회로(62) 내부를 순환하는 매체(W)에 의해, 바람직하게는 물에 의해 열교환기(56)내에서 이루어지는데, 상기 매체(물)에 의해 열이 재차 제 2열교환기(64)를 통해 가스 터빈용 연료(B)로 보내진다.
가스 터빈용 연료(B´)로서 오일을 사용할 때는 중간 회로(62)가 밸브(66)를 통해 차단되고, 열교환기(56)내에서의 부분 흐름(t1)의 열교환은 라인(72)을 통해 열교환기(56)에 공급된 응축물(K)에 의해 이루어지며, 상기 응축물은 열교환기(56)내에서의 냉각 후에 라인(70)을 통해서, 응축물 라인(4)을 관류하는 응축물(K)에 재차 혼합된다. 이 경우 부분 흐름(t1)은 약 50℃의 온도(Tt)로 냉각되며, 열교환기(56)의 2차측으로부터 라인(70)을 통해 빠져나오는 응축물(K)은 약 100 내지 180℃의 온도로(TK´)로 가열된다. 그럼으로써, 가스 터빈(2a)용 연료(B)로서 가스를 사용할 때 연료를 예열하기 사용되는 부분 흐름(t1)이 가스 터빈(2a)용 연료(B´)로서 오일을 사용할 때 응축물을 예열하기 위해 사용된다.
오일 작동시 필요하지 않은, 원래 열교환기(56)를 감싸는 연료 예열 시스템(62, 68)을 응축물을 예열하기 위해 사용함으로써, 응축물 예열을 위해 지금까지 제안된 물-증기-순환계(3)로부터의, 특히 고압-이코노마이저(38)로부터의 추출이 절약된다. 그 밖에, 응축물 예열을 위해 필요한 파이프 라인 및 전기자, 그리고 상응하는 조절 수단을 포함하여 외부 응축물 예열이 없어도 된다. 따라서, 가스 동작시뿐만 아니라 오일 동작시에도 매우 높은 장치 효율이 얻어진다. 이 경우, 연료 예열로부터 응축물 예열로의 전환은 간단한 방식으로 가능하다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 가스 및 증기 터빈 장치의 폐열 증기 발생기를 작동시키기 위해 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 가스 터빈(2a)의 팽창 작동 매체(AG)내에 포함된 열은 물-증기-순환계(3)내에 접속된 증기 터빈(2b)을 위한 증기를 발생시키기 위해 사용되고, 응축된 증기는 증기 터빈(2b)으로부터 물-증기-순환계에 응축물(K)로서 제공되도록 구성된, 가스 및 증기 터빈 장치(2)용 폐열 증기 발생기(1)를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    가스 터빈(2a)용 연료(B´)로서 오일을 사용할 때는 물-증기-순환계(3)로부터 나오는 부분 흐름(t1)이 응축물을 예열하기 위해 사용되고, 가스 터빈(2a)용 연료(B)로서 가스를 사용할 때는 물-증기-순환계(3)로부터 나오는 부분 흐름(t1)이 연료를 예열하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    연료를 예열하기 위한 간접 열교환이 중간 회로(62)를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    응축물을 예열하기 위해 중간 회로(62)를 차단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    응축물 예열시 냉각된 부분 흐름(t1)을 응축물(K)에 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 물-증기-순환계(3)가 3개의 압력단으로 구성된, 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서,
    부분 흐름(t1)을 물-증기-순환계(3)의 중간 압력단(40, 52, 54)으로부터 빼내는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    응축물 예열시 냉각된 부분 흐름(t1)을 물-증기-순환계(3)의 중간 압력단(40, 52, 54)에 재차 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 물-증기-순환계(3)에 접속된 응축물 라인(4)을 갖는, 가스 및 증기 터빈 장치용 폐열 증기 발생기에 있어서,
    물-증기-순환계(3)로부터 나오는 부분 흐름(t1)을 이용하여 가스 터빈용 연료(B) 또는 응축물(K)을 선택적으로 예열하기 위한 열교환기(56)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  8. 제 7항에 있어서,
    열교환기(56)가 1차측으로 예열기-가열 표면(40) 뒤에 접속되는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  9. 제 7항 또는 8항에 있어서,
    가스 터빈용 연료(B)를 예열하기 위한 열교환기(56)가 2차측으로 중간 회로(62)에 접속되는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  10. 제 7항 또는 8항에 있어서,
    응축물을 예열하기 위한 열교환기(56)가 2차측으로 응축물 라인(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 터빈용 연료(B)를 예열할 것인가 또는 응축물(K)을 예열할 것인가를 선택하기 위해 적어도 하나의 밸브(66, 74, 76)가 제공되는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
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