KR19990029030A - 가스 및 증기 터빈 장치의 작동 방법 및 그에 따라 작동하는장치 - Google Patents

가스 및 증기 터빈 장치의 작동 방법 및 그에 따라 작동하는장치 Download PDF

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디어터 크리스트, 베르너 뵈켈
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Abstract

가스 및 증기 터빈 장치는 가스 터빈(2)의 폐가스측 하부에 연결된 폐열 증기 발생기(6)를 포함하며, 상기 발생기의 고압 예열기(48)는 저압부(4c)를 포함하는 증기 터빈(4)의 물-증기-순환계(8)내로 연결된다. 본 발명에 따라 장치의 최고 효율에 도달하기 위해, 열교환기(72)가 상기 폐열 증기 발생기(6) 외부에 배치되어 있다. 상기 열교환기(72)의 1차 유입구는 고압 예열기(48)의 배출구에 연결되고 1차 배출구는 고압 예열기(48)의 유입구에 연결되는 한편, 열교환기의 2차측은 증기 터빈(4)의 저압부(4c)내로 삽입되는 이송 라인(38) 내부에 연결된다. 상기 방식의 장치를 작동시키기 위한 적절한 방법에서, 증기 터빈(4)내로 흘러 들어가는 저압 증기(ND)는 고압 예열기(48)로부터 빼내진 예열된 급수(S)의 부분 흐름(tS)과의 간접 열교환에 의해 과열된다.

Description

가스 및 증기 터빈 장치의 작동 방법 및 그에 따라 작동하는 장치
가스 및 증기 터빈 장치에서, 가스 터빈으로부터 나오는 팽창된 작동 매체내에 포함된 열은 증기 터빈용 증기를 발생시키기 위해 이용된다. 열전달은, 관 또는 관다발의 형태로 가스 터빈의 폐가스측 하부에 연결된 폐열 증기 발생기내에 배치된 다수의 가열 표면에 의해 이루어진다. 가열 표면은 재차 증기 터빈의 물-증기-순환계 내부에 연결된다. 물-증기-순환계는 예컨대 2개 또는 3개의 다수의 압력단을 포함하며, 이 경우 각 압력단은 예열기, 증발기 및 과열기를 포함한다.
열전달시 장치의 최고 효율에 도달하기 위해, 폐열 증기 발생기내에서의 가열 표면의 배열은 폐가스의 온도 변동에 매칭된다. 중간 과열 장치를 갖춘 3압 프로세스, 소위 3압-ZUE-프로세스에서는, 미리 주어진 증기 터빈 성능으로 인해 매우 높은 증기 터빈 성능이 얻어지고, 그에 따라 장치의 특히 높은 전체 효율에 도달된다. 3압-ZUE-프로세스에 따라 작동하는 가스 및 증기 터빈 장치는 유럽 특허 출원 명세서 0 436 536호에 공지되어 있다. 그러나 공지된 상기 장치에서는 전체 효율이 약 55% 정도로 제한된다.
본 발명은, 가스 터빈의 폐가스측 하부에 연결된 폐열 증기 발생기를 포함하며, 상기 폐열 증기 발생기의 고압 예열기가 저압부를 포함하는 증기 터빈의 물-증기-순환계 내부에 연결된, 가스 및 증기 터빈 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다:
도 1은 저압 증기를 가열하기 위한 별도의 열교환기를 갖춘 가스 및 증기 터빈 장치의 개략도이다.
본 발명의 목적은, 가스 터빈의 폐가스내에 포함된 열의 이용을 더욱 증가시킴으로써 장치 효율을 상승시키는 방식으로, 가스 및 증기 터빈 장치 그리고 상기 장치를 작동시키기 위한 방법을 개선하는 것이다.
장치와 관련한 상기 목적은, 1차측 유입구가 배출구에 연결되어 있고, 1차측 배출구는 고압 예열기의 유입구에 연결되어 있는 한편, 2차측은 증기 터빈의 고압부내로 삽입되는 이송 라인에 연결되어 있는, 폐열 증기 발생기 외부에 배치된 열교환기에 의해 달성된다.
바람직한 실시예에서 상기 열교환기의 1차측 하부에는 순환 펌프 및 조절 밸브가 연결되어 있다.
시간 단위당 열교환기의 1차측으로 공급되는 급수량을 조절하기 위해 바람직하게 조절기가 제공된다. 상기 조절기는 열교환기를 통해 고압 예열기에 피드백되는 급수의 온도를 고압 예열기에 직접 공급되는 급수의 온도에 근사하기 위해 이용되며, 최종 목적은 상기 온도들이 고압 예열기의 혼합 장소에서 적어도 거의 같게되도록 하는 것이다. 이를 위해, 열교환기로부터 2차측으로 배출되는 급수의 온도를 검출하기 위한 제 1온도 센서가 상기 조절기에 연결된다. 조절기와 연결된 제 2온도 센서는 고압 예열기에 공급되는 급수의 온도를 검출하기 위해 이용된다.
고압 예열기의 가열 표면을 폐열 증기 발생기 내부의 가스 터빈으로부터 나오는 폐가스의 온도 변동에 매칭시키는 것은 고압 예열기가 2단으로 형성됨으로써 매우 효과적으로 이루어진다. 따라서, 다른 바람직한 실시예에서 고압 예열기는 폐열 증기 발생기의 폐가스측으로 제 1고압 예열기 앞에 배치된, 제 1고압 예열기의 급수측 하부에 연결된 제 2고압 예열기이다.
상기 원칙은 3압력단으로 구성된 물-증기-순환계에서, 3압-ZUE-프로세스에서 존재하는 중간 과열기에 부가하여 상기 중간 과열기의 급수측에 연결된, 폐열 증기 발생기의 폐가스측으로 중간 과열기 앞에 배치된 중간압-과열기가 제공됨으로써 개선될 수 있다. 또한, 상기 원칙을 개선하기 위해 배출구측이 열교환기의 2차측 유입구와 연결된, 폐열 증기 발생기내에 배치된 저압-과열기가 제공될 수도 있다.
방법과 관련한 상기 목적은, 증기 터빈을 향해 흘러가는 저압 증기가 고압 예열기로부터 빼내진 예열 급수의 부분 흐름과의 간접 열교환에 의해 과열됨으로써 달성된다.
냉각된 부분 흐름은 바람직하게 고압 예열기의 유입구에서 재차 예열될 급수에 공급되며, 이 경우 부분 흐름의 온도는 상기 부분 흐름을 조절함으로써 예열될 급수에 가까워진다.
3압력단으로 구성된 물-증기-순환계에서는, 저압 증기가 간접 열교환에 의해 과열될 저압 증기에 혼합됨으로써, 폐열 증기 발생기내에서 과열된 저압 증기가 더욱 과열된다.
본 발명에 의해 달성된 장점은 특히, 한편으로 고압 예열기내에서 예열된 급수와의 폐열 증기 발생기 외부에서의 간접 열교환에 의한 저압 증기의 과열에 의해 가스 터빈의 폐가스로부터 나오는 열이 과열을 위해 사용될 수 있다는 점과, 다른 한편으로 간접 열교환 때문에 폐가스와의 직접 열교환에 비해 부가의 자유도가 얻어진다는 점이다. 상기와 같은 부가 자유도에 의해, 열전달은 증기 터빈으로부터 나오는 저압 증기의 작동과 관련된 상태에 매우 유리하게 매칭될 수 있다. 그럼으로써, 하중 상태가 변동될 때에도 가스 터빈으로부터 나오는 폐가스내에 함유된 열을 매우 유리하게 이용할 수 있다. 그에 의해 달성될 수 있는 가스 및 증기 터빈 장치의 효율 상승에 부가적으로, 본 발명에 의해 또한 증기 터빈의 제네레이터-클램핑 성능의 상승도 가능해진다.
가스 및 증기 터빈 장치는 도면에 따라 가스 터빈(2) 및 증기 터빈(4) 그리고 가스 터빈(2)으로부터 나오는 고온 폐가스(AG)가 관류하는 폐열 증기 발생기(6)를 포함한다. 증기 터빈(4)은 고압부(4a) 및 중간압부(4b) 그리고 저압부(4c)를 포함한다. 폐열 증기 발생기(6)는 증기를 발생시키기 위해 이용되며, 이 경우 발생기의 가열 표면은 증기 터빈(4)의 물-증기-순환계(8)에 연결된다.
또한 폐열 증기 발생기(6)는 응축물 라인(10)에 연결된 응축물 예열기(12)를 포함하며, 상기 응축물 예열기는 유입구측으로 응축물 펌프(14)를 통해 증기 터빈(4) 하부에 연결된 응축기(16)와 연결되어 있다. 응축물 예열기(12)는 배출구측으로 순환 펌프(18)를 통해 상기 예열기의 유입구와 연결된다. 응축물 예열기는 배출구측으로 또한 급수 라인(20)을 통해 급수 용기(22)와 연결된다.
급수 용기(22)는 배출구측으로 급수 라인(24)을 통해 저압-드럼(28)과 연결되며, 상기 급수 라인내에는 펌프(26)가 연결되어 있다. 저압-드럼(28)에는 순환 펌프(30)를 통해 증발기가 연결되어 있다. 저압-드럼(28)은 증기측으로 저압-과열기(34)와 연결되며, 저압-과열기는 증기 라인(36)을 통해 증기 터빈(4)의 중간압부(4b)로부터 저압부(4c)까지 이르는 이송 라인(38)에 연결되어 있다. 저압-드럼(28) 및 저압-증발기(32)는 저압-과열기(34) 및 저압부(4c)와 함께 물-증기-순환계(8)의 저압단을 형성한다.
급수 용기(22)는 배출구측으로 또한 급수 라인(40)을 통해 제 1고압 예열기(44)와 연결되고, 상기 급수 라인내에는 펌프(42)가 연결되어 있으며, 제 1고압 예열기는 연결 라인(46)을 통해 제 2고압 예열기(48)의 유입구와 연결된다. 연결 라인(46)에는 라인(50)을 통해 중간압-드럼(52)이 연결되어 있고, 상기 중간압-드럼에는 재차 순환 펌프(54)를 통해 중간압-증발기(56)가 연결되어 있다. 중간압 드럼(52)은 증기측으로 중간압 과열기(56)와 연결되고, 상기 중간압 과열기는 배출구측으로 중간 과열기(58)의 유입구와 연결된다. 상기 중간 과열기(58)는 유입구측으로 고압부(4a)에 연결되고, 배출구측으로 증기 터빈(4)의 중간압부(4b)에 연결된다. 중간압 드럼(52) 및 중간압 증발기(56) 그리고 중간압 과열기(57)는 중간 과열기(58) 및 증기 터빈(4)의 중간압부(4b)와 함께 물-증기-순환계(8)의 중간압단을 형성한다.
제 2고압 예열기(48)는 배출구측으로 연결 라인(60) 및 밸브(62)를 통해 고압 드럼(64)과 연결되며, 상기 고압 드럼에는 순환 펌프(66)를 통해 고압 증발기(68)가 연결되어 있다. 고압 드럼(64)은 증기측으로 고압 과열기(70)를 통해 증기 터빈(4)의 고압부(4a)에 연결된다. 상기 고압 예열기(44, 48) 및 고압 드럼(64) 그리고 고압 증발기(68) 고압 과열기(70)는 증기 터빈(4)의 고압부(4a)와 함께 물-증기-순환계(8)의 고압단을 형성한다.
증기 터빈(4)의 중간압부(4b) 및 저압부(4c) 사이의 이송 라인(38) 내부에는 열교환기(72)의 2차측이 연결된다. 열교환기(72)는 1차측 유입구측으로 라인(74)을 통해 라인(60)에 연결되어 있음으로써 제 2고압 예열기(48)의 배출구와 연결된다. 열교환기(72)의 상기 1차측 배출구는 라인(76)을 통해 제 2고압 예열기(48)의 유입구와 연결되며, 상기 라인(76) 내부로 펌프(78) 및 제어 밸브(80)가 연결된다. 이 경우 혼합 장소(82)에 있는 라인(76)은 2개의 고압 예열기(44 및 48)를 연결하는 라인(46)내로 삽입된다.
가스 및 증기 터빈 장치를 작동시킬 때, 응축기(16)로부터 나오는 응축물(K)은 펌프(14) 및 응축물 라인(10)을 통해 응축물 예열기(12)에 공급된다. 이 경우, 응축물 예열기(12)는 전체적으로 또는 부분적으로 분기될 수 있다. 응축물(K)은 응축물 예열기(12)내에서 가열되며, 가열을 위해 부분적으로 순환 펌프(18)를 통해 순환된다. 가열된 응축물(K)은 라인(20)을 통해 급수 용기(22)내로 안내되며, 이 때 급수 용기내에서는 자세하게 설명되지 않은 방식으로 증기 터빈(4)으로부터 나오는 추기 증기에 의해 급수의 가열이 이루어진다. 가열된 급수(S)는 한편으로 저압 드럼(28)에 공급되고, 다른 한편으로 제 1고압 예열기(44)를 통해서는 중간압 드럼(52)에 그리고 제 2고압 예열기(48)를 통해서는 고압-드럼(64)에 공급된다. 저압단에 공급된 급수(S)는 저압 상태의 저압 증발기(32)내에서 증발되며, 이 경우 저압 드럼(28)내에서 분리된 저압 증기(ND)는 저압 과열기(34)에 공급된다. 저압 과열기내에서 과열된 저압 증기(ND)는 열교환기(72) 앞에서 이송 라인(38)내로 안내된다.
중간압 드럼(52)내에 공급된 급수(S)도 마찬가지로 중간압 증발기(56)내에서 증발된다. 중간압 드럼(52)내에서 분리된, 중간 압력하에 놓인 증기는 상기 중간압 과열기(57)를 통해 안내되어 과열된 중간압 증기(MD)로서 증기 터빈(4)의 중간압부(4b)에 공급된다. 제 2고압 예열기 또는 이코노마이저(48)내에서 예열된 급수(S)는 유사하게 고압하의 고압 증발기(68)내에서 증발되며, 이 경우 고압 드럼(64)내에서 분리된 고압 증기(HD)는 고압 과열기(70)내에서 과열되어 과열된 상태로 증기 터빈(4)의 고압부(4a)내로 안내된다. 고압부(4a)내에서 팽창된 증기는 중간 과열기(58)내에서 재차 과열되고, 과열된 상태로 중간압 과열기(56)내에서 과열된 중간압 증기(MD)와 함께 증기 터빈(4)의 중간압부(4b)에 공급된다.
증기 터빈(4)의 중간압부(4b)내에서 팽창된 저압하의 증기는 이송 라인(38)을 통해 안내되어, 열교환기(72)내에서 라인(74)을 통해 안내된, 고압 예열기(48)내에서 예열된 급수(S)의 부분 흐름(tS)과의 간접 열교환에 의해 과열된다. 이 때, 저압 과열기(34)내에서 과열된 저압 증기(ND)는 열교환기(72) 앞에서 중간압부(4b)로부터 배출되는 증기에 혼합된다. 열교환기(72)내에서 과열된 저압 증기(ND)는 증기 터빈(4)의 저압부(4c)내에서 팽창되어 응축을 위해 응축기(16)에 공급된다.
시간 단위당 열교환기(72)에 공급되는, 제 2고압 예열기(48)내에서 예열된 급수(S)의 부분 흐름(tS)의 량은 조절 밸브(80)에 의해 조절된다. 상기 조절은, 부분 흐름(tS)의 온도(T1) 및 예열될 급수(S)의 온도(T2)가 혼합 장소(82)에서 서로 근사하도록, 바람직하게는 서로 같아지도록 이루어진다. 이를 위해 조절기(84)가 제어 라인(85)을 통해 조절 밸브(80)에 연결되어 있다. 조절기(84)는 또한 제어 라인(86)을 통해서는 온도(T1)를 검출하기 위한 제 1온도 센서(87)와 연결되고, 제어 라인(88)을 통해서는 온도(T2)를 검출하기 위한 제 2온도 센서(89)와 연결된다.
고압 예열기(48)로부터 빼내진 부분 흐름(tS)을 이용하여 저압 증기(ND)를 과열하기 위한 이송 라인(38)내에 열교환기(72)를 연결함으로써, (도시되지 않은) 증기 터빈 제네레이터에 개시될 수 있는 클램핑 성능이 1.3% 내지 2% 만큼 상승된다. 저압 증기의 전체량이 2압 프로세스에서 적절한 방법으로 과열되면, 그에 의해 달성될 증기 터빈 성능의 상승은 2.6% 이상이다.

Claims (10)

  1. 가스 터빈(2)의 폐가스측 하부에 연결된 폐열 증기 발생기(6)를 포함하고, 상기 폐열 증기 발생기의 고압 예열기(48)는 저압부(4c)를 포함하는 증기 터빈(4)의 물-증기-순환계(8)내에 연결되도록 구성된, 가스 및 증기 터빈 장치에 있어서, 폐열 증기 발생기(6) 외부에 배치된 열교환기(72)를 포함하며, 상기 열교환기의 1차측 유입구는 고압 예열기(48)의 배출구에 연결되어 있고, 1차측 배출구는 고압 예열기(48)의 유입구에 연결되어 있으며, 2차측은 증기 터빈(4)의 저압부(4c)내로 삽입되는 이송 라인(38)내에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    순환 펌프(78) 및 조절 밸브(80)는 상기 열교환기(72)의 1차측 하부에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    시간 단위당 열교환기(72)의 1차측으로부터 공급되는 급수(tS)의 량을 조절하기 위한 조절기(84)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 열교환기(72)로부터 2차측으로 배출되는 급수(tS)의 온도(T1)를 검출하기 위한, 상기 조절기(84)와 연결된 제 1온도 센서(87) 및 고압 예열기(48)에 공급되는 급수(S)의 온도(T2)를 검출하기 위한, 상기 조절기(84)와 연결된 제 2온도 센서(89)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 예열기(48)는 폐열 증기 발생기(6)의 폐가스측으로 제 1고압 예열기(44) 앞에 배치된, 제 1고압 예열기(44)의 급수측 하부에 연결된 제 2고압 예열기인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐열 증기 발생기(6)내에 배치되고, 배출구측으로 열교환기(72)의 2차측 유입구에 연결된 저압 과열기(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 가스 터빈(2)으로부터 나오는 팽창 작동 매체(AG)내에 포함된 열을 적어도 2개의 압력단으로 구성된 물-증기-순환계(8)내에 연결된 증기 터빈(4)용 증기를 발생시키기 위해 사용하며, 상기 물-증기-순환계(8) 내부를 관류하는 급수(S)를 폐열 증기 발생기(6)내에 배치된 고압 예열기(48)에서 예열하는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    증기 터빈(4)을 향해 흘러가는 저압 증기(ND)를 고압 예열기(48)로부터 빼낸 예열 급수(S)의 부분 흐름(tS)과의 간접 열교환에 의해 과열하는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치를 작동시키기 위한 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    냉각된 부분 흐름(tS)을 예열된 급수(S)에 혼합하며, 상기 부분 흐름(tS)의 온도(T1) 및 예열될 급수(S)의 온도(T2)는 서로 근사한 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 온도의 근사는 부분 흐름(tS)을 조절함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    3압력단으로 구성된 물-증기-순환계(8)를 포함하고, 폐열 증기 발생기(6)내에서 과열된 저압 증기(ND)가 간접 열교환에 의해 과열될 저압 증기(ND)에 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019980700333A 1995-07-27 1996-07-10 가스 및 증기 터빈 장치의 작동 방법 및 그에 따라 작동하는장치 KR19990029030A (ko)

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