KR19990071577A

KR19990071577A - 연소기에 공기를 공급하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR19990071577A
Application number: KR1019980703852A
Authority: KR
Inventors: 짐 앤더슨
Original assignee: 스죄호름 안네떼; 아베베 카본 아베
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 1999-09-27
Also published as: SE9504261L; SE9504261D0; JP2000501472A; WO1997020135A1; SE509666C2; CN1181123A; EP0864036A1

Abstract

연소기 (BK)를 가압하기 위하여, 연소기 (BK) 안에서 연료가 연소하는 동안에 생긴 가스에 의해 구동되는 가스터빈 (GT)에 의해 구동되는 컴프레서 (C)를 포함하는 가스-터빈 플랜트의 가압 연소기 (BK)로 공기를 공급하는 방법 및 장치. 본 발명은 소정의 밀도를 갖는 공기가 컴프레서 (C)에 공급되도록 공기가 압축되는 가압장치 (F)에 의해 공기가 컴프레서 (C)의 저압쪽으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

연소기에 공기를 공급하는 방법 및 장치

연소기에서 가압 연소가 수행되는 가스 터빈 플랜트에서, 가스 터빈을 구동시키는 연소 가스가 발생된다. 이 가스 터빈은 연소기의 가압을 위해 공기를 압축하는 컴프레서를 차례로 구동시킨다. 동시에 그 압축 공기는 연소 중에 연소 공기로 사용된다. 가스 터빈은 고압 및 저압 터빈으로 구분될 수 있다. 가스 터빈을 이와 같이 구분하면, 저압 터빈은 제 1단계에서 공기를 압축하기 위한 별개의 제 1축상의 저압 컴프레서를 구동시킬 수 있다. 그리고 나서 고압 터빈은 별개의 제 2축을 통해 공기가 연소기로 공급되기 전에 제 2단계에서 공기가 압축되는 고압 컴프레서를 구동시킨다. 저압과 고압 컴프레서 사이에, 압축의 제 1단계가 끝난 공기를 냉각시키기 위하여 냉각기가 제공되어도 좋다.

연소기에 공급되는 연료는 그 플랜트의 성질에 따라 기체, 액체 또는 고체 연료로 구성되는데 예를 들면 천연가스, 유류 또는 석탄이 있다. PFBC 파워 플랜트가 상기 구성에 따른 가스 터빈 사이클로 구성된 플랜트의 일례인데, 여기서 보통 정교하게 분류된 석탄과 같은 고체 연료가 연소기의 유동층 안에서 태워진다.

가스 터빈 플랜트에서는, 유용한 에너지를 발생시키기 위하여 발전기가 기어를 통해 고압 터빈에 통상 연결된다. 플랜트를 기동시킬 때, 컴프레서를 가속시키고 따라서 연소기를 가압하기 위하여 그 발전기를 전기 모터로서 활용하는 것이 가능하다.

그 플랜트의 크기를 정할 때, 보통 그 플랜트의 부지에 대해 알려진 낮은 바깥 기온에서 최적의 공기 유량을 주는 컴프레서 크기가 선택된다. 이와는 달리 그 부지의 온도가 더 높은 상태이면, 공기밀도는 더 낮아지고, 그에 따라 컴프레서를 통과하는 공기의 유량이 감소하여 그 플랜트의 파워가 줄어 들게 된다. 공기밀도가 다른 해발 고도에 또 다른 플랜트 부지가 위치할 수도 있는데, 이렇게 되면 그 플랜트의 크기를 다시 정하여야 한다.

선택된 컴프레서 용량의 크기를 조금이라도 잘못 정하게 되면 나중에 간단한 수단에 의해 보상될 수 없다.

보통의 컴프레서가 노화되면 그 용량도 감소하는데, 이렇게 되면 처음 계산한 유량이 더 이상 실재와 일치하지 않게 된다. 이것은 보상될 수 없다.

바깥 기온이 상승할 때 공기 밀도를 증가시키는 종래의 방법중의 하나는 물이나 냉각장치에 의해 공기를 냉각시키는 것이다. 수냉방식은 공기의 습도가 낮을 때만 가능하다. 냉각장치에 의한 냉각은 비용이 많이 든다. 만약에 공기 밀도가 낮은 원인이 그 플랜트가 해발고도가 높은 곳에 위치한 때문이라면 상기 두가지 방법중 어느 것도 제기능을 하지 못하게 된다.

SE 500 150은 컴프레서를 하나 더 추가하여 가스-터빈 플랜트의 연소기에 추가로 공기를 공급해 주므로써 상기의 문제점들이 해결된 방법 및 장치를 기술한다. 그 해법은 추가한 컴프레서에서 공기를 압축하고, 그리고 연소기의 가압 및 연소기에서의 연소 유지를 위해 연소기에 공기를 공급하는 보통의 컴프레서를 그 압축된 공기가 완전히 또는 부분적으로 지나 가도록 하여 연소기에 공급하도록 구성된다.

SE 500 150 해법과 관련된 문제점으로는 플랜트 안에 설치하기가 복잡하고 비용이 많이 든다는 점이다. 공기역학적 특성이 교란됨 없이 플랜트의 주요한 공기의 흐름속으로 추가한 공기의 흐름을 혼합시킨다는 것은 쉬운 일이 아니다. 더욱이, 그 가스 터빈은 일정한 공기 유량에 맞게 크기가 정해져 있다. 컴프레서를 통과하는 공기 유량을 증가시키지 않은 채 터빈을 지나는 공기 유량을 증가시키면, 그 플랜트의 축력은 교란받게 된다.

발명의 요약

본 발명은 가스-터빈 플랜트의 연소기에 공기를 공급하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 의도는 가스-터빈 플랜트의 컴프레서가 그것이 놓인 해발고도와 주위 기온에 상관없이 소정의 밀도를 갖는 공기 흐름을 항상 받도록 하는 것이다.

소정의 밀도를 갖는 공기를 컴프레서로 분배하는 것은 컴프레서의 상류로 종래의 팬과 같은 가압장치를 배치함에 의해 달성된다. 팬에서, 소정의 밀도를 갖는 공기를 컴프레서의 저압쪽으로 공급할 수 있기에 필요한 정도로 공기가 압축된다. 공기밀도를 소정의 값으로 유지시키기 위해 가스-터빈 플랜트의 컴프레서 앞에 가압장치를 배치시키므로써, 가스 터빈의 본래의 공기역학적 특성은 교란되지 않게 된다.

공기흐름은 플랜트의 구성요소에 의존하기 때문에, 소정의 밀도를 갖는 공기를 컴프레서에 분배하므로써, 연소기의 연소공정으로 필요한 공기 흐름뿐 아니라, 플랜트의 다른 구성요소에 맞춰 컴프레서의 향상된 조절 가능성이 얻어진다.

본 발명은 주위 온도가 높은 곳에서 연소기로 들어가는 공기 흐름이 줄어든 결과로 생긴 플랜트의 파워 감소를 보상할 수 있는 가능성을 제공한다. 부가적인 이점은 컴프레서에 대하여 공기 흐름 용량을 재조정할 수 있는 가능성이 생긴다는 것인데, 이런 경우는 예를 들면 보통의 컴프레서의 크기를 잘못 정한 경우나 또는 컴프레서의 노화 및 불결 등으로 인한 보통의 컴프레서의 변화 때문에 공기 흐름이 줄어든 때에 일어난다.

본 발명의 또 다른 이점은 컴프레서의 상류로 가압 장치를 설치함에 의해서 플랜트의 다른 특성들이 교란되지 않는다는 것이다. 게다가 이 해법이 간단하고 비용 효율적이다.

본 발명은 컴프레서, 가스 터빈 그리고 가압 연소기로 구성된 가스 터빈 플랜트에 관한 것으로, 예를 들면 가압 유동층 복합 사이클(Pressurized Fluidized Bed Combined Cycle) 플랜트, 또는 통합 가스화 복합 사이클(Integrated Gasification Combined Cycle) 플랜트가 있다.

본 발명은 첨부한 도면과 관련하여 보다 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 공기가 연소기로 한층 더 보내질 수 있도록 가압 장치를 통해 컴프레서의 저압쪽으로 공급되는 가스-터빈 플랜트의 일실시예를 개략적으로 도시한다. 점선부분은 컴프레서와 연소기 사이에 놓일 수 있는 가스화기(gasifier)를 나타낸다.

도 2는 공기가 연소기로 한층 더 보내질 수 있도록 가압 장치를 통해 컴프레서의 저압쪽으로 공급되는 가스-터빈 플랜트의 일실시예를 도시한다. 가스-터빈 플랜트는 증기 사이클 및 밸브수단과 결합되어 있다.

도 3은 가스 터빈과 컴프레서가 고압 및 저압 유니트로 구분되는 가스-터빈 플랜트의 실시예를 도시한다. 공기는 연소기로 한층 더 보내질 수 있도록 가압 장치를 통해 저압 컴프레서의 저압 쪽으로 공급된다. 점선부분은 가스-터빈 플랜트가 증기 사이클 및 밸브수단과 결합될 수 있음을 나타낸다.

가스-터빈 플랜트를 개략적으로 보여주는 도 1에서, BK는 연료가 고압에서 태워지는 연소기를 표시한다. 고압은 공기 파이프 (8'')를 통해 연소기 (BK)로 보내지는 공기를 압축하는 컴프레서 (C)에 의해 얻어진다. 연소기 (BK)에서 발생된 연소 가스는 이 연소가스의 에너지를 활용하기 위해 파이프 (9)를 통해 가스 터빈 (GT)으로 인도되는데, 여기서 소비된 폐가스는 폐가스 파이프 (10)를 통해 방출된다. 가스 터빈 (GT)은 컴프레서 (C)와 같은 축 (A1)에 장착되고 따라서 컴프레서를 구동시킨다. 컴프레서 (C)와 가스 터빈 (GT)이 장착된 동일의 축 (A1)에, 발전기 (G)도 가스-터빈 플랜트에서 사용되는 에너지를 전기에너지로 변환하기 위하여 제공된다.

컴프레서로 들어 가는 공기는 파이프 (8')와 가압장치 (F), 예를 들어 팬과 파이프 (8)에 의해 흡입된다. 가압장치 (F)는 그곳을 통해 흐르는 공기의 밀도를 소정의 값으로 올리는 능력을 갖고 있다. 가압장치 (F)는 구동수단 (M)에 의해 구동되는데, 이 구동수단은 예를 들면 전기, 유압, 디젤 또는 폭발형의 제어가능한 모터 형태이거나 또는 증기 터빈 형태이어도 좋다. 구동수단 (M)은 축 (A3)에 의해 가압 장치 (F)를 구동시키도록 조절된다.

구동수단 (M)은 파이프 (8') 안의 밀도 값에 따라 구동된다. 측정 요소 (13)는 파이프 (8')안의 밀도를 측정하도록 조절되고, 제어 요소 (14)는 이 측정 결과에 따라 구동수단 (M)을 제어하도록 조절된다. 구동수단 (M)은 바깥기온이 플랜트의 설계기준의 기온보다 더 높은 경우나 또는 공기의 밀도가 플랜트의 노화와 같은 어떤 이유로 인해 조정될 필요가 있는 경우에 작동된다.

가압 장치 (F)는 예를 들면 그곳을 지나는 공기 흐름의 양을 제어하기 위해 회전할 수 있도록 안내날개를 배치하므로써 제어될 수 있다. 또 다른 방법으로는 가압 장치 (F)는 측정 요소 (13)의 측정 결과에 따라 그 속도를 변경하므로써 제어될 수 있다.

또 다른 실시예가 도 1의 점선 안에 그려져 있는데, 여기서 가스-터빈 플랜트는 가스화기 (GF)와 결합되어 있다. 가스화기 (GF)는 컴프레서와 연소기 사이에 배치되는데, 이것은 이른바 IGCC 플랜트를 나타낸다. IGCC 플랜트는 파이프 (6)를 통해 가스화기 (GF)로 공급되는 연료, 예컨대 석탄을 기화시키기 위하여, 컴프레서 (C)에서 압축된 공기의 일부가 가스화기 (GF)로 넘겨지는 방식으로 작동한다. 그리고 나서 기화된 연료는 파이프 (7)를 통해 가스화기 (GF)에서 연소기 (BK)로 넘겨진다. 그러나 컴프레서 (C)에서 압축된 공기의 대부분은 파이프 (8'')를 통해 연소기 (BK)로 보내진다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는데, 여기서 가스-터빈 플랜트는 이른바 PFBC 플랜트를 형성하는 증기 사이클 및 밸브수단과 결합되어 있다. 증기회로는, 펌프 (15)의 도움으로, 증기의 발생/과열을 위해 응축기 탱크 (16)에서 연소실 (BK)안에 있는 관다발 (18)로 파이프 (17)를 통해서 순환되는 공급수에 의해 나타내진다. 증기는 파이프 (20)를 통해 증기 터빈 (19)으로 보내진다. 응축액과 팽창된 증기는 파이프 (21)를 통해 응축기 (16)로 되돌아간다. 도 2는 인터셉트 및 바이패스 밸브 (V)도 도시한다. 컴프레서 (C)로 들어가는 공기는 공기 파이프 (8')를 통해 흡입된다. 연소기 (BK)에서 발생된 연소가스는 그 연소가스의 에너지를 활용하기 위해 인터셉트 및 바이패스 밸브 (V)에 의하여 가스 터빈 (GT)으로 파이프 (9)를 통해 인도되는데, 여기서 소비된 폐가스는 폐가스 파이프 (10)를 통해 방출된다. 가스터빈 (GT)은 컴프레서 (C)와 같은 축 (A1)에 장착되어 있고 따라서 컴프레서를 구동시킨다. 축 (A1)에 의해, 가스터빈 (GT)은 가스-터빈 플랜트에서 활용된 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위하여 발전기 (G)도 구동시킨다. 연소기 (BK)로 들어가는 컴프레서 공기에 대한 차단 밸브와 연소가스의 가스터빈 (GT)에로의 공급에 대한 차단 밸브 외에도, 인터셉트 및 바이패스 밸브 (V)는 컴프레서 (C)와 가스터빈 (GT)의 단락회로를 가능하게 하기 위하여 차단 밸브와 함께 바이패스 라인도 구성한다.

도 1과 관련하여 기술된 것과 같은 방법으로, 공기는 파이프 (8')와 가압장치 (F)를 통해 컴프레서 (C)로 흡입된다. 게다가 가압장치 (F)는 제어가능한 구동수단 (M)에 의해 상기와 같은 방법으로 제어된다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 추가로 보여 주고 있는데, 여기서 가스터빈 (GT)과 컴프레서 (C)는 모두 몇 단계로 구분된다. 다른 관점에서 보면, 이 설계는 도 1에 따른 보다 더 일반적인 연결에 따르고 있다. 도 3에 따른 실시예에서는, 연소기 (BK)에서 생긴 연소가스가 고압 터빈 (HPT)을 구동시키는데, 이것은 제 1축 (A1)에 있는 고압 컴프레서 (HPC)와 함께 장착되어 있다. 고압터빈 (HPT)에서 팽창된 가스는 저압 터빈 (LPT)으로 보내지고, 여기에서 부터 플랜트의 폐가스는 폐가스 파이프 (10)를 통해 방출된다. 저압터빈 (LPT)이 장착되어 있는 것과 같은 축인 제 2축 (A2)에, 저압 컴프레서 (LPC)가 배치되어 있다. 이 저압 컴프레서로 공기파이프 (8''')를 통해 공기가 공급되는데, 그 후에 저압 컴프레서(LPC) 에서 압축된 공기는 고압 컴프레서 (HPC)로 보내지고, 여기서 그 공기는 연소기 (BK)로 공급되기 전에 한층 더 압축되는데, 이것은 점선으로 표시되어 있으며 도 2에 표시된 것과 같은 기능을 갖는 인터셉트 및 바이패스 밸브(V)를 통하여 가능하게 된다. 저압 컴프레서 (LPC)에서 공기가 압축된 후에, 그 공기는 고압 컴프레서 (HPC)로 공급되기 전에 중간냉각기 (IC)에서 냉각될 수 있다. 제 1축 (A1)은 전기에너지를 발생시키기 위해 기어 (12)에 의해 가능한 방식으로 발전기 (G)를 구동시킨다.

이 실시예에서, 저압 컴프레서 (LPC)로 들어가는 공기는 파이프 (8)를 통해 가압장치 (F)로 흡입되고, 또한 파이프 (8''')를 통해 흡입된다. 가압장치 (F)는 파이프 (8') 안에 있는 공기의 밀도에 따라 축 (A3)에 의해 구동된다. 요소 (13)는 파이프 (8') 안의 밀도를 측정하기 위해서 배치되고, 이 측정 결과에 따라 제어 요소 (14)는 가압장치 (F)를 구동시키기 위하여 구동수단 (M)을 제어하도록 조절된다.

또 다른 방법으로, 가압장치 (F)는 파이프 (8''') 안의 공기 밀도에 따라 축 (A3)에 의해 구동된다. 그때 요소 (13')는 파이프 (8''') 안의 밀도를 측정하도록 조절되고, 그 측정 결과에 따라 제어 요소 (14')는 가압장치 (F)를 구동시키기 위하여 구동수단 (M)을 제어하도록 조절된다.

게다가 도 3은 가스-터빈 플랜트와 결합된 증기회로를 점선으로 보여준다. 증기회로는 도 2에서와 같은 방법으로 나타낸다. 그것은 주로 인터셉트 및 바이패스 밸브 (V)가 사용될 수 있는 이 증기 회로와 함께 결합되어 있다.

그러므로 본 발명은 단축 및 다축 가스 터빈 플랜트와 복합 사이클에 모두 적용할 수 있다.

Claims

연소기 (BK)를 가압하기 위하여, 연소기 (BK) 안에서 연료가 연소하는 동안에 생긴 가스에 의해 구동되는 가스터빈 (GT)에 의해 구동되는 컴프레서 (C)를 포함하며, 공기가 가압장치 (F)에 의해 컴프레서 (C)의 저압쪽으로 공급되는 가스-터빈 플랜트의 가압 연소기 (BK)로 공기를 공급하는 방법에 있어서,

가압장치 (F)는, 가스 터빈 플랜트와 별개로 배치되고, 가압장치 (F)와 컴프레서 (C) 사이에 제공된 공급 파이프 (8') 안의 공기밀도에 따라 제어되는 구동수단 (M)에 의해 가압장치가 구동되며, 가압장치 (F) 안의 공기는, 소정의 밀도를 갖는 공기가 컴프레서 (C)로 공급되도록 압축되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 방법.
연소기 (BK)를 가압하기 위하여, 연소기 (BK) 안에서 연료가 연소하는 동안에 생긴 가스에 의해 구동되며, 고압 터빈 (HPT)과 저압터빈 (LPT)으로 구분되는 가스터빈 (GT)에 의해 구동되며, 고압 컴프레서 (HPC)와 저압 컴프레서 (LPC)로 구분되는 컴프레서 (C)를 포함하는 가스-터빈 플랜트의 가압 연소기 (BK)로 공기를 공급하는 방법에 있어서,

소정의 밀도를 갖는 공기가 저압 컴프레서 (LPC)로 공급되도록 공기가 압축되는 가압장치 (F)에 의해 저압 컴프레서 (LPC)의 저압쪽으로 공기가 공급되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 방법
제2항에 있어서, 가압장치 (F)와 고압 컴프레서 (HPC) 사이에 제공된 공급 파이프 (8') 안의 공기밀도에 따라 제어되는 구동수단 (M)에 의해 가압 장치 (F)가 구동되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 방법.
제2항에 있어서, 가압장치 (F)와 저압 컴프레서 (LPC) 사이에 제공된 공급 파이프 (8'') 안의 공기밀도에 따라 제어되는 구동수단 (M)에 의해 가압 장치 (F)가 구동되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 방법.
연소기 (BK)를 가압하기 위하여, 가압 장치 (F)를 포함해서 연소기 (BK) 안에서 연료가 연소하는 동안에 생긴 가스에 의해 구동되는 가스터빈 (GT)에 의해 구동되는 컴프레서 (C)를 포함하는 가스-터빈 플랜트의 가압 연소기 (BK)로 공기를 공급하는 장치에 있어서,

가압 장치 (F)는 컴프레서 (C)의 상류로 가스 터빈 플랜트와 별개의 유니트로서 배치되고, 구동수단 (M)은 축 (A3)에 의해 가압장치 (F)에 연결되고, 그리고 소정의 밀도를 갖는 공기를 컴프레서 (C)의 저압쪽으로 공급하기 위해 가압장치 (F)와 컴프레서 (C) 사이에 제공된 공급 파이프 (8') 안의 공기밀도에 따라 가압장치 (F)를 구동하도록 구동수단 (M)이 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
제5항에 있어서, 구동수단 (M)은 축 (A3)에 의해 가압장치 (F)에 연결되며, 구동수단 (M)은 가압장치 (F)와 컴프레서 (C) 사이에 제공된 공급 파이프 (8') 안의 공기밀도에 따라 가압장치 (F)를 구동하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
연소기 (BK)를 가압하기 위하여, 연소기 (BK) 안에서 연료가 연소하는 동안에 생긴 가스에 의해 구동되며, 고압 터빈 (HPT)과 저압터빈 (LPT)으로 구분되는 가스터빈 (GT)에 의해 구동되며, 고압 컴프레서 (HPC)와 저압 컴프레서 (LPC)로 구분되는 컴프레서 (C)를 포함하는 가스-터빈 플랜트의 가압 연소기 (BK)로 공기를 공급하는 방법에 있어서,

소정의 밀도를 갖는 공기를 저압 컴프레서 (LPC)의 저압쪽으로 공급하기 위해 저압 컴프레서 (LPC)의 상류로 배치된 가압장치 (F)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
제7항에 있어서, 축 (A3)에 의해 가압장치 (F)에 연결된 구동수단 (M)을 포함하며, 구동수단 (M)은 가압장치 (F)와 고압 컴프레서 (HPC) 사이에 제공된 공급 파이프 (8') 안의 공기밀도에 따라 가압 장치 (F)를 구동하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
제7항에 있어서, 축 (A3)에 의해 가압장치 (F)에 연결된 구동수단 (M)을 포함하며, 구동수단 (M)은 가압장치 (F)와 저압 컴프레서 (LPC) 사이에 제공된 공급 파이프 (8''') 안의 공기밀도에 따라 가압장치 (F)를 구동하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
제5, 8 또는 9항에 있어서, 공급 파이프 (8'와 8''') 안의 밀도를 각각 측정하도록 조절되는 측정요소 (13과 13')와 이 측정 결과에 따라 구동수단 (M)을 구동하도록 조절되는 제어요소 (14와 14')를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.
제5, 8, 9 또는 10항에 있어서, 구동수단 (M)이 전기 모터인 것을 특징으로 하는 공기 공급 장치.