KR20000010648A - 증기 냉각 연소기 및 트랜지션과 관련하여 사용되는 연료 가열시스테뮤 - Google Patents

증기 냉각 연소기 및 트랜지션과 관련하여 사용되는 연료 가열시스테뮤 Download PDF

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Abstract

연료가 연소기(30)로 분사되기 전에 연료 공급장치(25)와 열교환기(10)의 연료를 예열하도록 가스터빈 엔진(40)에서 회수되는 고온의 냉매를 이용하므로서 더 효율적인 복합 사이클 터빈 시스템을 제공하는 시스템에 관한 것이다. 저온 가스터빈 연소기 및/또는 트랜지션을 냉각하기 위해 사용되는 증기와 같은 냉매는 상부 사이클에서 제거된 고온의 열 에너지를 운반한다. 열 에너지를 유입 연료로 회수하므로서, 에너지는 하부 사이클에서 열 에너지를 회수하는 것 보다 더 효율적인 비율로 회수된다.

Description

증기 냉각 연소기 및 트랜지션과 관련하여 사용되는 연료 가열 시스템
발전 시스템(power generation system)의 효율을 개선하는 것은 발전 시스템 기술분야 종사자의 끊임없는 목표이다. 아마도 발전 효율을 증가시키기 위한 가장 중요한 기술은 복합 사이클 시스템의 이용과 연관된다. 복합 사이클 시스템에서 상부 사이클(top cycle)로 일컬어지는 제 1 시스템의 배기열(exhaust heat)은 하부 사이클(bottom syscle)로 일컬어지는 제 2 시스템의 발전에 사용된다. 이와같은 복합 사이클 시스템은 일반적으로 상부 사이클에 가스 터빈 엔진을 그리고 하부 사이클에 증기 시스템을 사용한다. 열 회수 증기 발전기는 가스 터빈 엔진의 고온 배기가스를 유용한 증기로 열을 전달하여 하나 이상의 증기 터빈을 구동한다.
발전 시스템의 개발자들은 상부 사이클로 가능한 만큼의 많은 에너지를 입력하는 것이 복합 사이클 시스템에서 가장 큰 에너지 효율을 생산한다는 것을 알게 되었다. 상부 사이클로 에너지를 입력하면 상부 사이클과 하부 사이클 둘 모두로 에너지를 전달하는 효과를 갖는다. 이에 반해서, 오직 하부 사이클로만 에너지를 입력하면 오직 하나의 사이클 즉 하부 사이클로만 에너지를 전달할 뿐이다. 현재의 고효율 발전 시스템에 있어서, 예를들어 상부 사이클로 에너지를 입력하면 상부 사이클 및 하부 사이클의 복합 효율로 대략 58%가 회수된다. 이에 비해, 하부 사이클로만 에너지를 입력하면 에너지는 상당히 낮은 43%가 회수된다.
효율에 부가하여, 발전 시스템에서 터빈 엔진을 냉각하는 것이 또한 아주 중요하다. 특히, 가스 터빈 엔진의 연소기와 트랜지션은 아주 높은 열에 노출되어 실질적으로 냉각을 필요로 한다. 예를들어, 종래의 가스 터빈 엔진은 연소기에서 1550℃에 도달하는 화염 온도를 갖는다. 적절하게 구성요소를 냉각하기 위해, 터빈 엔진 설계자는 압축공기로 연소기와 트랜지션의 막 냉각(film cooling)을 사용하였다. 이와같은 막 냉각 기술의 결과로, 터빈 유입구 온도는 화염온도보다 상당히 낮은 온도(즉 대략 1350℃ 내지 1550℃)로 떨어진다. 그러나 이러한 방법으로 터빈 유입 온도를 감소시키는 것은 발전 시스템 효율을 감소시키는 부작용을 갖는다. 그러나, 1550℃는 현재 산업의 필수조건인 9ppm 저 건조 NOx(질소 산화물) 연소 화염 온도에 대한 열역학적 한계이다. 효율을 증가시키기 위해, 연소기와 트랜지션 냉각 설계물은 냉매가 가스통로로 배출되지 않는 밀폐 시스템(closed system)으로 이동하기보다 구성요소 둘레를 순환하므로서, 화염온도를 증가시킴없이 터빈 유입 온도를 150℃ 증가시킨다.
밀폐 시스템에서, 냉매는 증기, 물 또는 공기를 포함한다. 증기가 선택 냉매인 경우, 증기는 종종 하부 사이클 즉, 열 회수 증기 발전기에서 제거되고, 터빈엔진의 냉각제로 사용된다. 연소기 및 트랜지션을 냉각한 후, 증기는 유용한 에너지가 회수되는 증기터빈으로 순환된다.
출원인은 하부 시스템으로 증기를 순환시키는 것이 열 에너지 회수량에 불리하다는 것을 알았다. 상부 사이클에서 열 에너지를 회수하지 않으므로서, 많은 열 에너지가 상부 사이클에서 제거되고 증기 터빈을 거쳐 하부 사이클에서 회수된다. 따라서, 연소기 및 트랜지션에서 상부 사이클로 제거된 많은 열 에너지를 회수하는 시스템이 필요하다.
발명의 요약
본 발명은 연료가 연소기로 분사되기 전에 가스터빈엔진에서 예열 연료로 회수하도록 고온의 냉매를 이용하므로서 위의 필요성을 충족한다. 이와같은 장치는 냉매 공급장치를 포함한다. 가스터빈엔진의 구성요소는 구성요소를 통과하는 냉매가 구성요소를 감싸 고온의 가스통로에서 발생된 구성요소에서 열을 흡수하도록 라이너(liner)를 갖는다. 라이너는 냉매 공급장치로부터 냉매를 받아들이기 위한 유입구와 냉매를 라이너에서 배출시키기 위한 배출구를 갖는다. 시스템은 또한 냉매용 유동통로와 분리된 연료용 유동통로를 갖는 열 교환기를 갖는다. 냉매는 구성요소 라이너 배출구에서 열 교환기로 유동한다. 동시에, 연료는 경로에 있는 열 교환기를 통해 터빈엔진 연소기로 유동한다. 열교환기내에서 냉매로부터의 열은 연료로 전달된다.
발명의 요약 뿐만 아니라 발명의 상세한 설명은 첨부 도면과 관련하여 읽으면 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 설명하기 위해, 바람직한 실시예가 도면에 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 기술한 특정 방법 및 장치에 한정되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 터빈 엔진과 함께 사용하는 에너지 회수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세히는 가스 터빈 연소기와 트랜지션(transitions)을 냉각하는데 사용되는 증기에서 연료로 에너지를 전달하는 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 사용되는 증기 냉각 연소기/트랜지션을 가진 복합 사이클 발전 시스템이 개략도.
도 2는 본 발명이 사용되는 연소기/트랜지션 냉매 회로의 블록도.
도면에서 전체적으로 같은 도면번호는 같은 구성요소를 나타낸다. 도 1은 본 발명이 사용되는 복합 사이클 발전 시스템(100)의 개략도이다. 상부 사이클은 가스터빈엔진(110)으로 구성되고 하부 사이클은 열회수 증기 발전기(50;HRSG)와 증기 터빈(60)으로 구성된다. 연료 공급장치(25)는 에너지원을 복합 사이클 발전 시스템(100)에 제공한다. 시동시 연료 공급장치(25)의 연료는 가스터빈(110)에 동력을 공급한다. 전체 시스템 효율을 더 향상시키기 위해, 배기로 터빈(40)에서 배출되는 고온 가스는 HRSG(50)에 의해 증기로 전환된다. 이 증기는 동력증기터빈(60)에 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 연소기와 트랜지션(30)은 HRSG(50)에서 제공된 증기에 의해 냉각된다. 그러나, 연소기와 터빈(30)을 냉각하기 위해 사용된 증기가 이용하기 쉬운 공급원이 된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 부가적으로, 연소기와 트랜지션은 도면에서 단일 구성요소(30)로 표시된다. 본 발명은 트랜지션, 연소기, 또는 복합 연소기/트랜지션을 냉각시키기 위해 사용되었던 증기 사용을 계획한 것이 두드러진다. 따라서, 그것들은 단일 구성요소로 도면에 표시된다. 증기는 연소기와 트랜지션의 라이너로 들어가고 열을 흡수하므로서 연소기와 트랜지션의 벽을 냉각한다. 증기에 의해 흡수된 열이 하부 사이클 즉 증기터빈(60)으로 직접 전달될 경우, 냉매로 전달된 에너지는 하부 사이클 효율로만 회수될 것이다.
본 발명은 실시예를 참조하므로서 더 잘 이해될 수 있다. 그러나, 온도, 효율 등으로 여기에 사용된 숫자 모두는 설명을 위한 것이고 본 발명을 한정하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 증기 냉각 가스터빈 엔진의 예에서, 연소기 및 트랜지션 라이너로 들어가는 냉각 증기의 온도는 650。F 정도이다. 증기가 라이너를 따라 이동하고 배출된 후 온도는 대략 1050。F로 상승한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 에너지의 일부(즉, 증기에 더해진 추가 열)는 상부 사이클에서 회수된다. 따라서, 바람직한 실시예에서는 열 교환기(10)가 시스템(10)내에 삽입된다. 이러한 열 교환기(10)는 증기에 있는 다소의 열 에너지를 연료 공급장치(25)로 거쳐 상부 사이클로 들어가는 연료로 전달한다.
도 2는 증기에 있는 다소의 열 에너지를 연료로 전달하는 시스템의 블록도이다. 초기에, 연료는 미리 결정된 온도로 시스템에 공급된다. 도 2에 도시된 바와같이, 연료는 대략 59。F로 연료 공급장치(25)에서 배출된다. 연료 공급장치(25)에서 배출된 후 연료는 종래의 가스 연료 가열 시스템(12)으로 들어갈 수 있다. 종래의 가스 연료 가열 시스템(12)은 대략 800。F로 연료 온도를 상승시킨다. 가열 시스템(12)에서 배출된 후, 연료는 본 발명의 열 교환기(10)로 들어간다. 동시에 650。F 온도인 증기는 라이너(32) 벽에서 유입구(34)를 통해 연소기 및 트랜지션(30)의 라이너(32)로 들어간다. 라이너(32) 벽의 열 플럭스(flux)는 증기 온도를 대략 1050。F로 증가시킨다. 그 후 증기는 배출구(36)를 통해 라이너(32)에서 배출된다. 그 후 증기는 열 교환기(10)로 들어가 연료 온도를 대략 900。F로 증가시킨다. 연료 온도를 900。F로 증가시키는 동안, 증기 온도는 대략 850。F로 감소한다.
열 교환기(10)는 콤팩트 인쇄회로기판 구조물과 같이 분리된 단열 유체간에 열을 교환하기 위한 이 기술분야에 잘 알려진 형식으로 구성된다.
본 발명은 본 발명의 정신 또는 특성에 벗어남없이 다른 특정 형태로 실시될 수 있고, 예컨대 유사한 기술이 도면에 도시된 증기보다 물을 이용하여 연료를 예열하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 앞의 상세한 설명보다 첨부한 청구의 범위를 참조되어야 한다.

Claims (14)

  1. 냉매 공급장치,
    구성요소를 통과하는 냉매가 상기 구성요소를 감싸 열을 흡수하도록, 상기 냉매 공급장치와 소통하는 유입구와 냉매를 라이너에서 배출시키기 위한 배출구를 갖는 라이너를 갖춘 터빈엔진의 구성요소, 및
    열이 냉매에서 연료로 전달되도록, 구성요소 라이너 배출구와 소통하는 냉매용 유동통로와 터빈엔진 연소기의 연료 유동 통로내에 배치되는 연료용 유동통로를 갖는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉매는 증기인 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 냉매는 물인 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 냉매는 공기인 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 구성요소는 연소기인 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 구성요소는 트랜지션인 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 구성요소는 트랜지션/연소기 복합체인 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 냉매 공급장치는 터빈엔진의 배기구에 연결된 열 회수 증기 발전기가 제공되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  9. 냉매 공급장치,
    연소기와 트랜지션을 통과하는 냉매가 상기 연소기와 트랜지션을 감싸 열을 흡수하도록, 상기 냉매 공급장치와 소통하는 유입구와 냉매를 라이너에서 배출시키기 위한 배출구를 갖춘 라이너를 갖는 터빈엔진의 연소기와 트랜지션, 및
    상기 배출구에서 나오는 냉매 공급장치의 열을 가스터빈엔진으로 들어가는 연료로 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 수단은 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 냉매는 증기인 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 냉매는 물인 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 냉매는 공기인 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 연료를 예열하는 시스템.
  14. 증기 공급장치,
    연소기와 트랜지션을 통과하는 증기가 상기 연소기와 트랜지션을 감싸 열을 흡수하도록, 증기 공급부와 소통하게 하는 유입구와 증기를 라이너에서 배출시키기 위한 배출구를 갖춘 라이너를 갖는 터빈 엔진의 연소기와 트랜지션, 및
    열이 증기에서 연료로 전달되도록, 구성요소 라이너 배출구와 소통하는 증기용 유동통로와 터빈엔진 연소기의 연료유동통로내에 배치된 연료용 유동통로를 갖는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 연료를 예열하는 시스템.
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