KR20000035438A - 가스 터빈 시스템의 동력 출력을 증가시키기 위한 장치 및방법 - Google Patents

가스 터빈 시스템의 동력 출력을 증가시키기 위한 장치 및방법 Download PDF

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레이몬드프랜시스 드르네비치
엠.무쉬타크 아메드
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조안 엠. 젤사
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
로버트 지. 호헨스타인
도로시 엠. 보어
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Abstract

동력 출력 및 가스 터빈의 효율을 증가시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 저압 스팀의 이용과 관련하여 질소 또는 질소 및 수증기의 혼합물을 가스 터빈에 첨가함으로써 열소비율 저하가 최소화되는 반면 동력 출력이 강화되며 NOX방출이 감소된다.

Description

가스 터빈 시스템의 동력 출력을 증가시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INCREASING THE POWER OUTPUT OF A GAS TURBINE SYSTEM}
공업용 전력 발생 가스 터빈은 주위 온도, 기압, 연료 발열량, 및 스팀 분사률의 예비-설정된 범위상에서 작동되도록 설계된다. 이러한 작동상의 적응성은 흐름 및 압력비의 범위상에서 효과적으로 작동하기 위하여 가스 터빈 공기 압축기 및 고온가스 팽창기를 설계함으로써 실현된다. 대부분의 작동점에서, 공기 압축기는 가스 터빈의 용량을 제한하는 반면에, 임의의 다른 점에서, 고온가스 팽창기는 제한된다. 이러한 작동상의 적응성은 가스 터빈 용량의 효율화 및/또는 고 열효율을 초래한다.
종래에는 동력 출력을 증가시키며/또는 열소비율(효율) 저하를 최소화시키기 위한 열역학적 사이클 및 공정 장치 배열의 고안이 시도되었다. 많은 경우 주요 초점은 냉각(저 흡입 온도, 고 밀도) 또는 가습에 의하여 공기의 질량흐름을 증가시키는 데 있다. 또한 압축 에너지 소비를 감소시키기 위하여 내부 냉각을 실시하는 것이 고려된다.
가스 터빈 제조분야에서는 저 열소비율, 감소된 NOX및 CO 방출, 고 신뢰도 및 감소된 보수를 위하여 주로 가스 터빈 기계적 설계 및 공정 제어 기술을 향상시키는 데 초점을 맞춘다. 역사적으로, 가스 터빈에서 물 또는 스팀 분사의 실시는 이차적 장점인 동력 증대도 되는 NOX방출 제어가 이용된다. 또한 동력 증대를 위한 스팀 분사만 통상적으로 실시된다. 그러나, 건조한 저 NOX(DLN) 유니트와 함께, NOX방출 제어를 위한 물 또는 스팀 분사의 이용은 감소되고 있다.
가스 터빈 작동 시스템은 가스 터빈내로 분사용 공기 분리 플랜트로부터 고 순도 또는 폐기 질소 제품을 복귀시키는 가스 터빈 공정 및 통합된 공기 분리 공정을 포함하여 발전되고 있다. 또 다른 종래 기술 시스템은 산소 및 질소 제품을 제조하기 위하여 공기 분리 플랜트에서 가스 터빈 공기의 부분을 분리하며, 합성가스를 제조하기 위하여 탄소 연료를 기화하거나 부분적으로 산화하기 위한 산소를 이용하며, 그리고 가스 터빈 압축기 배출 및/또는 연소기내로 분사를 위한 질소 제품을 복귀시키는 통합된 공기 분리 기화/부분 산화 가스 터빈 공정을 구체화한다.
이 같은 종래기술 접근이 동력 출력의 증가 및/또는 효율의 강화에 유용한 것으로 증명된 반면에, 열소비율 저하를 감소시키면서 동력 출력을 증가시키며 NOX방출을 감소시키기 위하여 더욱 효율적이고 효과적인 기술 및 장치가 요구된다.
향상된 장치 및 방법은 NOX방출을 감소시키며 열소비율 저하를 최소화하는 반면에 가스 터빈의 동력 출력을 강화하기 위하여 개발되었다.
본 발명은 잠재적으로 낮은 NOX방출을 하면서 동력을 증대시킬 수 있다.
도 1은 저 수준 열을 이용한 질소 및 수증기의 과열 혼합물의 이용하여 가스 터빈의 동력 출력이 증가되는 상태를 도시한 본 발명에 의한 제 1 실시예의 개략도.
도 2는 고 발열 연료 및 질소가 포충기에 공급되는 상태를 도시한 본 발명에 의한 다른 실시예의 개략도.
도 3은 습한 질소 및 연료 스트림용 단독 과열기를 도시한 개략도.
도 4는 연료 모두가 단독 연료 가스 매니폴드를 통하여 연소기에 공급되는 또 다른 실시예의 개략도.
도 5는 이용 스팀이 추가 열없이 재순환수가 포충기에 공급되는 충분한 압력 및 온도에 있는 상태를 도시한 또 다른 실시예의 개략도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1, 8, 10, 11, 12, 15∼19, 21∼ 28, 31, 32, 35, 43, : 라인
2 : 가스 터빈 공기 압축기 3 : 연소기
4 : 고온가스 팽창기 5 : 매니폴드 시스템
6 : 가스 터빈 조립체 7 : 발전기
9 : 포충기 10 : 펌핑 순환수 회로
13 : 이슬제거부 14 : 희석제 과열기
20 : 연료 히터 29 : 펌프
30 : 재순환수 히터 40 : 밸브
45 : 직접 접촉식 히터
실제로, 질소 및 수증기와 같은 연료 및 희석제의 예비-설정된 농축을 포함하는 연료 가스 혼합물이 제조 및 이용된다. 연료 혼합물의 열 특성은 수증기(상대적으로 더 높은 열용량) 및 질소의 농축을 조정함으로써 맞추어진다. 연료 가스 혼합물은 가스 터빈 연소기 유니트의 연료 가스 매니폴드에 전달 및 가열된다. 가스 터빈 설계에 따라, 이 연료 가스 혼합물은 가스 터빈 연소기 작동 압력보다 충분히 더 큰 압력에서 전달될 것이 필요하다. 임의의 가스 터빈에 대해 이것은 임의의 다른 가스 터빈이 300 psig보다 큰 압력인 반면에, 연료가 150 psig 내지 300 psig의 범위에서의 압력이어야 한다는 것을 의미한다. 본 발명은 바람직한 물 증기 함량을 가지며 과열된 연료 가스 혼합물을 제조하기 위하여 저압 스팀(압력이 요구된 연료 가스 혼합물 전달 압력보다 작은 스팀)의 이용이 가능하다. 연료 가스 혼합물은 질소 가스를 가습화하며 그때 습기 질소와 연료를 혼합함으로써 제조된다. 이 목적을 위한 습기는 가스 터빈 연료 전달 압력을 초과하지 않지만 30 psig 또는 더 큰 압력에서 스팀으로부터 얻는다. 대부분 상업적으로 이용되는 가스 터빈에 대해 바람직한 스팀 압력은 적어도 가스 터빈 연료 전달 압력 아래 50psi이다. 가습화는 최소 압력 손실과 함께 고 물질 전달비를 얻기 위하여 적당한 설계 및 공학 특징을 가진 역류 접촉기에서 질소 및 고온수를 접촉시킴으로써 달성된다. 습한 질소에서의 수증기 함량은 60몰%만큼 높을 수 있으며, 바람직하게는 30-50몰% 범위이다. 습한 질소 가스는 응축을 방지하기 위하여 천연 가스와 같은 연료와 혼합하기 전에 과열된다. 일관된 발열량 및 성분의 연료 가스 혼합물이 얻어 지도록 혼합된다. 연료 가스 혼합물에서 연료 함량은 25내지 75몰%일 수 있으며, 바람직하게는 35내지 50몰%이다. 결과적인 연료 가스 혼합물은 가스 터빈 연료 가스 매니폴드 시스템에서 응축을 피하기 위한 50℉ 과열을 얻기 위하여 과열된다. 본 발명은 습기 원뿐만 아니라 열 에너지 원으로서 저압 스팀을 이용할 수 있다. 또한 본 발명은 또한 저압 스팀으로부터 주로 습기를 얻을 수 있으며, 추가 습기 및/또는 열 에너지 원으로서 상대적으로 더 높은 압력을 이용할 수 있다. 그러나, 본 발명은 습기 및/또는 열 에너지의 주요 원으로서 상대적으로 더 높은 압력 스팀의 이용을 배제할 수 없다. 저압 스팀과 같은 저 등급 열은 열소비율 저하를 최소화하기 위한 최대 가능한 정도로 이용된다.
공기 냉각 또는 공기 가습에 비하여, 본 발명은 가스 터빈내에 분사될 수 있는 추가 질량의 양에서 더 넓은 범위의 능력을 제공한다. 본 발명은 공기 분리 플랜트 및 가스 터빈의 통합에 의존하지 않는다. 본 발명은 멀리 위치된 공기 분리 플랜트 또는 현장의 플랜트로부터 파이프라인에 의하여 제공된 질소를 이용할 수 있다. 본 발명은 초냉각 증류(cryogenic distillation), 또는 압력 스윙 흡착(pressure swing adsorption), 또는 진공 압력 스윙 흡착, 또는 막 기술과 같은 공기 분리를 위하여 이용된 기술에 의존하지 않는다. 본 발명은 공기 분리 플랜(산소 5%보다 적다)에서 고 순도 질소 제품(10 ppm 산소보다 적은)뿐만 아니라 폐기 질소 스트림과 같은 저 순도 질소 제품 둘 다를 이용할 수 있다.
공개된 발명은 작동상태의 범위상에서 가스 터빈의 동력 출력을 강화할 수 있다. 가스 터빈 압축기가 위치상태에 기인한 보틀넥(bottleneck)인 상황에 특히 적용가능하다. 또한 50 내지 200 psig에서 저압 포화 스팀과 같은 상당한 저 등급 열이 이용가능한 곳에 특히 적용가능하다.
본 명세서에서 사용되는 용어 저압 스팀은 가스 터빈 제조분야에서 특정된 최소 연료 전달압력 보다 작은 압력의 스팀을 나타낸다.
도 1은 천연 가스와 같은 가습 질소 및 연료의 과열 혼합물을 이용한 가스 터빈의 동력 출력을 증가시키기 위한 본 발명의 제 1 실시예를 나타내는 개략도이다.
라인(1)을 통한 공기는 가압된 가스 터빈 공기 압축기(2)로 유입되며, 두개의 부분으로 나누어진다. 제 1 부분은 가스 터빈 공기 압축기(2)로부터 연소기(3)에 공급되는 연소 공기이며, 제 2 부분은 가스 터빈 제조분야에서 특정된 최대온도 아래로 날개를 냉각시키기 위해 가스 터빈 공기 압축기(2)로부터 고온가스 팽창기(4)로 공급되는 냉각 공기이다.
매니폴드 시스템(5)을 통한 연료, 질소 및 수증기를 포함하는 과열 연료 가스 혼합물은 연소기(3)로 유입되며, 연소기(3)에서 연료 가스 혼합물의 연료 성분은 연소 공기에서 산소와 반응한다. 희석제의 존재, 연료내의 질소 및 수증기는 불꽃의 온도를 낮추며, 결론적으로 NOX가 낮게 방출된다. 연소기에서 적은 열 손실을 제외하고, 연소 반응으로부터 방출된 열은 연소 제품, 과잉 연소 가스, 및 희석제(연료에서의 질소 및 수증기, 및 연료와 함께 유입되는 CO2와 같은 임의의 다른 불활성 성분)에 의하여 흡수된다. 결과적인 고온가스는 팽창기(4)내로 흐르며 작동유체로서 작용한다. 팽창기(4)내의 임의의 점에서, 열 연소 제품 및 냉각 공기는 전적으로 함께 혼합되며, 가스 터빈 조립체(6)로부터 나온다. 고온가스 팽창기의 작업 출력은 공기 압축기(2) 및 발전기(7)(또는 선택적으로 로드(load))를 구동시키기 위하여 이용된다.
고온가스 팽창기(4)로부터 배기 가스는 이 기술분야에서 이미 공지된 많은 방법에서 발견된 고온 수준에서 상당한 열 에너지를 포함한다.
매니폴드 시스템(5)을 통하여 공급된 연료 가스 혼합물은 질소 가스의 가습 및 습한 질소와 연료의 혼합에 의하여 제조된다. 라인(8)으로부터 질소는 여기에서 포충기(saturator)로서 언급된 충전 또는 단 탑(9)의 바닥부로 공급된다. 펌핑 순환수 회로(10)는 라인(11)을 통하여 포충기의 상부에서 나오는 수증기 및 질소의 혼합물을 얻기 위한 습기 및 열 에너지 원으로서 작용한다. 상대적으로 냉각된 물 스트림은 라인(12)을 통하여 포충기의 바닥부에서 나온다. 포충기(10)는 액체상태 물의 흡입현상을 방지하기 위하여 상부에 이슬 제거부(13)를 포함한다.
포충기(9)로부터 질소 및 수증기의 혼합물은 여기에서 희석제 과열기로서 언급된 열 교환기(14)에서 과열된다. 라인(15)으로부터 저압 스팀은 과열의 목표도(라인(18)으로부터 연료의 혼합상 응축을 피하기 위해)를 달성하기 위한 열 에너지원으로서 작용한다. 질소 및 수증기의 과열 혼합물은 라인(16)을 통하여 회석제 과열기로부터 나온다. 가열 작업의 완료후 스팀은 라인(17)을 통하여 나온다.
라인(16)으로부터 질소 및 수증기의 과열 혼합물은 파이프 또는 특별히 설계된 혼합기일 수 있는 "50" 내의 라인(18)으로부터 연료가스와 혼합된다. 연료 가스, 질소 및 수증기의 결과적인 혼합물은 라인(19)을 통하여 여기에서 연료 히터로서 언급된 열 교환기(20)로 공급된다. 라인(21)으로부터 저압 스팀은 과열의 목표도(연료 가스 매니폴드(5)에서 응축을 피하기 위해)를 달성하기 위하여 열 에너지 원으로서 작용한다. 과열 연료 가스 혼합물은 가스 터빈 연료 가스 매니폴드(5)로 가는 도중의 라인(22)을 통하여 연료 히터로부터 나온다. 가열 작업 완료후 스팀은 라인(23)을 통하여 나온다.
밸브(40)는 습기 및 열 원으로서 저압 스팀의 이용을 허용하기 위해 포충기로부터 라인(12)을 통하여 나오는 물의 압력을 줄이기 위하여 이용된다. 포충기(9)로부터 물의 작은 부분은 순환수에서 불순물이 증가하는 것을 방지하고 목표 재순환비를 유지하기 위해 라인(24)을 통한 감압(blowdown)으로서 방출된다. 라인(25)를 통한 잔류수는 라인(17)을 통한 희석제 과열기(14), 라인(43)을 통한 연료 히터(20), 라인(32)을 통한 재순환수 히터(30), 및 라인(27)을 통한 보충수(또는 저압 스팀)로부터 스팀/응축물과 혼합된다. 흡입 라인(26) 및 방출 라인(28)과 함께 펌프(29)는 포충기에 공급하기 위하여 충분한 압력으로 재순환수를 펌핑하기 위해 이용된다. 분리기(도시되어 있지 않음)는 흡입 라인에 증기가 없음을 보장하기 위하여 포충기와 펌프 사이에 설치된다. 재순환수는 포충기 상부 가스에서 목표 가습 수준을 달성하기 위하여 목표 온도로 가열된다. 라인(31)을 통한 저압 스팀은 히터(30)에서 물을 가열하기 위하여 이용된다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 습한 질소 스트림을 생성하는 공정을 포함하는데, 이후 상기 습한 질소 스트림은 포충기(9)로서 설명된 장치 및 직접 접촉식 워터 히터(45)와 관련된 스팀, 및 순환수 회로를 이용한 습한 희석제 스트림으로서 지칭된다. 이것은 연료와 혼합하기 위한 질소 및 수증기 함량에 관한 예비 조절된 회석제 가스 그리고 제어된 성분을 전달하는 것을 의미한다. 포충기(9)는 계속적인 역류 충전 또는 트레이드(trayed) 접촉기이며, 추가 압축없이 가스 터빈 연소기에 가스의 전달을 위한 적당한 압력에서 작동한다. 펌핑된 고온수, 액상은 중력에 의하여 하방으로 흐르고 증가하는 질소 가스와 접촉한다. 질소 가스는 주위 온도에서 포충기에 공급되지만, 유효한 가스-액체 접촉을 촉진시키기 위한 충분한 압력에서 공급된다. 포충기 설계는 습한 희석제 가스에서 수증기 함량의 목표 범위를 전달하기 위해 요구된 액체 유동률에서 예상되는 변화를 수용한다. 가스 터빈 발생 70MW를 위해, 포충기는 통상적으로 직경이 5 내지 6 피트이며, 크기가 15 내지 30 피트이다.
포충기(9)의 하단부로부터 나오는 물의 부분은 워터 회로에서 불순물의 증가를 최소화하기 위한 감압으로서 배출된다. 물의 잔류물은 재순환을 위해 직접 접촉식 히터(45)로 공급된다. 습한 희석제 과열기 및 연료 히터로부터 나가는 저압 스팀 및 단상 또는 이상 H2O 스트림은 보충수 원뿐만 아니라 상기 공정을 수행하기 위해 요구된 열 에너지 원으로서 작용한다. 직접 접촉식 히터의 압력 수준은 저압 스팀 증기 누출이 방지되도록 선택된다. 도 1에 도시되지 않은 열 회복 교환기는 감압 스트림으로부터 열을 회복하기 위하여 설치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 습한 희석제 과열기 및 연료 히터로서 묘사된 장치와 관련된 과열 연료 가스를 생성하는 공정을 포함한다. 이슬점에서 질소 및 수증기의 포충기(9) 상부 가스 혼합물은 적절한 압력 수준 스팀을 이용하여 과열된다. 이것은 연료 가스(예를 들면 천연 가스)와 희석제 가스가 접촉되는 응축을 최소화하는 것을 의미한다. 그때 혼합된 가스 스트림은 가스 터빈 제조분야에서 추천된 가스 터빈 연소기 연료 가스 매니폴드에서 과열되기 위하여 연료 히터에서 과열된다. 가스 터빈 제조분야에서 추천된 최소 과열수준은 통상적으로 50℉이다. 그러므로 공정은 더 높은 수준의 열(더 높은 압력 스팀)을 효율적으로 이용할 수 있도록 설계된다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 가스 터빈 분야에서 제정된 연료 교환가능성 표준에 따르는 연료 가스를 전달하기 위한 공정을 포함한다. 이 같은 하나의 표준은 워베 지표(Wobbe Index)인데, 이는 연료가스 매니폴드에서 비중 및 온도의 결과의 제곱근에 의하여 나누어진 연료 가스의 저 가열치의 비로서 제너럴 일렉트릭(General Electric)에 의하여 정의된다. 연료 가스 매니폴드는 통상적으로 워베 지표의 5-10%의 정도의 변화를 수용할 수 있도록 설계된다. 더 큰 변화는 단독 연료 가스 매니폴드의 이용 및 매니폴드에서 다른 내장된 공학적 특징에 의하여 다루어지거나 매니폴드에서 다른 내장된 공학적인 특징에 의하여 다루어진다. 본 발명에 따르면, 연료 가스 매니폴드에 전달되는 가스내의 연료 함량은 워베 지표에서 허용가능한 변화에 의하여 부과된 제한에 종속되는 질소 및 수증기 함량을 조정하는 반면 예비설정치를 유지할 수 있다. 이것은 열료 가스의 열 특성을 스팀, 질소 및 연료 성분의 열 용량에서의 차를 이용함으로써 맞출 수 있다.
또한 전술된 본 발명은 열 에너지 원뿐만 아니라 습기 원으로서 상대적으로 더 높은 압력 스팀(가스 터빈으로의 연료 전달 압력보다 더 큰 압력을 가진 스팀)의 이용을 가능하게 한다. 만약 희석제 과열기(14)에서 이용된 스팀이 충분히 더 높은 압력이라면, 이때 라인(17)을 통하여 나오는 스팀/응축물은 포충기(9)에 직접 전달된다. 만약 연료 히터(20)에서 이용된 스팀이 충분히 더 높은 압력이라면, 이때 라인(23)을 통한 스팀/응축물은 포충기(9)에 직접 전달된다. 만약 재순환수 히터(30)에서 이용된 스팀이 충분히 더 높은 압력이라면, 이때 라인(32)을 통하여 나오는 스팀/응축물은 포충기(9)에 직접 전달된다. 또한 라인(17, 23 및 32)을 통한 스팀/응축물이 다른 이용을 위해 라인(42)을 통하여 단독 또는 결합되어 전달될 수 있다는 것이 이 기술분야의 기술자에게 명백하다.
또한 본 발명이 하나 또는 더 많은 위치에서 가스 터빈으로 습한 질소의 분사와 관련되어 실행될 수 있다는 것이 이 기술분야의 기술자에게 명백하다. 이 특징은 안정된 연소를 보장하기 위하여 가스 터빈 연료에서 희석제의 농축을 제어하는 반면, 동력 출력을 증가시키는 가요성을 제공한다. 이 실시예는 공기 압축기 배출, 연소기 또는 터빈내로 모든 희석제, 또는 임의의 희석제가 분사되거나 희석제가 분사되지 않는 변형을 포함한다.(희석제는 질소 및 수증기의 혼합물인 질소 또는 습한 질소임.)
도 2는 가스 터빈의 동력 출력을 증가시키며 NOX방출을 줄이기 위한 본 발명을 나타내는 선택적인 개략도이다. 라인(35)을 통한 천연 가스와 같은 고 발열 연료 및 라인(8)을 통한 질소 둘다는 포충기(9)에 공급된다. 이때 습기화된 질소 및 연료 혼합물은 과열되고 연소기에 공급된다. 그러나, 본 실시예는 열 교환기와 같은 적은 처리 공정을 필요로 하는 설비가 요구되나, 감압으로서 배출된 물이 오염물을 포함하는 탄화수소 및 황을 처리하기 위한 특별한 처리 공정이 필요할 수 있다. 본 발명의 장점을 실현하기 위하여 단독 연료 매니폴드를 통하여 더 높은 발열 연료 모두 또는 부분만이 연소기내로 직접 분사된다는 것은 이 기술분야의 기술자에게 명백하다.
도 3은 가스터빈의 전력 출력을 증가시기며 NOX방출을 감소시키기 위한 본 발명의 선택적인 공정 배열을 나타내는 개략도이다. 희석제(질소 또는 질소 및 수증기 혼합물)는 과열기(14)에서 과열되며, 연료는 연료 히터(20)에서 개별적으로 가열된다. 이것은 연료 매니폴드내에서 액체 흡입현상 또는 응축을 방지하기 위하여 가스 터빈 제조분야에서 정해진 가이드라인에 따르는 것을 의미한다. 수개의 열 교환 배열은 이 목적을 달성하기 위하여 본 기술분야의 기술자에게 명백하다. 예를 들면 하나의 변이는 연료 및 희석제 가스의 혼합이 응축 생성이 되지 않도록 희석제 과열 작업이 증가되는 반면에 열 히터를 완전히 제거될 수 있다.
도 3을 참조하면, 비록 열역학적으로 비효율적이더라도 라인(15, 21 및 31)을 통한 스팀 흐름은 동일한 스팀 원으로부터 얻을 수 있다. 또한 라인(27)을 통한 스팀은 동일 원으로부터 또는 50 psig 스팀과 같은 저압 원으로부터 얻을 수 있다. 주어진 포충기 작동 압력에서, 더 높은 순환(재순환)수 온도는 포충기 상부 가스의 더 높은 습기화 수준이 된다. 그러므로 본 발명은 최적 포충기 설계 및 최소 열소비율 저하와 함께 더 높은 가스 터빈 동력 출력을 얻을 수 있다.
도 4는 공정 장치의 또 다른 배열이다. 연료 모두는 단독 연료 가스 매니폴드를 통하여 연소기에 공급된다. 희석제, 질소 및/또는 질소와 수증기의 혼합물이 연료로부터 개별적으로 가스 터빈내로 분사된다. 가능한 선택은 도 4에 도시되지 않았지만, 가스 터빈 공기 압축 배출, 및/또는 연소 배기내에서 희석제 가스의 분사를 포함하는 기술분야의 기술자에게 자명하다.
도 5는 본 발명을 실행하기 위한 공정 장치의 또 다른 배열이다. 충분한 압력 및 온도에서 스팀은 추가 가열없이 라인(28)에서의 재순환수가 포충기(9)에 공급되도록 라인(15) 및/또는 라인(27)에서 이용된다.
열 교환기 배열을 위한 변이와 함께 가스 터빈에서 전술된 공정 배열 연료 및 희석제 분사 위치는 기술되지 않았지만 동력 출력을 증가시키며 작동 상태의 범위상의 낮은 NOX방출을 위한 본 발명을 구성하는 기술분야에서의 기술자에게 명백하다. 본 발명은 열소비율 저하를 최소화하기 위한 저압 스팀의 이용과 관련된 가스 터빈에 질소 또는 질소 및 수증기의 혼합물을 추가하는 방법 및 장치가 공개된다. 가스 터빈 압축기가 위치상태에 기인한 보틀넥인 상황에서 특히 적용가능하다. 또한 저압 스팀과 같은 상당히 낮은 등급의 열을 이용할 수 있는 곳에 특히 이용가능하다. 아래 표 1에는 본 발명의 작업이 요약된다.
습기화된 질소를 이용한 가스 터빈 용량 강화 (질소 및 수증기 혼합물)
가스 터빈 연료 @ 275 psig 증가된 가스 터빈 축 일, % 기준* 증가된 열소비율, Btu/kWH***
천연가스 기준 -
35% 천연가스,32.5% 질소,균형 수증기 14 5,267
*기준 : GT 축일, kW = 64598
열소비율 Btu/kWh = 10680
***델타(Delta) 열소비율 = 증가된 연료 소비/증가된 GT 축일.
공개된 실시예 뿐만 아니라 다른 실시예의 다양한 다른 변형은 상세한 설명을 참고로 하여 본 기술분야의 기술자에게 명백하며, 또는 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위로부터 빗나감없이 제작될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 NOX방출을 감소시키며 열소비율 저하를 최소화하는 반면 가스 터빈의 동력 출력을 강화하는 향상된 방법 및 장치가 제공되는 효과가 있다. 또한 본 발명은 잠재적으로 낮은 NOX방출을 하면서 동력을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 가스 터빈을 구동하는데 이용되는 연료 가스에 저압 스팀으로부터 얻은 질소 및 습기를 첨가하기 위한 장치로서,
    (a) 수증기와 질소 가스의 혼합물을 형성하기 위해 질소 가스와 고온수 스트림을 접촉시키기 위한 포충기 타워;
    (b) 저압 스팀이 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 제조하는데 이용되는 열 교환기 유니트에 수증기와 질소 가스의 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (c) 연료 가스 혼합물을 형성하기 위해 공급 가스를 혼합하기 위한 쳄버에 상기 과열 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (d) 저압 스팀이 과열 연료 가스 혼합물을 제조하는데 이용되는 열 교환기로 연료 가스, 질소와 수증기 혼합물의 연료 가스 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단; 및
    (e) 가스 터빈 연소기로 상기 과열 연료 가스 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (a) 저압 스팀, 또는 응축물, 또는 2상 스팀 응축 혼합물과 직접적인 접촉에 의해 물의 가열을 촉진시키기 위하여 상기 포충기로부터 나오는 물을 위한 감압 수단;
    (b) 상기 포충기에 상기 고온수를 복귀시키는 재가압 수단; 및
    (c) 상기 포충기로부터 상기 포충기로 재순환을 위해 상기 물을 가열하는 간접 가열수단을 더 포함하는 장치.
  3. 가스 터빈을 구동하는데 이용되는 연료 가스에 저압 스팀으로부터 얻은 질소 및 습기를 첨가하기 위한 장치로서,
    (a) 수증기, 질소 가스, 및 연료 가스의 연료 혼합물을 형성하기 위해 질소 가스 및 고 발열 연료 가스를 고온수 스트림과 접촉시키기 위한 포충기 타워;
    (b) 저압 스팀이 과열 연료 혼합물을 제조하는데 이용되는 열 교환기 유니트로 연료 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단; 및
    (c) 가스 터빈 연소기로 과열 연료 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단을 포함하는 장치.
  4. 가스 터빈 시스템을 구동하는데 이용되는 연료 가스에 저압 스팀 및 질소를 첨가하기 위한 장치로서,
    (a) 수증기와 질소 가스의 혼합물을 형성하기 위해 질소 가스와 고온수 스트림을 접촉시키기 위한 포충기 타워;
    (b) 저압 스팀이 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 제조하는데 이용되는 열 교환기 유니트에 수증기와 질소 가스의 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (c) 가스 터빈 연소기로 연료 가스를 통과하기 위한 도관 수단;
    (d) 상기 가스 터빈 연소기에 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (e) 상기 가스 터빈에 의하여 공기 압축기로부터 얻어진 배출된 압축 공기에 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 첨가하기 위한 도관 수단; 및
    (f) 상기 가스 터빈 연소기로부터 폐기 가스로 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 첨가하기 위한 도관 수단을 포함하는 장치.
  5. 가스 터빈 시스템을 구동하는데 이용되는 연료 가스에 저압 스팀 및 질소를 첨가하기 위한 제 4 항에 따른 장치에 있어서,
    (a) 수증기와 질소 가스의 혼합물을 형성하기 위해 질소 가스와 고온수 스트림을 접촉시키기 위한 포충기 타워;
    (b) 저압 스팀이 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 제조하는데 이용되는 열 교환기 유니트에 수증기와 질소 가스의 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (c) 저압 스팀이 과열 연료 가스를 제조하는데 이용되는 제 2 열 교환기 유니트;
    (d) 가스 터빈 연소기에 연료 가스를 통과시키기 위한 도관 수단;
    (e) 상기 가스 터빈 연소기에 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (f) 상기 가스 터빈에 의하여 공기 압축기로부터 얻어진 배출된 압축 공기에 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 첨가하기 위한 도관 수단;
    (g) 상기 가스 터빈 연소기로부터 폐기 가스에 수증기와 질소 가스의 과열 혼합물을 첨가하기 위한 도관 수단을 포함하는 장치.
  6. 가스 터빈을 구동하는데 이용되는 연료 가스에 주로 저압스팀으로부터 얻은 질소 및 습기를 첨가하기 위한 장치로서,
    (a) 수증기와 질소 가스의 혼합물을 형성하기 위해 질소 가스와 고온수 스트림을 접촉시키기 위한 포충기 타워;
    (b) 과열 습한 질소를 제조하기 위해 열 교환기 유니트로 수증기와 질소 가스의 혼합물을 통과시키기 위한 도관 수단;
    (c) 열교환기에서 배출되는 고온수가 직접 상기 포충기로 펌핑될 수 있도록 충분한 온도에서 작동되는 직접 접촉식 열 교환기 유니트;
    (d) 가스 터빈 연소기에 과열 습한 질소를 통과시키기 위한 도관 수단; 및
    (e) 상기 가스 터빈 연소기에 상기 연료를 통과시키기 위한 도관 수단을 포함하는 장치.
  7. 압축 공기를 제조하고 상기 압축 공기를 가열하여 고온가스를 제조하기 위한 연소기내로 상기 압축공기를 배출하며, 상기 공기 압축기 및 로드를 구동하기 위해 상기 고온가스에 반응하는 확장기내로 상기 압축공기를 배출하기 위한 공기 압축기를 갖춘 가스 터빈 시스템의 동력 출력을 증가시키기 위한 방법으로서,
    연료가스, 질소, 및 수증기 혼합물내의 연료 성분이 상기 확장기내로 흘러 로드를 구동하기 위한 작업 유체로서 작용하는 고온가스를 제조하기 위하여 산소와 반응하는 과열 연료를 매니폴드를 통하여 상기 연소기내로 도입하는 단계를 포함하는 가스 터빈 시스템의 동력 출력을 증가시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 연료 가스, 질소, 및 수증기의 혼합물을 포함하는 제 1 과열 연료는 연소기내로 유입되며, 질소 및 수증기의 혼합물을 포함하는 제 2 과열가스는 상기 공기 압축기로부터 배출된 압축 공기 및/또는 상기 연소기로부터 배출된 고온가스내로 유입되는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 연료 가스, 질소, 및 수증기의 혼합물을 포함하는 과열 연료는 연료 매니폴드를 통하여 상기 연소기내로 도입되며, 제 2 고 발열 연료가 제 2 연료 매니폴드를 통하여 상기 연소기내로 도입되는 방법.
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