KR20010015055A - 연료 가스의 가습 및 가열용 방법과 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 가스는 열 회수 증기 발생기의 열원에 의해 가열된 물에 의해 포화된다. 바람직하게도 열원은 열 회수 증기 발생기의 고온과 저온의 열 교환 흐름 사이의 보다 나은 온도 일치를 제공하기 위해 저압 증발기의 하류에 있는 수가열부이다. 수분의 첨가로 인해 가스 질량 유량이 증가하여 가스 터빈과 증기 터빈의 출력이 증대된다. 연료 가스 포화에 이어 바람직하게는 바텀 사이클 열원으로 연료 가스를 과열하면, 현재의 연료 가열 방법에 비해 열 효율 상의 이득은 보다 커진다. 저압 증기 온도보다 높은 온도로 연료를 가열할 경우에도 연료를 가열하지 않은 경우와 비교하여, 출력 면에서 이득이 있다.

Description

연료 가스의 가습 및 가열용 방법과 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR FUEL GAS MOISTURIZATION AND HEATING}
본 발명은 천연 가스 연소 복합 사이클 발전 설비(natural gas fired combined cycle power plant)에 관한 것으로서, 특히 열역학적 효율과 출력(동력 출력) 증대를 위한 연료 가스 포화 및 가열용의 개량된 바텀(바터밍) 사이클(bottoming cycle)에 관한 것이다.
통상적인 바텀 사이클 열 회수 증기 발생기(배열 회수 보일러; heat recovery steam generator; HRSG)에서는, 저압 절탄기(low pressure economizer; LP-EC)내의 고온 가스와 저온수 사이에 큰 온도차가 있기 때문에 사이클에서 출력을 제한하게 되는 열역학적 엑서지(exergy; 열역학적 포텐셜)의 손실이 생긴다. 칼리나 사이클(Kalina cycle)과 같이 비등온 가열 특성이 있는 다중 성분 유체, 예를 들어 암모니아와 물을 사용하는 바텀 사이클을 설계하여, HSRG에서의 온도 일치(조화)를 증대시키기 위한 시도가 있어 왔다. 이러한 다중 성분 유체 사이클은 HRSG 전반에서 보다 나은 온도 일치와 효율의 이득(gain)을 제공한다. 그러나, 바텀 사이클에서 다중 성분 유체를 사용할 때에는 실제로 많은 어려움이 있다.
현재 몇몇 복합 사이클 발전 설비에서 열효율을 증대시키기 위해 연료를 가열하고 있다. 현재의 연료 가열 방법에 의해 발전 설비의 출력이 감소되기는 하지만, 연료를 저압(LP) 증기 온도보다 높은 온도로 가열하면, 열 소비의 감소에 따라 열효율 면에서 이득이 있기 때문에 연료 가열은 경제적으로 관심을 끄는 설계 방식이다. 그러나, 발전 설비 출력을 감소시키지 않으면서 HSRG에서 보다 나은 온도 일치를 얻을 수 있는 장치와 방법에 대한 요구가 여전히 남아 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바텀 사이클 설계 방법에 의해 열 회수 증기 발생기에 저압 절탄기(LP-EC)와 병렬로 연료 가스의 포화를 위한 수(水)가열부를 마련함으로써 최저압 증발기 온도 아래의 고온과 저온의 열 교환 스트림 사이의 온도 일치가 보다 나아진다. 이처럼, 본 발명에 있어서, 연료 가스 포화의 열원은 가스 터빈 배기 가스이다. 수분의 첨가로 인해 가스 질량 유량이 증가하여 가스 터빈과 증기 터빈의 출력이 증대된다. 연료 가스 포화에 이어 바람직하게는 바텀 사이클 열원으로 연료 가스를 과열하면, 현재의 연료 가열 방법에 비해 열 효율 상의 이득은 보다 커진다. 저압 증기 온도보다 높은 온도로 연료를 가열할 경우에도 연료를 가열하지 않은 경우와 비교하여, 출력 면에서 이득이 있다. 전술한 바와 같이, 현재의 연료 가열 방법은 연료를 가열하지 않는 경우와 비교하여 출력 면에서 손실이 있다. 따라서, 본 발명의 사이클을 이용하여 연료 가스를 포화시키고 후속하여 과열시키면 동일 온도까지 연료를 가열하거나 연료를 가열하지 않는 종래의 복합 사이클과 비교하여 출력(동력 출력)과 열역학적 효율이 증대된다. 이러한 개선된 성능은 전술한 개량된 바텀 사이클이 마련된 HRSG에서 엑서지 손실이 감소된 데 따른 결과이다.
도 1은 종래의 3 압력 재열 증기와 가스 사이클 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시스템에 대해서 연료 비포화 시의 고온 합성물(가스)과 저온 합성물(LP-EC)의 온도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 사이클 발전 설비의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 연료 가스 포화 시의 3 압력 재열 증기와 가스 사이클에 대한 보다 자세한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 포화 시의 고온 합성물(가스)과 저온 합성물(LP-EC-1&2 + SAT.HTR)의 온도를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 가스 포화와 통합 연료 과열기를 갖는 복합 사이클 발전 설비의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 아직 미실행의 또 다른 실시예에 따른 연료 가스 포화와 통합 연료 과열기를 구비하는 복합 사이클 발전 설비의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
12, 112, 212, 312 : 가스 터빈
18, 118, 218, 318 : 증기 터빈
26, 126, 226, 326 : 복수기
32, 132, 232, 332 : 열 회수 증기 발생기(HRSG)
160, 260, 360, 460 : 연료 가스 포화기
264, 364, 464 : 연료 과열기
262, 362, 370 : 포화기 가열기
본 발명은 가스 터빈과 증기 터빈 및 열 회수 증기 발생기를 포함하고, 가스 터빈 배기 가스는 증기 터빈용 증기를 발생시키는 열 회수 증기 발생기에 사용되고, 상기 가스 터빈 배기 가스는 열 회수 증기 발생기의 입구 단부에서 출구 단부로 흐르며, 물로 연료 가스를 포화시키고 연료 가스를 가열시키는 연료 가스 포화기 조립부와, 연료 가스 포화기 조립부에 의해 포화 및 가열되어 가스 터빈으로 공급되는 연료 가스를 과열시키는 연료 가스 과열기를 더 포함하고, 상기 열 회수 증기 발생기는 배기 가스로부터의 열을 이용하여 물을 가열함으로써 상기 연료 가스 포화기 조립부용 열원을 형성하는 제1 수가열기를 포함하는 복합 사이클 시스템으로 구현된다.
한 실시예에 있어서, 상기 연료 가스 포화기 조립부에는 HRSG의 제1 수가열기로부터 공급되는 가열수에 의해 연료 가스를 포화시키고 가열하는 연료 가스 포화기 충전탑(fuel gas saturator packed column)이 포함된다. 다른 실시예에 있어서, 상기 연료 가스 포화기 조립부에는 연료 가스에 물을 첨가하는 입수구와, 입수구에서 유입된 유입수에 의해 포화되는 연료 가스를 가열하는 열교환기가 포함된다. 이 경우에, 상기 열교환기는 제1 수가열기로부터 가열수를 받아 연료 가스를 가열하는 데에 그 가열수를 사용한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 열교환기 또는 포화기 충전탑이 사용되던 지간에, 상기 연료 과열기는 열 회수 증기 발생기 열원을 사용해서 상기 포화 연료 가스를 가열한다.
또한 본 발명은 가스 터빈과 증기 터빈 및 열 회수 증기 발생기를 포함하고 가스 터빈 배기 가스는 증기 터빈용 증기를 발생시키는 열 회수 증기 발생기에 사용되며, 상기 가스 터빈 배기 가스는 열 회수 증기 발생기의 입구 단부에서 출구 단부로 흐르는 복합 사이클 시스템에서 출력과 열역학적 효율을 증대시키는 방법으로 구현되며, 상기 방법은 연료 가스에 물을 첨가하고 상기 열 회수 증기 발생기로부터 얻어지는 열에 의해 상기 연료 가스를 가열하여 가열 및 포화된 연료 가스를 생성하는 단계와, 상기 포화 연료 가스를 연료 과열기에 공급하는 단계와, 상기 연료 가스를 과열시키는 연료 과열기에서 상기 포화 연료 가스를 가열하는 단계와, 과열 및 포화된 연료 가스를 가스 터빈에 공급하는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 포화 연료 가스도 열 회수 증기 발생기의 열원으로부터 얻어지는 열에 의해 가열된다.
명세서에서 설명되는 개량된 바텀 사이클과 방법은 특히 천연 가스 연소 복합 사이클에 대해 적용할 수 있다.
본 발명의 목적과 이점은 도면을 참조로 하여 이하에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 완전히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 연료 가열을 하는 종래의 3 압력 재열 복합 사이클 발전 설비(three pressure reheat combined cycle power plant)(10)의 개략도이다.
본 예는 연소 시스템(14)과 가스 터빈(16)을 포함하는 가스 터빈 시스템(12)과, 고압부(20), 중간 압력부(22) 그리고 각기 다른 압력의 다중 증기 진입 지점들이 있는 하나 이상의 저압부(24)를 포함하는 증기 터빈 시스템(18)을 포함한다. 저압부(24)는 복수기(26;응축기)로 배기된다. 증기 터빈(18)은 전력을 발생시키는 발전기(28)를 구동한다. 가스 터빈(12)과 증기 터빈(18) 및 발전기(28)는 단일 샤프트(30) 상에 탠덤(tandem) 형으로 배치되어 있다.
증기 터빈 시스템(18)은 저압 절탄기(LP-EC), 저압 증발기(LP-EV), 고압 절탄기(HP-EC-2), 중간 압력 절탄기(IP-EC), 중간 압력 증발기(IP-EV), 저압 과열기(LP-SH), 최종 고압 절탄기(HP-EC-1), 중간 압력 과열기(IP-SH), 고압 증발기(HP-EV), 고압 과열부(HP-SH-2), 재열기(RH-SH) 그리고 마지막으로 고압 과열부(HP-SH-1)를 포함하는 다중 압력 HRSG(32)와 연합되어 있다.
복수(復水; 응축액)는 복수 펌프(36)에 의해서 복수기(26)에서 도관(34)을 통해 HRSG(32)로 공급된다. 복수는 순차적으로 LP-EC를 거쳐서 LP-EV로 흐른다. 공지된 방법에서, LP-EV로부터의 증기는 LP-SH로 공급되고, 다음에 도관(38)과 참조부호 40으로 표시된 적절한 LP 진입 정지/제어 밸브를 통해 증기 터빈(18)의 저압부(24)로 되돌아간다. 급수는 급수 펌프(42)에 의해 (1) 도관(44)을 통해 IP-EC를 통과하고, 다시 도관(48)을 통해 IP-EV를 통과하며, (2) 도관(46)을 통해 HP-EC-2를 통과한 후, 마지막으로 HP-EC-1으로 간다(도관은 도시 생략). 동시에 IP-EV로부터의 증기는 IP-SH를 거쳐서 도관(50)을 통해 재열기(RH-SH)를 통과한다. 재열 증기는 도관(52)을 통해 증기 터빈(18)의 중간 압력부(22)로 되돌아간다.
한편, 최종의 HP-EC-1의 복수는 HP-EV로 흘러간다. HP-EV에서 나온 증기는 과열부(HP-SH-2 와 HP-SH-1)를 거쳐서 도관(54)과 적절한 정지/제어 밸브(필요한 경우, 도시 생략)에 의해 증기 터빈(18)의 고압부(20)로 되돌아간다.
이 예에서 연료 가열기(56)에 대한 열원은 중간 압력 절탄기(IP-EC) 출구로부터의 추출물(58)이다. 증기 터빈 또는 HRSG의 다른 부분으로부터의 추출물 또한 열원으로서 가능하다. 바텀 사이클 에너지원으로부터 연료에 열을 가하면 가해진 열과 동일한 양만큼의 열 소비가 감소하고, 그에 상응하여 연료 가스 소비가 감소된다. 연료 가열용으로 바텀 사이클 에너지원을 사용함에 따른 발전 설비의 정미 출력(net power output)이 감소하기는 하지만, 특히 저압 증기 온도보다 높게 연료를 가열하는 경우, 적절한 열원을 선택한다면, 열 소비의 감소에 따라, 열역학적 효율은 증대할 것이다. 증대된 열역학적 효율의 경제적 가치는 대부분의 경우에 손실 출력 비용보다 상당히 큰 반면에, 그럼에도 불구하고 이득은 발전 설비 출력의 손실로 인해 감소한다.
도 1의 사이클(10)을 참조하여 설명하면, 130°F의 온도로 교환기(56)에서 나오는 물에 의해 연료를 80°F에서 365°F로 가열하면 복합 사이클 정미 출력은 -0.25% 감소하고 복합 사이클 정미 효율은 +0.6% 증가한다.
도 2는 도 1에 도시한 HRSG(32)의 LP-EC 부분에 대해서, 단위 시간당 수백만 BTU의 총 열효율(heat duty) 대 고온 합성물(가스)과 저온 합성물(보일러 급수)의 상응하는 온도의 그래프이다. 저압 증발기(LP-EV)로부터 나와서 LP-EC로 들어가는 가스는 통상 290°F 내지 330°F 이고, 본 예에서는 313°F이다. 본 예에서는, LP-EC로의 가스 입구에서 25°F의 온도 차이가 존재하고 급수는 288°F로 가열되고, 이러한 온도 불일치는 가스 온도가 250°F일 때 약 60°F까지 증가하고 심지어는 가스가 스택(stack)으로 들어가는 LP-EC 출구에서는 약 100°F까지 증가한다. 이 온도 불일치(mismatch)는 종래의 랭킨 바텀 사이클 고유의 엑서지(exergy) 손실의 원인이다.
본 발명의 기본 개념은 도 3의 개략적인 설명을 참조하면 이해할 수 있다. 편의상 상기 도 1에서와 상응하는 요소들은 유사한 참조 번호로 나타내었지만, 단지 연료 포화와 가열 요소와 공정에 대한 이해가 특히 필요하거나 바람직할 때에 논의하기로 한다.
연료 가스는 포화기(160)로 보내지고, 포화기에서는 충전탑 내의 고온수와의 직접적인 접촉에 의해 수분이 흡수된다. 포화기 기저수(bottoms water)는 포화기 가열기(162)에서 가스 터빈 배기 가스에 의해 가열된다. 포화기 가열기(162)는 사이클 작업 유체를 가열하는 다른 HRSG의 튜브 뱅크에 대하여 최적의 위치에 설치된다. 보급수가 연료 가스 포화기(160)에 제공되어 가스에 의해 흡수된 수분을 대체한다. 포화기(160)로부터 나오는 포화 연료 가스는 예시된 실시예에서 바텀 사이클 열원을 사용해서 연료 과열기(164)에서 더욱 가열된다. 포화기 가열기와 연료 과열기에 대해 바텀 사이클 열원을 적절히 선택하면, 동력 사이클의 성능을 증대시킬 수 있다.
연료 가스 포화기(160)에서 연료 가스에 수분을 첨가하면 연료 가스의 질량 유량이 증가한다. 이처럼 질량 유량이 증가하면 가스 터빈과 증기 터빈의 출력이 증대된다. 더욱이, 가스에 수분을 도입하여 질량 유량을 증대시키기 위해 증기 생산에 유용하지 않는 저급 에너지를 사용하면, 열역학적 효율 면에서 이득이 된다. 이는 또한 LP-EV 가스 출구 온도 아래의 HRSG에서의 온도 불일치의 감소와 함께 이에 의해 HRSG 부분에서의 열역학적 엑서지 손실 감소로서 반영된다.
도 4는 예로써 3 압력 재열 복합 사이클 발전 설비에 대해 전술한 개념을 실시하는 바람직한 제1 실시예를 보여준다. 다시, 편의상, 도 1 및/또는 도 2를 참조해서 상기 동일 부분에 상응하는 동일 요소들은 유사한 참조 번호를 사용하였으나 단지 연료 포화와 가열 요소와 공정에 대한 이해가 특히 필요하거나 바람직할 때에만 논의하기로 한다.
도 4의 실시예에서, 저압 절탄기(LP-EC)의 일부는 절탄기 부분(LP-EC-1)과 병렬로 연료 포화기 수가열 코일부(SAT.HTR; 262)를 설치함으로써 변형하였다. 이와 같이 변형함으로써, LP-EV 가스 출구 온도 아래의 HRSG(232)에서의 온도 불일치와 엑서지 손실을 감소시킬 수 있고, 그에 대응하여 연료 포화에 의한 효율 증대를 이룰 수 있다. 이 실시예에서 포화기 가열기는 LP-EC-1와 병렬로 도시하였지만, 예를 들어, LP-EC-1과 서로 꼬임 연결식으로 배치하거나 HRSG의 다른 위치에 배치할 수도 있다.
가열된 포화기 수는 도관(266)을 통해 포화기(260)로 보내지고, 연료 가스가 고온 포화기 수와 직접 접촉함으로써 수분을 흡수한다. 포화기 기저수는, 예를 들어, 포화기 기저 펌프(268)에 의해 포화기 수가열기(262)로 되돌아간다. 보급수는 예를 들어 F로 표시된 급수 펌프(242)의 출구로부터 연료 가스 포화기(260)에 공급되어 연료 가스가 흡수한 수분을 대체한다. 연료 포화용 보급수를 급수 전달 펌프(242) 출구 그리고/또는 연료 과열기(264)로부터 얻어지는 것처럼 도시하였지만, 포화기 수(포화기 보급)는 사이클의 임의의 위치 또는 외부 공급원으로부터 취할 수도 있다. 따라서, 이와 관련하여 예시된 공급은 제한적인 것이 아니다.
포화기(260)에서 나온 포화 연료 가스는 바람직하게는 바텀 사이클 열원을 사용해서 연료 과열기(264)에서 더욱 가열된다. 본 예에서 연료를 과열시키기 위한 열원은 도관(258)을 통한 IP-EC 방출수이나 다른 열원도 사용할 수 있다. 도 4의 실시예에서, IP-EC 방출수는 G로 도시한 것처럼 IP-EC로 되돌아가거나 전술한 바와 같이, 연료 포화용 보급수로서 사용된다.
예로서, 도 1과 도 2에서 설명된 예와 동일한 가스 터빈과 대기 조건에서 도 4에서 예시된 시스템 구조에 의해 복합 사이클 정미 효율 면에서 +1.0%의 이득이 있고 복합 사이클 정미 출력 면에서는 +0.9%의 이득이 있다. 이 예에서, 가스는 313°F의 온도로 LP-EV를 나오고, 포화기 기저수는 전술한 바와 같이, LP-EC-1과 병렬로 설치한 포화기 가열기(SAT.HTR)에서 298°F까지 가열된다. 보일러 급수는 이전의 예에서처럼, LP-EC-1과 LP-EC-2에서 288°F까지 가열된다.
연료 가스(100% 메탄,CH4)는 400 psia의 압력과 80°F의 온도에서 연료 가스 포화기로 들어간다. 연료 가스는 수증기에 의해 포화된 상태로 284°F의 온도에서 포화기에서 나온다. 가스 포화기에서 나오는 포화 연료 가스의 조성은 약 86%v의 CH4와 14%v의 H2O이다. 다음에, 상기 포화 연료 가스는 연료 과열 열교환기(264)에서 365°F까지 과열된다.
도 5는 도 4의 시스템에 대하여, 단위 시간당 수백만 BTU의 총 열효율(heat duty) 대 HRSG부분 LP-EC-1과 LP-EC-2와 포화기 가열기에 대한 저온 합성물(보일러 급수 가열과 포화기 기저수 가열)과 고온 합성물(가스)의 상응 온도를 도표로 나타낸 것이다. 본 예에서 LP-EV 이후의 HRSG부분들로의 가스 입구에서 15°F의 온도차가 존재하고, 250°F의 가스 온도에서는 약 35°F 까지 그리고 HRSG의 출구에서는 80°F까지 온도차가 증가한다. 따라서, 도 4에 제안된 사이클 구조는 이 예에서 약 240°F 내지 313°F의 가스 온도에 대한 온도 불일치(그리고 엑서지 손실)를 실질적으로 감소시키고 보다 낮은 가스 온도에서 온도 불일치를 보다 작게 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 포화 후 연료 과열의 열원은 증기 터빈 또는 HRSG에서의 다른 지점들로부터의 추출물일 수 있다. 더욱이, 도 4의 예에서 연료 과열기에서 나온 물은 IP-EC로 되돌아가지만, 상기의 물은 바텀 사이클의 다른 적절한 위치 또는 연료 포화기에 보급수로서 유입될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서, 도 4의 실시예에서처럼 포화기(360)에서 나오는 포화 연료 가스를 사이클 작업 유체보다는 포화기 기저 액체를 사용해서 과열하는 실시예이다. 도시한 바와 같이, 포화기 기저 액체는 초기에 열교환기(362)에서 HRSG 배기 가스로부터의 열에 의해 가열된다. 열교환기(362)의 출구로부터의 추출물(368)은 열교환기(370)로 보내져서 추가 가열된다. 도시한 바와 같이, 열교환기(370)는 HRSG(332)에서 열교환기(362)의 상류에 배치된다. 두 포화기 가열기(362, 370)는 사이클 작업 유체를 가열하는 다른 HRSG 튜브 뱅크에 대해 최적의 위치에 배치된다. 가열기(370)로부터의 출구(372)는 열교환기(364)에서 포화 연료 가스를 과열하는 열원으로서 사용된다. 가열기(364)로부터의 출구의 액체 스트림(374)은 연료 가스와의 직접적인 접촉열과 질량 전달을 위해서, 열교환기(362)의 출구로부터의 다른 유동(366)과 다시 합쳐진 후에 연료 가스 포화기(360)에 유입된다.
도 6에 도시된 포화 연료 가스의 과열 장치 및 방법은 가스에 의한 추가적인 수분의 흡수로 인해 성능상 이점이 있고 시스템의 안전성을 향상시킨다. 이 시스템의 향상된 안전성은 사이클 작업 유체와 혼합되는 연료 가스의 포텐셜(potential)을 제거함으로 인한 것인데, 상기 포텐셜은 연료 가스와의 열 교환을 위한 열원으로서 사이클 작업 유체를 사용할 때 잠재적으로 안전성에 대한 위험 요소이다.
도 6의 포화기 기저 펌프(376)와, 도 3과 도 4에 도시한 기타 펌프들은 시스템에서 다른 위치에 배치될 수 있고, 추가 펌프가 도시한 시스템에 추가될 수 있다. 가열기(362) 출구로부터의 추출물이 가열기(364)에 직접 보내지는 몇몇 사이클 구조에 있어서, 가열기(370)를 시스템에서 제거할 수도 있다. 또한, 특별히 도시하지는 않았지만, 예시된 모든 실시예에서 포화수(포화기 보급 또는 포화기 기저)는 일반적으로 물을 냉각하기에 부적절하고 사이클에서 사용 가능한 저급 열원, 예를 들어 윤활유의 열에 의해 가열될 수 있다. 이는 제안된 사이클의 출력을 보다 증대시킨다.
예를 들어 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 연료 가스에 물을 첨가하고 그 연료 가스를 가열하는 연료 가스 포화기 조립부는 포화기 충전탑일 수 있다. 별법으로서, 도 3에 도시한 포화기 충전탑은 도 7에 도시한 것과 같이, 수 입력부와 연료/물 열교환기의 조합으로 대체될 수 있는 반면에 연료를 가습하는 유사한 열역학적 이점을 얻을 수 있다. 장치(충전탑 또는 열교환기)의 선택은 장치의 열전달 효율 및 질량 전달 효율 그리고 전체적인 발전 설비의 경제성에 의해 결정된다. 도 7에서, 보급수는 열교환기로의 입구에서 연료 가스에 분무된다 (분무를 위한 물의 미세화는 압력 분무 노즐, 공기 분무 노즐 또는 증기 분무 노즐을 이용한다. 증기나 공기 분무 구조가 사용된다면, 사용되는 증기 또는 공기는 사이클로부터의 추출될 수 있다). 2상 연료/물 혼합물은 도 7에 도시한 것과 같이, 폐루프계(closed-loop system)가 있는 최적의 HRSG의 위치로부터 배출되는 열을 사용하여 열교환기(460)에서 가열된다. 열교환기(460)에서 나오는 포화 연료 가스는 가스 터빈 연소기에 들어가기 전에 열교환기(464)에서 더욱 과열된다. 그렇지 않다면 상기 시스템은 전체적으로 전술한 다른 실시예에 상응한다.
이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 재열의 유무에 상관없이 단일 압력 또는 다중 압력 복합 사이클 동력 발생 시스템에 적용할 수 있다.
본 발명을 가장 실용적이고 바람직한 실시예와 연계해서 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되는 것이 아니며, 이와 달리 다음의 청구항의 사상과 범위 내에 포함되는 여러 변형과 등가의 구조를 포함한다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 사이클을 이용하여 연료 가스를 포화시키고 후속하여 과열시키면 동일 온도까지 연료를 가열하거나 연료를 가열하지 않는 종래의 복합 사이클과 비교하여 출력과 열역학적 효율이 증대된다.

Claims (23)

  1. 가스 터빈과 증기 터빈 및 열 회수 증기 발생기를 포함하고, 가스 터빈 배기 가스는 증기 터빈용 증기를 발생시키는 열 회수 증기 발생기에 사용되며, 상기 가스 터빈 배기 가스는 열 회수 증기 발생기의 입구 단부에서 출구 단부로 흐르는 복합 사이클 시스템으로서,
    고온의 포화기 수 입구와, 연료 가스 입구와, 포화 연료 가스 출구 및 포화기 수 출구가 마련된 연료 가스 포화기와,
    포화기 수 가열기와,
    포화기 수가 상기 포화기 수 출구에서 상기 포화기 가열기로 흐르도록 하는 흐름 경로로서, 상기 포화기 가열기는 상기 열 회수 증기 발생기의 열원에 작동식으로 연결되어 그 열원을 이용하여, 안내된 포화기 수를 가열함으로써 고온의 포화기 수를 생성하는, 상기 흐름 경로와,
    상기 포화기 가열기에 의해 생성된 고온의 포화기 수를 상기 연료 가스 포화기의 고온의 포화기 수 입구로 흐르도록 하는 흐름 경로와,
    상기 포화 연료 가스를 가열하는 연료 과열기와,
    상기 포화 연료 가스를 상기 포화 연료 가스 출구로부터, 상기 포화 연료 가스를 가열하는 상기 연료 과열기로 흐르게 하여 과열 및 포화된 연료 가스를 생성하는, 흐름 경로와,
    상기 과열 및 포화된 연료 가스를 상기 가스 터빈으로 흐르게 하는 흐름 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 과열기는 열 회수 증기 발생기의 열원에 작동식으로 연결되어, 상기 열원을 이용하여 상기 포화 연료 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 포화기 가열기는 열 회수 증기 발생기의 제1 부분에 작동식으로 연결되고, 상기 연료 과열기는 열 회수 증기 발생기의 제2 부분에 작동식으로 연결되며, 상기 제2 부분은 열 회수 증기 발생기를 통한 상기 가스 터빈 배기의 흐름 방향에 대해서 상기 제1 부분의 상류 측에 있는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 열 회수 증기 발생기는 저압 증발기를 포함하고, 상기 열원은 열 회수 증기 발생기를 통한 가스 터빈 배기의 흐름 방향에 대해서 상기 저압 증발기의 하류 측에 있는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 열 회수 증기 발생기는 저압 증발기를 포함하고, 상기 열 회수 증기 발생기의 제1 부분은 열 회수 증기 발생기를 통한 가스 터빈 배기의 흐름 방향에 대해서 상기 저압 증발기의 하류 측에 위치하고, 상기 열 회수 증기 발생기의 제2 부분은 상기 저압 증발기의 상류 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 가스에 의해 흡수된 수분을 대체하기 위해서 보급수원으로부터 상기 포화기 수에 보급수를 첨가하는 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 보급수 첨가 입력부는 상기 연료 가스 포화기의 보급수 입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 열 회수 증기 발생기는 급수를 펌핑하는 적어도 하나의 급수 전달 펌프를 포함하고, 상기 보급수 첨가용 입력부는 상기 급수 전달 펌프로부터의 급수 출력의 적어도 일부를 상기 연료 가스 포화기 쪽으로 향하게 하는 흐름 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 포화기 가열기에 의한 가열수의 적어도 일부는 포화 연료를 가열하는 연료 과열기 쪽으로 방향 전환되는 것을 특징으로 하는 병합 사이클 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 포화기 가열기의 열원은 상기 연료 과열기의 열원과는 다른 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 포화기 가열기는 상기 가스 터빈 배기로부터의 열에 의해 상기 포화기 수를 가열하는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는 상기 열 회수 증기 발생기의 저압 절탄기 기구와 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 병합 사이클 시스템.
  12. 부하에 연결된 증기 터빈과,
    상기 증기 터빈으로부터의 배출 증기를 수용하여 그 배출 증기를 물로 응축시키는 복수기(응축기)와,
    상기 복수기로부터의 물을 수용하고, 증기 터빈으로 복귀시키기 위하여 상기 물을 증기로 변환시키는 열 회수 증기 발생기와,
    상기 열 회수 증기 발생기에 배기 가스 형태로 열을 공급하는 적어도 하나의 가스 터빈과,
    물로 연료 가스를 포화시키고 그 연료 가스를 가열하는 연료 가스 포화기 조립부와,
    상기 가스 터빈으로의 공급을 위해, 상기 연료 가스 포화기 조립부에 의해 포화 및 가열된 연료 가스를 과열하는 연료 가스 과열기
    를 포함하고,
    상기 열 회수 증기 발생기는 상기 배기 가스로부터의 열에 의해 물을 가열하여 상기 연료 가스 포화기 조립부의 열원을 형성하는 제1 수가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈과 가스 터빈 복합 사이클 시스템용 재열 사이클 구조.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 연료 가스 포화기 조립부는 가스 터빈의 연료 가스 공급부에 물을 첨가하는 입수구와, 이 입수구에서 입력된 물에 의해 포화된 연료 가스를 가열하는 열교환기를 포함하고, 이 열교환기는 상기 제1 수가열기로부터 가열수를 공급받는 것을 특징으로 하는 재열 사이클 구조.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 연료 가스 포화기 조립부는 상기 제1 수가열기로부터의 고온수 입구와, 연료 가스 입구와, 포화 연료 가스 출구 및 출수구가 있는 연료 가스 포화기 충전탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 재열 사이클 구조.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 연료 가스 과열기는 열 회수 증기 발생기로부터 얻어지는 열에 의해 상기 포화 연료 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 재열 사이클 구조.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 수가열기에 의한 가열수의 적어도 일부는 포화 연료를 과열하는 연료 과열기 쪽으로 방향 전환되고, 상기 연료 과열기로부터 나온 포화기 수는 상기 연료 가스 포화기 조립부의 연료 가스를 가열하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 재열 사이클 구조.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 열 회수 증기 발생기는 상기 연료 과열기로 들어가기 위해 제1 수가열기로부터 방향 전환된 물을 가열하는 제2 수가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 재열 사이클 구조.
  18. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 수가열기는 열 회수 증기 발생기에서 저압 절탄기 기구와 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 재열 사이클 구조.
  19. 가스 터빈과 증기 터빈 및 열 회수 증기 발생기를 포함하고, 가스 터빈 배기 가스는 상기 열 회수 증기 발생기에서 증기 터빈용 증기를 생성하는 데 사용되고, 상기 가스 터빈 배기 가스는 상기 열 회수 증기 발생기의 입구 단부에서 출구 단부로 흐르는, 복합 사이클의 동력 출력 및 열역학적 효율을 증대시키는 방법으로서,
    물을 첨가하고, 상기 열 회수 증기 발생기로부터 얻어지는 열에 의해 연료 가스를 가열하여 가열 및 포화된 연료 가스를 생성하는 단계와,
    상기 포화 연료 가스를 연료 과열기에 공급하는 단계와,
    상기 연료 가스를 과열하기 위해 상기 포화 연료 가스를 연료 가열기에서 추가 가열하는 단계와,
    상기 과열 및 포화된 연료 가스를 상기 가스 터빈에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 포화 연료 가스는 열 회수 증기 발생기의 열원으로부터 얻어지는 열에 의해 과열하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 연료 가스는 열 회수 증기 발생기에 의해 가열된 고온의 포화기 수 입구와, 연료 가스 입구와, 가열 및 포화된 연료 가스 출구 및 출수구가 마련된 연료 가스 포화기 충전탑에서 포화 및 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 고온의 포화기 수의 적어도 일부는 상기 포화기로 공급되기 전에 연료 과열기 쪽으로 방향 전환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 청구항 21에 있어서, 상기 포화기 수는 열 회수 증기 발생기를 통한 가스 터빈 배기의 흐름 방향에 대해 저압 증발기의 하류 측에 배치된 열교환기에서 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
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