KR20010024500A - 가스 터빈 장치 및 증기 터빈 장치, 그리고 그 작동 방법 - Google Patents

가스 터빈 장치 및 증기 터빈 장치, 그리고 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐열 증기 발생기(30)를 가진 가스 및 증기 터빈 장치(1, 1')에 관한 것이며, 상기 폐열 증기 발생기는 연도 가스 측에서 보면, 가스 터빈(6)의 하부에 연결되고, 상기 폐열 증기 발생기의 가열 표면은 증기 터빈(20)의 물-증기-순환계(24)에 연결되어 있다. 본 발명의 목적은 특히 높은 효율을 가진 장치를 설계하는 데 있다. 따라서 증기 측에서 보면, 증기 터빈(20)의 하부에 연결된 응축기(80)는 가스 터빈(2)에 공급되는 흡기(A)에 의해 냉각될 수 있다.

Description

가스 터빈 장치 및 증기 터빈 장치, 그리고 그 작동 방법 {GAS AND STEAM TURBINE INSTALLATION AND METHOD FOR OPERATING AN INSTALLATION OF THIS TYPE}
상기 가스 및 증기 터빈 장치에 있어서, 가스 터빈에서 나온 팽창된 작동 매체(연도 가스)에 포함된 열은 증기 터빈용 증기를 발생시키는 데 사용된다. 열 전달은 연도 가스 측에서 보면 가스 터빈의 하부에 연결된 폐열 증기 발생기에서 이루어지며, 상기 발생기에 파이프 또는 파이프 묶음 형태의 가열 표면이 배치되어 있다. 상기 가열 표면은 재차 증기 터빈의 물-증기-순환계에 연결된다. 상기 물-증기-순환계는 통상적으로 다수의, 예컨대 2 개의 압력 단계를 포함하며, 이 경우 각 압력 단계는 하나의 예열 및 증발기 가열 표면을 포함한다.
폐열 증기 발생기에서 발생하는 증기는 증기 터빈에 공급되고, 상기 발생기에서 증기는 작업 효율적으로 팽창된다. 상기 증기 터빈은 다수의 압력 단계를 포함하며, 상기 압력 단계의 수 및 레이 아웃은 폐열 증기 발생기의 레이 아웃에 매칭된다. 상기 폐열 증기 발생기에서 팽창된 증기는 통상적으로 응축기에 공급되며, 거기서 응축된다. 증기의 응축시 생성되는 응축수가 상기 폐열 발생기에 급수로서 새롭게 공급됨으로써, 폐쇄된 물-증기-순환계가 생성된다.
상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치의 응축기에, 통상적으로 열 교환기와 같은 방법으로 냉각 매체가 공급될 수 있으며, 상기 냉각 매체는 응축을 위해 증기로부터 열을 제거한다. 여기서 통상적으로 냉각 매체로 물이 제공된다. 그러나 대안으로, 상기 응축기는 냉각 매체로서 공기가 공급된 공기 응축기로 형성될 수 있다.
본 발명은 연도 가스 측에서 보면 가스 터빈의 하부에 연결되고, 그 가열 표면은 증기 터빈의 물-증기-순환계에 연결된, 폐열 증기 발생기를 가진 가스 터빈 장치 및 증기 터빈 장치에 관한 것이다. 또한 그 작동 방법에 관한 것이다.
도 1 은 가스 및 증기 터빈 장치의 개략도이고,
도 2 는 가스 및 증기 터빈 장치의 대안적 실시예의 개략도이다,
두 도면에서 동일한 부분은 동일한 부호가 제공된다.
본 발명의 목적은 상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치를 제공하는 데 있으며, 또한 상기 장치는 상이한 작동 상태의 경우, 특히 높은 장치 효율을 갖는다. 또한 상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치의 작동 방법이 제공되어야 하고, 상기 작동 방법으로 특히 높은 장치 효율이 달성될 수 있다.
본 발명에 따라 상기 목적은 증기 터빈에 할당된 주 응축기에, 물- 증기 측으로 하나의 부가 응축기가 평행으로 연결됨으로써 달성될 수 있다. 상기 부가 응축기는 가스 터빈에 공급된 흡기를 통해 냉각될 수 있다.
본 발명은 특히 높은 장치 효율을 위해, 장치 과정에서 발생되는 열이 최대 범위에서 유용하게 발생되어야만 한다는 고찰에서 출발한다. 또한 여기서 증기의 응축시 증기로부터 제거된 열은 - 적어도 부분적으로 - 장치 과정으로 재도입된다. 증기의 응축시 대략 60。C의 증기의 온도 레벨에 의해, 거기서 제거된 열은 가스 터빈에 공급될 흡기로 전달되는 것이 특히 바람직하다.
상기 가스 터빈의 흡기를 예열함으로써, 가스 터빈에 단위 시간 당 공급될 수 있는 연료-공기-혼합물에서의 전체 질량 흐름은 줄어든다. 따라서 흡기의 예열이 필요 없는 경우보다 상기 가스 터빈에 의해 최대한 얻어질 수 있는 출력이 더 줄어든다. 상기 제시된 바와 같이, 흡기를 예열할 경우 응축열의 공급관을 통해, 연료 소비는 최대한 얻어질 수 있는 출력보다 더 많이 줄어든다. 따라서 전체 효율은 상승하게 된다.
부가 응축기와 같은 방식으로, 상기 응축기에 증기 터빈으로부터 나온 추기 증기가 공급될 수 있다. 상기 방식의 장치에서 특히 바람직한 방식으로, 응축기는 신속한 예비 용량을 제공하기 위해 사용되며, 상기 예비 용량은 예컨대 공급 주파수를 지지하기 위한 더 짧은 반응 시간동안, 상기 가스 및 증기 터빈 장치에 의해 공급된 전기 회로망에서 요구될 수 있다. 상기 예비 용량의 활성화를 위해, 상기 응축기로의 증기 공급이 중단됨으로써, 전체 증기 흐름이 주응축기를 통해 안내된다. 따라서 가스 터빈용 흡기의 예열이 중단되며, 이것은 상기 가스 터빈에 의해 제공된 최대 전력의 신속한 상승을 야기한다.
통상적으로, 흡기 라인을 통해 가스 터빈용 흡기가 제공될 수 있는 하나의 압축기가 가스 터빈에 할당된다. 본 발명의 장점으로, 응축기는 냉각 매체측으로직접 상기 흡기 라인에 연결된다. 본 발명에 따라, 상기 방식의 흡기 라인에서 상기 응축기는 공기 응축기로 형성되며, 이 경우 응축될 증기의 흡기로의 1 단계 열 전달에 의해 변환 과정에 의한 손실이 특히 적게 유지된다.
대안적 장점으로, 상기 응축기는 중간 순환계를 통해 냉각 매체 측으로 열 교환기에 연결되며, 상기 열 교환기는 그의 2 차측으로 가스 터빈에 연결된 흡기 라인에 연결된다. 상기 방식의 장치에서, 응축시 중간 순환계에 안내된 매체로 전달된 열의 운송은 긴 구간을 거쳐, 비교적 간단한 방식으로 가능해진다.
상기 응축기 및 주 응축기에 공급된 증기 흐름 사이의 증기량 비율은 목적에 맞게 조정될 수 있고, 바람직하게 상기 가스 및 증기 터빈 장치의 부하 상태에 좌우된다. 주 응축기를 통해 안내된 증기 흐름은 상기 장치의 작동시, 통상적으로 외부 냉각 매체를 사용하면서 응축된다. 증기 흐름 사이의 증기량 비율의 조정 가능성에 의해, 상기 응축기를 통해 안내된 증기 흐름의 작동 파라미터는 특히 간단한 방식으로 거의 일정하게 유지될 수 있고, 따라서 상기 장치는 특히 신뢰할 수 있게 작동될 수 있다. 또한 그것에 의해, 상기 장치의 각 작동 상태에 있어서, 흡기는 각 작동 상태에 있어 최대한 도달할 수 있는 온도로 예열될 수 있다.
목적에 맞게, 하나의 응축수 예열기가 상기 주 응축기 하부에 연결되고, 이 경우 상기 응축기로부터 유출된 응축수는 응축수의 유동 방향으로 보면, 응축기 예열기의 하부에 있는 증기 터빈의 물-증기-순환계로 공급될 수 있다. 따라서 증기의 응축 후, 응축수에 남아있는 잔류 열은 특히 바람직한 방식으로, 물-증기-순환계로 공급될 수 있다.
상기 장치의 작동 방법에 따라, 상기 목적은 가스 터빈에 공급될 흡기가, 응축시 증기 터빈으로부터 유출된 증기에 의해 제거된 열에 의해 예열됨으로써 달성된다.
본 발명의 장점으로, 응축시 얻어진 응축수는 증기 터빈의 물-증기-순환계 에 안내된 예열된 응축수에 섞인다.
본 발명에 따라 달성된 장점으로 특히, 증기의 응축시 제거된 열이 가스 터빈에 있어 흡기로 전달됨에 따라, 상기 열은 장치 과정에 있어 유용하게 발생한다. 따라서 상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치는 특히 높은 장치 효율을 가진다. 비교적 약간 감소된 가스 터빈의 최대 출력에 의해, 가스 및 증기 터빈의 바람직한 효율은 특히, 가스 터빈의 부분 부하 범위에서 얻어질 수 있다.
계속 제시된 바와 같이, 상기 방식의 가스 및 증기 터빈 장치는 또한 비교적 유해 물질을 적게 방출한다. 다른 값과 더불어, 가스 터빈이 출력시 확산 작동에서 프리믹스(premix) 작동으로 전환되는 것을 제공하는 소위 전환점은 가스 및 증기 터빈 장치의 유해 물질 방출에 있어서 중요하다. 가스 터빈에 있어 예열된 흡기를 가진 상기 가스 및 증기 터빈 장치는 비교적 더 낮은 전환점을 가진다. 따라서 상기 장치는 비교적 낮은 부하 상태시, 유해 물질을 적게 방출하기 위한 바람직한 프리 믹스 작동에서 작동될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면에 의해 더 자세히 설명된다.
도(1, 2)에 각각 개략적으로 도시된 가스 및 증기 터빈 장치(1 또는 1')는 하나의 가스 터빈 장치(1a) 및 하나의 증기 터빈 장치(1b)를 포함한다. 상기 가스 터빈 장치(1a)는 결합된 공기 압축기(4)를 가진 가스 터빈(2)을 포함한다. 상기 공기 압축기(4)는 유입구측의 흡기 라인(5)에 연결되어 있다. 신선한 공기 라인(8)에 연결된 상기 공기 압축기(4)의 연소 챔버(6)는 상기 가스 터빈(2)의 전측에 연결된다. 연소 챔버 라인(10)은 상기 가스 터빈(2)의 연소 챔버(6)로 이어진다. 상기 가스 터빈(2)및 상기 공기 압축기(4) 및 제네레이터(12)는 하나의 공동 샤프트(14) 위에 위치한다.
상기 증기 터빈 장치(1a)는 결합된 제네레이터(22)를 가진 증기 터빈(20)을 포함하며, 물-증기-순환계(24)에서, 증기 터빈(20)의 하부에 연결된 주 응축기(26) 및 페열 증기 발생기(30)를 포함한다. 상기 증기 터빈(20)은 제 1 압력 단계 또는 고압 부분(20a), 및 제 2 압력 단계 또는 중압 부분(20b), 및 제 3 압력 단계 또는 저압 부분(20c)으로 이루어지며, 상기 부분들은 공동 샤프트(32)를 통해 상기 제네레이터(22)를 구동시킨다.
상기 가스 터빈(2)에서 팽창된 작동 매체(AM') 또는 연도 가스를 상기 폐열 증기 발생기(30)로 공급하기 위해, 상기 폐열 증기 발생기(30)의 유입구(30a)에 폐가스 라인(34)이 연결된다. 상기 가스 터빈(2)으로부터 나온 팽창된 상기 작동 매체(AM')는 상기 폐열 증기 발생기의 배출구(30b)를 통해, 자세히 나타나지 않은 굴뚝의 위 방향으로 상기 폐열 증기 발생기를 벗어난다.
상기 폐열 증기 발생기(30)는 물-증기-순환계의 제 1 압력 단계 또는 고압 단계에서, 밸브(38)로 차단할 수 있는 라인(40)을 통해 고압 드럼(42)에 연결된, 고압 예열기 또는 이코노마이저(36)를 포함한다. 상기 고압 드럼(42)은 물-증기-순환계(46)의 형성을 위해, 상기 폐열 증기 발생기(30)에 배치된 고압 증발기(44)에 연결된다. 신선한 증기(F)의 방출을 위해, 상기 고압 드럼(42)은 상기 폐열 증기 발생기에 배치된, 유입구측 증기 터빈(20)의 고압 부분(20a)의 증기 유입구(49)에 연결된 고압 과열기(48)에 연결된다.
상기 증기 터빈(20)의 고압 부분(20a)의 증기 배출구(50)는 증기 라인(52)을 통해, 중간 과열기(54)에 연결되며, 상기 중간 과열기(54)의 배출구(56)는 증기 라인(58)을 통해, 상기 증기 터빈(20)의 중압 부분(20b)의 증기 유입구(60)에 연결된다. 상기의 증기 터빈(20)의 중압 부분(20b)의 증기 배출구(62)는 과류 라인(64)을 통해, 상기 증기 터빈(20)의 저압 부분(20c)의 증기 유입구(66)에 연결된다. 상기 증기 터빈(20)의 저압 부분(20c)의 증기 배출구(68)는 증기 라인(70)을 통해, 주 응축기(26)에 연결된다. 상기 증기 배출구(68)는 급수 펌프(74) 및 응축수 예열기(76)가 연결된 급수 라인(72)을 통해, 상기 이코노마이저(36)에 연결됨으로써 폐쇄된 물-증기-순환계(24)가 생성된다.
도(1, 2)에 따른 실시예에서, 상기 물-증기-순환계(24)의 제 1 압력 단계만 자세히 나타나 있다. 상기 폐열 증기 발생기(30)에, 자세히 나타나지 않은 추가의 가열 표면이 배치되고, 상기 가열 표면은 상기 물-증기-순환계(24)의 각각의 중압 또는 저압 단계에 배치된다. 상기 가열 표면은 적합한 방식으로, 상기 증기 터빈(20)의 중압 부분(20b)의 증기 유입구(60), 또는 상기 증기 터빈(20)의 저압 부분(20c)의 증기 유입구(66)에 연결된다.
상기 가스 및 증기 터빈 장치(1, 1')는 특히 높은 효율의 달성을 위해 설계된다. 또한 상기 증기 터빈의 증기측 하부에 연결된, 부가 응축기로 형성된 응축기(80)는 가스 터빈 장치(1a)로 공급된 흡기(A)를 통해 냉각될 수 있다. 배출구측 상기 응축기(80)는 응축기 라인(86)을 통해 급수 라인(72)에 연결되며, 따라서 물-증기-측 상기 응축기(80)와 증기 터빈(20)에 할당된 주 응축기(26)가 평행하게 연결된다. 상기 응축수 라인(86)은 공급 지점(88)측 급수 라인(72)에 연결된다. 상기 공급 지점(88)은 주 응축기(26)로부터 유출된 응축기(K)의 흐름 방향으로 보면 응축수 예열기(76)의 하부에 배치된다. 밸브(82)를 통해, 주 응축기(26)에 공급된 증기 부분 흐름 및 응축기(80)에 공급된 증기 부분 흐름 사이의 증기량 비율이 조정될 수 있다. 이러한 증기량 비율의 변화를 통해, 흡기(A)는 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1, 1')의 각각의 실제 출력을 위해 최대한 도달할 수 있는 온도까지 예열될 수 있다.
도 1 에 따라 상기 가스 및 증기 터빈 장치는 응축기(80)에서 응축될 증기 부분 흐름 및 가스 터빈 장치(1a)에 공급될 흡기(A)사이의 1 단계 열 교환을 위해 형성된다. 또한 냉각 매체로서 냉각 공기가 제공될 수 있는 공기 응축기는 응축기(80)로 제공된다. 이러한 경우에, 상기 응축기(80)는 냉각 매체 측에 직접 흡기 라인(5)에 연결된다. 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1)에서, 상기 응축기(80)에 응축될 증기의 흡기(A)로의 열 전달시, 변환 과정에서 생기는 손실이 특히 적게 유지된다.
도 2 에 따른 실시예에서는 반대로, 응축기(80)에서 응축될 증기의 흡기(A)로의 2 단계 열 전달이 제공된다. 또한 도 2 에 따른 가스 및 증기 터빈 장치(1')에서 별도의 열 교환기(90)는 흡기 라인(5)에 연결되어 있다. 상기 별도의 열 교환기(90)는 1 차측으로, 응축기(80)가 냉각 매체 측에 연결된, 중간 순환계(92)에 연결된다. 상기 중간 순환계(92)에 안내된 열 전달 매체(W)는 상기 중간 순환계(92)에 연결된 순환 펌프(94)에 의해 순환될 수 있다.
상기 가스 및 증기 터빈 장치(1) 또는 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1')의 구동시, 증기 터빈(20)의 저압 부분(20c)으로부터 배출된 증기 부분 흐름은 추기 증기로서 상기 응축기(80)를 통해 안내된다. 상기 증기 부분 흐름은 상기 응축기(80)에 응축되고, 이 경우 증기의 응축시 증기로부터 제거된 열은 상기 가스 터빈 시스템(1a)용 흡기(A)로 전달된다. 증기의 응축시 상기 응축기(80)에 얻어진 응축수는 주 응축기(26)로부터 유출되고, 예열된 응축수(K)에 섞인다.
증기 부분 흐름의 응축시, 응축기(80)에 증기 부분 흐름에서 제거된 열의 상기 가스 터빈 장치(1a)용 흡기(A)로의 전달을 통해, 상기 열은 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1) 또는 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1')의 에너지 변환 과정으로 리턴 된다. 또한 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1, 1')는 특히 높은 장치 효율을 가진다. 다른 한편으로, 가스 터빈 장치(1a)용 흡기(A)의 예열에 의해, 가스 터빈(2)으로 공급되는 작동 매체(AM)의 전체 질량 흐름이 상기 흡기(A)의 예열이 필요 없는 경우보다 더 적어지게 된다. 따라서 상기 가스 터빈(2)의 구동시 발생할 수 있는 최대 출력이 비교적 적어지게 된다. 응축기(80)에서 추기 증기의 응축에 의한 흡기(A)의 예열을 가진, 상기 가스 및 터빈 장치(1, 1')의 구동은 특히, 부분 부하 범위용으로 적합하다. 또한 상기 구동 방식에서 특히 더 간단한 형태로, 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1, 1') 의 신속한 예비 용량이 보장된다. 왜냐하면, 흡기(A)의 예열을 급차단할 경우, 작동 매체에서 비교적 크게 공급될 수 있는 전체 질량 흐름에 의해, 가스 터빈의 출력이 급상승 될 수 있기 때문이다.

Claims (7)

  1. 연도 가스 측에서 보면 가스 터빈(6)의 하부에 연결되고, 그 가열 표면은 증기 터빈의 물-증기-순환계에 연결된, 폐열 증기 발생기(30)를 가지며, 이 경우 증기 터빈(20)에 할당된 주 응축기(26)에 물-증기-순환계측으로 보면 가스 터빈(2)에 공급된 흡기(A)를 통해 냉각될 수 있는 부가 응축기(80)가 평행으로 연결되어있는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치(1. 1').
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 터빈(2)에 할당된 압축기에, 흡기 라인(5)이 전측에 연결되고, 상기 흡기 라인(5)은 냉각 매체 측으로 보면 상기 부가 응축기(80)에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치(1. 1').
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부가 응축기(80)가 냉각 매체 측으로 중간 냉각 순환계(54)를 통해 열 교환기(90)에 연결되고, 상기 교환기는 2 차측으로 흡기 라인(5)에 연결되고, 상기 라인은 상기 가스 터빈(2)에 할당된 압축기에 전측으로 연결된 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치(1. 1').
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 부가 응축기(80) 및 주 응축기(26)에 공급될 증기 흐름의 증기량 비율이 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치(1. 1').
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    응축수 예열기(76)가 상기 주 응축기(26)의 하부에 연결되고, 이 경우 상기 부가 응축기(80)로부터 유출된 응축수는 응축수의 유동 방향으로 보면 상기 응축수 예열기(76)의 하부에 있는 상기 증기 터빈(20)의 물-증기-순환계(24)로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치(1. 1').
  6. 제 1 항 내지 제 5항에 있어서,
    가스 터빈에 공급될 흡기(A)가 응축시 증기 터빈(20)으로부터 유출된 증기를 통해 제거된 열이 예열되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 장치(1. 1')의 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    응축시 얻어진 응축수가 증기 터빈(20)의 물-증기-순환계에 안내된 예열된 응축수에 섞이는 것을 특징으로 하는 방식.
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