KR20010092653A - 복합 싸이클 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

복합 싸이클 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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KR20010092653A
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톰린슨레로이오마르
스미스라우브와필드
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

다압 재열 증기 발생기(30), 가스 터빈(14) 및 증기 터빈(18)을 갖는 복합 싸이클 시스템에 있어서, 가스 터빈 구성요소 냉각을 위한 증기는 증기 터빈의 HP부로부터 배출되는 증기의 일부에 의해서 보충되는 재열 증기 발생기의 중압부로부터 공급되며, 가스 터빈 냉각 싸이클과 증기 터빈의 HP부로부터의 배출 증기는 HRSG의 재열부(50)를 통해서 흐름 결합한다. 재열 증기는 증기 터빈의 IP부 유입부(22)까지 공급된다. 따라서, 가스 터빈 냉각 증기 온도가 최적의 온도보다 낮은 경우에, 가스 터빈으로부터 배출된 냉각 증기와, HRSG의 재열기를 통해 직렬로 증기 터빈의 고압부로부터 배출되는 배출 증기를 유동시켜서 증기 터빈의 IP부에 대한 최적의 온도까지 증기를 제공함으로써 순 성능의 향상이 달성된다.

Description

복합 싸이클 시스템 및 그 작동 방법{APPARATUS AND METHODS OF REHEATING GAS TURBINE COOLING STEAM AND HP STEAM TURBINE EXHAUST IN A COMBINED CYCLE POWER GENERATING SYSTEM}
본 발명은 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열함유량(heat content)이 재열 증기 발생기에서 회복되어 증기 터빈을 통해서 팽창하는 증기를 가열하는 복합 싸이클 랜드계 동력 발생 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기와, IP 증기 터빈에 사용하기 위한 재열 증기 발생기의 HP 증기 터빈 출구로부터 배기 증기를 재열하는 것에 관한 것이다.
종래의 복합 싸이클 동력 발생 시스템에 있어서, 가스 터빈의 고온 구성요소 부품들은 유체 매체 예컨대 냉각 증기를 도입함으로써 냉각되며, 이 냉각 증기는 증기 터빈으로부터 가스 터빈으로 배기되는 증기에 의해서 보충되는 재열 증기 발생기의 중압부로부터 나온다. 일반적으로, 증기가 가스 터빈의 구성요소 부품을 냉각하는데 필요한 정도로만 증기 터빈의 HP 부로부터 배출된 증기의 일부를 제어함으로써 보충받는 재열 증기 발생기의 중압부로부터 냉각 증기를 공급받는다. 가스 터빈의 냉각 목적을 위해서 필요치 않는 증기 터빈 고압부로부터의 증기 밸런스는 재열을 위해서 재열 증기 발생기의 재열부로 보내지는 것이 일반적이다. 증기 터빈으로부터의 불필요한 증기의 재열 에너지는 재열 증기 발생기를 통과하는 가스 터빈의 배기 가스로부터 얻어진다. 일반적으로 재열 증기는 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기와 증기 터빈의 또 다른 유입부 즉, 중압(IP)부 증기 터빈 유입부와 흐름 결합한다.
전술한 시스템은 미국 특허 제 5,428,950 호에 개시되어 있다. 이 때, 냉각 사용율 및 증기 흐름은 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기와, 최적 성능을 위해서 요구되는 IP 증기 터빈부용 소망 유입부 온도 또는 그 근방의 재열 증기의 혼합을 제공하기에 충분하다고 믿어진다. 그러나, 가스 터빈의 증기를 냉각하기 위한 증기 흐름 조건을 증가시키면, 가스 터빈을 출입하는 폐 냉각 증기와, 재열 증기 발생기를 출입하는 재열 증기 혼합물의 온도가 IP 증기 터빈 유입부에 공급되는 증기의 최적 온도 이하의 온도로 상당히 감소되게 한다. 혼합물의 온도가 감소되면, 복합 싸이클 시스템의 성능이 결과적으로 감소된다. 이것이 본 발명이 해결하고자 하는 과제이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가스 터빈을 나온 폐 냉각 증기 혼합물의 온도가 IP 증기 터빈 유입부에서의 최적의 증기 온도보다 상당히 낮은 복합식 싸이클 시스템에 있어서, HP 증기 터빈부로부터의 폐 냉각 증기와 배출 증기는 결합하여 IP 증기 터빈 유입부로 이송되기 전에 재열 증기 발생기의 재열부를 통과해 유동한다. 미국 특허 제 5,428,950 호에 개시된 종래의 시스템에 있어서 병렬식 재열 배열체는 즉, (i) 증기 터빈의 HP 부로부터의 배출 증기를 재열하기 위해서 재열부에서 가스 터빈의 배출 가스로부터 열을 회복하는 것과, (ii) 재열된 폐 냉각 증기를 제공하도록 가스 터빈의 고온 구성요소 부품을 냉각하는 증기로부터 열을 발생하여 재열 배출 증기와 결합하는 것은 폐 냉각 증기가 증기 터빈의 IP부까지 흐르도록 평행 유동 경로의 압력 강하를 크게 한다. 결과적으로, 혼합물의 증기 온도가 증기 터빈의 IP 부의 소망 유입부 온도에 필적하거나 또는 다소 못미치는 경우, 평행 배열체를 이용할 수 있다. 그러나, 냉각 증기 흐름 조건기 가스 터빈에 대해서 증가할 때, 폐 냉각 증기와 재열 증기의 혼합물 온도가 IP 증기 터빈의 소망 유입부 온도보다 상당히 또는 못미치게 된다. 본 실시예에 따르면, 재열 및 폐 냉각 증기의 직렬 배열체는 증기 터빈의 IP 부에 제공된 증기 혼합물의 온도를 향상시키도록 제공된다. 게다가, 복합식 싸이클 성능의 네트 증가는 HRSG의 재열부를 통과하는 결합 통로에서 폐 냉각 증기와 HP 증기 터빈 배출 가스를 혼합함으로써 증기 냉각 흐름 조건이 높을 때 중압 터빈 유입부의 소망 증기 온도로 거의 유지한다. 폐 냉각 증기와 HP부 배출 증기가 일렬로 결합하여 재열 증기 발생기의 재열기를 통과할 때, 가스 터빈과 재열기를 관통하는 결합 압력 강하에 의해 야기되는 압력 손실은 증기 터빈의 IP 입력부의 혼합 증기를 소망 온도로 유지하는데 문제점을 제공한다. 그러나, 가스 터빈의 증기 냉각 온도가 거의 일정한 경우에 그리고 증기 터빈의 IP 유입부의 냉각 증기와 재열 증기의 혼합 온도의 결과적인 감소가 있는 경우에, 전술한 미국 특허 제 5,428,950 호에 개시된 바와 같은 병렬식 재열기보다 직렬식 재열기를 채용한 복합 싸이클 시스템이 전체적으로 우수한 성능을 제공한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예에 있어서, 가스 터빈 배출 가스가 재열 증기 발생기에서 증기 터빈용 증기를 가열하기위해서 사용되는, 가스 터빈, 증기 터빈 및 재열 증기 발생기를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법에 있어서, 재열 증기 발생기의 중압부로부터 가스 터빈까지 그들의 구성요소를 냉각하기 위해서 증기를 공급하는 단계와, 증기 터빈의 고압부로부터의 증기의 제 1 부를 가스 터빈까지 그들의 구성요소를 냉각하도록 공급함으로써 재열 증기 발생기의 중압부로부터의 증기를 보충하는 단계와, 상기 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기와, 증기 터빈의 고압부로부터의 증기의 제 2 부를 결합하는 단계와, 결합된 폐 냉각 증기와 상기 제 2 증기부를 상기 재열 증기 발생기에서 재열하는 단계와, 상기 재열된 결합 폐 냉각 증기와 상기제 2 증기부를 상기 증기 터빈의 중압부까지 유동시키는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 재열 증기 발생기의 중압부로부터 가스 터빈까지 그들의 구성요소 부품을 냉각하기 위해서 증기를 공급하는 단계와, 보조 증기 터빈으로부터 가스 터빈까지 그들의 구성요소 부품을 냉각하기 위해서 냉각 증기의 제 1 부분를 공급함으로써 재열 증기 발생기의 중압부로부터 증기를 보충하는 단계와, 상기 보조 터빈으로부터의 증기를 냉각하는 제 2 부와 상기 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기를 결합하여 재열 증기 발생기를 통해 유동시켜 가스 터빈으로부터의 배출 가스에 의해서 가열되도록 하는 단계와, 가열된 복합 냉각 증기를 상기 보조 터빈의 또 다른 부분으로 유동시키는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 터빈 배출 가스가 재열 증기 발생기에서 사용되어 증기 터빈의 증기를 재열시키는, 가스 터빈, 증기 터빈 및 다압 재열 증기 발생기와, 증기 터빈의 고압부로부터 가스 터빈까지 배출되는 증기의 일부에 의해서 보충되는 상기 증기 발생기의 중압부로부터의 가스 터빈 냉각 듀티 증기를 터빈 부품들을 냉각하기 위해서 공급하는 공급 통로와, 상기 보충 증기부를 상기 공급 통로로 공급하기 위해서 상기 고압 증기 터빈부와 결합된 제 1 통로와, 상기 재열 증기 발생기의 재열기와, 상기 가스 터빈으로부터 상기 재열기까지 폐냉각 증기를 유동시키는 제 2 통로와, 상기 고압 터빈부로부터 상기 재열기로 배출되는 증기의 또 다른 부분을 유동시키기 위한 제 3 통로와, 재열기를 통해 유동하도록 결합된 폐 냉각 증기와 배출 증기와, 상기 재열 복합 증기가 재열기를 나와 상기 증기 터빈의 중압부로 유동하도록 증기 터빈의 중앙부와 상기 재열기를 결합하기 위한 제 4 통로를 포함하는 복합 싸이클 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직렬식 재열기를 채용한 증기 냉각 가스 터빈를 갖는 다압식 재열 복합 싸이클 시스템의 개략적인 흐름도,
도 2는 직렬식 재열기와 병렬식 재열기를 네트 동력의 함수로서 도시한 챠드.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3 : 재열 증기 발생기 14 : 가스 터빈
18 : 증기 터빈 20 : 증기 터빈의 고압부
22 : 중압부 50 : 재열기
76, 78 : 공급 통로 94 : 제 2 통로
96, 102 : 제 1 통로 100 : 제 4 통로
104 : 제 3 통로
도 1를 살펴보면, 복합 싸이클 동력 발생 시스템(10)이 도시되어 있다. 복합 싸이클 시스템(10)의 가스 터빈부는 압축기(12), 터빈부(14), 연소 시스템(16)을 포함한다. 복합 싸이클 시스템의 증기 터빈부는 고압(HP)부(20), 중압(IP)(22) 및 저압(LP)부(24)를 갖는 증기 터빈(18)을 각기 구비한다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 가스 터빈과 증기 터빈은 발생기(28)를 구동하기 위한 공통축(26)상에서 서로 결합되어 있다. 또한 다축 배열체와 다수의 발생기가 채용될 수 있다.
증기 터빈 시스템(18)은 점화되지 않은, 다압 재열 증기 발생기(HRSG)(30)를 갖는다. HRSG(30)는 LP 절약기(32)와, LP 증발기(34)와, HP 및 IP 절약기(42) 및 LP 과열기(38), IP 증발기(40), HP 절약기(42), IP 과열기(44), HP 증발기(46), 제1 HP 과열기(48), HP 재열기(50) 및 제 2 HP 과열기(52)를 포함하며, 이들은 모두 일반적인 것이다.
저압 증기 터빈부(24)로부터 배출된 증기는 응축기(54)에서 응축되고 응축물이 펌프(56)와 도관(58)을 거쳐서 HRSG(30)로 공급된다. 응축물은 LP 절약기(32)를 통과하여 LP 증발기(34)로 통과한다. 저압 증발기(34)로부터의 증기가 도관(60)을 거쳐서 LP 과열기(38)로 공급된 후 도관(62)를 거쳐서 증기 터빈(18)의 저압부(24)를 유동한다. 공급수가 펌프(64)에 의해서 LP 증발기(34)와 HP 및 IP 절약기(36)를 통해서 도관(66)에 의해서 펌핑되며, HP 및 IP 절약기(36)를 통해서 도관(70)에 의해서 IP 증발기(40)로 도관(79)를 거쳐서 펌핑된다.
IP 증발기(40)로부터의 증기가 도관(74)를 거쳐서 IP 과열기(44)를 통과하며 도관(78)을 거쳐서 증기 냉각량 도관(76)으로 흐른다. 전술한 바와 같이, IP 과열기(44)로부터의 증기는 증기 냉각 듀티 도관(steam cooling duty conduit)(76)내의 배출 증기의 일부와 결합된다. 따라서, 도관(76, 78)은 중압부(44)로부터의 가스 터빈 냉각 듀티 증기를 공급하기 위한 공급 통로를 형성하며 도관(96, 102)은 공급 통로(76, 78)에 보충 증기를 공급하기 위해서 HP 터빈부(20)와 결합되는 제 1 통로를 형성한다.
HP 절약기(42)에서의 응축물은 도관(80)을 거쳐서 HP 증발기(46)으로 유동한다. 도관(82)를 거쳐서 HP 절약기(46)로 배출되는 증기는 제 1 과열기(48)를 지나 도관(84)를 거쳐서 제 2 과열기(52)를 지난다. 과열기(52)로부터 과열된 증기는 도관(86)을 거쳐서 증기 터빈(18)의 고압부(20)로 복귀된다. 잘 알려진 바와 같이, 도관(90)을 거쳐서 HRSG로 도입된 가스 터빈(14)으로부터의 배출 가스에 의해서 열이 HRSG(30)로 제공된다. 이들 배출 가스는 연통(92)을 거쳐서 HRSG(30)를 나간다.
도시된 바와 같이, 냉각 증기 도관(76)은 IP 과열기(44)에 공급되며 증기 터빈(18)의 고압부(20)로부터의 배출 가스의 일부가 도관(96, 102)를 거쳐서 공급된다. 도관 또는 제 2 통로(94)를 거쳐서 가스 터빈부(14)를 나온 가열된 냉각 증기는 도관(98)을 거쳐서 HRSG의 재열기(50)로 유동하는 결합 흐름용 도관 또는 제 3 통로(104)를 거쳐서 증기 터빈(18)의 고압부(20)를 나온 증기의 일부와 결합한다. 도관(102)를 통해 냉각 증기에 공급되는 증기 터빈의 HP부(20)로부터의 배출 증기의 일부는 도관(104)에서 우회 제어 밸브(103)에 의해서 변형된다. 재열기(50)로부터의 재열 증기는 도관 또는 제 4 통로(100)를 거쳐서 증기 터빈(18)의 IP부(22)의 유입부까지 공급된다. 따라서, 증기 터빈의 HP부로부터의 재열 배출 증기와 가스 터빈에 의해서 가열된 냉각 증기가 결합되어 증기 터빈의 IP부로 유입되는 병렬 배열체 대신에, 증기 터빈의 IP부가 재열기(50)를 통과한 HP 증기 터빈 배출 증기와 폐 냉각 증기가 결합되게 직렬로 제공된다. 이 병렬 배열체 대신의 직렬 배열체의 결과로서, 폐 냉각 증기와 HP 터빈 배출 증기가 결합하여 재열기를 통과하고 보다 큰 압력 강하의 부담을 허용함으로써 소망 증기 온도를 IP 증기 터빈 유입부의 온도로 거의 유지함으로써 달성된다. 순 성능의 증가가 도 2에 참고로 도시되어 있는바, 여기에는 가스 터빈 냉각 듀티가 일정하고 냉각 증기 유동량이 변하는 증기 냉각 가스 터빈과 종래의 복합 싸이클 유닛의 성능 비교가 도시된다. 증기냉각 듀티 조건이 예를 들어 증기 터빈의 HP부로부터의 배출 증기의 64%인 경우에, 미국 특허 제 5,428,950 호에 개시된 바와 같이 IP 증기 터빈으로 이송되는 증기의 병렬 배열체가 유익하다. 그러나, 냉각 증기 흐름이 증가하거나 또는 가스 터빈의 냉각 듀티가 감소되어 증기 터빈의 중압부에 공급되는 증기 온도가 최적의 성능에 요구되는 온도보다 작도록 가스 터빈으로부터 방출되는 증기의 온도를 감소시키는 경우, 증기 터빈의 IP부 유입부의 증기 온도를 소망 수준으로 유지하고 본 발명의 직렬식 재열기를 사용하여 더 큰 압력 강하를 허용함으로써 순 출력이 향상된다.
본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 여겨지는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않고 첨부된 본 발명의 정신 및 보호범위내에 포함된 여러 변형예와 균등예를 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈 냉각 증기 온도가 최적의 온도보다 낮은 경우에, 가스 터빈으로부터 배출된 냉각 증기와, HRSG의 재열기를 통해 직렬로 증기 터빈의 고압부로부터 배출되는 배출 증기를 유동시켜서 증기 터빈의 IP부에 대한 최적의 온도까지 증기를 제공함으로써 순 성능 향상이 달성된다.

Claims (7)

  1. 가스 터빈 배출 가스가 재열 증기 발생기에서 증기 터빈용 증기를 가열하기위해서 사용되는, 가스 터빈, 증기 터빈 및 재열 증기 발생기를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법에 있어서,
    재열 증기 발생기(30)의 중압부(44)로부터 가스 터빈(14)까지 그들의 구성요소를 냉각하기 위해서 증기(78)를 공급하는 단계와,
    증기 터빈의 고압부(20)로부터의 증기(96, 102, 76)의 제 1 부를 가스 터빈까지 그들의 구성요소를 냉각하도록 공급함으로써 재열 증기 발생기의 중압부로부터의 증기를 보충하는 단계와,
    상기 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기(94)와, 증기 터빈의 고압부로부터의 증기(104)의 제 2 부를 결합하는 단계와,
    결합된 폐 냉각 증기(50)와 상기 제 2 증기부(104)를 상기 재열 증기 발생기에서 재열하는 단계와,
    상기 재열된 결합 폐 냉각 증기(100)와 상기제 2 증기부를 상기 증기 터빈의 중압부까지 유동시키는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재열 증기 발생기의 고압 과열기(52)로부터 고압 터빈(20)용 유입부까지 증기(86)를 유동시키는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증기 터빈의 고압부로부터 가스 터빈으로 공급된 보충 증기의 흐름(103)을 제어하는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법.
  4. 복합 싸이클 시스템의 작동 방법에 있어서,
    재열 증기 발생기(30)의 중압부(44)로부터 가스 터빈(14)까지 그들의 구성요소 부품을 냉각하기 위해서 증기(78)를 공급하는 단계와,
    보조 증기 터빈(20)으로부터 가스 터빈(14)까지 그들의 구성요소 부품을 냉각하기 위해서 냉각 증기의 제 1 부분(96, 102, 76)를 공급함으로써 재열 증기 발생기의 중압부로부터 증기를 보충하는 단계와,
    상기 보조 터빈으로부터의 증기를 냉각하는 제 2 부(104)와 상기 가스 터빈으로부터의 폐 냉각 증기(94)를 결합하여 재열 증기 발생기(30)를 통해 유동시켜 가스 터빈(14)으로부터의 배출 가스(94)에 의해서 가열되도록 하는 단계와,
    가열된 복합 냉각 증기(100)를 상기 보조 터빈의 또 다른 부분(22)으로 유동시키는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 증기 터빈으로부터 가스 터빈까지 공급되는 보충 증기(103)의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는 복합 싸이클 시스템의 작동 방법.
  6. 복합 싸이클 시스템에 있어서,
    가스 터빈 배출 가스(90)가 재열 증기 발생기에서 사용되어 증기 터빈의 증기를 재열시키는, 가스 터빈(14), 증기 터빈(18) 및 다압 재열 증기 발생기(3)와,
    증기 터빈의 고압부(20)로부터 가스 터빈까지 배출되는 증기의 일부에 의해서 보충되는 상기 증기 발생기의 중압부로부터의 가스 터빈 냉각 듀티 증기를 터빈 부품들을 냉각하기 위해서 공급하는 공급 통로(78, 76)와,
    상기 보충 증기부를 상기 공급 통로로 공급하기 위해서 상기 고압 증기 터빈부와 결합된 제 1 통로(96, 102)와,
    상기 재열 증기 발생기의 재열기(50)와,
    상기 가스 터빈으로부터 상기 재열기(50)까지 폐냉각 증기를 유동시키는 제 2 통로(94)와,
    상기 고압 터빈부(20)로부터 상기 재열기(50)로 배출되는 증기의 또 다른 부분을 유동시키기 위한 제 3 통로(104)와,
    재열기를 통해 유동하도록 결합된 폐 냉각 증기(94)와 배출 증기(104)와,
    상기 재열 복합 증기가 재열기를 나와 상기 증기 터빈의 중압부(22)로 유동하도록 증기 터빈의 중앙부(22)와 상기 재열기를 결합하기 위한 제 4 통로(100)를 포함하는 복합 싸이클 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 통로(96, 102)와 상기 제 3 통로(96, 104)는 서로 결합되어 있으며, 우회 제어 밸브(103)가 상기 제 1 통로를 따라 증기의 흐름을 변조하는 상기 제 3 통로에 결합되어 있는 복합 싸이클 시스템.
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