KR20020027611A - 가스의 압력을 상승시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소(2)에 있는 압축기(8)에 공급되는 공기 질량 유동(m)이 유동 분할기(20)에서 더 작은 부분 유동(t1) 및 더 큰 부분 유동(t2)으로 세분되는 방법에 관한 것이다. 더 작은 부분 유동(t1)은 공기 냉각기(22)와 승압기(24)를 경유하여 이젝터(30)에 공급된다. 더 큰 부분 유동(t2)은 상기 이젝터(30)의 흡입 라인으로 공급된다. 두 개의 부분 유동(t1, t2)은 이젝터(30)에서 결합된다. 이젝터(30)의 유출구에서 결합된 질량 유동(m')은 발전소(2)의 다양한 부품(36, 42, 46)에서 가압 공기로서 이용될 수 있다.

Description

가스의 압력을 상승시키는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR INCREASING THE PRESSURE OF A GAS}

압력하에서의 석탄 전환용 시스템을 구비한 발전소에서, 압축 공기는 압축기의 유출구로부터 인출되며, 고온에서 기화 및/또는 연소 작동후, 압축 공기는 가스 터빈의 익스팬더 부분으로 연도 가스로서 도입된다. 석탄 전환 프로세스에 의해, 소정의 압력 손실이 압축기의 유출구로부터 가스 터빈의 유입구로 압축 공기의 경로를 따라 발생된다. 이러한 경우에서, 압축기 서지 한계(compressor surge limit)로부터의 필요한 거리를 유지하기 위하여, 이러한 압력 손실은 압축기 유출구로부터 터빈 유입구로 경로를 따라 임계 한계치(서지 한계 곡선, 작동 한계 곡선)를 초과하지 않아야 한다. 그때, 이와 같은 발전소에서 고압 손실이 있을 수 있는데, 이는 배치(set-up)에 따라, 압력형 유동층 연소용 장치와 같은 특히 구조적인 부품, 석탄 기화기, 가스 세정용 장치 및/또는 후속 버너가 공기의 경로에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들면 2차 압력형 유동층 연소용 장치로 작동되는 발전소의 경우, 이러한 압력 손실은 2 바아(bar) 정도이다. 추가적인 측정없이, 이러한 고압 손실은 동력 출력 등급 "강력 가스 터빈(heavy-duty gas turbine)"의 가스 터빈을 이용하는 것이 불가능하다. 그때, 송풍기 또는 승압기를 설치함으로써 고압 손실이 극복되는 것이 관찰될 수 있다.

이 같은 승압기는 요구된 공기의 전체 질량 흐름용으로 설계되어야 한다. 그러나, 오늘날 이용가능한 것과 같은, 재료 이유에 대한 이러한 타입의 승압기는 압축기로부터 유동되는 공기의 온도 아래에 있는 것이 가능한 작동 온도만이 허용된다. 따라서, 이러한 승압기 해결책에서, 이용되는 장소에서, 게다가, 또한 승압기의 상류에 연결되어지고 상대적으로 더 큰이고 비용 집약적인 공기 냉각기를 가지는 것이 필요하다. 승압기는 대규모의 질량 흐름을 제어하는 것에 대하여 약 1.5 바아의 상대적인 작은 압력차이를 발생시키고 고온을 유지하는 것을 정확히 하기 위해 보편적으로 요구되는 것이 아니기 때문에 자체적으로 비용이 많이든다.

본 발명은 가스, 특히 승압기를 이용하여 발전소에 있는 압축기에 의하여 전달된 공기의 압력을 상승시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 전술된 바와 같이, 가스는 특히 압축기에 의하여 전달되고 고온에서 대규모의 질량 흐름에 있는 압축기에 의하여 제공된 공기일 수 있다.

도 1은 본 발명의 전형적인 실시예이다.

따라서, 본 발명의 목적은 가스의 압력을 상승시키기 위해 도입부에서 언급된 타입의 방법 및 장치를 특정화하기 위한 것으로, 본 발명에서의 이용은 승압기 또는 송풍기로 이루어지지만, 본 발명에서 원하는 압력 상승은 상대적으로 비용이 효과적으로 달성될 수 있다.

본 발명에 따라, 상기 목적이 달성되는 방법은 가스의 질량 흐름이 더 작은 부분 흐름 및 더 큰 부분 흐름으로 세분되며, 더 작은 부분 흐름은 승압기를 경유하여 이젝터로 전달되어 이젝터의 흡입 니플로 공급되는 더 큰 부분 흐름과 승압기에서 결합되며, 가스의 결합된 질량 흐름은 이젝터의 유출구에서 인출된다.

개선책에 따라, 적절한 위치에서 너무 높은 온도에 대해 승압기를 보호하기 위해, 승압기로 전달되기 전에 냉각되어 지는 작은 부분 흐름에 대한 장치가 있다.

더 작은 부분 흐름은 전달된 가스의 질량 흐름의 약 20 내지 40%일 수 있다.

발전소 섹터에서, 질량 흐름 비율은 부품 설계에 종속된다.

승압기의 유출구에서 발생되는 더 작은 부분 흐름이 압력 변동에 대해 평활화된 경우 유용하다.

발전소에서의 방법의 도입부에서 언급한 적용분야에 대해, 2차 발생 압력형 유동층 연소를 위한 장치로, 세분 전 및 합류 후 질량에서의 압력 차이가 가스 터빈의 유입구와 압축기의 유출구 사이에서 발생되는 압력 손실이 감소될 뿐만 아니라 실제로 완전히 보상되는 경우 특히 유용하다.

본 발명에 따라 가스의 압력을 상승시키기 위한 상기 목적을 달성하기 위해 제공된 장치는 흐름 분할기(divider)와, 이젝터와 그리고 바이패스 라인에 의하여 구별되는데, 이러한 흐름 분할기에 의하여 가스의 질량 흐름이 더 작은 부분 흐름과 더 큰 부분 흐름으로 세분되며 이젝터로 승압기를 경유하여 더 작은 부분 흐름이 전달되며 바이패스 라인을 경유하여 더 큰 부분 흐름이 이젝터의 흡입 니플로 전달될 수 있다.

전달된 가스 흐름이 매우 높은 온도를 가져 승압기가 열적 위험 상태에 놓이는 경우, 본 발명의 개선점에 따라 공기 냉각기를 경유하여 승압기로 전달되는 더작은 부분 흐름에 대한 장치가 있다.

추가적인 유용한 설계에 따라, 라인을 경유하여 이젝터로 연결되는 승압기용 장치가 있는데, 이 라인으로 버퍼 탱크가 압력 변동의 평활화를 위해 연결된다.

발전소에서, 이젝터의 유출구가 다양한 부품으로 연결될 수 있는데, 다양한 부품에는 작동을 위해 상승된 압력 가스, 특히 공기가 요구된다.

추가적인 유용한 장점이 종속항에 제시된다.

본 발명의 전형적인 실시예가 도면에 의해 더욱 상세하게 후술된다.

도 1은 압축기(8) 및 발전기(10)를 설치하는 축(6)에 가스 터빈(4)을 구비하는 발전소(2)가 도시된다. 발전기(10)는 네트워크(12)로 전기 에너지를 전달한다. 흡입 공기(1)는 필터(도시안됨)를 경유하여 압축기(8)로 공급된다. 한편으로는 압축기(8)에 의하여 압축된 흡입 공기(1)가 공급되며, 한편으로는 질량 흐름(m)으로서 발전소(2)의 추가적인 부품으로 공급된다. 이러한 질량 흐름(m)은 3방 밸브(14)를 경유하여 압력을 상승시키기 위한 장치(16)로 통과한다. 비상 사태시에는, 질량 흐름(m)은 비상 바이패스(18)를 경유하여 3방 밸브(14)에 의하여 가스 터빈(4)으로 직접 공급될 수 있다.

상기 장치(16)는 흐름 분할기(20)를 가지며 흐름 분할기(20)에 의하여 가스의 질량 흐름은 더 작은 부분 흐름(t1) 및 더 큰 부분 흐름(t2)으로 세분된다. 이러한 두 개의 부분 흐름(t1, t2)의 질량 흐름 비율은 추가적인 부품의 설계에 의존하며 여기서는 예를 들면 20% 내지 80%이다. 더 작은 부분 흐름(t1)은 공기 냉각기(22)를 경유하여 전달되며 공기 냉각기는 모터(26)에 의하여 구동된다. 이러한 승압기(24)는 라인(28)을 경유하여 이젝터(30)에 연결된다. 버퍼 탱크(32)는 압력 변동의 평활화를 위해 라인(28)에 연결된다. 더 큰 부분 흐름(t2)은 바이패스 라인(34)을 경유하여 이젝터(30)의 흡입 니플에 공급된다. 따라서, 이러한 이젝터(30)에서, 두 개의 부분 흐름(t1, t2)는 다시 결합되어 공기의 결합된 질량 흐름(m')은 이젝터의 유출구에서 인출될 수 있다. 후술되는 부품에서 발생되는 압력 손실에 따라, 이 경우에서 질량 흐름(m 및 m')에서의 압력 차이는 약 2 바아이다.

이젝터(30)의 유출구는 유출구 라인(34)을 경유하여 압력형 유동층 연소를 위한 장치(36)로 연결된다. 이러한 유출 라인(34)에는 두 개의 공기 추출 포인트가 제공되는데, 이러한 두 개의 추출 포인트는 A 및 B로 표시되며 발전소(2)의 추가적인 부품으로 유도한다.

장치(36)는 압축 공기가 공급될 뿐 만 아니라 석탄(k) 및 흡착제(s), 예를 들면 석회암(CaCO₃)이 공급된다. 유동층 회분(fluidized-bed ash; w)은 유출구에서 취출된다. 장치(36)에 발생되고 예를 들면 900℃의 온도인 유동층 연도 가스(r)는 라인(38)을 경유하여 후속 버너(42)로 전달되고 라인(38)에서 연도 가스 필터(40)가 배치된다. 더욱이, 이러한 후속 버너(42)는 공기 추출 포인트(A)로부터 공기가공급된다. 유동층 연도 가스(r)는 예를 들면 900℃의 온도일 수 있다.

더욱이, 후속 버너(42)에는 연료 가스(b)가 공급된다. 이러한 연료 가스(b)는 예를 들면 600℃일 수 있다. 연료 가스는 연료 가스 필터(44)를 경유하여 석탄 기화기(46)로부터 추출될 수 있다. 이러한 연료 기화기(46)는 한편으로는 석탄(k)이 공급되고 한편으로는 추출 포인트(B)로부터 공기가 공급된다.

예를 들면 약 1400℃의 온도인 고온 연도 가스(h)는 후속 버너(42)를 나온다. 연도 가스는 연도 가스 라인(48)을 경유하여 가스 터빈(4)의 유입구로 전달된다.

가스 터빈(4)에 의하여 배출된 배기가 배기 라인(50)과 폐열 보일러(52)를 경유하여 주위로 배출하기 위한 굴뚝(도시안됨)으로 공급된다.

요약하면, 따라서, 압축되어지는 질량 공기 흐름(m)은 더 작은 부분 흐름(t1) 및 더 큰 부분 흐름(t2)으로 주로 세분된다. 이미 언급한 바와 같이, 두 개의 질량 흐름(t1, t2)의 비율은 부품 설계에 종속된다. 더 작은 부분 흐름은 공기 냉각기(22)내에서 예를 들면 400℃로부터 약 150 내지 200℃로 냉각된다. 이러한 목적을 위해 요구된 열 교환기(22)는 거의 소형이며 따라서 전체 질량 흐름(m)이 냉각되어야 하는 경우 보다 비용이 더욱 효과적이다. 더 작은 부분 흐름(t1)은 승압기(24)에서의 매우 높은 압력차로 거의 압축된다. 이러한 타입의 압축기 또는 승압기(24)는 고압차로 상대적으로 더 작은 질량 흐름을 위해 설계되고 보편적인 부품이다. 따라서 더 큰 질량 흐름 및 저압 차이를 위해 상술된 승압기보다 상당히 더욱 비용 효과적이다. 압력 변동의 감소를 위한 버퍼 탱크(32)는 승압기(24)의 압력측에 설치된다.

더 큰 부분 흐름(t2)은 공기 냉각기(22), 승압기(24) 및 압력 버퍼 또는 버퍼 탱크(32)를 지나 바이패스 라인(34)으로 유도된다. 더 큰 부분 흐름은 워터 제트 펌프 또는 스팀 제트 펌프로서 공지된 원리로 구성되는 이젝터(30)의 흡입 니플에 도달한다. 고압 레벨에서 더 작은 부분 흐름(t1)은 이러한 경우 이젝터(30)의 추진 또는 가속 매체로서 작용한다. 이젝터(30)의 유출구에서 총 공기 흐름(m')은 장치(16)에 의하여 압축기(8)의 유출구와 가스 터빈(4)의 유입구 사이에 배치되는 시스템의 압력 손실의 요구된 양을 보상하기 위해 필요한 총 압력을 가지는 방식으로 설정된다.

도입부에 설명된 승압기 해결책과 비교하면, 총 질량 흐름은 냉각되어지는 더 작은 공기 흐름(t1)때문에 공기 냉각기 및 후술하는 승압기로 공급됨에 따라, 공기 냉각기(22)에 연결되는 물/증기 회로로 전달되는 열 용량이 감소된다. 전체 동력 출력에서의 가스 터빈(4)의 동력 출력 부분 및 결론적으로 전체 효율이 증가된다.

도입부에 개설된 상기 승압기 해결책과 비교하면, 본 발명의 요지는 더 큰 공기 냉각기 및 더 큰 승압기를 정밀하게 하기 위한 압력 상승을 위한 두개의 대형의 고가 부품을 소형의 공기 냉각기(22)와 보편적인 승압기(24) 그리고 이젝터(30) 및 버퍼 탱크(32)로 이루어진 시스템으로의 대체에 있다. 이것은 비용을 절감시키며 특히 고압 비율을 가진 더 작은 승압기(24)의 비용을 절감시키는데, 이는 이러한 크기가 보편적이며 결론적으로 상대적인 비용 효과적이기 때문이다. 또한 공기냉각기(22)에 대해, 구성의 더 작은 형태는 비용을 많이 절감시키는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 승압기(24)를 이용하여 가스, 특히 압축기(8)에 의하여 발전소(2)에 전달된 공기의 압력을 상승시키는 방법에 있어서,

   상기 가스의 질량 흐름(m)이 더 작은 부분 흐름(t1) 및 더 큰 부분 흐름(t2)으로 세분되며,

   상기 더 작은 부분 흐름(t1)은 상기 승압기(24)를 통해 이젝터(30)로 전달되어, 상기 이젝터(30)에서 상기 이젝터(30)의 흡입 니플로 공급되는 더 큰 부분 흐름(t2)과 합류되며,

   상기 가스의 합류된 질량 흐름(m')은 상기 이젝터(30)의 유출구에서 인출되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 더 작은 부분 흐름(t1)은 상기 승압기(24)로 전달되기 전에 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 더 작은 부분 흐름(t1)이 전달되는 가스의 질량 흐름(m)의 약 20 - 40%, 바람직하게는 약 20%인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 승압기(24)의 유출구에서 배출되는 더 작은 부분 흐름(t1)은 압력 변동과 관련하여 평활화되는 것을 특징으로하는 방법.
5. 제 1 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 세분되기 전 및 결합 후의 질량 흐름(m, m')의 압력차가 약 2바아인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 승압기(24)를 이용하여 가스, 특히 압축기(8)에 의하여 발전소(2)에 전달되는 공기의 압력을 상승시키는 장치(16)에 있어서,

   상기 가스의 질량 흐름(m)을 더 작은 부분 흐름(t1) 및 더 큰 부분 흐름(t2)으로 세분하는 흐름 분할기(20)와,

   상기 승압기(24)를 통해 상기 더 작은 부분 흐름(t1)을 공급받는 이젝터(30)와, 그리고

   상기 더 작은 부분 흐름(t2)이 상기 이젝터(22)의 흡입 니플에 공급될 때 경유하게 되는 바이패스 라인(34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 상기 승압기(24)앞에 공기 냉각기(22)가 배치되는 제 6 항에 따른 장치에 있어서,

   상기 더 작은 부분 흐름(t1)이 상기 공기 냉각기(22)를 통해 상기 승압기(24)에 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 더 작은 부분 흐름(t1)이 전달되는 공기의 질량 흐름(m)의 약 20 - 40%, 바람직하게는 약 20%인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 승압기(24)는 라인(28)을 통해 이젝터(30)에 연결되고, 상기 라인으로 압력 변동을 평활화하기 위해 버퍼 탱크(32)가 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 이젝터(30)의 유출구는

    a) 압력형 유동층을 연소시키기 위한 장치(36) 및/또는

    b) 후속 버너(42) 및/또는

    c) 석탄 기화기(46)와 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 발전소(2), 특히 압력형 유동층을 연소시키기 위한 장치(36) 및 석탄 기화기(46)를 구비한 발전소(2)에 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.