KR20020030435A

KR20020030435A - 석탄가스화 복합발전시스템에서 질소를 이용한 가스터빈팽창기 노즐 냉각장치 및 냉각방법

Info

Publication number: KR20020030435A
Application number: KR1020000061059A
Authority: KR
Inventors: 서석빈
Original assignee: 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-04-25

Abstract

본 발명은 석탄가스화 복합발전시스템의 산소분리장치에서 분리된 질소를 질소압축기로 압축하고 압축된 질소를 이용하여 가스터빈 팽창기 노즐을 냉각함으로써 가스터빈의 성능을 향상시키는 석탄가스화 복합발전시스템에 관한 것이다.

본 발명은 석탄가스화 복합발전시스템에 있어서, 종래 압축기로부터 압축된 압축공기의 일부로 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각하는 방식 대신에, 공기를 산소와 질소로 분리시키는 산소분리장치에서 분리되어 버려지는 질소를 질소압축기로 압축하고 압축된 질소를 가스터빈 팽창기에 공급하여 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각함으로써 가스터빈의 출력 및 효율을 향상시키는 석탄가스화 복합발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

석탄가스화 복합발전시스템에서 질소를 이용한 가스터빈 팽창기 노즐 냉각장치 및 냉각방법{Cooling apparatus and method for gas turbine nozzle using nitrogen in an Integrated gasification combined cycle}

석탄가스화 복합발전은 석탄을 연료로 사용하면서 질소산화물(NO_X), 황산화물(SO_X)등의 오염물 발생량이 적고 가스터빈을 채용한 복합발전 방식으로 효율이 높은 청정에너지 발전방식이다.

일반적으로 석탄가스화 복합발전은 유입된 공기를 산소와 질소로 분리하는 산소분리장치, 산소분리장치에서 분리된 산소를 산화제로 하여 석탄을 가스화 하는 가스화장치, 가스화장치에서 생성된 석탄가스를 정제하는 가스정제장치, 가스정제장치로부터 정제된 석탄가스와 외부 공기를 압축하는 가스터빈 압축기로부터 압축된 압축공기를 연소하는 가스터빈 연소기, 가스터빈 연소기로부터 생성된 고온고압의 가스를 받아 전력을 발전하는 가스터빈 팽창기로 구성되어 있다.

도 2는 기존 석탄가스화 복합발전의 구성도를 나타낸 것으로 종래의 석탄가화 복합발전의 작용은 다음과 같다.

가스화장치(10)에 연료인 석탄(11)과 산화제로 공기(6)를 산소분리장치(7)로부터 분리된 약 95% 순도의 산소(9)가 공급된다. 가스화장치(10)에서 연료인 석탄( 11)과 산화제인 산소(9)를 이용하여 석탄가스(12)를 생성하고 생성된 석탄가스(12)는 가스정제장치(13)를 거치면서 정제되며 정제된 석탄가스(14)는 가스터빈 연소기 (3)로 공급된다.

한편 공기(6)는 산소분리장치(7)로 공급되어 산소(9)와 질소(8)로 분리된 후 산소(9)는 산소압축기에서 30bar∼40bar까지 압축된 후 가스화장치(10)로 공급되며 분리된 질소(8)의 일부분은 연소기(3)로 보내지고 연소기(3)로 보내진 질소는 연료를 희석하여 국부적인 화염온도를 낮추어 고온연소 중에 발생되는 thermal NOx를 감소시키기도 하지만 질소(8)의 대부분은 그대로 대기로 배출되고 있다.

또한 가스터빈시스템에서 공기(1)는 가스터빈 압축기(2)에서 압축되어 가스터빈 연소기(3)로 공급되고 가스정제장치(13)에서 나온 정제 석탄가스(14)와 혼합되어 가스터빈 연소기(3)에서 연소된다. 가스터빈 연소기(3)에서 생성된 고온의 연소가스는 가스터빈 팽창기(4)로 보내진 후 출력을 발생시키고 배기가스(5)를 배출한다. 복합사이클에서는 이 배기가스(5)의 현열을 회수하여 증기터빈을 구동한다. 한편 고온의 연소가스와 접하는 가스터빈 팽창기(4)의 노즐을 냉각하기 위해 압축기(2)에서 압축된 압축공기의 일부(2')를 추출하여 사용한다. 이로 인해 압축기(2)에서 압축된 공기의 일부가 팽창기의 출력에 사용되지 못해 가스터빈의 성능저하의원인이 되고 있다.

종래의 많은 연구에서는 되도록 압축기에서 적은 공기를 추출하여 효과적으로 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각하여 가스터빈 성능을 향상시키느냐에 초점을 맞추어 수행되었다. 그러나 가스터빈 사이클의 효율을 높이기 위해서는 연소온도를 상승시켜야 하며 부가적으로 노즐 냉각용 압축공기 추출량도 증가되어 사이클 성능이 제한되는 문제점이 있다.

본 발명은 석탄가스화 복합발전시스템에 있어서, 종래 가스터빈 압축기로부터 압축된 압축공기의 일부로 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각하는 방식 대신에, 공기를 산소와 질소로 분리시키는 산소분리장치에서 분리되어 대부분 버려지는 질소를 질소압축기로 압축하고 압축된 질소를 가스터빈 팽창기에 공급하여 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각함으로써 석탄가스화 복합발전시스템의 가스터빈의 출력 및 효율을 향상시킬 수 있는 가스터빈 팽창기 노즐 냉각장치 및 냉각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

한편 질소압축기로 압축된 질소의 일부를 연소기로 공급함으로써 연소기의 국부화염온도를 감소시켜 thermal NO_X의 발생을 감소시키는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 질소를 이용한 가스터빈 팽창기 노즐 냉각방법을 도시한 석탄가스화 복합발전시스템의 구성도

도 2는 종래의 압축공기를 이용한 가스터빈 팽창기 노즐 냉각방법을 도시한 석탄가스화 복합발전시스템의 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,6: 대기공기 2: 가스터빈 압축기

2': 노즐냉각용 압축기 추출공기

2": 노즐냉각용 압축공기 공급밸브

3: 가스터빈 연소기 4: 가스터빈 팽창기

5: 배기가스 7: 산소분리장치

8: 질소 9: 산소

10: 가스화장치 11: 석탄

12: 석탄가스 13: 가스정제장치

14: 정제 석탄가스 15: 질소압축기

16: 노즐냉각용 질소 17: 연소기 주입질소

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 석탄가스화 복합발전시스템에서의 가스터빈 팽창기 노즐 냉각장치 및 냉각방법은 유입된 공기를 산소와 질소로 분리하는 산소분리장치와; 산소분리장치 일측에 구비된 질소압축기와; 상기 산소분리장치에서 분리된 산소를 산화제로 하여 원료인 석탄을 가스화 하는 가스화장치와; 가스화장치에서 생성된 석탄가스를 정제하는 가스정제장치와 가스정제장치로부터 정제된 석탄가스와 외부 공기를 압축하는 가스터빈 압축기로부터 압축된 압축공기를 연소하는 가스터빈 연소기와; 가스터빈 연소기로부터 생성된 고온고압의 가스를 받아 전력을 발전하는 가스터빈 팽창기와; 가스터빈 팽창기로부터 나온 배기가스의 현열을 회수하여 가스터빈을 구동하여 전력을 발전하는 석탄가스화 복합발전시스템에 있어서, 상기 산소분리장치의 일측에 구비된 질소압축기로 산소분리장치에서 분리된 질소를 압축하고 압축된 질소를 가스터빈 팽창기에 공급하여 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각함으로써 종래 가스터빈 압축기로부터 압축된 압축공기 일부를 가스터빈 팽창기에 공급하여 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각시키는 종래의 석탄가스화 복합발전시스템에 비하여 가스터빈 압축기로부터 압축된 압축공기를 보다 많이 가스터빈 연소기로 유입시킬 수 있어 가스터빈의 출력 및 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 한편 압축공기공급밸브(2")를 설치하여 노즐냉각용 질소공급 중단시에 압축기 압축공기를 사용하여 노즐냉각을 계속하도록 하며, 상기 질소압축기로 압축된 질소의 일부를 가스터빈 연소기에 공급하여 가스터빈 연소기에 공급된 연료를 희석시킴으로써 가스터빈 연소기의 국부화염온도를 감소시켜 thermal NO_X의 발생을 억제하도록 하는 것을 부가적인 특징으로 한다.

이하 첨부된 도 1을 이용하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

가스화장치(10)에는 석탄가스화 복합발전의 원료로 사용되는 석탄(11)과 산소분리장치(7)로부터 분리된 약 95% 순도의 산소(9)가 산화제로 공급된다. 가스화장치(10)에서 산소(9)와 석탄(11)을 이용하여 생산된 석탄가스(12)는 가스정제장치 (13)를 거치면서 정제되고 정제된 석탄가스(14)는 가스터빈 연소기(3)로 공급된다.

한편 산소분리장치(7)로 유입된 공기(6)는 산소분리장치(7)에서 극저온 냉각시켜 산소와 질소의 비등점 차이를 이용하여 산소(9)와 질소(8)가 분리된다.

분리된 산소는 가스화장치압력(30∼40bar) 까지 압축되어 가스화장치(10)에 공급되어 상기에서 언급한 것과 같이 원료인 석탄의 산화제로 사용되며, 산소분리장치(7)에서 분리된 3.4bar, 18℃의 고압, 저온의 질소는 질소압축기(15)에서 약 15bar까지 압축되어 가스터빈 팽창기(4)와 가스터빈 연소기(3)에 공급된다. 가스터빈 팽창기(4)에 공급된 질소(16)는 팽창기 노즐을 냉각하며, 가스터빈 연소기(3)로 공급된 질소(17)는 가스터빈 연소기의 연료를 희석시켜 국부 화염온도를 감소시킴으로써 thermal NO_X의 발생을 감소시킨다. 한편 압축공기공급밸브(2")를 설치하여 팽창기 노즐냉각용 질소의 공급이 중단시 가스터빈 압축기의 압축공기를 사용하여노즐을 계속 냉각 할 수 있도록 한다. 가스터빈 팽창기(4)에서는 배기가스(5)가 배출되는데 복합사이클에서는 이 팽창된 배기가스(5)의 현열을 회수하고 증기를 생산하여 증기터빈을 돌려 전력을 생산하게 된다.

아래의 표 1은 종래의 압축기에서 압축된 압축공기로 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각하는 방식을 채용한 석탄가스화 복합발전시스템에서의 가스터빈 시스템과 본 발명의 산소분리장치에서 분리된 질소를 압축하여 가스터빈 팽창기의 노즐을 냉각하는 방식을 채용한 석탄가스화 복합발전시스템에서의 가스터빈 시스템 성능을 비교한 결과이다. 이들 가스터빈 시스템 성능을 계산하기 위해 가스터빈 성능해석 전산코드인 Gatecycle code를 사용하여 계산하였다.

표 1. 종래의 방법과 본 발명의 노즐냉각 방법을 적용한 경우의 가스터빈 성능비교

항목	종래방법	본 발명의 방법
가스터빈 출력(MW)(①)	187.2	254.2
질소압축기 동력(MW)(②)	0	15
Net Power(MW)(①-②)	187.2	239.2
Net Efficiency(%, 저위 발열량 기준)	38.7	40.6
가스터빈 연소온도(℃)*	1288	1288
가스터빈 출구온도(℃)	602	600
가스터빈 압축기 압축비	15.5:1	15.5:1
연료발열량(석탄가스 저위발열량, kcal/kg)	2,636	2,636

*가스터빈 연소기에서 연소된 가스가 팽창기 첫단 노즐을 통과한 온도

상기 표 1의 결과에서 나타난 바와 같이 본 발명과 같이 질소로 터빈가스 팽창기의 노즐을 냉각시킨 것이 종래에 비해 가스터빈 출력 52MW, 효율 1.9% 증대되는 것으로 나타났다.

또한 질소를 가스터빈 연소기에 공급하여 연료를 희석함으로써 국부화염온도를 낮춤으로써 NO_X생성을 억제할 수 있다.

Claims

산소분리장치(7), 질소압축기(15), 가스화장치(10), 가스정제장치(13), 압축기(2), 가스터빈 연소기(3), 가스터빈 팽창기(4)로 구성된 종래의 석탄가스화 복합발전시스템에 있어서, 압축기(2) 및 가스터빈 팽창기(4) 사이에 노즐냉각용 압축공기 공급밸브(2")를 구비하고, 산소분리장치(7) 일측에 질소압축기(15)를 구비한 것을 특징으로 하는 가스터빈 팽창기 노즐 냉각장치
산소분리장치(7), 질소압축기(15), 가스화장치(10), 가스정제장치(13), 압축기(2), 가스터빈 연소기(3), 가스터빈 팽창기(4)로 구성된 종래의 석탄가스화 복합발전시스템에서의 가스터빈 팽창기 노즐 냉각방법에 있어서, 질소압축기(15)를 상기 석탄가스화 복합발전시스템의 산소분리장치(7) 일측에 구비하고 질소압축기(15)에서 압축된 질소(16)를 가스터빈 팽창기(4)로 공급하여 가스터빈 팽창기 노즐을 냉각하는 것을 특징으로 하는 질소를 이용한 가스터빈 팽창기 노즐 냉각방법