KR20020052209A - 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

경질분은 분리 시스템에 의해 원료 오일로부터 추출된다. 그런 후, 경질분은 중간 탱크에 저장되는 불순물이 제거된 연료 오일을 얻기 위해 수소화처리를 거친다. 경질분의 추출 후의 원료 오일의 잔류물은 발전 시스템에서 발전을 위한 기초 연료로서 사용되는 합성 가스(H2가스 + CO 가스)를 얻기 위해 가스화된다. 연료 오일은 합성 가스를 기초로한 발전을 보충하기 위한 보조 연료로서 발전 시스템에 공급된다. 발전 시스템은 복수의 가스 터빈 및 발전기를 포함한다. 연료 오일에 의해 구동되는 가스 터빈의 수는 수요에 따라 발전량을 조절하기 위해 제어된다.

Description

석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR OIL FUEL BURNING INTEGRATED COMBINED CYCLE POWER GENERATION}
석유 연료가 발전을 위해 연소되는 일체 복합 사이클 발전에서 발전은 연료 가스를 연소시켜서 얻어진 연소 가스를 사용하여 가스 터빈을 회전시킴에 의해서 수행되고, 또한 발전은 가스 터빈으로부터 배출된 고온 배기 가스로부터의 폐열을 회수함으로써 제조된 수증기로 증기 터빈을 회전시킴에 의해서도 수행된다. 이러한 형태의 일체식 복합 사이클 발전은 총 열량치로 약 49 % 정도의 열효율을 달성하여 에너지의 효율적인 사용을 실현할 수 있다.
이러한 일체식 복합 사이클 발전을 수행하기 위한 발전 시스템과 가스 터빈 연료 오일(fuel oil)을 생성하기 위한 연료 제조 시스템을 결합시키는 기술은 일본 특개평9-189206호 등에 개시되어 있다. 예를 들면, 일본 특개평9-189206호는 연료 제조 시스템에서 원유(crude oil)는 저비등점 부분과 고비등점 부분으로 분리되도록 증류되어, 저비등점 부분은 펌프를 사용하여 연료 오일 탱크로 공급되고, 그런 후 연료 오일은 이송 라인을 통해 탱크로부터 발전 시스템 내의 가스 터빈 시스템의 연소기로 보내져서 가스 터빈을 구동하는 반면, 고비등점 부분은 증기 터빈을 구동하기 위한 보일러 연료로써 사용된다.
한편, 원료 오일의 일 단위 칼로리로부터 가능한한 많은 전력을 제조하기 위해, 원료 오일로부터 가스 터빈을 위한 경유를 높은 비율로 추출하는 것이 필요하다. 그러나, 경유가 높은 비율로 추출된다면, 잔류 오일은 고점성이 되고, 또한, 바나듐과 같은 중금속 및 황과 같은 불순물의 양이 증가된다.
많은 양의 중금속을 함유한 잔류 오일이 보일러 연료로 사용될 때, 보일러 내의 버너의 불꽃 온도는 잔류 오일에 함유된 바나듐과 같은 불순물의 녹는점을 초과하는 약 1300 ℃ 정도로 상승한다. 용융된 불순물들 중에서 보일러의 내측의 금속 표면에 부착되는 용융된 바나듐은 고온 부식을 초래한다. 따라서, 예를 들면, 100 ppm 이상의 바나듐을 포함하는 고 불순물 잔류 오일이 보일러 연료로 사용될 때, 체적이 충분히 커고, 초고온부의 발생을 방지하고 그리고 보일러 연료 연소시에 마그네슘과 같은 중화제를 첨가할 필요가 있는 특별한 구조을 갖춘 보일러 연소로(boiler combustion furnace)를 준비할 필요가 있다. 따라서, 운전 비용 및 건설 비용의 증가와 같은 비용 상승 문제가 있다.
또한, 잔류 오일을 사용하는 보일러 발전의 효율은 일반적인 가스 터빈 발전의 효율보다 낮은 40 % 또는 그 이하이다. 따라서, 원료 오일로부터 얻어진 경유가 가스 터빈 발전을 위한 연료로서 사용되고 잔류 오일(중유)이 보일러 발전을 위한 연료로서 사용될 지라도, 전체 효율은 약 44 % 내지 48 % 정도로 낮아진다.
본 발명은 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템의 전체 구조를 도시하는 개략도이다.
도2는 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템에 포함된 부분 산화 유닛의 구조를 도시하는 개략도이다.
도3은 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템 내에 포함된 발전 시스템의 일 예를 도시하는 개략도이다.
도4는 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템 내에 포함된 발전 시스템의 다른 예를 도시하는 개략도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 발전을 수행하기 위해 원료 오일을 효율적으로 사용할 수 있는 개선된 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발전을 수행하기 위해 원료 오일을 효율적으로 사용할 수 있는 개선된 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원유 및/또는 중유(heavy oil)로 구성된 원료 오일을 경질분(light portion)과 중질분(heavy portion)으로 분리하기 위한 분리 수단 및 연료 오일을 얻기 위해 경질분을 정제하기 위한 정제 수단을 구비하는 연료 제조 시스템과, 수소 가스와 일산화탄소 가스를 함유하는 합성 가스를 제조하기 위해 중질분을 가스화하는 가스화 시스템(gasification system)과, 발전을 하기 위해 연료로서 연료 오일 및 합성 가스를 사용하여 가스 터빈을 구동하기 위한 가스 터빈 발전 시스템과, 발전을 하기 위해 가스 터빈의 배기 가스로부터 회수된 열에 의해 제조된 수증기를 사용하여 증기 터빈을 구동하기 위한 증기 터빈 발전 시스템을 포함하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템이 제공된다.
연료 제조 시스템은 연료 오일을 저장하기 위한 탱크를 구비하고, 가스 터빈 발전 시스템은 기초 연료로서 가스화 시스템에서부터 합성 가스의 연속적인 공급을 필요로 하고 전력 수요에 따라 발전량을 조절하기 위한 보조 연료로서 탱크로부터 연료 오일의 공급을 추가로 필요로 하도록 구성될 수 있다.
분리 수단은 증류 수단(distillation means) 및 용제 탈력 수단(solventdeasphalting means, 용제 아스팔트제거 수단)을 포함하고, 정제 수단은 가스 터빈 연료 사양(specification)을 만족시키도록 경질분을 정제하기 위한 수소화처리 유닛(hydrotreating unit)을 포함하도록 구성될 수 있다.
가스 터빈 발전 시스템은 가스 터빈의 연소기로 공급될 압축 공기를 생성하기 위해 가스 터빈에 연결된 압축 터빈을 포함하고, 가스화 시스템은 압축 터빈으로부터 공급된 압축 공기를 사용하여 중질분의 부분 산화를 수행하도록 구성될 수 있다.
석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템은 가스 터빈 발전 시스템과 가스화 시스템 사이에 제공된 산소 분리 유닛을 더 포함하고, 가스 터빈 발전 시스템은 가스 터빈의 연소기로 공급될 압축 공기를 생성하기 위해 가스 터빈에 연결된 압축 터빈을 구비하고, 산소 분리 유닛은 압축 터빈으로부터 공급된 압축 공기의 일부로부터 산소의 저온 분리를 수행하고, 가스화 시스템은 산소 분리 유닛으로부터 공급된 산소를 사용하여 중질분의 부분 산화를 수행하도록 구성될 수 있다.
석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템은 압력 스윙 흡착법(pressure swing adsorption method)을 사용하여 공기로부터 산소를 분리하기 위한 산소 제조 유닛을 더 포함하고, 가스화 시스템은 산소 제조 유닛으로부터 공급된 산소를 사용하여 중질분의 부분 산화를 수행하도록 구성될 수 있다.
분리 수단은 증류 수단 및 용제 탈력 수단을 구비하고, 가스화 시스템에 공급된 중질분은 증류 수단에 의해 얻어진 원료 오일의 중질분으로부터 용제 탈력 수단에 의해 분리된 잔류물이고, 잔류물은 물에 균일하게 분산되어 물 슬러리연료(water slurry fuel)로 가스화 시스템에 공급되도록 구성될 수 있다.
가스 터빈 발전 시스템은 가스화 시스템에서 제조된 합성 가스의 전체 양을 사용하여 얻을 수 있는 발전량보다 큰 발전 용량을 갖도록 구성될 수 있다.
가스 터빈 발전 시스템은 액체 상태인 연료 오일 및 기체 상태인 합성 가스의 혼합 연소를 수행하도록 구성될 수 있다.
가스 터빈 발전 시스템은 합성 가스에 의해 각각 구동되는 가스 터빈과 연료 오일에 의해 각각 구동되는 가스 터빈을 갖는 복수의 가스 터빈을 구비하도록 구성될 수 있다.
합성 가스는 기초 연료로서 대응 가스 터빈에 일정하게 공급되고, 연료 오일은 전력 수요에 따라 발전량을 조절하기 위해 보조 연료로서 대응 가스 터빈에 공급되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 원유 및/또는 중유로 구성된 원료 오일의 실질적으로 모든 양을 가스 터빈 연료 사양을 만족하는 경질분과 경질분을 분리한 후의 원료 오일의 잔류물인 중질분으로 분리하는 연료 제조 단계와, 수소 가스와 일산화탄소 가스를 함유하는 합성 가스를 제조하기 위해 부분 산화를 통해 중질분의 실질적으로 모든 양을 가스화하는 가스화 단계와, 기초 연료로 공급된 합성 가스의 실질적으로 모든 양에 기초하여 발전을 수행하고 또한 발전 수요에 따라 발전량을 조절하기 위해 보조 연료로 공급되는 경질분에 기초하여 발전을 수행하는 가스 터빈 발전 단계와, 가스 터빈 발전 단계에서 얻어진 고온의 배기 가스에 의해 제조된 수증기를 사용하여 발전을 수행하는 증기 터빈 발전 단계를 포함하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법이 제공된다.
가스화 단계는 연료 제조 단계에서 얻어진 중질분이 140 ℃를 초과하는 연화점을 가질 때 중질분을 물에 균일하게 분산시켜서 물 슬러리 연료를 형성하고 그런 후 합성 가스를 제조하기 위해 물 슬러리 연료를 가스화하고, 연화점이 110 ℃를 초과하고 140 ℃이하일 때 중질분을 에멀션 연료로 형성하여 합성 가스를 제조하기 위해 상기 에멀션 연료를 가스화하고, 연화점이 110 ℃이하일 때 중질분을 고온의 상태로 유지시키고 그런 후 합성 가스를 제조하기 위해 중질분을 가스화하도록 구성될 수 있다.
연료 제조 단계는 증류 분리 단계, 용제 탈력 분리 단계 및 상기 증류 분리단계 및 용제 탈력 분리 단계를 통해 얻어진 경질분을 수소화처리(hydrotreatment)를 통해 정제하는 정제 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
가스화 단계는 부분 산화를 수행하기 위해서 가스 터빈 발전 단계에서 제조된 압축 공기를 사용하도록 구성될 수 있다.
석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법은 가스 터빈 발전 단계에서 제조된 압축 공기로부터 저온 분리를 통해 산소를 제조하는 단계를 더 포함하고, 가스화 단계는 제조된 산소를 사용하여 부분 산화를 수행하도록 구성될 수 있다.
석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법은 압력 스윙 흡착법을 사용하여 산소를 제조하는 단계를 더 포함하고, 상기 가스화 단계는 제조된 산소를 사용하여 부분 산화를 수행하도록 구성될 수 있다.
연료 제조 단계는 원료 오일을 제1 경질분과 제1 중질분으로 분리하는 증류분리 단계와, 제1 중질분을 제2 경질분과 피치 연화점이 140 ℃을 초과하는 제2 중질분으로 분리하는 용제 탈력 분리 단계를 포함하고, 가스화 단계는 제2 중질분을 물에 균일하게 분산시켜 물 슬러리 연료를 제조하고 그런 후 부분 연소를 통해 물 슬러리 연료를 가스화하도록 구성될 수 있다.
가스 터빈 발전 단계는 액체 상태인 경질분과 기체 상태인 합성 가스를 동시에 연소시키기 위해 혼합 연소를 수행하도록 구성될 수 있다.
가스 터빈 발전 단계는 합성 가스를 사용하는 발전과 경질분을 사용하는 발전을 별도로 수행하고, 합성 가스를 사용하는 발전은 기초 발전으로 수행되고 경질분을 사용하는 발전은 기초 발전을 보충하기 위한 보조 발전으로서 수행되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명될 것이다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템의 전체 구조를 도시하는 개략도이다.
도1에서 원료 오일(1, feed oil)은 연료 오일 제조 시스템(20)의 분리 시스템(2)에서 경질분과 중질분으로 분리된다. 경질분으로부터 연료 오일(정제된 경유, 30)은 수소화처리 유닛(31)에서 얻어진다. 연료 오일(30)은 임시로 중간 탱크(32)에 저장된 다음, 필요한 경우 가스 터빈 연료로서 발전 시스템(7)의 가스 터빈 발전 시스템(5, 도3 참조)으로 공급된다. 한편, 중질분은 가스화 시스템(4)에서 가스화되어 합성 가스(50, syngas)가 얻어진다. 합성 가스(50)는 또한 가스 터빈 연료로 사용된다. 따라서, 이 실시예에서 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템은 가스 터빈 연료를 제조하기 위해 실질적으로 모든 양의 원료 오일을 사용할 수 있다.
원료 오일(1)은 원유 또는 중유 또는 원유 및 중유의 혼합물일 수 있다. 또한, 중유는 대기압 잔류 오일 또는 진공 잔류 오일을 포함한다. 후속하는 설명에서, 적은 불순물과 많은 양의 가스 터빈 연료를 회수할 수 있는 중동산 초경질 원유(Aribian extra light crude oil)와 같은 원료 오일이 원료 오일(1)로 사용되는 것으로 하자. 원료 오일은 먼저 (도시되지 않은) 제염 섹션(desalting)에서 제염 처리된다. 제염 처리에서, 원료 오일 및 물은 염분 및 진흙 성분을 수용액 상태로 전환시키기 위해 함께 혼합되어, 가스 터빈에 악 영향을 끼치는 알카리금속(alkali metal)을 제거한다. 제염된 원료 오일(1)은 그런 후 분리 시스템(2)으로 보내진다.
분리 시스템(2)에서, 원료 오일(1)은 먼저 원료 오일(1)이 예컨대 340 ℃ 내지 370 ℃ 이하의 끓는점을 갖는 경유(대기압 경유, 22) 및 보다 높은 끓는점을 갖는 대기압 잔류 오일(23)로 분리되는 증류 수단으로서 대기압 증류탑(21)으로 공급된다. 그 후에, 대기압 잔류 오일(23)은 가열로(heating furnace, 도시 생략)에서 소정의 온도로 가열되고 그런 후 대기압 잔류 오일(23)이 예컨대 565 ℃ 이하의 대기압 끓는점을 갖고 대기압 잔류 오일(23) 내의 가벼운 성분인 진공 경유(25)와, 무거운 성분인 진공 잔류 오일(중질분, 26)으로 분리되는 증류 수단인 진공 증류탑(24)으로 공급된다.
전술된 바와 같이 이 실시예에서는 비교적 고품질의 원료 오일이 사용되기 때문에 진공 잔류 오일(26)은 용제 추출 수단(solvent extracting means)으로서 용제 탈력 유닛(27)에서 잔류물인 중질분(29)과 경질분인 탈력 오일(28)로 더욱 분리될 수 있다. 이 분리는 예컨대 진공 잔류 오일(26) 및 용매가 탑의 상부 및 하부 측으로 공급되어 그 사이에서 대향류 접촉을 이루어, 용제에 대한 용해도의 차이에 따라 경질분과 중질분으로 진공 잔류 오일(26)을 분리하는 것과 같이 수행된다. 이렇게 얻어진 경질분인 탈력 오일(28)은 진공 경유(25)와 함께 경유(22)로 혼합되어 정제 수단으로서의 수소화처리 유닛(31)으로 공급된다. 가능한한 많은 경질분을 회수하기 위해 분리 시스템(2)에서 수행된 선행 작동은 예컨대 원료 오일(1)의 거의 80 체적%(vol%)인 경질분을 분리 시스템(2)에서 연료 오일로 회수하는 디프드로잉(deep drawing)으로 불린다. 따라서, 대부분의 경질분이 회수된 후 잔류물인 중질분(29)은 고 점성이고 따라서 예컨대 140 ℃ 이상의 피치 연화점(pitch softening point)를 갖는 고체 피치로써 얻어진다.
수소화처리 유닛(31)에서, (진공 경유(25)와 탈력 오일(28)이 혼합된) 경유(22) 및 수소 제조 설비(plant)로부터 보내진 압축 수소는 촉매 베드(catalyst bed)를 지나게되어, 경유(22)의 탄화수소 분자들 내로 도입되는 소량의 금속, 황 및 질소과 같은 불순물이 제거된다. 불순물이 제거된 경유(22, 정제 경유)는 상온에서는 액체 상태이고 필요한 때에 가스 터빈 발전 시스템(5)으로 공급되는 연료 오일(30)로서 중간 탱크(32) 내에 저장된다.
연료 오일(30)은 가스 터빈 연료 오일 또는 청구항에서 열거되는 가스 터빈 연료 사양을 만족하는 경질분에 해당한다.
한편, 중질분(29)은 가스화 시스템(4)으로 공급된다. 보통의 온도에 있을 때 중질분(29)은 취급(즉, 보관/운반)하기가 어렵기 때문에, 중질분(29)은 전처리 유닛(41)에서 슬러리로 형성된다. 전처리 유닛(41)에서, 예컨대 냉각된 고체 피치의 형태인 중질분(29)은 분쇄되고 그런후 물 및 분산제(dispersing agent)가 추가되어 잔류물-물(residue-water) 혼합 장치를 사용하여 잔류물-물 슬러리(40)으로 변화된다.
잔류물-물 혼합 장치에 의해 점도가 조절된 슬러리(40)는 부분 산화 유닛(42)에서 가스화된다. 도2는 부분 산화 유닛(42)의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. 부분 산화 유닛(42)에서, 슬러리(40) 및 고압 수증기(steam)는 먼저가열되어 산소와 함께 반응기(43)로 분사되고, 그런 후 예컨대 1200 ℃ 내지 1500 ℃와 2 내지 85 kg/㎠ 의 공정 조건 하에서 부분 산화 반응을 통한 주 성분인 H2(수소) 와 CO (일산화탄소)를 포함한 가스 및 슬래그(slag)로 분리된다. 이렇게 얻어진 가스는 반응기(43)의 하부측 상에 제공된 급냉실(quenching room)에서 물에 의해 예컨대 200 내지 260 ℃ 로 급속히 냉각되어 반응하지 않은 탄소의 대부분이 제거된다. 그런 후, 가스는 약간 남은 반응하지 않은 탄소가 완전히 제거되는 세정탑(44)으로 보내지고, 그런 후 가스가 상온으로 냉각되는 열 교환기(45)로 보내진다. 그 후, 산성 가스 흡수탑(46)에서 H2S는 선택적으로 흡수되고 CO2와 같은 산성 가스의 일부도 또한 흡수되어 고순도 CO 가스 및 H2가스로 구성되고 가스 터빈 연료로 사용되는 합성 가스(50)가 얻어진다. 가스화 시스템(4)과 발전 시스템(7) 사이에는 필요한 때에 합성 가스(50)의 압력을 감소시키기 위한 팽창기(expander, 도시 생략)가 제공된다.
산소 분리 유닛(62)에서 공기로부터 분리된 산소는 부분 산화 유닛(42)에서 사용된다. 예컨대 10000 Nm3/h 를 초과하는 양의 산소가 부분 산화 유닛(42)에서 필요할 때 공기 저온 처리 유닛이 산소 분리 유닛(62)으로 사용된다. 공기 저온 처리 유닛은 공기를 극 저온에서 액화시켜 산소(O2) 가스와 질소(N2) 가스로 분리하기 위해 공기를 분별 증류하고, 고순도의 산소 가스를 얻는 데 적절하다. 산소 분리 유닛(62)에서 사용되는 공기로서, 나중에 설명될, 가스 터빈에서 연소를 위해사용되는 압축 공기가 사용된다.
도3은 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 조합 사이클 발전 시스템에 포함된 발전 시스템(7)의 일 예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도3에서 발전 시스템(7)은 가스 터빈(71, 팽창 터빈) 및 증기 터빈(74)이 결합된 복합 사이클 발전 시스템의 형태이다. 공기는 가스 터빈(71)과 동축 상에서 회전하는 압축 터빈(70a)에 의해 압축된다. 압축 공기는 가스 터빈 연료를 연소키기 위해 연소기(70)로 공급되어, 발전기(72)에서 전력이 발생되도록 연소 가스에 의해 가스 터빈을 구동한다.
압축 터빈(70a)을 통해 얻어진 압축 공기는 연소기(70)의 상류에 뻗어있는 파이프 장치를 거쳐 산소 분리 유닛(62)으로 공급된다. 특히, 압축 터빈(70a)은 연소기(70)에서 연소를 위해 예컨대 약 20 내지 30 kg/㎠ 의 압축 공기를 공급하고, 이 압축 공기의 일부는 또한 산소 분리 유닛(62)으로 공급된다.
한편, 가스 터빈(71)으로부터 배출된 고온의 배기 가스는 폐열 회수 보일러(73)로 공급되어 배기 가스의 열로 수증기를 발생시킨다. 수증기는 증기 터빈(74)을 구동시켜 발전기(75)에서 전력을 발생시킨다. 터빈(71, 74)은 도3에서 그 자신의 출력축을 갖고 있지만, 이들은 또한 서로 동축으로 배치될 수 있다.
도3에서, 연소기(70), 압축 터빈(70a), 가스 터빈(71) 및 발전기(72)는 가스 터빈 발전 시스템(5)을 구성하고, 폐열 회수 보일러(73), 증기 터빈(74) 및 발전기(75)는 증기 터빈 발전 시스템(5a)을 구성한다.
도3은 가스 터빈 발전 시스템(5)에서 오직 하나의 가스 터빈(71)을 도시한다. 한편, 복수의 가스 터빈이 제공되고 작동될 가스 터빈의 수가 수요에 따라 발전량을 조절하도록 제어될 수 있도록 구성될 수 있다.
도3의 예에서, 액체 상태의 연료 오일(30) 및 기체 상태의 합성 가스(50)는 혼합 연소를 위해 가스 터빈(71)에 동시에 공급될 수 있다.
도4는 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템에 포함된 발전 시스템(7)의 다른 예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도4에서, 가스 터빈 발전 시스템(5)은 각각 연료로서 합성 가스(50)를 사용하는 m 개의 가스 터빈(GTA1 내지 GTAm) 및 각각 연료로서 연료 오일(30)을 사용하는 n 개의 가스 터빈(GTB1 내지 GTBn)을 포함한다. 비록 도시되지는 않았지만, 증기 터빈 발전 시스템(5a)이 또한 도3의 예에서처럼 제공된다.
도4의 예에서, 가스 터빈(GTA1 내지 GTAm)은 기본 부하(basic load), 즉 고정 출력(firm output)을 위해 구동되고, 가스 터빈(GTB1 내지 GTBn)은 수요가 높아질 때 고정 출력을 보충하기 위한 보조 출력을 위해 구동된다.
압력이 조정된 합성 가스(50, CO + H2)는 발전이 수행되도록 파이프 장치를 거쳐 가스 터빈(GTA1 내지 GTAm)으로 공급된다. 합성 가스가 기초 연료로 사용되기 때문에, 예컨대 수요가 적은 밤시간 동안에도 수요의 크기에 관계없이 가스 터빈(GTA1 내지 GTAm)에 연속적으로 공급된다. 이 실시예에서, 약 60 내지 80 체적%의 원료 오일이 가스 터빈 연료 오일로 제조되기 때문에, 대규모 발전이 요구될 때 연료 오일의 일부는 발전량을 조절하기 위한 보조 연료로서 사용된다. 이 경우,수요의 변화에 따라 연료 오일은 중간 탱크(32)로부터 하나 이상의 가스 터빈(GTB1 내지 GTBn)으로 공급된다. 이러한 구성으로, 소규모에서부터 대규모까지 담당할 수 있고, 최대 수요 동안에도 전력 공급이 보장된다.
본 발명의 전술된 바람직한 실시예에 따라, 원료 오일(1)은 경질분과 중질분으로 분리되어, 경질분은 가스 터빈 연료 오일을 얻는데 사용되고 중질분은 가스 터빈 연료로 사용되는 합성 가스를 얻기 위해 가스화된다. 따라서, 원료 오일의 일 단위 칼로리는 고 발전 효율이 성취되도록 실질적으로 낭비없이 가스 터빈 연료로서 사용될 수 있다. 또한, 실질적으로 폐기물이 생성되지 않기 때문에, 이는 환경에도 좋다.
또한, 도4의 예에서와 같이, 저장하기 어려운 합성 가스는 모두 기본 부하 전력 발전을 위한 연료로 사용되는 반면에, 중간 탱크에 저장될 수 있는 가스 터빈 연료 오일은 예컨대 최대 수요 시와 같은 합성 가스에 기초한 발전을 보충하기 위한 보조 발전을 위해 사용된다.
또한, 부분 산화 유닛(42)에 산소를 공급하는 산소 분리 유닛(62)은 저온 공정을 포함하고 따라서 잦은 시작/정지 작동을 싫어하기 때문에 연속 작동에 적절하다. 게다가, 부분 산화 유닛(42) 내에서 반응기(43, reactor)를 형성하는 블릭(brick)은 온도가 자주 변화하면 깨어진다. 이에 비추어, 기초 연료로서 합성 가스(50)를 사용하는 것이 바람직하다.
기체 상태의 고농도 산소를 제조할 때, 공기 저온 처리 유닛은 예컨대 적어도 약 5 kg/㎠ 정도의 압축 공기를 필요로 한다. 이 실시예에서, 가스 터빈으로압축 공기를 공급하기 위한 압축 터빈(70a)이 또한 산소 분리 유닛으로 압축 공기를 공급하기 위한 수단으로 사용되기 때문에 별도로 압축 수단을 제공하는 것이 필요하지 않다. 공기 압축기는 고가이기 때문에 비용 면에서 유리하다. 공기 저온 처리 유닛과는 별개로, 예컨대 PSA법(pressure swing adsorption, 압력 스윙 흡착법)을 사용하는 산소 제조 유닛이 산소 분리 유닛(62)으로 사용될 수 있다. 이 산소 제조 유닛은 PSA 방법에 따라 질소를 흡수하는 질소 흡착제를 사용하여 공기로부터 산소 가스를 분리하고, 부분 산화에 필요한 산소의 양이 10000 Nm3이하인 경우에 적절하다. 압축 공기가 또한 필요하기 때문에, 압축 공기를 산소 제조 유닛으로 공급하기 위해 압축 터빈(70a)을 사용하는 것이 유리하다.
본 발명의 전술한 바람직한 실시에에서 비교적 고품질인 중동산 초경질 원유가 원료 오일(1)로서 사용되고 분리 시스템(2)은 디프 드로잉을 수행한다. 그러나, 원료 오일(1)의 품질, 예컨대 바나듐 또는 니켈과 같은 불순물의 함량에 따라 분리 시스템(2)에 의해 추출되는 경질분의 비율이 변화된다. 이러한 조건 하에서, 바나듐은 가스 터빈 블레이드를 손상시키기 때문에, 원료 오일 내에서 바나듐의 함량에 따라 경질분의 분리비(드로잉의 정도)를 변경하여 수소화처리를 통해 얻어진 정제된 오일 내의 바나듐의 함량을 억제하는 것이 필요하다. 또한, 중질분(잔류물)의 점도에 같은 특성이 드로잉의 정도에 따라 변화함으로 이의 특성에 따라 잔류물을 위한 전처리 방법을 선택할 필요가 있다. 따라서, 원료 오일의 종류에 따라, 원료 오일로부터의 경질분의 회수 비율이 제어되기 때문에, 그 결과 잔류물과같은 중질분의 회수 비율도 변경된다.
전술된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 연료 제조 공정에서 얻어진 중유는 가스화 공정에서 연료로서 사용된다. 그러나, 전처리는 중유의 특성에 따라 수행된다. 특히, 중유의 피치 연화점이 140 ℃를 초과할 때 중유는 분쇄되고 물과 분산제가 첨가되어 균일하게 분산/혼합된 물 슬러리 연료로 형성된다. 중유의 피치 연화점이 110 ℃ 초과 140 ℃ 이하일 때 중유는 에멀션화제(emulsifier)와 용해된 상태로 균일하게 혼합되어 에멀션 연료로 형성된다. 또한, 중유의 피치 연화점이 110 ℃ 이하이면, 전처리는 수행되지 않고 중유는 고온 상태에서 유동성을 유지한 상태로 연료로서 가스화 공정으로 공급된다.
예를 들면, 중동산 경질 원유가 원료 오일(1)로 사용된다면, 가스화 시스템(4)으로 공급된 중질분(29)의 피치 연화점은 약 110 ℃ 이상 140 ℃ 이하이다(중간 드로잉 정도). 따라서, 에멀션 전처리는 중유(29)를 에멀션 연료로 형성하기 위해 수행될 수 있다. 한편, 예컨대 중동산 중질 원유가 원료 오일(1)로 사용될 때, 중질분(29)은 300 ℃에서 30cSt 이하의 점도와 110 ℃ 이하의 연화점(얇은 드로잉 정도)을 갖게 된다. 이 경우, 중질분(29)은 가열되어 고온 상태에서 유지된 후, 유동성을 유지한 채 도1에서 점선(A)으로 도시된 전처리 없이 부분 산화 유닛(42)으로 공급된다.
가스 터빈 발전 시스템(5)의 가스 터빈의 연소기에는 연료 오일 공급 노즐 및 합성 가스 공급 노즐이 제공되고 연료 오일의 공급은 필요한 경우에 이루어지는 반면에 합성 가스의 공급은 연속적으로 이뤄지도록 구성될 수 있다.
전술된 바람직한 실시예에서, "실질적으로 모든 양"은 분리 공정, 정제 공정, 가스화 공정 등에서 감소되는 소량과 시스템 그 자체의 작동을 위해 사용되는 자체 소비량을 제외한 모든 양을 의미한다.
전술된 바람직한 실시예에서, 대략 100 % 산소 농도를 갖는 순수한 산소가 부분 산화 유닛(42)에서 부분 산화를 위해 사용된다. 그 대신 30 %의 산소 농도를 갖는 공기 또는 30 %와 100 % 사이의 중간 산소 농도를 갖는 산소가 풍부한 공기가 사용될 수 있다.
공기가 사용될 때 고가의 산소 분리 유닛(62)은 필요하지 않게 되어 시스템이 구조적으로 간단하게 되고 비용이 감소된다.
<예1>
11 ppm의 중금속을 포함하는 중동산 초경질 원유의 대기압 잔류 오일 10000 bbl/D 을 원료 오일로 사용하고, 연료가 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 조합 사이클 발전 시스템을 사용하여 제조되면 약 84 체적% 정제 오일로 회수된다. 정제 오일은 임시로 탱크에 저장되고 최대 전력 수요 시에 가스 터빈 연료 오일로서 사용된다. 한편, 중질분(잔류물)로부터 얻어진 13 체적%의 오일 피치는 연화점이 높고(150 ℃) 따라서 가스 터빈 발전 시스템에서 기초 연료로서 사용되기 위해 부분 산화 유닛에서 합성 가스로 가스화되는 물 슬러리로 형성된다. 복합 사이클 발전이 가스 터빈 발전 및 증기 터빈 발전의 조합식으로 이뤄질 때, 시스템은 기초 연료만 사용하여 약 30 MW 를 발전하고, 이와 반면에 가스 터빈 연료 오일과 조합식으로 최대 330 MW 를 발전할 수 있다.
<예2>
32 ppm의 중금속을 포함하는 중동산 경질 원유의 대기압 잔류 오일 10000 bbl/D 을 원료 오일로 사용하고, 연료가 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 조합 사이클 발전 시스템을 사용하여 제조되면 약 76 체적% 정제 오일로 회수된다. 정제 오일은 임시로 탱크에 저장되고 최대 전력 수요 시에 가스 터빈 연료 오일로서 사용된다. 한편, 중질분(잔류물)로부터 얻어진 21 체적%의 오일 피치는 연화점이 낮고(130 ℃) 따라서 물 슬러리로 형성되는 데 적절하지 못하다. 따라서, 오일 피치는 혼합기에 의해 에멀션으로 형성된 후 가스 터빈 발전 시스템에서 기초 연료로서 사용되기 위해 부분 산화 유닛에서 합성 가스로 가스화된다. 예1에서와 같이 복합 사이클 발전을 행해질 때, 시스템은 기초 연료만 사용하여 약 50 MW 를 발전하고, 이와 반면에 가스 터빈 연료 오일과 조합식으로 최대 320 MW 를 발전할 수 있다.
<예3>
110 ppm의 중금속을 포함하는 중동산 중질 원유의 대기압 잔류 오일 10000 bbl/D 을 원료 오일로 사용하고, 연료가 도1에 도시된 석유 연료 연소식 일체형 조합 사이클 발전 시스템을 사용하여 제조되면 약 66 체적% 정제 오일로 회수된다. 정제 오일는 임시로 탱크에 저장되고 최대 전력 수요 시에 가스 터빈 연료 오일로서 사용된다. 한편, 중질분(잔류물)로부터 얻어진 32 체적%의 오일 피치는 연화점이 80 ℃이고 300 ℃에서 점도가 24cSt 이므로 고온 상태에서 이송 가능하다. 따라서, 오일 피치는 고온 상태를 유지한 상태로 부분 산화 유닛으로 직접 보내져서,가스 터빈 발전 시스템에서 기초 연료로 사용될 합성 가스로 가스화된다. 예1에서와 같이 복합 사이클 발전을 수행될 때, 시스템은 기초 연료만 사용하여 약 70 MW 를 발전하고, 이와 반면에 가스 터빈 연료 오일과 조합식으로 최대 310 MW 를 발전할 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예로서 설명되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 첨부된 청구 범위에서 한정된 발명의 기술 사상을 벗어나지 않고 다양한 방법으로 실시될 수 있다.

Claims (20)

  1. 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템에 있어서,
    원유 및/또는 중유로 구성된 원료 오일을 경질분과 중질분으로 분리하기 위한 분리 수단 및 연료 오일을 얻기 위해 경질분을 정제하기 위한 정제 수단을 구비하는 연료 제조 시스템과,
    수소 가스와 일산화탄소 가스를 함유하는 합성 가스를 제조하기 위해 중질분을 가스화하는 가스화 시스템과,
    발전을 하기 위해 연료로서 연료 오일 및 합성 가스를 사용하여 가스 터빈을 구동하기 위한 가스 터빈 발전 시스템과,
    발전을 하기 위해 가스 터빈의 배기 가스로부터 회수된 열에 의해 제조된 수증기를 사용하여 증기 터빈을 구동하기 위한 증기 터빈 발전 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료 제조 시스템은 연료 오일을 저장하기 위한 탱크를 구비하고, 상기 가스 터빈 발전 시스템은 기초 연료로서 가스화 시스템으로부터 합성 가스의 연속적인 공급을 필요로 하고 전력 수요에 따라 발전량을 조절하기 위한 보조 연료로서 탱크로부터 연료 오일의 공급을 추가로 필요로 하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분리 수단은 증류 수단 및 용제 탈력 수단을 포함하고, 상기 정제 수단은 가스 터빈 연료 사양을 만족시키도록 경질분을 정제하기 위한 수소화처리 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 시스템은 가스 터빈의 연소기로 공급될 압축 공기를 생성하기 위해 가스 터빈에 연결된 압축 터빈을 포함하고, 상기 가스화 시스템은 압축 터빈으로부터 공급된 압축 공기를 사용하여 중질분의 부분 산화를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 가스 터빈 발전 시스템과 가스화 시스템 사이에 제공된 산소 분리 유닛을 더 포함하고, 상기 가스 터빈 발전 시스템은 가스 터빈의 연소기로 공급될 압축 공기를 생성하기 위해 가스 터빈에 연결된 압축 터빈을 구비하고, 상기 산소 분리 유닛은 압축 터빈으로부터 공급된 압축 공기의 일부로부터 산소의 저온 분리를 수행하고, 상기 가스화 시스템은 산소 분리 유닛으로부터 공급된 산소를 사용하여 중질분의 부분 산화를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 압력 스윙 흡착법을 사용하여 공기로부터 산소를 분리하기위한 산소 제조 유닛을 더 포함하고, 상기 가스화 시스템은 산소 제조 유닛으로부터 공급된 산소를 사용하여 중질분의 부분 산화를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 분리 수단은 증류 수단 및 용제 탈력 수단을 구비하고, 가스화 시스템에 공급된 중질분은 증류 수단에 의해 얻어진 원료 오일의 중질분으로부터 용제 탈력 수단에 의해 분리된 잔류물이고, 상기 잔류물은 물에 균일하게 분산되어 물 슬러리 연료로 가스화 시스템에 공급되는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 시스템은 가스화 시스템에서 제조된 합성 가스의 전체 양을 사용하여 얻을 수 있는 발전량보다 큰 발전 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 시스템은 액체 상태인 연료 오일 및 기체 상태인 합성 가스의 혼합 연소를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 시스템은 합성 가스에 의해 각각 구동되는 가스 터빈과 연료 오일에 의해 각각 구동되는 가스 터빈을 갖는 복수의 가스터빈을 구비한 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 합성 가스는 기초 연료로서 대응 가스 터빈에 일정하게 공급되고, 연료 오일은 전력 수요에 따라 발전량을 조절하기 위해 보조 연료로서 대응 가스 터빈에 공급되는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 시스템.
  12. 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법에 있어서,
    원유 및/또는 중유로 구성된 원료 오일의 실질적으로 모든 양을 가스 터빈 연료 사양을 만족하는 경질분과 경질분을 분리한 후의 원료 오일의 잔류물인 중질분으로 분리하는 연료 제조 단계와,
    수소 가스와 일산화탄소 가스를 함유하는 합성 가스를 제조하기 위해 부분 산화를 통해 중질분의 실질적으로 모든 양을 가스화하는 가스화 단계와,
    기초 연료로 공급된 합성 가스의 실질적으로 모든 양에 기초하여 발전을 수행하고, 또한 발전 수요에 따라 발전량을 조절하기 위해 보조 연료로 공급되는 경질분에 기초하여 발전을 수행하는 가스 터빈 발전 단계와,
    가스 터빈 발전 단계에서 얻어진 고온의 배기 가스에 의해 제조된 수증기를 사용하여 발전을 수행하는 증기 터빈 발전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 가스화 단계는 상기 연료 제조 단계에서 얻어진 중질분이 140 ℃를 초과하는 연화점을 가질 때 중질분을 물에 균일하게 분산시켜서 물 슬러리 연료를 형성하고 그런 후 합성 가스를 제조하기 위해 물 슬러리 연료를 가스화하고, 연화점이 110 ℃를 초과하고 140 ℃이하일 때 중질분을 에멀션 연료로 형성하여 합성 가스를 제조하기 위해 상기 에멀션 연료를 가스화하고, 연화점이 110 ℃이하일 때 중질분을 고온의 상태로 유지시키고 그런 후 합성 가스를 제조하기 위해 중질분을 가스화하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 연료 제조 단계는 증류 분리 단계, 용제 탈력 분리 단계 및 상기 증류 분리 단계와 용제 탈력 분리 단계를 통해 얻어진 경질분을 수소화처리를 통해 정제하는 정제 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 가스화 단계는 부분 산화를 수행하기 위해서 가스 터빈 발전 단계에서 제조된 압축 공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 단계에서 제조된 압축 공기로부터 저온 분리를 통해 산소를 제조하는 단계를 더 포함하고, 상기 가스화 단계는 제조된 산소를 사용하여 부분 산화를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  17. 제12항에 있어서, 압력 스윙 흡착법을 사용하여 산소를 제조하는 단계를 더 포함하고, 상기 가스화 단계는 제조된 산소를 사용하여 부분 산화를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 연료 제조 단계는 원료 오일을 제1 경질분과 제1 중질분으로 분리하는 증류 분리 단계와, 상기 제1 중질분을 제2 경질분과 피치 연화점이 140 ℃을 초과하는 제2 중질분으로 분리하는 용제 탈력 분리 단계를 포함하고, 상기 가스화 단계는 제2 중질분을 물에 균일하게 분산시켜 물 슬러리 연료를 제조하고 그런 후 부분 연소를 통해 상기 물 슬러리 연료를 가스화하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 단계는 액체 상태인 경질분과 기체 상태인 합성 가스를 동시에 연소시키기 위해 혼합 연소를 수행하는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 가스 터빈 발전 단계는 합성 가스를 사용하는 발전과경질분을 사용하는 발전을 별도로 수행하고, 합성 가스를 사용하는 발전은 기초 발전으로 수행되고 경질분을 사용하는 발전은 기초 발전을 보충하기 위한 보조 발전으로서 수행되는 것을 특징으로 하는 석유 연료 연소식 일체형 복합 사이클 발전 방법.
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