KR20020077098A

KR20020077098A - 파워 증강 입구 가압 시스템 및 가스 터빈 시스템과 파워증강 방법

Info

Publication number: KR20020077098A
Application number: KR1020020016312A
Authority: KR
Inventors: 콘치리존앤소니
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2002-10-11
Also published as: US6530224B1; CZ20021090A3; EP1245805A2; EP1245805A3; JP2002349286A

Abstract

가스 터빈 배기 폐열(gas turbine exhaust waste heat)을 포획하여, 그 열을 스팀 에너지로 변환시키고, 그 스팀 에너지를 이용하여 가스 터빈 입구에 배치된 가변 속도 과급 팬(supercharging fan)을 구동함으로써 가압형 가스 터빈 입구 상태(pressurized gas turbine inlet condition)를 생성하는 사이클이 제공된다. 과급 팬은 가스 터빈으로의 공기 질량 유동율(air mass flow rate)을 증가시켜서 가스 터빈 축마력(shaft horsepower)이 증강될 수 있도록 하는데 이용된다. 배기 폐열 회수 시스템(exhaust waste heat recovery system)을 구비하지 않은 단일 사이클 가스 터빈에 있어서, 본 발명은 전체적 사이클 효율성을 개선한다. 복합 사이클 피킹 응용에 있어서, 가변 속도 과급 팬은 베이스 부하 복합 사이클 플랜트(base load combined cycle plant)와 피킹 단일 사이클 플랜트(peaking simple cycle plant)의 결합 효율성 보다 더 나은 전체적 피킹 효율성으로 피킹 출력을 제공한다. 본 발명은 또한 가스 터빈 파워 출력 응답율을 개선한다.

Description

파워 증강 입구 가압 시스템 및 가스 터빈 시스템과 파워 증강 방법{AN INLET PRESSURIZATION SYSTEM AND METHOD FOR POWER AUGMENTATION}

본 발명은 파워를 증강(augmentation)시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이며, 특히 가스 터빈(gas turbine)내로의 공기 질량 유동율(air mass flow rate)을 증가시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

가스 터빈 발전 응용(gas turbine-electrical power generation application)에서는, 많은 파워 증강 방법이 이용 가능하지만, 이들 방법은 연소 반응 스테이지(combustion reaction stage)로 제한된다. 보다 구체적으로, 작동 온도 제한선(operation temperature limit) 내로 연소율(firing rate)을 증가시키거나, 비례적인 양의 스팀(steam), 증기(vapor), 물(water) 기타 매체 등을 가스 경로내로 도입하는데 있어서 제한이 가해진다. 가스 터빈으로의 공기 질량 유동율을 증가시키면, 일정한 연소 온도를 유지하는 동안 연료를 더 소모하게 된다. 또한 공기흐름(airflow)에 관하여 일정한 비율의 분사 질량 유동(injection mass flow)이 유지되기 때문에 공기 질량 유동이 증가되면 가스 경로로의 스팀, 물, 증기 또는 기타 매체의 분사 질량 유동율이 증가된다. 가스 터빈 입구(inlet)의 공기흐름을 증가시킴에 있어서의 이론적 기계적 한계는, 가스 터빈 축(shaft) 장치를 통한 파워 밀도(power density)와, 가스 터빈 케이싱(casing)의 압력 제한(pressure limit)과, 그 가스 터빈에 의하여 구동되는 장비 등이다.

입구를 가압(pressurization)하여 파워를 증강하는 것은, 가스 터빈 축마력(shaft horsepower)은 그 이용 가능한 용량(capacity)보다 상당히 작은 높은 주위 온도(ambient temperature)에서의 피킹 동작(peaking operation)에 있어서 가장 바람직하다. 따라서, 일반적으로 피킹, 부하 사이클링(load cycling), 그리고일상적 정지/시작 부하 요청 프로파일(daily stop/start load profile)을 위하여 이용되는 가스 터빈 발전기에 파워 증강 방법이 적용된다. 이러한 조건하에서, 가스 터빈 발전기 전기적 출력(즉, 축마력) 응답은 개시(start-up) 사이클 동안 그리고 파워 전달 시스템(power transmission system)에 있어서의 부하 요청을 반영하도록 출력을 조정하는 동안 신속하게 이루어진다. 일반적으로, 기존의 설비는 가스 터빈으로의 입구 공기흐름을 감소시킴으로써 정격 출력(rated output)만을 조정할 수 있다. 이는 입구 영역의 기하학적 구조를 줄임으로써 이루어지고, 따라서 가스 터빈은 부하 요청을 반영하도록 연소 온도를 줄여야만 하며, 연소 온도가 감소함에 따라 점점 효율이 저하된다.

본 발명의 일실시예에서는, 가스 터빈 입구에 배치된 가변 속도 과급 팬(variable speed, supercharging fan)에 의하여 가스 터빈내로의 공기 질량 유동율이 증가되어, 가스 터빈 축마력이 증강될 수 있다. 가스 터빈의 배기 스팀(exhaust steam)이 바람직하게 포획되어 스팀 에너지로 전환되고, 이것은 그 뒤 가변 속도 과급 팬을 구동하는데 이용된다.

가변 속도 과급 팬의 특성은 가스 터빈이 최대의 정격 연소 온도를 유지하도록 하면서, 동시에 변화하는 과급 팬 속도의 함수에 따라 전기적 출력을 조정할 수 있다는 점이다. 가변 피치 팬 블레이드(variable pitch fan blade) 또는 팬 프로펠러(fan propeller)를 이용하는 경우 최대 연소 온도에서의 동작 범위를 더 강화할 수 있다. 가스 터빈으로의 입구 공기 유동을 감소시킴으로써 정격 출력만을 조정할 수 있는 기존의 가스 터빈 발전기 설비와 비교하여, 이것은 부하 사이클링 동작을 위하여 디스패치(dispatched)되는 경우 중요하다.

또한, 동작 중인 가변 속도 구동 과급 팬에 의한 파워 출력의 변화율은 열변형 파워 출력 제어율 제한기(thermal strain, power output control rates limiter)에 의하여 제한되지 않는다. 또한, 이는 일정한 연소 온도를 유지하면서 고온 가스 경로 부품에 열적 과도현상(thermal transient)을 부과하지 않음에 기인한다. 가스 터빈 파워 출력은 과급 팬의 가속 및 감속율의 함수에 따라 변화할 수 있다. 과급 팬은 유휴 속도(idle speed)와 최대 속도(full speed) 사이에서 가속하거나 감속하는데 10초보다 더 적은 시간을 소모한다. 긴급한 개시 사이클(emergency start-up cycle) 동안 가스 터빈 발전기 출력은 과급 팬으로부터의 급속한 부스트(boost) 및 파워 출력에 의해 디스패치될 수 있다.

그러므로, 본 발명은 압축기(compressor)와, 압축된 공기를 가열하기 위한 연소기(combustor)와, 고온 연소 가스의 에너지를 압축기를 구동하고 부하를 공급하기 위한 일(work)로 전환하는 터빈을 포함하는 유형의 가스 터빈 시스템에 의하여 생성되는 파워를 증강하기 위한 입구 가압 시스템(inlet pressurization system)으로서, 가스 터빈으로부터의 고온 배기 가스(hot exhaust gas)를 이용하여 동작 유체(working fluid)를 증발(evaporating) 및/또는 과열(superheating)하는 열 교환기(heat exchanger)와, 압축기에 대한 공기 공급을 증강시키기도록 압축기에 동작적으로 결합된 과급 팬과, 과열된 동작 유체의 에너지를 과급 팬을 구동시키는 축력(shaft power)으로 변환시키는 장치를 포함하는 입구 가압 시스템으로 구현된다. 일실시예에서는, 스팀 터빈(steam turbine)이 과급 팬을 구동한다.

예시적 실시예에서, 과급 팬은 가변 속도 과급 팬이고 또한/또는 과급 팬은 가변 피치 블레이드를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 과급 팬의 하류측과 압축기 입구의 상류측의 공기흐름을 냉각하기 위한 어셈블리(assembly)가 제공된다.

본 발명은 또한, 압축기와, 연소기와, 연소기의 고온 가스의 에너지를 압축기를 구동하고 부하를 공급하기 위한 일로 변환시키는 터빈을 포함하는 유형의 가스 터빈 시스템에 의하여 생성되는 파워 증강 방법으로서, 동작 유체를 증발 및/또는 가열하기 위하여 터빈으로부터의 고온 배기 가스를 수용하는 열교환기에 동작 유체를 공급하는 단계와, 상기 과열된 동작 유체의 에너지를 기계적 축마력으로 변환시키는 단계와, 기계적 축마력으로 과급 팬을 구동하여 공기흐름을 발생시키는 단계와, 압축기내로 공기흐름을 지향시킴으로써 가스 터빈의 입구내로의 공기 유동을 증가시켜 가스 터빈을 통한 파워 밀도를 증가시킴으로써 보다 큰 축마력을 생성하는 단계를 포함하는 파워 증강 방법으로 구현된다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, 공기흐름은 압축기내로 지향되기 전에 냉각된다.

또한, 예시적 실시예에서, 본 방법은 공칭 가스 터빈 연소 온도를 유지하면서 가스 터빈의 축마력을 변경시키도록 팬 속도를 변화시키는 단계를 더 포함한다.

이러한 본 발명의 목적 및 기타 목적 등은 첨부 도면을 참조하여 예시적인본 발명의 바람직한 실시예에 관한 다음의 상세한 설명을 면밀히 검토함으로써 더욱 명백하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하는 가스 터빈 발전기(gas turbine generator)와 예시적 가압 시스템(pressurization system)의 주 요소를 개략적으로 도시하는 도면,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 터빈 발전기와 가압 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

18, 118 : 급수 공급부30, 130 : 압축기

34, 134 : 연소 반응기40, 140 : 터빈

44, 144 : 발전기 또는 기계적 부하46, 146 : 열 회수 스팀 발생기

58, 158 : 스팀 과열 저감기60, 160 : 내부 스팀 호스트

본 발명은, 피크 동작 효율(peak operating efficiency)을 증가시키고 파워 출력 부하 응답율(power output loading response rate)을 개선하기 위한 어셈블리를 포함하는 가스 터빈 기술을 이용하는 일상적, 정지/개시, 피킹 파워 발생 설비를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스 터빈 배기열을 포획하고, 그 에너지를 가스 터빈 입구 가압을 위하여 가변 과급 팬을 구동하는 축마력용 동작 유체내로 전달하는 시스템 및 처리 방법을 제공하는데, 본 시스템 설계는 가스 터빈 설비 패키지의 유지된 동작(sustained operation)에 대하여는 독립적이다.

도 1은 가스 터빈 시스템(12)과 관련하여 본 발명을 구현하는 입구 가압 시스템(10)을 도시하고 있다. 예시적 목적을 위하여, 가스 터빈 발전기와 가압 시스템의 주요 요소 사이에 경계선(14)을 도시하고 있다. 이 경계선은 시스템에 대한 제어 볼륨(control volume)이며 대기(도시되지 않음)와, 가스 터빈 배기열(16)과, 세 개의 시스템 유입 스트림(system import stream)으로서, 공급수(supply water) 등의 동작 유체(18)를 포함한다. 냉각된 과급 팬 방출 공기(20)와, 스팀 발생기에서 나오는 배기열(22)과, 다양한 스팀 호스트(steam host)(24)가 유출 스트림(export stream)이다. 도시된 실시예에서, 공기는 단일의 실선으로 도시되어 있고, 물은 파선으로 도시되어 있으며, 스팀은 일점쇄선으로 도시되어 있다.연료 또는 보조 스팀 유입 스트림(fuel or auxiliary steam)(26)은 터빈 개시 목적 및/또는 추가적 스팀 발생(이하에서 설명됨)을 위한 열 회수 요소에 에너지를 입력하게 하는 선택적 특징부로서 도시되어 있다.

일반적으로 통상적 단일 사이클 가스 터빈(12)이 도 1에 도시되어 있다. 그러므로, 도시된 실시예에서, 공기(28)는 축류 압축기(axial flow compressor)(30)에 유입된다. 이에 따라 생성된 압축 공기(32)는 연료(36)가 주입되고 연소가 발생하는 연소 시스템에 들어간다. 연소 혼합물(combustion mixture)(38)은 연소 시스템(34)에서 나와서 터빈(40)으로 들어간다. 터빈 섹션에서는, 고온 가스의 에너지가 일로 변환된다. 이러한 변환은 두 단계를 거치는데, 고온 가스가 팽창되고 터빈의 노즐 섹션(nozzle section)에서 열 에너지 일부가 운동 에너지(kinetic energy)로 변환된다. 그런 다음, 터빈의 버킷 섹션(bucket section)에서, 운동 에너지 일부가 회전 버킷으로 전달되고 일, 예컨대 축(42)의 회전으로 변환된다. 터빈에 의하여 발생되는 일의 일부가 압축기(30)를 구동하는데 이용되고, 반면 나머지는 예컨대, 발전기 또는 기계적 부하(44)를 위하여 이용 가능하다. 고온 배기 가스(16)는 터빈을 떠나서 열 회수 유닛(46)으로 들어간다. 열 회수 유닛은, 예컨대 배기열 보일러(exhaust heat boiler) 또는 통상적 열 회수 스팀 발생기(HRSG)를 포함하는 공지된 다양한 열 교환 시스템 중 임의의 일형태를 취할 수 있다.

가스 터빈의 배기열(16)은 열 회수 유닛 내의 가압형 동작 유체 공급부내로 들어간다. 도시된 실시예에서는, 동작 유체/급수 공급(18)으로부터의 급수(48)는 예컨대, 펌프(50)에 의하여 가압되고 열 교환 유닛(46)내에서 포화온도(saturation temperature)를 넘도록 증발 또는 과열되어 고품질 스팀을 생성한다. 과열된 스팀(52)은, 과급 팬 어셈블리(56)에 대한 속도 조절기(speed governor)로서 작용하는 메인 제어 밸브(56)로 흐른다. 공급 스팀 전달 루트를 따라서, 부가적 프로세스가 스팀 시스템의 일부로 될 수 있다. 예컨대, 온도 조절을 위한 스팀 과열 저감(attemperation)(58)은 스팀을 물질 안전 물질 제한선 내에 유지하는 일반적 프로세스이다. 과열 저감은 보다 낮은 엔탈피의 스팀 스트림이나 물을 메인 스팀 소스에 혼합함으로써 발생된다. 추가적 과열을 위해 높은 엔탈피의 스팀 스트림이나 물을 메인 스팀 소스에 혼합함에 있어서 제한은 없다는 점을 알아야 한다.

스팀은 또한 내부 스팀 호스트(internal steam host)(60)를 통하여 전송되어 스팀 엔탈피 축소가 과급 팬 속도 조절기(54)에 들어가기 이전에 발생할 수 있다. 예컨대, 메인 소스 스팀은 파워 발전을 위한 스팀 터빈을 통하여 팽창될 수 있으며, 그런 다음 이하에서 논의되는 바와 같이, 과급 팬을 지원하도록 추출될 수 있다. 과잉의 이용 가능한 스팀은 외부 스팀 호스트(24)로 전환되거나 터빈 우회 시스템(turbine bypass system)(62)을 통하여 전환될 수 있다. 과잉의 이용 가능한 스팀 즉, 과급 팬 구동 터빈에 필요하지 않은 스팀을 전환하는 능력은 입구 가압 제어 시스템 안정성(stability)을 위하여 중요하다.

속도 조절기(54)는 도시된 실시예의 시스템의 주요 제어 메카니즘이다. 이는 과급 팬 속도를 타겟 팬 속도 설정점으로, 위아래로 변화시키는 수단을 제공한다. 일정한 팬 속도에 대해, 설정점이 고정된다. 제어 시스템은 측정된 팬 속도신호를 고정된 팬 속도 설정점과 비교한다. 제어 밸브 조절기는 측정된 속도와 설정점 속도 사이의 차이를 보상하도록 작용한다. 과급 팬 속도 설정점 동작은 가스 터빈 시스템 파워 출력 및/또는 가스 터빈 축 속도 요청의 함수에 따라 조절된다. 기타 가스 터빈 제어 입력이 이용될 수 있으나, 파워 출력 및 축 속도가 주 제어 파라미터이다. 예컨대, 가스 터빈 파워 출력 타겟 설정점이 증가된다면, 가스 터빈 제어기는 과급 팬 속도 설정점의 증가를 요구할 것이다.

전술된 바와 같이, 예시된 실시예에서, 스팀은 일단 과급 팬 속도 제어 조절기(54)를 통과하면, 스팀 터빈 구동기(steam turbine drive)(64)를 통하여 팽창한다. 과급 팬은 스팀 터빈 구동 장치를 위하여 어떠한 실제적 스팀 압력도 이용할 수 있다. 스팀은 팽창되어 에너지를 기계적 축마력(도시된 실시예에서는 축(68)을 통하여 과급 팬(66)을 직접 구동함)으로 변환시킨다. 터빈 구동 장치로부터 배기되는 스팀(70)은 직접 대기로 돌아갈 수 있고, 가스 터빈 사이클로 다시 주입될 수 있으며, 스팀 호스트로 유출될 수도 있고, 또는 압축되어 열 회수 스팀 발생기로 다시 재순환(recirculated)될 수 있다. 이와 다른 과급 팬 구동 장치, 예컨대, 스팀 회전 모터 구동기(steam rotary motor drive) 또는 가변 속도 전기 모터 구동기(variable speed electric motor drive) 등이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 제공될 수 있음을 알아야한다. 또한, 스팀 터빈이나 기타 팬 구동 장치로의 열 회수의 전달을 위하여 대안적 스팀/물 작동 질량 매체(working mass medium)가 이용될 수 있다.

대기는 입구 덕트(inlet duct)를 통하여 과급 팬으로 유입되고, 그 공기는참조 번호(72)로 도시된 바와 같이 가스 터빈의 입구로 전환된다. 입구에서는 일반적으로 필터링(filtering), 소음(silencing), 및/또는 빙결 방지(anti-icing)(도시되지 않음) 등의 입구 처리 과정이 포함된다. 과급 팬에 유입되는 공기흐름의 양은 가스 터빈 입구 압력과 온도, 압축기 입구의 기하학적 형태, 압축기 압력비, 연소 온도, 고정형 터빈의 기하학적 형태 그리고 배기 설비 손실(exhaust equipment loss)의 함수이다. 과급 팬은 공급 공기를 대기압보다 더 높은 압력으로 높여서 더 많은 공기를 가스 터빈의 입구에 공급한다. 따라서, 가스 터빈을 통한 파워 밀도가 증가하여 더 많은 축마력을 생성한다. 입구 압력의 증가는 팬 속도의 함수로서 변화할 것이다. 팬 속도를 변화시킬 수 있는 능력은 축마력을 변화시킬 수 있는 능력을 제공하는 동시에 공칭 가스 터빈 연소 온도를 유지시킨다. 그러므로, 소정의 고정된 가스 터빈 연소 온도에 대해, 가변 속도 과급 팬으로 인하여 가스 터빈 축마력 동작의 범위가 증가된다. 그러나, 제안된 과급 팬은 가스 터빈 동작을 방해하지 않고 별도로 중단(shut off)될 수 있는 필수적이지 않은, 보조적 특징부이다.

과급 팬을 빠져나오는 공기는 입구 압력 증가 프로세스의 특성으로 인하여 온도가 증가될 것이다. 이러한 온도 증가는 가스 터빈 입구로의 공기흐름 량을 감소시킨다. 따라서, 최대의 입구 가압과 가스 터빈으로의 공기흐름을 달성하기 위하여, 일체형 공기 냉각(cooling) 방법(74)이 입구 가압 시스템 설계의 일부로서 포함되는 것이 장점적이다. 팬 방출 공기 냉각(fan discharge air cooling)은 여러 다양한 방법 중 어느 하나 또는 그 이상의 방법에 의하여 달성될 수 있다.

적용될 수 있는 예시적 냉각 방법으로는, 입구 포거(inlet fogger), 증발 냉각(evaporative cooling), 전기적 냉각기(electric chiller)[냉각 사이클(refrigeration cycle)], 폐쇄형 또는 개방형 순환 냉각수 시스템(closed or open circuit cooling water system), 또는 복합적(hybrid) 냉각 처리를 위한 여러 냉각 방법의 조합 등을 들 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 전술된 바와 같은 팬 방출 공기를 냉각하는데 적합한 입구 조절 방법은 일반적으로 잘 알려져 있다. 현재 바람직한 방법은 입구 포거로서, 이는 과급 팬 방출 공기에 직접 물 스프레이(water spray)를 혼합함으로써 공기를 냉각한다.

또 다른 가능한 냉각 장치가 도 2의 실시예에 개략적으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 입구 가압 시스템(110)은 과급 팬 축(168)상에 냉매 압축기(refrigerant compressor)(176)를 포함하고 응축기(178), 팽창 밸브(expansion valve)(180), 그리고 압축기(130)의 상류측에서 과급 팬(166)으로부터의 공기(172)를 냉각하기 위한 냉각 증발기(174)를 포함하는 일반적 냉각 사이클(common refrigeration cycle)을 통합한다. 도시된 실시예에서, 냉매 흐름이 짧은 파선(182)으로 표시되어 있다. 도 2에 도시된 시스템의 나머지 구성요소는 일반적으로 도 1에 도시된 시스템 구성요소에 대응하므로, 대응하는 참조 번호에 100을 더한 참조부호를 부여한다. 도시된 구성요소들이 앞서 상세히 설명된 도 1의 실시예에서의 각 구성요소에 대응하기 때문에, 여기서는 도 2에 포함된 공통적 구성요소에 관한 설명을 생략한다.

본 발명에 의하여 제공되는 추가의 부차적 개선은, 과급 팬이, 가스 터빈 축을 점화 속도(ignition speed)까지 가속하며 가스 터빈이 자체 유지 동작(self-sustaining operation)에 이르기까지 가속 사이클이 유지되도록 하는 개시 수단일 수 있다는 것이다. 본 실시예에서는, 열 회수 시스템으로의 보충(supplemental) 에너지 입력이나 참조 번호(26)로 개략적으로 도시된 외부 스팀 처리 호스트로부터의 보충 에너지 입력이 요구된다. 개시 수단으로서 과급 팬 시스템(56,156)을 이용하면 장치 비용을 줄일 수 있고, 특히 블랙 개시 능력(black start capability)을 갖는 설비에 있어서 그러하다. 이들 특징은 전체 개시 시간(start-up time)을 줄일 수 있고 가스 터빈 개시 비용을 줄일 수 있다. 개시 동작 비용 축소는, 파워 전달 시스템으로부터 개시 파워를 얻는 대신에, 그 자체내에서 연료 개시가 가능한 경우 일어날 수 있다. 그러나, 자체 유지에 이르기까지 가스 터빈을 가속하는 개시 수단으로서 이용되지 않는다면, 과급 팬은 가스 터빈 개시를 위하여 동작할 필요는 없다는 점을 알아야 한다.

과급 팬(66,166)은 예컨대, 가변 피치를 가지거나 가지지 않는, 축류, 반경류, 혼합류 또는 직교류 임펠러(axial, radial, mixed or cross flow impeller), 터보프롭 프로펠러(turboprop propeller), 터보 팬(turbo fan) 또는 프롭팬(propfan) 등 다른 장치내에 구성될 수 있다. 또한, 과급 팬은 공기 유도형(aeroderivative) 또는 산업 가스 터빈 축 장치에 이용될 수 있다. 과급 팬은 부분적 또는 전체적(최대) 열 회수 스팀 발생기에 적용될 수 있으며 단일 사이클이나, 복합 사이클 또는 복합형 열 및 파워 사이클 설비에 통합될 수 있다.

그러므로, 본 발명은 예시적 실시예에서 가스 터빈 발전기에 적용되어 있지만, 본 발명의 시스템 및 방법은 가스 터빈발전기에 적용되며, 또한 본 발명의 시스템과 방법은 가스 터빈 산업용 구동 응용장치나 가스 터빈 추진 응용장치, 예컨대 가스 파이프라인 압축 스테이션(gas pipeline compression station)이나 해양선박 추진(marine shipboard propulsion)용 축마력에 대해 등가의 효과로 적용될 수 있다는 점을 알아야 한다.

본 발명을 구현하는 과급 팬을 제공함으로써, 높은 주변 온도(high ambient temperature) 및/또는 더 높은 주변 조건(higher altitude environmental condition)에서 설비 축마력을 증가시키는 것이 가능해진다. 또한 본 발명으로 가스 터빈 단순 사이클 효율을 개선하는 것이 가능해진다. 또한, 복합 사이클은 단일 사이클 피킹 플랜트(simple cycle peaking plant)와 협력하여 작동하는 베이스 부하 복합 사이클 플랜트 동작(base load combined cycle plant operating)에 비해 보다 나은 피킹 효율성을 갖게 된다.

본 발명은 현재 가장 실용적이며 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지는 않으며, 오히려 첨부된 청구범위의 사상과 영역 내에 포함되는 다양한 변형과 등가의 구성을 커버하도록 의도된다.

Claims

공기를 압축하여 압축된 공기(32,32)를 생성하는 압축기(compressor)(30,130)와, 상기 압축된 공기(32,132)를 가열하여 고온 가스(38,138)를 생성하는 연소기(combustor)(34,134)와, 상기 고온 가스(38,138)를 수용(receiving)하여 그 에너지를 일(work)[이 일은 상기 압축기(30,130)를 구동하고, 부하(load)(44,144)를 공급하고, 고온 배기 가스(hot exhaust gas)(16,116)를 생성하기 위한 것임]로 변환시키는 터빈(40,140)을 포함하는 유형의 가스 터빈 시스템(12,112)에 의하여 생성되는 파워(power)를 증강(augmenting)시키기 위한 입구 가압 시스템(inlet pressurization system)(10,110)에 있어서,

동작 유체 공급부(working fluid supply)(18,118)와,

상기 가스 터빈(40,140)으로부터 고온 배기 가스를 수용하여 상기 유체 공급으로부터의 동작 유체에 대하여 증발(evaporating) 및 과열(superheating) 중 적어도 하나를 수행해서 과열된 동작 유체(52,152)를 생성하는 열 교환기(46,146)와,

상기 압축기(30,130)에 대한 공기 공급(air supply)을 증강시키기 위하여 상기 압축기(30,130)에 동작적으로 결합된 과급 팬(supercharging fan)(66)과,

상기 과열된 동작 유체(52,152)의 에너지를 상기 과급 팬(66,166)을 구동하기 위한 축력(shaft power)으로 변환시키는 장치(64,164)를 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 과급 팬(66,166)은 가변 속도 과급 팬(variable speed supercharging fan)인

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 과급 팬(66,166)은 가변 피치 블레이드(variable pitch blade)인

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 과급 팬(66,166)의 하류측 및 상기 압축기(30,130)의 상류측의 공기흐름(airflow)을 냉각하기 위한 어셈블리(assembly)(74,174)를 더 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 공기 냉각을 위한 어셈블리는 압축기(176)와, 응축기(condenser)(178)와, 냉각 증발기(refrigeration evaporator)(174)를 구비하여 상기 공기를 냉각하는 냉각 사이클을 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 냉각 압축기(176)는 상기 과급 팬(166)의 공통 축(common shaft)(168)에 그와 동축적(coaxial)으로 장착되어 상기 팬을 구동하는 장치(164)에 의하여 구동되는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 팬을 구동하는 장치는 상기 열 교환기(46)에 의하여 생성된 과열 동작 유체(52)를 수용하는 가변 속도 스팀 터빈 구동기(variable steam turbine drive)(64)를 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 가변 속도 스팀 터빈 구동기(64,164)에 대한 동작 유체 입력을 제어하는 스팀 터빈 속도 조절기(steam turbine speed governor)(54,154)를 더 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 과급 팬(66,166)으로부터의 공기흐름을 냉각하기 위한 어셈블리(74,174)를 더 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 과급 팬(166)으로부터의 공기흐름(172)을 냉각하기 위한 냉각 증발기(174)를 더 포함하는

파워 증강 입구 가압 시스템.
가스 터빈 입구 가압 어셈블리와 결합된 가스 터빈 시스템에 있어서,

공기를 압축하여 압축된 공기(32,32)를 생성하는 압축기(30,130)와,

상기 압축된 공기(32,132)를 가열하여 고온 가스(38,138)를 생성하는연소기(34,134)와,

상기 고온 가스(38,138)를 수용하여 그 에너지를 일[이 일은 상기 압축기(30,130)를 구동하고, 부하(44,144)를 공급하고, 고온 배기 가스(16,116)를 생성하기 위한 것임]로 변환시키는 가스 터빈(40,140)과,

동작 유체 공급부(18,118)과,

상기 가스 터빈으로부터 상기 고온 배기 가스를 수용하여 상기 유체 공급으로부터의 동작 유체에 대하여 증발 및 과열 중 적어도 하나를 수행해서 과열된 동작 유체(52,152)를 생성하는 열 교환기(46,146)와,

상기 압축기에 대한 공기 공급을 증강시키기 위하여 상기 압축기(30,130)에 동작적으로 결합된 과급 팬(66,166)과,

상기 과열된 동작 유체의 에너지를 상기 과급 팬(66,166)을 구동하기 위한 축력으로 변환시키는 장치(64,164)와,

상기 과급 팬으로부터의 공기흐름을 냉각하는 어셈블리(74,174)를 포함하는

가스 터빈 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 팬을 구동하기 위한 장치는 상기 열 교환기(46,146)에 의하여 생성된 과열 동작 유체(74,174)를 수용하는 가변 속도 스팀 터빈 구동기(64,164)를 포함하는

가스 터빈 시스템.
제 12 항에 있어서,

상기 가변 속도 스팀 터빈 구동기에 대한 스팀 입력을 제어하는 스팀 터빈 속도 조절기(54,154)를 더 포함하는

가스 터빈 시스템.
공기를 압축하여 압축된 공기(32,32)를 생성하는 압축기(30,130)와, 상기 압축된 공기를 가열하여 고온 가스를 생성하는 연소기(34,134)와, 상기 고온 가스(38,138)를 수용하여 그 에너지를 일[이 일은 상기 압축기(30,130)를 구동하고, 부하(load)(44,144)를 공급하고, 고온 배기 가스(hot exhaust gas)(16,116)를 생성하기 위한 것임]로 변환시키는 터빈(turbine)(40,140)을 포함하는 유형의 가스 터빈 시스템(12,112)에 의하여 생성되는 파워를 증강시키기 위한 방법에 있어서,

상기 고온 배기 가스(16,116)를 수용하여 상기 동작 유체에 대하여 증발 및 과열 중 적어도 하나를 수행하는 열 교환기(46,146)에 동작 유체를 공급하는 단계(50,150)와,

상기 과열된 동작 유체(52,152)의 에너지를 기계적 축마력(mechanical shaft horsepower)으로 변환시키는 어셈블리를 제공하는 단계와,

상기 기계적 축마력으로 과급 팬(66,166)을 구동하여 공기흐름(72,172)을 생성하는 단계와,

상기 공기흐름을 상기 압축기(30,130)로 지향시킴으로써 상기 가스 터빈의 입구로의 공기흐름을 증가시켜서 상기 가스 터빈을 통한 파워 밀도를 증가시켜 보다 큰 축마력을 생성하는 단계를 포함하는

파워 증강 방법.
제 14 항에 있어서,

공칭 가스 터빈 연소 온도(nominal gas turbine firing temperature)를 유지하면서 상기 가스 터빈의 축마력을 변경시키도록 팬 속도를 변화시키는 단계를 더 포함하는

파워 증강 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 공기흐름을 압축기로 지향시키는 단계 이전에 상기 공기흐름을 냉각하는 단계(74,174)를 더 포함하는

파워 증강 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 냉각 단계는 입구 포거(inlet fogger)와, 증발식 냉각과, 전기적 냉각기-냉각 사이클(electric chiller-refrigeration cycle)과, 폐쇄형 또는 개방형 순환수 시스템(closed or open circuit water system) 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함하는

파워 증강 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 공기흐름(72)은 상기 과급 방출 공기(supercharging discharge air)내에 물 스프레이(water spray)를 직접 혼합함으로써 냉각되는

파워 증강 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 공기(172)를 냉각하기 위하여 냉각 증발기(174)를 이용하는 단계를 포함하는

파워 증강 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 스팀 에너지를 축 일(shaft work)로 변환시키는 어셈블리는 가변 속도 스팀 터빈 구동기(64,164)를 포함하고 상기 스팀 터빈은 이를 구동하기 위한 상기 팬(66,166)에 대한 공통 축(68,168)상에 배치되는

파워 증강 방법.