KR20040013429A - Cooling air system and method for combined cycle power plants - Google Patents

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KR20040013429A
KR20040013429A KR1020020046351A KR20020046351A KR20040013429A KR 20040013429 A KR20040013429 A KR 20040013429A KR 1020020046351 A KR1020020046351 A KR 1020020046351A KR 20020046351 A KR20020046351 A KR 20020046351A KR 20040013429 A KR20040013429 A KR 20040013429A
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라나싱게자틸라
칼버그윌리엄조지
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

PURPOSE: A composite cycle generator and an operation method thereof are provided to reduce stress of a tube sheet, to increase the life span and reliability of components, to simplify the control of a system, and to reduce the size of a heat exchanger and the cost of the system. CONSTITUTION: A composite cycle generator comprises a combustion turbine system(10), a vapor generator(32), a vapor turbine system(34) for receiving at least one vapor flow, and a cooling air current path for orienting a compressed air portion(156) toward at least one compressor(14) and a gas turbine(24) from the compressor to cool a part. The combustion turbine system has the compressor for producing compressed air(16); a burner(18) burning fuel in the compressed air and producing combustion air; and the gas turbine expanding combustion air and producing mechanical energy and exhaust gas(30). The vapor generator has an inlet for receiving the exhaust gas and plural regions sequentially arranged in a flow path of exhaust gas, to remove the heat from the exhaust gas and produce at least one vapor flow(38). The cooling air current path includes a heat exchange system(154) for receiving the compressed air portion, for removing the heat from the compressed air portion, and for producing a heated fluid flow(202) and a cooled compression air current(168). The heat exchange system includes a chamber(158) having at least one tube(160) for making water flow to exchange heat with high-temperature compressed air disposed in the chamber. The chamber includes a compressed air inlet(176) and a compressed air outlet(178).

Description

복합 사이클 발전기 및 그 작동 방법{COOLING AIR SYSTEM AND METHOD FOR COMBINED CYCLE POWER PLANTS}COOLING AIR SYSTEM AND METHOD FOR COMBINED CYCLE POWER PLANTS

본 발명은 터빈 또는 압축기 부분을 냉각하기 위해서 추출된 고온 냉각 공기를 냉각하기 위한 냉각 공기(CCA) 시스템을 사용하는 가스 터빈 사이클에 관한 것이다.The present invention relates to a gas turbine cycle using a cooling air (CCA) system for cooling the extracted hot cooling air to cool the turbine or compressor portion.

현대 고 효율 가스 터빈 사이클에서, 고온 압축기 공기는 압축기 또는 터빈 부분을 냉각하기 위해 추출된다. 신뢰도에 관해서는, 제어의 어려움과 고 비용의 CCA 시스템으로 인해 향상된 CCA 시스템 구조가 요구된다.In modern high efficiency gas turbine cycles, hot compressor air is extracted to cool the compressor or turbine portion. With regard to reliability, improved CCA system architectures are required due to difficulty of control and expensive CCA systems.

도 1은 터빈 및 압축기 부분을 냉각하기 위해 추출된 고온 압축기 공기를 냉각하기 위한 종래 기술의 냉각식 냉각 공기 시스템(이하 CCA 시스템이라 함)을 구비하는 복합 사이클 시스템의 개략도이다. 도시된 발전기에서, 압축기(14), 연소 시스템(18) 및 가스 터빈 팽창기(24)를 포함하는 가스 터빈 시스템(10)이 제공되며, 증기 터빈 시스템은 참조부호(34)로 개략적으로 도시되어 있다. 보다 상세하게, 공기(12)가 축방향 유동 압축기(14)로 진입함에 따라 발생된 압축 공기(16)는 연소 시스템(18)으로 진입하며, 상기 연소 시스템(18)에 연료가 주입되어 연소가 이뤄진다. 연소 혼합기(22)는 연소 시스템(18)에서 유출되어 터빈(24)으로 진입한다. 터빈 구간에서, 고온 가스의 에너지는 일로 전환된다. 이러한 전환은 2단계,고온 가스가 팽창되고 열 에너지의 일부가 터빈의 노즐 구간에서 동력학적 에너지로 전환되는 단계로 발생한다. 그 후, 터빈의 버킷 구간에서, 동력학적 에너지의 일부는 회전 버킷으로 전달되어 일로 전환된다. 따라서, 터빈에 의해 발달된 일의 일부는 압축기(14)를 구동시키는 반면, 나머지는 예를 들면 발전기 또는 기계적 부하 장치(28)를 위해 사용된다. 배기 가스(30)는 터빈에서 유출되어 열 회수 장치로 유입된다. 열 회수 장치는 예를 들어 다른 종래의 다중 압축 열 회수 시스템 발전기(HRSG)(32)를 포함하는 다양한 공지된 열교환 시스템중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다. 도시된 도면에서, 가스 터빈 시스템(10) 및 증기 터빈 시스템(34)은 각각 개별적인 발전기(또는 다른 부하 장치)(28, 36)를 구동시킨다. 증기 터빈 시스템(34)은 다중 압축 HRSG(32)를 구비하는 종래의 방식과 결합된다. 따라서, 증기(38)는 증기 터빈 시스템(34)으로 유입 또는 그로부터 유출되며, 증기 터빈 시스템(34)은 응축기(40)로 배기하며, 응축물은 응축물 펌프(44)에 의해 도관(42)을 통해서 응축기(40)로부터 HRSG(32)로 공급된다. 이러한 예에서는 저압 증발기(46), 중간압 증발기(48) 및 고압 증발기(50)만이 도시되어 있으며, 다수의 절약 장치로 잘 이해되어 있는 것으로서, 과열기와 결합식 도관 빛 밸브가 HRSG에 통상적으로 제공되고, 본원 설명에 직접 관련이 없으므로 간단히 생략된다.1 is a schematic diagram of a combined cycle system having a prior art cooled cooling air system (hereinafter referred to as a CCA system) for cooling the extracted hot compressor air to cool the turbine and compressor portions. In the generator shown, a gas turbine system 10 is provided that includes a compressor 14, a combustion system 18, and a gas turbine expander 24, the steam turbine system of which is schematically shown at 34. . More specifically, the compressed air 16 generated as air 12 enters the axial flow compressor 14 enters the combustion system 18, where fuel is injected into the combustion system 18 so that combustion It is done. Combustion mixer 22 exits combustion system 18 and enters turbine 24. In the turbine section, the energy of the hot gas is converted to work. This conversion occurs in two stages, where the hot gas is expanded and a portion of the thermal energy is converted into kinetic energy in the nozzle section of the turbine. Then, in the bucket section of the turbine, part of the kinetic energy is transferred to the rotating bucket and converted into work. Thus, part of the work developed by the turbine drives the compressor 14, while the rest is used for example for a generator or mechanical load device 28. The exhaust gas 30 flows out of the turbine and flows into the heat recovery device. The heat recovery apparatus may take the form of any of a variety of known heat exchange systems, including, for example, other conventional multiple compressed heat recovery system generators (HRSG) 32. In the figure, the gas turbine system 10 and the steam turbine system 34 each drive a separate generator (or other load device) 28, 36. The steam turbine system 34 is combined with a conventional scheme with multiple compression HRSGs 32. Thus, steam 38 enters or exits steam turbine system 34, where steam turbine system 34 exhausts to condenser 40, and the condensate is conduit 42 by condensate pump 44. Is fed from the condenser 40 to the HRSG 32. In this example only low pressure evaporator 46, medium pressure evaporator 48 and high pressure evaporator 50 are shown and are well understood as a number of economizers, with superheaters and coupled conduit light valves typically provided to HRSGs. And are simply omitted because they are not directly relevant to the description herein.

상술한 바와 같이, 열은 HRSG(32)내로 주입된 가스 터빈 배기 가스(30)에 의해 HRSG(32)에 제공되며, HRSG(52)에서 유출되어 배기관(도시되지 않음)을 통과한다. 이러한 종래 시스템의 다른 설명은 CCA 시스템(54)의 결합 부분으로 제공된 이러한 구성요소를 일반적으로 한정할 것이다.As described above, heat is provided to the HRSG 32 by the gas turbine exhaust gas 30 injected into the HRSG 32 and exits the HRSG 52 and passes through an exhaust pipe (not shown). Other descriptions of such conventional systems will generally limit such components provided as a coupling part of the CCA system 54.

도시된 CCA 시스템(54)에서, 개략적으로 도시된 바와 같이 고온 압축기 공기는 도관(56)의해 예를 들어 850℉ 내지 900℉의 온도에서 추출되고, 솥형 보일러식 셀(shell) 및 튜브 열교환기에서 약 500℉ 내지 550℉으로 냉각된다. 솥형 보일러(58)는 셀 측면상의 풀의 물(62)내에 침지된 개략적으로 튜브로 도시된 U자형 튜브 다발(60)을 구비하며, 튜브내에는 고온의 압축기 공기를 구비한다. 튜브내의 고온 기류는 풀(62)에서의 급탕을 야기하며, 발생된 포화 증기(64)는 열 회수 증기 발전기(HRSG)(32)내의 중간 압축(IP) 증발기(48) 증기 드럼에 수용된다. IP 절약 장치 배출 물(66)은 보일러(58)의 셀에 수용되어 발생된 증기(64)를 구성한다. CCA 열교환기(58)에서 유출된 냉각된 공기(68)는, 개략적으로 도시된 바와 같이 도관(70, 72)에 의해 압축기 및/또는 터빈 부분을 위해 사용된다. 또한 공기 측면상의 측관(74)은 CCA 시스템(54)에서 유출된 공기 온도를 제어하기 위해 제공된다. CCA 시스템은 로우 시스템 공기 측면이 압력 강하하도록 설계되었으므로, 파워 사이클 열효율에 대해 2개의 통로 U자형 튜브 다발이 일반적으로 사용된다.In the illustrated CCA system 54, as shown schematically, the hot compressor air is extracted by a conduit 56 at a temperature of, for example, 850 ° F. to 900 ° F., and in a pot-type boiler shell and tube heat exchanger. Cooled to about 500 ° F. to 550 ° F. The pot-type boiler 58 has a U-shaped tube bundle 60, shown schematically as a tube, immersed in the water 62 of the pool on the side of the cell, with hot compressor air inside the tube. The hot air stream in the tube causes hot water in the pool 62, and the generated saturated vapor 64 is received in a medium compression (IP) evaporator 48 vapor drum in a heat recovery steam generator (HRSG) 32. The IP economizer discharge 66 constitutes the vapor 64 generated by being received in the cell of the boiler 58. Cooled air 68 exiting the CCA heat exchanger 58 is used for the compressor and / or turbine portion by conduits 70 and 72 as schematically shown. Side tubes 74 on the air side are also provided to control the air temperature exiting the CCA system 54. Since the CCA system is designed to pressure drop the low system air side, two passage U-shaped tube bundles are commonly used for power cycle thermal efficiency.

상술한 CCA 시스템에 관련하여 진보의 잠재 가능성이 있는 영역이 존재한다.There is a potential area of progress with respect to the CCA system described above.

상술한 2개의 통로 튜브 구조는 튜브 시트의 절반이 진입하는 고온 공기에 노출되고, 동시에 다른 절반은 공기 측면상의 열교환기에서 유출된 냉각된 공기에 노출되게 한다. 이것은 튜브 시트상의 높은 열응력을 초래한다. 단일 통로 솥형 보일러는 이러한 문제를 극복하며, 단일 통로 구조는 신뢰도와 관련된 셀 팽창 결합부 또는 활주 튜브 시트를 요구할 것이다.The two passage tube structure described above allows one half of the tube sheet to be exposed to the incoming hot air while the other half is exposed to the cooled air exiting the heat exchanger on the air side. This results in high thermal stress on the tube sheet. Single passage cooker boilers overcome this problem, and single passage construction will require cell expansion joints or slide tube sheets for reliability.

포화 증기내의 물의 초과 운반을 방지하기 위해서 그리고 물 풀내의 튜브가 노출되고 고온 공기 튜브가 물에 일시적으로만 노출되는 것을 방지하기 위해서 셀 측면상의 정확한 물 레벨 제어가 요구된다. 이와 관련하여, 드럼 레벨은 드럼내의 상이한 압력 측정과 드럼 물의 밀도 계산에 의해 일반적으로 계산된다. 그러나, 물의 급탕 풀내에 증기 거품이 있어서, 정확한 밀도 및 레벨 계산을 위해 회피율의 정확한 계산이 요구된다. 회피율의 계산은 이러한 형태의 응용, 특히 일시적인 상황에서 사용해 볼만하다.Accurate water level control on the side of the cell is required to prevent excess transport of water in saturated steam and to prevent the tubes in the water pool from being exposed and the hot air tubes being exposed to water only temporarily. In this regard, drum levels are generally calculated by measuring different pressures in the drum and calculating the density of the drum water. However, because there is steam bubbles in the hot water pool of water, accurate calculation of evasion rate is required for accurate density and level calculation. The calculation of evasion rate is useful for this type of application, especially in transient situations.

또한 하기에 설명되는 바와 같이, 공기 측면은 낮은 압력 강하가 낮도록 구성된다. 따라서, 튜브내의 공기의 속도가 낮으므로 공기 측면상의 열전달률은 낮아진다. 열교환기 크기는 낮은 열 전달 측면상의 연장된 표면(측면 날개와 같은)을 적용함으로써 유리하게 감소될 수 있다. 연장된 표면은 외측 튜브 표면상에 경제적으로 적용될 수 있다.As also described below, the air side is configured so that the low pressure drop is low. Therefore, the rate of heat transfer on the air side is low because the velocity of air in the tube is low. Heat exchanger size can be advantageously reduced by applying an extended surface (such as a side vane) on the low heat transfer side. The extended surface can be economically applied on the outer tube surface.

본 발명은 현대 가스 터빈 사이클에 적용하기 위한 CCA 시스템을 제공하여 상기에 확인된 바와 관련한 신뢰도, 제어 및 비용을 극복한다.The present invention provides a CCA system for application in modern gas turbine cycles, overcoming the reliability, control and cost associated with those identified above.

특히, 본 발명의 실시예에서 CCA 시스템은 셀 및 튜브 열교환기를 포함하여 물 유동은 튜브 내부에 제공되고 기류는 열교환기의 셀 측면상에 제공된다. 이와 같은 시스템에서, 열교환기에서 배출한 물은 부분적으로 증발된다. 따라서, 본 발명의 다른 특징으로서, 최종 2상 물/증기 유동은 분리기/플래시 드럼에 수용되어 증기 및 물은 분리된다. 분리기에서 유출된 포화 증기는 일반적으로 재순환 물 펌프에 의해 보다 높은 압력으로 펌핑된 이후에 HRSG로 유동한다.In particular, in an embodiment of the present invention the CCA system comprises a cell and tube heat exchanger, where water flow is provided inside the tube and air flow is provided on the cell side of the heat exchanger. In such a system, the water discharged from the heat exchanger is partially evaporated. Thus, as another feature of the invention, the final two-phase water / vapor flow is received in a separator / flash drum such that steam and water are separated. Saturated steam exiting the separator generally flows to the HRSG after being pumped to a higher pressure by a recycle water pump.

기류는 튜브 외측에 제공되기 때문에, 측면 날개식 튜브는 전체 열교환기 크기를 감소시킬 수 있다.Since airflow is provided outside the tube, the side winged tube can reduce the overall heat exchanger size.

본 발명은 압축된 공기를 발생시키기 위한 압축기와, 압축된 공기내의 연료를 연소하여 연소 공기를 발생시키기 위한 연소기와, 연소 공기를 팽창시켜 기계적 에너지 및 배기 가스를 발생시키기 위한 가스 터빈과, 배기 가스를 수납하기 위한 입구와, 배기 가스로부터 열을 제거하여 적어도 하나의 증기 유동을 발생시키기 위해 배기 가스의 유동 경로내에 순차적으로 위치된 다수의 구간을 구비하는 증기 발전기와, 적어도 하나의 증기 유동을 수납하기 위한 증기 터빈 시스템과, 그 일부를 냉각시키기 위하여 압축된 공기 부분을 압축기로부터 적어도 하나의 압축기와 가스 터빈으로 배향시키기 위한 냉각 기류 경로를 포함하며; 냉각 기류 경로는 압축된 공기 부분을 수납하고, 압축된 공기 부분으로부터 열을 제거하여 가열된 유체 유동 및 냉각된 압축 기류를 발생시키기 위한 열교환 시스템을 포함하며, 열교환 시스템은 압축된 공기 입구 및 압축된 공기 출구를 구비하는 챔버로서, 챔버내에 배치된 고온 압축된 공기와 열교환하기 위해 물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 튜브를 구비하는 챔버를 포함하는 복합 사이클 발전기로 구현된다.The present invention provides a compressor for generating compressed air, a combustor for combusting fuel in the compressed air to generate combustion air, a gas turbine for expanding combustion air to generate mechanical energy and exhaust gas, and exhaust gas. A steam generator having an inlet for accommodating the fuel cell, a plurality of sections sequentially positioned in the flow path of the exhaust gas to remove heat from the exhaust gas and to generate at least one vapor flow, and to receive at least one vapor flow. A steam turbine system for cooling and a cooling air flow path for directing a portion of the compressed air from the compressor to the at least one compressor and the gas turbine to cool a portion thereof; The cooling airflow path includes a heat exchange system for receiving the compressed air portion and removing heat from the compressed air portion to generate a heated fluid flow and a cooled compressed air stream, wherein the heat exchange system includes a compressed air inlet and a compressed air stream. A chamber having an air outlet, implemented as a combined cycle generator comprising a chamber having at least one tube for flowing water for heat exchange with hot compressed air disposed within the chamber.

또한, 본 발명은 압축 공기 입구 및 압축 공기 출구를 구비하는 챔버로서, 챔버내에 배치된 고온 압축 공기와의 열교환을 위해 물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 튜브를 구비하는, 챔버를 포함하는 열교환 시스템을 제공하는 단계와, 연료를 연소하여 고온 압축 공기, 기계적 에너지 및 배기 가스의 유동을 발생시키는 연소 터빈 시스템을 작동시키는 단계와, 냉각된 압축 공기 및 가열된 유체 유동을 발생시키기 위해 고온 압축된 공기의 일부를 열교환 시스템을 통해 배향시키는 단계와, 냉각된 압축 공기를 연소 터빈 시스템의 일부를 냉각시키도록 배향시키는 단계를 포함하는, 내연 기관 시스템, 열 회수 증기 발전기 및 증기 터빈 시스템을 구비하는 복합 사이클 발전기를 작동시키는 방법으로 구현된다.The invention also provides a heat exchange system comprising a chamber having a compressed air inlet and a compressed air outlet, the chamber having at least one tube for flowing water for heat exchange with hot compressed air disposed within the chamber. Providing a combustor, operating a combustion turbine system to combust the fuel to generate a flow of hot compressed air, mechanical energy and exhaust gas, and to generate cooled compressed air and heated fluid flow. A combined cycle generator having an internal combustion engine system, a heat recovery steam generator and a steam turbine system, comprising directing a portion through the heat exchange system and directing the cooled compressed air to cool a portion of the combustion turbine system. Is implemented in a way that works.

도 1은 종래의 냉각식 냉각 공기 시스템과 결합한 복합 사이클 발전기의 개략도,1 is a schematic diagram of a combined cycle generator in combination with a conventional cooled cooling air system,

도 2는 본 발명에 따른 냉각식 냉각 공기 시스템과 결합한 복합 사이클 발전기의 개략도.2 is a schematic diagram of a combined cycle generator in combination with a cooled cooling air system according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 연소 터빈 시스템14 : 압축기10 combustion turbine system 14 compressor

18 : 연소기24 : 가스 터빈18 combustor 24 gas turbine

32 : HRSG34 : 증기 터빈 시스템32: HRSG34: steam turbine system

48 : 제 2 구간50 : 제 1 구간48: second section 50: first section

154 : CCA 시스템(cooled cooling air system)154: cooled cooling air system

158 : 열교환기160 : 튜브 열교환기158: heat exchanger 160: tube heat exchanger

176 : 공기 입구178 : 공기 출구176: air inlet 178: air outlet

204 : 분리기206 : 밸브204 Separator 206 Valve

208 : 펌프208: Pump

본 발명이 계속된 설명은 본 발명의 실시예로서 제공되거나 또는 부가된 이러한 구성요소를 일반적으로 한정한다. 이하에서 도 1의 시스템의 대응하는 구성요소와 실질적으로 동일한 것으로 설명되지 않는 도 2에 도시된 참조 부호는 참조하기 위한 프레임을 제공하여 표시되어 있다. 도 1에 도시된 구성요소에 일반적으로 대응하는 구성 요소는 도 1에 사용된 구성요소와 동일한 참조부호로 표시되며 본 발명의 실시예에 따라 변경된 구성요소는 100이 증가되어 표시되어 있다.The following description of the invention generally defines such components provided or added as an embodiment of the invention. Reference numerals shown in FIG. 2, which are not described below as being substantially identical to corresponding components of the system of FIG. 1, are indicated by providing a frame for reference. Components generally corresponding to the components shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as the components used in FIG. 1, and components changed according to an embodiment of the present invention are displayed with an increment of 100.

본 발명에 따른 CCA 시스템(154)은 튜브 내부의 물 유동 및 셀 측면상의 기류에 대해 조절된 셀(158) 및 튜브 열교환기를 포함한다. 기류는 압축기로부터 추출되어 도관(156)을 통해 셀(158)내의 공기 입구(176)로 유동된다. 고온 압축된 공기는 열교환기(160) 사이에서 그것을 중심으로 유동하며, 최종 냉각된 공기는 출구(178)를 통해 유동한다. 냉각 공기는 냉각 공기로서 사용되기 위하여 유동 경로(170, 172)로 개략적으로 도시된 바와 같이 도관(168)을 통해 유동한다. 측관(174)은 도관(156 내지 168)으로 형성되어 냉각 공기 온도를 제어한다.The CCA system 154 according to the present invention includes a tube heat exchanger and a cell 158 that is adjusted for water flow inside the tube and airflow on the cell side. Airflow is extracted from the compressor and flows through the conduit 156 to the air inlet 176 in the cell 158. The hot compressed air flows around it between the heat exchangers 160 and the final cooled air flows through the outlet 178. Cooling air flows through conduit 168 as shown schematically in flow paths 170 and 172 for use as cooling air. Side tubes 174 are formed of conduits 156-168 to control the cooling air temperature.

도시된 실시예에서, 물은 참조부호(200)에서 작은 보조 냉각(즉, 포화 온도보다 낮은)을 갖는 열교환기로 진입하고, 열교환기에서 부분적으로(10% 내지 20% 질량비) 증발된다. 그 후, 최종 2상 물/증기 유동(202)은 증기와 물이 분리되는 분리기/플래시 드럼(204)으로 수용된다. 분리된 증기(164)는 분리기에서 유출되어 HRSG(32)내의 IP 증발 드럼에 수용된다. IP 절약 장치 배출 물(166)은 분리기에 수용되어 발생된 증기를 구성하며, 이러한 물 유동은 분리기(204)내의 일정한 레벨을 유지하기 위하여 예를 들면 밸브(206)에 의해 제어된다.In the illustrated embodiment, water enters a heat exchanger with a small secondary cooling (ie, lower than saturation temperature) at 200 and is partially evaporated in the heat exchanger (10% to 20% mass ratio). The final two-phase water / vapor flow 202 is then received into a separator / flash drum 204 where steam and water are separated. Separated vapor 164 exits the separator and is received in an IP evaporation drum in HRSG 32. IP economizer discharge 166 constitutes the steam generated received in the separator, and this water flow is controlled by, for example, valve 206 to maintain a constant level in separator 204.

분리기 물(162)는 재순환 물 펌프(208)에 의해 보다 높은 압력으로 펌핑되고, 상술한 바와 같이 참조부호(200)에서 열교환기(158)로 수용된다. 펌프 배출 압력은 순환 물 시스템 압력 강하를 극복하도록 선택된다.Separator water 162 is pumped to higher pressure by recycle water pump 208 and is received as heat exchanger 158 at 200 as described above. The pump discharge pressure is selected to overcome the circulating water system pressure drop.

튜브 외측의 기류는 전체 열교환기 크기를 감소시키기 위해서 측면 날개식 튜브(상세히 도시되지 않음)를 사용하게 한다. 예를 들면, 펌프(208)인 여분의 펌프가 사용되어 시스템의 신뢰도가 증가한다. 수직방향 분리기(204)가 도 2에 도시되어 있음에도 불구하고, 열교환기의 상부상에 수평방향 분리가 적층될 수 있는 부가된 장점에 의해서 이러한 실시예에 대해 수평방향 분리기가 사용될 수도 있다.Airflow outside the tube allows the use of side vane tubes (not shown in detail) to reduce the overall heat exchanger size. For example, an extra pump, which is the pump 208, is used to increase the reliability of the system. Although the vertical separator 204 is shown in FIG. 2, the horizontal separator may be used for this embodiment with the added advantage that horizontal separation can be stacked on top of the heat exchanger.

예시적인 실시예에서, 재순환 물 서킷내의 물 유동 속도는 부품 부하 작동을 포함하는 전체 가스 터빈 작동 방식에 대해 일정한 속도로 유지된다. 물 유동 속도(일정)는 최대 튜브 측면 물 증발이 전체 가스 터빈 작동 엔벌로프(envelope)에 대해 대략 10% 내지 20%(즉, 순환비가 5:1 내지 10:1 사이인)로 한정되도록 선택된다.In an exemplary embodiment, the water flow rate in the recycle water circuit is maintained at a constant rate for the entire gas turbine operating mode, including part load operation. The water flow rate (constant) is selected such that the maximum tube side water evaporation is limited to approximately 10% to 20% (ie, the circulation ratio is between 5: 1 to 10: 1) over the entire gas turbine operating envelope. .

유동 시스템 전반에 걸쳐 본원에 제안된 시스템 구조 및 제어의 핵심 특징/장점은 다음과 같다. 튜브 측면상에 물을 제공하는 것은 솥형 보일러 구조에서 튜브내에 물이 유동할 때 조우하는 튜브 시트 온도 기울기를 제거한다. 튜브 시트의 튜브 측면상의 온도 증가는 10℉보다 작으며, 열교환기의 기류 측면상의 고온 강하는 전체 튜브 시트 전반에 걸쳐 퍼진다. 따라서, 튜브 시트상의 응력은 상당히 감소하며 구성요소의 수명 및 신뢰도는 증가할 것이다.Key features / advantages of the system architecture and control proposed herein throughout the flow system are as follows. Providing water on the tube side eliminates the tube sheet temperature gradient encountered when water flows in the tube in the pot-like boiler structure. The temperature increase on the tube side of the tube sheet is less than 10 ° F. and the high temperature drop on the airflow side of the heat exchanger spreads throughout the entire tube sheet. Thus, the stress on the tube sheet is significantly reduced and the life and reliability of the component will increase.

도시된 시스템내의 물 레벨 제어는 급탕이 이뤄지지 않으며 따라서 물을 급탕하는 풀내에서 조우하는 회피율의 불확실성 없이 물의 밀도를 확실히 계산할 수 있는 분리기(204)내에 있다. 이것은 상이한 압력 측정으로부터의 물 레벨의 계산과 레벨 제어를 정확하게 한다. 정확한 레벨 제어가 가능한 반면에, 열교환기 튜브가 종래의 솥형 보일러에서와 같이 물에 침지되지 않기 때문에 제안된 시스템 구조에서는 그다지 중요하지 않다는 것에 주의해야 한다.The water level control in the system shown is in separator 204, where hot water is not achieved and therefore it is possible to reliably calculate the density of the water without the uncertainty of the avoidance rate encountered in the water hot water pool. This makes the level control and level control accurate from different pressure measurements. While accurate level control is possible, it should be noted that the heat exchanger tube is not very important in the proposed system structure because it is not immersed in water as in conventional pot boilers.

상술한 바와 같이, 본원에 개시된 제어 방법은 가스 터빈의 모든 작동에 대한 재순환 물 서킷내의 일정한 물 유동 속도를 유지함으로써 시스템의 제어를 상당히 단순화한다.As mentioned above, the control method disclosed herein significantly simplifies the control of the system by maintaining a constant water flow rate in the recirculating water circuit for all operations of the gas turbine.

셀 측면상의 기류는 연장된 표면 튜브, 즉 측면 날개를 사용하게 함으로써 열교환기의 크기 및 시스템 비용을 감소시킨다.The airflow on the cell side reduces the size and system cost of the heat exchanger by allowing the use of extended surface tubes, ie side vanes.

시스템의 설명이 상기에서 CCA 시스템에 의해 IP 증기(164)를 발생시키는 것으로 언급됨에도 불구하고, 시스템은 HP 증기 EH는 LP 증기에 대해 사용될 수 있다. 발생된 증기의 압력 레벨은 개별적인 적용예에 대해 요구되는 공기 온도(CCA열교환기의 내부/외부)에 의해 결정될 것이다.Although the description of the system is referred to above as generating the IP vapor 164 by the CCA system, the system can be used for LP vapor EH vapor. The pressure level of steam generated will be determined by the air temperature (inside / outside of the CCA heat exchanger) required for the individual application.

도시된 조립체는 CCA 시스템에 적용될 수 있는 발전기의 일 실시예일 뿐이라는 것은 이해될 것이다. 이와 관련하여, 복합 사이클 시스템은 도시된 다중 샤프트 구조보다 단일 샤프트상의 단일 발전기에 세로 연결로 배열될 수 있는 다중 압력 재가열 복합 사이클 및/또는 가스 터빈, 증기 터빈 및 발전기일 수 있다.It will be appreciated that the illustrated assembly is only one embodiment of a generator that can be applied to a CCA system. In this regard, the combined cycle system may be a multiple pressure reheating combined cycle and / or gas turbine, steam turbine and generator that may be arranged in a longitudinal connection to a single generator on a single shaft rather than the multiple shaft structure shown.

본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 실시예로써 현재 인식되고 있는 것과 관련해 기술되었으나 본 발명은 상술한 실시예에 국한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허 청구 범위의 사상 및 범위내에 포함되는 여러 변경 및 동등한 배열을 포함하고자 한다는 것은 이해될 것이다.Although the present invention has been described in terms of what is currently recognized as the most practical and preferred embodiment, the invention is not limited to the above-described embodiments, but rather includes several modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It will be understood.

본 발명에 따르면 현대 가스 터빈 사이클에 적용하기 위한 CCA 시스템을 제공하여 상기에 확인된 바와 관련한 신뢰도, 제어 및 비용을 극복하는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of overcoming the reliability, control and cost associated with the above identified by providing a CCA system for application in modern gas turbine cycles.

Claims (11)

복합 사이클 발전기에 있어서,In a combined cycle generator, 압축된 공기(16)를 발생시키기 위한 압축기(14)와, 상기 압축된 공기내에서 연료(20)를 연소시켜 연소 공기(22)를 발생시키기 위한 연소기(18)와, 상기 연소 공기를 팽창시켜 기계적 에너지 및 배기 가스(30)를 발생시키기 위한 가스 터빈(24)을 구비하는 연소 터빈 시스템(10)과,A compressor (14) for generating compressed air (16), a combustor (18) for generating combustion air (22) by burning fuel (20) in the compressed air, and expanding the combustion air A combustion turbine system 10 having a gas turbine 24 for generating mechanical energy and exhaust gas 30, 상기 배기 가스(30)를 수납하기 위한 입구와, 상기 배기 가스로부터 열을 제거하여 적어도 하나의 증기 유동(38)을 발생시키기 위해 상기 배기 가스의 유동 경로내에 순차적으로 위치된 다수의 구간을 구비하는 증기 발전기(32)와,An inlet for receiving the exhaust gas 30 and a plurality of sections sequentially located in the flow path of the exhaust gas to remove heat from the exhaust gas to generate at least one vapor flow 38. A steam generator 32, 상기 적어도 하나의 증기 유동을 수납하기 위한 증기 터빈 시스템(34)과,A steam turbine system 34 for receiving the at least one steam flow, 그 일부를 냉각시키기 위하여 압축된 공기 부분(156)을 상기 압축기(14)로부터 적어도 하나의 상기 압축기(14)와 상기 가스 터빈(24)으로 배향시키기 위한 냉각 기류 경로를 포함하며;A cooling air flow path for directing a portion of the compressed air (156) from the compressor (14) to the at least one compressor (14) and the gas turbine (24) to cool a portion thereof; 상기 냉각 기류 경로는 상기 압축된 공기 부분을 수납하기 위한 및 상기 압축된 공기 부분으로부터 열을 제거하여 가열된 유체 유동(202) 및 냉각된 압축 기류(168)을 발생시키기 위한 열교환 시스템(154)을 포함하며, 상기 열교환 시스템은 압축된 공기 입구(176) 및 압축된 공기 출구(178)를 구비하는 챔버(158)로서 상기 챔버내에 배치된 고온 압축된 공기와 열교환하기 위해 물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 튜브(160)를 구비하는 상기 챔버(158)를 포함하는The cooling airflow path includes a heat exchange system 154 for receiving the compressed air portion and for removing heat from the compressed air portion to generate a heated fluid flow 202 and a cooled compressed air stream 168. Wherein the heat exchange system is a chamber 158 having a compressed air inlet 176 and a compressed air outlet 178, and at least one for flowing water for heat exchange with hot compressed air disposed within the chamber. The chamber 158 having a tube 160 of 복합 사이클 발전기.Combined cycle generator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다수의 구간은 제 1 구간(50) 및 제 2 구간(48)을 포함하며, 상기 제 1 구간은 상기 제 2 구간에서 보다 높은 압력으로 증기 유동을 발생시키는The plurality of sections includes a first section 50 and a second section 48, wherein the first section generates a vapor flow at a higher pressure in the second section. 복합 사이클 발전기.Combined cycle generator. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 열교환 시스템에 의해 발생된 상기 가열 유체 유동(202)의 적어도 일부를 상기 제 2 구간(48)으로 유동시키기 위한 제 1 도관(164)을 더 포함하는And further comprising a first conduit 164 for flowing at least a portion of the heating fluid flow 202 generated by the heat exchange system into the second section 48. 복합 사이클 발전기.Combined cycle generator. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 공급 물을 상기 제 2 구간(48)으로부터 상기 열교환기(154)로 공급하기 위한 제 2 도관(166)을 더 포함하는A second conduit 166 for supplying feed water from the second section 48 to the heat exchanger 154. 복합 사이클 발전기.Combined cycle generator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 적어도 하나의 튜브(160)는 증가된 열교환을 위한 측면 날개식 튜브인The at least one tube 160 is a side winged tube for increased heat exchange 복합 사이클 발전기.Combined cycle generator. 복합 사이클 발전기에 있어서,In a combined cycle generator, 기계적 에너지(28)와 고온 배기 가스(30)를 발생시키기 위해 연료(20)를 연소시키도록 작동 가능한 연소 터빈(10)과,A combustion turbine 10 operable to combust fuel 20 to generate mechanical energy 28 and hot exhaust gas 30, 다수의 구간(48, 50)을 구비하며, 상기 고온 배기 가스를 수납하도록 및 증기(38)를 다수의 압력으로 발생시키도록 작동 가능한 열 회수 증기 발전기(32)와,A heat recovery steam generator (32) having a plurality of sections (48, 50), operable to receive the hot exhaust gas and to generate steam (38) at a plurality of pressures; 상기 증기(38)를 수납하고, 상기 기계적 에너지(36)를 발생시키도록 작동 가능한 증기 터빈(34)과,A steam turbine 34 operable to receive the steam 38 and generate the mechanical energy 36; 압축된 공기 부분(154)을 그 일부를 냉각하기 위해 압축기(14)로부터 상기 연소 터빈(10)으로 배향시키기 위한 냉각 기류 경로를 포함하며;A cooling air flow path for directing the compressed air portion 154 from the compressor 14 to the combustion turbine 10 to cool a portion thereof; 상기 냉각 기류 경로는 상기 압축된 공기 부분(156)을 수납하기 위한 및 상기 압축된 공기 부분(156)으로부터 열을 제거하여 가열된 유체 유동(202)과 냉각된 압축 기류(168)를 발생시키기 위한 열교환 시스템(154)을 포함하며, 상기 열교환 시스템은 압축된 공기 입구(176) 및 압축된 공기 출구(178)를 구비하는 챔버(158)로서, 상기 챔버내에 배치된 고온 압축 공기와의 열교환을 위해 유체를 유동시키기 위한 적어도 하나의 튜브(160)를 구비하는, 상기 챔버(158)를 포함하는The cooling airflow path is for receiving the compressed air portion 156 and for removing heat from the compressed air portion 156 to generate a heated fluid flow 202 and a cooled compressed air stream 168. A heat exchange system 154, which is a chamber 158 having a compressed air inlet 176 and a compressed air outlet 178, for heat exchange with hot compressed air disposed within the chamber. Comprising the chamber 158, having at least one tube 160 for flowing a fluid 복합 사이클 발전기.Combined cycle generator. 연소 터빈 시스템(10)과, 열 회수 증기 발전기(32)와, 증기 터빈 시스템(34)을 구비하는 복합 사이클 발전기를 작동시키는 방법에 있어서,In a method of operating a combined cycle generator comprising a combustion turbine system 10, a heat recovery steam generator 32, and a steam turbine system 34, 압축 공기 입구(176) 및 압축 공기 출구(178)를 구비하는 챔버(158)와, 상기 챔버내에 배치된 고온 압축 공기와의 열교환을 위해 물을 유동시키기 위한 적어도 하나의 튜브(160)를 구비하는 열교환 시스템(154)을 제공하는 단계와,A chamber 158 having a compressed air inlet 176 and a compressed air outlet 178 and at least one tube 160 for flowing water for heat exchange with hot compressed air disposed within the chamber. Providing a heat exchange system 154, 연료(20)를 연소시켜 고온 압축 공기(156, 16), 기계적 에너지(28) 및 배기 가스(30)의 유동을 발생시키도록 상기 연소 터빈 시스템(10)을 작동시키는 단계와,Operating the combustion turbine system 10 to combust fuel 20 to generate a flow of hot compressed air 156, 16, mechanical energy 28 and exhaust gas 30; 냉각된 압축 공기(168) 및 가열된 유체 유동(202)을 발생시키기 위해 상기 고온 압축된 공기의 일부(156)를 상기 열교환 시스템(154)을 통해 배향시키는 단계와,Orienting a portion 156 of the hot compressed air through the heat exchange system 154 to generate cooled compressed air 168 and heated fluid flow 202; 상기 냉각된 압축 공기(168)를 상기 연소 터빈 시스템(10)의 일부를 냉각시키도록 배향시키는 단계를 포함하는Orienting the cooled compressed air 168 to cool a portion of the combustion turbine system 10. 복합 사이클 발전기 작동 방법.How a combined cycle generator works. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 열 회수 증기 발전기(32)로부터 상기 열교환 시스템용 공급 물(166)을 제공하는 단계를 더 포함하는Providing the feed 166 for the heat exchange system from the heat recovery steam generator 32. 복합 사이클 발전기 작동 방법.How a combined cycle generator works. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 열 회수 증기 발전기(32)는 고압 구간(50), 중간압 구간(48) 및 저압 구간(46)을 구비하며, 공급 물을 제공하는 상기 단계는 상기 중간압 구간(48)으로부터 공급 물을 제공하는 단계를 포함하는The heat recovery steam generator 32 has a high pressure section 50, an intermediate pressure section 48 and a low pressure section 46, wherein the step of providing the feed water is supplied from the medium pressure section 48 Comprising the steps of providing 복합 사이클 발전기 작동 방법.How a combined cycle generator works. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 열교환 시스템은 상기 가열된 유체 유동(202)을 물(162)과 제 1 증기 유동(164)으로 분리하기 위한 유동 분리기(204)를 더 포함하며, 상기 물(162)을 상기 챔버내의 상기 튜브(160)에 재순환시키는 단계를 더 포함하는The heat exchange system further includes a flow separator 204 for separating the heated fluid flow 202 into water 162 and a first vapor flow 164, and separating the water 162 into the tube in the chamber. Further comprising recycling to 160 복합 사이클 발전기 작동 방법.How a combined cycle generator works. 제 10 항에 있어서,The method of claim 10, 상기 제 1 증기 유동(164)을 상기 열 회수 증기 발전기(32)의 상기 중간압 구간(48)으로 배향시키는 단계를 더 포함하는Directing the first steam flow 164 to the intermediate pressure section 48 of the heat recovery steam generator 32. 복합 사이클 발전기 작동 방법.How a combined cycle generator works.
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KR100885588B1 (en) * 2004-03-30 2009-02-24 누터/에릭슨 인코퍼레이티드 Apparatus and process for detecting condensation in a heat exchanger

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