KR20060125677A - 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템 및촉매연소를 이용하는 방법 - Google Patents

배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템 및촉매연소를 이용하는 방법 Download PDF

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KR20060125677A
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알렉산더 에이. 벨로콘
조지 엘. 3세 터치튼
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엠이에스 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

촉매연소를 이용하며 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템 및 그와 연관되는 방법에 있어서, 연소기 입구 온도는 전체 부하로부터 부분 부하까지, 그리고 고온일기로부터 저온 일기 조건까지의 광범위한 작동 조건에서 촉매작용에 필요한 최저 온도 위로 유지되도록 제어될 수 있다. 연료는 터빈으로부터 공기 및 배기가스의 일부분과 함께 컴프레서를 통과한다. 연소기 입구 온도를 제어하기 위해 재순환되는 배기가스 유동량이 제어된다.
촉매연소, 촉매산화, 배기가스재생, 가스터빈, 연소기, 온도 제어, 컴프레서

Description

배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템 및 촉매연소를 이용하는 방법 {RECUPERATED GAS TURBINE ENGINE SYSTEM AND METHOD EMPLOYING CATALYTIC COMBUSTION}
본 발명은 촉매연소가 이용되는 배기가스재생기를 구비한(recuperated) 가스터빈 엔진 시스템에 관한 것이다.
가스터빈 엔진 시스템으로부터 배출되는 산화질소(NOx)의 가능성 수준을 있게 낮추는 데 있어서, 연소 또는 산화에 촉매처리를 이용하는 것이 공지되어 있다. 연료의 화학적 에너지를 변환물의 열에너지로 변환시키는 공정은 다양하다. 그 주요 공정은, 1) 기상연소, 2) 촉매연소, 3) 촉매산화이다. 또한 촉매산화 후에 기상연소 단계가 후속되는 공정과 같은 조합된 공정(카타서멀(cata-thermal)이라고도 함)도 있다. 촉매산화에서, 공기-연료 혼합물은 촉매가 존재할 때 산화된다. 촉매처리에서, 촉매는 산화가 일어나는 온도가 비촉매연소 온도에 비해 낮아질 수 있도록 한다. 산화온도가 낮아지면 NOx의 생성이 감소된다. 촉매산화에서는 모든 반응이 촉매 표면에서 일어나며, 국부적으로 고온이 발생되지 않아서 NOx가 생성될 가능성이 낮다. 촉매연소 또는 카타서멀에서, 반응의 일부는 기상에서 일어나서 국부적인 온도를 상승시킴으로써 NOx가 생성될 가능성을 높인다. 촉매산화를 이용 하면, 최적의 촉매산화 조건에서 1ppm 미만의 NOx 수준이 얻어질 수 있으며, 이러한 낮은 수준은 종래의 비촉매연소, 촉매연소, 또는 카타서멀연소에서는 얻어질 수 없다. 본 명세서에서, 용어 "촉매 연소기"는 촉매를 이용하는, 바람직하게는 촉매산화를 이용하는 임의의 연소기를 지칭하는 것으로서 사용된다.
촉매 연소기에 이용되는 촉매는 임의의 온도 조건에서 가장 양호하게 작용하려는 경향이 있다. 특히, 일반적으로 최저 온도가 있어서 그 이하에서는 촉매가 기능을 하지 않는다. 예를 들어, 팔라듐 촉매는 천연가스가 연료인 경우에 공기-연료 혼합물에 대한 연소기 입구의 온도가 800K 이상이어야 한다. 또한, 촉매연소는, 탄화수소 연료의 완전 산화를 위해 제공되어야 하는 물리적 반응면이 연소기 입구의 온도 저하에 따라 증가되며, 이러한 증가는 연소기의 비용을 상승시키고 전체적인 설계를 복잡하게 만드는 단점을 갖는다. 연소기 입구의 비교적 높은 온도에 대한 필요성은, 왜 가스터빈 엔진 시스템에서 일반적으로 촉매연소, 특히 촉매산화가 광범위하게 얻어지지 않는가 하는 것에 대한 주된 이유 중의 하나이다. 보다 구체적으로, 연소기 입구의 이러한 높은 온도는, 배기가스재생 사이클이 채용되지 않는 한, 약 40 미만의 컴프레서 압축비로 작동되는 가스터빈에서는 일반적으로 얻어질 수 없다. 배기가스재생 사이클에서, 공기-연료 혼합물은 연소 전에 터빈 배기가스와의 열교환에 의해 예열된다. 따라서, 배기가스재생은 적어도 일부의 조건 하에서 적절한 촉매작용을 위해 필요한 연소기 입구 온도를 얻도록 도움을 줄 수 있다. 그러나, 배기가스재생에도 불구하고 연소기 입구에서 필요한 최저 온도가 여전히 얻어지지 않는 작동 조건이 흔하다.
예를 들어, 배기가스재생이 소형 가스터빈에 적용되는 경우, 배기가스재생기 소재의 온도 제한은 공기 또는 공기-온도 혼합물의 최고 온도를 제한할 수 있다. 예로서, 종래의 배기가스재생기의 소재에서, 배기가스재생기의 안전한 최고 작동 온도는 약 900K일 수 있으며, 따라서 공기-연료 혼합물의 얻어질 수 있는 최고 온도는 약 800 내지 850K이다. 이러한 온도 범위는 일부 종류의 촉매에 대한 최저 촉매작용 온도보다 높기 때문에, 100% 부하 및 표준적인 날(standard-day)의 분위기 조건과 같은 특정한 작동 조건에서는 촉매연소가 적절하게 작동될 수 있다. 그러나, 부분 부하 및/또는 저온의 분위기 조건과 같은 다른 작동 조건에서는 연소기 입구 온도가 최저 온도 이하로 떨어질 수 있다.
이러한 문제를 극복하여 소형 가스터빈 엔진 시스템에서 촉매산화의 낮은 NOx 가능성을 실현할 필요가 있다. 또한, 촉매처리에 의해 다른 이점을 얻을 수 있다. 이들 처리는 매립지 가스, 혐기성 폐기물 가스, 천연가스, 및 메탄을 포함하며, 이것에만 한정되지는 않는 기상 탄화수소 연료의 가연성 한계를 확장시킨다. 따라서, 상기 처리는 종래의 연소에 비해 훨씬 묽은 연료/공기 비율에서도 일어날 수 있다. 이로써, 연료 기체가 압축 공정 전이나 압축 공정 중에 공기와 혼합되어, 연소기에 균일한 연료-공기 혼합물이 들어갈 수 있게 된다. 이를 통해, 특히 소형 가스터빈에 있어서 비용이 매우 높은 연료 기체 컴프레서가 제거될 수 있다. 연료 기체 컴프레서는 통상 $600∼$900/㎾인 엔진의 비용을 $60/㎾ 이상 상승시킨다. 또한, 연료 기체 컴프레서는, 엔진을 작동시키기 위한 오일, 필터, 기계적 또는 전기적 소모품의 유지보수 비용이 추가되기 때문에, 엔진의 신뢰성 및 유용성을 떨어뜨린다.
본 발명은, 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템, 및 촉매산화 또는 촉매연소 또는 카타서멀 연소를 이용하는 방법을 제공함으로써, 상기 요구를 충족시키고 다른 장점을 얻고자 하는 것으로, 연소기 입구 온도가 제어되어 촉매작용에 필요한 최저 온도를 유지하고, 또한 완전 부하로부터 부분 부하까지, 그리고 고온 환경으로부터 저온 환경까지의 광범위한 작동 조건 범위에서 연료/공기 비율이 최적화된다.
본 발명의 방법에 따르면, 가스터빈 엔진을 작동시키는 방법은, 컴프레서에서 공기를 압축하는 단계, 공기-연료 혼합물을 제조하기 위해 연료를 상기 컴프레서에서 압축된 공기와 혼합하는 단계, 고온의 연소가스를 생성하기 위해 상기 공기-연료 혼합물을 촉매 연소기에서 연소시키는 단계, 기계적 동력을 생성하고 상기 기계적 동력을 이용하여 상기 컴프레서를 구동시키기 위해 상기 연소가스를 터빈에서 팽창시키는 단계, 및 상기 터빈으로부터 배기가스를 공기-연료 혼합물이 상기 배기가스와의 열교환에 의해 예열되도록 하는 배기가스재생기를 통과시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 상기 배기가스의 일부분을 상기 터빈으로부터 상기 컴프레서로 보내는 단계를 더 포함한다. 연료는 또한 공기 및 배기가스의 일부분과 함께 컴프레서를 통과한다. 배기가스의 재순환은 연소기 입구의 온도를 상기 배기가스의 재순환이 없을 때보다 상승시킨다. 결국, 연소기에는 출력, 최대효율, 및 최소공해에 대하여 최적화된 공기, 연료, 및 배기가스의 혼합물이 들어간다.
공기, 연료, 및 배기가스의 혼합은 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 배기가스와 연료의 혼합은 컴프레서의 상류에서 이루어지고, 혼합된 배기가스 및 연료는 공기와 별도로 컴프레서로 들어간다. 또는, 연료와 공기의 혼합의 적어도 일부는 컴프레서의 상류에서 이루어지고, 혼합된 연료 및 공기는 배기가스와 별도로 컴프레서로 들어갈 수 있다. 또는, 공기, 연료, 및 배기가스가 각자 별도로 컴프레서로 들어가고, 혼합은 컴프레서 또는 상기 컴프레서와 다른 구성요소가 연결되는 통로에서 일어난다.
본 발명에 따르면, 컴프레서로 들어가는 배기가스의 유동량은 엔진과 연관되는 하나 이상의 파라미터에 따라 제어되며, 이들 파라미터 중 하나는 연료/공기 비율이다. 예를 들어, 상기 제어 단계는, 연소기 입구 온도가 소정의 필요 최저 온도보다 높아서 적절한 촉매연소가 이루어지도록, 측정된 연소기 입구 온도에 따라 상기 유동량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 방식에서, 상기 컴프레서로 들어가는 배기가스의 유동량은 주위 온도 및/또는 상대적인 엔진 부하의 변화를 보상하도록 최적화될 수 있다.
상기 컴프레서로 들어가는 배기가스의 일부분은 배기가스재생기 하류의 일 지점에 남아있는 배기가스와 분리될 수 있다. 이 경우, 재순환되는 배기가스의 온도는 배기가스재생기를 통과함으로써 낮아지게 된다. 또는, 상기 컴프레서로 들어가는 배기가스의 일부분은 재순환되는 배기가스가 배기가스재생기를 우회하도록 상기 배기가스재생기 상류의 일 지점에 남아있는 배기가스와 분리될 수 있다. 이러한 구성에서, 컴프레서로 들어가는 재순환 배기가스의 온도는 높아지게 되고, 따라서 재순환된 배기가스의 유동량은 전술한 구성에 비해 낮아질 수 있다.
본 발명에 따른, 촉매연소를 이용하며 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템은, 공기를 수용하여 압축하는 컴프레서, 상기 압축된 공기 및 연료의 혼합물이 상기 컴프레서로부터 배출되도록 상기 컴프레서에 연료를 공급하는 연료 시스템, 고온의 연소가스가 생성되도록 상기 혼합물을 연소시키는 촉매 연소기, 상기 연소가스를 수용하고 팽창시켜서 상기 컴프레서를 구동시키는 기계적 동력을 생성하도록 하는 터빈, 상기 터빈으로부터 배출되는 배기가스 및 상기 컴프레서로부터 배출되는 혼합물을 수용하여 서로 열교환을 일으킴으로써 상기 혼합물이 상기 촉매 연소기로 들어가기 전에 예열되도록 하는 배기가스재생기, 및 상기 컴프레서로부터 배출된 혼합물의 온도가 상기 배기가스에 의해 상승됨으로써 상기 촉매 연소기의 입구 온도가 상승되도록 터빈 배기가스의 일부분을 상기 컴프레서로 들어가도록 하는 재순환 시스템을 포함한다.
상기 재순환 시스템은, 상기 컴프레서로 들어가는 배기가스의 유동량을 가변적으로 조절하도록 제어 가능한 밸브, 및 상기 밸브와 연결되는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템에는 연료/공기 비율의 지시 파라미터 및 연소기 입구 온도를 측정하는 센서가 연결될 수 있으며, 상기 제어 시스템은 상기 연소기 입구 온도가 상기 촉매연소의 적절한 작동에 필요한 소정의 최저 온도를 초과하여 상기 측정된 연료/공기 비율에 대하여 최적의 온도가 되도록 상기 밸브를 제어할 수 있다. 상기 밸브는 배기가스재생기의 상류 또는 하류에 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스재생 엔진 시스템은 소형 발전 시스템을 포함하는 여러 응용에 이용될 수 있다. 따라서, 발전기가 상기 터빈에 의해 구동되도록 배치될 수 있다.
상기 시스템은 싱글-스풀 터빈 엔진에 한정되지 않고, 멀티-스풀 엔진 또는 싱글-스풀 엔진의 조합 시스템에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 장점은 촉매산화 처리에서 극대화되지만, 촉매를 이용하는 모든 처리에서도 유리하다.
도 1은 종래 기술에 따른 터빈 엔진 시스템의 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 엔진 시스템의 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 터빈 엔진 시스템의 다이어그램이다.
도 4는 컴프레서 입구에서 배기가스가 혼합되지 않는 종래 기술의 터빈 엔진 시스템과, 컴프레서 입구에서 배기가스가 혼합되는 본 발명에 따른 터빈 엔진 시스템 모두에 대하여, 상대 부하로서 작용하는 터빈 입구 온도, 연소기 입구 온도, 효율, 및 컴프레서 입구 온도의 모델 연산을 나타내는 그래프이다.
도 5A는 연료와 배기가스가 혼합되어 공기와 별도로 컴프레서로 이송되어 공기와의 혼합이 컴프레서에서 전체적으로 일어나는, 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5B는 공기와 연료가 컴프레서로 이송되기 전에 혼합되고, 배기가스는 별도로 컴프레서로 이송되는 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5C는 공기, 연료, 및 배기가스가 모두 별도로 컴프레서로 이송되어 혼합 되는 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 모두는 아니지만 몇몇 실시예를 나타내는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
실제로, 이들 실시예의 발명은 여러 상이한 형태로 구현되며, 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것으로 구성되어서는 안 되며, 이들 실시예는 본 명세서가 법적 요구사항을 만족하도록 제공된다는 것을 이해하여야 한다. 동일한 부재에는 동일한 참조부호를 부여하였다.
도 1에는 촉매연소를 이용하며 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진에 의해 구동되는 종래 기술의 발전 시스템(10)이 도시되어 있다. 이 시스템은 컴프레서(14), 상기 컴프레서를 구동시키도록 샤프트(18)에 의해 연결되는 터빈(16), 및 촉매 연소기(20)를 구비하는 가스터빈 엔진을 포함한다. 상기 시스템은 또한 컴프레서에서 배출되는 유체를 위한 하나 이상의 통로(24)를 가지며 터빈 배기가스를 위한 하나 이상의 통로(26)와 열전달 관계를 가지고 배치되는 열교환기 또는 배기가스재생기(22)를 포함한다. 상기 시스템은 또한 공기 및 연료를 함께 공급하고 혼합하며 이들 혼합물을 컴프레서(14)로 이송하는 장치(28)를 포함한다.
압축된 공기-연료 혼합물은 배기가스재생기(22)에서 예열되어, 연소가 일어나는 촉매 연소기(20)로 이송된다. 연소기로부터 배출되는 고온의 연소가스는 기계적 동력을 생성하기 위해 상기 고온 가스를 팽창시키는 터빈(16)으로 보내지며, 이렇게 생성된 동력은 샤프트(18)에 의해 컴프레서(16)로 전달된다. 샤프트에는 발전기(30)도 링크되어 부하에 대하여 공급할 전류를 생산하도록 구동된다.
도 1에 도시한 시스템에서, 상기 엔진 부품은, 비교적 높은 엔진 부하 및 표준 일기 조건에서, 촉매 연소기(20)로 이송되는 공기-연료 혼합물의 온도가 촉매반응의 적절한 작동에 필요한 최저 온도 또는 그 이상이 되도록 설계되는 것이 가능하다. 가장 널리 사용되는 팔라듐 촉매는 최소한 800K의 연소기 입구 온도를 필요로 한다. 그러나, 낮은 부하 및/또는 저온의 분위기 조건에서는, 연소기 입구 온도가 상기 최저 온도 아래로 떨어질 수 있다. 도 4의 점선은 도 1에 나타낸 종래 기술의 사이클 유형에 대한 상대 부하로서 작용하는 여러 가지 열역학적 변수의 모델 연산을 나타낸다. 100% 부하 조건에서, 연소기 입구 온도는 약 850K이지만, 약 80% 부하에서는 상기 최저 온도가 800K로 떨어진다. 이러한 저부하에서는, 연소기 입구 온도가 촉매 연소기의 적절한 작동을 유지하기에 지나치게 낮다.
본 발명은 이러한 문제를 극복하는 가스터빈 엔진 시스템 및 그 방법을 제공한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 엔진 시스템에 의해 구동되는 발전기 시스템을 나타낸다. 발전기(30)는, 전술한 것과 같은 컴프레서(14), 터빈(16), 샤프트(18), 및 촉매 연소기(20)를 구비하는 터빈 엔진(12)에 의해 구동된다. 전술한 바와 같이, 공기-연료 혼합물을 연소기에 투입하기 전에 예열하기 위한 배기가스재생기(22)가 채용된다.
그러나, 연소기 입구 온도는 컴프레서에 터빈 배기가스의 일부분이 투입됨으로써 조절된다. 배기가스는 컴프레서로 들어가는 주위 공기보다 실질적으로 온도가 높으며, 이로 인해 컴프레서를 통과하는 유체의 온도를 상승시키고, 이는 다시 연소기 입구 온도를 상승시킨다.
따라서, 상기 시스템은 라인(42)을 통해 상기 터빈 배기가스의 일부분을 믹서(44)로 분기시키기 위해 배기가스재생기(22)의 하류에 배치되는 밸브(40)를 포함한다. 믹서(44) 또한 공기, 연료, 배기가스 중 적어도 2가지를 수용하여 부분적으로 적어도 3분의 2의 조성으로 혼합한다. 그리고 나서, 혼합물은 컴프레서(14)로 이송되고, 추가의 혼합이 일어날 수 있다. 제3의 혼합되지 않은 유체는 상기 2가지 유체와 함께 컴프레서에 투입되어 혼합되거나 배기가스재생기에 도달하기 전의 후속 통로에서 혼합될 수 있다.
밸브(40)는 라인(42)을 통해 믹서(44)로 전달되는 터빈 배기가스의 양을 선택적으로 변화시키도록 작동 가능하다. 또한, 밸브는 연소기 입구 온도를 검출하도록 배치되는 온도 센서(52)로부터의 온도 신호에 따르는 제어 시스템(50)(PC, PLC, 네트워크 등)에 의해 제어 가능하다. 제어 시스템은 또한 공기 유동량을 검출하도록 배치되는 공기유동 센서(54)로부터의 공기유동 신호, 및 연료 유동량을 검출하도록 배치되는 연료유동 센서(56)로부터의 연료유동 신호에 따를 수 있다. 필요한 경우, 배기가스재생기 뒤의 배기 덕트에는 배출물, 특히 미연소 탄화수소를 검출하기 위한 센서(58)가 배치될 수 있으며, 측정된 배출물은 제어 시스템에 참고된다. 또는, 상기 배출물은 이론 및 엔진 시험을 통해 결정된 모델을 이용하여 연소기 입구 온도 및 연료/공기 비율로부터 추정될 수 있다. 또한, 배기가스재생기 입구 온도를 측정하기 위한 센서(60)가 채용될 수도 있다. 도 2 및 도 3에는 센서(54, 56, 58, 60)와 제어 시스템(50) 사이의 연결 라인이 도시되지 않았지만, 이들 센서는 제어 시스템과 연결되어 있다는 것을 이해하여야 한다. 제어 시스템은 연소기 입구 온도를 원하는 대로 조절하도록 밸브(40)의 작동을 제어하도록 적절하게 프로그램되어 있다. 특히, 제어 시스템은, 연소기 입구 온도가 항상 연소기 내의 적절한 촉매반응에 필요한 소정의 최저 온도와 동일하거나 초과되도록 밸브(40)의 개방루프 제어 또는 폐쇄루프 제어를 위한 논리를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제어는 또한, 배출물을 최소화하고(소망의 한계 이하로 유지하고) 효율을 최대화하면서, 배기가스재생기 입구 온도가 최대 허용 가능한 배기가스재생기 입구 온도를 초과하지 않도록 수행되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 부하가 낮아짐에 따라, 컴프레서로 복귀되어야 하는 터빈 배기가스의 일부분은, 연소기 입구 온도가 소정의 최저 수준 위에서 유지되도록 증가된다.
배기가스를 공기 및 연료와 혼합하는 것에 따른 효과를 도 4에 실선으로 나타내었다. 부하가 낮아짐에 따라, 컴프레서 입구 온도는 상승하고, 그에 따라 보다 많은 부분의 배기가스가 컴프레서로 재순환된다. 그 결과, 연소기 입구 온도는 모든 부하 조건에 대하여 800K 이상으로 유지된다. 동시에, 바람직한 실시예에서, 재순환되는 배기가스 유동량 및 연료/공기 비율의 동시 제어에 의해, 배기가스재생기 입구 온도는 모든 작동 조건에서 허용 가능한 최대치를 초과하는 것이 방지되고, 엔진의 효율은 최적화된다.
주위 온도의 변화에 대하여 동일한 시스템 및 방법으로 보정될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 주위 온도가 저하되면, 필요한 경우, 요구되는 연소기 입구 온도를 유지하기 위해 재순환되는 배기가스의 비율이 증가될 수 있다. 부 하의 변화 및 주위 온도의 변화에 따른 복합적인 영향 또한 본 발명의 시스템 및 방법에 의해 보정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예를 나타내며, 밸브(40)가 배기가스재생기(22)의 하류가 아닌 상류에 배치되는 것을 제외하고는 도 2에 도시한 실시예와 유사하다. 따라서, 라인(42)은 배기가스재생기를 우회하여, 배기가스가 재순환되기 전에 배기가스재생기에서 냉각되지 않게 된다. 재순환되는 배기가스의 온도가 높기 때문에, 도 2의 실시예에 비해 재순환되어야 할 배기가스의 상대적인 비율이 낮으며, 나머지 다른 요소들은 동일하다. 즉, 이러한 시스템의 작동은 도 2의 시스템과 동일하다.
배기가스가 재순환되고 공기 및 연료와 혼합되는 방식은 본 발명의 실행에서 변형될 수 있다. 도 5A-C는 이러한 가능성을 도시하며, 다른 변형이 이용될 수도 있다. 이들 예시 모두는 밸브(40)가 배기가스재생기(22)의 하류에 위치되는 것을 기준으로 하지만, 상류에 위치되는 것으로 동등하게 상기 시스템에 적용할 수도 있다. 도 5A의 실시예에서, 재순환된 배기가스는 믹서(44)에서 연료와 혼합되고, 그 혼합물은 공기와 별도로 컴프레서(14)에 이송된다. 이러한 구성은 연료가 초기에 액상(예를 들어 프로판)이어서 컴프레서로 이송되기 전에 적어도 일부분이 고온의 배기가스에 의해 기화되는 경우에 바람직하다.
도 5B의 구성에서, 공기와 연료는 믹서(44)에서 혼합되고 그 혼합물은 컴프레서로 이송된다. 배기가스가 별도로 라인(42)으로부터 컴프레서에 이송되며, 공기와 연료의 혼합은 컴프레서에서 일어난다.
도 5C는 또 다른 가능성을 도시하는 것으로, 공기, 연료, 배기가스 모두가 컴프레서에 별도로 이송되며, 이들의 혼합은 컴프레서에서 일어난다.
당업자들은 이상에서 도면을 참조하여 설명한 본 발명의 특징을 유지시키면서 많은 변형 및 다른 실시예를 고려할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 설명한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 청구범위 내에 포함되는 변형 및 다른 실시예도 의도되었다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용된 용어는 일반적인 것으로 설명의 편의를 위해 사용된 것이며 한정을 위한 것은 아니다.

Claims (33)

  1. 촉매연소를 이용하는 배기가스재생기를 구비한(recuperated) 가스터빈 엔진 시스템에 있어서,
    공기를 수용하여 압축하는 컴프레서,
    상기 압축된 공기 및 연료의 혼합물이 상기 컴프레서로부터 배출되도록 상기 컴프레서에 연료를 공급하는 연료 시스템,
    고온의 연소가스가 생성되도록 상기 혼합물을 연소시키는 촉매 연소기,
    상기 연소가스를 수용하고 팽창시켜서 상기 컴프레서를 구동시키는 기계적 동력을 생성하는 터빈,
    상기 터빈으로부터 배출되는 배기가스 및 상기 컴프레서로부터 배출되는 혼합물을 수용하여 서로 열교환을 일으킴으로써 상기 혼합물이 상기 촉매 연소기로 들어가기 전에 예열되도록 하는 배기가스재생기, 및
    상기 컴프레서로부터 배출된 혼합물의 온도가 상기 배기가스에 의해 상승됨으로써 상기 촉매 연소기의 입구 온도가 상승되도록, 상기 터빈의 배기가스의 일부분을 상기 컴프레서로 들어가도록 하는 시스템
    을 포함하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈의 배기가스의 일부분을 상기 컴프레서로 들어가도록 하는 시스템 은, 상기 컴프레서로 들어가는 배기가스의 유동량을 가변적으로 조절하도록 제어 가능한 밸브, 및 상기 밸브에 작용 가능하게 연결되는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 연소기 입구 온도를 나타내는 파라미터를 측정하기 위한 센서를 포함하고, 상기 제어 시스템은, 상기 연소기 입구 온도가 촉매 연소기의 적절한 작동에 필요한 소정의 최저 온도를 초과하도록, 상기 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 공기 유동량을 측정하기 위한 센서, 연료 유동량을 측정하기 위한 센서, 및 배기가스재생기 입구 온도를 측정하기 위한 센서를 더 포함하고, 상기 제어 시스템은, 공기, 연료, 및 배기가스의 유동량에 근거하여 상기 연소기로 들어가는 혼합물의 연료/공기 비율을 결정하고, 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 최적화하여 상기 배기가스재생기의 최대 허용 가능한 온도를 초과하지 않도록 상기 컴프레서로 들어가는 배기가스의 유동량을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 엔진의 효율이 최대화되도록 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배출물의 수준을 결정하는 수단을 더 포함하고, 상기 제어 시스템은, 최대 허용 가능한 배출물 한도를 초과하지 않도록 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배출물의 수준을 결정하는 수단은 배출물 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배출물의 수준을 결정하는 수단을 더 포함하고, 상기 제어 시스템은, 배출물이 최소화되도록 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 배기가스재생기의 하류에 위치되어 상기 배기가스가 상기 컴프레서로 들어가기 전에 상기 배기가스재생기에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 배기가스재생기의 상류에 위치되어 상기 배기가스의 일부분이 상기 배기가스재생기를 우회하여 상기 컴프레서로 들어가는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 터빈에 의해 구동되도록 배치되는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스재생기를 구비한 가스터빈 엔진 시스템.
  12. 가스터빈 엔진을 작동시키는 방법에 있어서,
    컴프레서에서 공기를 압축하는 단계,
    공기-연료 혼합물을 제조하기 위해 연료를 상기 컴프레서에서 압축된 공기와 혼합하는 단계,
    고온의 연소가스를 생성하기 위해 상기 공기-연료 혼합물을 촉매 연소기에서 연소시키는 단계,
    기계적 동력을 생성하고 상기 기계적 동력을 이용하여 상기 컴프레서를 구동시키기 위해 상기 연소가스를 터빈에서 팽창시키는 단계,
    상기 터빈으로부터의 배기가스를, 상기 공기-연료 혼합물이 상기 배기가스와의 열교환에 의해 예열되도록, 배기가스재생기에 통과시키는 단계, 및
    상기 연소기의 입구 온도를 상승시키기 위해 상기 터빈으로부터의 상기 배기가스의 일부분을 상기 컴프레서로 보내는 단계
    를 포함하고,
    상기 연료는 상기 공기 및 상기 배기가스의 일부분과 함께 상기 컴프레서를 통과하는
    가스터빈 엔진 작동 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배기가스와 상기 연료를 혼합하는 단계는 상기 컴프레서의 상류에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 혼합된 배기가스 및 연료는 상기 공기와 별도로 상기 컴프레서로 들어가는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 연료와 상기 공기를 혼합하는 단계의 적어도 일부는 상기 컴프레서의 상류에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 혼합된 연료 및 공기는 상기 배기가스와 별도로 상기 컴프레서로 들어가는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 공기, 연료, 및 배기가스는 서로 개별적으로 상기 컴프레서로 들어가고 상기 컴프레서 내에서 혼합이 일어나는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 컴프레서로 들어가는 상기 배기가스의 유동량을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어 단계는 상기 엔진과 연관된 파라미터에 따라 상기 유동량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어 단계는 측정된 연소기 입구 온도에 따라 상기 유동량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 유동량은 상기 연소기 입구 온도가 상기 촉매연소의 적절한 작동에 필요한 소정의 최저 온도보다 항상 높게 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 연소기로 들어가는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 추정하는 단계, 및 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 최적화하여 상기 배기가스재생기의 최대 허용 가능한 온도를 초과하지 않도록 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 연소기로 들어가는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 추정하는 단계, 및 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 최적화하여 최대 허용 가능한 배출물 한도를 초과하지 않도록 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 연소기로 들어가는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 추정하는 단계, 및 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 최적화하여 상기 엔진의 효율이 최대화되도록 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 연소기로 들어가는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 추정하는 단계, 및 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 최적화하여 배출물이 최소화되도록 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 연소기로 들어가는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 추정하는 단계, 및 상기 연료/공기 비율에 대한 상기 연소기 입구 온도를 최적화하여 상기 엔진의 효율이 최대화되도록 상기 연소기 입구 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 제어 단계는 주위 온도의 변화에 대한 보정을 위해 상기 유동량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    주위 온도가 낮아지는 경우에 상기 컴프레서로 들어가는 상기 배기가스의 상대적인 비율이 증가되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  29. 제19항에 있어서,
    상기 제어 단계는 상대적인 엔진 부하의 변화에 대하여 보정하기 위해 상기 유동량을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상대적인 엔진 부하가 낮아지는 경우에 상기 컴프레서로 들어가는 상기 배기가스의 상대적인 비율이 증가되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  31. 제12항에 있어서,
    상기 컴프레서로 들어가는 상기 배기가스의 일부분은 상기 배기가스재생기 하류의 일 지점에 남아있는 상기 배기가스와 분리되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  32. 제12항에 있어서,
    상기 컴프레서로 들어가는 상기 배기가스의 일부분은 상기 배기가스재생기 하류의 일 지점에 남아있는 상기 배기가스와 분리되어 상기 배기가스재생기를 우회하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
  33. 제12항에 있어서,
    상기 터빈에 의해 발전기를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진 작동 방법.
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