KR20090067078A - 가스 터빈 내 부하 변화를 제어하는 방법 - Google Patents

가스 터빈 내 부하 변화를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 내 부하 변화를 제어하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 상기 터빈의 회전 상황(rotation regime)에 있어서, 부하에 있어 총 감소 및 미리 설정된 최대값 이상으로 증가가 관측되는 경우, 상기 연소기로 유입되는 가스상 연료의 유동을 미리 설정된 최소값까지 감소시키는 단계와, 상기 터빈이 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하고 있는 경우, 상기 버너의 선택적인 공급 시퀀스를 활성화하는 단계와, 상기 압축기의 속도를 감소시키기 위해 상기 조절 가능한 복수의 스테이터 베인의 앵귤레이션(angulation)을 변경하는 단계와, 상기 연소기의 입구에서의 공기 유동을 감소시키기 위해, 상기 하나 이상의 서지 방지 밸브 및 상기 하나 이상의 오버보드 블리드를 개방하는 단계를 포함한다.

Description

가스 터빈 내 부하 변화를 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING THE LOAD VARIATIONS IN A GAS TURBINE}
예시적인 실시예는 일반적으로 가스 터빈 내의 부하 변화, 특히 부하 감소를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
전기 에너지 생산을 위해, 통상적으로, 외부로부터 흡입된 공기가 압축되는 다상 압축기, 압축 공기에 추가되는 가스상 연료의 연소가 일어나는 연소기, 및 연소기로부터 진입하는 가스가 팽창되는 터빈 또는 팽창기로 구성되는 가스 터빈의 사용이 공지되어 있다. 따라서, 터빈은, 작동 기계를 구동하기 위해, 또는 예를 들어 하나 이상의 교류 발전기와 같은 발전기를 충전하기 위해 소비될 수 있는 기계적 에너지를 생성할 수 있다.
결과적으로, 전기 에너지의 생산을 위해 사용되는 가스 터빈은 예를 들어, 전기 공급에 있어 발생할 수 있는 비효율 또는 특수한 사정에 기인할 수 있는 전기 공급의 갑작스런 단절에 직면할 수 있다. 이러한 상황에 있어서, 터빈은 변칙적이지만 안정된 작동 상태, 즉 공칭 회전 상황 (nominal rotation regime)에 도달되지만 외부 전기 공급에 있어 전압이 재안정화되어 서비스를 재개, 즉 전기 공급이 재 연결될 때까지, 교류 발전기가 전력을 공급하지 않는 ["무부하 정격 속도 (full speed no load)"] 상태에 이르러야 한다.
공급에 있어서의 이러한 단절 상태 동안, 하나 이상의 교류 발전기가 연결될 기계 또는 공장의 보조 설비를 자체-충전할 수 있도록 충분히 낮은 값으로 터빈의 동력 및 회전 상황를 즉시 감소시키기 위해, 이른바 "부하 차단 (load rejection)" 공정이 가능한 신속하게 실행되어야 한다. 부하 차단 공정은 터빈 자체의 기계적 관성이 극히 낮고 과도한 회전 상황에 도달하는 것을 방지하기 위한 교정 작업이 신속하고 효율적이어야 하기 때문에, 이중 샤프트 방식의 가스 터빈에 있어 특히 중요하다.
예시적인 실시예의 목적은 터빈이 작동 사이클 동안 발생할 수 있는 전체 또는 부분적인 부하 차단 공정을 성공적으로 조절하도록 하는, 가스 터빈 내 부하 변화 제어 방법을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예의 추가적인 목적은 전기 공급으로부터의 단절 상태 또는 갑작스런 부하 차단의 경우에 터빈에 의해 도달되는 높은 회전수를 방지하여 오작동 또는 연소의 문제를 예방할 수 있는, 가스 터빈 내 부하 변화 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 태양에 따른 이들 목적은 본원 발명에 개시된 바와 같은 가스 터빈 내 부하 변화 제어 방법을 제공함으로써 달성된다.
예시적인 실시예에 따라, 상기 방법은 상기 터빈의 회전 상황(rotation regime)에 있어서, 부하에 있어 총 감소 및 미리 설정된 최대값 이상으로 증가가 관측되는 경우, 상기 연소기로 유입되는 가스상 연료의 유동을 미리 설정된 최소값까지 감소시키는 단계와, 상기 터빈이 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하고 있는 경우, 상기 버너의 선택적인 공급 시퀀스를 활성화하는 단계와, 상기 압축기의 속도를 감소시키기 위해 상기 조절 가능한 복수의 스테이터 베인의 앵귤레이션(angulation)을 변경하는 단계와, 상기 연소기의 입구에서의 공기 유동을 감소시키기 위해, 상기 하나 이상의 서지 방지 밸브 및 상기 하나 이상의 오버보드 블리드를 개방하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 일반적인 가스 터빈의 개략적인 실례가 도시되어 있다. 본 예에서, 가스 터빈은 이중 샤프트 타입이며, 입구 덕트(12)를 통해 압축기(10)로 유입되는 공기를 압축할 수 있는 압축기(10)를 포함한다. 그 후, 압축 공기는 연소기(14)로 보내져 공급 덕트(16)로부터 유입되는 가스상 연료와 혼합되게 된다. 연소는 가스 유동의 온도, 속도 및 체적을 증가시키며, 그 결과 그 내부에 포함된 에너지를 증가시킨다. 이렇게 연소된 가스 유동은 덕트(18)를 통해 터빈(20)을 향해 안내되며, 상기 터빈(20)은 가스 에너지를 예를 들어, 샤프트(24)에 의해 터빈(20)에 연결되는 발전기(22)와 같은 작동 기계를 작동시키는데 소비될 수 있는 일 에너지로 변환한다. 또한, 터빈(20)은 샤프트(26)를 통해 압축기(10)를 작동시 키는데 필요한 에너지를 공급하며, 반면에 방출 가스는 터빈(20)에 의해 출구 덕트(28)를 통해 방출된다.
도 2는 예시적인 연소기(14)의 횡단면을 개략적으로 도시하는 도면이다. 본 예에서, 연소기(14)는 다중관 타입이다. 연소기에는 연소기(14)의 축선을 중심으로 원주방향으로 배열되는 복수의 버너(30, 32, 34, 36, 38)가 장착된다.
각각의 버너(30-38)는 하나 이상의 제 1 매니폴드(40) 및 하나 이상의 제 2 연료 내전 매니폴드(42)와 함께 놓이며, 버너 자체 내부에 가스상 연료의 내전을 위한 하나 이상의 주 인젝터(46) 및 하나 이상의 파일럿 인젝터(44)가 장착된다 (도 3). 제 1 내전 매니폴드(40)와 연통하여, 특히 중앙에 배치되는 파일럿 인젝터(44)는 확산 불꽃 모드(diffusive flame mode)에서 작동할 수 있는 연소 노즐로 구성되고, 이에 따라 터빈의 점화 단계에서 작동된다. 다른 한편, 일반적으로 제 2 내전 매니폴드(42)와 연통하여 파일럿 인젝터(44) 주위에 배열되는 주 인젝터(46)는 예비 혼합 불꽃 모드(premixed flame mode)에서 터빈의 정상적인 작동을 허용하도록 공기/연료 혼합물을 준비할 수 있다.
도 4는 압축기(10)의 입구에 배치되는, 기계의 작동을 관리하는데 관여하는 구성요소, 즉 복수의 조절가능한 스테이터 베인(48)(기술적으로는 "입구 가이드 베인" 또는 IGV로 공지됨), 압축기(10)의 출구에 배치된 하나 이상의 오버보드 블리드(52; overboard bleed)(또는 OBB) 및 하나 이상의 서지 방지 밸브(50; anti-surge valve)(또는 ASV)를 개략적으로 도시한다. 이들 구성요소는 시동/부하 상승 단계 동안, 압축기(10)로부터의 공기의 추출 및 확산 불꽃 모드와 예비 혼합 불꽃 모드 사이에서의 통과를 허용한다.
조절가능한 스테이터 베인(48)은 연속하는 고정식 스테이터 베인을 향한 통로 영역을 변경하도록 적합하게 회전하여 결과적으로 공기 유량에 있어서의 변화를 결정함으로써, 압축기(10)의 속도 상태가 변경되도록 한다. 통상적으로, 기계의 시동 및 정지 상태 (shut down) 동안 사용되는 서지 방지 밸브(50)는 압축기(10)의 속도, 터빈(20)의 입구에서의 유동 및 공기-연료비를 조절하는데 기여한다. 끝으로, 오버로드 블리드(52)는 통상적으로 터빈(20)의 입구에서의 유동뿐 아니라, 확산 불꽃 모드와 예비혼합 불꽃 모드 사이에서의 통과 동안, 공기-연료비를 조절하는데 기여한다.
공급의 갑작스런 단절 및 이에 따른 부하에 있어서의 갑작스런 전체적인 감소가 발생하는 경우, 터빈(20)의 회전 상황는 증가될 것이며, 따라서 터빈(20) 자체의 보호 과정이 활성화되어야 할 것이다. 따라서, 부하 차단 공정은 터빈(20)이 소정의 미리 정해진 회전값에 도달하자마자 활성화된다. 이러한 공정은 일련의 보정 작업의 활성화, 이에 따른 연료 유동의 조절 및 기계의 다양한 구성요소의 조절을 포함한다.
보다 구체적으로, 이러한 공정은 먼저, 미리 정해진 최소값까지 연소기(14)로 진입하는 가스상 연료 유동의 감소를 직시하게 된다. 만약, 터빈(20)이 정상적인 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하고 있다면, 버너(30-38)의 선택적인 공급 시퀀스는 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 순차적으로 활성화된다. 다른 한편, 만약 터빈(20)이 확산 불꽃 기능 모드에서 작동한다면, 선택적인 공급 시퀀스 단계는 활성화되지 않는다.
또한, 조절가능한 스테이터 베인(48)의 앵귤레이션(angulation)이 조절되며, 연소기(10)의 입구에서의 공기 유동을 감소시키기 위해, 오버보드 블리드(52) 및 서지 방지 밸브(50) 양자 모두가 완전히 개방된다.
마지막으로, 예비 혼합 불꽃 모드로부터 확산 불꽃 모드로, 또는 이와 반대로 터빈(20)의 작동 모드를 전환하는 가능성이 제거된다.
버너(30-38)의 선택적인 공급 시퀀스 동안, 미리 설정된 대량의 연료, 바람직하게는 가능한 최대량이 제 1 버너(30)에 먼저 공급된다. 만약, 터빈(20)의 부품에 대한 전체 연료 요구량이 제 1 버너(30)에 공급 가능한 최대 연료량보다 크다면, 제 2 버너(32)에 공급될 수 있는 최대량의 연료에 도달될때까지 미리 설정된 대량의 연료가 제 2 버너(32)에 공급된다. 만약, 다시 한번 터빈(20)의 부품에 대한 전체 연료 요구량이 제 1 버너(30) 및 제 2 버너(32)에 공급 가능한 최대 연료량보다 크다면, 연료는 제 3 버너(34)에 공급될 것이다.
일단, 터빈(20)의 회전 상황이 미리 설정된 최대값 이하로 복구된 경우, 정상 속도에서의 작동을 조절하는 제어 로직이 부하 차단의 제어 로직을 대체할 것이다. 보다 구체적으로는,
1) 연료 유동은 터빈(20)의 전기 제어 시스템에 의해 요구되는 연료 요구량에 의해 계속하여 조절될 것이다;
2) 연료 공급은 제 1 버너(30)를 통해서만 지속될 것이다. 만약, 기계가 확산 불꽃 모드에서 작동하고 있다면, 이러한 기작은 활성화되지 않을 것이다;
3) 조절 가능한 스테이터 베인(48), 서지 방지 밸브(50) 및 오버보드 블리드(52)는 정상 작동 모드에서 사용된 표준 로직에 따른 작동 상태로 복귀할 것이다.
끝으로, 터빈(20)의 회전 속도가 터빈(20)의 정상 또는 작동값에 근접할 때까지, 상기 회전 속도가 떨어진 후에, 연소기(14) 내부에서 온도 제어가 실행된다. 만약, 제어가 성공적이고, 터빈(20)이 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하고 있다면, 확산 불꽃 모드로의 이동이 실행되어, 부하 차단 공정이 완료될 것이다.
따라서, 부하 차단 공정의 말미에, 터빈은 무부하 작동(empty functioning) 또는 "무부하 정격 속도" 상태에 있을 것이며, 이때 연소기는 확산 불꽃 모드에서 작동한다.
갑작스런 부분 부하 감소의 경우에, 연소기(10) 내 불꽃 손실 및 연소기(10) 자체 내 동적 불안정 현상은 전술된 로직을 부분적으로 적용하는 것만으로 방지된다. 특히, 연소기(10) 내의 연료 유동의 재분배 및 공기 유동의 부분화만이 적용되며, 반면에 조절 가능한 스테이터 베인(48)의 위치도 서지 방지 밸브(50) 및 오버보드 블리드(52)의 개폐 위치도 변경되지 않는다.
따라서, 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈 내 부하 변화 제어 방법은 전술된 목적을 달성한다는 것을 알 수 있다. 실험적 테스트는 사실상 본 발명의 일 태양에 따른 제어 방법이 적용된 가스 터빈이 연소에 있어서의 소정의 문제 또는 기계의 오작동 없이, 성공적으로 일련의 부하 차단 공정을 전체 및 부분적으로 관리 하는데 성공적이었다는 것을 입증하였다.
따라서, 예기된 예시적인 실시예의 가스 터빈 내 부하 변화 제어 방법은 어떠한 경우에 있어서도 동일한 발명의 개념에 포함되는 모든 변형예 및 개조예를 실행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 동봉된 특허청구범위에 의해 한정된다.
예시적인 실시예에 따른 가스 터빈 내 부하 변화를 제어하기 위한 특성 및 이점은 동봉된 개략적인 도면을 참조하여, 이하의 예시적이고 비 제한적인 설명으로부터 보다 명백하게 나타날 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 부하 변화를 제어하기 위한 방법이 적용될 수 있는 가스 터빈의 개략적인 도면,
도 2는 도 1의 가스 터빈의 연소기의 실시예에 대한 개략적인 횡단면도,
도 3은 연소기 내측의 가스상 연료의 공급 인젝터에 대한 개략적인 단면도,
도 4는 가스 터빈의 기능을 제어 및 조절하기 위해 필요한 다른 구성요소를 개략적으로 도시하고 그 효과를 도식화한 도면.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
14: 연소기 30, 32, 34, 36, 38: 버너
40: 제 1 매니폴드 42: 제 2 연료 내전 매니폴드

Claims (8)

  1. 흡입 덕트를 통해 유입되는 공기를 압축할 수 있는 하나 이상의 압축기, 상기 압축 공기가 공급 덕트로부터 유입되는 가스상 연료와 혼합 및 연소되는 하나 이상의 연소기, 및 상기 연소 챔버로부터 유입되는 연소 가스의 에너지를, 하나 이상의 작동 기계를 활성화하기 위해 소비될 수 있는 일 에너지로 변환할 수 있는 하나 이상의 터빈을 포함하며, 상기 연소기에는 복수의 버너가 설치되고, 상기 압축기에는 조절 가능한 복수의 스테이터 베인, 하나 이상의 서지 방지 밸브(anti-surge valve), 및 하나 이상의 오버보드 블리드(overboard bleed)가 설치되는 유형의 가스 터빈 내 부하 감소를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 터빈의 회전 상황(rotation regime)에서, 부하에 있어서의 총 감소 및 미리 설정된 최대값 이상으로 증가가 관측되는 경우, 상기 연소기로 유입되는 가스상 연료의 유동을 미리 설정된 최소값까지 감소시키는 단계와,
    상기 터빈이 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하고 있는 경우, 상기 버너의 선택적인 공급 시퀀스를 활성화하는 단계와,
    상기 압축기의 속도를 감소시키기 위해 상기 조절 가능한 복수의 스테이터 베인의 앵귤레이션(angulation)을 변경하는 단계와,
    상기 연소기의 입구에서의 공기 유동을 감소시키기 위해, 상기 하나 이상의 서지 방지 밸브 및 상기 하나 이상의 오버보드 블리드를 개방하는 단계를 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈의 전자 제어 시스템을 통해, 상기 터빈의 작동 모드를 혼합 불꽃 모드에서 확산 불꽃 모드로, 또는 이와 반대로 전환하는 것을 비활성화하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 버너의 선택적인 공급 시퀀스 동안, 미리 설정된 대량의 가스상 연료를 제 1 버너에 공급하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈의 부품의 가스상 연료에 대한 전체 요구량이 상기 제 1 버너에 공급 가능한 가스상 연료의 최대량보다 큰 경우, 미리 설정된 대량의 가스상 연료를 제 2 버너에 공급하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 터빈의 부품의 가스상 연료에 대한 전체 요구량이 상기 제 1 버너 및 상기 제 2 버너에 공급 가능한 가스상 연료의 최대량보다 큰 경우, 미리 설정된 대량의 가스상 연료를 하나 이상의 제 3 버너에 공급하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    일단 상기 터빈의 회전 상황이 상기 미리 설정된 최대값 이하로 복귀되면, 상기 터빈의 전자 제어 시스템으로 상기 가스상 연료의 유동을 관리하는 단계와,
    상기 터빈이 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하는 경우에, 제 1 버너에만 가스상 연료를 공급하는 단계와,
    상기 터빈의 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 사용되는 표준 로직에 따라 상기 조절 가능한 복수의 스테이터 베인, 상기 하나 이상의 서지 방지 밸브 및 상기 하나 이상의 오버보드 블리드를 활성화하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 터빈이 확산 불꽃 모드에서 작동하는 경우, 상기 제 1 버너, 제 2 버너 및 하나 이상의 제 3 버너로의 상기 미리 설정된 대량의 가스상 연료의 공급을 유지하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 터빈의 회전 상황이 실질적으로 공칭값 또는 작동값까지 떨어진 후에, 상기 연소기 내부에서 온도 제어를 실행하는 단계와,
    상기 온도 제어가 성공적이고, 상기 터빈이 정상 작동 또는 예비 혼합 불꽃 모드에서 작동하는 경우, 예비 혼합 불꽃 모드로부터 확산 불꽃 모드로의 터빈의 작동 모드의 이동을 활성화하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 내 부하 감소 제어 방법.
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