KR20090067122A - 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법 - Google Patents

가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입구 덕트(12)를 통해 내부로 도입된 공기를 압축할 수 있는 적어도 하나의 압축기(10)와, 상기 압축 공기가 공급 덕트(16)로부터 들어오는 가스 연료와 혼합 및 연소되는 적어도 하나의 연소기(14)와, 상기 연소 챔버(14)로부터 들어오는 연소 가스의 에너지를 하나 이상의 작동 기계(22)를 작동시키기 위해 이용될 수 있는 일 에너지로 변환시킬 수 있는 적어도 하나의 터빈(20)을 포함하는 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법을 개시하고 있다. 상기 연소기(14)는 하나 이상의 버너(30)를 갖추고 있고, 상기 버너(30) 각각은 적어도 하나의 파일럿 인젝터(36)와, 상기 버너(30) 내측으로의 상기 가스 연료의 내전(adduction)을 위한 하나 이상의 주 인젝터(38)를 갖추고 있다. 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법은 상기 터빈이 확산 화염 작동 모드에 있을 때 상기 주 인젝터(38) 및 관련 매니폴드(34) 중 적어도 일부를 가스 연료의 스트림으로 퍼징하는 단계를 포함한다.

Description

가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법{METHOD FOR THE CONTROLLED PURGING OF THE FUEL FEEDING SYSTEM IN THE COMBUSTOR OF A GAS TURBINE}
예시적인 실시예는 일반적으로 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법에 관한 것이다.
외부로부터 흡입된 공기가 압축되는 다상 압축기(multiphase compressor)와, 압축된 공기에 추가된 가스 연료의 연소가 발생하는 연소기와, 연소기로부터 들어오는 가스가 팽창되는 터빈 또는 팽창기로 보통 이루어지는 가스 터빈의 사용이 전기 에너지의 생산을 위해 알려져 있다. 터빈은 따라서 작동 기계를 구동하기 위해 그리고 예를 들어 하나 이상의 교류발전기와 같은 전기 발전기를 충전하기 위해 이용될 수 있는 기계 에너지를 발생시킬 수 있다.
가스 터빈에 현재 사용되는 연소기는 작동의 두 타입에 기초하여 구별될 수 있다. 제 1 타입은 이른바 "확산 화염"으로서, 항공 적용예에 여전히 사용되는 터 보 기계의 전형적인 구조에 따라 공기 및 가스 연료가 버너 내로 독립적으로 도입된다. 제 2 타입은 "사전혼합 화염"으로 불리거나 두문자 DLN(Dry Low NOx; 건식 저 NOx) 또는 LPP(Lean Premixed Prevaporized; 희박 사전혼합 사전기화)로 표시되는 것으로서, 공기 및 연료가 사전 혼합되어, 보다 균일한 비의 혼합물이 버너에서 얻어지게 하고 따라서 오염제가 상당하게 감소된 보다 청정한 연소를 가능하게 한다.
위의 두 모드에 기초하여 작동할 수 있는 하나 이상의 버너를 갖추고 있는 연소기가 존재하는 반면, 연소기 내측의 버너 자체의 배열은 이른바 관형, 환형 또는 관-환형 타입(tube-annular type)의 공지된 구성에 기초하여 얻어질 수 있다.
특히 복수의 버너를 갖는 연소기를 구비하고 있는 가스 터빈은 보통 정화 또는 퍼징 시스템의 존재를 필요로 하고, "퍼징"은 관련 버너 라인이 사용 중이지 않을 때 가스 연료의 공급 덕트의 주기적인 청소 작업을 말한다. 퍼징은 또한 슬래그(slag)의 존재를 제거하기 위해, 연소기들 사이의 이른바 "크로스-토크(cross-talk)" 현상(간섭)을 피하기 위해, 그리고 손상 및/또는 폭발성 공기/가스 혼합물의 생성을 수반하는, 연소기로부터 연료 가스의 공급 라인 및 외측 튜브를 향하는 고온 가스의 복귀를 방지하기 위해 모든 가스 터빈에서 필요하다.
퍼징은 일반적으로 밸브를 갖춘 적합한 파이프를 통해 냉각 및 연통되어야 하는 기계의 주 압축기 또는 특수 압축기에 의해 공급된 압축 공기, 제어 기구 및 퍼징 시스템이 제대로 작동하는 것을 가능하게 하는 그리고 퍼징 공기와 가스 연료 사이의 우발적인 혼합을 방지하는 것을 가능하게 하는 다른 필요한 구성요소에 의 해 수행된다. 시스템은 연소 및 플랜트에 대한 높은 과도 현상을 피하기 위해 점차적으로 작동되어야 하고 그리고 연료 가스 공급의 완전한 차단 후에만 작동되어야 하기 때문에, 공기로의 퍼징 단계는 또한 상대적으로 긴 작동 및 비작동 시간을 필요로 한다.
더구나, 공기로의 퍼징 시스템은, 버너의 공급 라인을 연료 가스로 사전-충전하는 것을 필요로 하기 때문에, 비작동 버너의 재점화 및 추가 작동 시간으로 인한 부하 과도에 직면한다.
예시적인 실시예의 목적은 따라서 퍼징 시스템의 복잡성을 상당히 감소시킬 수 있는, 따라서 운전 비용, 작동 활성/비활성 시간을 낮추고 시스템의 신뢰성을 상당히 증가시키는 가스 터빈 내의 연소기의 퍼징을 위한 방법을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예의 다른 목적은 확산 연소 모드와 사전혼합 연소 모드 사이의 그리고 반대의 변환 시간을 제한할 수 있는 가스 터빈 내의 연소기의 퍼징을 위한 방법을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예의 다른 목적은 특히 효과적이고, 안전하며 터빈 자체로의 모든 타입의 잠재적 손상을 피할 수 있는 가스 터빈의 연소기용 연료 공급 라인의 퍼징을 위한 방법을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예에 따른 이들 및 다른 목적이 본 명세서에 기술되는 바와 같은 가스 터빈의 연소기의 퍼징을 위한 방법 및, 특히 가스 터빈의 연소기 내측의 연료 내전 라인(fuel adduction line), 가스 연료의 공급 인젝터 및 버너의 퍼징을 위한 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 가스 터빈 내의 연소기의 퍼징을 위한 방법은 퍼징 시스템의 복잡성을 상당히 감소시킬 수 있고, 따라서 운전 비용, 작동 활성/비활성 시간을 낮추고 시스템의 신뢰성을 상당히 증가시킨다.
본 발명에 따른 가스 터빈 내의 연소기의 퍼징을 위한 방법의 특징 및 이점이 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 이하의 예시적이고 비제한적인 기술로부터 보다 명백해질 것이다.
특히 도 1을 참조하면, 입구 덕트(12)를 통해 내부로 도입된 공기를 압축할 수 있는 압축기(10)를 포함하는 바람직하게 이중 샤프트 타입의 일반적인 가스 터빈의 개략도가 도시된다. 압축된 공기는 그 다음 연소기(14)로 보내져 공급 덕트(16)로부터 들어오는 가스 연료와 혼합된다. 연소는 가스 유동의 온도, 속도율 및 체적과 따라서 그 안에 포함되어 있는 에너지를 증가시킨다. 이 연소된 가스 유동은 가스 에너지를 샤프트(24)에 의해 터빈(20)에 연결된 발전기(22)와 같은 작동 기계를 작동시키기 위해 이용될 수 있는 일 에너지로 변환시키는 터빈(20)을 향하여 덕트(18)를 통해 지향된다. 방출 가스가 출구 덕트(28)를 통해 터빈(20)에 의해 배출되는 까닭에, 터빈(20)은 또한 샤프트(26)를 통해 압축기(10)를 작동시키기 위해 필요한 에너지를 공급한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 다관식(multi-tubular type)의 예시적인 연소기(14)를 횡단면도로 개략적으로 도시한다. 연소기(14)에는 연소기(14)의 축 둘레에 원주방향으로 배치된 복수의 버너(30)를 갖추고 있다.
각각의 버너(30)는 적어도 하나의 제 1 매니폴드(32) 및 적어도 하나의 제 2 연료 내전 매니폴드(fuel adduction manifold)(34)와 관련하여 배치되고, 적어도 하나의 파일럿 인젝터(36)(도 3) 및 버너(30) 내측으로 가스 연료를 내전시키기 위한 하나 이상의 주 인젝터(38)(도 3)를 갖추고 있다. 제 1 내전 매니폴드(32)와 관련하여 위치된 파일럿 인젝터(36)는 확산 화염 모드에서 작동할 수 있는 연소 노즐로 이루어지고, 따라서 터빈의 점화 단계에서 작동된다. 제 2 내전 매니폴드(34)와 관련하여 일반적으로 파일럿 인젝터(32) 둘레에 배열된 주 인젝터(38)는 공기/연료 혼합물을 준비하여 사전혼합 화염 모드에서 터빈의 정상 작동을 가능하게 할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 터빈의 각 버너(30)의 주 인젝터(38) 및 관련 연료 내전 매니폴드(34) 중 적어도 일부는 사용 중이지 않을 때에만, 즉 터빈이 확산 화염 작동 모드일 때에만, 공기 유동 대신에 동일 연료 가스 또는 가능하다면 연료 가스 및 제어된 양의 공기로 이루어진 혼합물의 바람직하게는 일정한 유동으로 정화 또는 퍼징(purging)된다. 이렇게 하여, 각 버너(30)에 압축 공기 퍼징 시스템을 갖추게 할 필요가 없고, 따라서 파이프, 밸브, 제어 기구 및 다른 특수 구성요소의 설치를 피한다.
각 버너(30)의 퍼징 단계에서 사용될 때 가스 연료의 압력은, 인젝터(38)를 통한 동일 가스의 대향류(counterflow)를 방지하고 퍼징 단계 동안 연료의 공급 덕트(16) 내측에서의 응축물의 형성을 방지하기 위해, 연소기(14) 내측에서 측정된 압력보다 높게 되도록 조절되어야 한다.
다시 확산 화염 작동 모드에서, 즉 터빈의 점화 단계에서, 연소기(14) 내측에서 압력 및 온도 역학을 측정 및 평가한 후에, 연료 가스 또는 공기/연료 가스 혼합물의 바람직하게는 일정한 유동을 갖는 퍼징 단계를 사전혼합 작동 모드 동안 모든 연료 내전 매니폴드(34)로 확대하는 것이 또한 가능하다.
추가하여, 파일럿 인젝터(36) 및 관련 연료 내전 매니폴드(32)는 또한 사용 중이지 않을 때, 즉 터빈이 사전혼합 화염 모드(정상 작동)에서 작동 중일 때 연료 가스 또는 공기/연료 가스 혼합물의 바람직하게는 일정한 유동에 의해 퍼징 단계에 관련될 수 있다. 이렇게 하여, 연소기(14)의 모든 버너(30)로부터의 압축 공기를 갖는 퍼징 시스템을 완전히 제거하는 것이 가능하고, 결과적으로 터빈에 적용될 밸브, 덕트 및 제어 기구의 개수가 감소된다.
따라서, 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈 내의 연소기의 퍼징 방법이 전술된 목적을 달성한다는 것을 알 수 있다. 특히, 이하의 이점을 제공할 수 있다.
- 퍼징 시스템의 운전 비용의 감소,
- 퍼징 시스템의 신뢰성 증가,
- 퍼징의 작동 및 비작동 시간의 제거,
- 연료 가스로 퍼징된 라인의 사전-충전 시간의 제거,
- 비작동 버너의 재점화로 인한 부하 과도(load transient)의 제거, 및
- 퍼징 공기의 작동시 연소 챔버 내에 있어서의 연료 가스의 추력으로 인한 부하 과도의 제거.
예시적인 실시예에 따른 가스 터빈 내의 연소기의 퍼징 방법은 모든 경우에서 수많은 변경 및 변화를 겪을 수 있고, 이들 모두는 동일한 본 발명의 개념에 포함된다.
본 발명의 보호 범위는 따라서 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 연소기의 퍼징 방법이 적용될 수 있는 가스 터빈의 개략적인 도면,
도 2는 도 1의 가스 터빈의 연소기의 예의 개략적인 횡단면도,
도 3은 연소기 내측의 가스 연료의 공급 인젝터의 개략적인 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 압축기 12 : 입구 덕트
14 : 연소기 16 : 공급 덕트
20 : 터빈 22 : 작동 기계
30 : 버너 34 : 매니폴드
38 : 주 인젝터

Claims (9)

  1. 입구 덕트(12)를 통해 내부로 도입된 공기를 압축할 수 있는 적어도 하나의 압축기(10)와, 상기 압축 공기가 공급 덕트(16)로부터 들어오는 가스 연료와 혼합 및 연소되는 적어도 하나의 연소기(14)와, 상기 연소 챔버(14)로부터 들어오는 연소 가스의 에너지를 하나 이상의 작동 기계(22)를 작동시키기 위해 이용될 수 있는 일 에너지로 변환시킬 수 있는 적어도 하나의 터빈(20)을 포함하는 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법으로서, 상기 적어도 하나의 연소기(14)는 하나 이상의 버너(30)를 갖추고 있고, 상기 버너(30) 각각은 적어도 하나의 파일럿 인젝터(36)와, 상기 버너(30) 내측으로의 상기 가스 연료의 내전(adduction)을 위한 하나 이상의 주 인젝터(38)를 갖추고 있는, 상기 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법에 있어서,
    상기 터빈이 확산 화염 작동 모드에 있을 때 상기 하나 이상의 주 인젝터(38) 및 관련 매니폴드(34) 중 적어도 일부를 상기 가스 연료의 스트림으로 퍼징하는 단계를 포함하는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 주 인젝터(38)를 통한 상기 가스 연료의 대향류(counterflow)를 방지하고 상기 퍼징하는 단계 동안 상기 공급 덕트(16) 내측에 서의 응축물 형성을 방지하기 위해, 상기 퍼징하는 단계 동안 상기 가스 연료의 압력이 상기 연소기(14) 내측에서 측정된 압력보다 높도록, 상기 하나 이상의 주 인젝터(38) 및 관련 매니폴드(34) 중 적어도 일부의 퍼징에 이용되는 상기 가스 연료의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈이 사전혼합 화염 작동 모드에 있을 때 상기 파일럿 인젝터(36) 및 관련 매니폴드(32)를 상기 가스 연료의 유동으로 퍼징하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 주 인젝터(38) 및 관련 매니폴드(34) 중 적어도 일부의 퍼징에 사용되는 상기 가스 연료의 유동은 일정한 유동인
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 주 인젝터(38) 및 관련 매니폴드(34) 중 적어도 일부의 퍼징에 사용되는 상기 가스 연료는 제어된 양의 공기와 혼합되는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  6. 입구 덕트(12)를 통해 내부로 도입된 공기를 압축할 수 있는 적어도 하나의 압축기(10)와, 상기 압축 공기가 공급 덕트(16)로부터 들어오는 가스 연료와 혼합 및 연소되는 적어도 하나의 연소기(14)와, 상기 연소 챔버(14)로부터 들어오는 연소 가스의 에너지를 하나 이상의 작동 기계(22)를 작동시키는 일 에너지로 변환시킬 수 있는 적어도 하나의 터빈(20)을 포함하는 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법으로서, 상기 적어도 하나의 연소기(14)는 하나 이상의 버너(30)를 갖추고 있고, 상기 버너(30) 각각은 적어도 하나의 파일럿 인젝터(36)와, 상기 버너(30) 내측으로의 상기 가스 연료의 내전을 위한 하나 이상의 주 인젝터(38)를 갖추고 있는, 상기 가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법에 있어서,
    상기 터빈이 사전혼합 화염 작동 모드에 있을 때 상기 파일럿 인젝터(36) 및 관련 매니폴드(32)를 상기 가스 연료의 스트림으로 퍼징하는 단계를 포함하는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 파일럿 인젝터(36)를 통한 상기 가스 연료의 대향류를 방지하고 상기 퍼징하는 단계 동안 상기 공급 덕트(16) 내측에 있어서의 응축물 형성을 방지하기 위해, 상기 퍼징하는 단계 동안 상기 가스 연료의 압력이 상기 연소기(14) 내측에서 측정된 압력보다 높도록, 상기 파일럿 인젝터(36) 및 관련 매니폴드(32)의 퍼징 에 이용되는 상기 가스 연료의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 파일럿 인젝터(36) 및 관련 매니폴드(32)의 퍼징에 사용되는 상기 가스 연료의 유동은 일정한 유동인
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 파일럿 인젝터(36) 및 관련 매니폴드(32)의 퍼징에 사용되는 상기 가스 연료는 제어된 양의 공기와 혼합되는
    가스 터빈의 연소기 내의 연료 공급 시스템의 제어된 퍼징을 위한 방법.
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