KR20130115281A - 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법과, 이 방법을 실행하기 위해 제공된 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비와, 상응하는 조절 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비는 가스 터빈(GT)과, 유동 매체가 관류할 수 있는 하나 이상의 증발기 가열 표면(6)을 구비하고 가스 터빈(GT)의 하류에서 배기가스 측 또는 가열 가스 측에 연결되는 폐열 증기 발생기와, 이 폐열 증기 발생기의 하류에서 유동 매체 측에 연결되는 증기 터빈(DT)을 포함하며, 상기 증기 터빈의 경우 유동 매체가 급수의 형태로 폐열 증기 발생기에 공급되고, 유동 매체의 비등 온도에 비해서 증발기 가열 표면(6)의 배출부에 존재하는 유동 매체의 온도 상승의 특징을 나타내는 과열 설정값에 따라서, 그리고 증발기 가열 표면(6)을 통해 가열 가스로부터 유동 매체로 전달되는 열 유동의 특징을 나타내는 열 유동 특성값에 따라서, 증발기 가열 표면의 구성 부재들 내에 저장된 열을 고려하면서, 급수 유동량에 대한 일차 설정값이 결정되어, 급수 유동량이 상응하게 후속 조절된다. 본원의 방법은, 단기간 가용한 신속 출력 예비량의 활성화를 위해, 과열 설정값이 비교적 높은 효율을 갖는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 정상 작동을 위해 정의되는 공칭값으로부터 더욱 낮은 활성화값으로 감소되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법과, 이 방법을 실행하기 위해 제공된 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비와, 상응하는 조절 장치{METHOD FOR OPERATING A COMBINED GAS AND STEAM TURBINE SYSTEM, GAS AND STEAM TURBINE SYSTEM FOR CARRYING OUT SAID METHOD, AND CORRESPONDING CONTROL DEVICE}

본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따라, 가스 터빈과, 가스 터빈의 하류에서 배기가스 측 또는 가열 가스 측에 연결되는 폐열 증기 발생기를 포함하는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 상기 작동 방법을 실행하기 위해 제공된 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비와, 이에 상응하는 조절 장치에도 관한 것이다.

폐열 증기 발생기는 가열 가스 흐름으로부터 열을 회수하는 열 교환기이다. 폐열 증기 발생기는 특히 주로 전력 생성을 위해 이용되는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비에서 이용된다. 이 경우 오늘날의 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비는 통상적으로 1개 내지 4개의 가스 터빈과 하나 이상의 증기 터빈을 포함하며, 각각의 터빈은 각각의 제네레이터를 구동하거나(다축형 설비), 또는 하나의 가스 터빈이 공동의 샤프트 상에서 증기 터빈과 함께 단일의 제네레이터를 구동한다(일축형 설비). 이 경우 가스 터빈(들)의 가열 배기가스는 폐열 증기 발생기에서 수증기를 생성하기 위해 이용된다. 이어서 증기는 증기 터빈으로 공급된다. 통상적으로 전기 출력의 약 2/3가 가스 터빈에 할당되고, 1/3은 증기 터빈에 할당된다.

이런 관점에서 완벽함을 위해 언급할 사항은, 폐열 증기 발생기 및 증기 터빈을 위한 유동 매체로서는 기본적으로 서로 상이한 물질들을 이용할 수 있다는 점이다. 다음에서는 예시로서 물 또는 수증기의 이용과 관련하여 설명되는데, 그 이유는 상기 사항이 월등하게 가장 통용되는 유동 매체이기 때문이다.

또한, 증기 터빈의 다양한 압력단과 유사하게, 폐열 증기 발생기도, 정상 작동(normal operation) 중에 각각 내포된 물-증기 혼합물의 상이한 열역학적 상태를 갖는 복수의 압력단을 포함한다. 급수 회로 또는 증기 회로에서 유동 매체는 자신의 유동 경로 상에서 우선, 유동 매체를 예열하기 위해 배기가스 흐름 내 잔열이 이용되는 절탄기를 관류한다. 그런 다음, 바람직하게는 강제 순환식 증발기로서, 특히 소위 벤손(BENSON) 증발기로서 형성될 수 있는 소위 증발기가 이어진다. 그런 다음 유동 매체는 증발기 배출부에서 증기 또는 물-증기 혼합물로서 존재하며, 경우에 따르는 잔류 수분은 상기 증발기 배출부에 배치된 분리 장치에서 분리된다. 그 이후 계속 전달되는 증기는 과열기 내에서 계속해서 가열된다. 그런 후에 과열된 증기는 증기 터빈의 고압부 내로 유입되고, 이 고압부에서 팽창되며, 증기 발생기의 후속하는 압력단으로 공급된다. 상기 압력단에서 증기는 다시 과열되고 이어서 증기 터빈의 후속 압력단 내로 유입된다. 증기 터빈 배출부에는 응축기가 연결되며, 이 응축기 내에서는 팽창된 증기가 응축되어 급수로서 저장 탱크로 공급된다. 마지막으로 급수 펌프는 저장 탱크로부터 급수를 다시 절탄기 내로 토출시킨다. 이 경우 급수 유동량은 급수 펌프의 하류에 연결되는 조절 밸브를 통해 조절된다.

급수 회로 내, 그리고 특히 증발기 내 급수 유동량은 폐열 증기 발생기의 작동 상태에 따라서, 그리고 이와 관련하여 현재의 증기 발생기 출력에 따라서 조절된다. 부하 변동 시에 증발기 관류량은 증발기의 가열 표면들 내로 이루어지는 열 입력에 대해 가능한 한 동기화되어 변경되어야 하는데, 그 이유는 그렇지 않을 경우, 설정값에 대한, 증발기 배출부에서 유동 매체의 비엔탈피의 편차가 확실하게 방지될 수 없기 때문이다. 상기와 같은 바람직하지 못한 비엔탈피의 편차는 증기 발생기로부터 유출되는 신선한 증기의 온도 조절을 어렵게 하며, 그 외에도 높은 재료 하중을 야기하고 그에 따라 증기 발생기의 수명을 단축시킨다.

요구되는 설정값에 대한 상기 유형의 비엔탈피의 편차와, 그 결과로, 증기 발생기의 모든 작동 상태에서, 다시 말하면 특히 전이 상태에서, 또는 부하 교번 시에, 발생하는, 바람직하지 못하게 큰 온도 변동을 가능한 한 작게 유지하도록 하기 위해, 급수 유량 조절 장치는 소위 예측형 설계 또는 예견형 설계의 유형으로 구성될 수 있다. 이 경우 특히 부하 교번 시에도, 필요한 급수 유동량 설정값들은 현재의 작동 상태 또는 가까운 향후 시점에 기대되는 작동 상태에 따라 제공되어야 한다. 이와 관련하여 매우 바람직한 조절 시스템은 유럽 공개 공보 EP 2 065 641 A2호 및 EP 2 194 320 A1호에 기재되어 있으며, 이 두 유럽 공개 공보 모두 본원의 출원인에 귀속된다. 따라서 본원은 상기 인용예들 내 모든 공개 내용과 분명히 관련한다.

최근의 발전 설비에서는 높은 효율이 요구될 뿐 아니라, 가능한 한 유연한 작동 방식도 요구된다. 이와 같은 요건에는 짧은 개시 시간 및 빠른 부하 변동 속도 외에도 전류 접속 네트워크 내의 주파수 장애를 보상하기 위해 가능한 수단도 속한다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해, 발전 설비는 예컨대 5% 이상의 추가 출력을 수 초 이내에 제공할 수 있어야 한다.

이는 지금까지 통상적인 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비에서는 대체로 가스 터빈의 부하 상승을 통해 구현된다. 그러나 어떤 경우에는 특히 높은 부하 영역에서 원하는 부하 상승이 가스 터빈만으로 제공될 수 없거나, 또는 가스 터빈에 의해 충분히 빠르게 제공될 수 없을 수도 있다. 따라서, 증기 터빈이 마찬가지로 특히 출력 요건에 따라서 처음 몇 초간 주파수 보조에 기여할 수 있으면서 기여하게 되는 해결책들도 점차 등장하게 되었다.

이는 예컨대 이른바 스텝 밸브, 또는 증기 터빈의 부분적으로 스로틀링되는 터빈 밸브들을 개방하는 것을 통해 이루어질 수 있으며, 그럼으로써 증기 터빈의 전방에서 증기 압력은 감소된다. 그럼으로써 상류에 연결된 폐열 증기 발생기의 증기 저장기로부터의 증기는 릴리즈되어 증기 터빈으로 공급된다. 상기 조치를 통해, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비 내에서는, 수 초 이내에 출력 상승이 달성된다.

이러한 부가 출력은 상대적으로 짧은 시간에 릴리즈될 수 있으며, 그럼으로써 가스 터빈을 통한 지연된 출력 상승은 (구조 및 작동 조건에 기반하는 최고 부하 변동 속도에 의해 제한되면서) 적어도 부분적으로 보상될 수 있게 된다. 전체 발전 설비 블록은 상기 조치를 통해 직접적으로 출력 점프를 수행하며, 가스 터빈의 후속하는 출력 상승에 의해서는, 예비 출력이 추가로 요구되는 시점에 설비가 부분 부하 영역에 위치해 있다는 전제 조건에서, 상기 출력 수준이 지속적으로 유지되거나 초과될 수도 있다.

그러나 예비량을 유지하기 위한 터빈 밸브들의 영구적인 스로틀링은 항상 효율 손실을 초래하며, 그럼으로써 경제적인 운영을 위해 스로틀링율은 반드시 필요한 정도로만 낮게 유지되어야 한다. 그 외에 몇몇 구조 형상의 폐열 증기 발생기, 예컨대 강제 순환식 증기 발생기는 경우에 따라 예컨대 자연 순환식 증기 발생기보다 훨씬 더 작은 저장기 용적을 포함한다. 저장기 크기의 차이는 상술한 방법에서 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 증기 터빈의 출력 변화 시 거동에 영향을 준다.

그러므로 본 발명의 과제는, 필요에 따라 신속 출력 예비량이 릴리즈될 수 있고 설비의 정상적인 작동 효율이 과도하게 저하되지 않는, 상술한 유형의 폐열 증기 발생기를 포함하는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 작동시키기 위한 방법을 제시하는 것에 있다. 이와 동시에 또 다른 과제는, 신속한 출력 상승이 폐열 증기 발생기의 구조 형성과 무관하게, 전체 시스템에 대한 실질적인 지나친 구조 변경 없이 가능해지도록 하는 것에 있다. 본 발명의 추가의 과제는, 상기 작동 방법을 실행하기 위해 특히 적합한 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비뿐 아니라, 상응하는 조절 장치를 제시하는 것에 있다.

작동 방법과 관련된 과제는 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징들에 의해 해결된다. 인용하는 항을 갖는 청구항들은, 부분적으로 바람직하고 부분적으로는 그 자체로 발명성이 있는, 본 발명의 개선 실시예들을 포함한다.

본 발명에 따르는 작동 방법의 개발을 위한 출발점은 증발기를 관류하는 급수 유량을 일시적으로 증가시킨다는 고려이다. 상기 조치를 통해서는, 열 에너지가 증발기와 후속하는 과열기 가열 표면들로부터 릴리즈되어 부가 출력의 형태로 증기 터빈 내로 배출된다.

이를 구현할 수 있는 가능성으로서는, 원칙적으로, 높은 효율을 바탕으로 표준 작동 또는 정상 작동(normal operation)을 위해 바람직한 소위 "벤손 조절 모드(BENSON Control Mode)"에서 소위 "레벨 조절 모드(Level Control Mode)"로 간단하게 전환하는 점을 고려할 수 있다.

증발기는 "레벨 조절 모드"에서 간단히 말하면 영구적으로 급수를 초과 공급받으며, 다시 말해 실질적으로 초과 급수된다. 그럼으로써 증가하는 방식으로 발생하는, 여전히 증발되지 않은 급수는, 하류에 연결된 분리기에서 증기로부터 분리되어야만 한다. 이처럼, 비록 급수 유동량의 상승이 부가 출력을 제공하기 위해 효과적으로 충족될 수 있기는 하지만, 상기 상황에서는 증발기 배출부에서 바람직하지 못한 잔류 수분도 발생한다. 그 외에도 현재의 급수 조절 컨셉은 두 작동 모드 간의 전환 과정에서 매개 변수의 갑작스런 보정이 실행되지 않도록 구상된다. 그 대신에 보통은 두 동적 시스템 상태 간에 점진적인, 그에 따라 상대적으로 시간이 오래 소요되는 전환이 제공된다.

다른 한편으로, "벤손 조절 모드"에서는, 예측 조절을 통해 정확히, 가능한 한 완전하게 특정 열역학적 상태를 갖는 신선한 증기로 변환될 양의 급수를 증발기를 통해 안내하고자 하는 시도가 이루어진다. 이 경우 증발기 배출부에서 소위 과열 설정값은 사전 설정된다. 그에 따라 상기 배출부에서 증기의 온도는 요구되는 차이값만큼 매체의 비등 온도를 상회해야 한다. 이를 위해 우선은 증발기 내 열 유동을 특징짓는 특성값이 결정된다. 그로부터, 증발기의 구성 부재들 내에 일시 저장되는 열량이 고려되면서, 급수를 위해 가용한 열 에너지가 구해진다. 그로부터 다시금 열 공급에 의해, 사전 설정에 따르는 온도 상승이 이루어지면서 증기로 변환될 수 있는 급수의 양이 계산될 수 있다. 마지막으로, 급수 펌프의 하류에 연결되는 조절 밸브의 상응하는 제어를 통해서, 급수 유동량에 대해 이와 관련하여 계산된 일차 설정값이 설정되게 된다.

신속 출력 예비량의 본 발명에 따르는 릴리즈를 위해, 과열 설정값은 비교적 높은 효율을 갖는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 표준 작동을 위해 정의되는 공칭값으로부터 더욱 낮은 활성화값으로 감소된다. 그럼으로써 조절 시스템에 의해 급수 유동량이 상승하게 된다. 이는 연도 가스의 열 공급이 대략 변함이 없을 때 직접적으로 증발기 배출부에서 유동 매체의 과열 및 온도를 각각 감소시킨다. 그 결과로, 관련된 가열 표면들, 다시 말해 증발기, 및 흐름 방향 아래쪽에 배치된 과열기의 가열 표면들의 재료 온도도 감소된다. 상기 재료 온도의 감소의 결과로서, 최종적으로, 감소된 매체 온도를 갖는 매체의 증가된 유량을 바탕으로, 열 에너지가 증발기 및 과열기의 가열 표면들로부터 릴리즈되어, 부가 출력의 형태로 증기 터빈 내로 배출된다.

이 경우 바람직한 것으로서 간주되는 점에 따라, 두 과열 설정값들 간에, 갑작스럽게 그리고 빠르게, 바람직하게는 최대 1초 또는 그 미만의 스위칭 시간으로 전환이 이루어진다. 이처럼, 전류 접속 네트워크 내 주파수 장애에 대한 반응으로서, 신속 출력 예비량이 가능한 한 짧은 시간에 제공되어야 한다.

활성화값이 작아짐에 따라 신속 출력 예비량의 레벨은 상승하기 때문에, 추가로 바람직하게는 온도 상승에 대해 매체의 비등 온도에 가까운 값을 선택한다. 그와 동시에 비등 온도에 대해 너무 가까운 근사값은 바람직하지 못한 것으로서 입증되는데, 그 이유는 이런 경우에 증발기 배출부에서 증가하는 방식으로 원하지 않는 잔류 수분이 발생할 수 있기 때문이다.

이와 관련하여 활성화값으로서는 매체의 비등 온도에 비해 5K 내지 15K의 온도 상승이 이와 관련하여 합리적인 절충안으로서 간주된다. 다른 한편으로, 폐열 증기 발생기 및 증기 터빈의 표준 작동을 위한 공칭값으로서 최소 한도에서 30K와 40K 사이의 온도 상승이 목표 된다.

신선한 증기의 열역학적 상태의 더욱 정확한 사전 설정을 위해서, 추가로 개선된 방법 변형예에 따라, 비등점은, 고정 값으로서 메모리에 저장하는 것이 아니라, 증발기 유입부 또는 증발기 배출부에서 바람직하게는 영구적인 압력 측정을 통해 간접적으로 결정한다.

그 외에도 매우 바람직한 방법 실시예에 따라, 비율의 계산을 통해 급수 유동량에 대한 일차 설정값의 계산이 이루어진다. 이 경우 연도 가스에서 증발기로 전달되는 열 유동을 특징짓는 열 유동 특성값이, 증발기의 구성 부재들 내에 일시 저장된 열량이 고려되면서, 분자로서 제공된다. 한편, 분자는 그에 상응하는 과열 설정값뿐 아니라 증발기 배출부에서 측정된 압력에 의해 특징 지워지는, 증발기 배출부에서 매체의 엔탈피 설정값과, 상응하는 온도 및 압력 측정을 통해 결정될 수 있는, 증발기 유입부에서 결정되는 매체의 엔탈피 사이의 차이로부터 구해진다. 따라서, 조절되는 시스템의 상태에서 가장 바람직한 경우에 요구되는 설정값을 지속적으로 생성하는 급수 유동량의 기본 설정값이 지정된다. 상기 기본 설정값은 정의를 통해 그에 상응하는 부하 조건의 100% 상태 또는 초기 상태로서 간주된다. 이는, 폐열 증기 발생기와 증기 터빈으로 이루어진 시스템이 부분 부하 작동 또는 전부하 작동 상태인지의 여부와 무관하게 적용된다. 그럼으로써, 전형적으로 제한된 값 범위에서 특히 효과적으로 작동하는 전체 조절 시스템은 항상 정확히 상기 값 범위 이내에서 유지된다.

본 발명에 따르는 작동 방법을 구현하기 위한 바람직한 조절 시스템에 따라서는, 예측 조절 루프에 보충되는 방식으로, 병행 작동하는 제2 조절 루프가 제공된다. 상기 제2 조절 루프에 의해서는 급수 유동량에 대한 이차 설정값이 결정된다. 이를 위해 증발기 배출부에서 결정되는 매체의 엔탈피와 그에 상응하는 엔탈피 사전 설정값으로부터 차이 계산이 이루어진다. 이 경우, 이차 설정값은 거의 보정값으로서 이용되며, 이런 보정값은 조절의 정밀도를 계속해서 상승시키면서, 일차 설정값이 시스템 조건에 따라 큰 오류를 나타내거나 변동하는 경우에 보정 또는 안정화하는 방식으로 개입한다.

특히 이차 설정값이 매칭되는 상대 변수로 변환되게끔 하는 보정 조절 장치의 이용 시에, 상기 문맥에서는, 급수 유동량을 위한 두 설정값을 서로 승산 연산하는 것이 특히 바람직하다. 그에 따라 조절 시스템에 대한 절대 변수들의 영향은 계속해서 감소시킬 수 있다.

또한, 과열 설정값의 사전 설정, 다시 말해 온도의 사전 설정에 대체되는 방식으로, 조절 시스템에서는, 특성 변수들을 통해 결정되거나, 상기 특성 변수들에 결정적인 작용을 하는 엔탈피 설정값도 사전 설정될 수 있다. 어느 경우든, 해당 공칭값과 해당 활성화값 간의 전환에 의해서는, 열 공급이 더욱 많은 양의 급수에 재분배되는 점이 실현된다.

시스템을 표준 작동 모드로 복귀시킬 때, 바람직하게는 활성화값에서 공칭값으로 다시 빠르게 스위칭하는 것이 아니라, 지속적으로, 그에 따라 시간 지연 방식으로 환원시킬 수 있다. 이는, 전체 발전 설비의 연속적인 출력이 상기 시간 동안 요구된다면, 예컨대 가스 터빈의 출력 상승과 동기화되어 이루어질 수 있다. 이를 위해, 조절 장치는, 적합한 위치에 그에 상응하는 지연 부재들을 구비할 수 있다.

중간에 신속 출력 예비량을 릴리즈하는 선택 사항을 이용하면서 폐열 증기 발생기 및 하류에 연결된 증기 터빈을 작동시키기 위한 본원에 기재된 작동 방법은 바람직하게는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비에서 이용된다. 본원에서 상기 신속 출력 예비량은 우선 빠르게 이용할 수 있는 출력 버퍼로서 이용되는데, 그 이유는 부가 출력이 상대적으로 짧은 시간에 릴리즈될 수 있기 때문이다. 출력 버퍼에 의해서는 가스 터빈을 통한 지연된 출력 상승을 (가스 터빈의 구조 및 작동 조건에 기반하는 최고 부하 변동 속도를 통해 제한하면서) 적어도 부분적으로 보상하기 위해 충분한 제한된 시간이 브리지될 수 있다. 전체 발전 설비 블록은 상기 조치를 통해 직접적으로 출력 점프를 수행하며, 가스 터빈의 병행 개시된 출력 상승에 의해서는 상기 출력 수준도 지속적으로 유지되거나 초과될 수도 있다.

마지막으로 본원으로 고수하고자 하는 사항은 본 발명에 따르는 작동 방법이 지나친 구조적 조치 없이도 구현된다는 점에 있다. 이는 조절 시스템 내에 추가 모듈을 구현하는 것만으로 구현될 수 있다. 따라서 더욱 높은 설비 유연성 및 더욱 높은 설비 유용성이 추가 비용 없이 달성된다.

그 외에도 본원의 작동 방법은 또 다른 조치들과는 무관하게 제공되며, 그럼으로써, 증기 터빈의 출력 상승을 한층 더 강화하도록 하기 위해, 예컨대 스로틀링되는 터빈 밸브들도 추가로 개방될 수 있게 된다. 또한, 그와 동시에 폐열 증기 발생기 내에 제공되는 분사 냉각기들 등의 분사 유동량의 조절이 동일한 조절 목적으로 이루어질 수 있다. 본원의 작동 방법의 효과는 상기 병행 조치들에 의해 대부분 영향을 받지 않는다.

본 발명의 일 실시예는 다음에서 블록 다이어그램에 따라서 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 연관된 조절 시스템을 포함하는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.

본 발명에 따르는 작동 방법은 실시예에서 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 작동시키기 위해 이용된다. 여기서는 명확성을 위해 하나의 압력단만을 포함하는 증기 터빈(DT)이 고려된다. 이와 관련하여 당해 당업자라면 복수의 압력단 및 그에 상응하는 중간 과열단들로 아무런 문제 없이 확장할 수 있을 것이다.

가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 증기 터빈(DT)은 급수 회로(1) 내에 포함된다. 급수는 급수 저장 탱크(R)로부터 출발하여 펌프(2)에 의해 강제 순환식 증발기(3) 내로 토출된다. 상기 강제 순환식 증발기의 상류에는 대개 급수를 예열하기 위한 본원에 함께 도시되지 않은 절탄기가 추가로 연결된다. 강제 순환식 증발기(3) 내로의 급수 유동량은, 자체의 밸브 위치가 해당 서보 모터(M)에 의해 조정되는 조절 밸브(4)를 통해 가변될 수 있다. 이하 축약하여 증발기(3)로도 지칭되는 강제 순환식 증발기(3) 내에는 복수의 가열 표면이 제공된다. 상기 가열 표면들은 구조 조건에 따라 급수 회로(1) 내 순서에 상응하게 절탄기 가열 표면(5), 증발기 가열 표면(6) 및 과열기 가열 표면(7)으로서 지칭할 수 있다. 증발기 배출부에서 급수는 기상으로 변환되어 존재하고 그에 따라 증기로서 하류에 연결된 과열기 가열 표면들(8)에 의해 계속해서 가열된다. 그 밖에도 증발기(3)와 과열기 가열 표면들(8) 사이에는 분리기(AS)가 위치하며, 이 분리기는 요구되는 경우 증기로부터 원하지 않는 잔류 수분을 분리한다. 최종적으로, 과열된 증기는 증기 터빈(DT) 내에서 전기 에너지를 수득하기 위해 이용되며, 하류에 연결된 응축기(K) 내에서 다시 급수로 응축되며, 이 급수는 급수 저장 탱크(R) 내로 회수된다. 급수 회로(1)의 모든 가열 표면은 가열 가스 채널(9) 내에 배치된다. 상기 가열 가스 채널(9) 내로는 가스 터빈(GT)의 배기가스가 유입된다. 상기 배기가스는 먼저 과열기 가열 표면들(7, 8), 그런 다음 증발기 가열 표면들(6), 마지막으로 절탄기 가열 표면들(5)을 과류할 뿐 아니라, 제공되어 있는 경우라면, 절탄기의 가열 표면들도 과류한다. 이처럼 증기 터빈(DT)과의 조합의 결과로서 가스 터빈(GT)의 배기가스 내에 저장된 열이 적어도 부분적으로 전기 에너지의 수득을 위해 이용될 수 있도록 하는 폐열 증기 발생기가 구현된다.

가능한 한 높은 효율을 보장하기 위해서 급수 회로(1) 내의 급수 유동량은 조절되어야 하고 가스 터빈(GT)을 통한 가열 가스 공급의 경우에 따른 변동에 매칭되어야만 한다. 이를 위해, 서보 모터(M)를 제어하고 그에 따라 조절 밸브(4)의 위치를 매칭하는 그에 상응하는 조절 시스템(10)이 제공된다.

상기 조절 시스템(10)은 실질적으로 소위 함수 모듈들(FB 01 ... FB 10)로 구성된다. 상기 유닛들은 측정 신호들을 처리하고, 메모리에 저장된 데이터에 액세스하며, 상기 신호들 또는 데이터를 논리 연산을 통해 함수값들로 변환할 수 있으며, 그런 다음 함수값들은 추가의 함수 모듈들(FB 01 ... FB 10)로 전송되거나, 서보 모터(M)와 같은 하류에 연결된 장치들을 제어하기 위한 명령 코드로서 이용된다. 실시예에 따라 서보 모터(M)를 위한 제어 명령들은 함수 모듈(FB 01)에 의해 생성된다. 이 경우 데이터베이스 또는 입력 신호들로서 2개의 병행 작동하는 조절 루프를 통해 결정되는 2개의 설정값이 고려되며, 이들 설정값은 승산 부재(11)를 통해 서로 연산된다.

두 조절 루프 중 일측의 조절 루프는 소위 예측형 또는 예견형 조절 루프로서 구성된다. 이하에서 일차 루프로 지칭되는 상기 조절 루프로는, 시스템 반응 시간을 고려하면서, 후속하는 시간 간격 이내에, 더욱이 특히 높은 효율의 조건에서, 기본적으로 확실한 작동이 어느 정도의 급수 유동량으로 달성될 수 있는지가 사전에 계산되어야 한다. 치수의 관점에서 유동량을 나타내는 해당 변수는 일차 설정값으로서 지칭되며, 상기 후속하는 시간 간격에서는 승산 부재(11)를 통해 서로 연산되는 두 설정값 중 제1 설정값에 상응한다.

일차 설정값의 결정을 위해 2개의 변수(A 및 B)는 제산 부재(12)에서 비교된다. 이 경우 함수 모듈(FB 02)을 통해 결정되는 변수 A는 매체인 물을 위해 제공될 수 있는 열 공급을 나타내는데, 다시 말하면 가스 터빈(GT)의 배기가스로부터 릴리즈되어 증발기(3) 내에 저장된 열에서, 증발기의 가열 표면들(5, 6, 7) 내에 일시 저장되는 열량을 제외한 값을 나타낸다. 정확히 상기 열 공급은, 증발기(3) 내에서 매체의 특정 엔탈피 변화(B)를 초래하기 위해 이용되어야 한다. 상기 엔탈피 변화(B)는 가산 부재(13)에서 증발기 배출부에서 요구되는 매체의 엔탈피값과 증발기 유입부에서 매체의 엔탈피값 간의 차이 계산에 의해 구해진다. 증발기 유입부에서 매체의 엔탈피값은 상기 계산에서, 지정되기는 했지만 가변적인 것으로서 간주되며 온도 센서(14) 및 압력 센서(14a)의 측정 신호들에 액세스하는 함수 모듈(FB 03)을 통해 결정된다. 그와 반대로, 매체의 열역학적 상태와, 그 결과로 증발기 배출부에서 엔탈피값은 사전 설정되어야 한다. 이를 위해 함수 모듈(FB 04)에는 과열 설정값이 저장된다. 그에 따라 증발기 배출부에서 증기의 온도는 사전 설정된 값, 즉 공칭값만큼, 자체적으로 증발기 배출부에서 압력 센서(15)의 데이터에 의해 결정되는, 매체의 비등 온도를 상회해야 한다. 이로부터 증발기 배출부에서 생성되는 매체의 엔탈피 설정값은 함수 모듈(FB 04)에 의해 감산 부재(13)로 공급된다.

그 외에도 일차 설정값의 계산 시에, 추가의 변수들, 즉 동적 영향에 대한 대표적인 변수들도 고려될 수 있다. 그에 상응하는 보정항(correction term)은 함수 부재(FB 05)에 의해 결정되며, 그런 다음 제산 부재(12)의 하류에 연결되는 가산 부재(16)에서 가산된다.

이차 루프로서도 지칭되는 제2 조절 루프는 반응형 조절 루프로서 형성되며, 일종의 정밀 조정을 통해 전체 조절 시스템(10)의 정밀도를 계속해서 상승시켜야 한다. 이는 감산 부재(17)에서 설정값-실제값 보정에 의해 이루어진다. 설정값으로서는, 증발기 배출부에서 매체의 엔탈피 설정값이면서 함수 모듈(FB 04)에 의해 계산되는 상기 엔탈피 설정값이, 함수 모듈(FB 06)을 통해 감산 부재(17)로 공급된다. 해당 엔탈피값은 증발기 배출부에서 온도 센서(18) 및 압력 센서(15)의 측정 신호들을 기반으로 하고, 함수 모듈(FB 07)에 의해 결정된다. 이와 관련하여 결정된 설정값-실제값 편차는 최종적으로 PI 조절 부재(19)로 공급되며, 이 PI 조절 부재는 출력 측에서 승산 부재(11)를 위한 제2 설정값 또는 이차 설정값을 제공한다. 상기 설정값은, 복합 발전 설비가 전부하 작동 또는 부분 부하 작동 상태에 있는지의 여부와 무관하게, 값 1에 가깝게 위치하는 무한한 상대 변수이다. 조절 루프의 컴포넌트들은 제한된 값 범위에서만 특히 효과적으로 작동하기 때문에, 상기 유형의 상대 변수에 대한 참조를 통해, 기대되는 값 범위가 절대 변수들과 무관하게, 컴포넌트들과 관련하여 바람직한 값 범위와 가능한 한 일치하게끔 할 수 있다.

신속 출력 예비량의 릴리즈를 위해, 본 발명에 따라서는 과열 설정값이, 비교적 높은 효율을 갖는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 정상 작동(stationary operation)을 위해 정의된 공칭값으로부터 더욱 작은 활성화값으로 감소된다. 상기 설정값 감소는 조절 시스템(10)의 일차 루프뿐 아니라 이차 루프에도 영향을 미친다. 이와 관련된 시스템의 영역은 표시들(20 및 21)을 통해 강조되어 있다.

실시예에서 과열 설정값의 변경은 예시로서 갑작스럽게 실행된다. 그러므로 상기 변경은 각각의 조절 루프 내 스위치(22, 23)의 전환을 통해 달성될 수 있다. 이 경우 각각의 스위치는 해당 함수 모듈(FB 08, FB 09)을 통해 제어되고, 두 스위치(22, 23)의 전환은 실질적으로 동시에 이루어진다. 이에 대체되는 방식으로, 스위치들(22, 23)을 포함하지 않는 실시예도 가능하다. 이런 경우에 함수 모듈들(FB 08, FB 09)은 더욱 복잡한 기능을 수행한다. 간단히 2개의 값 사이에서만 전환하는 것 대신에, 함수 모듈들(FB 08, FB 09)은, 전류 접속 네트워크 내에서 측정된 주파수 장애에 따라서, 저장된 값 범위 이내에 존재하는 매칭된 과열 설정값을 독자적으로 사전 설정한다.

또한, 과열 설정값의 감소에 수반되어, 증발기 배출부에서 매체의 엔탈피 설정값의 감소도 함께 이루어진다. 활성화값을 기반으로 하는 상기 엔탈피 설정값은 추가의 함수 모듈(FB 10)을 통해 계산된다. 상기 엔탈피 설정값은, 신속 출력 예비량의 활성화 단계 동안에, 이차 루프의 감산 부재(17)에서 뿐 아니라, 일차 루프의 감산 부재(13)에서도, 공칭값에 속하는 엘탈피 설정값을 대신한다.

결과적으로, 증발기(3) 내 급수 유동량과, 그에 따라 상기 증발기를 관류하는 급수 유량은 상승한다. 상기 조치로, 비교적 낮은 매체 온도를 갖는 더욱 많은 유량을 바탕으로, 열 에너지는, 증발기(3)와 후속하는 과열기 가열 표면들로부터 릴리즈되어, 부가 출력의 형태로 증기 터빈(DT) 내로 배출된다.

Claims (14)

1. 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 작동시키기 위한 방법이며, 상기 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비는 가스 터빈(GT)과, 유동 매체가 관류할 수 있는 하나 이상의 증발기 가열 표면(6)을 구비하고 상기 가스 터빈(GT)의 하류에서 배기가스 측 또는 가열 가스 측에 연결되는 폐열 증기 발생기와, 이 폐열 증기 발생기의 하류에서 유동 매체 측에 연결되는 증기 터빈(DT)을 포함하며, 상기 증기 터빈의 경우 유동 매체는 급수의 형태로 폐열 증기 발생기에 공급되고, 급수 유동량의 예측 조절을 위해 일차 조절 루프가 제공되며, 유동 매체의 비등 온도에 비해서 증발기 가열 표면(6)의 배출부에 존재하는 유동 매체의 온도 상승의 특징을 나타내는 과열 설정값에 따라서, 그리고 증발기 가열 표면(6)을 통해 가열 가스로부터 유동 매체로 전달되는 열 유동의 특징을 나타내는 열 유동 특성값에 따라서, 증발기 가열 표면의 구성 부재들 내에 저장된 열을 고려하면서, 급수 유동량에 대한 일차 설정값이 결정되어, 상기 급수 유동량이 상응하게 후속 조절되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법에 있어서,
   단기간 가용한 신속 출력 예비량의 활성화를 위해, 상기 과열 설정값은, 비교적 높은 효율을 갖는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 정상 작동을 위해 정의되는 공칭값으로부터 더욱 작은 활성화값으로 감소되는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
2. 제1항에 있어서, 전환은 갑작스럽게 그리고 빠르게 실행되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활성화값은 활성화 단계 동안 온도 상승이 포지티브하게 유지되는 방식으로 선택되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
4. 제3항에 있어서, 활성화 단계 동안에, 온도 상승은 5K 내지 15K의 범위에서, 바람직하게는 10K로 설정되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 단계에 선행하는 정상 작동 동안에, 30K 이상, 바람직하게는 40K 이상의 온도 상승이 설정되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 증발기 가열 표면(6)의 배출부에서 유동 매체의 비등 온도는, 상기 배출부에서 측정되는 유동 매체의 압력에 따라서, 그리고 경우에 따라서는 추가의 측정 변수들에 따라서 결정되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 급수 유동량에 대한 일차 설정값의 결정을 위해, 열 유동 특성값과, 증발기 가열 표면(6) 내 유동 매체의 엔탈피 상승의 특징을 나타내는 엔탈피 차이 특성값으로부터 비율이 계산되며, 상기 엔탈피 차이 특성값은 엔탈피 설정값으로 환산되는 과열 설정값과, 증발기 가열 표면(6)의 유입부에서 측정되는 유동 매체의 엔탈피에 따라서 결정되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 증발기 가열 표면(6)의 배출부에서 사전 설정된 엔탈피 설정값과 상기 배출부에서 측정되는 유동 매체의 엔탈피를 비교함으로써 이차 조절 루프를 이용하여 급수 유동량에 대한 이차 설정값이 결정되며, 상기 급수 유동량은 일차 설정값과 이차 설정값으로부터 계산된 총 설정값에 따라 후속 조절되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
9. 제8항에 있어서, 일차 설정값과 이차 설정값은 총 설정값의 계산을 위해 서로 승산되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 활성화 단계 동안에 엔탈피 설정값은 비교적 높은 효율을 갖는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 정상 작동을 위해 정의된 초기값으로부터 더욱 작은 활성화값으로 전환되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
11. 제10항에 있어서, 엔탈피 설정값은 실질적으로 온도 설정값과 동시에 전환되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 활성화 단계의 종료 시에, 연속해서 그리고 시간 지연 방식으로 각각의 활성화값으로부터 해당 공칭값으로 환원되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 작동 방법.
13. 가스 터빈(GT)과, 유동 매체가 관류할 수 있는 하나 이상의 증발기 가열 표면(6)을 구비하고 가스 터빈(GT)의 하류에서 배기가스 측에 연결되는 폐열 증기 발생기와, 폐열 증기 발생기의 하류에서 유동 매체 측에 연결되는 증기 터빈(DT)과, 폐열 증기 발생기를 위해 조절 밸브(4)를 통해 조정될 수 있는 급수 공급부를 포함하는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비에 있어서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 작동 방법을 실행하기 위한 수단들을 포함하는 급수 유동량을 위한 조절 장치가 제공되는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비.
14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따르는 작동 방법을 실행하기 위한 수단들을 포함하는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비용 조절 장치.

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