KR20140014047A - 복합 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
복합 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 복합 발전 시스템은, 탄화수소 성분의 연료를 공급받아 연소시켜 가스터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부; 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 증기터빈을 구동시켜 발전하는 배열 회수 발전부; 및 배열 회수 발전부에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 생성된 물을 배열 회수 발전부에 보충수로 공급하는 증발식 보충수 공급부를 포함한다.
Description
본 발명은 복합 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합 발전 시스템의 증기터빈에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수로부터 순수를 생성하여 보충수로 공급할 수 있는 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
연소에 의한 에너지를 터빈 등의 원동기(原動機, prime mover)를 통하여 전기에너지로 변환하는 방법에는, 보일러 및 스팀터빈에 의한 발전방법, 가스터빈에 의한 발전방법 및 이들을 조합한 복합 사이클 발전방법이 있다.
보일러 및 스팀 터빈에 의한 발전 방법은, 연료로 중유, 원유, 잔사유 또는 석탄을 사용하고, 보일러에서 발생한 고온, 고압의 스팀에 의하여 터빈을 구동하여 발전하지만, 열효율이 38 ~ 40 %/HHV기준(HHV: 고위발열량)으로 비교적 낮다.
또한 가스터빈은 연료로 액화천연가스, 등유, 경유 등을 사용하여, 연료를 압축공기로 또는 압축공기를 연소열로 가열하여 연소시켜, 발생한 고온, 고압의 가스에 의하여 터빈을 구동하여 발전한다. 발전효율은 20 ~ 35%이지만, 가스터빈의 배기가스는 450 ~ 700℃로 고온이므로 이러한 열을 이용할 수 있다.
공냉식 터빈 등에서는 온도를 1300 ~ 1500℃ 정도까지 높일 수 있으므로, 발전효율의 향상, 배기가스의 보다 유효한 이용이 가능하다.
이들을 조합한 복합 사이클 발전에서는 연료로 액화천연가스를 사용하고, 압축공기로 연료를 연소시켜, 그 고온고압가스로 가스터빈을 구동하여 발전하고, 또한 배기가스를 폐열회수 보일러에 공급하여 스팀을 발생시키고 스팀 터빈에 의해 발전하는 방법이 실시되어 있고, 열효율이 46 ~ 47%로 높은 것이 특징이다. 따라서 발전설비의 노화에 의하여 설비를 신설할 때나, 기존설비를 이용한 발전력을 증강할 때에는, 열효율이 높은 복합 사이클 발전으로의 전환이 진행되고 있다.
그러나, 액화천연가스에 의한 복합 사이클 발전에서는 연료인 LNG의 저장 비용이 필요하고, 공급에 문제를 일으킬 수도 있다.
구미에서는, LNG나 경유 이외에 원유나 잔사유를 가스터빈의 연료로 사용하고 있는 실적이 있으나, 이들에 포함된 불순물 때문에 문제가 많이 발생하고, 경유나 LNG를 사용하는 경우에 비해 보수비용이 들게 된다.
특히 최근 환경규제조건이 강화됨에 따라, 석탄화력 및 원자력 발전(장치)에 비하여, 공해의 배출이 적으면서도 높은 성능과 신뢰성을 갖춘 복합화력 발전소의 건설이 급격히 증가되고 있다.
이러한 복합화력 발전(장치)은, 기본적으로 가스터빈(GAS Turbine)과 배열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator)와 스팀 터빈 등으로 구성되어 있다. 상기의 복합화력 발전은, 시스템의 효율을 높이기 위해, 일차적으로 화석연료를 연소시켜 생성한 고온의 연소가스로 가스터빈을 돌려 전력을 생산한 후, 가스터빈에서 배출되는 상기 고온의 연소가스(배기가스)로 배열회수 보일러에서 증기를 생산하도록 하여, 그 증기로 스팀 터빈을 돌려 이차적으로 전력을 생산한다.
그 과정을 좀 더 상세히 살펴보면, 가스터빈의 배기덕트로부터 유입되는 고온의 연소가스가 배열회수 보일러의 확장덕트에 설치되어 있는 유동조절장치(FCD; Flow Correction Device)를 통과하면서 유동이 균일하게 분포되어, 첫 번째 전열면(傳熱面)인 고압부의 열 교환용 관군(Tube Bundle)으로 유입된다.
상기의 열 교환용 관군으로 유입된 연소가스는, 핀 튜브의 내부를 흐르는 물(또는 증기)에 열을 전달하여 고온고압의 증기를 생성시킨 후, 저온의 상태로 스택을 통해 외부로 빠져나간다.
배열회수 보일러를 구성하는 요소 중에서, 입구덕트에 설치되는 유동조절장치는, 고압부의 열 교환기 입구 측에서 균일한 유동분포를 형성시키기 위해 사용되므로 배열회수 보일러의 열효율 향상 및 핀 튜브의 파손방지에 매우 중요한 역할을 수행한다.
한편, 열 교환용 관에서 생성된 고온·고압의 증기는, 스팀 터빈으로 보내어져, 추가적인 전력을 생산하게 된다.
도 1은 이러한 종래의 가스복합 화력 발전 시스템에서 배열회수 보일러와 스팀을 이용한 스팀 터빈에 의한 발전 공정의 일 예를 개략적으로 도시한다.
가스 터빈(1)을 가동시키고, 배출되는 배기가스가 배열회수 보일러(2)에 유입되어 스팀이 생성되면, 스팀 터빈(3)을 구동시켜 전력을 생산한다.
스팀 터빈에서 배출되는 증기는 복수기(4)에서 복수(復水)되어 다시 배열회수 보일러(2)로 공급된다.
이때, 배열회수 보일러(2)에서 배기를 열원으로 스팀을 생성하는 과정에서 Blow Down이 발생하기 때문에, 시스템의 물을 보충해 주어야 한다. 종래에는 이러한 보충수를 공급해 주기 위해 해수를 이용하는 경우, 증발식 또는 역삼투식 담수화 장치(6)가 구비되어 있었다. 장치에서 생성된 물은 순수장치(5)에서 이온을 제거하여 보충수로 공급되었다.
한편, 스팀 터빈(3)의 터빈 봉입 증기(Gland Sealing Steam)은 봉입 증기 복수기(7)에서 복수되어 보충수로 공급되기도 하였다.
이와 같은 종래의 가스복합 화력 발전 시스템에서는 보충수 공급을 위한 역삼투식 담수화 장치에서 고압 펌프가 구비되므로, 펌프 구동을 위한 전력이 요구되었고, 터빈 봉입 증기의 열 에너지를 활용하지 못하고 복수함으로써 에너지 활용이 효율적이지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하여 보충수로 공급할 수 있는 복합 발전 시스템을 제안함으로써, 종래의 역삼투식 담수화 장치의 고압 펌프 구동을 위한 전력을 필요로 하지 않으며, 터빈 봉입 증기의 열 에너지를 활용치 못하는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 복합 발전 시스템에 있어서,
탄화수소 성분의 연료를 공급받아 연소시켜 가스터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부;
상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 증기터빈을 구동시켜 발전하는 배열 회수 발전부; 및
상기 배열 회수 발전부에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 생성된 물을 상기 배열 회수 발전부에 보충수로 공급하는 증발식 보충수 공급부를 포함하는 복합 발전 시스템이 제공된다.
상기 증발식 보충수 공급부는 상기 증기터빈에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하는 증발식 담수화기와, 상기 증발식 담수화기에서 생성된 담수에 포함된 이온을 제거하여 순수를 생성하는 순수화기를 포함할 수 있다.
상기 증발식 보충수 공급부는 상기 증기터빈에서 배출되는 상기 터빈 봉입 증기를 상기 증발식 담수화기로 공급하는 제1 유로와, 상기 제1 유로를 개폐하며 상기 증발식 담수화기로 공급되는 상기 터빈 봉입 증기의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 포함할 수 있다.
상기 배열 회수 발전부는 상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 물을 증발시켜 증기를 형성시키는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러에서 공급되는 상기 증기로 터빈을 구동시켜 발전하는 증기터빈 발전기와, 상기 증기터빈 발전기에서 배출되는 상기 증기를 복수하는 복수기를 포함하되, 상기 순수가 상기 순수화기로부터 상기 배열 회수 발전부의 보충수로 상기 복수기에 도입될 수 있다.
상기 배열 회수 발전부는 상기 증기터빈 발전기에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 복수하는 봉입 증기 복수기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 복합 발전 방법에 있어서,
1) 탄화수소 성분의 연료를 공급받아 연소시켜 가스터빈을 구동하여 발전하는 단계;
2) 상기 가스 터빈을 구동시키고 배출되는 배기를 열원으로 증기를 생성하여 증기터빈을 구동시켜 발전하는 단계;
3) 상기 증기터빈에서 배출된 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하고 이온을 제거하여 순수를 생성하는 단계; 및
4) 상기 증기터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수하고, 상기 순수를 보충수로 공급하는 단계를 포함하는 복합 발전 방법이 제공된다.
본 발명의 복합 발전 시스템은 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하여 보충수로 공급할 수 있게 함으로써, 별도의 전력 소모 없이 터빈 봉입 증기의 열 에너지를 활용하여 시스템에 필요한 보충수를 공급할 수 있다.
도 1은 종래의 복합 발전 시스템의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 발전 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 발전 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 발전 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 발전 시스템은, 탄화수소 성분의 연료를 공급받아 연소시켜 가스터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부(100)와, 가스 터빈부(100)에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 증기터빈을 구동시켜 발전하는 배열 회수 발전부(200)와, 배열 회수 발전부(200)에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 생성된 물을 배열 회수 발전부(200)에 보충수로 공급하는 증발식 보충수 공급부(300)를 포함한다.
증발식 보충수 공급부(300)는 증기터빈에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하는 증발식 담수화기(310)와, 증발식 담수화기(310)에서 생성된 담수에 포함된 이온을 제거하여 순수를 생성하는 순수화기(320)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 탄화수소 성분의 연료의 예에는 석유나 LNG, 석탄이나 중질유 등이 포함될 수 있다.
복합 발전 시스템의 증기터빈에는, 터빈 샤프트 양단부를 밀봉하기 위하여 샤프트와 케이싱 사이에 요철식의 패킹(Packing)이 형성된다.
증기터빈 운전시 터빈 내부는 고압을 유지하고 있으나, 패킹의 요철부를 지나면서 급격한 압력강하가 발생하고, 패킹의 최외단에서는 대기압보다 저압이 유도되어 샤프트와 패킹 사이로 외부의 공기가 유입되는 현상이 발생한다.
따라서, 운전시 외부로부터 들어오는 공기를 막기 위하여 실링부 중간의 케이싱과 패킹에 구멍을 뚫어, 이 구멍에 공급라인을 연결하고, 공급라인을 통해 터빈 샤프트와 패킹 사이에 소량의 실링(sealing)용 증기를 공급해 준다.
실링용 증기는 압력이 대기압보다 낮기 때문에, 외부의 공기가 틈새를 타고 터빈 내부로 유입되더라도 실링부 중간에서 터빈측으로부터 누출되는 증기와 함께 실링용 증기 공급라인으로 배출되고, 이 공급라인으로 배출되는 증기와 공기를 응축기에서 응축시켜 외부로 배출하도록 되어 있다.
이러한 실링용 증기가 터빈 봉입 증기이다.
터빈 봉입 증기는 외부에 보조 보일러나 다른 시스템을 통해 공급할 수도 있으나, 증기터빈의 부하가 40% 정도 이상이 되면 증기터빈의 추기증기를 터빈 봉입 증기로 이용할 수 있다.
터빈 봉입 증기는 증기터빈의 터빈 구동용 증기보다는 저온이겠지만, 상당한 고온이므로 이를 열원으로 활용할 수 있는 방안이 필요하다. 이를 위해 본 실시예에서는 이를 해수 증발에 이용하여 담수를 생산하고, 순수화기(320)에서 담수에 포함된 이온을 제거한 후 시스템에 필요한 보충수로 공급하는 것이다.
복합 발전 시스템의 배열 회수 발전부(200)에서 증기터빈으로 도입되는 증기를 생성하기 위해, 가스 터빈부(100)에서 배출되는 배기를 열원으로 스팀을 생성하는 과정에서 Blow Down으로 인해 시스템에 순환하는 물이 손실되기 때문에, 시스템의 물을 보충해 주어야 한다.
터빈 봉입 증기는 배열 회수 발전부(200)에서 생성된 증기의 0.1 내지 10 % 내외이므로 많지 않지만, 시스템에서 보충되는 물의 양도 순환하는 물의 3% 내외로 비교적 소량이므로 터빈 봉입 증기를 열원으로 하여 보충수를 생성하여 공급할 수 있다.
증발식 담수화기(310)에 공급되는 해수는 터빈 봉입 증기와의 열교환으로 증발되면서 점차 염분 농도가 높아지게 된다. 증발식 담수화기(310) 내에서 염분 농도가 높아져 소금이 생성되면, 이를 제거하기 어렵고 설비의 이상을 초래할 수도 있으므로, 증발식 담수화기(310) 내의 염분 농도를 모니터링하면서 일정한 농도 이상이 되면 이를 배출시키거나, 계속해서 해수를 교환해 줌으로써 장치 내에서의 소금 생성을 막는 것이 바람직하다.
이를 위한 염도 센서(미도시)가 추가될 수 있다.
증발식 보충수 공급부(300)는 증기터빈에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 증발식 담수화기(310)로 공급하는 제1 유로(330)와, 제1 유로(330)를 개폐하며 증발식 담수화기(310)로 공급되는 터빈 봉입 증기의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브(340)를 포함할 수 있다.
터빈 봉입 증기의 온도와 시스템에 필요한 보충수의 양 등의 요소들을 고려하여 증발식 담수화기(310)로 공급되는 증기의 유량을 조절할 수 있다.
배열 회수 발전부(200)는 가스 터빈부(100)에서 배출되는 배기를 열원으로 물을 증발시켜 증기를 형성시키는 배열 회수 보일러(210)와, 배열 회수 보일러(210)에서 공급되는 증기로 터빈을 구동시켜 발전하는 증기터빈 발전기(220)와, 증기터빈 발전기(220)에서 배출되는 증기를 복수하는 복수기(230)를 포함하되, 순수가 순수화기(320)로부터 배열 회수 발전부(200)의 보충수로 복수기(230)에 도입될 수 있다.
복수기(230)에서는 증기터빈 발전기(220)에서 배출되는 증기가 해수와 열 교환하여 복수(復水)된다.
배열 회수 발전부(200)는 증기터빈 발전기(220)에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 복수하는 봉입 증기 복수기(240)를 더 포함할 수 있다.
증기터빈 발전기(220)에서 배출되는 터빈 봉입 증기의 양보다 증발식 담수화기(310)에 열원으로 필요한 터빈 봉입 증기의 양이 적은 경우, 남는 터빈 봉입 증기는 봉입 증기 복수기(240)로 보내 복수한다. 봉입 증기 복수기(240)에서는 복수기(230)에서 복수된 복합 발전 시스템의 순환용 물이 터빈 봉입 증기의 복수를 위한 냉매로 활용될 수 있다.
봉입 증기 복수기(240)로 터빈 봉입 증기가 도입되는 유로를 개폐하는 봉입 증기 밸브(250)가 추가될 수 있다.
터빈 봉입 증기에서 복수된 물은 복수기(230)로 도입되어 보충수로 시스템에 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 복합 발전 방법에 있어서,
1) 탄화수소 성분의 연료를 공급받아 연소시켜 가스터빈을 구동하여 발전하는 단계;
2) 가스 터빈을 구동시키고 배출되는 배기를 열원으로 증기를 생성하여 증기터빈을 구동시켜 발전하는 단계;
3) 증기터빈에서 배출된 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하고 이온을 제거하여 순수를 생성하는 단계; 및
4) 증기터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수하고, 순수를 보충수로 공급하는 단계를 포함하는 복합 발전 방법이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시예의 복합 발전 시스템은 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수화하여 보충수로 공급할 수 있게 함으로써, 종래의 펌프 구동을 위한 전력이 필요하던 역삼투식 담수화 장치와는 달리 별도의 전력 소모 없이 터빈 봉입 증기의 열 에너지를 활용하여 시스템에 필요한 보충수를 공급할 수 있다.
또한 터빈 봉입 증기에 흡수된 열 에너지를 활용함으로써, 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 가스 터빈부
200: 배열 회수 발전부
210: 배열 회수 보일러
220: 증기터빈 발전기
230: 복수기
240: 봉입 증기 복수기
250: 봉입 증기 밸브
300: 증발식 보충수 공급부
310: 증발식 담수화기
320: 순수화기
330: 제1 유로
340: 유량 조절 밸브
200: 배열 회수 발전부
210: 배열 회수 보일러
220: 증기터빈 발전기
230: 복수기
240: 봉입 증기 복수기
250: 봉입 증기 밸브
300: 증발식 보충수 공급부
310: 증발식 담수화기
320: 순수화기
330: 제1 유로
340: 유량 조절 밸브
Claims (1)
- 복합 발전 시스템에 있어서,
탄화수소 성분의 연료를 공급받아 연소시켜 가스터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부;
상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 증기터빈을 구동시켜 발전하는 배열 회수 발전부; 및
상기 배열 회수 발전부에서 배출되는 터빈 봉입 증기를 열원으로 해수를 증발시켜 담수를 생성하여, 생성된 담수의 이온을 제거하고 상기 배열 회수 발전부에 증기 생성을 위한 보충수로 공급하는 증발식 보충수 공급부를 포함하는 복합 발전 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130164639A KR101599316B1 (ko) | 2013-12-26 | 2013-12-26 | 복합 발전 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130164639A KR101599316B1 (ko) | 2013-12-26 | 2013-12-26 | 복합 발전 시스템 |
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| KR1020120079996 Division | 2012-07-23 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140014047A true KR20140014047A (ko) | 2014-02-05 |
| KR101599316B1 KR101599316B1 (ko) | 2016-03-03 |
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ID=50264282
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101599316B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190131232A (ko) | 2018-05-16 | 2019-11-26 | 현대중공업 주식회사 | 천연가스 하이드레이트를 이용한 복합사이클발전시스템 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006070889A (ja) * | 2004-08-02 | 2006-03-16 | Jgc Corp | 発電淡水化方法および装置 |
| JP2008289222A (ja) * | 2007-05-15 | 2008-11-27 | Hitachi Ltd | 電力供給設備、及びその制御方法 |
-
2013
- 2013-12-26 KR KR1020130164639A patent/KR101599316B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2006070889A (ja) * | 2004-08-02 | 2006-03-16 | Jgc Corp | 発電淡水化方法および装置 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20190131232A (ko) | 2018-05-16 | 2019-11-26 | 현대중공업 주식회사 | 천연가스 하이드레이트를 이용한 복합사이클발전시스템 |
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| KR101599316B1 (ko) | 2016-03-03 |
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