KR20140026293A - 가스터빈의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기의 혼합방법 - Google Patents

가스터빈의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기의 혼합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스터빈(100)의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기를 고온 주요 유동과 혼합하기 위한 방법으로서, 가스터빈은 본질적으로 적어도 하나의 압축기, 상기 압축기의 하류에 연결되어 있는 제1 연소기를 포함한다. 제1 연소기의 고온 가스는 적어도 하나의 중간 터빈으로 유입되거나 또는 적어도 하나의 제2 연소기로 직접 또는 간접적으로 유입되고, 제2 연소기의 고온 가스는 다른 터빈 또는 에너지 회수장치로 직접 또는 간접적으로 유입된다. 본 방법은 제2 연소기 라이너 냉각 공기에 대하여 충분한 초과압 여유를 가지면서 제1 연소기 라이너 냉각 공기(104)와 제2 연소기 라이너 냉각 공기(105)의 동축방향 분사를 포함한다.

Description

가스터빈의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기의 혼합방법{METHOD FOR MIXING A DILUTION AIR IN A SEQUENTIAL COMBUSTION SYSTEM OF A GAS TURBINE}
본 발명은 가스터빈의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기를 혼합하기 위한 방법에 관한 것이다. 추가로 본 발명은 상술한 방법을 실시하기 위한 희석 공기 혼합기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 캔(can) 뿐만 아니라 환형 연소기 디자인을 위한 "CPSC" (Constant Pressure Sequential Combusiton:정압 순차 연소)에서 가능한 최저압 강하로서 신뢰성 있고 균일한 방법으로 희석 공기와 고온 주요 유동의 혼합에 관한 것이다. 더 나아가서, 본 발명은 가스터빈의 순차적 연소 시스템의 연소기들을 작동하기 위한 다양한 예비혼합(premix) 버너에 관한 것이다.
먼저, 본 발명의 양호한 이해를 가능하게 하는 몇 가지 일반적인 고려사항:
가스터빈 엔진의 CO 방출물은 환경을 보호하기 위해 감소될 필요가 있다. 그러한 방출물은 연소실 내에서 CO에서 CO2로의 산화를 보장하기 위한 충분한 시간이 없을 때 나타나는 것으로 알려져 있으며, 그리고/또는 그러한 산화는 연소기 내의 냉각 영역과의 접촉으로 인하여 지역적으로 억제된다. 발화 온도가 부분 부하 조건 CO 하에서 더 작기 때문에, CO에서 CO2로의 산화는 더 느려지고, 따라서 CO 방출물은 보통 이러한 조건하에서 증가하는 경향이 있다.
다음에 CO 방출물의 감소는 가스터빈의 파킹 포인트(parking point)에서 가스터빈 부하를 저하하는데 기여할 수 있다. 이것은 감소된 CO2 방출물로 인한 환경적 영향을 감소시키고, 엔진 파킹 중에 작아진 연료 소비로 인한 전체 전기 비용을 감소시킨다. 끝으로, CO 방출물 감소는 CO 촉매의 절약으로 인한 원가 감소에 기여할 수 있다. 이러한 경우에 CO 촉매는 회피될 수 있다(또는 적어도 감소될 수 있다). 동시에 촉매로 인하여 나타나는 손실들은 제거되고 (또는 적어도 감소되고), 따라서 발전소의 전체 효율이 증가될 것이다.
US 2012/0017601 A1에 따라서 이러한 최신 기술의 기본은, 제2 연소기의 작동 버너의 공기비 λ를 부분 부하 작동 중에 최대 공기비 λmax보다 작게 유지하는, 가스터빈을 작동하기 위한 방법이다. 이 방법은 본질적으로 3개의 새로운 요소들과 또한 개별적으로 또는 조합하여 실시될 수 있는 조치들을 보충하는 것에 의해 특징지어진다.
이 경우에 최대 공기비 λmax는 관찰되어야 하는 CO 방출물 한계, 버너의 디자인 및 연소기의 디자인, 또한 작동 조건, 소위 특히 버너 입구 온도에 의존한다.
제1요소는 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열(row)의 작동 원리의 변화이며, 이는 제2 연소기가 단지 더 높은 부분 부하에서만 작동되도록 허용한다. 무부하 작동에서 시작하여, 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열은 이미 개방되어 있는 반면, 제2 연소기만이 작동 중에 있다. 이것은 제2 연소기가 작동되기 전에 더 높은 상대 부하까지 부하가 상승하는 것을 허용한다. 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열이 개방되어 있고 그리고 고온 가스 온도 또는 고압 터빈의 터빈 입구 온도가 한계에 도달하면, 제2 연소기에 연료가 공급된다.
추가로, 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열이 신속하게 폐쇄된다. 고압 터빈의 일정한 터빈 입구 온도 TIT에서 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열의 폐쇄는, 대항 조치들이 없으면, 관련된 파워의 중대한 감소를 초래할 것이다.
이러한 파워 감소를 회피하기 위해서, 제2 연소기 내로 도입되는 연료 질량 유동이 증가될 수 있다. 따라서 제2 연소기가 작동하게 되는 최소 부하와 제2 연소기 내로의 최소 연료 유동이 상당히 증가하게 된다.
그 결과, 제2 연소기의 최소 고온 가스 온도가 또한 증가되고, 이것은 공기비 λ를 감소시키고 따라서 CO 방출물을 감소시킨다.
공기비 λ를 감소하기 위한 제2 요소는 부분 부하 작동 중에 고압 터빈 TAT1의 터빈 배기 온도 및/또는 저압 터빈 TAT2의 터빈 배기 온도를 증가시킴에 의하여 작동 원리의 변화이다. 이러한 증가는 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열의 개방이 더 높은 부하 지점으로 변이되게 허용한다.
종래 방식에서, 제2 터빈의 최대 터빈 배기 온도는 전체 부하의 경우에 대해 결정되어 있고, 가스 터빈 및 가능하면 하류 폐열 보일러는 이러한 온도에 따라 설계되어 있다. 이것은 제2 터빈의 최대 고온 가스 온도가 가변 압축기 입구 안내 베인들의 열이 폐쇄된 상태에서 부분 부하 작동 중에 TIT2(제2 터빈의 터빈 입구 온도)에 의해 제한되지 않고, TAT2(제2 터빈의 터빈 배기 온도)에 의해 제한되도록 초래한다. 가변 압축기 입구 안내 베인들의 적어도 하나의 열이 폐쇄된 상태에서의 부분 부하에서 질량 유동 즉 터빈을 가로지르는 압력비가 감소되기 때문에, 터빈 입구 온도 대 터빈 배기 온도의 비도 역시 감소된다.
따라서, 일정한 TAT2에서 TIT2도 역시 감소되고 대부분의 경우 전체 부하 값보다 상당히 낮게 놓여 있다. 통상적으로 10℃ 내지 30℃의 크기 자리수(order of magnitude) 내에서 전체 부하 한계를 넘게 TAT2의 제시된 약간의 증가는 인정하건대 TIT2의 증가를 초래하지만, 이것은 전체 부하 값보다 낮게 유지되며 실제로 사용 수명 손실 없이 또는 중대한 사용 수명 손실 없이 달성될 수 있다. 디자인 또는 재료 선택의 채용은 필요하지 않으며 또는 통상 배기 가스측으로 제한될 수 있다. TIT2를 증가시키기 위해, 고온 가스 온도가 증가되고, 이것은 연료 질량 유동의 증가와, 이와 관련되어 있는 공기비 λ의 감소에 의해 실현된다. 따라서 CO 방출물이 감소된다.
작동시에 버너의 공기비 λ를 감소하기 위한 다른 가능성은 개별 버너의 비활성화와 일정한 TIT2에서 연료의 재분배이다.
TIT2를 평균적으로 일정하게 유지하기 위해, 작동하는 버너는 비활성화된 버너들의 수에 비례하여 더 과열되도록 작동되어야 한다. 이를 위해 연료 공급이 증가되고 따라서 지역적 공기비 λ가 감소된다.
CO 방출물을 최적으로 유지하는 작동을 위해서, 분할선(split line)을 갖는 가스터빈에서, 분할선에 인접해 있는 버너(예로서 제2 연소기를 위한)가 통상 첫번째로 비활성화된다. 이 경우에, 케이싱이 통상 상부 절반 및 하부 절반으로 분할되어 있는 평면이 분할선으로서 지칭된다. 각자의 케이싱 절반은 분할선에서 예로서 플랜지에 의해 연결되어 있다.
이것의 인접한 버너들은 그때 연속적으로 비활성화되고, 또는 연소기의 대향 측면상의 분할면에 인접해 있는 버너가 비활성되고, 교번하는 순서로 연소기의 두 측면에서 번갈아 놓여 있는 인접한 버너들은 분할면에서 시작하여 비활성화된다.
분할선에 인접해 있는 버너는 가스터빈의 분할선이 절대적인 것은 아니고 통상적으로 누설 방지되기 때문에 첫번째로 비활성화되는 것이 바람직하고, 대부분의 경우 누설 유동은 발화가능한 가스의 작은 냉각 및 희석(아래 언급된 고려사항을 참조)을 초래하고 따라서 지역적으로 증가된 CO 방출물을 초래한다. 분할선에 인접해 있는 버너를 비활성화한 결과, 이러한 지역적 CO 방출물이 회피된다.
스테이징(staging)에 의하여 회피되어야 할 연소 불안정성은 통상 낮은 부하에서 더 이상 발생하지 않으며 또는 무시할 정도로 작다. 하나의 예시적 실시예에서, 따라서 고정된 제한장치(restrictor)에 의해서가 아니라 적어도 하나의 제어밸브에 의하여 제한을 실시할 것을 제안하고 있다. 이러한 적어도 하나의 제어밸브는 낮은 부하에서 개방되므로 모든 활성화된 버너들이 낮은 공기비 λ에서 거의 균질하게 작동될 수 있다. 높은 부하에서, 적어도 하나의 제어밸브는 스테이징을 실현하기 위해 스로틀된다.
현재 진행한 것을 참고하면 재열 연소기로부터의 냉각 공기와 예비혼합 연소기로부터의 어떠한 잔여 공기 또는 플리넘으로부터의 신선한 공기가 도 2에 도시된 바와 같이 별도로 연소기(들)로 희석 공기로서 공급된다.
충분한 역류 여유(backflow margin)를 가지기 위해서, 양쪽 희석 공기 스트림들은 약 1.5%의 초과압으로 분사되어야 한다. 그러나 문제는 도 2a에 도시된 바와 같이 순차적 및 예비혼합 라이너 냉각의 압력차 강하 특성들 때문에 모든 유동 경로가 동일한 압력 레벨을 갖지 않는다는 것이다.
도 2/도 2a에 도시된 바와 같은 고려사항은 전술한 역류 여유 필요조건 및 모든 3개의 유동 경로들 사이의 차이의 결과로서 적어도 8% 연소기 압력 강하를 초래한다. 압력 강하는 순차적 라이너 냉각 회로에 맞추기 위해 예비혼합 라이너 및 예비혼합 버너 회로들에서 인위적으로 증가되어야 한다.
본 발명은 캔뿐만 아니라 환형 연소기 디자인을 위해 순차적 연소로 가스터빈을 작동시키는 방법을 제안하는 목적에 근거를 두고 있으며, 예비혼합 라이너 냉각 공기와 순차적 냉각 공기의 동축방향 분사(co-axial injection)에 근거를 두고 있다.
추가로, 본 발명은 정압 순차 연소 시스템의 개념에 근거를 두고 있다. 이러한 개념에서, 예비혼합 연소기로부터의 고온 연소 생성물은 희석 가스 혼합기에 의해 냉각되고 이어서 재열 연소기로 들어간다.
희석 가스 혼합기는 예비혼합 및 재열 냉각 공기와 예비혼합 연소기로부터의 고온 연소 생성물을 혼합시키는 역할을 한다. 이러한 혼합기로부터의 일차 필요조건들은 재열 버너의 입구에서의 균일한 온도 분배뿐만 아니라, 성능 때문에 낮은 압력 강하이다.
본 발명은 캔뿐만 아니라 환형 연소기 디자인에서 가능한 최저압 강하로서 신뢰성 있고 균일한 방법으로 희석 공기와 정압 순차 연소 시스템 내의 고온 주요 유동의 혼합에 관한 것이다.
아래에 설명된 본 발명은 낮은 연소기 압력 강하를 목표로 하고, 추가로 순차 연소를 하면서 환형 또는 캔-아키텍쳐(can-architecture)를 포함하며 그리고 부분 부하 조건하의 작동을 포함하는 적어도 하나의 연소기를 사용하는, 가스터빈을 위한 간단한 벽 제트들 및 균일한 혼합을 목표로 하고 있다. 그러한 가스터빈의 일반적인 스케치는 도 1에 예를 들어 도시되어 있다. 여기서 압축기는 연소기 섹션에 의해서 추종되고, 이 연소기 섹션은 다수의 캔으로 구성될 수 있다. 상기 캔들 내에서 제 1 연소기는 제 2 연소기에 의해서 추종된다. 이러한 연소기들 사이에서 희석 공기는 제2 연소기의 입구 온도를 제어하기 위해 따라서 내부에 분사된 연료의 자가-점화 시간을 제어하기 위해 분사될 수 있다. 끝으로, 고온 연소 가스가 터빈 내로 공급된다.
또한 캔-아키텍쳐는, 환형의 제1 및/또는 제2 연소실이 유동 방향에서 각각의 버너를 갖거나 또는 포함할 때 인접한 연소 영역들 또는 버너들 각각으로부터 벽-격리되는(wall-isolated) 독립 캔 또는 분리용 유동 연소 영역으로 주어져 있다.
본 발명의 기본 아이디어는 예비혼합 라이너 냉각 공기와 순차 라이너 냉각 공기의 동축방향 분사에 근거를 두고 있다. 최적 혼합을 달성하기 위해 다른 직경들을 갖는 구멍들의 다중 열들이 유리할 수 있다.
이러한 방법에서, 예비혼합 라이너 냉각으로부터 외부의 고압의 차폐효과 때문에, 0.5% 초과압에서 순차 라이너 냉각 공기에 의해서도 충분한 역류 여유를 가질 수 있다.
다른 유리한 개념은 2개의 열에서의 동축방향 희석 공기 분사, 슬리브들 및 플리넘으로부터의 추가 공기 지원에 근거를 둔 희석 가스 혼합기로 이루어진다.
다른 유리한 개념은 순차 라이너 공기를 지원하는 예비혼합 라이너 냉각 공기와 동축방향 희석 공기 분사에 근거를 둔 희석 가스 혼합기로 이루어진다.
다른 유리한 개념은 예비혼합 라이너 냉각 공기 및 순차 라이너 공기를 지원하는 플리넘 공기와 동축방향 희석 공기 분사에 근거를 둔 희석 가스 혼합기로 이루어진다.
이러한 최종 목적을 보장하기 위해서 또한 다양한 구성요소들의 기하형상 및/또는 유동 계수들이 측정되고 그리고 높은 유동 속도를 갖는 구성요소들 및 낮은 유동 속도를 갖는 구성요소들이 연소기 캔들 또는 환형 연소실 내부에서 조합되는 것이 유리하다.
가스터빈은 본질적으로 적어도 하나의 압축기와, 압축기의 하류에 연결되어 있는 제1 연소기를 포함한다. 제1 연소기의 고온 가스는 적어도 하나의 중간 터빈으로 유입되거나 또는 제2 연소기로 직접 또는 간접적으로 유입된다. 제2 연소기의 고온 가스는 다른 터빈 또는 에너지 회수장치, 예로서 증기 발생기로 직접 또는 간접적으로 유입된다.
본 발명과 관련된 장점들은 이하와 같다:
- 전체 연소기의 압력 강하가 감소되고, 따라서 열동력학적 효율이 증가됨.
- 벽 제트(wall jet)들을 갖는 희석 공기 혼합기의 단순한 디자인.
- 재열 버너 입구에서의 균일한 온도 분포, 따라서 균질한 연소 프로세스가 연소기 내에서 파동에 작용할 수 있고 그리고 재열 버너의 CO 생성의 초과-비례적(over-proportional) 증가에 작용할 수 있다.
- 지역적 역류 또는 초과가열이 없는 신뢰성 있는 작동.
이러한 발견에 기초하여 개념은 엔진을 위해 일할 것으로 예상될 수 있고, 이 엔진은 캔-아키텍쳐에서 (고압 터빈에 의해 또는 고압 터빈 없이) 순차 연소하에서 작동하지만, 이것뿐만이 아니다.
순차 연소를 참고하면, 연소기들의 조합은 아래와 같이 배치될 수 있다:
- 적어도 하나의 연소기는 적어도 하나의 작동 터빈과 함께 캔-아키텍쳐로서 구성된다.
- 제1 및 제2 연소기는 모두 적어도 하나의 작동 터빈과 함께, 순차 캔-캔 아키텍쳐로서 구성된다.
- 적어도 하나의 작동 터빈과 함께, 제1 연소기는 환형 연소실로서 구성되고, 제2 연소기는 캔 형태로서 장착된다.
- 적어도 하나의 작동 터빈과 함께, 제1 연소기는 캔-아키텍쳐로서 구성되고, 제2 연소기는 환형 연소실로서 구성된다.
- 제1 및 제2 연소기는 모두 적어도 하나의 작동 터빈과 함께, 환형 연소실로서 구성된다.
- 제1 및 제2 연소기는 모두 적어도 하나의 중간 작동 터빈과 함께, 환형 연소실로서 구성된다.
따라서, 캔-아키텍쳐를 위한 희석 공기 혼합기에 대해서, 개별 캔들 사이의 상호작용이 최소로 되거나 존재하지 않는다. 따라서 캔 변형예에 대해 설명된 개념은 환형 엔진 아키텍쳐의 경우에 비하여 더욱 효율적이 될 것이다.
이 방법에 부가하여, 이 방법을 실시하기 위한 가스터빈이 본 발명의 주제이다. 희석 공기 혼합기의 개념에 의존하여, 가스터빈의 디자인이 응용되어야 하고 및/또는, 연료 희석 시스템 및/또는 냉각 공기 시스템은 지역적 연소기 압력 강하를 감소시키기 위해 사용된 희석 공기 혼합기에 의존하여 실용성을 보장하도록 응용되어야 한다. 가스터빈의 구성요소들 모두가 허용가능한 허용오차들의 범위 내에 놓여있다. 이러한 허용오차들은 각각의 구성요소에 대해 그리고 사용된 희석 공기 혼합기에 대해 약간 다른 기하형상들 및 특성들을 초래한다.
특히 이것은 또한 작동 중에 다른 압력 손실 및 유동 속도를 초래한다. 허용오차들은 정상 작동 중에 특히 높은 부분 부하 및 전부하에서 작동 거동에 실제로 영향을 주지 않도록 선택되어야 한다. 이를 위해, 다양한 희석 공기 혼합기들의 기하형상 및/또는 유동 계수가 희석 공기 혼합기와 연관되어 현재의 유동 속도에 대해 측정된다.
본 발명과 관련된 추가 장점들은 다음과 같다:
CO 방출물은 특히 낮은 부분-부하 조건에서 감소된다. 따라서 가스터빈은 발전소 조작자가 낮은 파워 출력을 열망하는 경우, 주기 동안 낮은 값들에서 정지될 수 있다.
- 따라서 발전소 조작자는 연료를 절약할 수 있고 따라서 전체 전기 비용을 감소시킬 수 있다.
- 감소된 CO 방출물, 낮은 파킹 포인트(따라서 더 낮은 연료 소비 및 CO2 생성) 또는 양쪽 장점의 조합으로 인한 환경적 이득.
- 값비싼 CO 촉매를 제거할 가능성. 따라서 원가가 감소된다.
순차 작동 연소기들 사이에서 희석 공기 혼합기를 포함하는 셋업을 사용할 때 추가의 장점이 발생한다:
- 상술한 모든 장점과 함께, 제1 연소기에서 시작하여 CO 산화를 위해 증가된 체적으로 인하여 추가의 CO 감소.
- 다른 캔 연소기들 사이에서 원주방향 온도 구배의 감소. 따라서 터빈 입구 프로파일이 향상되고, 터빈 부품들의 수명이 향상된다.
본 발명은 예시적 실시예에 기초로 둔 도 1 내지 도 7에서 개략적으로 도시되어 있다.
도면들에서:
도 1은 캔-아키텍쳐에서 순차 연소를 사용하는 일반적 가스터빈을 도시한다.
도 2는 희석 공기 혼합 기하형상을 도시한다.
도 2a는 압력 강하의 세부들을 갖는 작동 요소들의 그래프 계획을 도시한다.
도 3은 감소된 압력 강하를 갖는 동축방향 희석 공기 분사를 도시한다.
도 3a는 압력 강하의 세부들을 갖는 작동 요소들의 그래프 계획을 도시한다.
도 4는 구멍들의 다중 열과 가스터빈의 플리넘으로부터 추가 공기를 갖는 동축방향 희석 공기 분사를 도시한다.
도 5는 순차 라이너 공기를 지원하는 플리넘으로부터의 추가 공기를 갖는 동축방향 희석 공기 분사를 도시한다.
도 5a는 압력 강하의 세부들을 갖는 작동 요소들의 그래프 계획을 도시한다.
도 6은 순차 라이너 공기를 지원하는 예비혼합 라이너 냉각 공기를 갖는 동축방향 희석 공기 분사를 도시한다.
도 7은 순차 라이너 공기를 지원하는 플리넘 공기 및 동축방향 희석 분사 예비혼합 라이너 냉각 공기를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 순차 연소를 갖는 가스터빈(100)을 도시한다. 가스터빈은 압축기(도시 안 됨), 제1 연소기(101), 재열 버너를 갖는 제2 캔-연소기(102), 및 터빈(도시 안 됨)을 포함한다. 통상적으로, 가스터빈은 가스터빈의 냉각 단부에서 즉 압축기에서 가스터빈의 샤프트에 연결되어 있는 발생기(도시 안 됨)를 포함한다.
도 1은 캔-아키텍쳐에서 순차 연소를 사용하는 일반적 가스터빈(100)을 도시하고, 따라서 희석 공기의 희석 공기 혼합기(110)가 부가된다.
추가로, 가스터빈은 예비혼합 연소기 라이너(104) 및 순차 연소기 라이너(105)를 포함하고, 여기서 라이너들을 따르는 공기 유동은 제1 연소기(101)와 제2 연소기(102) 사이에서 중간에 배치된 희석 공기 혼합기(110)로 지향된다. 희석 공기 혼합기(110)의 정확한 배치는 정확히 대칭인 것으로 이해되어서는 안 되고, 연소기들의 특별한 디자인에 의존한다.
다른 개념을 참고하면, 가스터빈은 압축기, 제1 연소기, 제1 터빈, 제2 연소기, 및 제2 터빈을 포함한다. 통상적으로, 가스터빈은 가스터빈의 냉각 단부에서 즉 압축기에서 가스터빈의 샤프트에 연결되어 있는 발생기를 포함한다. 제1 연소기 및 제2 연소기는 환형 개념 또는 캔-아키텍쳐로서 연장하고, 한편 제1 연소기의 하류에 있는 제1 터빈은 선택사양이다.
캔 아키텍쳐는 터빈 샤프트의 원주에 대해 환형 배열로 배치된 복수의 캔을 포함하고, 이는 각각의 캔의 개별 연소 작동을 가능하게 하고 그리고 연소 공정 중에 개별 캔들 중에서 해로운 상호작용을 하지 않을 것이다.
캔의 연소기 또는 환형 개념을 위한 예비혼합 버너(106)들이 제공되면, 이 버너들은 양호하게 EP 0 321 809 A1 및/또는 EP 0 704 657 A2에 따라 연소 공정 및 대상물에 의하여 형성되어야 하고, 이 특허문서들은 본 설명의 통합 부분을 형성한다.
특히, 상기 예비혼합 버너(106)들은 모든 종류의 액체 및/또는 가스 연료로 작동될 수 있다. 따라서 개별 캔들 내에 다른 연료들을 용이하게 공급할 수 있다. 이것은 또한 예비혼합 버너가 또한 다른 연료들과 동시에 작동될 수 있다는 것을 의미한다.
제2 또는 순차 연소기 캔 또는 환형 연소기는 양호하게 EP 0 620 362 A1 또는 DE 103 12 971 A1에 의해 실행되고, 여기서 이러한 특허문서들은 본 설명의 통합 부분을 형성한다.
추가로, 아래에 언급된 문서들도 역시 본 설명의 통합 부분을 형성한다.
- EP 0 321 809 A1 및 B1은 완전체를 만드는 중공 부분-원추체들로 구성된 버너에 관련되고, 접선방향 공기 입구 슬롯들 및 기체 및 액체 연료를 위한 공급 채널들을 가지고, 상기 중공 부분-원추체들의 중심축들은 유동 방향으로 증가하면서 상호 오프셋(mutual offset)에서 길이방향으로 연장하는 원추각을 가진다. 부분-원추체들의 상호 오프셋된 중심축들의 연결라인 중간에 연료 분사가 위치하는 연료 노즐은 부분-원추체들에 의해 형성된 원추형 내부(interior)에 있는 버너 헤드에 배치된다.
- EP 0 704 657 A2 및 B1은 열 발생기를 위한 버너 장치에 관련되고, 실질적으로 EP 0 321 809 A1 및 B1에 따라 연소 공기 유동을 위한 와류 발생기와, 연료의 분사를 위한 수단, 뿐만 아니라 상기 와류 발생기 하류에 제공된 혼합 경로로 실질적으로 이루어지고, 여기서 상기 혼합 경로는 상기 와류 발생기 내에 형성된 유동을 상기 혼합 경로의 유동 횡단면으로 전달하기 위해 유동 방향에서 경로의 제1부분 내에서 연장하는 전이덕트들(transition ducts)을 포함하고, 상기 혼합 경로는 상기 전이덕트들의 하류에서 연합한다.
더 나아가서, 주어진 체류 시간을 위해 연료 공기 혼합을 향상시키기 위해 연료의 자동점화를 이용하여 가스터빈 재열 연소기 내에 사용하기 위한 연료 분사기를 제안한다. 이러한 분사기의 특정 실시예가 고려되어 있다.
- 기체 연료는 횡류 형태의 면에서 산화제의 유동에 대해 수직으로 분사된다.
- 기체 연료는 인라인(in-line) 형태의 면에서 산화제의 유동에 대해 평행하게 분사된다.
- 기체 연료는 산화제의 유동에 대해 0 °와 90°사이의 경사각에서 분사된다.
- EP 0 646 705 A1 및 B1은 순차 연소를 갖는 가스터빈 그룹에서 부분 부하 작동을 획립하는 방법에 관련된다.
- EP 0 646 704 A1 및 B1은 2개의 연소기 챔버들을 장착한 가스터빈 플랜트를 제어하는 방법에 관련된다.
- EP 0 718 470 A2 및 B1은 부분-부하 작동을 제공할 때 2개의 연소기 챔버들을 장착한 가스터빈 그룹을 작동하는 방법에 관련된다.
다른 관련된 공개 문서들은 또한 본 발명의 통합 부분들을 형성하는 상술한 문서들의 하나 이상의 개선사항을 포함한다.
도 2는 외부벽(201), 예비혼합 라이너 냉각(204)에 대한 내부벽(202), 순차 라이너 냉각(205)에 대한 내부벽(203), 관련된 채널들을 따라가는 2개의 공기 스트림(204, 205)의 중간 분리부(206)를 갖는 희석 공기 혼합기(110)의 면에서 희석 공기 혼합 기하형상을 도시한다. 재열 연소기(도 1 참조)로부터의 냉각 공기(205) 및 예비혼합 연소기(도 1 참조)로부터의 어떤 잔류 공기(204)는 개별적으로 희석 공기 혼합기(110)에 공급되고 이어서 예비혼합 버너(도 1 참조)로부터의 고온 가스 유동(209)에 공급된다.
도 2a는 압력의 세부들을 갖는 작동 요소들의 그래프 계획을 도시한다. 충분한 역류 여유를 갖기 위해서, 회석 공기 스트림들 모두는 약 1.5%의 초과압으로 분사되어야 한다. 그러나 이러한 무리(constellation)에서, 도 2a에 도시된 바와 같이 순차 및 예비혼합 라이너 냉각(도 2에서 부호 204, 205 참조)의 다른 압력 강하 및 특성 때문에 모든 유동 경로가 동일한 압력 레벨에 있지 않는 것이 사실이다.
이러한 구성은 모든 3개의 유동 경로(210, 211, 212) 중에서 상술한 역류 여유 필요조건 및 차이들의 결과로서 적어도 8% 연소기 압력 강하를 초래한다.
따라서, 압력 강하 또는 감소는 순차 라이너 냉각 회로(210)에 맞추기 위해 예비혼합 라이너(211) 및 예비혼합 버너 회로(212)에서 인위적으로 증가되어야 한다.
도 3은 외부 주요 벽(301), 예비혼합 라이너 냉각(204)에 대한 내부 벽(302), 및 예비혼합 라이너 냉각(204)에 대한 중간 폐쇄부(308)를 갖는 희석 공기 혼합기(300)의 면에서 동축방향 희석 공기 분사를 도시한다. 중첩된 외부 벽(303)은 순차 라이너 냉각으로부터 공기 유동(306, 307)을 위한 채널(309)을 형성한다. 이러한 구성은 예비혼합 라이너 냉각 공기(204)와 순차 라이너 냉각 공기(306, 307)의 동축방향 분사에 근거를 두고 있다. 예비혼합 버너(209)로부터의 고온 가스에 대하여 최적의 혼합을 달성하기 위해 어떠한 형태에서 동일한, 유사한 또는 다른 직경들을 함께 갖는 구멍(305)들의 다중 열이 있을 수 있다.
추가로 및 선택사양과 관련해서, 희석 공기 혼합기(300)는 예비혼합 버너(209)로부터 나오는 고온 가스의 유동 방향에서 및 주변 방향에서 구멍(302)들의 다중 열(row)의 하류에서 불필요한 또는 쓸데없는 공기 유동의 분사를 위해 시트-형성용 보어(sheet-forming bore)(304)들로서 개구부들을 구비한다.
도 3a는 압력의 세부들을 갖는 작동 요소들의 그래프 계획을 도시한다. 도 3의 실시예로 인한 이러한 방법에서 예비혼합 라이너 냉각 회로(211, 212)로부터 외부의 고압 공기의 차폐효과 때문에, 0.5% 초과압에서 순차 라이너 냉각 공기 회로(210)에 의해서도 충분한 역류 여유를 가질 수 있다.
도 4에 따른 희석 공기 혼합기(400)는 가스터빈의 플리넘으로부터 추가 공기 유동(401)을 가지면서 도 3에 따른 희석 공기 혼합기(300)에 근거를 두고 있다. 이러한 방법에 의하여 0.5% 이하의 초과압에서 순차 라이너 냉각 공기 회로(210)(도 3 참조)에서도 충분한 역류 여유를 가질 수 있다.
도 5에 따른 희석 공기 혼합기(500)는 순차 라이너 공기(205)를 지원하는 가스터빈의 플리넘으로부터 추가 공기 유동(501)을 가지면서 도 2에 따른 희석 공기 혼합기(300)(또한 도 2의 부품 110을 참조)에 근거를 두고 있다. 이러한 방법에 의하여 1% 초과압에서 도 5a로 인하여 순차 라이너 냉각 공기 회로(210)에서도 충분한 역류 여유를 가질 수 있다.
도 6은 중간 분리부(206)의 바이패스를 통해 순차 라이너 공기(602)를 직접 지원하는 예비혼합 라이너 냉각 공기(601)를 갖는 동축방향 희석 공기 분사를 도시한다. 이러한 방법에 의하여 1% 초과압에서 순차 라이너 냉각 공기(210)(도 3a 참조)에서도 충분한 역류 여유를 가질 수 있다.
도 7은 중간 분리부(206)의 바이패스를 통해 순차 라이너 공기(602)를 직접 지원하는 플리넘 공기(701) 및 동축방향 희석 분사 예비혼합 라이너 냉각 공기(601)를 도시한다. 이러한 방법에 의하여 1% 초과압에서 순차 라이너 냉각 공기(210)(도 3a 및 도 5a 참조)에서도 충분한 역류 여유를 가질 수 있다.

Claims (17)

  1. 가스터빈(100)의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기를 고온 주요 유동과 혼합하기 위한 방법으로서,
    상기 가스터빈은 본질적으로 적어도 하나의 압축기, 상기 압축기의 하류에 연결되어 있는 제1 연소기를 포함하고, 상기 제1 연소기의 고온 가스들은 적어도 하나의 중간 터빈으로 유입되거나 또는 적어도 하나의 제2 연소기로 직접 또는 간접적으로 유입되고, 제2 연소기의 고온 가스들은 다른 터빈 또는 에너지 회수장치로 직접 또는 간접적으로 유입되고, 상기 방법은 제2 연소기 라이너 냉각 공기에 대하여 충분한 초과압 여유를 가지면서 제1 연소기 라이너 냉각 공기(104)와 상기 제2 연소기 라이너 냉각 공기(105)의 동축방향 분사를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 연소기는 캔-아키텍쳐(can-architecture)(101)를 갖는 열량(caloric) 연소 경로 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연소기는 캔-아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소기는 환형 아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하고, 상기 제2 연소기는 캔-아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연소기는 캔-아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하고, 상기 제2 연소기는 환형 아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 연소기는 환형 아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 연소기는 환형 아키텍쳐를 갖는 열량 연소 경로 아래에서 연장하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 연소기 라이너 냉각 공기와 제2 연소기 라이너 냉각 공기의 상기 동축방향 분사는 상기 제2 연소기 라이너 냉각 공기를 지원하는 상기 가스터빈의 플리넘으로부터 나오는 추가 공기에 기초하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연소기는 예비혼합 연소영역으로서 작동하고, 상기 제2 연소기는 순차적 연소 또는 재열 영역으로서 작동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른, 가스터빈의 순차적 연소 시스템에서 희석 공기를 고온 주요 유동과 혼합하기 위한 방법을 실시하기 위한 희석 공기 혼합기(110)로서,
    상기 희석 공기 혼합기는 적어도 하나의 외부벽(201), 제1 연소기 라이너에 대한 내부벽(202), 상기 제2 연소기 라이너에 대한 내부벽(203), 외부벽 및 내부벽에 의해 형성된 관련된 채널들을 따라가는 공기 스트림들(204, 205)의 중간 분리부(206)를 포함하는 것을 특징으로 하는 희석 공기 혼합기.
  11. 제10항에 있어서,
    중첩된 외부벽(303)은 상기 제2 연소기 라이너로부터 유래되는 적어도 하나의 공기 유동(306,307)을 위해 또는 제1 연소기로부터 유래되는 적어도 하나의 공기 유동(601)을 위해 채널(309)을 형성하는 것을 특징으로 하는 희석 공기 혼합기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 채널들은 독자적으로 또는 상호의존적 접속부에서 서로에 대하여 작동하는 것을 특징으로 하는 희석 공기 혼합기.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희석 공기 혼합기는 상기 제1 연소기와 상기 제2 연소기 사이에서 중간에 배치되는 것을 특징으로 하는 희석 공기 혼합기.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희석 공기 혼합기는 제2 연소기 라이너 냉각 공기를 지원하는 상기 가스터빈의 플리넘으로부터 나오는 추가 공기의 추가 공급을 포함하는 것을 특징으로 하는 희석 공기 혼합기.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희석 공기 혼합기는 연소기로부터 나오는 상기 고온 가스의 유동 방향에서 및/또는 주변 방향에서 구멍들의 다중 열(row)의 하류에서 불필요한 또는 쓸데없는 공기 유동의 분사를 위해 시트-형성용 보어들로서 개구부들을 구비하는 것을 특징으로 하는 희석 공기 혼합기.
  16. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 가스터빈의 순차적 연소 시스템을 작동하기 위한 연소기로서,
    적어도 하나의 연소기는 완전체를 만드는 중공 부분-원추체들로 구성된 버너를 포함하고, 접선방향 공기 입구 슬롯들 및 기체 및 액체 연료들을 위한 공급 채널들을 가지고, 상기 중공 부분-원추체들의 중심축들은 유동 방향으로 증가하면서 상호 오프셋에서 길이방향으로 연장하는 원추각을 가지며, 부분-원추체들의 상호 오프셋된 중심축들의 연결라인 중간에 연료 분사가 위치하는 연료 노즐은 상기 부분-원추체들에 의해 형성된 원추형 내부에 있는 버너 헤드에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소기.
  17. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 가스터빈의 순차적 연소 시스템을 작동하기 위한 연소기로서,
    적어도 하나의 연소기는 연소 공기 유동을 위한 버너 및 연료의 분사를 위한 수단을 포함하고, 실질적으로 와류 발생기로 이루어지고, 와류 발생기는 실질적으로 완전체를 만드는 중공 부분-원추체들로 구성되고, 접선방향 공기 입구 슬롯들 및 기체 및 액체 연료들을 위한 공급 채널들을 가지고, 상기 중공 부분-원추체들의 중심축들은 유동 방향으로 증가하면서 상호 오프셋에서 길이방향으로 연장하는 원추각을 가지며, 부분-원추체들의 상호 오프셋된 중심축들의 연결라인 중간에 연료 분사가 위치하는 연료 노즐은 상기 부분-원추체들에 의해 형성된 원추형 내부에 있는 버너 헤드에 배치되고, 그리고 상기 와류 발생기의 하류에 제공된 혼합 경로를 갖고, 상기 혼합 경로는 상기 와류 발생기 내에 형성된 유동을 상기 혼합 경로의 유동 횡단면 안으로 전달하기 위해 유동 방향에서 상기 경로의 제1부분 내에서 연장하는 전이덕트들을 포함하고, 상기 혼합 경로는 상기 전이덕트들의 하류에서 연합하는 것을 특징으로 하는 연소기.
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