KR20140027237A - 가스 터빈 조립체 및 대응 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실질적으로 적어도 하나의 압축기, 적어도 하나의 제 1 버너(8, 201), 제 1 버너의 하류에 연결된 적어도 하나의 제 2 버너(9, 202) 및 제 2 버너의 하류에 연결된 적어도 하나의 터빈(5)으로 구성되는 가스 터빈 조립체에 관한 것이다. 적어도 제 1 및 제 2 버너(8, 9)는 상기 버너의 연소 경로의 유동 방향으로 관형 또는 준 관형 연소 챔버 요소(100, 200, 300)의 구성요소를 형성하며, 상기 연소 챔버 요소는 폐쇄 및 준 폐쇄되고, 압축기(2)와 터빈(5) 사이에서 연장한다. 연소 챔버 요소는 링의 형상으로 가스 터빈 조립체의 로터 둘레에 배열된다.

Description

가스 터빈 조립체 및 대응 동작 방법{GAS TURBINE ASSEMBLY AND CORRESPONDING OPERATING METHOD}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 가스 터빈 조립체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 21의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.
EP 0 620 362 B1호는 서두에 언급된 유형의 가스 터빈 조립체를 개시하며, 이 공보는 본 발명의 일체의 부분을 형성한다. 이는 적어도 하나의 압축기와, 압축기의 하류에 배열된 제 1 연소 챔버와, 제 1 연소 챔버의 하류에 배열된 제 1 터빈과, 제 1 터빈의 하류에 배열된 제 2 연소 챔버와, 제 2 연소 챔버의 하류에 배열된 제 2 터빈을 포함한다. 따라서, 공지된 가스 터빈 조립체에 의해, 두 개의 연소 챔버를 통한 순차적 연소와 두 개의 터빈으로 동작하는 가스 터빈 프로세스가 구현될 수 있다. 순차적 연소의 도움으로 배기물 값이 극도로 개선될 수 있다.
다른 가스 터빈 조립체가 본 설명의 일체의 부분을 형성하는 DE 103 12 971 A1호로부터 알려져 있으며, 개재된 터빈, 말하자면, 고압 터빈 없이, 가스 터빈 조립체 내에서 2 스테이지 연소를 수행하는 일반적 개념에 기초한다. 여기서, 이 가스 터빈 조립체는 희박연소 연소 챔버에서 너무 많은 산화제가 일반적으로 연소 배기 가스 내에 남아있고, 후속하는 추가적 연소 스테이지에서, 본질적으로 단지 연료만이 여전히 공급되어야 하며, 이 경우, 이후 단지 매우 희박한 연료/산화제 혼합물만이 존재하게 된다는 인식을 실행한다. 그러나, 역시 EP 0 620 362 B1호의 경우에서와 같이 두 개의 연소 스테이지 또는 연소 챔버 사이의 터빈의 부재시, 비교적 높은 배기 가스 온도가 제 1 연소 챔버의 하류에서 발생하며, 연료가 혼합될 때, 즉각적 점화를 초래할 수 있고, 말하자면, 불충분한 혼합의 경우에, 구조화되지 않은 연소 반응을 초래할 수 있고, 이 연소 반응 동안, 부정적 높은 배기물 값이 발생할 수 있다.
이 문제점을 피하기 위해, 상술한 공보 DE 103 12 971 A1호는 제 2 연소 챔버를 위한 연료/산화제 혼합물을 형성하기 위해, 추가적 연료가 연소 배기 가스 내로 도입되기 이전에 제 1 연소 챔버의 고온 연소 배기 가스를 냉각시킬 것을 제안한다. 냉각되는 제 1 연소 챔버 또는 제 1 연소 스테이지의 연소 배기 가스에 의해, 배기 가스 온도는 추가적으로 공급된 연료와 제 1 연소 챔버의 연소 배기 가스들 사이의 원하는 희박 연료/산화제 혼합물을 형성하기 위해 충분한 혼합물 형성이 이루어질 때까지 도입된 연료의 점화가 지연되도록 하는 정도로 하강될 수 있다.
이 경우에, 제 2 연소 스테이지에서의 연료 취입 작용이 제 1 연소 스테이지의 냉각된 배기 가스 내로 직접적으로 도입될 수 있는 것, 말하자면, 사전 혼합이 형성되지 않는 것이 특히 중요하다. 이에 관하여, 제 2 연소 스테이지에서의 연료의 공급을 위해, 특히, EP 0 620 362 B1호로부터 수집되는 바와 같은 검증된 기술이 채택될 것이다.
2 스테이지 희박/희박 연소에 의해, DE 103 12 971 A1호로부터 수집될 수 있는 바와 같이, 개재된 터빈 없이, 가스 터빈 조립체의 공칭 동작 지점에서 특히 바람직한 배기물 값을 달성하는 것이 가능하다. 또한, 순시 동작 상태를 위한 현저한 장점이 제공된다. 예로서, 부분 부하 동작에서, 제 2 연소 챔버가 비활성화될 수 있고, 그 동안, 제 1 연소 챔버는 이전과 같이 그 공칭 동작 상태에서 동작한다. 제 1 연소 스테이지는 그에 의해 배기물 값과 효율에 관하여 최적으로 동작할 수 있으며, 그 결과, 이들 순시 동작 상태에서, 가스 터빈 조립체는 배기물 및 효율에 대해 전체적으로 바람직한 값을 소유한다. 또한, 특히, 가스 터빈 조립체가 런 업(run up)될 때 또는 피크 부하에 대하여, 대응적으로 증가된 연료 양이 제 2 연소 스테이지에 공급되는 "부스터"로서 제 2 연소 스테이지를 사용하는 것이 가능하다.
이 경우에, 제 1 연소 챔버의 연소 가스는 열 전달에 의해 냉각될 수 있다. 따라서, 열이 연소 가스로부터 추출되고, 다른 매체로 전달되며, 그래서, 가스 터빈 프로세스로부터 추출되는 열을 다른 위치에서 사용하는 것이 가능하다. 예로서, 추출된 열은 증기 터빈을 위한 증기를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
대안적으로, 적절한 냉각 매체가 연소 가스에 도입된다는 점에서 제 1 연소 챔버의 연소 가스의 냉각이 또한 달성될 수 있다. 이 절차에서, 더 차가운 냉각 매체와의 상호혼합에 기인하여 연소 가스의 온도의 감소가 발생한다. 그러나, 이런 냉각 동안, 냉각에 기인하여 질량 유동이 증가되고, 이는 동시에 가스 터빈 조립체의 출력의 증가를 수반한다. 또한, 냉각 매체의 제어된 도입 또는 주입에 의한 냉각은 특히 짧은 시간 동안, 가스 터빈 및 조립체의 출력을 조절하기 위해 "부스터"로서 대응적으로 사용될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 서두에 언급한 유형의 가스 터빈 조립체에서 배기물 값 및 연소 챔버 디자인을 더욱 개선시키는 것이 여전히 바람직하다. 연소 챔버 디자인에서, 특히, 결과적으로 베어링 사이의 거리를 지배하는, 두 개의 순차적으로 배열된 연소 챔버의 비교적 긴 축방향 길이에 적극적으로(positively) 영향을 주는 것이 중요하다. 특히, 연속적 링형 연소 챔버의 경우에 발견되는, 그리고, 높은 출력을 갖는 가스 터빈 조립체에서 발생하는 연소 관련 병목현상 및 간섭을 피할 수 있다. 요약하면, 전체 가스 터빈 조립체의 개선된 소형성을 갖는 것이 또한 이런 순차적 연소 시스템의 디자인의 주된 이득이라 말할 수 있다.
또한, 이하의 공보는 마찬가지로 본 설명의 일체의 부분을 형성한다.
- EP 0 321 809 A호 및 B호
- EP 0 704 657 A호 및 B호
- EP 0 646 705 A호 및 B호
- EP 0 646 704 A호 및 B호
- EP 0 718 470 A호 및 B호
상술한 공보 중 하나의 하나 이상의 개선을 포함하는 관련 공보는 마찬가지로 본 설명의 일체의 부분을 형성한다.
여기서 본 발명이 소개된다. 청구항에 특징지어진 바와 같은 본 발명이 기초로 하는 목적은 서두에 언급한 유형의 가스 터빈 조립체 또는 특히, 더 높은 출력으로 이들 가스 터빈 조립체의 동작의 연소 가능성을 보증하고, 배기물 값이 결과적으로 최소화될 수 있는 가스 터빈 조립체의 더욱 소형의 디자인을 제안하기 위해, 이런 가스 터빈 조립체를 동작하기 위한 대응하는 동작 방법이다.
이 목적을 위해, 본 발명에 따른 가스 터빈 조립체는 실질적으로 압축기, 순차적 연소를 가능하게 하는 두 개의 순차적으로 배열된 버너 또는 버너 그룹으로 설계된 연소 챔버 및 연소 챔버에 후속하는 터빈으로 구성된다.
제 1 및 제 2 버너 또는 제 1 및 제 2 버너 그룹은 그 연소 경로의 유동 방향으로 각 경우에 관형 덕트의 일체의 부분이며, 관형 덕트는 압축기와 터빈 사이에서 연장하고, 소형성을 위해 설계되며, 자체적으로 폐쇄 또는 실질적으로 폐쇄되고, 연소 챔버 요소의 기능을 수행한다. 복수의 연소 챔버 요소가 제공되는 경우, 이들은 가스 터빈 조립체의 로터 둘레에 링의 형태로 배열된다.
이들 덕트는 다양한 관통 유동 단면, 예로서, 본 경우에는 둥근, 난형(oval), 타원형, 다각형 등을 가지며, 각각의 단면 형상은 연속적인 균일한 구성을 갖지 않을 수 있고, 즉, 제 2 버너 또는 제 2 버너 그룹의 영역의 단면 형상은 제 1 버너 또는 제 1 버너 그룹의 영역에서 특정 단면 형상으로부터 벗어나는 형태를 가질 수 있다.
연소 경로의 유동 방향으로, 개별 덕트는 공통 링 형상 구역을 형성하는 중간 부분을 가질 수 있다. 이런 중간 링 형상 부분은 제 1 및/또는 제 2 버너의 연소 영역 및 상기 버너들 사이의 유동 경로 양자 모두에 관련할 수 있다.
요약하면, 연소 챔버 요소는 이하의 구성을 가질 수 있으며, 본 명세서에 예시된 형태는 완전한 전체 목록을 구성하는 것은 아니며, 상술된 관형성이 압축기와 터빈 사이의 파이프라인 중 하나의 밀착된(coherent) 단조적 주체의 개념으로 이해될 필요도 없다. 이들 버너 요소의 다양한 단면은 이미 상술되어 있다.
본 발명에 따라서, 가스 터빈 조립체는 제 1 및 제 2 버너 또는 제 1 및 제 2 버너 그룹 사이에 전이 덕트를 가지며, 이 전이 덕트는 개별 덕트가 그 후 그 내부로 도입되게 되는 상류 덕트 또는 중간 링 형상 전이 덕트의 간단한 연속부를 형성한다.
특히, 전이 덕트의 마지막에 설명된 디자인은 증기 양 및/또는 다른 가스 및/또는 압축기 공기의 일부가 상기 전이 덕트 내로 도입될 수 있는 것을 가능하게 하여 바람직하다. 또한, 이런 밀착 링 형상 전이 덕트는 유리하게는 혼합기로서 설계될 수 있다. 또한, 이런 전이 덕트는 유리하게는 열 교환기로서도 설계될 수 있다.
이 경우에, 상기 버너 또는 버너 그룹은 사전혼합 연소기로서 설계될 수 있지만, 반드시 이런 디자인이 추정될 필요는 없으며, 예로서, 확산 버너 또는 하이브리드 버너가 쉽게 제공될 수 있다. 또한, 버너 그룹 내에서 서로 다른 유형의 버너를 조합하는 것도 쉽게 가능하다.
사전혼합 연소기가 제공되는 경우, 이들은 바람직하게는 공보 EP 0 321 809 A1호 및/또는 EP 0 704 657 A1호의 주제 및 연소 방법에 따라 설계되며, 이들 공보는 본 설명의 일체의 부분을 형성한다.
상기 예비혼합 버너는 특히 모든 유형의 액체 및/또는 가스 연료로 동작할 수 있다. 따라서, 개별 버너 그룹 또는 버너 내에 서로 다른 연료를 제공하는 것이 쉽게 가능하다. 즉, 예비혼합 버너는 또한 다양한 연료로 동시에 동작될 수 있다.
제 2 버너에 관하여, 이는 EP 0 620 362 A1호 또는 DE 103 12 971 A1호에 따라 구성되는 것이 바람직하고, 이들 공보는 또한 본 설명의 일체의 부분을 형성한다. 그러나, 이런 구조는 의무적인 것이 아니며, 그 이유는 정당한 근거에 의거하여 버너 덕트 내에 작용하도록 연소 화염이 제공될 수도 있기 때문이다.
그에 따라 링형 중간 부분이 유동 경로 내에서 발생할 수 있는 상술한 설명에 관련하여, 전달 덕트는 필요시 제 2 버너 또는 제 2 버너 그룹의 하류 측부 상의 터빈을 초래할 수 있으며, 개별 덕트는 상기 전달 덕트들 내로 수렴하여 일체의 유동이 터빈 상에 작용하는 것을 보증한다.
이 가스 터빈 조립체에서, 디자인 변형으로서, 압축기 및 터빈의 회전 부분이 공통 로터 상에 배열될 수 있다. 종래 기술로부터 이미 공지되어 있는 것 같은 다중 샤프트 가스 터빈 조립체는 또한 본 발명의 주제의 기초가 될 수 있다. 마지막으로, 이런 가스 터빈 조립체는 또한 가스/증기 조합 사이클 파워 플랜트의 일체의 부분으로서 제공될 수 있으며, 즉, 가스 터빈 조립체로부터의 배기 가스는 이때 증기 터빈을 동작시키기 위한 증기를 생성하도록 기능하며, 이 증기 터빈은 순차적으로 다른 생성기에 결합된다. 반대로, 증기 회로는 그 후 역시 이 증기 양을 전달할 수 있고, 이 증기 양은 가스 터빈 조립체의 열적으로 부하된 구성요소를 냉각하도록 기능한다.
본 발명에 따라서, 여기서 주제가 되는 것은 실질적으로 상술한 바와 동일한 설정을 갖는 이런 가스 터빈 조립체를 동작시키는 방법이며, 말하자면, 제 1 및 제 2 버너 또는 제 1 및 제 2 버너 그룹이 덕트로서 설계된, 그리고, 압축기와 터빈 사이에서 연장하는 관형 연소 챔버 요소 내에 그 연소 가스 경로의 유동 방향으로 순차적으로 작동하는 것을 실행하는 것이다. 이런 연소 챔버로부터 배출 가스의 열 포텐셜은 증기 회로를 동작시키기 위해 회복된다.
그러나, 이런 가스 터빈 조립체에 필수적인 것은 바람직하게는 로터 둘레에 배열되는 다수의 관형 연소 챔버 요소로 구성되는 그 설정이며, 동작 동안, 자율 또는 준 자율 순차 연소 중 어느 하나를 서로에 관하여 유지하는 것이다. 제 1 및 제 2 버너 또는 제 1 및 제 2 버너 그룹에 관한 이러한 순차적 연소는 개별 덕트의 유동 경로가 연소기와 터빈 사이에 연속적 자율성을 갖지 않지만, 대신, 흔히 균일한 링 형상 디자인을 갖는 중간 부분이 터빈에 대한 전달 덕트에 관하여서 존재할 때에도 가능하다.
먼저, 제 2 버너의 상류, 그리고, 제 1 버너의 하류의 자체적으로 폐쇄된 링 형상 디자인의 중간 전이 덕트 내의 연소 가스에 다른 작용이 취해진다. 본 명세서의 제 1 가능성은 제 1 버너로부터의 이들 연소 가스가 열 교환기에 의해 냉각될 수 있다는 것이다. 이는 제 1 버너 내의 연소가 비교적 높은 배기 가스 온도에서 동작될 수 있고 그래서, 연료의 혼합이 중간 작용을 초래할 수 있고, 말하자면, 불충분한 상호혼합에 의해, 이때, 높은 배기물 값이 예상되어야 하는, 자발적이고, 따라서, 제어되지 않은 연소 프로세스가 존재하는 위험이 존재하기 때문이다. 불활성 유체, 특히, 물, 수증기, 새로운 공기, 바이패스 공기 또는 냉각 공기가 이런 열 교환기를 작동시키기 위한 냉각제로서 사용된다.
각 관형 연소 챔버 요소의 두 개의 순차적으로 배열된 버너 또는 버너 그룹은 연료로 개별적으로 동작되고, 제 2 연소 챔버를 위한 연료는 그곳에서 동작하는 연료 노즐을 통해 직접적으로 도입된다. 여기서 가스 온도가 900℃와 1100℃ 사이인 경우, 주입된 연료의 자동 점화가 이루어진다.
관형 연소 챔버 요소 내에 존재하는 온도의 최적의 조화를 보증하기 위해, 제 1 및/또는 제 2 버너 또는 제 1 및 제 2 버너 그룹을 위해 희박 혼합물을 사용하는 것이 가능하며, 이는 조정된 연소를 초래하며, 따라서, NOx 형성의 위험을 회피한다. 또한, 제 1 및 제 2 버너 사이의 중간 전이 덕트 내에 추가적 연료를 주입하여 제 2 버너의 상류에서 사전 예비혼합을 초래한다. 이런 연료는 희박 혼합물일 수 있지만, 고도의 반응성의 가스의 도입 또는 혼합도 가능하다.
그 목적에 관한 본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항의 주제이다.
본 발명의 양호한 예시적 실시예는 이하의 도면 또는 도면들에 더 상세히 예시 및 설명되어 있다. 본 발명의 직접적 이해를 위해 필수적이지 않은 모든 요소는 생략되어 있다. 다양한 도면에서 동일한 요소는 동일한 참조 부호가 부여되어 있다.
도 1은 전이 덕트가 주입부를 가지는 본 발명에 따른 가스 터빈 조립체를 통해 고도로 단순화된 종방향 단면도.
도 2는 가스 터빈 조립체를 통한 단면도.
도 3은 밀착 버너 요소(coherent burner element)의 추가 구성을 도시하는 도면.
도 4는 밀착 버너 요소의 추가 구성을 도시하는 도면.
도 1은 압축기(2), 제 1 버너(8), 제 2 버너(9) 및 적어도 하나의 터빈(5)으로 구성된 가스 터빈 조립체(1)를 도시하며, 적어도 하나의 터빈은 제 2 버너(9)에 속하는 반응 구역(4)의 하류에서 작용한다. 제 1 버너(8)는 압축기(2)의 하류에 배열되고, 그곳에서 압축된 공기에 의해 작동된다. 제 2 버너(9)는 제 1 버너(8)에 속하는 반응 구역(3)의 하류에 배열된다. 제 1 버너(8)는 연료 랜스(7)를 통해 상기 제 1 버너(8)에 가스 및/또는 액체 연료를 공급하는 제 1 연료 공급 장치(6)를 갖는다. 제 2 버너(9)는 마찬가지로 가스 및/또는 액체 연료의 공급을 보증하는 자율 제 2 연료 공급 장치(10)를 갖는다. 제 1 버너(8)의 바로 하류에서, 연계된 반응 구역(3)이 작용하며, 그 하류에는 전이 덕트(11)가 배열되고, 이는 그 구성에 따라, 다양한 목적을 위해 설계될 수 있다. 이는 이하에서 더 상세히 다루어진다. 제 1 버너(8) 및 제 2 버너(9), 연계된 반응 구역(3, 4) 및 그들 사이에 연결된 전이 덕트(11)는 자체적으로 폐쇄된 연소 챔버 요소(100)를 형성하고, 이는 개별 연료 공급부(6, 10)가 도시하는 바와 같이 자율적으로 동작된다. 따라서, 여기서, 예로서 또한 WO 03/038253호에 설명된 바와 같이 공통의 균일한 환형 연소 챔버를 통해 순차적 연소가 이루어지지 않지만, 대신, 가스 터빈 조립체(1)의 로터(12) 둘레에 개별적으로 배열된 다수의 연소 챔버 요소(100)를 통해 이루어진다(이에 관하여, 도 2 참조).
이 방식으로 배열된 연소 챔버 요소(100)의 수는 달성되는 파워 출력 및 가스 터빈 조립체(1)의 크기에 의존한다. 연소 챔버 요소(100)는 동시에 공기(14)의 인벨로프에 의해 둘러싸여지는 가스 터빈 조립체(1)의 하우징(13) 내에 수용되며, 공기의 인벨로프를 통해 압축된 공기가 제 1 버너(8)로 유동한다.
전이 덕트(11)는 화살표로 여기서 심볼화되어 있는 연소 가스 경로(15)를 포함하고, 가스 터빈 조립체(1)가 동작할 때 이 연소 가스 경로를 통해 제 1 버너(8)의 연소 가스가 유동한다.
전이 덕트(11)에 작동식으로 연결된 이 연소 경로(15)는 그 기능에 관하여 개별적으로 구성될 수 있다.
도 1에서, 전이 덕트(11)는 주입 장치(16)에 작동식으로 연결되고, 주입 장치는 조정된 라인(18)을 통해 압축된 공기(14)에 연결되고, 그를 통해 냉각 공기가 화살표로 심볼화된 연소 가스 경로(15) 내로 도입 또는 주입될 수 있다. 또한, 주입 장치(16)는 외부적으로 공급되는 냉각 매체로 동작될 수 있다. 외부적으로 공급된 냉각 매체는 편리하게, 예로서, 물 또는 수증기 같은 연소 반응에 불활성인 유체일 수 있다. 유사하게, 외부 냉각 매체로서 새로운 공기, 바이패스 공기 또는 냉각 공기를 사용하는 것이 가능하다.
전이 덕트(11)의 다른 실시예에서, 전이 덕트는 열 교환기로서 설계될 수 있다. 유사하게, 이런 열 교환기는 이미 설명된 연소 가스 경로(15)를 가지며, 이를 통해 제 1 버너(8)의 연소 가스가 다시 유동한다. 이 방식으로 구성된 이 연소 가스 경로(15)는 제 1 버너(8)의 고도로 가열된 연소 가스로부터 열의 양을 추출하는 냉각 매체 경로를 제공한다. 전이 덕트(11)의 이런 실시예에서, 따라서, 연소 챔버 요소(100)는 열 전달부에 직접적으로 결합되는 것이라 말해질 수 있다. 가스 터빈 조립체(1)가 동작할 때, 냉각 매체, 예로서, 물 또는 수증기는 열 교환기로서 설계된 전이 덕트(11)에 공급되도록 냉각 매체 경로를 통해 유동한다. 이런 열 교환기에서, 열은 연소 가스로부터 추출되고, 그곳에 사용되는 냉각 매체로 전달되며, 결과적으로, 제 1 버너(8)의 동작으로부터의 연소 가스가 냉각되고, 냉각 매체는 실질적으로 가열된다. 그 후, 가열된 냉각 매체는 다른 프로세스를 위해 열 교환기의 하류에서 사용될 수 있다. 예로서, 냉각 매체는 수증기라면, 증기 터빈에 공급될 수 있다.
또한, 주입 장치(16)가 내부적으로, 즉, 내부로부터 연소 가스 경로(15)에 각각의 냉각 매체를 공급하는 내부 주입 장치로서 구성된다는 점에서 전이 덕트(11)는 다른 유형의 동작을 위해 설계될 수 있다. 내부적으로 공급되는 냉각 매체는 편리하게는 가스 터빈 조립체(1)의 냉각 공기 시스템으로부터 적절한 위치에서 추출될 수 있는 냉각 공기이다. 예로서, 이는 연소 챔버 요소(100)가 압축된 공기로 구성되는 공기(14)의 인벨로프에 의해 하우징(13) 내에서 둘러싸여진 이후 쉽게 구현될 수 있다.
균일한 로터(12)의 길이가 최소화되는 경우, 연소 챔버 요소(100)가 더 이상 실질적으로 수평으로 연장하지 않지만, 개별 연료 랜스(7)가 그 후 수직 또는 준-수직에 대해 실질적으로 경사지게 상단 측부 상에서 하우징을 천공하는 방식으로 대략적으로 중간으로부터 수직 방향으로 배열되는 구성이 제공될 수 있다. 로터(13)의 길이는 결과적으로 이런 조치에 의해 실질적으로 감소될 수 있다.
버너 요소(100)의 경로에 무관하게, 본 발명에 따른 가스 터빈 조립체(1)는 편리하게는 이하와 같이 동작된다:
압축기(2)는 제 1 버너(8)에 공급되는 압축된 공기를 생성한다. 압축된 공기의 서브스트림은 이 경우에 냉각 가스 또는 냉각 공기로서 기능할 수 있으며, 가스 터빈 조립체(1)의 다양한 구성요소를 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 제 1 연료 공급 장치(6)는 연료를 직접적으로 각 연소 챔버 요소(100)의 개별 버너 내로 주입하고, 상기 버너는 사전혼합 버너(8)로서 설계되고 압축된 공기에 의해 작동된다. 연료 주입 및 각각의 사전혼합 버너(8)는 이 경우에, 오염 배기물 및 효율을 위한 바람직한 값으로 제 1 반응 구역(3) 내에서 연소하는 희박 연료/산화제 혼합물을 형성하도록 서로 조화된다. 이 경우에 발생하는 연소 가스는 이미 설명된 전이 덕트(11)를 통해 제 2 버너(9)에 공급된다.
이 전이 덕트(11)가 열 교환기로서 설계되는 경우, 제 1 반응 구역(3)으로부터의 연소 가스가 제 2 연료 공급 장치(10)를 통해 이루어지는 연소 가스 내로의 연료 주입이 제 2 반응 구역(4) 외부의 바람직하지 못한 조기 자동 점화를 초래하지 않도록 하는 정도로 냉각된다. 예로서, 연소 가스는 이런 열 교환기의 도움으로 약 1100℃ 이하로 냉각된다.
그 후, 연료는 제 2 연료 공급 장치(10)의 도움으로 버너(9) 내에서 다시 한번 이 방식으로 냉각된 연소 가스에 공급되고, 여기서 역시, 버너 및 연료 공급부는 그들로부터, 오염 배기물 및 효율에 관하여 바람직한 값으로 제 2 반응 구역(4) 내에서 연소하는 희박 연료/산화제 혼합물을 형성하도록 구성된다.
제 2 반응 구역(4) 내에 형성된 연소 가스는 그 후 후속 터빈(5) 상에 작용한다. 이에 관하여, 모든 자율적으로 작동되는 연소 챔버 요소(100)가 공통 링 형 전달 덕트(17)를 형성하고, 그래서, 직접적으로 하류에 작용하는 터빈(5)은 균일하게 작동될 수 있다.
제 2 연료 공급 장치(9)가 연료를 주입하기 이전에 제 1 반응 구역(3) 내의 연소 및 배기 가스를 냉각하는 결과는, 제 2 연료 공급 장치(10)에 의해 주입된 연료의 자동 점화 이전에 충분한 혼합물 형성이 버너(9)의 영역에서 이루어질 수 있다. 이 조치는 원하는 희박 연소가 이루어지는 것을 보증한다.
제 1 반응 구역(3)의 연소 배기 가스의 냉각의 결과로서, 따라서, 제 2 연료 공급 장치(10)의 도움으로 그 후 냉각된 연소 가스 내로 직접적으로 연료를 주입하는 것이 가능하다. 이는 따라서 연료 주입 감독에 대해 실제로 검증된 종래의 기술이 채택될 수 있기 때문에 특히 유리하다(예로서, 관련 특정 공보가 여기서 언급될 수 있으며, 이때, 본 설명의 일체의 부분을 형성한다).
이렇게 구현된 희박/희박 연소의 실질적 장점은 한편으로는 가스 터빈 조립체(1)의 효율 및 오염 배기물에 관한 개선된 값이다. 다른 한편, 가스 터빈 조립체(1)가 그 공칭 동작 상태 외부에서 동작될 때 장점이 발생한다. 예로서, 가스 터빈 조립체(1), 즉, 개별 연소 챔버 요소(100)는 또한 예로서 부분 부하 동작을 가능하게 하도록 제 1 버너(8)에 의해 편리하게 단 하나의 버너(8, 9)로 동작될 수 있다. 가스 터빈 조립체(1)의 이런 부분 부하 동작에서, 제 1 버너(8)는 그 공칭 동작 지점에서 동작될 수 있고, 결과적으로, 심지어 부분 부하 상황에서도 오염 배기물 및 효율을 위한 바람직한 값이 달성될 수 있다. 또한, 예로서, 증가된 연료 량이 제 2 버너(9)에 공급된다는 점에서 시동 및/또는 피크 부하 시간 동안 가스 터빈 조립체(1)의 파워 출력을 일시적으로 증가시키는 가능성이 제공된다.
특히, 여기서 기초로서 취해진 가스 터빈 조립체가 다수의 자율적으로 작동되는 연소 챔버 요소(100)로 구동되기 때문에, 또한, 부분 부하 동작을 위해, 제 1 버너(8)에 대한 동작의 감소를 필요로 하지 않지만, 전체적으로 동작되는 연소 챔버 요소(100)의 수가 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 가스 터빈 조립체(1)의 유연성, 효율의 이득 및 오염 배기물의 최소화가 임의의 동작 상태에서 최대화될 수 있다.
또한, 순차적 연소에서, 기본적으로 어떠한 추가적 새로운 가스(공기 양)도 제 1 버너(8) 및 제 2 버너(9) 양자 모두를 위해 희박 연료/산화제 혼합물을 제공하기 위해 공급될 필요가 없다는 점을 주목할 만하다. 이를 위해, 제 1 버너(8)에 공급된 연료/산화제 혼합물을 위해 선택된 연료/공기 비율은 희박상태이며, 그래서, 제 2 반응 구역(4) 내의 연소 반응을 위해 필요한 연료 량이 제 1 버너(8) 내에서 발생하는 희박 연소 가스에 여전히 공급될 수 있고 제 2 반응 구역(4)을 위해 이렇게 형성된 연료/산화제 혼합물이 여전히 원하는 저 오염 및 고효율 연소를 구현하도록 충분히 희박하다.
상술한 열 교환기의 도움에 의한 연소 가스의 냉각에서, 제 1 반응 구역(3)으로부터 제 2 반응 구역(4)으로의 질량 유동이 실질적으로 일정하지만, 제 2 반응 구역(4)에 가용한 질량 유동은 도 1에 따른 주입 장치(16)의 도움으로 증가될 수 있다.
따라서, 후속 터빈(5)의 파워의 증가가 동시에 달성될 수 있다. 주입 장치(16)와 함께 동작하는 전이 덕트(11)의 냉각 장치는 예로서 가스 터빈 조립체(1)의 시동을 가속시키기 위해 및/또는 피크 부하 시간을 가교하기 위해 가스 터빈 조립체(1)의 파워를 일시적으로 증가시키기 위해 냉각 매체의 주입이 사용될 때 특히 유용하다.
"발명의 내용"에서 상세히 이미 설명한 바와 같이, 개별적 버너 요소(100)의 유동 경로가 압축기(2)와 터빈(5) 사이의 연속적 자율성(autonomy)을 갖지 않고 예로서, 터빈으로의 전달 덕트에 관하여, 흔히 링 형상의 균일한 형태로 이루어지는 중간 부분을 가질 때에도 제 1 및 제 2 버너(8, 9)에 관하여 제공된 순차적 연소가 가능하다. 이런 부분은 전이 덕트(11)라 직접적으로 지칭할 수 있다. 기본적으로, 상황은 역시 반응 구역(3, 4) 중 하나가 균일한 링 형상 디자인으로 이루어지는 경우를 배제하지 않는다. 따라서, 또한, 유동에 관하여 자율적인 각 버너 요소(100)의 부분이 버너(8, 9)의 주변의 영역만을 지칭하는 것이 또한 가능하다.
도 2는 도 1로부터 단면 II-II을 구성한다. 여기서 로터(12) 둘레에 링 형태로 배열된 버너 요소(100)의 구성이 명백히 나타나 있다.
도 3은 유동 방향으로 다변량 단면 프로파일을 갖는 버너 요소(200)를 도시한다. 헤드측부 상에서, 버너 요소(200)의 제 1 부분은 단일 버너를 더 이상 구비하지 않지만, 자체적으로 균일하거나 서로 다른 버너로 구성될 수 있는 버너 그룹(201)을 구비한다. 여기서, 역시, 사전혼합 버너, 확산 버너, 하이브리드 버너 등이 사용될 수 있으며, 이 경우에, 상기 버너의 조합이 또한 사용될 수 있다. 제 1 반응 구역(3)은 이 제 1 버너 그룹의 하류를 따르고, 도 1로부터의 것에 대략적으로 대응한다. 이 반응 구역(3)의 하류 측부 상에서, 원래의 단면은 수축부로 합쳐진다. 이 수축부는 SEV 버너(202)(특정 관련 공보가 또한 여기에 언급되어 있다)가 사용되는 새로운 매우 좁은 단면(203)을 형성한다. 이 SEV 버너(202)는 제 2 버너의 기능을 가지며, 고온 가스의 열처리를 완료하는 추가적 임무를 충족한다. 여기서, 역시, 물론, 개별적 버너가 제공될 수 있을 뿐만 아니라 여기서 전체 버너 그룹이 또한 동작할 수 있다. SEV 버너(202)의 동작 모드에 대해, 본 설명의 일체의 부분을 형성하는 상술한 공보를 참조한다. 그 후, 적어도 초기에 제 1 반응 구역(3)의 대략적으로 둥근 단면을 갖는 제 2 반응 구역(4)이 이어진다. 그러나, 후속 연장부는 그 후 대략적 직사각형 단면 프로파일(204)로 합쳐지고, 이는 작동되는 후속 터빈(5)을 위한 최적의 유동 조건을 구성한다.
1: 가스 터빈 조립체 2: 압축기
3: 제 1 반응 구역 4: 제 2 반응 구역
5: 터빈 6: 제 1 연료 공급 장치
7: 연료 랜스 8: 제 1 버너
9: 제 2 버너 10: 제 2 연료 공급 장치
11: 전이 덕트 12: 로터
13: 하우징 14: 냉각 공기 인벨로프
15: 연소 경로 16: 주입 장치
17: 링 형상 전달 덕트 18: 냉각 공기 분기부
100, 200, 300: 연소 챔버 요소

Claims (33)

  1. 가스 터빈 조립체에 있어서,
    실질적으로 적어도 하나의 압축기, 적어도 하나의 제 1 버너(8, 201), 상기 제 1 버너에 후속하는 적어도 하나의 제 2 버너(9, 202), 상기 제 2 버너에 후속하는 적어도 하나의 터빈(5), 적어도 하나의 로터로 구성되고,
    적어도 상기 제 1 및/또는 제 2 버너(8, 9)는 상기 버너들에 의해 형성된 연소 경로의 유동 방향으로 상기 압축기(2)와 상기 터빈(5) 사이에서 연장하는, 자체적으로 폐쇄된 또는 실질적으로 폐쇄된, 적어도 하나의 연소 챔버 요소(100, 200, 300)의 일체의 부분을 형성하고, 상기 연소 챔버 요소는 관형 또는 준 관형 또는 형상이 변하는 단면을 가지고, 상기 연소 챔버 요소는 상기 가스 터빈 조립체의 로터로부터 반경 거리에서 연장하는 가스 터빈 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소 경로는 상기 버너의 하류에 배열된 적어도 하나의 반응 구역(3, 4)을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 연소 챔버 요소들은 그 연소 경로의 유동 방향으로 적어도 하나의 중간 상호 연통 관통 유동 구역을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버 요소들은 그 유동 코스에 적어도 하나의 공통 링 형상 관통 유동 구역을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 전이 덕트(11)는 상기 제 1 반응 구역(3)의 하류 및 상기 제 2 버너(9)의 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전이 덕트(11)는 확산기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 압축기 공기 및/또는 증기 양 및/또는 다른 가스의 일부가 상기 전이 덕트 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 전이 덕트는 열 교환기로서 설계되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 버너(8)는 사전혼합 버너인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 사전혼합 버너는 EP 0 321 809 A호에 속하는 하나 이상의 청구항들에 따라 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 사전혼합 버너는 적어도 H2-농후 연료로 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 사전혼합 버너는 EP 0 704 657 A호에 속하는 하나 이상의 청구항들에 따라 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 사전혼합 버너는 적어도 H2-농후 연료로 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 버너(9)는 EP 0 620 362 A호 및 DE 103 12 971호에 속하는 하나 이상의 청구항들에 따라 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 사전혼합 버너는 적어도 H2-농후 연료로 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버 요소들은 상기 제 2 반응 구역(4)의 하류 및 상기 터빈(5)의 상류에서 링 형상 전달 덕트(17) 내로 수렴하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전달 덕트(17)는 터빈(5)의 상류에서 그 곳에서 발생되는 상기 관형 연소 챔버 요소들에 작동식으로 유동 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 터빈(5)으로의 전달 덕트(17)는 밀착 링 형상 관통 유동 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈(5)과 압축기(2)의 회전 부분들은 공통 로터(12) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 터빈 조립체는 가스/증기 조합 사이클 파워 플랜트의 일체의 부분인 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체.
  21. 실질적으로 적어도 하나의 압축기와, 적어도 하나의 제 1 버너(8, 201)와, 상기 제 1 버너에 후속하는 적어도 하나의 제 2 버너(9, 202)와, 상기 제 2 버너에 후속하는 적어도 하나의 터빈(5)으로 구성되는 가스 터빈 조립체를 동작시키는 방법에 있어서,
    적어도 상기 제 1 및 제 2 버너(8, 9)는 상기 압축기(2)와 상기 터빈(5) 사이에서 연장하면서 폐쇄 또는 실질적으로 자체 폐쇄되는 관형 또는 준 관형 연소 챔버 요소(100, 200, 300)의 일체의 부분을 그 연소 경로의 유동 방향으로 형성하고, 상기 연소 챔버 요소들은 로터(12) 가스 터빈 조립체 둘레에 링 형태로 배열되고, 연소 챔버 요소는 순차적 연소에 의해 작동되는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 가스 터빈 조립체로부터의 배기 가스들의 발열 잠재력이 증기 회로의 동작을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 가스 터빈 조립체는 다수의 관형 연소 챔버 요소들로 동작되고, 상기 관형 연소 챔버 요소들은 상기 로터 둘레에 배열되고, 동작 동안 서로에 관하여 자율, 준자율 또는 연통 연소를 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 연소로부터의 연소 가스들은 상기 제 2 버너(9) 상류 및 상기 제 1 버너(8)에 속하는 반응 구역(3)의 하류의 중간 전이 덕트(11)에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 연소로부터의 연소 가스들은 제 1 버너(8)에 속하는 반응 구역(3)의 하류 및 상기 제 2 버너(9)의 하류의 중간 전이 덕트(11) 내의 열 교환기에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서, 불활성 유체, 특히, 물, 수증기, 새로운 공기, 바이패스 공기 또는 냉각 공기가 상기 연소 가스들을 냉각시키기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  27. 제 21 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 연료는 상기 제 1 버너(8)에 공급되고, 제 2 연료는 상기 제 2 버너(9)에 공급되고, 상기 제 2 연료는 상기 제 1 연소로부터의 연소 가스들 내로 직접적으로 주입되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  28. 제 21 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 버너를 위한 상기 연료는 희박 혼합물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  29. 제 21 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 전이 덕트(11) 내로 추가 연료가 주입되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 희박 혼합물 및/또는 고도의 반응성 가스가 연료로서 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  31. 제 21 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 터빈 조립체의 부분 부하 동작은 EP 0 646 705호에 준하는 기준에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  32. 제 21 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 터빈 조립체의 부분 부하 동작은 EP 0 646 704호에 준하는 기준에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
  33. 제 21 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 터빈 조립체의 부분 부하 동작은 EP 0 718 470호에 준하는 기준에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 조립체 동작 방법.
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