KR20140088145A - 주파수 지원을 위한 가스 및 증기 터빈 설비의 작동 방법 - Google Patents

주파수 지원을 위한 가스 및 증기 터빈 설비의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 터빈(2)과, 증기 터빈(3)과, 배기가스와의 열 교환 시 가스 터빈(2)으로부터 증기 터빈(3)을 위한 증기가 생성될 수 있는 폐열 증기 발생기(8)를 구비한 가스 및 증기 터빈 설비(1)를 작동하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이때 전력망 내의 주파수 지원을 위해 정적 작동으로부터 증기 터빈(3)의 흡수 용량이 증가되고, 증가된 증기 생성에 대해 폐열 증기 발생기(8) 내에 저장 리저브를 이용하기 위해, 폐열 증기 발생기(8) 내의 압력이 감소되며, 가스 및 증기 터빈 설비(1)의 전력 프로파일이 증기 터빈(3)의 흡수 용량의 증가와 폐열 증기 발생기(8) 내의 압력 감소의 결과로 직전의 정적 작동의 전력 이상이 되도록, 열에너지가 신속하게 폐열 증기 발생기(8)에 공급된다.

Description

주파수 지원을 위한 가스 및 증기 터빈 설비의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A GAS AND STEAM TURBINE SYSTEM FOR FREQUENCY ASSISTANCE}
본 발명은 가스 및 증기 터빈 설비의 주파수 지원 작동에 관한 것이다.
에너지 시장은, 신속한 시동 및 정지 시간 외에도 큰 전력 범위를 커버할 수 있고 주파수 지원 작동에 양호하게 준비된, 매우 유연한 발전소 설비를 점점 더 요구한다.
특히, 여기에는 전류 수요가 높을 경우 추가로 전력을 방출할 능력(이른바 피크 부하 작동)도 포함된다. 이때 미래에는, 설정값(setpoint)에서 작동되는 발전소도 피크 부하 커버와 주파수 지원에 관여하는 것이 기대된다.
현재 해결책들은 구성부품들 내에서 전력 리저브의 사용에 주력하거나, 매우 적은 전력 리저브만을 제공할 수 있는 기술들에 기초한다. 주파수 지원 뿐만 아니라 피크 부하 커버를 위해서도 가스 터빈은 과연소될 수 있고, 기초 부하 설정을 초과하여 압축기의 안내 베인들이 개방될 수 있거나, 물이 흡입 공기 채널로 주입될 수 있다. 피크 부하 커버에만 관여하는 요건들은, 가스 터빈 연소 챔버로의 증기 주입을 통해, 예컨대 증발 냉각기 또는 냉동기(이른바 칠러 냉각장치)를 사용하는 가스 터빈 흡입 공기의 냉각을 통해 충족될 수 있거나, 증기 터빈 전력을 증가시키기 위해, 폐열 증기 발생기(AHDE)에 추가 연소부를 장착함으로써 충족될 수 있다. 주파수 지원을 위해 중간 과열기(변형된 슬라이딩 압력 작동 방식)로부터 신선 증기 또는 증기가 축적되고 나서 터빈 제어 밸브가 신속하게 개방될 수 있다.
문헌 EP 1 164 254 B1호에는 피크 부하 커버를 위한, 다시 말해 완전 부하에서의 추가 전력을 위한 증기 우회 라인을 갖는 가스 및 증기 터빈 설비가 기술된다. 이때 폐열 증기 발생기 내에 생성된 증기의 일부는 바이패스 채널들을 통해 터빈 유입부들을 지나 이러한 터빈 유입부들의 하부에 배치된 다른 유입부들 내로 터빈의 부품들에 공급되어, 이를 통해 폐열 증기 발생기 내의 압력은 사실상 일정하게 유지될 수 있고, 증기 터빈의 흡수 용량과 이로 인해 출력 전력도 증가될 수 있다.
본 발명의 과제는 개선된 전력 리저브를 제공하는, 가스 및 증기 터빈 설비의 주파수 지원 작동을 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는, 증기 터빈을 위한 증기가 가스 터빈과, 증기 터빈과, 배기가스와의 열교환 시 가스 터빈으로부터 생성될 수 있는 폐열 증기 발생기를 구비한 가스 및 증기 터빈 설비의 작동 중에, 전력망 내의 주파수 지원을 위해 정적 작동으로부터 증기 터빈의 흡수 용량이 증가되고, 증가된 증기 생성에 대해 폐열 증기 발생기 내에 저장 리저브들을 이용하기 위해, 폐열 증기 발생기 내의 압력이 감소되는 것을 제공하고, 가스 및 증기 터빈 설비의 전력 프로파일이 증기 터빈의 흡수 용량의 증가와 폐열 증기 발생기 내의 압력 감소의 결과로 직전의 정적 작동의 출력 이상이 되도록, 열에너지가 신속하게 폐열 증기 발생기에 공급되는 것을 제공함으로써 해결된다.
이에 따라, 본 발명은 밸브의 급격한 개방 시 추가 증기를 생성하기 위해, 폐열 증기 발생기 내에 저장 리저브를 이용한다는 사상에 기초한다. 폐열 증기 발생기 내의 압력 하강을 통해 추가로 증기가 생성되고, 충분한 규모와 신속한 열에너지의 공급에 의해 전력 프로파일에서 통상적인 저하가 방지된다. 이러한 방법을 통해 전력 제어가 부분 부하와 완전 부하에서 제공될 수 있다.
본 발명의 방법을 통해, 전력 수요가 많을 경우에, 특히 전류 시장에서 전류 판매가 많을 경우 증가된 수익을 가져오고 설비의 작동을 더 경제적으로 형성하는(피크 부하 능력) 추가 에너지가 제공되므로, 발전소 설비의 유연성과 경제성이 상당히 증가될 수 있다. 이는 주파수 지원 작동에, 특히 2차 및 3차 지원에 적용된다. 이로써, 1차 주파수 지원 또는 피크 부하 작동을 위해, 고압 부품이나 중간 과열 부품을 압력에 있어서 정격보다 더 높은 압력으로 설계하는 것이 불필요하다. 또한 증기 터빈 제어 밸브들의 교축에 의해 설비의 준비 작동 중에 전력 손실 및 효율 손실을 일으키는, 이른바 변형된 슬라이딩 압력 작동 중에 설비를 작동시킬 필요가 없다. 본 발명의 방법에 의해 저부하 작동도 더 유연하게 설정될 수 있기 때문에, 발전소의 부하 범위가 확장될 수 있다.
바람직하게 증기 터빈의 흡수 용량을 증가시키도록, 증기 터빈 단계 또는 증기 터빈 모듈의 우회를 위해 바이패스 채널 내의 하나 이상의 밸브가 개방된다.
이때 고압 유입부의 하부에서 바이패스 채널을 통해 증기가 증기 터빈 내로 안내되는 경우에 바람직하다.
대안으로 또는 추가로, 중압 유입부의 하부에서 바이패스 채널을 통해 증기가 증기 터빈 내로 안내되는 경우에 특히 바람직하다.
대안으로 또는 추가로, 증기 터빈의 흡수 용량을 증가시키기 위해 하나 이상의 제어휠 밸브가 고압 터빈 및/또는 중압 터빈에서 개방될 수 있다.
바람직하게 열에너지는 가스 터빈의 증가된 출력과 이로 인해 증가된 배기가스 유동에 의해 공급된다.
또한 열에너지가 추가 연소부를 통해 공급되는 경우에 바람직할 수 있다. 그러나 이러한 추가 연소부는 상응하게 치수화되어야 한다.
저장 용량을 더 증가시키기 위해, 정적 작동 중에 주파수 지원을 위해 개방되는 밸브에 의해 증기 드럼 압력이 축적되는 경우에 바람직하다.
본 발명은 도면들에 의해 예시적으로 더 자세히 설명된다. 이는 일정한 비례가 아니라, 개략적으로 도시된다.
도 1은 고압과 중압 과부하 도입부, 증기 터빈 내 제어휠들, 및 폐열 증기 발생기 내의 추가 연소부를 구비한 가스 및 증기 터빈 설비의 간단한 회로도이다.
도 2는 고압 터빈 내로의 과부하 도입 시 신선 증기 압력 대 도입 압력의 상이한 비율에 대한 증기 터빈 전력 프로파일이다.
도 3은 중압 터빈 내로의 과부하 도입 시 신선 증기 압력 대 도입 압력의 상이한 비율에 대한 과부하 도입부의 증기 터빈 전력 프로파일이다.
도 1에는 가스 터빈(2) 및 증기 터빈(3)을 포함하는 가스 및 증기 터빈 설비(1)가 도시된다. 샤프트(4)를 통해 가스 터빈의 회전자, 제너레이터(5)의 회전자, 및 증기 터빈(3)의 회전자가 서로 결합되고, 이때 증기 터빈(3)의 회전자와 제너레이터(5)의 회전자는 클러치(6)를 통해 회전식으로 서로 분리 및 결합될 수 있다. 제너레이터(5)와 가스 터빈(2)의 회전자들은 샤프트(4)를 통해 서로 고정 연결된다. 가스 터빈(2)의 연도가스 배출은 배기가스 라인(7)을 통해, 증기 터빈(3)의 작동 증기를 생성하기 위해 가스 터빈의 폐열로부터 제공되는 폐열 증기 발생기(8)와 연결된다.
가스 및 증기 터빈 설비(1)의 작동 중에 가스 터빈(2)의 회전하는 회전자로부터 샤프트(4)를 통해 압축기(9)가 구동되며, 상기 압축기는 주변들로부터 연소 공기를 흡입하여 연소 챔버(10)에 공급한다. 거기서 연소 공기는 연료 공급부(11)로부터 공급된 연료와 혼합되고 연소되며 압력이 가해진 고온의 배기가스가 가스 터빈(2)에 공급되고 거기서 작업을 수행하면서 팽창된다. 그리고 나서 여전히 대략 500℃ 내지 600℃의 고온 배기가스가 배기가스 라인(7)을 통해 폐열 증기 발생기(8)로 공급되고, 이러한 배기가스는 굴뚝(13)을 통해 주변으로 도달할 때까지, 상기 증기 발생기를 관통하여 흐른다. 폐열 증기 발생기(8)를 통과하는 배기가스의 경로에서 배기가스의 열이 고압 과열기(14)로 공급되고 나서, 고압 중간 과열기(15)와, 고압 증발기(16)와, 고압 예열기(17)로 공급된 후에, 중압 과열기(18)와, 중압 증발기(19)와, 중압 예열기(20)로 공급되고 나서, 저압 과열기(21)와, 저압 증발기(22)로 공급된 후에, 끝으로 응축물 예열기(23)로 공급된다.
고압 과열기(14) 내에서 과열된 증기는 증기 배출 라인(24)을 통해 증기 터빈(3)의 고압 단계(25)로 공급되고 거기서 작업을 수행하면서 팽창된다. 이러한 작업에 의해 가스 터빈 내에서 수행된 작업과 유사하게 샤프트(4)와 이로 인해 제너레이터(5)는 전기 에너지를 생성하기 위해 운동한다. 그리고 나서 고압 단계(25)에서 부분적으로 팽창된 고온 증기가 고압 중간 과열기(15)로 공급되고, 거기서 다시 가열되며, 배출 라인(26)을 통해 증기 터빈(3)의 중압 단계(27)로 공급되고 거기서 기계적 작업을 수행하면서 팽창된다. 거기서 부분적으로 팽창된 증기는 과류 라인(28)을 통해 증기 터빈(3)의 저압 단계(29)로 공급되고, 거기서 기계 에너지를 출력하면서 계속 팽창된다.
팽창된 증기는 증기 터빈(3)의 응축기(30) 내에서 응축되고, 이렇게 생성되는 응축물은 응축 펌프(31)를 통해 직접 폐열 증기 발생기(8)의 저압 단계(32)로, 또는 공급 펌프(33)를 통해 (이러한 펌프로부터 상응하는 압력을 제공하는) 폐열 증기 발생기(8)의 중압 단계(34) 또는 고압 단계(35)로 공급되며, 여기서 응축물이 증발된다. 증기 생성과 과열 이후에, 증기는 폐열 증기 발생기(8)의 상응하는 배출 라인들(24, 26, 36)을 통해 다시 팽창되도록 증기 터빈(3)과 기계식 작업의 장치로 공급된다.
증기 배출 라인들(24 및 26)에는 중단 장치들(37 및 38)이 배치된다. 고압 단계(25)를 우회하기 위한 중단 장치(40)를 갖는 바이패스 채널(39)은 증기 터빈(3)의 고압 단계(25)로 안내하는 증기 배출 라인(24)으로부터 분기된다. 유사하게 중압 단계(27)를 우회하기 위한 중단 장치(42)를 갖는 바이패스 채널(41)이 분기된다.
흐름 방향으로 고압 부분(25) 전방에는 제1 제어휠(43)이 증기 터빈(3)의 회전자에 고정된다. 유사하게, 흐름 방향으로 중압 부분(27) 전방에는 제2 제어휠(44)이 증기 터빈(3)의 회전자에 고정된다. 제어휠은 밸브를 통해 컨트롤된 노즐들을 포함하고, 이러한 노즐들을 통해 터빈의 각각의 세그먼트들이 작동될 수 있다. 몇 개의 밸브들이 개방되는지에 따라, 다량의 또는 소량의 추가 증기가 노즐들을 통해 터빈 내로 흐른다.
또한 도 1에는 추가 연소부(45)가 폐열 증기 발생기(8)의 입력부에 도시되고, 상기 연소부에는 여전히 많은 산소를 포함하는 가스 터빈 배기가스에 연료가 추가되어, 이 혼합물이 연소된다. 이로 인해, 증기 생성이 가스 터빈(2)의 흐름 생성과 분리되어야 하는 경우에 공정 증기의 발생을 위해, 신선 증기가 가스 터빈 배기가스의 온도를 초과하여 과열될 수 있다. 특히 추가 연소부(45)는 피크 수요 시간 내 전기 출력을 증가시키기 위한 경우 중요할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 증기 질량 유량이 증기 터빈을 통해 과부하 밸브(40, 42) 또는 터빈 바이패스(39, 41)의 개방에 의해 단시간에 증가되고, 이와 관련하여 증기 터빈(3)의 전력이 신속하게 상승하는(수 초 범위) 것을 제공한다.
본 발명에 따라 과부하 도입부는, 신선 증기 질량 유량의 상승을 위한 고압 터빈(25)에서 뿐만 아니라 중간 과열 증기 질량 유량의 상승을 위한 중압 터빈(27)에서도, 그리고 [예컨대 저압 터빈(29)과 같은] 각각 다른 터빈 단계 이전에도 이용가능하다.
대안으로, 증기 터빈의 흡수 용량은 제어휠(43, 44)을 통해 고압 터빈(25) 및/또는 중압 터빈(27)에서 해당 밸브들의 개방에 의해 증가될 수 있다.
이때 저장 리저브들은 폐열 증기 발생기(8)의 모든 압력 단계들(32, 34, 35)(예컨대 존재한다면, 또한 중압 및 저압 시스템의)로부터 릴리즈될 수 있다. 이때 예컨대 중압 증기 시스템(34) 내의 압력 제어 밸브(46)를 통해 드럼 압력을 축적함으로써 저장 용량은 증가될 수 있다. 이러한 증기 질량 유동의 상승은 증기 터빈의 흡수 용량 증가와 이와 관련된 시스템 내의 압력 하강에 기초한다.
이러한 압력 하강은, 도 2와 도 3에서 과부하 도입 시 고압이나 중압 터빈 내에서 신선 증기 압력 대 도입 압력의 상이한 양의 비율에 대한 전력 프로파일이 도시되는 것처럼, 열적 리저브들(열수, 폐열 증기 발생기 내 강 질량)의 저장을 유도하며 이로써 증기 터빈의 단시간의 전력 증가를 일으킨다. 수평선은 정적 작동에 대한 값을 표시한다.
열적 저장 리저브들이 제한되기 때문에, 본 발명에 따라 감소하는 저장 효율은 폐열 증기 발생기(8) 내의 자연 점화형 추가 연소부(45), 연속해서 최소 부하로 작동되는 추가 연소부(45) 또는 가스 터빈(2) 내에 존재하는 전력 리저브들[응축기 안내 베인의 개방, 과연소부, 증기 주입, 또는 압축기(9)나 연소 챔버(10) 내로의 물분사]을 통해 보상되거나 더욱 증가된다.

Claims (8)

  1. 가스 터빈(2)과, 증기 터빈(3)과, 배기가스와의 열 교환 시 가스 터빈(2)으로부터 증기 터빈(3)을 위한 증기가 생성될 수 있는 폐열 증기 발생기(8)를 구비한 가스 및 증기 터빈 설비(1)를 작동하기 위한 방법에 있어서,
    전력망 내의 주파수 지원을 위해 정적 작동으로부터 증기 터빈(3)의 흡수 용량이 증가되고, 증가된 증기 생성에 대해 폐열 증기 발생기(8) 내에 저장 리저브를 이용하기 위해 폐열 증기 발생기(8) 내의 압력이 감소되며, 가스 및 증기 터빈 설비(1)의 전력 프로파일이 증기 터빈(3)의 흡수 용량의 증가와 폐열 증기 발생기(8) 내의 압력 감소의 결과로 직전의 정적 작동의 전력 이상이 되도록, 열에너지가 신속하게 폐열 증기 발생기(8)에 공급되는 것을 특징으로 하는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 증기 터빈(3)의 흡수 용량의 증가를 위해 바이패스 채널(39, 41) 내의 하나 이상의 밸브(40, 42)가 증기 터빈 단계(25, 27, 29) 또는 증기 터빈 모듈을 우회하기 위해 개방되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고압 유입부의 하부에서 바이패스 채널(39)을 통해 증기가 증기 터빈(3) 내로 안내되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 중압 유입부의 하부에서 바이패스 채널(41)을 통해 증기가 증기 터빈(3) 내로 안내되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 터빈(3)의 흡수 용량의 증가를 위해 하나 이상의 제어휠(43, 44) 밸브가 고압 터빈(25) 및/또는 중압 터빈(27)에서 개방되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 열에너지는 가스 터빈(2)의 증가된 전력과 이로 인해 증가된 배기가스 유동에 의해 공급되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 열에너지는 추가 연소부(45)를 통해 공급되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 정적 작동 중 증기 드럼 압력이 주파수 지원을 위해 개방되는 밸브(46)에 의해 축적되는, 가스 및 증기 터빈 설비를 작동하기 위한 방법.
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