KR20140139603A - 조정 가능한 냉각 공기 시스템을 갖는 가스 터빈 - Google Patents

조정 가능한 냉각 공기 시스템을 갖는 가스 터빈 Download PDF

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KR20140139603A
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카르스텐 프라니차
페테르 마륵스
울리히 로베르트 슈타이거
안드레아 브리헨티
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

공냉식 가스 터빈(10)을 향상시키기 위해, 부분 부하 작동 모드에서 상이한 압력 레벨을 갖는 2개의 냉각 공기 라인(5, 6) 사이에 연결 라인(7)을 제공하는 것이 제안되고, 이 연결 라인(7)은 비교적 고압 레벨에서 제2 냉각 공기 라인(6)으로부터 비교적 저압 레벨에서 제1 냉각 공기 라인(5)으로 이어진다. 이와 관련하여, 제2 냉각 공기 라인(6)으로부터 제1 냉각 공기 라인(5) 내로 유동하는 보조 냉각 공기 스트림을 냉각하기 위한 냉각 디바이스(9)와, 조정 요소(11)가 연결 라인(7) 내에 배열된다. 가스 터빈(10)에 추가하여, 이러한 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법이 본 발명의 요지이다.

Description

조정 가능한 냉각 공기 시스템을 갖는 가스 터빈{GAS TURBINE WITH ADJUSTABLE COOLING AIR SYSTEM}
본 발명은 상이한 압력 레벨들에서 압축기로부터 공급되는 냉각 공기 라인들을 갖는 가스 터빈을 작동하기 위한 방법 및 또한 적어도 2개의 냉각 공기 라인들을 갖는 가스 터빈에 관한 것이다.
가스 터빈의 동력 및 효율에 대한 요구들에 병행하여, 한편으로는 열적으로 매우 고부하를 받는 기계 부품들의 냉각을 위한 그리고 다른 한편으로 냉각 시스템의 디자인을 위한 요구가 증가하고 있다. 따라서, 적절한 냉각이 가스 터빈의 모든 가능한 작동 조건들을 위한 작동 신뢰성을 위해 보장되어야 한다. 동시에, 냉각 공기의 소비가 통상적으로 가능한 한 많이 제한되어야 한다. EP 62932호에서, 폐회로에서 증기로 가스 터빈의 부품들을 냉각하는 것이 제안되어 왔다. 이는 냉각 증기를 인도하는 부품들의 상당히 고비용의 밀봉을 필요로 한다. 동시에, 부품들의 순수 대류 냉각이 수행되는데, 이 경우에 열 입력을 감소시키기 위한 냉각 필름의 효과를 면제한다.
압축기 블리드 공기(bleed air)에 의한 냉각은 여전히 다수의 장점들을 갖는데, 여기서 추출된 냉각 공기량은 통상적으로 작동 프로세스를 위해 최소화되어야 한다. 따라서, 냉각 공기 시스템은 냉각 엔지니어링의 관점으로부터, 가장 바람직하지 않은 작동점에서 적절한 냉각을 보장하기 위해 그러나 프로세스에서 절대적으로 필요한 것보다 많은 냉각 공기를 소비하지 않기 위해 경계선에서 더욱 더 많이 설계되고 있다. 이는 한편으로는, 예를 들어 냉각 공기의 양이 기계 내의 압력비의 시프트들 때문에 변하면, 냉각의 설계 관점으로부터 작동 프로세스의 편차에 대한 높은 민감도를 의미한다. 다른 한편으로는, 열적으로 부하를 받은 부품들의 과냉각이 다수의 다른 작동점들에서 발생하고, 그 결과로서 동력 포텐셜들 및 효율 포텐셜들이 이용되지 않은 체 방치된다. 그러나, 그 내에서 신뢰적인 작동이 가능한 허용 가능한 작동 범위 - 모든 임계적인 부품들이 적합한 온도 레벨의 냉각 공기가 적절하게 공급됨 -, 특히 그 내에서 낮은 부분 부하 범위 및 무부하 작동 또는 부분 부하 작동 또는 무부하 작동을 갖는 운전 개념이 가능한 작동 범위가 통상적으로 압축기 블리드 공기로의 냉각에 의해 제한된다.
따라서, 예를 들어 EP 1 028 230호에서, 냉각 공기 경로 내에 가변 스로틀링점을 배열하는 것이 때때로 제안되어 왔다. DE 199 07 907호는 냉각 공기를 위한 블리드점에 바로 인접하여 배열된 가변 압축기 회전자 블레이드의 열에 의해 냉각 공기의 초기 압력을 직접 조정하는 것을 제안하고 있다.
JP 11 182263호 및 EP 1 128 039호는 가스 터빈의 냉각 공기 경로 내에 부가의 압축기를 배열하는 것을 제안하고 있다. 이러한 방식으로, 냉각 공기의 총 압력은 압축기에 의해 이용 가능한 입력을 초과하여 증가된다.
게다가, 외부 압축기에 의해, 요구된 냉각 공기의 일부가 부가적으로 개별 냉각 공기관으로 공급될 수 있는 가스 터빈의 다른 2차 공기 시스템이 DE 2008 044 436 A1호로부터 공지되어 있다. 그러나, 외부 압축기의 사용은 증가된 고장의 위험 때문에 단점이 있다.
그 설계점 미만, 즉 정격 부하 미만에서의 가스 터빈의 작동 중에, 공기 잔여물(surplus)이 연료의 연소 중에 발생할 수 있다는 것이 또한 알려져 있다. 가스 터빈에 의해 발생될 부하가 낮을수록, 연소를 위한 연계된 압축기에 의해 제공된 공기의 잔여물이 더 많을 수 있다. 이는 최소값 미만으로 강하하는 것이 가능한 CO 배출물에 관련된 연소 챔버 내의 화염의 1차 구역 온도를 유도한다. 그 결과, CO 배출물은 사전 결정된 배출 한계값의 존재에 의해, 부분 부하에서 가스 터빈의 사용 가능한 작동 범위를 제한할 수 있는 증가된 레벨로 배출된다. 이 문제점을 상쇄하기 위해, 가스 터빈 시스템 및 그에 설명된 작동 원리가 DE 10 2008 044 442 A1호로부터 공지되어 있다. 가스 터빈 시스템으로부터의 배출물을 미리 지정된 레벨 미만으로 유지하기 위해, 일반적으로 연소를 위해 압축기에 의해 제공되는 압축 공기가 바이패스에 의해 전환된다. 이 경우에 바이패스는 블리드점의 상류측, 즉 압축기 내로 또는 상류측으로 또는 또한 하류측, 즉 터빈 내로 개방된다. 그러나, 이 가스 터빈 시스템 및 설명된 작동 방법은 가스 터빈의 효율을 불필요하게 더 감소시킨다.
고압의 냉각 공기 블리드가 최고 부하 작동 중에 낮은 냉각 공기 압력으로 공급되는 냉각 공기 공급관으로 스위칭되는 이러한 방식으로 저부하 작동 중에 냉각 공기 공급 시스템 내에서 스위칭을 착수하는 것이 US 2010/0154434 A1호로부터 또한 공지되어 있다. 그러나, 스위칭 프로세스는 특히 연소 불안정성 및 이상 기계 거동을 유도할 수 있다는 것이 입증되어 있다.
본 발명은 설계 조건 하에서 작동을 위한 동력 또는 효율의 상당한 복귀 손실을 수용할 필요 없이 광범위한 가스 터빈이 작동 범위에 걸쳐 가스 터빈의 냉각 공기 시스템의 신뢰적인 작동을 보장하는 목적에 기초한다. 낮은 부분 부하 작동부터 무부하 작동까지가 특히 낮은 배기 가스 배출물을 갖고 서비스 수명 손실 없이 보장되어야 한다.
본 발명의 일 양태는 냉각 시스템의 제 1 부분의 압력비들이 적절한 냉각을 더 이상 보장하지 않자마자, 고압에서 작동하는 냉각 시스템의 제 2 부분으로부터 더 저압에서 작동하는 냉각 시스템의 제 1 부분 내로 냉각 공기를 안내하는 것에 관한 것이다. 이는 예를 들어 낮은 부분 부하에 대해, 가변 압축기 입구 가이드 베인들이 폐쇄되고 그 결과 압축기 내의 압력 빌드업(build up)이 후방으로 시프트되는 경우이다. 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 실질적인 폐쇄는 낮은 부분 부하 또는 무부하에서 공기 잔여물을 감소시키고 안정하고 청결한 연소를 가능하게 하기 위해 유리하다. 제 1 부분 내의 냉각 시스템의 제 2 부분의 냉각 공기의 사용을 허용하기 위해, 제 2 부분으로부터 전환된 냉각 공기의 냉각이 수행된다. 따라서, 부분 부하에서 고온 가스 온도가 낮은 CO 배출물들로의 연소의 실현을 위해 요구되는 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 실질적으로 폐쇄된 열들 때문에 충분히 높게 남아 있을 수 있기 때문에, 충분히 낮은 냉각 공기 온도가 특히 필요하다. 더욱이, 압축기 출구 온도 및 압축기 블리드 온도는, 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 폐쇄에 의해 압축기 효율이 강하하기 때문에, 낮은 압축기 압력비들에도 불구하고 비교적 높게 남아 있다. 이는 특히 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 제안된 급격한 폐쇄의 경우에 최고 부하 위치와 비교할 때 40° 초과 그리고 최대 60° 초과만큼 압축기의 부분들에서 상당히 강하한다. 극단적으로, 압축기 효율은 압축기 블리드 온도들이 낮은 압력비의 경우에도 높게 유지되도록 최고 부하 효율의 1/3 미만으로 강하한다. 터빈의 고온 가스 부분들에 추가하여, 가스 터빈의 회전자는 또한 냉각 공기로 냉각된다. 또한, 부분 부하에서 터빈의 열 부하가 낮고 따라서 더 고온의 냉각 공기로 가능하게 냉각될 수 있으면, 회전자 냉각 공기가 충분히 저온으로 유지되는 것이 보장되어야 한다.
개시된 가스 터빈은 압축기, 연소 챔버 및 터빈, 회전자 및 또한 압축기의 낮은 제 1 압력 스테이지로부터 터빈으로 이어지는 적어도 하나의 제 1 냉각 공기 라인, 및 압축기의 더 높은 제 2 압력 스테이지로부터 터빈으로 이어지는 적어도 하나의 제 2 냉각 공기 라인을 갖는 냉각 공기 시스템을 포함한다.
개시된 가스 터빈은 가스 터빈의 냉각 공기 시스템이 제 2 냉각 공기 라인으로부터 제 1 냉각 공기 라인으로 이어지는 연결 라인을 포함하고, 제 2 냉각 공기 라인으로부터 제 1 냉각 공기 라인 내로 유동하는 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 냉각 디바이스와 보조 냉각 공기 유동을 제어하기 위한 제어 요소가 연결 라인 내에 배열되는 사실에 의해 구별된다.
가스 터빈의 일 실시예에 따르면, 켄칭 냉각기(quench cooler)가 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위해 연결 라인 내에 배열된다. 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위해, 물은 켄칭 냉각기 내로 주입될 수 있고 증발되어, 증발열에 의해 보조 냉각 공기 유동의 냉각을 유도한다. 게다가, 생성된 증기의 결과로서, 냉각 공기 질량 유동이 증가되고 소산된 열이 이익이 되는 효과를 갖고 터빈에 공급된다.
가스 터빈의 다른 실시예에 따르면, 열교환기가 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위해 연결 라인 내에 배열된다. 여기서, 보조 냉각 공기 유동은 열교환기에 의해 냉각된다. 소산된 열은 예를 들어 연료 예열을 위해 또는 물-증기 사이클 내에 사용될 수 있다.
가스 터빈의 또 다른 실시예에 따르면, 주입기 펌프(또한 제트 펌프라 칭함)는 연결 라인 내에 배열된다. 주입기 펌프의 흡입측 입구는 환경에 연결되고, 작동 유체 입구는 제 2 냉각 공기 라인에 연결된다. 주입기 펌프에 의해, 주위 공기가 흡인될 수 있고, 이 주위 공기는 제 2 냉각 공기 라인으로부터의 보조 냉각 공기와 주입기 펌프 내에서 혼합되고 그 결과 이 보조 냉각 공기를 냉각한다. 주입기 펌프 내의 압력 빌드업의 결과로서, 혼합물은 제 1 냉각 공기 라인 내로 도입될 수 있고 냉각을 위해 터빈에 공급될 수 있다.
청결한 공기가 주입기 펌프에 의해 냉각 시스템에 공급되는 것을 보장하기 위해, 필터링된 공기가 주입기 펌프에 공급된다. 일 실시예에 따르면, 주입기 펌프 내로의 흡입측 입구는 가스 터빈의 필터 하우스를 거쳐 환경에 연결된다. 필터 하우스는 통상적으로 압축기를 위한 청결한 흡기 공기를 제공하기 위해 가스 터빈 설비의 부품부이다. 대안적으로, 청결한 공기는 예를 들어 발전소 홀(power plant hall) 또는 노이즈 감소 후드의 적합한 지점에서 추출될 수 있고, 여기서 대응 안전 규제가 이어서 관찰된다.
일 실시예에 따르면, 켄칭 냉각기, 열교환기 및 주입기 펌프는 단독으로 또는 조합하여 제공된다. 예를 들어, 켄칭 냉각에 의해 보조 질량 유동을 먼저 냉각하고, 따라서 이것이 주입기 펌프 내로 작동 매체로서 안내되기 전에 질량 유동을 증가하는 것이 유리할 수 있다. 게다가, 예를 들어 열교환기와의 조합은 물의 이용 가능성에 따라, 켄칭 냉각에 의해 또는 열교환에 의해 냉각을 수행하기 위해 유리하다.
가스 터빈의 다른 실시예에 따르면, 체크 밸브가 압축기와 상기 제 1 냉각 공기 라인으로의 연결 라인의 연결부 사이에서 제 1 냉각 공기 라인 내에 배열되고, 이 체크 밸브는 제 2 냉각 공기 라인으로부터 제 1 냉각 공기 라인을 통해 압축기로 보조 냉각 공기의 역류를 방지한다. 일 방향에서 폐쇄되고 다른 방향에서 유동하는 유체에 의해 개방되어 있는 폐쇄 요소를 포함하는 임의의 유형의 비리턴 밸브 또는 플랩 밸브가 이 경우에 체크 밸브에 의해 이해되어야 한다.
체크 밸브에 대안적으로 또는 체크 밸브와 조합하여, 냉각 공기 제어 요소는 압축기와 제 1 냉각 공기 라인으로의 연결 라인의 연결부 사이의 제 1 냉각 공기 라인 내에 배열될 수 있고, 그에 의해 제 1 냉각 공기 라인은 압축기와 연결 라인 사이에서 차단될 수 있다. 차단을 위한 명령은 예를 들어 보조 냉각 공기의 역류를 지시하는 차등 압력 측정의 결과로서 개시될 수 있다. 적합한 차등 압력 측정은 예를 들어 제 1 냉각 공기 라인이 연결되는 냉각 공기 블리드점에서의 압력과 연결 라인이 제 1 냉각 공기 라인 내로 개방하는 연결점에서의 압력 사이의 차이이다.
가스 터빈에 추가하여, 이러한 가스 터빈을 작동하기 위한 방법은 본 발명의 요지이다. 가스 터빈은 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열, 연소 챔버 및 터빈, 또한 압축기의 낮은 제 1 압력 스테이지로부터 터빈으로 이어지는 적어도 하나의 제 1 냉각 공기 라인, 및 압축기의 더 높은 제 2 압력 스테이지로부터 터빈으로 이어지는 적어도 하나의 제 2 냉각 공기 라인을 갖는 냉각 공기 시스템을 포함한다.
개시된 방법의 일 실시예에 따르면, 가스 터빈의 부분 부하에서, 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열은 최고 부하 위치와 비교하여 폐쇄되고 제 2 냉각 공기 라인으로부터의 보조 냉각 공기 유동은 제 2 냉각 공기 라인으로부터 제 1 냉각 공기 라인으로 이어지는 연결 라인을 거쳐 안내된다. 이 경우에, 이 보조 냉각 공기 유동은 제 1 냉각 공기 라인 내로 도입되기 전에 냉각 디바이스 내에서 냉각되고, 이 보조 냉각 공기 유동의 질량 유동은 제어 요소에 의해 제어된다.
가변 압축기 입구 가이드 베인들을 폐쇄하는 결과로서, 압축기 내의 압력 빌드업이 시프트되어 제 1 냉각 공기 라인이 연결되어 있는 제 1 압축기 블리드점으로부터의 압력 마진이 더 이상 터빈의 신뢰적인 냉각을 위해 적절하지 않게 된다. 보조 냉각 공기 유동의 결과로서, 제 1 냉각 공기 라인 내의 압력이 증가된다. 제 1 압축기 블리드점으로부터의 블리드 유동은 이 경우에 감소된다. 이 감소의 결과로서, 압축기 블리드점에서의 압력이 증가한다. 그러나, 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열들의 실질적인 폐쇄에 의해, 네거티브 압력 마진이 발생하여 제 1 압축기 블리드점으로부터 냉각 공기의 블리드가 가능하지 않게 된다.
방법의 일 실시예에 따르면, 보조 냉각 공기 유동은, 보조 냉각 공기 유동 내로 물 주입에 의해 연결 라인 내에 배열된 켄칭 냉각기 내에서 냉각된다. 보조 냉각 공기 유동은 그 결과로서 유리하게 냉각될 뿐만 아니라 그 질량 유동이 또한 증가된다.
방법의 다른 실시예에 따르면, 보조 냉각 공기 유동은 연결 라인 내에 배열된 열교환기 내에서 냉각된다. 소산된 열은 예를 들어 프로세스 열로서 이익을 얻을 수 있는 효과를 갖고 사용될 수 있다.
방법의 또 다른 실시예에 따르면, 보조 냉각 공기 유동은 연결 라인 내에 배열된 주입기 펌프의 작동 매체 입구 내로 도입되고, 주위 공기가 주입기 펌프의 흡입측 입구를 거쳐 흡인된다. 유도된 주위 공기와의 혼합의 결과로서, 최종적인 보조 냉각 공기 유동의 온도는 프로세스에서 감소된다. 더욱이, 주위 공기와 보조 냉각 공기 유동의 혼합물이 제 1 냉각 공기 라인 내로 도입된다. 감소된 온도에서 보조 냉각 공기에 추가하여, 주위 공기를 추가하는 결과로서 제 2 냉각 공기 라인으로부터 고압에서 공기를 냉각하기 위한 요구가 감소되고 따라서 가스 터빈의 동력 및 효율에 대한 영향이 최소화된다.
터빈의 신뢰적인 냉각을 보장하기 위해, 방법의 일 실시예에 따르면, 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열이 상기 가변 압축기 입구 가이드 베인들 위치의 제 1 한계값보다 더 상당히 큰 정도로 폐쇄되면, 상기 보조 냉각 공기 유동을 제어하기 위한 제어 요소는 개방된다. 압축기 내의 압력 빌드업은 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 위치 뿐만 아니라 주위 온도, 압축기의 오염 또는 시효 또는 예를 들어 압축기 내로의 물 주입과 같은 다른 작동 파라미터에 의존하기 때문에, 이 제 1 한계값은 예를 들어 작동 조건들에 무관하게 제 1 냉각 공기 라인 내에서 충분한 압력 마진이 항상 보장되는 것을 보장하는 크기로 선택된다. 제 1 한계값은 예를 들어 최고 부하점과 비교하여 30° 내지 50°만큼 폐쇄되는 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열의 범위 내에 있다.
가변 압축기 입구 가이드 베인들의 실질적인 폐쇄의 결과로서, 폐쇄각에 따라, 압축기의 디자인 및 제 1 압축기 블리드점의 위치에 따라, 급격한 압력 강하, 및 극단적으로 심지어 환경에 관련하여 네거티브 압력이 제 1 압축기 블리드점에서 발생할 수 있다. 압축기 내로의 보조 냉각 공기의 역류를 방지하기 위해, 방법의 일 실시예에 따르면, 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열이 상기 가변 압축기 입구 가이드 베인들 위치의 제 2 한계값보다 더 상당히 큰 정도로 폐쇄되면, 상기 보조 냉각 공기 유동을 제어하기 위한 제어 요소는 개방된다. 제 2 한계값은 예를 들어 최고 부하점과 비교하여 40° 초과 내지 60°만큼 폐쇄되는 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열의 범위 내에 있다.
방법의 다른 실시예에 따르면, 압축기 내로의 보조 냉각 공기의 역류를 방지하기 위해, 역류를 지시하는 압력차가 측정된다. 지시적인 압력차로서, 예를 들어 제 1 냉각 공기 라인이 연결되는 압축기 냉각기 공기 블리드점에서의 압력과 연결 라인이 제 1 냉각 공기 라인 내로 개방되어 있는 연결점에서의 압력 사이의 차이가 측정된다. 냉각 공기 제어 요소는 이 압력차가 네거티브가 되자마자 폐쇄된다.
제 2 냉각 공기 라인으로부터 제 1 냉각 공기 라인 내로 안내되는 보조 냉각 공기 유동을 제어하기 위한 제어 밸브 및 또한 제 1 냉각 공기 라인 내의 냉각 공기 제어 밸브의 제어가 또한 근사식 또는 "룩업 테이블들(lookup tables)"의 보조에 의해 가스 터빈의 작동 조건들의 함수로서 수행될 수 있다. 이는 예를 들어 주위 온도, 압축기 입구 온도 또는 공기역학적 속도의 함수로서 수행될 수 있다.
다수의 발전소 작업자들에 대해, 시동-정지 사이클들을 회피하기 위해 또는 고속 로딩업을 가능하게 하기 위해, 가스 터빈의 무부하 배출물들이 이를 허용하면, 부하 없이 가스 터빈을 작동하는 것이 유리하다.
통상적으로, 고온 가스 온도는 특히 가스 터빈의 저압 섹션이 거의 열적으로 부하를 받지 않도록 낮은 부분 부하 또는 무부하에서 급격하게 감소된다. 상당한 정도로 폐쇄된 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열을 갖는 제안된 작동 원리에 기인하여, 고온 가스 감소는 고온 가스 온도(또는 터빈 입구 온도)가 높게 유지되고 터빈 배기 온도가 또한 높게 유지되도록 최소화될 수 있다. 높은 터빈 배기 온도는, 조합된 사이클링된 발전소의 증기 섹션이 따라서 작동 상태로 유지될 수 있고 특히 정지점을 갖는 임의의 시간에 로딩업될 수 있기 때문에, 증기 터빈이 공급되는 하류측 보일러와 조합된 사이클링된 발전소의 작동을 위해 특히 중요하다. 더욱이, 높은 배기 가스 온도에서, 열 사이클 부하는 낮은 부분 부하 또는 무부하로 물-증기 사이클의 부품들의 언로딩의 결과로서 감소되고 또는 완전히 회피된다.
방법의 일 실시예에 따르면, 터빈 배기 가스 온도는 최고 부하 터빈 배기 가스 온도와 비교하여 80도 이하의 가변 압축기 입구 가이드 베인들의 열을 폐쇄함으로써 부분 부하 및 무부하에서 낮아진다. 특히, 일 실시예에 따른 터빈 배기 가스 온도는 적어도 80°의 최고 부하 터빈 배기 가스 온도(℃ 단위로 측정됨)에서 유지될 수 있다.
더욱이, 터빈의 작업 출력은 감소된 압력비의 결과로서 최소화된다. 방법의 일 실시예에 따르면, 무부하에서 터빈의 압력비는 최고 부하 압력비의 1/4 또는 심지어 더 작은 압력비로 조정된다.
설명된 실시예에 추가하여, 부분 부하에서 CO 배출물의 감소를 위한 다른 공지의 수단과 방법의 조합이 고려 가능하다. 특히 고려 가능한 것은 공기 예열기(흡기 공기 예열)에 의해 압축기 입구 온도를 증가시키기 위한 수단 및/또는 동결 방지 시스템 및 또한 배기 가스 재순환의 수단이다.
본 개시 내용은 예를 들어 EP0718470호로부터 공지된 바와 같이, 하나의 연소 챔버를 갖는 가스 터빈 및 또한 순차적인 연소를 갖는 가스 터빈에 비한정적으로 적용될 수 있다. 이러한 가스 터빈의 경우에 제 1 연소 챔버 및 제 1 터빈은 통상적으로 고압 냉각 시스템에 의해 냉각되고, 제 2 연소 챔버 및 제 2 터빈은 중간 및 더 저압 스테이지의 하나 이상의 냉각 시스템에 의해 냉각되기 때문에, 순차적인 연소를 갖는 가스 터빈에 더 특히 적합하다.
본 발명의 바람직한 실시예가 단지 설명을 위한 역할을 하고 한정으로서 해석되어서는 안되는 도면을 참조하여 이하의 본문에서 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 2개의 압력 레벨들을 갖는 냉각 공기 시스템을 갖는 가스 터빈의 개략도.
도 2는 2개의 냉각 공기 시스템들과 보조 냉각 공기 유동을 위한 냉각 디바이스 사이의 연결 라인, 및 제어 요소를 갖는 가스 터빈의 개략도.
도 3은 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 켄칭 냉각기를 갖는 가스 터빈의 개략도.
도 4는 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 열교환기를 갖는 가스 터빈의 개략도.
도 5는 주위 공기를 추가하고 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 주입기 펌프를 갖는 가스 터빈의 개략도.
예시적인 실시예 및 도면은 단지 설명적인 것으로서 이해되어야 하고, 결코 청구범위에 특정된 개시내용의 한정으로서 기능하도록 의도되는 것은 아니다.
도 1은 2개의 압력 레벨들을 갖는 냉각 공기 시스템을 갖는 가스 터빈의 필수 요소들을 개략도로 도시한다. 가스 터빈(10)은 압축기(1)를 포함하고, 여기서 그 내부에서 압축되는 연소 공기가 연소 챔버(2)로 공급되고 거기서 연료로 연소된다. 고온 연소 가스가 이어서 터빈(3) 내에서 팽창된다. 터빈(3) 내에서 발생되는 유용한 에너지가 이어서 예를 들어 동일한 샤프트 상에 배열된 발전기(4)에 의해 전기 에너지로 변환된다.
터빈(3)으로부터 발생하는 고온 배기 가스(8)는, 그 내부에 여전히 포함된 에너지의 최적 이용을 위해, 통상적으로 증기를 생성하기 위한 열 회수 증기 발전기(heat recovery steam generator: HRSG - 도시 생략)에서 사용된다. 이 에너지는 예를 들어 사용 가능한 기계적 동력으로 증기 터빈 내에서 변환될 수 있고 또는 프로세스 증기로서 사용될 수 있다.
도시된 가스 터빈(10)은 2개의 압력 스테이지를 갖는 냉각 공기 시스템을 포함한다. 압축기(1)의 제 1 압력 스테이지로부터, 제 1 냉각 공기 라인(5)은 냉각 공기를 터빈(3)으로 안내하고, 여기서 이 냉각 공기는 터빈(3)의 저압 섹션의 열적 부하를 받은 부품을 냉각한다. 압축기(1)의 더 높은 제 2 압력 스테이지로부터, 제 2 냉각 공기 라인(6)이 냉각 공기를 터빈(3)으로 안내하고, 이 냉각 공기는 터빈(3)의 고압 및/또는 중간압 섹션의 열적으로 부하를 받은 부품을 냉각한다. 연소 챔버는 고압 냉각 공기(도시 생략)에 의해 유사하게 냉각된다.
연결 라인(7)이 제 1 냉각 공기 라인(5)과 제 2 냉각 공기 라인(6) 사이에 배열되어 있는 가스 터빈(10)의 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 연결 라인에는, 보조 냉각 공기 유동을 위한 냉각 디바이스(9) 및 제어 요소(11)가 설치된다. 제어 요소(11)가 개방된 상태로, 보조 냉각 공기 유동은 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터 연결 라인(7) 및 냉각 디바이스(9)를 통해 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 유동한다. 보조 냉각 공기 유동에 의해, 제 1 냉각 공기 라인(5) 내의 냉각 공기 압력은 예를 들어 이것이 가변 압축기 입구 가이드 베인(19)의 열을 폐쇄하는 결과로서 필요 최소 압력 미만으로 강하하면 증가될 수 있다.
제 1 압축기 블리드점으로부터 전환되는 냉각 공기는 단지 저압 레벨로 압축되기 때문에 - 통상적으로 압축기 출구 압력의 1/5 내지 1/3 -, 이 냉각 공기는 압축기 출구 온도에 대해 냉각된다. 제 1 블리드점에서의 온도는 통상적으로 설계 조건 및 작동 조건에 따라 200℃ 미만으로 유지된다. 제 2 냉각 공기 라인(6)의 냉각 공기는 상당히 더 높은 압력 레벨에 있고 또는 심지어 압축기 출구에서 추출된다. 이에 따라, 이 냉각 공기는 제 1 압축기 블리드점의 냉각 공기보다 상당히 더 높다. 이는 통상적으로 250℃ 초과이고, 500℃를 초과할 수 있다. 제 2 냉각 공기 라인(6)의 냉각 공기는 더 고온이기 때문에, 이는 보조 냉각 공기 유동에 의해 또는 제 1 압축기 블리드점의 냉각 공기와 보조 냉각 공기의 혼합물에 의해 냉각된 부분들이 이들의 서비스 수명을 성취하는 것을 보장하기 위해, 제 1 냉각 공기 라인(5)으로 공급되기 전에 냉각 디바이스(9) 내에서 냉각되어야 한다.
단지 보조 냉각 공기의 냉각 및 제어된 공급의 조합에 의해서만이 실질적으로 냉각된 가변 압축기 입구 가이드 베인(19)의 열(최고 부하 위치에 비교하여, 30° 초과만큼, 심지어 40° 초과만큼 폐쇄된 가변 압축기 입구 가이드 베인의 열)을 갖는 더 긴 부분 부하 작동이 서비스 수명 손실 없이 실현될 수 있다. 이는 특히 소위 낮은 부분 부하 작동 개념을 위해 필요하다. 이들 작동 개념은 셧다운 없이 전기 네트워크의 저동력 요구를 갖고 매우 저부하에서 가스 터빈을 작동하는 것을 가능하게 하기 위해 요구된다. 최고 부하의 40% 미만인 부하는 통상적으로 낮은 부분 부하라 칭한다. 네트워크 요구에 따라, 최고 부하의 30% 미만 또는 심지어 10% 미만으로 부하를 감소시키는 것이 유리하다.
제 1 냉각 공기 라인(5)을 거쳐 냉각 공기 공급을 제어하기 위해, 냉각 공기 제어 요소(12)는 제 1 압축기 블리드점과 연결 라인(7) 사이에서 냉각 공기 라인(5) 내에 배열된다. 이에 의해, 냉각 공기 질량 유동이 제어될 수 있고 또는 심지어 낮은 부분 부하에서, 저압 냉각이 보조 냉각 공기에 의해 완전히 실현되면 완전히 정지될 수 있다. 더욱이, 냉각 공기 라인(5)에서, 제 1 압축기 블리드점과 연결 라인(7) 사이에는, 가변 압축기 입구 가이드 베인의 실질적인 폐쇄 중에 압축기 내로의 보조 냉각 공기의 역류를 방지하는 체크 밸브(16)가 설치되어 있다. 이는 가스 터빈(10)의 동력 및 효율의 손실을 유도할 것이고, 압축기(1)의 유해한 가열을 유도할 수 있다.
냉각 공기 제어 밸브는 또한 제 2 냉각 공기 라인(6) 내에서 고려 가능한데, 여기서 이 밸브는 차단 밸브(도시 생략)로서가 아니라 단지 작동 상태에 의존하는 제한기로서 사용될 것이다.
도 3에는 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 켄칭 냉각기(13)를 갖는 가스 터빈(10)의 개략도가 도시되어 있다. 켄칭 냉각기(13)에서, 물이 물 주입기(14)를 거쳐 보조 냉각 공기 내로 주입되고, 켄칭 냉각기(13) 내에서 증발하고, 프로세스에서 보조 냉각 공기를 냉각한다. 켄칭 냉각 중에 생성되는 증기에 의해 증가되는 보조 냉각 공기 유동은 연결 라인(7)을 통해 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 더 안내되고, 터빈(3)의 저압 섹션을 냉각하기 위해 사용된다.
도 4는 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 열교환기(20)를 갖는 가스 터빈(10)의 도면을 개략적으로 도시한다. 보조 냉각 공기 유동은 저압 냉각 시스템 내의 보조 냉각 공기 유동이 터빈(3)의 저압 섹션의 서비스 수명을 보장하는 온도로 열교환에 의해 냉각된다. 열은 예를 들어 공기간(air-to-air) 열교환에 의해 또는 공기-물 열교환에 의해 소산된다.
도 5는 주입기 펌프(15)가 연결 라인(7) 내에 배열되어 있는 가스 터빈의 도면을 개략적으로 도시한다. 제어 요소(11)를 거쳐, 제 2 냉각 공기 입구 라인(6)으로부터의 보조 냉각 공기가 주입기 펌프(15)의 작동 매체 입구(23)로 공급될 수 있다. 작동 매체는 예를 들어 주입기 펌프(15)의 수렴-분기 유동 단면의 가장 좁은 단면에 배열되는 노즐을 통해 고속으로 배출된다. 주입기 펌프(15)의 흡입측 입구는 가스 터빈(10)의 필터 하우스(18)를 거쳐 환경에 연결된다. 주입기 펌프(15)에서, 유도된 주위 공기(17')의 총 압력 증가가 발생하고, 그 결과로서 주위 공기는 제 2 냉각 공기 라인으로부터 전환되는 보조 냉각 공기가 제 1 냉각 공기 라인 내로 도입될 수 있다. 주위 공기(17')와 혼합함으로써 그리고 주위 공기와 보조 냉각 공기의 대응 질량비를 선택함으로써 혼합 온도가 저압 냉각 공기 시스템의 요구에 적응된다.
더욱이, 본 발명은 또한 예를 들어 냉각될 부품들의 영역에서 고온 가스 온도의 함수로서 냉각 공기의 양이 작동 신뢰성을 위해 요구되는 최소값으로 감소되는 것을 가능하게 하고, 높은 가스 터빈 부하에서 대응적으로 증가되는 것을 가능하게 한다.
일반적으로, 가스 터빈은 또한 3개 이상의 압력 스테이지를 구비할 수 있다.
이전의 실시예의 견지에서, 청구범위에 특정된 본 발명의 다수의 가능한 실시예가 당 기술 분야의 숙련자에게 개방되어 있다.
1: 압축기 2: 연소 챔버
3: 터빈 4: 발전기
5: 제 1 냉각 공기 라인 6: 제 2 냉각 공기 라인
7: 연결 라인 8: 배기 가스
9: 냉각 디바이스 10: 가스 터빈
11: 제어 요소 12 냉각 공기 제어 요소
13: 켄칭 냉각기 14: 물 주입기
15: 주입기 펌프 16: 체크 밸브
17, 17': 주위 공기 18: 필터 하우스
19: 가변 압축기 입구 가이드 베인의 열
20: 열교환기
21: 제 1 압축기 냉각 공기 블리드점에서 압력 측정
22: 연결점에서 압력 측정 23: 작동 매체 입구

Claims (15)

  1. 압축기(1), 연소 챔버(2), 터빈(3) 및 냉각 공기 시스템을 포함하며, 상기 냉각 공기 시스템은 상기 압축기(1)의 제 1 압력 스테이지로부터 상기 터빈(3)으로 이어지는 적어도 하나의 제 1 냉각 공기 라인(5), 및 상기 압축기(1)의 더 높은 제 2 압력 스테이지로부터 상기 터빈(3)으로 이어지는 적어도 하나의 제 2 냉각 공기 라인(6)을 포함하는 가스 터빈(10)에 있어서,
    상기 가스 터빈(10)의 냉각 공기 시스템은 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터 상기 제 1 냉각 공기 라인(5)으로 이어지는 연결 라인(7)을 포함하고, 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 유동하는 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 냉각 디바이스(9) 및 냉각 요소(11)가 상기 연결 라인(7) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결 라인(7) 내에는 켄칭 냉각기(13)가 상기 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 냉각 디바이스(9)로서 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 열교환기(20)가 상기 보조 냉각 공기 유동을 냉각하기 위한 냉각 디바이스(9)로서 상기 연결 라인(7) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 주입기 펌프(15)가 상기 연결 라인(7) 냉각 디바이스(9) 내에 배열되고, 상기 주입기 펌프의 흡입측 입구는 환경에 연결되고 그 작동 매체 입구(23)는 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)에 연결되어 주위 공기(17')가 흡인될 수 있게 되고 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터의 보조 냉각 공기와 주위 공기(17)의 혼합물이 상기 주입기 펌프(15)의 출구를 경유하여 상기 연결 라인(7)을 통해 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 더 안내될 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 주입기 펌프(15) 내로의 흡입측 입구는 상기 가스 터빈(10)의 필터 하우스(18)를 거쳐 환경에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 체크 밸브(16)가 상기 압축기(1)와 상기 제 1 냉각 공기 라인(5)으로의 상기 연결 라인(7)의 연결부 사이에서 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내에 배열되어, 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터 상기 압축기(1) 내로의 보조 냉각 공기의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 공기 제어 요소(12)가 상기 압축기(1)와 상기 제 1 냉각 공기 라인(5)으로의 연결 라인(7)의 연결부 사이에서 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내에 배열되고, 이 냉각 공기 제어 요소에 의해 상기 제 1 냉각 공기 라인(5)이 상기 압축기(1)와 상기 연결 라인(7) 사이에서 차단될 수 있는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10).
  8. 가변 압축기 입구 가이드 베인들(19)의 열을 갖는 압축기(1), 연소 챔버(2) 및 터빈(3)을 포함하고, 가스 터빈이 상기 압축기(1)의 제 1 압력 스테이지로부터 상기 터빈(3)으로 이어지는 적어도 하나의 제 1 냉각 공기 라인(5) 및 상기 압축기(1)의 더 높은 제 2 압력 스테이지로부터 상기 터빈(3)으로 이어지는 적어도 하나의 제 2 냉각 공기 라인(6)을 갖는 냉각 공기 시스템을 포함하는, 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법에 있어서,
    상기 가스 터빈(10)의 부분 부하에서, 상기 가변 압축기 입구 가이드 베인들(19)의 열은 최고 부하 위치와 비교하여 폐쇄되고, 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터 보조 냉각 공기 유동은 상기 제 2 냉각 공기 라인(6)으로부터 상기 제 1 냉각 공기 라인(5)으로 이어지는 연결 라인(7)을 거쳐 안내되고, 상기 보조 냉각 공기 유동은 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 도입되기 전에 냉각 디바이스(9) 내에서 냉각되고 상기 보조 냉각 공기 유동의 질량 유동은 제어 요소(11)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 보조 냉각 공기 유동은 물 주입에 의해 상기 연결 라인(7) 내에 배열되는 켄칭 냉각기(13) 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 보조 냉각 공기 유동은 상기 연결 라인(7) 내에 배열된 열교환기(20) 내에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 냉각 공기 유동은 상기 연결 라인(7) 내에 배열된 주입기 펌프(15)의 작동 매체 입구(23) 내로 도입되고, 주위 공기(17, 17')가 상기 주입기 펌프(15)의 흡입측 입구를 거쳐 흡인되고, 상기 주위 공기(17)와 혼합함으로써 상기 보조 냉각 공기 유동의 온도가 감소되고 주위 공기와 보조 냉각 공기 유동의 혼합물은 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 가변 압축기 입구 가이드 베인들(19)의 열이 상기 가변 압축기 입구 가이드 베인들 위치의 제 1 한계값보다 더 상당히 큰 정도로 폐쇄되면, 상기 보조 냉각 공기 유동을 제어하기 위한 제어 요소(11)는 개방되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 가변 압축기 입구 가이드 베인들(19)의 열이 상기 가변 압축기 입구 가이드 베인들 위치의 제 2 한계값보다 더 상당히 큰 정도로 폐쇄되면, 상기 압축기(1)와 상기 연결 라인(7)의 연결부 사이에서 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내에 배열되는 냉각 공기 제어 요소(12)는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 냉각 공기 라인(5)이 연결되는 압축기 냉각 공기 블리드점(21)에서의 압력과 상기 연결 라인(7)이 상기 제 1 냉각 공기 라인(5) 내로 개방되는 상기 연결점(22)에서의 압력 사이의 압력차가 측정되고, 상기 냉각 공기 제어 요소(12)는 이 압력차가 네거티브가 되자마자 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 최고 부하 동력의 10% 미만의 낮은 부분 부하에서 그리고 무부하에서, 상기 터빈 배기 가스 온도는 상기 가변 압축기 입구 가이드 베인들(19)의 열을 폐쇄함으로써 최고 부하 터빈 배기 가스 온도의 적어도 80%로 유지되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(10)을 작동하기 위한 방법.
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