KR20140142737A - 가스 터빈 엔진을 위한 압축 공기 분사 시스템 방법 및 장치 - Google Patents

가스 터빈 엔진을 위한 압축 공기 분사 시스템 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 낮은 로드에서 플랜트의 효율 및 파워 출력을 개선하기 위해서, 그리고 가스 터빈의 파워 출력 능력의 하한선을 낮추는 한편, 동시에, 가스 터빈의 파워 출력의 상한선을 높이고, 그에 따라 새로운 또는 기존 가스 터빈 시스템의 용량 및 조절 능력을 증가시키기 위해서, 특정 플랜트 요구에 의존하여, 몇 가지 선택사항을 제공한다. 본원 발명의 하나의 양태는, 피크 수요의 기간 중에 부가적인 파워를 신속하게 제공하기 위해서 가스 터빈 시스템을 작동시키는 것을 허용하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

가스 터빈 엔진을 위한 압축 공기 분사 시스템 방법 및 장치{COMPRESSED AIR INJECTION SYSTEM METHOD AND APPARATUS FOR GAS TURBINE ENGINES}
관련 출원
본원은, 여기에서 참조로 포함된, 2012년 4월 2일자로 출원된 미국 가출원 제61/686,222호에 대한 우선권을 주장한다.
본원 발명은 일반적으로, 파워 수요가 감소된 시간 동안 가스 터빈에 의해서 생성되는 파워를 자체적으로 소모하는 한편 피크 전기 파워 수요의 기간 중에 부가적인 전기 파워를 제공하는데 유용한, 에너지 저장뿐만 아니라 가스 터빈의 발생 용량을 보충하는 것을 포함하는 가스 터빈 파워 시스템에 관한 것이다.
현재, 경계적(marginal) 에너지, 또는 피크 에너지 주로, 단순한 사이클 또는 조합된 사이클 구성으로 작동하는 가스 터빈에 의해서 생산된다. 로드(load) 수요 프로파일의 결과로서, 가스 터빈 베이스 시스템은 높은 수요의 기간 동안 사이클링 업되고(cycled up), 낮은 수요의 기간 중에 사이클링 다운되거나 턴 오프된다. 이러한 사이클링은 전형적으로 "능동적 그리드(active grid) 제어" 또는 AGC라고 지칭되는 프로그램하에서 전기 그리드 운영자에 의해서 구동된다. 불행하게도, 설치된 파워 발생 베이스의 대부분을 나타내는 산업적 가스 터빈이 일차적으로 베이스 로드 동작을 위해서 디자인되었기 때문에, 그러한 가스 터빈이 사이클링될 때 특별한 유닛의 유지보수 비용과 연관된 심각한 불이익이 존재한다. 예를 들어, 베이스 로드로 작동하는 가스 터빈이, 2백만 달러 내지 3백만 달러($2,000,000 내지 $3,000,000)의 비용이 소요되는, 3년 또는 24,000 시간의 동작마다 한차례의 통상적인 유지보수 사이클을 거칠 것이다. 그와 동일한 비용이, 해당 특별 가스 터빈 사이클링의 유지보수 비용과 연관된 심각한 불이익으로 인해서, 매일의 시동 및 중단이 강제되는 가스 터빈의 경우에 1년마다 발생될 수 있을 것이다. 또한, 신속한 시동 능력을 위해서 디자인된 항공엔진 파생형(aero-derivative) 엔진도, 요청될 때 필요한 파워를 전달하기까지 여전히 10분 또는 그 초과가 소요될 수 있을 것이다. 가스 터빈 집단(fleet) 사이클링을 위한 이러한 요구는 주요 문제이고, 그리고 그리드 상에서 간헐적인 재생가능 에너지 공급원의 증가된 이용과 함께 보다 문제가 되어가고 있다.
현재 파워 플랜트에서 이용되는 가스 터빈 엔진은 그 정격 용량의 약 50%까지 턴 다운(turn down)될 수 있다. 이는, 모든 엔진 동작 조건에서 연소 프로세스에서 일정한 연료 공기 비율이 요구됨에 따라, 가스 터빈으로의 공기 유동을 감소시키고 다시 연료 유동을 감소시키는, 압축기의 유입구 안내 베인(vane)을 폐쇄하는 것에 의해서 이루어진다. 안전 압축기 동작 및 가스 터빈 배출 방출물을 유지하기 위한 목적은, 전형적으로, 실제적으로 달성될 수 있는 턴 다운의 레벨을 제한한다.
현재의 가스 터빈에서 압축기의 동작 한계를 안전하게 낮추기 위한 하나의 방식은, 전형적으로 압축기 상의 중간-스테이지 블리드(bleed) 포트로부터 추출되는, 온난(warm) 공기를 가스 터빈의 유입구로 도입하는 것에 의한 것이다. 종종, 이러한 온난 공기가 유입구로 도입되어 결빙을 또한 방지한다. 어느 경우에도, 이러한 것이 이루어질 때, 압축기에 의해서 공기에 대해서 이루어지는 일은 적은 공기 유동에서 안전하게 압축기를 동작시킬 수 있는 장점을 위해서 프로세스에서 희생되어, 증가된 턴 다운 능력을 초래한다. 불행하게도, 외부로 브리딩되는(bled off) 공기에 대해서 실시되는 작업이 손실됨에 따라, 압축기로부터의 브리딩 공기가 전체 가스 터빈 시스템의 효율에 대해서 추가적인 부정적 영향을 가진다. 일반적으로, 이러한 턴 다운 개선을 위해서 압축기의 외부로 브리딩되는 공기의 1% 마다, 가스 터빈의 전체 파워 출력의 약 2%가 손실된다. 부가적으로, 연소 시스템은 또한 시스템에 대한 한계를 제시한다.
연소 시스템은, 적은 연료가 부가됨에 따라, 불꽃 온도가 감소되어, 생산되는 일산화탄소("CO") 방출물의 양을 증가시키기 때문에, 시스템이 턴 다운될 수 있는 양을 일반적으로 제한한다. 불꽃 온도와 CO 방출물 사이의 관계는 온도 감소에 대해서 지수함수적이고, 결과적으로, 가스 터빈 시스템이 턴-다운 한계 근처에 도달함에 따라, CO 방출물이 급증하고, 그에 따라 이러한 한계로부터 건전한(healthy) 마진을 유지하는 것이 중요하다. 이러한 특성은 모든 가스 터빈 시스템을 약 50% 턴 다운 능력으로 제한하고, 또는 100MW 가스 터빈의 경우에, 달성될 수 있는 최소 파워 턴-다운이 약 50%, 또는 50MW가 된다. 가스 터빈 질량 유동이 턴 다운됨에 따라, 압축기 및 터빈 효율이 또한 강하되어, 기계의 열전비(heat rate)의 증가를 유도한다. 일부 운영자는 이러한 상황과 매일 마주하고 결과적으로, 로드 수요가 감소됨에 따라, 가스 터빈 플랜트가 그 낮은 동작 한계와 만나게 되고 가스 터빈이 턴 오프되어야 하며, 이는 파워 플랜트가 막대한 유지보수 비용 불이익을 발생시키게 한다.
전형적인 가스 터빈의 다른 특성은, 주변 온도가 증가될 때, 공기의 온도가 증가됨에 따라 감소되는 밀도의 선형 효과로 인해서, 파워 출력이 비례적으로 감소된다는 것이다. 파워 출력은, 더운 시기(day)에, 명판(nameplate) 파워 정격으로부터 10% 초과만큼 감소될 수 있고, 이러한 더운 시기는 전형적으로 파워를 전달하기 위해서 가스 터빈의 피크화(peaking)가 가장 빈번하게 요청되는 때이다.
전형적인 가스 터빈의 다른 특성은, 가스 터빈의 압축기 섹션 내에서 압축되고 가열되는 공기가, 여러 구성요소를 냉각시키기 위해서 이용되는 가스 터빈의 터빈 섹션의 다른 부분들로 도관 연결된다는 것이다. 이러한 공기는 전형적으로 터빈 냉각 및 누설 공기(이하에서"TCLA")로 지칭되고, 이는 가스 터빈에 대한 당업계에서 잘 알려진 용어이다. 압축 프로세스로부터 가열되지만, TCLA 공기는 터빈 온도 보다 여전히 상당히 낮고, 그에 따라 압축기 하류의 터빈 내의 구성요소를 냉각시키는데 있어서 효과적이다. 전형적으로, 압축기의 유입구로 진입하는 공기의 10% 내지 15%가 압축기를 우회하고 이러한 프로세스를 위해서 이용된다. 그에 따라, TCLA은 가스 터빈 시스템의 성능에 대한 상당한 불이익이 된다.
예를 들어 유입구 급냉과 같은, 다른 파워 증강 시스템은 보다 저온의 유입구 조건을 제공하고, 결과적으로 가스 터빈 압축기를 통한 증가된 공기 유동을 초래하고, 가스 터빈 출력이 비례적으로 증가한다. 예를 들어, 만약 가스 터빈 압축기가 5% 더 많은 공기 유동을 가지도록 유입구 냉각이 더운 시기에 유입구 조건을 감소시킨다면, 가스 터빈의 출력이 또한 5% 만큼 증가될 것이다. 주변 온도가 낮아짐에 따라, 유입구 급냉이 덜 효과적이 되는데, 이는 공기가 이미 저온이기 때문이다. 그에 따라, 유입구 급냉 파워 증가는 더운 시기에 최대화되고, 약 45 ℉ 주변 온도의 시기에는 거의 영으로 줄어든다.
Nakhamkin에게 허여된 미국 특허 6,305,158(" '158 특허")에 개시된 것과 같은 파워 증강 시스템에서, 3개의 규정된 기본적인 동작 모드, 즉 정상 모드, 장입(charging) 모드, 및 공기 분사 모드가 존재하나, 이는, 가스 터빈 시스템이 전달할 수 있는 "전체 정격 파워를 초과하는" 파워를 전달할 수 있는 능력을 가지는 전기 발생기(electrical generator)에 대한 필요성에 의해서 제한된다. 이러한 특허가 10년 보다 더 이전에 허여되었고 에너지 비용이 급격하게 상승하는 시간에 그에 대한 공지된 용도가 아직 없다는 사실은, 그러한 특허가 시장 요건을 해결하지 못한다는 증거가 된다.
무엇보다, 가스 터빈 시스템이 현재 전달할 수 있는 "전체 정격 파워를 초과하는" 파워를 전달할 수 있도록 전기 발생기를 교체하고 업그레이드하는 것이 매우 고가이다. 또한, 비록 '158 특허에서 개시된 바와 같은 분사 선택사항이 파워 증강을 제공하지만, 이는 시동 및 전기 그리드에 대한 라인에 도달하는데 상당한 시간이 소요된다. 이는, 특정 시장에서는 파워 증가가 초 단위로 이루어져야 하고, 그리고, 시동까지 너무 많은 시간이 소요되는, 이러한 유형의 시스템에서의 대형 보조 압축기에 대한 필요성으로 인해서, 운전 예비(spinning reserve)와 같은 특정 시장에서의 '158 특허의 적용이 비실용적이 되도록 하였다.
다른 단점은, 연료 소비 및 그에 따른 효율에 상당한 부정적인 영향을 미치지 않고, 조합된 사이클 플랜트 상에서 시스템이 구현될 수 없다는 것이다. '158 특허에서 개략적으로 설명된 구현예의 대부분은 단순 사이클 동작에서 공기를 가열하기 위해서 열회수장치(recuperator)를 이용하며, 이는 연료 소비 증가 문제를 완화하나, 이는 상당한 비용 및 복잡성을 부가한다. 이하에서 개략적으로 설명되는 제시된 발명은 '158 특허에서 개시된 발명의 비용 및 성능 단점 모두를 해결한다.
또한, Nakhamkin에게 허여된 관련된 미국 특허 5,934,063(" '063 특허")에서 개략적으로 설명된 바와 같이, "선택적으로 이하의 동작 모드: 가스 터빈의 정상 동작 모드, 공기가 저장 시스템으로부터 전달되고 가스 터빈 내에서 공기와 혼합되는 모드, 및 이어서 장입 모드 중 하나를 허용하는" 밸브 구조가 존재한다. 또한, '063 특허는 10년 보다 더 이전에 허여되었고 세계적으로 어디에서도 적용이 공지되지 않았다. 이에 대한 이유는 다시, '158 특허와 관련된 것과 유사하게, 비용 및 성능 단점 때문이다. 비록 이러한 시스템이 단순 사이클 가스 터빈에서 효율적 불리함이 없이 적용될 수 있지만, 단순 사이클 가스 터빈은 매우 빈번하게 작동되지 않고, 그에 따라 기술이 파워 플랜트 운영자에게 매력적이 될 수 있게 하는 시간 프레임에서 자본 투자가 전형적으로 이루어지지 않았다. 유사하게, 만약 이러한 시스템이 조합된 사이클 가스 터빈에 적용된다면, 상당한 열전비 불이익이 존재하게 되고, 다시 기술은 시장 요구를 해결하지 못한다. 이하에서 개략적으로 설명되는 제시된 발명은 '063 특허의 비용 및 성능 문제 모두를 해결한다.
여기에서 TurboPHASETM 으로 지칭될 수 있는 본 발명은, 낮은 로드에서 플랜트의 효율 및 파워 출력을 개선하기 위해서, 그리고 가스 터빈의 파워 출력 능력의 하한선을 낮추는 한편, 동시에, 가스 터빈의 파워 출력의 상한선을 높이고, 그에 따라 새로운 또는 기존 가스 터빈 시스템의 용량 및 조절 능력을 증가시키기 위해서, 특정 플랜트 요구에 의존하여, 몇 가지 선택사항을 제공한다.
본원 발명의 하나의 양태는, 피크 수요의 기간 중에 부가적인 파워를 신속하게 제공하기 위해서 가스 터빈 시스템을 작동시키는 것을 허용하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본원 발명의 다른 양태는, 가스 터빈 파워 플랜트의 기존 공급원으로부터 유용한 일(work)을 획득하기 위한 에너지 저장 및 회수 시스템에 관한 것이다.
본원 발명의 또 다른 양태는, 낮은 수요의 기간 중에 가스 터빈 시스템이 보다 효과적으로 턴 다운되도록 허용하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
발명의 하나의 실시예는, 제1 압축기, 적어도 하나의 전기 발생기, 발생기 및 압축기에 연결된 적어도 하나의 터빈, 연소기, 및 연소 케이스(압축기에 대한 배출 매니폴드이다)를 포함하는 적어도 하나의 기존 가스 터빈을 포함하고, 추가적으로 제1 압축기와 동일하지 않은 보충적인 압축기를 더 포함하는 시스템에 관한 것이다.
본원 발명의 다른 바람직한 실시예의 장점은, 낮은 수요의 기간 중에 가스 터빈 시스템의 턴 다운 능력을 증가시킬 수 있고 높은 수요의 기간 중에 가스 터빈 시스템의 효율 및 출력을 개선할 수 있는 능력이다.
본원 발명의 다른 유리한 실시예는, 동작이 전기 그리드와 무관한, 연료 공급되는 엔진에 의해서 구동되는 보충적인 압축기를 이용하는 것에 의해서 적은 수요의 기간 동안 가스 터빈 시스템의 턴 다운 능력을 증가시킬 수 있는 능력이다.
본원 발명의 실시예의 다른 장점은, 보충적인 압축기, 공기 저장 시스템, 또는 양자 모두로부터, 연소 케이스로 유동하는 압축 공기로 부가될 수 있는 열을 생산하는 연료 공급되는 엔진에 의해서 구동되는 보충적인 압축기를 이용하는 것에 의해서, 낮은 수요의 기간 중에 가스 터빈 시스템의 턴 다운 능력을 감소시킬 수 있는 능력이고, 또는 그러한 열이 조합된 사이클 파워 플랜트 내의 증기 사이클로 부가될 수 있다.
본원 발명의 일부 실시예의 다른 장점은, 가스 터빈 시스템에 의해서 생성되는 파워에 의해서 구동되지 않는 보충적인 압축기를 이용하는 것에 의해서, 높은 수요의 기간 중에 가스 터빈 시스템의 출력을 증가시킬 수 있는 능력이다.
본원 발명의 일부 실시예의 다른 장점은, 조합된 사이클 파워 플랜트의 열 회수 증기 발생기에 의해서 생성된 증기에 의해서 구동되는 보충적인 압축기를 이용하는 것에 의해서, 높은 수요의 기간 중에 가스 터빈 시스템의 출력을 증가시킬 수 있는 능력이다.
본원 발명의 다른 장점은, 특정 플랜트 목적을 달성하기 위해서, 실시예의 선택적인 부분을 기존 가스 터빈에 통합시킬 수 있는 능력이다.
본원 발명의 실시예의 다른 장점은, 분사에 앞서서 공기를 가열하지 않고, 터빈 냉각 회로 내로 압축 공기를 분사할 수 있는 능력이고, 저온 냉각 공기가 (가열된 압축 공기에 대비하여) 덜 압축된 공기의 이용으로 동일한 희망 금속 온도를 달성할 수 있기 때문에, 효율이 개선된다.
본원 발명의 다른 실시예의 다른 장점은, 압축 공기의 증분적(incremental) 양이 넓은 범위의 주변 온도에 걸쳐서 비교적 일정한 레이트로 부가될 수 있기 때문에, 가스 터빈에 의해서 성취되는 파워 증가가 또한 넓은 범위의 주변 온도에 걸쳐서 비교적 일정하다는 것이다. 부가적으로, (압축 공기가 분리적으로 연료 공급되는 압축기로부터 또는 압축 공기 저장 시스템으로부터 오기 때문에), 보충적으로 압축된 공기가 가스 터빈의 압축기로부터의 어떠한 상당한 파워 증가도 없이 전달되기 때문에, 분사되는 공기의 1% (질량 유동) 마다, 2% 파워 증가의 결과가 초래된다. 이는 상당한 것인데, 이는, 파워를 보충하기 위한 유입구 급냉기와 같은 다른 기술은 분사된 공기의 각각의 1% 증가에 대해서 1% 파워 증가에 근접한 파워를 수득(yield)하기 때문이고, 그에 따라 터빈 및 연소기를 통한 동일한 증분 공기 유동으로 2배 더 많은 파워 증가가 달성되고, 결과적으로 물리적으로 더 작고, 적은 비용의, 파워 보충 시스템이 초래된다.
본원 발명의 하나의 바람직한 실시예는, 하나 이상의 고압 공기 저장 탱크 내에서 저장되는 압축 공기를 생산하기 위해서 보충적인 압축기를 이용하는 인터쿨링형 압축 회로를 포함하고, 압축 중에 압축 공기로부터 흡수된 인터쿨링 프로세스 열이 조합된 사이클 파워 플랜트의 증기 사이클로 전달된다.
선택적으로, 증기 사이클을 가지는 조합된 사이클 파워 플랜트와 통합될 때, 증기 사이클로부터의 증기를 이용하여 이차적인 증기 터빈을 구동할 수 있고, 그러한 이차적인 증기 터빈은 다시 보충적인 압축기를 구동한다. 가스 터빈 내에서 직접적으로 이러한 공기를 발화(firing)하는 것과 함께 고압 공기 저장 탱크를 이용하는 것은, 달리 생산될 수 있는 것 보다 상당히 더 많은 파워를 전달할 수 있는 능력을 가스 터빈으로 부여하는데, 이는 현재 가스 터빈 시스템의 압축기에 의해서 터빈으로 전달되는 공기의 최대 질량 유동이 공기 탱크로부터의 공기로 보충되기 때문이다. 기존 가스 터빈에서, 이는 가스 터빈 시스템의 출력을 더운 시기의 현재의 발생기 한계까지 증가시킬 수 있고, 이는 부가적인 20% 파워 출력 정도로 클 수 있는 한편, 동시에, 현재 기술 수준 보다 25-30% 만큼 더 턴 다운 능력을 증가시킨다.
새로운 가스 터빈에서, 이러한 부가적인 파워를 임의 시간에 전달할 수 있도록 발생기 및 터빈이 큰 크기를 가질 수 있고, 그에 따라 현재 기술 수준 보다 25-30% 더 큰 턴 다운 능력과 함께, 20% 보다 상당히 더 낮은 전체 시스템 비용 증가에서 20% 만큼 시스템의 명판 파워 정격을 증가시킬 수 있다.
본원 발명의 다른 장점, 특징 및 특성뿐만 아니라, 구조물의 관련된 요소 및 부품의 조합의 동작 및 기능 방법이, 본 명세서의 일부를 형성하는, 첨부 도면을 참조한, 이하의 구체적인 설명 및 첨부된 청구항을 고려할 때 보다 더 명확해질 것이다.
도 1은 보충적인 압축기를 구동하는 열회수형 엔진과 함께 보충적인 에너지 시스템을 가지는 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 2는 에너지 저장부 및 보충적인 압축기를 구동하는 열회수형 엔진과 함께 보충적인 에너지 시스템을 가지는 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 3은 연속적인 파워 증강 시스템을 포함하는 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 4는 보조적인 증기 터빈이 보충적인 압축기를 구동하는 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 5는 에너지 저장부 및 보충적인 압축기를 구동하는 보조 증기 터빈을 포함하는 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 6은 2개의 가스 터빈 및 증기 터빈과 함께 설치된 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 7은 1개의 가스 터빈 및 증기 터빈과 함께 설치된 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
도 8은 1개의 가스 터빈과 함께 설치된 본원 발명의 실시예의 개략도이다.
본원 발명의 하나의 실시예의 구성요소가, 기존 가스 터빈 시스템(1)과 함께 이용되는 것으로서, 도 1에 도시되어 있다. 주변 공기(2)를 압축하는 기존 가스 터빈 시스템(1)은 압축기(10), 연소기(12), 연소 케이스(14), 터빈(16) 및 발생기(18)를 포함한다. 연료 공급되는 엔진(20)을 이용하여, 주변 공기(24)를 압축하고 압축 공기(26)를 배출하는 다중 스테이지 인터쿨링형 보충적인 압축기(22)를 구동한다. 여기에서 사용된 바와 같이, "연료 공급되는 엔진"이라는 용어는 왕복 내연 기관, 가스 터빈(기존 가스 터빈 시스템(1) 내의 가스 터빈에 부가적이다), 또는 연소와 같은 발열 반응을 통해서 연료(예를 들어, 가솔린, 디젤, 천연 가스, 또는 생물 연료, 또는 유사한 연료)를 에너지로 변환하는 유사한 기계를 의미한다. 연료 공급되는 엔진은 주변 공기(42)를 인입하고, 연소 프로세스의 결과로서, 고온 배출 가스(32)를 생성한다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 보충적인 압축기(22) 내의 공기가 하나의 압축기 스테이지로부터 다음 스테이지로 전달됨에 따라, 공기가 냉각 타워와 같은 인터쿨러 열 교환기(28)의 이용에 의해서 인터쿨링되어, 후속 압축 스테이지에서 공기를 압축하는데 필요한 일을 감소시킨다. 여기에서 사용된 바와 같이, "인터쿨러 열 교환기"라는 용어는, 압축기의 상류 스테이지로부터 압축 공기를 수용하고, 상류 압축기 스테이지 하류의 다른 압축 스테이지로 전달하기에 앞서서, 그 공기를 냉각시키는 열 교환기를 의미한다. 인터쿨러 열 교환기(28)의 이용은 보충적인 압축기(22)의 효율을 증가시키고, 이는 기존 가스 터빈 시스템(1)의 압축기(10) 보다 더 효과적이 되게 한다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 비록 "인터쿨러"로서 여기에서 지칭되지만, 이하에서 구체적으로 설명되는 바와 같이, 인터쿨러 열 교환기(28)는 실제로 인터쿨러 및 애프터-쿨러(after-cooler)를 포함한다.
이러한 실시예는 열회수장치(30)를 더 포함하고, 열회수장치는 연료 공급되는 엔진(20)으로부터 배출 가스(32)를 그리고 보충적인 압축기(22)로부터 압축 공기(26)를 수용하는 열 교환기이다. 보충적인 압축기(22)로부터 열회수장치(30)로의 압축 공기의 유동이 열회수장치 유동 제어 밸브(44)에 의해서 제어된다. 열회수장치(30) 내에서, 고온 배출 가스(32)가 압축 공기(26)를 가열하고 이어서 실질적으로 더 낮은 온도의 배출 가스(34)로서 열회수장치(30)를 빠져나간다. 동시에, 열회수장치(30) 내에서, 압축 공기(26)가 배출 가스(32)로부터 열을 흡수하고 이어서 열회수장치(30)로 진입할 때 보다 상당히 더 고온의 압축 공기(36)로서 열회수장치(30)를 빠져나간다. 이어서, 실질적으로 더 고온의 압축 공기(36)가 열회수장치(30)로부터 가스 터빈 시스템(1)의 연소 케이스(14) 내로 방출되고, 가스 터빈 시스템에서 그 공기가 터빈(16)을 통한 질량 유동에 부가된다.
이어서, 저온의 배출 가스(34)가 대기로 방출된다. 당업계에서 공지된 유형의 선택적인 촉매 감소("SCR") 디바이스(미도시)가, 열회수장치(30) 이전에, 그 중간에, 또는 그 이후에 삽입되어, SCR 기능을 위한 가장 바람직한 조건을 달성할 수 있다. 대안적으로, SCR 디바이스 이후에, 저온 배출 가스(34)가 도 1에 도시된 바와 같이 터빈(16)의 배출 가스(38) 내로 분사될 수 있고, 이어서 혼합된 유동 배출물(38)이 대기로 방출되거나(단순 사이클 가스 터빈의 경우), 조합된 사이클 파워 플랜트에서 당업계에 공지된 유형의 증기 터빈의 열 회수 증기 발생기("HRSG")(미도시)로 지향될 것이다. 만약 혼합된 유동 배출물(38)이 HRSG 내로 방출된다면, 사용되는 수단은, 배출 가스(38)가 터빈(16)으로부터 HRSG 내로 유동하도록 그리고 SCR 디바이스가 방해되지 않도록 보장하여야 한다. General Electric Frame 9FA 산업용 가스 터빈과 같은 "F-분류(Class)" 엔진에서, 시동 목적을 위해서, 터빈 섹션 주위의 공기를 우회하고 공기를 터빈(16)의 플리넘 내로 쏟아 붓는 큰 압축기 블리드 라인이 존재한다. 이러한 블리드 라인은, 가스 터빈 시스템(1)이 로딩될 때, 사용되지 않고, 그에 따라 열회수장치(30)를 빠져나간 후에 저온 배출 가스(34)를 방출하기 위한 양호한 위치가 되는데, 이는 이러한 압축기 블리드 라인이 HRSG 및 SCR 디바이스에 미치는 영향을 최소화하도록 이미 디자인되었기 때문이다. 배출물(32)을 연료 공급되는 엔진(20)으로부터 가스 터빈 시스템(1)의 배출물(38) 내로 분사하는 것에 의해서, 가스 터빈 시스템(1)의 SCR이 배출물(32)을 세정(clean)하기 위해서 이용될 수 있을 것이고, 그에 따라 연료 공급되는 엔진(20) 상의 고비용 시스템을 배제할 수 있을 것이다.
가솔린, 디젤, 천연 가스, 또는 생물 연료 및 유사한 왕복 엔진이 배압에 민감하지 않다는 것이 확인되었고, 그에 따라, 연료 공급되는 엔진(20)에 열회수장치(30)를 배치하는 것이, 연료 공급되는 엔진(20)의 성능에 측정가능한 영향을 유발하지 않는다. 이러한 것은 중요한데, 이는, 전형적인 가스 터빈 파워 플랜트에서 이용되는 HRSG와 같은 다른 열 회수 시스템이, 파워 증강 시스템이 사용중인지 또는 그렇지 않은지의 여부와 관계없이, 항상 상당한 파워 손실을 유도하기 때문이다.
연료 공급되는 엔진(20)으로부터의 파워를 이용하여 인터쿨링형 압축기(22)를 구동한다. 만약 설비가 HSRG 및 증기 터빈을 포함하지 않는다면, 엔진 자켓, 오일 쿨러, 및 연료 공급되는 엔진(20) 상의 터보 차저로부터의 보조적인 열이 HSRG(전형적으로, 낮은 압력 및 온도 응축물 라인)을 통해서 증기 터빈의 증기 사이클로 전달될 수 있다. 유사하게, 다중 스테이지 보충적인 압축기(22) 내에서 공기가 압축될 때 인터쿨러 열 교환기(28)에 의해서 공기로부터 제거된 열이, 보충적인 압축기(22)의 후속 압축 스테이지로 진입하기 전에 희망 온도까지 압축 공기의 온도를 낮추기 위해서, 압축 공기가 냉각 타워에 의해서 냉각되기에 앞서서, 유사한 방식으로 증기 사이클 내로 전달될 수 있다. 만약 연료 공급되는 엔진(20)으로서 왕복 엔진 대신에 보조 가스 터빈이 이용된다면, 낮은 방출 레이트가 달성될 수 있을 것이고, 이는 가장 엄격한 환경 지역에서도 허용되는 방출을 가능하게 할 것이다. 또한, 만약 보조 가스 터빈이 연료 공급되는 엔진(20)으로서 이용된다면, 보조 가스 터빈으로부터의 배출 가스가 전술한 기존 가스 터빈 시스템(1)의 배출 블리드 파이프로 직접적으로 파이프 연결될 수 있고, 그에 따라 부가적인 SCR 디바이스의 비용 및 유지보수를 피할 수 있다.
이러한 시스템으로 피크화할 때, 가스 터빈 시스템(1)이 파워 출력 저하될 가능성이 클 것이고(높은 주변 공기 온도가 가스 터빈 시스템(1)을 통한 총 질량 유동을 감소시키는 여름에 피크화가 요구도는 것으로 가정) 이는 다시 전체적으로 가스 터빈 시스템(1)의 파워 출력을 감소시키고, 그리고 보충적인 압축기(22)는, 낮은 온도의 시기(즉, 가스 터빈 시스템(1)의 전체 정격 파워가 달성될 수 있는 시기)에 유동이 달성될 수 있는 곳까지, 가스 터빈 시스템(1)을 통한 공기 질량 유동을 단지 백업할 것이다.
도 2는 압축 공기 저장부의 부가와 함께 도 1의 실시예를 도시한다. 압축 공기 저장 시스템은 공기 저장 탱크(50), 수압 유체 탱크(52), 및 물과 같은 수압 유체를 수압 유체 탱크(52)와 공기 저장 탱크(50) 사이에서 이송하기 위한 펌프(54)를 포함한다. 바람직한 실시예에 따라서, 증가된 파워 전달이 요구되는 기간 중에, 공기 출구 밸브(46)가 개방되고, 공기 우회 밸브(48)가 개방되며, 공기 유입구 밸브(56)가 폐쇄되고, 그리고 연료 공급되는 엔진(20)에 의해서 구동되어, 보충적인 압축기(22)가 동작된다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 만약 압축 공기가 추후의 이용을 위해서 저장된다면, 고압에서 저장될 필요가 있을 것이고, 그에 따라 바람직하게 보충적인 압축기(22)는, 도 1에 도시된 실시예의 보충적인 압축기(22)에 대비하여, 부가적인 압축 스테이지를 가질 것이다. 이러한 부가적인 스테이지가 항상 연료 공급되는 엔진(20)에 의해서 구동될 수 있을 것이고, 또는 (공기 저장 탱크(50)의 필요 부피를 최소화하기 위해서 희망 저장 압력이 실질적으로 더 높은 경우에) 공기 저장 탱크(50) 내에 압축 공기를 저장하기 위해서 연료 공급되는 엔진(20)이 동작될 때 단지 부가적인 스테이지와 결합하는 클러치 유형 메커니즘을 설치하는 것에 의해서 간헐적으로 구동될 수 있을 것이다. 대안적으로, 부가적인 스테이지가 연료 공급되는 엔진(20)으로부터 분리될 수 있을 것이고, 분리적으로 연료 공급되는 엔진(미도시) 또는 전기 모터와 같은 다른 수단에 의해서 구동될 수 있을 것이다.
인터쿨러 열 교환기(28)를 빠져나가는 공기 유동을 제어하는 공기 유입구 밸브(56)가 폐쇄되었기 때문에, 인터쿨러 열 교환기(28)를 향하는 것에 대한 반대로서, 보충적인 압축기(22)로부터 유동하는 압축 공기(26)가 혼합기(58)로 강제로 유동된다. 보충적인 압축기(22)의 배출구로부터 유동하는 압축 공기(26)가 혼합기(58) 내에서 공기 저장 탱크(50)를 빠져나오는 압축 공기와 혼합되고, 이하에서 설명되는 프로세스를 이용하여 연소 케이스(14) 내로의 도입에 앞서서 연료 공급되는 엔진(20)의 배출 가스로부터 열을 흡수하는 열회수장치(30)로 도입된다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 열 효율성 목적을 위해서, 열회수장치(30)가 이상적으로 역류형 열 교환기일 수 있는데, 이는 그러한 역류형 열 교환기가 배출물(32)로부터의 최대 양의 열이 공기 저장 탱크(50)를 빠져나오는 압축 공기로 전달되는 것을 허용할 수 있을 것이기 때문이다. 대안적으로, 만약 열회수장치(30)가 하나 이상의 교차-유동(cross-flow) 열 교환기로 구성된다면, 열회수장치는 제1 교차-유동 열 교환기가 위치되는 제1 스테이지, 이어서 제2 교차-유동 열 교환기기 위치되는 제2 스테이지를 가질 수 있다. 이러한 구성에서, 배출물(32)이 열회수장치의 제1 스테이지로 먼저 진입하는 곳이 부분적으로 냉각되고, 이어서 열회수장치의 제2 스테이지로 유동한다. 동시에, 공기 저장 탱크(50)를 빠져나가는 압축 공기가 먼저 열회수장치(30)의 제2 스테이지로 진입하고, 그 곳에서 부가적인 열이 부분적으로 냉각된 배출물(32)로부터 추출되고, 그에 의해서 압축 공기를 "예열한다". 이어서, 압축 공기가 열회수장치(30)의 제1 스테이지로 유동하고, 그곳에서, 혼합기(58)로 유동하여 보충적인 압축기(22)로부터 유동하는 공기와 결합되기에 앞서서, 아직 부분적으로 냉각되지 않은 배출물(32)에 의해서 가열된다. 이러한 경우에, "2개 스테이지" 열회수장치는 역류 열 교환기와 보다 유사하게 작용하여, 압축 공기의 가열에서 보다 큰 열적 효율을 획득한다.
당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 우회 밸브(48)가 개방됨으로 인해서, 보충적인 압축기(22) 내에서 압축되는 공기가 인터쿨러 열 교환기(28)를 우회하기 때문에, 보충적인 압축기(22)를 빠져나가는 압축 공기는 압축 열의 일부를 보유하고, 그리고 공기 저장 탱크(50)로부터 유동하는 압축 공기와 혼합될 때, 혼합 공기의 온도를 증가시킬 것이고, 그에 따라, 혼합된 공기가 열회수장치(30)로 진입할 때, 혼합 공기는, 공기 저장 탱크(50)로부터의 압축 공기 만이 열회수장치(30) 내로 공급되는 경우 보다 더 높은 온도가 될 수 있을 것이다. 유사하게, 만약 공기 저장 탱크(50)를 빠져나가는 공기가, 혼합기(58)로 진입하기에 앞서서, 전술한 바와 같이, 열회수장치의 "제2 스테이지"에서 먼저 예열된다면, 보다 더 고온의 압축 공기 혼합물이 초래될 것이고, 이는 일부 조건에서 바람직할 수 있을 것이다.
연소 터빈 시스템(1)이 이러한 방식으로 계속 동작됨에 따라, 공기 저장 탱크(50) 내의 압축 공기의 압력이 감소된다. 만약 공기 저장 탱크(50) 내의 압축 공기의 압력이 연소 케이스(14) 내의 공기의 압력에 도달한다면, 압축 공기가 공기 저장 탱크(50)로부터 가스 터빈 시스템(1) 내로 유동하는 것이 중단될 것이다. 이러한 것이 발생되는 것을 방지하기 위해서, 공기 저장 탱크(50) 내의 압축 공기의 압력이 연소 케이스(14) 내의 공기의 압력에 접근함에 따라, 유체 제어 밸브(60)가 폐쇄되어 유지되고, 그리고 수압 펌프(54)가 물과 같은 유체를, 내부의 압축 공기를 공기 저장 탱크(50)의 외부로 구동시키기에 충분한 압력으로, 수압 유체 탱크(52)로부터 공기 저장 탱크(50) 내로 펌핑하기 시작하며, 그에 따라 공기 저장 탱크 내의 본질적으로 모든 압축 공기가 연소 케이스(14)로 전달될 수 있게 한다.
당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 만약, 연료 공급되는 엔진(20)에 의해서 구동되는 보충적인 압축기(22)와 별도로, 부가적인 압축기 스테이지, 또는 고압 압축기 스테이지가 부가된다면, 희망하는 경우에, 가스 터빈 연소 케이스(14)로부터 공기를 브리딩하고 분리적으로 연료 공급되는 엔진(20) 구동형 보충적인 압축기(22)로부터의 공기를 대신함에 따라, 가스 터빈 연소 케이스(14)로부터의 공기가 브리딩될 수 있고 실질적으로 더 고온인 압축 공기(36)의 반대로 유동하도록 허용될 수 있다. 이러한 경우에, 브리딩된 공기가 인터쿨러 열 교환기(28) 또는 냉각 타워 내에서 냉각될 수 있고, 이어서 보충적인 압축기(22)의 고압 스테이지의 유입구로 전달된다. 이는, 블리드 공기가 부가적인 가스 터빈 파워 손실을 초래함에 따라, 낮은 턴 다운 능력이 요구되는 경우에 특히 바람직할 수 있을 것이고, 보충적인 압축기(22)의 고압 스테이지를 위한 구동 시스템이 전기 모터에 의해서 구동될 수 있고, 그에 따라 터빈 시스템(1)에 의해서 생성된 전기 파워를 소모하고, 이는 또한 부가적인 가스 터빈 파워 손실을 초래한다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 이는, 가스 터빈 시스템으로부터의 보충적인 파워 생산이 요구되는 기간 동안 요구될 수 있는 동작 모드가 아니다.
바람직한 실시예에 따라서, 수압식 시스템이 이용되는지 또는 그렇지 않은지의 여부와 무관하게, 저장 탱크(50)로부터의 공기 유동이 중단될 때, 보충적인 압축기(22)가 계속 작동하고 파워 증강을 가스 터빈 시스템(1)으로 전달한다. 도 1에 도시된 것과 같은, 다른 바람직한 실시예에 따라서, 보충적인 압축기(22)는 공기 저장 탱크(50)의 이용 없이 시동되고 작동된다. 바람직하게, 인터쿨러 열 교환기(28)를 이용하여, 주변 공기(24)를 다중 스테이지 압축기(22)를 통해서 압축하는 보충적인 압축기(22) 내에서 저압 스테이지로부터 고압 스테이지까지 공기를 냉각시킨다.
공기 유입구 밸브(56), 공기 배출구 밸브(46), 우회 밸브(48), 및 보충적 유동 제어 밸브(44)는 가스 터빈 시스템(1)의 희망 동작 조건을 획득하기 위해서 동작된다. 예를 들어, 만약 압축 공기로 공기 저장 탱크(50)를 장입하기를 원한다면, 공기 배출구 밸브(46), 우회 밸브(48) 및 보충적 유동 제어 밸브(44)가 폐쇄되고, 공기 유입구 밸브(56)가 개방되고 연료 공급되는 엔진(20)을 이용하여 보충적인 압축기(22)를 구동한다. 공기가 보충적인 압축기(22) 내에서 압축됨에 따라, 공기는 인터쿨러 열 교환기(28)에 의해서 냉각되는데, 이는 우회 밸브(48)가 폐쇄되기 때문이고, 압축 공기가 인터쿨러 열 교환기(28)를 통해서 유동하도록 강제되기 때문이다. 보충적인 압축기(22)를 빠져나가는 공기가 유입구 밸브(56)를 통해서 그리고 공기 저장 탱크(50) 내로 유동한다. 유사하게, 만약 공기 저장 탱크(50)로부터 그리고 연소 케이스(14) 내로 압축 공기를 방출하는 것이 요구된다면, 공기 배출구 밸브(46), 우회 밸브(48) 및 보충적 유동 제어 밸브(44)가 개방되고, 공기 유입구 밸브(56)가 폐쇄될 수 있으며, 보충적인 압축기(22)를 구동하는데 연료 공급되는 엔진(20)이 사용될 수 있다. 공기가 보충적인 압축기(22) 내에서 압축됨에 따라, 공기가 압축 열로 인해서 가열되고, 그러한 공기는 인터쿨러 열 교환기 내에서 냉각되지 않는데, 이는 우회 밸브(48)가 개방되고, 그에 의해서 인터쿨러 열 교환기를 우회하기 때문이다. 공기 저장 탱크(50)로부터의 압축 공기가 혼합기(58)를 통해서 유동하고, 혼합기에서 압축 공기는 보충적인 압축기(22)로부터의 고온 공기와 혼합되고 이어서 열회수장치(30)로 유동하고, 그러한 열회수장치에서 공기는 연료 공급되는 엔진(20)의 배출 가스(32)로부터 열회수장치(30)로 전달된 열을 흡수하고 이어서 연소 케이스(14)로 유동한다. 가스 터빈 시스템(1)이 보충적인 압축기(22)로부터의 공기 유동의 전부를 필요로 하지 않는 경우에, 이러한 실시예는 하이브리드 모드에서 동작될 수 있고, 그러한 하이브리드 모드에서 보충적인 압축기(22)로부터 유동하는 공기의 일부가 혼합기(58)로 유동하고 보충적인 압축기(22)로부터의 공기 유동의 일부는 인터쿨러 열 교환기(28)를 통해서 이어서 공기 유입구 밸브(56)를 통해서 그리고 공기 저장 탱크(50) 내로 유동한다.
당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 희망하는 목표에 따라서, 예열된 공기 혼합물이 다른 위치에서 연소 터빈 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 예열된 공기 혼합물이 터빈(16) 내로 도입되어 그 내부의 구성요소를 냉각시킬 수 있고, 그에 의해서 이러한 구성요소를 냉각시키기 위해서 압축기로부터 블리드 공기를 추출할 필요를 감소 또는 배제한다. 물론, 이러한 것이 예열된 공기 혼합물의 의도된 이용이라면, 혼합물의 희망하는 온도가 더 낮을 수 있을 것이고, 해당되는 경우에, 압축 공기 혼합물을 터빈(16)의 냉각 회로(들)로 도입하기에 앞서서 열회수장치(30)에 의해서 예열된 공기 혼합물로 얼마나 많은 열이 부가되어야 하는지를 고려하여, 혼합기(58) 내의 혼합 비율이 그에 따라 변화될 필요가 있을 것이다. 이러한 의도된 이용을 위해서, 예열된 공기 혼합물은, 압축기(10)로부터의 냉각 공기가 터빈(16)이 TCLA 시스템 내로 전형적으로 도입되는 온도 또는 전체적인 연소 터빈 효율을 향상시키기 위한 쿨러 온도와 동일한 온도에서 터빈(16) 내로 도입될 수 있다(터빈 구성요소를 냉각시키기 위해서 적은 TCLA 냉각 공기가 요구될 것이기 때문이다).
공기 저장 탱크(50)가 그 내부에 수압 유체를 가질 때, 공기 저장 탱크(50)로 압축 공기를 부가하기 위한 장입 사이클의 시작에 앞서서, 유체 제어 밸브(60)가 개방되고, 그에 따라 압축 공기가 공기 저장 탱크(50) 내로 유동함에 따라 압축 공기가 내부의 수압 유체를 공기 저장 탱크(50)의 외부로, 유체 제어 밸브(60)를 통해서, 그리고 다시 수압 유체 탱크(52)로 구동한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 터빈 시스템(1)으로 진입하는 공기의 압력 및 온도를 제어하는 것에 의해서, 가스 터빈 시스템의 터빈(16)이 증가된 파워로 동작될 수 있는데, 이는 가스 터빈 시스템(1)의 질량 유동이 효과적으로 증가되기 때문이고, 이는 특히 가스 터빈의 연소기(12) 내로의 증가된 공기 유동을 허용하기 때문이다. 이러한 연료 유동의 증가는, 주변 공기 밀도가 더 더운(보통) 시기 보다 더 높기 때문에 전체 가스 터빈 시스템(1)을 통한 증가된 질량 유동이 발생되는 가스 터빈 시스템(1)의 낮은 온도의 시기의 동작과 연관된 연료 유동의 증가와 유사하다.
에너지 수요가 더 높은 기간 동안, 공기 저장 탱크(50) 및 보충적인 압축기(22)로부터 유동하는 공기는 압축기(10)로부터 냉각 공기를 브리딩하기 위해서 필요한 것을 상쇄시키는(offset) 방식으로 가스 터빈 시스템(1)으로 도입될 수 있을 것이고, 그에 의해서 압축기(10) 내에서 압축된 보다 많은 공기가 연소기(12)를 통해서 그리고 터빈(16)으로 유동하도록 허용하고, 그에 의해서 가스 터빈 시스템(1)의 순수 이용가능 파워를 증가시킨다. 가스 터빈(16)의 출력은 가스 터빈 시스템(1)을 통한 질량 유동 레이트에 매우 비례하고, 전술한 시스템은, 종래 기술의 특허에 대비하여, 동일한 공기 저장 부피 및 동일한 보충적인 압축기 크기에서, 2가지 모두가 압축 공기를 제공하기 위해서 동시에 사용될 때, 가스 터빈(16)으로 보다 큰 유동 레이트 증강을 전달하며, 결과적으로, 비교가능한 레벨의 파워 증강을 제공하면서, 종래 기술 시스템의 가격 보다 상당히 낮은 비용이 소요되는 하이브리드 시스템을 초래한다.
보충적인 압축기(22)는 적어도 하나의 압축 스테이지를 통해서 주변 공기(24)의 압력을 증가시키고, 그 공기는 이어서 인터쿨러 열 교환기(28) 내에서 냉각되고, 보충적인 압축기(22)의 후속 스테이지 내에서 추가적으로 압축되고, 이어서 인터쿨러 열 교환기(28)(여기에서, 보충적인 압축기(22)의 마지막 스테이지를 빠져나가는 압축 공기가 동일한 인터쿨러 열 교환기(28) 내에서 애프터-냉각된다) 내에서 애프터-냉각되고, 이어서 냉각되고, 압축된 고압 공기가 개방된 공기 유입구 밸브(56) 및 유입구 매니폴드(62)를 통해서 공기 저장 탱크(50)로 전달되고, 공기 저장 탱크(50) 내에서 저장된다.
인터쿨러 열 교환기(28)를 통해서 유동하는 가압 공기가 냉각됨에 따라, 그로부터 전달된 열을 이용하여 HRSG 내의 물을 가열할 수 있고 그에 따라 증기 터빈의 효율을 개선할 수 있다. 인터쿨러 열 교환기(28) 내의 압축 공기를 냉각시키기 위한 대안적인 방법은, 조합된 사이클 플랜트에서 증기 사이클(미도시)로부터 비교적 저온인 물을 이용하는 것이다. 이러한 구성에서, 물이 인터쿨러 열 교환기(28) 내로 유동할 것이고 보충적인 압축기(22)로부터의 압축 공기로부터 추출된 열을 픽업할 것이고, 이어서 온도가 더 높아진 물이 인터쿨러 열 교환기(28)를 빠져나가고 증기 사이클로 다시 유동할 것이다. 이러한 구성에서, 이러한 문단에서 설명된 저장 사이클 및 이하에서 설명되는 파워 증강 사이클 모두 중에 열이 포획된다.
바람직한 실시예에 따라서, 공기 저장 탱크(50)는 지면-위에, 바람직하게 바지(barge), 스키드(skid), 트레일러 또는 다른 이동가능 플랫폼 상에 위치되고, 용이하게 설치 및 운송되도록 맞춤되거나 구성된다. 가스 터빈 시스템(1)을 제외한 부가적인 구성요소가 20,000 평방 피트 미만, 바람직하게 15,000 평방 피트 미만, 가장 바람직하게 10,000 평방 피트 미만을 파워 플랜트의 전체 풋프린트(footprint)에 부가하여야 한다. 본원 발명의 연속적인 증강 시스템은 조합된 사이클 플랜트의 풋프린트의 1%를 차지하고, 플랜트의 나머지에 대비하여, 3 내지 5배의 평방 피트 당 파워를 전달하고, 그에 따라 이는 매우 공간 효율적인 한편, 저장 시스템을 가지는 본원 발명의 연속적인 증강 시스템은 조합된 사이클 플랜트의 풋프린트의 5%를 차지하고 파워 플랜트의 1 내지 2 배의 평방 피트당 파워를 전달한다.
도 3은, 가스 터빈 시스템(1)으로부터의 부가적인 파워 출력이 요구될 때, 보충적인 공기 유동을 제공하기 위해서 보조 가스 터빈(64)이 이용되는 본원 발명의 다른 실시예를 도시한다. 보조 가스 터빈(64)은 보충적인 압축기 섹션(66) 및 보충적인 터빈 섹션(68)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 보충적인 터빈 섹션(68)에 의해서 생산되는 파워의 실질적인 전부가 보충적인 압축기 섹션(66)을 구동하기 위해서 이용되도록, 보조 가스 터빈이 디자인된다. 여기에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 전부"라는 용어는, 보충적인 터빈 섹션(68)에 의해서 생성되는 파워의 90% 초과가 보충적이 압축기(66)를 구동시키기 위해서 이용된다는 것을 의미하는데, 이는 가스 터빈 시스템(1)과 함께 이용되는 전기 발생기와 같은 주요 액세서리가 보조 가스 터빈 섹션(68)으로부터 파워를 인출(drawing)하지 않기 때문이다. 솔라　터빈스　인크.(Solar Turbines, Inc.)와 같은 소형 가스 터빈 제조자는 압축기 및 연소기/터빈을 혼합 및 매칭시킬 수 있는 능력을 가지는데, 이는 그 제조자가 보충적인 압축기 섹션(66) 및 보충적인 터빈 섹션(68)을 지지하기 위한 복수의 베어링으로 그들의 시스템을 구축하기 때문이다. 큰 크기의 가스 터빈 압축기(66) 및 일반적인 크기의 터빈/연소 시스템(68)을 가지는 특별한 터빈을 이용하여, 부가적인 보충적 공기유동을 가스 터빈 시스템(1)으로 제공하고, 터빈/연소 시스템(68)을 작동시키는데 필요한 것을 초과하는, 큰 크기의 압축기(66)로부터 출력된 과다한 압축 공기(70)는, 연소 케이스 유동 제어 밸브(74)가 개방된 위치에 있을 때 그 밸브를 통해서 유동하고, 그리고 가스 터빈 시스템(1)의 연소 케이스(14) 내로 방출되어 가스 터빈 시스템(1)의 터빈(16)을 통한 총 질량 유동을 증가시키고, 그에 따라 가스 터빈 시스템(1)에 의해서 출력되는 전체 파워를 증가시킨다. 예를 들어, 일반적으로 4 MW로 정격화될 수 있는 50 lb/초 연소기/터빈 섹션(68)이 실제로 8 MW를 생성할 수 있을 것이나, 압축기는 4 MW를 인출하고, 그에 따라 발생기로부터의 순 출력이 4 MW가 된다. 만약 그러한 터빈이 100 lb/초 압축기와 커플링되었으나, 50 lb/초만이 연소/터빈 섹션(68)으로 공급된다면, 다른 50 lb/초는 가스 터빈 시스템(1)의 연소 케이스로 공급될 수 있을 것이다. 50 lb/초 연소기/터빈 섹션(68)의 배출물(72)이 도 1에 도시된 실시예에서 설명된 방식과 유사하게 메인 터빈(16)의 배출물(38) 내로 분사될 수 있고, 그리고 조합되어 SCR로 전송될 수 있을 것이다. 선택적으로, 필요한 경우에, 배출물이 분리적으로 처리될 수 있다.
명확하게, 100 lb/초 압축기(66)로부터의 압력은, 그로부터 출력된 압축 공기를 연소 케이스(14) 내로 구동하기에 충분하여야 한다. 다행히도, 많은 작은 가스 터빈 엔진은 항공엔진 파생형 엔진을 기초로 하고 그리고 대부분의 파워 플랜트에서 사용되는 대형 산업용 가스 터빈 보다 상당히 더 큰 압력 비율을 가진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 이러한 실시예는 도 1 및 2에 도시된 열회수장치(30), 인터쿨링형 압축기(22), 또는 인터쿨러 열 교환기(28)를 포함하지 않는다. 물론, 도 3에 도시된 실시예는 도 1 및 2에 도시된 인터쿨링형 실시예의 효율 개선을 제공하지 않지만, 도 3에 도시된 실시예의 초기 비용은 실질적으로 낮고, 이는 전형적으로 피크 수요의 시간에 파워를 제공하는, 그에 따라 많이 작동되지 않고 연료 효율에 덜 민감한 파워 플랜트의 운영자에게 매력적인 선택사항을 제공할 수 있을 것이다. 보조 가스 터빈(64)이 작동되지 않을 때, 연소 케이스 유동 제어 밸브(74)가 폐쇄된다.
도 4에 도시된 실시예는, 가스 터빈 시스템(1) 내로 보충적인 압축기(22)를 통합하기 위한 다른 방식을 보여준다. 일부 상황에서, (본원 발명을 포함하지 않는 가스 터빈 시스템(1)과 대비하여) (i) HRSG로의 부가적인 질량 유동 및/또는 (ii) 인터쿨러 열 교환기(28)로부터의 부가적인 열 및 연료 공급되는 엔진(20)을 가지는 본원 발명의 가스 터빈 증강은, 부가적인 열 모두가 증기 터빈 발생기로 유동하는 경우에(특히 파워 플랜트가 더운 시기에 배출 에너지 손실을 대체하기 위해서 도관 버너를 가지는 경우에), 증기 터빈 및/또는 증기 터빈 발생기에 대해서 너무 커서 핸들링할 수 없을 수 있을 것이다. 이러한 경우에, 보충적인 압축기(22)에 의해서 발생된 압축의 열을 부가하는 것의 결과로서 발생되는 부가적인 증기가 증기 사이클 HRSG로부터 추출될 수 있다. 이러한 것이 발생됨에 따라, 압축 공기 증강이 가스 터빈 시스템(1)으로 부가될 때, 인터쿨러 열 교환기(28)로부터 추출된 열 에너지는, 보충적인 압축기(22)를 구동하기 위해서 취해지는 것과 대략적으로 동일한 양의 에너지를 생성한다. 다시 말해서, 만약 정상적으로 100 MW를 생성하고 보충적인 압축기(22)가 압축 공기를 가스 터빈 시스템(1)으로 분사할 때 108 MW를 생성하는 증기 터빈을 가지고 있다면, 여분의 8 MW는 인터쿨링된 보충적인 압축기(22)를 구동하기 위한 파워 요건과 대략적으로 동일하다. 그에 따라, 만약 증기의 일부가 파워 플랜트의 증기 사이클로부터 추출되고 증기 터빈이 100 MW에서 유지된다면, 작은 보조 증기 터빈(76)을 이용하여 인터쿨링된 보충적인 압축기(22)를 구동할 수 있고, 파워 플랜트에 부가적인 방출물 공급원이 존재하지 않을 수 있을 것이다.
도 4에서, 보조 증기 터빈(76)이 인터쿨링된 보충적인 압축기(22)를 구동하고, 파워 플랜트의 HRSG(미도시)로부터 오는, 증기 엔진(76)을 구동하기 위해서 이용되는 증기(78)는, 보충적인 압축기(22) 내의 공기 압축 중에 인터쿨러 열 교환기(22)에 의해서 추출되었고, HRSG로 부가된, 열로부터 생산된 여분의 증기이다. 증기 엔진(76)의 배출물(80)이 HRSG로 복귀되고, HRSG에서 보다 많은 증기를 생산하기 위해서 배출물이 이용된다. 본원 발명의 이러한 실시예는 상당한 효율 개선을 초래하는데, 이는 보충적인 압축기(22)의 압축 프로세스가 가스 터빈 시스템(1)의 압축기(10) 보다 상당히 더 효율적이기 때문이다. 이러한 상황에서, 물론, 증기 터빈이 부가적인 MW를 생성하지(putting out) 않으나, 다른 방출물/연료 연소 공급원이 없을 것임에 따라, 파워 증강 레벨은 감소될 것이다.
도 5는 압축 공기 저장이 부가된 도 4의 실시예를 도시한다. 압축 공기 에너지 저장의 구현은 도 2에 대해서 설명된 것과, 그 동작에 있어서, 유사하다. 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 도 5에 도시된 실시예의 파워 증강 레벨은 도 2에 도시된 실시예 보다 적은데, 이는 증기 터빈이 부가적인 MW를 생성하지 않으나, 다른 방출물/연료 연소 공급원이 없을 것이기 때문이다.
도 6-8은, "TurboPHASE 시스템"으로서 지칭되는, 도 1에 도시된 실시예의 여러 구현예를 도시한다. 가스 터빈 시스템을 위한 보충적인 파워 시스템인 TurboPHASE는, 전부 또는 대부분의 가스 터빈에 부가될 수 있고 기존의 단순 사이클 및 조합된 사이클 플랜트로 20% 초과까지 출력을 부가할 수 있는 한편, 7%까지 효율(즉, "열전비")을 개선하는, 모듈형의, 패키지화된 "터보차저"이다. TurboPHASE 시스템은 모든 유형의 내부 급냉 또는 포깅(fogging) 시스템과 양립가능하고, 적절하게 구현될 때, 방출 레이트(예를 들어, NOx, CO, 등의 ppm)를 변화시키지 않을 것인 한편, 특정 방출 레이트는 열전비의 개선의 결과로서 개선되어야 할 것이다. 적절한 온도의 청정 공기만이 터빈 내로 분사되기 때문에, TurboPHASE 시스템은 가스 터빈 유지보수 요건에 부정적인 영향을 미치지 않는다. TurboPHASE 시스템을 구성하는 공장-조립된 그리고 테스트된 모듈로 인해서, 기존 파워 플랜트에서의 설치가 신속하게 이루어지고, 연결을 완료하고 사용을 실시하기 위해서 단지 몇 일간의 가스 터빈 시스템의 중단을 필요로 한다.
도 6은, 135 MW 증기 터빈(86)("ST")을 가지는 조합된 사이클 구성의 2개의 135 MW General Electric Frame 9E 산업용 가스 터빈(82, 84)과 관련하여 도 1에 도시된 본원 발명의 실시예를 구현한 것을 도시한다. 이러한 구현의 결과를 표 1에 기재하였다.
Figure pct00001
표 1로부터 명확한 바와 같이, 구현예는 가스 터빈의 각각으로부터 23 MW 만큼 파워 출력을 증가시켰고, 증기 터빈으로부터 6 MW 만큼 파워 출력을 증가시켰고, 총 52 MW (2x23MW + 6MW= 52MW)를 증가시켰다. TurboPHASE 시스템은 7% 만큼 가스 터빈으로의 공기 유동을 증가시키고, 임의의 주변 온도에서 동작될 수 있고, 4% 열전비 개선을 수득한다. 그렇게 하는데 있어서, 각각의 가스 터빈의 가스 터빈 배출구에서의 압력 비율("PR")이 5.6 만큼 증가된 한편, 압축기 로드의 PR은 3.3 감소를 나타냈다. 조합된 사이클("CC") 플랜트에 대한 전체 연료 소비 레이트가 54 MMBTU/hr만큼 증가된 한편, CC 플랜트에 대한 열전비가 416 BTU/kWh 만큼 감소되었다. 정보 목적으로, 표 1은 또한 구현예가 단순 사이클("SC") 플랜트인 경우에, 가스 터빈의 각각으로부터의 증가된 파워 출력이 총 46 MW이 될 것인 한편, 열전비가 767 BTU/kWh 만큼 감소될 것임을 보여준다. 선택사항으로서, 인터쿨러 열 교환기가 배제될 수 있고 보충적인 압축기 열 및 엔진 열이 증기 터빈 사이클로 부가될 잇고, 이는 ST 출력을 +6MW로부터 +16MW(총 62MW)로 증가시키고 열전비를 6% 만큼 개선한다.
도 7은 하나의 General Electric Frame 9FA 산업용 가스 터빈(82) 및 하나의 138 MW 증기 터빈을 포함하는 CC 플랜트에서 도 1에 도시된 실시예를 구현한 것을 보여준다. 이러한 구현예에서, 총 파워 출력 증가가 50 MW인 경우에, 0.25%의 열전비 개선과 함께, 9FA 산업용 가스 터빈(82)에 의해서 출력된 파워가 260 MW로부터 42 MW 만큼 증가되고, 증기 터빈(88)에 의해서 출력되는 파워는 8 MW 만큼 증가된다. 선택사항으로서, 인터쿨러 열 교환기(28)가 배제될 수 있고 보충적인 압축기(22)의 압축 열 및 연료 공급되는 엔진의 배출물(32)로부터의 열이 시스템 사이클 내의 HRSG로 부가될 수 있고, 이는 ST 출력을 +8 MW로부터 +14 MW(총 56MW)로 증가시키고 열전비를 1.8%로 개선한다.
도 8은 하나의 General Electric Frame 9B(또는 9E) 산업용 가스 터빈(90)을 포함하는 SC 플랜트에서 도 1에 도시된 실시예를 구현한 것을 보여준다. 이러한 구현예에서, 7%의 열전비 개선과 함께, 9B에 의해서 출력된 파워가 135 MW로부터 23 MW 만큼 증가되었다.
본원 발명의 실시예의 구현예는 바람직하기 이하의 장점을 제공한다:
(i) 설비가 신속하고 단순하고, 주요 전기적 연결(tie-in)을 필요로 하지 않는다.
(ii) 가스 터빈 발화 온도의 변화가 없고, 그에 따라 가스 터빈 유지보수 비용을 변화되지 않는다.
(iii) 공기를 분사하기 위해서 가스 터빈 시스템의 연소 케이스 상의 기존 포트를 이용한다.
(iv) 높은 효율의, 열회수되는 그리고 내연 기관-구동형 인터쿨링된 보충적인 압축기는 SC 및 CC 열전비 모두를 개선한다.
(v) 물 분사, 포깅, 유입구 급냉, 증기 분사, 및 도관 버너와 양립가능하다.
(vi) 공기가 양립가능한 온도 및 압력에서 가스 터빈 연소 케이스 내로 분사된다.
(vii) 내부 연소, 왕복, 연료 공급형 엔진이 천연 가스, 낮은 BTU 생물 연료 또는 디젤(연료 공급되는 엔진을 위한 작은 증기 터빈 구동기 및 작은 가스 터빈 구동기와 함께 또한 이용가능하다)을 연소시킬 수 있다.
(viii) 에너지 저장 선택사항이 또한 이용가능하다: 약 2배의 가격 및 2배의 효율 개선.
여기에서 설명된 그리고 구체적으로 설명된 특별한 시스템, 구성요소, 방법, 및 디바이스가 발명의 전술한 목적 및 장점을 완전히 획득할 수 있지만, 본원 발명의 제시된 바람직한 실시예가 존재하고 그에 따라, 본원 발명에 의해서 넓게 고려되는 청구 대상의 표상이 존재한다는 것, 본원 발명의 범위가 당업자에게 자명해질 수 있는 다른 실시예를 완전히 포함한다는 것, 그리고 본원 발명의 범위가 그에 따라 첨부된 청구항 이외의 것에 의해서 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이며, 청구항에서, 달리 인용하지 않고 있는 경우에, 단수형의 요소는 "하나 이상"을 의미하고 "유일한 하나"를 의미하지 않는다. 발명의 수정 및 변경이, 발명의 의도된 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 그리고 전술한 교시 내용에 의해서 커버된다는 것을 이해할 것이다.

Claims (38)

  1. 서로 유체적으로 연결된 압축기, 연소기 케이스, 연소기, 및 터빈을 가지는 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법이며,
    (i) 보충적인 압축기 및 연료 공급되는 엔진을 제공하는 단계;
    (ii) 상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 그리고 상기 연료 공급되는 엔진으로부터 고온 배출 가스를 생산하기 위해서, 상기 연료 공급되는 엔진을 동작시키는 단계;
    (iii) 상기 고온 배출 가스로부터 추출된 열로 상기 압축 공기를 가열하여, 고온 압축 공기를 생산하기 위한, 가열 단계; 및
    (iv) 상기 고온 압축 가스를 상기 가스 터빈 시스템의 상기 압축기 하류에서 상기 가스 터빈 시스템 내로 분사하여, 통과하는 공기의 질량 유동을 증가시키고 상기 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 증강시키는, 분사 단계를 포함하는,
    가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온 배출 가스로부터 추출된 열로 상기 압축 공기를 가열하는 단계에 후속하여, 상기 고온 배출 가스를 상기 터빈으로부터의 배출물 내로 분사하는 단계가 이어지는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 연료 공급되는 엔진을 동작시키는 단계는, 상류 압축기 스테이지 하류의 다른 압축 스테이지로 전달하기에 앞서서, 상기 보충적인 압축기의 상류 스테이지로부터 수용된 상기 압축 공기를 냉각시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 연료 공급되는 엔진을 동작시키는 단계는, 상류 압축기 스테이지 하류의 다른 압축 스테이지로 전달하기에 앞서서, 상기 보충적인 압축기의 상류 스테이지로부터 수용된 상기 압축 공기를 냉각시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 연료 공급되는 엔진을 동작시키는 단계는, 공기 저장 탱크 내에서 상기 압축 공기의 제1 부분을 저장하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    공기 저장 탱크 내에서 상기 압축 공기의 제1 부분을 저장하는 단계에 후속하여, 상기 공기 저장 탱크로부터의 압축 공기의 상기 제1 부분의 일부를 방출하고 상기 압축 공기의 제2 부분과 혼합하는 단계가 이어지는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압축 공기의 상기 제1 부분을 냉각시키는 단계가 상기 압축 공기의 제1 부분을 공기 저장 탱크 내에 저장하는 단계에 선행하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공기 저장 탱크 내에서 유지되는 상기 압축 공기의 제1 부분의 압력이 미리 결정된 압력 이하로 떨어질 때, 상기 공기 저장 탱크 내로 수압 유체를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  9. 서로 유체적으로 연결된 압축기, 연소기 케이스, 연소기, 터빈, 열 회수 증기 발생기, 및 증기 터빈을 가지는 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법이며,
    (i) 보충적인 압축기, 및 증기에 의해서 파워가 공급되는 보충적인 엔진을 제공하는 단계;
    (ii) 상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 그리고 상기 보충적인 엔진으로부터 고온 배출물을 생산하기 위해서, 상기 보충적인 엔진을 동작시키는 단계;
    (iii) 상기 가스 터빈 시스템의 상기 압축기의 하류의 상기 가스 터빈 시스템 내로 상기 압축 공기를 분사하여, 통과하는 공기의 질량 유동을 증가시키고 상기 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 증강시키는, 분사 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보충적인 엔진은 증기 엔진이고, 상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 보충적인 엔진을 동작시키는 단계에 후속하여, 상기 열 회수 증기 발생기 내로 상기 고온 배출물을 분사하는 단계가 이어지는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 엔진을 동작시키는 단계는, 상류 압축기 스테이지 하류의 다른 압축 스테이지로 전달하기에 앞서서, 상기 보충적인 압축기의 상류 스테이지로부터 수용된 상기 압축 공기를 냉각시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 엔진을 동작시키는 단계는, 상류 압축기 스테이지 하류의 다른 압축 스테이지로 전달하기에 앞서서, 상기 보충적인 압축기의 상류 스테이지로부터 수용된 상기 압축 공기를 냉각시키는 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기를 구동하여 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 생산하기 위해서 상기 엔진을 동작시키는 단계는, 공기 저장 탱크 내에서 상기 압축 공기의 제1 부분을 저장하는 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    공기 저장 탱크 내에서 상기 압축 공기의 제1 부분을 저장하는 단계에 후속하여, 상기 공기 저장 탱크로부터의 압축 공기의 상기 제1 부분의 일부를 방출하고 상기 압축 공기의 제2 부분과 혼합하는 단계가 이어지는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 압축 공기의 상기 제1 부분을 냉각시키는 단계가 상기 압축 공기의 제1 부분을 공기 저장 탱크 내에 저장하는 단계에 선행하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 공기 저장 탱크 내에서 유지되는 상기 압축 공기의 제1 부분의 압력이 미리 결정된 압력 이하로 떨어질 때, 상기 공기 저장 탱크 내로 수압 유체를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  17. 서로 유체적으로 연결된 압축기, 연소기 케이스, 연소기, 터빈 및 열 회수 증기 발생기를 가지는 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법이며,
    (i) 상기 가스 터빈 시스템에 더하여 보충적인 압축기 및 보충적인 터빈을 가지는 보조 가스 터빈을 제공하는 단계;
    (ii) 상기 보충적인 압축기로부터 압축 공기를 그리고 상기 보충적인 터빈으로부터 고온 배출 가스를 생산하기 위해서, 상기 보조 가스 터빈을 동작시키는 단계; 및
    (iii) 상기 가스 터빈 시스템의 상기 압축기의 하류의 상기 가스 터빈 시스템 내로 상기 압축 공기의 일부를 분사하여, 통과하는 공기의 질량 유동을 증가시키고 상기 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 증강시키는, 분사 단계를 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    보충적인 터빈에 의해서 생산된 파워의 실질적으로 전부가 보충적인 압축기를 구동하기 위해서 이용되는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고온 배출 가스를 상기 터빈으로부터의 배출물 내로 분사하는 단계를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하는 방법.
  20. 서로 유체적으로 연결된 압축기, 연소기 케이스, 연소기, 및 터빈을 가지는 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치이며,
    (i) 압축 공기를 생산하기 위한 보충적인 압축기로서, 상기 보충적인 압축기가 압축 공기 배출구를 가지는, 보충적인 압축기;
    (ii) 상기 보충적인 압축기를 구동하기 위해서 상기 보충적인 압축기로 연결된 연료 공급되는 엔진으로서, 상기 연료 공급되는 엔진이 고온 배출 가스를 생성하고 배출물 배출구를 가지는, 연료 공급되는 엔진; 및
    (iii) 제1 열회수장치 유입구, 제2 열회수장치 유입구, 제1 열회수장치 배출구, 및 제2 열회수장치 배출구를 가지는 열회수장치로서, 상기 제1 열회수장치 유입구가 상기 압축 공기 배출구와 유체적으로 연결되고, 상기 제2 열회수장치 유입구가 상기 배출물 배출구와 유체적으로 연결되고, 상기 제1 열회수장치 배출구가 상기 제1 열회수장치 유입구에 유체적으로 연결되고 그리고 상기 가스 터빈 시스템의 상기 압축기의 하류의 상기 가스 터빈 시스템에 유체적으로 연결되고, 상기 제2 열회수장치 배출구가 상기 제2 열회수장치 유입구에 유체적으로 연결되는, 열회수장치를 포함하고;
    상기 고온 배출 가스로부터의 열은, 상기 가스 터빈 시스템 내로 분사되기에 앞서서, 상기 열회수장치 내의 압축 공기로 전달되는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 보충적인 압축기는 다중 스테이지 압축기이고, 상기 다중 스테이지 압축기의 각각의 스테이지가 스테이지 유입구 및 스테이지 배출구를 가지는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 압축 공기를 하류의 스테이지 유입구 중 하나로 전달하기에 앞서서, 상기 스테이지 배출구 중 하나로부터 수용된 압축 공기를 냉각하기 위해서 상기 스테이지 유입구 중 적어도 하나 및 상기 스테이지 배출구 중 적어도 하나에 유체적으로 연결된 인터쿨러 열 교환기를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 압축 공기의 제1 부분을 저장하기 위해서 제1 도관에 의해서 상기 보충적인 압축기의 상기 압축 공기 배출구에 유체적으로 연결된 공기 저장 탱크를 더 포함하고, 상기 제2 열회수장치 배출구가 상기 가스 터빈 시스템의 상기 터빈의 하류의 상기 가스 터빈 시스템에 유체적으로 연결되는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    혼합기 유입구 및 혼합기 배출구를 가지는 혼합기를 더 포함하고, 상기 혼합기 유입구는 상기 공기 저장 탱크 및 상기 보충적인 압축기의 상기 압축 공기 배출구에 유체적으로 연결되고, 상기 혼합기 배출구는 상기 혼합기 유입구에 유체적으로 연결되고, 상기 혼합기 배출구는 상기 압축 공기 배출구와 상기 제1 열회수장치 유입구 사이에서 상기 제1 열회수장치 유입구에 유체적으로 연결되는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 공기 저장 탱크와 상기 보충적인 압축기의 상기 압축 공기 배출구 사이에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 밸브를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    수압 유체 저장 탱크, 및 상기 수압 유체 저장 탱크와 상기 공기 저장 탱크 사이에서 수압 유체를 펌핑하기 위해서 상기 공기 저장 탱크 및 상기 수압 유체 저장 탱크에 유체적으로 연결된 펌프를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 인터쿨러 열 교환기를 우회시키기 위해서 상기 보충적인 압축기의 배출구 스테이지 중 하나와 상기 보충적인 압축기의 유입구 스테이지 중 하나 사이에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 우회 밸브를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 혼합기와 상기 열회수장치 사이에서 압축 공기의 유동을 제어하기 위해서 상기 혼합기 배출구와 상기 제1 열회수장치 유입구에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 전달 밸브를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  29. 서로 유체적으로 연결된 압축기, 연소기 케이스, 연소기, 터빈, 열 회수 증기 발생기, 및 증기 터빈을 가지는 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치이며,
    (i) 압축 공기를 생산하기 위한 보충적인 압축기로서, 상기 보충적인 압축기가 압축 공기 배출구를 가지는, 보충적인 압축기; 및
    (ii) 상기 보충적인 압축기를 구동하기 위해서 상기 보충적인 압축기로 연결된 증기에 의해서 파워가 공급되는 엔진으로서, 상기 엔진이 고온 배출물을 생산하고 배출물 배출구를 가지는, 엔진을 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 압축 공기의 제1 부분을 저장하기 위해서 제1 도관에 의해서 상기 보충적인 압축기의 상기 압축 공기 배출구에 유체적으로 연결된 공기 저장 탱크를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    혼합기 유입구 및 혼합기 배출구를 가지는 혼합기를 더 포함하고, 상기 혼합기 유입구는 상기 공기 저장 탱크 및 상기 보충적인 압축기의 상기 압축 공기 배출구에 유체적으로 연결되고, 상기 혼합기 배출구는 상기 가스 터빈 시스템의 상기 압축기의 하류의 상기 가스 터빈 시스템에 유체적으로 연결되는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 공기 저장 탱크와 상기 보충적인 압축기의 상기 압축 공기 배출구 사이에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 밸브를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    수압 유체 저장 탱크, 및 상기 수압 유체 저장 탱크와 상기 공기 저장 탱크 사이에서 수압 유체를 펌핑하기 위해서 상기 공기 저장 탱크 및 상기 수압 유체 저장 탱크에 유체적으로 연결된 펌프를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 혼합기와 상기 가스 터빈 시스템 사이에서 압축 공기의 유동을 제어하기 위해서 상기 혼합기 배출구와 상기 가스 터빈 시스템의 상기 압축기의 하류의 상기 가스 터빈 시스템에 유체적으로 연결된 적어도 하나의 전달 밸브를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  35. 서로 유체적으로 연결된 압축기, 연소기 케이스, 연소기, 및 터빈을 가지는 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치이며,
    서로에 대해서 유체적으로 연결된 보충적인 압축기, 보충적인 연소기 케이스, 보충적인 연소기, 및 보충적인 터빈을 가지는 보조 가스 터빈으로서, 상기 보충적인 터빈의 회전이 상기 보충적인 압축기를 구동시키도록 그리고 압축 공기를 생산하도록 상기 보충적인 압축기가 상기 보충적인 터빈에 연결되고, 상기 보충적인 압축기는, 상기 압축 공기가 상기 보충적인 터빈으로 진입하기에 앞서서, 상기 보조 가스 터빈으로부터 상기 압축 공기의 제1 부분을 전환하기 위한 압축 공기 배출구를 가지는, 보조 가스 터빈; 및
    상기 압축 공기의 부분을 상기 가스 터빈 시스템의 압축기의 하류의 가스 터빈 시스템 내로 분사하여, 통과하는 공기의 질량 유동을 증가시키기 위해서 그리고 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 증강하기 위해서, 상기 압축 공기 배출구를 상기 압축기의 하류의 가스 터빈 시스템으로 연결하는 제1 도관을 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  36. 제35항에 있어서,
    보충적인 터빈에 의해서 생성되는 파워의 실질적으로 전부가 보충적인 압축기를 구동하기 위해서 이용되도록, 보충적인 압축기 및 보충적인 터빈의 크기가 결정되는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  37. 제36항에 있어서,
    통과하는 압축 공기의 유동을 제어하기 위한 상기 제1 도관 내의 밸브를 더 포함하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 보충적인 터빈의 배출구 및 상기 가스 터빈 시스템의 상기 터빈의 배출구에 연결된 제2 도관을 더 포함하고, 상기 압축 공기의 제2 부분이 상기 보충적인 터빈을 통해서, 이어서 상기 제2 도관을 통해서, 이어서 상기 가스 터빈 시스템의 상기 터빈으로부터의 배출물 내로 유동하는, 가스 터빈 시스템의 파워 출력을 보충하기 위한 장치.
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