KR20150110439A - 가스 터빈의 시동 방법 - Google Patents

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클라우디오 보따렐리
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

터빈(20)의 배출 덕트(28)의 예비 퍼징 사이클을 수행하는 단계와, 제 1 점화 시도를 수행하기에 충분한 시간 기간 동안 연소기(14) 내로 들어가는 가스 연료의 유동에 대한 사전결정된 최소값(FSR1)을 설정하고 제 1 점화 시도를 수행하는 단계와, 배출 덕트(28)의 중간 퍼징 사이클을 수행하는 단계와, 연소기(14)로의 가스 연료의 유동을 차단하는 단계와, 연소기(14) 내로 들어가는 가스 연료의 유동의 값(FSRn)을 점차 증가시키는 단계와, 공기/가스 연료의 혼합물이 점화되고 결과로서 생기는 터빈(20)의 시동 때까지 또는 가스 연료의 유동의 사전결정된 최대값(FSR최대)에 도달될 때까지, 추가의 점화 시도를 수행하는 단계를 포함하는 가스 터빈의 시동 방법이 개시된다.

Description

가스 터빈의 시동 방법{METHOD FOR THE START-UP OF A GAS TURBINE}
본 발명은 가스 터빈의 시동 방법에 관한 것이다.
예를 들어 전기 에너지의 생산에서와 같이 수많은 산업 적용예에서, 외측으로부터 흡입된 공기가 압축되는 다단 압축기와, 압축된 공기에 첨가된 가스 연료의 연소가 일어나는 연소기와, 연소기로부터 공급된 가스가 팽창되는 터빈 또는 팽창기로 주로 이루어지는 가스 터빈의 사용이 알려져 있다. 터빈은 따라서 작동 기계를 구동하기 위해 또는 전기 제너레이터를 충전하기 위해 이용될 수 있는 기계적 에너지를 발생시키는 것이 가능하다.
알려진 바와 같이, 가스 터빈의 시동 또는 작동 단계는 상대적으로 복잡한 작업이다. 가스 터빈이 전체 체제(regime)에서 작동할 수 있기 전에, 압축기를 소정 압축비를 제공하기에 충분한 회전 속도로 이끄는 것이 보통 필요하다. 이 작업은 일반적으로 부스트 엔진(boost engine)에 의해 수행된다.
위의 회전 속도에서, 압축기는 연소기 내에서의 최소 체제에서 화염을 점화하기에 충분한 공기 유량을 공급할 수 있어야 하고, 이 작동 상태는 기술 용어 "라이트 오프(light off)"로 알려져 있다. 실제로, 연료 가스의 점화를 촉진하고 발생된 화염을 안정시키기 위한 것과 같은 유동 상태가 연소 챔버 내에 설정되도록 압축기의 회전 속도가 선택될 때 라이트 오프 상태가 확인된다. 연료 가스의 유량이 결과로서 선택된다.
일단 기계가 자립 상태(self-sustaining condition) 또는 다시 말하면 터빈이 압축기를 구동하기에 충분한 동력을 발생시킬 수 있는 상태에 도달하면, 부스트 엔진이 분리될 수 있고 기계가 체제 속도에 도달할 때까지 연료의 유량이 증가된다.
가스 터빈은 전형적으로 상이한 발열량(heat value)을 갖는 연료 가스의 상이한 혼합물로 작동하는 것이 가능하다. 사용된 상이한 가스 연료에 관한 웨버 지수(Wobbe index)의 변화 범위가 보통 상대적으로 넓기 때문에, 채용된 다양한 연료에 따라 동일한 터빈에 대해 상이한 라이트 오프 상태가 존재할 수 있다. 알려진 바와 같이, 웨버 지수는 공기에 관하여 측정된, 가스의 저발열량(또는 고발열량)과 가스의 상대 밀도의 제곱 루트 사이의 비의 정도를 나타낸다.
Figure pat00001
Iw = 소정 가스의 웨버 지수,
PC = 가스의 (저 또는 고)발열량,
TG = 가스의 온도,
GS = 가스의 상대 밀도(또는 비중)
연료 가스 혼합물의 온도 보정을 포함하지 않는 실제 웨버 지수와 구별하기 위해, 위의 공식에 표시된 것은 "변형 웨버 지수"로 불린다는 것을 주의하여야 한다.
구체적으로 결정되지 않은 특성을 갖는 그리고/또는 압축기에 의해 공급될 수 있는 공기의 유량을 평가함에 있어서의 불확실성을 갖는, 즉 공기/연료 비가 완벽하게 측정되지 않은 가스 연료를 사용하여 수행된 터빈의 시동 단계는 다양한 문제를 야기할 수 있고, 그 중에서 이하의 것을 말할 수 있다:
연소 챔버 내의 공기/연료 혼합물의 화염가능성 상태를 제어함에 있어서의 어려움으로 인한 터빈의 점화 실패,
점화 단계에서 생성된 열의 결과로서 모터 내측에서의 그리고/또는 배출 덕트의 폭발 가능성 -심지어 관계가 적더라도- 으로 인한 터빈의 기계 부품에 대한 손상 및 조작자의 안전 문제.
지금까지, 터빈의 효과적이고 안전한 시동을 달성하는 유일한 가능성은 잘 알려진 특성 또는 혼합물 내의 공기/연료 비의 변화에 있어서의 아주 제한된 범위 내의 감소를 갖는 연료를 사용하는 것을 필요로 한다. 알려진 가스 터빈의 시동 방법이 예를 들어 미국 특허 제 6,062,016 호에 기술된다.
본 발명의 일반적인 목적은 따라서 가스 터빈의 효과적이고 안전한 시동을 가능하게 하는 방법으로서, 종래 기술의 전술된 문제를 극복하는 방법을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 혼합물 내의 공기/연료 비에 있어서의 변화의 경우에도 효과적인 점화를 달성하는 것이 항상 가능한 가스 터빈의 시동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 혼합물 내의 평균 공기/연료 비를 화염가능성 한계 아래로 유지하는 것이 가능하고, 기계 상에 설치된 안전 장치의 부분 상에서, 기계 자체의 배출 덕트 내에 존재하는 화염 소화 영역에서의 화염가능한 혼합물의 가능한 적은 양의 격리를 촉진하는 것이 가능한 가스 터빈의 시동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이들 목적은 청구항 1에 기재된 가스 터빈의 시동 방법을 제공하는 것에 의해 달성된다.
본 발명의 추가의 특징이 본 명세서의 일부분을 이루는 종속항에 기재된다.
본 발명의 가스 터빈의 시동 방법에 따르면, 특히 혼합물 내의 공기/연료 비에 있어서의 변화의 경우에도 효과적인 점화를 달성하는 것이 항상 가능하다.
본 발명에 따라 수행된 가스 터빈의 시동 방법의 특징 및 이점이 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 이하의 예시적이고 비제한적인 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 시동 방법이 적용될 수 있는 가스 터빈의 개략도,
도 2는 도 1의 터빈에 사용된 소정 가스 연료의 가상의 저발열량에 있어서의 시간과 관련한 변화를 보여주는 다이어그램,
도 3은 도 1의 터빈에 사용된 소정 가스 연료의 가상의 비중량의 시간과 관련한 변화를 보여주는 다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 시동 방법의 다양한 적용 단계에 있어서의 도 1의 터빈의 활용 지수를 보여주는 다이어그램,
도 5는 본 발명에 따른 터빈의 시동 방법의 다양한 적용 단계에 있어서 라이트 오프(light off) 상태 하의 열 소모를 보여주는 다이어그램,
도 6 내지 도 10은 시간과 관련하여 측정된 몇몇 실험 파라미터를 나타내는 것으로서, 본 발명에 따른 터빈의 시동 방법의 유효성을 보여주는 도면.
도 1을 참조하면, 도 1은 입구 덕트(12)를 통해 내부에 도입된 공기를 압축할 수 있는 압축기(10)를 포함하는 일반적인 가스 터빈을 개략적으로 도시한다. 압축된 공기는 그 다음에 연소기(14)로 보내져 공급 덕트(16)로부터 공급된 상이한 웨버 지수(Wobbe index)를 갖는 일련의 가스 연료로부터 선택된 가스 연료와 혼합된다. 연소는 가스의 온도, 속도 및 유동 체적 그리고 따라서 내부에 포함된 에너지를 상승시킨다. 연소된 가스의 상기 유동은 예를 들어 샤프트(24)에 의해 터빈(20) 자체에 연결된 제너레이터(22)와 같은 작동 기계를 작동시키기 위해 이용될 수 있는 일 에너지로 에너지를 변환하는 터빈(20)을 향해 덕트(18)를 통해 지향된다. 터빈(20)은 또한 관련 샤프트(26)를 통해 압축기(10)를 작동시키기 위해 필요한 에너지를 공급하는 반면, 배출 가스가 터빈(20)으로부터 출구 덕트(28)를 통해 분출된다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈의 시동 방법은 먼저 터빈(20)이 퍼징 속도로 회전하는 동안 수행되는 배출 덕트(28)의 예비 퍼징 사이클을 포함한다. 알려진 바와 같이, "퍼징"은 관련 버너 라인이 사용 중이지 않을 때 가스 연료의 공급 덕트의 주기적인 클리닝 작업을 말한다. 퍼징 단계의 끝에, 라이트 오프(light off) 단계가 수행되고, 연소기(14)의 입구에서의 가스 연료의 유동은, 일반적인 가스 터빈에서 알려진 절차에 따라 공급 덕트(16)를 충전하고 제 1 점화 시도를 수행하기에 충분한 시간 기간 동안, 상이한 가스 연료로 얻어질 수 있는 것들 중에서 가장 풍부한(richest) 공기/연료 혼합물을 점화하기에 충분한 제 1의 사전결정된 최소값(FSR1)으로 설정된다.
이때, 만약 혼합물의 점화가 일어나지 않으면, 배출 덕트(28)의 중간 퍼징 사이클이 수행되며, 연소기(14)에의 연료의 유동을 차단한다. 연소기(14) 내로 들어가는 가스 연료의 유동은 그 다음에 제 1의 사전결정된 최소값(FSR1)보다 높은 제 2의 사전결정된 값(FSR2)으로 설정되고, 공기/연료 혼합물의 추가의 짧은 점화 시도를 수행하기에 충분한 시간 동안 유지된다. 점화 실패의 경우, 배출 덕트(28)의 추가 퍼징 사이클이 수행될 것이다.
전술된 시퀀스(sequence)가, 공기/연료 혼합물의 연소가 수행될 때까지 또는 상기 연료 유동의 사전결정된 최대값(FSR최대)에 도달할 때까지, 가스 연료의 유동의 값(FSRn)의 연속적인 증가와 함께 반복된다. 만약 이 마지막 가정이 확인되면, 즉 그동안 터빈(20)을 작동시키는 것이 가능하지 않은 경우, 터빈(20)이 특히 감소된 사전규정된 회전 상태[기술 용어 "크랭크 속도(crank speed)"로 정의됨]로 된 후에, 기계를 정지하고 점화 단계의 시퀀스로 어쩌면 있을 수 있는 재시동 전에, 최종 퍼징 사이클이 수행되어야 한다.
보다 구체적으로, 도 2 내지 도 5를 참조하면, 이들 도면은 본 발명에 따른 방법을 사용한 터빈의 예시적인 점화 시퀀스를 도시한다. 도 2의 다이어그램에서, LHV는 터빈에 사용된 소정 가스 연료의 저발열량(loewr heat value)을 나타낸다. 저발열량(LHV)은 최대값(LHV최대)으로부터 최소값(LHV최소)까지 변하고, 최대값(LHV최대)은 사용된 것 중에서 가장 풍부한(richest) 가스 연료의 저발열량에 대응한다. 최소값(LHV최소)은 반면 터빈의 기구류에 의해, 예를 들어 열량계에 의해 측정된 저발열량과 터빈의 시동 동안 안전한 것으로 고려되는 가장 불충분한(poorest) 가스 연료의 저발열량의 최소값 사이의 최대값으로서 계산된다. 만약 가스의 발열량을 측정 또는 평가하기 위해 이용 가능한 장치가 없는 경우, LHV열량계 값은 제로(zero)로서 고려될 수 있다. 실제로:
LHV최소 = 최대(LHV열량계, LHV불충분한 가스)
도 3의 다이어그램에서, SG는 터빈에 사용된 소정 가스 연료의 비중량을 나타낸다. 전술된 것과 유사하게, 비중량값(specific weight value)(SG)은 최대값(SG최대)으로부터 최소값(SG최소)까지 변하고, 최소값(SG최소)은 사용된 것 중에서 가장 풍부한 가스 연료의 비중량에 대응한다. 최대값(SG최대)은 반면 터빈의 시동 동안 안전한 것으로 고려되는 가스 연료의 비중량의 최소값으로서 계산되고, 다음과 같다.
SG최대 = 최소(SG열량계, SG불충분한 가스)
저발열량(LHV)의 경우에서와 같이, 만약 비중량(SG)을 측정 또는 평가하기 위해 이용가능한 장치가 없는 경우, SG열량계 값은 제로로 고려될 수 있다.
도 5는 도 4의 활용지수 MDCSW와 서로 관련된 라이트 오프 상태 하의 기준 열 소모를 도시한다. 이 도면에서, MDCSW = 1일 때 점화 시스템이 작동되는 반면, MDCSW = 0일 때 점화 시스템이 비작동된다.
이것을 고려하면, 시간(ti)과 관련하여 그리고 도 2 내지 도 5를 참조하여 가스 터빈의 전형적인 시동 단계는 다음과 같이 요약될 수 있다.
시간(t0) :
배출 덕트(28)의 예비 퍼징 단계가 완료된다. 터빈은 라이트 오프 회전 속도로 된다. 이 단계에서;
MDSCW = 0
LHV = LHV최대
SG = SG최소
시간(t1) :
터빈은 라이트 오프 회전 속도에 있고, 점화 시스템이 작동되며, 안전 벤트(safety vent)가 개방된다. 이 단계에서:
MDSCW = 1
LHV = LHV최대
SG = SG최소
시간(t2) :
점화는 일어나지 않았다. 배출 덕트(28)의 중간 퍼징 단계가 수행된다. 점화 시스템은 비작동되며, 안전 벤트가 폐쇄된다. 이 단계에서:
MDSCW = 0
LHV = LHV감소
SG = SG증가
시간(t3) :
배출 덕트(28)의 중간 퍼징 단계가 정지된다. 가스 연료의 공급이 재시작되고, 점화 시스템이 작동되며, 안전 벤트가 개방된다. 이 단계에서:
MDSCW = 1
LHV = LHV감소
SG = SG증가
시간(t4) :
점화가 실패했다. 배출 덕트(28)의 새로운 중간 퍼징 단계가 수행된다. 점화 시스템이 비작동되며, 안전 벤트가 폐쇄된다. 이 단계에서:
MDSCW = 0
LHV = LHV감소
SG = SG증가
만약 임의의 소정 시간(t8)에서 터빈의 시동이 일어나지 않으면, 라이트 오프 시퀀스가 종료된다. 기계의 완전한 퍼징 단계가 따라서 기계의 완전한 정지 전에 수행된다.
한편, 소정 시간(ti)에서 공기/연료 혼합물이 점화되었다고 가정하면, 터빈의 가열 단계가 시작될 수 있다. 가스의 현재의 저발열량(LHV) 및 비중량값(SG)이 기계의 논리에 의해 시동 시퀀스를 위한 값으로서 설정된다. 라이트 오프 시퀀스가 종료되고, 전체 체제에서 기능 속도에 도달될 때까지 기계는 가열 및 차후의 가속 준비가 된다.
도 6 내지 도 10은 작동 중인 가스 터빈의 "블랭크(blank)" 시동 시험 동안 얻어진, 시간과 관련하여 측정된 다양한 실험 파라미터를 예시한다. 특히 풍부한 가스 연료를 사용하여, 점화가 라이트 오프 시퀀스의 초기 단계에서 확인된 반면, 불충분한 연료 점화는 마지막 단계에서만 발생하였으나, 항상 원하는 안전 상태를 완전히 존중하는 것이 관찰되었다.
본 발명에 따른 가스 터빈의 시동 방법이 전술된 목적을 달성하고 다음의 이점을 얻는다는 것을 따라서 알 수 있다.
가스 연료의 상이한 조성으로 터빈을 작동시키는 가능성,
효과적이고 안전한 시동 시퀀스,
가스 연료의 조성이 터빈의 시동을 수행하기 위해 가져야 할, 공지된 타입의 적용예에 관한 더 적은 요건.
따라서 고안된 본 발명의 가스 터빈의 시동 방법은 어떠한 경우에도 수많은 변경 및 변화가 행해질 수 있고, 모든 변경 및 변화는 동일한 본 발명의 개념에 포함된다. 본 발명의 보호 범위는 따라서 첨부된 청구의 범위에 의해 규정된다.
10 : 압축기 12 : 입구 덕트
14 : 연소기 16 : 공급 덕트
20 : 터빈 28 : 배출 덕트

Claims (7)

  1. 입구 덕트(12)를 통해 내부에 도입된 공기를 압축하는 적어도 하나의 압축기(10)와, 압축 공기를 공급 덕트(16)로부터 공급된 가스 연료와 혼합하여 연소시키는 적어도 하나의 연소기(14)와, 상기 연소기(14)로부터 공급된 연소 가스의 에너지를 일 에너지로 변환하는 적어도 하나의 터빈(20)을 포함하는 타입의 가스 터빈의 시동 방법에 있어서,
    a) 상기 연소기(14) 내로 들어가는 연료 유동의 사전결정된 최소값(FSR1)을 설정하고 제 1 점화 시도를 수행하는 단계로서, 상기 사전결정된 최소값(FSR1)은 가스 연료들의 사전결정된 그룹 중에서 가장 풍부한(richest) 공기/연료 혼합물을 점화하기에 충분한 값을 선택함으로써 설정되는, 상기 단계와,
    b) 상기 연소기(14) 내로 들어가는 상기 연료 유동의 값(FSRn)을 점차 증가시키고, 공기/연료 혼합물의 완전 점화 및 그에 따른 상기 터빈(20)의 시동 때까지 또는 상기 연료 유동의 사전결정된 최대값(FSR최대)에 도달될 때까지, 추가의 점화 시도를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 b)에서, 상기 연료 유동의 상기 값(FSRn)의 증가, 임의의 증가 또는 각 증가 전에 상기 연소기(14)에의 가스 연료의 유동을 차단한 상태에서, 상기 터빈(20)의 배출 덕트(28)의 중간 퍼징 사이클이 수행되는
    가스 터빈의 시동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 a) 전에, 상기 터빈(20)의 배출 덕트(28)의 예비 퍼징 사이클이 수행되는
    가스 터빈의 시동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 예비 퍼징 사이클은 상기 터빈(20)이 퍼징 속도 또는 라이트 오프 속도(light off rate)로 회전하는 동안 수행되는
    가스 터빈의 시동 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 b) 후에, 상기 연료 유동의 상기 사전결정된 최대값(FSR최대)에 도달될 때 상기 공기/연료 혼합물의 점화 실패의 경우에, 상기 터빈(20)이 사전규정된 회전 체제로 된 후에 그리고 점화 단계의 순서에 따라 재시동하기 위해 상기 터빈(20)을 정지시키기 전에 수행되도록, 상기 터빈(20)의 최종 퍼징 사이클이 수행되는
    가스 터빈의 시동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈(20)이 회전하는 동안의 퍼징 사이클을 또한 포함하는
    가스 터빈의 시동 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 연료는 상이한 웨버 지수(Wobbe index)를 갖는 복수의 가스 연료로부터 선택된
    가스 터빈의 시동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연소기(14) 내로 들어가는 가스 연료의 유동의 상기 사전결정된 최소값(FSR1)이 상이한 웨버 지수를 갖는 상기 복수의 가스 연료로 얻을 수 있는 것 중에서 가장 풍부한(richest) 공기/연료 혼합물을 점화하기에 충분한
    가스 터빈의 시동 방법.
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