KR20150128591A - 열 통합형 공기 분리 유닛을 갖는 순산소 보일러 발전소 - Google Patents

열 통합형 공기 분리 유닛을 갖는 순산소 보일러 발전소 Download PDF

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Abstract

공기 분리 유닛을 석탄 연소 순산소 보일러 발전소 안으로 열적으로 통합하기 위한 구성이 제공된다. 공기 분리 유닛은 건조 가열기(5)를 구비한 건조기를 구비하고 추출 라인(4)은 증기 추출 포트(2)를 건조 가열기(5)에 연결한다. 상기 건조 가열기(5)의 배수 라인(8)은 재생 가열기를 응축물 시스템 내의 랜킨 증기 사이클의 지점에 유체적으로 연결한다.

Description

열 통합형 공기 분리 유닛을 갖는 순산소 보일러 발전소{OXY BOILER POWER PLANT WITH A HEAT INTEGRATED AIR SEPARATION UNIT}
본원은 일반적으로 석탄 연소 순산소 보일러 발전소에 적용된 열 통합 방식에 관한 것이며, 특히 이러한 플랜트 안으로의 공기 분리 유닛 열 통합에 관한 것이다.
석탄은 오늘날 세계적으로 전기 생산의 대부분의 비율에 기여하고 예측가능한 미래에서도 주요 몫을 유지할 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고, 상당한 환경적 압력으로 인하여 고효율을 요구할 뿐 아니라 CO2, SO2, NOx, 및 수은 방출 수준을 매우 낮은 수준으로 감소시키는 것을 요구하는 환경적 수요가 증가하고 있다.
특정 유리한 플랜트 장치는 CO2 포획을 갖는 순산소 연소 증기 플랜트를 사용한다. 순산소 연소 시스템은 1차 연료의 연소를 위하여 공기를 대신해서 대체로 공기 분리 유닛에서 생산된 산소를 사용한다. 산소는 적당한 수준에서 연소 연도를 유지하기 위하여 종종 재순환된 연도 가스와 같은 불활성 가스와 혼합된다. 순산소 연소 공정은 그 주요 성분으로서 통상적으로 CO2, 물과 O2를 갖는 가스를 생산하고 CO2 농도는 통상적으로 약 70 용적%보다 높다. 따라서, 순산소 연소 공정의 연도 가스로부터 CO2 포획은 가스 처리 유닛에서 비교적 단순하게 행해질 수 있다.
고효율 순산소 연소 증기 플랜트의 통상적인 수증기 사이클의 예는 도 1에 도시된다. 플랜트는 보일러(142)로부터 증기에 의해서 공급되는 3중 압력 직렬 재열 증기 터빈(HP,IP,LP)을 포함한다. 마지막 낮은 압력 증기 터빈(LP)으로부터의 배기 증기는 폐루프에서 보일러(142)로 반환되기 전에 직렬 저압 가열기(106,107,108,109,131), 급수 탱크(136) 및 고압 가열기(132)를 통해서 추출 펌프 제 2 스테이지(103)를 경유하여 연속적으로 폴리싱되고(104) 펌핑되기 이전에 응축기(102)에서 응축된다. 저압 및 고압 가열기들을 위한 열원은 통상적으로 저압/중간압 및 고압 증기 터빈들로부터 추출된 증기이다.
최고효율 사이클을 보장할 때 큰 장점으로 인하여, 증기 발전소 내에서 순산소 연소 포획 시스템의 열적 필요성 및 싱크를 통합하는 더욱 양호한 방법을 구할 필요성이 지속되고 있다. 이는 에너지가 폐기되지 않는 것을 보장하기 위하여 플랜트 사이클을 갖는 포획 시스템의 열적 필요성 및 싱크의 최적화를 요구한다. 특히, 이는 공기 분리 유닛을 응축물 사이클 안으로 통합하는 방법을 고려할 필요가 있다.
산소 공급 시스템과 연도 가스 CO2 포획 시스템 및 증기 사이클 발전소 구성을 갖는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소가 제공되고, 이 발전소는 가요성 플랜트 작동 및 개선된 전체 플랜트 열적 효율을 제공하기 위하여 시스템의 주요 열 발생 소스를 통합한다.
본원은 독립 청구항의 요지에 의해서 상기 문제점들을 처리하려고 시도한다. 유리한 실시예들은 종속 청구항에 주어진다.
본원은 공기 분리 유닛을 석탄 연소 순산소 보일러 발전소의 응축물 시스템 안으로 열적으로 통합하는 새로운 방식의 일반적 개념에 기초한다.
한 형태는 출구를 구비하고 증기를 팽창시키도록 구성된 고압 증기 터빈, 상기 고압 증기 터빈으로부터 증기를 팽창시키도록 구성되는 중간압 증기 터빈 및 증기 추출 포트를 구비하는 상기 중간압 증기 터빈으로부터 증기를 팽창시키도록 구성된 저압 증기 터빈을 구비하는 랜킨 사이클을 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소를 제공한다. 상기 사이클의 응축물 시스템은 상기 저압 증기 터빈으로부터 배기된 증기를 응축시키도록 구성된 응축기, 상기 응축기로부터 응축물을 받아서 연속적으로 가열하도록 구성되는 복수의 직렬 저압 가열기들, 상기 직렬 저압 가열기들로부터 응축물을 받도록 구성되고 배열된 급수 탱크, 및 상기 급수 탱크로부터 응축물을 받도록 구성된 직렬 고압 가열기들을 추가로 포함한다.
상기 순산소 보일러 발전소는 건조기와 건조 가열기를 갖는 건조기 재생기를 구비한 공기 분리 유닛을 추가로 포함하고, 추출 라인이 상기 증기 추출 포트를 상기 건조 가열기에 연결한다. 배수 라인이 상기 재생 가열기를 상기 직렬 저압 가열기 사이의 유체적인 랜킨 증기 사이클의 지점에 유체적으로 연결한다.
한 형태에서, 상기 중간압 증기 터빈은 다중 스테이지 중간압 증기 터빈이고 상기 증기 추출 포트는 상기 중간압 증기 터빈의 중간 스테이지로부터 증기를 추출하도록 구성되고 배열된다.
한 형태에서, 비상 라인이 상기 배수 라인과 상기 응축기에 연결된다.
한 형태에서, 냉각 재열 라인이 제 1 단부에서 상기 고압 증기 터빈에 연결되고 제 2 단부에서 상기 추출 라인에 연결된다.
추가 형태에서, 상기 냉각 재열 라인은 제어 밸브를 포함한다.
본 발명의 추가 목적은 종래 기술의 단점 및 결핍사항을 극복하거나 또는 적어도 개선하거나 또는 유용한 대안 수단을 제공하는 것이다.
본원의 다른 형태 및 장점들은 예를 통해서 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 첨부된 도면과 연계하여 하기 설명에서 더욱 명확해질 것이다.
예를 통해서, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 하기에 더욱 충분히 기술된다.
도 1은 예시적인 실시예가 적용되는 종래 기술의 석탄 연소 순산소 보일러 발전소의 개략도이다.
도 2는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소 안으로 공기 분리 유닛 건조기를 열 통합한 구성의 개략도이다.
도 3은 도 2의 열 통합 시스템의 개략도로서, 응축물 시스템 안으로 통하는 대안 배수 라인이 도시된 도면이다.
도 4는 도 2의 다른 열 통합 시스템의 개략도로서, 응축물 시스템 안으로 통하는 추가 대안 배수 라인이 도시된 도면이다.
본 발명의 예시적인 실시예는 도면을 참조하여 하기에 기술되며, 유사 요소에 대해서는 유사 도면부호를 사용한다. 하기 설명에서, 설명의 목적을 위하여, 본원의 철저한 이해를 제공하기 위하여 다수의 특정 상세사항이 설명된다. 그러나, 본원은 이들 특정 상세사항 없이도 실시될 수 있고, 본원에 개시된 예시적인 실시예에 국한되지 않는다.
본 명세서에 걸쳐 직렬 유닛들에 대해서 부호가 지정된다. 본문에서, 직렬 수단은 정상 작동 중에 유닛을 통하여 작용 유체의 공칭 유동에 의해서 규정된 바와 같이 상류 단부로부터 개시되어 일렬로 배열된다.
도 1에 도시된 석탄 연소 순산소 보일러 발전소에 적용될 수 있는 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 공기 분리 유닛 건조기 재생기에 대한 열 공급을 위한 증기 추출 장치와 응축물 반환 구성이 제공된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소는 출구(16)를 구비하고 증기를 팽창시키도록 구성된 고압 증기 터빈(HP), 상기 고압 증기 터빈(HP)으로부터 증기를 팽창시키도록 구성되고 증기 추출 포트(2)를 구비한 중간압 증기 터빈(1) 및 상기 중간압 증기 터빈(1)으로부터 증기를 팽창시키도록 구성된 저압 증기 터빈(LP)을 구비하는 랜킨 사이클을 포함한다. 저압 증기 터빈(LP) 배기부에 연결된 응축기(15)는 응축물 시스템의 제 1 요소로서 배기된 증기를 응축시킨다. 응축기(15)로부터, 응축물은 응축물이 연속적으로 가열되는 직렬 저압 가열기들(24,25,11,12,20)을 연속적으로 통과한다. 저압 가열기들(24,25,11,12,20)로부터의 응축물은 응축물 시스템의 다음 요소를 형성하는 급수 탱크에서 유동한다. 급수 탱크(23)로부터의 응축물은 응축물 시스템의 마지막 요소, 직렬 고압 가열기들(22) 안으로 지향된다.
순산소 보일러 발전소는 건조 가열기(5)를 갖는 건조기를 구비한 공기 분리 유닛을 추가로 포함하고, 추출 라인(4)이 상기 증기 추출 포트(2)를 상기 건조 가열기(5)에 연결한다. 배수 라인(8)이 상기 건조 가열기(5)를 응축물 시스템에 유체적으로 연결한다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 증기는 중간압 증기 터빈(1)으로부터, 양호하게는 통상적으로 직렬 고압 가열기들(22)의 적어도 하나에 대한 열원으로서 사용되는 다중 스테이지 중간압 증기 터빈의 중간 스테이지로부터 취해진, 추출 포트(2)로부터 추출된다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 추출 시스템은 추출 라인(4)을 경유하여 공기 분리 유닛의 건조 가열기(5)에 경로설정(route)된다. 건조 가열기(5)는 공기 분리 유닛 건조기 재생 시스템의 일부를 형성한다. 증기 압력은 추출 라인(4)에 위치한 추출 제어 밸브(6)에 의해서 통상적으로 대략 19.5 바아로 제어된다. 추출 시스템의 온도에 따라서 탈과열기(7)는 건조 가열기(5)의 상류에 있는 추출 라인(4)에 추가적으로 위치할 수 있다. 공기 분리 유닛 건조기가 분자체(molecular sieve) 기술에 기초할 때, 이는 대략 200℃의 질소 가열 온도를 보장함으로써 최적의 재생 온도를 가능하게 한다. 추출 증기의 압력이 부적절한 부분 부하 또는 오프 디자인 조건들에 대해서, 도 2에 도시된 냉각 재열 재생 증기 라인(18)이 사용된다. 이러한 냉각 재열 재생 증기 라인(18)은 고압 터빈 출구(16)를 추출 라인(4)에 연결하고 대안 증기 소스를 중간압 증기 터빈 추출 포트(2)에 제공하기 위하여 적당한 밸브와 함께 구성된다. 작동 모드 중에 열교환기에 대한 냉각 재열 및 압력 제어부의 적당한 사용을 보장하기 위하여, 냉각 재열 재생 증기 라인(18)이 건조 가열기(5)에 증기를 제공하도록 사용될 때, 재생 증기 제어 밸브(19)는 냉각 재열 재생 증기 라인(18)에 위치할 수 있다.
건조 가열기(5)로부터, 배수 라인(8)은 건조 가열기(5)에 형성된 응축물을 응축물 탱크(9)로 지향시키고, 응축물은 상기 응축물 탱크로부터 응축물 펌프(10)에 의해서 다시 응축물 시스템 안으로 펌핑된다. 응축물 펌프(10)의 하류에 있는 배수 라인(8)에 위치한 응축물 제어 밸브(13)는 응축물 탱크(9)에 수위 제어부를 제공한다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 응축물은 제 4 직렬 저압 가열기(12)와 제 5 직렬 저압 가열기(20) 사이에 있는 응축물 시스템으로 다시 펌핑된다. 도 3에 도시된 대안 또는 추가 예시적인 실시예에서, 응축물은 제 5 직렬 저압 가열기들(20)과 급수 탱크(23) 사이의 지점의 응축물 시스템으로 다시 펌핑된다. 도 4에 도시된 추가 예시적인 실시예에서, 응축물은 급수 탱크(23)으로 다시 펌핑된다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 비상 라인(14)이 배수 라인(8)을 응축기(15)에 연결한다. 이 라인은 평상시에는 폐쇄된다.
본원은 가장 실용적인 예시적 실시예에서 예상되는 것을 제시하고 기술하였지만, 당업자는 본원이 다른 특정 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 단수형태로 열교환기들을 포함하는 여러 시스템을 참조하여 기술된다. 예시적인 실시예는 또한 응축물 공급 및 복귀 라인들과 평행하게 또는 일렬로 배열된 다수의 열교환기들을 포함하는 시스템에 적용될 수 있다. 따라서, 본원에 개시된 실시예들은 예시적이고 제한적이지 않은 것으로 고려된다. 본원의 범주는 상술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해서 한정되고 의미, 범주 및 동등물 내에 있는 모든 변형들은 본원에 포함되는 것으로 의도된다.
1 중간압 터빈
2 추출 포트
4 추출 라인
5 건조 가열기
6 제어 밸브
7 탈과열기
8 배수 라인
9 응축물 탱크
10 응축물 펌프
11 저압 가열기 #3
12 저압 가열기 #4
13 배수 제어 밸브
14 비상 라인
15 응축기
16 고압 증기 터빈 출구
18 냉각 재열 재생 증기 라인
19 재생 증기 제어 밸브
20 저압 가열기 #5
22 직렬 고압 가열기들
23 급수 탱크
24 저압 가열기 #1
25 저압 가열기 #2
101 응축기 추출 펌프 제 1 스테이지
102 응축기
103 응축기 추출 펌프 제 2 스테이지
104 응축물 폴리싱 플랜트
106 직렬 저압 가열기 #1
107 직렬 저압 가열기 #2
108 직렬 저압 가열기 #3
109 직렬 저압 가열기 #4
131 직렬 저압 가열기 #5
132 직렬 고압 가열기
136 급수 탱크
142 보일러
HP 고압 증기 터빈
IP 중간압 증기 터빈
LP 저압 증기 터빈

Claims (15)

  1. 랜킨(Rankine) 증기 사이클을 포함하는 석탄 연소 순산소 보일러 발전소에 있어서,
    출구를 구비하고 증기를 팽창시키도록 구성된 고압 증기 터빈;
    상기 고압 증기 터빈으로부터 증기를 팽창시키도록 구성되고 증기 추출 포트를 구비하는 중간압 증기 터빈;
    상기 중간압 증기 터빈으로부터 증기를 팽창시키도록 구성된 저압 증기 터빈; 및
    응축물 시스템을 구비하고, 상기 응축물 시스템은:
    상기 저압 증기 터빈으로부터 배기된 증기를 응축시키도록 구성된 응축기;
    응축물 유동 방향에 기초하여 연속적인 순서로 배열되고 번호지정되며, 상기 응축기로부터 응축물을 받아서 연속적으로 가열하도록 구성되는 복수의 직렬 저압 가열기들;
    상기 직렬 저압 가열기들로부터 응축물을 받도록 구성되고 배열된 급수 탱크; 및
    상기 급수 탱크로부터 응축물을 받도록 구성된 직렬 고압 가열기들을 포함하고,
    상기 순산소 보일러 발전소는 공기 분리 유닛의 건조기에서 사용하기 위하여 재생 유체를 가열하도록 구성된 건조 가열기를 구비한 상기 공기 분리 유닛을 추가로 포함하고, 추출 라인이 상기 증기 추출 포트를 상기 건조 가열기에 연결하고, 배수 라인이 상기 건조 가열기를 상기 응축물 시스템에 유체적으로 연결하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 제 5 직렬 저압 가열기들과 상기 급수 탱크 사이의 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결되는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 상기 급수 탱크에서 상기 응축물 시스템에 연결되는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 상기 직렬 저압 가열기들 사이에 있는 상기 응축물 시스템에 연결되는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 제 4 직렬 저압 가열기들과 제 5 직렬 저압 가열기들 사이의 지점에서 상기 응축물 시스템에 연결되는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 응축물 탱크를 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 상기 응축물 탱크의 하류에 있는 응축물 펌프를 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배수 라인은 상기 응축물 탱크에 수위 제어부를 제공하도록 구성된 상기 응축물 펌프의 하류에 있는 응축물 제어 밸브를 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 라인에 위치한 추출 제어 밸브를 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    제 1 단부를 상기 출구에 연결하고 제 2 단부를 상기 추출 라인에 연결한 냉각 재열 재생 증기 라인을 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 라인에 있는 증기로부터 과열을 제거하도록 구성된 상기 추출 라인에 있는 탈과열기를 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제 1 단부를 상기 출구에 연결하고 제 2 단부를 상기 추출 라인에 연결한 냉각 재열 재생 증기 라인을 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각 재열 재생 증기 라인은 재생 증기 제어 밸브를 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간압 증기 터빈은 다중 스테이지 중간압 증기 터빈이고 상기 증기 추출 포트는 상기 중간압 증기 터빈의 중간 스테이지로부터 증기를 추출하도록 구성되고 배열되는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 라인과 상기 응축기에 연결된 비상 라인을 추가로 포함하는, 석탄 연소 순산소 보일러 발전소.
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