KR20160023658A - 희석 가스에 의한 순차적 연소 - Google Patents

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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 작동 중에 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스들에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기(117), 제 2 버너(113) 및 유체 유동 연결부에 순차적으로 배열된 제 2 연소 챔버(102)를 포함하는 순차 연소기 장치(104)에 관한 것이다. 상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 상기 고온 연도 가스들을 냉각시키도록 상기 희석 가스와 혼합하기 위하여 상기 혼합기(117)의 측벽들(119)로부터 내향으로 지향되는 적어도 3개 그룹들의 분사 튜브들(114,115,116)을 포함한다. 제 1 그룹의 제 1 분사 튜브들(114)은 제 1 돌출 깊이(I1)를 가지며, 제 2 그룹의 제 2 분사 튜브들(115)은 제 2 돌출 깊이(I2)를 가지며, 제 3 그룹의 제 3 분사 튜브들(116)은 제 3 돌출 깊이(I3)를 갖는다. 본원은 또한 가스 터빈(100)과 이러한 순차 연소기 장치(104)를 갖는 가스 터빈(100)을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

희석 가스에 의한 순차적 연소{SEQUENTIAL COMBUSTION WITH DILUTION GAS}
본 발명은 희석 가스를 연소기 장치 안으로 혼합하는, 가스 터빈용 순차적 연소기 장치에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 희석 가스를 연소기 장치 안으로 혼합하는, 가스 터빈의 작동 방법에 관한 것이다.
풍력 또는 태양광과 같은 불안정한 재생 소스에 의한 발전량의 증가로 인하여, 기존의 가스 터빈 기반의 발전소들은 전력 수요량에 균형을 맞추고 그리드를 안정화하기 위하여 사용이 증가하고 있다. 따라서, 개선된 작동 가요성이 요구된다. 이는 가스 터빈들이 종종 기본 부하 설계점 즉, 낮은 연소기 입구 및 발화 온도보다 낮은 부하에서 작동한다는 것을 의미한다.
동시에, 방출물 제한값과 전체 방출물 허용값은 더욱 엄격해져서, 누적 방출 제한값들을 계수하기 때문에, 낮은 방출값에서 작동하고, 부분 부하 작동에서 그리고 일시적으로 낮은 방출을 유지하는 것이 필요하다.
초기 기술의 연소 시스템은 예를 들어 압축기 유입 질량 유동을 조정하거나 또는 다른 버너들, 연료 스테이지들 또는 연소기들 중에서 분할 연료들을 제어함으로써 작동 조건에서 임의의 가변성에 대처하도록 설계된다.
방출 및 작동 가변성을 더욱 감소시키기 위하여 순차 연소가 DE 10312971 A1에 제안되었다. 작동 조건, 특히 제 1 연소 챔버의 높은 가스 온도에 따라서, 고온 가스들을 제 2 버너(또한 소위 순차 버너)로 인가되기 전에 냉각시키는 것이 필요할 수 있다. 이러한 냉각은 연료 분사를 허용하고 제 2 버너에서 제 1 연소기의 고온 연도 가스들과 함께 분사된 연료의 예혼합을 허용하는데 유리할 수 있다.
종래의 냉각 방법은 주요 고온 가스 유동에서 큰 압력 강하를 유도하거나 또는 측벽으로부터 냉각 매체의 분사를 제안하는 열교환기 구조를 필요로 한다. 측벽으로부터 냉각 매체의 분사를 위하여, 이러한 연소기 장치로 작동하는 가스 터빈의 효율에 치명적인 큰 압력 강하가 요구되고 전체 유동의 냉각 제어가 어렵다.
본 발명의 목적은 제 1 연소 챔버와 제 2 버너 사이에서 희석 가스 혼합을 위한 혼합 섹션을 갖는 순차 연소기 장치를 제안하는 것이다. 희석 가스는 제 2 버너에 대한 적당한 유입 유동 조건을 제공하기 위하여 혼합 섹션에서 혼합된다. 특히, 고온 가스들은 미리 결정된 온도 프로파일로 냉각된다.
높은 지역적 입구 온도들은 결과적으로 높은 방출물[특히, NOx, CO, 및 미연소 탄화수소) 및/또는 제 2 버너에서 플래쉬백을 발생시킬 수 있다. 플래쉬백 및 NOx는 높은 입구 가스 온도 또는 높은 산소 농도로 인하여 분사된 연료에 대한 감소된 자체 점화 시간에 의해서 유도되고, 이는 이른 점화를 유발(플래쉬백을 유도하고)하거나 또는 연료 공기 혼합에 대한 시간 감소를 유발하여 결과적으로 연소 중에 지역적 열점들을 발생시키고 결과적으로 NOx 방출물을 증가시킨다. 낮은 온도 영역들은 자체 점화 시간의 증가로 인하여 CO 방출물을 발생시킬 수 있다. 이는 CO에서 CO2로의 연소 시간을 감소시키고 감소된 지역적 화염 온도는 CO에서 CO2로의 연소를 추가로 느리게 할 수 있다. 결국, 지역적 열점들은 혼합기의 하류에 있는 임의의 부품들의 과열을 유발할 수 있다.
본원에 따른 순차 연소기 장치는 유체 유동 연결부에 순차적으로 배열되는, 제 1 버너, 제 1 연소 챔버, 작동 중에 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 가스들에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제 2 버너 및 제 2 연소 챔버를 포함하고, 상기 혼합기는 상기 제 1 연소 챔버와 덕트를 포함하는 상기 제 2 버너 사이에서 연장되는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스들을 안내하도록 구성되고, 상기 덕트는 상기 제 1 연소 챔버에 연결되도록 구성된 상류 단부의 입구와, 상기 제 2 버너에 연결되도록 구성된 하류 단부의 출구를 구비한다.
지역적 높은 산소 농도는 지역적 고온으로서 유사 영향, 예를 들어, 혼합 시간, 높은 연소 온도, 증가한 NOx 방출물 및 가능한 플래쉬백을 감소시키는 신속한 반응을 가진다. 지역적 낮은 산소 농도는 지역적 저온과 같은 유사 영향, 예를 들어 증가한 CO 및 UHC(미연소 탄화수소) 방출을 유도하는 느린 반응을 가질 수 있다.
높은 또는 낮은 지역적 유입 속도는 제 2 버너 및 후속 제 2 연소 챔버에서 증가 또는 감소한 잔류 시간을 유도하고, 이는 비균일 자체 점화 시간과 유사한 부정적 영향을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 버너에서 감소된 잔류 시간은 불완전 혼합 및 높은 NOx를 유도할 수 있다. 제 2 연소기에서 감소된 잔류 시간은 불완전 연소를 유도하여 결과적으로 증가한 CO 방출물을 유발한다. 제 2 버너에서 감소된 유동 속도는 조기 점화 및 플래쉬 백을 유도할 수 있다.
유체동력학적 관점으로부터 추가의 중요한 요구사항은 고온 가스 경로 및 희석 가스 공급부에서 압력 손실이 최소화되는 것이다. 양자 모두는 순차 연소기 장치에 의해 작동하는 가스 터빈의 성능에 영향을 미칠 수 있다.
혼합기는 제 2 버너에 적당한 입구 조건을 제공하도록 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 연도 가스들을 냉각시키기 위하여 희석 가스를 혼합시키 위해 덕트의 벽들로부터 내향으로 지향되는 복수의 분사 튜브들(또한 소위 분사 파이프)를 포함한다.
상기 튜브들의 직경, 길이 및 수는 필요한 지역적 질량 유동 및 온도 강하가 낮은 압력 강하에 의해서 달성되도록 고온 가스 유동 안으로 희석 가스를 혼합시키도록 설계된다. 통상적으로, 분사 튜브들은 혼합 전에 희석 가스의 전체 압력의 0.4% 내지 2%의 압력 강하와 희석 가스의 혼합을 허용한다. 분사기 튜브들의 입구에서 낮은 압력 강하 상태에서, 혼합 전에 희석 가스 압력의 전체 압력의 0.2% 내지 1%의 압력 강하는 충분할 수 있다. 입구 압력 강하를 감소시키기 위하여, 둥근 튜브 입구들이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른, 상기 순차 연소기 장치는 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 상기 고온 연도 가스들을 냉각시키도록 상기 희석 가스와 혼합하기 위하여 상기 혼합기의 측벽들로부터 내향으로 지향되는 적어도 3개 그룹들의 분사 튜브들을 포함한다. 각 그룹의 상기 분사 튜브들은 상기 혼합기의 측벽을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되고 제 1 그룹의 제 1 분사 튜브들은 고온 가스 유동 경로 안으로의 제 1 돌출 깊이를 가지며, 제 2 그룹의 제 2 분사 튜브들은 제 2 돌출 깊이를 가지며, 제 3 그룹의 제 3 분사 튜브들은 제 3 돌출 깊이를 갖는다.
상기 측벽에 직각으로 배열된 튜브들에 대해서, 상기 고온 가스 경로 안으로 연장되는 튜브들의 길이는 돌출 길이와 동일하다.
순차 연소기 장치의 다른 실시예에 따라서, 상기 제 1 분사 튜브의 중심 지점과 상기 제 2 분사 튜브의 중심 지점 사이의 유동 방향의 거리는 상기 제 1 분사 튜브의 직경의 0.1 내지 2 배이다.
또다른 실시예에 따라서, 상기 제 2 분사 튜브의 중심 지점과 상기 제 3 분사 튜브의 중심 지점 사이의 유동 방향의 거리는 상기 제 2 분사 튜브의 직경의 0.1 내지 2 배이다.
통상적으로, 2개의 이웃하는 그룹들의 분사 튜브들은 서로의 하류에 직접 배열되지 않고 원주방향으로 오프셋되므로, 분사 튜브들의 직경보다 작은 축방향의 거리가 가능해진다.
상기 순차 연소기 장치의 일 실시예에 따라서, 상기 덕트벽은 적어도 부분적으로 분산 냉각된다. 희석 가스의 혼합으로 인하여, 상기 혼합기에서 고온 가스의 평균 온도는 분사 튜브들의 하류에서 감소된다. 통상적으로, 감소된 냉각 요구조건 및 작은 분산 냉각이 기대된다. 그러나, 지역적으로 증가한 난류로 인하여, 분사 튜브의 하류에 있는 측벽 상의 열 부하는 증가할 수 있다. 따라서, 각각의 제 1 분사 튜브의 하류에 있고 후속 제 3 분사 튜브의 배열의 상류에 있는 제 1 분산 냉각 영역들에서, 단위 면적당 분산 냉각 구멍들의 수는 증가할 수 있다. 이는 예를 들어, 상기 제 1 분사 튜브의 상류로 연장되는 제 2 영역에서의 단위 면적당 분산 냉각 구멍들의 수보다 적어도 30% 크다. 통상적으로, 제 2 영역은 제 1 분사 튜브의 상류에 있는 제 1 분사 튜브의 1 내지 3개의 직경들에 대해서 연장된다.
최종 분사 튜브의 하류에는, 고온 가스 온도는 분산 냉각이 요구되지 않거나 또는 다른 냉각 방법이 적용되는 수준으로 감소될 수 있다. 따라서, 분산 냉각이 없는 제 3 영역은 혼합기의 출구를 향하여 배열될 수 있다.
다른 실시예에 따라서, 상기 제 1 분산 냉각 영역은 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 베이스를 갖는 사다리꼴 형상을 구비하고, 상기 사다리꼴 제 1 영역의 하류 베이스는 상기 사다리꼴 제 1 영역의 상류 베이스보다 길다.
상기 사다리꼴 제 1 영역의 상류 베이스의 길이는 예를 들어 제 1 분사 튜브의 직경의 약 1 내지 2 배 정도일 수 있다.
상기 제 1 영역은 예를 들어 등변 사다리꼴의 형상을 가진다.
추가 실시예에 있어서, 상기 분산 냉각 구멍들은 0.5 내지 1.2 mm의 범위에 있는 직경을 가진다. 또한, 이웃하는 분산 냉각 구멍들 사이의 거리는 상기 제 1 영역에서 3 내지 10mm의 범위에 있고 상기 제 2 영역에서 6 내지 20mm의 범위에 있다.
상기 순차 연소기 장치의 일 실시예에 따라서, 상기 제 1 분사 튜브들은 상기 제 2 분사 튜브들의 상류와, 상기 제 3 분사 튜브들의 상류에 배열된다. 또한, 상기 제 3 분사 튜브들은 상기 제 2 분사 튜브들의 하류에 배열될 수 있다.
이러한 장치는 상이한 분사 튜브들에 의해서 분사된 희석 가스 사이의 최소 간섭으로 상기 혼합기의 상이한 영역들로의 희석 가스의 분사를 허용한다.
상기 순차 연소기 장치의 대안 실시예에 따라서, 상기 제 3 분사 튜브들은 상기 제 2 분사 튜브들의 상류와, 상기 제 1 분사 튜브들의 상류에 배열된다. 추가로, 제 1 분사 튜브들은 제 2 분사 튜브들의 하류에 배열될 수 있다. 짧은 분사 튜브들이 긴 분사 튜브들의 상류에 있는 장치에서, 짧은 분사 튜브들에 의해서 분사된 희석 가스는 먼저 후속의 긴 분사 튜브들의 열 부하를 감소시킨다. 특히, 긴 분사 튜브들이 상류 분사 튜브의 희석 가스의 유동 경로에 있다면, 긴 분사 튜브는 냉각 샤워 효과로 인하여 냉각된다.
상기 순차 연소기 장치의 일 실시예에 따라서, 상기 제 1 분사 튜브의 직경은 상기 제 2 분사 튜브의 직경보다 크다. 또한, 조합 시에 또는 대안으로서, 상기 제 2 분사 튜브의 직경은 상기 제 3 분사 튜브의 직경보다 클 수 있다.
상기 순차 연소기 장치의 다른 실시예에 따라서, 상기 제 1 분사 튜브들은 상기 혼합기를 통하여 흐르는 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 평면에서 상기 혼합기의 측벽을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되고, 상기 제 2 분사 튜브들은 상기 혼합기를 따라 흐르는 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 평면에서 상기 혼합기의 측벽를 따라 원주방향으로 분배되게 배열된다.
추가로, 한 예에서, 제 2 분사 튜브들의 수는 제 1 분사 튜브들의 수와 동일하다. 제 2 분사 튜브들은 제 1 분사 튜브들의 하류 또는 상류에 배열될 수 있고, 방사상 방향에서, 이들은 2개의 제 1 분사 튜브들 사이의 중심에 있다.
다른 실시예에서, 제 3 분사 튜브들은 상기 혼합기를 통해서 흐르는 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 평면에 대해서 엇갈리게 배열되고 상기 혼합기의 측벽을 따라 원주방향으로 분배되게 배열된다. 상기 분사 튜브들의 엇갈림 정도는 분사 튜브들로 인하여 유동 막힘을 감소시킨다. 상기 엇갈림 정도는 상기 제 3 분사 튜브의 직경의 0.1 내지 3.5배이다.
상기 혼합기의 튜브들은 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 가스들에 노출된다. 상기 튜브들은 이들을 통과하여 흐르는 희석 가스에 의해서 본질적으로 냉각된다. 그러나, 튜브의 수명 시간을 증가시키기 위하여, 튜브의 온도를 감소시키는 추가 조치들이 적용될 수 있다.
그러므로, 상기 순차 연소기 장치의 일 실시예에 따라서, 상기 분사 튜브들의 외면의 적어도 일부는 TBC로 코팅된다. 추가로, 상기 혼합기의 측벽의 내면의 적어도 일부는 TBC로 코팅되어서, 벽의 냉각 요구사항을 감소시키고 그에 의해서 혼합기를 떠나는 고온 가스 유동에서 주변 영역의 냉각을 회피한다.
일 실시예에서, 튜브의 내부 상의 열전달 계수는 증가한다. 열 전달의 증가를 위하여, 냉각 리브들 및/또는 핀 필드(pin field)는 상기 분사 튜브들의 내면에 배열될 수 있다.
추가 실시예에 따라서, 상기 혼합기는 측벽을 따라 배열된 분사 구멍들을 추가로 포함한다. 제 1, 제 2 및 제 3 분사 튜브들은 고온 가스 유동 경로의 중심 영역을 향하여 희석 가스를 혼합시키도록 배열되고 분사 구멍들은 고온 가스 유동 경로의 벽 영역들 안으로 희석 가스를 혼합하도록 배열된다.
추가 실시예에서, 상기 분사 튜브들은 상기 튜브들을 떠나는 희석 가스가 분사 위치에서 고온 가스 유동의 방향으로 유동 성분을 갖도록 고온 가스의 유동 방향에 대해서 90도 미만의 각도로 기울어진다.
상기 분사 튜브들은 상기 튜브들을 떠나는 희석 가스의 축방향 성분이 분사 위치에서 고온 가스 유동의 축방향 유동 속도와 동일하거나 또는 축방향 유동 속도의 ±50% 내에 있도록 일정 각도로 경사질 수 있다.
상기 순차 연소기 장치 이외에, 이러한 순차 연소기 장치를 포함하는 가스 터빈은 본 발명의 요지이다. 이러한 가스 터빈은 적어도 하나의 압축기 및 순차 연소기 장치를 포함하고, 상기 순차 연소기 장치는 유체 유동 연결부에 순차적으로 배열되는, 제 1 버너, 제 1 연소 챔버, 작동 중에 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 고온 가스들에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제 2 버너 및 제 2 연소 챔버를 구비하고, 상기 혼합기는 상기 제 1 연소 챔버와 덕트를 포함하는 상기 제 2 버너 사이에서 연장되는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스들을 안내하도록 구성되고, 상기 덕트는 상기 제 1 연소 챔버에 연결되도록 구성된 상류 단부의 입구와, 상기 제 2 버너에 연결되도록 구성된 하류 단부의 출구를 구비한다. 상기 혼합기는 작동 중에 상기 제 1 연소 챔버를 떠나는 상기 고온 연도 가스들을 냉각시키도록 상기 희석 가스와 혼합하기 위하여 상기 혼합기의 측벽들로부터 내향으로 지향되는 적어도 3개 그룹들의 분사 튜브들을 포함한다. 각 그룹의 상기 분사 튜브들은 상기 혼합기의 측벽을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되고 제 1 그룹의 제 1 분사 튜브들은 제 1 돌출 깊이를 가지며, 제 2 그룹의 제 2 분사 튜브들은 제 2 돌출 깊이를 가지며, 제 3 그룹의 제 3 분사 튜브들은 제 3 돌출 깊이를 가진다. 상기 혼합기는 희석 가스가 작동 중에 혼합되어서 고온 가스들을 냉각시키도록 배열된다.
작은 돌출 길이를 갖는 그룹에서 분사 튜브들의 수는 큰 돌출 길이를 갖는 그룹에 있는 분사 튜브들의 수보다 클 수 있으며, 예를 들어, 제 2 돌출 깊이가 제 3 돌출 깊이보다 크다면, 제 3 분사 튜브들의 수는 제 2 분사 튜브들의 수보다 클 수 있다. 분사 튜브들의 수는 예를 들어, 2개의 그룹에 있는 이웃하는 분사 튜브들의 출구 개방부들 사이의 거리가 유사하도록 선택될 수 있다. 본 문맥에서의 유사성은 큰 침투 깊이를 갖는 그룹의 출구 개방부들 사이의 거리는 작은 침투 깊이를 갖는 그룹의 분사 튜브들의 출구 개방부들 사이의 거리의 1 내지 3배라는 것을 의미할 수 있다. 출구 개방부들 사이의 거리는 분사 튜브들의 출구 직경과 함께 추가로 증가될 수 있다. 예를 들어, 이는 출구 직경에 비례할 수 있다.
가스 터빈 이외에, 이러한 가스 터빈을 작동시키기 위한 방법도 본원의 요지이다. 희석 가스는 고온 가스들이 냉각되도록 혼합기에 있는 고온 가스들에 혼합될 수 있다. 일 실시예에 따라서, 희석 가스는 제 1, 제 2 및 제 3 분사 튜브들을 통해서 혼합기의 단면의 상이한 영역들 안으로 혼합된다.
일 실시예에서, 제 1 분사 튜브들은 고온 가스 유동 경로의 중심 영역을 향하여 희석 가스를 혼합하도록 배열된다.
분산 냉각은 연소기 벽 및/또는 혼합 섹션의 측벽들을 냉각시키는데 사용될 수 있다.
희석 공기의 하류에서, 희석 공기 및 고온 가스 사이의 분사 혼합은 유동 경로의 수축에 의해서 강화될 수 있다.
순차적 연소에 있어서, 연소기들의 조합은 다음과 같이 배치될 수 있다:
제 1 및 제 2 연소기들은 모두 순차적 캔-캔 아키텍처로서 구성된다.
제 1 연소기는 환형 연소 챔버로서 구성되고 제 2 연소기는 캔 구조로서 구성된다.
제 1 연소기는 캔-아키텍처로서 구성되고 제 2 연소기는 환형 연소 챔버로서 구성된다.
제 1 및 제 2 연소기들은 모두 환형 연소 챔버들로서 구성된다.
본원, 그 특성 뿐 아니라 장점은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1a, 도 2a는 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기를 갖는 순차 연소를 사용하는 범용 가스 터빈을 도시한다.
도 1b는 제 1, 제 2 및 제 3 분사 튜브들을 갖는 혼합기를 구비한 순차적 연소기 장치를 도시한다.
도 2b는 제 1, 제 2 및 제 3 분사 튜브들을 갖는 혼합기를 구비한 순차적 연소기 장치를 도시한다.
도 3은 제 1, 제 2 및 제 3 분사 튜브들을 갖는 혼합기 섹션을 도시한다.
도 4는 제 1, 제 2 및 제 3 분사 튜브들을 갖는 혼합기 섹션을 도시한다.
도 5는 확산 냉각을 갖는 환형 아케텍처에 있는 혼합기의 섹션을 도시한다.
도 6은 분사 튜브를 도시한다.
도 1 및 도 2a는 본원에 따른 순차 연소기 장치(104)를 갖는 가스 터빈(100)을 도시한다. 이는 압축기(103), 순차 연소기 장치(104) 및 터빈(105)을 포함한다. 순차 연소기 장치(104)는 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101) 및 작동 중에 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기(117)를 포함한다. 혼합기(117)의 하류에서, 순차 연소기 장치(104)는 제 2 버너(113) 및 제 2 연소 챔버(102)를 추가로 포함한다. 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 혼합기(117), 제 2 버너(113) 및 제 2 연소 챔버(102)는 유체 유동 연결부에서 순차적으로 배열된다. 연료는 제 1 연료 분사부(123)를 경유하여 제 1 버너(112) 안으로 도입되어서, 압축기(103)에서 압축된 압축 공기와 혼합되고 제 1 연소 챔버(101)에서 연소된다. 희석 가스는 후속 혼합기(117)에서 혼합된다. 추가 연료는 제 2 연료 분사부(124)를 경유하여 제 2 버너 안으로 도입되어서 혼합기(117)를 떠나는 고온 가스와 혼합되고 제 2 연소 챔버(102)에서 연소된다. 제 2 연소 챔버(102)를 떠나는 고온 가스들은 후속 터빈(105)에서 팽창하여, 작업을 실행한다. 터빈(105) 및 압축기(103)는 샤프트(106) 상에 배열된다.
터빈(105)을 떠나는 배기 가스(107)의 잔열은 증기 발생을 위한 열회수 증기 발생기 또는 보일러(미도시)에서 추가로 사용될 수 있다.
본원에 도시된 예에서, 압축기 출구 가스는 희석 가스로서 혼합된다. 통상적으로, 압축기 출구 가스는 주위 공기와 함께 압축된다. 연도 가스 재순환부(미도시)를 갖는 가스 터빈에 대해서, 압축기 출구 가스는 주위 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합물이다.
통상적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(100)의 샤프트(106)에 결합된 발전기(미도시)를 포함한다.
혼합기(117)의 2개의 상이한 예시적 실시예들은 도 1a 및 도 2b의 확대 섹션으로서의 도 1b 및 도 2b에 도시된다. 도 2a는 제 2 분사 튜브의 길이(I1)를 갖는 제 1 분사 튜브들(114), 제 2 분사 튜브의 길이(I2)를 갖는 제 2 분사 튜브들(115), 및 제 2 분사 튜브의 길이(I3)를 갖는 제 3 분사 튜브들(116)을 포함하는 혼합기를 갖는 제 1 예를 도시한다. 제 2 분사 튜브들(115)은 제 1 분사 튜브들(114)의 하류에 배열되고, 제 3 분사 튜브들(116)은 제 2 분사 튜브들(115)의 하류에 배열된다. 분사 튜브들의 길이는 유동 방향으로 감소한다. 본 예에서, 압축기 플리넘으로부터의 압축 가스는 희석 가스(110)로서 연결 덕트(111)에 있는 연소기 라인을 따라 안내된다. 연결 덕트(111)로부터, 희석 가스(110)는 제 1 분사 튜브들(114), 제 2 분사 튜브들(115) 및 제 3 분사 튜브들을 경유하여 혼합기 안으로 분사된다. 혼합기(117)는 일정 높이를 갖는 단면을 가진다.
혼합기는 환형 단면과 함께 배열될 수 있다. 환형 혼합기에 대한, 높이는 환형 유동 섹션의 외벽의 직경과 환형 유동 섹션의 내벽 사이의 차이이다. 원통형 단면(캔형 혼합기 장치)을 갖는 혼합기에 대한, 높이는 단면의 직경이다. 제 1, 제 2, 제 3 분사 튜브들(114,115,116)의 길이(I1,I2,I3)들은 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스와 분사된 희석 가스(110)의 우수한 혼합이 보장되도록 선택된다.
도 2b는 도 1b의 예에 기초하는 예를 도시한다. 본 예에서, 희석 가스(110)는 압축기 플리넘[압축기(103)의 하류에 있음]으로부터 제 1 분사 튜브들(114), 제 2 분사 튜브들(115) 및 제 3 분사 튜브들(116)로 직접 공급된다. 제 1 분사 튜브들(114) 및 제 2 분사 튜브들(115)은 압축기 플리넘 안으로 연장되고 따라서 높은 압력 및 낮은 온도[희석 가스로서 사용되기 전에 연소기의 냉각으로 인한 온도 픽업이 없음]를 갖는 희석 가스(110)가 사용가능하다.
도 3은 도 1b, 도 2b의 혼합기(117)의 예를 상세하게 도시한다. 본 예에서, 제 1 분사 튜브(114)는 제 2 분사 튜브의 직경(D2)보다 큰 제 1 분사 튜브의 직경(D1)을 가진다. 또한, 제 2 분사 튜브(115)는 제 3 분사 튜브의 직경(D3)보다 큰 제 2 분사 튜브의 직경(D2)을 가진다. 제 2 분사 튜브(115)는 고온 가스(127)의 주요 유동 방향으로 유동 방향(a1)의 거리를 두고 제 1 분사 튜브(114)의 하류에 배열된다. 제 3 분사 튜브(116)는 유동 방향(a2)으로 거리를 두고 제 2 분사 튜브(115)의 하류에 배열된다.
도 4는 혼합기(117)의 다른 예를 도시한다. 본 예에서, 제 2 분사 튜브(115)는 짧은 제 3 분사 튜브(116)의 하류에 배열된다. 긴 제 1 분사 튜브(114)는 제 2 분사 튜브(115)의 하류에 배열된다. 제 3 분사 튜브(116)로부터 분사된 희석 가스(110)는 제 1 및/또는 제 2 분사 튜브(114,115)를 적어도 부분적으로 냉각시킨다. 제 2 분사 튜브(115)로부터 분사된 희석 가스(110)는 제 1 분사 튜브(114)를 적어도 부분적으로 냉각시킨다.
도 5는 캔 아키텍처에서 혼합기의 단면의 예를 도시한다. 이는 원통형 측벽(119)의 절취도를 도시한다. 제 1, 제 2, 제 3 분사 튜브들(114,115,116)은 원통형 측벽(119)에 배열된다. 제 2 분사 튜브(115)는 고온 가스(127)의 주요 유동 방향으로 제 1 분사 튜브(114)의 하류에 배열된다. 제 3 분사 튜브(116)의 엇갈림 배열은 제 2 분사 튜브(115)의 하류에 배열된다. 이웃하는 제 3 분사 튜브(116)은 고온 가스 유동에 직각인 평면에 대하여 고온 가스(127)의 주요 유동 방향으로 엇갈리게 배열된다.
분사 튜브들(114,115,116)의 입구는 분사 튜브들(114,115,116)로 진입하는 희석 가스의 압력 손실을 감소시키도록 둥글게 형성된다.
혼합기의 측벽(119)은 확산 냉각된다. 확산 냉각 구멍(120)은 측벽(119)의 큰 영역에 걸쳐 분배된다. 사다리꼴의 제 1 영역(125)은 각각의 제 1 분사 튜브(114)의 하류에 있다. 균일하게 냉각된 제 2 영역(126)에서 벽들이 제 1 분사 튜브(114)의 상류로 연장된다. 제 1 영역(125)은 제 2 영역(126)에 대하여 증가한 밀도의 확산 냉각 구멍들(120)을 가진다. 제 1 영역(125)은 등변사다리꼴의 형상을 가진다. 짧은 베이스는 제 1 분사 튜브(114)의 중심부에서 양 방향들로 고온 가스들(127)의 주요 유동 방향에 직각인 방향으로 연장된다. 사다리꼴의 레그들은 통상적으로 고온 가스(127)의 주요 유동 방향에 대해서 약 30°내지 45°의 각도를 가진다. 본 예에서, 제 1 영역(125)은 고온 가스(127)의 주요 유동 방향으로 후속 제 3 분사 튜브(116)의 상류측으로 연장된다.
제 3 분사 튜브(116)의 하류에서, 고온 가스 온도는 확산 냉각이 요구되지 않거나 또는 다른 냉각 방법들이 적용되는 수준까지 감소될 수 있다. 분산 냉각이 없는 제 3 영역(128)은 혼합기(117)의 출구를 향하여 배열되는 것으로 도시된다.
측벽(119)의 내면은 열 차단 코팅(122)에 의해서 보호된다. 또한, 제 1 분사 튜브(114)의 외면도 역시 열 차단 코팅(122)에 의해서 보호된다.
도 6은 측벽(119)에 부착된 분사 튜브들(114,115,116)을 도시한다. 분사 튜브들(114,115,116)의 외면은 고온 가스 유동에 대한 열 전달을 감소시키기 위하여 열 차단 코팅(122)으로 코팅된다. 리브(121)는분사 튜브들(114,115,116)의 우수한 냉각을 위하여 열 전달을 증가시키기 위하여 분사 튜브들(114,115,116)의 내면에 적용된다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 캔-캔-아키텍처에 배열된다. 즉, 제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 캔 연소 챔버이다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 캔-캔-아키텍처에 배열될 수 있다. 즉, 제 1 연소 챔버(101)는 환형 연소 챔버로서 배열되고 제 2 연소 챔버(102)는 캔 연소 챔버로서 배열된다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 캔-캔-아키텍처에 배열될 수 있다. 즉, 제 1 연소 챔버(101)는 캔 연소 챔버로서 배열되고 제 2 연소 챔버(102)는 환형 연소 챔버로서 배열된다.
제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 연소기 환형-환형-아키텍처에 배열될 수 있다. 즉, 제 1 연소 챔버(101) 및 제 2 연소 챔버(102)는 환형 연소 챔버들이다.
제 2 연소 챔버(102)의 버너 시스템은 소정 입구 온도 및 입구 속도 프로파일을 요구하기 때문에, 혼합기(117)의 혼합 품질은 중요하다.
모든 상술한 장점들은 특정 조합에 국한되지 않고 또한 본 발명의 범주 내에서 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 개별 버너들 또는 버너들의 그룹을 작동중지시키기 위하여 다른 가능성도 선택적으로 예상할 수 있다. 추가로, 희석 가스는 혼합기(117)에서 혼합되기 전에 냉각 공기 쿨러에서 재냉각될 수 있다. 추가로, 분사 튜브들 또는 분사 구멍들의 배열은 역전될 수 있다. 즉, 짧은 제 1 분사 튜브들 또는 구멍들이 긴 제 1 분사 튜브들의 상류에 배열될 수 있다. 추가로, 다른 튜브 길이 및 튜브 직경 조합들을 갖는 추가 튜브 유형들이 제공될 수 있다.
100: 가스 터빈
101: 제 1 연소기
102: 제 2 연소기
103: 압축기
104: 순차 연소기 장치
105: 터빈
106: 샤프트
107: 배기 가스
108: 압축 공기
109: 연소 생성물
110: 희석 가스
111: 연결 덕트
112: 제 1 버너
113: 제 2 버너
114: 제 1 분사 튜브
115: 제 2 분사 튜브
116: 제 3 분사 튜브
117: 혼합기
118: 분사 구멍
119: 측벽
120: 분산 냉각 구멍
121: 리브
122: TBC
123: 제 1 연료 분사부
124: 제 2 연료 분사부
125: 제 1 영역
126: 제 2 영역
127: 고온 가스들의 주요 유동 방향
128: 제 3 영역
a1 유동 방향 거리
a2 유동 방향 거리
I1 제 1 분사 튜브의 길이
I2 제 2 분사 튜브의 길이
I3 제 3 분사 튜브의 길이
D1 제 1 분사 튜브의 직경
D2 제 2 분사 튜브의 직경
D3 제 3 분사 튜브의 직경
s 엇갈림

Claims (15)

  1. 유체 유동 연결부에 순차적으로 배열되는, 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 작동 중에 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스들에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기(117), 제 2 버너(113) 및 제 2 연소 챔버(102)를 포함하는 순차 연소기 장치(104)로서, 상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101)와 덕트를 포함하는 상기 제 2 버너(113) 사이에서 연장되는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스들을 안내하도록 구성되고, 상기 덕트는 상기 제 1 연소 챔버(101)에 연결되도록 구성된 상류 단부의 입구와 상기 제 2 버너(113)에 연결되도록 구성된 하류 단부의 출구를 구비하는, 상기 순차 연소기 장치(104)에 있어서,
    상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 상기 고온 연도 가스들을 냉각시키도록 상기 희석 가스와 혼합하기 위하여 상기 혼합기(117)의 측벽들(119)로부터 내향으로 지향되는 적어도 3개 그룹들의 분사 튜브들(114,115,116)을 포함하고, 각 그룹의 상기 분사 튜브들(114,115,116)은 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되고 제 1 그룹의 제 1 분사 튜브들(114)은 제 1 돌출 깊이(I1)를 가지며, 제 2 그룹의 제 2 분사 튜브들(115)은 제 2 돌출 깊이(I2)를 가지며, 제 3 그룹의 제 3 분사 튜브들(116)은 제 3 돌출 깊이(I3)를 갖는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 튜브(114)의 중심 지점과 상기 제 2 분사 튜브(115)의 중심 지점 사이의 유동 방향의 거리(a1)는 상기 제 1 분사 튜브(114)의 직경(D1)의 0.1 내지 2 배인 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 분사 튜브(115)의 중심 지점과 상기 제 3 분사 튜브(116)의 중심 지점 사이의 유동 방향의 거리(a2)는 상기 제 2 분사 튜브(115)의 직경(D2)의 0.1 내지 2 배인 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 덕트벽(119)은 적어도 부분적으로 분산 냉각되고, 각각의 제 1 분사 튜브(114)의 하류에 있고 후속 제 3 분사 튜브(116)의 배열의 상류에 있는 제 1 영역들(125)에서의 단위 면적당 분산 냉각 구멍들(120)의 수는 상기 제 1 분사 튜브(114)의 상류로 연장되는 제 2 영역(126)에서의 단위 면적당 분산 냉각 구멍들(120)의 수보다 적어도 30% 큰 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 영역(125)은 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 베이스들을 갖는 사다리꼴 형상을 구비하고, 상기 사다리꼴 제 1 영역(125)의 하류 베이스는 상기 사다리꼴 제 1 영역(125)의 상류 베이스보다 긴 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 분산 냉각 구멍들(120)은 0.5 내지 1.2 mm의 범위에 있는 직경을 가지며, 이웃하는 분산 냉각 구멍들(120) 사이의 거리는 상기 제 1 영역(125)에서 3 내지 10mm의 범위에 있고 상기 제 2 영역(126)에서 6 내지 20mm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 튜브들(114)은 상기 제 2 분사 튜브들(115)의 상류와, 상기 제 3 분사 튜브들(116)의 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 분사 튜브들(116)은 상기 제 2 분사 튜브들(115)의 상류와, 상기 제 1 분사 튜브들(114)의 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 튜브의 직경(D1)은 상기 제 2 분사 튜브의 직경(D2)보다 크고, 그리고/또는 상기 제 2 분사 튜브의 직경(D2)은 상기 제 3 분사 튜브의 직경(D3)보다 큰 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 분사 튜브들(114)은 상기 혼합기(117)를 통하여 흐르는 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 평면에서 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되고, 상기 제 2 분사 튜브들(115)은 상기 혼합기(117)를 따라 흐르는 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 평면에서 상기 혼합기(117)의 측벽(119)를 따라 원주방향으로 분배되게 배열되는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 분사 튜브들(116)은 상기 혼합기(117)를 통해서 흐르는 상기 고온 가스들의 주요 유동 방향에 직각인 평면에 대해서 엇갈리게 배열되고 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되며, 상기 엇갈림 정도는 상기 제 3 분사 튜브의 직경(D3)의 0.1 내지 3.5배인 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 튜브들(114,115,116)의 외면의 적어도 일부 및/또는 상기 혼합기(117)의 측벽(119)의 내면의 적어도 일부는 TBC(122)로 코팅되는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각 리브들(121) 및/또는 핀 필드(pin field)가 상기 분사 튜브들(114,115,116)의 내면에 배열되는 것을 특징으로 하는 순차 연소기 장치(104).
  14. 적어도 하나의 압축기(103), 연소기 및 적어도 하나의 터빈(105)을 갖는 가스 터빈(100)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 순차 연소기 장치(104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(100).
  15. 유체 유동 연결부에 순차적으로 배열되는, 제 1 버너(112), 제 1 연소 챔버(101), 작동 중에 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 고온 가스들에 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기(117), 제 2 버너(113) 및 제 2 연소 챔버(102)를 포함하는 순차 연소기 장치(104)와, 적어도 하나의 압축기(103)를 갖는 가스 터빈(100)의 작동 방법으로서, 상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101)와 덕트를 포함하는 상기 제 2 버너(113) 사이에서 연장되는 고온 가스 유동 경로에서 연소 가스들을 안내하도록 구성되고, 상기 덕트는 상기 제 1 연소 챔버(101)에 연결되도록 구성된 상류 단부의 입구와, 상기 제 2 버너(113)에 연결되도록 구성된 하류 단부의 출구를 구비하고, 상기 혼합기(117)는 상기 제 1 연소 챔버(101)를 떠나는 상기 고온 연도 가스들을 냉각시키도록 상기 희석 가스와 혼합하기 위하여 상기 혼합기(117)의 측벽들(119)로부터 내향으로 지향되는 적어도 3개 그룹들의 분사 튜브들(114,115,116)을 포함하고, 각 그룹의 상기 분사 튜브들(114,115,116)은 상기 혼합기(117)의 측벽(119)을 따라 원주방향으로 분배되게 배열되고, 상기 제 1 그룹의 제 1 분사 튜브들(114)은 제 1 돌출 깊이(I1)를 가지며, 상기 제 2 그룹의 제 2 분사 튜브들(115)은 제 2 돌출 깊이(I2)를 가지며, 상기 제 3 그룹의 제 3 분사 튜브들(116)은 제 3 돌출 깊이(I3)를 갖는, 상기 가스 터빈(100)의 작동 방법에 있어서,
    상기 희석 가스(110)는 상기 제 1, 제 2, 제 3 분사 튜브들(114,115,116)을 통해서 상기 혼합기(117)의 단면의 상이한 영역들 안으로 혼합되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈(100)의 작동 방법.
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