KR20160027920A - 가스 터빈 제어 방법 - Google Patents

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펠릭스 괴테
토스텐 빈트
한스페터 진
미카엘 클레만
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

본 발명은 통합된 연료 반응도 측정 개념으로 작동하는 가스 터빈을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 플래쉬백 및 분출에 대하여 가스 터빈의 안전 작동 범위를 빨리 결정하기 위하여, 방법은 연료 가스 혼합물의 각 물리적-화학적 특성을 위한 하나의 성분의 농도를 유도하기 위하여 또는 공지의 조성으로 상기 연료의 비율을 결정하고 상기 연소기로 들어오는 연료 가스 혼합물의 결정된 특성에 기초하여 적어도 부분적으로 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조정하기 위하여, n>1 연료 성분과 연료의 (n-1) 물리적-화학적 특성의 조합된 측정에 의해 연료 조성, 및 그에 따른 연료 반응도를 추론하는 단계를 포함한다. 본 발명의 기술적인 해결 수단으로, 연료 가스에서의 빠른 변화를 검출하는 방식으로, 가스 터빈이 최적화된 성능 하에서 및 안전 작동 범위에서 다양한 연료 가스로 작동할 수 있다. 실제의 적용에서, 본 발명은 가스 터빈의 융통성과 가스 터빈의 작동의 비용 효율성을 개선할 수 있다.

Description

가스 터빈 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING A GAS TURBINE}
본 발명은 화력 발전 분야에 관한 것이고, 특히 일체부로서 연료 반응도 측정을 포함하는 작동 개념으로 가스 터빈을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근에, 연료라는 점에서 가스 터빈의 융통성을 증가시키도록 광범위한 연료로 가스 터빈을 작동시키는 것이 지배적이다. 이러한 경우에, 가스 터빈의 연소기로 들어오는 연료 가스의 조성은 연료 가스 공급의 성분 변동으로 인하여 변화될 수 있다. 연료 가스 조성이 영업 마진, 안전, 배기 가스, 파동 거동 등이라는 점에서 가스 터빈의 성능에 영향을 미칠 수 있다는 것은 공지되어 있다. 손상으로부터 가스 터빈을 더욱 보호하는 최적화된 가스 터빈의 성능을 유지하는 관점에서, 안전을 위한 조치 및 최적화된 작동을 취하는데 충분히 빨리 연료 가스 조성에서의 변화를 검출하는 것이 필요하다. 이렇게 하여, CH4, 및 C2H6, CnH2n+2과 같은 중화 가스 성분, H2, CO와 같은 합성 가스 및 N2 및 CO2와 같은 불활성 가스로 이루어진 폭넓은 연료 스펙트럼을 검출하는 것이 요구된다. 그런 다음, 가스 터빈의 작동은 연료 가스의 조성에 기초하여 다양한 작동 파라미터를 통해 조절될 수 있다. 가장 중요한 작동 파라미터는 혼합 특성(통상적으로 수정된 발열량인 웨버 지수(Wobbe Index)로 요약됨)과 화학 반응도(점화 시간 및 연소 속도와 같은)이다.
이러한 것에 대한 하나의 해결 수단은 예를 들어 문헌 US 7216486 B2, DE 10302487 A1에 개시된 바와 같은 가스 터빈의 연소기로 들어오는 연료 가스의 조성을 감출하도록 사용되는 적외선(IR) 분석기이다. CH4 및 C2+(C2+는 n>1인 모든CnH2n+2 종의 합계이다)와 같은 연료 가스의 일부 성분은 이러한 방식에 의해 검출될 수 있다. 통상의 IR 흡수 기술은 신속하지만(시간 <<1 min), C3와 보다 높은 C2+ 성분을 구별하도록 충분히 잘 흡수하지 못한다. 추가하여, H2 및 N2와 같은 일부 다른 성분이 통상적으로 연료 가스에서 존재하며, 이 성분들은 적외선 흡수에 민감하지 않고 적외선 분석기에 의해 검출되지 않을 수 있다.
가스 크로마토그래프(gas chromatograph)를 사용하는 것은 연료 가스의 조성을 검출하는 또 다른 수단이다. 그러나, 가스 크로마토그래프는 비교적 느린 응답 시간을 갖고(통상적으로 수 분, >15 min), 그러므로 빠르게 변화하는 조성의 충분한 검출에 대해 충분히 빠르지 않을 수 있다.
코리올리스 미터(Coriolis meters)는 아주 빈번하게(시간 <<1 min) 가스 터빈 부위에서 정확한 질량 유량 측정을 위하여 공지되어 있다. 그 측정 원리로 인하여, 연료의 밀도는 정량적이며, 이는 표준 설비에 의해 추출될 수 있다. 연료 밀도는 이미 연료의 웨버 지수를 유도하기 위하여 사용되고 있으며, 그런 다음 예를 들어 문헌 US 2011/0247315 A1에 기술된 바와 같은 가스 터빈을 작동시키기 위하여 사용된다. 측정된 에너지 특징은 실시간으로 제어 유닛과 통신된다.
가스 터빈에서 연소를 제어하는 것과 관련하여 웨버 지수를 계산하도록 칼로리값의 측정과 함께 가스상 연료의 밀도 측정은 EP 1 995 518 A2에 개시된다. 측정된 웨버 지수값은 가스상 연료를 위하여 사전 한정된 웨버 지수값과 비교되고, 연료의 온도는 사전 한정된 웨버 지수값에 도달하기 위하여 조절된다. 터빈에 연료 가스의 혼합물이 공급되면, 열량계는 그 혼합물의 웨버 지수를 결정하도록 혼합물의 온도, 낮은 칼로리값 및 상대 밀도를 측정하게 된다.
공지된 종래의 상태에 따라서, 웨버 지수 및 발열량은 엔진이 주어진 부하로 구동하도록 에너지 함량을 유지하기 위해 사용된다.
EV, AEV 또는 SEV 연소기와 같은 본 출원인의 연소기들은 다른 것들보다 연료 반응도에 더욱 민감하다. 이러한 것은 상이한 연료 융통성 여지(flexibility margins)의 부분이다. C2+로서 측정된 반응도는 작동 개념의 구성요소이다. 가스 터빈의 작동은 최적화된 성능 및 플래쉬백 및 분출(flashback and blow-out)에 대하여 안전성을 위한 연료 조성에 따라서 조절될 수 있다. 연료 조성의 빠른 검출은 최적화된 성능을 위한 그리고 안전 조치로서의 필요조건이다. 연료의 조성에서의 변화의 어떠한 검출도 반응도에서의 변화를 추론하도록 사용될 수 있으며, 이는 최적화된 가스 터빈 작동을 위하여 사용될 수 있다.
연료 파라미터의 보다 넓은 공간을 포괄하도록, 매우 많은 수의 연료 특유의 측정(fuel specific measurements)을 고려하거나, 또는 연료 조성을 결정하는 방법과 조합하여 광범위한 물리적-화학적 특성을 측정하는 것이 필요하다.
현재, 연료 조성의 결정 및 혼합물에서 상이한 연료 성분의 비율을 지지하기 위하여 연료 밀도 또는 물리적-화학적 특성을 사용하는 것은 알려지지 않았다.
본 발명의 목적은 플래쉬백 및 분출에 대한 안전 작동 범위를 결정하도록 연료 특성을 측정하는 것에 의해 가스 터빈을 제어하기 위한 신속한 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 출원의 청구항 제1항에 따른 가스 터빈을 제어하기 위한 방법에 의해 달성된다.
통합된 연료 반응도 측정 개념(integral fuel reactivity measurement concept)으로 작동하는, 적어도 하나의 연소기 스테이지를 구비한 가스 터빈을 제어하기 위한 방법은 플래쉬백 및 분출에 대한 가스 터빈의 안전 작동 범위의 빠른 결정을 위해 사용된다. 방법은, 연료 가스 혼합물의 각 물리적-화학적 특성을 위한 하나의 성분의 농도를 유도하기 위하여, 또는 공지의 조성과 상기 연료의 비율을 결정하고 연소기로 들어오는 연료 가스 혼합물의 결정된 특성에 기초하여 적어도 부분적으로 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하기 위하여, n>1 연료 성분과 연료 혼합물의 (n-1) 물리적-화학적 특성의 조합된 측정에 의해 연료 조성, 및 그에 따른 연료 반응도를 추론하는 단계를 포함한다.
한 실시예에 따라서, 상기 방법은 상기 물리적-화학적 특성의 측정이 통상적인 종래의 연료 가스 측정에 추가하여 수행되고, 정확한 연료 가스 조성이 낮은 반응 시간이지만 높은 정확성으로 종래의 측정 디바이스에 의해 확인될 때까지 안전 모드로 상기 가스 터빈을 구동하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 대하여, 방법은 상기 물리적-화학적 특성의 측정이 통상적인 종래의 연료 가스 측정 대신에 수행되는 것을 특징으로 한다.
가스 터빈의 상기된 조절은 고온 가스 온도 및/또는 스테이징(staging)의 감축 때문에 디레이팅(de-rating)을 포함한다. 가스 터빈이 제1 및 제2 연소기를 구비한 순차적 연소형이면, 상기 맨(man), 즉 제1 및 제2 연소기 사이의 전력의 균형을 유지한다. 상기된 조절은 제1 및 제2 연소기 사이의 동력 균형(power balancing)를 포함할 수 있다.
본 발명의 예에 따라서, 상기 방법은 혼합 전후에 하나의 연료 가스 유동의 오직 일부인 단지 하나의 특성이 측정되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시예에 따라서, 상기 방법은 개별적인 연료의 조성이 거의 일정하고 공지되도록 예측되면, 연료 가스의 하나의 특성이 연료를 혼합한 후에 측정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 물리적-화학적 특성으로서, 연료 가스의 밀도는 연료 조성의 변화를 검출하도록 측정되고, C2+ 함유량 및/또는 H2 함유량은 밀도 측정으로부터 유도된다.
추가하여, 물리적-화학적 특성으로서, 열전도성 및/또는 열입력(낮은 발열량, LHV)이 연료 조성에서의 변화를 검출하도록 측정된다.
본 발명의 한 예의 실시예에 따라서, 상기 연료 가스의 측정된 밀도 및 열전도성을 통해 연료 가스의 조성을 결정하는 단계는 C2+의 백분율, 웨버 지수, 연료 가스의 상대 열 입력 또는 비열로 이루어진 하나 이상의 연료 특성을 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 상기 연료 특성의 측정은 코리올리스 미터, 적외선 분석기, 가스 크로마토그래프, RAMAN 스펙트럼분석 디바이스 및/또는 고분해능 다이오드 레이저로 달성된다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 방법은 연료 가스에서 CH4, CO, C2H6, N2 및/또는 CO2의 함유량을 결정하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 작동 파라미터는 연료 가스 조성 성분으로 만들어진다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 작동 파라미터는 화염의 반응도에서 그 영향에 따라서 가중된 연료 가스 조성 성분으로 구성된다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 적어도 부분적으로 상기 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계는 상기 연료 가스의 밀도의 변화의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 변화의 크기가 사전 결정된 임계치보다 클 때 사전 결정된 작동 파라미터의 세트가 되도록 가스 터빈의 작동 파라미터들을 설정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 적어도 부분적으로 상기 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계는 가스 터빈의 동력 출력을 일정하게 유지하는 목적을 위하여, 다음중 적어도 하나의 조절을 수행하는 단계를 포함한다: 개별 연소기의 연료 공급의 스테이징 비율(staging ratio)을 변경하는 단계, 및/또는 다수의 연소기 중에서 연료 질량 유량을 변경하는 단계, 정상적인 인화성 값을 가진 연료 가스를 형성하도록 상이한 가스들을 조합하는 것에 의해 연료 가스 혼합물을 변경하는 단계, 불활성으로 연료 가스를 희석하는 단계, 재순환된 배기 가스의 비율을 변경하는 단계, 및 작업 유체의 특성을 변경하는 단계.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 적어도 부분적으로 상기 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계는 최적화되고 안전한 상태로 가스 터빈을 작동시키기 위하여 측정된 연료 가스 특성, 또는 작업 유체의 질량 유량, 또는 연료 질량 유량에 기초하여 가스 터빈의 터빈 입구 온도(TIT)를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기술적 해결 수단에 의해, 연료 가스에서의 변화를 빠른 검출의 방식에 의해, 가스 터빈이 최적화된 성능 및 최소화된 손상 하에서 다양한 연료 가스로 작동할 수 있다는 것이 가정된다. 실제의 적용에서, 본 발명은 가스 터빈의 융통성과 가스 터빈의 작동의 비용 효율성을 개선할 수 있다.
본 발명의 목적, 이점 및 다른 특징은 단지 예시의 목적을 위해 주어진 본 발명의 바람직한 실시예의 다음의 비제한적인 설명과 첨부 도면을 참조하여 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 기술적 해결 수단을 채택할 수 있는 가스 터빈의 예의 개략도, 및
도 2는 연료의 조성 혼합물 CH4/H2에 대한 밀도 및 열전도성을 도시한 도면.
도 1은 본 발명에서 제안된 방법을 채택할 수 있는 가스 터빈(100)의 예의 개략도를 도시한다. 가스 터빈(100)은, 공기와 같은 작업 유체(180)의 유입 유동을 압축하고 연소기(130) 내로 압축 공기의 유동(120)을 전달하는 압축기(110)를 포함하고, 연소기에서, 압축 공기의 유동(120)은 연소 가능한 혼합물을 구성하도록 연료 가스(190)의 유동과 혼합된다. 연소 가능한 혼합물은, 터빈(140)에 전달되어 기계적인 작업을 만들도록 터빈(140)을 구동하는 연소 가스(140)의 유동을 형성하기 위해 점화될 수 있다. 터빈(140)에서 만들어진 기계적인 작업은 로터(150)를 통해 압축기(110)와, 발전기(160)와 같은 외부 부하를 구동한다.
바람직하게 출원인의 사전 혼합 EV 또는 AEV형인 오직 하나의 연소기(130)만이 간결성과 명확성을 위해 본원에 도시되었다는 것을 유념하여야 한다. 본 발명에 따라서, 방법은 순차 연소로 그리고 2개의 연소기(130)(SEV형)들을 구비한 가스 터빈을 인용할 수 있다. 다른 구성 요소 및/또는 다른 구성이 또한 본원에서 사용될 수 있다. 단지 하나의 가스 터빈(100)이 간결성과 명확성을 위해 본원에 도시되었다는 것을 유념하여야 한다. 당업자는 다수의 가스 터빈(100), 다른 형태의 가스 터빈이 상이한 적용에 적응하기 위하여 본원에서 함께 사용될 수 있으며, 이 경우에, 가스 터빈들은 가스 터빈 그룹으로서 공지될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
가스 터빈(100)은 천연가스, 다양한 형태의 합성 가스, 및 다른 형태의 연료 가스와 같은 다양한 연료를 사용할 수 있다. 가스 터빈(100)의 성능은 연소기(130)로 들어오는 연료 가스의 특성에 민감하다. 일반적으로, 가스 터빈의 성능과 밀접하게 상관된 연료 가스의 특성은 분자량, 비중, 유량, 밀도, 혼합 특성, 및 화학 반응도 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 연료 가스 특성에서 보상되지 않은 다양성은 연소 불안정성(동적), NOx 및 CO라는 점에서 배기 가스 증가, 감소된 작동 여지 및 맥동 거동의 악화로 이어질 수 있다. 극한 경우에, 가스 터빈은 공급된 연료 가스의 급격한 과잉 열함량이 일어난 과열과 같은, 극적으로 변화된 연료 가스로 인하여 손상될 수 있다. 손상으로부터 가스 터빈(100)을 보호하고 그 성능을 더욱 개선하는 관점에서, 가스 터빈(100)의 작동 파라미터는 연료 가스 특성에 기초하여 조절될 수 있다.
본 발명에서, 연료 조성은 주로 고온 가스 온도 또는 엔진의 성능을 결정하는데 필요하지 않고, 그 반응도를 유도하고 플래쉬백 및 분출에 대하여 안전 작동 범위를 결정하는데 필요하다.
도 1을 지금 참조하여, 가스 터빈(100)의 전체적인 작동은 컨트롤러(210)에 의해 제어되고, 가스 터빈(100) 주위에 배열된 상이한 분포 제어 모듈은 컨트롤러(210)와 통신할 수 있다. 본 발명의 하나의 전형적인 실행에서, 연료 가스의 공급 경로에 배치된 연료 가스 제어 모듈(190)은 컨트롤러(210)와 통신할 수 있다. 연료 가스 제어 모듈(190)은 코리올리스 미터, 적외선 분석기, 가스 크로마토그래프, RAMAN 분광기, 웨버 미터 또는 고분해능 다이오드 레이저 등과 같은 센서(194)들을 포함할 수 있으며, 이것들은 질량 유량, 온도, 압력, 밀도, 열전도성, C2+(메탄과 다른 알칸에 있는 탄소를 지칭한다)의 백분율, 웨버 지수, 상대 열입력 등을 얻도록 사용될 수 있다.
컨트롤러(210)는 예를 들어 공기 관련 특성 및 이에 대한 제어를 제공하도록 연소기(130)로 들어가는 공기(120)의 공급 경로에 배치된 공기 제어 모듈(280), 연소 관련 특성 및 이에 대한 제어를 제공하도록 연소기(130)와 연결된 연소 제어 모듈(240), 터빈 관련 특성 및 이에 대한 제어를 제공하도록 터빈(140)과 연결된 터빈 제어 모듈(250), 압축기 관련 특성 및 이에 대한 제어를 제공하도록 압축기(110)와 연결된 압축기 제어 모듈(220)과 같은 가스 터빈의 다른 부분과 통신하는 많은 다른 제어 모듈을 포함할 수 있다.
모든 이러한 제어 모듈들은 다양한 특성을 검출하도록 각각의 센서들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 터빈 제어 모듈(250)은 터빈 입구 온도(TIT)를 검출하여 조절하도록 사용되는 센서(252)를 포함할 수 있다.
상기된 제어 모듈은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 예들을 나타낸다는 것을 유념하여야 한다. 가스 터빈의 작동에 관련된 특성을 검출하고 가스 터빈의 작동에 제어를 제공하기 위하여, 당업자는 가스 터빈 주위의 임의의 적절한 위치에 임의의 제어 모듈을 채택할 수 있으며, 이것들 모두는 본 발명의 범위 내에 분명히 놓인다. 예를 들어, 상기된 제어 모듈 외에, 가스 터빈은, 다수의 연소기에 적용될 때 개별적인 연소기의 연료 공급의 스테이징을 제어 및/또는 조절 및/또는 변경하기 위한, 다수의 연소기 중에서 연료 질량 유량을 제어 및/또는 조절 및/또는 변경하기 위하여, 연료 가스 혼합물을 제어 및/또는 조절 및/또는 변경하기 위한, 불활성으로 연료 가스의 희석을 제어 및/또는 조절 및/또는 변경하기 위한, 재순환된 배기 가스의 비율을 제어 및/또는 조절 및/또는 변경하기 위한, 및/또는 입구 냉각, 물 또는 증기 주입과 같은 작업 유체의 특성을 제어 및/또는 조절 및/또는 변경하기 위한 제어 모듈들을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 예의 실시예에 따라서, 가스 터빈(100)의 연소기(130)로 들어오는 연료 가스의 밀도를 결정하는 단계; 적어도 부분적으로 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여 가스 터빈(100)의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계를 포함하는 방법에 의해 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹을 제어하는 것이 제안된다. 방법은 비제한적인 예의 방식에 의해 추가로 설명될 것이다.
하나의 예의 실행에서, 연소기(130)로 들어오는 연료 가스의 밀도는 최적화된 성능을 가지기 위하여 가스 터빈(100)의 작동을 제어하도록 선택될 수 있다. 한 실시예에서, 연료 가스의 밀도는 연료 가스 공급 경로에 배치된 센서(194)들을 통해 얻어질 수 있다. 센서(194)들은 연료 가스의 질량 유량과 밀도를 빨리 검출할 수 있는 코리올리스 미터를 포함할 수 있다. 코리올리스 미터가 대체로 본 발명의 실행을 추가 설비의 구매 및 설치없이 비용 효율적으로 만드는 가스 터빈에서 구성되기 때문에, 연료 가스의 밀도를 얻도록 코리올리스 미터를 사용하는 것이 유익하다. 또한, 코리올리스 미터는 연료 가스의 밀도 판독값을 매우 빨리 주어, 연료 가스에서 급격한 변화가 일어날 때, 즉각적인 응답이 가스 터빈의 작동 파라미터를 조절하여 이에 대한 손상을 피하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 가스 터빈의 전형적인 구성에서, 코리올리스 미터 판독치로부터 추론된 연료 가스의 밀도는 3-4 분 후에 안정화되는 다른 연료 가스가 연소기(130)에 공급되었다는 것을 < 1 min 이내에 나타낼 수 있다. 동일 시간이 적외선 분석기를 사용하여 또한 실현될 수 있는 한편, 가스 크로마토그래프는 보다 긴 지연(> 15 min)을 보인다. 당업자는 표준 밀도의 정밀한 측정을 위하여, 또한 연료 가스 제어 모듈(190)에서 적절한 센서들에 의해 얻어질 수 있는 연료 가스의 온도 및 압력이 공지되어야만 한다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 기술 분야에서, 연료 가스 조성이 가스 터빈의 성능에 강한 영향을 가지는 것이 공지되어 있다. 그러므로, 연료 가스 조성에서의 빠른 변화를 다루는 빠른 응답은 본 발명에서 연료 가스의 밀도 변화 또는 측정을 통하여 분석된다. 일반적으로, 적외선 분석기는 연료 가스에서 CH4 및 C2+ 함유량을 측정하도록 채택된다. 이러한 것은 이것들의 특성을 얻는 빠른 방식이다. 그러나, H2 및 N2는 적외선 분석기를 사용하여 정확하게 측정되는 것이 가능하지 않다. 이 경우에, 본 발명은 연료 가스의 밀도 및 열전도성에 기초하여 H2 및/또는 N2 함유량을 추론하도록 제안하며, 이를 위해 상세한 추론 자체는 당업자에게 공지되어 있다.
일반적으로, 특정 혼합물 부분을 갖는 상이한 형태의 연료 가스는 가스 터빈 제어 시스템에 공지된 상이한 밀도를 가질 수 있다. 이 경우에, 하나의 비제한적인 실행으로서, 밀도 측정은 가스 터빈의 연소기로 들어오는 연료 가스의 형태, 및 그에 따른 연료 가스의 특정 조성을 확인하도록 사용될 수 있다. 연료 가스의 조성이 밀도 측정을 통해 결정됨으로써, 가스 터빈의 하나 이상의 작동 파라미터는 일치하여 조절될 수 있다.
한 실시예에서, 코리올리스 미터 외에, 연료 가스 제어 모듈(104)에 있는 센서(194)는 연료 가스의 열전도성을 측정하는 추가의 센서를 포함할 수 있으며, 이와 함께, 연료 가스의 조성, 특히 H2 및/또는 N2 함유량은 가스 터빈(100)의 작동을 제어하기 위해 사용되도록 추론될 수 있다. 방법 양태에서, 본 발명은 연료 가스의 열전도성을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 추가의 양태에서, 본 발명은 연료 가스의 결정된 밀도 및 열전도성을 통해 연료 가스의 조성을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예의 실시예에서, 연료 가스의 밀도는, 연료 가스의 조성을 결론을 낼 목적으로 연료 가스의 다른 성분을 얻거나 추론하도록 열전도성과 다른 및/또는 열전도성을 포함하는 특성들과 조합될 수 있으며, 이러한 경우에, 본 발명은 C2+의 백분율, 웨버 지수, 연료 가스의 상대 열 입력 또는 비열로 이루어진 하나 이상의 연료 가스 특성을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예의 실행에서, 상기된 연료 가스 특성은 연료 가스 제어 모듈(190)에 있는 센서(194)들로서 이용되는 각각의 특정 센서들로 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 센서는 몇가지 예를 들면, 가스 크로마토그래프, RAMAN 분광기, 고분해능 다이오드 레이저 등을 포함할 수 있다. 연료 가스의 상기 특성들로, 연료 가스의 조성은 당업자에게 공지된 방법에 의해 결정될 수 있다. 방법 양태에서, 본 발명은 연료 가스에서 H2, CO2, N2, CH4, C2H6 등의 함유량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따라서, 각각의 센서로 측정되는 연료 가스의 특성의 적절한 조합으로, 연료 가스의 조성의 빠른 검출, 및 그에 따른 가스 터빈의 작동 파라미터를 조절하여 이에 대한 손상을 피하는 것에 의해 연료 가스에서의 빠른 변화를 다루는 즉각적인 응답을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명의 비제한적인 예로서, 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹의 작동 파라미터는 개별 연소기의 연료 공급의 스테이징 비율, 다수의 연소기(예를 들어, 재열 가스 터빈) 중의 연료 질량, 연료 가스 혼합물, 재순환된 배기 가스의 비율 및 작업 유체의 특성(예를 들어, 입구 냉각, 물 또는 증기 주입)을 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서, 가스 터빈의 출력을 일정하게 유지하기 위하여, 적어도 부분적으로 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여, 개별 연소기의 연료 가스 공급의 스테이징 비율을 변화시키는 것, 다수의 연소기(예를 들어, 재열 가스 터빈) 중의 연료 질량을 변화시키는 것, 정상적인 인화성 값을 가진 조성 연료 가스를 형성하도록 상이한 연료 가스를 조합하는 것에 의한 연료 가스 혼합물을 변화시키는 것, 불활성 성분(예를 들어, 증기, N2, CO2 등)으로 연료 가스를 희석하는 것, 재순환된 배기 가스의 비율을 변화시키는 것, 및 입구 냉각, 물 또는 증기 주입과 같은 작업 유체의 특성을 변화시키는 것을 포함하는 다양한 조절이 채택될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예에서, 최적화되고 안전한 상태에서 가스 터빈을 작동시키기 위하여, 적어도 부분적으로 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여, 가스 터빈의 터빈 입구 온도(TIT)를 조정하는 것, 작업 유체의 질량 유량을 조절하는 것 및/또는 연료 질량 유량을 조절하는 것을 포함하는 다양한 조절이 채택될 수 있다.
연료 가스의 조성 또는 밀도 관련 특성에 대하여 하나의 예의 실행에서, 연료 가스의 각각의 조성 또는 밀도에 대한 하한 및 상한에 의해 한정된 값의 범위를 설정하는 것이 제안된다. 이 경우에, 본 발명의 방법은 H2와 같은 사전 선택된 성분을 위한 또는 연료 가스의 밀도를 위한 값의 발산(divergence)을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, H2의 함유량은 하한보다 낮게 또는 상한보다 높게 결정한다. 이 후에, 추가의 조절이 결정의 결과에 따라서 실시되는 추가의 단계는 본 발명에 따른 방법에 포함된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹의 작동 파라미터는 H2, CH4, C2+, 또는 그 임의의 조합과 같은 연료 가스의 각각의 성분으로 만들어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 대안적인 실시예에서, 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹의 작동 파라미터는 화염의 반응도에서, 그 영향에 따라서 가중되는 연료 가스 조성 성분으로 구성될 수 있으며, 연료 가스 조성 성분은 CH4, CO, CO2, C2+, H2 및/또는 N2를 포함할 수 있다.
또 다른 예의 양태에서, 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹의 작동 파라미터는 연료 가스의 조성 또는 밀도를 결정하는 대신에 또는 이에 추가하여 조절될 수 있다. 본 발명의 예의 실시예에서, 방법은 특히 적어도 부분적으로 연료 가스의 밀도에 기초하여 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계에서: 연료 가스의 밀도의 변화의 크기를 결정하는 단계; 변화의 크기가 사전 결정된 임계치보다 클 때 사전 결정된 작동 파라미터들의 세트가 되도록 가스 터빈의 작동 파라미터들을 설정하는 단계를 포함한다. 이러한 경우에, 사전 결정된 작동 파라미터의 설정은, 가스 터빈에 대한 손상을 피하도록 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹의 작동에 매우 중요한 보수적인 파라미터를 채택할 수 있는 작동의 "안전 모드"로 지칭될 수 있다. 이러한 예의 양태에 따라서, 연료 가스에서 급격한 변화가 일어날 때, 정밀한 조성을 가지지 않아도 손상을 방지하도록 가스 터빈을 작동의 "안전 모드"로 전환하는 것이 가능하다. 코리올리스 미터가 연료 가스의 밀도를 측정하도록 채택될 때, 연료 가스의 밀도, 및 그에 따른 연료 가스의 조성을 알지 않아도 밀도의 변화의 크기를 아는 것이 매우 빠르다. 그러므로, 본 발명은 추가의 디바이스 없이 방호 조치(safeguard measure)를 제공한다. 이러한 방호 조치는 부적절한 연료 가스로 인한 손상에 대하여 가스 터빈 보호를 개선하도록 연료 가스 변화에 빨리 응답한다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 방법은 연소를 결정하고 작동의 "안전 모드"로 설정하는 단계를 통합할 수 있다. 이 경우에, 작동의 "안전 모드"로 설정하는 단계는 가스 터빈 및 가스 터빈 그룹을 위한 순간적인 보호를 위하여 연료 가스의 조성을 결정하는 단계 전에 실행될 수 있으며, 조성 결정을 고려하는 것은 신뢰 가능하고 정확한 결론을 취하는데 보다 많은 시간이 걸릴 수 있다. 연료 가스의 조성이 결정된 후에, 조성과 관련하여 작동 파라미터는 가스 터빈 또는 가스 터빈 그룹이 최적화된 성능 하에서 연속으로 작동하도록 만들기 위하여 연료 가스 조성에서의 변화하는 성분으로부터의 영향을 고려하여 추가로 조절될 수 있다.
추가의 예는 2개의 천연가스 공급기를 가진 가스 터빈을 인용한다. 이것들은 일정한 상대 가스 조성을 제공하지만, C2+ 함유량은 서로 다르다. 플랜트에서 천연가스의 C2+ 농도의 빠른 측정을 위하여 추가의 디바이스를 사용하는 것은 종래에 공지된 상태이지만, 이러한 디바이스는 표준이 아니며, 이러한 목적을 위해 추가로 설치되어야만 한다. 대안으로서, 본 발명에 따라서, 단지 하나의 특성, 예를 들어 밀도의 숙지에 따라서 가스 혼합물의 하나의 물리적-화학적 특성의 측정에 의해, 2개의 가스의 비율, 혼합물의 조성을 각각 추론하는 것이 가능하며, 가스 터빈은 일치하여 작동될 수 있다(연료 반응도 또는 H2, C2+ 함유량에 기초한 디레이팅 또는 스테이징).
추가의 예는 공지의 일정한 상대 천연가스 조성을 가지는 천연가스 라인에서 수소 저장기를 인용한다. 수소 함유량이 5 체적% 이상인 경우에, 예를 들어 단일 연소 스테이지를 가지는 가스 터빈을 작동시키는 것이 필요하고, 일치하여 이는 디레이팅 또는 스테이징을 의미한다. 가스 터빈이 순차적 연소로 작업하면, 제1 및 제2 연소기 사이의 동력 균형이 행해진다. 밀도 또는 열전도성 측정의 경우에, CH4 및 H2의 혼합물의 예를 도시하는 도 2를 참조한다(밀도와 열전도성은 연료 CH4/H2의 조성 혼합물에 대한 밀도 및 열전도성). 그러나, 이러한 것은 공지의 천연가스 및 H2의 혼합물에 또한 적용될 수 있다. 밀도 측정 또는 열전도성에 기초하여, H2 농도를 추론하는 것이 가능하고, 가스 터빈은 매우 빠른 방식으로 일치하여 조절될 수 있으며, 이에 의해 안전 범위에서 가스 터빈을 작동시킨다.
또한 국부적인 수소 저장기의 경우에, 연료 가스의 H2 농도가 보장되어야 하는 것이 공지되어 있다. 한편으로, 혼합된 H2 양을 직접 측정하는 것이 가능하거나(매우 정확한 측정이 필요하다) 또는 빠르고 값싼 혼합물로부터 직접 H2 농도를 결정하기 위하여 본 발명에 따른 방법을 사용하는 것이 가능하다.
또한, 2개 이상의 공지된 연료들의 비율의 결정, 상이한 연료 공급기로부터의 연료 형태는 단일(1을 뺀 연료 형태의 수) 물리적-화학적 특성을 측정하는 것에 의해 가능하다.
예를 들어 위치 또는 천연가스 그리드에서 H2에 의한 연료 도핑을 위하여, 통상적으로 가스 터빈 발전소에 또는 발전소에 이웃한 연료 가스 공급기에 설치된 가스 크로마토그래프는 메인 가스/천연가스의 가스 조성을 측정하도록 사용될 수 있다. 오직 하나의 물리적-화학적 특성은 도핑-종/도핑 혼합물의 급격한 변화를 검출하도록 요구된다. 가스 터빈의 작동은 일치하여 적합할 수 있다. 연료 조성은 주로 엔진의 고온 가스 온도 또는 성능을 결정하는데 필요하지 않고, 그 반응도를 유도하고 플래쉬백 및 분출에 대하여 안전 작동 범위를 결정하는데 필요하다.
요약하여:
연료 가스 성분의 결정을 위해 다음의 물리적-화학적 특성이 사용된다:
- 그 존재가 알려졌지만 그 농도가 알려지지 않은 연료 가스, 예를 들어 H2에서 하나의 추가 성분을 유도하도록 코리올리스 미터로부터 밀도 측정의 사용. C2+ 또는 H2 함유량은 매우 빠르게 유도될 수 있다. 밀도 측정은 매우 빠르고, 연료 조성의 빠른 변화를 검출하도록 다른 측정(IR 흡수 검출기에 의해 C2+ 함유량, 열용량 또는 다른 것)과 관련하여 사용될 수 있다.
- 밀도를 사용하여, 연료 조성에서 빠른 변화가 검출될 수 있다. 이로부터, 예를 들어, H2 함유량은 가능한 성분의 수가 제한될 경우에 추론될 수 있다. H2에 의한 밀도 변화는 특히 즉, 천연가스의 주요성분(ρ(CH4)/ρH2): 16/2)에 많이 비교된다. 보다 많은 성분이 그 특정 장소에서 가능하면, 추가의 측정은 조성의 빠른 분석을 유도하도록 요구될 수 있다. 심지어 정확한 조성없이도, 급격한 조성 변화가 밀도 변화에 의해 검출될 때 GT는 안전 작동 모드로 전환될 수 있다.
- 열전도성 측정은 용이하고 빠르게 행해질 수 있으며, 조성을 위한 하나 이상의 자유 파라미터가 요구되면 평가 계획으로 포함될 수 있다.
- 웨버 지수 계량기 - 다른 측정 디바이스가 요구되면 조합될 수 있다.
- 가스 터빈 파라미터에 의한 상대 열 입력 검출: 엔진 부하를 유지하는 것에 의해, 연료의 질량 유량은 연료의 낮은 발열량(LHV)의 변화에 의해 변화되어야만 한다. 그러므로, 요구되는 연료 질량 유량은 LHV의 지표이며, 연료 조성, 및 그에 따른 연료 반응도를 추론하는데 적절한 물리적-화학적 특성으로서 또한 사용될 수 있다.
- C2+ 조성을 측정하는 IR 검출기: 이것은 이미 최신식이다. 그러나, 다른 측정과 조합하여, 이것은 새로운 연료종을 포함할 수 있다.
- RAMAN 분광기: 이것은 모든 성분을 동시에 포획하는 더욱 세련된(및 비싼) 기술이다.
예를 들어, 이러한 측정의 정확한 조합으로, CH4, C2+, H2(IR 흡수로부터) 및 N2(동시에 밀도 및 측정된 열전도성으로부터)를 검출하는 것을 가능하게 하는 연료 가스 조성을 위한 빠른 검출기를 구성하는 것이 가능하다. 본 발명의 실행은 검출기 신호로부터 빠른 측정을 유도하고, 엔진 작동의 가능한 변화, 예를 들어 연료 스테이징 또는 GT24/GT26 재열 엔진의 제1 연소기(EV)의 디레이팅에서의 변화 및 순차적인 연소기 연료의 동시 증가를 평가하도록 제어 소프트웨어의 적응을 포함한다.
본 발명이 단지 제한된 수의 실시예와 관련하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 이러한 설명된 실시예로 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 오히려본 발명은 본 명세서에 설명되지 않은 임의의 수의 변형, 대안, 대체 또는 등가의 배열을 통합되도록 변경될 수 있지만, 이는 본 발명의 사상 및 범위와 잘 맞는다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 양태는 설명된 실시예 중 단지 일부만 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 이전의 설명에 의해 제한되지 않고, 단지 첨부된 청구항들의 범위에 의해서만 제한된다.
100 가스 터빈
120 압축 공기의 유동
130 연소기
140 터빈
150 로터
160 발전기
180 유입 공기 유동
190 연료 가스 제어 모듈
194 센서
210 컨트롤러
220 압축기 제어 모듈
240 연소 제어 모듈
250 터빈 제어 모듈
252 센서
280 공기 제어 모듈

Claims (17)

  1. 플래쉬백(flashback) 및 분출(blow out)에 대하여 가스 터빈의 안전 작동 범위를 빨리 결정하도록, 통합된 연료 반응도 측정 개념으로 작동하는, 적어도 하나의 연소기 스테이지를 구비한 가스 터빈을 제어하기 위한 방법으로서, 연료 가스 혼합물의 각 물리적-화학적 특성을 위한 하나의 성분의 농도를 유도하기 위하여, 또는 공지의 조성으로 상기 연료의 비율을 결정하고, 적어도 부분적으로 상기 연소기로 들어오는 연료 가스 혼합물의 결정된 특성에 기초하여 상기 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하기 위하여, n>1 연료 성분과 연료 혼합물의 (n-1) 물리적-화학적 특성의 조합된 측정에 의해 연료 조성, 및 그에 따른 연료 반응도를 추론하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물리적-화학적 특성의 측정은, 통상적인 종래의 연료 가스 측정에 추가하여, 정확한 연료 가스 조성이 낮은 반응 시간이지만 높은 정확성으로 종래의 측정 디바이스에 의해 확인될 때까지 안전 모드로 상기 가스 터빈을 구동하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 물리적-화학적 특성의 측정은 통상적인 종래의 연료 가스 측정 대신에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈의 상기 조절은 고온 가스 온도 및/또는 스테이징(staging)의 감축 때문에 디레이팅(de-rating)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈은 제1 및 제2 연소기를 구비한 순차적 연소형이며, 상기 가스 터빈의 조절은 상기 제1 및 제2 연소기 사이의 동력 균형(power balancing)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 혼합 전후에 하나의 연료 가스 유동의 오직 일부인 단지 하나의 특성이 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 개별적인 연료의 조성이 거의 일정하도록 공지되고 예측되면, 상기 연료 가스의 하나의 특성은 연료를 혼합한 후에 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 물리적-화학적 특성으로서, 상기 연료 가스의 밀도는 연료 조성의 변화를 검출하도록 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, C2+ 함유량 및/또는 H2 함유량은 밀도 측정으로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 물리적-화학적 특성으로서, 열전도성은 연료 조성에서의 변화를 검출하도록 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 물리적-화학적 특성으로서, 열입력(낮은 발열량, LHV)은 연료 조성에서의 변화를 검출하도록 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정은 코리올리스 미터, 적외선(IR) 분석기, 가스 크로마토그래프(GC), RAMAN 스펙트럼분석 및/또는 고분해능 다이오드 레이저로 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 가스에서 CH4, CO, C2H6, N2 및/또는 CO2의 함유량을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 상기 연료 가스 조성 성분들로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연료 가스 조성 성분들은 화염의 반응도 상의 영향에 따라서 가중되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여 상기 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계는, 상기 연료 가스의 밀도의 변화의 크기를 결정하는 단계; 및 상기 변화의 크기가 사전 결정된 임계치보다 클 때 사전 결정된 작동 파라미터들의 세트가가 되도록 상기 가스 터빈의 작동 파라미터들을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 부분적으로 상기 연료 가스의 결정된 밀도에 기초하여 상기 가스 터빈의 적어도 하나의 작동 파라미터를 조절하는 단계는, 최적화되고 안전한 상태로 상기 가스 터빈을 작동시키기 위하여 결정된 연료 가스 밀도, 또는 상기 작업 유체의 질량 유량, 또는 연료 질량 유량에 기초하여 상기 가스 터빈의 터빈 입구 온도(TIT)를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
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