KR20160043107A - 폐열 증기 발생기 및 연료 예열부를 갖는 복합 화력 발전소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 화력 발전소 및 이러한 유형의 복합 화력 발전소의 상응하는 작동 방법에 관한 것이며, 복합 화력 발전소의 부하 작동 시에, 강제 관류 원리에 따라 구성된 폐열 증기 발생기로 공급되는 물 질량 유량은, 중압단의 증발기 가열면(6)에 과잉 공급되도록 설정되어, 증발기 가열면(6) 내에서 가열되나 증발되지 않은 규정된 양의 과잉수가 물-증기 분리기(11)를 통해, 가스 터빈용 연료 예열을 위한 열 교환기 회로로 방출된다.

Description

폐열 증기 발생기 및 연료 예열부를 갖는 복합 화력 발전소{COMBINED CYCLE GAS TURBINE PLANT COMPRISING A WASTE HEAT STEAM GENERATOR AND FUEL PREHEATING STEP}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 폐열 증기 발생기를 갖는 복합 화력 발전소, 및 상기 유형의 복합 화력 발전소의 작동을 위한 상응하는 방법에 관한 것이다.
복합 화력 발전소는, 가스 터빈 발전소와 증기 터빈 발전소의 원리가 조합된 설비이다. 폐열 증기 발생기 내에서, 가스 터빈으로부터 유출되는 가열된 연도 가스가 증기 터빈을 위한 증기를 생성하기 위해 사용된다. 이 경우에, 열 전달은 도관 또는 도관 다발 형태로 폐열 증기 발생기 내에 배열된 복수의 가열면에 의해 수행된다. 가열면은 다시 하나 이상의 압력단을 포함하는 증기 터빈의 물-증기 회로 내로 연결된다. 각각의 압력단은 통상 가열면으로서, 예열기 또는 절탄기, 증발기 및 과열기를 포함한다.
현재, 폐열 증기 발생기의 구조는 경제적인 관점에 따라 대부분 엄격하게 이루어진다. 특히, 현재, 공정 매개 변수, 즉, 폐열 증기 발생기를 통해 생성된 증기에 대한 압력 및 온도, 그리고 폐열 증기 발생기 내의 가열면의 수의 선택은 중요하며, 이는, 가스 터빈 유출 온도뿐 아니라 복합 화력 발전소의 작동을 위한 한계 조건에도 따른다. 폐열 증기 발생기의 각각의 위치에서의 증기 생성물의 질에 대한 기준은 연도 가스와, 상기 위치에서의 증기 사이의 온도차이다.
복합 화력 발전소의 경제성에 대해 점점 더 높아지는 요구에 따라, 화력 증기 발생기와 유사하게, 초임계 공정 매개 변수를 갖는 폐열 증기 발생기를 도입하는 것에 대한 많은 노력이 이미 있었다. 2상 범위보다 높은 압력 범위 내에 위치하기 때문에, 특히 자연 순환 시스템이 그에 부속된 드럼을 혼합물 분리에 더 이상 사용할 수 없는데, 그 이유는 상이한 밀도를 갖는 물-증기 상으로부터의 혼합물이 존재하지 않기 때문이다. 이 경우에, 강제 관류 원리가 이용되는데, 즉, 물-증기 회로 내에서 고압 펌프가, 사전 설정된 가스 측의 열 공급과 일치되어 폐열 증기 발생기의 유출부에서 (생증기로도 표시되는) 상응하는 양의 증기가 요구된 초임계 증기 매개 변수에 의해 추출될 만큼 (급수로도 표시되는) 물을 조절식으로 폐열 증기 발생기로 공급한다. 하나 이상의 압력단을 가지며 강제 관류 원리에 따라 작동하는 폐열 증기 발생기는 예를 들어 WO 99/01697 A1에 공지되어 있다.
강제 관류 원리에 따라 구성된 폐열 증기 발생기는 시스템 압력에 대처하기에 충분한 두꺼운 벽을 요구하는 큰 부피의 드럼 없이도 구현되기 때문에, 매우 빠른 기동 시간을 특징으로 한다. 그러나 이러한 폐열 증기 발생기의 구조에서 임계 변수는 여전히 복합 화력 발전소의 전체 부하 영역에 걸쳐 증발기 가열면의 안정적인 관류를 나타낸다.
열 효율의 상승을 위해 현재 공지된 복합 화력 발전소는 통상 연료 예열을 포함한다. 이 경우에, 폐열 증기 발생기의 중압단의 예열기의 유출부에서 물-증기 회로로부터, 예열기 내에서 220℃ 내지 240℃의 온도로 가열된 급수의 부분이 조절식으로 추출되어, 연료 예열을 위해 열 교환기 회로로 공급된다. 또한, 중압단의 적절한 압력 제어 방식은, 전체 부하 영역에 걸쳐, 물-증기 회로 내에서 순환하는 매체의 충분한 온도가 상기 추출 위치에서 보장된다.
강제 관류 원리에 따라 구성된 폐열 증기 발생기에 대한 최근 연구는, 예열기 및 증발기가 단일 과정, 즉, 추가의 압력 보상 없이, 그리고 조합된 가열면의 예열 영역 내에서 충분히 높은 압력 손실이 형성되는 경우, 중압단에 저압이 존재할 때도 중압단의 증발기의 안정적인 관류가 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 이는, 전체 부하 영역 내에서 오직 과냉각된 물이 유동하는 유입 영역 내의 가열면의 도관이 작은 내경으로 형성됨으로써, 중압 증발기의 안정적인 관류를 위해 요구되는 스로틀 압력 하강이 달성됨으로써 보장될 수 있다. 그러나 이를 위해, 예열기의 출력부에서의 유출 집수기(collector) 및 하류에 연결된 증발기 유입부에서의 유입 분배기가 제거되어야 한다. 그러나 연료 예열을 위한 가열된 물의 방출을 위해 상기 위치에 통상 제공된 방출 도관이 제거된다. 이러한 연료 예열에 대한 포기는 현재의 복합 화력 발전소에서는 전체 설비의 작동 기술적인 관점에서 바람직하지 못하다. 중압단의 예열기의 유출부로부터 고압단의 예열기의 유출부 쪽으로, 연료 예열의 열교환기 회로 내로, 예열된 급수의 부분적인 방출을 위한 방출 라인이 변위되는 것은 열교환기 회로의 부품이 훨씬 더 높은 압력을 위해 설계되어야 하고 보호되어야 하는 결과를 갖는데, 이는 다시 현저한 비용 증가를 야기할 수도 있다. 저압단으로의 변경은 배제되는데, 그 이유는 저압단 내에, 연료 예열을 위해 요구되는 열량 및 온도가 제공될 수 없기 때문이다.
본 발명의 과제는, 복합 화력 발전소 내의 연료 예열부와 폐열 증기 발생기의 연결, 및 강제 관류 원리에 따라 구성된 폐열 증기 발생기에 적합한 복합 화력 발전소의 상응하는 작동 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 복합 화력 발전소 및 상기 유형으로 구성된 복합 화력 발전소의 작동 방법에 의해 해결된다.
폐열 증기 발생기를 갖는 복합 화력 발전소에서, 폐열 증기 발생기는, 증기 터빈의 물-증기 회로를 위한 저압단, 중압단 및 고압단으로 구성된 3단 압력 시스템의 형성을 위한 것으로, 가스 터빈의 배기 가스 채널 내에 배열되어 서로 연결된 복수의 가열면을 포함하며, 각각의 압력단은 예열, 증발 및 과열을 위한 하나 이상의 가열면을 각각 포함하며, 중압단의 과열기 가열면의 유입부와 증발기 가열면의 유출부 사이에 배열되고 과잉수가 증기로부터 분리될 수 있는 물-증기 분리기는 과잉수의 방출을 위한 방출 라인을 구비하며, 상기 방출 라인은, 물-증기 분리기 내에서 분리된 과잉수의 규정된 양이 열 교환기 회로 내로 도입되도록 가스 터빈용 연료 예열을 위한 열 교환기 회로와 연결되며, 복합 화력 발전소의 부하 작동 시에, 폐열 증기 발생기로 공급된 물 질량 유량은, 중압단의 증발기 가열면에 과잉 공급되도록 설정되어, 증발기 가열면 내에서 가열되나 증발되지 않은 규정된 양의 과잉수가 물-증기 분리기를 통해 가스 터빈용 연료 예열을 위한 열 교환기 회로로 방출됨으로써, 상기와 같은 연결 시에도, 정적 및 동적인 관점에서 중압단의 증발기 가열면의 안정적인 관류가 전체 부하 영역에 걸쳐 달성될 수 있다.
본 발명에 따라 구성된 상기 유형의 복합 화력 발전소는 전체 설비의 작동 기술적인 관점에서 뿐만 아니라, 경제적인 관점의 고려 하에도 효과적으로 작동될 수 있다. 본 발명에 따른 연결 및 본 발명에 따른 방법을 통해, 강제 관류 원리에 따라 작동하는 폐열 증기 발생기의 장점뿐만 아니라, 연료 예열의 장점도 효과적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 자연 순환 원리에 따라 작동하는 증발기를 위해 요구될 수도 있는 드럼이 제거될 수 있다. 연료 예열을 위해 요구되는 과잉 공급은 추가적으로, 증발기의 추가의 안정성을 제공하는데, 그 이유는 질량 유량 밀도가 증발기 내에서 뿐만 아니라, 특히, 유동 안정성을 위해 요구되는 압력 하강을 형성하는 절탄기-가열면 내에서도 증가하기 때문이다. 이로써, 전체 설비 유연성의 향상에 기여하는 중압단의 허용 가능한 부하 영역이 확장될 수 있거나, 또는 재료 절감과 비용 절감을 동반하는, 동일하게 요구된 부하 영역에서 압력 하강 생성을 위해 필요한 중압단의 내경이 감소될 수 있다. 추가로, 시스템에 따라, 상기 방식의 작동 시에, 인접한 가열면 도관의 온도 불균형 및 그로부터 발생하는 증발기 가열면 내의 응력이 고려되지 않는데, 그 이유는 모든 증발기 도관이 동일한 비등 온도 레벨에 있기 때문이다.
중압단의 증발기의 본 발명에 따른 과잉 공급을 통해, 하류에 연결된 물-증기 분리기 내에 물이 항상 생성된다. 물-증기 분리기 내에서, 과잉수가 증기로부터 분리된다. 증기는 중압단의 과열기 내로 계속 유동하나, 분리된 가열된 물은 연료 예열부로 공급된다. 이 경우에, 복합 화력 발전소의 부하 영역 내에서 증발기는 폐열 증기 발생기로 공급된 급수의 질량 유량의 상응하는 조절을 통해, 분리된 물이 연료 예열을 위해 충분하도록 과잉 공급된다. 이로써, 조절되는 증발기 관류는 특히 연료 예열부에 의해 요구된 열량에 맞춰진다.
이에 반해, 예를 들어 오일 작동과 같이, 연료 예열이 필요하지 않은 경우, 급수 질량 유량의 상응하는 설정을 통해, 중압단의 증발기가 증발기 유출부에서 예를 들어 10 내지 15K의 최소 과열로 작동될 수 있기 때문에, 경우에 따라 폐수로서 방출될 수도 있는 추가의 물이 물-증기 분리기 내에 생성되지 않는다. 이에 반해, 물-증기 분리기의 방출 라인 내에 추가로 일체된 순환 펌프를 갖는 중압단에서, 오일 작동 시에, 마찬가지로 과잉 공급된 중압 증발기에 의해, 물-증기 분리기 내에서 분리된 잔류수가 적절하게 응축물 예열기의 유입부에 재공급될 수도 있는데, 이는 응축물 재순환의 재순환량을 감소시킬 수도 있으며, 이러한 상황에서는 경우에 따라, 더 소형의 응축물 재순환 펌프가 사용될 수도 있다 (오일 작동 시에, 시스템에 따라 응축물 재순환은 최대이다). 따라서, 이러한 배경으로 인해, 추가의 잠재 비용 절감이 가능하거나 또는 중압단-재순환 펌프에 대한 추가의 비용적인 소모가 감소될 수도 있다.
기본적으로, 본 발명에 따른 방법은 복합 화력 발전소의 상이한 작동 상태에 대해 유연하게 반응할 수 있다.
본 발명이 이하의 도면을 참조하여 예시적으로 상세히 설명된다.
도 1은 폐열 증기 발생기의 공지된 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 폐열 증기 발생기의 본 발명에 다른 회로 개념도를 개략적으로 도시한다.
수직 구조로 도시된 폐열 발생기(1)는 가스 터빈으로부터의 가열된 연도 가스(RG)에 의해 관류된다. 냉각된 연도 가스(RG)는 상세히 도시되지 않은 굴뚝 방향으로 폐열 증기 발생기(1)를 벗어난다. 폐열 증기 발생기 내에서, 가열된 연도 가스가 증기 터빈을 위한 증기를 생성하기 위해 사용된다. 이때, 열전달은 폐열 증기 발생기 내에 도관 형태 또는 도관 다발 형태로 배열되는 복수의 가열면에 의해 수행된다. 가열면은 다시 하나 이상의 압력단을 포함하는 증기 터빈의 물-증기 회로 내로 연결된다. 도시된 폐열 증기 발생기 내의 가열면은 고압단, 중압단 및 저압단으로 구성된 3단 압력 시스템을 형성한다. 각각의 압력단은 예열기 또는 절탄기, 증발기 및 과열기로서 작동하는 가열면을 포함하며, 가열면 내에서, 상세히 도시되지 않은 복합 화력 발전소의 증기 터빈의 물-증기 회로로부터의 급수가 단계적으로 가열되어 증발되고, 증기가 증기 터빈으로 공급된다. 추가로, 도시된 폐열 증기 발생기는 응축물 예열기(2)를 포함한다.
중압단 내에서, 급수 라인(SM)을 통해 조절된 급수가 예열기(4)로 공급된다. 유출측에서 예열기(4)의 도관은, 예열기(4)의 유동측 하류에 연결된 증발기(6)의 유입 분배기(13)와 연결된 공동의 유출 집수기(12) 내로 합류된다. 출력측에서, 증발기(6)의 가열면 도관은 증기 라인을 통해 물-증기 분리기(11) 내로 합류된다. 증기 라인의 연결은 물-증기 분리기(11)의 증기측 헤드 단부에 제공되며, 이 헤드 단부에는 다른 증기 라인이 연결된다. 이 증기 라인은 과열기(8)의 가열면 내로 합류된다. 본 실시예에서, 과열기(8)의 출력부와 주 증기 라인(DM) 사이에는 중간 가열기 가열면(10)이 제공된다. 물-증기 분리기(11)는 물 측 바닥 단부에 과잉수의 방출을 위한 방출 라인을 포함한다. 폐열 증기 발생기(1)의 중압단의 가열면(4, 6, 8, 10)은 급수 라인(SM) 및 주 증기 라인(DM)을 통해, 상세히 도시되지 않은 방식으로 증기 터빈의 물-증기 회로 내로 연결된다. 상응하는 방식으로, 저압단 및 고압단의 가열면도 연결된다. 저압단 내에서, 급수가 저압 증기로서 폐열 증기 발생기(1)를 벗어나서 저압 주 증기 라인(DN)으로 공급되기 이전에, 급수가 급수 라인(SN)으로부터 증발기(3)로 직접 유동하고, 이어서 과열기(5)로 유동한다. 고압단 내에서, 급수는 급수 라인(SH)으로부터 예열기(4)로 공급되고, 예열기로부터 추가의 절탄기(7)로, 절탄기로부터 증발기(9)로 공급되며, 그리고 과열기(10)를 통해 고압 증기로서 증기 터빈의 물-증기 회로의 고압 주 증기 라인(DH)으로 재공급된다. 구조적으로, 본 구성에서, 고압단의 제1 절탄기-가열면 도관 및 중압단의 절탄기-가열면 도관이 공동의 가열면(4)으로 통합되고, 고압단의 과열기 가열면 도관이 중압단의 중간 가열단의 가열면 도관과 함께 공동의 가열면(10)으로 통합된다.
도 2에는, 강제 관류 원리에 따라 작동하는 폐열 증기 발생기(1)를 위한 중압단의 가열면의 본 발명에 따른 연결의 일 실시예가 도시된다. 저압단 및 고압단의 가열면의 연결은 변경되지 않은 채 유지된다. 중압단을 위해, 중압-절탄기 가열면(4)의 유출부에서의 별도의 유출 집수기뿐만 아니라 중압-증발기 가열면(6)의 별도의 유입 집수기도 제거된다. 이러한 상황에서, 중압-절탄기 가열면(4)의 도관은 물리적인 분리 없이, 직접 중압-증발기 가열면(6)의 도관으로 전환된다. 중압-절탄기 및 중압-증발기의 이러한 연결 방식은, 증발기의 정적 및 동적 유동 안정성의 보장을 위한 실질적인 장점을 갖는데, 그 이유는 증발기 안정성의 형성을 위해 요구되는 과냉각된 유입 매체의 압력 하강이 주목할만한 단점 없이, 이미 중압-절탄기 가열면(4) 내에서 적절한 조치를 통해 생성될 수 있기 때문이다. 이러한 연결 방식의 고려 하에, 중압단에서 가열된 물의 방출을 위한 방출 라인이 가스 터빈용 연료 예열을 위한 열 교환기 회로에서, 도 1에 도시된 바와 같이 12와 13 사이에 제공되는 것이 아니라, 물-증기 분리기(11)에 제공된다. 본 발명에 따르면, 복합 화력 발전소의 부하 작동 시에, 폐열 증기 발생기로 공급되는 물 질량 유량은, 중압단의 증발기 가열면(6)에 과잉 공급되도록 설정되어, 증발기 가열면(6) 내에서 가열되나 증발되지 않은 규정된 양의 과잉수가 물-증기 분리기(11) 및 방출 라인을 통해, 가스 터빈용 연료 예열부를 위한 열 교환기 회로로 방출된다. 본 실시예에서, 연료 예열을 위해 열 교환기 회로 내의 압력비가 요구될 경우, 방출 라인(15) 내에는 지원을 위한 재순환 펌프(14)가 배열된다. 이러한 상황에서, 중압단을 위해, 예를 들어, 추가의 집수기 또는 분배기를 통해 절탄기와 증발기 가열면 사이에 물리적 분리를 갖지 않아서 절탄기를 포함하는 증발기 연결이 사용될 수 있기 때문에, 유동 매체가 전체 부하 영역 내에서 가열면 유입부에서의 항상 충분한 과냉각을 갖는다. 이러한 상황에서 마찬가지로 절탄기-바이패스 연결이 제거되는데, 이는 추가의 잠재적 비용 절감을 수반한다.

Claims (3)

  1. 폐열 증기 발생기(1)를 갖는 복합 화력 발전소이며, 폐열 증기 발생기는, 증기 터빈의 물-증기 회로를 위한 저압단, 중압단 및 고압단으로 구성된 3단 압력 시스템의 형성을 위한 것으로, 가스 터빈의 배기 가스 채널 내에 배열되어 서로 연결된 복수의 가열면(2 내지 10)을 포함하며, 각각의 압력단은 예열, 증발 및 과열을 위한 하나 이상의 가열면을 각각 포함하며, 중압단의 과열기 가열면(8)의 유입부와 증발기 가열면(6)의 유출부 사이에 배열되고 과잉수가 증기로부터 분리될 수 있는 물-증기 분리기(11)는 과잉수의 방출을 위한 방출 라인(15)을 구비하는 복합 화력 발전소에 있어서,
    방출 라인(15)은, 물-증기 분리기(11) 내에서 분리된 과잉수의 규정된 양이 열 교환기 회로 내로 도입되도록, 가스 터빈용 연료 예열을 위한 열 교환기 회로와 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 화력 발전소.
  2. 제1항에 있어서, 방출 라인(15)은 재순환 펌프(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 화력 발전소.
  3. 제1항 또는 제2항에 따라 구성된 복합 화력 발전소의 작동 방법에 있어서,
    복합 화력 발전소의 부하 작동 시에, 강제 관류 원리에 따라 구성된 폐열 증기 발생기로 공급되는 물 질량 유량은, 중압단의 증발기 가열면(6)에 과잉 공급되도록 설정되어, 증발기 가열면(6) 내에서 가열되나 증발되지 않은 규정된 양의 과잉수가 물-증기 분리기(11)를 통해, 가스 터빈용 연료 예열을 위한 열 교환기 회로로 방출되는 것을 특징으로 하는 복합 화력 발전소 작동 방법.
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