KR20160067262A - 연소가스 냉각장치가 구비된 가스터빈 발전 시스템 - Google Patents

연소가스 냉각장치가 구비된 가스터빈 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화기체를 이용하여 가스터빈으로 전달되는 연소가스를 냉각하게 되는 냉각장치를 갖는 가스터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 외기를 압축하는 압축기(10)와, 압축기로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 가스터빈(11)(12)으로 압축가스를 공급하게 되는 연소기(30)를 포함하는 가스터빈 발전 시스템에 있어서, 상기 연소기(30)에서 배출되어 가스터빈(11)(12)으로 공급되는 연소가스에 액화기체를 분사하기 위한 액화기체 분사부(110)를 더 포함한다.

Description

연소가스 냉각장치가 구비된 가스터빈 발전 시스템{Gas turbine power generating system having combustion gas cooling device}
본 발명은 연소가스 냉각장치가 구비된 가스터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 액화기체를 이용하여 가스터빈으로 전달되는 연소가스를 냉각하게 되는 냉각장치를 갖는 가스터빈 발전 시스템에 관한 것이다.
가스터빈 발전은 가스터빈을 원동기로 사용하여 발전하는 방식으로써, 가스터빈은 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관이다.
일반적으로 가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈으로 구성되며, 전단의 압축기에서 공기의 압축이 이루어지고 압축된 공기는 연소실에서 분사되는 연료와 혼합되어 연소가 이루어지며, 이때 발생된 고온, 고압의 연소가스는 터빈에 분사하여 팽창이 이루어져 터빈을 회전시키게 된다. 한편 터빈에서 팽창되어 발생된 연소가스 발전기와 연결되는 샤프트에 회전 구동하여 전력을 생산한다.
도 1을 참고하면, 일반적인 가스터빈 발전 시스템은 터빈(10)과 축(11)으로 연결되어 회전 구동되는 압축기(20)가 마련되며, 압축기(20)에서 발생된 압축공기에 연료를 분사하여 연소가스가 발생되는 연소기(30)를 포함한다.
압축기(20)에서는 외기가 도입되어 압축이 이루어지게 되며, 압축 공기는 연소기(30)로 전달된다.
연소기(30)는 연료의 분사가 이루어지며, 기체 및/또는 액체 연료가 분사되어 압축공기와 함께 연소가 이루어지며, 고온, 고압의 연소가스는 터빈(10)으로 유입되어 터빈(10)을 회전시키게 되고 터빈(10)에 연결된 발전기(40)를 통해 발전이 이루어진다.
터빈(10)으로 유입된 팽창 가스는 외기로 직접 방출되거나, 열병합 발전 시설을 거친 후에 외기로 배출된다.
한편 가스터빈 발전 시스템에서 압축기로 공급되는 공기의 온도를 낮추어 가스터빈의 효율을 개선하고자 하는 종래기술들 개시되어 있으며, 예를 들어, 등록실용신안공보 제20-0356600호(공고일자: 2004.07.19)는 배열 회수 보일러에서 발생되는 증기의 일부를 추출하여 에너지원으로 사용하는 흡수식 냉각 방식을 적용하여 가스터빈의 흡입 공기를 냉각하여 발전 설비의 효율을 개선하고자 하는 복합 화력 발전의 가스터빈 흡입공기 냉각 시스템을 제안하고 있다.
다른 예로써, 공개특허공보 제10-2001-0038818호(공개일자: 2001.05.15)는 석탄가스화 복합발전시스템에서 가스터빈과 산소분리장치간의 연계 방법을 개선하여 종래 연계 방법보다 투자비가 적고 운전제어가 간단하고 가스터빈의 성능을 향상시킬 수 있는 산소분리장치의 잉여질소를 이용한 석탄가스화 복합발전시스템을 보여주고 있다.
그러나 석탄 가스화 공정의 질소를 이용하는 것은 질소/산소 분리 공정을 통하여 잉여질소가 생산되는 상황을 가정하였기 때문에, 일반적인 가스터빈의 운전 상황에 이를 적용하기에는 무리가 있으며, 또한 질소/산소 분리공정과 발전과정이 같이 이루어짐으로써 결과적으로 가스터빈의 출력 중에 질소/산소 분리공정과 질소 압축공정으로 인한 발생전력 감소가 있게 된다.
등록실용신안공보 제20-0356600호(공고일자: 2004.07.19)
공개특허공보 제10-2001-0038818호(공개일자: 2001.05.15)
본 발명은 연소가스 냉각장치가 구비된 가스터빈 발전 시스템에 관한 것으로, 특히 액화기체를 이용하여 가스터빈으로 전달되는 연소가스를 냉각하여 효율을 개선할 수 있는 가스터빈 발전 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스터빈 발전 시스템은, 외기를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 가스터빈으로 압축가스를 공급하게 되는 연소기를 포함하는 가스터빈 발전 시스템에 있어서, 상기 연소기에서 배출되어 가스터빈으로 공급되는 연소가스에 액화기체를 분사하기 위한 액화기체 분사부를 더 포함한다.
또한 본 발명에 따른 가스터빈 발전 시스템은, 외기를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 가스터빈으로 압축가스를 공급하게 되는 연소기를 포함하는 가스터빈 발전 시스템에 있어서, 상기 압축기의 입력단 또는 압축기 내에 액화기체를 분사기 위한 액화기체 분사부를 더 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 액체공기 분사부는, 연소가스에 액체공기를 분사하게 되는 노즐과; 액체공기가 저장되는 저장부와; 상기 저장부에 저장된 액체공기를 상기 노즐로 압송하여 공급하는 펌프;를 포함한다.
보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 저장부는 기체를 압축하여 임계온도 이하로 냉각하여 기체를 액화하는 액화기체 생산유닛을 더 포함한다.
보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 펌프와 상기 노즐 사이에 마련되어 액화기체와 상기 가스터빈에서 배출되는 배출가스 사이의 열교환을 위한 열교환기를 더 포함한다.
보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 액화기체 생산유닛은 오프피크 전력에 의해 운전이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스터빈 발전 시스템은, 가스터빈 발전 시스템과는 별도로 액화기체를 생산하여 가스터빈 입구단 또는 압축기 측에 액화기체를 분사하여 연소가스 또는 압축가스를 냉각함으로써, 온도강하 및 전체 작동유체의 질량유량 증가와 압력 상승을 유도하여 발전 효율을 개선할 수 있으며, 또한 오프피크 전력을 이용하여 액화기체를 생산하여 첨두부하 상황에서 전력난을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 가스터빈 발전 시스템의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 가스터빈 발전 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈 발전 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스터빈 발전 시스템의 구성도,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하며, 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 가스터빈 발전 시스템은, 외기를 압축하는 압축기(20)와, 압축기(20)로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 가스터빈(11)(12)으로 압축가스를 공급하게 되는 연소기(30)를 포함하는 가스터빈 발전 시스템에 있어서, 상기 연소기(30)에서 배출되어 가스터빈(11)(12)으로 공급되는 연소가스에 액화기체를 분사하기 위한 액화기체 분사부(110)를 더 포함한다.
본 실시예에서 가스터빈(11)(12)은 1단 터빈(11)과 2단 터빈(12)으로 구성되는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 또한 본 발명의 가스터빈 발전 시스템은 가스터빈의 폐열을 회수하여 추가 발전이 이루어지는 복합화력 발전 시스템을 포함한다.
액화기체 분사부(110)는 연소기(30)의 후단에 마련되어 가스터빈(11)(12)으로 공급되는 연소가스에 액화기체를 분사하게 되며, 구체적으로, 액화기체 분사부(110)는 연소기(30)에서 발생된 연소가스에 액화기체를 분사하게 되는 노즐(111)과, 액화기체가 저장되는 저장부(112)와, 저장부(112)에 저장된 액화기체를 노즐(111)로 압송하여 공급하는 펌프(113)를 포함한다.
연소가스에 분사된 액화기체에 의하여 연소가스의 온도강하 및 전체 작동유체의 질량유량 증가와 압력 상승을 유발하여 발전 효율을 높일 수 있다.
특히 액화공기를 사용하는 경우에는 잉여질소가 발생되지 않는 일반적인 가스터빈 운전에서도 연소가스의 온도강하에 의해 NOx 감소 효과를 얻을 수가 있으며, 압축기(20)로부터 터빈 블레이드의 냉각을 위하여 추출되는 냉각공기(Bleed Air)를 감소시켜 가스터빈의 자체 성능 개선과 효율을 극대화할 수가 있다.
본 발명에서 액화기체는 가스터빈의 운전공정과는 분리된 별도의 프로세스를 통하여 공급이 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 산소와 질소의 혼합물인 공기를 압축하여 임계온도 이하로 냉각하여 얻은 액체공기에 의해 제공될 수 있으며, 공기 이외에 CO2 등의 다른 가스가 사용될 수 있을 것이다.
저장부(112)에는 액화기체를 생산하기 위하여 가스터빈 발전 시스템과는 독립된 액화기체 생산유닛(210)이 마련될 수 있으며, 바람직하게는, 액화기체 생산유닛(210)은 오프피스 전력 발생 시에 액화기체를 액화 및 저장하여 필요시에 액화기체를 가스터빈에 공급하여 발전이 이루어짐으로써 가스터빈의 출력을 증대시켜 첨두부하에 대응하여 전력 불균형을 해소할 수 있다.
구체적으로, 액화기체 생산유닛(210)은 압축기(211), 냉동기(212), 팽창밸브(213) 및 기수 분리기(214)로 구성되어 공기(기체)를 일정한 압력까지 압축시키고, 팽창, 열교환 과정의 반복에 의해 공기의 액화가 이루어질 수 있으며, 생산된 액화기체는 저장부(112)에 저장된다.
연소가스에 공급되는 액화기체는 펌프(113)의 운전속도에 의해 조절이 가능하며, 따라서 터빈 입구온도 및 입구압력을 원하는 상태로 조절이 이루어질 수 있으며, 따라서 가스터빈의 출력을 상황에 따라서 계절별 또는 월/일별 전력부하조건에 따라서 발전수익의 조절이 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈 발전 시스템의 구성도로써, 펌프(113)와 노즐(111) 사이에는 열교환기(114)가 마련될 수 있으며, 열교환기(114)에서는 연소가스에 공급되는 액화기체와 2단 터빈(12)에서 배출되는 배출가스 사이의 열교환이 이루어져 액화기체를 예열하여 가스터빈(11)(12)에 공급될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스터빈 발전 시스템의 구성도로써, 압축기(20)의 입력단 또는 압축기(20) 내에 액화기체를 분사하기 위한 액화기체 분사부를 포함한다.
본 실시예에서 액화기체 분사부는 앞서의 실시예와 동일하게 액체공기가 저장되는 저장부(112)와, 저장부(112)에 저장된 액화기체를 압축기(20) 측에 분사하게 되는 노즐에 의해 제공될 수 있다.
액화기체는 기체에 비하여 압력 조절이 용이하여 가스터빈의 다양한 부분에 공급이 가능한 장점이 있으며, 압축공기에 액화기체가 공급되어 압축공기의 온도를 낮추어 압축효율을 개선할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 압축기(20)에만 액화기체가 분사되는 것으로 예시하였으나, 연소기에 액화기체가 같이 분사될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10, 11, 12 : 가스터빈 20 : 압축기
30 : 연소기 110 : 액화기체 분사부
111 : 노즐 112 : 저장부
113 : 펌프 114 : 열교환기
210 : 액화기체 생산유닛

Claims (6)

  1. 외기를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 가스터빈으로 압축가스를 공급하게 되는 연소기를 포함하는 가스터빈 발전 시스템에 있어서,
    상기 연소기에서 배출되어 가스터빈으로 공급되는 연소가스에 액화기체를 분사하기 위한 액화기체 분사부를 더 포함하는 가스터빈 발전 시스템.
  2. 외기를 압축하는 압축기와, 압축기로부터 공급된 압축공기에 연료를 분사하여 가스터빈으로 압축가스를 공급하게 되는 연소기를 포함하는 가스터빈 발전 시스템에 있어서,
    상기 압축기의 입력단 또는 압축기 내에 액화기체를 분사기 위한 액화기체 분사부를 더 포함하는 가스터빈 발전 시스템.
  3. 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체공기 분사부는,
    연소가스에 액체공기를 분사하게 되는 노즐과;
    액체공기가 저장되는 저장부와;
    상기 저장부에 저장된 액체공기를 상기 노즐로 압송하여 공급하는 펌프;를 포함하는 가스터빈 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 저장부는 기체를 압축하여 임계온도 이하로 냉각하여 기체를 액화하는 액화기체 생산유닛을 더 포함하는 가스터빈 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 펌프와 상기 노즐 사이에 마련되어 액화기체와 상기 가스터빈에서 배출되는 배출가스 사이의 열교환을 위한 열교환기를 더 포함하는 가스터빈 발전 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 액화기체 생산유닛은 오프피크 전력에 의해 운전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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