KR20160093030A - 복합 사이클 시스템 - Google Patents

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KR20160093030A
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KR1020167016669A
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하미트 올리아
페트루스 콜러
미하엘 브라이트펠트
루돌프 치니커
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

본 발명은 가스 터빈, 증기 터빈 및 배열 회수 보일러를 포함하는 복합 사이클 시스템에 관한 것이며, 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기는 고압 출구 라인을 통하여 과열기들의 세트로 보내지고 증기 터빈 내로 도입되도록 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인을 통해 상기 세트의 과열기들로부터 방출되며, 조화 라인은 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 과열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하도록 고압 출구 라인과 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인 사이에 연결되고, 제어 밸브는 조화 라인에 배치된다. 본 발명의 해결 수단에 의해, 증기온도를 위한 제어 밸브에 걸친 압력차가 복합 사이클 시스템의 저부하 또는 고부하 적용에서 낮게 유지된다.

Description

복합 사이클 시스템{COMBINED CYCLE SYSTEM}
본 발명은 복합 사이클 시스템에 관한 것이고, 특히 복합 사이클의 배열 회수 보일러(heat recovery steam generator)에서 증기 온도 제어에 관한 것이다.
하류의 배열 회수 보일러들을 가지는 가스터빈 세트들과, 연소 보일러들 및 대응 증기 터빈들을 가지는 물/증기 사이클들이 서로 복합된 발전소 개념은 종래로부터 일정 시간 동안 공지되었으며, 낮은 투자 및 동작 유연성과 함께, 무엇보다도 증가된 전체적인 효율, 추가의 동력 출력(가스 터빈 세트) 때문에 점점 갈수록 더욱 사용되고 있다.
이러한 복합 발전소 개념의 변형은, 가스 터빈 세트와 물/증기 사이클이 물/증기측에서 서로 결합되는 복합 사이클 발전소이다. 가스 터빈 세트에 의해 방출된 연도 가스는 증기의 발생을 위해 배열 회수 보일러를 통하여 안내되고, 그런 다음 주위로 방출된다. 배열 회수 보일러에서 발생된 증기는 예를 들어 적절한 지점들에서 물/증기 사이클 내로 생 증기(live steam) 및/또는 재열 증기로서 급송된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 배열 회수 보일러는 응축 및/또는 급수 예열을 위해 또한 이용될 수 있다. 가스 터빈 시스템과 물/증기 시스템 사이의 상이한 연결을 갖는 다양한 형태의 복합 사이클 발전소는 예를 들어 G Bauer 등의 "복합 사이클 발전소-복합 발전소의 새로운 변형" VGB Kraitwerkstecnnik 73 (1993), No. 2, page 120 ff에서 설명되어 있다.
전형적인 배열 회수 보일러는 가스 터빈으로부터 배출 가스를 수용하기 위한 입구, 및 열 에너지가 배출 가스로부터 추출된 후에 가스 터빈으로부터 수용된 가스들을 배출하는 출구를 포함한다. 다수의 열교환 디바이스들이 위치되는 유동 경로가 입구와 출구 사이에 있다. 열교환 디바이스들은 배출 가스가 입구로부터 출구로 진행함에 따라서 가스 터빈으로부터의 배출 가스로부터 열을 추출한다.
배열 회수 보일러 내의 열교환 디바이스들은 입구와 출구 사이의 유동 경로 내에서 특정 패턴 또는 순서로 편성된다. 전형적으로, 열교환 디바이스들은 저압 증발기, 중간압 증발기, 및 고압 증발기를 포함한다. 배열 회수 보일러는 물이 증발기들 중 하나에 전달되기 전에 물을 예열하는 하나 이상의 수열기(economizer)들을 포함한다. 또한, 배열 회수 보일러는 증발기들 중 하나에 의해 만들어진 증기를 더욱 가열하는 하나 이상의 과열기(superheater)들을 포함할 수 있다. 끝으로, 재열기들과 같은 다양한 추가의 열교환 요소들은 다양한 목적을 위하여 유동 경로를 따라서 다양한 위치에서 포함될 수 있다.
증기 온도는 시동, 폐쇄, 플랜트 부하 및 부하 제거(de-loading)와 같은 천이 동작(transient operation)을 위하여 증기 터빈 요구조건(설정값들)에 따라서 제어될 수 있다. 과거에, 낮은 가스 터빈 배출 온도 및 보다 적은 플랜트 신축성 요구조건(보다 적은 플랜트 사이클링 및 긴 시동 시간 요구조건)으로 인하여, 배출 스테이지 과열 저감기(exit-stage de-super-heater)에 의해 증기 온도를 제어하는 것이 충분하였다. 가스 터빈 배출 온도를 증가시키고 플랜트 신축성 증가에 의해, 최종 과열기 상류에서 도입 추가 과열 저감은 의무적이다. 이러한 것은 플랜트 비용에 영향을 주었으며, 미해결된 배출 스테이지 과열 저감; 최소 유동 요구조건, 밸브의 부식 및 제어 능력에 의한 문제를 여전히 남긴다.
배출 스테이지 과열 저감은 밸브에 걸쳐서 작은 온도차를 보장하도록 지금 항상 최소로 동작하여야만 한다. 저온에서의 기본 부하(Base Load, BL) 및 저부하 동작(LLO)과 같은 일부 동작 체제에서, 과열 저감 유동(de-superheating flow)은 낮은 가스 터빈 배기 온도로 인하여 요구되지 않는다. 최소 유동은 성능 감소(기본 부하) 또는 증기 터빈에서의 열응력(저부하 동작)을 유발하는 불필요한 온도 감소를 유발한다. 배출 스테이지 과열 저감을 위하여, 물은 고압 수열기로부터 추출되고, 이는 특히 시동, 정지 및 LLO 동안 과열 저감기 밸브(de-super-heater valve)의 상류에서 고압을 유발한다. 이러한 것은 밸브의 부식을 유발한다. 플래트 천이(예를 들어, 시동) 동안, 최소 유동은 온도 감소의 불필요한 감소를 유발한다. 배출 스테이지 과열 저감기는 HRSG 출구에서의 온도를 제어하고, 최종 과열기 입구/출구 히터 및 매니폴드들과 같은 두꺼운 벽을 갖는 구성요소들의 온도 제어를 무시한다. 최소 유동량 및 밸브들의 부식에 의한 문제는 듀얼 스프레이 과열 저감기 밸브로 해결된다. 큰 유동에 대해 하나를 필요로 하고 작은 유동에 대해 다른 하나를 필요로 한다. 이러한 해결 수단은 비용을 증가시키고, 최소 유동은 증기 온도에서의 영향에 관하여 여전히 너무 크다. 대부분의 경우에, 작은 밸브 상의 부식은 검출되었다. 캐스케이드 과열 저감기 스테이션(cascaded de-super-heater station), 하나의 상류 최종 과열기, 및 다른 하류 최종 과열기는 두꺼운 벽들을 갖는 구성요소들의 수명 시간 문제를 해결하지만, 플랜트 비용을 증가시킨다.
증기를 발생시키도록 가스 터빈의 배출 가스로부터 추출된 열을 이용하는 배열 회수 보일러가 EP2584157A1에 개시되어 있다. 증기는 복합 사이클 발전소의 증기 터빈들에 제공된다. 중간압 증발기에 의해 발생된 중간압 증기는 제1 및 제2 중간압 과열기로 보내진다. 또한, 복합 사이클 발전소의 고압 증기 터빈으로부터 배출된 고압 증기는 배열 회수 보일러 내의 제1 및 제2 재열기들에 의해 재가열된다. 중간압 과열기들에 의해 출력된 증기는 중간압 증기 터빈의 인터스테이지 진입 포트(inter-stage admission port)에 제공되며, 제1 및 제2 재열기들에 의해 출력된 증기는 복합 사이클 발전소의 중간압 증기 터빈을 위한 주 입력 증기로서 제공된다.
가스 터빈, 증기 터빈, 및 배열 회수 보일러(HRSG)를 포함하는 복합 사이클 시스템이 EP 0736669 A2에 개시되고, 여기에서, 가스 터빈 배출 가스는 증기 터빈을 위한 증기, 및 HRSG의 입구 단부로부터 출구 단부로 유동하는 가스 터빈 배출 가스를 가열하기 위하여 배열 회수 보일러에서 사용되며, HRSG는, 증발기에 인접한 그 한쪽 단부에 제1 패스(pass), 그 다른 쪽 단부에 인접하고 배열 회수 보일러의 입구 단부에 인접한 최종 패스, 및 제1 및 최종 패스들 사이의 하나 이상의 중간 패스들을 포함하는 다수의 패스를 포함하는 과열기에 증기를 공급하도록 배열된 적어도 하나의 고압 증발기를 포함하며, 개선물은 가스 터빈 배출 가스에 노출되지 않은 조화 도관(attemperating conduit)을 포함하며, 과열기의 한쪽 단부와 반대편 단부를 연결하고, 중간 패스들을 바이패스시키고, 이에 의해 한쪽 단부로부터 반대편 단부에 있는 과열기 내로 더욱 찬 과열 증기를 도입한다.
가스 터빈 플랜트, 배열 회수 보일러, 및 증기 터빈 플랜트를 포함하는 복합 사이클 발전소가 US6578352B2에 개시된다. 배열 회수 보일러는 본류측(main stream side) 배관, 바이패스측 증기 배관, 배열 회수 보일러에서 이전 스테이지로부터 유동하는 증기를, 본류측 증기로서 하나와 과열 저감 증기로서 다른 하나의 2개의 증기로 분기하는 증기 분기부, 및 고압 과열기에 의해 과열된 본류측 증기와 바이패스측 증기 배관을 통과한 과열 저감 증기를 통합하는 증기 통합부를 포함한다. 배열 회수 보일러는 본류측 증기 배관과 바이패스측 증기 배관의 차단을 방지하는 차단 방지 기능과 열응력 발생 보호 기능을 구비한다.
본 발명의 목적은 상기된 문제를 적어도 완화시킬 수 있는 복합 사이클 시스템을 위한 증기 온도 제어 장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적은, 가스 터빈, 증기 터빈 및 배열 회수 보일러를 포함하는 복합 사이클 시스템에 의해 달성되며, 여기에서, 가스 터빈 배출 가스는 상기 증기 터빈을 위한 증기를 가열하기 위한 유동 경로를 형성하도록 상기 배열 회수 보일러의 입구 단부로부터 상기 배열 회수 보일러의 출구 단부로 유동하며, 상기 배열 회수 보일러는 고압 수열기, 물 분리 유닛, 및 한 세트의 과열기를 포함하며, 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기는 고압 출구 라인을 통하여 상기 세트의 과열기들로 보내지고 상기 증기 터빈 내로 도입되도록 상기 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인을 통하여 상기 세트의 과열기들로부터 방출되고, 조화 라인(attemperating line)은 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 포화 증기의 일부를 상기 세트의 과열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하도록 상기 고압 출구 라인과 상기 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인 사이에 연결되고, 제어 밸브는 상기 조화 라인에 배치된다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 과열기들은 유동 경로를 따라서 배열된 제1 과열기, 제2 과열기 및 상기 제3 과열기를 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되고, 상기 시스템은 상기 고압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결된 고압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 고압 냉각 라인은 고압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 제1 과열기 내로 입력된 증기로 도입하도록 배치된 고압 인터스테이지 과열 저감기(high pressure inter-stage de-super-heater)를 구비한다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 과열기들은 유동 경로를 따라서 배열된 제1 과열기, 제2 과열기, 및 제3 과열기를 포함하며, 상기 제1 과열기는 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되고, 상기 시스템은 고압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결된 고압 냉각 라인을 추가로 포함하고, 상기 고압 냉각 라인은 상기 고압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 과열기로 입력된 증기 내로 도입하도록 배치된 고압 인터스테이지 과열 저감기를 구비한다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 과열기들은 유동 경로를 따라서 배열된 제1 과열기, 제2 과열기, 및 제3 과열기를 포함하며, 상기 제1 과열기는 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되고, 상기 시스템은 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 과열기 내로 입력된 증기 내로 도입하도록 상기 물 분리 유닛의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에서 연결되는 고압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 인터스테이지 제어 밸브는 상기 고압 냉각 라인에 배치된다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 시스템은 중간압 수열기, 제2 물 분리 유닛(예를 들어, 중간압 드럼), 및 한 세트의 재열기들을 추가로 포함하며, 상기 제2 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기는 증기 터빈의 고압부를 통해 팽창된 증기와 혼합되고, 그런 다음 중간압 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로 보내지고 상기 증기 터빈 내로 도입되도록 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로부터 방출되며, 상기 시스템은 상기 제2 물 분리 유닛과 상기 증기 터빈의 고압부로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 재열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하도록 상기 중간압 출구 라인과 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인 사이에 연결된 2차 조화 라인을 추가로 포함하며, 2차 제어 밸브가 상기 2차 조화 라인에 배치된다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 재열기들은 제1 재열기, 및 상기 유동 경로에서 상기 제1 재열기의 하류에 배치된 제2 재열기를 포함하며, 상기 시스템은 상기 중간압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 재열기의 입구 단부 사이에 연결되는 중간압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 중간압 냉각 라인은 상기 중간압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 재열기 내로 입력된 증기 내로 도입하도록 배치된 중간압 인터스테이지 과열 저감기(intermediate pressure inter-stage de-super-heater)를 구비한다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 조화 라인은 상기 물 분리 유닛 바로 뒤에서 상기 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인에 연결된다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 물 분리 유닛은 물 분리기 또는 고압 드럼이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 가스 터빈, 증기 터빈, 및 고압 수열기, 물 분리 유닛 및 한 세트의 과열기들을 구비하는 배열 회수 보일러를 포함하는 복합 사이클 시스템을 작동시키는 방법을 제공하며, 여기에서, 가스 터빈 배출 가스는 상기 증기 터빈을 위한 증기를 가열하기 위한 유동 경로를 형성하도록 상기 배열 회수 보일러의 입구 단부로부터 상기 배열 회수 보일러의 출구 단부로 유동하며, 상기 방법은 상기 고압 수열기에서 물을 예열하여 상기 물 분리 유닛으로 보내는 단계, 상기 물 분리 유닛으로부터 한 세트의 과열기들 내로 포화 증기의 일부를 방출하는 단계, 과열 증기를 생성하도록 상기 세트의 과열기들에서 포화 증기를 과열시키는 단계, 및 상기 증기 터빈 내로 과열 증기를 방출하는 단계를 포함하며, 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 포화 증기의 일부는 상기 물 분리 유닛으로부터 조화 라인을 통하여, 상기 세트의 과열기들로부터 방출된 포화 증기 내로 방출된다. 상기 증기 터빈으로 들어간 포화 증기의 온도는 상기 조화 라인을 통해 혼합된 포화 증기의 질량 유량(mass flow)을 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 과열기들은 고온 연도 가스의 유동 경로를 따라서 배열된 제1, 제2 및 제3 과열기들을 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되고, 상기 방법은 상기 고압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 고압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결된 고압 냉각 라인 내로 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 증기 터빈에 들어간 과열 증기의 온도는 상기 조화 라인을 통해 혼합된 포화 증기의 질량 유량을 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 과열기들은 상기 유동 경로를 따라서 배열된 제1 과열기, 제2 과열기 및 제3 과열기를 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기들의 상류에 배열되고, 상기 시스템은 상기 물 분리 유닛의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결되는 고압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 방법은 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 제1 과열기 내로 입력된 증기 내로 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 이에 의해, 상기 고압 증기 터빈으로의 진입을 위하여 상기 제1 과열기로부터 방출된 과열 증기의 온도는 제어될 수 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 시스템은 중간압 수열기, 제2 물 분리 유닛(예를 들어, 중간압 드럼), 및 한 세트의 재열기들을 추가로 포함하며, 상기 방법은 상기 고압 증기 터빈으로부터의 증기와 상기 제2 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기를 혼합하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 고압 증기 터빈으로부터의 증기는 중간압 출구 라인을 통해 상기 세트의 재열기들로 보내지고 중간 증기 터빈 내로 도입되도록 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로부터 방출되고, 상기 시스템은 상기 중간압 출구 라인과 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인 사이에 연결된 2차 조화 라인을 추가로 포함하며, 상기 방법은 상기 중간압 라인 출구로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 재열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 이에 의해, 상기 중간압 증기 터빈에 진입을 위한 재열 증기의 온도는 제어될 수 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 상기 세트의 재열기들은 제1 재열기, 및 상기 유동 경로에서 상기 제1 재열기의 하류에 배치된 제2 재열기를 포함하며, 상기 시스템은, 상기 중간압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 재열기의 입구 단부 사이에 연결되고 중간압 인터스테이지 과열 저감기가 배치되는 중간압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 방법은 상기 중간압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 재열기 내로 입력된 증기 내로 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 이에 의해, 상기 중간압 증기 터빈에 진입을 위한 재열 증기의 온도는 제어될 수 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 물 분리 유닛은 물 분리기 또는 고압 드럼이다.
본 발명의 해결 수단에 의해, 증기 온도에 대하여 제어 밸브에 걸친 압력차는 복합 사이클 시스템의 저부하 또는 고부하 적용에서 낮게 유지된다.
본 발명의 목적, 이점 및 다른 특징들은 첨부 도면을 참조하여 단지 예시의 목적을 위해 주어진 바람직한 실시예의 다음의 비제한적인 설명을 읽는 것으로 보다 명확하게 될 것이며, 이를 통해 유사한 도면부호들은 유사한 구성요소를 지칭하도록 사용될 수 있다:
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 복합 사이클 시스템의 개략도; 및
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다른 복합 사이클 시스템의 개략도.
도 1은 가스 터빈(102), 증기 터빈(106) 및 배열 회수 보일러(20)를 포함하는 복합 사이클 시스템(10)의 개략도를 도시한다. 본 발명의 한 실시예에서, 가스 터빈(102)은 발전기(104)에 연결되고, 증기 터빈(106)은 발전기(113)에 연결된다. 특정 적용에서, 발전기(104)와 발전기(113)는 하나의 공통 발전기로 통합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 증기 터빈(106)은 고압 증기 터빈(108), 중간압 증기 터빈(110) 및 저압 증기 터빈(112)으로 이루어진다. 가스 터빈(102)에 의해 만들어진 고온 배출 가스는 배열 회수 보일러(20)로 안내된다. 여기에서, 배출 가스는 증기 터빈(106)으로부터 급송된 급수(도시되지 않음)를 가열하고, 배열 회수 보일러(20)에서 증기를 만든 후에, 연통(도시되지 않음)을 거쳐서 굴뚝을 통하여 외부로 배출된다.
배열 회수 보일러(20)는 예로서 고압, 중간압, 및 저압의 압력 시스템을 채택한다. 물 분리 유닛(이 경우에, 고압 드럼(126)), 중간압 드럼(130), 및 저압 드럼(도시되지 않음)은 각각 3개의 압력부 중 하나를 위해 설치된다. 압력 드럼들의 하나 이상 대신에, 물 분리기와 같은 다른 물 분리 유닛이 또한 제공될 수 있다. 물 분리 유닛들의 추가의 상세는 다음에 제공된다.
배열 회수 보일러(20)에서, 고압 수열기(132), 고압 증발기(124), 및 제1 과열기(114), 제2 과열기(116) 및 제3 과열기(118)를 포함하는 한 세트의 과열기들은 증기 라인들에 의해 고압 드럼(126)에 연결되고, 이것들은 추후에 상세하게 설명될 것이다. 중간 수열기(134), 중간압 증발기(128), 및 제1 재열기(120)와 제2 재열기(122)를 포함하는 한 세트의 재열기들은 증기 라인들에 의해 중간압 드럼(130)에 연결되고, 이것들은 추후에 상세하게 설명될 것이다. 배열 회수 보일러(20)에서, 가스 터빈(102)에 근접한 단부는 상류 단부 또는 입구 단부로 지칭되고, 가스 터빈(102)으로부터 먼 단부는 하류 단부 또는 출구 단부로 지칭되는 것으로 통상적으로 정의된다. 가스 터빈으로부터 방출된 배출 가스는 상류/입구 단부와 하류/출구 단부 사이에서 한정된 유동 경로를 따라서 배열 회수 보일러(20)를 통과한다. 통상적으로, 제1 과열기(114)는 배열 회수 보일러(20)의 상류 단부에 배치된다. 그러므로, 제1 과열기(114)에서의 스트림은 배출 가스에 의해 가장 높은 온도로 가열된다. 일반적으로, 제1 과열기(114)는 배출 스테이지로 지칭된다. 제2 과열기(116)와 제3 과열기(118)는 유동 경로를 따라서 제1 과열기(114)의 하류에 배치된다. 유사하게, 제1 재열기(120)는 유동 경로에서 제2 재열기(122)의 상류에 배치된다. 도시되지 않았을지라도, 추가의 수열기, 재열기가 저압 드럽에 연결될 수 있다는 것을 당업자는 이해하여야 한다. 또한, 추가의 과열기 및 재열기들과 다른 열교환 디바이스들이 배열 회수 보일러(20)의 동작을 촉진하는 다른 기능을 위하여 유동 경로에 제공될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 개념 또는 본 발명을 설명하도록 사용된 관련 구성요소들만이 도 1에 도시되고 본 명세서에서 설명되었다는 것을 당업자는 이해하여야 한다. 상기된 구성요소들이 배타적이라는 것을 의미하지 않는다. 복합 사이클 시스템을 완성하는데 필요한 응축기들과 펌프들과 같은 다른 구성요소들은 도시되지 않았다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배열 회수 보일러(20)의 동작은 다음에 상세하게 설명된다. 고압 수열기(132)에서 예열된 물은 물 라인(204)을 통하여 고압 드럼(126)으로 보내지고, 여기에서, 고압 증발기(124)에 의해 발생된 포화 증기는 증기 라인(216)을 통하여 상기 세트의 과열기들 내로, 특히 제3 과열기(118) 내로 방출된다. 증기 라인(216)은 설명을 위해 고압 출구 라인으로서 정의될 수 있다. 제3, 제2, 및 제1 과열기(118, 116 및 114)에 의해 과열된 증기는 증기 라인(226)을 통해 고압 증기 터빈(108) 내로 방출되고, 여기에서, 증기는 발전기(113)를 구동하도록 팽창된다. 발전기(113)는 설명을 위하여 배열 회수 보일러(20)의 메인 출구 라인으로서 정의될 수 있다. 증기 터빈(106) 내로 증기 입력의 온도를 제어하도록, 비교적 차가운 증기는 증기 라인(226) 내로 도입된다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 고압 드럼(126)의 증기의 일부는 배열 회수 보일러(20)의 최종 스테이지 내로 도입된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고압 드럼(126)으로부터 증기를 방출하는 증기 라인(216)은 2개의 증기 라인(228 및 230)들로 분기되며, 여기에서, 증기 라인(228)은 증기를 상기 세트의 과열기들로 보내도록 사용되고, 증기 라인(230)은 고압 드럼(126)으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 과열기(118, 116 및 114)들로부터 방출된 증기로 도입하도록 사용된다. 다시 말하면, 조화 라인(증기 라인(230))은 고압 출구 라인과 배열 회수 보일러(20)의 메인 출구 라인 사이에 연결된다. 제어 밸브(144)는 고압 증기 터빈(108) 내로 입력되는 증기 온도를 조정하기 위하여 증기 라인(226) 내로 도입된 증기의 양을 조정하도록 증기 라인(230)에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 증기 라인(230)과 증기 라인(226)은 고압 증기 터빈(108)으로 유도되는 증기 라인(232)으로 통합된다. 본 발명의 실시예에 따른 이러한 배열은, 전형적인 물 분사와 비교하여 제어 밸브(144)에 걸친 압력차를 상당히 감소시킬 수 있는 출구 스테이지 증기 스프레이 분사(exit-stage steam spray injection)로 지칭될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 고압 수열기로부터 방출된 물의 일부는 증기 사이클에서 증기 온도를 더욱 제어하기 위하여 과열 저감기를 통하여 제1 과열기로 들어가는 증기로 도입된다. 특히, 고압 수열기(132)를 빠져나가는 물 라인(204)은 2개의 물 라인(210 및 212)들로 분기되고, 여기에서, 물 라인(212)은 고압 드럼(126)으로 물을 보내도록 사용되고, 물 라인(210)은 고압 수열기(132)로부터 방출된 물의 일부를 제2 과열기로부터 빠져나오는 증기 라인(222) 내로 도입하도록 사용된다. 여기에서, 물 라인(210)은 설명을 위하여 고압 냉각 라인으로서 정의될 수 있다. 다시 말하면, 고압 냉각 라인은 고압 수열기(132)의 출구 단부와 제1 과열기(114)의 입구 단부 사이에 연결된다. 고압 인터스테이지 과열 저감기(142)는 증기 라인(222)에 있는 증기를 냉각하기 위하여 증기 라인(222)에 배치되고, 제어 밸브(140)는 증기 라인(222) 내로 들어가는 물의 양을 조정하도록 물 라인(210)에 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 물 라인(210)과 증기 라인(222)은 제1 과열기(114)로 유도된 증기 라인(224)에 통합된다. 이러한 배열은 모든 과열기들을 통한 충분한 증기 유동을 가능하게 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 중간압 수열기(134)에서 예열된 물은 물 라인(202)을 통하여 중간압 드럼(130)으로 보내지고, 여기에서, 중간압 증발기(128)에 의해 발생된 포화 증기는 증기 라인(214)을 통해 방출되고, 증기 터빈(108)으로부터 팽창된 증기와 혼합된 후에, 증기 라인(215)을 통해 상기 세트의 제열기들 내로, 특히 제2 재열기(122) 내로 방출된다. 여기에서, 증기 라인(215)은 설명을 위하여 중간압 출구 라인으로서 정의될 수 있다. 제2 및 제1 재열기(122 및 120)에 의해 과열된 증기는 증기 라인(236)을 통하여 중간압 증기 터빈(110) 내로 방출되고, 여기에서, 증기는 발전기(113)를 구동하도록 팽창된다. 여기에서, 증기 라인(236)은 설명을 위하여 배열 회수 보일러(20)의 2차 출구 라인으로서 정의될 수 있다. 증기 터빈(110) 내로 입력된 증기의 온도를 제어하도록, 비교적 차가운 증기가 증기 라인(236) 내로 도입된다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 중간압 드럼(130)으로부터의 증기의 일부와 증기 터빈(108)으로부터의 팽창된 증기는 배열 회수 보일러(20)의 출구 스테이지로 도입된다. 하나의 예로서, 중간압 드럼(130)을 빠져나가는 증기 라인(214)은 증기 라인(215) 내로 증기 터빈(108)을 빠져나가는 증기 라인(240)과 합쳐진다. 증기 라인(215)은 2개의 증기 라인(218 및 220)들로 분기되며, 여기에서, 증기 라인(220)은 상기 세트의 재열기(122 및 120)들 내로 증기를 도입하도록 사용되며, 증기 라인(218)은 제1 재열기(120)로부터 방출된 증기 내로 중간압 드럼(130)과 증기 터빈(108)으로부터 방출된 증기의 일부를 바이패스시키도록 사용된다. 다시 말하면, 2차 조화 라인(증기 라인(218))은 중간압 출구 라인(215)으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 재열기(120, 122)들로부터 방출된 증기로 도입하도록 중간압 출구 라인과 배열 회수 보일러(20)의 2차 출구 라인 사이에 연결된다. 제어 밸브(146)는 중간압 증기 터빈(110) 내로 입력된 증기 라인(238)에 있는 증기의 온도가 작동 요구조건에 따라서 제어되도록 증기 라인(236) 내로 입력된 증기의 양을 조정하도록 증기 라인(236)에 배치된다.
본 발명의 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 중간압 수열기(134)로부터 방출된 물의 일부는 증기 사이클에서 증기 온도를 더욱 제어하기 위하여 과열 저감기(136)를 통해 제1 재열기로 들어가는 증기 내로 도입된다. 특히, 중간압 수열기(134)를 빠져나가는 물 라인(202)은 2개의 물 라인(206 및 208)들로 분기되며, 여기에서, 물 라인(208)은 중간압 드럼(130)으로 물을 보내도록 사용되고, 물 라인(206)은 중간압 수열기(134)로부터 방출된 물의 일부를 제2 재열기(122)로부터 빠져나가는 증기 라인(234) 내로 도입하도록 사용된다. 여기에서, 물 라인(206)은 설명을 위하여 중간압 냉각 라인으로서 정의될 수 있다. 다시 말하면, 중간압 냉각 라인은 중간압 수열기(134)의 출구 단부와 제1 재열기(120)의 입구 단부 사이에 연결된다. 중간압 인터스테이지 과열 저감기(136)는 증기 라인(234)에 있는 증기를 냉각하도록 물을 제조하기 위하여 물 라인(206)에 배치되고, 제어 밸브(138)는 제1 재열기(120) 내로 입력된 증기 라인(234)에 있는 증기의 온도가 동작 요구조건에 따라서 제어되도록 증기 라인(234) 내로 들어오는 물의 양을 조정하기 위해 물 라인(206)에 배치된다. 결합된 인터스테이지 물 스프레이 분사 및 출구 스테이지 증기 스프레이 분사에 의해, 큰 온도 편차에 대해 가열기를 통한 증기 유동의 대량 감소를 방지한다. 이러한 것은 인터스테이지 물 스프레이 분사의 크기를 감소시킨다.
출구 스테이지 증기 스프레이 분사는 다음의 이점을 가진다:
1) 증기 라인들은 보다 낮은 압력을 위해 설계되고;
2) 제어 밸브에 걸친 압력은 물 분사 제어 밸브보다 훨씬 낮으며(밸브의 부식이 없으며);
3) 최소 유동은 훨씬 작고 주 증기 온도에서 보다 작은 영향을 가지며;
4) 온도 제어의 이용성과 신뢰성을 증가시키며;
5) 주 증기 온도는 과열 저감기에 보다 근접하여 평가할 수 있다(주 증기 라인 길이 감소).
도 2는 본 발명에 따른 복합 사이클 시스템의 또 다른 실시예의 개략도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같은 대부분의 배열은 다음에 설명되는 바와 같은 인터스테이지 냉각 배열 외에 도 1에 도시된 것과 동일하다.
고압 수열기로부터 방출된 물의 일부가 과열 저감기를 통하여 제1 과열기로 들어가는 증기 내로 도입되는 대신에, 고압 드럼(126)으로부터 방출된 증기의 일부는 제1 과열기(114)로 들어가는 증기로 도입된다. 특히, 제3 과열기(118)로 들어가는 증기 라인(228)은 2개의 증기 라인(229 및 2101)들로 분기되고, 증기 라인(229)은 제3 과열기(118)로 증기를 보내도록 사용되고, 증기 라인(2101)은 고압 드럼(126)으로부터 방출된 증기의 일부를 제어 밸브(140)를 통해 제1 과열기(114) 내로 보내도록 사용된다. 이러한 경우에, 고압 인터스테이지 과열 저감기는 분배된다. 여기에서, 증기 라인(2101)은 또한 고압 냉각 라인으로서 정의될 수 있다. 다시 말하면, 고압 냉각 라인(2101)은 고압 드럼(126)으로부터 방출된 증기의 일부를 제1 과열기(114) 내로 입력된 증기 내로 도입하도록, 고압 드럼(126)의 출구 단부와 제1 과열기(114)의 입구 단부 사이에 연결된다. 유사하게, 중간압 수열기(134)로부터 방출된 물의 일부가 과열 저감기(136)를 통해 제1 재열기로 들어간 증기로 도입되는 대신에, 중간압 드럼(130)으로부터 방출된 증기의 일부와 증기 터빈(108)으로부터 팽창된 증기는 제1 재열기로 들어간 증기 내로 도입된다. 특히, 증기 라인(215)은 2개의 증기 라인(220 및 2061)들로 분기되고, 증기 라인(220)은 제2 재열기(122) 내로 증기를 보내도록 사용되고, 증기 라인(2061)은 증기 라인(215)을 통해 방출된 증기의 일부를 제어 밸브(138)를 통해 제1 재열기(120) 내로 보내도록 사용된다. 이 경우에, 중간압 인터스테이지 과열 저감기는 분배된다. 이러한 배열에 의해, 증기 분사 온도 제어는 배열 회수 보일러(20)의 인터스테이지지 섹션에서 달성된다. 이러한 배열은 발전소 비용을 최대로 감소시킨다.
비록 압력 드럼들이 상기되었을지라도, 압력 드럼 중 어떠한 것도 물 분리와 같은 다른 물 분리 유닛에 의해 대체될 수 있다. 물 분리기는 증기 유동에서 분산된 물방울들을 수집하기 위한 기계적인 물체이다. 예를 들어, 이것은 분리 보틀(separation bottle) 또는 증기 보틀일 수 있다. 물 분리 유닛들은 물방울들에 의해 유발될 수 있는 터빈에 대한 손상을 방지한다. 이러한 방식으로, 이용 가능한 가장 찬 증기가 이용될 수 있다(도면들에 도시된 바와 같은 드럼을 갖는 배열 회수 보일러로부터, 또는 관류 배열 회수 보일러에서 물 분리기 뒤에).
본 발명이 제한된 수의 실시예들과 관련하여 상세히 설명되었지만, 본 발명이 이러한 개시된 실시예에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 지금까지 설명하지 않은 임의의 수의 변형, 변경, 치환 또는 등가물을 통합하도록 변경될 수 있지만, 이것들은 본 발명의 사상 및 범위에 적합하다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 양태들이 오직 이전의 실시예들 중 일부만을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 상기된 설명에 의해 한정되지 않고, 오직 첨부된 청구항들의 범위에 의해 한정된다.
10 복합 사이클 시스템 20 배열 회수 보일러
102 가스 터빈 104 발전기
106 증기 터빈 108 고압 증기 터빈
110 중간압 증기 터빈 112 저압 증기 터빈
113 발전기 114 제1 과열기
116 제2 과열기 118 제3 과열기
120 제1 재열기 122 제2 재열기
124 고압 증발기 126 고압 드럼
128 중간압 증발기 130 중간압 드럼
132 고압 수열기 134 중간압 수열기
136 중간압 인터스테이지 과열 저감기 138 제어 밸브
140 제어 밸브 142 고압 인터스테이지 과열 저감기
144 제어 밸브 146 제어 밸브
202 물 라인 204 물 라인
206 물 라인 2061 증기 라인
208 물 라인 210 물 라인
2101 증기 라인 212 물 라인
214 증기 라인 215 증기 라인
216 증기 라인 216 증기 라인
218 증기 라인 220 증기 라인
222 증기 라인 224 증기 라인
226 증기 라인 228 증기 라인
230 증기 라인 232 증기 라인
234 증기 라인 236 증기 라인
238 증기 라인

Claims (13)

  1. 가스 터빈, 증기 터빈 및 배열 회수 보일러를 포함하며, 가스 터빈 배출 가스는 상기 증기 터빈을 위한 증기를 가열하기 위한 유동 경로를 형성하도록 상기 배열 회수 보일러의 입구 단부로부터 상기 배열 회수 보일러의 출구 단부로 유동하며, 상기 배열 회수 보일러는 고압 수열기, 물 분리 유닛, 및 한 세트의 과열기를 포함하며, 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기는 고압 출구 라인을 통하여 상기 세트의 과열기들로 보내지고 상기 증기 터빈 내로 도입되도록 상기 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인을 통하여 상기 세트의 과열기들로부터 방출되는, 복합 사이클 시스템에 있어서,
    조화 라인은 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 포화 증기의 일부를 상기 세트의 과열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하도록 상기 고압 출구 라인과 상기 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인 사이에 연결되고, 제어 밸브는 상기 조화 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세트의 과열기들은 상기 유동 경로를 따라서 배열된 제1 과열기, 제2 과열기 및 제3 과열기를 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되고, 상기 시스템은 상기 고압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결되는 고압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 고압 냉각 라인은 상기 고압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 과열기 내로 입력된 증기 내로 도입하도록 배치된 고압 인터스테이지 과열 저감기를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세트의 과열기들은 상기 유동 경로를 따라서 배열된 제1 과열기, 제2 과열기, 및 제3 과열기를 포함하며, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되고, 상기 시스템은 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 제1 과열기 내로 입력된 증기 내로 도입하도록 상기 물 분리 유닛의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에서 연결되는 고압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 인터스테이지 제어 밸브가 상기 고압 냉각 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 중간압 수열기, 제2 물 분리 유닛, 및 한 세트의 재열기들을 추가로 포함하며, 상기 제2 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기는 상기 고압 증기 터빈으로부터 중간압 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로 보내진 증기와 혼합되고, 그런 다음 상기 중간 증기 터빈 내로 도입되도록 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로부터 방출되며, 상기 시스템은 상기 중간압 출구 라인으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 재열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하도록 상기 중간압 출구 라인과 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인 사이에 연결된 2차 조화 라인을 추가로 포함하며, 2차 제어 밸브가 상기 2차 조화 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세트의 재열기들은 제1 재열기, 및 상기 유동 경로에서 상기 제1 재열기의 하류에 배치된 제2 재열기를 포함하며, 상기 시스템은 상기 중간압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 재열기의 입구 단부 사이에 연결되는 중간압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 중간압 냉각 라인은 상기 중간압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 재열기 내로 입력된 증기 내로 도입하도록 배치된 중간압 인터스테이지 과열 저감기를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 조화 라인은 상기 물 분리 유닛 바로 뒤에서 상기 배열 회수 보일러의 메인 출구 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 사이클 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 분리 유닛은 물 분리기 또는 고압 드럼인 복합 사이클 시스템.
  8. 가스 터빈, 증기 터빈, 및 고압 수열기, 물 분리 유닛 및 한 세트의 과열기들을 구비하는 배열 회수 보일러를 포함하며, 가스 터빈 배출 가스가 상기 증기 터빈을 위한 증기를 가열하기 위한 유동 경로를 형성하도록 상기 배열 회수 보일러의 입구 단부로부터 상기 배열 회수 보일러의 출구 단부로 유동하는 복합 사이클 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    - 상기 고압 수열기에서 물을 예열하여 그 물을 상기 물 분리 유닛으로 보내는 단계,
    - 고압 증발기에서 포화 증기를 발생시켜 그 포화 증기를 상기 물 분리 유닛으로 보내는 단계,
    - 상기 물 분리 유닛으로부터 한 세트의 과열기들 내로 상기 포화 증기의 일부를 방출하는 단계,
    - 과열 증기를 생성하도록 상기 세트의 과열기들에서 상기 포화 증기를 과열시키는 단계, 및
    상기 증기 터빈 내로 과열 증기를 방출하는 단계를 포함하고,
    상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 포화 증기의 일부는 상기 물 분리 유닛으로부터 조화 라인을 통해 상기 세트의 과열기들로부터 방출된 과열 증기 내로 방출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 세트의 과열기들은 상기 유동 경로에 배열된 제1, 제2 및 제3 과열기들을 포함하고, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되며, 상기 방법은 상기 고압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 고압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결된 고압 냉각 라인 내로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 세트의 과열기들은 상기 유동 경로에 배열된 제1, 제2 및 제3 과열기들을 포함하고, 상기 제1 과열기는 상기 제2 및 제3 과열기의 상류에 배열되며, 상기 시스템은 상기 물 분리 유닛의 출구 단부와 상기 제1 과열기의 입구 단부 사이에 연결된 고압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 방법은 상기 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 제1 과열기 내로 입력된 증기 내로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 중간압 수열기, 제2 물 분리 유닛, 및 한 세트의 재열기들을 추가로 포함하며,
    상기 방법은 상기 제2 물 분리 유닛으로부터 방출된 증기를 상기 고압 증기 터빈으로부터의 증기와 혼합하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 고압 증기 터빈으로부터의 증기는 중간압 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로 보내지고 상기 중간 증기 터빈 내로 도입되도록 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인을 통하여 상기 세트의 재열기들로부터 방출되며,
    상기 시스템은 상기 중간압 출구 라인과 상기 배열 회수 보일러의 2차 출구 라인 사이에 연결된 2차 조화 라인을 추가로 포함하며,
    상기 방법은 상기 중간압 출구 라인으로부터 방출된 증기의 일부를 상기 세트의 재열기들로부터 방출된 증기 내로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세트의 재열기들은 제1 재열기, 및 상기 유동 경로에서 상기 제1 재열기의 하류에 배치된 제2 재열기를 포함하며, 상기 시스템은, 상기 중간압 수열기의 출구 단부와 상기 제1 재열기의 입구 단부 사이에 연결되고 중간압 인터스테이지 과열 저감기가 배치되는 중간압 냉각 라인을 추가로 포함하며, 상기 방법은 상기 중간압 수열기로부터 방출된 물의 일부를 상기 제1 재열기 내로 입력된 증기 내로 도입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 분리 유닛은 물 분리기 또는 고압 드럼인 방법.
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