KR20160124100A - 스택 규제 배출물들 수준들과 함께 저부하 조건들에서 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

스택 규제 배출물들 수준들과 함께 저부하 조건들에서 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20160124100A
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데이비드 맥디드
조지 파이로스
안토니 브라바토
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미쯔비시 히타치 파워 시스템즈 아메리카스, 아이엔씨.
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Abstract

가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치에 있어서, 상기 가스 터빈 파워 플랜트는, 상기 플랜트가 배출물들 규제 작동 범위를 연장할 수 있도록 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하고, 상기 장치는 일렬로 배열된 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함하고, 높은 이산화질소(NO2) 감소를 위한 최적화된 선택적 환원촉매(SCR), 낮은 턴다운(turndown) 및 다른 특징들을 위한 추가된 능력들을 구비한 제어 밸브들.

Description

저부하 조건들에서 가스 터빈 파워 플랜드를 작동시키는 것{OPERATING A GAS TURBINE POWER PLANT AT LOW LOAD CONDITIONS}
본원은 2014년 9월 25일에 제출된 미국 출원 14/496,835의 일부계속출원(continuation in part)으로, 2014년 1월 17일에 제출된 임시 출원(provisional application)에 대한 35 U.S.C. 119(e) 하에 우선권을 청구하고 35 U.S.C. 119(e)에 기초하며, 그 내용은 전체로서 참조로 본원에 포함된다.
가스 터빈 배기 배출물(exhaust emission)들은, 일반적인 배출물들 제어 시스템들이 발생된 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound, VOC)을 충분히 파괴할 수 없는 지점까지, 작동의 특정 부하 이하로(전형적으로 50% 이하로) 상당히(지수(factor) 300까지) 증가한다. 이는 플랜트(plant) 배출물들이 허용 규제 수준(permit compliant level)들을 초과하고, 설비(facility)로 하여금 정지(shut down) 또는 부하를 증가시키도록 강요하는 결과를 낳는다. 이 결정은 전력망(electrical grid)의 작동을 방해(hamper)할 수 있고, 작동하는 플랜트의 경제성(economics)을 상당히 저하(degrade)시킬 수 있다. 전략적인 영역(strategic area)들에서 추가적인 배출물 제어 장비를 이용함으로써 배출물들 규제 작동 범위(emissions compliant operational range)를 증가시키는 것은, 플랜트의 작동 유연성(operational flexibility) 및 망 안정성(grid stability)에 도움이 될 뿐만 아니라, 정상 상태 작동(steady-state operation) 동안 및 시동(startup)들 및 정지(shutdown)들 동안 발생된 전체적인 플랜트 배출물들을 감소시킬 것이다.
이러한 우려(concern)들은, 간헐적인(intermittent) 재생 가능 에너지원(renewable energy source)들의 침투(penetration)가, 망 조작자(grid operator)가 파워 플랜트들에 기반한 가스 터빈에 부과(impose on)하고 싶어하는 유연성(flexibility), 저부하 요구 사항(low-load requirement)들 및 더욱 빈번한 시동들과 정지들을 증가시킴에 따라 극복하기가 점점 더 어려워지고 있다.
도 1은 가스 터빈 사이클(1) 및 물/증기 사이클(2)과 함께 일반적인 결합된 사이클 플랜트(cycle plant)를 도시한다. 가스 사이클(1)에서, 공기가 공기 압축기(air compressor, 10)로 들어오고 연소 챔버(combustion chamber, 11) 내에 연료(F)와 섞이고 연소(burn)된다. 연소 산물(combustion product)들은 그후 터빈 구획(turbine section, 13)으로 공급되고, 상기 터빈 구획은 터빈 샤프트(turbine shaft, 14)로 하여금 전기를 발생시키는 발전기(generator, 15)를 회전시킨다.
가스 터빈(13)으로부터의 배기(exhaust, E)는 열회수 증기발생기(heat recovery steam generator, HRSG, 20)로 선도(lead)하는 안내 덕트(transition duct, 19)로 진입하고, 물을 가열시키고 끓여서 증기를 발생시키는 물/증기 회로 위로 지나감에 따라 냉각된다. 상기 배기가 물/증기 사이클로 (냉각된) 실제 에너지량(practical amount of energy)을 넘겨준(give up) 후에, 상기 배기는 열회수 증기발생기 스택(HRSG stack, 21) 밖으로 배기된다. 배기 스택(exhaust stack)에서, 미 환경보호국(Environmental Protection Agency, EPA)에 보고하고 배출물들 규제(emissions compliance)를 결정하기 위하여 배출물들이 측정된다.
물/증기 사이클(2)은 열회수 증기발생기(HRSG, 20), 증기 터빈(Steam turbine, ST, 70), 발전기(generator, 75) 및 냉각기(condenser, 76)로 구성된다. 증기 터빈(70)은 고압(high-pressure, HP) 구획(71), 중간압(intermediate-pressure, IP) 구획(72) 및 저압(low-pressure, LP) 구획(73)으로 구성된다. 세 개의 압력 재가열 시스템(pressure Reheat system)이 도시되고, 또한 세 개의 압력 비재가열, 두 개의 압력과 하나의 압력 열회수 증기발생기(HRSG)들 및 보일러들이 할당될 수(allocable) 있다. 중간압(IP) 구획은 때때로 재가열 터빈으로서 언급된다. 세 개의 증기 터빈(ST) 구획(70)들 및 발전기(75)는 모두 공통 샤프트(74) 상에 있다. 증기가 증기 터빈(ST, 70)을 통하여 유동할 때, 증기는 샤프트(74)를 회전시키고 전기가 발전기(75)에 의하여 발생된다. 이 증기는 증기 터빈(ST, 70)을 나가고 냉각기(76)로 유동한다.
도 1에 또한 도시된 바와 같이, 일반적인 결합된 사이클 플랜트는 전형적으로, 추가적인 일반적인 요소들, 예를 들어 저압 응축액(low pressure condensate, 22), 저압(LP) 절약기(economizer, 23), 저압 증기 드럼(LP steam drum, 31), 저압 강수관(LP downcomer, 32), 저압 증발기(LP evaporator, 33), 저압 과열기(LP superheater, 34), 증기 터빈의 저압 구획(73)으로의 파이프(35), 저압 바이패스 밸브(LP bypass valve) & 비과열기(de-superheater, 37), 중간압 절약기(IP economizer, 40), 중간압 증기 드럼(41), 중간압 강수관(42), 중간압 증발기(43), 중간압 과열기(44), 차가운 재가열 파이프(61)로의 파이프(45), 고압 절약기(50), 고압 절약기(51), 고압 강수관(53), 증기 터빈의 고압 구획(71)으로의 파이프(56), 고압 바이패스 밸브 & 비과열기(58), 차가운 재가열 파이프(61), 증기 터빈의 중간압 구획(72)으로의 뜨거운 재가열 파이프(63), 재가열 바이패스 밸브(RH bypass valve) & 비과열기(65), 보일러 공급 펌프(boiler feed pump, 81)를 포함하고, 이들의 작동들은 알려져 있으므로 더욱 상세하게 논의되지 않는다.
최대 부하 및 일부 최소 부하 사이에 일반적인 작동 동안, 열회수 증기발생기(HRSG) 내에 생산된 모든 증기는 압력 제어(변압(sliding pressure))없이 증기 터빈(ST)으로 들어가고, 냉각기(76)로 증기 터빈(ST) 저압(LP) 구획(73)을 나가고, 냉각기(76)에서 증기는 펌프(80)에서 시작하는 물/증기 사이클(2)을 통하여 다시 순환(cycle)하기 위하여 물로 냉각된다.
열회수 증기발생기(HRSG)를 나가는 증기는 상기 언급된 바와 같이 동력을 발생시키기 위하여 증기 터빈(ST)(증기 터빈(ST) 입구 밸브들)으로 이동하며 밸브들[고압(HP): 57, 재가열(RH): 64 및 저압(LP): 36]을 통하여 유동한다. 이 밸브들은, 특정의 작동하는 조건들 하에서 필요하다면 밸브들의 각각의 압력 수준들에서 물/증기 회로 내에 압력을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
일반적인 구성은 배기 스트림(exhaust stream) 내에 고압 보일러 드럼의 하류에서 모든 상기 배출물들 제어 장비를 배치하는 것이다. 도 1에서 중온 일산화탄소 촉매(medium temperature CO catalyst, 130), 그후 암모니아 주입 그리드(ammonia injection grid, 120) 및 마지막으로 질소산화물(NOx) 제어를 위한 선택적 환원촉매(selective catalytic reduction, SCR, 110)가 도시된다.
그러나, 전형적인 가스 터빈 파워 플랜트(GTPP)들, 예를 들어 도 1에 도시된 일반적인 결합된 사이클 플랜트는 허용 배출물들 규제 수준(permit emissions compliance level)들을 유지하는 동안 동력을 발생시키기 위하여 50% 내지 100% 부하 사이에 작동하도록 전형적으로 설계된다. 때때로, 플랜트들은 일반적인 100% 부하 범위 이상으로의 용량(capacity)을 얻기 위하여 덕트 발화(Duct Firing)를 포함한다. 이 수준들은 산업 표준 배출물들 제어 장비(industry standard emissions control equipment)를 이용함으로써 제어된다. 약 50% 부하 이하로, 가스 터빈(GT) 배출물들은 지수 300 이상으로, 급격하게 증가할 수 있다. 국소 최저치(local minimum)를 도시하는 표 1A를 참조하라. 이 예에서 17% 가스 터빈(GT) 부하에서 배출물들의 국소 최저치가 있다는 점을 주목해라.
Figure pct00001
이는 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO) 및 휘발성 유기 화합물(VOC)에 대한 표 1B에 표시된 바와 같은 일반적인 스택 배출물(stack emission)들로 바뀐다(translate). 100% 부하로부터 약 50% 부하로의 상부 부하 범위는 배출물들 규제가 달성 가능한 영역이다. 50% 부하는 가스 터빈(GT)으로부터의 배출물이 충분히 낮은 수준에 있는 영역이고, 상기 낮은 수준에서 일반적인 후기 연소(post combustion) 청소 장비(clean up equipment)는 상기 스택에서 규제 수준들을 구비하기에 충분한 배출물들을 파괴시킬 수 있다. 이 50% 부하점은 종종 가스 터빈을 위한 최소 배출물들 규제 부하(Minimum Emissions Compliant Load, MECL)로서 언급된다. 유닛(unit)은 약 50% 부하보다 작은 가스 터빈 부하 범위들에서 배출물들 규제의 밖이다. 이는 하부 가스 터빈 부하들: 배출물들에서 큰 증가 및 질소산화물(NOx)의 이산화질소(NO2) 부분에서 큰 증가에서 엔진 특성들의 결과이다.
Figure pct00002
질소산화물 배출물(NOx)들은 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성된다. 가스 터빈(GT) 부하가 50% 이하로 감소됨에 따라, 질소산화물(NOx)의 성분들(constituents)은 일산화질소(NO)로부터 이산화질소(NO2)로 이동되고, 이는 파괴하기에 훨씬 더 어렵다. 질소산화물(NOx)이 암모니아(NH3)에 의하여 질소로 환원(reduce)되는, 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, SCR) 탈질소산화물 반응(De-NOx reaction)들은 하기에서 반응 (1)에 따라 일반적으로 진행한다. 이산화질소(NO2)가 일산화질소(NO)와 함께 공존하는 경우들에서, 반응들 (2) 및 (3)이 발생한다. 질소산화물(NOx) 내 이산화질소(NO2)의 백분율(percentage)이 50% 이하(가스 터빈(GT) 부하들 ≥ 50%)이면, 이산화질소(NO2) 및 일산화질소(NO)가 반응 (2)에 의하여 제거되고, 남아있는 일산화질소(NO)는 반응 (1)에 의하여 제거된다. 질소산화물(NOx) 내에 이산화질소(NO2)의 백분율이 50% 이상(가스 터빈(GT) 부하들 ＜ 약 50%)이면, 남아있는 질소산화물(NOx) 내에 이산화질소(NO2)는 반응 (2)가 진행함에 따라 풍부해진다. 이러한 상황 하에서, 탈질소산화물 반응(De-NOx reaction)은 반응 (3)이 느리기 때문에 상당히 하강한다.
4NO + 4NH3 + O2 => 4N2 +6H2O (1)
NO + NO2 + 2NH3 => 2N2 + 3H2O (2)
6NO2 + 8NH3 => 7N2 + 12H2O (3)
일반적인 가스 터빈 파워 플랜트(GTPP)들은 가스 터빈(GT) 배기 경로 내에 배출물들을 제어하기 위한 선택적 환원촉매(SCR)(NOx) 촉매(110), 암모니아 주입 그리드(ammonia injection grid, 120) 및 산화(CO) 촉매(oxidation catalyst, 130)를 구비할 수 있고, 상기 가스 터빈(GT) 배기 경로에서 전형적으로, (다소 더 높은 온도들이 가스 터빈 단순한 사이클 플랜트들에게 전형적일지라도) 온도는 500°F 내지 700°F의 범위 내이다. 이 장비는 결합된 사이클 적용(cycle application)들에서 고압(HP) 증발기 튜브들의 하류에서 전형적으로 위치되고, 상기 결합된 사이클 적용들에서 배기의 온도는 이러한 화학적 반응들이 효과적으로 발생하기에 적절하다. 일반적인 선택적 환원촉매(SCR, 110)는 상대적으로 높은 농도들의 일산화질소(NO) 및 상대적으로 낮은 양들의 이산화질소(NO2)를 파괴하도록 설계된다.
상기 언급된 문제들의 관점에서, 본 발명의 일 측면은 100% 부하에서 약 40% 부하에 이르기까지 계속하여, 및 또한 (가스 터빈(GT) 배출물들의 국소 최저치가 있는) 매우 낮은 부하 설정점(들)에서 또는 스택 배출물들 규제를 유지하는 동안 100% 부하로부터 계속하여 상기 국소 최저치에 이르기까지 작동하기 위하여 가스 터빈 파워 플랜트들(단순한 사이클, 결합된 사이클 또는 열병합발전(cogeneration))을 허용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가스 터빈 파워 플랜트의 시동들 및 정지들 동안 누적되는 배출물들은 또한 상당히 감소될 것이다. 이는 일련의 산화(CO) 촉매들(2 이상)의 추가에 의하여 주로 달성되고, 필요하다면, 제어 시스템 변경들 및 증기 사이클 관리 전략들과 같은 다른 핵심적인(salient) 특징들과 함께, 배기 경로 내 높은 이산화질소(NO2) 감소(reduction) 선택적 환원촉매의 추가에 의하여 주로 달성된다.
본 발명의 일 측에 따르면, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치에 있어서, 상기 플랜트가 배출물들 규제 작동 범위를 연장할 수 있도록 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치는 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하고, 상기 장치는 일렬로 배열된 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 플랜트가 배출물들 규제 작동 범위를 연장할 수 있도록 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는 저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키는 상기 복수의 산화 촉매들의 하류에서의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는 저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면 현존하는 파워 플랜트는 상기 장치가 새로 장착(retrofit)된다.
본 발명의 일 측에 따르면, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치는 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하여서 가스 터빈 배출물들이 국소 최저치에서나 국소 최저치 근방에서, 또는 100% 부하로부터 계속하여 상기 국소 최저치에 이르기까지인 최소 배출 규제 부하(MECL) 이하로 특정 부하(들)에서 상기 플랜트가 배출물들 규제에서 작동할 수 있고, 상기 장치는 일렬로 배열된 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법이 제공되어서 상기 플랜트는 최소 배출 규제 부하(MECL) 이하로 특정 부하(들)에서 배출물들 규제에서 작동할 수 있고, 상기 최소 배출 규제(MECL)에서 가스 터빈 배출물들은 국소 최저치에서 또는 국소 최저치 근방에 있거나, 또는 100% 부하로부터 계속하여 상기 국소 최저치에 이르기까지 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는 저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키는 상기 복수의 산화 촉매들의 하류에서의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는 저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 현존하는 파워 플랜트는 상기 장치가 새로 장착된다.
본 발명의 일 측에 따르면, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치는 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하여서 시동(startup) 및 정지(shut-down) 동안의 배출물들은 상당히 감소되고, 상기 장치는 일렬로 배열된 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법이 제공되어서 시동 및 정지 동안의 배출물들은 상당히 감소된다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는 저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키는 상기 복수의 산화 촉매들의 하류에서의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치는 저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 현존하는 파워 플랜트는 상기 장치가 새로 장착된다.
본 발명의 일 측에 따르면, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치는 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하여서 상기 플랜트는 배출물들 규제 작동 범위를 연장할 수 있고, 상기 장치는 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법이 제공되어서 상기 플랜트는 배출물들 규제 작동 범위를 연장 및/또는 시동 및 정지 배출물들을 상당히 감소시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 현존하는 파워 플랜트는 상기 장치가 새로 장착된다.
본 발명의 효과는 명세서 내에 포함되어 있다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 첨부 도면들에서 비제한적인 예시의 방식으로 도시된, 상기 파워 플랜트 및 방법의 바람직하지만 비배타적인(non-exclusive) 실시예들의 설명으로부터 더욱 용이하게 명백할 것이고, 상기 도면들에서:
도 1은 가스 터빈("GT"), 열회수 증기발생기("HRSG"), 및 증기 터빈("ST")에 기초한, 일반적인 세 개의 압력, 재가열, 결합된 사이클 플랜트 구성을 도시한다. 열회수 증기발생기(HRSG)는 또한 때때로 폐열 증기 발생기(waste heat steam generator)로서 알려져 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 결합된 사이클 플랜트 구성을 도시한다.
동일한 참조 번호들은 도 1 및 도 2에서 유사한 요소들을 식별(identify)하기 위하여 사용되어 왔다.
하기와 같이, 배출물들 제어 장비(emissions control equipment)가 다르게 구성되고 설계(design)되고, 저부하들에서 더 낮은 배출물들 및 더 넓은 작동 범위에 대하여 최적화되는 본 발명의 일 실시예가 도 2를 참조하여 기재된다. 즉, 본 발명의 실시예들을 참조하여 작동되고, 덕트 버너(duct burner)들을 구비하거나 구비하지 않도록 설계된 가스 터빈 파워 플랜트(GTPP)는, 배출물 제어 장비 및 다른 핵심적인 특징들을 유일하게 이용함으로써 낮은 수준들의 스택(stack) 배출물 규제를 유지하는 동안 50%보다 더 낮은 부하들에서 일 예의 플랜트로 하여금 작동하는 것을 가능하게 한다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 배출물들 제어 장비는 복수의 일산화탄소(CO) 촉매들(130, 140, 150)을 포함한다. 가스 경로(gas path) 내에 제1 촉매는 고온 일산화탄소(CO) 촉매(140)이다. (배기 경로의 고온 영역(>~800°F)에서 전형적으로) 이 상류에서의 산화(CO) 촉매(140)는, 배기 가스 흐름(stream) 내에 일산화탄소(CO) 배출물들의 제1 감소를 만들기 위하여, 하나 이상의 하류에서의 일산화탄소(CO) 촉매들(130, 150)의 상류에서 위치된다.
이 순차적인(sequential) 일산화탄소(CO) 촉매들은 불완전 연소 산물(imcomplete combustion product)들의 전체 감소를 상당히 향상시킨다.
이 일산화탄소(CO) 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 감소는 표 1A에서의 가스 터빈(GT)으로부터 (이 예에서 17%의 가스 터빈(GT) 부하에서 국소 최저치 배출물들과 함께) 하기의 표 2b에서 도시된 값들까지의 본래 값(original value)들 사이의 차이에 의하여 도시된다. 이 촉매(140)는 구체적인 플랜프 설계/작동 조건들에 의존하는 가스 터빈(GT) 배기(13)의 하류에서 및 고압(HP) 드럼의 상류에서 어디에서나 위치될 수 있다.
Figure pct00003
하나 이상의 하류에서의 산화(CO) 촉매들(130, 150)은 배기 가스 흐름 내에 일산화탄소(CO) 배출물들의 추가적인 감소들을 만들기 위하여 배기 경로의 낮은 온도 영역(<~800°F)에서 위치된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 특별한 높은 이산화질소(NO2) 감소 선택적 환원촉매(SCR, 160)는, 이산화질소(NO2)의 고농도들을 포함할 수 있는 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키기 위하여 전형적으로 배기 경로의 중온 영역(약 500°F 내지 750°F)에서, 일산화탄소(CO) 촉매들(130, 140, 150)의 하류에서 위치된다. 그러나, 이산화질소(NO2) 고농도들이 존재하지 않는다면, 산업 표준 선택적 환원촉매(SCR, 110)가 이용될 수 있다. 선택적 환원촉매(SCR, 160)는 저부하 작동을 위하여 필요한 높은 이산화질소(NO2) 감소를 위하여 설계된다. 높은 이산화질소(NO2) 감소는 특별한 높은 이산화질소(NO2) 선택적 환원촉매(160)를 이용함으로써 달성된다. 하나의 그러한 설계는 US 특허 7,749,938에 기재되고, 그 내용은 전체로서 참조로 이로써 포함된다.
도 2에 또한 도시된 바와 같이, 선택적 환원촉매(SCR, 160)의 상류에서 위치된 암모니아 주입 그리드(ammonia injection grid, 120)는 고부하 및 저부하 유동 조건들 모두를 위하여 설계된다. 추가적으로, 도 2에 도시되지 않았지만, 일반적인 선택적 환원촉매(SCR, 110)는 높은 이산화질소(NO2) 농도들이 존재하지 않는다면 특별한 높은 이산화질소(NO2) 감소 선택적 환원촉매(SCR, 160) 대신에 질소산화물(NOx) 제어를 위하여 사용될 수 있다. 상기 독창성(novelty)들 외에, 추가적인 설계 및 제어 향상(control enhancement)들은 향상된 플랜트 제어 시스템들 및 최종 단계(stage) 온도 조절(attemperation)과 같은, 바람직한 배출물들을 달성하기 위하여 필요될 수 있다. 그러한 장비 및 시스템들은 잘 알려져 있으므로, 상세하게 기재되지 않는다.
예를 들어, 도 2에 도시된 결합된 사이클 플랜트 구성을 작동시키는 방법에서, 일반적인 작동 동안 가스 터빈(GT)으로부터의 배기 가스는 고온 일산화탄소(CO) 촉매(140)를 먼저 마주치고, 상기 촉매에서 일산화탄소(CO)는 상기 설계에 기초한 더 낮은 수준으로 먼저 감소된다. 가스가 상기 촉매를 일단 통과하면, 가스는 고압 과열기(HP superheater, 55) 및 재가열기(Reheater, 62)를 통하여 냉각되고, 그후 추가적으로 고압 보일러 드럼 튜브(HP boiler drum tube, 54)들을 통하여 냉각된다. 촉매들(130, 140, 150, 160)은 필요한 스택(21) 수준들에서 배출물들을 유지하기 위하여 배기 온도의 상기 범위에서 작동하도록 설계된다. 중온 일산화탄소(CO) 촉매(130)는 제한(limit)들을 허용하기 위하여 가스 내 잔여 일산화탄소(CO)를 감소시킬 것이다(또는 제3 일산화탄소(CO) 촉매(150)가 설치될 수 있다). 암모니아 주입 그리드(120)는 그후 가스 흐름으로 암모니아를 주입하고, 혼합물(mixture)은 그후 선택적 환원촉매(160)로 운반되고, 상기 촉매에서 질소산화물(NOx)은 규제 수준들을 허용하기 위하여 감소된다.
더 낮은 부하들에서, 일산화탄소(CO) 배출물들의 양은, 스택 규제 수준(stack compliant level)들을 유지하기 위하여 단일의 일산화탄소(CO) 촉매가 충분한 일산화탄소(CO)를 파괴할 수 없는 지점까지 상당히 증가한다. 또한, 질소산화물(NOx) 수준들은 증가하고, 일산화질소(NO)에 대한 이산화질소(NO2)의 비율이 증가하여서, 필요한 선택적 환원촉매(SCR) 및 암모니아의 양이 일반적인 방법들을 사용하여 비경제적이게 된다.
낮은 부하 및 매우 낮은 부하 작동 동안, 고압(HP) 드럼(52) 압력은 배출물들 촉매들에서 높은 반응률들을 유지하기 위하여 더 높은 부하 범위(압력) 내에 유지된다. 결합된 사이클 및 열병합 발전 플랜트들에 대하여, 더 낮은 부하들에서 중온 영역에서 촉매들의 효율성을 최적화하는 지점까지 고압 드럼(52) 압력을 유지하도록 설계되고 조정(tune)되고, 이는 고압(HP) 증기 터빈(ST) 입구 제어 밸브(inlet control valve) 상에 감속(throttle down)함으로써 달성된다.
일산화탄소(CO) 촉매들 내에 복수의 감소는 매우 높은 결합된 일산화탄소(CO) 감소율을 달성하고 매우 낮은 부하 작동에서 낮은 스택 배출물들을 유지한다. 추가될 때, 향상된 이산화질소(NO2) 파괴와 함께 전문화된(specialized) 질소산화물(NOx) 촉매(160)는, 스택을 나가는 질소산화물(NOx)의 수용 가능한 범위로 감소되도록 이산화질소(NO2)의 더 높은 농도를 허용한다.
하기의 표 3B는 스택 배출물들 규제가 (이 예에서 17% 가스 터빈(GT) 부하에서 국소 최저치 배출물들과 함께) 본 발명을 이용함으로써 달성되는 일 예를 도시한다. 촉매의 추가된 층(layer)들은 100% 부하로부터 계속하여 상기 국소 최저치에 이르기까지 배출물들 보장된 수준(emissions guaranteed level)들을 달성할 수 있다.
Figure pct00004
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 배기 가스 흐름 내에 일산화탄소 배출물들의 제1 감소를 만들기 위하여, 상류에서의 산화(CO) 촉매(140)가 하나 이상의 하류에서의 일산화탄소(CO) 촉매들(130, 150)의 상류에서 위치된다고 기재되었던 반면, 추가적인 일산화탄소(CO) 촉매(150)는 필요하다면 배기 가스 흐름 내에 일산화탄소(CO) 배출물들의 추가적인 감소를 제공하기 위하여 고온 일산화탄소(CO) 촉매(140)의 상류에서 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 현존하는 가스 터빈 파워 플랜트(GTPP)는 상술한 추가적인 촉매(들)(140, 150)를 추가함으로써 및/또는 필요한 곳에 높은 이산화질소(NO2) 선택적 환원촉매(SCR, 160)로 현존하는 선택적 환원촉매(SCR, 110)(NOx)를 대체함으로써 새로 장착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 가스 터빈 파워 플랜트의 시동들 및 정지들 동안 누적되는 배출물들은 또한 상당히 감소될 것이다. 이는 일련의 산화(CO) 촉매들(130, 140, 150)(2 이상) 및, 필요하다면, 제어 시스템 변경(control system modification)들 및 증기 사이클 관리 전략(steam cycle management strategy)들과 같은 다른 핵심적인 특징들과 함께, 배기 경로 내에 높은 이산화질소(NO2) 감소 선택적 환원촉매(SCR, 160)의 추가에 의하여 주로 달성된다.
게다가, 본 발명의 실시예들이 결합된 사이클 플랜트 구성을 참조하여 기재되어왔지만, 본 발명의 상술한 특징들은 증기 터빈의 완전한 또는 부분적인 바이패스 작동(bypass operation), 단순한 사이클 작동, 단일의 또는 이중의 압력 수준 결합된 사이클들 및 열병합 발전 사이클들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 플랜트 구성에서 사용될 수 있다는 점은 용이하게 이해된다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 상기 기재로부터, 통상의 기술자는 향상들, 변화들 및 변경들을 인지(perceive)할 것이다. 기술 분야의 기술의 범위 내에 그러한 향상들, 변화들 및 변경들은 첨부된 청구범위에 의하여 커버(cover)되도록 의도된다. 게다가, 전술한 사항이 본 발명의 기재된 실시예들에만 관련한 것이라는 점 및 수 많은 변화들과 변경들이 다음의 청구범위들 및 이의 균등물들에 의하여 정의된 바와 같이 본원의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 여기에서 이루어질 수 있다는 점이 명백해야 한다.
19 : 안내덕트
20 : 열회수 증기발생기 케이싱
21 : 열회수 증기발생기 스택
저압(LP)
22 : 저압 응축액
23 : 저압 절약기
31 : 저압 보일러 드럼
32 : 저압 강수관
33 : 저압 증발기
34 : 저압 과열기
35 : 증기 터빈(ST)의 저압 구획(73)으로의 파이프
36 : 저압 밸브 - 도 2에 대해 구성요소는 조정된 작동 범위(tuned operational range)를 추가해 왔다.
37 : 저압 바이패스 밸브 & 비과열기
중간압 (IP) / 재가열
40 : 중간압 절약기
41 : 중간압 증기 드럼
42 : 중간압 강수관
43 : 중간압 증발기
44 : 중간압 과열기
45 : 차가운 재가열 파이프(61)로의 파이프(45)
고압(HP)
50 : 고압 절약기
51 : 고압 절약기
52 : 고압 증기 드럼
53 : 고압 강수관
54 : 고압 증발기
55 : 고압 과열기
56 : 증기 터빈의 고압 구획(71)으로의 파이프
57 : 밸브(고압(HP)) - 도 2에 대하여 구성요소는 조정된 작동 범위를 추가해 왔다.
58 : 고압 바이패스 밸브 & 비과열기
뜨거운 재가열( HRH )
61 : 차가운 재가열 파이프
62 : 재가열 구획
63 : 증기 터빈의 중간압 구획(72)으로의 뜨거운 재가열 파이프
64 : 재가열 밸브 - 도 2에 대하여 구성요소는 조정된 작동 범위를 추가해 왔다.
65 : 재가열 바이패스 밸브 & 비과열기
증기 터빈 & 응축액
70 : 증기 터빈 결합된 구획들
71 : 고압 증기 터빈
72 : 중간압 증기 터빈
73 : 저압 증기 터빈
74 : 공통 터빈 샤프트
75 : 발전기
76 : 냉각기
80 : 응축액 펌프
81 : 보일러 공급 펌프
110 : 선택적 환원촉매(deNOx)
120 : 암모니아 주입 그리드
130 : 중온 산화 촉매 위치
140 : 고온 산화 촉매
150 : 고온 산화 촉매 선택적 위치 범위
160 : 선택적 환원촉매(높은 NO2)
작동 유체들
A - 대기
D - 스택 방출
E - 가스 터빈 배기
F - 연료

Claims (24)

  1. 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈 파워 플랜트는, 상기 플랜트가 일반적인 가스 터빈 최소 배출 규제 부하(GT MECL) 이하로 배출물들 규제 작동 범위를 연장할 수 있도록 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하고,
    상기 장치는, 일렬로 배열된 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  2. 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 플랜트가 일반적인 가스 터빈 최소 배출 규제 부하(GT MECL) 이하로 배출물들 규제 작동 범위를 연장시킬 수 있도록 제1항에 기재된 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키는 상기 복수의 산화 촉매들의 하류에서의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  5. 제1항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  6. 제3항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  7. 제4항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  8. 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈 파워 플랜트는, 가스 터빈 배출물들이 국소 최저치에 이르기까지 또는 국소 최저치에서 있는 최소 배출 규제 부하(MECL) 이하로 특정 부하들에서, 상기 플랜트가 배출물들 규제에서 작동할 수 있도록 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하고,
    상기 장치는 일렬로 배열되는 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  9. 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 플랜트가, 가스 터빈 배출물들이 100% 부하로부터 계속하여 상기 국소 최저치에 이르기까지 또는 국소 최저치에서나 국소 최저치 근방에 있는 최소 배출 규제 부하(MECL) 이하로 특정 부하들에서, 배출물들 규제에서 작동할 수 있도록 제8항에 기재된 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키는 상기 복수의 산화 촉매들의 하류에서의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  12. 제8항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  13. 제10항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  14. 제11항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  15. 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치에 있어서,
    시동 및 정지 동안의 배출물들이 상당히 감소되도록 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하고, 상기 장치는 일렬로 배열되는 복수의 산화(CO) 촉매들을 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  16. 시동 및 정지 동안의 배출물들이 상당히 감소되도록 제15항에 기재된 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키는 상기 복수의 산화 촉매들의 하류에서의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    저부하들에서 뿐만 아니라 일반적인 작동 부하들에서 배출물들을 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 더 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  19. 제15항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  20. 제17항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  21. 제18항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
  22. 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈 파워 플랜트는, 상기 플랜트가 일반적인 가스 터빈 최소 배출 규제 부하(GT MECL) 이하로 배출물들 규제 작동 범위를 연장할 수 있도록 배출물 제어 장비를 유일하게 구성하고,
    상기 장치는 배출물들 규제를 유지하기 위하여 질소산화물(NOx) 배출물들을 감소시키고 높은 이산화질소(NO2) 전환율의 능력이 있는 적어도 하나의 질소산화물(NOx) 촉매를 포함하는, 가스 터빈 파워 플랜트를 위한 장치.
  23. 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 플랜트가 배출물들 규제 작동 범위를 연장 및/또는 시동 및 정지 배출물들을 상당히 감소시킬 수 있도록 제22항에 기재된 상기 장치와 함께 가스 터빈 파워 플랜트를 작동시키기 위한 방법.
  24. 제22항에 따른 상기 장치가 새로 장착되는 현존하는 파워 플랜트.
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