KR20170018883A

KR20170018883A - 가스 터빈 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20170018883A
Application number: KR1020177000241A
Authority: KR
Inventors: 웬지에 우; 핑 유; 프라딥 쿠마 디띠; 마누엘레 비기; 데이비드 어거스트 스나이더; 마누엘 모이제스 카르데나스
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2017-02-20
Also published as: US20170082033A1; WO2015188313A1; CN106662017A

Abstract

모터에 의해 구동되도록 구성되는 제1 연료 가스 압축기 및 가스 터빈 시스템의 샤프트에 의해 구동되도록 구성되는 제2 연료 가스 압축기를 갖춘 연료 공급 시스템이 마련된다. 제1 연료 가스 압축기 및 제2 연료 가스 압축기는 압축 연료 유동을 가스 터빈 시스템의 연소기에 공급하도록 구성되며, 제1 연료 가스 압축기 및 제2 연료 가스 압축기는 서로 직렬로 결합된다.

Description

가스 터빈 시스템 및 방법{GAS TURBINE SYSTEM AND METHOD}

본원에 개시되는 주제 대상은 동력 발전 시스템, 보다 구체적으로 연료 가스 압축기 시스템에 관한 것이다.

신가스 연료(syngas fuel)는 가스 터빈 시스템을 갖춘 발전소에서 널리 사용된다. 예를 들면, 상기 가스 터빈 시스템은 하나 이상의 연소기를 포함할 수 있으며, 이 연소기는 연료를 연소시켜 고온 연소 가스를 발생시킬 수 있다. 결과적인 고온 연소 가스는 이후 하나 이상의 터빈을 구동하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 가스 터빈 시스템의 연소기에 공급되는 연료는 높은 압력으로 공급된다. 그러나, 시동 작동 중에 연료를 충분히 압축시키는 것, 그리고 높은 효율로 작동시키는 것은 곤란할 수 있다.

본 발명의 과제는, 동력 발전 시스템, 보다 구체적으로 연료 가스 압축기 시스템을 제공하는 것이다.

원 청구된 발명에 따른 범위에 부합하는 특정 실시예가 이하에 개괄되어 있다. 이러한 실시예는 청구되는 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니며, 오히려 이러한 실시예는 단지 본 발명의 가능한 형태의 간략한 개괄을 제시하려는 의도이다. 실제로, 본 발명은, 이하에 기술되는 실시예와 유사할 수도 있고 상이할 수도 있는 다양한 형태를 포괄할 수 있다.

제1 실시예에 있어서, 일 시스템은, 압축기 샤프트에 결합되고 가스 터빈 시스템을 위해 연료를 압축시키도록 구성되는 제1 연료 가스 압축기를 구비하는 연료 공급 시스템을 포함한다. 연료 공급 시스템은 제1 클러치 및 제2 클러치를 포함한다. 제1 클러치는 압축기 샤프트 세그먼트를 모터의 모터 샤프트에 선택적으로 연동(engagement)시키도록 구성된다. 제2 클러치는 압축기 샤프트를 가스 터빈 시스템의 터빈 샤프트에 선택적으로 연동시키도록 구성된다.

제2 실시예에 있어서, 일 방법은, 제1 연료 가스 압축기의 압축기 샤프트를 모터의 모터 샤프트에 결합시키기 위해 제1 클러치를 연동시키는 단계를 포함한다. 제1 연료 가스 압축기는 연료를 압축시키기 위해 모터를 이용하여 구동된다. 제1 클러치는 제1 압축기 샤프트를 모터 샤프트로부터 결합 해제시키기 위해 연동 해제(disengagement)된다. 제2 클러치는 압축기 샤프트를 가스 터빈 시스템의 터빈 샤프트에 결합시키도록 연동된다. 제1 연료 가스 압축기는 연료를 압축시키기 위해 가스 터빈 시스템의 터빈을 이용하여 구동된다.

제3 실시예에 있어서, 일 시스템은 가스 터빈 시스템을 위한 연료의 압축을 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 각각 모터 샤프트 또는 터빈 샤프트를 이용하여 연료 가스 압축기를 구동하기 위해 제1 클러치 또는 제2 클러치를 선택적으로 연동시키도록 구성된다.

본 발명의 이러한 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태 및 장점은, 동일한 도면부호가 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참고하여 이하의 상세한 설명을 읽으면 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 가스 터빈 시스템의 조작성을 개선하기 위한 특징을 갖춘, 연료 공급 시스템을 구비한 가스 터빈 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 2는, 직렬인 2개의 연료 가스 압축기, 그리고 이들 연료 가스 압축기 중 하나를 모터에 선택적으로 연동시키기 위한 2개의 클러치를 구비한, 도 1의 연료 공급 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 3은, 모터를 이용하여 제1 연료 가스 압축기를 구동하고 터빈 샤프트를 이용하여 제2 연료 가스 압축기를 구동시키는 위치에서의 클러치를 예시하는, 도 2의 연료 공급 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 4는, 제1 위치와 제2 위치 사이에서 천이하는 클러치를 예시하는, 도 2의 연료 공급 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 5는, 터빈 샤프트를 이용하여 2개의 연료 가스 압축기를 구동시키는 위치에 있는 클러치를 예시하는, 도 2의 연료 공급 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 6은, 직렬인 3개의 연료 가스 압축기, 그리고 이들 연료 가스 압축기 중 하나 이상을 모터에 선택적으로 연동시키기 위한 복수 개의 클러치를 구비한, 도 1의 연료 공급 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.
도 7은, 복수 개의 연료 가스 압축기, 그리고 이러한 연료 가스 압축기들 중 하나 이상을 모터에 선택적으로 연동시키기 위한 단일 클러치를 구비한, 도 1의 연료 공급 시스템의 실시예에 대한 개략도이다.

본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시예가 이하에서 설명될 것이다. 이들 실시예에 대한 간략한 설명을 제공하기 위해, 실제 구현예의 모든 특징이 본 명세서에 설명되어 있지는 않을 수 있다. 임의의 엔지니어링 프로젝트 또는 설계 프로젝트에서와 같이 이러한 임의의 실제 구현예의 개량에 있어서, 시스템 관련 구속조건 및 비즈니스 관련 구속조건과 같은 개발자의 구체적인 목표를 달성하기 위해 다수의 실시예 특정 결정이 행해져야만 하며, 이는 구현예마다 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적인 것일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이익을 향유할 당업자에게는 설계, 제조 및 제작에 관한 일상적인 업무일 수 있다는 것을 이해해야 한다.

본 발명의 다양한 실시예의 요소를 도입할 때, 단수 표면 및 표현 “상기”는 하나 이상의 전술한 요소가 존재함을 의미하게 하려는 의도이다. 용어 “포함하는”, “비롯한”, 및 “구비하는”은 포괄적임을 나타내려는 의도이며, 나열된 요소 이외의 다른 추가적인 요소가 존재할 수 있다는 것을 의미한다.

본 개시내용은 가스 터빈 시스템을 위한 연료를 압축시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 통상 작동 중에, 특정 가스 터빈은 산화제(예컨대, 공기, 산소 또는 산소 농후 공기)와 연료 가스(예컨대, 증기상 연료)의 혼합물을 연소 생성물로 연소시킨다. 연소 생성물은 터빈의 블레이드가 회전하도록 강제하며, 이에 따라 터빈 샤프트가 회전하도록 구동시킨다. 회전하는 터빈 샤프트는, 가스 터빈을 위한 연료 가스를 압축시키는 하나 이상의 연료 가스 압축기와 같은 가스 터빈 시스템의 특정 구성요소를 구동시킨다. 통상 작동 중에, 터빈 샤프트의 회전 속도는 연료 가스 압축기가 연료 가스를 충분히 압축시켜 가스 터빈에 이송시키는 것을 가능하게 한다. 그러나, 가스 터빈의 시동 중에, 터빈 샤프트의 회전 속도는, 연료 가스를 적절히 압축시키기에는 너무 느릴 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 액체 연료는 시동 프로세스의 초기 단계 중에 가스 터빈에 라우팅(routing)되며, 일단 터빈 샤프트의 속도가 충분하게 되면 연료 가스가 도입된다. 불행하게도, 액체 연료에 기초한 시동은 곤란할 수도 있고 비교적 고비용일 수도 있다.

시동 프로세스 전체에 걸쳐 연료 가스를 이용하기 위해서, 터빈 샤프트의 회전 속도가 느릴 때 연료 가스 압축기를 구동하기 위해 모터(예컨대, 전기 모터)가 사용될 수 있다. 일단 터빈 샤프트의 속도가 연료 가스를 압축시키기에 충분히 빠르게 되면, 연료 가스 압축기는 터빈 샤프트에 의해 구동될 수 있다. 이를 위해, 연료 가스 압축기를 모터에 또는 터빈 샤프트에 선택적으로 결합시키기 위해 터빈 샤프트를 따라 클러치가 배치된다.

이제 도면으로 돌아가면, 도 1은 가스 터빈 시스템(10)의 실시예의 개략도이다. 가스 터빈 시스템(10)은 압축기(12), 연소기(14), 및 터빈(16)을 포함한다. 가스 터빈 시스템(10)의 실시예는 다양한 산화제(18), 예컨대 공기, 산소, 또는 산소 농후 공기를 이용하여 작동하도록 구성될 수 있다. 그러나, 논의를 위해, 가스 터빈 시스템(10)은 산화제(18)로서 공기를 이용하는 것으로 설명된다. 압축기(12)는 공기 공급부(20)로부터 공기(18)를 수용하며, 연소기(14) 내로 이송하기 위해 공기(18)를 압축시킨다. 연소기는 공기(18) 및 연료 공급 시스템(24)으로부터의 압축 연료(22)를 수용한다. 이하에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 연료 공급 시스템(24)은, 연료 가스 압축기(28)가 터빈(16) 또는 모터(30)(예컨대, 전기 모터, 연소 엔진, 또는 다른 구동부)에 의해 선택적으로 구동될 수 있도록 하는 하나 이상의 클러치(26)를 포함한다.

연소기(14)는 공기(18)와 연료(22)의 혼합물을 점화시켜 고온 연소 가스를 생성한다. 이러한 연소 가스는 터빈(16) 내로 유동하고, 터빈 블레이드(32)가 회전하도록 강제하며, 이에 따라 샤프트(34)(예컨대, 터빈 샤프트)가 회전하도록 구동시킨다. 샤프트(34)의 회전은 압축기(12)로 공기(18)를 압축시키기 위한 에너지를 제공한다. 보다 구체적으로, 샤프트(34)는 압축기(12) 내에서 샤프트(34)에 부착된 압축기 블레이드(36)를 회전시키며, 이에 따라 공기(18)를 압축시킨다. 추가적으로, 회전 샤프트(34)는 부하(38), 예컨대 전기 발전기 또는 샤프트(34)의 기계적 에너지를 이용할 수 있는 임의의 디바이스를 회전시킬 수도 있고 구동시킬 수도 있다. 터빈(16)이 연소 생성물로부터 유용한 일(work)을 얻은 이후에, 연소 생성물은 열 회수 증기 발전기(HRSG: Heat Recovery Steam Generator; 39)로 라우팅된다. HRSG(39)는, 예컨대 연소 생성물로부터 폐열을 회수하여 증기를 생성하며, 이러한 증기는 또한 증기 터빈을 구동하기 위해 사용될 수 있다.

가스 터빈 시스템(10)의 통상 작동(예컨대, 정상 상태 작동 또는 최대 부하 작동) 중에, 회전 샤프트(34)는 또한 연료 가스 압축기(28)를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 연료 가스 압축기(28)는 예시된 바와 같이 연료 공급부(40)로부터 연료(22)를 수용한다. 연료(22)는 복수 개의 유입구 가이드 베인(IGV; Inlet Guide Vane; 42)을 통해 연료 가스 압축기(28)로 진입할 수 있으며, 상기 유입구 가이드 베인은 연료(22)의 유량을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, IGV(42)의 피치(pitch)는 변경될 수 있으며, 이에 따라 연료 가스 압축기(28) 내로의 연료(22)의 유입구 유동을 스로틀링(throttling)시키게 된다. 연료 가스 압축기(28) 내에서, 압축기 샤프트(46)에 결합된 압축기 블레이드(44)가 회전하면 연소기(14)로의 이송을 위해 연료(22)가 압축된다.

통상 작동(예컨대, 정상 상태 작동) 중에, 압축기 샤프트(46)는 클러치(48)를 통해 터빈 샤프트(34)에 결합될 수 있고 터빈 샤프트에 의해 구동될 수 있다. 따라서, 클러치(48)는 터빈(16)으로부터의 동력을 연료 가스 압축기(28)로[예컨대, 터빈 샤프트(34)로부터 압축기 샤프트(46)로] 전달하는 것을 가능하게 한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 다른 소스로부터의 동력을 이용하여 압축기 샤프트(46)를 구동하는 것이 유리할 수 있다면, 클러치(48)는 특정 작동 구간 동안 연동 해제되어 있을 수 있다. 예를 들면, 시동 또는 천이 구간의 작동 중에, 회전 샤프트(34)의 속도는 연료 가스 압축기(28)의 압축기 샤프트(46)를 구동하기에 불충분할 수 있다. 충분한 동력(예컨대, 회전 운동)이 모터(30)의 모터 샤프트(50)에 의해 마련될 수 있다. 모터(30)의 작동은 가스 터빈 시스템(10)의 작동에 대해 독립적이기 때문에, 가스 터빈 시스템(10)이 천이 상태 또는 시동 상태일 때, 연료 가스 압축기(28)를 구동시키기 위해 모터(30)가 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 압축기 샤프트(46)는 클러치(52)를 통해 모터 샤프트(50)에 결합될 수 있고 모터 샤프트에 의해 구동될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 압축기 샤프트(46), 모터 샤프트(50), 및 터빈 샤프트(34)는 동축일 수 있다.

제어기(54)는 터빈(16), 연료 가스 압축기(28), 유입구 가이드 베인(42), 모터(30) 및 클러치(48 및 52)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이, 제어기(54)는 가스 터빈 시스템(10)의 작동 모드에 기초하여 각각의 클러치(48 및 52)를 연동시키기 위한 명령 또는 연동 해제시키기 위한 명령을 실행한다. 예를 들면, 터빈 샤프트(34)의 느린 속도는 시동 모드를 나타내는 것일 수 있다. 제어기(54)는, 예컨대 압축기 샤프트(46)를 모터 샤프트(50)에 결합시키기 위해 클러치(48)를 연동 해제시키고 클러치(52)를 연동시킴으로써, 모터(30)을 이용하여 연료 가스 압축기(28)를 구동시키는 명령을 실행할 수 있다.

연료 공급 시스템(24)은 다수의 연료 가스 압축기를 포함할 수 있다는 것을 주의해야만 한다. 예를 들면, 연료(22)는 제1 압축기에 의해 중간 압력으로 압축될 수 있으며, 후속하여 제2 연료 가스 압축기를 이용하여 더 높은 압력으로 압축될 수 있다. 여러 단의 압축은 연료(22)의 압력을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 연료 공급 시스템(24)의 효율도 향상시킬 수 있다. 따라서, 연료 공급 시스템(24)의 특정 실시예는, 관련 압축기 샤프트 및 클러치와 함께 1개, 2개, 3개, 4개, 또는 5개 이상의 연료 가스 압축기(28)를 포함할 수 있으며, 이는 도 2와 관련하여 이하에서 추가로 설명될 것이다.

도 2는 2개의 압축단(56 및 58)을 구비하는 연료 공급 시스템(24)의 실시예를 예시한 것이다. 보다 구체적으로, 연료 공급부(40)로부터의 연료(22)는 저압 연료 가스 압축기(60)(예컨대, 28)에 의해 압축되며, 이후 고압 연료 가스 압축기(62)(예컨대, 28)에 의해 추가로 압축된다. 각각의 압축단(56 및 58) 이후에, 연료(22)는 각각의 냉각기(64 및 66) 내에서 냉각된다. 이해할 수 있는 바와 같이, 특정 연료(22)는 하나 이상의 응축 가능한 성분(예컨대, 증기, 탄화수소, 황화물)을 포함할 수 있다. 연료(22)가 냉각될 때, 이들 성분은 액체 형태로 응축될 수 있다. 이에 따라, 액체 응축물을 나머지 증기 연료(22)로부터 분리시키기 위해 각각의 압축단(56 및 58)에는 연료 유동 경로를 따라 분리기(68 및 70)가 배치된다. 냉각기(64 및 66)뿐만 아니라 분리기(68 및 70)가 연료 공급 시스템(24) 내에서 다양한 위치를 점유할 수 있다는 것을 주의해야만 한다. 예를 들면, 냉각기(66) 및 분리기(70)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 스필백 밸브(spillback valve; 78)의 상류에 있을 수 있다.

이제 다시 도 2로 돌아가면, 또한, 연료(22)의 각각의 압축단(56 및 58)에는 유동 경로를 따라 플레어(flare; 72 및 74)가 배치된다. 플레어(72 및 74)는, 예컨대 압력이 너무 높을 때 연료(22)의 일부를 배출함으로서 연료 공급 시스템(24)의 압력 제어를 가능하게 한다. 연료 공급 시스템(24)의 압력은 또한 스필백 밸브(76 및 78)에 의해 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 스필백 밸브(76 또는 78)를 개방하면 압축기 배출물의 일부가 압축기 유입구로 다시 유동하게 하는 것이 가능해지며, 이에 따라 각각의 압축기(60 및 62)의 배출 압력을 상승시킨다. 추가적으로, 특정 압축기가 완전 스필백 모드(full stillback mode)에서 시동될 수 있고, 이때 압축기 배출물 전체는 압축기 유입구로 다시 순환된다.

제어 밸브(80)가 압축기(60 및 62)들 사이에 배치된다. 연소기(14)의 작동 모드에 따라, 연료(22)의 유동을 증가시키는 것 또는 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 시동 작동 중에, 가스 터빈 시스템(10)이 시동될 때, 연료(22)의 유동은 점차적으로 증가된다. 턴다운(turndown) 작동 중에, 연료(22)의 유동은 점차적으로 감소될 수 있다. 심지어 통상 작동 중에도, 연소기(14) 내에서의 안정적인 작동 상태를 유지하기 위해 연료(22)의 유량이 약간 조절될 수 있다. 따라서, 제어 밸브(80)는 연료(22)의 유량을 조절하기 위해 필요에 따라 스로틀링될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 제어 밸브(80)는 제어기(54)에 의해 조절될 수 있다.

앞서 논의된 바와 같이, 연료 공급 시스템(24)은, 모터(30) 또는 터빈(16)(도 1에 도시되어 있음)에 의해 압축기(60 및 62)가 구동되는 것을 가능하게 하는 하나 이상의 클러치(26)를 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 저압 압축기(LP compressor; 60)는 터빈 샤프트(34)에 결합되는 반면, 고압 압축기(HP compressor; 62)는 별도의 압축기 샤프트(46)에 결합된다. 저압 압축기(60)는 터빈 샤프트(34)에 의해 연속적으로 구동된다. 그러나, 고압 압축기(62)는 압축기 샤프트(46)에 의해 구동되며, 압축기 샤프트는 다시 터빈 샤프트(34) 또는 모터 샤프트(50)에 의해 구동될 수 있다. 변형례에 있어서, 저압 압축기(60)는, 터빈 샤프트(34) 또는 모터 샤프트(50)에 의해 선택적으로 구동되는 별도의 샤프트를 또한 포함할 수 있다는 것을 주의해야만 한다.

기어박스(82)가 압축기 샤프트(46)에 결합된다. 기어박스(82)는, 압축기 샤프트(46), 터빈 샤프트(34) 및 모터 샤프트(50)가 상이한 속도로 회전하는 것을 가능하게 하는 하나 이상의 기어 및/또는 기어 트레인을 포함한다. 기어박스(82)의 설계에 따라서, 구동 샤프트[예컨대, 터빈 샤프트(34) 또는 모터 샤프트(50)]와 피동 샤프트[예컨대, 압축기 샤프트(46)] 사이의 샤프트 속도비는, 대략 10:1 내지 1:10, 5:1 내지 1:5, 2:1 내지 1:2일 수 있으며, 이들 사이의 모든 하위 범위일 수 있다. 추가적으로, 이러한 기어비는 가스 터빈 시스템(10)의 작동 상태에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 통상 작동 중에는 연료 공급 시스템(24)의 효율을 개선하기 위해 낮은 기어비가 바람직할 수 있다. 그러나, 샤프트(34, 46, 및 50)의 속도가 대체로 낮을 때에는, 시동 중에 높은 기어비가 더 효율적일 수 있다. 연료 공급 시스템(24)의 특정 실시예는 기어박스(82)를 포함하지 않을 수 있지만, 다른 실시예는 1개, 2개, 3개, 4개, 또는 5개 이상의 기어박스(82)를 포함할 수 있다.

앞서 지적한 바와 같이, 제어기(54)는 클러치(48 및 52)의 위치를 제어하며, 이는 압축기 샤프트(46)가 터빈 샤프트(34)에 의해 구동되는지 또는 모터 샤프트(50)에 의해 구동되는지 여부를 결정한다. 이를 위해, 제어기(54)는 클러치(48 및 52)를 제어하기 위한 명령을 실행하기 위해 프로세서(84) 및 메모리(86)를 포함한다. 이러한 명령은 프로세서(84)에 의해 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램으로 인코딩될 수 있다. 또한, 상기 명령은, 메모리(86)와 같이 유형이고 비일시적이며 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장될 수 있다. 메모리(86)는, 예컨대, RAM, ROM, 하드 드라이브 등을 포함할 수 있다.

제어기(54)는 압축기(60 및 62), 클러치(48 및 52), 제어 밸브(80) 및 센서(88 및 90) 각각에 통신 가능하게 결합된다. 센서(88 및 90)는 각각의 압축단(56 및 58)과 관련된 하나 이상의 작동 상태를 탐지한다. 예를 들면, 센서(88 및 90)는 연료(22)의 유량, 연료(22)의 압력, 연료(22)의 온도, 압축기 속도, 진동 등을 탐지할 수 있다. 제어기(54)는 센서(88 및 90)에 의해 탐지된 작동 상태에 기초하여 클러치(48 및 52)의 위치를 조절할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 센서(88 및 90)는 가스 터빈 시스템(10)의 작동 모드에 대한 지시자로서 각각의 압축기(60 및 62)의 압축기 속도를 탐지한다. 예를 들면, 터빈 샤프트(34)의 속도가 문턱값(예컨대, 정격 속도의 대략 60%, 50% 또는 40%임) 미만일 때, 제어기(54)는 가스 터빈 시스템(10)이 시동 모드 또는 턴다운 모드에 있는 것으로 결정할 수 있다. 이러한 상황에서는, 터빈 샤프트(34)보다 모터(30)를 이용하여 고압 압축기(62)를 구동하는 것이 효율적일 수 있다. 이에 따라, 제어기(54)는 클러치(48)를 연동 해제시키고 클러치(52)를 연동시킨다. 그 결과로서, 저압 압축기(60)는 터빈 샤프트(34)에 결합되어 터빈 샤프트에 의해 구동되는 반면, 고압 압축기(62)는 모터 샤프트(50)에 결합되어 모터 샤프트에 의해 구동된다. 이러한 구성은, 심지어 터빈 샤프트(34)의 속도가 비교적 느릴 때에도, 연료가 연소기(14)로의 이송을 위해 적절하게 압축되는 것을 가능하게 한다.

터빈 샤프트(34)의 속도가 문턱값(예컨대, 정격 속도의 대략 40%, 50%, 또는 60%임)을 초과하여 상승하면, 모터 샤프트(50)보다는 터빈 샤프트(34)를 이용하여 압축기 샤프트(46)를 구동하는 것이 더 효율적일 수 있다. 이를 위해, 제어기(54)는 클러치(48)를 연동시키고 클러치(52)를 연동 해제시킨다. 그 결과로서, 2대의 압축기(60 및 62)는 모두 터빈 샤프트(34)에 결합되어 터빈 샤프트에 의해 구동된다. 특정 실시예에 있어서, 압축기 속도의 문턱값들은 상이할 수 있다. 예를 들면, 터빈 샤프트의 속도가 정격 속도의 대략 10 내지 90%, 20 내지 80%, 또는 30 내지 70% 사이에 있다면, 제어기(54)는 클러치(48 및 52)를 연동시킬 수도 있고 연동 해제시킬 수도 있다. 추가적으로 또는 대안으로, 제어기(54)는 다른 작동 상태, 예컨대 압력, 유동, 온도 등에 기초하여 클러치(48 및 52)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어기(54)는, 경보 설정점에 응답하여, 2대의 클러치(48 및 52)를 연동 해제시켜 연소기(14)에 대한 연료(22)의 유량을 감소시킬 수 있다.

도 3 내지 도 5는 연료 공급 시스템(24)의 클러치(48 및 52)의 다양한 위치를 예시한 것이다. 예를 들면, 클러치(48 및 52)의 위치는 제1 구성(도 3 참고)에서 시작할 수 있으며, 제2 구성(도 4 참고)을 거쳐 제3 구성(도 5 참고)으로 천이할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 제1 구성(92)은 가스 터빈 시스템(10)의 시동 모드를 지시할 수 있는 반면, 제3 구성(96)은 정상 상태 작동 또는 통상 작동을 지시할 수 있다. 구성(92, 94 및 96)들의 순서는 상호 교환 가능하며, 가스 터빈 시스템(10)의 작동 상태에 따라 좌우될 수 있다는 것을 주의해야만 한다.

도 3은, 모터(30)가 고압 압축기(62)를 구동하는 것을 가능하게 하는, 클러치(48 및 52)의 구성(92)을 예시한 것이다. 도시된 바와 같이, 클러치(48)는 터빈 샤프트(34)로부터 연동 해제되는 반면, 클러치(52)는 모터 샤프트(50)에 연동된다. 예시된 구성(92)은, 예컨대 터빈 샤프트(34)의 속도가 비교적 느리고 모터(30)가 압축기 샤프트(46)의 더 큰 회전을 제공할 수 있을 때[예를 들어, 가스 터빈 시스템(10)의 시동 중에] 바람직할 수 있다.

도 4는, 도 3의 구성과 도 5의 구성 사이에서의 원활한 천이를 가능하게 하는 클러치(48 및 52)의 다른 구성을 예시한 것이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 압축기(60 및 62)들이 상이한 샤프트[예컨대, 각각 터빈 샤프트(34) 및 모터 샤프트(50)]에 의해 구동될 때, 압축기(60 및 62)는 상이한 속도로, 또는 상이한 토크량으로 회전할 수 있다. 이에 따라, 도 3의 구성과 도 5의 구성 사이에서 원활한 천이를 가능하게 하기 위해 다양한 샤프트 속도 및/또는 토크의 균형을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 클러치(48 및 52)가 연동되어 있을 때, 다양한 샤프트(34, 46 및 50)가 함께 결합되며 단일 샤프트와 같이 거동할 수 있고, 이에 따라 더욱 안정화된 샤프트 속도를 유도하게 된다.

앞서 지적한 바와 같이, 기어박스(82)는, 다양한 샤프트(34, 46 및 50)가 상이한 속도로 회전하는 것을 가능하게 한다. 이에 따라, 클러치(48 및 52)가 연동되어 있을 때, 샤프트(34, 46 및 50)는 상이한 속도로 계속 회전할 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서는, 도 3의 구성과 도 5의 구성 사이에서 천이할 때 다양한 샤프트(34, 46 및 50)가 적절한 균일 속도로 회전하는 것이 바람직할 수 있다. 균일한 샤프트 속도는, 예컨대 기어 박스(82)를 이용하여 대략 1:1의 기어비를 채용함으로써 가능하게 될 수 있다.

도 5는, 터빈 샤프트(34)가 양 압축기(60 및 62)를 구동하는 것을 가능하게 하는, 클러치(48 및 52)의 구성(96)을 예시한 것이다. 도시된 바와 같이, 클러치(48)는 터빈 샤프트(34)에 연동되는 반면, 클러치(52)는 모터 샤프트(50)로부터 연동 해제된다. 예시된 구성(96)은, 터빈 샤프트(34)가 압축기 샤프트(46)의 더 큰 회전을 제공할 수 있을 때 가스 터빈 시스템(10)의 정상 상태 작동 또는 통상 작동 중에 바람직할 수 있다.

도 6는 3개의 압축단(98, 100 및 102)을 구비하는 연료 공급 시스템(24)의 실시예를 예시한 것이다. 보다 구체적으로, 연료(22)는, 직렬로 유체 연결되는 3개의 압축기, 즉 저압 압축기(104), 중압 압축기(MP compressor; 106) 및 고압 압축기(108)에 의해 압축된다. 도시된 바와 같이, 고압 압축기는 IGV(42)를 포함하는 반면, 저압 압축기(104) 및 고압 압축기(106)는 IGV를 포함하지 않는다. 그러나, 다른 실시예에서는, 임의의 연료 가스 압축기 또는 모든 연료 가스 압축기(28)가 IGV(42)를 포함할 수 있다.

연료 공급 시스템(24)은 냉각기(110), 분리기(112), 플레어(114), 스필백 밸브(116), 제어 밸브(118), 및 센서(120)를 포함하며, 각각은 도 2에서의 각각의 구성요소와 기능적으로 유사하다. 도시된 바와 같이, 중압 압축기(106) 및 고압 압축기(108)는 별도의 압축기 샤프트(122 및 124)를 갖는다. 클러치(126, 128 및 130)는, 터빈(16)(도 1에 도시되어 있음) 또는 모터(30)가 샤프트(34, 50, 122 및 124)를 구동하는 것을 가능하게 하기 위해 샤프트(34, 122, 124 및 50)들 사이에 결합된다. 예를 들면, 예시된 구성에서는, 클러치(126 및 130)가 연동되어 있는 반면, 클러치(128)가 연동 해제되어 있다. 이에 따라, 저압 압축기(104) 및 중압 압축기(106)는 터빈 샤프트(34)에 의해 구동되는 반면, 고압 압축기(108)는 모터 샤프트(50)에 의해 구동된다. 앞서 지적한 바와 같이, 이러한 구성은, 가스 터빈 시스템(10)이 시동 모드로 작동 중일 때 바람직할 수 있다. 통상 작동 중에는, 클러치(126 및 128)가 연동될 수 있는 반면, 클러치(130)가 연동 해제된다. 이에 따라, 터빈 샤프트(34)는 모든 연료 가스 압축기(104, 106 및 108)를 구동시킬 수 있는 반면, 모터(30)는 터빈 샤프트(34)로부터 결합 해제된다. 다른 개수의 연료 가스 압축기(28) 및 클러치(26)가 고려될 수 있으며, 다른 개수의 연료 가스 압축기 및 클러치는 본 개시내용의 범위 및 사상에 속한다는 것을 이해해야만 한다.

도 7은, 가스 터빈 시스템(10)의 조작성을 개선하기 위해 클러치(26, 48)를 갖춘 연료 공급 시스템(24)의 실시예를 예시한 것이다. 도 7에 도시된 실시예는, 클러치(26, 52)를 제외하고는, 도 2에 예시된 실시예와 유사하다. 클러치(26, 52)를 제거하면, 일반적으로 가스 터빈 시스템(10)의 비용을 절감할 수 있다. 시동 작동 중에는, 클러치(26, 48)가 연동 해제될 수 있다. 이에 따라, 고압 압축기(62)는 모터 샤프트(50)에 의해 구동되며, 저압 압축기(60)는 터빈 샤프트(34)에 의해 구동된다. 클러치가 연동되어 있을 때, 터빈 샤프트(34)는 고압 압축기(62) 및 저압 압축기(60) 양자 모두를 구동하며, 모터(30)는 터빈 샤프트(34)에 결합된 상태로 유지된다. 이러한 구성에 있어서, 모터(30)는, 가스 터빈 시스템(10)의 효율을 개선하기 위해 터빈 샤프트(34)에 결합되어 있을 때 아이들(idle) 운전될 수 있다.

개시된 실시예의 기술적 효과는, 가스 터빈 시스템(10)의 조작성을 개선시키는 하나 이상의 클러치(26)를 갖춘 연료 공급 시스템(24)을 포함한다. 구체적으로, 클러치(26)는, 주어진 시간 또는 주어진 작동 단계에서 바람직한 것에 기초하여, 연료 가스 압축기(28)가 터빈(16) 또는 모터(30)에 의해 구동되는 것을 가능하게 한다. 이에 따라, 가스 터빈 시스템(10)의 시동 작동 중에서와 같이 터빈 샤프트(34)의 속도가 느릴 때, 클러치(26)는, 모터(30)를 이용하여 연료 가스 압축기(28)를 구동하도록 연동될 수도 있고 연동 해제될 수도 있다. 터빈 샤프트(34)의 속도가 충분히 빠를 때, 클러치는, 터빈(16)을 이용하여 연료 가스 압축기(28)를 구동하도록 연동될 수도 있고 연동 해제될 수도 있다.

이상 기술된 설명은, 본 발명을 개시하기 위해 그리고 또한 당업자가 임의의 디바이스 또는 시스템의 제조 및 이용 그리고 임의의 통합된 방법의 실행을 비롯하여 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 최선의 양태를 비롯한 예를 사용한다. 본 발명이 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이들 예가 청구범위의 문구와 상이하지 않은 구조적 요소를 포함하고 있다면 또는 청구범위의 문구와 미미한 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함한다면, 청구범위의 범위 내에 속하도록 의도된다.

Claims

연료 공급 시스템을 포함하는 시스템으로서, 상기 연료 공급 시스템은,
압축기 샤프트에 결합되고 가스 터빈 시스템을 위해 연료를 압축시키도록 구성되는 제1 연료 가스 압축기;
압축기 샤프트를 모터의 모터 샤프트에 선택적으로 연동(engagement)시키도록 구성되는 제1 클러치;
압축기 샤프트를 가스 터빈 시스템의 터빈 샤프트에 선택적으로 연동시키도록 구성되는 제2 클러치
를 포함하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 연료 가스 압축기는 복수 개의 유입구 가이드 베인(inlet guide vane)을 포함하는 것인 시스템.
제2항에 있어서,
상기 압축기 샤프트에 결합되는 기어박스
를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
가스 터빈 시스템
을 포함하며, 상기 가스 터빈 시스템은,
산화제를 압축시키도록 구성되는 압축기;
압축기에 의해 공급되는 산화제 및 제1 연료 가스 압축기에 의해 공급되는 연료를 연소시켜 연소 생성물을 생성하도록 구성되는 연소기;
터빈 샤프트에 결합되는 터빈으로서, 터빈 샤프트를 회전시키기 위해 연소 생성물로부터의 일(work)을 이용하도록 구성되는 터빈
을 포함하는 것인 시스템.
제4항에 있어서,
상기 모터 샤프트에 결합되는 모터
를 포함하는 시스템.
제4항에 있어서, 상기 연료 공급 시스템은, 가스 터빈 시스템의 터빈 샤프트에 결합되어 연료를 압축시키도록 구성되는 제2 연료 가스 압축기를 포함하는 것인 시스템.
제6항에 있어서, 상기 연료 공급 시스템은 연료 유동 경로를 포함하며, 제1 연료 가스 압축기 및 제2 연료 가스 압축기가 상기 연료 유동 경로를 따라 배치되고, 제2 연료 가스 압축기는 제1 연료 가스 압축기의 상류에 배치되는 것인 시스템.
제4항에 있어서, 상기 연료 공급 시스템은,
가스 터빈 시스템의 작동 파라메타를 측정하도록 구성되는 센서;
측정된 작동 파라메타에 기초하여 제1 클러치 및 제2 클러치의 작동을 조절하도록 구성되는 제어기
를 포함하는 것인 시스템.
제1 연료 가스 압축기의 압축기 샤프트를 모터의 모터 샤프트에 결합시키도록 제1 클러치를 연동시키는 단계;
연료를 압축시키기 위해 모터를 이용하여 제1 연료 가스 압축기를 구동시키는 단계;
압축기 샤프트를 모터 샤프트로부터 결합 해제시키기 위해 제1 클러치를 연동 해제(disengagement)시키는 단계;
압축기 샤프트를 가스 터빈 시스템의 터빈의 터빈 샤프트에 결합시키도록 제2 클러치를 연동시키는 단계;
연료를 압축시키기 위해 터빈을 이용하여 제1 연료 가스 압축기를 구동시키는 단계
를 포함하는 방법.
제9항에 있어서,
연료의 압축과 관련된 작동 파라메타를 탐지하는 단계;
작동 파라메타를 문턱값과 비교하는 단계;
작동 파라메타가 문턱값에 기초한 제1 범위 내에 속한다면 모터를 이용하여 연료 가스 압축기를 구동시키도록 제1 클러치를 연동시키는 단계;
작동 파라메타가 문턱값에 기초한 제2 범위 내에 속한다면 터빈 샤프트를 이용하여 연료 가스 압축기를 구동시키도록 제2 클러치를 연동시키는 단계
를 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 작동 파라메타는 연료의 압력, 연료의 유량, 터빈 샤프트의 속도, 모터 샤프트의 속도, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 방법.
제9항에 있어서,
연료를 압축시키기 위해 터빈 샤프트를 이용하여 제2 연료 가스 압축기를 구동하는 단계
를 포함하며, 제2 연료 가스 압축기는 제1 연료 가스 압축기에 직렬로 연결되는 것인 방법.
제12항에 있어서, 제1 연료 가스 압축기 및 제2 연료 가스 압축기는 순차적으로 연료를 압축시키는 것인 방법.
제12항에 있어서,
기어 박스를 이용하여 제1 연료 가스 압축기 및 제2 연료 가스 압축기를 상이한 속도로 구동하는 단계
를 포함하는 방법.
제14항에 있어서,
가스 터빈 시스템의 작동 모드에 기초하여 기어박스의 기어비를 선택하는 단계
를 포함하는 방법.
가스 터빈 시스템을 위한 연료의 압축을 제어하도록 구성되는 제어기
를 포함하는 시스템으로서, 상기 제어기는 각각 모터 샤프트 또는 터빈 샤프트를 이용하여 연소 공급 시스템의 연료 가스 압축기를 구동하기 위해 연료 공급 시스템의 제1 클러치 또는 제2 클러치를 선택적으로 연동시키도록 구성되는 것인 시스템.
제16항에 있어서, 상기 제어기는, 가스 터빈 시스템이 시동 모드에 있을 때 모터 샤프트에 결합된 모터를 이용하여 연료 가스 압축기를 구동시키도록 제1 클러치를 연동시키도록 구성되는 것인 시스템.
제17항에 있어서, 상기 제어기는, 가스 터빈 시스템이 시동 모드에 있지 않을 때 터빈 샤프트에 결합된 터빈을 이용하여 연료 가스 압축기를 구동시키도록 제1 클러치를 연동 해제시키고 제2 클러치를 연동시키도록 구성되는 것인 시스템.
제18항에 있어서, 상기 제어기는, 측정된 작동 파라메타를 문턱값과 비교함으로써 가스 터빈 시스템이 시동 모드에 있을 때를 결정하도록 구성되는 것인 시스템.
제18항에 있어서, 상기 작동 파라메타는 연료의 유량, 터빈 샤프트의 속도, 또는 양자 모두를 포함하는 것인 시스템.