KR20170020248A - 희석을 위한 냉각 가스를 갖는 순차식 연소 장치 - Google Patents

희석을 위한 냉각 가스를 갖는 순차식 연소 장치 Download PDF

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빌헬름 라이터
위르겐 게르하르트 호프만
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안살도 에네르기아 스위질랜드 아게
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Abstract

본 발명은 동작 동안 연소기 유입 가스 내로 제1 연료(28)를 들여보내기 위한 제1 버너(106)와 제1 연료를 연소시키기 위한 제1 연소실(101)을 구비한 제1 연소기, 제1 연소실(102)을 떠나는 제1 연소기 연소 부산물(35)에 희석 가스(33)를 혼합하기 위한 희석 가스 혼합기(27), 제2 연료(29)를 혼합하기 위한 제2 버너(103), 및 제2 연소실(102)을 포함하는 순차식 연소기 장치(4)를 갖는 가스 터빈(1)에 관한 것이다. 희석 가스 혼합기(27) 후의 온도 프로파일을 보장하고 가스 터빈(1)의 동력 및 효율을 증가시키도록, 터빈(5)의 베인(11) 및/또는 블레이드(10)는 폐쇄 루프 냉각부를 가진다. 폐쇄 루프 냉각부(17)의 출구는 베인(11) 및/또는 블레이드(10)를 떠나는 가열된 냉각 가스를 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 혼합하기 위하여 희석 가스 혼합기(27)에 연결된다.
본 발명은 또한 이러한 순차식 연소기 장치(4)와 폐쇄 루프 냉각부(17)를 갖는 가스 터빈(1)을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

희석을 위한 냉각 가스를 갖는 순차식 연소 장치{SEQUENTIAL COMBUSTION ARRANGEMENT WITH COOLING GAS FOR DILUTION}
본 발명은 순차식 연소기 장치 내로 희석 가스로서 복귀된 터빈 냉각 가스( returned turbine cooling gas)를 혼합하는 것으로 가스 터빈을 위한 순차식 연소기 장치에 관한 것이다. 본 발명은 추가적으로 순차식 연소기 장치 내로 희석 가스로서 복귀된 터빈 냉각 가스를 혼합하는 것으로 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.
풍력 또는 태양광처럼 불안정한 재생 가능 자원에 의한 증가된 발전으로 인하여, 기존의 가스 터빈 기반 발전 플랜트들은 전력 수요의 균형을 잡고 설비(grid)를 안정화하도록 점점 더 사용되고 있다. 그러므로, 개선된 동작 유연성이 요구된다. 이러한 것은 가스 터빈들이 때때로 기본 부하 디자인 지점보다 낮은 부하로, 즉 보다 낮은 연소기 유입 및 연소 온도로 동작된다는 것을 암시한다.
동시에, 배출 허용 기준과 전체적인 방출 허가는 보다 엄중하게 되어서, 누적 방출 제한에 의지함에 따라서, 낮은 방출값으로 동작하고, 또한 부분 부하 동작에서 및 천이 동안 낮은 방사를 유지하도록 요구된다.
최신의 연소 시스템은 예를 들어 압축기 유입 질량 유동을 조정하거나 또는 상이한 버너들, 연료 스테이지들 또는 연소기들 중에서 연료 분할을 제어하는 것에 의해 동작 상태에서의 특정 변동성에 대처하도록 디자인된다. 그러나, 이러한 것은 새로운 요구조건을 만족시키는데 충분하지 않다.
방출물을 더욱 감소시키고 동작 유연성을 증가시키도록, 순차식 연소가 DE 10312971 A1에서 제안되었다. 동작 조건에 의존하여, 특히 제1 연소실의 고온 가스 온도에 의존하여, 제2 버너(또한 소위 순차식 버너)에 들어가기 전에 고온 가스를 냉각하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 냉각은 제2 버너에서 연료 분사와 제1 연소기의 고온 연도 가스와 분사된 연료의 예혼합을 가능하도록 유익할 수 있다.
제2 연소실로의 균질한 유입 온도와 제1 연소기를 떠나는 가스와 제2 버너에서 분사된 연료의 양호한 혼합은 낮은 방출값을 갖는 안정한 연소의 선행 조건이다. 균질한 온도 프로파일의 발생을 촉진하도록, 혼합된 가스와 고온 연소 가스 사이의 온도차는 최소화되어야 하는 한편, 제2 연소기를 위해 의도된 유입 온도보다 낮게 유지되어야만 한다.
동시에, 출력 및 효율이 개선되어야 한다.
본 발명의 목적은, 제1 연소실과 제2 연소실 사이에서 희석 가스와 제2 연료를 혼합하기 위한 수단을 포함하는 순차식 연소기 장치를 갖는 가스 터빈을 제공하는 것이다.
이러한 "희석 버너(dilution burner)"는 가스 터빈의 출력과 효율을 손상시킴이 없이 가스 터빈의 넓은 동작 범위를 위해 제2 연소기에 대해 적절한 유입 유동 조건을 제공하여야만 한다. 기본적으로, 사전 한정된 유입 조건은 제2 연소기가 동작하는 모든 동작 조건에 대해 보장되어야만 한다. 특히, 고온 가스는 사전 결정된 고온 가스 온도로 냉각된다. 또한, 속도 분포, 산소 및 연료 함유량은 희석 가스의 적절한 혼합으로 제2 연소실에 대해 조정될 수 있다(예를 들어, 규정된 프로파일로 제어된다). 제2 연소기는 전형적으로 제2 버너와 제2 연소실을 포함한다.
제2 버너는 희석 가스 혼합기와 통합되거나 또는 조합될 수 있다.
규정된 유입 온도로부터의 편차는 희석 버너에서 높은 방출물(예를 들어, NOx, CO, 및 미연소 탄화수소) 및/또는 희석 버너에서 역화(flashback)를 유발할 수 있다. 역화 및 NOx는 높은 유입 가스 온도 또는 높은 산소 농도로 인하여 분사된 연료에 대해 감소된 자기점화 시간에 의해 유도되며, 이는 조기 점화(역화로 이어지는) 또는 연료 공기 혼합을 위한 감소된 시간을 유발하여, 연소 동안 열점, 결과적으로 증가된 NOx 방출을 초래한다. 저온 영역들은 증가된 자기 점화 시간으로 인하여 CO 방출을 유발할 수 있다. 이러한 것은 CO가 CO2 번아웃(burnout)되는데 드는 시간 및 국부적인 화염 온도를 감소시킬 수 있으며, 이는 CO의 CO2 번아웃을 더욱 느리게 할 수 있다. 끝으로, 국부적인 열점들은 혼합기의 하류의 특정 영역에서 과열로 이어질 수 있다.
희석 가스는 예를 들어 압축 공기 또는 공기와 가스 터빈의 연도 가스의 혼합물일 수 있다. 또한 압축된 연도 가스는 희석 가스로서 사용될 수 있다.
순차식 연소기 장치를 갖는 가스 터빈의 제1 실시예에 따라서, 순차식 연소기 장치는 동작 동안 연소기 유입 가스 내로 제1 연료를 들여보내기 위한 제1 버너, 및 상기 연소기 유입 가스와 제1 연료를 연소시키기 위한 제1 연소실을 구비한 제1 연소기를 포함한다. 전형적으로, 연소기 유입 가스는 압축 공기이다. 적용에 의존하여, 연소기 유입 가스는 또 다른 가스 또는 예를 들어 공기와 연도 가스의 혼합물와 같은 혼합물일 수 있다. 순차식 연소기 장치는 제1 연소실을 떠나는 제1 연소기 연소 부산물에 희석 가스를 혼합하기 위한 희석 가스 혼합기, 및 제1 연료를 혼합하기 위한 제2 버너 및 제2 연소실을 추가로 포함한다. 제2 연료는 제2 연소실에서 제1 연소 부산물과 희석 공기의 혼합물과 함께 연소될 수 있다. 제1 연소기, 희석 가스 혼합기, 제2 버너 및 제2 연소실은 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된다.
최적의 온도로 압축 가스를 혼합기에 제공하기 위하여, 폐쇄 루프 냉각부(closed loop cooling)를 갖는 터빈의 베인 및/또는 블레이드가 제안된다. 폐쇄 루프 냉각부는 베인 및/또는 블레이드 내로 압축된 냉각 유체를 공급하기 위하여 압축기 플레넘에 연결된다. 폐쇄 루프 냉각부의 출구는 가스 터빈의 동작 동안 제1 연소기 연소 부산물 내로 베인 및/또는 블레이드를 떠나는 가열된 냉각 가스를 혼합하기 위하여 희석 가스 혼합기에 연결된다. 냉각 가스는 예를 들어 압축기 배출 온도 이상의 온도로 가열되고, 그러므로 고온 가스와 희석 가스 사이의 온도차를 감소시키고, 이에 의해 균질한 온도 프로파일의 발생을 촉진한다. 그 결과, 감소된 NOx 방출값은 보다 양호한 온도 프로파일들로 인하여 동일한 고온 가스를 위해 달성될 수 있다.
아울러, 가스 터빈 효율은 폐쇄 루프 냉각부 때문에 증가할 수 있다. 특히, 혼합된 터빈 유입 온도는 폐쇄 루프 냉각부의 적용에 의해 동일한 고온 가스 온도를 위해 증가될 수 있으며, 이에 의해 가스 터빈 및 이러한 가스 터빈을 구비한 복합 발전 플랜트의 최종 발전 효율을 증가시킨다.
여기에서, 폐쇄 루프 냉각 시스템은 냉각 가스가 폐쇄 루프 냉각부의 한쪽 단부에 있는 베인 또는 블레이드로 공급되어 블레이드의 내부 냉각을 위해 사용되며 폐쇄 루프 냉각부의 출구로 유동하는 냉각의 한 방식이다. 대조적으로, 개방 루프 냉각 시스템에서, 가스는 베인 또는 블레이드로 공급되고, 블레이드 또는 베인으로부터 베인 또는 블레이드 주위에서 유동하는 고온 가스로 방출되며, 출구에서 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스는 예를 들어 냉각 또는 혼합을 위해 추가로 사용될 수 있다.
제1 연소기는 압축기 플레넘에서 전체 압력의 약 3% 내지 7%일 수 있거나 또는 다른 예에서 4% 내지 5%의 범위의 압력 강하를 가진다. 이러한 압력 강하는 압축기 플레넘으로부터 폐쇄 루프 냉각부를 통하여 가스를 공급하며, 이를 희석 가스 혼합기로 공급하며, 가열된 냉각 가스를 제1 연소실을 떠나는 제1 연소기 연소 부산물 내로 분사하도록 사용될 수 있다. 그러므로, 가열된 냉각 가스는 제2 연소기의 화염의 상류에 있는 제2 연소기에서 여전히 사용될 수 있다.
그러므로, 제안된 장치는 어떠한 재압축없이 추가의 냉각 목적 및 희석 가스 혼합을 위하여 압축기 플레넘으로부터 공급되는 폐쇄 루프 냉각부의 사용을 가능하게 한다. 재압축은 냉각 가스를 화염의 상류에 있는 연소기 장치로 재분사하거나 또는 혼합하도록 단지 하나의 연소실을 갖는 종래의 가스 터빈들에서 요구된다.
그러므로, 본 발명은 냉각 목적을 위하여 제1 연소기의 압력 강하를 사용하는 방식을 제안한다. 이에 의해, 터빈을 위한 공기가 절약될 수 있으며, 동시에 터빈 냉각으로부터의 열은 제2 연소기로 회수될 수 있다.
한 실시예에서, 따라서, 가스 터빈은 압축기를 떠나는 압축 가스를 폐쇄 루프 냉각부 내로 공급하기 위하여 폐쇄 루프 냉각부와 압축기 플레넘을 연결하는 냉각 가스 공급부를 포함한다.
추가의 실시예에 따라서, 냉각 가스 공급부는 로터와 순차식 연소기 장치 사이에 배열된다.
여전히 추가의 실시예에 따라서, 냉각 가스 공급부는 연소기 케이싱과 순차식 연소기 장치 사이에 배열된다.
가스 터빈의 또 다른 실시예에 따라서, 제1 연소실의 제1 연소기 라이너를 냉각하기 위한 냉각 채널, 제2 연소기 라이너, 제2 버너의 벽, 혼합 섹션, 및 희석 가스 혼합기 중 적어도 하나는 폐쇄 루프 냉각부의 출구와 희석 가스 혼합기 사이에 개재된다. 그러므로, 폐쇄 냉각 회로를 떠나는 냉각 가스는 희석 가스 공급기로 공급되기 전에 연소기 장치의 적어도 하나의 추가의 구성요소를 냉각하도록 추가로 사용된다.
냉각 가스가 제2 연소기 라이너로 공급되는 실시예에 대하여, 제1 베인의 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스는 제2 연소기 라이너를 냉각하기 위하여 냉각 채널로 직접 공급되고, 희석 가스 혼합기를 향하여 제2 연소기 내부에서 고온 가스와 반대로 유동한다.
다른 장치들에 대하여, 파이프들은 폐쇄 루프 냉각부로부터 연소기 장치의 각각의 구성요소로 냉각 가스를 공급하도록 사용될 수 있다.
희석 가스 혼합을 위해 요구되는 희석 가스 질량 유동(mass flow)은 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스의 질량 유동을 초과할 수 있다. 희석 가스 질량 유동을 증가시키도록, 폐쇄 루프 냉각부 공기는 혼합기로 분사되기 전에 압축기 배출 공기와 혼합될 수 있다.
가스 터빈의 추가의 실시예에서, 이젝터 펌프(ejector pump)는 폐쇄 루프 냉각부의 출구와 희석 가스 혼합기 사이의 라인에 개재된다.
이젝터 펌프를 위한 구동 가스는 압축기 플레넘으로부터의 압축 가스일 수 있다. 이젝터 펌프는 예를 들어 제2 연소기의 고온 가스 온도가 감소될 때 부분 부하 동작을 위해 유용할 수 있다. 감소된 고온 가스 온도로 인하여, 체적 유동(volume flow)은 감소되고 제2 연소기의 압력 강하는 대응하여 감소한다. 제2 연소기에 걸쳐서 감소된 압력 강하로 인하여, 폐쇄 루프 냉각부를 위한 구동 압력차는 감소되고 냉각 공기 유동에서의 감소로 이어진다. 냉각 공기 유동에서의 이러한 감소는 이젝터 펌프에 의해 완화될 수 있다. 그러나, 이러한 낮은 부하 동작을 위하여, 냉각 요구 또한 감소된 고온 가스 온도로 인해 감소되어서, 시스템은 전형적으로 이젝터 펌프 또는 임의의 다른 종류의 부스터(booster)없이 작업할 수 있다.
한 실시예에서, 희석 가스 혼합기에 대한 적어도 하나의 공급부는 제1 연소기 연소 부산물로 압축기 배출 가스을 추가로 혼합하기 위하여 압축기 플레넘에 직접 연결된다. 이에 의해, 혼합된 희석 가스 질량 유동은 증가될 수 있으며, 이는 그 밖에 폐쇄 루프 냉각부의 냉각 가스 유동으로 제한될 수 있다.
추가의 실시예에서, 추가의 압축기 배출 가스는 먼저 제1 연소실을 떠나는 제1 연소기 연소 부산물에 혼합되고, 가열된 냉각 가스는 연소 부산물들의 유동 방향으로 하류에서 혼합된다. 이러한 배열은 제2 분사 위치에서의 온도차가 더욱 작기 때문에 균질한 온도 프로파일을 생성하는데 유익할 수 있다.
가스 터빈 외에, 이러한 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법이 본 발명의 목적이다.
이러한 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 압축기에서 유입 가스를 압축하는 단계;
- 제1 버너에서 상기 압축 가스의 적어도 일부에 제1 연료를 혼합하는 단계;
- 제1 연소기 연소 부산물을 얻도록 제1 연소실에서 상기 혼합물을 연소시키는 단계.
이러한 통상의 단계들 후에, 제1 연소 부산물은 희석 가스 혼합기로 들어간다. 제1 연소기 연소 부산물을 냉각하도록, 희석 가스 유동은 혼합기를 통해 유동하는 제1 연소기 연소 부산물 내로 들어간다.
방법의 제1 실시예에 따라서, 터빈의 베인 및/또는 블레이드는 베인 및/또는 블레이드의 폐쇄 루프 냉각부를 통해 유동하는 압축 가스로 냉각된다. 베인 및/또는 블레이드를 떠나는 가열된 냉각 가스는 희석 가스로서 희석 가스 혼합기 내로 공급되고 제1 연소기 연소 부산물에 혼합된다.
방법의 추가의 실시예에 따라서, 압축기 플레넘으로부터의 압축 가스는 폐쇄 루프 냉각부 내로 공급된다.
방법의 추가의 실시예에 따라서, 압축 가스는 로터와 순차식 연소기 장치 사이에서 압축기 플레넘에 배열된 냉각 가스 공급부로부터 폐쇄 루프 냉각부로 공급된다.
방법의 여전히 추가의 실시예에 따라서, 압축 가스는 연소기 케이싱과 순차식 연소기 장치 사이에서 압축기 플레넘에 배열된 냉각 가스 공급부로부터 폐쇄 루프 냉각부로 공급된다.
방법의 추가의 실시예에서, 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스는 희석 가스 혼합기로 공급되기 전에 제1 연소기 라이너, 제2 연소기 라이너, 제2 버너의 벽, 혼합 섹션, 및 희석 가스 혼합기 중 적어도 하나를 냉각하기 위하여 냉각 채널을 통해 유동한다.
가스 터빈을 동작시키기 위한 방법의 여전히 추가의 실시예에서, 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스의 압력은 냉각 가스가 희석 가스 혼합기 내로 공급되기 전에 이젝터 펌프에서 증가된다. 이러한 이젝터 펌프는 예를 들어 벤튜리 노즐일 수 있다.
방법의 더욱 특정한 실시예에서, 압축기 플레넘으로부터의 압축 가스는 이젝터 펌프를 구동하고 이젝터 펌프에서 냉각 가스를 압축하도록 사용된다.
방법의 또 다른 실시예에서, 압축기 플레넘으로부터 직접 취해진 압축 가스는 희석 가스 혼합기에서 제1 연소기 연소 부산물 내로 혼합된다.
희석 가스 혼합기는 또한 참조에 의해 본원에 통합되는 유럽 특허 출원 EP12189685에 개시된 바와 같이 댐퍼들과 조합될 수 있거나 또는 댐핑 체적부들에 연결될 수 있다.
가스 터빈은 가스 터빈을 떠나는 연도 가스의 일부가 가스 터빈의 압축기 유입 가스에 홉합되는 연도 가스 순환 시스템을 포함할 수 있다.
다른 냉각 기술들은 연소기 라이너들 및 혼합기 벽을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 확산 냉각, 충돌 냉각 또는 대류 냉각 또는 냉각 방법들의 조합이 사용될 수 있다.
순차식 연소를 참조하여, 연소기들의 조합은 다음과 같이 배치될 수 있다:
제1 및 제2 연소기들 양쪽은 순차식 캔-캔 아키텍처(equential can-can architecture)로서 구성된다.
제1 연소기는 환상 연소실(annular combustion chamber)로서 구성되고, 제2 연소기는 캔 구성(can configuration)으로서 구성된다.
제1 연소기는 캔-아키텍처로서 구성되고, 제2 연소기는 환상 연소실로서 구성된다.
제1 및 제2 연소기 양쪽은 환상 연소실로서 구성된다.
다른 버너 형태들이 사용될 수 있다. 예를 들어 EP 0 321 809로부터 공지된 바와 같은 소위 EV 버너 또는 예를 들어 DE 195 47 913으로부터 공지된 AEV 버너들이 사용될 수 있다. 또한, BEV 버너는 참조에 의해 통합되는 유럽 특허 출원 EP12189388.7이 사용될 수 있다. 캔 아키텍처에서, 캔 연소기당 단일 또는 다수의 버너 배열이 사용될 수 있다. 또한, 참조에 의해 본원에 통합되는 US6935116 B2 또는 US7237384 B2에 개시된 바와 같은 화염시트 연소기(flamesheet combustor)는 제1 연소기로서 사용될 수 있다.
본 발명, 본 발명의 특성뿐만 아니라 그 이점은 첨부된 개략적인 도면들의 도움으로 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 제1 버너, 제1 연소실, 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제2 버너, 제2 연소실 및 폐쇄 루프 냉각 베인들을 포함하는 순차식 연소 장치를 갖는 가스 터빈을 도시한 도면;
도 2는 제1 버너, 제1 연소실, 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제2 버너, 제2 연소실 및 폐쇄 루프 냉각 베인들, 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스의 압력 레벨을 승압하는 벤튜리 노즐을 갖는 순차식 연소 장치를 갖는 가스 터빈을 도시한 도면;
도 3은 제1 버너, 제1 연소실, 희석 가스를 혼합하기 위한 혼합기, 제2 버너, 제2 연소실 및 폐쇄 루프 냉각 베인들, 및 블레이드들 뿐만 아니라 폐쇄 루프 냉각부를 떠나는 냉각 가스의 압력 레벨을 승압하는 이젝터 펌프를 갖는 순차식 연소 장치를 갖는 가스 터빈을 도시한 도면.
도 1은 순차식 연소기 장치(4)를 갖는 가스 터빈(1)을 도시한다. 순차식 연소기 장치는 압축기(3), 순차식 연소기 장치(4), 터빈(5)을 포함한다.
순차식 연소기 장치(4)는 제1 버너(106), 제1 연소실(101), 및 동작 동안 제1 연소실(101)을 떠나는 고온 가스에 희석 가스(33)를 혼합하기 위한 희석 가스 혼합기(27)를 포함한다. 혼합기(27)의 하류에서, 순차식 연소기 장치(4)는 제2 버너(103), 및 제2 연소실(102)을 추가로 포함한다. 제1 버너(106), 제1 연소실(101), 혼합기(27), 제2 버너(103) 및 제2 연소실(102)은 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열된다. 순차식 연소기 장치(4)는 연소기 케이싱(31)에 수용된다. 압축기(3)를 떠나는 압축 가스(8)는 압축기(3)를 떠나는 가스의 동적 압력을 적어도 부분적으로 회복시키기 위하여 디퓨저를 통과한다.
터빈(5)은 베인(11)들, 및 블레이드(10)들을 포함한다. 베인(11)들은 폐쇄 루프 냉각부(17)를 통해 유동하는 냉각 가스로 냉각된다. 냉각 가스는 압축기 플레넘(30)으로부터 냉각 가스 공급부(22)들을 통해 폐쇄 루프 냉각부(17)로 공급된다. 냉각 가스 공급부(22)는 예를 들어 로터(2)와 연소기 장치(4) 사이의 영역에서 또는 연소기 장치(4)와 연소기 케이싱(31) 사이의 영역에서 압축기 플레넘(30)에 배열될 수 있다.
개방 루프 냉각 가스(13)는 베인(11)으로부터 고온 가스 유동으로 배출될 수 있다.
동작 동안, 폐쇄 루프 냉각부(17)에서 가열된 냉각 가스는 희석 가스 혼합기(27)에 의해 희석 가스로서 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 분사된다. 이 예에서, 희석 가스 분사부(110)는 희석 가스 혼합을 위해 사용된다.
순차식 연소기 장치(4)는 제1 연소실의 벽들을 따라서 냉각 가스를 가이드하기 위한 제1 연소기 라이너(104)와, 제2 연소실(102)의 벽들을 따라서 냉각 가스를 가이드하기 위한 제2 연소기 라이너(105)를 추가로 포함한다.
제1 연료(28)는 제1 연료 분사부를 통해 제1 버너(106) 내로 도입되고, 압축기(3)에서 압축된 압축 가스(8)와 혼합되고, 제1 연소실(101)에서 연소될 수 있다. 희석 가스(33)는 후속의 혼합기(27)에서 혼합된다. 제2 연료(29)는 제2 연료 분사기를 통해 제2 버너(103) 내로 도입되고 혼합기(27)를 떠나는 고온 가스와 혼합되고 제2 연소실(102)에서 연소될 수 있다. 제2 연소실(102)을 떠나는 고온 가스는 후속의 터빈(5)에서 팽창되고, 작업을 수행한다. 터빈(5)과 압축기(3)는 로터(2) 상에 배열된다.
터빈(5)을 떠나는 배출 가스(7)의 나머지 열은 증기 발전을 위한 열 회수 증기 발전기 또는 보일러(도시되지 않음)에서 추가로 사용될 수 있다.
본 명세서에서 도시된 예에서, 압축 가스(8)는 희석 가스(33)로서 혼합된다. 전형적으로 압축 가스(8)는 압축된 주위 공기이다. 연도 가스 순환(도시되지 않음)을 갖는 가스 터빈들에 대하여, 압축 가스는 주위 공기와 순환된 연도 가스의 혼합물이다.
전형적으로, 가스 터빈 시스템은 가스 터빈(1)의 로터(2)에 결합된 발전기(도시되지 않음)를 포함한다. 가스 터빈(1)은 본 발명의 요지가 아님에 따라서 또한 도시되지 않은 터빈(5)의 냉각 시스템을 추가로 포함한다.
도 2의 실시예는, 제2 베인의 폐쇄 루프 냉각부(17)로부터 복귀하는 냉각 가스의 압력이 혼합기(27)로 공급되기 전에 구동 유체(16)로서 압축기 플레넘으로부터의 압축 가스(8)를 사용하여 벤튜리 노즐(15)에서 증대된다는 점에서 도 1의 가스 터빈과 다르다. 또한, 제1 베인으로부터 냉각 가스 터빈은 혼합기(27) 내로 공급되기 전에 제2 연소기 라이너(105)의 벽들을 냉각하도록 냉각 유체로서 사용된다.
도 2의 예는 가열된 냉각 가스가 혼합기(27)에서 분사된 위치의 상류(연소기 장치(4)를 통하여 유동하는 고온 가스에 대해)의 추가의 희석 가스 분사부(33)를 또한 도시한다.
도 3의 실시예는 또한 도 1에 기초한다. 이것은 혼합기(27)가 제1 연소기 연소 부산물 내로 희석 가스(33)를 분사하기 위한 유선형 바디(32)(streamlined body)를 포함한다는 점에서 도 1의 가스 터빈과 다르다. 희석 가스(33)의 적어도 일부는 먼저 유선형 바디(32) 내로 도입되고 유선형 바디(32)로부터 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 분사된다. 도시된 예에서, 유선형 바디(32)는 혼합기(27) 내로의 입구에 바로 배열된다. 유선형 바디(32)가 혼합기(27)에서 더욱 하류에 배열되는 실시예들이 또한 예상 가능하다.
도 3의 실시예는 제1 블레이드(10)를 위한 폐쇄 루프 냉각부(17)를 추가로 포함한다. 압축 가스(8)는 블레이드 냉각 가스 공급부(12)를 통해 폐쇄 루프 냉각부(17)로 공급된다. 제1 블레이드(10)로부터 복귀하는 가열된 냉각 가스는 제2 연소기 라이너(105)의 냉각 채널 내로 공급되고, 혼합기(27)에 도달하여 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 분사될 때까지 제2 연소기 라이너(105)를 따라서 유동한다.
예는 혼합기(27)를 통해 분사되기 전에 제2 베인의 폐쇄 루프 냉각부(17)로부터 복귀하는 냉각 가스의 압력을 증대시키도록 사용되는 이젝터 펌프(15)를 추가로 도시한다.
도시된 장치에도 불구하고, 캔 또는 환상 아키텍처 또는 2개의 임의의 조합이 가능하다. 화염 시트, EV, AEV 또는 BEV 버너들은 캔 뿐만 아니라 환상 아키텍처를 위해 사용될 수 있다.
혼합기(II)의 혼합 품질은 제2 연소실(102)의 버너 시스템이 규정된 유입 조건을 요구하기 때문에 안정한 청정 연소에 있어서 아주 중요하다.
모든 설명된 이점들은 특정 조합으로 제한되지 않고, 본 발명의 범위로부터벗어남이 없이 다른 조합 또는 단독으로 사용될 수 있다. 예를 들어 부분 부하 동작에서 개별 버너들 또는 버너들의 그룹을 불활성화하기 위한 다른 가능성들이 선택적으로 예상 가능하다. 또한, 냉각 가스와 희석 가스는 냉각 가스로서, 각각 희석 가스로서 사용하기 전에 냉각 가스 냉각기에서 다시 냉각될 수 있다.
1 : 가스 터빈
2 : 로터
3 : 압축기
4 : 순차식 연소기 장치
5 : 터빈
7 : 배출 가스
8 : 압축 가스
9 : 연소 부산물
10 : 블레이드
11 : 베인
12 : 블레이드 냉각 가스 공급부
13 : 개방 루프 냉각 가스
14 : 이젝터 펌프
15 : 벤튜리 노즐
16 : 구동 유체
17 : 폐쇄 루프 냉각부
22 : 베인 냉각 가스 공급부
27 : 희석 가스 혼합기
28 : 제1 연료 분사부
29 : 제2 연료 분사부
30 : 압축기 플레넘
31 : 연소기 케이싱
32 : 유선형 바디
33 : 희석 가스
34 : 혼합 섹션
35 : 제1 연소 부산물
36 : 희석 가스 제어 밸브
101 : 제1 연소실
102 : 제2 연소실
103 : 제2 버너
104 : 제1 연소기 라이너
105 : 제2 연소기 라이너
106 : 제1 버너
110 : 희석 가스 분사부

Claims (15)

  1. 압축기(3)와, 터빈(5)과 순차식 연소기 장치(4)를 갖고, 상기 순차식 연소기 장치는 동작 동안 연소기 유입 가스 내로 제1 연료(28)를 들여보내기 위한 제1 버너(106) 및 상기 제1 연료(28)를 연소시키기 위한 제1 연소실(101)을 구비한 제1 연소기, 상기 제1 연소실(101)을 떠나는 제1 연소기 연소 부산물(35)에 희석 가스(33)를 혼합하기 위한 희석 가스 혼합기(27), 제2 연료(29)를 혼합하기 위한 제2 버너(103), 및 제2 연소실(102)을 포함하고, 상기 제1 연소기, 상기 희석 가스 혼합기(27), 상기 제2 버너(103) 및 제2 연소실(102)이 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열되는 가스 터빈(1)에 있어서,
    상기 터빈(5)의 베인(11) 및/또는 블레이드(10)는 상기 베인(11) 및/또는 블레이드(10) 내로 압축된 냉각 유체를 공급하기 위하여 압축기 플레넘(30)에 연결된 폐쇄 루프 냉각부를 가지며, 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)의 출구는 상기 베인(11) 및/또는 블레이드(10)를 떠나는 가열된 냉각 가스를 상기 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 혼합하기 위하여 상기 희석 가스 혼합기(27)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)에 상기 압축기 플레넘(30)을 연결하는 냉각 가스 공급부(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각 가스 공급부(22)는 상기 로터(2)와 상기 순차식 연소기 장치(4) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  4. 제2항에 있어서, 상기 냉각 가스 공급부(22)는 연소기 케이싱(31)과 상기 순차식 연소기 장치(4) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 연소기 라이너(104), 제2 연소기 라이너(105), 상기 제2 버너(103)의 벽, 혼합 섹션(34), 및 희석 가스 혼합기(37) 중 적어도 하나를 냉각하기 위한 냉각 채널은 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)의 출구와 상기 희석 가스 혼합기(27) 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 이젝터 펌프(15, 16)가 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)의 출구와 상기 희석 가스 혼합기(27) 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희석 가스 혼합기(27)에 대한 적어도 하나의 공급부는 상기 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 압축기 배출 가스를 추가로 혼합하기 위하여 상기 압축기 플레넘에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈.
  8. 압축기(3)와, 터빈(5)과 순차식 연소기 장치(4)를 갖고, 상기 순차식 연소기 장치는 제1 버너(106) 및 제1 연소실(101)을 구비한 제1 연소기, 희석 가스 혼합기(27), 제2 버너(103), 및 제2 연소실(102)을 포함하며, 상기 제1 연소기, 상기 희석 가스 혼합기(27), 상기 제2 버너(103) 및 제2 연소실(102)이 유체 유동 연결에서 순차적으로 배열되는 가스 터빈(1)을 동작시키기 위한 방법으로서,
    - 상기 압축기(3)에서 유입 가스를 압축하는 단계;
    - 상기 제1 버너(106)에서 상기 압축 가스의 적어도 일부에 제1 연료(28)를 혼합하는 단계;
    - 상기 제1 연소기 연소 부산물(35)을 얻도록 상기 제1 연소실(101)에서 상기 혼합물을 연소시키는 단계.
    - 상기 희석 가스 혼합기(27)에서 상기 제1 연소실(101)을 떠나는 상기 제1 연소기 연소 부산물에 희석 가스를 혼합하는 단계를 포함하는 상기 방법에 있어서,
    상기 터빈(5)의 베인(11) 및/또는 블레이드(10)는 상기 베인(11) 및/또는 블레이드(10)의 폐쇄 루프 냉각부(17)를 통해 유동하는 압축 가스(8)로 냉각되고, 상기 베인(11) 및/또는 블레이드(10)를 떠나는 가열된 냉각 가스는 상기 희석 가스 혼합기(27)로 공급되어, 상기 제1 연소기 연소 부산물(35)에 혼합되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서, 압축 가스(8)는 상기 압축기 플레넘(30)으로부터 폐쇄 루프 냉각부(17)로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 압축 가스(8)는 상기 로터(2)와 상기 순차식 연소기 장치(4) 사이에서 압축기 플레넘에 배열된 냉각 가스 공급부(22)로부터 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 압축 가스(8)는 연소기 케이싱(31)과 상기 순차식 연소기 장치(4) 사이에서 압축기 플레넘에 배열된 냉각 가스 공급부(22)로부터 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)로 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)를 떠나는 냉각 가스는 상기 희석 가스 혼합기(27)로 공급되기 전에 제1 연소기 라이너(104), 제2 연소기 라이너(105), 상기 제2 버너(103)의 벽, 혼합 섹션(34), 및 희석 가스 혼합기(37) 중 적어도 하나를 냉각하기 위하여 냉각 채널을 통해 유동하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐쇄 루프 냉각부(17)를 떠나는 냉각 가스의 압력은 상기 냉각 가스가 상기 희석 가스 혼합기(27)로 공급되기 전에 이젝터 펌프(15, 16)에서 증가되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 압축기 플레넘(30)으로부터의 압축 가스(8)는 상기 이젝터 펌프(15, 16)에서 상기 냉각 가스를 압축하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기 플레넘(30)으로부터 직접 취해진 압축 가스(8)는 상기 희석 가스 혼합기(27)에서 상기 제1 연소기 연소 부산물(35) 내로 혼합되는 것을 특징으로 하는 가스 터빈을 동작시키기 위한 방법.
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