KR20170087419A - 가스 터빈용 결빙-방지 시스템 - Google Patents

가스 터빈용 결빙-방지 시스템 Download PDF

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KR20170087419A
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후아 장
파라그 프라카쉬 컬캐니
브래들리 아론 키펠
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

시스템은 가스 터빈의 배기 유동(26)을 수용하는 배기 섹션(30)을 포함하고, 이 배기 섹션(30)은 촉매 조립체(42)를 포함한다. 상기 시스템은 촉매 조립체(42)의 상류측에서 디퓨저 섹션에 결합되는 배기 덕트를 포함하고, 이 배기 덕트는 배기 유동(26)의 복귀 부분(56)을 추출한다. 상기 시스템은 배기 덕트에 결합되는 필터 하우징(33)을 포함하고, 이 필터 하우징(33)은 주위 공기 유동(36)과 복귀 부분(56)의 복합 유동(39)을 수용한다. 상기 시스템은 필터 하우징(33) 및 배기 섹션(30)에 결합되는 복귀 도관(65)을 포함하며, 이 복귀 도관(65)은 배기 덕트의 상류측에서 배기 섹션(30)에 결합된다. 복귀 도관(65)은 복합 유동(39)을 배기 섹션(30)으로 지향시키고, 촉매 조립체(42)는 배기 유동(26) 및 복합 유동(39)을 포함하는 혼합 유동(37)을 수용한다.

Description

가스 터빈용 결빙-방지 시스템{ANTI-ICING SYSTEM FOR GAS TURBINES}
본원에 개시된 요지는 터보기계류(turbomachinery)로부터 나온 배기 가스에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 저온 기후 상태(cold weather condition) 동안에 필터 하우징(filter house) 또는 다른 장비 상에의 결빙의 발생을 감소시키기 위해 배기 가스의 온도를 제어하는 것에 관한 것이다.
터보기계류로부터의 배기 가스는 배출물 규제를 받을 수 있다. 배기 가스는 배출물의 양을 허용가능한 양으로 감소시키기 위해 후처리 시스템에 의해 처리될 수 있다. 특정의 후처리 시스템의 유효성은 배기 가스의 높은 온도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이와 같이, 후처리 시스템에 진입하기 전에 배기 가스의 냉각은 후처리 시스템의 유효성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 일부의 저온 환경에서, 배기 가스를 냉각하는 데 사용되는 구성요소, 예를 들어 필터 하우징은 결빙 온도 동안 또는 저온 기후 상태 동안에 결빙을 겪을 수 있다.
당초 청구된 요지와 범위적으로 상응하는 특정 실시예가 하기에 요약되어 있다. 이러한 실시예는 청구된 요지의 범위를 한정하고자 하지 않고, 도리어 이러한 실시예는 단지 본 요지의 가능한 형태의 간략한 개요를 제공하고자 하는 것이다. 실제로, 본 요지는 후술하는 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 망라할 수 있다.
제1 실시예에서, 시스템은 가스 터빈의 배기 유동을 수용하는 배기 섹션을 포함하고, 이 배기 섹션은 촉매 조립체를 포함한다. 상기 시스템은 촉매 조립체의 상류측에서 디퓨저 섹션(diffuser section)에 결합되는 배기 덕트를 포함하고, 이 배기 덕트는 배기 유동의 복귀 부분을 추출한다. 상기 시스템은 배기 덕트에 결합되는 필터 하우징을 포함하고, 이 필터 하우징은 주위 공기 유동과 복귀 부분의 복합 유동(combined flow)을 수용한다. 상기 시스템은 필터 하우징 및 배기 섹션에 결합되는 복귀 도관(return conduit)을 포함하며, 이 복귀 도관은 배기 덕트의 상류측에서 배기 섹션에 결합된다. 복귀 도관은 복합 유동을 배기 섹션으로 지향시키고, 촉매 조립체는 배기 유동 및 복합 유동을 포함하는 혼합 유동(mixed flow)을 수용한다.
제2 실시예에서, 시스템은 가스 터빈 엔진으로부터의 배기 유동을 포함하고, 이 배기 유동은 배기 섹션을 통과하도록 지향되는 메인 유동(main flow), 및 배기 덕트를 통해 추출되는 복귀 부분을 포함한다. 상기 시스템은 배기 섹션의 촉매 조립체의 상류측에서 복귀 도관을 통해 배기 유동으로 지향되는 필터 하우징으로부터의 복합 유동을 포함하며, 이 복합 유동은 주위 공기 유동과 복귀 부분을 포함하고, 필터 하우징을 통과하는 복합 유동의 제1 온도는 0℃보다 높다. 상기 시스템은 배기 섹션의 촉매 조립체를 통과하도록 지향되는 혼합 유동을 포함하고, 이 혼합 유동은 메인 유동 및 복합 유동을 포함한다. 촉매 조립체를 통과하는 혼합 유동의 제2 온도는 약 482℃보다 낮다.
제3 실시예에서, 방법은 가스 터빈 엔진으로부터의 배기 유동을 배기 섹션을 통과하도록 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 배기 유동의 복귀 부분을 배기 섹션으로부터 추출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 복귀 부분에 의해 주위 공기 유동을 가열하는 단계, 및 배기 섹션에서 가열된 주위 공기 유동과 배기 유동을 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 혼합 유동을 촉매 조립체를 통과하도록 지향시키는 단계를 포함하고, 혼합 유동은 배기 유동 및 가열된 주위 공기 유동을 포함한다.
본 요지의 이들 특징, 태양 및 이점과, 다른 특징, 태양 및 이점은 유사 부호가 도면 전체에 걸쳐서 유사 부품을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 읽을 때 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 배기 가스를 냉각하기 위한 분사 시스템을 포함하는 터빈 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 터빈 시스템(10)의 배기 섹션에 결합된 분사 시스템의 실시예의 블록도.
도 3은 후처리 시스템에 진입하는 배기 가스를 냉각하기 위한 유동을 분사하는 방법의 실시예를 도시하는 흐름도.
본 요지의 하나 이상의 특정 실시예가 하기에서 설명될 것이다. 이러한 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력으로, 실제 구현예의 모든 특징이 본 명세서에서 설명되지 않을 수 있다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같이 임의의 그러한 실제 구현예의 개발에 있어서, 구현예마다 서로 다를 수 있는 시스템-관련 및 사업-관련 제약의 준수와 같은 개발자의 구체적인 목표를 달성하기 위해서, 많은 구현-구체적인 결정이 이루어져야 한다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 그러한 개발 노력이 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이익을 향유하는 통상의 기술자에게는 설계, 제작 및 제조의 일상적인 일이라는 것이 이해되어야 한다.
본 요지의 다양한 실시예의 요소를 소개할 때, 단수 형태는 하나 이상의 요소가 존재하는 것을 의미하고자 한다. 용어 "포함하는(comprising)", "구비하는(including)" 및 "갖는(having)"은 포괄적인 것이고, 열거된 요소 이외의 추가적인 요소가 존재할 수 있는 것을 의미하고자 한다.
후처리 시스템에 진입하기 전에 터보기계를 빠져나가는 배기 가스의 온도를 냉각하기 위한 시스템 및 방법이 하기에서 상세하게 설명된다. 본 발명의 실시예는 일반적으로 배기 가스 유동을 냉각하기 위한 기술에 관한 것이다. 가스 터빈 시스템에서, 하나 이상의 가스 터빈 엔진은 연료를 연소하여 하나 이상의 터빈 블레이드를 구동하기 위한 연소 가스를 생성할 수 있다. 연소되는 연료의 타입에 따라서, 연소 프로세스로부터 생기는 배기 가스 내의 배출물은 질소 산화물(NOx), 황 산화물(SOx), 탄소 산화물(COx) 및 미연 탄화수소(unburned hydrocarbon)를 포함할 수 있다. 흔히, 가스 터빈 발전소와 같은 가스 터빈 시스템에 의해 방출된 배기 가스의 조성물은 엄격한 배출물 규제를 받는다.
배기 가스 스트림 내의 NOx의 양을 제거하거나 감소시키기 위한 하나의 기술은 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 촉매 조립체 또는 다른 적합한 촉매 조립체를 이용하는 것이다. SCR 촉매 조립체에서, 환원제(예를 들면, 암모니아(NH3))가 배기 가스 스트림 내로 분사되고 NOx와 반응하여 결과적인 질소(N2) 및 물(H2O)을 형성한다. SCR 촉매 조립체의 유효성은 처리되는 배기 가스의 온도에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들면, SCR 촉매 조립체는 약 260℃ 내지 482℃(또는 500℉ 내지 900℉)의 온도에서 특히 유효할 수 있다. 따라서, 터빈 엔진으로부터 출력된 배기 가스가 SCR 촉매 조립체에 대한 유효한 온도 범위보다 높은 경우에, NOx 환원 반응의 변환 효율을 증대시키기 위해 SCR 촉매 조립체 내로 유입되기 전에 배기 가스를 냉각시키는 것이 유익할 수 있다.
이와 같이, 본 기술의 실시예에 따르면, 단순 사이클 가스 터빈 시스템과 같은 가스 터빈 시스템은 냉각 공기를 배기 가스 스트림 내로 분사하도록 구성된 분사 시스템을 포함할 수 있다. 하기에서 추가로 설명되는 바와 같이, 분사 시스템은 터빈의 하류측(즉, 배기 가스의 유동에 대해 하류측)에, 그렇지만 SCR 촉매 조립체로부터 상류측에 배치될 수 있다. 분사 시스템은 배기 섹션 내에 부분적으로 또는 전체적으로 배치될 수 있다. 분사 시스템은 냉각 유체(예를 들면, 배기 가스의 복귀 부분 및 주위 공기를 포함하는 복합 유동(combined flow))를 배기 가스 스트림 내로 분사하기 위한 복수의 분사 구멍 또는 개구를 각각 구비하는 복수의 파이프를 포함할 수 있다. 하나 이상의 매니폴드는 배기 유동의 복귀 부분을 공기 분사 시스템의 분사 튜브에 분배하도록 분사 시스템에 결합될 수 있다. 배기 유동의 일부분은 터빈으로부터 공급될 수 있고, 주위 공기의 유동과 결합되어 복합 유동을 형성할 수 있다. 복합 유동은 배기 가스의 메인 유동과 결합되어 혼합 유동(mixed flow)을 형성할 수 있다.
이러한 현재 개시된 기술에 따르면, 혼합 구조체(mixing structure)(예를 들면, 천공 플레이트)는 혼합 유동을 형성하기 위해 배기 가스 스트림 내로의 복합 유동의 혼합을 도울 수 있다. 혼합 구조체는 SCR 시스템에 의해 수용된 혼합 유동의 온도 및/또는 속도 분포의 균일성을 향상시키도록 공기를 분사하기 위해 분사 시스템을 이용함으로써 혼합을 증진시킬 수 있다. 또한, 현재 개시된 기술이 후술하는 바와 같이 단순 사이클 가스 터빈 시스템에 특히 유용할 수 있지만, 본 기술은 예를 들어 복합 사이클 가스 터빈 시스템을 포함하는 임의의 적합하게 구성된 시스템에서 구현될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 복합 유동, 혼합 유동 및 메인 유동(예를 들면, 배기 유동)의 온도는 배기 유동 및 주위 공기 유동의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 본 실시예에서, 복합 유동의 온도 제어는 배기 유동의 복귀 부분을 주위 공기 내로 지향시킴으로써 성취되며, 이것은 그 후에 펌프 또는 다른 공기 유동 장비에 의해 필터 하우징 내로 흡인될 수 있다. 본 실시예는 저온 기후 상태에 적합할 수 있으며, 그에 따라 필터 하우징 및 복귀 도관(return conduit) 상 및 그 주위에서 결빙이 감소되거나 제거된다. 추가적으로, 본 실시예는 장비 상의 결빙을 감소시키기 위해 증기를 이용하지 않는다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 기술의 실시예에 따른, 배기 가스를 냉각하기 위한 분사 시스템을 포함하는 터빈 시스템(10)의 블록도를 도시하고 있다. 터빈 시스템(10)은 터빈 엔진(12) 및 후처리 시스템(14)을 포함한다. 특정 실시예에서, 터빈 시스템(10)은 발전 시스템일 수 있다. 터빈 시스템(10)은 천연 가스 및/또는 수소-풍부(hydrogen-rich) 합성 가스와 같은 액체 또는 가스 연료를 사용하여 터빈 시스템(10)을 작동시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 터빈 시스템(10)은 공기 흡입 섹션(16), 압축기(18), 연소기 섹션(20) 및 터빈(12)을 포함한다. 터빈(12)은 샤프트를 통해 압축기(18)에 구동적으로 결합될 수 있다. 작동시에, 공기는 공기 흡입 섹션(16)을 통해 터빈 시스템(10)에 진입하고(화살표(17)로 표시됨), 압축기(18)에서 압축된다. 압축기(18)는 샤프트에 결합된 복수의 압축기 블레이드를 포함할 수 있다. 샤프트의 회전은 압축기 블레이드의 회전을 야기하고, 이에 의해 공기를 압축기(18) 내로 흡인하고 연소기 섹션(20) 내로 진입하기 전에 공기를 압축한다.
압축된 공기가 압축기(18)를 빠져나가서 연소기 섹션(20)에 진입함에 따라, 압축된 공기(17)는 연소기 내에서 연소용 연료(19)와 혼합될 수 있다. 예를 들면, 연소기는 최적의 연소, 배출물, 연료 소비, 전력 출력 등에 적합한 비율로 공기-연료 혼합물을 연소기 내로 분사할 수 있는 하나 이상의 연료 노즐을 포함할 수 있다. 공기(17) 및 연료(19)의 연소는 고온의 압축된 배기 가스를 생성하고, 이러한 배기 가스는 그 후에 터빈(12) 내의 하나 이상의 터빈 블레이드를 구동하는 데 이용될 수 있다. 작동시에, 터빈(12) 내로 유입되어 터빈(12)을 통해 유동하는 연소 가스는 터빈 블레이드들에 대해 그리고 그 사이로 유동하고, 이에 의해 터빈 블레이드 및 그에 따라 샤프트를 회전 구동시켜서 발전소 내의 전기 발전기와 같은 부하(21)를 구동시킨다. 상기에서 논의된 바와 같이, 샤프트의 회전은 또한 압축기(18) 내의 블레이드가 흡입 섹션(16)에 의해 수용된 공기를 흡인하여 압축하게 한다.
터빈(12)을 통해 유동하는 연소 가스는 터빈(12)의 하류측 단부(15)를 배기 가스 스트림(26)으로서 빠져나갈 수 있다. 배기 가스 스트림(26)은 후처리 시스템(14)을 향해서 하류 방향(27)으로 계속해서 유동할 수 있다. 예를 들면, 하류측 단부(15)는 후처리 시스템(14) 및, 특히 배기 섹션(30)에 유체적으로 결합될 수 있다. 상기에서 논의된 바와 같이, 연소 프로세스의 결과로서, 배기 가스(26)는 질소 산화물(NOx), 황 산화물(SOx), 탄소 산화물(COx) 및 미연 탄화수소와 같은 특정 부산물을 포함할 수 있다. 특정 규제 때문에, 후처리 시스템(14)이 배기 가스 스트림을 대기로 방출하기 전에 그러한 부산물의 농도를 저감하거나 실질적으로 최소화하는 데 이용될 수 있다.
상기에서 언급된 바와 같이, 배기 가스 스트림 내의 NOx의 양을 제거하거나 감소시키기 위한 하나의 기술은 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매 조립체를 사용하는 것이다. 예를 들면, SCR 촉매 조립체는 암모니아(NH3)와 같은 환원제를 배기 가스 스트림 내로 분사하여 NOx와 반응시켜서 질소(N2) 및 물(H2O)을 생성함으로써 배기 가스 스트림(26)으로부터 NOx를 제거한다. 이해되는 바와 같이, 이러한 SCR 촉매 조립체의 유효성은 처리되는 배기 가스의 온도에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들면, NOx를 제거하기 위한 SCR 촉매 조립체는 약 260℃ 내지 482℃(또는 500℉ 내지 900℉)의 온도에서 특히 유효할 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, 터빈(12)을 빠져나가서 배기 섹션(30)에 진입하는 배기 가스(26)는 약 590℃ 내지 650℃(또는 약 1100℉ 내지 1200℉)의 온도를 가질 수 있다. 따라서, NOx 제거를 위한 SCR 프로세스의 유효성을 증대시키기 위해서, 후처리 시스템(14)은 냉각 유체(예를 들면, 복합 유동)를 배기 가스 스트림(26) 내로 분사하고 이에 의해 SCR 이전에 배기 가스 스트림(26)을 냉각하도록 구성된 분사 시스템(32)을 포함할 수 있다. 하기에서 상세하게 논의되는 바와 같이, 복합 유동(39)은 배기 가스의 복귀 부분(56) 및 주위 공기(36)일 수 있다. 가스 스트림(26)으로부터 제거되는 원소 및/또는 이용되는 촉매에 따라서 효과적인 온도가 달라질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
분사 시스템(32)은 배기 섹션(30) 내에 전체적으로 또는 부분적으로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 분사 시스템(32)은 복수의 분사 튜브를 포함할 수 있다. 각각의 분사 튜브는 배기 가스 스트림(26)과의 혼합을 위해 주위 공기(36)를 배기 섹션(30) 내로 분사하도록 구성된 복수의 분사 구멍을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 분사 시스템(32)과 연관된 필터 하우징(33)은 하나 이상의 공기 블로어(air blower), 팬 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 용어 "냉각(cooling)"은, 공기 유동(36)을 설명하는 데 사용되는 경우, 주위 공기(36)가 터빈(12)을 빠져나가는 배기 가스 스트림(26)에 대한 냉각기(cooler)인 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 분사 시스템(32)은 또한, 주위 공기(36), 복귀 부분(56) 또는 이들의 조합의 유동을 조절하기 위한 밸브(41)를 포함할 수도 있다. 터빈(12)으로부터 출력된 배기 가스(26) 및 주위 공기(36)는 다른 속도로 배기 섹션(30) 내로 유입될 수 있다. 주위 공기(36)는 복합 유동(39)을 달성하기 위해 배기 유동 덕트(54)를 통과하도록 지향되는 배기 가스 스트림(26)의 복귀 부분(56)과 혼합된다. 하기에서 추가로 논의되는 바와 같이, 배기 섹션(30)은 복수의 구멍을 포함하는 혼합 플레이트를 포함할 수 있으며, 이러한 혼합 플레이트는 대체로 균일한 혼합을 제공하고, 그에 따라 SCR 촉매 조립체(42) 내로 유입되기 전에 혼합 유동(37)에서의 대체로 균일한 온도 및 속도 분포를 달성하도록 적절하게 구성될 수 있다.
또 다시 도 1을 참조하면, 혼합 유동(37)은 환원제 분사 시스템(38)을 통해 하류측으로(예를 들면, 방향 27로) 계속해서 유동할 수 있다. 환원제 분사 시스템(38)은 적합한 환원제(40)(예를 들면, 암모니아(NH3) 또는 요소(urea))를 혼합 유동(37) 내로 분사하도록 구성될 수 있다. 보다 더 하류측에는, SCR 촉매 조립체(42)가 배출물을 저감하도록 구현될 수 있다. SCR 촉매 조립체(42) 내에는, 환원제(40)(예를 들면, 암모니아, 요소)가 혼합 유동(37) 내의 NOx와 반응하도록 촉매로서 작용하여 질소(N2) 및 물(H2O)을 생성하고, 이에 의해 화살표 46로 표시된 바와 같이, 스택(stack)(44)을 통해 대기로 방출되기 전에 혼합 유동(37)으로부터 NOx 배출물을 제거한다. SCR 촉매 조립체(42)가 허니컴(honeycomb) 또는 플레이트 형태와 같은 임의의 적합한 기하학적 형상을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 일부 실시예에서, 스택(44)은 소음기(silencer) 또는 머플러(muffler)를 포함할 수 있다.
본 실시예가 일반적으로 배기 가스 스트림(26)으로부터의 NOx의 처리 및 제거에 초점을 맞추고 있지만, 다른 실시예는 일산화탄소 또는 미연 탄화수소와 같은 다른 연소 부산물의 제거를 제공할 수 있다. 이와 같이, 공급된 촉매는 배기 가스 스트림(26)으로부터 제거될 조성물에 따라 달라질 수 있다. 복합 유동(39) 및 혼합 유동(37)의 온도는 혼합 유동(37)의 온도를 제어하는 데 이용되는 냉각 유체(예를 들면, 복합 유동(39))의 양에 영향을 미칠 수 있는 이용된 촉매 조립체에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예는 연소 부산물을 저감하기 위해 산화 촉매 조립체를 이용할 수 있다. 추가적으로, 본원에 개시된 실시예가 하나의 SCR 촉매 조립체(42)의 사용에 한정되지 않고, 또한 다수의 SCR 촉매 조립체(42) 또는 다른 촉매 조립체를 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 더 더욱이, 시스템(10)은 또한, 스택(44)을 빠져나가는 처리된 배기 스트림(43)의 조성물을 연속적으로 모니터링하는 연속 배출물 모니터링(continuous emissions monitoring; CEM) 시스템(48)을 포함할 수도 있다. 처리된 배기 스트림(43)의 조성물이 하나 이상의 배출물 규제를 준수하는 데 실패한 것을 CEM 시스템(48)이 검출하면, CEM 시스템(48)은 시스템(10)의 오퍼레이터에게 작동 파라미터를 조정하거나, 서비스를 수행하거나, 또는 시스템(10)의 작동을 중단할 것을 통지하는 것과 같은 다른 조치를 착수하게 하도록 할 수 있는 통지를 적절한 개체(entity)에 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, CEM 시스템(48)은 또한, 온도, 냉각 공기(36)의 유량, 복귀 부분(56)의 유량, 배기 섹션(30) 내로 분사된 환원제(예를 들면, NH3)의 양 등을 조정하는 것과 같은 교정 조치를 실행할 수도 있다.
도 2는 도 1의 터빈 시스템(10)의 배기 섹션(30)에 결합된 분사 시스템(32)의 실시예의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 배기 섹션(30)은 배기 스택(44)에 결합된다. 상기에서 논의된 바와 같이, 배기 스택(44)은 잔류 혼합 유동(37)을 스택(44)을 통해 대기로 방출하기 전에 혼합 유동(37)으로부터 배출물(예를 들면, NOx 배출물)을 제거한다. 배출물의 양은 배기 섹션(30) 내에 배치된 제2 촉매 조립체(29)에 의해 더욱 감소될 수 있다. 예를 들면, 산화 촉매 또는 CO 촉매와 같은 제2 촉매 조립체(29)는 SCR 촉매 조립체(42)의 상류측에서 배기 섹션(30) 내에 이용될 수 있다. 또한, 배기 섹션(30) 내에는, 혼합 구조체(예를 들면, 천공 플레이트(50)) 또는 다른 균일 유동 장비가 배치될 수도 있다. 천공 플레이트(50)는 혼합 유동(37)이 통과하게 하는 개구를 제공하기 위한 복수의 구멍(52) 및 개구부를 포함할 수 있다. 천공 플레이트(50)는 균일한 온도 분포를 달성하기 위해 복합 유동(예를 들면, 복귀 부분(56) 및 주위 공기(36) 유동) 및 메인 유동(예를 들면, 배기 유동(26))의 실질적으로 균질한 혼합물을 생성하도록 혼합을 도울 수 있다.
또한, 천공 플레이트(50)는 혼합 유동(37)이 촉매 조립체(예를 들면, SCR 촉매 조립체(42))에 진입하기 전에 혼합 유동(37)(예를 들면, 복합 유동(39) 및 배기 가스 스트림(26))의 균일성을 향상시키고, 이에 의해 혼합 유동(37)의 배출물 감소를 향상시킬 수 있다. 천공 플레이트(50)는 원형, 타원형(ovular), 삼각형, 정사각형, 직사각형, 또는 다른 다각형 형상과 같은 다른 형상의 구멍 또는 개구를 가질 수 있다. 추가적으로, 구멍 또는 개구는 혼합 유동(37)의 균일성을 향상시키기 위해 다양한 패턴, 형상 또는 크기(예를 들면, 격자형의 구멍, 평행한 열의 구멍 등)로 배치될 수 있다.
배기 섹션(30)은 촉매 조립체(42)(예를 들면, SCR 촉매 조립체)의 상류측에서 분사 조립체(32)의 필터 하우징(33)에 결합된다. 일부 실시예에서, 필터 하우징(33)은 배기 섹션(30) 내에 부분적으로 배치될 수 있거나, 배기 섹션(30)의 외측에 배치될 수 있다. 배기 유동 덕트(54)는 배기 유동의 복귀 부분(56)을 필터 하우징(33)으로 지향시키도록 배기 섹션(30)에 결합될 수 있다. 복귀 부분(56)은 복귀 개구(59)를 통해 배기 유동 덕트(54)에 진입할 수 있다. 배기 유동 덕트(54)는 배기 섹션(30)에 대해 소정 각도(57)로 배치될 수 있다. 예를 들면, 배기 유동 덕트(54)는 배기 섹션(30)에 대해 약 90°의 각도(57)로 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 각도(57)는 배기 섹션(30)에 대해 약 30° 내지 175°, 약 60° 내지 100°, 및 그 사이의 임의의 각도일 수 있다. 각도(57) 크기가 감소함에 따라, 복귀 부분(56)으로서 추출된 유동의 양은 보다 작은 각도(57)를 갖는 복귀 개구를 통한 유로 때문에 각도(57)가 보다 큰 경우보다 적을 수 있다.
필터 하우징(33)은 복귀 부분(56)을 수용하고, 이 복귀 부분(56)을 주위 공기(36)와 결합하여 복합 유동(39)을 생성한다. 복합 유동(39)은 복귀 도관(65)을 통해 배기 섹션(30)에 진입한다. 배기 유동(26)의 복귀 부분(56)과 주위 공기(36)의 비율은 배기 유동(26)의 온도 및 주위 공기(36)의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 복합 유동(39)은 복귀 부분(56)의 비제로(non-zero) 부분을 포함한다. 복귀 부분(56)의 비제로 부분은 약 0.1% 내지 15%, 0.5% 내지 10%, 1% 내지 5%, 및 그 사이의 모든 백분율의 범위일 수 있다.
필터 하우징(33)은 주위 공기(36) 및 배기 유동(26)의 복귀 부분(56)을 필터 하우징(33)을 통해 그리고 복귀 도관(65)을 통해 전이 섹션(58)(transition section) 내로 이동시키는 것을 돕는 펌프, 팬(45), 압축기, 또는 다른 공기 순환 장비를 포함할 수 있다. 필터 하우징(33)은 주위 공기(36) 및 복귀 부분(56)을 필터링하는 것을 돕는 필터 매체(47)를 포함할 수 있다. 복귀 부분(56) 및 주위 공기(36)는 결빙을 감소시키거나 제거하기 위해 팬(45) 및 필터 매체(47)의 상류측에 복합 유동(39)을 형성하도록 혼합될 수 있다. 그 후에, 복합 유동(39)은 전이 섹션(58)을 거쳐서 배기 섹션(30) 내로 유입된다. 복귀 도관(65) 및 전이 섹션(58)은 복수의 복귀 포트(60)를 포함할 수 있다. 그러한 복귀 포트는 2013년 8월 27일자로 장(Zhang) 등에게 허여되고 명칭이 배기 가스 유동 내로의 냉각 공기의 분사를 위한 시스템 및 방법(System and Method for Injection of Cooling Air into Exhaust Gas Flow)인 미국 특허 제8,516,786호에 개시되어 있으며, 이 문헌은 참조로 본 명세서에 포함된다. 복귀 포트(60)는 다양한 크기를 가질 수 있으며, 다양한 형태로(예를 들면, 평행하게, 지그재그로) 배열될 수 있다.
혼합 유동(37)은 주위 공기(36)의 10%, 20%, 30%, 또는 약 40%까지 만큼을 포함할 수 있다. 주위 공기(36)는 배기 유동(26)의 온도를 낮추는 것을 돕고, 그에 따라 혼합 유동(37)의 온도는 약 400℃ 내지 500℃(또는 약 750℉ 내지 930℉) 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합 유동(37)은 SCR 촉매 조립체(42)의 상류측 지점에서 약 482℃까지 낮아질 수 있다. 혼합 유동(37)의 온도를 약 482℃까지 낮춤으로써, SCR 촉매(42)의 유효 수명이 증대된다. 이해되는 바와 같이, 혼합 유동(37)의 온도는 다른 촉매 조립체(예를 들면, 산화 촉매)가 후처리 시스템(14)에 사용되는 경우에 이러한 촉매 조립체의 유효 수명의 증대를 촉진하도록 제어될 수 있다.
혼합 유동(37)의 온도 및 유량은 컨트롤러(62)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤러(62)는 후처리 시스템(14), 공기 분사 시스템(32), 배기 섹션(30), 또는 이들의 임의의 조합 내에 배치된 복수의 센서(64)로부터의 측정값을 수신할 수 있다. 센서(64)는 하나 이상의 온도 센서(예를 들면, 주위 공기(36)의 온도, 복합 유동(39)의 온도, 혼합 유동(37)의 온도를 측정하기 위한 센서), 하나 이상의 배출물 센서, 하나 이상의 유동 센서(예를 들면, 복합 유동(39), 혼합 유동(37)의 유량을 측정하기 위한 센서), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 센서(64)는 배기 유동 덕트(54)를 따라, 필터 하우징(33) 내에, 배기 섹션(30)을 따라, 복귀 도관(65)을 따라, 또는 이들의 임의의 조합에 배치될 수 있다. 컨트롤러(62)는 하나 이상의 제어 밸브(예를 들면, 복합 유동(39)을 제어하기 위한 밸브(41), 복귀 부분(56)을 제어하기 위한 밸브(51))를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 밸브는 유동들(예를 들면, 복귀 부분(56), 복합 유동(39))의 온도 및/또는 유량을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 밸브는 또한 배기 유동(26)에 대한 복귀 부분(56)의 비율을 조정할 수도 있다. 유동들의 온도 및/또는 유량을 제어함으로써, 저온 기후 상태로 인해 형성될 수 있는 결빙을 감소시키거나 제거하는 것을 돕는다. 이와 같이, 유동들의 온도 및/또는 유량을 조정함으로써, 필터 하우징(33) 및 다른 관련 장비(예를 들면, 펌프, 압축기, 팬(45)), 복귀 도관(65) 및 전이 섹션(58) 내 또는 그 주위에서의 결빙을 감소시키거나 제거할 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 하우징(33) 내 또는 그 주위에서의 결빙의 가능성이 주위 공기 유동(36) 및 복귀 부분(56)의 현재 유량에 대해 낮은 경우에, 컨트롤러(62)는 주위 공기 유동(36)을 증가시키고 및/또는 복귀 부분(56)을 감소시킬 수 있다. 이러한 예에서, 복합 유동(39)의 온도가 낮아질 수 있고, 혼합 유동(37)의 온도도 또한 낮아질 수 있다(예를 들면, 482℃ 미만). 필터 하우징(33)을 통해 보다 많은 주위 공기(36)를 유동시킴으로써, 복합 유동(39), 혼합 유동(37) 및 전이 섹션(58)은 온도가 낮아지게 된다. 일부 실시예에서, 혼합 유동(37)의 낮은 온도는 SCR 촉매 조립체(42)의 유효 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 복합 유동(39)의 낮은 온도는 감소된 복귀 부분(56)을 가능하게 하고, 이에 의해 복귀 부분(56)과 연관된 임의의 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 필터 하우징(33) 내 또는 그 주위에서의 결빙의 가능성이 주위 공기 유동(36) 및 복귀 부분(56)의 현재 유량에 대해 높은 경우에, 컨트롤러(62)는 주위 공기 유동(36)을 감소시키고 및/또는 복귀 부분(56)을 증가시킬 수 있다. 이러한 예에서, 복합 유동(39) 및 혼합 유동(37)의 온도가 높아질 수 있다. 필터 하우징(33)을 통해 보다 많은 복귀 부분(56)을 유동시킴으로써, 복합 유동(39), 혼합 유동(37) 및 전이 섹션(58)은 온도가 높아지게 된다. 일부 실시예에서, 혼합 유동(37)의 높은 온도는 복합 유동(39)으로부터의 배출물(예를 들면, NOx 배출물)을 감소시킴에 있어서 SCR 촉매 조립체(42)의 유효 수명을 저감시킬 수 있다. 또한, 복합 유동(39)의 높은 온도는 필터 하우징(33) 내 또는 그 주위에서의 결빙을 감소시키거나 제거할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예에서, 복귀 부분(56)과 주위 공기(36)를 혼합시키지 않고, 복귀 부분(56)이 열교환기를 통해 주위 공기(36)를 가열할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 3은 후처리 시스템(14)에 진입하는 배기 가스(26)를 냉각하기 위한 복합 유동(39)을 분사하는 방법(80)의 실시예를 도시하는 흐름도이다. 방법(80)은 배기 유동(26)을 배기 섹션을 통과하도록 지향시키는 단계(예를 들면, 블록(82))를 포함한다. 방법(80)은 배기 유동의 복귀 부분(56)을 복귀 도관을 통해 추출하는 단계(예를 들면, 블록(84))를 포함한다. 방법(80)은 저온 기후 상태 동안에 필터 하우징, 복귀 도관, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 결빙을 감소시키거나 제거하기 위해 주위 공기(36)를 가열하는 단계(예를 들면, 블록(86))를 포함한다. 가열 없이는, 필터 하우징 및/또는 복귀 도관은 저온 기후 상태(예를 들면, 7℃(45℉) 미만의 주위 공기 온도) 동안에 결빙이 축적될 수 있다. 도시된 실시예에서, 주위 공기(36)의 가열은 증기(예컨대, 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator; HRSG)에 의해 생성된 증기)를 사용하지 않고서 성취된다. 방법(80)은 가열된 주위 공기 유동을 배기 덕트의 전이 섹션으로 지향시키는 단계(예를 들면, 블록(88))를 포함한다. 방법(80)은 혼합 유동을 형성하기 위해 가열된 주위 공기 유동과 배기 유동을 혼합하는 단계(예를 들면, 블록(90))를 포함한다. 방법(80)은 혼합 유동을 촉매 조립체(42)를 통해 지향시키는 단계(예를 들면, 블록(92))를 포함한다.
본 요지의 기술적 효과는, 주위 공기를 분사함으로써 배기 유동의 온도를 제어하고, 배기 유동의 복귀 부분을 사용하여 분사된 주위 공기의 온도를 제어하는 것을 포함한다. 배기 유동 및 분사된 주위 공기 유동으로부터 형성된 혼합 유동의 온도는 복귀 부분 및 주위 공기 유동의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 복합 유동의 온도 제어는 펌프 또는 다른 공기 유동 장비에 의해 필터 하우징 내로 흡인된 주위 공기 내로의 배기 유동의 복귀 부분에 의해 성취된다. 본 실시예는 저온 기후 상태에 적합할 수 있으며, 그에 따라 필터 하우징 및 복귀 도관 상 및 그 내에 결빙이 감소된다. 추가적으로, 본 실시예는 결빙을 감소시키기 위해 증기를 이용하지 않는다.
이러한 기재된 설명은, 예를 사용하여, 최상의 모드를 포함하여 본 요지를 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 이용과, 임의의 채택된 방법의 수행을 포함하여 본 요지를 당업계의 임의의 숙련 기술자가 실시할 수 있게 한다. 본 요지의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업계의 숙련 기술자에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 사실상 청구범위와 다르지 않은 구조적 요소를 갖는 경우, 또는 사실상 청구범위와 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조적 요소를 갖는 경우, 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (15)

  1. 시스템으로서,
    가스 터빈(12)의 배기 유동(26)을 수용하도록 구성되고, 촉매 조립체(42)를 포함하는 배기 섹션(30);
    상기 촉매 조립체(42)의 상류측에서 디퓨저 섹션에 결합되고, 상기 배기 유동(26)의 복귀 부분(56)을 추출하도록 구성되는 배기 덕트;
    상기 배기 덕트에 결합되고, 주위 공기 유동(36)과 상기 복귀 부분(56)의 복합 유동(39)을 수용하도록 구성되는 필터 하우징(33); 및
    상기 필터 하우징(33) 및 상기 배기 섹션(30)에 결합되는 복귀 도관(65)을 포함하며,
    상기 복귀 도관(65)은 상기 배기 덕트의 상류측에서 상기 배기 섹션(30)에 결합되고, 상기 복귀 도관(65)은 상기 복합 유동(39)을 상기 배기 섹션(30)으로 지향시키도록 구성되며, 상기 촉매 조립체(42)는 상기 배기 유동(26) 및 상기 복합 유동(39)을 포함하는 혼합 유동(37)을 수용하도록 구성되는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복귀 도관(65)은 상기 복합 유동(39)을 복수의 복귀 포트를 통해 상기 배기 유동(26) 내로 지향시키도록 구성되는 것인 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    컨트롤러(62) 및 상기 배기 덕트에 결합된 배기 제어 밸브를 포함하며, 상기 컨트롤러(62)는 상기 복합 유동(39)의 온도를 0℃ 초과로 유지하도록 상기 배기 제어 밸브를 제어하도록 구성되는 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 조립체(42)는 선택적 촉매 환원 조립체를 포함하는 것인 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 조립체에서의 상기 복합 유동(39)의 온도는 약 260℃ 내지 540℃ 미만인 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 필터 하우징(33)은 상기 주위 공기 유동(36) 및 상기 복귀 부분(56)을 상기 필터 하우징(33) 내로 흡인하도록 구성된 펌프를 포함하는 것인 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주위 공기 유동(36)은 상기 촉매 조립체(42)에서 상기 혼합 유동(37)의 약 40% 미만을 포함하는 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 유동(37)의 온도, 상기 주위 공기 유동(36)의 온도, 상기 복합 유동(39)의 유량, 또는 이들의 임의의 조합을 측정하도록 구성되는 하나 이상의 센서(64)를 포함하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    컨트롤러(62) 및 상기 복귀 도관(65)에 결합된 복귀 제어 밸브(51)를 포함하며, 상기 컨트롤러(62)는 상기 배기 섹션(30) 내의 상기 혼합 유동(37)의 온도를 조정하도록 상기 복귀 제어 밸브(51)를 제어하도록 구성되는 것인 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배기 섹션(30)은 상기 복귀 도관(65)을 상기 배기 섹션(30)에 결합하는 복귀 포트의 하류측에 혼합 구조체를 포함하고, 상기 혼합 구조체(50)는 상기 배기 유동(26), 상기 복귀 부분(56) 및 상기 주위 공기 유동(36)을 혼합하여 상기 혼합 유동(37)을 형성하도록 구성되는 것인 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 조립체(42)에서의 상기 혼합 유동(37)은 상기 배기 유동(26), 상기 복귀 부분(56) 및 상기 주위 공기 유동(36)의 실질적으로 균질한 혼합물을 포함하는 것인 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 복합 유동(39) 또는 상기 혼합 유동(37)의 온도를 제어하기 위해 증기를 이용하지 않는 것인 시스템.
  13. 방법으로서,
    가스 터빈 엔진(12)으로부터의 배기 유동(26)을 배기 섹션(30)을 통과하도록 지향시키는 단계;
    상기 배기 유동(26)의 복귀 부분(56)을 상기 배기 섹션(30)으로부터 추출하는 단계;
    상기 복귀 부분(56)에 의해 주위 공기 유동(36)을 가열하는 단계;
    상기 배기 섹션(30)에서 상기 가열된 주위 공기 유동(36)과 상기 배기 유동(26)을 혼합하는 단계; 및
    상기 배기 유동(26) 및 상기 가열된 주위 공기 유동(36)을 포함하는 혼합 유동(37)을 촉매 조립체(42)를 통과하도록 지향시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    필터 하우징(33)에서 상기 배기 유동(26)의 복귀 부분(56)과 상기 주위 공기 유동(36)을 혼합하는 단계를 더 포함하며, 상기 혼합 유동(37)은 상기 배기 유동(26), 상기 가열된 주위 공기 유동(36) 및 상기 복귀 부분(56)을 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 촉매 조립체(42)를 통과하는 상기 혼합 유동(37)의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 주위 공기 유동(36) 및 상기 복귀 부분(56)을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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