KR20170124570A - 전력 생산을 위한 터빈 시스템 내부에서의 작업 유체의 재가열 - Google Patents

전력 생산을 위한 터빈 시스템 내부에서의 작업 유체의 재가열 Download PDF

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Abstract

증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키도록 구성된 인-시츄 증분적 재가열 시스템이 개시된다. 이 시스템은, 펌프; 복사 가열기; 유동 회로(flow circuit)를 생성하기 위해 펌프, 복사 가열기 및 증기 터빈을 상호 연결하는 배관; 및 유동 회로를 통해 유동하고 증기 터빈에 사용되는 증기에 직접 열을 전달하도록 구성된 열 전달 물질(heat transfer material)을 포함한다. 펌프는 유동 회로를 통해 열 전달 물질을 이동시키고, 복사 가열기는 열 전달 물질이 열을 증기로 전달한 후에 열 전달 물질을 재생시킨다.

Description

전력 생산을 위한 터빈 시스템 내부에서의 작업 유체의 재가열
[0001] 본 발명은 일반적으로 전력 생산에 사용되는 터빈 시스템들에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 이러한 터빈 시스템들의 열역학적 효율(thermodynamic efficiency)을 증가시키기 위해 인시츄 증분적 재가열(in-situ incremental reheating)을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
[0002] 증기-Rankine 전력 사이클은 열을 전력으로 변환하는 표준 열역학적 전력 사이클(standard thermodynamic power cycle)이다. 이와 같이, 열을 전력으로 변환하는 효율은, 증기가 상승되는 온도(높을수록 좋음) 및 낮은-그레이드의 열이 전력 사이클로부터 제거되는 온도(낮을수록 좋음)에 가장 중요하게 의존한다. HP(high pressure) 터빈에서 고온 증기를 팽창시킨 다음 IP(intermediate pressure) 터빈(도 1)에서 팽창하기 전에 증기를 재가열하는 것은 증기-전기 전력 설비(steam-electric power plant)들에서 역사적인 관습이 되어 왔다. 소수의 전력 설비들은 이중 재가열을 사용했는데, 여기서 IP 터빈으로부터 공급되는 증기는 LP(low-pressure) 터빈으로 보내지기 전에 다시 재가열된다. 증기 작동 유체에 대한 열 첨가의 평균 온도를 증가시킴으로써, 전체 전력 사이클 효율 및 순수 설비 효율(net plant efficiency)은 증가된다.
[0003] 단일 재가열 증기-Rankine 전력 사이클들의 사용은 약 150MWe 용량보다 더 큰 증기-전기 설비들에 대한 표준이다. 증가된 증기 배관(incresed steam piping)/제어 비용들 및 이중 재가열과 연관된 동작들의 더욱 힘든 시동(start-up) 및 셧다운(shutdown) 시퀀스들은 전력 설비 개발자들/소유자들에 의해 그 승인을 제한했다. 최신 기술의 증기-전기 전력 설비들은 4000 psia/1120°F까지의 메인 증기 컨디션들 및 1120°F까지의 단일 재가열 온도를 사용한다.
[0004] 증기 터빈들은 일반적으로 터빈 샤프트 주위에 원으로 배열된 교번하는 고정식(고정자) 및 회전식(회전자) 블레이드들로 구성된다. 고정식 블레이드들은 증기 유동을 돌리거나(turn) 가속시킨다. 증기 모멘텀(steam momentum)은, 터빈 샤프트 및 궁극적으로는 발전기(electric generator)를 돌리는 회전식 블레이드들로 전달된다. 후속하여 회전자를 구비한 고정자는 함께 터빈의 단일 스테이지를 형성한다. 전형적인 HP 및 LP 증기 터빈들은 직렬로 10개 초과의 스테이지들을 가질 것이다.
[0005] 지난 10년 동안, 단일 재가열 온도들을 1400°F까지 높게 하면서, 증기 온도들을 1400°F까지 높게 그리고 압력들을 5100psia까지 높게 증가시키는 가능성(prospect)이 조사되어 왔다. 그러나, 최신 기술에서 1120°F를 초과하도록 증기 온도들을 증가시키는 것은 공통 증기-전기 전력 설비들에 현재 사용되지 않는 높은 니켈 합금들의 사용을 요구한다. 이러한 높은 니켈 합금들은 보일러에서 터빈으로 고압/고온 증기를 운반하기 위해 최종 과열기(superheater)/재가열기(reheater)들의 고압 메인 증기 및 재가열 증기를 생산하도록 요구된다.
[0006] 불행히도, 적절히 높은 니켈 합금들은 최신 전력 설비들에서 강철들 보다 10배 더 비용이 들 가능성이 있다. 이는, 메인 증기 압력보다 더 낮은 압력들에서 보일러에서 터빈으로 고온 에너지를 운반하는 대안적인 방법들을 추구하게 하여, 강도 요구사항들을 최소화하고 이러한 이유로 이러한 외래 금속(exotic metal)들에 요구되는 물질의 양(material quantity)을 최소화한다.
[0007] 이에 따라, 고가의 합금들 및 배관을 필요로 하지 않으면서 증기 온도를 증가시키는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 남아있다.
[0008] 이러한 필요성은, 전력 생산에 사용되는 터빈 시스템들의 열역학적 효율을 증가시키기 위한 인-시츄 증분적 재가열 시스템 및 방법을 제공하는 본 발명에 의해 해결된다.
[0009] 본 발명의 일 양상에 따르면, 증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키도록 구성된 인-시츄 증분적 재가열 시스템은, 펌프; 복사 가열기; 유동 회로(flow circuit)를 생성하기 위해 펌프, 복사 가열기 및 증기 터빈을 상호 연결하는 배관; 및 유동 회로를 통해 유동하고 증기 터빈에 사용되는 증기에 직접 열을 전달하도록 구성된 열 전달 물질(heat transfer material)을 포함한다. 펌프는 유동 회로를 통해 열 전달 물질을 이동시키고, 복사 가열기는 열 전달 물질이 열을 증기로 전달한 후에 열 전달 물질을 재생시킨다.
[0010] 본 발명의 일 양상에 따르면, 고압 터빈(high pressure turbine), 중압 터빈(intermediate pressure turbine), 및 저압 터빈(low pressure turbine)을 갖는 증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키도록 구성된 인-시츄 증분적 재가열 시스템에서, 이 시스템은 유동 회로를 통해 유동하고 증기 터빈에 사용되는 증기로 직접 열을 전달하도록 구성된 열 전달 물질을 포함한다. 유동 회로는 유동 회로를 통해 유체를 이동시키도록 구성된 펌프; 유동 회로를 통해 유동하는 유체를 재생시키도록 구성된 복사 가열기; 증기 터빈의 터빈 고정자 블레이드들을 통해 연장하는 내부 유동 통로들; 및 펌프, 복사 가열기 및 유동 통로들을 상호-연결하는 배관을 포함한다.
[0011] 본 발명의 다른 양상에 따르면, 증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키기 위한 방법은, 펌프, 복사 가열기, 및 펌프 및 복사 가열기를 증기 터빈의 내부 통로들에 상호연결하는 배관을 갖는 유동 회로를 제공하는 단계; 유동 회로를 통해 유동하도록 구성된 열 전달 물질을 제공하는 단계; 복사 가열기를 사용하여 열 전달 물질을 가열하는 단계; 가열된 열 전달 물질을, 펌프를 사용하여 배관을 통해 증기 터빈의 고압 터빈의 내부 통로들 내부로 이동시키는 단계(여기서, 가열된 열 전달 물질은 고압 터빈에서 팽창된 증기에 열을 직접 전달하여 열 첨가의 평균 온도를 증가시킴); 가열된 증기를 증기 터빈의 중압 터빈으로 전달하는 단계; 및 가열된 증기를 증기 터빈의 저압 터빈으로 전달하는 단계를 포함한다.
[0012] 본 발명은 첨부된 도면들과 함께 취해진 후술하는 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
[0013] 도 1은 터빈에 대한 종래 기술의 재가열 어레인지먼트를 도시한다.
[0014] 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인-시츄 증분적 재가열 시스템을 도시한다.
[0015] 도면들을 참조하면, 동일한 참조 번호들이 다양한 도면들을 통해 동일한 엘리먼트들을 나타내고, 도 2는 증기 터빈(11)의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키도록 구성된 인-시츄 증분적 재가열 시스템(10)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 증기 터빈(11)은 HP(high pressure) 터빈(12), IP(intermediate pressure) 터빈(13), LP(low pressure) 터빈(14)을 포함한다. 시스템(10)은 중간 열유체 또는 열 전달 물질을 사용하며, 그 증기압은 1400°F 또는 760°C(즉, 액체 염 또는 금속)까지의 온도로 낮으며, 이는 상대적으로 얇은 벽의, 저압 배관의 사용을 허용한다. 열유체는, 증기가 HP 터빈(12)에서 팽창됨에 따라 증기 터빈(11)에서 사용되는 증기에 열을 직접 전달하기 위해 사용되어, 이에 따라 더 많은 전력을 생산하고 그리고 별도의 재가열 회로에 대한 필요성을 제거할 뿐만 아니라 보일러에서 터빈으로 고온 증기를 운반하도록 요구되는 값비싼 높은 니켈 합금들에 대한 필요성도 감소시킨다.
[0016] 도시된 바와 같이, 열유체는, 열유체로부터의 열을 HP 터빈(12)에서 팽창된 증기로 전달하기 위해 펌프(17)에 의해 터빈 고정자 블레이드들(20)의 내부 유동 통로들(16)을 통해 순환된다. 복사 가열기(18)는 열유체를 다시 원하는 온도로 재가열 또는 재생시키는데 사용된다. 열유체는 최소 두께의 배관을 요구하는 저압에서 터빈(11)으로 전달되며, 여기서 열유체는 터빈을 통과하며 팽창함에 따라 작동 유체(증기)를 연속적으로 재가열하는데 사용될 수 있어서 별도의 재가열기 회로에 대한 필요성을 제거한다. 이는, 열 첨가의 평균 온도를 향상시키고, 이에 의해 최종 증기 온도를 증가시키지 않고 효율을 향상시킨다.
[0017] 증기가 열유체에 의해 가열되면, IP 및 LP 터빈들에 전달된다. 일반적으로, 본 발명은 열 첨가의 평균 온도를 현저하게 증가시키는 연속적인 재가열을 제공함으로써 효율을 증가시킨다. 임계이하의(subcritical) 증기 전력 사이클(통상적으로는, 1990년대에 구축된 것들임)의 경우, 증기 첨가의 평균 온도에 있어서의 이러한 증가는 60°F에 달할 수 있다. 추가적으로, 증가 효율은 대략 동일한 크기의 터빈 및 보일러에 대한 증가된 터빈 출력(증기에 대해 동일한 온도 제한들을 사용하여 약 +0.7% 노후 포인트 개선)을 초래한다.
[0018] 전술한 내용은, 전력 생산에 사용되는 터빈 시스템들의 열역학적 효율들을 증가시키기 위한 인-시츄 재가열 시스템 및 방법을 설명했다. (임의의 첨부된 청구항들, 요약서 및 도면들을 포함하는) 본 명세서에 개시된 특징들 모두, 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들 모두는, 이러한 특징들 및/또는 단계들 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합들을 제외하고는, 임의의 조합으로 조합될 수 있다.
[0019] (임의의 첨부된 청구항들, 요약서 및 도면들을 포함하는) 본 명세서에 개시된 각각의 특징은, 달리 명료하게 언급되지 않는 한, 동일한, 동등한, 또는 유사한 목적을 제공하는 대안적인 특징들에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 달리 명료하게 언급되지 않는 한, 개시된 각각의 특징은 오직 일반적인 일련의 동등하거나 또는 유사한 특징들의 일 예이다.
[0020] 본 발명은 전술한 실시예(들)의 세부사항들로 제한되지 않는다. 본 발명은 (임의의 첨부된 청구항들, 요약서 및 도면들을 포함하는) 본 명세서에 설명된 특징들 중 임의의 신규의 특징, 또는 임의의 신규의 조합을, 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들 중 임의의 신규의 단계, 또는 임의의 신규의 조합으로 확대한다.

Claims (12)

  1. 증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키도록 구성된 인-시츄 증분적 재가열 시스템으로서,
    (a) 펌프;
    (b) 복사 가열기(radiant heater);
    (c) 유동 회로(flow circuit)를 생성하기 위해 상기 펌프, 상기 복사 가열기 및 상기 증기 터빈을 상호연결하는 배관(piping);
    (d) 상기 유동 회로를 통해 유동하고 그리고 상기 증기 터빈에 사용되는 증기에 열을 직접 전달하도록 구성된 열 전달 물질 ― 상기 펌프는 상기 유동 회로를 통해 상기 열 전달 물질을 이동시키고, 상기 복사 가열기는 상기 열 전달 물질이 열을 증기로 전달한 후에 상기 열 전달 물질을 재생시킴 ―
    을 포함하는,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 액체 염(liquid salt)인,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 액체 금속(liquid metal)인,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 화씨 1400 도(섭씨 760 도)의 온도까지 가열되는,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 열을 증기로 직접 전달하기 위해 상기 증기 터빈의 고정자 블레이드들의 내부 유동 통로들을 통해 유동하는,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  6. 고압 터빈, 중압 터빈, 및 저압 터빈을 갖는 증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키도록 구성된 인-시츄 증분적 재가열 시스템으로서,
    (a) 유동 회로; 및
    (b) 상기 유동 회로를 통해 유동하고 상기 증기 터빈에 사용되는 증기로 열을 직접 전달하도록 구성된 열 전달 물질을 포함하고,
    상기 유동 회로는:
    (i) 상기 유동 회로를 통해 유체를 이동시키도록 구성된 펌프;
    (ii) 상기 유동 회로를 통해 유동하는 유체를 재생시키도록 구성된 복사 가열기;
    (iii) 상기 증기 터빈의 터빈 고정자 블레이드들을 통해 연장하는 내부 유동 통로들; 및
    (iv) 상기 펌프, 상기 복사 가열기 및 상기 유동 통로들을 상호연결하는 배관을 포함하는,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 액체 염인,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 액체 금속인,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 전달 물질은 화씨 1400 도(섭씨 760 도)의 온도까지 가열되는,
    인-시츄 증분적 재가열 시스템.
  10. 증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키기 위한 방법으로서,
    (a) 펌프, 복사 가열기, 및 상기 펌프와 상기 복사 가열기를 상기 증기 터빈의 내부 통로들에 상호연결하는 배관을 가진 유동 회로를 제공하는 단계;
    (b) 상기 유동 회로를 통해 유동하도록 구성된 열 전달 물질을 제공하는 단계;
    (c) 상기 복사 가열기를 사용하여 상기 열 전달 물질을 가열하는 단계;
    (d) 가열된 열 전달 물질을 상기 펌프를 사용하여 상기 배관을 통해 상기 증기 터빈의 고압 터빈의 내부 통로들로 이동시키는 단계 ― 상기 가열된 열 전달 물질은 열 첨가의 평균 온도를 증가시키기 위해 상기 고압 터빈에서 팽창된 증기에 열을 직접 전달함 ― ;
    (e) 상기 증기 터빈의 중압 터빈에 가열된 증기를 전달하는 단계; 및
    (f) 상기 증기 터빈의 저압 터빈에 상기 가열된 증기를 전달하는 단계를 포함하는,
    증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고압 터빈에서 팽창된 증기에 연속적인 열 첨가를 제공하기 위해 상기 단계 (c) 및 상기 단계 (d)를 반복하는 단계를 더 포함하는,
    증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키기 위한 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계는, 상기 열 전달 물질을 화씨 1400도(섭씨 760도)의 온도까지 가열하는 단계를 포함하는,
    증기 터빈의 증기 온도 및 열역학적 효율들을 증가시키기 위한 방법.
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