KR20180095808A - 응축 열 회수 스팀 발생기 - Google Patents
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Abstract
응축 열 회수 스팀 발생기 (cHRSG) 는 배기 고온 가스 메인 유동을 위한 메인 스택, 배기 고온 가스의 일부가 배기 고온 가스 메인 유동을 우회하도록 하는 바이패스 스택, 및 열 펌프를 포함한다. cHRSG 는 1차 워터 회로, 2차 워터 회로 및 3차 워터 회로를 포함한다. cHRSG 는 급수 라인, 급수 라인과 2차 워터 회로 사이에 열교환을 제공하기 위한 제 1 열교환기, 및 1차 워터 회로와 3차 워터 회로 사이에 열교환을 제공하기 위한 제 2 열교환기를 추가로 포함한다. cHRSG 에서, 잠열은 제 2 열교환기를 통하여 바이패스 스택에서 순환하는 배기 고온 가스로부터 부분적으로 회수되고, 추가의 열은 열 펌프에 의해 3차 워터 회로에서 추출되어 1 차 워터 회로의 예열기에서 수행되는 예열에 기여한다.
Description
본 발명은 보일러의 분야, 특히 열 회수 스팀 발생기 (heat recovery steam generator : HRSG) 유형의 보일러에 관한 것이다.
열 회수 스팀 발생기 (HRSG) 가 공정 (열병합 발전) 또는 스팀 사이클 (복합 사이클) 에서 사용될 수 있는 스팀을 생성시키기 위하여 가스 터빈의 고온 배기 스트림으로부터 열을 회수하는 것이 알려져 있다. 배기 가스는, 대부분 N2, O2, CO2 및 Ar 을 함유하는 비응축성 부분, 및 수증기로 만들어진 응축성 부분으로 이루어진다. 지금까지 선행 기술에서는, 주로 부식 우려 때문에 퓸 응축 (fumes condensation) 의 개념은 폐기되었다.
종래 기술에서 알려진 바와 같이, HRSG 는 열적 성능면에서 2 가지 유형의 한계에 직면한다. 도 1 및 도 2 에 예시된 바와 같이, 열병합 발전 적용을 위한 가압 고온수의 스트림을 제공하는 HRSG 의 경우, (HRSG 의 스팀 생산과 직접 관련되는) 스팀 터빈에 의해 발생된 전기의 양과 열적 파워의 양과의 사이에 트레이드-오프가 존재한다. 이러한 트레이드-오프는 도 3 에 도시되어 있는데, 여기서 포인트 "종래 기술 1" 은 도 1 의 HRSG 배열에 관한 것이고, 포인트 "종래 기술 2" 는 도 2 의 HRSG 배열에 관한 것이다. 다른 한편으로, 황 화합물의 존재는 배기 가스의 산성 노점을 극적으로 상승시킨다. 결과적으로, 이 산성 노점 이상으로 급수를 따뜻하게 하기 위해 대형 재순환 루프가 사용되어야 한다. 이는, 도 4 에 도시된 바와 같이, 다소 큰 어프로치, 즉 예열기의 출구에서의 온도와 저압 스팀의 포화 온도 사이의 차이를 유도한다.
일부 종래 기술 문헌은 부가적인 열 회수가 수행되는 2차/바이패스 스택에 의존한다. WO 2015/039840 A2 에서, 여분의 회수된 열은 스팀 사이클의 응축물을 예열하는데 사용된다. WO 2010/136795 A2 에서, 여분의 회수된 열은 보일러의 연소 공기를 예열하는데 사용된다. 그러나 두 문헌은 공기 및 화석 연료 (예컨대 석탄, 오일) 에 의해 공급되는 보일러를 특별히 지향하고 있으며, 복합 사이클에 포함된 열 회수 스팀 발생기에는 관심이 없다. 두 특허는 규정된 온도 및 압력 조건에서 주어진 양의 스팀을 생산하는데 필요한 연료의 양을 줄임으로써 사이클의 효율성을 향상시킨다. 문헌 CN101922821 A 는 고습 연도 가스에서 물과 잠열을 동시에 회수하는 방법 및 에너지 절약 장치의 기술에 관한 흡수 열 펌프 장치를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 종래 기술의 해결책은 산성 부식 침전물을 제공할 것으로 예상된다.
본 발명은 종래 기술에 따른 HRSG 의 2 가지 종류의 성능 제한을 극복하는 응축 열 회수 스팀 발생기 (cHRSG) 를 제공한다. 구체적으로, cHRSG 는 수증기 뿐만 아니라 산성 생성물 (예컨대 H2SO4) 의 응축에 효율적으로 그리고 신뢰성있게 대응할 수 있는 방식으로 배열된다.
본 발명의 일 실시형태에서, cHRSG 는 배기 고온 가스 메인 유동을 위한 메인 스택, 배기 고온 가스의 일부가 배기 고온 가스 메인 유동을 우회하게 하는 바이패스 스택, 및 열 펌프를 포함한다. cHRSG 는 메인 스택에서 배기 고온 가스 메인 유동의 입구에 위치한 예열기를 가진 재순환 루프를 포함하는 1차 워터 회로, 엔드-유저 열적 애플리케이션을 구비한 2차 워터 회로, 그리고 바이패스 스택에서 순환하는 배기 고온 가스의 일부와 향류로 워터 샤워 유동을 제공하기 위한 분무 탑 및 열 펌프의 증발기를 포함하는 3차 워터 회로를 포함한다. cHRSG 는, 제 1 단부에서 응축물이 공급되고 제 2 단부에서 1차 워터 회로에 물리적으로 연결되고 히트 펌프의 응축기를 구비하는 급수 라인, 급수 라인과 2차 워터 회로 사이에 열교환을 제공하기 위한 제 1 열교환기, 및 1차 워터 회로와 3차 워터 회로 사이에 열교환을 제공하기 위한 제 2 열교환기를 부가적으로 포함한다. cHRSG 에서, 1차 워터 회로의 예열기에서 수행된 예열은 제 2 열교환기를 통하여 바이패스 스택에서 순환하는 배기 고온 가스로부터 3차 워터 회로에서 부분적으로 회수된 잠재 열로부터 그리고 열 펌프에 의해 3차 워터 회로에서 추출된 추가의 열로부터 이익을 얻고, 이 잠열 및 추가의 열은 궁극적으로 제 1 열교환기를 통해 2차 워터 회로의 엔드-유저 열적 애플리케이션에 전달된다. 1차 워터 회로, 2차 워터 회로 및 3차 워터 회로는 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기를 통해 열적으로 접촉하지만, 유체적으로 상호연결되지는 않는다.
본 발명은 예시적인 도면에 기초하여 보다 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 예시적인 실시형태들에 제한되지 않는다. 본 명세서에 설명되고 그리고/또는 도시된 모든 특징들은 본 발명의 실시형태들에서 단독으로 또는 상이한 조합으로 조합되어 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태들의 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 이미 언급된 바와 같이 종래 기술에 따른 열병합 발전을 위한 제 1 HRSG 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 이미 언급한 바와 같이 종래 기술에 따른 열병합 발전을 위한 제 2 HRSG 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 이미 언급한 바와 같이 선행 기술 솔루션을 본 발명과 비교하는 열병합 발전에 사용되는 HRSG 의 열적 생성에 대한 전기의 샘플 맵이다.
도 4 는 이미 언급한 바와 같이 종래 기술에 따른 단일-압력 레벨 스팀 발생기의 온도에 대한 열교환의 개념 그래프이다.
도 5 는 본 발명에 따른 응축 HRSG 의 일반적인 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 8 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 9 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 2 는 이미 언급한 바와 같이 종래 기술에 따른 열병합 발전을 위한 제 2 HRSG 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 3 은 이미 언급한 바와 같이 선행 기술 솔루션을 본 발명과 비교하는 열병합 발전에 사용되는 HRSG 의 열적 생성에 대한 전기의 샘플 맵이다.
도 4 는 이미 언급한 바와 같이 종래 기술에 따른 단일-압력 레벨 스팀 발생기의 온도에 대한 열교환의 개념 그래프이다.
도 5 는 본 발명에 따른 응축 HRSG 의 일반적인 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 8 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
도 9 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 응축 HRSG 의 원리를 개략적으로 나타낸다.
본 발명은 열병합 발전, 즉 조합된 "열" (냉각을 포함) 및 파워, 뿐만 아니라 단지 발전인 경우의 HRSG 의 열적 성능의 개선에 관한 것이다. 따라서, HRSG 의 콜드-엔드 (cold-end) 에서, 즉 퓸에 함유된 수증기의 일부를 응축시킴으로써 고온 가스 메인 유동을 위한 바이패스 스택에서 회수된 열은 예열기의 입구에서 퓸의 이슬점보다 높은 온도에서 상승하도록 스팀 사이클의 급수에 전달된다. 종래 기술에 따르면, 이러한 듀티는 재순환 루프에 의해 처리된다.
본 발명에 따른 cHRSG 는 재순환 루프에 의해 운반되는 열을 다른 목적으로 이용할 수 있게 함으로써 전술한 제한을 없앤다. 열병합 발전의 경우, cHRSG 는 HRSG 의 고온 단부에서 주어진 엔탈피 유동에 대한 전기 및 열적 생산 쌍방을 최대화할 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, cHRSG 의 보조 부품의 전기 소모를 무시하면, cHRSG 의 전기 파워는 종래 기술 2 의 전기 파워와 일치하면서 동시에 종래 기술 1 과 동일한 열적 파워를 생성한다. 보조 장치의 전기 소모를 포함하는 것은 스팀 사이클의 순 전기 파워를 약간 줄이고 따라서 대표 포인트를 맵의 왼쪽으로 약간 이동시킨다.
산 노점 문제의 경우에, 본 발명은 재순환 루프의 크기를 대폭 감소시키거나 심지어 그것을 제거하는 것을 허용한다. 스팀 발생 (따라서 스팀 터빈의 전기 생산) 이 증가될 수 있다.
가스 터빈 연소 생성물에 존재하는 수증기는, 현재 대기 중으로 방출되지만 원칙적으로 배기 가스에 함유된 습기를 응축시킴으로써 부분적으로 회수될 수 있는 상당한 양의 에너지를 운반한다. 이러한 상보적인 열 회수는, 잠열, 즉 온도 변화를 통해 전달되는 것이 아니라 가스 매체의 상 변화, 이 경우에는 배기 가스에 함유된 수증기의 응축을 통해 전달되는 열의 교환을 암시할 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 HRSG 의 일반적인 배열을 개략적으로 나타내고, 초점은 HRSG 의 저온 측에 설정된다. 따라서, HRSG 는 HRSG 의 메인 케이싱 외부의 "응축 영역" (21) 에 의해 보충되고, HRSG 의 배기 가스로부터 잠열을 회수하기 위한 그리고 유출물 (8) 의 최종 유동의 효율적인 취급을 위한 추가 장비를 특징으로 한다. 여기서 응축을 통해 배기 가스의 잠열을 추가로 회수하는 "응축 HRSG" 가 제공된다. 파워 출력과 관련하여 향상된 비용을 제공하는 HRSG 도 여기에 제공된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 응축 영역을 통과하는 배기 가스 유동의 일부는 팬에 의해 제어된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 잠열은 소위 직접-접촉 열교환기에 의해 재생된다. 직접-접촉 열교환기는, 분무 탑, 배플-트레이 컬럼 (baffle-tray column) 및 팩킹된 컬럼 (packed column) 을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 분무 탑은, 양호한 전체 열 전달 계수를 제공하고 가스 측에서 적당한 압력 손실을 발생시키고 비교적 저렴하기 때문에, 직접-접촉 열교환기로서 선택된다. 분무 탑은 샤워를 제공하는 HRSG 의 바이패스 스택에 배치된 냉각 시스템으로서 볼 수 있는데, 여기서 냉각수는 냉각될 배기 가스 유동의 일부를 통해 역류 배열체에서 분무된다. 그 후 퓸은 습기 포화되는데, 이 습도는 응축되어 퓸의 기화 에너지를 방출한다. 바이패스 스택에서 빠져나온 포화 퓸과 메인 스택의 퓸을 혼합하면, 연기 기둥/흰 구름 형성의 위험이 줄어든다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 대안적인 직접-접촉 열교환기가 분무 탑 대신에 사용된다.
도 6 은 본 발명에 따른 응축 HRSG 의 일 실시형태를 개략적으로 나타낸다. 수평으로 배열된 HRSG 는 고온 가스 유동을 위한 메인 스택 (1) 뿐만 아니라 배기 가스 유동의 일부가 메인 유동을 우회하도록 하는 바이패스 스택 (2) 으로 구성된다. 이 특정 실시형태에서, 응축 HRSG 는 직접-접촉 열교환기에 기초한다.
물리적으로 분리되지만 (즉, 유체적으로 상호연결되지는 않지만) 열교환기를 통해 열적으로 접촉하는 3 개의 폐쇄 워터 회로가 제공된다 (보다 상세히 후술됨). 1차 워터 회로 (primary water circuit: PWC) 는 HRSG (또는 예열기/이코노마이저 (6)) 의 제 1 열교환기를 포함하는 재순환 루프 (10) 이며, 후자는 본질적으로 메인 스택 내의 고온 가스의 입구에 위치한다. PWC 는 물리적으로 급수 라인 (13) 에 연결되고, LP 드럼 (19) 을 구비한다. 급수 라인 (13) 은 급수 입구 (7) 에서 공급되고, 열 펌프 응축기 (17: HPC) 를 구비한다.
3차 워터 회로 (tertiary water circuit: TWC) 는 상승하는 배기 퓸과 역류로 워터 샤워 유동을 제공하는 분무 탑 (3) 을 포함하는 재순환 루프 (11) 이다. 분무 탑 (3) 의 하단부에는 물통 (5) 및 열 펌프 증발기 (16: HPE) 가 제공된다(이하에서 보다 상세히 설명됨).
3차 워터 회로 (TWC) 는 재순환 루프 (12) 및 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 을 포함한다. 급수 라인 (13)/PWC (10) 및 TWC (11) 는 제 2 열교환기 (14) 를 통해 열적 접촉하는 한편, PWC (10) 및 SWC (12) 는 제 1 열교환기 (15) 를 통해 열적 접촉한다.
1차, 2차 및 3차 워터 회로 및 급수 라인에는 유리하게는 각각 제 1 펌프, 제 2 펌프, 제 3 펌프 및 제 4 펌프가 제공된다 (도시 생략). 이들 펌프는 대응하는 회로에서 적절한 압력 레벨을 보장하고, 본 발명에 따라 도입된 상보적인 장치에 의해 유도된 추가적인 압력 손실을 보상한다.
종래 기술의 HRSG 에서, 급수의 가열은, HRSG 의 입구에서 바람직하게는 55℃ 내지 80℃ 범위의 요구되는 온도 수준을 생성하기 위해, 바람직하게는 160℃ 내지 190℃ 범위의 루프에서 재가열된 가압수의 고온 유동과 바람직하게는 20℃ 내지 50℃ 범위의 응축물의 유입되는 외부 저온 유동을 혼합하는 예열기 상에 배치된 재순환 루프에 의해 전형적으로 달성된다. 도 6 에 도시된 본 발명의 실시형태는, 전술한 회수된 잠열을 사용하여 이 응축물 유동 가열을 수행하고 또한 재순환 루프 (10) 에서 운반된 열을 다수의 가능한 열적 애플리케이션 (9) 에 사용/교환하는 것을 보조한다.
그러나, 도 6 에 도시된 실시형태에서, 잠열은 비교적 저온에서 회수될 수 있다. 분무 탑 (3) 의 물통 (5) 에서의 수온은 이 위치에서의 배기 가스의 노점과 동일할 수 있고, 즉 전형적인 주변 조건 및 천연 가스의 연소에 대해 40℃ 내지 50℃ 의 범위에 있을 수 있다. 결과적으로, 이러한 저 등급 열의 일부만이 통상적으로 플레이트 교환기인 열교환기, 예를 들어 열교환기 (14) 에 의해 응축물 유동에 수동적으로 전달될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시형태에서, 플레이트 열교환기는 그의 높은 열 전달 계수, 낮은 핀치 요구 및 제한된 벌크의 이점을 취하기 위해 이용된다.
응축물 유동을 그의 요구되는 온도로 추가로 가열한다는 것은, 열역학 제 2 법칙에 의해 자연적으로 발생하지 않는, 저온 스팟으로부터 고온 스팟으로 열적 에너지를 이동시키는 것을 의미한다. 결과적으로, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 산업용 열 펌프 (18) 가 이러한 열 전달을 수행하는데 사용된다. 열 펌프의 증발기 (16) (HPE) 에 의해 열이 포착되는 열 소스는 분무 탑을 통과하는 물 유동이며, 열 펌프의 응축기 (17) (HPC) 로부터 열이 방출되는 열 싱크는 응축물 유동이다. 열 펌프 작동에 필요한 전기 파워를 제공하는 장치는 도면에 도시되어 있지 않다. 대안적으로, 산업용 열 펌프는 냉각 재순환 유동으로부터 에너지를 회수하여 샤워 입구 온도를 감소시키기 위해 당업계에 알려진 임의의 시스템으로 대체될 수 있다.
재순환 루프 (10) (PWC) 에서 운반된 열은 다른 목적을 위해, 특히 저온 내지 중온의 열적 에너지를 필요로 하는 다양한 애플리케이션 (9) 을 위해 사용될 수 있다. 상이한 품질의 물 유동, 즉 HRSG 를 통과하는 물과 열적 애플리케이션 (9) 에서 사용된 물을 혼합하지 않기 위해, 열은 예를 들어 플레이트 열교환기일 수 있는 제 1 열교환기 (15) 에 의해 보조 회로 (12) (SWC) 에 전달된다.
본 발명에 의해 생성된 고온수의 유동은 예를 들어 다음과 같은 엔드-유저 열적 애플리케이션의 비한정적인 목록에서 역할을 할 수 있다: 지역 난방 네트워크를 공급하기 위한 고온수 유동의 직접적인 사용, 열적으로 구동된 칠러에서의 고온수 유동의 사용 (흡수 및 흡착 칠러는 고온수 또는 스팀으로부터 냉각수를 생성하는 3-소스 열적 기계임) 및 지역 냉방 네트워크를 공급하기 위한 냉각수의 사용, 예를 들어 다중효용법 (Multi Effect Distillation: MED) 과 같은 열적 프로세스를 통해 해수로부터 신선한 물을 생성하기 위한 고온수 유동의 사용 (담수화).
본 발명의 다른 실시형태에서, 2 개 또는 심지어 3 개의 애플리케이션은 소위 트리-제너레이션 또는 심지어는 폴리-제너레이션 (전기, 열, 냉수 및 담수) 을 제공하도록 조합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 재순환 루프의 열적 부하는 HRSG 의 스팀 생성 및 그에 따른 스팀 터빈의 발전을 증가시키는데 사용될 수 있다.
정상-상태 작동에서, 퓸의 부분 응축에 의해 생성된 유출물 (8) 의 유동은 분무 탑의 물통에서 일정 수준을 유지하기 위해 환경으로 방출되어야 한다.
분무된 물과 퓸과의 밀접한 접촉은 분무된 물이 산성이 되게 한다. 퓸에 함유된 CO2 는 물에 용해될 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 유출물 (8) 을 환경으로 방출하기 전에 이 산성화된 물의 pH 를 6.0-8.0 pH 범위로 증가시키기 위해 수처리 유닛 (water treatment unit: WTU) (도시되지 않음) 이 이용될 수 있다. 가능한 처리는 물의 산성화를 중화하기 위하여 탄산 칼슘과 같은 알칼리성 제품에 의존한다.
도 7 은 본 발명에 따른 응축 HRSG 의 또 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸다. 이는 열 펌프가 없다는 점에서 도 6 에 도시된 실시형태와 다르다. 이 실시형태는 퓸의 수증기 농도가 더 높은 경우 (예를 들어, 습 가스 터빈 사이클 뒤의 HRSG) 에 적합할 수 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 응축 HRSG 의 또 다른 실시형태를 개략적으로 도시한다. 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 가스의 일부 내에 함유된 잠열의 부분적인 회수는 간접-접촉 수단에 의해 이루어 지는데, 이 간접-접촉 수단은 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 가스의 일부 내에 위치한 간접-접촉 열교환기 (20) 가 제공된 급수 라인 (13) 의 섹션을 포함하여서, 간접-접촉 열교환기 (20) 의 표면상에서의 배기 가스의 응축으로 인해, 배기 가스에 함유된 잠열이 전술한 바와 같이 1차 워터 회로 (10) 에 전달된다.
간접-접촉 열교환기의 교환 영역의 외부 표면상에서의 배기 가스의 부분적인 응축은 또한, 전술한 바와 같이 적절한 처리 후에 환경으로 방출되어야 하는 과량의 유출물 (8) 의 유동을 발생시킨다.
도 9 는 본 발명에 따른 응축 HRSG 의 또 다른 실시형태를 개략적으로 나타낸다. 도 8 에 도시된 실시형태와 관련하여, 응축 열 회수 스팀 발생기는 열 펌프를 추가적으로 포함한다. 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 가스의 일부의 내부에 위치한 간접-접촉 열교환기 (20) 가 제공된 급수 라인 (13) 의 섹션은 열 펌프 (18) 의 증발기 (16) 를 포함하고, 급수 라인 (13) 의 재순환 부분은 열 펌프 (18) 의 응축기 (17) 를 포함하여서, 간접-접촉 열교환기 (20) 가 제공된 급수 라인 (13) 의 상기 섹션에서 추가적인 열이 추출되어, 상기 열 펌프 (18) 에 의해 1차 워터 회로 (10) 에 전달된다. 그럼으로써, 간접-접촉 열교환기로 들어가는 응축물의 온도가 낮기 때문에 에너지 전달의 용량이 향상된다.
본원에 개시된 원리는 여기에 개시된 예시적인 실시형태들에 한정되지 않는다. 특히, 시스템은 에너지 수요에 따라 연속적으로 또는 간헐적으로 작동될 수 있으며, 시스템은 수직 및 수평 HRSG 에 모두 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태는 기존의 또는 종래 기술 (비-응축) 의 HRSG 에 부가적인 장비를 제공하고, 주어진 범위 내에서 다음의 특징들을 통합할 수 있다: 압력, 온도 및 질량 유동 (저압 드럼에 대한 물의 온도, 압력 및 질량 유동은 기준 HRSG 에 대해 수정되지 않을 수 있음) 의 관점에서, 규정된 스팀 생산, 제 1 피닝 튜브 열교환기에서의 응축을 방지하기 위한 HRSG 입구의 급수 온도에 대한 요청된 최소값 (HRSG 입구에서의 급수 온도는 기준 HRSG 에 대해 수정되지 않을 수 있음), 상류 가스 터빈의 적절한 작동을 보장하기 위해 배기 가스 측에서 허용된 압력 손실의 최대 레벨.
추가 실시형태에서, 처리된 유출물 (8) 의 유동은 유리하게는 스팀 사이클을 위한 보충수, 냉각 시스템을 위한 보충수 또는 기존의 작동 조건에 대해 가스 터빈 사이클에서 가장 적합한 물 분사와 같은 복합 사이클의 다양한 지점에 대한 공급물로서 사용될 수 있다. 이 마지막 사용은 가스 터빈으로부터의 배기 가스에서의 수증기 함량을 증가시킬 것으로 예상된다. 이는 배기 가스의 추가 응축과 추가 잠열 회수에 의한 "스노우볼 효과" 를 가져온다.
본 발명은 도면 및 전술한 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 그러한 예시 및 설명은 도시적 또는 예시적인 것으로 고려되어야 하며 제한적이지는 않다. 당업자는 다음의 청구범위의 범위 내에서 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 특히, 본 발명은 전술한 상이한 실시형태들로부터의 특징들의 임의의 조합을 갖는 추가 실시형태들을 포함한다.
청구범위에 사용된 용어는 전술한 설명과 일치하는 가장 폭넓은 합리적인 해석을 갖는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 요소를 도입할 때 "a" 또는 "the" 라는 관사를 사용하는 것은 복수의 요소들을 제외하는 것으로 해석되어서는 안된다. 마찬가지로, "또는" 의 인용은 포괄적인 것으로서 해석되어야 하며, A 와 B 중의 하나만을 의도하는 것임이 문맥 또는 전술한 설명으로부터 명확하지 않으면, "A 또는 B" 의 기재는 "A 및 B" 를 제외하지 않는다. 또한 "A, B 및 C 중 적어도 하나" 의 설명은 A, B 및 C 로 구성된 요소들의 그룹 중 하나 또는 그 이상으로 해석되어야 하며, A, B 및 C 가 카테고리로 또는 다른 것으로 관계가 있는지 여부와 상관없이 열거된 요소 A, B 및 C 의 각각의 적어도 하나를 필요로 하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, "A, B 및/또는 C" 또는 "A, B 또는 C 중 적어도 하나" 의 기재는 열거된 요소들로부터의 임의의 단일 개체, 예를 들어 A, 열거된 요소들로부터의 임의의 서브세트, 예를 들어 A 및 B, 또는, 요소들 A, B 및 C 의 전체 리스트를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1 HRSG
2 배기 가스 유동의 일부를 우회하는 스택
3 분무 탑
4 팬
5 물통
6 예열기 / 이코노마이저
7 급수 입구 (스팀 사이클로부터의 응축물)
8 환경 또는 유용한 용처로의 액체 유출물 출구
9 엔드-유저 열적 애플리케이션
10 1차 워터 회로 (예열기 재순환 루프) 또는 PWC
11 3차 워터 회로 (분무탑 재순환 루프) 또는 TWC
12 2차 워터 회로 (열적 애플리케이션 재순환 루프) 또는 SWC
13 급수 라인 (저온에서의 응축물)
14 제 2 열교환기 (급수 라인과 3차 워터 회로 사이)
15 제 1 열교환기 (1차 워터 회로와 2차 워터 회로 사이)
16 열 펌프 증발기 (HPE)
17 열 펌프 응축기 (HPC)
18 열 펌프
19 LP 드럼
20 간접-접촉 열교환기
21 응축 영역
22 열병합 발전용 열교환기
2 배기 가스 유동의 일부를 우회하는 스택
3 분무 탑
4 팬
5 물통
6 예열기 / 이코노마이저
7 급수 입구 (스팀 사이클로부터의 응축물)
8 환경 또는 유용한 용처로의 액체 유출물 출구
9 엔드-유저 열적 애플리케이션
10 1차 워터 회로 (예열기 재순환 루프) 또는 PWC
11 3차 워터 회로 (분무탑 재순환 루프) 또는 TWC
12 2차 워터 회로 (열적 애플리케이션 재순환 루프) 또는 SWC
13 급수 라인 (저온에서의 응축물)
14 제 2 열교환기 (급수 라인과 3차 워터 회로 사이)
15 제 1 열교환기 (1차 워터 회로와 2차 워터 회로 사이)
16 열 펌프 증발기 (HPE)
17 열 펌프 응축기 (HPC)
18 열 펌프
19 LP 드럼
20 간접-접촉 열교환기
21 응축 영역
22 열병합 발전용 열교환기
Claims (14)
- 응축 열 회수 스팀 발생기 (cHRSG) 로서,
- 배기 고온 가스 메인 유동을 위한 메인 스택 (1);
- 배기 고온 가스의 일부가 상기 배기 고온 가스 메인 유동을 우회하여 바이패스 스택 (2) 에서 순환할 수 있게 하기 위한 바이패스 스택 (2);
- 상기 메인 스택 (1) 에서 상기 배기 고온 가스 메인 유동의 입구에 위치한 예열기 (6) 를 갖는 재순환 루프를 포함하는 1차 워터 회로 (10), 및 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 을 구비한 2차 워터 회로 (12);
- 상기 1차 워터 회로 (10) 와 상기 2차 워터 회로 (12) 사이에 열교환을 제공하기 위한 제 1 열교환기 (15) 로서, 상기 1차 워터 회로와 상기 2차 워터 회로가 상기 제 1 열교환기 (15) 를 통해 열적으로 접촉은 하지만 유체적으로 상호연결되지는 않도록 되어 있는, 상기 제 1 열교환기 (15);
- 제 1 단부에서 응축물이 공급되고 제 2 단부에서 상기 1차 워터 회로 (10) 에 물리적으로 연결되는 급수 라인 (13);
- 상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 고온 가스의 일부 내에 포함된 잠열을 적어도 부분적으로 회수하고 상기 잠열을 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달하기 위한 수단;
을 포함하고,
상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 고온 가스의 일부 내에 포함된 잠열을 적어도 부분적으로 회수하고 상기 잠열을 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달하기 위한 상기 수단은, 응축 영역 (21) 을 포함하고, 또한, 첫째로 상기 1차 워터 회로 (10) 의 상기 예열기 (6) 에서 수행되는 물 예열에 기여하고 그리고 둘째로 상기 제 1 열교환기 (15) 를 통해 상기 2차 워터 회로 (12) 에서 상기 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 에 열을 전달하도록 배치되는, 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항에 있어서,
상기 응축 영역 (21) 에서 산성 응축이 특별히 발생하는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 고온 가스의 일부 내에 포함된 잠열을 적어도 부분적으로 회수하고 상기 잠열을 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달하기 위한 상기 수단은, 상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 고온 가스의 일부와 향류로 직접적으로 열을 교환하는 워터 샤워 유동을 전달하기 위해 하부 단부에 물통 (5) 를 구비하는 분무 탑 (3) 을 가지는 3차 워터 회로 (11), 및 상기 3차 워터 회로 (11) 와 상기 급수 라인 (13) 및 추가로 상기 1차 워터 회로 (10) 사이에 열교환을 제공하기 위한 제 2 열교환기 (14) 를 포함하는 직접-접촉 수단인 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 3 항에 있어서,
상기 응축 열 회수 스팀 발생기는 열 펌프 (18) 를 추가로 포함하고,
상기 3차 워터 회로 (11) 는 상기 열 펌프 (18) 의 증발기 (16) 를 포함하고, 상기 급수 라인 (13) 은 상기 열 펌프 (18) 의 응축기 (17) 를 포함하여서, 추가의 열이 상기 3차 워터 회로 (11) 에서 추출되어 상기 열 펌프 (18) 에 의해 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 고온 가스의 일부 내에 포함된 잠열을 적어도 부분적으로 회수하고 상기 잠열을 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달하기 위한 상기 수단은, 간접-접촉 열교환기 (20) 의 표면 상에서의 배기 가스의 응축으로 인해 배기 가스에 함유된 잠열이 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달되도록, 상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 가스의 일부 내에 위치하는 간접-접촉 열교환기 (20) 를 구비한 상기 급수 라인 (13) 의 섹션을 포함하는 간접-접촉 수단인 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 5 항에 있어서,
상기 응축 열 회수 스팀 발생기는 열 펌프 (18) 를 추가로 포함하고,
상기 바이패스 스택 (2) 에서 순환하는 배기 가스의 일부 내에 위치하는 간접-접촉 열교환기 (20) 를 구비한 상기 급수 라인 (13) 의 상기 섹션은 상기 열 펌프 (18) 의 증발기 (16) 를 포함하고, 상기 급수 라인 (13) 의 재순환 부분은 상기 열 펌프 (18) 의 응축기 (17) 를 포함하여서, 추가의 열이 상기 간접-접촉 열교환기 (20) 를 구비한 상기 급수 라인 (13) 의 상기 섹션에서 추출되어 상기 열 펌프 (18) 에 의해 상기 1차 워터 회로 (10) 에 전달되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 은 지역 난방 네트워크를 공급하기 위해 상기 2차 워터 회로 (12) 의 고온 워터 유동을 직접적으로 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 은 지역 냉방 네트워크를 공급하도록 냉수를 생성하기 위해 열적으로 구동되는 칠러 (chiller) 에서 상기 2차 워터 회로 (12) 의 고온 워터 유동을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 은 워터 담수화를 수행하기 위해 상기 2차 워터 회로 (12) 의 고온 워터 유동을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 2 개의 상이한 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 이 에너지 폴리제너레이션 (energy polygeneration) 을 제공하기 위해 조합되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 은 추가적인 스팀 생산을 위한 수단에 의해 대체되거나 보충되는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 11 항에 있어서,
상기 엔드-유저 열적 애플리케이션 (9) 이 추가적인 스팀 생산을 위한 수단들과 조합되어서, 상기 추가적인 스팀 생산을 위한 수단들 사이의 특정 분할이 필요에 따라 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 배기 고온 가스의 부분적 응축에 의해 발생된 유출물 (8) 의 유동을 환경 또는 임의의 잠재적인 사용처에 방출하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기. - 제 13 항에 있어서,
가스 터빈에 의해 발생된 배기 가스의 습도 수준을 증가시키기 위해, 가스 터빈 사이클에서 가장 적합한 곳에 유출물 (8) 의 유동을 분사하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 응축 열 회수 스팀 발생기.
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