KR20180120234A - 조합 사이클 파워 플랜트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 청구항 제1항에 따른 조합 사이클 파워 플랜트에 관한 것이고, 이는 터빈(11), 배출 가스 열 교환기(12), 펌프(13), 응축기(15), 및 터빈(11)에 의해 구동되는 제1 발전기(G1)를 구비한 랭킨 사이클(10); 및 적어도 2개의 압축기 스테이지(21, 22, 23), 연소기(25), 적어도 하나의 터빈 스테이지(24, 24', 24", 24'"), 및 적어도 하나의 터빈 스테이지(24, 24', 24", 24'")에 의해 구동되는 제2 발전기(G2)를 구비한 다중 샤프트 가스 터빈 사이클(20)을 포함하고; 2개의 압축기 스테이지(21, 22, 23)들 사이의 압축 공기 압축 공기 경로에서, 인터쿨러(27, 28)는 연소기(25)를 위한 압축 공기의 온도가 감소되도록 배열된다. 인터쿨러(27, 28)로부터의 저온측 경로는 인터쿨러(27, 28)로부터의 폐열이 배출 가스 열 교환기(12)로부터의 배출 가스 열에 추가하여 랭킨 사이클에 공급되도록, 랭킨 사이클(10)의 배출 가스 교환기(12)에 병렬로 연결된다.

Description

조합 사이클 파워 플랜트
본 발명은 청구항 제1항에 따른 조합 사이클 파워 플랜트(combined cycle power plant)에 관한 것이다.
단순 사이클 가스 터빈 파워 플랜트의 효율은 상대적으로 낮고, 배출 가스의 온도는 높다 (400 - 600℃). 따라서, 연료 에너지의 상당 부분은 버려지고, 전기 에너지의 원하는 형태로 변환되지 않는다. 따라서, 단순 사이클 가스 터빈 파워 플랜트는 기본 부하 전력 발전에는 덜 바람직하다. 그러나, 배출 가스의 높은 온도는 전체 플랜트 효율을 개선하기 위한 열 회수 기술의 사용을 허용한다. 그러한 조합 사이클 파워 플랜트의 예가 도 1에 도시되어 있고, 가스 터빈 사이클은 바터밍 랭킨 사이클(bot-toming Rankin-Cycle) 또는 특히 유기 랭킨 사이클(ORC)과 조합된다.
배출 가스로부터 에너지를 회수하기 위한 바터밍 랭킨 사이클이 조합 사이클 파워 플랜트 내에서 가장 일반적으로 사용된다. 그러한 랭킨 사이클은 전형적으로 수증기 유체에 기초하고, 유기 랭킨 사이클은 유기 고분자량 유체의 사용에 기초한다. 배출 가스의 낮은 온도는 전기 에너지로의 변환을 포함할 수 있는 유용한 일로 변환된다.
또한, 가스 터빈 사이클의 효율은 2개의 압축기 스테이지 사이에서 압축 공기가 냉각되는 인터쿨러에 의해 또는 압축 공기가 연소실로 진입하기 전에 배출 가스로부터 가열되는 복열기에 의해 개선될 수 있다.
조합 사이클 파워 플랜트의 전체 효율을 개선하기 위해 모든 그러한 기술들을 조합하는 것이 또한 가능하다. 복열이 사용될 때, 배출 가스는 전형적으로 180 내지 300℃의 범위 내의 낮은 온도를 가질 것이다. 이러한 경우에, 유기 랭킨 사이클을 사용하는 것은 유기 유체의 더 낮은 증발 온도로 인해 적합할 것이다. 그러나 여기서, 흔히 인터쿨러로부터의 열은 대기로 방출되고, 사용되지 않는다.
이러한 문제점은 이미 '압축기 및 풍력 발전용 터빈을 구비한 펌프 및 팬에 대한 6차 국제 학회'에서 제시된 알. 브라운(R. Braun), 케이. 쿠스터러(K. Kusterer), 티. 스기모토(T. Sugimoto), 케이. 타니무라(K. Tanimura), 및 디. 본(D. Bohn)의 문헌 "태양열 가스 터빈과의 조합된 용도에서의 유기 랭킨 사이클의 열역학 및 설계 인자"에서 해결되었다. 여기서, 조합 사이클 파워 플랜트 내에서, 배출 가스 열 교환기에 의해 최종 온도로 가열되기 전에 저온 유기 유체를 가열하기 위해 폐열을 인터쿨러로부터 유기 랭킨 사이클로 방출하는 것이 제안되었다. 그에 의해, 유기 유체는 유기 랭킨 사이클 내에 직렬로 위치된 2개의 열원을 갖는다. 제1 열원은 인터쿨러(들)이고, 제2 열원은 가스 터빈의 배출 가스이다. 종래 기술의 배열의 그러한 상태의 문제점은 직렬인 2개의 가열기에 의해 ORC 유체를 가열하는 것 및 상위 온도 수준 가열기에서 배출 가스를 사용하는 것이 제1 ORC 유체 가열기를 떠나는 ORC 유체보다 더 높은, 높은 배출 온도를 야기하는 것이다. 이는 배출 가스 내의 에너지의 최대 사용을 제한한다. 2개의 열원들의 작동이 특히 증발 온도가 압력에 따라 변화할 때의 부분 부하에 있어서 서로 의존적이기 때문에 이러한 설계는 제어하기가 쉽지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 추가로 개선된 전체 효율을 갖는 조합 사이클 파워 플랜트를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 제1항에 따른 조합 사이클 파워 플랜트에 의해 달성되고, 조합 사이클 파워 플랜트는,
- 터빈 또는 팽창기, 배출 가스 열 교환기, 펌프, 응축기, 및 터빈에 의해 구동되는 제1 발전기를 구비한 랭킨 사이클, 및
- 적어도 2개의 압축기 스테이지, 연소기, 적어도 하나의 터빈 스테이지, 및 적어도 하나의 터빈 스테이지에 의해 구동되는 제2 발전기를 구비한 다중 샤프트 가스 터빈 사이클
을 포함하고,
- 2개의 압축기 스테이지들 사이의 압축 공기 경로에서, 인터쿨러가 연소기를 위한 압축 공기의 온도가 감소되도록 배열되고,
- 인터쿨러로부터의 저온측 경로는 인터쿨러로부터의 폐열이 배출 가스 열 교환기로부터의 배출 가스 열에 추가하여 랭킨 사이클에 공급되도록, 랭킨 사이클의 배출 가스 교환기에 병렬로 연결된다.
본 발명의 원리는 간략하게는, 랭킨 사이클 내에서 전기를 발생시키기 위해 가스 터빈의 출력으로부터의 배출 에너지 및 압축기 인터쿨러로부터의 폐 에너지를 재사용하는 것이다. 본 발명의 조합 사이클 파워 플랜트 개념에 따르면, 인터쿨러로부터의 열이 가스 터빈의 배출 가스인, 랭킨 사이클의 주요 열원에 대해 병렬로 랭킨 사이클로 방출된다. 저온 가압 랭킨 매체는 2개의 유동으로 분리된다. 주요 유동은 배출 가스에 의해 원하는 온도로 가열된다. 제2 유동은 인터쿨러들 사이에서 분할되고, 그 다음 이는 인터쿨러에 의해 가열된 후에 합쳐진다. 랭킨 사이클의 모든 열원의 출구에서의 매체는 유사한 파라미터(온도 및 압력)를 갖고, 그러므로 이들은 동일한 터빈에 대해 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 2개의 인터쿨러를 구비한 3개의 압축기 스테이지가 이용 가능하고, 각각의 인터쿨러는 랭킨 사이클의 배출 가스 열 교환기에 병렬로 연결된다. 그러한 설계의 장점은 인터쿨링이 압축 가스의 온도를 감소시키고, 이는 그의 체적을 감소시키는 것이다. 따라서, 압축기에 의해 행해지는 일은 더 적은 체적에 대해 더 적고, 이는 입력 파워를 감소시켜서 가스 터빈의 더 높은 효율을 생성할 것이다. 전형적으로 공지된 유기 랭킨 사이클의 효율은 약 13%이지만, 본 발명에서, 이는 약 19%이다.
적어도 하나의 제어 가능한 밸브가 인터쿨러로부터 유기 랭킨 사이클로 전달되는 폐열의 양을 조정하기 위해 인터쿨러로부터의 저온측 경로의 공급 라인 내에 제공되면, 전달되는 폐열의 양은 유기 랭킨 사이클 파라미터에 대해 가장 잘 적응될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에서, 복열기가 터빈 출구로부터의 배출 가스가 그러한 복열기의 고온측 경로를 따라 유동하는 동안, 연소기 이전에 압축 공기를 예비 가열하기 위해 사용된다. 따라서, 압축 공기를 예비 가열하고 원하는 온도에 도달하기 위한 열 요건을 감소시킴으로써 연료 절감을 허용한다.
유기 랭킨 사이클을 적용할 때, 증발 온도를 갖는 유기 매체가 사용될 수 있고, 이는 이용 가능한 열원들이 상이한 온도 수준에서 사용되는 것을 허용한다. 이러한 설계의 장점은 총 시스템 효율이 전형적인 가스 터빈 조합 사이클 내에서보다 더 높은 것이다.
인터쿨러 및 배출 가스 열 교환기 내의 유기 유체가 유사한 단일 초임계 상을 가지면, 유기 랭킨 사이클은 매우 단순하게 만들어질 수 있고, 제어하기 쉽다. 이는 장비 요건을 최소화하며, 예컨대, 드럼이 요구되지 않는다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다. 도면은 본 발명의 범주를 제한하지 않고서, 본 발명의 실질적인 실시예의 예를 도시할 뿐이다.
도 1은 종래 기술의 조합 사이클 파워 플랜트의 상태의 개략도를 도시한다.
도 2는 종래 기술의 조합 사이클 파워 플랜트의 진보된 상태의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 조합 사이클 파워 플랜트의 개략도를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같은 가스 터빈 사이클(20) 및 유기 랭킨 사이클(10)을 구비한 조합 사이클 파워 플랜트가 공지되어 있다. 여기서, 3개의 압축기 스테이지(21, 22, 23)를 구비한 다중 샤프트 가스 터빈은 압축 공기가 연료와 혼합되어 점화되기 전에, 3개의 단계로 연소기(25)를 위한 공기를 압축한다. 그 후에, 배출 가스는 4개의 터빈 스테이지(24, 24', 24", 24'") 내에서 팽창된다. 전기 발전기(G2)가 파워 터빈(24'")에 연결된다. 최종 터빈 스테이지로부터의 배출 가스의 에너지가 대기로 배출되는 것을 회피하기 위해, 랭킨 사이클, 또는 이러한 예에서 유기 랭킨 사이클(10)이 추가된다. 유기 랭킨 사이클(10)은 배출 가스 열 교환기(12) 내에서 가열되는 유체에 의해 공급받는 터빈(11)을 포함한다. 또한, 펌프(13) 및 응축기(15)가 유기 랭킨 사이클(10) 내에 배열된다. 마지막으로, 터빈(11)은 제1 발전기(G1)를 구동한다.
도 2는 다중 샤프트 가스 터빈 사이클(20) 및 유기 랭킨 사이클(10)을 구비한 종래 기술의 조합 사이클 파워 플랜트의 공지된 상태의 개략도를 도시하고, 인터쿨러(27, 28)로부터의 저온측 경로는 공급 라인(36, 37)을 거쳐 랭킨 사이클(10)에 직렬로 연결된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 개략도를 도시한다. 여기서, 조합 사이클 파워 플랜트는 터빈(11), 배출 가스 열 교환기(12), 펌프(13), 응축기(15), 및 터빈(11)에 의해 구동되는 제1 발전기(G1)를 구비한 랭킨 사이클(10)을 포함한다. 또한, 조합 사이클 파워 플랜트는 적어도 3개의 압축기 스테이지(21, 22, 23), 연소기(25), 4개의 터빈 스테이지(24, 24', 24", 24'"), 및 터빈 스테이지에 의해 구동되는 제2 발전기(G2)를 구비한 다중 샤프트 가스 터빈 사이클(20)을 포함한다. 복열기(26)는 배출 가스가 이러한 배출 가스가 유기 랭킨 사이클(10)의 배출 가스 열 교환기(12)로 공급되기 전에, 먼저 고온측 경로(31, 32)를 따라 그러한 복열기(26)로 유동하는 동안, 연소기(25)이전에 압축 공기를 예비 가열하기 위해 사용된다. 각각의 2개의 압축기 스테이지(21, 22)들 및 압축 스테이지(22, 23)들 사이의 압축 공기 경로에서, 인터쿨러(27) 및 인터쿨러(28)가 압축 공기의 온도를 감소시키기 위해 배열된다. 본 발명에 따르면, 인터쿨러(27, 28)로부터의 저온측 경로는 인터쿨러(27, 28)로부터의 폐열이 배출 가스 열 교환기(12)로부터의 배출 가스 열에 추가하여 랭킨 사이클에 공급되도록, 랭킨 사이클(10)의 배출 가스 교환기(12)에 병렬로 연결된다. 도시된 바람직한 실시예에서, 양 인터쿨러(27, 28)는 랭킨 사이클(10)의 배출 가스 열 교환기(12)에 병렬로 연결된다. 본 발명은 열원들의 병렬 구성에서 유기 랭킨 사이클 유체가 양 열 교환기에 의해 유사한 온도로 가열되기 때문에 유연성을 제공한다. 결과적으로, 전체 플랜트는 낮은 부분 부하에서 운전될 수 있다. 20% 부하 아래에서, 인터쿨러 열이 매우 낮으면, 인터쿨러는 우회될 수 있고, 조합 사이클이 작동될 수 있다.
이러한 개선에 의해, 조합 사이클 파워 플랜트의 전체 효율은 배출 열 + 인터쿨러로부터의 폐열의 사용으로 인해 증가한다. 전형적으로, 항공기 개량형, 3-샤프트 가스 터빈은 약 41%의 효율을 갖는다. 유기 랭킨 사이클을 추가하여, 인터쿨러 및 복열기는 55% 이상까지 효율을 증가시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 조합 사이클 파워 플랜트이며,
    - 터빈(11), 배출 가스 열 교환기(12), 펌프(13), 응축기(15), 및 터빈(11)에 의해 구동되는 제1 발전기(G1)를 구비한 랭킨 사이클(10), 및
    - 적어도 2개의 압축기 스테이지(21, 22, 23), 연소기(25), 적어도 하나의 터빈 스테이지(24, 24', 24", 24'"), 및 적어도 하나의 터빈 스테이지(24, 24', 24", 24'")에 의해 구동되는 제2 발전기(G2)를 구비한 다중 샤프트 가스 터빈 사이클(20)
    을 포함하고,
    - 2개의 압축기 스테이지(21, 22, 23)들 사이의 압축 공기 압축 공기 경로에서, 연소기(25)를 위한 압축 공기의 온도가 감소되도록 인터쿨러(27, 28)가 배열되는,
    조합 사이클 파워 플랜트에 있어서,
    인터쿨러(27, 28)로부터의 저온측 경로는 인터쿨러(27, 28)로부터의 폐열이 배출 가스 열 교환기(12)로부터의 배출 가스 열에 추가하여 랭킨 사이클에 공급되도록, 랭킨 사이클(10)의 배출 가스 교환기(12)에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 조합 사이클 파워 플랜트.
  2. 제1항에 있어서, 2개의 인터쿨러(27, 28)를 구비한 3개의 압축기 스테이지(21, 22, 23)가 이용 가능하고, 각각의 인터쿨러(27, 28)는 랭킨 사이클(10)의 배출 가스 열 교환기(12)에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 조합 사이클 파워 플랜트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 제어 가능한 밸브가 인터쿨러(27, 28)로부터 랭킨 사이클(10)로 전달되는 폐열의 양을 조정하기 위해 인터쿨러(27, 28)로부터의 저온측 경로의 공급 라인(34, 36) 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 조합 사이클 파워 플랜트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 복열기(26)가 사용되어, 배출 가스가 상기 복열기(26)의 고온측 경로(31, 32)를 따라 유동하는 동안, 연소기(25)를 위한 연료를 예비 가열하는 것을 특징으로 하는 조합 사이클 파워 플랜트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 랭킨 사이클은 유기 랭킨 사이클인 것을 특징으로 하는 조합 사이클 파워 플랜트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 인터쿨러(27, 28) 및 배출 가스 열 교환기(12) 내의 유기 유체는 초임계적인 유사한 단일 상을 갖는 것을 특징으로 하는 조합 사이클 파워 플랜트.
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