KR20190033798A

KR20190033798A - 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈

Info

Publication number: KR20190033798A
Application number: KR1020170122411A
Authority: KR
Inventors: 김동권
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-04-01
Also published as: KR101967062B1

Abstract

본 발명은, 터빈으로부터 추기된 고온의 공기를 이용하여 압축기를 예열시키는 장치로서, 상기 압축기와 터빈을 연결하며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기가 유동하는 추기공급관을 구비하는 공급부; 및 상기 추기공급관에 설치되며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기를 이송시키는 송풍팬을 포함하는 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 압축기의 시동운전 전에, 터빈의 내부에 존재하는 고온의 공기를 이용하여 압축기 및 터빈 케이싱을 열 팽창시킴으로써, 가스터빈의 시동운전 시 압축기 및 터빈 블레이드의 단부가 압축기 및 터빈 케이싱의 내벽에 접촉되는 것을 방지할 수 있다.

Description

압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈{Apparatus for preheating compressor and gas turbine comprising the same}

본 발명은 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 터빈으로부터 추기된 고온의 공기를 이용하여 압축기를 예열하는 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 압축기 입구 스크롤 스트럿이 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 점화기로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.

터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 이러한 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에는, 팁 클리어런스(Tip clearance)로 정의되는 간격이 형성된다. 또한, 가스터빈에는 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 타이로드가 배치되어 있다. 상기 타이로드는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고 상기 타이로드에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.

이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈 측으로 분사된다. 분사된 연소가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.

이 중 가스터빈의 압축기와 관련된 기술로서 대한민국 등록실용신안 제20-0174662호에서는 가스터빈에 관해 개시하고 있다.

이러한 종래의 가스터빈은, 시동운전 시에 압축기 블레이드가 회전에 따른 원심력을 받아 반경방향 외측으로 팽창하는 현상이 발생한다. 이에 따라 상기 종래의 가스터빈은, 시동운전 시 압축기 블레이드의 단부가 압축기 케이싱의 내벽과 접촉되어 마찰을 일으키는 문제가 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 압축기의 시동운전 시, 압축기 블레이드의 단부가 압축기 케이싱의 내벽과 접촉되는 것을 방지할 수 있도록 개선된 구조를 갖는 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 압축기 예열장치는, 터빈으로부터 추기된 고온의 공기를 이용하여 압축기를 예열시키는 장치로서, 상기 압축기와 터빈을 연결하며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기가 유동하는 추기공급관을 구비하는 공급부; 및 상기 추기공급관에 설치되며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기를 이송시키는 송풍팬을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 결합되는 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 케이싱의 내부에 배치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되되 상기 베인의 사이에 배치되는 블레이드를 포함하며 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈; 및 상기 터빈으로부터 추기된 고온의 공기를 상기 압축기로 공급하여 상기 압축기를 예열시키는 압축기 예열장치를 포함하되, 상기 압축기 예열장치는, 상기 압축기와 터빈을 연결하며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기가 유동하는 추기공급관을 구비하는 공급부와, 상기 추기공급관에 설치되며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기를 이송시키는 송풍팬을 포함하는 가스터빈이 제공된다.

상기 케이싱은 그 둘레를 따라 순환유로가 형성되며, 상기 추기공급관은 상기 순환유로로 고온공기를 공급할 수 있다.

상기 추기공급관은, 상기 압축기와 터빈을 연결하는 메인공급관과, 상기 메인공급관으로부터 분기되어 단부가 상기 순환유로와 연통하도록 연결된 분기공급관을 포함하며, 상기 송풍팬은 상기 분기공급관에 설치될 수 있다.

상기 공급부는, 상기 분기공급관에 설치되는 분기밸브와, 상기 메인공급관에 설치되는 메인밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 메인공급관은, 그 일단이 상기 분기공급관에 연결되고 타단이 상기 터빈에 연결되는 제1메인공급관과, 그 일단이 상기 압축기에 연결되고 타단이 제1메인공급관의 일단에 연결되는 제2메인공급관을 포함하며, 상기 메인밸브는 상기 제2메인공급관에 설치될 수 있다.

상기 압축기 예열장치는, 상기 터빈에 설치되어 상기 터빈 내부에 존재하는 공기의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있다.

상기 압축기 예열장치는, 상기 온도센서로부터 전달받은 온도 정보에 대응하여 상기 송풍팬의 작동 및 메인밸브와 분기밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 압축기와 터빈이 작동하지 않는 경우, 상기 메인밸브를 잠그고, 상기 분기밸브는 개방시킨 상태에서 상기 송풍팬을 작동시켜, 상기 제1메인공급관 및 분기공급관을 통해 상기 터빈으로부터 압축기 케이싱으로 고온공기가 공급되도록 하고, 상기 압축기와 터빈이 작동하는 경우, 상기 분기밸브를 잠그고 상기 송풍팬은 작동시키지 않으며, 상기 메인밸브는 개방시켜, 상기 제2메인공급관 및 제1메인공급관을 통해 상기 압축기로부터 터빈으로 압축공기가 공급되도록 할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 압축기와 터빈이 작동하지 않는 경우에 있어서, 상기 온도센서를 통해 측정된 상기 터빈 내부의 공기 온도가 기 설정된 기준온도보다 큰 경우에, 상기 분기밸브를 개방시키고 상기 송풍팬을 작동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈에 의하면, 압축기의 시동운전 전에, 터빈의 내부에 존재하는 고온의 공기를 이용하여 압축기 및 터빈 케이싱을 열 팽창시킴으로써, 가스터빈의 시동운전 시 압축기 및 터빈 블레이드의 단부가 압축기 및 터빈 케이싱의 내벽에 접촉되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1 중 압축기, 터빈 및 송풍팬의 작동을 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 중 압축기 케이싱에 순환유로가 형성된 모습을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1에 따른 가스터빈의 제1실시예에 따른 작동을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1에 따른 가스터빈의 제2실시예에 따른 작동을 도시한 단면도이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 압축기 예열장치 및 이를 포함하는 가스터빈의 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하도록 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(10)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스터빈(10)은 케이싱을 구비하고 있고, 상기 케이싱의 후측에는 터빈(12)을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저가 구비되어 있다. 그리고 상기 디퓨저의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(11)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱의 상류 측에 압축기(100)가 위치하고, 하류 측에 터빈(12)이 배치된다. 이때, 상기 케이싱은 압축기 케이싱(111)과 터빈 케이싱을 포함한다. 상기 압축기 케이싱(111)은 압축기 베인(112)과 압축기 로터(120)를 내부에 수용하며, 상기 터빈 케이싱은 터빈 베인과 터빈 로터를 내부에 수용한다. 그리고 상기 압축기(100)와 상기 터빈(12)의 사이에는 터빈(12)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(100)로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브가 배치되어 있다.

상기 압축기 로터(120)는, 압축기 디스크(121)와 압축기 블레이드(122)를 포함한다. 상기 압축기 케이싱(111)의 내부에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 디스크(121)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 디스크(121)들은 타이로드에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 디스크(121)는 대략 중앙을 상기 타이로드가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 디스크(121)는 대향하는 면이 상기 타이로드에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.

상기 압축기 디스크(121)의 외주면에는 복수개의 압축기 블레이드(122)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 압축기 디스크(121)의 사이에는 상기 압축기 케이싱(111)에 고정되어 배치되는 복수개의 압축기 베인(112)이 위치한다. 상기 압축기 베인(112은 상기 압축기 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 블레이드(122)를 통과한 압축공기의 흐름을 정렬하여 하류 측에 위치하는 압축기 블레이드(122)로 압축공기를 안내하는 역할을 하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 상기 압축기 케이싱(111)과 압축기 베인(112)은, 회전체에 해당하는 상기 압축기 로터(120)와 구분하기 위하여, 압축기 스테이터(110)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

상기 타이로드는 상기 복수개의 압축기 디스크 및 터빈 디스크들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 고정 너트에 의해 체결된다.

상기 타이로드의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 압축기 디스크와 터빈 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

도시되지는 않았으나, 가스터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 안내깃 역할을 하는 디스월러(Desworler)가 설치될 수 있다.

상기 연소기에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.

가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 연소기 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료를 분사하는 노즐과, 연소실을 형성하는 라이너(Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션피스(Transition piece)를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.

한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.

이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀(Hole)들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.

상기 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 압축공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 압축공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 블레이드에 충동, 반동력을 주어 회전토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.

상기 터빈은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈에도 압축기의 압축기 로터와 유사한 복수개의 터빈 로터가 구비된다. 따라서 상기 터빈 로터 역시, 터빈 디스크와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드를 포함한다. 상기 터빈 블레이드의 사이에도 상기 터빈 케이싱에 고정되는 복수개의 터빈 베인이 구비되어, 터빈 블레이드를 통과한 연소가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 상기 터빈 케이싱과 터빈 베인 역시, 회전체에 해당하는 상기 터빈 로터와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 가스터빈(10)은 압축기 예열장치(1000;이하 예열장치라 한다)를 더 포함한다. 상기 예열장치(1000)는, 상기 터빈(12)으로부터 추기된 고온의 공기를 상기 압축기(100)로 공급하여 압축기(100)를 예열시킨다. 이를 위하여, 상기 예열장치(1000)는 공급부(1100) 및 송풍팬(1200)을 포함한다. 상기 공급부(1100)는 상기 압축기(100)와 터빈(12)을 연결하며, 상기 터빈(12)으로부터 추기된 고온공기가 유동하는 추기공급관(1110)을 구비한다. 상기 송풍팬(1200)은 상기 추기공급관(1110)에 설치되며 상기 터빈(12)으로부터 압축기(100)로 고온공기를 이송시킨다.

이때, 도 2를 참조하면, 상기 송풍팬(1200)은 상기 압축기(100)와 터빈(12)의 작동이 완료된 후 다시 시동되기 전의 기간에 작동한다. 그리고 상기 송풍팬(1200)은, 상기 터빈(12)에 잔류하는 열에 의해 가열된 상기 터빈(12) 내부의 고온공기를 추기하여, 상기 추기공급관(1110)을 통해 상기 압축기(100)로 공급한다.

상기 터빈(12)은, 상기 터빈(12)의 내부를 통과한 고온의 연소가스에 의해, 작동이 완료된 이후에도 상당시간동안 고온을 유지한다. 따라서 작동이 완료된 이후의 상기 터빈(12)의 내부로 유입된 공기는, 터빈 블레이드나 터빈 케이싱 등 상기 터빈(12)을 구성하는 각종 부품과 접촉하여 가열되고, 그에 따라 온도가 상승하게 된다. 상기 송풍팬(1200)은, 이러한 고온의 공기를 상기 압축기(100)로 이송시키도록 작동하게 되는 것이다. 이때, 상기 송풍팬(1200)은, 고온의 공기뿐만이 아니라, 상기 터빈(12)을 미처 통과하지 못하고 상기 터빈(12)의 내부에 잔류하는 연소가스를 상기 추기공급관(1110)을 통하여 상기 압축기(100)로 공급하도록 작동할 수도 있다.

여기서, 상기 송풍팬(1200)은, 상기 터빈(12)으로부터 추기된 상기 고온공기를, 상기 압축기(100)의 케이싱(111)으로 이송시킨다. 더욱 상세하게는, 도 3을 참조하면, 상기 압축기 케이싱(111)은 그 둘레를 따라 순환유로(111a)가 형성되며, 상기 추기공급관(1110)은 상기 순환유로(111a)와 연결되도록 설치된다. 그리고 상기 송풍팬(1200)은, 상기 터빈(12)으로부터 추기된 고온의 공기를 상기 압축기 케이싱(111)의 순환유로(111a)로 이송시키도록 작동한다. 상기 압축기 케이싱(111)으로 유입된 상기 고온공기는, 상기 순환유로(111a)를 따라 유동하여 상기 압축기 케이싱(111)으로 열을 전달하며, 그에 따라 상기 케이싱(111)은 반경방향으로 열팽창을 하게 된다.

상기 압축기(100)의 시동운전 시, 상기 압축기 블레이드(122)는 회전에 따른 원심력을 받아 반경방향으로 팽창한다. 하지만 상기 압축기 케이싱(111)은, 상기 압축기(100)의 시동운전 시 상기 압축기(100)의 내부를 유동하는 압축공기로부터 충분한 양의 열에너지를 전달받지 못하여, 반경방향 외측으로 열팽창을 거의 하지 않게 된다. 따라서 상기 압축기(100)의 시동운전 시에는, 상기 압축기 블레이드(122)의 단부가 상기 압축기 케이싱(111)의 내벽과 접촉되어 마찰을 일으키고, 그에 따라 상기 압축기 블레이드(122)의 단부와 압축기 케이싱(111)의 내벽이 마모되는 문제가 발생한다.

하지만 상기와 같이, 압축기(100)의 시동운전 전에, 터빈(12) 내부에 잔류하는 고온의 공기를 상기 압축기 케이싱(111)으로 공급하여 상기 압축기 케이싱(111)을 예열시킴으로써, 상기 압축기 케이싱(111)이 반경방향으로 열팽창을 한 상태에서 상기 압축기(100)가 시동운전을 하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 압축기 블레이드(122)의 단부와 상기 압축기 케이싱(111)의 내벽 사이에 충분한 간격이 형성된 상태에서 상기 압축기(100)가 시동운전을 하게 되므로, 상기 압축기 블레이드(122)가 회전에 따른 원심력을 받아 반경방향으로 팽창하더라도, 상기 압축기 블레이드(122)의 단부가 상기 압축기 케이싱(111)의 내벽에 접촉하지 않게 된다. 이에 따라 본 발명에 따른 압축기 예열장치(1000) 및 이를 포함하는 가스터빈(10)에 의하면, 압축기(100)의 시동운전 시, 압축기 블레이드(122)의 단부와 압축기 케이싱(111)의 내벽에 마모가 발생하는 문제를 방지할 수 있다.

한편, 상기 추기공급관(1110)은, 메인공급관(1111)과 분기공급관(1112)을 포함할 수 있다. 상기 메인공급관(1111)은 상기 압축기(100)와 터빈(12)을 연결하도록 설치된다. 상기 분기공급관(1112)은 상기 메인공급관(1111)으로부터 분기되어 단부가 상기 순환유로(111a)와 연통하도록 연결된다. 이때, 상기 메인공급관(1111)은 제1메인공급관(1111a)과 제2메인공급관(1111b)으로 세분화될 수 있다. 상기 제1메인공급관(1111a)은 그 일단이 상기 분기공급관(1112)에 연결되고 타단이 상기 터빈(12)에 연결된다. 상기 제2메인공급관(1111b)은 그 일단이 상기 압축기(100)의 내부와 연통하도록 상기 압축기에(100)에 연결되고 타단이 상기 제1메인공급관(1111a)의 일단에 연결된다.

상기 송풍팬(1200)은 상기 분기공급관(1112)에 설치된다. 이에 따라 상기 송풍팬(1200)은, 상기 터빈(12)으로부터 추기된 고온공기가 상기 제1메인공급관(1111a) 및 분기공급관(1112)을 통해서 상기 압축기 케이싱(111)으로 공급되도록 작동한다. 또한, 상기 공급부(1100)는, 메인밸브(1120)와 분기밸브(1130)를 더 포함할 수 있다. 상기 메인밸브(1120)는 상기 제2메인공급관(1111b)에 설치되어 상기 제2메인공급관(1111b)을 선택적으로 개폐하도록 작동한다. 상기 분기밸브(1130)는 상기 분기공급관(1112)에 설치되어 상기 분기공급관(1112)을 선택적으로 개폐하도록 작동한다.

상기 예열장치(1000)는, 온도센서(1300)와 제어부(1400)를 더 포함할 수 있다. 상기 온도센서(1300)는, 상기 터빈(12)에 설치되어 상기 터빈(12) 내부에 존재하는 공기의 온도를 측정한다. 상기 제어부(1400)는, 상기 온도센서(1300)로부터 전달받은 온도 정보와, 상기 압축기(100)와 터빈(12)의 작동 여부에 기초하여, 상기 송풍팬(1200)의 작동 및 상기 메인밸브(1120)와 분기밸브(1130)의 개폐를 제어한다.

한편, 상기 예열장치(1000)는, 상기 압축기(100)의 시동운전 전에는 상기 터빈(12)으로부터 상기 압축기(100)로 고온공기가 공급되도록 작동하며, 상기 압축기(100)의 시동운전 시, 그리고 상기 압축기(100)의 정상상태 작동 시에는 상기 압축기(100)로부터 상기 터빈(12)으로 압축공기가 공급되도록 작동한다.

이하부터는, 도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 예열장치(1000)의 작동에 관해 상세히 설명한다.

도 4를 참조하면, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 작동하지 않는 경우, 즉, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 작동을 완료하고 시동운전을 하기 전인 상태인 경우, 상기 제어부(1400)는, 상기 메인밸브(1120)는 잠그되 상기 분기밸브(1130)는 개방되도록 제어하여, 상기 압축기 케이싱(111)과 터빈(12)이 상기 제1메인공급관(1111a)과 분기공급관(1112)을 통해서 서로 연통될 수 있도록 한다. 그리고 상기 제어부(1400)는, 상기 송풍팬(1200)을 작동시켜, 상기 터빈(12)으로부터 추기된 고온공기가 차례로 상기 제1메인공급관(1111a) 및 분기공급관(1112)을 거쳐 상기 압축기 케이싱(111)의 순환유로(111a)로 공급될 수 있도록 한다.

이때, 상기 제어부(1400)는, 상기 온도센서(1300)를 통해 측정된 상기 터빈(12) 내부의 공기온도가 기 설정된 기준온도보다 큰 경우에만, 상기 분기밸브(1130)를 개방시키고 상기 송풍팬(1200)을 작동시켜, 상기 터빈(12)으로부터 고온공기가 상기 압축기 케이싱(111)의 순환유로(111a)로 공급되도록 할 수 있다.

상기 압축기(100)와 터빈(12)의 작동이 완료된 후 상당한 시간이 경과된 경우, 상기 터빈(12)의 온도는 매우 낮아지게 된다. 따라서 이와 같이 냉각된 상기 터빈(12)의 내부로 유입되는 공기는 상기 터빈(12)에 의해 가열되지 않게 된다. 이 경우, 상기 터빈(12)의 내부에 존재하는 공기를 추기하여 상기 압축기 케이싱(111)으로 공급하더라도, 상기 압축기 케이싱(111)이 열팽창을 하지 않게 되므로, 상기 터빈(12)의 내부에 존재하는 공기를 추기할 필요가 없게 된다.

따라서 상기 제어부(1400)는, 상기 압축기 케이싱(111)과 열 교환을 하여 상기 케이싱(111)을 열 팽창시킬 수 있는 공기의 최소 온도를 기준온도로 설정하여, 상기 온도센서(1300)를 통해 측정된 상기 터빈(12) 내부의 공기온도가 상기 기준온도보다 큰 경우에만, 상기 분기밸브(1130)를 개방시키고 상기 송풍팬(1200)을 작동시키게 되는 것이다. 이 경우, 저온의 공기를 상기 압축기 케이싱(111)으로 공급함에 따라 전력이 낭비되는 문제를 방지할 수 있고, 가스터빈(10) 전체의 구동효율을 향상시킬 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 작동하는 경우, 즉, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 시동운전 혹은 정상상태 운전을 하고 있는 경우, 상기 제어부(1400)는, 상기 분기밸브(1130)는 잠그되 상기 메인밸브(1120)는 개방되도록 제어하여, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 상기 제1메인공급관(1111a)과 제2메인공급관(1111b)을 통해서 서로 연통될 수 있도록 한다. 그리고 상기 제어부(1400)는, 상기 송풍팬(1200)의 작동을 정지시켜 상기 터빈(12) 내부에 존재하는 연소가스와 고온공기가 상기 터빈(12)으로부터 상기 압축기 케이싱(111)으로 추기되지 않도록 하되, 상기 압축기(100)의 내부에서 압축되는 공기가 차례로 상기 제2메인공급관(1111b)과 제1메인공급관(1111a)을 거쳐 상기 터빈(12)으로 공급되도록 한다.

상기 압축기 케이싱(111)은, 상기 압축기(100)와 터빈(12)의 시동운전 전에, 상기 예열장치(1000)에 의해 이미 예열되어 충분히 반경방향으로 열 팽창된 상태이다. 그런데도 불구하고, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 시동운전 시에도 상기 터빈(12)으로부터 추기된 연소가스나 고온공기가 상기 압축기 케이싱(111)으로 공급되도록 하는 경우, 상기 케이싱(111)이 반경방향으로 과도하게 열 팽창될 수 있다. 이 경우, 상기 블레이드(122)의 단부와 케이싱(111)의 내벽 사이를 통해 누출되는 공기의 양이 과도하게 증가하게 되어, 오히려 상기 압축기(100)의 압축 효율이 감소되는 문제가 발생하게 된다.

특히, 상기 압축기(100)와 터빈(12)의 정상상태 운전 시에는, 상기 압축기 블레이드(122) 뿐만이 아니라 상기 압축기 케이싱(111) 역시 압축공기로부터 충분한 양의 열에너지를 받아 반경방향으로 열팽창을 한다. 따라서 상기 압축기(100)와 터빈(12)의 정상상태 운전 시에도, 상기 압축기(100)와 터빈(12)의 시동운전 시와 마찬가지로, 상기 터빈(12)으로부터 압축기 케이싱(111)으로 연소가스나 고온공기를 추기하여 공급하는 것은 불필요하다.

그러므로 상기 제어부(1400)는, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 작동하는 경우에는 상기 분기밸브(1130)를 닫고 상기 송풍팬(1200)의 작동을 정지시켜, 상기 터빈(12)으로부터 압축기 케이싱(111)으로 고온공기나 연소가스가 공급되지 않도록 하고, 상기 압축기(100)와 터빈(12)이 작동하지 않는 경우에만 상기 분기밸브(1130)를 개방시키고 상기 송풍팬(1200)을 작동시켜, 상기 터빈(12)으로부터 압축기 케이싱(111)으로 고온공기나 연소가스가 공급되도록 하는 것이다.

한편, 상기 터빈(12)의 내부를 통과하는 고온 고압의 연소가스에 의해 상기 터빈(12)이 열 손상을 입는 것을 방지하기 위하여, 상기 터빈(12)은 상대적으로 저온에 해당하는 상기 압축기(100)의 압축공기에 의해 냉각될 필요가 있다. 이를 위하여, 상기 제어부(1400)는, 상기 메인밸브(1120)를 개방하여 상기 압축기(100) 내부에 존재하는 압축공기가 차례로 상기 제2메인공급관(1111b)과 제1메인공급관(1111a)을 거쳐 상기 터빈(12)으로 공급되도록 하는 것이다.

이와 같이 상기 압축기(100)로부터 터빈(12)으로 압축공기가 공급되는 것과 상기 터빈(12)으로부터 압축기(100)로 고온공기가 공급되는 것이 하나의 추기공급관(1110)을 통해서 이루어지도록 함으로써, 압축공기의 공급을 위한 별도의 관을 추가로 설치함에 따라 발생될 수 있는 비용을 절감할 수 있으며, 가스터빈(10) 전체의 구동효율을 향상시킬 수 있다.

10 : 가스터빈 100 : 압축기
1000 : 압축기 예열장치 1100 : 공급부
1200 : 송풍팬

Claims

터빈으로부터 추기된 고온의 공기를 이용하여 압축기를 예열시키는 장치에 있어서,
상기 압축기와 터빈을 연결하며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기가 유동하는 추기공급관을 구비하는 공급부; 및
상기 추기공급관에 설치되며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기를 이송시키는 송풍팬을 포함하는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압축기는, 그 둘레를 따라 순환유로가 형성된 케이싱을 구비하고,
상기 추기공급관은 상기 순환유로로 고온공기를 공급하는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 2에 있어서,
상기 추기공급관은, 상기 압축기와 터빈을 연결하는 메인공급관과, 상기 메인공급관으로부터 분기되어 단부가 상기 순환유로와 연통하도록 연결된 분기공급관을 포함하며,
상기 송풍팬은 상기 분기공급관에 설치되는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 3에 있어서,
상기 공급부는,
상기 분기공급관에 설치되는 분기밸브와, 상기 메인공급관에 설치되는 메인밸브를 더 포함하는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 4에 있어서,
상기 메인공급관은, 그 일단이 상기 분기공급관에 연결되고 타단이 상기 터빈에 연결되는 제1메인공급관과, 그 일단이 상기 압축기에 연결되고 타단이 제1메인공급관의 일단에 연결되는 제2메인공급관을 포함하며,
상기 메인밸브는 상기 제2메인공급관에 설치되는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 5에 있어서,
상기 터빈에 설치되어 상기 터빈 내부에 존재하는 공기의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 6에 있어서,
상기 온도센서로부터 전달받은 온도 정보에 대응하여 상기 송풍팬의 작동 및 메인밸브와 분기밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 7에 있어서,
상기 제어부는,
상기 압축기와 터빈이 작동하지 않는 경우, 상기 메인밸브를 잠그고, 상기 분기밸브는 개방시킨 상태에서 상기 송풍팬을 작동시켜, 상기 제1메인공급관 및 분기공급관을 통해 상기 터빈으로부터 압축기 케이싱으로 고온공기가 공급되도록 하고,
상기 압축기와 터빈이 작동하는 경우, 상기 분기밸브를 잠그고 상기 송풍팬은 작동시키지 않으며, 상기 메인밸브는 개방시켜, 상기 제2메인공급관 및 제1메인공급관을 통해 상기 압축기로부터 터빈으로 압축공기가 공급되도록 하는 가스터빈용 압축기 예열장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는, 상기 압축기와 터빈이 작동하지 않는 경우에 있어서, 상기 온도센서를 통해 측정된 상기 터빈 내부의 공기 온도가 기 설정된 기준온도보다 큰 경우에, 상기 분기밸브를 개방시키고 상기 송풍팬을 작동시키는 가스터빈용 압축기 예열장치.
케이싱과, 상기 케이싱의 내주면에 결합되는 베인을 포함하는 스테이터와, 상기 케이싱의 내부에 배치되는 디스크와, 상기 디스크의 외주면에 설치되되 상기 베인의 사이에 배치되는 블레이드를 포함하며 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합시켜 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 공급받은 연소가스를 내부로 통과시켜 전력 생성을 위한 동력을 발생시키는 터빈; 및 상기 터빈으로부터 추기된 고온의 공기를 상기 압축기로 공급하여 상기 압축기를 예열시키는 압축기 예열장치를 포함하되,
상기 압축기 예열장치는,
상기 압축기와 터빈을 연결하며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기가 유동하는 추기공급관을 구비하는 공급부와,
상기 추기공급관에 설치되며 상기 터빈으로부터 압축기로 고온의 공기를 이송시키는 송풍팬을 포함하는 가스터빈.
청구항 10에 있어서,
상기 케이싱은 그 둘레를 따라 순환유로가 형성되며,
상기 추기공급관은 상기 순환유로로 고온공기를 공급하는 가스터빈.
청구항 11에 있어서,
상기 추기공급관은, 상기 압축기와 터빈을 연결하는 메인공급관과, 상기 메인공급관으로부터 분기되어 단부가 상기 순환유로와 연통하도록 연결된 분기공급관을 포함하며,
상기 송풍팬은 상기 분기공급관에 설치되는 가스터빈.
청구항 12에 있어서,
상기 공급부는,
상기 분기공급관에 설치되는 분기밸브와, 상기 메인공급관에 설치되는 메인밸브를 더 포함하는 가스터빈.
청구항 13에 있어서,
상기 메인공급관은, 그 일단이 상기 분기공급관에 연결되고 타단이 상기 터빈에 연결되는 제1메인공급관과, 그 일단이 상기 압축기에 연결되고 타단이 제1메인공급관의 일단에 연결되는 제2메인공급관을 포함하며,
상기 메인밸브는 상기 제2메인공급관에 설치되는 가스터빈.
청구항 14에 있어서,
상기 압축기 예열장치는, 상기 터빈에 설치되어 상기 터빈 내부에 존재하는 공기의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하는 가스터빈.
청구항 15에 있어서,
상기 압축기 예열장치는, 상기 온도센서로부터 전달받은 온도 정보에 대응하여 상기 송풍팬의 작동 및 메인밸브와 분기밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 가스터빈.
청구항 16에 있어서,
상기 제어부는,
상기 압축기와 터빈이 작동하지 않는 경우, 상기 메인밸브를 잠그고, 상기 분기밸브는 개방시킨 상태에서 상기 송풍팬을 작동시켜, 상기 제1메인공급관 및 분기공급관을 통해 상기 터빈으로부터 압축기 케이싱으로 고온공기가 공급되도록 하고,
상기 압축기와 터빈이 작동하는 경우, 상기 분기밸브를 잠그고 상기 송풍팬은 작동시키지 않으며, 상기 메인밸브는 개방시켜, 상기 제2메인공급관 및 제1메인공급관을 통해 상기 압축기로부터 터빈으로 압축공기가 공급되도록 하는 가스터빈.
청구항 17에 있어서,
상기 제어부는, 상기 압축기와 터빈이 작동하지 않는 경우에 있어서, 상기 온도센서를 통해 측정된 상기 터빈 내부의 공기 온도가 기 설정된 기준온도보다 큰 경우에, 상기 분기밸브를 개방시키고 상기 송풍팬을 작동시키는 가스터빈.