KR20190037131A - 연소 터빈 엔진을 위한 연료 예열 시스템 - Google Patents

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Abstract

조합 사이클 발전소(CCPP)가, 고압 레벨 및 저압 레벨을 구비하는 수증기 사이클을 통해 증기 터빈과 연관되는 열 회수 증기 생성기(HRSG) 및 가스 터빈을 포함한다. 조합 사이클 발전소는, 연료 라인 및 연료 예열기를 더 포함한다. 고압 급수 라인이, 연료 예열기를 통해 연장되는 고압 급수 가지(higher pressure feedwater branch)로 고압 급수를 운반하고, 고압 급수 가지는, 연료 예열기의 각 측부에 한정되는, 상류측 세그먼트 및 하류측 세그먼트를 포함한다. 저압 급수 라인이, 저압 급수 가지로 저압 급수를 운반한다. 고압 급수 가지의 하류측 세그먼트는, 교차 지점에서 저압 급수 가지와 조합되며, 그리고 조합된 급수 라인이, 그로부터 연장된다. 제1 열 교환기가, 조합된 급수 라인과 연료 라인 사이에서 열을 교환한다. 제2 열 교환기가, 고압 급수 가지와 연료 라인 사이에서 열을 교환한다.

Description

연소 터빈 엔진을 위한 연료 예열 시스템{FUEL PREHEATING SYSTEM FOR A COMBUSTION TURBINE ENGINE}
본 발명은, 통합된 연료 예열을 동반하는 조합 사이클 발전소에 관한 것이다. 본 발명은 부가적으로, 통합된 연료 예열을 동반하는 조합 사이클 발전소를 작동하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연소 또는 가스 터빈 엔진("가스 터빈")은, 압축기, 연소기, 및 터빈을 포함한다. 압축기 및 터빈은 일반적으로, 스테이지들에서 축방향으로 적층되는, 블레이드들의 열들을 포함한다. 각 스테이지는, 고정되는 것인, 일렬의 원주방향으로 이격된 스테이터 블레이드들 및, 중심축 또는 샤프트를 중심으로 회전하는 것인, 일렬의 로터 블레이드들을 포함한다. 작동 시, 압축기 로터 블레이드들은, 샤프트를 중심으로 회전하며 그리고, 스테이터 블레이드들과 협력적으로 작용하여, 공기의 유동을 압축한다. 압축된 공기의 공급물은 이어서, 연소기 내에서, 연료의 공급물을 연소시키기 위해 사용된다. 연소로부터 생성되는 고온 가스 유동은, 터빈을 통해 팽창되며 그리고 터빈 블레이드들이 회전하도록 야기하여, 시스템이 전체로서 연료를 기계적 에너지로 변환하기 위해 작용하도록 한다.
조합 사이클 발전소(combined cycle power plant: CCPP)는, 가스 터빈을 증기 터빈과 조합함에 의해 더 높은 열 효율을 달성하는 발전소이다. 그러한 설비에서, 가스 터빈으로부터의 고온 배기 가스는, 이어서 동력의 생성을 위해 증기 터빈을 통과하도록 유도되는 것인, 증기를 생성하기 위한 열 회수 증기 생성기(heat recovery steam generator: HRSG)를 통과하도록 경로 설정된다. 가스 터빈에 의해 생성되는 동력과 결합되면, 가스 터빈에 의한 독립적인 동력 생성과 비교하여 열 효율을 개선할 수 있다.
CCPP의 열 효율을 개선하기 위해, 가스 터빈의 유입구에서의 고온 가스 온도를 더 높은 온도로 증가시키는 것이 효과적이다. 그러나, 최소의 재료 및 연소 기술을 동반하는 경우에도, 고온 가스 온도는, 수명 및 방출 이유로 인해 제한된다. CCPP의 효율을 더욱 개선하기 위해, 연료를 예열하는 것이, 제안되어 왔다. 그러한 연료 예열 시스템의 사용은 일반적으로, 전체 효율을 개선한다. 그러나, 통상적인 연료 가열 시스템들은 여전히, 상당한 에너지 손실을 초래하며, 그리고 가능한 효율들을 활용하는데 실패한다. 부가적으로, 통상적인 시스템들은, 유지하고 및 운전하기에 과도하게 복잡하며 그리고 비용이 많이 든다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 복수의 압력 레벨을 구비하는 수증기 사이클을 통해 증기 터빈과 작동적으로 연관되는 열 회수 증기 생성기(HRSG) 및 가스 터빈을 포함하는, 조합 사이클 발전소가, 제공된다. 복수의 압력 레벨은, 적어도 고압 레벨 및 저압 레벨을 포함할 수 있을 것이다. 조합 사이클 발전소는, 연소 시스템으로 연료를 운반하도록 구성되는 연료 라인, 및 연소 시스템으로의 운반 이전에 연료를 예열하기 위한 연료 예열기를 더 포함할 수 있을 것이다. 고압 급수 라인이, 고압 레벨과 연관되는 고압 보일러로; 그리고 고압 급수 라인으로부터 분기하는 고압 급수 가지(higher pressure feedwater branch)로, 고압 급수를 운반하도록 구성될 수 있을 것이다. 고압 급수 가지는, 연료 예열기와 연관되고 그를 통해 연장될 수 있으며, 그리고 연료 예열기의 각 측부에 한정되는 상류측 세그먼트 및 하류측 세그먼트를 포함하는 것으로서 한정될 수 있을 것이다. 저압 급수 라인이, 저압 레벨과 연관되는 저압 보일러로; 그리고 저압 급수 라인으로부터 분기하는 저압 급수 가지로, 저압 급수를 운반할 수 있을 것이다. 시스템은, 고압 급수 가지의 하류측 세그먼트가 저압 급수 가지와 조합되는 곳인, 교차 지점을 구비할 수 있으며, 그리고 조합된 급수 라인이, 조합된 급수를 유도하기 위해 교차 지점으로부터 연장될 수 있을 것이다. 제1 열 교환기는, 조합된 급수 라인에 의해 제1 열 교환기로 운반되는 조합된 급수와; 연료 라인 내부의 연료 사이에서, 열을 교환하도록 구성될 수 있을 것이다. 제2 열 교환기는, 고압 급수 가지의 상류측 세그먼트에 의해 제2 열 교환기로 운반되는 고압 급수와; 연료 라인 내부의 연료 사이에서, 열을 교환하도록 구성될 수 있을 것이다.
이러한 그리고 다른 이점들 및 특징들이, 도면들과 함께 취해지는 뒤따르는 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명으로 간주되는 대상은, 명세서의 결론부의 청구범위에서, 구체적으로 지적되며 그리고 명백하게 청구된다. 본 발명의 상기한 그리고 다른 특징들, 그리고 이점들은, 첨부 도면들과 함께 취해지는 뒤따르는 상세한 설명으로부터 명백해진다:
도 1은, 덕트 버너 및 연료 예열기를 포함하는 열 회수 증기 발생기 그리고 가스 터빈을 갖는, 조합 사이클 발전소를 개략적으로 도시한다.
도 2는, 3개의 압력 레벨 및 연료 예열기를 갖는, 열 회수 증기 발생기를 개략적으로 도시한다.
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 3개의 압력 레벨 및 연료 예열기를 갖는, 열 회수 증기 발생기를 개략적으로 도시한다.
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른, 연료 예열기를 개략적으로 도시한다.
상세한 설명은, 도면들을 참조하여 예로서, 제한 없이, 이점들 및 특징들과 함께, 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 출원의 제안된 시스템들 및 방법들이 그 내부에서 구현될 있는, 예시적 발전소가, 도시된다. 도시된 바와 같이, 발전소는, 조합 사이클 발전소("CCPP")(100)일 수 있을 것이다. 전형적인 설비에서, CCPP(100)는, 연료 예열기(102)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 예시적 CCPP(100)는, 선택적으로 보완 버너 또는 덕트 버너(110)를 구비하게 되는, 열 회수 증기 생성기("HRSG")(103)를 더 포함할 수 있을 것이다.
도시된 바와 같이, CCPP(100) 내부에서, 발전기(125)를 구동하는 가스 터빈(106)이, 압축기 유입구 가스(109) 및, 연료 라인(117)을 통한 연료를 공급받게 된다. 작동 시, 압축기 유입구 가스(109)는, 압축기(101) 내에서 압축되며, 그리고 연료 라인(117) 내부의 연료는, 연료 예열기(102) 내부에서 가열되거나 예열된다. 압축기 유입구 가스(109)는, 연소기(104) 내부에서 연료를 연소시키기 위해 사용되며, 그리고 생성되는 가압된 고온 연소 가스 유동은, 터빈(107)을 통해 팽창된다. 인식될 것으로서, 가스 터빈(106)의 메인 출력은, 가스 터빈(106)과 제1 발전기(125) 사이의 연결을 통해 생성되는 전력, 및 터빈(107)에서 빠져나오는 고온 연도 가스(108)이다.
추가로 예시되는 것으로서, 가스 터빈(106)으로부터 방출되는 고온 연도 가스(108)는, 증기 터빈(113)을 통한 팽창을 위한 증기를 생성하는, HRSG(103)를 통해 유도될 수 있을 것이다. HRSG(103) 또는, 가스 터빈(106)과 HRSG(103) 사이에서 연장되는, 연도 가스 덕트 내에, 덕트 버너(110)가, 선택적으로 통합될 수 있을 것이다. 도시된 바와 같이, 덕트 버너(110)는, 또한 선택적으로 예열기에 의해 가열될 수 있는, 연료 라인(111)을 통해 연료를 공급받게 된다.
증기 터빈(113)은, 가스 터빈(106) 및 제1 발전기(125)와 함께, 단일 샤프트 구성으로서 배열되거나, 또는 도시된 바와 같이, 제2 발전기(126)를 구동하기 위해 복수-샤프트 구성으로서 배열된다. 증기 터빈(113)을 떠나는 증기는, 응축기(114) 내에서 응축된다. 응축물은, 급수 탱크(115) 내에 수집되고, 급수 펌프(112)에 의해 재-가압되며, 그리고 HRSG(103)로 복귀된다. 도 1에, 단지 하나의 급수 펌프(112), 하나의 급수를 위한 라인(116), 및 하나의 증기 터빈(113)이, 도시된다. 인식하게 될 것으로서, 도 1에서, 전형적인 증기 사이클은, 단순화되었으며 그리고 상이한 압력 레벨들, 급수 펌프들, 등을 갖지 않도록 도시되었다. 급수를 위한 복수의 라인 및 압력 레벨을 구비하는 대안적인 설비가, 도 2에 제공된다.
지금부터 도 2를 참조하면, HRSG의 설계에 의존하여, 급수는, 2, 3 또는 그보다 많은 압력 레벨로 가압될 수 있을 것이다. 따라서, 급수 펌프들, 급수 공급 라인들 및 증기 터빈들의 개수는, 압력 레벨들의 개수로 상응하게 증가할 수 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 압력 레벨들의 개수에 의존하여, HRSG들은, 단일 압력 유형 및 복수 압력 유형으로 분류될 수 있다. 단일 압력 HRSG들은, 단지 하나의 증기 드럼을 구비하며, 그리고 증기는 단일 압력 레벨에서 생성되는 반면, 복수 압력 HRSG들은, 복수의 증기 드럼을 사용하며, 그리고 복수의 압력 레벨에서 증기를 생성한다.
도 2에 도시된 바와 같이, HRSG의 공통적 유형이, 저압 섹션, 중압 섹션, 및 고압 섹션으로 본 명세서에서 지칭될 3개의 섹션으로 구성되는, 3단 압력 HRSG이다. 각 섹션은, 증기 드럼 및, 물이 증기로 변환되는 곳인, 증발기 섹션을 구비할 수 있을 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 그러한 저압, 중압, 및 고압 섹션들 또는 레벨들에 대한 언급은, 3단 압력 HRSG를 지칭하는 반면, 단지 고압 및 저압 섹션들 또는 레벨들에 대한 언급은, 복수의 압력 레벨을 구비하는 HRSG 내부에서 임의의 2개의 압력 레벨을 일반적으로 지칭하는 것으로 의도된다.
인식하게 될 것으로서, 도 2는, 3개의 압력 섹션 또는 레벨(저압, 중압, 및 고압)을 갖는 HRSG(103) 및 연료 예열기(102)를 도시한다. 가스 터빈(106)으로부터의 고온 연도 가스(108)는, HRSG(103)를 통해 유동한다. 더욱 구체적으로, 고온 연도 가스(108)는, 순차적으로, 고압 증발기(122) 및 고압 이코노마이저(economizer)(130); 중압 증발기(123) 및 중압 이코노마이저(131); 그리고 저압 증발기(124) 및 저압 이코노마이저(132)를 통해, 통과한다. 과열기(미도시)가, 고온 연도 가스(108)의 유동 경로 내부에서, 각각의 증발기(122, 123, 124)의 상류측에 배열된다. 유용한 열이 연도 가스로부터 추출된 이후에, 연도 가스는, HRSG(103)를 빠져나갈 것이며, 그리고 연도로 유도될 것이다.
추가로 나타나는 바와 같이, 급수 시스템이, HRSG(103)의 구성요소들로, 급수를 제공한다. 구체적으로, 고압 급수가, 고압 급수 라인(143)을 통해 고압 이코노마이저(130)로 공급된다. 마찬가지로, 중압 급수가, 중압 급수 라인(144)을 통해 중압 이코노마이저(131)로 공급되며, 그리고 저압 급수가, 저압 급수 라인(145)을 통해 저압 이코노마이저(132)로 공급된다. 도시된 바와 같이, 각각의 급수 라인(143, 144, 145)은, 이코노마이저들(130, 131, 132) 중의 대응하는 하나를 통해 연속되며, 그리고 개별적으로, 고압 드럼(127), 중압 드럼(128), 및 저압 드럼(129)으로 급수를 운반한다. 고압 드럼(127)으로의 고압 급수의 유동은, 고압 급수 제어 밸브(133)에 의해 제어될 수 있을 것이다. 중압 드럼(128)으로의 중압 급수의 유동은, 중압 급수 제어 밸브(134)에 의해 제어될 수 있을 것이다. 그리고, 저압 드럼(129)으로의 저압 급수의 유동은, 저압 급수 제어 밸브(135)에 의해 제어될 수 있을 것이다.
작동 도중에, 고압 드럼(127)으로부터의 물이, 고압 증발기(122) 내에서 증발되며, 그리고 고압 드럼(127)으로 증기로서 복귀된다. 중압 드럼(128)으로부터의 물이, 중압 증발기(123) 내에서 증발되며, 그리고 중압 드럼(128)으로 증기로서 복귀된다. 그리고, 저압 드럼(129)으로부터의 물이, 저압 증발기(124) 내에서 증발되며, 그리고 저압 드럼(129)으로 증기로서 복귀된다. 각 드럼(127, 128, 129)의 증기는, 과열기들(미도시)로 그리고 이어서, 개별적으로 고압 증기 터빈, 중압 증기 터빈, 및 저압 증기 터빈으로, 공급될 수 있을 것이다.
연료 예열기(102)는, 연료 라인(117) 내부의 연료를 예열하기 위해 급수를 공급 받게 된다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 중압 급수 라인(144)은, 그로부터 분기되는 라인으로 중압 급수를 공급할 수 있을 것이다. 이러한 분기 라인은, "중압 급수 가지(154)"로서 본 명세서에서 지칭될 것이다. 더욱 구체적으로, 도시된 바와 같이, 중압 급수 가지(154)는, 중압 이코노마이저(131)의 하류에 놓이는 지점에서, 중압 급수 라인(144)으로부터 분기한다. 이러한 분기 지점으로부터, 중압 급수 가지(154)는, 연료 라인(117) 내부의 연료를 가열하기 위해 중압 급수를 사용하도록 구성되는 연료 예열기(102)의 제1 열 교환기(120)로, 중압 급수를 유도한다. 제1 열 교환기(120)로부터, 중압 급수 가지(154)는, 궁극적으로 급수 탱크(115)로, 사용된 중압 급수를 운반하도록 하기 위해 계속된다.
또한 도시된 바와 같이, 연료 예열기(102)는, 연료 라인(117) 내부의 연료를 추가로 예열하기 위해 고압 급수의 공급물을 사용할 수 있을 것이다. 도시된 바와 같이, 고압 급수 라인(143)은, 그로부터 분기되는 라인으로 고압 급수를 공급할 수 있을 것이다. 이 경우, 분기 라인은, "고압 급수 가지(156)"로서 본 명세서에서 지칭될 것이다. 더욱 구체적으로, 도시된 바와 같이, 고압 급수 가지(156)는, 고압 이코노마이저(130)의 하류에 놓이는 지점에서, 고압 급수 라인(143)으로부터 분기한다. 이러한 분기 지점으로부터, 고압 급수 가지(156)는, 연료 라인(117) 내부의 연료를 가열하기 위해 고압 급수를 사용하도록 구성되는 연료 예열기(102)의 제2 열 교환기(121)로, 고압 급수를 유도한다. 제2 열 교환기(121)로부터, 고압 급수 가지(156)는, 궁극적으로 그 내부에서의 사용을 위해 중압 드럼(128)으로, 사용된 고압 급수를 운반하도록 하기 위해 계속된다.
지금부터 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명은, 연소 시스템들로 공급되기 이전에 연료를 예열하기 위해 HRSG로부터의 급수의 흐름들을 조합하거나 또는 혼합하는, 연료 가열 시스템들 및 연료 가열 방법들을 포함한다. 구체적으로, 확인하게 될 것으로서, 본 발명은, 연료를 예열하기 위해 고압 급수 흐름 및 저압 급수 흐름의 조합으로부터 생성되는, 혼합된 흐름을 사용하는 것을 제안한다. 3단 압력 HRSG에서 사용될 수 있는, 예시적 실시예에 따르면, 고압 급수의 흐름이 연료를 예열하기 위해 사용되며, 그리고 일단 이것이 실행되면, 고압 급수의 그러한 흐름은, 중압 급수의 흐름과 혼합되고, 그리고 이러한 조합된 급수 흐름은, 연료를 추가로 가열하기 위해 사용된다. 본 발명의 다른 양태들이, 흐름들이 조합될 때, 중압 급수 시스템을 고압 급수 시스템의 고압으로부터 보호하는, 밸브들을 제공하는 것을 포함한다.
인식하게 될 것으로서, 본 명세서에 설명되는 시스템들 및 방법들은, 여러 작동적 이점들을 제공한다. 예를 들어, 제안된 방식으로 흐름들을 혼합함으로써, 시스템 효율들이, 연료 예열을 위해 요구되는 중압 급수의 양을 감소시킴에 의해 향상된다. 추가로, 확인하게 될 것으로서, 본 발명의 실시예들은, 연료 예열을 위한 중압 급수 또는 저압 급수의 사용과 관련되는 제한들 중의 여러 개를 극복하기 위해 채택될 수 있을 것이다. 이러한 제한들 중의 하나가, 예열을 위해 단지 중압 급수만을 사용할 때 달성할 수 있는, 더 낮은 연료 온도와 관련된다. 고압 급수가 일반적으로 그러한 더 높은 온도에 유지되기 때문에, 중압 급수를 동반하는 고압 급수의 사용은, 상당히 더 높은 온도를 갖는 흐름을 생성하며, 그리고 그에 따라, 예열 프로세스를 통해 연료 온도를 증가시키기 위한 연료 예열기의 능력을 크게 개선한다. 예를 들어, 연료를 440 ℉보다 큰 온도로 예열하는 것이, 고압 급수 흐름이 본 명세서에 설명되는 방식으로 사용될 때, 가능하다. 부가적으로, 그의 높은 온도 및 압력으로 인해, 폐 고압 급수의 처리가, 종종 문제가 된다. 폐 고압 급수의 중압 급수와의 혼합은, 전체 시스템에 의해 생성되는 폐 고압 급수의 양을 상당히 감소시킴에 의해 또는 이를 전부 제거함에 의해, 이러한 문제점의 많은 부분을 경감시킨다. 물론, 2개의 시스템의 조합은, 3단 압력 시스템에서 중압 시스템의 구성요소들과 같은 더 낮은 압력의 구성요소들을, 3단 압력 시스템에서의 고압 레벨과 같은 고압 시스템의 상승된 압력 및 온도에, 노출시키는 것과 관련되는 문제점을 도입한다. 그러나, 확인하게 될 것으로, 본 발명은, 2개의 상이한 압력의 시스템이 조합되는 곳의 상류에서 체크 밸브 및/또는 압력 이완 밸브로 더 낮은 압력의 시스템을 보호함에 의해, 이러한 문제점을 해소한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따라, 고압 급수 가지(156)가 제2 열 교환기(121)의 하류에서 상이하게 구성되는 것을 제외하고, 도 2에 제공되는 것과 실질적으로 유사한 구성을 구비하는, HRSG(103) 및 연료 예열기(102)가, 도시된다. 구체적으로, 고압 급수 가지(156)는, 제2 열 교환기(121)로부터 하류에서, 그의 사용된 급수를 운반하기 위해, 중압 드럼(128)으로 계속되지 않는다. 대신에, 일단 제2 열 교환기(121)를 통과하면, 고압 급수 가지(156)는, 본 발명에 따라, 중압 급수 가지(154)와 연결되거나 또는 조합되는 곳인, 교차 지점(160)까지 계속된다. 이러한 방식으로, 고압 급수 가지(156)는, 고압 급수를, 중압 급수 가지(154)를 통해 교차 지점(160)으로 운반되는 중압 급수와 조합되는 곳인, 교차 지점(160)으로 운반한다. 이하에 더 논의되는 바와 같이, 고압 급수 및 중압 급수의 이러한 조합된 유동은, 교차 지점(160)으로부터, 연료 라인(117) 내부의 연료를 가열하기 위해 연료 예열기(102)에 의해 사용되는 곳인, 제1 열 교환기(120)로 유도된다.
특히 도 4를 참조하면, HRSG(103) 및 연료 예열기(102)의 관련 급수 라인들에 대한 더욱 상세한 도면이, 본 발명의 이러한 예시적 실시예를 더욱 양호하게 예시하기 위해 제공된다. 진술되는 바와 같이, 조합 사이클 발전소의 증기 터빈 및 HRSG과 연관되는 수증기 사이클은, 복수의 압력 레벨을 구비할 수 있을 것이며, 그리고 이들 중에서 공통적인 것은, 3개의 그러한 압력 레벨들의 배열이다. 그러한 경우에, 3개의 압력 레벨은, 본 명세서에서 고압 레벨, 중압 레벨, 및 저압 레벨을 포함하는 것으로 언급될 수 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예가, 3개의 압력 레벨을 구비하는 시스템들에 관해 사용될 수 있으며, 그리고 급수 라인들은, 도 4에서, 이러한 바람직한 실시예에 따라 도시된다. 그에 따라, 고압 급수 가지(156) 및 중압 급수 가지(154)가 도시되며, 그리고 이들은, 도 2 및 도 3에 대한 논의에서 이러한 구성요소들에 관해 이미 제공된 것과, 기능 및 구성에 관해 실질적으로 동일할 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은, 이러한 특정 배열로 엄격하게 제한되지 않는다는 것을, 인식해야 한다. 구체적으로, 본 발명은, 주어진 복수 압력 시스템 내부의 상이한 압력 레벨들에 대응하는 급수 가지들 중의 임의의 2개를, 연료 예열의 목적으로, 조합하거나 혼합하도록 구현될 수 있다는 것이, 이해되어야 한다. 따라서, "고압 레벨" 및 "저압 레벨"에 대한 언급은, 그 이상에 대한 것 없이, 단지 상이한 압력 레벨들 및 각 압력 레벨과 연관되는 구성요소들을 지시하도록 의도된다는 것이, 이해되어야 한다. 더욱 구체적으로, 그러한 지정들은, 그 이상에 대한 것 없이, 그들 사이의 비교 압력 레벨들에 따라 복수의 압력 레벨을 동반하여 작동하는 수증기 사이클 내부에 포함되는, 압력 레벨들 중의 임의의 2개 사이에서 단순히 구별한다. 물론, 그러한 경우에, "고압 레벨" 지정은, 둘 중의 더 높은 것인 압력 레벨을 지칭하는 가운데, "저압 레벨" 지정은, 둘 중의 더 낮은 것인 압력 레벨을 지칭한다.
도 4에 또한 도시되는 바와 같이, 연료 라인(117)이, 제공된다. 진술되는 바와 같이, 연료 라인(117)은, 발전소의 연소 시스템들 중의 하나 이상으로 연료를 운반한다. 이상에 논의된 바와 같이, 그러한 연소 시스템들은, 가스 터빈의 연소기, 및/또는 가스 터빈의 배기 덕트 내에 배치되는 덕트 버너를 포함할 수 있을 것이다. 연료 라인(117)은, 연료 예열기(102)를 통해 연장될 수 있으며, 그리고 그로 인해 연료 예열기(102)와 작동적으로 연관될 수 있을 것이다. 이전과 같이, 연료 예열기(102)는, 제1 열 교환기(120) 및 제2 열 교환기(121)를 포함할 수 있을 것이다.
도 3 및 도 4 양자 모두를 참조하면, 고압 급수 라인(143)은, 고압 보일러(127)뿐만 아니라 고압 급수 가지(156) 양자 모두로 고압 급수를 운반하도록 구성될 수 있을 것이다. 고압 급수 가지(156)는, 연료 예열기(102)를 통해 연장될 수 있으며, 그리고 연료 예열기(102)와 작동적으로 연관될 수 있으며, 구체적으로 연료 예열기(102)의 제2 열 교환기(121)와 작동적으로 연결될 수 있을 것이다. 설명적인 목적으로, 고압 급수 가지(156)는, 연료 예열기(102)에 대해 한정되는, 상류측 세그먼트 및 하류측 세그먼트로 분할될 수 있을 것이다. 이렇게 함으로써, 고압 급수 가지(156)의 상류측 세그먼트(178)는, 연료 예열기(102)로 고압 급수를 운반하는 부분인 가운데, 고압 급수 가지(156)의 하류측 세그먼트(179)는, 연료 예열기(102)로부터 멀어지게 고압 급수를 운반하는 부분이다. 바꿔 말하면, 상류측 세그먼트(178)는, 고압 급수 라인(143)과 연료 예열기(102) 사이에서 연장되는, 고압 급수 가지(156)의 부분인 가운데, 하류측 세그먼트(179)는, 연료 예열기(102)와 교차 지점(160) 사이에서 연장되는, 고압 급수 가지(156)의 부분이다. 중압 급수 라인(144)에 관하여, 중압 급수 라인은, 중압 보일러(128)와 중압 급수 가지(154) 양자 모두로 중압 급수를 운반하도록 구성될 수 있을 것이다.
본 발명은, 앞서 언급된 바와 같이, 고압 급수 가지(156)의 하류측 세그먼트(179)가 중압 급수 가지(154)와 결합되는 곳인, 교차 지점(160)을 구비한다. 이러한 교차 지점(160)의 하류에, 본 발명은, "조합된 급수 라인(180)"으로 지칭될 것을 포함한다. 조합된 급수 라인(180)은, 그에 따라, 교차 지점(160)으로부터 멀어지게 그리고 연료 예열기(102)를 향해 연장된다. 인식하게 될 것으로서, 조합된 급수 라인(180)은, 교차 지점(160)에서 합류하게 되는 급수의 조합된 유동을 유도하도록 구성된다. 이러한 조합된 유동은, "조합된 급수"로서 본 명세서에서 지칭될 것이며, 그리고 인식하게 될 것으로서, 1) 고압 급수 가지(156)의 하류측 세그먼트(179)에 의해 교차 지점(160)으로 운반되는 고압 급수; 및 2) 중압 급수 가지(154)에 의해 교차 지점(160)으로 운반되는 중압 급수 양자 모두로 이루어진다.
연료 예열기(102)는, 진술된 바와 같이, 2개의 열 교환기를 포함할 수 있을 것이다. 바람직한 실시예에 따르면, 제1 열 교환기(120)는, 1) 조합된 급수 라인(180)에 의해 제1 열 교환기(120)로 운반되는 조합된 급수와; 2) 연료 라인(117)을 통해 유동하는 연료 사이에서, 에너지 또는 열을 교환하도록 구성될 수 있을 것이다. 제2 열 교환기(121)는, 1) 고압 급수 가지(156)의 상류측 세그먼트(178)에 의해 제2 열 교환기(121)로 운반되는 고압 급수와; 연료 라인(117)을 통해 유동하는 연료 사이에서, 열을 교환하도록 구성될 수 있을 것이다. 연료 라인(117)을 통한 연료의 유동 방향에 대해, 제2 열 교환기(121)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 열 교환기(120)의 하류에 상주할 수 있을 것이다.
본 발명은, 상이하게 가압된 급수들이 합류할 때, 더 높은 압력의 시스템의 고압으로부터 더 낮은 압력의 시스템을 보호하기 위한 양태들을 더 포함할 수 있을 것이다. 그에 따라, 구체적으로 도 4를 참조하면, 체크 밸브(186) 및/또는 압력 이완 밸브(187)가, 포함되며 그리고 지시된 바와 같이 배치될 수 있을 것이다. 인식하게 될 것으로서, 체크 밸브는, 일반적으로 단지 하나의 방향으로만 유체가 자체를 통해 유동하는 것을 허용하는 밸브이다. 바람직한 실시예에 따르면, 도시된 바와 같이, 체크 밸브(186)는, 교차 지점(160)에 대해 상류에 놓이는 위치에서, (더욱 일반적으로, 조합되는 2개의 가지 중 더 낮게 가압되는 가지인) 중압 급수 가지(154) 상에 위치하게 될 수 있을 것이다. 압력 이완 밸브(187)에 관하여, 이해해야 될 것으로서, 이러한 유형의 밸브는, 특정 라인 또는 시스템 내의 압력을 제어 또는 제한하기 위해 사용된다. 그러한 밸브는, 압력 한계가 초과될 때, 가압된 유체가 시스템 밖으로 보조 통로를 통해 유동하는 것을 허용하도록 설계될 수 있을 것이다. 예를 들어, 압력 이완 밸브는, 압력 용기들 및 다른 장비들이 그들의 설계 한계들을 초과하는 압력을 받게 되는 것으로부터 보호하기 위해, 일단 사전 결정된 압력 한계에 도달되면 개방되도록 설계 또는 설정될 수 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템은, 압력 이완 밸브(187)를 포함할 수 있을 것이다. 예시적 실시예에 따르면, 압력 이완 밸브(187)는, (더욱 일반적으로, 조합되는 2개의 가지 중 더 높게 가압되는 가지인) 고압 급수 가지(156)의 하류측 세그먼트(179) 상에 위치하게 될 수 있을 것이다. 다른 개소들이 또한, 압력 이완 밸브를 위해 가능하다. 예를 들어, 대안적인 실시예에 따르면, 압력 이완 밸브(187)는, 조합된 급수 라인(180) 상에 위치하게 된다.
본 발명은 단지 제한된 개수의 실시예에 관해 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들로 제한되지 않는다는 것이, 바로 이해되어야 할 것이다. 대신에, 본 발명은, 지금까지 설명되지 않았지만 본 발명의 사상 및 범위에 상응하는, 임의의 개수의 변형예, 대안예, 치환예, 또는 균등한 배열예들을 통합하도록 수정될 수 있다. 부가적으로, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 양태들이 설명된 실시예들 중의 단지 일부만을 포함할 수 있다는 것이, 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은, 상기한 설명에 의해 제한되는 것으로 봐서는 안 되며, 대신 첨부 청구항들의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 복수의 압력 레벨을 구비하는 수증기 사이클을 통해 증기 터빈과 작동적으로 연관되는 열 회수 증기 생성기(HRSG) 및 가스 터빈을 포함하는 조합 사이클 발전소로서, 상기 복수의 압력 레벨은 적어도 고압 레벨 및 저압 레벨을 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소에 있어서:
    연소 시스템에 연료를 운반하도록 구성되는 연료 라인;
    상기 연소 시스템으로의 운반 이전에 연료를 예열하기 위한 연료 예열기로서, 제1 열 교환기 및 제2 열 교환기를 포함하는 것인, 연료 예열기;
    고압 급수를 운반하도록 구성되는 고압 급수 라인으로서,
    고압 레벨과 연관되는 고압 보일러; 및
    고압 급수 라인으로부터 분기되는 고압 급수 가지로서, 상기 연료 예열기와 연관되고 상기 연료 예열기를 통해 연장되며 그리고 상기 연료 예열기의 각 측부에 한정되는 상류측 세그먼트 및 하류측 세그먼트를 포함하는 것인, 고압 급수 가지
    로 고압 급수를 운반하도록 구성되는 것인, 고압 급수 라인;
    저압 급수를 운반하기 위한 저압 급수 라인으로서,
    저압 레벨과 연관되는 저압 보일러; 및
    저압 급수 라인으로부터 분기되는 저압 급수 가지
    로 저압 급수를 운반하기 위한 것인, 저압 급수 라인;
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트가 상기 저압 급수 가지와 조합되는 곳인 교차 지점; 및
    조합된 급수를 유도하도록 상기 교차 지점으로부터 연장되는 조합된 급수 라인
    을 더 포함하고,
    상기 제1 열 교환기는:
    상기 조합된 급수 라인에 의해 상기 제1 열 교환기로 운반되는 상기 조합된 급수와;
    상기 연료 라인 내부의 연료
    사이에서 열을 교환하도록 구성되며;
    상기 제2 열 교환기는:
    상기 고압 급수 가지의 상기 상류측 세그먼트에 의해 상기 제2 열 교환기로 운반되는 고압 급수와;
    상기 연료 라인 내부의 연료
    사이에서 열을 교환하도록 구성되는 것인, 조합 사이클 발전소.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조합된 급수는,
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트에 의해 상기 교차 지점으로 운반되는 고압 급수; 및
    상기 저압 급수 가지에 의해 상기 교차 지점으로 운반되는 저압 급수
    의 조합된 유동을 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연소 시스템은, 상기 가스 터빈의 연소기를 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 연소 시스템은, 상기 가스 터빈의 연소기, 및 상기 가스 터빈의 배기 덕트 내에 배치되는 덕트 버너를 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 고압 급수 가지의 상기 상류측 세그먼트는, 고압 급수를 상기 연료 예열기로 운반하며; 그리고
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트는, 고압 급수를 상기 연료 예열기로부터 멀어지게 운반하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 고압 급수 가지의 상기 상류측 세그먼트는, 상기 고압 급수 라인과 상기 연료 예열기 사이에서 연장되며; 그리고
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트는, 상기 연료 예열기와 상기 교차 지점 사이에서 연장되는 것인, 조합 사이클 발전소.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 증기 터빈은, 고압 증기 터빈과 저압 증기 터빈을 포함하며; 그리고
    상기 고압 보일러는, 상기 고압 증기 터빈과 작동적으로 연결되며; 그리고
    상기 저압 보일러는, 상기 저압 증기 터빈과 작동적으로 연결되는 것인, 조합 사이클 발전소.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 고압 급수 라인은, 고압 이코노마이저와 상기 고압 보일러 사이에서 연장되며; 그리고
    상기 저압 급수 라인은, 저압 이코노마이저와 상기 저압 보일러 사이에서 연장되는 것인, 조합 사이클 발전소.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고압 급수 가지는, 상기 고압 이코노마이저와 상기 고압 보일러 사이에서 상기 고압 급수 라인으로부터 분기되며; 그리고
    상기 저압 급수 가지는, 상기 저압 이코노마이저와 상기 저압 보일러 사이에서 상기 저압 급수 라인으로부터 분기되는 것인, 조합 사이클 발전소.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 증기 터빈 및 상기 HRSG의 수증기 사이클은, 3개의 압력 레벨을, 고압 레벨, 중압 레벨, 및 저압 레벨을 구비하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  11. 제 10항에 있어서,
    더 높은 압력 레벨은 고압 레벨을 포함하며; 그리고
    더 낮은 압력 레벨은 중압 레벨을 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 교차 지점에 대해 상류에 놓이는 위치에서 상기 저압 급수 가지 상에 배치되는 체크 밸브를 더 포함하고;
    상기 체크 밸브는, 유체가 상기 체크 밸브를 통해 단지 하나의 방향으로만 유동하는 것을 허용하는 밸브를 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  13. 제 12항에 있어서,
    압력 이완 밸브를 더 포함하고;
    상기 압력 이완 밸브는, 상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트 및 상기 조합된 급수 라인 중의 적어도 하나 상에 배치되며; 그리고
    상기 압력 이완 밸브는, 압력 한계가 초과될 때, 가압된 유체가 보조 통로를 통해 빠져나가는 것을 허용하는 밸브를 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  14. 제 2항에 있어서,
    상기 교차 지점에 대해 상류에 놓이는 위치에서 상기 저압 급수 가지 상에 배치되는 체크 밸브; 및
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트 상에 배치되는 압력 이완 밸브를 더 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  15. 조합 사이클 발전소로서:
    가스 터빈;
    3개의 압력 레벨을 구비하는 수증기 사이클을 통해 증기 터빈과 작동적으로 연관되는 열 회수 증기 생성기(HRSG)로서, 3개의 압력 레벨은, 고압 레벨; 중압 레벨; 및 저압 레벨을 포함하는 것인, 열 회수 증기 생성기;
    연소 시스템에 연료를 운반하도록 구성되는 연료 라인;
    상기 연소 시스템으로의 운반 이전에 연료를 예열하기 위한 연료 예열기;
    상기 연료 예열기와 작동적으로 연관되며 그리고 상기 연료 예열기를 통해 연장되는 고압 급수 가지로서, 상기 고압 급수 가지는, 상기 연료 예열기의 각 측부에 한정되는 상류측 세그먼트 및 하류측 세그먼트를 포함하고,
    상기 상류측 세그먼트는, 고압 급수를 상기 연료 예열기로 운반하며; 그리고
    상기 하류측 세그먼트는, 고압 급수를 상기 연료 예열기로부터 멀어지게 운반하는 것인, 고압 급수 가지;
    중압 급수 가지;
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트가 상기 중압 급수 가지와 조합되는 곳인 교차 지점; 및
    교차 지점으로부터 조합된 급수를 유도하기 위해 교차 지점으로부터 연장되는 조합된 급수 라인으로서, 상기 연료 예열기와 작동적으로 연관되며 그리고 상기 연료 예열기를 통해 연장되는 것인, 조합된 급수 라인;
    상기 조합된 급수 라인 내부의 조합된 급수와 상기 연료 라인 내부의 연료 사이에서 열을 교환하도록 구성되는, 상기 연료 예열기의 제1 열 교환기; 및
    상기 고압 급수 가지 내부의 고압 급수와 상기 연료 라인 내부의 연료 사이에서 열을 교환하도록 구성되는, 상기 연료 예열기의 제2 열 교환기
    를 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  16. 제 15항에 있어서,
    고압 레벨과 연관되는 고압 보일러 및 고압 이코노마이저;
    중압 레벨과 연관되는 중압 보일러 및 중압 이코노마이저
    를 더 포함하고,
    상기 증기 터빈은,
    상기 고압 보일러에 작동적으로 연결되는 고압 증기 터빈; 및
    상기 중압 보일러에 작동적으로 연결되는 중압 증기 터빈을 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 고압 이코노마이저와 상기 고압 보일러 사이에서 연장되는 고압 급수 라인; 및
    상기 중압 이코노마이저와 상기 중압 보일러 사이에서 연장되는 중압 급수 라인
    을 더 포함하고,
    상기 고압 급수 가지는, 상기 고압 이코노마이저와 상기 고압 보일러 사이에 위치하게 되는 위치에서, 상기 고압 급수 라인으로부터 분기하며; 그리고
    상기 중압 급수 가지는, 상기 중압 이코노마이저와 상기 중압 보일러 사이에 위치하게 되는 위치에서, 상기 중압 급수 라인으로부터 분기하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 교차 지점의 바로 상류에 놓이는 위치에서 상기 중압 급수 가지 상에 배치되는 체크 밸브를 더 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트 및 상기 조합된 급수 라인 중의 적어도 하나 상에 배치되는 압력 이완 밸브를 더 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 조합된 급수는,
    상기 고압 급수 가지의 상기 하류측 세그먼트에 의해 상기 교차 지점으로 운반되는 고압 급수; 및
    상기 중압 급수 가지에 의해 상기 교차 지점으로 운반되는 중압 급수
    의 조합된 유동을 포함하는 것인, 조합 사이클 발전소.
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