KR20190057548A - Gas turbine for improving performance at part-load and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 부분부하 성능 개선이 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IGV(Inlet Guide Vane)의 각도를 배기가스 온도(Exhaust Gas Temperature; EGT)와 동시에 목표부하 도달 후 엔진 효율에 따라 조절함으로써 동일한 출력 지점에서 효율 최적화가 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a gas turbine capable of improving partial load performance and a control method thereof, and more particularly, to a gas turbine capable of improving partial load performance and, more particularly, to an exhaust gas temperature To a gas turbine capable of optimizing efficiency at the same output point and a control method thereof.
일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다. Generally, a turbine is a machine that converts the energy of a fluid such as water, gas, steam, etc. into mechanical work. It usually plantes several feathers or wings on the circumference of a rotating body and emits vapor or gas to it. Turbine type machines that rotate are called turbines.
이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력 터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기 터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기 터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스 터빈 등이 있다. Examples of such turbines include a hydraulic turbine that utilizes the energy of water at high places, a steam turbine that utilizes the energy of the steam, an air turbine that uses the energy of high-pressure compressed air, a gas that utilizes the energy of high- Turbines and the like.
일반적으로 가스 터빈은 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다. BACKGROUND ART Generally, a gas turbine is a type of internal combustion engine that converts thermal energy to mechanical energy by injecting a high-temperature and high-pressure combustion gas generated by mixing fuel into air compressed at a high pressure in a compressor and rotating the turbine.
이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.Since these gas turbines have no reciprocating mechanism such as piston of 4-stroke engine, there is no mutual friction part like piston-cylinder, consumption of lubricating oil is extremely small, amplitude characteristic which is characteristic of reciprocating machine is greatly reduced, There are advantages.
상기 압축기는 외부 공기의 유입량을 조절하기 위해 케이싱에 다수의 가변 베인(Variable Guide Vanes)을 각도 조절 가능하게 구비하고 있다. 상기 가변 베인은 유입 공기량을 정밀조절하여 시동 안정성을 부여하고 시동 및 정지시 압축기의 맥동을 보호하여 터빈 효율을 향상시키게 된다. The compressor is provided with a plurality of variable guide vanes on the casing so as to adjust the inflow amount of the outside air. The variable vane precisely controls the amount of inflow air to provide starting stability and protects the compressor from pulsation during start and stop, thereby improving turbine efficiency.
이때, 터빈 출구 온도, 즉 배기가스 온도는 가스 터빈의 작동을 제어하고 작동 중에 가스 터빈을 보호하기 위해 사용될 수 있는 하나의 파라미터로, 상기 가변 베인, 특히 상기 압축기의 입구에 위치하는 가변 입구 베인(IGV)은 배기가스 온도에 의해 각도가 조절될 수 있다. At this time, the turbine outlet temperature, i.e., the exhaust gas temperature, is a parameter that can be used to control the operation of the gas turbine and protect the gas turbine during operation. The variable vane, in particular, the variable inlet vane located at the inlet of the compressor IGV) can be adjusted in angle by the exhaust gas temperature.
즉, 종래에는 상기 IGV의 각도가 유입 공기량을 조절하여 최대 터빈 출구 온도를 넘지 않도록 하기 위하여 배기가스 온도에 따라 조절되었다. That is, conventionally, the angle of the IGV was adjusted according to the exhaust gas temperature so as to control the amount of the inflow air so as not to exceed the maximum turbine outlet temperature.
하지만, 배기가스 온도에 따라 정해진 IGV 각도로만 운전하여 최대 효율운전이 어려우며, 부분부하 성능을 높일 수 있는 방법이 제한적이라는 문제점이 있다. However, there is a problem that the maximum efficiency operation is difficult by operating only the IGV angle determined according to the exhaust gas temperature, and the method for increasing the partial load performance is limited.
본 발명은 IGV의 각도를 배기가스 온도(EGT)와 동시에 목표부하 도달 후 엔진 효율에 따라 조절함으로써 동일한 출력 지점에서 효율 최적화가 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법을 제공하는 것에 목적이 있다. It is an object of the present invention to provide a gas turbine and its control method capable of optimizing the efficiency at the same output point by adjusting the angle of the IGV according to the engine efficiency after reaching the target load simultaneously with the exhaust gas temperature (EGT).
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 배기가스 온도(EGT)에 따라, 즉 최대 EGT를 제한하며 목표부하까지 IGV의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 IGV의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있도록 한다. In order to solve the above problem, the present invention not only adjusts the angle of the IGV to the target load in accordance with the exhaust gas temperature (EGT), that is, limits the maximum EGT, but also increases the angle of the IGV according to the engine efficiency So that the maximum efficiency at the target load can be obtained.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane) 및 상기 IGV의 각도를 제어하기 위한 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어부와, 목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단부 및 상기 농도 판단부에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어부를 포함하는 가스터빈을 제공한다. According to a first aspect of the present invention, there is provided a combustor comprising: a casing; a compressor disposed in the casing for sucking air and compressing the air to a high pressure; a combustor for combusting the air compressed by the compressor with fuel, An IGV (Inlet Guide Vane) provided at an inlet of the compressor and coupled to the casing so as to be adjustable in angle, a turbine for generating electricity by rotating a plurality of turbine blades using high temperature and high pressure combustion gas discharged from the combustor, And a control unit for controlling the angle of the IGV, wherein the control unit includes: a first angle control unit for controlling an angle of the IGV so as not to exceed a maximum exhaust gas temperature (EGT) until a target load is reached; A concentration determination unit for determining the concentration of oxides (NOx) and carbon monoxide (CO); and a concentration determination unit And a second angle control section for controlling the angle of the IGV according to the engine efficiency when the engine is not operated.
상기 제1 각도 제어부는, 최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절할 수 있다. Wherein the first angle control unit maintains the angle of the IGV at a minimum angle when the maximum exhaust gas temperature is not reached and increases the amount of air flowing into the compressor when the maximum exhaust gas temperature is reached, The angle can be adjusted.
이때, 상기 IGV의 최소 각도는 -50°일 수 있다. At this time, the minimum angle of the IGV may be -50 °.
또한, 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm일 수 있다. Further, the limit values of the NOx and CO may be 15 ppm and 10 ppm, respectively.
또한, 상기 제2 각도 제어부는, 상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하는 각도 변경부 및 상기 각도 변경부에 의한 변경시마다 엔진 효율을 평가하는 효율 평가부를 포함할 수 있다. The second angle control unit may include an angle changing unit for changing the angle of the IGV by a predetermined angle, and an efficiency evaluating unit for evaluating the engine efficiency each time the angle changing unit changes the angle.
이때, 상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경할 수 있다. At this time, the angle changing unit may change the angle of the IGV by 1 DEG.
또한, 상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다. Also, the angle changing unit may change the angle of the IGV by 1 DEG in different directions, compare the evaluated efficiencies, and further change the angle by 1 DEG in a direction of increasing efficiency.
상기 제2 각도 제어부는, 상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 할 수 있다. Wherein the second angle control unit further changes the angle of the IGV by the angle changing unit when the efficiency evaluated by the efficiency evaluation unit becomes higher than the efficiency before the change after the angle of the IGV is changed by the angle changing unit And the angle of the IGV can be restored to the angle before the change when the pre-change efficiency is lowered.
상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃일 수 있다. The maximum exhaust gas temperature (EGT) may be 640 캜.
또한, 상기 연소기로 공급되는 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 조절부를 더 포함하며, 상기 연료 조절부는, 상기 제1 각도 제어부 및 제2 각도 제어부에 의해 상기 IGV의 각도가 제어될 때, 목표부하에 도달 및 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절할 수 있다. The fuel control unit may further include a fuel adjusting unit for adjusting a supply amount of fuel supplied to the combustor, wherein when the angle of the IGV is controlled by the first angle control unit and the second angle control unit, The supply amount of the fuel can be adjusted so that it can be reached and maintained.
또한, 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane)를 포함하는 가스터빈을 제어하는 방법에 있어서, 목표부하를 지령하는 부하 지령 단계와, 상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV의 각도를 제어하는 목표부하 도달 단계와, 목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단 단계 및 상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어단계를 포함하는 가스터빈의 제어방법을 제공한다. A combustor disposed in the casing for mixing the air compressed by the compressor with the fuel and for combusting the air; a combustor for combusting the air compressed by the compressor; 1. A gas turbine comprising: a turbine which rotates a plurality of turbine blades using high-temperature, high-pressure combustion gas to produce electric power; and an IGV (Inlet Guide Vane) provided at an inlet of the compressor and connected to the casing in an angle- A target load reaching step of controlling an amount of fuel supplied to the combustor and an angle of the IGV so as to reach the target load; A concentration determination step of determining the concentration of nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO) And a second angle control step of controlling the angle of the IGV in accordance with the engine efficiency when the temperature does not exceed the limit value.
이때, 상기 목표부하 도달 단계는, 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어단계를 포함할 수 있다. At this time, the target load reaching step may include a first angle controlling step of controlling the angle of the IGV so as not to exceed the maximum exhaust gas temperature (EGT) until the target load is reached.
상기 제1 각도 제어단계는, 최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절하도록 제어할 수 있다. Wherein the first angle control step includes the steps of: maintaining the angle of the IGV at a minimum angle when the maximum exhaust gas temperature is not reached; and increasing the amount of air flowing into the compressor when the maximum exhaust gas temperature is reached, The angle can be controlled.
이때, 상기 IGV의 최소 각도는 -50°일 수 있다. At this time, the minimum angle of the IGV may be -50 °.
또한, 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm일 수 있다. Further, the limit values of the NOx and CO may be 15 ppm and 10 ppm, respectively.
또한, 상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하며, 변경 시마다 엔진 효율을 평가하여 효율이 가장 높은 상기 IGV의 각도로 제어할 수 있다. Also, the second angle control step may change the angle of the IGV by a predetermined angle, and may evaluate the engine efficiency at each change to control the angle of the IGV with the highest efficiency.
이때, 상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경할 수 있다. At this time, the second angle control step may change the angle of the IGV by 1 DEG.
상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다. The second angle control step may change the angle of the IGV by 1 DEG in different directions, compare the evaluated efficiencies, and further change the angle by 1 DEG in a direction in which the efficiency increases.
상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃일 수 있다. The maximum exhaust gas temperature (EGT) may be 640 캜.
또한, 상기 제2 각도 제어단계에 의해 상기 IGV의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 공급 조절단계를 더 포함할 수 있다. The method may further include a fuel supply adjusting step for adjusting a supply amount of the fuel so as to maintain the target load when the load is changed as the angle of the IGV is changed by the second angle control step.
본 발명에 따르면, 최대 EGT를 제한하며 목표부하까지 IGV의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 IGV의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, not only the maximum EGT is limited and the angle of the IGV is adjusted to the target load, but the maximum efficiency in the target load can be obtained by further adjusting the angle of the IGV according to the engine efficiency even after reaching the target load .
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 압축기 일부분을 간략하게 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 A-A에서의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 제어방법을 순차적으로 도시한 순서도. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a gas turbine according to an embodiment of the present invention;
Figure 2 is a cross-sectional view of a portion of the compressor of Figure 1;
3 is a cross-sectional view taken at AA in Fig.
4 is a flowchart sequentially illustrating a method of controlling a gas turbine according to an embodiment of the present invention;
이하, 본 발명의 부분부하 성능 개선이 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 4를 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, preferred embodiments of a gas turbine and a control method thereof capable of improving partial load performance of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 attached hereto.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be illustrative, But are merely illustrative of the elements recited in the claims.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification. Throughout the specification, when an element is referred to as " comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도, 도 2는 도 1의 압축기 일부분을 간략하게 도시한 단면도, 도 3은 도 2의 A-A에서의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 제어방법을 순차적으로 도시한 순서도이다. Fig. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a gas turbine according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a cross-sectional view schematically showing a portion of the compressor of Fig. 1, Fig. 3 is a cross- 4 is a flowchart sequentially illustrating a control method of a gas turbine according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈에 관하여, 도 1을 참조하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a gas turbine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Fig.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은, 크게 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100) 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(200)와, 상기 압축기(200)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기(300)와, 상기 연소기(300)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(400)을 포함하여 이루어질 수 있다. A
상기 케이싱(100)은, 상기 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(102), 상기 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈(400)이 수용되는 터빈 케이싱(104)을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 압축기 케이싱, 연소기 케이싱 및 터빈 케이싱이 일체로 형성될 수도 있다. The
여기서, 상기 압축기 케이싱(102), 상기 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈 케이싱(104)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.Here, the
상기 케이싱(100)의 내부에는 로터(중심축; 500)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 상기 로터(500)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 상기 케이싱(100)의 하류 측에는 상기 터빈(400)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다. A rotor (central shaft) 500 is rotatably installed in the
상기 로터(500)는, 상기 압축기 케이싱(102)에 수용되는 압축기 로터 디스크(520), 상기 터빈 케이싱(104)에 수용되는 터빈 로터 디스크(540) 및 상기 연소기 케이싱(103)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 터빈 로터 디스크(540)를 연결하는 토크 튜브(530), 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 상기 터빈 로터 디스크(540)를 체결하는 타이 로드(550)와 고정 너트(560)를 포함할 수 있다.The
상기 압축기 로터 디스크(520)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(520)는 다단으로 형성될 수 있다.The
또한, 상기 각 압축기 로터 디스크(520)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(220)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.Each of the
상기 터빈 로터 디스크(540)는 상기 압축기 로터 디스크(520)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(540)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(540)는 다단으로 형성될 수 있다.The
또한, 상기 각 터빈 로터 디스크(540)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(420)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.Each of the
상기 토크 튜브(530)는 상기 터빈 로터 디스크(540)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(520)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(530)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 터빈 로터 디스크(540) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(530)가 상기 압축기 로터 디스크(520) 및 상기 터빈 로터 디스크(540)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.The
또한, 상기 토크 튜브(530)는, 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(530)를 통과하여 상기 터빈(400)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다. The
이때, 상기 토크 튜브(530)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.At this time, the
상기 타이 로드(550)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 상기 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(560)와 체결될 수 있다. The
여기서, 상기 고정 너트(560)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540)를 상기 압축기(200) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(520)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)가 상기 로터(500)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.The fixing
한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드가 복수의 상기 압축기 로터 디스크, 상기 토크 튜브 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다. Meanwhile, in the present embodiment, one tie rod is formed to penetrate through the center portions of the plurality of compressor rotor disks, the torque tube, and the plurality of turbine rotor disks, but is not limited thereto. That is, separate tie rods may be provided on the compressor side and the turbine side, respectively, or a plurality of tie rods may be disposed radially along the circumferential direction, or a combination thereof may be used.
이러한 구성에 따른 상기 로터(500)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다. Both ends of the
상기 압축기(200)는, 상기 로터(500)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(220) 및 상기 압축기 블레이드(220)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 설치되는 압축기 베인(240)을 포함할 수 있다.The
상기 압축기 블레이드(220)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. The plurality of compressor blades (220) are formed in a plurality of stages along the axial direction of the rotor (500), and the plurality of compressor blades (220) And may be formed radially along the rotation direction of the
즉, 상기 압축기 블레이드(220)의 루트부(220a)는 상기 압축기 로터 디스크(520)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(220a)는 상기 압축기 블레이드(220)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.The
이때, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 압축기 블레이드의 루트부(220a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다. At this time, the compressor blade coupling slot may be formed in the form of a fir so as to correspond to the
본 실시 예의 경우, 상기 압축기 블레이드 루트부(220a)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드를 상기 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.In this embodiment, the compressor
여기서, 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 압축기 블레이드(220)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 압축기 블레이드 루트부(220a)가 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크(520)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다. Here, the
상기 압축기 베인(240)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(240)과 상기 압축기 블레이드(220)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. The plurality of
또한, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. In addition, a plurality of the
이때, 상기 복수의 압축기 베인(240)의 일부는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유입량을 조절하기 위해 상기 케이싱(100)에 각도 조절이 가능하게 결합되는 가변 베인(Variable Guide Vanes)에 해당할 수 있다. At this time, a part of the plurality of
상기 가변 베인은 다양한 작동 조건에서, 예를 들어 가스터빈의 시동 및 정지 시 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 각도가 조절되어 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유입량을 증가 또는 감소시킬 수 있도록 하며, 상기 공기의 유입량을 정밀조절하여 시동 안정성을 부여하고 시동 및 정지시 상기 압축기(200)의 맥동을 보호하여 터빈 효율을 향상시킬 수 있다. The variable vane may be adjusted in various operating conditions, for example, between an open state and a closed state at the start and stop of the gas turbine to increase or decrease the inflow amount of air introduced into the
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서 상기 가변 베인은 상기 복수의 압축기 베인(240) 중 1단 내지 4단의 압축기 베인에 해당하며, 5단 이후의 압축기 베인은 상기 케이싱(100)에 고정 설치될 수 있다. 이하, 1단에 위치하는, 즉 상기 압축기(200)의 입구에 구비되는 압축기 베인을 IGV(Inlet Guide Vane; 241)라고 명명하며, 2단 내지 4단에 위치하는 압축기 베인을 각각 2단 가변 베인(242), 3단 가변 베인(243) 및 4단 가변 베인(244)이라고 명명하기로 한다. 2, the variable vane corresponds to the first to fourth compressor vanes of the plurality of
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 초과 또는 미만의 가변 베인이 형성될 수 있음은 물론이다. However, the present invention is not limited thereto, and it is needless to say that a variable vane having four or more stages may be formed.
이에 따라, 상기 압축기(200)의 입구에서 상기 터빈(400) 측으로 가면서 상기 IGV(241), 1단 압축기 블레이드(221), 상기 2단 가변 베인(242), 2단 압축기 블레이드(222), 상기 3단 가변 베인(243), 3단 압축기 블레이드(223) 및 상기 4단 가변 베인(244)이 차례로 배치되고 있다. Accordingly, the
상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)은 상기 케이싱(100)에 각각 스핀들(261, 262, 263, 264)로 연결되며, 이를 구동하기 위한 구동부(281, 282, 283, 284)가 상기 스핀들(261, 262, 263, 264)에 연결되어 스핀들을 회전시킴에 따라 상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)의 각도가 조절될 수 있다. The
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)이 상기 케이싱(100)에 각도 조절 가능하게 결합되는 구조라면 어느 것이든 무관하다. However, the present invention is not limited thereto, and any structure may be used as long as the
상기 구동부(281, 282, 283, 284)는 전기, 유압, 압축 공기 등을 사용하는 액추에이터를 포함하여 구동을 위한 것이라면 다양하게 형성될 수 있다. The driving
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)은 리딩 에지(leading edge)와 트레일링 에지(trailing edge)를 포함하는 일반적인 에어포일의 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 각 스핀들(261, 262, 263, 264)의 축을 중심으로 회전되며 각도 조절이 가능하도록 형성된다. 3, the
도 3에서, 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 최소화할 수 있는 최소 각도 상태, 즉 클로즈 상태에 있는 것으로 도시되어 있다. 이때, 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 공기가 유동되는 방향, 즉 상기 로터(500)의 축 방향을 기준으로 -50°를 이루고 있다. In FIG. 3, the
상기 IGV(241)는 상기 구동부(281)에 의해 상기 스핀들(261)의 축을 중심으로 회전 가능하며, 이에 따라 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 최대화할 수 있는 오픈 상태로 조절될 수 있다. 오픈 상태에서, 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 공기가 유동되는 방향, 즉 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 나란하게 배치된다. The
상기 IGV(241)는 상기의 클로즈 상태와 오픈 상태 사이에서 임의의 각도로 조절될 수 있으며, 상기 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)도 마찬가지로 조절될 수 있다. The
또한, 본 발명의 가스터빈은, 상기 IGV(241)의 각도를 제어하기 위한 제어부(600)를 포함하며, 상기 제어부(600)는 상기 구동부(281)를 제어함으로써 상기 IGV(241)의 각도를 조절할 수 있다. The gas turbine of the present invention includes a
상기 제어부(600)는, 배기가스 온도(EGT)에 따라, 즉 최대 배기가스 온도(EGT)를 제한하며 목표부하까지 상기 IGV(241)의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있도록 한다. The
상기 제어부(600) 및 이의 제어방법에 관하여는 아래에서 상세히 살펴보도록 한다. The
상기 연소기(300)는 상기 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기 및 상기 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.The
구체적으로, 상기 연소기(300)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(300)는 상기 연소기 케이싱에 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.Specifically, a plurality of the
또한, 상기 각 연소기(300)는, 상기 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너, 상기 라이너에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너 및 상기 버너에서 생성되는 연소 가스를 상기 터빈으로 안내하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.In addition, each of the
상기 라이너는, 연소실을 형성하는 화염통 및 상기 화염통을 감싸면서 환형 공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다.The liner may include a flame tube that forms a combustion chamber, and a flow sleeve that surrounds the flame tube and forms an annular space.
상기 버너는, 상기 연소실로 유입되는 공기에 연료를 분사하도록 상기 라이너의 전단 측에 형성되는 연료 분사 노즐 및 상기 연소실에서 혼합된 공기와 연료가 착화되도록 상기 라이너의 벽부에 형성되는 점화 플러그를 포함할 수 있다.The burner includes a fuel injection nozzle formed at a front end side of the liner so as to inject fuel into the air introduced into the combustion chamber and an ignition plug formed in a wall portion of the liner so that fuel and air mixed in the combustion chamber are ignited .
상기 트랜지션 피스는 연소 가스의 높은 온도에 의해 손상되지 않도록 그 트랜지션 피스의 외벽부가 상기 압축기로부터 공급되는 공기에 의해 냉각되도록 형성될 수 있다. The transition piece may be formed so that the outer wall portion of the transition piece is cooled by the air supplied from the compressor so that the transition piece is not damaged by the high temperature of the combustion gas.
즉, 상기 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사하기 위한 냉각 홀이 형성되고, 공기가 그 냉각 홀을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킬 수 있다. That is, the transition piece may have a cooling hole for injecting air into the interior thereof, and air may cool the body inside the cooling hole.
한편, 상기 트랜지션 피스를 냉각시킨 공기는 상기 라이너의 환형 공간으로 유동되고, 상기 라이너의 외벽에는 상기 플로우 슬리브의 외부에서 공기가 상기 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀을 통해 냉각 공기로 제공되어 충돌할 수 있다.On the other hand, the air cooled by the transition piece flows into the annular space of the liner, and air is supplied to the outer wall of the liner from the outside of the flow sleeve through the cooling holes provided in the flow sleeve, have.
여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 압축기(200)와 상기 연소기(300) 사이에는 상기 연소기(300)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(desworler)가 형성될 수 있다.A deswooler is installed between the
다음으로, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈(400)은, 상기 로터(500)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(420) 및 상기 터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.Next, the
상기 터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. The plurality of
즉, 상기 터빈 블레이드(420)의 루트부(420a)는 상기 터빈 로터 디스크(540)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(420a)는 상기 터빈 블레이드(420)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.That is, the
이때, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 터빈 블레이드의 루트부(420a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다. At this time, the turbine blade coupling slot may be formed in the form of a fir to correspond to the
본 실시 예의 경우, 상기 터빈 블레이드 루트부(420a)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드를 상기 터빈 로터 디스크에 체결할 수 있다.In the present embodiment, the turbine
여기서, 상기 터빈 로터 디스크(540)와 상기 터빈 블레이드(420)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 터빈 블레이드 루트부(420a)가 전술한 바와 같이 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 상기 터빈 로터 디스크(540)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다. The
상기 터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(440)과 상기 터빈 블레이드(420)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다. The plurality of
또한, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. In addition, the plurality of
여기서, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로, 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다. Unlike the
이에 따라, 본 실시 예에 따른 가스 터빈은, 상기 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하는 냉각 유로를 더 포함할 수 있다.Accordingly, the gas turbine according to the present embodiment may further include a cooling flow path for adding compressed air to a portion of the
상기 냉각 유로는 실시 예에 따라, 상기 케이싱(100)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터(500)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다. The cooling channel may extend outside the casing 100 (outer channel) or extend through the inner portion of the rotor 500 (inner channel), and both the outer channel and the inner channel may be extended It can also be used.
이때, 상기 냉각 유로는 상기 터빈 블레이드(420)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 상기 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다.At this time, the cooling passage communicates with a turbine blade cooling passage formed in the
또한, 상기 터빈 블레이드 쿨링 유로는 상기 터빈 블레이드(420)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(420)의 표면에 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다.The cooling air is supplied to the surface of the
이외에도, 상기 터빈 베인(440) 역시 상기 터빈 블레이드(420)와 유사하게 상기 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.In addition, the
이러한 구성에 따른 가스 터빈(1)은, 상기 케이싱(100)으로 유입되는 공기가 상기 압축기(200)에 의해 압축되고, 상기 압축기에 의해 압축된 공기가 상기 연소기(300)에 의해 연료와 혼합된 뒤 연소되어 연소 가스가 되고, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스가 상기 터빈(400)으로 유입되고, 상기 터빈(400)으로 유입된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드(420)를 통해 상기 로터(500)를 회전시킨 후 상기 디퓨저를 통해 대기로 배출되며, 연소 가스에 의해 회전되는 상기 로터(500)가 상기 압축기(200) 및 상기 발전기를 구동할 수 있다. 즉, 상기 터빈에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 상기 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 상기 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다. In the
여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 IGV의 각도를 제어하기 위한 제어부 및 이의 제어방법은 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다. Here, the gas turbine is only an embodiment of the present invention, and the control unit for controlling the angle of the IGV of the present invention and its control method, which will be described in detail below, can be applied to all gas turbines in general.
이하, 상기 제어부(600) 및 이의 제어방법에 관하여 자세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the
본 실시 예에서, 상기 제어부(600)는, 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV(241)의 각도를 제어하는 제1 각도 제어부(620)와, 목표부하 도달 후 NOx와 CO의 농도를 판단하는 농도 판단부(640) 및 상기 농도 판단부에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도를 제어하는 제2 각도 제어부(660)를 포함하여 이루어질 수 있다. In this embodiment, the
상기 제1 각도 제어부(620)는, 최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV(241)의 각도를 조절할 수 있다. The first
즉, 배기가스의 온도가 최대 제한치를 넘지 않는 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 도 3에 도시된 바와 같이 최소 각도로(클로즈 상태) 유지하여 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량이 최소가 될 수 있도록 한다. That is, when the temperature of the exhaust gas does not exceed the maximum limit value, the angle of the
이때, 상기 IGV(241)의 최소 각도는 상기에서 살펴본 바와 같이 -50°에 해당할 수 있으며, 상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃로 설정할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 각도 및 온도로 설정할 수 있음은 물론이다. At this time, the minimum angle of the
또한, 배기가스의 온도가 최대 제한치에 도달한 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 조절하여 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량이 증가될 수 있도록 한다. 즉, 상기 IGV(241)의 각도를 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유동 방향과 나란하게 배치되는 오픈 상태에 가까워지도록 조절함으로써 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 늘려 배기가스 온도(EGT)가 낮아질 수 있도록 한다. Further, when the temperature of the exhaust gas reaches the maximum limit value, the angle of the
이때, 목표부하에 도달할 수 있도록 상기 연소기(300)로 공급되는 연료의 공급량은 연료 조절부(320)에 의해 조절될 수 있으며, 이는 아래의 제어방법에서 자세히 살펴보도록 한다. At this time, the amount of fuel supplied to the
상기 농도 판단부(640)는 상기 제1 각도 제어부(620)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 제어되며 목표부하에 도달한 후에 NOx와 CO의 농도를 판단하기 위한 것이다. The
상기 농도 판단부(640)는 배기가스 중 NOx와 CO의 농도를 측정하고, 각각의 제한값과 비교하여 제한값을 넘는지 혹은 넘지 않는지를 판단하게 된다. The
이때, 본 실시 예에서 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm로 설정할 수 있다. At this time, in this embodiment, the limit values of the NOx and CO can be set to 15 ppm and 10 ppm, respectively.
상기 제2 각도 제어부(660)는 상기 농도 판단부(640)에 의해 판단된 NOx와 CO의 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도를 제어하도록 한다. The second
상기 제2 각도 제어부(660)는, 상기 IGV(241)의 각도를 일정 각도씩 변경하는 각도 변경부(662) 및 상기 각도 변경부(662)에 의한 변경 시마다 엔진 효율을 평가하는 효율 평가부(664)를 포함한다. The second
즉, 상기 각도 변경부(662)는 상기 IGV(241)의 각도를 일정 각도씩, 본 실시 예에서는 1°씩 변경하며, 상기 효율 평가부(664)는 상기 각도 변경부(662)에 의해 각도가 변경될 때마다 엔진 효율을 평가함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 위한 상기 IGV(241)의 각도를 찾기 위함이다. That is, the
이때, 상기 각도 변경부(662)는 상기 IGV(241)의 각도를 1°씩 변경하되, 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다. At this time, the
즉, 상기 IGV(241)의 각도를 현재 각도에서 +1°만큼 변경 후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율과 -1°만큼 변경 후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율을 비교하여, 효율이 더 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경하도록 함으로써 최대 효율이 나타나는 IGV의 각도를 찾는 것이다. That is, after the angle of the
이와 같이, 상기 제2 각도 제어부(660)는, 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV(241)의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻기 위해 상기 IGV(241)의 각도를 제어할 수 있다. The second
또한, 상기 연료 조절부(320)는 상기 제2 각도 제어부(660)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절할 수 있다. In addition, the
이하, 상기 제어부(600)를 통해 상기 가스터빈(1), 구체적으로 상기 IGV(241)의 각도가 제어되는 작동과정에 대하여 상세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, an operation process of controlling the angle of the
우선, 상기 가스터빈(1)에 목표부하를 지령하면(부하 지령 단계), 상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기(300)에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV(241)의 각도가 제어된다(목표부하 도달 단계). First, when the target load is instructed to the gas turbine 1 (load command step), the amount of fuel supplied to the
즉, 상기 연료 조절부(320)에 의해 목표부하에 도달할 수 있도록 상기 연소기(300)로 공급되는 연료량은 증가하게 되며, 상기 제1 각도 제어부(620)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 제어된다. That is, the amount of fuel supplied to the
상기 연소기(300)로 공급되는 연료량을 증가시킴에 따라 부하가 증가하며, 배기가스 온도(EGT) 또한 증가한다. As the amount of fuel supplied to the
이때, 상기 IGV(241)의 각도는 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 배기가스 온도에 따라 제어될 수 있다(제1 각도 제어단계).At this time, the angle of the
구체적으로, 배기가스의 온도가 최대 제한치에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 최소 각도로 유지하며 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량이 최소가 될 수 있도록 하며, 배기가스의 온도가 최대 제한치에 도달한 경우에는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV(241)의 각도를 조절하도록 제어한다. 즉, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유동 방향과 나란하게 배치되는 오픈 상태에 가까워지도록 조절함으로써 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 늘려 배기가스 온도(EGT)가 낮아질 수 있도록 한다. Specifically, when the temperature of the exhaust gas does not reach the maximum limit, the angle of the
이때, 상기 IGV(241)의 최소 각도는 상기에서 살펴본 바와 같이 -50°에 해당할 수 있으며, 상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃로 설정할 수 있다. At this time, the minimum angle of the
이에 따라, 배기가스 온도가 최대 제한치, 본 실시 예에서는 640℃에 도달하기 전에 목표부하에 도달된다면 그 상태로 부하운전이 유지될 수 있으며, 목표부하에 도달하기 전 배기가스 온도가 640℃에 도달하게 되더라도 상기 IGV(241)의 각도를 조절 제어함으로써 최대 배기가스 온도(EGT)를 제한하며 목표부하까지 도달할 수 있다. Accordingly, if the exhaust gas temperature reaches the maximum limit value, that is, 640 DEG C in this embodiment, the load operation can be maintained in that state, and if the exhaust gas temperature reaches 640 DEG C before reaching the target load The maximum exhaust gas temperature EGT can be limited by adjusting and controlling the angle of the
이때, 가스터빈의 설계에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 상기 최대 EGT가 나타나는 목표부하는 30-40%일 수 있다. At this time, it may vary depending on the design of the gas turbine, but in general, the target load at which the maximum EGT appears may be 30-40%.
상기와 같이 목표도달 후에는, NOx와 CO의 농도를 판단하게 된다(농도 판단 단계).After reaching the target as described above, the concentration of NOx and CO is determined (concentration determination step).
즉, 상기 농도 판단부(640)에 의해 배기가스 중 NOx와 CO의 농도가 측정되며, 각각의 제한값과 비교하여 제한값을 넘는지 혹은 넘지 않는지를 판단하게 된다. That is, the
이때, 본 실시 예에서 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm로 설정할 수 있다. At this time, in this embodiment, the limit values of the NOx and CO can be set to 15 ppm and 10 ppm, respectively.
이에 따라, 만약 상기 농도 판단부(640)에 의해 판단된 NOx와 CO의 농도가 제한값을 넘는 경우에는 그 상태로 부하운전을 유지하며, 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 상기 IGV(241)의 각도를 아래와 같이 추가로 조절하여 최대의 효율을 얻도록 한다. Accordingly, if the concentration of NOx and CO determined by the
다음, 상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도가 제어될 수 있다(제2 각도 제어단계). Next, when the concentration determined by the concentration determination step does not exceed the limit value, the angle of the
즉, 상기 제2 각도 제어부(660)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 제어될 수 있으며, 구체적으로, 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 일정 각도씩 변경될 수 있고, 상기 효율 평가부(664)에 의해 변경 시마다 엔진 효율이 평가될 수 있다. That is, the angle of the
상기 제2 각도 제어단계는, 상기에서 살펴본 바와 같이, 상기 각도 변경부(662)가 상기 IGV(241)의 각도를 일정 각도씩, 본 실시 예에서는 1°씩 변경하도록 하며, 상기 효율 평가부(664)가 각도가 변경될 때마다 엔진 효율을 평가하도록 함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 위한 상기 IGV(241)의 각도로 제어할 수 있다. As described above, the second angle control step allows the
이때, 상기 각도 변경부(662)는 상기 IGV(241)의 각도를 1°씩 변경하되, 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다. At this time, the
또한, 상기 제2 각도 제어 단계는, 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 추가 변경 전 상기 농도 판단 단계에 의해 먼저 농도 판단이 이루어지도록 할 수 있다. If the efficiency evaluated by the
반대로, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV(241)의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻기 위한 상기 IGV(241)의 각도로 제어할 수 있다. On the contrary, if the
또한, 상기 제2 각도 제어단계에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량이 조절될 수 있다(연료 공급 조절단계). 이는 상기 연료 조절부(320)에 의해 조절될 수 있다. Further, when the angle of the
상기와 같은 본 발명에 따르면, 최대 EGT를 제한하며 목표부하까지 IGV의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 IGV의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, not only the maximum EGT is limited and the angle of the IGV is adjusted to the target load, but the maximum efficiency in the target load can be obtained by further adjusting the angle of the IGV according to the engine efficiency even after reaching the target load It is effective.
또한, 상기 NOx와 CO의 농도를 판단함으로써 Emission 만족이 가능하다. In addition, it is possible to satisfy the emission by judging the concentrations of NOx and CO.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific embodiment and description, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention as claimed in the claims. And such modifications are within the scope of protection of the present invention.
1: 가스터빈
100: 케이싱
102: 압축기 케이싱
103: 연소기 케이싱
104: 터빈 케이싱
200: 압축기
220: 압축기 블레이드
220a: 압축기 블레이드 루트부
221, 222, 223: 1단 내지 3단 압축기 블레이드
240: 압축기 베인
241: IGV(Inlet Guide Vane)
242, 243, 244: 2단 내지 4단 가변 베인
261, 262, 263, 264: 스핀들
281, 282, 283, 284: 구동부
300: 연소기
320: 연료 조절부
400: 터빈
420: 터빈 블레이드
420a: 터빈 블레이드 루트부
440: 터빈 베인
500: 로터
520: 압축기 로터 디스크
530: 토크 튜브
540: 터빈 로터 디스크
550: 타이로드
560: 고정 너트
600: 제어부
620: 제1 각도 제어부
640: 농도 판단부
660: 제2 각도 제어부
662: 각도 변경부
664: 효율 평가부 1: gas turbine 100: casing
102: compressor casing 103: combustor casing
104: turbine casing 200: compressor
220:
221, 222, 223: a first- to third-stage compressor blade
240: compressor vane 241: IGV (Inlet Guide Vane)
242, 243, 244: two-stage to four-stage variable vanes
261, 262, 263, 264:
300: combustor 320: fuel regulator
400: Turbine 420: Turbine blade
420a: turbine blade root portion 440: turbine vane
500: rotor 520: compressor rotor disk
530: torque tube 540: turbine rotor disk
550: Tie rod 560: Fixing nut
600: control unit 620: first angle control unit
640: density determination unit 660: second angle control unit
662: angle changing section 664: efficiency evaluation section
Claims (20)
상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기;
상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;
상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane); 및
상기 IGV의 각도를 제어하기 위한 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는,
목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어부;
목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단부; 및
상기 농도 판단부에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어부;
를 포함하는 가스터빈. Casing;
A compressor disposed in the casing for sucking air and compressing the compressed air to a high pressure;
A combustor for combusting the air compressed by the compressor with the fuel;
A turbine for rotating the plurality of turbine blades using the high-temperature, high-pressure combustion gas discharged from the combustor to produce electric power;
An IGV (Inlet Guide Vane) provided at an inlet of the compressor and connected to the casing in an angle-adjustable manner; And
And a controller for controlling the angle of the IGV,
Wherein,
A first angle control unit for controlling the angle of the IGV so as not to exceed the maximum exhaust gas temperature (EGT) until the target load is reached;
A concentration determination unit for determining a concentration of nitrogen oxide (NOx) and carbon monoxide (CO) after reaching a target load; And
A second angle control unit for controlling the angle of the IGV according to the engine efficiency when the concentration determined by the concentration determination unit does not exceed the limit value;
.
상기 제1 각도 제어부는,
최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the first angle control unit comprises:
Wherein the angle of the IGV is controlled to maintain the angle of the IGV at a minimum angle when the maximum exhaust gas temperature is not reached and to increase the amount of air flowing into the compressor when the maximum exhaust gas temperature is reached, Gas turbine.
상기 IGV의 최소 각도는 -50°인 것을 특징으로 하는 가스터빈. 3. The method of claim 2,
Wherein the minimum angle of the IGV is -50 °.
상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm인 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the limit values of NOx and CO are 15 ppm and 10 ppm, respectively.
상기 제2 각도 제어부는,
상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하는 각도 변경부; 및
상기 각도 변경부에 의한 변경시마다 엔진 효율을 평가하는 효율 평가부;
를 포함하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the second angle control unit comprises:
An angle changing unit for changing the angle of the IGV by a predetermined angle; And
An efficiency evaluating unit for evaluating the engine efficiency at every change by the angle changing unit;
.
상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈. 6. The method of claim 5,
Wherein the angle changing unit changes the angle of the IGV by 1 DEG.
상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.The method according to claim 6,
Wherein the angle changing unit changes the angles of the IGV by 1 DEG in different directions, compares the evaluated efficiencies, and further changes the angle by 1 DEG in a direction of increasing the efficiency.
상기 제2 각도 제어부는,
상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스터빈. 6. The method of claim 5,
Wherein the second angle control unit comprises:
The angle changing unit may further change the angle of the IGV when the efficiency evaluated by the efficiency evaluating unit is higher than the conversion efficiency after the angle of the IGV is changed by the angle changing unit, So that the angle of the IGV is restored to an angle before the change.
상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃인 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
Wherein the maximum exhaust gas temperature (EGT) is 640 占 폚.
상기 연소기로 공급되는 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 조절부;를 더 포함하며,
상기 연료 조절부는, 상기 제1 각도 제어부 및 제2 각도 제어부에 의해 상기 IGV의 각도가 제어될 때, 목표부하에 도달 및 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스터빈. The method according to claim 1,
And a fuel regulator for regulating a supply amount of fuel supplied to the combustor,
Wherein the fuel regulator adjusts the supply amount of the fuel so as to reach and maintain the target load when the angle of the IGV is controlled by the first angle control part and the second angle control part.
목표부하를 지령하는 부하 지령 단계;
상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV의 각도를 제어하는 목표부하 도달 단계;
목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단 단계; 및
상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어단계;
를 포함하는 가스터빈의 제어방법. A combustor for combusting the air compressed by the compressor with the fuel to burn the high temperature and high pressure combustion gas discharged from the combustor; A method of controlling a gas turbine including a turbine that rotates a plurality of turbine blades and generates electric power using an electric motor, and an IGV (Inlet Guide Vane) that is provided at an inlet of the compressor and is angularly adjustable to the casing ,
A load command step for commanding a target load;
A target load reaching step of controlling an amount of fuel supplied to the combustor to reach the target load and an angle of the IGV;
Determining a concentration of nitrogen oxide (NOx) and carbon monoxide (CO) after reaching a target load; And
A second angle control step of controlling the angle of the IGV according to the engine efficiency when the concentration determined by the concentration determination step does not exceed the limit value;
/ RTI >
상기 목표부하 도달 단계는,
목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어단계;를 포함하는 가스터빈의 제어방법. 12. The method of claim 11,
The target load reaching step includes:
And a first angle control step of controlling the angle of the IGV so as not to exceed the maximum exhaust gas temperature (EGT) until the target load is reached.
상기 제1 각도 제어단계는,
최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 13. The method of claim 12,
Wherein the first angle control step comprises:
Controlling the angle of the IGV so as to increase the amount of air flowing into the compressor when the maximum exhaust gas temperature is not reached, while maintaining the angle of the IGV at the minimum angle when the maximum exhaust gas temperature is not reached Wherein the gas turbine is a gas turbine.
상기 IGV의 최소 각도는 -50°인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 14. The method of claim 13,
Wherein the minimum angle of the IGV is -50 °.
상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 12. The method of claim 11,
Wherein the limit values of NOx and CO are 15 ppm and 10 ppm, respectively.
상기 제2 각도 제어단계는,
상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하며, 변경 시마다 엔진 효율을 평가하여 효율이 가장 높은 상기 IGV의 각도로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 12. The method of claim 11,
Wherein the second angle control step comprises:
Wherein the angle of the IGV is changed by a predetermined angle and the engine efficiency is evaluated at each change to control the angle of the IGV with the highest efficiency.
상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 17. The method of claim 16,
Wherein the second angle control step changes the angle of the IGV by 1 DEG.
상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 18. The method of claim 17,
Wherein the second angle control step changes the angle of the IGV by 1 DEG in different directions, compares the evaluated efficiencies, and further changes the angle by 1 DEG in a direction of increasing the efficiency. .
상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법. 13. The method of claim 12,
Wherein the maximum exhaust gas temperature (EGT) is 640 ° C.
상기 제2 각도 제어단계에 의해 상기 IGV의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 공급 조절단계;
를 더 포함하는 가스터빈의 제어방법.
12. The method of claim 11,
A fuel supply regulating step for regulating a supply amount of the fuel so as to maintain the target load when the load is changed as the angle of the IGV is changed by the second angle control step;
Further comprising the steps of:
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KR1020170154603A KR101985108B1 (en) | 2017-11-20 | 2017-11-20 | Gas turbine for improving performance at part-load and control method thereof |
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2017
- 2017-11-20 KR KR1020170154603A patent/KR101985108B1/en active IP Right Grant
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GRNT | Written decision to grant |