KR20210014654A - Power plant with generator cooling - Google Patents

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KR20210014654A
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올라프 미첼손
올라프 슈미트
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 발전기 냉각 가스에 의해 냉각되는 발전기(4) 및 발전기 냉각 가스로부터 열을 추출하는 적어도 하나의 열 교환기(8)를 갖는 발전소(1)에 관한 것으로서, 적어도 하나의 열 교환기(8)는 냉매에 의해 관류되는 냉각 유닛(9)의 구성요소인 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a power plant 1 having a generator 4 cooled by a generator cooling gas and at least one heat exchanger 8 for extracting heat from the generator cooling gas, wherein at least one heat exchanger 8 It is characterized in that it is a component of the cooling unit 9 through which the refrigerant flows.

Description

발전기 냉각을 갖는 발전소Power plant with generator cooling

본 발명은 발전기 냉각 가스에 의해 냉각되는 발전기(generator) 및 발전기 냉각 가스로부터 열을 추출하는 적어도 하나의 열 교환기를 갖는 발전소(power plant)에 관한 것이다.The present invention relates to a power plant having a generator cooled by a generator cooling gas and at least one heat exchanger for extracting heat from the generator cooling gas.

도입부에 언급한 유형의 발전소는 광범위한 형태의 실시예로 종래 기술로부터 공지되어 있다. 이들은 가스 터빈 발전소로서, 증기 터빈 발전소로서 또는 가스 및 증기 터빈 발전소로서 구성될 수 있다. 다수의 발전소 구성요소는, 한편으로는 발생하는 열 손실의 제거를 위해, 다른 한편으로는 발전소의 성능의 향상을 위해 냉각을 요구한다. 이는 일반적으로 적어도 하나의 열 교환기에 의해 재냉각되는 냉각 가스에 의해 냉각되는, 전기의 발생을 위해 사용되는 발전기에도 동일하게 적용된다. 적어도 하나의 열 교환기는 일반적으로 발전소의 폐쇄형 냉각수 시스템에 연결되는데, 이 시스템에 의해 예를 들어 윤활 오일 또는 밀봉 오일의 냉각을 위한 열 교환기, 펌프의 냉각을 위한 열 교환기 등과 같은, 추가 열 교환기가 또한 냉각수를 공급받는다. 냉각수 회로의 냉각수의 재냉각은 예를 들어 일과식 담수 냉각(once-through fresh water cooling), 냉각 타워 또는 공냉식 냉각기의 사용을 수반하는 폐회로 냉각(closed-circuit cooling) 등에 의해 다양한 방식으로 실행될 수 있다.Power plants of the type mentioned in the introduction are known from the prior art in a wide variety of embodiments. They can be configured as gas turbine power plants, steam turbine power plants or as gas and steam turbine power plants. Many power plant components require cooling, on the one hand, to eliminate the heat losses that occur, and on the other hand to improve the performance of the power plant. The same applies to generators used for the generation of electricity, which are generally cooled by a cooling gas that is recooled by at least one heat exchanger. At least one heat exchanger is usually connected to the power plant's closed cooling water system, by means of which additional heat exchangers, for example heat exchangers for cooling lubricating oil or sealing oil, heat exchangers for cooling pumps, etc. Is also supplied with coolant. The recooling of the coolant in the coolant circuit can be carried out in various ways, for example by once-through fresh water cooling, closed-circuit cooling involving the use of cooling towers or air-cooled coolers. .

잠재적으로 달성 가능한 발전기의 전기 출력은 발전기 권선의 냉각을 위해 미리 규정된 발전기 냉각 가스의 저온 가스 온도, 즉 발전기로의 유입시 발전기 냉각 가스 온도에 의존한다. 저온 가스 온도가 낮을수록, 더 많은 기계적 에너지가 발전기에서 전기 에너지로 변환될 수 있다. 발전기 냉각 가스는 전술된 바와 같이, 냉각수 시스템에 의해 냉각되는 적어도 하나의 열 교환기를 통해 얻어진다. 따라서, 발전기를 냉각하기 위한 발전기 냉각 가스의 저온 가스 온도는 적어도 하나의 열 교환기를 관류하는 냉각수의 냉각수 온도와 연계된다. 냉각수 온도는 이어서, 재냉각에 의존하고, 결과적으로 임의로 감소될 수 없다. 이에 따라, 발전기의 달성 가능한 전기 출력에 한계가 설정된다.The potentially achievable electrical output of the generator depends on the cold gas temperature of the generator cooling gas predefined for cooling the generator windings, ie the generator cooling gas temperature upon entry into the generator. The lower the cold gas temperature, the more mechanical energy can be converted into electrical energy in the generator. The generator cooling gas is obtained through at least one heat exchanger that is cooled by a cooling water system, as described above. Thus, the low temperature gas temperature of the generator cooling gas for cooling the generator is associated with the coolant temperature of the coolant flowing through the at least one heat exchanger. The cooling water temperature then depends on recooling, and consequently cannot be arbitrarily reduced. Accordingly, limits are set on the achievable electrical output of the generator.

터빈의 출력 증가 조치에 의해, 기계적 출력의 증가가 발전기 샤프트 상에서 달성되면, 이 전기 에너지로의 증가된 출력의 변환을 허용하기 위해, 개선된 냉각이 발전기를 위해 제공되는 것이 바람직하다.If, by means of the measures to increase the power of the turbine, an increase in mechanical power is achieved on the generator shaft, it is preferable that improved cooling is provided for the generator in order to allow conversion of this increased power to electrical energy.

이 종래 기술에 기초하여, 본 발명의 하나의 과제는 개선된 구조를 갖는, 도입부에 언급한 유형의 발전소의 제공이다.Based on this prior art, one object of the present invention is to provide a power plant of the type mentioned in the introduction, with an improved structure.

이 과제의 해결을 위해, 본 발명은 적어도 하나의 열 교환기가 냉매에 의해 관류되는 냉각 유닛(refrigerating unit)의 구성요소인 것을 특징으로 하는, 도입부에 언급한 유형의 발전소를 제공한다. 달리 말하면, 발전기를 냉각하는 발전기 냉각 가스가 냉각 유닛의 사용 하에 직접 재냉각되는 것이 제안된다. 따라서, 이는 한편으로는 발전기 냉각 가스의 냉각을 위해, 발전기 냉각 가스로부터 냉매로의 개별 열 전달만이 발생하고, 이는 매우 에너지 효율적이라는 점에서 유리하다. 다른 한편으로, 냉각 유닛은 냉각수 시스템에 완전히 독립적이어서, 발전기 냉각 가스의 재냉각에 제한이 거의 설정되지 않게 된다. 냉각 유닛은 또한 비교적 낮은 복잡성을 갖고 개장될(retrofitted) 수 있다. 이에 상응하게, 기존의 발전소의 발전기 냉각은, 이를 위해 기존의 냉각수 시스템에 개입할 필요 없이, 예를 들어 터빈의 출력 증가 조치를 통해 발생하는 증가하는 요구에 적응될 수 있다.To solve this problem, the invention provides a power plant of the type mentioned in the introduction, characterized in that at least one heat exchanger is a component of a refrigerating unit through which the refrigerant flows. In other words, it is proposed that the generator cooling gas that cools the generator is recooled directly under the use of a cooling unit. Thus, this is advantageous in that, on the one hand, for the cooling of the generator cooling gas, only individual heat transfer from the generator cooling gas to the refrigerant takes place, which is very energy efficient. On the other hand, the cooling unit is completely independent of the cooling water system, so that there is little limit to the recooling of the generator cooling gas. The cooling unit can also be retrofitted with relatively low complexity. Correspondingly, the cooling of the generators of existing power plants can be adapted to the increasing demands arising from, for example, measures to increase the power of the turbine, without having to intervene in the existing cooling water system for this purpose.

본 발명의 일 구성에 따르면, 냉각 유닛은 압축 냉각기(chiller)이고, 폐회로 내에 통합되어 있는, 적어도 하나의 열 교환기에 의해 구성되는 증발기, 압축기, 응축기 및 스로틀(예를 들어, 팽창 밸브 또는 모세관 튜브의 형태)을 포함한다. 이 방식으로, 매우 간단하고 비용 효율적인 구조가 달성된다.According to one configuration of the present invention, the cooling unit is a compression chiller, and an evaporator, compressor, condenser and throttle (e.g., expansion valve or capillary tube) constituted by at least one heat exchanger, integrated in a closed circuit. Form). In this way, a very simple and cost-effective structure is achieved.

유리하게는, 냉각 유닛의 냉매는 테트라플루오로에탄(R-134a) 또는 이산화탄소이다.Advantageously, the refrigerant in the cooling unit is tetrafluoroethane (R-134a) or carbon dioxide.

냉각 유닛은 바람직하게는 발전기 냉각 가스로부터만 열을 추출하도록 배열되고 구성된다. 이는 따라서, 냉각 유닛의 구성이 발전기의 냉각 수요만에 기초하여 실행되면 된다는 점에서 유리하다.The cooling unit is preferably arranged and configured to extract heat only from the generator cooling gas. This is thus advantageous in that the configuration of the cooling unit only needs to be executed based on the cooling demand of the generator.

본 발명의 일 구성에 따르면, 냉각 유닛은 별도로 개장 가능한 유닛으로서 제공되어, 이러한 개장 가능한 유닛이 발전소에서 간단히 개장될 수 있게 되고, 발전소의 추가 구성요소는 가능한 경우 약간의 조정만을 요구할 수도 있다. 특히, 기존 냉각수 시스템에 대한 개입이 필요하지 않다.According to one configuration of the invention, the cooling unit is provided as a separately retrofitable unit, such that such retrofitable units can be simply retrofitted in a power plant, and additional components of the power plant may require only minor adjustments if possible. In particular, no intervention is required for the existing cooling water system.

바람직하게는, 발전기 냉각 가스로부터 열을 추출하는 추가 열 교환기가 제공되고, 이러한 추가 열 교환기는 냉각수에 의해 관류되는 냉각수 시스템의 구성요소는 아니다. 발전기 냉각 가스의 중복 냉각은, 냉각 유닛 또는 추가 열 교환기의 고장 시에, 감소된 출력에서 안전한 발전소 운영이 항상 보장된다는 점에서 유리하다.Preferably, an additional heat exchanger is provided for extracting heat from the generator cooling gas, which additional heat exchanger is not a component of the cooling water system which is flowed through by the cooling water. The redundant cooling of the generator cooling gas is advantageous in that, in the event of a failure of the cooling unit or additional heat exchanger, safe power plant operation at reduced power is always ensured.

유리하게, 냉각 유닛에는 적어도 하나의 추가 냉각 시스템이 냉매의 재냉각을 위해 그리고/또는 냉각 유닛의 구성요소의 냉각을 위해 연결된다.Advantageously, at least one additional cooling system is connected to the cooling unit for recooling the refrigerant and/or for cooling the components of the cooling unit.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 발전소의 형성을 위해 냉각 유닛이 사용되는 것을 제안한다.The invention also proposes that a cooling unit is used for the formation of a power plant according to the invention.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발전소의 이하의 설명에 의해 명확해진다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전소의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전소의 개략도를 도시하고 있다.Other features and advantages of the present invention will be made clear by the following description of a power plant according to an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings. In the drawing:
1 shows a schematic diagram of a power plant according to a first embodiment of the present invention.
2 shows a schematic diagram of a power plant according to a second embodiment of the present invention.

이하, 동일한 참조 번호가 동일한 또는 등가의 구성요소를 식별하기 위해 사용된다.Hereinafter, the same reference numbers are used to identify the same or equivalent elements.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전소(1)를 도시하고 있다. 본 경우에, 발전소(1)는 가스 터빈 발전소이지만, 또한 각각의 다른 유형의 발전소일 수도 있다. 발전소(1)는 공기 압축기(2), 가스 터빈(3), 발전기(4) 및 변압기(5)를 포함한다. 발전소(1)의 작동 중에, 공기 압축기(2)에서 압축된 공기는 공지의 방식으로 연료와 함께 연소된다. 연소 가스는 가스 터빈(3)에 공급되고, 여기서 팽창하여, 이에 의해 가스 터빈 회전자(6)를 구동한다. 가스 터빈 회전자(6)는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(4)를 구동한다. 변압기(5)는 전기 에너지가 전력 공급망에 공급될 수 있도록 전기 에너지를 변환한다.1 shows a power plant 1 according to a first embodiment of the present invention. In this case, the power plant 1 is a gas turbine power plant, but it may also be each other type of power plant. The power plant 1 comprises an air compressor 2, a gas turbine 3, a generator 4 and a transformer 5. During operation of the power plant 1, the compressed air in the air compressor 2 is combusted with fuel in a known manner. The combustion gas is supplied to the gas turbine 3, where it expands, thereby driving the gas turbine rotor 6. The gas turbine rotor 6 drives a generator 4 that converts kinetic energy into electrical energy. The transformer 5 converts electrical energy so that it can be supplied to the power supply network.

발전소(1)의 개별 구성요소의 냉각을 위해, 발전소는 공지된 방식으로, 폐회로 냉각수 시스템을 구비하는데, 이 시스템은 도 1에는 더 상세히 표현되어 있지 않으며, 일반적으로 중간 냉각수 회로로도 불린다. 일련의 열 교환기가 냉각수 시스템에 연결되는데, 이에 의해 예를 들어 윤활 오일, 밀봉 오일, 펌프 및/또는 발전소(1)의 다른 구성요소가 냉각된다.For the cooling of the individual components of the power plant 1, the power plant is equipped in a known manner with a closed loop cooling water system, which system is not represented in more detail in FIG. 1 and is generally referred to as an intermediate cooling water circuit. A series of heat exchangers are connected to the cooling water system by means of which, for example, lubricating oil, sealing oil, pumps and/or other components of the power plant 1 are cooled.

발전기(4)는, 더 상세히 표현되어 있지 않은 수단에 의해 발전기 냉각 가스 회로(7) 내에서 순환되는 발전기 냉각 가스에 의해 냉각된다. 발전기 냉각 가스의 재냉각을 위해, 냉매에 의해 관류되는 냉각 유닛(9)의 구성요소를 구성하는 열 교환기(8)가 제공된다. 냉각 유닛(9)은, 열 교환기(8)에 의해 구성되는 증발기에 추가하여, 압축기(10), 응축기(11) 및 스로틀(12)을 포함하고, 이를 통해 냉각 유닛(9)의 냉매가 폐회로에서 상응하는 라인을 통해 안내된다. 냉매는 예를 들어 테트라플루오로에탄(R-134a)이고, 기본적으로, 다른 냉매가 또한 사용될 수 있다. 냉각 유닛(9)의 응축기(11)는 예를 들어 주위 공기의 사용 하에 냉각된다. 발전소의 냉각수 시스템 내의 상응하는 통합을 통해 냉각수 냉각도 또한 가능하다. 본 경우, 냉각 기계(9)의 압축기(10)는 공기에 의해 냉각되는데, 공기는 전술된 냉각수 시스템에 마찬가지로 연결될 수 있는 추가 열 교환기(13)에서 재냉각된다. 이러한 점에서 냉각 유닛(10)의 응축기(11) 및 압축기(10)의 재냉각은 각각의 적절한 냉각 시스템에 의해 실행될 수 있다는 것이 관찰되어야 한다.The generator 4 is cooled by means of the generator cooling gas circulated in the generator cooling gas circuit 7 by means not described in more detail. For recooling of the generator cooling gas, a heat exchanger 8 is provided that constitutes a component of the cooling unit 9 which is flowed through by the refrigerant. The cooling unit 9, in addition to the evaporator constituted by the heat exchanger 8, includes a compressor 10, a condenser 11 and a throttle 12, through which the refrigerant of the cooling unit 9 is closed. Is guided through the corresponding line at The refrigerant is for example tetrafluoroethane (R-134a), and basically, other refrigerants can also be used. The condenser 11 of the cooling unit 9 is cooled under the use of ambient air, for example. Cooling of the cooling water is also possible through corresponding integration in the cooling water system of the power plant. In this case, the compressor 10 of the cooling machine 9 is cooled by air, which is recooled in an additional heat exchanger 13 which can likewise be connected to the cooling water system described above. In this respect, it should be observed that the recooling of the condenser 11 and the compressor 10 of the cooling unit 10 can be carried out by each suitable cooling system.

발전소(1)의 작동 중에, 발전기 냉각 가스가 발전기로부터 열을 추출하면, 냉각 유닛(9)의 열 교환기(8)에서 재냉각되고, 이어서 발전기(4)로 다시 안내된다. 열 교환기(8)에서, 발전기 냉각 가스로부터 추출된 열은 냉매로 전달되는데, 냉매는 냉각 유닛(9)에서 순환하고, 증발하고, 압축기(10)에서 압축되고, 응축기(11)에서 응축된다. 응축물은 이어서 스로틀(12)의 사용 하에 압력 릴리프(pressure-relief)가 실행되고, 증발기로서 기능하는 열 교환기(8)로 다시 공급된다. 따라서, 발전기 냉각 가스의 재냉각은 냉각 유닛(9)에 의해서만 실행된다. 이는 발전기 냉각의 냉각력이 발전소(1)의 기타의 냉각 시스템에 완전히 독립적으로, 특히 전술된 냉각수 시스템에 독립적으로 설정될 수 있다는 점에서 유리하다. 이에 상응하게, 에너지면에서 유리하고 매우 높은 성능의 유연한 발전기 냉각이 제공되는데, 이는 발전기 샤프트 상의 매우 높은 기계적 출력이 전기 에너지로 변환되는 것을 허용한다. 발전소(1)의 다른 냉각 시스템으로부터의 그 독립성을 이유로 냉각 유닛(9)은, 기존의 발전소(1)의 발전기(4)의 냉각력이 개선을 요구하는 경우에, 간단한 방식으로 개장될 수 있다는 추가의 장점이 제공된다.During the operation of the power plant 1, when the generator cooling gas extracts heat from the generator, it is recooled in the heat exchanger 8 of the cooling unit 9 and then guided back to the generator 4. In the heat exchanger 8, the heat extracted from the generator cooling gas is transferred to the refrigerant, which is circulated in the cooling unit 9, evaporated, compressed in the compressor 10, and condensed in the condenser 11. The condensate is then subjected to a pressure-relief under the use of the throttle 12 and fed back to the heat exchanger 8 functioning as an evaporator. Accordingly, recooling of the generator cooling gas is performed only by the cooling unit 9. This is advantageous in that the cooling power of the generator cooling can be set completely independently of the other cooling systems of the power plant 1, in particular independently of the cooling water system described above. Correspondingly, flexible generator cooling is provided which is advantageous in terms of energy and of very high performance, which allows very high mechanical outputs on the generator shaft to be converted into electrical energy. Because of its independence from other cooling systems of the power plant 1, the cooling unit 9 can be retrofitted in a simple manner, in case the cooling power of the generator 4 of the existing power plant 1 requires improvement. Additional advantages are provided.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전소(1)를 도시하고 있다. 이는 발전기 냉각 가스가 냉각 유닛(9)의 열 교환기(8)를 관류하기 전에, 전술된 냉각수 시스템(15)의 냉각수에 의해 추가의 열 교환기(14)에서 재냉각된다는 점만이, 전술된 발전소(1)와 상이하다. 열 교환기(14)는 기존의 발전기 내에 이미 존재하며, 냉각 유닛(9)이 고장나거나 운전 정지되는 경우, 1차 냉각으로서 그리고/또는 기본 냉각으로서 사용된다.2 shows a power plant 1 according to a second embodiment of the present invention. This is only the fact that the generator cooling gas is recooled in the additional heat exchanger 14 by the cooling water of the cooling water system 15, before flowing through the heat exchanger 8 of the cooling unit 9, the above-described power plant ( It is different from 1). The heat exchanger 14 already exists in the existing generator and is used as primary cooling and/or as basic cooling in case the cooling unit 9 fails or goes out of operation.

본 발명이 바람직한 예시적인 실시예를 참조하여 더 상세히 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예에 한정되는 것은 아니고, 다른 변형이 본 발명의 보호 범주로부터 벗어나지 않고, 통상의 기술자에 의해 그로부터 추론될 수 있다.Although the present invention has been illustrated and described in more detail with reference to preferred exemplary embodiments, the present invention is not limited to the disclosed examples, and other modifications may be deduced therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of protection of the present invention. have.

Claims (8)

발전기 냉각 가스에 의해 냉각되는 발전기(4) 및 발전기 냉각 가스로부터 열을 추출하는 적어도 하나의 열 교환기(8)를 갖는 발전소(1)에 있어서,
적어도 하나의 열 교환기(8)는 냉매에 의해 관류되는 냉각 유닛(9)의 구성요소인 것을 특징으로 하는, 발전소(1).A power plant (1) having a generator (4) cooled by a generator cooling gas and at least one heat exchanger (8) for extracting heat from the generator cooling gas,
Power plant (1), characterized in that at least one heat exchanger (8) is a component of a cooling unit (9) which is flowed through by a refrigerant. 제1항에 있어서,
냉각 유닛(9)은 압축 냉각기이고, 폐회로 내에 통합되어 있는, 적어도 하나의 열 교환기(8)에 의해 구성되는 증발기, 압축기(10), 응축기(11) 및 스로틀(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 발전소(1).The method of claim 1,
The cooling unit 9 is a compression cooler, characterized in that it comprises an evaporator, a compressor 10, a condenser 11 and a throttle 12, which is constituted by at least one heat exchanger 8, integrated in a closed circuit. To the power plant (1). 제1항 또는 제2항에 있어서,
냉각 유닛(9)의 냉매는 테트라플루오로에탄(R-134a) 또는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는, 발전소(1).The method according to claim 1 or 2,
The power plant (1), characterized in that the refrigerant in the cooling unit (9) is tetrafluoroethane (R-134a) or carbon dioxide. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각 유닛(9)은 발전기 냉각 가스로부터만 열을 추출하도록 배열되고 구성되는 것을 특징으로 하는, 발전소(1).The method according to any one of claims 1 to 3,
Power plant (1), characterized in that the cooling unit (9) is arranged and configured to extract heat only from the generator cooling gas. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각 유닛(9)은 별도로 개장 가능한 유닛으로서 제공되는 것을 특징으로 하는, 발전소(1).The method according to any one of claims 1 to 4,
Power plant (1), characterized in that the cooling unit (9) is provided as a separately retrofitable unit. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
발전기 냉각 가스로부터 열을 추출하는 추가 열 교환기(14)가 제공되고, 추가 열 교환기는 냉각수에 의해 관류되는 냉각수 시스템(15)의 구성요소는 아닌 것을 특징으로 하는, 발전소(1).The method according to any one of claims 1 to 5,
Power plant (1), characterized in that an additional heat exchanger (14) is provided for extracting heat from the generator cooling gas, the additional heat exchanger being not a component of the cooling water system (15) which is flowed through by the cooling water. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각 유닛(9)에는 적어도 하나의 추가 냉각 시스템이 냉매의 재냉각을 위해 그리고/또는 냉각 유닛(9)의 구성요소의 냉각을 위해 연결되는 것을 특징으로 하는, 발전소(1).The method according to any one of claims 1 to 6,
Power plant (1), characterized in that at least one further cooling system is connected to the cooling unit (9) for recooling the refrigerant and/or for cooling the components of the cooling unit (9). 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 발전소(1)의 형성을 위한 냉각 유닛(9)의 사용.Use of a cooling unit (9) for the formation of a power plant (1) according to any one of the preceding claims.
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