KR20220058348A - 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR20220058348A
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Abstract

본 발명은, 외부로부터 흡입한 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 공급받은 제1연소가스가 내부로 통과되는 터빈을 포함하는 가스터빈; 연소챔버와, 상기 연소챔버에 설치되며 상기 가스터빈의 터빈으로부터 토출된 제1연소가스가 유입되는 버너를 포함하는 보일러; 상기 연소챔버에서 발생된 증기가 내부로 통과되는 증기터빈; 상기 가스터빈의 터빈과 상기 버너를 연결하는 제1GT라인; 상기 제1GT라인과 연결되며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제1공기라인; 상기 버너의 입구에 설치되며, 상기 버너로 유입되는 유체의 산소 농도를 측정하는 제1산소센서; 및 상기 제1GT라인에 설치되며, 상기 제1산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1GT라인을 통해 유동하는 유체의 양을 조절하는 제1GT댐퍼를 포함하는 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법을 제공한다.

Description

하이브리드 발전설비 및 그 제어방법{Hybrid power generation equipment and control method thereof}
본 발명은 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가스터빈과 증기터빈을 구동하여 발생되는 동력을 이용하여 전력을 생성하는 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소의 종류는 사용되는 연료에 따라 분류된다. 대표적인 예로, 화력 발전소는 석탄, 중유, 천연가스 등의 연료를 보일러에서 연소시켜 발생되는 열에너지를 이용하여 보일러 내의 물을 가열하고, 이를 통해 생산된 고온 고압의 과열증기를 증기터빈으로 통과시켜 증기터빈에 연결되어 있는 발전기에 의해 전기가 생산되도록 한다.
화력발전소는 전술한 설비 이외에도 주기기와 보조기기(Balance of Plant, BOP) 즉 연료공급 및 처리계통, 응축수 및 급수 계통, 냉각수계통, 재처리계통, 기타 유틸리티 설비(Air, Service Water, Water/Waste Water Treatment System)등으로 구성되어 전기 생산에 각각의 역할을 담당하고 있다.
한편, 복합화력발전이란, 천연가스나 경유 등의 연료를 사용하여 1차로 가스터빈을 돌려 발전하고, 가스터빈에서 나오는 배기가스 열을 다시 배열회수증기발생기(HRSG; Heat Recovery Steam Generator)에 통과시켜 증기를 생산하여 2차로 증기터빈을 돌려 발전하는 것이다. 복합화력발전은 두 차례에 걸쳐 발전하기 때문에 기존 화력발전보다 열효율이 10％정도 높다는 점과, 공해가 적고 정지했다가 다시 가동하는 시간이 짧다는 장점이 있다.
이때, 종래의 복합화력발전은, 가스터빈과 보일러를 결합하여 서로의 장점을 살릴 수는 있으나, 보일러에서 가스터빈의 배기가스를 흡수하는 데 한계가 있어, 설비 전체의 효율을 향상시키거나 이산화탄소를 저감시키는 데는 한계가 있다.
또한, 종래의 복합화력발전은, 석탄 연소 보일러에서는 천연가스를 연소에 이용할 수 있으나, 가스터빈을 이용하여 연소할 때 대비 효율이 낮은 단점이 있으며, 연소 안정성을 유지하기 위해, Firing rate을 조절 속도가 가스터빈 대비 느린 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 한계점을 극복하기 위해 개발된 것으로, 설비의 전체 효율을 극대화하면서 부하 추종성을 높이고, 운전의 안전성을 확보할 수 있는 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은, 외부로부터 흡입한 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 공급받은 제1연소가스가 내부로 통과되는 터빈을 포함하는 가스터빈; 연소챔버와, 상기 연소챔버에 설치되며 상기 가스터빈의 터빈으로부터 토출된 제1연소가스가 유입되는 버너를 포함하는 보일러; 상기 연소챔버에서 발생된 증기가 내부로 통과되는 증기터빈; 상기 가스터빈의 터빈과 상기 버너를 연결하는 제1GT라인; 상기 제1GT라인과 연결되며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제1공기라인; 상기 버너의 입구에 설치되며, 상기 버너로 유입되는 유체의 산소 농도를 측정하는 제1산소센서; 및 상기 제1GT라인에 설치되며, 상기 제1산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1GT라인을 통해 유동하는 유체의 양을 조절하는 제1GT댐퍼를 포함하는 하이브리드 발전설비를 제공한다.
상기 제1GT라인으로 유동하는 유체의 유동방향을 기준으로, 상기 제1GT댐퍼는 상기 제1GT라인과 제1공기라인의 연결지점의 상류 측에 배치되고, 상기 제1산소센서는 상기 제1GT라인과 제1공기라인의 연결지점의 하류 측에 배치될 수 있다.
상기 보일러는, 상기 연소본체에 설치되는 공기예열기를 더 포함하며, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인으로부터 분기되어 상기 공기예열기로 산소를 공급하는 제2공기라인과, 상기 제1GT라인으로부터 분기되어 상기 제2공기라인과 연결되는 제2GT라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인에 설치되는 제1공기댐퍼와, 상기 제2공기라인에 설치되는 제2공기댐퍼와, 상기 제2GT라인에 설치되는 제2GT댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인이 통과되며, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시키는 제1열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 제1열교환기를 통과하며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제3공기라인과, 외부로부터 상기 제3공기라인으로 연료를 공급하는 연료라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인과, 상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기로 유입되는 제2연소가스의 산소 농도를 측정하는 제2산소센서와, 상기 제1공기라인에 설치되며, 상기 제2산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1열교환기로 유입되는 산소의 공급 압력 및 유량을 조절하는 강제송풍팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 증기터빈으로부터 토출된 증기 로 예열된 급수가 선택적으로 내부로 통과되는 제2열교환기와, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인과, 상기 제1열교환라인으로부터 분기되어 제2연소가스를 상기 제2열교환기로 통과시키는 제2열교환라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기의 출구에 설치되고, 상기 제1열교환기를 통과한 제2연소가스의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 상기 제2열교환라인에 설치되며, 상기 제2열교환기의 입구에 설치되고, 상기 제1온도센서의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기로 공급되는 제2연소가스의 양을 조절하는 보조댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비는, 상기 연소챔버로부터 증기터빈으로 증기를 공급하는 제1증기라인과, 상기 증기터빈으로부터 토출된 유체를 상기 연소챔버로 리턴시키는 제2증기라인과, 상기 증기터빈으로부터 토출된 증기에 의해 예열된 급수를 상기 제2열교환기로 공급하는 제3급수라인과, 상기 제2열교환기를 통과한 증기를 상기 제2증기라인으로 공급하는 제4증기라인과, 상기 제4증기라인에 설치되며, 상기 제4증기라인을 따라 유동하는 유체의 온도를 측정하는 제2온도센서와, 상기 제3급수라인에 설치되며, 상기 제2온도센서의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기로 공급되는 증기의 양을 조절하는 급수밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 제1산소센서는 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기 설정된 기준 제1농도 이상인지를 측정하며, 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기준 제1농도 미만인 경우, 상기 제1GT댐퍼는 상기 제1GT라인을 교축하여 유량을 줄이거나 폐쇄시킨다.
상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도를 초과하는 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 개방시킨다.
상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인 경우, 상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 이상인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 미만인 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 유량을 제어하여 줄이거나 폐쇄시킨다.
상기 제2산소센서는 상기 보일러로부터 토출되어 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도 미만인 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 개방시키며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도를 초과하는 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 조절하여 유량을 줄이거나 폐쇄시킨다.
또한, 본 발명은, 외부로부터 흡입한 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 공급받은 제1연소가스가 내부로 통과되는 터빈을 포함하는 가스터빈; 연소챔버와, 상기 연소챔버에 설치되며 상기 가스터빈의 터빈으로부터 토출된 제1연소가스가 유입되는 버너를 포함하는 보일러; 상기 연소챔버에서 발생된 증기가 내부로 통과되는 증기터빈; 상기 가스터빈의 터빈과 상기 버너를 연결하는 제1GT라인; 상기 제1GT라인과 연결되며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제1공기라인; 상기 버너의 입구에 설치되며, 상기 버너로 유입되는 유체의 산소 농도를 측정하는 제1산소센서; 및 상기 제1GT라인에 설치되며, 상기 제1산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1GT라인을 통해 유동하는 유체의 양을 조절하는 제1GT댐퍼를 포함하는 하이브리드 발전설비를 제어하는 방법에 있어서, (S1) 상기 제1산소센서는 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기 설정된 기준 제1농도 이상인지를 측정하며, 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기준 제1농도 미만인 경우, 상기 제1GT댐퍼는 상기 제1GT라인을 교축하여 유량을 줄이거나 폐쇄시키는 단계를 포함하는 하이브리드 발전설비의 제어방법을 제공한다.
상기 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인이 통과되며, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시키는 제1열교환기; 상기 증기터빈으로부터 토출된 증기 중 일부가 선택적으로 내부로 통과되는 제2열교환기; 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인; 상기 제1열교환라인으로부터 분기되어 제2연소가스를 상기 제2열교환기로 통과시키는 제2열교환라인; 상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기의 출구에 설치되고, 상기 제1열교환기를 통과한 제2연소가스의 온도를 측정하는 제1온도센서; 상기 제2열교환라인에 설치되며, 상기 제2열교환기의 입구에 설치되고, 상기 제1온도센서의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기로 공급되는 제2연소가스의 양을 조절하는 보조댐퍼;를 더 포함하며, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비의 제어방법은, 상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도를 초과하는 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 개방시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비의 제어방법은, (S3) 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인 경우, 상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 이상인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 미만인 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 유량을 제어하여 줄이거나 폐쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인이 통과되며, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시키는 제1열교환기; 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인; 상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기로 유입되는 제2연소가스의 산소 농도를 측정하는 제2산소센서; 상기 제1공기라인에 설치되며, 상기 제2산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1열교환기로 유입되는 산소의 공급 압력을 조절하는 강제송풍팬;을 더 포함하며, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비의 제어방법은, (S4) 상기 제2산소센서는 상기 보일러로부터 토출되어 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도 미만인 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 개방시키며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도를 초과하는 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 조절하여 유량을 줄이거나 폐쇄시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법에 의하면, 가스터빈으로부터 토출되는 제1연소가스를 제2공기라인을 통하여 공기예열기로 직접 투입하고, 제1GT라인에 설치된 제1산소센서의 측정값을 이용하여 제1GT댐퍼의 개방량을 조절함으로써, 보일러로 공급되는 제1연소가스의 양을 과도하게 제한하지 않고도 설비가 작동되도록 할 수 있으며, 보일러로 공급되는 제1연소가스와 산소의 혼합비율을 조절하여 설비의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비 및 그 제어방법에 의하면, 제1열교환기를 구비하여 설비로 공급되는 산소가 보일러로부터 토출되는 제2연소가스에 의해 예열되도록 할 수 있으며, 제1열교환기에서 흡수하지 못하는 만큼의 제2연소가스는 제2열교환기로 통과시켜 제2열교환기에서 제2연소가스의 열을 회수하도록 함으로써 설비 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전설비의 계통도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 하이브리드 발전설비의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
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.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전설비(100)는, 가스터빈(110), 보일러(120), 증기터빈(130), 제1열교환기(140), 제2열교환기(150), 강제송풍팬(152), 제1GT라인(114), 제2GT라인(115), 제1GT댐퍼(116), 제2GT댐퍼(117), 제1공기라인(141), 제2공기라인(142), 제3공기라인(143), 연료라인(148), 제1산소센서(144), 제2산소센서(145), 제1공기댐퍼(146), 제2공기댐퍼(147), 제1열교환라인(124), 제2열교환라인(125), 보조댐퍼(151), 제1증기라인(131), 제2증기라인(132), 제3급수라인(133), 제4증기라인(134), 제1온도센서(135), 제2온도센서(136), 급수밸브(137)를 포함한다.
상기 가스터빈(110)은, 압축기(111), 연소기(112), 터빈(113)을 포함한다. 상기 압축기(111)는, 외부로부터 흡입한 공기를 압축한다. 상기 연소기(112)는, 상기 압축기(111)로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시킨다. 상기 터빈(113)은, 상기 연소기(112)로부터 공급받은 제1연소가스가 내부로 통과됨에 따라, 전력 생성을 위한 동력을 발생시킨다.
상기 보일러(120)는, 연소챔버(121), 공기예열기(122), 버너(123)를 포함한다. 상기 연소챔버(121)는, 제1연소가스와 산소, 연료의 혼합물을 연소함에 따라 발생되는 열에너지를 이용하여 증기를 생성한다. 그리고 상기 제1연소가스, 산소, 연료의 혼합물의 연소에 의해 부산물로 제2연소가스가 생성된다. 상기 공기예열기(122)는, 상기 연소챔버(121)에 설치되며, 상기 연소챔버(121)로 과잉 연소공기(OFA; Over-Firing Air)를 공급한다. 상기 버너(123)는, 상기 연소챔버(121)에 설치되며, 상기 가스터빈(110)의 터빈(113)으로부터 토출된 제1연소가스와 상기 제1공기라인(141) 또는 제3공기라인(143)을 따라 유동하는 산소가 유입된다. 그리고 상기 버너(123)는, 공급받은 제1연소가스와 산소를 혼합하여 상기 연소챔버(121)에서 연소시켜 제2연소가스를 생성한다.
상기 제1GT라인(114)은, 일단은 상기 터빈(113)과 연결되고, 타단은 상기 버너(123)와 연결되어, 상기 가스터빈(110)의 터빈(113)과 상기 버너(123)를 연결한다. 상기 제1공기라인(141)은, 상기 제1GT라인(114)과 연결되며, 상기 버너(123)로 산소를 공급한다. 상기 제1산소센서(144)는, 상기 버너(123)의 입구에 설치되며, 상기 버너(123)로 유입되는 유체의 산소 농도를 측정한다. 상기 제1GT댐퍼(116)는, 상기 제1GT라인(114)에 설치되며, 상기 제1산소센서(144)의 측정값에 기초하여 상기 제1GT라인(114)을 통해 유동하는 유체의 양을 조절한다.
상기 제1GT라인(114)으로 유동하는 유체의 유동방향을 기준으로, 상기 제1GT댐퍼(116)는 상기 제1GT라인(114)과 제1공기라인(141)의 연결지점의 상류 측에 배치되고, 상기 제1산소센서(144)는 상기 제1GT라인(114)과 제1공기라인(141)의 연결지점의 하류 측에 배치될 수 있다.
상기 제2공기라인(142)은, 상기 제1공기라인(141)으로부터 분기되어 상기 공기예열기(122)로 산소를 공급한다. 상기 제2GT라인(115)은, 상기 제1GT라인(114)으로부터 분기되어 상기 제2공기라인(142)과 연결된다. 상기 제1공기댐퍼(146)는, 상기 제1공기라인(141)에 설치된다. 상기 제2공기댐퍼(146)는, 상기 제2공기라인(142)에 설치된다. 상기 제2GT댐퍼(117)는, 상기 제2GT라인(115)에 설치된다.
상기 제1열교환기(140)(GAH; Gas-Air Heater)는, 상기 제1공기라인(141)과 제3공기라인(143)이 통과되며, 상기 연소챔버(121)로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인(141)과 제3공기라인(143)을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시켜 승온시킨다. 상기 제3공기라인(143)은, 상기 제1공기라인(141)과 분리되어 구비된 것으로, 상기 버너(123)로 직접 산소를 공급한다. 상기 연료라인(148)은, 외부로부터 상기 제3공기라인(143)으로 연료(석탄 또는 가스 등)를 공급한다.
상기 제1열교환라인(124)은, 상기 연소챔버(121)로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기(150)로 통과시킨다. 상기 제2산소센서(145)는, 상기 제1열교환라인(124)에 설치되며, 상기 제1열교환기(150)로 유입되는 제2연소가스의 산소 농도를 측정한다. 상기 강제송풍팬(152)(FDF; Forced Draft Fan)은, 상기 제1공기라인(141)에 설치되며, 상기 제2산소센서(145)의 측정값에 기초하여 상기 제1열교환기(140)로 유입되는 산소의 공급 압력 및 유량을 조절한다.
상기 제2열교환기(150)(Slip ECO)는, 상기 증기터빈(130)으로부터 토출된 증기로 예열된 고압 또는 저압의 급수가 선택적으로 내부로 통과된다. 상기 제2열교환라인(125)은, 상기 제1열교환라인(124)으로부터 분기되어 제2연소가스를 상기 제2열교환기(150)로 통과시킨다. 상기 제1온도센서(135)는, 상기 제1열교환라인(124)에 설치되며, 상기 제1열교환기(140)의 출구에 설치되고, 상기 제1열교환기(140)를 통과한 제2연소가스의 온도를 측정한다. 상기 보조댐퍼(151)는, 상기 제2열교환라인(125)에 설치되며, 상기 제2열교환기(150)의 입구에 설치되고, 상기 제1온도센서(135)의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기(150)로 공급되는 제2연소가스의 양을 조절한다.
상기 제1증기라인(131)은, 상기 연소챔버(121)로부터 증기터빈(130)으로 증기를 공급한다. 상기 제2증기라인(132)은, 상기 증기터빈(130)으로부터 토출된 유체를 상기 연소챔버(121)로 리턴시킨다. 상기 제3급수라인(133)은, 상기 증기터빈(130)으로부터 토출된 증기에 의해 예열된 급수를 상기 제2열교환기(150)로 공급한다. 상기 제4증기라인(134)은, 상기 제2열교환기(150)를 통과한 증기를 상기 제2증기라인(132)으로 공급한다. 상기 제2온도센서(136)는, 상기 제4증기라인(132)에 설치되며, 상기 제4증기라인(132)을 따라 유동하는 유체의 온도를 측정한다. 상기 급수밸브(137)는, 상기 제3급수라인(133)에 설치되며, 상기 제2온도센서(136)의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기(150)로 공급되는 급수의 양을 조절한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 발전설비(100)의 제어방법에 대해 설명하면, 우선 가스터빈(110)의 부하가 상승하기 시작하면, 상기 제1산소센서(144)는 상기 버너(123)로 공급되는 유체 중 산소농도가 기 설정된 기준 제1농도(예를 들면 16%) 이상인지를 측정한다(S1). 만약 상기 버너(123)로 공급되는 유체 중 산소농도가 기준 제1농도 미만인 경우, 상기 제1GT댐퍼(116)는 상기 제1GT라인(114)을 조절하여 유량을 줄이거나 폐쇄시킨다.
반대로 상기 버너(123)로 공급되는 유체 중 산소농도가 기준 제1농도 이상인 경우, 상기 제1온도센서(135)는 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도(예를 들면 140도씨) 이하인지를 측정한다(S2). 만약 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도를 초과하는 경우, 상기 보조댐퍼(151)는 상기 제2열교환라인(124)을 개방시킨다.
그렇지 않고 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인 경우, 이번에는 상기 제1온도센서(135)는 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 이상인지를 측정한다(S3). 만약 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 미만인 경우, 상기 보조댐퍼(151)는 상기 제2열교환라인(124)을 유량을 줄인다.
반대로 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 이상인 경우, 상기 제2산소센서(145)는 상기 보일러(120)로부터 토출되어 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도(예를 들면 3%)인지를 측정한다(S4). 만약 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도인 경우, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비(100)는, 설비 전체의 부하가 목표부하에 도달했는지 여부를 측정하고(S5), 목표부하에 도달되지 않은 경우에는 다시 가스터빈(110)의 부하를 상승시켜 상기 S1 내지 S4를 수행한다.
상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도 미만인 경우에는 상기 강제송풍팬(152)의 베인을 개방시키며, 상기 제1열교환라인(124)을 통해 상기 제1열교환기(140)로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도를 초과하는 경우에는 상기 강제송풍팬(152)의 베인을 조절하여 유량을 줄인다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비(100) 및 그 제어방법에 의하면, 가스터빈(110)으로부터 토출되는 제1연소가스를 제2공기라인(142)을 통하여 공기예열기(122)로 직접 투입하고, 제1GT라인(114)에 설치된 제1산소센서(144)의 측정값을 이용하여 제1GT댐퍼(116)의 개방량을 조절함으로써, 보일러(120)로 공급되는 제1연소가스의 양을 과도하게 제한하지 않고도 설비가 작동되도록 할 수 있으며, 보일러(120)로 공급되는 제1연소가스와 산소의 혼합비율을 조절하여 설비의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 발전설비(100) 및 그 제어방법에 의하면, 제1열교환기(140)를 구비하여 설비로 공급되는 산소가 보일러(120)로부터 토출되는 제2연소가스에 의해 예열되도록 할 수 있으며, 제1열교환기(140)에서 흡수하지 못하는 만큼의 제2연소가스는 제2열교환기(150)로 통과시켜 제2열교환기(150)에서 제2연소가스의 열을 회수하도록 함으로써 설비 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.
100 : 하이브리드 발전설비 110 : 가스터빈
120 : 보일러 130 : 증기터빈
140 : 제1열교환기 150 : 제2열교환기

Claims (18)

  1. 외부로부터 흡입한 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 공급받은 제1연소가스가 내부로 통과되는 터빈을 포함하는 가스터빈;
    연소챔버와, 상기 연소챔버에 설치되며 상기 가스터빈의 터빈으로부터 토출된 제1연소가스가 유입되는 버너를 포함하는 보일러;
    상기 연소챔버에서 발생된 증기가 내부로 통과되는 증기터빈;
    상기 가스터빈의 터빈과 상기 버너를 연결하는 제1GT라인;
    상기 제1GT라인과 연결되며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제1공기라인;
    상기 버너의 입구에 설치되며, 상기 버너로 유입되는 유체의 산소 농도를 측정하는 제1산소센서; 및
    상기 제1GT라인에 설치되며, 상기 제1산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1GT라인을 통해 유동하는 유체의 양을 조절하는 제1GT댐퍼를 포함하는 하이브리드 발전설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1GT라인으로 유동하는 유체의 유동방향을 기준으로, 상기 제1GT댐퍼는 상기 제1GT라인과 제1공기라인의 연결지점의 상류 측에 배치되고, 상기 제1산소센서는 상기 제1GT라인과 제1공기라인의 연결지점의 하류 측에 배치되는 하이브리드 발전설비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러는, 상기 연소본체에 설치되는 공기예열기를 더 포함하며,
    상기 제1공기라인으로부터 분기되어 상기 공기예열기로 산소를 공급하는 제2공기라인과,
    상기 제1GT라인으로부터 분기되어 상기 제2공기라인과 연결되는 제2GT라인을 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1공기라인에 설치되는 제1공기댐퍼와,
    상기 제2공기라인에 설치되는 제2공기댐퍼와,
    상기 제2GT라인에 설치되는 제2GT댐퍼를 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1공기라인이 통과되며, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시키는 제1열교환기를 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1열교환기를 통과하며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제3공기라인과,
    외부로부터 상기 제3공기라인으로 연료를 공급하는 연료라인을 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인과,
    상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기로 유입되는 제2연소가스의 산소 농도를 측정하는 제2산소센서와,
    상기 제1공기라인에 설치되며, 상기 제2산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1열교환기로 유입되는 산소의 공급 압력 및 유량을 조절하는 강제송풍팬을 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 증기터빈으로부터 토출된 증기로 예열된 급수가 선택적으로 내부로 통과되는 제2열교환기와,
    상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인과,
    상기 제1열교환라인으로부터 분기되어 제2연소가스를 상기 제2열교환기로 통과시키는 제2열교환라인을 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기의 출구에 설치되고, 상기 제1열교환기를 통과한 제2연소가스의 온도를 측정하는 제1온도센서와,
    상기 제2열교환라인에 설치되며, 상기 제2열교환기의 입구에 설치되고, 상기 제1온도센서의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기로 공급되는 제2연소가스의 양을 조절하는 보조댐퍼를 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 연소챔버로부터 증기터빈으로 증기를 공급하는 제1증기라인과,
    상기 증기터빈으로부터 토출된 유체를 상기 연소챔버로 리턴시키는 제2증기라인과,
    상기 증기터빈으로부터 토출된 증기에 의해 예열된 급수를 상기 제2열교환기로 공급하는 제3급수라인과,
    상기 제2열교환기를 통과한 증기를 상기 제2증기라인으로 공급하는 제4증기라인과,
    상기 제4증기라인에 설치되며, 상기 제4증기라인을 따라 유동하는 유체의 온도를 측정하는 제2온도센서와,
    상기 제3급수라인에 설치되며, 상기 제2온도센서의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기로 공급되는 증기의 양을 조절하는 급수밸브를 더 포함하는 하이브리드 발전설비.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1산소센서는 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기 설정된 기준 제1농도 이상인지를 측정하며,
    상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기준 제1농도 미만인 경우, 상기 제1GT댐퍼는 상기 제1GT라인을 교축하여 유량을 줄이거나 폐쇄시키는 하이브리드 발전설비.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인지를 측정하며,
    상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도를 초과하는 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 개방시키는 하이브리드 발전설비.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인 경우, 상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 이상인지를 측정하며,
    상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 미만인 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 유량을 제어하여 줄이거나 폐쇄시키는 하이브리드 발전설비.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2산소센서는 상기 보일러로부터 토출되어 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도인지를 측정하며,
    상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도 미만인 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 개방시키며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도를 초과하는 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 조절하여 유량을 줄이는 하이브리드 발전설비.
  15. 외부로부터 흡입한 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기로부터 공급받은 압축공기를 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기로부터 공급받은 제1연소가스가 내부로 통과되는 터빈을 포함하는 가스터빈; 연소챔버와, 상기 연소챔버에 설치되며 상기 가스터빈의 터빈으로부터 토출된 제1연소가스가 유입되는 버너를 포함하는 보일러; 상기 연소챔버에서 발생된 증기가 내부로 통과되는 증기터빈; 상기 가스터빈의 터빈과 상기 버너를 연결하는 제1GT라인; 상기 제1GT라인과 연결되며, 상기 버너로 산소를 공급하는 제1공기라인; 상기 버너의 입구에 설치되며, 상기 버너로 유입되는 유체의 산소 농도를 측정하는 제1산소센서; 및 상기 제1GT라인에 설치되며, 상기 제1산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1GT라인을 통해 유동하는 유체의 양을 조절하는 제1GT댐퍼를 포함하는 하이브리드 발전설비를 제어하는 방법에 있어서,
    (S1) 상기 제1산소센서는 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기 설정된 기준 제1농도 이상인지를 측정하며, 상기 버너로 공급되는 유체 중 산소농도가 기준 제1농도 미만인 경우, 상기 제1GT댐퍼는 상기 제1GT라인을 교축시켜 유량을 줄이는 단계를 포함하는 하이브리드 발전설비의 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인이 통과되며, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시키는 제1열교환기; 상기 증기터빈으로부터 토출된 증기 중 일부가 선택적으로 내부로 통과되는 제2열교환기; 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인; 상기 제1열교환라인으로부터 분기되어 제2연소가스를 상기 제2열교환기로 통과시키는 제2열교환라인; 상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기의 출구에 설치되고, 상기 제1열교환기를 통과한 제2연소가스의 온도를 측정하는 제1온도센서; 상기 제2열교환라인에 설치되며, 상기 제2열교환기의 입구에 설치되고, 상기 제1온도센서의 측정값에 기초하여 상기 제2열교환기로 공급되는 제2연소가스의 양을 조절하는 보조댐퍼;를 더 포함하며,
    (S2) 상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도를 초과하는 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 개방시키는 단계를 더 포함하는 하이브리드 발전설비의 제어방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    (S3) 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제1온도 이하인 경우, 상기 제1온도센서는 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 이상인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로부터 토출되는 제2연소가스의 온도가 기 설정된 기준 제2온도 미만인 경우, 상기 보조댐퍼는 상기 제2열교환라인을 교축시켜 유량을 줄이는 단계를 더 포함하는 하이브리드 발전설비의 제어방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 하이브리드 발전설비는, 상기 제1공기라인이 통과되며, 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스가 내부로 통과됨에 따라 상기 제1공기라인을 통해 유동하는 산소를 제2연소가스와 열교환시키는 제1열교환기; 상기 연소챔버로부터 토출된 제2연소가스를 상기 제1열교환기로 통과시키는 제1열교환라인; 상기 제1열교환라인에 설치되며, 상기 제1열교환기로 유입되는 제2연소가스의 산소 농도를 측정하는 제2산소센서; 상기 제1공기라인에 설치되며, 상기 제2산소센서의 측정값에 기초하여 상기 제1열교환기로 유입되는 산소의 공급 압력을 조절하는 강제송풍팬;을 더 포함하며,
    (S4) 상기 제2산소센서는 상기 보일러로부터 토출되어 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도인지를 측정하며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도 미만인 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 개방시키며, 상기 제1열교환라인을 통해 상기 제1열교환기로 공급되는 제2연소가스의 산소농도가 기 설정된 기준 제2농도를 초과하는 경우에는 상기 강제송풍팬의 베인을 교축시켜 유량을 줄이는 단계를 더 포함하는 하이브리드 발전설비의 제어방법.
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