KR20220130550A - 중간 냉각 재생 가스터빈과 냉매 복합 하부 사이클의 집적 시스템 - Google Patents

중간 냉각 재생 가스터빈과 냉매 복합 하부 사이클의 집적 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일종의 새로운 집적 사이클을 개시한다. 이는 전체 부하/부분 부하 효율, 가변 부하 속도, 가동 시간과 기타 비설계 조건의 성능 방면에서 종래의 가스-스팀 결합 사이클과 경쟁이 가능하다. 상부 사이클은 다단 인터쿨러를 가진 중간 냉각 재생 가스 터빈(ICR GT)이다. 하부 복합 사이클은 초임계 냉매 랭킨사이클(RRC)과 스팀 압축 냉각 사이클(VCRC)로 구성된다. 냉매는 여러 가지 유기와 무기 작동 유체에서 선택할 수 있다. 상부 사이클과 하부 사이클은 고도로 결합되어 하나의 새로운 집적 사이클을 형성하며, 재생 가능 에너지 시대에 열병합 발전소가 어쩔 수 없이 빈번한 가변 부하를 진행하고 부분 부하로 장기 운행하는 새로운 상황에 적응한다. 효율, 가변 부하 등 성능 방면에서 본 발명은 단일 압력 아임계 RRC 시스템을 하부 사이클로 하는 1단 인터쿨러만 있는 중간 냉각 재생 가스터빈보다 현저하게 우수하며, 또한 육지 발전 및 선박 추진용에 있어서 매우 경쟁력이 있는 해결방안이다.

Description

중간 냉각 재생 가스터빈과 냉매 복합 하부 사이클의 집적 시스템{Combined system of inter-cooling regenerative gas turbine and refrigerant composite bottom cycle}
본 발명은 상부 사이클인 냉각 재생 가스터빈과 초임계 냉매 복합 하부 사이클의 집적 시스템에 관한 것이다.
1950년대 중간 냉각 재생 가스터빈(ICR GT)은 육지 발전소와 해양 추진 발전소에서 매우 보편적이었지만 1960년대부터 가스-스팀 복합 사이클이 개발되면서 인터쿨러 및 열재생기 체적이 방대하고 사이클 총 효율이 비교적 낮기 때문에 ICR GT는 신속히 사라지며 원인은 관형 열교환 기술의 제한 및 적절한 하부 사이클이 부족한 것에 있다. 비록 최근 몇 년간 롤스로이스 WR-21 엔진은 판형핀 열교환기의 콤팩트성을 증명하였지만 ICR GT는 여전히 강력한 하부 사이클 기능이 부재하고 상부 사이클의 여열을 충분히 이용할 수 없다. 나아가 삼압 재생 가스-스팀 복합 사이클과 디자인 포인트(즉 전부하) 효율 방면에서 경쟁을 벌일 수 없다. 이 밖에 불연속성 재생 에너지가 갈수록 중요한 역할을 일으켜 화력 발전소의 부분 부하 효율, 가동 시간과 가변 부하 속도는 핵심 지표로 되었고 가스-스팀 복합 사이클은 심각한 부분 부하 효율 하강과 부하 변화 기간 반응이 느린 곤경에 빠졌다. 단순 사이클은 부하조절 방면에서 표현이 양호하지만 효율이 낮다. 무더운 날씨에 사회 전력 사용량 수요가 정점에 도달할 경우 전통적인 단순 사이클과 가스-스팀 복합 사이클의 출력은 크게 감소한다. 보도에 따르면 롤스로이스 WR-21 중간 냉각 재생 가스터빈은 열대 해양에서의 전력 출력도 급격히 떨어질 것이라고 한다.
종래 기술의 결점을 고려하여, 본 발명은 일종의 중간 냉각 재생 가스터빈과 초임계 냉매의 복합 사이클의 집적 시스템을 제공하여 복합 사이클이 부분 부하, 가동 시간, 가변 부하 속도와 무더운 날씨 등 방면에서 받은 문제를 해결한다. 최대 부하 효율 방면에서 삼중 압력 재열 가스-스팀 복합 사이클은 처음으로 압도되었으며, 기타 종래 시스템 예를 들면 단압력 아임계 RRC를 하부 사이클로 하는 1단 인터쿨러의 중간 냉각 재생 가스터빈은 본 발명과 동일한 성능에 도달할 수 없다. 본 발명 중에서 상부 사이클의 인터쿨러와 연기에서 생성된 폐열은 하부 사이클이 완전히 이용하고, 후자는 냉각 기능을 제공하여 무더운 날씨에서 가스터빈 출력의 인하를 대비한다.
이 집적 시스템은 중간냉각 재생 가스터빈(ICR GT; Intercooled Reenerative Gas Turbine)와 초임계 RRC/VCRC 복합 하부 사이클로 구성된다. ICR GT는 압축기, 버너/가열기와 터빈 및 다중 인터쿨러, 메인 열재생기 및 터빈 냉각 공기(CA) 열재생기를 포함한다. 복합 하부 사이클은 냉매 유체 터빈, 냉매 유체 응축기, 압력펌프 및 스로틀 밸브(또는 익스팬더), 냉매 유체 압축기, 냉매 내부 열교환기 및 GT 입구 및 연소 가스 열교환기를 포함한다.
본 발명의 장점은 다음과 같다.
1. 1단 인터쿨러 GT와 비교하면 다중 인터쿨러를 사용하여 컴프레서의 더 많은 압축일(compression work)이 감소되고, 또한 압축기 배기 온도(CDT)를 낮추어 더 좋은 열재생 효과를 얻었기 때문에 더 낮은 연기 온도를 실현할 수 있다. 따라서 상부 사이클 효율과 효율비를 개선하여서 전체 복합 사이클 성능을 최적화할 수 있다.
2. 물의 높은 잠열을 고려하여 스팀 랭킨 사이클은 ICR GT에 적용하지 않고 연기는 인터쿨러에서 온 예열된 많은 용수를 증발시키는 충족한 에너지가 부족하기 때문에 양호한 중간 냉각 효과를 위하여 인터쿨러에서 증발 현상 발생을 피해야 하고 인터쿨러는 예열하여야 하고 작업 물질을 증발시켜서는 안된다. 증발 잠열이 존재하지 않기에 예열된 초임계 냉매는 연도 폐기에 의해 심지어 예열 기간에 임계 온도 이상으로 쉽게 가열되고 단일 압력 심지어 여러 압력 등급의 아임계 냉매 하부 사이클과 비교하여 초임계 유체와 연도 배기 가스의 온도 밀착도도 더 좋다. 다중 인터쿨러가 함께 사용할 경우 초임계 냉매 유체는 최대한 중간 냉각 효과를 강화할 수 있고 인터쿨러에서 예열할 때 초임계 유체는 아임계 유체보다 더 높은 압축 공기 온도를 견딜 수 있기 때문에 압축기 뒷부분의 설계 압력비를 낮출 수 있으며 따라서 CDT를 낮추어 복합 효율을 더 좋게 향상시킨다.
3. 다수의 인터쿨러가 많은 초임계 냉매 유체를 예열하고 또한 낮은 CDT가 가져온 상대적으로 차가운 연기 및 임계점 근처에서 갑자기 증가한 비열은 냉매 유체터빈이 상대적으로 낮은 온도에서 운전할 수 있어 가동 시간을 단축한다. 동시에 아임계 RRC 내부 증발 사이클(자연 또는 강제)과 증기 드럼을 생략하고, 냉매 유체 가압펌프만 작동하여 초임계 RRC가 상부 사이클 가변 부하 기간에서의 동적 반응을 크게 향상시킬 수 있다. 상대적으로 낮은 작동온도와 높은 압력은 또한 유기 냉매 유체의 열분해를 억제하였고 운영 비용을 절감한다.
4. ICR GT의 독특한 장점은 50%까지 낮은 부분 부하에서도 여전히 안정적인 효율을 제공한다. 상부 사이클이 집적 시스템 총 출력의 약 90% 차지하고 게다가 여러 개 냉매 유체 터빈의 배치를 채택할 수 있기 때문에 전체 발전소는 비교적 넓은 작동 범위 내에서 안정적인 효율을 유지할 수 있다.
5. 초임계 냉매 랭킨 사이클은 또한 스팀 압축 냉각 사이클과 직렬하고 이는 냉각을 제공하여 GT 입구 공기의 온도와 인터쿨러 냉각액의 온도를 조절하며, 따라서 무더운 날씨에 비교적 작은 효율 손실로 뚜렷하게 더 높은 출력을 달성한다. 인터쿨러의 냉각효과는 조절할 수 있기 때문에 다축 GT 사용시의 작동 안정성에 도움이 된다.
6. 냉각공기(CA)을 통한 열재생을 통해 CA 온도와 압력 사이의 결합이 해제되어 최대한 "엑서지(Exergy)" 손실을 주는 스로틀 현상을 피할 수 있으며, 또한 각각의 CA 물류는 가스터빈으로 보내기 전에 온도 최적화를 진행할 수 있으며, 이를테면 터빈 냉각공기(cooling air, 즉 CA)의 열재생 온도는 조절할 수 있어 일정한 수준에서 전체 발전소의 발전 효율과 출력을 조절할 수 있다.
종래기술 중에서 본 발명의 실시예 또는 기술방안을 더 명확하게 설명하기 위해, 아래에서 실시예 또는 종래기술의 도면을 간략하게 설명한다. 모든 도면 중에서, 유사한 요소 또는 구성 요소는 일반적으로 유사한 도면 부호로 표기한다. 도면 중에서 실제 축척에 따라 각각의 요소 또는 구성요소를 반드시 그려지는 것은 아니다. 예를 들면, 비록 다중 가스터빈 냉각 공기(CA) 열재생기는 가스터빈 성능에 대하여 매우 큰 기여를 하지만 도 1과 도 2에서 생략되었다.
도 1은 본 발명의 실시예1의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명 실시예2의 전체 구성도를 도시한다.
도 3은 동일한 현재 과학 기술 수준을 채택한 전통 가스-스팀 복합 사이클과 해당 본 발명의 집적 사이클의 효율 감소 비교를 표시한다.
도면을 참조하여 본 발명의 기술방안의 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명의 기술방안을 더 명확하게 설명하는 것에 사용하기 때문에, 예시로만 하고 본 발명의 청구 보호 범위를 한정하는데 사용할 수 없다.
지적하여야 할 것은 특별한 설명이 없으면, 본 발명 중 사용한 기술 또는 과학 용어는 본 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 이해하는 일반적 의미를 가져야 한다.
실시예
도 2, 도 1과 같이, 일반적인 GT와 유사하고 ICR GT도 압축기, 버너/가열기와 터빈을 포함하는 동시에 다수 개 인터쿨러(10)를 설치하여 압축공기를 냉각시켜 단일 인터쿨러 배치보다 더 많은 압축일(compression work)을 줄인다. 다수 개 인터쿨러(10)는 또한 비교적 낮은 압축기 배기 온도(CDT)를 초래하고 연소/에너지 주입과 가스터빈의 터빈 냉각은 가스터빈의 가장 큰 두 가지 엑서지 손실 원천이기 때문에 이는 메인 압축공기와 냉각 공기에 대하여 열재생을 진행할 필요가 있다. 흡기쿨러(9) 후, 흡기는 압축기의 명 개 부분을 거치고 여러 개 인터쿨러(10)에서 폐열을 하부 사이클로 방출한 후 가스터빈 메인 열 재생기(11)로 유입하여 가열한 후 버너/가열기로 들어간다. 여러 개의 냉각 공기(CA) 흐름도 터빈의 일부 폐기를 통하여 열교환을 진행할 수 있으며, 연기 경로에서 CA 열교환기들은 병렬하면 유리하지만 소형 CA 열재생기들은 구체적인 상황에 따라 적절하게 배치할 수 있다. 판형 핀 열교환기(PFHX)에 있어서, PFHX는 동시에 여러 물류의 가열을 진행할 수 있기 때문에 메인 열교환기와 여러 개 CA 열교환기를 하나의 열교환 설비 속에 수용하면 매우 편리하다. 터빈에서 배출된 배기가스는 우선 메인 열재생기(11)와 여러 개 CA 열재생기를 거친 후 냉매 가스 가열기(2)와 냉매 유체 예열기(12)로 배출되고, 재차 주이 대기 속으로 배출되거나 폐쇄된 브레이턴 사이클 속에서 재사이클한다. 냉매 유체 가스 예열기(12)와 가열기(2)는 연기 폐열을 하부 초임계 RRC까지 전달하기 위해 사용된다.
초임계 RRC의 경우, 인터쿨러(10)와 냉매 유체 예열기(12)를 사용하여 냉매 유체를 예열한 후, 초임계 유체를 터빈(3)에 수송하기 전에 냉매-가스 가열기(2)를 사용하여 냉매 유체를 임계 온도보다 높게 가열한다. 터빈(3)에서 배출된 냉매 유체는 기체 상태에서 액체 상태로 응축되거나 층축기(4)에서 냉각된다. 그 후 냉매 유체는 압력펌프(5)에 수숭되어 임계 압력보다 높게 가압된 후 인터쿨러(10)와 냉매 유체 예열기(12)로 유입된다.
VCRC의 경우, RRC와 공유되는 응축기(4)는 주위 공기에 열량을 방출하는 것에 사용된다. 냉각 사이클은 제1 스로틀 밸브(6), 제2 스로틀 밸브(13), 제1 압축기(7), 제2 압축기(14), 흡기쿨러(9)와 냉매 내부 열교환기(8)도 포함한다. 응축기(4)에서 배출한 냉매는 제1 스로틀 밸브(6)와 제2 스로틀 밸브(13)를 흘러 지나서 GT 흡기쿨러(9)로 유입되고 입구 공기의 열량을 흡수하여 증발시킨 후 기체 상태의 냉매 유체는 제1 압축기(7)와 제2 압축기(14)를 통하여 압축된 후 응축기(4) 속으로 방출된다. 더 좋은 가스터빈 중간 냉각 효과를 실현하기 위하여 실시예는 냉매 내부 열교환기(8)도 포함하는데, 그 중 인터쿨러 냉매의 열량은 제1 스로틀 밸브(6)에서 온 다른 한 냉매 유체에 흡수되며 무더운 날씨에 인터쿨러 냉매 온도를 조절하여 중간 냉각 효과를 증강시켜 다축 가스터빈의 조작 불안정성을 피할 수 있다
실시예 중에서 냉매유체는 R1336mzz(Z)를 사용할 수 있고, 실시예 중의 냉매 유체는 기타 유기 또는 무기유체를 사용할 수도 있으며 부탄 또는 이산화탄소(R744) 와 같은 천연 냉매를 포함한다.
도 2와 같이 다른 한 실시예 중에서, 낮은 임계 온도와 낮은 터빈 압력비의 냉매(예를 들면 이산화탄소)를 사용할 경우, 인터쿨러(10)와 냉매 예열기(12)는 냉매를 임계 온도 이상으로 예열할 수 있기 때문에 일부 예열 유체는 다른 냉매 터빈(15)으로 직접 유도된다. 또한, 냉매 열재생기(16)도 제공될 수 있고 제1 터빈(3)의 방출 중에서 폐열을 회수하며 '16'이 일으킨 역할은 인터쿨러(10)와 동일하며 유체를 예열하는 것이다. 응축기가 배출한 냉매가 초임계이면 익스팬더(6, 13)는 스로틀 밸브를 대체하여 추가의 전력을 생성할 수 있고 응축기에서 나온 것이 아임계 액체 상태 냉매이면 고밀도 유체 익스팬더를 선택하여 추가 전력을 생성할 수 있다.
도 3에 따르면, ICR GT는 50%까지 낮은 부분 부하에서도 여전히 안정적인 효율을 보유한다. 상부 사이클이 복합 시스템 총 출력의 90% 좌우를 차지하고 게다가 여러 개 냉매 유체 터빈의 배치를 사용할 수 있기 때문에 전체 발전소는 비교적 넓은 운행 범위 내에서 안정적인 효율을 유지할 수 있다.
본 발명의 외관, 수량과 크기는 사용 장소의 규모에 따라 조절될 수 있지만 내부 구조와 원리는 그대로 유지한다.
설명이 필요한 것은 상기 실시예는 본 발명의 기술 방안 설명에만 사용하고 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 비록 상기 실시예를 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 이해하여야 할 것은 이들은 여전이 전술한 실시예 중 설명한 기술 방안을 수정하거나 일부분 또는 전부 기술 특징을 등가적으로 대체할 수 있으며 수정과 대체는 본 발명 실시예의 범위 내에 있어야 하고 모든 것들은 본 발명의 청구범위와 명세서의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.
1: ICR GT와 상부 및 하부 사이클 사이의 열교환기
2: 냉매-연기 가열기
3: 냉매 유체 터빈
4: 응축기
5: 압력펌프
6: 제1 스로틀 밸브(익스팬더)
7: 제1 압축기
8: 냉매 내부 열교환기
9: 흡기쿨러
10: 인터쿨러
11: 가스 터빈 메인 열재생기
12: 연기 통로 중의 냉매 유체 예열기
13: 제2 스로틀 밸브(익스팬더)
14: 제2 압축기
15: 제2 냉매터빈
16: 냉매 열재생기

Claims (5)

  1. 중간 냉각 재생 가스터빈(ICR GT) 및 초임계 냉매 랭킨 사이클(RRC)/스팀 압축 냉각 사이클(VCRC)을 포함하며,
    상기 ICR GT,
    압축기, 그 컴프레서 부분은 여러 개 인터쿨러(10)로 분리되며;
    연료 연소 또는 열전도를 통하여 압축 공기를 가열하는 버너/가열기;
    출력 생성에 사용되는 다단 터빈;
    냉매를 통과한 작동 유체로 압축 공기를 냉각하는 여러 개 인터쿨러;
    버너/가열기에 들어가기 전에 압축 공기를 가열하는 메인 열재생기(11); 및
    터빈단을 냉각하기 전에 압축기에서 나온 냉각 공기를 가열하는 다수 개의 터빈 냉각 공기(CA) 열재생기를 포함하며,
    상기 초임계 RRC는,
    초임계 냉매 유체를 예열하고 임계 온도 이상으로 가열에 사용하는 초임계 냉매-연도 가스 열교환기(12, 2);
    냉매 유체 팽창을 통하여 출력을 생성하는 하나 또는 다수 개의 냉매 유체 터빈(3);
    기체 상태 유체를 액체 상태로 응축하거나 초임계 냉매로 냉각시키는 냉매 유체 응축기(4);
    냉매 유체를 임계 압력 이상으로 가압하는 압력펌프(5); 및
    냉매 터빈이 배출하는 폐열 회수에 사용하는 선택 가능한 냉매 열재생기를 포함하며,
    상기 VCRC는,
    공기 밀도를 증가시키기 위한 가스터빈(GT) 흡기쿨러(9);
    인터쿨러의 냉매 온도 조절에 사용하는 냉매 유체 내부 열교환기(8);
    냉매 유체의 온도를 낮추기 위한 스로틀 밸브 또는 익스팬더(6, 13); 및
    냉매 스팀을 냉매 랭킨 사이클과 공용하는 응축기로 가압시키는 냉매 유체 압축기(14,7)를 포함하며,
    냉매 연기 가열기(2)는 중간 냉각 재생 가스터빈의 메인 열재생기(11)에서 연기를 받고 가열 후의 냉매 유체를 냉매 유체 터빈(3)에 제공하며 팽창 후의 냉매를 응축기(4)로 방출하고, 응축기는 이곳에서 냉각/응축 후 압력펌프(5)에 공급한 후 펌프들은 초임계 냉매를 인터쿨러(10)와 냉매 유체 예열기(12)까지 가압시켜 예열하며 마지막 예열한 냉매를 냉매 연기 가열기(2)에 제공하여 임계 온도 이상으로 가열하며,
    스로틀 밸브 또는 익스팬더(6, 13)는 응축기(4)에서 냉매를 받고 이들은 냉각된 냉매를 흡기쿨러(9)로 공급하며 이곳에서 냉매는 버너 흡기의 열량을 흡수하고 증발하며, 기화된 냉매는 응축기(4)에 도착하기 전에 먼저 제1 압축기(7)와 제2 압축기(14)를 거치며, 스로틀 밸브 또는 익스팬더(6)는 냉매 내부 열교환기(8)에 냉각된 냉매를 공급하며, 냉매 내부 열교환기(8) 중에서 냉각된 냉매를 증발하는 것을 통하여 인터쿨러(10)의 냉매 온도까지 낮추며 마지막 증발한 냉매를 제1 압축기(7)까지 유도하여 응축기(4)로 배출되는 집적 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간 냉각 재생 가스터빈은 개방식 브레이턴 사이클 또는 폐쇄식 브레이턴 사이클일 수 있으며, 대기 또는 기타 기체를 작동 유체로 채택할 수 있으며, 집광 태양에너지와 같은 일부 외부 열원도 압축 공기 가열 또는 예열에 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 집적 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조합 시스템 중 투자, 운영 원가와 안전 등의 이유로 인터쿨러, 연도와 GT 입구에서 공기 경로는 간접 열교환을 채택하였고, 물 또는 오일류를 가압한 열 운반체 유체의 열전달 회로를 통하여 실현할 수 있어 상부 사이클과 하부 사이클 사이의 누설을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 집적 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조합 시스템 중 임의의 한 개 연도 가스 열교환기(12, 2)를 생략하고 인터쿨러(10) 또는 연도 가스 예열기(12)를 통하여 초임계 냉매 유체를 임계 온도 이상까지 가열할 수 있는 것을 특징으로 하는 집적 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 집적 시스템 중 스로틀 밸브의 입구 흐름와 버너 입구 공기 쿨러/냉매 내부 교환기의 냉매 출구 흐름 사이에 열재생기를 추가하여 냉각 능력을 증강시키고, 스로틀 밸브는 익스팬더/고밀도 유체 익스팬더로 대체하여 전력을 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 집적 시스템.
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