KR20240078483A - 복합발전 시스템 및 그 운전 제어방법 - Google Patents

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두산에너빌리티 주식회사
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Abstract

본 발명의 복합발전 시스템은, 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈을 포함하는 가스 터빈; 상기 가스 터빈에서 배출된 배기 가스의 배열에 의해 증기를 생성하는 배열회수보일러; 상기 배열회수보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈; 상기 배열회수보일러에 구비되어 상기 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기; 상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로; 상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로; 상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로; 및 상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함한다.

Description

복합발전 시스템 및 그 운전 제어방법{COMBINED POWER PLANT AND OPERATING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 복합발전 시스템 및 그 운전 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 터빈의 배기 가스로 압축 공기를 냉각시키는 열교환기를 열회수보일러에 구비하는 복합발전 시스템 및 그 운전 제어방법에 관한 것이다.
복합 발전 시스템은 가스 터빈과 스팀 터빈을 고효율로 조합하게 구성하여서 가스 터빈으로부터 배열회수보일러(HRSG)로 고온 배기 가스를 안내하고 배기 가스에 보유된 열 에너지에 의해서 증기를 발생시키는 발전 시스템이다. 이 증기는 스팀 터빈에 의해서 전력 생산을 가능하게 하고 가스 터빈에 의해서 발생된 전력과 결합되어서, 가스 터빈에 의한 독립된 전력 생산과 비교할 때 배기 가스에 보유된 열적 에너지와 동등한 열적 효율을 개선할 수 있다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
가스 터빈의 연소기와 터빈은 연소 가스에 의하여 가열되므로 냉각이 필요하고, 연소기 또는 터빈의 냉각을 위해서 압축기에서 압축된 공기가 사용된다. 그러나 압축기에서 압축된 공기는 압축되는 과정에서 가열되므로 냉각기에서 냉각된 후에 열원으로 공급된다.
냉각기는 배열회수보일러에서 공급되는 급수와 압축 공기의 열교환으로 압축 공기를 냉각하는데, 냉각기 내부에서 압축 공기가 기 설정된 범위로 냉각되지 못하면 가스 터빈이 과열되는 문제가 발생할 수 있다.
종래에는 터빈 냉각을 위해 압축 공기를 케틀 보일러(Kettle Boiler)와 같은 별도의 외부 열교환기로 냉각하였다.
하지만, 외부 열교환기를 사용함에 따라 HRSG와 열교환기 사이에 배관을 연결해야 하고, 추가적인 건설 부지가 필요하며, 터빈 기동시 하부 사이클의 물을 냉각원으로 활용할 수 없는 문제점이 있다.
등록특허 제10-1946176호(2019.02.08. 등록공고)
본 발명은 가스 터빈의 배기 가스로 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기를 열회수보일러 내부에 구비함으로써, 배기 가스를 냉각원으로 활용함으로써 기동 시간을 단축할 수 있고, 냉각 시스템을 위한 별도의 건설 부지가 필요 없는 복합발전 시스템 및 그 운전 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합발전 시스템은, 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈을 포함하는 가스 터빈; 상기 가스 터빈에서 배출된 배기 가스의 배열에 의해 증기를 생성하는 배열회수보일러; 상기 배열회수보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈; 상기 배열회수보일러에 구비되어 상기 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기; 상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로; 상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로; 상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로; 및 상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함한다.
상기 복수의 열교환기는 중압 증발기의 상류측에 배치되는 중압 열교환기와, 저압 증발기의 상류측에 배치되어 상기 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 복합발전 시스템은 상기 압축공기 유로에 설치되는 메인밸브와, 상기 바이패스 유로에 설치되는 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 온도센서는 상기 냉각공기 유로에서 상기 터빈의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 제1온도센서와, 상기 냉각공기 유로에서 상기 바이패스 유로와 합류하기 전에 설치되는 제2온도센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 복합발전 시스템은 상기 메인밸브와 상기 바이패스밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 3개의 제1온도센서의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산하고, 냉각공기의 온도 측정값에 따라 상기 메인밸브와 상기 바이패스밸브의 개도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 작으면 상기 바이패스밸브의 개도를 증가시키고, 상기 온도센서에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 크면 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패한 경우 상기 메인밸브의 개도를 조절하고, 상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패하지 않은 경우 상기 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 작으면 상기 바이패스밸브의 개도를 증가시키고, 상기 온도센서에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 크면 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시킬 수도 있다.
상기 배열회수보일러는 고압 과열기와, 제2 중압 과열기와, 고압 드럼의 아래에 배치되는 고압 증발기와, 고압 절탄기와, 제1 중압 과열기와, 중압 드럼의 아래에 배치되는 중압 증발기와, 제2 저압 과열기와, 중압 절탄기와, 제1 저압 과열기와, 저압 드럼의 아래에 배치되는 저압 증발기와, 저압 절탄기를 순서대로 포함하고, 상기 중압 열교환기는 상기 제1 중압 과열기와 상기 중압 증발기 사이에 배치되며, 상기 저압 열교환기는 상기 제1 저압 과열기와 상기 저압 증발기 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전 시스템의 운전 제어방법은, 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈과, 배열회수보일러와, 증기 터빈과, 상기 배열회수보일러에 구비되어 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기와, 상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로와, 상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로와, 상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로와, 상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법에 있어서, 상기 복수의 온도센서에 의해 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 단계; 상기 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위 이내인지 여부를 판단하는 단계; 상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내가 아니면, 상기 온도 측정값이 목표값보다 작을 때, 상기 바이패스 유로에 설치된 바이패스밸브의 개도를 증가시키는 단계; 상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내가 아니면, 상기 온도 측정값이 목표값보다 클 때, 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시키는 단계; 및 상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내이면, 상기 바이패스밸브의 개도 조절을 완료하는 단계를 포함한다.
상기 복수의 온도센서는 상기 냉각공기 유로에서 상기 터빈의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 온도센서를 포함하고, 상기 냉각공기의 온도를 측정하는 단계에서, 3개의 온도센서의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산할 수 있다.
상기 복수의 열교환기는 중압 증발기의 상류측에 배치되는 중압 열교환기와, 저압 증발기의 상류측에 배치되어 상기 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 복합발전 시스템의 운전 제어방법은, 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈과, 배열회수보일러와, 증기 터빈과, 상기 배열회수보일러에 구비되어 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기와, 상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로와, 상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로와, 상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로와, 상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법에 있어서, 상기 복수의 온도센서에 의해 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 단계; 상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내인지 여부를 판단하는 단계; 상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패했는지 여부를 판단하는 단계; 상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패한 경우, 상기 메인밸브의 개도를 조절하는 단계; 상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패하지 않은 경우, 상기 온도 측정값이 목표값보다 작은지 여부를 판단하는 단계; 상기 온도 측정값이 목표값보다 작으면, 압축공기 유로에서 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로에 설치된 바이패스밸브의 개도를 증가시키는 단계; 상기 온도 측정값이 목표값보다 크면, 상기 온도 측정값이 목표값보다 클 때, 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시키는 단계; 및 상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내이면, 상기 바이패스밸브의 개도 조절을 완료하는 단계를 포함한다.
상기 복수의 온도센서는 상기 냉각공기 유로에서 상기 터빈의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 온도센서를 포함하고, 상기 냉각공기의 온도를 측정하는 단계에서, 3개의 온도센서의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산할 수 있다.
상기 복수의 열교환기는 중압 증발기의 상류측에 배치되는 중압 열교환기와, 저압 증발기의 상류측에 배치되어 상기 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기를 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 복합발전 시스템 및 그 운전 제어방법에 의하면, 가스 터빈의 배기 가스로 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기를 열회수보일러 내부에 구비함으로써, 배기 가스를 냉각원으로 활용함으로써 기동 시간을 단축할 수 있고, 냉각 시스템을 위한 별도의 건설 부지가 필요 없다.
또한, 냉각공기의 온도를 측정하는 온도센서를 3개 이상 구비함으로써, 온도센서 중 하나에 고장이 발생하더라도 복합발전 시스템을 정상적으로 운전 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전 시스템의 운전 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합발전 시스템의 운전 제어방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합발전 시스템을 나타내는 도면이다.
본 발명의 복합발전 시스템(100)은 공기를 압축하는 압축기(111)와, 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기(113)와, 연소기에서 생성된 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈(115)을 포함하는 가스 터빈(110), 가스 터빈에서 배출된 배기 가스의 배열에 의해 증기를 생성하는 배열회수보일러(130), 배열회수보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈(120), 배열회수보일러에 구비되어 압축 공기와 배기 가스를 열교환하여 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기(151, 152), 압축기에서 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로(161), 복수의 열교환기에서 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로(165), 압축공기 유로에서 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로(167), 및 냉각공기 유로에 설치되어 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서(190)를 포함한다.
압축기(111)는 주위 공기를 흡입하여 압축한다. 압축기(111)는 터빈(115)과 회전축에 의해 연결되어 있어서, 터빈(115)의 회전에 따라 회전될 수 있다. 압축기(111) 내부에는 다수의 블레이드와 베인이 다단으로 구비되어 유입되는 공기를 압축할 수 있다.
연소기(113)는 압축기(111)에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시킬 수 있다. 연료는 천연가스 또는 석유가스 등의 가스 연료가 사용될 수 있다.
터빈(115)은 연소기(113)에서 생성된 연소 가스에 의해 회전축이 회전될 수 있다. 터빈(115) 내부에는 다수의 블레이드와 베인이 다단으로 구비되어 연소 가스에 의해 회전축이 회전될 수 있다.
배열회수보일러(130)는 HRSG(Heat　Recovery　Steam　Generator) 또는 열회수증기발생기라고도 할 수 있다. 배열회수보일러(130)는 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배기가스의 열을 회수해서 물을 데워 증기를 생성할 수 있다. 생성된 증기는 배관을 통해 증기 터빈(120)을 구동할 수 있다.
증기 터빈(120)은 배열회수보일러(130)에서 생성된 증기에 의해 중심의 회전축이 회전될 수 있다. 증기 터빈(120)은 고압 터빈(121)과 중압 터빈(123)과 저압 터빈(125)을 포함하고, 이들 사이에 회전축이 연결될 수 있다. 고압 터빈(121)과 중압 터빈(123)과 저압 터빈(125)에는 배열회수보일러(130)에서 생성되는 증기 중에서 순서대로 고압 증기와 중압 증기와 저압 증기가 공급될 수 있다.
배열회수보일러(130)는 증기 터빈(120)에서 배출되는 배기 가스를 이용하여 증기(steam)를 생성할 수 있다. 배열회수보일러(130)는 다수의 과열기, 절탄기, 재열기, 증발기를 증기 압력에 따라 순차적으로 배치하여 배기 가스와 열교환하도록 할 수 있다. 배열회수보일러(130)는 압축기(111)에서 나오는 압축 공기의 일부와 터빈(115)에서 배출되는 배기 가스를 열교환하여 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기(151, 152)를 포함할 수 있다. 가스 터빈(110)의 정상 상태 운전시 배기 가스의 온도는 압축 공기의 온도보다 낮기 때문에, 배기 가스가 압축 공기를 냉각시켜 터빈(115)의 내부 부품들을 냉각하는 냉각 공기로 사용할 수 있다.
배열회수보일러(130)는 고압 과열기(137)와, 제2 중압 과열기(138B)와, 고압 드럼(131)의 아래에 배치되는 고압 증발기(134)와, 고압 절탄기(141)와, 제1 중압 과열기(138A)와, 중압 드럼(132)의 아래에 배치되는 중압 증발기(135)와, 제2 저압 과열기(139B)와, 중압 절탄기(142)와, 제1 저압 과열기(139A)와, 저압 드럼(133)의 아래에 배치되는 저압 증발기(136)와, 저압 절탄기(143)를 순서대로 포함할 수 있다.
과열기는 드럼에서 발생된 포화증기를 가열하여 온도가 높은 과열증기로 만들 수 있다. 고압 과열기(137)에서 생성된 과열증기는 고압 터빈(121)으로 공급될 수 있다. 고압의 과열증기 유로에는 고압 밸브(122)가 설치되어 과열증기의 유량을 조절할 수 있다.
제1 중압 과열기(138A)와 제2 중압 과열기(138B)에서 생성된 과열증기는 중압 터빈(123)으로 공급될 수 있다. 중압의 과열증기 유로에는 중압 밸브(124)가 설치되어 과열증기의 유량을 조절할 수 있다.
한편, 제1 중압 과열기(138A)는 재열기(Reheater)로 구성될 수도 있다. 재열기는 고압 터빈(121)에서 일을 한 후 온도가 떨어진 증기를 다시 가열하여 과열도를 높일 수 있다.
제1 저압 과열기(139A)와 제2 저압 과열기(139B)에서 생성된 과열증기는 저압 터빈(125)으로 공급될 수 있다. 저압의 과열증기 유로에는 중압 밸브(126)가 설치되어 과열증기의 유량을 조절할 수 있다.
증발기는 배열회수보일러(130)에 공급되는 물을 증발시켜 증기를 발생시킨다. 고압 증발기(134)는 고압 드럼(131)의 아래에 배치되고, 중압 증발기(135)는 중압 드럼(132)의 아래에 배치되며, 저압 증발기(136)는 저압 드럼(133)의 아래에 배치될 수 있다. 급수는 저압 증발기(136), 중압 증발기(135), 고압 증발기(134)를 순차적으로 지나면서 각각 배기 가스에 의해 증발되어 증기를 발생할 수 있다.
절탄기는 이코노마이저(Economizer) 또는 급수예열기라고도 하며, 배기 가스의 열을 이용하여 급수 온도를 높임으로써 그 손실열을 회수하고 보일러 효율을 올리며 연료를 절감할 수 있다.
고압 절탄기(141)는 고압 증발기(134)의 하류측에 배치되어 급수를 예열할 수 있다. 중압 절탄기(142)는 중압 증발기(135)의 하류측에 배치되어 급수를 예열할 수 있다. 저압 절탄기(143)는 저압 증발기(136)의 하류측에 배치되어 급수를 예열할 수 있다.
배기 가스는 배열회수보일러(130)로 유입되어 고압 과열기(137)부터 저압 절탄기(143)까지 통과하면서 열교환한 후 배기 스택(145)으로 배출될 수 있다.
배열회수보일러(130)의 내부에 배치되는 복수의 열교환기는 중압 증발기(135)의 상류측에 배치되는 중압 열교환기(151)와, 저압 증발기(136)의 상류측에 배치되어 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기(152)를 포함할 수 있다.
중압 열교환기(151)는 중압 증발기(135)의 상류측 바로 옆에 배치되어, 압축 공기를 배기 가스와 열교환시켜 냉각시킬 수 있다. 구체적으로, 중압 열교환기(151)는 제1 중압 과열기(138A)와 중압 증발기(135) 사이에 배치될 수 있다.
저압 열교환기(152)는 저압 증발기(136)의 상류측 바로 옆에 배치되어, 압축 공기를 배기 가스와 열교환시켜 냉각시킬 수 있다. 구체적으로, 저압 열교환기(152)는 제1 저압 과열기(139A)와 저압 증발기(136) 사이에 배치될 수 있다.
복합발전 시스템(100)은 압축기(111)에서 복수의 열교환기(151, 152)로 연결되는 압축공기 유로(161)와, 복수의 열교환기(151, 152)에서 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로(165)와, 압축공기 유로에서 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로(167)를 포함할 수 있다.
압축공기 유로(161)는 압축기(111)에서 연소기(113)로 연결된 유로에서 분기되어 중압 열교환기(151)로 연결되고, 다시 중압 열교환기(151)에서 저압 열교환기(152)로 연결될 수 있다.
냉각공기 유로(165)는 저압 열교환기(152)에서 터빈(115)의 냉각 공기 유입구로 연결될 수 있다.
바이패스 유로(167)는 압축공기 유로(161)의 상류 중간부에서 냉각공기 유로(165)의 하류 중간부로 연결될 수 있다. 압축공기 유로(161)로 유입된 압축 공기의 일부는 바이패스 유로(167)를 통해 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하지 않고 터빈(115)으로 바로 유입될 수 있다.
압축공기 유로(161)에는 메인밸브(170)가 설치되어, 압축공기 유로(161)의 공기 유량을 조절할 수 있다. 또한, 바이패스 유로(167)에는 바이패스밸브(180)가 설치되어, 바이패스 유로(167)의 공기 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 복합발전 시스템(100)은 냉각공기 유로(165)에 설치되어 터빈(115)으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 더 포함할 수 있다.
복수의 온도센서는 냉각공기 유로(165)에서 터빈(115)의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 제1온도센서(190)와, 냉각공기 유로(165)에서 바이패스 유로(167)와 합류하기 전에 설치되는 제2온도센서(195)를 포함할 수 있다.
3개의 제1온도센서(190)는 냉각공기 유로(165) 내부에서 터빈(115)으로 유입되기 직전의 냉각공기의 온도를 측정할 수 있다. 그래서, 제1온도센서(190)는 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하여 냉각된 공기와 바이패스 유로(167)를 통과한 압축 공기가 혼합된 공기의 온도를 측정할 수 있다.
제2온도센서(195)는 냉각공기 유로(165)의 중간에서 바이패스 유로(167)와 만나기 전에 설치될 수 있다. 제2온도센서(195)는 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하여 냉각된 냉각공기의 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 복합발전 시스템(100)은 메인밸브(170)와 바이패스밸브(180)의 개도를 조절하는 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.
제어부(200)는 3개의 제1온도센서(190)의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산하고, 냉각공기의 온도 측정값에 따라 메인밸브(170)와 바이패스밸브(180)의 개도를 조절할 수 있다.
본 발명에서는 냉각공기의 온도를 측정하는 온도센서를 3개 이상 구비함으로써, 온도센서 중 하나에 고장이 발생하더라도 복합발전 시스템을 정상적으로 운전 제어할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 온도센서(190)에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 작으면 바이패스밸브(180)의 개도를 증가시키고, 온도센서(190)에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 크면 바이패스밸브(180)의 개도를 감소시키도록 제어할 수 있다.
제어부(200)는 제1온도센서(190)로부터 냉각공기의 온도 측정값 신호를 입력받아서, 그 냉각공기의 온도에 따라 메인밸브(170)와 바이패스밸브(180)를 제어할 수 있다.
우선, 냉각공기의 온도 측정값이 목표값, 즉 설정온도 범위 이내인지 여부를 판단한다(S10). 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위 이내라면, 제어부(200)는 메인밸브(170)와 바이패스밸브(180)의 개도를 변경하지 않고 그대로 유지할 수 있다.
만약, 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위를 벗어나는 경우, 온도 측정값이 목표값 범위보다 작은지 여부를 판단한다(S20).
온도 측정값이 목표값보다 낮은 경우, 바이패스밸브(180)의 개도를 증가(S30)시켜서 더 많은 압축 공기가 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하지 않고 바이패스되도록 하여 냉각공기의 온도를 더 높이도록 제어할 수 있다.
반대로, 온도 측정값이 목표값보다 높은 경우, 바이패스밸브(180)의 개도를 감소(S40)시켜서 더 많은 압축 공기가 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하도록 하여 냉각공기의 온도를 더 낮추도록 제어할 수 있다.
복수의 온도센서는 냉각공기 유로(165)에서 터빈(115)의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 온도센서(190)를 포함한다. 그래서, 냉각공기의 온도를 측정할 때, 3개의 온도센서(190)의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산할 수 있다.
이에 따라, 3개의 온도센서(190) 중 하나가 고장 나더라도 나머지 2개의 온도센서(190)로 냉각공기의 온도를 정확하게 측정하여 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합발전 시스템의 운전 제어방법을 나타내는 순서도이다.
제어부(200)는 바이패스밸브(180)에 의한 온도 조절이 실패한 경우 메인밸브(170)의 개도를 조절하고, 바이패스밸브(180)에 의한 온도 조절이 실패하지 않은 경우 온도센서(190)에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 작으면 바이패스밸브(180)의 개도를 증가시키고, 온도센서(190)에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 크면 바이패스밸브(180)의 개도를 감소시킬 수 있다.
우선, 온도센서(190)에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값, 즉 설정온도 범위 이내인지 여부를 판단한다(S110). 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위 이내라면, 제어부(200)는 메인밸브(170)와 바이패스밸브(180)의 개도를 변경하지 않고 그대로 유지할 수 있다.
만약, 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위를 벗어나는 경우, 바이패스밸브(180)에 의한 온도 조절이 실패하였는지 여부를 판단한다(S120). 바이패스밸브(180)의 고장 등에 의해 바이패스밸브(180)로는 냉각공기의 온도를 조절할 수 없게 되었다면, 제어부(200)는 메인밸브(170)의 개도만을 조절(S130)하여 냉각공기의 온도 조절을 시도해 볼 수 있다.
다음에, 바이패스밸브(180)에 의한 온도 조절이 실패하지 않은 경우, 즉 바이패스밸브(180)에 의한 온도 조절이 가능한 경우, 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위보다 작은지 여부를 판단한다(S140).
온도 측정값이 목표값보다 낮은 경우, 바이패스밸브(180)의 개도를 증가(S150)시켜서 더 많은 압축 공기가 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하지 않고 바이패스되도록 하여 냉각공기의 온도를 더 높이도록 제어할 수 있다.
반대로, 온도 측정값이 목표값보다 높은 경우, 바이패스밸브(180)의 개도를 감소(S40)시켜서 더 많은 압축 공기가 복수의 열교환기(151, 152)를 통과하도록 하여 냉각공기의 온도를 더 낮추도록 제어할 수 있다.
복수의 온도센서는 냉각공기 유로(165)에서 터빈(115)의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 온도센서(190)를 포함한다. 그래서, 냉각공기의 온도를 측정할 때, 3개의 온도센서(190)의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산할 수 있다.
이에 따라, 3개의 온도센서(190) 중 하나가 고장 나더라도 나머지 2개의 온도센서(190)로 냉각공기의 온도를 정확하게 측정하여 제어할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 복합발전 시스템
110: 가스 터빈 111: 압축기
113: 연소기 115: 터빈
120: 스팀 터빈 121: 고압 터빈
122: 고압 밸브 123: 중압 터빈
124: 중압 밸브 125: 저압 터빈
126: 저압 밸브
130: 배열회수보일러 131: 고압 드럼
132: 중압 드럼 133: 저압 드럼
134: 고압 증발기 135: 중압 증발기
136: 저압 증발기 137: 고압 과열기
138: 중압 과열기 139: 저압 과열기
141: 고압 절탄기 142: 중압 절탄기
143: 저압 절탄기 145: 배기 스택
151: 중압 열교환기 152: 저압 열교환기
161: 압축공기 유로 165: 냉각공기 유로
167: 바이패스 유로 170: 메인밸브
180: 바이패스밸브
190: 제1온도센서 195: 제2온도센서
200: 제어부

Claims (14)

  1. 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소하는 연소기와, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스에 의해 회전 동력을 얻는 터빈을 포함하는 가스 터빈;
    상기 가스 터빈에서 배출된 배기 가스의 배열에 의해 증기를 생성하는 배열회수보일러;
    상기 배열회수보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈;
    상기 배열회수보일러에 구비되어 상기 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기;
    상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로;
    상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로;
    상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로; 및
    상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 열교환기는
    중압 증발기의 상류측에 배치되는 중압 열교환기와,
    저압 증발기의 상류측에 배치되어 상기 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압축공기 유로에 설치되는 메인밸브와,
    상기 바이패스 유로에 설치되는 바이패스밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 온도센서는
    상기 냉각공기 유로에서 상기 터빈의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 제1온도센서와,
    상기 냉각공기 유로에서 상기 바이패스 유로와 합류하기 전에 설치되는 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메인밸브와 상기 바이패스밸브의 개도를 조절하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 3개의 제1온도센서의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산하고, 냉각공기의 온도 측정값에 따라 상기 메인밸브와 상기 바이패스밸브의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 작으면 상기 바이패스밸브의 개도를 증가시키고, 상기 온도센서에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 크면 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패한 경우 상기 메인밸브의 개도를 조절하고,
    상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패하지 않은 경우 상기 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 작으면 상기 바이패스밸브의 개도를 증가시키고, 상기 온도센서에 의한 냉각공기의 온도 측정값이 목표값보다 크면 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 배열회수보일러는
    고압 과열기와,
    제2 중압 과열기와,
    고압 드럼의 아래에 배치되는 고압 증발기와,
    고압 절탄기와,
    제1 중압 과열기와,
    중압 드럼의 아래에 배치되는 중압 증발기와,
    제2 저압 과열기와,
    중압 절탄기와,
    제1 저압 과열기와,
    저압 드럼의 아래에 배치되는 저압 증발기와,
    저압 절탄기를 순서대로 포함하고,
    상기 중압 열교환기는 상기 제1 중압 과열기와 상기 중압 증발기 사이에 배치되며,
    상기 저압 열교환기는 상기 제1 저압 과열기와 상기 저압 증발기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템.
  9. 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈과, 배열회수보일러와, 증기 터빈과, 상기 배열회수보일러에 구비되어 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기와, 상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로와, 상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로와, 상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로와, 상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법에 있어서,
    상기 복수의 온도센서에 의해 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 단계;
    상기 냉각공기의 온도 측정값이 목표값 범위 이내인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내가 아니면, 상기 온도 측정값이 목표값보다 작을 때, 상기 바이패스 유로에 설치된 바이패스밸브의 개도를 증가시키는 단계;
    상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내가 아니면, 상기 온도 측정값이 목표값보다 클 때, 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시키는 단계; 및
    상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내이면, 상기 바이패스밸브의 개도 조절을 완료하는 단계를 포함하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 온도센서는 상기 냉각공기 유로에서 상기 터빈의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 온도센서를 포함하고,
    상기 냉각공기의 온도를 측정하는 단계에서,
    3개의 온도센서의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 열교환기는
    중압 증발기의 상류측에 배치되는 중압 열교환기와,
    저압 증발기의 상류측에 배치되어 상기 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법.
  12. 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈과, 배열회수보일러와, 증기 터빈과, 상기 배열회수보일러에 구비되어 압축 공기와 상기 배기 가스를 열교환하여 상기 압축 공기를 냉각시키는 복수의 열교환기와, 상기 압축기에서 상기 복수의 열교환기로 연결되는 압축공기 유로와, 상기 복수의 열교환기에서 상기 터빈으로 연결되는 냉각공기 유로와, 상기 압축공기 유로에서 상기 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로와, 상기 냉각공기 유로에 설치되어 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 복수의 온도센서를 포함하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법에 있어서,
    상기 복수의 온도센서에 의해 상기 터빈으로 유입되는 냉각공기의 온도를 측정하는 단계;
    상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패했는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패한 경우, 상기 메인밸브의 개도를 조절하는 단계;
    상기 바이패스밸브에 의한 온도 조절이 실패하지 않은 경우, 상기 온도 측정값이 목표값보다 작은지 여부를 판단하는 단계;
    상기 온도 측정값이 목표값보다 작으면, 압축공기 유로에서 냉각공기 유로로 연결되는 바이패스 유로에 설치된 바이패스밸브의 개도를 증가시키는 단계;
    상기 온도 측정값이 목표값보다 크면, 상기 온도 측정값이 목표값보다 클 때, 상기 바이패스밸브의 개도를 감소시키는 단계; 및
    상기 온도 측정값이 목표값 범위 이내이면, 상기 바이패스밸브의 개도 조절을 완료하는 단계를 포함하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 온도센서는 상기 냉각공기 유로에서 상기 터빈의 유입구 가까이에 설치되는 3개의 온도센서를 포함하고,
    상기 냉각공기의 온도를 측정하는 단계에서,
    3개의 온도센서의 측정값 중 그 평균값에 가까운 2개의 측정값의 평균을 취하여 냉각공기의 온도 측정값을 계산하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 열교환기는
    중압 증발기의 상류측에 배치되는 중압 열교환기와,
    저압 증발기의 상류측에 배치되어 상기 중압 열교환기에서 냉각된 압축 공기를 다시 냉각하는 저압 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합발전 시스템의 운전 제어방법.
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