KR910009058B1 - 복합 가스 터빈 발전 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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에이. 아할스트롬 코포레이숀
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Abstract

내용 없음.

Description

복합 가스 터빈 발전 시스템 및 그 작동 방법
제1도는 증기 및 가스 터빈 사이클과 수직 사이클론 고체 입자 분리기가 설치된 순환 유동상 연소기의 개략도.
제2도는 수평 사이클론 고체 입자 분리기가 설치된 순환 유동상 연소기의 개략도.
제3도는 열 교환기 출력과 온도 사이의 관계를 나타낸 그래프도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 순환 유동상 연소기 2 : 연소실
10 : 수직통로 15,21,33 : 열 교환기
14 : 증기 터빈 사이클 18 : 가스 터빈 사이클
16 : 증기 터빈 20,22,27 : 도관
23 : 가스 터빈
본 발명은 복합 가스 터빈 발전 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 특히 가스 터빈 사이클용 가열된 가스와 증기 터빈 사이클용 증기를 발생시키도록, 비가압 순환 유동상 연소기에서 탄소질 연료가 연소되는 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
통상의 석탄 연소 발전소는 현재의 깨끗한 연도 가스 요구 조건에 의한 손실을 고려할 때 최대 약 37-38%의 열효율로 가동된다. 복합 석탄 연소 가스 터빈 발전소에서는 더 높은 열효율이 달성될 수 있는데, 40-41% 정도의 효율로, NOx, SO2방출량이 적게 작동되는 방법은 잘 알려져 있다.
전형적인 복합 발전 시스템에는 가압 석탄 연소 시스템이 포함된다. 압축기는 6-30바아(bar)의 가압 공기를 연소기로 공급한다. 연소기에서 발생한 가스는 정화된 후 팽창 터빈을 구동시키는데 이용된다. 터빈의 뒤에 폐열 회수 보일러가 설치될 수도 있다. 연소기에는 증기 터빈 발전기를 구동시키기 위한 증기를 발생시키는 통상의 증기 발생기가 포함된다.
가압 석탄 연소 시스템이 포함되는 복합 발전소는 고가의 복잡한 구조를 필요로 한다. 석탄 공급 시스템의 배치가 용이하지 않을 뿐아니라 가스 터빈에는 저급 연료로부터 나오는 유출물이 허용될 수 없으므로 가스 터빈의 이용도 제한된다. 고온 유출물로 인하여 복잡한 정화 시스템이 필요해지고 이에 따라 원가도 상승한다. 터빈 블레이드는 정화 시스템에서 분리되지 않은 입자 물질에 노출되어 침식 및 오염된다.
대기압 석탄 연소 시스템을 이용한 복합 발전소도 공지되어 있는데, 이들은 미국 특허 제4,326,373호, 제4,406,128호 및 국제 특허 공개 제82/00701호에 기재되어 있다.
미국 특허 제4,326,373호에는 발생한 열이 유압식 압축기에서 압축된 공기에 의하여 회수되고, 연소실 상부의 연도 가스 통로에 있는 공기 가열기(2) 및 연소실에 있는 공기 가열기(제1도의 4, 미국 특허 제4,326,373)를 지나가는 대기압 석탄 연소 방법이 기재되어 있다. 가압 가열된 공기는 가스 터빈에서 일을 발생시키는데 이용된다. 열 교환기(4)는 극심한 부식/침식을 받으며, 열 교환기(2)는 연도 가스와 튜브 내의 예열된 공기 사이의 불충분한 열 전달로 인하여 고가의 대형 장치로 된다. 분산물과 이 분산물에 삽입된 튜브 사이의 열전달 속도는 분산물의 입자 밀도에 따라 변한다. 유동상에서는 유동상 연소실의 높이 차이에 따라 열 전달이 크게 변한다. 최대 열교환은 유동상의 고밀도 영역인 연소실의 하부에서만 달성될 수 있다.
연소실 내에 배치된 공기 폐열 회수 장치는 또한 연소 과정을 교란시키기 쉬워 전체 과정을 제어하기 어렵게 한다. 연소실의 온도 분포는 연소기 내에 추가로 배치된 이들 열 교환기의 영향을 받는다. 또 연소기내에 증가 발생용 열전달 튜브가 이미 배치되어 있으므로 어떤 튜브도 추가로 설치하기가 곤란하다.
미국 특허 제4,406,128호에는 발전용 가스 터빈을 이용한 복합 사이클 발전 시스템이 기재되어 있다. 가스 터빈을 구동시키고 증기를 발생시키는 에너지를 공급하기 위하여 가압되지 않은 유동상 연소기에서 탄소질 연료가 연소된다. 유동상의 고온 입자의 일부가 내부에서 순환되는 외측 열 전달 장치가 청정 압축 공기를 가열시키는데 이용된다. 가열 가압된 공기는 가스 터빈에서 팽창되고, 이에 연결된 발전기에서 전력이 발생한다. 외측 열 전달 장치는 평행한 튜브가 삽입된 공기 가열기실로 구성된다. 유동상에서 나온 고온 고체 입자의 일부는 유동화 공기의 일부에 의하여 이들 튜브 내로 이송된다. 깨끗한 압축 공기는 공기 가열기 내로 도입되어 튜브의 외면 주위를 지나면서 열을 회수한다. 외측 열 전달 장치를 가진 구조는 공간을 많이 차지하고 원가를 상승시킨다. 미국 특허 제4,406,128호의 제2도에 도시된 바와 같은 튜브 전체를 통한 고체 입자의 균일한 분포는, 열전달을 위하여 고체 입자의 낮은 체적 유량과 많은 튜브가 필요하고 제2도에서와 같은 폐쇄 구조로 인하여 달성시키기 매우 곤란하다. 또, 고체 입자를 이송시키는데 이용되는 공기는 고체 혼합물을 냉각시키고, 고체와 튜브의 외면에 있는 공기 사이의 온도 구배를 감소시킨다.
튜브를 통하여 고체 입자를 이송시켰다가 연소실로 복귀시키는데 추가적 유동화 공기를 공기 가열기에서 이용하면, 이 고체 입자를 이송시키는 동력이 필요하므로 연소기의 전체 효율에 악영향을 미친다. 황이 함유된 공기 또는 산소는 연소기 또는 공기 가열기로 도입되지 않는 것이 좋다. 공기 가열기에서 공기는 탄소질 고체 입자를 연소시켜 일부 고체 입자의 일부 용융 온도 이상으로 온도를 상승시키고 공기 가열기에 입자를 응집시켜, 공정에 악영향을 미치는 수가 있다. 또 점착성 고체가 튜브의 폐색을 일으키는 수도 있다.
국제특허 공개 WO 82/00701호에는 10m/sec의 유동화 속도로 작동되고, 연소 생성물이 분리 영역으로 이송되는 발전 시스템이 기재되어 있다. 고체 입자는 분리 영역으로부터 격실을 통하여 얇은 제2유동상으로 도입된다. 제2유동상의 공간에는 증기 발생용 튜브뿐 아니라 공기 가열기도 배치되고, 양 튜브들은 상(bed)의 다른 부분에 배치된다. 이 상은 노 내의 상과 마찬가지로 0.5m/sec의 낮은 유동화 속도에서 작동된다. 가열 가압된 공기의 일부는 발전 시스템의 석탄 증발 억제기로 공급되고, 일부는 전력 발생용 가스 터빈과 연결된 버너로 공급된다. 이 시스템도 앞서 설명한 시스템과 마찬가지로 제2유동상이 구비된 구조가 공간을 많이 차지하고 비싸다는 동일한 결점을 가진다. 제2유동상을 유동화시키는데 공기가 필요하고, 연소 과정 및 이에 따른 전체 시스템의 제어를 더욱 어렵게 한다는 결점도 있다. 유동상에 필요한 압축 공기도 그 자체로서 손실이 된다.
얕은 유동상을 이용하는 것은 고온의 미세한 재(ash) 입자가 유동상의 상부를 향하여 흐르고 저온의 입자는 유동상의 하부에 정체되는 경향이 있으므로 유리하지 않다. 따라서 열전달이 상의 온도 분포에 따라 악화된다.
본 발명의 한가지 목적은 앞서 언급된 발전 시스템의 결점없이 가스 터빈으로 가는 청정 가스를 가열시키는데 비가압 유동상 연소기를 이용하는 개량된 복합 가스 터빈 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소형의 복합 가스 터빈 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효율이 높고 신뢰성이 있으며 제어도 용이한 복합 가스 터빈 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유동상 연소기의 연소실 내의 연소 온도 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면 거의 대기압에서 탄소질 연료를 연소시키는 순환 유동상 연도기, 증기 및 가스 터빈 사이클이 포함되는 복합 가스 터빈 발전 시스템이 제공된다. 연소기에는 연소실 영역, 고체 입자 분리기 및 입자 분리기로부터 분리된 고체 입자를 연소실로 이송시키는 수직 복귀 통로가 포함된다. 수직 복귀 통로는 그 상단부가 입자 분리기의 하부와 연결되고 그 하단부는 연실의 재순환 고체 입자용 입구와 연결된다. 가스 터빈 사이클에는 산화 가스류를 압축시키는 가스 압축기, 압축된 산화 가스류를 가열시키기 위하여 도관에 의하여 압축기와 연결된 열 교환기, 제2도관에 의하여 열 교환기와 연결되고 가열 가압된 산화 가스로부터 동력 발생을 위한 가스 팽창 터빈, 팽창된 산화 가스를 가스 터빈으로부터 연소실의 하부로 도입시키는 제3도관이 포함된다. 산화 가스를 가열시키는 열 교환기에는 수직 귀환통로 내에 배치되어 수직 귀환 통로의 상부로부터 하부로 균일하게 유동하는 분리된 입자의 비교적 고밀도의 분산물과 간접적으로 접촉하도록 그 내부에 압축된 가스가 도입되는 열 교환 튜브가 포함된다. 이러한 복합 발전 시스템의 작동 방법도 기재되어 있다.
본 발명은 공기 가열기가 고체 물질의 순환로에 결합된 소형 순환 유동상 연소기를 제공한다. 열 교환 튜브는 수직 귀환 통로의 고체밀도 및 이에 따른 열 교환 속도가 높은 곳에 설치된다. 열 교환 속도가 빠르기 때문에 열 교환기는 소형으로 제작될 수 있다. 수직 통로 내의 열 교환은 균일하다. 고체 물질은 중력에 의하여 통로로 공급되므로 종래의 유동화 열 교환기와 달리 보조 유동화 공기가 불필요하다. 따라서 본 발명에 의하면 유동화 열 교환기와 같은 온도 분포가 생기지 않고, 열 교환기 전체를 통하여 보다 균일한 열 교환이 이루어진다. 고온 입자의 유동화에 가압 가스/공기가 불필요하면 전체 효율이 좋아진다. 유동화 공기는 제작 원가 외에, 고온 입자에 연소 또는 응집과 같은 악영향을 미친다.
본 발명은 재순환된 고체 입자의 온도를 조절하여 연소실의 온도를 조절할 수 있게 한다. 수직 유동하는 입자로부터 압축된 공기로의 열전달은 공기 유동 또는 압력을 변화시켜 이루어진다.
종래의 복합 발전 시스템에 비한 본 발명의 장점은 효율이 높고, 가스 터빈의 작동 유체로 이용되는 공기가 보일러의 연소 공기로도 이용되므로 재 순환 루프로부터 에너지를 추출하여 연소 온도를 조절할 수 있다는 것이다. 공기 유량은 보일러 부하에 상응하게 30-100%로 조절되어야 한다. 가스 터빈 사이클의 작동 유체로 공기를 이용하면 간단하고 신뢰성이 높으며, 가스 정화가 불필요하다.
증기 발생 튜브는 이미 보일러 내에 완전히 배치되어 있으므로, 보일러 자체내에 열 교환기를 증가시킬 필요없이 보일러의 온도 분포를 제어할 수 있으므로 유리하다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 장점은 다음의 명세서와 특허청구의 범위 및 도면을 참조하면 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
제1도에 도시된 본 발명의 한가지 바람직한 구체예에서 탄소질 고체 물질이 순환 유동상 연소기(1)에서 연소된다. 연소기(1)에는 고체 연료 물질 및 연도 가스의 SO2를 감소시키기 위한 석회 또는 돌로 마이트 같은 다른 고체 물질의 입구(3,4)를 가진 연소실(2)이 포함된다. 유동화 공기 및 산화 공기는 대기로 개방된 저판(5)을 통하여 연소실로 도입된다. 공기는 상을 유동화시키고 고체 입자의 일부를 함유하기 충분한 유량으로 거의 대기압에 가까운 압력으로 연소기로 도입된다. 저판의 상부에 있는 입구(6)를 통하여 2차 공기가 연소실로 도입될 수 있다.
연소실은 고체 입자가 함유된 연소 가스의 출구(7)를 가진다. 이 연소 가스는 고체 입자가 가스로부터 분리되는 사이클론 입자 분리기(8)로 도입된다. 정화된 가스는 배출 파이프(9)를 통하여 배출되고 고체 입자는 수직 통로(10)를 통하여 연소실로 하향 도입된다. 통로의 하단부에는 연소실로 가는 입구(13)의 전방에 굴곡부(11)가 형성되어 있다.
연소실에는 증기 터빈 사이클(14)이 결합되어 있다. 먼저 증기 발생용 열 교환기(15)가 연소실의 내부에 배치된다. 증기 터빈(16)은 전력 발생을 위하여 열 전달 튜브와 연결된다. 증기는 폐열 회수 응축기(17)에서 응축되어 고압 펌프에 의하여 연소실의 열 전달 튜브로 재순환한다.
가스 터빈 사이클(18)이 순환 유동상 반응기와 결합된다. 공기는 압축기(19)에서 약 5-15바아(bar)로 압축되어 제1도관(20)을 통하여 수직 통로(10)내의 제2열 교환기(21)로 도입되고, 여기서 공기는 500-900℃, 바람직하기로는 650-850℃로 가열된다. 수직 통로 내의 고체 밀도는 열 전달 속도가 매우 양호하게 약 50-100kg/m3이다. 열 교환기(21)로부터 가압 가열된 공기는 도관(22)을 통하여 가스 터빈(23)으로 도입된다. 공기는 팽창하고 발전기(24)에서 전력이 발생한다. 가스 온도를 1000-1100℃까지 상승시키도록 추가적인 가열기(25)가 이용될 수 있다. 이 가열기는 기름 또는 가스(26)를 이용하는 버너로 구성될 수 있다.
팽창된 청정 공기는 주로 제3도관(27)을 통하여 연소실(2)의 저판(5)하부에 있는 공기실(28)로 도입된다. 이 공기의 온도는 추가 가열기가 없는 경우 약 300-450℃이고, 터빈 앞에 추가 가열기가 이용된 경우는 약 500-650℃이다. 팽창된 공기의 온도가 너무 높으면 제3도관에 열 교환기가 연결될 수 있다. 가스 터빈으로부터 나오는 고온 공기를 저판의 상부 위치(30)로 도입시킬 수도 있다.
열 교환기(21)는 고온에서도 견딜 수 있으며 열 전달률이 양호한 굴곡 세라믹 열 전달 튜브(31)로 구성되는 것이 바람직하다. 물론 내열금속 합금 튜브도 이용될 수 있다. 열전달 튜브의 직경은 50-200mm이다.
열 전달 튜브(31)는 서로 연결되어 통로(10)내에 수평으로 배치되고, 통로(10) 외부에서 제1 및 제2도관(20,22)과 연결된다. 통로의 외부에서 튜브를 서로 연결시키는 금속 접속구가 이용되면 직선 튜브도 이용될 수 있다. 어떤 경우에는 수직으로 배치된 열전달 튜브가 이용될 수 있다.
열 교환기(21)의 공기 통로는 튜브인 것이 바람직하다. 공기와 고체 입자 사이의 열 교환에 예컨대 세라믹 판 사이의 통로가 이용될 수도 있다.
배출 파이프(9)를 통하여 배출되는 정화된 공기는 폐열 회수 보일러(32)를 통과한다. 폐열 회수 보일러의 열 교환기(33)는 도관(34,35)을 통하여 증기 터빈 사이클(14)로 연결된다. 냉각 정화된 가스는 도관(36)을 통하여 굴뚝으로 배출된다.
제2구체예가 제2도에 도시되어 있는데 제1도와 동일한 부호가 이용되었다. 여기서는 연소 가스로부터 고체 입자를 분리시키기 위하여 수직 사이클론 입자 분리기 대신 수평 사이클론 입자 분리기(8)가 이용된다. 이에 따라 연소기를 제1도 보다 더 소형으로 제작할 수 있게 된다. 연소실의 튜브 벽으로 구성된 제1열 교환기(15)는 증기 사이클로 연결된다.
[실시예]
본 발명에 의한 발전 시스템의 열효율을 계산하게 시험을 실시하였다. 건조 상태의 저위 발열량이 28,000KJ/kg인 폴란드 석탄을 연소기에서 연소시켰다. 입구 공기 온도는 15℃이고 연소 가스 출구 온도는 120℃이다. 공기 유량은 98.2kg/s이다. 압축기 및 가스 터빈의 폴리 트로프 효율은 각각 0.9, 0.8이다. 열 교환기 및 연소실의 압력 강하는 각각 0.02바아, 0.1바아이다. 증기로 전달된 열의 44.06%가 증기 터빈 출력으로 변환되었다.
Figure kpo00001
제3도에는 가스 터빈 이전 온도에 대한 열 교환기 출력이 도시되어 있다. 수직 통로 내의 고온 입자로부터 튜브로의 열 전달은 400W/m2/。K이다.
공기 온도가 상승되면 수직 귀환 통로 내에서 고온 재순환 입자가 간접적으로 가열되므로 열 효율이 증가한다.
본 발명은 현재로서는 가장 실용적이고 바람직한 것으로 판단되는 구체예에 관하여 기술되었지만 본 발명은 기재된 구체예로 한정되지 않고, 첨부된 특허 청구의 범위 및 취지 내의 다양한 수정 및 균등한 배치도 이에 포함된다.

Claims (9)

  1. 연소실(2), 연소실(2)의 연소 가스 출구(7)와 연결된 입자 분리기(8), 입자 분리기(8)로 부터 분리된 입자를 하향 이송시켜 연소실(2)로 복귀시키도록 입자 분리기(8)의 하단과 연소실의 하단 사이에 배치된 대체로 수직인 통로(10)를 가진 순환 유동상 연소기와; 가스를 압축시키는 가스압축기(19), 압축기(19)로 부터 나온 가스를 가열시키는 열 교환기(21) 및 압축된 가스를 팽창시키기 위하여 도관을 통하여 열 교환기(21)와 연결된 가스 터빈(23)을 가진 가스 터빈 사이클(18)이 포함되는 발전 시스템에 있어서, 상기 가스 터빈 사이클(18)의 상기 열 교환기(21)에는 상기 순환 유동상 연소기의 상기 대체로 수직인 통로(10)내에 배치된 열 교환 튜브(31)가 포함되고, 상기 열 교환 튜브(31)내에 압축 가스가 도입되어 상기 수직 통로(10)내를 하향 유동하는 고체 입자와 간접 접촉하며, 상기 가스 터빈 사이클(18)에 팽창된 가스를 가스 터빈(23)으로 부터 연소실의 하부로 도입시키는 도관(27)이 포함되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 증기를 발생시키기 위하여 상기 연소실(2)에 배치된 증기 터빈(16)과 열 교환기(15)를 가진 증기 터빈 사이클(14)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 가스 터빈 사이클(18)의 상기 열 교환기(21)의 열 교환 튜브(31)가 수직으로 설치된 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 가스 터빈 사이클(18)의 상기 열 교환기(21)의 열 교환 튜브(31)가 수평으로 설치된 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈 사이클(18)에 압축된 가스를 더 가열시키는 추가 가열기(25)가 가스 터빈(23)의 앞에 설치된 발전 시스템.
  6. 순환 유동상 반응기(1)의 연소실(2)에서 탄소질 연료를 연소시키고, 입자 분리기(8)에서 연소 가스로 부터 고체 입자를 분리시키며, 분리된 고온 입자를 대체로 수직인 통로(10)를 통하여 연소실(2)로 복귀 이송시키는 단계; 가스 터빈 사이클(18)의 가스압축기(19)에서 공기를 압축시키고, 열 교환기(21)에서 압축된 공기를 가열시키며, 유용일이 발생되도록 가열된 공기를 가스 터빈(23)으로 도입시키는 단계가 포함되는 발전 시스템의 작동 방법에 있어서, 분리된 고온 입자를 이송시키는 수직 통로(10)내에 배치된 열 교환기(21)의 열 교환 튜브(31)를 통하여 압축 공기를 도입시키며, 열 교환 튜브(31)를 통과하는 압축 공기의 양을 변화시켜 연소실(2)의 연소 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 수직 통로(10)내의 입자로부터, 수직 통로(10)내에 배치된 열 교환기(21)의 열 교환 튜브(31)를 통하여 도입된 압축 공기로 전달되는 열량을 변화시켜 연소실의 연소 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템의 작동 방법.
  8. 제6항에 있어서, 수직 통로(10)내의 고온 입자가 중력에 의하여 하향 유동되도록 배치된 것을 특징으로 하는 발전 시스템의 작동 방법.
  9. 제6항에 있어서, 압축기(19)에서 공기를 5-15바아(bar)로 압축시키고, 압축된 공기를 열 교환기(21)에서 650-850℃로 가열시키는 것을 특징으로 하는 발전 시스템의 작동 방법.
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