KR940004338B1

KR940004338B1 - 동력 생산 방법

Info

Publication number: KR940004338B1
Application number: KR1019860009804A
Authority: KR
Inventors: 도말팔리 라오 아쇼크
Original assignee: 플루오르 코포레이션; 로렌스 놀 피셔
Priority date: 1985-11-21
Filing date: 1986-11-20
Publication date: 1994-05-23
Also published as: KR870005164A; ZA868727B; JPS62189331A; MX170106B; FR2590319B1; BE905234R; FR2590319A1; JPH0749776B2

Abstract

내용 없음.

Description

동력 생산 방법

제1도는 터어빈에 축이 연결된 2단 공기 압축기를 사용하는 본 발명의 방법의 바람직한 1실시예의 개략도.

제2도는 낮은 레벨의 열 발산에 변화를 준 본 발명의 방법의 개략도.

제3도 및 제4도는 사이클 효율상의 압력비의 효과 및 사이클 효율상의 급습기에의 공기온도의 효과를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 라인 2, 3 : 공기 압축기

5 : 라인 6 : 열 교환기

7, 8, 9 : 라인 11 : 열 교환기

12, 13 : 라인 15 : 포화기(습윤기)

16 : 라인 17 : 펌프

18 : 냉각기 19, 20 : 라인

21 : 열회수기 22 : 터빈

24 : 연소기 26 : 라인

30 : 발전기 31, 32 : 라인

33 : 펌프

본 발명은 연소 터어빈을 사용하여 연료의 화학에너지를 변환시켜 기계적 에너지 또는 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.

연료에 저장된 화학에너지로부터 기계적 에너지 또는 전력을 생산하기 위해 기관에 작동 유체를 사용할 경우에는, 작동 유체를 가압하에 연료의 연소부를 거치도록 하여, 연료로부터 나오는 에너지를 열로서 작동 유체로 흡수하게 된다. 에너지를 흡수한 작동 유체는 다음에 팽창되어 기계적인 에너지를 발생시키고, 이는 다시 발전기를 구동시켜 전력을 생산하게 된다. 변환되지 않은 에너지는 열 형태로 배기로 발산(reject)되는데, 이중 일부만을 다시 회수하여 이용한다. 기관의 효율은 팽창단계로 유입되는 작동 유체의 온도가 최대일때 역시 최대가 된다.

연소 터어빈의 경우에는 가압 단계에서 공기를 압축시키며, 에너지 부가단계에서 가압 공기내에서 연료를 직접 연소시킨다. 터어빈 내에서의 팽창 상태는 기계적인 에너지를 발생시키고 회수되지 않은 열은 터어빈 배기를 통해 빠져 나간다. 연소 터어빈의 효율은 연소 온도 자체가 최고로 높을때 최대가 되며, 이는 연료가 화학량론(stoichiometric) 상태하에서 가압 공기 내에서 연소될때, 즉, 공기가 완전 연소를 위해 충분하나 초과되지는 않는 상태에서 연소될 때 얻어진다.

그러나, 연료유가 화학량론 상태의 공기중에서 연소될때의 온도는 약 2200℃ 정도가 되어, 터어빈의 금속학적인 한계를 넘게 된다. 따라서, 연소 단계에서는 과도한 양의 잉여 공기를 공급하는 것이 필요한데, 이 잉여 분의 공기는 열 희석제 역할을 하여 연소 온도를 약 1094℃ 정도로 낮춘다. 가압된 잉여 공기를 대량으로 사용하는 것은 다시 시스템에 부가적인 부하를 증가시키게 되는데, 이는 공기의 압축시에 기계적인 에너지가 필요하게 되어 시스템에서 생산되는 정미동력(net power)을 감소시킬 뿐 아니라 시스템의 전체 효율을 낮추기 때문이다.

현존의 연소 터어빈 사이클의 또 다른 단점은 가압 단계에서 공기를 압축시켜야 하는 것이다. 가스의 압축은 기계적인 에너지를 필요로 하기 때문에 매우 비효율적이 되는데, 이 기계적인 에너지는 고도의 에너지 형태로서 열 에너지로 변화되게 된다. 공기 압축시에 필요한 기계적 에너지는 중간 냉각 단계를 사용함으로써 즉, 가압된 공기를 순차적인 다단계 압축 공정 사이에서 냉각시킴으로써 감소시킬 수 있다. 그러나, 전체 사이클의 효율의 관점에서 보면, 중간 냉각 단계는 중간 냉각기(inter-cooler)에서 압축된 공기로부터 발산되는 열을 효율적으로 회수하여 이용할 수 있을때 사용할 수가 있다. 만일 전체 열이 단순히 대기중으로 발산되게 되면, 중간 냉각기를 통한 에너지의 손실을 보충하기 위해 더 많은 양의 연료를 사용하여야 하기 때문에 전체 사이클의 효율은 떨어지게 된다. 따라서, 실제 사용시에는, 열을 단순히 발산시키기 보다는 압축 공기 흐름내에 열을 보존함으로써 높은 마력의 압축기의 필요성을 견뎌왔다.

전기한 문제점에도 불구하고, 연소 터어빈 기관은 높은 온도에서 작동되어, 작동 유체를 사용하여 연료의 화학 에너지를 기계적인 에너지로 변환할 수 있기 때문에 여전히 선호된다. 그러나, 연소 터어빈 기관의 고유특성에 기인한 높은 배기 온도 때문에 사이클의 효율은 제한되게 되고, 따라서 기관으로부터의 배기는 증기 터어빈과 같은 다른 기관을 작동시키는 열원으로 사용하여 연료의 전체 이용 효율을 고양시킨다. 이러한 시스템은 복합 사이클 시스템이라고 불려지며 산업계 전반에서 광범위하게 사용된다. 연소 터어빈 배기에 포함된 에너지를 이용하는 다른 예로서는 연소 터어빈의 연소기 내로 다시 주입되는 과열 증기의 온도를 올리는데 사용하는 것으로서, 이는 미합중국 특허 제3,978,661호에 제안되어 있다. 또 다른 방법은 기관 배기로 압축기를 빠져 나오는 공기를 예열하는 동시에 압축시에 중간 냉각 단계를 사용하는 것이다(켄트(Kent)의 기계공학편람, 1950년 참조). 이들 시스템은 연료에 포함된 화학 에너지를 이용하는 면에서 볼때 전체적인 효율이 높게 나타나지만, 이후에 상술하는 바와 같이, 본 발명의 방법에 비해서는 본질적으로 그 효율이 낮게 된다.

복합 사이클은 공기 압축기 중간 냉각기에서 발산되는 열의 온도가 예컨대 증기 발생등에 이용할 수 있을 만큼 효율적으로 회수하기에는 너무 낮기 때문에 공기 압축기 중간 냉각 방식의 이점을 충분히 이용하지는 못한다. 상기 열의 일부는 아그네트(Agnet)의 미합중국 특허 제3,335,565호에 기재된 바와 같이 보일러 급수를 예열하는 방식으로 회수할 수 있으나, 연도 가스(stack gas)와 함께 많은 열이 발산되어, 열 회수율이나 사이클 효율을 그다지 증가시키지 못한다. 최근에, 중간 냉각 방식으로 물을 공기 흐름내로 직접 분사시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 이 방법에는 두가지의 단점이 있다. 그 하나는 중간 냉각 단계를 빠져 나오는 공기의 온도가 포화 공기의 이슬점 온도에 따라 제한되는 것이다. 또한, 중간 냉각기내의 공기에 물을 직접 분사시킴으로써, 열희석제 역할을 하는 가해진 수증기를 중간 냉각기 다음의 단계에서 바로 압축시켜야 하기 때문에, 압축 동력을 절약하기 위한 수단으로 수증기로 대체한 장점을 완전하게 얻을 수 없게 된다.

후트(Foote)에게 허여된 미합중국 특허 제2,869,324호에는 공기 및 물을 다같이 예열 시킨후에 물을 증발시켜 압축 공기로 만드는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 증발 방법은 증발기로부터 배출되는 공기 및 물을 평형을 이루도록 해야하기 때문에 공기 내에 유용한 습도를 얻기 위해서는 높은 온도가 필요하다. 이 물 증발 방법은 포화기에 낮은 온도의 공기를 유입시키는 본 발명에 비해 덜 효율적이다.

증기 사이클은 물의 증발(증기발생)이 일정 온도에서 일어나는 반면에, 열 발산은 가변 온도 대역내에서 이루어지기 때문에 피할 수 없는 높은 비가역성이 있게 된다. 아래 그래프는 열발산 곡선과 증기 발생선을 나타낸 것이다.

그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 증기발생으로, 열원과 열흡수 액체 사이에 작은 온도 차이가 유지되지 못하기 때문에, 시스템의 비가역성을 높이게 되어 효율이 저하되게 된다.

복합 사이클 플랜트는 부가적인 증기 터어보 발전기, 증기드럼, 증기 터어빈 배기를 응축시키기 위한 표면 응축기, 및 표면 응축기로부터 대기로 열을 발산시키기 위한 냉각 탑 등이 필요하기 때문에 설비비가 고가로 된다.

증기 분사 사이클도 복합 사이클과 같은 이유로 해서 공기 압축기 중간 냉각의 장점을 완전히 살리지 못하게 된다.

또한 이 사이클은 증기 터어보 발전기, 표면 응축기 및 냉각 탑을 생략해도 되고, 일정량의 공기를 증기로 치환시킴으로써 공기 압축에 따른 기생적인 부하를 줄일 수는 있으나, 증기 발생 단계를 포함하기 때문에 복합 사이클에서와 마찬가지로 비가역성이 존재하게 된다. 이는 비.엘.룬딘(B.L.Lundin)에 의해 1950년에 작성된 NASA 보고서 제TR-981호, "터보 제트 기관용 다종 추력 증진 사이클의 이론적인 분석"에 기재된 액체 상태의 물을 연소기내로 직접 주입시키는 물 분사 사이클보다는 개선된 것이다. 주입된 물은 약간의 희석 공기와 치환되나, 여기에는 이와 관련된 막대한 비가역성이 나타나게 된다. 연소기 내의 물을 증발시키는 데에는 고온의 연료로부터의 에너지를 이용하는데, 이는 전체 효율을 감소시키게 된다. 또한 물을 주입시키는 사이클에서는 터어빈 배기로부터 이용가능한 열이 아직도 이용 가능한 채로 존재하게 된다.

증기 주입 사이클에 있어서 증기발생이 이용되는 열은 적정 수준보다 상당히 높은 온도를 가져야 한다. 예컨대, 압력비 11로 작동되는 통상적인 연소 터어빈의 경우에, 분사에 필요한 증기압은 14Kg/㎠ 이상이 되어야 한다. 이에 따른 증기의 포화 온도는 194.5℃이다. 이는 보다 높은 온도를 얻을 수 있는 열원을 필요로 하며 215.6℃ 이상의 열만을 안전하게 사용할 수가 있다.

중간 냉각시 재생 사이클에서는 공기 냉각 단계시에 중간 냉각을 하고, 공기가 연소기 내로 들어가기 전에 터어빈 배기로 가압 공기를 예열한다. 이 사이클의 적정 압력비는 6 내지 7이다. 중간 냉각기로부터 발산되는 열은 모두 대기중으로 발산된다. 공기 예열기를 빠져 나가는 가스의 온도는 260℃ 정도이고, 상기 가스에 포함된 열은 모두 낭비하게 된다. 모든 열 희석재는 가압되기 때문에 대단한 양의 기생적인 부하를 야기시키게 되어, 시스템의 전체 효율을 매우 저하시키게 된다.

마틴카(Martinka)의 미합중국 특허 제2,186,706호는 급습과정(humidification operation)에서 가열된 물과 압축된 공기를 직접 접촉시킴으로써 발생된 수증기로 연소용 공기의 일부를 대체하는 것을 게재하고 있다. 이 급습과정에 필요한 열은 공기 압축기의 중간 냉각기에 의해 공급된다. 이 시스템을 위한 보충수는 가스 터어빈 배기로부터 추가적으로 열을 뺏는다. 이 시스템의 순수한 효과는 공기 압축의 기생적인 부하의 감소와 그에 따른 사이클 효율의 증가이다.

나까무라 등(Nakamura et al.)의 미합중국 특허 제4,537,023호는 미합중국 특허 제2,186,706호의 것과 유사한 시스템을 게재하고, 있는데, 이 경우 후기 냉각기(after-cooler)가 공기 압축기를 위해서 사용된다. 후기 냉각기는 급습기(humidifier)를 빠져 나오는 물의 온도를 감소시키며, 그것은 낮은 레벨의 열을 많이 회수할 수 있게 한다. 후기 냉각기의 추가로 인해 유발되는 열 소비율의 감소는 나까무라 등이 제출한 데이터를 기초로 하면 대략 1.4퍼센트다.

마틴카 및 나까무라 등의 시스템은 모두 연도가스를 통해 시스템으로부터 열을 발산한다. 열 발산은 열역학 제2법칙의 결과이며 열을 동력으로 변환하는 어떤 사이클도 약간의 열을 발산하여야만 한다. 사이클 효율을 개선하기 위해서는 발산되는 열의 양을 최소화 하는 것이 중요할 뿐 아니라 열이 발산되는 온도를 최소화 하여야 한다. 마틴카 및 나까무라 등의 시스템에서, 발산되는 열량은 사이클 효율을 제한하는 연도 온도에 의해서만 설정된다.

본 발명의 목적은 열 희석제 및 작동유체로 사용되는 과잉공기 중의 약간 또는 전부를 수증기로 대체한 연소 터어빈을 사용하여 연료로부터 기계적 에너지 또는 전력을 생산하는 방법을 제공하기 위함이다. 수증기는 저온 증발될 물을 펌프로 송출하는 매우 효율적인 방법으로 시스템 내에 유입된다. 액체를 송출하는 것은 가스(공기) 압축에 비해 매우 적은 기계적인 에너지를 필요로 한다. 또한, 물은 대향류의 다단계 급습과정에서 낮은 레벨의 열을 사용하여 증발시킨다. 다단계 급습과정을 사용함으로써, 압축 공기의 온도를 가열 매질의 온도에 근접시킬 수가 있어, 열역학적인 비가역성을 최소로 할 수 있게 된다.

본 발명의 방법의 주된 특징은 열 발산의 양과 질을 동시에 최소화하여 사이클의 열효율을 현저히 개선한 것이다. 중간 냉각도중 또는 급습 직전에 압축된 가스상 매질로부터 낮은 레벨의 열이 발산된다. 이러한 방식으로 발산된 열의 양과 질은 연도 가스로부터 발산된 것보다 낮다. 이것은 공기 냉각기, 냉각수 교환기 또는 냉동 시스템을 통해서 달성되기도 한다.

또한, 본 발명의 방법은 희석공기의 압축에 따른 기생적인 부하를 감소시킬 수 있으며 열효율이 높은 동력 발생 사이클을 얻게 한다. 또한, 압축 공기의 습윤 상태는 산화질소의 발산을 감소시켜, 환경을 좋게 하는 장점이 있게 된다. 본 발명은 또한 압축 공기를 포화기에 직접 접촉시킴으로써 열 역학적으로 효율적인 방법으로 압축 공기를 급습하는 수단을 제공하며, 공기가 비교적 저온의 물로도 급습될 수 있도록 하여 증기 보일러를 사용하지 않아도 되게 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상술한다.

제1도를 참조하여 보면, 라인(1)을 통해 유입되는 공기는 2단 공기 압축기(2, 3)의 제1단 공기 압축기로 유입된다. 공기 압축기(2,3)은 축(4)로 상호 연결되어 있다. 라인(5)를 통해 제1단 공기 압축기(2)로부터 배출되는 압축 공기의 온도는 149℃ 내지 204℃이며, 이는 다음에 열교환기(6)을 통과하는데, 여기에서 압축 공기는 라인(7)을 통과하는 물과 열교환이 된다. 그 결과, 압축 공기의 온도는 약 4.5℃ 내지 121.1℃ 정도, 통상적으로 21℃ 내지 60℃ 정도가 되며, 다음에 라인(8)을 통해 제2단 공기 압축기(3)으로 유입된다.

라인(10)을 통과하여 공기 압축기로부터 배출되는 압축 공기의 온도는 149℃ 내지 204℃ 정도이며, 열교환기(11)을 통과하게 되는데, 거기에서 라인(12)를 통과하는 물과 열교환이 된다. 따라서 압축 공기의 온도는 약 4.5℃ 내지 121.1℃ 정도, 통상적으로는 약 46℃ 내지 66℃ 정도로 낮아진다.

열교환기(6)내에서 열교환 되면서 흐르는 라인(7)내의 물은 149℃ 내지 204℃ 정도의 온도로 포화기(15)의 상부로 유입된다. 포화기 내에서 공기와 물은 다단계로 대향류식으로 접촉되는데, 이는 열역학적인 효율을 증가시킨다. 포화기의 운전 압력은 약 14 내지 42Kg/㎠이고, 수온은 약 166℃ 정도가 된다. 증발 후에 남는 물은 포화기의 바닥으로부터 라인(16)을 통해 배출되며, 펌프(17)로 송출되어 필요에 따라 열이 시스템으로부터 발산되는 교환기(18) 및 라인(19)을 통해 라인(7) 및 열교환기(6)으로 송출되거나 또는 라인(13) 및 (12)를 통해 열교환기(11)로 송출된다. 중간 냉각기 및 후기 냉각기로부터의 낮은 레벨의 열은 이렇게 해서 대기로 발산된다.

습윤공기는 약 121℃ 내지 약 177℃ 정도로서 실질적으로 포화된 공기로 라인(20)을 통해 포화기(15)로부터 배출되어 연소기(24)에 유입되기 전에 포화공기를 예열시키기 위해 터어빈(22)의 배기와 열교환이 되도록 열회수기(21)을 통과하게 된다. 연소되는 연료는 라인(25)를 통해 유입되며 연소된 가스 생성물은 라인(26)을 통해 배출되어 터어빈(22)을 구동시킨다. 터어빈은 축(4)를 통해 공기 압축기에 연결되어 있으며, 발전기(30)에도 연결되어 전력을 발생시킨다. 압축기, 터어빈 및 발전기가 단일축으로 연결된 것으로 설명 및 도시하였으나, 당해 기술에 숙련된 사람이면 쉽게 알 수 있듯이, 다른 구조로 할 수도 있다.

열회수기(21)내에서, 가스 터어빈으로부터 배출되는 고온 배기는 물과 열교환되면서 통과하여 전술한 바와 같이 포화기(15)내에서 급습하기에 적당한 온도로 물을 가열한다.

따라서, 라인(31)을 통과하는 물은 도시한 바와 같이 열회수 장치로 유입된다. 부가적으로, 본 발명의 시스템을 유지하기 위해 필요한 보충수는 펌프(33)에 의해 라인(32)를 통해 보충될 수 있다. 물론, 낮은 레벨의 열발산 방법의 변형이 가능하며, 바람직하기도 하며, 그중 일부가 제2도에 도시된다. 도시된 실시예에서, 열발산은 교환기(35)내에서 발생되며, 교환기(35)내에서 후기 냉각기(11)로부터의 압축 공기는 물의 온도를 증가시키기 위해 물과 열교환된 후, 포화기(15)의 하부에 도입된다. 교환기(37)내에서도 열발산이 이루어지며, 거기서 중간 냉각기로부터의 압축 공기는 다단 압축기의 제2단 압축기에 도입되기 전에 냉각수 또는 냉동제와 열교환된다. 이 실시예에서, 보충수는 라인(7)의 물과 혼합되어 중간 냉각기(6)을 통과하기 전에 교환기(38)내에서 열교환된다.

본 발명의 방법은 독립된 동력 발생 사이클로서 도시된다. 이 방법은 필요에 따라 더 나은 에너지 보존을 위해서 다른 방법의 장치들을 포함하기도 한다. 전기열 동시 발생 장치에서, 고온의 터어빈 배기의 일부는 다른 용도에 사용하기 위한 증기를 발생시키기 위해 활용되기도 한다. 역으로, 급습과정에 가열된 물의 공급을 증가시키기 위해 그 사이클은 다른 방법의 열 회수에 포함될 수도 있다. 이러한 방식으로 본 발명의 동력 사이클은 터어빈내 팽창의 일발생단계는 보다 높은 압력비에서 발생하지만 급습은 낮은 온도에서 이루어질 수 있으므로 본 발명의 동력 사이클은 석탄 가스와 플랜트 또는 지열 장치와 같은 저온 레벨의 열을 다량 발생하는 플랜트와 함께 다른 사이클 보다 많이 사용될 수 있다. 또한 이 사이클은 보다 높은 압력비에서 가장 적합한 재가열 터어빈(reheat trubine)과 결합하여 보다 효율적으로 사용될 수 있다. 재가열 터어빈에서, 제1터어빈은 부분적인 팽창이 발생하는 고압에서 운전되고 추가적인 연료는 제2연소기에서 점화되며, 고온가스는 제2터어빈에서 대기압 가까이 팽창된다. 냉각수로 열을 발산하는 결과는 압력비 대 사이클 열 효율의 플로트로 제3도에 표시된다. 비교를 위해서 나까무라 등의 시스템에 대한 유사한 플로트가 같은 도면에 표시된다. 이 효율들은 다음과 같이 나까무라 등의 특허에서 세운 설계기준을 사용하여 개선되었다.

[예 1 : 나까무라 방법]

( I ) 조건

(a) 효율

압축기 단열 효율

C=0.89

터어빈 단열 효율

T=0.91

기계적 효율

M=0.99

발전기 효율

G=0.985

연소 효율

B=0.999

(b) 압축기 입구에서의 주위 공기 조건

온도 15℃

압력 1.033atm

상대습도 60%

유량(건조공기) 1Kg-mole/sec

유량(H₂O) 0.0101Kg-mole/sec

(c) 연료

종류 천연가스

온도 15℃

고발열량 245,200Kcal/Kg-mole

저발열량 221,600Kcal/Kg-mole

(d) 전체 압력 손실 15.2%

(e) 보충수

온도 15℃

유량 0.132Kg-mole/sec

(f) 터어빈 입구 조건

압력 6atm

온도 1,000℃

(g) 열교환기를 위한 최소 온도 차이

고온 재생기 R₁30℃

저온 재생기 R₂20℃

연료 예열기 R₃30℃

중간 냉각기 IC 20℃

(h) 기타

전체 보조 동력은 발생기 출력의 0.3퍼센트로 취하며, 교환탑의 저부에서의 물, 보충수 및 연료의 압축력은 무시한다. 또한, 터어빈에 대한 냉각 공기에 관해서는 그 필요량을 정하기 위해 재생 가스 터어빈 사이클에서 저온 압축 공기의 유용성을 고려하여야 한다.

( II ) 결과

(a) 폐가스

온도 82.7℃

유량 1.15Kg-mole/sec

(b) 압축기 출구 온도(AC₂) 148℃

(c) 송출 단부 출력 8690kw

(d) 송출 단부 열효율 50.2%

[예 2 : 본 발명 방법]

( I ) 조건

(a) 효율

압축기 단열 효율

C=0.89

터어빈 단열 효율

T=0.91

기계적 효율

M=0.99

발전기 효율

G=0.985

연소 효율

B=0.999

(b) 압축기 입구에서의 주위공기조건

온도 15℃

압력 1.033atm

상대습도 60%

유량(건조공기) 1Kg-mole/sec

유량(H₂O) 0.0101Kg-mole/sec

(c) 연료

종류 천연가스

온도 15℃

고발열량(0℃) 245,200Kcal/Kg-mole

저발열량(0℃) 221,600Kcal/Kg-mole

(d) 전체 압력 손실 15.2%

(e) 보충수

온도 15℃

유량 0.144Kg-mole/sec

(f) 터어빈 입구 조건

압력 6atm

온도 1,000℃

(g) 열교환기 및/또는 교환기 출구 조건을 위한

최소 온도 차이

고온 재생기 R₁30℃

저온 재생기 R₂20℃

연료 예열기 R₃30℃

중간 냉각기 IC 20℃

자체열 교환기(SR) 20℃

중간 냉각기 출구 IC₂35℃

방출 후기 냉각기 RAC 48℃

(h) 기타

( II ) 결과

(a) 폐가스

온도 75.6℃

유량 1.18Kg-mole/sec

(b) 압축기 출구 온도(AC₂) 157℃

(c) 송출 단부 출력 10947kw

(d) 송출 단부 열효율(LHV) 51.06%

나까무라 등의 시스템은 1000℃의 가스 터어빈 연소온도에 대해 약 6의 압력비에서 최고 효율을 나타낸다. 그러나, 본 발명의 사이클은 동일한 1000℃의 가스 터어빈 연소 온도에 대해 약 10.5의 압력비에서 최고 효율을 나타낸다. 두 시스템의 최고 성능을 비교하면, 본 발명의 방법에 대한 열비율은 나까무라 등의 시스템의 것보다 약 1.6% 낮다. 이러한 개선은 후기 냉각기를 활용함으로 인해 나까무라 등에 의한 개량보다 실제로 높다. 또한, 본 발명의 방법은 예를 들어 6 : 1 내지 34 : 1의 범위와 같은 높은 압력비에서 유리하며 엔진 비출력(engine specific power)를 증가시킨다.

제4도는 급습과정에서 도입되는 압축된 공기의 온도의 함수로서 그려진 사이클 열효율의 플로트다. 이 플로트는 급습기에의 인입 공기 온도가 최소가 될때 사이클 효율이 반드시 최대가 되지는 않는다는 것을 나타내고 있다. 최적 온도는 방출된 열의 양과 질의 동시적인 감소에 따른다.

미합중국 특허 제4,537,023호에 따르면, 급습기로 부터 가능한 한 가장 낮은 온도를 얻기 위해서 급습과정을 위한 압축 공기의 사전 냉각이 행해진다. 그러나, 이것은 사이클 효율에 대한 급습기에 도입되는 공기와 결과적으로 급습기를 빠져나오는 물의 온도의 플로트를 도시한 제4도에 의해서 명백한 바와 같이 사이클에 대해서 최고 효율을 유발하지 않는다. 최고 효율은 열발산의 양과 질이 동시에 최소가 될때 발생한다.

미합중국 특허 제4,537,023호의 다른 결점은 급습기에 도입되는 공기와 급습기를 빠져나오는 물의 온도 차이가 후기 냉각기를 설계하는데 사용한 온도 차이에 의해 설정되는 것이다. 이것은 시스템에 제한을 추가하며 포화기를 떠나는 물의 온도를 본 발명의 방법에서 초래되는 상응하는 온도보다 높은 온도에 고정시킨다.

본 발명의 방법의 주된 이점은 효율이 현저히 개선되는 것이다.

다음 식에 의해 미합중국 특허 제4,537,023호와 비교하여 열효율이 개선됨을 보다 분명히 이해할 수 있다. 용량 500MW인 나까무라 등의 방법을 채택하는 1000℃의 연소 온도를 갖는 가스 터어빈을 사용하는 동력 플랜트에서 필요한 연료는

=500×1000KW×6800

×24×365

=2.98×10⁷MMBTU/년

본 발명의 공정에서 필요한 연료는

=500×1000KW×6700

×24×365

=2.93×10⁷MMBTU/년

따라서, 개선된 동력 사이클에서 절약할 수 있는 연료는

=(2.98×10⁷-2.93×10⁷)MMBTU/년

=0.05×10⁷MMBTU/년

이는 년간(연료비를 4불/MMBTU로 할때)

0.05×10⁷

×

×=2×10⁶불/년

의 연료비를 절약하게 되는 것을 뜻한다.

본 발명의 방법은 가스화 플랜트 또는 정련 시설과 같은 다른 플랜트에서 방출되는 저온의 열을 다른 방법에 비해 보다 높은 효율로 기계적 에너지 또는 전력으로 변환시키는데도 사용될 수 있다. 연소기관에서 사용되는 연료는 회수된 저온의 열을 고온으로 상승시키는 데에도 사용된다. 따라서, 가스화 플랜트(gasification plant)로 부터 60℃ 내지 149℃ 범위에서 급습기 순환수를 예열 시킴으로써 회수되는 저온의 열은 전력으로 변환되는데, 이때 변환 효율은 약 18% 정도로 아주 높다. 도입된 열은 건조 공기 0.46Kg당 0.12 내지 0.23Kg의 범위에서 전체 수량을 제공하기 위해 추가의 물을 증발시키기 위해 사용되기도 한다.

상기한 낮은 레벨의 열을 변환하는데 따른 효율은 미합중국 특허 제4,085,591호 "연속유동, 증발식 열 에너지 회수 장치 및 에너지 회수 방법"이라는 명칭의 특허에 따른 방법으로 계산할 수 있는데, 이 경우 가압 가스, 즉 공기를 분무 격실에서 급습하고, 가스 터어빈에서 팽창시켜 급습된 공기의 높은 비체적(specific volume)을 이용한다. 이 시스템의 효율은 5% 이하이다. 여기에는 또한 여러가지의 고유한 단점이 내재한다. 상당한 정도의 동력을 생산하기 위해서는 시스템 압력이 제한되기 때문에 초대형 설비를 필요로 하게된다. 이 시스템은 연소 기관과 결합하여 사용할 수 없기 때문에 회수된 낮은 레벨의 열의 온도를 증가 시키지 못한다.

전술한 설명으로 부터 본 발명의 방법으로 화학 에너지, 또는 화학 에너지로 보충되는 낮은 레벨의 열을 매우 높은 효율로 기계적 에너지 또는 전력으로 변환할 수 있음을 알았다. 또한 본 발명의 방법에 따라 재공급원으로 부터 공급된 에너지를 보존하고 고효율에 기인하는 열 오염을 감소시키고, 복합 사이클 또는 증기 분사 사이클에 비해 특히 물 소비량을 감소시키고, 산화질소 발산을 감소시키는 것을 포함하여 환경적인 장점을 얻을 수 있다. 복합 사이클 플랜트에서는 증기를 연소기로 분사하여 상기 누설을 감소시켜야 하는데, 이는 다시 효율을 저하시키게 된다. 이는 본 발명의 방법으로 극복할 수가 있다.

전술한 바로부터 알 수 있는 바와 같이 당해 기술에 숙련된 자에 의해 본 발명은 변형 또는 수정될 수도 있다. 예컨대, 2단 공기 압축보다도 많은 다수의 중간 냉각기를 사용할 수도 있다. 또한, 압축기로 들어가는 유입 공기를 냉각 시스템을 사용하여 냉각시켜 시스템의 효율 및 용량을 증가시킬 수도 있다. 중간 냉각기를 빠져 나오는 공기는 냉각 시스템을 사용하여 더 냉각시킬 수도 있으며, 포화기의 물을 중간 냉각기에 유입되기 전에 냉각 시스템을 사용하여 사전 냉각시킬 수도 있다. 부가해서, 도시한 포화기 대신에 물이 다수의 위치에서 유입되는 구조의 포화기를 사용할 수도 있다. 따라서, 이러한 변형 및 수정은 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주한다.

Claims

터어빈내에서의 연소를 위한 열희석제로서, 압축된 가스상 매질과 접촉할때 작동압력에서 비등점 이하의 온도인 수증기를 제공하기 위해 연소전에 압축된 가스상 매질을 다단 대향류로 급습하고, 상기 압축된 가스상 매질을 급습하기 전에 물과 열교환되게 통과시켜 물의 온도는 증가하고 압축된 매질의 온도는 감소하게 하며, 상기 압축된 가스상 매질을 급습하기 전에 미리 냉각함으로써 동력발생 사이클로 부터 열이 발산되는 것을 포함하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
(a) 가스상 매질을 예정된 압력이 될때까지 압축하고, (b) 압축된 가스상 매질을 물로 후기 냉각하여 상기 물의 온도가 증가하고 상기 압축된 가스상 매질의 온도가 감소되게 하며, (c) 상기 압축된 가스상 매질을 급습하고 터어빈 내의 연소를 위한 열희석제로서 수증기를 제공하기 위해 상기 압축된 가스상 매질을 상기 가열된 물과 다단 대향류로 접촉시키고, (d) 상기한 압축된 가스상 매질과 가열된 물과의 접촉전에 가스상 매질을 미리 냉각시킴으로써 사이클로 부터 열을 발산시키는 것을 포함하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
(a) 가스상 매질을 예정된 압력이 될때까지 압축하고, (b) 상기 압축이 물에 의한 중간 냉각과 함께 행해지며, 압축된 가스상 매질의 급습시에 가열된 물을 사용하며, (c) 급습을 위해서 압축된 가스상 매질과 가열된 물을 다단 대향류로 접촉시키고, (d) 상기한 압축중의 중간 냉각이 사이클로 부터 열을 발산시키는 것을 포함하는 것으로 구성되는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
(a) 가스상 매질을 예정된 압력이 될때까지 압축하고, (b) 상기 압축이 물에 의한 중간 냉각과 함께 행해지며 압축된 가스상 매질의 급습시에 가열된 물을 사용하며, (c) 급습을 위해서 압축된 가스상 매질과 가열된 물을 다단 대향류로 접촉시키고, (d) 급습된 가스상 매질과 함께 연료를 연소시키며, (e) 동력 생산을 위해서 가스 터어빈을 구동하고, (f) 상기한 압축중의 중간 냉각이 중간 냉각을 위해 사용하기 전에 순환수로 부터 열을 발산시키는 것을 포함하는 것으로 구성되는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
(a) 가스상 매질을 예정된 압력이 될때까지 압축하고, (b) 상기 압축이 물에 의한 중간 냉각과 함께 행해지며 압축된 가스상 매질의 급습시에 가열된 물을 사용하며, (c) 급습을 위해서 압축된 가스상 매질과 가열된 물을 다단 대향류로 접촉시키고, (d) 급습된 가스상 매질과 함께 연료를 연소시키며, (e) 동력 생산을 위해서 가스 터어빈을 구동하고, (f) 상기한 압축후의 후기 냉각이 후기 냉각을 위해 사용하기 전에 순환수로 부터 열을 발산시키는 것을 포함하는 것으로 구성되는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 급습된 압축 매질이 가스 터어빈 배기로 예열된 후 연소용 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 가스 터어빈 배기로 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 동력 사이클 외부원에 의해 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 전체 압축비가 6 : 1 내지 34 : 1인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제8항에 있어서, 급습된 압축 가스상 매질의 수증기 함량이 건조 가스상 매질의 0.46Kg당 0.12 내지 0.23Kg인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 연료가 가스 터어빈 배기에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제1항에 있어서, 연료 가스가 중간 냉각기, 후기 냉각기 및 가스 터어빈 배기에서 가열된 물을 사용하여 급습되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제2항에 있어서, 급습된 압축 매질이 가스 터어빈 배기로 예열된 후 연소용 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제2항에 있어서, 가스 터어빈 배기로 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제2항에 있어서, 동력 사이클 외부원에 의해 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서, 전체 압축비가 6 : 1 내지 34 : 1인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제15항에 있어서, 급습된 압축 가스상 매질의 수증기 함량이 건조 가스상 매질의 0.46Kg당 0.12 내지 0.23Kg인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제2항에 있어서, 연료가 가스 터어빈 배기에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제2항에 있어서, 연료 가스가 중간 냉각기, 후기 냉각기 및 가스 터어빈 배기에서 가열된 물을 사용하여 급습되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제3항에 있어서, 급습된 압축 매질이 가스 터어빈 배기로 예열된 후 연소용 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제3항에 있어서, 가스 터어빈 배기로 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제3항에 있어서, 동력 사이클 외부원에 의해 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제21항 또는 제22항에 있어서, 전체 압축비가 6 : 1 내지 34 : 1인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제22항에 있어서, 급습된 압축 가스상 매질의 수증기 함량이 건조 가스상 매질의 0.46Kg당 0.12 내지 0.23Kg인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제3항에 있어서, 연료가 가스 터어빈 배기에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제3항에 있어서, 연료 가스가 중간 냉각기, 후기 냉각기 및 가스 터어빈 배기에서 가열된 물을 사용하여 급습되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제4항에 있어서, 급습된 압축 매질이 가스 터어빈 배기로 예열된 후 연소용 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제4항에 있어서, 가스 터어빈 배기로 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제4항에 있어서, 동력 사이클 외부원에 의해 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제28항 또는 제29항에 있어서, 전체 압축비가 6 : 1 내지 34 : 1인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제29항에 있어서, 급습된 압축 가스상 매질의 수증기 함량이 건조 가스상 매질의 0.46Kg당 0.12 내지 0.23Kg인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제4항에 있어서, 연료가 가스 터어빈 배기에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제4항에 있어서, 연료 가스가 중간 냉각기, 후기 냉각기 및 가스 터어빈 배기에서 가열된 물을 사용하여 급습되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제5항에 있어서, 급습된 압축 매질이 가스 터어빈 배기로 예열된 후 연소용 연료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제5항에 있어서, 가스 터어빈 배기로 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제5항에 있어서, 동력 사이클 외부원에 의해 가열된 물이 급습과정에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제35항 또는 제36항에 있어서, 전체 압축비가 6 : 1 내지 34 : 1인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제36항에 있어서, 급습된 압축 가스상 매질의 수증기 함량이 건조 가스상 매질의 0.46Kg당 0.12 내지 0.23Kg인 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제5항에 있어서, 연료가 가스 터어빈 배기에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.
제5항에 있어서, 연료 가스가 중간 냉각기, 후기 냉각기 및 가스 터어빈 배기에서 가열된 물을 사용하여 급습되는 것을 특징으로 하는 연소 가스 터어빈을 사용하여 동력을 생산하는 방법.