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KR101588209B1 - 가스 터빈의 스탠바이 동작 - Google Patents

가스 터빈의 스탠바이 동작 Download PDF

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KR101588209B1
KR101588209B1 KR1020130074204A KR20130074204A KR101588209B1 KR 101588209 B1 KR101588209 B1 KR 101588209B1 KR 1020130074204 A KR1020130074204 A KR 1020130074204A KR 20130074204 A KR20130074204 A KR 20130074204A KR 101588209 B1 KR101588209 B1 KR 101588209B1
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KR
South Korea
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gas turbine
turbine
gas
generator
compressor
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클라우스 되벨링
마르틴 자야다츠
안드레아스 루에터
Original Assignee
알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

본 발명은 단일 샤프트 가스 터빈(6)을 구비한 발전 장치를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이고, 가스 터빈(6)은 제 1 발전기(25)가 전기 격자(39)에 동기화될 때 가스 터빈(6)이 회전하는 속도 아래의 일정 속도로 동작된다. 제안된 방법은 작은 배출, 고 터빈 배기 온도, 및 최소화된 연료 소비와 함께 양호하고 안정한 연소를 보장한다.
상기 방법 외에, 이러한 방법을 수행하도록 설계되고 구성된 단일 샤프트 가스 터빈(6)을 포함하는 발전 장치가 본 발명의 요지이다.

Description

가스 터빈의 스탠바이 동작{STAND-BY OPERATION OF A GAS TURBINE}
본 발명은 가스 터빈 발전 장치를 동작시키는 방법 및 이러한 동작을 수행하도록 구성된 가스 터빈에 관한 것이다.
기본 부하(base load) 및 고부하에서, 현대의 가스 터빈은 전형적으로 배출 규제에 충족하도록 희박 예혼합 화염(lean premix flame)으로 동작한다. 모든 동작 조건에 대하여 안정한 연소를 보장하도록, 복합 동작 방법은 예를 들어 EP0718470로부터 공지된 바와 같이 구성되었다.
가스 터빈과 가스 터빈 결합 사이클은 매우 융통성이 있는 것으로 고려된다. 이것들은 빠른 시동(fast start up) 이후 고속으로 로딩될 수 있다. 설계 및 동작 방법에 의존하여, 10분 미만으로 기본 부하로 로딩하는 것이 실현 가능하다. 이러한 특징은 소비자로부터의 부하 요구 조건을 빨리 변경할 뿐만 아니라, 예를 들어 발전이 언제나 전기 소비와 동등하도록 풍력 에너지처럼 다른 발전 소스로부터 공급을 변경하는 것의 균형을 유지하는 것을 필요로 한다.
작은 배출물(low emissions)로 동작하도록, 가스 터빈의 연소기는 예혼합된 모드로 동작되어야만 한다. 발전을 위한 단일 연소기 가스 터빈은 전형적으로 약 40%의 상대 부하(가스 터빈의 기본 부하 동력 출력에 대한 동력 출력) 이상의 부하 지점들에 대하여 작은 배출물로 예혼합된 동작 모드로 동작될 수 있다. 순차 연소를 구비한 가스 터빈은 10% 상대 가스 터빈 부하의 순서에 이르기까지 부하 지점들에 대해 작은 배출물로 예혼합된 동작 모드로 동작될 수 있다. 상술한 상대 부하 지점 아래의 정상 운전(steady operation)을 위하여, 연소기는 확산 화염으로 동작될 수 있다. 그러나, 확산 화염은 배출물이 많아지게 할 수 있으며, 이러한 조건 하에서의 동작은 지방 당국에 의해 법률로 제한될 수 있다.
낮은 전기료와 결합된 낮은 전기 수요의 기간 동안 최하의 가능한 부하에서 가스 터빈 또는 가스 터빈 결합 사이클 발전 장치(combined cycle power plant)를 동작시키는 것은, 신속한 로딩이 높은 로딩 변화도(50MW/분 이상)와 함께 어느 때라도 행해질 수 있다는 이점을 가진다. 이러한 조건 하에서, 가스 터빈 및 증기 터빈의 부품들은 재료 온도 레벨에서 유지되고, 이 재료 온도 레벨은 이전에 연소되지 않은 가스 터빈 또는 냉 증기 터빈(cold steam turbine)의 점화에 의한 시동과 비교하여 크게 감소된 수명 소비에 의한 신속한 로딩을 허용한다. 이러한 것은 특히, 증기 사이클 부품들이 신속한 로딩 변화도로 연료 로딩 온도에 노출되면 증기 사이클 부품들이 열적-기계적 응력을 받는 결합 사이클 동작에 대해 사실이다. 추가적으로, 가스 터빈의 시동 실패의 위험성은 방지되고, 이는 상당한 이점이다.
그러나, 저부하에서의 동작은 소모된 연료에 대해 상당한 비용을 초래할 수 있다. 40%의 상대 부하에서, 연료 소비는 부분적인 부하 효율로 인하여 기본 부하 연료 소비의 약 50% 내지 약 70%일 수 있으며, 이는 기본 부하 효율보다 훨씬 작다. 이러한 연료 비용은 추가의 부하 삭감에 의해 감소될 수 있다. 또한, 수요가 작은 시기에, 전기 격자는 발전 장치에 의해 만들어진 전력을 수용할 수 없을 수 있다.
저부하 동작(40% 보다 작은 상대 부하에서의 동작)을 이행하기 위한 하나의 전제 조건은 연소 안정성이다. 그러나, 건식 NOx 감소를 위한 바람직한 기술인 희박 예혼합 연소는 전형적으로 비교적 좁은 가연성 범위를 가진다. 희박 예혼합 화염의 가연성 제한은 예를 들어 확산 화염보다 훨씬 좁으며; 전형적으로 제한들은 거의 더욱 작은 한자릿수이다. 가연성 제한은 화염의 안정성을 기술한다.
질소 산화물("NOx")의 형성을 제어하고, 안정한 범위에서 화염을 유지하기 위하여, 특히 부분적인 부하 동작 동안 연소기 주위의 압축기 섹션으로부터 압축 공기의 일부를 우회하는 것이 제안되었다. 이러한 우회는 예를 들어, US5557920로부터 공지되어 있다. 그러나, 가스 터빈으로 들어가는 공기는 우회 공기의 혼합으로 인하여 낮은 온도를 가지며, 결과적으로, 가스 터빈의 배출 가스는 기본 부하 또는 고부하 상태와 비교하여 낮은 온도를 가진다. 그러므로, 차후의 보일러 또는 열회수 증기 발생기에서 만들어진 증기는 기본 부하에서보다 차가우며, 이는 격자가 전력 출력을 요구하면 발전 장치를 로딩할 때 보일러에 의해 공급된 증기 터빈에서의 높은 열응력 또는 제한, 예를 들어 감소된 부하 변화도(gradients) 또는 홀드 지점(hold point)들을 이끌 수 있다.
본 발명의 하나의 양태는 청정하고 안정한 연소로 저부하 또는 부하 없이 가스 터빈 발전 장치의 동작을 위한 방법을 제안하는 것이다.
가스 터빈 발전 장치는, 연료와 혼합되고 연소기에서 연소 가스들을 발생시키기 위하여 점화되는 유입 공기를 압축하는 압축기, 연소기를 떠나는 고온 가스들로부터 에너지를 추출하는 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 하나의 샤프트, 및 고정 변속비로 가스 터빈의 샤프트에 기계적으로 결합되는 제 1 발전기를 포함하는 상기 단일 샤프트 가스 터빈을 포함한다. 가스 터빈은, 제 1 발전기가 전기 격자에 동기화될 때 가스 터빈이 회전하는 속도로 동작하도록 구성된다. 가스 터빈은 적어도 높은 부분 부하 기본 부하를 위하여 이러한 디자인 속도로 동작한다.
스탠바이 모드로 단일 샤프트 가스 터빈을 포함하는 이러한 발전 장치를 동작시키기 위한 방법이 제안된다. 제안된 방법에 따라서, 가스 터빈은 제 1 발전기가 전기 격자에 동기화될 때 가스 터빈이 회전하는 속도보다 느린 일정 속도로 동작된다.
감소된 속도, 즉, 제 1 발전기가 동기화될 때 가스 터빈이 회전하는 속도보다 느린 속도로 동작하는 것에 의하여, 압축기 유입 질량 유동(mass flow)은 동기화 속도에서 압축기 유입 질량 유동에 대해 감소될 수 있다. 감소된 유입 공기 질량 유동으로 인하여, 연소기에서의 연료대 공기비는 증가될 수 있고, 그러므로, 저 공해 및 낮은 연료 소비와 함께 안정한 연소를 가능하게 한다. 또한, 연소 압력은 감소된 유입 공기 질량 유동으로 인하여 감소된다. 매우 낮은 연소 압력에 의한 가스 터빈의 스탠바이 동작은 NOx 배출물의 감소를 유도한다.
제안된 방법은 저 공해 및 높은 터빈 배기 온도와 함께 좋은 안정한 연소를 허용한다. 감소된 질량 유동때문에, 압축기의 전력 소비는 감소된다. 그러므로, 터빈은 동기화 속도에서 압축기를 구동하는 것만큼 압축기를 구동하도록 전력을 만드는 것을 필요로 하지 않는다. 그러므로, 감소된 질량 유동은 낮은 연료 소비에 의한 동작을 가능하게 한다. 높은 배기 온도는 이후의 증기 사이클의 효율을 증가시킬 수 있고, 그러므로 연료 소비를 더욱 최소화하는 것을 도울 수 있다.
상기 방법의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 가스 터빈은 제 1 발전기가 전기 격자에 동기화될 때 속도의 20% 내지 85%의 속도에서 동작된다.
상기 방법의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 가스 터빈 속도는 고정 주파수 컨버터를 통하여 모터로서 동작되는 제 1 발전기에 의해 가스 터빈의 샤프트 상의 토크를 적용하는 것에 의해 제어된다.
상기 방법의 한 실시예에서, 제 1 발전기는 고정 주파수 컨버터를 통하여 전기 격자에 전력을 전달하도록 동작된다. 발전기가 정상적인 동작 속도보다 느린 속도로 회전하기 때문에, 발전기는 송전 주파수보다 작은 주파수를 가진 교류 전류를 만든다. 격자에 전력을 전달하기 위하여, 주파수는 고정 주파수 컨버터에 의해 송전 주파수로 변환된다.
상기 방법의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 제 1 발전기는 가스 터빈을 구동하기 위해 샤프트에 정 토크(positive torque)를 적용하도록 동작된다. 발전기가 정상적인 동작 속도보다 느린 속도로 회전하기 때문에, 송전 주파수는 발전기가 송전 주파수보다 작은 주파수로 회전할 때 모터로서 발전기를 동작시키는데 필요한 주파수보다 높다. 발전기를 모터로서 동작시키기 위하여, 송전 주파수를 가진 교류 전류는 고정 주파수 컨버터에 의해 발전기 주파수로 변환된다. 송전 주파수를 가진 교류 전류는 예를 들어 격자에 의해 또는 발전 장치의 증기 터빈에 의해 제공될 수 있다.
단일 샤프트에 배열되는 가스 터빈 및 증기 터빈을 구비한 소위 단일 샤프트 파워 트레인을 위해 사용될 수 있는 방법의 여전히 또 다른 양태에 따라서, 증기 터빈 동력은 가스 터빈을 구동하는 정 토크를 제공하도록 사용된다.
이러한 방법을 위하여, 가스 터빈 배기 가스의 폐열을 효과적으로 사용하도록 가스 터빈의 하류측에 배열되는 열회수 보일러에 의해 만들어지는 증기는 아이들 동작으로 구동하는 증기 터빈을 감소된 속도로 유지하는데 요구되는 증기를 초과한다. 대안적으로, 제 2 발전 장치 또는 다른 외부 소스로부터 제공되는 증기는 증기 터빈을 구동하는데 사용되거나 부가될 수 있다.
상기 방법의 추가적인 예시적인 실시예에 따라서, 가스 터빈 속도는 가변성 유입 가이드 베인을 조정하는 것에 의해, 압축기 유입 공기의 온도를 조정하는 것에 의해, 또는 블로오프 밸브(blow off valve) 위치를 조정하는 것에 의해 제어된다. 이러한 각각의 제어 방법은 개별적으로 또는 하나 이상의 다른 것과 결합하여 적용될 수 있다.
방법의 여전히 또 다른 예시적인 실시예에 따라서, 압축기 유입 가스의 온도는 가스 터빈의 속도를 제어하도록 주위 공기의 온도에 대하여 증가된다.
압축기 유입 가스의 온도는 예를 들어 압축기 블리드 공기(bleed air)를 압축기 유입 가스에 혼합하는 것에 의해, 또는 공기 예열기에서 이를 가열하는 것에 의해, 또는 압축기 유입 가스에 가스 터빈의 연도 가스를 재순환시키는 것에 의해 증가될 수 있다. 이러한 각각의 온도 제어 방법은 개별적으로 또는 하나 이상의 다른 것과 결합하여 적용될 수 있다.
방법의 또 다른 예시적인 실시예에 따라서, 가스 터빈 배출물은, 가변성 유입 가이드 베인을 조정하는 것에 의해, 블로오프 밸브를 조정하는 것에 의해, 가스 터빈의 속도를 조정하는 것에 의해, 압축기 유입 가스의 온도를 조정하는 것에 의해, 또는 스테이지드 버너(staged burner)들을 위한 스테이지 비(stage ratio) 또는 개별적인 버너로의 연료 공급을 조정함으로써 화염 온도 공간 분포를 조절하는 것에 의한 것 중 적어도 하나의 의해 제어된다. 단독으로 사용되거나 또는 결합하여 사용된 이러한 모든 방법은 화염의 직접적인 영향을 가진다. 특히, 연소기 유입 온도, 그러므로 화염 위치, 화염 로케이션 및 최대 화염 온도는 이러한 방법에 의해 조정될 수 있다.
결합 사이클 발전 장치의 동작을 위하여, 가스 터빈의 배기 온도를 제어하는 것은 중요하다. 가스 터빈 배기 온도는 배기 덕트 및 가스 터빈 하류의 열회수 증기 발생기에 직접적으로 영향을 미친다. 또한, 열회수 증기 발생기에 의해 발생된 증기의 온도는 배기 온도에 의존한다. 증기 온도는 증기 온도 변화로 인하여 증기 터빈에서의 열 응력을 피하거나 또는 제한하도록 동작 범위에서 유지되어야만 한다.
방법의 하나의 예시적인 실시예에 따라서, 가스 터빈 배기 온도는 목표값으로 제어된다. 배기 온도는, 가변성 유입 가이드 베인을 조정하는 것에 의해, 압축기 유입 가스의 온도를 조정하는 것에 의해, 블로오프 밸브를 조정하는 것에 의해, 가스 터빈의 속도를 조정하는 것에 의해 또는 압축기 유입 가스의 온도를 조정하는 것에 의한 것 중 적어도 하나에 의해 제어된다.
스탠바이 모드에서 발전 장치를 동작시키기 위한 방법 이외에, 가스 터빈이 스탠바이 모드로부터 동기화된 속도로 가속, 아이들, 로딩 및 부하 동작뿐만 아니라 부하 감소, 아이들 동작, 및 스탠바이 모드로 감속되는 동작을 위한 방법이 본 발명의 요지이다.
방법의 예시적인 실시예에 따라서, 가스 터빈 연소기는 제 1 발전기가 전기 격자에 동기화될 때 가스 터빈이 회전하는 속도보다 느린 속도로 가스 터빈의 스탠바이 동작을 위한 예혼합 모드로 동작되며, 연소기는 동기화 속도에 의한 아이들 및 낮은 부분 부하에서 동기화 속도에 의한 아이들 동작으로 급증하는 동안 안정화를 위해 확산 화염으로 또는 확산 화염과 함께 예혼합 모드로 동작된다. 이 실시예에 따라서, 연소기는 기본 부하 및 높은 부분 부하 동작을 위하여 예혼합 모드로 동작될 수 있다. 디자인과 동작 조건에 의존하여, 동기화 속도에 대한 가속의 부분은 예혼합 모드에서 수행될 수 있다. 동기화 속도에 의한 아이들 및 로딩에서의 동작 뿐만 아니라 부하 동작을 위한 방법은 가스 터빈을 위한 종래의 동작 개념에 따라서 수행될 수 있다.
부하 감소는 역순으로 행해질 수 있다: 연소기는 동기화 속도에 의한 아이들로부터 정지 동안 동기화를 위하여 확산 화염으로 또는 확산 화염과 함께 예혼합 모드로 동작된다. 정지 동안 또는 제 1 발전기가 전기 격자에 동기화될 때 가스 터빈이 회전하는 속도보다 느린 속도에 가스 터빈의 스탠바이 동작이 도달할 때, 가스 터빈 연소기는 작은 배출물을 위하여 예혼합 모드로 동작된다.
동작을 위한 방법 외에, 이러한 방법을 수행하도록 구성된 가스 터빈 발전 장치는 본 발명의 요지이다.
하나의 예시적인 실시예에 따라서, 이러한 발전 장치는 압축기, 연소기, 터빈, 압축기와 터빈을 연결하는 하나의 샤프트, 및 고정 변속비로 가스 터빈의 샤프트에 기계적으로 결합된 제 1 발전기를 포함하는 단일 샤프트 가스 터빈을 포함한다. 이러한 발전 장치는 가스 터빈이 적어도 가스 터빈의 설계 속도의 10% 아래인 속도로 연속 동작을 위해 구성되는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 이는 20% 및 85% 속도 사이에서 윈도우에서 동작을 위해 구성될 수 있다. 설계 속도는 발전기가 전기 격자에 동기화할 때 가스 터빈이 회전하는 속도이다.
추가의 실시예에 따라서, 압축기 및 터빈의 샤프트, 블레이드, 및 베인들은 가스 터빈의 설계 속도의 적어도 10% 아래인 속도에서 1차 고유주파수에서 자유로운 동작 윈도우를 위하여 구성된다. 동작 윈도우는 예를 들어 20% 및 85% 속도 사이의 속도 범위에 있을 수 있다. 동작 윈도우의 주파수 범위는 이러한 범위보다 훨씬 작을 수 있다. 예를 들어, 이것은 단지 +/- 1% 속도이다. 이러한 디자인은 감소된 속도에서의 연속 동작을 허용한다. 바람직하게, 윈도우는 크며, 예를 들어 +/- 5 내지 10 % 이상 크다.
스탠바이 동작 동안 동작 유연성을 개선한도록, 압축기와 터빈의 샤프트뿐만 아니라 블레이드들은 또 다른 예시적인 실시예에 따라서 적어도 가스 터빈의 디자인 속도보다 10% 느린 속도를 가진 동작 지점 주위에서 적어도 +/- 2% 속도의 동작 윈도우를 위하여 적어도 1차 및 2차 고유주파수에서 자유롭도록 구성될 수 있다.
개시된 방법 뿐만 아니라 개시된 가스 터빈 발전 장치는 동기화 속도에 대하여 감소된 속도로 연소기에서 안정한 작은 배출 화염과 함께 가스 터빈의 동작을 허용한다. 이에 의해, 연료 소비가 동기화 속도에서 아이들 또는 저부하 동작에 대하여 감소될 수 있는 한편, 작은 배출물을 유지한다. 그 결과, 연장된 시간 기간 동안의 동작이 가능하고 이러한 모드에서 경제적이다.
또한, 작은 배출물을 유지하면서 감소된 연료 소비가 실현될 수 있으며, 증기 터빈을 포함하는 결합 발전 장치의 신속한 로딩을 허용하는 동작 온도에서 결합 사이클을 유지하도록 안정한 터빈 출구 온도를 달성한다.
추가적으로, 감소된 연료 소비가 실현될 수 있는 한편, 여전히 작은 배출을 유지하고, 자체 소비 및 특정 장소에 의해 요구되는 임의의 가정용 부하(house load)를 커버하도록 요구되는 최소 부하로 결합 사이클을 구동하는데 적절한 터빈 출구 온도 및 배기 질량 유동을 달성한다.
상기된 가스 터빈은 예를 들어 EP0620363 B1 또는 EP0718470 A2로부터 공지된 바와 같은 단일 연소 가스 터빈 또는 순차 연소 가스 터빈일 수 있다. 개시된 방법은 단일 연소 가스 터빈 또는 순차 연소 가스 터빈에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 터빈의 예를 도시한 도면.
도 2는 가스 터빈에서 NOx 배출에서 압력의 효과의 예를 도시한 도면.
본 발명은 그 특성뿐만 아니라 그 이점이 첨부된 도면의 도움으로 다음에 더욱 상세히 기술될 것이다.
동일하거나 또는 기능적으로 동일한 요소들은 다음에 동일한 도면 부호가 제공된다. 지시된 값과 치수 명세는 단지 예시적인 값이며 이러한 치수에 대한 본 발명의 어떠한 제한을 구성하지 않는다.
제안된 방법의 실행을 위한 발전 장치의 예는 종래의 CCPP(결합 사이클 발전 장치)를 포함한다.
예시적인 배열이 도 1에 도시된다. 가스 터빈(6)은 압축기 유입 가스(3), 및 연료(5)가 공급된다. 압축기 유입 가스(3)는 압축기(1)에서 회전하는 블레이드(39)와 베인(38)들에 의해 압축된다. 압축된 가스는 연소기(4)에서 연료(5)의 연소를 위해 사용되며, 압축된 고온 가스는 터빈(7)에서 팽창한다. 터빈(7)에서 팽창 동안, 압축된 고온 가스는 터빈 베인(40)에 의해 안내되고, 기계적인 동력을 전달하도록 터빈 블레이드(41)를 구동한다. 압축기와 터빈은 하나의 샤프트(31) 상에 배열된다. 발전기(25)는 또한 샤프트(31)에 기계적으로 결합된다. 가스 터빈(6)과 발전기(25) 사이에는 기어(도시되지 않음)가 배열될 수 있다.
이 예에서, 가스 터빈의 고온 배기 가스(8, 또한 연도 가스로 지칭됨)는 증기 터빈(13)을 위한 생증기(30;live steam)를 발생시키는 HRSG(9)를 통과한다. 증기 터빈(13)은 가스 터빈(6) 및 제 1 발전기(25)와 함께 단일 샤프트 구성으로 배열되거나, 또는 본원에 도시된 바와 같이 제 2 발전기(26)를 구동하도록 다중 샤프트 구성으로 배열된다. 증기 터빈(13)을 떠난 증기는 응축기(14)로 보내지고 HRSG(9)로 복귀된다. 증기 사이클은 다음의 것들이 본 발명의 요지가 아님으로써 상이한 증기 압력 레벨, 공급수 펌프 등 없이 단순화되고 개략적으로 도시된다.
압축기 유입 가스의 온도를 증가시키는 다른 가능성들이 도 1에 도시된다. 압축기 유입 가스(3)는 압축기(1)에 들어가기전에 공기 예열기(36)에서 열교환에 의해 가열될 수 있다. 이것은 압축기 유입 가스에 압축기 블리드 공기(16)를 혼합하는 것에 의해 또한 가열될 수 있다. 유입 가스는 압축기(1)에서 압축 동안 가열된다. 블리드 공기 제어 밸브(17)에 의한 블리드 공기 유동을 제어하는 것에 의해, 압축기 유입 공기의 온도는 조정될 수 있다. 압축기 블리드 공기는 압축기 출구로부터 또는 압축기(1)의 중간 위치로부터 취해질 수 있다. 압축기 유입 가스(3)의 온도는 연도 가스의 재순환에 의해 또한 조정되거나 또는 제어될 수 있다. HRSG(9)로부터 연도 가스의 재순환된 연도 가스(21)는 이것이 주위 공기(2)와 혼합되는 가스 터빈(6)의 압축기(1)의 입구로 재순환된다. 재순환된 연도 가스(21)는 주위 공기(2)와 혼합하기 전에 재순환 연도 가스 재냉각기(27)에서 냉각될 수 있다. 압축기 유입 가스(3)의 온도는 재순환된 연도 가스(21)의 질량 유동을 제어하는 것에 의해 및 재순환된 연도 가스가 재순환 연도 가스 재냉각기(27)에서 냉각되는 온도를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다.
연도 가스 재순환의 경우에, 압축기 유입 가스(3)는 주위 공기(2)와, 연도 가스 재순환 라인을 통해 재순환되는 연도 가스의 혼합물이다. HRSG(9)로부터 연도 가스의 나머지 연도 가스(15)는 연도 가스 스플리터(29)에 의해 스택(32)으로 보내지고 대기중으로 배출된다. 선택적으로, CO2 포획 유닛(10)은 연도 가스 스플리터(29)와 스택(32) 사이에 설치될 수 있다. 이러한 CO2 포획 유닛은 연도 가스 송풍기, 추가의 연도 가스 송풍기 및 CO2 포획 유닛을 포함한다. CO2 포획 유닛에서, CO2는 연도 가스로부터 제거된다. 나머지 연도 가스는 대기중으로 방출되고, CO2는 운반 및 저장을 위해 압축된다. 흡수, 흡착, 막분리, 및 심냉분리법과 같은 연도 가스로부터 CO2를 제거하는 몇 개의 공지된 기술이 있다.
또한, 재순환을 위한 가변 속도의 연도 가스 송풍기(11)는 주위 공기(2)와 연도 가스의 재순환된 제 1 분류(21)를 혼합하기 전에 재순환 연도 가스 냉각기(27)의 하류 측에 설치된다.
연소기(4)에서 질량 유동의 제어는 연소를 제어하기 위한 주 파라미터 중 하나이다. 압축기 유입 질량 유동이 유입 온도에 반비례하기 때문에, 연소기에서 질량 유동은 상기된 조치들에 의해 압축기 유입 온도를 조정하는 것에 의해 간접적으로 제어될 수 있다. 압축기 유입 질량 유동(3)은 VIGV(34, variable inlet guide vanes)를 조정하는 것에 의해 또는 샤프트(31)의 속도를 조정하는 것에 의해 직접 제어될 수 있고, 이에 의해, 연소기(4)에서 질량 유동을 제어한다. 또한, 연소기에서 질량 유동은 압축기 블로오프(18) 및/또는 압축기 블리드 공기(16)를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다.
연소기(4)에서 고온 가스 온도의 제어는 연소를 제어하기 위한 주 파라미터 중 하나이다. 고온 가스 온도는 연소기(4)에서 연료 질량 유동(5)을 제어하는 것에 의해 또는 연료 대 공기비를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다. 또한, 이것은 연소기 유입 온도를 조정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 국부적 고온 가스 온도는 화염 온도 공간 분포, 예를 들어 스테이지 비(스테이지드 연소기들/버너들을 위한)의 조절에 의해 또는 버너 그룹(도시되지 않음)에서의 스테이지들을 스위칭하는 것에 의해 제어될 수 있다.
연소기(4)에서의 압력은 다른 주 파라미터이고, 이는 연소, 특히 NOx 형성에 영향을 미친다. 연소기(4)에서의 압력은 연소기 질량 유동 및 터빈 유입 온도의 결합된 제어에 의해 조정될 수 있다.
제 2 발전기(25)는 샤프트(31) 상에 토크를 적용하도록 SFC(24, 고정 주파수 컨버터)와 SFC를 위한 전원 스위치(28)를 통해 전기 격자(33)에 연결될 수 있으며, 이에 의해, 샤프트(31)의 속도를 제어한다. 전형적으로, 전기 격자(33)의 전압은 발전기(25)의 출력, 입력 전압보다 각각 높다: 그러므로, 발전기는 승압 변압기(23)을 통해 격자에 연결될 수 있다. SFC(24)는, 전기 격자(33)로부터 전력을 사용하여 모터로서 발전기를 구동하고, 전력을 전달하기 위해 발전기를 동작시키고, 송전 주파수로 이를 변환하고 전기 격자(33)에 전력을 공급하도록 제어될 수 있다.
부하 동작을 위하여, 발전기(25)가 전기 격자(33)에 동기화될 때, SFC 발전기(28)를 위한 전력 스위치는 개방되고, 발전기(25)는 발전기 브레이커(42)를 통해 격자에 연결된다. 발전기 여기 및 예비물은 이것들이 본 발명의 부분이 아님에 따라서 도시되지 않았다.
도시된 예에서, 하나의 증기 터빈(13)은 증기 터빈 발전기 브레이커(44)와 증기 터빈 승압 변압기(43)를 통하여 전기 격자(33)에 연결된다.
가스 터빈의 배기 가스 온도의 제어는, HRSG(9)에서 발생된 증기의 증기 온도가 배기 가스 온도에 의존하기 때문에 유익하다. 증기 터빈(13)을 동작시키도록, 최소 증기 온도가 유지되어야 하고, 급속한 온도 변화도가 회피되어야 한다. 배기 온도는 터빈 유입 온도 또는 고온 가스 온도, 또는 그 자체가 터빈 질량 유동 또는 연소기 배출 질량 유동 및 터빈 유입 온도의 함수인, 터빈(7) 이상의 압력비를 제어하는 것에 의해 제어될 수 있다.
터빈 배출 온도가 충분히 높은 온도를 가진 증기를 발생시키는데 너무 낮으면, HRSG(9)로 들어가는 연도 가스의 온도는 보충 발화기(37)에서 보충 연료(35)를 연소시키는 것에 의해 증가될 수 있다.
제안된 방법의 하나의 중요한 특징은 스탠바이 동작 동안 NOx 방출을 감소시키도록 매우 낮은 연소 압력에 의한 가스 터빈(6)의 동작이다. NOx 방출은 온도의 함수로서, 즉 2개의 상이한 연소 압력(p1, p2)에 대하여 고온 가스 온도(T)에 대한 기준 온도(TREF)의 비로서 도시되고, p2는 p1보다 낮다. 도 2는 NOx 방출이 연소 압력을 감소시키는 것에 의해 높은 연소 온도(T) 또는 낮은 Tref/T에서 감소될 수 있다.
본 발명이 그 사상 또는 본질적인 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구현될 수 있다는 것이 당업자에게는 자명하게 될 것이다. 그러므로, 개시된 실시예들은 모든 점에서 예시이며 제한되지 않는 것으로 고려된다.
1 압축기
2 주위 공기
3 압축기 유입 가스
4 연소기
5 연료
6 가스 터빈(GT)
7 터빈
8 배기 가스
9 HRSG (열회수 증기 시스템)
10 CO2 포획 시스템(선택)
11 재순환된 연도 가스를 위한 연도 가스 송풍기
12 공급수
13 증기 터빈
14 응축기
15 연도 가스(대기중으로)
16 압축기 블리드 공기
17 압축기 블리드 공기 제어 밸브
18 압축기 블로오프
19 HRSG로부터 연도 가스
20 가스 터빈 배기 덕트에 대한 블로오프 제어 밸브
21 재순환된 연도 가스
22 소음기에 대한 블로오프 제어 밸브
23 승압 변압기
24 고정 주파수 컨버터
25 제 1 발전기
26 제 2 발전기
27 재순환 연도 가스 재냉각기
28 SFC용 전력 스위치
29 연도 가스 스플리터
30 생증기
31 샤프트
32 스택
33 전기 격자
34 가변성 유입 가이드 베인
35 보충 연료
36 공기 예열기
37 보충 발화기
38 압축기 베인
39 압축기 블레이드
40 터빈 베인
41 터빈 블레이드
42 발전기 브레이커
43 증기 터빈 승압 변압기
44 증기 터빈 발전기 브레이커
CCPP 결합 사이클 발전 장치
TREF 고온 가스 온도
T 고온 가스 온도

Claims (14)

  1. 단일 샤프트 가스 터빈(6)을 구비한 발전 장치를 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 단일 샤프트 가스 터빈(6)은, 연료(5)와 혼합되고 연소기(4)에서 연소 가스들을 발생시키기 위하여 점화되는 유입 공기(3)를 압축하는 압축기(1), 상기 연소기(4)를 떠나는 고온 가스들로부터 에너지를 추출하는 터빈(7), 상기 압축기(1)를 상기 터빈(7)에 연결하는 하나의 샤프트(31), 및 고정 변속비로 상기 단일 샤프트 가스 터빈(6)의 상기 샤프트(31)에 기계적으로 결합되는 제 1 발전기(25)를 포함하고,
    적어도 고 부분 부하 및 기본 부하를 위해, 상기 제 1 발전기(25)는 승압 변압기(23)를 통해 격자에 직접 연결되고, 상기 가스 터빈(6)은 상기 제 1 발전기(25)가 전기 격자(33)에 동기화될 때, 상기 가스 터빈(6)이 회전하는 속도로 동작하는, 발전 장치 동작 방법에 있어서,
    스탠바이 동작을 위해 상기 가스 터빈(6)은, 상기 제 1 발전기(25)가 상기 전기 격자(33)에 동기화될 때 상기 가스 터빈(6)이 회전하는 속도보다 느린 일정 속도로 동작하는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 터빈(6)은 상기 제 1 발전기(25)가 상기 전기 격자(33)에 동기화될 때 속도의 20% 내지 85%의 속도로 동작하는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스 터빈 속도는,
    고정 주파수 컨버터(24)에 의해 제어되는 상기 제 1 발전기(25)에 의해 상기 샤프트(31) 상에 토크를 적용하는 것,
    가변성 유입 가이드 베인(34)을 조정하는 것,
    상기 압축기 유입 공기(3)의 온도를 조정하는 것,
    블로 오프(blow off) 제어 밸브(20, 22) 위치를 조정하는 것 중 적어도 하나에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 발전기(25)는 상기 고정 주파수 컨버터(24)를 통하여 상기 전기 격자(33)에 전력을 전달하도록 동작되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 발전기(25)는 상기 주파수 컨버터(24)를 통해 상기 가스 터빈(6)을 구동하기 위해 상기 샤프트(31)에 정(+) 토크를 적용하도록 동작되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스 터빈(6) 뿐만 아니라 증기 터빈(13)이 단일 샤프트에 배열되고, 증기 터빈 동력은 상기 가스 터빈(6)을 구동하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압축기 유입 가스(3)의 온도는 주위 공기(2)의 온도에 대하여 증가되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 압축기 유입 가스(3)의 온도는,
    상기 압축기 유입 가스(3)에 압축기 블리드(bleed) 공기(16)를 혼합하는 것,
    공기 예열기(36)에서 열교환에 의해 상기 유입 가스(3)를 가열하는 것,
    상기 압축기 유입 가스(3)에 재순환된 연도 가스(21)를 혼합하는 것 중 적어도 하나에 의해 증가되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 가스 터빈 방출물들은,
    상기 가변성 유입 가이드 베인들(34)을 조정하는 것,
    상기 블로오프 제어 밸브(20, 22) 위치를 조정하는 것,
    상기 가스 터빈(6)의 속도를 조정하는 것,
    상기 압축기 유입 가스(3)의 온도를 조정하는 것,
    스테이지드 버너들을 위한 스테이지 비 또는 개별적인 버너들로의 연료 공급을 조정함으로써 화염 온도 공간적 분포를 조절하는 것 중 적어도 하나에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 가스 터빈 배출 온도는,
    상기 가변성 유입 가이드 베인들(34)을 조정하는 것,
    상기 압축기 유입 가스(3)의 온도,
    상기 블로오프 제어 밸브(20, 22)를 조정하는 것,
    상기 가스 터빈(6)의 속도를 조정하는 것,
    상기 압축기 유입 가스(3)의 온도를 조정하는 것 중 적어도 하나에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연소기(4)는, 상기 제 1 발전기(25)가 상기 전기 격자(33)에 동기화될 때 상기 가스 터빈(6)이 회전하는 속도보다 느린 일정 속도로 동작하는 동안 예혼합 모드(6)로 동작되며,
    상기 연소기(4)는 아이들(idle)까지, 아이들로, 및 저부분 부하로 구동하는 동안 안정화를 위해 확산 화염으로 또는 확산 화염과 함께 예혼합 모드로 동작되며,
    상기 연소기(4)는 기본 부하 및 고부분 부하 동작을 위해 예혼합 모드로 동작되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치 동작 방법.
  12. 압축기(1), 연소기(4), 터빈(7), 상기 압축기(1)와 상기 터빈(7)을 연결하는 하나의 샤프트(31), 및 고정 변속비로 가스 터빈(6)의 상기 샤프트(31)에 기계적으로 결합되고 승압 변압기(23)를 통해 격자에 직접 연결가능한, 제 1 발전기(25)를 구비한 단일 샤프트 가스 터빈(6)을 포함하는 발전 장치로서,
    고 부분 부하 및 기본 부하를 위해, 상기 가스 터빈(6)은, 상기 제 1 발전기(25)가 전기 격자(33)에 동기화될 때, 상기 가스 터빈(6)이 회전하는 속도로 동작 가능한 발전 장치에 있어서,
    상기 가스 터빈(6)은, 상기 가스 터빈(6)의 디자인 속도보다 적어도 10% 작은 일정 속도에서 상기 연소기가 점화되는 연속 동작을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 샤프트(31)뿐만 아니라, 상기 압축기(1)의 블레이드들 및 베인들과 상기 터빈(7)도 상기 가스 터빈(6)의 디자인 속도보다 적어도 10% 작은 속도에서 1차 고유주파수들에서 자유로운 동작 윈도우를 위하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 샤프트(31), 상기 압축기(1)의 블레이드들 및 베인들과 상기 터빈(7)은 상기 가스 터빈(6)의 디자인 속도보다 적어도 10% 작은 속도를 가진 동작 지점 주위에서 적어도 +/- 2% 속도의 동작 윈도우를 위하여 적어도 1차 및 2차 고유주파수들에서 자유롭도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
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