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KR20000011577A - 가스터빈복합사이클발전장치로유입되는공기의냉각방법및개량형보토밍사이클 - Google Patents

가스터빈복합사이클발전장치로유입되는공기의냉각방법및개량형보토밍사이클 Download PDF

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KR20000011577A
KR20000011577A KR1019990027464A KR19990027464A KR20000011577A KR 20000011577 A KR20000011577 A KR 20000011577A KR 1019990027464 A KR1019990027464 A KR 1019990027464A KR 19990027464 A KR19990027464 A KR 19990027464A KR 20000011577 A KR20000011577 A KR 20000011577A
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gas turbine
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KR1019990027464A
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배킬히맨셔배처브헤이
딘앤소니존
래내신게재틸라
Original Assignee
제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

외부 냉각 장치를 이용하여 가스터빈으로 유입되는 공기(특히, 가스 터빈으로 유입되는 공기 온도가 대략 60℉을 초과할 때)를 냉각함으로써 종래의 열 회복 증기 발생기("HRSG")를 보토밍 사이클의 일부로서 구비한 증기/가스 터빈 복합 사이클 발전장치의 열역학적 효율과 전체 동력 등급을 향상시키는 방법. 바람직한 방법에는 높은 비등점과 낮은 비등점을 갖는 성분(암모니아와 물 같은)으로 이루어진 다성분 작동 유체를 HRSG 내의 가스 터빈 연소가스에 노출시킴으로써 최초로 가열하는 단계와, 비등점이 더 낮은 성분이 농축된 증기 분류를 발생시키기 위해 작동 유체의 일부를 증발시키는 단계와, 기-액 분리기에서 다성분 작동 유체로부터 농축된 증기 분류를 분리하는 단계와, 상기 증기를 농축된 액체로 응축하는 단계와, 농축된 액체의 일부를 과냉각하는 단계와, 상기 가스 터빈으로 유입되는 공기를 과냉각되고 농축된 액체와의 열교환을 통하여 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법 및 개량형 보토밍 사이클{MODIFIED BOTTOMING CYCLE FOR COOLING INLET AIR TO A GAS TURBINE COMBINED CYCLE PLANT}
본 발명은 증기 및 가스 터빈("STAG") 복합 사이클 발전장치의 효율과 동력 등급(rating)을 개선하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 보토밍 사이클(bottoming cycle) 내 열 회복 증기 발생기(heat recovery steam generator: HRGS) 저압부의 폐열의 일부와 다성분의 작동 유체(예컨대, 암모니아와 물의 혼합물 등과 같은)를 이용하는 가스 터빈의 공기 흡입구를 냉각시킴으로써 열 효율의 감소없이 복합 사이클 발전장치의 전체 출력을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 여기에 설명된 바와 같이, HRGS의 외부에 위치한 "냉각장치(chiller)"는 다성분의 작동유체를 사용하여 특히 가스 터빈의 공급 대기온도가 대략 60℉을 초과할 때 가스터빈의 공기 흡입구를 냉각시킴으로써 터빈의 전체 출력을 개선한다.
"복합 사이클"동력 발생 장치는 해당 기술 분야에서 잘 알려져 있으며, 일반적으로 가스 터빈과, 고압 및 중압 증기를 발생시키기 위해 가스 터빈 배기가스로 인한 열을 활용하여 증기 터빈을 구동시키는 열 회복 증기 발생기를 포함한다. 통상적인 열 회복 증기 발생기에 이용되는 증기 사이클은 설계 및 작동면에서 매우 다양하다. 그러나, 일반적으로 그와 같은 장치는 다중 열 회복 증발기(보일러)를 구비한 다중 압력(예를 들면, 증기 압력이 고압에서 저압까지 다양한 사이클) 또는 단일 압력 열 회복 사이클을 이용하여 증기 터빈의 다른 단계를 구동하는데 필요한 압력 수준의 증기를 발생시킨다.
"보토밍 사이클"이라는 용어는 해당 산업에서, 증기 터빈의 중압 및 저압 단계에 대응하여 이용하기 위한 중압 및 저압 증기를 발생하는 열 회복 단계를 설명하기 위해 오래전부터 사용하고 있다. 대부분의 복합 사이클 동력 발전장치에서, 가스 터빈 배출가스(HRSG의 냉각장치에서 감지 가능한 열을 배출하는)와 증기 발생기(일정한 온도에서 비등하는 잠열을 흡수하는)의 열 특성이 본래 일치하지 않기 때문에 종종 보토밍 사이클에 의해 생성되는 일의 약 10%가 열역학적으로 손실된다.
종래의 가스 터빈 복합 사이클 동력 발전장치의 효율을 개선하기 위한 지속적인 필요성이 있다. 따라서, 다중 압력 증기 사이클을 이용하여 특히 보토밍 사이클에서 열역학적 손실의 정도를 최소화하는 것이 흔히 행하여지는 방법이다. 그러나, 실제로는 압력의 가짓수가 셋 이하로 제한된다. 단일 압력 증기 사이클에 있어서, 열역학적 손실은 10% 보다도 높아질 수 있다. 다중 압력 설계에 있어서 조차, 잠재적인 효율의 손실을 최소화하기 위하여 급수 예열기, 과열기 및 재열기의 설계를 최적화 하는데 상당히 유의해야 한다.
HRSG에서 열원으로부터 에너지를 생산하는데 사용되는 가장 일반적인 열역학적 사이클은 "랭킨 사이클(Rankine cycle)"로 알려져 있다. 종래의 랭킨 사이클에 따르면, 단일 작동 유체(보통 물)는 손쉽게 쓸 수 있는 열원을 통해 증발되고, 그 다음에 증기터빈에서 하나 또는 그 이상의 단계를 거치면서 팽창됨으로써 그 에너지를 발전에 더 유용한 형태로 변환된다. 그런 다음 "소모된" 작동 유체 증기는 냉각수 등과 같은 사용 가능한 냉각 매체를 통해 응축기에서 응축된다. 응축된 작동 유체의 잠재적인 에너지는 더 높은 압력으로 펌핑한 다음 압축된 액체를 HRGS에서 재가열함으로써 증가되어 새로운 작동 유체와 같이 더 높은 압력의 증기를 발생시킨다. 비록 랭킨 사이클이 효율적으로 작동하더라도, 증기를 재생하는데 요구되는 부가적인 에너지로 인해 특히 다단계 HRSG장치에서는 종종 효율의 손실이 발생한다.
종래의 증기 및 가스 터빈 복합 사이클의 작동에서 알려진 다른 문제는 제 1단계 가스 터빈으로 향하는 공기 흡입구 온도가 예컨대 연중 가장 더운 달에약 60℉을 초과할 때, 장치의 정격 출력값보다 전체 출력이 감소된다. 과거에는, 기계적인 냉각을 통해 가스터빈으로 흡입되는 공기의 온도를 감소시키기 위해 다양한 시도가 행해졌다. 종래의 냉각 장치에서 한가지 명백한 결점은 냉각 압축기 및 관련된 장치에 의해 필수적으로 소모되는 동력으로 인해 궁극적으로 전체 공정의 효율이 감소된다는 점이다.
과거 십년 동안, 열 회복 증기 발생 사이클에서 물 대신에 다성분 유체로 바꿈으로써 종래의 랭킨 사이클의 효율을 증가시키는 다성분 작동 유체(암모니아와 물 같은)의 사용을 설명하는 다양한 특허가 공개되었다. 일반적으로 "엑서지 장치(Exergy systems)"로 알려진 이러한 새로운 장치는 2개(다성분)의 작동 유체가 높은 작동 압력으로 펌핑된 다음 부분적으로 증발하게 가열되는 일반적인 원리로 조작한다. 그런 다음 혼합물은 순식간에 비등온 조건 아래에서 플래싱(flash)되어 비등점이 높은 작동 유체 화합물과 비등점이 낮은 작동 유체 화합물로 나눠지며, 비등점이 낮은 조성물이 터빈을 거치면서 팽창되어 터빈을 구동하고 부가적인 전기를 발생시킨다. 비등점이 높은 조성물은 2개의 작동 유체를 가열하여 증발하는데 사용하는 복열을 포함하고 있다. 일반적으로, 그런 다음 비등점이 높은 조성물은 냉각 매체가 존재하는 상태에서 앞에서 응축기에서, 소모된 작동 유체를 흡수하기 위해 "소모된" 비등점이 낮은 유체와 함께 혼합된다.
몇몇 예에서, 다성분 유체를 사용하는 공지된 엑서지 싸이클은 상대적으로 낮은 온도 열원이 사용될 때 랭킨 사이클과 비교해보면 효율이 개선됨을 알 수 있다. 그러나, 다성분 장치는 더 높은 온도의 열원이 관련되었을 때 종래의 사이클에 비해 덜 이론적이고 덜 실용적인 이점을 제공하는 경향이 있다. 몇몇 이후 세대의 다성분 장치는 작동 유체 일부가 증류되어 작동 유체의 재생을 도와주는 증류 단계를 통해 효율을 향상시킨다. 그 점에 있어서, 일반적으로 "캘리나 사이클(Kalina cycles)"로 알려진 다양한 장치들이, 다성분 작동 유체를 이용한다는 원래 개념의 변형으로서 제시되어 보토밍 사이클의 열역학적 효율을 개선하였다. 이에 관해서는 예를 들면, 미국 특허 제 4,346,561 호, 제 4,489,563 호, 제 4,548,043 호, 제 4,586,340 호, 제 4,604,867 호, 제 4,732,005 호, 제 4,763,480 호, 제 4,899,545 호, 제 4,982,568 호, 제 5,029,444 호, 제 5,095,708 호 및 제 5,203,899 호에 개시되어 있다. 종래기술에 따른 캘리나형 장치의 명백한 단점은 다성분 "작동 유체"가 터빈 날개에 있는 암모니아-물 작동 유체와 동력 발생 사이클에 사용된 다른 요소의 본래의 잠재적인 부식성 때문에 전체 터빈 비용의 상당한 상승을 가져올 수 있다는 것이다.
게다가, 개량된 캘리나 보토밍 사이클 설계는 비등온 상태 변화를 하는 혼합물을 사용함으로써 HSRG에서 열역학적 손실을 감소시키는 경향이 있지만, 이와 같은 시스템은 수차례의 재가열 및/또는장치에서 열 부하를 2개의 상으로의 구분을 통해 가스 터빈 배기가스의 열특성을 작동유체의 열 특성에 주의깊게 일치시켜야만 한다.
그러므로 과거에는, 종래의 다중 압력 증기 보토밍 사이클에서 캘리나형 사이클이 제공하는 잠재적인 효율의 이점을 구체화하기가 매우 어려웠다. 또한 다성분 작동 유체 사이클을 단일 조성 장치로 결합하는데 실제로 상당한 어려움이 있는데 이는 2개의 사이클을 조작하는데 사용되는 공정 조건과 재료가 가진 본래의 차이 때문이다.
따라서, 별도의 다성분 사이클을 부가함으로써 통상의 보토밍 사이클을 변형하여 제공할 필요가 있는데, 별도의 다성분 사이클은 보토밍 사이클의 폐열의 일부를 이용하지만 HRSG의 외부에서 "냉각장치"로 작동하여 가스 터빈의 공기 흡입구를 냉각한다.
더욱이, 보토밍 사이클에서 열 회복을 높이고 열역학적 손실을 감소시키기 위해 보토밍 사이클의 한 부분에 다성분 작동 유체를 포함하는 개선된 보토밍 사이클을 제공할 필요가 있다. 이와 동시에 HRSG 증기 터빈을 구동하기 위해 증기 작동 유체를 유지하는 이점을 보존할 필요가 있다.
게다가 암모니아/물 사이클을 작동시키기 위해 폐열 절약장치의 일부를 사용함으로써 때론 HRSG의 저압 "절약장치"부 라고 불리우는 저압보일러에 물이 들어가기 전에 가열하는 HRSG의 저압부를 개량할 필요가 있다.
또한, 2 성분 작동 유체를 통하여 배출가스와 물 사이의 본래의 불일치의 이점을 이용하기 위해 암모니아-물을 혼합함으로써 STAG 복합 사이클을 변경할 필요가 있는데, 이를 통해 특히 제 1 단계 가스 터빈 안으로 들어오는 공기 온도가 약 60℉를 초과할 때 전체 보토밍 사이클의 성능 등급을 개선한다. 최근들어, 제 1 단계 가스 터빈에 흡입되는 공기의 온도를 더 낮추는데 사용되는 추가적인 냉각 장치(예를 들면, 종래의 기계적인 냉각기)의 수요를 제거하기 위해 암모니아-물 사이클을 응용하는 것이 필요하다.
본 발명은 암모니아와 물을 작동 유체로써 사용하는 개선된 엑서지(캘리나형) 사이클을 보토밍 사이클에서 HRSG의 저압 "절약장치"에 구현함으로써 다수 압력 단계를 구비한 복합 STAG 사이클 발전장치에서 보토밍 사이클의 전체 효율이 상당하게 개선될 수 있다는 것을 발견하여 위에서 말한 수요를 충족시킨다. 특히, 현재는 HRSG의 저압부에서 임의의 열 회복 효율의 이점을 얻음으로써 제 1 단계 가스 터빈의 공기 흡입구를 효과적으로 냉각하는데 암모니아-물 사이클을 이용할 수 있다는 것이 발견되어 있다. 본 발명에 따른 "공기 흡입구 냉각장치"의 사용에 따라, 특히 터빈으로 복귀하는 주위 공기 온도가 약 60℉를 초과할 때, 궁극적으로 가스 터빈의 전체 동력 등급이 개선되는 경향이 있다.
본 발명의 제 일 실시예에 따르면 공기 흡입구 냉각을 위한 개량된 보토밍 사이클은 (a) 높은 비등점과 낮은 비등점을 갖는 성분(바람직하게는 암모니아와 물)으로 이루어진 다성분 작동 유체를 보토밍 사이클의 HRSG 부의 내부에서 가스 터빈 배출가스로부터 나오는 폐열의 일부에 노출시킴으로써 최초로 가열하는 단계와, (b) 농축된 증기 분류(예를 들면 작동 유체에 비해 상대적으로 비등점이 더 낮은 성분이 농축된)를 발생시키기 위해 다성분 작동 유체의 일부를 증발시키는 단계와, (c)농축된 증기를 농축된 액체로 응축시키기 위해 기-액 분리기와 응축기를 이용하여 HRSG 외부에서 작동 유체로부터 농축된 증기 분류를 분리하는 단계와, (d)액체의 압력을 감소함으로써 농축된 액체의 일부를 과냉각하는 단계와, (e) 과냉각되고 농축된 액체를 주 냉매로 이용한 열 교환을 통하여 가스 터빈의 공기 흡입구를 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명의 과제에 따른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 주어진 바람직한 일실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 사이클의 전체 효율 개선을 위한 공기 흡입구 냉각장치의 설계가 포함되지 않은, 3개로 구분된 압력 영역(고,중,저)을 구비한 HRSG를 갖는 종래의 보토밍 사이클의 공정 흐름 다이어 그램,
도 2는 본 발명에 따른 공정 개선으로 달성된 열 회복 이득이 제외된 일반적인 재열 보토밍 사이클 설계에서의 화씨 온도와 증가하는 열 기관의 효율(106BTU/HR)의 상관관계를 보인 그래프,
도 3은 도 1에 도시된 동일한 보토밍 사이클과 HRSG를 묘사하지만 보토밍 사이클의 저압부의 일부로써 본 발명에 따른 흡입구 공기 냉각장치를 포함하는 공정 흐름 다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 흡입구 공기 냉각 장치의 흐름 패턴을 묘사한 공정 흐름 다이어그램,
도 5는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 공기 흡입구 냉각기를 구비한 재열 보토밍 사이클의 공정 흐름 다이어그램.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 가스 터빈 발생기 20 : 증기 터빈
24 : 응축액 펌프 25 : 밀봉 마개 응축기
50 : 기-액 분리기 60 : 펌프
E-100 : 냉각기 흡입구 E-103 : 절약 장치
E-104 : 예열기 E-105 : 응축기
E-106 : 흡수기 E-107 : 열교환기
종래의 가스 터빈 발생기(10)와 보토밍 사이클을 이용한 복합 사이클 발전장치의 일반적인 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 보토밍 사이클은 증기 터빈(20)의 고압, 중압 및 저압 단계에 상응하여 증기를 복귀시킴으로써, 다양한 압력 및 온도에서 증기를 발생시키는 수단으로, 3개의 다른 조작 압력(고, 중 및 저)을 가지는 종래의 열 회복 증기 발생기 부(HRSG)를 구비한 주지의 복합 사이클 설계를 나타낸다. 증기 기체가 각 단계를 거치면서 팽창함에 따라 터빈(20)은 발생기(21)를 구동하여, 최종적으로 "소모된" 기체는 수냉식 응축기(22)에서 제거되고 응축되어, 응축된 작동 유체로서 라인(line)(23)에서 재순환하게 된다. 부가적으로 구성한 물은 응축액 펌프(24)와 밀봉 마개 응축기(25)의 상부측 장치에 더해진다. 액체 작동 유체는 라인(26)과 라인(27)을 통해 2개의 입구 점에서 HRSG의 저압 "절약 장치"부로 돌아온다.
또한, 도 1은 가스 터빈(10)이 주위 온도에서 공기 공급(라인 11)을 사용하는 방법과 뜨거운 연소 가스를 발생시키고 가스 터빈을 구동하기 위한 연료원(12)(연료가열 장치(15)를 이용하여 점화하기 전에 예열된)을 사용하는 방법을 도시한다. 가스 터빈으로부터 배출된 고온 배출가스(13)는 삼-압력 열 회복 증기 발생기(일반적으로 5로 도시된)로 공급된다. HRSG는 고압, 중압 및 저압에 대해 각각 "HP", "IP", "LP"으로 식별되는 3개의 종래의 증발기 또는 "보일러"를 이용하여 증기 터빈(20)과 발생기(21)를 구동하는데 사용되는 증기를 발생시킨다. 도 1에 도시한 종래의 조립체에서, 터빈(20)으로부터 "소모된" 고압 증기는 HRSG에서 재가열되면서, 제 1 부분(라인 28)은 중간 압력에서 증기 터빈으로 되돌아와 재순환되며, 제 2 부분(라인29)은 다소 높은 조작 압력 및 온도에서 증기 터빈의 제 1 단계로 돌아오게 된다.
HRSG의 "절약 장치" 부에서 저압 보일러(증발기)("LP")는 응축기(22)로부터 응축액 펌프(24)와 밀봉 마개 응축기(25)를 통해 재순환시킨 복합 응축액과 가공 작동 유체의 일부를 가열하여 증발시킨다. 일반적으로, 기체는 부가적인 가열을 위해 저압 증발기로부터 HRSG를 다시 통과하여(라인 30 참조), 결국 증기 터빈(20)의 하나 이상의 중압 단계로 공급되는 것의 일부가 된다.(라인 31 참조). 동일한 방식으로, HRSG 내의 중압 증발기("IP")는 저압 증발기로부터 더 높은 온도와 압력으로 유체의 일부를 재가열하고 증발시켜(라인 32 참조) 터빈(20)의 하나 이상의 중압 단계를 위한 작동 증기로 사용한다.
위에서 언급된 것처럼, 도 1에 도시한 바와 같은 복합 가스 및 증기 터빈 사이클의 종래의 설계에 관련된 한가지 문제는 터빈으로 공급되는 주위 공기 온도가 약 60℉에 도달할 때 가스 터빈의 전체 효율이 감소하기 시작한다는 것이다. 그 점에 있어서, 도 2는 본 발명에 따른 흡입구 공기 냉각장치의 이득 없이, 발전장치의 등급점(rating point)에서 "랭킨 사이클"을 이용한 일반적인 복합 사이클 발전장치의 온도와 열 기관효율의 열곡선을 도시한다. 도 2는 증기 터빈으로 공급되는 고압, 중압 및 저압 온도와 대응하는 가스 터빈 배출가스 온도 대 열 기관의 효율(106BTU/HR)의 도면을 포함한다. 챠트의 오른쪽 멀리 도 2의 일부는 액체 응축액이 저압 증발기 "LP"로 들어가기 전에 재가열된 결과로 누적된 열 기관 효율을 표현한다. 본 발명은 HRSG의 이 "저압 절약 장치" 부를 개선한다
도시한 바와 같이, 일반적으로 HRSG의 절약 장치부에서 연소 가스 온도는 300℉에서 310℉ 사이의 범위이다. HRSG를 통과한 가스는 대략 185℉의 온도에서 도 1의 라인(40)을 통해 스택(stack)으로 들어간다. 응축액의 재순환은 가스 흐름을 역류시켜 약 85℉(도 1의 41지점 참조)에서 HRSG로 들어간다. 재가열된 작동 기체는 약 285℉(도 1의 라인(30))에서 HRSG를 떠난다. 예를 들면, 가스 배출구에서 100도와 비교했을 때 가스 흡입구에서 25도의 온도 차이는 2가지 흐름의 열특성이 불일치되게 한다. 본 발명에 따라 제안된 보토밍 사이클의 변경은 별개의 다성분 작동 유체와 결합하여 "절약 장치"부에서 잔류하는 폐열의 일부를 이용함으로써 HRSG와 복합 사이클의 전체 동력 등급의 효율을 개선한다.
본 발명에 의해 제안된 개량된 보토밍 사이클이 도 3에 도시되어 있다. 별개의 다성분 작동 유체 사이클을 HRSG의 "H"지역에 삽입함으로써 HRSG의 저압 절약 장치부의 일부가 변형이 된다. 바람직한 실시예에 따르면, 도 3에서 "NH3/H2O 증발기"로 설명된 HRSG의 이 부가적인 부분은 HRSG의 바깥에 위치하고 도 4에 더욱 상세히 도시된 "냉각기" 보조장치로부터 암모니아와 물의 혼합물을 사용한다. HRSG는 암모니아-물 공급재료를 가열하고 암모니아-물 증기를 냉각기 보조장치의 흡입구로 돌려보낸다.(라인"1"와 도 4 참조).
도 3에 도시한 바와 같이, 암모니아-물 혼합물은 HRSG에서 연소가스와 반대방향으로 흐른다. 그러므로, 암모니아-물 혼합물이 비등하기 시작할 때, 부분적으로 기화된 증기와 액체의 혼합물은 HRSG의 "I"지점에서 배출되고 냉각기 보조장치로 돌아온다. HRSG를 떠난 후, 2가지 상의 혼합물은 냉각기 보조장치의 기-액 분리기(50) 안으로 공급되며,(도 4 참조) 거기에서 물이 많은 액체가 기-액 분리기(50)의 하부로 떨어져 암모니아가 많은 증기(라인(51))와 분리된다. 분리기(50) 상부의 많게 된 증기(53)는 냉각되고 부분적으로 응축기(도 4에서 E-103 "절약 장치"로 확인된)에서 응축하는데 응축기는 도 3의 "F"지역으로부터 냉각수(밀봉 마개 응축기의 응축액)를 열 전달 매체로서 사용한다. 그와 동시에 응축액은 도 3의 HRSG "G"지점으로 돌아오기 전에 "절약 장치" E-103에서 가열된다. HRSG는 위에 설명된 바와 같이 저압 보일러로 들어오기 이전에 응축액을 더 가열한다.
풍부해진 분리기(50)의 증기는 응축기 "E-105"에서 완전하게 응축된다. 도 4에 도시된 실시예에 따르면, 또한, 암모니아가 풍부한 액체는 밸브(60)를 거치면서 저압에서 플래싱하기 전에 열교환기 "E-107"에서 과냉각된다. 이 기술분야에 숙련된 사람이라면, 이 과냉각 단계에서 과냉각과 플래하는 동안 2가지 작동 유체의 성분의 상대적인 조성에 따라 냉각량이 달라짐을 이해할 수 있을 것이다. 어떤 경우에도, 과냉각되고 많게 된 혼합물은 냉각기 흡입구 "E-100"의 온도의 공기와 반대방향으로 흐르며, 그에 의해 가스 터빈(10)으로 공급되는 공기의 온도가 감소한다. 그런 다음 증발된 "냉매"는 분리기(50)로부터 배출한 물이 풍부한 액체에서 흡수되고(라인(55)) 혼합물은 흡수기 "E-106" 안으로 공급되며, 거기서 흡수열은 냉각수를 사용하여 제거된다. 최종적으로, 흡수기 E-106으로부터 나온 액체의 압력은 펌프(70)를 사용하여 증가된 다음 분리기(50)로부터 액체 분류를 열 교환 매체로 사용하는 예열기 "E-104"에서 가열된다. E-104로부터 나온 유체는 도 3의 "H"지점에서 HRSG로 돌아간다.
위에 설명되고 도 3과 도 4에 도시된 바와 같은 HRSG의 변경의 직접적인 결과로 가스 터빈으로 공급하는 주변 공기 온도는 상당히 감소된다. 더욱이, 효율적인 냉각량이 종래의 냉각 사이클에 비해서 가스 터빈의 흡입구 공기용으로 상당히 적은 에너지를 요구하는 냉각기 보조 장치에 의해 달성될 수 있다. 그러므로, 복합 사이클의 등급 효율이 새로운 냉각기 설계를 사용함으로써 증가되는 경향이 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 작동 유체로서 암모니아와 물의 혼합물을 가지는 냉각기를 사용하며, 탄화수소 및/또는 프레온을 포함하는 다른 다성분 유체가 흡입구 가스 터빈의 냉각 효과를 동일하게 달성하는데 이용될 수 있으며, 결과적으로 복합 사이클의 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 바람직한 위 일실시예의 변화가 도 5에 나타난다. 이 제 2 의 실시예에서, 암모니아-물 증발기("H"와 "I"로 지정된)는 저압 절약 장치부(도 4에 도시된 바와 같이 HRSG 절약 장치부의 맨 끝에 배치되는 것에 대립하는 것으로서) 사이에 위치된다. 이와는 달리, NH3/H2O 증발기 부는 저압 절약 장치와 평행하게 배치될 수 있다.
다음의 예는 본 발명에 따른 냉각기 설계를 가진 변형된 보토밍 사이클의 결과에 의해 순수하게 개선된 효율을 도시한다. 장치는 일반적으로 더운 날(90℉와 35% 상대습도)의 열적 특성과 일반적인 다음과 같은 조작조건에서 작동한다. "H"(180psia, 156.5℉)에서 중량비 50%의 암모니아 액체로 출발하여, 혼합물이 HRSG에서 비등하여 170psia, 170℉에서 약 25% 증기로 돌아온다. 분리기로부터 나온 증기(96% 암모니아)는 283psia, 105℉에서 "F"로부터 나온 물을 절약하기 위해 열의 일부를 방출하면서 87℉에서 액체로 응축되며, 이와 함께 잔류하는 열은 75℉에서 냉각수로 옮겨진다. 그런 다음 응축된 액체는 열 교환기 "E-107"에서 49℉로 과냉각되고, 하류 밸브는 38℉에서 냉매를 제공하여 195psia에서 60psia까지 플래싱한다. 대략 냉매의 8%가 "E-107"에서 과냉각에 사용되며, 나머지는 냉각기의 흡입구로 가는데, 가스터빈에 공급되는 흡입구 공기는 56℉로 냉각된다. 62.6psia와 70℉에서 냉매 증기는 흡수기 내의 102℉에서 35% 암모니아 액체와 혼합되어 다시 60psia와 80℉에서 암모니아-물 액체 혼합물을 생성한다. 그런 다음 암모니아 액체 혼합물은 185psia로 펌핑되고, 냉각기 보조 장치 사이클을 완성하기 위해 분리기로부터 나온 35% 암모니아 액체를 사용하여 156.5℉로 가열된다.
종래의 복합 사이클에 대한 위의 개량은 어떠한 형태의 발전장치 효율의 감소도 없이 액체 펌프에 의해 사용된 동력(대략 9%)을 빼낸 후의 동력 출력이 순수하게 증가하는 결과를 가져온다. 상당한 열 등급의 저하가 없는 동력 출력의 증가는 동일한 냉각 부하를 다루는 데도 종래의 기계적인 냉각장치를 사용하는 것보다 상당히 개선되었음을 의미한다. 그리고, 별도의 고온의 열원을 필요로하는 일반적인 흡수 냉각 사이클과는 달리 제시된 냉각기 장치는 열을 저압 절약장치에만 관련된 배기 가스로부터 빌려서, 냉각 장치 내의 HRSG의 외부에 공급되는 물의 절약을 위해 돌려주기만 한다.
동일한 이점을 지닌 결과와 함께 몇가지 기본적 개념의 변화가 사용될 수 있다. 예컨대, 몇가지 비등부의 혼합 및 몇가지 압력 단계가 냉각기와 흡수기에 이용될 수 있다. 냉각수 열교환기 E-105 및 106도 병렬이라기보다는 직렬로 배치될 수 있다. 필요하지 않은 경우에는 냉각기 보조 장치도 가스 터빈으로 향하는 기온이 낮은 다른 시기(예컨대, 더운 여름철)에 사용될 수 있는 절약 기능에 영향을 미치지 않고 우회할 수 있다.
발명의 바람직한 실시예는 가장 실용적이고 바람직하다고 생각되는 실시예를 중심으로 묘사되었지만, 본 발명은 개시된 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 오히려 첨부된 청구범위의 사상과 범위 내에서 다양한 변형 및 이와 동등한 장치를 포함함을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기 냉각용 개량형 보토밍 사이클에 따르면, 열 효율의 감소없이 복합 사이클 발전장치의 전체 출력을 증가시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 보토밍 사이클의 일부로서 열 회복 증기 발생기("HRGS")를 구비하며, 가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기를 냉각하는데 상기 공기의 온도는 냉각되기 이전의 기온과 동일한 냉각 방법에 있어서,
    (a) 높은 비등점과 낮은 비등점을 갖는 성분(바람직하게는 암모니아와 물)으로 이루어진 다성분 작동 유체를 고온의 가스 터빈 연소가스에 노출시킴으로써 최초로 가열하는 단계와,
    (b) 작동 유체에 비해 상대적으로 비등점이 더 낮은 성분이 농축된 증기 분류를 발생시키기 위해 다성분 작동 유체의 일부를 증발시키는 단계와,
    (c) 상기 농축된 증기를 농축된 액체로 응축시키기 위해 기-액 분리기에서 작동 유체로부터 농축된 증기 분류를 분리하고 상기 증기를 농축된 액체로 응축하는 단계와,
    (d) 상기 농축된 액체의 압력을 감소함으로써 상기 농축된 액체의 일부를 과냉각하는 단계와,
    (e) 상기 과냉각되고 농축된 액체의 일부를 이용하여 열 교환을 통하여 상기 가스 터빈의 공기 상기 흡입구를 냉각하는 단계를 포함하는
    가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다성분 작동 유체는 암모니아 및 물의 혼합물을 포함하는
    가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다성분 작동 유체를 최초로 가열하는 단계는 상기 HRSG의 저압부에서 진행되는
    가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발, 분리, 과냉각은 임의의 가스 터빈 연소 가스에 더 이상 노출되지 않으면서 상기 HRSG로부터 나오는 별도의 보조장치에서 이루어지는
    가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다성분 작동 유체를 최초로 가열하는 단계는 상기 HRSG의 저압부의 선택된 부분 사이에서 이루어지는
    가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    물 속의 증발된 일부를 흡수하고 상기 흡수된 혼합물을 상기 HRSG의 저압부로 돌려 보내는 상기 과냉각된 액체의 일부를 증발시키는 단계를 더 포함하는
    가스 터빈 복합 사이클 발전장치로 유입되는 공기의 냉각 방법.
  7. 가스 터빈 복합 사이클용의 개량된 보토밍 사이클에 있어서,
    (a) 상기 공기 유입구와 직접 열교환을 하는데 사용되는 다성분 작동유체를 다루는데 사용되는 하나 이상의 증발기, 분리기 및 과냉각기와,
    (b) 가스 터빈 연소 가스의 일부에 노출됨으로써 상기 다성분 작동유체를 가열하는데 사용되는 상기 열 재생 증기 발생기 보토밍 사이클의 내부에 배치된 증발기를 포함하는
    개량형 보토밍 사이클.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다성분 작동 유체는 암모니아와 물의 혼합물을 포함하는
    개량형 보토밍 사이클.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 증기 발생기는 상기 보토밍 사이클 내부에 배치된 증발기를 구비하여 상기 다성분 작동 유체로부터 농축 증기 분류를 발생하는
    개량형 보토밍 사이클.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 농축된 증기 분류를 상기 다성분 작동 유체로부터 분리하는 기-액 분리기와, 상기 농축된 증기를 농축된 액체로 응축하는 응축기와, 상기 농축된 액체용의 과냉각기와, 상기 유입된 공기를 상기 과냉각되고 농축된 액체를 이용하여 냉각하는 열 교환 수단을 더 포함하는
    개량형 보토밍 사이클.
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