KR20250174704A - Gas turbine unit having an ammonia cracker and method for operating a power plant and gas turbine unit having the same - Google Patents
Gas turbine unit having an ammonia cracker and method for operating a power plant and gas turbine unit having the sameInfo
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Abstract
본 발명은 가스 터빈과 암모니아 크래커(11)를 포함하는 가스 터빈 장치(01)에 관한 것이다. 가스 터빈은 압축기(02), 연소기(03) 및 팽창 터빈(04)을 포함한다. 암모니아 크래커(11)는 가열기(15)와 공기 입구로부터 공기 출구까지의 공기 채널과 암모니아 입구로부터 연료 출구까지의 반응 채널을 포함한다. 가스 터빈 장치의 효율을 증가시키기 위해 고온 공기 배관은 압축기 출구를 공기 입구와 연결하고 저온 공기 배관은 공기 출구를 연소기(03)와 연결하며, 연료 배관은 연료 출구를 연소기(03)와 연결한다.The present invention relates to a gas turbine device (01) comprising a gas turbine and an ammonia cracker (11). The gas turbine comprises a compressor (02), a combustor (03), and an expansion turbine (04). The ammonia cracker (11) comprises a heater (15), an air channel from an air inlet to an air outlet, and a reaction channel from an ammonia inlet to a fuel outlet. To increase the efficiency of the gas turbine device, a high-temperature air pipe connects the compressor outlet to the air inlet, a low-temperature air pipe connects the air outlet to the combustor (03), and a fuel pipe connects the fuel outlet to the combustor (03).
Description
본 발명은 암모니아 크래커(ammonia cracker)를 포함하는 가스 터빈 장치에 관한 것이다. 가스 터빈은 일반적으로 압축기, 연소 섹션, 및 팽창 터빈을 포함한다. 암모니아 크래커는 암모니아를 수소와 질소의 혼합물로 분해하는 데 사용되고, 수소는 가스 터빈 연소 섹션에서 연소될 수 있다.The present invention relates to a gas turbine device comprising an ammonia cracker. A gas turbine typically includes a compressor, a combustion section, and an expansion turbine. The ammonia cracker is used to crack ammonia into a mixture of hydrogen and nitrogen, which can be combusted in the gas turbine combustion section.
통상적으로, 대부분의 가스 터빈에서 천연 가스가 연료로서 사용된다. 이산화탄소의 양을 감소시키기 위해 가스 터빈을 위한 연료로서 수소를 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 공급 및 저장은 비용이 많이 들고 안전 우려를 상승시킨다. 따라서, 암모니아는 생산 장소로부터 발전소까지 수소를 저장하고 운반하기 위한 바람직한 매체이다.Typically, most gas turbines use natural gas as fuel. To reduce carbon dioxide emissions, hydrogen is desirable as a fuel for gas turbines. Supplying and storing hydrogen is expensive and raises safety concerns. Therefore, ammonia is the preferred medium for storing and transporting hydrogen from the production site to the power plant.
가스 터빈에서 연료로서 암모니아의 직접 연소는 허용 불가능한 양의 질소 산화물(NOx)의 방출로 인해 가능하지 않다. 더욱이, 암모니아의 직접 연소는 그 점화 관성으로 인해 어렵다. 따라서, 가스 터빈의 연소 챔버 내에서 그 연소 전에 암모니아의 적어도 일부를 수소와 질소로 분해하는 것이 요구된다.Direct combustion of ammonia as a fuel in a gas turbine is not feasible due to the emission of unacceptable amounts of nitrogen oxides (NOx). Furthermore, direct combustion of ammonia is difficult due to its ignition inertia. Therefore, it is necessary to decompose at least a portion of the ammonia into hydrogen and nitrogen before combustion within the gas turbine combustion chamber.
암모니아의 분해를 위해, 높은 온도가 요구된다. 여기서, 매우 다양한 기술이 암모니아 크래커 내에 요구된 열을 달성하기 위해 사용된다.High temperatures are required for the decomposition of ammonia. A wide variety of technologies are used to achieve the required heat within the ammonia cracker.
일반적으로, 암모니아의 분해와 가스 터빈의 동작을 포함하는 발전소를 최소 에너지 낭비로 가능한 한 효율적으로 동작하는 것이 바람직하다. 다음, 외부 열원 또는 에너지원이 암모니아의 분해를 위해 요구되지 않은 것이 바람직하다.In general, it is desirable to operate a power plant, including ammonia decomposition and gas turbine operation, as efficiently as possible with minimal energy waste. Furthermore, it is desirable that no external heat or energy source be required for ammonia decomposition.
암모니아의 연소를 가능하게 하는 예시적인 해결책이 EP3314166B1, EP3377745B1 및 EP3417205B1에 제시되어 있다. 모든 경우에 암모니아의 할당몫(share)이 암모니아 크래커에 공급되고, 생성된 수소와 질소는 또한 가스 터빈의 연소기에 공급된다. 유리하게는 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열은 암모니아 크래커를 가열하는 데 사용된다.Exemplary solutions enabling the combustion of ammonia are presented in EP3314166B1, EP3377745B1, and EP3417205B1. In all cases, a portion of the ammonia is supplied to an ammonia cracker, and the hydrogen and nitrogen produced are also supplied to the combustor of a gas turbine. Advantageously, the heat from the exhaust gas from the gas turbine is used to heat the ammonia cracker.
가스 터빈의 배기 가스가 추가 증기 터빈을 위한 증기를 발생하기 위해 증기 발생기 내에서 의도적으로 사용되어야 하는 경우, 열의 관련 할당몫이 이미 암모니아 크래커를 위해 사용되었기 때문에, 단지 감소된 온도만이 증기 발생기 내에서 이용 가능하다.If the exhaust gases of the gas turbine are to be intentionally used in a steam generator to generate steam for an additional steam turbine, only a reduced temperature is available in the steam generator, since the relevant share of the heat has already been used for the ammonia cracker.
본 발명의 과제는 배기 가스 온도의 관련 감소 없이 가스 터빈 장치에 설치된 암모니아 크래커에 대한 대안 해결책의 개발이다(따라서 증기 발생기 내의 배기 가스의 사용이 가능해짐). 또한, 외부 열 또는 외부 에너지원의 사용이 - 가능한 한- 회피되어야 한다.The present invention aims to develop an alternative solution for ammonia crackers installed in gas turbine units without a corresponding decrease in exhaust gas temperature (thus enabling the use of exhaust gas in a steam generator). Furthermore, the use of external heat or energy sources should be avoided, to the extent possible.
이 과제는 청구항 1에 따른 본 발명의 가스 터빈 장치에 의해 해결된다. 암모니아 크래커를 갖는 가스 터빈 장치를 동작하는 본 발명의 방법은 청구항 6에 정의되어 있다. 유리한 실시예는 종속청구항의 주제이다.This task is solved by a gas turbine device according to claim 1 of the present invention. A method of operating a gas turbine device having an ammonia cracker is defined in claim 6. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
가스 터빈 장치는 압축기와, 연소기와, 팽창 터빈을 포함하고, 가스 터빈의 동작시 연소 공기가 압축기 내에서 압축되고 연소 공기의 적어도 일부가 압축기의 출구로부터 연소기로 공급되고 가스 터빈의 동작시 배기 가스가 연소기로부터 팽창 터빈으로 공급된다.A gas turbine device includes a compressor, a combustor, and an expansion turbine, and when the gas turbine is operated, combustion air is compressed in the compressor and at least a portion of the combustion air is supplied from an outlet of the compressor to the combustor, and when the gas turbine is operated, exhaust gas is supplied from the combustor to the expansion turbine.
가열기와, 크래커 공기 채널과 크래커 반응 채널을 갖는 암모니아 크래커가 암모니아의 연소를 가능하게 하기 위해 요구된다. 장치는 교환기 연료 통로 및 교환기 암모니아 통로를 갖는 연료 열 교환기를 더 포함한다. 교환기 암모니아 통로의 입구는 암모니아의 공급원에 연결되어야 하고, 교환기 암모니아 통로의 출구는 크래커 반응 채널의 입구와 연결된다.An ammonia cracker having a heater, a cracker air channel, and a cracker reaction channel is required to enable combustion of ammonia. The device further includes a fuel heat exchanger having an exchanger fuel passage and an exchanger ammonia passage. The inlet of the exchanger ammonia passage should be connected to a source of ammonia, and the outlet of the exchanger ammonia passage should be connected to the inlet of the cracker reaction channel.
고온 공기 배관이 압축기 출구를 크래커 공기 채널의 입구와 연결하고 저온 공기 배관이 크래커 공기 채널의 출구를 연소기와 연결하면, 개선된 효율이 가능해진다. 또한, 제1 연료 배관이 크래커 반응 채널의 출구를 교환기 연료 통로의 입구와 연결하고 제2 연료 배관은 교환기 연료 통로의 출구를 연소기(03)와 연결한다.Improved efficiency is achieved when a high-temperature air pipe connects the compressor outlet to the inlet of the cracker air channel and a low-temperature air pipe connects the cracker air channel outlet to the combustor. Furthermore, a first fuel pipe connects the cracker reaction channel outlet to the inlet of the exchanger fuel channel and a second fuel pipe connects the exchanger fuel channel outlet to the combustor (03).
발명의 설명Description of the invention
일반적인 가스 터빈 장치는 가스 터빈과 암모니아 크래커를 포함한다. 가스 터빈은 압축기와 적어도 하나의 연소기와 팽창 터빈을 포함한다.A typical gas turbine system includes a gas turbine and an ammonia cracker. The gas turbine includes a compressor, at least one combustor, and an expansion turbine.
압축기는 압축기 입구, 여러 압축기 스테이지 및 압축기 출구를 갖는다. 가스 터빈의 동작시에, 연소 공기 - 일반적으로 여과된 주위 공기 - 가 압축기 입구 내로 유동하고, 압축되고 압축기 출구로부터 공급된다. 그 결과, 압축기 출구에서 압축된 연소 공기는 압축 프로세스로 인해 증가된 온도를 갖는다.A compressor has a compressor inlet, multiple compressor stages, and a compressor outlet. During operation of a gas turbine, combustion air—typically filtered ambient air—flows into the compressor inlet, is compressed, and is discharged from the compressor outlet. As a result, the compressed combustion air at the compressor outlet has an increased temperature due to the compression process.
다양한 종류의 연소 장치가 본 발명의 해결책을 위해 사용될 수 있다. 가스 터빈 중심축 주위에 분포된 다수의 버너를 갖는 환형 연소 챔버를 사용하는 것이 가능하다. 대안적으로, 가스 터빈 중심축 주위에 분포된 사일로 연소 시스템 또는 다수의 캔-연소기(can-combustors)(일반적으로 각각 하나의 버너와 하나의 연소 챔버를 가짐)가 사용될 수 있다. 어느 경우든, 압축된 연소 공기는 압축기 출구로부터 적어도 하나의 연소기로 적어도 부분적으로(직접 또는 간접적으로) 공급된다. 추가적으로, 연료가 가스 터빈의 동작시에 적어도 하나의 연소기의 적어도 하나의 버너에 공급되어야 한다.Various types of combustion devices can be used for the solution of the present invention. It is possible to use an annular combustion chamber having multiple burners distributed around the central axis of the gas turbine. Alternatively, a silo combustion system or multiple can-combustors (typically each having one burner and one combustion chamber) distributed around the central axis of the gas turbine can be used. In either case, compressed combustion air is supplied at least partially (directly or indirectly) from the compressor outlet to at least one combustor. Additionally, fuel must be supplied to at least one burner of at least one combustor during operation of the gas turbine.
팽창 터빈은 적어도 하나의 연소기의 하류에 배열되고, 고온 배기 가스의 유동에 의해 가스 터빈의 동작시에 구동된다. 팽창 터빈 내의 고온 배기 가스의 팽창 후, 배기 가스는 가스 터빈의 출력 단부에서 감소된 온도로 팽창 터빈을 떠난다.An expansion turbine is arranged downstream of at least one combustor and is driven by the flow of high-temperature exhaust gas during operation of the gas turbine. After expansion of the high-temperature exhaust gas within the expansion turbine, the exhaust gas leaves the expansion turbine at a reduced temperature at the output end of the gas turbine.
일반 암모니아 크래커는 수소와 질소로 암모니아의 분해를 위해 요구된다. 따라서, 암모니아 크래커는 입구로부터 출구까지 암모니아 크래커를 교차하는 크래커 반응 채널을 갖는다.A typical ammonia cracker is required to decompose ammonia into hydrogen and nitrogen. Therefore, the ammonia cracker has a cracker reaction channel that crosses the ammonia cracker from the inlet to the outlet.
암모니아의 공급원으로부터 공급된 암모니아는 암모니아 크래커 내에서 요구 온도에 비교하여 낮은 온도를 갖는 것으로 예상될 수 있다. 다른 한편으로 암모니아 크래커를 떠나는 수소와 질소를 포함하는 연료 가스는 분해 프로세스를 위해 요구된 암모니아 크래커 내의 가열로 인해 높은 온도를 갖는다. 여기서, 암모니아 크래커에 공급되는 암모니아의 가열을 위해 연료 가스 내의 열을 재사용하는 것이 유리하다.Ammonia supplied from an ammonia source is expected to have a lower temperature than the required temperature within the ammonia cracker. Conversely, the fuel gas, containing hydrogen and nitrogen, leaving the ammonia cracker has a higher temperature due to the heating required within the ammonia cracker for the cracking process. Here, it is advantageous to reuse the heat within the fuel gas to heat the ammonia supplied to the ammonia cracker.
가스 터빈 장치는 발명적으로 연료 열 교환기를 포함한다. 연료 열 교환기는 교환기 암모니아 통로와 교환기 연료 통로를 가져야 한다. 가스 터빈 장치의 사용시에, 교환기 암모니아 통로의 입구가 암모니아의 공급원과 연결되어야 한다. 연료 열 교환기의 교환기 암모니아 통로의 출구는 암모니아 크래커의 크래커 반응 채널의 입구와 연결되어야 한다.A gas turbine device inventively includes a fuel heat exchanger. The fuel heat exchanger must have an exchanger ammonia passage and an exchanger fuel passage. When the gas turbine device is used, the inlet of the exchanger ammonia passage must be connected to an ammonia supply source. The outlet of the exchanger ammonia passage of the fuel heat exchanger must be connected to the inlet of the cracker reaction channel of an ammonia cracker.
열의 전달을 가능하게 하기 위해, 제1 연료 배관이 크래커 반응 채널의 출구를 연료 열 교환기의 교환기 연료 통로 입구와 연결하기 위해 요구된다. 명백히, 이 발명적 실시예에서는 연료의 유동(먼저 암모니아로서, 둘째로 수소와 질소를 포함하는 연료 가스로서)이 연료 열 교환기를 2회 교차한다.To facilitate heat transfer, a first fuel line is required to connect the outlet of the cracker reaction channel to the inlet of the fuel heat exchanger. Specifically, in this inventive embodiment, the fuel flow (first as ammonia, and second as a fuel gas containing hydrogen and nitrogen) crosses the fuel heat exchanger twice.
또한, 연료 열 교환기의 연료 통로의 출구를 적어도 하나의 연소기와 연결하는 제2 연료 배관이 요구된다. 여러 버너가 제공되는 경우, 제2 연료 배관은 바람직하게는 모든 설치된 버너로 분기하는 것이 명백하다.Additionally, a second fuel line is required that connects the outlet of the fuel passage of the fuel heat exchanger to at least one burner. If multiple burners are provided, it is apparent that the second fuel line preferably branches to all installed burners.
분해 프로세스를 가능하게 하기 위해, 요구 온도로 암모니아 크래커를 동작하도록 요구된다. 바람직한 효율을 달성하고 가스 터빈을 떠나는 배기 가스로부터의 열의 사용을 회피하기 위해, 압축 공기의 적어도 일부가 분해 프로세스를 위한 열을 도입하기 위해 암모니아 크래커에서 사용되는 것이 발명적으로 요구된다. 가스 터빈 장치의 동작시에 압축기 출구에서의 압축 공기의 온도는 일반적으로 연소기의 하류의 배기 가스보다 더 낮다. 그럼에도 불구하고, 온도는 일반적인 주위 온도보다 훨씬 더 높다.To enable the cracking process, it is required to operate the ammonia cracker at a required temperature. To achieve the desired efficiency and avoid using heat from the exhaust gas leaving the gas turbine, it is inventively required that at least a portion of the compressed air be used in the ammonia cracker to introduce heat for the cracking process. During operation of the gas turbine unit, the temperature of the compressed air at the compressor outlet is generally lower than the exhaust gas downstream of the combustor. Nevertheless, the temperature is significantly higher than the typical ambient temperature.
압축 공기의 열의 사용을 가능하게 하기 위해, 암모니아 크래커는 크래커 공기 채널의 입구로부터 출구로 암모니아 크래커를 통한 압축된 연소 공기의 유동을 가능하게 하기 위한 크래커 공기 채널을 더 포함한다.To enable the use of heat from compressed air, the ammonia cracker further comprises a cracker air channel to enable the flow of compressed combustion air through the ammonia cracker from the inlet to the outlet of the cracker air channel.
가스 터빈 장치는 압축기의 압축기 출구를 암모니아 크래커의 크래커 공기 채널 입구와 연결하는 고온 공기 배관을 포함한다. 또한, 연소기 내의 연료의 연소를 가능하게 하기 위해 연소 공기의 유동을 가능하게 하도록 크래커 공기 채널의 출구를 적어도 하나의 연소기와 연결하는 저온 공기 배관이 요구된다. 가스 터빈 장치의 동작시에, "저온 공기 배관"은 여전히 주위 공기보다 더 고온이지만 "고온 공기 배관"보다 더 낮은 온도를 갖는다.The gas turbine device includes a hot air duct connecting the compressor outlet of the compressor with the cracker air channel inlet of the ammonia cracker. Furthermore, a cold air duct connecting the outlet of the cracker air channel to at least one combustor is required to allow the flow of combustion air to enable combustion of fuel within the combustor. During operation of the gas turbine device, the "cold air duct" is still hotter than the ambient air, but has a lower temperature than the "hot air duct."
일반 암모니아 크래커는 수소와 질소로 암모니아의 분해를 가능하게 하기 위해 암모니아를 요구 온도까지 가열하는 가열기를 포함한다.A typical ammonia cracker includes a heater that heats the ammonia to the required temperature to enable the decomposition of the ammonia into hydrogen and nitrogen.
가열기에 의한 추가 가열을 갖는 압축 공기의 열을 사용함으로써, 가스 터빈 장치의 효율이 증가될 수 있고 이에 의해 가스 터빈을 떠나는 고온 배기 가스가 여전히 증기 발생기의 동작을 위해 사용될 수 있다.By using the heat of the compressed air with additional heating by the heater, the efficiency of the gas turbine unit can be increased, whereby the hot exhaust gases leaving the gas turbine can still be used for the operation of the steam generator.
암모니아 크래커의 가열기를 위한 외부 에너지원을 사용하는 대신에, 유리하게는 분해된 수소가 가열기를 위한 연료로서 사용된다. 암모니아 크래커에서 분해된 수소의 가열기 내에서의 연소는 가스 터빈 장치의 효율의 추가 증가가 달성될 수 있다.Instead of using an external energy source for the heater of an ammonia cracker, the hydrogen produced by the cracker is advantageously used as fuel for the heater. Combustion of the hydrogen produced by the ammonia cracker within the heater can further increase the efficiency of the gas turbine unit.
시작 프로세스에 대해, 처음에 암모니아 크래커 내의 추가 열을 위한 수소는 외부에서 공급되어야 한다는 것이 명백하다. 그러나, 원리적으로, 가스 터빈 장치의 정상 동작에서는, 가열기를 동작하는 데 필요한 수소가 유리하게는 연료 출구에서 암모니아 크래커를 떠나는 수소와 질소의 스트림으로부터 전환되어야 한다.Regarding the startup process, it is initially clear that hydrogen for additional heat generation within the ammonia cracker must be supplied externally. However, in principle, during normal operation of the gas turbine unit, the hydrogen required to operate the heater should be advantageously diverted from the stream of hydrogen and nitrogen leaving the ammonia cracker at the fuel outlet.
원리적으로 수소를 연소시키기 위해 암모니아 크래커 내에 별개의 연소 시스템을 설치하는 것이 가능하다. 그러나, 암모니아 크래커 내의 공기 채널 내에서 수소를 직접 연소시키는 것이 유리하다. 이는 설치 노력을 감소시키고 효율을 증가시킨다.In principle, it is possible to install a separate combustion system within an ammonia cracker to combust hydrogen. However, it is advantageous to combust hydrogen directly within the air channels within the ammonia cracker. This reduces installation effort and increases efficiency.
분해된 암모니아의 할당몫을 암모니아 크래커의 가열기에 공급하기 위해, 크래커 반응 채널의 출구와 교환기 암모니아 통로의 입구 사이의 제1 연료 배관에 가열기를 연결하는 것이 가능하다. 대안적으로, 가열기는 교환기 암모니아 통로의 출구와 연소기 사이의 제2 연료 배관에 연결될 수 있다.To supply a portion of the decomposed ammonia to the heater of the ammonia cracker, it is possible to connect the heater to the first fuel pipe between the outlet of the cracker reaction channel and the inlet of the exchanger ammonia passage. Alternatively, the heater may be connected to the second fuel pipe between the outlet of the exchanger ammonia passage and the combustor.
암모니아의 공급원에 의해 기체 형태의 암모니아를 제공하는 것이 가능하다.It is possible to provide ammonia in gaseous form by a source of ammonia.
암모니아의 공급원이 액체 형태의 암모니아를 제공하는 경우, 암모니아 증발기를 추가적으로 사용하는 것이 바람직하다. 암모니아 증발기는 유체 통로와 증발 통로를 포함해야 하고, 암모니아 증발기의 증발 통로는 의도적으로 입력측에서 연료의 공급원과 연결되고, 암모니아 증발기의 출력측에서 교환기 암모니아 통로의 입구와 연결된다.If the ammonia source provides ammonia in liquid form, it is desirable to additionally use an ammonia evaporator. The ammonia evaporator should include a fluid passage and an evaporation passage, the evaporation passage of the ammonia evaporator being intentionally connected to the fuel source on the input side and to the inlet of the ammonia passage of the exchanger on the output side of the ammonia evaporator.
이 경우, 암모니아 증발기의 유체 통로는 가열된 매체가 공급되어야 한다.In this case, the fluid passage of the ammonia evaporator must be supplied with heated medium.
가스 터빈 장치의 바람직한 실시예는 팽창 터빈 하류에 배열된 증기 발생기를 포함한다. 증기 발생기 내에는 다수의 열 교환기가 배기 가스의 열을 전달하여 증기를 발생하도록 요구된다.A preferred embodiment of a gas turbine device includes a steam generator arranged downstream of an expansion turbine. Within the steam generator, a plurality of heat exchangers are required to transfer heat from the exhaust gas to generate steam.
바람직한 암모니아 증발기와 조합하여, 암모니아의 예열을 위한 증기의 발생에 추가적으로 배기 가스의 열을 사용하는 것이 유리하다. 여기서 2개의 상이한 해결책이 제안된다.In combination with a preferred ammonia evaporator, it is advantageous to use the heat of the exhaust gas in addition to generating steam for preheating the ammonia. Two different solutions are proposed here.
제1 실시예에서 암모니아 증발기의 유체 통로는 증기 발생기 내에 설치된 열 교환기 중 적어도 하나의 입력측 및 출력측과 연결된다.In the first embodiment, the fluid passage of the ammonia evaporator is connected to the input side and the output side of at least one of the heat exchangers installed in the steam generator.
제2 실시예에서 증기 발생기의 섹션이 또한 암모니아 증발기를 구성하고, 증발 통로는 증기 발생기 내에 열 교환기로서 설치되고 배기 가스를 위한 통로는 암모니아 증발기의 유체 통로이다.In the second embodiment, a section of the steam generator also constitutes an ammonia evaporator, the evaporation passage is installed as a heat exchanger within the steam generator, and the passage for exhaust gas is a fluid passage of the ammonia evaporator.
양 경우 암모니아 증발기에 연결된 열 교환기 또는 증기 발생기의 섹션으로서 암모니아 증발기는 주로 배기 가스로부터의 열로 증기의 발생을 가능하게 하기 위해 증기 발생기의 하류 단부에 배열되어야 한다.In both cases, the ammonia evaporator, as a section of a heat exchanger or steam generator connected to the ammonia evaporator, should be arranged at the downstream end of the steam generator to enable generation of steam primarily from heat from the exhaust gas.
도면에는 본 발명의 가스 터빈 장치(01)의 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.The drawing schematically illustrates an exemplary embodiment of a gas turbine device (01) of the present invention.
가스 터빈 장치(01)는 압축기(02)와 연소기(03)와 팽창 터빈(04)을 갖는 가스 터빈을 포함한다. 증기 발생기(05)가 팽창 터빈(04)의 하류에 배열된다.A gas turbine device (01) includes a gas turbine having a compressor (02), a combustor (03), and an expansion turbine (04). A steam generator (05) is arranged downstream of the expansion turbine (04).
증기 발생기(05) 내에는 다수의 열 교환기(도시되어 있지 않음)가 설치되어 있고, 적어도 하나의 열 교환기가 증기 터빈(06)과 연결된다.A plurality of heat exchangers (not shown) are installed inside the steam generator (05), and at least one heat exchanger is connected to a steam turbine (06).
압축된 연소 공기는 일반적으로 압축기(02)로부터 연소기(03)로 공급되고, 생성된 배기 가스는 연소기(03)로부터 팽창 터빈(04)으로 공급되어 가스 터빈 회전자를 구동한다.Compressed combustion air is generally supplied from a compressor (02) to a combustor (03), and the generated exhaust gas is supplied from the combustor (03) to an expansion turbine (04) to drive a gas turbine rotor.
여기서, 압축된 연소 공기의 적어도 일부가 분기되어 암모니아 크래커(11)에 공급되는 것이 요구된다. 크래커 공기 통로는 암모니아 크래커(11)를 통한 압축된 공기의 유동을 가능하게 한다. 따라서, 크래커 공기 통로의 입구는 압축기 출구와 연결된다. 크래커 공기 통로의 출구는 연소기(03)와 연결된다. 따라서, 압축된 연소 공기는 암모니아 크래커(11)를 교차한 후 적어도 부분적으로 연소기(03) 내로 유동한다.Here, it is required that at least a portion of the compressed combustion air is branched off and supplied to the ammonia cracker (11). The cracker air passage enables the flow of compressed air through the ammonia cracker (11). Accordingly, the inlet of the cracker air passage is connected to the compressor outlet. The outlet of the cracker air passage is connected to the combustor (03). Accordingly, the compressed combustion air flows at least partially into the combustor (03) after crossing the ammonia cracker (11).
암모니아 크래커(11) 내에는 크래커 반응 통로와 가열기(15)가 배열된다. 기체 암모니아는 크래커 반응 통로의 입구에 공급된다. 수소와 질소의 혼합물이 크래커 반응 통로의 출구로부터 전달된다. 크래커 반응 통로 내의 열은 부분적으로 압축된 공기에 의해 그리고 부분적으로 가열기(15)에 의해 제공되는 암모니아의 분해를 가능하게 한다.A cracker reaction passage and a heater (15) are arranged within the ammonia cracker (11). Gaseous ammonia is supplied to the inlet of the cracker reaction passage. A mixture of hydrogen and nitrogen is delivered from the outlet of the cracker reaction passage. Heat within the cracker reaction passage enables the decomposition of ammonia, which is provided partly by the compressed air and partly by the heater (15).
크래커 반응 통로의 입구 및 또한 크래커 반응 통로의 출구는 연료 열 교환기(12)에 연결된다. 따라서, 연료 열 교환기(12)는 교환기 암모니아 통로와 교환기 연료 통로를 포함한다.The inlet of the cracker reaction passage and also the outlet of the cracker reaction passage are connected to a fuel heat exchanger (12). Thus, the fuel heat exchanger (12) includes an exchanger ammonia passage and an exchanger fuel passage.
암모니아는 교환기 암모니아 통로의 입구에 공급된다. 교환기 암모니아 통로를 통해 연료 열 교환기(12)를 교차시킴으로써, 암모니아는 교환기 연료 통로를 통과하는 수소와 질소의 혼합물 내의 열의 사용에 의해 가열된다. 이는 암모니아 크래커(11) 내에서 요구되는 열의 효율적인 재사용을 야기한다.Ammonia is supplied to the inlet of the ammonia exchanger passage. By passing the ammonia exchanger passage through the fuel heat exchanger (12), the ammonia is heated by utilizing the heat in the mixture of hydrogen and nitrogen passing through the fuel heat exchanger passage. This results in efficient reuse of the heat required within the ammonia cracker (11).
연료 열 교환기(12)의 교환기 연료 통로의 출구는 연소기(03)에 연결되어, 연료 - 수소와 질소의 혼합물 - 가 가스 터빈 내의 연소 프로세스를 위해 사용될 수 있게 된다.The outlet of the exchanger fuel passage of the fuel heat exchanger (12) is connected to the combustor (03), so that the fuel - a mixture of hydrogen and nitrogen - can be used for the combustion process within the gas turbine.
생성된 수소의 할당몫이 분기되어 암모니아 크래커(11) 내의 가열기(15)에 공급되어 분해 프로세스를 위한 요구 온도에 도달한다. 이 실시예에서 가열기(15)는 교환기 연료 통로의 출구와 연소기(03) 사이의 제2 연료 배관에 부착된다. 그러나, 암모니아 크래커(11)의 크래커 반응 채널의 출구와 열 교환기(12)의 교환기 암모니아 통로의 입구 사이의 제1 연료 통로에 가열기를 연결하는 것도 대안적으로 가능하다.A portion of the generated hydrogen is branched and supplied to a heater (15) within the ammonia cracker (11) to reach the required temperature for the decomposition process. In this embodiment, the heater (15) is attached to the second fuel line between the outlet of the exchanger fuel passage and the combustor (03). However, it is also alternatively possible to connect the heater to the first fuel passage between the outlet of the cracker reaction channel of the ammonia cracker (11) and the inlet of the exchanger ammonia passage of the heat exchanger (12).
암모니아의 공급원(14)으로서 액체 암모니아의 사용을 가능하게 하기 위해, 암모니아 증발기(13)가 암모니아의 공급원(14)과 연료 열 교환기(12) 사이에 설치된다. 암모니아 증발기(13)에서 열 전달에 의해 암모니아가 액체로부터 기체로 그 상태를 변화한다.To enable the use of liquid ammonia as an ammonia source (14), an ammonia evaporator (13) is installed between the ammonia source (14) and the fuel heat exchanger (12). In the ammonia evaporator (13), ammonia changes its state from liquid to gas by heat transfer.
따라서, 암모니아 증발기(13)는 증기 발생기(05) 내에 설치된 열 교환기에 연결된다.Accordingly, the ammonia evaporator (13) is connected to a heat exchanger installed in the steam generator (05).
Claims (7)
- 압축기(02)와 연소기(03)와 팽창 터빈(04)을 갖는 가스 터빈으로서, 가스 터빈의 동작시 연소 공기가 압축기(02) 내에서 압축되고 연소 공기의 적어도 일부가 압축기(02)의 출구로부터 연소기(03)로 공급되며, 가스 터빈의 동작시 배기 가스가 연소기(03)로부터 팽창 터빈(04)으로 공급되는, 가스 터빈; 및
- 가열기(15)와 크래커 공기 채널과 크래커 반응 채널을 갖는 암모니아 크래커(11); 및
- 교환기 연료 통로와 교환기 암모니아 통로를 갖는 연료 열 교환기(12);를 포함하며,
가스 터빈 장치(01)의 사용시에 교환기 암모니아 통로의 입구는 의도적으로 암모니아의 공급원(14)에 연결되고 교환기 암모니아 통로의 출구는 크래커 반응 채널의 입구와 연결되며,
제1 연료 배관은 크래커 채널의 출구를 교환기 연료 통로의 입구와 연결하고 제2 연료 배관은 교환기 연료 통로의 출구를 연소기(03)와 연결하며,
고온 공기 배관은 압축기 출구를 크래커 공기 채널의 입구와 연결하고 저온 공기 배관은 크래커 공기 채널의 출구를 연소기(03)와 연결하는, 가스 터빈 장치(01).It is a gas turbine device (01),
- A gas turbine having a compressor (02), a combustor (03), and an expansion turbine (04), wherein, when the gas turbine is operated, combustion air is compressed within the compressor (02) and at least a portion of the combustion air is supplied from the outlet of the compressor (02) to the combustor (03), and when the gas turbine is operated, exhaust gas is supplied from the combustor (03) to the expansion turbine (04); and
- an ammonia cracker (11) having a heater (15) and a cracker air channel and a cracker reaction channel; and
- Includes a fuel heat exchanger (12) having an exchanger fuel passage and an exchanger ammonia passage;
When using the gas turbine device (01), the inlet of the exchanger ammonia passage is intentionally connected to the ammonia supply source (14) and the outlet of the exchanger ammonia passage is connected to the inlet of the cracker reaction channel.
The first fuel pipe connects the outlet of the cracker channel to the inlet of the exchanger fuel passage, and the second fuel pipe connects the outlet of the exchanger fuel passage to the combustor (03).
A gas turbine device (01) in which a high temperature air pipe connects the compressor outlet to the inlet of a cracker air channel and a low temperature air pipe connects the outlet of the cracker air channel to the combustor (03).
제2 연료 배관은 가열기(15)로의 가열기 배관으로 분기되는, 가스 터빈 장치(01).In the first paragraph,
A gas turbine unit (01) in which the second fuel pipe branches off as a heater pipe to the heater (15).
가열기(15)는 공기 채널 내에서 수소를 연소시키도록 활성화되는, 가스 터빈 장치(01).In the second paragraph,
A gas turbine device (01) in which a heater (15) is activated to burn hydrogen within an air channel.
- 증발기 유체 통로와 증발기 암모니아 통로를 갖는 암모니아 증발기(13)를 더 포함하고, 증발기 암모니아 통로의 입구는 의도적으로 암모니아의 공급원(14)과 연결되고 증발기 암모니아 통로의 출구는 교환기 암모니아 통로의 입구와 연결되는, 가스 터빈 장치(01).In any one of the first to third paragraphs,
- A gas turbine device (01) further comprising an ammonia evaporator (13) having an evaporator fluid passage and an evaporator ammonia passage, wherein the inlet of the evaporator ammonia passage is intentionally connected to a source of ammonia (14) and the outlet of the evaporator ammonia passage is connected to the inlet of the exchanger ammonia passage.
- 팽창 터빈(04)의 하류에 배열되고 다수의 열 교환기를 갖는 증기 발생기(05)를 더 포함하고;
암모니아 증발기(13)는 열 교환기 중 적어도 하나에 연결되거나,
암모니아 증발기(13)는 열 교환기 중 하나로서 증기 발생기(05) 내에 배열되는, 가스 터빈 장치(01).In paragraph 4,
- further comprising a steam generator (05) arranged downstream of the expansion turbine (04) and having a plurality of heat exchangers;
The ammonia evaporator (13) is connected to at least one of the heat exchangers, or
A gas turbine device (01) in which an ammonia evaporator (13) is arranged within a steam generator (05) as one of the heat exchangers.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 가스 터빈 장치(01)를 갖고,
- 압축된 공기의 적어도 할당몫이 암모니아 크래커(11)에 공급되고;
- 추가 열이 가열기(15)에 의해 암모니아 크래커(11)에 도입되고;
- 암모니아는 암모니아의 공급원(14)으로부터 연료 열 교환기(12)로 공급되고, 교환기 암모니아 통로를 통해 연료 열 교환기(12)로부터 암모니아 크래커(11)로 안내되고;
- 암모니아는 크래커 반응 채널 내에서 가열되고 이에 의해 수소와 질소를 포함하는 연료 가스로 분해되고;
- 분해된 연료 가스는 암모니아 크래커(11)로부터 연료 열 교환기(12)로 공급되고, 교환기 연료 통로를 통해 안내되어 교환기 암모니아 통로 내의 암모니아로 열을 전달하고;
- 연료 가스는 연료 열 교환기(12)로부터 연소기(03)로 공급되는, 방법.A method of operating a gas turbine device (01),
Having a gas turbine device (01) according to any one of claims 1 to 5,
- At least a portion of the compressed air is supplied to the ammonia cracker (11);
- Additional heat is introduced to the ammonia cracker (11) by the heater (15);
- Ammonia is supplied from an ammonia source (14) to a fuel heat exchanger (12) and guided from the fuel heat exchanger (12) to an ammonia cracker (11) through an exchanger ammonia passage;
- Ammonia is heated within the cracker reaction channel and thereby decomposed into fuel gas containing hydrogen and nitrogen;
- The cracked fuel gas is supplied from the ammonia cracker (11) to the fuel heat exchanger (12), and is guided through the exchanger fuel passage to transfer heat to ammonia in the exchanger ammonia passage;
- A method in which fuel gas is supplied from a fuel heat exchanger (12) to a combustor (03).
연료 가스의 할당몫은 제2 연료 배관으로부터 추출되고 가열기(15)에 공급되고 암모니아 크래커(11) 내에서 연소되는, 방법.In paragraph 6,
A method wherein a portion of the fuel gas is extracted from the second fuel pipe, supplied to the heater (15) and combusted in the ammonia cracker (11).
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