KR100354306B1 - 가스터빈 - Google Patents

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KR100354306B1
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Abstract

터어빈 장치를 상당히 변형하지 않고도 종래 가스 터어빈용 실린더 케이싱에 현존하는 개구를 이용한 낮은 NOx 배출 연소기 개량장치. 낮은 NOx 배출 연소기 각각은 노즐 블록에 의해 종래 연소기에 치수된 현존하는 개구상의 실린더 케이싱에 장착되며, 노즐 블록은 연료가 상기 연소기로 분사되는 다수개의 연료 노즐을 갖는다. 노즐 블록은 한개의 파일롯 노즐 개구와 다수개의 환상 연료 통로를 가지므로 노즐 블록이 연소기에 기계적으로 연결될 때 노즐은 연료 통로와 흐름 연통한다. 일 단부가 현존하는 개구상의 실린더 케이싱과 같은 높이로 장착되도록 노즐 블록이 치수된다. 다수개의 매니폴드 통로를 가지는 연료 공급 어댑터는 노즐 블록과 연결되어 매니폴드 통로가 연료 공급과 흐름 연통하고 또한 연료 통로와 흐름 연통하므로 연료는 노즐 블록의 연료 통로를 통해 노즐까지 공급된다. 파일롯 노즐은 연료의 공급과 흐름 연통하고 파일롯 노즐 개구를 통해 연소기에 파일롯 화염을 생성하기 위해 연소기로 연장되어 있다.

Description

가스 터빈
본 발명은 가스 터빈 발전소의 연소기 부분에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 터빈 실린더내의 기존의 개구부를 이용하고 실린더를 많이 개조하지 않으면서 저 NOx 연소기 시스템을 설치하기 위해 종래의 가스 터빈을 개장하기 위한 장치에 관한 것이다.
가스 터빈에 있어서, 압축기 부분은 연소 부분에서 연료를 연소시킴으로써 실질적으로 가열되는 압축 공기를 생성한다. 연소 부분으로부터의 고온 가스는 터빈 부분으로 배향되며, 상기 고온 가스는 공지된 방법으로서 전력을 생성하도록 로터 샤프트를 구동시키는데 사용된다. 연소 부분은 압축기 부분으로부터의 압축 공기를 수납하기 위한 챔버를 형성하는 쉘 또는 실린더 케이싱으로 통상 구성된다. 다수의 원통형 연소기는 챔버내에 배치되며, 연료가 연소됨에 따라서 압축 공기를 수납한다. 덕트는 각 연소기의 후방 단부에 결합되며, 연소기로부터의 고온 가스를 터빈 부분으로 배향시키는 작용을 한다.
이중 연료를 이용할 수 있는, 즉 천연 가스 연료 및 액체 연료를 연소시킬 수 있는 종래의 산업용 가스 터빈은 연소기내에 가스용의 하나의 공급 파이프 및 액체 연료용의 하나의 공급 파이프를 필요로 하는 확산형 버너를 갖고 있다. 따라서, 연소기 및 이에 수반되는 연료 공급 라인 및 노즐을 터빈 실린더 케이싱상에 장착하기 위해서, 이전에는 비교적 작은 개구부를 실린더 케이싱내에 제공할 필요만 있다. 이러한 종래의 가스 터빈에 있어서, 버너 노즐은 실린더 케이싱의 외측상에 볼트 체결되며, 연소기 플랜지는 케이싱의 내부 벽에 장착된다. 따라서, 버너 노즐은 케이싱내의 개구부를 통해 연장되며, 필요한 연료 공급 라인은 케이싱의외측의 노즐에 결합된다.
가스 터빈에 의해 야기된 환경 오염을 제어하기 위해서, 연료를 고온으로 연소시킴으로써 야기되는 NOx 배기의 레벨을 감소시킬 필요가 있다. 상술한 종래의 가스 터빈에 있어서, NOx 배기는 증기 및 물을 연소기내로 주입함으로써 제어되어 연료가 연소되는 온도를 감소시켜 왔다. 그러나, 이들 시스템은 복잡하고 증기를 연소기에 공급하기 위해 필요한 부가적인 부품이 요구되며, 그에 따라서 비용이 비싸지고 시스템이 복잡하게 된다. 더욱이, 공지된 증기 주입 시스템은 소망하는 정도로 오염 레벨을 감소시킬 수 없다.
공지된 종래의 터빈에 의해 야기되는 오염 문제를 회피하고, 증기 주입 시스템과 관련된 증가된 비용 및 복잡성을 회피하기 위해서, 새롭게 설계된 저 NOx 연소기를 포함하는 터빈 시스템이 개발되었다. 이들 저 NOx 연소기는 종래의 터빈의 확산 연소 작동식이라기 보다는 본 기술 분야에 공지된 사전혼합 작동시에 연소기의 작동에 의해 오염 레벨을 감소시키는 것이다. 따라서, NOx 배기를 제어하는데 필요한 모든 부품은 이들 새로운 저 NOx 연소기내에 내장된다.
그러나, 공지된 저 NOx 연소기는 종래의 연소기보다 상당히 크다. 또한, 이들 저 NOx 연소기는 통상적으로 파일롯트 노즐 및 2단 메인 노즐이 필요하며, 그에 따라서 각 연소기용으로 6개의 연료 공급 라인, 가스용으로 3개의 라인 그리고 액체 연료용으로 3개의 라인이 필요하다. 따라서, 종래의 연소기 시스템과 비교할 때, 이들 저 NOx 연소기 시스템은 상당히 보다 크며, 터빈 실린더내에 설치되어야 하는 구조가 보다 복잡하게 된다. 새로운 가스 터빈 발전소가 저 NOx 연소기 장치의 사이즈가 크게 되고 복잡하게 되게 하는 것을 고려하여 새로운 실린더 케이싱을 설계함으로써 저 NOx 연소기로 건설될 수 있을 지라도, 종래의 터빈의 실린더 케이싱의 비교적 작은 기존의 개구부내에 이러한 보다 큰 연소기 시스템을 바로 설치할 수는 없다. 더욱이, 저 NOx 연소기의 보다 큰 사이즈를 고려하여 기존의 실린더 개구부의 사이즈를 변경하는 것은 용이하지 않다.
따라서, 실린더 케이싱내의 기존의 개구부를 이용하고 케이싱을 많이 개조하지 않고 필요한 연료 공급물 및 노즐 구조체와 함께 저 NOx 연소기를 설치할 수 있도록 기존의 가스 터빈을 용이하고 저비용으로 개장하기 위한 장치가 필요하게 되었다. 본 발명은 이러한 요망을 충족시키는 저 NOx 연소기 개장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 가스 터빈은, 압축 공기를 생성하기 위한 압축기와,
상기 압축기로부터의 상기 압축 공기를 수납하기 위한 것으로 제 1 직경을 가진 개구부를 가진 실린더 케이싱과,
연료를 상기 압축 공기중에서 연소시키는 연소기로서, 상기 연소기는 상기 실린더 케이싱내에 배치되며 그리고 연소기 플랜지를 구비하며, 상기 연소기 플랜지는 상기 제 1 직경보다 실질적으로 큰 연소기 플랜지 직경을 가진, 상기 연소기와,
상기 연료를 상기 연소기내로 분무시키기 위한 다수의 연료 노즐을 구비하는 노즐 블록으로서, 상기 노즐 블록은 노즐 블록 플렌지 및 제 1 전방 단부를 구비하며, 상기 노즐 블록 플랜지는 상기 연소기 플랜지 직경과 실질적으로 동일한 사이즈의 노즐 블록 플랜지 직경을 가지며, 상기 노즐 블록 플랜지는 상기 노즐이 상기 연소기내로 연장되도록 상기 연소기 플랜지에 기계적으로 결합되며, 상기 제 1 전방 단부는 상기 개구부에 삽입된 상태로 상기 실린더 케이싱에 기계적으로 결합되어 있는, 상기 노즐 블록을 포함한다.
도면을 참조하면, 제 1 도에는 가스 터빈의 종단면도의 일부가 도시되어 있다. 가스 터빈은 압축기 또는 압축기 부분(1)과, 연소기 부분(2)과, 터빈 부분(3)으로 구성된다. 회전하는 샤프트(4)는 압축기 부분, 연소기 부분 및 터빈 부분을 통해 연장되어 있다. 공지된 바와 같이, 압축기(1)는 대기를 압축하여 압축 공기(6)를 생성하는 회전 블레이드 및 고정 블레이드가 교호하는 열로 배치되어 있다. 연소기 부분(2)은 다수의 저 NOx 연소기(8)로 구성되며, 각 연소기는 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 원통형 라이너로 형성되어 있다. 공지된 바와 같이, 연소기(8)는 실린더 케이싱(12)에 의해 형성된 챔버(10)내의 로터 샤프트(4) 둘레에 원주방향으로 배치되어 있다. 각 연소기의 후방 단부는 통상적으로 "전이 덕트"라고 하는 덕트(14)에 결합되어 있다(본 명세서에 있어서, 용어 "전방"은 축방향 상류를 가리키고, 용어 "후방"은 축방항 하류를 가리킨다).
압축 공기(6)의 일부분은 연료, 바람직하게 오일 및/또는 천연 가스의 공급물을 따라서 그 전방 단부에서 연소기(8)의 각각에 들어가며, 상기 연료는 후술하는 바와 같은 방법으로 공급된다. 연료는 또한 이후에 상세하게 설명하는 바와 같이 연료 노즐을 거쳐서 연소기(8)의 각각에 의해 둘러싸인 연소 영역내로 유입된다. 연소 영역에 있어서, 연료는 고온 가스(16)의 흐름을 형성하도록 압축된 공기내에서 연소된다. 고온 가스(16)는 고온 가스가 덕트(14)에 의해 팽창될 때 터빈 부분(3)으로 배향된다. 제 1 도에 도시된 바와 같이, 저 NOx 연소기(8)의 전방 단부는 지나치게 커서, 연소기는 보다 작은 종래의 연소기에 직접 장착하기 위해 이전에 이용되고 있는 기존의 개구부(18)에서 실린더 케이싱(12)에 직접 장착될 수 없다. 저 NOx 연소기의 전방 단부에서 장착 플랜지(20)는 개구부(18)상의 실린더 케이싱의 벽을 향해 동일평면에 장착될 수 없기 때문에, 본 발명은 실린더 케이싱의 기존의 개구부(18)내에 저 NOx 연소기를 설치하기 위해 제공되는 개장 시스템을 재공하는 것이다. 본 발명에 따른 개장 시스템은, 저 NOx 연소기가 기존의 전이 덕트(14)에 직접 장착될 수 있고 그리고 터빈 장치 및 실린더 케이싱을 많이 개조할 필요가 없게 한다.
저 NOx 연소기(8)는 메인 연료 노즐 블록(22)에 장착된다. 노즐 블록(22)의 바람직한 실시예가 제 2 도에 상세하게 도시되어 있다. 제 1 도 및 제 2 도를 참조하면, 연소기(8)의 장착 플랜지(20)는 노즐 블록(22)의 플랜지(24)에 볼트 체결된다. 따라서, 노즐 블록의 후방 단부(26)로부터 돌출하는 메인 연료 노즐(28)은 공지된 방법으로 연료를 연소기내로 분무하기 위해 저 NOx 연소기내로 연장된다.
메인 연료 노즐 블록(22)의 전방 단부(30)는 개구부(18)상에 끼워맞춰질 수 있는 크기로 되어 있어서, 노즐 블록은 실린더 케이싱을 통해 노즐 블록의 전방 단부(30)내로 연장되는 볼트(32)에 의해 실린더 케이싱(12)에 장착되게 된다. 따라서, 노즐 블록(22)의 후방 단부(30)의 대부분은 개구부(18)와 연통되어 있다. 종래의 연소기의 플랜지형 전방 단부는 이전에는 이러한 볼트(32)를 4개만을 이용하여 실린더 케이싱에 직접 장착되어 왔으며, 볼트는 원형 개구부(18)의 원주 둘레에 균일하게 이격되어 있다. 그러나, 메인 연료 노즐 블록과, 그에 따라서 보다 많은 저 NOx 연소기를 실린더 케이싱에 보다 단단히 고정하기 위해서, 실린더 케이싱내에 4개의 추가 구멍이 드릴되어서, 메인 연료 노즐 블록은 개구부(18)의 원주 둘레에 균일하게 이격된 8개의 볼트(32)로 장착된다. 따라서, 종래의 가스 터빈을 개장해서 저 NOx 연소기로 만들시에 이들 4개의 추가 구멍이 양호하며, 이것은 터빈 구조체의 약간의 개조에 불과하다.
노즐 블록(22)은 연료의 공급물을 수납하기 위한 4개의 환형 연료 통로(34, 36, 38, 40)를 구비하고 있다. 도시된 실시예에 있어서, 연료 통로(34, 36)는 액체 연료의 공급물을 수납하는 반면에, 연료 통로(38, 40)는 후술하는 방법으로 가스가 공급된다. 도시된 바람직한 실시예에 있어서, 노즐(28)은 교호로 연료 통로와 유체 연통 상태로 결합되어 있고, 하나의 노즐은 각기 액체 연료 통로(34) 및 가스 연료 통로(38)에 연결되어 있는 반면에, 인접한 노즐은 각기 참조부호(46, 48)로 표시되고 도시된 것과 유사한 채널을 거쳐서 액체 연료 통로(36) 및 가스 연료 통로(40)에 연결되어 있다. 노즐(28)에 있어서, 가스는 외부 환형 채널(50)을 따라 유동하고, 액체 연료는 내부 보어(52)를 따라 유동하며, 이들 연료는 공지된 방법으로 노즐 팁(54)으로부터 연소기내로 분무된다. 노즐 블록의 후방 단부(26)상의 노즐의 접속부의 가요성 벨로우즈는 누설 방지 연결부를 제공하고, 노즐내의 차등 열팽창 응력을 최소화한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 연료를 메인 노즐 블록(22)에 그리고그에 따라 연소기(8)에 공급하기 위한 연료 공급 어댑터(60)가 제 3a 도 및 제 3b 도에 도시되어 있다. 가스 연료 공급 파이프(62, 64)는 매니폴드(66)에 장착되어서, 매니폴드(66)가 노즐 블록(22)의 전방 단부(30)에 기계적으로 결합될 때 가스 연료 공급 파이프(62, 64)는 각기 환형 통로(38, 40)와 유체 연통되게 된다. 플랜지(68, 70)는 공지된 방법으로 가스 연료 공급 매니폴드를 분리하게 결합하고 있고, 가스는 파이프(62, 64)에 공급되고, 상술한 방법으로 노즐 블록(22)을 거쳐서 노즐(28)로 공급되도록 되어 있다. 유사하게, 액체 연료 공급 파이프(72, 74)가 매니폴드(66)내에 장착되고 파이프 접속부(75)를 거쳐서 별개로 공지된 방법으로 오일 공급 매니폴드에 연결되어 있고, 액체 연료를 환형 통로(34, 36)에 각기 공급하고, 그에 따라 설명한 방법으로 노즐(28)에 공급되도록 되어 있다.
본 발명은 제 3a 도 및 제 3b 도에 도시된 연료 공급 파이프의 배열을 제한하는 것이 아니다. 더욱이, 본 발명은 가스 및 액체 연료 모두를 공급하기 위한 시스템으로 제한하는 것이 아니며, 본 시스템은 본 발명에 따라서 액체 연료 또는 가스 연료중 어느 하나로 작동될 수 있다.
제 1 도를 참조하면, 매니폴드(66)는 케이싱(12)의 개구부(18)내에 배치되며, 노즐 블록의 전방 단부(30)에 볼트(76)에 의해 볼트 체결된다. 따라서, 연료공급 파이프(62, 64, 72, 74)는 실린더 케이싱의 외측까지 관통 개구부(18)를 벗어나 연장된다.
제 4 도를 참조하면, 본 발명에 따른 파일롯트 노즐(80)이 도시되어 있다. 제 1 도, 제 2 도, 제 3a 도 및 제 3b 도에 도시된 바와 같이, 파일롯트 노즐은 연료 공급 어댑터(60)의 매니폴드(66)내의 중앙 개구부(82)를 통해 그리고 메인 연료 노즐 블록(22)내의 중앙 보어(84)를 통해서 연장되며, 파일롯트 노즐은 공지된 방법으로 그 내에 연료를 분무시키기 위해 연소기내로 연장된다. 파일롯트 노즐(80)의 중앙의 근처에 위치된 플랜지(86)는 파일롯트 노즐 장치를 고정하기 위해 볼트(88)에 의해서 매니폴드(66)의 전방 단부에 기계적으로 결합된다.
가스는 챔버(90)를 통해서 파일롯트 노즐에 공급되는 반면에, 액체 연료는 파이프(92)를 통해 공급되며, 파일롯트 노즐용 연료 공급물은 실린더 케이싱의 외측에 위치된다. 파일롯트 노즐은 공지된 방법으로 그 내에 파일롯트 화염을 생성하기 위한 저 NOx 연소기내로 연료를 공급한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 저 NOx 연소기는 실린더 케이싱(12)에 그리고 전이 덕트(14)에 장착될 수 있으며, 필요한 연료 공급 장치는 종래의 가스 터빈 장치를 많이 개조하지 않고 케이싱내의 기존의 개구부(18)내에 수용될 수 있다.
제 1 도는 본 발명의 저 NOx 연소기 개장 시스템을 조립한 가스 터빈의 일부분의 종단면도,
제 2 도는 본 발명에 따른 메인 연료 노즐 블록을 도시하는 단면도,
제 3a 도 및 제 3b 도는 본 발명에 따른 연료 공급 어댑터를 도시하는 도면,
제 4 도는 본 발명에 따른 파일롯트 노즐을 도시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 압축기 또는 압축기 부분 2 : 연소기 부분
6 : 압축 공기 8 : 연소기
12 : 실린더 케이싱 18 : 개구부
22 : 노즐 블록 24 : 플랜지
28 : 연료 노즐 30 : 전방 단부
60 : 연료 공급 어댑터 66 : 매니폴드
80 : 파일롯트 노즐 84 : 중앙 보어

Claims (9)

  1. 가스 터빈에 있어서,
    압축 공기(6)를 생성하기 위한 압축기(1)와,
    상기 압축기로부터의 상기 압축 공기를 수납하기 위한 것으로 제 1 직경을 가진 개구부(18)를 가진 실린더 케이싱(12)과,
    연료를 상기 압축 공기중에서 연소시키는 연소기(8)로서, 상기 연소기는 상기 실린더 케이싱내에 배치되며 그리고 연소기 플랜지(24)를 구비하며, 상기 연소기 플랜지는 상기 제 1 직경보다 실질적으로 큰 연소기 플랜지 직경을 가진, 상기 연소기(8)와,
    상기 연료를 상기 연소기내로 분무시키기 위한 다수의 연료 노즐(28)을 구비하는 노즐 블록(22)으로서, 상기 노즐 블록은 노즐 블록 플랜지 및 제 1 전방 단부(30)를 구비하며, 상기 노즐 블록 플랜지는 상기 연소기 플랜지 직경과 실질적으로 동일한 사이즈의 노즐 블록 플랜지 직경을 가지며, 상기 노즐 블록 플랜지는 상기 노즐이 상기 연소기내로 연장되도록 상기 연소기 플랜지에 기계적으로 결합되며, 상기 제 1 전방 단부는 상기 개구부에 삽입된 상태로 상기 실린더 케이싱에 기계적으로 결합되어 있는, 상기 노즐 블록(22)을 포함하는
    가스 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 블록이 상기 연료의 공급물과 유체 연통하는 다수의 연료 통로(34, 36, 38, 40)를 더 구비하며, 상기 연료는 상기 연료 통로를 통해 상기 노즐로 전달되는
    가스 터빈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료를 상기 연료 통로에 공급하기 위한 연료 공급 수단을 더 포함하는
    가스 터빈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 공급 수단이 상기 제 1 전방 단부에 기계적으로 결합되는
    가스 터빈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다수의 매니폴드 통로를 구비하는 연료 공급 어댑터(60)로서, 상기 매니폴드 통로는 상기 연료의 공급물과 유체 연통하며, 상기 연료 공급 어댑터가 상기 노즐 블록에 기계적으로 고정되어 상기 매니폴드 통로중 각 하나는 상기 연료 통로중 대응하는 하나와 유체 연통되는, 상기 연료 공급 어댑터(60)와,
    상기 연료의 공급물과 유체 연통하는 파일롯트 노즐(80)로서, 상기 파일롯트 노즐은 상기 파일롯트 노즐 개구부를 통해서 그리고 상기 연료를 상기 연소기내로분무시키기 위해 상기 연소기내로 연장되는, 상기 파일롯트 노즐(80)과,
    고온 가스를 팽창시키기 위한 터빈 부분(3)을 더 포함하는
    가스 터빈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 공급 어댑터는 상기 다수의 매니폴드 통로의 개수에 대응하는 개수의 다수의 연료 공급 파이프(62, 64, 72, 74)를 더 구비하며, 상기 다수의 연료 공급 파이프의 각 하나는 상기 다수의 매니폴드 통로중 대응하는 하나와 유체 연통되는
    가스 터빈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 공급 어댑터가 4개의 매니폴드 통로를 구비하는
    가스 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 매니폴드 통로중 2개에는 가스 연료가 공급되며, 상기 매니폴드 통로중 다른 2개에는 액체 오일 연료가 공급되는
    가스 터빈.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 연료 공급 어댑터는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 매니폴드 통로를 구비하며, 상기 제 1 및 제 3 매니폴드 통로는 가스 연료의 공급물과 유체 연통하며, 상기 제 2 및 제 4 매니폴드 통로는 액체 오일 연료의 공급물과 유체 연통하며, 상기 연료 노즐중 하나는 상기 제 1 및 제 2 매니폴드 통로와 유체 연통하며, 상기 연료 노즐중 인접한 하나는 상기 제 3 및 제 4 매니폴드 통로와 유체 연통하는
    가스 터빈.
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