KR101485020B1 - 초임계유체 냉각 가스터빈 장치 - Google Patents

초임계유체 냉각 가스터빈 장치 Download PDF

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김경민
문호규
김범석
박준수
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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 공기를 압축하는 압축기, 압축기로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기 및 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 구비한 가스 터빈 장치에 있어서,연소기 및 터빈에는 냉각유로가 설치되고, 냉각유로로 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기 및 터빈을 냉각하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치가 제공될 수 있다.

Description

초임계유체 냉각 가스터빈 장치{SUPER CRITICAL FLUID GAS COOLING GAS TURBINE DEVICE}
본발명은 가스터빈 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계유체를 냉각유체로 이용하는 가스터빈 장치에 관한 것이다.
가스터빈은 기본적인 요소로서 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있다. 가스터빈은 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이끌어, 여기서 연료를 분산해서 연소시킨다. 이때 생긴 고온, 고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다. 보통 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25~30%를 사용한다. 따라서 가스터빈으로 발전기, 프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다. 도 1을 참조하면, 종래의 가스터빈은 고온부품(연소실, 베인, 블레이드, 케이싱 등)의 냉각을 위해 압축공기를 사용하게 되는데, 이때 압축기(100)에 의하여 압축된 압축공기를 이용하였다. 그러나, 압축된 냉각유체의 일부를 연소기(200) 및 터빈(300)으로 보내 냉각에 이용하게 되므로 압축공기 전체를 이용하게 되는 경우보다 전체 가스터빈의 효율을 저하시키는 문제가 발생하였다.
한국공개특허 1990-0011968
본 발명의 실시 예들은 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기 및 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 구비한 가스 터빈 장치에 있어서,상기 연소기 및 터빈에는 냉각유로가 설치되고, 상기 냉각유로로 압축기에서 압축된 압축공기가 아닌 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기 및 터빈을 냉각하여 가스터빈의 효율을 향상시키고자 한다.
또한, 초임계유체압축기와 초임계유체터빈을 포함하며, 초임계유체압축기의 출구는 가스터빈 장치의 냉각유로의 입구에 연결되고, 초임계유체터빈의 입구는 가스터빈 장치의 냉각유로의 출구에 연결되며, 초임계유체는 초임계유체압축기에서 압축되고, 냉각유로를 거치며 가열되어 초임계유체터빈에 공급되어 추가적으로 발전을 하고자한다.
또한, 가스터빈에서 연소가스로 배출되는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하여 초임계유체로 이용하여 환경문제를 방지하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 공기를 압축하는 압축기(100), 상기 압축기(100)로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기(200) 및 상기 연소기(200)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(300)을 구비한 가스터빈 장치에 있어서,상기 연소기(200) 및 터빈(300)에는 냉각유로(400)가 설치되고, 상기 냉각유로(400)로 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기(200) 및 터빈(300)을 냉각하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치가 제공될 수 있다.
또한, 연소가스로 구동되는 터빈(300)에서 배출되는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 초임계유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 공기를 압축하는 압축기(100), 상기 압축기(100)로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기(200) 및 상기 연소기(200)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(300)을 구비한 가스터빈 장치에 있어서,상기 연소기(200) 및 터빈(300)에는 냉각유로(400)가 설치되고, 상기 냉각유로(400)로 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기(200) 및 터빈(300)을 냉각하는 주발전가스터빈(10)과
초임계유체압축기(500)와 초임계유체터빈(600)을 포함하며, 상기 초임계유체압축기(500)의 출구는 상기 냉각유로(400)의 입구에 연결되며, 상기 초임계유체터빈(600)의 입구는 상기 냉각유로(400)의 출구에 연결되며, 상기 초임계유체는 상기 초임계유체압축기(500)에서 압축되고, 상기 냉각유로(400)를 거치며 가열되어 상기 초임계유체터빈(600)에 공급되는 부발전가스터빈(20)을 포함하는 가스터빈 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 초임계유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 주발전가스터빈(10)에서 연소 가스로 구동되는 터빈(300)에서 방출되는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소포집부에서 포집된 이산화탄소를 냉각하여 상기 부발전가스터빈(20)의 초임계유체압축기(500)로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 부발전가스터빈(20)이 상기 연소기(200) 및 터빈(300)에 설치된 냉각유로(400) 마다 각각 연결되어 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연소기(200) 및 터빈(300)에 설치된 냉각유로(400)의 입구가 모두 연결된 결합입구부와 출구가 모두 연결된 결합출구부에 하나의 부발전가스터빈(20)이 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 공기를 압축하는 압축기, 상기 압축기로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기 및 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈을 구비한 가스 터빈 장치에 있어서,상기 연소기 및 터빈에는 냉각유로가 설치되고, 상기 냉각유로로 압축기에서 압축된 압축공기가 아닌 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기 및 터빈을 냉각하여 가스터빈의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 초임계유체압축기와 초임계유체터빈을 포함하며, 초임계유체압축기의 출구는 냉각유로의 입구에 연결되고, 초임계유체터빈의 입구는 냉각유로의 출구에 연결되며, 초임계유체는 초임계유체압축기에서 압축되고, 냉각유로를 거치며 가열되어 초임계유체터빈에 공급되어 추가적으로 발전을 할 수 있다.
또한, 가스터빈에서 연소가스로 방출되는 이산화탄소를 포집하여 초임계유체로 이용하여 환경문제를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 가스터빈에서 연소기 및 터빈을 냉각하는 방식을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 초임계유체를 이용하여 연소기 및 터빈을 냉각하는 방식을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 주발전가스터빈과 부발전가스터빈을 이용한 발전방식을 도시한 것이다.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따라 주발전가스터빈과 부발전가스터빈을 이용한 발전방식을 도시한 것이다.
도 5는 종래 방식을 GE사의 Gatecycle 프로그램을 사용하여 얻은 simulation 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방식을 GE사의 Gatecycle 프로그램을 사용하여 얻은 simulation 결과이다.
도 7은 종래 방식과 본 발명의 실시예에 따른 방식의 전력 및 효율을 비교한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 초임계유체를 이용하여 연소기(200) 및 터빈(300)을 냉각하는 방식을 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일측면에 따른 초임계유체 냉각 가스터빈 장치는 공기를 압축하는 압축기(100), 상기 압축기(100)로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기(200) 및 상기 연소기(200)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(300)을 구비하며, 상기 연소기(200) 및 터빈(300)에는 냉각유로(400)가 설치되고, 상기 냉각유로(400)로 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기(200) 및 터빈(300)을 냉각하는 것을 특징으로 한다.
초임계유체는 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리키는 것으로, 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가진다.
보통 온도 및 압력에서는 기체와 액체가 되는 물질도 임계점(critical point)이라고 불리는 일정한 고온 및 고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계상태가 되는데, 이 상태에 있는 물질을 초임계유체라고 하는 것이다. 이러한 성질을 갖는 초임계유체 중 임계온도가 상온에 비교적 가까운 것이 이산화탄소여서 본 발명에서는 초임계유체의 한 실시형태로서, 이산화탄소를 이용한다.
이에 따라, 도 1에 나타난 종래 가스터빈과 달리 본 발명의 실시예에서는 냉각이 필요한 연소기(200) 및 터빈(300) 등에 냉각유로(400)를 설치하여 압축기(100)에 의하여 압축된 공기가 아닌 별도의 초임계유체를 이용하여 냉각하므로 발전 효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 주발전가스터빈(10)과 부발전가스터빈(20)을 이용한 발전방식을 도시한 것이고, 도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따라 주발전가스터빈(10)과 부발전가스터빈(20)을 이용한 발전방식을 도시한 것이다. 도 3 및 도 4를 살펴보면, 본 발명의 실시예에서는 초임계유체를 별도의 구동유체로 보아 부발전가스터빈(20)을 구동하여 발전을 증가시킬 수 있다.
구체적인 구성을 살펴보면, 주발전가스터빈(10)으로서, 공기를 압축하는 압축기(100), 상기 압축기(100)로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기(200) 및 상기 연소기(200)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(300)을 구비한 가스 터빈(300) 장치를 포함하고, 상기 연소기(200) 및 터빈(300)에는 냉각유로(400)가 설치되고, 상기 냉각유로(400)로 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기(200) 및 터빈(300)을 냉각하되, 주발전가스터빈(10)은 개루프(open loop)로 구성하고,
주발전가스터빈(10)과 결합되는 부발전가스터빈(20)은 초임계유체압축기(500)와 초임계유체터빈(600)을 포함하며, 상기 초임계유체압축기(500)의 출구는 상기 냉각유로(400)의 입구에 연결되며, 상기 초임계유체터빈(600)의 입구는 상기 냉각유로(400)의 출구에 연결되며, 상기 초임계유체는 상기 초임계유체압축기(500)에서 압축되고, 상기 냉각유로(400)를 거치며 가열되어 상기 초임계유체터빈(300)에 공급되어 부발전가스터빈(20)을 발전시키되 폐루르(closed loop)를 구성한다.
또한, 초임계유체로서는 이산화탄소를 이용할 수 있는데, 이때 상기 주발전가스터터빈(300)에서 연소 가스로 구동되는 터빈(300)에서 배출되는 이산화탄소를 초임계유체로 이용하며, 이를 이산화탄소포집부에서 포집하고, 포집된 이산화탄소를 냉각하여 상기 부발전가스터빈(20)의 초임계유체압축기(500)로 공급하여 순환시키는 구조를 가진다.
부발전가스터빈(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 연소기(200), 터빈(300)에 개별적으로 B, C 부분을 서로 연결하는 방식으로 결합하여 이용하는 것이 가능하며, 주발전가스터빈(10)에서 발생한 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하여 부발전가스터빈(20)으로 공급하는 방식(A를 연결)으로 이용할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 연소기(200) 및 터빈(300)에 설치된 냉각유로(400)의 입구가 모두 연결된 결합입구부와 출구가 모두 연결된 결합출구부에 하나의 부발전가스터빈(20)이 결합되어 이용하는 방식으로 구현하는 것도 가능하다.
또한, 추가로 필요한 열은 가스터빈 배가스(flue gas) 폐열 열교환을 통해 이용할 수 있다.
도 5는 종래 방식을 GE사의 Gatecycle 프로그램을 사용하여 얻은 simulation 결과이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방식을 GE사의 Gatecycle 프로그램을 사용하여 얻은 simulation 결과이며, 도 7은 종래 방식과 본 발명의 실시예에 따른 방식의 전력 및 효율을 비교한 것이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 종래의 가스터빈(single gas turbine)과 본 발명의 실시예에 따른 주발전가스터빈(10)과 부발전가스터빈(20)의 결합 가스터빈장치의 동력과 효율을 GE사의 Gatecycle 프로그램을 사용하여 얻은 simulation 결과로 비교하며 살펴보면, 동일 연료량을 기준으로 볼 때 종래 가스터빈에 비하여 본 발명의 실시예에 다른 가스터빈 장치의 출력과 효율이 향상되었음을 확인할 수 있다.
10 : 주발전가스터빈
100 : 압축기 200 : 연소기
300 : 터빈 400 : 냉각유로
20 : 부발전가스터빈
500 : 초임계유체압축기
600 : 초임계유체터빈

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 공기를 압축하는 압축기(100), 상기 압축기(100)로부터 배출된 공기와 연료가 연소되는 연소기(200) 및 상기 연소기(200)로부터 배출되는 연소 가스로 구동되는 터빈(300)을 구비한 가스 터빈(300) 장치에 있어서,상기 연소기(200) 및 터빈(300)에는 냉각유로(400)가 설치되고, 상기 냉각유로(400)로 초임계유체를 냉각유체로서 흘려 연소기(200) 및 터빈(300)을 냉각하는 주발전가스터빈(10)과
    초임계유체압축기(500)와 초임계유체터빈(600)을 포함하며, 상기 초임계유체압축기(500)의 출구는 상기 냉각유로(400)의 입구에 연결되며, 상기 초임계유체터빈(600)의 입구는 상기 냉각유로(400)의 출구에 연결되며, 상기 초임계유체는 상기 초임계유체압축기(500)에서 압축되고, 상기 냉각유로(400)를 거치며 가열되어 상기 초임계유체터빈(600)에 공급되는 부발전가스터빈(20)을 포함하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 초임계유체는 이산화탄소인 것을 특징으로 초임계유체 냉각 가스터빈 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 주발전가스터빈(10)에서 연소 가스로 구동되는 터빈(300)에서 배출되는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집부를 더 포함하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소포집부에서 포집된 이산화탄소를 냉각하여 상기 부발전가스터빈(20)의 초임계유체압축기(500)로 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 부발전가스터빈(20)이 상기 연소기(200) 및 터빈(300)에 설치된 냉각유로(400) 마다 각각 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 연소기(200) 및 터빈(300)에 설치된 냉각유로(400)의 입구가 모두 연결된 결합입구부와 출구가 모두 연결된 결합출구부에 하나의 부발전가스터빈(20)이 결합되는 것을 특징으로 하는 초임계유체 냉각 가스터빈 장치.

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