KR101531831B1 - 발전기-증기 터빈-터보 압축기-라인 및 그 동작 방법 - Google Patents

발전기-증기 터빈-터보 압축기-라인 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인이, 발전기 및/또는 증기 터빈에 의해서 구동될 수 있고, 축계(軸系)에 함께 커플링되는, 가변 주파수 발전기와 증기 터빈과 터보 압축기를 구비하되, 상기 발전기는 동력을 공급하기 위한 전기 동력 공급 시스템에 전기적으로 커플링될 수 있고, 상기 증기 터빈은 상기 증기 터빈에 생 증기를 공급하기 위한 생 증기 공급 장치에 연결될 수 있고, 그 결과 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인은 상기 주 동력 공급을 변화시켜서 및/또는 상기 생 증기의 공급을 변화시켜서 제어되는 회전 속도를 가진다.

Description

발전기-증기 터빈-터보 압축기-라인 및 그 동작 방법{GENERATOR-STEAM TURBINE-TURBOCOMPRESSOR-LINE AND METHOD FOR THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(string) 및 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 동작 방법에 관한 것이다.
예를 들어 화학 산업에 있어서 플랜트에 터보 압축기가 사용될 수 있다. 플랜트에 있어서 일반적으로 공정 증기의 형태인 열 에너지의 공급이 존재한다. 공정 증기 시스템 내에서 이러한 공정 증기가 이용가능하게 되고, 이로부터 공정 증기가 증기 터빈을 구동하기 위해 빼내질(be drawn off) 수 있다. 일반적으로 증기 터빈은 터보 압축기를 구동하는 데에 사용된다.
일반적으로, 터보 압축기의 서로 다른 회전 속도들과 결부될 수 있는 다양한 동작 상태들에서 터보 압축기가 동작된다. 일반적으로 터보 압축기의 회전 속도는 터보 압축기에 의해 소비되는 구동 전력에 영향을 미치는데, 여기서 공정 증기 시스템으로부터 제공되는 열적 동력(thermal power)인 터보 압축기를 구동시키는 데에 필요한 동력보다 일반적으로 더 크다. 이러한 과잉 동력은 터보 압축기의 동력 소비가 감소됨에 따라서 증가한다.
일반적으로, 이러한 과잉 동력은 사용되지 아니하거나 또는 플랜트에 설치되고 증기 터빈과 발전기로 구성된 부가적인 터빈 세트로 공급된다.
도 2는 발전기(101)와 증기 터빈(102)을 구비하는 증기 터빈 세트를 나타낸다. 증기 터빈(102)은 제1 커플링(104)을 통해서 발전기(101)를 구동한다. 증기 터빈(102)을 구동하는 것으로 목적으로, 생 증기(live steam)가 생 증기 라인(106)으로부터 증기 터빈(102)으로 공급된다. 발전기(101)에 의해 생성되는 전력이 전기 네트워크(107)로 입력된다.
덧붙여, 터보 압축기(103)를 구동하기 위해 커플링(105)을 통해 차례로 커플링되는 다른 증기 터빈(108)을 구동하는 데에 생 증기 라인(106) 내 증기가 사용된다. 터보 압축기(103)의 회전 속도는 회전 속도 피드백 장치(109)에 의해서 조절되는데, 회전 속도 피드백 장치는 생 증기 밸브(108a)를 제어한다. 따라서 터보 압축기(103)에 대하여 기결정된 회전 속도가 특정되면, 회전 속도 피드백 장치(109)에 의해서 생 증기 밸브(108a)가 액추에이트되어서, 그 결과 기정의된 회전 속도에서 터보 압축기(103)가 설정되고 유지되는(be held) 방식으로 생 증기 라인(106)으로부터 증기 터빈(108)으로 공급되는 증기의 양이 설정된다.
제어 및 공정 엔지니어링 이유들에 의해서, 터보 압축기(103)를 구동하는 증기 터빈(108)은 과한 치수를 가지도록 설계된다. 증기 터빈(108)은, 생 증기 라인(106)의 최소의 파라미터들에 대하여, 터보 압축기(103)에 대한 최대 필요 구동력을 이용가능하게 만들어야 한다. 이와 별도로, 증기 터빈(108)은 감소된 생 증기 파라미터들에 의해서조차 터보 압축기(103)가 러닝-업되도록 할 수 있어야 한다. 이러한 이유로, 증기 터빈(108)은 정격으로(as rated) 동작하고 있을 때 최대 증기 처리율의 단지 약 70%에 처하게 된다. 이것의 결과는 생 증기 밸브(108a)가 스로틀링-백된 채로, 증기 터빈(108)이 그 동작 시간의 대부분 동안 구동된다는 것이다. 이 때문에, 증기 터빈(108)의 효율은 그 최대 효율보다 멀리 떨어진 아래에 놓인다.
생 증기 라인(106) 내에서 이용가능한 과다한 생 증기는 증기 터빈(102)과 발전기(101)에 의해서 멀리 공급된다(is fed away). 그런데, 플랜트 내에 증기 터빈(102)과 발전기(106)를 추가적으로 제공하는 것이 요구되고 이것은 비용이 많이 든다.
도 3은 발전기(101)와 증기 터빈(102)과 터보 압축기(103)를 구비하는 종래의 라인을 나타낸다. 증기 터빈(102)에는 생 증기 라인(106)으로부터 생 증기가 공급되고 그리고 구동 목적으로 커플링(104)에 의해서 발전기(101)에 커플링되고 커플링(105)에 의해서 터보 압축기(103)에 커플링된다.
발전기(101)에서 제공된 전력은 전기 네트워크(107) 내로 공급된다. 터보 압축기(103)는 일정한 회전 속도에서 동작된다.
앞서 전술한 이유들로 인하여, 그 정격 부하 및 부분 부하에서 증기 터빈(102)이 스로틀링-백되게 구동되어, 그 결과 증기 터빈(102)의 효율 또한 그 최적 효율 아래에 놓이게 된다. 나아가 그 회전 속도에 의해서 터보 압축기(103)를 조절(regulate)하는 것의 가능성이 없게 되고 이것은 전체 프로세스 동안 효율의 손실을 야기한다.
본 발명의 목적은 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인이 높은 레벨의 효율을 가지고 또한 양호하게 조절될 수 있고 투자 비용이 작은 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인은, 발전기 및/또는 증기 터빈에 의해서 구동될 수 있고, 샤프트 상 라인으로서 함께 커플링되는, 가변 주파수 발전기와 증기 터빈과 터보 압축기를 구비한다. 상기 발전기는 주 동력을 공급하기 위한 전기 네트워크 내로 전기적으로 커플링될 수 있고, 상기 증기 터빈은 상기 증기 터빈에 생 증기를 공급하기 위한 생 증기 공급 파이프에 연결될 수 있고, 그 결과 공급된 상기 주 동력을 변화시켜서 및/또는 상기 생 증기의 공급을 변화시켜서 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 회전 속도를 조절할 수 있다.
발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인을 동작하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인을 제공하는 단계와; 그리고 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 회전 속도를 조절하기 위해 상기 발전기에 제공된 상기 주 동력을 변화시키는 단계 및/또는 상기 증기 터빈에 공급된 상기 생 증기를 변화시키는 단계;를 포함한다.
발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인에 있어서, 터보 압축기는 증기 터빈에 의해서 구동될 수 있고, 이에 의해서 상기 라인에 의해서 공급된 프로세스 에너지가 완전히 변환된다. 증기 터빈이 발전기를 구동한다는 사실 때문에, 어떠한 추가적인 발전기 구동기도 제공되지 아니하며, 그 결과 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 투자 비용이 작다.
발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인에서 증기 터빈은 증기 조절 밸브가 완전히 열리게 설정된 채로 구동될 수 있다. 이것은 증기 터빈의 높은 효율을 결과하고 그 결과 프로세스 에너지로부터의 수율(yield)이 높아진다.
나아가, 발전기-증기 터빈-터보 압축기 내 터보 압축기의 동력이 회전 속도를 변화시키는 것에 의해서 조절되는 것을 허용하고, 그 결과 터보 압축기의 동력 조절이 효율적이게 된다.
터보 압축기를 러닝-업할 때, 발전기는 모터로서 동작될 수 있고 이에 의해서 터보 압축기가 러닝-업될 때, 추가적인 구동 전력이 발전기에 의해서 제공된다. 이것은 터보 압축기로부터의 높은 동력 요구에 의해서 그리고 증기 파라미터들이 낮을 수 있을 때, 터보 압축기를 러닝-업하는 것이 결과될 수 있는 방식으로, 증기 터빈이 설계될 필요가 없다는 것을 의미한다. 따라서 증기 터빈이 비용-효율적인 구성이 될 수 있고, 그 결과 증기 터빈에 대한 투자 비용이 작아진다. 이와 별도로, 증기 터빈은 정상 동작에 있어서 단지 가볍게(lightly) 또는 쓰로틀링되지 아니하여 구동될 수 있고 그 결과 증기 터빈의 효율이 높아진다.
증기 터빈은 바람직하게는 상기 생 증기 공급 설비로부터 상기 증기 터빈으로 상기 생 증기를 공급하기 위한 생 증기 밸브를 포함할 수 있고, 여기서 상기 생 증기의 공급을 조절하는 데에 상기 생 증기 밸브가 사용될 수 있고, 그 결과 상기 생 증기 밸브에 의해서 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 회전 속도가 조절될 수 있다.
이것은 이를 목적으로 적절한 밸브 포지셔너(valve positioner)를 구비하는 생 증기 밸브를 사용하여 증기 터빈으로의 에너지 공급을 조절하는 것을 가능하게 한다. 이것은 증기 터빈의 동력 출력을 조절하고 그에 의해서 증기 터빈의 회전 속도를 조절하는 것을 간단하게 만든다.
또한 바람직하게는, 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인은 주파수 변환기를 구비하고, 상기 주파수 변환기를 통해 상기 발전기가 주 동력 공급을 위한 상기 전기 네트워크에 전기적으로 커플링될 수 있고, 그리고 상기 발전기의 동력이 조절될 수 있어서 그 결과 상기 주파수 변환기에 의해서 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 회전 속도가 조절될 수 있다.
주파수 변환기에 의해서, 주 동력 공급이 사용되었을 때, 발전기의 동력 출력이 변화될 수 있어서, 그 결과 발전기의 동력 요구가 터보 압축기의 동력 요구에 정합될 수 있다. 이것이 의미하는 것은, 증기 터빈의 구동 동력이 설정될 수 있고 이로써 생 증기 공급 설비로부터 이용가능한 동력으로 정합될 수 있다는 것이다. 이러한 수단에 의해서, 생 증기 공급 설비로부터 이용가능한 증기 모두가 증기 터빈에서 팽창될 수 있고(be expanded), 한편 터보 압축기는 원하는 동작 상태에서 동작될 수 있다.
바람직하게는 발전기는 발전 모드와 구동 모터 모드 양자에서 동작될 수 있다.
발전기가 구동 모터 모드에서 동작된다면, 발전기는 부가적인 구동 동력을 제공한다. 이러한 부가적인 구동 동력은 예를 들어 터보 압축기를 러닝-업할 때 예를 들어 생 증기 공급 설비로부터의 증기 이용가능성이 터보 압축기를 러닝-업하기에 너무 낮을 때 필요로 될 수 있다. 이것은 증기 터빈의 구동 동력만을 통해서는 불충분할 때에도 터보 압축기를 구동하는 것을 가능하게 한다. 구동 모터 모드에 있어서, 발전기는 주 공급으로부터 동력을 끌어 온다(draw).
바람직하게는, 발전기는 고속 발전기일 수 있다.
또한, 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인을 동작시키는 방법은 바람직하게는, 상기 증기 터빈에 생 증기 밸브를 제공하는 단계;와 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 회전 속도를 조절하기 위해 상기 생 증기 밸브의 설정을 변화시키는 단계;와 정상 동작에 있어서: 상기 생 증기 밸브가 완전히 열린 위치로 설정된 채로 상기 증기 터빈이 동작되는 단계;를 포함한다.
이에 의해서, 증기 터빈은, 정상 동작에 있어서, 부분 부하 하가 아닌 그 정격 부하로 동작되고 그 결과 증기 터빈의 효율이 높아진다.
또한, 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인을 동작시키는 방법은 바람직하게는, 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인에 주파수 변환기를 제공하는 단계; 그리고 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 회전 속도를 조절하기 위해 상기 주파수 변환기를 사용하여 상기 발전기의 동력을 변화시키는 단계;를 포함한다.
이와는 별도로, 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인을 동작시키는 방법은 바람직하게는 발전기 모드 및 구동 모터 모드에서 동작할 수 있는 발전기를 제공하는 단계; 그리고 러닝-업 동작 동안: 상기 발전기가 구동 모터 모드로 동작하는 단계;를 포함한다.
이하 본 발명에 따른 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 바람직한 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다. 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 개략적인 표현을 나타내고,
도 2는 선행 기술에 따른 증기 터빈-터보 압축기 라인 및 증기 터빈-발전기 라인을 나타내고, 그리고
도 3은 선행 기술에 따른 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인을 나타낸다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)은 샤프트 조립체(5)를 이루는, 발전기(2)와 증기 터빈(3)과 터보 압축기(4)를 포함한다. 증기 터빈(3)은 제1 커플링(5a)에 의해서 발전기(2)를 구동하도록 커플링되고 제2 커플링(5b)에 의해서 터보 압축기(4)를 구동하도록 커플링된다. 생 증기 공급 설비(7)로부터 증기를 사용하여 증기 터빈(3)이 동작되는데, 증기 터빈(3)으로 유동하는 증기는 생 증기 밸브(8)에 의해서 조절될 수 있다. 생 증기 밸브(8)는 회전 속도 피드백 장치(10)에 의해서 샤프트 조립체(5)의 회전 속도에 링크된다. 이러한 회전 속도 피드백 장치(10)에 의해서, 샤프트 조립체(5)의 회전 속도가 조절되는 방식으로 생 증기 밸브(8)가 액추에이트될 수 있다.
주파수 변환기(9)를 통해 발전기(2)가 주 동력의 공급을 위한 전기 네트워크(6) 내로 커플링된다. 주파수 변환기(9)는 회전 속도 피드백 장치(11)에 의해서 샤프트 조립체(5)의 회전 속도에 링크된다.
생 증기 밸브(8)와 회전 속도 피드백 장치(10)는 조절된 회전 속도에서 터보 압축기(4)를 구동하기 위한 터빈(3)을 갖춘다. 또한 증기 터빈(3)이 발전기(2)를 구동할 목적으로 하나의 샤프트 조립체(5) 상에 결합된다. 터보 압축기(4)이 러닝-업되고 있을 때 외부 조건이 부가적인 보조 에너지를 요청한다면, 발전기(2)와 주파수 변환기(9)가 모터로서도 동작될 수 있다. 정상적인 동작에 있어서, 생 증기 밸브(8)가 완전히 열리도록 설정된 채로 그 결과 정격 작동(rated operation)에 있어서 증기 터빈이 높은 효율에서 동작될 수 있도록 증기 터빈(3)이 구동된다.
증기 터빈(3)의 정격인 동작에서 존재하는 과다한 동력은 전력 생성을 위해 발전기(2)에서 사용된다.
주파수 변환기(9)의 도움에 의해서, 발전기(2)는 해당 네트워크(6)의 네트워크 주파수에서 교류 전류를 생성하고 이것은 네트워크(6) 내로 제공될 수 있다. 필요한 경우에, 발전기(3)는 터보 압축기(4)를 러닝-업하기 위한 부가적인 기계적인 동력을 제공하도록 모터로서 동작할 수 있다. 제공된 주 동력의 조정에 의해서 또는 발전기(2)로부터의 동력이 일정할 때, 증기 터빈(2) 상 생 증기 밸브(8)에 의해서, 샤프트 조립체(5)의 회전 속도 조절이 결과된다. 주파수 변환기(9)에서 발전기(2)의 동력 제어가 결과된다.

Claims (9)

  1. 가변 주파수 발전기(2), 증기 터빈(3), 및 상기 발전기(2)와 상기 증기 터빈(3) 중 하나 이상에 의해 구동될 수 있는 터보 압축기(4)를 구비한 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)으로서,
    상기 발전기(2), 상기 증기 터빈(3) 및 상기 터보 압축기(4)가 샤프트 조립체(5)를 형성하도록 함께 커플링되고,
    상기 발전기(2)는 주 동력(mains power)을 공급하기 위한 목적으로 전기 네트워크(6) 내로 전기적으로 커플링될 수 있고, 상기 증기 터빈(3)은 상기 증기 터빈(3)에 생 증기를 공급하기 위한 생 증기 공급 설비(7)에 연결될 수 있어서, 공급된 상기 주 동력을 변화시키거나, 또는 상기 생 증기의 공급을 변화시키거나, 또는 공급된 상기 주 동력을 변화시키고 상기 생 증기의 공급을 변화시켜서 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 회전 속도가 조절될 수 있으며,
    상기 증기 터빈(3)은 상기 생 증기 공급 설비(7)로부터 상기 증기 터빈(3)으로 상기 생 증기를 공급하기 위한 생 증기 밸브(8)를 포함하고,
    상기 생 증기의 공급을 조절하는 데에 상기 생 증기 밸브(8)가 사용될 수 있어서, 상기 생 증기 밸브(8)에 의해서 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 회전 속도가 조절될 수 있고,
    상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)은 주파수 변환기(9)를 구비하고, 상기 주파수 변환기(9)를 통해 상기 발전기(2)가 주 동력 공급 목적으로 상기 전기 네트워크(6)에 전기적으로 커플링될 수 있고, 그리고 상기 발전기(2)의 동력이 조절될 수 있어서 상기 주파수 변환기(9)에 의해서 상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 회전 속도가 조절될 수 있는,
    발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 발전기(2)가 발전기 모드에서 뿐만 아니라 구동 모터 모드에서도 동작될 수 있는,
    발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 발전기(2)는 고속 발전기인,
    발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인.
  6. 제1 항, 제4 항 및 제5 항 중의 어느 한 항에 따른 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 구동 방법으로서,
    상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)을 제공하는 단계; 그리고
    상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 회전 속도를 조절하기 위해, 상기 발전기(2)에 제공된 상기 주 동력을 변화시키는 것 및 상기 증기 터빈(3)에 공급된 상기 생 증기를 변화시키는 것 중 하나 이상을 실행하는 단계;
    상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)에 주파수 변환기(9)를 제공하는 단계; 그리고
    상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 회전 속도를 조절하기 위해 상기 주파수 변환기(9)를 사용하여 상기 발전기(2)의 동력을 변화시키는 단계;를 포함하는,
    발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 구동 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 증기 터빈(3)에 생 증기 밸브(8)를 제공하는 단계;
    상기 발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인(1)의 회전 속도를 조절하기 위해 상기 생 증기 밸브(8)의 설정을 변화시키는 단계; 그리고
    정상 동작에 있어서: 상기 생 증기 밸브(8)를 완전히 열린 위치로 설정한 채로 상기 증기 터빈(3)을 동작시키는 단계;를 포함하는,
    발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 구동 방법.
  8. 삭제
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 발전기(2)를 발전기 모드에서 뿐만 아니라 구동 모터 모드에서도 동작할 수 있는 형태로 제공하는 단계; 그리고
    러닝-업 동작 동안: 상기 발전기(2)를 구동 모터 모드로 동작시키는 단계;를 포함하는,
    발전기-증기 터빈-터보 압축기 라인의 구동 방법.
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