KR20090127083A - 터빈 시스템 및 터빈 시스템 작동 방법 - Google Patents

터빈 시스템 및 터빈 시스템 작동 방법 Download PDF

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스탠리 에프 심슨
조지 엠 길크라이스트
하샌 카림
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

터빈 시스템(2)은 가스를 압축하도록 구성된 제 1 압축기(6)와; 압축된 가스(9)를 연료(12)와 혼합시키고 이 혼합물을 연소시키도록 구성된 제 1 연소기(10)와; 상기 제 1 연소기(10)의 연소 가스(14)에 의해 구동되도록 구성된 제 1 터빈(16)과; 상기 제 1 터빈(16)으로부터의 배기 가스(18)를 연료(22)와 혼합시키고 이 혼합물을 연소시키도록 구성된 제 2 연소기(20)와; 상기 제 2 연소기(20)로부터의 연소 가스(24)에 의해 구동되도록 구성된 제 2 터빈(26)과; 상기 압축기(6)에 의해 구동되도록 구성된 발전기(4)를 포함한다. 상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)은 상기 제 1 연소기(10)내에서 혼합하도록 재순환된다. 터빈 시스템(2)을 작동시키는 방법은 제 1 압축기(6)로 가스(8)를 압축시키는 단계와; 연료(12)와 압축된 가스(9)를 혼합시켜 제 1 혼합물을 형성하고, 이 제 1 혼합물을 연소시키는 단계와; 상기 제 1 혼합물을 연소시켜서 생성되는 연소 가스(14)로 제 1 터빈(16)을 구동시키는 단계와; 연료(22)와 제 1 터빈(16)으로부터의 배기 가스(18)를 혼합시켜 제 2 혼합물을 형성하고, 이 제 2 혼합물을 연소시키는 단계와; 상기 제 2 혼합물을 연소시켜서 생성되는 연소 가스(24)로 제 2 터빈(26)을 구동시키는 단계와; 상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 제 1 혼합물내로 재순환시키는 단계를 포함한다.

Description

터빈 시스템 및 터빈 시스템 작동 방법{TURBINE SYSTEM HAVING EXHAUST GAS RECIRCULATION AND REHEAT}
본 발명은 열 NOx의 환원을 위한 재연소 시스템(reheat combustion system) 및 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation : EGR) 시스템을 갖는 가스 터빈을 구비하는 터빈 시스템에 관한 것이다.
산업 배기가스의 환경 충격에 관한 관심이 증가되고 있고, 그래서 허용가능한 배기가스의 제한이 많다. 대형 가스 터빈 시스템은 전기 수용에 부합하기 위해 필요한 상당한 양의 연료로 인해 특히 관심이 집중되고 있다. 많은 연소 계획은 가장 대중적인 시스템에서 현재 사용되는 있는 높은 터빈 연소 온도로부터 야기되는 연소가스를 감소시키기 위해 개발되고 있다. 이들 연소 계획의 일부는 예혼합 연소, 단계적 연소, 무화 액체 연료, 다양한 희석제의 주입, 촉매 연소, 배기 가스 재순환(EGR) 및 재연소를 포함한다.
대표적인 재연소 시스템에 있어서, 재연소 연소기는 제 1 연소기의 하류에 위치되어, 대표적으로 보다 큰 효율 및 보다 낮은 배기가스를 제공한다. EGR은 흡 입 또는 연소 챔버와 같은 터빈의 섹션내로 배기 가스를 재도입하도록 종종 이용되어, 고온 가스 포켓에서의 온도를 낮추고, 또한 산소 농도를 감소시키는 배기가스 이점을 제공한다.
본 발명은 배기가스가 감소된 터빈 시스템 및 터빈 시스템 작동 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
일 실시예에 있어서, 터빈 시스템은 가스를 압축하도록 구성된 제 1 압축기와; 압축된 가스를 연료와 혼합시키고 이 혼합물을 연소시키도록 구성된 제 1 연소기와; 상기 제 1 연소기의 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 제 1 터빈과; 상기 제 1 터빈으로부터의 배기 가스를 연료와 혼합시키고 이 혼합물을 연소시키도록 구성된 제 2 연소기와; 상기 제 2 연소기로부터의 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 제 2 터빈과; 상기 터빈 시스템에 의해 구동되도록 구성된 발전기를 포함한다. 상기 제 2 터빈으로부터의 배기 가스의 제 1 부분은 상기 제 1 연소기내에서 혼합하도록 재순환된다.
다른 실시예에 있어서, 터빈 시스템을 작동시키는 방법은 제 1 압축기로 가스를 압축시키는 단계와; 연료와 압축된 가스를 혼합시켜 제 1 혼합물을 형성하고, 이 제 1 혼합물을 연소시키는 단계와; 상기 제 1 혼합물을 연소시켜서 생성되는 연소 가스로 제 1 터빈을 구동시키는 단계와; 연료와 제 1 터빈으로부터의 배기 가스를 혼합시켜 제 2 혼합물을 형성하고, 이 제 2 혼합물을 연소시키는 단계와; 상기 제 2 혼합물을 연소시켜서 생성되는 연소로 제 2 터빈을 구동시키는 단계와; 상기 제 2 터빈으로부터의 배기 가스의 제 1 부분을 제 1 혼합물내로 재순환시키는 단계 를 포함한다.
또다른 실시예에 있어서, 터빈 시스템은 각각 가스를 압축시키도록 구성된 복수의 압축기와; 각각 연료와 압축된 가스를 혼합시켜 이 혼합물을 연소시키는 복수의 연소기와; 각각 상기 복수의 연소기중 적어도 하나의 연소 가스에 의해 구동되도록 구성된 복수의 터빈과; 터빈 시스템에 의해 구동되도록 구성된 발전기를 포함한다. 터빈의 적어도 일부로부터의 배기 가스의 부분은 재순환되고, 압축기의 적어도 일부로 도입된다.
본 발명의 터빈 시스템 및 터빈 시스템 작동 방법에 의하면 배기가스가 감소되는 이점이 있다.
도 1을 참조하면, 샘플 실시예에 따른 터빈 시스템(2)은 샤프트(36)에 의해 압축기(6)에 작동식으로 연결된 발전기(4)를 포함한다. 압축기(6)는 일정 회전 속도로 작동되어, 흡입 공기(8)의 양이 일정하게 유지될 수 있도록 할 수 있다. 압축된 공기는 주 연소 챔버 또는 연소기(10)로 공급된다. 연료(12)의 준비는 예를 들면 석탄 가스화 시스템에 의해 실행될 수 있다.
압축기(6)에 의해 제 1 연소기(10)에 제공된 공기의 양은 연료(12)를 연소시키기 위해 필요한 공기의 양을 초과한다. 과잉 공기를 포함하는 제 1 연소기(10)로부터의 연소 가스(14)는 샤프트(36)에 의해 압축기에 연결된 고압 터빈(16)에 공급된다. 고압 터빈 배기 가스(18)는 제 2 또는 재연소 연소기(20)에 공급되어 연 료(22)와 혼합된다. 제 2 연소기(20)로부터의 연소 가스(24)는 샤프트(36)에 의해 고압 터빈(16), 압축기(6) 및 발전기(4)에 연결된 저압 터빈(26)에 공급된다. 발전기(4), 압축기(6), 고압 터빈(16) 및 저압 터빈(26)의 연결은 이들 구성요소가 동일한 속도로 작동할 수 있게 한다.
저압 터빈 배기 가스(28)는 대기 배기 가스(30) 및 재순환 배기 가스(32)로 나눠진다. 대기 배기 가스(30)는 예를 들면 최적의 열교환기(도시하지 않음)를 통해 대기로 배기된다.
재순환 배기 가스(32)는 열교환기(34)를 통해 공급되며, 다음에 냉각되고 비압축된 재순환 배기 가스(33)는 흡입 공기(8)와 함께 압축기(6)로 공급된다. 열교환기(34)에 의해 재순환된 배기 가스(32)는, 예를 들어 시스템이 조합된 사이클 시스템일 수 있도록 증기 터빈 장치를 작동시키는데 사용될 수 있다.
터빈 시스템(2)의 다른 샘플 실시예를 도시하는 도 2를 참조하면, 재순환 배기 가스(32)는 열교환기(34)를 통해 통과되고, 냉각되고 비압축된 재순환 배기 가스(33)는 모터(38) 또는 다른 장치에 의해 구동되는 압축기(40)로 공급된다. 압축되고 냉각된 재순환 배기 가스(42)는 압축기(6)로부터 제 1 연소기(10)까지 라인으로 공급된다. 따라서, 압축되고 냉각된 재순환 배기 가스(42)는 압축된 흡입 공기(8)와 혼합되고, 결과적인 압축된 공기 및 가스(9)는 제 1 연소기(10)로 공급된다.
터빈 시스템(2)의 다른 샘플 실시예에 따른 도 3을 참조하면, 부분적으로 냉각되고 비압축된 재순환 배기 가스(47)는 제 2 모터(44)에 의해 열교환기(34)로부 터 제 2 압축기(46)로 공급된다. 압축되고 부분적으로 냉각된 재순환 배기 가스(48)는, 압축기(46)로부터, 고압 터빈(16)으로부터 고압 터빈 배기 가스(18)와 혼합될 제 2 연소기(20)까지 라인으로 공급된다.
저압 터빈 배기 가스(28)의 제 2 부분(35)은 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator : HRSG)(80)로 전달될 수 있다. HRSG(80)는 증기를 발생시켜 증기 터빈(82)을 작동시키며, 그 결과 시스템은 조합된 사이클 구성일 수 있다. 여기에서 설명한 실시예의 모두는 HRSG 및 증기 터빈을 구비하여 조합된 사이클 구성을 제공할 수 있다.
도 4를 참조하면, 다른 샘플 실시예에 따른 터빈 시스템(2)은 듀얼 샤프트(50, 52)를 포함한다. 압축기(6) 및 고압 터빈(16)은 제 1 샤프트(50)에 의해 연결되고, 저압 터빈(26) 및 발전기(4)는 제 2 샤프트(52)에 의해 연결된다. 제 1 샤프트(50)는 압축기(6) 및 고압 터빈(16)이 동일한 속도로 회전하는 것을 보장하며, 제 2 샤프트(52)는 저압 터빈(26) 및 발전기(4)가 동일한 속도로 회전하는 것을 보장한다.
도 5를 참조하면, 열교환기(34)는 저압 터빈 배기 가스(28)를 직접 수용하도록 제공된다. 열교환기(34)를 통해 통과된 후에, 저압 터빈 배기 가스(28)는 대기로 배기되는 냉각된 대기 배기 가스(31)와, 저압 압축기(54)내로 도입되는 흡입 공기(8)와 조합되는 냉각되고 비압축된 재순환 배기 가스(33)로 나눠진다. 저압 압축기(54)는 압축된 공기 및 가스를 연료(12)와 혼합시키기 위해서 제 1 연소기(10)에 공급하는 고압 압축기(56)에 연결된다.
저압 압축기(54), 저압 터빈(26) 및 발전기(4)는 공통 샤프트(58)에 의해 지지된다. 제 2 샤프트(60)는 고압 압축기(56) 및 고압 터빈(16)을 연결시켜, 고압 압축기(56) 및 고압 터빈(16)이 동일 속도로 회전되는 것을 보장한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 터빈 시스템(2)의 다른 샘플 실시예에 따르면, 저압 터빈 배기 가스(28)는 예를 들면 최적의 열교환기(도시하지 않음)를 통해 대기로 배기되는 대기 배기 가스(30)와, 열교환기(34)를 통해 통과되는 비압축되고 비냉각된 재순환 배기 가스(62)를 포함하는 제 1 부분으로 나눠진다. 또한, 저압 터빈 배기 가스(28)는 재순환 배기 가스 압축기(68)에 의해 압축된 재순환 배기 가스(32)로 더 나눠진다. 또한, 압축되고 비냉각된 재순환 배기 가스(43)는 열교환기(34)를 통해 통과되고, 압축되고 냉각된 재순환 배기 가스(42)는 압축기(6)로부터 압축된 흡입 공기(9)가 추가될 제 1 연소기(10)까지 라인으로 공급된다. 열교환기(34)를 빠져나간 냉각되고 비압축된 재순환 배기 가스(63)는 흡입 공기(8)와 조합되고, 그에 따라 조합된 공기 및 가스는 압축기(6)로 공급된다.
압축기(6) 및 고압 터빈(16) 및 재순환 배기 가스 압축기(68)는 제 1 샤프트(64)에 의해 연결된다. 저압 터빈(26) 및 발전기(4)는 제 2 샤프트(66)에 의해 연결되어, 저압 터빈(26) 및 발전기(4)가 동일 속도로 회전하는 것을 보장한다.
도 7을 참조하면, 중압 터빈(70)은 고압 터빈(16)과 저압 터빈(26) 사이에 마련된다. 압축되고 냉각된 재순환 배기 가스(42)는 압축기(6)로부터 압축된 흡입 공기(9)에 추가될 제 1 연소기(10)까지 라인으로 공급된다. 비압축되고 비냉각된 재순환 배기 가스(62)의 제 2 부분은 열교환기(34)를 통해 통과되고, 냉각되고 비 압축된 재순환 배기 가스(63)의 제 2 부분은 압축기(6)로 도입된 흡입 공기(8)에 추가된다. 압축되고 부분적으로 냉각된 재순환 배기 가스(48)는 열교환기(34)로부터, 중압 터빈 배기 가스(72)에 추가될 제 2 연소기(20)와 중압 터빈(70) 사이의 라인까지 공급된다.
압축기(6) 및 고압 터빈(16)은 제 1 샤프트(74)에 의해 연결되어, 제 1 압축기가 고압 터빈(16)에 의해 동력이 가해지는 것을 보장한다. 중압 터빈(70) 및 재순환 배기 가스 압축기(68)는 제 2 샤프트(76)에 의해 지지된다. 저압 터빈(26) 및 발전기(4)는 제 3 샤프트(78)에 의해 연결되어, 2개의 구성요소가 동일 속도로 회전되는 것을 보장한다.
가장 실제적이고 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예에 의해 제한되지 않으며, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 영역내에 포함된 다양한 변경 및 등가 구성을 커버한다.
도 1은 싱글 샤프트를 구비하는 재연소 터빈 시스템의 샘플 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 싱글 샤프트를 구비하는 재연소 터빈 시스템의 다른 샘플 실시예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 3은 싱글 샤프트를 구비하는 재연소 터빈 시스템의 다른 샘플 실시예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 4는 듀얼 샤프트 구성을 갖는 재연소 터빈 시스템의 샘플 실시예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 5는 동심 샤프트 구성을 갖는 재연소 터빈 시스템의 다른 샘플 실시예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 6은 동심 샤프트 구성을 갖는 재연소 터빈 시스템의 다른 샘플 실시예를 개략적으로 도시하는 도면,
도 7은 동심 듀얼 샤프트 구성을 갖는 재연소 터빈 시스템의 다른 샘플 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 터빈 시스템 6 : 제 1 압축기
8 : 가스 10 : 제 1 연소기
12 : 연료 16 : 제 1 터빈
20 : 제 2 연소기 26 : 제 2 터빈
28 : 배기 가스 40 : 제 2 압축기
46 : 제 3 압축기 80 : 증기 발생기
82 : 증기 터빈

Claims (10)

  1. 터빈 시스템(2)에 있어서,
    가스(8)를 압축하도록 구성된 제 1 압축기(6)와,
    압축된 가스(9)를 연료(12)와 혼합시키고 이 혼합물을 연소시키도록 구성된 제 1 연소기(10)와,
    상기 제 1 연소기(10)의 연소 가스(14)에 의해 구동되도록 구성된 제 1 터빈(16)과,
    상기 제 1 터빈(16)으로부터의 배기 가스(18)를 연료(22)와 혼합시키고 이 혼합물을 연소시키도록 구성된 제 2 연소기(20)와,
    상기 제 2 연소기(20)로부터의 연소 가스(24)에 의해 구동되도록 구성된 제 2 터빈(26)과,
    상기 터빈 시스템(2)에 의해 구동되도록 구성된 발전기(4)를 포함하며,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)은 상기 제 1 연소기(10)내에서 혼합하도록 재순환되는
    터빈 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)은 상기 제 1 압축기(6)내로 도입되도록 재순환되는
    터빈 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 압축시키도록 구성된 제 2 압축기(40)를 더 포함하며,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 압축된 제 1 부분(42)은 상기 제 1 연소기(10) 이전에 상기 제 1 압축기(6)로부터의 압축된 공기(8)와 혼합되는
    터빈 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 압축기(40)는, 상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)이 열교환기(34)에 의해 냉각되기 전에 또는 냉각된 후에 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 압축시키도록 구성된
    터빈 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    열교환기(34)에 의해 부분적으로 냉각된, 상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 2 부분(47)을 압축시키도록 구성된 제 3 압축기(46)를 더 포함하며,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 압축된 제 2 부분(48)은 상기 제 2 연소기(20) 이전에 상기 제 1 터빈(16)으로부터의 배기 가스(18)와 혼합되는
    터빈 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    증기를 발생시키도록 구성된 증기 발생기(80)와,
    상기 증기 발생기에 의해 발생된 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈(82)을 더 포함하며,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 2 부분(35)은 증기 발생기(80)로 전달되어 증기를 발생시키는
    터빈 시스템.
  7. 터빈 시스템(2)을 작동시키는 방법에 있어서,
    제 1 압축기(6)로 가스(8)를 압축시키는 단계와,
    압축된 가스(9)와 연료(12)를 혼합시켜 제 1 혼합물을 형성하고, 이 제 1 혼합물을 연소시키는 단계와,
    상기 제 1 혼합물을 연소시켜서 생성되는 연소 가스(14)로 제 1 터빈(16)을 구동시키는 단계와,
    연료(22)와 제 1 터빈(16)으로부터의 배기 가스(18)를 혼합시켜 제 2 혼합물 을 형성하고, 이 제 2 혼합물을 연소시키는 단계와,
    상기 제 2 혼합물을 연소시켜서 생성되는 연소 가스(24)로 제 2 터빈(26)을 구동시키는 단계와,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 제 1 혼합물내로 재순환시키는 단계를 포함하는
    터빈 시스템 작동 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 냉각시키는 단계와,
    배기 가스의 냉각된 제 1 부분(33)을 상기 제 1 압축기(6)로 도입시키는 단계와,
    배기 가스의 냉각된 제 1 부분(33)을 흡입 공기(8)와 조합시키는 단계를 더 포함하는
    터빈 시스템 작동 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 냉각시키기 전에 또는 냉각시킨 후에 상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 1 부분(32)을 압축시키는 단계를 더 포함하는
    터빈 시스템 작동 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 터빈(26)으로부터의 배기 가스(28)의 제 2 부분(35)을 증기 발생기(80)로 전달하여 증기를 발생시키는 단계와,
    상기 증기 발생기(80)로부터의 증기로 증기 터빈(82)을 작동시키는 단계를 더 포함하는
    터빈 시스템 작동 방법.
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