KR20190116522A - 가스 터빈 - Google Patents

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소이치로 가토
마사히로 우치다
쇼고 오니시
다쿠 미즈타니
츠카사 사이토
도시로 후지모리
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가부시키가이샤 아이에이치아이
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Abstract

탈질 촉매와 환원제로서의 암모니아를 이용하여 연소 가스를 탈질 처리하는 가스 터빈(A)에 있어서, 연소 가스의 온도 분포 중 평균값보다 고온이 되는 연소 가스에 노출되는 터빈 날개(3d, 3e)에, 압축기(1)로부터 공급되는 냉각 공기와 함께 암모니아를 공급하여, 터빈 날개(3d, 3e)의 온도를 저하시킨다.

Description

가스 터빈
본 개시는, 가스 터빈에 관한 것이다.
본원은, 2017년 3월 27일에 일본 출원된 특원 2017-061213호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
특허문헌 1에는, 암모니아를 연료로 하여 연소시키는 연소 장치 및 가스 터빈이 개시되어 있다. 즉, 이 연소 장치 및 가스 터빈은, 천연가스에 암모니아(연료용 암모니아)를 예혼합시켜 연소기에 공급함으로써 터빈을 구동하는 연소 배기가스를 얻음과 아울러, 질소 산화물(NOx)을 저감시키는 것을 목적으로 하여, 연소기 내의 하류측에 연소 영역에서 발생한 질소 산화물(NOx)을 환원용 암모니아를 이용하여 환원하는 환원 영역을 형성한다.
특허문헌 1: 일본공개특허 2016-191507호 공보
연소 배기가스(주류)는, 스크롤 혹은 트랜지션 피스 등, 연소 배기가스의 흐름을 편향시키는 부재(편향 부재)를 개재하여 환상류(環狀流)로 정류되어, 복수의 정익(靜翼)이 원환상으로 배치된 정익부 및 복수의 동익(動翼)이 원환상으로 배치된 동익부에 공급된다. 즉, 터빈에서는, 편향 부재 및 정익부를 개재하여 동익부에 연소 배기가스(연소 가스)가 구동 유체로서 작용함으로써 동익부에 결합된 주축이 회전 구동된다.
여기서, 편향 부재의 입구에서 연소 가스의 입구 온도 분포가 불균일한 경우, 원환상으로 배치된 복수의 정익 및 동익에서의 열응력이 불균일해진다. 즉, 온도가 비교적 높은 연소 가스에 노출되는 정익에는, 온도가 비교적 낮은 연소 가스에 노출되는 정익보다 높은 응력이 인가된다. 또한, 동익은, 온도가 비교적 높은 연소 가스와 온도가 비교적 낮은 연소 가스에 교대로 노출된다. 따라서, 편향 부재의 입구에서의 연소 가스의 온도 불균일은, 정익부 및 동익부의 고장 즉 가스 터빈의 고장을 초래시키므로 시정할 필요가 있다.
본 개시는, 상술한 사정을 감안하여 이루어지고, 복수의 정익 및 동익에 작용하는 연소 가스의 온도 분포를 균일화 혹은 온도 불균일을 억제하는 가스 터빈의 제공을 목적으로 한다.
본 개시의 제1 태양은, 탈질 촉매와 환원제로서의 암모니아를 이용하여 연소 가스를 탈질 처리하는 가스 터빈에 있어서, 상기 연소 가스의 온도 분포 중 평균값보다 고온이 되는 상기 연소 가스에 노출되는 터빈 날개에, 압축기로부터 공급되는 냉각 공기와 함께 상기 암모니아를 공급하여, 상기 터빈 날개의 온도를 저하시키도록 구성되어 있다.
본 개시의 제2 태양은, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 터빈 날개에 공급되는 상기 암모니아는, 상기 터빈 날개의 냉각 후에 연료로서 연소기에 공급되도록 구성되어 있다.
본 개시의 제3 태양은, 상기 제1 태양에 있어서, 상기 터빈 날개에 공급되는 상기 암모니아는, 상기 터빈 날개의 냉각 후에 연소 가스 유로 내에 분사되고, 상기 연소 가스와 혼합되고 나서 터빈으로부터 배출되도록 구성되어 있다.
본 개시의 제4 태양은, 상기 제1~제3 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 암모니아는, 액체 상태로 상기 터빈 날개에 공급되도록 구성되어 있다.
본 개시의 제5 태양은, 상기 제1~제4 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 암모니아는, 상기 냉각 공기와 미리 혼합되어 상기 터빈 날개에 공급되도록 구성되어 있다.
본 개시의 제6 태양은, 상기 제1~제5 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 암모니아를 적어도 연료의 일부로서 연소시켜, 상기 연소 가스를 발생시키도록 구성되어 있다.
본 개시의 제7 태양은, 상기 제1~제6 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 터빈 날개는, 내부에 상기 암모니아의 유로를 가진다.
본 개시의 제8 태양은, 상기 제1~제7 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 터빈 날개는, 내부로부터 외부를 향하여 상기 암모니아를 배출하는 유로를 가진다.
본 개시에 의하면, 복수의 정익 및 동익에 작용하는 연소 가스의 온도 분포를 균일화 혹은 온도 불균일을 억제하는 가스 터빈을 제공하는 것이 가능하다.
도 1은, 본 개시의 일 실시형태에 관한 가스 터빈의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 개시의 일 실시형태에서의 터빈의 상세 구성을 나타내는 제1 모식도이다.
도 3은, 본 개시의 일 실시형태에서의 터빈의 상세 구성을 나타내는 제2 모식도이다.
도 4는, 본 개시의 일 실시형태에 관한 가스 터빈의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 개시의 일 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태에 관한 가스 터빈(A)은, 도 1에 도시된 바와 같이 압축기(1), 연소기(2), 터빈(3), 탈질 챔버(4), 탱크(5), 펌프(6) 및 기화기(7)를 구비하고 있다. 이러한 가스 터빈(A)은, 발전기(G)의 구동원이며, 연료인 암모니아를 연소시킴으로써 회전 동력을 발생시킨다.
압축기(1)는, 외기로부터 도입한 공기를 소정 압력까지 압축하여 압축 공기를 생성하는 다단식의 축류 압축기이다. 이 압축기(1)는, 상기 압축 공기의 일부를 연소용 공기로서 연소기(2)에 공급하고, 또한 상기 압축 공기의 일부를 냉각 공기로서 터빈(3)에 공급한다. 연소기(2)는, 기화기(7)로부터 공급된 기체 암모니아를 압축기(1)로부터 공급된 연소용 공기를 산화제로 하여 연소시켜, 연소 가스를 터빈(3)에 출력한다.
터빈(3)은, 상기 연소 가스를 구동 가스로서 이용함으로써 회전 동력을 발생하는 다단식의 축류 터빈이다. 이 터빈(3)은, 도시된 바와 같이 압축기(1) 및 발전기(G)와 축결합되어 있고, 자신의 회전 동력에 의해 압축기(1) 및 발전기(G)를 회전 구동한다.
이 터빈(3)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 도입구(3a), 스크롤 유로(3b), 복수의 정익(3d) 및 복수의 동익(3e)을 구비하고 있다. 또, 정익(3d) 및 동익(3e)은, 본 개시에서의 터빈 날개이다. 도입구(3a)는, 연소기(2)와 연통하여, 연소기(2)로부터 연소 가스를 도입하는 개구이다. 스크롤 유로(3b)는, 이 도입구(3a)에 연통되어 있고, 도입구(3a)로부터 도입한 연소 가스를 환상류(S)로 정류한다.
복수의 정익(3d)은, 스크롤 유로(3b)의 중심측에 원환상으로 배열한 초단(初段)의 고정익이며, 정익부를 구성하고 있다. 복수의 동익(3e)은, 이러한 복수의 정익(3d)에 대해 지면(紙面) 안쪽에 배치된 초단의 가동익이며, 동익부를 구성하고 있다. 복수의 동익(3e)은, 복수의 정익(3d)과 마찬가지로 스크롤 유로(3b)의 중심에 위치하는 회전축(J)에 대해 원환상으로 배열되어 있다. 이러한 정익부와 동익부는, 회전축(J)이 연장되는 방향(지면 수직 방향)에서 교대로 다단 배치되어 있다.
이러한 복수의 정익(3d) 및 동익(3e)에 있어서, 도 2의 부호 H는, 연소 가스의 온도 분포 중, 평균값보다 고온의 연소 가스가 유입되는 고온 영역을 나타내고 있다. 즉, 도입구(3a)에 유입되는 연소 가스의 온도 분포가 균일하지 않고, 도 2에서의 좌측이 우측보다 온도가 높은 관계로, 고온 영역(H)에 위치하는 정익(3d)은, 평균 온도보다 높은 온도의 연소 가스에 노출된다.
여기서, 압축기(1)가 터빈(3)을 향하여 출력하는 냉각 공기(압축 공기)는, 도 3에 도시된 바와 같이 분기 유로(3f)를 개재하여 터빈(3)의 각 정익(3d)에 분배하여 공급된다. 또한, 각 정익(3d) 중, 상술한 고온 영역(H)에 위치하는 정익(3d)에 냉각 공기를 공급하는 분기 유로(3f)에는, 도시된 바와 같이 액체 암모니아가 공급된다. 즉, 고온 영역(H)에 위치하는 정익(3d)에 냉각 공기를 공급하는 분기 유로(3f)는 액체 암모니아의 유로이며, 액체 암모니아는, 각 정익(3d)의 전단(前段)에 설치된 분기 유로(3f) 내에서 냉각 공기(압축 공기)와 예혼합된 후에 각 정익(3d)에 공급된다. 여기서, 액체 암모니아와 예혼합된 냉각 공기를 예혼합 냉각 공기라고 부른다.
냉각 공기는 각 정익(3d)에 분배 공급되므로 각 정익(3d)을 거의 균등하게 냉각하는데, 액체 암모니아는, 고온 영역(H)에 위치하는 정익(3d)만을 내측으로부터 냉각하는 냉각제로서 기능한다. 또한, 각 정익(3d)에는 표면을 필름 냉각하기 위한 구멍(필름 냉각공)이 다수 형성되어 있다. 정익(3d)에 공급된 냉각 공기 및 액체 암모니아의 일부는, 상기 필름 냉각공을 개재하여 정익(3d)의 내부로부터 표면측으로 누출되어 정익(3d)을 표면으로부터도 냉각한다.
이 결과, 각 정익(3d)의 표면은 냉각 공기에 의해 거의 균등하게 냉각되고, 또한 고온 영역(H)에 위치하는 정익(3d)의 표면은 액체 암모니아에 의해 더욱 냉각된다. 나아가 정익(3d)의 표면의 액체 암모니아는, 연소 가스의 열에 의해 기화되어 기체 암모니아가 되고, 후단에 위치하는 동익(3e)을 표면으로부터 냉각한다. 즉, 고온 영역(H)을 통과하는 동익(3e)은, 액체 암모니아에 의해 효과적으로 냉각된다. 즉, 각 정익(3d)은, 내부로부터 외부를 향하여 액체 암모니아를 배출하는 필름 냉각공(유로)을 구비하고, 표면 상에 연소 가스보다 저온의 기체 암모니아층(가스층)을 형성한다.
이러한 터빈(3)은, 동력 회수한 후의 연소 가스를 탈질 챔버(4)를 향하여 배출한다. 이 터빈(3)으로부터 탈질 챔버(4)에 배출되는 연소 가스에는, 상술한 분기 유로(3f) 내에 분사된 액체 암모니아에 유래하는 기체 암모니아가 포함되어 있다. 탈질 챔버(4)는, 내부에 탈질 촉매가 충전되어 있고, 연소 가스에 포함되는 질소 산화물(NOx)을 상기 기체 암모니아를 환원제로서 탈질 처리함으로써 질소(N2)로 환원한다.
탱크(5)는, 소정량의 액체 암모니아를 저류하는 연료 탱크로서, 액체 암모니아를 펌프(6)에 공급한다. 펌프(6)는, 탱크(5)로부터 공급된 액체 암모니아를 소정압으로 가압하여 기화기(7) 및 터빈(3)에 공급하는 펌프이다. 기화기(7)는, 펌프(6)로부터 공급된 액체 암모니아를 기화시킴으로써 기체 암모니아를 생성한다. 이 기화기(7)는, 기체 암모니아를 연료(연료용 암모니아)로서 연소기(2)에 공급한다.
다음에, 본 실시형태에 관한 가스 터빈(A)의 동작(정상 동작)에 대해 자세하게 설명한다.
이 가스 터빈(A)에서는, 펌프(6)가 작동함으로써 액체 암모니아가 탱크(5)로부터 기화기(7) 및 터빈(3)에 공급된다. 기화기(7)에서는 상기 액체 암모니아가 기화되어 기체 암모니아(연료용 암모니아)가 생성되고, 터빈(3)에서는 액체 암모니아가 압축기(1)로부터 공급되는 냉각 공기에 혼합된다. 그리고, 기화기(7)에서 발생한 기체 암모니아(연료용 암모니아)는, 연소기(2)에 공급된다.
한편, 압축기(1)가 작동함으로써 압축 공기가 연소용 공기로서 연소기(2)에 공급된다. 연소기(2)에서는, 기화기(7)로부터 공급된 기체 암모니아(연료용 암모니아)가 압축기(1)로부터 공급된 연소용 공기를 산화제로 하여 연소함으로써 연소 가스가 발생한다. 그리고, 이 연소 가스가 터빈(3)에 구동 가스로서 작용함으로써, 터빈(3)은 압축기(1) 및 발전기(G)를 구동하는 회전 동력을 발생한다.
여기서, 터빈(3)의 상세 동작을 더 설명하면, 터빈(3)에서는, 연소기(2)로부터 공급된 연소 가스가 도입구(3a)로부터 스크롤 유로(3b)에 흘러들어감으로써 환상류(S)가 된다. 그리고, 이러한 연소 가스는, 스크롤 유로(3b)의 내측에 원환상으로 배치된 복수의 정익(3d)의 사이를 통과하고, 복수의 정익(3d)에 인접하여 마찬가지로 원환상으로 배치된 복수의 동익(3e)에 분사됨으로써 회전축(J)에 회전 동력을 발생시킨다.
즉, 연소 가스는, 원환상으로 배치된 복수의 정익(3d)의 사이에 방사상으로 형성된 복수의 간극에 진입하고, 다단으로 설치된 복수의 정익(3d)과 복수의 정익(3d)의 사이를 통과하는 동안에 회전축(J)에 회전 동력을 발생시킨다. 그리고, 복수의 정익(3d)은, 고정익이기 때문에 도입구(3a)에서의 연소 가스의 온도 분포에 따른 온도 환경에 노출된다.
예를 들어, 연소기(2)로부터 도입구(3a)에 흘러들어간 연소 가스 중, 스크롤 유로(3b)의 내측에 상당하는 영역의 연소 가스의 온도가 다른 영역의 연소 가스의 온도보다 높은 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 스크롤 유로(3b)의 내측이면서 입구 근방에 고온 영역(H)이 발생한다. 그리고, 이 고온 영역(H)에 위치하는 정익(3d)은, 다른 정익(3d)보다 높은 온도에 노출된다. 또한, 회전하는 복수의 동익(3e)은, 온도가 비교적 높은 연소 가스와 온도가 비교적 낮은 연소 가스에 교대로 노출된다.
이러한 고온 영역(H)은, 도입구(3a)에서의 연소 가스의 온도 분포를 미리 계측함으로써, 그 위치를 특정하는 것이 가능하다. 본 실시형태에서의 터빈(3)에서는, 연소 가스의 온도 분포를 미리 계측함으로써 고온 영역(H)을 특정하고, 그 결과로서 고온 영역(H)에 노출되는 정익(3d)에 냉각 공기를 공급하는 분기 유로(3f)에 액체 암모니아를 선택적으로 공급한다. 그리고, 이 액체 암모니아에 의해, 고온 영역(H)의 정익(3d)의 냉각 능력을 다른 정익(3d)의 냉각 능력보다 향상시킨다.
그리고, 이러한 터빈(3)의 후단에 설치된 탈질 챔버(4)에서는, 예혼합 냉각 공기에 포함되는 기체 암모니아가 환원제로서 기능함으로써, 연소 가스 중에 포함되는 질소 산화물(NOx)이 탈질 처리된다. 즉, 고온 영역(H)에 노출되는 정익(3d)의 냉각에 기여한 기체 암모니아는, 탈질 챔버(4)에서 환원제로서 기능하여, 질소 산화물(NOx)의 탈질 처리에 이용된다.
이러한 본 실시형태에 관한 가스 터빈(A)에 의하면, 복수의 정익(3d) 및 동익(3e)에 작용하는 연소 가스의 온도 분포를 균일화 혹은 온도 불균일을 억제할 수 있다. 또한, 이 결과로서, 터빈(3)의 수명 저하를 억제하는 것이 가능하다.
여기서, 상기 예혼합 냉각 공기에는, 압축기(1)로부터 출력된 냉각 공기에 펌프(6)로부터 공급된 액체 암모니아가 혼합되어 있다. 이미 알고 있는 바와 같이, 암모니아의 비열은 3.0kJ/(K·kg)이며, 이에 반해 공기의 비열은 1.1kJ/(K·kg)이다. 암모니아의 비열은 공기의 비열보다 대폭으로 크기 때문에, 예혼합 냉각 공기는, 동일한 에너지를 수취한 경우에 냉각 공기 단체(單體)보다 냉각 능력이 떨어지기 어렵다.
압축기(1)로부터 터빈(3)에 공급되는 냉각 공기는, 압축 공기이며, 이에 따라 온도가 상온보다 높지만, 이에 반해 액체 암모니아의 온도는 냉각 공기보다 대폭으로 낮다. 즉, 예혼합 냉각 공기의 온도는, 냉각 공기 단체의 온도보다 낮기 때문에, 냉각 공기에 액체 암모니아를 혼합시킴으로써 터빈(3)의 냉각 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
예를 들어, 대기 온도를 15℃, 냉각 공기의 압력을 12기압으로 한 경우, 냉각 공기의 온도는 390℃ 정도가 되지만, 액체 암모니아는 예를 들어 20기압까지 가압해도 100℃ 이하이다. 따라서, 냉각 공기에 액체 암모니아를 혼합시킴으로써, 터빈(3)의 냉각 효율을 확실히 향상시키는 것이 가능하다.
본 실시형태에 관한 가스 터빈(A)에서는, 기화기(7)로부터 출력되는 기체 암모니아가 아니라, 펌프(6)로부터 출력되는 액체 암모니아를 냉각 공기에 혼합시킴으로써 예혼합 냉각 공기로 하고 있다. 즉, 이 가스 터빈(A)에서는, 액체 암모니아가 냉각 공기에 혼합되어 증발할 때의 기화열에 의해 냉각 공기가 냉각된다. 따라서, 이 가스 터빈(A)에서는, 냉각 공기에 액체 암모니아를 혼합시킨 예혼합 냉각 공기를 채용하고 있으므로, 냉각 공기에 기체 암모니아를 혼합시키는 경우보다, 고온 영역(H)의 정익(3d)을 효과적으로 냉각할 수 있다.
나아가 예혼합 냉각 공기에는 역화(逆火)의 위험이 있지만, 암모니아는 연소 속도가 일반적인 탄화수소계의 연료, 예를 들어 천연가스보다 연소 속도가 느리기 때문에, 역화의 위험은 매우 작다.
또, 본 개시는 상기 실시형태에 한정되지 않고, 예를 들어 이하와 같은 변형예를 생각할 수 있다.
(1) 상기 실시형태에서는, 예혼합 냉각 공기를 연소 가스의 비교적 고온인 영역(고온 영역(H))에 설치된 정익(3d)에 분사하였지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 필요에 따라 예혼합 냉각 공기를 임의의 정익(3d)에 개별적으로 분사해도 된다.
(2) 상기 실시형태에서는, 냉각 공기에 액체 암모니아를 혼합시켜 예혼합 냉각 공기를 생성하였지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 필요에 따라 냉각 공기에 기체 암모니아를 혼합시켜 예혼합 냉각 공기를 생성해도 된다.
(3) 상기 실시형태에서는, 기체 암모니아를 연료로 하는 가스 터빈(A)에 대해 설명하였지만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 기체 암모니아 이외의 탄화수소를 연료로 하거나, 혹은 탄화수소와 암모니아를 연료로 해도 된다.
(4) 상기 실시형태에서는, 액체 암모니아를 분기 유로(3f) 내에 분사하였지만, 암모니아에는 금속에 대한 부식성이 있으므로, 분기 유로(3f) 이후의 연소 가스의 유로에는 암모니아에 대해 내식성이 있는 금속 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 예혼합 냉각 공기를 이용해도 역화의 위험이 매우 작다고 설명하였지만, 필요에 따라 역화 검출용의 센서(온도계)를 스크롤 유로(3b) 내에 설치해도 된다.
(5) 상기 실시형태에서는, 터빈(3)에서 동력 회수한 후의 연소 가스를 탈질 챔버(4)를 향하여 배출한다고 하였지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 터빈(3)에서 동력 회수한 후의 연소 가스의 일부를 연소기(2)에 공급해도 된다. 이와 같이 함으로써, 연소 가스에 포함되어 있는 기체 암모니아를 연료용 암모니아로서 재이용할 수 있다.
본 개시에 기초한 가스 터빈에 의하면, 복수의 정익 및 동익에 작용하는 연소 가스의 온도 분포를 균일화 혹은 온도 불균일을 억제하는 것이 가능하다.
H 고온 영역
S 환상류
1 압축기
2 연소기
3 터빈
3a 도입구
3b 스크롤 유로
3d 정익(터빈 날개)
3e 동익(터빈 날개)
3f 분기 유로
4 탈질 챔버
5 탱크
6 펌프
7 기화기

Claims (8)

  1. 탈질 촉매와 환원제로서의 암모니아를 이용하여 연소 가스를 탈질 처리하는 가스 터빈에 있어서,
    상기 연소 가스의 온도 분포 중 평균값보다 고온이 되는 상기 연소 가스에 노출되는 터빈 날개에, 압축기로부터 공급되는 냉각 공기와 함께 상기 암모니아를 공급하여, 상기 터빈 날개의 온도를 저하시키도록 구성되어 있는 가스 터빈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈 날개에 공급되는 상기 암모니아는, 상기 터빈 날개의 냉각 후에 연료로서 연소기에 공급되도록 구성되어 있는 가스 터빈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 터빈 날개에 공급되는 상기 암모니아는, 상기 터빈 날개의 냉각 후에 연소 가스 유로 내에 분사되고, 상기 연소 가스와 혼합되고 나서 터빈으로부터 배출되도록 구성되어 있는 가스 터빈.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암모니아는, 액체 상태로 상기 터빈 날개에 공급되도록 구성되어 있는 가스 터빈.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암모니아는, 상기 냉각 공기와 미리 혼합되어 상기 터빈 날개에 공급되도록 구성되어 있는 가스 터빈.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암모니아를 적어도 연료의 일부로서 연소시켜, 상기 연소 가스를 발생시키도록 구성되어 있는 가스 터빈.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 날개는, 내부에 상기 암모니아의 유로를 갖는 가스 터빈.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 날개는, 내부로부터 외부를 향하여 상기 암모니아를 배출하는 유로를 갖는 가스 터빈.
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