KR20210028696A - 천연가스 재기화를 수행하는 발전소 설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기(3), 연소 챔버(4) 및 터빈(5)을 포함하는 가스 터빈(2)을 구비한 발전소 설비(1)에 관한 것으로, 상기 발전소 설비는 추가로 액화 및 기화 천연가스를 수송하기 위한 천연가스 라인(6), 액화 천연가스 압력을 상승시키기 위해 천연가스 라인(6) 내에 연결된 천연가스 압축기(7), 및 마찬가지로 천연가스 라인(6) 내에 연결된 팽창기(8)를 포함한다. 상기 발전소 설비는 추가로, 액화 천연가스를 증발시키기 위해 천연가스 압축기(7)와 팽창기(8) 사이에 연결된 제1 열교환기(9) 및 재기화된 천연가스를 추가로 가열하기 위한 제2 열교환기(10)를 포함하며, 이 경우 상기 발전소 설비는 폐열 증기 발생기(14)를 포함하고, 제2 열교환기(10)는 폐열 증기 발생기(14) 내의 응축물 예열기(15)와 결합되어 있다. 본 발명은 또한 이러한 발전소 설비(1)를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

천연가스 재기화를 수행하는 발전소 설비
본 발명은 발전소 설비 및 그 운전 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가스 및 증기 터빈 설비 또는 가스 발전소에 직접 결합될 때 에너지 및 경제적 측면에서 액화 천연가스의 최적의 증발에 관한 것이다.
액화 천연가스(LNG, -162℃)는 일반적으로 주위 열(공기/해수) 또는 화학 열에 의해 증발된다. 대안적으로, 캐스케이딩(cascaded) 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycles: ORC)에 의해 저온 냉기(low-temperature cold)의 에너지 이용을 목표로 하는 컨셉이 발전하였다.
본 발명의 과제는, 개선된 성능 또는 개선된 효율을 가능하게 하는 동시에 매우 간단하고 저렴하게 제조할 수 있는 발전소 설비를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는 이러한 발전소 설비를 운전하기 위한 상응하는 방법을 제공하는 것이다.
발전소 설비와 관련한 본 발명의 과제는, 압축기, 연소 챔버 및 터빈을 포함하는 가스 터빈; 상기 가스 터빈으로의 액화 및 기화 천연가스의 수송을 위한 천연가스 라인; 액화 천연가스 압력을 상승시키기 위해 천연가스 라인에 연결된 천연가스 압축기; 및 마찬가지로 천연가스 라인에 연결된 팽창기;를 구비하고, 추가로 액화 천연가스를 증발시키기 위해 천연가스 압축기와 팽창기 사이에 배치된 제1 열교환기 및 재기화된(regasified) 천연가스를 더 가열하기 위한 제2 열교환기를 포함하는 발전소 설비로서, 상기 발전소 설비가 폐열 증기 발생기를 포함하고, 제2 열교환기가 상기 폐열 증기 발생기의 응축물 예열기와 결합되는 발전소 설비를 제안함으로써, 해결된다.
액화 천연가스 증발 설비를 하류 팽창기에 결합함으로써 가장 높은 효율의 전력 발전을 위한 저온 냉기의 최대 활용이 가능해진다. 제2 열교환기를 응축물 예열기, 즉, 폐열 증기 발생기의 마지막 가열면과 결합함으로써, 이미 증발된 천연가스가 약 130 내지 170℃까지 더 가열된다.
천연가스 라인 내에서 팽창기의 하류에 제3 열교환기가 연결되는 것이 발전소 설비의 효율에 특히 유리하다. 비용의 이유로 제3 열교환기의 사용이 생략될 수 있도록, 천연가스가 팽창 후에도 적절하게 예열되어 연소 공정에 공급될 수 있을 정도로 제2 열교환기를 사용하여 가열하는 것도 이론적으로 가능하다. 그러나 기술적으로 더 양호한 변형예는, 팽창 이후에 후속하는 제3 열교환기에 의한 추가 가열이 실시되는 것이다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에서, 제1 열교환기는 열 전달 매체 회로를 통해 가스 터빈의 흡기 라인에 연결된다.
또 다른 한 바람직한 실시예에서, 제1 열교환기는 열 전달 매체 회로를 통해 발전소 설비의 냉각 시스템에 연결된다. 이 경우, 가스 터빈 흡기로부터 또는 냉각 시스템으로부터의 열이 병렬 또는 직렬로 사용될 수 있다.
열 전달 매체의 동결 및 열 전도 능력의 관점에서, 열 전달 매체 회로가 물/글리콜 회로인 것이 바람직하다.
안전 측면에서, 누출 발생 시 천연가스가 물/증기 회로 내로 의도치 않게 들어가는 것을 방지하기 위해, 적절한 고압에서 급수의 유동 방향으로 고압 급수 펌프의 하류에 제2 열교환기를 위한 고온 응축물 배출 지점이 위치하는 것이 바람직하다.
대안적으로, 천연가스의 바람직하지 않은 넘침을 방지하기 위한 조치로서, 제2 열교환기를 위한 고온 응축물 배출 지점이 응축물 유동 방향으로 응축물 재순환 펌프의 하류에 위치하고, 제2 열교환기는 이중벽 안전 열교환기인 것이 바람직하다. 고온 응축물 배출 지점의 이러한 대안적인 배치는 효율 측면에서의 장점이 있다.
제3 열교환기와 관련해서는, 상기 제3 열교환기가 폐열 증기 발생기의 급수 시스템에 결합되는 것이 바람직하다. 예열된 천연가스가 팽창기를 통해 동력 출력 하에 가스 터빈 운전을 위해 필요한 가스 압력 레벨까지 팽창된 후에, 약 40 내지 70℃의 가스 온도가 설정된다. 성능 이유로 최대로 허용 가능한 가스 터빈 연료 온도에 도달하기 위해, 제3 열교환기는 천연가스 라인 내에서 팽창기와 가스 터빈 사이에 배치된다. 상기 제3 열교환기는 폐열 증기 발생기의 중압 급수 또는 고압 급수로부터 열을 끌어온다.
상기 접근법은, 전술한 발전소 구성에서 폐열 증기 발생기가 제공되지 않더라도, 가스 터빈 발전소에서도 사용될 수 있다. 제2 및 제3 열교환기 내로의 배기가스 열의 통합을 위해 필요한 열교환기 면들은 예를 들어, 고온 배기가스가 가열면을 가진 별도의 덕트를 통해 안내되어 냉각된 후에 주 배기가스 스트림에 다시 합쳐지는, 가스 터빈의 내부 스택 바이패스(stack bypass) 내에 배치될 수 있다.
방법 관련 과제는, 액화 천연가스 증발을 포함하는 발전소 설비 운전 방법으로서, 액화 천연가스가 적어도 150바아가 되고, 가스 터빈 흡기로부터 그리고/또는 발전소 설비의 냉각 시스템으로부터의 열이 액화 천연가스를 기화하는 데 사용되며, 추가 단계에서 천연가스가 폐열 증기 발생기의 응축물 예열기로부터의 고온 응축물과의 열교환 시 더 가열되는 방법에 의해 해결된다.
이때, 더 가열된 천연가스는 팽창기를 통해 동력 출력 하에 가스 터빈 운전에 필요한 가스 압력 레벨로 팽창되는 것이 바람직하다.
나아가, 팽창된 천연가스는 급수와의 열교환에 의해 더 가열되는 것이 바람직하다.
가스 터빈은 있지만 물/증기 회로는 없는 발전소 설비에서, 고온 배기가스는 액화 천연가스의 증발 및 가열을 위한 가열면을 갖는 덕트를 통해 안내되어 냉각된 다음, 주 배기가스 스트림에 다시 합쳐질 수 있다.
하류에 연결된 팽창기로의 재기화(regasification)의 결합 및 이와 연결된, 복수의 열교환기를 통한 가스 및 증기 프로세스를 이용한 최적의 냉기/열 통합을 통해, (약 +10% 이하의) 가스 및 증기 출력뿐만 아니라 가스 및 증기 효율(약 +0.3 내지 +0.5%)의 관점에서도 현저히 개선된 가스 및 증기 성능이 달성될 수 있다. 이 컨셉은 후속 압력이 약 150바아로 상승하는 LNG 탱크에 기반한다. 하류에 연결된 열교환기에서, LNG의 증발은 고압에서 약 5℃의 온도까지 발생한다(제2 열교환기에서 충분한 온수가 제공되는 한, 0℃보다 약간 낮은 온도도 허용 가능함).
상기 컨셉의 장점은 성능의 명백한 개선뿐만 아니라, 특히 상기 성능 개선이 비교적 저비용으로 달성된다는 데 있는데, 그 이유는 팽창기(발전기 및 보조 시스템 포함) 및 제2 열교환기를 제외한 모든 구성요소가 해당 LNG 화력 발전소에서 사용되어야 하기 때문이다(제1 열교환기 및 액체 가스 펌프, 또는 제3 열교환기).
본 발명은 도면들을 토대로 실시예로서 더 상세히 설명된다. 도면들은 정확한 비율로 도시되지 않고 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 및 증기 터빈 설비의 개략도이다.
도 2는 가스 터빈 설비의 개략도이다.
도 1은 가스 및 증기 터빈 설비로서 구성된 본 발명에 따른 발전소 설비(1)를 개략적으로 예로서 도시하고 있다.
발전소 설비(1)는 압축기(3), 연소 챔버(4) 및 터빈(5)을 구비한 가스 터빈(2)을 포함한다. 도 1은 천연가스 탱크(22)로부터 분기하는 액화 및 기화 천연가스의 수송을 위한 천연가스 라인(6)을 도시하고 있는데, 이 라인에는 액화 천연가스 압력을 높이기 위한 천연가스 압축기(7)와 팽창기(8)가 연결되어 있다.
천연가스 압축기(7)와 팽창기(8) 사이에는, 액화 천연가스를 증발시키기 위한 제1 열교환기(9) 및 재기화된 천연가스의 추가 가열을 위한 제2 열교환기(10)가 존재한다. 또한, 팽창기(8)의 하류에 제3 열교환기(11)가 천연가스 라인(6) 내에 배치된다.
제1 열교환기(9)는 열 전달 매체 회로(12) 및 제4 열교환기(28)를 통해 가스 터빈(2)의 흡기 라인(13)으로, 그리고 제5 열교환기(29)를 통해 발전소 설비(1)의 냉각 시스템으로 연결된다. 도 1의 실시예에서 제4 및 제5 열교환기(28, 29)는 직렬로 배치되어 있다. 그러나 병렬 배치도 고려 가능하다.
열 전달 매체 회로(12)는 통상 물/글리콜 회로이다.
발전소 설비(1)가 도 1에 도시된 것처럼 가스 및 증기 터빈 설비인 경우, 이 발전소 설비는 폐열 증기 발생기(14)를 더 포함하고, 이때 제2 열교환기(10)는 폐열 증기 발생기(14)의 응축물 예열기(15)에 결합된다. 도 1은 제2 열교환기(10)를 위한 고온 응축물 배출에 대한 두 가지 옵션을 보여준다. 첫 번째 옵션은, 고온 응축물 배출 지점(16)이 고압 급수 펌프(17)의 하류에 위치한다. 두 번째 옵션은, 고온 응축물 배출 지점(16)이 응축물 재순환 펌프(18)의 하류에 위치한다. 이 경우, 제2 열교환기(10)는 이중벽 안전 열교환기로서 구현되어야 한다.
도 1은 마지막으로, 제3 열교환기(11)가 폐열 증기 발생기(14)의 급수 시스템(19)에 결합되어 있는 점을 보여준다.
제3 열교환기(11)에 의해 천연가스를 가열하기 위해 고압부(23) 또는 중압부(24)로부터 급수를 끌어올 수 있다. 도 1은 두 가지 변형예를 도시하고 있다.
본 발명의 컨셉은 다른 유형의 발전소에도 적용될 수 있다. 도 2는 배기가스 스택(exhaust gas stack)(26) 및 상기 배기가스 스택(26) 상의 스택 바이패스(20)를 구비한 가스 터빈 설비(25)를 도시하고 있다. 천연가스의 재기화를 위한 구성요소의 배열은 도 1의 설비에 비해 변경되지 않았다. 여기서 제2 및 제3 열교환기(10, 11)를 위한 열은 가스 터빈 배기가스로부터 배기가스 스택(26)의 스택 바이패스(20) 내에 있는 상응하는 열교환 면들(21)을 통해 수득된다. 운전 중에 배기가스의 일부는 스택 바이패스(20)를 통해 전달되고, 상응하는 열교환 면(21)으로의 열 방출 후에, 메인 배기가스 스트림(27)에 다시 합쳐진다.

Claims (11)

  1. 압축기(3), 연소 챔버(4) 및 터빈(5)을 포함하는 가스 터빈(2); 상기 가스 터빈(2)으로 액화 및 기화 천연가스를 수송하기 위한 천연가스 라인(6); 액화 천연가스 압력을 상승시키기 위해 천연가스 라인(6)에 연결된 천연가스 압축기(7); 및 마찬가지로 천연가스 라인(6)에 연결된 팽창기(8);를 구비하고, 추가로 액화 천연가스를 증발시키기 위해 천연가스 압축기(7)와 팽창기(8) 사이에 배치된 제1 열교환기(9) 및 재기화된 천연가스를 추가로 가열하기 위한 제2 열교환기(10)를 더 포함하는, 발전소 설비(1)에 있어서,
    상기 발전소 설비는 폐열 증기 발생기(14)를 포함하고, 제2 열교환기(10)가 상기 폐열 증기 발생기(14) 내의 응축물 예열기(15)와 결합되는 것을 특징으로 하는, 발전소 설비(1).
  2. 제1항에 있어서, 천연가스 라인(6) 내에서 팽창기(8)의 하류에 연결된 제3 열교환기(11)를 더 포함하는, 발전소 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 열교환기(9)는 열 전달 매체 회로(12)를 통해 가스 터빈(2)의 흡기 라인(13)에 연결되는, 발전소 설비(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 열교환기(9)는 열 전달 매체 회로(12)를 통해 발전소 설비(1)의 냉각 시스템에 연결되는, 발전소 설비(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 열 전달 매체 회로(12)는 물/글리콜 회로인, 발전소 설비(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열교환기(10)를 위한 고온 응축물 배출 지점(16)이 급수 유동 방향으로 고압 급수 펌프(17)의 하류에 위치하는, 발전소 설비(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 열교환기(10)를 위한 고온 응축물 배출 지점(16)이 응축물 유동 방향으로 응축물 재순환 펌프(18)의 하류에 위치하고, 제2 열교환기(10)는 이중벽 안전 열교환기인, 발전소 설비(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제3 열교환기(11)가 폐열 증기 발생기(14)의 급수 시스템(19)과 결합된, 발전소 설비(1).
  9. 액화 천연가스가 적어도 150바아가 되고, 가스 터빈 흡기로부터 그리고/또는 발전소 설비(1)의 냉각 시스템으로부터의 열이 액화 천연가스를 기화하는 데 사용되는, 액화 천연가스 증발을 포함하는 발전소 설비(1) 운전 방법에 있어서,
    추가 단계에서 천연가스는, 폐열 증기 발생기(14)의 응축물 예열기(15)로부터의 고온 응축물과의 열교환 시 더 가열되는 것을 특징으로 하는, 발전소 설비 운전 방법.
  10. 제9항에 있어서, 더 가열된 천연가스는 팽창기(8)를 통해 동력 출력 하에 가스 터빈 운전에 필요한 가스 압력 레벨로 팽창되는, 발전소 설비 운전 방법.
  11. 제10항에 있어서, 팽창된 천연가스가 급수와의 열교환에 의해 더 가열되는, 방법.
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