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KR100584649B1 - 가스 및 증기 터빈 장치, 그리고 상기 방식의 장치내에 있는 가스 터빈의 냉각제를 냉각하는 방법 - Google Patents

가스 및 증기 터빈 장치, 그리고 상기 방식의 장치내에 있는 가스 터빈의 냉각제를 냉각하는 방법 Download PDF

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KR100584649B1
KR100584649B1 KR1019997010587A KR19997010587A KR100584649B1 KR 100584649 B1 KR100584649 B1 KR 100584649B1 KR 1019997010587 A KR1019997010587 A KR 1019997010587A KR 19997010587 A KR19997010587 A KR 19997010587A KR 100584649 B1 KR100584649 B1 KR 100584649B1
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gas
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한스-요아힘 틸
클라우스 게브케
토마스 그라이스
알프레트 라이하르트
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 가스 및 증기 터빈 장치(1) 및 상기 방식의 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다. 가스 및 증기 터빈 장치(1)는 가스 터빈의 연도 가스측에 연결된 폐열 증기 발생기(4)를 가지며, 상기 폐열 증기 발생기(4)의 가열면은 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)에 연결되고, 다양한 작동 상태에서도 가스 터빈의 신뢰성 있는 냉각이 보장된다. 상기 가스 및 증기 터빈 장치(1)는 본 발명에 따라 가스 터빈(6)의 냉각제를 냉각하기 위해 제공된 열교환기(74)를 포함하며, 상기 열교환기(74)는 2차측에서 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)와 차단 가능하게 연결된 별도의 물-증기-순환계(76)에 연결된다.

Description

가스 및 증기 터빈 장치, 그리고 상기 방식의 장치내에 있는 가스 터빈의 냉각제를 냉각하는 방법 {GAS AND STEAM TURBINE SYSTEM, AND REFRIGERATION OF THE COOLANT INTENDED FOR THE GAS TURBINE IN SUCH A SYSTEM}
본 발명은 가스 터빈 뒤에 연도 가스측으로 연결된 폐열 증기 발생기를 구비한 가스 및 증기 터빈 장치에 관한 것으로, 상기 폐열 증기 발생기의 가열면은 증기 터빈의 물-증기-순환계에 연결된다. 본 발명은 또한 이러한 방식의 가스 및 증기 터빈 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각하는 방법에 관한 것이다.
가스 및 증기 터빈 장치에서, 가스 터빈으로 나오는 팽창된 작동 매체(연도 가스)에 포함된 열은 증기 터빈을 위한 증기를 생성하기 위해서 이용된다. 가스 터빈 뒤에 연도 가스측으로 연결된 폐열 증기 발생기 내에서 열전달이 이루어지며, 상기 폐열 증기 발생기내에는 가열면이 파이프 또는 파이프 묶음(bundle) 형태로 배치된다. 상기 가열면은 다시 증기 터빈의 물-증기-순환계에 연결된다. 물-증기-순환계는 통상적으로 다수, 예를 들어 2개의 압력단을 가지며, 각각의 압력단은 예열 가열면 및 증발 가열면을 갖는다.
자연 순환 방식으로 표시된 증발기 순환계에서는, 증발기내에서 유도되는 작동 매체가 부분적으로 증발되며, 상기 작동 매체의 순환은 증발 과정시 나타나는 압력차에 의해서 및/또는 증발기 및 증기 수집 드럼의 측지학적(geodetic) 배치에 의해서 보장된다. 대안적으로 증발기 순환은 작동 매체의 순환이 순환 펌프에 의해 보장되는 강제 순환일 수도 있는데, 이 경우에는 증발기내의 작동 매체도 마찬가지로 적어도 부분적으로 증발된다. 자연 순환 및 강제 순환시에 증발기로부터 나온 물-증기-혼합물은 증발기 순환계에 연결된 증기 수집 드럼에 제공된다. 증기 수집 드럼 내에서 물과 증기는 분리되고, 이 경우 물은 증기 수집 드럼으로부터 새롭게 증발기에 공급된다.
강제 순환 증기 발생기로 설계된 증발기 순환계에서는, 증발기를 통과하는 작동 매체의 완전한 증발을 위해, 대안적으로 증발기를 통과한 다음에 부분 과열이 이루어질 수도 있다. 이 경우에는 작동 매체의 증발기 통과도 마찬가지로 펌프에 의해 보장된다.
증기 터빈 장치에서 자연 순환 원리, 강제 순환 원리 또는 강제 통과 원리가 사용되는지와 무관하게, 증기 터빈의 출력 상승 및 그와 더불어 이러한 방식의 가스 및 증기 터빈 장치의 가급적 높은 효율을 얻기 위해서는, 가스 터빈의 유입부에 있는 연도 가스에서 예를 들어 1000 내지 1200℃의 매우 높은 온도가 요구된다. 이와 같이 높은 터빈 유입부 온도는 물론 특히 터빈 블레이드의 내열성과 관련하여 제작 재료에 문제를 야기한다.
터빈 유입부 온도의 상승은, 터빈 블레이드가 계속해서 허용 제작 재료 온도 아래의 온도를 가질 때까지 냉각되는 경우에 가능하다. 이를 위해 EP-PS 0 379 880에는, 가스 터빈 중 하나에 할당된 압축기로부터 배출되는 압축 공기의 부분 흐름을 분기시키고 이 부분 흐름을 가스 터빈에 냉각제로서 제공하는 것이 공지되어 있다. 냉각제 역할을 하는 공기는 가스 터빈 내부로 유입되기 전에 냉각된다. 이 경우, 냉각시 냉각 공기에서 빼내지는 열은 증발열로 이용되고 증기 터빈을 구동시키기 위해 이용된다. 증발 장치로서는 순환 펌프 및 팽창 용기를 구비한 팽창 증발기가 사용된다. 이 경우, 증발기 순환계의 증기 수집 드럼에서는 물이 배출되며, 상기 물은 가스 터빈용 냉각제로 사용되는 냉각 공기와의 열교환에 의해 가열된 다음, 팽창 용기 내부에서의 팽창에 의해 증발된다. 이렇게 해서 형성된 증기는 증기 터빈에 공급된다.
가스 터빈의 냉각 공기를 냉각하기 위한 상기와 같은 방식의 장치는 증기 수집 드럼에서 배출된 물과 냉각 공기 사이의 소정 온도차를 위해 설계되었다. 상기 장치의 경우에, 가스 터빈의 확실한 냉각을 위해서는 전체 폐열 증기 발생기를 작동시킬 필요가 있다. 따라서, 이러한 방식의 가스 및 증기 터빈 장치는 일정 조건하에서만 융통성 있게(flexible) 사용될 수 있다.
DE 43 33 439 C1에는, 가스 터빈의 냉각 공기를 냉각하기 위해, 냉각 공기 내에서 야기되는 열을 증기 터빈에 할당된 물-증기-순환계로 전달하는 중간 순환계가 제공된 가스 및 증기 터빈 장치가 공지되어 있다. 그러나, 상기 장치에서 냉각 공기의 매우 효과적인 냉각은 증기 터빈의 작동 대기 상태(stand-by)에 의존하기 때문에, 결과적으로 상기 장치는 일정 조건하에서만 융통성 있게 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은, 다양한 작동 조건에서 가스 터빈의 확실한 냉각이 보장되는 전술한 방식의 가스 및 증기 터빈 장치를 제공하는 것이다. 또한 다양한 작동 조건에 매우 적합한, 가스 및 증기 터빈 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각하는 방법이 제공되어야 한다.
상기 목적은 전술한 방식의 가스 및 증기 터빈 장치에서 본 발명에 따라, 가스 터빈의 냉각제를 냉각하기 위해 제공된 열교환기가 2차측에서 증기 터빈의 물-증기-순환계와 차단 가능하게 연결된 별도의 물-증기-순환계에 연결됨으로써 달성된다.
본 발명은, 매우 융통성 있게 사용될 수 있는 가스 및 증기 터빈 장치에서 가스 터빈이 폐열 증기 발생기와 무관하게 그리고 그에 따라 증기 터빈과도 무관하게 작동될 수 있어야 한다는 생각으로부터 출발한다. 또한, 가스 터빈의 단독 작동시에도 가스 터빈의 터빈 블레이드의 확실한 냉각이 보장되어야 한다. 이를 위해서는, 가스 터빈의 냉각제를 냉각하기 위해 증기 터빈의 물-증기-순환계와 무관한 냉각 장치가 제공된다.
열교환기는 바람직하게 별도의 물-증기-순환계를 위한 증발기로 형성된다. 이 경우, 가스 및 증기 터빈 장치의 정상 작동시 별도의 물-증기-순환계 내에서 얻어진 증기는 바람직하게 상기 증기 터빈의 물-증기-순환계에 제공될 수 있다.
열교환기로부터 배출되는 물-증기-혼합물로부터 증기를 분리하기 위해, 별도의 물-증기-순환계에는 바람직하게 증기 수집 드럼이 연결된다. 이 증기 수집 드럼은 바람직하게 통합된 응축기를 포함한다.
냉각시 냉각제에서 발산되는 열을 매우 바람직하게 다시 얻기 위해 별도의 물-증기-순환계에 연결된 증기 수집 드럼에 바람직하게 차단 가능한 증기 파이프가 연결되며, 상기 증기 파이프를 통해 별도의 물-증기-순환계에서 생성된 증기가 증기 터빈의 물-증기-순환계에 연결된 증기 수집 드럼에 제공될 수 있다.
별도의 물-증기-순환계는 매우 간단한 구성 방식, 그리고 매우 저렴한 조립 비용 및 설치 비용을 위해 바람직하게는 자연 순환 방식으로 작동될 수 있다.
증기 터빈의 단독 작동에서도 냉각시 냉각 공기로부터 발산되는 열을 확실하게 배출하기 위해, 별도의 물-증기-순환계에 연결된 증기 수집 드럼이 바람직하게 2차 냉각 순환계에 연결된다. 이 경우, 상기 2차 냉각 순환계는 예를 들어 냉각탑을 둘러쌀 수 있다.
가스 및 증기 터빈 장치의 가스 터빈의 냉각제를 냉각하기 위한 방법과 관련된 전술한 목적은, 냉각제가 증기 터빈과 무관한 물-증기-순환계 내에서 유동하는 매체와의 열교환에 의해 냉각됨으로써 달성된다.
별도의 물-증기-순환계 내에서 유동하는 매체는 바람직하게 냉각제와의 열교환시 적어도 부분적으로 증발된다. 상기 별도의 물-증기-순환계는 바람직하게 자연 순환 방식으로 작동된다.
본 발명에 의해 얻어지는 장점은 특히, 증기 터빈과 무관한 물-증기-순환계 내에서 유동하는 매체와의 열교환에 의해 가스 터빈의 냉각제를 냉각함으로써 증기 터빈의 작동 상태와 무관하게 가스 터빈의 확실한 냉각이 보장된다는 것이다. 따라서, 가스 터빈은 가스 및 증기 터빈 장치의 다양한 작동 상태에서도, 특히 단독 작동중에도 확실하게 작동될 수 있다. 또한 별도의 물-증기-순환계와 증기 터빈의 물-증기-순환계를 차단 가능하게 연결함으로써, 가스 및 증기 터빈 장치의 정상 작동중에, 냉각시 가스 터빈의 냉각 공기에서 얻어지는 열을 에너지 생성 프로세스로 피드백시킬 수 있다. 따라서, 가스 및 증기 터빈 장치는 정상 작동중에 매우 경제적으로 작동될 수 있다.
도 1은 가스 터빈을 위한 냉각제를 냉각하기 위한 냉각 장치를 구비한 가스 및 증기 터빈 장치의 개략도이다.
본 발명의 실시예는 도면에 의해 더 자세히 설명된다.
도 1에 개략적으로 도시된 가스 및 증기 터빈 장치(1)는 연도 가스측으로 뒤에 연결된 폐열 증기 발생기(4)를 구비한 가스 터빈 장치(2)를 포함한다. 상기 가스 터빈 장치(2)는 공기 압축기(8)가 연결된 가스 터빈(6)을 포함한다. 가스 터빈(6) 앞에는 연소실(10)이 연결되고, 상기 연소실(10)은 공기 압축기(8)의 공기 파이프(fresh air pipe; 12)에 연결된다. 가스 터빈(6)의 연소실(10)에는 연료 파이프(14)가 연결된다. 가스 터빈(6) 및 공기 압축기(8) 그리고 제너레이터(16)는 공통의 샤프트(18) 상에 위치한다.
가스 터빈 장치(2)의 가스 터빈 뒤에 연도 가스측으로 연결된 폐열 증기 발생기(4)는 다수의 가열면을 가지며, 상기 가열면은 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)에 연결된다. 이 경우, 가열면은 응축물 예열기(22), 저압 증발기(24), 저압 과열기(26), 고압 예열기(28), 고압 증발기(30) 그리고 2개의 부분 부재(32, 34)로 형성된 고압 과열기(36)이다.
증기 터빈(21) 뒤에 증기측으로는 응축기(40)가 연결되고, 상기 응축기(40)는 응축 펌프(42) 및 폐열 증기 발생기(4) 외부에 배치된 예열기(44) 그리고 응축물 유도관(46)을 통해 응축물 예열기(22)와 연결된다. 상기 응축물 예열기(22)의 배출측은 조절 밸브(48)에 의해 차단 가능한 파이프(50)를 통해 공급수 탱크(52)에 연결된다. 공급수 탱크(52)의 배출측에는 저압 증발기(24)에 연결된 증기 수집 드럼(56)에 공급수를 제공하기 위한 파이프(54)가 배치된다. 또한, 공급수 탱크(52)의 배출측은 파이프(58)를 통해 고압 예열기(28)와 연결되며, 상기 고압 예열기(28)의 배출측은 고압 증발기(30)에 연결된 증기 수집 드럼(60)에 연결된다. 파이프(54, 58)는 각각 조절 밸브(62 또는 64)에 의해서 차단될 수 있다.
증기 수집 드럼(56, 60)이 저압 과열기(26) 또는 고압 과열기(36)를 통해 증기 터빈의 저압부 또는 고압부에 연결됨으로써, 폐쇄된 물-증기-순환계(20)가 형성된다.
가스 터빈 장치(2)는 매우 높은 효율을 얻을 목적으로 설계된다. 이를 위해, 가스 터빈 장치(2)의 작동시에는 약 1000 내지 1200℃의 온도를 갖는 연도 가스(B)가 가스 터빈(6) 내부로 유입된다. 이 경우, 가스 터빈(6)의 터빈 블레이드의 내열성과 관련하여 발생되는 제작 재료의 문제점을 확실하게 방지하기 위해, 가스 터빈 장치(2)에 냉각 장치(70)가 할당된다.
이 경우, 가스 터빈(6)용 냉각제로는 공기 압축기(8)로부터 나오는 공기(L)가 제공되며, 상기 공기(L)는 공기 파이프(12)로부터 분기되는 냉각제 파이프(72)를 통해 연소실(10)을 우회하여 가스 터빈(6)에 직접 제공될 수 있다. 냉각제로 제공되는 공기(L)를 냉각하기 위해, 냉각 장치(70)는 1차측이 냉각제 파이프(72) 내부에 연결된 열교환기(74)를 포함한다.
열교환기(74)의 2차측은 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)와 무관한 별도의 물-증기-순환계(76)에 연결된다. 또한, 열교환기(74)는 별도의 물-증기-순환계 (76)내에서 순환하는 매체(M)를 위한 증발기로 설계되며, 상기 열 교환기(74)의 배출측은 물-증기-파이프(78)를 통해서 응축기가 통합되어 있는 증기 수집 드럼(80)에 연결된다. 증기 수집 드럼(80)은 응축물 파이프(82)를 통해 열교환기(74)와 연결된다. 이 경우, 별도의 물-증기-순환계(76)는 자연 순환용으로 설계된다. 응축물 파이프(82)의 바이패스 루우프(84)에 연결된 순환 펌프(86)는 다만 스타트 단계를 위해서만 제공된다.
별도의 물-증기-순환계(76)는 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)와 차단 가능하게 연결된다. 이를 위해, 증기 수집 드럼(80)이 밸브(90)에 의해 차단 가능한 증기 파이프(92)를 통해 저압 드럼으로 설계된 증기 수집 드럼(56)에 연결된다. 증기 수집 드럼(80)은 물측에서 조절 밸브(94)에 의해 차단 가능한 파이프(96)를 통해 공급 파이프(54)에 연결된다.
증기 수집 드럼(80)내에는 열교환기(100)가 배치되고, 상기 열교환기(100)는 2차 냉각 순환계(102)에 연결된다. 2차 냉각 순환계(102) 내부에는 냉각탑(104)이 연결된다.
가스 및 증기 터빈 장치(1)는, 다양한 작동 상태에서도 가스 터빈(6)을 확실하게 냉각시킬 수 있는 신뢰성 있는 작동이 보장되도록 설계된다. 이를 위해, 가스 터빈(6)용 냉각제로 제공된 공기(L)는 증기 터빈(21)과 무관한 물-증기-순환계(76)에 제공된 매체(M)와의 열교환에 의해서 냉각된다. 열교환기(74) 내에서 공기(L)와의 열교환시 적어도 부분적으로 증발되는 매체(M)는 증기 수집 드럼(80)에 공급되며, 이곳에서는 생성된 증기가 증발되지 않은 매체(M)로부터 분리된다. 가스 및 증기 터빈 장치(1)의 정상 작동시, 즉 가스 터빈(6) 및 증기 터빈(21)의 공동 작동시 증기 수집 드럼(80) 내에서 분리된 증기(D)는 밸브(90)가 개방될 때 증기 파이프(92)를 통해 증기 수집 드럼(56) 내부에 공급된다. 그럼으로써, 열교환기(74) 내에서의 냉각시 공기(L)로부터 배출되는 열은 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)에 제공되어 에너지 생성을 유도한다. 따라서, 가스 및 증기 터빈 장치(1)는 매우 높은 효율로 작동된다.
증기(D)를 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)에 제공함으로써 별도의 물-증기-순환계(76) 내에서 나타나는 매체(M) 손실은, 필요에 따라 조절 밸브(94)가 개방될 때 파이프(96)를 통해 공급수를 증기 수집 드럼(80)에 공급함으로써 보상된다. 따라서, 별도의 물-증기-순환계(76)의 확실하고 지속적인 작동이 보장된다.
그러나, 가스 및 증기 터빈 장치(1)는 가스 터빈 장치(2)의 단독 작동시, 즉 증기 터빈(21)이 차단되고 가스 터빈(6)이 작동될 때 가스 터빈(6)의 확실한 냉각에 의해서 작동될 수 있다. 이를 위해, 가스 터빈 장치(2)의 단독 작동시에는 밸브(90) 및 조절 밸브(94)가 닫힘으로써, 별도의 물-증기-순환계(76)가 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)로부터 완전히 분리된다. 따라서, 증기 터빈(21) 및 상기 증기 터빈의 물-증기-순환계(20)에 할당된 구성요소들이 완전히 정지한 상태에서도 가스 터빈(6)의 냉각은 보장된다. 상기 작동 상태에서는, 냉각시 공기(L)로부터 빼내진 열이 2차 냉각 순환계(102)를 통해 주변으로 배출된다. 이 경우, 열교환기(74)에서 생성된 증기는 증기 수집 드럼(80)에 통합된 응축기에서 응축된다.
별도의 물-증기-순환계(76) 내부를 순환하는 매체(M)의 온도 수준을 공기(L) 냉각시 변동되는 요구 조건에 맞추어 조절할 수 있기 위해, 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)와 별도의 물-증기-순환계(76) 사이에 추가의 연결 파이프(106)가 제공된다. 상기 연결 파이프(106)는 매체의 흐름 방향으로 볼 때 응축기(40) 뒤에서 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)로부터 분기되어 응축물 파이프(82)에 연결된 분사기(108)로 유입된다. 상기 분사기(108)를 통해 차가운 응축물이 필요에 따라 별도의 물-증기-순환계(76) 내부로 분사될 수 있다. 이 때 차가운 응축물의 분사에 의해서는, 별도의 물-증기-순환계(76)를 순환하는 매체(M)의 온도가 변동되어 공기(L)와의 열교환시 특정 요구 조건에 맞게 조절된다.

Claims (10)

  1. 가스 및 증기 터빈 장치(1)로서,
    연도 가스측에서 가스 터빈(6) 하류에 연결된 폐열 증기 발생기(4)를 구비하고, 상기 폐열 증기 발생기(4)의 가열면이 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)에 연결되며,
    가스 터빈(6)의 냉각제를 냉각하기 위해 제공된 열교환기(74)가 2차측에서 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)와 차단 가능하게 연결된 별도의 물-증기-순환계(76)에 연결되고, 상기 별도의 물-증기-순환계(76)에 증기 수집 드럼(80)이 연결되는 것인 가스 및 증기 터빈 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기(74)가 상기 별도의 물-증기-순환계(76)를 위한 증발기로 형성된 가스 및 증기 터빈 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 별도의 물-증기-순환계(76)에 연결된 증기 수집 드럼(80)에 응축기가 통합된 가스 및 증기 터빈 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 별도의 물-증기-순환계(76) 내에서 생성된 증기가 차단 가능한 증기 파이프(92)를 통해 증기 터빈(21)의 물-증기-순환계(20)에 연결된 증기 수집 드럼(56, 60)에 제공될 수 있는 가스 및 증기 터빈 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 별도의 물-증기-순환계(76)가 자연 순환 방식으로 작동될 수 있는 가스 및 증기 터빈 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 별도의 물-증기-순환계(76)에 연결된 증기 수집 드럼(80)이 2차 냉각 순환계(102)에 연결된 가스 및 증기 터빈 장치.
  8. 연도 가스 측에서 가스 터빈(6)의 하류에 폐열 증기 발생기(4)가 연결되고, 상기 폐열 증기 발생기(4)의 가열면이 증기 터빈(21)의 물 증기 순환계에 연결된 가스 및 증기 터빈 장치(1)에서, 상기 가스 터빈(6)의 냉각제를 냉각하는 방법으로서,
    상기 냉각제가 상기 증기 터빈(21)의 물 증기 순환계와 차단가능하게 연결된 독립적인 물-증기-순환계(76) 내에서 유동하는 매체(M)와의 열교환에 의해 냉각되고, 상기 독립적인 물-증기-순환계(76)에 증기 수집 드럼(80)이 연결되도록 하는 것인 가스 터빈(6)의 냉각제를 냉각하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 독립적인 물-증기-순환계(76)에 제공된 매체(M)를 냉각제와의 열교환시 적어도 부분적으로 증발시키는, 가스 터빈(6)의 냉각제를 냉각하는 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 독립적인 물-증기-순환계(76)를 자연 순환 방식으로 작동시키는, 가스 터빈(6)의 냉각제를 냉각하는 방법.
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