KR20140087708A - 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템 - Google Patents

가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템 Download PDF

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Abstract

가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템이 개시된다. 본 발명은 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템에 있어서, 가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부; 및 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동하여 발전하는 배열 회수 발전부를 포함하되, 가스 터빈부에서는 해수로 공기를 냉각시켜 가스 터빈의 출력을 높이는 것을 특징으로 한다.

Description

가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템{Generating Capacity Augmentation System For Power Plant Using Combined Cycle}
본 발명은 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스 터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부와, 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동하여 발전하는 배열 회수 발전부를 포함하는 가스 복합발전플랜트에서, 해수로 공기를 냉각시켜 가스 터빈부의 압축기에 공급함으로써 출력을 증대시킬 수 있는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템에 관한 것이다.
연소에 의한 에너지를 터빈 등의 원동기(原動機, prime mover)를 통하여 전기에너지로 변환하는 방법에는, 보일러 및 스팀터빈에 의한 발전방법, 가스터빈에 의한 발전방법 및 이들을 조합한 복합 사이클 발전방법이 있다.
보일러 및 스팀 터빈에 의한 발전 방법은, 연료로 중유, 원유, 잔사유 또는 석탄을 사용하고, 보일러에서 발생한 고온, 고압의 스팀에 의하여 터빈을 구동하여 발전하지만, 열효율이 38 ~ 40 %/HHV기준(HHV: 고위발열량)으로 비교적 낮다.
또한 가스터빈은 연료로 액화천연가스, 등유, 경유 등을 사용하여, 연료를 압축공기로 또는 압축공기를 연소열로 가열하여 연소시켜, 발생한 고온, 고압의 가스에 의하여 터빈을 구동하여 발전한다. 발전효율은 20 ~ 35%이지만, 가스터빈의 배기가스는 450 ~ 700℃로 고온이므로 이러한 열을 이용할 수 있다.
공냉식 터빈 등에서는 온도를 1300 ~ 1500℃ 정도까지 높일 수 있으므로, 발전효율의 향상, 배기가스의 보다 유효한 이용이 가능하다.
이들을 조합한 복합 사이클 발전에서는 연료로 액화천연가스를 사용하고, 압축공기로 연료를 연소시켜, 그 고온고압가스로 가스터빈을 구동하여 발전하고, 또한 배기가스를 폐열회수 보일러에 공급하여 스팀을 발생시키고 스팀 터빈에 의해 발전하는 방법이 실시되어 있고, 열효율이 46 ~ 47%로 높은 것이 특징이다. 따라서 발전설비의 노화에 의하여 설비를 신설할 때나, 기존설비를 이용한 발전력을 증강할 때에는, 열효율이 높은 복합 사이클 발전으로의 전환이 진행되고 있다.
그러나, 액화천연가스에 의한 복합 사이클 발전에서는 연료인 LNG의 저장 비용이 필요하고, 공급에 문제를 일으킬 수도 있다.
구미에서는, LNG나 경유 이외에 원유나 잔사유를 가스터빈의 연료로 사용하고 있는 실적이 있으나, 이들에 포함된 불순물 때문에 많은 문제가 발생하고, 경유나 LNG를 사용하는 경우에 비해 보수비용이 들게 된다.
특히 최근 환경규제조건이 강화됨에 따라, 석탄화력 및 원자력 발전(장치)에 비하여, 공해의 배출이 적으면서도 높은 성능과 신뢰성을 갖춘 복합화력 발전소의 건설이 급격히 증가되고 있다.
이러한 복합화력 발전(장치)은, 기본적으로 가스터빈(GAS Turbine)과 배열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator)와 스팀 터빈 등으로 구성되어 있다. 상기의 복합화력 발전은, 시스템의 효율을 높이기 위해, 일차적으로 화석연료를 연소시켜 생성한 고온의 연소가스로 가스터빈을 돌려 전력을 생산한 후, 가스터빈에서 배출되는 상기 고온의 연소가스(배기가스)로 배열회수 보일러에서 증기를 생산하도록 하여, 그 증기로 스팀 터빈을 돌려 이차적으로 전력을 생산한다.
가스터빈의 출력은 복합화력 발전 시스템에서 통상적으로 60%이상의 출력을 차지하는데, 이 가스터빈의 출력은 압축기로 유입되는 공기의 온도에 반비례한다. 예를 들어 국내의 경우 첨두부하시 공급안정성이 중요하게 요구되는 하절기에 높은 대기온도의 영향으로 인해 압축기 온도가 높아지므로 가스터빈 출력은 정격출력에 미치지 못하는 경우가 발생한다. 대기온도에 따른 가스터빈의 출격특성은 터빈 특성에 따라서 차이가 있지만, 통상적으로 대기온도 1℃ 상승에 1%의 출력감소를 나타내며, 대기온도 감소시에는 유사한 비율로 출력이 증가한다고 볼 수 있다(LNG 냉열을 이용한 복합발전 플랜트의 성능향상에 관한 연구, Energy Engg, J(1999), Vol. 8, No. 1, pp.159~165 참조). 국내 동해안 지역의 발전플랜트가 설치된 사례의 경우 하절기 대기온도 및 하절기 해수온도는 각각 최고 37℃ 및 26℃이다. 즉 하절기 대기온도 및 해수온도 차가 약 9℃로 이를 통한 냉각 효과를 얻을 수 있다.
시스템의 출력을 증대시키기 위한 방법으로는, 공기의 온도를 낮출 수 있도록 물이나 증기를 분사하는 방법 또는 압축기로 도입되는 공기를 냉각시키는 냉각기를 마련하는 방법 등이 있는데, 종래에는 이러한 냉각기의 구동을 위해 별도의 동력을 필요로 하였다.
본 발명은, 압축 과정에서 공기의 냉각을 위해 종래에 사용되는 방법 중 압축기 입구에서 공기를 냉각하는 방식에서, 별도의 동력원 없이 가스 터빈의 출력을 높이기 위한 것으로, 열회수로 얻은 증기를 열원으로 흡수식 냉동기를 구동하는 방식처럼 별도의 열원을 필요로 하는 시스템이 아니라, 해수를 이용하여 공기를 냉각시켜 가스 터빈부로 공급할 수 있도록 함으로써, 별도의 열원이 없으며 복합발전플랜트에 기 설치된 해수 시스템을 활용하여 동력 사용 비용을 절감하면서 복합발전플랜트의 출력을 증대시킬 수 있는 시스템을 제시하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스복합발전플랜트의 출력을 증대시키는 시스템에 있어서,
가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부; 및
상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동하여 발전하는 배열 회수 발전부를 포함하되,
상기 가스 터빈부에서는 해수로 공기를 냉각시켜 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템이 제공된다.
상기 가스 터빈부는 공기를 압축하고 해수로 냉각시키는 압축 냉각부와, 상기 압축 냉각부로부터 공기를 공급받아 가스 연료를 연소시키는 연소기와, 상기 연소기의 후단에 마련되는 가스 터빈 발전부를 포함할 수 있다.
상기 압축 냉각부는 공기를 압축시키는 적어도 하나의 압축기와, 상기 압축기로 유입되는 공기를 해수와 열교환으로 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기로 공급되는 해수의 유량을 조절하는 유량조절밸브를 포함할 수 있다.
상기 압축 냉각부는 상기 냉각기 출구에서 공기의 온도를 측정하여 상기 유량조절밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 배열 회수 발전부는 상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 물을 증발시켜 증기를 생성하는 배열 회수 보일러와, 상기 배열 회수 보일러에서 공급되는 상기 증기로 스팀 터빈을 구동시켜 발전하는 스팀 터빈 발전기와, 상기 스팀 터빈 발전기에서 배출되는 상기 증기를 해수와 열교환시켜 복수하는 복수기와, 상기 복수기에서 복수된 물을 상기 배열 회수 보일러로 공급하는 급수 펌프를 포함하되, 상기 가스 터빈부에서 상기 복수기로 도입되는 해수 중 적어도 일부를 공급받아 공기를 냉각시켜 공기의 밀도를 높일 수 있다.
상기 배열 회수 발전부는 상기 복수기로 도입되는 해수를 유입시키는 해수 펌프와, 상기 해수 펌프의 후단에서 상기 해수 펌프의 전단으로 연결되는 재순환 배관과, 상기 재순환 배관에 마련되는 재순환 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 가스복합발전플랜트의 출력을 증대시키는 방법에 있어서,
가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하고, 상기 가스 터빈에서 배출되는 배기를 열원으로 증기를 생성하여 스팀 터빈을 구동시켜 발전하되,
상기 가스 연료를 연소시키는 상기 압축된 공기는 해수와 열교환으로 냉각시킨 후 압축시켜 공급되는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 방법이 제공된다.
상기 스팀 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수하도록 도입되는 해수의 적어도 일부를 분리하여 상기 압축된 공기를 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템은, 가스 터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부와, 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동하여 발전하는 배열 회수 발전부를 포함하되, 배열 회수 발전부의 복수기에 공급되는 냉각 해수 중 일부를 가스 터빈부의 압축기로 도입될 공기의 냉각에 활용하여 가스 터빈의 출력을 높임으로써, 동력 사용 비용을 절감하면서도 복합발전플랜트의 출력을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템은, 가스복합발전플랜트의 출력을 증대시키는 시스템에 있어서, 가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부(100)와, 가스 터빈부(100)에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동하여 발전하는 배열 회수 발전부(200)를 포함하되, 가스 터빈부(100)에서는 해수로 공기를 냉각시켜 상기 가스 터빈의 출력을 높일 수 있다.
가스복합발전플랜트에서는, 압축된 공기로 연료를 연소시켜 가스 터빈을 구동시켜 발전하고, 가스 터빈에서 배출된 배기를 배열 회수 발전부(200)에 공급하여 이를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동시켜 발전한다. 우리나라의 여름과 같이 계절적 요인 또는 적도 부근의 저위도 지역과 같이 지리적 요인에 의해 가스 터빈부(100)의 압축기(112)로 도입되는 대기 온도는 상승할 수 있다. 대기 온도의 상승을 보완하기 위해 압축되는 공기를 냉각시키는데, 본 실시예에서는 공기의 냉각을 위해 해수를 이용하는 시스템을 제시한다.
가스 터빈부(100)는 공기를 압축하고 해수로 냉각시키는 압축 냉각부(110)와, 압축 냉각부(110)로부터 공기를 공급받아 가스 연료를 연소시키는 연소기(120)와, 연소기(120)의 후단에 마련되는 가스 터빈 발전부(130)를 포함할 수 있다.
압축 냉각부(110)는 공기를 압축시키는 적어도 하나의 압축기(112)와, 압축기(112)로 유입되는 공기를 해수와 열교환으로 냉각시키는 냉각기(113)와, 냉각기(113)로 공급되는 해수의 유량을 조절하는 유량조절밸브(111)를 포함할 수 있다.
압축기(112)는 하나만 마련될 수도 있으나 복수의 압축기가 연속적으로 마련되는 다단 형태(미도시)가 될 수도 있으며, 복수의 압축기가 마련되는 경우 냉각기(113)는 각 압축기의 입구 측에서 압축기로 유입되는 공기를 해수로 냉각시킬 수 있다.
해수의 온도는 위도나 계절에 따라 차이는 있으나 국내의 동해안을 기준으로 하절기 최고 수온이 약 26 ℃내외이며, 적도 부근의 저위도 지역에서도 30℃ 이하의 비교적 저온이므로, 하절기 또는 적도 부근의 대기 온도가 각각 약 37 ℃ 및 약 40 ℃에 이른다는 점을 고려하면, 가스 터빈부(100)의 압축기(112)로 도입되는 공기를 냉각시키기에 충분하다.
압축 냉각부(110)는 냉각기 출구에서 공기의 온도를 측정하여 유량조절밸브(111)의 개폐를 제어하는 제어부(114)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 예를 들어, 냉각기 후단에서 해수로 냉각된 공기의 온도를 측정하여 유량조절밸브(111)로 시그널을 보내 밸브 개도율을 조절하는 Temperature Indication Transmitter(TIT)일 수 있다.
배열 회수 발전부(200)는 가스 터빈부(100)에서 배출되는 배기를 열원으로 물을 증발시켜 증기를 생성하는 배열 회수 보일러(210)와, 배열 회수 보일러(210)에서 공급되는 증기로 스팀 터빈을 구동시켜 발전하는 스팀 터빈 발전기(220)와, 스팀 터빈 발전기(220)에서 배출되는 증기를 해수와 열교환시켜 복수하는 복수기(230)와, 복수기(230)에서 복수된 물을 배열 회수 보일러(210)로 공급하는 급수 펌프(240)를 포함하되, 가스 터빈부(100)에서 복수기(230)로 도입되는 해수 중 적어도 일부를 공급받아 공기를 냉각시켜 가스 터빈의 출력을 높일 수 있다.
배열 회수 발전부(200)는 복수기(230)로 도입되는 해수를 유입시키는 해수 펌프(250)와, 해수 펌프(250)의 후단에서 해수 펌프(250)의 전단으로 연결되는 재순환 배관(260)과, 재순환 배관(260)에 마련되는 재순환 밸브(261)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시되는 것과 같이 본 실시예는, 배열 회수 발전부(200)의 복수기(230)에 냉각수로 도입되는 해수의 일부를 해수 펌프(250)의 후단으로부터 공급받아, 냉각기에서 이용하는 것으로 시스템을 구성할 수 있다. 이를 통해, 냉각기에 해수를 공급하기 위한 별도의 펌프를 마련할 필요가 없으므로, 경제적이고 효율적인 시스템 구성이 가능하다.
해수 펌프(250)로 도입된 해수 중 일부를 배관을 통해 냉각기로 공급하고, 해수 펌프(250) 후단으로부터 재순환 배관(260)을 통해 해수 펌프(250) 전단으로 냉각기(113)로 공급된 해수의 양만큼 재순환시킬 수 있다. 이를 통해 복수기(230)에 해수 공급을 위해 마련된 해수 펌프(250)의 용량을 늘리지 않고도 냉각기에 해수를 공급하는 동시에 복수기(230)에 공급되어야 할 해수의 유량도 확보할 수 있다. 겨울철 등, 냉각기(113)로 공기의 냉각을 위한 해수 공급이 필요하지 않은 경우는 유량조절밸브(111)와 재순환 밸브(261)를 모두 잠그고, 해수 펌프(250)로부터 해수 전량을 복수기(230)로 공급할 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 가스복합발전플랜트의 출력을 증대시키는 방법에 있어서,
가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하고, 가스 터빈에서 배출되는 배기를 열원으로 증기를 생성하여 스팀 터빈을 구동시켜 발전하되,
가스 연료를 연소시키는 압축된 공기는 해수와 열교환으로 냉각시킨 후 압축시켜 공급되는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 방법이 제공된다.
스팀 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수하도록 도입되는 해수의 적어도 일부를 분리하여 압축된 공기를 냉각시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템은, 해수로 공기를 냉각시켜 밀도를 높인 압축 공기를 가스 터빈부(100)에 공급함으로써 동력 사용 비용을 절감하면서도 복합발전플랜트의 출력을 증대시킬 수 있다. 특히 배열 회수 발전부(200)의 복수기(230)의 냉각수로 해수를 도입시키는 해수 펌프(250)로부터 해수 일부를 공급받도록 설계하는 경우, 별도의 펌프를 마련하지 않고도 효과적으로 공기를 냉각시켜 공급할 수 있게 된다.
이와 같이 본 실시예의 시스템을 통해 비용을 절감하여 경제적이면서도, 가스 터빈부의 압축기로 도입되는 공기의 온도를 낮추어 가스 터빈의 출력을 증대시킴으로써 발전량을 늘릴 수 있는 복합발전플랜트 시스템을 구축할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 가스 터빈부
110: 압축 냉각부
111: 유량조절밸브
112: 압축기
113: 냉각기
114: 제어부
120: 연소기
130: 가스 터빈 발전부
200: 배열 회수 발전부
210: 배열 회수 보일러
220: 스팀 터빈 발전기
230: 복수기
240: 급수 펌프
250: 해수 펌프
260: 재순환 배관
261: 재순환 밸브

Claims (8)

  1. 가스복합발전플랜트의 출력을 증대시키는 시스템에 있어서,
    가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하는 가스 터빈부; 및
    상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 생성된 증기로 스팀 터빈을 구동하여 발전하는 배열 회수 발전부를 포함하되,
    상기 가스 터빈부에서는 해수로 공기를 냉각시켜 상기 가스 터빈의 출력을 높이는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가스 터빈부는
    공기를 압축하고 해수로 냉각시키는 압축 냉각부;
    상기 압축 냉각부로부터 공기를 공급받아 가스 연료를 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기의 후단에 마련되는 가스 터빈 발전부를 포함하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 압축 냉각부는
    공기를 압축시키는 적어도 하나의 압축기;
    상기 압축기로 유입되는 공기를 해수와 열교환으로 냉각시키는 냉각기; 및
    상기 냉각기로 공급되는 해수의 유량을 조절하는 유량조절밸브를 포함하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 압축 냉각부는
    상기 냉각기 출구에서 공기의 온도를 측정하여 상기 유량조절밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 배열 회수 발전부는
    상기 가스 터빈부에서 배출되는 배기를 열원으로 물을 증발시켜 증기를 생성하는 배열 회수 보일러;
    상기 배열 회수 보일러에서 공급되는 상기 증기로 스팀 터빈을 구동시켜 발전하는 스팀 터빈 발전기;
    상기 스팀 터빈 발전기에서 배출되는 상기 증기를 해수와 열교환시켜 복수하는 복수기; 및
    상기 복수기에서 복수된 물을 상기 배열 회수 보일러로 공급하는 급수 펌프를 포함하되,
    상기 가스 터빈부에서 상기 복수기로 도입되는 해수 중 적어도 일부를 공급받아 공기를 냉각시켜 공기의 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 배열 회수 발전부는
    상기 복수기로 도입되는 해수를 유입시키는 해수 펌프;
    상기 해수 펌프의 후단에서 상기 해수 펌프의 전단으로 연결되는 재순환 배관; 및
    상기 재순환 배관에 마련되는 재순환 밸브를 포함하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 시스템.
  7. 가스복합발전플랜트의 출력을 증대시키는 방법에 있어서,
    가스 연료를 압축된 공기로 연소시켜 가스 터빈을 구동하여 발전하고, 상기 가스 터빈에서 배출되는 배기를 열원으로 증기를 생성하여 스팀 터빈을 구동시켜 발전하되,
    상기 가스 연료를 연소시키는 상기 압축된 공기는 해수와 열교환으로 냉각시킨 후 압축시켜 공급되는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 스팀 터빈을 구동시키고 배출되는 증기를 복수하도록 도입되는 해수의 적어도 일부를 분리하여 상기 압축된 공기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 가스복합발전플랜트의 출력 증대 방법.
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