WO2015002402A1 - 가스 터빈 시스템 - Google Patents

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WO2015002402A1
WO2015002402A1 PCT/KR2014/005616 KR2014005616W WO2015002402A1 WO 2015002402 A1 WO2015002402 A1 WO 2015002402A1 KR 2014005616 W KR2014005616 W KR 2014005616W WO 2015002402 A1 WO2015002402 A1 WO 2015002402A1
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compressed air
turbine
compression
combustion
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PCT/KR2014/005616
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English (en)
French (fr)
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김명효
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Hanwha Vision Co Ltd
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Samsung Techwin Co Ltd
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/18—Control of working fluid flow by bleeding, bypassing or acting on variable working fluid interconnections between turbines or compressors or their stages

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine system.
  • the turbine device is a device that converts energy of fluids such as water, gas, and steam into useful work.
  • the gas turbine device rotates the turbine output shaft by introducing hot and high pressure gas from the combustor into the turbine section and colliding with the blades of the turbine rotor.
  • Patent Publication No. 1999-007437 relates to a gas turbine that improves the output and thermal efficiency by spraying water droplets to the air supplied to the compressor Techniques are disclosed.
  • the compression unit and a combustion unit for causing a combustion action by using the first compressed air from the compression unit; and a turbine unit for generating power by the combustion gas from the combustion unit; And a heat recovery unit recovering the heat from the exhaust gas of the turbine unit; and a compressed air supply unit providing second compressed air to which the heat recovered from the heat recovery unit is transferred. At least a portion of the compressed air provides a gas turbine system supplied to at least one of the combustion section and the turbine section.
  • a compression unit and a combustion unit that generates a combustion action by using the first compressed air from the compression unit; and a turbine generating power by the combustion gas from the combustion unit And a heat recovery unit recovering the heat from the exhaust gas of the turbine unit and including a heat recovery steam generator; and a compressed air supply unit providing second compressed air to which the heat recovered from the heat recovery unit is transferred; And at least a portion of the second compressed air to which the arrangement has been delivered provides a gas turbine system that is supplied to the combustion section.
  • the compression unit and a combustion unit for generating a combustion action by using the first compressed air from the compression unit; and generating power by the combustion gas from the combustion unit
  • a heat recovery unit including a heat recovery steam generator that recovers the heat from the exhaust gas of the turbine unit, and a compressed air supply unit providing second compressed air to which the heat recovered from the heat recovery unit is transferred.
  • a gas turbine system in which at least a portion of the second compressed air to which the arrangement is transmitted is supplied to the turbine portion.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic view of a gas turbine system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic view of a gas turbine system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the compression unit and a combustion unit for causing a combustion action by using the first compressed air from the compression unit; and a turbine unit for generating power by the combustion gas from the combustion unit; And a heat recovery unit recovering the heat from the exhaust gas of the turbine unit; and a compressed air supply unit providing second compressed air to which the heat recovered from the heat recovery unit is transferred. At least a portion of the compressed air provides a gas turbine system supplied to at least one of the combustion section and the turbine section.
  • the compression unit may include a plurality of compression stages.
  • the turbine unit may include a plurality of expansion stages.
  • the second compressed air to which the arrangement is delivered may be delivered to at least a portion of the plurality of expansion stages.
  • the compression unit includes a plurality of compression stages
  • the turbine unit includes a plurality of expansion stages
  • the compression stage and the expansion stage is connected to a cooling conduit, at least a portion of the second compressed air delivered to the arrangement It may be transferred to the cooling conduit.
  • the heat recovery unit may include a stack in which the discharge gas is discharged, and the heat exchange unit may be disposed in the stack to exchange heat with the second compressed air.
  • the heat recovery unit may include a heat recovery steam generator.
  • the apparatus may further include a regeneration heat exchanger configured to transfer heat to the second compressed air by using steam generated by the heat recovery steam generator.
  • the compressed air supply unit may be driven by the power generated in the turbine unit.
  • the clutch unit may further include a clutch unit for controlling the transmission of power generated in the turbine unit and delivered to the compressed air supply unit.
  • the compressed air supply unit may be driven by the power generated by the power generating device.
  • the compressed air supply unit may include a plurality of compressors.
  • the compressed air supply unit may include a compressed air storage device in which the second compressed air is stored.
  • the power generation unit for generating power by the power generated by the turbine unit may further include.
  • a plurality of the compression unit, the combustion unit, the turbine unit, and the heat recovery unit may be disposed.
  • the apparatus may further include a branching device for branching the second compressed air received from the heat recovery unit into a pipe line connected to the combustion unit and a pipe line connected to the turbine unit.
  • the control unit may further include a control unit for controlling the compression unit, the combustion unit, the turbine unit, the heat recovery unit, and the compressed air supply unit.
  • a compression unit and a combustion unit that generates a combustion action by using the first compressed air from the compression unit; and a turbine generating power by the combustion gas from the combustion unit And a heat recovery unit recovering the heat from the exhaust gas of the turbine unit and including a heat recovery steam generator; and a compressed air supply unit providing second compressed air to which the heat recovered from the heat recovery unit is transferred; And at least a portion of the second compressed air to which the arrangement has been delivered provides a gas turbine system that is supplied to the combustion section.
  • the compression unit and a combustion unit for generating a combustion action by using the first compressed air from the compression unit; and generating power by the combustion gas from the combustion unit
  • a heat recovery unit including a heat recovery steam generator that recovers the heat from the exhaust gas of the turbine unit, and a compressed air supply unit providing second compressed air to which the heat recovered from the heat recovery unit is transferred.
  • a gas turbine system in which at least a portion of the second compressed air to which the arrangement is transmitted is supplied to the turbine portion.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to a first embodiment of the present invention.
  • a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gas turbine system 100 of the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1 includes a turbine unit 110, a compressed air supply unit 120, a compression unit 130, a combustion unit 140, and a power generation unit 150. , Array recovery unit 160, control unit 170, clutch unit 180.
  • the turbine unit 110 includes a known rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) therein.
  • the turbine unit 110 has an output shaft 111, the output shaft 111 is connected to the shaft of the rotor inside the turbine unit 110.
  • the compressed air supply unit 120 receives power from the rotating shaft 121 to compress air to produce a second compressed air to be sent to the heat recovery unit 160.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used as the compressed air supply unit 120.
  • the compressed air supply unit 120 has a configuration for compressing air by receiving power from the rotating shaft 121, but the present invention is not limited thereto. That is, the compressed air supply unit according to the present invention may be driven by receiving power by a separate motor (not shown), in which case the controller 170 controls the motor.
  • the compression unit 130 performs the function of compressing the air to produce the first compressed air entering the combustion unit 140
  • the compression unit 130 is a conventional turbo compressor, rotary compressor, reciprocating compressor, etc. to be used Can be.
  • the compression unit 130 is driven by receiving power from the output shaft 111. That is, the drive shaft of the compression unit 130 is configured to be integral with the output shaft 111 is rotated by receiving power.
  • the combustion unit 140 inputs fuel to the first compressed air from the compression unit 130 through a pipe line PA1 and performs a combustion action to generate a combustion hot and high pressure gas.
  • the power generation unit 150 receives power from the shaft 112 connected to the shaft of the compression unit 130 and performs power generation.
  • the drive shaft of the power generation unit 150 is integrally formed with the shaft 112 and rotated by receiving power.
  • the gas turbine system 100 according to the first embodiment is configured to include the power generation unit 150, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system 100 according to the present invention may be configured not to include the power generation unit 150, and the generated power may be used to drive other mechanical devices or may be directly converted into thermal energy.
  • the heat recovery unit 160 is an apparatus for recovering heat from the exhaust gas of the turbine unit 110, and a stack 161 is disposed behind the exhaust gas.
  • the heat exchange part 161a which exchanges heat is arrange
  • the heat recovery unit 160 according to the first embodiment includes a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the configuration and form thereof are not limited.
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • the heat recovery unit 160 may further include a recuperator, and in some cases, a discharge facility for condensate may be installed.
  • a heat recovery steam generator since the heat recovery unit 160 includes a heat recovery steam generator, steam is generated. When steam is generated, the generated steam is transferred to a steam turbine device (not shown) to be used for secondary power generation. Can be.
  • the control unit 170 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, etc., and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 100. It will be described later.
  • the clutch unit 180 performs a function of adjusting the power transmission connection between the shaft 113 connected to the shaft of the power generation unit 150 and the rotation shaft 121. That is, the clutch unit 180 transmits power by connecting the shaft 113 and the rotating shaft 121 or cuts off the power transmission by disconnecting the shaft 113 and the rotating shaft 121.
  • the clutch unit 180 may be configured to be controlled automatically under the instruction of the controller 170, or may be configured to be manually controlled by the user.
  • a known clutch configuration may be used.
  • a claw clutch, a friction clutch, a magnetic clutch, a fluid clutch, a centrifugal clutch, or the like may be applied.
  • control unit 170 drives the compression unit 130 using an initial starting motor (not shown) to generate the first compressed air.
  • the generated first compressed air is transferred to the combustion unit 140 through the pipe line CA1.
  • the first compressed air transferred to the combustion unit 140 is combusted with the fuel to produce combustion gas, and the high temperature and high pressure combustion gas is moved to the turbine unit 110 through the pipeline CA2 and expanded to produce power. .
  • the turbine unit 110 When the turbine unit 110 produces power, the turbine unit 110 drives the power generation unit 150 through the output shaft 111 and the shaft 112 to generate a power generation operation, and further, the turbine unit 110.
  • the driving of the gas turbine system 100 as described above is continued by driving the compression unit 130 through the output shaft 111.
  • the exhaust gas discharged from the turbine unit 110 is moved to the heat recovery unit 160 through the pipe line CA3 to recover the heat, and then discharged to the outside.
  • the heat of recovered exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange part 161a of the stack 161.
  • the controller 170 opens VA1 of the pipeline CA4 according to a pre-stored program or a user's instruction, and operates the clutch unit 180 to connect the shaft 113 and the rotation shaft 121.
  • the compressed air supply unit 120 When the rotary shaft 121 is rotated by receiving power from the shaft 113, the compressed air supply unit 120 produces the second compressed air.
  • the second compressed air produced by the compressed air supply unit 120 is transferred to the heat exchange unit 161a through the pipe line CA4, and receives the heat recovered from the exhaust gas in the heat exchange unit 161a and then burns the combustion unit through the pipe line CA5. Is transferred to 140.
  • the output of the gas turbine system 100 is improved.
  • the output of the combined thermal power decreases due to the increase in the atmospheric temperature during the summer day when the peak of the power occurs a lot.
  • the atmospheric temperature is about 30 ° C.
  • the compressed air is injected into the combustion unit 140 by about 20%. The output of can be improved.
  • the first embodiment it is possible to improve the output without increasing the inlet temperature of the turbine unit 110, 5% to 10% within the limit of the stall (stall) of the compression unit 130 Further improvement of the output is possible.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a gas turbine system according to a second embodiment of the present invention.
  • a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • Gas turbine system 200 of the second embodiment of the present invention turbine unit 210, compressed air supply unit 220, compression unit 230, combustion unit 240, power generation unit 250, heat recovery unit ( 260, a control unit 270, a clutch unit 280, and a regenerative heat exchange unit 290.
  • the turbine unit 210 includes a known rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) therein.
  • the turbine unit 210 has an output shaft 211, which is connected to the shaft of the rotor inside the turbine unit 210.
  • Turbine section 210 is composed of a multi-stage structure having four expansion stages. That is, the turbine unit 210, in the order from the high pressure stage to the low pressure stage, the first expansion stage 210a, the second expansion stage 210b, the third expansion stage 210c, the fourth expansion stage 210d. Equipped.
  • the turbine unit 210 has a four-stage expansion stage for the purpose of description, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the number of expansion stages of the turbine unit 210 is not particularly limited.
  • the number of expansion stages of the turbine unit 210 may be composed of one stage, two stages, three stages, five stages, ten stages, and the like.
  • the compressed air supply unit 220 includes a rotating shaft 221, four compressors 222a, 222b, 222c, and 222d, a first gear 223, and a second gear 224.
  • the compressors 222a, 222b, 222c, and 222d perform a function of compressing air to produce second compressed air.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used.
  • the first gear 223 is mounted on the rotating shaft 221, the second gear 224 is meshed with the first gear 223, the first gear 223 and the second gear 224 is a spur gear Has the form
  • the rotary shaft 221 receives power from the clutch unit 280 to rotate the first gear 223 mounted on the rotary shaft 221.
  • the second gear 224 engaged with the rotary shaft 221 rotates.
  • four compressors 222a, 222b, 222c, and 222d connected to the shaft of the second gear 224 are driven and driven.
  • the first gear 223 and the second gear 224 are meshed with each other to transfer the power of the rotating shaft 221 to four compressors 222a, 222b, 222c, and 222d.
  • the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, there is no particular limitation on the configuration of the power transmission means of the portion.
  • a third gear, a fourth gear, etc. may be added and configured, and the type of gears may be a helical gear, a double helical gear, a bevel gear, or the like. have.
  • a power transmission means such as belt transmission, chain transmission, friction differential transmission, etc. may be used instead of the gear transmission system.
  • the compressed air supply unit 220 includes four compressors 222a, 222b, 222c, and 222d, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compressors provided with the compressed air supply unit according to the present invention is not particularly limited.
  • the compressed air supply may include one, two, three, five, six compressors, and the like.
  • the compressed air supply unit 220 according to the second embodiment has a configuration that compresses air by receiving power from the rotation shaft 221, but the present invention is not limited thereto. That is, the compressed air supply unit according to the present invention may be driven by receiving power by a separate motor (not shown), in which case the controller 270 controls the motor.
  • the compression unit 230 performs a function of compressing air to produce first compressed air entering the combustion unit 240.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used. Can be.
  • the driving of the compression unit 230 is made by receiving power from the output shaft 211. That is, the driving shaft of the compression unit 230 is configured to be integral with the output shaft 211 to receive power and rotate.
  • the combustion unit 240 injects fuel into the first compressed air from the compression unit 230 through the pipe line PB1 and generates a combustion action by generating a combustion action, which is generally used in a turbine device.
  • the power generation unit 250 receives power from the shaft 212 connected to the shaft of the compression unit 230 and performs power generation.
  • the drive shaft of the power generator 250 is integrally formed with the shaft 212 and is rotated by receiving power.
  • the gas turbine system 200 according to the second embodiment is configured to include the power generation unit 250, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system according to the present invention may be configured not to include the power generation unit 250, in which case the generated power may be used to drive other mechanical devices or directly converted into thermal energy.
  • the heat recovery unit 260 is an apparatus for recovering heat from the exhaust gas of the turbine unit 210, and a stack 261 is provided behind the exhaust gas. In the stack 261, a heat exchange part 261a for exchanging heat is arranged.
  • the heat recovery unit 260 according to the second embodiment includes a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the configuration and form thereof are not limited.
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • the heat recovery unit 260 may further include a recuperator, and in some cases, a discharge facility for condensate may be installed.
  • a heat recovery steam generator since the heat recovery unit 260 includes a heat recovery steam generator, steam is generated. When steam is generated, the generated steam is transferred to a steam turbine device (not shown) to be used for secondary power generation. Can be.
  • the control unit 270 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, and the like, and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 200. It will be described later.
  • the clutch unit 280 adjusts the power transmission connection between the shaft 213 connected to the shaft of the power generator 250 and the rotation shaft 221. That is, the clutch unit 280 transmits power by connecting the shaft 213 and the rotating shaft 221 or cuts off the power transmission by disconnecting the shaft 213 and the rotating shaft 221.
  • the clutch unit 280 may be configured to be controlled automatically under the instruction of the controller 270, or may be configured to be manually controlled by the user.
  • a known clutch configuration may be used.
  • a claw clutch, a friction clutch, a magnetic clutch, a fluid clutch, a centrifugal clutch, or the like may be applied.
  • the regenerative heat exchanger 290 is a device for exchanging heat by using the heat of the steam generated by the heat recovery unit 260 or the heat of the condensate discharged.
  • the second compressed air from the compressed air supply unit 220 receives heat while passing through the regenerative heat exchange unit 290.
  • the control unit 270 drives the compression unit 230 by using an initial starting motor (not shown) to generate the first compressed air.
  • the generated first compressed air is transferred to the combustion unit 240 through the pipeline CB1.
  • the first compressed air transferred to the combustion unit 240 is combusted with the fuel to produce combustion gas, and the high temperature and high pressure combustion gas is moved to the turbine unit 210 through the pipeline CB2 and expanded to produce power. .
  • the turbine unit 210 When the turbine unit 210 produces power, the turbine unit 210 drives the power generation unit 250 through the output shaft 211 and the shaft 212, thereby generating a power generation operation, and the turbine unit 210.
  • the driving of the gas turbine system 200 as described above is continued by driving the compression unit 230 through the output shaft 211.
  • the exhaust gas discharged from the turbine unit 210 is moved to the heat recovery unit 260 through the pipe line CB3, the heat is recovered, and then discharged to the outside.
  • the recovered heat of exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange part 261a of the stack 261.
  • the controller 270 opens the VB1 of the pipeline CB4 according to a pre-stored program or a user's instruction, and operates the clutch unit 280 to connect the shaft 213 and the rotation shaft 221.
  • the compressed air supply unit 220 When the rotary shaft 221 is rotated by receiving power from the shaft 213, the compressed air supply unit 220 produces the second compressed air.
  • the second compressed air produced by the compressed air supply unit 220 is transferred to the regenerative heat exchanger 290 through the pipeline CB4 to receive heat first, and then the second compressed air is transferred to the heat exchanger 261a through the pipeline CB5. It is transferred and receives heat secondarily. Subsequently, the second compressed air, which receives heat from the heat exchanger 261a, is transferred to the combustion unit 240 through the pipe line CB6.
  • the output of the gas turbine system 200 is improved.
  • the output of the combined thermal power is reduced due to the increase of the atmospheric temperature during the summer day when the peak of the power occurs a lot.
  • the atmospheric temperature is about 30 ° C.
  • the compressed air is injected into the combustion unit 240 by about 20%. The output of can be improved.
  • the output can be improved even without increasing the inlet temperature of the turbine unit 210, which is 5% to 10% within the limit of the stall of the compression unit 230. Further improvement of the output is possible.
  • the second embodiment since heat is first transmitted to the second compressed air by using the regenerative heat exchanger 290, not only the output but also the efficiency can be improved.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a gas turbine system according to a third embodiment of the present invention.
  • a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gas turbine system 300 of the third embodiment of the present invention includes a first turbine part 311, a second turbine part 312, a compressed air supply part 320, a first compression part 331, and a second compression part. 332, the first combustion unit 341, the second combustion unit 342, the first power generation unit 351, the second power generation unit 352, the first heat recovery unit 361, and the second heat recovery unit 362 and a control unit 370.
  • the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 are each disposed with known rotors (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown).
  • the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 have output shafts 311a and 312a, respectively, and the output shafts 311a and 312a are respectively the first turbine portion 311 and the second turbine portion. It is connected to the shaft of the rotor inside 312.
  • the compressed air supply unit 320 includes a compressor 321, a compressed air storage device 322, and a power generator 323.
  • Compressor 321 has a configuration to produce a second compressed air by receiving the power from the power generating device 323 to compress the air, conventional turbo compressor, rotary compressor, reciprocating compressor can be used.
  • a motor, an engine, or the like may be used as the power generator 323, a motor, an engine, or the like.
  • An AC motor, a DC motor, a servo motor, or the like may be used, and a heat engine, an internal combustion engine, a motor, or the like may be used as the engine.
  • the second compressed air compressed by the compressor 321 is stored in the compressed air storage device 322 formed of a storage tank or the like through a pipeline CC4, and extracted if necessary, and then, through the distributor DC, the first heat recovery unit 361, The second array recovery unit 362 is transferred to.
  • first compression unit 331 and the second compression unit 332 compress air to produce first compressed air entering the first combustion unit 341 and the second combustion unit 342, respectively.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used as the first compression unit 331 and the second compression unit 332.
  • the driving of the first compression unit 331 and the second compression unit 332 is performed by receiving power from the output shafts 311a and 312a, respectively. That is, the driving shafts of the first compression unit 331 and the second compression unit 332 are respectively integrated with the output shafts 311a and 312a to receive power and rotate.
  • first combustion unit 341 and the second combustion unit 342 respectively supply fuel through the pipes PC11 and PC12 to the first compressed air from the first compression unit 331 and the second compression unit 332.
  • a well-known combustor generally used in a turbine apparatus can be used to perform the function of injecting and causing a combustion action to generate combusted high-temperature, high-pressure gas.
  • the first power generation unit 351 and the second power generation unit 352 transmit power from the shafts 311b and 312b connected to the shaft of the first compression unit 331 and the shaft of the second compression unit 332, respectively. Receive and carry out development.
  • the drive shafts of the first power generation unit 351 and the second power generation unit 352 are configured to be integral with the shafts 311b and 312b, respectively, and are rotated by receiving power.
  • the gas turbine system 300 according to the third embodiment is configured to include a first power generation unit 351 and a second power generation unit 352, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system 300 according to the present invention may be configured not to include the first power generation unit 351 and the second power generation unit 352, in which case the generated power is used to drive other mechanical devices. Or convert it directly into thermal energy.
  • the 1st heat recovery part 361 and the 2nd heat recovery part 362 are apparatuses which collect
  • Heat exchange parts 361a_1 and 362a_1 for exchanging heat are arranged in the stacks 361a and 362a.
  • the first heat recovery unit 361 and the second heat recovery unit 362 according to the third embodiment include a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • a recuperator may be additionally installed in the first heat recovery unit 361 and the second heat recovery unit 362, and a condensate discharge facility may be installed in some cases.
  • the first heat recovery unit 361 and the second heat recovery unit 362 include a heat recovery steam generator, steam is generated, and when the steam is generated, the generated steam is later steam turbine device (not shown). Can be used for secondary power generation.
  • the control unit 370 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, etc., and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 300. It will be described later.
  • the control unit 370 uses an initial starting motor (not shown) or the like to compress the first compression unit 331 and the second compression unit 332. After driving the to generate the first compressed air, the generated first compressed air is transferred to the first combustion unit 341 and the second combustion unit 342 through the pipe lines CC11 and CC12, respectively.
  • the first compressed air delivered to the first combustion section 341 and the second combustion section 342 is combusted together with the fuel to generate combustion gas, and the combustion gas of high temperature and high pressure is discharged through the pipelines CC21 and CC22, respectively. Moving to the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 is expanded to produce power.
  • the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 When the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 produces power, the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 are respectively output shafts 311a, 312a and 311b. Power generation is performed by driving the first power generation unit 351 and the second power generation unit 352 through the 312b, and the first turbine unit 311 and the second turbine unit 312 are respectively output shafts.
  • the driving of the gas turbine system 300 as described above is continued by driving the first compression unit 331 and the second compression unit 332 through 311a and 312a. Meanwhile, the exhaust gas discharged from the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312 moves to the first heat recovery portion 361 and the second heat recovery portion 362, respectively, through the pipe lines CC31 and CC32, respectively. After the heat is recovered, it is discharged to the outside.
  • the heat of the recovered exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange parts 361a_1 and 362a_1.
  • the controller 370 drives the power generator 323 to drive the compressor 321 according to a pre-stored program or a user's instruction, and controls to open the valve VC1.
  • the second compressed air compressed by the compressor 321 is stored in the compressed air storage device 322 via the conduit CC4.
  • the control unit 370 controls the valve VC2 if necessary to extract the second compressed air from the compressed air storage device 322, and controls the valves V31 and V32 to extract the second compressed air extracted through the distributor DC.
  • the unit 361 is transferred to the second array recovery unit 362.
  • the opening degree of the distributor DC connected to the conduit CC4 may be configured as a variable valve that can be adjusted by the control unit 370, in which case the control unit 370 is an opening degree that can implement the maximum performance according to the internal operation program
  • the divider DC can be adjusted.
  • the second compressed air passing through the distributor DC is transferred to the heat exchangers 361a_1 and 362a_1 through the pipe lines CC51 and CC52, respectively, and receives heat recovered from the exhaust gas in each of the heat exchangers 361a_1 and 362a_1.
  • the first combustion unit 341 and the second combustion unit 342 are respectively transferred through the pipelines CC61 and CC62.
  • the output of the gas turbine system 300 is improved.
  • the output of the combined thermal power is reduced due to the increase in the atmospheric temperature during the summer day, when the peak of the power occurs a lot.
  • the atmospheric temperature is about 30 ° C.
  • the compressed air is compressed into the first combustion unit 341 and the second combustion. By spraying the unit 342, an output of about 20% can be improved.
  • the output can be improved without increasing the inlet temperatures of the first turbine portion 311 and the second turbine portion 312, but the first compression portion 331 and the second Further improvement of the output of 5% to 10% is possible within the limit of the stall of the compression unit 332.
  • the compressed air supply unit 320 includes the compressed air storage device 322, the second compressed air is stored when needed after the second compressed air is produced and stored when the power is low. Compressed air can be extracted and used. If so, energy costs can be reduced.
  • FIG. 4 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • Gas turbine system 400 of the fourth embodiment of the present invention turbine unit 410, compressed air supply unit 420, compression unit 430, combustion unit 440, power generation unit 450, heat recovery unit ( 460, a control unit 470, and a regenerative heat exchanger 480.
  • the turbine unit 410 has a known rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) therein.
  • the turbine portion 410 has an output shaft 411, the output shaft 411 is connected to the shaft of the rotor inside the turbine portion 410.
  • the compressed air supply unit 420 includes a compression device 421, a compressed air storage device 422, and a power generator 423.
  • the compression device 421 is configured to receive power from the power generator 423 to compress air to produce second compressed air, and a conventional turbo compressor, a rotary compressor, and a reciprocating compressor may be used.
  • the compression device 421 includes a rotating shaft 421a, four compressors 421b_1, 421b_2, 421b_3 and 421b_4, a first gear 421c and a second gear 421d.
  • the rotating shaft 421a is connected to the shaft of the power generator 423.
  • the compressors 421b_1, 421b_2, 421b_3, and 421b_4 perform a function of compressing air to produce second compressed air.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used.
  • the first gear 421c is mounted on the rotation shaft 421a, and the second gear 421d is meshed with the first gear 421c.
  • the first gear 421c and the second gear 421d are spur gears. Has the form
  • the rotating shaft 421a receives power from the power generating device 423 to rotate the first gear 421c mounted on the rotating shaft 421a.
  • the second gear 421d is engaged.
  • four compressors 421b_1, 421b_2, 421b_3 and 421b_4 connected to the shaft of the second gear 421d are driven and driven.
  • the first gear 421c and the second gear 421d are engaged with each other to transfer power of the rotation shaft 421a to four compressors 421b_1, 421b_2, 421b_3 and 421b_4.
  • the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, there is no particular limitation on the configuration of the power transmission means of the portion.
  • a third gear, a fourth gear, and the like may be added, and the gear type may be a helical gear, a double helical gear, a bevel gear, or the like. have.
  • a power transmission means such as belt transmission, chain transmission, friction differential transmission, etc. may be used instead of the gear transmission system.
  • the compression device 421 according to the fourth embodiment includes four compressors 421b_1, 421b_2, 421b_3 and 421b_4, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compressors provided with the compression unit according to the present invention is not particularly limited.
  • the compression unit may include one, two, three, five, six compressors.
  • a motor, an engine, or the like may be used as the power generator 423.
  • An AC motor, a DC motor, a servo motor, or the like may be used, and a heat engine, an internal combustion engine, a motor, or the like may be used as the engine.
  • the second compressed air compressed by the compression device 421 is stored in the compressed air storage device 422 formed of a storage tank or the like via a pipe line CD4, and extracted if necessary, and then transferred to the regeneration heat exchanger 480.
  • the compression unit 430 compresses air to produce first compressed air entering the combustion unit 440.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used. Can be.
  • the compression unit 430 is driven by receiving power from the output shaft 411. That is, the driving shaft of the compression unit 430 is integrally formed with the output shaft 411 is rotated by receiving power.
  • the combustion unit 440 performs a function of injecting fuel into the first compressed air from the compression unit 430 through the pipe line PD1 and causing combustion to generate a gas of high temperature and high pressure that is combusted.
  • the power generation unit 450 receives power from the shaft 412 connected to the shaft of the compression unit 430 to perform power generation.
  • the drive shaft of the power generation unit 450 is integrally formed with the shaft 412 to be rotated by receiving power.
  • the gas turbine system 400 according to the present embodiment is configured to include the power generation unit 450, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system 400 according to the present invention may be configured not to include the power generation unit 450, and the generated power may be used to drive other mechanical devices or directly converted into thermal energy.
  • the heat recovery unit 460 is an apparatus for recovering heat from the exhaust gas of the turbine unit 410, and there is a stack 461 at which the exhaust gas is discharged.
  • the stack 461 is provided with a heat exchanger 461a for exchanging heat.
  • the heat recovery unit 460 according to the fourth embodiment includes a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the configuration and form thereof are not limited.
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • the heat recovery unit 460 may further include a recuperator, and in some cases, a discharge facility for condensate may be installed.
  • a heat recovery steam generator since the heat recovery unit 160 includes a heat recovery steam generator, steam is generated. When steam is generated, the generated steam is transferred to a steam turbine device (not shown) to be used for secondary power generation. Can be.
  • the control unit 470 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, etc., and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 400. It will be described later.
  • the regenerative heat exchanger 480 is a device for exchanging heat by using the heat of steam generated by the heat recovery unit 460 or the heat of condensate discharged.
  • the second compressed air from the compressed air supplier 420 receives heat while passing through the regenerative heat exchanger 480.
  • FIG. 4 looks at the operation of the gas turbine system 400 according to the fourth embodiment.
  • the control unit 470 drives the compression unit 430 by using an initial starting motor (not shown) to generate the first compressed air.
  • the generated first compressed air is transferred to the combustion unit 440 through the conduit CD1.
  • the first compressed air delivered to the combustion unit 440 is combusted together with the fuel to generate combustion gas, and the high temperature and high pressure combustion gas is moved to the turbine unit 410 through the pipeline CD2 and expanded to produce power. .
  • the turbine unit 410 When the turbine unit 410 produces power, the turbine unit 410 drives the power generation unit 450 through the output shaft 411 and the shaft 412 to generate a power generation action, and the turbine unit 410
  • the driving of the gas turbine system 400 as described above is continued by driving the compression unit 430 through the output shaft 411.
  • the exhaust gas discharged from the turbine unit 410 is moved to the heat recovery unit 460 through the pipeline CD3, and heat is recovered, and then discharged to the outside.
  • the heat of recovered exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange part 461a of the stack 461.
  • the controller 470 drives the power generating device 423 to drive the compression device 421 according to a pre-stored program or a user's instruction, and controls to open the valve VD1.
  • the second compressed air compressed by the compression device 421 is stored in the compressed air storage device 422 via the conduit CD4. If necessary, the controller 470 controls the valve VD2 to extract the second compressed air from the compressed air storage device 422, and transfers the extracted second compressed air to the regeneration heat exchanger 480 to receive heat first. do. Subsequently, the second compressed air is transferred to the heat exchange part 461a through the conduit CD5 to receive heat secondly, and then the second compressed air received the heat from the heat exchange part 461a is burned through the conduit CD6. Is transferred to.
  • the output of the gas turbine system 400 is improved.
  • the output of the combined thermal power is reduced due to the increase in the atmospheric temperature during the summer day when the peak of the power occurs a lot.
  • the atmospheric temperature is about 30 ° C.
  • the compressed air is injected into the combustion unit 440 by about 20%. The output of can be improved.
  • the output can be improved even without increasing the inlet temperature of the turbine portion 410, but within a limit of 5% to 10% within the limit of the stall of the compression portion 430. Further improvement of the output is possible.
  • the compressed air supply unit 420 includes the compressed air storage device 422, the second compressed air is stored when needed after the second compressed air is produced and stored when the power is low. Compressed air can be extracted and used. If so, energy costs can be reduced.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a gas turbine system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gas turbine system 500 of the fifth embodiment of the present invention includes a turbine unit 510, a compressed air supply unit 520, a compression unit 530, a combustion unit 540, a power generation unit 550, and an heat recovery unit ( 560, a control unit 570.
  • the turbine unit 510 includes a known rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) therein.
  • the turbine portion 510 has an output shaft 511, which is connected to the shaft of the rotor inside the turbine portion 510.
  • the turbine unit 510 has a multistage structure having four expansion stages. That is, the turbine unit 510 moves the first expansion stage 510a, the second expansion stage 510b, the third expansion stage 510c, and the fourth expansion stage 510d in the order of the high pressure stage to the low pressure stage. Equipped.
  • the turbine unit 510 has a four-stage expansion stage for the purpose of description, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, there is no particular limitation on the number of expansion stages of the turbine unit 510.
  • the number of expansion stages of the turbine unit 510 may include one stage, two stages, three stages, five stages, and ten stages.
  • the compressed air supply unit 520 includes a compressor 521, a compressed air storage device 522, and a power generator 523.
  • Compressor 521 has a configuration to produce a second compressed air by receiving power from the power generator 523 to compress the air, conventional turbo compressor, rotary compressor, reciprocating compressor can be used.
  • a motor, an engine, or the like may be used as the power generator 523.
  • An AC motor, a DC motor, a servo motor, or the like may be used as the motor, and a heat engine, an internal combustion engine, a motor, or the like may be used as the engine.
  • the second compressed air compressed by the compressor 521 is stored in the compressed air storage device 522 formed of a storage tank or the like through a pipe line CE4, and if necessary, is extracted and then transferred to the heat recovery unit 560.
  • the compression unit 530 compresses air to produce first compressed air entering the combustion unit 540.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used. Can be.
  • the compression unit 530 is driven by receiving power from the output shaft 511. That is, the driving shaft of the compression unit 530 is configured to be integral with the output shaft 511 to rotate by receiving power.
  • the combustion unit 540 injects fuel into the first compressed air from the compression unit 530 through the pipe line PE1 and generates a combustion action by generating a high temperature and high pressure gas that is combusted.
  • the power generation unit 550 receives power from the shaft 512 connected to the shaft of the compression unit 530 and performs power generation.
  • the drive shaft of the power generation unit 550 is integrally formed with the shaft 512 to receive power and rotate.
  • the gas turbine system 500 according to the fifth embodiment is configured to include a power generation unit 550, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system according to the present invention may be configured not to include the power generation unit 550, in which case the generated power may be used to drive other mechanical devices or directly converted into thermal energy.
  • the heat recovery unit 560 is a device for recovering heat from the exhaust gas of the turbine unit 510, and there is a stack 561 at which the exhaust gas is discharged.
  • the stack 561 has a heat exchanger 561a for exchanging heat.
  • the heat recovery unit 560 according to the fifth embodiment includes a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the configuration and form thereof are not limited.
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • the heat recovery unit 560 may further include a recuperator, and in some cases, a discharge facility for condensate may be installed.
  • a heat recovery steam generator since the heat recovery unit 560 includes a heat recovery steam generator, steam is generated. When steam is generated, the generated steam is transferred to a steam turbine device (not shown) to be used for secondary power generation. Can be.
  • the control unit 570 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, etc., and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 500. It will be described later.
  • control unit 570 drives the compression unit 530 using an initial starting motor (not shown) to generate the first compressed air.
  • the generated first compressed air is transferred to the combustion unit 540 through the pipeline CE1.
  • the first compressed air transferred to the combustion unit 540 is combusted together with the fuel to generate combustion gas, and the high temperature and high pressure combustion gas is moved to the turbine unit 510 through the pipeline CE2 and expanded to produce power. .
  • the turbine unit 510 drives the power generation unit 550 through the output shaft 511 and the shaft 512 to generate power, and the turbine unit 510.
  • the driving of the gas turbine system 500 as described above is continued by driving the compression unit 530 through the output shaft 511.
  • the exhaust gas discharged from the turbine unit 510 is moved to the heat recovery unit 560 through the pipe line CE3, the heat is recovered, and then discharged to the outside.
  • the recovered heat of exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange part 561a of the stack 561.
  • the controller 570 drives the compressor 521 by driving the power generating device 523 according to a pre-stored program or a user's instruction, and controls to open the valve VE1.
  • the second compressed air compressed by the compressor 521 is stored in the compressed air storage device 522 via the conduit CE4.
  • the controller 570 controls the valve VE2, if necessary, extracts the second compressed air from the compressed air storage device 522, and transfers the second compressed air to the heat recovery unit 560 via the conduit CE5.
  • each opening degree of the distributors DE1, DE2, DE3 connected to the pipeline CE6 may be composed of a variable valve that can be adjusted by the control unit 570, in which case the control unit 570 according to the internal operating program
  • the dividers DE1, DE2, and DE3 can be adjusted with an opening to achieve performance.
  • Second compressed air entering each stage of the turbine unit 510 cools the turbine unit 510.
  • the cooling of the turbine unit 510 prevents overheating of the rotor (not shown), the blades (not shown), and the vanes (not shown) of the turbine unit 510, thereby increasing the service life, as well as the compression unit. Since the compressed air is not separately extracted for cooling the turbine unit 510 at 530, the pressure of the compression unit 530 is maintained, whereby the overall pressure is 5% to within the limit of the stall of the compression unit 530. A further improvement of 20% of output is possible.
  • the compressed air supply unit 520 since the compressed air supply unit 520 includes the compressed air storage device 522, the second compressed air is stored when needed after the second compressed air is produced and stored when the power is low. Compressed air can be extracted and used. If so, energy costs can be reduced.
  • FIG. 6 is a view showing a schematic view of a gas turbine system according to a sixth embodiment of the present invention.
  • a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gas turbine system 600 of the sixth embodiment of the present invention includes a turbine unit 610, a compressed air supply unit 620, a compression unit 630, a combustion unit 640, a power generation unit 650, and an heat recovery unit ( 660 and a control unit 670.
  • the turbine unit 610 has a known rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) therein.
  • the turbine portion 610 has an output shaft 611, which is connected to the shaft of the rotor inside the turbine portion 610.
  • Turbine section 610 is composed of a multi-stage structure having four expansion stages. That is, the turbine unit 610, the first expansion stage 610a, the second expansion stage 610b, the third expansion stage 610c, the fourth expansion stage 610d in the order of the high pressure stage to the low pressure stage. Equipped.
  • the turbine unit 610 has a structure having four expansion stages, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the number of expansion stages of the turbine unit 610 is not particularly limited.
  • the number of expansion stages of the turbine unit 610 may be composed of one stage, two stages, three stages, five stages, ten stages, and the like.
  • the compressed air supply unit 620 includes a compression device 621, a compressed air storage device 622, and a power generator 623.
  • the compression device 621 receives the power from the power generator 623 to compress the air to produce a second compressed air, a conventional turbo compressor, rotary compressor, reciprocating compressor can be used.
  • the compression device 621 includes a rotating shaft 621a, four compressors 621b_1, 621b_2, 621b_3 and 621b_4, a first gear 621c, and a second gear 621d.
  • the rotating shaft 621a is connected to the shaft of the power generator 623.
  • the compressors 621b_1, 621b_2, 621b_3 and 621b_4 perform a function of compressing air to produce second compressed air.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used.
  • the first gear 621c is mounted on the rotation shaft 621a, and the second gear 621d is meshed with the first gear 621c.
  • the first gear 621c and the second gear 621d are spur gears. Has the form
  • the rotating shaft 621a receives power from the power generating device 623 to rotate the first gear 621c mounted on the rotating shaft 621a.
  • the first gear 621c rotates
  • the second gear 621d engaged with the rotating shaft 621a is rotated.
  • the four compressors 621b_1, 621b_2, 621b_3 and 621b_4 connected to the shaft of the second gear 621d are driven and driven.
  • the first gear 621c and the second gear 621d are engaged with each other to transfer the power of the rotation shaft 621a to four compressors 621b_1, 621b_2, 621b_3 and 621b_4.
  • the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, there is no particular limitation on the configuration of the power transmission means of the portion.
  • a third gear, a fourth gear, and the like may be additionally configured, and the gear type may be a helical gear, a double helical gear, a bevel gear, or the like. have.
  • a power transmission means such as belt transmission, chain transmission, friction differential transmission, etc. may be used instead of the gear transmission system.
  • the compression device 621 according to the sixth embodiment includes four compressors 621b_1, 621b_2, 621b_3 and 621b_4, the present invention is not limited thereto. That is, the number of compressors provided with the compression unit according to the present invention is not particularly limited.
  • the compression unit may include one, two, three, five, six compressors.
  • a motor, an engine, or the like may be used as the power generator 623.
  • An AC motor, a DC motor, a servo motor, or the like may be used, and a heat engine, an internal combustion engine, a motor, or the like may be used as the engine.
  • the second compressed air compressed by the compression device 621 is stored in the compressed air storage device 622 via the pipeline CF4, and extracted if necessary, and then transferred to the heat recovery unit 660.
  • the compression unit 630 compresses air to produce first compressed air entering the combustion unit 640.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used. Can be.
  • the compression unit 630 is driven by receiving power from the output shaft 611. That is, the drive shaft of the compression unit 630 is integrally formed with the output shaft 611 is rotated by receiving power.
  • the compression unit 630 has multiple compression stages. That is, the compression unit 630, the first compression stage 630a, the second compression stage 630b, the third compression stage 630c, the fourth compression stage 630d in the order of the low pressure stage to the high pressure stage. Equipped.
  • the compression unit 630 has four compression stages, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compression stages of the compression unit according to the present invention is not particularly limited.
  • the gas turbine system 600 includes cooling conduits RF1, RF2, RF3, and RF4, and one end of each of the cooling conduits RF1, RF2, RF3, and RF4 includes a fourth compression end 630d and a third compression end ( 630c), second compression stage 630b, and first compression stage 630a.
  • the other ends of each cooling conduit RF1, RF2, RF3, and RF4 communicate with the first expansion stage 610a, the second expansion stage 610b, the third expansion stage 610c, and the fourth expansion stage 610d.
  • the expansion stages 610a, 610b, 610c, and 610d help to cool the inside.
  • the cooling conduits RF1, RF2, RF3, and RF4 partially extract the air compressed from the fourth compression stage 630d, the third compression stage 630c, the second compression stage 630b, and the first compression stage 630a, respectively. It extracts and transfers to each expansion stage 610a, 610b, 610c, 610d of the corresponding turbine part 610, and cools the turbine part 610.
  • Valves VF7, VF8, VF9, and VF10 are respectively installed in the cooling lines RF1, RF2, RF3, and RF4.
  • the valves VF7, VF8, VF9, and VF10 may be configured as electronic valves to be opened and closed under the direction of the controller 670.
  • the user may be configured to open and close manually.
  • coolers SF1 and SF2 are disposed in the cooling conduits RF1 and RF2, respectively.
  • the coolers SF1 and SF2 are provided from the fourth compression stage 630d and the third compression stage 630c having a relatively high temperature among the compression units 630. It performs the function of cooling the air.
  • the cooling conduits RF1, RF2, RF3, and RF4 are configured to be connected to the conduits CF71, CF72, CF73, and CF74, respectively.
  • the compression unit 630 has four compression stages 630a, 630b, 630c and 630d
  • the turbine unit 610 has four expansion stages 610a and 610b.
  • 610c and 610d, four cooling conduits RF1, RF2, RF3, and RF4 are connected to corresponding compression stages and expansion stages, respectively, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compression stages of the compression unit and the number of expansion stages of the turbine unit may be different from each other, in which case the connection structure of the cooling conduit may also be different.
  • the cooling conduits may be three, and one of the three cooling conduits may be connected to two expansion stages.
  • the pressure difference between the expansion stages connected to the common cooling conduit is preferably small.
  • the combustion unit 640 performs a function of injecting fuel into the first compressed air from the compression unit 630 through the pipe line PF1 and causing combustion to generate a gas of high temperature and high pressure that is combusted.
  • Known combustors commonly used in the art can be used.
  • the power generation unit 650 receives power from the shaft 612 connected to the shaft of the compression unit 630 to perform power generation.
  • the driving shaft of the power generation unit 650 is integrally formed with the shaft 612 to be rotated by receiving power.
  • the gas turbine system 600 according to the sixth embodiment is configured to include the power generation unit 650, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system 600 according to the present invention may be configured not to include the power generation unit 650, in which case the generated power may be used to drive other mechanical devices or may be directly converted into thermal energy.
  • the heat recovery unit 660 is an apparatus for recovering heat from the exhaust gas of the turbine unit 610, and there is a stack 661 in which the exhaust gas is discharged.
  • the heat exchanger 661a for exchanging heat is arranged in the stack 661.
  • the heat recovery unit 660 according to the sixth embodiment includes a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • the heat recoverer 660 may further include a recuperator, and in some cases, a condensate discharge facility may be installed.
  • a condensate discharge facility may be installed.
  • the heat recovery unit 660 since the heat recovery unit 660 includes a heat recovery steam generator, steam is generated. When steam is generated, the generated steam is transferred to a steam turbine device (not shown) to be used for secondary power generation. Can be.
  • the control unit 670 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, etc., and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 600. It will be described later.
  • control unit 670 drives the compression unit 630 using an initial starting motor (not shown) to generate the first compressed air.
  • the generated first compressed air is transferred to the combustion unit 640 through the pipeline CF1.
  • the first compressed air transferred to the combustion unit 640 is combusted together with the fuel to generate combustion gas, and the high temperature and high pressure combustion gas is moved to the turbine unit 610 through the pipeline CF2 and expanded to produce power. .
  • the turbine unit 610 When the turbine unit 610 produces power, the turbine unit 610 drives the power generation unit 650 through the output shaft 611 and the shaft 612 to generate a power generation action, and further, the turbine unit 610.
  • the driving of the gas turbine system 600 as described above is continued by driving the compression unit 630 through the output shaft 611.
  • the exhaust gas discharged from the turbine unit 610 is moved to the heat recovery unit 660 through the pipeline CF3 to recover the heat, and then discharged to the outside.
  • the recovered heat of the exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange part 661a of the stack 661.
  • the controller 670 drives the power generating device 623 to drive the compression device 621 according to a pre-stored program or a user's instruction, and controls to open the valve VF1.
  • the second compressed air compressed by the compression device 621 is stored in the compressed air storage device 622 via the pipeline CF4.
  • the controller 670 controls the valve VF2 if necessary to extract the second compressed air from the compressed air storage device 622 and transfer the second compressed air to the heat recovery unit 660 via the pipeline CF5.
  • each opening degree of the distributors DF1, DF2, and DF3 connected to the pipeline CF6 may be configured as a variable valve that can be adjusted by the control unit 670, in which case the control unit 670 is the maximum according to the internal operating program
  • the dividers DF1, DF2, and DF3 can be adjusted with an opening to achieve performance.
  • the control unit 670 opens the valves VF3, VF4, VF5, and VF6 so that the second compressed air flowing in the pipeline CF6 passes through the pipelines CF72, CF71, CF73, and CF74, respectively, and then is transferred to the cooling pipelines RF2, RF1, RF3, and RF4. do.
  • control unit 670 opens the valves VF7, VF8, VF9, VF10, and the compressed air extracted at each stage of the compression unit 630 together with the second compressed air transferred to the cooling conduits RF2, RF1, RF3, RF4. Is transferred to each of the expansion stages 610a, 610b, 610c, and 610d of the turbine unit 610 to cool the turbine unit 610.
  • the overheating of the rotor (not shown), the blades (not shown), and the vanes (not shown) of the turbine unit 610 may be prevented to increase the lifespan.
  • the turbine part in the compression part 630 by using the second compressed air flowing through the pipeline CF6 together with the compressed air extracted at each stage of the compression part 630 for cooling the turbine part 610. Since the amount of compressed air extracted for cooling of 610 can be significantly reduced, the pressure of the compression unit 630 is kept relatively constant. Then, further improvement of the output of 5% to 20% is possible within the limit of the stall of the compression unit 630 as a whole.
  • the compressed air supply unit 620 since the compressed air supply unit 620 includes the compressed air storage device 622, the second compressed air is stored when needed after producing and storing the second compressed air when the power is low. Compressed air can be extracted and used. If so, energy costs can be reduced.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a gas turbine system according to a seventh embodiment of the present invention.
  • a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the gas turbine system 700 of the seventh embodiment of the present invention includes a turbine unit 710, a compressed air supply unit 720, a compression unit 730, a combustion unit 740, a power generation unit 750, and an heat recovery unit ( 760, a control unit 770, and a branching device 780.
  • the turbine unit 710 has a known rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) therein.
  • the turbine portion 710 has an output shaft 711, the output shaft 711 is connected to the shaft of the rotor inside the turbine portion 710.
  • Turbine portion 710 has a multi-stage structure having four expansion stages. That is, the turbine unit 710, the first expansion stage 710a, the second expansion stage 710b, the third expansion stage 710c, the fourth expansion stage 710d in order from the high pressure stage to the low pressure stage. Equipped.
  • the turbine unit 710 has a four-stage expansion stage for the purpose of description, but the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, the number of expansion stages of the turbine unit 710 is not particularly limited.
  • the number of expansion stages of the turbine unit 710 may be composed of one stage, two stages, three stages, five stages, ten stages, and the like.
  • the compressed air supply unit 720 includes a compression device 721, a compressed air storage device 722, and a power generator 723.
  • the compression device 721 is configured to receive power from the power generator 723 to compress air to produce second compressed air, and a conventional turbo compressor, a rotary compressor, and a reciprocating compressor may be used.
  • the compression device 721 includes a rotating shaft 721a, four compressors 721b_1, 721b_2, 721b_3 and 721b_4, a first gear 721c, and a second gear 721d.
  • the rotating shaft 721a is connected to the shaft of the power generator 723.
  • the compressors 721b_1, 721b_2, 721b_3, and 721b_4 compress a air to produce a second compressed air.
  • a conventional turbo compressor, a rotary compressor, a reciprocating compressor, or the like may be used.
  • the first gear 721c is mounted on the rotation shaft 721a, and the second gear 721d is meshed with the first gear 721c.
  • the first gear 721c and the second gear 721d are spur gears. Has the form
  • the rotating shaft 721a receives power from the power generating device 723 to rotate the first gear 721c mounted on the rotating shaft 721a.
  • the second gear 721d is engaged with the rotating shaft 721a.
  • four compressors 721b_1, 721b_2, 721b_3 and 721b_4 connected to the shaft of the second gear 721d are driven to receive power.
  • the first gear 721c and the second gear 721d are engaged with each other to transfer the power of the rotation shaft 721a to four compressors 721b_1, 721b_2, 721b_3, and 721b_4.
  • the present invention is not limited thereto. That is, according to the present invention, there is no particular limitation on the configuration of the power transmission means of the portion.
  • a third gear, a fourth gear, etc. may be additionally configured, and the type of gear may be a helical gear, a double helical gear, a bevel gear, or the like. have.
  • a power transmission means such as belt transmission, chain transmission, friction differential transmission, etc. may be used instead of the gear transmission system.
  • the compression device 721 according to the seventh embodiment includes four compressors 721b_1, 721b_2, 721b_3, and 721b_4, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compressors provided with the compression unit according to the present invention is not particularly limited.
  • the compression unit may include one, two, three, five, six compressors.
  • a motor, an engine, or the like may be used as the power generator 723, a motor, an engine, or the like.
  • An AC motor, a DC motor, a servo motor, or the like may be used, and a heat engine, an internal combustion engine, a motor, or the like may be used as the engine.
  • the second compressed air compressed by the compression device 721 is stored in the compressed air storage device 722 via the conduit CG4, extracted if necessary, and then transferred to the heat recovery unit 760.
  • the compression unit 730 compresses the air to produce the first compressed air entering the combustion unit 740.
  • the compression unit 730 may be a conventional turbo compressor, rotary compressor, reciprocating compressor, or the like. Can be.
  • the compression unit 730 is driven by receiving power from the output shaft 711. That is, the driving shaft of the compression unit 730 is integrally formed with the output shaft 711 is rotated by receiving power.
  • the compression unit 730 has four compression stages, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compression stages of the compression unit according to the present invention is not particularly limited.
  • the compression unit 730 has multiple compression stages. That is, the compression unit 730, the first compression stage 730a, the second compression stage 730b, the third compression stage 730c, the fourth compression stage 730d in order from the low pressure stage to the high pressure stage. Equipped.
  • the gas turbine system 700 includes cooling conduits RG1, RG2, RG3, and RG4, and one end of each of the cooling conduits RG1, RG2, RG3, and RG4 includes a fourth compression stage 730d and a third compression stage ( 730c, the 2nd compression stage 730b, and the 1st compression stage 730a.
  • the other end of each cooling conduit RG1, RG2, RG3, RG4 is in communication with the first expansion stage 710a, the second expansion stage 710b, the third expansion stage 710c, the fourth expansion stage 710d, Each of the expansion stages 710a, 710b, 710c and 710d helps to cool.
  • the cooling conduits RG1, RG2, RG3, and RG4 respectively partially compress the air compressed from the fourth compression stage 730d, the third compression stage 730c, the second compression stage 730b, and the first compression stage 730a. It extracts and transfers to each expansion stage 710a, 710b, 710c, 710d of the corresponding turbine part 710, respectively, and cools the turbine part 710.
  • FIG. 1 the cooling conduits RG1, RG2, RG3, and RG4 respectively partially compress the air compressed from the fourth compression stage 730d, the third compression stage 730c, the second compression stage 730b, and the first compression stage 730a. It extracts and transfers to each expansion stage 710a, 710b, 710c, 710d of the corresponding turbine part 710, respectively, and cools the turbine part 710.
  • Valves VG7, VG8, VG9 and VG10 are respectively installed in the cooling conduits RG1, RG2, RG3 and RG4.
  • the user may be configured to open and close manually.
  • coolers SG1 and SG2 are disposed in the cooling conduits RG1 and RG2, respectively. It performs the function of cooling the air.
  • the cooling conduits RG1, RG2, RG3, RG4 are configured to be connected to the conduits CG81, CG82, CG83, CG84, respectively.
  • the compression unit 730 has four compression stages 730a, 730b, 730c and 730d
  • the turbine unit 710 has four expansion stages 710a and 710b. 710c and 710d
  • the four cooling conduits RG1, RG2, RG3, and RG4 are connected to the corresponding compression stage and expansion stage, respectively, but the present invention is not limited thereto. That is, the number of compression stages of the compression unit and the number of expansion stages of the turbine unit may be different from each other, in which case the connection structure of the cooling conduit may also be different.
  • the cooling conduits may be three, and one of the three cooling conduits may be connected to two expansion stages.
  • the pressure difference between the expansion stages connected to the common cooling conduit is preferably small.
  • the combustion unit 740 performs a function of injecting fuel into the first compressed air from the compression unit 730 through the pipe line PG1 and causing combustion to generate a gas of high temperature and high pressure that is combusted.
  • Known combustors commonly used in the art can be used.
  • the power generation unit 750 receives power from the shaft 712 connected to the shaft of the compression unit 730 to perform power generation.
  • the driving shaft of the power generation unit 750 is integrally formed with the shaft 712 and is rotated by receiving power.
  • the gas turbine system 700 according to the seventh embodiment is configured to include the power generation unit 750, but the present invention is not limited thereto. That is, the gas turbine system 700 according to the present invention may be configured not to include the power generation unit 750, and the generated power may be used to drive other mechanical devices or directly converted into thermal energy.
  • the heat recovery unit 760 is an apparatus for recovering heat from the exhaust gas of the turbine unit 710, and a stack 761 in which the exhaust gas is discharged is present at the rear thereof.
  • the heat exchanger 761a for exchanging heat is arranged in the stack 761.
  • the heat recovery unit 760 according to the seventh embodiment includes a heat recovery steam generator (HRSG), but the present invention is not limited thereto.
  • HRSG heat recovery steam generator
  • the configuration and form thereof are not limited.
  • the heat recovery unit according to the present invention may have a configuration in which heat is transferred to the fluid inside the heat exchange unit by simply injecting the discharge gas to the external fin of the heat exchange unit without generating steam.
  • the heat recovery unit 760 may further include a recuperator, and in some cases, a discharge facility for condensate may be installed.
  • a heat recovery steam generator since the heat recovery unit 760 includes a heat recovery steam generator, steam is generated. When steam is generated, the generated steam is transferred to a steam turbine device (not shown) to be used for secondary power generation. Can be.
  • the control unit 770 includes an electric circuit, an integrated circuit chip, etc., and has a function of controlling the controlled units by performing an operation according to a program for operating the gas turbine system 600. It will be described later.
  • the branching device 780 is installed to be connected to the pipeline CG6, and extracts at least a portion of the second compressed air delivered to the pipeline CG6 to the pipeline CG9, and performs the function of transferring the remaining compressed air to the pipeline CG7 do.
  • the branching device 780 may be configured to include an automatic variable branch valve that can adjust the branching amount under the control of the control unit 770, in which case the control unit 770 is a gas turbine system 700 for optimum performance
  • the branching device 780 is adjusted according to an internal operation program set to be implemented to adjust the amount of branching of each compressed air branched into the pipe lines CG7 and CG9.
  • the branch device 780 includes an automatic variable branch valve, but is not limited thereto according to the present invention. That is, the branching apparatus according to the present invention may include a variable branch valve that can manually adjust the branching amount, or may include a branching valve in which the ratio of branching amount is fixed for each conduit.
  • control unit 770 drives the compression unit 730 using an initial starting motor (not shown) to generate the first compressed air.
  • the generated first compressed air is transferred to the combustion unit 740 through the pipeline CG1.
  • the first compressed air transferred to the combustion unit 740 is combusted together with the fuel to generate combustion gas, and the high temperature and high pressure combustion gas is moved to the turbine unit 710 through the pipeline CG2 and expanded to produce power. .
  • the turbine unit 710 When the turbine unit 710 produces power, the turbine unit 710 drives the power generation unit 750 through the output shaft 711 and the shaft 712, thereby generating a power generation operation, and the turbine unit 710.
  • the driving of the gas turbine system 700 as described above is continued by driving the compression unit 730 through the output shaft 711.
  • the exhaust gas discharged from the turbine unit 710 is moved to the heat recovery unit 760 through the pipe line CG3 to recover the heat, and then discharged to the outside.
  • the heat of recovered exhaust gas is used for the heat exchange action in the heat exchange part 761a of the stack 761.
  • the controller 770 drives the power generator 723 to drive the compression device 721 according to a pre-stored program or a user's instruction, and controls to open the valve VG1.
  • the second compressed air compressed by the compression device 721 is stored in the compressed air storage device 722 via a conduit CG4.
  • the controller 770 controls the valve VG2 if necessary, extracts the second compressed air from the compressed air storage device 722, and transfers the second compressed air to the heat recovery unit 760 via the conduit CG5.
  • the second compressed air transferred to the heat exchanger 761a through the conduit CG5 flows through the conduit CG6 to reach the branching device 780.
  • the second compressed air flowing in the pipeline CG6 is branched and transferred to the pipelines CG7 and CG9, respectively, according to the distribution ratio of the compressed air determined by the controller 770.
  • each opening degree of the distributors DE1, DE2, DE3 connected to the pipeline CG6 may be configured as a variable valve that can be adjusted by the control unit 770, in which case the control unit 770 according to the internal operating program
  • the dividers DE1, DE2, and DE3 can be adjusted with an opening to achieve performance.
  • the control unit 770 opens the valves VG3, VG4, VG5, and VG6 so that the compressed air delivered to the pipeline CG7 passes through the pipelines CG82, CG81, CG83, and CG84, respectively, and then to the cooling pipelines RG2, RG1, RG3, and RG4. .
  • control unit 770 opens the valves VG7, VG8, VG9, VG10, and the compressed air extracted at each stage of the compression unit 730 together with the second compressed air transferred to the cooling conduits RG2, RG1, RG3, and RG4.
  • the turbine unit 610 is cooled by transferring the to the expansion stages 710a, 710b, 710c, and 710d of the turbine unit 710.
  • the rotor (not shown), blades (not shown), and vanes (not shown) of the turbine unit 710 may be prevented from overheating, thereby increasing the lifespan.
  • the turbine portion in the compression portion 730 by using the second compressed air flowing through the conduit CG7 together with the compressed air extracted at each stage of the compression portion 730 for cooling the turbine portion 710. Since the amount of compressed air extracted for cooling of 710 can be significantly reduced, the pressure of the compression unit 730 is kept relatively constant. This makes it possible to further improve the output of 5% to 20% within the limits of the stall of the compression section 730 as a whole.
  • a part of the second compressed air transferred to the pipe line CG9 from the branch device 780 is transferred to the combustion unit 740.
  • the output of the gas turbine system 700 is improved.
  • the output of the combined thermal power decreases due to the increase in the atmospheric temperature during the summer day when the peak of the power is generated.
  • the atmospheric temperature is about 30 ° C.
  • the compressed air is injected into the combustion unit 740 by about 20%. The output of can be improved.
  • the second compressed air may be stored when needed after producing and storing the second compressed air when the power is low. Compressed air can be extracted and used. If so, energy costs can be reduced.
  • the gas turbine system of the present embodiment can be used in the industry of manufacturing or operating the gas turbine system.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 압축부와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 배열 회수부와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부 및 상기 터빈부 중 적어도 하나로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.

Description

가스 터빈 시스템
본 발명은 가스 터빈 시스템에 관한 것이다.
터빈 장치는, 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 일로 변환시키는 장치이다.
특히, 가스 터빈 장치는 연소기로부터 나온 고온, 고압의 가스가 터빈부로 인입되어 터빈 로터의 블레이드와 충돌됨으로써 터빈 출력축을 회전시킨다.
가스 터빈 장치의 효율과 출력을 향상시키기 위한 기술 개발은 꾸준히 이루어져 왔는데, 예를 들어, 공개특허공보 1999-007437호에는 압축기에 공급되는 공기에 물방울을 분무하여 출력 및 열효율을 향상시키는 가스 터빈에 관한 기술이 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 출력을 향상시킬 수 있는 가스 터빈 시스템을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 압축부;와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 배열 회수부;와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부 및 상기 터빈부 중 적어도 하나로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 압축부;와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하며, 열 회수 증기 발생기를 포함하는 배열 회수부;와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 압축부;와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하며, 열 회수 증기 발생기를 포함하는 배열 회수부;와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 터빈부로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 출력을 향상시킬 수 있는 가스 터빈 시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 압축부;와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 배열 회수부;와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부 및 상기 터빈부 중 적어도 하나로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 압축부는 복수개의 압축단을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 터빈부는 복수개의 팽창단을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기는 상기 복수개의 팽창단의 적어도 일부에 이송될 수 있다.
여기서, 상기 압축부는 복수개의 압축단을 포함하고, 상기 터빈부는 복수개의 팽창단을 포함하며, 상기 압축단과 상기 팽창단은 냉각 관로로 연결되고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부가 상기 냉각 관로로 이송될 수 있다.
여기서, 상기 배열 회수부는 상기 배출 가스가 배출되는 스택을 포함하고, 상기 스택에는 상기 제2 압축 공기와 열을 교환하는 열교환부가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 배열 회수부는 열 회수 증기 발생기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 회수 증기 발생기에서 발생된 증기를 이용하여, 상기 제2 압축 공기로 열을 전달하는 재생 열교환부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축 공기 공급부는 상기 터빈부에서 발생되는 동력으로 구동될 수 있다.
여기서, 상기 터빈부에서 발생되어 상기 압축 공기 공급부로 전달되는 동력의 전달을 제어하는 클러치부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축 공기 공급부는 동력 발생 장치에서 발생되는 동력으로 구동될 수 있다.
여기서, 상기 압축 공기 공급부는 복수개의 압축기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축 공기 공급부는 상기 제2 압축 공기가 저장되는 압축 공기 저장 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 터빈부가 발생시키는 동력으로 발전을 수행하는 발전부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축부, 상기 연소부, 상기 터빈부, 상기 배열 회수부가 각각 복수개가 배치될 수 있다.
여기서, 상기 배열 회수부에서 배열을 전달받은 제2 압축 공기를, 상기 연소부에 연결된 관로와 상기 터빈부에 연결된 관로로 분기시키는 분기 장치를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압축부, 상기 연소부, 상기 터빈부, 상기 배열 회수부, 상기 압축 공기 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 압축부;와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하며, 열 회수 증기 발생기를 포함하는 배열 회수부;와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 압축부;와, 상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;와, 상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;와, 상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하며, 열 회수 증기 발생기를 포함하는 배열 회수부;와, 상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 터빈부로 공급되는 가스 터빈 시스템을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 1을 참조로 하여 본 발명의 제1 실시예에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예의 가스 터빈 시스템(100)는, 터빈부(110), 압축 공기 공급부(120), 압축부(130), 연소부(140), 발전부(150), 배열 회수부(160), 제어부(170), 클러치부(180)를 포함한다.
터빈부(110)는 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 터빈부(110)는 출력축(111)을 가지고 있는데 출력축(111)은 터빈부(110) 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
압축 공기 공급부(120)는 회전축(121)으로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시켜 제2 압축 공기를 생산하여 배열 회수부(160)로 보내는 기능을 수행한다.
압축 공기 공급부(120)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 압축 공기 공급부(120)는 회전축(121)으로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시키는 구성을 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 공기 공급부는 별개의 모터(미도시)에 의해 동력을 전달받아 구동될 수도 있으며, 그 경우 제어부(170)가 해당 모터를 제어하게 된다.
한편, 압축부(130)는 공기를 압축하여 연소부(140)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 압축부(130)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축부(130)의 구동은 출력축(111)으로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 압축부(130)의 구동축은 출력축(111)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
연소부(140)는, 압축부(130)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PA1을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
발전부(150)는 압축부(130)의 축과 연결된 축(112)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 제1 실시예에서 발전부(150)의 구동축은 축(112)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 제1 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(100)는 발전부(150)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템(100)는 발전부(150)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
배열 회수부(160)는 터빈부(110)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(stack)(161)이 존재한다. 스택(161)에는 열을 교환하는 열교환부(161a)가 배치되어 있다.
본 제1 실시예에 따른 배열 회수부(160)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
배열 회수부(160)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제1 실시예에서는 배열 회수부(160)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(170)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(100)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
한편, 클러치부(180)는, 발전부(150)의 축과 연결된 축(113)과 회전축(121)의 동력 전달 연결을 조정하는 기능을 수행한다. 즉, 클러치부(180)는 축(113)과 회전축(121)을 연결하여 동력을 전달하거나, 축(113)과 회전축(121)의 연결을 끊어 동력전달을 차단하는 기능을 수행한다.
클러치부(180)는 제어부(170)의 지시를 받아 자동으로 제어되도록 구성할 수 있고, 사용자가 수동으로 제어할 수 있도록 구성될 수도 있다.
클러치부(180)의 구성은 공지의 클러치 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 클로(claw) 클러치, 마찰 클러치, 자기 클러치, 유체 클러치, 원심 클러치 등이 적용될 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 제1 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(100)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(170)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(170)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 압축부(130)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기를 관로 CA1을 통해 연소부(140)로 이송시킨다.
연소부(140)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는 관로 CA2를 통해 터빈부(110)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
터빈부(110)가 동력을 생산하게 되면, 터빈부(110)는 출력축(111) 및 축(112)을 통해 발전부(150)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 터빈부(110)는 출력축(111)을 통해 압축부(130)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(100)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 터빈부(110)에서 배출된 배출 가스는 관로 CA3을 통해 배열 회수부(160)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 스택(161)의 열교환부(161a)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(170)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 관로 CA4의 VA1을 열고, 클러치부(180)를 작동시켜 축(113)과 회전축(121)을 연결시킨다.
회전축(121)이 축(113)으로부터 동력을 전달받아 회전하게 되면, 압축 공기 공급부(120)는 제2 압축 공기를 생산한다.
압축 공기 공급부(120)가 생산한 제2 압축 공기는 관로 CA4를 통하여 열교환부(161a)로 이송되고, 열교환부(161a)에서 상기 배출 가스로부터 회수된 열을 전달받은 후 관로 CA5를 통해 연소부(140)로 이송된다.
가열된 제2 압축 공기가 연소부(140)로 이송되면 가스 터빈 시스템(100)의 출력이 향상되게 된다. 즉, 전력의 피크가 많이 발생하는 하계의 낮 동안에는 대기 온도의 상승으로 복합 화력의 출력이 감소되는데, 대기 온도가 약 30℃인 경우에는 압축된 공기를 연소부(140)에 분사함으로써 약 20%의 출력의 향상이 가능하게 된다.
즉, 본 제1 실시예에 따르면, 터빈부(110)의 입구 온도를 높이지 않아도 출력을 향상시킬 수 있게 되는데, 압축부(130)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 10%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 2를 참조로 하여 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제2 실시예의 가스 터빈 시스템(200)는, 터빈부(210), 압축 공기 공급부(220), 압축부(230), 연소부(240), 발전부(250), 배열 회수부(260), 제어부(270), 클러치부(280), 재생 열교환부(290)를 포함한다.
터빈부(210)는 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 터빈부(210)는 출력축(211)을 가지고 있는데 출력축(211)은 터빈부(210) 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
터빈부(210)는 4개의 팽창단을 가지는 다단의 구조로 이루어져 있다. 즉, 터빈부(210)는, 고압단에서 저압단의 순서로, 제1 팽창단(210a), 제2 팽창단(210b), 제3 팽창단(210c), 제4 팽창단(210d)을 구비하고 있다.
본 제2 실시예에 따르면 설명을 위해 터빈부(210)가 4단의 팽창단을 가지는 구조로 이루어져 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 터빈부(210)의 팽창단의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 터빈부(210)의 팽창단의 수는, 1단, 2단, 3단, 5단, 10단 등으로 이루어질 수 있다.
압축 공기 공급부(220)는 회전축(221), 4개의 압축기(222a)(222b)(222c)(222d), 제1기어(223), 제2기어(224)를 구비하고 있다.
압축기(222a)(222b)(222c)(222d)는, 공기를 압축하여 제2 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
제1기어(223)는 회전축(221)에 장착되어 있고, 제2기어(224)는 제1기어(223)에 치합되어 있는데, 제1기어(223)와 제2기어(224)는 스퍼기어의 형식을 가지고 있다.
회전축(221)은 클러치부(280)로부터 동력을 전달받아 회전축(221)에 장착된 제1기어(223)를 회전시키는데, 제1기어(223)가 회전하면 그에 치합된 제2기어(224)도 회전하게 되고, 제2기어(224)가 회전하면 제2기어(224)의 축과 연결된 4개의 압축기(222a)(222b)(222c)(222d)가 동력을 전달받아 구동하게 된다.
본 제2 실시예에 따르면 제1기어(223)와 제2기어(224)가 서로 치합되어 회전축(221)의 동력을 4개의 압축기(222a)(222b)(222c)(222d)로 전달하는 구성을 가지고 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 해당 부분의 동력 전달 수단의 구성에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 제1기어(223)와 제2기어(224) 이외에 제3기어, 제4기어 등도 추가되어 구성될 수 있고, 기어의 형식도 헬리컬 기어, 더블 헬리컬 기어, 베벨 기어 등이 될 수 있다. 또한, 기어 전동 방식이 아닌 벨트 전동, 체인 전동, 마찰차 전동 등의 동력 전달 수단이 이용될 수도 있다.
본 제2 실시예에 따른 압축 공기 공급부(220)는 4개의 압축기(222a)(222b)(222c)(222d)를 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 공기 공급부가 구비하는 압축기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 압축 공기 공급부는 1개, 2개, 3개, 5개, 6개 등의 압축기를 포함할 수 있다.
본 제2 실시예에 따른 압축 공기 공급부(220)는 회전축(221)으로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시키는 구성을 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축 공기 공급부는 별개의 모터(미도시)에 의해 동력을 전달받아 구동될 수도 있으며, 그 경우 제어부(270)가 해당 모터를 제어하게 된다.
한편, 압축부(230)는 공기를 압축하여 연소부(240)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 압축부(230)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축부(230)의 구동은 출력축(211)으로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 압축부(230)의 구동축은 출력축(211)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
연소부(240)는, 압축부(230)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PB1을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
발전부(250)는, 압축부(230)의 축과 연결된 축(212)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 제2 실시예에서 발전부(250)의 구동축은 축(212)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 제2 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(200)는 발전부(250)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템은 발전부(250)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
배열 회수부(260)는 터빈부(210)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(261)이 존재한다. 스택(261)에는 열을 교환하는 열교환부(261a)가 배치되어 있다.
본 제2 실시예에 따른 배열 회수부(260)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
배열 회수부(260)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제2 실시예에서는 배열 회수부(260)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(270)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(200)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
한편, 클러치부(280)는, 발전부(250)의 축과 연결된 축(213)과 회전축(221)의 동력 전달 연결을 조정하는 기능을 수행한다. 즉, 클러치부(280)는 축(213)과 회전축(221)을 연결하여 동력을 전달하거나, 축(213)과 회전축(221)의 연결을 끊어 동력전달을 차단하는 기능을 수행한다.
클러치부(280)는 제어부(270)의 지시를 받아 자동으로 제어되도록 구성할 수 있고, 사용자가 수동으로 제어할 수 있도록 구성될 수도 있다.
클러치부(280)의 구성은 공지의 클러치 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 클로(claw) 클러치, 마찰 클러치, 자기 클러치, 유체 클러치, 원심 클러치 등이 적용될 수 있다.
한편, 재생 열교환부(290)는, 배열 회수부(260)에서 발생되는 증기의 열을 이용하거나 배출되는 응축수의 열을 이용하여 열을 교환하는 장치이다. 압축 공기 공급부(220)로부터 나온 제2 압축 공기는 재생 열교환부(290)를 통과하면서 열을 전달받게 된다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 제2 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(200)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(270)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(270)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 압축부(230)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기를 관로 CB1을 통해 연소부(240)로 이송시킨다.
연소부(240)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는 관로 CB2를 통해 터빈부(210)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
터빈부(210)가 동력을 생산하게 되면, 터빈부(210)는 출력축(211)과 축(212)을 통해 발전부(250)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 터빈부(210)는 출력축(211)을 통해 압축부(230)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(200)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 터빈부(210)에서 배출된 배출 가스는 관로 CB3을 통해 배열 회수부(260)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 스택(261)의 열교환부(261a)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(270)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 관로 CB4의 VB1을 열고, 클러치부(280)를 작동시켜 축(213)과 회전축(221)을 연결시킨다.
회전축(221)이 축(213)으로부터 동력을 전달받아 회전하게 되면, 압축 공기 공급부(220)는 제2 압축 공기를 생산한다.
압축 공기 공급부(220)가 생산한 제2 압축 공기는 관로 CB4를 통하여 재생 열교환부(290)로 이송되어 1차로 열을 전달받고, 이어 제2 압축 공기는 관로 CB5를 통하여 열교환부(261a)로 이송되어 2차로 열을 전달받는다. 이어, 열교환부(261a)에서 열을 전달받은 제2 압축 공기는 관로 CB6을 통해 연소부(240)로 이송된다.
가열된 제2 압축 공기가 연소부(240)로 이송되면 가스 터빈 시스템(200)의 출력이 향상되게 된다. 즉, 전력의 피크가 많이 발생하는 하계의 낮 동안에는 대기 온도의 상승으로 복합 화력의 출력이 감소되는데, 대기 온도가 약 30℃인 경우에는 압축된 공기를 연소부(240)에 분사함으로써 약 20%의 출력의 향상이 가능하게 된다.
즉, 본 제2 실시예에 따르면, 터빈부(210)의 입구 온도를 높이지 않아도 출력을 향상시킬 수 있게 되는데, 압축부(230)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 10%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다. 특히, 본 제2 실시예에 따르면, 재생 열교환부(290)를 이용하여 1차로 제2 압축 공기로 열을 전달하기 때문에, 출력뿐만 아니라 효율의 향상도 가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 3을 참조로 하여 본 발명의 제3 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제3 실시예의 가스 터빈 시스템(300)는, 제1 터빈부(311), 제2 터빈부(312), 압축 공기 공급부(320), 제1 압축부(331), 제2 압축부(332), 제1 연소부(341), 제2 연소부(342), 제1 발전부(351), 제2 발전부(352), 제1 배열 회수부(361), 제2 배열 회수부(362), 제어부(370)를 포함한다.
제1 터빈부(311) 및 제2 터빈부(312)는, 각각 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 제1 터빈부(311) 및 제2 터빈부(312)는 각각 출력축(311a)(312a)을 가지고 있는데 출력축(311a)(312a)은 각각 제1 터빈부(311)와 제2 터빈부(312)의 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
압축 공기 공급부(320)는 압축기(321), 압축 공기 저장 장치(322), 동력 발생 장치(323)를 포함하고 있다.
압축기(321)는, 동력 발생 장치(323)로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시켜 제2 압축 공기를 생산하는 구성을 가지고 있으며, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기가 사용될 수 있다.
동력 발생 장치(323)로는 모터, 엔진 등이 사용될 수 있는데, 모터로는 교류 모터, 직류 모터, 서보 모터 등이 사용될 수 있고, 엔진으로는 열기관, 내연기관, 발동기 등이 사용될 수 있다.
압축기(321)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CC4를 거쳐 저장 탱크 등으로 이루어진 압축 공기 저장 장치(322)에 저장되고, 필요한 경우 추출한 후, 분배기 DC를 거쳐 제1 배열 회수부(361), 제2 배열 회수부(362)로 이송되게 된다.
한편, 제1 압축부(331), 제2 압축부(332)는 각각 공기를 압축시켜, 제1 연소부(341), 제2 연소부(342)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 제1 압축부(331), 제2 압축부(332)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
제1 압축부(331)와 제2 압축부(332)의 구동은, 각각 출력축(311a)(312a)로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 제1 압축부(331)와 제2 압축부(332)의 구동축은 각각 출력축(311a)(312a)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
한편, 제1 연소부(341)와 제2 연소부(342)는, 각각 제1 압축부(331)와 제2 압축부(332)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PC11, PC12을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
제1 발전부(351)와 제2 발전부(352)는, 각각 제1 압축부(331)의 축 및 제2 압축부(332)의 축과 연결된 축(311b)(312b)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 실시예에서 제1 발전부(351)와 제2 발전부(352)의 구동축은, 각각 축(311b)(312b)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 제3 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(300)는 제1 발전부(351)와 제2 발전부(352)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템(300)는 제1 발전부(351)와 제2 발전부(352)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
제1 배열 회수부(361)와 제2 배열 회수부(362)는, 제1 터빈부(311) 및 제2 터빈부(312)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(stack)(361a)(362a)이 존재한다. 스택(361a)(362a)에는 열을 교환하는 열교환부(361a_1)(362a_1)가 배치되어 있다.
본 제3 실시예에 따른 제1 배열 회수부(361)와 제2 배열 회수부(362)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
제1 배열 회수부(361)와 제2 배열 회수부(362)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제3 실시예에서는 제1 배열 회수부(361)와 제2 배열 회수부(362)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(370)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(300)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 제3 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(300)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(370)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(370)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 제1 압축부(331)와 제2 압축부(332)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기는 각각 관로 CC11, CC12를 통해, 각각 제1 연소부(341)와 제2 연소부(342)로 이송된다.
제1 연소부(341)와 제2 연소부(342)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는, 각각 관로 CC21, CC22를 통해 제1 터빈부(311)와 제2 터빈부(312)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
제1 터빈부(311)와 제2 터빈부(312)가 동력을 생산하게 되면, 제1 터빈부(311)와 제2 터빈부(312)는 각각 출력축(311a)(312a) 및 축(311b)(312b)을 통해 제1 발전부(351) 및 제2 발전부(352)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 제1 터빈부(311)와 제2 터빈부(312)는 각각 출력축(311a)(312a)을 통해 제1 압축부(331)와 제2 압축부(332)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(300)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 제1 터빈부(311)와 제2 터빈부(312)에서 배출된 배출 가스는 각각 관로 CC31, CC32를 통해 각각 제1 배열 회수부(361), 제2 배열 회수부(362)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 열교환부(361a_1)(362a_1)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(370)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 동력 발생 장치(323)를 구동시켜 압축기(321)를 구동시키고, 밸브 VC1을 열도록 제어한다.
따라서 압축기(321)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CC4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(322)에 저장된다. 제어부(370)는, 필요한 경우 밸브 VC2를 제어하여 제2 압축 공기를 압축 공기 저장 장치(322)로부터 추출하고, 밸브 V31, V32를 제어하여 추출한 제2 압축 공기를 분배기 DC를 거쳐 제1 배열 회수부(361), 제2 배열 회수부(362)로 이송시킨다. 여기서, 관로 CC4에 연결되는 분배기 DC의 개도는 제어부(370)에 의해 조절될 수 있는 가변 밸브로 구성될 수 있으며, 그 경우 제어부(370)는 내부 운용 프로그램에 따라 최대의 성능을 구현할 수 있는 개도로 분배기 DC를 조절할 수 있게 된다.
분배기 DC를 거친 제2 압축 공기는 각각 관로 CC51, CC52를 통해 열교환부(361a_1)(362a_1)로 이송되고, 각각의 열교환부(361a_1)(362a_1)에서 상기 배출 가스로부터 회수된 열을 전달받은 후 각각 관로 CC61, CC62를 통해 각각 제1 연소부(341), 제2 연소부(342)로 이송된다.
가열된 제2 압축 공기가 제1 연소부(341)와 제2 연소부(342)로 이송되면 가스 터빈 시스템(300)의 출력이 향상되게 된다. 즉, 전력의 피크가 많이 발생하는 하계의 낮 동안에는 대기 온도의 상승으로 복합 화력의 출력이 감소되는데, 대기 온도가 약 30℃인 경우에는 압축된 공기를 제1 연소부(341)와 제2 연소부(342)에 분사함으로써 약 20%의 출력의 향상이 가능하게 된다.
즉, 본 제3 실시예에 따르면, 제1 터빈부(311) 및 제2 터빈부(312)의 입구 온도를 높이지 않아도 출력을 향상시킬 수 있게 되는데, 제1 압축부(331)와 제2 압축부(332)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 10%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다.
또한, 본 제3 실시예에 따르면, 압축 공기 공급부(320)는 압축 공기 저장 장치(322)를 포함하고 있기 때문에, 전력이 쌀 때 제2 압축 공기를 생산하여 저장한 후에, 필요할 때 저장된 제2 압축 공기를 추출하여 이용할 수 있다. 그렇게 되면, 에너지 비용도 절감할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 4를 참조로 하여 본 발명의 제4 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제4 실시예의 가스 터빈 시스템(400)는, 터빈부(410), 압축 공기 공급부(420), 압축부(430), 연소부(440), 발전부(450), 배열 회수부(460), 제어부(470), 재생 열교환부(480)를 포함한다.
터빈부(410)는 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 터빈부(410)는 출력축(411)을 가지고 있는데 출력축(411)은 터빈부(410) 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
압축 공기 공급부(420)는 압축 장치(421), 압축 공기 저장 장치(422), 동력 발생 장치(423)를 포함하고 있다.
압축 장치(421)는 동력 발생 장치(423)로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시켜 제2 압축 공기를 생산하는 구성을 가지고 있으며, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기가 사용될 수 있다.
압축 장치(421)는 회전축(421a), 4개의 압축기(421b_1)(421b_2)(421b_3)(421b_4), 제1기어(421c), 제2기어(421d)를 포함하고 있다.
회전축(421a)은 동력 발생 장치(423)의 축에 연결되어 있다.
압축기(421b_1)(421b_2)(421b_3)(421b_4)는 공기를 압축하여 제2 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
제1기어(421c)는 회전축(421a)에 장착되어 있고, 제2기어(421d)는 제1기어(421c)에 치합되어 있는데, 제1기어(421c)와 제2기어(421d)는 스퍼기어의 형식을 가지고 있다.
회전축(421a)은 동력 발생 장치(423)로부터 동력을 전달받아 회전축(421a)에 장착된 제1기어(421c)를 회전시키는데, 제1기어(421c)가 회전하면 그에 치합된 제2기어(421d)도 회전하게 되고, 제2기어(421d)가 회전하면 제2기어(421d)의 축과 연결된 4개의 압축기(421b_1)(421b_2)(421b_3)(421b_4)가 동력을 전달받아 구동하게 된다.
본 제4 실시예에 따르면 제1기어(421c)와 제2기어(421d)가 서로 치합되어 회전축(421a)의 동력을 4개의 압축기(421b_1)(421b_2)(421b_3)(421b_4)로 전달하는 구성을 가지고 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 해당 부분의 동력 전달 수단의 구성에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 제1기어(421c)와 제2기어(421d) 이외에 제3기어, 제4기어 등도 추가되어 구성될 수 있고, 기어의 형식도 헬리컬 기어, 더블 헬리컬 기어, 베벨 기어 등이 될 수 있다. 또한, 기어 전동 방식이 아닌 벨트 전동, 체인 전동, 마찰차 전동 등의 동력 전달 수단이 이용될 수도 있다.
본 제4 실시예에 따른 압축 장치(421)는 4개의 압축기(421b_1)(421b_2)(421b_3)(421b_4)를 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축부가 구비하는 압축기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 압축부는 1개, 2개, 3개, 5개, 6개 등의 압축기를 포함할 수 있다.
동력 발생 장치(423)로는 모터, 엔진 등이 사용될 수 있는데, 모터로는 교류 모터, 직류 모터, 서보 모터 등이 사용될 수 있고, 엔진으로는 열기관, 내연기관, 발동기 등이 사용될 수 있다.
압축 장치(421)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CD4를 거쳐 저장 탱크 등으로 이루어진 압축 공기 저장 장치(422)에 저장되고, 필요한 경우 추출한 후, 재생 열교환부(480)로 이송되게 된다.
한편, 압축부(430)는 공기를 압축하여 연소부(440)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 압축부(430)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축부(430)의 구동은 출력축(411)으로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 압축부(430)의 구동축은 출력축(411)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
연소부(440)는, 압축부(430)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PD1을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
발전부(450)는, 압축부(430)의 축과 연결된 축(412)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 제4 실시예에서 발전부(450)의 구동축은 축(412)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(400)는 발전부(450)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템(400)는 발전부(450)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
배열 회수부(460)는 터빈부(410)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(461)이 존재한다. 스택(461)에는 열을 교환하는 열교환부(461a)가 배치되어 있다.
본 제4 실시예에 따른 배열 회수부(460)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
배열 회수부(460)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제4 실시예에서는 배열 회수부(160)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(470)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(400)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
한편, 재생 열교환부(480)는, 배열 회수부(460)에서 발생되는 증기의 열을 이용하거나 배출되는 응축수의 열을 이용하여 열을 교환하는 장치이다. 압축 공기 공급부(420)로부터 나온 제2 압축 공기는 재생 열교환부(480)를 통과하면서 열을 전달받게 된다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 제4 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(400)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(470)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(470)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 압축부(430)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기를 관로 CD1을 통해 연소부(440)로 이송시킨다.
연소부(440)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는 관로 CD2를 통해 터빈부(410)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
터빈부(410)가 동력을 생산하게 되면, 터빈부(410)는 출력축(411) 및 축(412)을 통해 발전부(450)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 터빈부(410)는 출력축(411)을 통해 압축부(430)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(400)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 터빈부(410)에서 배출된 배출 가스는 관로 CD3을 통해 배열 회수부(460)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 스택(461)의 열교환부(461a)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(470)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 동력 발생 장치(423)를 구동시켜 압축 장치(421)를 구동시키고, 밸브 VD1을 열도록 제어한다.
압축 장치(421)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CD4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(422)에 저장된다. 제어부(470)는, 필요한 경우 밸브 VD2를 제어하여 제2 압축 공기를 압축 공기 저장 장치(422)로부터 추출하고, 추출한 제2 압축 공기를 재생 열교환부(480)로 이송시켜 1차로 열을 전달받게 한다. 이어 제2 압축 공기는 관로 CD5를 통하여 열교환부(461a)로 이송되어 2차로 열을 전달받은 후, 열교환부(461a)에서 열을 전달받은 제2 압축 공기는 관로 CD6을 통해 연소부(440)로 이송된다.
가열된 제2 압축 공기가 연소부(440)로 이송되면 가스 터빈 시스템(400)의 출력이 향상되게 된다. 즉, 전력의 피크가 많이 발생하는 하계의 낮 동안에는 대기 온도의 상승으로 복합 화력의 출력이 감소되는데, 대기 온도가 약 30℃인 경우에는 압축된 공기를 연소부(440)에 분사함으로써 약 20%의 출력의 향상이 가능하게 된다.
즉, 본 제4 실시예에 따르면, 터빈부(410)의 입구 온도를 높이지 않아도 출력을 향상시킬 수 있게 되는데, 압축부(430)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 10%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다. 특히, 본 제4 실시예에 따르면, 재생 열교환부(480)를 이용하여 1차로 제2 압축 공기로 열을 전달하기 때문에, 출력뿐만 아니라 효율의 향상도 가능하게 된다.
또한, 본 제4 실시예에 따르면, 압축 공기 공급부(420)는 압축 공기 저장 장치(422)를 포함하고 있기 때문에, 전력이 쌀 때 제2 압축 공기를 생산하여 저장한 후에, 필요할 때 저장된 제2 압축 공기를 추출하여 이용할 수 있다. 그렇게 되면, 에너지 비용도 절감할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 5를 참조로 하여 본 발명의 제5 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제5 실시예의 가스 터빈 시스템(500)는, 터빈부(510), 압축 공기 공급부(520), 압축부(530), 연소부(540), 발전부(550), 배열 회수부(560), 제어부(570)를 포함한다.
터빈부(510)는 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 터빈부(510)는 출력축(511)을 가지고 있는데 출력축(511)은 터빈부(510) 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
터빈부(510)는 4개의 팽창단을 가지는 다단의 구조로 이루어져 있다. 즉, 터빈부(510)는, 고압단에서 저압단의 순서로, 제1 팽창단(510a), 제2 팽창단(510b), 제3 팽창단(510c), 제4 팽창단(510d)을 구비하고 있다.
본 제5 실시예에 따르면 설명을 위해 터빈부(510)가 4단의 팽창단을 가지는 구조로 이루어져 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 터빈부(510)의 팽창단의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 터빈부(510)의 팽창단의 수는, 1단, 2단, 3단, 5단, 10단 등으로 이루어질 수 있다.
압축 공기 공급부(520)는 압축기(521), 압축 공기 저장 장치(522), 동력 발생 장치(523)를 포함하고 있다.
압축기(521)는 동력 발생 장치(523)로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시켜 제2 압축 공기를 생산하는 구성을 가지고 있으며, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기가 사용될 수 있다.
동력 발생 장치(523)로는 모터, 엔진 등이 사용될 수 있는데, 모터로는 교류 모터, 직류 모터, 서보 모터 등이 사용될 수 있고, 엔진으로는 열기관, 내연기관, 발동기 등이 사용될 수 있다.
압축기(521)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CE4를 거쳐 저장 탱크 등으로 이루어진 압축 공기 저장 장치(522)에 저장되고, 필요한 경우 추출한 후, 배열 회수부(560)로 이송되게 된다.
한편, 압축부(530)는 공기를 압축하여 연소부(540)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 압축부(530)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축부(530)의 구동은 출력축(511)으로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 압축부(530)의 구동축은 출력축(511)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
연소부(540)는, 압축부(530)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PE1을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
발전부(550)는, 압축부(530)의 축과 연결된 축(512)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 제5 실시예에서 발전부(550)의 구동축은 축(512)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 제5 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(500)는 발전부(550)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템은 발전부(550)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
배열 회수부(560)는 터빈부(510)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(561)이 존재한다. 스택(561)에는 열을 교환하는 열교환부(561a)가 배치되어 있다.
본 제5 실시예에 따른 배열 회수부(560)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
배열 회수부(560)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제5 실시예에서는 배열 회수부(560)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(570)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(500)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
이하, 도 5를 참조하여, 본 제5 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(500)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(570)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(570)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 압축부(530)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기를 관로 CE1을 통해 연소부(540)로 이송시킨다.
연소부(540)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는 관로 CE2를 통해 터빈부(510)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
터빈부(510)가 동력을 생산하게 되면, 터빈부(510)는 출력축(511) 및 축(512)을 통해 발전부(550)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 터빈부(510)는 출력축(511)을 통해 압축부(530)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(500)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 터빈부(510)에서 배출된 배출 가스는 관로 CE3을 통해 배열 회수부(560)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 스택(561)의 열교환부(561a)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(570)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 동력 발생 장치(523)를 구동시켜 압축기(521)를 구동시키고, 밸브 VE1을 열도록 제어한다.
따라서 압축기(521)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CE4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(522)에 저장된다. 제어부(570)는, 필요한 경우 밸브 VE2를 제어하여 제2 압축 공기를 압축 공기 저장 장치(522)로부터 추출하여 관로 CE5를 거쳐 배열 회수부(560)로 이송시킨다.
관로 CE5를 통해 열교환부(561a)로 이송된 제2 압축 공기는, 상기 배출 가스로부터 회수된 열을 전달받은 후, 관로 CE6을 통해 흐르다가 분배기 DE1, DE2, DE3를 거쳐 각각 관로 CE71, CE72, CE73, CE74를 경유한 후, 각각 터빈부(510)의 제4 팽창단(510d), 제3 팽창단(510c), 제2 팽창단(510b), 제1 팽창단(510a)으로 이송된다. 여기서, 관로 CE6에 연결되는 분배기 DE1, DE2, DE3의 각각의 개도는 제어부(570)에 의해 조절될 수 있는 가변 밸브로 구성될 수 있으며, 그 경우 제어부(570)는 내부 운용 프로그램에 따라 최대의 성능을 구현할 수 있는 개도로 분배기 DE1, DE2, DE3를 조절할 수 있게 된다.
터빈부(510)의 각 단으로 진입한 제2 압축 공기는 터빈부(510)를 냉각시키게 된다. 터빈부(510)의 냉각에 따라 터빈부(510)의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)의 과열을 방지하여 수명을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 압축부(530)에서 터빈부(510)의 냉각을 위해 압축 공기를 별도로 추출하지 않으므로, 압축부(530)의 압력이 유지됨으로써, 전체적으로 압축부(530)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 20%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다.
또한, 본 제5 실시예에 따르면, 압축 공기 공급부(520)는 압축 공기 저장 장치(522)를 포함하고 있기 때문에, 전력이 쌀 때 제2 압축 공기를 생산하여 저장한 후에, 필요할 때 저장된 제2 압축 공기를 추출하여 이용할 수 있다. 그렇게 되면, 에너지 비용도 절감할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 6을 참조로 하여 본 발명의 제6 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제6 실시예의 가스 터빈 시스템(600)는, 터빈부(610), 압축 공기 공급부(620), 압축부(630), 연소부(640), 발전부(650), 배열 회수부(660), 제어부(670)를 포함한다.
터빈부(610)는 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 터빈부(610)는 출력축(611)을 가지고 있는데 출력축(611)은 터빈부(610) 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
터빈부(610)는 4개의 팽창단을 가지는 다단의 구조로 이루어져 있다. 즉, 터빈부(610)는, 고압단에서 저압단의 순서로, 제1 팽창단(610a), 제2 팽창단(610b), 제3 팽창단(610c), 제4 팽창단(610d)을 구비하고 있다.
본 제6 실시예에 따르면 설명을 위해 터빈부(610)가 4단의 팽창단을 가지는 구조로 이루어져 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 터빈부(610)의 팽창단의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 터빈부(610)의 팽창단의 수는, 1단, 2단, 3단, 5단, 10단 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 압축 공기 공급부(620)는 압축 장치(621), 압축 공기 저장 장치(622), 동력 발생 장치(623)를 포함하고 있다.
압축 장치(621)는 동력 발생 장치(623)로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시켜 제2 압축 공기를 생산하는 구성을 가지고 있으며, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기가 사용될 수 있다.
압축 장치(621)는 회전축(621a), 4개의 압축기(621b_1)(621b_2)(621b_3)(621b_4), 제1기어(621c), 제2기어(621d)를 포함하고 있다.
회전축(621a)은 동력 발생 장치(623)의 축에 연결되어 있다.
압축기(621b_1)(621b_2)(621b_3)(621b_4)는 공기를 압축하여 제2 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
제1기어(621c)는 회전축(621a)에 장착되어 있고, 제2기어(621d)는 제1기어(621c)에 치합되어 있는데, 제1기어(621c)와 제2기어(621d)는 스퍼기어의 형식을 가지고 있다.
회전축(621a)은 동력 발생 장치(623)로부터 동력을 전달받아 회전축(621a)에 장착된 제1기어(621c)를 회전시키는데, 제1기어(621c)가 회전하면 그에 치합된 제2기어(621d)도 회전하게 되고, 제2기어(621d)가 회전하면 제2기어(621d)의 축과 연결된 4개의 압축기(621b_1)(621b_2)(621b_3)(621b_4)가 동력을 전달받아 구동하게 된다.
본 제6 실시예에 따르면 제1기어(621c)와 제2기어(621d)가 서로 치합되어 회전축(621a)의 동력을 4개의 압축기(621b_1)(621b_2)(621b_3)(621b_4)로 전달하는 구성을 가지고 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 해당 부분의 동력 전달 수단의 구성에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 제1기어(621c)와 제2기어(621d) 이외에 제3기어, 제4기어 등도 추가되어 구성될 수 있고, 기어의 형식도 헬리컬 기어, 더블 헬리컬 기어, 베벨 기어 등이 될 수 있다. 또한, 기어 전동 방식이 아닌 벨트 전동, 체인 전동, 마찰차 전동 등의 동력 전달 수단이 이용될 수도 있다.
본 제6 실시예에 따른 압축 장치(621)는 4개의 압축기(621b_1)(621b_2)(621b_3)(621b_4)를 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축부가 구비하는 압축기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 압축부는 1개, 2개, 3개, 5개, 6개 등의 압축기를 포함할 수 있다.
동력 발생 장치(623)로는 모터, 엔진 등이 사용될 수 있는데, 모터로는 교류 모터, 직류 모터, 서보 모터 등이 사용될 수 있고, 엔진으로는 열기관, 내연기관, 발동기 등이 사용될 수 있다.
압축 장치(621)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CF4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(622)에 저장되고, 필요한 경우 추출한 후, 배열 회수부(660)로 이송되게 된다.
한편, 압축부(630)는 공기를 압축하여 연소부(640)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 압축부(630)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축부(630)의 구동은 출력축(611)으로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 압축부(630)의 구동축은 출력축(611)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
압축부(630)는 다단의 압축단을 가지고 있다. 즉, 압축부(630)는, 저압단에서 고압단의 순서로, 제1 압축단(630a), 제2 압축단(630b), 제3 압축단(630c), 제4 압축단(630d)을 구비하고 있다. 본 제6 실시예의 경우에 압축부(630)는 4단의 압축단을 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축부의 압축단의 개수에는 특별한 제한이 없다.
한편, 가스 터빈 시스템(600)는 냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4를 포함하는데, 각각의 냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4의 일단은, 제4 압축단(630d), 제3 압축단(630c), 제2 압축단(630b), 제1 압축단(630a)에 연통되어 있다. 또한, 각 냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4의 타단은 제1 팽창단(610a), 제2 팽창단(610b), 제3 팽창단(610c), 제4 팽창단(610d)에 연통되어, 각 팽창단(610a)(610b)(610c)(610d) 내부의 냉각을 돕게 된다. 즉, 냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4는 각각 제4 압축단(630d), 제3 압축단(630c), 제2 압축단(630b), 제1 압축단(630a)으로부터 압축된 공기를 일부 추출하여, 각각 대응하는 터빈부(610)의 각 팽창단(610a)(610b)(610c)(610d)으로 이송시켜 터빈부(610)를 냉각시킨다.
냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4에는 각각 밸브 VF7, VF8, VF9, VF10이 설치되는데, 밸브 VF7, VF8, VF9, VF10는 제어부(670)의 지시를 받아 개폐가능하도록 전자식 밸브로 구성할 수 있고, 사용자가 수동으로 개폐할 수 있도록 구성될 수도 있다.
또한, 냉각 관로 RF1과 RF2에는 각각 냉각기 SF1, SF2가 배치되는데, 냉각기 SF1, SF2는, 압축부(630) 중 비교적 온도가 높은 제4 압축단(630d), 제3 압축단(630c)으로부터 나온 공기를 냉각시키는 기능을 수행한다. 아울러, 냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4는 각각 관로 CF71, CF72, CF73, CF74와 연결되도록 구성된다.
본 제6 실시예에 따르면, 압축부(630)는 4개의 압축단(630a)(630b)(630c)(630d)을 가지고 있고, 터빈부(610)는 4개의 팽창단(610a)(610b)(610c)(610d)을 가지고 있어, 4개의 냉각 관로 RF1, RF2, RF3, RF4가 각각 대응되는 압축단과 팽창단에 연결되는 구조를 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 압축부의 압축단의 개수와 터빈부의 팽창단의 개수가 서로 다를 수 있으며, 그 경우 냉각 관로의 연결 구조도 달라질 수 있다. 예를 들어 압축부의 압축단의 개수가 3개이고 터빈부의 팽창단의 개수가 4개인 경우, 냉각 관로는 3개로 구성되되, 3개의 냉관 관로 중 하나는 2개의 팽창단에 연결될 수도 있다. 물론 그 경우 공통의 냉각 관로에 연결되는 팽창단들의 압력 차이는 작은 것이 바람직하다.
한편, 연소부(640)는, 압축부(630)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PF1을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
발전부(650)는, 압축부(630)의 축과 연결된 축(612)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 제6 실시예에서 발전부(650)의 구동축은 축(612)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 제6 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(600)는 발전부(650)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템(600)는 발전부(650)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
배열 회수부(660)는 터빈부(610)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(661)이 존재한다. 스택(661)에는 열을 교환하는 열교환부(661a)가 배치되어 있다.
본 제6 실시예에 따른 배열 회수부(660)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
배열 회수부(660)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제6 실시예에서는 배열 회수부(660)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(670)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(600)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 제6 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(600)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(670)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(670)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 압축부(630)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기를 관로 CF1을 통해 연소부(640)로 이송시킨다.
연소부(640)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는 관로 CF2를 통해 터빈부(610)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
터빈부(610)가 동력을 생산하게 되면, 터빈부(610)는 출력축(611) 및 축(612)을 통해 발전부(650)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 터빈부(610)는 출력축(611)을 통해 압축부(630)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(600)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 터빈부(610)에서 배출된 배출 가스는 관로 CF3을 통해 배열 회수부(660)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 스택(661)의 열교환부(661a)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(670)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 동력 발생 장치(623)를 구동시켜 압축 장치(621)를 구동시키고, 밸브 VF1을 열도록 제어한다.
압축 장치(621)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CF4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(622)에 저장된다. 제어부(670)는, 필요한 경우 밸브 VF2를 제어하여 제2 압축 공기를 압축 공기 저장 장치(622)로부터 추출하여 관로 CF5를 거쳐 배열 회수부(660)로 이송시킨다.
관로 CF5를 통해 열교환부(661a)로 이송된 제2 압축 공기는, 상기 배출 가스로부터 회수된 열을 전달받은 후, 관로 CF6을 통해 흐르다가 분배기 DF1, DF2, DF3로 이동하게 된다. 여기서, 관로 CF6에 연결되는 분배기 DF1, DF2, DF3의 각각의 개도는 제어부(670)에 의해 조절될 수 있는 가변 밸브로 구성될 수 있으며, 그 경우 제어부(670)는 내부 운용 프로그램에 따라 최대의 성능을 구현할 수 있는 개도로 분배기 DF1, DF2, DF3를 조절할 수 있게 된다.
제어부(670)는 밸브 VF3, VF4, VF5, VF6를 개방함으로써, 관로 CF6을 흐르는 제2 압축 공기는 각각 관로 CF72, CF71, CF73, CF74를 거친 후 냉각 관로부 RF2, RF1, RF3, RF4로 이송된다.
또한, 제어부(670)는 밸브 VF7, VF8, VF9, VF10를 개방하여, 냉각 관로부 RF2, RF1, RF3, RF4로 이송된 제2 압축 공기와 함께 압축부(630)의 각 단에서 추출한 압축 공기를 터빈부(610)의 각 팽창단(610a)(610b)(610c)(610d)으로 이송시킴으로써 터빈부(610)를 냉각시키게 된다.
터빈부(610)의 냉각에 따라 터빈부(610)의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)의 과열을 방지하여 수명을 증대시킬 수 있다.
본 제6 실시예의 경우, 터빈부(610)의 냉각을 위해 압축부(630)의 각 단에서 추출한 압축 공기와 함께 관로 CF6을 흐르는 제2 압축 공기도 사용함으로써, 압축부(630)에서 터빈부(610)의 냉각을 위해 추출하는 압축 공기의 양을 획기적으로 줄일 수 있으므로, 압축부(630)의 압력이 비교적 일정하게 유지되게 된다. 그렇게 되면, 전체적으로 압축부(630)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 20%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다.
또한, 본 제6 실시예에 따르면, 압축 공기 공급부(620)는 압축 공기 저장 장치(622)를 포함하고 있기 때문에, 전력이 쌀 때 제2 압축 공기를 생산하여 저장한 후에, 필요할 때 저장된 제2 압축 공기를 추출하여 이용할 수 있다. 그렇게 되면, 에너지 비용도 절감할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 관한 가스 터빈 시스템의 개략적인 모습을 도시한 도면인데, 이하, 도 7을 참조로 하여 본 발명의 제7 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제7 실시예의 가스 터빈 시스템(700)는, 터빈부(710), 압축 공기 공급부(720), 압축부(730), 연소부(740), 발전부(750), 배열 회수부(760), 제어부(770), 분기 장치(780)를 포함한다.
터빈부(710)는 그 내부에 공지의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)이 배치되어 있다. 또한, 터빈부(710)는 출력축(711)을 가지고 있는데 출력축(711)은 터빈부(710) 내부의 로터의 축과 연결되어 있다.
터빈부(710)는 4개의 팽창단을 가지는 다단의 구조로 이루어져 있다. 즉, 터빈부(710)는, 고압단에서 저압단의 순서로, 제1 팽창단(710a), 제2 팽창단(710b), 제3 팽창단(710c), 제4 팽창단(710d)을 구비하고 있다.
본 제7 실시예에 따르면 설명을 위해 터빈부(710)가 4단의 팽창단을 가지는 구조로 이루어져 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 터빈부(710)의 팽창단의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 터빈부(710)의 팽창단의 수는, 1단, 2단, 3단, 5단, 10단 등으로 이루어질 수 있다.
한편, 압축 공기 공급부(720)는 압축 장치(721), 압축 공기 저장 장치(722), 동력 발생 장치(723)를 포함하고 있다.
압축 장치(721)는 동력 발생 장치(723)로부터 동력을 전달받아 공기를 압축시켜 제2 압축 공기를 생산하는 구성을 가지고 있으며, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기가 사용될 수 있다.
압축 장치(721)는 회전축(721a), 4개의 압축기(721b_1)(721b_2)(721b_3)(721b_4), 제1기어(721c), 제2기어(721d)를 포함하고 있다.
회전축(721a)은 동력 발생 장치(723)의 축에 연결되어 있다.
압축기(721b_1)(721b_2)(721b_3)(721b_4)는 공기를 압축하여 제2 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
제1기어(721c)는 회전축(721a)에 장착되어 있고, 제2기어(721d)는 제1기어(721c)에 치합되어 있는데, 제1기어(721c)와 제2기어(721d)는 스퍼기어의 형식을 가지고 있다.
회전축(721a)은 동력 발생 장치(723)로부터 동력을 전달받아 회전축(721a)에 장착된 제1기어(721c)를 회전시키는데, 제1기어(721c)가 회전하면 그에 치합된 제2기어(721d)도 회전하게 되고, 제2기어(721d)가 회전하면 제2기어(721d)의 축과 연결된 4개의 압축기(721b_1)(721b_2)(721b_3)(721b_4)가 동력을 전달받아 구동하게 된다.
본 제7 실시예에 따르면 제1기어(721c)와 제2기어(721d)가 서로 치합되어 회전축(721a)의 동력을 4개의 압축기(721b_1)(721b_2)(721b_3)(721b_4)로 전달하는 구성을 가지고 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 해당 부분의 동력 전달 수단의 구성에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 제1기어(721c)와 제2기어(721d) 이외에 제3기어, 제4기어 등도 추가되어 구성될 수 있고, 기어의 형식도 헬리컬 기어, 더블 헬리컬 기어, 베벨 기어 등이 될 수 있다. 또한, 기어 전동 방식이 아닌 벨트 전동, 체인 전동, 마찰차 전동 등의 동력 전달 수단이 이용될 수도 있다.
본 제7 실시예에 따른 압축 장치(721)는 4개의 압축기(721b_1)(721b_2)(721b_3)(721b_4)를 구비하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축부가 구비하는 압축기의 개수에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 압축부는 1개, 2개, 3개, 5개, 6개 등의 압축기를 포함할 수 있다.
동력 발생 장치(723)로는 모터, 엔진 등이 사용될 수 있는데, 모터로는 교류 모터, 직류 모터, 서보 모터 등이 사용될 수 있고, 엔진으로는 열기관, 내연기관, 발동기 등이 사용될 수 있다.
압축 장치(721)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CG4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(722)에 저장되고, 필요한 경우 추출한 후, 배열 회수부(760)로 이송되게 된다.
한편, 압축부(730)는 공기를 압축하여 연소부(740)로 들어가는 제1 압축 공기를 생산하는 기능을 수행하는데, 압축부(730)로는 종래의 터보 압축기, 회전 압축기, 왕복동 압축기 등이 사용될 수 있다.
압축부(730)의 구동은 출력축(711)으로부터 동력을 전달받아 이루어지게 된다. 즉, 압축부(730)의 구동축은 출력축(711)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다. 본 제7 실시예의 경우에 압축부(730)는 4단의 압축단을 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 압축부의 압축단의 개수에는 특별한 제한이 없다.
압축부(730)는 다단의 압축단을 가지고 있다. 즉, 압축부(730)는, 저압단에서 고압단의 순서로, 제1 압축단(730a), 제2 압축단(730b), 제3 압축단(730c), 제4 압축단(730d)을 구비하고 있다.
한편, 가스 터빈 시스템(700)는 냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4를 포함하는데, 각각의 냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4의 일단은, 제4 압축단(730d), 제3 압축단(730c), 제2 압축단(730b), 제1 압축단(730a)에 연통되어 있다. 또한, 각 냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4의 타단은 제1 팽창단(710a), 제2 팽창단(710b), 제3 팽창단(710c), 제4 팽창단(710d)에 연통되어, 각 팽창단(710a)(710b)(710c)(710d) 내부의 냉각을 돕게 된다. 즉, 냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4는 각각 제4 압축단(730d), 제3 압축단(730c), 제2 압축단(730b), 제1 압축단(730a)으로부터 압축된 공기를 일부 추출하여, 각각 대응하는 터빈부(710)의 각 팽창단(710a)(710b)(710c)(710d)으로 이송시켜 터빈부(710)를 냉각시킨다.
냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4에는 각각 밸브 VG7, VG8, VG9, VG10이 설치되는데, 밸브 VG7, VG8, VG9, VG10는 제어부(770)의 지시를 받아 개폐가능하도록 전자식 밸브로 구성할 수 있고, 사용자가 수동으로 개폐할 수 있도록 구성될 수도 있다.
또한, 냉각 관로 RG1과 RG2에는 각각 냉각기 SG1, SG2가 배치되는데, 냉각기 SG1, SG2는, 압축부(730) 중 비교적 온도가 높은 제4 압축단(730d), 제3 압축단(730c)으로부터 나온 공기를 냉각시키는 기능을 수행한다. 아울러, 냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4는 각각 관로 CG81, CG82, CG83, CG84와 연결되도록 구성된다.
본 제7 실시예에 따르면, 압축부(730)는 4개의 압축단(730a)(730b)(730c)(730d)을 가지고 있고, 터빈부(710)는 4개의 팽창단(710a)(710b)(710c)(710d)을 가지고 있어, 4개의 냉각 관로 RG1, RG2, RG3, RG4가 각각 대응되는 압축단과 팽창단에 연결되는 구조를 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 압축부의 압축단의 개수와 터빈부의 팽창단의 개수가 서로 다를 수 있으며, 그 경우 냉각 관로의 연결 구조도 달라질 수 있다. 예를 들어 압축부의 압축단의 개수가 3개이고 터빈부의 팽창단의 개수가 4개인 경우, 냉각 관로는 3개로 구성되되, 3개의 냉관 관로 중 하나는 2개의 팽창단에 연결될 수도 있다. 물론 그 경우 공통의 냉각 관로에 연결되는 팽창단들의 압력 차이는 작은 것이 바람직하다.
한편, 연소부(740)는, 압축부(730)로부터 나온 제1 압축 공기에 관로 PG1을 통하여 연료를 투입하고 연소 작용을 일으켜 연소된 고온ㆍ고압의 가스를 발생시키는 기능을 수행하는데, 터빈 장치에 일반적으로 사용되는 공지의 연소기가 사용될 수 있다.
발전부(750)는, 압축부(730)의 축과 연결된 축(712)으로부터 동력을 전달받아 발전을 수행한다. 본 제7 실시예에서 발전부(750)의 구동축은 축(712)과 일체로 구성되어 동력을 전달받아 회전하게 된다.
본 제7 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(700)는 발전부(750)를 포함하도록 구성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 가스 터빈 시스템(700)는 발전부(750)를 포함하지 않도록 구성할 수 있으며, 그 경우 발생되는 동력은 다른 기계 장치를 구동하는데 사용하거나 열에너지로 바로 전환시킬 수도 있다.
배열 회수부(760)는 터빈부(710)의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 장치인데, 그 후방에 배출 가스가 배출되는 스택(761)이 존재한다. 스택(761)에는 열을 교환하는 열교환부(761a)가 배치되어 있다.
본 제7 실시예에 따른 배열 회수부(760)는 열 회수 증기 발생기(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 포함하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 배열 회수부는 터빈부의 배출 가스로부터 열을 회수할 수 있으면 그 구성 및 형식에 제한이 없다. 예를 들어 본 발명에 따른 배열 회수부는 증기를 생성하지 않고 단순히 배출 가스를 열교환부의 외부 핀에 분사시킴으로써 열교환부 내부의 유체로 열을 전달하는 구성을 가질 수도 있다.
배열 회수부(760)에는 복열장치(Recuperator)를 추가로 설치할 수 있으며, 경우에 따라 응축수의 배출 설비도 설치될 수 있다. 본 제7 실시예에서는 배열 회수부(760)가 열 회수 증기 발생기를 포함하므로 증기가 발생되는데, 증기가 발생되면 발생된 증기는 추후 증기 터빈 장치(미도시)로 이송되어 2차 발전에 이용될 수 있다.
제어부(770)는 전기 회로, 집적회로칩 등을 포함하며, 가스 터빈 시스템(600)를 운용하는 프로그램에 따라 연산을 수행하여 피제어부들을 제어하는 기능을 가지는데, 그 구체적인 제어 작용에 관한 사항은 후술하기로 한다.
한편, 분기 장치(780)는 관로 CG6에 연결되도록 설치되어, 관로 CG6로 이송되는 제2 압축 공기의 적어도 일부를 관로 CG9로 추출하고, 추출하고 남은 나머지 압축 공기는 관로 CG7로 이송하는 기능을 수행한다.
분기 장치(780)는, 제어부(770)의 제어로 분기량을 조정할 수 있는 자동 가변 분기 밸브를 포함하여 구성될 수 있는데, 그 경우 제어부(770)는 가스 터빈 시스템(700)가 최적의 성능을 구현할 수 있도록 세팅된 내부 운용 프로그램에 따라 분기 장치(780)를 조절하여 관로 CG7와 CG9으로 분기되는 각각의 압축 공기의 분기량을 조절하게 된다.
본 제7 실시예에 따르면, 분기 장치(780)는 자동 가변 분기 밸브를 포함하여 이루어지지만, 본 발명에 따르면 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 분기 장치는 수동으로 분기량을 조절할 수 있는 가변 분기 밸브를 포함하여 이루어질 수 있으며, 아예 각각의 관로에 대해 분기량의 비율이 고정된 분기 밸브를 포함하여 이루어질 수도 있다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 제7 실시예에 따른 가스 터빈 시스템(700)가 작동하는 모습을 살펴본다.
사용자가 발전을 위해 제어부(770)에 「동력 발생 명령」을 입력하면, 제어부(770)는 초기 시동 모터(미도시) 등을 이용하여 압축부(730)를 구동시켜 제1 압축 공기를 발생시킨 다음, 발생된 제1 압축 공기를 관로 CG1을 통해 연소부(740)로 이송시킨다.
연소부(740)로 이송된 제1 압축 공기는 연료와 함께 연소됨으로써 연소 가스를 생성하고, 고온ㆍ고압의 연소 가스는 관로 CG2를 통해 터빈부(710)로 이동하여 팽창됨으로써 동력을 생산하게 된다.
터빈부(710)가 동력을 생산하게 되면, 터빈부(710)는 출력축(711) 및 축(712)을 통해 발전부(750)를 구동시켜 발전 작용이 이루어지게 되고, 아울러 터빈부(710)는 출력축(711)을 통해 압축부(730)도 구동시킴으로써 이상과 같은 가스 터빈 시스템(700)의 구동이 지속되게 된다. 한편, 터빈부(710)에서 배출된 배출 가스는 관로 CG3을 통해 배열 회수부(760)로 이동하여 열이 회수된 후, 외부로 배출된다. 여기서, 회수된 배출 가스의 열은 스택(761)의 열교환부(761a)에서의 열교환 작용에 이용된다.
한편, 제어부(770)는 미리 저장된 프로그램 또는 사용자의 지시에 따라 동력 발생 장치(723)를 구동시켜 압축 장치(721)를 구동시키고, 밸브 VG1을 열도록 제어한다.
압축 장치(721)에서 압축된 제2 압축 공기는 관로 CG4를 거쳐 압축 공기 저장 장치(722)에 저장된다. 제어부(770)는, 필요한 경우 밸브 VG2를 제어하여 제2 압축 공기를 압축 공기 저장 장치(722)로부터 추출하여 관로 CG5를 거쳐 배열 회수부(760)로 이송시킨다.
관로 CG5를 통해 열교환부(761a)로 이송된 제2 압축 공기는, 상기 배출 가스로부터 회수된 열을 전달받은 후, 관로 CG6을 통해 흐르다가 분기 장치(780)에 도달하게 된다.
분기 장치(780)에서는, 제어부(770)에서 결정된 압축 공기의 분배 비율에 따라, 관로 CG6를 흐르던 제2 압축 공기가 분기되어 각각 관로 CG7와 CG9으로 이송되게 된다.
분기 장치(780)에서 관로 CG7으로 이송된 압축 공기는, 분배기 DG1, DG2, DG3로 이동하게 된다. 여기서, 관로 CG6에 연결되는 분배기 DE1, DE2, DE3의 각각의 개도는 제어부(770)에 의해 조절될 수 있는 가변 밸브로 구성될 수 있으며, 그 경우 제어부(770)는 내부 운용 프로그램에 따라 최대의 성능을 구현할 수 있는 개도로 분배기 DE1, DE2, DE3를 조절할 수 있게 된다.
제어부(770)는 밸브 VG3, VG4, VG5, VG6를 개방함으로써, 관로 CG7으로 이송된 압축 공기는 각각 관로 CG82, CG81, CG83, CG84를 거친 후 냉각 관로부 RG2, RG1, RG3, RG4로 이송된다.
또한, 제어부(770)는 밸브 VG7, VG8, VG9, VG10를 개방하여, 냉각 관로부 RG2, RG1, RG3, RG4로 이송된 제2 압축 공기와 함께 압축부(730)의 각 단에서 추출한 압축 공기를 터빈부(710)의 각 팽창단(710a)(710b)(710c)(710d)으로 이송시킴으로써 터빈부(610)를 냉각시키게 된다.
터빈부(710)의 냉각에 따라 터빈부(710)의 로터(미도시), 블레이드들(미도시), 베인들(미도시)의 과열을 방지하여 수명을 증대시킬 수 있다.
본 제7 실시예의 경우, 터빈부(710)의 냉각을 위해 압축부(730)의 각 단에서 추출한 압축 공기와 함께 관로 CG7을 흐르는 제2 압축 공기도 사용함으로써, 압축부(730)에서 터빈부(710)의 냉각을 위해 추출하는 압축 공기의 양을 획기적으로 줄일 수 있으므로, 압축부(730)의 압력이 비교적 일정하게 유지되게 된다. 그렇게 되면, 전체적으로 압축부(730)의 스톨(stall)의 한계 내에서 5% 내지 20%의 출력의 추가 향상이 가능하게 된다.
한편, 분기 장치(780)에서 관로 CG9로 이송된 제2 압축 공기의 일부는, 연소부(740)로 이송되게 된다. 가열된 압축 공기가 연소부(740)로 이송되면 가스 터빈 시스템(700)의 출력이 향상되게 된다. 즉, 전력의 피크가 많이 발생하는 하계의 낮 동안에는 대기 온도의 상승으로 복합 화력의 출력이 감소되는데, 대기 온도가 약 30℃인 경우에는 압축된 공기를 연소부(740)에 분사함으로써 약 20%의 출력의 향상이 가능하게 된다.
또한, 본 제7 실시예에 따르면, 압축 공기 공급부(720)는 압축 공기 저장 장치(722)를 포함하고 있기 때문에, 전력이 쌀 때 제2 압축 공기를 생산하여 저장한 후에, 필요할 때 저장된 제2 압축 공기를 추출하여 이용할 수 있다. 그렇게 되면, 에너지 비용도 절감할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 실시예의 가스 터빈 시스템은, 가스 터빈 시스템을 제조하거나 운용하는 산업에 사용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 압축부;
    상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;
    상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하는 배열 회수부; 및
    상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고,
    상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부 및 상기 터빈부 중 적어도 하나로 공급되는 가스 터빈 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축부는 복수개의 압축단을 포함하는 가스 터빈 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 터빈부는 복수개의 팽창단을 포함하는 가스 터빈 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배열이 전달된 제2 압축 공기는 상기 복수개의 팽창단의 적어도 일부에 이송되는 가스 터빈 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축부는 복수개의 압축단을 포함하고, 상기 터빈부는 복수개의 팽창단을 포함하며,
    상기 압축단과 상기 팽창단은 냉각 관로로 연결되고, 상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부가 상기 냉각 관로로 이송되는 가스 터빈 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배열 회수부는 상기 배출 가스가 배출되는 스택을 포함하고,
    상기 스택에는 상기 제2 압축 공기와 열을 교환하는 열교환부가 배치되는 가스 터빈 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배열 회수부는 열 회수 증기 발생기를 포함하는 가스 터빈 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열 회수 증기 발생기에서 발생된 증기를 이용하여, 상기 제2 압축 공기로 열을 전달하는 재생 열교환부를 포함하는 가스 터빈 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급부는 상기 터빈부에서 발생되는 동력으로 구동되는 가스 터빈 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 터빈부에서 발생되어 상기 압축 공기 공급부로 전달되는 동력의 전달을 제어하는 클러치부를 더 포함하는 가스 터빈 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급부는 동력 발생 장치에서 발생되는 동력으로 구동되는 가스 터빈 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급부는 복수개의 압축기를 포함하는 가스 터빈 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급부는 상기 제2 압축 공기가 저장되는 압축 공기 저장 장치를 포함하는 가스 터빈 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 터빈부가 발생시키는 동력으로 발전을 수행하는 발전부를 포함하는 가스 터빈 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 압축부, 상기 연소부, 상기 터빈부, 상기 배열 회수부가 각각 복수개가 배치되는 가스 터빈 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 배열 회수부에서 배열을 전달받은 제2 압축 공기를, 상기 연소부에 연결된 관로와 상기 터빈부에 연결된 관로로 분기시키는 분기 장치를 포함하는 가스 터빈 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 압축부, 상기 연소부, 상기 터빈부, 상기 배열 회수부, 상기 압축 공기 공급부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 가스 터빈 시스템.
  18. 압축부;
    상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;
    상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하며, 열 회수 증기 발생기를 포함하는 배열 회수부; 및
    상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고,
    상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 연소부로 공급되는 가스 터빈 시스템.
  19. 압축부;
    상기 압축부로부터 나온 제1 압축 공기를 이용하여 연소 작용을 일으키는 연소부;
    상기 연소부로부터 나온 연소 가스에 의해 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 터빈부의 배출 가스로부터 배열을 회수하며, 열 회수 증기 발생기를 포함하는 배열 회수부; 및
    상기 배열 회수부에서 회수된 배열이 전달되는 제2 압축 공기를 제공하는 압축 공기 공급부;를 포함하고,
    상기 배열이 전달된 제2 압축 공기의 적어도 일부는, 상기 터빈부로 공급되는 가스 터빈 시스템.
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