가스터빈및증기터빈설비그리고가스터빈및증기터빈설비의운전방법(GAS AND STEAM TURBINE EQUIPMENT AND OPERATING METHOD THEREOF)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(51)Int. Cl.6
F01K 23/10
(11) 공개번호 특2000-0010927
(43) 공개일자 2000년02월25일
(21) 출원번호 10-1998-0709075
(22) 출원일자 1998년11월11일
번역문제출일자 1998년11월11일
(86) 국제출원번호 PCT/DE1997/00887 (87) 국제공개번호 WO 1997/43523
(86) 국제출원출원일자 1997년04월30일 (87) 국제공개일자 1997년11월20일
(81) 지정국 EP 유럽특허 : 오스트리아 벨기에 스위스 독일 덴마크 스페인 프랑스
영국 그리스 이탈리아 룩셈부르크 모나코 네덜란드 포르투칼 스웨덴
국내특허 : 아일랜드 오스트레일리아 중국 일본 대한민국 멕시코 우크
라이나 미국
(30) 우선권주장 196 19 470.9 1996년05월14일 독일(DE)
(71) 출원인 지멘스 악티엔게젤샤프트 칼 하인쯔 호르닝어
독일 뮌헨 80333 비델스파허프라쯔 2
(72) 발명자 브뤼크너, 헤르만
독일 데-91080 우텐로이트 보크가쎄 3
슈미트, 에리히
독일 데-91080 말로프슈타인 암 치겔아커 18
(74) 대리인 남상선
심사청구 : 없음
(54) 가스 및 증기 터빈 설비 및 그 운전 방법
요약
본 발명은 가스 터빈(2)의 배출 가스 측에 연결된 폐열 증기 발생기(6)를 포함하며, 상기 폐열 증기 발생
기의 가열 표면이 고압부(4a)와 중압부(4b) 및 저압부(4c)를 가진 가스 터빈(4)의 물-증기 순환계(8)에
연결된 가스 및 증기 터빈 설비 관한 것이다. 가능한 높은 설비 효율을 얻기 위해, 발명에 따라 폐열 증
기 발생기의 외부에 설치된 열 교환기(70)의 1차측이 가스 터빈(4)의 고압부(4a)와 중압부(4b) 사이에 그
리고 그것의 2차측이 중압부(4b)와 저압부(4c) 사이에 연결된다. 상기 설비의 운전 방법에서 증기 터빈
(4)으로 유입되는 저압 증기(ND)는 증기 터빈(4)으로부터 유입되는 중압 증기(MD)와의 간접 열 교환을 통
해 가열된다.
대표도
도1
명세서
기술분야
본 발명은 가스 터빈의 배출가스 측에 설치된 폐열 증기 발생기를 포함하며, 상기 폐열 증기 발생기의 가
열 표면은 고압부와 중압부 및 저압부를 가진 증기 터빈의 물-증기 순환계에 연결되는 가스 및 증기 터빈
설비에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 설비의 운전 방법에 관한 것이다.
배경기술
가스 및 증기 터빈 설비에 있어서 가스 터빈으로부터 나온 팽창된 작동 매체에서 얻어진 열은 증기 터빈
용 증기를 발생시키기 위해 사용된다. 열 전달은 관 형태 혹은 관 묶음 형태로 가스 터빈의 배출가스 측
에 장착된 폐열 증기 발생기내에 배치된 소수의 가열 표면에 의해 이루어진다. 폐열 증기 발생기는 재차
증기 터빈의 물-증기 순환계에 연결된다. 물-증기 순환계는 다수의, 예를 들면 두 개 또는 세 개의 압력
단을 가지는데, 각각의 압력 단계는 가열 표면으로서 예열기, 증발기 및 과열기를 포함한다.
열 전달 시 설비의 가능한 높은 효율을 얻기 위해 폐열 증기 발생기내에서 가열 표면의 배치가 가스 터빈
배출 가스의 온도에 따라 조절된다. 중간 과열이 이루어지는 3압력-프로세스, 소위 3압력-중간 과열-프
로세스에서 가스 터빈의 출력이 미리 주어질 때 매우 높은 증기 터빈 출력 및 설비의 매우 높은 효율이
얻어진다. 3압력-중간 과열-프로세스에 따라 작동하는 가스 및 증기 터빈 설비는 유럽 특허 436 536 B1
호 및 독일 특허 44 34 526 C1호에 공지되어 있다. 그러나 상기 알려진 설비에서도 전체 효율은 각각 약
55%로 제한된다.
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발명의 상세한 설명
본 발명의 목적은 가스 터빈 배출 가스의 열량 이용을 증가시킴으로써 설비의 효율을 상승시킨, 가스 증
기 터빈 설비 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다. 설비와 관련한 상기 목적은, 폐열 증기 발
생기 외부에 배치되며, 그 1차측이 증기 터빈의 고압부와 중압부 사이에 그리고 그 2차측이 중압부와 저
압부 사이에 연결된 열 교환기에 의해 달성된다.
본 발명에서는, 증기 터빈의 저압부로 유입되는 저압력 증기의 가열 또는 중간 과열을 위해 적합한 온도
를 가진, 증기 터빈으로부터 나온 배출 증기가 연도 가스로부터 직접적인 열 인출 대신에 간접적인 열 인
출이 이루어 질 수 있다. 증기 터빈의 고압부로부터 나온 중압력 증기가 저압력 증기와의 매우 바람직한
온도차이로 인해 특별히 적합한 것으로 나타났다.
열 교환기에서 간접 열 교환 시에 냉각되는 중압력 증기는 바람직하게는 공칭 온도로 두 단계로
가열된다. 따라서 열 교환기는 바람직하게는 1차측이 증기 터빈의 고압부 다음에 연결된 그리고 폐열 증
기 발생기에서 가스 터빈 배출 가스의 흐름방향으로 차례로 장착된 과열기-가열 표면을 통해 증기 터빈의
중압부 입구에 연결된다.
폐열 증기 발생기의 증발기-가열 표면에서 발생된 중압력 증기는 바람직하게는 2개의 증기 흐름이 폐열
증기 발생기에서 과열되기 전에, 열 교환기에서 냉각된 중압력 증기와 혼합된다. 이것을 위해 바람직하
게는 폐열 증기 발생기에 배치된 증발기-가열 표면의 배출구 측이 열 교환기의 1차측 배출구와 결합된다.
바람직하게는 물-증기 순환계의 각각의 모든 단계는 하나의 증발기-가열 표면 및 적어도 하나의 과열 표
면을 포함한다. 바람직하게는 부가로 증기 터빈의 고압부와 중압부 사이에 연결된 중간 과열기-가열표면
이 제공된다.
가스 및 증기 터빈 설비의 운전 방법과 관련된 상기 목적은 본 발명에 따라 가스 터빈으로부터 나온 팽창
된 작동 매체에 포함된 열이 3압력 단계로 구성된 물-증기 순환계에 연결된 증기 터빈용 증기를 발생시키
기 위해 사용되고, 물-증기 순환계에서 흐르는 급수는 폐열 증기 발생기에 장착된 가열 표면에서 증발되
고 과열되도록 구성된, 가스 및 증기 터빈 설비의 운전 방법에 있어서, 증기 터빈의 저압부로 유입되는
저압 증기가 증기 터빈의 고압부로부터 유출되는 중압 증기와의 간접적인 열 교환을 통해 가열됨으로써
이루어진다.
본 발명에 의해 얻어지는 장점들은 중압 증기와의 간접적 열 교환을 통해 저압 증기를 가열시키기 위해
폐열 증기 발생기 외부에 제공된 교환기를 사용함으로써, 부가의 제어 장치 없이 매우 간단한 방법으로
저압 증기의 매우 높은 온도가 얻어진다는 것에 있다. 이것은 설비의 전체 효율을 현저히 높인다. 운전
제어가 특히 간단해지고 전체 설비의 신뢰성이 높아진다. 매우 짧은 파이프라인 및 적은 압력 손실을 가
능하게 하기 위해 바람직하게는 열 교환기가 증기 터빈의 영역에, 즉 그 근처에 배치된다.
도면의 간단한 설명
첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하면 하기와 같다. 도 1은 저압 증기의 가열
을 위한 별도의 열 교환기가 장착된 가스 및 증기 터빈의 개략도이다.
실시예
도 1에 따른 증기 및 터빈 설비는 가스 터빈(2)과 증기 터빈(4) 및 가스 터빈(2)으로부터 나온 고온 배출
가스(AG)가 흐르는 폐열 증기 발생기(6)를 포함한다. 증기 터빈(4)은 고압부(4a)와 중압부(4b) 및 저압
부(4c)를 포함한다. 폐열 증기 발생기(6)는 증기를 발생시키기 위해 사용되며, 폐열 증기 발생기의 가열
표면은 증기 터빈(4)의 물-증기 순환계(8)에 연결된다.
폐열 증기 발생기(6)는 응축수 파이프(10)에 연결된 응축수 예열기(12)를 포함한다. 응축수 예열기의 입
구 측은 응축수 펌프(14)를 통해 증기 터빈(4) 다음에 연결된 응축기(16)에 연결된다. 응축수 예열기
(12)의 배출구 측은 순환 펌프(18)를 통해 응축수 예열기(12)의 입구에 연결된다. 응축수 예열기의 배출
구 측은또한 급수 파이프(20)를 통해 급수 탱크(22)에 연결된다.
급수 탱크(22)의 배출구 측은 펌프(26)가 연결되어 있는 급수 파이프(24)를 통해 저압-드럼(28)에 연결된
다. 증발기-가열 표면(32)은 순환 펌프(30)를 통해 저압-드럼(28)에 연결된다. 저압-드럼(28)의 증기
측이 과열기-가열 표면(34)에 연결되고, 과열기-가열 표면(34)은 증기 파이프(36)를 통해 증기 터빈(4)의
중압부(4b)로부터 저압부(4c)로 과류 파이프(38)에 연결된다. 저압-드럼(28)과 증발기-가열 표면(32)은
과열기-가열 표면(34) 및 저압부(4c)와 함께 물-증기 순환계(8)의 저압 단을 형성한다.
급수 탱크(22)의 배출구 측은 펌프(42)가 연결된 급수 파이프(40)를 통해 제 1 고압 예열기 또는 이코노
미저(44)에 연결된다. 이코노미저(44)는 연결 파이프(46)를 통해 제 2 고압 예열기 또는 이코노미저(4
8)에 연결된다. 펌프(42)와 급수 파이프(40)는 상세히 도시되지 않은 방식으로 펌프(26)의 압력측에서
급수 파이프(24)에 접속될 수 있다. 상세히 도시되지 않은 방식으로 바람직하게는 폐열 증기 발생기(6)
내부에서 제 1 고압 예열기(44)의 영역에 배치되는 다른 에코노미저가 중압 예열기로서 제공될 수 있다.
중압-드럼(52)이 파이프(50)를 통해 연결 파이프(46)에 연결되는데, 중압-드럼에는 다시 순환 펌프(54)를
통해 증발기-가열 표면(56)이 연결돤다. 중압-드럼(52)의 증기 측이 제 1 중간 과열기-가열 표면(57)에
연결되고, 상기 가열 표면의 배출구 측이 제 2 과열기-가열 표면(58)에 연결된다. 중간 과열기-가열 표
면(58)의 배출구 측은 증기 터빈(4)의 중압부(4b)의 입구에 연결된다. 중압-드럼(52)과 증발기-가열 표면
(56) 및 2개의 중간 과열기-가열 표면(57), (58)은 증기 터빈(4)의 중압부(4a)와 함께 물-증기 순환계
(8)의 중압단을 형성한다.
제 2 고압 예열기(48)의 배출구 측은 연결 파이프(60)를 통해 고압-드럼(62)에 연결된다. 증발기-가열
표면(66)은 순환 펌프(64)를 통해 고압-드럼(62)에 연결된다. 고압-드럼(62)의 증기 측은 과열기-가열 표
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면(68)을 통해 증기 터빈(4)의 고압부(4a) 입구에 연결된다. 고압 예열기(44),(48)와 고압-드럼(62) 및
증발기-가열 표면(66)과 과열기-가열 표면(68)은 증기 터빈(4)의 고압부(4a)와 함께 물-증기 순환계(8)의
고압 단을 형성한다.
열 교환기(70)의 2차측이 증기 터빈(4)의 중압부(4b)와 저압부 사이의 과류 파이프(38)에 연결된다. 열
교환기(70) 1차측 입구는 증기 터빈(4)의 고압부(4a)의 배출구(72)에 연결된다. 열 교환기(70)의 1차측
배출구(74)는 증기 파이프(76)를 통해 중압단의 중간 과열기-가열 표면(57)에 연결된다.
가스 및 증기 터빈 설비의 운전시 응축기(16)로부터의 응축수(K)가 펌프(14)와 응축수 파이프(10)를 통해
응축수 예열기(12)에 공급된다. 이 때 응축수가 응축수 예열기(12)를 완전히 또는 부분적으로 통과할 수
있다. 응축수 K는 응축수 예열기(12)에서 가열되고 적어도 부분적으로 순환 펌프(18)를 통해 순환된다.
가열된 응축수 K는 파이프(20)를 통해 급수 탱크(22)에 공급된다. 거기서 상세히 도시되지 않은 방식으
로 증기 터빈(4) 또는 저압 증기 파이프(36)로부터 나온 추기 증기에 의한 급수의 가열 및 바람직하게는
응축수(K)의 탈기가 이루어진다. 가열된 급수(S)는 한편으로는 저압-드럼(28)에 그리고 다른 한편으로는
중압-드럼(52)의 제 1 고압 예열기(44) 및 제 2 고압 예열기(48)를 통해 고압-드럼(62)에 공급된다. 저
압 단에 공급되는 급수(S)는 증발기-가열 표면(32)에서 낮은 압력으로 증발되고, 이 때 저압력-드럼(28)
에서 분리된 저압 증기(ND)는 과열기-가열 표면(34)에 공급된다. 거기에서 과열된 저압력 증기(ND)는 열
교환기(70)뒤에서, 즉 그것의 2차측 배출 측면 상에서 과류 파이프(38)에 공급된다.
똑같은 방식으로 중압-드럼 내에 공급된 급수(S)는 증발기-가열 표면(56)에서 증발된다. 중압-드럼(52)
에서 분리된 그리고 중간 압력 하에 놓여 있는 증기는 중압 증기(MD)로서 중간 과열기-가열 표면(57)과
중간 과열기-가열 표면(58)을 통해 안내된다. 중간 과열기-가열 표면(57)앞에서 중압-드럼(52)에서 분리
된 중압 증기(MD)는 열 교환기(70)으로부터 나온 중압 증기(MD)와 혼합된다. 이렇게 2개의 단계에서 과
열된 중압 증기(MD)는 증기 터빈(4)의 중압부(4b)에 공급된다.
이와 유사하게 제 2 고압 예열기(48)에서 예열된 급수(S)는 증발기-가열 표면(66)에서 높은 압력 하에 증
발된다. 이 때 고압-드럼(64)에서 분리된 고압 증기 (HD)는 과열기-가열 표면(68)에서 과열되고 과열된
상태로 증기 터빈(4)의 고압부(4a)에 공급된다. 고압부(4a)에서 팽창된 증기는 중압 증기(MD)로서 열 교
환기(70)의 1차측을 통해 안내된 다음, 중압-드럼(52)으로부터 나온 중압 증기(MD)와 함께 과열된 상태로
증기 터빈(4)의 중압부(4b)에 공급된다.
증기 터빈(4)의 중압부(4b)에서 팽창된 그리고 낮은 압력 하에 놓여 있는 증기는 저압력 증기(ND)로서 과
류 파이프(38)를 통해 안내되고 열 교환기(70)에서 고압부(4a)로부터 흘러나오는 중압 증기(MD)와의 간접
열 교환을 통해 과열된다. 이 때 중압 증기(MD)는 압력 및 신선한 또는 고압 증기(HD)의 온도에 따라 그
리고 고압부(4a)에서 팽창 과정에 따라 약 350 내지 400℃의 온도(Tp)를 갖는다. 중압부(4b)로부터 나온
저압 증기(ND)는 약 200 내지 250℃ 온도(Ts)를 가지고 선택된 압력에 따라 증기 터빈(4)을 벗어난다.
따라서, 열 교환기(70)에서 약 100℃의 저압 증기(ND) 가열이 이루어진다. 이렇게 가열된 약 300 내지
350℃ 의 온도(T)를 가진 저압 증기(ND)는 저압-드럼(28)으로부터 흘러나오는 저압 증기(ND)와 함께 증기
터빈(4)의 저압부(4c)에 공급된다. 거기에 팽창된 저압 증기(ND)는 응축기(16)에 공급되어 응축된다.
증기 터빈(4)의 고압부(4a)로부터 흘러나오는 중압 증기(MD)에 의해 저압부(4c)로 유입되는 저압 증기
(ND)를 과열시키기 위해 증기 터빈(4)의 저압부(4c)와 중압부(4b) 사이에 열 교환기(70)를 접속함으로써,
증기 터빈-제너레이터(76)에서 얻어질 수 있는 높은 클램핑 성능이 낮아진, 설비의 매우 높은 전체 효율
이 얻어진다. 저압-드럼(28)으로부터 나온 저압 증기(ND)는 상세히 도시되지 않는 방식으로 열 교환기
(70) 앞에서 중압부(4b)로부터 나온 저압 증기(ND)와 혼합될 수 있다. 상기 혼합물, 즉 생성된 전체 저
압 증기(ND)가 열 교환기(70)에서 가열된다.
(57) 청구의 범위
청구항 1
가스 터빈(2)의 배출 가스 측에 연결된 폐열 증기 발생기(6)를 포함하며, 폐열 발생기의 가열 표면이 고
압부(4a) 중압부(4b) 및 저압부(4c)를 가진 가스 터빈(4)의 물-증기 순환계 내에 연결된 가스 및 증기
터빈 설비에 있어서, 폐열 증기 발생기의 외부에 배치되며, 그 1차측이 증기 터빈(4)의 고압부(4a)와 중
압부(4b) 사이에 연결되고 그 2차측이 증기 터빈(4)의 중압부(4b)와 저압부(4c) 사이에 연결된, 열 교환
기(70)를 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비.
청구항 2
제 1항에 있어서, 열 교환기(70)의 1차측이 고압부(4a) 다음에 연결된 적어도 하나의 중간 과열기-가열
표면(57, 58)을 통해 중압부(4b)의 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비.
청구항 3
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 폐열 증기 발생기(6)내에 설치된 증발기-가열 표면(56)의 배출구 측이 열
교환기(70)의 1차측 배출구(74)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비.
청구항 4
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 물-증기 순환계가 3개의 압력 단으로 구성되고, 각각의 압
력 단계는 하나의 증발기-가열 표면(32, 56, 66)과 적어도 하나의 과열기-가열 표면(34, 57, 68)을 포함
하며, 증기 터빈(4)의 고압부(4a)와 중압부(4b) 사이에 적어도 하나의 중간 과열기-가열 표면(58)이 연결
되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비.
청구항 5
가스 터빈(2)으로부터 나온 팽창된 작동 매체(AG)에 포함된 열이 3개의 압력 단계로 구성된 물-증기 순환
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계(8)내에 접속된 증기 터빈(4)용 증기(HP, MD, ND)를 발생시키기 위해 사용되고, 물-증기 순환계(8)에서
흐르는 급수(S)가 폐열 증기 발생기(6)에 배치된 가열 표면(34, 56, 57,58, 66, 68)에서 증발되고 과열
되도록 구성된, 가스 및 증기 터빈 설비의 운전 방법에 있어서, 증기 터빈(4)의 저압부(4C)로 유입되는
저압 증기(ND)가 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 증기 터빈(4)의 고압부(4a)로부터 흘러나오는
중압 증기(MD)와의 간접적 열 교환을 통해 가열되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비의 운전
방법.
청구항 6
제 5항에 있어서, 간접적 열 교환 시에 냉각된 중압 증기(MD)가 폐열 증기 발생기(6)에서 과열된 다음 증
기 터빈(4)에 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비의 운전 방법
청구항 7
제 6 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(6)에서 생성된 중압 증기(MD)가 냉각된 중압 증기(MD)와 함께 폐열
증기 발생기에서 과열되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비의 운전 방법
청구항 8
제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(6)에서 생성된 저압 증기(ND)가 간접
열 교환을 통해 가열된 저압 증기(ND)와 혼합되는 것을 특징으로 하는 가스 및 증기 터빈 설비의 운전 방
법.
도면
도면1
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