조합식 사이클 가스 터빈 플랜트용 증기 발생기 {STEAM GENERATOR FOR COMBINED CYCLE GAS TURBINE PLANT}
본 발명의 분야는, 다양한 보조 파워 및 열적(thermal) 요구사항들을 위한 증기 소스를 제공하기 위해서, 특히 적어도 관련된 연소후 탄소 포집 플랜트에서 사용하기 위해서, 조합식 사이클 가스 터빈 발전소로부터의 증기 추출의 개선된 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 연관된 연소후 탄소 포집 장치에 의한 사용을 위해 특별히 구성된, 특히 조합식 사이클 가스 터빈 발전소의 가스 사이클의 연도 가스들로부터 회수된 열로부터 증기의 생성을 위한 증기 발생기, 및 이를 통합한 조합식 사이클 가스 터빈 발전소에 관한 것이다.
요즈음, 전 세계적으로 사용되는 에너지의 대부분은, 석탄, 석유 및 천연 가스와 같은 화석 연료들의 연소로부터 획득된다. 연소후 탄소 포집(PCC: Post-combustion carbon capture)은, 동력원으로서 화석 연료의 연소를 사용하는 화력 발전소들과 같은 대규모의 배출원들로부터 CO 2 를 포집함으로써 화석 연료 연소 배출물들의 영향들을 완화하는 수단이다. CO 2 는 대기중으로 통기되는 것이 아니라 적절한 흡수제(absorber)에 의해 연도 가스(flue gas)들로부터 제거되어 대기로부터 분리 저장된다. 연소후 CO 2 를 포집하는데 유사한 원리들이 적용될 수 있는 다른 산업 프로세스들로는, 프로세스 사이클에서 발생된 CO 2 의 제거, 예컨대 암모니아의 제조중 프로세스 흐름으로부터 CO 2 의 제거, 천연 가스 공급물로부터의 CO 2 의 제거 등을 포함할 수 있다.
CO 2 는, 적절한 흡착 매체, 예컨대 액상, 전형적으로 수용액인 흡착제에 의한 흡착에 의해, 가스상(gas phase)으로부터, 예컨대 화력 발전소의 연도 가스로부터 분리될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 실질적으로 모든 이산화탄소를 제거하는데 최적화된 압력 및 온도 조건 하에서 이 가스가 흡착 매체를 통과한다. 이후, 정화된 가스는 필요하다면 추가 처리를 위해 조작된다. CO 2 가 풍부한 흡착 매체는 CO 2 를 제거하고 흡착 매체를 재생시키기 위해서 스트리핑 프로세스를 받게 된다.
전형적으로, 이러한 프로세스는, 매체의 재생 열을 포함한다. CO 2 가 풍부한 매체는, 가압 하에 액상 흡착제의 비등점 또는 비등점 근처일 수 있는 고온으로 유지된다. LP 터빈 시스템으로부터 증기를 공급함으로써 화력 발전소와 관련하여 시스템이 사용될 때 필요한 열이 전형적으로 얻어진다. 더 높은 온도에서, 매체는 흡착된 CO 2 를 배출할 것이다. 재생된 매체는 재사용을 위해서 빼내어질 수 있다(drawn off). 이후, 배출된 CO 2 는 예컨대, 격리를 위해 수집될 수 있다. 재생 열을 공급하기 위해 사용되는 증기의 응축물 생성물은 증기 발생 시스템으로 복귀된다.
종래의 석탄 가열식 보일러는 증기 발생을 위해 2 개의 주 압력 레벨들; 주 증기 압력 및 고온의 재가열 압력을 갖는다. 제 2 재가열 압력을 갖는 석탄 가열식 보일러들에 대해서 조차, 압력 레벨은 저압 터빈 입구에서 우세한 압력보다 실질적으로 높으며, 이는 용매 작동의 상한들에 대응하는 포화 온도들을 갖는 압력들에 적합하다.
따라서, 연관된 연소후 탄소 포집 플랜트에서의 용매 재생(및/또는 다른 보조 요구조건들)을 위한 증기 추출은, 증기 발생기로부터 취할 수 없으며, IP/LP 크로스-오버(cross-over)로부터 취해야만 한다. 이는, 잠열을 이용하는 용매 재생을 위한 에너지를 공급하기 위해 사용된다. 그러나, 이러한 증기 추출은 저압 증기 터빈으로의 유입 매스 유동(inlet mass folw)을 감소시키고, 증기 터빈의 작동 무결성에 영향을 미침과 함께 파워 출력을 감소시킨다.
조합식 사이클 가스 터빈 발전소는, 발전을 위한, 가스 사이클 및 증기 사이클 양자를 채용하며, 가스 사이클의 연도 가스들의 폐열로부터 증기를 발생시키기 위한 증기 사이클 증기 발생기를 갖는다. 이러한 증기 발생기는, 열 회수 증기 발생기(HRSG) 또는 폐열 회수 보일러(WHRB)로서 종래에 공지되어 있다.
특히, 연소후 탄소 포집 플랜트에서의 다양한 사용들을 위한 최적의 압력 레벨에서 프로세스 증기를 추출하기 위해서 위치(location)가 판정되어야만 한다.
이상적인 탭-오프 위치는, 발전소들(특히, 조합식 사이클 가스 터빈 발전소들)에 사용되는 종래의 장비를 위한 널리 행해지고 있는 제조 제한들 및 범위들과 일치하고, IP/LP 크로스오버로부터 증기 추출시 초래됨과 동시에 저압 증기 터빈의 작동 무결성에 영향을 미치는 에너지 패널티를 회피해야만 한다.
특별한 경우에, 연소후 탄소 포집 플랜트들로부터의 응축물 복귀를 위한 적합한 위치는 또한 종래의 열적 사이클들의 가장 적은 수정을 포함하는 것이 판정되어야 한다.
본 발명에 따르면, 조합식 사이클 가스 터빈 발전소의 가스 사이클의 연도 가스들로부터 회수된 열로부터의 증기를 발생시키기 위한 증기 발생기는, 하나 이상의 고압 드럼; 하나 이상의 중간압 드럼; 하나 이상의 저압 드럼; 및 관련된 연소후 탄소 포집 플랜트에 동력 및/또는 잠열의 소스를 공급하기 위해서, 상기 드럼들 중 하나 이상의 하류 위치로부터 보조 프로세스 증기의 추출을 가능케 하는 증기 유출 수단을 포함한다.
증기 발생기는, 전형적으로는, 특히 조합식 사이클 가스 터빈 발전소의 가스 사이클의 연도 가스들로부터 회수된 열로부터 증기를 발생시키기 위한 HP, IP 및 LP 모듈들을 포함하는, 일반적으로 친숙한 설계의 열 회수 증기 발생기(HRSG) 또는 폐열 회수 보일러(WHRB)이다. HRSG 내에 위치되는 보조 프로세스 증기를 위한 탭 오프 위치의 제공은 분명히 특징이 있다.
프로세스 증기는, 조합식 사이클 가스 터빈 발전소의 추가의 프로세스 모듈(들)에 동력 및/또는 잠열의 소스를 제공하기 위해 빼내진다. 증기 발생기는, 편의상, 이러한 추가의 프로세스 모듈(들)에 보조 프로세스 증기를 이송하기 위해서 증기 유출 수단과 유체식으로 연속한 유체 도관을 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 프로세스 증기는, 적어도 연관된 연소후 탄소 포집 플랜트에 동력 및/또는 잠열의 소스를 공급하기 위해 빼내진다. 상기 증기 발생기는, 편의상, 연관된 연소후 탄소 포집 플랜트로 보조 프로세스 증기를 이송하기 위해 증기 유출 수단과 유동적으로 연속한 유체 도관을 더 포함한다.
본 발명의 보다 완벽한 실시예에서, 전술한 바와 같은 증기 발생기가, 하나 이상의 가스 사이클 발생기 및/또는 연소후 탄소 포집 장치와 결합된 조합식 사이클 가스 터빈 발전소에 제공되게 된다. 보다 완벽한 실시예에서, 조합식 사이클 터빈 발전소는, 하나 이상의 가스 사이클 발생기; 하나 이상의 가스 사이클 발생기의 연도 가스들로부터 회수된 열로부터 증기를 발생시키기 위한 증기 발생기를 포함하며, 상기 증기 발생기는, 하나 이상의 고압 드럼; 하나 이상의 중간압 드럼; 하나 이상의 저압 드럼; 상기 드럼들 중 하나 이상의 하류 위치로부터 보조 프로세스 증기의 추출을 가능케 하는 증기 유출 수단; 사용시 발전소에 의해 발생된 연소 가스들로부터 CO 2 를 회수하도록 유체식으로 배치된 연소후 탄소 포집 장치; 및 상기 연소후 탄소 포집 장치로 보조 프로세스 증기를 이송하기 위해 증기 유출 수단과 유동적으로 연속한 유체 도관을 포함하게 된다.
본 발명은 조합식 사이클 가스 터빈 발전소의 회수 증기 발생기로부터 추출되고 터빈으로부터는 추출되지 않는 것이 분명한 특징이다. 증기 유출 수단은 회수 증기 발생기에서 하나 또는 그보다 많은 유출 위치들로부터 보조 프로세스 증기의 추출이 가능하도록 제공된다. 보조 유출 위치들은 하나 이상의 고압 드럼 및/또는 하나 이상의 중간압 드럼 및/또는 하나 이상의 저압 드럼의 하류에 제공될 수 있다.
보조 프로세스 증기는, 특히 흡착제 용액과 같은 흡착제 매체를 사용하여 연소후 탄소 포집 장치에서 희박한 흡착제를 재생하기 위해서, 예컨대 희박한 용매 재생을 위한 리보일러에 잠열을 공급하기 위해서 사용될 수 있다. 보조 프로세스 증기의 다른 공급물은, 예컨대 증기 터빈 보조 드라이브 및 용매 특징들을 유지하기 위한 리클레이머(reclaimer)에 이용가능하게 될 수 있다.
당업자는 적절한 사이클 가스 터빈 발전소 및 PCC 시스템들과 친숙할 것이다. 본 발명은 임의의 이러한 시스템으로 특별히 제한되지는 않는다.
연소후 탄소 포집 장치는, 예컨대 액상인 흡착제, 전형적으로 수용액에 대해 반대 방향으로 가스가 흐르는 칼럼을 통해 가스를 통과시킴으로써 흡착에 의해 연도 가스로부터 CO 2 가 분리되는 흡수기 칼럼을 포함할 수 있다.
연소후 탄소 포집 플랜트 장치는, 예컨대, CO 2 가 가압하에 액상 흡착제의 비등점에서 또는 비등점 근처에서 재생 열(regenerative heating)에 의해 흡착제로부터 제거되는 재생 칼럼을 더 포함한다. 적절한 가열 수단은, 예컨대 친숙한 응축기 리보일러이다. 또한, 친숙한 바와 같이, 이 응축기 리보일러는 예컨대, 칼럼의 바닥부를 향한 출구를 경유하여 프로세스 볼륨을 통과하는 용액을 수용하고 희박한 흡착제를 재생하기 위해 용액을 재비등하도록 배치된다.
편의상, 보조 프로세스 증기는 상기 프로세스들을 위한 잠열 에너지를 공급하도록 사용된다. 발생하는 응축물의 열에너지가 더욱 효율적으로 회수될 수 있다는 점이 본 발명의 특별한 이점이다.
보조 프로세스 증기의 탭 오프를 위해 선택된 위치는, 특히 프로세스 증기가 연소후 탄소 포집 장치에 공급되는 바람직한 경우에 관한 하기의 고려사항들에 의해 동기화된다:
용매 특징들의 유지(maintenance)를 위해 필수인 최대로 대응하는 포화 온도로 잠열을 이용함으로써 증기 소비를 최소화함; 탄소로부터 풍부한 용매의 스트리핑에 후속하여 희박한 용매의 재생을 위함;
연소후 탄소 포집 플랜트에서 펌프들, 팬들 및 압축기들을 위한 파워를 발생시키기 위해 증기 터빈에 동력을 제공하기 위한 스팀 소스를 제공함;
탄소 흡착을 위한 용매의 재생에 사용된 리클레이머용의 열 에너지를 제공하는 증기의 소스를 제공함.
바람직한 경우에, 하나 이상의 유출 위치는 하나 이상의 저압 드럼의 하류에 제공된다. 하기에 논의되는 예시들은 이러한 위치를 이용한다. 그러나, 보조 프로세스 증기는 저압 드럼으로부터 반드시 취해지거나 이 드럼으로부터만 취해지는 것은 아니다. 드럼 크기 및 증기 요구와 같은 인자들에 따라, 중간압 및/또는 고압 드럼들로부터 추가로 또는 대안으로 보조 프로세스 증기를 취하는 것이 소망될 수 있으며, 이는 본 발명의 일반적인 원리들로부터 벗어나지 않고 행해질 것이다. 하기 예시들은 이에 따라 이해될 것이다.
본 발명의 개념은, 메인 발전 부품들, 가스 터빈 및 증기 터빈으로부터 어떠한 에너지 페널티도 수반하지 않는 조합식 사이클 가스 터빈 플랜트를 위한 연소후 탄소 포집 계획을 위한 개략적인 연구를 제공하고, 저압 증기 터빈에 증기를 제공하기 위해서 종래에 사용되었던 열 회수 증기 발생기 또는 폐열 회수 보일러로부터 제 3 추출 지점을 사용하는 방법론을 제공한다. 이는, 저압 증기 터빈으로의 증기 유입 매스 플로우를 감소시키고, 실질적으로 파워 출력을 감소시키며 그리고 작동 무결성에 영향을 미치는 IP/LP 크로스오버로부터 연소후 탄소 포집 플랜트를 위한 추출 증기용 탭 오프에 필수인 2 개의 압력들에서의 증기 발생을 내포하는 단일 재가열에 의한 종래의 석탄 연소식 보일러에서 공지된 문제를 회피한다.
연소후 탄소 포집 플랜트로부터의 응축물은 공급수 저장 탱크로 다시 보조 응축물 펌프들에 의해 복귀되는 것이 바람직하며, 이는 저압 증기 드럼의 상류 저압 이코노마이저에 작동 유체를 제공하는 소스이다.
이는, 이슬점 체크와 함께, 탈기장치, 이코너마이저에 대한 피드 펌프 및 열회수 증기 발생기 또는 폐열 회수 보일러의 저압 증기 회로의 크기에 추가하여 마지널 커패시티(marginal capacity)를 내포한다.
그러나, 열 회수 증기 발생기 또는 폐열 회수 보일러의 고압 및 중간압 회로 설계의 주 부품은 영향을 받지 않고 유지된다.
특히, 그 결과, HRSG/WHRB의 LP 회로와 공급수 저장 탱크가 연소후 탄소 포집 프로세스의 작동 요구조건을 승인하도록 업그레이드될 수 있다면, 본 발명이 그린 필드 프로젝트들 및 브라운 필드 프로젝트의 리트로 핏팅 양자에 적합하다. 기존 플랜트들의 상당 부품들이 수정을 위한 필요없이 그대로 남아있을 수 있다. 그 결과, 바람직한 경우에, 본 발명의 이러한 양태는 기존 플랜트의 현장에서의 애프터 마켓 수정 방법을 포함한다.
이하, 본 발명은, 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 개략적으로 도시하는 첨부 도 1을 참조하여 단지 예시로서 기술될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1은 드럼들의 배열체, 이코노마이저(ECO), 증발기(EVA) 및 슈퍼 히터(SH)들을 통해, 가스 터빈으로부터 연도 가스의 유동 방향에 대해 열회수 증기 발생기(HRSG) 또는 폐열 회수 보일러(WHRB)의 저압(LP), 중간압(IP) 및 고압(HP) 회로의 수증기 흐름의 개략도를 도시한다.
메인 증기(MS)가 HP SH로부터 HP 터빈으로 공급되고, 콜드 리히트(CRH) 증기가 공급수 저장 탱크 및 탈기에서의 압력을 유지하고 IP 터빈으로 증기를 공급하기 위해 핫 리히트(HRH) 증기로 재가열된다. LP 증기는 LP SH로부터 LP 터빈 및 연소후 탄소 포집 플랜트의 성분들, 즉 증기 터빈 보조 드라이브, 희박한 용매 재생을 위한 리보일러 및 용매 특성들을 유지하기 위한 리클레이머에 공급된다.
응축물은 응축물 추출 펌프들로부터 공급수 저장 탱크로의 응축 후에 복귀된다.
본 발명은, 정격(rated) 전기 출력 및 증기 터빈의 작동의 불충분함으로부터 어떠한 에너지 패널티도 초래하지 않고 조합식 사이클 가스 터빈 플랜트에서 연소후 탄소 포집 프로세스의 작동 계획을 제공한다.
본 발명은, 고압 및 중간압 회로들을 본래대로 두면서 열회수 증기 발생기 또는 폐열 회수 보일러의 종래의 설계 원리들에 대한 최소의 수정들에 의해 구현될 수 있다.
연소후 탄소 포집 프로세스의 작동 안정성은, 가스 터빈을 위한 배압(back pressure)유지와 함께, 공급수 저장 탱크에서의 레벨 제어 및 LP 회로에 대한 제어 및 보호 로직에 본질적으로 관련되게 된다.
연소후 탄소 포집 프로세스의 작동 안정성은 증기 터빈의 발전 프로세스로부터 분리된다. |
