KR0157140B1 - 가스터빈 연소장치 및 그 연소제어방법 - Google Patents

가스터빈 연소장치 및 그 연소제어방법

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Abstract

가스터빈의 연소기의 축방향으로 간격적으로 배치된 복수단의 연소부와, 이 각 연소부에 각각 독립적으로 연결된 복수의 연료공급 계통과, 이 각 연료공급 계통에 각각 설치된 예비혼합 연료공급부 및 확산 연소용 연료공급부와, 이들 각 연료공급부를 전환하여 예비혼합연료 또는 확산연소용 연료중의 어느 한쪽의 연료공급만을 시키는 제어장치를 갖춘 것을 특징으로 가스터빈 연소장치. 상기 가스터빈 연소장치를 사용하며 제1단의 연소부에서 예비혼합 연료를 파일럿화염 또는 착화장치에 의해 연소시키고, 제2단 이후의 예비혼합 연료의 연소는 순차적으로 전단의 예비혼합 연료의 연소에 의한 고온가스에 의해 착화시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소장치의 연소제어방법.

Description

가스터빈 연소장치 및 그 연소제어방법
제1도는 본 발명에 관한 가스터빈 연소장치의 1실시예를 나타낸 구성도.
제2도는 상기 실시예의 부분 측단면도.
제3도는 상기 실시예의 작용을 나타낸 설명도.
제4도는 상기 실시예의 파일럿 버너를 나타낸 확대도.
제5도는 상기 실시예의 연료계통을 나타낸 계통도.
제6도는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 연소부의 구성도.
제7도는 본 발명 또다른 실시예를 나타낸 연소부의 구성도.
제8도는 상기 실시예에서의 마이크로 버너의 변형례를 나타낸 도면.
제9도는 상기 실시예의 마이크로 버너를 대신하는 다른 착화기를 나타낸 도면.
제10도는 상기 실시예에서의 연산기의 제어특성을 나타낸 그래프.
제11도는 상기 실시예의 작용을 나타낸 플로차트.
제12도는 종래예를 설명하기 위한 NOx 특성도.
제13도는 종래예를 설명하기 위한 NOx 특성도.
제14도는 확산연료의 유량비율에 대한 NOx, CO 특성도.
제15도는 연소역 예비혼합 당량비 15에 대한 NOx의 특성도
제16도는 벽면 냉각비율과 출구 당량비의 관계를 나타낸 구성도.
본 발명은 가스터빈 플란트나 콤바인드 플란트 등에 사용되는 가스터빈 연소기에 관한 것이며, 특히 가스터빈 배기중에 함유된 NOx 농도의 저감을 도모한 가스터빈 연소장치 및 그 연소제어방법에 관한 것이다.
가스터빈 플란트나 콤바인드 플란트 등에서 사용되고 있는 가스터빈은 고효율화를 위해 그 작동조건이 고온·고압력이 되어 NOx를 증대시키는 경향이 있다. NOx 생성요인은 여러가지를 생각할 수 있으나, 화염온도가 지배적이므로 NOx 저감법의 요점은 어떻게 하면 화염온도를 저하시키느냐에 있다.
종래 많이 사용되고 있는 가장 간단한 NOx 저감대책은 연소기내의 고온 연소영역에 증기 분사나 물 분사를 하여 연소시의 화염온도를 저하시키는 방법이다. 이 방법은 실시가 간단한 우수한 방법이지만 증기나 물을 다량으로 사용하며, 증기나 물을 사용하면 결과적으로 플라트 효율을 저하시켜 고효율화 지향에 역행하고, 연소기 내에 다량의 증기나 물을 분사하면 연소진동 등을 증대시켜 연소기의 수명을 저하시키는 등의 결점이 있다.
그래서 근년에는 증기분사나 물분사를 대신하는 화염온도의 저하방법으로서 연료와 연소용공기를 연료 희박조건에서 예비혼합하여 연소시키는 이른바 드라이형의 예비혼합 다단희박 연소 방법이 개발되어 증기분사나 물분사와 동등한 레벨의 NOx 저감이 가능하게 되었다.
이 예비혼합 다단 희박 연소법에서는 예비혼합연소의 결점인 좁은 연소범위를 커버하기 위해 넓은 연공비(燃空比) 범위에서 안정된 연소가 가능한 확산연소화염을 병용한 화염구조를 채용하고 있다. 또 연소기내의 공기 배분을 부하운전중에 변경하여 연소후의 평균가스 온도를 상승시켜서 화염의 안정화를 도모하는 연공비 제어법 등도 채용하고 있다.
예비혼합 다단 희박 연소법이나 연공비 제어법을 사용한 드라이형의 연소기에 의하면 일정한 효과를 얻을수가 있으나 이하에 설명하는 바와같은 개량하여야 할 문제가 있다.
제12도는 가스터빈 부하와 NOx 발생량과의 관계를 나타낸 특성도이다. 제12도에 나타낸 바와같이 증기나 물의 분사형 연소기의 NOx 특성 a에 비해 드라이형 저 NOx 연소기의 NOx 배출특성 b는 가스터빈 부하 d ∼ e에 대하여 상당히 감쇠되고 있으나, 저부하측 c ∼ d의 영역에서는 문제가 있다. 즉 저부하 영역에서의 NOx 저감을 위해 종래에는 연료계통을 다단화하여 NOx 특성 b의 일부를 1점쇄선 f로 표시한 저 NOx 특성으로 변경하여 NOx의 저감화를 위한 개량을 실시해 왔다.
그러나 가스터빈의 전부하 범위인 부하 c로부터 정격부하 e 까지에서 이론적으로 가능한 최저의 NOx 특성 g에 만진을 두어 설정 가능한 NOx 목표치 특성 h에 비해 NOx 특성(예를들어 특성 b)은 상당히 높아지고 있다.
즉 확산화염에 지지된 예비혼합화염에 의해 안전연소를 유지하는 종래의 드라이형 저 NOx 연소기의 NOx 특성 j는 제13도에 나타낸 바와같이 확산화염용의 연료 유량비율에 거의 반비례한다.
따라서 NOx를 더욱 저감하기 위해서는 확산 연료 유량 비율을 될 수 있는 대로 적게하는 것이 바람직하나 종래의 드라이 저 NOx 연소기의 구성 및 형상으로는 제14도에 나타낸 바와같이 가장 적은 확산치 연료 유량 비율은 각 가스터빈 부하에서 CO제한치 K를 클리어할 수 있는 확산 연료 유량비율 1로 정해져 있으며, 1보다 적은 확산연료유량비율로하면 CO(또는 THC 등)가 증대하여 연소 효율의 저하나 연소진동의 증대에 의해 안정된 운전이 불가능해지고, 더욱 적은 확산 연료 유량 비율 m이하로 하면 실화(失火)하는 문제가 있었다. 이 때문에 안전연소나 실화방지를 위해 확산연료유량비율을 0까지 감소시켜 NOx를 최소치까지 저감할 수는 없었다.
또 NOx는 제15도에 나타낸 바와같이 예비혼합당량비 φP에 강하게 의존한다. NOx 배출레벨을 목표치(예를들어 10ppm)이하로 할 경우에는 연소역 예비혼합 당량비 1φP를 제15도의 n미만으로 할 필요가 있다.
또 제16도에 나타낸 바와같이 연소기의 벽면냉각 공기 비율(제16도의 종축)은 연소가 출구 당량비 1φP 또는 연소기 출구온도 Tg와 연소역 예비 혼합 당량비 1φP(제16도의 횡축)와 일정한 상호관계를 갖는다. 즉 제15도에 나타낸 바와같이 NOx를 목표치 이하로 하기 위해서는 1φP＜n(제15도의 파라미터 φP에 대응)으로 할 필요가 있기 때문에 연소기 출구 온도의 상승(또는 연소기 출구 당량비 φEX의 증대)과 더불어 제16도에 나타낸 바와 같이 벽면냉각 공기 비율은 감소한다. 저 NOx화에 대해서는 연소한계에 가까운 적은 φP를 선정할 필요가 있고, 또한 냉각 공기가 감소하여 냉각이 곤란해지는 문제가 있었다.
본 발명은 이와같은 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 연소기의 고온화나 저 NOx화에 수반하여 종래의 드라이형 저 NOx 연소기를 달성할 수 없었던 가스터빈 전부하 범위에서는 10ppm 이하의 저 NOx배출 특성을 갖는 가스 터빈의 연소장치 및 그 연소 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 가스 터빈 연소장치는 가스터빈의 전부하범위에서 초 저 NOx를 실현할 수가 있는 한편, 이에 수반하여 생기는 연소불안정을 해결하고, 또 고온화에 따라 필요해지는 벽면냉각을 유효하게 실시할 수 있는 것이다.
연소장치는 연소기내에 예비혼합 연료를 분출하는 제1단으로부터 최대 제5단까지의 예비 혼합 연료분출구를 갖는 연소부를 갖춘다. 제1단으로부터 제5단까지의 예비혼합연료 분출구는 연소기 축 방향(길이방향)에 각각 일정한 거리를 두고 배치되어 있다. 제1단의 예비혼합연료계통은 확산연소용 노즐과 예비혼합연소용 노즐의 양쪽에 접속되고, 이들 노즐의 전환에 의해 어느 한쪽의 노즐에만 연료가 공급되도록 하는 구성으로 되어 있다. 또 제1단의 예비혼합연료 분출구 근방에는 착화에너지를 방출할 수 있는 착화장치나 파일럿 버너등이 설치되어 있다. 또 제2단 ∼ 제5단의 예비혼합 연료분출구 근방의 연소영역에도 파일럿 버너를 구비할 수 있는 구조로 되어 있다. 연소기 내통과 꼬리통(尾筒)의 외측에는 다수의 임핀지냉각(impinge cooling)용 구멍을 갖는 플로 슬리브(flow sleeve)가 설치되어 있다. 또 내통의 필름냉각용의 냉각구멍의 총개구 면적은 연소기에 형성된 연소공기 유입용의 총 개구면적의 20% 이하의 구조로 되어 있다. 연소제어는 제1단 ∼ 제5단의 5계통의 예비혼합 연료를 각각 독립으로 제어할 수 있는 유량 조절밸브등을 포함한 연료공급 장치와, 이들 제1단 ∼ 제5단의 예비혼합 연료가 가스터빈 부하를 종속변수로 하는 각각의 연료유량함수 1 ∼ 5로서 기억되어 있는 연산기와의 교신호에 의해 이루어지는 구조로 되어 있다.
제1단의 연료는 확산연소용 노즐과 예비 혼합연소용의 노즐중의 어느 것으로부터도 분사가능하게 되어 있으나 최초에는 확산 연소용 노즐에 100%의 연료로서 공급된다. 이 연료는 제1단의 예비혼합연료 분출구 근방에 설치된 착화장치 또는 파일럿 화염등에 의해 착화된다.
착화후에 제1단의 연료는 확산 연소용 노즐로부터 예비혼합연소용 노즐로 전환시켜 공급하고, 이것에 의해 예비혼합연소상태로 한다. 그 후에 제1단 ∼ 제5단의 예비혼합연료를 가스터빈 부하에 대응한 연료유량함수에 따라 연산기로부터의 지령에 의해 연료공급장치로부터 공급한다. 제2단의 예비혼합연료는 제1단의 예비혼합연료의 연소에 의한 고온가스에 의해 착화되어 연소하고, 제3단의 예비혼합연료는 제1단과 제2단의 예비혼합연료가 연소한 고온 가스의 전체에 의해 착화되어 연소된다. 마찬가지로 제4단, 제5단의 예비혼합연료도 상류단의 예비혼합연료가 연소한 고온가스의 총량에 의하여 착화되어 연소하고, 제1단 ∼ 제5단의 예비혼합연료가 상류로부터 하류로 차차 화염을 확대하면서 시리즈 연소한다.
따라서 제1단 ∼ 제5단의 연소는 전부 100% 예비혼합연소로 할 수가 있다. 또한 각단에 공급되는 공기와 연료가 균일하게 혼합된 예비 혼합 연료는 연료 희박조건으로 설정되어 있으며, 각각의 연료역에서 NOx가 발생하지 않는 화염온도, 즉 1600℃ 이하에서 연소한다.
이 결과, 연소기 전역에 걸쳐 1600℃에서 연소하게 되어 NOx가 거의 발생하지 않으므로 초 저 NOx화가 가능해진다.
또 종래 불안정하게 되기 쉬었던 화염은 상류로부터 하류로 차차 화염을 확대하면서 시리즈 연소하는 연소형태를 채용하여 상류의 고온가스와 그 중에 함유된 화학 활성기로 하류의 미연소 예비혼합가스를 활성화함으로써 연소하기 쉬워져서 결과적으로 화염이 안정화한다. 즉 상술한 제1단 ∼ 제5단에 의한 시리즈 연소의 채용에 의해 화염의 안정화와 초저NOx화가 동시에 가능해진다.
또한 화염의 안정화 촉진을 위해 제2단 ∼ 제5단의 예비혼합연료가 연소하는 연소영역에 착화에너지를 주는 파일럿 버너, 전기 히터에 의한 가열 로드, 전기 및 자기 에너지나 플라스마등에 의한 조연 또는 점화장치를 설치하는 것도 가능하다.
또 제1단 ∼ 제5단의 예비혼합연료에는 적량의 공기가 배분되어 화염온도가 1600℃이하에서 연소하도록 연료희박조건으로 설정되어 있다. 이 경우에 다수의 임피지 냉각용 구멍을 갖는 플로 슬리브를 채용하여 내통 및 꼬리통의 대류 냉각을 감화하였으므로 필름 냉각용의 냉각공기를 연소기에 들어가는 공기의 20%이하로 감소할 수 있게 되어 냉각공기의 감소분을 연소용 공기로서 재이용함으로써 연료 희박조건을 설정하기 위한 적량의공기를 확보할 수가 있다.
본 발명에서의 벽면 냉각 구조에 의하면 냉각공기를 삭감하여 예비혼합용의 공기게 배분함으로써 연료희박 연소조건이 실현되어 NOx 저감이 가능해지고, 또 상술한 시리즈 연소형태의 채용에 의해 불안정 화염(연료희박 연소조건은 연소온도가 낮기 때문에 화염이 불안정하기 쉬워진다)를 동시에 해결하여, 결과적으로 가스 터빈의 전 운전범위에서 초저 NOx로 안정연소 가능한 연소가 가능해진다.
[실시예]
이하, 본 발명에 관한 가스터빈 연소장치의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 본 실시예의 의한 가스터빈 연소 장치의 구성을 나타낸다. 제1도에 나타낸 바와같이 연소기(1)는 3단의 연소부를 갖는 제1의 연소실(2a)과, 2단의 연소부를 갖는 제2의 연소실(2b)을 갖추고 있다. 제1의 연소실(2a)은 가스류 방향에 따른 한쌍의 소경 내통(1a,1b)을 연결한 구성으로 되어 있다. 상류측의 소경내통(1a)에는 파일럿 버너(3), 예비혼합장치(4a), 점화장치로서의 단일 또는 복수의 마이크로 버너(전기 히터에 의한 가열로드 기타의 전기, 자기 에너지등을 이용하여 착화에너지를 방출하는 점화장치라도 좋다)(5a)를 갖는 구성으로 되어 있다. 또 하류측의 소경내통(1b)은 예비혼합 장치(4b) 및 단일 또는 복수의 마이크로버너(5b)를 갖는 구성으로 되어 있다. 각 예비혼합 장치(4a,4b)는 예비혼합덕트로서 구성되어 둘레방향으로 4 ∼ 8개 배열되어 있다. 또 예비 혼합장치(4a,4b)의 상류측의 공기 취입구에는 연료 노즐(6a,6b)이 배치되어 있다.
제2의 연소실(2b)은 대경 내통(7)과 예비혼합장치(4c,4d) 및 단일 또는 복수의 마이크로 버너(5c)를 갖는 구성으로 되어 있다. 예비혼합 장치(4c,4d)는 예비혼합덕트로서 구성되고 둘레방향으로 4 ∼ 8개 배열되어 있다.
또 예비혼합장치(4c,4d)의 상류측에는 연료노즐(6c,6d)이 배치되어 있다. 또한 예비혼합 장치(4a,4b,4c,4d)는 서포트(8a,8b)(일부만도시되어 있다)에 의해 더미 내통(9)에 고정되어 있다. 이 더미 내통(9)은 소경내통(1a,1b) 및 대경 내통(7)에 작용하는 추력(thrust force)을 받기 때문에 케이싱(10)에 부속한 서포트(11)에 의해 축방향 위치가 설정되어 있다.
대경내통(7)의 하류에는 꼬리통내벽(12) 및 꼬리 통외벽(13)이 설치되고, 꼬리통외벽(13)에는 다수의 냉각구멍(14)이 뚫리어 있다. 마찬가지로 대경내통(7)의 외주측에는 플로슬리브(15)가 배치되고, 이 플로슬리브(15)에도 다수의 냉각구멍(16)이 뚫리어 있다. 대경내통(7)과 꼬리통내벽(12), 및 플로슬리브(15)와 꼬리통외벽(13)과의 접합부는 각각 스프링실(17)로 밀봉되어 있다.
소경내통(1a)의 상류단부에는 제1단의 예비혼합 연료분출구(18)가 설치되고, 상술한 각 내통(1a,1b,7)에 설치된 예비혼합자아치(4a,4b,4c,4d)의 출구는 각각 제2단 ∼ 제5단의 예비혼합연료분출구(19a,19b,19c,19d)로 되어 있다. 이들 제2 ∼ 제5단의 예비혼합연료 분출구(19a,19b,19c,19d)는 연소기축방향을 따라 시리즈연소를 적절히 하도록 하는 소정의 거리 간격으로 배치되어 있다. 이들 분출구(19a,19b,19c,19d)로 부터 분출하는 예비혼합연료의 분출방향은, 예를 들어 연소기중심을 향하게 설정으로 되어 있다. 또한 제2도에 나타낸 바와 같이 가스류가 선회성분을 갖도록 하기 위해 분출구를 나선 방향으로 설정할수도 있다.
한편, 파일럿버너(3)는 소경내통(1a)의 중심선을 따른 확산연료노즐(20), 예비혼합연료노즐(21)및 선회기(swirler)(22)를 갖는 구성으로 되고, 이 파일럿버터(3)의 선회기(22)상류측주벽에는 다수의 공기구멍(23)이 뚫리어 있다. 제3도는 연소상태를 나타내며, 그 작용에 대해서는 후술한다.
제4도는 파일럿버너(3)의 구성을 상세히 나타내고 있다. 파일럿확산연료공급용의 파이프(24)의 선단에 분출구멍(25)이 뚫리어 있으며, 이 분출구(25)와 노즐선단(26)이 대면하여 접근해 있다. 노즐선단(26)에는 확산연료 분출용의 분출구멍(27,28)이 뚫리어 있다.
또 노즐선단(26)의 중심부 및 역류영역(29) 근방에는 착화원이 되는 상기 마이크로 버너(5a)가 설치되어 있다. 파이프(24)의 외주측에는 유로(30)가 형성되고, 연소용 공기와 연료와의 혼합에 의한 예비혼합연료가 유료(30)선단의 분출구(31)으로부터 연소기내에 분출하는 구조로 되어 있다.
연료공급계(32)는 제1도에 나타낸 바와 같이 연료압력 조정밸브(33) 및 연료유량 조정밸브(34)를 가지며, 연료가 차단밸브(35,36), 연료유량 조정밸브(37), 분배밸브(38) 및 연료유량 조정밸브(39a,39b,39c,39d)를 통하여 각 연료노즐 (da ∼ 6d)에 공급되는 구성으로 되어 있다.
제5도는 연료공급장치의 계통구성을 나타낸다. 연료N은 압력조정밸브(33) 및 유량조절밸브(34)를 경유하여 2계통으로 나누어진다.
한쪽 계통은 차단밸브(36)를 경유한 후, 2계로로 분기하고, 그 분기한 한쪽 계로는 다시 유량계(40a) 및 유량조정밸브(39a)를 흐르는 계통(41a)과, 유량계(40b) 및 유량조정밸브(39b)를 흐르는 계통(41b)으로 나누어져 있다. 분기한 다른쪽 계로는 유량계(40e) 및 유량조정밸브(39)를 경유하여, 다시 유량조정밸브(38)를 흐르는 계통(41e)과 다른 계통(41f)으로 나누어진다.
유량조정밸브(34)를 경유한 다른쪽 계통은 차단밸브(35)를 경유하여, 다시 유량계(40c)및 유령조정밸브(39c)를 흐르는 계통(41c)과, 유량계(40d) 및 유량조정밸브(39d)를 흐르는 계통(41d)으로 나누어진다.
이들 모든 조정밸브나 차단밸브, 유량계 등으로부터 출력되는 신호(S101, S102, S103, S104, S105), 발전기(51a)의 출력신호(S106) 및 부하신호(S107)는 연산기(42)에 링크되어 이 연산기(42)에 입력되어 있는 스케듈에 따라 부하신호(107)에 대응하여 제어된다. 또한 51b는 탈질장치(脫窒裝置), 51c는 굴뚝을 나타낸다.
다음에 작용을 설명한다.
우선 제3도 및 제5도에 의해 공기의 흐름을 설명한다. 제5도에 나타낸 바와 같이 공기 압축기(50)로부터 분출된 고온고압의 공기(A0)의 일부는 터빈(51)의 냉각을 위해 돌며, 그 일부는 제3도에서의 연소기용 공기(A1)로 된다. 연소용 공기(A1)는 꼬리통의 냉각구멍(14,16)을 통해서 틈새(52)내로 유입하여 임핀지분류(A2)가 되고, 꼬리통 내벽(12) 및 대경 내통(7)을 대류에 의해 냉각한다.
임핀지 분류(A2)는 꼬리통 내벽(12)의 부분과 대경내통(7)의 부분에서는 연소기 내부로 유입하지 않고 예비혼합장치(덕트)(4a, 4b, 4c, 4d)로 각각 연소용 공기(A3, A4, A5, A6)로서 유입하고, 또 파일럿버너(3)에 연소용 공기구멍(23) 연소용공기(A7)로서 유입하고, 또 소경내통(1a,1b)의 필름 냉각용 공기(A8)가 되도록 틈새(52)내에서 하류측으로 흐른다.
다음에 파일럿 버너(3)에서의 공기,연료의 흐름을 설명한다.
제4도에서 공기구멍(23)으로부터 유입한 연소용 공기(A7)는 선회기(22)에 의해 각 운동량이 주어져서 선회하면서 분출구(31)로부터 소경내통(1a)으로 유입한다. 제4도의 분출구(31)는 제2도의 제1단의 예비혼합연료 분출구(18)에 해당한다. 파일럿 확산연료(N1)은 파이프(24)의 최하류의 구멍(25)으로부터 제트류로서 분출하여 노즐선단(26)을 적열(赤熱)하지 않도록 대류내각하고 분출구(27)로부터 확산연료(N2)로 되어 소경내통(1a)으로 유입하고, 예를들어 소경내통(1a) 주벽의 착화기(53)에 의해 착회되어 파일럿 화염(F1)을 형성한다. 착화후 연산기(42)로부터의 신호(S103)에 의해 확산연료(N1)는 예비혼합연료(N3)로 서서히 전환된다.
예비혼합연료(N3)는 예비혼합연료 노즐(21)로부터 샤워 형상으로 분출되는 연료(N4)로 되어 연소용 공기(A7)와 균일하게 예비혼합된다. 이 예비혼합연료(N5)는 선회하면서 하류로 흐름에 따라 증속하고, 난류연소 속도의 2배 이상의 유속이 되어 제1단의 예비혼합 연료분출구(18)(분출구(31))로부터 소경내통(1a)으로 유입한다. 이때 연료는 난류연소 속도의 2배 이상의 유속으로 되어 있기 때문에 파일럿 화염(F1)으로부터의 역화(逆火)를 방지할 수 있다. 연료전환 완료시점에서는 파일럿 화염(F1)은 모두 예비혼합연료(N3)에 의한 100% 예비혼합 화염이 되고, NOx의 발생은 거의 0으로 된다.
다음에 연소기 내통의 연료의 흐름 및 연소법에 대하여 설명한다.
상술한 방법에 의해 소경내통(1a)내에 우선 파일럿화염(F1)이 형성된다. 이 하염(F1)은 파일럿 확산연료(N1) 및 파일럿 예비혼합연료(N3)의 배분조합에 의해 안정화 되어 있다. 파일럿 화염(F1)의 형성후, 연산기(42)로부터의 출력신호(S103)에 의해 유량제어된 연료는 예비혼합장치(4a)내에서 공기와 균일하게 혼합되고, 제2단 예비혼합 연료분출구(19a)로부터 예비혼합연료(N4)가 되어 소경내통(1a)에 유입한다.
유입한 예비혼합연료(N4)는 상류에 있는 파일럿화염(F1)에 의해 착화연소되어 예비혼합화염(F2)을 형성한다. 다음에 제3단 예비혼합연료(N5)는 마찬가지로 제3단 예비혼합 연료분출구(19b)로부터 소경내통(1b)에 유입한다. 유입한 예비혼합연료(N5)는 상류에 있는 파일럿화염(F1)과 예비혼합화염(F2)이 합산된 총 연소 가스량에 의해 착화·연소되어 예비혼합 화염(F3)을 형성한다. 제4단, 제5단의 예비혼합연료(N6,N7)도 제2,3단과 마찬가지의 과정에 의해 예비혼합화염(F4,F5)을 형성한다.
여기에서 예비혼합 화염(N1,N2,N3,N4,N5)의 화염온도는 NOx가 생성하지 않는 연소온도(1600℃미만)가되도록 연료유량이 각각 연산기(42)에 의해 제어된다. 이에 따라 가스터빈 부하에 대한 NOx 특성 i(제12도 참조)는 종래의 저 NOx 연소기의 NOx 특성 b(제12도 참조)와 달리 전부하역에서 저레벨이 되어 NOx 목표치 h(제12도 참조)달성할 수가 있다.
화염의 안정화는 상술한 바와 같이 제1단 ∼ 제5단의 예비혼합연료가 각각 상류의 고온가스에 의해 차차 착화 연소되어 화염이 퍼지는 소위 시리즈 연소의 채용에 의해 가능해지는 것이다.
다음에 연소기 내통 등의 냉각에 대하여 설명한다.
공기압축기(50)로부터 연소기(1)에 공급되는 공기의 대부분은 꼬리통 외통(13) 및 플로 슬리브(15)에 형성된 임핀지 냉각구멍(14,16)을 통과하여 임핀지 분류(A2)가 되어 꼬리통 내통(12) 및 대경내통(7)충돌하여 그 벽면을 대류 냉각한다.
꼬리통 내통(12)의 부분에서는 연소기 내부에 들어가지 않고 예비혼합장치(4a, 4b, 4c, 4d)용의 연소공기 (A3, A4 ,A5, A6) 및 파일럿 버너(3)의 연소공(A7)로서 연소기 내부로 유입한다.
단 제1의 연소실(2a)에 대응하는 소경내통(1a,1b)에서는 연소용 공기(A1)의 20%미만의 공기가 필름냉각 공기로서 사용되어 연소기 내부로 유입하여 연소기 내면을 냉각한다. 즉 꼬리통내통(12)의 부분에서는 외면 냉각만이고 필름 냉각공기로서 사용하지 않고, 결과적으로 연소공기(A3, A4, A5, A6, A7)로 전용하고 있다. 이에 따라 연소 공기의 증가를 도모할 수 있고 NOx가 생성하지 않는 연소온도(1600℃미만)가 되는 예비혼합 연공비로 설정할 수 있다. 이와 같이 하여 저 NOx화에 기여하고 있다.
상기의 연소법을 실현하기 위한 연산기(42)에 대하여 설명한다.
연산기(42)에는 제10도에 나타낸 바와 같이 제1단 ∼ 제5단의 연료계통에 각각 가스터빈 부하에 대하여 제1단 ∼ 제5단의 예비혼합용 연료유량(W1~W5)이 함수로서 입력되어 있고, 예비혼합 연료유량(W1 ∼ W5)의 합계가 전연료유량(Wo)이 된다. 연산기(42)로부터의 신호(S103)등에 의해 부하신호(S107)에 대해 유량조정밸브(37, 39a, 39b, 39c, 39d)등을 사용하여 제1단 ∼제5단의 예비혼합연료유량(W1 ∼ W5)은 각각 제어된다.
부하 상승의 경우에는 제11도에 그 플로차트를 나타낸 바와 같이 제1단 연료 전환(스텝1101)후, 각단의 예비혼합연료를 순차적으로 증가설정(스탭1102 ∼ 1105)하면 된다.
부하 감소의 경우에는 제11도와 반대로 제5단측으로부터 제2단측으로 연료유량의 감소 설정을 순차적으로 하도록 제어하면 된다. 가스터빈 부하에 대한 공기유량(Wa)은 거의 일정하기 때문에 전연료유량(Wo)의 제어에 의해 연소기 출구온도가 결정된다.
또한 제4도에 나타낸 바와 같이 각 내통 (1a, 1b, 7)의 역류영역 근방에는 적은 화염을 불어내는 마이크로버너(5a)를 설치하였으므로 화염안정화를 유효하게 도모할 수 있다.
또한 본 발명에 관한 가스터빈 연소장치는 이상의 실시에에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 변형예를 제6도 ∼ 제9도에 나타낸다.
제6도의 변형례는 제1도에 나타낸 연료분출구(18,19a,19b,19c,19d)를 2중원통으로 싼 어뉴러스(anurous)형상으로 변형한 것이다. 즉 본 예에서는 연소용 공기(A10)에 방사상 선회기(radial swirler)(60)에 의해 각 운동량이 주어져서 각각 제1,2,3,4,5단 연료분출구(61a,61b,61c,61d,61e)로부터 원통에 유입하도록 되어 있다. 연료(N10)는 제1도의 예와 마찬가지로 제1도의 예와 마찬가지로 각 분출구와 독립한 연료공급제에 의해 공급된다. 또 예비혼합화염(F1 ∼ F5)도 제1 ∼ 5단 연료분출구(61a ∼ 61e)에 대응하여 내통(62)내에 축방향으로 연속하여 시리즈 연소가 이루어진다.
제7도의 변형례는 파일럿 버너(63)는 제1도의 실시예와 거의 같으나, 제1연소실(64a)의 하류측에 위치하는 제2연소실(64b)에 부속한 멀티버너형의 원통 형상의 예비혼합장치(65)가 축방향으로 2개소, 둘레방향으로 5 ∼ 8개 배열되어 있다. 또 예비혼합장치(66)내에는 선회기(67)가 설치되어, 짧은 유로중에서도 균일한 예비혼합을 할 수 있도록 되어 있다.
본 예에서도 상기와 마찬가지로 상류측의 화염으로부터 순차적으로 시리즈 연소가 가능하여 예비혼합화염(F11)의 형성을 할 수 있어 NOx의 발생이 효과적으로 억제된다.
제8도 및 제9도는 제1도에 나타낸 마이크로 버너에 대한 변형례를 나타낸다.
제8도의 변형례에서는 마이크로 버너(5a)가 자기보염(自己保炎)에 의해 예비혼합 연소 가능한 구성인 것이다. 즉 본 예에서는 예비혼합 연료 분출구(18)(19a...)의 선단부를 넓은 개구로 하여 와류를 발생시키고, 이 부분에서 보염용 화염(70)이 형성되도록 되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면 화염의 안정화를 가일층 도모할 수 있다. 또한 분출구 선단부에는 내열 코팅층(71)이 형성되어 있다.
제9도의 변형례는 착화기를 전기 에너지에 의해 상시 착화 가능한 온도까지 승온된 고온부분(80)을 갖는 가열로드(81)에 의해 구성한 것이다. 본 예에서도 예비혼합 연료 분출구(18)가 넓은 개구로 되어 있으며, 이에 따라 연료(A)의 괴는 영역(82)이 형성되어 있다.
또한 이상의 실시예 및 변형례로 나타낸 가스터빈 연소기는 가스연료나 액체연료는 사용하는 여러가지 형의 가스터빈에 적용 가능함은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에 관한 가스터빈 연소장치에 의하면 종래 문제점으로 되어 있던 초희박 연소조건의 달성, 화염안정연소 및 연소기 벽면 냉각을 동시에 할 수 있게 되어, 결과적으로 전운전 범위에서 NOx를 목표치이하(＜10ppm)로 할수가 있다. 그리고 NOx 발생의 대폭적인 삭감에 의해 탈질장치의 축소 또는 생략을 도모할 수 있음과 동시에 암모니아 소비량의 감소등도 포함하여 운전경비삭감 등의 경제효과도 얻어지며, 또한 지구환경 정화에도 기여할 수 있다.

Claims (7)

  1. 가스터빈의 연소기의 축방향으로 간격적으로 배치된 복수단의 연소부와, 이 각 연소부에 각각 독립적으로 연결된 복수의 연료공급 계통과, 이 각 연료공급 계통에 각각 설치된 예비혼합 연료공급부 및 확산 연소용 연료공급부와, 이들 각 연료공급부를 전환하여 예비혼합연료 또는 확산연소용 연료중의 어느 한쪽의 연료공급만을 행하는 제어장치를 갖춘 것을 특징으로 가스터빈 연소장치.
  2. 제1항의 장치를 사용하여 제1단의 연소부에서 예비혼합 연료를 파일럿화염 또는 착화장치에 의해 연소시키고, 제2단 이후의 예비혼합 연료의 연소는 순차적으로 전단의 예비혼합 연료의 연소에 의한 고온가스에 의해 착화시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소장치의 연소제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1단의 연소부에 대한 연료공급계통은 2 계통으로 분할되어 있으며, 그 중의 1계통은 확산연소용 연료 노즐에 접속되고, 나머지 1계통은 예비혼합 연료용 노즐에 접속되어, 운전중에 확산 연소로부터 연속적으로 예비혼합 연소로 전환이 가능한 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소장치.
  4. 제2항에 있어서, 제1단으로부터 제5단에 대한 예비혼합연료는 각각 독립적으로 가스터빈 부하의 상승과 더불어 제1, 제2, 제3, 제4, 제5단 연료의 순으로 시리즈 공급하여 연소시키고, 가스터빈 부하의 감소일 경우에는 부하 상승시와 반대로 제5, 제4, 제3, 제2, 제1단의 순으로 각각 연료를 감소시키며, 부하 차단의 경우에는 제4단, 제5단의 연료만 공급정지시키는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소장치의 연소제어방법.
  5. 제2항에 있어서, 제1단으로부터 제5단의 각각의 예비혼합연료는 가스터빈 부하를 종속변수로 하는 연료유량 함수에 의해 규정하고, 이 연료유량 함수의 부하에 대한 최적의 조합을 기억한 연산기로부터의 신호에 의해 연료공급장치를 사용하여 연료공급하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소장치의 연소제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 연소실을 구성하는 내통 및 꼬리통의 외주측을 덮는 플로 슬리브를 설치하고, 이 플로 슬리브에 다수의 구멍을 뚫어 이 다수의 구멍으로부터 분출하는 연소공기 분류를 내통 및 꼬리통의 외면에 충돌시켜서 내통 및 꼬리통의 금속을 냉각하는 구조로 하고, 상기 내통 및 꼬리통의 벽면 금속냉각을 위해 연소기 내부에 공기를 유입시켜 냉각하는 필름 냉각용의 냉각공기구멍 중 개구면적을 연소공기 유입용의 총 개구면적의 20% 이하로 설정한 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소장치.
  7. 제1항에 있어서, 제1단으로부터 제5단의 예비혼합연료가 연소하는 연소영역에 착화 에너지를 주는 마이크로 버너. 전기히터에 의한 가열로드, 전기, 자기에너지 또는 프라스마 등에 의한 조연 또는 점화장치를 설치한 것을 특징으로 하는 터빈 연소장치.
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