KR100716889B1 - A fuel nozzle with variable injection location of a dry low nox gas turbine combustor for power generation - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐에 관한 것으로서, 희박예혼합 방식을 채용한 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐로서, 파일롯 연료 주입구를 통해 공급된 연료가 중공의 내부 영역을 통해 이동하여 전단에 위치한 연료 분사부를 통해 분사되는 파일롯 연료 분사체; 및 상기 파일롯 연료 분사체를 둘러싸고 설치되며 서로 이격된 상태로 환형으로 배치된 다수개의 베인을 구비하여, 각 베인 사이의 공간을 통해 연소공기 주입구를 통해 제공된 연소용 공기가 배출되면서 스월 유동이 일어나고 상기 베인에 형성된 주연료 분사구를 통해 분사되는 주연료와 혼합되는 선회기를 포함하되, 상기 파일롯 연료 분사체가 상기 선회기에 대하여 축방향으로 승강 가능하게 형성됨으로써, 상기 연소용 공기 및 주 연료의 분사 위치에 대하여 파일롯 연료의 분사 위치 조절이 가능하여 공기-연료의 예혼합 거리 조절이 가능하게 구성된다.The present invention relates to a variable position fuel nozzle for a dry type low nitrogen oxide gas turbine combustor for power generation, and more particularly, to a variable low fuel nozzle for a low pressure nitrogen oxide gas turbine combustor for use in a dry low nitrogen oxide gas turbine combustor employing a lean- A fuel nozzle comprising: a pilot fuel injector for injecting fuel injected through a pilot fuel injection port through a hollow internal area and injecting fuel through a fuel injection part located at a front end; And a plurality of vanes annularly disposed around the pilot fuel injector and spaced apart from each other. The combustion air provided through the space between the vanes is discharged through the space between the vanes, causing swirl flow, And a swirler which is mixed with a main fuel injected through a main fuel injection hole formed in the vane, wherein the pilot fuel injector is formed so as to be axially movable with respect to the swirler so that the injection position of the combustion air and the main fuel The injecting position of the pilot fuel can be adjusted so that the pre-mixing distance of the air-fuel can be adjusted.
분사위치, 연료노즐 Injection position, fuel nozzle
Description
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 분사위치가변 연료노즐의 구성을 보여주는 부분 절개 종단면도. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a partial cutaway longitudinal sectional view showing the configuration of a variable injection fuel nozzle according to an embodiment of the present invention; FIG.
도 2 는 도 1 에 도시된 분사위치가변 연료노즐에서 유압기구의 다른 예를 도시한 단면도.2 is a sectional view showing another example of a hydraulic mechanism in the injection position variable fuel nozzle shown in Fig.
도 3 은 도 1 의 (A)방향에서 본 정면도. Fig. 3 is a front view seen from the direction (A) of Fig. 1; Fig.
도 4 는 본 발명의 실시예에서 상하부 선회기에 설치된 베인의 일부를 도시한 사시도.4 is a perspective view showing a part of a vane installed in the upper and lower swing machines in the embodiment of the present invention.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 분사위치가변 연료노즐이 구비된 멀티컵 연소기 라이너를 도시한 도면.5 illustrates a multi-cup combustor liner with an injection position variable fuel nozzle according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질소산화물(NOx) 배출저감을 위하여 국내외 복합화력 발전소에서 사용 중인 희박예혼합연소방식(Lean Premixed Combustion)의 건식 저질소산화물 가스터빈(Dry Low NOx Gas Turbine) 연소기에서 연료-공기의 예혼합거리 조절이 가능한 발전용 건식 저질소 산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel nozzle for variable injection position of a dry type low nitrogen oxide gas turbine combustor for power generation, and more particularly, to a fuel nozzle for variable nozzle of a low-NOx gas turbine combustor for power generation, The present invention relates to a fuel nozzle with variable injection position of a dry low NOx gas turbine combustor capable of controlling the fuel-air premixing distance in a dry low NOx gas turbine combustor of a premixed combustion unit.
희박예혼합연소방식의 가스터빈의 경우는 건식 저질소산화물 연소기(Dry Low NOx Combustor)를 채택하여 화염 온도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고 있다. 그러나 질소산화물 발생을 억제하기 위하여 연료의 당량비가 낮은 연료-공기의 혼합비 범위에서 연소를 시켜 화염온도를 낮추어야 하므로 연소가 불안정하여 연소진동, 화염의 역화현상 등이 빈번히 발생한다. In the case of a lean premixed combustion gas turbine, a dry low NOx burner is adopted to suppress the generation of nitrogen oxides (NOx) by lowering the flame temperature. However, in order to suppress the generation of nitrogen oxides, since the flame temperature must be lowered by burning in a fuel-air mixture ratio range where the fuel equivalence ratio is low, combustion is unstable, and combustion vibration and flame backlash occur frequently.
또한 이러한 희박예혼합연소방식의 경우는 연료량이 공기량에 비하여 질량비가 10% 이하의 수준으로 적으므로, 연료량의 제어가 매우 중요하며, 안정적인 연소조건에 도달하기가 매우 어렵다. 또한 연료-공기의 혼합상태 및 부하조건에 따라 발생하는 연소불안정, 연소진동, 화염의 역화 등에 의한 비정상적 연소 및 큰 압력변동으로 가스터빈 부품이 파손되거나, 고온유로 인해 부품의 열소손 및 수명 단축 등이 발생하여 가스터빈 유지보수비의 상승을 초래하고 있다. Also, in the lean premixed combustion method, since the mass ratio of the fuel amount is less than 10% as compared with the air amount, the control of the fuel amount is very important and it is very difficult to reach the stable combustion condition. In addition, gas turbine parts are damaged due to unstable combustion, combustion vibration, flame backlash due to unburned combustion and large pressure fluctuations caused by fuel-air mixture and load conditions, and heat loss and shortening of life of parts due to high temperature flow Resulting in an increase in the maintenance cost of the gas turbine.
또한 종래에는 가스터빈이 저부하에서 운전될 때 연소상태에 따라서 NO2 에 의한 황색연기(yellow plume) 등의 유해가스가 배출되어 발전소 인근 주민들로부터 민원발생의 소지가 되기도 하였다. Conventionally, when a gas turbine is operated at a low load, noxious gases such as yellow plume caused by NO 2 are discharged according to the combustion state, thereby causing a complaint from the residents near the power plant.
종래의 가스터빈 연소기는 연소모드에 따라서 연료 및 공기의 유량을 조절함 으로써 부하를 능동적으로 제어하고, 선회기(Swirler)를 통하여 반경방향 와류유동을 생성함으로써 연료와 공기의 혼합을 촉진시키고, 화염의 안정성을 높여주었다. 그러나 연료 분사구의 위치가 전 연소모드에 걸쳐 고정되어 있으므로, 부하에 따라 연료량을 늘여줄 때 연소속도(Burning Velocity) 증가에 따른 화염의 역화(Flash Back) 및 연료-공기 예혼합기(Fuel-Air Mixture)의 시간적, 공간적 불균일한 분포에 따른 연소의 불안정 및 유해 배기가스의 증가 등의 불합리한 문제점이 발생할 우려가 높다. Conventional gas turbine combustors actively control the load by regulating the flow rate of fuel and air in accordance with the combustion mode and promote radial vortex flow through the swirler to promote the mixing of fuel and air, The stability of the product. However, since the position of the fuel injection port is fixed throughout the entire combustion mode, the flash back and the fuel-air mixture (fuel mixture) are increased with the increase of the burning velocity when the fuel amount is increased according to the load. The unstable combustion due to the nonuniform distribution in time and space of the exhaust gas, and the increase of the harmful exhaust gas.
예혼합연소는 연소공기측으로 분사되는 연료 분사구의 위치에서부터 화염대까지의 거리 즉, 연료와 공기가 혼합하는 거리(Fuel-Air Mixing Length)에 따라 연소진동 및 질소 산화물의 발생이 민감하게 변화하는 특징을 가진다는 것이 많은 연구(T. Lieuwen, D.A Santavicca, J.G. Lee 등)로부터 알려져 있다. 그러나 현재 가스터빈 발전소에는 발전소 기동(Start)시부터 전체부하(Full Load)시까지 운전모드에 따라 연료 및 공기 유량만을 제어하는데 그치고 있다. Premixed combustion is characterized in that the generation of combustion vibration and nitrogen oxide is sensitively changed according to the distance from the position of the fuel injection hole injected to the combustion air side to the flame zone, that is, the fuel-air mixing length Has been known from many studies (T. Lieuwen, DA Santavicca, JG Lee et al.). However, current gas turbine power plants only control the fuel and air flow rate according to the operation mode from the start of the power plant to the full load.
특히, 현재 복합화력 발전소에서 사용하는 연료는 메탄(CH4)이 주된 구성비율을 차지하는 천연가스(Natural Gas)이나, 2010년 이후에는 청정 신연료 DME(DiMethyl Ether, CH3OCH3)가 경제성 및 기술성 평가 후에 적용될 예정인데, 이 연료의 경우 높은 연소 속도(Burning velocity) 및 낮은 자발화 온도(Ignition Temperature)의 연소특성을 가짐으로 화염의 역화로 인한 연소기 소손이 발생할 우려가 높다. 따라서 연료-공기 혼합거리의 제어가 더욱 필요로 되어진다.In particular, the fuels used in the combined cycle thermal power plant are natural gas (CH 4 ), which accounts for the majority of the fuels, and the clean new DME (DM Ether, CH 3 OCH 3 ) This fuel will be applied after the evaluation of the technology, and it has a high burning velocity and a low ignition temperature combustion characteristic, which may cause burner burnout due to flame backfire. Therefore, further control of the fuel-air mixing distance becomes necessary.
발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기에 관한 종래기술로서 대한민국 특허 제 10-0446884-0000호가 공지되어 있다. 그러나 이는 발전용 가스터빈내의 선회기(Swirler)를 조절하여 선회강도(Swirl Intensity)를 바꾸어 주는 방법으로 연료 분사구의 위치 조절을 통한 연료와 공기의 혼합거리 조정이 불가능하다. Korean Patent No. 10-0446884-0000 is known as a prior art related to a dry low-NOx gas turbine combustor for power generation. However, it is impossible to adjust the mixture distance of the fuel and the air by adjusting the position of the fuel injection port by changing the swirl intensity by controlling the swirler in the power generation gas turbine.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 희박예혼합방식의 건식 저질소산화물 가스터빈에 채용되고 있는 연료노즐에서 파일롯 연료 분사체를 축방향으로 상하 움직임 가능하게 구성함으로써 부하와 연소모드 변환에 따라 파일롯 연료의 분사 위치를 조정하여 연소에 중요한 변수가 되는 혼합정도를 조절할 수 있도록 하여 연소기 내부에서 최적 상태로 연소가 이루어질 수 있도록 하는 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐를 제공하는 데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel low-NOx gas turbine, The injection position of the dry low-NOx gas turbine combustor for power generation is adjusted so that the mixing degree, which is an important parameter for the combustion, can be controlled by adjusting the injecting position of the pilot fuel according to the mode conversion, The present invention has been made to provide a fuel nozzle.
또한, 본 발명은 파일롯 연료 분사체의 위치 조절에 더불어 파일롯 연료 분사체에서 분사되는 파일롯 연료와 상부 및 하부 선회기에서 분사되는 주연료의 유량 제어를 가능하게 함으로써 연소기 내부에서 최적 상태로 연소가 이루어질 수 있도록 하는 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐를 제공하는 데 그 목적이 있다. Further, in addition to the position control of the pilot fuel injector, the present invention enables the flow rate control of the pilot fuel injected from the pilot fuel injector and the main fuel injected from the upper and lower revolvers so that the combustion is optimally performed inside the combustor The present invention is directed to a fuel nozzle having a variable injection position of a dry low-NOx gas turbine combustor for power generation.
또한 본 발명은 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기에서 연료의 교체에 따른 연료 노즐의 교체 없이, 다양한 연료의 연소에 적용할 수 있는 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐을 제공하는 데 다른 목 적이 있다. The present invention also relates to a method and apparatus for controlling the injection position variable fuel nozzle of a dry low-NOx gas turbine combustor for power generation, which can be applied to the combustion of various fuels without replacing the fuel nozzle according to the replacement of the fuel in the dry low- There are other aims to provide.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 희박예혼합 방식을 채용한 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐로서, 파일롯 연료 주입구를 통해 공급된 연료가 중공의 내부 영역을 통해 이동하여 전단에 위치한 연료 분사부를 통해 분사되는 파일롯 연료 분사체; 및 상기 파일롯 연료 분사체를 둘러싸고 설치되며 서로 이격된 상태로 환형으로 배치된 다수개의 베인을 구비하여, 각 베인 사이의 공간을 통해 연소공기 주입구를 통해 제공된 연소용 공기가 배출되면서 스월 유동이 일어나고 상기 베인에 형성된 주연료 분사구를 통해 분사되는 주연료와 혼합되는 선회기를 포함하되, 상기 파일롯 연료 분사체가 상기 선회기에 대하여 축방향으로 승강 가능하게 형성됨으로써, 상기 연소용 공기 및 주 연료의 분사 위치에 대하여 파일롯 연료의 분사 위치 조절이 가능하여 공기-연료의 예혼합 거리 조절이 가능하게 구성된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a variable-nozzle fuel injection nozzle of a dry low-NOx gas turbine combustor for power generation of a dry low-NOx gas turbine combustor employing a lean-premixed system, Is injected through a fuel injecting portion located at the front end, the pilot fuel injecting body moving through a hollow inner region of the pilot fuel injecting body; And a plurality of vanes annularly disposed around the pilot fuel injector and spaced apart from each other. The combustion air provided through the space between the vanes is discharged through the space between the vanes, causing swirl flow, And a swirler which is mixed with a main fuel injected through a main fuel injection hole formed in the vane, wherein the pilot fuel injector is formed so as to be axially movable with respect to the swirler so that the injection position of the combustion air and the main fuel The injecting position of the pilot fuel can be adjusted so that the pre-mixing distance of the air-fuel can be adjusted.
본 발명에 의하면, 상기 파일롯 연료 분사체의 하부를 지지하여, 제어신호에 의해 공급 오일 유량이 결정되면서 상기 파일롯 연료 분사체를 축방향으로 승강이동시키는 유압기구를 포함하며, 상기 유압기구는, 상기 파일롯 연료 분사체의 하부를 둘러싸는 환형의 오일 튜브체; 상기 파일롯 연료 분사체의 하단 부분에 부착되어, 상기 오일 튜브체 내에 공급되는 오일량에 따라 결정되는 유압에 의해 상기 파일롯 연료 분사체를 지지한 상태로 승강 이동하는 피스톤 헤드; 및 상기 파일롯 연료 분사체의 하부를 유압 작용력 반대방향으로 지지하는 복원 스프링을 포함한다. According to the present invention, there is also provided a hydraulic device for supporting a lower portion of the pilot fuel injector and moving the pilot fuel injector in an axial direction while a supply oil flow rate is determined by a control signal, An annular oil tube body surrounding a lower portion of the pilot fuel injector; A piston head attached to a lower end portion of the pilot fuel injector and moving up and down in a state of supporting the pilot fuel injector by an oil pressure determined according to an amount of oil supplied into the oil valve body; And a restoration spring for supporting the lower portion of the pilot fuel injection body in a direction opposite to the hydraulic force acting direction.
본 발명에 의하면, 상기 선회기는 상부 및 하부 선회기를 포함하고, 상기 상부 및 하부 선회기 각각에 주연료가 공급되는 연료공급 경로상에는 유량을 제어하는 제어밸브가 구비되어, 상기 상부 및 하부 선회기 각각에서 분사되는 주연료 유량을 조절가능하게 구성된다. 이를 통해 주연료가 분사되는 선회기를 선택하거나 상부 및 하부 선회기를 통해 분사되는 주연료의 분사비율을 자유로이 조절할 수 있다. According to the present invention, the swirler includes upper and lower swirlers, and a control valve for controlling the flow rate is provided on the fuel supply path through which the main fuel is supplied to the upper and lower swirlers, respectively. So that the flow rate of the main fuel injected from the fuel pump can be adjusted. This allows the selection of a swirler to which the main fuel is injected or freely adjusts the injection ratio of the main fuel injected through the upper and lower swirlers.
본 발명에 의하면, 상기 분사위치가변 연료노즐이 다수개로 설치되어 멀티컵 연소기 라이너를 구성하되, 상기 멀티컵 연소기를 이루는 각 연료노즐의 상기 파일롯 연료 분사체는 각 연료노즐의 선회기에 대하여 각각 독립적으로 승강 이동하여 분사 위치가 결정되도록 구성된다. According to the present invention, the plurality of injecting position variable fuel nozzles are provided to constitute a multi-cup combustor liner, wherein the pilot fuel injectors of each fuel nozzle constituting the multi-cup combustor are independent of each other So that the injection position is determined.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐을 구성을 보여주는 부분 절개 단면도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the construction of a variable injection fuel nozzle of a dry low nitrogen oxide gas turbine combustor according to an embodiment of the present invention; FIG.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 분사위치가변 연료노즐(100)의 실시예는 파일롯 연료 분사체(110)를 포함한다. Referring to the drawings, an embodiment of an injection position
파일롯 연료 분사체(110)는 중공의 원통형 바디로 형성되며, 내부 영역은 하단으로 위치한 파일롯 연료 주입구(101)를 통해 주입된 파일롯 연료가 연료 분사부(112)를 향해 유동하는 경로가 된다. 연료 주입구(101)에 연료를 공급하는 경로상에는 제어밸브(101a)가 설치되어 파일롯 연료의 유량이 조절가능하게 구성된다. The
파일롯 연료 분사체(110)는 축방향으로 상하 움직임이 가능하게 설치된다. 파일롯 연료 분사체(110)의 단부에 배치된 연료 분사부(112)에는 가운데 위치하는 중심 연료 분사구(114)와 상기 중심 연료 분사구(114)를 둘러싸고 외곽으로 등간격으로 형성된 10 개의 외곽 연료 분사구(116)가 형성된다. 중심 연료 분사구(114)의 구멍 직경은 외곽 연료 분사구(116)의 직경에 비해 크게 형성된다.The
연료 분사부(112)를 통해 분사되는 파일롯 연료는 선회기에 위치한 주연료 분사구(213,223)를 통해 분사되는 주연료보다 하류쪽에서 분사되며, 연소공기 및 주연료의 분사 위치에 대한 파일롯 연료의 분사 위치가 연료-공기의 예혼합거리와 확산화염의 길이를 결정한다. The pilot fuel injected through the
파일롯 연료 분사체(110)는 유압기구(120)에 의해 축방향으로 상하병진 운동되면서 연료의 분사 위치 조절이 가능하게 구성된다. The
파일롯 연료 분사체(110)의 하부는 연소기 케이싱(105) 내부에 위치하며, 반경방향으로 연장된 플랜지부(111)를 구비한다. 파일롯 연료 분사체(110) 하부의 플랜지부(111)는 유압기구(120)에 의해 상하 병진 이동이 가능하도록 환형의 오일 튜브체(124) 내부에 위치하며 플랜지부(111)에는 환형상의 피스톤 헤드(126)가 부착된다. 그리고 피스톤 헤드(126)의 오일 튜브체(124) 내부에 공급되는 오일량 즉, 유압에 의해 플랜지부(111)를 하방으로 미는 힘을 작용한다. 그리고 오일 튜브체(124) 내부에는 복원 스프링(128)이 부착되어 유압이 감소할 때 피스톤 헤드(126) 및 이에 부착된 플랜지부(111)가 상방으로 당겨지도록 한다. 따라서 오일 튜브체(124)에서 압력이 증가하면서 피스톤 헤드(126)와 함께 파일롯 연료 분사 체(110)는 아래로 움직이고 압력을 줄이면 복원 스프링(128)에 의해 반대방향으로 이동한다. The lower portion of the
파일롯 연료 분사체(110)를 축방향으로 상하 병진 운동시키는 유압기구의 다른 예가 도 2 에 도시되어 있다. 실린더(132) 내부에서 상하 운동하는 피스톤(134)의 움직임을 로드(135)를 통해 전달받으며, 파일롯 연료 분사체(110)의 플랜지부(111)에 부착된 피스톤 헤드(136)가 피스톤(134)의 동작에 따라 상하 병진운동하면서 파일롯 연료 분사체(110)를 축방향으로 상하 병진 운동시킨다. 이때 피스톤 로드(136)를 둘러싸고 설치된 복원 스프링(128)이 유압이 감소할 때 파일롯 연료 분사체(110)를 상방으로 밀어 올리는 힘을 작용시킨다. Another example of a hydraulic mechanism for translating the pilot
파일롯 연료 분사체(110)를 둘러싸고 상하부 선회기(210,220)로 구성된 선회기(200)가 설치된다. 도 3 에는 상부 선회기를 보여주는 도면이 도시되어 있으며, 도 4 에는 상하부 선회기에서 각 2개의 베인이 사시도로 도시되어 있다. A revolving
도면을 참조하면, 선회기(200)는 파일롯 연료 분사체(110)를 둘러씨고 설치되며, 상부 선회기(210) 및 하부 선회기(220)로 2개의 선회기가 설치된다. 선회기(200)에 대하여 파일롯 연료 분사체(110)가 축방향으로 상하 병진 운동하도록 구성된다. Referring to the drawing, the
상하부 선회기(210,220)에는 내외 원통구조물(211a,211b)에 의해 양단이 지지되면서 서로 이격되어 배치된 10개의 베인(212,222)을 구비한다. 베인(212,222) 각각에는 반경방향으로 직경이 점차로 증가하는 형태로 5개씩의 주연료 분사구(213,223)가 형성되어 있다. 베인(212,222)의 측면으로 연료 유입구(214, 224)가 형성되며, 배관을 통해 주연료 주입구(216,226)와 연결되어 있다. 그리고 주연료 주입구(216,226)로 주연료가 공급되는 경로상에는 각각 제어밸브(216a,226a)가 설치되어 주연료의 유량이 독립적으로 제어가능하게 구성된다. The upper and lower
연소공기 주입구(230)를 통해 공급된 연소용 공기는 파일롯 연료 분사체(110)의 외곽으로 공급되며 선회기(200)를 거치면서 상하부 선회기(210,220)의 각 베인(212,222) 사이를 공간을 통해 파일롯 연료 분사체(110) 외곽으로 공급된다. 각 베인(212,222)은 수평면에 대하여 30ㅀ 또는 45ㅀ또는 60ㅀ 각도로 경사배치되어 있으므로, 연소공기 주입구(230)를 통해 공급된 연소용 공기는 선회기(200)를 거치면서 스월 유동(107)을 일으킨다. The combustion air supplied through the
주연료 유입구(214,224)를 통해 공급되어 주연료 분사구(213,223)를 통해 분사되는 주연료는 각각 하부 선회기 연료 주입구(226) 및 상부 선회기 연료 주입구(216)로 공급되고, 그 유량은 가스터빈 제어신호에 의해 제어밸브(216a,226a)가 조절되면서 각각 독립적으로 제어된다. 각 베인(212,222)의 주연료 분사구(213,223)를 통해 나오는 주연료(천연가스 또는 DME)는 스월 유동 상태의 연소용 공기와 혼합되면서 연소실 내부로 분사되고, 파일롯 연료 분사체(110)의 연료 분사부(112)를 통해 분사되는 파일롯 연료의 분사위치에 의해 연소조건에 맞는 화염대(난류화염전파속도[Turbulent Flame Propagation Speed] = 혼합기의 대류속도[Convection Velocity of Mixture])에서 연소된다. The main fuel which is supplied through the
한편, 상부 및 하부 선회기에서 공급되는 주연료의 유량 변화 역시 화염의 형태 및 예혼합 연소 특성에 영향을 미치게 되는 데, 발전소 기동시 및 저 부하시 에는 상부 선회기를 통해 주연료가 공급되다가 부분 부하시에는 하부 선회기에서 주연료가 공급되도록 조절함으로써 혼합거리를 길게 할 수 있다. Meanwhile, the change in the flow rate of the main fuel supplied from the upper and lower swirlers also affects the shape of the flame and the premixed combustion characteristics. When the power plant starts and low loads, the main fuel is supplied through the upper swirler, The mixing distance can be lengthened by controlling the main fuel to be supplied in the lower swivel.
즉, 파일롯 연료 분사체의 축방향 이동에 따른 파일롯 연료의 분사위치 조절 및 분사 유량의 조절, 상하부 선회기에서 분사되는 주연료의 유량 조절을 통해 혼합거리 및 혼합정도의 조절하고, 화염의 위치 및 특성을 변화시킴으로써 연소진동저감, 유해배기가스 저감, 연소 안정성 증가 및 연소기 성능 및 효율을 증가라는 목적을 달성할 수 있게 되는 것이다. That is, it is possible to control the injection position of the pilot fuel according to the axial movement of the pilot fuel injector, to control the injection flow rate, to control the mixing distance and mixing degree by controlling the flow rate of the main fuel injected from the upper and lower revolvers, By changing the characteristics, it becomes possible to achieve the object of reducing combustion vibration, reducing harmful exhaust gas, increasing combustion stability, and increasing combustor performance and efficiency.
도 5 은 본 발명의 실시예에 따른 분사위치가변 연료노즐을 구비된 멀티컵 연소기 라이너를 도시한 도면이다. Figure 5 is a view of a multi-cup combustor liner with injection position variable fuel nozzles in accordance with an embodiment of the present invention.
건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 멀티컵 연소기 라이너(10)는 1개의 중앙 분사위치가변 연료노즐(100-1)과 이를 둘러싸고 설치된 5개의 외곽 분사위치가변 연료노즐(100-2)을 구비한다. 이 멀티컵 연소기 라이너를 이루는 각 연료노즐(100-1,100-2)의 각 파일롯 연료 분사체(110)는 선회기(200)에 대해 제어신호에 의해 독립적으로 축방향으로 상하 병진 운동가능하게 구성되어 있다. 즉, 각 노즐에서 혼합거리가 개별적으로 제어되게 구성된다. 멀티컵 연소기 라이너(10)에서의 연료 유량은 전체 연소기 내부의 안정된 연소와 균등한 열적 분포를 위하여 각 노즐별로 별개로 제어된다. 이는 연소안정성의 향상과 연소진동의 저감 및 유해배기가스의 배출농도를 줄이는 데 크게 이용될 수 있다. The
본 발명에 의하면, 천연가스 혹은 DME를 연료로 사용하는 발전용 가스터빈에 서 연소 모드별 및 부하별로 요구되는 적정 연료 분사량과 분사 위치를 조절할 수 있게 되며, 이를 통해 연소효율을 향상시키고, 유해배기가스를 저감시키면서 연소불안정을 감소시킬 뿐만 아니라, 화염의 역화를 방지하여 가스터빈 내의 고온유로 부품들의 열소손을 방지할 수 있다.According to the present invention, it is possible to control an appropriate fuel injection quantity and injection position required for each combustion mode and load in a gas turbine for power generation using natural gas or DME as fuel, thereby improving the combustion efficiency, It is possible not only to reduce combustion instability while reducing gas, but also to prevent flame backlash and to prevent heat burnout of high-temperature flow path components in the gas turbine.
또한 본 발명에 의하면 연료노즐이 다수개 멀티컵 연소기 라이너에서 각 연료노즐 별로 적정한 연료분사 시기와 분사위치 및 유량을 설정함으로써 희박예혼합연소방식을 사용하는 발전용 저질소산화물 가스터빈 연소기에 있어서 연소기 내부의 전체적인 화염을 안정시키고, 역화방지 및 연소진동을 저감을 통해 가스터빈의 부품 손상을 방지하고 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다. Further, according to the present invention, in a low-NOx gas turbine combustor for power generation using a lean premix combustion system by setting an appropriate fuel injection timing, injection position and flow rate for each fuel nozzle in a plurality of multi-cup combustor liners, It is possible to stabilize the entire internal flame, prevent backfire and reduce combustion vibration, thereby preventing damage to parts of the gas turbine and prolonging its service life.
특히 국내외에서 활발하게 연구 중인 청정 신연료 DME(DiMethyl Ether, CH3OCH3) 는 현재 발전용 가스터빈에서 사용중인 천연가스와 분자량, 확산계수, 발열량 등의 기본적인 물리적 특성은 물론 연소속도(Buring Velocity) 및 자발화온도(Self Ignition Temperature) 등의 연소특성이 많이 상이하여, 기존의 가스터빈 연소기에 그대로 적용할 수 없다. 그러나 본 발명에 의하면, 파일롯 연료 분사체가 축방향으로 상하 운동하면서 연료 분사부를 통한 파일롯 연료의 분사 위치를 조절하는 것이 가능한 바, 제어밸브를 통해 상하부 선회기에서 분사되는 주연료의 유량이 조절되면서 두 가지 연료를 모두 안정적으로 연소될 수 있다. In particular, DME (DiMethyl Ether, CH 3 OCH 3 ), which is being actively studied at home and abroad, is used for the natural gas used in power generation gas turbines and the basic physical properties such as molecular weight, diffusion coefficient and calorific value, ) And self ignition temperature (combustion temperature). Therefore, it can not be applied to existing gas turbine combustors. According to the present invention, however, it is possible to adjust the injecting position of the pilot fuel through the fuel injector while the pilot fuel injector moves up and down in the axial direction, so that the flow rate of the main fuel injected from the upper and lower revolvers is controlled through the control valve, All of the branch fuel can be stably burned.
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