KR101024321B1 - 석탄가스용 가스터빈 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄가스용 가스터빈 연소기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 하우징과, 상기 하우징의 중심부에 장착되는 파일럿노즐 및, 상기 하우징과 결합되면서 상기 파일럿노즐의 앞쪽에 구비된 스월러를 포함하는 가스터빈 연소기에 있어서, 상기 스월러는 상기 파일럿노즐을 감싸고 원주면 길이방향으로 1군의 분사구가 둘레를 따라 일정간격으로 배열로 형성된 원추형 제1스월러부와, 상기 제1스월러부 앞쪽에 분사방향의 수직되게 배열되고 중앙에 파일럿 연료분사구가 형성됨과 아울러 상기 파일럿 연료분사구를 기준으로 일정거리를 두고 상기 복수열의 분사구와 대응되게 복수의 스월그루브가 형성된 제2스월러부로 이루어져 있다. 1군의 분사구와 복수의 스월그루브를 통하여 연소기에서 화염의 역화를 방지하면서 석탄가스를 안정되게 연소시킬 수 있다.

가스터빈 연소기, 하우징, 파일럿노즐, 스월러

Description

석탄가스용 가스터빈 연소기{Gas turbine combustor using coal gas fule}

본 발명은 석탄가스화 복합발전 플랜트에 사용되는 가스터빈 연소기에 관한 것으로, 특히 석탄을 가스화하여 합성가스를 생성하여 이를 연소시키도록 한 석탄가스용 가스터빈 연소기에 관한 것이다.

최근에 에너지 가격의 급등과 지구온난화 해결을 위한 CO₂ 감축문제가 심각해짐에 따라 신재생에너지의 이용기술개발의 필요성이 매우 크게 대두되고 있다. 정부에서는 지난 2008년 9월 11일에 발표한 그린에너지 발전전략을 통해 2011년까지 국내 1차에너지의 5%, 2030년까지 11%를 신재생에너지로 공급을 목표로 설정하고 있다.

신재생에너지 발전기술 중 풍력이나 태양광과 같은 자연에너지원을 활용하는 신재생에너지 전력생산은 대규모 전력망과 연결할 때 전력수요와 공급이 원하는 시간에 이루어지지 않을 수 있는 위험부담으로 전력수급을 위해 추가적인 기술개발이 필요하다.

석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, 이하 IGCC라 한다)에 대한 기술은 기존의 화력발전소와 같이 필요한 시간에 부하조정(Load following)할 수 있을 뿐 아니라, 바이오매스나 폐기물 같은 다양한 연료의 활용이 가능하며 IGCC와 석탄액화(CTL ; Coal To Liquid)에 연결된 플랜트의 경우 전력과 액화연료를 동시에 생산할 수 있어 유가와 전기부하에 유동적으로 대처할 수 있는 기술로 2030년까지 지속적인 성장이 기대된다.

그런데, 현재 IGCC의 가동율(Availability)은 80% 이하의 수준이고, 신뢰도(Reliability) 또한 기존의 미분탄(Pulverized Coal)을 이용하는 화력발전소 보다 떨어지기 때문에 이를 제고시킬 수 있는 기술개발이 필요하다. 그 중에서 IGCC 플랜트에서 고장정지의 원인이 50% 이상 복합발전부에서 발생되고 있는 것을 감안한다면 IGCC 플랜트의 가스터빈에 적합한 연료노즐의 개발이 절실한 실정이다.

이에 본 발명의 목적은 기존의 IGCC 플랜트에서 발생되는 고장원인을 줄이기 위해 안출된 것으로, 석탄가스에 대하여 연소최적화를 이루어낼 수 있도록 한 석탄가스용 가스터빈 연소기를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하우징과, 상기 하우징의 중심부에 장착되는 파일럿노즐 및, 상기 하우징과 결합되면서 상기 파일럿노즐의 앞쪽에 구비된 스월러를 포함하는 가스터빈 연소기에 있어서, 상기 스월러는 상기 파일럿노즐을 감싸고 원주면 길이방향으로 1군의 분사구가 둘레를 따라 일정간격으로 배열로 형성된 원추형 제1스월러부와, 상기 제1스월러부 앞쪽에 분사방향의 수직되게 배열되고 중앙에 파일럿 연료분사구가 형성됨과 아울러 상기 파일럿 연료분사구를 기준으로 일정거리를 두고 상기 복수열의 분사구와 대응되게 복수의 스월그루브가 형성된 제2스월러부로 이루어져 있다.

상기 복수열의 분사구는 상기 제2스월러부와 거리가 가까운 상부 분사구과, 상기 제2스월러부와 거리가 먼 하부 분사구 및 상기 상부 분사구와 하부 분사구의 사이에 배치된 중간 분사구로 구성되어 있다. 여기서, 상기 상부 분사구에서 하부 분사구로 갈수록 분사구가 작아지도록 되어 있다.

또한, 상기 상부 분사구는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 축소되는 유로를 갖고, 상기 중간 분사구는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 수축확대되는 유로를 갖고, 상기 하부 분사구는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 확대되는 유로를 갖도록 되어 있다.

상기 제2스월러부는 상기 파일럿노즐의 연료분사 방향에 수직되게 배치되고, 상기 복수의 스월그루브는 상기 1군의 분사구와 대응되게 형성되도록 되어 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 석탄가스용 가스터빈 연소기에 의하면, 석탄가스의 연소물성을 충분히 고려하여 안정적이고, 최적상태로 석탄가스를 연소시킴으로써 IGCC 플랜트의 가동율 및 신뢰도를 높일 수 있게 된다. 이에 따라 석탄원료를 줄여서 발전원가를 절감할 수 있는 한편, 발전연료의 다변화 및 발전원가 절감, 발전플랜트의 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 연료노즐부 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 연료노즐부 스월러를 도시한 사시도이다.

본 발명에 따른 가스터빈 연소기는 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 중심부에 장착되는 파일럿노즐(20) 및, 상기 하우징(10)과 결합되면서 상기 파일럿노즐(20)의 앞쪽에 구비된 스월러(swirler, 30)를 포함한다.

상기 하우징(10)은 상기 파일럿노즐(20)을 내장하면서 상기 스월러(30)와 결합도록 되어 있다. 도면에서 기재하지 않았으나, 하우징(10)의 뒷쪽에 설치되는 라이너(liner)와 하우징을 지지하는 스태빌라지저(stabilizer) 등을 포함하여 가스터빈 연소기를 완성할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스월러(30)는 상기 파일럿노즐(20)을 감싸는 원추형 제1스월러부(40)와 이 제1스월부(40)와 일정간격을 두고 앞쪽에 배치된 제2 스월러부(50)로 구성되어 있다.

상기 제1스월러부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 석탄가스가 분사되도록 원추형 원주면 길이방향으로 1군의 분사구(42)가 둘레를 따라 일정한 간격으로 배열로 형성되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1군의 분사구(42)는 상기 제2스월러부(50)와 거리가 가까운 상부 분사구(44)과, 상기 제2스월러부(50)와 거리가 먼 하부 분사구(45) 및 상기 상부 분사구(42)와 하부 분사구(45)의 사이에 배치된 중간 분사구(46)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 상부 분사구(44)는 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에서 외부로 갈수록 단면이 축소되는 유로를 갖는다. 상기 중간 분사구(45)는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 수축확대되는 유로를 갖는다. 상기 하부 분사구(46)는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 확대되는 유로를 갖는다.

상기 1군의 분사구(42)는 석탄가스의 빠른 연소속도로 인한 역화(Flash Back)를 방지하고, 다량의 석탄가스를 연소실로 유입시키는 역할을 한다. 이는 기존과 달리, 석탄가스의 안정적 연소시키고, NOx 배출을 저감시키며, 노즐의 과열을 방지할 수 있게 된다.

상기 제2스월러부(50)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1스월러부(40) 앞쪽에 배치되고 중앙에 파일럿 연료분사구(52)가 형성되어 있고, 상기 파일럿 연료분사구(52)를 기준으로 일정거리를 두고 복수의 스월그루브(54)가 형성되어 있다. 여기서, 상기 스월그루브(54)는 공기가 스월유동되게 하는 역할을 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 스월그루브(54)로 유입되는 공기(실선화살표)가 유입되어 상기 1군의 분사구(42)로 분사되는 석탄가스(점선화살표)와 균일하게 혼합된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 연소기헤드(H)에 복수의 연료노즐부를 일정간격을 두고 배치하여 가스터빈 연소기를 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 석탄가스용 가스터빈 연소기를 연소최적화를 위한 설계방법은 아래와 같다.

[설계1단계]

연소기에 대한 입열에너지의 크기를 나타내는 지수인 웨버지수(Wobbe Index)를 천연가스와 석탄가스에 관해 계산한다.

우선 웨버지수(WI)는 식1과 같이 발열량과 비중의 함수로 표시된다.

..........................(식 1)

여기서, WI = 웨버지수(Wobbe Index)

Q : 저위발열량(kcal/Nm3)

d : 0°C, 1atm 에서의 가스 비중

[설계2단계]

설계1단계에서 구한 웨버지수를 이용하여 입열량을 같게 하는 조건에서 연료 분사구 최소단면적의 합을 계산한다.

이때, 연료가스 주입압력(P)은 동일한 조건으로 한다. 그 이유는 연료가스 주입압력이 높아지면 연료가 공기중으로 침투되는 거리가 바뀌어 불완전 연소 및 확산연소로 인한 질소산화물 발생의 우려가 있기 때문이다.

................(식 2)

여기서, I : 입열량(kcal/hr)

D : 노즐 구멍의 지름(mm)

K : 유량 계수(약 0.8)

P : 연료가스 주입압력(mmH₂O)

WI : 웨버지수

천연가스(Natural Gas, 하첨자는 N.G.로 표현)와 석탄가스(Coal Gas, 하첨자는 C.G.로 표현)에 대해 입열량을 계산하면 아래의 식 3 및 식 4와 같다.

.........(식 3)

..........(식 4)

...............(식 5)

상기 식 3과 식 4를 식 5에 대입한 후, 아래의 표1의 천연가스와 석탄가스의 물성을 이용하여 계산하면, 식 6과 같이 정리할 수 있다.

........(식 6)

상기 식 6에서 1.634 이라는 연료분사구 직경의 확대 비율은 천연가스 및 석탄가스의 발열량 측정으로부터 계산되어야 하며, 그 확대율은 천연가스 및 석탄가스의 물성변화에 따라 150~200%까지 다양하게 할 수 있다.

[표 1] 천연가스와 DME의 물성비교표

	천연가스	석탄가스
Heating Value [kcal/Nm3]	10,500	4,127
Specific Gravity (vs. air)	0.625	0.688
Weber Index	13,281	4,976

[설계3단계]

입열량을 동일하게 하는 조건에서 NOx저감, 연소효율향상, 화염역화방지 등의 연소성능을 향상시키기 위해 연료분사구를 아래의 ①, ②, ③, ④의 조건에 맞게 설계한다.

2단계의 결과를 이용하여 연료분사구 직경의 크기만을 바꾸어 적용시 입열량은 동일하게 할 수 있었지만, NOx발생량이 증가하였고, 연소효율이 떨어지고, 노즐이 다소 과열된다는 결과를 연소시험을 통해 얻었고, 이를 보완하기 위해서는 연소분사구의 갯수를 늘리고, 연료 분사구의 위치를 상류 및 하류에 고루 분배함으로써, 화염의 역화를 막고, 충분한 연료-공기 혼합도 증가로 인한 연소효율의 증가효과를 확인할 수 있었다.

① 개조설계시 스월유동과 함께 고른 연료분배를 위해 연료 분사구를 연료분사구 하나당 상류측, 중간측, 하류측 세 개로 나누어 설계하되, 전체 분사구들의 최소단면적의 합은 2단계에서 결정되어 나온 식 6과 같이 일치하게 한다.

② 상부 분사구(44)는 연소실과 가까이 있으므로 연료의 고른 분배와 연소진동을 저감하기 위해 유동의 이탈(Separation)이 일어나지 않도록 매끄러운 면을 유지하도록 해야 한다. 따라서, 연료의 출구측으로 확대되는 유로로 설계해야 한다.

③ 하부 분사구(46)는 분사구가 상부 DME 연료분사구보다 연소실에서 멀리 있으므로 연료의 공기측으로 침투거리가 길고, 고른 분출(jet)형상을 이룰 필요가 있다. 따라서, 연료의 출구측으로 축소되는 유로를 설계해야 한다.

④ 중간 분사구(45)는 상기 ②, ③방법을 동시에 고려하여 축소되다가 다시 확대되는 구조로 유로를 설계해야 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기에 의하면, 파일럿노즐(20)을 감싸는 1제스월러부(40)에 둘레를 따라 1군의 분사구(42)가 상부에서 하부로 규칙적으로 배열되어 있고, 제2스월러부(50)에 형성된 복수의 스월그루브(54)를 통해 공기가 스월유동됨으로써 1군의 분사구(42)로 분사되는 석탄가스와 잘 섞이게 된다. 이로 인하여 화염의 역화를 방지하면서 석탄가스를 안정되게 연소시킬 수 있고, NOx의 배출량을 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특 허청구범위 내에서 기재된 범주내에서 변경할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 연료노즐부 단면도,

도 2는 가스터빈 연소기의 연료노즐부 스월러를 도시한 사시도,

도 3은 가스터빈 연소기의 연료노즐부 스월러 부분 절개도,

도 4는 도 2의 A-A´선을 따라 절단한 단면도, 및

도 5는 가스터빈 연소기 연료노즐부를 다수 장착한 연소기를 도시한 사용상태도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 하우징 20 : 파일럿노즐

30 : 스월러 40 : 제1스월러부

42 : 1군의 분사구 44 : 상부 분사구

45 : 중간 분사구 46 : 하부 분사구

50 : 제2스월러부 52 : 파일럿 연료분사구

54 : 스월그루브 H : 연소기헤드

Claims (6)

1. 하우징과,

   상기 하우징의 중심부에 장착되는 파일럿노즐 및,

   상기 하우징과 결합되면서 상기 파일럿노즐의 앞쪽에 구비된 스월러를 포함하는 가스터빈의 연소기에 있어서,

   상기 스월러는 상기 파일럿노즐을 감싸고 원주면 길이방향으로 1군의 분사구가 둘레를 따라 일정간격으로 배열로 형성된 원추형 제1스월러부와, 상기 제1스월러부 앞쪽에 배치되고 중앙에 파일럿 연료분사구가 형성됨과 아울러 상기 파일럿 연료분사구를 기준으로 일정거리를 두고 복수의 스월그루브가 형성된 제2스월러부로 이루어지고,

   상기 1군의 분사구는 상부 분사구, 중간 분사구 및 하부 분사구를 포함하고, 상기 상부 분사구는 상기 상부 분사구, 중간 분사구 및 하부 분사구 중 상기 제2스월러부와의 거리가 가장 가깝고, 상기 하부 분사구는 상기 상부 분사구, 중간 분사구 및 하부 분사구 중 상기 제2스월러부와 거리가 가장 멀며, 상기 중간 분사구는 상기 상부 분사구와 하부 분사구의 사이에 배치되고, 상기 상부 분사구에서 하부 분사구로 갈수록 분사구가 작아지며, 상기 중간 분사구는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 수축확대되는 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 석탄가스용 가스터빈 연소기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부 분사구는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 축소되는 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 석탄가스용 가스터빈 연소기.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부 분사구는 내부에서 외부로 갈수록 단면이 확대되는 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 석탄가스용 가스터빈 연소기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2스월러부는 상기 파일럿노즐의 연료분사 방향에 수직되게 배치되고,

   상기 복수의 스월그루브는 상기 1군의 분사구와 대응되게 형성된 것을 특징으로 하는 석탄가스용 가스터빈 연소기.

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