KR101143374B1 - 배기 재연 버너 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기 재연 버너에 관한 것으로서,
가스 터빈 복합화력 발전 설비의 배열 보일러에 구비되는 보조 버너로서, 연료 파이프(16)로부터 분사된 연료 가스(13)와 1차 공기 노즐(20)로부터 분사된 1차 공기(14)가 혼합 연소하여 화염이 형성되고 보염이 이루어지는 1차 연소실(21); 상기 1차 연소실(21)에서 형성된 화염이 화염 분출공(22)을 통해 분사되는 2차 연소통(25); 2차 연소에 필요한 과잉 공기를 상기 2차 연소통(25)으로 분사하되, 가스 터빈의 정지시에는 2차 공기(15)를 분사하고, 가스 터빈(5)의 기동시에는 노내 가스(28)를 분사하도록 구성된 2차 공기 노즐(24);을 포함하여 이뤄진다.
복합화력 발전 설비, 배열 보일러, 버너

Description

배기 재연 버너 {Auxiliary burner of heat recovery steam boiler}
도 1은 복합화력 발전 설비의 일예를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 배기 재연 버너의 구조도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1: 가스 터빈 연소용 공기 2: 공기 압축기
3: 연료 4: 연소실
5: 가스 터빈 6: 발전기
7: 가스 터빈 배가스 8: 증기 터빈
9: 배열 보일러 10: 보조 버너
11: 보조 연료 12: 보조 공기
13: 연료 가스 14: 1차 공기
15: 2차 공기 16: 연료 파이프
17: 선회익 18: 보염기
19: 1차 공기실 20: 1차 공기 노즐
21: 1차 연소실 22: 화염 분출공
23: 2차 공기실 24: 2차 공기 노즐
25: 2차 연소통 26: 댐퍼
27: 노벽면 28: 가스 터빈 연소 가스
본 발명은 배기 재연 버너에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주 구동수단인 가스 터빈과 그 배가스 열로 구동되는 증기 터빈을 구비한 복합 화력 발전 설비에 사용되는 배기 재연 버너로서, 특히 가스 터빈의 기동시에는 증기 터빈의 출력 증대를 위한 보조연소 버너로 활용되고 가스 터빈의 정지시에는 재기동이 이루질 때까지 증기 터빈이 최소 부하로 연속 운전될 수 있도록 기능하는 배기 재연 버너에 관한 것이다.
도 1은 복합화력 발전 설비의 일예를 나타낸 구성도이다.
예시된 복합화력 발전 설비를 보면, 연료의 연소 에너지를 이용하여 1차적으로 가스 터빈(5)을 구동하여 동력을 얻은 다음, 가스 터빈 출구로 배출되는 600℃ 정도의 배가스(7) 열을 회수할 수 있는 배열 보일러(9)를 설치하여 증기를 발생시키고, 이로부터 증기 터빈(8)을 구동하여 2차적으로 동력을 발생시키도록 구성된다.
이러한 복합 구성을 통해, 가스 터빈 또는 증기 터빈을 단독으로 가동하였을 때 보다 고효율로 연료의 연소 에너지를 동력으로 전환시킬 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 증기 보일러를 단독으로 가동하는 일반적인 발전장치의 열효율은 38% 수준인 반면, 가스 터빈 복합화력 발전 방식에서는 열효율을 47% 수준까지 향상 시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 가스 터빈 복합화력 발전 설비에 있어서는, 가스 터빈(5) 출구의 배가스(7) 온도가 600℃ 정도이며 산소 농도가 12~15%가 된다.
이를 이용하여, 배열 보일러(9)의 입구에 보조 버너(10)를 설치하여 보조 연료(11)를 분사하게 되면, 가스 터빈 배가스(7)에 함유된 산소와 온도 조건에 의하여 용이하게 보조 연료(11)를 추가 연소시킬 수 있어 배열 보일러(9)에 연소 열량의 추가 투입이 가능하며, 이로써 증기 터빈(8)의 출력을 증대 시킬 수 있게 된다. 이러한 보조 버너(10)의 채택으로 통상 배열 보일러의 출력을 10% 정도 증대 시킬 수 있다.
한편, 가스 터빈 복합화력 발전 설비에 있어서 기존의 보조 연소장치는, 가스 터빈(5)이 가동 중일 때 배열 보일러(9)의 배기가스 덕트에 보조 연료(11)를 분사하고, 덕트 내부에서 가스 터빈 배가스(7)와 혼합하여 화염을 형성하고 열을 발생 시키게 된다.
그런데, 이러한 기존의 구조에서는 보조 연료(11)와 보조 공기(12)의 혼합이 일반적인 버너와 같이 잘 이루어 질 수 있는 구조로 제작하기가 곤란하기 때문에, 제철 부생가스와 같이 연소성이 나쁜 저 발열량 가스에 대해서는 적용이 곤란한 점이 문제로 지적되어 왔다.
다른 한편, 가스 터빈 복합화력 발전 설비는 전력 부하가 많은 주간에만 가 동하고 야간에는 정지시키는 방식으로 운영되는 경우가 많은데, 정지 후 재기동시 냉각된 배열 보일러(9)의 승온을 위한 시간 및 연료가 과다하게 소모되며 기계적인 손상이 초래될 우려가 있었다.
이로 인해, 기동과 정지를 반복하는 운전 조건에서 가스 터빈 정지 시에도 배열 보일러(9)와 증기 터빈(8)이 최소 부하로 연속 운전 되도록 함으로써, 상기 제반 문제점을 방지할 수 있는 보조 버너의 필요성이 제기되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 주 구동수단인 가스 터빈과 그 배가스 열로 구동되는 증기 터빈을 구비한 복합 화력 발전 설비에 사용되는 배기 재연 버너로서, 특히 가스 터빈의 기동시에는 증기 터빈의 출력 증대를 위한 보조연소 버너로 활용되고 가스 터빈의 정지시에는 재기동이 이루질 때까지 증기 터빈이 최소 부하로 연속 운전될 수 있도록 기능하는 배기 재연 버너를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사용 연료로써 제철 부생가스와 같은 저발열량 연료를 사용 가능하도록 하는 배기 재연 버너를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가스 터빈 복합화력 발전 설비의 배열 보일러에 구비되는 보조 버너로서, 연료 파이프(16)로부터 분사된 연료 가스(13)와 1차 공기 노즐(20)로부터 분사된 1차 공기(14)가 혼합 연소하여 화염이 형성되고 보염이 이루어지는 1차 연소실(21); 상기 1차 연소실(21)에서 형성된 화염이 화염 분출공(22)을 통해 분사되는 2차 연소통(25); 2차 연소에 필요한 과잉 공기를 상기 2차 연소통(25)으로 분사하되, 가스 터빈의 정지시에는 2차 공기(15)를 분사하고, 가스 터빈(5)의 기동시에는 노내 가스(28)를 분사하도록 구성된 2차 공기 노즐(24);을 포함하여 이루어지고, 상기 화염 분출공(22)은 상기 1차 연소실(21)과 상기 2차 연소통(25) 사이의 연통부위에 오목하게 형성되어 있다.
보다 바람직하게, 상기 2차 공기 노즐(24)로 과잉 공기를 공급하는 2차 공기실(23)은, 댐퍼(26)로 개폐 제어되는 노내 가스 유로(28a) 및 밸브(31)로 개폐 제어되는 2차 공기 유로(15a)에 연결되어, 가스 터빈의 기동 상태에 따라 각 유로로부터 노내 가스(28) 또는 2차 공기(15)를 선택적으로 공급받는다.
보다 바람직하게, 상기 1차 공기(14)는 연료 가스(13) 분류에 수직 방향으로 분사된다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 배기 재연 버너의 구조도이다.
본 실시예의 배기 재연 버너는 가스 터빈 복합화력 발전 설비의 배열 보일러에 보조 버너로서 설치된다.
연료 파이프(16)로부터 분사된 연료 가스(13)와 1차 공기 노즐(20)로부터 분사된 1차 공기(14)가 혼합 연소하여 화염이 형성되고 보염이 이루어지는 1차 연소실(21)과, 1차 연소실(21)에서 형성된 화염이 화염 분출공(22)을 통해 분사되는 2 차 연소통(25)이 구비된다.
또한, 2차 연소에 필요한 과잉 공기를 2차 연소통(25)으로 분사하는 2차 공기 노즐(24)이 구비된다.
2차 공기 노즐(24)은 가스 터빈의 정지시에는 2차 공기(15)를 분사하고, 가스 터빈(5)의 기동시에는 노내 가스(28)를 분사하게 된다.
이를 위하여, 2차 공기 노즐(24)로 과잉 공기를 공급하는 2차 공기실(23)은, 댐퍼(26)로 개폐 제어되는 노내 가스 유로(28a) 및 밸브(31)로 개폐 제어되는 2차 공기 유로(15a)에 연결되어, 가스 터빈의 기동 상태에 따라 각 유로로부터 노내 가스(28) 또는 2차 공기(15)를 선택적으로 공급받도록 구성된다.
한편, 1차 공기(14)는 연료 가스(13) 분류에 수직 방향으로 분사되도록 1차 공기 노즐(20)이 설치된다.
본 실시예에 의한 재기 배연 버너의 작용에 대하여 설명한다.
본 실시예의 재기 배연 버너는 선단에 선회익(17)과 보염기(18)가 부착된 연료 파이프(16), 1차 연소실(21), 화염분출공(22) 그리고 2차 연소통(25)을 주요 구성 요소로 한다.
저 발열량의 연료 가스(13)는 1차 연소실(21)에 설치된 1차 공기 노즐(20)로부터 연료 가스(13) 분류와 수직으로 분사되는 1차 공기(14)와 혼합되어 화염을 형성한다.
화염은 선회익(17)과 보염기(18)에 의하여 1차 연소실(21) 내부에서 안정적으로 형성된 후 화염 분출공(22)을 통하여 분사된다.
저 발열량을 갖는 연료 가스(13)의 경우, 화염 형성을 위한 혼합 범위가 좁고 화염 유지가 곤란하기 때문에, 본 실시예에서는 화염 형성과 유지 기능을 확보하기 위하여 1차 연소실(21)을 두어 외란에 의한 영향을 최소화 하고, 1차 공기(14)가 연료 분류에 대하여 수직으로 분사되도록 하여 혼합이 촉진될 수 있도록 한다.
1차 공기량은 이론 공기량의 대략 0.5~1.0 범위로 조절되는 것이 바람직하며, 연소에 필요한 잔여 이론 공기량 또는 과잉 공기량에 해당하는 과잉 공기는 2차 공기 노즐(24)을 통하여 분사된다.
1차 연소실(21) 내에서 화염이 형성되면 연소 가스의 부피는 팽창되므로, 충분한 분사 속도를 유지하면서 화염 분출공(22)을 통하여 화염이 분사되도록, 화염 분출공(22)은 1차 연소실(21)과 2차 연소통(25) 사이의 연통부위에 오목하게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
일반적으로 배열 보일러(9)의 입구 배가스는 그 온도가 대략 600℃ 정도가 되므로, 연소 가스의 온도를 가스 터빈 배가스(7)와 비슷한 수준으로 유지하기 위해서는 다량의 과잉 공기가 요구되는 데 이는 2차 공기 노즐(24)을 통하여 분사된다.
이와 같이 구성되면, 1차 연소실(21)에서는 외기에 의한 영향을 받지 않고 안정적인 화염의 확보가 가능하며, 2차 연소통(25)에서 연소 완료 및 연소 배가스 온도의 적절한 조절이 가능하여, 가스 터빈의 정지시에도 증기 터빈(8)의 연속 가동을 위한 버너로 이용될 수 있게 된다.
가스 터빈(5)의 기동시 출력 증대를 위한 보조 연소 장치로 이용할 경우에는 연소에 필요한 산소가 가스 터빈 배가스인 노내 가스(28)에 의하여 공급되어야 하 므로, 별도 송풍기(도면 미도시)로부터 공급되는 2차 공기(15)는 밸브(31)를 이용하여 차단하고 노내 가스(28)가 2차 공기실(23)에 공급될 수 있도록 댐퍼(26)를 개방한다.
이와 같이 하면, 화염 분출공(22)으로부터 분사되는 화염의 운동량에 의하여 2차 공기실(23)에 있는 노내 가스(28)가 2차 공기 노즐(24)을 통하여 화염에 흡인되어 혼합 과정을 거친 후 연소가 완료된다. 이때의 노내 가스(28)는 산소를 13~15% 함유하며 온도가 600℃ 정도인 상태이다.
한편, 가스 터빈(5)의 정지시에는 상기 밸브(31)와 댐퍼(26)의 개폐를 반대로 하여 연소가 이뤄지게 된다.
이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 기동과 정지가 반복되는 운전 조건 하에서 가스 터빈의 정지 시에도 배열 보일러와 증기 터빈이 최소 부하로 연속 운전되도록 하므로, 가스 터빈의 재기동시 냉각된 배열 보일러의 승온을 위한 시간 및 연료의 과다 소모를 방지하며, 기계적인 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 구조상 연료와 공기의 혼합이 원활하게 이뤄지므로, 제철 부생가스와 같이 연소성이 나쁜 저 발열량 가스에 대해서도 적용이 가능한 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 가스 터빈 복합화력 발전 설비의 배열 보일러에 구비되는 보조 버너로서,
    연료 파이프(16)로부터 분사된 연료 가스(13)와 1차 공기 노즐(20)로부터 분사된 1차 공기(14)가 혼합 연소하여 화염이 형성되고 보염이 이루어지는 1차 연소실(21);
    상기 1차 연소실(21)에서 형성된 화염이 화염 분출공(22)을 통해 분사되는 2차 연소통(25);
    2차 연소에 필요한 과잉 공기를 상기 2차 연소통(25)으로 분사하되, 가스 터빈의 정지시에는 2차 공기(15)를 분사하고, 가스 터빈(5)의 기동시에는 노내 가스(28)를 분사하도록 구성된 2차 공기 노즐(24);을 포함하여 이루어지고,
    상기 1차 공기(14)는 연료 가스(13) 분류에 수직 방향으로 분사되며,
    상기 화염 분출공(22)은 상기 1차 연소실(21)과 상기 2차 연소통(25) 사이의 연통부위에 오목하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 재연 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차 공기 노즐(24)로 과잉 공기를 공급하는 2차 공기실(23)은, 댐퍼(26)로 개폐 제어되는 노내 가스 유로(28a) 및 밸브(31)로 개폐 제어되는 2차 공기 유로(15a)에 연결되어, 가스 터빈의 기동 상태에 따라 각 유로로부터 노내 가스(28) 또는 2차 공기(15)를 선택적으로 공급받는 것을 특징으로 하는 배기 재연 버너.
  3. 삭제
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