KR101143728B1 - 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 - Google Patents

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Abstract

이 발명은, 질소산화물의 배출 농도와 설정된 질소산화물 농도와의 편차를 계산하고, 설정값보다 높은 배출 농도 발생시 상대출력 신호를 보정하여 연료배분밸브의 개도 조정을 통해 가스터빈 운전중 연소과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)의 농도를 자동으로 저감시키며, 자동 보정진행중에는 적분동작 로직을 통해 밸브가 급격하게 동작하지 않도록 구성하여 운전중 화염상태가 급변하여 연소 불안정 발생 상황을 사전에 예방할 수 있으며, 연소상태의 이상을 사전에 감지하고 로직상 보정 중단조건도 추가함으로써 연소 안정성을 해치지 않는 범위 내에서만 동작되도록 하는, 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법에 관한 것으로서,
연소실 연료분사 차압신호를 읽어와서 차압이 일정치(2bar) 미만인지를 판단하는 단계와, 연소실 연료분사 차압신호로부터 차압이 일정치(2bar) 미만인 경우에 비상제어 동작신호가 로직 '1'인지를 판단하는 단계와, 비상제어 동작신호가 로직 '1'인 경우에 PLS 신호가 로직 '1'인지를 판단하는 단계와, 질소산화물의 농도값을 읽어들여서 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상인지를 판단하는 단계와, 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이 아닌 경우에 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상인지를 판단하는 단계와, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이고 비상제어 동작신호가 로직 '1'이고 PLS 신호가 로직 '1'이거나 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이거나 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm)이상인 경우에 보정값을 '0'으로 설정하는 단계 와, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상이 아닌 경우에 목표값과 현재값의 편차(목표값-현재값)를 연산하고 적분 연산 로직을 이용하여 보정값을 출력하는 단계와, 발전기 출력을 읽어들여서 보정값을 합산하는 단계와, 보정된 값에 따라 연료배분밸브 개도 기준값을 설정하고 연료배분밸브를 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다.
연료배분밸브, 연소실, 연료분사, 차압, 발전기

Description

가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법{Automatic control device for NOx concentration and method thereof}
이 발명은 가스터빈 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 질소산화물의 배출 농도와 설정된 질소산화물 농도와의 편차를 계산하고, 설정값보다 높은 배출 농도 발생시 상대출력 신호를 보정하여 연료배분밸브의 개도 조정을 통해 가스터빈 운전중 연소과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)의 농도를 자동으로 저감시키며, 자동 보정진행중에는 적분동작 로직을 통해 밸브가 급격하게 동작하지 않도록 구성하여 운전중 화염상태가 급변하여 연소 불안정 발생 상황을 사전에 예방할 수 있으며, 연소상태의 이상을 사전에 감지하고 로직상 보정 중단조건도 추가함으로써 연소 안정성을 해치지 않는 범위 내에서만 동작되도록 하는, 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
가스터빈 발전 시스템은 크게 압축기, 연소실, 가스터빈, 발전기로 구성되어 있고, 이 중 압축기, 가스터빈, 발전기는 동일 축에 연결되어 운전중 같은 속도로 회전하게 된다.
발전을 하기 위해서 상기한 가스터빈을 운전하게 되면 가스터빈의 외부로부 터 다량의 공기가 가스터빈 내의 연소실로 유입되어 연료인 천연가스와 함께 고온으로 연소 되는데, 이 과정에서 공기중의 질소와 산소가 고온에서 반응하여 질소산화물이 생성된다.
이와 같이 생성되는 질소산화물은 대기중으로 배출되면서 대기환경을 오염시키게 되므로, 우리나라에서는 질소산화물 농도를 법으로 정하여 규제하여 오고 있다.
2007년 7월 1일 이전까지의 질소산화물 농도 규제하에서는, 기동후 3시간 유예 조항과 다소 여유있는 데이터 사용에 따라 현재의 기술로서 대응이 가능하였으며, 운전환경 변화에 의해 질소산화물 농도 상승시에도 운전컨셉 수동 조정과 출력 감발 등의 조치를 통해 규제치 준수가 가능하였다.
그러나, 2007년 7월 1일부터 시행된 질소산화물 농도 및 총량 규제하에서는 기동후 유예기준 조항 등이 삭제됨으로써 더욱 강화된 질소산화물의 농도 및 총량 저감의 필요성이 대두되었다.
이와 같은 질소산화물의 생성을 억제하기 위한 기술의 하나로서, 종래에는 희박예혼합 연소방식(Lean Premixed Combustion)의 건식 저질소 산화물 가스터빈 연소기가 종종 사용된다.
그러나, 상기한 종래의 희박예혼합 연소방식의 건식 저질소 산화물 가스터빈은 기구적으로만 제어를 하기 때문에 대기온도, 대기습도, 압축기의 성능, 연소실 상태, 연료버너 상태 등 많은 요소에 의해 좌우되는 가스터빈 연소기의 환경에 제대로 대응을 하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 질소산화물의 배출 농도와 설정된 질소산화물 농도와의 편차를 계산하고, 설정값보다 높은 배출 농도 발생시 상대출력 신호를 보정하여 연료배분밸브의 개도 조정을 통해 가스터빈 운전중 연소과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)의 농도를 자동으로 저감시키는, 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
이 발명의 다른 목적은, 자동 보정진행중에는 적분동작 로직을 통해 밸브가 급격하게 동작하지 않도록 구성하여 운전중 화염상태가 급변하여 연소 불안정 발생 상황을 사전에 예방할 수 있는, 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
이 발명의 또다른 목적은, 연소상태의 이상을 사전에 감지하고 로직상 보정 중단조건도 추가함으로써 연소 안정성을 해치지 않는 범위 내에서만 동작되도록 하는, 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 장치의 구성은, 연소실 연료분사 차압신호와 비상제어 동작신호와 PLS 신호와 질소산화물의 농도값과 발전기 출력을 감지하기 위한 센서부와, 상기 센서부로부터 입력되는 신호를 이용하여, 연소실 연료분사 차압신호를 읽어와서 차압이 일정치(2bar) 미만인지를 판단하고, 비상제어 동작신호가 로직 '1'인지를 판단하고, PLS 신호가 로직 '1'인지를 판단하고, 질소산화물의 농도값을 읽어들여서 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상인지를 판단하고, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상인지를 판단하고, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이고 비상제어 동작신호가 로직 '1'이고 PLS 신호가 로직 '1'이거나 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이거나 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm)이상인 경우에 보정값을 '0'으로 설정하고, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상이 아닌 경우에 목표값-현재값을 연산하여 목표값-현재값에 따라 적분 연산값을 출력하고, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이 아닌 경우에 상기한 적분 연산 출력값을 합산하고, 상기 보정값이 '0'으로 설정되거나 적분 연산 출력값이 합산되거나 발전기 출력을 읽어들인 경우에 연료배분밸브 개도 기준값을 설정하여 연료배분밸브를 제어하는 제어부와, 상기한 제어부에 의해 제어되는 연료배분밸브부를 포함하여 이루어진다.
이 발명의 장치의 구성은, 상기한 제어부는, 보정값을 기존의 연료배분밸브개도 기준값에 더해주어 연료배분밸브를 더 열어주도록 함으로써 공기량대비 연료의 회박연소를 유도하여 질소산화물이 저감되도록 제어하면 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 방법의 구성은, 연소실 연료분사 차압신호와 비상제어 동작신호와 PLS 신호와 질소산화물의 농도값과 발전기 출력을 감지하기 위한 센서부와, 상기한 센서부에 연결되어 있는 제어부와, 상기한 제어부에 연결되어 있는 연료배분밸브부를 포함하여 이루어지는 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치에 있어서, 센서부로부터 연소실 연료분사 차압신호를 읽어와서 차압이 일정치(2bar) 미만인지를 판단하는 단계와, 상기 연소실 연료분사 차압신호로부터 차압이 일정치(2bar) 미만인 경우에 센서부로부터 비상제어 동작신호가 로직 '1'인지를 판단하는 단계와, 비상제어 동작신호가 로직 '1'인 경우에 센서부로부터 PLS 신호가 로직 '1'인지를 판단하는 단계와, 센서부로부터 질소산화물의 농도값을 읽어들여서 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상인지를 판단하는 단계와, 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이 아닌 경우에 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상인지를 판단하는 단계와, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이고 비상제어 동작신호가 로직 '1'이고 PLS 신호가 로직 '1'이거나 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이거나 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm)이상인 경우에 보정값을 '0'으로 설정하는 단계와, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상이 아닌 경우에 목표값과 현재값의 편차(목표값-현재값)를 연산하고 적분 연산 로직을 이용하여 보정값을 출력하는 단계와, 센서부로부터 발전기 출력을 읽어들여서 보정값을 합산하는 단계와, 보정된 값에 따라 연료배분밸브 개도 기준값을 설정하고 연료배분밸브를 제어하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이 발명의 방법의 구성은, 상기한 보정값 합산 단계는, 보정값을 기존의 연료배분밸브개도 기준값에 더해주어 연료배분밸브를 더 열어주도록 함으로써 공기량대비 연료의 회박연소를 유도하여 질소산화물이 저감되도록 하면 바람직하다.
이 발명은, 질소산화물의 배출 농도와 설정된 질소산화물 농도와의 편차를 계산하고, 설정값보다 높은 배출 농도 발생시 상대출력 신호를 보정하여 연료배분밸브의 개도 조정을 통해 가스터빈 운전중 연소과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)의 농도를 자동으로 저감시키며, 자동 보정진행중에는 적분동작 로직을 통해 밸브가 급격하게 동작하지 않도록 구성하여 운전중 화염상태가 급변하여 연소 불안정 발생 상황을 사전에 예방할 수 있으며, 연소상태의 이상을 사전에 감지하고 로직상 보정 중단조건도 추가함으로써 연소 안정성을 해치지 않는 범위 내에서만 동작되도 록 하는, 효과를 갖는다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치의 블럭 구성도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치의 구성은, 연소실 연료분사 차압신호와 비상제어 동작신호와 PLS 신호와 질소산화물의 농도값과 발전기 출력을 감지하기 위한 센서부(10)와, 상기한 센서부(20)에 연결되어 있는 제어부(20)와, 상기한 제어부(20)에 연결되어 있는 연료배분밸브부(3)를 포함하여 이루어진다.
상기한 제어부(20)의 구성은, 질소산화물의 농도 설정치와 현재값을 입력받아 비교하는 비교연산부와, 이 편차에 따라 연료배분밸브 제어에 사용되는 상대출 력을 보정하는 적분제어기와, 질소산화물 농도 하락 추세와 연소불안정 상태를 사전에 감지하여 보정을 중단하는 보호기를 포함하여 이루어진다.
도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어방법의 동작 순서도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어방법은, 센서부로부터 연소실 연료분사 차압신호를 읽어오는 단계(S10)와, 상기 연소실 연료분사 차압신호로부터 차압이 일정치(2bar) 미만인지를 판단하는 단계(S20)와, 연소실 연료분사 차압신호로부터 차압이 일정치(2bar) 미만인 경우에 센서부로부터 비상제어 동작신호가 로직 '1'인지를 판단하는 단계(S30)와, 비상제어 동작신호가 로직 '1'인 경우에 센서부로부터 PLS 신호가 로직 '1'인지를 판단하는 하는 단계(S40)와, 센서부로부터 질소산화물의 농도값을 읽어들이는 단계(S50)와, 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상인지를 판단하는 단계(S60)와, 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이 아닌 경우에 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상인지를 판단하는 단계(S70)와, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이고 비상제어 동작신호가 로직 '1'이고 PLS 신호가 로직 '1'이거나 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이거나 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm)이상인 경우에 보정값을 '0'으로 설정하는 단계(S120)와, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상이 아닌 경우에 목표값과 현재값의 편차(목표값-현재값)를 연산하는 단계(S80)와, 목표값-현재값에 따라 적분 연산 로직을 이용하여 보정값을 출력하는 단계(S90)와, 센서부로부터 발전기 출력을 읽어들이는 단계(S150)와, 발전기 출력값에 보정값을 합산하는 단계(S140)와, 보정된 값에 따라 연료배분밸브 개도 기준값을 설정하는 단계(S160)와, 상기한 연료배분밸브 개도 기준값에 따라 연료배분밸브를 제어하는 단계(S170)를 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치 및 방법의 작용은 다음과 같다.
가스터빈의 연소실내의 압력을 적절히 조절히여 질소산화물을 저감시키기 위해서는 가스터빈의 연소실로 유입된 공기와 연료인 천연가스의 압력을 적절히 조절해주어야 하는데, 압축기가 정해진 속도로 회전함으로써 가스터빈의 외부로부터 유입되는 공기량은 인위적인 조정이 불가능하므로 연료인 천연가스의 유입량을 인위적으로 조정해주어야만 한다. 즉, 인위적인 공기량 조절이 불가능하기 때문에 최적의 연소를 통한 질소산화물 생성을 억제하기 위해서는 외부 환경에 의해 변화되는 공기량에 맞춰 연소실로 공급되는 연료인 천연가스를 적절히 분배하고 압력을 조정하는 과정이 필요하다.
천연가스의 압력은 날씨(습분, 대기압), 압축기 성능, 연소실 상태 등에 따라 변하게 되는데, 질소산화물의 저감을 위해서는 화염이 최대한 짧고 넓게 형성될 수 있도록 연료배분밸브의 개도를 조절하는 것이 가장 중요하다.
먼저 제어부(20)는 센서부(10)로부터 연소실 연료분사 차압신호를 읽어와서 (S10), 연소실 연료분사 차압신호로부터 차압이 일정치(2bar) 미만인지를 판단한다 (S20).
연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만인 경우에, 제어부(20)는 센서 부(10)로부터 입력되는 신호를 이용하여 비상제어 동작신호가 로직 '1'인지를 판단한다(S30).
비상제어 동작신호가 로직 '1'인 경우에 제어부(20)는 센서부(10)로부터 PLS 신호가 로직 '1'인지를 판단한다(S40).
그리고, 제어부(20)는 센서부(10)로부터 질소산화물의 농도값을 읽어들여서 (S50), 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상인지를 판단한다(S60).
질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이 아닌 경우에 제어부(20)는 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상인지를 판단한다(S70).
위의 과정에서, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이고 비상제어 동작신호가 로직 '1'이고 PLS 신호가 로직 '1'이거나, 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이거나, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm)이상인 경우에, 제어부(20)는 보정값을 '0'으로 설정한다(S120).
만약 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상이 아닌 경우에, 제어부(20)는 목표값과 현재값의 편차(목표값-현재값)를 연산하여(S80), 목표값과 현재값의 편차(목표값-현재값)에 따라 적분 연산을 이용하여 보정값을 출력한다(S90).
이와 함께, 제어부(20)는 센서부(10)로부터 발전기 출력을 읽어들인다(S150).
다음에, 제어부(20)는 발전기 출력값에 보정값을 합산한 뒤에(S140), 보정된 값에 따라 연료배분밸브 개도 기준값을 설정하여(S160), 상기한 연료배분밸브 개도 기준값에 따라 연료배분밸브를 제어한다(S70). 이 경우에 보정값을 기존의 연료배분밸브개도 기준값에 더해주어 연료배분밸브를 더 열어주도록 함으로써 공기량대비 연료의 회박연소를 유도하여 질소산화물이 저감되도록 한다.
도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치의 블럭 구성도이다.
도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장법의 동작 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 센서부 20 : 제어부
30 : 연료배분 밸브부

Claims (4)

  1. 연소실 연료분사 차압신호와 비상제어 동작신호와 PLS 신호와 질소산화물의 농도값과 발전기 출력을 감지하기 위한 센서부와,
    상기 센서부로부터 입력되는 신호를 이용하여, 연소실 연료분사 차압신호를 읽어와서 차압이 일정치(2bar) 미만인지를 판단하고, 센서부로부터 비상제어 동작신호가 로직 '1'인지를 판단하고, 센서부로부터 PLS 신호가 로직 '1'인지를 판단하고, 센서부로부터 질소산화물의 농도값을 읽어들여서 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상인지를 판단하고, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상인지를 판단하여, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이고 비상제어 동작신호가 로직 '1'이고 PLS 신호가 로직 '1'이거나 질소산화물의 농도값이 일정치(200ppm) 이상이거나 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm)이상인 경우에는 보정값을 '0'으로 설정하고, 질소산화물의 농도값의 하락추이가 1분당 일정치(10ppm) 이상이 아닌 경우에 목표값-현재값을 연산하여 목표값-현재값에 따라 적분 연산값을 출력하고, 연소실 연료분사 차압이 일정치(2bar) 미만이 아닌 경우에 상기한 적분 연산 출력값을 합산하고, 상기 보정값이 '0'으로 설정되거나 적분 연산 출력값이 합산되거나 발전기 출력을 읽어들인 경우에 발전기 출력과 보정값을 합산한 후 연료배분밸브 개도 기준값을 설정하여 연료배분밸브를 제어하는 제어부와,
    상기한 제어부에 의해 제어되는 연료배분밸브부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 제어부는, 보정값을 기존의 연료배분밸브개도 기준값에 더해주어 연료배분밸브를 더 열어주도록 함으로써 공기량대비 연료의 회박연소를 유도하여 질 소산화물이 저감되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 질소산화물 농도 자동 제어장치.
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