KR101156167B1 - 가스터빈에 사용되는 화염 감지 센서 및 그 센서를 이용한 화염 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈에 사용되는 화염 감지 센서 및 그 센서를 이용한 화염 감지 시스템에 관한 것으로서, 상기 화염 감지 센서는, 가스터빈 연소실 내의 화염을 감지하는 센서에 있어서, 상기 연소실에 장착되는 파이프형 본체; 상기 본체의 일단부에 장착되며, 상기 화염이 발하는 빛을 감지하여 전류를 생성시키는 광다이오드; 상기 광다이오드를 상기 화염으로부터 보호할 수 있도록 상기 본체의 타단부에 장착되는 석영유리 재질의 방호 유리;를 구비하는 특징을 갖는다.
본 발명에 따르면, 가스터빈 연소실 내의 화염이 발하는 빛을 감지하여 전류를 생성시키는 광다이오드를 구비함으로써, 가스터빈 연소실 내의 화염 존재 여부 뿐만 아니라 그 화염의 상태를 정량적으로 측정하여 연소 불안정 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 화염 감지 센서를 제공할 수 있으며, 상기 화염 감지 센서가 복수 개의 연소실 각각에 장착됨으로써, 상기 연소실 각각에 대하여 개별적으로 화염의 존재 여부 및 안정 여부를 감지할 수 있는 화염 감지 시스템을 제공할 수 있다.

Description

가스터빈에 사용되는 화염 감지 센서 및 그 센서를 이용한 화염 감지 시스템 {flame sensor for gas turbine and flame sensing system using the sensor.}

본 발명은 가스터빈에 사용되는 화염 감지 센서에 관한 것으로서, 특히 가스터빈 연소실 내의 화염 존재 여부 뿐만 아니라 그 화염의 상태를 정량적으로 측정하여 연소 불안정 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 화염 감지 센서에 관한 것이다.

발전소 등에서 발전기를 회전시키기 위한 동력원의 하나로서 가스터빈(gas turbine)이 많이 사용되고 있는데, 이러한 가스터빈은, 연소실에서 연료가 연소될 때 발생되는 고온ㆍ고압의 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시킴으로써, 발전기의 회전에 필요한 회전력을 발생시키는 회전형 열기관이다.

그런데 이러한 발전용 가스터빈은, 발전의 특성상 가동의 중단 없이 지속적이며 안정적인 가동이 보장되어야 하므로, 일반적으로 복수 개의 연소실을 구비하며, 가스터빈의 연소실 내에서 연료가 연소될 때 발생하는 화염이 안정적으로 유지되는 지를 감시하는 화염 감지 시스템을 구비한다.

도 1에는 종래부터 사용되던 발전용 가스터빈의 화염 감지 시스템(1)의 일례가 도시되어 있는데, 설명의 편의상 이하에서는 14개의 연소실(2)을 구비한 가스터빈(3)에 상기 화염 감지 시스템(1)이 설치된 상태를 전제로 하여 설명하기로 한다. 이 화염 감지 시스템(1)은, 4개가 마련되어 상기 14개의 연소실(2)들 중 일부인 4개의 연소실(2)에 각각 장착되어 그 연소실(2) 내의 화염에서 발생되는 자외선(ultraviolet rays)을 감지하는 UV 감지 센서(4)와, 상기 UV 감지 센서(4)로부터 발생된 신호를 받아서 처리하는 컴퓨터(5)를 구비한다.

상기 화염 감지 시스템(1)에 사용되는 UV 감지 센서(4)는, 연소시에 발생되는 특정 파장대의 자외선을 감지함으로써 화염의 존재 여부를 감지하는 센서로서, 일반적으로 260 nm 내지 520 nm의 파장을 갖는 자외선만을 감지한다. 따라서, 상기 UV 감지 센서(4)는 감지할 수 있는 파장의 대역이 제한적이므로 감지되는 신호의 감도가 저하될 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 상기 UV 감지 센서(4)는, 화염을 감지하는 반응 속도가 다른 센서에 비하여 느린 편이므로, 낮은 신호 감도와 느린 반응 속도로 인하여 연소실(2) 내에 화염이 존재하는지 부존재하는지만을 확인할 수 있을 뿐, 연소실(2) 내의 화염이 안정 상태인지 불안정 상태인지를 정량적으로 측정할 수 없다는 문제점이 있다.

아울러, 상기 UV 감지 센서(4)는, 다른 센서에 비하여 상당한 고가이므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 14개의 연소실(2)들 각각에 설치되지 않고 일부의 연소실(2)에만 설치되는 게 보통이다. 따라서, 상기 UV 감지 센서(4)가 장착된 4개의 연소실(2) 각각에 대해서는 화염의 존재 부존재를 확인할 수 있으나, 나머지 10개의 연소실(2)에 대해서는 화염의 존재 부존재를 확인할 수 없다는 문제점이 있다.

상술한 UV 감지 센서(4)의 단점을 보완하기 위하여, 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 구역별로 측정할 수 있는 다수개의 온도감지센서(미도시)들을 추가로 장착함으로써, 14개의 연소실(2) 중에 어느 연소실에서 화염이 꺼졌는지를 역산하는 방법이 사용되기도 하였다. 그러나 이 방법 역시 화염이 꺼진 연소실(2)을 정확히 찾아내는 것이 쉽지 않으므로, 화염이 꺼진 연소실(2) 뿐만 아니라 화염이 살아 있는 연소실(2)까지도 분해하여 정비할 수 밖에 없어 정비의 효율성이 저하된다는 문제점은 여전히 남게된다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 가스터빈 연소실 내의 화염 존재 여부 뿐만 아니라 그 화염의 상태를 정량적으로 측정하여 연소 불안정 상태를 실시간으로 측정할 수 있도록 구조가 개선된 화염 감지 센서를 제공하기 위함이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 화염 감지 센서를 이용한 화염 감지 시스템을 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화염 감지 센서는, 가스터빈 연소실 내의 화염을 감지하는 센서에 있어서, 상기 연소실에 장착되는 파이프형 본체; 상기 본체의 일단부에 장착되며, 상기 화염이 발하는 빛을 감지하여 전류를 생성시키는 광다이오드; 상기 광다이오드를 상기 화염으로부터 보호할 수 있도록 상기 본체의 타단부에 장착되는 석영유리 재질의 방호 유리;를 구비하는 특징을 갖는다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 화염 감지 시스템은, 복수 개의 연소실을 가지는 가스터빈에 사용되며, 상기 화염 감지 센서가 상기 연소실 각각에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 가스터빈 연소실 내의 화염이 발하는 빛을 감지하여 전류를 생성시키는 광다이오드를 구비함으로써, 가스터빈 연소실 내의 화염 존재 여부 뿐만 아니라 그 화염의 상태를 정량적으로 측정하여 연소 불안정 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 발전용 가스터빈 화염 감지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 화염 감지 센서의 분해도이다.
도 3은 도 2에 도시된 화염 감지 센서의 결합도이다.
도 4는 도 3에 도시된 화염 감지 센서의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예인 가스터빈용 화염 감지 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 가스터빈의 연소실에 화염 감지 센서가 장착된 상태를 나타내는 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예인 화염 감지 센서의 분해도이며, 도 3은 도 2에 도시된 화염 감지 센서의 결합도이다. 도 4는 도 3에 도시된 화염 감지 센서의 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 일 실시예인 가스터빈용 화염 감지 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화염 감지 센서(10)는, 가스터빈(3)의 연소실(2) 내의 화염을 감지하는 센서로서, 광다이오드(11)와, 방호 유리(12)와, 본체(13)와, 코일(14), 개스킷(15)을 포함하여 구성된다.

상기 광다이오드(11)는, 상기 연소실(2)내의 화염이 발하는 빛을 감지하여 전류를 생성시키는 반도체 소자로서, 빛에너지를 전기에너지로 변환 시키는 역할을 하는데, 빛이 상기 광다이오드(11)에 닿으면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 생성되고, 그 전류의 전압 세기는 그 빛의 강도에 비례하여 나타나는 광기전력 효과를 이용하는 소자이다. 따라서, 상기 광다이오드(11)는 주로 CD 플레이어나 화재경보기, 텔레비전의 리모컨 수신부와 같은 전자제품에 사용되며, 빛의 세기를 정확하게 측정하기 위하여 활용되기도 한다.

상기 광다이오드(11)는, 유사한 기능의 소자에 비하여 응답속도가 빠르고, 감도 파장대역이 넓으며, 광전류의 선형성이 양호하다는 장점이 있으며, 검출 대역이 350nm 내지 1050nm로 가시광선 영역의 거의 모든 영역을 검출 할 수 있다는 장점이 있다.

상기 방호 유리(12)는, 상기 광다이오드(11)를 상기 연소실(2) 내의 화염으로부터 보호하기 위한 유리로서, 석영유리(Quartz glass)의 재질을 가진다. 상기 석영유리는 다른 성분을 함유하지 않고 거의 규산무수물로 이루어진 유리를 말하는데, 기계적 강도 및 내열성이 우수하며, 빛이 통과하는 경우에 광학 데이터의 왜곡이 거의 없다는 특징이 있다.

상기 본체(13)는, 상기 광다이오드(11)와 상기 방호 유리(12)를 감싸는 하우징으로서 스테인리스 스틸로 제조되며, 상기 연소실(2)에 장착된다. 본 실시예에서 상기 본체(13)는, 내부에 관통공(134)을 가지는 파이프형으로 마련되며, 제1부재(131)와, 제2부재(132)와, 제3부재(133)를 포함하여 구성된다.

상기 제1부재(131)는, 내부에 관통공(134)을 가지는 파이프형 부재로서, 일단이 상기 연소실(2)에 결합되는데, 상기 일단에는 상기 연소실(2)에 결합될 수 있도록 암나사부가 형성되어 있으며, 타단에는 수나사부가 형성되어 있다.

상기 제2부재(132)는, 내부에 관통공(134)을 가지는 파이프형 부재로서, 일단에는 상기 제1부재(131)의 수나사부에 결합될 수 있도록 암나사부가 형성되어 있으며, 타단에는 수나사부가 형성되어 있다.

상기 제1부재(131)와 제2부재(132)의 사이에는 상기 방호 유리(12)가 배치됨으로써, 상기 제1부재(131)의 관통공(134)과 상기 제2부재(132)의 관통공(134)을 공간적으로 나누게 된다.

상기 제3부재(133)는, 내부에 관통공(134)을 가지는 너트형 부재로서, 일단에는 상기 제2부재(132)의 수나사부에 결합될 수 있도록 암나사부가 형성되어 있다.

상기 제2부재(132)와 상기 제3부재(133)의 사이에는 상기 광다이오드(11)가 배치되는데, 상기 제2부재(132)의 타단 및 상기 제3부재(133) 타단은 상기 광다이오드(11)가 안정적으로 장착될 수 있도록 형성되어 있다.

상기 코일(14)은, 나선형의 파이프 부재로서, 상기 본체(13)의 냉각을 위하여 상기 제1부재(131)의 외주면에 감겨져 있다. 냉각수가 상기 코일(14)의 내부를 유동함으로써 상기 본체(13)의 냉각이 이루어진다.

상기 개스킷(15)은, 스테인리스 스틸로 제조되는 원판형의 개스킷(gasket)으로서 한쌍이 마련되며, 상기 방호 유리(12)의 양면에 각각 배치된다. 이 개스킷(15)에는, 상기 연소실(2) 내의 화염이 발하는 빛이 상기 광다이오드(11)에 도달할 수 있도록 다수 개의 구멍이 천공되어 있다.

상술한 화염 감지 센서(10)는, 종래의 UV 감지 센서(4)와는 달리, 응답속도가 빠르고 감도 파장대역이 넓은 광다이오드(11)를 사용하고 있으므로, 연소실(2) 내의 화염 존재 여부를 실시간으로 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 연소실(2) 내의 화염이 진동하는 주기나 진폭을 파악하여 실시간으로 그 화염이 안정한 상태인지 불안정한 상태인지를 정량적으로 측정할 수 있다는 장점이 있으며, 가격이 저렴한 광다이오드(11)를 사용하고 있으므로 적은 비용으로도 모든 연소실(2) 각각에 설치될 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 화염 감지 센서(10)는, 기계적 강도 및 내열성이 우수하며, 빛이 통과하는 경우에 광학 데이터의 왜곡이 거의 없는 석영유리(Quartz glass) 재질의 방호 유리(12)를 구비하고 있으므로, 광투과율이 우수하여 연소실(2) 내의 화염으로부터 발생되는 빛이 상기 광다이오드(11)에 도달하는 비율이 우수하며, 상기 연소실(2)에서 발생되는 열기나 압력으로부터 상기 광다이오드(11)를 보호할 수 있다는 장점이 있다.

그리고, 상기 화염 감지 센서(10)는, 다수 개의 구멍이 천공되어 있는 원판형 스테인리스 스틸 재질의 개스킷(15)이 상기 방호 유리(12)의 양면에 각각 배치되어 있으므로, 상기 방호 유리(12)가 상기 관통공(134) 내주면에 기밀 가능한 상태로 결합될 수 있으며, 연소실(2) 내의 화염에서 발생된 빛이 상기 다수 개의 구멍을 통하여 상기 광다이오드(11)에 도달할 수 있으며, 상기 방호 유리(12)를 보강하는 효과도 있어서 상기 연소실(2)에서 발생되는 열기나 압력에 의하여 상기 방호 유리(12)가 쉽게 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 설사 상기 방호 유리(12)가 파손되는 경우에도 그 파편이 상기 광다이오드(11)와 같은 다른 부품을 손상시키지 않도록 막아줄 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 화염 감지 센서(10)는, 상기 본체(13)의 외주면에 냉각을 위한 코일(14)이 감겨져 있으므로, 냉각수가 상기 코일(14)의 내부를 유동함으로써 상기 본체(13)의 냉각이 이루어져, 연소실(2)의 화염에서 발생되는 열기에 의하여 과열되지 않는다는 장점이 있다.

이하에서는, 상술한 화염 감지 시스템(100)를 사용한 화염 감지 시스템(100)의 일례에 대하여 설명하기로 한다.

상기 화염 감지 시스템(100)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 연소실(2)을 가지는 가스터빈(3)에 사용되는 화염 감지 시스템으로서, 화염 감지 센서(10)와, 증폭기(20)와, 데이터 수집 기판(30)과, 컴퓨터(40)를 구비한다. 본 실시예에서는 상기 가스터빈(3)이 14개의 연소실(2)을 가진다.

상기 화염 감지 센서(10)는, 위에서 이미 상세히 설명한 센서로서, 14개가 마련되어 상기 연소실(2) 각각에 하나씩 장착되는데, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1부재(131)의 일단에 형성된 암나사부가 상기 연소실(2)에 마련되어 있는 수나사부와 결합됨으로써 장착된다.

상기 증폭기(20)는, 전압을 증폭시키는 장치로서, 상기 14 개의 화염 감지 센서(10)와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 각 화염 감지 센서(10)로부터 발생되는 전류의 전압을 상기 데이터 수집 기판(30)에서 읽어 들일 수 있는 값으로 증폭시킨다. 이 증폭기(20)는, 2개의 OP-Amp가 내장된 아날로그 IC를 사용하며, 총 7개의 IC를 하나의 증폭기로 구성하여 14개 채널의 입력 값을 한번에 증폭시킬 수 있도록 구성되어 있으며, 50㏀, 0.1㏀ 두 저항을 사용하여 두 저항의 비인 약 500배로 전압의 증폭이 가능하도록 설계되어 있다.

상기 데이터 수집 기판(30)은, 상기 증폭기(20)와 연결되어 있는 장치로서, 상기 증폭기(20)에 의하여 증폭된 전류를 수집하여 상기 컴퓨터(40)에 의한 처리가 가능한 신호로 변환하는 장치이다.

상기 컴퓨터(40)은, 상기 데이터 수집 기판(30)과 연결되어 있는 장치로서, 상기 데이터 수집 기판(30)으로부터 변환된 신호를 처리하여 각종 계산을 수행하고, 그 결과를 그래픽으로 나타내는 장치이다. 상기 컴퓨터(40)는, 상기 데이터 수집 기판(30)에 의하여 변환된 신호를 계산하여 연소실(2) 내의 화염 유무나 화염 안정 여부를 판단하고 그 결과를 표시하게 된다.

상술한 화염 감지 시스템(100)은, 상기 화염 감지 센서(10)가 상기 연소실(2) 각각에 하나씩 장착되므로, 상기 14개의 연소실(2)들 중 일부의 연소실(2)에만 센서가 설치되는 종래의 화염 감지 시스템(1)과는 달리, 14개의 연소실(2) 모두에 대하여 개별적으로 화염의 존재 여부 및 안정 여부를 감지할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 화염이 살아 있는 연소실(2)까지도 분해하여 정비할 수 밖에 없는 종래의 경우와는 달리, 특정한 연소실(2)에서 화염이 소멸한 것이 확인된 경우에는 그 연소실(2)만을 수리하거나 정비하면 충분하므로, 가스터빈(3) 정비의 효율성이 개선된다는 장점이 있다.

그리고, 상기 화염 감지 시스템(100)은, 상기 증폭기(20)와 데이터 수집 기판(30)을 구비하고 있으므로, 상기 화염 감지 센서(10)로부터 발생되는 신호를 용이하게 증폭하여 컴퓨터(40)가 처리할 수 있는 신호로 변환할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 상기 화염 감지 시스템(100)은, 각종 계산을 수행하고 그 결과를 그래픽으로 나타내는 컴퓨터(40)를 구비하고 있으므로, 각 연소실(2) 내의 화염 유무나 화염 안정 여부를 실시간으로 판단하고 그 결과를 표시함으로써, 작업자가 신속하게 연소실(2)의 화염 상태를 파악하고 대처할 수 있다는 장점이 있다.

본 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 화염 감지 센서(10)가 연소실(2)에 바로 결합되어 있으나, 동압센서 등의 장착을 위하여 사용되어 오던 포트(미도시)를 상기 연소실(2)에 장착한 후, 그 포트(미도시)에 상기 화염 감지 센서(10)를 결합할 수도 있음은 물론이다.

본 실시예에서는, 상기 화염 감지 센서(10)가, 연소실(2)에 바로 결합되어 있으나, 연소시에 발생되는 연소실(2)의 진동을 감쇠시키기 위한 별도의 진동감쇠장치를 이용하여 상기 연소실(2)에 결합될 수 있음은 물론이다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 화염 감지 시스템 10 : 화염 감지 센서
11 : 광다이오드 12 : 방호 유리
13 : 본체 134 : 관통공
14 : 코일 15 : 개스킷
20 : 증폭기 30 : 데이터 수집 기판
40 : 컴퓨터 2 : 연소실
3 : 가스터빈 4 : UV 감지 센서
5: 컴퓨터

Claims (6)

1. 가스터빈 연소실 내의 화염을 감지하는 센서에 있어서,
   상기 화염이 발하는 빛 중 가시광선 영역을 포함하는 350nm 내지 1050nm 파장의 빛을 감지하여 전류를 생성시키는 광다이오드;
   상기 광다이오드를 상기 화염으로부터 보호하는 석영유리 재질의 방호 유리;
   상기 연소실에 장착되며, 상기 광다이오드와 상기 방호 유리를 감싸는 본체;
   를 구비하며,
   상기 본체는 내부에 관통공을 가지는 파이프형 부재이며, 상기 관통공에는 상기 광다이오드 및 상기 방호 유리가 장착되어 있으며,
   상기 방호 유리의 양면에 배치되며, 다수 개의 구멍이 천공되어 있는 개스킷을 구비하며,
   상기 본체의 외주면에는, 냉각을 위한 코일이 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 화염 감지 센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 복수 개의 연소실을 가지는 가스터빈에 사용되는 화염 감지 시스템에 있어서,
   제 1항에 기재된 화염 감지 센서가 상기 연소실 각각에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 화염 감지 시스템
6. 제 5항에 있어서,
   상기 복수 개의 화염 감지 센서로부터 발생되는 전류의 전압을 증폭시키는 증폭기;
   상기 증폭기에 의하여 증폭된 전류를 수집하여 컴퓨터에 의한 처리가 가능한 신호로 변환하는 데이터 수집 기판;
   상기 데이터 수집 기판으로부터 변환된 신호를 처리하는 컴퓨터;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 화염 감지 시스템

Images