KR101457696B1

KR101457696B1 - 가스 터빈 내의 연소 제어 방법

Info

Publication number: KR101457696B1
Application number: KR1020080047721A
Authority: KR
Inventors: 안토니오 아스티
Original assignee: 누보 피그노네 에스피에이
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2014-11-03
Also published as: CA2630953A1; KR20080103446A; JP5290625B2; RU2465519C2; ITMI20071048A1; EP1995519A2; EP1995519B1; CN101311510A; CN101311510B; RU2008120462A; US20080294322A1; CA2630953C; EP1995519A3; US8868313B2; JP2008291842A

Abstract

가스 터빈 내의 연소를 제어하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은, 터빈의 연소 챔버(14)에 대응하여 위치된 하나 이상의 프로브(30)에 의하여 연소 챔버(14) 내부의 압력 진동의 진폭 및 동일한 압력 진동의 사이클 또는 지속 시간을 측정하는 단계와, 연소 챔버(14)를 형성하는 특정 재료에 대하여, 사전 설정된 연소 주파수에 대하여, 그리고 측정된 압력 진동의 진폭값 및 사이클값에 대하여 뵐러곡선을 구성함으로써, 연소 챔버(14)의 피로 조건 하에서의 거동을 평가하는 단계와, 터빈이 피로 조건 하에서 작동하는 동안 연소 챔버(14)에 대한 누적 손상(D)을 팜그렌-마이너 가설에 의해 측정하는 단계와, 측정된 누적 손상(D)의 값이 한도를 넘는 경우 터빈에 대한 보호 조치를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

가스 터빈 내의 연소 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING THE PRESSURE DYNAMICS AND FOR ESTIMATING THE LIFE CYCLE OF THE COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE}

본 발명은 프레셔 다이나믹스(pressure dynamics)를 제어하고 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 외부로부터 흡입된 공기가 그 내부에서 압축되는 다상 압축기와, 압축 공기에 첨가된 기체 연료의 연소가 그 내부에서 발생하는 연소 챔버와, 연소 챔버로부터 유입되는 기체들이 그 내부에서 팽창되는 터빈 또는 익스팬더(expander)로 구성되는 가스 터빈의 사용은 전기 에너지의 생산으로 공지되어 있다. 그리고, 터빈은 기계의 작동을 활성화시키거나 발전기에 급송하는데 이용될 수 있는 기계적 에너지를 발생시킬 수 있다.

가스 터빈의 연소 챔버의 프레셔 다이나믹스를 제어하기 위한 현재의 방법은, 특정 주기의 시간 동안에 특정한 레벨의 진폭을 갖는 응력이 확인된 후에 단지 특정 보호 조치가 행해지는 것으로 나타난다. 더욱이, 단지 제한된 개수의 임계 진폭이 참작되는데 반하여, 시간 주기는 경험에 근거한 추정을 기초로 설정된다.

얻어진 결과는, 연소 챔버, 결과적으로는 터빈을 보전하기 위한 조치는 특정 피로 임계치(fatigue thershold) 이상에서만 행해지는데 반하여, 터빈 자체의 구성 요소들의 피로 수명 사이클(fatigue life cycle)은 그 피로 임계치 이하에서도 종결될 수 있다는 것이다. 공지된 바와 같이, 피로는 기계적인 현상으로서, 이에 의해 규칙적으로 또는 비규칙적으로 시간에 따라 변화하는 하중을 받는 재료는, 비록 문제의 하중의 최대 강도가 재료 자체의 파괴 또는 정적 항복 강도보다 매우 낮은 경우에도 파괴된다.

그러므로 본 발명의 목적은 프레셔 다이나믹스를 제어하기 위한 방법 및 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법을 제공하는 것으로서, 가스 터빈은 특정한 제어 및 평가 기기를 사용하여 압력 진동의 측정을 기초로 동일한 연소 챔버에 대한 용인 가능한 피로 임계치를 설정할 수 있고, 압력에 있어서 과도한 증가가 발생하는 경우 적당한 보호 조치가 수행되도록 한다.

본 발명의 추가적인 목적은 프레셔 다이나믹스를 제어하기 위한 방법 및 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법을 제공하는 것으로서, 가스 터빈 내에서는 얻어진 데이타를 기초로 하여 연소 챔버 자체의 구성 요소에 대한 정비 간격을 최적화하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 이러한 목적들은 프레셔 다이나믹스를 제어하기 위한 방법 및 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 추가적인 특성들은 아래의 청구항들에 개시되어 있다.

본 발명에 따른 프레셔 다이나믹스를 제어하기 위한 방법 및 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법의 특성과 장점은 첨부된 개략도를 참조하여 도시적이고 제한적이지 않은 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

도 1을 참조하면, 도 1은 입구 덕트(12)를 통해 유입된 공기를 압축할 수 있는 압축기(10)를 포함하는 일반적인 가스 터빈을 개략적으로 도시하고 있다. 압축 공기는 연소 챔버(14)로 이송되어, 공급 덕트(16)에서 공급된 기체 연료와 혼합된다. 연소는 온도와, 기체 유동의 유속 및 유량을 증가시키며, 그 결과 기체 유동 내에 포함된 에너지를 증가시킨다. 이러한 기체 유동은 덕트(18)를 통해 터빈(20)으로 안내되고, 터빈(20)은 가스 에너지를, 예를 들면 축(24)에 의해 터빈(20)에 연결된 발전기(generator)(22)와 같은 작동 기계를 활성화시키는데 이용될 수 있는 일에너지(work energy)로 변환할 수 있다. 또한, 터빈(20)은 상대적인 축(26)을 통해 압축기(10)를 구동시키는데 필요한 에너지를 공급하는 반면에, 배기 가스는 터빈(20)에 의해 출구 덕트(28)를 통해 배출된다.

본 발명에 따라 프레셔 다이나믹스를 제어하고 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법은 공지의 뵐러곡선(Wohler curve)을 통해 연소 챔버(14) 자체 내부에서 발생하는 압력에 있어서의 증가에 기인하는 응력의 진폭과 상기 응력의 지속 시간(사이클) 사이의 상관관계를 나타낸다.

뵐러곡선은 특정 재료가 파괴되기 전에 견디는 사이클 수에 대한 피로 사이클의 최대 진폭을 사전 설정된 확률에 연관시킨 통계적 기준에 근거한 그래프이다. 뵐러곡선의 구성은 다수의 시험표본에 인가되는 특정 진폭을 갖는 실험실 내에서의 특정 응력 사이클을 재구성하여서, 재료가 파괴되기 전에 견디는 사이클 수를 표시한다. 비록 시험표본들이 동일한 응력을 받지만, 같은 수의 사이클이 지난 후에 시험표본 전부가 파괴되지는 않으며 실험 결과들의 분산이 나타난다. 이러한 분산은 정규 분포를 따라서 발생한다는 것을 경험으로 알 수 있다. 그리고, 상이한 진폭값에서 동일한 실험을 반복하며, 얻어진 각각의 분산에 대하여 파괴 전의 사이클 수의 평균값을 기록한다.

각각의 응력 진폭에서의 모든 평균값을 연결하는 곡선은 50%의 파괴 확률에서의 뵐러곡선이다. 이것은, 시험된 표본들이 특정 진폭의 응력 사이클을 받을 때, 뵐러곡선에 의해 한정되는 사이클의 수에 도달하기 전에 파괴될 확률이 50%라는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 방법은 연소 챔버(14)에 대응하여 위치된 하나 이상의 프로브(30)를 사용하여 연소 챔버(14) 자체 내부의 압력 진동의 진폭을 실시간으로 직접 측정하기 위한 일련의 테스트를 나타낸다. 측정치는 "누적 응력(cumulative stress)", 즉 각각의 상당한 진폭 레벨 이상에서 종료된 시간의 양을 결정하는데 사용된다. 이미 경과한 피로 수명 사이클은 공지의 팜그렌-마이너(Palmgren-Miner) 가설에 의하여 계산되는데, 피로 수명 사이클의 모든 진폭과 상대 소비량을 고려한다.

이하에서 정의되는 누적 손상(D)이 사전 설정된 특정 수치를 초과하는 경우, 터빈의 전원이 꺼지는 명령이 주어지고 플랜트에 대한 점검이 이루어진다. 이러한 방식으로, 피로 사이클의 모든 진폭의 모든 분포들을 고려하여 잔여 피로 수명 사이클에 대한 정확한 추정을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 적용예에 따르면, 작동 중에 연소 챔버(14)의 거동은 연소 챔버(14)를 형성하는 특정 재료에 대하여, 그리고 400㎐의 연소 주파수에 대하여 뵐러곡선을 구성함으로써 피로 조건 하에서 평가된다. 최고치에서 다음 최고치까지 4개의 상이한 진폭 레벨에 대하여 4개의 점이 식별되고, 이것은 이하의 데이타를 기초로 뵐러곡선의 초안이 구성되도록 한다.

10²min 2 2.4×10⁶

45 min 3 1.08×10⁶

지속시간 30 min 진폭 4 사이클 7.2×10⁵

2 min 8 4.8×10⁴

터빈이 피로 조건 하에서 작동하는 동안 연소 챔버(14)에 대한 누적 손상(D)을 측정하기 위해 팜그렌-마이너 가설이 사용되는데, 이 가설은, 임의의 응력 레벨에서의 손상 비율은 작용하는 사이클의 수와 상기 레벨의 응력에서 항복을 발생시키는 사이클의 총 수 사이의 비율에 선형적으로 비례한다고 주장한다. 즉,

여기서, 용어 D는 누적 손상을 나타내고, 용어 N_i는 잔여 수명을 나타내고 뵐러곡선으로부터 유도되며, 용어 n_i는 측정된다. k는 진폭 레벨의 수를 표시하고, N_i는 i번째 진폭 레벨에서 파괴에 도달하는데 필요한 사이클 수이며, n_i는 i번째 진폭 레벨에서 경과된 사이클 수이다.

도 2에서 표시된 수치들은, 도 3의 그래프에서 도시될 수 있는 것과 같이, 사이클과 진폭의 수치의 지수 회귀를 사용하여 근사화될 수 있으며, 아래와 같은 결과함수(resulting function)를 얻는다.

F(x):= 6.651·exp(-1.583·10^-6·x) + 1.839

N_i 값을 결정하기 위하여 역함수를 계산하는 것이 필요하다. 즉,

y = 6.651·exp(-1.583·10^-6·x) + 1.839 solve,x→(-631711.93935565382186)·ln(.15035333032626672681·y - .27649977447000451060)

g(y):=(-631711.93935565382186)·ln(.15035333032626672681·y - .27649977447000451060)

그러므로, 고려된 상이한 진폭들에 대한 잔여 수명을 나타내는 벡터가 사이클의 항으로 생성된다.

g(2) 2.351×10⁶

g(3) 1.103×10⁶

g(4) 7.102×10⁵

수명 = g(5) 수명 = 4.699×10⁵

g(6) 2.963×10⁵

g(7) 1.602×10⁵

g(8) 4.834×10⁴

그러므로, 연소기(14)의 잔여 수명은 팜그렌-마이너 가설에 의해 얻어진 N_i 값을 포함하는 벡터에 의해 표시된다. 현 시점에서, 예를 들면 2 psi의 압력값과 3 psi의 압력값과 같이 연속하는 2개의 i번째 레벨의 진폭과 i+1번째 레벨의 진폭 사이에서 경과된 시간을 임의의 계기가 측정한다. 그리고, 측정된 시간 간격은 i번째 진폭 레벨에 기인하며, (i+1)번째 레벨에서의 n_i 값을 얻기 위해 400㎐를 곱한다. n_i를 N_i로 나누고 합산함으로써, 최종적으로 누적 손상(D)의 값이 얻어진다.

누적 손상(D)에 대하여 0.1의 임계치가 설정된다. D가 임계치를 초과하는 경우, 터빈은 확산화염 작동 조건, 즉 연소 챔버(14) 내부의 낮은 압력 진동 레벨을 가지면서 오염 물질은 더 많이 배출되는 상태의 작동 타입 하에 놓이게 된다.

바람직한 적용예에 따르면, 터빈 제어용 소프트웨어는 이미 알려진 잔여 수명 벡터를 이산화할(discretizing) 필요 없이 잔여 수명의 계산을 위해 연속 함수 g(y)를 직접적으로 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 프레셔 다이나믹스를 제어하고 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법은, 연소 챔버의 잔여 피로 사이클에 대한 정확한 평가를 통해 터빈의 성능을 향상시키며, 엄밀하게 필요한 경우에만 특정 보호 조치가 수행되도록 함으로써 상술한 목적들을 달성할 수 있는 것으로 보여진다.

이와 같이 착안된 본 발명에 따른 프레셔 다이나믹스를 제어하고 가스 터빈의 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법은 어떠한 경우에도 수많은 변형예와 변화예들이 있을 수 있으며 이들 모두는 동일한 발명의 개념 내에 포함된다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 청구항에 의해 한정된다.

도 1은 그 내에서 본 발명에 따른 프레셔 다이나믹스를 제어하기 위한 방법 및 연소 챔버의 수명 사이클을 추정하기 위한 방법을 적용할 수 있는 가스 터빈에 대한 개략도,

도 2는 특정 진폭값에 대해 측정된 특정 개수의 응력 사이클에 대한 도표,

도 3은 도 2의 수치와 지수회귀에 의해 이러한 수치들을 근사화하여 얻어진 함수 사이의 비교를 도시하는 도표.

Claims

입구 덕트(12)를 통해 내부로 유입된 공기를 압축할 수 있는 적어도 하나의 압축기(10)와, 압축된 공기가 공급 덕트(16)으로부터 공급된 기체 연료와 혼합되는 적어도 하나의 연소 챔버(14)를 포함하고, 터빈(20)이 상기 연소 챔버(14)로부터 공급된 기체의 에너지를 일에너지로 변환하는 타입의 가스 터빈 내의 연소를 제어하기 위한 방법에 있어서,

상기 연소 챔버(14)에 인접하여 위치된 하나 이상의 프로브(30)로, 상기 연소 챔버(14) 내부의 압력 진동의 진폭 및 상기 압력 진동의 사이클 또는 지속 시간을 측정하는 단계;

상기 연소 챔버(14)를 형성하는 재료에 대하여, 사전 설정된 연소 주파수에 대하여, 그리고 측정된 상기 압력 진동의 진폭값 및 사이클값에 대하여 뵐러곡선을 구성함으로써, 상기 연소 챔버(14)의 피로 조건 하에서의 거동을 평가하는 단계로서, 상기 뵐러곡선은 피로 조건 동안 상기 연소 챔버(14)에 인접한 상기 프로브로부터의 적어도 두 개의 압력 진동 측정을 이용하여 구성되는, 단계

상기 가스 터빈이 피로 조건 하에서 작동하는 동안 상기 연소 챔버(14)에 대한 누적 손상(D)을 팜그렌-마이너 가설(Palmgren-Miner hypothesis)에 의해 측정하는 단계로서, 상기 팜그렌-마이너 가설은,

여기서, D = 누적 손상;

k = 진폭 레벨의 수;

N_i = 상기 뵐러곡선으로부터 유도된 i번째 진폭 레벨에서 파괴에 도달하는데 필요한 사이클 수;

n_i = i번째 진폭 레벨에서 경과된 사이클 수

로 정의되는 단계와;

측정된 상기 누적 손상(D)의 값이 한도를 넘을 때 상기 터빈에 대한 보호 조치를 수행하는 단계를 포함하는

가스 터빈 내의 연소 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

측정된 상기 사이클 및 진폭의 값을 지수회귀 함수를 사용하여 계산하는 단계를 더 포함하는

가스 터빈 내의 연소 제어 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 사이클 수(N_i)를 결정하기 위해 상기 지수회귀의 역함수를 계산하는 단계를 더 포함하는

가스 터빈 내의 연소 제어 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보호 조치를 수행하는 단계는 상기 가스 터빈을 확산화염 작동 조건 하에 배치하는 단계와, 상기 연소 챔버(14) 내부의 상기 압력 진동을 감소시키는 단계를 포함하는

가스 터빈 내의 연소 제어 방법.