KR101757114B1 - 연소불안정 계측이 가능한 연소장치 및 이를 이용한 연소불안정 계측방법 - Google Patents

연소불안정 계측이 가능한 연소장치 및 이를 이용한 연소불안정 계측방법 Download PDF

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김정진
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에 관한 것으로써, 연소공간을 형성하는 본체부; 상기 연소공간에 화염이 생성되도록 상기 연소공간으로 연료를 주입하는 노즐부; 상기 노즐부가 설치되며, 상기 본체부의 일측면이 마감되도록 상기 본체부에 설치됨으로써 상기 연소공간의 일측면을 형성하며, 상기 연소공간에서 생성되는 화염에 의해 온도의 변화가 발생되는 덤프부; 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면의 온도를 감지하여 온도정보를 생성하는 온도감지부; 및 상기 온도정보를 기초로 연소의 불안정 여부를 계측하는 연산부를 포함하되, 상기 온도감지부는, 화염의 거동에 대응되는 위치에 설치되되, 복수개로 마련되어 상기 노즐부를 중심에 두고 원주방향을 따라 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 덤프부의 온도를 측정하여 연소의 불안정을 효과적으로 계측할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 고가의 동압센서를 대신에 저가의 온도감지부를 이용하게 되므로, 연소 불안정의 계측에 있어 유지, 보수가 용이 해지고, 비용이 크게 절감되는 효과가 있다.

Description

연소불안정 계측이 가능한 연소장치 및 이를 이용한 연소불안정 계측방법{COMBUSTION APPARATUS CAPABLE OF COMBUSTION INSTABILITY AND MEASUREMENT METHOD OF COMBUSTION INSTABILITY USING THE SAME}
본 발명은 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 덤프부의 온도를 측정하여 연소의 불안정을 효과적으로 계측할 수 있는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치 및 이를 이용한 연소불안정 계측방법에 관한 것이다.
가스터빈은 에너지를 생산해내는 대형 기술 중에 하나이다. 이러한 가스터빈은 일반적인 보일러에 비해 연료당 효율이 뛰어나 최근에 이러한 가스터빈을 이용한 에너지 생산기술이 크게 활용되고 있다.
근래에 배기가스 규제가 강화됨에 따라, 가스터빈의 연소시에 발생되는 배기가스의 감축이 요구되었고, 이에 따라, 가스터빈의 연소시에 당량비를 낮추는 것이 필요하게 되었다. 그러나, 가스터빈의 연소시에 당량비를 낮추게 되면, 가스터빈의 연소불안정 현상이 크게 증가되며, 이러한 경우, 가스터빈의 가동률은 크게 낮아져 문제된다.
연소의 불안정 현상은 연소공간에서 발생되는 열발생의 섭동 및 압력파의 섭동간의 간섭에 의해 발생되는 현상으로써, 음향학적으로 닫힌 공간에서 필연적으로 발생되는 현상이다. 이러한 연소의 불안정 현상은 연소공간에서 강력한 소음과 진동을 동반하게 되며, 이러한 소음과 진동에 의해, 극단적으로는 연소기의 파손이 발생된다.
연소공간에서 연소의 불안정을 판단하기 위한 방법으로는 화염의 거동을 직접적으로 계측하는 방법과, 동압센서를 이용하는 방법이 있다.
화염의 거동을 직접적으로 계측하는 방법은 가시화창을 연소공간에 설치한 후, 연소를 가시적으로 측정하여 연소의 불안정을 판단하는 방법이다. 이러한 가시화창을 이용한 방법은 국부적으로 가열되는 가시화 재료를 마련하기 힘든 문제가 있고, 가시화창으로 인해 온도의 경계조건이 달라져 연소기의 파손이 발생되는 문제가 있다.
또한, 동압센서를 이용하는 방법은 동압센서를 연소기에 부착한 후, 연소로부터 발생되는 빠른 속도의 압력 섭동을 계측함으로써, 연소의 불안정을 판단하는 방법이다. 그러나, 이러한 동압센서는 내구성이 낮아 고온, 고압의 조건에서 지속적으로 사용되기 힘들고, 고가로 마련되기 때문에, 유지, 관리에 큰 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 덤프부의 온도를 측정하여 연소의 불안정을 효과적으로 계측할 수 있는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치 및 이를 이용한 연소불안정 계측방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연소공간을 형성하는 본체부; 상기 연소공간에 화염이 생성되도록 상기 연소공간으로 연료를 주입하는 노즐부; 상기 노즐부가 설치되며, 상기 본체부의 일측면이 마감되도록 상기 본체부에 설치됨으로써 상기 연소공간의 일측면을 형성하며, 상기 연소공간에서 생성되는 화염에 의해 온도의 변화가 발생되는 덤프부; 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면의 온도를 감지하여 온도정보를 생성하는 온도감지부; 및 상기 온도정보를 기초로 연소의 불안정 여부를 계측하는 연산부를 포함하되, 상기 온도감지부는, 화염의 거동에 대응되는 위치에 설치되되, 복수개로 마련되어 상기 노즐부를 중심에 두고 원주방향을 따라 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면에 각각 설치되는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에 의해 달성된다.
또한, 상기 연산부는, 상기 온도정보를 기초로 상기 덤프부의 온도의 분포를 나타내는 정보인 온도분포정보를 생성하여 외부로 표시할 수 있다.
삭제
삭제
또한, 상기 본체부는, 투명재질로 마련될 수 있다.
또한, 상기 본체부는, 석영(Quartz)으로 마련될 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 노즐부에서 연료가 본체부의 연소공간으로 분사됨에 따라 상기 연소공간에서 화염이 발생되는 연소단계; 화염의 거동에 대응되는 위치에 설치되되 복수개로 마련되어 상기 노즐부를 중심에 두고 원주방향을 따라 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면에 각각 설치되는 온도감지부가 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면의 온도를 감지하여 온도정보를 생성하는 제1생성단계; 연산부가 상기 온도감지부로부터 전달되는 온도정보를 기초로 상기 덤프부의 온도의 분포를 나타내는 정보인 온도분포정보를 생성하는 제2생성단계; 및 상기 연산부가 온도분포정보를 외부로 표시하는 표시단계를 포함하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 덤프부의 온도를 측정하여 연소의 불안정을 효과적으로 계측할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고가의 동압센서를 대신에 저가의 온도감지부를 이용하게 되므로, 연소 불안정의 계측에 있어 유지, 보수가 용이 해지고, 비용이 크게 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 전체적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 온도감지부와 제어부의 전기적인 연결을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 본체부와 노즐부와 덤프부와 온도감지부의 단면도 이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에서 연소가 안정된 경우에 화염의 거동을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에서 연소가 불안정된 경우에 화염의 거동을 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 연산부에서 표시되는 온도분포정보를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측방법의 순서도 이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 전체적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 온도감지부와 제어부의 전기적인 연결을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 본체부와 노즐부와 덤프부와 온도감지부의 단면도 이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에서 연소가 안정된 경우에 화염의 거동을 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에서 연소가 불안정된 경우에 화염의 거동을 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 연산부에서 표시되는 온도분포정보를 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치(100)는 본체부(110)와 노즐부(120)와 덤프부(130)와 온도감지부(140)와 연산부(150)를 포함한다.
본체부(110)는 연소공간을 형성하는 것으로써, 일측면이 후술하는 덤프부(130)에 의해서 마감된다.
이러한 본체부(110)는 화염의 거동이 가시적으로 확인되도록 투명재질로 마련되는 것이 바람직한데, 연소에 따른 내구성이 담보되어야 하므로 석영(Quartz)으로 마련되는 것이 더욱 바람직하다.
노즐부(120)는 연소공간에 화염이 생성되도록 연소공간으로 연료를 주입하는 것으로써, 후술하는 덤프부(130)의 중심부에 설치된다.
덤프부(130)는 상술한 본체부(110)의 일측면을 마감하는 것으로써, 중심부에는 노즐부(120)가 설치된다. 이러한 덤프부(130)는 연소공간의 화염에 노출됨에 따라 온도의 변화가 발생된다.
또한, 덤프부(130)의 중심부에는 원주방향을 따라 복수개의 온도감지부(140)가 설치된다.
온도감지부(140)는 덤프부(130)의 온도를 감지하여 온도정보를 생성하는 것으로써, 연소가 불안정하게 실시됨에 따라 형성되는 화염의 거동에 대응되는 위치인 덤프부(130)의 일면에 설치된다.
연소의 불안정 현상은 연소공간에서 발생되는 열발생의 섭동 및 압력파의 섭동간의 간섭에 의해 발생되는 현상으로써, 음향학적으로 닫힌 공간에서 필연적으로 발생되는 현상이다. 이러한 연소의 불안정 현상은 연소공간에서 강력한 소음과 진동을 동반하게 되며, 이러한 소음과 진동에 의해, 극단적으로는 연소기의 파손이 발생된다.
연소공간에서 연소의 불안정을 판단하기 위한 방법으로는 화염의 거동을 직접적으로 계측하는 방법과 동압센서를 이용하는 방법이 있다.
화염의 거동을 직접적으로 계측하는 방법의 경우, 별도의 가시화창을 설치 해야 하는 단점이 존재하며, 고주파 연소불안정이 발생했을 경우, 단순 화염 계측으로는 빠른 속도로 움직이는 화염의 진동을 가시적으로 계측하기 어려운 문제가 있다.
또한, 동압센서를 이용하는 방법의 경우, 고온, 고압의 환경에서 큰 내구성을 갖는 동압센서가 매우 고가이며, 주기적인 교체가 필요하기 때문에 안정적인 시스템을 구축하기 위해서는 그에 따른 상당한 유지비가 동반이 되는 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 연소가 불안정한 경우에는 화염의 거동이 달라지는데, 이러한 화염의 거동을 온도를 통해서 측정하면, 상술한 종래의 문제점이 해결될 수 있다. 온도를 측정하기 위한 센서는 비교적 저가이며, 고온, 고압의 환경에서도 내구성이 크기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치의 온도감지부(140)에 따르면, 저가의 가격으로 효과적으로 연소의 불안정을 계측할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에서 연소가 안정된 경우에 화염의 거동을 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치에서 연소가 불안정된 경우에 화염의 거동을 도시한 것이다.
연소가 실시되게 되면, 화염은 도 4에 도시된 바와 같은 V 형태인 정적인 형태로 형성되며, 연소공간에서 발생하는 압력의 구배와 연소기 라이너 사이에서의 압력 구배에 따라 V 형의 화염은 M 형태의 안정적인 화염으로 형성된다.
이후, 여분의 산소와 질소 등의 미반응 화학물이 압력구배에 의하여 연소기의 덤프면으로 이동하게 되며, 상술한 바와 같이 이동된 미반응 화학물은 노즐에서 나온 연료 및 산화제 혼합물과 혼합되어 화염의 최고 온도를 낮춘다.
도 5에 도시된 바와 같이, 연소불안정이 발생하면, 화염이 V형태 또는 M 형태에서 연소공간의 앞과 뒤로 진동하게 된다. 이렇게 강하게 진동되는 화염은 덤프부(130)를 지속적으로 자극하여 덤프부(130)의 온도를 상승시키게 된다.
따라서, 온도감지부(140)가 연소가 불안정적일때의 화염이 휘어지는 방향에 대응되는 덤프면에 설치되면, 연소가 안정적일 때와 연소가 불안정적 일때의 온도의 차이가 확실하게 구별되게 측정될 수 있다.
한편, 온도감지부(140)는 온도감지의 정확성을 높히기 위해 복수개로 마련되어 덤프부(130)의 중심부에 원주방향을 따라 각각 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 온도감지부(140)는 생성한 온도정보를 후술하는 연산부(150)로 전달하도록 연산부(150)에 전기적으로 연결된다.
연산부(150)는 온도정보를 기초로 연소의 불안정 여부를 계측하는 것으로써, 상술한 온도감지부(140)에 전기적으로 연결된다.
연산부(150)는 온도감지부(140)로부터 온도정보를 전달받아 이를 기초로 온도분포정보를 생성한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 입열량이 50kW인 연료조건(수소/메탄/일산화탄소-합성가스)에서 연소불안정이 발생하지 않았을 경우(흰색 점), 덤프부(130)의 온도는 약 800K의 온도분포를 가진다. 하지만, 연소불안정이 발생했을 경우(빨간색 점), 덤프부(130)의 온도는 최대 약 1000K 까지 상승한다. 연료조성 중 CO가 100%의 경우, 안정적인 연소가 진행되어 화염이 매우 길게 형성된다. 이러한 경우, 덤프면의 온도가 매우 낮게 측정(600K 이하)된다.
상술한 바와 같은 온도분포정보를 이용하면, 연소불안정이 발생하는 경우, 별도의 가시화 장치 및 동압센서 없이, 덤프부(130)의 온도만으로도 연소의 불안정을 효과적이고 정확하게 계측할 수 있다.
이러한 연산부(150)는 온도감지부(140)에 전기적으로 연결되어 온도정보를 전달받고, 전달받은 정보를 기초로 온도분포정보를 생성할 수 있고, 이러한 온도분포정보를 디스플레이할 수 있는 PC 등의 단말기로 마련될 수 있다.
따라서, 상술한 본체부(110)와 노즐부(120)와 덤프부(130)와 온도감지부(140)와 연산부(150)를 포함하는 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치(100)에 따르면, 덤프부(130)의 온도를 측정함으로써, 연소의 불안정이 효과적으로 계측될 수 있다. 또한, 고가의 동압센서를 대신에 저가의 온도감지부(140)를 이용하게 되므로, 연소 불안정의 계측에 있어 유지, 보수가 용이 해지고, 비용이 크게 절감되는 효과가 있다.
지금부터는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측방법의 순서도 이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측방법(S100)은 연소단계(S110)와 제1생성단계(S120)와 제2생성단계(S130)와 표시단계(S140)를 포함한다.
연소단계(S110)는 노즐부(120)에서 연료가 연소공간으로 분사됨에 따라 연소공간에서 화염이 발생되는 단계이다.
이때, 본체부(110)는 투명재질로 마련되어 있기 때문에, 화염의 거동은 육안으로도 파악될 수 있다.
제1생성단계(S120)는 덤프부(130)의 온도를 온도감지부(140)가 감지하여 온도정보를 생성하는 단계로써, 온도감지부(140)에 의해서 실시된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 연소가 안정적으로 실시되는 경우, 온도는 비교적 낮게 측정(약 800K 이하) 되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 연소가 불안정하게 실시되는 경우, 온도는 비교적 높게 측정(약 800K 이상)된다.
이러한 제1생성단계(S120)에 의해서 생성되는 온도정보는 연산부(150)로 전달된다.
제2생성단계(S130)는 연산부(150)가 온도정보를 기초로 온도분포정보를 생성하는 단계로써, 연산부(150)에 의해서 실시된다.
이러한 온도분포정보는 연소공간에서 측정되는 온도의 분포를 나타내는데, 온도가 기설정된 온도(약 800K) 이상인 경우, 연소가 불안정하다는 것을 나타낸다.(도 6에 도시된 빨간색 점)
표시단계(S140)는 연산부(150)가 온도분포정보를 외부로 표시하는 단계로써, 제2생성단계(S130) 이후 실시된다.
따라서, 연소단계(S110)와 제1생성단계(S120)와 제2생성단계(S130)와 표시단계(S140)를 포함하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측방법(S100)에 의하면, 덤프부(130)의 온도에 의해서 연소의 불안정이 효과적으로 계측될 수 있다. 또한, 고가의 동압센서를 대신에 저가의 온도감지부(140)를 이용하게 되므로, 연소 불안정의 계측에 있어 유지, 보수가 용이 해지고, 비용이 크게 절감되는 효과가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치
110 : 본체부
120 : 노즐부
130 : 덤프부
140 : 온도감지부
150 : 연산부
S100 : 본 발명의 일실시예에 따른 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측방법
S110 : 연소단계
S120 : 제1생성단계
S130 : 제2생성단계
S140 : 표시단계

Claims (7)

  1. 연소공간을 형성하는 본체부;
    상기 연소공간에 화염이 생성되도록 상기 연소공간으로 연료를 주입하는 노즐부;
    상기 노즐부가 설치되며, 상기 본체부의 일측면이 마감되도록 상기 본체부에 설치됨으로써 상기 연소공간의 일측면을 형성하며, 상기 연소공간에서 생성되는 화염에 의해 온도의 변화가 발생되는 덤프부;
    상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면의 온도를 감지하여 온도정보를 생성하는 온도감지부; 및
    상기 온도정보를 기초로 연소의 불안정 여부를 계측하는 연산부를 포함하되,
    상기 온도감지부는,
    화염의 거동에 대응되는 위치에 설치되되, 복수개로 마련되어 상기 노즐부를 중심에 두고 원주방향을 따라 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 온도정보를 기초로 상기 덤프부의 온도의 분포를 나타내는 정보인 온도분포정보를 생성하여 외부로 표시하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 본체부는,
    투명재질로 마련되는 것을 특징으로 하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 본체부는,
    석영(Quartz)으로 마련되는 것을 특징으로 하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치.
  7. 노즐부에서 연료가 본체부의 연소공간으로 분사됨에 따라 상기 연소공간에서 화염이 발생되는 연소단계;
    화염의 거동에 대응되는 위치에 설치되되 복수개로 마련되어 상기 노즐부를 중심에 두고 원주방향을 따라 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 덤프부의 일측면에 각각 설치되는 온도감지부가 상기 연소공간의 일측면을 형성하는 상기 덤프부의 일측면의 온도를 감지하여 온도정보를 생성하는 제1생성단계;
    연산부가 상기 온도감지부로부터 전달되는 온도정보를 기초로 상기 덤프부의 온도의 분포를 나타내는 정보인 온도분포정보를 생성하는 제2생성단계; 및
    상기 연산부가 온도분포정보를 외부로 표시하는 표시단계를 포함하는 연소불안정 계측이 가능한 연소장치를 이용한 연소불안정 계측 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010169084A (ja) * 2009-01-21 2010-08-05 General Electric Co <Ge> 予混合式燃焼器における逆火状態を軽減するためのシステム及び方法
KR101419918B1 (ko) * 2013-01-23 2014-07-15 박석진 다중컬러 센서를 적용한 버너 화염 모니터링 시스템

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