KR101932857B1 - 가스터빈의 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 중심축의 둘레 방향으로 복수의 연소기가 배열된 가스터빈 제어장치로서, 복수의 연소기의 상류 측에 형성되어 복수의 연소기 중 대응하는 연소기에 수분을 분사하는 복수의 노즐을 구비하는 수분 분사 장치와, 복수의 연소기로부터의 연소가스의 온도를 측정 가능하며, 중심축의 둘레 방향으로 배치되는 복수의 온도 센서를 구비하는 온도 검출부와, 온도 검출부에 의하여 측정된 온도에 기초하여 기준치 이상의 온도의 연소가스를 배출하는 이상 연소기를 검출하는 이상 연소기 검출부와, 이상 연소기 검출부에 의하여 검출된 이상 연소기에 대응하는 노즐로부터 수분이 분사되도록 수분 분사 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 가스터빈 제어장치를 제공하여, 복수의 연소기 각각을 개별적으로 냉각할 수 있게 됨으로써 연소튜닝의 자유도를 높이고, 발전용 가스터빈의 효율 향상과 안정적인 운용을 가능하게 한다.

Description

가스터빈의 제어장치 및 제어방법{Control Device and Control Method for Gas Turbine}

본 발명은 가스터빈의 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 특히 가스터빈의 연소가스 온도 편차를 개선하기 위한 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

가스터빈은 압축기, 연소기, 터빈부 등으로 구성되며, 대기중의 공기가 압축기를 통해 압축되며 연소기에서 연료와 혼합되어 연소가 이루어진다. 그리고 연소 후 가스의 급격한 팽창일로 터빈이 회전력을 얻고, 회전에 의하여 발생하는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하는 시스템이다.

이러한 가스터빈에 있어서, 연소 후 가스의 온도분포는 터빈부의 고온부품 수명을 결정하는 주요한 운전감시 인자이다. 연소 후 가스 중 일부분의 온도가 지나치게 높아 배기가스 온도 편차가 커질 경우 열피로 현상이 고정익/회전익 용접부에 집중될 수 있으며, 이로 인해 터빈부 고온부품의 수명이 단축되고, 경우에 따라서는 큰 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 그러나 종래에는 이러한 연소후 가스의 온도분포에 과도한 편차가 발생하는 경우, 전체적으로 연소기의 온도를 낮추는 것 이외에는 별다른 해결 방안이 존재하지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 가스터빈에서 복수의 연소기 각각에 대하여 개별적인 냉각을 가능하게 하는 제어장치 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예들의 일 측면에 의하면, 중심축의 둘레 방향으로 복수의 연소기가 배열된 가스터빈 제어장치로서, 복수의 연소기의 상류 측에 형성되어 복수의 연소기 중 대응하는 연소기에 수분을 분사하는 복수의 분사 노즐을 구비하는 수분 분사 장치와, 복수의 연소기로부터의 연소가스의 온도를 측정 가능하며, 중심축의 둘레 방향으로 배치되는 복수의 온도 센서를 구비하는 온도 검출부와, 온도 검출부에 의하여 측정된 온도에 기초하여 기준치 이상의 온도의 연소가스를 배출하는 이상 연소기를 검출하는 이상 연소기 검출부와, 이상 연소기 검출부에 의하여 검출된 이상 연소기에 대응하는 분사 노즐로부터 수분이 분사되도록 수분 분사 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 가스터빈 제어장치를 제공한다.

이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 이상 연소기 검출부는 가스터빈의 상태에 따라서 온도 센서의 위치와 연소기의 위치를 대응시키는 테이블을 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 가스터빈의 상태는 가스터빈이 가속 구간인 경우 회전속도, 부하 구간인 경우 부하율을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 복수의 분사 노즐은 중심축의 둘레 방향으로 배열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 복수의 연소기 각각에 대응하여 냉각 유체를 유입시키는 복수의 냉각부를 더 포함하며, 제어부는 이상 연소기에 대응하는 냉각부에 유입되는 유체량을 조절하되, 복수의 냉각부를 적어도 복수의 그룹으로 나누어 개별적으로 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예들의 다른 측면에 의하면, 중심축의 둘레 방향으로 복수의 연소기가 배열된 가스터빈의 제어방법으로서, 중심축의 둘레 방향으로 배치되는 복수의 온도 센서에서 복수의 연소기로부터 배출된 연소가스의 온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도에 기초하여 기준치 이상의 온도의 연소가스를 배출하는 이상 연소기를 검출하는 단계와, 복수의 연소기의 상류 측에 형성되어 복수의 연소기 중 대응하는 연소기에 수분을 분사하는 수분 분사 장치의 복수의 분사 노즐 중 검출한 이상 연소기에 대응하는 분사 노즐로부터 수분이 분사되도록 제어하는 단계를 포함하는 가스터빈의 제어방법을 제공한다.

이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 이상 연소기를 검출하는 단계는, 기 가스터빈의 상태에 따라서 온도 센서의 위치와 연소기의 위치를 대응시키는 테이블을 구비하고, 테이블과 측정한 온도를 이용하여 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 가스터빈의 상태는 가스터빈이 가속 구간인 경우 회전속도, 부하 구간인 경우 부하율을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 복수의 분사 노즐은 중심축의 둘레 방향으로 배열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 복수의 연소기 각각에 대응하여 냉각 유체를 유입시키는 복수의 냉각부 중, 이상 연소기에 대응하는 냉각부에 유입되는 유체량을 조절하는 단계를 더 포함하며, 유체량을 조절하는 단계는 복수의 냉각부를 적어도 복수의 그룹으로 나누어 개별적으로 제어할 수 있다.

상기와 같은 구성에 의하여, 복수의 연소기 각각을 개별적으로 냉각할 수 있게 됨으로써 연소튜닝의 자유도를 높이고, 발전용 가스터빈의 효율 향상과 안정적인 운용이 가능하게 한다. 또한, 가스터빈 발전소의 운영기술 자립도를 제고하여 비용 등의 운영비 절감에 기여할 수 있게 된다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 분사 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 검출부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 구비된 스월차트 테이블이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 후 가스온도 편차 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 온도 검출부에서 측정된 온도 분포를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 연소기 검출 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 제어방법에 따른 냉각 효과를 설명하는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(1)은 인입부(10), 압축기(20), 연소기(30), 터빈(40), 배기부(50), 이상 연소기 검출부(60) 및 제어부(61)를 포함한다.

이러한 본 발명에 따른 가스터빈(1)은 종래의 가스터빈에서와 마찬가지로 인입부(10)를 통하여 외부로부터의 공기가 인입되고, 압축기(20)를 통과하면서 공기가 압축되며 연소기(30)에서 연료 노즐을 통해서 분사되는 연료와 혼합되어 연소가 이루어진다. 또한 연소기(30)에서 연소된 연소가스는 팽창일로 터빈(40)의 로터(41)를 회전시켜 기계 에너지를 발생시킨 후 이를 전기 에너지로 변환한다. 또한 연소가스는 터빈(40)을 거쳐 배기부(50)를 통하여 외부로 배출된다. 위와 같은 가스터빈(1)의 기본 동작은 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명에 따른 가스터빈(1)의 인입부(10)에는 증기 등의 수분을 분사하는 수분 분사 장치(11)가 형성된다. 즉, 수분 분사 장치(11)는 연소기(30)의 상류 측에 형성된다. 예를 들어, 수분 분사 장치(11)는 IGV 전단에 형성될 수 있다. 이때, 수분 분사 장치(11a)는 가스터빈(1)의 중심축을 기준으로 둘레 방향으로 일정한 간격을 가지고 배열되는 복수의 분사 노즐(12)로 구성될 수 있다. 그리고 후술하는 제어부(61)의 제어에 따라서 복수의 분사 노즐(12) 중 특정 분사 노즐(12)이 수분을 분사한다.

수분 분사 장치(11)에 의하여 분사된 수분은 인입부(10)에서 인입되는 공기와 혼합되어 압축기(20)와 연소기(30)에 순차적으로 흘러들어간다. 이때, 분사된 수분이 흘러들어가는 연소기(30)는 복수의 연소기 중 수분을 분사한 분사 노즐(12)에 대응하는 연소기(30)이다. 이와 같이, 공기에 혼합된 수분이 연소기(30)에 흘러들어감으로써 이상 고온연소가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 인입부(10)에서 인입된 공기는, 유체역학에 따라서 스월링되어, 인입되는 인입부(10) 상의 위치 및 가스터빈(1)의 상태에 대응하여 일정한 연소기(30)로 흘러들어간다. 그리고 마찬가지로 수분 분사 장치(11)로부터 분사된 수분도, 공기의 흐름에 따라서 분사되는 분사 노즐(12)의 위치에 대응하는 연소기(30)에 흘러들어가게 된다. 따라서 이상이 발생한 연소기(30)가 검출되면, 후술하는 제어부(61)는 해당 연소기(30)의 위치와 가스터빈(1)의 상태에 기초하여 수분을 분사할 수분 분사 장치(11)의 분사 노즐(12)을 특정할 수 있게 된다. 예를 들어, 가스터빈(1)의 부하에 따른 공기량의 변화로 인한 물액적의 유맥선(streak line)을 고려하여 분사 노즐(12)과 연소기(30)를 대응시킬 수 있을 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 분사 장치(11a 및 11b)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2a 및 도 2b의 수분 분사 장치(11a 및 11b)는 가스터빈(1)의 중심축과 평행한 방향에서 본 모습을 개략적으로 나타내고 있다. 즉, 도 2a 및 도 2b의 수분 분사 장치(11a 및 11b)는 가스터빈(1)의 중심축에 수직인 단면에 해당한다.

도 2a를 살펴보면, 수분 분사 장치(11a)는 복수의 분사 노즐(12)이 중심축을 기준으로 둘레 방향으로 일정한 간격을 두고 배치되어 있다. 또한 본 실시예의 경우, 분사 노즐(12)은 동심원 형태로 이중으로, 다시 말해 방사형으로 배열되어 있다. 분사 노즐(12)에는 도시하지 않은 유로를 통하여 증기 등의 수분이 공급되고, 제어부(61)에 의하여 제어되는 밸브에 의하여 분사가 제어될 것이다.

도 2b를 살펴보면, 본 실시예의 수분 분사 장치(11b)는 중심축에서 동일한 거리로 복수의 분사 노즐(12)이 일정한 간격을 두고 배치되어 있다.

수분 분사 장치(11)에서의 분사 노즐(12)의 배치 형태는 도 2a 및 도 2b의 수분 분사 장치(11a 및 11b)와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 다만, 상기 설명한 바와 같이, 각 분사 노즐(12)에서 분사된 수분이 복수의 연소기(30) 중 특정 연소기에 흘러들어갈 수 있도록 배치되는 것이 바람직할 것이다. 이때, 특정 연소기는 반드시 하나의 연소기일 필요는 없을 것이다. 예를 들어, 하나의 분사 노즐(12)과 하나의 연소기(30)가 일대일 관계로 대응될 수도 있을 것이며, 복수의 분사 노즐(12)과 하나의 연소기(30)가 다대일 관계로 대응될 수도 있을 것이며, 또한 복수의 분사 노즐(12)과 복수의 연소기(30)가 그룹으로 묶여서 다대다 관계로 대응될 수도 있을 것이다.

다음으로, 본 발명에 따른 가스터빈(1)의 연소기(30)에는 냉각부(31)가 형성될 수 있다. 냉각부(31)는 연소기(30)의 외부에 냉각 유체, 예를 들어 냉각 스팀을 흐르게 하여 연소기(30)를 적절한 온도로 냉각시킨다. 이때, 냉각부(31)는 가스터빈(1)의 중심축을 기준으로 둘레 방향으로 배열된 복수의 연소기(30) 각각에 대응하여 형성된다. 그리고 냉각부(31)는 제어부(61)의 제어에 따라서 냉각부(31)에 흐르는 냉각 유체의 양을 각 냉각부(31) 별로 개별적으로 제어하도록 구성된다. 냉각부(31)에 의하여도 수분 분사 장치(11)와 마찬가지로 연소기(30)에서 이상 고온연소가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(31)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3a 및 도 3b의 냉각부(31)는 복수의 연소기(30)와 함께 도시되어 있으며, 가스터빈(1)의 중심축과 평행한 방향에서 본 모습을 개략적으로 나타내고 있다. 즉, 도 3a 및 도 3b는 가스터빈(1)의 중심축에 수직인 단면에 해당한다. 도 3a 및 도 3b에 있어서는 설명의 편의를 위하여 중심축 둘레에 배열되는 복수의 연소기(30) 중 일부만을 도시하였다.

도 3a를 참조하면, 냉각부(31a)는 쿨링 스팀 등의 냉각 유체의 인입을 제어하는 밸브(32)와 밸브(32)를 통하여 유입된 냉각 유체를 연소기(30)에 전달하는 유로(33)를 포함한다. 이때, 냉각부(31a)는 복수의 연소기(30)를 복수의 그룹으로 나누고, 각 그룹에 해당하는 냉각부(31a) 별로 개별적으로 냉각 유체의 인입을 제어할 수 있도록 구성된다. 즉, 도 3a에서, 연소기(30)를 A 내지 D 그룹으로 나누고, 각 그룹에 대응하여 형성된 냉각부(31a)들을 개별적으로 제어하도록 한다. 따라서 하나의 그룹에 속하는 복수의 연소기(30)에 대하여는 하나의 밸브(32)를 통하여 유입된 냉각 유체가 유로(33)를 통하여 순환된다.

도 3b를 참조하면, 도 3a와 마찬가지로 냉각부(32a)가 밸브(32)와 유로(33)를 포함하여 구성된다. 다만, 본 실시예에서는 냉각부(32a)가 각 연소기(30)마다 하나씩 개별적으로 제어하도록 구성된다. 따라서 하나의 밸브(32)를 통하여 유입된 냉각 유체는 대응하는 유로(33)를 통하여 순환되어 대응하는 하나의 연소기(30)만을 냉각하도록 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 가스터빈(1)의 배기부(50)에는 온도 검출부(51)가 형성되어 있다. 온도 검출부(51)는 복수의 연소기(30)로부터 배출되어 터빈(40)을 통과한 연소가스의 온도를 측정한다. 온도 검출부(51)는 가스터빈(1)의 중심축을 기준으로 둘레 방향으로 일정한 간격으로 복수 개의 온도 센서(52)가 배치되어 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 검출부(51)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4는 가스터빈(1)의 중심축과 평행한 방향에서 본 모습을 개략적으로 나타내고 있다. 즉, 도 4는 가스터빈(1)의 중심축에 수직인 단면에 해당한다.

본 실시예에서는 복수의 온도 센서(52)가 배기부(50)의 가장자리를 따라서 배치되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 온도 센서(52)들이 복수의 연소기(30)로부터 배출되는 연소가스의 온도를 구별하여 측정할 수 있다면 다른 방식으로도 배치될 수 있을 것이다.

다음으로, 본 발명에 따른 가스터빈(1)의 이상 연소기 검출부(60)는 온도 검출부(51)에 의하여 측정된 온도에 기초하여 기준치 이상의 온도의 연소가스를 배출하는 이상 연소기를 검출한다. 구체적으로, 이상 연소기 검출부(60)는 가스터빈(1)의 상태를 고려하여 유체역학 모델에 따라서 연소기(30)로부터 배출되는 연소가스가 흘러나가는 경로를 계산하여 생성한 스월차트(swirl chart) 테이블을 구비한다. 해당 스월차트 테이블은 온도 센서(52)의 위치와 연소기(30)의 위치를 상대적으로 대응시킨다. 이상 연소기 검출부(60)는 해당 테이블을 참조함으로써 복수의 연소기(30) 중 이상 연소기를 특정할 수 있다. 가스터빈(1)의 상태는 가스터빈(1)이 가속 구간인 경우 회전속도를, 부하 구간인 경우 부하율을 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 연소기 검출부(60)에 구비된 스월차트 테이블이다.

도 5를 참조하면, 이상 연소기 검출부(60)는 스월차트 테이블로서 가속 구간(acceleration period)에 대하여 생성된 테이블과 부하 구간(load period)에 대하여 생성된 테이블을 포함할 수 있다.

가속 구간에 대한 테이블에서는 터빈의 속도(rpm)마다 연소기 수를 대응시키고 있다. 부하 구간에 대한 테이블에서는 부하율(5)마다 연소기 수를 대응시키고 있다.

이때 대응시킨 연소기 수가 의미하는 바는, 이상이 검출된 온도 센서(52)의 위치와 실제 이상이 발생한 연소기(30)의 상대적인 위치 관계를 나타낸다. 예를 들어, 16개의 연소기(30)가 중심축을 기준으로 둘레 방향으로 배열되어 있고, 이에 대응하여 16개의 온도 센서(52)가 마찬가지로 중심축을 기준으로 둘레 방향으로 배열된 경우를 가정한다. 이때, 터빈의 속도가 1500rpm이고 7번 온도 센서(52)에서 기준치 이상의 연소가스 온도가 측정되었다면, 해당 위치에서 5-7번째에 위치한 연소기(30)들을 이상 연소기라고 판단하는 것이다.

본 실시예에서 구분한 터빈의 속도와 부하율의 수치 및 그에 대응하는 연소기 수는 예시적으로 나타낸 것으로, 가스터빈의 종류나 설치 환경, 연료의 종류 등 다양한 조건에 따라서 변경될 수 있을 것이다. 또한 위 파라미터들은 시뮬레이션이나 실제 사전 측정을 통하여 도출할 수 있을 것이다.

한편, 본 실시예에서는 스월차트 테이블이 이상 연소기 검출부(60)에 구비되는 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 저장매체 등 별도의 메모리에 저장될 수 있을 것이다.

마지막으로, 본 발명에 따른 가스터빈(1)의 제어부(61)는 이상 연소기 검출부(60)에 의하여 검출된 이상 연소기에 대응하는 분사 노즐(12)로부터 수분이 분사되도록 제어한다.

또한 제어부(61)는 이상 연소기 검출부(60)에 의하여 검출된 이상 연소기에 대응하는 냉각부(31)에 흐르는 냉각 유체의 양을 증가시키도록 제어할 수도 있다.

제어부(61)가 냉각부(31)를 이용하여 이상 연소기를 냉각시키는 경우에는 이상 연소기 검출부(60)에 의하여 특정된 연소기에 형성된 냉각부(31)를 제어하면 된다. 그러나 제어부(61)가 수분 분사 장치(11)를 이용하여 연소기(30)를 냉각시키는 경우에는 별도의 처리가 필요하다. 즉, 앞서 수분 분사 장치(11)에 대한 설명에서 언급한 바와 같이, 분사 노즐(12)에 의하여 분사된 수분이 흘러들어가는 연소기(30)는 유체역학 모델에 따라서 정해진다. 따라서 제어부(61)는 도 5의 스월차트 테이블과 같은 테이블을 미리 생성해두고, 이를 참조함으로써 이상 연소기의 위치에 따라서 수분을 분사하는 분사 노즐(12)을 특정할 수 있을 것이다.

제어부(61)는 이상 연소기의 냉각을 위하여 수분 분사 장치(11)와 냉각부(31) 중 어느 하나를 선택적으로 동작시키도록 제어할 수도 있을 것이며, 동시에 동작하도록 제어할 수도 있을 것이다. 또한 필요에 따라서는 제어부(61)는 수분 분사 장치(11)와 냉각부(31) 중 어느 하나를 먼저 동작시키고, 그 결과에 따라서 나머지 하나를 동작시키도록 제어할 수도 있을 것이다.

본 실시예에서는 이상 연소기 검출부(60)와 제어부(61)가 별도의 구성으로 형성되는 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이상 연소기 검출부(60)와 제어부(61)가 하나의 구성으로 형성될 수도 있을 것이다. 또한 이상 연소기 검출부(60) 및 제어부(61)는 하드웨어적으로 구현될 수도 있으며, 또한 컴퓨터 프로그램에 의하여 소프트웨어적으로 구현될 수도 있을 것이다. 그리고 이상 연소기 검출부(60) 및/또는 제어부(61)가 소프트웨어적으로 구현될 경우, 이상 연소기 검출부(60) 및/또는 제어부(61)로서의 기능을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 저장매체와, 이를 실행시키는 CPU등의 연산장치를 구비할 수 있을 것이다.

또한, 본 실시예에서는 수분 분사 장치(11)와 냉각부(31)가 동시에 구비되는 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 수분 분사 장치(11)와 냉각부(31) 중 어느 하나만 구비되는 구성으로서 구현되는 것도 가능할 것이다.

이하에서는, 이상과 같이 구성된 가스터빈(1)의 제어방법에 대하여 도 6 내지 도11을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈(1)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 가스터빈(1)을 기동시켜 발전을 개시한다(S10). 제어부(61)는 부하별 연소 조정을 수행하고(S11), 그에 따라서 가스터빈(1)의 연소 동작을 수행시킨다. 그 후, 연소 동압이 발생하였는지를 판단한다(S12). S12 단계에서 연소 동압이 발생하였다면(S12의 예) 다시 S11 단계로 돌아가 연소 소정을 수행한다.

한편, 연소 조정에 의한 연소 동작에 의해 연소 동압이 발생하지 않았다면(S12의 아니오), 연소 후 가스온도의 편차에 대한 알람(이하, '이상 편차 알람'이라고 함)이 발생하였는지를 판단한다(S13). 이상 편차 알람은 온도 검출부(51)에서 측정한 온도 중 기준 온도를 초과하는 연소가스의 온도가 검출된 경우에 발생한다. 이상 편차 알람이 발생하지 않았다면(S13의 아니오) 연소기(30)에서의 연소에 고온연소 등의 이상이 발생하지 않은 것으로 판단하여 정상 부하 운전을 수행한다(S14).

반면에, 이상 편차 알람이 발생하였다면(S13의 예), 이상 연소기 검출부(60)는 미리 생성하여 저장해둔 스월차트 테이블을 확인한다(S15). 그리고 테이블을 참조함으로써 기준치 이상의 온도가 측정된 온도 센서(52)에 대응하는 이상 연소기를 특정한다(S16). 그리고 제어부(61)는 다시, 특정된 이상 연소기에 대응하는 수분 분사 장치(11)의 분사 노즐(12)을 제어하여 수분을 분사한다(S17).

상기와 같은 제어 후 즉시 혹은 일정 시간 경과 후, 다시 온도 검출부(51)를 통해 연소가스의 온도를 측정하고, 그에 기초하여 이상 편차 알람이 계속 유지되는지 판단한다(S18). 알람이 유지되지 않는 경우, 즉 알람이 해제된 경우(S18의 아니오)에는 이상 연소기의 온도가 하강하여 정상 범위로 들어왔다고 판단하여 정상 부하 운전을 수행한다(S14).

반면, 이상 편차 알람이 계속 유지되는 경우(S18의 예), 분사 노즐(12)을 통하여 분사되는 수분의 분사량이 한계치인지를 판단한다(S19). 아직 수분 분사량이 한계에 다다르지 않은 경우(S19의 아니오), 분사되는 수분량을 증가시키도록 제어하여(S20). 다시 알람이 유지되는지 판단한다(S18). 그러나, 수분 분사량이 한계에 다다랐다고 판단한 경우(S19의 예), 이상 연소기의 온도를 하강시키기 어려우므로 고장 대응 동작을 수행한다(S21). 고장 대응 동작은 가스터빈(1)을 정지시키거나, 최저 부하로 동작시키는 등, 미리 설정된 알고리즘에 따라서 정해진 동작일 수 있다.

이상과 같은 가스터빈(1)의 제어방법에 의하여 이상 연소기를 개별적으로 냉각시킬 수 있어 연소튜닝의 자유도를 높이고, 가스터빈의 효율 향상과 안정적인 운용이 가능하게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈(1)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다. 도 7에서 S31 내지 S36의 동작은 도 6에 따른 제어방법의 S11 내지 S16의 동작과 동일하므로 설명을 생략한다.

도 7을 참조하면, 이상 연소기가 특정되면 제어부(61)는 특정된 이상 연소기에 대응하는 냉각부(31)의 냉각 유체인 스팀의 공급량을 조정한다(S37). 이때 조정 대상 냉각부(31)는 도 3a와 같이 복수의 연소기(30)에 대응하는 복수의 냉각부(31)일 수도 있으며, 하나의 연소기(30)에 대응하는 하나의 냉각부(31)일 수도 있을 것이다.

이어서, 제어부(61)에 의한 냉각부(31)의 제어 후 즉시 혹은 일정 시간 경과 후, 다시 온도 검출부(51)를 통해 연소가스의 온도를 측정하고, 그에 기초하여 이상 편차 알람이 계속 유지되는지 판단한다(S38). 알람이 유지되지 않는 경우, 즉 알람이 해제된 경우(S38의 아니오)에는 이상 연소기의 온도가 하강하여 정상 범위로 들어왔다고 판단하여 정상 부하 운전을 수행한다(S34).

반면, 이상 편차 알람이 계속 유지되는 경우(S38의 예), 냉각부(31)를 통하여 순환되는 스팀의 공급량이 한계치인지를 판단한다(S39). 아직 스팀 공급량이 한계에 다다르지 않은 경우(S39의 아니오), 스팀 공급량을 증가시키도록 조정 제어하여(S37). 다시 알람이 유지되는지 판단한다(S38). 그러나, 스팀 공급량이 한계에 다다랐다고 판단한 경우(S39의 예), 이상 연소기의 온도를 하강시키기 어려우므로 고장 대응 동작을 수행한다(S40). 여기서도 마찬가지로 고장 대응 동작은 가스터빈(1)을 정지시키거나, 최저 부하로 동작시키는 등, 미리 설정된 알고리즘에 따라서 정해진 동작일 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따른 가스터빈(1)의 제어방법에 의하여도 이상 연소기를 개별적으로 냉각시킬 수 있어 연소튜닝의 자유도를 높이고, 가스터빈의 효율 향상과 안정적인 운용이 가능하게 된다.

도 8은 도 7에서 설명한 스팀 공급량 조정을 통한 연소 후 가스온도 편차 제어 방법을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 복수의 온도 센서(52)에서 측정한 연소가스의 온도 중 연소 후 가스온도의 편차(Variation)가 가장 큰 값과 기준 온도를 비교하여 연소 후 가스온도의 편차의 최대값이 기준 온도를 상회한 경우에는 이상 연소기가 존재한다고 판단하고, 해당 연소 후 가스온도의 편차를 갖는 온도 센서(52)에 대응하는 연소기(30)를 특정한다. 그리고 연소 후 가스온도의 편차의 최대값과 기준 온도의 차이를 비레적분하고 그 결과값에 기초하여 특정된 연소기(30)에 대응하는 냉각부(31)에 유입되는 냉각 유체의 흐름을 제어하는 밸브(32)의 개도량을 조절한다. 본 실시예에서는 기준 온도를 15℃로 하였으나 이는 예시적인 것일 뿐으로 다른 값으로 설정하는 것도 물론 가능하다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스터빈(1)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 9는 도 6에 따른 제어방법을 S51 내지 S60에서 먼저 수행하고, S59에서 수분 분사량의 한계에 다다랐다고 판단한 경우(S59의 예), 도 7에 따른 제어방법을 수행하도록 하는 것이다. 즉, 수분 분사량의 한계에 다다른 경우, S61 내지 S63에서 특정된 이상 연소기에 대응하는 냉각부(31)의 냉각 유체인 스팀의 공급량을 조정함으로써 이상 연소기의 냉각을 수행한다. 그리고 냉각부(31)에 의해 스팀 공급량을 최대로 하였음에도 불구하고 알람이 유지되는 경우에는 고장 대응 동작을 수행한다(S64).

이상과 같은 가스터빈(1)의 제어방법에 의하여 이상 연소기를 개별적으로 냉각시킬 수 있어 연소튜닝의 자유도를 높이고, 가스터빈의 효율 향상과 안정적인 운용이 가능하게 된다.

본 실시예에서는 먼저 수분 분사 장치(11)에 의하여 연소기(30)의 냉각을 수행한 후에 냉각부(31)에 의한 연소기(30)의 냉각을 수행하였으나, 제어 순사가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 먼저 냉각부(31)에 의한 연소기(30)의 냉각을 수행한 후에 수분 분사 장치(11)에 의해 연소기(30)의 냉각을 수행할 수도 있을 것이며, 혹은 두 가지 방식을 동시에 적용하여 냉각을 수행할 수도 있을 것이다.

도 10은 온도 검출부에서 측정된 온도 분포를 예시적으로 나타내는 도면이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이상 연소기 검출 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 10과 도 11을 참조하여, 이상 연소기를 검출하는 방법에 대해서 설명한다.

도 10을 참조하면, 총 16개의 연소기가 존재하고, 그에 대응하여 16개의 온도 센서(52)가 온도 검출부(51)로서 구비되어 있다. 가스터빈(1)의 중심축을 기준으로 둘레 방향에 배열된 온도 센서(52) 중 7번 센서에 의하여 측정된 온도가 연소 후 가스온도의 평균치보다 40도 높은 것으로 검출되었다.

이상 연소기 검출부(60)는 온도 센서(52)들이 측정한 연소 후 가스온도로부터 연소 후 가스온도의 편차가 최대인 온도 센서(52)를 판단한다(S70). 또한 이상 연소기 검출부(60)는 가스터빈(1)의 상태를 판단한다(S71). 가스터빈(1)의 상태는 앞서 설며한 바와 같이 가속구간인지 부하구간인지 여부, 가속구간이라면 터빈의 회전 속도가 얼마인지, 부하구간이라면 부하율이 얼마인지 등이다.

이후, 이상 연소기 검출부(60)는 스월차트 테이블을 이용하여 스월각도를 추출하고(S72), 추출한 스월각도에 기초하여 이상 연소기를 특정한다(S73). 예를 들어, 도 5와 같은 스월차트 테이블이 구비되어 있으며, 가스터빈(1)의 상태가 가속구간으로서 터빈의 회전속도가 1500rpm이라고 가정한다. 이와 같은 경우, 이상 연소기 검출부(60)는 스월 각도가 5-7인 것을 추출하고, 이에 기초하여 7번 센서로부터 반시계방향으로 5-7번째인 1,2,16번 연소기(30)가 이상 연소기라고 특정한다.

본 실시예에서는 스월각도가 온도 센서(52)의 위치로부터 반시계방향으로의 각도를 나타내고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 반대 방향(즉, 시게방향)으로의 각도를 나타내는 것으로 하여도 될 것이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈의 제어방법에 따른 냉각 효과를 설명하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 상단의 그림은 가스터빈(1)의 압축기(20), 연소기(30) 및 터빈(40)의 단면도이며, 하단의 그래프는 수평방향 위치에 따른 온도의 변화를 나타내는 그래프이다. 또한 하단의 그래프 중에서 실선으로 나타낸 그래프가 종래에 복수의 연소기에 일괄적으로 냉각 유체를 공급하여 냉각을 수행하는 경우이며, 점선으로 나타낸 그래프가 본 실시예에 따라서 복수의 연소기(30)를 복수의 그룹으로 나누고, 각 그룹별로 개별적으로 냉각을 수행하는 경우이다.

도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서와 같이 복수의 연소기(30)를 복수의 그룹으로 나누고, 이상이 발생한 연소기가 포함된 그룹만 개별적으로 냉각 유체의 양을 조절함으로써 냉각 효과를 개선시킬 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 가스터빈(1) 제어장치 및 제어방법에 의하여 이상 연소기를 개별적으로 냉각시킬 수 있어 연소튜닝의 자유도를 높이고, 가스터빈의 효율 향상과 안정적인 운용이 가능하게 된다. 또한, 가스터빈 발전소의 운영기술 자립도를 제고하여 비용 등의 운영비 절감에 기여할 수 있게 된다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

1 가스터빈
10 인입부 11, 11a, 11b 수분 분사 장치
12 분사 노즐 20 압축기
30 연소기 31, 31a, 31b 냉각부
32 밸브 33 유로
40 터빈 41 로터
50 배기부 51 온도 검출 장치
52 온도 센서 60 이상 연소기 검출부
61 제어부

Claims (10)

1. 중심축의 둘레 방향으로 복수의 연소기가 배열된 가스터빈 제어장치로서,
   상기 복수의 연소기의 상류 측에 형성되어 상기 복수의 연소기 중 대응하는 연소기에 수분을 분사하는 복수의 분사 노즐을 구비하는 수분 분사 장치;
   상기 복수의 연소기로부터의 연소가스의 온도를 측정 가능하며, 상기 중심축의 둘레 방향으로 배치되는 복수의 온도 센서를 구비하는 온도 검출부;
   상기 온도 검출부에 의하여 측정된 온도에 기초하여 기준치 이상의 온도의 연소가스를 배출하는 이상 연소기를 검출하는 이상 연소기 검출부; 및
   상기 이상 연소기 검출부에 의하여 검출된 이상 연소기에 대응하는 분사 노즐로부터 수분이 분사되도록 상기 수분 분사 장치를 제어하는 제어부;를 포함하고,
   상기 이상 연소기 검출부는 가스터빈의 상태에 따라서 상기 온도 센서의 위치와 상기 연소기의 위치를 대응시키는 테이블을 구비하며,
   상기 가스터빈의 상태는 상기 가스터빈이 가속 구간인 경우 회전속도, 부하 구간인 경우 부하율을 포함하는 가스터빈 제어장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 분사 노즐은 상기 중심축의 둘레 방향으로 배열되는 가스터빈 제어장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 연소기 각각에 대응하여 냉각 유체를 유입시키는 복수의 냉각부를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 이상 연소기에 대응하는 냉각부에 유입되는 유체량을 조절하되, 상기 복수의 냉각부를 적어도 복수의 그룹으로 나누어 개별적으로 제어하는 가스터빈 제어장치.
6. 중심축의 둘레 방향으로 복수의 연소기가 배열된 가스터빈의 제어방법으로서,
   상기 중심축의 둘레 방향으로 배치되는 복수의 온도 센서에서 상기 복수의 연소기로부터 배출된 연소가스의 온도를 측정하는 단계;
   상기 측정된 온도에 기초하여 기준치 이상의 온도의 연소가스를 배출하는 이상 연소기를 검출하는 단계; 및
   상기 복수의 연소기의 상류 측에 형성되어 상기 복수의 연소기 중 대응하는 연소기에 수분을 분사하는 수분 분사 장치의 복수의 분사 노즐 중 상기 검출한 이상 연소기에 대응하는 분사 노즐로부터 수분이 분사되도록 제어하는 단계;를 포함하고,
   상기 이상 연소기를 검출하는 단계는, 상기 가스터빈의 상태에 따라서 상기 온도 센서의 위치와 상기 연소기의 위치를 대응시키는 테이블을 구비하고, 상기 테이블과 상기 측정한 온도를 이용하여 수행되며,
   상기 가스터빈의 상태는 상기 가스터빈이 가속 구간인 경우 회전속도, 부하 구간인 경우 부하율을 포함하는 가스터빈의 제어방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 복수의 분사 노즐은 상기 중심축의 둘레 방향으로 배열되는 가스터빈의 제어방법.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수의 연소기 각각에 대응하여 냉각 유체를 유입시키는 복수의 냉각부 중, 상기 이상 연소기에 대응하는 냉각부에 유입되는 유체량을 조절하는 단계를 더 포함하며,
    상기 유체량을 조절하는 단계는 상기 복수의 냉각부를 적어도 복수의 그룹으로 나누어 개별적으로 제어하는 가스터빈의 제어방법.

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