KR101996410B1 - 연소실 내 가스 측정 방법 및 장치 - Google Patents

연소실 내 가스 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 펄스에 의해 발전 플랜트 또는 열병합 발전소의 연소실 내의 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 가스 측정 방법은, 레이저 펄스를 상기 연소실 내에 방출하는 단계(S1), 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 방출되는 제 1 시점을 측정하는 단계(S2), 상기 연소실 내의 소정 위치에서 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원을 검출하는 단계(S3), 상기 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원이 검출되는 제 2 시점을 측정하는 단계(S4), 상기 제 1 시점, 제 2 시점, 그리고 상기 레이저 펄스의 펄스 길이를 기초로 한 위치를 측정하는 단계(S5), 및 상기 제 2 시점에서 검출된 후방 산란 레이저 광원의 하나 이상의 특성을 기초로 하여 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태를 측정하는 단계(S6)를 포함한다. 또한 가스 측정 장치 및 연소 장치가 본 명세서에 제공된다.

Description

연소실 내 가스 측정 방법 및 장치{METHOD AND SYSTEM FOR GAS MEASUREMENTS IN A COMBUSTION CHAMBER}
본 발명은 전체적으로 가스 측정에 관한 것으로, 특히 연소실 내의 가스 상태 및 가스 위치를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소 내의 스팀 발생용 보일러와 같은 연소 장치 내의 가스 유동에 대한 특성을 이해하는 것이 바람직할 것이다. 특히, 예를 들면 연소 장치 내의 다양한 위치에 배치되어 있는 가스의 온도를 측정하는 것이 바람직할 것이다. 가스의 국부적인 온도를 측정함으로써, 가스가 연소 장치를 통해 유동하면서 가스 온도가 최적으로 분포되도록 가스의 유동 또는 연료 분배를 제어하는 것이 가능하게 될 것이다. 이로 인해 연소 장치 내의 최적 연소 및 최소 사용이 달성될 것이다.
연소 장치 내의 온도를 측정하기 위한 하나의 방법은 연소실의 내부에 설치된 열전대를 이용하는 것이다. 그러나, 이러한 방법으로는 하나의 위치에 배치되어 있는 국부적인 가스 온도만 각각의 열전대에 대하여 측정될 것이고, 측정된 온도는 방사선에 의한 영향을 받아서 가끔 정확한 가스 온도로부터 이탈되는 경향이 있다.
보일러 내의 가스 유동의 단면에서 가스 온도의 측정값을 얻기 위해서 이전에는 음향을 이용한 방법들이 사용되었다. 이러한 방법에 대해서는 음파가 연소 장치 안으로 전달되고, 상기 음파가 가스 내에서 전도하는 시간의 조절에 따라 가스의 온도가 측정될 수 있다. 이는 음파의 전파 속도가 가스의 온도에 대하여 작용하기 때문이다. 온도 분포에 대한 2차원 이미지를 획득할 수 있게 하기 위해 복수개의 송신기들이 보일러 내벽에 배치될 수도 있다. 그러나, 온도 분포에 대한 2차원 이미지를 생성할 수 있게 하기 위한 측정값을 처리하기 위해 고속의 계산 수단이 요구된다. 예컨대, 온도 분포 이미지를 생성할 수 있게 하기 위해, 측정이 수행되지 않는 평면의 위치에서 보간법을 사용하는 것이 필요할 수도 있다.
가스 종류에 대한 각각의 독특한 가스 분자의 농도는 연소계에 알려져 있는 가스의 다른 특성이다. 가스 농도를 측정함으로써, 가스의 최적 농도를 제공하기 하기 위한 가스의 유동이 제어됨으로 인해 연소 장치에서 연소에 관하여 더욱 높은 효율이 달성될 수 있다. 더욱 명확하게, 연소가 더욱 효과적으로 이루어지도록 산소(O2) 그리고 일산화탄소(CO)와 같은 다른 연소 가스들이 균등하게 혼합될 수도 있다. 또한 질소 산화물(NOx) 가스의 구성도 감축된다.
연소실 내의 가스 온도를 측정하기 위한 흡입 고온 측정법이 공지되어 있다. 흡입 고온 측정법은 연소실로부터의 배기가스를 필요로 하고, 상기 배기가스는 방사 효과가 최소화되고 정확한 가스 온도가 측정되도록 차폐된 열전대를 통과하게 된다. 이러한 기술을 사용하여, 통상적으로 1100℃까지의 온도가 측정될 수 있다. 더 고가의 도구를 사용하면, 대략 1600℃까지의 온도가 측정될 수도 있다. 이후에 추출된 가스는 연소실 내의 다양한 가스 농도를 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 연소실 내의 여러 위치에 탐침기를 배치시킴으로써, 공간 상에 분포해 있는 가스의 농도 및 온도가 획득될 수도 있다. 그러나, 흡입 고온 측정법은 연소 장치 내의 공간 상에 분포해 있는 가스의 농도 또는 온도를 효과적으로 측정하기 위한 방법을 제공하지 못한다. 특히, 상기 흡입 고온 측정법은 공간 상에 분포해 있는 가스의 농도 및/또는 가스의 온도를 실시간으로 측정하기 위한 장치를 제공하지 못한다.
상기한 점을 고려하여, 예를 들어 연소 장치의 연소실 내의 가스의 농도 및/또는 공간 상의 온도 분포를 측정하기 위한 진보된 방법 및 장치를 제공할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 전반적인 목적은 연소실 내의 가스의 상태 및 가스의 위치를 측정하기 위한 가스 측정 방법 및 가스 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 측면에서는, 레이저 펄스에 의해 발전 플랜트 또는 열병합 발전소의 연소실 내의 소정 위치에서 적어도 하나 이상의 가스 상태를 측정하기 위한 방법이 제공되며, 상기 가스 측정 방법은, 레이저 펄스를 연소실 내에 방출하는 단계; 상기 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 방출되는 제 1 시점을 측정하는 단계; 상기 연소실 내의 소정 위치에서 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원을 검출하는 단계; 상기 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원이 검출되는 제 2 시점을 측정하는 단계; 상기 제 1 시점, 제 2 시점, 그리고 상기 레이저 펄스의 펄스 길이를 기초로 한 위치를 측정하는 단계; 및 상기 제 2 시점에서 검출된 후방 산란 레이저 광원의 적어도 하나 이상의 특성을 기초로 하여 소정 위치에서 적어도 하나 이상의 가스 상태를 측정하는 단계를 포함한다.
레이저 광원을 이용함으로써, 본 발명의 가스 측정 장치는 통상적으로 연소실 외부의 온도에 민감하지 않아도 될 것이다. 또한, 예를 들어 0.2-0.3m인 레이저 펄스의 공간 상의 펄스 길이는 연소실 내의 가스 분자 그룹의 위치를 측정함에 있어서 매우 높은 공간 분해능을 제공한다. 또, 가스 상태에 대한 공간 분해능을 제공하는 측정은 실시간으로 수행될 수 있다.
본 명세서에서, 가스 상태는 가스의 조건으로 정의된다. 예를 들어, 가스 상태는 연소실 내의 가스의 온도(국부적임), 연소실 내의 가스의 농도(국부적임)일 수도 있다.
일실시예에서는 적어도 하나 이상의 특성을 측정하는 단계를 포함할 수도 있다.
본 명세서에서, 후방 산란된 레이저 광원의 특성은 넓은 의미로 해석되어야 한다. 특히, 레이저 광원의 특성은 예를 들어 레이저 광원의 파장 및 에너지와 같은 스펙트럼 속성을 의미할 수 있다. 레이저 광원의 또 다른 예의 특성은 광원의 강도, 즉 검출된 후방 산란 광원에 함유된 광량일 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 특성을 측정하는 단계는 후방 산란된 레이저 광원을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이로 인해, 가스의 농도는 측정된 후방 산란 광량에 따라 측정될 수 있다.
연소실 내의 특정 위치에 있는 가스의 농도를 측정함으로써, 가스 분포 또는 가스 유동을 제어하여 연소실 내의 가스 농도를 균일하게 할 수 있는 것이 가능하다. 이로 인해, 연소실이 보일러실의 일부이라면, 연소는 보다 효과적이어서 보다 고 레벨의 연소가 이루어질 수 있다. 이는 발전 플랜트 분야에서 발전이 보다 효과적으로 이루어지는 한편, 초과시간에 따르는 유사한 효과를 얻기 위해 필요한 연료가 보다 적게 소요됨에 따라 발전과 관련된 비용이 절감된다는 것을 의미한다. 또한, 질소 산화물(NOx) 가스의 생성이 감소된다.
상기 적어도 하나 이상의 특성을 검출하는 단계는 후방 산란된 광원의 스펙트럼 특성을 측정하는 단계를 포함한다. 이로 인해, 가스의 온도가 측정될 수 있다. 따라서 측정된 온도 분포에 따라 가스 유동을 제어함으로써 가스에 대한 균일한 온도 분포가 획득될 수 있다.
상기 검출된 후방 산란 레이저 광원은 레일리 산란 레이저 광원일 수 있다.
상기 검출된 후방 산란 레이저 광원은 라만 산란 레이저 광원일 수 있다. 상기 라만 산란은 후방 산란 레이저 광원과, 가스 분자에 의해 산란되기 이전의 레이저 펄스에 대한 광자 에너지 간에 에너지 차이가 있는 2가지 타입의 산란, 즉 스토크스 산란 및 안티스토크스 산란을 제공한다. 이러한 에너지 차이를 측정함으로써, 연소실 내의 가스의 온도가 측정될 수 있다. 또한, 상기 라만 산란은 검출된 라만 산란 광량에 의해 가스의 농도를 측정하기 위한 정보를 제공한다.
일실시예에서는 레이저 펄스의 파장의 범위를 결정하는 단계를 더 포함한다. 레이저 펄스의 파장의 범위를 결정함으로써, 광원이 후방 산란되었던 위치에서 가스의 온도 측정이 라만 산란 방식을 기초로 하여 수행될 수 있다.
일실시예에서는 레이저 펄스가 연소실 안으로 방출될 때 처음에 전파되는 제 1 평면과는 상이한 제 2 평면으로 전파되는 레이저 펄스로부터 연소실 내의 소정 위치를 향하여 이동하는 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원을 추가로 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서는 상기 제 2 평면에서 가스 분자의 농도를 측정하고, 상기 제 1 평면의 소정 위치에서 적어도 하나 이상의 가스 상태의 측정을 기초로 하여, 상기 제 2 평면 내의 가스 분자의 농도를 결정하는 단계와, 상기 제 1 평면 내의 소정 위치에서 가스의 유량을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따라서는, 발전 플랜트 또는 열병합 발전소의 연소실 내의 소정 위치에서 적어도 하나 이상의 가스 상태를 측정하기 위한 가스 측정 장치가 제공되며, 상기 가스 측정 장치는, 연소실 내에 소정 길이를 갖는 레이저 펄스를 방출하도록 배치된 레이저 디바이스; 연소실 내의 소정 위치에서 가스 분자에 의해 후방 산란된 광원을 검출하도록 배치된 산란 검출기; 및 처리기를 포함하되, 상기 처리기는 상기 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 방출되는 제 1 시점을 측정하고, 상기 후방 산란된 레이저 광원이 상기 산란 검출기에 의해 검출되는 제 2 시점을 측정하며, 상기 제 1 시점, 제 2 시점, 그리고 상기 레이저 펄스의 펄스 길이를 기초로 하여 가스 상태의 위치를 측정하고, 상기 제 2 시점에서 검출된 상기 후방 산란된 레이저 광원의 적어도 하나 이상의 특성을 기초로 하여 적어도 소정 위치에서 적어도 하나 이상의 가스 상태를 측정하도록 적합화되어 있다.
상기 처리기는 상기 후방 산란된 레이저 광량을 측정하도록 배치되어서, 소정의 위치에서 상기 하나 이상의 가스 상태에 대한 가스의 농도를 측정할 수 있다.
상기 처리기는 후방 산란된 레이저 광원의 스펙트럼 특성을 기초로 하여 소정 위치에서 가스 상태에 대한 온도를 측정하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 제 3 측면에서는, 연소 장치가 제공되며, 상기 연소 장치는 상술한 바와 같은 가스 측정 장치와, 가스를 수용하도록 적합화된 연소실을 포함하되, 상기 연소실은 레이저 디바이스로부터의 레이저 펄스를 상기 연소실 내에 방출시키도록 배치된 개구부를 둘러싸는 벽면을 갖는다.
일실시예에서는 상기 연소실의 개구부에 배치되되, 레이저 디바이스로부터의 레이저 펄스를 상기 연소실 내에 방출시키도록 배치된 레이저 펄스 입력유닛인 윈도우 유닛을 포함할 수 있고, 상기 윈도우 유닛은 상기 연소실의 외부로 가스가 배출되도록 배치되어 있으며, 상기 연소실 외부의 가스는 상기 연소실 내의 가스보다 더 높은 압력을 갖는다.
본 발명의 상술한 모든 특징들이 전체적으로 동일하거나 유사한 장점들을 제공한다는 것은 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 장점들은 이하에서 설명될 것이다.
본 발명 그리고 본 발명의 장점들은 첨부 도면들을 참조하여, 일예의 실시예를 한정하지 않는 방식으로 이제 설명될 것이다.
도 1의 (a) 내지 (c)는 광자의 탄성 및 비탄성 후방 산란을 나타내는 도면이다.
도 2는 가스 측정 장치의 일예를 나타내는 도면이다.
도 3의 (a) 및 도 (b)는 도 2의 가스 측정 장치에 의한 가스 측정의 제 1 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 가스 측정 장치에 의한 가스 측정의 제 2 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 가스의 상태 및 가스의 위치를 측정하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
본 발명은 전체적으로 가스를 수용하여 상기 가스가 내부에서 유동할 수 있는 덕트 또는 연소실 내의 가스의 상태 및 가스의 위치를 측정하기 위해 광원이 사용될 수 있다고 하는 발명자들의 실현 가능한 구체화에 기반을 두고 있다.
특히, 본 발명의 발명자들은 라이더(LIDAR; 광선 레이더) 기술이 연소실 내의 가스 상태 및 가스 위치를 측정하기 위해 이용될 수 있다는 것을 인식하였다.
라이더 기술은 일반적으로 가스 또는 에어로졸의 물리적 또는 화학적 특성을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 라이더 측정에는 통상적으로 레이저 광원을 사용하는 데 그 이유는 레이저 광원이 간섭성 및 협대역 빔 특성이 있기 때문이다.
라이더 기술은 보통 산란(후방 산란) 광의 이동시간 및 상기 이동시간을 측정함으로써 펄스를 배치시키는 범위를 정할 수 있게 하는 소정의 레이저 광원 펄스를 이용한다. 펄스 길이는 최소의 공간 분해능을 차례대로 측정한다.
레이저 광원이 분자와 충돌할 때, 상기 레이저 광원의 일부는 후방으로 산란된다. 상기 후방 산란된 광원은 예컨대 레일리(Rayleigh) 산란 광 또는 라만(Raman) 산란 광원일 수 있다.
이제, 라만 산란 및 레일리 산란 방식의 개념이 도 1의 (a) 내지 (c)를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
레일리 산란은 후방 산란된 광자가 광자-분자 충돌의 발생 이전과 같은 에너지를 갖는다는 의미에서 소위 탄성 산란이라 칭해진다. 이 경우, 레이저 광자는 가스 분자와 충돌하게 되어 상기 가스 분자를 여기(勵起)시킨다. 그 후, 상기 여기된 가스 분자는, 상기 광자가 상기 가스 분자를 여기시키는 것과 동일한 에너지를 사용하여 광자를 방출시킨다. 이러한 현상은 도 1의 (a)에 도시되어 있다.
라만 산란은 상기 방출된 광자가 상기 분자와의 충돌 이전의 레이저 광자의 에너지에 비해 상이한 에너지를 갖는다는 의미에서 소위 비탄성 산란이라 칭해진다. 이러한 비탄성 산란은 스토크스(Stokes) 산란 또는 안티스토크스(Anti-Stokes) 산란의 형태가 될 수 있다.
상기 스토크스 산란은 충돌 이후에 방출된 후방 산란 광자가 상기 분자를 여기시킨 레이저 광자보다 더 낮은 에너지를 가질 것이라는 것을 의미한다. 그러므로, 후방 산란된 광원의 파장은 충돌 이전의 파장보다 더 길어질 것이다. 광자의 스토크스 산란은 도 1의 (b)에 개략적으로 도시되어 있다.
상기 안티스토크스 산란은 후방 산란 광자가 분자와의 충돌 이전의 레이저 광자보다 더 높은 에너지 가질 것이라는 것을 의미한다. 그러므로, 후방 산란된 광원의 파장은 충돌 이전의 파장보다 더 짧아질 것이다. 광자의 안티스토크스 산란은 도 1의 (c)에 도시되어 있다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 측정 장치(1)의 일예를 나타낸다. 가스 측정 장치(1)는 전체적으로 연소실 내의 가스 상태 및 가스 각각의 위치를 측정하기 위해 이용될 수 있다. 상기 연소실은 가스를 수용하여 상기 연소실을 통해 가스를 유동시키기에 적합한 모든 종류의 연소실이 될 수 있다. 예컨대, 상기 연소실은 발전 플랜트, 가열 플랜트 또는 열병합 발전소의 연소실일 수 있다. 이하, 연소실은 발전 플랜트 내의 스팀 생성용 보일러의 일부로서 예시될 것이다. 예시된 가스 측정 장치(1)는 연소실 내의 가스 상태 및 가스 위치를 측정하기 위해 광학적인 방법을 이용한다. 특히, 예시된 가스 측정 장치(1)는 가스가 수용되어 있는 연소실 내의 가스의 상태 및 가스의 위치를 측정하기 위해 라이더(LIDAR) 기술을 유익하게 이용한다.
가스 측정 장치(1)는 레이저 디바이스(3), 산란 검출기(5), 처리기(7), 상기 레이저 디바이스(3)에 전원을 공급하기 위한 파워 서플라이(9), 윈도우 유닛(11) 및 상기 윈도우 유닛(11)에 연결된 펌프 유닛(13)을 포함한다.
일실시예에서, 상기 레이저 디바이스(3)는 레이저 펄스를 방출시킬 수 있는 레이저일 수 있다. 예컨대, 레이저 디바이스(3)는 엔디야그(Nd:YAG) 레이저, 엑시머 펌핑 색소 레이저 또는 다른 어떤 등가의 레이저 디바이스 타입이 될 수 있다. 레이저 펄스의 파장은 예를 들어 266nm 내지 1064nm 사이일 수 있다. 레이저 펄스의 스폿 사이즈는 예를 들어 3mm 내지 15mm 사이일 수 있다. 펄스의 지속시간은 0.009m 내지 3m 범위에 공간 펄스 길이를 제공하도록, 예를 들어 30×10-12초 내지 10×10-9초의 범위 내에 있을 수 있다. 상기 펄스 길이는 측정에 대한 공간 분해능을 결정한다. 상기 펄스의 지속 시간과 공간적인 길이는 특정 적용예에 따라 좌우된다. 레이저의 펄스 반복률은 예컨대 소정의 펄스 강도를 갖고서 10Hz 내지 1000Hz가 될 수 있다.
윈도우 유닛(11)은 연소실 안에 개구창을 제공하기 위해 연소실 벽면(10)의 개방부에 배치될 수 있다. 상기 레이저 디바이스(3)는, 상기 레이저 디바이스에 의해 방출된 레이저 펄스가 상기 윈도우 유닛(11)을 통해 상기 연소실로 입사할 수 있도록 배치된다. 상기 윈도우 유닛(11)에는 펌프 유닛(13)으로부터의 가스가 공급된다. 상기 펌프 유닛(13)은 일실시예로 가스 실린더일 수 있다. 상기 펌프 유닛(13)으로부터 상기 윈도우 유닛(11)에 제공된 소위 퍼지 가스라 칭해지는 가스는 상기 연소실 내에서 유동하는 가스보다 고압력을 갖는다. 이로 인해 상기 윈도우 유닛(11)은 퍼지 가스에 의해 보호된다. 상기 윈도우 유닛(11)을 이용함으로써, 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 제공될 수 있고, 후방 산란 광원은 산란 검출기(5)에 의해 검출되는 한편 상기 연소실의 내외부 사이에 항상 깨끗한 광학 인터페이스를 제공할 수 있게 된다.
상기 연소실은 예컨대 노(furnace)이고, 상기 연소실의 벽면은 노의 벽면이 될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 상기 레이저 디바이스(3)는 레이저 펄스를 상기 산란 검출기(5)의 아래쪽을 향하여 수직 방향으로 방출시키도록 배치된다. 이러한 배치는 상기 레이저 디바이스(3)의 전방에 있는 예를 들어 미러 장치에 의해 구현될 수 있다. 상기 산란 검출기(5)는 레이저 펄스를 상기 윈도우 유닛(11) 쪽에서 연소실 내에 향하게 하기 위한 미러 장치(도시 생략)를 구비한다. 이로 인해서 상기 산란 검출기(5)에 의해 검출된 후방 산란 광은 레이저 광원을 따라 전파되는 광축(O)과 동일한 평면 내의 분자 또는 원자에 의해 후방 산란된다고 알려져 있다.
일실시예에서, 산란 검출기(5)는 망원경 요소 및 전용의 검출기 시스템을 구비할 수 있다. 상기 산란 검출기(5)는 예를 들어 포토멀티플라이어 튜브(PMT)와 같은 적어도 하나 이상의 감광성 방사선 요소를 구비할 수 있다. 상기 포토멀티플라이어 튜브는 집속된 방사선을 전기신호로 변환하여 보다 더 디지털적으로 처리될 수 있게 한다.
통상적으로 라만 산란 방식에 따른 실시예들은 라만 산란 광원으로부터 레일리 산란 광원을 필터링하기 위해 상기 산란 검출기 내에 배치된다. 이로 인해서 검출 및 처리는 라만 산란 광원에 집중될 것이다. 상기와 같은 실시예에서, 2개 이상의 포토멀티플라이어 튜브가 직렬로 연결될 수도 있다. 이때, 각각의 포토멀티플라이어 튜브는 스토크스 산란 광원 및 안티스토크스 산란 광원 중의 하나를 검출하도록 배치될 수 있다. 즉, 예를 들면 제 1 포토멀티플라이어 튜브는 소정의 가스 종류로부터 산란된 안티스토크스를 검출하도록 배치될 수 있고, 제 2 포토멀티플라이어 튜브는 동일한 가스 종류로부터 산란된 스토크스를 검출하도록 배치될 수 있다. 복수개의 스토크스 산란 광자 및 안티스토크스 산란 광자 사이의 신호계수는, 이들 광자들이 연소실 내에서 후방 산란되었던 위치에서 상기 연소실 내의 가스의 온도를 측정하기 위해 제공된다. 공간 펄스 길이는 측정된 위치에 대한 공간 분해능을 측정한다.
상기 산란 검출기(5)는 가스에 의해 제공된 후방 산란으로 인한 측정 에러를 제거하기 위해 상기 펌프 유닛(13)에 의해 제공된 가스를 고려하여 상기 윈도우 유닛(11)을 향하여 위치가 조정될 수 있다. 대안으로서, 가스에 의해 제공된 후방 산란으로 인한 측정 에러를 제거하기 위해, 상기 펌프 유닛(13)에 의해 제공된 가스를 고려하여 상기 윈도우 유닛(11)을 향하여 처리기(7)의 위치를 조정할 수도 있다.
상기 처리기(7)는 상기 산란 검출기(5)에 작동 가능하게 연결된다. 상기 처리기(7)는 상기 산란 유닛(5)으로부터 수신된 데이터를 처리할 수 있는 통합 장치이다. 대안으로서, 상기 처리기는 상기 처리기를 함께 구성하기 위한 몇몇의 장치들을 구비할 수도 있다.
이제, 도 3의 (a)를 참조하여, 연소실 내의 가스의 상태 및 가스의 위치를 측정하는 제 1 예가 상세하게 설명될 것이다.
도 3의 (a)는 예를 들어 노(furnace)와 같은 연소실(17)을 구비하는 연소 장치(15)와, 가스 측정 장치(1)의 개략적인 측면도를 나타낸다. 명백한 이유 때문에, 가스 측정 장치(1)의 세부적인 모든 구성요소는 도 3의 (a)에 도시되지 않았다.
공기와 산소는 화살표 A에 의해 도시된 바와 같이 연소실(17)에 공급된다. 또한, 예를 들어 오일, 석탄 또는 천연가스와 같은 연료는 화살표 B에 의해 도시된 바와 같이 연소실(17)에 공급된다. 산소/공기 및 연료가 공급된 구역에서 혼합물이 발화되어 연소가 실시된다. 가스 측정 장치(1)에 의해, 연소 장치(15)를 통해 유동하는 가스(G)의 온도 및 농도의 공간적인 분포 상태를 측정하는 것이 가능한데, 이때 상기 가스(G)는 연소실(17) 내에서 공기 또는 산소 및 연료를 연소시킬 때의 결과물이다.
상기 제 1 예에서, 가스(G)는 연소 장치(15) 내에서 상부를 향하여 수직 방향으로 유동한다. 그러나, 본 발명의 목적을 위해, 상기 가스(G)는 연소 장치의 방위를 따라 어떠한 방향으로도 유동할 수 있다는 것을 주의해야 한다.
상기 가스(G)는 예를 들어 스팀 발생용 물과 같은 유체를 가열할 수 있는 보일러 구역 쪽을 향하여 연소실을 지나 배기가스 덕트(20)로 유동한다. 통상적으로 상기 가스(G)는 예를 들어 질소, 이산화탄소, 산소, 일산화탄소, 황 화합물(SOx) 및 질소 산화물(NOx) 가스와 같은 몇 가지 가스들의 혼합물이다.
광축(O)에서 횡단면에 있는 가스(G)의 상태에 대한 공간적인 분포를 측정하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, S1 단계에서, 레이저 펄스는 레이저 디바이스(3)에 의해 방출되어 연소실(17) 안으로 공급된다. 레이저 펄스는 예를 들어 10Hz 내지 500Hz의 속도로 연소실(17) 내에 공급될 수 있다.
이제 후방 산란의 기본적인 원리가 도 3의 (b)를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
윈도우 유닛(11)을 통해 연소실(17)로 방출된 레이저 펄스(P)는 연소실(17) 안으로 전파된다. 상기 레이저 펄스(P)는 연소실(17)의 내벽(17-1)들 사이에 전파된다. 상기 레이저 펄스(P)는 펄스 방출 기간에 측정된 길이(l)를 갖는다.
상기 연소실(17) 내에서 유동하는 가스(G)는 예를 들어 분자(M-1, M-2, ... 및 M-n)들과 같은 복수개의 분자를 포함한다. 이하에서, 상기 분자(M-1, M-2, ... 및 M-n)는 산소 분자로 예시될 것이다. 통상적으로 많은 개수의 분자들이 연소실 내에 각각 독단적으로 선택된 볼륨 유닛에 분포되어 있다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 설명의 간소화를 위해 제 1 예에서는 3개의 분자들을 기초로 한다.
상술한 바와 같이, 상기 가스(G)는 몇몇의 분자 종류로 구성된 불균일 혼합물이다. 또한, 상기 가스(G)는 분포된 여러 부분에서 상이한 온도를 갖는다.
상기 레이저 펄스(P)가 연소실(17) 내의 가스(G)를 통해 전파됨에 따라, 광자는 상기 가스(G) 내의 분자에 의해 후방으로 산란될 것이다. 이러한 예는 분자들(M-1, M-2 및 M-n)에 의해 각각 후방 산란된 광자들(19-1, 19-2 및 19-n)로 도시되어 있다. 상기 분자들(M-1, M-2 및 M-n)은 상기 레이저 펄스(P)가 방출된 연소실(17)의 내벽(17-1)으로부터 소정 거리(d)에 인접하게 배치된다. S2 단계에서, 처리기(7)는 상기 레이저 펄스(P)가 연소실(17)에 입사될 때의 제 1 시점에 관한 데이터를 수신한다.
예를 들어, 광자(19-1)가 안티스토크스 산란에 따라 후방으로 산란된다고 가정하면, 상기 광자(19-1)는 레이저 펄스(P)의 파장보다 더 짧은 파장을 가질 것이다. 또한, 광자(19-2)가 스토크스 산란에 따라 후방으로 산란된다고 가정하면, 상기 광자(19-2)는 레이저 펄스(P)의 파장보다 더 긴 파장을 가질 것이다. 또한, 광자(19-n)는 레일리 산란에 따라 후방으로 산란된다고도 가정된다. S3 단계에서, 후방 산란된 광자들(19-1, 19-2 및 19-n)은 윈도우 유닛(11)을 통해 연소실(17)을 빠져나간 후 산란 검출기(5)에 의해 검출된다.
레일리 방식으로 산란된 광자(19-n)는 필터에 의해 필터링된다. 안티스토크스 방식으로 산란된 광자(19-1) 및 스토크스 방식으로 산란된 광자(19-2)는 산란 검출기(5) 내의 포토멀티플라이어 튜브(PMT)에 의해 각각 검출된다.
상기 처리기(7)는 산란 검출기(5)로부터 검출된 복수개의 스토크스 산란 광자 및 복수개의 안티스토크스 산란 광자에 관한 데이터를 수신한다. 또한, S4 단계에서, 제 2 시점, 즉 상기 광자 발생이 검출될 때의 시간이 등록된다. 상기 후방 산란된 광자들(19-1 및 19-2)에 대한 파장의 변화는 분자들(M-1 및 M-2)의 종류를 측정하기 위해 처리기(7)에 의해 활용된다. 거리(d)로부터 검출된 후방 산란 분자량에 따라, S6 단계에서, 처리기(7)는 거리(d)에서의 산소 농도를 측정할 수 있다. S5 단계에서, 분자들(M-1 및 M-2)의 위치는 거리(d)에 따라 측정되고, 공간 분해능은 레이저 펄스(P)의 소정의 펄스 길이(l)에 따라 측정된다. 이 때문에 분자들(M-1 및 M-2)의 위치는 거리(d)에서 길이(l)에 대한 공간 분해능과 함께 측정될 수 있다.
분자들(M-1 및 M-2)의 온도는 후방 산란된 라만 방식의 광자들(19-1 및 19-2) 간의 비율을 기초로 하여 측정될 수 있다. 통상적으로, 특정한 위치에서의 가스(G)의 온도는 후방 산란된 스토크스 및 안티스토크스 광자들의 총량에 대한 비율을 기초로 하여 측정될 수 있다. 라만 산란 방식 대신에, 레일리 산란 방식이 연소실 내의 가스의 공간적인 온도 분포를 측정하기 위해 사용될 수도 있다는 것을 주의해야 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 적용예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 적용예에서, 가스(G)의 유량에 대한 공간 분해능이 측정될 수도 있다. 이로 인해, 질량 유량(mass flow)이 측정될 수도 있다.
도 4에 도시된 연소 장치(15)는 도 3의 (a)에 도시된 연소 장치와 동일하다. 도 4의 예시에서, 가스 측정 장치(1)는 레이저 디바이스(3) 및 산란 검출기(5)에 대하여 연소실(17)의 반대 측에 배치된 미러 장치(21)를 더 포함한다.
이러한 제 2 예에서, 미러 장치(21)는 상기 연소실(17)의 외부에 배치된다. 따라서, 윈도우 유닛(11)들은 산란 검출기(5)가 배치된 벽면과 그 반대쪽의 연소실 벽면에 배치된다. 그 때문에, 연소실(17) 밖으로 빠져나간 레이저 펄스는 상기 연소실의 외부에 배치된 미러 장치(21)에 의해 방향이 변환되어서 윈도우 유닛(11)을 통해 연소실 내에 되돌아오게 된다. 이러한 제 2 예에서, 상기 미러 장치(21)에 의해 방향이 변환된 레이저 펄스는 레이저 디바이스(3)에 의해 연소실 내에 처음에 방출될 때의 레이저 펄스와는 방향이 반대이다. 방향이 변환된 레이저 펄스는 상기 레이저 측정 장치(1)에 의해 방출될 때 레이저 펄스가 전파되는 제 1 평면(23-1)과 평행한 제 2 평면(23-2)으로 전파될 수 있다.
가스(G)의 공간 상의 분포 및 온도 분포는 도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하여 설명한 상술한 설명과 유사한 방식으로 측정될 수 있다.
도 4의 실시예가 갖는 추가적인 장점은, 가스(G)의 유량에 대한 공간상의 분포가 도 4의 구성을 통해서도 측정될 수 있다는 것이다. 그러나, 미러 장치의 위치가 적용예에 따라 변경될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 이와 관련하여 당업자는 미러 장치에 대하여 다양한 배치 구조를 고려해보아야 한다.
이제 광축을 횡단하는 유동 축선(25)을 지나는 유량에 대한 측정이 설명될 것이다. 유량을 측정하는 이러한 예시는 2차원 후방 산란 측정을 기초로 한다.
유동 축선(25)은 연소실(17)의 벽면으로부터의 거리(d2)에 위치결정된다.
제 2 평면(23-2)으로 전파되는 방향이 변경된 레이저 펄스로부터 후방 산란된 광원 또는 광자는 상기 제 2 평면(23-2) 내의 가스 분자로부터 후방 산란되어 검출되고 측정된다. 이 후방 산란된 광원은 레이저 펄스가 레이저 디바이스(3)를 통해 연소실(17)로 입사될 때의 제 1 시점 및 상기 후방 산란된 광원이 검출될 때의 제 2 시점을 측정함으로써 계산될 수 있다. 연소실(17)의 폭이 알려져 있으므로, 후방 산란된 광원은 검출된 후방 산란 광원이 상기 제 2 평면(23-2) 내의 분자로부터 전파될 때 측정될 수 있다.
가스의 농도는 도 3의 (b)를 참조하여 본 명세서에서 상술한 원리를 기초로 한 유동 축선(25) 및 제 2 평면(23-2)의 교차점 부근에서 측정될 수 있다. 상기 유동 축선(25) 및 제 2 평면(23-2)의 교차점 부근에서 측정된 가스(G)의 농도는 타임스탬프 방식으로 기록된다.
레이저 펄스는 예를 들어 10Hz 내지 500Hz의 속도로 상기 연소실 내에 방출된다. 가스(G)의 농도가 상기 유동 축선(25) 및 제 2 평면(23-2)의 교차점 부근에서 측정됨과 동시에, 상기 가스(G)의 농도는 상기와 유사한 방식으로 상기 유동 축선(25) 및 제 1 평면(23-1)의 교차점 부근에서도 측정된다.
가스의 농도가 유동 축선(25) 및 제 2 평면(23-2)의 교차점 부근에서 측정된 농도와 매우 유사하거나 동일할 때에도, 이 가스의 농도는 타임 스탬프 방식으로 기록된다. 상기 유동 축선(25)을 지나는 유량은 처리기(7)에 의해 측정되는 바, 상기 유량 축선(25) 및 제 2 평면(23-2)의 교차점 부근에서 측정된 농도와, 상기 유동 축선(25) 및 제 1 평면(23-1)의 교차점 부근에서 측정된 농도의 측정값 간의 시간차를 측정함으로써 얻어질 수 있다.
질량 유량은 유량과 농도를 승산함으로써 측정될 수 있다.
공간 상의 온도 분포는 도 3의 (a) 및 (b)를 참조하여 본 명세서에서 상술한 바와 같은 동일한 방식으로 측정될 수 있다.
본 명세서에 제공된 모든 실시예에서, 적어도 하나 이상의 미러들이 상기 연소실 내의 검출면을 한정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 미러는 도 2의 광축(O)과 동일한 평면에서, 상기 레이저 디바이스에 대한 연소실 내벽의 말단에 배치될 수 있다.
본 명세서에 설명된 가스 측정 장치는, 가스가 유동하고 가스의 특성 및/또는 가스 상태의 분포에 대한 측정이 중요한 발전 플랜트, 그리고 이와 유사한 모든 분야에서 가스의 측정에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
당업자라면 본 발명이 본 명세서에서 상술한 예시들에 한정되지 않다는 것을 알 수 있을 것이다. 이와 반대로, 다양한 많은 변형예들은 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들어, 2차원 유량 측정은 하나의 미러 장치와 하나의 레이저 디바이스를 이용하는 대신에 2개의 평행한 레이저 디바이스 구조에 의해 실행될 수도 있다. 이때, 각각의 레이저 디바이스에 대하여 각각 평행한 레이저 펄스의 방출 시간은 가스 유동을 측정하기 사용될 수도 있다. 또한, 미러 장치는 본 명세서에서 상술한 예시와 같이 연소실의 상부 대신, 레이저 펄스가 연소실 내에 방출되는 주요 평면의 하부에 배치될 수도 있다.

Claims (14)

  1. 레이저 펄스에 의해 발전 플랜트 또는 열병합 발전소의 연소실 내의 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태를 측정하기 위한 방법으로서,
    상기 레이저 펄스를 상기 연소실 내에 방출하는 단계(S1),
    상기 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 방출되는 제 1 시점을 측정하는 단계(S2),
    상기 연소실 내의 소정 위치에서 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원을 검출하는 단계(S3),
    상기 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원이 검출되는 제 2 시점을 측정하는 단계(S4),
    상기 제 1 시점, 제 2 시점, 그리고 상기 레이저 펄스의 펄스 길이를 기초로 한 위치를 측정하는 단계(S5), 및
    상기 제 2 시점에서 검출된 후방 산란 레이저 광원의 하나 이상의 특성을 기초로 하여 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태를 측정하는 단계(S6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    하나 이상의 특성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 특성을 측정하는 단계는 후방 산란 레이저 광량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 특성을 측정하는 단계는 후방 산란 레이저 광원의 스펙트럼 특성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 검출된 후방 산란 레이저 광원은 레일리 산란 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 검출된 후방 산란 레이저 광원은 라만 산란 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 파장의 범위를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 방출될 때 처음에 전파되는 제 1 평면과는 상이한 제 2 평면으로 전파되는 레이저 펄스로부터 상기 연소실 내의 소정 위치 쪽을 향하여 이동하는 가스 분자에 의해 후방 산란된 레이저 광원을 추가로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 평면에서 가스 분자의 농도를 측정하고, 상기 제 1 평면 내의 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태의 측정을 기초로 하여, 상기 제 2 평면 내의 가스 분자의 농도를 결정하는 단계,
    상기 제 1 평면 내의 소정 위치에서 가스의 유량을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 방법.
  10. 발전 플랜트 또는 열병합 발전소의 연소실 내의 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태를 측정하기 위한 가스 측정 장치(1)로서,
    상기 가스 측정 장치는,
    상기 연소실 내에 레이저 펄스를 방출하도록 배치된 레이저 디바이스(3),
    상기 연소실 내의 소정 위치에서 가스 분자에 의해 후방 산란된 광원을 검출하도록 배치된 산란 검출기(5), 및
    - 상기 레이저 펄스가 상기 연소실 내에 방출되는 제 1 시점을 측정하고,
    - 상기 후방 산란된 레이저 광원이 상기 산란 검출기(5)에 의해 검출되는 제 2 시점을 측정하며,
    - 상기 제 1 시점, 제 2 시점, 그리고 상기 레이저 펄스의 펄스 길이를 기초로 하여 가스 상태의 위치를 측정하고,
    - 상기 제 2 시점에서 검출된 상기 후방 산란된 레이저 광원의 하나 이상의 특성을 기초로 하여 소정 위치에서 하나 이상의 가스 상태를 측정하도록 적용된 처리기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 처리기(7)는 상기 후방 산란된 레이저 광량을 측정하도록 배치되되, 소정의 위치에서 상기 하나 이상의 가스 상태에 대한 가스의 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 처리기(7)는 상기 후방 산란된 레이저 광원의 스펙트럼 특성을 기초로 하여 소정의 위치에서 가스 상태에 대한 온도를 측정하도록 배치된 것을 특징으로 하는 가스 측정 장치.
  13. 연소 장치(15)로서,
    제 10항 또는 제 11항에 따른 가스 측정 장치(1),
    가스를 수용하도록 적합화된 연소실을 포함하되,
    상기 연소실은 상기 레이저 디바이스(3)로부터의 레이저 펄스를 상기 연소실 내에 방출시키도록 배치된 개구부를 둘러싸는 벽면을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 연소실의 개구부에 배치된 윈도우 유닛(11)을 포함하되,
    상기 윈도우 유닛(11)은 상기 레이저 디바이스(3)로부터의 레이저 펄스를 상기 연소실 내에 방출시키도록 배치되고, 상기 윈도우 유닛(11)은 상기 연소실의 외부로 가스가 배출되도록 배치되어 있으며, 상기 연소실 외부의 가스는 상기 연소실 내의 가스보다 더 높은 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 연소 장치.
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