KR102026983B1 - 가스터빈 내 파이프를 통과하는 유체의 오염물을 모니터링 하는 시스템 및 그 방법 - Google Patents

가스터빈 내 파이프를 통과하는 유체의 오염물을 모니터링 하는 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체를 통과하는 오염물을 모니터링하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 가스터빈 내 연소기, 더 정확하게는 연소기 내 연료를 공급하는 부분에서 파이프를 통해 인입되는 유체 또는 연료의 오염물을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

가스터빈 내 파이프를 통과하는 유체의 오염물을 모니터링 하는 시스템 및 그 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING CONTAMINANTS IN A FLUID PASSING THROUGH A PIPE IN A GAS TURBINE}
본 발명은 유체를 통과하는 오염물을 모니터링하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 가스터빈 내 연소기, 더 정확하게는 연소기 내 연료를 공급하는 부분에서 파이프를 통해 인입되는 유체 또는 연료의 오염물을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스터빈 등이 있다.
이 중, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 케이싱 내에 다수개의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.터빈은 터빈 케이싱 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다. 상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다. 이러한 가스터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
가스터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소 가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소 가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소 가스가 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성시키고, 이에 상기 로터가 회전하게 된다.
한편, 압축된 공기와 혼합이 되는 연료는 가스터빈을 구동하기 위해 필수적인 에너지 공급원이라 할 수 있는데, 이러한 연료는 이미 품질 검증이 완료된 후 공급받아 사용하는 것이 일반적이긴 하나 그럼에도 불구하고 연료에는 미세한 입자들, 즉 오염물들이 포함되어 있을 수 있으며, 또는 가스터빈 내 파이프, 또는 그 외 다른 구성품의 부식에 따라 연료에 오염물들이 섞여 유동이 될 수도 있다.
연료 내 포함되는 오염물들은 연소시 충분한 에너지를 낼 수 없게 하여 출력을 떨어트리는 원인이 될 수 있으며, 나아가 오염물들이 지속적으로 누적되는 경우 가스터빈의 고장을 유발할 수도 있기 때문에, 가스터빈 운용에 있어서는 연료 내 오염물들을 모니터링하고 그에 따른 예방 또는 후속조치를 취하는 것이 필수적이다.
본 발명은 가스터빈 내 파이프를 통해 유동되는 유체 내 오염물질을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법을 제안한다. 본 발명은 이와 같은 문제점에 착안하여 도출된 것이며, 이상에서 살핀 기술적 문제점을 해소시킬 수 있음은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위한 것이다.
등록특허공보 제10-0622074호(2006.09.14.공고)
본 발명은 가스터빈 내 파이프를 통해 유동되는 유체의 미세한 입자들, 즉 오염물들이 포함되어 있는지 여부를 모니터링하는 것을 목적으로 한다.
특히 본 발명은 파이프 내 단면 중 적어도 일부의 영역에 광을 이용한 광 시트(light sheet)를 생성시키고, 유체 내 입자들이 상기 광 시트를 통과하는 모습을 감지하게 함으로써 오염물을 쉽게 모니터링할 수 있게 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 파이프의 외벽에 적어도 하나 이상의 광 감지 센서를 별도로 구비시킴으로써 빛이 입자들에 의해 산란된 산란광도 감지할 수 있게 함으로써 유체 내 오염물을 더욱 정확하게 모니터링할 수 있게 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템은 유체가 유동되는 파이프; 상기 파이프의 단면 중 적어도 일부 영역에 광 시트(light sheet)를 생성시키는 광원; 상기 광 시트를 통과하는 입자를 감지하는 센서부; 및 상기 광원 및 센서부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 오염물 모니터링 시스템에 있어서 상기 파이프의 외벽은 투명영역을 포함하고, 상기 센서부는 상기 투명영역을 통해 상기 광 시트를 통과하는 입자를 감지할 수 있다.
또한, 상기 오염물 모니터링 시스템에 있어서 상기 광 시트는, 상기 파이프의 수직 단면과 사잇각을 이룰 수 있다.
또한, 상기 오염물 모니터링 시스템에 있어서 상기 광원은 상기 파이프의 외벽에 구비될 수 있다.
또한, 상기 오염물 모니터링 시스템에 있어서 상기 센서부는 광학 센서이고, 상기 광 시트 및 상기 광 시트를 통과하는 입자가 포함된 모니터링 이미지를 획득할 수 있다. 또한, 이 때 상기 제어부는, 상기 센서부에 의해 획득된 모니터링 이미지에 대해 이미지 분석을 수행하고, 분석 결과에 따라 상기 유체 내 오염물질 포함여부 또는 오염물질 포함정도 중 적어도 어느 하나를 산출할 수 있다.
또한, 상기 오염물 모니터링 시스템에 있어서 상기 광원은 상기 파이프의 외부에 구비될 수 있으며, 상기 광 시트는 상기 광원에서 조사된 빛이 상기 파이프의 외벽에 구비된 반사부에 의해 굴절되어 상기 파이프의 단면 영역 중 적어도 일부 영역에 형성되도록 구현할 수도 있다. 이 때, 상기 파이프의 외벽에는 상기 빛이 통과할 수 있는 적어도 하나의 홀이 형성될 수 있다.
다른 한편, 상기 오염물 모니터링 시스템에 있어서, 상기 파이프의 외벽에는 적어도 하나 이상의 광 감지 센서가 더 구비될 수 있으며, 이 때 광 감지 센서는 상기 유체 내 입자에 의해 굴절된 산란광을 감지할 수 있다. 또한, 이 때 상기 제어부는 상기 광학 센서가 획득한 모니터링 이미지 및 상기 광 감지 센서가 산란광을 감지한 결과를 기초로 상기 유체 내 오염물질 포함여부 또는 오염물질 포함정도 중 적어도 하나를 산출하도록 구현할 수 있다.
한편, 상기 오염물 모니터링 시스템은 상기 파이프를 둘러싸는 케이스를 더 포함할 수 있으며, 상기 광원 및 센서부는 상기 케이스 내에 구비시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 오염물 모니터링 방법은, 유체가 유동되는 파이프 내 단면 영역 중 적어도 일부 영역에 광 시트(light sheet)를 생성시키는 단계; 상기 광 시트를 통과하는 입자를 감지하는 단계; 감지 결과에 따라 상기 유체 내 오염물질 포함여부 또는 오염물질 포함정도 중 적어도 어느 하나를 산출하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 오염물 모니터링 방법에 있어서 상기 광 시트를 통과하는 입자를 감지하는 단계는, 상기 광 시트 및 상기 광 시트를 통과하는 입자가 포함된 모니터링 이미지를 획득하는 단계; 및 상기 모니터링 이미지에 대한 이미지 분석을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 오염물 모니터링 방법에 있어서 상기 광 시트를 통과하는 입자를 감지하는 단계는, 상기 파이프의 외벽에 구비된 적어도 하나의 광 감지 센서가 상기 유체 내 입자에 의해 굴절된 산란광을 감지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 파이프 내 광 시트를 형성시켜 이를 통과하는 입자들을 쉽게 관찰할 수 있게 되므로 유체 내 오염물을 용이하게 모니터링할 수 있게 하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 파이프 내 빛을 조사하는 각도를 변경함으로써 광 시트가 파이프의 수직 단면과 이루는 사잇각을 조절할 수 있으며, 이에 따라 파이프 내에서의 광 시트의 면적을 조절할 수 있으므로, 사용자가 모니터링을 원하는 파이프 내 면적을 정할 수 있는 효과도 함께 꾀할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 광 시트를 통과하는 입자를 촬영할 수 있도록 광학 센서를 구비하여 상기 광 시트를 통과하는 입자를 용이하게 모니터링할 수 있을뿐 만 아니라, 파이프 외벽에 추가적인 광 감지 센서를 구비함으로써 상기 입자들에 의해 산란되는 산란광까지 감지가 가능하게 하여 입자의 존부를 더욱 명확히 파악할 수 있게 되는 효과도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 전제가 되는 가스터빈의 전체적인 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템의 제1실시예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템의 제2 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 파이프의 외벽에 복수의 광 감지 센서가 구비되어 입자물에 의해 산란된 산란광을 감지하는 실시예를 도시한 것이다.
도 5는 오염물 모니터링 시스템이 상기 파이프를 둘러싸는 구조체 내에 구비된 모습을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
먼저 도1을 참조하여 가스터빈의 개략적인 구조에 대해 살펴본다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가스터빈(100)의 일 예가 도시되어 있다. 상기 가스 터빈은 하우징(102)을 구비하고 있고, 상기 하우징(102)의 후측에는 터빈을 *j과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(102)의 상류측에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 상기 압축기 섹션(110)과 상기 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브(130)가 배치되어 있다.
상기 압축기 섹션(110)에는 복수의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 타이로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 상기 타이로드(150)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대향하는 면이 상기 타이로드(150)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
상기 압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(144)는 루트부(146)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(140)에 체결된다.
상기 각각의 로터 디스크(140)의 사이에는 상기 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
상기 루트부(146)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
상기 타이로드(150)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 토크튜브(130) 내에서 고정된다.
상기 타이로드(150)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨저(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(desworler)라고 한다.
상기 연소기(104)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
가스터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 케이싱 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.
한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
이를 위해 상기 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.
상기 라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리부에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
한편, 상기 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈 섹션(120)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소 가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크 튜브를 거쳐 압축기 섹션으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
상기 터빈 섹션은 기본적으로는 압축기 섹션의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈 섹션(120)에도 압축기 섹션의 압축기 로터 디스크와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 따라서, 상기 터빈 로터 디스크(180) 역시, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)도 포함한다. 상기 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(180)에 결합될 수 있다. 아울러, 상기 터빈 로터 디스크(180)의 블레이드(184)의 사이에도 상기 하우징에 고정되는 베인(미도시)이 구비되어, 블레이드를 통과한 연소 가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다.
이상 본 발명의 전제가 되는 가스터빈의 개략적인 구조에 대해 살펴보았다. 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템은 앞서 설명한 가스터빈 구조 중 연소기(104)에 결합될 수 있는 것으로, 상기 연소기(104)에 연결되는 노즐 및 파이프, 즉 연료와 같은 유체가 유동되는 구조물에 구비될 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
먼저 도 2는 오염물 모니터링 시스템의 제1 실시예를 도시한 것이다. 도 2에 따르면, 오염물 모니터링 시스템은 파이프(300), 광원(400), 센서부(500)를 포함할 수 있으며, 도 2에는 도시되어 있지 않지만 상기 광원(400) 및 센서부(500)를 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
먼저 파이프(300)는, 연료와 같은 유체가 유동되는 실린더 형의 구조물로, 외주면을 형성하는 외벽, 그리고 외벽에 의해 형성되는 내부 공간을 포함하는 구조물로 이해될 수 있다. 또한, 상기 파이프(300)는 입구 및 출구를 포함할 수 있으며, 상기 입구에는 연료 공급원이, 그리고 상기 출구에는 연료 소모부가 연결될 수 있다. 상기 연료 소모부는, 바람직하게는 앞서 설명한 가스터빈의 연소기일 수 있다. 상기 파이프(300)에는 밸브가 더 구비될 수 있으며, 이 때 밸브는 완전 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 전환이 가능하여 각 연료 공급원에서 연료 소모부로의 연료 흐름을 제어할 수 있다.
다음으로, 광원(400)은 상기 파이프(300)의 단면 중 적어도 일부 영역에 광 시트(S; light sheet)를 생성시키는 구성이다. 즉, 광원(400)은, 도 2에서 볼 수 있듯, 빛을 조사하되 빛이 '면'의 형상으로 조사되게 함으로써 궁극적으로는 파이프(300) 내에서 유체가 파이프(300)를 통과함과 동시에 상기 광 시트(S)도 통과할 수 있도록 빛을 면 형상으로 출력하는 것이다. 한편 이 때, 파이프(300)의 단면이란 파이프(300)를 길이 방향과 수직인 방향으로 잘랐을 때의 모습을 일컫는 것으로, 이 때 단면은 반드시 파이프(300)를 수직으로 잘랐을 때의 것만을 의미하는 것은 아니며, 파이프(300)를 비스듬히 잘랐을 때의 단면도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 광원(400)이 어느 방향으로 빛을 조사하는지에 따라 상기 광 시트(S)는 파이프(300)의 수직 단면을 통과하도록 생성할 수 있으며, 또는 파이프(300)의 수직 단면과 소정의 사잇각을 이루는 단면을 통과하도록 생성할 수도 있는 것이다.
다른 한편, 광원(400)은 상기 파이프(300)의 외벽에 구비될 수 있으며, 이 때 광 시트(S)를 어느 방향으로 조사하는지에 따라 각도를 달리하여 구비될 수 있다. 도 2에는 파이프(300)를 측면에서 바라보았을 때 대각선 방향으로 광 시트(S)가 형성될 수 있도록 광원(400)도 비스듬히 구비되어 있는 실시예가 도시되어 있다.
한편, 센서부(500)는 앞서 광원(400)에 의해 생성된 광 시트(S)를 유체가 통과할 때에 유체 내 입자(P)들을 감지해 내는 구성이다. 유체 내에는 연료 품질 불량에 의한 미세 입자, 또는 파이프(300)의 부식에 따른 미세 입자가 포함될 수 있는데, 센서부(500)는 위와 같은 미세 입자(P)들이 상기 광 시트(S)를 통과할 때에 해당 입자(P)들의 존재 여부를 감지하는 기능을 한다.
바람직하게, 상기 센서부(500)는 광학 센서일 수 있다. 광학 센서는 반도체 소자인 전하 결합 소자(CCD)를 감지 수단으로 사용하여 감지하고자 하는 대상으로부터 CCD에 수신되는 영상 또는 이미지를 획득하고, 이렇게 획득된 영상 또는 이미지를 디지털 방식으로 변환할 수 있는 장치를 의미한다. 이와 같이 센서부(500)를 광학 센서로 구현하는 경우, 상기 광학 센서는 광 시트(S)를 통과하는 유체 내 입자(P)들의 영상 또는 이미지를 획득함으로써 입자(P)의 존부를 감지할 수 있다. 참고로 본 상세한 설명에서는 센서부(500)가 획득하는 영상 또는 이미지를 모니터링 이미지로 칭하기로 한다.
한편, 센서부(500)는 파이프(300)의 외부에 구비될 수 있는데, 이 때 특히 센서부(500)를 광학 센서로 구현하고자 하는 경우, 상기 광 시트(S)를 통과하는 입자(P)들의 영상 또는 이미지를 획득하기 위해서는 파이프(300)의 외벽 중 일부 영역을 투명하게 형성시킬 필요가 있다. 도 2를 참조할 때, 본 발명에서는 파이프(300)의 외벽 중 일부를 투명영역(600)으로 형성함으로써 이 투명영역(600)을 통해 센서부(500)로 하여금 광 시트(S)를 감지할 수 있게 할 수 있다.
또한, 상기 센서부(500)는 상기 광 시트(S)가 파이프(300) 내 공간에서 어느 각도로 형성되어 있는지에 따라 각도를 달리하여 구비될 수 있다. 특히 상기 센서부(500)가 광학 센서로 구현되는 경우 광 시트(S)를 정면으로 바라보도록 각도가 조절되어 구비되어야 하는데, 바람직하게는 상기 광 시트(S)의 법선이 광학 센서의 렌즈 중심에 일치하도록 광학 센서를 설치할 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시예에 불과한 것이며, 다른 방식으로 광학 센서를 설치할 수 있음을 이해해야 할 것이다.
마지막으로, 제어부는 앞서 설명한 광원(400) 및 센서부(500)를 제어할 수 있는 구성으로, 예를 들어 광원(400) 및 센서부(500)의 작동시각, 작동시간, 작동주기 등 광원(400)과 센서부(500)의 구동과 관련된 제어 전반을 담당한다.
한편, 상기 제어부는 광원(400) 및 센서부(500)에 대한 제어 이외에 상기 센서부(500)로부터 수신한 모니터링 이미지를 분석하는 기능을 더 수행할 수도 있다. 앞서 센서부(500)가 획득한 모니터링 이미지가 단순히 광 시트(S)를 통과하는 입자(P)들의 모습을 촬영한 것이라면, 제어부는 이 모니터링 이미지에 대해 이미지 분석을 더 수행함으로써 상기 입자(P)들과 관련된 추가정보를 더 산출할 수 있는 것이다.
예를 들어, 상기 제어부는 모니터링 이미지 내 포함된 입자(P)들의 크기, 형상 등을 기초로 해당 입자(P)가 오염물질인지, 오염물질이라면 어떤 종류의 오염물질인지 등과 같은 새로운 정보를 산출할 수 있으며, 이와 같은 산출과정은 제어부가 저장부(미도시) 내 미리 저장되어 있는 정보들을 참조하여 비교함으로써 진행될 수 있다. 또한, 상기 제어부는 모니터링 이미지 내 포함된 입자(P)들의 단위 면적 당 개수, 단위 부피 당 개수 등을 추정하여 오염물질의 포함정도를 추가적으로 산출할 수도 있다.
이렇게 산출된 추가정보들은 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템과 연계된 사용자 인터페이스를 통해 사용자에게 제공될 수 있으며, 사용자는 이러한 정보들을 활용하여 현재 가스터빈의 운행상태, 연료의 주입상태, 파이프(300)의 노후상태 등을 파악할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 제어부는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 불릴 수 있다. 또한, 제어부는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있는데, 하드웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 ASIC(application specific integrated circuit) 또는 DSP(digital signal processor), DSPD(digital signal processing device), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array) 등으로, 펌웨어나 소프트웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 위와 같은 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등을 포함하도록 펌웨어나 소프트웨어가 구성될 수 있다.
또한, 앞서 언급한 저장부는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래쉬(flash) 메모리, SRAM(Static RAM), HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive) 등으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오염물 모니터링 시스템의 구조를 도시한 것이다. 도 3의 오염물 모니터링 시스템은 앞서 살펴본 도 2의 것과 유사하나, 광원(400)이 파이프(300)의 외부에 구비된다는 점, 그리고 광원(400)으로부터의 빛을 파이프(300) 내로 유도하기 위해 반사부(700)가 더 구비된다는 점에서 차이가 있다.
파이프(300)의 외벽에 광원(400)을 구비시키기 어려운 경우, 파이프(300) 외부에 광원(400)을 구비시킬 수 있으며, 이 경우 광 시트(S)를 파이프(300) 내부 공간에 생성시키기 위해서는 빛을 파이프(300) 내부로 반사시킬 수 있는 수단이 필요한데, 본 실시예에서는 파이프(300) 외벽에 반사부(700), 예를 들어 미러(mirror) 등을 구비시켜 빛 반사를 통해 광 시트(S)를 파이프(300) 내부에 생성시킬 수 있다. 광원(400)은 일반적으로 장치 자체가 작지 않은 부피를 가지게 되므로 파이프(300) 외벽에 구비시키기에는 어려움이 따를 수 있으나, 본 실시예에서와 같이 파이프(300)와 떨어진 공간에 광원(400)을 둠으로써 설치의 어려움 등에 따른 설치 제한을 극복할 수 있다. 또한, 반사부(700)는 빛을 굴절시킬 수 있는 한 그 구조, 크기에는 특별한 제약사항이 없으므로 상대적으로 얇은 두께를 가지는 파이프(300) 외벽에 비교적 쉽게 구비시킬 수 있다. 따라서 도 3의 실시예에서와 같이 오염물 모니터링 시스템을 구현하는 경우 도 2에 비해 구조물 자체를 보다 용이하게 제조 및 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.
한편, 도 3과 같은 실시예의 시스템을 구현하고자 하는 경우, 파이프의 외벽에는 빛이 통과할 수 있는 홀(hole)을 형성시키는 것이 바람직하며, 이 때 홀을 통하여서는 상기 반사부에 의해 굴절된 빛이 통과할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오염물 모니터링 시스템을 도시한 것이다. 도 4의 실시예는, 광 시트(S)를 생성하기 위한 광원(400), 그리고 상기 광 시트(S)를 통과하는 입자(P)를 감지하기 위한 센서부(500)를 포함하고 있는 것을 전제로 하되, 추가적으로 상기 파이프(300)의 외벽을 따라 구비되는 복수의 광 감지 센서(800)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
광 감지 센서(800)는 임의의 빛(L)이 상기 유체 내 입자(P)에 의해 산란된 경우, 이 산란광(L')을 감지할 수 있는 장치를 의미한다. 즉, 본 실시예에서는 광 시트(S)를 통과하는 입자(P)들을 광학 센서(센서부(500))를 이용해 모니터링 이미지를 획득하는 것에서 더 나아가 부가적으로 산란광을 감지할 수 있는 광 감지 센서(800)들을 더 둠으로써 오염물 감지의 정확성을 더 높이고자 한 것이다.
한편, 상기 입자(P)를 향해 조사되는 임의의 빛은 앞서 광원(400)이 광 시트(S)를 생성하기 위해 조사한 빛과 동일한 것일 수 있으며, 또는 상기 광원(400)과는 독립된 별도의 제2광원(400)으로부터 조사된 빛일 수도 있다. 이 때 제2광원(400)은 상기 광원(400)과는 다른 파장의 빛을 조사할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템은 광 시트(S)를 생성시켜 이를 통과하는 입자(P)를 감지함과 동시에 상기 입자(P)에 의해 산란되는 산란광까지 더 감지함으로써 유체 내 오염물질 존재여부를 보다 정확히 파악할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오염물 모니터링 시스템을 도시한 것으로, 도 5에 따르면 오염물 모니터링 시스템은 상기 파이프(300)를 둘러싸는 케이스(900)를 더 포함하고, 상기 광원(400) 및 센서부(500)를 상기 케이스(900) 내에 구비시킴으로써 구현할 수 있다. 상기 케이스(900)는, 예를 들어 파이프(300)를 둘러싸는 도넛 형상일 수 있으며, 중앙의 홀(hole)은 상기 파이프(300)가 통과할 수 있도록 직경을 정할 수 있다. 상기 케이스(900) 내부에는 도 5에서도 볼 수 있듯 광원(400) 및 센서부(500)가 위치할 수 있으며, 또한 상기 케이스(900) 내의 파이프(300) 외벽은 투명한 재질로 형성하여 상기 센서부(500)가 광 시트(S)를 통과하는 입자(P)를 모니터링 하도록 할 수 있다.
한편, 상기 케이스(900)는 바람직하게는 상기 파이프와 동일한 재질로 형성할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 케이스의 형상 역시 도넛 형상으로 한정되는 것은 아니고 상기 광원, 센서부를 구비시키기에 적절한 또 다른 형상으로 형성될 수 있다.
이상 본 발명에 따른 오염물 모니터링 시스템의 기본적인 구조 및 다양한 실시예를 도 2 내지 도 5를 참조하여 살펴보았다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 가스터빈
102 하우징 104 연소기 106 디퓨저 110 압축기 섹션 120 터빈 섹션
130 토크튜브 140 로터 디스크 144 블레이드 146 루트부
150 타이로드
180 터빈 로터 디스크 184 터빈 블레이드
300 파이프, 파이프 외벽
400 광원
500 센서부
600 투명영역
700 반사부
800 광 감지 센서
900 케이스
S 광 시트(light sheet) P 입자

Claims (15)

  1. 가스 터빈 내 연소기로 공급되는 연료의 오염물을 모니터링하기 위한 오염물 모니터링 시스템에 있어서,
    연료가 유동되는 파이프 - 상기 파이프의 입구에는 상기 연료가 공급되는 연료 공급원이 연결되고, 상기 파이프의 출구에는 연료 소모부가 연결됨 -;
    상기 파이프의 단면 중 적어도 일부 영역에 광 시트(light sheet)를 생성시키는 광원;
    상기 광 시트를 통과하는 입자 및 상기 광 시트를 통과하는 입자가 포함된 모니터링 이미지를 획득하는 광학 센서; 및
    상기 광원, 광학 센서 및 복수 개의 광 감지 센서를 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 광학 센서에 의해 획득된 모니터링 이미지에 대해 이미지 분석을 수행하고, 상기 모니터링 이미지에 대한 이미지 분석 결과 및 상기 광 감지 센서가 산란광을 감지한 결과를 기초로 상기 연료 내 오염물질 포함여부 또는 오염물질 포함 정도 중 적어도 하나를 산출하는 것을 특징으로 하는,
    오염물 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파이프의 외벽은 투명영역을 포함하고,
    상기 광학 센서는 상기 투명영역을 통해 상기 광 시트를 통과하는 입자를 감지하는,
    오염물 모니터링 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 시트는, 상기 파이프의 수직 단면과 사잇각을 이루는,
    오염물 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원은,
    상기 파이프의 외벽에 구비되는,
    오염물 모니터링 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 상기 파이프의 외부에 구비되고,
    상기 광 시트는, 상기 광원에서 조사된 빛이 상기 파이프의 외벽에 구비된 반사부에 의해 굴절되어 상기 파이프의 단면 영역 중 적어도 일부 영역에 형성되는,
    오염물 모니터링 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파이프의 외벽에는, 상기 빛이 통과할 수 있는 적어도 하나의 홀이 형성되는,
    오염물 모니터링 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 파이프를 둘러싸는 케이스를 더 포함하고,
    상기 광원 및 광학 센서는 상기 케이스 내에 구비되는,
    오염물 모니터링 시스템.
  13. 가스 터빈 내 연소기로 공급되는 연료의 오염물을 모니터링 하는 방법에 있어서,
    광원이 연료가 유동되는 파이프 - 상기 파이프의 입구에는 상기 연료가 공급되는 연료 공급원이 연결되고, 상기 파이프의 출구에는 연료 소모부가 연결됨 - 내 단면 영역 중 적어도 일부 영역에 광 시트(light sheet)를 생성시키는 단계;
    광학 센서가 상기 광 시트 및 상기 광 시트를 통과하는 입자가 포함된 모니터링 이미지를 획득하고, 제어부가 상기 모니터링 이미지에 대한 이미지 분석을 수행하는 단계;
    상기 파이프의 외벽을 따라 형성된 복수 개의 광 감지 센서가 상기 연료 내 입자에 의해 굴절된 산란광을 감지하는 단계; 및
    제어부가, 상기 모니터링 이미지에 대한 이미지 분석 결과 및 상기 광 감지 센서가 산란광을 감지한 결과를 기초로 상기 연료 내 오염물질 포함여부 또는 오염물질 포함 정도 중 적어도 하나를 산출하는 단계;
    를 포함하는,
    오염물 모니터링 방법.

  14. 삭제
  15. 삭제
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