KR102038198B1 - 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

가스 터빈의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환할 때, 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스를 가능한 한 가시화할 수 없도록 하는 것이 가능한 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법을 제공한다.
파일럿 버너(38)에서의 연소를 오일 연소로부터 가스 연소로 전환할 때, 메인 버너(39A 내지 39F)에 가스 연료를 공급하여 메인 버너(39A 내지 39F)에서 가스 연소를 개시하고, 그 후, 파일럿 버너(38)에 가스 연료를 공급하여 파일럿 버너(38)에서 가스 연소를 개시한다.

Description

가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법{GAS TURBINE COMBUSTOR AND ITS DRIVING METHOD}
본 발명은 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법에 관한 것이며, 특히 가스 연료와 오일 연료의 양쪽을 연소 가능한 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
발전 비용의 저감, 자원의 유효 이용 및 지구 온난화 방지의 관점에서, 제철소에서 부생되는 코크스로 가스나 제유소에서 부생되는 오프 가스 등의 수소를 포함하는 수소 함유 연료를 유용하게 이용하는 것이 검토되고 있다. 예를 들어, 가스 터빈 발전 플랜트에 수소 함유 연료를 이용하면, 수소 함유 연료는, 연소 시에 있어서의 이산화탄소(Carbon Dioxide : CO2)의 배출량이 적기 때문에, 지구 온난화 방지책으로서 유효하다. 또한, 풍부한 자원인 석탄을 가스화하여 발전하는 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(Integrated coal Gasification Combined Cycle : IGCC)에 있어서는, 가스 터빈에 공급하는 수소 함유 연료 중의 탄소분을 회수ㆍ저류하는 시스템(Carbon Capture and Storage : CCS)을 설치하여, CO2 배출량을 더 삭감하는 방책도 검토되고 있다.
수소 함유 연료를 가스 터빈의 연료로서 사용하는 경우, 연소기 내에서 착화에 실패하면, 미연소의 수소 함유 연료가 연소기로부터 배출되어, 하류측의 터빈 내에 체류할 위험성이 우려된다. 이 때문에, 수소 함유 연료를 사용하는 가스 터빈에 있어서는, 수소를 포함하지 않는 기동용 연료(예를 들어, 오일 연료)로 착화하여, 소정의 부분 부하까지 기동용 연료로 운전하고, 소정의 부분 부하에 있어서, 기동용 연료로부터 수소 함유 연료로 전환하고, 이후, 수소 함유 연료에 의해 정격 부하까지 부하 상승시켜, 운전 계속하는 것이 생각되고 있다. 또한, IGCC에 있어서는, 플랜트 기동 시, 가스화 노에서 석탄 가스가 발생할 때까지는 오일 연료로 가스 터빈을 운전하고, 석탄 가스 발생 후에 가스 터빈의 연료를 오일 연료로부터 석탄 가스로 전환하도록 하고 있다.
이러한 점들 때문에, 가스 터빈의 연료로서 통상은 가스 연료를 사용하지만, 플랜트 기동ㆍ정지 시에는 오일 연료를 사용하는 등의 2종류의 연료를 사용할 수 있는 가스 터빈 연소기가 사용된다. 오일 연료와 가스 연료의 양쪽이 연소 가능(오일 연소와 가스 연소가 가능)한 가스 터빈 연소기는, 일반적으로, 연소기의 축 중심부에 위치하는 기동용 버너와, 기동용 버너의 외주에 배치된 메인 버너로 구성되고, 기동용 버너에 있어서 오일 연소와 가스 연소가 가능하게 구성되어 있는 경우도 있다.
종래, 가스 터빈의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환하는(오일 연소로부터 가스 연소로 전환하는) 운전 방법으로서는, 예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 기동용 버너에 있어서의 오일 연료의 분사량을 감소시킴과 동시에 기동용 버너에 있어서의 가스 연료의 분사량을 증가시키고, 그 후, 메인 버너에 있어서의 가스 연료의 분사량을 증가시키도록 하고 있다.
일본 특허 공개 제2014-105601호 공보
가스 터빈은, 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스에 포함되는 물질이 환경 기준값 이하로 되도록 구성되어 있다. 그러나, 가스 터빈의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환할 때, 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스에 많은 매진이 발생할 가능성이 있다. 설령 배기 가스에 포함되는 물질이 환경 기준 이하여도, 경관의 보전이라는 관점에서 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스 중의 매진을 가능한 한 가시화할 수 없도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 가스 터빈의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환할 때, 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스를 가능한 한 가시화할 수 없도록 하는 것이 가능한 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 가스 터빈 연소기 및 그 운전 방법은, 파일럿 버너에 의한 연소를 오일 연소로부터 가스 연소로 전환할 때, 메인 버너에 가스 연료를 공급하여 메인 버너에서 가스 연소를 개시하고, 그 후, 파일럿 버너에 가스 연료를 공급하여 파일럿 버너에서 가스 연소를 개시하도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 가스 터빈의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환할 때, 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스를 가능한 한 가시화할 수 없도록 하는 것이 가능해진다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는 이하의 실시 형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 플랜트의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 연소기의 일례의 구조를 도시하는 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 연소기의 일례의 구조를 도시하는 연소실로부터 본 버너의 정면도.
도 4는 비교예의 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서의 연료 전환 로직과 매진량의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예의 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서의 연료 전환 로직과 매진량의 관계를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 연소기의 일례의 구조를 도시하는 연소실로부터 본 버너의 정면도.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.
우선, 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 연소기에 대하여, 도 1 내지 도 3을 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 플랜트의 개략 구성도이다.
가스 터빈 플랜트는, 주된 구성 요소로서, 공기 압축기(1), 연소기(3), 가스 터빈(2) 및 발전기(23)를 구비한다. 공기 압축기(1)는 대기로부터 공기를 흡입하여 압축하여 압축 공기(4)를 생성하고, 압축 공기(4)를 연소기(3)에 공급한다. 연소기(3)는 압축 공기(4)와 오일 연료 및/또는 가스 연료를 혼합 연소시켜 연소 가스(20)를 생성한다. 연소 가스(20)는 가스 터빈(2)에 도입되고, 가스 터빈(2)은 연소 가스(20)에 의해 구동된다. 가스 터빈(2)의 회전 동력에 의해 발전기(23)가 구동되어 발전한다. 가스 터빈(2)으로부터 배출된 배기 가스(21)는 굴뚝(22)으로부터 배출된다. 또한, 공기 압축기(1)와 가스 터빈(2)에는, 가스 터빈 기동용 모터 등이 접속되지만 도시 생략하였다. 또한, 발전기(23)는 부하 검출기(도시 생략)를 구비하고, 부하 검출기에 의해 계측한 가스 터빈의 부하의 신호가 제어 장치(40)에 입력된다. 또한, 본 발명은 석탄 가스화 복합 발전 플랜트(IGCC)에 있어서의 가스 터빈 플랜트의 가스 터빈 연소기에 적합하지만, IGCC를 구성하는 석탄 가스화 노 등의 석탄 가스화 플랜트, 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용하여 증기를 발생하는 배열 회수 보일러, 배열 회수 보일러나 석탄 가스화 플랜트에 있어서의 합성 가스 쿨러(SynGas Cooler)에서 발생한 증기에 의해 구동되는 증기 터빈 플랜트 등의 도시를 생략하였다.
도 2는 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 연소기의 일례의 구조를 도시하는 개략 단면도이다. 이와 같은 가스 터빈 연소기는 예를 들어 일본 특허 공개 제2016-38108호 공보에 기재되어 있다.
가스 터빈 연소기(3)는 대략 원통 구조로 형성되어 있고, 그 측면을 형성하는 외통(27)과, 외통(27)의 단부에 설치한 엔드 커버(28)와, 버너[파일럿 버너(38), 메인 버너(39A 내지 F)]와, 외통(27)의 내주면과 그 외주면으로 환상의 공간을 형성하는 내통(연소실 라이너)(26)을 구비하고 있다. 내통(26)의 내부에는, 오일 연료 및/또는 가스 연료와 압축 공기(4)가 연소되는 연소실이 형성된다. 연소실에서 발생한 연소 가스(20)는 미통(尾筒)(25)을 지나 가스 터빈(2)에 도입된다.
내통(26)의 엔드 커버(28) 측단부에는, 복수의 공기 구멍(34)이 형성된 공기 구멍 플레이트(33)가 설치되어 있다. 공기 구멍 플레이트(33)의 외주면과 내통(26)의 내면 사이에 시일 부재(36)가 설치되어 있다. 공기 구멍 플레이트(33)는 가스 연료 노즐(35)과 함께 파일럿 버너 및 메인 버너를 구성한다.
공기 압축기(1)로부터의 압축 공기(4)는 차실(24) 내에 도입되어, 미통(25)의 주위와 차실(24)의 내면으로 형성되는 공간을 지나, 내통(26)의 외주와 외통(27)의 내주 사이에 형성되는 유로에 도입된다. 미통(25)이나 내통(26)에는, 그것들을 냉각하기 위해 관통 구멍(도시 생략)이 형성되는 경우도 있고, 압축 공기(4)의 일부가 관통 구멍을 통해 그것들 내부에 유입된다. 내통(26)의 외주와 외통(27)의 내주 사이에 형성되는 유로를 흐른 압축 공기(4)는 엔드 커버(28)에서 전향되어, 공기 구멍 플레이트(33)에 형성된 복수의 공기 구멍(34)을 통과하여 연소실 내에 분사된다. 공기 구멍 플레이트(33)는 파일럿 버너의 중앙부가 연소실로부터 멀어지도록 경사를 갖고 움푹 들어가 있는 구조를 갖는다. 이 구조는, 수소를 포함하는 가스 연료를 사용한 경우에 적합한 구조이며, 연소실측 표면의 중앙부가 연소실로부터 멀어지도록 경사를 갖고 움푹 들어가 있는 구조로 함으로써, 버너 중앙부의 표면으로부터 정상 화염을 보는 각도가 축소되기 때문에, 복사에 의해 버너 중앙부에 유입되는 열 유속을 억제할 수 있으므로, 버너 중앙부가 과열될 위험을 저하시킬 수 있다. 또한, 공기 구멍(34)은 연소실 내에 선회 성분을 갖고 압축 공기가 분사되도록 경사져 형성되어 있다.
엔드 커버(28)의 중앙부에는, 파일럿 버너를 구성하는 오일 연료 노즐(37)이 설치되어 있다. 오일 연료 노즐(37)에는 오일 연료 공급 장치(5)로부터의 오일 연료가 오일 연료 배관(8), 오일 연료 유량 조정 밸브(9)를 통해 공급된다. 오일 연료 유량 조정 밸브(9)는 제어 장치(40)에 의해 개방도가 제어된다. 또한, 오일 연료 배관(8)에는 오일 연료 공급 장치(5)와 오일 연료 유량 조정 밸브(9) 사이에 오일 연료 차단 밸브(도시 생략)가 설치되어 있다.
엔드 커버(28)의 내부에는, 메인 가스 매니폴드(29, 30), 파일럿 가스 매니폴드(31)가 형성되어 있다. 메인 가스 매니폴드(29, 30)에는, 가스 연료 공급 장치(6)로부터의 가스 연료가, 가스 연료 배관(10), 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14), 메인 버너 가스 연료 배관(12)을 통해 공급된다. 메인 가스 매니폴드(29, 30)에 공급된 가스 연료는, 복수의 가스 연료 노즐(35)로부터 공기 구멍 플레이트(33)의 메인 버너를 구성하는 복수의 공기 구멍(34)의 각각에 분사된다. 복수의 공기 구멍(33)과 복수의 가스 연료 노즐(35)은 하나의 공기 구멍에 하나의 가스 연료 노즐을 대응시켜 배치되어 있다. 파일럿 가스 매니폴드(31)에는, 가스 연료 공급 장치(6)로부터의 가스 연료가, 가스 연료 배관(10), 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13), 파일럿 버너 가스 연료 배관(11)을 통해 공급된다. 파일럿 가스 매니폴드(31)에 공급된 가스 연료는, 복수의 가스 연료 노즐(35)로부터 공기 구멍 플레이트(33)의 파일럿 버너를 구성하는 복수의 공기 구멍(34)의 각각에 분사된다. 가스 연료 노즐(35)과 공기 구멍(34)은 동축으로 되도록 배치되어 동축 분류 버너를 형성하고, 메인 버너는 이 동축 분류 버너를 다수 집합화한 구조이다. 또한, 파일럿 버너는, 동축 분류 버너를 다수 집합화한 구조와 오일 연료 분사 노즐을 일체화한 것이다. 동축 분류 버너를 다수 집합화한 구조에 의해, 미리 연료와 공기의 분산성을 높여 연소실 내에 공급하고, 짧은 거리에서 연료와 공기를 혼합함으로써, 역화를 방지함과 함께 저NOx 연소를 도모하고 있다. 또한, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13), 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)는 제어 장치(40)에 의해 각각 개방도가 제어된다. 또한, 가스 연료 배관(10)은 파일럿 버너 가스 연료 배관(11)과 메인 버너 가스 연료 배관(12)으로 분기되고, 가스 연료 배관(10)에는 가스 연료 공급 장치(6)와 분기점 사이에 가스 연료 차단 밸브(도시 생략)가 설치되어 있다. 또한, IGCC 플랜트의 경우, 가스 연료 공급 장치(6)는 석탄 가스화 플랜트로부터의 석탄 가스화 가스를 공급한다.
메인 가스 매니폴드(29, 30)에는, 또한, 질소 공급 장치(7), 질소 공급 배관(15), 메인 버너 질소 공급 배관(17), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19), 메인 버너 가스 연료 배관(12)을 통해 질소 가스가 공급된다. 또한, 파일럿 가스 매니폴드(31)에는, 질소 공급 장치(7), 질소 공급 배관(15), 파일럿 버너 질소 공급 배관(16), 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 파일럿 버너 가스 연료 배관(11)을 통해 질소 가스가 공급된다. 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)는 제어 장치(40)에 의해 각각 개방도가 제어된다. 또한, 질소 공급 배관(15)은 파일럿 버너 질소 공급 배관(16)과 메인 버너 질소 공급 배관(17)으로 분기되고, 각각, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)의 하류에서 파일럿 버너 가스 연료 배관(11), 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)의 하류에서 메인 버너 가스 연료 배관(12)에 합류하도록 되어 있다. 질소 공급 배관(15)에는, 질소 공급 장치(7)와 분기점 사이에 질소 차단 밸브(도시 생략)가 설치되어 있다. 메인 버너, 파일럿 버너에서 연소를 개시하기 전에, 즉, 가스 연료를 가스 연료 노즐(35)에 공급하기 전에, 질소 공급 장치로부터 질소 가스를 공급하여, 메인 가스 매니폴드(29, 30), 파일럿 가스 매니폴드(31), 연료 분사 노즐(35)의 연료 가스 공급 계통을 질소 가스 퍼지에 의해 정화(질소 가스 치환)한다.
점화 플러그(32)가 외통(27)에 설치되어 있다. 점화 플러그(32)는 내통(26)을 관통하여 공기 구멍 플레이트(33)의 연소실측에 착화점이 위치한다. 점화 플러그(32)의 스파크 동작은 제어 장치(40)에 의해 제어된다.
도 3은 본 발명의 실시예가 적용되는 가스 터빈 연소기의 일례의 구조를 도시하는 연소실로부터 본 버너의 정면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 연소기 버너는 파일럿 버너(38)와 그 외주에 배치된 복수(도 3의 예에서는 6개)의 메인 버너(39A 내지 39F)로 구성된다. 중앙부에 위치하는 파일럿 버너용 파일럿 버너(38)는 그 중심(연소기의 축심이기도 함)에 오일 연료 노즐(37)이 위치한다. 파일럿 버너(38)의 주위에 복수의 메인 버너(39A 내지 39F)가 배치되어 있다. 또한, 공기 구멍 플레이트(33)는 파일럿 버너(38), 메인 버너(39A 내지 39F)의 각각의 축심을 중심으로 하는 복수의 동심원 상에 공기 구멍이 형성되어 있다.
다음에 본 발명의 실시예에 있어서의 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서의 연료 전환에 대하여 설명한다.
우선, 비교예의 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서의 연료 전환에 대하여 설명한다. 도 4는 비교예에 있어서의 연료 전환 로직과 그때의 매진량의 관계를 도시한다. 여기에서는, 파일럿 버너를 F1 버너, 메인 버너를 F2 버너라 호칭한다.
IGCC 플랜트에서 사용되는 가스 터빈 연소기에서는, F1 버너의 오일 연료 노즐(37)로부터 오일 연료를 분사하여 점화 플러그(32)에 의해 착화하고, 가스 터빈 연소기에 의해 연소 가스를 생성하여, 가스 터빈을 기동한다. 이때, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13), 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14), 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)는 폐쇄한다. 소정의 연소를 행한 후, 가스 터빈 연소기의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환한다. 이 연료 전환은 부분 부하의 상태에서 행한다. 먼저, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)를 소정 개방도 개방하여, 질소 가스 퍼지를 소정 시간 행한다. 그 후, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)를 폐쇄하고, 비교예에서는, F1 버너[파일럿 버너(38)]의 동축 분류 버너에서 착화되지 않는 연료 유량에 상당하는 개방도가 되도록 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)를 개방 동작하고, F1 버너의 가스 연료 공급 계통[파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)로부터 파일럿 버너 가스 연료 배관(11), 파일럿 가스 매니폴드(31), 가스 연료 노즐(35)까지 사이]에 가스 연료를 충전한다(F1 프리필). F1 프리필의 시간은 가스 연료 공급 계통의 체적에 의해 결정된다.
F1 프리필 종료 후, 오일 연료 유량 조정 밸브(9)를 서서히 폐쇄하여 F1 버너에 있어서의 오일 연료를 서서히 감소시킴과 동시에 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)를 서서히 개방하여 F1 버너에 있어서의 가스 연료를 서서히 증가시킨다(F1 연료 전환 개시). 이 연료 전환 과정에서 F1 버너의 동축 분류 버너에 착화되어 F1 가스 화염이 형성된다. 오일 연료를 소정 유량까지 감소하고, F1 버너의 가스 연료를 소정 유량(예를 들어 완전 개방 또는 절반 개방 유량)까지 증가시킨 후, F1 버너에서 소정 시간 혼소를 행한다. 그 후, F2 프리필 개시 전에 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)를 소정 개방도 개방하여, 다시 F2 버너에 대하여 질소 가스 퍼지를 소정 시간 행한다. 그 후, 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)를 폐쇄하고, F2 버너에서 착화되지 않는 연료 유량에 상당하는 개방도가 되도록 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)를 개방 동작하여, F2 버너의 가스 연료 공급 계통[메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)로부터 메인 버너 가스 연료 배관(12), 메인 가스 매니폴드(29, 30), 가스 연료 노즐(35)까지 사이]에 가스 연료를 충전한다(F2 프리필). F2 프리필의 시간은 가스 연료 공급 계통의 체적에 의해 결정된다. F2 프리필 종료 후, 오일 연료 유량 조정 밸브(9)를 다시 서서히 폐쇄하여 F1 버너에 있어서의 오일 연료를 다시 서서히 감소시킴과 동시에 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)를 서서히 개방하여 F2 버너에 있어서의 가스 연료를 서서히 증가시킨다(F2 연료 전환 개시). F1 버너에 대해서는 가스 연료 유량을 F1 혼소의 시점에서 소정 유량으로 하고 있는 경우에는 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)의 개방도를 유지하고, 절반 개방 유량으로 하고 있는 경우에는, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)의 개방도를 다시 서서히 개방하여 F2 버너의 가스 연료 증가와 함께 가스 연료를 증가시킨다. F2 연료 전환 과정에서 F2 버너에 착화되어 F2 가스 화염이 형성된다. 오일 연료 유량 조정 밸브(9)가 완전 폐쇄되고, 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)가 소정 개방도가 된 시점에서 연료 전환이 완료된다.
이와 같은 연료 전환 로직에서 오일 연료로부터 가스 연료로의 연료 전환을 행하면, 배기 가스 중의 매진 농도가 짙어져 배기 가스를 가시화할 수 있게 되는 경우가 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, F1 연료 전환 개시 후(F1 버너의 동축 분류 버너에 착화 후), F2 연료 전환 개시까지(F2 버너에 착화될 때까지의 동안), 즉, F1 버너에서 오일 연소에 더하여 가스 연소가 행해지고 있는 동안(F1 버너에 의한 혼소 국면), 배기 가스가 가시화(유색 연화)될 정도로 매진량이 증가하였다.
본 발명자들의 검토에 따르면, 비교예에서는, 연료 전환 시(도 4에 있어서의 F1 연료 전환 개시로부터 F2 연료 전환 개시까지) 다음과 같은 현상이 일어난다고 생각된다.
가스 연료는 오일 연료와 비교하여 연소되기 쉬운 점에서, 가스 연료의 연소에 있어서 산소의 대부분을 소비하여, 오일 연료에 충분한 산소가 공급되지 않는 상태가 된다. 오일 연소의 산화 반응이 촉진되지 않기 때문에 매진의 발생량이 증가한다고 생각된다.
다음에, 본 발명의 실시예에 있어서의 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서의 연료 전환에 대하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예의 가스 터빈 연소기의 운전 방법에 있어서의 연료 전환 로직과 매진량의 관계를 도시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에서는, 파일럿 버너(F1 버너)(38)에서의 연소를 오일 연소로부터 가스 연소로 전환할 때, 메인 버너(F2 버너)(39)에 가스 연료를 공급하여 메인 버너에서 가스 연소를 개시하고, 그 후, 파일럿 버너에 가스 연료를 공급하여 파일럿 버너에서 가스 연소를 개시하도록 하고 있다.
비교예와 마찬가지로, F1 버너의 오일 연료 노즐(37)로부터 오일 연료를 분사하여 점화 플러그(32)에 의해 착화하고, 가스 터빈 연소기에 의해 연소 가스를 생성하여, 가스 터빈을 기동한다. 이때, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13), 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14), 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)는 폐쇄한다. 소정의 연소를 행한 후, 가스 터빈 연소기의 연료를 오일 연료로부터 가스 연료로 전환한다. 이 연료 전환은 부분 부하의 상태에서 행한다.
먼저, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18), 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)를 소정 개방도 개방하여, 질소 가스 퍼지를 소정 시간 행한다. 그 후, 메인 버너 질소 유량 조정 밸브(19)를 폐쇄하고, F2 버너에서 착화되지 않는 연료 유량에 상당하는 개방도가 되도록 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)를 개방 동작하여, F2 버너의 가스 연료 공급 계통[메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)로부터 메인 버너 가스 연료 배관(12), 메인 가스 매니폴드(29, 30), 가스 연료 노즐(35)까지 사이]에 가스 연료를 충전한다(F2 프리필). F2 프리필의 시간은 가스 연료 공급 계통의 체적에 의해 결정된다. F2 프리필 종료 후, 오일 연료 유량 조정 밸브(9)를 서서히 폐쇄하여 F1 버너에 있어서의 오일 연료를 서서히 감소시킴과 동시에 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(14)를 서서히 개방하여 F2 버너에 있어서의 가스 연료를 서서히 증가시킨다(F2 연료 전환 개시). 이 시점에서, F1 버너에는 가스 연료가 공급되고 있지 않다[파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)가 완전 폐쇄]. F2 연료 전환 과정에서 F2 버너에 착화되어 F2 가스 화염이 형성된다.
F2 프리필, F2 연료 전환의 과정에서, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)는 개방된 채여도 되고, 폐쇄된 채여도 된다.
F1 버너의 오일 연소에 있어서, 매진의 발생량이 많은 경우에는, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)를 개방하는 편이 매진량의 저감에 유효한 경우도 있다.
F2 프리필의 과정에서는 F2 버너에 의한 착화를 효과적 방지한다는 관점에서 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)를 개방한 채로 하는 것이 바람직하다. F2 연료 전환의 과정에서는, F2 버너에서 착화되기 쉽게 한다는 관점에서 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)를 폐쇄하는 편이 바람직하다. 그러나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
오일 연료를 소정 유량까지 감소하고, F2 버너의 가스 연료를 소정 유량(예를 들어 완전 개방 유량)까지 증가시킨다(F2 연료 전환 완료). 그 후, F1 버너에 의한 오일 연소와 F2 버너에 의한 가스 연소의 혼소를 소정 시간 행한다. 이 혼소 시간은 비교예에 있어서의 F1 버너에 의한 F1 혼소의 시간보다도 짧은 시간으로 하고 있다(예를 들어 비교예에서는 100초 정도이지만 본 발명의 실시예에서는 십수초 정도임). 단시간인 점에서, 도 5에서는 F2 연료 전환 완료 후의 혼소의 도시를 생략하였다. 또한, 혼소를 행하지 않고 연료 전환 완료 후, 바로 후술하는 F1 프리필을 개시하도록 해도 된다. 혼소 시, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)는 개방해도 되고, 폐쇄해도 된다. 상세는 후술하지만, F1 프리필 개시까지는 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)는 개방해 두는 편이 매진의 발생 억제를 보다 확실한 것으로 할 수 있다.
다음에, F1 프리필을 행한다. 상술한 혼소 시, 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브(18)가 폐쇄된 경우에는 F1 프리필 전에 질소 가스 퍼지를 행하는 것이 바람직하다. F1 버너[파일럿 버너(38)]의 동축 분류 버너로 착화되지 않는 연료 유량에 상당하는 개방도가 되도록 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)를 개방 동작하여, F1 버너의 가스 연료 공급 계통[파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)로부터 파일럿 버너 가스 연료 배관(11), 파일럿 가스 매니폴드(31), 가스 연료 노즐(35)까지 사이]에 가스 연료를 충전한다(F1 프리필). F1 프리필의 시간은 가스 연료 공급 계통의 체적에 의해 결정된다.
F1 프리필 종료 후, 오일 연료 유량 조정 밸브(9)를 다시 서서히 폐쇄하여 F1 버너에 있어서의 오일 연료를 서서히 감소시킴과 동시에 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)를 서서히 개방하여 F1 버너에 있어서의 가스 연료를 서서히 증가시킨다(F1 연료 전환 개시). 이 연료 전환 과정에서 F1 버너의 동축 분류 버너에 착화되어 F1 가스 화염이 형성된다. 오일 연료 유량 조정 밸브(9)가 완전 폐쇄되고, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브(13)가 소정 개방도(예를 들어 완전 개방)가 된 시점에서 연료 전환이 완료된다(F1 연료 전환 완료).
이와 같은 연료 전환 로직으로 오일 연료로부터 가스 연료로의 연료 전환을 행하면, 배기 가스의 매진량이 억제되어, 배기 가스의 가시화를 억제할 수 있다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, F1 버너에 의한 연료 전환 전에 F2 버너에 의한 가스 연소를 개시하도록 하면, 혼소 시에서도 매진량의 발생을 억제할 수 있다.
F1 연료 전환 전에 F2 연료 전환을 행한 경우, F2 버너의 F2 화염에 의해 오일 연료의 산화 반응을 촉진시킬 수 있어, 매진의 배출을 저감할 수 있다. 또한, F2 연료 전환 후에 F1 버너에 의한 혼소가 개시되어도, F2 연료 가스가 동시 투입되고 있는 상태이므로, F2 화염에 의해 마찬가지로 오일 연료의 산화 반응을 촉진시킬 수 있어, 매진의 배출을 저감할 수 있다. 또한, F1 연료 전환 시에는, F2 연료 전환의 과정에서 오일 연료의 연료 유량이 이미 저하되어 있으므로, F1 혼소에 기인하는 매진의 발생량도 억제된다.
본 실시예에서는, 상술한 바와 같이, F2 연료 전환을 행하고 나서 F1 연료 전환을 행하고 있다. F2 연료 전환 시에는, F1 연료 가스가 공급되지 않는다. 따라서, F2 연료 전환 시에는, 상술한 바와 같이, F1 버너[파일럿 버너(38)]의 동축 분류 버너에 질소 가스를 공급할 수 있다. F1 버너의 오일 연소와 F2 버너의 가스 연소의 혼소가 행해지고 있을 때, F1 버너[파일럿 버너(38)]의 동축 분류 버너에 질소 가스를 공급하면, 오일 방울로부터 오일 화염이 리프트한 상태로 되고, 기화한 연료와 메인 버너로부터의 공기가 혼합하여, 국소의 화염 온도가 낮아지고, 이에 의해 매진의 발생을 억제할 수 있다.
다음에, 도 6을 사용하여 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다. 도 6은 제1 실시예에서 설명한 버너의 정면도이다. 오일 연료 노즐(37), 파일럿 버너(38), 메인 버너(39A 내지 39F)의 구성은 제1 실시예와 마찬가지이다. 제2 실시예에서는 메인 버너(39)의 연료 계통을 복수개로 구성한 것이다.
본 실시예와 같은 연소기에서는 가스 터빈의 운전 상태에 있어서, 파일럿 버너와 메인 버너에 연료를 공급하여 가스 터빈을 운전하지만, 저NOx화와 안정 연소를 양립하기 위해서는, 메인 버너는, 부하에 따라서 가스 연료가 분사되도록, 복수의 그룹으로 나누어 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 6에 도시한 바와 같이 메인 버너(39A, 39C, 39E)의 그룹(F2 버너)과, 메인 버너(39B, 39D, 39F)의 그룹(F3 버너)으로 나눈다. F2 버너, F3 버너의 호칭에 맞추어 파일럿 버너를 F1 버너라 호칭한다. 부분 부하 시에는, F1 버너 또는 F1 버너와 F2 버너로 연소를 행하도록 한다. 메인 버너를 F2 버너, F3 버너로 나눈 경우에는, 메인 가스 매니폴드를 F2용과 F3용으로 나누어 구성하고, 가스 연료 공급 계통을 그것에 맞추어 복수로 분기시킨다. 또한, F2 버너, F3 버너를 각각 중앙부측의 F2-1 버너, F3-1 버너, 외주측을 F2-2 버너, F3-2 버너로 나누어 부하에 따라서 더욱더 안정된 연소가 가능하도록 해도 된다. 이 경우에도 메인 매니폴드와 가스 연료 공급 계통을 그것에 맞추어 나누어 구성한다. 본 실시예는, 연소기 버너를, F1 버너, F2-1 버너, F2-2 버너, F3-1 버너, F3-2 버너로 구성하고, F1 버너가 오일 연소와 가스 연소가 가능한 구성으로 되어 있다.
제1 실시예에서는, F1 버너를 오일 연소로부터 가스 연소로 전환하기 전에 F2 버너를 연소시켜, F1 버너로부터 발생하는 매진량을 억제하였다. 제2 실시예에서는 제1 실시예에 상당하는 F2 버너를, F2-1, F3-1, F2-2, F3-2로부터 선택할 수 있다. 예를 들어 전환하는 가스 터빈의 부하에 따라서는, F2 버너로서 F2-1, F3-1을 선택하는 것이 가능하다. F2-1, F3-1은 메인 버너의 중앙에 위치하고, 확산 연소와 같은 연소 방식도 가능하기 때문에, 오일 연소로부터 F2 버너로 전환할 때 안정된 연소 상태를 확보하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명은 상기한 제1, 제2 실시예에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어떤 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한, 어떤 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가, 삭제, 치환을 하는 것이 가능하다.
예를 들어, 본 발명의 가스 터빈 연소기는, 상술한 바와 같이 IGCC 외에, 제철 플랜트로부터 얻어지는, 수소를 포함하는 부생 가스인 코크스로 가스(COG : Coke Oven Gas), 용광로 가스(BFG : Blast Furnace Gas), 전로 가스(LDG : Linzer Donawitz Gas) 혹은 이들의 혼합 가스를 연료로서 사용하는 가스 터빈이나, 석유 제유소의 나프타 분해 플랜트 등으로부터 얻어지는, 수소를 포함하는 부생 가스를 연료로 하는 가스 터빈에 적용할 수 있다.
또한, 가스 터빈 연소기로서는, 연소기 중심부에 설치된 확산 연소용 연료 분출 노즐을 갖는 파일럿 버너와, 그 외주에 설치된 연료와 공기의 혼합기를 분출하는 환상의 예비 혼합 노즐을 갖는 메인 버너로 이루어지는 연소기(예를 들어, 일본 특허 공개 평7-280267호 공보에 기재된 바와 같은 연소기)에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 파일럿 버너에는 오일 연료 분출 노즐과 가스 연료 분출 노즐이 구비된 오일 연소ㆍ가스 연소의 양쪽이 가능한 버너로 한다.
또한, 상술한 실시예에서는, 메인 버너는 가스 연소의 버너이지만, 메인 버너도 오일 연소와 가스 연소의 양쪽이 가능한 구조여도 된다. 가스 연료를 이용할 수 없는 상황의 경우에, 메인 버너도 오일 연료를 연소할 수 있으면, 터빈 플랜트의 운용의 유연성을 확보할 수 있다. 이 경우, 파일럿 버너에서 오일 연소로부터 가스 연소로 연료를 전환할 때, 메인 버너에서 가스 연소를 행하게 하면 된다.
또한, 상술한 실시예에서는, 질소 가스 퍼지를 행하고 있지만, 다른 불활성 가스를 사용하여 퍼지를 행하도록 해도 된다.
1 : 압축기
2 : 가스 터빈
3 : 연소기
4 : 압축 공기
5 : 오일 연료 공급 장치
6 : 가스 연료 공급 장치
7 : 질소 공급 장치
8 : 오일 연료 배관
9 : 오일 연료 유량 조정 밸브
10 : 가스 연료 배관
11 : 파일럿 버너 가스 연료 배관
12 : 메인 버너 가스 연료 배관
13 : 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브
14 : 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브
15 : 질소 공급 배관
16 : 파일럿 버너 질소 공급 배관
17 : 메인 버너 질소 공급 배관
18 : 파일럿 버너 질소 유량 조정 밸브
19 : 메인 버너 질소 유량 조정 밸브
20 : 연소 가스
21 : 배기 가스
22 : 굴뚝
23 : 발전기
24 : 차실
25 : 미통
26 : 내통
27 : 외통
28 : 엔드 커버
29 : 메인 가스 매니폴드
30 : 메인 가스 매니폴드
31 : 파일럿 가스 매니폴드
32 : 점화 플러그
33 : 공기 구멍 플레이트
34 : 공기 구멍
35 : 가스 연료 노즐
36 : 시일 부재
37 : 오일 연료 노즐
38 : 파일럿 버너
39A 내지 39F : 메인 버너
40 : 제어 장치

Claims (4)

  1. 파일럿 버너와, 상기 파일럿 버너의 외주에 배치된 메인 버너로 구성되고, 상기 파일럿 버너는 오일 연소와 가스 연소가 가능하게 구성되고, 상기 메인 버너는 적어도 가스 연소가 가능하게 구성된 가스 터빈 연소기의 운전 방법이며,
    정격 부하보다 부하가 낮은 부분 부하 조건에서 상기 파일럿 버너에 의한 연소를 오일 연소로부터 가스 연소로 전환할 때,
    상기 메인 버너에 가스 연료를 공급하여 메인 버너에서 가스 연소를 개시하고, 그 후, 상기 파일럿 버너에 가스 연료를 공급하여 파일럿 버너에서 가스 연소를 개시하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인 버너에 가스 연료를 공급하여 메인 버너에서 가스 연소를 행하는 과정에서 상기 파일럿 버너의 가스 연소를 행하는 버너에 불활성 가스를 공급하도록 한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 운전 방법.
  3. 파일럿 버너와, 상기 파일럿 버너의 외주에 배치된 메인 버너로 구성되고, 상기 파일럿 버너는 오일 연소와 가스 연소가 가능하게 구성되고, 상기 메인 버너는 적어도 가스 연소가 가능하게 구성되며,
    상기 파일럿 버너의 오일 연료 노즐에 오일 연료를 공급하는, 오일 연료 유량 조정 밸브를 구비한 오일 연료 공급 계통과,
    상기 파일럿 버너의 가스 연료 노즐에 가스 연료를 공급하는, 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브를 구비한 파일럿 버너 가스 연료 공급 계통과,
    상기 메인 버너의 가스 연료 노즐에 가스 연료를 공급하는, 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브를 구비한 메인 버너 가스 연료 공급 계통과,
    상기 오일 연료 유량 조정 밸브, 상기 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브 및 상기 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브에 그것들의 개방도를 제어하는 제어 지령을 내리는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 정격 부하보다 부하가 낮은 부분 부하 조건에서 상기 파일럿 버너에 의한 연소를 오일 연소로부터 가스 연소로 전환할 때, 상기 오일 연료 유량 조정 밸브에 개방도를 서서히 폐쇄하는 지령을 내림과 함께, 상기 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브의 개방도를 서서히 개방하는 지령을 내리고, 그 후, 상기 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브를 개방한 채로, 상기 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브에 서서히 개방하는 지령을 내림과 함께, 상기 오일 연료 유량 조정 밸브에 개방도를 완전 폐쇄로 하는 지령을 내리도록 구성한 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파일럿 버너의 가스 연료 노즐에 불활성 가스를 공급하는, 불활성 가스 유량 조정 밸브를 구비한 불활성 가스 공급 계통을 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 메인 버너 가스 연료 유량 조정 밸브를 개방하여 메인 버너에서 화염이 형성되고 나서 상기 파일럿 버너 가스 연료 유량 조정 밸브를 개방하기 전에, 상기 불활성 가스 유량 조정 밸브를 개방하는 지령을 내리는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
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