KR102289029B1 - 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하여 연소 상태를 진단하고 연료 농도를 계측할 수 있는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법, 기록 매체가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치는, 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하고, 분석된 화염 자발광의 분광 특성을 기반으로 연료량을 계측하는 화염 자발광 분석부를 포함한다.
Description
본 발명은 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하여 연소 상태를 진단할 수 있는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
미래지향적, 저탄소, 친환경 에너지 발전의 실질적 구현을 위해 현대의 친환경 고효율 연소 시스템은 다양한 운영 환경에 맞게 공급 가스 온도, 연소 압력, 연료 종류, 산화제 조성 등을 최적화하여 운영되고 있으며, 엔진, 발전기, 보일러 등의 폭넓은 산업 환경에서 널리 이용되고 있다. 연료의 농도는 연소 특성을 좌우하는 중요한 인자이며, 화염 온도와 이에 따른 연소 안정성, 그리고 배기가스 내에 포함된 공해물질의 배출 특성 등과 같은 중요한 특성들을 결정한다. 차량의 내연기관에서는 접촉식 배기가스 화학 분석을 기반으로 연료량을 측정해 연료 분사량과 공연비를 제어한다. 또한 가스터빈이나 항공용 엔진에서도 센서가 내장된 가스 분석기를 연소실로 삽입하여 배기가스의 조성 분석을 통해 연소상태를 분석하고, 최적화된 운전 상태를 도출한다.
그러나, 종래의 기술들은 연소실 내부에 물리적 측정/수집 장치(예를 들어, 적외선식/전기화학식 센서가 내장된 가스 분석기)를 삽입하여 연소 가스에 대한 정보를 수집하기 때문에, 연소 가스 정보 수집을 위한 측정 센서가 연소 반응에 대한 간섭을 일으킬 수 있으며, 측정 센서로 인한 화염 유동 간섭으로 인해 가스 샘플의 정확성이 낮아질 수 있다. 종래의 기술들은 측정 센서가 위치한 곳으로 연소 가스를 이송하기 위한 별도의 장치 및 과정을 필요로 하고, 연소가스가 발생하는 연소실 내부에 가스 흡입 장치를 삽입해야 하는데, 이는 연소 관련 유동장에 직접적인 간섭을 일으킬 수 있다.
또한, 종래 기술의 경우, 연소실 내부에서 온도가 가장 높은 영역인 주연소 구간의 화염에 근접하여 측정 센서를 설치하기 어려우며, 측정 센서의 설치 위치 상의 제약으로 인해 정확한 샘플을 확보하기 어렵고, 연소 상태의 정밀한 측정이 어렵다. 또한, 측정 센서가 고온/고압/부식성 가스에 직접 노출되어 내구성이 떨어질 수 있다. 뿐만 아니라, 화학 반응이나 난류 유동에 걸리는 물리적인 시간으로 인해 데이터 수집 시간이 길어지고, 실시간으로 데이터를 수집하여 연료 시스템을 정밀하게 제어하기 어려운 문제점도 있다. 또한, 분석기에 내장된 센서들이 고온/고압에서 작동성 및 응답성이 현저하게 저하되므로, 이를 방지하기 위해 검출 전 연소가스의 압력과 온도를 인위적으로 감소시켜야 하며, 이 과정에서 측정하고자 하는 연소 가스의 상태가 변화될 수 있다.
본 발명은 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하여 연소 상태를 진단할 수 있는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법, 기록 매체를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 연소실 외부에서 광학적 측정 기술을 기반으로 연소 반응에 미치는 영향 없이 화염 자발광 데이터를 비접촉식으로 수집, 분석하여 당량비(연료량)를 정확하게 계측할 수 있는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법, 기록 매체를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 화염 자발광 데이터를 실시간 분석하여 연소 상태를 측정할 수 있으며, 측정된 연소 상태를 기반으로 연료 시스템을 실시간 제어할 수 있는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법, 기록 매체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치는, 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하고, 분석된 화염 자발광의 분광 특성을 기반으로 연소 상태를 계측하는 화염 자발광 분석부를 포함하고, 상기 화염 자발광 분석부는, 다양한 당량비 조건에서 화염 자발광 스펙트럼을 분석하고, 상기 화염 자발광 스펙트럼에서 복수개의 상이한 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 관계를 다항 곡선으로 피팅하여 상기 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출하도록 구성된다.
상기 화염 자발광 분석부는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼 중 연소 반응에 대한 민감도가 높은 순으로 2개 이상의 파장 영역들의 빛을 추출하고, 2개 이상의 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율을 산출하여 연료의 당량비를 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 화염 자발광 분석부는, 측정 대상 연료에 의한 화염 자발광의 스펙트럼에서 측정된 빛의 세기 비율을 상기 기초 상관식에 적용하여 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 화염 자발광 분석부는, 공기 연소 및 순산소 연소 별로 상기 기초 상관식을 도출하고, 상기 측정 대상 연료가 공기 연소에 해당하는 경우 상기 공기 연소와 관련하여 도출된 기초 상관식을 기반으로 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하고, 상기 측정 대상 연료가 순산소 연소에 해당하는 경우 상기 순산소 연소와 관련하여 도출된 기초 상관식을 기반으로 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 장치는, 상기 화염 자발광 분석부에 의해 측정된 연소 상태를 기반으로 연소 시스템의 연소실에 공급되는 연료, 산화제 및 희석제 중의 적어도 하나의 공급 유량을 제어하는 공급 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 장치는, 연소실의 외부에서 상기 연소실 내부의 화염 자발광을 수집하는 화염 자발광 수집부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 화염 자발광 수집부는, 상기 연소실의 외부와 상기 연소실 내부 사이를 구획하는 투과성을 가지는 광학창, 상기 연소실 외부에서 상기 광학창을 통해 전달되는 화염 자발광을 수집하는 렌즈를 포함하는 광 수집기, 상기 화염 자발광의 수집 효율을 높이기 위해, 상기 광 수집기에 의해 수집된 화염 자발광을 통과시키는 슬릿 홈을 가지는 슬릿 부재, 상기 슬릿 홈을 통과한 화염 자발광을 상기 화염 자발광의 파장에 따라 분광하는 회절 격자 및 상기 회절 격자에 의해 분광된 상기 화염 자발광의 스펙트럼을 측정하는 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 화염 자발광 수집부는, 상기 연소실의 외부와 상기 연소실 내부 사이를 구획하는 투과성을 가지는 광학창; 상기 연소실 외부에서 상기 광학창을 통해 전달되는 2 이상의 광으로 분리하는 광 분리기; 상기 광 분리기에 의해 분리된 2 이상의 광을 상이한 파장 대역으로 필터링하여 상이한 파장 영역들의 빛을 출력하는 복수개의 필터링부; 및 상기 복수개의 필터링부에 의해 추출된 상이한 파장 영역들의 빛의 세기를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.
상기 화염 자발광 분석부는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼에서 OH 피크, CH 피크 및 C2 피크 중의 적어도 2개의 피크들을 추출하고, 추출된 상기 2개의 피크들 간의 피크 세기 비율 또는 대역 방출 비율을 기반으로 연료의 당량비를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 화염 자발광 분석부는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼의 310 nm 피크, 430 nm 피크, 및 520 nm 피크 중에서 상기 적어도 2개의 피크들을 추출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법은, 화염 자발광 분석부에 의해, 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하고, 분석된 화염 자발광의 분광 특성을 기반으로 연소 상태를 계측하는 단계를 포함하고, 상기 연소 상태를 계측하는 단계는, 다양한 당량비 조건에서 상기 화염 자발광의 스펙트럼을 분석하고, 상기 스펙트럼에서 복수개의 상이한 파장들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 관계를 다항 곡선으로 피팅하여 상기 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출하는 단계를 포함한다.
상기 연소 상태를 계측하는 단계는, 상기 화염 자발광 분석부에 의해, 상기 화염 자발광의 스펙트럼 중 연소 반응에 대한 민감도가 높은 순으로 2개 이상의 파장 영역들의 빛을 추출하는 단계; 및 상기 2개 이상의 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율을 산출하여 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연소 상태를 계측하는 단계는, 측정 대상 연료에 의한 화염 자발광의 스펙트럼에서 측정된 빛의 세기 비율을 상기 기초 상관식에 적용하여 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연소 상태를 계측하는 단계는, 공기 연소 및 순산소 연소 별로 상기 기초 상관식을 도출하는 단계; 상기 측정 대상 연료가 공기 연소에 해당하는 경우 상기 공기 연소와 관련하여 도출된 제1 기초 상관식을 기반으로 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하는 단계; 및 상기 측정 대상 연료가 순산소 연소에 해당하는 경우 상기 순산소 연소와 관련하여 도출된 제2 기초 상관식을 기반으로 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 방법은 공급 제어부에 의해, 상기 화염 자발광 분석부에 의해 측정된 연소 상태를 기반으로 연소 시스템의 연소실에 공급되는 연료, 산화제 및 희석제 중의 적어도 하나의 공급 유량을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연소 상태를 계측하는 단계는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼에서 OH 피크, CH 피크 및 C2 피크 중의 적어도 2개의 피크들을 추출하는 단계; 및 추출된 상기 2개의 피크들 간의 피크 세기 비율 또는 대역 방출 비율을 기반으로 상기 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 피크들을 추출하는 단계는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼의 310 nm 피크, 430 nm 피크, 및 520 nm 피크 중에서 상기 적어도 2개의 피크들을 추출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하여 연소 상태를 진단할 수 있는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법, 기록 매체가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 연소실 외부에서 광학적 측정 기술을 기반으로 화염 자발광 데이터를 수집, 분석하여 당량비(연료량)를 비접촉식으로 정확하게 계측할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 화염 자발광 데이터를 실시간으로 수집, 분석하여 연소 상태를 측정할 수 있으며, 측정된 연소 상태를 기반으로 연료 시스템을 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치를 구성하는 화염 자발광 수집부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 메탄/공기의 예혼합 화염에서 수집된 화염 자발광 스펙트럼의 예시도이다.
도 5는 당량비를 다양하게 변화시키면서 화염 자발광의 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 6은 화염 자발광 스펙트럼의 OH 피크(310 nm 피크) / CH 피크(430 nm 피크)의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율/대역 방출 비율)과, 당량비 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 화염 자발광 스펙트럼의 C2 피크(520 nm 피크) / CH 피크(430 nm 피크)의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율/대역 방출 비율)과, 당량비 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 순산소 연소 반응 및 공기 연소 반응의 화염 자발광 스펙트럼을 비교한 도면이다.
도 9는 순산소 연소 반응의 화염 자발광 스펙트럼 예시도이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 화염 자발광 스펙트럼을 기반으로 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 화염 자발광 스펙트럼을 기반으로 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치를 구성하는 화염 자발광 수집부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 메탄/공기의 예혼합 화염에서 수집된 화염 자발광 스펙트럼의 예시도이다.
도 5는 당량비를 다양하게 변화시키면서 화염 자발광의 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 6은 화염 자발광 스펙트럼의 OH 피크(310 nm 피크) / CH 피크(430 nm 피크)의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율/대역 방출 비율)과, 당량비 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 화염 자발광 스펙트럼의 C2 피크(520 nm 피크) / CH 피크(430 nm 피크)의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율/대역 방출 비율)과, 당량비 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 순산소 연소 반응 및 공기 연소 반응의 화염 자발광 스펙트럼을 비교한 도면이다.
도 9는 순산소 연소 반응의 화염 자발광 스펙트럼 예시도이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 화염 자발광 스펙트럼을 기반으로 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 화염 자발광 스펙트럼을 기반으로 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출한 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 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.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 '~부', '~모듈'은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 '~부', '~모듈'이 제공하는 기능은 복수의 구성요소에 의해 분리되어 수행되거나, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다. 본 명세서의 '~부', '~모듈'은 반드시 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되지 않으며, 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
본 발명은 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하여 연료 종류, 당량비(Equivalance ratio), 연료 공급량, 연소 온도, 연소 안정성, 등의 연소 상태를 진단하는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법은 연소실 외부에서 광학적 측정 기술을 기반으로 화염 자발광 데이터를 수집하고 분석하여 당량비(연료량, 연료 농도)를 비접촉식으로 실시간으로 정확하게 계측할 수 있으며, 연소 시스템을 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치는 연소 시스템(10)으로부터 화염 자발광을 수집하여 화염 자발광 스펙트럼을 생성하는 화염 자발광 수집부(100)와, 화염 자발광 수집부(100)에 의해 생성된 화염 자발광 스펙트럼의 분광 특성을 분석하여 연소 상태를 진단하는 화염 자발광 분석부(200), 및 화염 자발광 분석부(200)에 의해 분석된 연소 상태를 기반으로 연소 시스템(10)으로 공급되는 연료, 산화제, 희석제 등의 공급 유량을 제어하는 공급 제어부(300)를 포함할 수 있다.
연소 시스템(10)은 연료나 산소를 포함한 가연/조연 물질, 그리고 질소나 이산화탄소 등의 희석제 등의 가스 공급 온도, 압력, 유량을 제어하는 공급 제어 장치를 갖는다. 연소실(12) 내의 연소기로 유입된 가연성 혼합기는 내부에서 산화과정을 거치며 자발광을 일으킨다.
실시예에서, 연소 시스템(10)은 기밀이 유지되는 연소실(12), 연료 공급부(14), 산화제 공급부(16) 및 희석제 공급부(18)를 포함할 수 있다. 연소실(12)은 연료 공급부(14)로부터 공급되는 연료(예를 들어, 메탄)와, 산화제 공급부(16)로부터 공급되는 산화제(예를 들어, 공기, 순산소 등), 희석제 공급부(18)로부터 공급되는 희석제에 의해 연소 반응이 일어날 수 있으며, 연소실(12) 내에서 연소 반응에 의한 화염이 발생된다.
화염 자발광 수집부(100)는 연소실(12)의 외부에서 연소실(12) 내부의 화염 자발광을 수집하도록 구성될 수 있다. 실시예에서, 화염 자발광 수집부(100)는 광학창(110), 광 수집기(120), 슬릿 부재(130), 회절 격자(140), 및 검출기(150)를 포함할 수 있다.
광학창(110)은 투과성을 가지며, 연소실(12)의 외부와 연소실(12) 내부 사이를 구획할 수 있다. 광 수집기(120)는 연소실(12) 외부에서 광학창(110)을 통해 전달되는 화염 자발광을 수집할 수 있다. 실시예에서, 광 수집기(120)는 집광 렌즈(예를 들어, 볼록 렌즈)를 포함할 수 있다.
슬릿 부재(130)는 광 수집기(120)에 의해 수집된 화염 자발광을 통과시키는 슬릿 홈을 가질 수 있다. 슬릿(Slit) 홈을 통과한 화염 자발광은 회절 격자(140)로 전달될 수 있다. 회절 격자(Grating)(140)는 슬릿 부재(130)의 슬릿 홈을 통과한 화염 자발광을 화염 자발광의 파장에 따라 분광할 수 있다.
회절 격자(140)는 반사형, 투과형 등으로 제공될 수 있으며, 기능적으로 프리즘과 같은 역할을 한다. 회절 격자(140)는 일 예로, 반사형 회절판이 사용될 수 있다. 반사형 회절판은 규칙적인 산란체 배열을 통해서 인입된 빛을 파장에 따라 서로 다른 회절 각도로 반사시킬 수 있다. 화염 자발광을 슬릿(130)으로 통과시켜 회절 격자(140)에서 파장대별로 나눌 수 있으며, 회절 격자를 회전시켜 원하는 파장 대역을 선택할 수 있다.
검출기(Detector)(150)는 회절 격자(140)에 의해 분광된 화염 자발광의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 검출기(150)는 광 다이오드의 격자 구성으로 이루어질 수 있다. 검출기(150)는 화염 자발광의 분광 검출을 위해 빛의 신호를 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 회절을 통해 파장별로 구분이 된 신호는 공간적으로 분해되어 검출기(150)에 물리적으로 서로 다른 위치(픽셀)에서 맺히게 되며, 각 파장에서의 빛의 세기가 측정될 수 있다.
화염 자발광 수집부(100)는 연소실(12) 내부를 가시화할 수 있는 일정 수준 이상의 투과율을 지닌 광학창(110)을 통해 화염 자발광을 수집한다. 따라서, 종래의 센서가 위치하던 고온의 부식성 환경에서 떨어진 안전한 위치에서 화염 발광을 수집하여 분석할 수 있으며, 연소실(12)에 미치는 영향이나 간섭 없이 연소 상태를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법은 화염 자발광 데이터를 유/무선으로 전송, 분석하여 연소 시스템(10)을 피드백 제어할 수 있으며, 가스 샘플링이 어려운 대기 중의 연소 반응(예를 들어, 도시가스)에서도 연료 농도 계측이 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치를 구성하는 화염 자발광 수집부의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 화염 자발광 수집부(100)는 광학창(110), 광 분리기(160), 복수개의 필터링부(170, 180), 및 측정부(190)를 포함할 수 있다.
광 분리기(160)는 연소실(12) 외부에서 광학창(110)을 통해 전달되는 화염 자발광을 2 이상의 광으로 분리하는 광 섬유 분리기로 제공될 수 있다. 복수개의 필터링부(170, 180)는 광 분리기(160)에 의해 분리된 2 이상의 광으로부터 미리 설정된 2 이상의 상이한 파장 영역들의 빛으로 필터링할 수 있다. 측정부(190)는 각 필터링부(170, 180)에 의해 추출된 상이한 파장 영역들의 빛의 세기를 측정할 수 있다. 실시예에서, 측정부(190)는 2 이상의 상이한 파장 영역들의 빛의 세기를 측정하는 2개 이상의 감광기(Photodiode)를 포함할 수 있다.
도 2의 실시예에 의하면, 연소실(12) 외부에서 비접촉식으로 화염 자발광을 수집할 수 있으며, 분광기를 사용할 필요가 없어 화염 자발광 수집부(100)를 단순화할 수 있다. 화염 자발광 스펙트럼 중 가장 민감도가 높은 두 영역의 빛 혹은 세 영역 이상의 빛 만을 필터링하고(Filtering), 필터링한 두 영역 이상의 빛의 세기 비율을 구함으로써 연료의 농도(당량비) 등의 연소 상태를 측정할 수 있다.
본 발명은 투과율을 지닌 광학창(가시창)을 경계로, 연소실과 화염 자발광 수집부(100)/분석부(200)가 완벽하게 분리되어 있으며, 연소 가스에서 발생하는 화염 자발광을 광학적으로 분석하는 방법으로 연소 상태를 진단하기 때문에, 연소 반응이 일어나는 연소실 내부의 유동장에 어떠한 간섭도 초래하지 않는다. 또한, 종래의 기술들과 같이 측정/분석부에 연소가스를 직접적으로 전달할 필요가 없이 간접적으로 연소가스의 정보를 수집할 수 있어 연소가스의 현재 상태 자체에 대한 정보를 별도의 왜곡이 없이 수집할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 화염 자발광 분석부(200)는 화염 자발광 수집부(100)에 의해 수집된 화염 자발광 데이터로부터 연소 상태를 분석하기 위해, 화염 자발광 데이터에서 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율을 산출하고, 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율을 기반으로 당량비 등의 연소 상태를 측정할 수 있다.
공급 제어부(300)는 화염 발광 데이터로부터 실시간으로 분석된 연소 상태를 기반으로, 연소 시스템(10)에 필요한 적정 연료량(예를 들면, 공연비) 범위를 만족하도록, 연료/산화제/희석제 공급 유량을 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법의 순서도이다.
이하에서, 도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 연소 상태 진단 방법에 대해 설명한다. 측정 대상 연료의 연소 상태(당량비)를 산출하기에 앞서, 먼저 다양한 당량비 조건에서 화염 자발광의 스펙트럼을 분석하여(S10), 화염 자발광의 2 이상의 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출할 수 있다(S20).
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 메탄/공기의 예혼합 화염에서 수집된 화염 자발광 스펙트럼의 예시도이다. 연소 반응 중에는 다양한 중간 산물들이 발생한다. 섭씨 1500도씨 이상의 고온의 화염 내부에 존재하는 전자적으로 들뜬 상태의(electronically-excited state) 불안정한 물질은 바닥 상태(ground state)로 전이하며 특정 파장의 빛을 방출하는데, 이를 통상적으로 화염의 자발광(flame chemiluminescence) 이라 칭한다.
화염 내 물질의 발광은 분자의 독립적 에너지 구조로 결정되는 매우 특정한 파장에서 검출될 수 있다. 이러한 부산물의 물리 화학적 상태(농도, 온도, 압력 등)가 달라지면, 측정되는 자발광 세기에 영향을 주는데, 이러한 원리를 역으로 이용해 화염 자발광 스펙트럼을 분석하면 현재의 연소 상태를 높은 정확도로 측정할 수 있다.
연소 과정에서 화염(Flame)에서는 연료의 종류나 연료의 양에 따라 다른 색상의 화염 자발광이 발생한다. 이 화염 자발광을 렌즈나 광섬유 등의 광 수집기(Collector)에 의해 수집한 후 분석하여 연소 상태를 측정할 수 있다. 화염 자발광 수집부(100)에 의해 수집된 빛 신호는 분광 방법을 이용해 파장 대역으로 분리될 수 있다.
화염 자발광 분석부(200)는 화염 자발광 수집부(100)에 의해 수집된 화염 자발광 스펙트럼에서 복수개의 상이한 파장들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 관계를 다항 곡선으로 피팅하여 피크 세기비와 당량비 간의 기초 상관식을 도출할 수 있다(S20).
화염 자발광 분석부(200)는 화염 자발광 스펙트럼에서 당량비와의 민감도가 높은 순으로(당량비와의 상관 관계가 높은 순으로) 지배적인(Dominant) 피크들을 산출할 수 있다. 지배적인 피크들은 빛의 세기가 큰 피크를 의미하는 것이 아니라, 당량비에 따라 빛의 세기가 크게 변화하는 피크들을 의미할 수 있다.
도 5는 당량비를 다양하게 변화시키면서 화염 자발광의 스펙트럼을 측정한 결과이다. 연료로 사용하는 연소 시스템의 경우, 0.8 - 1.2 범위의 공연비에서 지배적인 피크들은 OH 피크(310 nm 피크), CH 피크(430 nm 피크), C2 피크(520 nm 피크)인 것을 알 수 있으며, 이들 피크들 중에서 적어도 2개의 피크들을 추출하고, 추출된 2개 이상의 피크들 간의 피크 세기 비율 또는 대역 방출 비율과 연료 당량비 간의 관계(회귀식)를 산출하여, 기초 상관식을 도출할 수 있다.
도 6은 화염 자발광 스펙트럼의 OH 피크(310 nm 피크) / CH 피크(430 nm 피크)의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율/대역 방출 비율)과, 당량비 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7은 화염 자발광 스펙트럼의 C2 피크(520 nm 피크) / CH 피크(430 nm 피크)의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율/대역 방출 비율)과, 당량비 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 순산소 연소 반응 및 공기 연소 반응의 화염 자발광 스펙트럼을 비교한 도면이다. 순산소 연소 반응은 연료를 33%의 산소와 67%의 이산화탄소를 포함하는 산화제(Oxidizer)와 반응시킨 경우이다. 도 9는 순산소 연소 반응의 화염 자발광 스펙트럼 예시도이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 화염 자발광 스펙트럼을 기반으로 2 이상의 파장 대역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출한 예시도이다.
동일한 연료를 동일한 당량비로 공급하더라도, 순산소 연소 반응(CH4/O2/CO2)과 공기 연소 반응(CH4/O2/N2)은 화염 자발광 스펙트럼이 상이한 패턴으로 나타나는 것을 알 수 있다. 화염 자발광 분석부(200)는 정확한 연소 상태 진단을 위해, 공기 연소 및 순산소 연소 별로 각각 기초 상관식을 도출할 수 있다.
화염 자발광 세기는 연료의 양에 따라서 민감하게 변화한다. 예를 들어, 520 nm / 430 nm 피크의 상대적인 세기를 당량비에 따라 나타내면, 도 7과 같은 단조 증가하는 결과가 얻어지고, 기초 상관식의 그래프는 y = 11.3x 2 - 20.3x + 9.3 로 다항 곡선 피팅이 가능하며 매우 높은 상관계수(0.996)를 갖는다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 화염 자발광의 스펙트럼 상의 미리 설정된 파장 대역들 간의 피크 세기 비율(PIR; Peak Intensity Ratio) 또는 대역 방출 비율(BER; Band Emission Ratio)과, 연소 공연비(Equivalence ratio) 간의 1대1 매칭이 가능하며, 기초 상관식에 기반하여 연료량(당량비)을 높은 정확도로 감지할 수 있다. 피크 세기 비율은 파장 대역들의 빛의 피크 세기들 간의 비율을 의미하고, 대역 방출 비율은 빛의 세기를 각 파장 대역에서 적분한 값을 의미할 수 있다.
일 실시예에서, N개(N은 2 이상의 정수)의 파장 대역들이 추출된 경우, N×(N-1)/2 개의 빛의 세기 비율이 산출될 수 있다. N이 3 이상인 경우, N×(N-1)/2 개의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 다항 곡선 피팅에 의해 산출된 N×(N-1)/2 개의 기초 상관식의 상관계수를 산출하여, N개의 파장 영역들 중 가장 낮은 상관계수를 가지는 기초 상관식에 해당하는 2개 혹은 그 이상의 파장 영역들을 선택하고, 선택한 파장 영역들의 빛의 세기를 기반으로 당량비 등의 연소 상태를 진단할 수 있다.
다시 도 1 및 도 3을 참조하면, 측정 대상 연료를 연소실(12)에 공급하여 연소 반응이 이루어질 때 발생하는 화염 자발광을 화염 자발광 수집부(100)에 의해 수집할 수 있다(S30). 화염 자발광 수집부(100)에 의해 화염 자발광 스펙트럼이 수집되면, 화염 자발광 분석부(200)는 화염 자발광 스펙트럼을 분석하여 미리 설정된 2개 이상의 피크들 간의 빛의 세기 비율(피크 세기 비율 또는 대역 방출 비율)을 산출할 수 있다(S40 내지 S50).
화염 자발광 분석부(200)는 2개 이상의 피크들 간의 빛의 세기 비율을 기초 상관식에 적용하여 당량비를 포함하는 연소 상태를 측정할 수 있다(S60). 이때, 화염 자발광 분석부(200)는 측정 대상 연료가 공기 연소에 해당하는 경우 공기 연소와 관련하여 도출된 기초 상관식을 기반으로 측정 대상 연료의 당량비를 측정하고, 측정 대상 연료가 순산소 연소에 해당하는 경우 순산소 연소와 관련하여 도출된 기초 상관식을 기반으로 측정 대상 연료의 당량비를 측정할 수 있다. 공급 제어부(300)는 화염 자발광 분석부(200)에 의해 측정된 연소 상태(예를 들어, 당량비)를 기반으로 연소 시스템의 연소실에 공급되는 연료, 산화제 및 희석제 중의 적어도 하나의 공급 유량을 실시간으로 정밀하게 제어할 수 있다(S70).
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법은 분광계의 데이터 수집 속도가 종래의 기술들에 비해 높기 때문에, 정보 수집과 측정을 실시간에 가깝게 운용할 수 있다. 또한, 연소 상태에 대한 민감도가 높은 2 이상의 파장 영역들의 빛만을 추출하여, 두 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율을 연료 농도 및 온도 등의 연소 상태와 대응시킴으로써, 연소 상태를 진단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법은 연소실의 외부에서 화염 자발광의 광학 정보를 수집하여 화염의 연소 상태를 측정하기 때문에 연소 반응에 대한 간섭을 전혀 일으키지 않으며, 연소실 내부에 온도가 가장 높은 영역인 주 연소 구간의 화염 정보를 얻어내 연소 상태를 분석할 수 있으므로 매우 정확한 샘플을 통해 연소 상태를 정확하게 분석할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 분광계와 빛 검출장치 장치의 구성에 따라 화염 자발광 데이터 수집을 나노초 속도로 높일 수 있으므로, 화학 반응이나 난류 유동에 걸리는 물리적인 시간(마이크로 초)보다 훨씬 높은 속도로 데이터 샘플링이 가능하며, 실시간 연소 상태 제어가 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예는 기존의 센서 기반의 연소 상태 측정 기술에 비해 높은 시스템 내구성, 안정성, 접근성 및 실현성을 가진다.
본 발명의 실시예는 가스 샘플링이 쉽지 않은 도시가스 운영 환경이나, 화재 원인 파악 및 화재 진압 대책 분석 등의 분야에서 화염의 상태 이상을 실시간으로 검진, 제어하는 안전 감지 및 제어 기술로서도 활용될 수 있다. 광학 계측 기반의 연소 상태 측정 방법과 이를 기반으로 한 시스템 제어 방식은 높은 정밀도 및 반복성, 공간 조밀성, 확장 및 연계성을 가지므로, 연소 기반의 친환경 발전 및 고효율 추진 시스템에도 적용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 의하면, 에너지 생산 및 추진 등에 폭넓게 활용되고 있는 연소 시스템의 특성을 실시간으로 파악하고 제어할 수 있다. 따라서, 연소 시스템을 더욱 안정적이고 효율적으로 운영할 수 있으며, 현 에너지 시장에서 요구되는 높은 연소효율을 달성하고 배출가스가 적은 친환경적인 시스템의 운용을 가능하게 한다. 따라서 차량 엔진, 가스터빈 화력 발전기, 도시가스 등 다양한 에너지 생산과 발전 기술이나 화재 분석 등의 분야에 적용이 가능하다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/ 또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.
처리 장치는 운영 체제 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(Processing Element) 및/또는 복수 유형의 처리요소를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(Parallel Processor) 와 같은, 다른 처리 구성(Processing configuration)도 가능하다. 소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(Computer Program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.
소프트웨어 및/ 또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody) 될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
10: 연소 시스템 12: 연소실
14: 연료 공급부 16: 산화제 공급부
18: 희석제 공급부 100: 화염 자발광 수집부
110: 광학창 120: 광 수집기
130: 슬릿 부재 140: 회절 격자(분광기)
150: 광 검출기(CCD 혹은 CMOS 센서)
160: 광 분리기 170, 180: 광 파장 필터링부
190: 광 검출기(CCD 혹은 CMOS 센서)
200: 화염 자발광 분석부 300: 공급 제어부
14: 연료 공급부 16: 산화제 공급부
18: 희석제 공급부 100: 화염 자발광 수집부
110: 광학창 120: 광 수집기
130: 슬릿 부재 140: 회절 격자(분광기)
150: 광 검출기(CCD 혹은 CMOS 센서)
160: 광 분리기 170, 180: 광 파장 필터링부
190: 광 검출기(CCD 혹은 CMOS 센서)
200: 화염 자발광 분석부 300: 공급 제어부
Claims (17)
- 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하고, 분석된 화염 자발광의 분광 특성을 기반으로 연소 상태를 계측하는 화염 자발광 분석부를 포함하고, 상기 화염 자발광 분석부는, 다양한 당량비 조건에서 화염 자발광 스펙트럼을 분석하고, 상기 화염 자발광 스펙트럼에서 복수개의 상이한 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 관계를 다항 곡선으로 피팅하여 상기 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출하도록 구성되고,
상기 화염 자발광 분석부에 의해 측정된 연소 상태를 기반으로 연소 시스템의 연소실에 공급되는 연료, 산화제 및 희석제 중의 적어도 하나의 공급 유량을 제어하도록 구성되는 공급 제어부를 포함하고,
상기 화염 자발광 분석부는,
공기 연소 및 순산소 연소 별로 각각 상기 기초 상관식을 도출하고;
상기 연료에 의한 연소 반응이 공기 연소에 해당하는 경우 상기 공기 연소와 관련하여 도출된 제1 기초 상관식을 기반으로 상기 연료의 당량비를 측정하고;
상기 연료에 의한 연소 반응이 순산소 연소에 해당하는 경우 상기순산소 연소와 관련하여 도출된 제2 기초 상관식을 기반으로 상기 연료의 당량비를 측정하도록 구성되는 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치. - 제1항에 있어서,
상기 화염 자발광 분석부는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼 중 상기 연소 상태에 대한 민감도가 높은 순으로 2개 이상의 파장 영역들을 추출하고, 2개 이상의 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율을 기반으로 연료의 당량비를 측정하도록 구성되는, 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치. - 제1항에 있어서,
상기 화염 자발광 분석부는, 측정 대상 연료에 의한 연소 반응에 의해 발생하는 화염 자발광의 스펙트럼에서 상기 복수개의 상이한 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율을 측정하고, 측정된 빛의 세기 비율을 상기 기초 상관식에 적용하여 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하도록 구성되는, 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
연소실의 외부에서 상기 연소실 내부의 화염 자발광을 수집하는 화염 자발광 수집부를 더 포함하고,
상기 화염 자발광 수집부는,
상기 연소실의 외부와 상기 연소실 내부 사이를 구획하도록 마련되는 투과성을 가지는 광학창;
상기 연소실의 외부에서 상기 광학창을 통해 전달되는 화염 자발광을 수집하는 렌즈를 포함하는 광 수집기;
상기 화염 자발광의 수집 효율을 높이도록 상기 광 수집기에 의해 수집된 화염 자발광을 통과시키는 슬릿 홈을 가지는 슬릿 부재;
상기 슬릿 홈을 통과한 화염 자발광을 상기 화염 자발광의 파장에 따라 분광하는 회절 격자; 및
상기 회절 격자에 의해 분광된 상기 화염 자발광의 스펙트럼을 검출하는 검출기를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 장치. - 제1항에 있어서,
연소실의 외부에서 상기 연소실 내부의 화염 자발광을 수집하는 화염 자발광 수집부를 더 포함하고,
상기 화염 자발광 수집부는,
상기 연소실의 외부와 상기 연소실 내부 사이를 구획하도록 마련되는 투과성을 가지는 광학창;
상기 연소실의 외부에서 상기 광학창을 통해 전달되는 화염 자발광을 2 이상의 광으로 분리하는 광 분리기;
상기 광 분리기에 의해 분리된 2 이상의 광을 각각 상이한 파장 대역으로 필터링하여 상이한 파장 영역들의 빛을 출력하는 복수개의 필터링부; 및
상기 복수개의 필터링부에 의해 추출된 상이한 파장 영역들의 빛의 세기를 측정하는 측정부를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 장치. - 제1항에 있어서,
상기 화염 자발광 분석부는,
상기 화염 자발광의 스펙트럼에서 OH 피크, CH 피크, 및 C2 피크 중의 적어도 2개의 피크들을 추출하고, 추출된 상기 2개의 피크들 간의 피크 세기 비율(Peak Intensity Ratio) 또는 대역 방출 비율(Band Emission Ratio)을 기반으로 연료의 당량비를 측정하도록 구성되는, 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 장치. - 제8항에 있어서,
상기 화염 자발광 분석부는,
상기 화염 자발광의 스펙트럼의 310 nm 피크, 430 nm 피크, 및 520 nm 피크 중에서 상기 적어도 2개의 피크들을 추출하여 상기 피크 세기 비율 또는 상기 대역 방출 비율을 산출하도록 구성되는, 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 장치. - 화염 자발광 분석부에 의해, 연소 반응에서 발생하는 화염 자발광의 분광 특성을 분석하고, 분석된 화염 자발광의 분광 특성을 기반으로 연소 상태를 계측하는 단계; 및
공급 제어부에 의해, 상기 화염 자발광 분석부에 의해 측정된 연소 상태를 기반으로 연소 시스템의 연소실에 공급되는 연료, 산화제 및 희석제 중의 적어도 하나의 공급 유량을 제어하는 단계; 를 포함하고,
상기 연소 상태를 계측하는 단계는,
다양한 당량비 조건에서 상기 화염 자발광의 스펙트럼을 분석하고, 상기 스펙트럼에서 복수개의 상이한 파장들 간의 빛의 세기 비율과 당량비 간의 관계를 다항 곡선으로 피팅하여 상기 빛의 세기 비율과 당량비 간의 기초 상관식을 도출하는 단계;
공기 연소 및 순산소 연소 별로 상기 기초 상관식을 도출하는 단계;
상기 연료에 의한 연소 반응이 공기 연소에 해당하는 경우 상기
공기 연소와 관련하여 도출된 제1 기초 상관식을 기반으로 상기 연료의 당량비를 측정하는 단계; 및
상기 연료에 의한 연소 반응이 순산소 연소에 해당하는 경우 상기
순산소 연소와 관련하여 도출된 제2 기초 상관식을 기반으로 상기 연료의 당량비를 측정하는 단계; 를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법. - 제10항에 있어서,
상기 연소 상태를 계측하는 단계는,
상기 화염 자발광 분석부에 의해, 상기 화염 자발광의 스펙트럼 중 상기 연소 상태에 대한 민감도가 높은 순으로 2개 이상의 파장 영역들의 빛을 추출하는 단계; 및
상기 2개 이상의 파장 영역들 간의 빛의 세기 비율을 산출하여 연료의 당량비를 포함하는 상기 연소 상태를 측정하는 단계를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법. - 제11항에 있어서,
상기 연소 상태를 계측하는 단계는,
측정 대상 연료에 의한 연소 반응에 의해 발생하는 화염 자발광의 스펙트럼에서 상기 복수개의 상이한 파장들 간의 빛의 세기 비율을 측정하고, 측정한 상기 빛의 세기 비율을 상기 기초 상관식에 적용하여 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법. - 제12항에 있어서,
상기 연소 상태를 계측하는 단계는,
공기 연소 및 순산소 연소 별로 상기 기초 상관식을 도출하는 단계;
상기 측정 대상 연료에 의한 연소 반응이 공기 연소에 해당하는 경우 상기 공기 연소와 관련하여 도출된 제1 기초 상관식을 기반으로 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하는 단계; 및
상기 측정 대상 연료에 의한 연소 반응이 순산소 연소에 해당하는 경우 상기 순산소 연소와 관련하여 도출된 제2 기초 상관식을 기반으로 상기 측정 대상 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 방법. - 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 연소 상태를 계측하는 단계는,
상기 화염 자발광의 스펙트럼에서 OH 피크, CH 피크 및 C2 피크 중의 적어도 2개의 피크들을 추출하는 단계; 및
추출된 상기 2개의 피크들 간의 피크 세기 비율(Peak Intensity Ratio) 또는 대역 방출 비율(Band Emission Ratio)을 기반으로 연료의 당량비를 측정하는 단계를 포함하는, 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 방법. - 제15항에 있어서,
상기 피크들을 추출하는 단계는, 상기 화염 자발광의 스펙트럼의 310 nm 피크, 430 nm 피크, 및 520 nm 피크 중에서 상기 적어도 2개의 피크들을 추출하는, 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 방법. - 제10항 내지 제13항 및 제15항 내지 제16항 중 어느 한 항의 화염 자발광 분광 기반의 연료 상태 진단 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190134673A KR102289029B1 (ko) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법 |
| PCT/KR2019/015519 WO2021085716A1 (ko) | 2019-10-28 | 2019-11-14 | 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190134673A KR102289029B1 (ko) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210050264A KR20210050264A (ko) | 2021-05-07 |
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ID=75716384
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020190134673A KR102289029B1 (ko) | 2019-10-28 | 2019-10-28 | 화염 자발광 분광 기반의 연소 상태 진단 장치 및 방법 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| WO (1) | WO2021085716A1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4274179B2 (ja) | 2003-11-05 | 2009-06-03 | 株式会社山武 | 火炎検知方法および火炎検知装置 |
| JP2010286487A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | General Electric Co <Ge> | 燃焼制御用光学センサ |
| JP5150824B2 (ja) * | 2008-09-22 | 2013-02-27 | イマジニアリング株式会社 | 燃料濃度計測装置及び燃料濃度計測方法、並びに、そのための較正曲線の準備方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0227571B2 (ja) * | 1984-12-06 | 1990-06-18 | Tokyo Denryoku Kk | Nenshojotaishindanhoho |
| KR101743670B1 (ko) * | 2015-10-15 | 2017-06-08 | 한국생산기술연구원 | 광학필터와 촬상장치를 이용한 화염 감시 및 구조계측 시스템 및 이에 의한 화염 감시 및 구조계측 방법 |
-
2019
- 2019-10-28 KR KR1020190134673A patent/KR102289029B1/ko active IP Right Grant
- 2019-11-14 WO PCT/KR2019/015519 patent/WO2021085716A1/ko active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2010286487A (ja) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | General Electric Co <Ge> | 燃焼制御用光学センサ |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021085716A1 (ko) | 2021-05-06 |
| KR20210050264A (ko) | 2021-05-07 |
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