KR20030032311A - 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월연료노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기 공해물질인 질소산화물(Nox)의 배출저감을 위하여 희박예혼합연소(Lean Premixed Combustion) 방식을 채택하여 천연가스 연료를 연소시키는 발전용 건식 저질소산화물(Dry Low NOx) 가스터빈에서 낮은 연료-공기비에서 빈번히 발생하는 연소불안정 문제를 해결하고 연소 효율을 향상시키기 위한 발전용 저 질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐에 관한 것으로, 종래의 연료 노즐이 가지는 연소의 비효율성을 개선하기 위하여 가변형 스월 노즐을 사용하여 연소조건에 따라서 적정 스월강도(와류강도)를 조절할 수 있다. 또한 본 발명의 연료 노즐을 한 개의 연소기에 다수로 장착하여 사용하는 멀티컵(Multi-cup) 연소기에 적용하고 각각의 노즐별로 적정한 스월유동의 강도를 설정하여 부하별로 양호한 연소조건을 달성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐 {A Fuel Nozzle with Variable Swirl for a Dry Low NOx Gas Turbine Combustor for Power Generation}

본 발명은 유해 대기 공해물질인 질소산화물(NOx)의 배출저감을 위하여 최근 발전용으로 개발되어 천연가스 연료를 희박예혼합 연소(Lean Premixed Combustion) 방식으로 연소시키는 건식 저질소산화물(Dry Low NOx) 가스터빈에서 연소 효율을 향상시키고 연소불안정을 저감시킬 목적으로 사용하기 위한 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐에 관한 것이다.

통상적으로 가스터빈 연소기내에서는 연료와 공기의 양호한 혼합을 위하여 연소조건에 따라서 적절한 스월강도를 유지시킬 필요가 있는바, 종래의 가스터빈에서 사용된 가스터빈 연소기 노즐은 연소에 필요한 스월유동(와류유동)의 생성을 위하여 고정된 스월베인을 사용하고 있어서 부하에 따라서 연소에 적합하지 않은 강도의 스월유동이 사용되는 불합리한 문제점이 있다.

특히 최근 대기공해 문제로 인하여 천연가스를 연료로 사용하는 가스터빈의 경우 희박예혼합 연소방식을 사용하는 건식 저질소산화물 연소기(Dry Low NOx Combustor)를 채택하여 화염 온도를 낮추어 질소산화물(NOx)의 생성을 억제하고 있다.

그러나 이러한 희박 예혼합 연소방식의 경우는 연료량이 공기량에 비하여 적으므로 적정한 스월강도가 유지되지 않으면 안정적인 연소조건에 도달하기가 매우 어려워서 연료-공기의 혼합상태와 부하조건에 따라서 연소불안정, 연소진동, 화염의 역화 등이 발생할 뿐만 아니라 가스터빈 부품의 파손이나 고온유로 부품의 열소손 및 수명 단축 등의 문제가 발생하여 가스터빈 유지보수비의 상승을 초래하고 있다.

또한 종래에는 가스터빈이 저부하에서 운전될 때 연소상태에 따라서 황색연기(yellow plume)등이 배출되어 발전소 인근 주민들로부터 민원발생의 소지가 될 수 있다.

한편, 본 발명과 관련된 종래기술로는 대한민국 공개특허 제1998-018,381호가 있으나, 이는 액체연료의 분사방법에 관한 특허로 기체연료를 사용하는 연료노즐에 관한 본 발명과는 적용대상이 다르며, 또한 미국특허 제 5,833,141호가 있는데 이는 액체 연료와 기체 연료를 동시에 사용하는 2류체 연료 노즐의 구조에 관한 것으로 스월러의 각도가 일정하게 고정되어 있어서 본 발명과는 특허 청구의 범위가 다른 기술임을 알 수 있다.

최근 건설되는 발전용 가스터빈은 희박예혼합 방식을 채용하여 천연가스 연료를 연소시키는 건식 저질소산화물 가스터빈을 주로 사용하고 있다. 그러나 이러한 희박예혼합 연소방식은 질소산화물 발생을 억제하기 위하여 연료의 당량비가 낮은 연료-공기의 혼합기 범위에서 연소를 시켜 화염온도를 낮추어야 하므로 연소가불안정하여 연소진동, 화염의 역화현상 등이 빈번히 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 발전용 희박 예혼합 가스터빈에 채용하고 있는 연료노즐의 단점을 해소하기 위한 것으로 부하와 연소모드 변환에 따라 연소에 중요한 변수가 되는 스월강도를 연속적으로 조절할 수 있는 가변 스월러를 개발하여 연소기 내부에서 최적 상태로 연소가 이루어질 수 있도록 하고자 한다.

상기한 스월강도의 제어를 통한 연소효율의 향상을 위하여 본 발명은 스월각도의 조절이 가능한 스월러를 사용하고 연료노즐의 외주면에 오일압을 조절하여 스월러의 각도를 변경할 수 있는 스월러 구동부를 설치하여 연소조건에 가장 적정한 스월 강도를 제공할 수 있도록 되어 있다.

또한 본 발명은 다수의 연료노즐을 한 개의 연소기에 조합하여 사용하는 멀티컵 연소기에 본 연료노즐을 장착하여 각각의 노즐별로 적정 스월값을 설정함에 의하여 천연가스 연료를 희박 예혼합연소 방식으로 연소시키는 발전용 가스터빈에서 연소기내의 화염을 안정화시켜 연소진동 및 연소불안정을 줄이고, 아울러 유해배기가스인 질소산화물의 배출도 동시에 저감시키도록 되어 있다.

도 1은 본 발명의 내부구성을 나타낸 부분 종단면 구성도,

도 2는 도 1의 A방향 부분 정면도,

도 3는 도 1의 횡단면도,

도 4은 도 1의 스월러 사시도,

도 5는 도 1의 링크암의 구조도,

도 6는 본 발명의 연료 노즐을 다수로 장착한 멀티컵 연소기 적용 예시도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호에 대한 설명 -

1: 노즐내측 원통형구조물 2: 노즐외측 원통형구조물

3: 스월러 4: 스월러내측 지지부

5: 베어링 6: 힌지

7: 커넥팅로드 8: 링크암

9: 리턴스프링 10: 작동피스톤

11: 오일홀 12: 오일홀 튜브

13: 혼합기(천연가스+공기) 유입부 14: 원통형 스월러 구동장치 덮개

15: 저스월 노즐 16: 고스월 노즐

17: 연소기 라이너

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 가스터빈 연료노즐은 노즐내측 원통형구조물(1)과, 노즐 외측 원통형구조물(2), 가변형 스월러(3), 가스터빈의 제어신호에 의하여 오일압을 조절하여 스월러(3)의 각도를 조절하는 스월러 구동장치로 구성되어 있다.

도 1는 본 발명의 실시 예를 보여주는 도면으로서, 연료 노즐은 노즐외측 원통형구조물(1)과 노즐내측 원통형구조물(2) 및 이 사이에 스월유동을 생성하기 위한 스월러(3)가 장착되었다. 스월러(3)의 날개면(3a)은 스월유동을 생성하기 위하여 삼차원 곡면형상으로 구성되어 있으며, 스월유동의 강도를 변경시키기 위하여 작동피스톤(10)에 의하여 상하이동하는 링크암(8)의 커넥팅로드(7)와 힌지(6)를 매개로 연결되어 있다.

또한, 상기 스월러(3)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 노즐내측 원통형구조물(1)에 설치된 내측지지점(4)과 노즐외측 원통형구조물(2)에 설치된 힌지(6)를 중심으로 회전할 수 있는 구조로 되어 있다.

그리고 상기 노즐외측 원통형구조물(2)에 설치된 힌지(6)에는 베어링(5)을 설치하여 이 스월러(3)의 회전을 용이하게 할 수 있도록 도와준다. 상기 스월러(3)는 가스터빈의 연소모드변환 및 출력변동에 따라서 이 스월러(3)의 날개면(3a)을 일정한 각도로 연속적으로 회전시킬 수 있다.

스월러(3)의 구동장치는 오일홀(11)에 연동시켜 설치한 작동피스톤(10)과, 상기 작동피스톤(10)에 연결된 링크암(8), 이 링크암의 접점(8a)을 통하여 스월러를 회전시키는 힘을 전달하는 커넥팅로드(7)로 구성되어 있다.

그리고 이 작동피스톤(10)은 오일홀튜브(12)의 내부에 설치되어 있으며 오일홀의 압력이 증가하면 작동피스톤(10)이 상부로 이동하는 반면, 상기 오일홀(11)의 압력이 감소하게 되면 리턴스프링(9)의 복원력에 의하여 작동피스톤이 하부로 이동한다.

또한 스월러 구동장치의 전체는 원통형 스월러 구동장치 덮개(14)에 의하여고온의 연소가스에 직접 노출되지 않도록 보호된다.

이하 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

천연가스 연료와 공기가 혼합된 혼합기가 혼합기 유입부(13)를 통과하여 스월러(3)로 유입된다. 강한 스월이 필요할 때는 오일홀(11)의 압력을 증가시켜 작동피스톤(10)을 상부로 밀어 링크암(8)을 통하여 커넥팅로드(7)를 힌지(6)를 중심으로 시계방향으로 회전시킨다. 이렇게 상기 커넥팅로드(7)가 회전하면 스월러(3)가 힌지(6)를 중심으로 회전하여 스월러의 각도가 수평에 가깝게 유지된다.

이어 이 스월러(3)의 각도가 수평에 가깝게 되면 혼합기의 스월 속도가 증대되어 연소를 촉진시키는 효과가 생긴다.

반면 가스터빈의 운전조건에 따라서 스월 강도를 약하게 유지시킬 필요가 있는 경우는 상기 오일홀(11)의 압력을 줄이면 작동피스톤(10)의 상부에 설치된 리턴스프링(9)의 복원력에 의하여 이 작동피스톤(10)이 하부로 이동하게 되는데, 이때 상기 작동피스톤(10)이 하부로 이동하면 이와 연결된 링크암(8)을 통하여 커넥팅로드(7)가 하방향으로 회전하게 되고, 상기 커넥팅로드(7)가 하방향으로 회전하면 스월러(3)가 힌지(6)을 중심으로 회전하여 스월러의 각도가 수평방향에서 수직방향으로 이동하여 스월 강도가 감소되도록 되어 있다.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 연료노즐을 여러 개 장착하여 천연가스를 연소시키는 발전용 멀티컵 희박예혼합 가스터빈 연소기에 적용하는 경우, 일부 연료노즐은 저스월(15)을 사용하고 일부 연료 노즐은 고스월(16)을 사용하여 연소기 내부에서 전체적으로 화염을 안정화시키면서 질소산화물의 배출농도도 동시에 저감시킬수 있도록 구성한 것이다.

본 발명은 천연가스 연료를 사용하는 발전용 가스터빈에서 연소모드별 및 부하별로 요구되는 적정 스월강도를 제공할 수 있는 가변형 스월러를 사용하여 연소효율을 향상시키고, 배기공해 물질의 배출을 저감시키면서 연소불안정을 감소시킬 뿐만 아니라, 화염의 역화를 방지하여 가스터빈 내의 고온유로 부품들의 열소손을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 연소노즐을 다수로 장착하는 멀티컵 연소기에 적용하여 노즐별로 적정한 스월강도를 설정함에 의하여 희박예혼합 연소방식을 사용하는 발전용 저질소산화물 가스터빈 연소기에 있어서 연소기 내부의 전체적인 화염을 안정시키고, 연소진동을 저감하여 가스터빈의 부품 손상을 방지하고 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 희박예혼합 방식을 채용한 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 연소시에 연소불안정 및 연소진동을 제어하여 양호한 연소조건을 생성하기 위하여 천연가스 연료와 공기가 혼합된 혼합기가 혼합기 유입부를 통하여 스월러로 공급되되, 이 스월러의 선회유동 강도조정을 위해 스월러의 날개면 변경 수단과 스월러 구동장치를 갖추어 이루어진 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐.
2. 제 1항에 있어서, 상기 스월러의 변경수단은 이 스월러의 날개면을 회전시키기 위한 힌지와, 이 힌지에 회전동력을 전달하기 위한 링크기구 및, 상기 스월러 날개의 힌지를 회전시키기 위한 구동장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스월러 구동장치는 오일홀에 연동시켜 설치한 작동피스톤과, 상기 작동피스톤에 연결된 링크암이 링크암을 통하여 스월러를 회전시키는 힘을 전달하는 커넥팅로드로 구성되어 있고, 강한 스월이 필요할 때는 오일홀의 압력을 증가시켜 작동 피스톤을 상부로 밀어 스월러의 각도를 수평에 가깝게 유지하여 혼합기의 선회력을 증대시키며, 반면 운전 조건에 따라서 스월강도를 약하게 유지할 필요가 있는 경우는 오일홀의 압력을 줄여 스월러의 각도를 수평방향에서 수직방향으로 이동시켜 선회력을 감소시켜 스월강도를 조절할 수 있는 것을 특징으로하는 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐.
4. 제 1항에 있어서, 상기 스월러와 이 스월러 날개면 변경수단 및 스월러 구동장치를 갖춘 연료노즐이 멀티컵 연소기에 개개의 적정 스월값을 변경하여 연소기 내부의 화염을 안정시키고 연소진동의 저감을 위해 저스월 연료노즐과 고스월 연료노즐들로 구분되어 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 발전용 건식 저질소산화물 가스터빈 연소기의 가변스월 연료노즐.