KR20060046255A - 목표 연소기의 연소 온도 판정 방법 - Google Patents

Abstract

실제 온도를 직접 측정하지 않고 연소 라이너 내부의 온도를 판정하는 방법이 개시된다. 그 기술은 연소 챔버 내부에서 발생하는 횡방향 음향 모드들 중 한 모드의 주파수 측정에 기초한다. 그 주파수는 연소 챔버의 횡방향 기하학적 치수와 연소 챔버 내부 가스의 음속으로 부터 결정된다. 가스의 음속은 가스 온도 및 가승 특정의 함수인 열역학으로 부터 알게 된다. 따라서, 공진 주파수를 측정하고 연소기 치수 및 가스 성질을 인지함으로서, 그 온도가 정확하게 판정될 수 있다.

Description

목표 연소기의 연소 온도 판정 방법{PROCESS FOR ESTIMATING COMBUSTOR FLAME TEMPERATURE}

도 1은 캔 환형 연소 시스템의 개략적인 도면,

도 2는 동적 압력의 횡방향 모드를 나타내는 예시적인 연소기의 동적 압력 스펙트럼도,

도 3은 대략 850-1150Hz의 범주내의 동적 압력의 횡방향 모드를 나타내는, 도 2의 3에 대한 세부도,

도 4는 Hz 단위의 동적 압력 측정치에 기초한 14개의 캔의 각각에 대한 횡방향 모드 주파수를 나타낸 도면,

도 5는 도 4의 데이터로 부터 본 발명의 실시예에 따라 계산된 14 캔에 대한 F 단위의 플레임(flame) 온도를 나타낸 도면,

도 6은 열전쌍을 이용하여 가스 터빈의 배기관으로 부터 측정한, 14 캔의 각각에 대한 F 단위의 소용돌이형 보상 배기 온도 프로파일(swirl compensated exhaust temperature profile)을 나타낸 도면.

GE 에너지 중하중 가스 터빈 시리즈(GE Energy Heavy Duty gas turbine) (도 1 참조)와 같은 캔 환형 연소(can annular combustor) 시스템에 있어서, 그 터빈은 온도 측정을 위한 배기 열전쌍(exhaust thermocouple)을 이용하여 제어된다. 보다 구체적으로, 열전쌍 측정은, 연소가 발생되고 연소 산물(combustion production)이 터빈내에서 확장된 후 가스 터빈의 배기관에서 이루어진다. 압축기 방출 압력 및 압축기 방출 온도와 같은 다른 측정 파라메타와 온도 측정치로 부터, 가스 터빈에 대한 추정 점화 온도가 결정된다. 이러한 측정치는 입력으로서 배기 온도 측정치를 이용하기 때문에, 생성된 추정치는 연소기에서 배기관으로 진행하는 연소 산물의 속도 시간 레그(lag) 및 열전쌍의 응답 상수로 인해 시간 지연된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 배기 열전쌍의 출력으로 부터 점화 온도를 추정하는 것이 아니라, 연소기 음향 시그너쳐(combustor acoustic signature)로 부터 연소기 온도를 계산한다. 이에 따라 속도 시간 레그가 제거되고, 열전쌍 시간 상수가 동적 압력 센서의 시간 상수로 대체된다. 따라서, 그 추정치는 훨씬 빠르게 갱신된다. 또한, 배기 열전쌍을 이용하여 단일 벌크(bulk) 온도를 계산하는 것과는 상반되게, 이러한 방법을 사용하여, 점화중인 각 연소기 챔버에 대한 온도를 계산할 수 있다. 이것은, 개별적 연소기에 대한 진단이 향상되는 장점을 가진다.

따라서, 본 발명은 압축기, 다수의 연소기를 포함하는 연소부 및 작동 유체(working fluid)가 흐르는 터빈을 가진 가스 터빈의 목표 연소기내의 연소 온도를 판정하는 방법으로 구현되며, 그 방법은 a) 연소부의 목표 연소기의 제 1 횡방향 음향 모드의 공진 주파수를 결정하고, b) 목표 연소기의 연소 온도를 판정하는데 이용되는 하나의 계수(factor)로서 상기 주파수를 적용하는 것을 포함한다.

본 발명은 압축기와 터빈을 가진 가스 터빈의 캔-환형 연소부내의 연소 온도를, 상기 연소 캔의 직경과, 가스에 대한 가스 상수 및 가스에 대한 비율 특정 열(ratio specific heat)을 포함하는 계수에 기초하여, 판정하는 방법으로 구현되며, 그 방법은 a) 연소부의 연소기의 제 1 횡방향 음향 모드의 공진 주파수를 판정하고, b) 연소기내의 연소 온도를 판정하는데 이용되는 하나의 계수로서 상기 주파수를 적용하는 것을 포함한다.

본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적과 장점은, 첨부한 도면과 함께 이하에 설명된 본 발명의 바람직한 예시적 구현의 보다 상세한 설명으로 부터 보다 완벽하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은, 가스 터빈의 제어를 위해 측정된 온도를 사용할 목적으로 및 연소 프로세스에 대한 진단으로서, 캔-환형 연소기를 채용한 가스 터빈의 연소 챔버 내부의 벌크 온도를 판정하는 비감입적(non-intrusive)이고 단순한 방식으로 구현된다.

본 발명은 다음의 단계를 수반한다. 첫째, 동적 압력 트랜스듀서(dynamic pressure transducer)를 사용하여 가스 터빈상의 각 연소기 내부로 부터 연소 노이즈 신호를 측정한다. 예를 들어, 적합한 동적 압력 트랜스듀서는 미국특허번호 6,708,568호에 개시되어 있으며, 그 특허의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 각 트랜스듀서로 부터의 신호는 스펙트럼 분석 기법을 이용하여 처리되어 관심 횡방향 모드의 주파수를 분리시킨다. 횡방향 모드의 주파수는 850 내지 1150Hz의 주파수 범주가 한도인 것으로 알려져 있다. 각 캔에 대한 실질 주파수를 판정하기 위해서, 이 주파수 범주내의 최대 크기를 스펙트럼도(도 2 및 도3)로 부터 판정한다. 따라서, 그 주파수는, 단순히, 최대 크기에 대응하는 주파수이다. 예시적인 데이터가 테이블 1 에 리스트되며, 도 4에 도시된다. 본 발명의 실시예에 있어서, 이 주파수는, 알려진 음향과 열역학 관계를 이용하여 연소기 내부의 가스 온도와 상관된다.

연소기 챔버에 있어서, 제 1 횡방향 음향 모드의 공진 주파수(f)는 다음의 수학식으로 표현된다.

여기서, c는 가스의 음속이고, a는 1.84(음향 모드와 관련된 고정 상수)이며, D는 연소 챔버의 대당 내부 직경(quuivalent inside diameter)단위는 m임)이다. D의 값은 연소 라이너(combustion liner)의 형상 및 치수에 기초하여 결정된다. 테이퍼형 라이너(tapered liner)의 경우, 대당 라이너 직경은 다음과 같다

여기서, D1은 상부 스트림(보다 큰) 직경이고, D2는 하부 스트림(보다 작은) 직경이다. 직선 부분, 즉, 실리더 연소 챔버의 경우, 대당 직경은 단순히 직경 D=D1=D2이다.

음속은 다음의 수학식으로 표현된다.

여기서, γ은 가스에 대한 비율 특정 열(연소기 내부 공기에 대해 주어진 상수)이고, R은 가스에 대한 가스 상수이며, T는 가스 온도이다.

이러한 관계식들은 다음과 같이 조합될 수 있으며, 미지의 가스 온도에 대한 해를 구할 수 있다.

이고, 그에 따라

이다.

예시적으로, a와, γ 및 R을 소정 값들로 대체하면,

T_flame = (fπD/1.841)²/(1.4ㆍ286)이고, 여기서, T_flame는 켈빈 온도(Kelvin) 단위이고, D(대당 라이너 직경(equivalent liner diameter))는 메타(m) 단위이다.

영국식 단위로는, T_flame = {[(0.0254fπD/1.841)²/(1.4ㆍ286)] - 273.15}ㆍ 9/5 + 32이고, 여기에서, T_flame 은 화씨(Fahrenheit) 단위이고 D(대당 라이너 직경)는 인치(inch) 단위이다.

도 2에는 14개의 연소 캔 또는 챔버의 각각의 동적 압력의 주파수 스펙트럼이 도시된다. 도 3의 세부적 도면으로 부터 알 수 있는 바와 같이, 진동의 횡방향 모드는 모든 캔에서 1050Hz를 중심으로 상승된다.

아래의 테이블1과 도 4를 참조하면, 본 발명을 도 1에 도시된 유형의 14 캔-환형 연소기를 가진 GE(General Electric) 가스 터빈으로 구현하는 방법의 실험적 응용에 따라 연소기 노이즈 데이터의 측정치로 부터 도출되었던 주파수 데이터가 개시된다.

도 4는, 도 3에 도시되고 테이블1에 리스트된 850Hz와 1150Hz 사이에서 발견된 최대 크기에 대응하는 주파수 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 14 캔 연소기의 각 연소 캔내의 플레임 온도를 계산하기 위해, 상술한 바와 같이, 주파수 데이터가 다른 계수와 함께 이용되었다. 테이블 1에 리스트되고 도 5의 예시에 도시된 바와 같은 각 연소 캔내의 예측 온도는, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 방법에 따라 추정된 소용돌이형의 보상 배기 온도 분산과 비교될 수 있다. 도시된 바와 같이, 매우 강한 상관을 이룬다.

알겠지만, 본 발명에 따라 계산된 온도는 가스 터빈 연소 시스템의 향상된 제어 및 보호를 제공하는데 이용될 수 있다. 그러한 응용은 터빈 점화 온도를 제어하고, 개별적인 연소기 캔으로 부터의 방출을 계산하고, 빈약한 배출을 방지하기 위해 서로 다른 연소 모드들간의 절환을 위한 부하를 판정하고, 연료 주입량 흐름을 신속히 정정함으로써 빈약한 배출 상태에 대한 조짐이 검출될 때 그 배출을 방지하기 위해 폐쇄 루프 제어 알고리즘을 제공하고, 최소 열 비율을 제공하기 위해 부분 부하 연소기 최적화 알고리즘을 제공하는 것을 포함한다.

본 발명이 최선의 바람직한 실시예인 것으로 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예에 제한되는 것은 아니며, 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범주내에 포함된 다양한 변경 및 등가적인 구성을 포괄함을 알아야 할 것이다.

Claims (10)

1. 압축기와, 다수의 연소기를 포함하는 연소부와, 작동 유체가 흐르는 터빈을 가진 가스 터빈의 목표 연소기의 연소 온도를 판정하는 방법으로서,

   a) 상기 연소부의 목표 연소기의 제 1 횡방향 음향 모드의 공진 주파수를 판정하는 단계와,

   b) 상기 목표 연소기의 연소 온도를 판정하는데 이용되는 하나의 계수로서 상기 공진 주파수를 적용하는 단계를 포함하는

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소 온도는 가스 터빈 점화 온도인,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 판정된 연소 온도를 이용하여 터빈 점화 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 목표 연소기로 부터의 방출을 계산하기 위해 상기 판정된 연소 온도를 이용하는 단계를 더 포함하는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 공진 주파수를 판정하는 단계는,

   상기 목표 연소기의 연소 노이즈 신호를 감지하는 단계와,

   관심있는 횡방향 모드의 주파수를 분리하기 위해 상기 신호를 처리하는 단계와,

   상기 목표 연소기의 연소 온도를 판정하기 위한 하나의 계수로서 상기 주파수를 이용하는 단계를 포함하는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 연소 노이즈 신호는 동적 압력 트랜스듀서에 의해 형성된 측정치에 기초하여 감지되는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소기는 다수의 연소기 캔을 가진 캔-환형 연소기이고,

   상기 공진 주파수를 판정하는 단계는,

   상기 가스 터빈상의 각 연소기 캔으로 부터 연소 노이즈 신호를 감지하는 단계와,

   관심있는 횡방향 모드의 주파수를 분리하기 위해 상기 각 신호를 처리하는 단계와,

   각 연소기내의 연소 온도를 판정하기 위한 하나의 계수로서 상기 주파수를 각각 이용하는 단계를 포함하는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 목표 연소기내의 연소 온도는 목표 연소기의 직경을 포함하는 계수에 기초하여 판정되는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 목표 연소기의 연소 온도는 상기 목표 연소기의 원주를 포함하는 계수에 기초하여 판정되는,

   목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 목표 연소기의 연소 온도는 다음의 수식:

    

    에 의해 판정되고,

    상기 D는 연소 챔버의 대당 내부 직경이고, f는 제 1 횡방향 음향 모드의 공진 주파수이고, a는 1.84이고, γ는 연소기의 가스에 대한 비율 특정 열이고, R은 가스에 대한 가스 상수인,

    목표 연소기의 연소 온도 판정 방법.

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