KR20060096320A - 엔진 연소기 제어방법 - Google Patents

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Abstract

연료-산화제 비율을 갖는 엔진 연소기를 제어하는 방법은 연소기(10)의 연료-산화제 비율을 산화제 스트림(20)에서의 산소량의 함수로서 제어하는 단계를 포함하며, 상기 연료-산화제 비율은 연소기(10)에 공급된 연료량을 연소기(10)에 공급된 산화제 스트림(20)의 산소량으로 나눈 비율로 한정된다.
연료량, 산화제, 산소량, 블레이드, 엔진, 동력 레벨, 스트림

Description

엔진 연소기 제어방법{METHOD AND APPARATUS FOR GAS TURBINE DRY LOW NOX COMBUSTOR CORRECTED PARAMETER CONTROL}
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연소기를 제어하기 위해 산소 함유량을 이용하는 가스 터빈엔진의 개략적인 다이아그램.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 연소기 12: 가스 흐름
14: 터빈 16: 축
17: 동력 출력 18: 압축기
20: 산화제 스트림 22: 제어기
23: 압축된 산화제 흐름 24: 공기 흐름 조정 신호
26: 연료 흐름 28: 연료 공급 시스템
30: 동력 레벨 신호 32: 대기 압력 신호
34: 터빈 입구 압력 신호 36: 터빈 배출 압력 신호
38: 산소 레벨 신호 40: 산소 센서
42: 터빈 입구 온도 신호 44: 온도 센서
45: 입구 형상 신호 46: 연료 흐름 신호
48: 연료 흐름 조정 신호
본 발명은 연소기에 관한 것으로서, 특히 가스 터빈 연소기에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진기법에서 현재 추구하고 있는 바는 질소(NOx) 및 탄화수소 화합물의 방출 감소를 목적으로 하고 있다. 이러한 방출물 감소를 달성하기 위한 기법은 열역학적 효율의 감소나 비용의 증가를 초래하곤 한다.
NOx 화합물은 높은 온도에서 가스 터빈 엔진의 연소기에서 통상적으로 발견되는 산화제(oxidant)와 질소와의 반응에 의해 생성된다. 연소기에서 최대 화염 온도를 감소시키면 NOx의 형성이 감소될 수 있다. 연소기내로의 스팀 분사는 열역학적 효율의 비용으로 연소기내의 최대 화염 온도를 감소시킨다. 물을 사용할 경우에는 개략적인 물 처리비용 및 작동비용을 포함하여, 여러가지 불이익을 감수해야만 한다. 스팀 분사량과 이에 연관된 비용은 필요로 하는 NOx 감소량에 따라 상승하게 된다. 일부 주와 외국에서는 다량의 스팀을 유추할 수 있는 NOx 감소를 위한 목표치를 발표하였는데, 이러한 해결책은 미래의 시스템에 그다지 바람직하지 못한 것으로 나타나고 있다.
연소기에서 연료의 완전 연소를 보장하므로써 탄화수소 방출물의 감소나 제거를 달성할 수도 있다. 완전 연소는 희박한 연료-산화제 혼합물을 필요로 한다. 연료-산화제 혼합물이 희박해지면, 연소가 더 이상 지지될 수 없는 지점에 도달하게 된다. 따라서, 연소기의 효과적인 작동을 보장하는 동시에 최대 화염 온도를 감소시키기 위해 상당한 연구가 진행되고 있다.
연료/산화제 최적화를 통해 화염 온도를 낮추므로써 NOx의 형성을 제한하는 건조한 저NOx 연소가 개발되고 있다. 건조한 저NOx 연소기는 훨씬 많이 분기되는 대형 화염을 생성하기 위해 혼합되는 산화제 및 연료를 제어하여, 정점 화염 온도를 낮추고, 형성된 NOx의 양을 감소시킨다. 원칙적으로, 통상적인 건조한 저NOx 연소기에는 연소, 감소, 연소종료 라는 3가지 단계가 존재한다. 초기 단계에서, 연소는 연료가 풍부하고 산소가 부족한 영역에서 발생되어, NOx가 형성된다. 이후 온도의 감소가 이어지고, 탄화수소가 형성되어 이미 형성되어 있던 NOx와 반응하게 된다. 세번째 단계에서, 내부 산화제 단계가 연소를 완료한다.
가스 터빈에서의 건조한 저NOx 연소는 NOx 방출물을 감소시키려는 노력에서 이득을 생성하며, 건조한 저NOx 연소는 연소기 산화제에서의 산소 함유량 변화에 민감하다. 연소기에 공급된 산화제는, 주위 수증기와 증발성 쿨러나 물의 증발을 통해 입구 공기를 냉각시키는 기타 다른 장치로부터의 부가적인 수증기와의 희석으로 인해, 통상적으로 산소 함유량이 변화되는 압축기를 통해 이송되는 주위 공기로 구성되어 있다. 또한, 때로는 연소처리를 실행하기 전이나 연소처리중에 기타 다른 희석제(스팀, 질소 또는 액상의 물)가 첨가될 수도 있다. 따라서, 전체 산화제에서 산소 함유량을 결정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 예시적인 실시예는 연료-산화제 비율을 갖는 엔진 연소기를 제어하는 방법을 포함하며, 상기 연료-산화제 비율은 연소기에 공급된 연료량을 연소기에 공급된 산화제 스트림에서의 산소량으로 나눈 비율로 한정된다. 상기 방법은 연소기의 연료-산화제 비율을 산화제 스트림에서의 산소량의 함수로 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 산화제 스트림 및 연료 공급부가 구비된 가스 터빈엔진을 포함한다. 상기 가스 터빈엔진은 터빈과, 압축기와, 연소기와, 산소 센서와, 연료 시스템과, 제어기를 포함한다. 상기 압축기는 터빈과 기계적으로 연결되어 있다. 연소기는 터빈 및 압축기와 유체연결된다. 연소기는 산화제 스트림 및 연료 공급을 수용한다. 상기 산소 센서는 산화제 스트림에서의 산소량에 응답하여 산소 레벨 신호를 생성한다. 연료 시스템은 연소기에 연료 공급을 제공한다. 상기 제어기는 산소 센서와 압축기 및 연료 공급 시스템과 전기적으로 연결되어 있다.
본 발명의 상술한 바와 같은 목적과 특징 및 기타 다른 목적과 특징은 첨부의 도면을 참조한 하기의 상세한 설명에 의해 명확하게 이해될 것이며, 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호가 부여되었다.
본 발명의 상술한 바와 같은 장점 및 기타 다른 장점은 하기의 도면의 상세한 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
도 1은 가스 터빈엔진의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 가스 터빈엔진은 연소기(10)를 포함한다. 상기 연소기(10)는 고온의 강력한 가스 흐름(12)을 생성하기 위해 연료-산화제 혼합물을 연소시킨다. 연소기(10)로부터의 가스 흐름(12)은 터빈(14)으로 이송된다. 상기 터빈(14)은 터빈 블레이드(도시않음)의 조립체를 포함한다. 가스 흐름(12)은 터빈 블레이드의 조립체에 에너지를 부여하여, 터빈 블레이드 조립체를 회전시킨다. 상기 터빈 블레이의 조립체는 축(16)에 연결된다. 상기 축(16)은 터빈 블레이드의 조립체의 회전에 응답하여 회전한다. 축(16)은 압축기(18)를 작동시키는데 사용된다. 상기 축(16)은 예를 들어 전기발생기 등과 같은 또 다른 출력장치(도시않음)에 동력 출력(17)을 선택적으로 제공할 수 있다. 압축기(18)는 산화제 스트림(20)을 수용한다. 산화제 스트림(20)의 흐름은 제어기(22)에 의해 제어될 수 있다. 제어기(22)는 압축기(18)의 공기 입구장치(도시않음)의 형상을 제어하기 위해 공기흐름 조정 신호(24)를 사용한다. 상기 산화제 스트림(20)은 압축기(18)에서 압축된다. 산화제 스트림(20)의 압축에 이어, 압축된 산화제 스트림(23)이 연소기(10)의 내부로 공급된다. 압축기(18)로부터 압축된 산화제 스트림(23)은 연료 공급시스템(28)으로부터의 연료흐름(26)과 혼합되어, 연소기(10)의 내부에 연료-산화제 혼합물을 형성한다. 상기 그후, 연료-산화제 혼합물은 연소기(10)에서 연소처리를 받게 된다.
압축기(18)내로 입력된 산화제 스트림(20)은 다수의 성분을 포함한다. 이러한 다수의 성분은 건조한 공기 성분과, 수증기 성분을 포함한다. 상기 수증기 성 분은 냉각을 위하여 압축기 입구 흐름내로의 부가의 물 증발뿐만 아니라, 국부적인 공기 상태에 의한 것이다. 대기의 건조한 공기에는 질소 성분과, 산소 성분과, 아르곤 성분과, 탄소 이산화물 성분과, 농도가 너무 낮아 무시할 수도 있는 또 다른 추적 성분이 내포되어 있다. 각각의 건조한 공기 성분은 대기의 건조한 공기의 전체 양에 대해 특정의 비율로 존재한다. 상기 산화제 스트림(20)은 대기의 건조한 공기 및 수증기를 포함한다. 산화제 스트림(20)이 압축기(18)에서 압축되었을 때는 압축된 산화제 스트림(23)으로서 연소기(10)내로 공급된다. 상기 압축된 산화제 스트림(23)은 대기중의 공기 이외의 성분을 포함한다. 따라서, 대기중의 공기에서 산소의 농도는 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소 농도와는 동일하지 않다. 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소 농도가 연소기(10)의 연소 처리과정에 직접적으로 영향을 끼치기 때문에, 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량을 아는 것이 매우 중요하다. 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소는 연료 흐름(26)으로부터의 연료와 조합된 후, 연소기(10)에서 연소된다. 연소기(10)에 공급된 연료량을 연소기(10)에 공급된 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량으로 나눈 비율은 연료-산화제 비율로 불리워진다. 연료-산화제 비율의 제어는 연소 처리과정의 제어로 귀착된다. 예를 들어, 낮은 연료-산화제 비율은 풍부한 산소로 인해 연료의 더욱 완전한 연소로 귀착된다.
상기 제어기(22)는 연소기 변수에 관한 입력을 수용하며; 연료-산화제 비율을 강화하기 위해 연소기 변수에 응답하는 연소기(10)의 제어를 제공한다. 상기 연소기 변수는 동력 레벨 신호(30)와, 대기중의 압력 신호(32)와, 터빈 입구 압력 신호(34)와, 터빈 배출 압력 신호(42)와, 산소 레벨 신호(38)와, 터빈 입구 온도 신호(42)와, 입구 형상 신호(45)와, 연료 흐름 신호(46)를 포함하지만; 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 상기 입구 형상 신호(45)는 연소기(10)로부터 제어기(22)로 전송된다. 입구 형상 신호(45)는 제어기(22)에 압축기(18)의 공기 입구장치(도시않음)의 형상을 알려준다. 상기 연료 흐름 신호(46)는 제어기에 연소기(10)로의 연료 흐름(26)을 알려준다. 예시적인 실시예에서, 상기 제어기(22)는 연소기(10)를 제어하여 연료-산화제 비율을 강화하기 위해, 상술한 바와 같은 다수의 연소기 변수를 수용한다.
건조한 저NOx 터빈의 전제는 연료-산화제 비율의 최적화를 통해 화염 온도를 감소시키는 것이다. 연료-산화제 비율의 최적화는 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량과 연료 흐름(26)에서 이들 양자의 제어 또는 이들중 어느 하나의 제어와 함께, 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량 측정과, 연소기(10)로의 연료 흐름(26)의 측정을 필요로 한다. 산소 센서(40)는 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량을 측정한 후, 이에 응답하여 산소 레벨 신호(38)를 생성한다. 예시적인 실시예에서, 산소 센서(40)는 GE 02X1 산소 분석기이지만, 그러나 기타 다른 산소 센서의 사용도 고려될 수 있다. 또한, 대기중의 공기 이외의 기질이 압축기(18)에 인입될 경우, 산소 레벨은 변화될 것이다. 압축기(18)에 인입되는 기질에 관계없이, 상기 산소 센서(40)는 산소 레벨 신호(38)를 생성할 수 있으며, 제어기(22)는 연료-산화제 비율의 제어를 허용할 수 있도록 대기 상태를 보정한다.
산소 레벨 신호(38)는 현재의 대기 상태를 위해 제어기(22)에 의해 보정된 다. 기준 변수를 참고하여 기준일에 기준 산소레벨이 측정된다. 상기 기준 변수는 기준 터빈 입구 압력과, 기준 터빈 배출 압력과, 기준 대기압력을 포함한다. 상기 제어기(22)는 대기압력 신호(32)와 터빈 입구 압력 신호(34)와 터빈 배출 압력 신호(36)에 의해 표시된 현재 상태에 기초하여, 조정을 제공하므로써 산소 레벨 신호(38)를 보정한다. 이러한 조정의 결과는 보정된 산소 레벨로 나타난다. 보정된 산소 레벨은 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량을 나타낸다.
본 발명의 예시적인 실시예는 연료-산화제 비율을 강화하여 최상의 가스 터빈 효율을 갖는 감소된 NOx 생산을 제공할 수 있도록, 연료 흐름(26) 및/또는 연소기(10)내로의 압축된 산화제 스트림(23)을 제어하는 디지탈 일체형 시스템 제어 제너럴 일렉트릭 마크 Ⅵ 제어기(22)를 사용한다. 상기 제어기(22)는 일체형 시스템 제어 제너럴 일렉트릭 마크 Ⅵ로 설명되었지만, 기타 다른 적절한 제어기를 사용할 수도 있다. 연료-산화제 비율의 최적화는 가스 터빈 엔진의 동력 레벨과 연소에 필요한 산소량의 함수이다. 환언하면, 가스 터빈 엔진의 각각의 동력 레벨에 대해 독특하고 강화된 연료-산화제 비율이 제공된다. 동력 레벨 신호(30)는 가스 터빈 엔진의 동력 레벨에 응답한다. 현재의 대기 상태 및 산소 레벨 신호(38)로부터 유도된 보정된 산소 레벨은 압축된 산화제 스트림(23)에서의 산소량을 나타낸다. 상기 제어기(22)는 동력 레벨 신호(30)에 부응하는 동력 레벨을 위하여, 제어기(22)내의 데이터 테이블로부터 강화된 연료-산화제 비율에 접근하기 위해 동력 레벨 신호(30)를 참고한다. 터빈 입구 온도 신호(42)는 가스 터빈 엔진의 주어진 동력 레벨에 대해 연료-산화제 비율을 나타내는데 사용된다. 따라서, 제어기(22)는 동력 레벨 신호(30)에 대응하는 동력 레벨을 위하여, 터빈 입구 온도 신호(42)와 원하는 터빈 입구 온도를 비교한다. 동력 레벨 신호(30)에 대응하는 동력 레벨에 대해, 터빈 입구 온도 신호(42)와 원하는 터빈 입구 온도와의 매칭은 강화된 연료-산화제 비율을 달성하게 된다. 터빈(14)의 입구에 배치된 온도 센서(44)는 터빈 입구 온도 신호(42)를 생성한다.
상술한 바와 같이, 동력 레벨 신호(30)에 대응하는 동력 레벨에 대해 터빈 입구 온도 신호(42)와 원하는 터빈 입구 온도와의 매칭은 강화된 연료-산화제 비율을 달성한다. 따라서, 제어기(22)는 보정된 산소 레벨 및 터빈 입구 온도 신호(42)에 기초하여, 동력 레벨과 동력 레벨 신호(30)의 매칭을 위해 강화된 연료-산화제 비율을 달성하도록, 연료 흐름(26) 또는 압축된 산화제 스트림(23)을 조정할 것인지의 여부를 결정한다. 연료 흐름 조정 신호(48)는 연소기(10)로의 연료 흐름(26)을 조정하는데 사용된다. 공기 흐름 조정 신호(24)는 압축기(18)의 공기 입구장치(도시않음)의 형상을 조정하여 압축된 산화제 스트림(23)을 조정하는데 사용된다. 따라서, 제어기(22)는 NOx 형성을 감소시키기 위해 희박한 연료-공기 혼합물을 유지하지만, 엔진의 급작스런 정지 등과 같은 현상도 방지한다.
제어기(22)는 보정된 산소 레벨의 연산을 허용하기 위해 현재 상태를 지속적으로 수신한다. 또한, 상기 제어기(22)는 원하는 터빈 입구 온도로 도시된 바와 같이, 동력 레벨 신호(30)에 매칭되는 동력 레벨을 위해 강화된 연료-산화제 비율을 결정할 수 있도록 동력 레벨 신호(30)를 지속적으로 수신한다. 강화된 연료-산화제 비율은 보정된 산소 레벨 및 터빈 입구 온도 신호(42)를 조정할 필요성에 따 라, 연료 흐름(26)과 연소기(10)로의 압축된 산화제 스트림(23)에 있어서 이들 양자를 모두, 또는 이들중 어느 하나를 지속적으로 조정하므로써 달성된다.
또한, 본 발명은 예시적인 실시예를 참고로 서술되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 범주로부터 일탈없이 다양한 수정이 가해질 수 있고 등가물이 대체될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 또한, 그 기본적인 범주로부터의 일탈없이 본 발명의 원리에 특정한 상황이나 물질을 채택하는 수많은 변경이 가해질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 서술된 실시예가 본 발명의 실행에 최적인 모드인 것으로 한정되지 않으며, 본 발명은 첨부의 청구범위의 범주에 속하는 모든 실시예를 포함할 것이다. 또한, 제 1 및 제 2 등과 같은 용어의 사용은 어떤 순서나 중요성을 의미하지 않으며, 제 1 및 제 2 등과 같은 용어는 하나의 소자를 다른 소자와 구분짓기 위해 사용된다.
본 발명에 따르면, 동력 레벨 신호에 대응하는 동력 레벨에 대해 터빈 입구 온도 신호와 원하는 터빈 입구 온도와의 매칭에 의해 강화된 연료-산화제 비율을 달성할 수 있으며, 또한 제어기는 NOx 형성을 감소시키기 위해 희박한 연료-공기 혼합물을 유지하지만, 엔진의 급작스런 정지 등과 같은 현상도 방지할 수 있습니다.

Claims (10)

  1. 연소기(10)에 공급된 연료량을 연소기(10)에 공급된 산화제 스트림(20)의 산소량으로 나눈 비율로 한정되는, 연료-산화제 비율을 갖는 엔진 연소기를 제어하는 방법에 있어서,
    연소기(10)의 연료-산화제 비율을 산화제 스트림(20)에서의 산소량의 함수로서 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연소기(10)의 연료-산화제 비율을 제어하는 단계는 변수 측정에 응답하여, 연소기(10)에 공급된 연료량과 연소기(10)로의 산화제 스트림(20)중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 변수 측정은, 엔진의 동력 레벨을 측정하는 단계와, 터빈 입구 온도를 측정하는 단계와, 연소기(10)로의 산화제 스트림(20)에서 산소량을 측정하는 단계중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화제 스트림(20)에서 산소량을 측정하는 단계는 검출된 신호를 생성하기 위해 산화제 스트림(20)에서의 산소 레벨을 검출하는 단계와, 현재의 대기 상태가 보정을 요구할 경우, 상기 검출된 레벨을 보정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 검출된 레벨을 보정하는 단계는 기준 대기상태와는 상이한 현재의 대기 상태에 응답하여 상기 검출된 레벨을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    대기 압력과, 터빈 배출 압력과, 터빈 입구 압력중 적어도 하나를 측정하여 현재의 대기 상태를 결정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화제 스트림(20)의 흐름은 공기 흡입장치의 형상을 변화시켜 제어되는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    강화된 연료-산화제 비율을 달성하기 위하여, 연소기(10)에 공급된 연료량과 연소기(10)로의 산화제 스트림(20)의 흐름중 적어도 하나를 조정하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 강화된 연료-산화제 비율은 엔진의 동력 레벨에 의존하는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 강화된 연료-산화제 비율은 엔진의 동력 레벨을 위해 터빈 입구 온도가 강화된 터빈 입구 온도에 매칭될 때까지, 상기 연소기(10)에 공급된 연료량과 상기 연소기(10)로의 산화제 스트림(20)의 흐름중 적어도 하나를 조정하므로써 달성되는 것을 특징으로 하는
    엔진 연소기 제어방법.
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