KR20100064755A - 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈 저공해 연소기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중형 이상의 가스터빈에 사용되는 연소기에 관한 것으로, 특히 질소산화물(NOx)의 발생을 줄여 저공해 성능을 극대화 시킨 가스터빈용 저공해 연소기에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 실시예에는 케이싱의 내벽과 이격되게 결합되어, 내부에 화염이 형성되는 라이너가 포함된 가스터빈용 연소기에 있어서, 상기 라이너의 선단에는 연료와 1차공기를 혼합하여 공급되는 다수 연료혼합장치가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이로써, 다수가 구비된 연료혼합장치에 의하여 개별적인 화염의 길이를 줄이고 또한 예혼합 연소를 취하면서 화염의 고온영역을 감소시키게 되고, 혼합가스가 고온영역에서의 체류시간을 단축하여 질소산화물(NOx) 생성을 감소시키는 효과를 갖는다.

가스터빈, 연소기, 노즐, 예혼합 연소, 질소산화물(NOx), 연료혼합장치

Description

다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈 저공해 연소기{The low NOx gas turbine combustor having the multi-fuel mixing device}

본 발명은 중형 이상의 가스터빈에 사용되는 연소기에 관한 것으로, 특히 질소산화물(NOx)의 발생을 줄여 저공해 성능을 극대화 시킨 가스터빈용 저공해 연소기에 관한 것이다.

통상적인 가스터빈은 외부 공기를 흡입하여 고압으로 압축하는 압축기와, 연료와 압축된 공기를 혼합하여 연소시키는 연소기 및 연소기에서 얻어지는 배기가스를 이용하여 회전력을 얻어 전력을 생산하는 터빈으로 이루어진다.

이중 연소기는 연료를 고온 고압의 연소환경에서 연소시키는 역할을 하는데, 연속적인 유체의 흐름 속에서 안정된 화염을 유지할 수 있어야 하며 운영 중 질소산화물(NOx) 발생을 줄여, 배기가스 내에 공해물질을 저감시키는 것이 요구되고 있다.

질소산화물(NOx) 주 발생기구는 열적NOx (Thermal NOx)로 공기 중에 포함된 질소가 해리된 산소와 반응하여 생성되는 것으로 주로 높은 연소온도 조건, 높은 산소 농도 조건, 고온 영역에서 유체의 긴 체류시간 조건이 만족될 때 다량으로 발생되는 것으로 알려져 있다.

한편, 종래의 가스터빈의 연소기에는 단일의 연료혼합장치가 구비되는 것이어서 화염의 길이가 길어지는 문제와 고온영역의 증가로 인하여 높은 질소산화물(NOx)이 배출된다는 문제점을 안고 있다. 첨부된 도 4 및 도 5를 참고하여 종래의 기술의 구성을 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 가스터빈의 연소 시스템(100)의 일 형태로 원통형(can type) 연소기(110)가 원통형 띠의 외주면에 방사형으로 구비된다. 이때, 각 연소기(110)에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 압축공기가 유입되는 케이싱(111)과, 이 케이싱(111)의 내벽과 이격되게 고정되는 라이너(112) 및 라이너의 선단에 연료와 공기가 혼합되도록하는 연료 혼합장치(113)가 구비된다.

이로써 연료노즐부를 통하여 연료가 라이너 내부로 유입되고, 이 연료는 스월러로 유입되는 1차공기와 혼합된 후 점화 수단(igniter, 도시 생략)에 의하여 점화되어 연소되는 것이다.

이때, 연료의 점화로 얻어지는 화염은 매우 고온이므로 라이너(112)의 측면에 형성된 복수의 구멍을 통하여 냉각공기가 공급되게 되어 고온의 화염으로부터의 라이너의 고온부식을 방지하게 되고 하부의 덕트(114)를 통하여 터빈에 배기가스를 공급하게 된다.

이러한 종래의 기술에 따른 연소기(110)에는 단일의 연료 혼합장치(113)가 구비되는 것인데, 이 단독 연료 혼합장치(113)로 유입되는 연료의 양은 연소 기(110)가 중형 또는 대형으로 제작될수록 화염은 라이너 내부에서 길어지고 또한 균일한 화염이 형성되지 못하여 고온영역이 발달하게 되고 그로 인하여 혼합가스가 고온 화염을 통과하는 체류시간이 증가하게 되고 그로 인하여 고농도의 질소산화물(NOx)를 발생시키게 되는 문제가 있다. 또한, 단일의 연료 혼합장치가 구비된 연소기의 경우 균일한 화염영역이 형성되지않으므써 고온영역이 발달하게 되고 그로 인하여 온도에 절대적인 영향을 받는 열적NOx 생성이 급증하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 중형 또는 대형 연소기에서 NOx의 발생을 줄여 배기가스에 유해물질을 적게 발생되도록 하는 목적을 갖는다.

보다 구체적으로 라이너 전체에 걸쳐 균일하게 연소가 이루어질 수 있도록 하고, 화염 속에서 혼합가스의 체류시간 및 고온 영역을 감소시킬 수 있게 하는 목적을 갖는다.

또한, 다수로 형성되는 화염의 고온 영역의 성장을 효과적으로 억제하는 목적을 갖는다.

또한, 연료와 1차공기의 혼합이 고르게 이루어지게 하는 목적도 갖는다.

또한, 다양한 가스터빈의 부하 조건하에서 각 화염을 안정화시키는 목적도 갖는다.

또한, 기체연료와 액체연료에 따라 일부 구성을 변경하여 사용할 수 있도록 하여 범용성을 증대시키는 목적도 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 케이싱의 내벽과 이격되게 결합되어, 내부에 화염이 형성되는 라이너가 포함된 가스터빈용 연소기에 있어서, 상기 라이너의 선단에는 연료와 1차공기를 주입하는 연료혼합장치가 다수 구비 되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기를 제시한다.

또한, 상기 연료혼합장치는 상기 라이너 선단의 중앙과 그 둘레에 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기를 제시한다.

또한, 상기 연료혼합장치의 후단에는 연료와 1차공기의 혼합이 이루어지는 혼합공간부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기를 제시한다.

또한, 상기 연료혼합장치에는, 기체연료와 1차공기가 혼합된 혼합가스가 선회 유입되는 원통형 주입구 및 상기 주입구의 내벽과 이격되게 결합되는 원통형 센터블록이 포함되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기를 제시한다.

또한, 상기 연료혼합장치에는, 액체연료를 분사하는 액체연료노즐이 구비되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기를 제시한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기에 따르면, 다수가 구비된 연료혼합장치에 의하여 개별적인 화염의 길이를 줄여 고온영역을 줄이면서, 혼합가스가 고온영역을 통과하는 체류시 간을 단축하여 NOx 생성량이 줄어드는 효과를 갖는다.

한편, 라이너에 연료혼합장치가 중앙과 그 주변에 등간격으로 배치됨에 따라 라이너 내부에서 균일한 화염을 얻을 수 있고, 그에 따라 화염이 편중됨으로써 발생되는 고온영역의 성장을 억제하여 배기가스에서 NOx의 발생을 최소화 할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 다양한 가스터빈 부하 조건 하에서 각각의 연료혼합장치을 제어하여 질소산화물(NOx) 발생을 최소화 할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 혼합공간부가 더 구비되는 경우에는 혼합가스가 연소되기 전에 잘 혼합되어 극소 고온영역이 감소하므써 질소산화물(NOx) 발생량이 저감되는 효과를 갖는다.

한편, 센터블록이 구비되는 경우에는 재순환영역의 발달로 화염이 안정되므로 가스터빈의 운전 상태의 변화에 따라 연소기 내의 화염이 쉽게 소화되지 아니하여, 가스터빈의 운행에 안정성이 확보되는 효과를 갖는다.

또한, 센터블록을 대체하여 액체연료노즐이 구비되는 경우에는 액체연료를 사용할 수 있어 가스터빈에 사용되는 연료에 선택의 폭이 넓어져, 연료의 범용성이 확보되는 효과를 갖는다.

이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다. 단, 동일한 구성요소에 대한 도면번호는 통일하여 사용한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기의 측단면도이고, 도 4는 연소시스템의 개략적인 사시도이다.

본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기(1)에는 케이싱(10), 라이너(20) 및 연료혼합장치(30)가 구비된다.

케이싱(10)은 대략 원통형상을 가지는 것이고, 가스터빈의 압축기(도시 생략)에서 생성된 공압의 공기가 내부로 유입된다.

이러한 케이싱(10)의 내부에는 연료혼합장치(30)가 결합되어 있으며, 이 연료혼합장치(30)의 하단에는 라이너(20)가 연결되어 있다.

이때, 연료혼합장치(30)는 주입된 연료와 케이싱(10) 내부의 일부 공기(이하, 1차공기라 함)를 혼합하여 연소 가능한 상태의 혼합가스를 생성한 후 라이너(20)의 내부로 유입시킨다.

이때, 1차공기는 가스터빈의 연소기에서 통상적으로 사용되는 공기선회(swirl)발생수단(도시 생략)을 통하여 선회되면서 유입되는 것이고, 여기서 공기선회발생수단은 가스터빈의 연소기에 사용되는 통상적인 반경류 베인으로 이루어질 수 있다. 또한, 1차공기를 유입하면서 연료를 공급하여 1차공기와 연료를 미리 혼합하는 예혼합(premixed) 방식이 사용될 수도 있는 것이다.

또한, 위와 같은 통상의 구성을 가지는 연료혼합장치(30)는 라이너(20)의 선 단에 다수가 나란하게 결합된다. 따라서 중형 또는 대형의 연소기에 있어서 다수의 연료혼합장치(30)는, 종래의 단일 연료 혼합장치에 비하여, 구비된 수만큼 연료를 나누어 적게 라이너로 공급할 수 있게 되어, 해당 연료혼합장치(30)로부터 얻어지는 화염을 작게 형성할 수 있게 되는 것이다.

또한, 원통형 라이너의 단면적에서 볼 때, 여러 개 존재하는 화염은 라이너 전체에 균일하게 분포됨으로써 혼합가스가 연소되는 시간을 줄일 수 있게 된다.

즉, 다수로 구비되는 연료혼합장치(30)로 인하여, 단일 연료혼합장치가 구비될 때보다 작은 화염을 여러 개 형성할 수 있게 되는 것이고, 이로써 작은 화염은 연료가 연소되는 구간을 줄여 혼합가스가 화염 속에서 연소되는 체류시간을 줄일 수 있다. 또한, 라이너 전체로 균일하게 분포되는 짧은 화염으로, 단일 연료혼합장치에 의하여 형성되는 긴 화염에 비하여, 고온 영역을 상당히 줄일 수 있게 된다.

따라서 중형 또는 대형 연소기에서 종래와 동일한 분량의 연료를 연소시키면서도, 화염의 고온영역의 감소와 혼합가스의 체류시간이 줄어듦에 따라 배기가스에서 질소산화물(NOx)의 발생을 줄일 수 있게 되는 것이다.

또한 통상적으로 낮은 가스터빈 부하에서는 화염이 불안정하게 되는 경향을 보이는데, 다수로 구비된 연료혼합장치에서 각 노즐을 통하여 분사되는 연료의 양을 조절함으로써, 일부 화염은 과농연소를 통하여 안정성을 보장하면서도, 다른 화염은 희박연소를 통하여 질소산화물(NOx) 발생을 억제할 수 있다.

한편, 연료혼합장치(30)는 라이너(20) 선단의 중앙과 그 둘레에 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

연료혼합장치(30)는 라이너(20)의 선단이 형성하는 원형면에서 등간격을 두고 배치되는 것인데, 구비되는 연료혼합장치의 수는, 도 2에 도시된 바와 같이, 6 개 또는 사용자의 선택에 따라 달리 배치될 수 있다.

이때, 라이너(20) 전체에 균일한 화염을 형성하기 위해서는 라이너(20)의 선단 중앙에 연료혼합장치를 구비하고, 나머지 혼합장치는 이 중앙의 혼합장치 및 이웃하는 혼합장치와 등간격을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다.

이러한 등간격 배치로 인하여 라이너의 선단에 다수의 연료혼합장치를 균등하게 배열할 수 있으며, 각 연료혼합장치로 유입된 혼합가스에 의한 화염이 라이너 내부에 균일하게 형성될 수 있는 것이다. 따라서 라이너 내부에 화염이 어느 한 쪽으로 편중되는 일이 없게 되며, 이로써 특정영역에서 고온영역이 점차 커지지 아니하여 질소산화물(NOx) 발생을 최소화 할 수 있게 되는 것이다.

한편, 연료혼합장치(30)의 후단에는 연료와 1차공기의 혼합이 이루어지는 혼합공간부(31)가 더 구비될 수 있다.

짧은 연소시간 내에 혼합가스가 효과적으로 연소되기 위해서는 1차공기와 연료가 충분히 섞여야 하는 것으로, 각 연료혼합장치(30)의 후단에 1차공기와 연료의 혼합은 이 혼합공간부(31)에서 이루어지는 것이다.

즉, 연료혼합장치(30)를 통하여 선회되며 혼합공간부(31)로 유입되는 연료와 1차공기는 혼합공간부(31)를 통과하면서 서로 잘 혼합된 후, 라이너에 유입되어 불 완전 혼합에 의하여 불완전연소되는 것이 방지된다. 따라서 혼합공급부를 거치면서 잘 혼합된 혼합가스는 라이너에서 바로 연소되어 낮은 농도의 질소산화물(NOx)이 생성되게 된다.

다시 도 1에서, 연료혼합장치(30)에는 기체연료와 1차공기가 예혼합된 혼합가스가 원통형 주입구(32)를 통하여 선회 유입되는 원통형 주입구(32) 및 원통형 주입구(32)의 내벽과 이격되게 결합되는 원통형 센터블록(33)이 포함될 수 있다.

이때, 주입구(32)는 라이너(20)를 향하여 개방된 원통형상이며 1차공기와 기체연료가 함께 전술된 공기선회발생수단을 통하여 소용돌이를 일으키며 유입된다.

한편, 센터블록(33)은 주입구(32)의 내벽과 이격되게 결합되어 있으며, 끝단은 길이방향과 수직된 평면(33a)으로 형성된다. 이로써 선회하며 유입된 기체연료와 1차공기는 센터블록(33)의 외주면을 타고 진행되다가 혼합공간부(31)로 유입되는 것이다.

이때, 기체연료와 1차공기는 좁게 형성된 센터블록(33)의 외주면과 주입구(32)의 내벽 사이의 공간을 통과하여 혼합공간부로의 진입 속도가 빠르게 된다. 또한, 절곡된 센터블록(33)의 끝단에 의하여 와류가 생성되므로 기체연료와 1차공기의 혼합이 효율적으로 이루어지게 된다.

이로써 기체연료와 1차공기는 빠른 속도를 가지면서도 충분히 혼합된 혼합가스를 생성하게 되고, 라이너의 선단부에서 이 혼합가스가 바로 점화됨으로써 각 화염이 안정되게 유지되는 것이다.

한편, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기의 측단면도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기(1′)는 다음의 설명을 제외하고는 전술된 제1실시예와 구성, 기능 및 작용이 동일하다.

라이너의 중앙에 위치하는 연료혼합장치(30)에는 통상의 공기선회발생수단이 구비되어 선회(swirl)하는 1차공기가 유입되는 원통형상의 주입구(32)가 구비되고, 이 주입구의 내부에는 액체연료를 분사하여 유입시키는 액체연료노즐(34)이 구비된다. 즉, 액체연료노즐(34)은 액체연료를 공급받아 혼합공간부(31) 내부로 분사하여 유입시키는 것이다.

한편, 원통형상을 가지는 액체연료노즐(34)의 외주면을 타고 1차공기가 선회되며 유입됨으로써 혼합공간부(31) 내부에서 액체연료가 1차공기 속으로 기화되어 혼합가스가 생성된다. 이후, 혼합가스는 라이너(20)에 공급되어 화염을 유지하게 된다.

한편, 중앙의 액체연료노즐(34)을 둘레에 배치되는 연료혼합장치는 전술된 바와 같이, 센터블록(33)이 구비되어 기체연료를 사용하는 것이다.

이 경우, 제2실시예에 따른 가스터빈용 저공해 연소기(1′)는 전술된 제1실 시예에서 센터블록을 액체연료노즐로 교체하여 구성되는 것이어서 연료 타입에 따른 연소기의 범용성을 증대시킬 수 있게 되는 장점을 가지는 것이다.

즉, 가스터빈에 사용되는 연료에 따라 센터블록 또는 액체연료노즐을 교체하여 설치함으로써 간단한 구조변경으로 다양한 연료를 사용할 수 있게 되는 것이다.

한편, 중앙에 위치되는 액체연료노즐을 통하여 생성되는 화염은 분무되는 액체연료의 특성상 화염이 안정적으로 유지되는 것이고, 그에 따라 예혼합되어 공급되는 기체연료가 소화되는 경우에도 중앙의 화염으로부터 재점화가 이루어져, 전체 화염을 안정적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 연료비용 측면에서 모든 연료혼합장치를 전술된 액체연료노즐로 교체하여 가스터빈을 운용할 수도 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기의 측단면도.

도 2는 1에 도시된 AA 선에 따른 정단면도.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 액체연료를 사용한 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기의 측단면도.

도 4는 연소시스템의 개략적인 사시도.

도 5는 종래의 기술을 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1,1′ : 연소기

10 : 케이싱 20 : 라이너 30 : 연료혼합장치

31 : 혼합공간부 32 : 주입구 33 : 센터블록

33a : 평면 34 : 액체연료주입노즐

Claims (5)

1. 케이싱(10)의 내벽과 이격되게 결합되어, 내부에 화염이 형성되는 라이너(20)가 포함된 가스터빈용 연소기에 있어서,

   상기 라이너(20)의 선단에는 연료와 1차공기를 주입하는 연료혼합장치(30)가 다수 구비되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기.
2. 제1항에서,

   상기 연료혼합장치(30)는 상기 라이너(20) 선단의 중앙과 그 둘레에 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 연료혼합장치(30)의 후단에는 연료와 1차공기의 혼합이 이루어지는 혼합공간부(31)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기.
4. 제3항에서, 상기 연료혼합장치(30)에는,

   기체연료와 1차공기가 혼합된 혼합가스가 선회 유입되는 원통형 주입구(32); 및

   상기 주입구(32)의 내벽과 이격되게 결합되는 원통형 센터블록(33);이 포함되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기.
5. 제3항에서, 상기 연료혼합장치(30)에는,

   액체연료를 분사하는 액체연료노즐(34)이 구비되는 것을 특징으로 하는 다수 연료혼합장치가 구비된 가스터빈용 저공해 연소기.

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