KR20130060962A - 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법 - Google Patents

연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법 Download PDF

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KR20130060962A
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정재화
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Abstract

본 발명은 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 가변 공명기를 이용한 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감시스템은 상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 연소동압온도감지부, 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 연소진동분석부, 연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 공명기높이산출부, 산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기를 제어하는 공명기 제어기 및 상기 가스터빈 연소기와 연결되어 상기 공명기 제어기에 의해 제어되어 상기 공명주파수를 발생하는 공명기를 포함할 수 있다.

Description

연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법{System, Device and Method for suppressing combustion instability}
본 발명은 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 가변 공명기를 이용한 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.
산업용 가스터빈에서 연소불안정으로 인한 빈번한 설비고장사례가 발생되고 있다. 특히, 질소산화물 배출 규제 강화에 대응하여 산업용 가스터빈은 희박 예혼합 연소기를 채용하여 연소안정화 영역이 매우 좁아 작은 외란이 발생하여도, 연소불안정이 발생하기 쉽다. 또한, 석탄, 바이오매스 등으로부터 제조된 합성가스를 사용하는 가스터빈에 있어서 천연가스에 비해 연료조성의 변동이 심하기 때문에 이로 인해 연소불안정이 발생하기가 쉽다. 따라서 이들 가스터빈연소기의 안정적인 운전을 위하여 연소불안정을 저감하기 위한 수단이 필요하다.
연소불안정을 저감하기 위한 종래의 기술 중의 하나는 연소기에서 연소불안정 시 발생하는 음향을 일정 부피와 형상을 갖는 음향공명기를 설치하여 흡수하는 기술이 있다.
이와 관련된 기술로서 한국특허 제0576290호에 의하면, 보일러의 스택에 적용되어 배출소음을 감소하는 소음기를 설치하여 송풍버너의 부하 변동에 따른 연소용 공기량제어밸브의 개도율에 상관없이 배출소음을 감소시킬 수 있는 구성이 개시되었다.
그러나 종래기술은 정해진 주파수에 해당하는 연소불안정 음향 주파수만 흡수하기 때문에 다수의 연소불안정 주파수를 갖는 연소음향과 운전조건에 따른 연소불안정 주파수의 변동에 대응하여 연소음향을 저감할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 가스터빈 연소기의 연소불안정을 다중 가변 공명기를 사용하여 효과적으로 저감하기 위한 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 가스터빈 연소기에 연소불안정이 발생하는 여러 음향주파수에 대응하기 위해 저, 중, 고주파수대의 3가지 다른 형상을 갖추고, 연소불안정 주파수의 변동에 따라 부피가 변동할 수 있는 공명기를 설치하여 연소불안정을 저감하는 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 연소 불안정 저감시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감시스템은 상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 연소동압온도감지부, 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 연소진동분석부, 연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 공명기높이산출부, 산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기를 제어하는 공명기 제어기 및 상기 가스터빈 연소기와 연결되어 상기 공명기 제어기에 의해 제어되어 상기 공명주파수를 발생하는 공명기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 연소 불안정 저감장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감장치는 상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 연소동압온도감지부, 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 연소진동분석부, 연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 공명기높이산출부 및 산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기를 제어하는 공명기 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 연소 불안정 저감방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감방법은 상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 단계, 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 단계, 연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 적어도 2개의 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 단계, 산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기의 서보밸브를 제어하는 단계 및 상기 서보밸브의 작동에 의해 상기 공명기의 디스크의 위치를 변동시켜 상기 공명기의 부피를 변경시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 연소 불안정 저감 시스템, 장치 및 방법에 의하면, 본 발명은 산업용 가스터빈 연소기에서 발생하는 연소불안정을 실시간으로 부피가 가변되는 헬름홀쯔 공명기를 사용하여 감쇄시킴으로서 연소불안정으로 인한 기기의 고장을 예방하고 고비용의 고온 부품수명을 늘려 유지 보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬름홀쯔 공명기를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감 장치를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감 방법을 설명하기 위한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬름홀쯔 공명기를 설명하기 위한 도면이다.
연소기에서 발생하는 연소음향을 흡수하기 위해 헬름홀쯔 공명기를 사용할 수 있다. 헬름홀쯔 공명기는 다음 수학식 1과 같이 특정 주파수의 음향을 감소시키기 위해 사용할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001

여기서, fH는 헬름홀쯔 공명주파수, c는 음속, A는 목 단면적, L은 목 길이, V는 공명기 부피, H는 공명기높이, B는 공명기 몸체 단면적이다.
본 발명은 수학식 1과 같이 공명기의 형상이 결정되면 감쇄할 수 있는 음향 주파수가 결정이 된다.
본 발명은 가스터빈 연소기에서 연소불안정 음향이 발생할 때, 주파수를 분석하고 해당 주파수의 음향을 실시간으로 감쇄시키기 위해 저, 중, 고주파수용 다중 공명기를 구비하고 운전조건에 따라 공명기의 부피를 가변할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 연소 불안정 시스템은 가스터빈 연소기(300)에 연소 불안정을 저감하기 위하여 가스터빈 연소기(200)에 설치된다.
연소 불안정 시스템은 연소 불안정 저감장치(100) 및 공명기(200)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 연소 불안정 저감장치(100)는 연소동압온도감지부(110), 연소진동분석부(120), 공명기높이산출부(130) 및 공명기제어부(140)를 포함한다.
연소동압온도감지부(110)는 가스터빈 연소기(200)에서 연소시 발생하는 연소동압(combustion dynamics)과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성한다.
연소진동분석부(120)는 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단한다.
연소진동 분석부(120)는 예를 들면, FFT(Fast-Fourier Transform) 분석을 통해 연소불안정 주파수를 찾고 그 주파수가 저주파수, 중주파수 및 고주파수 중 어느 대역인지를 결정한다.
공명기높이산출부(130)는 연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이(H)를 산출한다.
공명기높이산출부(130)는 상술한 수학식 1을 이용하여 공명기 높이(H)를 산출한다.
공명기제어부(140)는 산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기를 제어한다.
공명기(200)는 가스터빈 연소기(300)의 연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명주파수를 발생한다.
공명기(200)는 저주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제1 공명기(210), 중주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제2 공명기(220) 및 고주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제3 공명기(230)를 포함할 수 있다.
공명기(200)는 본 발명의 일실시예에 의한 경우, 저주파수, 중주파수 및 고주파수 대역으로 분류하여 3개의 공명기를 예로 들어 설명하지만, 적어도 2개 이상의 공명기를 포함할 수 있다. 여기서, 공명기(200)의 수 및 각 공명기(210, 220, 230)에 상응하는 주파수 대역은 운용자에 따라 미리 설정할 수 있다.
공명기(210, 220, 230)는 상응하는 주파수대역의 공명주파수를 발생할 수 있는 목 단면적(A1, A2, A3), 목 길이(L1, L2, L3), 공명기 부피(V1, V2, V3), 공명기 높이(H1, H2, H3) 및 공명기 몸체 단면적(B1, B2, B3)를 포함한다.
공명기(200)는 예를 들면, 저주파수, 중주파수 및 고주파수의 연소음향을 감쇄할 수 있도록 목길이(L)은 L1>L2>L3 이며, 목단면적(A)는 A3>A2>A1 이며, 공명기 부피(V)는 V1>V2>V3 로 각각의 치수를 달리하여 각 공명기가 저주파, 중주파, 고주파의 연소음향을 담당하여 저감할 수 있는 형상일 수 있다.
공명기(210, 220, 230)는 공명기 부피를 변동시키는 디스크(212, 222, 232) 및 디스크(212, 222, 232)를 이동시키는 서보밸브(214, 224, 234)를 포함한다.
서보밸브(214, 224, 234)는 공명기제어부(140)의 입력신호를 받아 디스크(212, 222, 232)를 변동시켜 헬름홀쯔 공명기(200)의 높이(H)를 변동시켜 부피(V)를 변동시킨다. 그러면 상술한 수학식 1에 따른 헬름홀쯔 주파수가 연소불안정 주파수와 일치하게 되고, 해당 헬름홀쯔 공명기는 이 주파수를 갖는 연소불안정 음향을 흡수함으로서 연소불안정을 저감하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 저감 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 가스터빈 연소기(200)에서 연소시 발생하는 연소동압(combustion dynamics)과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성한다.
단계 S420에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소 진동의 주파수 대역을 분석한다.
단계 S430에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 연소 진동이 설정치를 초과하는지 판단한다.
단계 S440에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 측정된 연소 진동이 설정치를 초과하는 경우, 해당 주파수대역이 저주파수대(Lf), 중주파수대(Mf), 고주파수대(Hf) 중 어디에 해당되는지를 판정한다.
단계 S450에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 판정된 주파수 대역의 공명주파수를 산출하기 위하여 해당 공명기의 높이를 산출하다.
단계 S460에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 연소동압이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명주파수를 발생하기 위하여 공명기의 서보밸브(214, 224, 234)를 제어한다.
단계 S470에서, 연소 불안정 저감 장치(100)는 서보밸브(214, 224, 234)의 작동에 의해 공명기의 디스크(212, 222, 232)의 위치를 변동시켜 공명기(200)의 부피를 변동시킴으로써 공명기(200)에서 발생하는 헬름홀쯔 주파수와 연소불안정 주파수를 일치시킴으로써 연소불안정을 공명기(200)에서 감쇄시킨다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 연소 불안정 저감장치
110: 연소동압온도감지부
120: 연소진동분석부
130: 공명기높이산출부
140: 공명기제어부
200, 210, 220, 230: 공명기
212, 222, 232: 디스크
214, 224, 234: 서보밸브

Claims (10)

  1. 가스터빈 연소기에 설치되어 상기 가스터빈 연소기의 연소불안정을 저감하는 연소불안정 저감 시스템에 있어서,
    상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 연소동압온도감지부;
    생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 연소진동분석부;
    연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 공명기높이산출부;
    산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기를 제어하는 공명기 제어기; 및
    상기 가스터빈 연소기와 연결되어 상기 공명기 제어기에 의해 제어되어 상기 공명주파수를 발생하는 공명기를 포함하는 연소불안정 저감 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공명기는
    저주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제1 공명기;
    중주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제2 공명기; 및
    고주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제3 공명기를 포함하는 연소불안정 저감시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공명기는
    저주파수, 중주파수 및 고주파수의 연소음향을 감쇄할 수 있도록 공명기의 목길이(L)는 제1 공명기 목길이 L1 > 제2 공명기 목길이 L2 > 제3 공명기 목길이 L3이며, 공명기의 목단면적(A)는 제3 공명기 목단면적 A3 > 제2 공명기 목단면적 A2 > 제1 공명기 목단면적 A1이며, 공명기 부피(V)는 제1 공명기 부피 V1 > 제2 공명기 부피 V2 > 제3 공명기 부피 V3 로 각각의 치수를 달리하여 각 공명기가 저주파, 중주파 및 고주파의 연소음향에 상응하여 각각 담당하는 연소불안정 저감시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공명기는
    상기 공명기의 부피를 변동시키는 디스크; 및
    상기 디스크를 이동시키는 서보밸브를 포함하는 연소불안정 저감시스템.
  5. 가스터빈 연소기에 설치되어 상기 가스터빈 연소기의 연소불안정을 저감하는 연소불안정 저감 장치에 있어서,
    상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 연소동압온도감지부;
    생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 연소진동분석부;
    연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 공명기높이산출부; 및
    산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기를 제어하는 공명기 제어기를 포함하는 연소불안정 저감 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연소진동분석부는
    상기 생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 FFT(Fast-Fourier Transform) 분석을 통해 연소불안정 주파수를 찾고 그 주파수가 저주파수, 중주파수 및 고주파수 중 어느 대역인지를 결정하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 저감장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 공명기높이산출부는 하기 수학식 1을 이용하여 공명기 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 연소불안정 저감장치,
    [수학식 1]

    Figure pat00002


    여기서, fH는 헬름홀쯔 공명주파수, c는 음속, A는 목 단면적, L은 목 길이, V는 공명기 부피, H는 공명기높이, B는 공명기 몸체 단면적임.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 공명기는
    저주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제1 공명기;
    중주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제2 공명기; 및
    고주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제3 공명기를 포함하되,
    상기 공명기들이 각각 상응하는 주파수 대역의 연소불안정을 저감하는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 저감장치.
  9. 가스터빈 연소기에 설치되어 상기 가스터빈 연소기의 연소불안정을 저감하는 연소불안정 저감장치에서 연소불안정을 저감하는 방법에 있어서,
    상기 가스터빈 연소기에서 연소시 발생하는 연소동압과 연소온도를 감지하여 연소동압정보 및 연소온도정보를 생성하는 단계;
    생성된 연소동압정보 및 연소온도정보를 이용하여 연소진동의 주파수 대역을 분석하고, 미리 설정된 주파수 대역 중 어느 주파수 대역에서 상기 연소진동이 설정치를 초과하는지 판단하는 단계;
    연소진동이 설정치를 초과하는 주파수 대역에 상응하는 적어도 2개의 공명기의 공명주파수를 발생하기 위한 공명기 높이를 산출하는 단계;
    산출된 공명기 높이에 상응하여 공명기의 높이가 조절되도록 공명기의 서보밸브를 제어하는 단계; 및
    상기 서보밸브의 작동에 의해 상기 공명기의 디스크의 위치를 변동시켜 상기 공명기의 부피를 변경시키는 단계를 포함하는 연소불안정 저감 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공명기는
    저주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제1 공명기;
    중주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제2 공명기; 및
    고주파수 대역의 공명주파수를 발생시키는 제3 공명기를 포함하되,
    상기 공명기들이 각각 상응하는 주파수 대역의 연소불안정을 저감하는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 저감방법.
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