KR20160007398A - 가스성 매체의 스트림의 질량 유동을 측정하기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 연료 공급 시스템 - Google Patents

가스성 매체의 스트림의 질량 유동을 측정하기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 연료 공급 시스템 Download PDF

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한스페테르 진
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Abstract

특정 파이프(F1-Fx)를 통해서 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 스트림의 질량 유동(M1-Mx)을 측정하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은:
a) 공지된 질량 유동(Mref)과 상기 제 1 온도보다 대체로 낮은 제 2 온도(T1)를 갖는 상기 가스성 매체의 기준 스트림을 제공하는 단계;
b) 상기 특정 파이프(F1-Fx)를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림과 상기 기준 스트림을 혼합시키는 단계;
c) 상기 특정 파이프(F1-Fx)를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림과 상기 기준 스트림의 혼합물의 결과적 온도(T31-T3x)를 측정하는 단계;
d) 상기 기준 스트림의 공지된 질량 유동(Mref)으로부터 상기 특정 파이프(F1-Fx)를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림의 비공지된 질량 유동을 결정하는 단계로서, 상기 상승한 제 1 온도(T2), 상기 기준 스트림의 상기 제 2 온도(T1) 및 상기 측정된 결과적 온도(T31-T3x)는 다음 공식:
Figure pat00004
에 따르고, 여기서 Mx는 비공지된 질량 유동이고, Mref는 상기 기준 스트림의 공지된 질량 유동이고, T1은 제 2 온도이고, T2는 상승한 제 1 온도이고, T3x는 혼합 후의 결과적 온도인, 상기 결정 단계를 포함한다.

Description

가스성 매체의 스트림의 질량 유동을 측정하기 위한 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 연료 공급 시스템{METHOD FOR MEASURING THE MASS FLOW OF A STREAM OF A GASEOUS MEDIUM AND FUEL SUPPLY SYSTEM FOR CONDUCTING THE METHOD}
본 발명은 일반적으로 질량 유동의 측정에 관한 것이며 특히 가스 터빈의 기술에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 가스성 매체의 스트림의 질량 유동을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 방법을 실행하기 위한, 특히 가스 터빈용 연료 공급 시스템에 관한 것이다.
통상적으로 오리피스 또는 파일럿 튜브와 같은 유동 측정 장치는 높은 가스 온도에서 가스(용적) 유동을 측정하는데 사용된다. 질량 유동은 가스 밀도 파라미터의 추가 측정에 의해서 계산된다. 그러나, 가스 질량 유동의 전체 정확도는 통상적으로 1.2% 미만이다.
코리올리스(coriolis) 유량계에 의한 직접 질량 유동 측정은 높은 가스 온도까지 가능하다. 높은 가스 온도에서 정확한 가스 유동 측정을 위해, 유량계는 높은 가스 온도의 조건에 있는 제로 유동 조건에서 눈금보정되어야 한다. 이러한 제로 유동 조정이 높은 가스 온도에서 작동에 의한 제한으로 인하여 행해질 수 없다면, 전체 가스 질량 유동 정확도는 높은 가스 온도에서 악화된다.
높은 정확도를 갖는 상승 또는 높은 가스 온도(> 200℃)에서 직접 연료 가스 질량 유동을 측정하는 것은 기존의 유량계로서는 어려운데, 이는 높은 가스 온도는 측정 기술(예를 들어, 터빈 휠 계수기) 상에 제한사항을 발생시키거나 또는 전체 정확도를 감소시키는 측정값의 수차례 수정/눈금보정을 필요로 하기 때문이다.
본 발명의 목적은 적용하기에 용이하고 높은 정확도를 가지고 측정할 수 있게 하는, 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 스트림의 질량 유동을 측정하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 실행하기 위한 가스성 연료를 위한 연료 공급 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적 및 기타 목적은 청구항 1에 따른 방법과 청구항 6에 따른 연료 공급 시스템에 의해서 달성된다.
특정 파이프를 통해서 흐르는 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 스트림의 질량 유동을 측정하기 위한 독창적인 방법은:
a) 공지된 질량 유동과 상기 제 1 온도보다 대체로 낮은 제 2 온도를 갖는 상기 가스성 매체의 기준 스트림을 제공하는 단계;
b) 상기 특정 파이프를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 상기 스트림과 상기 기준 스트림을 혼합시키는 단계;
c) 상기 특정 파이프를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 상기 스트림과 상기 기준 스트림의 혼합물의 결과적 온도를 측정하는 단계;
d) 상기 기준 스트림의 공지된 질량 유동으로부터 상기 특정 파이프를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 상기 스트림의 비공지된 질량 유동을 결정하는 단계로서, 상기 상승한 제 1 온도, 상기 기준 스트림의 상기 제 2 온도 및 상기 측정된 결과적 온도는 다음 공식:
Figure pat00001
에 따르고, 여기서 Mx는 비공지된 질량 유동이고, Mref는 상기 기준 스트림의 공지된 질량 유동이고, T1은 제 2 온도이고, T2는 상승한 제 1 온도이고, T3x는 혼합 후의 결과적 온도인, 상기 결정 단계를 포함한다.
독창적 방법의 일 실시예는 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 상기 스트림이 초기 온도로 공급된 초기 스트림의 일부이고, 상기 초기 온도는 상기 제 1 온도보다 대체로 낮고 그 다음 예열기에 의해서 상기 제 1 온도로 가열되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 초기 온도는 상기 제 2 온도와 동일하고, 상기 기준 스트림은 상기 제 2 온도로 공급된 상기 초기 스트림으로부터 전환되고, 상기 기준 스트림의 질량 유동은 특히 코리올리스 타입(Coriolis type)의 유량계에 의해서 측정되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 복수의 평행한 특정 파이프들이 제공되고, 그에 의해서 상기 특정 파이프들의 각각은 초기 온도로 공급된 초기 스트림의 일부인 상승한 제 1 온도의 가스성 매체의 각자의 스트림을 안내하고, 상기 초기 온도는 상기 제 1 온도보다 대체로 낮고 그 다음 예열기에 의해서 상기 제 1 온도로 가열되고, 상기 기준 스트림은 관련 차단 밸브들에 의해서 상기 복수의 특정 파이프들에 예혼합되는 것을 특징으로 한다.
독창적 방법의 다른 실시예는 상기 가스성 매체가 가스성 연료이고, 상기 특정 파이프는, 특히 가스 터빈의 연료 공급 시스템의 일부인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한, 특히 가스 터빈용 연료 공급 시스템은 연료 예열기를 갖는 연료 공급 라인을 포함하고, 상기 연료 공급 라인은 상기 예열기의 하류에 있는 복수의 연료 파이프들로 분기된다.
상기 연료 공급 시스템은 기준 질량 유동 파이프가 상기 연료 예열기의 상류에 있는 상기 연료 공급 라인에 연결되고, 유량계가 상기 기준 질량 유동 파이프에 제공되고, 상기 기준 질량 유동 파이프는 각자의 차단 밸브들에 의해서 상기 유량계의 하류에 있는 상기 연료 파이프들에 선택적으로 연결될 수 있는 것을 특징으로 한다.
독창적 연료 공급 시스템의 일 실시예는 온도 센서들이 제공되어서 상기 상승한 제 1 온도, 상기 기준 스트림의 상기 제 2 온도 및 혼합 후의 상기 결과적 온도들을 측정하고, 상기 온도 센서들 및 상기 유량계는 비공지된 질량 유동들을 결정하기 위해 측정 유닛에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다른 실시예들에 의해서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 개략도를 도시한다.
본 발명의 기본 개념은 소량의 공지된 기준 질량 유동을 상승 온도의 비공지된 예열 가스 유동과 혼합하기 전과 이후에 가스 온도의 측정으로부터 가스 질량 유동을 결정하는 것이다. 본 발명의 방법은 다수의 가스 유동에 적용될 수 있고 상당한 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 공급 시스템의 개략도를 도시한다. 도 1의 연료 공급 시스템(10)은 가스성 연료를 위한 연료 공급 라인(14)을 포함한다. 상기 연료 공급 라인(14)을 통해서 흐르는 연료는 > 200℃의 상승 온도로 연료를 가열하는 연료 예열기(11)로 진입한다. 연료 공급 라인(14)은 예열기(11)의 하류에 있는 복수의 x(x = 2,3,4,,,,) 연료 파이프들(F1-Fx)로 분기된다. 기준 질량 유동 파이프(17)는 연료 예열기(11)의 상류에 있는 연료 공급 라인(14)에 연결되어서, 유입 연료의 일부가 예열되지 않고 기준 질량 유동 파이프(17) 안으로 흐른다. 유량계(12)는 기준 질량 유동 파이프(17)에 제공되어서, 상기 기준 질량 유동 파이프(17)를 통해서 이동하는 연료의 질량 유동을 측정한다.
기준 질량 유동 파이프(17)는 각자 (제어가능한) 차단 밸브들(V1-Vx)에 의해서 유량계(12)의 하류에 있는 상기 연료 파이프들(F1-Fx)의 각각에 선택적으로 연결될 수 있다. 차단 밸브들(V1-Vx) 중 하나가 개방될 때, 기준 질량 유동은 관련 연료 파이프들(F1-Fx)을 통해서 흐르는 예열 연료의 유동에 예혼합된다. 예열된 연료는 비예열된 기준 질량 유동의 온도(T1)와 비교되는 상승한 온도(T2)를 갖기 때문에, 양자 유동들의 혼합물은 결과적으로 T31-T3x의 혼합 후에 각자의 연료 온도가 된다.
여러 온도 센서들(15,16 및 TS1-TSx)이 제공되어서 예열 이후의 연료의 상승한 제 1 온도(T2), 상기 기준 스트림의 온도(T1) 및 혼합 후의 상기 결과적 온도들(T31-T3x)을 측정한다. 상기 온도 센서들(15,16;TS1-TSx) 및 상기 유량계(12)는 비공지된 질량 유동들을 결정하기 위해 측정 유닛(13)에 연결된다.
그러므로, 상기 시스템은 주로 가스 공급부(14)로 구성되고, 여기서 가스 예열기(11)는 가스가 하나 이상의 분기부 또는 연료 파이프들(F1-Fx)로 추가로 분배되기 전에 가스 온도를 증가시킨다. 소량의 공급된 가스 유동은 부착물에 제시된 바와 같이 가스 예열기(11)의 상류에 추출된다. 기준 질량 유동 파이프(17)에 있는 기준 가스의 질량 유동(Mref) 및 낮은 가스 온도(T1)(예열전)는 가스 온도를 위한 정확한 저항 온도 검출기(RTD)와 질량 유동을 위한 코리올리스 센서를 사용하여 정확하게 측정된다.
기준 질량 유동 파이프(17)는 그 다음 예열기(11) 후에 개별적인 차단 밸브(V1-Vx)를 통해서 각각의 가스 파이프(F1-Fx)에 연결되고, 여기서 가스 질량 유동 측정이 요구된다. 질량 유동 측정이 실행되는 가스 파이프에 대해서, 차단 밸브는 충분히 개방되고 질량 유동(Mref) 및 온도(T1)를 갖는 기준 가스는 비공지된 질량 유동(M1-Mx)과 가스 온도(T2)로 혼합되어 낮은 혼합 가스 온도(T31-T3x)를 갖는 추가 가스 질량 유동(AM1-AMx)이 초래된다.
가스 온도들 T2 및 T31-T3x는 모두 정확한 RTD 센서들(16 및 TS1-TSx)을 사용하여 측정된다.
제 1 열역학 법칙과 연료 시스템(10)의 모든 위치에서 열 용량이 동일하다는 추정에 기초하여, 비공지된 가스 질량 유동(Mx)은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pat00002
이때, 연료 파이프들(F1-Fx)에서 최종 질량 유동(AM1-AMx)은 다음과 같다.
AMx = Mx + Mref
이러한 가스 질량 유동의 정확도는 온도 측정과 기준 질량 유동의 정확도에 따라 좌우된다.
기준 질량 유동은 0.3%의 정확도로 측정될 수 있고 RTD 센서의 정확도는 0.1K보다 우수하여 0.5% 내지 1%의 전체 가스 질량 유동 정확도에 이른다.
장점들
● 기준 가스의 질량 유동은 낮은 가스 온도에서 측정되고 따라서 매우 정확하다.
● 본 발명의 다른 장점은 단지 작은 질량 유동만이 추출되고 측정값은 그에 따라서 작은 코리올리스 유량계에 의해서 행해질 수 있다(또한 작은 컨테이너에서 공간을 절약한다).
● 추가 장점은 여러 가스 분배 파이프들을 측정하는데 단지 하나의 유량계만이 필요하고, 이는 결과적으로 매우 비용 효과적인 측정이 된다.
● 고온 가스측의 측정들은 단지 온도 측정들을 필요로 하기 때문에, 가스 예열 온도는 제한되지 않는다.
10: 연료 공급 시스템
11: 연료 예열기
12: 유량계(예를 들어, 코리올리스 타입)
13: 측정 유닛
14: 연료 공급 라인
15,16: 온도 센서
17: 기준 질량 유동 파이프
F1-Fx: 연료 파이프
M1-Mx: 연료 분배 라인(F1-Fx)에서의 질량 유동
Mref: 기준 질량 유동
T1: 기준 질량 유동 파이프(17)에서의 연료 온도
T2: 예열 후의 연료 온도
T31-T3x: 혼합 후의 연료 온도
TS1-TSx: 온도 센서
V1-Vx: 차단 밸브

Claims (7)

  1. 특정 파이프(F1-Fx)를 통해서 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 스트림의 질량 유동(M1-Mx)을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    a) 공지된 질량 유동(Mref)과 상기 제 1 온도보다 대체로 낮은 제 2 온도(T1)를 갖는 상기 가스성 매체의 기준 스트림을 제공하는 단계;
    b) 상기 특정 파이프(F1-Fx)를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림과 상기 기준 스트림을 혼합시키는 단계;
    c) 상기 특정 파이프(F1-Fx)를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림과 상기 기준 스트림의 혼합물의 결과적 온도(T31-T3x)를 측정하는 단계; 및
    d) 상기 기준 스트림의 공지된 질량 유동(Mref)으로부터 상기 특정 파이프(F1-Fx)를 통하여 흐르는 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림의 비공지된 질량 유동을 결정하는 단계로서, 상기 상승한 제 1 온도(T2), 상기 기준 스트림의 상기 제 2 온도(T1) 및 상기 측정된 결과적 온도(T31-T3x)는 다음 공식:
    Figure pat00003
    에 따르고, 여기서 Mx는 비공지된 질량 유동이고, Mref는 상기 기준 스트림의 공지된 질량 유동이고, T1은 제 2 온도이고, T2는 상승한 제 1 온도이고, T3x는 혼합 후의 결과적 온도인, 상기 결정 단계를 포함하는 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 상기 스트림은 초기 온도로 공급된 초기 스트림의 일부이고, 상기 초기 온도는 상기 제 1 온도(T2)보다 대체로 낮고 그 다음 예열기(11)에 의해서 상기 제 1 온도(T2)로 가열되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초기 온도는 상기 제 2 온도(T1)와 동일하고, 상기 기준 스트림은 상기 제 2 온도(T1)로 공급된 상기 초기 스트림으로부터 전환되고, 상기 기준 스트림의 질량 유동은 특히 코리올리스 타입(Coriolis type)의 유량계(12)에 의해서 측정되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    복수의 평행한 특정 파이프들(F1-Fx)이 제공되고, 그에 의해서 상기 특정 파이프들(F1-Fx)의 각각은 초기 온도로 공급된 초기 스트림의 일부인 상승한 제 1 온도(T2)의 가스성 매체의 각자의 스트림을 안내하고, 상기 초기 온도는 상기 제 1 온도(T2)보다 대체로 낮고 그 다음 예열기(11)에 의해서 상기 제 1 온도(T2)로 가열되고, 상기 기준 스트림은 관련 차단 밸브들(V1-Vx)에 의해서 상기 복수의 특정 파이프들(F1-Fx)에 예혼합되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스성 매체는 가스성 연료이고, 상기 특정 파이프(F1-Fx)는, 특히 가스 터빈의 연료 공급 시스템의 일부인 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한, 특히 가스 터빈용 연료 공급 시스템(10)으로서, 연료 예열기(11)를 갖는 연료 공급 라인(14)을 포함하고, 상기 연료 공급 라인(14)은 상기 예열기(11)의 하류에 있는 복수의 연료 파이프들(F1-Fx)로 분기되는, 상기 연료 공급 시스템(10)에 있어서,
    기준 질량 유동 파이프(17)는 상기 연료 예열기(11)의 상류에 있는 상기 연료 공급 라인(14)에 연결되고, 유량계(12)가 상기 기준 질량 유동 파이프(17)에 제공되고, 상기 기준 질량 유동 파이프(17)는 각자의 차단 밸브들(V1-Vx)에 의해서 상기 유량계(12)의 하류에 있는 상기 연료 파이프들(F1-Fx)에 선택적으로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    온도 센서들(15,16;TS1-TSx)이 제공되어서 상기 상승한 제 1 온도(T2), 상기 기준 스트림의 상기 제 2 온도(T1) 및 혼합 후의 상기 결과적 온도들(T31-T3x)을 측정하고, 상기 온도 센서들(15,16;TS1-TSx) 및 상기 유량계(12)는 비공지된 질량 유동들을 결정하기 위해 측정 유닛(13)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
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