KR20190063314A - 가스터빈 연소상태 진단 장치 - Google Patents

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주용진
박세익
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한국전력공사
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Abstract

가스터빈 연소상태 진단 장치가 개시된다. 본 발명의 가스터빈 연소상태 진단 장치는 연소기 내부와 연통되게 설치되는 연소진단 튜브; 연소진단 튜브에 설치되어 연소진단 튜브를 통해 전달되는 자발광을 수광하는 광 센싱부; 연소진단 튜브에 설치되어 연소진단 튜브에 초음파를 송신하고 연소진단 튜브 내부에서 반사되어 전달되는 초음파를 수신하는 초음파 센서; 연소기 내의 동압을 측정하는 동압 센서; 및 광 센싱부, 초음파 센서 및 동압 센서 각각으로부터 입력된 진단 정보 중 적어도 하나 이상을 조합하여 연소기의 연소상태를 분석하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈 연소상태 진단 장치{APPARATUS FOR COMBUSTION DIAGNOSIS OF GAS TURBINE}
본 발명은 가스터빈 연소상태 진단 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스터빈 연소 상태를 진단하는 가스터빈 연소상태 진단 장치에 관한 것이다.
가스터빈 발전시스템은, 노즐에서 분사되어 연소되는 연료의 화염 상태에 관한 정밀한 모니터링을 통해 가스터빈 연소기 내의 불안정한 연소로 인한 연소기의 소손사고 등을 효과적으로 방지함은 물론, 연소 효율을 증대하는 방향으로 지속적인 개발이 이루어지고 있다. 그 중 연료의 화염 상태를 감시 내지 제어하기 위해 가스터빈 연소기 측에 동압 센서를 장착하여 동압의 크기 및 주파수를 분석하게 되며, 소정범위 이상의 동압 신호가 감지되면, 그 초과 변화량의 크기에 따라 적절한 경보 조치가 단계별로 이루어지도록 하고 있다.
하지만, 연소 상태의 불안정을 일으키는 외적 요소들로는 연료품질 불균형, 운전자 오작동, 대기 온습도 변화, 설비의 노화 등 다양한 원인이 있을 수 있어, 연소 동압을 감시하는 것만으로 연소 상태의 불안정을 정확하게 진단하기는 어려운 실정이다. 이에, 동압 센서를 통한 연소 상태 감시와 함께 다양한 센서가 가스터빈 연소상태진단장치에 부가되어 활용되고 있다.
더불어, 최근에는 Biogas, DME(Dimethyl Ether), SNG(Synthetic Natural Gas) 등 다양한 발전 연료 및 신 재생 에너지를 가스터빈 발전시스템에 적용하고 있으며, 각각의 연료의 특성에 따라 연소 현상이 크게 달라지므로 이에 부합하는 정밀한 연소 진단이 필요하다. 특히, 배기가스 중 NOx 와 CO와 같은 유해물질의 함량은 연소기 내의 화염 온도에 따라 달라지는 특성이 있기 때문에 연소기 내 화염 온도의 정밀한 측정은, 연료의 불완전 연소 여부를 판별하는 기준으로서 중요한 의미를 갖는다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2013-0003658호(2013.01.09.)의 '연소 진단 시스템 및 방법'에 개시되어 있다.
종래에는 가스터빈 연소진단을 위해 동압센서를 연소기에 장착하여 제작사 엔지니어의 경험적, 주관적 판단에 의해 수동적으로 연소불안정 감시 및 연소튜닝 실시하고 있다. 그 결과 연소불안정 상황에 대한 잘못된 진단이나 최적화되지 않은 연소튜닝으로 인해, 가스터빈 연소불안정 사고, 발전소 효율저감 및 다량의 유해배기가스 배출 등의 문제가 빈번히 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 가스터빈 연소 상태를 동압 센서와 광센서 및 초음파 센서를 통해 계측하고 그 결과를 종합적으로 판단하여 가스터빈 연소 상태에 대한 정밀한 진단이 가능하도록 한, 가스터빈 연소상태 진단 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 연소기 내부와 연통되게 설치되는 연소진단 튜브; 상기 연소진단 튜브에 설치되어 상기 연소진단 튜브를 통해 전달되는 자발광을 수광하는 광 센싱부; 상기 연소진단 튜브에 설치되어 상기 연소진단 튜브에 초음파를 송신하고 상기 연소진단 튜브 내부에서 반사되어 전달되는 초음파를 수신하는 초음파 센서; 상기 연소기 내의 동압을 측정하는 동압 센서; 및 상기 광 센싱부, 상기 초음파 센서 및 상기 동압 센서 각각으로부터 입력된 진단 정보 중 적어도 하나 이상을 조합하여 상기 연소기의 연소상태를 분석하는 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 연소진단 튜브는 일측이 상기 연소기 내부에 설치되고 타측이 상기 연소기 외부로 돌출되게 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 광 센싱부는 상기 연소기 내부의 연소화염에서 발생된 연소 자발광을 집광하여 전달하는 광 전달부; 및 상기 광 전달부에 의해 전달된 연소 자발광을 수광하는 광 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 광 센서를 수냉시키는 제1 수냉부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 광 전달부는 상기 연소진단 튜브에 설치되어 상기 연소기 내부에서 발생되는 연소 자발광을 집광하는 평면 볼록 광학렌즈; 상기 평면 볼록 광학렌즈에 의해 수광된 연소 자발광을 상기 연소진단 튜브의 길이방향으로 반사시키는 반사경; 상기 반사경에 의해 반사된 연소 자발광을 평행광으로 전환시키는 평면 오목 광학렌즈; 및 상기 평면 오목 광학렌즈에 평행광으로 전환되어 상기 연소진단 튜브를 통해 전달된 연소 자발광에서 기 설정된 파장대역의 광을 투과시키는 광학필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 파장대역은 상기 연소기에 주입되는 연료의 종류 및 성상에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 초음파 센서는 상기 연소진단 튜브의 벽면에서 반사되어 수신되는 제1반사 초음파, 및 상기 광학필터에 반사되어 상기 평면 오목 광학렌즈에 의해 반사된 후 상기 광학필터에 다시 반사되어 수신되는 제2반사 초음파를 시간에 따라 수신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 초음파 센서를 수냉시키는 제2 수냉부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 진단부는 상기 제1반사 초음파와 상기 제2반사 초음파 각각의 수신 시간 및 진행거리를 이용하여 상기 연소기 내부의 온도분포를 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 동압 센서는 상기 연소기의 연소기 케이싱에 부착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 동압 센서를 수냉시키는 제3 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 진단부는 상기 광 센싱부, 상기 초음파 센서 및 상기 동압 센서 각각으로부터 입력된 진단 정보 중 2개 이상을 조합하여 기 설정된 진단 대상을 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 진단 대상은 화염 안정성, 연소진동 및 연소불안정, 연소효율 및 완전불완전 연소, 유해배기가스, 및 온도 과열 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 가스터빈 연소 상태를 동압 센서와 광센서 및 초음파 센서를 통해 계측하고 그 결과를 종합적으로 판단하여 진단 정밀도와 신뢰도를 향상시킨다.
본 발명의 다른 측면에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 가스터빈 연소상태에 대한 정확한 진단을 바탕으로 미세먼지, NOx, CO, 미연탄화수소를 저감시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 가스터빈의 연소진동 및 연소불안정을 저감시키고, 화염의 안정성을 증대시키며, 설비수명연장 및 사고저감 효과를 얻을 수 있도록 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치의 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서의 시간과 진행거리에 따른 초음파를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치의 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 센서의 시간과 진행거리에 따른 초음파를 나타낸 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 연소진단 튜브(10), 광 센싱부(31~34), 초음파 센서(40), 동압 센서(50) 및 진단부(90)를 포함한다.
연소진단 튜브(10)는 파이프 형태로 형성되어 연소기 케이싱(20)에 고정되며, 일측이 연소기 내부에 삽입되고 타측이 연소기 외부로 돌출되게 형성된다. 연소진단 튜브(10)는 연소기 내부에서 발생된 연소화염으로부터 자발광을 받아들인다.
연소진단 튜브(10)는 고온 합금강 및 열차폐코팅(Thermal Barrier Coating)이 되어 있어서 연소기 내 고온을 견딜 수 있도록 제작된다.
광 센싱부(31~34)는 연소진단 튜브(10)에 설치되어 연소진단 튜브(10)를 통해 전달되는 연소 자발광을 수광한다.
광 센싱부(31~34)는 광 전달부(32~34) 및 광 센서(31)를 포함한다.
광 전달부(32~34)는 연소기 내부의 연소화염에서 발생된 연소 자발광을 집광하여 광 센서에 전달한다.
광 전달부(32~34)는 평면 볼록 광학렌즈(32), 반사경(33), 광학필터(35)를 포함한다.
평면 볼록 광학렌즈(32)는 연소기 내부의 연소진단 튜브(10)에 설치되어 연소기 내부에서 발생되는 연소 자발광을 집광한다. 평면 볼록 광학렌즈(32)에는 제1 밀봉링(321)이 설치된다. 여기서, 연소 자발광은 평면 볼록 광학렌즈(32)에 의해 다양한 각도에서 집광되어 공기를 내부 매질로 하는 연소진단 튜브(10) 내로 들어오게 된다.
제1 밀봉링(321)은 평면 볼록 광학렌즈(32)를 연소진단 튜브(10)에 고정시키고 연소진단 튜브(10)를 밀봉시킨다. 제1 밀봉링(321)으로는 고온 흑연 밀봉링이 채용될 수 있다.
반사경(33)은 평면 볼록 광학렌즈(32)에 의해 수광된 연소 자발광을 연소진단 튜브(10)의 길이방향으로 반사시킨다. 즉, 반사경(33)은 평면 볼록 광학렌즈(32)에 의해 연소 자발광이 집광되면, 집광된 연소 자발광을 반사시켜 연소진단 튜브(10)의 길이 방향으로 전달한다.
제2 밀봉링(331)은 반사경(33)을 연소진단 튜브(10)에 고정시킨다. 제2 밀봉링(331)으로는 고온 흑연 밀봉링이 채용될 수 있다.
평면 오목 광학렌즈(34)는 반사경(33)에 의해 반사된 연소 자발광을 평행광으로 전환시킨다. 여기서, 평면 오목 광학렌즈(34)는 평면 볼록 광학렌즈(32)와 초점거리(focal length)가 동일하다.
즉, 연소화염으로부터 발생된 모든 파장대역의 연소 자발광은 평면 오목 광학렌즈(34)에 의해 집광되며, 반사경(33)에 의해 다반사되어 평면 볼록 광학렌즈(32)와 초점거리가 같은 평면 오목 광학렌즈(34)를 통해 평행광으로 전환되어 연소진단 튜브(10)를 통과한다.
광학필터(35)는 평면 오목 광학렌즈(34)에 평행광으로 전환되어 연소진단 튜브(10)를 통해 전달된 연소 자발광의 기 설정된 파장대역의 광을 투과시킨다.
즉, 광학필터(35)는 설정 파장대역의 빛만을 투과시키는데, 이 설정 파장대역은 연소기에 주입되는 연료의 종류 및 성상에 따라 아래의 표 1과 같이 화염의 특성을 파악하기 위한 목적에 따라 설정되며, 사용자 또는 관리자에 의해 교체될 수 있다.
대상연료 및 계측목적에 따른 계측 라디칼 및 광학필터의 투과파장
대상 연료 계측 목적 계측 라디칼 투과파장(nm)
탄화수소 계열의 연료 연소강도, 화염의 역화/Blow-off, 연소불안정 특성 CH 431±2
수소 및 합성가스 연료 연소강도, 화염의 역화/Blow-off, 연소불안정 특성 OH 309±2
탄화수소 계열의 연료 연소효율, 미연탄화수소 발생 특성 C2 517±2
광 센서(31)는 광 전달부(32~34)에 의해 전달된 연소 자발광을 수광한다. 즉, 광 센서(31)는 광학필터(35)에 의해 수광되는 설정 파장대역의 연소 자발광을 정량적으로 측정한다. 이러한 광 센서(31)에 의해 측정된 진단 정보는 연소기 내 연소불안정을 분석하기에 충분한 5,000samples/sec 수준의 속도로 진단부(90)에 취득된다.
광 센서(31)에는 광 센서(31)를 수냉시키는 제1 수냉부(60)가 구비된다. 즉, 제1 수냉부(60)는 수냉식으로 광 센서(31)를 냉각시킴으로써 저온에서 광 센서(31)가 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 제1 수냉부(60)로는 수냉식 자켓이 채용될 수 있다.
초음파 센서(40)는 연소진단 튜브(10)의 일측에 설치되어 연소진단 튜브(10)의 벽면에서 반사되어 수신되는 제1반사 초음파, 및 광학필터(35)에 반사되어 평면 오목 광학렌즈(34)에 의해 반사된 후 광학필터(35)에 다시 반사되어 수신되는 제2반사 초음파를 시간에 따라 수신한다.
즉, 초음파 센서(40)에 의해 발생된 진행 초음파는 일부는 연소진단 튜브(10)의 벽면에 맞아 바로 반사되는 제1반사 초음파, 및 광학필터(35)에 맞아 반사된 후 연소진단 튜브(10)를 통해 평면 오목 광학렌즈(34)까지 진행 후 다시 반사되어 되돌아오는 제2반사 초음파로 나누어 진행된다.
여기서 초음파 센서(40)는 초음파 송신기와 초음파 수신기가 일체화된 송수신 일체형이므로 제1반사 초음파 및 제2반사 초음파는 도 2 에 도시된 바와 같이 시간에 따라 수신된다. 이때 제1반사 초음파와 제2반사 초음파의 진행거리는 각각 다음과 같다.
제1반사 초음파의 진행거리(L1-1)는 연소진단 튜브(10) 직경의 두 배(2D)이고, 제2반사 초음파의 진행거리(L1-2)는 연소진단 튜브(10) 직경(D)과 렌즈에서 필터까지 거리의 두배(2L2)이다.
여기서, 제1반사 초음파 및 제2반사 초음파는 도착시간이 측정되며, 이러한 진단 정보는 충분한 시간 분해능을 가지기 위해 200,000samples/sec 수준의 속도로 실시간으로 진단부(90)에 취득된다.
초음파 센서(40)에는 초음파 센서(40)를 수냉시키는 제2 수냉부(70)가 구비된다. 제2 수냉부(70)는 수냉식으로 초음파 센서(40)를 냉각시킴으로써 저온에서 초음파 센서(40)가 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 제2 수냉부(70)로는 수냉식 자켓이 채용될 수 있다.
동압 센서(50)는 연소기 내의 동압을 측정한다. 즉, 동압 센서(50)는 Flush Mounted 타입으로 연소기 케이싱(20)에 부착되어 연소기 내의 동압을 직접 측정한다.
이 경우, 동압 센서(50)에 의해 취득되는 진단 정보는 5,000 samples/sec 수준의 속도로 진단부(90)에 취득된다.
동압 센서(50)에는 동압 센서(50)를 수냉시키는 제3 수냉부(80)가 구비된다. 제3 수냉부(80)는 수냉식으로 동압 센서(50)를 냉각시킴으로써 저온에서 동압 센서(50)가 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 제3 수냉부(80)로는 수냉식 자켓이 채용될 수 있다.
진단부(90)는 광 센서(31), 초음파 센서(40) 및 동압 센서(50) 각각으로부터 입력된 진단 정보 중 적어도 하나 이상을 조합하여 연소기의 연소상태를 분석한다.
즉, 진단부(90)는 광 센서(31), 초음파 센서(40) 및 동압 센서(50)에 의해 계측된 진단 정보 각각을 5,000samples/sec 수준의 속도로 실시간으로 취득하고, 이들 진단 정보를 시간적으로 동기화시킨다.
이어 진단부(90)는 이들 진단 정보를 분석하여 연소기 내부의 연소상태를 진단하여 그 결과를 출력부(미도시)를 통해 출력한다.
즉, 진단부(90)는 광 센서(31)에 의해 측정된 진단 정보에서, 탄화수소 계열의 연료에 대해서는 CH 라디칼 정보의 투과 파장이 431±2인 연소 자발광을 이용하여 연소강도, 화염의 역화/Blow-off 및 연소불안정 특성 등을 측정하고, 수소 및 합성가스 연료에 대해서는 OH 라디칼 정보의 투과 파장이 309±2인 연소 자발광을 이용하여 연소강도, 화염의 역화/Blow-off 및 연소불안정 특성 등을 측정하며, 탄화수소 계열의 연료에 대해서는 C2 라디칼 정보의 투과 파장이 517±2인 연소 자발광을 이용하여 연소효율 및 미연탄화수소 발생 특성을 측정할 수 있다.
또한, 진단부(90)는 초음파 센서(40)에 의해 획득된 진단 정보를 이용하여 연소기 내부의 온도분포를 실시간으로 측정한다.
즉, 초음파 센서(40)에 의해 송신 후 제1반사 초음파 및 제2반사 초음파의 도착시간 각각은 △t1-1 및 △t1-2으로 정의될 수 있다.
또한, 제1반사 초음파의 진행거리(L1-1)는 연소진단 튜브(10) 직경의 두 배(2D)이고, 제2반사 초음파의 진행거리(L1-2)는 연소진단 튜브(10) 직경(D)과 렌즈에서 필터까지 거리의 두배(2L2)이다.
이에, 진단부(90)는 제1반사 초음파의 진행거리(L1-1), 제2반사 초음파의 진행거리(L1-2), 제1반사 초음파의 도착시간(△t1-1), 및 제2반사 초음파의 도착시간(△t1-2)를 측정하며, 이들을 아래의 수학식1 및 2와 같은 거리-시간-속도 관계식에 대입하여 제1반사 초음파의 평균속도(m/s) 및 제2반사 초음파의 평균속도를 구한다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, c1은 제1반사 초음파의 평균속도이고, c2는 제2반사 초음파의 평균속도이다.
이어, 진단부(90)는 수학식1 및 2로부터 구한 제1반사 초음파의 평균속도(c1) 및 제2반사 초음파의 평균속도(c2), 그리고 기체상수(R=8.314 J/mol-K), 공기의 분자량(M=28.016 g/mol), 비열비(
Figure pat00003
,
Figure pat00004
)을 수학식3 과 4에 대입하여 L1-1구간에서의 평균온도(T1)와 L1-2구간에서의 평균온도(T2)를 구한다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서, 비열비(
Figure pat00007
,
Figure pat00008
)는 온도에 따른 함수이므로 아래의 수학식 5를 이용하여 n회 반복(iteration) 후 n-1회째와 비교한 T의 차이값이 T의 3% 이내로 수렴할 때 종료하여 T값을 구한다. 이는 T1 및 T2에 대해 동일하게 적용된다.
Figure pat00009
T1은 연소기 내부가 아니라 연소기 케이싱(20) 외부 끝단의 평균온도이고, T2는 연소진단 튜브(10) 전체에 대한 평균 온도이므로, 연소기 내부온도(T3), 즉 평면 오목 광학렌즈(34) 부근의 온도는 수학식 6과 같은 관계를 가지게 됨을 가정할 수 있다.
Figure pat00010
다시 표현하면, 연소기 내부온도(T3)는 상기한 수학식3 내지 5를 이용하여 T1, T2를 아래의 수학식 7에 대입하여 계산할 수 있다.
Figure pat00011
이와 같이 취득된 온도 데이터는 연소불안정을 분석하기에 충분한 5,000 samples/sec 수준의 속도로 진단부(90)를 통해 전달될 수 있다.
게다가, 진단부(90)는 동압 센서(50)에 의해 감지된 진단 정보, 즉 연소기 내부의 동압을 측정한다.
특히, 진단부(90)는 기 설정된 진단 대상에 따라 광 센서(31), 초음파 센서(40) 및 동압 센서(50) 각각으로부터 입력된 진단 정보들을 조합하여 연소기의 연소상태를 분석할 수 있다.
즉, 진단 대상에는 화염 안정성, 연소진동 및 연소불안정, 연소효율 및 완전불완전 연소, 유해배기가스, 및 온도 과열이 포함될 수 있다.
진단부(90)는 화염 안정성(역화, Lift-off, Blow-off)을 진단할 경우 광 센서(31)를 통해 연료의 종류에 따른 화염의 라디칼(CH, OH, C2)강도 변화를 감지하여 역화, Lift-off, Blow-off 등의 이상여부 확인한다. 또한 진단부(90)는 초음파 센서(40)를 통해 급격한 온도 상승시 Lift-off를 판단하고, 하강시 역화를 판단하며, 압축기 출구온도와 유사한 수준으로 하강시 Blow-off를 판단한다.
진단부(90)는 연소진동 및 연소불안정을 진단할 경우, 동압 센서(50)를 이용하여 연소진동 및 연소불안정 발생시의 크기와 주파수 정보를 취득하고, 광 센서(31)를 통해 연소진동으로 인한 화염의 라디칼의 변화를 감지하는데, 이 경우 시간적으로 동기화된 진단 정보를 통해 Rayleigh Index, Rayleigh Map 등 연소불안정 발생 및 저감을 판단하기 위한 유용한 정보값 들을 계산하여 관리자에게 전달할 수 있다.
진단부(90)는 연소효율 및 완전/불완전 연소를 진단할 경우, 광 센서(31)를 통해 화염의 라디칼, 특히 C2 라디칼 강도의 변화가 이상 크기로 커지게 되면 불완전 연소 이상을 보고하고, 초음파 센서(40)를 통해 불완전연소의 산물인 CO가 다량 발생 가능한 연소기내 온도(약 1000K)이하로 낮아진 것이 감지된 경우 불완전연소 및 연소효율이 낮아졌음을 판단하여 보고한다.
진단부(90)는 유해배기가스(미연탄화수소, NOx, CO)를 진달할 경우, 광 센서 및 초음파 센서(40)의 진단 정보를 분석하여 화염의 라디칼(CH, OH, C2) 강도 변화와 온도변화를 감지하여 아래와 같은 관계를 통해 유해배기가스의 발생여부를 보고한다.
이 경우, 진단부(90)는 C2 라디칼이 증가하고 온도가 감소하면 미연탄화수소 발생으로 판단하고, CH 및 OH 라디칼이 감소하고 온도가 감소하면 CO 발생으로 판단하며, CH 또는 OH 라디칼이 증가하고 온도가 증가하면 NOx 발생으로 판단한다.
진단부(90)는 온도 과열을 진단할 경우, 광 센서(31)를 통해 화염의 라디칼(CH, OH, C2)강도 변화를 감지하고, 동시에 초음파 센서(40)를 통해 계산된 온도가 급격히 상승시 연소기 온도 과열을 판단한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 가스터빈 연소 상태를 동압센서와 광센서 및 초음파 센서(40)를 통해 계측하고 그 결과를 종합적으로 판단하여 진단 정밀도와 신뢰도를 향상시킨다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 가스터빈 연소상태에 대한 정확한 진단을 바탕으로 미세먼지, NOx, CO, 미연탄화수소를 저감시킬 수 있도록 한다.
게다가, 본 발명의 일 실시ㅖ에 따른 가스터빈 연소상태 진단 장치는 가스터빈의 연소진동 및 연소불안정을 저감시키고, 화염의 안정성을 증대시키며, 설비수명연장 및 사고저감 효과를 얻을 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 연소진단 튜브
20: 연소기 케이싱
31: 광 센서
32: 평면 볼록 광학렌즈
321: 제1 밀봉링
33: 반사경
331: 제2 밀봉링
34: 평면 오목 광학렌즈
35: 광학필터
40: 초음파 센서
50: 동압 센서
60: 제1 수냉부
70: 제2 수냉부
80: 제3 수냉부
90: 진단부

Claims (13)

  1. 연소기 내부와 연통되게 설치되는 연소진단 튜브;
    상기 연소진단 튜브에 설치되어 상기 연소진단 튜브를 통해 전달되는 자발광을 수광하는 광 센싱부;
    상기 연소진단 튜브에 설치되어 상기 연소진단 튜브에 초음파를 송신하고 상기 연소진단 튜브 내부에서 반사되어 전달되는 초음파를 수신하는 초음파 센서;
    상기 연소기 내의 동압을 측정하는 동압 센서; 및
    상기 광 센싱부, 상기 초음파 센서 및 상기 동압 센서 각각으로부터 입력된 진단 정보 중 적어도 하나 이상을 조합하여 상기 연소기의 연소상태를 분석하는 진단부를 포함하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연소진단 튜브는 일측이 상기 연소기 내부에 설치되고 타측이 상기 연소기 외부로 돌출되게 설치되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 광 센싱부는
    상기 연소기 내부의 연소화염에서 발생된 연소 자발광을 집광하여 전달하는 광 전달부; 및
    상기 광 전달부에 의해 전달된 연소 자발광을 수광하는 광 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광 센서를 수냉시키는 제1 수냉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 광 전달부는
    상기 연소진단 튜브에 설치되어 상기 연소기 내부에서 발생되는 연소 자발광을 집광하는 평면 볼록 광학렌즈;
    상기 평면 볼록 광학렌즈에 의해 수광된 연소 자발광을 상기 연소진단 튜브의 길이방향으로 반사시키는 반사경;
    상기 반사경에 의해 반사된 연소 자발광을 평행광으로 전환시키는 평면 오목 광학렌즈; 및
    상기 평면 오목 광학렌즈에 평행광으로 전환되어 상기 연소진단 튜브를 통해 전달된 연소 자발광에서 기 설정된 파장대역의 광을 투과시키는 광학필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 파장대역은 상기 연소기에 주입되는 연료의 종류 및 성상에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 초음파 센서는 상기 연소진단 튜브의 벽면에서 반사되어 수신되는 제1반사 초음파, 및 상기 광학필터에 반사되어 상기 평면 오목 광학렌즈에 의해 반사된 후 상기 광학필터에 다시 반사되어 수신되는 제2반사 초음파를 시간에 따라 수신하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 초음파 센서를 수냉시키는 제2 수냉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 진단부는 상기 제1반사 초음파와 상기 제2반사 초음파 각각의 수신 시간 및 진행거리를 이용하여 상기 연소기 내부의 온도분포를 분석하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 동압 센서는 상기 연소기의 연소기 케이싱에 부착되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 동압 센서를 수냉시키는 제3 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 진단부는
    상기 광 센싱부, 상기 초음파 센서 및 상기 동압 센서 각각으로부터 입력된 진단 정보 중 2개 이상을 조합하여 기 설정된 진단 대상을 분석하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 진단 대상은 화염 안정성, 연소진동 및 연소불안정, 연소효율 및 완전불완전 연소, 유해배기가스, 및 온도 과열 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단 장치.
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