KR20200065049A - 발전소 노 시스템 내 연소 과정 제어 장치 - Google Patents

발전소 노 시스템 내 연소 과정 제어 장치 Download PDF

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KR20200065049A
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한스 게오르그 콘라드스
알렉산더 하름
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프로메콘 프로세스 메져먼트 컨트롤 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연소실 벽에 배치되어 있는 버너(1)들을 포함하는 발전소 노 시스템 내에서 연소 과정을 제어하는 장치로, 버너(1)를 둘러싸는 환형 갭을 통해 연소 공기가 공급되고, 버너(1)는 환형 갭(3)을 통해 연소실 내로 유동하는 연소 공기 양에 영향을 주기 위한 수단을 포함하고, 상기 장치는 적어도 버너(1)에 공급되는 연료 양을 검출하기 위한 수단 및 환형 갭(3)을 통해 흐르는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단을 포함한다. 환형 갭(3)을 통해 연소실 내로 흐르는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단은 호나형 갭(3.1) 내에 배치되며 연속적으로 그리고 평행하게 바람직하게는 연소 공기 유동의 유동 방향(7)으로 환형 갭의 종축(4)을 횡단하게 배치되어 있는 서로가 대응 쌍을 형성하는 2개의 센서 로드들(10, 11)을 포함하며, 센서 로드들(11, 12)은 연소 공기 유동의 유동 방향(7)으로 제1 센서 로드(12)를 지나 유동하는 연소 공기의 적어도 일부분이 연소 공기 유동의 유동 방향(7)으로 제2 센서 로드(11)도 지나 유동하게 배치되어 있다. 센서 로드들(11, 12)은 상관 측정 장치(13)에 전기적으로 연결되어 있으며, 상관 측정 장치(13)를 사용하여 전기 유동에 의해 발생되는 전기 신호를 평가함으로써 연소 공기 유동 속도가 결정되며, 환형 갭(3.1)의 단면적에 기초하여 환형 갭(3.1)을 통과하여 흐르는 연소 공기의 양이 결정된다. 연소 공기의 양을 수정함으로써 그에 따라 연소 과정이 제어된다.

Description

발전소 노 시스템 내 연소 과정 제어 장치
본 발명은 연소실의 벽에 배치되어 있고, 공통의 윈드 박스를 통해 연소 공기가 공급되며, 동시에 작동하는 복수의 버너들을 구비하는 발전소 노 시스템에서의 연소 과정을 제어하기 위한 장치에 관한 것으로, 연소 공기가 버너를 둘러싸는 하나 또는 그 이상의 동심의 환형 갭을 통해 각 버너로 공급되는, 발전소 노 시스템 내 연소 과정 제어 장치에 관한 것이다.
발전소 노 시스템에서, 다량의 버너들이 연소실 벽에 병렬로 배치되며, 공통의 윈드 박스를 통해 연소 공기가 공급되는 것이 일반적이다. 연소 공기는 바람직하게는 버너를 동심으로 둘러싸는 하나 이상의 환형 갭을 통해 개별 버너에 공급 된다. 환형 갭으로의 연소 공기의 공급은 환형 갭을 통해 연소 챔버 내로 유동하는 연소 공기의 양에 영향을 주는 수단을 포함한다. 또한, 공기 가이드 장치 예를 들어 위치가 변경될 수 있는 가이드 베인들이 환형 갭들에 배치되어 나선 운동하는 연공 공기를 버너 전방에 형성되어 있는 화염 주위에 소용돌이 유동으로 도입하며, 가이드 베인들의 위치를 변경함으로써 연소 공기 유동의 방향이 변경될 수 있다. 복수의 동심 환형 갭들이 있는 구조의 경우, 환형 갭을 통과하여 연소실 내로 흐르는 연소 공기의 양에 영향을 주는 수단과 공기 가이드 장치 예컨대 가이드 베인들은 각 환형 갭에서 다르게 설계될 수 있으며, 개별적으로 제어될 수 있다. 버너 주위에 복수의 동심의 환형 갭들을 배치함으로써, 메인 버너와 애프터연소를 위한 연소 공기가 단일 버너 전방의 연소실 내로 즉 연소 공기의 양과 유동 방향으로 화염의 다른 연소 구역 내로 개별적으로 도입될 수 있다. 연소 공기 유동의 소용돌이 유동을 발생시키기 위한 가이드 베인들 및 연소 공기 양을 조절하기 위한 수단이 연소 과정을 제어하기 위한 제어 장치 내에 액추에이터들로 통합되어, 발전소 노 시스템의 각 버너에 대한 연소 과정이 개별적으로 제어될 수 있다. 발전소 노 시스템 내에서의 연소 과정을 최적으로 제어하기 위해서는, 버너에 공급되는 양의 연료를 최적으로 연소하기에 적당한 메인 버너와 애프터연소를 위한 양의 연소 공기-즉 연소 과정에서 공연비-가 각 개별 버너에 제공되어야 한다. 이는 버너에 공급되는 연료의 양을 안다면, 버너 주위의 각 환형 갭을 통해 흐르는 연소 공기의 양을 결정하여야 하며, 필요하다면 이는 후속해서 변경될 수 있다는 것을 의미한다.
하나의 버너 또는 버너 그룹에 공급되는 연소 공기의 양에 영향을 주기 위해, 윈드 박스 내에서 연소 공기 유동에 영향을 주기 위한 공기 배플을 윈드 박스 내에 배치하여, 윈드 박스로 공급되는 연소 공기의 총 양을 각 버너들 또는 버너 그룹으로 분산시키는 것에 영향을 주는 것이 공지되어 있다. 윈드 박스로 공급되는 연소 공기의 총 양은 비교적 용이하게 결정될 수 있다. 그러나, 이 솔루션은 발전소 노 시스템에서 연소 공정을 최적으로 제어할 수 없다. 　
버너에 공급되는 연소 공기의 양을 결정하기 위해, 연소 공기 흐름의 속도를 측정하고 연소 공기를 운반하는 덕트의 단면적의 기하학적 치수로부터 연소 공기의 양을 계산하는 것이 알려져 있다. 연소 기류의 속도를 측정하기 위해, 피토관(Pitot tube) 또는 프란틀(Prandtl)의 피토관으로도 알려진 연소 공기 유동 내로 도입될 수 있는 다이나믹 압력 프로브가 종래 기술로부터 알려져 있다. 그러나, 이 형태의 다이나믹 압력 프로브는 발전소 노 시스템의 버너로 향하는 연소 공기 공급 덕트의 환형 갭 내에서 연소 공기 유동 속도를 측정하는 데에 사용할 수 없는데, 이는 환형 갭 내에서의 연소 공기의 유동은 극단적인 난기류이고 유동 라인이 심하게 곡선 형태의 스월(swirl)이기 때문이며, 이에 따라 연소 공기 유동이 프로브와 수직으로 충돌할 때 연소 공기 유동의 일방향 속도만이 결정될 수 있다. 유동이 난류이고 연소 공기 유동이 다이나믹 압력 프로브와 수직으로 충돌하지 않을 때, 특히 연소 공기 유동 방향이 변화할 때, 다이나믹 압력 프로브로부터 결정되는 차압으로부터 연소 공기 유동의 방향성 속도가 결정될 수 없다. 따라서, 환형 갭 내에 배치되어 있는 다이나믹 압력 프로브를 사용해서는 환형 갭을 통과하여 흐르는 연소 공기의 양을 결정하는 것은 불가능하다. 또한, 석탄 연소 발전소 노 시스템 내의 연소 공기에는 회분 입자들이 많이 쌓여 있어서 다이나믹 압력 프로브가 빠르게 오염된다. 따라서 이 솔루션은 발전소 노 시스템에서 연소 공정의 최적화된 제어에 적용할 수 없다.　
CA 95406, Santa Rosa, Air Monior Corporation에서 나온 회사 브로슈어 Application Bulletin ICA06의 "Measuring individual burner airflow"은 윈드 박스 내 버너로 연소 공기를 운송하는 환형 갭들의 상류에 연소 공기 유동 방향으로 배치된 다이나믹 압력 프로브 구성을 기재하고 있다. 그러나 전술한 바와 같이, 다이나믹 압력 프로브는 오염으로 인한 결함에 상당히 민감하다. 윈드 박스가 환형 갭 상륭에 배치되더라도, 신뢰성 있게 작동하기 위해서는 정기적인 복잡한 유지보수 사이클과 깨끗한 신선 공기로 다이나믹 압력 프로브를 정기적으로 퍼칭하는 것이 필수이다. 따라서 개시되어 있는 구성은 실제 연소 과정이 일어나지 않은 버너 장치의 초기 측정에만 주로 사용된다. 또한 발전소 노 시스템 내 연소 과정의 최정화된 제어데는 적용될 수 없다.
DE는 20021 271 U1은 하나의 버너 또는 크로스-상관 측정 방법을 사용하는 것으로 알려진 윈드 박스를 통해 커먼 연소 공기 공급장치가 있는 버너 구조물의 한 그룹의 버너들에 공급되는 연속 공기 양을 결정하기 위한 센서 장치를 개시하고 있다. 여기서, 센서 장치는 윈드 박스 내에 배치되어 있으며, 윈드 박스의 유동 단면의 각각의 폭(spanning)은 감소된 양의 연소 공기가 센서 장치를 통해 하나의 버너 또는 한 그룹의 버너들에 공급되도록 되어 있다. 센서 장치는 개별 센서 로드들이 교차하고 있는 2개의 센서 로드들 또는 연소 공기 유동 방향으로 앞뒤로 배치되되 서로 이격되어 있으며 윈드 박스 단면을 가로지르는 센서 로드 그룹들로 구성되어 있다. 연소 공기 유동의 속도는 센서 로드를 지나 이동하며 연소 공기 유동 내에서 운송되는 전기적으로 대전된 입자들에 의해 야기되는 전기적 효과로 인해 센서 로드 상에서 발생되는 신호들을 사용하는 상관 방법(correlation method)으로 결정된다. 연소 공기 유동 속도 및 관련 윈드 박스의 형상에 기초하여, 윈드 박스를 통해 유동하는 연소 공기의 양이 계산될 수 있다. 그러나 이 장치를 사용해서는 단일 버너로 공급되는 연소 공기의 양이 특별하게 설계된 윈드 박스와 관련된 특별한 버너 구조에 대해서만 결정될 수 있다. 이러한 버너 장치 및 윈드 박스 디자인은 실제 적용할 때에 거의 중요하지 않다. 또한, 이 해법은 에러 전파로 인해 상호 관련된 측정들이 상당한 측정 에러를 가질 수 있다는 단점이 있다. 따라서 이 해법은 발전소 노 시스템에서 연소 과정을 최적으로 제어하는 데에는 적당하지 않다.
DE 102012 014260 A1은 석탄 화력 발전소 노 시스템에서 분탄(ground coal) 연소에서 연공비를 제어하는 방법 및 장치로, 기류 내에 배치되어 있는 센서들로부터 나오는 전기 신호들을 평가하는 상관 방법으로 연소 공기 양의 측정과 캐리어 공기 체적의 측정이 획득되는 연공비 제어 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 2개의 센서 로드들이 공기-안내 도관 내에서 공기 유동 방향으로 앞뒤로 배치되어 있으며, 센서 로드들을 지나 이동하며 공기 스트림 내에서 안내되는 전기적으로 대전된 입자들에 의한 전기 유도에 의해 전기 신호들이 발생된다. 신호들이 상관 측정 장치로 공급된다. 전기적으로 대전된 입자들이 두 센서 로드들 사이의 거리를 이동하는 데에 필요한 시간은 상관 측정 방법으로 결정된다. 공기 유동의 유속은 이 시간과 센서 로드들 사이의 거리로부터 계산되며, 공기 체적은 공기-안내 도관의 기하학적 형상에 기초하여 계산된다. 전극과 카운터-전극이 공기 유동 방향으로 센서 로드들 상류에 배치되며, 12kV 내지 20kV의 전압을 공급하는 고전압 소스에 연결되어 있다. 고전압 소스에 연결되어 있는 전극은 기류의 적어도 일부가 전극으로부터 카운터-전극으로 흐르는 이온류의 작동에 노출되어 전기적으로 영향을 받도록 기류 내에 배치된다. DE 102012 014260 A1에 기재되어 있는 방법 및 장치는 발전소 노 시스템 내에 배치되어 있는 각 개별적인 버너의 연소 과정을 최적으로 제어하는 데에 사용될 수 없다.
윈드 박스를 통해 버너들로 연소 공기와 함께 공급되는 연료의 양과 윈드 박스를 통해 버너들로 공급되는 연소 공기의 전체 양만이 제어 변수로 고려되는 정특성 곡선에 기초하여 발전소 노 시스템에서의 연소 과정을 제어하는 것이 통례이다. 따라서 연소 과정의 최적 제어가 불가능하다.
본 발명의 목적은 연소 과정의 최적화된 제어를 가능하게 하는, 즉 발전소 노 시스템에 배치되어 있는 각각의 개별 버너의 연소 과정의 최적화된 제어를 가능하게 하는, 발전소 노 시스템에서 연소 공정을 제어하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항의 특징들을 구비하는 발전소 노 시스템 유닛 내에서의 연소 과정을 제어하는 본 발명에 따른 장치에 의해 달성된다. 청구항 제2항 내지 제8항은 본 발명의 유리한 실시형태들을 개시하고 있다.
연소실 벽에 배치되어 있는 복수의 버너들을 포함하는 발전소 노 시스템 내에서 연소 과정을 제어하는 장치로, 버너를 둘러싸는 하나 또는 그 이상의 환형 갭들을 통해 연소 공기가 공급되고, 버너는 환형 갭을 통해 연소실 내로 유동하는 연소 공기 양에 영향을 주기 위한 수단, 적어도 버너에 공급되는 연료 양을 검출하기 위한 수단 및 환형 갭을 통해 흐르는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단을 포함한다. 연소 과정을 제어하기 위한 장치는, 버너를 둘러싸는 환형 갭을 통해 연소실 내로 흐르는 연소 공기 양에 영향을 주기 위한 작동 신호가 생성되도록 설계되어 있다. 환형 갭을 통해 유동하는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단은
환형 갭의 종축을 가로지르게 또는 환형 갭의 종축에 대해 30°≤α≤90°의 각도로 환형 갭 내에 배치되어 있는 적어도 2개의 센서 로드들을 포함하고, 센서 로드들은 서로가 일정 간격으로 앞뒤로 평행하여 대응 쌍을 형성하며, 센서 로드들은 전기 전도성 재료로 구성되며, 대응 센서 로드들은 연소 공기의 유동 방향으로 제1 센서 로드를 지나 흐르는 연소 공기의 적어도 일부분이 연소 공기 유동 방향으로 그 쌍의 대응하는 제2 센서 로드를 지나 휴동하도록 배치되어 있다. 센서 로드들은 환형 갭을 형성하는 벽들과 전기적 으로 절연되어 있고, 센서 로드들은 환형 갭의 곡률에 비례하게 종방향으로 구부러져 있다. 따라서 센서 로드들은 연소 공기 유동의 유동 방향에 대해 30°내지 90°사이의 각도로 또는 연소 공기 유동의 유동 방향과 거의 수직이 되게 환형 갭 내에 배치되어 있다. 센서 로드들은 길이 l을 l>20㎜, 바람직하게는 l>200㎜을 구비한다. 환형 갭을 통해 흐르는 dsuth 공기의 양을 결정하기 위한 수단은 상관 측정 장치를 포함하며, 상관 측정 장치에는 센서 로드들이 전기적으로 연결되어 있으며, 상관 측정 장치를 사용하여 연소 공기 스트림 내에서 운송되어 센서 로드들을 지나 흐르는 전기적으로 대전된 입자들에 의해 생성된 전기 신호를 평가함으로써 센서 로드들의 종방향을 횡단하는 연소 공기 유동의 속도를 측정하게 된다. 센서 로드들이 환형 갭의 종축과 수직으로 배치되어 있지 않은 경우, 환형 갭의 종축 방향으로 연소 공기 유동의 유속의 성분이 계산되고, 환형 갭의 종축 방향으로의 연소 공기 유동의 유속 성분과 환형 갭의 단면 영역의 기하학적 치수에 기초하여 환형 갭을 통해 흐르는 연소 공기 양이 결정된다. 복수의 환형 갭들이 버너를 둘러싸고 있는 경우, 전술한 바와 같이, 센서 로드들이 각 환형 갭 내에 배치되며, 상관 측정 장치에 전기적으로 연결되어 버너를 둘러싸는 각 환형 갭을 통해 흐르는 연소 공기 양이 결정될 수 있게 된다. 따라서, 버너를 둘러싸는 환형 갭을 통과하여 흐르는 연소 공기의 양을 결정하여 최적 연소에 적당한 양의 연소 공기와 연료를 공급하고, 연소에 적당한 연소 공기의 양에 비례하게 환형 갭을 통해 연소실 내로 흐르는 연소 공기의 양에 영향을 줌으로써, 발전소 노 시스템의 연소실 벽에 배치되어 있는 각 버너에서의 연소 과정이 최적으로 제어될 수 있다.
연소 공기 유동의 유속 중 환형 갭의 종축 방향으로의 성분은 연소 공기 유동이 환형 갭의 종축 방향으로 이동하는 연소 공기 유동 유속의 특정 성분을 가리키며, 이에 따라 이는 환형 갭을 통한 특정 시간 단위에 연소 공기의 특정 양을 운송하기 위한 관련 속도이다. 폭이 20㎜ 내지 200㎜이고, 원주가 100㎝ 내지 1500㎝인 발전소 노 시스템에서 환형 갭 내에서의 연소 공기 유동의 난류 정도가 크고, 환형 갭 내에 발생되는 연소 공기 유동의 모든 스월 유동을 고려하면, 환형 갭 내에서 연소 공기 유동의 유속 성분들은 다양한 방향과 크기를 가지게 된다. 전술한 이들 연소 공기 유동 유속의 다양한 성분들이 버너로 공급되는 연소 공기 양을 결정하는 것과 관련되지 않는다. 여기서 오로지 연소 공기 유동의 환형 갭의 종축 방향에서의 유속 성분 즉 전술한 바와 같이 연소 공기가 환형 겹을 통해 운송되는 종방향으로 운송되는 연소 공기 스트림의 유속 성분만이 중요하다.
놀랍게도, 환형 갭 내에 배치되어 있으며, 대응 쌍을 형성하는 센서 로드에 센서 로드를 지나 연소 공기 스트림 내에서 운송되는 전기적으로 대전된 입자들에 의한 영향으로 전기 신호들이 생성된다는 것을 발견하였다. 이 전기 신호는, 대응 센서 로드들 사이의 거리로 나누었을 때 환형 갭 내에서 연소 공기 유동 유속의 센서 로드의 종방향을 가로지르는 방향에서의 성분 값인 대응 센서 로드 사이의 시간 오프셋을 결정함으로써 상관 측정 장치로 평가될 수 있다. 이는 놀라운 것인데, 이는 실제 측정 장치에서 대응 센서 로드들 사이들의 거리가 환형 갭 폭보다 2.5배 크기 때문이고, 그리고 전기적으로 대전된 입자들이 전반적으로 연소 공기 스트림의 유동 방향으로 이동하지만, 연소 공기 유동의 심한 난류로 인해 전기적으로 대전된 입자들이 크기와 방향이 매우 혼돈된 상태로 이동함에 따라 이 이동이 오버레이 되기 때문이며, 대지 전위(ground potential)에 있는 환형 갭의 벽들과 자주 충돌하여 이들 입자들이 방전되게 한다.
연소 공기 유동의 스월 유동을 발생시키기 위한 공기 가이드 장치의 배치는 환형 갭 내에서 연소 공기 유동의 유동 방향에서 공기 가이드 장치의 하류에 대응 센서 로드들을 배치하는 것이 유리하다.
또한, 연소 공기 유동의 스월 유동을 발생시키기 위한 공기 가이드 장치의 배치는, 센서 로드들이 서로 평행하게 오프셋된 대응 쌍을 형성하여, 대응 쌍의 제1 센서 로드를 지나 흐르는 연소 공기의 적어도 일부분이 연소 공기 유동 방향으로 연소 공기 유동 방향에서 대응 쌍의 제2 센서 로드도 지나 유동하도록 배치하는 것이 유리하다. 이에 의해, 센서 로드들은 충분히 길어야 한다. 즉 센서 로드들은 환형 갭의 내부 원주의 약 1/4을 상회하여 연장함으로써, 연소 공기 유동의 스월 유동의 회전 각도가 변할 때에도, 대응 쌍의 제1 센서 로드를 지나 흐르는 연소 공기의 적어도 일부분이 연소 공기 유동 방향으로 연소 공기 유동 방향에서 대응 쌍의 제2 센서 로드도 지나 유동하도록 하는 조건이 충족이 충족된다.
센서 로드들이 직경 D가 1㎜≤D≤20㎜인 둥근 로드로 제작되거나, 환형 갭의 폭 방향으로의 에지 길이 e가 1㎜≤e≤20㎜인 정사각형 로드로 제작되는 것이 바람직하다. 여기서 실제 적용할 때의 실제 조건 즉 발전소 노 시스템에서 버너에 연소 공기를 공급하기 위한 폭 b는 20㎜≤b≤200㎜이고, 환형 갭의 원주는 100㎝≤환형 갭의 원주≤1500㎝인 조건이 고려된다. 한편으로, 센서 로드들은, 센서 로드들이 연소 공기 유동 내에서 진동하지 않고, 다른 한편으로는 센서 로드들의 크기가 연소 공기 유동의 통행을 위해 환형 갭의 유효 단면적을 지나치게 감소시키지 않도록 설계되어야만 한다.
유리하기로는, 하나 또는 그 이상의 센서 로드들 전기적으로 그리고 가능하게는 기계적으로 센서 로드의 종방향으로 분할되어 있을 수 있으며, 이때 세그먼트들은 세그먼트들의 종방향으로 서로가 정렬되어 배치되어 있는 센서 로드를 형성하고 있다. 센서 로드의 세그먼트들은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있으며, 전기적으로 분할된 센서 로드는 단일 전기 유닛으로 상관 측정 장치의 입력부에 연결될 수 있다. 그러나 전기적으로 분할된 센서 로드의 각 세그먼트가 상관 측정 장치의 별개의 입력부에 전기적으로 연결될 수도 있다.
다른 실시형태에서, 센서 로드들은 환형 갭을 형성하는 두 벽들 중 하나에 부착되어 있고, 벽과 전기적으로 절연되어 있는 전기 전도성 재료로 구성된 필름 스트립으로 설계될 수 있다.
환형 갭을 통해 흐르는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단의 다른 바람직한 실시형태에서, 2쌍의 대응 센서 로드가 환형 갭 내에 배치되어 있는데, 각 쌍은 상관 측정 장치에 전기적으로 연결되어 있고, 2쌍의 대응 센서 로드는 환형 갭의 종축에 대해 다른 각도 α로 배치되어 있다. 대응 쌍의 제1 센서 로드를 지나 흐르는 연소 공기의 적어도 일부분이 연소 공기 유동 방향으로 연소 공기 유동 방향에서 대응 쌍의 제2 센서 로드도 지나 유동하도록 하는 조건 하에서, 한 쌍의 대응 센서 로드는 환형 갭을 가로지르게 즉 환형 갭의 종축에 대해 α1=90°의 각도로 배치되는 것이 바람직하고, 반면 제2 쌍의 센서 로드는 환형 갭의 종축에 대해 α2=45°의 각도로 배치되어 있다. 환형 갭의 종축 방향으로의 연소 공기 유동의 속도는 제1 센서 쌍 즉 환형 갭 종축에 대해 α1=90°의 각도로 배치되어 있는 센서 쌍에 의해 생성된 신호들을 평가함으로써 결정되고, 환형 갭 종축에 대해 α2=45°의 각도로 흐르는 연소 공기 유동의 속도 성분은 제2 센서 쌍 즉 환형 갭 종축에 대해 α2=45°의 각도로 배치되어 있는 센서 쌍에 의해 결정된다. 양 속도로부터, 스월 각도 γ가 (90°-α1)>γ>(90°-α2) 조건을 만족시키는 경우, 스월 유동을 갖는 연소 공기 유동의 스월 각도 γ가 삼각법으로 계산될 수 있다. 대응 센서 로드 중 한 쌍의 각도 α1=90°와 대응 센서 로드 중 제2 쌍의 각도 α2=45°는 바람직한 예시만을 나타낸다. 대응 센서 로드 쌍의 종방향 각도 α1 및 α2가 (90°-α1)>γ>(90°-α2) 조건을 만족시키는 한은, 다른 각도도 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 위치가 가변인 공기 가이드 베인들이 환형 갭 내에 배치되어 있는 경우, 스월 각도는 이 방식으로 결정될 수 있으며, 의도적으로 공기 가이드 베인의 위치에 따라 스월 각도가 영향을 받을 수 있다. 그 결과로 연소 과정이 추가적으로 영향을 즉 제어될 수 있다.
본 발명의 특별한 이점은, 연소 공기 유동의 속도가 발전소 노 시스템 내에서 버너를 둘러싸는 환형 갭 내에서 바로 결정되어, 발전소 노 시스템 내 버너에 공급되는 연소 공기의 양이 바로 결정될 수 있다는 것이다. 연소 공기 유동 즉 환형 갭을 통과하는 연소 공기 유동의 양에 영향을 미침으로써, 미리 선택되는 기준에 따라 발전소 노 시스템 내에서의 연소 과정이 최적으로 제어된다.
물론, 이러한 방식으로 발전소 노 시스템에서 연소 과정을 규제하는 것도 가능하다.
도 1은 환형 갭에 배치된 대응하는 한 쌍의 센서 로드를 구비하는 버너를 둘러싸는 환형 갭의 부분 단면도이다.
도 2a는 주변 환형 갭 및 환형 갭 내에 배치된 대응하는 한 쌍의 센서 로드를 구비하는 버너의 종단면도이다.　
도 2b 및 도 2c는 센서 로드들이 배치되어 있는 각 평면에서, 주변 환형 갭을 구비하는 버너의 2개의 단면도이다.
도 3은 환형 갭의 종축에 대해 각도 α=45°로 환형 갭 내에 배치되어 있는 대응하는 한 쌍의 센서 로드를 구비하며 버너를 둘러싸고 있는 환형 갭의 부분 단면도이다.
도 4a는 환형 갭 내에 배치되어 있는 대응하는 2쌍의 센서 로드를 구비하는 버너를 둘러싸는 환형 갭의 부분 단면도로, 각 경우에서 대응하는 2쌍의 센서 로드는 환형 갭의 종축에 대해 서로 다른 각도 α로 배치되어 있는, 부분 단면도이다.
도 4b는 댕응하는 센서 로드들이 버너의 외벽에 배치되어 있는 환형 갭의 평면 패턴이다.　
이하에서 본 발명의 예시적인 실시형태들을 상세하게 설명한다.
도 1은 버너(1)의 외벽과 파이프(2) 사이에 환형 갭(3)이 형성되는 방식으로 파이프(2)에 의해 동축으로 둘러싸인 버너(1)를 구비하는 환형 갭(3)을 통해 흐르는 연소 공기의 양을 결정하기 위한 수단을 도시한다. 버너(1), 파이프(2) 및 환형 갭(3)은 공통 동축 종축(4)을 갖는다. 연소 공기는 환형 갭(3) 내에서 안내된다. 파이프(2)는, 연소 공기 유동의 유속(v)을 증가시키기 위해 환형 갭 폭(b)이 감소되는 축소부(5)를 구비한다. 축소부(5) 영역에서, 환형 갭(3) 내에 가이드 베인(6)들이 배치되어, 축소부 하류에서 환형 갭 섹션(3.1) 내에 동축 종축(4) 방향으로 연소 공기 유동의 스월 유동을 일으킨다. 이 환형 갭 섹션(3.1)은 일정한 환형 갭 폭(b)을 갖는다. 연소 공기 유동의 유동 방향이 화살표 7로 도시되어 있다. 스월 유동의 회전 방향은 화살표 8로 도시되어 있다. 버너(1)에 공급되는 연소 공기의 양을 결정하는 데에 중요한 환형 갭 섹션(3.1) 내에서의 연소 공기 유동의 성분은 환형 갭 섹션(3.1)의 단면 영역과 직교하거나 동축 종축(4)과 평행한 연소 공기 유동 성분으로, 도 1에서 화살표 9로 도시되어 있다. 2개의 센서 로드들(10, 11)이 환형 갭 섹션(3.1) 내에 배치되어 있다. 센서 로드들(10, 11)은 종축(4)을 가로지르게 배치되어 있으며, 센서 로드들(10, 11)이 센서 로드들의 종방향 연장부를 따라 환형 갭 섹션(3.1)을 획정하는 2개의 벽들 즉 파이프(2)의 내측과 버너(1)의 외벽 간에 동일한 거리(c, d)를 유지하도록 센서 로드들의 길이 방향으로 환형 갭 섹션(3.1)의 곡률에 적합하게 되어 있다. 거리(c)는 버너(1)의 외벽과 센서 로드들(10, 11) 사이의 거리이고, 거리(d)는 파이프(2)의 내벽과 센서 로드들(10, 11) 사이의 거리이다. 두 센서 로드들(10, 11)은 환형 갭 섹션(3.1)으로부터 동일하게 이격되어 있다. 또한 두 센서 로드들(10, 11)은 서로 일정한 간격으로 평행하게 배치되어 있지만, 서로에 대해 반경 방향으로 회전되어 있으며, 연소 공기 유동의 유동 방향(7)에서 제2 센서 로드(11)는 연소 공기 유동의 유동 방향(7)에서 제1 센서 로드(10)에 대해 연소 공기 유동의 스월 유동의 회전 방향(8)으로 평행하게 변위되어 배치되어 있다. 도 2a 내지 도 2c는 환형 갭 섹션(3.1) 내에서 센서 로드들(10, 11)의 전술한 구성을 도시하고 있다. 센서 로드들(10, 11)은 상관 측정 장치(13)에 전기적으로 연결되어 있다. 센서 로드들(10, 11)을 지나 이동하여 연소 공기 유동 내에서 운송되는 전기적으로 대전된 입자들에 의한 전기적 영향으로 인해, 센서 로드들(10, 11) 상에서 전기 신호들이 생성되며, 이 전기 신호들은 상관되어 있는 전기 신호들 사이의 시간 오프셋을 결정함으로써 상관 측정 장치(13)에 의해 평가된다. 센서 로드들(10, 11) 사이의 거리 a를 시간 오프셋으로 나누면, 도 1에 도시되어 있는 센서 로드들(10, 11) 배열에서 센서 로드들(10, 11)의 길이 방향을 횡단하는 즉 환형 갭 섹션(3.1)의 종축(4) 방향으로 환형 갭 섹션(3.1) 내에서 연소 공기 유동의 유속 v의 성분에 대한 양이 된다. 이와 같이 환형 갭 섹션(3.1)의 종축(4) 방향으로 결정된 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분에서 출발하여, 환형 갭 섹션(3.1)의 단면 영역에 기초하여 버너(1)에 공급되는 연소 공기의 양이 결정된다. 이와 동시에, 버너(1)에 공급되는 연료의 양은 버너(1)에 공급되는 연료 양을 검출하도록 구성된 도시되어 있지 않은 수단에 의해 측정되고, 연소 공기 양을 변경함으로써 연소 과정이 제어된다.
환형 갭(3)을 통과하며 흐르는 연소 공기의 양을 결정하기 위한 도 3에 도시되어 있는 수단에서, 대응하는 센서 로드들(10, 11)이 환형 갭의 종축(4)에 대해 α=45°의 각도로 배치되어 있다. 환형 갭 섹션(3.1) 내의 모든 다른 환형 갭(3)의 피처와 센서 로드들(10, 11)의 구조는 환형 갭(3)을 통과하여 유동하는 연소 공기의 양을 결정하기 위한 도 1에 도시되어 있는 수단의 피처 및 구조에 상응한다. 도 1 및 도 2를 참고하여 설명한 바와 같이, 환형 갭(3)을 통과하여 유동하는 연소 공기의 양을 결정하기 위한 도 3에 도시되어 있는 수단은, 상관 측정 장치(13)로 종축(4)에 대해 α=45°의 각도를 향하는 환형 갭 섹션(3.1) 내에서의 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분을 결정하는 데에 사용된다. 환형 갭 섹션(3.1) 내에서 환형 갭 섹션(3.1)의 종축(4) 방향으로의 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분은 상관 측정 장치(13)를 사용하여 결정된 유속(v)의 성분에 sinα 즉 sin45°를 곱해 계산된다. 환형 갭 섹션(3.1)의 종축(4) 방향으로 환형 갭 섹션(3.1) 내에서의 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분이 이와 같이 계산되고 난 후, 환형 갭 섹션(3.1)의 단면 영역을 사용하여 버너(1)에 공급되는 연소 공기 양이 결정된다.
도 4a는 2 쌍의 대응 센서 로드들(10.1과 11.1 및 10.2와 11.2)을 각각 갖는 배치를 도시한다. 대응 센서 로드들(10.1 및 11.1)은 종축(4)에 대해 α1=45°각도의 종 방향으로 버너(1) 외벽 위에 배치되어 있고, 대응 센서 로드들(10.2 및 11.2)은 종축(4)에 대해 α2=90°각도의 종 방향으로 버너(1) 외벽 위에 배치되어 있다. 2 쌍의 대응 센서 로드들(10.1과 11.1 및 10.2와 11.2)은 각각 상관 측정 장치(13.1, 13.2)에 전기적으로 접속되어 있다. 도 4b는 2 쌍의 대응 센서 로드들(10.1과 11.1 및 10.2와 11.2)이 버너(1) 외벽 위에 배치되어 있는 이 환형 갭(3.1) 섹션의 평면 패턴을 도시한다. 이 배치는 링 갭 섹션(3.1)의 종축(4) 방향으로의 연소 공기 유동의 유속(v) 성분을 결정하고 이어서 버너에 공급되는 연소 공기 양을 계산하는 데에 뿐만 아니라 스월 각도(γ)가 조건 (90°-α1) > γ > (90°-α2)을 만족할 때 스월 유동을 갖는 연소 공기 유동의 스월 각도(γ)를 결정하는 데에도 사용될 수 있다. 이를 위해, 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분(v1)은 상관 측정 장치(13.1)를 사용하여 센서 로드들(10.1, 11.1) 위에 생성된 전기 신호를 평가함으로써 결정되고, 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분(v2)은 상관 측정 장치(13.2)를 사용하여 센서 로드들(10.2, 11.2) 위에 생성된 전기 신호를 평가함으로써 결정된다.
도 4b를 참고하여 이하에서 스월 유동이 있는 연소 공기 유동의 스월 각도(γ)의 예시적인 결정을 설명한다. 유속(v)과 관계 90°-α1+γ에 의한 유속(v)의 성분(v1) 사이의 각도 β는 α1=45°이어서 β=45°-γ가 된다. 유속(v)과 관계 90°-α2+γ에 의한 유속(v)의 성분(v2) 사이의 각도 β는 α2=90°이어서, 유속(v)과 관계 90°-α2+γ에 의한 유속(v)의 성분(v2) 사이의 각도는 스월 각도 γ와 동일하다. 대응 센서 로드들(10.1, 11.1)과 상관 측정 장치(13.1)로 결정된 유속(v)의 성분(v1)은 다음 식으로 기술된다.
v1 =cos(45°-γ)*v, 또는 v1 =(cos45°*cosγ+sin45°*sinγ)*v (1)
대응 센서 로드들(10.2, 11.2)과 상관 측정 장치(13.2)로 결정된 유속(v)의 성분(v2)은 다음 식으로 기술된다.
v2 =cosγ*v, 또는 cosγ=v2/v (2)
식 (2)를 식 (1)에 대체하면,
v1 =(cos45°+sin45°*sinγ/cosγ)*v2 (3)
식 (3)을 변형하면 다음 식을 얻을 수 있다.
v1/v2=cos45°+sin45°*tanγ 또는 tanγ=(v1/v2-cos45°)/sin45°
따라서 스월 각도는 다음 방정식에 따라 연소 공기 유동의 유속(v)의 2 개의 결정된 성분 v1 및 v2 로부터 계산될 수 있다.
γ=arctan((v1/v2-cos45°)/sin45°).
1 버너(burner)
2 파이프(pipe)
3 환형 갭(annular gap)
3.1 환형 갭, 환형 갭 섹션(annular gap section)
4 종축(longitudinal axis)
5 축소부(constriction)
6 가이드 베인(guide vane)
7 화살표, 연소 공기 유동의 유동 방향
8 화살표, 스월 유동의 회전 방향
9 화살표, 종축(4)에 평행한 연소 공기 유동 성분
10 센서 로드(sensor rod)
10.1 센서 로드
10.2 센서 로드
11 센서 로드
11.1 센서 로드
11.2 센서 로드
12 지지 블록(supporting block)
13 상관 측정 장치(correlation measuring device)
13.1 상관 측정 장치
13.2 상관 측정 장치　

Claims (8)

  1. 연소실 벽에 배치되어 있는 복수의 버너(1)들을 포함하는 발전소 노 시스템 내에서 연소 과정을 제어하는 장치로, 버너(1)를 둘러싸는 하나 또는 그 이상의 환형 갭들을 통해 연소 공기가 공급되고, 버너(1)는 환형 갭(3)을 통해 연소실 내로 유동하는 연소 공기 양에 영향을 주기 위한 수단, 적어도 버너(1)에 공급되는 연료 양을 검출하기 위한 수단 및 환형 갭(3)을 통해 흐르는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단을 포함하며, 버너(1)(들)를 둘러싸는 환형 갭(3)을 통해 연소실 내로 흐르는 연소 공기 양에 영향을 주기 위한 수단이 각 환형 갭(3)을 통해 흐르는 연소 공기 양에 영향을 미치기 위해 발생되는 신호를 제어하도록 연소 과정을 제어하는 장치가 설계되어 있는, 연소 과정 제어 장치에 있어서,
    환형 갭(3, 3.1)을 통해 유동하는 연소 공기 양을 결정하기 위한 수단은 환형 갭(3, 3.1)의 종축(4)을 가로지르는 연소 공기의 유동 방향(7)으로 또는 환형 갭(3, 3.1)의 종축(4)에 대해 30°≤α≤90°의 각도로 환형 갭(3, 3.1) 내에 연속적으로 배치되어 있는 적어도 2개의 센서 로드들(10, 11)을 포함하고, 센서 로드들은 서로가 일정 간격으로 평행하여 대응 쌍(pair)을 형성하며, 센서 로드들(10, 11)은 전기 전도성 재료로 구성되고 환형 갭(3, 3.1)을 형성하는 벽(1, 2)과 전기적으로 절연되어 있고, 센서 로드들(10, 11)의 형상은 환형 갭(3, 3.1)과 센서 로드들(10, 11)의 곡률이 길이 l>20㎜, 바람직하게는 l>200㎜을 구비하기에 적합하고, 센서 로드들(10, 11)은 연소 공기 유동 내에서 운송되어 센서 로드들(10, 11)을 지나 이동하는 전기적으로 대전된 입자들의 영향으로 발생되는 전기 신호를 평가함으로써 센서 로드들(10, 11)의 길이 방향과 직교하는 연소 공기 유동의 유속(v)을 결정하는 데에 사용되는 상관 측정 장치(13)에 전기적으로 연결되어 있으며, 센서 로드들(10, 11)이 환형 갭(3, 3.1)의 종축(4)을 횡단하게 배치되어 있지 않은 경우, 환형 갭(3, 3.1)의 종축(4) 방향으로 연소 공기 유동의 유속(v)의 성분(v2)이 계산되고, 성분(v2)에 기초하여 환형 갭(3, 3.1)의 종축(4) 방향으로 연소 공기 유동의 유속(v)이 계산되며, 환형 갭(3, 3.1)의 단면 영역의 기하학적 치수에 기초하여 환형 갭(3, 3.1)을 통해 흐르는 연소 공기 양이 결정되는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    대응 쌍을 형성하는 센서 로드들(10, 11)이 각각 두 벽(1, 2)에서부터 각각이 일정 간격(c, d)을 형성하는 환형 갭(3, 3.1) 내에 배치되되, 상기 간격(c, d)은 각 센서 로드들(10, 11)의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  3. 제1항 내지 제2항에 있어서,
    연소 공기 유동의 스월 유동을 발생시키기 위한 공기 가이드 장치(6)가 배치되어 있는 경우, 연소 공기 유동의 유동 방향(7)에서 공기 가이드 장치(6) 하류에 센서 로드들(10, 11)이 환형 갭(3, 3.1) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    대응 쌍을 형성하는 센서 로드들(10, 11)이 평행하게 배치되되 서로에 대해 변위되어 있어서, 연소 공기 유동의 유동 방향(7)으로 대응 쌍의 제1 센서 로드(10)를 지나 흐르는 연소 공기의 적어도 일부분이 연소 공기 유동의 유동 방향(7)으로 대응 쌍의 제2 센서 로드(11)도 지나 유동하는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  5. 제3항 내지 제4항에 있어서,
    두 쌍의 대응 센서 로드들(10.1, 11.1 및 10.2, 11.2)이 환형 갭(3, 3.1) 내에 배치되되, 두 쌍의 대응 센서 로드들(10.1, 11.1 및 10.2, 11.2)은 환형 갭(3, 3.1)의 종축(4)에 대해 다른 각도(α)로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    센서 로드들(10, 11)이 직경 D가 1㎜≤D≤20㎜인 둥근 로드로 제작되거나, 환형 갭의 폭(b) 방향으로의 에지 길이 e가 1㎜≤e≤20㎜인 정사각형 로드로 제작되는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  7. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    센서 로드들(10, 11)이 환형 갭(3, 3.1)을 형성하는 두 벽들(1, 2) 중 하나의 벽 위에 접착되는 전기 전도성 재료로 제작된 포일 스트립으로 형성되고, 각 벽(1, 2)에 대해 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
    센서 로드들(10, 11)이 종방향으로 분할되어 있고, 센서 로드들(10, 11)의 세그먼트들은 서로가 직렬로 연결되고 센서 로드들(10, 11)의 직렬 연결부는 상관 측정 장치(13)에 전기적으로 연결되거나, 센서 로드들(10, 11)의 세그먼트들이 상관 측정 장치(13)에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연소 과정 제어 장치.
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