KR850001188B1 - 가스터어빈용 연소기 - Google Patents

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내용 없음.

Description

가스터어빈용 연소기

제1도, 제7도는 각기 본원 발명의 실시예를 나타낸 가스터어빈용 연소기의 개략도.

제2도는 제1도의 부확대도.

제3도는 본원 발명에 있어서의 예혼합(豫混合) 공기과잉율의 NOx 저감효과를 나타낸 특성도.

제4도는 본원 발명에 있어서의 연료 제어를 나타낸 설명도.

제5도는 본원 발명과 종래형과의 NOx 저감효과를 비교하는 것으로서 연소비와 NOx 농도와의 관계를 나타낸 특성도.

제6도는 종래형의 연소기의 개략도.

제8도는 제7도의 B부확대도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 압축기 2 : 연소기

3 : 터어빈 5, 5a, 5b, 5c : 압축공기

6 : 연소가스 7 : 외통

8 : 내통 9 : 엔드커버

10 : 연료노즐 11 : 연소실

12, 32 : 예혼합화염 13, 26 : 두부연소실

14 : 화염 15, 27 : 후부연소실

17 : 재압축기 18, 18a ,18b : 기체연료

19 : 예혼합실 20 : 예혼합연료가스

21 : 노즐분구 23, 31 : 연료분출구

24 : 선회공기공 28 : 선회공기류

29 : 팽윤부

본원 발명은 가스터어빈용 연소기에 관한 것으로서, 특히 LNG(액화천연가스) 등의 기체연료를 사용할 경우에 있은서 질소산화물(이하 NOx라고 기재함)의 저감을 도모하는 가스터어빈용 연소기에 관한 것이다.

가스터어빈 배기가스중에 포함되는 NOx나 일산화탄소(이하 CO라고 기재함)는 그 자체가 독성을 지니는 것이며, 대기오염이나 광화학 스모그의 원인의 하나이다. 환경, 자연파괴문제의 면에서 NOx를 저감하는 일이 클로오즈업되고 있다. 특히 사회면으로부터의 요구가 엄격하며, 그 허용치를 만족시키기 위해서는 현상레벨을 약

이하로 억제하는 것이 필요하다. 일반적으로 NOx는 연소기내부의 고온도화염형 성부에서 발생한다고 말하여지며, 따라서 그 저감을 위해서는 온도를 저하시키는 것이 유효하다고 말하여지고 있다. 종래 기술에 대해서 보면 과잉의 공기를 가지고 있는 가스터어빈에서는 고온도의 화염형성부를 과잉공기의 일부를 공급하며, 저온도 인체로 연소시킨다. 이른바 희박저 온도연소법이 일부 실시되고 있다. 그러나 현재의 엄격한 저 NOx화 요구에 대해, 대폭적인 저감이 얻어지지 않는 결점이 있다. 그 이유를 다음에 기술한다.

지금까지 수많은 종류의 기술개발이 진행되어 왔지만, 공통적으로 말할 수 있는 NOx의 발생은 고온연소부에 존재하며, 과잉의 공기를 공급하더라도 연소과정에서는 연료와 공기가 혼합된 후에 연소되어 가는 것이며, 이 사이에는 반드시 가장 적합한 연소를 하는 고온도의 화염면이 존재할 것이므로, NOx발생이 매우 많아지는 원인이 되어 있다.

또, NOx 저감을 위해서 더욱 과잉의 냉각공기를 도입하면 과냉각부가 형성되며, 확실히 NOx의 저감은 도모할 수 있지만 CO나 미연소성분 등의 발생이 많아진다고 하는 문제가 있고, 최악의 경우에는 화염의 비산(실화) 등이 생기게 된다.

본원 발명의 목적은 압축공기와 기체연료와의 예혼합유체를 연소기두부에 공급함으로써, 연소실 내부에 NOx가 발생하기 쉬운 고온도의 화염면이 형성되는 것을 방지할 수 있는 가스터어빈용 연소기를 제공하는데 있다.

본원 발명은 연소기내에서 연료와 공기의 혼합, 연소를 행하는 이른바 확산혼합형 연소에서 미리 연료와 공기를 예혼합한 후에 연소하는 이른바, 예혼합형연소의 경우에 있어서의 희석연소쪽이 저 NOx효과가 큰 것을 확인하고, 특히 연소기중심부에 형성하는 고온도연소부에 안정된 예혼합연소화염을 형성하고, NOx의 발생을 억제하며 또한 안정된 화염을 형성함으로써, 보다 희박저온도연소를 할 수 있도록 하고, NOX의 발생을 억제하도록 한 것이다.

다음에 본원 발명의 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.

제1도는 본원 발명의 일실시예를 나타낸 연소기의 개략도이며, 제2도는 제1도의 A부확대도이다. 압축기(1), 연소기(2), 터어빈(3) 및 부하부(4)의 주요 구성부로 이루어진 가스터어빈에 있어서, 압축기(1)에서 토출되는 압출공기(5a) 및 (5b)는 연소기(2)로 인도된다. 연소기(2) 내부에서 발생하는 연소가스(6)는 터어빈(3)으로 공급되며, 일을 하는 것이다. NOx나 CO의 발생원으로 되는 연소기(2)는 외통(7)과 외통(7)내에 장착된 내통(8)과 , 외통(7)의 일단을 폐쇄하도록 배치된 엔드커버(9)와, 엔드커버(9)에 장착된 연료노즐(10)로 이루은진다. 내통(8)내에 형성된 연소실(11)은 예혼합연소가 행해져서 안정된 예혼합화염(12)이 형성되는 두부연소실(13)과 기체연료(18B)와 압축공기(5B)가 동시에 공급되어서 희박저온도화염(14)을 형성하는 후부연소실(15)과, 그리고 이 후부연소실(15)의 후류(後流)에 있어서 연소 가스온도를 설정된 온도로 되도록 냉각하는 동시에 연소가스온도의 균일성을 향상시키기 위한 희석역(稀釋域)으로 성립되어 있다. 희석역에는 희석공기구멍(16)이 배설되어 있다. 압축기(1)에서 토출되는 압축공기(5a)를 다시 재압축기(17)로 더욱 고압으로 하고, 이 압축공기(5c)와 기체연료(18)의 일부(18a)를 예혼합실(19)내에 도입하고, 기체연료(18a)와 압축공기(5C)와의 중량비 0.0484∼0.0415 정도의 예혼합연료가스(20)를 형성시킨다. 이 혼합연료가스(20)를 두부연소실(13)에 공급한다. 이 예혼합연료가스(20)는 정격상태에 있어서 전체연료의 약 1/4∼1/3의 연료를 연소시키는 것으로 연료노즐(10)을 통해 두부연소실(13)내로 도입하는 것이다. 예혼합연료가스(20)는 연소성이 양호하므로 두부연소실(13)내에서 연소하는 가능성이 크며, 따라서 공급계내의 유속도를 빠르게 하여 연소실내로부터의 화염의 전파, 이른바 역화(逆火)가 없어진다. 또 이것을 위해서는 연료노즐분구(21)로부터의 예혼합연료가스(20)의 분출유속도가 화염의 연소속도보다도 커지도록 하는 것이 필요하며, 이 수단의 하나로서 압축공기류(5a)를 재압축하여 고압력으로 하고 두부연소실내(13)에 고유속도로 분출하도록 되어 있으며, 기체연료(18a)와 압축공기(5C)는 충분히 균일 혼합한 후에 연소실에 도입되도록 되어 있다. 또, 일부의 공기류 제압축함으로써 연소기내통(8)의 축길이 방향에 있어서의 압력변화와 관계없이 역화의 방지를 도모할 수 있어서 안정된 화염이 얻어진다. 즉 이것은 다음의 이유에 의한 것이다.

연소가스(6)는 두부연소실(13)에서 후부연소실(15)로 흐르는 것으로, 두부연소실(13)의 압력이 높으며 후류(後流)로 될수록 낮아진다. 한편 외통(7)과 내통(8)간의 환상부(22)의 압력은 관마찰손실이나 유로저항손실 등에 의해 연소기두부로 될수록 낮아지며, 따라서 두부로 될수록 내통 내압력은 높고, 반대로 환상부(22)의 압력이 낮아지며, 내통(8)으로 유입하는 공기유입속도는 늦어지므로 설정대로의 공기를 유입하기는 매우 어렵고, 또 유입속도를 빨리 하려고 하면 연소기의 압력 손실이 커지는 결점이 생긴다. 그러나 본원 발명과 같이 일부의 압축공기(5a)만을 재압축하여 유축속도를 빨리 함으로써 화염이 예혼합기(19)로 이행하는 이른바 역화현상이 생기는 일이 없으며, 후부연소실(15)의 연소상태의 변화에 좌우되지 않고 항상 안정된 화염을 형성할 수 있게 된다. 이처럼 두부연소실(13)에 있어서는 안정되며, 또한 NOx 발생이 적은 예혼합화염을 형성하는 것이 가능해진다.

제3도는 이 모양을 나타낸 실험결과이며, 예혼합공기과잉율과 NOx 저감율과의 관계를 나타내는 것이다. 이 도면에서 명백한 바와 같이, 예혼합공기과잉율이 1.2 이상이라면 저감을 70%를 얻는 것을 알 수 있다.

후부연소실(15)의 측면에는 복수개의 연료분사구(23)와 선회공기구멍(24)을 배설한다. 연료배출구(23)는 선회공기구멍(24)에 대향해서 개공하며, 기체연료(18b)를 공기구멍(24)을 통과하는 공기류(25)에 혼합해서 후부연소실(15)내에 공급하는 것이다. 압축공기(5b)의 유량과 기체연료(18b)의 유량과는 정격부하시에 있어서 공기과잉을 1.5∼1.6으로 되도록 설정하는 것으로, 부분부하시에 있어서는 더욱 공기과잉의 상태로 되지만, 두부연소실(13)내에 형성하는 예혼합화염에 의해 안정된 파일럿염을 형성하고 있기 때문에 부분 부하시에 있어서의 불안정연소가 존재하지 않는다. NOx의 저감을 더욱 진행시키기 위해서는 후부연소실(15)에 있어서도 두부연소실(18)과 마찬가지로 예혼합연료에 의한 연소를 행하는 것이 바람직하지만, 연소실내에 이르기 이전에 화염을 형성하는 역화의 현상이 생겨 매우 위험한 상태로 되기 때문에 확산혼합연소로 된다. 그러나, 기체연료(18b)와 압축공기(5b)와의 예혼합화를 도모하기 위한 선회공기구멍(24)을 대향해서 배치하고, 여기서부터 기체연료(18b)를 공급하고 선회공기구멍(24)내에서 기체연료(18b)와 압축공기(5b)와의 예혼합화를 향상하는 것을 실시하고 NOx 저감을 도모하는 것이다.

정격부하상태에 있어서의 기체연료(18b)와 압축공기(5b)와의 중량비는 0.0388∼0.0363으로 되도록 하고(공기과잉율로 1.5∼1.6), 공기과잉의 저온도 연소를 실현시켜, NOx의 대폭적인 저감을 실시할 수 있다. 연료유량은 전체의 66∼75% 공급하는 것이다. 이 모양을 제4도에 나타낸다. 도면중 i은 두부연소실연료유량을, ii는 후부연소실연료유량을 그리고 iii은 전연료유량을 나타낸다. 정격상태에 있어서 공기과잉율이 1.5∼1.6이지만 부분부하시처럼 연료유량이 저하되는 상태에 있어서는 공기과잉율은 더욱 커진다. 그러나 두부연소실(13)에서는 항상 일정연소를 유지하고 있는 안정된 화염형성을 하고 있기 때문에 후부연소실(15)에 있어서의 연소는 안정된 것으로 된다.

제5도는 종래 기술에 의한 NOx 저감과 본 실시예에 의한 결과의 비교를 나타낸다. 도면중 iv는 종래형의 희박저온도연소의 경향을 나타내며, v는 본 실시예에 의한 연소의 경향을 나타낸다.

종래형 기술의 연소기는 제6도에 나타낸 것처럼 연료의 분출부는 1개소이며 NOx 저감을 위해서 희박저온도연소를 하는 것으로, 통상 말하여지고 있는 확산 혼합형의 연소기이다. 그러나 무부하에서 정격부하시까지 안정된 화염을 형성하지 않으면 안되기 때문에 연소역에 있어서의 정격시의 공기과잉율은 1.3∼1.5정도로 억제하지 않으면 안되며, NOx를 저감하기 위해서 이 이상 공기를 공급하면 연료유량이 적은 부분부하시에 있어서 CO나 미연소분의 발생이나 바람에 불려서 꺼지는 현상 등이 생기게 된다. 이것에 대해 본 실시예의 기술에 있어서는 안정된 화염을 두부연소실(13)에 형성하고 있기 때문에, 후부연소실(15)에 있어서는 보다 공기과잉상태의 연소조건을 얻을 수 있는 것이며, NOx 발생을 대폭 저감시킬 수 있다. 따라서 제2도에 나타낸 바와 같은 NOx 저감효과가 얻어지는 것이다.

또한 두부연소실(13)내의 화염은 예혼합화염이기 때문에 NOx 발생원이 되는 연소기 측심부에서의 NOx발생을 억제할 수 있는 것이다.

제7도, 제8도에 본원 발명의 다른 실시예를 나타낸다.

제8도는 제7도의 B부확대도이다.

두부연소실(26)은 후부연소실(27)보다도 경(徑)을 작게하며, 또한 두부연소실(26)과 후부연소실(27)과의 계속부에서 선회공기(28)를 유입하는 팽윤부(29)를 설치하고, 이 팽윤부(29)이 공기통로(30)에 연료분출구(31)를 뚫어서 설치한다. 또한 이 소경의 두부연소실(26)의 상류측(도면의 좌측)에 예혼합실(19)을 인접시킨다.

본 실시예도 상기 제1의 실시예와 마찬가지로 해서 팽윤부(29)내에서 압축공기(56)와 기체연료(18b)와의 예혼합화가 촉진된다. 또, 두부연소실(26)의 경을 작게 했으므로 후부연소실(27)에 형성하는 화염에 좌우되지 않으며 안정된 예혼합화염(32)이 지속 형성된다. 두부연소실(26)은 공기과잉율로 1.2∼1.4 정도이며 예혼합연소를 시키기 때문에 연소온도는 1600∼2000℃로 되어 당연히 메탈벽온도가 높아지지만, 본 실시예는 이와 같은 구성이 되므로 메탈표면적은 작아져서 전열면이 작아진다. 그래서 메탈냉각용의 공기를 적게 억제하는 이점이 생기며, 이 결과, 연소용이나 희석용의 공기를 증가해도 문제가 없다고 하는 효과가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본원 발명에 의하면 압축공기와 기체연료와의 예혼합유체를 연소기두부에 공급함으로써, 연소실 내부에 NOx가 발생하기 쉬운 고온도의 화염면이 형성되는 것을 방지할 수 있으므로 대폭적인 저 NOx화를 도모할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 연소실을 형성하는 내통과, 이 내통과의 간격이 연소 및 희석용의 공기의 유로가 되도록 이 내통을 덮는 외통과, 이 외통의 일단을 닫는 엔드커버와, 이 엔드커버를 관통해서 상기 내통으로 열리는 연료공급용의 노즐과, 상기 내통의 원주방향으로 배치한 연소용 공기공급용의 팽윤부로 이루어진 가스터어빈용 연소기에 있어서, 상기 노즐의 상류측에 기체연료와 압축공기와의 예혼합을 하는 예혼합실을 배치하고, 이 예혼합실의 토출부를 이 노즐과 연통(連通)시켜, 상기 팽윤부(29)에는 기체연료가 공기와 함께 내통내에 토출되도록 이 기체연료의 공급관을 접속한 것을 특징으로 하는 가스터어빈용 연소기.

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