KR950011326B1 - 가스터빈 연소기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가스터빈 연소기

제 1 도는 본 발명의 제 1 태양에 의한 가스터빈 연소기의 일실시예의 요부 계통도.

제 2 도는 본 발명의 제 2 태앙에 의한 가스터빈 연소기의 일실시예의 요부 계통도.

제 3 도는 제 1 도에 나타낸 실시예에 의한 각 연료계마다의 연료유량 변화를 나타낸 그래프.

제 4 도는 제 1 도에 나타낸 실시예에 있어서의 각 연료계마다의 연료공급 압력변화를 나타낸 그래프.

제 5 도는 제 1 도에 나타낸 실시예의 연소효율 특성을 종래예의 것과 비교하여 나타낸 그래프.

제 6 도는 종래예의 부분 계통도.

제 7 도는 주연료계와 부연료계의 일반적인 연료배분 변화를 나타낸 그래프.

제 8 도는 제 6 도에 나타낸 종래예의 각 연료계마다의 압력변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 희박 예비혼합연소방식의 주연료계와 확산연소방식의 부연료계를 갖는 저 NOx 가스터빈 연소기에 관한 것이다.

일반적으로 가스터빈 연소기에 있어서의 NOx 발생의 주요원인은 연료와 공기와의 당량비가 1에 가까운 연소영역이 연소가스중에 생기고 이 연소영역에 있어서 연소가스가 국소적으로 고온화하는데 있다.

이와같은 요인으로 발생하는 NOx를 억제하는 방법으로는 공급연료를 연소에 필요한 양 이상의 공기와 희박혼합시키든지 사전에 공기로 균일하게 예비혼합시킨후에 연소부로 공급하는 수단이 사용된다.

이 희박 예비혼합연소방식에 대해서 실제로는 가스터빈 연소기로서의 넓은 운전범위를 커버할 것을 고려하여 희박 예비혼합연소방식의 주연료계와 확산연소방식의 부연료계를 함께 갖는 연소기 시스템이 일반적으로 사용되고 있다.

이것은 저 NOx연소로서는 희박 예비혼합방식이 우수하지만 넓은 작동범위에 있어서 연소화염을 안정하게 보지하기 위해서는 별도로 확산연소부가 필요하기 때문이다.

제 6 도는 이 종류의 종래의 가스터빈 연소기(1)의 일예를 나타내고 이것은 연료를 공급하는 연료공급모관(2)의 하류단부를 연소기 라이너(3)내에서 희박 예비혼합연소시키는 주연료계(4)와 확산연소시키는 부연료계(5)로 분기시키고 NOx의 발생은 확산연소부의 연료공급비율에 크게 의존하므로 NOx를 저감시키기 위해서는 희박 예비혼합연소부의 연료배분을 많게 하고 확산연소부에서의 연소를 가능한한 적게하는 것이 바람직하다.

통상 가스터빈 연소기에 있어서는 착화에서 중간부하까지는 연공비(연료와 공기의 비)가 낮고 화염온도도 낮고, NOx의 발생량이 적기 때문에 주연료계(4)로서의 희박 예비혼합연소계는 사용되지 않고 오로지 부연료계(5)로서의 확산연료계로 가스터빈의 운전제어가 행해진다.

그러나 상기 중간부하의 절환점 이상의 부하운전에서는 부연료계(5)는 서서히 연료가 줄여져 총연료류량의 대부분이 희박 예비혼합연소계인 주연료계(4)로 흘려져서 저 NOx연소운전이 행해진다.

따라서 이 가스터빈 연소기에서는 연료류량 제어변(6)이외에 주, 부연료계(4,5)마다 연료 분배변(7,8)을 설비하고 이들의 개방도를 가스터빈 제어장치(9)에 의해서 가스터빈의 기동운전 및 부하운전의 요구에 맞추어 제어함으로써 희박 예비혼합연소나 확산연소의 배분을 조정하고 있다.

그런데 이와같은 가스터빈 연소기에서는 각 운전상태에 대한 주연료계와 부연료계의 연료배분은 예를들면 제 7 도에 나타낸 것과 같이 제어되므로 이 연료류량에 적합한 주연료계(4) 및 부연료계(5)의 주, 부연료노즐(10,11)의 설계, 즉 연료노즐 면적의 설정이 필요하게 된다.

주, 부연료노즐(10,11)을 통과하는 연료류량은 연료의 입구상태량과 주, 부연료노즐(10,11)의 전후 압력비 및 연료노즐 면적으로 결정된다.

이 연료노즐 면적에 대해서 공급연료류량을 흘리는데 필요한 연료공급압력은 제 8 도에 나타낸 것과 같이 변화되지만 부연료계(5)는 상기 절환부하전후에 필요 연료의 급격한 변화에 대항하여 피크압력을 발생한다.

제 8 도에서 알 수 있는 바와같이 0~100% 부하범위에 있어서 최대연료공급압력은 100% 부하시의 주연료노즐(10)쪽에서 결정되는 것이 아니고 상기 절환부하전후의 부연료노즐(11)에 의해서 결정된다.

왜냐하면 일반적으로 연료노즐 면적의 설정에서는 연료노즐 부분에서의 노즐압력비(연료공급입구 압력/노즐출구 압력)은 어느 한계치 이하이면 연소진동등의 불안정 현상을 발생시키는 원인으로 되기 때문에 전체운전범위에서 걸리는 한계노즐 압력비 이상이 되도록 주연료계(4) 및 부연료계(5)의 연료노즐의 노즐면적이 결정된다.

특히 부연료계(5)에 대해서는 연료노즐 압력비가 작아지기 쉬운 절화부하 이상의 운전영역에 있어서 한계노즐 압력비 이상이 되도록 연료노즐 면적이 설정된다.

그 반면에 절한부하 이하의 운전영역에서는 역으로 종래의 가스터빈 연소기와 같이 연료를 단독으로 흘릴 필요가 있기 때문에 이 좁은 연료노즐 면적하에서는 공급가스 연료압력을 제 8 도에 나타낸 것과 같이 종래의 확산연소형의 가스터빈 연소기에 비해서 매우 높게 하지 않으면 안된다는 결점이 생긴다.

그런데 연소기에서 발생하는 NOx는 상술한 바와같이 주로 부연료계(5)의 확산연소부에서 좌우되므로 절환부하 이상의 운전영역에 있어서 연소기의 저 NOx화를 강화하기 위해서는 부연료계(5)의 연료의 배분을 가능한한 적게할 필요가 있다.

따라서 NOx 저감화가 강화되면 될수록 이 연료공급압력의 피크는 현저하게 된다.

그리고 공급가스연료는 대형발전 플랜트에서는 저액화상태의 연료를 펌프로 사용압력까지 승압시킨후에 기화시켜 공급하지만 일반 중소용량 플랜트나 도시부근 발전소에서는 0.5~1.5kg/㎠의 저압가스를 가스터빈 연소기에 필요한 압력까지 승압시켜 공급하는 것이 보통이다.

따라서 상기 종래예와 같이 공급가스 연료압력이 높아지면 가스연료 압축기의 사용 동력이 증가될 뿐만 아니라 가스연료 압축기 그 자체의 설계가 곤란해지든지 계통기기의 내압압력도 상승되어 플랜트 효율이나 원가 상승, 기기의 안전성등에서 문제가 증가된다.

본 발명은 이와같은 사정을 고려하여 행해진 것이며 그 목적은 간단한 구성에 의해서 종래형의 가스터빈 연소기에서 사용되고 있는 공급가스 연료압력하에서도 충분히 전체 운전범위에서 한계노즐 압력비를 확보할 수 있어 안정된 운전이 가능한 저 NOx가스터빈 연소기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 주연료계 및 부연료계를 갖는 저 NOx가스터빈 연소기에 있어서 이 부연료계를 2계통 설비한 것을 특징으로 한다.

즉 본원의 제 1 발명(이하 제 1 태양이라함)은 연료를 노즐구멍에서 분출시키는 주연료노즐과 부연료노즐을 구비한 연소기 라이너와 상기 주연료노즐에 연료를 공급하여 이 노즐에서 분출되는 연료를 연소용 공기와 예비혼합하여 상기 연소기 라이너내에서 희박연소시키는 주연료계와, 상기 부연료노즐에 연료를 공급하여 이 노즐에서 분출되는 연료를 선회날개를 거쳐서 유입하는 연소용 공기와 혼합하여 상기 연소기 라이너내에서 확산연소시키는 부연료계와 이 부연료계 및 상기 주연료계에 일단부를 분기시켜서 이들 연료계에 연료를 공급하는 연료공급모계를 갖는 가스터빈 연소기에 있어서, 상기 부연료노즐을 포함하는 부연료계를 복수계통 설비하여 그중의 적어도 1계통과 상기 주연료계의 도중에 이들 양계통으로 공급하는 연료의 분배비율을 제어하는 분배변을 각각 끼워 장치한 것을 특징으로 한다.

또 본원의 제 2 발명(이하 제 2 태양이라함)은 각각의 부연료노즐의 각 노즐구멍을 선회 날개중의 연소용 공기통풍로에서 개구시킨 것을 특징으로 한다.

[제 1 태양]

부연료계가 2계통(A,B) 있으므로 예를들면 제 7 도에 나타낸 것과 같은 각 연료계의 연료배분스케쥴에 따른다고 하면 부하절환이후에 서서히 닫히는 쪽의 부연료계, 예를들면 부연료계 A의 연료노즐을 포함하며 또 한쪽의 부연료계 B의 연료노즐 및 주연료계의 연료노즐도 모두 제 3 도에 나타낸 것과 같이 가스터빈의 부하상승에 수반하여 단조로운 연료류량 특성으로 할 수 있게 된다. 또 제 3 도중 곡선(G)이 총연료류량, 곡선 A가 부 A연료류량, 곡선 B가 부 B연료류량, 곡선 M이 주연료류량을 나타내고 있다.

즉 가스터빈의 착화시는 복수의 부연료계 양자의 연료노즐이 사용되고 부연료계의 분배변은 100% 개방도 그대로 가스터빈의 기동 시퀀스에 따르는 연료류량의 제어는 그 상위에 위치하는 연료류량 제어변으로 조정된다.

가스터빈이 정격속도에 도달한 후에도 주연료계에 연료를 흘리기 시작하는 절환부하까지는 부하연료계 양쪽의 연료노즐의 연료류량은 대략 단조롭게 증가된다.

이때에 가스연료 공급압력의 최대치를 초래하는 부연료계는 정격시에 남겨지는 부 B계가 분리되어 있고 또 이 부 B연료계의 연료는 단조롭게 증가되므로 종래형의 가스터빈 연소기의 연료노즐과 같이 연료노즐 압력비가 극단적으로 높아지는 것을 방지할 수 있다.

한편 부 A연료계는 제 3 도의 J점 부하에서는 연료가 제로까지 줄어지므로 J점 부근의 부하에서 한계노즐 압력비 이하로 되어도 거기서 부연료 분배변을 전폐하기 때문에 종래형과 같은 문제는 생기지 않는다.

즉 절환부하점 이상에서는 주연료계에 연료가 도입되고 그에 따라서 부연료계의 한쪽 즉 부연료계 분배변에 접속되는 쪽의 연료는 줄어져 간다.

이때에 부연료계 분배변은 서서히 닫혀져 가지만 그 계통에 접속되는 부연료계의 연료노즐의 노즐압력비가 한계압력비 이하로 저하되기전에 전폐된다.

한편 주연료계의 분배변은 부연료계의 분배변 개방도를 보충하도록 서서히 열려가 상기 부연료계 분배변을 전폐함과 동시에 전개로 된다.

그후의 부하증가와 정격상태까지는 상류의 연료제어변에 의한 조정으로 주연료계 및 부연료계 B의 연료가 더 증가되어 간다.

결국 이와같은 세가지 연료노즐부도 기본적으로는 가스터빈의 부하상승과 동시에 그 연료류량은 단조롭게 증가되고 최대연료류량 점에서 적절한 노즐압력비가 확보되어 있으면 국소적인 부하대역에서 높은 노즐압력비가 필요하게 되는 것도 피해져 작동범위에서 한계노즐 압력비 이하가 되는 것도 피해진다. 따라서 공급가스 연료압력도 종래의 가스터빈 연소기의 경우와 같은 공급가스 연료 압력으로 충분히 대응할 수 있다.

[제 2 태양]

각 부연료노즐의 각 노즐구멍이 선회날개내의 연소공기 통풍로에서 개구하고 있으므로 부연료가 연소기 라이너내의 고온순환가스와 접촉되어 점화되기 전에 신선한 연소용 공기와 어느정도 혼합되어 있으므로 연소온도의 고온화를 피할 수 있을 뿐만 아니라 어느 노즐구멍도 선회날개내에서 개구되어 있으므로 이 선회날개를 통과하여 유입하는 일시 연소용 공기에 연하여 연료가 연소기 라이너내로 분사, 확산되어 간다.

따라서 공기선화날개의 내향각, 선회각을 예비 혼합연료가 균일하게 연소되는 최적치로 선정됨으로써 일시 연소 대역에서 형성되는 고온가스 순환류를 기대한 것과 같은 상태로 할 수 있어 연소효율을 높일 수 있다.

[실시예]

이하 본 발명의 일실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명하겠다.

제 1 도는 본원 제1, 제 2 태양을 포함하는 일실시예의 개통도이고 도면에서 가스터빈 연소기(11)는 도시하지 아니한 연료공급원에 접속되는 연료공급모관(계)(12)의 도중에 상류측으로부터 하류측을 향하여 폐쇄변에 의해서 연료공급을 정지하는 연료폐지변(13)과 연료공급유량을 제어하는 연료류량 제어변(14)을 차례로 이 순서대로 끼워 장치되어 있다.

또 연료공급모관(12)은 그 하류단부를 주연료계(15)와 복수 예를들면 A, B 2계통의 부연료계(16a,16b)의 3방향으로 분기시키고, 부연료계(15)의 선단부를 연소기 라이너(17)의 주연료노즐(18)에 접속하는 한편 A, B 양부연료계(16a,16b)의 양 선단부를 부연료노즐(19)에 접속하였다.

부연료노즐(19)은 제 2 도에 나타낸 것과 같이 연소기 라이너(17)의 두부의 대략 중앙부에 장착되어 연료를 확산 연소시켜 그 순환하는 화염을 상시 보지하는 것이고 A부연료계(16a)에 접속된 외관(19a)의 내부에 B부연료계(16b)에 접속된 내관(19b)을 동심상으로 내장하여 2중관으로 구성되어 있다.

또 부연료노즐(19)은 내단부를 연소기 라이너(17)의 두부내로 약간 뻗어나가게 되어 있고 그 내단부외주에 스왈로오(Swallow)(21)를 동심상으로 설비하고, 도시하지 않은 콤프레서에서 토출된 연소용 공기(20)를 도시하지 않은 선회날개에 의해서 선회시키면서 연소기 라이너(17)내로 통풍시키도록 되어 있다.

그리고 부연료노즐(19)은 내관(19a,19b)의 각 선단부에 각각 뚫려있는 복수의 노즐구멍(22a,…22b…)의 각 출구를 스왈로우(21)내의 연소용 공기통풍로로 개구시키고 또 이들 노즐구멍(22a,22b)의 개구방향과 위치는 어느 노즐구멍(22a,22b)에서 분출되는 연료와도 충분히 예비혼합되도록 구성되어 있다.

스왈로우(21)는 내부 연소용 공기통풍로를 연소기 라이너(17)의 두부쪽 주면에 형성된 환상의 예비혼합닥트(23)에 연통시켰다.

한편 주연료노즐(18)은 연소기 라이너(17)의 헤드플레이트에 장착되어 부연료노즐(19)에 의한 확산연소의 화염에 도움을 받아 희박 연소시키는 것이고 그 주노즐구멍(18a)을 예비혼합 닥트(23)에 연통시켜 주노즐구멍(18a)에서 분출한 연료를 도면중 파선으로 나타낸 연소용 공기(20)에 사전에 균일하게 희박 혼합하여 이 예비혼합 희박연료를 예비혼합 닥트(23)의 복수의 출구(24a,24b)로부터 연소기 라이너(17)내로 균등하게 유입시키도록 되어 있다.

또 스왈로우(21)는 공기 선회날개의 내향각과 선회각을 예비혼합연료를 균일하게 연소되도록 최적치로 설정되어 있다.

그리고 주연료계(15)와 한쪽 부연료계(16a)와의 도중에는 제 1 도에 나타낸 것과 같이 주분배변(25), 부분배변(26)을 각각 끼워 장치하고 다른쪽의 부연료계(16b)의 도중에 고정오리피스(27)를 끼워 장치하였다.

주, 부분배변(25,26), 연료폐지변(13) 및 연료유량 제어변(14)은 도면중 2점 쇄선으로 나타낸 신호선을 거쳐서 가스터빈 제어장치(28)에 전기적으로 접속되고 개방도가 제어되도록 되어 있다.

가스터빈 제어장치장치(28)는 예를들면 제 7 도에 나타낸 연료분배 스케줄에 따라서 연료폐지변(13), 연료류량 제어변(14), 주, 부분배변(25,26)의 각각의 개방도를 제어하는 것이다. 다음에 본 실시예의 작용을 설명하겠다.

먼저 도시하지 않은 가스터빈은 기동장치에 의해서 착화상태로 되는 정격속도의 약 15~30%까지 속도가 상승된다.

여기서 가스터빈 제어장치(28)는 연료폐지변(13)을 개방하는 동시에 착화연료를 흘리도록 연료류량 제어변(14)의 개방도를 조정한다. 이때에 주분배변(25)은 폐쇄되고 부분배변(26)은 전개방상태에 있다.

주분배변(25) 및 부분배변(26)의 관계는 제 7 도에 나타낸 것과 같은 가스터빈 부하의 한결같은 관계로 사전에 정해지고 상기 착화상태로부터 절환하여 주분배변(25)은 폐쇄된 채로 된다.

절환점 부하 이상에서는 주연료계(15)의 연료가 도입되므로 서서히 주분배변(25)이 개방되고 부분배변(26)은 폐쇄된다.

제 3 도의 J점에서는 주분배변(25)이 전개방하고 부분배변(26)은 전폐된다. 이 절환점 부하로부터 J점 부하까지도 연료류량 제어변(14)은 가스터빈 부하요구에 따라서 총연료류량을 증가시키도록 그 개방도는 커진다.

제 3 도에 나타낸 각 연료계통의 압력변화를 제 4 도에 나타냈다. 즉 정격점에서의 가스터빈 압력비가 예를 들면 약 16인 경우의 각부 압력변화가 제 4 도에 나타내 있으나 부 B연료계 노즐입구 압력은 종래예의 경우의 압력변화를 나타낸 제 8 도에 비해서 피크 압력에 대폭으로 저하되어 있고 이 경우의 계통 최대압력도 낮아져 있다.

결국 제 8 도에 비해서 연료계와 최고압력은 예를들면 약 13kg/㎠ 저감할 수 있음을 알 수 있다.

따라서 가스연료 압축기의 사용동력을 저감시킬 뿐만 아니라 가스연료 압축기 자체의 설계를 용이하게 하고 계통기기의 내압압력이 저하된다. 이 때문에 플랜트효율과 기기의 안전성을 높이는 동시에 원가저감을 도모할 수 있다. 또 부연료노즐구멍(22a,22b)은 동일한 스왈로우(21)의 공기 선회날개내에 개구되어 있고 선회날개를 통과하고 유입하는 1차 연소용 공기(23)에 연하여 부연료가 연소기내 라이너(17)내로 분사 확산된다.

그리고 스왈로우(21)의 공기 선회날개의 내향각과 선회각을 예비혼합연료가 균일하게 연소되도록 최적치로 선정되어 있으므로 1차 연소대역에서 예비혼합연료를 집어 넣어 균일한 연소를 실현시키는 순환류(29)가 형성된다.

이 때문에 제 5 도중 실선으로 나타낸 것과 같이 본 실시예의 연소효율은 도면중 파선으로 나타낸 종래예의 것에 비해서 연소효율을 향상시킬 수 있다.

또 상기 실시예에서는 B부연료계(16b)에 고정오리피스(27)를 끼워 장치한 경우에 대해서 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 예를들면 이 고정오리피스(27)를 조정변으로 바꾸고 작은 압력조정을 가능하게 하든지 부연료노즐의 2중 연료노즐을 복수의 작은 연료노즐로 하고 연료노즐의 개수로 부연료계통의 유량변화에 대응시키도록 개수로 부연료계통의 유량변화에 대응시키도록 구성하여도 좋다.

이상 설명한 바와같이 본 발명의 제 1 태양은 주연료계와 부연료계를 갖는 낮은 NOx의 가스터빈 연소기에 있어서 이 부연료계를 복수계통 설비하고 또 이에 대응한 각 부연료노즐을 갖게 하고 또 주연료계통이 도입되었을때에 그만큼 삭감되는 부연료계의 연료류량에 대응한 별도의 연료노즐 면적을 갖도록한 2중 연료노즐로 함으로써 운전도중에 발생되는 과대한 공급연료 압력을 방지할 수 있다.

이 때문에 계통기기의 내압압력도 저하되고 원가저감 및 기기의 안전성등에 있어서 우수한 효과를 가져온다.

또 연료계 제어변에 있어서 부연료계는 주연료계 제어변에만 의존 조정되고 계통별 연료분배 제어는 2계통뿐이고 그 제어를 간단히 행할 수 있다.

또 본 발명의 제 2 태양은 복수계통의 부연료노즐 구멍을 동일 부연료노즐의 공기 선회날개내에 따로따로 설비하였으므로 그 연소대역 반경이 넓혀짐에 따른 예비혼합연료의 일시연소대역으로 집어넣음에 의한 균일연소를 달성할 수 있어 다중화된 부연료계통을 갖는 낮은 NOx연소기에 있어서의 연소효율의 개선 및 낮은 NOx효과를 한층 더 증대시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 연료를 노즐구멍에서 분출시키는 주연료노즐(18) 및 부연료노즐(19)을 구비한 연소기 라이너(17), 상기 주연료노즐에 연료를 공급하여 이 노즐에서 분출되는 연료를 연소용 공기와 예비혼합하여 상기 연소기 라이너내에서 희박연소시키는 주연료계(15), 상기 부연료노즐에 연료를 공급하여 이 노즐에서 분출되는 연료를 선회날개를 거쳐서 유입되는 연소용 공기와 혼합하여 상기 연소기 라이너내에서 확산연소시키는 부연료계(16a,16b) 및 상기 부연료계 및 상기 주연료계에 1단부를 분기시켜서 이들의 연료계에 연료를 공급하는 연료공급모계(12)를 갖는 가스터빈 연소기에 있어서, 상기 부연료노즐을 포함하는 부연료계를 복수계통 설비하여 그중의 적어도 1계통과 상기 주연료계통의 각각의 도중에 이들 양계통에 공급하는 연료의 분배 비율을 제어하는 고정오리피스(27) 또는 분배변(25,26)을 각각 끼워 장치한 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 부연료노즐(19)이 각각의 노즐구멍(22a,22b)을 선회날개내의 연소용 공기 통풍로에서 개구시킨 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기.