WO2015034133A1 - 연소불안정 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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안광호
류광년
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Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring combustion dynamic pressure of a gas turbine, and more particularly, to a control device for measuring and controlling combustion instability inside a combustor and a control method thereof.
  • a gas turbine In general, a gas turbine consists of a compressor, a combustor, and a turbine, and the compressed air in the compressor is mixed with fuel and combusted in the combustor. At this time, chemical energy is converted into kinetic energy through thermal energy, and the generated gas drives the turbine.
  • the type of combustion in the gas turbine changed from diffuse flame to premixed flame according to the type of combustion generated. This has the side effect that combustion near theoretical fuel ratio has an increase of exhaust emissions by thermal NOx, and the exhaust emission regulation is strengthened with increasing environmental concern, so the concept of lean combustion is important in response to this. do.
  • the diagnostic module the kurtosis value k of the combustion dynamic pressure signal ( p ) It may be characterized by the.
  • the combustion instability control method for controlling the operation of the gas turbine by measuring the combustion dynamic pressure of the gas turbine, determining the combustion dynamic pressure signal p according to the combustion dynamic pressure measured at the gas turbine step; Calculating a kurtosis value k of combustion dynamic pressure based on the combustion dynamic pressure signal p ; Comparing the kurtosis value k of the combustion dynamic pressure signal p with a reference value k th for a predetermined combustion instability determination and determining the gas turbine as combustion instability when the kurtosis value of the combustion dynamic pressure is less than or equal to the reference value; And if the combustion instability of the gas turbine is determined, it provides a combustion instability control method comprising the step of controlling the combustion through the load reduction.
  • the gas turbine combustion instability control method and control method thereof according to the present invention provide the following effects.
  • FIG. 1 is a block diagram of a gas turbine combustion instability control device according to an embodiment of the present invention
  • 3 is a graph showing that combustion of the gas turbine is a stable region using data of combustion dynamic pressure
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a control method of a combustion instability control device for a gas turbine shown in FIG. 1.
  • the present invention includes a combustion unit including a hollow combustion chamber, a gas turbine connected to a combustion chamber, and a dynamic pressure sensor mounted inside the combustion chamber to measure combustion dynamic pressure inside the combustion chamber; Combustion dynamic signal p according to the combustion dynamic pressure measured by the dynamic pressure sensor is signal-processed, and the kurtosis value k of the combustion dynamic pressure signal p is calculated, and it is compared with the kurtosis reference value k th , resulting in combustion instability. Diagnostic module to evaluate the; And a combustion control unit for controlling the operation of the combustion unit in accordance with the determination of the diagnostic module.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a gas turbine combustion instability control device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a graph showing an example of the combustion of the gas turbine transition from the stable region to the unstable region by measuring the combustion dynamic pressure.
  • 3 is a graph showing combustion of the gas turbine in a stable region by measuring combustion dynamic pressure
  • FIG. 4 is a graph showing combustion of a gas turbine in unstable region by measuring combustion dynamic pressure
  • FIG. 5 is a combustion dynamic pressure. This is a graph showing the kurtosis value for the measured data in the time domain.
  • the combustion unit 100 is a hollow combustion chamber 110, a gas turbine 120 to be inside the combustion chamber and the combustion chamber 110, the dynamic pressure sensor for measuring the combustion dynamic pressure inside the combustion chamber 110 ( 130).
  • Combustion air and fuel are supplied to the combustion chamber 110 to generate combustion.
  • Gas burned in the combustion chamber 110 may drive the gas turbine 120 to generate power.
  • combustion instability may appear in the combustion chamber 110.
  • the dynamic pressure sensor 130 is mounted inside the combustion chamber 110. It is also possible to be connected via a conduit connected with the combustion chamber 110.
  • the dynamic pressure sensor 130 measures the combustion instability caused by the interaction between the heat release fluctuation occurring in the combustion chamber 110 and the acoustic pressure perturbation of the medium inside the combustion chamber 110. At this time, the acoustic oscillation (Acoustic oscillation) may cause the structural vibration (Structural vibration) and the resonance (Resonance).
  • the diagnostic module 200 processes the combustion dynamic pressure signal p according to the combustion dynamic pressure measured by the dynamic pressure sensor 130 to calculate a kurtosis value k of the combustion dynamic pressure signal p , Combustion instability is judged by comparing with the standard value of Kurtosis.
  • Kurtosis is a factor that describes the form of stochastic distribution of a given data.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of the combustion of the gas turbine is shifted from the stable region to an unstable region by measuring the combustion dynamic pressure
  • Figure 3 is a graph showing that the combustion of the gas turbine is a stable region by measuring the combustion dynamic pressure
  • 4 is a graph illustrating combustion dynamic pressure of the gas turbine as an unstable region.
  • region I is a case where the combustion of the gas turbine is stable in the combustion chamber 110. It can be seen that the waveform in the region I is in the stable region in contrast to the graph waveform when the gas turbine of FIG. 3 is in the stable region.
  • Region II is a graph showing the dynamic pressure data at the point where the combustion instability of the gas turbine starts in the combustion chamber 110. The waveform of the region II is a graph waveform when the combustion of the gas turbine of FIG. In contrast, it can be confirmed that it is in an unstable region.
  • 5 is a graph showing kurtosis values for combustion dynamic pressure in a time domain.
  • the kurtosis value 1.5 for the sine wave provides a reference value for diagnosis of combustion instability using combustion dynamic pressure.
  • the kurtosis value k calculated numerically by calculating the data of the combustion dynamic pressure signal p is that combustion instability occurs in the combustion chamber 110, and the measured dynamic dynamic waveform shows very large sine wave characteristics. Close to 1.5.
  • the kurtosis value for combustion dynamic pressure approaches 1.5 as the combustion instability increases over time.
  • the diagnostic module 200 when compared to the kurtosis value (k) of the combustion dynamic pressure signal (p) with a reference value (k th) of said kurtosis the Kurtosis value (k) is less than or equal to the reference value (k th) It may be characterized in that it is judged as combustion instability.
  • the kurtosis reference value is determined by the following equation.
  • k 1 is the correction value for the kurtosis 1.5 of the sinusoidal function, and is generated in the process of discretizing the combustion dynamic pressure signal and sampling frequency and dynamic pressure signal of the combustion dynamic pressure measurement equipment. This value is calculated according to the processing cycle of.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a control method of the combustion instability control device 400 for the gas turbine shown in FIG. 1.
  • a gas turbine combustion instability control method is a method of controlling combustion instability of a gas turbine using the gas turbine combustion instability control device 400.
  • the gas turbine combustion instability control device includes a combustion unit 100, a diagnosis module 200, and a combustion control unit 300.
  • Combustion instability may be indicated by the commencement of combustion near the lean limit in the combustion chamber 110.
  • the combustion dynamic pressure signal p is determined according to the combustion dynamic pressure measured at the gas turbine (S100).
  • the combustion dynamic pressure signal p is converted into an electrical signal for the signal processing of the measured dynamic pressure measured by the dynamic pressure sensor 130 provided in the combustion unit 100, and then the combustion dynamic pressure signal p is It is delivered to the diagnostic module.
  • the kurtosis value k of the combustion dynamic pressure is calculated based on the combustion dynamic pressure signal p (S200).
  • k One Is a correction value for kurtosis 1.5 of sine wave function, and is calculated according to sampling frequency of combustion dynamic pressure measurement equipment, sampling frequency of combustion dynamic pressure measurement equipment, and processing period of dynamic pressure signal, k 2 Is a constant calculated empirically depending on the combustion characteristics.
  • the kurtosis value of the combustion dynamic pressure is compared with the calculated kurtosis value k of the combustion dynamic pressure with a reference value K th for a preset combustion instability determination. If it exceeds, it may be characterized by continuing the operation of the gas turbine (S600).
  • the combustion instability occurs when the kurtosis value k of the combustion dynamic pressure satisfies the following equation during actual operation of the gas turbine. In this case, it is determined that the combustion is unstable (S400), the combustion of the gas turbine is controlled by reducing the load (S500).

Abstract

본 발명은 가스터빈의 연소동압을 측정하여 상기 가스터빈의 운전을 제어하는 연소불안정 제어 장치 있어서, 중공의 연소실과, 연소실 내부에 연결되는 가스터빈과, 상기 연소실 내부에 장착되어 상기 연소실 내부의 연소동압을 측정하는 동압센서를 구비하는 연소부; 동압센서에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 신호 처리하여, 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)을 계산하고, 이를 첨도의 기준 값(k th )과 비교하여 연소불안정을 평가하는 진단모듈; 및 진단모듈의 판정에 따라 상기 연소부의 운전을 제어하는 연소제어부를 포함하는 가스터빈 연소불안정 제어장치를 제공한다. 따라서 가스터빈의 연소동압을 측정하고 측정된 데이터를 바탕으로 신호 처리를 통하여 용이하게 연소불안정을 판단할 수 있으며, 종래의 연소불안정 진단 방법의 인자로 사용되는 연소동압의 실효값(Root mean square) 및 감쇠비(Damping ratio)의 불확실성을 극복하고, 측정된 연소동압을 주파수 영역으로 변환하지 않고 직접 시간영역에서 실시간으로 분석하여 이에 따른 추가적인 신호 처리가 불필요하다.

Description

연소불안정 제어장치 및 그 제어방법
본 발명은 가스터빈의 연소동압을 측정하는 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 연소기 내부의 연소불안정을 측정하여 제어하는 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가스터빈은 크게 압축기와 연소기 그리고 터빈으로 구성되어 있으며, 압축기에서 압축된 공기는 연료와 혼합되어 연소기에서 연소된다. 이때 화학에너지는 열에너지를 거쳐 운동에너지로 에너지 변환이 이루어지고, 생성된 가스는 터빈을 구동시키게 된다. 가스터빈 내에서 연소의 형태는 발생되는 연소의 형태에 따라 확산화염에서 예혼합화염의 형태로 변화하였다. 이는 이론공연비 근처에서의 연소는 열적 녹스(NOx)에 의한 배기배출물의 증가라는 부작용이 있고, 또한 환경에 대한 관심이 증가되면서 배기배출규제가 강화되어, 이에 대응하는 노력으로 희박연소의 개념이 중요시 된다.
그러나 희박연소에서 희박가연한계(Lean limit) 근처에서 연소는 화염이 불안정해지는 단점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자, 신호 처리방법으로 연소불안정을 측정하여 제어하기 위한 방법이 제안되었으며, 상기한 바와 같은 연소불안정 측정의 실시예로, 대한민국 공개특허공보 특2003-0036206호는 가스엔진 등의 노킹, 실화나 소염 발생시의 연소상태를 조정하여 엔진의 운전을 원활하게 수행할 수 있도록 하며, 통내 압력 검출의 이상 발생을 신속하게 검지할 수 있게 하여 엔진의 운전을 정지시키지 않고 대처 가능하게 한 내연기관의 연소진단/연소제어장치를 제공하는 것으로, 상기 연소실 내의 압력을 검출하는 통내 압력 검출기로부터의 통내 압력 검출값에 따라 통내 최고압력 (Pp) 과 압축 행정에서의 1 또는 복수의 임의점의 압축압력 (PO) 의 최고압력비 (Pp/P0) 를 산출하는 수단과, 상기 최고압력비 (Pp/P0) 와 진단 카테고리마다 단계적으로 설정된 압력비(이하 임계값 압력비라 함)를 비교하는 수단과, 1 또는 복수의 운전 사이클마다 상기 비교 출력을 판정하고 상기 연소실 내의 통내 압력상태 등의 연소상태를 진단하는 수단(단계)으로 이루어지며, 예컨대 통내 최고압력(Pp)과 압축 행정에서의 임의점의 압축압력 (P0)의 최고압력비(Pp/P0)를 산출하는 수단 및 연소 행정에서의 임의점의 압력(P1)과 상기 압축 행정에서의 임의점의 압력(P0)의 연소압력비(P1/P0)를 산출하는 수단(단계)과 상기 최고압력비 (Pp/P0)가 설정된 허용 최소압력비(Pn) 보다 작고 (Pp/P0 ≤Pn) 또 상기 연소압력비(P1/P0)가 설정된 실화 허용 압력비(Pm) 보다 작아 (P1/P0≤Pm) 진 경우 상기 연소실 내의 실화 발생을 판정 하도록 구성하여 내연기관의 연소를 진단하고 제어할 수 있는 방법을 개시하고 있다.
그런데, 종래의 내연기관의 연소 진단 장치는 내연기관의 최고압력, 임의점의 압축압력을 측정하여 최고압력비를 산출하고, 연소압력비와 비교하여 상기 연소실 내의 연소 상태를 파악하여, 상기 내연기관의 연소를 진단하는 제어장치이다.
따라서 최고압력과 임의점에서 압축압력을 측정하여 내연기관의 연소상태를 파악하는 것은 가스터빈의 정밀한 연소불안정을 판단할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 가스터빈의 연소동압을 측정하고, 측정된 데이터를 바탕으로 신호 처리하여 연소불안정 발생여부를 실시간으로 판단할 수 있는 가스터빈의 연소불안정 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 가스터빈의 연소동압을 측정하여 상기 가스터빈의 운전을 제어하는 연소불안정 제어 장치 있어서, 중공의 연소실과, 상기 연소실 내부에 장착되는 가스터빈과, 상기 연소실 내부에 장착되어 상기 연소실 내부의 연소동압을 측정하는 동압센서를 구비하는 연소부; 상기 동압센서에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 신호 처리하여 상기 연소동압신호(p)의 첨도값(k)을 계산하고, 이를 첨도의 기준값(k th )과 비교하여 연소안정을 평가하는 진단모듈; 및 상기 진단모듈의 판정에 따라 상기 연소부의 운전을 제어하는 연소제어부를 포함하는 가스터빈 연소불안정 제어장치를 제공한다.
또한 상기 진단모듈은, 상기 연소동압신호(p)의 첨도값 k를
Figure PCTKR2013010580-appb-I000001
에 의하여 결정된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 진단모듈은, 상기 연소동압신호(p)의 첨도값(k)를 상기 첨도의 기준값(k th )와 비교하여 상기 k 값이 k th 보다 작거나 같은 경우 연소불안정으로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 첨도의 기준값은 k th = 1.5 + k 1 + k 2 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 가스터빈의 연소동압을 측정하여 상기 가스터빈의 운전을 제어하는 연소불안정 제어방법에 있어서, 상기 가스터빈에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 결정하는 단계; 상기 연소동압신호(p)에 기초하여 연소동압의 첨도값(k)를 계산하는 단계; 상기 연소동압신호(p)의 첨도값(k)를 미리 설정된 연소불안정 판단을 위한 기준값(k th )과 비교하여 연소동압의 첨도값이 기준값 이하인 경우에는 상기 가스터빈을 연소불안정으로 판단하는 단계; 및 상기 가스터빈의 연소불안정이 결정되면, 부하 감발을 통하여 연소를 제어하는 단계를 포함하는 연소불안정 제어방법을 제공한다.
또한 상기 연소동압의 첨도값(k)는
Figure PCTKR2013010580-appb-I000002
에 의하여 결정된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 첨도의 기준값 k th 는 k th = 1.5 + k 1 + k 2 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 가스터빈 연소불안정 제어방치 및 그 제어방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 가스터빈의 연소동압을 측정하고 측정된 데이터를 바탕으로 신호처리를 통하여 용이하게 연소불안정을 판단할 수 있다.
둘째, 종래의 연소불안정 진단 방법의 인자로 사용되는 연소동압의 실효값(Root mean square) 및 감쇠비(Damping ratio)의 불확실성을 극복할 수 있다.
셋째, 측정된 연소동압을 주파수 영역으로 변환하지 않고 직접 시간영역에서 실시간으로 분석하여 이에 따른 추가적인 신호처리가 불필요하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 제어장치의 구성도,
도 2는 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 안정 영역에서 불안정 영역으로 천이되는 예를 나타낸 그래프,
도 3은 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 안정 영역임을 나타낸 그래프,
도 4는 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 불안정 영역임을 나타낸 그래프,
도 5는 연소동압의 측정 데이터에 대한 첨도 값을 시간영역에서 나타낸 그래프,
도 6은 도 1에 나타낸 가스터빈의 연소불안정 제어장치의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 중공의 연소실과, 연소실 내부에 연결되는 가스터빈과, 상기 연소실 내부에 장착되어 상기 연소실 내부의 연소동압을 측정하는 동압센서를 구비하는 연소부; 동압센서에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 신호 처리하여, 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)을 계산하고, 이를 첨도의 기준 값(k th )과 비교하여 연소불안정을 평가하는 진단모듈; 및 진단모듈의 판정에 따라 상기 연소부의 운전을 제어하는 연소제어부를 포함하는 가스터빈 연소불안정 제어장치를 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 제어장치의 구성도이고, 도 2는 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 안정 영역에서 불안정 영역으로 천이되는 예를 나타낸 그래프이며, 도 3은 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 안정 영역임을 나타낸 그래프이고, 도 4는 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 불안정 영역임을 나타낸 그래프이며, 도 5는 연소동압의 측정 데이터에 대한 첨도 값을 시간영역에서 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가스터빈 연소불안정 제어장치는 가스터빈 등 각종 연소기의 연소불안정을 탐지하고 이를 활용하여 연소불안정을 감소시켜 가스터빈의 안정적이고 효율적인 운전을 가능하게 하는 것을 의미한다. 이를 위해 상기 가스터빈 연소불안전 제어장치(400)는 연소부(100), 진단모듈(200) 및 연소제어부(300)를 포함한다.
여기서 상기 연소부(100)는 중공의 연소실(110)과 상기 연소실 내부에 되는 가스터빈(120)과 상기 연소실(110) 내부에 장착되어 상기 연소실(110) 내부의 연소동압을 측정하는 동압센서(130)를 구비한다.
상기 연소실(110)에는 압축공기와 연료가 공급되어 연소가 발생된다. 연소실(110)에서 연소된 가스는 상기 가스터빈(120)을 구동하여 동력을 발생시킬 수 있다. 상기 연소실(110) 내에서 희박가연한계(Lean limit) 근처의 연소가 시작되면 상기 연소실(110) 내부에서는 연소불안정이 나타날 수 있다.
상기 동압센서(130)는 상기 연소실(110) 내부에 장착되어 있으나. 연소실(110)과 연결되는 도관을 통하여 연결되는 것도 가능하다. 상기 동압센서(130)는 연소실(110) 내부에서 발생하는 연소 열방출율 변동(Heat release fluctuation) 및 연소실(110) 내부 매질의 음압 섭동(Acoustic pressure perturbation)이 상호 작용하면서 생기는 연소불안정을 측정하기 위한 것으로, 이 때 발생하는 음향진동(Acoustic oscillation)은 연소기 구조물 진동(Structural vibration)과 공진현상(Resonance)을 초래할 수 있다.
상기 동압센서(130)는 압전형 압력센서(Piezoelectric pressure transducer)를 사용할 수 있으며, 압력범위가 0.3 psi 내지 15 psi인 것이 바람직하다. 또한 상기 동압센서(130)는 사용빈도 및 사용조건에 따라 물리적 특성이 변화할 수 있기 때문에 계측전후에 동압센서(130)를 교정할 수 있는 교정시스템을 구비할 수 있다.
상기 동압센서(130)에 감지된 측정값은 수치적 해석을 위하여 전기신호로 변환하여 연소동압신호(p)를 발생시키고, 이 후에 상기 연소동압신호(p)는 상기 진단모듈(200)로 전달된다.
상기 연소실(110) 내에서 측정되는 연소불안정은 일종의 공진현상이므로, 공진 주파수 성분에 대한 응답이 다른 주파수 성부에 대한 응답에 비해 지배적으로 커지는 현상이다. 따라서 상기 연소불안정이 발생하게 되면 공진 주파수 성분에 대한 응답은 자연적으로 큰 진폭을 가지는 정현파(Sinusoids)로 나타나게 되고, 나머지 주파수 성분에 대한 응답은 미소한 노이즈 성분으로 나타난다.
상기 진단모듈(200)은 상기 동압센서(130)에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 신호 처리하여 상기 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)을 계산하고, 이를 첨도(Kurtosis)의 기준값과 비교하여 연소불안정을 판단한다. 여기서 첨도는 주어진 데이터의 확률적 분포 형태를 묘사하는 인자이다.
상기 진단모듈(200)은 상기 연소동압신호(p)의 첨도 값 k를 하기식에 의하여 결정된 것을 특징으로 할 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2013010580-appb-M000001
여기서 n은 첨도 계산을 위해 설정된 신호처리 주기 내에 포함된 연소동압의 데이터의 수이고, p i 은 시간 t=ti (i=1, 2, 3,...,n)에서의 연소동압신호의 실제 측정값이고,
Figure PCTKR2013010580-appb-I000003
의 값은 연소동압신호(p)의 평균치이다.
정규 분포(Normal distribution)를 나타낸 데이터에 대한 첨도 값은 3이며, 순수 정현파 형태의 첨도 값은 1.5이다.
도 2은 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 안정 영역에서 불안정 영역으로 천이되는 예를 나타낸 그래프이고, 도 3은 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 안정 영역임을 나타낸 그래프이며, 도 4는 연소동압을 측정한 데이터로 가스터빈의 연소가 불안정 영역임을 나타낸 그래프이다.
도면을 참조하면, 영역 Ⅰ은 상기 연소실(110) 내에서 가스터빈의 연소가 안정적으로 이루어지는 경우이다. 상기 영역 Ⅰ에 있어서 파형은 도 3의 가스터빈의 연소가 안정 영역일 경우의 그래프 파형과 대조하여 안정 영역에 있음을 확인할 수 있다. 영역 Ⅱ는 상기 연소실(110) 내에서 가스터빈의 연소불안정이 시작되는 점의 동압의 데이터를 나타낸 그래프이고, 상기 영역 Ⅱ의 파형은 도 4의 가스터빈의 연소가 불안정 영역일 경우의 그래프 파형과 대조하여 불안정 영역에 있음을 확인할 수 있다.
노이즈 성분은 상기 영역 Ⅰ에서만 존재하는 반면 상대적으로 진폭이 큰 정현파의 미소한 노이즈 성분들은 영역 Ⅱ에서만 실려 있음을 알 수 있다. 연소동압 데이터는 연소불안정이 발생되는 시점에서 공진 주파수에 해당하는 정현파가 지배적으로 나타나기 시작한다.
도 5는 연소동압에 대한 첨도 값을 시간영역에서 나타낸 그래프이다.
도면을 참조하면, 상기 정현파에 대한 첨도 값 1.5는 연소동압을 이용한 연소불안정 진단에 대한 기준값을 제공한다. 측정된 상기 연소동압신호(p)의 데이터를 수치적으로 계산한 첨도 값(k)은 상기 연소실(110) 내에서 연소불안정이 발생하여 측정된 연소동압의 파형이 정현파의 특성을 매우 크게 나타내기 때문에 1.5에 근접한다.
따라서 연소동압에 대한 첨도 값은 시간영격에서 연소불안정성이 커질수록 1.5에 근접한다.
한편 상기 진단모듈(200)은 상기 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)를 상기 첨도의 기준값(k th )와 비교하여 상기 첨도값( k )이 기준값(k th )보다 작거나 같은 경우 에는 연소불안정으로 판단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서 상기 첨도의 기준값은 하기 식으로 정해진다.
수학식 2
Figure PCTKR2013010580-appb-M000002
상기 식에서 1.5는 정현파 함수에 대한 첨도 값이고, k 1 은 정현파 함수의 첨도 1.5에 대한 보정 값으로 연속적인 연소동압 신호를 이산화(Discretization)하는 과정에서 발생하며 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 동압신호의 처리 주기에 따라 계산되는 값이다.
상기 k 2 는 연소 특성에 따라 경험적으로 산출되는 보정 값이며, 운전조건, 안전계수, 경제성을 고려하여 사용자가 선택할 수 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 가스터빈 연소불안정 제어장치를 이용한 연소불안정 제어방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 6은 도 1에 나타낸 가스터빈의 연소불안정 제어장치(400)의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 가스터빈 연소불안정 제어방법은 상기 가스터빈 연소불안정 제어장치(400)를 이용하여 가스터빈의 연소불안정을 제어하는 방법이다. 여기서도 상기 가스터빈 연소불안정 제어장치는 연소부(100), 진단모듈(200) 및 연소제어부(300)를 포함한다.
우선 압축공기 및 연료는 가스터빈에 구비되어 있는 상기 연소부(100)에 분사되고, 상기 가스터빈은 연소가 시작된다. 연소불안정은 상기 연소실(110) 내에서 희박가연한계(Lean limit) 근처의 연소가 시작되어 나타날 수 있다.
이때 연소동압신호(p)는 상기 가스터빈에서 측정된 연소동압에 따라 결정한다(S100).
연소동압신호(p)는 상기 연소부(100)에 구비된 동압센서(130)에 감지된 연소동압의 측정값을 신호 처리를 위하여 전기신호로 변환되고, 이 후에 상기 연소동압신호(p)는 상기 진단모듈로 전달된다.
연소동압의 첨도 값(k)은 상기 연소동압신호(p)에 기초하여 계산한다(S200).
여기서 상기 첨도 값(k)은
Figure PCTKR2013010580-appb-I000004
에 의하여 결정된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 n은 첨도 계산을 위해 설정된 신호처리 주기 내에 포함된 연소동압의 데이터의 수이고, p i 은 시간 t=ti (i=1, 2, 3,...,n)에서의 연소동압신호의 실제 측정값이고, p 의 값은 연소동압신호(p)의 평균치이다.
상기 첨도의 기준값 k th 는 k th = 1.5 + k 1 + k 2 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 1.5는 정현파 함수에 대한 첨도값이고, k 1 은 정현파 함수의 첨도 1.5에 대한 보정값으로 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 동압신호의 처리 주기에 따라 계산되는 값이며, k 2 는 연소 특성에 따라 경험적으로 산출되는 상수이다.
연소동압의 첨도 값(k)은 미리 설정된 연소불안정 판단을 위한 기준값(kth)과 비교하여(S300), 기준값 이하인 경우에는 상기 가스터빈을 연소불안정으로 판단한다(S400).
상기 가스터빈을 연소불안정으로 판단하는 단계(S300)는, 상기 계산된 연소동압의 첨도 값(k)을 미리 설정된 연소불안정 판단을 위한 기준값(K th )과 비교하여 연소동압의 첨도 값이 기준 값을 초과하는 경우에는 상기 가스터빈의 운전을 계속하는 것(S600)을 특징으로 할 수 있다.
여기서 연소불안정이 발생하는 것은 연소동압의 첨도 값(k)이 가스터빈의 실제 운전 시 하기의 식을 만족하는 경우이다. 이 경우 연소불안정으로 판단하고(S400), 상기 가스터빈은 부하 감발을 통하여 연소가 제어된다(S500).
수학식 3
Figure PCTKR2013010580-appb-M000003
상기 연소동압의 첨도 값(k)이 정현파의 첨도 값 1.5 이상이고, 첨도의 기준 값(K th )이하인 경우에는 연소불안정으로 판단한다(S400).
본 발명은 가스터빈의 연소동압을 측정하여 상기 가스터빈의 운전을 제어하기 위하여 연소동압의 첨도를 실시간으로 계산하고 특히 측정된 연소동압신호를 신호 처리하여 정현파에 대한 첨도 값인 1.5에 대한 보정 값을 반영한 첨도 기준 값을 연소불안정 발생 여부에 대한 판정 인자로 선택하여, 종래와 다르게 연소동압신호의 데이터를 주파수 영역으로 변환하지 않고 직접 시간영역에서 실시간으로 분석하여 연소불안정을 진단할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 가스터빈 연소불안정 제어장치 및 그 제어방법에 의하면, 가스터빈의 연소동압을 측정하고 측정된 데이터를 바탕으로 신호 처리를 통하여 용이하게 연소불안정을 판단할 수 있으며, 종래의 연소불안정 진단 방법의 인자로 사용되는 연소동압의 실효값(Root mean square) 및 감쇠비(Damping ratio)의 불확실성을 극복하고, 측정된 연소동압을 주파수 영역으로 변환하지 않고 직접 시간영역에서 실시간으로 분석하여 이에 따른 추가적인 신호 처리가 불필요하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 가스터빈의 연소동압을 측정하여 상기 가스터빈의 운전을 제어하는 연소불안정 제어장치 있어서,
    중공의 연소실과, 상기 연소실 내부에 연결되는 상기 가스터빈과, 상기 연소실 내부에 장착되어 상기 연소실 내부의 연소동압을 측정하는 동압센서를 구비하는 연소부;
    상기 동압센서에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 신호 처리하여, 상기 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)을 계산하고, 이를 첨도의 기준 값(k th )과 비교하여 연소불안정을 평가하는 진단모듈; 및
    상기 진단모듈의 판정에 따라 상기 연소부의 운전을 제어하는 연소제어부를 포함하는 가스터빈 연소불안정 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단모듈은,
    상기 연소동압신호(p)의 첨도 값 k를
    Figure PCTKR2013010580-appb-I000005
    에 의하여 결정된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소불안정 제어장치.
    (여기서 n은 첨도 계산을 위해 설정된 신호처리 주기 내에 포함된 연소동압의 데이터의 수이고, p i 은 시간 t=ti (i=1, 2, 3,...,n)에서의 연소동압신호의 실제 측정값이고,
    Figure PCTKR2013010580-appb-I000006
    의 값은 연소동압신호(p)의 평균치이다.)
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진단모듈은,
    상기 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)를 상기 첨도의 기준 값(k th )와 비교하여 상기 k 값이 k th 보다 작거나 같은 경우 연소불안정으로 판단하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소불안정 제어장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 첨도의 기준 값은 k th = 1.5 + k 1 + k 2 인 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소불안정 제어장치.
    (여기서 1.5는 정현파 함수에 대한 첨도 값이고, k 1 은 정현파 함수의 첨도 1.5에 대한 보정 값으로 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 동압신호의 처리 주기에 따라 계산되는 값이며, k 2 는 연소 특성에 따라 경험적으로 산출되는 상수이다.)
  5. 가스터빈의 연소동압을 측정하여 상기 가스터빈의 운전을 제어하는 연소불안정 제어방법에 있어서,
    상기 가스터빈에서 측정된 연소동압에 따른 연소동압신호(p)를 결정하는 단계;
    상기 연소동압신호(p)에 기초하여 연소동압의 첨도 값(k)를 계산하는 단계;
    상기 연소동압신호(p)의 첨도 값(k)를 미리 설정된 연소불안정 판단을 위한 기준값(kth)과 비교하여 연소동압의 첨도값이 기준값 이하인 경우에는 상기 가스터빈을 연소불안정으로 판단하는 단계; 및
    상기 가스터빈의 연소불안정이 결정되면 부하 감발을 통하여 연소를 제어하는 단계를 포함하는 연소불안정 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연소동압의 첨도값(k)는
    Figure PCTKR2013010580-appb-I000007
    에 의하여 결정된 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소불안정 제어방법.
    (여기서 n은 첨도 계산을 위해 설정된 신호처리 주기 내에 포함된 연소동압의 데이터의 수이고, p i 은 시간 t=ti (i=1, 2, 3,...,n)에서의 연소동압신호의 실제 측정값이고, p 의 값은 연소동압신호(p)의 평균치이다.)
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 첨도의 기준값 k th 는 k th = 1.5 + k 1 + k 2 인 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소불안정 제어장치.
    (여기서 1.5는 정현파 함수에 대한 첨도 값이고, k 1 은 정현파 함수의 첨도 1.5에 대한 보정 값으로 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 연소동압 측정 장비의 샘플링 주파수 및 동압신호의 처리 주기에 따라 계산되는 값이며, k 2 는 연소 특성에 따라 경험적으로 산출되는 상수이다.)
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 가스터빈을 연소불안정으로 판단하는 단계는,
    상기 계산된 연소동압의 첨도 값(k)를 미리 설정된 연소불안정 판단을 위한 기준값(kth)과 비교하여 연소동압의 첨도 값이 기준 값 초과하는 경우에는 상기 가스터빈의 운전을 계속하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소불안정 제어방법.
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