WO2017094965A1 - 가스터빈 연소상태 진단장치 - Google Patents

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WO2017094965A1
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combustion
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ultrasonic
flame
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이민철
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인천대학교 산학협력단
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01K11/22—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects
    • G01K11/24—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of acoustic effects of the velocity of propagation of sound
    • G—PHYSICS
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    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine combustion state diagnosis apparatus, and more particularly, to detect the suspended solids generated in accordance with the combustion state in the gas turbine combustor using infrared rays, and to measure the change in flame temperature using ultrasonic waves Thereby, the present invention relates to a gas turbine combustion state diagnosis apparatus that allows proper control of the gas turbine.
  • the gas turbine power generation system can continuously prevent combustion accidents caused by unstable combustion in the gas turbine combustor through precise monitoring of the flame state of fuel injected by the nozzle and continuously improve the combustion efficiency. Development is taking place.
  • a dynamic pressure sensor is installed on the gas turbine combustor in order to monitor or control the flame state of fuel, and analyze the magnitude and frequency of dynamic pressure. If a dynamic pressure signal over a predetermined range is detected, an appropriate alarm according to the magnitude of the excess variation Actions are taken in stages.
  • the suspended solids (PM) having a size of 1 ⁇ m or more are fuels produced by coal gasification when unburned hydrocarbons (UHCs, or incomplete combustion products) are combined in a lump form, or when metals are contained in the fuel. If the fly ash component contained in the filter is not sufficiently filtered, it is mainly generated when the fly ash is injected into the combustor due to aging of the fuel or air supply pipe.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0071671 (published date: 2015.06.26) among the prior arts on such an extension line provides a method of measuring vibrational reactions of a combustor using thermoacoustic sensors such as dynamic pressure sensors in the combustor. . More specifically, combustion abnormalities are identified by wavelet or Fourier analysis techniques; Determine the bulk temperature characteristics in the combustor with basic mode frequency analysis techniques; And optionally, an integrated monitoring and control system controller correlates sensor readings with combustion thermoacoustic attributes to determine absolute active path temperatures in the combustor with acoustic pyrometry transmission and propagation time analysis techniques. Explain that temperature can be monitored in real time.
  • this prior art merely describes a method related to the utilization or arrangement of a dynamic pressure sensor or the like to indirectly calculate the flame temperature outside the combustor housing, rather than directly calculating the flame temperature in the combustor.
  • the accuracy of the temperature measurement is poor, and as a plurality of sensors are complicatedly installed, there is a problem that installation or maintenance is difficult.
  • PM suspended solids
  • more accurate flame temperature measurements can be made by direct measurement, with fewer component counts that can be easily added to conventional combustion diagnostic tubes that are equipped without the need for additional structural changes or replacements for expensive combustors.
  • the object of the present invention is a combustion diagnostic tube which has an opening at one end thereof and communicates with the inner space of the combustor for the gas turbine, and the other end is protruded outwardly;
  • An infrared oscillator provided to communicate with one side of the combustion diagnostic tube to generate infrared rays into the combustion diagnostic tube;
  • a dichroic optical mirror provided in the combustion diagnostic tube and configured to first reflect only a portion of the infrared rays into the combustor, and transmit the rest of the infrared rays;
  • An optical sensor provided at the other end of the combustion diagnostic tube to measure the intensity of the second reflected light returned by the combustor inner reflecting surface among the first reflected light reflected through the dichroic optical mirror;
  • a controller connected to and controlled by the infrared oscillator and the optical sensor, and determining the amount of floating solids included in the flame in the combustor based on the measured intensity of the second reflected light. Achieved by a turbine
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus may further include a beam dump on one side of the combustion diagnostic tube facing the infrared oscillator so as to absorb the transmitted light transmitted through the dichroic optical mirror among the infrared rays.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus may further include a convex lens between the optical sensor and the dichroic optical mirror so that the second reflected light may be focused on the optical sensor after passing through the dichroic optical mirror.
  • the combustion diagnostic tube comprises a main tube made of a straight pipe shape communicating with the combustor through the opening, and a subtube protruding from one side of the main tube and inclined toward the combustor.
  • the infrared oscillator includes: An infrared ray having a wavelength of 0.5 ⁇ m to 1.5 ⁇ m can be generated so as to be mounted inside the subtube and to detect floating solids of 1 ⁇ m or more smoothly.
  • the dichroic optical mirror is installed at a position where the infrared rays can be reflected toward the combustor, and may have a light transmittance of 50%.
  • the control unit generates an initial value information by operating the infrared oscillator in a state where combustion is not performed in the combustor and measuring the intensity of the second reflected light through the optical sensor, and during combustion in the combustor, Is generated by measuring the intensity of the self-luminous generated by the optical sensor, and generates the infrared light through the infrared oscillator at predetermined time intervals during the combustion in the combustor, the infrared
  • the solid state measurement information is generated by measuring the intensity of the second reflected light through the optical sensor in a state where scattering is caused by the floating solids in the combustor in the form of the first and second reflected light, and the initial value information, the Quantify the amount of suspended solids in the flame based on the self-luminescence intensity information and the solids measurement information It can be calculated as.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus includes: an ultrasonic transmitter provided at the other end of the combustion diagnostic tube to generate a transmission ultrasonic wave through the combustion diagnostic tube toward the combustor; And an ultrasonic receiver provided inside the combustion diagnosis tube to generate the first reception signal by receiving the transmission ultrasonic waves, and to generate the second reception signal by receiving the reflected waves returned by the reflective surface among the transmission ultrasonic waves. And a flame temperature measuring module configured to be connected to the flame temperature measuring module, the controller being connected to and controlling the flame temperature measuring module, based on a separation distance L between the first and second received signals and the ultrasonic receiver and the reflecting surface. Flame temperature in the combustor can be measured.
  • the ultrasonic receiver comprises a first ultrasonic receiver inside the combustion diagnostic tube and a second ultrasonic receiver spaced apart toward the combustor so as to sequentially receive the transmitted ultrasonic waves, respectively, to receive the first-first received signal and the second-first received signal. And generate the second-received signal and the second-received signal by sequentially receiving the reflected waves returned by the combustor inner reflection surface of the transmission ultrasonic waves, respectively, wherein the controller is further configured to generate the received signal.
  • the flame temperature T can be calculated by.
  • the control unit in order to increase the accuracy of the flame temperature (T), the delay time ⁇ t 4 of the transmission ultrasonic wave with respect to the separation distance L2 from the second ultrasonic receiver to the opening, the speed of the transmission ultrasonic wave Calculated based on (C 1 ), and calculating the delay time ⁇ t 5 of the reflected wave with respect to the separation distance L2 from the opening to the second ultrasonic receiver based on the velocity C 2 of the reflected wave.
  • the flame rate equation C 2L3 / can be made by ( ⁇ t 2 - ⁇ t 5 - ⁇ t 4) calculates the ultrasonic speed (flame C) of in the combustor.
  • the controller controls the delay time ⁇ t 1 calculated based on the received signals 1-1, 2-1 and the delay time ⁇ t 3 calculated based on the 2-2, 1-2 received signals. In comparison, when there is a difference over a predetermined range, a measurement error signal may be generated.
  • the infrared rays generated by the infrared oscillator are reflected by the dichroic optical mirror toward the combustor, pass through the flame in the combustor, and then reflected by the combustor reflecting surface into the combustion diagnostic tube again, and then through the optical sensor.
  • a gas turbine combustion state diagnosis apparatus capable of determining whether or not floating solids (PM) of a predetermined size or more are generated.
  • the combustor uses an algorithm that utilizes an ultrasonic transmitter that directly transmits the ultrasonic wave directed toward the flame side of the combustor, and up to two ultrasonic receivers that each receive the transmitted ultrasonic wave and the reflected wave passed across the flame in the combustor. Being able to measure the flame temperature in the inside more directly, it is possible to provide a gas turbine combustion state diagnosis apparatus that can increase the precision or accuracy of the temperature measurement.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the entire gas turbine to which the gas turbine combustion state diagnostic apparatus according to the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a view for explaining the operation of the combustion state diagnosis apparatus according to the first embodiment of the present invention by enlarging the region shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the intensity of infrared rays for each section according to the operation of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a view for explaining the operation of the combustion state diagnosis apparatus according to a second embodiment in which a flame temperature measurement module is added.
  • FIG. 5 is a view for explaining the operation of the combustion state diagnosis apparatus according to a third embodiment to which the flame temperature measurement module is added.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a received signal and a separation distance according to the operation of FIG. 5.
  • FIG. 8 is a graph showing NO x emission characteristics according to flame temperature in a combustor for a gas turbine.
  • main tube 114 subtube
  • dichroic optical mirror 140 light sensor
  • control unit 160 beam dump
  • first ultrasonic receiver 184b second ultrasonic receiver
  • FIG. 1 is a perspective view showing an entire gas turbine to which a gas turbine combustion state diagnosis apparatus according to the present invention is applied
  • FIG. 2 is an enlarged region shown in FIG. 1 and a combustion state diagnosis apparatus according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view illustrating the operation of the infrared rays for each section according to the operation of FIG. 2
  • FIG. 4 is a combustion state diagnosis apparatus according to the second embodiment to which a flame temperature measuring module is added.
  • 5 is a view for explaining the operation
  • Figure 5 is a view for explaining the operation of the combustion state diagnosis apparatus according to a third embodiment in which the flame temperature measuring module is added
  • Figure 6 is spaced apart from the received signal according to the operation of FIG. a view showing the relationship between the distance
  • Fig. 7 is a graph showing the CO emission characteristics of the flame temperature in the combustor for a gas turbine, Figure 8 or the NO x emission characteristics of the flame temperature in the combustor for a gas turbine It is the art
  • the gas turbine 10 will be briefly described, as shown in FIG. 1, including a compressor 12, a combustor 20, a turbine 14, an exhaust port 16, and the like. It is composed.
  • the compressed air through the compressor 12 is introduced into the combustor 20 and combusted with the injected fuel, the gas of high temperature and high pressure generated at this time flows rapidly and the turbine 14 After rotating, the exhaust gas is discharged to the outside through the exhaust port 16.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 which is mounted and used in the gas turbine 10, may use the combustor 20 to determine whether floating solid matter PM in the gas turbine combustor 20 is generated. ) Is provided on one side.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 includes a pressure sensor (dynamic pressure sensor, a microphone, etc.) or a combustion diagnostic tube for measuring pressure in the combustion apparatus 20, in addition to the floating solid matter (PM) determination apparatus, which is dealt with in the present invention.
  • a device for receiving a radical signal from the self-luminous signal of the flame propagating toward 110 may be mounted.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 includes a combustion diagnosis tube 110 and an infrared oscillator 120 for detecting or discriminating suspended solids (PM) having a predetermined size or more in the combustor 20 of the gas turbine. ), A dichroic optical mirror 130, an optical sensor 140, a controller 150, and the like, and may further include a beam dump 160 and a convex lens 170.
  • the combustion diagnostic tube 110 is a component provided with a space in which the diagnostic apparatuses as described above are mounted.
  • the combustion diagnosis tube 110 is formed in a long pipe shape, and an opening 110a is provided at one end to communicate with the space inside the combustor 20. The other end is formed to protrude outward.
  • the combustion diagnostic tube 110 is manufactured in the shape of a pipe protruding outward from the combustor 20, the diagnostic apparatuses mounted thereon can be stably driven despite the high temperature and high pressure flame generated from the combustor 20. have. As a result, flame state basic information such as a self-luminous signal or an acoustic wave signal and second reflected light RL2 to be described later may be smoothly propagated into the combustion diagnosis tube 110.
  • the combustion diagnostic tube 110 according to the first embodiment of the present invention, the main tube 112 and the main tube (112) made of a straight pipe shape communicating with the combustor 20 through the opening (110a) 112) is formed of a subtube 114 protruding from one side but inclined toward the combustor 20.
  • the main tube 112 is formed such that its longitudinal direction is perpendicular to the reflective surface 20a of the combustor to be described later. This is because the first reflected light RL1 reflected through the dichroic optical mirror 130 is reflected 180 ° through the reflecting surface 20a of the combustor, and then toward the inside of the combustion diagnostic tube 110 in the form of the second reflected light RL2. This is to allow for a smooth propagation.
  • the combustor reflecting surface 20a is a surface in which the first reflected light RL1 reflected through the dichroic optical mirror 130 is reflected again among the inner surfaces of the combustor 20. It does not mean that it is made.
  • the subtube 114 is protruded outward from one side of the main tube 112 to provide a mounting space of the infrared oscillator 120. This is because when the infrared oscillator 120 is provided in the inner space of the main tube 112, the progress of the second reflected light RL2 toward the optical sensor 140 is interfered or diffracted by the infrared oscillator 120 so that the correct second reflected light ( This is because the intensity measurement of RL2) may not be made.
  • the subtube 114 is formed to be inclined toward the combustor 20, in order to narrow the incident angle (or reflection angle) with the dichroic optical mirror 130 to achieve a smooth reflection.
  • combustion diagnostic tube 110 and the combustor 20 is connected to the maintenance valve (not shown) may be mounted. This is to make it possible to safely separate the combustion state diagnosis apparatus 100 from the combustor 20 after closing the maintenance valve when maintenance or replacement of the combustion state diagnosis apparatus 100 is necessary.
  • the infrared oscillator 120 emits infrared (IL), which is a light having a wavelength longer than visible light and a wavelength shorter than microwaves used in a microwave oven, and irradiates infrared (IL) into the combustion diagnostic tube 110.
  • IL infrared
  • the combustion diagnostic tube 110 is provided to communicate with one side. More specifically, the main tube 112 is protruded outward from one side but is installed inside the subtube 114 inclined toward the combustor 20.
  • Infrared ray (IL) used in the present invention is one of electromagnetic waves (light) and has a characteristic property, that is, straightness and refractive property, and when it collides with an object, it is reflected or transmitted and / or transmitted according to the property of the object. When collided with a lamp, it scatters and scatters in various directions, and has both particle and wave characteristics.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 uses most of the characteristics of the above-described infrared rays (IL), and among them, the scattering phenomenon generated when colliding with small particles is used to It will be determined whether or not it occurs, which will soon form the technical core of the present invention.
  • IL infrared rays
  • the scattering phenomenon is scattered in a variety of forms according to the wavelength of the infrared (IL) wavelength and the size of the particles, among them, Rayleigh Scattering and Mie scattering (MS) and selective scattering We will briefly discuss non-selective scattering.
  • Rayleigh Scattering is scattering that occurs when the particle size is very small and smaller than the wavelength of light.
  • the amount of scattering decreases rapidly. In this case, the amount of scattering is sharply reduced, which can be understood as meaning that the intensity of the irradiated light is maintained to be straight without any decrease.
  • Mie scattering is scattering that occurs when the size of the particle is similar to the wavelength of the light, and the amount of scattering (front scattering) is concentrated toward the front of the light in the direction of the light, and back As a result, the amount of scattering (backscattering) is small.
  • concentration of forward scattering and weakening of backscattering can be understood as meaning that the intensity of irradiated light is weakened as much as backscattering occurs but does not significantly impair the straightness of light.
  • Non-selective scattering is scattering that occurs when the particle size is larger than the wavelength of light.
  • MS non-scattering
  • the concentration of backscattering here may be understood to mean that the intensity and straightness of the irradiated light are weaker than in the case of non-scattering (MS).
  • the intensity of light described above means luminous flux F per unit solid angle.
  • d ⁇ microscopic angle
  • dF luminous flux in d ⁇
  • luminous flux formula Where P ⁇ : spectral radiant flux [W ⁇ ⁇ ⁇ 1 ], K ⁇ : visibility [lm / W], ⁇ : wavelength [ ⁇ ], K m : maximum visibility 680 [lm / W], V ⁇ : vis Sensitivity) reduces the intensity of light emitted according to scattering intensity.
  • P ⁇ spectral radiant flux [W ⁇ ⁇ ⁇ 1 ]
  • K ⁇ visibility [lm / W]
  • ⁇ wavelength [ ⁇ ]
  • K m maximum visibility 680 [lm / W]
  • V ⁇ vis Sensitivity
  • the infrared oscillator 120 is manufactured to generate infrared rays IL having a wavelength of 0.5 ⁇ m to 1.5 ⁇ m.
  • the reason for selecting the infrared ray (IL) in the above-described wavelength range is that it smoothly handles suspended solids of about 1 ⁇ m or more, which may adversely affect the operation of the gas turbine 10 and cause environmental pollution when included in the exhaust gas. To detect.
  • the infrared ray IL having a wavelength of about 1 ⁇ m is irradiated into the combustor 20.
  • Rayleigh scattering is performed on the suspended solids PM having a size smaller than the 1 ⁇ m wavelength in the combustor 20.
  • the intensity and straightness of this generated and irradiated infrared light (IL) is not weakened to a significant level.
  • suspended solids (PM) of a size similar to the wavelength of 1 ⁇ m generate microscattering (MS), and the intensity of irradiated infrared light (IL) is slightly weakened by backscattering, but the linearity of infrared light (IL) is greatly inhibited You will not.
  • the backscatter is concentrated by non-selective scattering in the suspended solids PM larger than 1 ⁇ m, the intensity and straightness of the irradiated infrared rays IL are greatly weakened.
  • the intensity of the infrared ray IL changed according to the size of the suspended solids PM included in the flame in the combustor 20 is continuously measured by the optical sensor 140, which will be described later, so that the controller 150 can determine the suspended solids. It is possible to discriminate many and few of (PM). A detailed description of this determination process will be given below with reference to the controller 150.
  • the dichroic optical mirror 130 reflects the infrared rays IL generated by the infrared oscillator 120 installed in the subtube 114 protruding to the side of the combustion diagnostic tube 110 toward the combustor 20 and at the same time burner half. It is a component provided to transmit the second reflected light RL2 returned to the inside of the combustion diagnostic tube 110 by the slope 20a to reach the optical sensor 140.
  • the dichroic optical mirror 130 includes a part of the infrared ray IL generated by being inclined at an angle in the combustion diagnosis tube 110 on the side where the subtube 114 is formed. The first reflection toward the inner side, and the remaining infrared rays IL are transmitted.
  • the light reflectance and the light transmittance may vary according to the intensity of the infrared (IL) intensity generated by the infrared oscillator 120.
  • the change of the light reflectance and the light transmittance is the intensity change of the second reflected light RL2 transmitted through the dichroic optical mirror 130 after returning to the inside of the combustion diagnostic tube 110 through the combustor 20 and the light sensor 140. It can be made in various ways within the limit that can be accurately detected by).
  • the dichroic optical mirror 130 according to the first embodiment of the present invention is manufactured so that the light reflectance and the light transmittance are respectively 50% of the generated infrared rays IL, and the generated infrared rays IL are the combustor 20. It is installed in the combustion diagnostic tube 110 at a position and a slope to be reflected toward the () side.
  • the reason why the light reflectance and the light transmittance are set to 50% is because of the first, smooth reflection of the generated infrared ray IL, and second, the second reflected light RL2 whose intensity is weakened while passing through the combustor 20 is different. This is to make it easy to grasp the degree of weakened intensity through the optical sensor 140 after passing through the optical mirror 130.
  • the intensity of the second reflected light RL2 is reduced due to the light transmittance, and thus the degree of weakened intensity of the second reflected light RL2 is measured through the optical sensor 140.
  • the intensity of the second reflected light RL2 increases due to the light transmittance, thereby changing the minute intensity change of the infrared ray IL due to the scattering of the suspended solids PM.
  • a problem that is difficult to detect by the optical sensor 140 occurs. Therefore, it is preferable to set the light reflectance and the light transmittance of the dichroic optical mirror 130 to 50% in order to detect a minute change in intensity of the second reflected light RL2.
  • the beam dump 160 which can be added to the combustion state diagnosis apparatus 100 according to the present invention, absorbs the transmitted light (TL) transmitted through the dichroic optical mirror 130 of the generated infrared (IL). It is a component prepared to.
  • the beam dump 160 may be implemented as a block in which carbon soot, carbon graphite, asbestos, or iron oxide surface are formed having an absorption rate of 85% to 95% with respect to an infrared (IL) wavelength of about 1 ⁇ m or more.
  • IL infrared
  • the reason for installing the beam dump 160 is not affected by the transmitted light TL transmitted through the dichroic optical mirror 130 among the infrared rays IL, and is caused by the suspended solids PM in the combustor 20. This is to ensure that only the intensity of the second reflected light RL2 which is scattered and reduced in intensity is completely measured by the photosensor 140. Through this, the generation state of the suspended solids (PM) in the combustor 20 can be more accurately determined.
  • the beam dump 160 is different from the position where the infrared oscillator 120 is installed with the dichroic optical mirror 130 in the center. It is provided on one side of the combustion diagnostic tube 110 to face. In this case, the beam dump 160 is preferably installed inside the depression 116 formed by recessing the inner surface of the combustion diagnostic tube 110 to the outside so that efficient absorption of the transmitted light TL can be achieved.
  • the optical sensor 140 measures the intensity of the second reflected light RL2 returned by the combustor inner reflection surface 20a among the first reflected light RL1 reflected through the dichroic optical mirror 130. It is a component provided at the other end (upper part in drawing).
  • the optical sensor 140 is a known device (photodiode, PMT) for generating a voltage to a current in proportion to the intensity of the detected infrared rays (in particular, the second reflected light (RL2)) Will be implemented. Since the specific structure, configuration, and measuring principle of the optical sensor 140 correspond to a known technique, a detailed description thereof will be omitted.
  • PMT photodiode
  • RL2 second reflected light
  • the control unit 150 continuously transmits the corresponding measured value.
  • the convex lens 170 which can be added to the combustion state diagnosis apparatus 100 according to the present invention, the second reflected light RL2 transmitted through the dichroic optical mirror 130 is a light receiving unit of the optical sensor 140 It is a component provided to be focused or collected on the side.
  • the convex lens 170 is installed at a position between the optical sensor 140 and the dichroic optical mirror 130 so that the focus of the lens is placed on the light receiving portion of the optical sensor 140.
  • the optical sensor 140 may measure the intensity of the second reflected light RL2 more accurately and accurately. do. Therefore, even if the intensity of the second reflected light RL2 shows a slight difference, it can be used as meaningful measurement information.
  • the controller 150 is electrically connected to various diagnostic apparatuses as well as the above-described infrared oscillator 120 and the optical sensor 140 to receive signals or information generated therefrom, and control signals for controlling them. It corresponds to a component that transmits, and stores the received signal or information as needed or to display through the display device.
  • the control unit 150 is installed on one side spaced apart from the combustor 20 to be stably operated without being affected by the high temperature and high pressure generated in the combustor 20, the microcontroller (MCU), microcomputer (microcomputer) Such as a small or commercial computer.
  • MCU microcontroller
  • microcomputer microcomputer
  • Computer devices such as MCU, microcomputer, i.e. specific purpose of diagnostic devices such as infrared oscillator 120 and optical sensor 140 through control unit 150 (floating solids (PM) generation, flame temperature measurement, pressure measurement) Etc.) implementation may be achieved by coding in a programming language such as machine language or the like.
  • the part related to the machine code for the control of the diagnostic apparatus can be made in various ways at the level of those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the controller 150 is basically connected to the infrared oscillator 120 and the optical sensor 140 to control them, as well as based on the intensity of the second reflected light RL2 measured by the optical sensor 140. As a result, the number of suspended solids (PM) contained in the flame in the combustor 20 is large and small.
  • the intensity of the second reflected light RL2 measured when no combustion is performed in the combustor 20 (when there is no floating solid matter PM at all) is measured.
  • the intensity of the second reflected light RL2 measured while the fuel is combusted in the combustor 20 is measured. And after comparing each measurement value through the control unit 150, if the difference in intensity is large (meaning a lot of scattering occurs), it is determined that the amount of suspended solids (PM) in the flame is large.
  • the controller 150 according to the first embodiment of the present invention, the initial value information (IVI), the self-luminous intensity information (SLI) and the solid matter measurement information in a state connected with the infrared oscillator 120 and the optical sensor 140
  • the amount of suspended solids (PM) is quantitatively calculated based on (PMI).
  • the floating solid matter (PM) determination algorithm of the controller 150 will be described in more detail with reference to FIG. 3 as follows.
  • the controller 150 temporarily operates the infrared oscillator 120 in a state where combustion is not performed in the combustor 20, and then measures the intensity of the second reflected light RL2 through the optical sensor 140.
  • Generate initial value information (IVI) equal to 2. This is to be used as a basis for comparison with the PMI measured later.
  • the controller 150 measures the intensity of the self-emission emitted from the flame during the combustion in the combustor 20 while the infrared oscillator 120 is not operated by using the photosensor 140 and FIG. 2.
  • the same self-luminous intensity information SLI is generated.
  • the self-luminous means infrared (IL) emitted from the flame itself during combustion, and according to Planck's law, the higher the flame temperature, the stronger the intensity of the self-luminous (infrared rays) is generated. Accordingly, the controller 150 generates the self-luminous intensity information SLI so that the amount of the suspended solids PM can be calculated more quantitatively and accurately in consideration of the influence of the self-luminous intensity.
  • IL infrared
  • the controller 150 generates infrared rays IL through the infrared oscillator 120 at predetermined time intervals or continuously during the combustion of fuel in the combustor 20.
  • the controller 150 scatters the generated infrared rays IL by the floating solid matter PM in the combustor 20 in the form of the first and second reflected light RL1 and RL2.
  • the optical sensor 140 measures not only the second reflected light RL2 due to the infrared oscillator 120 but also the intensity of the infrared light IL of the self-luminous itself due to the flame in the combustor 20.
  • the controller 150 controls the initial value information IVI, the self-luminous intensity information SLI, and the solid matter measurement information, which are information on the intensity of the infrared ray IL (indicated by voltage V or current A). PMI) to quantitatively calculate the amount of suspended solids (PM) in the flame.
  • the scattering attenuation (DELTA) D calculated as described above, the overall particle size and amount of the suspended solids (PM) contained in the exhaust gas discharged from the exhaust port 16 of the gas turbine 10 is statistically calculated.
  • the controller 150 calculates the amount of scattering attenuation ( ⁇ D) and then the size of the suspended solids (PM). And the quantity can be calculated quantitatively.
  • the ultrasonic transmitter 182 and the ultrasonic wave in the configuration of the first embodiment are approximately. It further comprises a flame temperature measuring module 180 made of a receiver 184.
  • the flame temperature measuring module 180 for precisely and accurately measuring the flame temperature T in the combustor 20 will be described for convenience of description.
  • the ultrasonic transmitter 182 is a device for generating a frequency of 20kHz or more greater than an audible frequency, and is provided at the other end of the combustion diagnostic tube 110 (upper end in the drawing), and the combustor 20 through the combustion diagnostic tube 110.
  • the direction of the ultrasonic transmitter 182 is installed to direct the reflective surface 20a of the combustor so as to transmit the transmission ultrasonic waves SU toward the side.
  • the transmission ultrasonic waves SU transmitted from the ultrasonic transmitter 182 propagate along the inner space of the combustion diagnostic tube 110, but are partially received by the ultrasonic receiver 184 which will be described later. Then, the remaining transmission ultrasonic waves SU propagate across the flame in the combustor 20 and then propagate back to the inner space of the combustion diagnosis tube 110 in the form of the reflected wave RU returned by the reflecting surface 20a of the combustor. do.
  • an ultrasonic transmitter 182 that generates transmission ultrasonic waves SU of approximately 30 kHz to 1000 kHz may be used.
  • the frequency band used may be arbitrarily selected in consideration of the type of fuel burned by the combustor 20, the type or method of the gas turbine 10, and the combustion environment.
  • the ultrasonic transmitter 182 according to the second and third embodiments of the present invention is slightly biased toward the side of the combustion diagnostic tube (110). This is to avoid interference with other diagnostic devices, that is, a pressure sensor or a self-luminous signal receiver.
  • the transmission ultrasonic wave (SU) transmitted from the ultrasonic transmitter 182 is propagated along the combustion diagnostic tube 110, so that the flame is straight. There is no significant effect on the temperature (T) measurement.
  • the transmission ultrasonic wave (SU) Since the reflected wave RU generated by the reflection can be smoothly propagated toward the combustion diagnosis tube 110, more accurate flame temperature T measurement can be made.
  • the ultrasonic transmitter 182 transmits ultrasonic waves (SU) at predetermined intervals through the control of the controller 150 to be described later so that the combustion state diagnosis apparatus 100 may measure the flame temperature T in real time every predetermined time. ) Will be generated.
  • SU ultrasonic waves
  • the ultrasonic receiver 184 is an apparatus that receives an ultrasonic wave and generates a received signal, that is, an electric signal S in the form of a pulse wave (or an analog wave) and visual information t at the time of receiving the ultrasonic wave. It is installed inside the combustion diagnostic tube 110 at a predetermined distance from the ultrasonic receiver 184 in the direction.
  • the ultrasonic receiver 184 is directed to both the ultrasonic transmitter 182 side and the reflective surface 20a side of the combustor so as to receive both the transmission ultrasonic wave SU and the reflected wave RU, respectively. It is produced in the form. Since the basic structure, configuration, and reception signal generation principle of the ultrasonic receiver 184 are already known techniques, detailed description thereof will be omitted.
  • Ultrasonic receiver 184 according to the second embodiment of the present invention, as shown in Figure 4, is provided with one inside the combustion diagnostic tube 110, the first receiving signal (S1) by receiving a transmission ultrasonic wave (SU) -t 1 ) is generated, and the second received signal S1-t 2 is generated by receiving the reflected wave RU returned by the combustor inner reflection surface 20a among the transmission ultrasonic waves SU.
  • the ultrasonic receiver 184 is configured to receive ultrasonic waves in both directions, and receives the transmission ultrasonic waves SU transmitted from the ultrasonic transmitter 182 on one surface thereof, and receives an electrical signal S1 in the form of a pulse wave.
  • the time information t 1 at that time is generated.
  • the ultrasonic receiver 184 receives the reflected wave RU propagated from the reflecting surface 20a side of the combustor on the other side and receives the electrical signal S1 in the form of a pulse wave and the time information at that time ( t 2 ).
  • the ultrasonic receiver 184 according to the third embodiment of the present invention, as shown in Figure 5 is provided with two spaced apart in the longitudinal direction in the combustion diagnostic tube 110, the ultrasonic transmitter 182 ) And a first ultrasonic receiver 184b adjacent to the combustor 20 and a second ultrasonic receiver 184b adjacent to the combustor 20.
  • the first and second ultrasonic receivers 184a and 184b are also manufactured in the form of a bidirectional receiver that is directed to both the ultrasonic transmitter 182 side and the reflective surface 20a side of the combustor.
  • the first ultrasonic receiver 184a and the second ultrasonic receiver 184b sequentially receive the transmission ultrasonic waves SU transmitted from the ultrasonic transmitter 182, respectively, to sequentially receive the first - first reception signal S11-t 1 ( The first ultrasound receiver 184a and the 2-1 th reception signal S21-t 2 (the second ultrasound receiver 184b) are generated.
  • the second ultrasonic receiver 184b and the first ultrasonic receiver 184a sequentially receive the reflected wave RU returned by the inner reflection surface 20a of the combustor among the transmission ultrasonic waves SU, thereby receiving the second-2 received signal ( S22-t 3 ) and the 1-2 reception signal S12-t 4 are generated.
  • the separation arrangement between the first and second ultrasonic receivers 184a and 184b may be arranged to be in a line with each other, as shown in the drawing, within the limit that the separation distance maintains L1.
  • the first and second ultrasonic receivers 184a and 184b themselves may smoothly receive the transmission ultrasonic waves SU and the reflected waves RU without interfering with the movement of the transmission ultrasonic waves SU and the reflected waves RU.
  • the combustion diagnosis tube 110 is preferably disposed so as not to be in line with each other on the inner circumferential surface thereof.
  • the controller 150 is electrically connected to the ultrasonic transmitter 182 and the ultrasonic receiver 184 described above to receive signals or information generated therefrom, and transmits control signals for controlling them. As described above.
  • the first and second reception signals S1-t 1 , S1-t 2 and the ultrasonic wave are connected to the ultrasonic transmitter 182 and the ultrasonic receiver 184.
  • the flame temperature T in the combustor 20 is measured based on the separation distance L between the receiver 184 and the reflecting surface 20a.
  • the bidirectional ultrasonic receiver 184 may transmit ultrasonic waves ( SU and the reflected wave RU are received to generate first and second received signals S1-t 1 and S1-t 2 , respectively.
  • the controller 150 has received the first and second transmission on the basis of the received signal (S1-t 1, t 2-S1)
  • the controller 150 is the calculated velocity value (C flame ) and the constant value of the ultrasonic wave And R is the relationship between ultrasonic velocity and temperature.
  • the flame temperature T is calculated by substituting for.
  • R is the gas constant value
  • T is the flame temperature (absolute temperature)
  • the specific heat ratio and gas constant value are respectively corrected values according to combustion conditions.
  • a constant having it is input to the control part 150 in the state stored in a database, and used for a flame temperature T calculation.
  • the relationship between the ultrasonic speed and the temperature described above is obtained by arranging the gas equations and wave equations derived from the ideal gas equation and the wave equations derived from the ideal gas equation.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 is not a method of measuring the flame temperature T indirectly through a sensor provided outside the combustor 20 as in the prior art. Since it is a method of measuring using ultrasonic waves propagating across the flame in the flame, the flame temperature T inside the combustor 20 can be measured more precisely and accurately than in the related art.
  • the flame temperature of the combustor 20 can be measured using only one ultrasonic transmitter 182 and one bidirectional ultrasonic receiver 184, the number of parts can be drastically reduced compared to the conventional method, and it is maintained as a simple structure. Ease of management can be achieved, and can be easily mounted and applied to the existing combustor 20 and the combustion diagnosis tube 110 without any additional structural changes or replacements for the combustor 20 which requires a high cost. .
  • the control unit 150 according to the third embodiment of the present invention, the first - first received signal (S11-t1), the second- 1 received signal (S21-t2), the second-2 received signal ( S22-t 3 ) and the first and second reception signals S12-t4, and the separation distance L1 between the first and second ultrasonic receivers 184a and 184b, and between the second ultrasonic receiver 184b and the opening 110a.
  • the flame temperature T in the combustor 20 is measured based on the separation distance L2 and the separation distance L3 between the opening 110a and the reflection surface 20a of the combustor.
  • one surface of the bidirectional first and second ultrasonic receivers 184a and 184b sequentially transmits ultrasonic waves ( SU is generated to generate a 1-1 received signal S11-t 1 and a 2-1 received signal S21-t 2 .
  • a second ultrasonic receiver (184b) to the first ultrasonic receiver (184a) are sequentially received as a reflected wave (RU) 2-2 received signals (S22-t 3) and the first-second received signal (S12-t 4 Will be generated.
  • the controller 150 is a constant Value and the R value and the speed value of the output ultrasonic wave (C 1, C 2, C flame) from the flame C Value is the relationship between ultrasonic speed and temperature.
  • the flame temperature T can be calculated by substituting for.
  • the flame temperature (T) at this time is L2 section and L3 Since it is based on the average speed of the ultrasonic waves propagated or reflected over the section, the accuracy may be lower than that based on the average speed of the ultrasonic wave in the section L3 of the pure combustor 20.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 is not a method of measuring the flame temperature T indirectly through a sensor provided outside the combustor 20 as in the prior art, but the combustor 20. It is a method of measuring by using an ultrasonic wave propagating across the flame inside. Therefore, the flame temperature T inside the combustor 20 can be measured more precisely and accurately than in the related art, as in the second embodiment.
  • the gas turbine combustion state diagnosis apparatus 100 has a form in which one more bidirectional ultrasonic receiver 184 is added as compared with the second embodiment, but the number of parts is reduced compared to the related art.
  • the structure is the same as that of the maintenance can be facilitated.
  • it can be easily installed and applied to the combustor 20 and the combustion diagnosis tube 110 in operation without the need for a separate structure change or replacement for the combustor 20 that requires a high cost.
  • the reason for implementing the third embodiment is to measure the flame temperature T more accurately and to correct the measurement error of the ultrasonic receiver 184 according to the diffraction, interference, superposition of ultrasonic waves or physical factors in the combustor 20. For sake.
  • the controller 150 controls the C flame, which is the velocity value of the ultrasonic wave, which has already been calculated.
  • C 1 and C 2 values are used as follows.
  • the reason why the speed expression is applied by treating the C 1 value, which is the speed value of the L1 section, as the speed value of the L2 section is that the L1 section and the L2 section are adjacent to each other on the combustion diagnostic tube 110, so that the temperature difference is not large, and the same ultrasonic wave is transmitted. This is because (SU) does not cause a significant level of error even if the continuity of the propagation speed is recognized.
  • the reason why the speed equation is applied by treating the C 2 value, which is the speed value of the L1 section, as the speed value of the L2 section is that the L1 section and the L2 section are adjacent sections on the combustion diagnosis tube 110, so that the temperature difference is not large, (RU), it is because a significant level of error does not occur even if the continuity of the propagation speed is recognized.
  • the controller 150 is a relationship between the ultrasonic velocity and temperature. Substituting the C flame at to calculate the flame temperature (T) more accurate than the previous case.
  • the controller 150 may perform the following algorithm in order to correct the measurement error of the ultrasonic receiver 184 according to the diffraction, interference, superposition of ultrasonic waves or physical factors in the combustor 20.
  • 4- t 3 ) are compared with each other to generate a measurement error signal when there is a difference over a predetermined range.
  • the delay time ⁇ t 1 of the L1 section with respect to the transmission ultrasonic wave SU and the delay time ⁇ t 3 of the L1 section with respect to the reflected wave RU are compared with each other. Equivalent to comparing 1 and C 2 )
  • the transmitted ultrasonic wave in the same section L1 The speed C 1 of SU and the speed C2 of the reflected wave RU will be equal to each other, and the delay times ⁇ t 1 and ⁇ t 3 calculated for the L1 interval will also be the same.
  • the predetermined range may be appropriately added or subtracted according to the needs of the user, and in order to further pursue the accuracy of the flame temperature T measurement, it is preferable to set the range narrowly.
  • the controller 150 notifies a user of a measurement error, etc. and at the same time, the ultrasonic transmitter 182 for measuring a new flame temperature. Through it can be controlled to immediately transmit the ultrasonic wave (SU).
  • the controller 150 is calculated.
  • the flame temperature (T) is about 1300 ° C. or less, it may be implemented to generate a carbon monoxide (CO) generation danger signal.
  • the controller 150 In consideration of the characteristics of combustion in which the NO x emission is dramatically increased when the flame temperature T in the gas turbine combustor 20 is approximately 1600 ° C. or more, the controller 150 When the calculated flame temperature T is about 1600 ° C. or more, it may be implemented to generate a nitrogen oxide (NO x ) generation danger signal.
  • NO x nitrogen oxide
  • the combustion characteristics graph of the gas turbine 10 shown in FIGS. 7 and 8 is based on Fig. 9 and Fig. 7 among articles published by the applicant of the present invention in the International Journal of Hydrogen Energy.
  • a generation danger signal (measurement error signal, etc.) generated by the controller 150 may be transmitted to a control panel (not shown) of the gas turbine 10 and displayed to an operator.
  • the correlation between the temperature and the occurrence of the suspended solids (PM) can be performed at the same time, the correlation between harmful gases such as carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NO x ) and suspended solids (PM), and the prediction of amplification or attenuation of combustion instability, etc. can be comprehensively determined. .
  • the infrared rays generated through the infrared oscillator are reflected by the dichroic optical mirror toward the combustor, pass through the flame in the combustor, and then return to the combustion diagnostic tube by the combustor reflecting surface. Afterwards, the intensity of the corresponding infrared ray is measured through an optical sensor, so that it is possible to determine whether a floating solid matter (PM) of a predetermined size or more is generated regardless of the type of fuel, thereby increasing the fuel efficiency of the gas turbine and increasing the gas turbine.
  • PM floating solid matter

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Abstract

가스터빈 연소상태 진단장치가 개시된다. 본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치는, 일단부에 개구부가 마련되어 가스터빈용 연소기 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지는 연소진단튜브; 상기 연소진단튜브 일측과 연통되도록 구비되어 상기 연소진단튜브 내부로 적외선을 발생시키는 적외선발진기; 상기 연소진단튜브 내에 구비되어 상기 적외선 일부만 상기 연소기 내측으로 제1 반사시키고, 나머지는 투과시키는 이색광학거울; 상기 이색광학거울을 통해 반사된 제1 반사광 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 제2 반사광의 세기를 측정하기 위해 상기 연소진단튜브의 타단부에 구비되는 광센서; 및 상기 적외선발진기 및 상기 광센서와 연결되어 제어하고, 측정된 상기 제2 반사광의 세기에 기초하여 상기 연소기 내의 화염에 포함되는 부유성 고형물의 많고 적음을 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스터빈 연소상태 진단장치
본 발명은 가스터빈 연소상태 진단장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가스터빈 연소기 내부에서 연소 상태에 따라 발생하는 부유성 고형물을 적외선을 이용하여 감지하고, 화염 온도의 변화를 초음파를 이용하여 측정함으로써, 가스터빈의 적절한 제어가 이루어지게 하는 가스터빈 연소상태 진단장치에 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 관계로, 동압 센서를 통한 연소 상태 감시와 함께 다양한 센서가 가스터빈 연소상태 진단장치에 부가되어 활용되고 있다.
아울러 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 기술이 부각됨에 따라, 연소를 위해 합성가스가 가스터빈 발전시스템에 공급되게 되는데, 이 경우 전단압력의 섭동이 생겨 연소의 불안정을 야기하고 있어 정확한 연소 진단의 필요성이 더욱 커지고 있다.
더불어, 최근에는 Biogas, DME(Dimethyl Ether), SNG(Synthetic Natural Gas) 등 다양한 발전 연료 및 신 재생에너지를 가스터빈 발전시스템에 적용하고 있으며, 각각의 연료의 특성에 따라 연소 현상이 크게 달라지므로 이에 부합하는 정밀한 연소 진단이 필요하다.
특히, 가스터빈 연소기 내에서 연료가 연소될 때 생성되는 1㎛ 이상의 부유성 고형물(Particulate Matter, PM)은, 가스터빈 내의 가스 유로를 따라 표면에 점착되어 배기가스의 배출을 저해하거나 터빈 날개에 부착되어 회전을 저해하는 등의 문제를 야기함으로써, 가스터빈의 연료 효율성 등을 저감시키게 되는데, 다음과 같은 경우에 주로 발생하게 된다.
즉, 1㎛ 이상의 크기를 갖는 부유성 고형물(PM)은, 미연소 탄화수소(UHCs, 또는 불완전 연소 생성물)가 덩어리 형태로 합쳐지는 경우, 연료 중 금속성분이 함유된 경우, 석탄가스화로 생성된 연료에 포함된 비산회(flying ash) 성분이 충분히 여과되지 못하였으면, 연료나 공기 공급배관의 노후화로 인해 비산 물질이 연소기에 주입되는 경우에 주로 발생하게 된다.
이렇게 다양한 원인에 기인하는 부유성 고형물(PM)의 발생 여부는, 가스터빈의 연료 효율성, 안정적인 운용 및 노후화와 직결되는 특성이 있기 때문에, 이를 판별할 수 있는 기술적 수단에 대한 요구가 근래에 점차 대두되고 있다.
이러한 연장선상의 선행기술 중에 대한민국공개특허 제2015-0071671호(공개일자: 2015.06.26)는, 연소기에서 동압 센서들과 같은 열음향 센서들을 이용하여 연소기의 진동 반응들을 측정하는 방법에 대하여 제시하고 있다. 보다 구체적으로는, 웨이블릿 또는 푸리에 분석기술들에 의해 연소 이상들을 식별하고; 기본 모드 주파수 분석 기술들로 연소기 내의 벌크 온도 특성들을 결정하고; 그리고 선택적으로, 음향 고온 측정 송신 및 전파 시간 분석 기술들로 연소기 내의 절대 액티브 경로 온도들을 결정하기 위해, 통합된 모니터링 및 제어 시스템 제어기가 센서 판독 값들을 연소 열음향 속성들과 상관시키는 단계를 통해 연소 온도를 실시간으로 모니터링할 수 있다고 설명하고 있다.
그러나 이러한 선행기술은, 실제 연소기 내의 화염 온도를 직접 산출하는 것이 아니라 연소기 하우징 외측에서의 화염 온도를 간접적으로 산출하기 위한 동압 센서 등의 활용 또는 배치와 관련된 방법에 대한 설명만이 있을 뿐이어서, 화염 온도 측정의 정확성이 떨어지고, 다수의 센서가 복잡하게 장착됨에 따라 설치나 유지 관리가 어려운 문제가 있다. 또한, 부유성 고형물(PM)을 감지할 수 있는 구체적 방안 내지 기술적 수단에 대해 어떠한 언급도 없어, 이에 대해 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 가스터빈 연소기 내에서 연료가 연소될 때 발생되는 소정크기 이상의 부유성 고형물(PM)을 감지해낼 수 있는 새로운 기술적 수단을 제시함과 아울러, 연소기 내의 화염 온도를 종래 기술들과 달리 직접측정 방식으로 산출하여 더욱 정확한 화염 온도 측정이 이루어질 수 있으며, 고비용이 소요되는 연소기에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기장착된 종래의 연소진단튜브에 용이하게 추가적용될 수 있는 적은 부품 수와 단순한 구조로 이루어진 가스터빈 연소상태 진단장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 일단부에 개구부가 마련되어 가스터빈용 연소기 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지는 연소진단튜브; 상기 연소진단튜브 일측과 연통되도록 구비되어 상기 연소진단튜브 내부로 적외선을 발생시키는 적외선발진기; 상기 연소진단튜브 내에 구비되어 상기 적외선 일부만 상기 연소기 내측으로 제1 반사시키고, 나머지는 투과시키는 이색광학거울; 상기 이색광학거울을 통해 반사된 제1 반사광 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 제2 반사광의 세기를 측정하기 위해 상기 연소진단튜브의 타단부에 구비되는 광센서; 및 상기 적외선발진기 및 상기 광센서와 연결되어 제어하고, 측정된 상기 제2 반사광의 세기에 기초하여 상기 연소기 내의 화염에 포함되는 부유성 고형물의 많고 적음을 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치에 의해 달성된다.
상기 가스터빈 연소상태 진단장치는, 상기 적외선 중 상기 이색광학거울을 통해 투과된 투과광을 흡수할 수 있도록, 상기 적외선발진기와 마주하는 상기 연소진단튜브 일측에 빔덤프를 더 포함할 수 있다.
상기 가스터빈 연소상태 진단장치는, 상기 제2 반사광이 상기 이색광학거울을 투과한 후 상기 광센서에 집광될 수 있도록, 상기 광센서와 상기 이색광학거울 사이에 볼록렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 연소진단튜브는, 상기 개구부를 통해 상기 연소기와 연통되는 직선형의 파이프 형상으로 이루어진 메인튜브와, 상기 메인튜브 일측에서 돌출형성되되 상기 연소기 쪽으로 경사진 서브튜브로 구성되고, 상기 적외선발진기는, 상기 서브튜브 내측에 장착되고, 1㎛ 이상의 부유성 고형물을 원활하게 검출할 수 있도록, 파장이 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 적외선을 발생시킬 수 있다.
상기 이색광학거울은, 상기 적외선이 상기 연소기 쪽을 향하여 반사될 수 있는 위치에 설치되고, 광투과율이 50%일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 연소기에서 연소가 이루어지지 않은 상태에서 상기 적외선발진기를 작동시킨 후 상기 광센서를 통해 상기 제2 반사광의 세기를 측정하여 초기값정보를 생성하고, 상기 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 화염에서 발생하는 자발광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 자발광세기정보를 생성하고, 상기 연소기에서 연소가 진행되는 동안 소정의 시간간격마다 상기 적외선발진기를 통해 상기 적외선을 발생시키고, 상기 적외선이 상기 제1,2 반사광의 형태로 상기 연소기에서 상기 부유성 고형물에 의해 산란이 이루어진 상태에서 상기 제2 반사광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 고형물측정정보를 생성하고, 상기 초기값정보, 상기 자발광세기정보 및 상기 고형물측정정보에 기초하여 화염 내 부유성 고형물의 양을 정량적으로 산출할 수 있다.
상기 가스터빈 연소상태 진단장치는, 상기 연소진단튜브 타단부에 구비되어 상기 연소진단튜브를 통해 상기 연소기 쪽으로 송신초음파를 발생시키는 초음파송신기; 및 상기 연소진단튜브 내부에 구비되어, 상기 송신초음파를 수신하여 제1 수신신호를 생성하고, 상기 송신초음파 중 상기 반사면에 의해 되돌아오는 반사파를 수신하여 제2 수신신호를 생성하는 초음파수신기를 포함하여 구성되는 화염온도측정모듈을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 화염온도측정모듈과 연결되어 제어하고, 상기 제1,2 수신신호 및 상기 초음파수신기와 상기 반사면 간의 이격거리(L)에 기초하여 상기 연소기 내의 화염 온도를 측정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1,2 수신신호에 기초하여 상기 송신초음파 수신 후 상기 반사파 수신까지의 지연시간 △t를 산출하고, 속도식 Cflame = 2L /△t 에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출한 후, 초음파 속도와 온도와의 관계식인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000001
에 의해 상기 화염 온도를 산출할 수 있다.
상기 초음파수신기는, 상기 연소진단튜브 내부의 제1 초음파수신기와, 상기 연소기 쪽으로 이격구비되는 제2 초음파수신기로 이루어져 상기 송신초음파를 각각 순차 수신하여 제1-1 수신신호 및 제2-1 수신신호를 생성하고, 상기 송신초음파 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 상기 반사파를 각각 순차 수신하여 제2-2 수신신호 및 제1-2 수신신호를 생성하며, 상기 제어부는, 상기 제1-1 수신신호, 제2-1 수신신호, 2-2 수신신호, 제1-2 수신신호, 상기 제1,2 초음파수신기 간의 이격거리(L1), 상기 제2 초음파수신기와 상기 개구부 간의 이격거리(L2) 및 상기 개구부와 상기 연소기의 반사면 간의 이격거리(L3)에 기초하여 상기 연소기 내의 상기 화염 온도(T)를 측정할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1-1,2-1 수신신호에 기초하여 지연시간 △t1을, 상기 제2-1, 2-2 수신신호에 기초하여 지연시간 △t2를, 상기 제2-2,1-2 수신신호에 기초하여 지연시간 △t3을 각각 산출하고, 속도식 C1 = L1 /△t1 에 의해 상기 송신초음파의 속도(C1)를, 속도식 Cflame = 2(L2+L3) /△t2 에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를, 속도식 C2 = L1 /△t3 에 의해 상기 반사파의 속도(C2)를 각각 산출한 후, 초음파 속도와 온도와의 관계식인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000002
에 의해 상기 화염 온도(T)를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 화염 온도(T)의 정확성을 증대하기 위해, 상기 제2 초음파수신기에서 상기 개구부에 이르는 이격거리(L2)에 대한 상기 송신초음파의 지연시간 △t4를, 상기 송신초음파의 속도(C1)를 기초로 산출하고, 상기 개구부에서 상기 제2 초음파수신기에 이르는 이격거리(L2)에 대한 상기 반사파의 지연시간 △t5 를, 상기 반사파의 속도(C2)를 기초로 산출한 후, 속도식 Cflame = 2L3 /(△t2-△t4-△t5)에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1-1,2-1 수신신호에 기초하여 산출된 지연시간 △t1과, 상기 제2-2,1-2 수신신호에 기초해 산출된 지연시간 △t3를 상호 비교하여 소정범위 이상의 차가 있게 되면 계측오류신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 적외선발진기를 통해 발생된 적외선이 이색광학거울에 의해 연소기 쪽으로 반사되어 연소기 내의 화염을 통과한 후, 연소기 반사면에 의해 다시 연소진단튜브 내로 반사된 다음, 광센서를 통해 해당 적외선의 세기가 측정되도록 함으로써, 화염 내 소정 크기 이상의 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별할 수 있는 가스터빈 연소상태 진단장치를 제공할 수 있게 된다.
나아가, 연료의 종류를 불문하고 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 실시간으로 판별하고 대처할 수 있도록 함으로써, 가스터빈의 연료 효율성의 증대 및 가스터빈의 안정적인 운용을 도모할 수 있고, 가스터빈의 노후화를 저감할 수 있게 된다.
또한, 연소기 내의 화염 쪽을 직접 지향하여 송신초음파를 송출하는 하나의 초음파송신기와, 송신초음파 및 연소기 내의 화염을 가로질러 통과한 반사파를 각각 수신하는 최대 2개의 초음파수신기를 활용하는 알고리즘을 이용하여 연소기 내의 화염 온도를 보다 직접적으로 측정할 수 있게 됨으로써, 온도 측정의 정밀성 내지 정확성을 증대할 수 있는 가스터빈 연소상태 진단장치를 제공할 수 있게 된다.
이렇게 정밀하고 정확하게 측정된 화염 온도 및 연소 온도에 따른 연료(신연료 포함)별 유해물질 배출특성 그래프에 기초하여, 연료의 불완전 연소 여부를 실시간으로 정확하게 판단하고 대처할 수 있게 됨에 따라 연료의 연소 효율성을 향상시킬 수 있으며, 유해 배기가스의 저감 등을 이룰 수 있게 된다.
또한, 부유성 고형물(PM)의 발생 여부 및 연소기 내의 화염 온도를 판별 내지 측정하기 위한 장치의 부품 수나 구조를 단순화함으로써, 설치나 유지 관리의 용이성을 도모할 수 있으며, 고비용이 소요되는 연소기에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기장착된 종래의 연소진단튜브에 용이하게 추가되어 적용될 수 있는 가스터빈 연소상태 진단장치를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치가 적용되는 가스터빈의 전체를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 표시된 영역을 확대하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소상태 진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 작동에 따른 구간별 적외선의 세기를 도시하는 도면이다.
도 4는 화염온도측정모듈이 추가된 제2 실시예에 따른 연소상태 진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 화염온도측정모듈이 추가된 제3 실시예에 따른 연소상태 진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 작동에 따른 수신신호와 이격거리 간의 관계를 도시하는 도면이다.
도 7은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 CO 배출특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 NOx 배출특성을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 *
IL: 적외선 RL1: 제1 반사광
RL2: 제2 반사광 TL: 투과광
SU: 송신초음파 RU: 반사파
S1-t1: 제1 수신신호 S1-t2: 제2 수신신호
S11-t1: 제1-1 수신신호 S12-t4: 제1-2 수신신호
S21-t2: 제2-1 수신신호 S22-t3: 제2-2 수신신호
10: 가스터빈 12: 압축기
14: 터빈날개 16: 배기구
20: 연소기 20a: 반사면
100: 본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치
110: 연소진단튜브 110a: 개구부
112: 메인튜브 114: 서브튜브
116: 함몰부 120: 적외선발진기
130: 이색광학거울 140: 광센서
150: 제어부 160: 빔덤프
170: 볼록렌즈 180: 화염온도측정모듈
182: 초음파송신기 184: 초음파수신기
184a: 제1 초음파수신기 184b: 제2 초음파수신기
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치가 적용되는 가스터빈의 전체를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 표시된 영역을 확대하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소상태 진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 2의 작동에 따른 구간별 적외선의 세기를 도시하는 도면이고, 도 4는 화염온도측정모듈이 추가된 제2 실시예에 따른 연소상태 진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 화염온도측정모듈이 추가된 제3 실시예에 따른 연소상태 진단장치의 작동을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 작동에 따른 수신신호와 이격거리 간의 관계를 도시하는 도면이고, 도 7은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 CO 배출특성을 나타내는 그래프이고, 도 8은 가스터빈용 연소기 내의 화염 온도에 따른 NOx 배출특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 설명에 앞서 먼저, 가스터빈(10)에 대하여 간략하게 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(12), 연소기(20), 터빈(14) 및 배기구(16) 등을 포함하여 구성된다.
가스터빈(10)의 작동은, 압축기(12)를 통해 압축된 공기가 연소기(20)로 유입되어 분사된 연료와 함께 연소되고, 이때 발생된 고온 고압의 가스가 빠르게 유동하며 터빈(14)을 회전시킨 후 배기구(16)를 통해 배기가스가 외부로 배출되는 방식으로 이루어지게 된다.
이러한 가스터빈(10)에 장착되어 사용되는 본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 가스터빈용 연소기(20) 내의 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별하기 위해 연소기(20) 일측에 구비된다.
가스터빈 연소상태 진단장치(100)에는 본 발명에서 다루는 부유성 고형물(PM) 판별장치 외에도 다양한 진단장치, 즉 연소기(20) 내 압력을 측정하는 압력센서(동압 센서, 마이크로폰 등)나 연소진단튜브(110) 쪽으로 전파되는 화염의 자발광 신호에서 라디칼 신호를 수신하는 장치 등이 장착될 수 있다.
본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 가스터빈의 연소기(20) 내 소정 크기 이상의 부유성 고형물(PM)을 검지 내지 판별하기 위해 대략 연소진단튜브(110), 적외선발진기(120), 이색광학거울(130), 광센서(140) 및 제어부(150) 등을 포함하여 구성되며, 추가적으로 빔덤프(160) 및 볼록렌즈(170)를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 연소상태 진단장치(100)의 각 구성에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
연소진단튜브(110)는, 상술한 바와 같은 진단장치들이 장착되는 공간이 마련된 구성요소로서, 길게 형성된 파이프 형상으로 이루어지되 일단부에 개구부(110a)가 마련되어 연소기(20) 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지게 된다.
이렇게 연소진단튜브(110)가 연소기(20)로부터 외측으로 길게 돌출형성된 파이프형상으로 제작됨으로써, 여기에 장착된 진단장치들은 연소기(20)에서 발생되는 고온고압의 화염에도 불구하고 안정적으로 구동될 수 있다. 아울러 이로 인해 연료 연소시 발생되는 자발광 신호나 음향파 신호와 같은 화염 상태 기초정보 및 후술할 제2 반사광(RL2) 등이 연소진단튜브(110) 내측으로 원활하게 전파될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연소진단튜브(110)는, 개구부(110a)를 통해 연소기(20)와 연통되는 직선형의 파이프 형상으로 이루어진 메인튜브(112)와, 메인튜브(112) 일측에서 돌출형성되되 연소기(20) 쪽으로 경사진 서브튜브(114)로 구성된다.
메인튜브(112)는 그 길이방향이 후술할 연소기의 반사면(20a)과 직각을 이루도록 형성하게 된다. 이는 이색광학거울(130)을 통해 반사된 제1 반사광(RL1)이 연소기의 반사면(20a)을 통해 180° 반사된 후 제2 반사광(RL2)의 형태로 연소진단튜브(110) 내측을 향해 원활하게 전파될 수 있도록 하기 위함이다. 여기서 연소기 반사면(20a)이란, 연소기(20)의 내측면 중에서 이색광학거울(130)을 통해 반사된 제1 반사광(RL1)이 재차 반사가 이루어지는 면을 특정한 것으로, 반드시 반사를 위한 특별한 처리가 이루어진 면을 의미하는 것은 아니다.
그리고 서브튜브(114)는 적외선발진기(120)의 장착 공간을 제공하기 위해 메인튜브(112) 일측에서 바깥쪽으로 돌출형성된다. 이는 적외선발진기(120)가 메인튜브(112) 내측 공간에 마련되면, 광센서(140)를 향한 제2 반사광(RL2)의 진행이 적외선발진기(120)에 의해 간섭 내지 회절되어 정확한 제2 반사광(RL2)의 세기 측정이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
이때, 서브튜브(114)는 연소기(20) 쪽으로 경사지게 형성하게 되며, 이는 이색광학거울(130)과의 입사각(또는 반사각)을 좁혀 원활한 반사가 이루어지도록 하기 위함이다.
한편, 도면에 도시하지 않았지만, 연소진단튜브(110)와 연소기(20)가 연결되는 부분에는 정비용 밸브(미도시)가 장착될 수 있다. 이는 연소상태 진단장치(100)의 정비나 교환이 필요할 경우, 정비용 밸브를 잠근 후 연소상태 진단장치(100)를 연소기(20)로부터 안전하게 분리할 수 있도록 하기 위함이다.
적외선발진기(120)는 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 이용되는 마이크로파보다는 파장이 짧은 광선인 적외선(IL)(infrared)을 방출하는 장치로서, 연소진단튜브(110) 내부로 적외선(IL)을 조사 내지 발생시키기 위해 연소진단튜브(110) 일측과 연통되도록 구비된다. 보다 구체적으로는, 메인튜브(112) 일측에서 바깥쪽으로 돌출형성되되 연소기(20) 쪽으로 경사를 이루는 서브튜브(114) 내측에 설치된다.
이러한 적외선발진기(120)의 구체적 구조 내지 구성 및 적외선 발생원리 등은, 이미 공지된 기술에 해당하므로 구체적인 설명은 생략하지만, 본 발명의 이해와 관련된 부분에서는 이를 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 이용되는 적외선(IL)은, 전자기파(빛) 중의 하나로 특유의 성질 즉, 직진성과 굴절성을 가짐은 물론, 물체와 부딪히게 되면 물체의 성질에 따라 반사 또는/및 투과되고, 작은 입자 등과 충돌하게 되면 여러 방향으로 흩어지면서 산란(scattering)되며, 입자성과 파동성의 특징을 모두 갖는다.
본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 상술한 적외선(IL)의 특징을 대부분 이용하게 되는데, 그중에 특히 작은 입자와 충돌시 발생하는 산란 현상을 이용하여 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별하게 되며, 이는 곧 본 발명의 기술적 핵심을 이루게 된다.
여기서 산란 현상은 적외선(IL) 파장 길이와 입자의 크기에 따라 각각 다양한 형태의 산란이 이루어지게 되는데, 그 중에서 선택적 산란인 레일리 산란(Rayleigh Scattering) 및 미 산란(MS)(Mie scattering, MS)과, 비선택적 산란(non-selective scattering)에 대하여 간략히 살펴본다.
먼저, 레일리 산란(Rayleigh Scattering)은 입자의 크기가 매우 작아 빛의 파장보다도 작을 때 일어나는 산란으로, 입자의 크기보다 빛의 파장이 길어지게 되면 산란되는 양이 급격하게 줄어드는 특성을 보인다. 여기서 산란되는 양이 급격히 줄어든다는 것은, 조사된 빛의 세기가 거의 감소되지 않은 채 직진성을 그대로 유지한다는 의미로 이해될 수 있다.
그리고 미 산란(MS)(Mie scattering, MS)은 입자의 크기가 빛의 파장 길이와 비슷할 경우에 일어나는 산란으로, 빛의 진행방향 쪽인 전방으로 산란(전방산란)의 양이 집중되고, 반대쪽인 후방으로는 산란(후방산란)의 양이 적은 특성을 보인다. 여기서 전방산란이 집중되고 후방산란이 약화된다는 것은, 조사된 빛의 세기가 후방산란이 발생한 만큼 약화되지만 빛의 직진성을 크게 저해하지 않는다는 의미로 이해될 수 있다.
그리고 비선택적 산란(non-selective scattering)은 입자의 크기가 빛의 파장 길이보다 클 때 일어나는 산란으로, 미 산란(MS)과 반대로 후방산란의 양이 집중되고 굴절이나 회절이 발생하는 특성이 있다. 여기서 후방산란의 양이 집중된다는 것은, 미 산란(MS)의 경우보다 조사된 빛의 세기 및 직진성이 더욱 약화된다는 의미로 이해될 수 있다.
위에서 상술한 빛의 세기 즉, 광도(I)는 단위 입체각당 광속(F)을 의미하는 것으로, 광도 공식
Figure PCTKR2016000599-appb-I000003
(단, dω: 미소 입체각(sterad), dF: dω 내의 광속) 및 광속 공식
Figure PCTKR2016000599-appb-I000004
(단, Pλ: 분광 복사속[W·μ-1], Kλ: 시감도[lm/W], λ: 파장[μ], Km: 최대 시감도 680[lm/W], Vλ: 비시감도)에 의해 산란의 강약에 따라 조사된 빛의 세기가 감소됨을 알 수 있다. 또한, 빛의 입자성에 비추어볼 때, 공기 중 입자에 의한 산란이 발생하게 되면 조사된 빛이 주변으로 흩어짐에 따라 그 세기가 감소됨을 쉽게 이해할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 적외선발진기(120)는, 파장이 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 적외선(IL)을 발생시키도록 제작하게 된다.
상술한 파장 범위의 적외선(IL)을 선택한 이유는, 가스터빈(10)의 작동에 악영향을 줄 수 있고 배기가스에 포함시 환경오염의 문제를 유발할 수 있는 대략 1㎛ 이상의 부유성 고형물을 원활하게 검출하기 위함이다.
즉, 보다 구체적으로 이를 설명하면, 파장이 대략 1㎛인 적외선(IL)이 연소기(20) 내로 조사되는 경우, 연소기(20) 내의 1㎛ 파장보다 작은 크기의 부유성 고형물(PM)에는 레일리 산란이 발생하여 조사된 적외선(IL)의 세기 및 직진성은 유의할만한 수준으로 약화되지 않는다. 반면에, 1㎛ 파장과 비슷한 크기의 부유성 고형물(PM)에는 미 산란(MS)이 발생하여 조사된 적외선(IL)의 세기가 후방산란만큼 다소 약화되지만, 적외선(IL)의 직진성은 크게 저해하지 않게 된다. 또한, 1㎛ 파장보다 큰 부유성 고형물(PM)에는 비선택적 산란에 의해 후방산란이 집중됨에 따라 조사된 적외선(IL)의 세기 및 직진성은 크게 약화된다.
따라서 연소기(20) 내 화염에 포함된 부유성 고형물(PM)의 크기에 따라 변화된 적외선(IL)의 세기가 후술할 광센서(140)에 의해 연속적으로 측정됨으로써, 제어부(150)는 부유성 고형물(PM)의 많고 적음을 판별할 수 있게 되는 것이다. 이러한 판별 과정에 대한 구체적 설명은 이하의 제어부(150)와 관련된 설명에서 하기로 한다.
이색광학거울(130)은, 연소진단튜브(110)의 측면으로 돌출된 서브튜브(114)에 설치된 적외선발진기(120)에서 발생된 적외선(IL)을 연소기(20) 쪽으로 반사함과 동시에 연소기 반사면(20a)에 의해 연소진단튜브(110) 내측으로 되돌아오는 제2 반사광(RL2)을 투과시켜 광센서(140)에 도달될 수 있도록 하기 위해 마련되는 구성요소이다.
이러한 기능을 수행할 수 있도록 이색광학거울(130)은, 서브튜브(114)가 형성된 쪽의 연소진단튜브(110) 내에서 일정 각도로 기울어지게 구비되어 발생된 적외선(IL) 일부를 연소기(20) 내측 쪽으로 제1 반사시키고, 나머지 적외선(IL)은 투과시키도록 이루어진다.
이때, 광반사율과 광투과율은, 적외선발진기(120)에서 발생된 적외선(IL) 세기의 강약에 따라 가변될 수 있다. 다만, 광반사율과 광투과율의 변경은, 연소기(20)를 거쳐 연소진단튜브(110) 내측으로 되돌아온 후 이색광학거울(130)을 투과한 제2 반사광(RL2)의 세기 변화가 광센서(140)에 의해 정밀하게 감지될 수 있는 한도 내에서 다양하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 이색광학거울(130)은, 광반사율과 광투과율이 발생된 적외선(IL)에 대하여 각각 50%가 되도록 제작하게 되며, 발생된 적외선(IL)이 연소기(20) 쪽을 지향하여 반사될 수 있도록 하는 위치 및 기울기로 연소진단튜브(110) 내에 설치된다.
여기서 광반사율 및 광투과율을 50%로 설정한 이유는, 첫째, 발생된 적외선(IL)의 원활한 반사를 도모하고, 둘째 연소기(20)를 거치면서 세기가 약화된 제2 반사광(RL2)이 이색광학거울(130)을 투과한 후 광센서(140)를 통해 그 약화된 세기의 정도를 손쉽게 파악될 수 있도록 하기 위함이다.
만일, 광반사율이 50%보다 크고 광투과율이 낮게 되면, 광투과율로 인해 제2 반사광(RL2)의 세기가 작아져 광센서(140)를 통해 제2 반사광(RL2)의 약화된 세기의 정도를 정밀하게 측정하기 어려운 문제가 발생한다. 또한, 광반사율이 50%보다 작고 광투과율이 크게 되면, 광투과율로 인해 제2 반사광(RL2)의 세기가 커지게 되어 부유성 고형물(PM)의 산란에 따른 적외선(IL)의 미세한 세기 변화를 광센서(140)에 의해 감지해 내기 어려운 문제가 발생하게 된다. 따라서 이색광학거울(130)의 광반사율 및 광투과율은 50%로 설정하는 것이, 제2 반사광(RL2)의 미세한 세기 변화를 감지하기 위해 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 연소상태 진단장치(100)에 추가될 수 있는 구성인 빔덤프(160)는, 발생된 적외선(IL) 중 이색광학거울(130)을 통해 투과된 투과광(TL)을 흡수하기 위해 마련되는 구성요소이다.
빔덤프(160)는 대략 1㎛ 이상의 적외선(IL) 파장에 대하여 85% 내지 95%의 흡수율을 갖는 탄소 그을림, 카본 그라파이트, 석면 또는 철 산화면 등이 형성된 블록으로 구현될 수 있다.
빔덤프(160)를 설치하는 이유는, 적외선(IL) 중 이색광학거울(130)을 통해 투과된 투과광(TL)에 의한 영향을 받지 않고, 연소기(20) 내의 부유성 고형물(PM)에 의해 산란되어 그 세기가 감소된 제2 반사광(RL2)의 세기만이 온전히 광센서(140)를 통해 측정되도록 하기 위함이다. 이를 통해 연소기(20) 내 부유성 고형물(PM)의 발생 상태가 보다 정확하게 판별될 수 있다.
상술한 빔덤프(160)의 기능을 충실히 수행하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔덤프(160)는 이색광학거울(130)을 가운데에 두고 적외선발진기(120)가 설치된 위치와 서로 마주보도록 하는 연소진단튜브(110) 일측에 마련된다. 이때, 투과광(TL)의 효율적인 흡수가 이루어질 수 있도록, 빔덤프(160)는 연소진단튜브(110)의 내측면이 바깥쪽으로 함몰되어 이루어진 함몰부(116) 안쪽에 설치되는 것이 바람직하다.
광센서(140)는 이색광학거울(130)을 통해 반사된 제1 반사광(RL1) 중에서 연소기 내측 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정하기 위해 연소진단튜브의 타단부(도면상 상단부)에 구비되는 구성요소이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광센서(140)는, 감지된 적외선(특히, 제2 반사광(RL2))의 세기에 비례하여 전압 내지 전류를 생성하는 공지의 장치들(광다이오드, PMT)로 구현하게 된다. 이러한 광센서(140)의 구체적 구조 내지 구성 및 측정 원리 등은, 이미 공지된 기술에 해당하므로 구체적인 설명은 생략한다.
광센서(140)는 적외선발진기(120)를 통해 연속적으로 발생되는 적외선(IL)이 반사되어 제2 반사광(RL2)의 형태로 광센서(140)까지 전파되어오면, 그 세기를 전압 내지 전류의 형태로 산출한 다음 제어부(150)에 해당 측정값을 연속적으로 전달하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 연소상태 진단장치(100)에 추가될 수 있는 구성인 볼록렌즈(170)는, 이색광학거울(130)을 투과한 제2 반사광(RL2)이 광센서(140)의 수광부 쪽에 집광 내지 포집될 수 있도록 하기 위해 마련되는 구성요소이다.
이러한 볼록렌즈(170)는 광센서(140)와 이색광학거울(130) 사이에서 렌즈의 초점이 광센서(140)의 수광부에 놓이게 하는 위치에 설치된다.
볼록렌즈(170)를 통해 제2 반사광(RL2)이 광센서(140)의 수광부 쪽에 포집됨에 따라 광센서(140)는 보다 정밀하고 정확하게 제2 반사광(RL2)의 세기를 일관성 있게 측정할 수 있게 된다. 따라서 제2 반사광(RL2)의 세기가 미세한 차이를 보이더라도 이를 유의미한 측정정보로 활용할 수 있게 된다.
제어부(150)는, 상술한 적외선발진기(120) 및 광센서(140)뿐만 아니라 이외의 다양한 진단장치들과 서로 전기적으로 연결되어 이들로부터 생성된 신호 내지 정보를 전송받고, 이들을 제어하기 위한 제어신호를 송출하며, 필요에 따라서 전송받은 신호 내지 정보를 저장하거나 표시장치를 통해 표시하는 구성요소에 해당한다.
이러한 제어부(150)는 연소기(20)에서 발생하는 고온고압에 의한 영향을 받지 않고 안정적으로 작동될 수 있게 연소기(20)와 이격된 일측에 설치되되, MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer) 등과 같은 소형 또는 상용 컴퓨터 등으로 구현된다.
MCU, 마이컴과 같은 컴퓨터 장치, 즉 제어부(150)를 통한 적외선발진기(120) 및 광센서(140) 등과 같은 진단장치들의 특정 목적(부유성 고형물(PM)의 발생여부, 화염 온도 측정, 압력측정 등) 구현은, 기계어(machine language) 등과 같은 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지게 된다. 진단장치의 제어를 위한 기계어 코딩과 관련된 부분은 당업자 수준에서 다양한 방식으로 이루어질 수 있는바, 이에 대한 구체적 설명은 생략한다.
다만, 본 발명의 기술적 핵심인 적외선(IL)을 이용한 부유성 고형물(PM)의 발생 여부 판별과 관련된 알고리즘이, 제어부(150)를 통해 어떻게 수행되는지를 중심으로 이하에서 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 제어부(150)는 기본적으로 적외선발진기(120) 및 광센서(140)와 연결되어 이들을 제어함은 물론, 광센서(140)를 통해 측정된 제2 반사광(RL2)의 세기에 기초하여 연소기(20) 내 화염에 포함된 부유성 고형물(PM)의 많고 적음을 판별하게 된다.
제어부(150)를 통한 부유성 고형물(PM)의 많고 적음을 판별하는 원리를 간략하게 설명하면 다음과 같다.
즉, 연소기(20) 내에서 연소가 전혀 이루어지지 않는 때(부유성 고물(PM)이 전혀 없는 때)에 측정된 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정한다. 그리고 연소기(20) 내에서 연료의 연소가 이루어지는 동안 측정된 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정한다. 그리고 제어부(150)를 통해 각 측정치를 상호 비교한 후 세기의 차이가 크면(산란이 많이 발생함을 의미), 화염 내 부유성 고형물(PM)의 양은 많은 것으로 판별하게 된다.
다만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어부(150)는, 적외선발진기(120) 및 광센서(140)와 연결된 상태에서 초기값정보(IVI), 자발광세기정보(SLI) 및 고형물측정정보(PMI)에 기초하여 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출하게 된다.
이는 사용연료에 따라 달라지는 화염 온도의 차이에 기인하는 자발광에 따른 영향을 고려하여 부유성 고형물(PM)의 양을 보다 정량적이고 정밀하게 산출할 수 있는 기준을 마련하기 위함이다.
이러한 제1 실시예에 따른 제어부(150)의 부유성 고형물(PM) 판별 알고리즘을 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제어부(150)는, 연소기(20)에서 연소가 이루어지지 않은 상태에서 적외선발진기(120)를 일시적으로 작동시킨 후 광센서(140)를 통해 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정하여 도 2와 같은 초기값정보(IVI)를 생성한다. 이는 이후에 측정되는 고형물측정정보(PMI)와 비교기준으로 삼기 위함이다.
다음으로, 제어부(150)는 적외선발진기(120)를 작동시키지 않은 상태에서, 연소기(20)에서 연소가 이루어지는 동안 화염에서 발생하는 자발광의 세기를 광센서(140)를 통해 측정하여 도 2와 같은 자발광세기정보(SLI)를 생성하게 된다.
여기서 자발광이란, 연소시 화염 자체에서 방사되는 적외선(IL)을 의미하는 것으로, 플랑크 법칙에 따르면 화염 온도가 높을수록 강한 세기의 자발광(적외선)이 발생하게 된다. 따라서 제어부(150)는 이러한 자발광의 세기에 의한 영향 치를 고려하여 보다 정량적이고 정밀하게 부유성 고형물(PM)의 양을 산출할 수 있도록 자발광세기정보(SLI)를 생성하게 된다.
다음으로, 제어부(150)는 연소기(20) 내에서 연료의 연소가 진행되는 동안 소정의 시간간격마다 또는 연속적으로 적외선발진기(120)를 통해 적외선(IL)을 발생시키게 된다.
다음으로, 제어부(150)는 발생된 적외선(IL)이 제1,2 반사광(RL1,RL2)의 형태로 연소기(20)에서 부유성 고형물(PM)에 의해 산란이 이루어진 후, 광센서(140)를 통해 연소진단튜브(110) 내로 반사되어 되돌아온 제2 반사광(RL2)의 세기를 측정하여 도 2와 같은 고형물측정정보(PMI)를 생성하게 된다. 이때의 광센서(140)는 적외선발진기(120)에 기인한 제2 반사광(RL2)뿐만 아니라 연소기(20) 내 화염에 기인한 자발광 자체의 적외선(IL)에 대한 세기까지도 함께 측정하게 된다.
마지막으로, 제어부(150)는 적외선(IL)의 세기(전압(V) 또는 전류(A)로 표시됨)에 관한 정보인 초기값정보(IVI), 자발광세기정보(SLI) 및 고형물측정정보(PMI)에 기초하여 화염 내 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출하게 된다.
여기서 제어부(150)를 통해 부유성 고형물(PM)의 양을 정량적으로 산출하는 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 우선 상술한 과정에서 획득된 3가지 정보에 기초하여 순수하게 부유성 고형물(PM)에 의한 산란만으로 감쇄된 적외선의 세기(△D)를 △D = IVI - (PMI - SLI) = (IVI + SLI) - PMI 로부터 산출(자발광에 의한 영향 치 각각 고려한 것임)한다.
그리고 이렇게 산출된 산란감쇄(△D)가 발생하는 동안 가스터빈(10)의 배기구(16)에서 배출된 배기가스에 포함된 부유성 고형물(PM)의 전반적인 입자크기 및 양을 통계적으로 산출한다.
마지막으로, 상술한 2개의 과정을 수회 내지 수십 회 반복하여 산란감쇄(△D)의 정도에 따라 매칭되는 부유성 고형물(PM)의 입자크기 및 양을 데이터화하게 되면, 하나의 함수형태(주로 산란감쇄(△D) 양에 비례하여 입자크기 및 양도 커짐)가 도출되고, 이러한 함수관계에 기초하여 제어부(150)는 산란감쇄(△D)의 양을 연산한 후 부유성 고형물(PM)의 크기 및 양을 정량적으로 산출할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 가스터빈의 연소기(20) 내 화염 온도(T)를 정밀하고 정확하게 측정하기 위해, 대략 제1 실시예의 구성에 초음파송신기(182) 및 초음파수신기(184)로 이루어지는 화염온도측정모듈(180)을 더 포함하여 구성된다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 연소기(20) 내 화염 온도(T)를 정밀하고 정확하게 측정하기 위한 화염온도측정모듈(180)을 중심으로 설명한다.
초음파송신기(182)는, 가청주파수보다 큰 20kHz 이상의 주파수를 발생시키는 장치로서, 연소진단튜브(110) 타단부(도면상 상단부 쪽)에 구비되되, 연소진단튜브(110)를 통해 연소기(20) 쪽으로 송신초음파(SU)를 송출할 수 있도록 초음파송신기(182)의 방향은 연소기의 반사면(20a)을 지향하도록 설치하게 된다.
이로 인해 초음파송신기(182)에서 송출된 송신초음파(SU)는, 연소진단튜브(110) 내측 공간을 따라 전파되다가 일부는 후술할 초음파수신기(184)에 의해 수신된다. 그리고 나머지 송신초음파(SU)는 연소기(20) 내의 화염을 가로질러 전파된 후 연소기의 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 반사파(RU)의 형태로 다시 연소진단튜브(110) 내측 공간으로 전파되게 된다.
이러한 초음파송신기(182)의 구체적 구조 내지 구성 및 초음파 발생 원리는, 이미 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략한다.
다만, 이하에서 설명되는 내용의 이해를 돕기 위해, 공기 중에서의 초음파 속도(C, 음파)는 일반적으로 C = 331.6 + 0.6 * t℃(m/s) 의 관계식으로 표현될 수 있으며, 온도(t℃)와 비례관계를 이루므로 초음파 속도(C)를 알게 되면 역으로 온도(t℃)를 개략적으로 판단할 수 있다는 정도만 언급하기로 한다.
본 발명의 제2,3 실시예에 따른 초음파송신기(182)는, 대략 30kHz ~ 1000kHz 대역의 송신초음파(SU)를 발생시키는 초음파송신기(182)가 사용될 수 있다. 이때, 사용되는 주파수 대역은 연소기(20)에서 연소되는 연료의 종류, 가스터빈(10)의 종류나 방식 및 연소환경 등을 고려하여 임의로 선택할 수 있다. 다만, 고온, 고압의 연소환경에 비교적 영향을 적게 받고 우수한 분석능을 갖는 고주파수 대역의 초음파가 연소기(20) 내 화염 온도(T) 측정에 사용되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제2,3 실시예에 따른 초음파송신기(182)는, 도 4 및 도 5에서 도시한 바와 같이 연소진단튜브(110)의 측면 쪽으로 살짝 치우치게 설치된다. 이는 다른 진단장치들 즉, 압력센서나 자발광 신호 수신장치 등과의 간섭을 회피하기 위한 것이다.
이때, 초음파송신기(182)가 연소진단튜브(110)의 측면 쪽으로 살짝 치우쳐 설치되더라도 초음파송신기(182)에서 송출되는 송신초음파(SU)는 연소진단튜브(110)를 따라 전파되면서 직진성을 갖게 되므로 화염 온도(T) 측정에 큰 영향을 미치지 않게 된다.
다만, 초음파송신기(182)는 다른 진단장치들과의 간섭이 없는 한도 내에서 연소기의 반사면(20a)과 직접 마주하도록 연소진단튜브(110)의 중앙 쪽에 설치하게 되면, 송신초음파(SU)의 반사로 생성된 반사파(RU)가 연소진단튜브(110) 쪽으로 원활하게 전파될 수 있으므로, 더욱 정확한 화염 온도(T) 측정이 이루어질 수 있다.
이러한 초음파송신기(182)는, 연소상태 진단장치(100)가 소정시간마다 실시간으로 화염 온도(T)를 측정할 수 있도록, 후술할 제어부(150)의 제어를 통해 소정간격을 두고 송신초음파(SU)를 발생시키게 된다.
초음파수신기(184)는, 초음파를 수신하여 수신신호 즉, 펄스파(또는 아날로그파) 형태의 전기적 신호(S) 및 수신한 때의 시각정보(t)를 함께 생성하는 장치로서, 연소기(20) 쪽 방향으로 초음파수신기(184)와 소정거리를 두고 연소진단튜브(110) 내부에 설치된다.
본 발명에 따른 초음파수신기(184)는, 초음파송신기(182) 쪽과 연소기의 반사면(20a) 쪽 모두를 지향하여 각각 송신초음파(SU)와 반사파(RU)를 모두 수신할 수 있도록 양방형 수신기 형태로 제작된다. 이러한 초음파수신기(184)의 기본적인 구조 내지 구성 및 수신신호 발생원리 등은, 이미 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파수신기(184)는, 도 4에 도시된 바와 같이 연소진단튜브(110) 내부에 1개가 구비되어, 송신초음파(SU)를 수신하여 제1 수신신호(S1-t1)를 생성하고, 송신초음파(SU) 중 연소기 내측 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 반사파(RU)를 수신하여 제2 수신신호(S1-t2)를 생성하게 된다.
즉, 제2 실시예에 따른 초음파수신기(184)는, 양방향의 초음파를 수신하도록 이루어져 초음파송신기(182)에서 송출된 송신초음파(SU)를 일면에서 수신하여 펄스파 형태의 전기적 신호(S1)와 그때의 시각정보(t1)를 생성하게 된다.
그리고 제2 실시예에 따른 초음파수신기(184)는, 연소기의 반사면(20a) 쪽에서 전파되어 되돌아오는 반사파(RU)를 타면에서 수신하여 펄스파 형태의 전기적 신호(S1)와 그때의 시각정보(t2)를 생성하게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파수신기(184)는, 도 5에 도시된 바와 같이 연소진단튜브(110) 내부에서 길이방향을 따라 이격된 상태로 2개가 구비되며, 초음파송신기(182)와 인접한 제1 초음파수신기(184a)와, 연소기(20) 쪽에 인접한 제2 초음파수신기(184b)로 이루어진다. 이때, 제1,2 초음파수신기(184a,184b)도, 초음파송신기(182) 쪽과 연소기의 반사면(20a) 쪽을 모두 지향하는 양방형 수신기 형태로 제작된다.
이러한 제1 초음파수신기(184a)와 제2 초음파수신기(184b)는, 먼저 초음파송신기(182)로부터 송출된 송신초음파(SU)를 각각 순차 수신하여 제1-1 수신신호(S11-t1)(제1 초음파수신기(184a)) 및 제2-1 수신신호(S21-t2)(제2 초음파수신기(184b))를 생성하게 된다. 그리고 제2 초음파수신기(184b)와 제1 초음파수신기(184a)는 송신초음파(SU) 중 연소기 내측 반사면(20a)에 의해 되돌아오는 반사파(RU)를 각각 순차 수신하여 제2-2 수신신호(S22-t3) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)를 생성하게 된다.
이때, 제1,2 초음파수신기(184a,184b) 간의 이격배치는 이격거리가 L1을 유지하는 한도 내에서, 도면에 도시된 바와 같이 서로 일직선상에 놓이도록 배열될 수 있다. 다만, 제1,2 초음파수신기(184a,184b) 자체가 전파되는 송신초음파(SU) 및 반사파(RU)의 이동을 간섭하지 않고 각각이 송신초음파(SU) 및 반사파(RU)를 원활하게 수신할 수 있도록 연소진단튜브(110) 내주면 상에서 서로 일직선상에 놓이지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
제어부(150)는, 상술한 초음파송신기(182) 및 초음파수신기(184)와 전기적으로 연결되어 이들로부터 생성된 신호 내지 정보를 전송받고, 이들을 제어하기 위한 제어신호를 송출하게 되며, 일반적인 내용은 앞에서 상술한 바와 같다.
따라서 이하에서는 화염온도측정모듈(180)의 화염 온도(T) 측정과 관련된 알고리즘이 제어부(150)를 통해 어떻게 수행되는지를 중심으로 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 제어부(150)의 경우, 초음파송신기(182) 및 초음파수신기(184)와 연결된 상태에서 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2) 및 초음파수신기(184)와 반사면(20a) 간의 이격거리(L)에 기초하여 연소기(20) 내의 화염 온도(T)를 측정하게 된다.
보다 구체적으로, 도 4를 참조하여 설명하면 먼저, 제어부(150)가 초음파송신기(182)를 제어하여 소정시간 간격으로 송신초음파(SU)를 발생시키게 되면, 양방향 초음파수신기(184)는 송신초음파(SU) 및 반사파(RU)를 각각 수신하여 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2)를 생성하게 된다.
다음으로, 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2)를 전송받은 제어부(150)는, 제1,2 수신신호(S1-t1,S1-t2)에 기초하여 송신초음파(SU) 수신 후 반사파(RU) 수신까지의 지연시간 △t(t2-t1)를 산출한 후, 속도식 Cflame = 2L /△t 에 의해 연소기(20) 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출하게 된다.
마지막으로, 제어부(150)는 산출된 초음파의 속도값(Cflame) 및 상수값인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000005
및 R 값을 초음파 속도와 온도와의 관계식인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000006
에 대입하여 화염 온도(T)를 산출하게 된다. 이때,
Figure PCTKR2016000599-appb-I000007
은 비열비(정적몰비열에 대한 정압몰비열의 비), R은 기체상수값, T는 화염온도(절대온도)를 의미하며, 비열비와 기체상수값은 연소상태에 따라 각각 보정된 값을 갖는 상수로서, 데이터베이스에 저장된 상태에서 제어부(150)에 입력되어 화염 온도(T) 연산에 이용된다.
상술한 초음파 속도와 온도와의 관계식은, 이상기체방정식에서 유래한 실제 공기에 대한 기체방정식 및 파동방정식으로부터 유도되는 속도식을 정리하여 얻어진 것으로, 이미 알려진 식이므로 구체적인 유도과정 등에 대한 설명은 생략한다.
이상에서 살펴본 제2 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 종래와 같이 연소기(20) 외측에 마련된 센서를 통해 간접적으로 화염 온도(T)를 측정하는 방식이 아니라 연소기(20) 내의 화염을 가로질러 전파되는 초음파를 이용하여 측정하는 방식이어서, 종래에 비해 연소기(20) 내부의 화염 온도(T)를 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 초음파송신기(182) 1개와 양방향 초음파수신기(184) 1개만을 이용하여 연소기(20)의 화염온도를 측정할 수 있어 종래에 비해 부품 수가 비약적으로 감소됨은 물론, 단순한 구조로 구현됨에 따라 유지 관리의 용이성이 도모될 수 있고, 고비용이 소요되는 연소기(20)에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기존에 운용중인 연소기(20) 및 연소진단튜브(110)에 용이하게 추가장착되어 적용될 수 있다.
반면에, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제어부(150)는, 제1-1 수신신호(S11-t1), 제2-1 수신신호(S21-t2), 제2-2 수신신호(S22-t3) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)와, 제1,2 초음파수신기(184a,184b) 간의 이격거리(L1), 제2 초음파수신기(184b)와 개구부(110a) 간의 이격거리(L2) 및 개구부(110a)와 연소기의 반사면(20a) 간의 이격거리(L3)에 기초하여 연소기(20) 내의 화염 온도(T)를 측정하게 된다.
보다 구체적으로, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제어부(150)가 초음파송신기(120)를 제어하여 소정시간 간격으로 송신초음파(SU)를 발생시키게 되면, 양방향의 제1,2 초음파수신기(184a,184b)의 일면은 순차적으로 송신초음파(SU)를 수신하여 제1-1 수신신호(S11-t1), 제2-1 수신신호(S21-t2)를 생성하게 된다. 그리고 제2 초음파수신기(184b)와 제1 초음파수신기(184a)는 순차적으로 반사파(RU)를 수신하여 제2-2 수신신호(S22-t3) 및 제1-2 수신신호(S12-t4)를 생성하게 된다.
다음으로, 상기의 4가지 수신신호를 순차적으로 전송받은 제어부(150)는, 제1-1,2-1 수신신호(S11-t1,S21-t2)에 기초하여 지연시간 △t1(=t2-t1)을, 제2-1, 2-2 수신신호(S21-t2,S22-t3)에 기초하여 지연시간 △t2(=t3-t2)를, 상기 제2-2,1-2 수신신호(S22-t3, S12-t4)에 기초하여 지연시간 △t3(=t4-t3)를 각각 산출한다.
그리고 속도식 C1 = L1 /△t1에 의해 송신초음파(SU)의 속도(C1)를, 속도식 Cflame = 2(L2+L3) /△t2 에 의해 연소기(20) 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를, 속도식 C2 = L1 /△t3 에 의해 상기 반사파(RU)의 속도(C2)를 각각 산출하게 된다.
마지막으로, 제어부(150)는 상수인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000008
값 및 R 값과 산출된 초음파의 속도 값(C1,C2,Cflame) 중에서 Cflame 값만을 초음파 속도와 온도와의 관계식인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000009
에 대입하여 화염 온도(T)를 산출할 수 있다. 다만, 이때의 화염 온도(T)는 L2 구간과 L3 구간에 걸쳐 전파 내지 반사되는 초음파의 평균속도에 기초한 것이므로, 순수한 연소기(20) 구간(L3)에서의 초음파 평균속도에 기초한 경우보다 정확도가 떨어질 수 있다.
여기서
Figure PCTKR2016000599-appb-I000010
은 비열비(정적몰비열에 대한 정압몰비열의 비), R은 기체상수값, T는 화염온도(절대온도)를 의미하며, 비열비와 기체상수값은 연소상태에 따라 각각 보정된 값을 갖는 상수로서, 데이터베이스에 저장된 상태에서 제어부(150)에 입력되어 화염 온도(T) 연산에 이용됨은 제1 실시예와 같다.
이상에서 살펴본 제3 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 종래와 같이 연소기(20) 외측에 마련된 센서를 통해 간접적으로 화염 온도(T)를 측정하는 방식이 아니고 연소기(20) 내의 화염을 가로질러 전파되는 초음파를 이용하여 측정하는 방식이다. 따라서 종래에 비해 연소기(20) 내부의 화염 온도(T)를 보다 정밀하고 정확하게 측정할 수 있음은 제2 실시예와 같다.
또한, 제3 실시예에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치(100)는, 제2 실시예와 비교할 때, 양방향 초음파수신기(184)가 1개 더 추가된 형태이지만 종래에 비해 부품 수가 감소되고, 단순한 구조로 구현된 점은 마찬가지여서 유지 관리의 용이성이 도모될 수 있다. 그리고 고비용이 소요되는 연소기(20)에 대한 별도의 구조변경이나 교체 없이도 기존에 운용중인 연소기(20) 및 연소진단튜브(110)에 용이하게 추가장착되어 적용될 수 있다.
한편, 연소진단튜브(110)의 길이방향을 따라 양방향 초음파수신기(184)를 1개 더 추가하면서 개구부(110a)와 제2 초음파수신기(184b) 간의 이격구간(L2)을 추가로 구획하는 형태로 제3 실시예를 구현한 이유는, 더욱 정확한 화염 온도(T)를 측정하고, 초음파의 회절, 간섭, 중첩이나 연소기(20) 내 물리적 요인에 따른 초음파수신기(184)의 계측오류 등을 시정하기 위함이다.
즉, 화염 온도(T) 측정의 정확성을 보다 증대하기 위해서, 제어부(150)는 이미 산출된 초음파의 속도 값인 Cflame 값뿐만 아니라 C1 및 C2 값 모두를 다음과 같이 활용하게 된다.
먼저, 제어부(150)는, 제2 초음파수신기(184b)에서 개구부(110a)에 이르는 이격거리(L2)에 대한 송신초음파(SU)의 지연시간 △t4를, L1 구간에서의 송신초음파(SU) 속도인 C1을 기초로 속도식 △t4 = L2 / C1 에 의해 산출하게 된다.
여기서 L1 구간의 속도 값인 C1 값을 L2 구간의 속도 값으로 취급하여 속도식을 적용한 이유는, L1 구간과 L2 구간은 연소진단튜브(110) 상에서 서로 인접한 구간이어서 온도차가 크지 않고, 같은 송신초음파(SU)이기 때문에 전파속도의 연속성을 인정하여도 유의할 만한 수준의 오차가 발생하지 않기 때문이다.
다음으로, 제어부(150)는, 개구부(110a)에서 제2 초음파수신기(184b)에 이르는 이격거리(L2)에 대한 반사파(RU)의 지연시간 △t5 를, L1 구간에서의 반사파(RU) 속도인 C2를 기초로 속도식 △t5 = L2 / C2 에 의해 산출하게 된다. 여기에서도 L1 구간의 속도 값인 C2 값을 L2 구간의 속도 값으로 취급하여 속도식을 적용한 이유는, L1 구간과 L2 구간은 연소진단튜브(110) 상에서 서로 인접한 구간이어서 온도차가 크지 않고, 같은 반사파(RU)이기 때문에 전파속도의 연속성을 인정하여도 유의할 만한 수준의 오차가 발생하지 않기 때문이다.
마지막으로, 제어부(150)는, 산출된 △t4 및 △t5 에 기초하여 속도식 Cflame = 2L3 /(△t2-△t4-△t5)에 의해 순수한 연소기(20) 구간(L3) 내에서의 초음파 속도(C flame)를 산출한다.(도 6 참조) 그리고 제어부(150)는 초음파 속도와 온도와의 관계식인
Figure PCTKR2016000599-appb-I000011
에 산출된 Cflame를 대입하여 앞선 경우보다 정확한 화염 온도(T)를 산출하게 된다.
한편, 제어부(150)는 초음파의 회절, 간섭, 중첩이나 연소기(20) 내 물리적 요인에 따른 초음파수신기(184)의 계측오류 등을 시정하기 위해서 다음과 같은 알고리즘을 수행할 수 있다.
제어부(150)는, 송신초음파(SU)에 대한 수신신호인 제1-1,2-1 수신신호(S11-t1,S21-t2)에 기초하여 산출된 지연시간 △t1(=t2-t1)과, 반사파(RU)에 대한 수신신호인 제2-2,1-2 수신신호(S22-t3,S12-t4)에 기초해 산출된 지연시간 △t3(=t4-t3)를 상호 비교하여 소정범위 이상의 차가 있게 되면 계측오류신호를 생성한다.
즉, 요약하면, 송신초음파(SU)에 대한 L1 구간의 지연시간 △t1과 반사파(RU)에 대한 L1 구간의 지연시간 △t3를 상호비교하는 것이다.(이것은 앞서 산출된 초음파의 속도C1과 C2를 상호 비교하는 것과 같다.)
상술한 방식으로 계측오류를 판단할 수 있는 이유는 다음과 같다.
만일 초음파송신기(182)로부터 송신초음파(SU)가 송출된 이후 반사파(RU)로 되돌아오는 과정에서 회절, 간섭이나 기타 물리적 요인에 따른 영향을 전혀 받지 않은 이상적인 경우라면, 같은 구간인 L1에서는 송신초음파(SU)의 속도(C1)와 반사파(RU)의 속도(C2)는 서로 동일하게 될 것이며, L1 구간에 대하여 각각 산출된 지연시간 △t1 과 △t3 도 동일하게 될 것이다.
그러나 이상적이지 않은 경우라면, 물리적 요인 등에 의한 영향이 커질수록 L1 구간에서의 속도(C1,C2)는 물론, 지연시간 △t1 과 △t3 간의 차이도 커지게 됨을 쉽게 예상할 수 있다. 따라서 L1 구간에서의 속도 C1 과 C2 간의 차이(또는 지연시간 △t1 과 △t3)가 소정범위 이상이 되면, 이러한 상태에서 산출된 화염 온도(T)의 측정치는 신뢰할 수 없게 되므로, 제어부(150)는 계측오류신호를 생성하게 되는 것이다.
여기서 소정범위란, 사용자의 필요에 따라 적절하게 가감되어 정해질 수 있는 것으로서, 화염 온도(T) 측정의 정확성을 보다 추구하려면, 해당 범위를 좁게 설정함이 바람직하다.
결국, 제어부(150)는 산출된 △t1 과 △t3가 소정범위 이상의 차이가 있게 되면, 사용자 등에게 계측오류의 알림 등이 이루어지게 함과 동시에 새로운 화염 온도 측정을 위해 초음파송신기(182)를 통하여 송신초음파(SU)를 즉각 송출하도록 제어할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 가스터빈용 연소기(20) 내의 화염 온도(T)가 대략 1300℃ 이하에서 CO 배출이 비약적으로 증가하는 연소의 특성을 고려하여, 제어부(150)는 산출된 화염 온도(T)가 대략 1300℃ 이하인 경우, 일산화탄소(CO) 발생위험신호를 생성하도록 구현될 수 있다.
반면에, 도 8에 도시된 바와 같이, 가스터빈용 연소기(20) 내의 화염 온도(T)가 대략 1600℃ 이상에서 NOx 배출이 비약적으로 증가하는 연소의 특성을 고려하여, 제어부(150)는 산출된 상기 화염 온도(T)가 대략 1600℃ 이상인 경우, 질소산화물(NOx) 발생위험신호를 생성하도록 구현될 수 있다.
도 7 및 도 8에 제시되는 가스터빈(10) 연소 특성 그래프는 본 발명의 출원인이 International Journal of Hydrogen Energy에서 발표한 논문 내용 중 Fig 9 및 Fig 7 에 기초한 자료이다.
(http://www.sciencedirect.com/science/journal/03603199 참조)
상술한 바와 같이 제어부(150)에 의해 생성된 발생위험신호(계측오류신호 등)는, 가스터빈(10)의 컨트롤 패널(미도시) 등에 전달되어 작업자에게 표시되도록 이루어질 수 있다.
이렇게 본 발명에 따라 측정된 화염 온도(T) 및 연소 온도에 따른 연료별(신연료 즉, IGCC, Bio gas, DME(Dimethyl Ether), SNG(Synthetic Natural Gas) 등 포함) 유해물질 배출특성 그래프에 기초하여, 연료의 불완전 연소 여부를 실시간으로 정확하게 판단하고 대처할 수 있게 됨에 따라 연료의 연소 효율성을 향상시킬 수 있으며, 유해 배기가스의 저감 등을 이룰 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 제2,3 실시예에 따르면, 부유성 고형물(PM)의 정량적 측정 및 화염 온도(T)의 측정이 동시에 이루어질 수 있게 되므로, 온도와 부유성 고형물(PM)의 발생 간의 상관관계를 알 수 있게 됨은 물론, 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)과 같은 유해가스와 부유성 고형물(PM) 간의 상관관계, 연소불안정의 증폭이나 감쇄에 대한 예측 등을 종합적으로 판단할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명에 따른 가스터빈 연소상태 진단장치에 의하면, 적외선발진기를 통해 발생된 적외선이 이색광학거울에 의해 연소기 쪽으로 반사되고, 연소기 내의 화염을 통과한 다음 연소기 반사면에 의해 연소진단튜브 내로 되돌아오도록 한 후, 광센서를 통해 해당 적외선의 세기가 측정되도록 하여 연료의 종류를 불문하고 소정 크기 이상의 부유성 고형물(PM)의 발생 여부를 판별할 수 있도록 함으로써, 가스터빈의 연료 효율성의 증대 및 가스터빈의 안정적인 운용이 도모되고, 가스터빈의 노후화가 저감된다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (12)

  1. 일단부에 개구부가 마련되어 가스터빈용 연소기 내측 공간과 연통되고, 타단부는 외측으로 돌출형성되어 이루어지는 연소진단튜브;
    상기 연소진단튜브 일측과 연통되도록 구비되어 상기 연소진단튜브 내부로 적외선을 발생시키는 적외선발진기;
    상기 연소진단튜브 내에 구비되어 상기 적외선 일부만 상기 연소기 내측으로 제1 반사시키고, 나머지는 투과시키는 이색광학거울;
    상기 이색광학거울을 통해 반사된 제1 반사광 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 제2 반사광의 세기를 측정하기 위해 상기 연소진단튜브의 타단부에 구비되는 광센서; 및
    상기 적외선발진기 및 상기 광센서와 연결되어 제어하고, 측정된 상기 제2 반사광의 세기에 기초하여 상기 연소기 내의 화염에 포함되는 부유성 고형물의 많고 적음을 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스터빈 연소상태 진단장치는,
    상기 적외선 중 상기 이색광학거울을 통해 투과된 투과광을 흡수할 수 있도록, 상기 적외선발진기와 마주하는 상기 연소진단튜브 일측에 빔덤프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스터빈 연소상태 진단장치는,
    상기 제2 반사광이 상기 이색광학거울을 투과한 후 상기 광센서에 집광될 수 있도록, 상기 광센서와 상기 이색광학거울 사이에 볼록렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연소진단튜브는,
    상기 개구부를 통해 상기 연소기와 연통되는 직선형의 파이프 형상으로 이루어진 메인튜브와, 상기 메인튜브 일측에서 돌출형성되되 상기 연소기 쪽으로 경사진 서브튜브로 구성되고,
    상기 적외선발진기는,
    상기 서브튜브 내측에 장착되고, 1㎛ 이상의 부유성 고형물을 원활하게 검출할 수 있도록, 파장이 0.5㎛ 내지 1.5㎛인 적외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이색광학거울은,
    상기 적외선이 상기 연소기 쪽을 향하여 반사될 수 있는 위치에 설치되고,
    광투과율이 50%인 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연소기에서 연소가 이루어지지 않은 상태에서 상기 적외선발진기를 작동시킨 후 상기 광센서를 통해 상기 제2 반사광의 세기를 측정하여 초기값정보를 생성하고,
    상기 연소기에서 연소가 이루어지는 동안 화염에서 발생하는 자발광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 자발광세기정보를 생성하고,
    상기 연소기에서 연소가 진행되는 동안 소정의 시간간격마다 상기 적외선발진기를 통해 상기 적외선을 발생시키고, 상기 적외선이 상기 제1,2 반사광의 형태로 상기 연소기에서 상기 부유성 고형물에 의해 산란이 이루어진 상태에서 상기 제2 반사광의 세기를 상기 광센서를 통해 측정하여 고형물측정정보를 생성하고,
    상기 초기값정보, 상기 자발광세기정보 및 상기 고형물측정정보에 기초하여 화염 내 부유성 고형물의 양을 정량적으로 산출하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스터빈 연소상태 진단장치는,
    상기 연소진단튜브 타단부에 구비되어 상기 연소진단튜브를 통해 상기 연소기 쪽으로 송신초음파를 발생시키는 초음파송신기; 및
    상기 연소진단튜브 내부에 구비되어, 상기 송신초음파를 수신하여 제1 수신신호를 생성하고, 상기 송신초음파 중 상기 반사면에 의해 되돌아오는 반사파를 수신하여 제2 수신신호를 생성하는 초음파수신기를 포함하여 구성되는 화염온도측정모듈을 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 화염온도측정모듈과 연결되어 제어하고, 상기 제1,2 수신신호 및 상기 초음파수신기와 상기 반사면 간의 이격거리(L)에 기초하여 상기 연소기 내의 화염 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1,2 수신신호에 기초하여 상기 송신초음파 수신 후 상기 반사파 수신까지의 지연시간 △t를 산출하고,
    속도식 Cflame = 2L /△t 에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출한 후,
    초음파 속도와 온도와의 관계식인
    Figure PCTKR2016000599-appb-I000012
    에 의해 상기 화염 온도를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 초음파수신기는,
    상기 연소진단튜브 내부의 제1 초음파수신기와, 상기 연소기 쪽으로 이격구비되는 제2 초음파수신기로 이루어져 상기 송신초음파를 각각 순차 수신하여 제1-1 수신신호 및 제2-1 수신신호를 생성하고, 상기 송신초음파 중 상기 연소기 내측 반사면에 의해 되돌아오는 상기 반사파를 각각 순차 수신하여 제2-2 수신신호 및 제1-2 수신신호를 생성하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1-1 수신신호, 제2-1 수신신호, 2-2 수신신호, 제1-2 수신신호, 상기 제1,2 초음파수신기 간의 이격거리(L1), 상기 제2 초음파수신기와 상기 개구부 간의 이격거리(L2) 및 상기 개구부와 상기 연소기의 반사면 간의 이격거리(L3)에 기초하여 상기 연소기 내의 상기 화염 온도(T)를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1-1,2-1 수신신호에 기초하여 지연시간 △t1을, 상기 제2-1, 2-2 수신신호에 기초하여 지연시간 △t2를, 상기 제2-2,1-2 수신신호에 기초하여 지연시간 △t3을 각각 산출하고,
    속도식 C1 = L1 /△t1 에 의해 상기 송신초음파의 속도(C1)를, 속도식 Cflame = 2(L2+L3) /△t2 에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를, 속도식 C2 = L1 /△t3 에 의해 상기 반사파의 속도(C2)를 각각 산출한 후,
    초음파 속도와 온도와의 관계식인
    Figure PCTKR2016000599-appb-I000013
    에 의해 상기 화염 온도(T)를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 화염 온도(T)의 정확성을 증대하기 위해,
    상기 제2 초음파수신기에서 상기 개구부에 이르는 이격거리(L2)에 대한 상기 송신초음파의 지연시간 △t4를, 상기 송신초음파의 속도(C1)를 기초로 산출하고,
    상기 개구부에서 상기 제2 초음파수신기에 이르는 이격거리(L2)에 대한 상기 반사파의 지연시간 △t5 를, 상기 반사파의 속도(C2)를 기초로 산출한 후,
    속도식 Cflame = 2L3 /(△t2-△t4-△t5)에 의해 상기 연소기 내에서의 초음파의 속도(Cflame)를 산출하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1-1,2-1 수신신호에 기초하여 산출된 지연시간 △t1과, 상기 제2-2,1-2 수신신호에 기초해 산출된 지연시간 △t3를 상호 비교하여 소정범위 이상의 차가 있게 되면 계측오류신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소상태 진단장치.
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