WO2020060188A1 - 모듈형 가압 순산소 연소기 및 그 제어 방법 - Google Patents

모듈형 가압 순산소 연소기 및 그 제어 방법 Download PDF

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WO2020060188A1
WO2020060188A1 PCT/KR2019/012066 KR2019012066W WO2020060188A1 WO 2020060188 A1 WO2020060188 A1 WO 2020060188A1 KR 2019012066 W KR2019012066 W KR 2019012066W WO 2020060188 A1 WO2020060188 A1 WO 2020060188A1
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WO
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combustion chamber
module
chamber module
pure oxygen
combustion
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/012066
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이영재
양원
안형준
김동희
Original Assignee
한국생산기술연구원
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/08—Disposition of burners
    • F23C5/32—Disposition of burners to obtain rotating flames, i.e. flames moving helically or spirally
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C6/00—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion
    • F23C6/04—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a pressurized pure oxygen burner and a control method thereof, the modular pressurized net capable of increasing the combustion stability by being provided in a modular form, and forming a rotating flame without additional equipment. It relates to an oxygen burner and a control method.
  • the pure oxygen combustion technology used to reduce the amount of carbon dioxide generated in thermal power generation causes the flame temperature to rise as pure oxygen is used as an oxidant, so that the temperature inside the combustor increases significantly during combustion.
  • Flue Gas Recirculation (FGR) technology is used to increase thermal efficiency.
  • FGR Flue Gas Recirculation
  • additional facilities are required for flue gas recirculation due to the high temperature of the flame, which causes a decrease in thermal power generation efficiency. do.
  • the existing pressurized pure oxygen combustor is provided as an integral unit, and when a power generation capacity or the like is changed, there is a limitation that a separate combustor corresponding to the changed power generation capacity must be additionally provided.
  • Japanese Patent Registration No. 5507422 discloses a premixed pipe type flame burner capable of inducing a rotating flame inside a combustion chamber using a mixed gas of fuel and air introduced through a slit.
  • this type of flame burner must be provided with a slit separately, and there is a limitation that physical problems such as noise or vibration may occur due to an increase in the flow rate of the mixed gas according to a decrease in the cross-sectional area of the inlet passage of the mixed gas.
  • Korean Patent Publication No. 10-2018-0073005 discloses a combustor and a power generation system that are easy to transport and install by having a first combustion chamber in which a first combustion space is formed and a second combustion chamber in which a second combustion space is formed as a module.
  • Patent Document 1 Japanese Registered Patent Document No. 5507422 (2014.03.28.)
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 10-2018-0073005 (2018.07.02.)
  • the object of the present invention is a modular pressurization capable of inducing a rotating flame inside the combustion chamber without additional equipment, and forming the combustor itself in a modular form to change the capacity of the combustor in correspondence with the required power generation capacity and heat exchange capacity. It is to provide a pure oxygen burner and a control method thereof.
  • the combustion chamber module 100 A heat exchange module 200 located on one side of the combustion chamber module 100; It includes a space module 300 positioned adjacent to the combustion chamber module 100 or the heat exchange module 200, a plurality of burners 110 are provided inside the combustion chamber module 100, the plurality of burners Each 110 provides a pressurized pure oxygen combustor positioned to be eccentrically directed by a predetermined distance from the center of the combustion chamber module 100, respectively.
  • combustion chamber module 100 has a circular cross section, and the plurality of burners 110 are provided as four and may be positioned on the circumference of the combustion chamber module 100 so as to form and direct an angle of 90 degrees to each other.
  • the predetermined distance may be 5% or more and 10% or less of the diameter of the combustion chamber module 100.
  • center of the combustion chamber module 100 may be located at the center of the space generated through each straight line that the burner 110 directs.
  • the arrangement order of the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300 may be changed.
  • a plurality of the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300 may be provided and stacked in a predetermined method.
  • the amount of fuel supplied to the combustion chamber module 100 and the amount of pressurized net oxygen can be controlled.
  • the present invention is a method for controlling the above-described pressurized pure oxygen combustor, (a) the temperature control unit 410, the pressure inside the combustion chamber module 100, the initial temperature value inside, the initial temperature value of the inner wall Receiving input; (b) a pressure control unit 420 comparing the pressure value inside the combustion chamber module 100 with a preset target pressure value; (c) the pressure control unit 420 controlling the operation of a BPR (Back Pressure Regulator) according to a comparison result of the pressure target inside the combustion chamber module 100 with the preset target pressure value; (d) the temperature control unit 410 receiving the temperature values of the inner wall and the inside of the combustion chamber module 100 and comparing the initial temperature values of the inner wall and the interior; And (e) the amount of fuel supplied to the combustion chamber module 100 by the combustion control unit 430 according to a comparison result of temperature values of the inner and inner walls of the combustion chamber module 100 and the initial temperature of the inner wall and the interior, and It provides a method for controlling a pressurized pure oxygen burner comprising
  • the combustion control unit 430 displays the combustion chamber module ( It may include the step of increasing the amount of fuel supplied to the 100) and the amount of pressurized pure oxygen.
  • step (e), (e2) when the difference between the temperature value of the inner wall of the combustion chamber module 100 and the initial temperature value of the inner wall exceeds a preset first value, the input of the inner wall of the combustion chamber module 100 is performed. Comparing the temperature and the design temperature of the inner wall, and further comprising the step of stopping the combustion of the combustion chamber module 100 when the input temperature value of the inner wall of the combustion chamber module 100 exceeds the design temperature.
  • step (e1) when the difference between the temperature value inside the combustion chamber module 100 and the initial temperature value inside the first value exceeds a preset second value, the combustion control unit 430 displays the combustion chamber And reducing the amount of fuel supplied to the module 100 and the amount of pressurized pure oxygen.
  • the present invention it is possible to induce a rotating flame inside the combustion chamber only by changing the arrangement of the burner inside the combustion chamber, thereby forming a ignition flame without adding a separate facility for forming the rotating flame and thereby causing physical problems. By doing so, it is possible to prevent damage inside the combustion chamber even during pressurized pure oxygen combustion.
  • combustion chamber module the heat exchange module, and the space module constituting the combustor are provided in a modularized manner, so that it is possible to easily add and expand the combustor according to required combustion capacity and power generation capacity.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a pressurized pure oxygen combustor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a combustion chamber module of the pressurized pure oxygen combustor of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic view showing an operation process of the combustion chamber module of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a control module of the pressurized pure oxygen combustor of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a schematic view showing various embodiments of the pressurized pure oxygen combustor of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a schematic view showing various embodiments of the pressurized pure oxygen combustor of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of an experiment according to the operation of the combustion chamber module of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a graph showing experimental results according to the eccentricity of the burner disposed in the combustor module of FIG. 2.
  • FIG. 9 is a graph showing experimental results according to the eccentricity of the burner disposed in the combustor module of FIG. 2.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an embodiment of a stacking method of the combustion chamber module of FIG. 2.
  • FIG. 11 is a graph showing experimental results of combustion results of the pressurized pure oxygen combustor of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a graph showing experimental results of combustion results of the pressurized pure oxygen combustor of FIG. 10.
  • FIG. 13 is a graph showing experimental results of temperature changes according to pressurized combustion of a pressurized pure oxygen combustor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing a temperature change according to pressurized combustion of a pressurized pure oxygen combustor according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a graph showing temperature changes according to pressurized combustion of a pressurized pure oxygen combustor according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a flowchart illustrating a method of controlling a pressurized pure oxygen combustor according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a flowchart illustrating a method of controlling a pressurized pure oxygen combustor according to another embodiment of the present invention.
  • pressurized pure oxygen combustor used in the following description collectively refers to a combustor using pressurized pure oxygen as an oxidizing agent.
  • the technique of supplying to the combustor by pressurizing pure oxygen separated from air only by air is a well-known technique, so a detailed description thereof will be omitted.
  • combustion material used in the following description is used as a general term for air as oxidant, pure oxygen, pressurized pure oxygen and fluid fuel as fuel, gaseous fuel, and the like.
  • center line used in the following description means a line passing through the shape past the center of the shape having a symmetrical structure.
  • main flame used in the following description means a huge flame generated inside the combustion chamber module 110 by combining the flames sprayed from each burner 110.
  • heat exchange fluid means a target fluid to receive heat energy generated as a result of combustion, and includes other fluids such as water, oil, and air.
  • combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300 used in the following description may be provided in a modular form and may be combined with each other. Also, the order in which they are combined can be changed.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 includes a combustion chamber module 100, a heat exchange module 200 and a space module 300, and each module 100, 200, 300 ) May be coupled to each other by the flanges 120, 220, and 320 provided, respectively.
  • each of the modules (100, 200, 300) is provided in a cylindrical shape, but its shape, such as a square column or a hexagon column, can be changed. However, it is preferable that the cross section has a symmetrical shape that can have a center.
  • the combustion chamber module 100 is a portion where combustion occurs when receiving combustion materials.
  • the heat energy generated by combustion in the combustion chamber module 100 is heat exchanged through the heat exchanger 210 of the heat exchange module 200, which will be described later, and can be utilized according to the purpose.
  • combustion chamber module 100 is located between the heat exchange module 200 to be described later and the space module 300 to be described later, but its position can be changed.
  • the combustion chamber module 100 includes a burner 110 and a combustion chamber module flange 120.
  • the burner 110 provides a passage through which combustion materials can be introduced into the combustion chamber module 100, and is provided with a structure capable of ignition for burning the introduced combustion materials.
  • the burner 110 may be formed to be in fluid communication with the outside of the combustion chamber module 100.
  • the combustion chamber module 100 includes a total of four burners 110.
  • each burner 110 is disposed to face each other, and is disposed eccentrically with a predetermined distance from a center line passing through the center of the combustion chamber module 100.
  • the number and position of the burners 110 to be arranged may be changed.
  • the burner 110 located on the upper side is spaced a predetermined distance from the center line to the right, and the burner 110 located on the right side is spaced from the center line by a predetermined distance.
  • the burner 110 located on the lower side is spaced a predetermined distance from the center line to the left, and the burner 110 located on the left side is spaced a predetermined distance from the center line to the upper side.
  • each burner 110 is positioned so as to face each other, the center of the combustion chamber module 100 is disposed on an extension line connecting each burner 110.
  • the center of the combustion chamber module 100 is located in the center of the space generated through each straight line directed by each burner 110.
  • the predetermined distance that each burner 110 is spaced from the center line may be set as various values. However, when the predetermined distance is the diameter of the combustion chamber module 100 is D, it is preferable to have a length of 0.05 D to 0.1 D, which will be described later in detail.
  • each burner 110 may be supplied with combustion material to perform ignition.
  • the flame formed by the ignition performed by each burner 110 is simultaneously ejected toward the center of the combustion chamber module 100 so as to be eccentric corresponding to the position of each burner 110 eccentric to the central axis.
  • the main flame formed by combining the eccentric flame is formed as a rotating flame that rotates largely inside the combustion chamber module 100 with the center of the combustion chamber module 100 as an axis.
  • the main flame is rotated clockwise due to the eccentric direction of each burner 110.
  • the eccentric direction and the eccentricity of each burner 110 can be changed to change the main flame's magnitude and rotation direction.
  • the combustion chamber module flange 120 is provided on the upper and lower sides of the combustion chamber module 100, and is a portion where the combustion chamber module 100 is coupled to the heat exchange module 200 and the space module 300, which will be described later.
  • the shape of the combustion chamber module flange 120 is not limited, but is preferably formed corresponding to the shape of the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200 to be described later, and the space module 300 to be described later.
  • the combustion chamber module flange 120 allows each of the modules (100, 200, 300) to be able to communicate with each other in fluid communication so that the generated flue gas can pass, and at the same time, each flange (120, 220, 320) is hermetically coupled to each other It is desirable to prevent any flue gas outflow through the gap between each flange (120, 220, 320).
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 includes a heat exchange module 200.
  • the heat exchange module 200 transfers heat energy generated through combustion in the combustion chamber module 100 to a heat exchange fluid to be delivered.
  • the heat exchange module 200 is formed in a cylindrical shape, but its shape is changeable, but is preferably changed to correspond to the shape of the combustion chamber module 100 and the space module 300 to be described later.
  • the heat exchange module 200 includes a heat exchanger 210 and a heat exchange module flange 220.
  • a heat exchange fluid to receive heat energy generated through combustion in the combustion chamber module 100 flows inside.
  • the heat exchanger 210 includes an inlet and an outlet formed in fluid communication with the outside of the heat exchange module 200.
  • the heat exchange fluid introduced through the inlet flows through the heat exchanger 210 and receives heat energy and is discharged through the outlet.
  • the heat exchanger 210 is provided as one in one heat exchange module 200, but the number is changeable.
  • the heat exchange module flange 220 is provided on the upper and lower sides of the heat exchange module 200, where the heat exchange module 200 is coupled to the combustion chamber module 100 and the space module 300 to be described later.
  • the shape of the heat exchange module flange 220 is not limited, but is preferably formed corresponding to the shape of the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300 to be described later.
  • the heat exchange module flange 220 allows each of the modules (100, 200, 300) to be able to communicate with each other in fluid communication so that the generated flue gas can pass, and at the same time, each flange (120, 220, 320) is hermetically coupled to each other It is preferable that any exhaust gas leakage through the gap between each flange 120, 220, 320 is prevented.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 includes a space module 300.
  • the space module 300 is located at the lower side in the configuration of the pressurized pure oxygen combustor 10, so that the space where the combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200 can be spaced apart by a predetermined distance without directly contacting the ground to provide.
  • the space module 300 is located on the upper side in the configuration of the pressurized pure oxygen combustor 10 to provide a space where the combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200 may not be directly exposed to the atmosphere.
  • the space module 300 serves to separate the space between the combustion chamber modules 100, or between the heat exchange modules 200, or between the combustion chamber modules 100 and the heat exchange modules 200 by a required distance. .
  • the interior of the space module 300 is preferably formed of an empty cavity (cavity).
  • the space module 300 is formed in a cylindrical shape, but its shape is changeable, but it is preferable to change corresponding to the shape of the combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200.
  • the spatial module 320 includes a spatial module flange 320.
  • the space module flange 320 is provided on the upper and lower sides of the space module 300, and is a portion where the space module 300 is coupled to the combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200.
  • the shape of the space module flange 320 is not limited, but is preferably formed to correspond to the shape of the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300.
  • the space module flange 320 allows each of the modules (100, 200, 300) to be able to communicate with each other in fluid communication so that the generated flue gas can pass, and at the same time, each flange (120, 220, 320) is hermetically coupled to each other It is preferable that any exhaust gas leakage through the gap between each flange 120, 220, 320 is prevented.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 includes a control module 400.
  • the control module 400 includes temperature information, pressure information, and the like detected by a temperature sensor (not shown) and a pressure sensor (not shown) provided in the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300. It receives input and uses this to control the pressurized pure oxygen combustor 10.
  • the control module 400 may be provided as a form capable of inputting and outputting and calculating information.
  • the control module 400 may be configured as a microprocessor, CPU, or the like.
  • the control module 400 includes a temperature control unit 410, a pressure control unit 420 and a combustion control unit 430.
  • the temperature control unit 410 receives the temperature value inside the combustion chamber module 100 detected by a temperature sensor (not shown), the temperature of the inner wall of the combustion chamber module 100, and the like, and compares the relationship between the small and large to the combustion chamber module 100 Decide whether to increase or decrease the amount of fuel supplied and the amount of pressurized net oxygen.
  • the pressure control unit 420 receives the pressure value inside the combustion chamber module 100 sensed by a pressure sensor (not shown) and compares it with a preset target pressure value, and proceeds with combustion in the combustion chamber module 100 according to the relationship of the magnitude. Decide whether or not.
  • the pressure control unit 420 may operate a Back Pressure Regulator (BPR) (not shown) to increase the pressure value to correspond to a preset target pressure value.
  • BPR Back Pressure Regulator
  • the combustion control unit 430 controls the combustion chamber module 100 to supply fuel and pressurized oxygen to the combustion chamber module 100 according to whether or not the amount of fuel and the amount of pressurized pure oxygen increased or decreased by the temperature control unit 410.
  • combustion control unit 430 controls the combustion chamber module 100 so that combustion proceeds or is not progressed in the combustion chamber module 100 according to whether the combustion progress is determined by the pressure control unit 420.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 may be formed in various forms by combining each module 100, 200, and 300.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 includes one combustion chamber module 100 and one heat exchange module 200 ((a) of FIG. 5), and two (FIG. 5). (B) and (c)) are formed by bonding.
  • combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200 may be disposed adjacent to each other (FIG. 5 (a)) or alternately disposed (FIG. 5 (b)), The plurality of combustion chamber modules 100 and the heat exchange modules 200 may be disposed adjacent to each other (FIG. 5 (c)).
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 is formed by combining three combustion chamber modules 100 and a heat exchange module 200.
  • combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200 may be disposed adjacent to each other or alternately disposed with each other, and the plurality of combustion chamber modules 100 and the heat exchange modules ( 200) may be disposed adjacent to each other.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 is formed by combining the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200, and the space module 300 in a modular manner, and combining them with each other in various ways. You can.
  • the space module 300 is located at the uppermost and lowermost sides of the pressurized pure oxygen combustor 10, which means that the combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200 are grounded as described above. Or, to prevent direct exposure to the atmosphere.
  • the heat exchange module 200 is preferably located on the upper side of the combustion chamber module 100, and the exhaust gas receiving the heat energy generated by combustion tends to move upwards due to a density difference. Because.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 induces a rotational flame inside the combustion chamber module 100 without additional installation by arranging a plurality of burners 110 of the combustion chamber module 100 to be eccentric with each other. You can.
  • each burner 110 is spaced a predetermined distance from a center line passing through the center of the combustion chamber module 100, and is disposed on the upper, lower, left, and right sides of the combustion chamber module 100.
  • each burner 110 forms an angle of 90 degrees to each other, but the imaginary lines connecting each burner 110 facing each other are arranged to be a center line passing through the center.
  • each burner 110 is arranged to be spaced apart from the center line by about 0.05 D to 0.1 D. A detailed description of the process of determining the predetermined distance will be described later.
  • the main flame generated by the synthesis of the flame sprayed from each burner 110 is a rotating flame rotating inside the combustion chamber module 100 clockwise. Is formed.
  • FIG 7 shows an example of an experiment for the temperature inside the combustion chamber module 100 according to the arrangement and flame injection of FIGS. 2 and 3. It will be understood that the portion marked in red is the portion having the highest temperature, and the portion marked in blue is the portion having the lowest temperature.
  • the central portion of the combustion chamber module 100 As a result of the rotational flame formed in the central portion of the combustion chamber module 100 by the synthesis of the flame sprayed from each burner 110, the central portion of the combustion chamber module 100 to induce high-temperature flame becomes high temperature, but prevents thermal damage. It can be seen that a relatively low temperature is preferably near the inner wall of the combustion chamber module 100.
  • each experimental example is for a pressurized pure oxygen combustor 10 in which two combustion chamber modules 100 are positioned at the lower side and a heat exchange module 200 is combined at the upper side.
  • each burner 110 has a predetermined distance from the central axis of 0.04 D ((a) in FIG. 8), 0.07 D ((b) in FIG. 8), and 0.11 D ((a) in FIG. 9). ), 0.13 D (Fig. 9 (b)).
  • the cross section of the flame is illustrated. As the asymmetric region of the flame narrows, the flame protrudes toward the inner wall of the combustion chamber module 100, thereby increasing the instability of the flame.
  • the asymmetric region in the horizontal direction of the flame narrows and shows a stable tendency (indicated by the blue dotted line in each experimental example).
  • the predetermined distance is too small or too large, the stability of the flame in the vertical direction or the horizontal direction is reduced, so it is desirable to determine a predetermined distance to be balanced.
  • the predetermined distance is 0.05 D to 0.10 D, it is possible to secure both the horizontal and vertical stability of the flame of a certain reference or higher.
  • each burner 110 disposed in the combustion chamber module 100 is disposed eccentrically by 0.05 D to 0.10 D from the center line, thereby stably rotating a flame in the combustion chamber module 100, and It can be formed effectively.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 in the pressurized pure oxygen combustor 10 according to the illustrated embodiment, a total of three combustion chamber modules 100 are sequentially stacked, but alternatively, the pressurized pure oxygen combustor 10 is heat exchanged.
  • the module 200 or the space module 300 may be further stacked and formed.
  • 11 and 12 show a pressurized pure oxygen combustor 10 in which a total of two combustion chamber modules 100 are sequentially stacked, but the illustrated embodiment shows a flame inside the combustion chamber module 100 when a rotary flame occurs due to pressurized combustion. And to illustrate temperature, it will be understood that some components are not shown.
  • FIG. 11 the size of flame ((b) of FIG. 11) and general combustion (about 1 bar) according to the performance of pressurized combustion (about 10 bar) in the pressurized pure oxygen combustor 10 according to an embodiment of the present invention
  • An example of the experiment for the difference in the size of the flame (FIG. 11 (a)) according to performance is shown.
  • the size of the flame formed inside the combustion chamber module 100 located on the lower side is reduced by about 25% during pressurized combustion, and the size of the flame formed inside the combustion chamber module 100 located on the upper side is reduced by about 35% during pressurized combustion. can confirm.
  • the size of the heat exchange region according to the performance of the pressurized combustion (about 10 bar) in the pressurized pure oxygen combustor 10 according to an embodiment of the present invention ((b) of FIG. 12) and the general combustion (about 1 bar) An example of the experiment for the difference in the size of the heat exchange region ((a) of FIG. 12) according to performance is shown.
  • the size of the heat exchange area in each case is indicated by a shade of a square shape, and the heat exchange area may be determined according to the temperature inside the combustion chamber module 100 or the heat exchange module 200.
  • the shaded heat exchange areas are displayed as a total of three parts, upper and lower, and it can be seen that in the case of pressurized combustion, all heat exchange areas are expanded compared to the case of normal pressure combustion.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 is pressurized combustion inside the combined plurality of combustion chamber modules 100 As it is performed, the size of the flame decreases, and accordingly, the heat exchange area is expanded, so that combustion efficiency can be improved.
  • 13 to 15 are graphs showing a result of temperature change according to a pressure change when combustion is performed inside the pressurized pure oxygen combustor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 a temperature change in a region adjacent to the central axis (FIG. 13 (a)) spaced apart from the inner wall of the pressurized pure oxygen combustor 10 according to an increase in the pressure inside the pressurized pure oxygen combustor 10 It is shown as a graph (FIG. 13 (b)) by height from the lower side of the pressurized pure oxygen combustor 10.
  • FIG. 14 a change in temperature in an area adjacent to the inner wall of the pressurized pure oxygen combustor 10 (FIG. 14 (a)) according to an increase in the pressure inside the pressurized pure oxygen combustor 10 is applied to the pressurized pure oxygen combustor 10. ) Is shown as a graph (FIG. 14 (b)) by height from the lower side.
  • the temperature change of the coolant input region ((a) of FIG. 15) according to the increase in the pressure inside the pressurized pure oxygen combustor 10 is graphed by height from the lower side of the pressurized pure oxygen combustor 10 ( 15 (b)).
  • the temperature of the lowermost region, TI-326 is the lowest, and the temperature increases as it moves to the upper side of the pressurized pure oxygen combustor 10. It can be confirmed that the temperature of the discharge area TI-327 is the highest.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 As the pressurized combustion and the multistage combustion proceed together, the temperature distribution inside the combustion chamber module 100 becomes uniform, and the heat exchanger of the heat exchange module 200 Thermal fatigue due to the generated flame of 210 may be reduced.
  • the pressurized pure oxygen combustor 10 may be controlled according to the temperature and pressure values inside the combustion chamber module 100.
  • Separate temperature sensors (not shown) and pressure sensors (not shown) may be provided to sense temperature and pressure values in the combustion chamber module 100, and temperature sensors (not shown) and pressure sensors (not shown) It is possible to communicate with the control module 400 through a separate communication means (not shown).
  • control method described below is an algorithm for the pressurization process of the pressurized pure oxygen combustor 10, and some or all of the steps may be automatically performed, and problems that may occur in the pressurized pure oxygen combustor 10 in the pressurized combustion process Its purpose is to prevent it.
  • the temperature control unit 410 receives a pressure value inside the combustion chamber module 100, an initial temperature value inside, and a temperature value of the inner wall (S100).
  • Combustion material is supplied to the combustion chamber module 100, before combustion is performed, initial combustion conditions are set (S110), and then ignition is performed, and combustion is performed inside the combustion chamber module 100 (S120).
  • the temperature control unit 410 and the pressure control unit 420 include pressure values inside the combustion chamber module 100 detected by the temperature sensor (not shown) and the pressure sensor (not shown) provided in the combustion chamber module 100, and the combustion chamber module 100 )
  • the internal temperature value and the temperature value of the inner wall of the combustion chamber module 100 are measured and input in real time in a predetermined time unit (for example, 5 seconds) (monitoring) (S130).
  • the temperature value inside the combustion chamber module 100 may be input by measuring the temperature for each position in the vertical direction inside the combustion chamber module 100 in real time.
  • the set target pressure value is high enough to perform pressurized combustion, but is preferably set to a pressure value that may not cause a safety accident or the like when the pressurized combustion proceeds in the combustion chamber module 100.
  • the pressure control unit 420 operates a BPR (Back Pressure Regulator) (not shown) according to the set target pressure (S160). Since the process of raising the pressure value inside the combustion chamber module 100 using BPR is a well-known technique, a detailed description thereof will be omitted.
  • BPR Back Pressure Regulator
  • the pressure control unit 420 compares the input pressure value inside the combustion chamber module 100 with a preset target pressure value (S200).
  • the pressure control unit 420 receives the pressure value of the combustion chamber module 100 monitored by the pressure sensor, and determines whether it exceeds the preset target pressure value (S210).
  • the pressure control unit 420 controls the operation of the BPR according to the comparison result between the input pressure value inside the combustion chamber module 100 and a preset target pressure value (S300).
  • the pressure control unit 420 maintains the current state if the pressure value inside the received combustion chamber module 100 reaches a preset target pressure value (S310), and the pressure value inside the received combustion chamber module 100 If it is less than the preset target pressure value, the operation of the BPR (Back Pressure Regulator) is controlled so that the pressure value inside the combustion chamber module 100 becomes the preset target pressure value (S320).
  • S310 a preset target pressure value
  • S320 preset target pressure value
  • the temperature control unit 410 receives the temperature values of the inner wall and the inside of the combustion chamber module 100 measured by the temperature sensor, and compares them to the inner wall and the initial temperature of the interior (S400).
  • the temperature control unit 410 receives the temperature value of the inner wall of the combustion chamber module 100 from the temperature sensor (S411), and the difference between the temperature value of the inner wall of the combustion chamber module 100 and the initial temperature value of the inner wall (temperature change amount, ⁇ T ) Is compared with a preset first value (S421).
  • the preset first value is set to a difference in temperature values at which effective pressurized oxygen combustion can occur without damaging the inner wall of the combustion chamber module 100 in the combustion chamber module 100.
  • the preset first value may be 10 ° C.
  • the temperature control unit 410 receives the temperature value of the inner wall of the combustion module 100 from the temperature sensor (S412), the difference between the temperature value inside the received combustion module 100 and the initial temperature value inside (temperature change amount, ⁇ T) is compared with a preset second value (S422).
  • the preset second value is set to a difference in temperature values at which effective pressurized oxygen combustion can occur without damage due to heat in the combustion chamber module 100.
  • the preset second value may be 20 ° C.
  • the combustion control unit 430 controls the amount of fuel and the amount of pressurized pure oxygen supplied to the combustion chamber module 100 according to the compared result (S500).
  • the combustion control unit 430 reduces the amount of fuel supplied to the combustion chamber module 100 and the amount of pressurized net oxygen (eg
  • the combustion chamber module 100 is controlled to be reduced by 0.5LPM (S520), and if not exceeded, control according to the temperature change of the inner wall may be additionally performed.
  • the combustion control unit 430 controls the combustion chamber module 100 to increase the amount of fuel supplied to the combustion chamber module 100 and the amount of pressurized oxygen (for example, 1LPM increase) (S510).
  • combustion control may be additionally performed through the design temperature of the combustion chamber module 100.
  • the control unit 520 controls the BPR to increase the pressure in the combustion chamber module 100 to a preset pressure (for example, increase of 0.4 bar) (S160).
  • the temperature control unit 520 controls the BPR to increase the pressure in the combustion chamber module 100 to a preset pressure (S160), and when exceeded, stops combustion to prevent damage to the inner wall of the combustion chamber module 100 (S700).
  • the combustion chamber module 100, the heat exchange module 200 and the space module 300 are provided in a modular form, and the pressurized pure oxygen combustor 10 can be provided in various ways according to the required power generation capacity or combustion capacity. Can be configured.
  • the eccentricity of the plurality of burners 110 can be set as a ratio with respect to the diameter of the combustion chamber module 100, it is possible to arrange the optimal burner 110 according to various sizes and shapes of the combustion chamber module 100.
  • the thermal fatigue of the combustion chamber module 100 and the heat exchange module 200 can be reduced. You can.
  • both the pressure value inside the combustor module 100, the temperature value, and the temperature value of the inner wall are taken into account, so thermal damage frequently occurs due to the high flame temperature. Damage to the equipment can be prevented even during pressurized pure oxygen combustion.

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Abstract

가압 순산소 연소기 및 이를 제어하는 방법이 개시된다. 구체적으로, 연소실 모듈(100); 상기 연소실 모듈(100)의 일 측에 위치되는 열 교환 모듈(200); 상기 연소실 모듈(100) 또는 상기 열 교환 모듈(200)에 인접하게 위치되는 공간 모듈(300)을 포함하며, 상기 연소실 모듈(100) 내측에는 복수 개의 버너(110)가 구비되며, 상기 복수 개의 버너(110)는 상기 연소실 모듈(100)의 직경으로부터 소정 거리만큼 편심되어 위치되는 가압 순산소 연소기 및 이를 제어하는 방법이 개시된다.

Description

모듈형 가압 순산소 연소기 및 그 제어 방법
본 발명은 가압 순산소 연소기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 모듈형으로 구비되어 연소 용량의 증대가 가능하고, 별도의 추가 설비 없이도 회전 화염을 형성함으로써 화염의 안정성을 증대시킬 수 있는 모듈형 가압 순산소 연소기 및 제어 방법에 관한 것이다.
화력 발전에서 이산화탄소의 발생량을 저감하기 위해 사용되는 순산소 연소 기술은 순산소를 산화제로 사용함에 따라 화염 온도가 상승하게 되어, 연소시 연소기 내부 전체의 온도가 크게 상승된다.
따라서, 고온의 화염에 의해 연소기의 열 변형 및 열 피로도가 증가할 우려가 있으므로, 이를 방지하기 위한 고가의 내열 소재 등의 구비를 위한 비용 증가 문제가 발생할 수 있다.
또한, 열 효율 증가를 위해 배가스 재순환(Flue Gas Recirculation, FGR) 기술이 사용되는데, 순산소 연소의 경우 화염의 높은 온도로 인해 배가스 재순환을 위해 추가적인 설비가 요구되며, 이는 화력 발전 효율의 저하를 유발한다.
또한, 배가스 재순환을 위해서는 화염의 안정성이 요구되므로, 스월(Swirl) 유동 등을 유도하기 위한 별도의 설비가 구비되는 것이 일반적인데, 이 경우 구비된 별도의 설비에 의해 소음, 진동 등의 물리적인 문제가 발생할 수 있다.
또한, 기존의 가압 순산소 연소기는 일체로서 구비되어, 발전 용량 등이 변경될 경우 변경된 발전 용량에 상응하는 별도의 연소기가 추가로 구비되어야만 하는 한계가 있었다.
일본등록특허문헌 제5507422호는 슬릿을 통해 유입된 연료와 공기의 혼합 기체를 이용하여 연소실 내부에서 회전 화염을 유도할 수 있는 예혼합관형 화염 버너를 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 화염 버너는 슬릿을 별도로 구비해야 하며, 혼합 기체의 유입 통로의 단면적의 감소에 따라 혼합 기체의 유동 속도 증가에 따른 소음이나 진동 등의 물리적인 문제가 발생할 수 있다는 한계가 있다.
한국공개특허문헌 제10-2018-0073005호는 제1 연소 공간이 형성된 제1 연소실 및 제2 연소 공간이 형성된 제2 연소실을 모듈로서 구비하여 이송 및 설치가 용이한 연소기 및 발전시스템을 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 연소기 및 발전시스템은 연소실의 개수만을 추가할 수 있어, 열 교환 효율에 대한 고찰은 없다는 한계가 있다.
(특허문헌 1) 일본등록특허문헌 제5507422호 (2014.03.28.)
(특허문헌 2) 한국공개특허문헌 제10-2018-0073005호 (2018.07.02.)
본 발명의 목적은, 별도의 설비 없이도 연소실 내부에서 회전 화염을 유도할 수 있고, 연소기 자체를 모듈형으로 형성하여 요구되는 발전 용량 및 열 교환 용량 등에 상응하여 연소기의 용량을 변경할 수 있는 모듈형 가압 순산소 연소기 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연소실 모듈(100); 상기 연소실 모듈(100)의 일 측에 위치되는 열 교환 모듈(200); 상기 연소실 모듈(100) 또는 상기 열 교환 모듈(200)에 인접하게 위치되는 공간 모듈(300)을 포함하며, 상기 연소실 모듈(100) 내측에는 복수 개의 버너(110)가 구비되며, 상기 복수 개의 버너(110)는 각각 상기 연소실 모듈(100)의 중심에서 소정 거리만큼 편심되어 지향하도록 위치되는 가압 순산소 연소기를 제공한다.
또한, 상기 연소실 모듈(100)은 원형 단면을 갖고, 상기 복수 개의 버너(110)는 네 개로서 구비되어 서로 90도의 각도를 이루며 지향하도록 상기 연소실 모듈(100)의 원주 상에 위치될 수 있다.
또한, 상기 소정 거리는 상기 연소실 모듈(100)의 직경의 5% 이상이고 10% 이하일 수 있다.
또한, 상기 버너(110)가 지향하는 각각의 직선을 통해 생성되는 공간의 중앙에는 상기 연소실 모듈(100)의 중심이 위치될 수 있다.
또한, 상기 연소실 모듈(100), 상기 열 교환 모듈(200) 및 상기 공간 모듈(300)의 배치 순서는 변경될 수 있다.
또한, 상기 연소실 모듈(100), 상기 열 교환 모듈(200) 및 상기 공간 모듈(300)은 복수 개 구비되어 기 설정된 방법으로 적층될 수 있다.
또한, 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량은 제어될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상술한 가압 순산소 연소기를 제어하는 방법으로서, (a) 온도 제어부(410)가 상기 연소실 모듈(100) 내부의 압력값, 내부의 초기 온도값, 내벽의 초기 온도값을 입력받는 단계; (b) 압력 제어부(420)가 상기 연소실 모듈(100) 내부의 압력값과 기 설정된 목표 압력값을 비교하는 단계; (c) 상기 압력 제어부(420)가 상기 연소실 모듈(100) 내부의 압력값이 상기 기 설정된 목표 압력값의 비교 결과에 따라 BPR(Back Pressure Regulator)의 동작을 제어하는 단계; (d) 상기 온도 제어부(410)가 상기 연소실 모듈(100)의 내벽 및 내부의 온도값을 입력받고, 상기 내벽 및 상기 내부의 초기 온도값과 비교하는 단계; 및 (e) 상기 연소 제어부(430)가 상기 연소실 모듈(100)의 내벽 및 내부의 온도값과 상기 내벽 및 상기 내부의 초기 온도값의 비교 결과에 따라 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 제어하는 단계;를 포함하는 가압 순산소 연소기를 제어하는 방법을 제공한다.
또한, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값과 상기 내벽의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 제1값 미만일 경우, 연소 제어부(430)가 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (e) 단계는, (e2) 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값과 상기 내벽의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 제1값을 초과하는 경우, 입력되는 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도와 내벽의 설계온도를 비교하고, 입력받은 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값이 설계온도를 초과하는 경우 연소실 모듈(100)의 연소를 중단시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 연소실 모듈(100) 내부의 온도값과 상기 내부의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 제2값을 초과할 경우, 연소 제어부(430)가 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소실 내부의 버너의 배치를 변경하는 것만으로도 연소실 내부에 회전 화염을 유도할 수 있으므로, 회전 화염 형성을 위한 별도의 설비의 추가 및 그에 따른 물리적인 문제 발생 없이도 화전 화염을 형성하여 가압 순산소 연소시에도 연소실 내부의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 연소기를 구성하는 연소실 모듈, 열 교환 모듈 및 공간 모듈을 각각 모듈화하여 구비함으로써, 요구되는 연소 용량 및 발전 용량에 따라 연소기의 추가 및 확장을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기의 전체 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 가압 순산소 연소기의 연소실 모듈의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 2의 연소실 모듈의 작동 과정을 도시하는 개략도이다.
도 4는 도 1의 가압 순산소 연소기의 제어 모듈의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5는 도 1의 가압 순산소 연소기의 다양한 실시 예를 도시하는 개략도이다.
도 6은 도 1의 가압 순산소 연소기의 다양한 실시 예를 도시하는 개략도이다.
도 7은 도 2의 연소실 모듈 운용에 따른 실험 예를 도시하는 그래프이다.
도 8은 도 2의 연소기 모듈에 배치된 버너의 편심 정도에 따른 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 9는 도 2의 연소기 모듈에 배치된 버너의 편심 정도에 따른 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 10은 도 2의 연소실 모듈의 적층 방식의 실시 예를 도시하는 개략도이다.
도 11은 도 10의 가압 순산소 연소기의 연소 결과에 대한 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 12는 도 10의 가압 순산소 연소기의 연소 결과에 대한 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기의 가압 연소에 따른 온도 변화를 실험 결과를 도시하는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기의 가압 연소에 따른 온도 변화를 도시하는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기의 가압 연소에 따른 온도 변화를 도시하는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기를 제어하는 방법을 도시하는 순서도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기를 제어하는 방법을 도시하는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기 및 이를 제어하는 방법을 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 "가압 순산소 연소기"라는 용어는 산화제로서 가압된 순산소를 사용하는 연소기를 통칭한다. 공기로부터 산소만을 분리한 순산소를 가압하여 연소기에 공급하는 기술은 잘 알려진 기술이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 "연소 물질"이라는 용어는 산화제로서의 공기, 순산소, 가압 순산소와 연료로서의 유체 연료, 기체 연료 등을 통칭하는 용어로서 사용된다.
이하의 설명에서 사용되는 "중심선"이라는 용어는 대칭 구조를 갖는 형상의 중심을 지나 형상을 관통하는 선을 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "주 화염"이라는 용어는 각 버너(110)에서 분사된 화염이 합성되어 연소실 모듈(110) 내부에서 발생하는 거대 화염을 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "열 교환 유체"라는 용어는 연소 결과 발생한 열 에너지를 전달받을 목적 유체를 의미하며, 물, 기름, 공기 등 여타 유체를 포함한다.
이하의 설명에서 사용되는 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300)은 각각 모듈형으로 구비되어 서로 결합될 수 있다. 또한, 결합되는 순서는 변경 가능하다.
1. 가압 순산소 연소기(10)의 구성의 설명
도 1을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300)을 포함하며, 각 모듈(100, 200, 300)은 각각 구비된 플랜지(120, 220, 320)에 의해 서로 결합될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 각 모듈(100, 200, 300)은 각각 원통형으로 구비되나, 사각기둥, 육각기둥 등 그 형상은 변경 가능하다. 다만, 그 단면이 중심을 가질 수 있는 대칭 형상인 것이 바람직하다.
(1) 연소실 모듈(100)의 설명
연소실 모듈(100)은 연소 물질을 공급받아 연소가 일어나는 부분이다. 연소실 모듈(100)에서의 연소에 의해 발생한 열 에너지는 후술될 열 교환 모듈(200)의 열 교환기(210)를 통해 열 교환되어 목적에 따라 활용될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 연소실 모듈(100)은 후술될 열 교환 모듈(200) 및 후술될 공간 모듈(300) 사이에 위치되나, 그 위치는 변경될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 연소실 모듈(100)은 버너(110) 및 연소실 모듈 플랜지(120)를 포함한다.
버너(110)는 연소 물질이 연소실 모듈(100) 내측으로 유입될 수 있는 통로를 제공함과 동시에, 유입된 연소 물질을 연소시키기 위한 점화가 가능한 구조로 구비된다.
버너(110)는 연소실 모듈(100)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 연소실 모듈(100)은 총 4개의 버너(110)를 포함한다. 또한, 각 버너(110)는 서로 마주하도록 배치되되, 연소실 모듈(100)의 중심을 통과하는 중심선으로부터 소정 거리만큼 서로 편심되어 배치된다.
배치되는 버너(110)의 개수 및 위치는 변경될 수 있다.
구체적으로, 상측에 위치한 버너(110)는 중심선으로부터 우측으로 소정 거리만큼, 우측에 위치한 버너(110)는 중심선으로부터 하측으로 소정 거리만큼 이격된다.
이와 유사하게, 하측에 위치한 버너(110)는 중심선으로부터 좌측으로 소정 거리만큼, 좌측에 위치한 버너(110)는 중심선으로부터 상측으로 소정 거리만큼 이격된다.
또한, 각 버너(110)는 서로 마주하도록 위치되되, 각 버너(110)를 연결하는 연장선 상에는 연소실 모듈(100)의 중심이 위치하도록 배치된다.
즉, 각 버너(110)가 지향하는 각각의 직선을 통해 생성되는 공간의 중앙에는 연소실 모듈(100)의 중심이 위치되는 것이다.
각 버너(110)가 중심선으로부터 이격되는 소정 거리는 다양한 수치로서 설정될 수 있다. 다만, 소정 거리는 연소실 모듈(100)의 직경을 D라고 할 때, 0.05 D 내지 0.1 D의 길이를 갖는 것이 바람직한데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도 3을 참조하면, 각 버너(110)는 연소 물질을 공급받아 발화를 수행할 수 있다. 각 버너(110)에 의해 수행된 발화에 의해 형성되는 화염은 중심축에 대해 편심된 각 버너(110)의 위치에 상응하게 편심되도록 연소실 모듈(100)의 중심을 향해 동시에 분사된다.
따라서, 편심된 화염이 합성되어 형성되는 주 화염은 연소실 모듈(100)의 중심을 축으로 하여 연소실 모듈(100)의 내측을 크게 회전하는 회전 화염으로서 형성된다.
도시된 실시 예에서, 각 버너(110)의 편심 방향에 기인하여 주 화염은 시계 방향으로 회전된다. 각 버너(110)의 편심 방향 및 편심 정도를 변경하여 주 화염의 크게 및 회전 방향을 변경할 수 있음은 물론이다.
연소실 모듈 플랜지(120)는 연소실 모듈(100)의 상측 및 하측에 구비되어, 연소실 모듈(100)이 후술될 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300)과 결합되는 부분이다.
연소실 모듈 플랜지(120)의 형상은 제한되지 않으나, 연소실 모듈(100), 후술될 열 교환 모듈(200) 및 후술될 공간 모듈(300)의 형상에 상응하여 형성되는 것이 바람직하다.
연소실 모듈 플랜지(120)는 각 모듈(100, 200, 300)을 서로 유체 소통 가능하게 결합함으로써 생성된 배가스가 통과할 수 있도록 함과 동시에, 각 플랜지(120, 220, 320)는 서로 밀폐 결합되어 각 플랜지(120, 220, 320) 사이의 틈을 통한 임의의 배가스 유출이 방지되는 것이 바람직하다.
(2) 열 교환 모듈(200)의 설명
도 1을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 열 교환 모듈(200)을 포함한다.
열 교환 모듈(200)은 연소실 모듈(100)에서의 연소를 통해 발생한 열 에너지를 전달받을 열 교환 유체에 전달한다.
도시된 실시 예에서, 열 교환 모듈(200)은 원통형으로 형성되나, 그 형상은 변경 가능하되, 연소실 모듈(100) 및 후술될 공간 모듈(300)의 형상에 상응하게 변경되는 것이 바람직하다.
열 교환 모듈(200)은 열 교환기(210) 및 열 교환 모듈 플랜지(220)를 포함한다.
열 교환기(210)는 내측에 연소실 모듈(100)에서의 연소를 통해 발생한 열 에너지를 전달받을 열 교환 유체가 유동한다.
열 교환기(210)는 열 교환 모듈(200)의 외측과 유체 소통 가능하게 형성되는 유입구 및 유출구를 포함한다. 유입구를 통해 유입된 열 교환 유체는 열 교환기(210)를 유동하며 열 에너지를 전달받고, 유출구를 통해 배출된다.
도시된 실시 예에서, 열 교환기(210)는 한 개의 열 교환 모듈(200)에 한 개로서 구비되나 그 개수는 변경 가능하다.
또한, 후술될 바와 같이, 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 후술될 공간 모듈(300)이 복수 개 결합될 경우 서로 인접하게 위치되는 열 교환 모듈(200) 내에 배치된 열 교환기(210)는 유입구와 유출구가 서로 연결되어 복수 회의 열 교환이 수행될 수도 있다.
열 교환 모듈 플랜지(220)는 열 교환 모듈(200)의 상측 및 하측에 구비되어, 열 교환 모듈(200)이 연소실 모듈(100) 및 후술될 공간 모듈(300)과 결합되는 부분이다.
열 교환 모듈 플랜지(220)의 형상은 제한되지 않으나, 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 후술될 공간 모듈(300)의 형상에 상응하여 형성되는 것이 바람직하다.
열 교환 모듈 플랜지(220)는 각 모듈(100, 200, 300)을 서로 유체 소통 가능하게 결합함으로써 생성된 배가스가 통과할 수 있도록 함과 동시에, 각 플랜지(120, 220, 320)는 서로 밀폐 결합되어 각 플랜지(120, 220, 320) 사이의 틈을 통한 임의의 배가스 유출이 방지되는 것이 바람직하다.
(3) 공간 모듈(300)의 설명
도 1을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 공간 모듈(300)을 포함한다.
공간 모듈(300)은 가압 순산소 연소기(10)의 구성 시에 하측에 위치하여, 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 지면에 직접 접촉하지 않고 소정 거리만큼 이격될 수 있는 공간을 제공한다.
또한, 공간 모듈(300)은 가압 순산소 연소기(10)의 구성 시에 상측에 위치하여, 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 대기 중에 직접 노출되지 않을 수 있는 공간을 제공한다.
*더 나아가, 공간 모듈(300)은 연소실 모듈(100) 간에, 또는 열 교환 모듈(200) 간에, 또는 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200) 간에 요구되는 거리만큼 이격하는 역할을 수행한다.
공간 모듈(300)의 내측은 비어 있는 공동(cavity)로 형성되는 것이 바람직하다.
도시된 실시 예에서, 공간 모듈(300)은 원통형으로 형성되나, 그 형상은 변경 가능하되, 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)의 형상에 상응하게 변경되는 것이 바람직하다.
공간 모듈(320)은 공간 모듈 플랜지(320)를 포함한다.
공간 모듈 플랜지(320)는 공간 모듈(300)의 상측 및 하측에 구비되어, 공간 모듈(300)이 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)과 결합되는 부분이다.
공간 모듈 플랜지(320)의 형상은 제한되지 않으나, 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300)의 형상에 상응하게 형성되는 것이 바람직하다.
공간 모듈 플랜지(320)는 각 모듈(100, 200, 300)을 서로 유체 소통 가능하게 결합함으로써 생성된 배가스가 통과할 수 있도록 함과 동시에, 각 플랜지(120, 220, 320))는 서로 밀폐 결합되어 각 플랜지(120, 220, 320) 사이의 틈을 통한 임의의 배가스 유출이 방지되는 것이 바람직하다.
(4) 제어 모듈(400)의 설명
도 4를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 제어 모듈(400)을 포함한다.
제어 모듈(400)은 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300) 등에 구비된 온도 센서(미도시) 및 압력 센서(미도시) 등에서 감지된 온도 정보, 압력 정보 등을 입력받고 이를 이용하여 가압 순산소 연소기(10)를 제어한다.
제어 모듈(400)은 정보의 입출력 및 연산이 가능한 형태로서 구비될 수 있다. 일 예로, 제어 모듈(400)은 마이크로프로세서, CPU 등으로 구성될 수 있다.
제어 모듈(400)은 온도 제어부(410), 압력 제어부(420) 및 연소 제어부(430)를 포함한다.
온도 제어부(410)는 온도 센서(미도시)가 감지한 연소실 모듈(100) 내부의 온도값, 연소실 모듈(100)의 내벽 온도값 등을 입력받고 그 대소 관계를 비교함으로써 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량의 증감 여부를 결정한다.
압력 제어부(420)는 압력 센서(미도시)가 감지한 연소실 모듈(100) 내부의 압력값을 입력받고 기 설정된 목표 압력값과 비교하여 그 대소 관계에 따라 연소실 모듈(100)에서의 연소의 진행 여부를 결정한다.
또한, 압력 제어부(420)는 압력값을 기 설정된 목표 압력값에 상응하도록 증가시키기 위해, BPR(Back Pressure Regulator)(미도시)를 작동시킬 수 있다.
연소 제어부(430)는 온도 제어부(410)가 결정한 연료량 및 가압 순산소량의 증감 여부 및 그 양에 따라 연소실 모듈(100)에 연료 및 가압 순산소를 공급하도록 연소실 모듈(100)을 제어한다.
또한, 연소 제어부(430)는 압력 제어부(420)가 결정한 연소 진행 여부에 따라 연소실 모듈(100)에서 연소가 진행 또는 미진행되도록 연소실 모듈(100)을 제어한다.
각 제어부(410, 420, 430)에 의해 가압 순산소 연소기(10)가 제어되는 과정에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
2. 가압 순산소 연소기(10)의 형성의 설명
도 5 및 도 6을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 각 모듈(100, 200, 300)이 결합되어 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 각각 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 한 개(도 5의 (a)), 두 개(도 5의 (b) 및 (c))가 결합되어 형성된다.
도시된 실시 예에서, 연소실 모듈(100)과 열 교환 모듈(200)은 서로 인접하게 배치되거나(도 5의 (a)), 서로 교번적으로 배치될 수 있고(도 5의 (b)), 복수 개의 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 서로 인접하게 배치될 수도 있다(도 5의 (c)).
도 6을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 세 개가 결합되어 형성된다.
도 5에 도시된 실시 예와 유사하게, 연소실 모듈(100)과 열 교환 모듈(200)은 서로 인접하게 배치되거나 서로 교번적으로 배치될 수 있고, 복수 개의 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 서로 인접하게 배치될 수도 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300)을 각각 모듈형으로 구성하여 다양한 방식으로 서로 결합시킴으로써 형성될 수 있다.
다만, 어떠한 경우라도 공간 모듈(300)이 가압 순산소 연소기(10)의 최상측 및 최하측에 위치되는 것이 바람직한데, 이는 상술한 바와 같이 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)이 지면 또는 대기 중에 직접 노출되지 않도록 하기 위함이다.
또한, 배치 방식을 보면, 열 교환 모듈(200)은 연소실 모듈(100)의 상측에 위치되는 것이 바람직한데, 연소에 의해 발생한 열 에너지를 전달받은 배가스는 밀도 차에 의해 상측으로 이동하려는 경향이 있기 때문이다.
3. 회전 화염의 유도 과정 및 효과의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 연소실 모듈(100)의 복수 개의 버너(110)를 서로 편심되도록 배치함으로써 별도의 추가 설비 없이도 연소실 모듈(100) 내부에서 회전 화염을 유도할 수 있다.
이하, 도 2, 도 3 및 도 7 내지 도 9를 더 참조하여 회전 화염의 유도 과정 및 효과를 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 각 버너(110)는 연소실 모듈(100)의 중심을 지나는 중심선으로부터 소정 거리만큼 이격되어, 연소실 모듈(100)의 상측, 하측, 좌측 및 우측에 배치된다.
또한, 각 버너(110)는 서로 90도의 각도를 형성하되, 서로 마주하는 각 버너(110)를 연결하는 가상의 선은 중심을 지나는 중심선이 되도록 배치된다.
도시된 실시 예에서, 각 버너(110)는 중심선으로부터 약 0.05 D 내지 0.1 D만큼 이격되도록 배치된다. 이러한 소정 거리의 결정 과정에 대한 상세한 설명은 후술한다.
도 3을 참조하면, 각 버너(110)가 편심되어 배치된 결과, 각 버너(110)에서 분사된 화염이 합성되어 발생하는 주 화염은 연소실 모듈(100) 내부를 시계 방향으로 회전하는 회전 화염으로서 형성된다.
도 7은 도 2 및 도 3의 배치 및 화염 분사에 따른 연소실 모듈(100) 내부의 온도에 대한 실험 예를 도시한다. 붉은색으로 표시된 부분이 가장 온도가 높은 부분이며, 파란색으로 표시된 부분이 온도가 가장 낮은 부분으로 이해될 것이다.
각 버너(110)에서 분사된 화염의 합성에 의해 연소실 모듈(100) 중앙부에서 회전 화염이 형성된 결과, 고온의 화염을 유도하고자 하는 연소실 모듈(100)의 중앙부는 고온이되, 열 손상을 방지할 수 있도록 상대적으로 낮은 온도인 것이 바람직한 연소실 모듈(100)의 내벽 부근은 낮은 온도임을 알 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 각 버너(110)가 중심선으로부터 이격되는 소정 거리의 변화에 따른 실험 예가 도시된다.
각 실험 예는 두 개의 연소실 모듈(100)이 하측에 위치되고, 그 상측에 열 교환 모듈(200)이 한 개 결합된 가압 순산소 연소기(10)에 대한 것으로 이해될 것이다.
또한, 각 실험 예의 좌측 그래프는 가압 순산소 연소기(10)의 수직 방향의 온도 변화를 나타낸 것이고, 우측 그래프는 가압 순산소 연소기(10)의 수평 방향의 온도 변화를 나타낸 것으로 이해될 것이다.
각 실험 예는 각 버너(110)가 중심축으로부터 이격된 소정 거리가 각각 0.04 D(도 8의 (a)), 0.07 D(도 8의 (b)), 0.11 D(도 9의 (a)), 0.13 D(도 9의 (b))인 경우를 나타낸다.
각 실험 예의 좌측 그래프에 붉은색 점선으로 표시된 부분을 참조하면 화염의 단면이 도시되는데, 화염의 비대칭 영역이 좁아질수록 화염이 연소실 모듈(100)의 내벽 측으로 돌출되어 화염의 불안정성이 높아진다.
또한, 각 실험 예의 우측 그래프에 파란색 점선으로 표시된 부분을 참조하면 화염의 평면이 도시되는데, 화염의 비대칭 영역이 넓어질수록 화염이 그 형태를 유지하지 못하고 분산되려는 경향을 보이게 된다.
이에 따라 실험 예를 해석하면, 소정 거리가 0.04 D에서 0.13 D로 증가할수록 화염의 수직 방향으로의 비대칭 영역이 좁아지고 화염이 연소실 모듈(100)의 내벽 측으로 돌출되는 경향을 보인다(각 실험 예의 붉은색 점선으로 표시된 부분).
반면, 소정 거리가 0.04 D에서 0.13 D로 증가할수록 화염의 수평 방향으로의 비대칭 영역이 좁아지고 안정적인 경향을 보인다(각 실험 예의 파란색 점선으로 표시된 부분).
따라서, 소정 거리가 너무 작거나 너무 클 경우 화염의 수직 방향 또는 수평 방향의 안정성이 감소되므로, 그 균형을 맞출 수 있는 소정 거리가 결정되는 것이 바람직하다.
이를 감안하면, 화염의 수직 방향의 안정성이 매우 감소하는, 소정 거리가 0.13 D인 경우는 제외하되, 화염의 수평 방향의 안정성이 높지는 않으나 허용할 수 있는 범위인 0.04 D인 경우를 포함하는, 소정 거리가 0.04 D 내지 0.11 D인 조건이 유리하다고 판단할 수 있다.
보다 바람직하게는 소정 거리가 0.05 D 내지 0.10 D일 때 일정 기준 이상의 화염의 수평 방향 및 수직 방향의 안정성을 모두 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 연소실 모듈(100)에 배치되는 각 버너(110)는 중심선으로부터 0.05 D 내지 0.10 D만큼 편심되어 배치됨으로써, 연소실 모듈(100) 내부에서 회전 화염을 안정적으로, 그리고 효과적으로 형성할 수 있다.
4. 복수 개의 연소실 모듈(100)이 결합된 다단 가압 연소의 효과의 설명
이하, 도 10 내지 도 15를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10) 운용에 따른 효과를 상세하게 설명한다.
(1) 열 교환 영역의 확장 효과의 설명
도 10을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 연소실 모듈(100)이 총 세 개가 순차적으로 적층되어 형성되나, 대안적으로, 가압 순산소 연소기(10)는 열 교환 모듈(200) 또는 공간 모듈(300)이 더 적층되어 형성될 수 있다.
도 11 및 도 12은 연소실 모듈(100)이 총 두 개가 순차적으로 적층된 가압 순산소 연소기(10)를 도시하되, 도시된 실시 예는 가압 연소에 따른 회전 화염 발생시 연소실 모듈(100) 내부의 화염 및 온도를 설명하기 위한 것으로, 일부 구성 요소가 도시되지 않은 것으로 이해될 것이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)에서 가압 연소(약 10 bar) 수행에 따른 화염의 크기(도 11의 (b))와 일반 연소(약 1 bar) 수행에 따른 화염의 크기(도 11의 (a))의 차이에 대한 실험 예가 도시된다.
하측에 위치된 연소실 모듈(100) 내부에서 형성된 화염의 크기는 가압 연소시에 약 25% 정도, 상측에 위치된 연소실 모듈(100) 내부에서 형성된 화염의 크기는 가압 연소시에 약 35% 정도 감소됨을 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)에서 가압 연소(약 10 bar) 수행에 따른 열 교환 영역의 크기(도 12의 (b))와 일반 연소(약 1 bar) 수행에 따른 열 교환 영역의 크기(도 12의 (a))의 차이에 대한 실험 예가 도시된다.
도시된 실시 예에서 각 경우의 열 교환 영역의 크기는 사각형 형태의 음영으로 표시되며, 열 교환 영역은 연소실 모듈(100) 또는 열 교환 모듈(200) 내부의 온도에 따라 결정될 수 있다.
도시된 실시 예의 각 경우에서 음영으로 표시된 열 교환 영역은 상부, 하부의 총 세 개로서 표시되는데, 가압 연소의 경우 상압 연소의 경우에 비해 모든 열 교환 영역이 확장됨을 알 수 있다.
따라서, 복수 개의 연소실 모듈(100)을 단순하게 결합하여 연소기를 형성하는 경우에 비해, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 결합된 복수 개의 연소실 모듈(100) 내부에서 가압 연소가 수행됨에 따라 화염의 크기가 감소하고, 이에 따라 열 교환 영역이 확장되므로 연소 효율이 향상될 수 있다.
(2) 가압 순산소 연소기(10) 내부의 압력의 변화에 따른 온도 변화의 설명
도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10) 내부에서 연소가 진행될 때, 압력 변화에 따른 온도 변화의 결과를 그래프로서 도시한다.
도 13을 참조하면, 가압 순산소 연소기(10) 내부의 압력의 증가에 따른 가압 순산소 연소기(10)의 내벽으로부터 이격된, 중심축에 인접한 영역(도 13의 (a))의 온도 변화가 가압 순산소 연소기(10)의 하측으로부터의 높이별로 그래프(도 13의 (b))로서 도시된다.
가압 순산소 연소기(10) 내부의 압력이 증가됨에 따라, 수직 방향의 높이 변화에 따른 온도 차가 감소하여, 가압 순산소 연소기(10) 내부의 수직 방향의 온도 분포가 균일해지는 효과가 있음을 이해할 수 있다.
도 14를 참조하면, 가압 순산소 연소기(10) 내부의 압력의 증가에 따른 가압 순산소 연소기(10)의 내벽에 인접한 영역(도 14의 (a))의 온도 변화가 가압 순산소 연소기(10)의 하측으로부터 높이별로 그래프(도 14의 (b))로서 도시된다.
가압 순산소 연소기(10) 내부의 압력이 증가됨에 따라, 가압 순산소 연소기(10) 내벽에 인접한 영역의 온도가 증가하고, 이에 따라 연소실 중앙 영역과 내벽 사이의 수평 방향으로의 온도 변화의 폭이 감소하는 효과가 있음을 이해할 수 있다.
도 15를 참조하면, 가압 순산소 연소기(10) 내부의 압력의 증가에 따른 냉각수 투입 영역(도 15의 (a))의 온도 변화가 가압 순산소 연소기(10)의 하측으로부터의 높이별로 그래프(도 15의 (b))로서 도시된다.
냉각수가 가압 순산소 연소기(10)의 하측으로 유입되어 상측으로 배출되는 것으로 가정하면, 가장 하측 영역인 TI-326의 온도가 제일 낮고, 가압 순산소 연소기(10)의 상측으로 이동할수록 온도가 증가되어, 배출 영역인 TI-327의 온도가 제일 높음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 가압 연소 및 다단 연소가 함께 진행됨에 따라 연소실 모듈(100) 내부의 온도 분포가 균일하게 되어, 열 교환 모듈(200)의 열 교환기(210)의 생성된 화염에 의한 열 피로도가 감소될 수 있다.
더 나아가, 온도 분포가 균일해짐에 따라 열 교환 영역의 확장 효과를 얻을 수 있으므로, 열 교환 모듈(200)의 다양한 배치가 가능해진다.
5. 가압 순산소 연소기(10)의 제어 방법의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)는 연소실 모듈(100) 내부의 온도값 및 압력값에 따라 제어될 수 있다.
연소실 모듈(100) 내의 온도값 및 압력값을 감지하기 위해 별도의 온도 센서(미도시) 및 압력 센서(미도시)가 구비될 수 있고, 온도 센서(미도시) 및 압력 센서(미도시)는 별도의 통신 수단(미도시)을 통해 제어 모듈(400)과 통신할 수 있다.
이하에서 설명되는 각 과정은 연소실 모듈(100)과 제어 모듈(400)을 연결하는 별도의 통신 수단(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
이하 설명되는 제어 방법은, 가압 순산소 연소기(10)의 가압 과정에 대한 알고리즘으로서, 일부 또는 모든 단계가 자동으로 수행될 수 있으며, 가압 연소 과정에서 가압 순산소 연소기(10)에 발생할 수 있는 문제점을 방지하는데 그 일 목적이 있다.
이하, 도 16 및 도 17을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)의 제어 방법을 상세하게 설명한다.
(1) 일 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)의 제어 방법의 설명
먼저, 도 16 및 도 17을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 가압 순산소 연소기(10)의 제어 방법을 설명한다.
먼저, 온도 제어부(410)가 연소실 모듈(100) 내부의 압력값, 내부의 초기 온도값 및 내벽의 온도값을 입력받는다(S100).
연소실 모듈(100)에 연소 물질이 공급되어 연소가 수행되기 전, 초기 연소조건이 설정되고(S110), 이후 착화가 이루어져 연소실 모듈(100) 내부에서 연소가 이루어진다(S120).
온도 제어부(410) 및 압력 제어부(420)는 연소실 모듈(100)에 구비된 온도 센서(미도시) 및 압력 센서(미도시)가 감지한 연소실 모듈(100) 내부의 압력값, 연소실 모듈(100) 내부의 온도값 및 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값을 기설정된 시간 단위(예를 들면, 5초)로 실시간으로 측정하여 입력받는다(모니터링)(S130).
이때, 연소실 모듈(100) 내부의 온도 값은 연소실 모듈(100) 내부의 수직 방향 위치별 온도를 실시간으로 측정하여 입력받을 수 있다.
그리고, 입력되는 연소실 모듈(100) 내부의 온도 변화량(ΔT)이 기설정된 온도 변화량(예를 들면 5℃)을 초과하는지 여부를 판단한다(S140).
기설정된 온도 변화량 미만이면, 모니터링을 계속하고(S130), 기설정된 온도 변화량을 초과하면 착화가 이루어져 연소가 진행되는 것으로서, 추가로 연소실 내 목표압력(예를 들면 10bar)이 설정된다(S150). 이 때, 설정되는 목표 압력값은 가압 연소를 수행할 수 있을 만큼 충분히 높되, 연소실 모듈(100)에서 가압 연소 진행시 안전사고 등이 발생하지 않을 수 있는 압력값으로 설정되는 것이 바람직하다.
그리고, 압력 제어부(420)는 설정된 목표압력에 따라 BPR(Back Pressure Regulator)(미도시)을 동작시킨다(S160). BPR을 이용하여 연소실 모듈(100) 내부의 압력값을 상승시키는 과정은 잘 알려진 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음, 압력 제어부(420)는 입력받은 연소실 모듈(100) 내부의 압력값을 기 설정된 목표 압력값과 비교한다(S200).
상기와 같이, 압력 제어부(420)는 압력센서에 의해 모니터링 되는 연소실 모듈(100)의 압력값을 입력받아, 상기 기 설정된 목표 압력값을 초과하는지 여부를 판단한다(S210).
압력 제어부(420)는 입력받은 연소실 모듈(100) 내부의 압력값과 기 설정된 목표 압력값의 비교 결과에 따라 BPR의 동작을 제어한다(S300).
구체적으로, 압력 제어부(420)는 입력받은 연소실 모듈(100) 내부의 압력값이 기 설정된 목표 압력값에 도달하였다면, 현재 상태를 유지하고(S310), 입력받은 연소실 모듈(100) 내부의 압력값이 기 설정된 목표 압력값 미만이라면, 연소실 모듈(100) 내부의 압력값이 기 설정된 목표 압력값이 되도록 BPR(Back Pressure Regulator)의 동작을 제어한다(S320).
BPR의 동작 제어 중, 연소실 모듈(100) 내의 압력 변화량(ΔP)이 일정량을 초과하여 (예를 들면 2bar) 변화하는지를 모니터링하여(S330), 압력 변화량(ΔP)이 일정량 이상이라면, 급격한 압력 변화로 인한 연소실 손상 등의 우려가 있으므로 연소를 중단한다(S700). 그리고 압력 변화량(ΔP)이 일정량 미만이라면 이후의 제어를 진행한다.
다음, 온도 제어부(410)는, 상기 온도 센서가 측정한 연소실 모듈(100) 내벽 및 내부의 온도값을 입력받고, 이를 상기 내벽 및 내부 초기 온도 값과 비교한다(S400).
구체적으로, 온도 제어부(410)는 온도 센서로부터 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값을 입력받아(S411), 연소실 모듈(100) 내벽의 온도 값과 내벽의 초기 온도값의 차이(온도변화량, ΔT)를 기 설정된 제1값과 비교한다(S421).
이 때, 기 설정된 제1값은 연소실 모듈(100) 내에서 연소실 모듈(100)의 내벽의 손상 없이 효과적인 가압 순산소 연소가 일어날 수 있는 온도값의 차이로 설정되는 것이 바람직하다. 일 실시 예에서, 기 설정된 제1값은 10℃일 수 있다.
또한, 온도 제어부(410)는 온도 센서로부터 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값을 입력받아(S412), 입력받은 연소실 모듈(100) 내부의 온도값과 내부의 초기 온도값의 차이(온도변화량, ΔT)를 기 설정된 제2값과 비교한다(S422).
이 때, 기 설정된 제2값은 연소실 모듈(100) 내의 열에 의한 손상 없이 효과적인 가압 순산소 연소가 일어날 수 있는 온도값의 차이로 설정되는 것이 바람직하다. 일 실시 예에서, 기 설정된 제2값은 20℃일 수 있다.
다음, 연소 제어부(430)는 비교된 결과에 따라 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 제어한다(S500).
입력받은 연소실 모듈(100) 내부의 온도값과 내부의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 상기 제2값을 초과할 경우, 연소실 모듈(100) 내의 온도가 과도하게 높은 것으로서, 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 감소시킨다(S520).
그러나, 이 경우라도 연소 조건에 따라 일정 시간 후 온도변화량이 감소할 수 있으므로, 일정시간(예를 들면, 10분)동안 연소상태를 유지하다가(S432), 일정 시간 후에 연소실 모듈(100) 내부의 온도값과 내부의 초기 온도값의 차이를 기 설정된 상기 제2값과 비교하여(S442), 초과하는 경우 연소 제어부(430)는 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량이 감소(예를 들면 0.5LPM 감소)되도록 연소실 모듈(100)을 제어하고(S520), 초과하지 않는 경우 내벽 온도 변화량에 따른 제어가 추가로 이루어질 수 있다.
한편, S421에서, 입력받은 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값과 내벽의 초기 온도값의 차이(ΔT)가 기 설정된 상기 제1값 미만일 경우, 연소실 모듈(100) 내의 온도가 충분히 높지 않은 것으로 판단할 수 있으므로, 연소 제어부(430)는 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량이 증가(예를 들면 1LPM 증가)되도록 연소실 모듈(100)을 제어한다(S510).
입력받은 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값과 내벽의 초기 온도값의 차이(ΔT)가 기 설정된 상기 제1값을 초과하는 경우, 일응 정상적인 연소가 이루어지는 것으로서, 현재의 연소상태를 유지한다(S500).
다만, 연소실 모듈(100)의 내벽은 온도가 과도하게 올라가면 내벽의 직접적인 열 손상이 야기될 수 있으므로, 연소실 모듈(100)의 설계온도를 통하여 연소의 제어를 추가로 할 수 있다.
상기한 연소 상태 유지 중에(S500), 입력되는 연소실 모듈(100) 내벽의 온도와 내벽의 설계온도를 비교하여(S610), 입력받은 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값이 설계온도 미만인 경우, 압력 제어부(520)는 BPR을 제어하여 연소실 모듈(100) 내의 압력을 기 설정된 압력보다 높인다(예를 들면 0.4bar 증가)(S160).
입력받은 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값이 설계온도를 초과하는 경우, 연소실 모듈(100) 내벽 온도가 과도하게 높은 것으로서, 내벽의 열 손상 우려가 있으나, 이 경우라도 연소 조건에 따라 일정 시간 후 내벽의 온도가 감소할 수 있으므로, 일정시간(예를 들면, 10분)동안 연소상태를 유지하다가(S620), 일정 시간 후에 연소실 모듈(100) 내벽의 온도와 설계온도의 차이를 비교하여(S442), 미만인 경우, 압력 제어부(520)는 BPR을 제어하여 연소실 모듈(100) 내의 압력을 기 설정된 압력보다 높이고(S160), 초과하는 경우 연소실 모듈(100)의 내벽 손상을 방지하기 위하여 연소를 중단한다(S700).
본 발명에 따르면, 연소실 모듈(100), 열 교환 모듈(200) 및 공간 모듈(300)을 모듈형으로 구비하여, 요구되는 발전 용량 또는 연소 용량에 따라 다양한 방식으로 가압 순산소 연소기(10)를 구성할 수 있다.
또한, 복수 개의 버너(110)를 연소실 모듈(100) 내부에 서로 편심되도록 배치함으로써 별도의 설비를 구비하지 않고도 연소실 모듈(100) 내부에서 회전 화염을 형성함으로써, 가압 순산소 연소 시에도 급격한 온도 상승으로 인한 연소실 모듈(100)의 내벽 손상이 방지될 수 있다.
또한, 복수 개의 버너(110)의 편심 정도를 연소실 모듈(100)의 직경에 대한 비율로서 설정할 수 있으므로 연소실 모듈(100)의 다양한 크기 및 형상에 따라 최적의 버너(110) 배치가 가능하다.
또한, 복수 개의 연소실 모듈(100)이 결합되어 수행되는 다단 연소를 통해 연소실 모듈(100) 내부의 온도 분포를 균일하게 함으로써, 연소실 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)의 열 피로도를 감소시킬 수 있다.
더 나아가, 가압 순산소 연소기(10)를 제어하기 위한 방법으로서 연소기 모듈(100) 내부의 압력값, 온도값 및 내벽의 온도값을 모두 고려하므로, 높은 화염 온도로 인해 열 손상이 빈번하게 발생하는 가압 순산소 연소시에도 설비의 손상을 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
(부호의 설명)
10 : 가압 순산소 연소기
100 : 연소실 모듈
110 : 버너
120 : 연소실 모듈 플랜지
200 : 열 교환 모듈
210 : 열 교환기
220 : 열 교환 모듈 플랜지
300 : 공간 모듈
320 : 공간 모듈 플랜지
400 : 제어 모듈
410 : 온도 제어부
420 : 압력 제어부
430 : 연소 제어부

Claims (11)

  1. 연소실 모듈(100);
    상기 연소실 모듈(100)의 일 측에 위치되는 열 교환 모듈(200);
    상기 연소실 모듈(100) 또는 상기 열 교환 모듈(200)에 인접하게 위치되는 공간 모듈(300)을 포함하며,
    상기 연소실 모듈(100) 내측에는 복수 개의 버너(110)가 구비되며,
    상기 복수 개의 버너(110)는 각각 상기 연소실 모듈(100)의 중심에서 소정 거리만큼 편심되어 지향하도록 위치되는,
    가압 순산소 연소기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연소실 모듈(100)은 원형 단면을 갖고,
    상기 복수 개의 버너(110)는 네 개로서 구비되어 서로 90도의 각도를 이루며 지향하도록 상기 연소실 모듈(100)의 원주 상에 위치되는,
    가압 순산소 연소기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소정 거리는 상기 연소실 모듈(100)의 직경의 5% 이상이고 10% 이하인,
    가압 순산소 연소기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버너(110)가 지향하는 각각의 직선을 통해 생성되는 공간의 중앙에는 상기 연소실 모듈(100)의 중심이 위치되는,
    가압 순산소 연소기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연소실 모듈(100), 상기 열 교환 모듈(200) 및 상기 공간 모듈(300)의 배치 순서는 변경될 수 있는,
    가압 순산소 연소기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연소실 모듈(100), 상기 열 교환 모듈(200) 및 상기 공간 모듈(300)은 복수 개 구비되어 기 설정된 방법으로 적층될 수 있는,
    가압 순산소 연소기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량은 제어될 수 있는,
    가압 순산소 연소기.
  8. 제1항에 따른 가압 순산소 연소기를 제어하는 방법으로서,
    (a) 온도 제어부(410)가 상기 연소실 모듈(100) 내부의 압력값, 내부의 초기 온도값, 내벽의 초기 온도값을 입력받는 단계;
    (b) 압력 제어부(420)가 상기 연소실 모듈(100) 내부의 압력값과 기 설정된 목표 압력값을 비교하는 단계;
    (c) 상기 압력 제어부(420)가 상기 연소실 모듈(100) 내부의 압력값이 상기 기 설정된 목표 압력값의 비교 결과에 따라 BPR(Back Pressure Regulator)의 동작을 제어하는 단계;
    (d) 상기 온도 제어부(410)가 상기 연소실 모듈(100)의 내벽 및 내부의 온도값을 입력받고, 상기 내벽 및 상기 내부의 초기 온도값과 비교하는 단계; 및
    (e) 연소 제어부(430)가 상기 연소실 모듈(100)의 내벽 및 내부의 온도값과 상기 내벽 및 상기 내부의 초기 온도값의 비교 결과에 따라 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 제어하는 단계;를 포함하는,
    가압 순산소 연소기를 제어하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e1) 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값과 상기 내벽의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 제1값 미만일 경우, 연소 제어부(430)가 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 증가시키는 단계를 포함하는,
    가압 순산소 연소기를 제어하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e2) 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값과 상기 내벽의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 제1값을 초과하는 경우, 입력되는 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도와 내벽의 설계온도를 비교하고, 입력받은 상기 연소실 모듈(100) 내벽의 온도값이 설계온도를 초과하는 경우 연소실 모듈(100)의 연소를 중단시키는 단계를 더 포함하는,
    가압 순산소 연소기를 제어하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e1) 상기 연소실 모듈(100) 내부의 온도값과 상기 내부의 초기 온도값의 차이가 기 설정된 제2값을 초과할 경우, 연소 제어부(430)가 상기 연소실 모듈(100)에 공급되는 연료량 및 가압 순산소량을 감소시키는 단계를 포함하는,
    가압 순산소 연소기를 제어하는 방법.
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