[논문]GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈 연소기 연구 : Part Ⅰ 운전조건 최적화

오정석; 김민기; 허필원; 이장수; 윤영빈

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서인천 복합 화력발전소의 GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈 연소기 튜닝을 실시하였다. DLN-2.6 연소기는 기동초기 저출력 조건에서 yellow plume 현상과 정상상태보다 높은 수준의 연소진동이 발생하는 문제점이 있었다. 본 논문의 목적은 기동초기의 yellow plume과 연소진동의 발생 원인을 규명하여 실 연소기를 안정적으로 운용할 수 있는 최적의 운전 조건을 제시하는 것이다. 실연소기 튜닝과정을 통해 얻은 자료를 분석한 결과 기동초기 모드 3($20{\sim}30MW$)에서 PM 1 노즐에서의 과농한 혼합기(${\phi}{\sim}1$)에 의해 yellow plume이 생성되었다. 모드 6B($40{\sim}45MW$)에서의 연소진동 발생은 $120{\sim}140Hz$ 부근에서 생성되었고 연소기 온도에 영향을 받지 않는 cold flow 특성으로 보이며 PM 3 노즐에서의 유량과 관련이 있었다.

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DLN-2.6 combustion tuning was carried out for the maintenance of GE 7FA+e gas turbine at Seo-Incheon combined cycle power plant. DLN-2.6 combustion system has the higher level of yellow plume and combustion vibration problem in the initial operating mode than that of the base mode($100{\sim}160...

DLN-2.6 combustion tuning was carried out for the maintenance of GE 7FA+e gas turbine at Seo-Incheon combined cycle power plant. DLN-2.6 combustion system has the higher level of yellow plume and combustion vibration problem in the initial operating mode than that of the base mode($100{\sim}160MW$). The objectives of this study are to investigate the causes of yellow plume and combustion vibration problems at the starting mode and to suggest the best operating condition for the reliable working of the real combustors. By the analysis of tuning data, we could conclude that a yellow plume is caused by the rich mixture(${\phi}{\sim}1$) in a PM 1 nozzle at mode 3($20{\sim}30MW$). In addition, the combustion vibration($120{\sim}140Hz$) might be related to the cold flow characteristics of PM 3 nozzles at mode 6B($40{\sim}45MW$).

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문제 정의

6 연소기는 기동초기 저출력 조건에서 yellow plume 현상과 정상상태보다 높은 수준의 연소진동이 발생하는 문제점이 있었다. 본 논문의 목적은 기동초기의 yellow plume과 연소진동의 발생 원인을 규명하여 실 연소기를 안정적으로 운용할 수 있는 최적의 운전 조건을 제시하는 것이다. 실연소기 튜닝과정을 통해 얻은 자료를 분석한 결과 기동초기 모드 3(20~30 MW)에서 PM 1 노즐에서의 과농한 혼합기(Φ~1)에 의해 yellow plume이 생성되었다.
따라서 본 연구의 목적은 서인천 복합 화력발전소에서 보유 중인 GE 7FA+e DLN-2.6 연소기에서 일어나는 기동초기의 yellow plume과 연소 진동의 원인을 규명하고 문제점을 개선하여 실연소기의 안정적인 운용이 가능하도록 최적의 운전조건을 제시하는 것이다.

제안 방법

서인천 복합 화력발전소의 GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈 연소기 튜닝을 실시하였다. DLN-2.
예를 들어 모드 1에서는 PM 1이 작동하고 모드 6AQ에서는 모든 노즐에서 예혼합기가 나가게 된다. 본 실험에서는 출력을 고정하고 이 때 가스터빈 최초 도입 시 입력된 제어상수 값을 기준으로 5씩 증감하였다. 이 과정에서 승인된 사용자가 튜닝 제어상수를 조절하여 MARK-Ⅵ를 프로그래밍 하였다 (Fig.
4 (a) 참고). 그리고 이와 동시에 자체 제작한 동압측정장비를 사용하여 동시에 연소진동 결과도 획득하였다 (Fig. 4 (b) 참고).
Figure 6은 서인천 발전소 가스터빈 6호기의 기동초기 출력(20~60 MW)에 따른 튜닝결과이다. 튜닝은 출력을 고정시킨 상태에서 가스터빈 제어시스템 MARK-Ⅵ에 내장된 초기 값을 기준으로 제어상수를 +5, 0, -5씩 증감하며 취득한 연소상태량과 동압 및 NOx 값을 이용하여 실시하였다. Figure 6에서 제어상수 +5는 △-positive, 0은 ○-normal, -5는 □-negative라는 기호를 사용하였다.
서인천 발전소 가스터빈 6호기를 대상으로 출력을 20~60 MW의 범위 내에서 5~10 MW 단위로 바꾸면서 연소기 상태량과 동압, 배기배출 수준을 측정하였다.
서인천 복합 화력발전소에 있는 GE 7FA+e DLN-2.6 연소기 운전모드 최적화를 수행하여 다음의 결론을 얻었다.
이는 저출력에서 화염을 안정화시키는 것으로 추정된다. 이러한 가설을 검증하기 위하여 모드 3에서 PM 1 노즐로 들어가는 연료량(제어상수)을 조절하였다. 그 결과 20 MW에서 제어상수를 5만큼 줄인 경우 참고 값에 비해 NOx가 5 ppm 정도 줄어들었고 반대로 제어상수를 5만큼 늘인 경우 3 ppm 정도 늘어났다.

대상 데이터

동압측정 장치는 크게 세 부분으로 구성된다. 연소기와의 연결프로브(long tube type), 압력신호수집 및 처리부, 사용자 컴퓨터이다.

데이터처리

본 실험에서는 출력을 고정하고 이 때 가스터빈 최초 도입 시 입력된 제어상수 값을 기준으로 5씩 증감하였다. 이 과정에서 승인된 사용자가 튜닝 제어상수를 조절하여 MARK-Ⅵ를 프로그래밍 하였다 (Fig. 4 (a) 참고).

성능/효과

실연소기 튜닝과정을 통해 얻은 자료를 분석한 결과 기동초기 모드 3(20~30 MW)에서 PM 1 노즐에서의 과농한 혼합기(Φ~1)에 의해 yellow plume이 생성되었다.
이러한 가설을 검증하기 위하여 모드 3에서 PM 1 노즐로 들어가는 연료량(제어상수)을 조절하였다. 그 결과 20 MW에서 제어상수를 5만큼 줄인 경우 참고 값에 비해 NOx가 5 ppm 정도 줄어들었고 반대로 제어상수를 5만큼 늘인 경우 3 ppm 정도 늘어났다.
(1) 가스터빈 기동초기 모드 3의 20 MW에서 NOx가 가장 많이 배출되었으며(약 65 ppm) PM 1의 제어상수를 5만큼 줄임으로써 5 ppm 정도 NOx가 줄어들었다.
(2) Mode 6B에서 동압의 크기(0.4 psi)가 가장 컸으며 140 Hz의 특성 주파수를 지녔고 동압은 PM 3의 연료 유량 증가에 따라 줄어들었다.

후속연구

추후 연구과제로 모형가스터빈 연소기를 제작하여 실연소기에서의 운전조건에 따른 연소상태를 모사할 계획이며 궁극적으로 GE 7FA+e DLN-2.6의 안정적인 운용을 위한 튜닝기법을 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈은 다른 내연, 외연 기관들에 비하여 어떤 장점이 있는가?	가스터빈은 다른 내연, 외연 기관들에 비하여 상대적으로 높은 비추력과 효율, 저공해 기관으로서 발전부문에서부터 항공부문에 이르기까지 폭넓게 쓰이고 있다 [1,2]. 특히 복합발전의 경우 효율이 최대 60%에 이른다.
	복합발전 가스터빈의 최대 효율은 어느 정도인가?	가스터빈은 다른 내연, 외연 기관들에 비하여 상대적으로 높은 비추력과 효율, 저공해 기관으로서 발전부문에서부터 항공부문에 이르기까지 폭넓게 쓰이고 있다 [1,2]. 특히 복합발전의 경우 효율이 최대 60%에 이른다. 최근 지구온난화의 한 원인이 되는 CO2 저감을 위하여 IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) 기술과 가스터빈 성능향상에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다 [3].
	DLN-2.6 연소기는 어떤 문제가 있는가?	DLN-2.6 연소기는 기동초기 저출력 조건에서 yellow plume 현상과 정상상태보다 높은 수준의 연소진동이 발생하는 문제점이 있었다. 본 논문의 목적은 기동초기의 yellow plume과 연소진동의 발생 원인을 규명하여 실 연소기를 안정적으로 운용할 수 있는 최적의 운전 조건을 제시하는 것이다.

참고문헌 (10)

김동섭, '분산발전과 열병합발전,' 기계저널, 제45권, 11호, 2005, pp.58-64
김수용, '21세기 가스터빈 기술 및 적용 전망,' 기술과 재료, 14권, 2호, 2002, pp. 94-107
공창덕, 고성희, 기자영, 이창호, '스마트 무인기용 가스터빈 엔진의 탈설계 영역 구성품 손상 진단에 관한 연구,' 한국추진공학회지, 제 11권, 제 3호, 2007, pp.29-34

원문보기 상세보기
한국전력거래소 전력계획처, 전력설비현황-2006년판, 2006, p. 277
T. Lieuwen, 'Investigation of combustion instability mechanisms in premixed gas turbines,' Ph.D thesis, Georgia institute of technology, 1999, pp.42-45
S. Rea, S. James, C. Goy, M. J. F. Colechin, 'On-line combustion monitoring on dry low NOx industrial gas turbines,' Meas. Sci. Technol., Vol. 14, 2003, pp.1123-1130

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D. R. Englund, W. B. Richards, 'The infinite line pressure probe,' Thirty-ninth International Instrumentation Symposium, Denver, Colorado, 1984
허필원, 오정석, 윤영빈, 'GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈 연소기에서의 on-line 동압 측정 시스템,' 제36회 한국연소학회 춘계학술대회 논문집, 2007, pp.257-260
S. R. Turns, An introduction to combustion-second edition (McGraw Hill, USA, 2000), p.19
V. G. McDonell, G. S. Samuelsen, 'Measurement of fuel mixing and transport processes in gas turbine combustion,' Meas. Sci. Technol., Vol. 11, 2000, pp. 870-886

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