[논문]GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈 연소기 연구 : Part II 모형 덤프 연소기 설계

오정석; 김민기; 허필원; 이장수; 윤영빈

GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈 연소기 연구 : Part II 모형 덤프 연소기 설계
GE 7FA+e DLN-2.6 Gas Turbine Combustor : Part II Design of Lab Scale Dump Combustor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.12 no.5 = no.48, 2008년, pp.51 - 59

오정석 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 김민기 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 허필원 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 이장수 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 윤영빈 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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한국서부발전(주) 산하 서인천 복합 화력발전소에서 운용중인 GE 7FA+e 가스터빈 DLN-2.6 연소기는 기동초기 연소진동과 yellow plume 현상이 발생하고 있는데 이러한 특성을 분석하고 모형 덤프 연소기 설계에 반영하기 위한 상사인자 고찰이 본 연구의 목적이다. 실연소기 분석을 통하여 $120{\sim}140Hz$에서 일어나는 연소진동은 cold flow에서 덤프 모드로 발생되었으며 이것의 모사를 위해 노즐 출구 이전의 빈 공간인 plenum을 설계하였다. 또한 주요 상사인자로 노즐의 회전수, 연료-공기 혼합거리, 노즐과 덤프면의 면적비, 노즐출구에서의 속도와 당량비, 연료 조성성분 등이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

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($40{\sim}45MW$).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 모형 덤프 연소기 설계과정을 체계적으로 다룬 선행연구가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 서인천 복합 화력발전소에서 보유 중인 GE 7FA+e DLN-2.6 연소기의 특성을 분석하고 이를 모사한 모형 덤프 연소기 설계 시 필요한 상사인자들에 대해 고찰하고자 한다.
이러한 예열 공기 조건에서의 연소(mild combustion, 1000K 이하)는 상온에서의 연소보다 점화시간이 빠르고 주위 온도에 의해 빠른 화학반응시간을 갖기 때문에 고온에서의 연소보다 NOx 배출수준이 낮은 장점이 있다 [19]. 본 연구에서는 이러한 실 연소기의 환경을 구사하기 위하여 base mode에서의 조건인 노즐 출구속도(mixture nozzle exit velocity)를 75 m/s로 하여 모형 덤프 연소기에 설치할 히터의 열용량을 계산하였다. 실제 가스터빈 연소기에서의 노즐 출구 속도는 약 70~80 m/s로 알려져 있다.

가설 설정

본 연구에서는 재질(SUS304)상의 문제로 플러그 내부를 대향류방식으로 수냉하였으며 소음을 줄이기 위하여 소음기(silencer)를 배기관 끝부분에 위치하도록 설계하였다. 그리고 배기배출물을 측정하기 위한 포트 위치는 배기에 포함된 NOx가 더 이상 반응하지 않도록 배기온도가 800℃이하이고, 배기흐름의 반경방향으로 배출물의 농도가 일정해지는 위치(최소한 화염길이의 2배 이상 또는 x/D=20 이상; 여기서 x: 배기관 길이, D: 배기관 지름)로 정하였다 [15].
다음으로 발생 원인을 cold flow와 plenum에 의한 것으로 plenum을 Helmholtz 공명기로 가정하여 계산해 보면 다음의 Eq. 7과 같다.

제안 방법

10은 히터용량을 계산하는 실험식이다. 본 연구에서는 모형 덤프 연소기에서의 노즐 출구속도와 온도를 실연소기에서의 속도(75 m/s)와 온도(400℃)를 맞추고 앞서 계산한 연소기 사양에 따라 유량과 히터용량을 계산하였다.
같은 이유로 회전수(swirl number)와 연료분사위치나 분사모드(fuel split degree)도 화염형상 및 배기배출물 수준에 영향을 미치는 하나의 변수가 될 수 있다. 본 연구에서는 실 연소기의 연소 현상을 모사하는 것이 목적이므로 실 연소기 노즐을 약 1/3 크기로 상사하여 축소설계하였다. 이때 실 연소기 노즐의 회전수와 동일하도록 회전날개(swirl vane) 각도를 51∘로 하였다 (Fig.
본 연구에서는 위에서 언급한 특성을 고려하여 실 연소기에서의 팽창비(A_nozzle/A_dumo, 여기서 A_nozzle: 노즐출구의 총 단면적, A_dumo: 덤프 단면적)와 동일한 0.37이 되도록 모형 연소기 덤프와 노즐의 직경을 정하였다.
실연소기에서 나타나는 배기배출물 특성을 재현하기 위해서는 배기관 내부에서의 물 분사, 외부에서의 냉각 등이 불가능하다. 본 연구에서는 재질(SUS304)상의 문제로 플러그 내부를 대향류방식으로 수냉하였으며 소음을 줄이기 위하여 소음기(silencer)를 배기관 끝부분에 위치하도록 설계하였다. 그리고 배기배출물을 측정하기 위한 포트 위치는 배기에 포함된 NOx가 더 이상 반응하지 않도록 배기온도가 800℃이하이고, 배기흐름의 반경방향으로 배출물의 농도가 일정해지는 위치(최소한 화염길이의 2배 이상 또는 x/D=20 이상; 여기서 x: 배기관 길이, D: 배기관 지름)로 정하였다 [15].
모형 덤프 연소기에서는 연소기 입구의 오리피스에서, 그리고 연소기 출구에서는 배기관의 플러그(또는 throttle)가 이러한 음향학적 경계층(acoustic boundary) 역할을 하고 있다. 본 연구에서는 플러그의 면적(0.006 m²)을 배기관 면적(0.008 m²)의80%로 정하였으며 연소실 내부의 압력은 절대압력 2 atm을 넘지 않도록 설계하였다 (Fig. 6).
서인천 발전소에서 운전하고 있는 GE 7FA+e DLN-2.6 연소기의 문제점을 해결하기 위하여 연소기내에서 발생되는 특성 주파수(120~140 Hz)의 원인 및 출처를 분석해 보았다.
서인천 복합화력발전소가 운전 중인 GE 7FA+e DLN-2.6 가스터빈의 문제점 및 특성을 분석하여 이를 모사한 모형 덤프 연소기를 설계하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 실연소기에서의 연소진동 주파수를 분석한 결과 cold flow에서의 저주파 특성을 지니는 것으로 나타났으며 연소실 이전의 공기 공급부의 빈 공간(plenum)에서의 고유 주파수와 일치함을 알 수 있었다. 이러한 실 연소기의 특성을 반영하여 기존의 덤프형 연소기에 plenum을 추가하도록 개념설계 하였다(Fig. 5(b)).
6 연소기 시스템은 기동초기 모드 3 (20~35 MW)에서 약 65 ppm 전후의 NO2 (yellow plume)가 발생되었고, 모드 6B (40~45 MW)에서 연소진동이 측정되었다. 이러한 연소진동과 yellow plume 현상의 원인규명 및 저감을 위하여 모형 덤프 연소기 설계를 시도하였다.
이는 연소기 내부에서 일어나는 hot flow 현상이 아니라 노즐 출구이전의 cold flow 현상으로 생각된다. 이러한 주파수 특성을 모형 덤프 연소기에 반영하여 plenum을 설계하였다.
(4) 공기 예열기를 설계함에 있어서 고려인자는 실연소기에서의 압축기 출구 온도와 모형 연소기에서 예열하여야 하는 연료-공기 혼합기량이다. 이를 공기 예열기 출력 실험식을 사용하여 예열기 용량을 구하였다.
(3) Yellow plume 현상은 연료-공기 혼합 특성에 크게 영향을 받으므로 노즐의 형상과 연료 분사 위치가 중요하다. 이를 위해 실 연소기 노즐을 약 1/3로 축소한 모형 노즐을 설계하였다. 이 때 고려한 인자로는 회전수, 혼합거리, 연료 분사 위치/모드이다.

성능/효과

(1) 서인천발전소 가스터빈 8호기 DLN-2.6 연소기 시스템은 기동초기 모드 3 (20~35 MW)에서 약 65 ppm 전후의 NO2 (yellow plume)가 발생되었고, 모드 6B (40~45 MW)에서 연소진동이 측정되었다. 이러한 연소진동과 yellow plume 현상의 원인규명 및 저감을 위하여 모형 덤프 연소기 설계를 시도하였다.
(2) 연소진동 현상에서 실연소기 출력 증가에 따라 최고 강도 주파수 (140 Hz)가 변하지 않았다. 이는 연소기 내부에서 일어나는 hot flow 현상이 아니라 노즐 출구이전의 cold flow 현상으로 생각된다.
본 연구에서는 실연소기에서의 연소진동 주파수를 분석한 결과 cold flow에서의 저주파 특성을 지니는 것으로 나타났으며 연소실 이전의 공기 공급부의 빈 공간(plenum)에서의 고유 주파수와 일치함을 알 수 있었다. 이러한 실 연소기의 특성을 반영하여 기존의 덤프형 연소기에 plenum을 추가하도록 개념설계 하였다(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈의 특징은 무엇인가?	가스터빈은 고효율, 저공해 기관으로 항공부문에서부터 산업현장에 이르기까지 다양한 용도로 활용되고 있다. 그리고 재질과 기술의 발달로 압축기 출구압력(~40 bar)과 연소실 온도(~1350℃)가 꾸준히 상승되고 있으며, 대표적인 배기배출물인 NOx 또한 저감기술의 발달로 보다 엄격해지고 있는 환경기준에 대응하여 점차 줄어드는 추세이다 [1,2].
	발전용 가스터빈의 특징은 무엇인가?	발전용 가스터빈은 항공용 가스터빈에 비하여 상대적으로 크기가 크고 주로 기체연료(LNG)를 사용하고 있으며 급격한 운전조건의 변화가 적다. 또한 공기의 압축비가 상대적으로 작으며(약 15 bar) 회전수(3,600 rpm)가 고정되어 있다.

참고문헌 (19)

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상세보기
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