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문제 정의
- . 상승된 화염온도에 의해 추가적으로 발생되는 Thermal NOx의 배출량을 배기 규제치(20ppm @ O2 15%)에 맞추기 위한 연구를 진행하였다.
- 3,4)에서 50%까지 수소함량에 따른 화염의 형상에 대한 연구를 진행한바 있다. 하지만 본 연구에서는 합성천연가스의 규격을 정해 법제화하기 위한 기초 연구로 수소함량 0~5%내외의 좁은 영역에서 수소가 가스터빈 연소특성에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 전력연구원에서는 합성천연가스의 수소함량이 가스터빈 연소에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하기 위해 합성천연가스의 수소함량에 따른 화염안정화 구간 변화 및 출력과 배기성능을 비교하였다.
제안 방법
- 연소기 후단의 온도는 k-type 다점온도센서를 이용하여 온도분포를 측정하였다. 그리고 연소 후 배기가스의 조성분석을 위해 전기화학식 가스분석법을 적용한 Testo社의 배기가스 분석장비(TESTO 360)를 이용하여 CO, CO2, NOx, UHC등을 측정하였다. 연소기 내부 동압 특성은 PCB社 106B 모델을 사용하여 20kHz로 동압신호를 샘플링하였다.
- 그리고 연소기로 공급되는 연료는 메인(main)과 파일럿(pilot)으로 나누어 공급 가능하도록 설계되었다. 합성천연가스의 유량계측 및 제어기, 배기가스냉각용 살수장치, 상압연소기, 제어시스템, 외부의 스택(stack)으로 시스템은 구성되어 있다.
- 9% 이상 수준이다. 배기가스중의 산소의 양을 계측하여 O2 15%로 보정한 NOx 데이터를 비교 분석에 활용하였다.
- 본 연구를 통해 합성천연가스의 조성이 가스터빈 연소에 미치는 영향을 예혼합 모델연소기를 이용하여 연구를 수행하고, 합성천연가스의 수소함량 변화 따른 화연안정화 구간 변화 및 출력과 배기성능을 비교하였다.
- 실제 가스터빈의 경우 기저부하(base load)조건에서 압축기 회전수가 일정하 일부 터빈냉각을 위해 추기되는 양을 제외하고 동일한 연소용 공기가 연소기 및 라이너로 공급되어진다. 본 연소기의 경우 라이너를 통한 냉각용 공기의 흐름이 차단된 형태로 부하조건에 따른 배기배출 특성을 논하기보다는 실제 연소에 사용된 공급 공기량과 당량비를 이용하여 NOx 배출특성을 비교하였다. 일산화탄소 배출량은 1ppm 수준으로 연소효율은 99.
- 합성천연가스의 수소함량이 증가할 경우 입열량이 동일하더라도 수소의 단열 화염온도가 160℃(수소:2,210K, 메탄:1,950K) 이상 높아 출력 및 배기성능에 미치는 영향을 평가하였다. 상승된 화염온도에 의해 추가적으로 발생되는 Thermal NOx의 배출량을 배기 규제치(20ppm @ O2 15%)와 비교하였다.
- 셋째, 수소의 낮은 부피당 발열량으로 인해 프로판으로 열조하여 발열량을 맞추고, 입열량(heat input)을 변화시키며, 수소함량이 다른 연료의 연소 시 연소불안정에 의한 연소 동압의 크기를 비교하였다.
- 수소의 낮은 부피당 발열량으로 인해 프로판을 첨가하여 발열량을 맞추고, 입열량(heat input) 변화 시 수소 함량 변화에 따른 연소 동압의 크기를 비교하였다. 연소동압(dynamic pressure)의 경우 연소기 덤프면(dump plane)에 동압센서를 장착하고, 20kHz로 동압신호를 취득하여 RMS 평균한 값을 저장한다.
- 실제 can-annular 형식의 가스터빈 연소기의 배기구 형상은 transition piece후단이 부분 방사형이나 시험설비 및 계측장비 제작의 용이성을 고려하여 원형관으로 제작하고, 원형좌표계가 아닌 직교좌표계로 구성된 출구온도분포를 측정하였다. 이는 실제 pattern factor를 구하는 방법과는 다소 차이가 있으나 본 실험에서는 수소함량에 따른 배기부 출구온도의 분포 변화의 정도를 확인하는데 의의를 두기에 그 정성적인 경향만을 파악하기에는 충분한 정보를 파악할 수 있는 설비 구성이라 할 수 있다.
- 1에서와 같이 공기 압축기, 공기저장탱크, 공기예열기, 냉각 및 연소용 공기공급라인이 설치되어 있다. 연소기 후단의 온도는 k-type 다점온도센서를 이용하여 온도분포를 측정하였다. 그리고 연소 후 배기가스의 조성분석을 위해 전기화학식 가스분석법을 적용한 Testo社의 배기가스 분석장비(TESTO 360)를 이용하여 CO, CO2, NOx, UHC등을 측정하였다.
- 하지만 본 연구에서는 합성천연가스의 규격을 정해 법제화하기 위한 기초 연구로 수소함량 0~5%내외의 좁은 영역에서 수소가 가스터빈 연소특성에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 전력연구원에서는 합성천연가스의 수소함량이 가스터빈 연소에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하기 위해 합성천연가스의 수소함량에 따른 화염안정화 구간 변화 및 출력과 배기성능을 비교하였다.
- 첫째, 수소의 빠른 화염전파속도에 따른 영향을 평가 하기위해 SNG내의 수소의 함량은 0%에서 1%, 3%, 5%까지 증가 시키며, 수소화염에 의한 역화(Flashback)현상과 저 당량비 조건에서의 날림에 의한 소염한계(blow-off extinction limit) 변화를 연구하였다.
- 실험용 표준가스를 부피기준으로 연료를 일정량씩 증가시키며 실험을 진행하였고, 연소기의 경우 메인과 파이럿으로 구분하여 공급이 가능하며, 이러한 비율차이에 따른 출력 빛 배기성능의 차이가 존재한다7). 하지만 본 실험에서는 예혼합 연료 공급조건을 모사하여 합성천연가스의 수소함량의 영향을 평가하기위해 파이럿 연료는 점화 시에만 공급하도록 하여 시험하였다. 흡기온도 조건은 표준조건(15℃, 1기압)의 대기 상태를 모사한 실험을 수행하였다.
- 합성천연가스의 가스터빈 연소 시 화염의 정적안정성을 평가하기 위해 수소의 함량 변화에 따른 역화 및 소염 구간을 당량비 기준으로 확인 하였다. Fig.
- 합성천연가스의 수소함량이 증가할 경우 입열량이 동일하더라도 수소의 단열 화염온도가 160℃(수소:2,210K, 메탄:1,950K) 이상 높아 출력 및 배기성능에 미치는 영향을 평가하였다. 상승된 화염온도에 의해 추가적으로 발생되는 Thermal NOx의 배출량을 배기 규제치(20ppm @ O2 15%)와 비교하였다.
- 하지만 본 실험에서는 예혼합 연료 공급조건을 모사하여 합성천연가스의 수소함량의 영향을 평가하기위해 파이럿 연료는 점화 시에만 공급하도록 하여 시험하였다. 흡기온도 조건은 표준조건(15℃, 1기압)의 대기 상태를 모사한 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- Table 2와 같이 SNG의 조성 중 수소함량 변화가 가스터빈 연소 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수소함량이 다르고 발열량이 같은 표준가스를 제조하여 실험에 사용하였다. 실험용 표준가스를 부피기준으로 연료를 일정량씩 증가시키며 실험을 진행하였고, 연소기의 경우 메인과 파이럿으로 구분하여 공급이 가능하며, 이러한 비율차이에 따른 출력 빛 배기성능의 차이가 존재한다7).
- 실험용 연소기의 경우 예혼합 모델 연소기를 사용하였고, 상세 사양은 Table 1 및 Fig. 2에 제시하였다. 예열된 공기는 스월러 후단에서 연료와 혼합되어 85mm의 혼합구간(Mixing length)을 거쳐 연소영역(Combustion chamber)으로 공급된다.
- 그리고 연소 후 배기가스의 조성분석을 위해 전기화학식 가스분석법을 적용한 Testo社의 배기가스 분석장비(TESTO 360)를 이용하여 CO, CO2, NOx, UHC등을 측정하였다. 연소기 내부 동압 특성은 PCB社 106B 모델을 사용하여 20kHz로 동압신호를 샘플링하였다.
- 합성천연가스의 연소특성 실증실험에 필요한 실험가스 조성은 석탄-SNG 품질기준 공동연구 추진단에서 제공한 가스를 사용하였다. Table 2와 같이 일반 천연가스를 비교대상 표준가스 정하고, 연소용 가스의 조성은 수소의 함량을 증가시키되 저위발열량을 일정하게 유지하기 위해 부피당 발열량이 높은 프로판으로 발열량 같도록 제조하였다.
이론/모형
- 가스터빈 설계 시 터빈 출구 측 열 구배 성능(thermal gradient performance)을 정량화하기 위하여 Fig. 3과 같이 상온에서 1200℃까지 측정 가능한 k-type 다점 온도센서를 설치하고, 16포인트에서의 온도 값으로 Pattern factor(PF)를 식 (1)과 같이 정의하여 평가에 활용하였다.
성능/효과
- 1) 수소함량 증가에 따라 lean blow out(희박날림)이 발생하는 당량비 한계가 낮아져서 낮은 당량비에서의 안정연소 구간이 확대되었으나, 역화현상에 있어서는 천연가스 보다 더 낮은 당량비에서 발생하여 정적화염안정화 구간이 0.03~0.05 정도 좌측으로 이동하였다. 즉 전체적으로 천연가스 내에 수소의 함량증가는 정적 연소안정 구간의 낮은 당량비 쪽으로 이동시켰다.
- 2) 합성천연가스의 수소함량이 5%수준까지는 터빈 입구온도, pattern factor, 연소진동 및 NOx 등 유해 배기가스에 미치는 영향은 매우 미미 했다.
- 합성천연가스의 가스터빈 연소 시 화염의 정적안정성을 평가하기 위해 수소의 함량 변화에 따른 역화 및 소염 구간을 당량비 기준으로 확인 하였다. Fig. 4에서와 같이 연소기로 공급되는 공기 유량이 600 SLPM에서 1,000 SLPM 구간에서 천연가스와 수소함량이 다른 모사 합성천연가스의 소염구간은 일정한 경향을 갖고 확장됨을 확인하였다.
- 결론적으로, 수소함량의 증가는 반응속도를 개선하고, 공기의 공급유량증가는 난류에 의한 혼합 시간 스케일을 줄여 희박소염구간 당량비 한계 값이 낮아지는 결과를 확인할 수 있다. 이는 정적안정성 측면에서 수소첨가에 따른 소염구간 확대는 긍정적인 영향이지만, 수소의 빠른 화염 점파 속도에 의한 역화현상은 반대로 운전범위를 제한할 수 있다.
- 둘째, SNG에 수소함량이 증가할 경우 입열량이 동일하더라도 단열 화염온도가 160℃(수소:2,210K, 메탄:1,950K) 이상 높아 출력 및 배기성능에 미치는 영향이 달라진다8). 상승된 화염온도에 의해 추가적으로 발생되는 Thermal NOx의 배출량을 배기 규제치(20ppm @ O2 15%)에 맞추기 위한 연구를 진행하였다.
- 둘째, 공급되는 공기(산화제)의 절대량이 증가 할수록 희박소염구간이 확대된다. 이는 공기유량 증가에 따른 혼합기의 동일당량에서의 열량 증가로 인한 효과와 혼합 강도 증가로 희박소염구간이 확대된 것으로 판단된다.
- 5는 수소함량 5% 연료와 천연가스의 소염한계 및 역화 발생구간을 보여준다. 수소함량이 5%로 증가할 경우 소염한계는 확대 되지만, 역화로 인한 운전 범위가 제한됨을 확인하였다. 즉, 수소를 포함한 연료의 화염 정적안정화 구간은 당량비-air flow rate 평면상에서 좌측으로 이동하는 경향이 있음을 확인하였다.
- 10에서와 같이 공기유량이 일정할 경우 수소 함량이 5%까지 다른 연료를 동일한 입열량 조건으로 공급하여 연소시킬 경우 연소불안정에 의한 동압의 크기 변화는 없는 결과를 보였다. 입열량이 변화에 따른 동압특성은 쿼츠 튜브로 이루어진 연소기의 특성에 따라 변화는 있으나, 동일한 입열량 조건에서는 신뢰도 95%수준에서 서로 다르다고 할 수 없는 수준의 결과를 보였다.
- 수소함량이 5%로 증가할 경우 소염한계는 확대 되지만, 역화로 인한 운전 범위가 제한됨을 확인하였다. 즉, 수소를 포함한 연료의 화염 정적안정화 구간은 당량비-air flow rate 평면상에서 좌측으로 이동하는 경향이 있음을 확인하였다.
후속연구
- 3) 본 연구를 통해 수소함량 1~5%를 가지는 합성천연가스의 예혼합 형태의 가스터빈에서 안정적 연소가 가능함을 확인하였고, 추가적으로 장기운전 실증을 거쳐 포스코 광양 SNG 플랜트로부터 생산되는 연료가스를 이용하여 가스터빈 발전이 가능할 것으로 예상된다.
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