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문제 정의
- 본 연구에서 모드 분석의 정확도를 높이기 위한 방법으로 FFT 결과를 적용해 보았다. 연소불안정 분석과정에서 각 지점에서 계측된 압력섭동의 경우 가장 주요한 불안정 주파수 이외에 정수배 및 다양한 불안정의 섭동이 합쳐진 결과이다.
- 본 연구에서는 GE7EA 1/3 축소형 연소기에서 H2/CH4/CO 연료조성의 합성가스 연소 시험을 수행하였다. 연료 성분 중 CH4의 경우 실제 IGCC 플랜트에서 가스터빈 초기 기동 시 점화 및 저부하 영역까지 운전을 담당하게 된다.
- 연료 성분 중 CH4의 경우 실제 IGCC 플랜트에서 가스터빈 초기 기동 시 점화 및 저부하 영역까지 운전을 담당하게 된다. 즉 연료 변환 과정이 합성가스 가스터빈 운용과정에서 필수적이며 H2/CH4/CO 연료 조성 변화에 따른 화염의 불안정 특성에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 5와 같다. 1개의 압력센서에서 계측한 동압정보를 바탕으로 FFT 그래프를 획득하였으며 주파수 섭동의 세기를 바탕으로 1st , 2nd Peak 주파수를 그래프에 표시하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 동압정보 계측 위치에 상관없이 모든 지점에서 741 Hz, 1482 Hz 가 1st , 2nd Peak으로 계측되는 것을 확인할 수 있었으며, 압력센서의 계측 위치 변화에 따라 주파수 간의 상대적인 크기 비율이 변하는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 40kW 입열량 조건에 대하여 불안정 주파수를 기준으로 세 가지 연소불안정 영역을 분류하였고 각 조건에 대하여 FFT 및 모드분석을 수행하였다. 또한 FFT결과를 바탕으로 불안정 모드를 예측하였으며 case 1의 경우 3rd half wave mode, case 2의 경우 4th half wave mode 그리고 case 3의 경우 6th half wave mode를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
- 연소불안정 주파수에 대한 상세분석을 위하여 불안정 조건에서 각 압력센서 데이터에 대한 FFT 분석 및 RMS 동압 값을 바탕으로 모드 분석을 수행하였다. 40 kW 부하 조건에 대한 분석을 수행하였으며 세가지 연소불안정 영역을 대표할 수 있도록, 각 영역에서 가장 큰 압력섭동을 나타내는 조건을 선택하여 상세 분석을 수행하였다. 선택된 각 조건에 대한 세부 정보는 아래 Table 2에서 확인할 수 있다.
- 02 kg/s로 고정하였으며 연료의 입열량이 일정한 조건에서 합성가스 조성을 바꾸어가며 일정한 길이의 연소기에서 연소시험을 수행하였다. 40 kW와 50 kW 두 가지 입열량에 대한 연소시험을 수행하였으며 부하 증가에 따른 연소불안정 영역 변화를 확인하였다. 추가적으로 연소불안정 조건에 대한 모드분석을 수행하였으며 전체 불안정 조건에 대하여 불안정 주파수, 온도 변화의 상관관계를 확인하였고, 연료 중 수소비율증가에 따른 연소불안정 주파수 천이현상을 확인하였다.
- 합성가스 연소특성에 대한 연구를 수행하기 위하여 모형가스터빈 연소기를 제작하였다. GE7EA 연소기를 1/3 스케일로 축소하여 제작하였으며, 연료 노즐의 경우 실제 연소기의 연료노즐의 복잡한 파트를 간략화 하였고 부분 확산화염 방식으로 연소기를 제작하였다. 특히 연료는 직경 1.
- 연료조성변화에 따른 연소 특성을 확인하기 위하여 40 kW와 50 kW 입열량 조건에 대한 연소시험을 수행하였다. 덤프면에 설치된 세번째 동압센서에서 획득한 압력섭동의 RMS값을 바탕으로 45개의 실험 결과를 등고선 지도로 Fig. 3에 도시하여 연료 조성변화에 대한 압력 변화 추이를 확인해 보았다. 그림에서 점선으로 표시된 부분이 연소불안정으로 판단한 영역이며 부하가 증가함에 따라 불안정 세기가 강해지고 연소불안정영역 또한 넓어지는 것을 확인 할 수 있다.
- 음향학적 특성을 확인하기 위하여 연소실 전단에는 오피리스를 절치하여 음향학적 경계조건을 설정하였다. 또한 연소실 후단에 이동가능하며 연소기 단면적의 88%를 막는 플러그노즐을 장착하여, 연소실 길이를 1110 mm ~ 1410 mm까지 변경이 가능하도록 구성하였다. 화염가시화를 위하여 130 × 143.
- 7 × 200 mm의 석영유리관을 설치하였으며 석영 유리관 후단에는 이중관 구조의 wtaer cooling 파트를 설치하여 국소적 과열로 인한 석영유리관 파손 및 열 손상을 방지하고자 하였다. 또한 연소현상 계측을 위하여 PCB사의 102A05 동압센서 11개를 설치하였고, 4개의 K-type 열전대를 설치하여 화염안정화지도 및 연소특성 분석을 수행하였다. 센서위치 및 연소기 구성에 대한 상세정보는 오른쪽의 Fig.
- H2, CO, CH4, CO2, N2, C3H8 6가지 가스를 공급할 수 있도록 구성하였으며, 상기 가스 중 N2와 CO2의 경우 향후 희석제에 따른 연소특성 변화에 대한 연구에 활용될 예정이다. 본 실험에서는 H2, CH4, CO 3가지 가스를 사용하여 연소시험을 수행하였으며, 각각의 유량의 경우 MFC를 이용하여 제어하며, RS-232통신이 가능한 제어 모듈을 장착하여 자동유량 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 일반적인 가스터빈의 연소실의 경우 공기압축 과정에서 단열압축으로 인하여 공기온도가 상승하게 되며 그 온도는 일반적으로 700K정도로 공급된다[9]. 본 연구에서는 축소형 연소기의 한계 및 H2연료를 사용하는 위험성을 고려하여 연소기로 공급되는 공기를 473.15 K로 가열하여 연소시험을 수행 하였다. 연소실길이의 경우 1410 mm 조건에서 연소시험을 수행하였으며 공기공급 유량 또한 0.
- 실험과정에서 공기공급유량을 0.02 kg/s로 고정하였으며 연료의 입열량이 일정한 조건에서 합성가스 조성을 바꾸어가며 일정한 길이의 연소기에서 연소시험을 수행하였다. 40 kW와 50 kW 두 가지 입열량에 대한 연소시험을 수행하였으며 부하 증가에 따른 연소불안정 영역 변화를 확인하였다.
- 연료조성변화에 따른 연소 특성을 확인하기 위하여 40 kW와 50 kW 입열량 조건에 대한 연소시험을 수행하였다. 덤프면에 설치된 세번째 동압센서에서 획득한 압력섭동의 RMS값을 바탕으로 45개의 실험 결과를 등고선 지도로 Fig.
- 연료조성의 경우 Fig. 2에서 나타나 있는 것과 같이 각 입열량에 대하여 45가지 조건에 대하여 실험을 수행하였으며 연료 조성의 경우 12.5%씩 바꾸어 가며 실험 하였다. 아래 그림에서 표시된 실험 조건의 경우 H2 25%, CH4 50%, CO 25% 연료 조성을 나타내며 나머지 실험조건 또한 같은 방법으로 확인 할 수 있다.
- 연소불안정 주파수에 대한 상세분석을 위하여 불안정 조건에서 각 압력센서 데이터에 대한 FFT 분석 및 RMS 동압 값을 바탕으로 모드 분석을 수행하였다. 40 kW 부하 조건에 대한 분석을 수행하였으며 세가지 연소불안정 영역을 대표할 수 있도록, 각 영역에서 가장 큰 압력섭동을 나타내는 조건을 선택하여 상세 분석을 수행하였다.
- 연소불안정 현상에 대하여 정량적으로 확인해보기 위하여 40 kW 입열량 조건에 대하여 압력 섭동 및 FFT를 통한 Peak 주파수를 확인하여 Fig. 4 (a)와 같이 정리하여 보았다. 일반적으로 연소불안정의 판단기준은 평균압력의 5% 압력 섭동이며, 발전용 가스터빈에서는 안전을 고려하여 약 2%내외로 정하고 있다[10].
- 15 K로 가열하여 연소시험을 수행 하였다. 연소실길이의 경우 1410 mm 조건에서 연소시험을 수행하였으며 공기공급 유량 또한 0.02 kg/s로 고정하였고 40 kW와 50 kW 두 가지 입열량 조건에 대하여 H2/CH4/CO 세 가지 연료의 조성을 일정한 입열량 조건을 만족할 수 있도록 바꾸어 가며 연소시험을 수행하였다.
- 7 mm 14개의 홀을 통해서 공급되며 연료 공기의 혼합 길이는 3 mm이다. 음향학적 특성을 확인하기 위하여 연소실 전단에는 오피리스를 절치하여 음향학적 경계조건을 설정하였다. 또한 연소실 후단에 이동가능하며 연소기 단면적의 88%를 막는 플러그노즐을 장착하여, 연소실 길이를 1110 mm ~ 1410 mm까지 변경이 가능하도록 구성하였다.
- 40 kW와 50 kW 두 가지 입열량에 대한 연소시험을 수행하였으며 부하 증가에 따른 연소불안정 영역 변화를 확인하였다. 추가적으로 연소불안정 조건에 대한 모드분석을 수행하였으며 전체 불안정 조건에 대하여 불안정 주파수, 온도 변화의 상관관계를 확인하였고, 연료 중 수소비율증가에 따른 연소불안정 주파수 천이현상을 확인하였다.
- 가스실에서 공급된 가스는 static mixer를 이용하여 균일하게 혼합되어 연소기로 공급되며, 안전을 위하여 가연성 가스공급라인에는 역화방지기를 설치하였다. 특히 가스 누설의 위험이 있는 가스 혼합기, 가스실, 연소기에는 가스감지기를 설치하여 안전한 환경에서 실험을 수행할 수 있도록 하였다.
- 합성가스 연료조성 변화에 따른 연소불안정 특성을 파악하기 위하여 일정한 연소실 길이, 온도 및 공기유량 조건에서 연소시험을 수행하였으며 각 조건에 대한 연소불안정 주파수 분석 및 모드 분석을 수행하였으며 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 합성가스 연소특성 연구를 위하여 가스 혼합 및 공급 설비를 구축하였다. H2, CO, CH4, CO2, N2, C3H8 6가지 가스를 공급할 수 있도록 구성하였으며, 상기 가스 중 N2와 CO2의 경우 향후 희석제에 따른 연소특성 변화에 대한 연구에 활용될 예정이다.
- 합성가스 연소특성에 대한 연구를 수행하기 위하여 모형가스터빈 연소기를 제작하였다. GE7EA 연소기를 1/3 스케일로 축소하여 제작하였으며, 연료 노즐의 경우 실제 연소기의 연료노즐의 복잡한 파트를 간략화 하였고 부분 확산화염 방식으로 연소기를 제작하였다.
- 화염가시화를 위하여 130 × 143.7 × 200 mm의 석영유리관을 설치하였으며 석영 유리관 후단에는 이중관 구조의 wtaer cooling 파트를 설치하여 국소적 과열로 인한 석영유리관 파손 및 열 손상을 방지하고자 하였다.
대상 데이터
- 연소실 압력섭동 정보는 덤프면에 위치한 세번째 동압센서의 값을 이용하였으며 온도정보의 경우 연소실에 설치된 TC2 지점의 값을 이용하였다. 각 센서의 위치에 대한 정보는 Fig.
성능/효과
- 1) 입열량이 증가함에 따라 연소불안정 영역이 증가하며 연소불안정 세기 또한 강해지는 경향을 확인할 수 있으며 CO 비율이 낮은 연료 조성, 즉 H2/CH4비율이 높은 연료 조성에서 연소불안정 현상이 발생하였다. 본 결과를 바탕으로 할 때에 실제 가스터빈을 다양한 연료조건에서 운용하는 경우 연료 천이과정에서 연소불안정이 발생할 위험이 높으며 이를 해결하기 위한 회피 프로세스가 필요함을 확인할 수 있었다.
- 50 kW 입열량 조건에 대하여 동일한 분석을 Fig 4 (b)와 같이 수행하였으며 그 결과 40 kW와 다르게 1500 Hz 대역의 불안정이 발생하지 않았으며 CH4 비율이 높은 연료 조성에서 750 Hz 대역의 불안정, H2 비율이 높아짐에 따라 1000 Hz 대역의 불안정이 발생하는 동일한 경향을 확인할 수 있었다.
- Table 2에 정리된 세 가지 조건에 대하여 연소실에서 계측된 불안정 주파수의 모드를 예측하였으며, 실제 계측된 온도 및 연소실 길이를 바탕으로 이론적으로 예상되는 불안정 주파수를 계산하여 실제 압력섭동을 통하여 계측한 불안정 주파수와 아래 Table 3과 같이 비교하여 보았다 계측값을 이용하여 계산된 불안정 주파수의 경우, 실제 압력센서에서 계측 된 값에 비하여 낮게 계산되는 것을 확인할 수 있었으며 주파수 차이는 4 Hz~39 Hz 정도 범위였다. 계측된 온도가 연소실 한 지점에 대한 값인 점을 고려하면, 각 조건에 대한 모드를 잘 파악하였으며 불안정 주파수 또한 근사하게 예측 할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 1개의 압력센서에서 계측한 동압정보를 바탕으로 FFT 그래프를 획득하였으며 주파수 섭동의 세기를 바탕으로 1st , 2nd Peak 주파수를 그래프에 표시하였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 동압정보 계측 위치에 상관없이 모든 지점에서 741 Hz, 1482 Hz 가 1st , 2nd Peak으로 계측되는 것을 확인할 수 있었으며, 압력센서의 계측 위치 변화에 따라 주파수 간의 상대적인 크기 비율이 변하는 것을 확인할 수 있었다.
- 6의 (a) 그래프를 얻었으며 덤프면에 위치한 세 번째 압력센서 위치의 RMS 압력섭동의 크기를 기준으로 3rd half wave 모드를 연소실 길이에 맞게 도시한 결과 그림 (a)의 실선으로 나타났다. 두 값을 비교한 결과 실제 계측된 연소실 RMS 압력섭동이 이론적으로 예측한 연소실 내부 압력 변화, 즉 실선과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉 case 1의 경우 종방향 모드 중 3rd half wave 모드라는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 40kW 입열량 조건에 대하여 불안정 주파수를 기준으로 세 가지 연소불안정 영역을 분류하였고 각 조건에 대하여 FFT 및 모드분석을 수행하였다. 또한 FFT결과를 바탕으로 불안정 모드를 예측하였으며 case 1의 경우 3rd half wave mode, case 2의 경우 4th half wave mode 그리고 case 3의 경우 6th half wave mode를 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 즉 기존의 연소불안정 현상이 대부분 길이방향에 대한 1st half wave mode를 만족시키던 것에 비하여 연료 조성의 변화로 인하여 동일한 불안정 음향모드 안에서 높은 차수의 고주파 연소불안정이이 발생하는 현상을 확인 할 수 있었다.
- 그림에서 점선으로 표시된 부분이 연소불안정으로 판단한 영역이며 부하가 증가함에 따라 불안정 세기가 강해지고 연소불안정영역 또한 넓어지는 것을 확인 할 수 있다. 또한 대부분의 연소불안정은 H2/CH4 비율이 높은 조성의 연료 구간에 발생하는 것을 확인하였으며 그림에서 연료조성 중 CO 비율이 높아짐에 따라 점차적으로 감소하는 경향을 확인하였다. 상기 연구 결과를 실제 시스템을 고려하여 적용해 보면, IGCC 발전소의 경우 초기 점화의 경우 CH4를 이용하여 수행하게 되며 H2/CO의 합성가스로 연료조성을 변화시키게 된다.
- 비율이 높은 연료 조성에서 연소불안정 현상이 발생하였다. 본 결과를 바탕으로 할 때에 실제 가스터빈을 다양한 연료조건에서 운용하는 경우 연료 천이과정에서 연소불안정이 발생할 위험이 높으며 이를 해결하기 위한 회피 프로세스가 필요함을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서도 동일한 경향을 확인하였으며 특히 연소 중 H2 비율을 바탕으로 분석을 수행한 결과 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 H2 비율이 증가함에 따라 연소불안정 주파수가 증가하는 경향이 40 kW와 50 kW 전체 입열량 영역에서 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 전체 실험은 동일한 연소실 길이에서 수행되었기 때문에 수소 비율의 증가가 화염의 속도 및 화염구조에 영향을 미치게 되어 연소실 온도와 별개로 연소 불안정 주파수 변화에 영향을 끼치는 것으로 생각된다.
- 8 과 같이 도시하였다. 부하 조건에 따라 40 kW의 경우 연소실 온도가 상대적으로 낮기 때문에 그래프의 왼쪽 아래 부분에 형성되는 것을 확인하였고 50 kW조건의 불안정의 경우 오른쪽 위쪽으로 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
- 각 조건에 대한 주파수 분석을 수행한 결과 750 Hz, 1000 Hz 및 1500 Hz 세 영역으로 나눌 수 있었다. 연료 조성을 바탕으로 상기 영역을 분류하면, 연료 중 CH4 비율이 높은 구간에서 750 Hz 대역의 상대적으로 낮은 주파수가 확인되었으며 점차적으로 H2 비율이 높아짐에 따라 연소불안정 주파수가 높아지는 현상을 확인할 수 있었다.
- 또한 FFT결과를 바탕으로 불안정 모드를 예측하였으며 case 1의 경우 3rd half wave mode, case 2의 경우 4th half wave mode 그리고 case 3의 경우 6th half wave mode를 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 즉 기존의 연소불안정 현상이 대부분 길이방향에 대한 1st half wave mode를 만족시키던 것에 비하여 연료 조성의 변화로 인하여 동일한 불안정 음향모드 안에서 높은 차수의 고주파 연소불안정이이 발생하는 현상을 확인 할 수 있었다. 추가적으로 모드 분석과정에서 목표 주파수의 주파수 도메인의 진폭을 활용하는 경우 RMS 값을 통한 분석보다 이론적인 예측값과 유사함을 확인하였다.
- 즉 기존의 연소불안정 현상이 대부분 길이방향에 대한 1st half wave mode를 만족시키던 것에 비하여 연료 조성의 변화로 인하여 동일한 불안정 음향모드 안에서 높은 차수의 고주파 연소불안정이이 발생하는 현상을 확인 할 수 있었다. 추가적으로 모드 분석과정에서 목표 주파수의 주파수 도메인의 진폭을 활용하는 경우 RMS 값을 통한 분석보다 이론적인 예측값과 유사함을 확인하였다.
후속연구
- 3) 전체 불안정 조건에 대하여 연소불안정 주파수 및 연소실 온도에 대하여 도시한 결과 연료 중 수소비율이 증가함에 따라 연소불안정 주파수가 증가하는 경향을 발견하였으며, 그 원인에 대하여 추가적인 분석을 수행할 예정이다.
- 합성가스 연소특성 연구를 위하여 가스 혼합 및 공급 설비를 구축하였다. H2, CO, CH4, CO2, N2, C3H8 6가지 가스를 공급할 수 있도록 구성하였으며, 상기 가스 중 N2와 CO2의 경우 향후 희석제에 따른 연소특성 변화에 대한 연구에 활용될 예정이다. 본 실험에서는 H2, CH4, CO 3가지 가스를 사용하여 연소시험을 수행하였으며, 각각의 유량의 경우 MFC를 이용하여 제어하며, RS-232통신이 가능한 제어 모듈을 장착하여 자동유량 제어가 가능하도록 구성하였다.
- 연소불안정 분석과정에서 각 지점에서 계측된 압력섭동의 경우 가장 주요한 불안정 주파수 이외에 정수배 및 다양한 불안정의 섭동이 합쳐진 결과이다. 즉 분석과정에서 목표로 하는 불안정 주파수에 대한 섭동의 경향을 확인하기 위해서는 FFT 결과에서 목표 주파수의 진폭을 활용할 수 있을 것으로 예상하였다. Fig.
- 전체 실험은 동일한 연소실 길이에서 수행되었기 때문에 수소 비율의 증가가 화염의 속도 및 화염구조에 영향을 미치게 되어 연소실 온도와 별개로 연소 불안정 주파수 변화에 영향을 끼치는 것으로 생각된다. 향후 연구 과정에서 상기 조건에 대한 화염가시화와 같은 추가적인 실험을 통한 정성적인 분석 및 연료조성 변화에 따른 화염속도 비교와 같은 정량적인 분석을 수행할 예정이다.
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